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            Bulbs and Tubes
Chih-Wei Huang
Meng-Chun Yu
2




          Abstract
• 燈泡的歷史

• 燈泡種類介紹與發光原理

• 燈管種類介紹與發光原理
3


             燈泡的歷史




• 大部分的人都認為,燈泡為愛迪生 (Thomas Alva Edison) 所發
  明。然而,事實上則不然。在愛迪生發明燈泡之前,已有許多
  人對燈泡的發明已有不少的貢獻。第一位取得燈泡的專利,是
  英國人約瑟夫.威爾森.斯旺 (Joseph Wilson Swan) ,他於1850
  左右,開始研究燈泡,並於1878年,利用碳絲 (carbon
  filament) 通電的方式,取得第一個燈泡的專利。
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• 愛迪生向兩位加拿大工程師購買燈泡專利,並改良燈絲。
  他從一開始碳絲燈泡,改良成碳化竹絲 (carbonized
  bamboo filament) 燈泡,並維持1200小時之久。然而,因
  為專利問題,被迫於需與斯旺成為合夥人。但最後斯旺將
  專利都賣給了愛迪生,因此,愛迪生才真正取得專利的所
  有權,並於1906年將鎢絲 (tungsten filament) 取代了碳化
  竹絲燈泡,而此燈泡沿用至今。
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燈泡種類介紹與發光原理
• 白熾燈泡(Incandescent lamp)
• 鹵素燈泡(Halogen lamp)
• 高強度氣體放電燈(High-intensity discharge,簡
  稱HID)
   1.高壓汞燈(High-Mercury lamp)
   2.金屬鹵化燈(Metal halide lamp)
   3.高壓鈉燈(High pressure sodium lamp)
   4.低壓鈉燈(Low pressure sodium lamp)
   5.氙燈(Xenon lamp)
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白熾燈泡(Incandescent lamp)發光原理




• 白熾燈泡(Incandescent Lamp)具有鎢線構成
  的燈絲,通上電流加熱燈絲,利用物體受熱發光
  的原理發光。所有的 白熾燈泡的演色指數 (CRI)
  都是 100 ,發光效率約8lm/W~18lm/W。
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鹵素燈泡(Halogen Lamp)




  主要用途:商展 展覽 飯店 辦公室級及飯店
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鹵素燈泡發光原理




• 一般白熾燈泡之點燈過程中,鎢絲在高溫中蒸發
  附著於玻璃內壁,產生所謂之黑化現象而使光束
  逐漸降低,鹵素燈泡就是為對抗這種情況,防止
  黑化而開發之燈泡。
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 高強度氣體放電燈(High-intensity
 discharge,簡稱HID)
• HID 燈通常應用在大面積區域且需要高品質的光線
這些地方包括體育館、大面積的公共區域、倉庫、
戶外活動區域、道路、停車場或水族照明,近幾年
更大量應用於汽機車頭燈。
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高強度氣體放電燈原理

                  • 所有的HID是透過兩電極,
                    透過惰性氣體而形成電弧
                    (類似閃電發生的原理)。




電弧管(俗稱放電內管)由石英玻璃製成,石英玻璃具有很良好的可見光透光性能,
而且可耐800℃的高溫,內充一定量的汞和少量的惰性氣體(通常為氬氣) ,有利於
光源的啟動。
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12



高壓汞燈(High Mercury Lamp)發光原
理




• 高壓汞燈,也稱高壓水銀燈,是一種內部含有汞蒸氣
  的燈,它以氣體放電的方式產生亮光。
• 燈管用耐熱玻璃製成,兩端裝有電極;製造時抽去空
  氣,充入水銀和少量氬氣;通電後水銀蒸發,受電子
  激發而發光。其光效率約35lm/W
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金屬鹵化燈(Metal halide lamp)發光原理




• 複金屬燈發光的基本過程可分為三個階段的物理機制 :
  1.自由電子被外加電場加速形成電子流。
  2.當運動的電子與氣體原子碰撞時,電子的動能就
    激發氣體原子的電子。
  3.當受激原子返回基態時,所吸收的能量以輻射發光
    的形式釋放出來。
14




金屬鹵化燈應用
15




高壓鈉燈(High pressure sodium lamp)
發光原理




• 惰性氣體為氙氣,會被激發的金屬為鈉和汞。由於較
  高的壓力,使氣體密度更高,而原子和電子間產生較
  多的碰撞,造成高壓鈉燈的頻譜較低壓鈉燈還要來的
  高,但由於接近600nm的頻譜被吸收掉;由於高壓
  鈉燈的頻譜較廣,因此演色性也會比低壓鈉燈來的好,
  其最高演色性約為20~85。
16



高壓鈉燈應用




• 廣泛應用於道路、高速公路、機場、碼頭、車站、廣場、
  街道、公園、庭院照明及植栽、作物栽培等。
17



低壓鈉燈(Low pressure sodium lamp)
發光原理




• 低壓鈉燈,其操作壓力約為7.6 torr,惰性氣體為氬
  氣和氖氣混合氣體,摻雜少量的鈉金屬,透過放電的
  過程,使得鈉原子與惰性氣體發生碰撞,而產生光。
  其主要發光波長為589nm與589.6nm,因此可以看到
  黃色的光。
18




低壓鈉燈應用
  路燈     黃光微影室
19




氙燈(Xenon Lamp)發光原理




• 氙燈,透過高的電壓,產生電弧,當電子撞擊,使氙原子的電
  子由激態掉回基態而發光,其內部氣體可分為兩種,第一種是
  燈管內只有純的氙氣,另一種是除了氙氣以外,還摻雜了微量
  的汞。由於氙燈其頻譜非常的廣,因此適合用來當作太陽光模
  擬器的燈源。此外,透過加入微量的汞,可增加紫外光的強度,
  而這種燈源適合用在醫療照明。
20




氙氣應用
22




資料來源:經濟部能源局 照明系統Q&A節能技術手冊
23




燈管種類介紹與發光原理

• 螢光燈 (fluorescent light)
   日光燈
   省電燈泡
   PL燈
• 冷陰極燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL )
• 霓虹燈 (neon light)
24



螢光燈 fluorescent light
• 一般家庭照明最常使用的照明光源,日光燈便是其中的一種。
  此外,電子式省電燈泡(Compact Fluorescent Lamp,
  CFL) 、3U 及4U 燈管、PL 燈等亦屬於螢光燈。
25



日光燈 發光原理
• 點燈(啟動)時,電流流過電極並加熱,從燈絲向著內發射
  出熱電子,並開始放電。放電產生的流動電子跟管內的水
  銀原子碰撞,發生紫外線(253.7nm)。這種紫外線照射螢
  光物質,變成可見光。隨著螢光物質的種類不同,可發出
  多種多樣的光色。
26



日光燈的點燈方式
27


• 啟動器(Starter) :將小玻璃泡抽真空後注
  入小量之氦、氖、氫等氣體,並裝上塗有
  氧化鋇的雙金屬片及一個固定電極而成。
  日光燈未啟動前兩電極是分開的,當啟動
  日光燈時,外加電壓施於兩電極間即產生
  發光放電,其產生之熱量使雙金屬之可動
  電極伸展,與固定電極接觸。




• 安定器(Ballast) :為了克服氣體放電型電
  光源的負阻特性,保持穩定電流的元件 。
  傳統的安定器一般是一個由漆包線和由矽
  鋼片組成的鐵芯繞制而成的電感。
28
29



T5 T8 T9 日光燈管比較

• T5是日光燈玻璃管口徑5/8英吋之代號,5/8英吋
  約等於1.6公分。相對於傳統T9日光燈管口徑9/8
  英吋(=2.9公分),或T8日光燈管口徑8/8英吋
  (=2.6公分),T5日光燈管口徑較細小,但其發光
  效率卻高於T9與T8燈管。

• T5日光燈管採用固態汞製造,比較環保。
30


省電燈泡(Compact Fluorescent Lamp, CFL)




 • 省電燈泡與日光燈管發光原理相同,統稱為螢光
   燈;其原理是利用電擊發出的電子撞擊燈管內的
   水銀原子,水銀原子經激發後形成電漿,放射出
   紫外線波長範圍的輻射波,然後在經由管壁上的
   螢光塗料產生可見光的波長。
31



冷陰極燈管 CCFL
(Cold Cathode Fluorescent Lamp)
32


• 發光原理與一般日光燈相似一般我們稱CCFL為冷陰極燈
  管,日光燈為熱陰極管,CCFL無需把陰極加熱,而是直接
  利用高頻切換諧振後的弦波高壓電場作用,讓燈管內少數
  電子高速撞擊電極後產生二次電子發射開始放電.
33




• 冷陰極燈管通常指直徑超過20毫米的,使用
  120~240mA電流的發光管。更大的產品通常作為
  通用照明用途。而霓虹燈則指管徑小於15毫米,
  並且通常電流約40mA的產品,這種產品通常作
  為指示用途。
34
35




霓虹燈 neon light
36




• 發光原理與CCFL,螢光燈相似

• 霓虹燈通常為一條玻璃管,內含低壓氖氣或其他
  惰性氣體,以微弱的直流或交流電經過管子時氖
  (neon)放電時會產生633.3nm橙紅色的光。
37




充在燈管中能發出紅光的種氣體是氖氣。但是單是紅色的
霓虹燈是不夠的,若要霓虹燈產生不同的色彩,這時需要
以綠、黃色,藍色、白色的螢光粉作為輔助。
38


LED (Light-Emitting Diode) 燈泡
39




LED發光原理
 發光二極體中電流可以輕易地從p極(陽極)流向n極
 (負極),而相反方向則不能。兩種不同的載流子:電洞
 和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p-n接面。當
 電洞和電子相遇而產生複合,電子會跌落到較低的能階,
 同時以光子的模式釋放出能量。
40



LED 優缺點
優點               缺點
• 發光效率高          • 散熱問題 ,不利於使用在
• 使用壽命長            高溫環境中,會產生嚴重光
• 不易破損             衰問題
• 可調整光之強弱        • 優劣品參雜,消費者無法判
• 耗電量少 ,可節省電力約     定
  50-75%         • 目前製造成本高,價格偏貴
• 環保無汞           • 需要有變壓驅動設計,其電
                   源尚未能與LED有相同壽
                   命
41
42


參考文獻
•   維基百科 http://zh.wikipedia.org
•   利航企業有限公司 Leonh Hardware Enterprise Inc
    http://www.leonh.com.tw/lightsource.php?page=4
•   大川燈飾 All rights reserved. Designed by Krad D.http://dartsung.er-webs.com/information.html
•   經濟部能源局節能照明手冊
•   國立中山大學電機學系碩士論文-宋明俊 複金屬燈特性研究
•   東亞照明 http://www.chinaelectric.com.tw/
•   K. HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMPS http://www.biddy-light.com.tw/lamp/HID.htm
•   LED照明科技研究中心
    http://led.ee.ncku.edu.tw/index.php?option=com_content&view=article&id=112:led&catid=43:l
    ed&Itemid=142
•   昌盛光電 http://prospre.com.tw/
•   日光燈的物理
    http://home.phy.ntnu.edu.tw/~haha90/content/fun_exp/fun_content/SunLight/sunLight.html
•   日光燈的物理 http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=everydayPhysics/lamp
•   新電子工藝,無線電技術月刊 , LED的電學、熱學及光學特性研究
    http://www.electronictechnology.com/apm/mgad.php?sublnk=article&mcontentid=4207&conte
    ntid=MQ==
•   低碳動能開發 http://www.rce168.com.tw/index.php/welcome/product04
•   照明設計 www.pws.stu.edu.tw/paul/lecture/e202.pdf
•   LED和日光燈的構造、發光原理和日後發展
    www.shs.edu.tw/works/essay/2008/10/2008102915124817.pdf
43


•   翰藝實業有限公司 http://www.hanyi.er-webs.com/
•   SEIYA http://www.ledcase.com/index.htm
•   久光照明 Longtide LED Lighting http://www.longtide.com.tw/ch/
•   台灣斯柏瑞科技股份有限公司 http://www.spreadprofit.com.tw/ccfl/index.html
•   http://www.dhowa-technos.co.jp/blog/2010/08/post-2.html

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Bulbs and tubes

  • 1. 1 Bulbs and Tubes Chih-Wei Huang Meng-Chun Yu
  • 2. 2 Abstract • 燈泡的歷史 • 燈泡種類介紹與發光原理 • 燈管種類介紹與發光原理
  • 3. 3 燈泡的歷史 • 大部分的人都認為,燈泡為愛迪生 (Thomas Alva Edison) 所發 明。然而,事實上則不然。在愛迪生發明燈泡之前,已有許多 人對燈泡的發明已有不少的貢獻。第一位取得燈泡的專利,是 英國人約瑟夫.威爾森.斯旺 (Joseph Wilson Swan) ,他於1850 左右,開始研究燈泡,並於1878年,利用碳絲 (carbon filament) 通電的方式,取得第一個燈泡的專利。
  • 4. 4 • 愛迪生向兩位加拿大工程師購買燈泡專利,並改良燈絲。 他從一開始碳絲燈泡,改良成碳化竹絲 (carbonized bamboo filament) 燈泡,並維持1200小時之久。然而,因 為專利問題,被迫於需與斯旺成為合夥人。但最後斯旺將 專利都賣給了愛迪生,因此,愛迪生才真正取得專利的所 有權,並於1906年將鎢絲 (tungsten filament) 取代了碳化 竹絲燈泡,而此燈泡沿用至今。
  • 5. 5 燈泡種類介紹與發光原理 • 白熾燈泡(Incandescent lamp) • 鹵素燈泡(Halogen lamp) • 高強度氣體放電燈(High-intensity discharge,簡 稱HID) 1.高壓汞燈(High-Mercury lamp) 2.金屬鹵化燈(Metal halide lamp) 3.高壓鈉燈(High pressure sodium lamp) 4.低壓鈉燈(Low pressure sodium lamp) 5.氙燈(Xenon lamp)
  • 6. 6 白熾燈泡(Incandescent lamp)發光原理 • 白熾燈泡(Incandescent Lamp)具有鎢線構成 的燈絲,通上電流加熱燈絲,利用物體受熱發光 的原理發光。所有的 白熾燈泡的演色指數 (CRI) 都是 100 ,發光效率約8lm/W~18lm/W。
  • 7. 7 鹵素燈泡(Halogen Lamp) 主要用途:商展 展覽 飯店 辦公室級及飯店
  • 8. 8 鹵素燈泡發光原理 • 一般白熾燈泡之點燈過程中,鎢絲在高溫中蒸發 附著於玻璃內壁,產生所謂之黑化現象而使光束 逐漸降低,鹵素燈泡就是為對抗這種情況,防止 黑化而開發之燈泡。
  • 9. 9 高強度氣體放電燈(High-intensity discharge,簡稱HID) • HID 燈通常應用在大面積區域且需要高品質的光線 這些地方包括體育館、大面積的公共區域、倉庫、 戶外活動區域、道路、停車場或水族照明,近幾年 更大量應用於汽機車頭燈。
  • 10. 10 高強度氣體放電燈原理 • 所有的HID是透過兩電極, 透過惰性氣體而形成電弧 (類似閃電發生的原理)。 電弧管(俗稱放電內管)由石英玻璃製成,石英玻璃具有很良好的可見光透光性能, 而且可耐800℃的高溫,內充一定量的汞和少量的惰性氣體(通常為氬氣) ,有利於 光源的啟動。
  • 11. 11
  • 12. 12 高壓汞燈(High Mercury Lamp)發光原 理 • 高壓汞燈,也稱高壓水銀燈,是一種內部含有汞蒸氣 的燈,它以氣體放電的方式產生亮光。 • 燈管用耐熱玻璃製成,兩端裝有電極;製造時抽去空 氣,充入水銀和少量氬氣;通電後水銀蒸發,受電子 激發而發光。其光效率約35lm/W
  • 13. 13 金屬鹵化燈(Metal halide lamp)發光原理 • 複金屬燈發光的基本過程可分為三個階段的物理機制 : 1.自由電子被外加電場加速形成電子流。 2.當運動的電子與氣體原子碰撞時,電子的動能就 激發氣體原子的電子。 3.當受激原子返回基態時,所吸收的能量以輻射發光 的形式釋放出來。
  • 15. 15 高壓鈉燈(High pressure sodium lamp) 發光原理 • 惰性氣體為氙氣,會被激發的金屬為鈉和汞。由於較 高的壓力,使氣體密度更高,而原子和電子間產生較 多的碰撞,造成高壓鈉燈的頻譜較低壓鈉燈還要來的 高,但由於接近600nm的頻譜被吸收掉;由於高壓 鈉燈的頻譜較廣,因此演色性也會比低壓鈉燈來的好, 其最高演色性約為20~85。
  • 17. 17 低壓鈉燈(Low pressure sodium lamp) 發光原理 • 低壓鈉燈,其操作壓力約為7.6 torr,惰性氣體為氬 氣和氖氣混合氣體,摻雜少量的鈉金屬,透過放電的 過程,使得鈉原子與惰性氣體發生碰撞,而產生光。 其主要發光波長為589nm與589.6nm,因此可以看到 黃色的光。
  • 18. 18 低壓鈉燈應用 路燈 黃光微影室
  • 19. 19 氙燈(Xenon Lamp)發光原理 • 氙燈,透過高的電壓,產生電弧,當電子撞擊,使氙原子的電 子由激態掉回基態而發光,其內部氣體可分為兩種,第一種是 燈管內只有純的氙氣,另一種是除了氙氣以外,還摻雜了微量 的汞。由於氙燈其頻譜非常的廣,因此適合用來當作太陽光模 擬器的燈源。此外,透過加入微量的汞,可增加紫外光的強度, 而這種燈源適合用在醫療照明。
  • 22. 23 燈管種類介紹與發光原理 • 螢光燈 (fluorescent light) 日光燈 省電燈泡 PL燈 • 冷陰極燈管(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL ) • 霓虹燈 (neon light)
  • 23. 24 螢光燈 fluorescent light • 一般家庭照明最常使用的照明光源,日光燈便是其中的一種。 此外,電子式省電燈泡(Compact Fluorescent Lamp, CFL) 、3U 及4U 燈管、PL 燈等亦屬於螢光燈。
  • 24. 25 日光燈 發光原理 • 點燈(啟動)時,電流流過電極並加熱,從燈絲向著內發射 出熱電子,並開始放電。放電產生的流動電子跟管內的水 銀原子碰撞,發生紫外線(253.7nm)。這種紫外線照射螢 光物質,變成可見光。隨著螢光物質的種類不同,可發出 多種多樣的光色。
  • 26. 27 • 啟動器(Starter) :將小玻璃泡抽真空後注 入小量之氦、氖、氫等氣體,並裝上塗有 氧化鋇的雙金屬片及一個固定電極而成。 日光燈未啟動前兩電極是分開的,當啟動 日光燈時,外加電壓施於兩電極間即產生 發光放電,其產生之熱量使雙金屬之可動 電極伸展,與固定電極接觸。 • 安定器(Ballast) :為了克服氣體放電型電 光源的負阻特性,保持穩定電流的元件 。 傳統的安定器一般是一個由漆包線和由矽 鋼片組成的鐵芯繞制而成的電感。
  • 27. 28
  • 28. 29 T5 T8 T9 日光燈管比較 • T5是日光燈玻璃管口徑5/8英吋之代號,5/8英吋 約等於1.6公分。相對於傳統T9日光燈管口徑9/8 英吋(=2.9公分),或T8日光燈管口徑8/8英吋 (=2.6公分),T5日光燈管口徑較細小,但其發光 效率卻高於T9與T8燈管。 • T5日光燈管採用固態汞製造,比較環保。
  • 29. 30 省電燈泡(Compact Fluorescent Lamp, CFL) • 省電燈泡與日光燈管發光原理相同,統稱為螢光 燈;其原理是利用電擊發出的電子撞擊燈管內的 水銀原子,水銀原子經激發後形成電漿,放射出 紫外線波長範圍的輻射波,然後在經由管壁上的 螢光塗料產生可見光的波長。
  • 31. 32 • 發光原理與一般日光燈相似一般我們稱CCFL為冷陰極燈 管,日光燈為熱陰極管,CCFL無需把陰極加熱,而是直接 利用高頻切換諧振後的弦波高壓電場作用,讓燈管內少數 電子高速撞擊電極後產生二次電子發射開始放電.
  • 32. 33 • 冷陰極燈管通常指直徑超過20毫米的,使用 120~240mA電流的發光管。更大的產品通常作為 通用照明用途。而霓虹燈則指管徑小於15毫米, 並且通常電流約40mA的產品,這種產品通常作 為指示用途。
  • 33. 34
  • 35. 36 • 發光原理與CCFL,螢光燈相似 • 霓虹燈通常為一條玻璃管,內含低壓氖氣或其他 惰性氣體,以微弱的直流或交流電經過管子時氖 (neon)放電時會產生633.3nm橙紅色的光。
  • 38. 39 LED發光原理 發光二極體中電流可以輕易地從p極(陽極)流向n極 (負極),而相反方向則不能。兩種不同的載流子:電洞 和電子在不同的電極電壓作用下從電極流向p-n接面。當 電洞和電子相遇而產生複合,電子會跌落到較低的能階, 同時以光子的模式釋放出能量。
  • 39. 40 LED 優缺點 優點 缺點 • 發光效率高 • 散熱問題 ,不利於使用在 • 使用壽命長 高溫環境中,會產生嚴重光 • 不易破損 衰問題 • 可調整光之強弱 • 優劣品參雜,消費者無法判 • 耗電量少 ,可節省電力約 定 50-75% • 目前製造成本高,價格偏貴 • 環保無汞 • 需要有變壓驅動設計,其電 源尚未能與LED有相同壽 命
  • 40. 41
  • 41. 42 參考文獻 • 維基百科 http://zh.wikipedia.org • 利航企業有限公司 Leonh Hardware Enterprise Inc http://www.leonh.com.tw/lightsource.php?page=4 • 大川燈飾 All rights reserved. Designed by Krad D.http://dartsung.er-webs.com/information.html • 經濟部能源局節能照明手冊 • 國立中山大學電機學系碩士論文-宋明俊 複金屬燈特性研究 • 東亞照明 http://www.chinaelectric.com.tw/ • K. HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMPS http://www.biddy-light.com.tw/lamp/HID.htm • LED照明科技研究中心 http://led.ee.ncku.edu.tw/index.php?option=com_content&view=article&id=112:led&catid=43:l ed&Itemid=142 • 昌盛光電 http://prospre.com.tw/ • 日光燈的物理 http://home.phy.ntnu.edu.tw/~haha90/content/fun_exp/fun_content/SunLight/sunLight.html • 日光燈的物理 http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/html.php?html=everydayPhysics/lamp • 新電子工藝,無線電技術月刊 , LED的電學、熱學及光學特性研究 http://www.electronictechnology.com/apm/mgad.php?sublnk=article&mcontentid=4207&conte ntid=MQ== • 低碳動能開發 http://www.rce168.com.tw/index.php/welcome/product04 • 照明設計 www.pws.stu.edu.tw/paul/lecture/e202.pdf • LED和日光燈的構造、發光原理和日後發展 www.shs.edu.tw/works/essay/2008/10/2008102915124817.pdf
  • 42. 43 • 翰藝實業有限公司 http://www.hanyi.er-webs.com/ • SEIYA http://www.ledcase.com/index.htm • 久光照明 Longtide LED Lighting http://www.longtide.com.tw/ch/ • 台灣斯柏瑞科技股份有限公司 http://www.spreadprofit.com.tw/ccfl/index.html • http://www.dhowa-technos.co.jp/blog/2010/08/post-2.html