JP2010123267A - 冷陰極放電ランプ及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタリングによる水銀の消耗を抑制し、バルブ内に封入する水銀量を削減し、環境負荷を軽減し得る冷陰極放電ランプ及びこの冷陰極放電ランプを用いた発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、内部に希ガス及び水銀が封入され、内周面に蛍光体層４が形成された透光性の気密バルブ２と、この気密バルブ２の両端部に対向して一対封装され、一端側を開口部５ａとし他端側を底端部５ｂとし、前記開口部５ａから底端部５ｂに向かう軸方向の長さ寸法が１３ｍｍ以上であって、外径寸法に対する長さ寸法の比が４以上のＮｉ又はＮｉ合金から形成された筒状電極５と、この筒状電極５の前記底端部５ｂに接合されて給電を行う電極リード線６とを備える冷陰極放電ランプ１である。
【選択図】図３

Description

本発明は、水銀封入量を削減できる冷陰極放電ランプ及びこの冷陰極放電ランプを用いた発光装置に関する。

従来、液晶ディスプレイに用いられるバックライトには、その光源として冷陰極放電ランプが使用されており、この冷陰極放電ランプの電極には、成形加工性に優れ、比較的安価なＮｉ材料が広く用いられている。ところが、この種、冷陰極放電ランプにおいては、点灯の際の放電の過程で、イオン化された封入ガスが電極に衝突し、電極物質が飛散するスパッタリングという現象が生じる。このスパッタリングにより飛散した電極物質は、放電ランプのバルブ内に封入された水銀と結合し合金となり、水銀蒸気を消耗させ有効水銀量を低減させる。その結果、冷陰極放電ランプの寿命の低下につながっている。特に、液晶ディスプレイの表面輝度を向上するため、放電ランプの放電電流を多く流し、光出力を増大させようとする場合は顕著となる。このため、放電ランプのバルブ内には、スパッタリングによる水銀の減少分を補う等の理由で、本来放電を維持するために必要な水銀量を超えて過剰に水銀を封入しなければならない。

したがって、近年の液晶ディスプレイ等の需要の増加に伴う冷陰極放電ランプの出荷数の増大は、少なくとも前記水銀量との関係において環境負荷の増大を招いている。

一方、電極のスパッタ率を低下させ、水銀の消耗を少なくし、ランプの寿命を向上させるために、電極をＮｂ又はＴａを含有するＮｉ合金で形成するものが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２３５０７３号公報

しかしながら、特許文献１に示されたものは、スパッタ率を低下させることは可能ではあるが、スパッタリングよって飛散する電極物質は発生するので、この電極物質によって水銀は消耗し、その分、過剰に水銀を封入しなければならない。

本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、スパッタリングによる水銀の消耗を抑制し、バルブ内に封入する水銀量を削減し、環境負荷を軽減し得る冷陰極放電ランプ及びこの冷陰極放電ランプを用いた発光装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の冷陰極放電ランプは、内部に希ガス及び水銀が封入され、内周面に蛍光体層が形成された透光性の気密バルブと；この気密バルブの両端部に対向して一対封装され、一端側を開口部とし他端側を底端部とし、前記開口部から底端部に向かう軸方向の長さ寸法が１３ｍｍ以上であって、外径寸法に対する長さ寸法の比が４以上のＮｉ又はＮｉ合金から形成された筒状電極と；この筒状電極の前記底端部に接合されて給電を行う電極リード線と；を具備していることを特徴とする。気密バルブは、直線状、Ｕ字状、Ｌ字状やコ字状等のものを適用でき、格別その形状が限定されるものではない。

請求項２に記載の発光装置は、装置本体と；この装置本体に装着された請求項１に記載の冷陰極放電ランプと；を具備していることを特徴とする。発光装置は、ディスプレイ装置やいわゆる空間を照らす照明器具を含む概念である。

請求項１に記載の発明によれば、スパッタリングによる水銀の消耗を抑制し、バルブ内に封入する水銀量を削減して環境負荷を軽減し得る冷陰極放電ランプを提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の冷陰極放電ランプの効果を奏する発光装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態に係る冷陰極放電ランプについて図１乃至図３を参照して説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。図1は、冷陰極放電ランプを示す断面図、図２及び図３は、同本実施形態を説明するための模式的断面図である。

まず、本実施形態の前提となる冷陰極放電ランプについて説明する。図１に示すように、冷陰極放電ランプ１は、透光性の気密バルブとしてガラスバルブ２と電極ユニット３とを備えている。ガラスバルブ２は、半硬質ガラスから形成されている。なお、半硬質ガラスに限らず、硬質ガラス、軟質ガラス等を適用でき、また、硼・珪酸ガラス、ソーダガラス等、ガラスの組成も格別限定されるものではない。この冷陰極放電ランプ１は、液晶パネルのバックライトの光源として用いられる場合、ガラスバルブ２の外径の種類にφ１．５ｍｍ〜φ５．０ｍｍの範囲内において数種類のものが用意され、液晶パネルの仕様に応じて使い分けられる。そして、長さも１５０ｍｍ〜１３００ｍｍ程度のものが用意されており、その寸法は、細径化、長尺化傾向にある。ガラスバルブ２は両端が封止されて内部に密閉空間が形成されており、Ａｒ、Ｘｅ、Ｎｅ等の希ガス及び水銀蒸気が封入されている。また、ガラスバルブ２の内周面には、蛍光体層の蛍光膜４が形成されている。蛍光膜４は、ハロリン酸塩蛍光体や希土類金属酸化物蛍光体等が適用され得る。

電極ユニット３は、筒状電極５と、この筒状電極５に給電を行うために接合される電極リード線６とを備えている。電極５は、ガラスバルブ２の内径よりもやや小さい外径を有し、一端側を開口部５ａとし他端側を底端部５ｂとするカップ形状であり、このようにカップ形状にすることによって、ホローカソード効果により陰極降下電圧を低下させることができる。また、電極５は、Ｎｉ又はＮｉ合金からなり、板材をプレス加工又は線材を冷間鍛造加工することにより形成されている。

電極リード線６は、封着部材６ａとリード部材６ｂとから構成されており、封着部材６ａの先端側は、電極５の底端部５ｂにレーザービーム溶接等によって接合されている。また、封着部材６ａとリード部材６ｂとは、溶着によって接合されている。封着部材６ａには、Ｋｏｖ（コバール）線が用いられており、リード部材６ｂには、ニッケル鉄合金の周りを銅で被覆したジュメット線が用いられている。

このように構成された電極ユニット３は、ガラスバルブ２の両端部に一対封装されており、カップ形状の電極５の開口部５ａを互いに対向させて配置され、ガラスバルブ２の両端部から電極リード線６が導出されている。また、電極ユニット３のガラスバルブ２への封装にあたっては、封装に先立って封着部材６ａにビードガラス７が溶着される。そして、電極ユニット３をガラスバルブ２に接合する際は、ビードガラス７とガラスバルブ２の端部とを溶融して封着する。

次に、本発明者は、冷陰極放電ランプ１のガラスバルブ２内に封入する水銀量の削減を図るため、以下のとおり実験、測定を行い、調査分析を試みた。

（実測例１）冷陰極放電ランプ１の初期品と、所定時間点灯し寿命試験を経過した寿命試験経過品との封入水銀量を測定した。また、寿命試験経過品については、水銀の消耗がどの部位で生じているかを把握するため、各部位ごとに水銀の付着量を測定した。その結果、下表のとおりとなった。

ここで、初期品の水銀封入量は３．９ｍｇである。部位における「バルブ黒化部」とは、図２に示すように、寿命試験経過品における一対の電極５の開口部５ａ近傍に生じるガラスバルブ２の内面の黒化部Ｂｋを指している。また、「黒化なし蛍光体層部」とは、主として黒化部Ｂｋを除いたガラスバルブ２の内面の蛍光体層部を指している。この結果から、封入された水銀は、バルブ黒化部Ｂｋに集中していることが判明した。さらに、この黒化部Ｂｋを分析した結果、黒化部Ｂｋから電極５材料と同一元素が検出され、これは点灯の際の放電の過程で電極５がスパッタリングされて飛散した電極物質であることが判明した。また、スパッタリングされた電極物質は微細な分子状態で飛散しているため活性であり水銀蒸気と反応し蒸気圧の低い化合物として黒化部Ｂｋに付着していることが確認できた。

したがって、このスッパタリングされた電極物質と水銀との反応を防止又は抑制すれば初期の水銀封入量を削減できるものと考えられる。なお、筒状電極５のどの部位がスパッタリングされているかをＸ線撮影で観察したところ、内周面の底端部５ｂ近傍の部分Ｓｔが選択的にスパッタリングされていることが判明した。

（実測例２）次に、図３に示すように、具体的に、電極として外径寸法φ２．１ｍｍ、肉厚寸法ｔ０．１ｍｍ、開口部５ａから底端部５ｂまでの軸方向の長さ寸法Ｌ_１＝５ｍｍ（図３（ａ））、Ｌ_２＝７ｍｍ（図３（ｂ））、Ｌ_３＝１０ｍｍ（図３（ｃ））の３種類のＮｉ合金からなる筒状電極５を用意し、この筒状電極５に外径寸法０．８ｍｍ、長さ寸法４ｍｍのＫｏｖ線の封着部材６ａを接合し、電極ユニット３を構成した。これら電極ユニット３を外径寸法３．４ｍｍ、長さ寸法１０００ｍｍのガラスバルブ２の両端部に封装し、内部に希ガスとしてＮｅ−Ａｒを６×１０^３Ｐａ、水銀３．９ｍｇを封入して冷陰極放電ランプ１を製作した。そして、これら冷陰極放電ランプ１をランプ電流１０ｍＡで６０００時間点灯し、外観観察及びバルブ内封入水銀の分析を行った結果、下表のとおりとなった。本実測にあたっては、まず、筒状電極５の長さ寸法がＬ_１＝５ｍｍ（図３（ａ））とＬ_２＝７ｍｍ（図３（ｂ））のランプについて測定分析を行い、その結果を踏まえて長さ寸法Ｌ_３＝１０ｍｍ（図３（ｃ））のランプについて測定分析を行った。

ここで、各部位におけるサンプリングは、ガラスバルブ２の両端の封止部から５ｍｍの位置Ｐ1でガラスバルブ２を切断し、電極５を取出し「電極部」とするとともに、封止部から１５ｍｍの位置Ｐ2でガラスバルブ２を切断し、当該部を「バルブ黒化部」Ａとし、残部の中央部のガラスバルブ２の部分を「黒化なし蛍光体層部」とした。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、筒状電極５の長さ寸法がＬ_１＝５ｍｍとＬ_２＝７ｍｍのランプでは、スパッタリングが発生する位置は変わりなく、筒状電極５の内周面の底端部５ｂ近傍の部分Ｓｔが選択的にスパッタリングされていた。また、電極５の開口部５ａ近傍に生じるガラスバルブ２の内面の黒化部Ｂｋの長さ寸法は、電極５の長さ寸法がＬ_１＝５ｍｍのランプとＬ_２＝７ｍｍのランプでは、違いがあり、Ｌ_１＝５ｍｍのランプは約３ｍｍ、Ｌ_２＝７ｍｍのランプは約１ｍｍで、Ｌ_１＝５ｍｍのランプの方が長く、電極５の長さ寸法と黒化部Ｂｋの長さ寸法の和は、約８ｍｍで同一になることが判明した。さらに、前記実測例１と同様に、封入された水銀は、バルブ黒化部Ｂｋに集中していることが分かる。したがって、これらは、電極５のスパッタリングが発生する位置が同一で、電極５の飛散物質の飛散位置が同一なことから、電極５の飛散物質はスパッタリングが発生する位置から物理的に飛来してくると判断され、筒状電極５の長さ寸法を長くし、電極５の飛散物質が電極５の内周部に収まるようにすれば、飛散物質が水銀と結合して化合物を形成することがないと考えられる。

前記知見を踏まえ、図３（ｃ）に示すように、筒状電極５の長さ寸法Ｌ_３＝１０ｍｍのランプでは、電極５の飛散物質が電極５の内周部に収まっていると考えられ、ガラスバルブ２の「バルブ黒化部」Ａには、黒化は見られず、水銀もほとんど検出されていない。

（実測例３）図示は省略するが、実測例２とは、筒状電極５の寸法等の条件を変えて同様な測定を行った。外径寸法φ２．７ｍｍ、肉厚寸法ｔ０．１ｍｍ、長さ寸法Ｌ_１＝５ｍｍ、Ｌ_２＝７ｍｍ、Ｌ_３＝１０ｍｍ、Ｌ_４＝１５ｍｍの４種類のＮｉ合金からなる筒状電極５を用意し、この筒状電極５に外径寸法０．８ｍｍ、長さ寸法４ｍｍのＫｏｖ線の封着部材６ａを接合し、電極ユニット３を構成した。これら電極ユニット３を外径寸法３．４ｍｍ、長さ寸法１０００ｍｍのガラスバルブ２の両端部に封装し、内部に希ガスとしてＮｅ−Ａｒを６×１０^３Ｐａ、水銀３．９ｍｇを封入して冷陰極放電ランプ１を製作した。そして、これら冷陰極放電ランプ１をランプ電流１３ｍＡで６０００時間点灯し、外観観察及びバルブ内封入水銀の分析を行った結果、下表のとおりとなった。

本実測例から分かるように、ガラスバルブ２の黒化は、電極５の長さ寸法Ｌ_１＝５ｍｍ、Ｌ_２＝７ｍｍのランプに発生しており、電極５の開口部５ａ近傍に生じるガラスバルブ２の内面の黒化部Ｂｋの長さ寸法は、電極５の長さ寸法がＬ_１＝５ｍｍのランプは約３ｍｍ、Ｌ_２＝７ｍｍのランプは約１ｍｍで、電極５の長さ寸法と黒化部Ｂｋの長さ寸法の和は、約８ｍｍで同一となった。また、封入された水銀は、バルブ黒化部Ｂｋに集中していることが分かる。一方、電極５の長さ寸法Ｌ_３＝１０ｍｍ、Ｌ_４＝１５ｍｍのランプには、ガラスバルブ２の黒化は見られない。さらに、電極５の内周部を調べてみると、電極５の飛散物質が付着していたが、これら飛散物質には水銀はほとんど検出できなかった。この水銀の結合がない理由は次のように説明できる。

陰極としての電極５の内周部から放出された電子は電界によって加速され、エネルギーを得て空間に存在する気体分子を電離する。そして、この電離された気体は正イオンとなる。電極５の内周部からは次々と電子が放出されるため、これに伴い正イオンも生成されることになり、水銀イオンは電極５の内周部から電気的に排除され存在しなくなる。したがって、電極５の飛散物質が電極５の内周部に堆積し収まったとしても、飛散物質に水銀が結合することはない。換言すれば、電極５の飛散物質が電極５の内周部に収まるようにすれば飛散物質が水銀と結合して化合物を形成することがない。

（考察）以上の実測例によって、電極５の飛散物質が電極５の内周部に収まるように筒状電極５の長さ寸法を設定すれば、封入水銀量を削減できるとの知見を得た。具体的には、電極５の長さ寸法と黒化部Ｂｋの長さ寸法の和は、約８ｍｍであるから、これが電極５の飛散物質の飛来距離と考えると、筒状電極５の長さ寸法を約８ｍｍとすれば、飛散物質の大半を電極５の内周部に収めることができると考えられる。さらに、実測例３に従えば、筒状電極５の外径寸法に対する長さ寸法の比、すなわち、長さ寸法／外径寸法は、８ｍｍ／２．７ｍｍ≒３との結果となる。したがって、筒状電極５の長さ寸法を８ｍｍ以上、長さ寸法に対する外径寸法の比を３以上に設定することにより、スパッタリングによる水銀の消耗を抑制し、封入水銀量の削減が可能となる。これに基づき、電極５の飛散物質を電極５の内周部に収めるべく確実性を向上するには、実測例２及び実測例３から推量すると、筒状電極５の長さ寸法を１３ｍｍ以上、外径寸法に対する長さ寸法の比を４以上に設定するのが好適となる。

以上のように本実施形態によれば、前記考察で述べたように、電極５の飛散物質が電極５の内周部に収まるように筒状電極５の長さ寸法を設定することにより、スパッタリングによる水銀の消耗を抑制し、封入水銀量の削減が可能な冷陰極放電ランプ１を提供することができる。

次に、本発明の発光装置の実施形態について説明する。図示は省略するが、上記実施形態の放電ランプ１は、装置本体に装着し、発光装置として構成できる。ここで、発光装置は、ディスプレイ装置やいわゆる空間を照らす照明器具を含む概念である。例えば、液晶パネルのバックライト装置等の各種ディスプレイ装置、また、屋内又は屋外で使用される照明器具に適用可能である。なお、バックライト装置にあっては、直下方式、サイドライト方式等のいずれでも適用可能である。このような発光装置によれば、上記実施形態の効果を奏する発光装置を提供できる。

冷陰極放電ランプを示す断面図である。 本発明の実施形態に係る冷陰極放電ランプを説明するための模式的断面図である。 同じく実施形態に係る冷陰極放電ランプを説明するための模式的断面図である。

符号の説明

１・・・冷陰極放電ランプ、２・・・透光性の気密バルブ（ガラスバルブ）、
３・・・電極ユニット、４・・・蛍光体層、５・・・筒状電極、
５ａ・・・開口部、５ｂ・・・底端部、６・・・電極リード線

請求項１に記載の冷陰極放電ランプは、内部に希ガス及び水銀が封入され、内周面に蛍光体層が形成された透光性の気密バルブと；この気密バルブの両端部に対向して一対封装され、一端側を開口部とし他端側を底端部とし、前記開口部から底端部に向かう軸方向の長さ寸法が１３ｍｍ以上であって、外径寸法に対する長さ寸法の比が４以上のＮｉ又はＮｉ合金から形成された軸方向に沿う断面の内面が平坦状の筒状電極と；この筒状電極の前記底端部に接合されて給電を行う電極リード線と；を具備していることを特徴とする。気密バルブは、直線状、Ｕ字状、Ｌ字状やコ字状等のものを適用でき、格別その形状が限定されるものではない。

ここで、各部位におけるサンプリングは、ガラスバルブ２の両端の封止部から５ｍｍの位置Ｐ1でガラスバルブ２を切断し、電極５を取出し「電極部」とするとともに、封止部から１５ｍｍの位置Ｐ2でガラスバルブ２を切断し、当該部を「バルブ黒化部」Ａとし、残部の中央部のガラスバルブ２の部分を「黒化なし蛍光体層部」Ｂとした。

請求項１に記載の冷陰極放電ランプは、内部に希ガス及び水銀が封入され、内周面に蛍光体層が形成された透光性の気密バルブと；この気密バルブの両端部に対向して一対封装され、一端側を開口部とし他端側を底端部とし、前記開口部から底端部に向かう軸方向の長さ寸法が１３ｍｍ以上であって、外径寸法に対する長さ寸法の比が４以上のＮｉ又はＮｉ合金からなり、板材をプレス加工又は線材を冷間鍛造加工することにより形成された軸方向に沿う断面の内面が平坦状の筒状電極と；この筒状電極の前記底端部に接合されて給電を行う電極リード線と；を具備していることを特徴とする。気密バルブは、直線状、Ｕ字状、Ｌ字状やコ字状等のものを適用でき、格別その形状が限定されるものではない。

Claims (2)

1. 内部に希ガス及び水銀が封入され、内周面に蛍光体層が形成された透光性の気密バルブと；
   この気密バルブの両端部に対向して一対封装され、一端側を開口部とし他端側を底端部とし、前記開口部から底端部に向かう軸方向の長さ寸法が１３ｍｍ以上であって、外径寸法に対する長さ寸法の比が４以上のＮｉ又はＮｉ合金から形成された筒状電極と；
   この筒状電極の前記底端部に接合されて給電を行う電極リード線と；
   を具備していることを特徴とする冷陰極放電ランプ。
2. 装置本体と；
   この装置本体に装着された請求項１に記載の冷陰極放電ランプと；
   を具備していることを特徴とする発光装置。

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