月: 2021年12月

電磁波シールドとは

電磁波シールドとは、電磁波の影響を受けないように電磁波を低減、もしくは防止するために使う材料のことです。

このような考え方をノイズコントロールやEMC対策と呼びます。また、電磁波シールドとして使用する材料は、シールド材と呼ばれています。電磁波は、私たちの生活のなかでも、さまざまな機器から発生しています。

例えば身近な機器から探してみると携帯電話がそのひとつです。携帯電話は、電波と呼ばれる電磁波を飛ばすことで内蔵されているアンテナや基地局を通して通信をおこなっており、マイクロ波と呼ばれる800ギガヘルツから2ギガヘルツの周波数帯の電波を使用しています。

実のところ、電磁波とは、さまざまな種類の波長が存在しているため、コンセントにプラグが刺さっていれば電磁波が発生しています。そんな電磁波をお互いが干渉しないように制御するために使用する材料が電磁波シールドなのです。

電磁波シールドの原理

電磁波シールドは、一般的に電磁波を反射することで、その影響を低減させます。例えばプラスチックの電磁波シールド方法には、表面処理による方法と複合的な方法があります。

表面処理方法には、導電性塗料（銀やニッケル、銅）やメッキ（銅やニッケル、クロム）を塗布する方法、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング、金属溶射などがあります。

複合的な方法には、ガラス繊維やカーボン繊維、金属繊維、金属フレーク、粉末などがあり、プラスチックに導電性のフィラーを混ぜることで電気伝導性とシールド性を得る仕組みです。

電磁波シールドの選び方

電磁波シールドを選ぶうえで知っておくべきことは、電磁波の構成と性質です。

電磁波は、大別すると「放射線」「光」「電波」「電磁界」で分類され、さらに細かく分類が分かれています。

例として放射線であれば「ガンマ線」「エックス線」のように細別されています。それぞれの周波数や波長は、異なっており、電磁波シールドを選択する際にも考慮しなければなりません。

ここからは上記に挙げた中であまり聞き慣れない「電磁界」について解説していきます。

電磁波シールドのその他情報

1. 電磁波シールドの使い方

電磁波シールドには、電磁シールドと磁気シールドが存在しています。電波と磁気は、性質が異なるため、低減や防止を行う方法も異なります。

電磁シールド
電磁シールドは、導電性の材料により対象の空間を囲むことによって、電波を反射して電波の侵入や漏洩を防止します。

つまり、壁面の電波の遮断にシールド層を造ることで対応するということです。窓や扉には、シールドを施したシールドガラスやシールド扉を取り付けることで防止します。換気口には、特殊なフィルターを設置することで対応が可能です。

しかし、材料のあいだに隙間が存在すると、電波の侵入や漏洩が発生してしまいます。電磁シールドは、施工した面や部材の表面で電波を反射する技術のため、反射した電波が減衰せずに反射する点に注意が必要です。

磁気シールド
磁気シールドは、鉄などの磁性材料を使用して遮断したい空間を密閉することで、磁気を迂回させて侵入を防ぐ技術です。磁気の影響を多く受ける半導体工場や磁気を発生する装置を取り扱う病院などで使用されています。

電磁シールドでは、反射させることによって、電波の侵入や漏洩を防止していました。

一方、磁気シールドでは、磁性材料の内部に磁気を誘導することで磁気を防いでいます。

この両方の性質を兼ね備えている材料が電磁波シールドです。

2. 電磁波の吸収

電磁波シールドは、電磁波を反射するだけではなく、電磁波を吸収することで電磁波の防止や予防を行う方法もあります。具体的な方法は、以下のとおりです。

電磁波シールドにより電磁波を吸収するには、電磁波を内部に通過させることで、電磁波のエネルギーを減衰させる方法があります。一般的に電磁波シールドは、損失性媒体という物質で構成されています。この物質は、電磁波を熱として消費し、電磁波強度を減衰させます。

一方で、電磁波を吸収する場合には、電磁波吸収体という電磁波を吸収する素材を使用します。通常、電磁波は、損失性媒体に入射を開始すると、一部が物質を通過せずに反射されてしまうため、電磁波吸収体などが使用されます。

この方法を採用したのが、ピラミッド型電磁波吸収体です。ピラミッド型電磁波吸収体は、奥行き方向の距離を必要とするため、厚みが非常に大きくなってしまいますが、周波数に依存せずに電磁波を完全に吸収することが可能です。

3. 電磁波シールドの効果

電磁波シールドは、定量的に評価されており、一般的にSE（Shielding Effectiveness）という数値を使用して評価を行います。

そして、シールドの効果は、電磁波がシールドを通り抜けた際の減衰量から算出され、一般的に下記の式が用いられます。

シェルクノフの式
SE（シールド効果）= R（反射損失）+ A（減衰損失）+ B（多重反射項）

この考え方では、シールド材を設置していない状態で、空間一点の電界強度か磁界強度を基準として設定し、シールド材を設置した後に同空間での電界強度と磁界強度の値からシールドの効果を定義しています。

電界と磁界のどちらの比を選択するかは、電磁波を発する対象によって検討します。

4. 電磁界について

電磁界は、送配電線や家庭の電化製品に存在しています。電磁界とは、電界と磁界を合わせた現象のことを呼んでいます。

電界は、電圧がかかっている状態のことをいいます。下敷きで頭を擦ると髪の毛が立ち上がりますが、これが電界の発生している状態です。

磁界は、磁気が働く空間のことを呼んでおり、磁石の周りに砂鉄などを巻くと弧を描いたように綺麗なラインが発生します。この現象が磁界の発生している状態です。

電磁界の原理
まず、プラグをコンセントに接続してコードに電圧がかかることで電界が発生します。次に、コードが繋がっている製品の電源を入れることで、コードに電流が流れ、磁界も発生します。

この両方の現象が電磁界の発生している状態となっています。これらの現象による電磁波の混線などを防ぐためには、シールド塗料やシールド効果を有したコンクリートによる施工などを検討していくことが必要です。

また、周波数を選択して電磁的なシールドを生み出すことができるフィルムなども販売されています。近年では、閉鎖的だった磁気シールドも開放的に帯状のシールド材を等間隔で設置することにより、少ない材料でもこれまで以上に効果を発揮する技術も開発されています。

放熱対策部品とは

放熱対策部品とは、電子関連の機器やシステムが動作する際に発生する熱を逃すための部品です。

電子基板でよく使われるコンデンサやダイオード、トランジスタなどの部品は、通電することで熱を発生しお互いに影響を受けてしまいます。発生した熱は主に表面積や排出口などで冷却していますが、近年は製品の小型化に伴って部品の面積が減少しているため、放熱対策部品を使って放熱するようになりました。

放熱対策部品の使用用途

放熱対策部品は主に電子部品産業で使用されます。小型製品には熱伝導性材料 (TIM) 、大型の製品にはヒートシンクが活用されます。

1. 熱伝導性材料 (TIM) 

TIM (英: Thermal Interface Material) とは、機器内部で発生した熱を放熱するために部材の間に介在させる熱伝導材料のことです。

発熱源と冷却器の間に発生する空気の層は効率的な伝熱を妨げますが、TIMを使用することで熱抵抗を低くすることができます。TIMの多くは放熱シートや伝導性シートとして製品化されており、シート以外には放熱グリスなどが存在します。放熱シートの材料には、主に窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、カーボンなどが使用されています。

2. ヒートシンク

ヒートシンクは、放熱板とも呼ばれます。表面積が広いフィンと呼ばれる板を蛇腹や剣山のように構成した放熱器で放熱効率が高い製品です。しかし、面積を必要とするため設置可能な場所が限られています。

放熱対策部品の種類

放熱対策部品にはTIM材などの薄型材料が多く利用されていますが、そのほかにもヒートパイプやベイパーチャンバーなども活用されています。

1. ヒートパイプ

ヒートパイプは、銅などの金属で構成されており、作動液 (ガスや水) が内部に封入されています。この作動液の蒸発潜熱で熱の輸送と放熱を行います。一般的には、メンテナンスの必要が少なく、パソコンや電子機器、自動車、変電所などで使用されています。

2. ベイパーチャンバー

ベイパーチャンバーは、ヒートパイプを薄く小型化した製品を指します。原理はヒートパイプと同じです。製品の厚みは薄いもので約200マイクロメートルのため、電子機器 (スマートフォンやスマートグラスなど) への応用が期待されています。

3. 放熱塗料

放熱塗料は、主に熱放射の仕組みを取り入れて開発された製品を指します。塗膜の熱伝導効率による放熱ではなく、熱を電磁波として熱放射することで放熱する仕組みです。モーターやエンジン、排気関連製品、照明、ヒートシンクなど、多種多様な用途に使用されています。

4. 放熱ファン

放熱ファンは、いくつかのプロペラが回転することで、風を送り出します。強制的に風を発生させて冷却する強制空冷法によって放熱します。主にコンピューターやサーバー、電源装置、配電盤などで使用されています。

5. 放熱グリス

放熱グリスは適度な粘度があり、塗布することで熱伝導性を向上させます。また、熱抵抗を低下させる効果も有しており、CPUグリスとも呼ばれます。半導体デバイスなどから発生した熱をヒートシンクなどに伝達することで放熱します。

放熱対策部品のその他情報

放熱対策部品の設計

放熱対策部品は、設計段階において機器の総発熱量や許容温度、寸法による制約、設置する環境条件などをシュミレーションしているため、熱対策が必要な機器に対して最適な設計で製造されています。

例えば自動車の部品では、金属製の部品や樹脂成形品を使用することで放熱を行なっていますが、他の電子機器が多く搭載されており、お互いに電波を受発信しています。機器同士の電波の妨害を起こさないために、EMC対策製品 (電波の受発信を妨げない) を選定して設計します。

セラミックヒーターとは

セラミックヒーターとは、発熱体をセラミックで被覆した形態のヒーターです。

工業用や家庭用に広く使用されています。被覆材であるセラミックが加熱されて遠赤外線を放射する仕組みです。遠赤外線は、物質に吸収されて熱となる (放射伝熱) ため、空気などの媒体を昇温すること無く、対象物を効率よく加熱することができます。また、セラミックを使用した発熱体の一種として、PTCヒーターと呼ばれる自己制御型発熱体があります。

セラミックヒーターの使用用途

セラミックヒーターは、家庭用では温熱機器・暖房装置として使用されていますが、工業用をはじめとする業務用では暖房以外にも様々な加熱用途で広く使用されています。

• 水道：給配水管、水道管、バルブ等の加熱・保温
• パイプラインなどにおける、水・オイル供給管の保温
• 塗装乾燥
• スクリーン印刷乾燥
• 塩化ビニール・アクリルなどの樹脂の加工にあたって行う予熱・軟化、及び、樹脂加工後の硬化
• ゴム加硫
• アニール炉
• フィルム塗布乾燥、フィルム延伸
• ディスプレイ乾燥
• 食品の脱水・乾燥・焙煎
• コンベアー等での移動物の加熱
• 結露防止・凍結防止
• 融雪
• 医療・理美容機器

セラミックヒーターは、媒質 (空気など) による加熱ではなく、遠赤外線による加熱を行います。そのため、開放空間など、通常のヒーターでは温まりにくい場所での使用や、対象物をピンポイントで加熱したい用途などに特に使用されているヒーターです。

セラミックヒーターの原理

1. 概要

セラミックヒーターは、発熱体が線状や棒状、もしくは面状にセラミックで被覆されている構造です。編組み構造のセラミックヒーターは、セラミックを電熱線で編み込んだ構造であり、線状や棒状では対応できない二次曲面に自由に対応することができます。

使用されるセラミックの種類は様々ですが、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミなどが使用されます。セラミックは高温でも酸化しにくく長時間一定の品質で使用し続けることができ、遠赤外線を吸収・放熱しやすい性質です。セラミックヒーターの特徴・性能としては下記のようなものが挙げられます。

• 酸化や腐食に強い
• 遠赤外線を吸収・放射しやすい
• 放射伝熱のクリーン性能 (加熱時にCO₂排出を行わない)
• 加熱効率が高いことによる省エネ効果・設備のコンパクト化

2. PTCヒーター

PTCヒーターとは、半導体セラミックの一種であるチタン酸バリウム (BaTio₃) を主成分とした発熱体です。PTCは、Positive Temperature Coefficientの略称です。「正温度係数」の意味を持つ通り、電気の抵抗値が正の数 (係数) だけ変化します。

PTCヒーターの素子の成分であるチタン酸バリウムは、キュリー温度を超えると正方晶系から立法晶系へと相転移し、電気抵抗値が急激に上昇します。この電気抵抗値の上昇により、自己温度制御作用が働きます。

すなわち、発熱によって昇温する際、キュリー温度を超えると抵抗値が上がります。抵抗値の上昇に伴い、電流が少なくなって昇温が止まり、結果的に温度が下がります。更に、温度下降によって抵抗値が下がるために電流が多くなり、また発熱が進行します。このような特性を利用して、PTCヒーターは自己制御型発熱体として利用することができます。

セラミックヒーターの種類

セラミックヒーターには、形状の上では線状・面状・棒状などの種類があります。様々な大きさ・想定用途があるため、目的に合わせて適切な製品を選定することが必要です。最高使用温度は、通常、500℃、600℃、1000℃などが主流です。また、一般的なニクロム線やカーボン繊維を発熱体としてセラミックで被覆した製品の他に、発熱体自体がセラミックである自己制御型のPTCヒーターなどの製品があります。PTCヒーターは、200℃、280〜290℃などが中心です。

用いられるセラミックには、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミ、などがあります。PTCヒーターは発熱体としてチタン酸バリウムが用いられます。アルミナヒーターは、⾼い出⼒と⽐較的⾼い形状⾃由度があり、窒化ケイ素は、高い強度と瞬間的な昇温速度高温発熱性能に優れています。また、窒化アルミはセラミックの中でも優れた高熱伝導率性を誇る素材です。

監修: 炎重工株式会社

水中カメラとは

水中カメラとは、その名の通り、水中を撮影することができるカメラです。通常の陸上で使用されるカメラと行えることは同じで、写真や動画の撮影、監視などをすることができます。

水中で使用するため、防水加工が必須となります。近年では、防水に関する規格を満たしているカメラ、スマートフォンなどが多く販売されていて、それらは、防水カメラと同等のことをすることができます。しかし、水深が深くなると水圧がかかるようになりますし、長時間使おうとすると、それもカメラ本体や防水加工に対してストレスをかけることになります。そのため、規格に定められている以上に過酷な環境下におくと、防水加工が耐えられず、浸水してしまいます。水中カメラは、防水という点に特化しているので、防水カメラやスマートフォンに比べて、過酷な環境でも使用できるような防水加工がされています。

水中カメラの使用用途

水中カメラは、写真や動画の撮影、監視などをすることができ、ホビーや趣味の領域で多く用いられています。例えば釣りでは、岸壁や釣り船の上から水中にカメラを沈めて撮影することで、そのポイントに魚がいるかどうか確認するのに使われます。また、スキューバダイビングでは、水中カメラを持っていって、水中の風景などを撮影するのに使われます。水族館などで、水槽の中に作業員の方が入っていき、魚を近くで撮影した映像を見たことがある方もいるでしょう。その時使われているカメラも水中カメラの一種です。

研究用途においても用いられており、大学や漁協・漁業協同組合が主体となって、海底の調査・研究や漁礁周辺の水産資源の調査などが全国で行われています。東日本大震災の際にも水中・海底調査の分野で水中カメラが大活躍しました。

産業用途においても利用が盛んになってきています。例えば水産業では、養殖いけすや定置網の点検、船底点検などの船舶管理に用いられています。建設業では、水中工事をする際の水中確認、ダムや岸壁などの点検といった水利施設・港湾管理、浚渫工事や港湾工事の事前調査などに使われています。

水中カメラの防水について

防水に関する規格「IPX」が国際的に採用されています。「IPX」は、IPX0からIPX8まで9段階で規定されています。保護の程度はIPX0が「特に保護されていない」、IPX8が「水中での使用が可能」と規定されていて、数字が大きいほど防水性能が高くなります。IPXにそった、水中カメラや防水カメラ、防水スマートフォンは多く販売されています。しかしながら、IPX8の「水中での使用が可能」という規定は不明瞭で、具体的なテスト方法が存在していません。IPX8として認められているものであるため、IPX7で規定される、水面下15cm～1m、30分のテストはクリアしていると考えられますが、それ以上どのような環境で使用できるのかがわからないという問題があります。 それを解消するため、水中カメラを取り扱う各メーカーでは、独自に使用する環境を想定して、水深や使用できる時間の長さなどに関するテストを行い、使用できる環境を示しているメーカーがほとんどです。中には、水中カメラ本体の防水性能では足りず、追加して部品を取り付けることで防水性能を高める製品もあります。水中カメラを選定する際には、使用する環境にその水中カメラの防水性能が耐えられるかどうか確認が必要です。

水中カメラの市場規模

世界の水中カメラの市場規模は、2020年に56億5,000万米ドルとなり、2021年から2030年にかけて13.90%のCAGRで拡大し、2030年には188億1,000万米ドルに達すると予測されています。 （引用 水中カメラの世界市場：タイプ別（デジタル一眼レフ[DSLR]、ミラーレス、コンパクト）、流通チャネル別（オンライン、オフライン）、アプリケーション別（パーソナル、コマーシャル）の市場機会分析および業界予測（2021年～2030年）.株式会社グローバルインフォメーション.https://www.gii.co.jp/report/amr1030113-underwater-camera-market-by-type-digital-single.html(最終閲覧2021/11/29)）

選定時に注意すべきポイント

水中カメラ選定で課題となるのは、水圧です。水圧は、水深が10m深くなるごとに1気圧ずつ大きくなっていきます。サルベージを行う際の調査や海底の調査・研究など水深が深いところで使用する際には特に問題となり、それ相応の防水性能が必要とされます。

また、水深が深くなるほど暗くなり、ライトが必要となります。ライトやカメラの稼働に必要な電源も問題となってきます。水中カメラは、カメラ機構の外側に防水加工を施しています。そのため、水中で中を開けることができず、バッテリーを交換することができません。バッテリーでは使用できる時間が限られ、長時間使用しようとすると外部から電源を供給し続ける必要があります。

そのほかにも、電波がほぼ使用できなくなるという問題もあります。私たちが地上で使っている電波は、水中に入ると空気とは比べ物にならないほど大きく減衰します。Wi-Fiや携帯電話などで用いられる高周波域の電波は、水中に入ると数センチで減衰し、届かなくなります。通常の陸上で使用されるカメラでは、Wi-Fiなどを経由してリアルタイムで撮影している映像を確認するということが容易にできます。ところが電波が使用できない水中では、リアルタイムに映像を伝送するためには有線での接続が必要になります。

水中カメラの産業利用について

単純に“水中”と表現しても、海と湖ではその環境は異なり、それに応じた対応が必要となります。特に産業利用の水中カメラは使用時の環境が複雑な場合も多く、安易に市販品を選ぶと失敗してしまうことも少なくないでしょう。しかし、適切な水中カメラを選定することによって、潜水士が危険を伴いながら作業していた事を代替することができたり、潜水士が行くことができなかったより水深の深い場所の確認や長時間の点検ができるようになったりします。また、近年では、特殊な加工技術や素材の開発により、水中カメラの活躍の場は水中だけではなく、ケミカルタンクや溶解炉の中やなどにも広がりつつあります。 水中カメラの産業利用を検討されている際は、専門のメーカーに問い合わせてみてください。

本記事は水中カメラを製造・販売する炎重工株式会社様に監修を頂きました。

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監修: 炎重工株式会社

水上ドローンとは

「ドローン」と聞くと、多くの人は空を飛ぶドローンを思い浮かべるでしょう。しかし、「ドローン」は空飛ぶドローンだけではなく、遠隔操作や自動操縦できる機体全般をさしており、その形状には様々なものがあります。その中の一つが水上ドローンです。水上ドローンは、水上を移動する小型の船のような機体です。遠隔操作や自動操縦により操作して水上を縦横無尽に駆け回ります。

水上ドローンの使用用途

これまでは、主にホビー用途に多く用いられてきました。水上ドローンの水上を移動するという特徴から、その活用範囲は水上そして水中となります。カメラを搭載することによって水上・水中の撮影や遠隔監視ができます。マリンスポーツにおいては、競技者に追従しながら撮影をおこなえるものもあり、ダイナミックな写真が撮れると人気があります。また、釣りの分野では、水上ドローンに魚群探知機を搭載することによって、魚群探知をしたり、水中カメラを用いて、海の底の様子を確認したりします。

しかし近年、水上ドローンの産業利用も進んできています。特に活用が盛んなのが漁業分野です。現在一般的に有人船を用いて行っている、給餌、測量、監視などの作業を自動操縦の無人船で置き換えることができます。そのほかにも漁港と協力した実証実験が各地で行われています。具体的には、無人魚群探査船を作るための実験、密漁対策をするための実験などといった例があります。

水上ドローンの仕組み

水上ドローンは、小型の船のような形状をしています。大きさは、用途や使用される場所によってさまざまで、両手のひらを合わせたくらいの大きさから、ひと2,3人が乗れるサイズまであります。操縦は、専用のコントローラーを用いたり、スマホやタブレットを用いたりします。自動操縦機能がついているものはGPSが搭載されており、事前に指示した経路を自動操縦で運行します。

空を飛ぶドローンはホバリングという機能がついているものが多数あります。風が吹くとそれによってドローンが流されますが、ホバリング機能によって、流される方向と逆に進もうとすることによってその場所にとどまろうとするものです。水上ドローンの中にも、バーチャルアンカーというホバリングと同じような機能を持ったものがあります。水上ドローンは、水の流れによって流されます。GPSによる位置情報を利用して、流される方向を検出、その場所にとどまろうとするものです。また、経路を自動航行する際にも、流される方向を常にモニタリングしており、経路の進行方向だけではなく、水上ドローンが流される方向も加味して制御方向をコントロールしています。

水上ドローンの課題

1つ目の課題に、モーターの出力制限の問題があります。水上ドローンは小型であるため、搭載できるモーターやバッテリーに大きさや重さの制限があります。そのため、運行できる速度や時間に制限が生まれます。また、ある程度大きさがあるものについては、法律上の制限もあり、現在のところ、すべての作業を水上ドローンに置き換えるということは難しいという現状があります。

2つ目の課題に、運行する環境があります。風が穏やかで波もほとんどない環境においては、簡単に操縦することができます。しかし、強風が吹いていたり、波が高かったりする状況では、それらによって前進すらままならないということになりかねません。また、横からあおられ、横転する可能性もあり、過酷な環境下においては危険が伴います。そのほかにも、水の流れが見えないということも問題となります。同じ操縦を入力しても水の流れが変わると移動する方向が変化します。そのため、手動で思い通りの操縦をするということが難しい状況もあります。

日本では速度や大きさに法律上制約があるものの、空飛ぶドローンと同様に随時法改正が行われています。また、運行・遠隔操作の技術も日々進化している領域です。

本記事は水上ドローンを製造・販売する炎重工株式会社様に監修を頂きました。

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