電気電子工学特別講義「グリーン・エレクトロニクスの現状と動向」～道路および移動体用光源～
電気エネルギー変換工学本村英樹

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

1ヘッドランプについて

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義2

自動車前照灯用メタルハライドランプ
デモ用ランプ点灯例

ハロゲンランプ
熱放射×小光束×低効率
×短寿命○水銀フリー

MHランプ
放電
○大光束
○高効率
○長寿命
×水銀

LED
e-h再結合×1個あたりは小光束○高効率
2012年7月9日（月）○長寿命 電気電子工学特別講義

http://techon.nikkeibp.co.jp/article/CAR/20090518/170312/?SS=imgview&FD=1983201311

3

2

高輝度放電ランプG. Derra et. al., J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) 2995
2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

4高圧水銀放電の発光• 100気圧を超えると連続線発光が強くなる• 254nmの共鳴線は自己吸収により消える• 個々の線スペクトルの幅が広がる

相対発光強度 / arbitrary unit

高圧放電プラズマの発光
1.0170 atm

0.80.60.40.20.0200400800波長 / nm

60Efficacy / (lm/W)

600
17/09/2001

1000
300Hz (Discharge Frequency) Pulse width 500ns

40

低気圧

365

254nm

436
312
546

500

20404
265

295

508
578
626

302

00 0200
12345
6710 10 10 10 10 10 10 10
2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義
Mercury vapor pressure / Pa

300

400

500

600

700–1

Wave length[nm][nm ]5メタルハライドの添加

照明工学、オーム社（1991） 2.6節

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6

研究背景
自動車前照灯用メタルハライドランプの無水銀化＜水銀によるプラズマインピーダンスの保持＞•••

インピーダンス低下ランプ電流の上昇点灯回路への負担、電極損失の増大
高い蒸気圧（~20 atm）、大きな弾性衝突断面積による水銀を取り除くランプ電圧が90 Vから30 Vへ＜水銀代替物＞••

蒸気圧の高いメタルハライド（ZnI2, TaI, InI等）
キセノンガス圧上昇
キセノン封入ガス圧の制御が必要

簡便な非破壊検査法の確立が望まれる
M. Born et al, J. Phys. D, 40 (2007) 3823
石神敏彦ら、照学誌、862012年7月9日（月）(2002) 362等

電気電子工学特別講義

7

基本原理
ランプ始動時• バラストによる電流制御前• メタルハライドの蒸発前

プラズマインピーダンスがキセノンガス圧で決まる（電流∝1/キセノンガス圧）
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8

基本原理
ランプ電流は電子密度と電子のドリフト速度の積に比例する

I = ene Svd
電子のドリフト速度は、力の釣り合いより

vd =電子me vdν meEmeν meE

弾性衝突周波数は、平均自由行程と電子の平均速度の比より、

νm =〈ve 〉λe= ngσ e 〈ve 〉 =以上より

1I ( P, T ) = K (T )P
2012年7月9日（月）Pσ e 〈ve 〉kT

体積1/ngXe〈ve 〉

衝突断面積σee 2 ne kSET  K (T ) =meσ e 〈 ve 〉  電気電子工学特別講義

平均自由行程λe

ガス圧に反比例
ガス圧と温度の関数
9実験装置構成＜キセノン封入ガス圧＞
10.0, 12.1, 13.5および15.4 atmの4種のガス圧（仕様値）について各4本
品質検査合格品（封入ガス圧仕様値が正しいと仮定）＜封入メタルハライド＞ScI3, NaI, ZnI2およびInBr
ディジタルオシロスコープ

ランプ

直流安定化電源
電圧プローブ
電流プローブバラスト
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10測定タイミング
点灯後1.2−1.8 sの間のランプ電流の振幅平均値を記録

40220電圧 / V

40-2-40.0

電流 / A＜電極間電圧＞

0.5

1.0

1.50-20-40
0.0

2.0

440220

電圧 / V

電流 / A＜ランプ電流＞0-2-40.1

2012年7月9日（月）110
点灯時間 / s100
電気電子工学特別講義

0.5

1.0

1.5

2.0

110
点灯時間 / s

100

0-20-400.1

11発光スペクトル＜点灯後5 s＞

＜点灯後1.2 s＞
32
1500

600700波長 / nm8003

強度 / 任意単位

強度 / 任意単位

強度 / 任意単位

30400＜点灯後10 s＞

210400

キセノン発光

500600700800

210400500600700

800

波長 / nm

波長 / nm

金属発光

点灯後1.2 sでは、キセノン発光が支配的であることを確認

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12測定手順

ランプを（再）点灯し、電圧・電流波形を記録する。

（再）点灯後1.2~1.8 sの電流振幅平均値を計算する。
ランプが安定するまで点灯状態を保つ（約2分）

各ランプについて40回繰り返し測定を行った。

ランプを消灯し、管壁が設定温度になるまで待つ。

低温: 金属の影響が小さい
高温: 同じ測定時間で測定回数を多く取れる

複数の設定温度について測定を行い、妥当な設定温度を見出す。

（160℃: 3分、室温: 13分）
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13測定結果

管壁温度100℃

ランプ電流/A

3.5

3.0 管壁温度130℃
2.52.00.50.00.00「（ランプ電流）∝1/（キセノンガス圧）」とはならなかった（切片を持った）残留金属の電離による電子生成を考慮
キセノンの電離による電子生成量:
キセノンガス圧に比例
金属の電離による電子生成量:
キセノンガス圧に依存しない

管壁温度26℃
管壁温度160℃

0.050.10

ne = αP + β

ガス圧の逆数/atm-1
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B (T )I ( P, T ) = A(T ) +P
14416314

傾きB/A・atm

切片A / A

実験式の決定210050

100121080150

管壁温度/℃

50100150

管壁温度/℃

測定データから、最小二乗法により切片と傾きを管壁設定温度ごとに決定それぞれ管壁温度の関数としてプロットし、A, Bの代表値を最小二乗法により決定
実験式

B (T )I ( P, T ) = A(T ) +P

2012年7月9日（月）を決定

A(T ) = 0.519 mA/  C ⋅ T + 2.11 A
B (T ) = (−10.8 mA ⋅ atm/  C) T + 13.3 A ⋅ atm

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15

実験式によるフィッティング＜管壁温度26℃＞

3.6

測定値

3.4

ランプ電流 / A

ランプ電流 / A

3.6

3.2
3.0

実験式

2.80101214

3.4
3.2
3.0
2.8
0

16

＜管壁温度100℃＞

10

ガス圧 / atm

＜管壁温度130℃＞

3.6

3.4
3.2
3.0
2.8
01012142012年7月9日（月）1616＜管壁温度160℃＞

3.4
3.2
3.0
2.80

ガス圧 / atm

実験式と測定結果が一致

14ガス圧 / atm

ランプ電流 / A

ランプ電流 / A

3.6

1210

121416

ガス圧 / atm

実験式を用いたガス圧推定が可能

電気電子工学特別講義

16推定精度の見積もり
信頼区間（信頼度９５%）

電流

測定点

信頼度95%における電流値の信頼区間に対応するガス圧幅を推定精度と定義

実験式

精度
キセノン封入ガス圧

管壁温度設定値/ °C

キセノン封入ガス圧 / atm
10.0

12.1

13.5

15.4

26±0.151±0.166±0.218±0.325100±0.099±0.154±0.217±0.222130±0.093±0.226±0.134±0.184160±0.064±0.149±0.067±0.158

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17光の単位（測光量）について

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18光の強度「光」はエネルギーの一形態
J（ジュール）～エネルギーの単位
1 J= 1 N（約100 gの重さ）のものを1 m引き上げるのに必要なエネルギー
食品: 1 kcal=4190 J
基礎代謝量（青年）: 1秒当たり58~72 J (1200~1500 kcal/日)
電力量: 1 kWh=3,600,000 J （約20円）
W（ワット）: 1秒当たりのエネルギー
1 W=1秒間に1J（例）１か月の電力消費が500 kWh（18億J）
18億J÷（60×60×24×30秒）＝700 W
光のエネルギー（例）
蛍光灯（30型）: 約8 W
LED電球（60型、消費電力7.5 W）: 1～2 W程度
教室で、A4資料1ページを照らす光: 約0.1 W*
2012年7月9日（月）* 照度600 lx、平均視感度360 lm/Wとして計算
電気電子工学特別講義

19放射量と測光量
色（波長）によって光の見えやすさが異なる

1 Wの光
紫外光: 0 lm
青色:62 lm (470 nm)
緑色: 683 lm (555 nm)
橙色: 517 lm (590 nm)
赤色: 181 lm (630 nm)
赤外光: 0 lm

標準視感度 (lm/W)lm（ルーメン）: 見えやすさを勘案した光の強さの単位

600
400
200
0400

500

600

700

800

波長 (nm)2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

20主な測光量
測光量 記号単位

対応する
放射量単位

光束

Φlm
（ルーメン）

放射束

照度

Elx
（ルクス）

放射照度 W/m2（ワット毎平米）

光度I

cd（カンデラ）

放射強度 W/sr（ワット毎ステラジアン）

輝度

L

cd/m2
放射輝度 W/(sr⋅m2)（ワット毎ステラジアン毎平米）（カンデラ毎平米）

W（ワット）

測光量と放射量で同じ記号必要に応じて添え字で区別する（例）Ev: 照度、Ee: 放射照度（v: visible, e: energetic）
2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

21

光束と照度エリアSに入射する光束=Φ (lm)
1秒間に入射する光エネルギー× 目の感度

エリアSの面積=S (m2)

机の天板面の位置Sでの照度=
S

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

ΦS(lx)

22

光度Ω
Ω

Φ2
斜め向き:
Φ
I2 = 2ΩΦ1
下向き: I1 =＜立体角＞錐体の頂点から見た広がりを表す量のこと。
錐体の頂点を中心とする半径1の球の球面を切り取ったときの面積で表す。
面積Ω

Φ1(cd)Ω
立体角Ω (sr)光源を中心とする微小錐体: 立体角Ω
微小錐体に含まれる光束: Φ
その方向の光度 I =2012年7月9日（月）

半径1の球

Φ(cd)
Ω
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23

光の向き（配光特性）
配光曲線例「理想的な」場合
点光源（東芝ライテックホームページより）

面光源

1 cd
1 cd

1 cd
1 cd

1 cd

面積Sθ

見かけの面積Scosθ

0.5 cd0.77 cd

1 cd

1 cd
1 cd

全部で4π lm

1 cd

0.93 cd

全部でπ lm

光源が見かけ上小さくなる（cos θ倍）→ 「明るさ」（光度）も小さくなる（cos θ倍）

2012年7月9日（月）ランベルトの余弦則
均等拡散面
電気電子工学特別講義

24

輝度
光源

均等拡散面の場合

Ω

点Pを含む
微小面積S

0.5 cd

θ点P

0.77 cd
1 cd

Ｓから出射し、微小錐体に含まれる光束Φ

θ方向の光度L(θ ) =

この方向から見た点Pの輝度

L=ΦΩS cos θ=IS cos θ

電気電子工学特別講義

cosθ倍I (θ ) I cos θ I==S (θ ) S cos θ S

θ方向の見かけの面積

光度を光源の見かけの面積で割ったもの
2012年7月9日（月）0.93 cdcosθ倍

輝度は、真正面から見ても斜めから見ても同じ
25

道路照明について

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

26道路照明の目的
道路照明の目的• 夜間やトンネルのように明るさの急変する場所で、視覚環境を良好にし、道路交通の安全・円滑を図る。
• 商業活動を盛んにする。
• 住宅地区の防犯のため。

必要な視覚情報• 道路上に障害物や歩行者などが存在するかどうか。
• 道路の幅や形状• 道路上の特殊箇所（交差点、分岐点、屈曲点等）• 走行車線の路面の状態• 他の自動車などの存否、種類、速度、移動方向

照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 6編3章

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

27

道路照明の要件
路面輝度
ある一定の明るさが必要
0.5～1.0 cd/m2
均斉度
路面輝度にむらがあると、- 暗い部分での視認性が悪くなる。
- 運転者に不快感を与える。
グレア
不快グレアと視覚低下グレア
光源のまぶしさをカットする必要がある。
誘導性
道路の線形、勾配、構造が認識しやすい照明設計が必要。
照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 6編3章

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

28

輝度基準

岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

29

輝度分布と障害物の見え方

岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

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30

灯具配光の選定

岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

31照明方式の比較

照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 6編3章

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義
32
岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/411/

誘導性の例

岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

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33

灯具配置の種類

照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 6編3章

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34

分合流点での照明

岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

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35トンネル照明について

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36トンネル照明の構成
入口部照明
基本照明
出口部照明
停電時用照明岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

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37

入口部照明昼間にトンネル内が暗黒の穴に見える詳細を識別できるようにする必要がある
トンネル内の輝度に順応する時間が必要過渡的な照明が必要

照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 6編3章

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38

基本照明

道路照明よりも高い輝度基準

岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

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39

出口部照明昼間時、次の条件を満たす場合に設ける。
1.トンネルの設計速度が80 km/h以上
2.トンネル出口部の野外の輝度が6000 cd/m2以上
3.トンネル延長が400 m以上
昼間時の路面照度は出口部の野外輝度の数値の1/10の値とし、照明区間は80mとする。

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40

照明方式

岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

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41

照明方式

岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

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42

照明方式

2012年7月9日（月）岩崎電気（株）ライティング講座、http://www.iwasaki.co.jp/kouza/index/

電気電子工学特別講義

43

順応

明順応: 1分以内
暗順応: 30分以上

月明かり0.1 lx～直射日光100 klx（ダイナミックレンジ106)
 錐体と桿体の切り替え

錐体: L, M, Sの3種類色の識別
桿体: 高感度、色は識別できない
照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 1編3章

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44

道路・トンネル照明用光源

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

45道路照明で使用する光源

照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 6編3章

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

46

ナトリウムランプ

NaのD線による発光（590 nm）
高効率（~130 lm/W）オレンジ色の発光
照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 3編2章

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

47

メタルハライドランプ

金属のヨウ化物を封入
演色性改善照明ハンドブック、第2版、オーム社（2003） 3編2章

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

48蛍光水銀ランプ
Phosphor layer
Glass bulb

強度StemPin
Filament electrode

Feed throughCap

300 400 500 600 700 800 900

低圧・低輝度・低温
MHランプ: 100 Mcd/m2, 数気圧以上, 数千K
蛍光ランプ: 10 kcd/m2, 1/100気圧以下, 数10℃

2012年7月9日（月）電気電子工学特別講義

波長 (nm)49