理研における研究工作支援〜超精密加工および３Ｄプリンティングを中心として〜
国立研究開発法人理化学研究所
光量子工学研究領域
先端光学素子開発チーム／技術基盤支援チーム
山形 豊

2016/11/24

第６回 可視赤外線観測装置技術ワーク
ショップ

1

理研シンポジウム「第3回光量子工学研究」

家族同伴で飯能天覧山へ遠足にでかけた工作係の一行（昭和4年春）（特集・理化学研究所60年のあゆみ，自然 78-12増刊，科学雑誌 中央公論社）

研究水準を支えた工作陣
ー伝統を形成した技術者集団ー2016/11/24
11. 12. 2015

第６回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ2理研における研究工作（背景）

工作係： 創設時〜1940年（1929年100名〜1940年180名）
科学機械製造部： 1941年〜1945年（200〜600名余り）
理研が初期から力を入れたのが皇国第○○○○工場： 1945年（終戦後解散）工作掛で，腕と誇りを身に着けた工作係： 1945年末（再説30名，試作工場−機器工場ー試作部80名）
人々であった．
工作部： 1958年〜1977年（７０名）
特集・理化学研究所60年のあゆみ，自然 78-12増刊，科学雑誌 中央公論社

大正 6年（1917）

財団法人 理化学研究所創立

大正10年（1921）（第3代所長 大河内正敏） 工作係設立 （10人）

昭和33年（1958）

特殊法人 理化学研究所設立 試作部（94人）

昭和38年（1963）

工作部／3課

旧理研1号館

昭和55年（1980）（68人）

昭和59年（1984）

技術部／3課（58人）
旧工作部棟

昭和63年（1988）

研究基盤技術部／3室（42人）

平成10年（1998）

研究基盤技術部／室改編（23人）

平成11年（1999）

工学基盤研究部／研究機器開発室（13人）

平成14年（2002）

精密な仕上げ作業

平成15年（2003）

独立行政法人 理化学研究所

工作室

先端技術開発支援センター/ラピッドエンジニアリン
グチーム（11人）

平成19年（2007）
超高速ミーリングマシン 同時5軸制御マシニングセンタ

平成20年（2008）2016/11/24
平成25年（2013）以降

極高真空装置

超高圧化学反応装置

先端技術基盤部門／先端工作支援チーム（4人）
第６回 可視赤外線観測装置技術

3

光量子工学研究領域／技術基盤支援チーム（8人）
研究基盤技術棟 94年の伝統ワークショップ

業務内容
光量子工学研究領域
光量子技術基盤開発グループ

研究工作支援・ 旋削加工・ フライス加工
・ 研削加工・ 放電加工（形彫り、ワイヤ）・ レーザー加工など
・ 溶接、ロー付け、真空テスト

技術開発

・ 切断加工・ ダイヤモンドブレード切断
・ ラッピング・ 超音波加工技術相談

切断・接合・形状創成

機械設計
Mechanical design

機械工作

電子回路設計・製作

技術開発

Design and production ofelectronic circuit

ガラス加工
Glass processing

回路設計・基板製作・実装・調整

Mechanical processing
組立・調整・修理・ PCB加工・ 各種測定器・計測技術基盤支援チーム
Advanced Manufacturing Support Team

ガラス加工

技術相談・技術指導
Technical consultation
・ 形状測定、表面あらさ測定
表面処理：外注対応

穴あけ・ねじ切り・削り 即時対応
Quick response of drilling and cutting

マシンショップ管理・運営

レーザー加工機による加工Management of machine-shop

積層造形
Additive Manufacturing

ものつくり による研究支援・技術開発
マシニングセンタによる加工

2016/11/24

機器設計担当者4名，加工技術者8名（内非常勤5名），事務担当者1名
技術相談受付：和光・南地区 研究基盤棟103室

第６回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

ワイヤカット放電加工機
による加工

4

主力NC工作機械（研究基盤棟）
主軸回転数:8,000 rpm
X: 600 mm
Y: 460 mm
Z: 485 mm

3軸マシニングセンタ（1995）

主軸回転数:30,000 rpm
X: 1,020 mm
Y: 560 mm
Z: 400 mm

5軸マシニングセンタ（1995）

主軸回転数:6,000 rpm
XZC軸複合加工

CNC旋盤

出力： 3.5kW
X: 1,200 mm
Y: 1,220 mm
Z:16 mm

電極

工作物
放電加工の原理ワイヤカット放電加工機

2016/11/24

CO2レーザー加工機

ポイントランナー

名 称

仕様・型式等

名 称

仕様・型式等

CNC旋盤

Mazak QTN, Takigawa 2台

ﾜｲﾔｰ放電加工機

Mitsubishi FA10S

ﾏｼﾆﾝｸﾞｾﾝﾀｰ

Matsuura MC600,FX5 2台

CO2ﾚｰｻﾞｰ加工機

Mitsubishi 1212HD

汎用機械、その他

旋盤・フライス盤・ボール盤他，溶接機，ブラスト装置，積層造形（インクジェット・樹脂押出し），計測器（共焦点顕微鏡・SEM・粗さ計・3次元測定器等）

第６回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

5

マシンショップ（研究本館）

場所
利用時間
利用方法

設

研究本館地下1階B31
24時間オープン
自由に利用→記録ノートへの記載
旋盤(4台)
フライス盤(縦，横)
ボール盤(4台)
切断機(帯鋸盤，弓鋸盤)
シャーリング(足踏み式，コーナーカッター)
備 折り曲げ機(ベンター)
研磨機(グラインダー)
やすり，万力(バイス)，定盤，ハイトケージ等
各種工具類

2016/11/24使用にあたっての注意事項
共同利用施設の一つである「マシンショップ」は，研究者の皆様がいつでも自分で工作できるようにと意図して整備したものです． ただし，その利用にあたっては，利用者全員が安全で有効に活用できるよう，ルールを遵守ください．特に安全と，整理・整頓・清掃をお願いします．
1. 安全講習の受講が必須です．修了証をお持ちでない方の利用はお断りします．
2. 工具・装置等の破損・不具合・紛失等に気付いたら，使用しないでください．
担当者が対応しますのでご連絡ください．
3. 使用方法などで分からないこと，不明な点はご相談ください．
4. すべての機器は自己責任のもとでご使用ください．
5. 使用後は記録ノートへ必要事項を記入するとともに，清掃・整理を励行してください．

6
第６回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

工作支援業務実績の推移

状況： 人員少なく，受注件数増加⇒ 効率化と部品加工

全理研に対応[FY 2014]

年度

補助材料費

主要材料費

製作費

人員

総作業時間

（千円）

（千円）

（千円）

（人）

（時間）

×800円総受注件数

7327.5¥5,862,000440

BSI ・・208(29 %)16

6163.4¥4,930,720

423

CEMS・・148(20%)

11,217155027.3¥4,021,840

456

5,201

9,627

15

5532.2¥4,425,760

429

5,580

2,232

7,812

14

6975.5¥5,580,400

373

2008

5,751

3,658

9,409

14

7189.2¥5,751,350

453

RAP ・・124(17%)

21年度

2009

5,063

3,211

8,274

14.4

6,329.5¥5,063,600

532

RNC ・・72(10%)

22年度

2010

6,477

3,359

9,836

12

8,096.5¥6,477,200

508

23年度

2011

4,890

5,087

9,977

12

6,113.0¥4,890,400

71224年度

2012

4,472

5,822

10,29411

5,590.0¥4,472,000

581

25年度

2013

4,884

3,773

8,656

13

6,104.5¥4,883,600

747

CLST(YOKOHAMA)・・・・・ 6(1%)

26年度

2014

4,305

3,643

7,947

13

5,381.0¥4,304,800

728

Qbic・・・・ 5(1%)

平成

西暦

15年度

2003

5,862

3,130

8,992

17

16年度

2004

4,931

7,131

12,062

17年度

2005

4,022

7,195

18年度

2006

4,426

19年度

2007

20年度

728(in total )Chief Scintist Labs
・・・134(18%)

CSRS ・・・8(1%)

SPring-8 ・・4(1%)
etc ・・・・19(3%)

2014年度依頼工作実績

2016/11/24

第６回 可視赤外線観測装置技術
2014年度13名（機器設計担当者4名，加工技術者8名（内非常勤5名），事務担当者1名）
受付：和光・南地区 研究基盤棟103室
ワークショップ

7外部資金への対応（平成27年度より）外部資金利用時の工作依頼の流れ② 工作を実施① 工作依頼票（外部資金対応版）を提出③ 製作品引き渡し後、請求書/利用明細書を発行
ユーザー④ 請求書に検印を押し、返送

技術基盤支援チーム(¥1,700/h)⑤ 経理部へ請求書（押印済）、利用明細書を送付⑥ 支出振り替えを実施
2016/11/24
第６回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

経理部

今年度から外部資金利用の割合は高くなっている．
8

設計製作事例

X,Y and rotation stage for microscope（Launey Research Unit）

2016/11/24

第６回 可視赤外線観測装置技術
ワークショップ

設計仕様
XY移動ストローク 20 mm
回転角度： 30度
移動分解能： 10μm

9

製作事例（2015年度）

Roof mirror holder/ Prism holder（アト秒科学研究チーム）

測定チャンバーの製作（光電子デバイス工学研究チーム）

回転数校正装置（情報基盤センター）

エミッタンスメータ用カメラ治具製作 ヘリコイド分光電気化学セルⅡ作製 顕微鏡対物レンズ直付け型LED赤外ユニット（加速器基盤研究部）（光電子デバイス工学研究チーム）（行動神経生理学研究チーム）

第６回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

2016/11/24

ペリタスタポンプコントローラー

アクリルチューブ（スリット入り）（細胞シグナル動態研究グループ）（発生遺伝学制御研究チーム）

10

製作事例（小型部品・部品加工）

PEEK

NMR試料回転機構部品

テフロン容器（物質構造解析チーム）

2016/11/24（田原分子分光研究室）

中空ファイバチャック
蒸着用マスク 第６回 可視赤外線観測装置技術（光バイオプシー開発研究ユニット） 11
ワークショップ

製作事例（電気工作）

電子回路：増幅器

I-V変換回路（製作期間/研究室： 2ヶ月, 牧島宇宙放射線研）（河野低温物理研究室）

イオントラップ用RF（３〜９MHｚ）電源

高圧及びロジック回路

第６回 可視赤外線観測装置技術（鈴木化学反応研究室）（宇宙放射線研究室）ワークショップ

2016/11/24

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製作事例（ガラス加工）

原子蛍光測定器

Glass chamber
2 weeks, Topochemical Design Lab

技術・技能の伝承が困難な加工．

（応用原子核物理研究室）

エッチング用メッシュ
2016/11/24（石橋極微デバイス研究室）第６回 可視赤外線観測装置技術
ワークショップ

偏極3He標的セル

13

Additive Manufacturing技術の開発[加工法] 立体の断面形状通りに材料を自動的に付加.
⇒ 付加加工法（積層造形法）[おもな利点] 除去加工では困難な複雑形状の立体が容易に得られる． 積層厚さ
[おもな用途] 製品開発における迅速な試作品製作．
Z*⇒ Rapid Prototyping［造形物の特徴］積層による表面の段差.
X,YAdditive Manufacturing**
・光造形法(Vat photopolymerization)
・粉末焼結積層造形法(Powder bed fusion)
・粉末固着法（Binder Jetting）
・シート積層法(Sheet lamination)
・溶融樹脂押出し法(Material extrusion)・インクジェット法(Material Jetting)
・金属粉末レーザー溶融法(Directed energy deposition)

設計データ

造形部
造形物表面の性状[除去加工][付加加工]*1980年小玉秀男氏の特許出願「立体図形作成装置」（光造形法）が最初の発明と認識されている.
**2009年米国ASTM国際標準化会議において規格化された.

ラピッド・プロトタイピングシステム開発チーム（1993）⇒ 高速切削加工, 5軸制御, CAD, 計測, 光造形法等の開発

1. ポリゴンミラーを用いた高速高精度光造形機 ⇒ Vat photopolymerization
2. ABS樹脂を用いた積層切削加工機 ⇒ Sheet lamination
3. 多色粉末積層造形システムの開発 ⇒ Binder Jetting
4. 人工骨成形への応用 ⇒ Binder Jetting
2016/11/24
第６回 可視赤外線観測装置技術
5. 地域企業との連携・協力（3Dプリンター活用）⇒
Material extrusion
ワークショップ

14Vat photopolymerization System ー 高速高精度化
Polygon MirrorfθLensMovable Scan Device

Reflection
MirrorExternal size [m]:1.95 (W) x 1.05 (D) x 1.4 (H)Cylindrical Lens
Laser Beam
Recoat Device
Photocurable
Resin
Resin Tankyx

Reflection
MirrorBeam Expanderz

Laser Oscillator
Laser Beam
Modulator (AOM)Work Size (mm) x: 250, y: 250 z:250

Laser

2016/11/24

Specifications
Ar+ (351 nm,TEM00,440 mW)

Beam diameter

0.1 mm (On resin surface)

Beam scanning speed

69.1 m/sec, 138.2 m/sec

Raster scanning line pitch
第６回 可視赤外線観測装置技術Recoating speed
ワークショップ

0.33 μm 〜 20 μm0.06 mm/sec 〜 6.67 15mm/sec

Vat photopolymerization ー Properties

Galvanometer Mirror

Polygon Mirror

yy0.1 mmx

Lp = 100μm0.1 mm

x

Lp = 0.83μm

yyxx

2016/11/24

第６回 可視赤外線観測装置技術
Lp = 100μm
ワークショップ

Lp = 0.83μm

16Vat photopolymerizationによる複雑形状部品の創製光学部品

ニッケルメッキ後

三次元数学教材モデル

2016/11/24

脳科学研究用治具

生化学研究用流路可視化モデル

菱形300面体結晶

第６回 可視赤外線観測装置技術

科学研究費補助金・基盤研究A
小耳症手術用テンプレート（1〜2件/月）
ワークショップ「視覚障害者の立体認識機構の研究および立体幾何学教材の開発」

流路部品

動脈瘤実体モデル

17生体モデルBinder Jetting ー 多色化と人工骨成形

立体構造
ニトリルヒドラターゼ（光と一酸化窒素でスイッチする酵素）

手のひらにのる分子模型（原子数: 約2,000）
描画解像度（x, y）

360 dpi

積層厚さ（z）

0.1 mm従来の分子模型（理研ギャラリー）PDB データProtein Data Bank皮質骨 海綿骨 骨梁 管腔部
インクジェットヘッド(128 nozzle)
移動方向（y）
成形物

走査方向（x）
インクボトル インクヘッド

積層方向（z）
人工骨粉末

2016/11/24
骨の断面データ（x 100, y150 mm, 1440 × 2160 pixel, 1 dot = □70 μm）（リン酸三カルシウム粉末）

第６回 可視赤外線観測装置技術
ワークショップ
Binder Jetting法の人工骨成形への応用•PDBデータより取得する情報•X線回折や核磁気共鳴(NMR)などから決定した生体高分子の構造データは、おもに米国のRCSB(ResearchCollaboratory for Structural Bioinformatics)が管理運営するPDBファイルに登録されている．PDBの各ファイル内には物質名とそれを構成する原子の位置座標や結合に関するデータの他、作成者,実験条件,文献など様々な情報があり，それらの各項目は行単位で記述され、該当する情報がない場合は省略される．
•※ PDB (Protein Data Bank)•X線回折やNMR(Nuclear Magnetic Resonance,核磁気共鳴)で解析した，タンパク質を主体とする生体高分子立体構造のデータベース．内容は原子座標などから成る構造情報．
1971年に米国のBrookhaven National Laboratory に設置され，1999年にRCSB (Research Collaboratory for StructuralBioinformatics)へ移管された．

18

Binder Jettingによる人工骨の成形技術開発

データ作成手順：（1）X線マイクロCT装置による断層画像の採取
家兎大腿骨（2）断面画像の再構築（3）領域抽出（輝度情報を対象に2値化処理）→ 断面画像から骨のみを抽出（4）ポリゴンデータ（STL）出力（6）スライスデータ（ビットマップ）出力
供試粉末（リン酸カルシウム骨ペースト）

成 分（Wt %）

α型リン酸三カルシウム
Alpha-tribasic calcium phosphate: α-TCP

75

リン酸四カルシウム
Tetrabasic calcium phosphate: TeCP

18

リン酸水素カルシウム
Dicalcium phosphate dihydrate: DCPD

5水酸化アパタイトHydroxyapatite: HA

2y

CTデータ

x

3次元データ（STL）
バインダー液（ペースト練和用液）

成 分（Wt %）コンドロイチン硫酸ナトリウムSodium chondroitin sulfate

5

コハク酸ニナトリウム無水物
Dibasic sodium succinate anhydride12

精製水2016/11/24
Purified water

Layer_120thyx

外形寸法測定31.0×24.4×16.8（x,y,z）[mm]
重量[g]3.2183
第６回 可視赤外線観測装置技術
成形時間[min]
約44

PS17: 粉末積層造形法による人工骨の成形 （山澤ワークショップ他）（容積誤差 1% ）yx19スライス
データ

多孔性
ペースト硬化物 (sample_d) （粉液比 3:1）

0.50.5
Log differential Intrusion
Cumulative Intrusion

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

00.001

0.6

00.01

0.1

1

100.5

Log Diffrential Intrusion
Cumulative Intrusion

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

00.0011000.6

Pore size Diameter [μm]Log Diffrential Intrusion [cc/g]

0.6
Cumulative Intrusion [cc/g]

0.6

Log Diffrential Intrusion [cc/g]

Cumulative Intrusion [cc/g]

積層造形法 (sample_a)00.010.1

110100

Pore size Diameter [μm]水銀圧入法による試料の気孔分布（島津 オートポア 9520形）

yx10μmyx

直径 7 mm，長さ 20 mm
円柱形状試料10μm

気孔率 60 % ，気孔径 10μm（3.6 μm ）気孔率 18 % ，気孔径 0.04 μm
22
かさ密度1.1 g/cc，細孔比表面積 第６回
0.49 m /g
かさ密度 2.1g/cc，細孔比表面積 0.001
2016/11/24
20 m /g
可視赤外線観測装置技術
試料の観察像（KEYENCE VE-7800）

ワークショップ（緻密体）

地域企業との連携・協力

溶融樹脂押出し法の原理

和光3Dプリンタ活用研究会（2014)2016/11/24
Material extrusion造形品

第６回 可視赤外線観測装置技術
ノズル交換作業 ワークショップ21

XYFormDeviation(µm)
210−1−2Position x (1 mm/div)(a) 形状誤差（測定間隔50m）

Manufactured non-axis symmetric compensatingoptics

X−ZY−Z

Sag: 0.94

RxPosition y (1 mm/div)

RyCuttingDirection

Sag: 0.83

Z

Height z (0.2 mm/div)

Ultrahigh Precision Machining of non-axissymmetric optics for Syringe microscope

Position (1 mm/div)

非軸対称非球面の断面形状

Development of Syring microscope forobservation of micro protein crystal (SFX)for SACLAAR Protein crystal
inside syringe

Ultrahigh precision machining with
XZC three axis simultaneous motioncontrol
2016/11/24

第６回 可視赤外線観測装置技術ワーク
ショップ

Non-axissymmetric Lens

RIKEN CLST Structural
Biology G roup,SACLAScience ResearchG roup22

ものつくり による研究支援・技術開発

・ 技術的コンサルティングの充実
・ 即応性
・ 技術・技能の伝承と技術者の意識の高さの維持ものつくり で研究支援研究室が広範な分野にわたって基礎および応用の研究を円滑かつ効率的に推進していくためには、これを支え、促進し得るような、様々な先端的な研究用実験装置の確保、あるいは装置改造等が必要不可欠です。当チームの主任務は、研究者からの要求に応じて、それらの装置を開発､製作することにあり、装置構想、詳細設計、製作、納入、また既設装置の改良・改修等を一貫して行うことにあります。そのためには、エンジニアリング能力と技術・技能を磨き、業務のスピードアップ・レベルアップなどにたゆまない向上を進めています。
また、特に理研内にニーズの高い先端技術開発支援とともに、研究室・チーム・グループや技術室と密に連携して、関連技術開発や工作業務のＩＴ化対応による効率的な開発支援環境整備も進めています。さらに所内外の施策への協力を意識し、エンジニア育成や技能継承、高度機器開発にかかる必要な環境の構築と提供および効果的運用を進めます。

・ 外注網の整備

支援・即応・開発

・ 科学技術者と工学（工業）技術者の連携
・ 科学研究のニーズから生まれる技術開発⇒

理研ならではの高度な研究支援と技術開発に向かって

2016/11/24

第６回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

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謝辞• ３Ｄプリンタ関連の研究開発は、山澤健二氏によるものです。
• Corrugated Hornの加工は、高橋一郎氏によるものです。
• 非軸対象非球面補正レンズ、ＢＮＡ結晶の加工は、竹田正宏氏、細畠拓也氏らによるものです。
技術基盤支援チームメンバー

ご静聴有難うございました．

2016/11/24

第６回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ

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