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Optical Prism

What is an optical prism?

An optical prism is an optical element made of a transparent medium such as glass or quartz. It is a polyhedral material with a structure in which the incident and outgoing surfaces form an angle in order to disperse or refract light.

It is sometimes simply called a “prism. Prisms are used in many optical instruments, not only in the field of optics, but also in surveying, medicine, semiconductors, telecommunications, and many other fields.

Applications of Optical Prisms

Optical prisms are optical elements that utilize the refractive index of the medium. They are used in optical equipment and many other devices related to imaging, video, surveying, etc.

1.Optical instruments, cameras, and semiconductors

In addition to spectroscopic instruments and laser interferometers, specific products in the field of imaging and video include film cameras, digital cameras, VTR cameras, DVD camcorders, LCD/LCOS type LCD projectors, DLP projectors, image information processors (color sensors), 3CCD video camcorders, etc. The optical prism is an optical element that is used inside the camera. Optical prisms are elements commonly used to bend the optical axis inside cameras.

In the semiconductor and LCD fields, they are used in exposure devices for lighting systems and stage systems. They are also used in microscopes, binoculars, and other observation and observation equipment. In the field of telecommunications, these elements are used together with optical fiber to contribute to high-capacity, high-speed communications.

2.Measurement and Surveying

Optical prisms are used in measuring instruments, surveying instruments (surveying vessels), lightwave rangefinders, and other surveying applications, and are also applied to aircraft, ships, and rockets.

3.Medical Applications

One of the most important applications of optical prisms is in the medical field. In the medical field, optical prisms are used in medical equipment such as endoscopes. In particular, prisms with a polished surface dimension (effective diameter dimension) of less than 5.0 mm, called microprisms, are used. These optical elements play a major role in the realization of high-performance compact medical devices.

Principle of Optical Prisms

Optical prisms are optical elements that cause dispersion, declination, and total reflection of light by utilizing the fact that the refractive index differs depending on the medium. Materials used include general optical glass, low-thermal-expansion glass, quartz, Si, CaF₂, etc. All materials are transparent. All materials are transparent. Prisms have a structure in which the incident and reflecting surfaces are non-parallel, which causes the desired refraction or reflection.

Since the refractive index in the medium varies with the wavelength of light, the refraction angle, or the direction of light emitted from the prism, changes with wavelength. This phenomenon is called dispersion. The dispersion of light through a prism makes it possible to obtain a spectrum. In many optical instruments, optical prisms are used to change the direction of light passing through by using declination, i.e., refraction, to spectrate light of different wavelengths (change the direction of light) by using dispersion, and to align the direction of light (combining).

Types of Optical Prisms

There are various types of optical prisms depending on their shapes, such as right angle prisms, corner cube prisms, declination prisms, dove prisms, pentaprisms, porro prisms, dach prisms, diamond prisms, dove prisms, and beamsplitters. Some of them are composite elements with lenses formed on the prism exit surface. It is also important to note that even the same shape has different functions depending on the material and coating. Appropriate selection should be made according to the application.

1.Right Angle Prisms

One of the most typical types of optical prisms is the triangular prism. Shapes such as right-angled isosceles triangles and right-angled triangles with 30° and 60° angles are available. Suitable for beam deflection and retroreflection, they can change the light direction by 90° or 180° to emit light. Light can also be dispersed by adjusting the angle of incidence appropriately.

2.Dove Prism

A dove prism is a prism in the shape of a right-angle prism with a portion cut out of it. Total reflection can be used to produce an inverted image without deflection. These prisms are used as image rotators in various optomechanical systems.

3.Penta Prism

Penta prisms are prisms that deflect light rays by 90°. independent of the angle to the optical axis,
It applies to all transmitted rays of light. It is useful for applications where the direction of the prism cannot be precisely controlled.

4.Porro Prisms

Polo prisms are a type of upright prisms in which all reflective surfaces are totally reflective.
It has no light loss and is easy to process.

5.Corner Cube Prisms

Corner cube prisms are prisms that return the light path back to the incident direction by retroreflection, utilizing three times internal total reflection. The reflective surface may be coated with aluminum or silver. In surveying instruments, corner cube prisms are used to reflect lasers and calculate distances from the time taken for the light to travel.

Tナット

Tナットとは

Tナットとは、断面形状がT型をしており、T字型溝にはめ込んで部品同士を締結する締結部品のことです。

ナットはボルトやネジとペアで使用して2つ以上の部品を締結します。六角ナット、袋ナット、蝶ナットなど様々な種類がありますが、Tナットは貫通するネジ穴を上下面にして横方向から見ると、T字型に見えます。

Tナットは締結部品をしっかりと定位置に固定できるのが特徴で、工作機械などでも使用されます。ここでは、旋盤などの工作機械のチャックに爪を固定するために使用する、別名ジョウナットとも言われるTナットを中心に説明します。

Tナットの使用用途

Tナットは工作機械のT字型溝に挿入し、部品をしっかりと定位置に固定させるために使用します。

旋盤などの工作機械では、ワーク (被加工物) を固定するためにチャックに、生爪や硬爪などの爪を取り付けます。そして、爪はチャックの締め付けに応じてワークを掴んで保持します。

通常はチャック毎に使用する数のTナットが付随しています。爪をチャックに装着する際には、最初にTナットを爪にボルトで留めてから、チャックの溝にTナットを差し込み、さらにボルトを廻して固定します。

製造現場では、1つのワークを加工する工程で何度か爪を交換する場合が多くあります。一般的に、チャックには3本の爪が使用されるため、爪を交換する都度にTナットを付け替えていると、段取りに費やす時間が多くなり作業効率が低下します。

そこで、予め使用するチャックの数に対して必要となる数のTナットを用意して、それぞれの爪に装着しておき、爪の交換に要する時間の短縮が図られています。

Tナットの原理

一般的に、Tナットを使った部品の締結は、振動や衝撃が加わる場所、振動や衝撃によってナットが緩みやすい場所、高精度な締結が必要な場所などで用いられています。

Tナットを使用してチャックに爪を固定する際には、爪に空けられている穴にボルトを貫通させ、その先にあるTナットにボルトをねじ込みます。爪は上側から見ると細長い形状をしていて、そこに2個の穴が並んで開いています。2点支持でTナットと結合することになるので、締結後はがたつきが発生しません。

Tナットが付いた爪を、チャック側のT溝に差し込み、さらにボルトで固定することで、爪とチャックの締結が完了します。チャックには、マスタージョウというTナット (ジョウナット) の受け側になる、T溝を持った部品が装着されているものと、マスタージョウを使用せずに直にT溝を刻んであるものがあります。

マスタージョウを使用することで、Tナットの取り付けが容易になり、取り付け精度が向上します。その反面、チャックの価格が高くなり、マスタージョウの価格も全体の価格に上乗せになります。

一方、チャックに直接Tナットを結合する場合には、全体の価格を抑えられますが、Tナットの取り付けが難しくなり、精度が落ちる欠点があります。

Tナットの選び方

旋盤おいては、ワークの芯振れを防ぎ高精度な加工を実現するためには、爪をチャックに正確な位置に取り付け、振動したり、ずれたりしないことが必須です。それに対して、加工時にはチャックは高速で回転し、さらにワークにバイト (切削用の刃) を当てることの力や振動も伝わって来ます。

Tナットと、マスタージョウはこれらの力を受け止め、爪の取り付けを正確に保つための重要な締結部品です。使用可能な、爪、Tナット、マスタージョウは、チャックのメーカー毎に異なります。

Tナットを選択する際には、使用するチャックやマスタージョウに合致したものを選択する必要があります。

爪には生爪と硬爪があり、特に仕上げ加工などに使用される生爪は消耗品であり、頻繁に交換が必要になります。しかし、Tナットやそれに使用するボルトは、サイズが適合していれば交換する必要はありません。

但し、ナットやボルトのネジ山が破損していたり、切削クズを挟み込んでいたりすると、精度が低下する危険があります。その際には交換の必要が出て来る可能性もあるので、予備品を用意することも大切です。

生爪

生爪とは

生爪とは、旋盤などの工作機械のチャックの先端に取り付けて、ワークを固定するための治具です。

旋盤などの工作機械では、ワーク (被加工物) を回転させるために、チャックの先に取り付けた爪でワークを保持します。爪には硬爪と生爪の2種類があります。

硬爪は焼き入れが施され、硬くて成形が難しいため粗削りの段階で使用されます。一方で生爪は焼き入れがされていない金属製で、自由に成形できるため仕上げの段階に使用されます。ワークの形に応じた接触部分の形を作ることができ、星形の断面形状などの異形のワークも固定できます。

生爪の使用用途

生爪は旋盤を始めとする工作機械で、ワークに仕上げ加工を施す段階や、特殊な形状をしたワークを加工する場合に使用します。

汎用旋盤、フライス盤、NC旋盤、ボール盤、マシニングセンターなどの工作機械で使用されており、これらの工作機械ではチャックの先に浸けられた爪でワークを挟み込むように固定します。チャックと爪の関係を人間の手の形で例えるならば、チャックが手のひら、爪が指の役割になります。

爪には硬爪と生爪の2種類がありますが、生爪はワーク毎にしっかりとフィットする爪を成型加工できます。従って、粗削りの段階では硬爪を使い、仕上げ加工には生爪を使うという使い分けがされています。

また、ワークの形状が単純な円柱形や四角柱ではなく、特殊な断面形状を持ったワークの場合や、円錐形のように通常の形状の爪ではうまくワークを掴んで保持することが不可能な場合があります。このような場合には、ワークの形状に合わせた生爪を成型加工して、粗削りと仕上げの両方を生爪で行います。

生爪の原理

旋盤を始めとする工作機械が取り扱うワークの形状や大きさは千差万別です。そこで、チャックに取り付ける爪を取り換えることで、1台の機械で様々な形状や大きさのワークを加工できるようになります。

爪は、ある程度の形状と大きさのものはチャック毎に標準品として用意されています。但し、全てのワークの大きさや形状に完全にフィットする爪を標準品として用意することは不可能なので、ワークに応じて成形加工できる生爪が多く用いられています。

焼き入れ処理が施されて後からの加工が難しい硬爪に対して、生爪は焼き入れがされていないため成型が容易です。そして、ワークをしっかりと掴むことができるためワークの芯振れを防ぎ、より高精度な加工が可能になります。

生爪の種類

生爪は形状や目的に応じて標準爪、小径爪、高爪、幅広爪などに分類されます。

標準爪はチャックを購入するとセットで付いてくる生爪で、一番高さの低い生爪が標準となります。小径爪は文字通り小さい径のワークを掴むための生爪です。高爪は他のものより高さのある生爪で、材質の形状に合わせる以外に、チャックと工具との干渉を防ぐ為にも用いられます。幅広爪は標準よりも幅が広く、大きな被削材を掴むために使用されます。

また、注文に応じて高さ、幅、長さ、形状などを調整するオーダー品のものもあります。生爪は、切削時にワークと一緒に削り取られる場合が多く、一般的に消耗品として取り扱われています。

生爪の選び方

生爪を選ぶ場合は主に下記のポイントに注意することが大切です。

1.材質

生爪の材質は、一般的に鉄やアルミがあり、加工対象の素材に合わせて選びます。現在では鉄が広く使用されていますが、特殊な要件や非鉄金属の加工などに応じて異なる材質を選ぶ場合もあります。

また、特定の作業環境や加工材料が腐食性の高い場合、耐腐食性がある材質の生爪を選択することが大切です。

2. 硬度

硬度は生爪の耐久性や寿命に直結します。硬度が高いほど耐摩耗性が向上しますが脆くなる可能性があるため、加工対象や切削条件に応じて適切な硬度を選定する必要があります。例えば、高硬度の生爪は高速切削や硬い素材の加工に適しています。

また、生爪の硬度は材料の熱処理によっても変化します。正確で一貫性のある硬度を確保するためには、製造プロセスにおいて熱処理が適切に行われていることが重要です。

3. 形状とサイズ

生爪の形状とサイズは、加工する対象物の形状に適している必要があります。例えば、円柱状の対象物には三爪チャックが適している場合がありますが、非対称な形状や複雑な部品の場合は、特殊な形状の生爪が必要です。

生爪の形状が対称であると、加工時の力が均等に分散され、安定して保持できるため対象物が変わるごとに留意します。対象物に対して過大または過小な生爪を使用してしまうと保持が不安定になり、加工品質に悪影響を与えます。

4. 耐摩耗性

生爪は摩擦や切削力にさらされるため、耐摩耗性が十分であることが重要です。

高い回転速度や強い切削力がかかる場合、耐摩耗性が低い生爪は劣化が早く、寿命が短くなります。耐摩耗性を向上させるために表面処理やコーティングが施されている場合もあります。耐摩耗性の高い材料を使用した生爪は長時間の使用に耐え、メンテナンスの頻度を低減させます。

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KIOSK Printer

What is a KIOSK Printers?

A KIOSK Printer refers to a dedicated operational printer incorporated into machines, including kiosk terminals.

Kiosk terminals, found in places like convenience stores, allow users to purchase tickets and perform other self-service transactions using touch panels or keypads. The definition of a KIOSK Printer is somewhat ambiguous, as it not only includes printers embedded in kiosk terminals but may also encompass industrial equipment not generally considered kiosk terminals.

In cases where specific business applications are loaded onto versatile PDAs like iPads for self-service use, PDAs fall under the category of kiosk terminals, and their accompanying external printers may be referred to as KIOSK Printers.

This explanation primarily focuses on machine-integrated printing devices used for specific purposes within information processing machines.

Uses of KIOSK Printers

With the proliferation of automation and streamlining processes in society, kiosk terminals facilitating self-service ticket purchases and reception processing have become diverse. Correspondingly, the applications and target items for KIOSK Printers have also become varied.

Common examples include kiosk terminals in convenience stores. These terminals issue tickets for movies, concerts, and express buses, as well as receipts adapted for various deposit transactions. KIOSK Printers are also utilized in airport self-check-in machines for printing boarding passes and in hospital re-visit reception machines for printing medical visit tickets. Even in the broader sense of kiosk terminals, KIOSK Printers are employed in bank ATMs for printing deposit balances, deposit/withdrawal receipts, and transfer receipts.

Machines embedded with printers for illuminating product labels are also considered KIOSK Printers in the context of being integrated into information equipment.

Principle of KIOSK Printers

The predominant printing method is thermal transfer, utilizing a holder for attaching roll-shaped thermal transfer paper and a cutter for cutting the printed paper. Communication with the computer inside the kiosk terminal is established using USB or LAN cables.

As KIOSK Printers operate based on signals sent from devices like kiosk terminals acting as hosts, there is no direct interface for users to interact with during printing. Communication ports for most models include USB and LAN (RJ45) connectors. However, older industrial machines may have printers equipped with serial transmission ports following the RS-232C standard.

To prevent printing issues during use in scenarios where employees may not be nearby, mechanisms are implemented. For instance, machines include sequences that respond to users pulling or holding the paper during printing.

Additionally, anticipating situations where users may leave without taking the printed material, some KIOSK Printers automatically initiate sequences to retrieve the printout if it remains unclaimed for a specified period.

Structure of KIOSK Printers

Designed for integration into devices for usage, KIOSK Printers lack external aesthetics compared to general-purpose printers used in offices or homes. They are encased in metal with brackets for mounting on racks.

1. Printing Method

The thermal transfer method is commonly employed. This method uses inkless printing, eliminating the need for ink replenishment, which is a significant advantage. In some printers, such as those used for thick paper in parking ticket machines, dot impact printing is utilized.

2. Print Paper

Roll paper is often used to reduce the frequency of replacement and simplify the process. The printer’s rear exterior includes a holder for setting long rolls of paper. Compatible papers for KIOSK Printers include heat-sensitive paper, thick paper, label paper, and linerless label paper (label without backing).

3. Ejection Port

Printed material exits through the printer’s ejection port, often integrated with the device’s print material retrieval point. Some printers have LED lights at the ejection port, illuminating when print material is dispensed, notifying users. An auto-cutter is positioned just before the ejection port, automatically cutting the paper when printing is complete, making it easy for users to retrieve the printed material.

MCナイロン

監修:セイブプロセス株式会社

MCナイロンとは

MCナイロンとは、主原料のナイロンモノマーを大気圧下で重合・成型することで6ナイロンの特性を向上させた工業用ナイロン素材です。

MCは「モノマーキャストナイロン」の略で、この材料はナイロン6 (ポリカプロラクタム) を改良して開発されました。工業用プラスチックの一種であり、特に機械部品や耐摩耗性が要求される用途に広く使用されています。

非常に強力で耐久性があるため、部品や構造物が高い負荷に耐える必要がある場合に非常に有用です。耐摩耗性にも優れており、頻繁に摩擦・摩耗にさらされる場合に重宝されます。

また、 摩擦係数も低く滑りやすいため、潤滑剤を必要とせずに摺動部分を動作させることができる場合もあります。金属と比較して軽量であるため、軽量化が求められる用途にも適しています。

MCナイロンの使用用途

MCナイロンの加工例

図1. MCナイロンの使用用途

MCナイロンは主に機械部品、自動車部品、スポーツ用品などにおいて使用されます。各内容は以下の通りです。

1. 機械部品

機械部品では、高い耐摩耗性があることから主に歯車の製造に使用されます。産業機器の減速機ギアなどに使用されることも多いです。また、MCナイロン製の軸受は潤滑剤なしで滑らかに動作するため低摩擦となり、寿命が長いです。

2. 自動車部品

自動車部品では、主にエンジン部品の絶縁体や遮熱材として使用されます。サスペンションブッシュやブッシュリングなどにも使用され、振動と衝撃に対する耐えることが可能です。ブレーキキャリパーガイドブッシュなどのブレーキ部品にも使用されます。

3. スポーツ用具

スポーツ用具では主にテニスラケットのガットに使用されます。高い耐久性や弾性性から、高性能かつ長寿命なラケットとして使用することが可能です。スケートボードのトラックはMCナイロン製のスライドプレートなどを使用する製品も多いです。

MCナイロンの原理

MCナイロンはナイロン6と同様に、ポリマー化によって形成される合成ポリマーです。ナイロン6はカプロラクタムと呼ばれる化合物から合成され、カプロラクタムは環状構造を持つモノマーです。この環状モノマーが重合して長いポリマーチェーンを形成します。

製造プロセスにおいては、モノメチルエチレンクリスタル (MCEC) が使用されます。MCECは特定の化学処理を経て、環状構造を持つナイロン6と似た構造のモノマーに変換される仕組みです。

MCECモノマーはポリマー化反応によって長いポリマーチェーンへと連結されます。この反応には触媒が必要とされ、高温下で行われることが一般的です。ポリマー化反応によってMCECモノマーが連結し、MCナイロンのポリマーが形成されます。

ポリマー化が進行すると、MCナイロンのポリマーは適切な形状に成型されます。成型プロセスには射出成型や圧縮成型などが使用され、最終的な製品の形状や寸法が決定されます。

MCナイロンの選び方

MCナイロンを選ぶ際に考慮するべき主な要素は以下の通りです。

1. 色

MCナイロンの色

図2. MCナイロンの色

MCナイロンは自然なクリーム色または白色をしていますが、プレートや丸棒は青色が一般的です。その他に視認性などの観点から特定の色を選ぶことがあります。

2. 最高使用温度

MCナイロンは高温に対して比較的耐性がありますが、種類によって耐久温度の範囲は異なります。使用する製品が予想される最高温度で使用可能かを確認することが重要です。

3. 寸法

寸法は要件に合わせて選ぶ必要があります。部品や製品の設計に応じてカスタム切削や成型を行うことが可能です。

4. 耐性

MCナイロンは耐摩耗性や耐化学性、耐薬品性、耐摩擦性などの特性を持っています。必要な耐性に応じて適切な種類を選択することが重要です。例えば、摩耗が問題である場合は、耐摩耗性に優れたものを選ぶ必要があります。

本記事はMCナイロンを製造・販売するセイブプロセス株式会社様に監修を頂きました。

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スイッチングトランス

監修:加美電子工業株式会社

スイッチングトランスとは

スイッチングトランスとは、電源の中でも主力であるスイッチング電源に必要不可欠な部品です。

スイッチング電源は内部で疑似的に高周波の交流を作り出し、高周波で電力の変換・伝達を行うことにより小型で高効率の電源を実現しています。

トランスを最適化することで、発熱もノイズも少ない電源の設計ができます。スイッチング電源を構成する中で一番重要な部品です。

スイッチングトランスの使用用途

スイッチングトランスは、名前の通りスイッチング電源に使用されます。

スイッチング電源はあらゆる電気製品に使用されているので、スイッチングトランスもあらゆる電気製品に使用されることになります。

テレビ、エアコンなどの家電製品、ルーター、ゲートウェイなどの通信機器、複写機、パソコンなどの情報機器、半導体製造装置、加工装置、ロボットなどの産業機器など、あらゆるものに使用されています。

スイッチングトランスの原理

他のトランスと同様に電気エネルギーを磁気エネルギーに変換して、電力の伝達を行います。

伝達された磁気エネルギーを再度電気エネルギーに変換して電化製品を動作させる電力を供給します。周波数を高くすることによりトランスは小型化ができます。

電力の伝達と同時に、不必要な電力は遮断して電気製品を安全に使えるようにする保護機能 (絶縁) も併せ持っています。

コア材について、高周波で電力変換をするので高速で変化する磁束に適した磁性材を使う必要があり、周波数帯によってフェライト、ダストなどの磁性材を使い分けます。スイッチング電源には、フェライトを使うことが多いです。

スイッチングトランスの選び方

製作しようとするスイッチング電源に合わせて、トランスはカスタマイズで設計しなくてはいけません。

かなり難しく煩雑な作業になるので、トランスメーカーと打ち合わせをしながら設計していくことになります。手順をフローチャート式にまとめてみました。

  1. 電源の仕様 (入出力電圧、出力電力、回路方式、制御ICの選定、発振周波数) を決める
  2. トランスメーカーのカタログから、使いたいトランスの形状を選ぶ。
  3. 大きさは回路方式や発振周波数に依存するので、メーカーと相談しながら決めるのが良い
  4. 高い絶縁性を確保したい時には、電力に比べて大きいトランスを使う (メーカーに相談)
  5. ピンアサインについては、基板のレイアウトでの制約とトランスを製造するときの制約があり、こちらもメーカーと打ち合わせをしながら決めるのが良い

また、仕向け地、用途により適用される安全規格が異なります。規格に適合する様にトランスを設計する必要があります。

トランスはカスタム色の強い部品なので、構想段階のときにメーカーと打ち合わせをするのが良いです。最適化を目指すにあたり何度も試作と検証を繰り返す作業になります。

相談しやすいメーカーを見つけることが最適設計の近道です。

本記事はスイッチングトランスを製造・販売する加美電子工業株式会社様に監修を頂きました。

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光学プリズム

光学プリズムとは

光学プリズムとは、ガラス・石英などの透明な媒質でできた光学素子です。

光を分散や屈折させる目的で、入射面と出射面が角度をなすような構造をしている多面体の物質を指します。単純に「プリズム」と呼ぶ場合も多いです。光学分野のみならず、測量・医療・半導体・通信など多くの分野で用いられています。

光学プリズムの使用用途

光学プリズムは、媒質の屈折率を利用した光学素子です。光学機器をはじめ、画像・映像、測量などに関わる多くの機器に用いられています。

1. 光学機器・カメラ・半導体

分光機器・レーザー干渉計の他、画像・映像分野では以下の用途があります。

  • フィルムカメラ
  • デジタルカメラ
  • VTRカメラ
  • DVDカムコーダ
  • LCD/LCOSタイプ液晶プロジェクター
  • DLPプロジェクター
  • 画像情報処理機 (カラーセンサー)
  • 3CCDビデオカムコーダ

光学プリズムは、カメラ内部で光軸を曲げるのに汎用されている素子です。半導体や液晶分野では、照明系やステージ系の露光装置に使用されています。

また、顕微鏡、双眼鏡などの観察・観測機器にも使用されています。通信分野では、光ファイバーとともに用いられて大容量・高速通信に貢献している素子です。

2. 測定・測量

光学プリズムは、測定器、測量機 (測量船) 、光波測距儀など測量分野においても用いられ、航空機、船舶、ロケットにも応用されています。

3. 医療分野

医療分野では、内視鏡などの医療機器に光学プリズムが用いられています。マイクロプリズムと呼ばれる研磨面寸法 (有効径寸法) 5.0mm未満のプリズムが利用されます。マイクロプリズムは、高性能な小型医療機器の実現に大きな役割を果たしている光学素子です。

光学プリズムの原理

光学プリズムは、媒質によって屈折率が異なることを利用して、光の分散・偏角・全反射などを起こさせる光学素子です。材質には一般光学ガラスや低熱膨張ガラス、石英、Si、CaF₂などが用いられます。どの材質も透明な物質です。プリズムは、入射面と反射面が非平行な構造になっており、それによって目的とする屈折や反射を起こしています。

媒質における屈折率は、光の波長によって異なっているため、屈折角すなわちプリズムから出る光の方向は波長によって変わります。この現象を分散と呼び、プリズムを用いた光の分散によってスペクトルを得ることが可能です。

多くの光学機器において、光学プリズムは偏角すなわち屈折を利用して通過する光の進む方向を変えたり、分散を利用して波長の異なる光を分光 (進む方向を変える) したり、光の進む方向を合わせたり(合波) するために用いられています。

光学プリズムの種類

光学プリズムは、形状によって、直角プリズム、コーナーキューブプリズム、偏角プリズム、ダブプリズム、ペンタプリズム、ポロプリズム、ダハプリズム、菱形プリズム、ドーブプリズム、ビームスプリッター、などの様々な種類があります。中には、プリズム出射面にレンズが形成された複合素子もあります。

また、同じ形状でも材質やコーティングなどによっても機能が異なるため注意が必要です。用途に合わせて適切に適切な種類を選択します。

1. 直角プリズム

光学プリズムの代表的な種類の1つが三角柱型の直角プリズムです。直角二等辺三角形や、30°と60°の角を持つ直角三角形などの形状があります。ビーム偏向と再帰反射に適しており、光の方向を90°や180°変えて出射させることが可能です。入射角度を適切に調整することで光を分散することもできます。

2. ダブプリズム

ダブプリズムとは、直角プリズムの一部を切り取った形状のプリズムです。全反射を使用して、偏向せずに反転画像を生成することができます。様々な光学機械システムにおいてイメージローテータとして使用されているプリズムです。

3. ペンタプリズム

ペンタプリズムは、光線を90°偏向させるプリズムです。光軸に対する角度とは無関係に、透過される全ての光線に適用されます。プリズムの向きを正確に制御できない用途に対して有効です。

4. ポロプリズム

ポロプリズムは、正立プリズムの一種で全ての反射面が全反射するプリズムです。特徴として、光の損失がなく加工も容易な点が挙げられます。

5. コーナーキューブプリズム

コーナーキューブプリズムは、再帰反射により光路を入射方向に戻すプリズムです。3回の内部全反射を利用する仕組みです。

反射面にアルミコートや銀コートをする場合もあります。測量機において、コーナーキューブプリズムは、レーザーを反射させ、光が進むのに要した時間から距離を計算する場合に利用されています。

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포토 MOS 릴레이

포토 MOS 릴레이란?

포토MOS 릴레이는 내부에 LED와 수광소자와 MOSFE를 갖추고 있으며, 이를 조합한 소자로 기존의 릴레이 부품과 유사한 동작을 하는 것입니다.

기존의 기계식 릴레이는 내장된 코일에 전류를 흘려 그 자력에 의해 전기적 접점을 작동시켜 ON/OFF를 제어하는 방식이었습니다. 반면 포토 MOS 릴레이는 내장된 LED에 전류를 흘려 발광시키고, 그 빛으로 수광 소자를 기전시킵니다. 그 기전 전압으로 MOSFET을 동작시켜 기존 릴레이와 같은 제어를 할 수 있도록 한 전자부품입니다.

포토 MOS 릴레이의 유사품으로는 포토 커플러, 포토 트랜지스터, 포토 트라이액, SSR(Solid State Relay) 등을 들 수 있습니다. 이들을 통칭하여 무접점 릴레이, 반도체 릴레이 등으로 불리며, 사용 용도 등에 따라 구분하여 사용하고 있습니다.

포토 MOS 릴레이의 사용 용도

포토 MOS 릴레이는 포토 커플러나 포토 트랜지스터 등의 용도보다 큰 전류를 필요로 하는 회로 또는 포토 트라이액이나 SSR이 교류의 ON/OFF를 잘하기 때문에 그 용도로 사용되는 경우가 많습니다.

포토 MOS 릴레이는 1차측에서 2차측으로의 신호 전달에 빛을 사용하고 1차측과 2차측이 전기적으로 완전히 절연되어 있기 때문에 마이컴 회로 등의 소신호로 상용전원이나 고전압 전원으로 구동합니다. 따라서 수A 정도의 비교적 큰 전력 부하를 ON/OFF하는 회로나 모터 드라이버 등의 브리지 회로 등에 사용되고 있습니다.

포토 MOS 릴레이의 원리

입력 단자에 신호 전류를 흘리면 LED가 발광하고, 수광 소자가 수광하여 기전 전압이 발생합니다. 이 전압에 의해 MOSFET의 게이트 전압이 상승하여 2개의 MOSFET의 소스-드레인 사이가 ON 상태가 됩니다.

그리고 출력 단자 간 전압 방향의 전압이 높은 쪽 MOSFET의 소스 드레인을 통과하여 다음 단계 MOSFET의 기생 다이오드를 통과하는 경로로 전류를 흘릴 수 있게 됩니다. 따라서 결과적으로 출력 단자 사이의 전기적 극성에 관계없이 출력 단자 사이에 전류를 흘릴 수 있습니다.

포토 MOS 릴레이의 구조

포토MOS 릴레이는 LED, 포토다이오드 등의 수광소자, MOSFET의 세 가지 요소로 구성되어 있습니다.

MOSFET을 서로 다른 방향으로 2개의 회로를 배치하고, 각각 기생 다이오드가 연결되는 구조로 되어 있는 것이 특징입니다.

포토 MOS 릴레이의 기타 정보

1. 풀 브리지 회로에 적용

예를 들어, 모터 드라이버를 만들려고 할 때 풀 브리지 회로 등으로 회로를 구성하는 것이 일반적입니다. 하지만 이 회로의 가장 큰 문제점은 부하의 양단에 전원 전압이 그대로 인가된 상태가 되었을 때, 위아래에 있는 FET 중 위쪽 FET의 소스 전압이 전원 전압과 같아진다는 것입니다. 이 상태에서 상단의 FET를 ON 동작시키기 위해서는 전원 전압보다 높은 전압을 별도로 준비하여 그 전압으로 상단의 FET의 게이트 전압을 제어해야 합니다.

하지만 포토모스 릴레이는 내장된 LED만 점등되면 동작하기 때문에 CPU에서 출력되는 몇 V 정도의 신호로도 직접 구동할 수 있습니다. 또한, 모터 구동용 전원과 제어용 전원을 완전히 분리할 수도 있습니다.

2. MOSFET의 종류

MOSFET에는 상시 OFF 타입과 상시 ON 타입의 두 가지 종류가 있습니다. 전자는 메이크 콘택트형 릴레이, 후자는 브레이크 콘택트형 릴레이로 사용할 수 있습니다.

또한, 포토 MOS 릴레이는 두 개의 MOSFET 소스를 서로 마주보고 연결하여 교류의 스위치로도 사용할 수 있습니다. 광 MOSFET의 도통 특성은 입력 전류량에 의존하지 않기 때문에 미세한 입력 전류에서도 전류의 ON/OFF 제어가 가능한 것이 특징입니다.

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바리스터

바리스터란?

바리스터는 인가하는 전압에 따라 저항값이 변하는 두 개의 전극을 가진 반도체 소자 중 하나입니다.

변화하는(Variable) + 저항(Resistor)으로 ‘변화하는 저항’이라는 뜻입니다. 따라서 비직접저항 또는 전압 의존성 저항이라고 부르기도 합니다.

전압과 전류는 비례관계가 없는 것이 특징이며, 바리스터에 걸리는 전압이 작을 때는 저항값이 높고, 전압이 클 때는 저항이 낮아집니다.

바리스터의 사용 용도

바리스터는 전압에 따라 저항값이 변합니다. 이 특성을 활용하여 정전기 등으로부터 IC 소자 등을 보호하거나 번개 서지로부터 전자기기를 보호하는 등의 목적으로 사용되기도 합니다.

만약 IC 등의 소자나 전자기기에 이상 전압이 인가되면 오작동이나 파괴로 이어질 수 있습니다. 또한 바리스터에 고전압이 인가되면 바리스터의 저항값이 낮아집니다. 이로 인해 회로에 전류가 흐르기 쉬워지고, 라인 임피던스에서 전압 강하가 발생하여 전자기기의 부하를 줄일 수 있습니다. 다른 용도로는 주로 정전기로 인한 방전 방지, 비산 방지 등이 있습니다.

1. 정전기 방전 방지

우리가 흔히 사용하는 휴대폰, 음악 플레이어, USB 등 외부 인터페이스 단자를 가진 전자기기는 정전기 차폐가 어렵기 때문에 정전기를 방지하는 부품을 사용해야 합니다. 이들은 제조상의 기술적 고도나 어려움으로 인해 정전기 방전이 발생하기 쉽고, 파괴되기 쉽기 때문입니다.

기존에는 정전기 방지를 위한 방법으로 제너다이오드라는 안정적이고 일정한 전압을 얻을 수 있는 소자를 사용하였으나, 소형화 및 저가의 적층 칩 바리스터가 개발되면서 바리스터가 사용되기 시작했습니다.

2. 비산방지

전기 모터 및 전력기기의 총칭인 전동기 중 흐르는 전류를 회전 위상에 따라 전환하고 회전축의 힘을 일정한 방향으로 유지하기 위한 기계적 정류자와 브러시를 가진 것이 정류자 전동기입니다.

정류자 전동기의 하나로 브러시라는 직접 전류가 흐르는 부품이 있는 브러시형 DC 모터가 있는데, 간헐적으로 회전하는 정류자에 의해 고전압이 발생하여 스파크가 발생하면 브러시가 마모되거나 소음이 발생하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 바리스터가 사용됩니다.

바리스터의 원리

바리스터는 산화아연을 주성분으로 하는 세라믹 반도체를 두 개의 전극으로 끼워 넣은 구조입니다. 바리스터 특성은 전류를 I, 전압을 V라고 하면 I=KV^α와 같이 나타낼 수 있습니다. 이때 K는 소자 고유의 상수이고, α는 전압 비선형 계수(α 계수)입니다.

전압 비선형 계수는 저저항에서 고저항으로 넘어가는 지점인 굴절점 이후의 곡률을 나타내는 계수입니다. 바리스터의 등가회로는 제너다이오드를 거꾸로 2개 연결한 것에 커패시터를 병렬로 연결한 회로입니다.

이를 통해 바리스터에는 커패시터 성분이 있기 때문에 바리스터에 걸리는 전압이 낮고, 바리스터가 고저항일 때는 소량의 커패시턴스가 있다는 것을 알 수 있습니다.

일정 전압까지는 높은 저항을 보여 전류를 흐르지 않는 구조로 되어 있지만, 일정 전압 이상의 부하가 걸리면 저항력보다 전압이 높아지기 때문에 양자 역학적인 터널 효과에 의해 큰 전류를 흐르게 됩니다. 따라서 소자나 전자기기에 고전압 부하가 걸렸을 때 바리스터가 정전기를 접지 등에 흘려보내는 역할을 하는 구조로 되어 있습니다.

바리스터의 기타 정보

바리스터의 특징

바리스터에는 수명이 있습니다. 바리스터에 걸리는 전압, 바리스터의 내량, 서지 파형이라고 불리는 출력을 방출한 상태와 단락시킨 상태의 결과가 규정된 선형 그래프를 바탕으로 수명을 적절히 판단할 수 있는 것을 선택해야 합니다. 규정을 크게 초과할 경우 파손이나 비산을 일으켜 부상 등을 초래할 수 있습니다.

또한 비슷한 구조로 제너다이오드가 있지만, 전류-전압 특성이 대칭으로 되어 있어 극성을 갖지 않는다는 점에서 약간의 차이가 있습니다.

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사이리스터

사이리스터란?

사이리스터는 정류 작용을 하는 반도체 소자로, SCR(Silicon Controlled Rectifier) 또는 실리콘 제어 정류자라고도 합니다. 정류 작용이란 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 것을 말합니다. 정류 작용을 하는 대표적인 전자부품은 다이오드입니다.

다이오드와 사이리스터가 다른 점은 게이트 단자입니다. 사이리스터는 게이트라는 단자를 가지고 있으며, 게이트 단자에 전류를 흘릴 때만 정류 작용을 합니다.

사이리스터의 사용 용도

사이리스터는 산업용으로 소다 산업, 전기 도금 등에 사용됩니다. 소다 산업은 바닷물을 전기분해하여 가성소다와 수소를 생성하는 산업입니다. 가성소다는 비누와 세제의 원료로 사용됩니다. 소금물을 전기분해하기 위한 직류 대전류를 사이리스터로 생성합니다.

일상생활에서는 LED 조명의 조광용 등으로 사용되는데, LED에 흐르는 전류를 사이리스터로 제어하여 조명을 조광하며, LED 조명을 제어하는 장치를 LED 드라이버라고 하는데, 반드시 사이리스터가 탑재되어 있습니다.

사이리스터의 원리

사이리스터는 p형 반도체와 n형 반도체로 구성된 PNPN의 4중 구조로 되어 있습니다. 중간 n형 또는 p형 반도체에서 게이트 단자를 뽑아낸 구조로 되어 있으며, 각각 N게이트, P게이트라고 부릅니다.

4중 구조를 가지고 있기 때문에 3개의 접합부를 가지게 됩니다. 양극(애노드)쪽에서 음극(캐소드)쪽에 걸쳐 접합부를 보면, 첫 번째와 세 번째 접합부가 순방향 바이어스가 되어 있습니다. 반면 두 번째 접합부에서는 역방향 바이어스가 되어 있습니다. 이 상태에서 애노드 쪽에서 캐소드 쪽으로 전류를 흐르게 하려고 해도 거의 흐르지 않습니다.

하지만 사이리스터에 순방향 전압을 걸어 게이트 단자에 전류를 흐르게 하면 아발란스 브레이크다운이라는 현상이 발생하여 양극-음극 사이가 전도됩니다. 이를 사이리스터의 점호 또는 턴온이라고 합니다.

사이리스터가 켜진 후 양극에 흐르는 전류가 0이 되면 도통이 끊어집니다. 이를 턴오프 또는 소호라고 합니다. 교류에는 주기적으로 전압이 0이 되는 순간이 있기 때문에 사이리스터의 턴오프는 자연스럽게 발생합니다.

사이리스터에 대한 추가 정보

사이리스터의 응용 사례

사이리스터를 사용하면 큰 전력을 제어할 수 있습니다. 사이리스터는 큰 전력을 제어하는 기기의 전력부에 사용됩니다. 구체적인 예는 다음과 같습니다.

1. 정류기
정류는 교류를 직류로 변환하는 것을 말합니다. 정류 회로의 핵심 부품인 정류기에는 다이오드와 사이리스터가 사용됩니다. 사이리스터를 이용한 정류기는 다이오드 정류기보다 작고 가볍지만, 고주파에 의해 전원 시스템에 노이즈가 발생합니다. 최근에는 고조파를 억제할 수 있는 트랜지스터에 의한 정류기가 개발되고 있습니다.

2. 교류 모터 제어
교류 모터의 회전 속도를 제어하는 장치를 VVVF 장치라고 하는데, VVVF 장치 내부에는 컨버터부와 인버터부가 있습니다. 컨버터부는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 부분입니다. 컨버터 부분에는 주로 다이오드가 사용됩니다.

인버터부는 정류의 역작용으로 직류전원을 교류전원으로 변환하는 장치입니다. 인버터 내부에서는 일단 교류 전원을 직류 전원으로 변환합니다. 직류 전원을 사이리스터 등으로 고속 전환하여 교류 전류를 발생시킵니다.