(57)【要約】  【課題】  特殊なランプ等を用いることなく通常の蛍光ランプ等の放電ランプについて、その電極の仕事関数を評価することが可能な放電ランプの電極における仕事関数の測定方法を提供する。  【解決手段】  所定の大きさの直流ランプ電流を流して放電ランプを正規グロー放電させながら、陰極側電極に供給するヒーティング電流を漸増させ、漸増中にランプ電圧が急激に低下したときのヒーティング電流値を測定し、前記所定の大きさの直流ランプ電流をエミッション電流値として、エミッション電流値及び前記ランプ電圧が急激に低下したときのヒーティング電流値に基づいて前記陰極側電極の仕事関数を算出する。【選択図】  図１
2006120354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放電ランプの電極における仕事関数の測定方法であって、所定の大きさの直流ランプ電流を流して放電ランプを正規グロー放電させながら、陰極側電極に供給するヒーティング電流を漸増させ、漸増中にランプ電圧が急激に低下したときのヒーティング電流値を測定し、前記所定の大きさの直流ランプ電流をエミッション電流値として、エミッション電流値及び前記ランプ電圧が急激に低下したときのヒーティング電流値に基づいて前記陰極側電極の仕事関数を算出することを特徴とする放電ランプの電極における仕事関数の測定方法。
【請求項２】
前記所定の大きさの直流ランプ電流は、０．２５ｍＡ以上２．０ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１に記載の放電ランプの電極における仕事関数の測定方法。
【請求項３】
放電ランプの電極における仕事関数の測定に用いる仕事関数測定装置であって、前記放電ランプに直流の定電流を供給するランプ電流供給手段と、陰極側となる電極に定電流を供給するヒーティング電流供給手段と、前記放電ランプの電圧値を測定するランプ電圧測定手段とを備え、前記ランプ電流供給手段及び前記ヒーティング電流供給手段の供給する電流値は、可変に設定可能であることを特徴とする仕事関数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電ランプの電極における仕事関数の測定方法及び仕事関数測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
蛍光ランプ等の放電ランプにおいては、放電ランプと点灯回路との相性を調べたり、ライフ中の電極の表面状態を把握するために仕事関数を測定することが求められている。
このような仕事関数の測定方法としては、（Ａ）陰極近傍に、放電管を貫通させたプローブ探針を有する仕事関数測定専用の特殊ランプあるいは容器を作製し、（Ｂ）この特殊ランプあるいは容器における両電極間の飽和エミッション電流密度を求めて、（Ｃ）この飽和エミッション電流密度をゼロ電界に外挿したときの値を得て、（Ｄ）この値からRichardson-Dushman（リチャードソン・ダッシュマン）の式を介して求めることが考えられる（非特許文献１，２参照）。
【非特許文献１】照明学会研究会資料  ＬＳ−９２−１８(1992)
【非特許文献２】P.G.Hlahol and J.A.DeLuca: Determination of zero field work functions of discharge lamp electrodes materials. Proceeding of the Symposium on High Temperature Lamp Chemistries Part 2(1988)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記測定方法により得られる仕事関数は、前述のような特殊なランプあるいは容器を用いて求めた場合の値であるゆえ、実際のライフ試験途上の放電ランプでの値とは異なり、実用された後の変化の知見が得られないという問題がある。
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであって、特殊なランプ等を用いることなく通常の放電ランプについて、その電極の仕事関数を測定することが可能な放電ランプの電極における仕事関数の測定方法及び仕事関数測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の本発明に係る放電ランプの電極における仕事関数の測定方法は、放電ランプの電極における仕事関数の測定方法であって、所定の大きさの直流ランプ電流を流して放電ランプを正規グロー放電させながら、陰極側電極に供給するヒーティング電流を漸増させ、漸増中にランプ電圧が急激に低下したときのヒーティング電流値を測定し、前記所定の大きさの直流ランプ電流をエミッション電流値として、エミッション電流値及び前記ランプ電圧が急激に低下したときのヒーティング電流値に基づいて前記陰極側電極の仕事関数を算出することを特徴とする。
【０００５】
また、請求項２に記載の本発明に係る放電ランプの電極における仕事関数の測定方法は、請求項１に記載の放電ランプの電極における仕事関数の測定方法において、前記所定の大きさの直流ランプ電流は、０．２５ｍＡ以上２．０ｍＡ以下であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の本発明に係る仕事関数測定装置は、放電ランプの電極における仕事関数の測定に用いる仕事関数測定装置であって、前記放電ランプに直流の定電流を供給するランプ電流供給手段と、陰極側となる電極に定電流を供給するヒーティング電流供給手段と、前記放電ランプの電圧値を測定するランプ電圧測定手段とを備え、前記ランプ電流供給手段及び前記ヒーティング電流供給手段の供給する電流値は、可変に設定可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明方法によれば、例えば、ランプ電圧が急激に低下したときのヒーティング電流の値から、加熱された陰極側の電極の電極温度を求めて、この電極温度と上記エミッション電流値をリチャードソン・ダッシュマンの式を変形した関係式に代入すれば、通常の放電ランプについての電極における仕事関数の測定が可能となる。
すなわち、実用された後の放電ランプの電極のエミッション性能を把握することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について、本発明を蛍光ランプの電極における仕事関数の測定に適用した場合の例にとって説明する。
図１は、本実施の形態に係る蛍光ランプの電極における仕事関数測定装置の回路構成を示す図である。
同図に示すように蛍光ランプ１は直流定電流源４に接続され、蛍光ランプ１の陰極３（陰極側の電極）は直流定電流源５と接続されている。
【０００８】
蛍光ランプ（以下、単に「ランプ」という。）１は、例えばタングステン製の一対の電極（陽極２及び陰極３）を有している。
直流定電流源４は、ランプ１に所定の値の直流ランプ電流を供給するものであり、始動時には電極間に高電圧を印加してランプ１を冷陰極始動させる。
なお、直流定電流源４は、ランプ１のインピーダンスより十分に大きな内部インピーダンスを有しているため、この内部インピーダンスを変更することで、直流ランプ電流を微小な幅（分解能は０．０１ｍＡ程度）で設定することが可能である。
【０００９】
直流定電流源５は、陰極３（陰極側の電極）に直流のヒーティング電流を供給して、この陰極３を加熱する。直流定電流源５の分解能は、１ｍＡ程度である。
このような仕事関数測定装置において、直流定電流源４から所定の大きさの直流ランプ電流を流してランプ１を正規グロー放電させた状態において、陰極３側にヒーティング電流を流し、ヒーティング電流値を漸増させる。具体的に、ヒーティング電流値の増加速度は、例えば５秒毎に５〜１０ｍＡ程度である。
【００１０】
図２に、この場合におけるヒーティング電流とランプ電圧の関係を示す。
図２に示すように、ヒーティング電流の漸増中に、ヒーティング電流値がある値より大きくなると、ランプ電圧ＶLが急激に低下している。この電圧の低下は、陰極３側の放電状態がグロー放電からアーク放電へ移行したことに起因している。この電圧低下分は測定対象の電極（陰極３）が冷陰極から熱陰極に移行することに伴う陰極降下電圧の減少分に相当する。
【００１１】
図２のグラフ上のランプ電圧が低下し終えた位置にプロットした点Ｅは、エミッション点、すなわちヒーティング電流で熱せられた陰極３がエミッション温度に達し、それによるエミッション電流（熱電子電流）が直流ランプ電流の全てに置き換わって、陰極３前面はゼロ電界となった点であると考えられる。
このＥ点は管端の蛍光体を剥いだＡｒ−Ｈｇ封入の蛍光ランプの電極近傍の発光スペクトルからＡｒ発光が消失した最初の点であると理解して良い。
【００１２】
すなわち、Ｅ点の状態のときの直流ランプ電流の値を、エミッション電流の値と同値と看做すことができる。
直流定電流源４の設定値を変えて直流ランプ電流の設定値を変更すれば、Ｅ点の状態のときのエミッション電流の値を変更することができ、このエミッション電流の値に対応したエミッション温度（Ｅ点の状態のときの電極温度）及びヒーティング電流値を得ることができる。
【００１３】
上記エミッション温度とヒーティング電流の関係は、電極材料がタングステンであれば、電極抵抗比(Ｒh／Ｒc)と電極温度Ｔh（Ｋ）の関係を示す次の式（１）［温度諸特性に関するJones-Langmuir表（H.A.Jones and ILangmuir, General Electric Review, 30 (1927) 354）に由来する。］で表される。
Ｔh＝Ｔc・（Ｒh／Ｒc)0.814      ・・・式（１）
ここで、Ｒc（Ω）は室温Ｔc（Ｋ）における電極抵抗である。
【００１４】
図３は、ヒーティング電流と電極抵抗の関係を示す図である。図３より、Ｅ点の状態のときのヒーティング電流値Ｉhに対する電極抵抗Ｒh（Ω）の値が求められる。
室温Ｔc（Ｋ）とこのグラフから求めたＲc（Ω），Ｒh（Ω）を式（１）に代入すればＴh（Ｋ）を求めることができる。
以下説明するように、本実施の形態においては、この求められたエミッション温度とエミッション電流値を、Richardson-Dushmanの式を変形した関係式に代入して、測定対象となる陰極３の仕事関数を測定する。
【００１５】
次の式（２）は、エミッション電流Ｉeとエミッション温度（電極温度）Ｔh（Ｋ）の関係を記述したRichardson-Dushmanの式を変形した関係式である。
Ｉe＝ＡＳＴh1.25ｅｘｐ(−ｂ／Ｔh)      ・・・式（２）
ここで、ｂ＝１１６０５Φ(Ｋ) 、ＡはRichardson定数でありＡ=１２０．４(Ａ／ｃｍ2・Ｋ)、Ｓ（cm2）は電極エミッタの電子放出部全表面積であり、今回のサンプルではＳ＝０．３１６(ｃｍ2)である。
【００１６】
次の式（３）は、仕事関数Φを、温度に依存しない項Φ0と温度に依存する項ｃＴhとの和で表した式である。
Φ＝Φ0＋ｃＴh      ・・・式（３）
次の式（４）は、式（２）の両辺から自然対数を取って変形し、式（３）を代入した式である。
【００１７】
ｌｎ(Ｉe／Ｔh1.25)＝ｌｎ(ＡＳ−１１６０５ｃ)−ｂ2／Ｔh  ・・・式（４）
ただし、ｂ2＝１１６０５Φ0(Ｋ)である。
式（４）をArrhenius（アレニウス）プロットすれば、図４に示すようなグラフとなる。
図４中のグラフの７個の黒四角の測定点は、それぞれ設定したランプ電流の値におけるエミッション温度を求めることによりプロットしたものである。グラフの直線は、７個の測定点から、例えば最小２乗法により描いたものである。
【００１８】
図４のグラフの直線の傾きｂ2よりΦ0が求められ、直線を１／Ｔhに外挿した切片よりｃが求められる。これらのΦ0とｃの値を式（３）に代入すると、仕事関数Φは次式（５）のように表される。
Φ＝０．８６３＋８．４８×１０-4Ｔh（ｅＶ）      ・・・式（５）
なお、エミッション温度Ｔhを１１００Ｋとおいたときの仕事関数φは１．８ｅＶであるとの評価を与えることができる。
【００１９】
以上説明したように、本実施の形態に係る電極における仕事関数の測定方法によれば、通常の蛍光ランプの電極の仕事関数を測定することができる。
これにより、従来のような測定用の特殊な蛍光ランプではなく、実際の蛍光ランプについての点灯回路と組み合わせによる電極状態の評価や、また、蛍光ランプのライフ中の（経時的な）電極特性の変化を評価することが可能となる。
（ランプ電流の値の適切な範囲）
直流定電流源４からランプ１に流す直流ランプ電流の値は、０．２５ｍＡ以上が好ましい。０．２５ｍＡ未満であると、ランプ１が立ち消えする頻度が高くなり測定が困難となるからである。
【００２０】
図５は、Ｅ点の状態におけるエミッション電流（ランプ電流）Ｉe（Ａ）とヒーティング電流の関係を示す図である。図５のグラフに示すように、ランプ電流２．０ｍＡ（２．０×１０-3Ａ）より大きくなると、放電による電極の加熱の影響が増すことによると思われるが、ランプ電流とヒーティング電流の関係が崩れ、ヒーティング電流を大きくせずともエミッション電流が得られた形となる。このため、仕事関数の精密な測定ができなくなる場合がある。
【００２１】
よって、ランプ電流は２．０ｍＡ以下、より望ましくは１．０ｍＡ以下に設定することが好ましい。
これらの範囲の電流を、種々の電極エミッション部表面積で除したランプ電流密度は１０ｍＡ／ｃｍ2以下となり、電極に熱的負荷を与えない正規グロー放電が維持できたものと解釈できる。
（仕事関数測定装置）
本実施の形態に係る仕事関数の測定方法は、以下に例示する仕事関数測定装置を用いて実施することができる。
【００２２】
図６は、本実施の形態に係る仕事関数測定装置等の構成を示す図である。
仕事関数測定装置１０は、直流ランプ電流供給部１１、直流ヒーティング電流供給部１２、電流値設定部１３、ランプ電圧測定部１４、ランプ電圧表示部１５、入出力部１６から構成される。
直流ランプ電流供給部１１は、直流定電流源４（図１参照）を含んでおり、ランプ１にランプ電流を供給する。
【００２３】
直流ヒーティング電流供給部１２は、直流定電流源５を含んでおり、ランプ１の陰極３にヒーティング電流を供給する。
ランプ電圧測定部１４は、ランプ１のランプ電圧を測定する。
スムージング処理部１７は、ランプ電圧の波形に重畳されている高周波成分を取り除くスムージング処理を行なう。
【００２４】
ランプ電圧表示部１５は、例えば液晶表示パネルから構成され、スムージング処理済のランプ電圧値を表示する。
入出力部１６は、仕事関数測定装置１０に接続された端末装置２０と、所定の通信形式に従ってデータの送受信を行う。
電流値設定部１３は、ユーザ（測定者）から受け付けたランプ電流値とヒーティング電流値の増加速度の設定に基づいて、直流ランプ電流供給部の供給する電流値と直流ヒーティング電流供給部１２の増加速度を設定する。
【００２５】
端末装置２０は、例えばＰＣ（Personal computer)であり、ランプ電流値・電圧値、ヒーティング電流値などの各パラメータを入出力部１６から受信してデータの解析を行なう。また、端末装置２０は、図示しないキーボード等の入力装置から電流値の設定を受け付け、受け付けた設定に基づいた命令を、入出力部１６を介して電流値設定部１３に送出する。
【００２６】
上記端末装置２０を用いてランプ電流値とヒーティング電流値の増加速度の初期値を一旦設定すれば、ユーザは近傍に居なくても仕事関数測定装置１０に計測を行わせることが可能となっている。
（その他）
（１）上述の実施の形態においては、本発明を蛍光ランプに適用した場合を例に取って説明したが、本発明に係る仕事関数の測定方法及び仕事関数測定装置は、蛍光ランプ等の低圧放電ランプのみならず、ヒーティング電流を流すことができる熱陰極型の電極を有する放電ランプ一般にその適用範囲を広げることができる。
（２）上述の実施の形態においては、陰極３に直流のヒーティング電流を流す構成としているが、このヒーティング電流は陰極３を加熱させることが目的であるので、交流であっても構わない。すなわち、ヒーティング電流として商用周波数の交流電流あるいは高周波交流電流を使用しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明に係る放電ランプの電極における仕事関数の測定方法は、通常の蛍光ランプを用いてその電極の仕事関数を測定することができるので、蛍光ランプの、点灯回路と組み合わせたシステム的な評価などの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施の形態に係る仕事関数測定装置の回路構成を示す図
【図２】蛍光ランプ１に流すランプ電流を一定にした場合におけるヒーティング電流とランプ電圧の関係を示す図
【図３】ヒーティング電流と電極抵抗の関係を表した図
【図４】エミッション電流とエミッション温度との関係を表した図
【図５】ランプ電流とヒーティング電流の関係を表した図
【図６】仕事関数測定装置の概略構成を示す図
【符号の説明】
【００２９】
１  蛍光ランプ
２  陽極
３  陰極
４  直流定電流源（ランプ用）
５  直流定電流源（ヒーティング用）
１０  仕事関数測定装置
１１  直流ランプ電流供給部
１２  直流ヒーティング電流供給部
１４  ランプ電圧測定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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