JPH02201864A

JPH02201864A - 熱陰極形蛍光ランプ

Info

Publication number: JPH02201864A
Application number: JP2055889A
Authority: JP
Inventors: Katsuhide Misono; 御園　勝秀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-01-30
Filing date: 1989-01-30
Publication date: 1990-08-10
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH0787090B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は長期点灯しても始動特性が良好で放電が安定な
熱陰極形蛍光ランプに関する。

（従来の技術）近年、液晶表示装置がＡＶ製品、事務用機器（ＯＡ機器
）をはじめ多くの機器に広く使われている。特に、ポー
タプル液晶カラーテレビジョンは新製品の開発が相次い
でおり、その需要が日毎に増大している。このような液
晶表示装置において、液晶自体は発光しないので、液晶
素子を背後から照明するバックライトを必要とし、その
光源として消費電力、輝度、色再現性などの点から蛍光
ランプが一般に用いられている。

しかして、蛍光ランプの放電形態としては冷陰極グロー
放電と熱陰極アーク放電とがある。前者は長寿命である
が陰極降下損失が大きく、発光効率が悪い。また、後者
は冷陰極に比べると寿命は短いが、陰極降下損失が小さ
く、発光効率が良好である。ところで、ポータプル液晶
テレビジョンは携帯性を考えて電池駆動を採用している
ので。

バックライトの消費電力は小さいほど望ましく、そのた
め熱陰極形蛍光ランプが魅力的である。それにもかかわ
らず、従来、熱陰極形蛍光ランプは寿命に問題があるた
め、現在まであまり実用化されていない、この点につい
て、たとえば、照明学会、デイスプレー用材料・デバイ
ス研究調査委員会の報告書（昭和６３年３月）にバック
ライト用冷・熱陰極形蛍光ランプに関する詳しい報告が
記載されている。

そこで、本発明者は先に５０ｍＡ以下の小電流で動作さ
せる熱陰極形蛍光ランプの寿命を改善するため、ランプ
の封入ガス圧（ｐ　Ｔｏｒｒ）と管径（ｄ　ａｍ）とに
ついて種々研究と実験を重ねた結果、ｐｄ≧１３なる関
係を満足すれば、フィラメント細線の線径の広い範囲に
おいて、陰極輝点を充分な高温に上昇させ、始動時にグ
ロー放電からアーク放電への移行を容易にしてエミッタ
の早期消耗と管壁黒化とを防止してランプ寿命を長くす
る効果があることを見出し、特願昭６３−１６３２８０
号として提案した。

（発明が解決しようとする課題）上記特願昭６３−１６３２８０号提案の熱陰極形蛍光ラ
ンプは、上述のとおり点灯初期の始動特性を改善して寿
命を長くする効果があるが、実用化して見ると、約数千
時間の寿命を要求されるバックライト用としては未だ不
充分であることが解った。たとえば、管内径ｄ＝６．５
ｍｍのランプにアルゴンをｐ　＝２０Ｔｏｒｒ封入すれ
ば、ｐｄ＝１３となって上記条件は満足される。しかし
、この蛍光ランプをランプ電流１５ｍＡで点灯すれば２
０００時間以上の平均寿命が得られるが、ランプ電流１
０ｍＡで点灯すれば１０００時間足らずで黒化しでしま
う。その理由は、点灯初期においてはエミッタ表面の状
態が良く仕事関数も低いので、グロー放電からアーク放
電への転移も良く、またアークも安定して維持されるが
、寿命とともにエミッタの表面が汚れ、仕事関数が高く
なり、グロー放電からアーク放電への転移あるいはアー
ク放電の安定性の維持が難しくなるためと考えられる。

この現象はＰｄが同じ値であってもランプ電流が小さい
ほど、またコイル線径が大きいほど顕著である。

そこで、本発明の課題は小さなランプ電流の熱陰極形蛍
光ランプにおいて、点灯初期から寿命末期に到るまで、
長期にわたり始動特性が良好で管壁黒化が少なく、長寿
命であるランプを提供することである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は小さいランプ電流の熱陰極形蛍光ランプの改良
に関し、請求項の第１は封入ガス圧（ｐ　Ｔｏｒｒ）　
　と管内径（ｄ　ｃｍ）および陰極降下電圧（ＶｋＶ）
の関係をＰｄ≧１３かつ、Ｖｋ≦１５としたことによって長期点灯しても始動特性が良好にな
るようにしたものである。また、請求項の第２はＰｄ＜１３ｖｋ≦１５かつ、（Ｖｋｌｏ）・ｐｄ≧７としたことにより、請求項第１の範囲外においても同じ
始動特性が得られるようにしたものである。

（作　用）前述した特願昭６３−１６３２８０号提案に記載したと
おり、ｐｄ≧１３を満足した低出力蛍光ランプはフィラ
メント細線の太さの広い範囲において、陰極輝点の温度
を高くして点灯時のグロー放電からアーク放電への移行
を容易にし、始動特性が良好になる。しかし、これだけ
では、長期点灯によって、エミッタ汚損による仕事関数
の上昇による始動困難を無くすることができない。そこ
で、エミッタ汚損の原因を調査したところ、封装された
金属部材からのスパッタ物質の付着によることが判明し
た。そこで、陰極降下電圧を小さくしたことにより、封
装金属部材からのスパッタを減少させ、エミッタの汚損
を防止できた。

さらに、Ｖｋとｐｄとが特定の関係にある場合、ｐｄ＜
Ｌ３の関係にあっても陰極輝点温度が高くなり、始動特
性が良好になることが判明し、Ｖｋを小さくした効果と
相持って長期点灯しても始動特性が良好になった。

（実施例）以下９本発明の詳細な説明する。

本発明者は熱陰極のメカニズムを検討していく過程で、
熱陰極の熱電子放出能率と陰極降下電圧の関係に着目し
た。すなわち、ランプ設計パラメータ（ランプ電流、封
入ガス圧、フィラメント細線径など。）にかかわらず、
正常な熱陰極は熱電子を充分に放出できる状態にあると
考えられるので、これは陰極降下電圧に直接反映される
。１９８８年ＩＥＳ大会講演ＮＱ２０によると、蛍光ラ
ンプにおける陰極降下部の特性は次式で近似できる。

１１＝ｉ、＋Ｉ。　　　　　　　　　　・・・（１）■
。＝Ｉｔｈ＋γ１．　　　　　　　　　・・・（２）Ｉ
よ＝Ｃ（ｖｋ−ｖＬ）１．・・・（３）ここで、■Ｌ二
ランプ電流　　Ｉ□：イオン電流工。二電子電流　　　
Ｉｂｈ　：熱電子電流γ：電電極電子放出係数ｖｋ：陰極降下電圧ｖ、：電離している気体の電離電圧Ｃ：ガスの種類によって定まる定数これらの式（１）、　（２）　、　（３）から陰極降下
電圧■うとＩｔｈ／１１との量系を求めると次式が得ら
れる。

■・＝Ｖ、十去・−り二ｈ工乙カニ　　・・・（４）Ｃ
γ十工□ｈ／Ｉｔ。

そして、この式（４）を図で示したものが第１図である
。図は横軸にＩｔｈ／ＩＬをとり、縦軸にＶｋをとった
ものである。この第１図から陰極の熱電子放出が良く、
Ｉｔｈ／ＩＬが１に近づけばＶ、はｖ１程度になり、反
対に、熱電子放出が悪く、Ｉｔｈ／Ｉ（−が小さい場合
にはＶｋが大きくなる。すなわち、　Ｖｋの値から陰極
の熱電子放出能力を推定でき、さらにＶｋと寿命試験と
の対応を付けることにより、適切な熱陰極を設計するこ
とができる。

以上の観点から９本発明者はランプの設計パラメータと
Ｖｋとの関係を調査し、この結果を第２図および第３図
に示す。第２図は管内径ｄが０　、６５ｃｍのものにア
ルゴンを種々の圧力ｐで封入し、種々のランプ電流ＩＬ
で直流点灯して陰極降下電圧へを測定したもので、横軸
にｐをＴｏｒｒの単位で、縦軸にｖｉｃをＶの単位でと
り、実線はＩＬ　＝　１０ｍＡ、破線はＩＬ＝１５ｍＡ
、−点鎖線はＩＬ　＝　２０ｍＡ、二点鎖線はＩＬ＝３
０ｍＡ、三点鎖線はＩＬ＝４０ｍＡのＶｋ特性をそれぞ
れ示す。また、第３図はアルゴン２０Ｔｏｒｒを封入し
た管内径０．６５ｃｍのランプでコイルフィラメントの
細線のＭＧ　（細線の長さ２００ｍｍ当りのｍｇ数）を
変化し、種々のランプ電流ＩＬで直流点灯して陰極降下
電圧Ｖｋを測定したもので、横軸に胚を１の単位で、縦
軸にｖｋをＶの単位でとり、実線はＩＩ　＝　１０ｍＡ
、破線はＩＬ＝１５ｍＡ、−点鎖線はＩＬ＝２０ｍＡ、
二点！ＩＡ線はＩＬ＝　３０ｍＡ、三点鎖線はＩＬ＝４
０ｍＡのＶｋ特性を示す、これらの図２．３からｖｋを
低く維持するためには、（１）封入ガス圧を高くする。

　　（２０Ｔｏｒｒ以上のＡ領域）（２）コイルフィラメント細線のＭＧを小さくする。

（３）ランプ電流がある値を境にしてＶｋが急に上昇す
る傾向があるので、この部分は熱陰極として充分動作し
ていないと考えられる。

このように、ランプの設計パラメータとｖｋとの関係が
明らかになった。

つぎに、Ｖｋと寿命との関係を調査した。この実験に用
いたランプの仕様を次表に示すとおりとし、エミッタは
総て０．３〜０　、５ｍｇを被着した。寿命試験は室温
で９０分点灯、１０分間消灯のサイクルで連続点滅し、
グロー放電からアーク放電へ転移できなくなったときを
寿命とした。この結果を次表に示す。

（以下余白）この表の結果を第４図に示す。図は横軸にＶｋをＶの単
位でとり、縦軸に寿命をＨｒの単位でとったものでｘ印
は表中のＸ印グループ、０印は表中の０印グループ、番
号は実験番号を示す。上記表および第４図からｐｄ≧１
３ＴＯｒｒ−Ｃ１１であってもｖｋ＞１５Ｖであるラン
プ（Ｎ（Ｌ２，４，５）は１０００Ｈｒ以下で電極近傍
の管壁が黒化し、ランプの放電はグロー放電となった。

そこで、このランプ（Ｎｃｉ２．４゜５）を破壊して電
極の状態を調査したところ、エミッタはまだ充分に残っ
ていたが、エミッタの表面が著しく黒化していた。そこ
で、このエミッタ黒化の原因を調査したところ、点灯初
期はエミッタの表面状態が良く、エミッションも良好で
グロー放電からアーク放電に移行しやすいが、陰極降下
電圧Ｖｋが大きいため、電極に電気的に接続した封装金
属部材たとえば内導線、フィラメントレグ部などが相対
的に放電しやすくなり、電子やイオンに衝撃されてスパ
ッタしてエミッタ表面にニッケルやタングステンが被着
し、点灯時間の進行とともにその表面状態が荒れ、エミ
ッタの仕事関数が高くなってエミッション能力が低下し
、これがさらにスパッタを加速するために寿命が低下す
るためと思われる。

これに対し、Ｐｄ≧１３Ｔｏｒｒ−ｃｍでかつＶ、≦１
５Ｖであるランプ（Ｎα３，７）は２０００時間以上の
寿命を示した。これはＶｋが小さいため、電極と電気的
に接続した封装金属部材にほとんど放電が生起せず、し
たがってスパッタがないためと思われる。また、ｐｄ≧
１３Ｔｏｒｒ−ｃｍの条件により、　ＩＬ≦５０ｍＡの
小電流で点灯しても電極の陰極輝点の温度が充分に高く
、エミッションが良好で始動特性が良いことも長寿命の
理由である。

さらに、本発明者は上述の表の記載と第２図とを見比べ
た結果、Ｐｄ＜１３Ｔｏｒｒ−ｃｌｌｌでも数千時間以
上の寿命を得るという発明の目的が達成される範囲があ
ることを発見した。この範囲は第２図のＢ領域（第４象
眼）に属するＩＬ≦５０［ＩＩＡの部分である。

この範囲を数式化すれば次のとおりである。

ｐｄ＜１３　（Ｔｏｒｒ−ｃｍ） ■に≦１５　（Ｖ）かつ、（Ｖｋ−１０）　−Ｐｄ≧７この条件を満足する範囲は表および第４図に示す０印の
実験例（Ｎα６，８．９）に見られるように、いずれも
２０００時間以上の長寿命が得られた。

なお、本発明は蛍光ランプのバルブ形状や用途には関係
なく、５０ｍＡ以下の小電流で動作する蛍光ランプには
総て適用できる。

〔発明の効果〕

このように、本発明の熱陰極形蛍光ランプは小電流で動
作させるものにおいて、請求項の第１は、ｐｄ≧１３　
Ｔｏｒｒ参ｃｍかつ、　Ｖｋ≦１５　Ｖを満足させるので長期点灯しても始動特性が良好で放電
が安定し、管壁黒化が少なく長寿命である。

また、請求項の第２は、ｐｄ＜１３　Ｔｏｒｔ”ｃｍＶｋ≦１５　Ｖ（Ｖｋｌｏ）・ｐｄ≧７を満足させるので、請求項の第１の発明と同様な効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の熱陰極形蛍光ランプの限定理由を説明す
るグラフで、第１図はＩｔｈ／ＩＬとｖｋとの関係を示
すグラフ、第２図はＰとｖｋとの関係を示すグラフ、第
３図はＭＧとＶｋとの関係を示すグラフ、第４図は各種
仕様のランプにつきｖｋと点灯時間との関係を示すグラ
フである。代理人　弁理士　大　胡　典　夫一一一→　１ｔｈ　／　ＩＩ第　　１　　図Ｐ（Ａ、）第　　２　　図（Ｔｏｒｒ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ランプ電流が５０ｍＡ以下で動作させる熱陰極形
蛍光ランプにおいて、封入ガス圧をｐＴｏｒｒ、管内径
をｄｃｍかつ陰極降下電圧をＶ＿ｋＶとしたとき、ｐｄ
≧１３かつ、Ｖ＿ｋ≦１５を満足することを特徴とする熱陰極形蛍光ランプ。
（２）ランプ電流が５０ｍＡ以下で動作させる熱陰極形
蛍光ランプにおいて、封入ガス圧をｐＴｏｒｒ、管内径
をｄｃｍかつ陰極降下電圧をＶ＿ｋＶとしたとき、ｐｄ
＜１３Ｖ＿ｋ≦１５かつ、（Ｖ＿ｋ−１０）・ｐｄ≧７を満足することを特徴とする熱陰極形蛍光ランプ。