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静電気はこんなところで活用されている

静電気の活用




 

液晶テレビ



 

いまや、テレビの主力はブラウン管から、液晶方式へとうつりました。液晶テレビの魅力はなんといっても、薄型・軽量化が可能なことです。一般に、自然界に存在する物質は、物質の温度を上げると、個体、液体、気体の順に3つの状態をとります。ところが、ある種の物質では、固体結晶が融けて液体になる前に、固体結晶や液体のいずれとも異なる中間の状態をとる場合があります。それが、液晶です。
  液晶は、結晶のように分子が規則正しく並んでいるわけではありませんが、まったく不規則になっている液体に比べると、その加える電界の方向によって固体結晶のように、異なった効果を示す異方性をもちます。流動性と言う液体の特性と、光学的異方性と言う結晶の特性とを兼ね備えている点で、液晶はきわめて特異な存在です。




 

ネマティック液晶が主流

 液晶パネルに使用されている液晶は、ほとんどがネマティック液晶と呼ばれるものです。細長い分子が長軸の方向をそろえて配列され、その配向方向が位置とともに連続的に変化している構造の液晶です。ネマティック液晶は配向方向、つまり分子1つ1つの向きは秩序だった動きをしますが、おのおのの位置は無秩序になっています。
 一般に長軸方向と電界による誘電的性質および光学的性質とが密接に関連しています。
液晶パネルにおいては、その誘導的性質が、配向方向と電圧との組み合わせで決まる駆動動作に用いられ、光学的性質は配向方向と偏光板との組み合わせからきまる表示動作に用いられます。このように電界による誘導的性質と光学的性質とを組み合わせて適切な表示をするために、液晶パネルでは、ガラスなどの基板に透明な、細かい電極を設け、液晶材料の配向方向をその電極間に与える電圧によって制御し、各電圧での配向方向と屈折率の関係から必要な表示をさせています。簡単にいうと、液晶テレビの心臓部にあたる液晶分子の向きを静電気によってコントロールしているのです。



 

ブルー相液晶に注目




 
液晶パネルに用いられる他の液晶材としては、強誘電性液晶やブルー相液晶などがあります。どちらもネマテック液晶と比較して高速な応答を実現する事ができます。とくにブルー相液晶は、応答速度が10~100μs(1μs=100万の1秒)と速く、暗状態での視野角依存性がありません。配向膜や配向処理や視野角保障のための光学フィルムが不要なためパネルを薄く、低コストでつくることができます。
 

マイクロミラー

 超小型のミラーを集積したもので、レーザーなどの光源から細いビームを反射して、映像を作ったり光信号制御を行います。ミラーの下にある電極に電圧を印加して、ミラーの角度をかえ、光の進む方向をかえます。静電気引力/斥力を用いた光制御デバイスで、液晶が光を透過させるのに対し、マイクロミラーは光を反射させるため、光の内部損失が少なく、発熱も少ないため高輝度に対応できるメリットがあります。



 
 

コピー機





 

 静電気を利用する装置として、よくしられるのがコピー機です。コピー機は、光と静電気によって、感光体ドラム表面に文字や絵の静電気像を写し、そこに紛体インキ(トナー)を付着させ、コピー紙に転写して熱ローラで定着させる機械です。このトナーは粒径数μm(1μm=1000分の1mm)の内部に色素を含んだ樹脂の粉末で、静電気を帯びています。
 コピー機の構造は、現行の明暗の情報を読み取る光学部と、それを紙に複写する現像部で構成されています。原稿をセットしコピーを開始すると、光源が移動して原稿に光があてられます。現像部では、まず感光体ドラム(OPC)と呼ばれるローラの表面に、帯電ローラなどで電荷を帯電させます。次に、光学部から送られた反射光でOPCを露光し、そこにトナーをふりかけます。
 トナーにはOPCとは逆の電荷が帯電させてあるため、帯電したままの部分(文字や絵の情報があった部分)に付着し、OPC上に文字や絵が現像される仕組みです。さらにそこにコピーされる紙が搬送されてきますが、このとき、紙には感光体ドラムと同じ電荷が帯電させられているため、トナーは紙に吸着し、原稿の文字が転写されます。
 

大部分の工程に静電気を利用




 

コピー機は、
 帯電>>露光(潜像)>>トナー付着(現像)>>転写>>定着
までの大部分の工程で静電気を利用していることがわかります。
 まず、データの潜像をつくるためにOPCには帯電させます。OPCは表面に感光材が塗布されていて、暗い所では絶縁体です。光があたると導電性を帯びます。最初に暗い所に電荷を一様に帯電させます。
これを光にあて、印字内容を書き込みます。光があたったところだけが導電性を帯びて、表面にたまっていた電荷を漏電させます。これは文字(印字内容)以外の部分の電荷を漏電させるためです。電荷が帯電した文字部分は、実際には見えないので、潜像といいます。
さらにOPCにトナーを吸着させます。文字部分だけに静電気が帯電しているのでトナーを吸着します。潜像を目に見える像に変化させるため、この工程を現像工程といいます。
できたトナーによる像を紙に転写します。トナーをOPCから飛ばすために静電気の斥力を利用、また、トナーを紙に吸着させるために静電気の引力を利用しています。そして紙に移ったトナーを高温の定着ローラで熱をかけて溶かし、プレスして紙に定着します。




 
 

レーザープリンターも原理は同じ

複写機から原稿読み取り部をなくしたものがプリンターです。印字データをレーザーまたは(LED(半導体素子)でOPCに潜像を描き、トナーで現像して、紙に転写する工程は複写機と同じです。 インクジェットプリンターでは圧力素子に電流を流す事ことにより、インクを印字ヘッドから紙に向かって噴射します。参照までに、サーマルジェットと呼ばれる方式のプリンターは、圧電素子の変わりに発熱体を利用して極小な泡(バブル)をつくり、インクを飛ばす動力にしています。




 

着火装置



 

 ライターやガス器具などでは、圧電素子に衝撃力をかけて高電圧をつくり、それを放電電極に導き、火花放電を起こさせてガスの点下を行っています。バネ、ラチェットなどの機構を用いたハンマーにより、瞬間的に大きな衝撃が加えられ、放電に十分な電圧と電流が得られるよう工夫されています。
 

小惑星探査機「はやぶさ」




 
小惑星探査機「はやぶさ」にも実は、静電気技術が使われています。小惑星「イトカワ」から構成物質を採取して無事に地球に帰還できたのは、4機の「イオンエンジン」にありました。
 宇宙空間には燃料を燃焼させる酸素がないため、飛行機のようなジェットエンジンは使えません。そこで開発されたのが静電気の力で推進力を得るイオンエンジンです。
イオンエンジンは推進剤として「キセノン」と呼ばれる、空気中にごく微量に含まれている気体を使用します。しくみとしては以下の通りです。

1)    イオンエンジンの放電室でマイクロ波の照射という方法でキセノンをイオン化
2)    小孔のあるスクリーン電極および加速電極それぞれに制御電圧をかける。
3)    放電室でできたイオンを電気的に加速し、その反動で推力を得る

航行の際、重要な役割を担ったのが中和器です。プラス電荷のイオンだけを噴出すると探査機がマイナスに帯電し、すぐに噴出ができなくなってしまいます。
それを防止するため、直後にイオンビームと同じ量の電子を放出し、プラス電荷をマイナス電荷で中和することで、安定した推力を保ちます。
イオンエンジンは、燃焼という過程を必要としないため、宇宙空間で長年の航行が可能となりました。その推力は、1円玉を持ち上げる程度の小さな力ですが、真空の宇宙空間で継続的に加わることで、探査機を推進させるだけの力を生むことができるのです。まさに静電気で飛ばし、それを静電気で中和することで飛行を続けたのです。はやぶさの7年間、60億キロメートルという壮大な宇宙の旅を支えたのは、静電気だったのです。

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