目次

Ⅰ 戦略技術開発研究
1．MEMS プロセス技術の開発研究（第 2 報）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

Ⅱ 公募型受託研究事業
1．雪国の生活を支援する自律運行型除雪ロボットの研究開発・・・・・・・・・・・・・・
2．先端レーザー等を用いた加工技術の研究（第 2 報）・・・・・・・・・・・・・・・・・・
3．絣織物製織自動化技術の実用化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

Ⅲ 共同研究1．CSP（チップサイズパッケージ）用極小径穴打ち抜き金型の研究（第 2 報）・・・・・・
2．アイスウォーターブラスト装置の実用化に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・
3．アモルファス電波アンテナに関する研究（第 2 報）（アンテナの感度評価方法）・・・・・・・・・・・・・・・・・

Ⅳ 実用研究1．電気工事用作業工具の絶縁性能評価方法に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・
2．繊維製品への新規染色加工法及び機能性付与に関する研究・・・・・・・・・・・・・
3．プラスチック等の添加物の分析方法に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・
4．ワンチップマイコンで構成するシーケンス制御機器の開発・・・・・・・・・・・・・・

Ⅴ 先導的戦略研究調査事業
1．マイクロ・メゾ領域における小型・超精密加工技術に関する調査研究（第 2 報）・・・・・
2．難加工金属材料の革新的生産システムに関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・
3．機器性能向上を目的とする表面・界面の高機能化に関する調査研究・・・・・・・・・・
4．生体情報の工業製品への応用に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・

戦

略

技

術

開

発

研

究

MEMS プロセス技術の開発研究（第２報）
坂井

朋之*

宮口

孝司*

佐藤

健*

Development of MEMS Process Technology 2nd Report
SAKAI Tomoyuki*, MIYAGUCHI Takashi* and SATOU Takeshi*

抄録

昨年度に続き，MEMS プロセス技術の開発を進めている。基本プロセスである微細パターン描画
技術やエッチング加工技術の確立に加え，新たに MEMS 製品の要素部品の設計・試作を行った。光
通信部品については専用 CAD を用いて設計を行った。回折格子の試作では 90nm ピッチの溝パターンを形成した。スパッタリング装置により，アルミナ基板上に酸化スズを成膜し，ガスセンサを試作した。また，生体材料であるチタンの金属片表面に微細加工を施すプロセスも開発した。

1. 緒

言

「MEMS」は Micro Electro Mechanical Systems の頭文字を並べたもので ， 「微小電気機

ンティングデバイスを始め ， 様々な機能を付与するための位置・高度・加速度センサの利用が始まっている。

械 シ ス テ ム 」 と 訳 さ れ る 。 MEMS で は ， 数

MEMS の市場規模はすでに 8 千億円を超え，mm 四方のシリコンチップ表面に，機械要素と2010 年には数兆円になると予測されているが ，制御用電子回路が，半導体製造技術などの微細

高額な初期投資が必要なことと ， プロセス装加工技術によって作り込まれている。

置・技術が特殊であるという理由から，新潟県

この構造は ， 各種センサに有効である。圧

内で MEMS の製造を行う企業は少なく，生産力や加速度を検知する機械要素と ， データを量も限られたものになっている。また ， 県内処理して信号を出す電子回路を一体的 ， かつ

大学における研究活動もあまり活発とは言えな

超小型に製造できるので ， 様々な製品への設い状況にある。

置が容易である。

そこで，本研究は MEMS のプロセス技術を

例えば ， 自動車は安全な走行を確保するた

開発し ， 県内企業へ移転 ， 普及することを目

めに ， 油圧 ， 水圧 ， ステアリング回転状態や的 と し て い る 1),2) 。 平 成 17 年 4 月 に は ，

車体の傾斜を検知し ， 制御する必要がある。

（財）にいがた産業創造機構が ， ナノテク研

このために各種の MEMS センサが利用され始究センターを設立し ， MEMS 装置を導入した。

めている。なかでも衝突時にエアバッグを膨ら

当所では ， これら装置の立ち上げを行うと同ませるための衝突センサ（加速度センサ）は非時に，本研究を進めてきた。

常に有名である。今後も新機能を持ったアプリ
ケーションの開発が期待されている。
また ， 携帯電話ではフルブラウザ用のポイ

図 1 に当センターの機器を利用して ， 最初に試作した「マイクロ流路」を紹介する。これはバイオチップや DNA チップの要素部品となるものである。

* 研究開発センター
レーザー・ナノテク研究室

シリコンを 10µm 深さでドライエッチングし減衰するため，減衰の小さい導波路を設計する必要がある。そこで，光伝播シミュレーターを用いて，適切なシリコン導波路の設計を行った。
モデルは，SiO2 に相当する屈折率 1.44 の層の上に，屈折率 3.48 のシリコン導波路が形成されていると仮定し，導波路の幅と高さを 0.3，
図1

0.4，0.5µｍと変化させたときの TE 偏光の各モ

マイクロ流路ードにおける実効屈折率を計算した。実効屈折ており，幅 20µｍの流路と 70µｍのカラムで構成され，カラムにはそれぞれ直径 3，5，7µｍ径のマイクロフィルタを形成している。

率の虚数成分は，減衰の大きさを表す。
また，SOI 上に形成する導波路の作製条件を検討するため，単結晶シリコンウェハ上に，シングルモード導波路のレジストパターンを作製

2. 新規 MEMS 製品の設計・試作した。使用したレジストは ZEP520A で，膜厚2.1は 500nm である。電子線描画には，日立ハイ光導波路

次世代光ファイバー通信技術の基盤技術と考テクノロジーズ製 SEM(S-4300SE)と東京テクえられている光集積回路を構成するシリコン導ノロジーズ製描画制御装置(Beam Draw)で構成

波路の試作を行った。図 2 に光集積回路の一例

された装置を使用した。なお，描画フィールドを示す。この素子は，制御光 1 および 2 によっの大きさは 200µm×200µm である。

て，信号光を高速スイッチングすることができる。回路中にある SOA（半導体光アンプ）は，

2.1.2

実験結果および考察

制御光によってキャリア量が変化し，屈折率がシリコン導波路の幅（高さ）と実効屈折率の増減することにより，方向性結合器から出る光

計算関係は表 1 のようになった。実効屈折率のを，任意の方向へ導くことができる。

Re は実数部，Im は虚数部を表す。幅（高さ）が 0.3µm のとき，実効屈折率の実数部は，1.8

2.1.1であり，光が，主にシリコン導波路の外を伝播

実験方法

この素子は，方向性結合を構成する必要がある。光導波路は，SiO2 の上に Si 膜が形成された SOI（Silicon On Insulator）で作製する必要

することが分かる。また，比較的大きな減衰が生じることから導波路には適さない。
幅が 0.4µm では，減衰が生じることなく伝がある。光は，シリコン導波路中を伝播するが，播するモードがあり，より高次のモードでは減シリコンは，光の閉じ込めが強く，マルチモー

衰が生じることから，適切な形状であることがド化しやすい。マルチモードでは，光が急激に分かる。幅が 0.5µm では，減衰の無いモード
表1

Optical control 1

0.3

Input Singal

Extracted
Output0.4
Optical control 2

全光スイッチの構成例

東京工業大学

実効屈折率

幅(高さ)
(µm)

図2

導波路の幅(高さ)と実効屈折率の関係

小林功郎氏

0.5

Mode0

Mode1

Mode2

Re 1.80

Re 1.28―

Im1.21e-8

Im1.35e-6―

Re 2.57

Re 1.69

Im 0

Im1.74e-10

Re 2.90

Re 2.26

Re 1.90

Im 0

Im 0

Im 0

が少なくとも 3 つ存在し，各モード間で光の分散が生じるため，信号波形が崩れることから適2.2 偏光素子回折格子
液晶パネルなど，ディスプレーの品質管理上，当ではない。

画像の輝度ムラ，色分布の計測が必要である。

これらの結果から，シリコン導波路の幅は

この計測には，CCD に偏光フィルムを貼り付

0.4µm が適切である。図 3 は，幅（高さ）がけた素子を用いるが，検査装置の高度化のため

0.4µm のシリコン導波路の基底モードのプロフには，偏光フィルムに形成する回折格子ピッチ

ァイルである。ビームエネルギのほとんどが，の微細化が必要となる。偏光フィルムは，溝をシリコン導波路を通り，大きさはφ0.4µm 程度形成したシリコン基板の型に UV 硬化樹脂などである。光ファイバーの径は 6〜10µm なので，をインプリントして作製する。

光ファイバーとの接続には工夫が必要である。

本実験では，シリコンの型作製に必要なレジ

図 4 にシリコン上に形成した全光スイッチのストマスクを，電子線描画装置を使用して試作

レジストパターンを示す。パターンは，幅した。なお，溝ピッチは 60nm を目標とした。

0.1µm であり，適切な導波路の幅より細いが，全面に渡って均一なパターンが形成できており，
SOI 上に同様のパターンを形成し，SF6 による

2.2.1 実験
レジストは日本ゼオン製 ZEP520A-7 を専用溶

ドライエッチングを行うことで，シリコン導波剤 ZEP-A で 2.4 倍に希釈したものを用い，シリ路パターンを形成することができる。

コン基板上に塗布した。プリベーク後の厚さは約 100nm であった。次に電子線描画装置を用いて露光した後，専用現像液 ZEP-N50 を用いて
50s 間現像し，溝パターンを形成した。
レジストの塗布とパターニング条件を表 2 に
示す。
2.2.2

実験結果及び考察

図 5（a）〜（c）にそれぞれ 120，90，60nm
ピッチで溝パターンを描画し，現像した後の形状を SEM で観察した結果を示す。描画の際の
図3

幅 0.4μｍのシリコン導波路の基底
モードのプロファイル
200μm

照射量は 136µC/cm2 とした。
図より 120，90nm ピッチの溝は解像しているが，60nm ピッチでは解像できずにレジストの大部分が消失する結果となった。
これは，60nm ピッチという微細なパターン

導波路
幅 0.1μmえられる。次に 60nm ピッチのパターンについ

200μm

図4

に対して，設定した照射量が過剰であったと考

表 2 レジストの塗布とパターニング条件

シリコン上に形成した全光スイッチのレジストパターン

スピン塗布
プリベーク
加速電圧
電流値
ワークディスタンス
描画ライン幅
照射量

3000RPM-2min
180℃-3min
20kV
97pA
10.8mm10nm
136,116,78 µC/cm2

(a)120nm(b)90nm
図 7 ガスセンサの原理図 3)が吸着反応することにより生じる電気抵抗変化を利用している。
図 7 の原理図に示すように，センサ材料を高(c) 60nm
図5

溝ピッチが異なる場合の解像状態

温に保持した状態では，表面に酸素が吸着されており，可燃性ガスが流入してくると，この吸着酸素が除去されて電気抵抗が変化する。この変化率は，ガスの濃度に依存する。
市販されているセンサの多くは，酸化スズ等の半導体粒子をペースト化し，電極間に塗布，焼結するというプロセスで作製されている。一(a) 116μC/cm2
図6(b) 78μC/cm2

照射量が異なる場合の解像状態

般的にセンサの特性は，酸化物半導体の粒子径に依存する。
本実験では，上記プロセスと比較して，膜厚て照射量を 116，78µC/cm2 に減少させてパターや形状の制御が，より容易と考えられる薄膜プニングした。

ロセス（スパッタリングやエッチングなどを利

結果を図 6（a）,（b）に示す。

用したプロセス）を利用して，可燃性ガスセン

図より，照射量を減少させることにより溝のサを試作することを目的とした。

形状が，より明確に形成される傾向にあるが，十分に解像されなかった。
この結果より，60nm ピッチのパターンを解像するためには，照射量の調整では不十分で，レジスト厚さなど，他のパラメータも考慮して，最適化する必要があると考えられる。
次年度は，パターニングの最適化を引き続き行うと共に，樹脂への形状転写を行う予定であ
る。

2.3.1

実

厚さ 1mm のアルミナ基板に芝浦メカトロニ
クス製スパッタリング装置 CFS-4EP-LL を用いて，表 3 のスパッタリング成膜条件で電極と抵抗体を作成した。
なお，電極間隔と抵抗体幅はそれぞれ 2mmとした。試作したセンサの外観を図 8 に示す。
次に，管状炉（いすず製作所製 EPKRO表3

2.3

ガスセンサ

一酸化炭素やメタンなど，可燃性ガスの検出方式の一つに，酸化物半導体セラミックスを利用したものがある。これは，半導体表面でガス験

スパッタリング成膜条件

材質
Ar流量(sccm)
出力(W)
時間(min)膜厚(nm)

電極
Pt
25
250
10
300

抵抗体1
SnO2
25
100
7.5
100

抵抗体2
SnO2
25
100
15
200

2.4 チタンエッチング
チタンは，比重が鉄の 60%，濃硝酸にも侵されず，耐腐食性に優れ，比強度は鋼を上回り，アルミニウムの 3 倍に達する。優れた特性を有するチタンは，構造体として，宇宙航空，生体材料など，さまざまな分野で応用されている。
反面，微細加工を行う際には，レジストのエ
図8

試作したセンサの外観

ッチング耐性が問題になる。本節では，純チタ14K）を用い，空気中で 500℃-2hour の加熱を

ン 10mm×10mm×厚さ 2mm の表面に微細エッしてセンサを作製した。

チングを行う条件について検討した。

試作したセンサの背面にセラミックヒータを取付け，表面温度が 350℃になるように加熱し，

2.4.1

実験方法

所定濃度の一酸化炭素雰囲気で抵抗値を測定し純チタンは，ふっ化水素酸（ふっ酸）10wt％

た。抵抗値は，6ms のパルス電圧 2.5V を 1s 周と濃硝酸 90wt％の溶液を用いると，比較的良好

期で印加することにより測定した。

なエッチング面が得られる 4)。本実験では，比また，これと同様に，酸化スズをセンサ材料

較のため，ふっ酸 1.5wt％水溶液を用いた条件として使用している市販品（フィガロ製 TGS-

でのエッチング実験を併せて行った。エッチン

2442）をリファレンスとした。なお，このセングのパターンは，5µm のラインアンドスペース

サの加熱及び抵抗値測定は，メーカーの推奨条（L/S）である。
始めに，クロムのフォトマスクを作製した。

件に従った。

厚さ 1mm の石英ガラスにクロムをスパッタリ
2.3.2

実験結果及び考察ング装置で厚さ 200nm に成膜し，EB レジスト

図 9 に一酸化炭素濃度とセンサ抵抗の関係を示す。

ZEP7000-22 を約 500nm の厚さでスピンコート
した後，ホットプレート上で 180℃-5min のベ

リファレンスに使用したセンサは，濃度の上昇と共に大きく抵抗値が減少しているが，試作したセンサは，濃度変化に対して抵抗値がほとんど変化しなかった。
原因はまだ明らかにできていないが，今後さークを行った。このガラス基板に，電子線描画装置を用いて，上記微細パターンを露光し，現像，リンス，エアブロー後，180℃-5min のポス
トベークを行い，レジストの強度を高めた。ク
ロムのエッチングには HY 液（和光純薬工業

らに検討を進める。

㈱）を用いた。
純チタンには，CMP（Chemical Mechanical
Polishing）にて鏡面研磨を行ったものを用いた。

1.E+04104

用意した純チタンに紫外線フォトレジスト3

抵抗値(kΩ)10
1.E+03

OFPR800 を 1900rpm-20s でスピンコートし，ホ2

10
1.E+02

ットプレートで 110℃-5min のベークを行った。
作製したフォトマスクをマスクアライナに取10
1.E+01

り付け，用意した純チタン試料に露光，現像後，1.E+001
0

20

40

60

80

100

CO濃度(ppm)
100W/7.5min

図9100W/15min

ﾘﾌｧﾚﾝｽ

一酸化炭素濃度とセンサ抵抗の関係

ホットプレートで 110℃-15min ベークを行った。
さらにふっ酸およびふっ酸，硝酸の混合溶液でエッチングした後，目視および SEM にてエッ

チング面を観察した。
2.4.2

実験結果および考察

図 10 にふっ酸 1.5wt%によるエッチング面のSEM 像を示す。この条件では，チタンの結晶粒界によるエッチングの異方性が大きく，エッチ
ング面に大きな凹凸が現れた。また，粒界に沿ってエッチングが進行したため，レジストで保図 10

ふっ酸によるエッチング面の SEM 像

護された部分にも，侵食されている箇所が見られた。表面を目視で観察すると粒界の異方性に起因した凹凸による光の散乱で曇りが生じていた。
ふっ酸 10wt%と濃硝酸 90wt%溶液でエッチングを行うと，レジストがエッチング直後に剥離した。硝酸の酸化作用が強すぎるため，レジス
トが耐えられなかったと考えられる。しかし，エッチング面は，若干の曇りは認められるもの

図 11の，ほぼ鏡面を保っていた。そこで，この溶液を純水で質量の 2 倍に希釈することにより，硝酸の酸化作用を低下させ，レジストの剥離を減少させることを試みた。
図 11 にふっ酸 10wt%と濃硝酸 90wt%を質量で 2 倍に純水希釈した液のエッチング面の SEM像を示す。結晶粒界に伴う若干の凹凸は認められるものの，レジストで保護された部分の侵食は無く，エッチング面の曇りもほとんど無い。
実験の結果、L/S が 5µm のパターンを 10mm
×10mm のほぼ全面に形成することができた。
3. 結言(1) 次世代光ファイバー通信の基盤技術と目されている光集積回路の一種である全光スイッチを実現するための SOI によるシリコン
光導波路の最適な形状について，光波の有限要素法を用いた光伝播シミュレーション
を用いて検討し，理論上損失が無く，他モ

ふっ酸 10wt%と濃硝酸 90wt%を質量で2 倍に純水希釈した液のエッチング面な形状より，さらに細いパターンを描画することが可能であることを示した。
(2) 偏光素子用回折格子を作製するための微細溝形状のマスク形成を検討し，電子線描画装置により，溝ピッチ 90nm のレジストマ
スクを試作した。
(3) 可燃性ガスのセンサーをスパッタリング装置を利用した薄膜プロセスにより試作したが，ガスに対する感度が得られず，今後の検討課題となった。
(4) フォトリソグラフィープロセスにより，純チタンの微細形状パターンを創製する条件を検討し，5µm の L/S 形状を 10mm×10mm
角の面に形成することができた。
4. 謝

辞

本研究の試作実験を行うにあたって，東京工業大学小林教授には，光導波路の設計についてードによる分散の影響が少ない形状を決定の御指導を頂きました。ここに，感謝の意を表した。また，光集積回路のレジストパターします。

ンを電子線描画装置によって作製し，最適

参考文献
1) 坂井，宮口，佐藤，“MEMS プロセス技術の調査研究”，工業技術研究報告書，33，
2004，p.97-103．
2) 渡邊，坂井，長谷川，佐藤，“MEMS プロ
セス技術の開発研究（第 1 報）”，工業技術研究報告書，34，2005，p.17-22．

3) フィガロ技研株式会社ホームページ
http://www.figaro.co.jp/tec2.html
4) 都市エリア産学官連携促進事業（新潟エリア）「安全、高機能、低価格を実現するナノメディスン産業の創出と発展」報告書

公 募 型 受 託 研 究 事 業

雪国の生活を支援する自律運行型除雪ロボット
の研究開発
真柄

賢太郎*

相田

収平*

大野

宏*

阿部

淑人*

五十嵐

晃**

須藤

貴裕**

A Study of Autonomous Snowplow for Helping Snowlife
MAGARA Kentarou*, AIDA Syuhei*, OHNO Hiroshi*, ABE Yoshito* ,IKARASHI Akira** and SUTOU Takahiro**抄録

雪を圧縮して排出する除雪ロボットの自律制御機構を開発した。ロボット本体の位置を計算しながら人や車などの障害物を検出し，決められた範囲を効率よく移動して除雪する。「愛・地球博」で実証実験を行い，その結果をもとに実用化に向けての改良を行った。

1．緒言

新潟県などの日本海側の地域は冬季の積雪量が多く，ひと冬に何回も屋根の雪下ろしと平地の除雪作業が必要になる。これらの地域では過疎化に伴う高齢化や核家族化が進んでおり，除雪作業による肉体的・精神的な負担が大きい。
また，屋根の雪下ろし作業中の転落事故や，平地で除雪機を操作している間に事故に遭うことが多く，深刻な問題になっている。
そのため，本研究では人の代わりに除雪作業
を自律的かつ安全に行うロボットを開発した。
このロボットは，あらかじめ決められた範囲を

図1

除雪ロボット

自律的に走行しながら雪を取り込んで圧縮し，定型のブロック形状に固めて所定位置に排出す

ット本体の動作を決定する自律制御機構の開発

る。固められた雪ブロックは高密度に圧縮されを担当した。

ており，雪室の冷熱源として利用できる。開発

本研究は平成 16〜17 年度の独立行政法人新は，新潟工科大学中嶋研究室，山形大学水戸部

エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

研究室，（株）技術開発研究所，（財）にいがの「次世代ロボット実用化プロジェクト（プロた産業創造機構および新潟県工業技術総合研究

トタイプ開発支援事業）」で行った。これは，所が共同で行った。当研究所は雪を取り込んで2020 年において一般家庭やオフィスで広い応用

圧縮するという除雪ロボットの基本仕様を決め，が可能となるプロトタイプロボットを開発する

また，自己位置の計算と障害物検出を行いロボというものである。「愛・地球博」において実* 研究開発センター**下越技術支援センター

証実験を行い，その結果を踏まえ実用化に向けての改良を行った。

2．除雪ロボットの概要
開発した除雪ロボットの外観を図 1 に示す。
また，基本仕様を表 1 に示す。ロボットは前進しながらオーガで雪を掻き集めて内部に送り，スクリューと反力板で圧縮して 15kg の雪ブロ

表1

除雪ロボットの基本仕様

重さ

600kg

走行速度

最大 5m/s

作業対象

対象雪

新雪（比重 0.1）〜湿り

雪（比重 0.4）

ックを生成し，これを 6 段に重ねて所定の位置除雪能力まで運搬する。ロボットの走行機構と圧縮・排雪捨て時間を含み最3

高 2m /h 程度

出機構の開発は（株）技術開発研究所が担当し

除雪対象

た。

駐車場のような路面が一様な土地このロボットは，全方位カメラ，ステレオビ
ジョン，GPS および超音波センサを搭載し，自分の位置を計算しながら周囲の状況を把握し自算する。また，D-GPS（Differential Global Positioning System）により経緯度情報を取得し，2律的に動作する。

つの方法を併用して自己位置を計算した。

3．自律制御機構

3.2.1

3.1 概要ロボットが自律的に走行して除雪作業を行う
ためには，障害物を検出して停止・回避する必要がある。また，一定の範囲内を除雪するためには，自己位置を計算しながらどのような経路で走行するか計画を立てる必要がある。ここでは，①ロボットの自己位置を計算する機構，②
障害物を検出する機構，③ロボット内部に地図を作成しロボットの運行計画を決める機構，について述べる。
3.2

隅に色のついたマーカを設置し，これを全方位カメラで撮像すると図 2 の画像を得る。次にこの画像を処理し，図 3 に示すとおり各マーカの重心を求める。ロボットに取り付けた全方位カ
メラの位置が変わるとこのマーカの位置も変わるため，マーカの位置から逆算してロボットの位置を計算することができる。これはカッシー
ニの方法 1) と言われ，マーカが最低 3 個あるとロボットの位置と向きを求めることができる。

自己位置計算ロボットが移動する場所に色のついたマーカを設置し，これを全方位カメラで撮像して画像処理し，その位置関係からロボットの位置を計

図2

全方位カメラによる自己位置計算

ロボットの移動する範囲が長方形の場合，四全方位カメラ画像

ただし，マーカとマーカの間の角度が小さくなると計算で得られる位置の精度が悪くなるため，
ここでは 4 個のマーカを使用した。
全方位カメラは鏡を使って周囲 360°の様子を一度に撮像することができるが，その解像度

図3

マーカの検出は低い。そのため全方位カメラとマーカの距離本研究で用いた超音波センサはオーミック電が長くなると色を正しく識別できなくなり，移子（株）社製の送受信一体型センサ OM6-2CD

動範囲が限られてしまう。次章で述べる愛知万である。指向角度は上下 20°左右 40°で，動博の実証実験では，移動範囲が広くなかったた

作範囲は 0.5m〜3m である。また，レーザレン

め，マーカを正しく識別できた。

ジファインダは SICK（株）社製の LMS221 を使用した。分解能が 1cm のとき測定範囲は 30m

3.2.2

D-GPS

GPS は，衛星を使用して自己位置を計測する

で，スキャン角度を最大の 100°にした場合，計測に要する時間は約 1sec であった。

システムで，カーナビとして普及している。以
前は，SA（Selectable Abairability）と呼ばれる
意図的な誤差があったが，2000 年にこれが解除

3.3.2 受動型センサ
一般的に受動型センサは，受けた信号から対され，その結果 100m 程度あった位置の誤差は象を計測する方法で，ステレオビジョンがその1/10 に小さくなった。補正信号（RTCM SC-

代表的なものである。具体的には，複数のカメ

104）を与える D-GPS を利用すると，さらに誤ラ画像における各画素の対応点を求め，その視差は小さくなる。現在補正信号を提供するサー差から奥行き画像（距離画像）を計算する。能ビスとして，船舶用に海上保安庁が中波で出力動型センサにくらべて奥行き方向の分解能が低しているものと，カーナビ用にラジオの FM 波

いものの，短時間で広範囲の距離画像を求める

で出力しているものがある。

ことができる。本研究では，平成 16 年度に（株）マイクロビジョンとの共同研究で開発し

3.3

障害物検出

ロボットを安全に動作させるためには，人やたステレオビジョン 2) を改良して使用した。
1GHz の PentiumM プロセッサを使用した場合，車などを障害物として検出し，停止したり回避

320×240 画素の大きさの距離画像計算に約しなければならない。障害物検出は，能動型セ

0.2sec 要した。

ンサである超音波センサとレーザレンジファイ
ンダ，および受動型センサであるステレオビジ
ョンを併用し，それぞれの長所を有効に活用した。

3.4

ロボットの運行

図 4 に示す運行のための地図をあらかじめ制
御用コンピュータの中に用意しておく。この地
図に，ロボットが移動する範囲，現在のロボッ

3.3.1 能動型センサ
一般的に能動型センサは，検出する対象に音トの位置および障害物の位置と大きさを表示すや光などの信号を発し，その反射信号から対象物の大きさや距離を測定するもので，照明の影
響を受けないため夜間でも使用できるという特徴がある。ここでは超音波センサとレーザレン
ジファインダを利用した。超音波センサは，低コストで高速に動作するが空間分解能が低く対ロボット

象の細かい形状までは計測できない。レーザレ
ンジファインダは空間分解能は高いが，広範囲を調べるためにはレーザ光をスキャンさせなければならず計測に時間がかかる。
図4

運行地図

4.2 位置計算
図 5 に除雪ロボットの動作範囲を示すが，その四隅に，黄，赤，緑，青のマーカーを設置し，動作範囲

全方位カメラの画像からロボットの位置を計算する。除雪ロボットの動作範囲が 6m×2.5m と比較的狭いため全方位カメラとマーカーの距離が短く，マーカーの検出が容易であるため，位置計算を確実に行うことができた。直線走行さ
図5

せた場合の位置の測定誤差は最大 10cm で，実展示会場

演には問題なかった。
単独測位
直径 10m

D-GPS

もう一つの位置計算手段である D-GPS の実験を行った。補正信号をかけ高精度にした D-GPSと何もしない単独測位の測定結果を図 6 に示す。
○は D-GPS で得られた位置を、□は単独測位で得られた位置を示す。単独測位は直径 10m の円の中を，D-GPS は直径 2m の円の中をそれぞれ直径 2m変動した。位置精度は補正信号をかけることで10m から 2m ほどに高くなるが，除雪ロボットの精度としては悪い。そのため，全方位カメラ
画像からの位置情報を優先させた。

図6

D-GPS 測定結果

4.3

障害物検出

る。この地図情報を基に，どの部分が除雪され展示会場では安全を確保するため屋外ゾーンていないかを把握し，ロボットを制御する。駐では柵が設置されており，一般来場者はその中車中の車は除雪中に移動する可能性もあるため，に入ることができない。そのため，図 7 に示す

障害物検出センサで新たな情報が得られたら，とおり，展示スタッフが除雪ロボットの前に立そのつど地図情報を更新しロボットを制御する。

った時に，障害物検出が正しく行われロボットが停止するかどうかの実験を行った。

4.

「愛・地球博」での実証実験

障害物検出には超音波センサとステレオビジ

4.1 概要「愛・地球博」のプロトタイプロボット展は，ョンを併用した。当初はレーザレンジファイン

平成 17 年 6 月 9 日から 19 日までの 11 日間，長ものは形状が大きいためロボット全体のデザイ

久手会場で開催された。京都大学のレスキュー

ンを優先させ「愛・地球博」では使用しなかっロボット，東北大学の不整地走行ロボットと交た。あらかじめ超音波センサのしきい値を 3m

代で実演を行った。午後 3 時 30 分と 6 時 30 分に設定し，超音波センサと人の間隔がこれ以内の 2 回，実際に模擬雪を使って除雪を行い自律になると超音波センサが動作しロボットは停止

制御機構の実証実験を行った。また，その他のした。次に，ステレオビジョンの距離画像の形

時間帯は紹介ビデオやパネルを使用して来場者

状から人か車かを判別する。図 8 は，ステレオに説明した。

ビジョンで人をとらえた時の距離画像で，白いダも使用する予定であったが，屋外防水仕様のほどカメラとの距離が近いことを示している。

人は自動車などと違って細長い形状をしており

5.

実用化に向けての改良と実験

この形から判断し，除雪ロボットは停止した。

5.1

概要

その後，人がいなくなると超音波センサは OFF「愛・地球博」での実演の後，ステレオビジ状態となり，ステレオビジョンでも人がいなくョンの改良と，降雪時におけるレーザレンジフなったと判定し，除雪ロボットは前進した。

ァインダを使った測定実験を行った。ステレオ

当初予定していた車などの大きな障害物を検ビジョンは短時間に多くの情報を得ることがで出しこれを避ける動作は，可動範囲が狭いため，きるため，自動車の安全センサとして一部利用「愛・地球博」での実証実験では行わなかった。

されている。しかし，雪が降ったりした場合や夜間はカメラでは十分な画質が得られないため，

4.4 ロボットの運行
展示会場での実演ではかき氷を雪にみたてて能動型のセンサを併用することが一般的である。

実験を行ったが，1 回に利用できる量や実演時

ンダで障害物が検出できるか実験を行った。

ここでは，実際の降雪時にレーザレンジファイ間も限られていたため，ロボット本体の位置を計算しながら一方向のみ直線的に走行するよう

5.2

ステレオビジョンの改良にした。また，雪ブロックを数個作製したら来平成 16 年度は，県内企業との共同研究で開場者の方向に旋回しこれらを排出するようにし発したステレオビジョンを除雪ロボットに搭載た。

したが，より処理速度を速くするため計算アル

旋回角度の計算は位置計算と同じように 4 個ゴリズムを改良した。本ステレオビジョンの計のマーカーの位置関係から計算する。1 回の位算方法は，カメラの Y 軸方向の 1 ラインごとに置と角度の計算時間は 1GHz の Celeron プロセ

輝度値の変化の激しい点をエッジとし，エッジッサで約 0.3sec，旋回速度は約 0.2sec/deg で，とエッジの間隔ごとに左右カメラ画像の対応を

90°旋回の場合，旋回角度の誤差は最大で 5°求め，その視差から距離画像を算出している。

であった。実演では特に問題はなかったが，折このエッジを求める方法を簡略化し，全体の計り返し走行させる場合，旋回角度に大きな誤差

算時間を短くした。得られた距離画像結果はほがあると同じ場所を除雪したり未処理の場所がぼ同じとなり，1 フレーム当たりの計算時間は残ったりするため，旋回角度の誤差をできるだ

ほぼ半分の 0.1sec に短縮された。

け小さくする必要がある。
5.3 レーザレンジファインダによる実験
レーザレンジファインダはピンポイントに照図7

人の検出実験

図8

人の距離画像射するレーザを鏡で走査し，障害物までの距離をパルスレーザの反射時間から測定するもので5.4 遠隔操縦
能動型のセンサを使用しても天候が非常に悪ある。雪の降りが弱い時のレーザレンジファイ

い場合は，ロボットの自律制御が難しくなる。

ンダでの測定結果を図 9 に示す。センサの近く

そのため，人が遠隔で操縦できるようにした。

に小さな物体がみられ，これは雪を検出したも模型用リモコンでロボットを操縦できる制御回のである。レーザは雪で反射するため，同図に路を開発し，映像転送機能を加え，屋内にいな示すとおりところどころで雪の反射が発生する。

がらロボットのカメラからの映像を見て操縦す

この場合，信号処理により小さな反射を取り除ることができる。暖かい屋内で除雪作業を行え

くことで，車や家の壁だけを障害物として検出ることから，この機能だけでも除雪作業が非常することができる。しかし，雪の降りが激しいに楽になる。

場合は，実際に実験はできなかったが，いたるところで反射が起きるため雪か車などの障害物

6．結なのか判別は非常に困難になる。そのため，レ(1) 自律的に走行しながら雪を取り込み圧縮しーザレンジファインダの使用は雪の降りが弱いて排出する除雪ロボットを開発した。当初時に限られる。

の予定より大きなロボットになったが，時なお，自動車間の距離計測センサとして使われているミリ波レーダの利用も検討したが，車言間当たりの除雪能力は目標とした 2m3/h を達成することができた。

間距離検出用に設定されているものを除雪ロボ(2) ロボット本体の位置を計算しながら人や車ットにはそのまま使用できず（自動車用は測定を検出してこれらを避けて移動する自律制

範囲が数十メートルから百メートルであるが除御機構を開発した。

雪ロボットは約 1/10），設計からやりなおすと(3) 「愛・地球博」のプロトタイプロボット展

膨大なコストがかかるため，今回は利用しなかに出展し，来場者に好評を博した。NEDOった。

の次世代ロボット実用化プロジェクトの主

雪による反射図9

降雪時におけるレーザレンジファインダの測定結果

旨である「2020 年において一般家庭やオフ

参考文献

ィスで広い応用が可能となるようなプロト

1) 倉爪亮，長谷川勉，“全方位カメラとデッタイプロボット」を提示することができた。

ドレコニング機能を有するサッカーロボッ(4) 自律制御機構に関しては既存の各種センサ

トのロバストな自己位置同定手法 L-MedSを利用し信号処理を工夫したが，降雪時等法を用いたランドマークの対応付け”，第の悪天候下でも正確に動作するセンサがな

20 回日本ロボット学会学術講演会講演予稿

いため，新しいセンサの開発が必要である。

集，3A22，2002

このようなセンサは，屋外の移動ロボット

2) 大野宏他，“ステレオビジョン画像処理のだけでなく，自動車の運転者の安全運転を実用化研究”，工業技術総合研究所工業技支援する車間距離計測センサとしても使え

術研究報告書，34，2005，p45-51.

るため，大きな市場が見込める。

先端レーザー等を用いた加工技術の研究（第２報）
斎藤 雄治＊ 長谷川 雅人＊

田宮 宏一＊

小林 豊＊

High Precision Laser Cutting and Welding Using Single-Mode Fiber Lasers
SAITO Yuji*, HASEGAWA Masato＊, TAMIYA Kouiti* and KOBAYASHI Yutaka*

抄

録

ファイバーレーザーはビーム品質が高く集光径を小さくできることから微細加工に適している。本
研究では，マグネシウム合金等の金属材料に対してファイバーレーザーによる微細加工の可能性を検討するために，出力 2W のパルス波および出力 100W の連続波のファイバーレーザー発振器を用いて，ビーム特性を調べるとともに微細切断および微細溶接の加工実験を行った。

1．緒言

軽量化，省資源化，高機能化等のため，あら2．実験方法

ゆる機器や部品に対して小型化や高性能化が望2.1 ファイバーレーザー発振器
実験には，IPG 社製の平均出力 2W のパルス

まれている。このため，多くの工業製品に対し波レーザー発振器 YLP-0,1/8/20（以降，2W-PWて微細加工が適用されており，微細加工に関すと表記する）および SPI 社製の出力 100W の連る研究も盛んに行われている。

続波レーザー発振器 red POWER（以降，100W-

ファイバーレーザーはビーム品質が高く集光

CW と表記する）を用いた。2W-PW の本体外観

径を小さくできるため，微細加工に適している。

を図 1 に，100W-CW の本体外観を図 2 に示す。

このため当センターでは，平成 16 年度よりファ

またそれぞれの仕様を表 1 に示す。2W-PW の平イバーレーザーを用いた微細加工の実験を行っ

均出力は 2W と小さいが，ピークパワーは 12-てきた。第 1 報では，出力 10W のパルス波レー

kW 以上と高くパルス幅は 8ns 未満と短いことか

ザーと出力 100W の連続波レーザーを用いた炭ら，熱影響の小さい微細加工が期待できる。な

素鋼やマグネシウム（Mg）合金の薄板の切断加お，発振器から発振されたレーザー光は光ファ

工と穴あけ加工についての実験結果を示すとと2W-PW

もに，有限要素法を用いた穴あけ加工における熱伝導解析の結果を報告した 1)。
本報では，出力 2W のパルス波レーザーと出
力 100W の連続波レーザーを用いて Mg 合金やステンレス鋼等の板材の微細切断および，微細溶接について加工実験を行った。その結果，板厚 10µm のステンレス鋼板の重ね合わせ溶接な

図 1 2W-PW の本体概観
100W-CW

どの微細加工が可能であったので報告する。

＊

中越技術支援センター

図 2 100W-CW の本体概観 2)

表 1 実験に用いたファイバーレーザー発振器の主な仕様 2)3)
2W-PW

100W-CW

メーカ(機種名)

IPG 社( YLP-0,1/8/20)

SPI 社( red POWER)

モード

パルス波（PW）

連続波（CW）, 変調波も可能

パルス周波数 (kHz)20〜100---出力 (W)

2（平均出力）100

パルス幅 (ns)<8 （20kHz において）---

出力可変範囲 (W)

0.2〜2.2

10〜100波長(nm)1060〜1070

1090±5

ビーム品質 (M )

<2

1.1

ピーク出力 (kW)

>12

---

偏光

ランダム

ランダム

コリメート光径 (mm)

6〜9

5

2

イバーで伝送され，コリメータから平行光（コ損を防ぐため，レーザー光軸は試料の表面法線

リメート光）となって出力される。

に対して 20 度（2W-PW の場合）または 10 度

2.2 光学系（100W-CW の場合）傾けた。

本研究では集光性を高くするためコリメート
光径を拡大してから集光する光学系を用いた。
ここで，集光径 d と集光レンズへの入射径 D と4)の間には回折理論より次式の関係がある 。

d=4 λ⋅ f 2
M ･････････････････････ (1)π D

λ：波長，f：レンズの焦点距離，22

2.3 コリメート光の出力と強度分布測定
2.1 節で述べた発振器について，発振器の出力設定値に対する実際のコリメート光の出力（コ
リメータ出力）をオフィール社製のレーザーパ
ワーメーターF150A を用いて測定した。測定は，コリメート光をパワーメーターの検出器に直接M ：ビーム品質（回折限界で M =1）
式（1）より，λが一定の場合，M 2 および f が小照射して行った。

さく D が大きいほど，集光径 d は小さくなるこードを調べるため，オフィール社製のビームプとがわかる。本研究では，1.5 倍，2.5 倍，4 倍

ロファイラーFX-50 を用いて，コリメート光ののビームエキスパンダーを用いてコリメート光プロファイル（エネルギー強度分布）を測定しまた，発振器から出たレーザー光のビームモ径を拡大してから集光した。また，f を極力小さくするため，集光レンズの焦点距離 f は 40mmとした。表 1 の特性値と式（1）より，本研究で用いた光学系での最小の集光径は，2W-PW で1.5 倍のエキスパンダーを使用した場合 8µm，100W-CW で 4 倍のエキスパンダーを使用した場
合 5µm となる。実際の集光径はレンズの収差等により，式（1）で求めた値よりやや大きくなると考えられる。
実験は，図 3 に示すように光学系を 5 軸加工
機の加工ヘッドに取付けて行った。また，加工材料からの反射光（戻り光）による発振器の破図 3 5 軸加工機の加工ヘッドに取付けた光学系の外観た。測定は機器の損傷を避けるため，ビームプ

れぞれの発振器について，アシストガスの種類

ロファイラーの直前に透過率 1/50 の ND フィル

やガス圧，レーザー出力，発振モード（パルス

ターを二枚または三枚重ねて設置した。2W-PW

波，連続波，変調波），送り速度等を変えて，については，プロファイラーの受光面に対して

微細切断および微細溶接の加工実験を行った。

コリメート光径が過大のため，1/4 ダウンコリメ
ータでコリメート光径を 1/4 に縮小し測定した。

100W-PW による Mg 合金の溶接実験を除き，焦点位置は加工材料表面にとった。切断実験は，一定速度でレーザー光を照射後，切断した材料の表面と切断面を顕微鏡で観察した。溶接実験

2.4 焦点位置
集光レンズで絞られたレーザーの光径が最小は，同じ板材を二枚重ねたものに一定速度でレとなる位置が焦点位置である。焦点位置は切断面を研磨して溶接部を金属顕微鏡で観察した。

ーザー光を照射して重ね合わせ溶接した後，断や溶接の加工特性に大きく影響するため，焦点位置の決定はきわめて重要である。本研究では，

3．実験結果および考察

光学系の加工材料表面からの高さを変えて一定

3.1 基礎実験

速度でレーザー光を照射した後，断面を研磨・

図 4 には，種々の出力設定値に対して測定し腐食して溶け込み部を金属顕微鏡で観察し，溶たコリメータ出力を示した。図中の直線は，最け込み深さが最大となる位置を焦点位置とした。

小二乗法による近似直線である。図 4（a）には，加工材料にはステンレス鋼（SUS304）を用いた。

パルス周波数を 20，50 および 100kHz とした場
合の 2W-PW のコリメータ出力を示した。コリ
メータ出力の各測定点は直線によく乗っている

加工材料には Mg 合金（AZ31），ステンレス

ことから，コリメータ出力は出力設定値に比例鋼（SUS304），チタン（Ti）合金（2 種），ア

して変化することがわかる。また，コリメータ

ルミニウム（Al）合金（A5052）を用いた。そ

出力は，周波数によらず出力設定値の約 75%にコリメータ出力 (W)

コリメート光の強度(任意単位)

2.5 加工実験

3.0 パルス周波数(kHz)
100
2.0
50
20
1.0
1.0

0

2.0

3.0

1.0 出力 1.0W
0.8
0.6
0.4
0.2
0
–4.0

60

80

100

120

出力設定値 (W)(b) 100W-CW
図 4 出力設定値に対するコリメータ出力

コリメート光の強度(任意単位）

コリメータ出力 (W)

40

2.0

4.0

(a) 2W-PW

120
100
80
60
40
20
20

0

検出器の座標 (mm)

出力設定値 (W)(a) 2W-PW

0

–2.0

1.0
0.8

出力 0.1W
20kHz

0.6
0.4
0.2
–4.0

–2.0

0

2.0

検出器の座標 (mm)(b) 100W-CW
図 5 コリメート光断面の強度分布4.0表 2 2W-PW の加工条件
レ ー ザ レーザー 送 り 速 度 ア シ ア シ ス
実験の種類

ー 出 力 パ ル ス 周 (mm/min)

ス ト ト ガ ス

(W)

ガス

圧(kPa)

波数(kHz)

各種金属の溶け込み（図 6）

2.0

20

100

N2

5

種々の板厚のステンレス鋼の溶接（図 7）

2.0

20

100

N2

5

板厚 10µm のステンレス鋼の溶接（図 8）

0.07

20

100

N2

5

0.7〜2.0

20

100

N2

10

板厚 50µm の Mg 合金の切断（図 9）なっていることがわかる。図 4（b）には，

2W-PW が 2.4mm，100W-CW が 4.7mm である。

100W-CW のコリメータ出力を示した。コリメー

ここで，2W-PW のコリメート光径は 1/4 ダウン

トタ出力は出力設定値に比例しており，値もほ

コリメータを用いた値のため，実際のコリメー

ぼ一致していることがわかる。

ト光径は 9.6mm となる。これらの測定値は，表

図 5（a）および（b）には，2W-PW および1 に示したコリメート光径とほぼ一致した。

100W-CW のコリメート光断面の強度分布を示した。図には，コリメート光の強度の各点に最小二乗法を用いて近似したガウス曲線を示した。
2W-PW，100W-CW ともにコリメート光の強度

3.2 2W-PW による加工実験
表 2 に，2W-PW を用いた実験の加工条件を示す。

の各測定点はガウス曲線によく乗っているため，

図 6 に送り速度 100mm/min で各種金属材料に

ビームモードは集光性に最も優れたシングルモ

レーザーを照射したときの断面の溶け込み状態

ード 5)と考えられる。図 5 において，最大強度の観察結果を示す。溶け込み部のアスペクト比の 13.5％（1/e2 値）となるコリメート光径はは 8〜19 と大きく，溶け込み深さは Mg 合金とAl 合金で約 230µm，Ti 合金で約 200µm，ステン
レス鋼で約 150µm となった。
図 7 にレーザー出力を 2W に設定し，板厚を変えてステンレス鋼を重ね合わせ溶接した断面
裏面

100µm

表面
ステンレス鋼 Mg 合金
図 6

Al 合金

Ti 合金

各種金属の溶け込み断面10µm
図8 板厚10µmのステンレス鋼の重ね合わせ溶
接断面(出力0.07W)

表面

裏面

表面
裏面

100µm
20µm
図 7

40µm

50µm

70µm

100µm

10µm

種々の板厚のステンレス鋼の重ね合わせ

2W

1W

0.7W

溶接断面（出力2W）

図9 板厚50µmのMg合金の切断面

表 3 100W-CW の加工条件
レーザ

レーザー変

送り速度

アシ

アシス

ー出力

調周波数

(mm/min)

スト

トガス

(W)

(kHz)

ガス

圧(kPa)

板厚 0.8mm の Mg 合金の切断（図 10）

100

CW

10

Air

300

板厚 0.2mm の Mg 合金の切断（図 11）

100

CW

10

Air

200

板厚 0.2mm の Mg 合金の高速切断（図 12）

100

CW

5000

Air

200

板厚 0.1mm のステンレス鋼の切断（図 13）

30

1

10

Air

150

板厚 0.17mm の Mg 合金の溶接（図 14）

50

CW

10

Ar

5

実験の種類

の観察結果を示す。溶接部はよく溶け込んでいµm で，図 11 に示した送り速度 10mm/min の結ることがわかる。また，板厚 20〜50µm におい果と比べてかなり広い。送り速度を大きくするて溶接部の表面側が陥没したように観察されることによって切断幅が大きくなる原因についてが，これは板厚に対して照射エネルギーが過大

は，さらに実験を重ねて検討する必要がある。

のため，材料が蒸発または溶け落ちたものと考図 13 に板厚 0.1mm のステンレス鋼（SUS-えられる。

304）の板材について，連続波レーザを 1kHz で

図 8 にレーザー出力 0.07W で板厚 10µm のス
表面

テンレスフィラーゲージを重ね合わせ溶接した
56µm

断面を示す。レーザー出力を適正にとることにより良好な溶接が可能なことがわかる。
図 9 にレーザー出力を変化させ板厚 50µm のMg 合金の板材を切断したときの切断面を示す。

切断面
表面

出力が小さいほど切断面の粗さは小さくなっている。なお，写真では板厚が異なって見えるが，
これは撮影時の板の傾きによるものである。
3.3 100W-CW による溶接・切断加工実験
表 3 に，100W-CW を用いた実験の加工条件を
示す。

100µm

裏面

図10

板厚0.8mmのMg合金の切断

図 10 に板厚 0.8mm の Mg 合金の板材について切断実験を行い，切断幅が最小となったときの試料を示す。熱影響部はわずかで切断幅は56µm と小さいが，切断面は粗い。
図 11 に板厚 0.2mm の Mg 合金の板材について

表面

39µm

切断幅が最小となった試料を示す。このときの送り速度は 10mm/min とした。熱影響部はわず
かで切断幅は 39µm と小さいが，切断面におい切断面
裏面てドロスが裏面側に多く出ている。
図 12 に図 11 と同じ板材を送り速度 5000-

表面
100µm

mm/min で切断した試料を示す。切断幅は 210図11

板厚0.2mmのMg合金の切断

シウムの沸点が 1090℃とステンレス鋼などに比表面

べてかなり低い 6)ため蒸発したものと考えられ210µmる。より良い溶接状態を得るにはレーザー出力を小さくすること，焦点位置をさらに上方にすること，集光レンズを変更して集光径を大きくすること等，条件の最適化が必要と考えられる。

切断面

今後，さらに最適な溶接条件を探るため，実験裏面を重ねていく予定である。

表面

100µm

4．結

言

2W および 100W のファイバーレーザー発振器のレーザー光を 3〜15µm（計算値）に集光して

図12

板厚0.2mmのMg合金の高速切断

微細切断および微細溶接の加工実験を行った。
得られた主な結果は以下のとおり。

表面(1) 板厚 10µm のステンレス鋼(SUS304)の重ね19µm

合わせ溶接が可能なことを確認した。
(2) 板厚 0.8mm の Mg 合金（AZ31）の板材を切

裏面

断幅約 60µm で切断できた。

切断面
表面

100µm

(3) 板厚 0.2mm の Mg 合金（AZ31）の板材を切断幅約 40µm で切断できた。

図 13 板厚 0.1mm のステンレス鋼の切断(4) 板厚 0.1mm のステンレス鋼（SUS304）の板
材を切断幅約 20µm で切断できた。
(5) 板厚 0.17mm の Mg 合金（AZ31）の板材の重ね合わせ溶接ができた。

表面
裏面

100µm

参考文献
1) 長谷川雅人他, “先端レーザー等を用いた加工技術の研究”, 工業技術総合研究所工業技

図14

板厚0.17mmのMg合金の重ね合わせ溶接
断面術研究報告書, 34, 2005, p.128-133.
2) “100W CW/Modulated High Power Fiber Laser

変調して切断実験を行い，切断幅が最小となっ

Product Manual”, Southampton Photonics Ltd.,た試料を示す。熱影響部は少なく，切断幅はp. 1, 19-24.

19µm と小さい。また，切断面はドロスが少な
く良好な状態であることがわかる。
図 14 に板厚 0.17mm の Mg 合金の板材を重ね合わせ溶接した断面を示す。この試料では，焦点位置を加工材料表面から約 1mm 上方にずらしてレーザーのパワー密度を小さくするとともにガス圧を 5kPa と低くしたにも関わらず，溶接部の表面側が大きく陥没している。これはマグネ

3) “YLP-0,1/8/20 User’s Guide”, IPG Photonics,
p.14-15.
4) 宮本勇, “ファイバーレーザーの応用”，溶接学会誌，72，8，2003，pp.13-17.
5) 金岡優, “レーザー加工”, 日刊工業新聞社,
1999, p.10.
6) 日本金属学会編, “金属データブック”, 丸善,
1989, p.10.

絣織物製織自動化技術の実用化
白川

家坂

邦直*

小海

茂美*

三村

和弘*

正登*

松本

好勝*

本田

崇*

皆川

森夫*

Practical use of automation technology that weaves Kasuri cloth
IESAKA Kuninao*, KOKAI Shigemi*, MIMURA Kazuhiro*
SHIRAKAWA Masato*, MATSUMOTO Yoshikatsu*,HONDA Takashi* and MINAGAWA Morio *抄録

自動絣織り技術の実用化を実現するため，次の内容の研究を行った。まず絣合わせマーク剤の開発と各種マーク剤を用いた絣糸の試作を行い，実用性を損なわず十分な検出性能を確保できることを確認した。次に織機運動状況を検知する各種センサの装着，自動絣合わせに必要な各種ユニットの試作，
およびこれらをシステム制御する自動絣織りソフトの開発を行い，有杼織機にこれらの機能を持たせた自動絣織機を試作した。
試作織機による絣織物試織の結果，その性能が製織作業者と同等レベルであることを確認した。

1. 緒言絣織物製造産地においては，製織はほとんど

小千谷，塩沢産地などで人手により生産されて出機とよばれる外注に依存しており，作業者の図 1 に示すように，手作業でマークと柄の双高齢化が進み後継者も少ない。これらの織物はいる。
方の位置関係を確認しながら織り進める。

非常に付加価値の高い商品であるため，工業的生産の継続が必要であり，自動化を進めることが急務となっている。
そこで，手作業で行っている緯糸の絣合わせを自動化することにより，伝統技術を継承しやすくし，最終的には絣合わせ作業者が一人で複数台を運転管理できる自動絣合わせ織機を試作した。開発するユニットは既存の有杼織機に付加する方式とした。
2.

絣織りの概要絣織物とは模様になる部分があらかじめ染められている糸を用いて，織りながら柄を創出していくもので，プリントと違い精緻で味のある柄を形成することができる。県内では十日町，* 素材応用技術支援センター

図1

絣織物の手織り作業

1000

3. 絣糸の試作
絣織物の緯糸には，絣の模様が設計図案と合付けられている。作業者が手により織る場合にも，このマークを織物の耳端に合わせることで絣模様を織り出す作業を行っている。自動絣合
わせ製織も，このマークが筬通し幅に対して正

800
700
600
画素数

うように筬通し幅に合わせてマーク（耳墨）が

900

マーク

500
400
300
200
100
0
0

20

40

60

80

100

確に付いていれば，マークの位置をカメラによ
図3

り認識し，それを織物の耳端に合わせて織るこ

120
140
160
輝度（256階調）

180

200

220

240

画像のヒストグラムとで，自動絣合わせが実現できることとなる 1)。

4.

製織の自動化

以前の共同研究において用いられていたマー

4.1

織機の運転制御

ク剤は黒色に近かったが，その場合，反物の耳絣糸の絣合わせマークを位置決めするためにが黒くなって製織されることとなる。着物に仕は，まず絣糸の把持を確実に行う必要がある。

立てた際には，反物の耳は裏側となるため通常飛走した緯糸の位置は，クランク軸の角度がは問題にならないが，淡色，特に夏物の薄地の290°付近で，ほぼ同じ位置で安定することが，織物において，裏の黒い耳が透けて見えてしま

わかっている。このため，マークの位置決めはうことが課題となっていた。

290°から 295°で行うことにした。これに伴そこで本研究においては，従来のように位置決め精度の観点から CCD カメラおよび画像処理により，マークの重心を認識することを基本

い自動制御運転は 290°が，1 サイクルの起点となる。
図 4 に織機の制御フローを示す。

とし，白い糸に対してもマークの方が明るいと認識できることを目標とし，蛍光染料や蛍光顔

290°で停止中

料を用いて，紫外線照明下において蛍光発光の輝度差による認識を行うこととした。

運転開始ボタン（一回 or 連続運転）

今回試作した糸の実機上で得られた画像を図2 に，その画像のグレースケールでの濃淡のヒストグラムを図 3 に示す。これらに示すとおり

現在の緯糸判定

絣糸絣合わせマーク

地糸位置決め処理明瞭な検出が可能であり，絣合わせのマーク剤として適正であることを確認した。
織機回転開始運転状態判定

一回運転

減速停止

連続運転

次の緯糸判定

絣糸

地糸
多重起動

減速

織機回転継続290°で停止絣合わせマーク
位置決め処理

図2

マーク画像

図4

織機制御フロー4.2 絣合わせマークの位置決め
絣糸についたマークを紫外照明で照らし，マ

位置決め開始グリッパ閉口ークから発せられる蛍光の CCD カメラ撮像図

緯糸把持を，図 5 に示す。マークの重心をカメラ側に固カメラ起動

定された座標の原点（図 5 の円の中心）付近

画像取り込み±0.12mm に合わせる位置決めを行う。図 6 にマークの確認

位置決め方式の概略を示す。絣糸の引き出し側なし

あり

はグリッパで掴み，戻し側は絣糸がピンに巻きかかるよう設定する。

引出回数確認

3 回未満

3 回以上

移動量計算

2mm 引出カメラ画像からマークの重心を求め，その位置データを基に，織物の両サイドにあるピンお

異常値

移動量判定

エラー
位置決め中止よびグリッパを位置決めし，マークを織物の耳適正値端に合わせる。
ヨコ入れした絣糸の絣合わせマーク位置決め法のフローを図 7 に示す。

ステッピングモータ起動

手動運転に切り替え

マーク移動

手動位置決め

カメラ起動
画像取り込みNG

マーク位置判定
OK

位置決め完了図7
4.3

位置決めフロー

位置決めユニット

絣緯糸を把持してマークを耳端の所定位置に移動する位置決めユニットは，糸把持用のグリ

マークマ

図5

ッパおよび引き戻し用のピンで構成し，織物のCCD カメラ画像

左右に配している。駆動には小型のステッピン
グモータを使用した。
図 8 に位置決めユニットを示す。

CCDカメラ

ピン
紫外照明
紫外光
グリッパ

蛍光
絣糸

図6

位置決め方式の概略図

図8

位置決めユニット5． 絣合わせ性能評価

一方，アクリル板に均一な張力で緯糸を巻き，企業の手捺染による生産ラインで試験用の絣

これに耳マークと評価のための柄（直線柄）を糸を試作し製織した。図 9 に示すとおり試織絣

描きこの緯糸で製織した。図 12 に示すとおり織物を全体的に見ると絣模様は合って見えるが，直線柄は曲がることなく正確に織上がっている

柄の縁部分にずれが存在する。図 10 に柄のずことが確認された。ずれの誤差は 60 羽/寸の筬れを示す。模様を観察すると，ずれには周期的羽で 2 羽（1.2mm）の範囲であった。

なパターンがあり，繰り返されて出現する。このずれについて，絣合わせマークの間隔のばらつきを調べたものが図 11 である。設計の筬通
し幅は 39.4cm であり，これがマーク間糸長の基準である。製織時の周期的パターンは，糸段階での絣模様およびマーク間隔のずれを忠実に反映し製織した結果であると推察される。

図 12

評価用直線柄

柄が違う絣織物であるが，自動絣織機で試織した織物と，製織作業者が織り上げた織物を比較した結果，柄の再現性に遜色はなく，その性
能は製織作業者の絣合わせ能力と同等レベルに
図9

試織絣織物

達している。
図 13 に手織りの絣合わせ状態を示す。

図 10

模様のずれ
図 13

絣合わせマーク間隔の差異(mm)3

作業者製織織物

6． 試作織機の運転性能について

2

地糸の製織本数を測定すると，124 本/分であ1

り，マークの位置決めを伴う絣糸を連続製織し

0
-1

1

6

11

16

21

26

た場合は 20 本／分である。通常の絣織物である地糸 2 本，絣糸 2 本の絣織物では，72 本/分-2

緯糸本数（本）-3を実現し，目標の 40 本/分を大きく上回る充分な性能を確保できた。

図 11

絣合わせマーク間隔の差異

7．結

言

(3)カメラ，マーク位置決めユニット等の機器(1) 和装用織機に，下記機能を持たせた自動絣

配置と，耳端への絣合わせマークの位置決

織機を 1 台製作した（図 14）。

めノウハウを確立できた。

・ CCD カメラ，画像処理，および LED 照(4)自動絣織機による緯糸 3 種類の絣織物の試明を使用した絣合わせマーク認識機能。

作と，マイクロスコープによる絣合わせ性・サーボモータを使用し，自動絣合わせ織能評価試験を行い，絣合わせの性能が実用りを最適に実行できる織機運転制御機能。

性能をクリアしていることを確認した。

・電動グリッパで絣糸を把持し，マーク検出位置データに基づき，ステッピングモ

参考文献

ータを駆動するマーク位置決め機能。

1) クロス 21 研究会，家坂・前記全体機能をシステム化した自動絣合高橋

わせ用制御機能。

邦直，矢内

悦郎，

靖“自動絣合わせ織機に関する研究”，工業技術研究報告書，No.28，1999，(2)蛍光染料，顔料，アクリルバインダー，糊

p41-45.

を使用した絣合わせマーク剤を調整し，それを用いた絣糸を作製した。

図 14完成した自動絣織機

共

同

研

究

CSP（チップサイズパッケージ）用極小径穴
打ち抜き金型の研究（第２報）
石川 淳** 進藤 賢士*
宮下 孝洋**

和久井 敏夫*

紫竹 耕司**

舟見豊*

田村 信***

Study of micro-hole punching metal mold for CSP(Chip Size Package)
ISHIKAWA Atsushi**,

SHINDOU Kenji*, WAKUI Toshio*, FUNAMI Yutaka*,MIYASHITA Takahiro**, SHICHIKU Kouji** and TAMURA Makoto***抄録

半導体の実装に使用されるポリイミドフィルムにφ0.1〜0.2mm 程度の小径穴を多数個打ち抜くための金型製造技術の確立を目的に研究を行った。昨年度に引き続き，硬さが 60HRC 程度の金型鋼を対象に，必要とされる小径穴をドリルで直接加工するための加工技術の確立を目指して研究を行い，小径ドリル加工におけるドリル折損予知に関して，切削力（スラスト力）のモニタリングについて検討した。また，小径穴を有するダイプレートの耐久性向上を目的とした表面処理方法について検討し
た。

1．緒

言

近年，携帯電話に代表されるように電子機
器の小型化・薄型化・高機能化が進んでいる。

本研究では昨年度より，金型による穴の打
ち抜きのための金型設計ならびに金型製造技術の研究を行ってきた。

これらに用いられる半導体パッケージも小型

小径穴の打ち抜き金型製造技術のなかで，化が要求され，BGA（Ball Grid Array）構造のダイプレートに打ち抜き穴径とほぼ同一寸法

CSP（Chip Size Package）が多く用いられるよの穴を加工する必要がある。この加工についうになってきている。この CSP の基板材料でて，昨年度は能率や加工面精度などの点で放あるポリイミドフィルムにはハンダボールが電加工に対して優位性があるドリル加工にて，搭 載 さ れ る φ 0.1〜 0.2mm 程 度 の 導 通 用 の 穴

熱処理済みの高硬度金型鋼に直接，所定の小が 0.5mm 程度の間隔で加工される。ポリイミ

径穴加工を行う技術について研究を行い，ドドフィルムへの穴あけにはレーザや金型が用リルの選定，最適加工条件の把握などの知見いられる。

を得て，実用化への目処を立てた。
本年度は高硬度金型鋼への小径穴ドリル加工技術について，ドリルの折損予知技術の検討を行った。ドリルによる穴あけ加工におい*株式会社南雲製作所** 研究開発センター***上越技術支援センターて，加工中のドリル折損は加工ワークにダメージを与えることが多く，本研究での対象金

型のなかで，ダイプレートは多数穴を有するドリル加工時のスラスト力測定は図 1 に示ことから，ドリル折損の影響は大きく，それ

すように水晶圧電式切削動力計（KISTLER 社

までの加工が無駄になってしまう。

9257B） の 上に 被 削 材 を取 り 付 け て加 工 を 行

一般に工具折損予知として，切削力や振動い，ドリル送り方向の切削力であるスラスト

加速度，AE（Acoustic Emission）信号などの力を検知する。この検知信号はチャージアン1)。本

プ（KISTLER 社 5019A）を介して解析装置（横研究での小径ドリル加工において，これら信河電機㈱製 WE7000）に取り込み，スラスト

号が折損予知に利用できるか検討した。本報

力測定を完了する。

モニタリングが利用されることが多い

では加工時に発生する切削力の工具送り方向成分（スラスト力）について，検討した結果を記す。
また，昨年度の研究において試作した金型を用いてポリイミドフィルムの打ち抜き試験を行ったところ，目標打ち抜き回数前にダイ穴の顕著な摩耗が観察された。原因としていくつか考えられたが，対策のひとつとして，
ダイプレートの耐摩耗性を向上させるための表面処理方法を検討することにした。ここではイオンプレーティングによる CrN コーティ
ングと塩浴窒化処理について，おもにダイ穴

drill
mist

内面まで処理可能かというところに観点をおmist

いて検討した結果について記す。

work

Thrust2．工具折損予知に関する実験
2.1

kistler 9257B

amp

使用機械・機器

小径穴加工実験には空気静圧スピンドルを

図1

analyzer

スラスト力測定システムの概略

搭載した高速加工試験装置（東芝機械㈱製
ASV40）を使用した。おもな仕様を表 1 に示
す。

2.2

加工条件

表 2 に示す加工条件において，工具折損に
表1

加工機械のおもな仕様

至るまでのスラスト力を測定することとした。

主軸 回 転 数

3,000〜30,000min -1

なお，被削材についてはデータ取得の容易性

クー ラ ン ト

ミスト（田中インポート製ドからプリハードン鋼 NAK55（ 40HRC）とした。

ライ カ ッ トシ ステ ム Ⅱ ）また，加工する穴は直径 0.1mm，深さ 1.0mm

移動 指 令 最小 値

X,Y,Z 0.001mmの止まり穴である。使用した工具は TiN コー

NC 設 定ステ ッ プ 退避 Z 座標 +0.2mm

テ ィ ン グ 超 硬 ド リ ル （ 直 径 0.1mm ， 溝 長

クリ ア ラ ンス 0.2mm

1.2mm）である。

表2

各実験条件において，波形データからスラ

加工条件
送り速度

ステップ量

( min )

( mm/min )( µm )

1

20,00020

15

220,00020

15

320,00020

15

420,00040

15

520,00060

15

620,00020

25

主軸 回 転 数
実験 No.
-1

スト力の数値を読み取り，加工穴数の進行に伴う推移を図 3 にまとめた。
10
9
8

20,00020

25

8

10,00020

15

スラスト力 ( N )

7

7
6
5

No.1
No.2
No.3
No.4
No.5
No.6
No.7
No.8

4
3
2
1

2.3

実験結果

0

図 2 に本実験システムにより測定した小径

0

10

20

30

40

加工穴数

(個)

50

60

70

ドリル加工にともなうスラスト力波形データの一例を示す。図の上段が 1 穴目から折損に

図3

加工穴数とスラスト力の推移

至るまでのスラスト力の推移を示し，下段が任意の穴におけるステップごとのスラスト力波形を拡大表示したものである。それぞれ横すべての条件において，加工の進行に伴うドリルの摩耗に起因すると思われるスラスト

軸が時間，縦軸がスラスト力を表す。

力の増加推移が読み取れる。一般的に考えると，このような加工状況においてスラスト力
10がドリル固有のある値に達した場合にドリル

23 穴目(折損 )(N)

折損につながれば，スラスト力のモニタリン
グによりドリル折損が予防できるといえる。

スラスト力

10 穴目

しかし，実験結果では折損直前のスラスト力

１穴 目にはかなりのばらつきがみられる。ドリル回
転方向に作用する加工力も考慮しなければな
0
加工時間

0

(sec)

3000

らないかもしれないが，実用上困難であるため本研究では断念した。

1010さらに各条件について，1 穴目のスラスト

１ス テ ッ プご との ス ラ スト 力波 形
(N)

力 a と折損直前のスラスト力 b を読み取り，スラスト力

これらからスラスト力の増分（b-a），比（b/a），増加割合（(b-a)/n）を求めて，表 3 ならびに
図 4 にまとめた。
0
0.36

0.00
加工時間

(sec)

この図から加工条件が同じ（No.1，2，3 な
らびに No.6，7）であれば，比（b/a，図 4 中
×印）に関してはばらつきが比較的小さいこ

図２

スラスト力測定波形の例とから，このパラメータがドリル損傷予知に使える可能性はある。

表3

スラスト力に関した算出パラメータ
折損時

１穴 目

折損前

加工穴

スラスト

スラスト

上面

実
験

コーティングb-ab/a(b-a)/n

数 n

力

( 個 )

(N)

(N)

1

20

1.74

7.11

5.37

4.09

0.27

2

25

1.41

5.41

4.00

3.84

0.16

3

26

1.41

5.81

4.40

4.12

0.17

4

42

1.22

9.00

7.78

7.38

0.19

5

36

1.26

6.78

5.52

5.38

0.15

6

20

1.30

3.67

2.37

2.82

0.12

7

29

1.48

4.93

3.45

3.33

0.12

8

62

1.52

7.60

6.08

5.00

0.10

No.

a

力

剥離 部 分

b

10.00

10.00

a
b
b-a
b/a

スラスト力a、b （ N )

8.00
7.00

8.00
7.00

6.00

6.00

5.00

5.00

4.00

4.00

3.00

3.00

2.00

2.00

1.00

1.00

0.00

図4

2

3

4
5
実験No.

6

7

上面

研磨 断 面

図5

0.00
1

研磨 断 面ダイプレート穴付近の成膜状態観察像

9.00
比 b/a
スラスト力の増分b-a、乗分b/a

9.00

穴内 面

8

スラスト力に関した算出パラメータ図示

図 5 にサンプルの断面 SEM 観察像を示す。
サンプル上面には厚さ 0.5µm 程度の CrN 膜が成膜していた。穴内部については元素分析などから入り口近傍は成膜しているものの深部に従い膜厚は減少しており，およそ穴直径と同一深さ（約 0.1mm）までしか成膜されていないことがわかった。
3.2

塩浴窒化処理イオンプレーティングのような PVD によ3．ダイプレートへの表面処理の検討
3.1

イオンプレーティング

るコーティングでは穴内部までの表面処理が不可能であったため，窒化処理による金型のダイプレートのモデルとして直径 0.1mm，耐摩耗性向上について検討した。前節イオン

深さ 1.0mm の穴を 0.5mm ピッチで格子状にプレーティングと同様のダイプレートモデル

25 個配した鋼材プレートを用意した。このプを用意して塩浴窒化処理（タフトライド処理）

レート上面からイオンプレーティングにより，を行った。この処理も外注による標準的な条CrN コーティングを施した。イオンプレーテ
ィング処理については外注し，前処理等標準件により行った。図 6 にサンプルの断面 SEM
観察像を示す。

的な条件で処理した。この CrN コーティング

サンプル上面は 50µm，穴内部は深部におしたサンプルについて，穴断面が観察できる

いても 20〜30µm 窒化されているのが観察でように試料研磨機を用いて除去研磨を行った。

きる。このことから小径穴内部の耐摩耗性向

4．結

上面

言

極小径穴打ち抜き金型に関する研究の中で，変色 部 が 窒化 層

おもにダイプレート製造に必要となる技術に関して研究を行い，以下のことが明らかになった。
(1) 小径ドリル加工に おけるドリ ル折損予知に関して，システム構築が簡易な加工スラ

研磨 断 面

スト力のモニタリングについて検討した
結果，スラスト力の比のモニタリングが折
図6

損予知に使用できる可能性があった。

ダイプレート穴付近の窒化状態観察像(2) 小径穴を有するダ イプレート の耐久性向上を目的とした表面処理方法として塩浴窒化上を目的とした表面処理方法について検処理が有効であることがわかった。しかし，討した結果，塩浴窒化処理が有効である。

表面には窒化鉄と思われる数 µm の黒色被膜が形成されていた。この被膜はピンを通すこ

参考文献とにより除去可能であるものの，工程が増え

1)てしまう課題が残った。

相田，稲崎，福岡，”AE を利用した工具
チッピング検出システムの開発”，日本機械学会論文集（C 編），52，481，1986，
p2,563-2,568.

アイスウォーターブラスト装置の実用化に関する研究
山岸

陽一*

武藤

浩二*

荒川

良一*

坪水

杉井

伸吾**

中部

昇**

須藤

貴裕***

英全*

Development of Ice and Water Blasting Machine
YAMAGISHI Youichi*, MUTOH Hiroji*, ARAKAWA Ryouichi*, TSUBOMIZU Hidenori*
SUGII Shingo**, NAKABE Noboru** and SUTOH Takahiro***抄録

氷粒を混合した高圧水でバリ処理，洗浄を行うアイスウォーターブラスト装置に関して，バリ処
理能力の把握を行うと共に，装置能力の向上を図った。バリを実際に除去することなく簡便にバリ処理能力を評価しうる定量化手法を確立し，本手法を基に装置構造とバリ処理能力の関係を把握することにより，能力向上を目的とした装置の改良を行った。さらに，実際にバリ処理試験を行い，処理前後におけるバリ形状を測定することにより本装置の処理能力を定量的に把握した。

1．緒言

完成度を向上させることを目的とする。まず，アイスウォーターブラスト装置は図 1，図 2

バリを実際に除去することなく簡便にバリ処理に示すように，ノズル内において高圧水，およ能力を評価しうる定量化手法を確立した。次い

びその負圧によって吸入される氷粒を混合してで，これらの手法を用い，装置構造とバリ処理噴射する装置であり，金属製品のバリ処理，洗浄に用いられる。一般に，このようなブラスト装置においてはメディアと呼ばれる研磨剤を高圧水，あるいは空気と混合して噴射することによりバリを除去する。しかしながら，メディアの使用は処理後の洗浄工程を必要とし，またメ
ディアが最終的に廃棄物となるなど環境面での問題も多い。一方，本装置では氷粒をメディアとして用いることによって，バリ処理後の洗浄工程が不要となるため作業効率が高く，さらには水を循環利用することで廃棄物を生じないという利点を有する。

図1

ウォーター
ジェットチップ

本研究は平成 16 年に開発したアイスウォー
ターブラスト装置に関して，バリ処理能力の把アイスウォーターブラスト装置外観
ノズル

高圧水

握を行うと共に，装置能力の向上を図り製品の*アドバンエンジ株式会社**

研究開発センター*** 下越技術支援センター

氷粒

図2

負圧により
氷粒を吸入

ワーク

アイスウォーターブラスト原理

能力の関係を把握することにより，能力向上をンチで挟み，万能試験機を用いて既知の圧縮荷目的とした装置の改良を行った。

重を作用させた。感圧紙の色濃度分布画像は市販のイメージスキャナによってパソコンに入力

2．ブラスト能力定量化手法の確立

し，各画素における色濃度を計測した。図 4 に装置の機能向上を図る際，それによりどの程

較正実験による感圧紙の濃度分布と作用圧力−度バリ処理能力が向上したかを定量的に評価す

色濃度の関係の一例を示す。両者の関係はほぼることは重要である。従来バリ処理能力の評価

線形を示すが，高圧力作用下，特に測定限界付については，あらかじめワーク，あるいはバリ

近において色濃度増加が鈍化する傾向がみられを生成させた試験片に対して処理を施し，バリたことから，圧力算出においては，両者の関係が除去されているかを目視，形状測定などで確を 2 次式に近似した曲線を較正曲線として，計1)

認することが多い 。この手法では装置の処理測された濃度値を圧力値に変換した。

能力を直接評価できる反面，ワーク，試験片の準備に手間がかかること，さらには，定量評価のための形状測定についても多くの時間を要す

ロードセル

るなどの問題がある。そこで，装置開発の効率
クロスヘッドを向上させる目的で，水・氷粒による噴射圧力（以下ブラスト圧力）に着目し，実際にバリ処理を行うことなく処理能力を定量的に評価する

鋼球手法を確立した。

パンチ（上）
感圧紙

2.1

ブラスト圧力の測定

パンチ（下）

ブラスト圧力の測定には感圧紙（富士写真フィルム社製プレスケール）を使用した。本感圧図3

較正実験装置概略

紙は PET フィルム上に発色剤を封入したマイクロカプセルと顕色剤を塗布したものであり，
圧力作用領域に挿入することによってマイクロ

52MPa

64MPa

80MPa

95MPa

112MPa127MPa80100
作用圧力(MPa)

120

140

カプセルが破壊され，その中の発色剤が顕色剤に吸着し，化学反応で赤く発色する。ここで，作用圧力の増加によりカプセルの破壊量，すな
わち発色剤の反応量が増加することから，発色
なお，本感圧紙で測定可能な圧力分布の分解能
は 0.01mm2（0.1mm×0.1mm）である。
2.2

較正実験

感圧紙による圧力分布の測定においては，発色濃度の濃淡によってその領域の圧力値を推定できる。

200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
40

60

色の色濃度と作用圧力の関係を明らかにする必要がある。そこで，既知の圧力を作用させた場
合の色濃度を測定し，両者の関係を求めた。較
正実験は図 3 に示すように感圧紙を上下からパ

図4

較正実験結果例

上：較正実験による感圧紙濃度分布
下：較正曲線（作用圧力−色濃度）2.3 ブラスト圧力測定と評価パラメータ算出
ブラスト圧力は平坦なワークに感圧紙を貼り付け，そこに一定時間ブラスト処理を行うことにより測定した。ここで，ノズルは感圧紙に垂直方向に設定した。図 5 に測定例を示す。圧力分布は，高圧水による中心部の比較的均一な圧力を示す領域に加え，氷粒の衝突による，多数の局所的な高圧力領域が観察された。
これら圧力分布を基に，バリ処理能力評価パ
ラメータとして，図 6 に示すように平均圧力，
図5

氷衝突圧力，圧力分布の均一度を定義した。こブラスト圧力分布測定例

こで，平均圧力は圧力分布の図心を中心とした，ノズル径と同一円内の領域中における圧力値の平均値とし，氷衝突圧力は氷粒の衝突による，
局所的に高い圧力値を示した点を順に 100 点抽
出し，これらの平均値を求めた。これらの値がノズル
内径高いほどブラスト圧力が高い，すなわちバリ処理能力が高いと判断される。また，圧力分布の均一度は分布をその図心を中心とした円と想定
中心(分布の図心)し，その中心から任意の距離の同心円上にある点の圧力値の平均を求め，中心からの距離と圧(a)平均圧力

力値の関係を圧力の均一度として定義した。一般に両者の関係は中心部で最大となり距離の増

高圧力点加に伴い減少する傾向を示すが，特にノズル径内において減少割合が小さいほど，ブラスト範囲において均一度が高い，すなわち均一にバリ処理が行われることを表す。
2．4 パラメータ算出プログラムの開発
バリ処理能力評価に関連して，上記パラメー(b)氷衝突圧力

タを簡便に計算するプログラムを Microsoft
Excel によって制作した。これにより，イメー
ジスキャナを用いて入力した，感圧紙のビットR

マップ画像ファイルを直接読み込むことにより，
平均圧力，氷衝突圧力，圧力の均一度等を直接計算・出力することが可能となり，バリ処理能
力評価の効率化を図ることができた。

中心(分布の図心)(c)圧力分布の均一度
図6

バリ処理能力評価パラメータの定義

3．装置機能向上を目的とした装置開発
前章で示した評価手法を用い，バリ処理能力

3．3 バリ処理能力の把握
ブラスト圧力測定実験結果を基に改良を施し向上を目的とした装置の開発を行った。

たアイスウォーターブラスト装置において，実際のバリ処理能力を把握するため，フライス切

3．1 最適ノズル構造の決定
氷粒を混合して噴射するノズルに関して，そ

削加工によってバリを作成したアルミニウムおの最適な構造について検討を行った。ノズル構理を施した後，バリ形状を測定し処理前と比較

造の異なる試作品を製作し，ブラスト圧力の測した。ここで，バリ形状の測定は，処理前後に定を行った。その結果，ブラスト圧力はノズルおける試験片を樹脂に埋入した後にバリ断面が構造に大きく影響を受けることが明らかとなり，観察できる方向から切削加工を行い，バリ断面

バリ処理に最適なノズル構造を把握することがを撮影することにより行った。撮影したバリ断できた。また，これらの結果を基にノズル構造

面画像より，図 8 に示す発生したバリの根本厚を改良した結果，図 7 に示すように，改良ノズ

さ，バリ高さに加え，ブラスト後にバリが破断

ルにおけるブラスト圧力は，従来品と比較してしていることが明らかな試験片についてはその平均圧力，氷衝突圧力共に 30%以上増加する

破断部長さを測定した。図 9 にアルミニウム試

ことを確認した。

験片に対する測定結果の一例を示す。これによよび鋳鉄試験片に対し，本装置を用いてバリ処って，様々な材料，切削条件におけるバリの形
3．2

氷粒の最適管理状，および，これらのバリに対する本装置の処バリ処理能力を向上させるにあたり，メディ

理能力を定量的に把握することができた。

アである氷粒の温度や供給条件の最適化はノズ
バリ高さ

ル構造と並んで重要であると考えられる。そこ
で，氷粒温度，および供給量を変化させた場合

バリ高さ
バリ破断
部長さ

バリ厚さ

バリ厚さ

のブラスト圧力を測定し，両者が共にバリ処理能力に影響を及ぼすことを確認した。また，氷粒温度，供給量に加えて，供給方式やノズル氷吸入部の構造等もバリ処理能力向上に寄与する(a)処理前ことが実験によって示唆されており，今後これらを総合的に考慮した設計を行うことにより，

140

90

130

80
70
60
50
40

120
110
100
90
80

従来品 改良品

従来品 改良品(a)平均圧力(b)氷衝突圧力

図7

図8

バリ高さ・厚さ・破断部長さ(µm)

100

氷衝突圧力(MPa)

平均圧力(MPa)

更なる機能向上が期待される。

改良ノズルにおけるブラスト圧力(b)バリ処理後

バリ断面画像とバリ形状の定義

60
処理前

50

処理後

40
30
20
10
0
バリ高さ

図9

バリ厚さ

破断部長さ

バリ処理試験結果の一例

アルミニウム試験片におけるバリ形状の比較

4．結言(1)水・氷粒による噴射圧力（ブラスト圧力）

ついて，アルミニウムおよび鋳鉄試験片に対を感圧紙で測定することによって，実際にバしてバリ処理を施し，その処理前後におけるリを除去することなくバリ処理能力を簡便，

形状を比較することにより，様々な材料，切かつ定量的に評価する手法を確立した。

削条件におけるバリ形状，および，これらに(2)確立した評価手法を用い，アイスウォータ

対する本装置の処理能力を定量的に把握した。

ーブラスト装置構造とバリ処理能力の関係を把握し，能力向上を目的とした装置の改良を行った。
(3)改良したアイスウォーターブラスト装置に

参考文献
1) 高沢孝哉，北嶋弘一，“バリテクノロジー
入門”，2002.

アモルファス電波アンテナに関する研究（第２報）（アンテナの感度評価方法）
伊関

陽一郎*

菅家

章*

須田

孝義**

浅間

正剛***

相羽

智***

井浦

博男***

A Sensitivity Evaluation method of an Antenna for Standard Radio Waves
*

*

**

ISEKI Yoichiro , KANKE Akira , SUDA Takayoshi , ASAMA Masatake***

AIBA Satoshi

and IURA Hiroo

抄

***

,

***

録

試作した電波腕時計用の標準電波受信アンテナの特性の評価項目として L 値，Q 値があるが，最終的には時計全体としての感度を評価する必要があり，そのための手法について検討した。疑似標準
電波を放射し，それを受信して得られる出力信号の変化から感度を求めることができ，試作アンテナの感度評価を可能とした。

1. 緒

言

タイムコードは分，時，曜日，1 月 1 日から

我々は，昨年度に引き続き電波腕時計用の標の通算日，西暦年，うるう秒情報などを BCD（2準電波受信アンテナの開発を行ってきた。開発

進化 10 進法）で表現しており ) )，2 進数の'0'，'1'

品が小型のものになるにつれ，これまで評価項の他、フレームの始まりを示すマーカと 10 秒ご目としてきた L 値（インダクタンス）およびコとにデータ位置の目印として入るポジションマ

イルの性能を表す Q 値だけでなく，受信用 ICーカと呼ばれる信号の計 3 種類の信号で構成さと組み合わせて実際に時計とした際の感度も評れる。それぞれの信号は図 1 のようなパルス幅

価する必要に迫られた。そこで，そのための手の信号であり，マーク（H レベル）の長さが 200ms法の検討・開発および関連基礎データの収集をのものはマー行った。

カ ( M： 0 秒

1 ,4時)およびポ
2. 電波時計のシステム

ジションマー

2.1

カ(P0 〜 P5：

JJYのタイムコード

日本の標準電波( JJY) は， 40kHz も しくは

10 秒ごと)を，60kHz の搬送波に，出力が 10:1 となるように

500ms のもの

1Hz のタイムコードで AM 変調をかけたもので，

は 2 進数の'1'

60 ビット（1 分）を 1 フレームとするシリアルを 800ms のものディジタル信号である。

のは 2 進数の*研究開発センター'0' をそれぞれ**

下越技術支援センター

表している。

*** 新デンシ株式会社新潟工場

図1 JJYの信号2.2

タイムコード受信用IC

れぞれ上段が検波出力，下段が TCO 信号である。

市販の電波時計は一般的に，タイムコード受

受信状態が悪くなると検波出力が低下しノイズ

信用 IC を用いて，受信した標準電波から 1Hz

を含むようになり，TCO 信号もノイズの多いものタイムコードを復調し，これをマイコンで判のとなる。同時に波形そのものが崩れ，パルス

読して正確な時刻を取得し表示を修正している。

幅が変化する。そこで，一定時間内に観察され通常，受信用 IC は，アンテナで受信した微弱

た TCO 信号について，そのパルス幅が所定の範な電波を増幅する RF 増幅部，外付けの水晶フ

囲内に収まらないものの割合から受信の良否をィルタで不要な信号を除去した後それを検波復判定することにした。

調する整流部およびその信号を整形しマイコン

なお，パルス幅の測定にはアンリツ製周波数をドライブできるレベルのタイムコード出力（以カウンタ MF1603A を，40kHz の電波の発生に下，TCO）にするデコーダ部からなる。

は同じくアンリツのシンセサイズト標準信号発本研究では，この TCO 信号のパルス幅および生器（以下，SSG）MG3633A をそれぞれ用いた。

整流後の信号（検波出力）に着目して感度評価
3.2の検討を行った。

実際のJJYのパルス幅

図 4 に，夜間の静穏時に JJY を受信した場合
3. 実
3.1

と，近くに雑音を発する機器がありノイズの多験
受信状態による出力の変化

市販の電波時計を改造し，アンテナの交換および TCO 信号の取り出しができるようにしたもい環境で JJY を受信した場合の，TCO 信号のパ
ルス幅の分布を示した。
JJY で送出されるタイムコードのパルス幅は200ms, 500ms および 800ms（いずれも誤差±のを用いて実験を行った。
時計は小型の置き時計型のものと腕時計を利5ms）であるが，それを受信して得られる TCO

用し，前者は TCO 信号の他に検波出力も取り出

信号のパルス幅は静穏時では，中心値が 180ms,

せるようにした。図 2 に腕時計の例を示す。

485ms および 780ms 程度でそれぞれ前後に 70ms

図 3(a)は電界強度が十分強く安定して受信で程度の幅を持った分布をしている。

きる状態の，また図 3(b)は電界強度が弱く正常雑音環境では中心値がずれ，分布も広くなっに受信できない状態の出力信号波形の例で，そていることが分かる。つまり，'マーカ(M,Pn)'，'0'， '1' のいずれとも判別できないデータが増えることになり，それだけ時刻の修正が困難になることになる。

図2

使用した腕時計(a)安定受信時
図3(b)不安定時出力信号波形例

図4

JJY受信時のTCO信号パルス幅

3.3

疑似標準電波の生成

受信用 IC にもよるが，同じ符号のみを連続し号のパルス幅を周波数カウンタを用いて計測するようにした。

て受信した場合と，３種類の符号が組み合わさ

計測したパルス幅によって '0'(710 〜 850ms),

れて送られている実際の JJY（と同等の信号）'1'(415 〜 555ms), 'M,Pn'(110 〜 250ms)を判別を受信した場合とでは，出力されるパルス幅のし，それらから外れるものを判別不可データと分布状態が異なることが確認された。

し，測定時間内に観察された TCO 信号の総パル

また，タイムコードによる変調度（実際の JJY
では 10:1）によっても受信時の状況が異なるこ

ス数に対する判別不可データ数の割合を判別不可率として評価の指標とした。

とから，評価を行うにあたっては，実際の標準

図 6 は，1 分間の測定を 10 回繰り返し，SSG

電波にできるだけ近づけた形の電波を発生させ出力に対して判別不可率がどう変化するかを示て利用する必要性があった。

したもので，実線が平均値，破線が標準偏差でそこで，パソコンを用いて疑似タイムコードある。当然ながら出力が増加するに従い判別不を生成するプログラムを開発し，その信号を適可率は低下し，結果のバラツキも小さくなる。

切なレベルに変換するインタフェースを介して1 分の測定では出力が十分であってもまだバ

SSG の外部変調入力とすることで疑似標準電波

ラツキがみられたので，測定時間を変えて結果を生成した。疑似タイムコード生成プログラムのバラツキをみたのが図７である。 1 回の測定の開発に当たっては，1 秒や 0.5 秒などの時間間時間が長くなるほどバラツキは小さくなり，ま隔が可能な限り正確に得られるようにするため，

た，判別不可率も低くなる傾向がみられた。し予期せぬ割り込み処理が発生して遅延が生ずる

かし，バラツキの減少は 7 分程度から頭打ちに可能性のある Windows の利用を避け，あえてDOS で動作させるようにした。また，最終的にはワンボードマイコンを用いて疑似タイムコー
ドを生成するようにした。
3.4

評価方法およびデータのバラツキ

感度評価は図 5 に示したような機器構成で行った。つまり，周囲の電波を遮蔽するため供試
アンテナと受信部を GTEM セル内の一定位置に置き，タイムコードで変調をかけた 40kHz の電

図6

SSG出力と判定不可率

波をセルに入力し，受信部から得られる TCO 信

図5

評価に用いた機器構成

図7

測定時間と判定不可率の関係

なり，それ以上測定時間を延長してもあまりそァスアンテナや比較用の各種アンテナの感度評の効果は望めない。これから，実際的には 3 〜 5

価を行い，本方法の有効性を確認している。

分程度の測定時間が適当と判断した。
実際の感度評価に際しては， 3 分の測定を複

4. 結

言

数回行い，過半数の測定結果（判別不可率）が標準電波受信用のアンテナの感度評価に関し，所定の値を超えない最低の SSG 出力を感度の値

次のような基礎データの取得およびシステムのとして採用した。

開発を行い，適切に感度評価を行えるようにな
った。

3.5

受信用ICによる違い

現在タイムコード受信用の IC は数社から製造
2),3)(1) 標準電波を受信して得られる TCO 信号のパ
ルス幅はある程度の幅を持った分布がみら，各時計メーカに採用されているが，れ，受信状態によってその分布は異なる。

IC の種類（メーカ）によってその特性が異なる(2) これを利用して，パルス幅が所定の範囲から販売されことが分かった。

外れたデータ数の割合で感度評価を行うこ

図 8 は，メーカの異なる IC を使った 2 種類のとができる。

時計を用いて，日中室内の良好に受信できる状(3) 判定不可率のバラツキは測定時間を長く取る態で JJY を受信したときのパルス幅分布を示し

ことで減少するが，約７分を超えるとそれたもので，ピーク位置はもとより，広がりも異以上の効果はそれ程望めなくなる。

なったものとなっている。

(4) タイムコード受信用 IC の種類（メーカ）にこのことから，評価の際には使われているタ

よって TCO 信号パルス幅の分布が異なり，

イムコード受信用 IC にあわせて評価プログラム

利用する IC にあわせて評価プログラムのパのパラメータを設定する必要があることが分か

ラメータを設定する必要がある。

る。実際この例の場合，IC メーカ A の IC にあ(5) JJY のタイムコードを再現する疑似タイムコ

わせたパラメータ設定を行った評価プログラム

ード生成プログラムおよび TCO 信号のパルで判別不可率を求めると IC メーカ A について

ス幅を集計分析する評価プログラムを開発

は 6.4%であったのに対し，IC メーカ B は 13.8%

し，標準信号発生器や GTEM セルおよび周と大きく異なる結果となった。

波数カウンタと組み合わせて感度評価シス
テムを構築した。

3.6

試作品の感度評価

これまで述べたようなことをもとにして評価条件を設定し，試作を行っている小型アモルフ

参考文献
1) 森川，“通信総合研究所の時間・周波数とその応用 ”，長波標準電波シンポジウム集録，2001，p1-5．
2) 近藤，丸山，大池，“電波時計用 LSI について”，沖テクニカルレビュー 202 号，72，2005，
p88-91．
3) 木下雅貴，“電波時計受信用 LSI の開発”，長波標準電波シンポジウム集録，2001，p22-25．
4) 独立行政法人情報通信研究機構日本標準時グ

図8ICによる違いループ

http://jjy.nict.go.jp/

実

用

小

規

ミ

ニ

研
模

共

同

究
研

究

研

究

電気工事用作業工具の絶縁性能評価方法に関する調査研究
馬場

大輔*

天城

和哉**

A Research of Insulation Performance Evaluation Method of Handtools
BABA Daisuke* and AMAKI Kazuya**

抄録
県内作業工具メーカーは，工場・事業所内設備の通電時における配線，工事，組み立て等作業において，短絡が原因となって発生する回路事故を防止し，かつ作業者を感電事故から守るために使用される短絡防止絶縁工具を共同で開発している。特徴は，使用上支障ない最小限の導電部を露出させるだけで，出来る限り絶縁コーティングで覆うことにあるが，その絶縁性に関する統一的な試験基準が確立されていなかった。そこで，短絡防止絶縁性能に関する試験基準を確立するとともに，この工具の普及啓蒙を計るため短絡防止絶縁工具協議会をたち上げることとした。

1．緒言
電気配線工事等に使われるペンチやドライバる。絶縁方法として，（1）金属を使用せず絶ーに代表される工具については，作業が安全・を必要とする部分は金属構造とし周囲を絶縁物確実に実施されるために，電気絶縁性をはじめで被覆する方法，（3）従来の工具に絶縁被覆とした電気的安全性能の保証が不可欠である。

を施す方法がある 1)。県央地域の作業工具メー

これまで，絶縁工具で実施される試験は，カーは，（3）の方法（ふっ素樹脂系の絶縁被

IEC60900 で示されているように活線作業中の膜）により，絶縁性を付与したトルクレンチ，

人体への安全に重点が置かれ，作業者が主に触ソケットおよびドライバー等工具の開発を行っれる握り部を中心に行われているだけで，活線ている（図 1）。外膜構造として，刃先以外は作業における工具による機器や電気回路への短すべてコーティングしてあるため，従来からの絡事故については評価方法が標準化されていな

人体の安全に加え，活線作業中の短絡事故防止いという課題があった。そこで，県央技術支援機能も備えている点に特徴がある。

縁物だけの構造とする方法，（2）機械的強度センターでは，作業工具メーカーおよび長岡工業高等専門学校と協力して，電気工事・作業用途の絶縁工具の試験評価基準について，仕様を策定することとした。
2．絶縁工具に関する状況
電気通信設備など停電確保が非常に難しく作
業現場では活線作業を余儀なくされていた。このため，いくつかの絶縁工具製品が存在してい*県央技術支援センター加茂センター**

県央技術支援センター

図1 ふっ素樹脂等で頭部まで極薄皮膜のコーティングを施した短絡防止絶縁工具の例

3．絶縁被覆材料の電気的性能について
3.1

絶縁耐力評価試験

3.3 試験結果
試料に 1kV ずつ AC15kV まで，試験電圧を県央地区の作業工具メーカーで使用されてい

印加し，どちらの材料とも絶縁破壊しない事をる塩化ビニル製チューブと PFA（テトラフルオ

確認した。これより，塩化ビニル製チューブとロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエー

PFA 製熱収縮チューブに十分絶縁耐力があるこ

テル共重合体）熱収縮チューブ皮膜について電気絶縁性能の材料評価するため，絶縁耐力試験
を実施した。
3.2 試験条件
図 2 に試験方法を，表 1 に試験条件を示す。
JIS C 2110「絶縁耐力試験」に準じ，5cm 正方形の試料の中心に球体の電極で挟みその間にAC15kV まで試験電圧を印加した。また試料を上下から押しあてた圧着力は重力で確保していとがわかった。今後は電圧値や試料の厚さなどをかえて試験し，データを蓄積する予定である。
4.

品質検査試験設備の開発

絶縁被服材料の電気的性能試験結果と絶縁性能試験法に関する調査により，製品の品質検査試験に用いる設備開発を作業工具メーカーと共同で行った。設計の留意点は，絶縁皮膜に覆われた工具の導電性部位に試験電極を接触させる
際，絶縁皮膜近傍まで沿面距離をとること。まる。

た，もう一方の電極は絶縁皮膜の絶縁される部
位全面を覆うことを主眼において試験設備を開発した。試験回路図を図 3 に，電極部詳細図を
図 4 に示す。

図2

表1

絶縁耐圧試験方法

絶縁耐圧試験条件

試料の厚さ

0.5mm

試験の周囲媒質

大気中

の種類
前処理条件

気中処理(20℃/65％RH1h)

周囲条件

20℃/65％RH

電極の材質，寸法，

図 2 の通り形状および圧着力
電圧印加方法

耐電圧試験

印加電圧・電圧印加時間 MaxAC15kV 5sec
実施回数

5 回（それぞれ
異なる位置）
図3

試験回路図

会の設立趣意書（素案）を作成し,経済産業省の意見を伺うとともに「にいがた新技術・新工法の展示商談会」に出展し，市場の反響を調査し開発の方向性に間違いのないことを確認した。
5.1

設立趣意書

短絡防止絶縁工具の電気絶縁性能の向上を図
図4

電極部詳細図り安全な社会と産業の発展に資することを目的に，以下の内容とすることとした。
（1）短絡防止絶縁工具の電気絶縁性能の向上に関する研究開発（2）短絡防止絶縁工具の電気絶縁性能評価に関する研究開発（3）短絡防止絶縁工具の電気絶縁性能の評価（4）短絡防止絶縁工具の電気絶縁品質の保証
体制の運営（5）短絡防止絶縁工具の啓発・普及

図5

品質検査試験機

5.2 経済産産業省の意見
経済産業省素形材産業室から，全国作業工具

図 5 は品質検査試験機である，銅の電極より工業組合の了解を得ることおよび入会希望者を母材に試験電圧最大 10kV を印加し，銅板等外制限しないことを条件に協議会の趣旨への賛同

皮導電材間にリーク電流，絶縁破壊，火花放電と，協議会入会の承諾を得た。

がないことを確認する。
5．短絡防止絶縁工具協議会（仮称）設立への取り組み
絶縁工具の多くは，人体の安全に重点を置いたもので，活線作業中の電気回路への安全に配慮がなかった。県内作業工具メーカーが商品化を目指す工具は,人体の安全のみならず工具が原因で起こりうる電気回路の短絡事故も未然に防ぐ機能をもっており,二つの機能を持つことから「短絡防止絶縁工具」と命名し,試験基準の策定と普及するための短絡防止絶縁工具協議会の設立が検討されている。県央技術支援セン
ターでは作業工具メーカー,樹脂皮膜成形メー
カー,長岡工業高等専門学校でメンバー構成し,電気工事関係者など多方面からの意見を取り入れながら短絡防止絶縁工具協議会準備検討会を立ち上げて準備を進めている。これまでに協議

5.3にいがた新技術・新工法の展示商談会

日立製作所およびそのグループ企業に県内企業の技術力を売り込むため，にいがた産業創造機構（NICO）主催で 2005 年 9 月 8 日，9 日に東京にて開催された。短絡防止絶縁協議会準備検討会では,ふっ素樹脂等で頭部まで極薄皮膜のコーティングを施した工具を展示し，既存品と比較するとともに協議会の趣旨書を配布し関係企業への周知を図った 2) 。
今後ひきつづき作業工具ユーザーなど広く多方面から意見交換し，協議会の趣旨に賛同する会員を募っていく予定である。
5.4

表示マーク

協議会ではIEC60900製品と差別化するため，
独自マークを考案し，製品に表示することとした。表示マークの作成には，にいがた産業創造(2)ドライバーについて

機構から指導頂き，保証される電圧値を取り囲作業用のドライバーを見ると短絡防止のため

み安心をイメージしたマークを開発した（図ビニールテ−プや熱収縮チューブを巻かれてい6）。人体に影響のある部分には1000Vと表記し，るので，この工具を使うと事故を心配せず使用

短絡防止効果のある部分は電圧値は使用電圧にできる。

よって変えるよう配慮した。（商標・サービス(3)ラチェットレンチについてマークの申請済み）

トルクレンチもあればありがたい。また3つの工具に共通で，操作性が良い，現在使用しているものとコストに大差がなければ実使用を検討したい。
以上のような意見をいただいた。今後も通信，
自動車関連など多方面のユーザーから意見を取り入れる予定である。
6．結
(1)

言

電気設備工事などで使用する工具の試験方法について，人体の安全を考慮した絶縁耐圧試験および電気回路の短絡事故を未然に防ぐ短絡防止絶縁試験の基準制定するため，短絡防止絶縁工具協議会準備検討会を開催した。

(2)

短絡防止絶縁工具協議会準備検討会では日立製作所「にいがた新技術・新工法の展示商談会」で協議会の趣旨などを周知し，会員を募った。

(3)

これまでに短絡防止絶縁工具試験（案）を作成した。今後試験仕様詳細について

図6 短絡防止絶縁工具協議会表示マーク(4)

議論を進める。
平成 18 年度に短絡防止絶縁工具協議会（仮称）の設立の準備を進めている。

5.5

ユーザー意見交換会

電気工事関係者からの意見を取り入れるため，ふっ素樹脂等で頭部まで極薄皮膜のコーティン

参考文献
1) 強崎暉朗，古屋一彦，森山栄治，井上恵右，

グを施した工具を，主に電力系統配電工事を行

永木康善，“絶縁工具の開発”，平成 11っている県内企業に試用いただき使用感などに

年度電気設備学会全国大会論文集，1999 ，

ついて意見を聞いた。

p261-262.

(1)ニッパについて

2) 日本経済新聞社，“絶縁工具，細かな作業作業で使うペンチ，ニッパを見ると短絡させ安全に―新潟・三条などのメーカー5 社，

た跡がある場合があるのでこの工具を使うと事持ち手や先端工夫”，日本経済新聞，2005

故を心配せず使用できる。（工事管理者）

年 9 月 16 日付け朝刊，新潟経済面.

繊維製品への新規染色加工法及び機能性付与に関する研究
明歩谷 英樹* 五十嵐 宏* 毛利 敦雄* 山﨑 武* 森田 渉*

Research of New Dye Processing Method and Functionality Giving to Textile Goods.
MYOUBUDANI Hideki*,IKARASHI Hiroshi*,MOURI Atsuo*,
YAMAZAKI Takeshi* and MORITA Wataru*

抄録

本研究ではナノファイバーの紡糸を簡単な設備により可能にするエレクトロスピニング法に注目し，この技術を用いて布への加工を試みた。加工方法や使用する素材によってどのような加飾形態になるか試験
し，試作品を作製した。

1. 緒

言

出す。②ポリマージェットは陰極側に達するまで

近年，中国や台湾などの技術力向上に伴い，単に溶媒が蒸発し，その結果繊維が陰極側に不織布

一素材製品，単純製品は輸入により需要を満たす状で形成される。これがエレクトロスピニング法

こととなり，さらに日本国内の繊維業界が得意とと呼ばれる手法であり，簡単に直径がナノオーダ

してきた中・高級品市場をも脅かす状況となってーサイズの繊維を作成することができるといわれいる。そのような中，県内繊維業界はアクションている（図 1，2 参照）。

プランや独自の取り組みにより，更なる技術力向上を目指し挑戦し続けている。
我々は，県内繊維業界へ様々な技術シーズを提この技術自体は 1880 年代の Rayleigh が電場中での液滴の形態変化を観察したのが起源とされ 8)，
9)，また，1971 年にデュポン社の Baumgarten によ供することを目的に，新規染色加工及び機能性付り発表された論文 10)が有名である。近年のナノテ

与加工についての研究を行った。ここではエレク

クノロジーブームにより再注目され，欧米はじめ

1) - 7)と呼ばれるナノファイバー

アジア各国，国内では信州大学や滋賀県立大学，

を手軽に製造する技術を用いて，布に模様形状を

新潟大学などで盛んに研究されてきている技術で付与するための手法を検討したので報告する。

ある。

トロスピニング法

2. エレクトロスピニング法
エレクトロスピニング法とは，次に挙げる工程

陰極

高分子溶液

によりナノファイバーを形成する手法である。①
高電圧を高分子溶液の入ったノズルの先端と陰極の間に印加することにより，ノズルの先端にできた溶液滴が電場中で陰極側に引っ張られ，やがて陰極側に溶液の一部（ポリマージェット）が飛び* 素材応用技術支援センター

電源V

図 1 エレクトロスピニング装置

用いた）の間にターゲットである布を挿入した。
電界が遮断される織物は加工ができないが，県内繊維業界が取り扱っている織り，編み物の厚み，
組織であれば何ら問題はないと思われる。この方法を用いたモデルを図 3 に示す。
この手法を用いて PVA(ポリビニルアルコール)を加工した綿布を図 4 に示した。この加工法によ10μm

り安定して加工ができることがわかった。
また，加工布のしわ状態に変化を付けたり，マ

図 2 エレクトロスピニング法による加工糸
現在，この技術が多方面で応用されており，単なるフィルターとしての利用からリチウムイオン
二次電池や電気二重層キャパシター用セパレータ
ーへの利用，細胞培養用基材などへの展開が図られている。
我々はこの技術を織物や編み物といった衣料分
野へ，布の加飾といった観点で提案できないか検討を行った。
3. エレクトロスピニング法による布加工の開発
3.1 基本加工条件

スクを掛けるなどすれば様々な模様が表現できる
ことがわかった。
3.2.2 陰極に金属細線を用いる方法
陰極自身を導電性のある布にすることで加工が可能であるか試験を行った。このモデルを図 5 に示した。
金属細線（φ30µm）とポリエステル加工糸を引
き揃え，編み地としたターゲットに加工を行った。
この編み地を用いるとクモの巣状にナノファイバーが付着し，立体的な加工ができた。このクモの巣状態を図 6 に示した。

当研究で行った基本加工条件を以下に示す。
（印加電場）4kV/cm：直流電源にて 20kV を 5cm の電極間に印加した。
陰極（陽極側）5mℓ シリンジ（陰極側）銅板：銅板の一端よりアースを取った。
（加工時間）模様が視認できるまでに約 3 分以上の加工が必要である。

V
加工布

図 3 電極間に加工布を挿入する方法

3.2 加工法の検討
エレクトロスピニング法を使って布へ加工するに当たり，①電極間に加工布を挿入する方法，②
金属細線を用いた布を陰極とする方法の 2 つの方法について検討を行った。
3.2.1 電極間に加工布を挿入する方法
電極である注射針の先端と陰極（今回は銅板を
図 4 PVA を加工した綿布

3.3.1.1 高分子溶液に PVA/水を用いた場合形成される不織布状の模様は柔らかく，拡大す
ると綺麗なナノファイバーが形成されることが分かった。しかし，PVA が水溶性であることから，水分により剥離してしまうことや，基布との結合

V
金属細線を含む編み地

図 5 陰電極に金属細線を用いる方法の弱さから摩擦などに弱いといった点が挙げられる。
3.3.1.2 高分子溶液にナイロン/蟻酸を用いた場
合加工布に十分結合し水洗いにも耐えるが，加工後の素材が固い風合いを示した。
図 7 に示すように加工布のナイロンフィラメン
ト表面に加工で付着したナイロンナノファイバーが確認できる。

図 6 PVA を加工した金属細線入り編み地

3.3.2 加工布素材による効果
高分子溶液と加工布との組み合わせによって，以上加工法を検討した結果，電極間に加工布をどのような効果が発現するのか検討した。ここで挿入する方法や導電性素材を陰極にすることによはターゲットを綿布，ナイロン布と変えてナイロ

り，布へエレクトロスピニング加工ができること

ンを加工した時の形状を比較した。

がわかった。

綿布に加工した場合，加工布はフラットであるのに対し，ナイロン布に加工した場合はターゲッ

3.3 各種素材による効果

トのナイロン布が溶媒である蟻酸によって収縮しエレクトロスピニング法を適用できる高分子素

立体的な織物になった。
（図 8，9 参照）

材と溶媒の関係については Zheng-Ming Huang らの論文 11)が詳しく示している。我々は，高分子溶液や加工布，印加電場を変化させることによって生じる布への影響を調査した。

3.3.3 印加電場による効果
印加電場を変化させることによって，布への加工にどのような影響が生ずるのか試験した。高分

3.3.1 高分子溶液による効果
表 1 に今回行った高分子溶液の組み合わせと濃度を示した。
表 1 高分子溶液の組み合わせ
高分子

溶媒

濃度

PVA

水

10wt%

ナイロン

蟻酸

10wt%
5 µm

図 7 ナイロンを加工したナイロン布

図 8 加工布素材（綿布）

図 11 試作品

4. 試作事例
あらかじめ染色したレーヨン布に PVA を加工し，エレクトロスピニングの特徴的な模様を付与した。
（図 11 参照）
5. 結言(1) 電極間に加工布を挿入することや，導電性素材を陰極にすることにより，布へのエレクト

図 9 加工布素材（ナイロン布）

ロスピニング加工が大がかりな装置を用意す
子溶液を PVA/水，ターゲットをレーヨン布として印加電場を変化させた時に形成される不織布状の模様の大きさについて試験し，その結果を図 10に示す。
印加電場 2kV/cm まではほぼ一定の値を示しているが，それ以降は電圧増加と共に模様の大きさ
が大きく変化した。このように印加電場を変化させることで模様を変化させることに利用できることがわかった。ある一定以上電圧を掛けすぎると，加工布が絶縁破壊を引き起こし焦げが発生したり，模様部に溶媒が飛びスポット状の欠点が発生する

模様直径（ｃｍ）

ことに注意が必要である。

ることなく，容易に可能であることがわかった。
(2) PVA/水，ナイロン/蟻酸などの高分子溶液，およびターゲットの素材を組み合わせることにより，加工布にいろいろな模様や立体感の付与ができた。
謝 辞
当研究を進めるに当たり，多大なるお力添えをいただいた新潟大学 教育人間科学部 鋤柄教授に感謝申し上げます。
参考文献
1) 山下義裕，“エレクトロスピニング法による

10
8
6
4
2
0

ナノファイバーの創製 （その 1）ナノファ
イバーの作り方−（上）”，加工技術，40，2，
2005，p101〜103．
0

2

4

6

印加電場（ｋV/cm)

図 10 印加電場による模様直径の変化（加工時間 3 分）

82) 山下義裕，“エレクトロスピニング法によるナノファイバーの創製（その 1）ナノファイ
バーの作り方−（下）”，加工技術，40，3，2005，
p167〜172．

3) 山下義裕，“エレクトロスピニング法による加工技術，40，11，2005，p720〜726．

ナノファイバーの創製（その 2）エレクトロ7) 山下義裕，田中皓，Frank Ko，“エレクトロススピニングで作られたナノファイバーの出ピニング法を用いたナノエラストマーファイ

口”，加工技術，40，4，2005，p272〜272．

バーの作成”，繊維学会年次大会予稿集，2004，

4) 山下義裕，“エレクトロスピニング法による

1F05．

ナノファイバーの創製（その 3）エレクトロ

8) L.Rayleigh, Philos. Mag.14,184,1882.

スピニングで機能性ナノファイバーを作る”，

9) 大川浩作,山本浩之，“信州大学 21COE「先進加工技術，40，6，2005，p365〜369．

ファイバー工学研究教育拠点」−新規な生分

5) 山下義裕，“エレクトロスピニング法による解性高分子材料の開発−”，繊維と工業，61,11,

ナノファイバーの創製（その 4）なぜナノフ

2005, p311〜312．

ァイバーができるのか”，加工技術，40，7，

10) P.K.Baumgarten, J.Colloid Sci , 36(1), 71, 1971.

2005，p447〜450．

11) Zheng-MingHuang, Y.-Z.Zhang,6) 山下義裕，“エレクトロスピニング法によるナノファイバーの創製（その 5）
現状と将来”，

M.Kotaki,

S.Ramakrishna, Composites Science and Technology, 63, 2003, p2223-2253.

プラスチック等の添加剤の分析方法に関する研究
佐藤

亨*

木嶋

祐太*

Research on method of analyzing additives in plastics
SATO Tohru* and KIJIMA Yuta*

抄録

プラスチックなどの高分子にはその性能を向上させるために多種類の添加剤が含有されている。本
研究では，このような添加剤を比較的簡易に分析するための方法について検討を行った。パイロライ
ザーにより試料を加熱し，揮発した添加剤を液体窒素によりトラップし，ガスクロマトグラフ質量分
析計（GC-MS）で分析するという方法である。今回，ポリプロピレンを試料として実験した結果，温度条件によっては添加剤の分析ができることがわかった。
1．緒ような困難が伴う。そこで，本研究ではより簡言

プラスチックをはじめとする高分子物質は易に分析する方法を検討した。具体的にはパイ各々の高分子に機能性を付与するために様々なロライザーを使用し試料を過熱し，添加剤を気添加剤が用いられており，同じ系統の高分子物

化させ液体窒素でトラップし，その後ガスクロ質であっても添加剤により異なる性質を持つ。

マトグラフ質量分析計（GC-MS）で分析する

主な添加剤の一例

1),2)

を表 1 に示す。

このような添加剤の分析を行う際は，通常，
溶解，抽出などの前処理を行う必要がある。こという方法である。試料としてポリプロピレンのペレット（カクタス社製 MH540）を温度条
件を変化させて分析を行った。

のような前処理には非常に時間がかかったり，何段階もの工程を踏まなければならないという

2．実験
2.1

表1
種類

パイロライザーについて

添加剤の種類

効能

化合物等の種類
フェノール系
酸化防止剤
熱・酸素による劣化防止 リン系
イオウ系
ベンゾフェノン
光安定剤
紫外線による劣化防止
安息香酸エステル
金属不活性化剤 金属による劣化防止
オキシアニリド系
金属石けん
安定剤
PVCの脱塩酸防止
エポキシ系
炭化水素
滑性向上
高級アルコール
滑剤
離型剤
高級脂肪酸
シリコン
フタル酸エステル
可塑剤
柔軟性付与
エポキシ系
帯電防止剤
帯電の防止
界面活性剤
防曇剤
水滴付着防止多価アルコール部分エステル
無機酸化物
難燃剤
自消性付与
有機ハロゲン系
ガラス繊維
強化剤
力学的特性向上
炭素繊維
シリカ
加工性向上
充てん剤
アルミナ
増量剤
炭酸カルシウム

図1* 上越技術支援センター

パイロライザー今回の実験では試料の測定の際にパイロライ
ザーを用いた。図 1 にその概略図を示す。パイある。特徴のある 260℃，300℃，320℃の 3 つについてのみ示した。

ロライザーはホルダに入れた試料を熱分解炉の位置に移動させ，その炉温度での揮発成分をガ
スクロマトグラフへと導入する装置である。試料を熱分解炉へと導入しそのまま 3 分間保持する。その間に発生した気体は液体窒素でトラップする。その後，試料を元の位置に戻し，液体窒素をはずし測定を開始する。
2.2

実験条件

○使用機器：
・ガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS)
Automass II 50（日本電子㈱製）

図3

260℃の結果

図4

300℃の結果

図5

320℃の結果

・パイロライザー
PY-2010D（フロンティア・ラボ社製）○GC 条件
昇温速度
（℃／分）
30

温度
（℃）
50
200

保持時間
（分）
1
20

Temp(℃)

200
100
0
0

10
Time(min)
図2

20

GC 条件

○MS 条件マススペクトル範囲：30〜300(m/Z)
スキャン時間：0.3 秒
データ取込時間：40 秒〜15 分○パイロライザー温度条件：
260,280,300,320,340,360℃○試料：ポリプロピレンペレット(PP)

2.4
2.3

結果

実験条件に示した各温度でのガスクロマトグ
ラフチャートは以下の図 3〜5 に示すとおりで考察

図 3 の 260℃のチャートにおいては多数のピークが確認できる。この中で最も強度の大きい
6.2min 付近のピークのマススペクトルの解析

結果を図 6 に示す。上段が測定スペクトル，下280〜300℃の温度範囲が適当であると考えら段が解析結果である。

れる。
320℃のチャート（図 5）に注目してみると，
2.5min 付近に最も強度が大きいピークが現れている。この解析結果を図 8 に示す。

質量数 (m/z)

図6

260℃のマススペクトルの結果

この結果からこのピークは Docosane 等の炭化水素であることが推測できる。これはおそら

質量数 (m/z)

図8320℃のマススペクトルの結果

く滑剤等に用いられた炭化水素が検出されたのではないかと考えられる。
次に 300℃のチャート（図 4）についてであ

解析の結果からは，2,4-dimethyl-1-heptene なるが，5.9min 付近に強度の大きなピークが見

どの炭化水素であることが推測できる。これは，られる。この点におけるマススペクトルの解析

温度などの条件から PP の分解生成物ではない

結果を図 7 に示す。

かと考えられる。これ以上の温度になるとさらに多くのピークが現れる。このように適切な温度範囲を定めなければ必要とされる物質以外のピークが現れ，解析を困難にしてしまう恐れが
ある。
3．結

言

パイロライザーを用いることにより，比較的質量数 (m/z)

図7

300℃のマススペクトルの結果

簡易な方法で滑剤，酸化防止剤などのプラスチ
ックの添加剤を分析することが可能であった。
しかしながら，その温度条件によることが大きこの結果からこのピークは 3,5-bis(1,1-

く，効率のよい分析を行うためには多種類の試

dimethylethyl)-phenol であることが推測できる。

料についての測定データの蓄積が必要であると

これは PP の添加剤の１つであるアルキルフェ

考えられる。

ノール系のラジカル連鎖禁止剤であり、酸化防止剤であると考えられる。300℃のチャートに

参考文献

はこのピークが明確に現れているが，今回の温1) 大阪市立工業研究所，プラスチック技術協

度範囲全体にわたってこのピークは確認できた。

会，“プラスチック読本”，1954，p207-

予備的な実験の結果からは 150℃付近から発生223.

していると考えられる。しかしながら，この添加剤の分析および解析という観点から言えば

2) 伊藤公正，“プラスチックデータハンドブック”，1980，p673-826.

ワンチップマイコンで構成するシーケンス制御機器の開発
木嶋

祐太*

本多

章作*

Development of a sequence controller using an one-chip microcomputer
KIJIMA Yuta* and HONDA Syosaku*

抄

録

PLC 言語（シーケンス制御用プログラム）を PIC マイコン用のアセンブラ言語に変換するプログ
ラムを開発した。プログラミングのしやすさ，処理速度の観点から，STL（SFC を基にして作成される PLC 言語）を変換できるようにした。開発の結果，STL で PIC マイコンを動かすことができるよ
うになった。本研究は，シーケンス制御を組み込みシステムに統合することを見据えている。

1．緒言

マイクロプロセッサの高性能化に伴い，よりムをマイコンで動作させる方法を検討し，開発した。

高度な機能をソフトウエア開発で実現できるよ
うになっている。FA システムの分野において

2．組み込み制御システム開発環境

は，高速応答を必要とする制御機能や大量デー

本研究では STL をマイコン言語に変換するプ

タ処理機能が組み込みソフト開発の対象となっログラムを作成したが，図 1 のような組み込みており，ソフトウエア開発の適用範囲が拡大し制御システム開発環境を想定した場合，変換プている。

ログラムはその一部として使用できる（図 1 のシーケンス制御は多くの現場で用いられていコード変換プログラム）。

る。現場技術者はそのノウハウをもっているの制御システム開発者は，シーケンス制御プロ

で，シーケンス制御には保守管理がしやすいとグラム（図 1 の PLC プログラム）を SFC とラ

いうメリットがある。シーケンス制御は，PLC

ダー図で記述する。それ以外の特殊制御機能やが使用されることが多く，PLC 言語によるプ

それらの実行管理を統括するプログラム（図 1

ログラミングが主流となっている。

の命令リスト以外のプログラムライブラリ）はシーケンス制御を組み込みソフトで開発したC 言語などの構造化プログラム言語で記述する。

場合，現場技術者が PLC 言語でプログラムを

それらは，マイコン開発環境でロードモジュー

保守管理できなくなり，利便性が損なわれる。

ル化されマイコンボードに書き込まれる。

組み込みシステムにおいて，プログラムをPLC 言語で記述できる環境が構築できれば，現場の保守性を損なわずに他の制御機能と統合
した組み込みシステムを構築できる。
本研究では，このような開発環境を構築することを目的として，PLC 言語ソースプログラ* 上越技術支援センター

図1

組み込み制御システム開発環境

システム利用者（現場技術者等）は，必要に(2)シーケンス制御に SFC を使用する。

応じて SFC とラダー図を書き換え，制御システ

SFC は図 3 のような図である。PLC では，こム開発者から提供されたマイコン開発環境でプの図を用いてシーケンス制御をプログラミング

ログラムを再構築してマイコンに上書きできる。

することができる。
図中の四角がステップをあらわしている。そ3.

マイコンによるシーケンス制御の実現法

3.1

PLC の動作

一般的に PLC の駆動方式はサイクリックス
キャン方式，入出力方法はリフレッシュ（一括書き換え）方式が採用されることが多い。サイクリックスキャン方式では，図 2 のように入力
要素読み込み，命令リストによる演算，出力要
素書き出しを 1 サイクルとして順次繰り返される。
3.2

れぞれのステップ毎にラダー命令が書かれ，そのステップの時だけそのラダー命令は有効になる。ステップとステップの間に条件が書かれていて，その条件が ON になると次（上から下へ）のステップに進む。
SFC では，有効になっているステップ以外は無視できるため，その分高速化が図られる。
(3)シーケンス制御の駆動をイベントドリブン型とする。

シーケンス制御の高速化

自動制御では，処理の遅れが致命的な誤動作を引き起こす可能性があるため，マルチタスク
環境が想定される組み込みシステムでは，専用
プロセッサを使用する PLC とは異なる独自の高速処理アルゴリズムを考案する必要がある。
シーケンス制御の高速化には次の方法が考えられる。
(1) マイコン言語にアセンブリ言語を使用する。
シーケンス制御の命令リストはアセンブリ言語と同じくニーモニックを規定したもので，共に論理演算命令をもつため，命令リストからア
センブリ言語に変換することで冗長性が少なく要素（入力要素，出力要素，タイマ要素，内部リレー要素など）変更時だけシーケンス制御
命令をスキャンし，余分なスキャンサイクルを省くことで高速化を実現する。それぞれの状態に出てくる要素のみ変更を監視し，変更があった時だけ命令リストの実行，出力要素書き出し（図 2 参照）を行う。
4.

コード変換プログラムの試作と評価

4.1

コード変換プログラム試作

STL を PIC マイコン用アセンブラ言語に変換するプログラムを作成した。試作にあたって
1)

は，三菱電機の PLC 言語を使用した 。

なる。

図2

PLC のシーケンス制御フロー

図3

SFC

4.1.1STL

STL は，SFC を PLC で実現するための PLC言語である。図 4 が図 3 の SFC から作成される STL である。
4.1.2

STL の実現

STL をマイコン上で実現する方法は，図 4 のフロー図の形で行う。存在するステップすべてにビットを割り当てて，ON ならそのステップである，OFF ならそのステップで無い，とす
図6

る。そのビットすべてを監視し，ビットが ON

ラダー命令リスト処理の場合，そのステップでのラダー命令を処理すたアセンブラは，図 5 のサブルーチンコールでるサブルーチンを呼ぶ。

呼ばれるサブルーチンとなる。
ラダー命令リストの処理は，1 ビットの内部

4.1.3

ラダー命令リスト処理

ビットを用いて行う。ラダー命令一つにつき，

ここでは，ラダー命令リストをアセンブラに

オペランド（もしくは内部ビット）を読んで，変換する方法を説明する。この方法で作成されその値に応じて内部ビット（もしくはオペランドが指す要素）を変更する，という内容のアセ
ンブラを作成する（図 6）。
4.2
4.2.1

変換プログラムの評価
動作検証

作成した変換プログラムで STL をアセンブ
ラ言語に変換した。そのアセンブラ言語を PIC
マイコンに書き込み動作させたところ，STL の意図と同じ動作をした。

図4

STL

4.2.2

性能評価

マイコンに書き込むプログラムのサイズは，
基本プログラムが 1K バイトで，STL10 行につき 100 バイト増えた。
動作スピードを表 1 に示す。その動作スピー
ドで，SFC を使用しなかった場合，PLC を使用した場合と動作スピードを比較してみた（表2）。比較プログラムは，ステップが 50 でそのステップ内に AND，LD，OUT 命令がそれぞれ 10 個でてくるプログラムとした。SFC を使用したことで PLC に近い処理スピードになった。PIC より性能の良いマイコンを使えばさら図5

STL 処理フローに高速にすることができる。

表1

動作スピード5．結言(1) STL をマイコン言語に変換するプログラムを開発した。
(2) シーケンス制御を組み込みシステムに統合する環境が想定できた。
(3) 動作スピードは，工夫しだいで PLC に近づけられることが確認できた。
参考文献

表2

処理時間の比較

1)浅野哲正，“図解シーケンサ百科”，オーム
社，1990．

マイクロ・メゾ領域における小型・超精密加工技術に関する調査研究（第 2 報）
坂井 朋之* 杉井 伸吾** 宮口 孝司* 丸山 英樹* 石川 淳** 中川 昌幸*** 樋口 智* 岡田 英樹****Research of Technology for Ultra Precision Machining
SAKAI Tomoyuki*, SUGII Shingo**, MIYAGUCHI Takashi*, MARUYAMA Hideki* ,ISHIKAWA Atsushi**, NAKAGAWA Masayuki***, HIGUCHI Satoru* and OKADA Hideki****抄録

平成 17 年 10 月，ながおか新産業創造センター内にナノテク研究センターが設置され，超精密加工機が利用できる環境が整った。それに伴い，本年の調査研究は加工を主体とした研究となった。具体的な内容
は，①県内企業の協力を得て行った射出成形用金型の試作と射出成形試験，②CAD/CAM の研修課題として行ったフレネルレンズの金型試作，③ダイヤモンドドリルを用いた超硬合金の微小穴加工実験，である。
あわせてニッケルリンめっきの試作や金型のメンテナンス性向上を目指した DLC（Diamond Like Carbon)のコーティング試験を行った。
1．緒言

試作，（3）ダイヤモンドドリルによる超硬合金の昨年度，新潟県内の超精密加工の動向について調

微小穴加工実験，（4）ニッケルリンめっき試作，査を行った。その結果，県内企業の多くは将来，超（5）金型の DLC コーティング試験，（6）無酸素

精密な加工技術が必要という認識はあるものの，そ

銅・アルミ・モリブデンの鏡面加工実験，（7）企

うした部品業界との繋がりがないことや，設備投資業からの試作相談などを行ってきた。

に費用がかかることから参入できずにいることがわかった。

ここでは（1）〜（3）の実験について報告し，（4）〜（7）については結言のみの報告とした。

平成 17 年 10 月，財団法人にいがた産業創造機構
により，ながおか新産業創造センター内にナノテク
研究センターが設置された。センター内は超精密加工室と MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）
加工のためのクリーンルームに分かれており，加工室にはファナック（株）の超精密加工機
ROBONANO α-0iA（図 1 参照）及び三鷹光器（株）の非接触３次元測定装置 NH-3SP が整備された。

図 1 超精密加工機 ROBONANO

本年度は超精密加工機を用いて，（1）射出成形
用金型と射出成形試験，（2）フレネルレンズ金型

2．射出成形用金型の試作と射出成形試験
2.1 概 要* レーザー・ナノテク研究室

ポリカーボネートの樹脂部品に光の干渉による** 研究開発センター

装飾効果をつけることを目的として，金型に微細な*** 下越技術支援センター

V 溝加工を行った。加工した射出成形金型を用いて**** 県央技術支援センター

射出成形を行った結果，成形部品に装飾効果が生じ，

微細な溝が転写されていることを確認した。但し，でとし，仕上げに 0.5µm の切込み深さとした。従

走査型電子顕微鏡 （SEM）で観察した形状には，って 1µm ピッチの溝加工のみ 0.5µm の切込み一回バリの発生，倒れなどの問題点が明らかになった。

で終了となる。各溝ピッチの加工方法（切込み深さ）

2.2 シャトルユニットについてを表 2 に示す。加工の際には新日本石油（株）製のシャトルユニットはシェーパーと同じ動作で，直放電加工油を 6 秒に 1 回程度供給した。

線的な溝加工を行う ROBONANO のオプションユ
ニットである。リニアモータとピエゾ素子の上下動

表 1 ニッケルリンめっきの仕様

により最高で 1 秒間に 3 本の溝加工が可能である。

厚 さ（µm）

100

シャトルユニット加工時の様子を図 2 に，加工の概

リン含有量（％）

9.8

略を図 3 に示す。

マイクロビッカース硬さ（HV）

541

表 2 溝のピッチと切込み深さ
溝ピッチ

1µm

2µm

3µm

5µm

1 回目加工

0.5

0.5

1

2

2 回目加工

無し

0.5

0.5

0.5
（µm）

2.4 金型および成形部品の SEM 観察
加工した金型とそれを用いて射出成形した部品
図 2 シャトルユニット加工時の様子

を SEM で観察した。溝ピッチが 1µm と 5µm の金型の SEM 像を図 4 に示す。金型では 1µm ピッチに
ピッチ間隔が均等でない所があった。また観察したすべてのピッチの加工面にバリが観察された。
射出成形品の SEM 像を図 5 に示す。1µm，5µm
ピッチ共に金型の溝が転写されることが確認できたが，金型の奥まで樹脂が入り込んでいない部分がある事がわかった。また 1µm の射出成形品では山図 3 シャトルユニット加工概略

がわずかに倒れている。

2.3 射出成形金型の加工
金型材料は県内の企業から提供を受けた NAK80
調質鋼で大きさは 60mm 角である。実際の溝加工は上面につけたニッケルリンめっき層に行った。めっきは県外の超精密加工用めっきメーカーの共和産業（株）に依頼した。ニッケルリンめっきの仕様

1µm ピッチ

5µm ピッチ

図 4 金型の SEM 像

を表 1 に示す。めっき面は平面出し用ダイヤモンド
バイトを用いて 1µm ピッチで基準平面を出した後，開き角 90°の V 型ダイヤモンドバイトで溝加工を行った。V 溝のピッチは 1，2，3，5µm の 4 種類である。90°の V 溝の切込み深さは各ピッチの半分である。
1 度に加工する切込み深さは最大で 2µm ま

1µm ピッチ

5µm ピッチ

図 5 射出成形部品の SEM 像

2.5 射出成形金型についての考察
1µm ピッチの溝加工ではピッチの間隔が不均等な部分が見られた。これは加工時の振動等による影5µm

響と考えられる。バリはすべてのピッチで生じていたが，バリの大きさはどのピッチでも大差がない。
相対的にピッチが細かくなるほど，バリの影響で形が崩れて見える。図 6 は意図的に切込みを過大にした際の SEM 像である。大きなバリが生じ，そのバリが次の加工を行うバイトによって倒されていると考えられる。これほど極端ではないが，1µm ピ
図 7 ダイヤモンドバイトの先端形状

ッチの金型でも同様の現象が生じており，このため射出成形部品に倒れが見られたと推察する。

切削の基準
となる平面

適切な切り込み

加工順

切り込み過小切り込み過大図 8 適切な切込み量

図 6 切込み過大時のバリと倒れ

3．フレネルレンズ金型試作
デジタルプロセス（株）の CAD/CAM 導入支援

バリの発生を少なくするためには切れ味の良いバイトを使用し，1 回の切込み量を小さくする事が重要と思われる。また図 7 に示すように 1µm 以下を切削するダイヤモンドバイトの先端形状は 90°
より開いた形状になっていた。このため，1µm の事業に対し，フレネルレンズ金型の試作を提案し，設計から加工までのプロセスを検証した。
3.1 仕 様目標とするフレネルレンズの仕様を表 3 に示す。
また，工具は単結晶ダイヤモンドバイト（開き角

ピッチに対して 0.5µm は切込み過ぎだったと思わ45°）を使用し，旋盤用スピンドルの回転数はれる。1µm ピッチの溝加工では切込み過ぎによっ

2500min-1 とした。

てバリが生じ，さらにバイト先端の開き角が 90°より大きかったことで、発生したバリを倒してしま

表 3 フレネルレンズ仕様

ったものと考えられる。理想的には溝は図 8 のよう

項

目に必要最小限の深さであることが望ましい。しかし

外 径 寸 法D(mm)50

工具の先端形状を考慮し，さらにバイトと基準面と

プリズム角

θ (°)

0.5〜54.0

逃 げ 角

α (°)

0.25〜13.625

ピ ッ チ

P(mm)

0.224

の位置を正確に合わせることは目視では非常に難しい。正確な位置合わせを行うことが今後の課題で
ある。

材

料

銅めっき

※プリズム角については 0.5°，逃げ角について
は 0.125°ずつ増大するものとした。

3.2 加工結果および考察
図 9 および図 10 に加工結果を示す。

工 具

表 4 加工材料および加工仕様
タンガロイ製 アキュエンドミル
MEP 形φ18，細軸長 l=1.2mm
共立合金製作所製

被削材

超硬合金 KD20（1,450HV）

クーラント

間欠供給
直径 φ0.18mm，深さ 1.0mm 止まり

目標穴寸法

穴

図 9 加工後写真

図 11 穴加工プロセス
図 10 加工後拡大写真
4.2 加工実験
モデリング（CAD）から NC データの生成（CAM），

表 5 に示す 3 通りの条件で実験を行った。

加工機へのデータの引渡し，実加工まで一連で確認
表 5 実験条件

することができた。また，今回は連続旋削を行った

工具回転数

が，切屑の排除がうまくいかずバイト上に堆積し，結果としてスピンドルの回転数が落ちるという問題も確認できた。

実験①
実験②
実験③

ステップ量

送り速度

-1

4µm

10 mm/min-14µm

0.5 mm/min

-1

1µm

0.5 mm/min

25,000min
40,000min
40,000min

4．ダイヤモンドドリルによる超硬合金の微小穴
加工実験
硬度の観点から，超硬合金の切削加工を可能にする現存する唯一の材料はダイヤモンドであるとい

4.3 加工結果および考察
実験①･･･2 ステップ目（8µm）で工具折損われている。本実験ではそのダイヤモンドのドリル

実験②･･･10 ステップ目（40µm）で工具折損を用い，超硬合金の微小穴加工実験を行った。

実験③･･･180µm まで加工。工具折損なし

4.1 加工材料および加工条件
加工材料および加工仕様を表 4 に示す。また穴加工は図 11 に示すとおり，ステップ加工を行った。

図 12 加工後写真−実験①

5．結

言

ROBONANO による超精密切削実験を行い以下の結果を得た。
(1) 射出成形用金型と射出成形試験
ROBONANO オプションのシャトルユニットを用いて微細 V 溝加工を行い，バリの問題点を確認
図 13 加工後写真−実験②した。さらにその金型を用いて射出成形を行い，最小 1µm ピッチの微細溝においても良好な転写性があることを確認した。県内企業の既存射出成形機でも微細金型の適用が可能であることを確認した。
(2) フレネルレンズ金型試作モデリングから実加工までの一連のプロセスを

図 14 加工後写真−実験③

実際に行い，段取りや実加工に関わる問題点を確認できた。

加工後の状態を SEM で観察した。SEM 像を図
12，図 13，図 14 に示す。

(3) ダイヤモンドによる超硬の微小穴加工実験
ダイヤモンドドリルを用いた超硬合金の微小穴

実験①について，加工穴底面の性状はかなり荒れ

加工を行い，延性モードでの切削が可能であった。

ており，工具で強引にむしり取った感じである。加

ただし，加工時間の面では放電加工に及ばない現状

工開始後すぐに工具折損に至ったことから，加工条も把握できた。

件設定がかなり厳しかったと考えられる。
実験②について，円周方向に条痕が観察されることから，工具切れ刃を利用した切削が実現されていると考えられる。しかし，僅か 10 ステップで工具折損に至っていることから，加工条件設定がまだ厳しいと考えられる。

(4) ニッケルリンめっき試作
現在の超精密加工用被削材として一般に利用されているニッケルリンめっきについて，専門メーカ
ー（県外）と県内メーカーの現状，ニッケルストラ
イクめっき層の密着性の問題を把握した。また工技

実験③について，穴入り口のバリの様子から，総研で行ったニッケルリンめっきの試作では，母材

塑性流動を伴う良好な切削が実現できていると考との密着性に課題は残るものの，連続で厚さ 100µmえられる。さらに工具を取り外して観察したとこのめっきが可能であった。

ろ，
切れ刃周囲に被削材の付着が見られるものの，顕著な摩耗，損傷などは確認されず，加工の継続(5) 金型の DLC コーティング試験
射出成形用金型のメンテナンス性を向上させるは可能であった。しかし，深さ約 180µm 加工する目的として，DLC コーティングを検証した結果，V

のに時間が 60 分程度もかかることから，実用化に

溝ピッチ 1µm の微細溝において，コーティングにはまだ多くの課題がある。

よる形状の崩れなどは見られず，さらにはダイヤモ

送り速度などの条件をかなり落とすことにより，ンドペーストによるクリーニングにも良好な耐性

高硬度脆性材料とされている超硬合金の塑性流動を示した。さらなる実験は必要なものの実用の可能的な切削（穴加工）が実現できる。しかし，加工時性は十分に確認できた。

間がかかることから，能率の面で放電加工などには(6) 無酸素銅･アルミ･モリブデンの鏡面加工実験及ばない。また，工具が高価であり，最適な加工条

ROBONANO に装備されている平面切削用ダイ

件の設定を求めることが困難であり，加工面性状な

ヤモンド工具を用い，各種金属材料の平面加工を行

どの点においては優位である可能性はあるものの，った結果，それぞれにおける最適加工条件，クーラ

現状では実用化は難しいと考えられる。

ント方法などを把握できた。

(7) 企業からの試作相談

参考文献

5 件の試作相談を受け，うち 2 件に関しては実際

1） 杉井伸吾他，“マイクロ・メゾ領域における小に試作を行った。試作相談を通し，企業ニーズや超型･超精密加工技術に関する調査研究”，工業

精密加工分野の動向を知ることができた。

技術総合研究所工業技術研究報告書 No.34（2005），p.91-96

難加工金属材料の革新的生産システムに関する調査研究
斎藤

博*

相田

収平**

白川

正登***

佐藤

亨****

片山

聡**

Research of efficient production system on difficult-to-machine materials
SAITO Hiroshi*, AIDA Shuhei**, SHIRAKAWA Masato***, SATO Toru**** and KATAYAMA Satoshi**

抄

録

近年，自動車，電子機器，光通信，生体材料などの各種分野において，製品の小型化，軽量化および高機能化の要求が高まるなかで，高強度材料，耐熱合金など難加工金属材料の検討，適用が進んでいる。一方，製造コストや生産工程を革新的に低減する生産システムは，ゼロエミッション化技術とも関連して産業界で強く要望されている。そこで，素形材加工の生産システムを対象に，ネットシ
ェイプ加工技術，精密プレス加工技術およびその関連技術について調査研究を行った。

1．緒言
環境問題などを背景に，自動車部品は，排ガれる素材の製造法としても活用されているので，

ス規制やハイブリッド化などに対応するため，従来，日本が得意としていた変形加工（以下

小型化，軽量化，高機能化に加えてコスト削減

素形材加工）の基盤産業は，近年，高度加工装が強く要求されており，製造コストや生産工程

置とともに中国，東南アジアを中心とした海外を革新的に低減する生産システムが要望されてにシフトしており，新潟県企業においても，本いる。

分野の加工に対する取り組みの遅れが懸念され製品を構成する部品は，材料に所望の形を与ている。よって，県内産業の重要な位置を占めえて製造しているが，その手段には大きく３つる本分野の生産システムに積極的に取り組み，の方法，すなわち除去加工（切削，研削，放電，技術の高度化を実現し，製品の高付加価値化おレーザなど），付加加工（溶接，めっき，コー

よび産業の活性化につなげることが急務である。

ティングなど）および変形加工（鍛造，プレス，

そこで，素形材加工の生産システムを対象に，素材に形を与える重要な手法と考えられる。

鋳造など）がある。このなかで変形加工は，素ネットシェイプ加工技術，精密プレス加工技術

材に熱や力を加えて加工するもので「素形材加およびその関連技術について調査研究を行った。

工」と称され，加工品は「素形材」と呼ばれる。
素形材加工のなかでも変形加工は，母型を用意すれば複雑形状品も効率よく大量生産できるた

2．関連産業・市場の動向と将来展望
日本の素形材産業は，工業統計・産業編（平め，種々の部品製造に広く活用されている。さ成 14 年度）によれば出荷額 3.9 兆円，従業員らに変形加工は，除去加工や付加加工に使用さ数 17.7 万人，事業所数 7,300 事業所の規模である。さらに，金型など製造業，素形材生産機械，*

下越技術支援センター

金属熱処理業などの素形材関連産業の規模は，**研究開発センター

出荷額 3.9 兆円，従業員数 23.0 万人，事業所数***

素材応用技術支援センター

14,000 事業所である。金属系素形材の生産額合****

上越技術支援センター

計は，平成 2 年の 4.8 兆円をピークに減少，微減増を繰り返してきたが，最近 2 年間は回復に

1µm 以下を達成しており，これにともないネ

向かっており，平成 16 年度は 3.8 兆円になっットシェイプ精密鍛造では寸法精度 1〜10µmている。主要機械工業別の素形材の用途は，鍛の高精度加工を行うことが目標になる。しかし，造製品全体の出荷先は約 8 割が自動車産業と土

現在の精密鍛造においては，20µm 程度の寸法

木建設機械産業，一方，金属プレスの 7 割を自精度が大量生産で保証できる限界であり，今後

動車産業が占めており，製造コストの削減，品

一層の技術開発が求められている。本調査研究

質および精度向上の要求は年々高くなっている。

では，自動車エンジン部品を想定した冷間鍛造

今後とも，技術開発を推進することにより，コ品について，試作研究およびシミュレーション

スト競争力をつけることが需要拡大につながる。

解析を行ったので概要を述べる。

自動車部品の加工を行うには，高度な鍛造技術，
プレス技術，鋳造技術などの基盤技術が要求さ

3.1.2

冷間鍛造実験および加工品評価

れ，新潟の技術力を活かすことができる領域で自動車エンジン部品を模した製品（図 1）をあり，さらなる生産性の向上，品質の向上が望対象に，（株）川崎製作所（三条市）においてまれている。

冷間鍛造実験を行った。製品材質は S15C，金型は超硬合金である。本製品は，県内 T 社が3．調査研究の結果
素形材を対象にした生産システムは，素形材加工技術の範囲が広く，加工精度も工業製品の種類により mm オーダから µm レベルまで広範

2008 年排ガス規制対策部品として受注を開始
しようとしているもので，切削加工での対応を検討している（実際の大きさは約 1/3）。
図 2 に実験結果を示す。比較的良好な冷間鍛囲である。今回の調査研究では，本県の産業構造，技術水準などを勘案し，自動車部品素材を中心に，主に冷間鍛造，鋳造技術（半溶融・半凝固加工）および精密プレス加工技術（サーボプレス）を対象に調査研究を行った。また，関連する重要技術として，シミュレーション技術，
リサイクル技術についても調査した。
3.1
3.1.1

冷間鍛造
概要

冷間鍛造は，常温の素材を圧縮成形するため，
図1

温間鍛造，熱間鍛造と比較して寸法精度の良好

冷間鍛造部品な鍛造品が成形可能で，後工程の加工量も減少させることができる。鍛造と切削を組合せる場
合，鍛造コストに比べ切削コストが大きいので，切削工程を削減して全生産コストを下げるように，製品に近い形状（ニアネットシェイプ）に鍛造する精密冷間鍛造方法が開発されてきた。
最近では，さらに進んで，最終形状（ネットシェイプ）まで鍛造だけで加工することが求められるようになっている。切削加工の加工精度は，

図2

実験結果（製品およびコメント）

造が可能であったが，製品化にあたっては，軸方向の長さ精度，潤滑切れ，小 R 部精度などが課題になることが分かった。
パンチ

3.1.3

冷間鍛造シミュレーション

前項の冷間鍛造実験を有限要素法解析による鍛造シミュレーション（MSC.SuperForge 使用）

クーロン摩擦：0.05

素材

せん断摩擦 ：0.1
パンチ速度 ：0.5m/s

ダイで評価した。図 3 に解析モデルを示す。材料は
S15C とし，MSC.SuperForge の材料データベー

図 4.3.4.1

図3

解析モデル

解析モデル

スに登録されている材料定数をそのまま用いた。
金型は剛体とした。図 4 に充墳状況を示す。下

断面A

80%

40%

断面B

端部の状況は，実験と比較的近い結果を示している。また，図中囲み部に示すように，断面 Aのほうが断面 B に比べて，ダイへの密着度が大きいことが分かる。これは鍛造上り形状において，断面 A のダイ側素材の押出される量が，同断面A

じ断面の中央素材や断面 B と比較して少ないこ

断面B

断面A

断面B

解析結果(充墳状況)
図図 4.3.4.2
4 充墳状況

とからも分かる。この差が実際にどの程度かによって，ダイへの付加状況や金型寿命を検討す

断面A

0%

20%

断面
40%

ることが可能になるといえる。図 5 は降伏点応

0
%

100%

20
%

40
%

6
0

8
0

力分布図である。断面 A と B を比較すると，断100%

面 B のダイ側素材の加工効果の度合いが大きい
断面ことが分かる。つまり，ダイ円周外側への素材

0%の変形がしにくくなり，密着度が低くなると考

断面B

20
%

40
%

6
0

8
0

10
0%

えることができる。この結果は，図 4 に示した充墳状況の結果を裏付けるものとなる。なお，
今回の解析では金型は剛体としているが，剛体

図 4.3.4.3 解析結果(降伏点応力分布)

図5

降伏点応力分布であっても金型壁面に発生する反力を調べることで，金型寿命をある程度予測することは可能

品のネットシェイプ・ニアネットシェイプ加工である。

が期待されている。本調査では，軽金属および鉄系材料における半溶融・半凝固加工の現状に

3.2

半溶融・半凝固加工

3.2.1

概要

ついて調査を行い，その可能性について検討を行った。

鋳造や鍛造などの素形材産業においては，国際的な価格競争と技術競争の厳しい環境におかれ，その衰退が危惧されるとともに，その革新

3.2.2 軽金属の半溶融・半凝固加工
ダイカストなどの軽金属鋳物製品は，従来，的な生産プロセスの開発が急務とされている。

カバー類などの強度が重要視されない所に多く

その１プロセスとして，固体と液体が共存した用いられてきたが，軽量化の波により，強度やシャーベット状態（固液共存状態）で加工を行

靭性が要求される部品へと採用され始めている。

う半溶融・半凝固加工が注目され，複雑形状部

このような中，ダイカスト品や鋳造品の品質，

①成形時の凝固収縮が小さく，寸法精度が高い。
②粘性が高く，成形時のガス巻き込みが少なく，ガス欠陥が少ない。
③凝固組織が微細な粒状晶となるため，伸びな
図6

半凝固加工法（レオキャスト法）1)

どの機械的特性が向上する。
④金型の狭小な部分への固相の充填性が良く，
マクロ偏析が軽減される。
⑤金型などの加工工具への熱負荷が減少し寿命が向上する。
⑥変形抵抗が小さく，難加工材の成形が容易で

図7

半溶融加工法（チクソキャスト法）1)ある。
⑦異種材料との混合が容易で，新しい複合材料

材質向上を目的として，半溶融・半凝固加工のを作ることができる。

研究が進められている。この半溶融・半凝固加工法は，1970 年代にアメリカ Massachusetts 工

3.2.3

半凝固金属製造技術

科大の Flemings らや東京大学生産技術研究所の日立金属（株）では，縦型ダイカストマシン

木内らによって研究されはじめた技術であり，を用いて電磁撹拌ができるスリーブ内に電磁ポ

溶融金属中に固体金属粒（固相金属）が均一にンプで直接溶湯を給湯し，冷却過程で初晶形状

分散した状態を作り，それを金型鋳造やダイカを粒状化したのち鋳込む半凝固ダイカスト法

ストなどで成形加工する方法である。

（SSM 製法）を開発した 2)。この方法により，半凝固加工は，溶融金属を冷却しながら撹拌

ビレットを必要としない加工が可能となり，ガして，溶融金属中に球状の固相金属が均一に分

スの混入量が少なく T6 処理，溶接が可能にな

散した半溶融スラリーを作り，これを直接成形った。金属組織写真を図 8 に示す 3)。同方法にする方法のことをいう 1) （図 6 参照）。この攪

より，重要保安部品である自動車のサスペンシ

拌方法としては，機械的攪拌のほか，電磁攪拌，ョン部品が生産されている 3)（図 9 参照）。

機械振動，超音波振動などの種々の方法およびそれらの複合による方法が試みられている。一方，半溶融加工とは，固体金属を固液相共存温度まで加熱し，溶融した金属中に未溶融の固体
金属粒が分散した状態で成形する方法のことをいう 1)（図 7 参照）。実際には，前者のような「溶湯」→「半凝固スラリー」→「成形」の直(a)一般アルミ鋳物結化は実用的プロセスとして難しく，半凝固ス

図8(b)SSM 法

金属組織 3)ラリーを連続鋳造法により一度冷却凝固させて棒状素材とした後，切断してビレット化し，再加熱して半溶融化した後に，加工機に投入して成型する後者の方法が多く用いられてきた。これらの方法により作られた素形材は，通常の液体金属の成形に比べ，以下のような特徴を示すと言われている。

図9

SSM 法によるアルミダイカスト製
サスペンション部品 3)

宇部興産機械（株）は，溶湯から直接半凝固

セスの概要は，連続鋳造法によるビレットの製状態の金属スラリーを 1 ショット分ずつ容器内

造，ビレットの再加熱とダイカストマシンによで作るニューレオキャスト法（NRC 法）を開発

る成形，最終工程で熱処理を施し完成となる。

4)した 。融点に対する過熱度が 30℃未満の融点

水平連続鋳造法を用いることで，成分変動が直上の結晶微細化剤 Ti が添加された溶湯を金

小さく，微細均一な組織のビレットの製造が可属容器に静かに注湯し，液中に結晶核を発生さ能となったと報告されている。成形時には，ビせる。目標成形温度まで容器外部からエアブロ

レットを高周波誘導加熱により半溶融温度域にーにより所定の速度で冷却する。容器内部の半再加熱し，ダイカストマシンにて成形する。成凝固スラリー各部位の温度を均一にするために，

形時の金型には，熱伝導性と強度に優れるベリ

注湯直後の温度が低い，あるいは冷却しやすい

リウム銅を用い，水冷を施すことで，熱応力が部位をセラミックにより保温し，容器内のスラ低減され，鋼製金型に比べ数倍以上の耐久性が

リー温度が目標値に近づいた段階で最終の温度

得られている。

調整のため，高周波誘導装置を使用する。このあいだ，容器内面において発生した結晶核を起・遷移制御セミソリッド鋳造法
厳密には半溶融・半凝固加工とは若干異なる

点として球状結晶が液中に発生して成長する。

が，鋳鉄溶湯が液相から液相−固相共存状態に機械的性質は熱間加工材に近いなどの報告があなる過程を制御して，鋳造組織をセミソリッド

る。 収縮巣，偏析の発生が少ない，金属組織が化（遷移制御セミソリッド化）することにより細かい，酸化物の混入が少ないなどの優れた品

鋳物の特性を向上させ，薄肉軽量鋳鉄鋳造品を質上の特徴を有すること，半凝固状態で成形す対象とした鋳造技術である 6)。

るため高サイクルでの成形が可能であることか同技術の実用化を目指し，戦略的基盤技術力

ら，低コストの成形法として自動車軽量化に対強化事業（独立行政法人中小企業基盤整備機構

応できる方法と考えられている。

法）「ロストフォーム法による鋳鉄の遷移制御
セミソリッド鋳造法及びロストフォーム用金型

高融点金属の半溶融・半凝固加工技術に関する研究開発」（平成 15〜17 年度，

高融点金属の半溶融・半凝固加工は，（1）

管理法人：財団法人素形材センター，研究参画

高温・高圧に耐える型材料に十分なものがない，

企業・大学：三重可鍛工業（株），新東工業（2）高温環境による成形加工機への負荷，（株），ダイセン（株），大藤（株），名古屋（3）高温域での正確な温度制御や均一加熱が大学）が行われている。同研究は，減圧補助機

困難，などが問題となり，実用化された例はほ構をもつロストフォーム鋳型に，鋳鉄溶湯を通

とんど無い。材質的には，固液共存状態を安定

常（約 1,450℃）より 200℃程度低い遷移制御セ

3.2.4

して実現するために，液相線温度と固相線温度との差が数十℃以上あることが望ましく，そのため対象となりうる高融点金属は各種鋳鉄，高炭素鋼および高合金鋼に絞られる。
国内における半溶融・半凝固加工の事例を以下に紹介する。
・鋳鉄の半溶融ダイカスト法（チクソ成形）
虹技（株）では，鋳鉄の半溶融成形用ビレッ
トの製造から半溶融ダイカスト，その後の熱処理までの一貫プロセスを開発している 5)。プロ

図 10

遷移制御セミソリッド鋳造法の概念 6)

ミソリッド温度領域で注湯して，ダクタイル鋳向上である。例えば，SolidWorks には有限要素

鉄異形管の肉厚を現行 10mm から 5mm まで薄法解析モジュール（CosmosWorks/Express）が肉化することを目標としている。低温で鋳造す

標準で付属しており，部品単体の線形強度解析

ることにより湯流れ性が悪くなるため，金枠内であれば構造解析ソフトを別途起動することなを減圧し溶湯の湯流れ性を向上させることを目く SolidWorks 上のコマンドより実行することが論むとともに，発泡模型が分解するときに発生できる。汎用有限要素法解析ソフト ANSYS にするガスを金枠外に排出するなどの工夫がされおいても 3 次元 CAD との親和性を高めた GUIている（図 10 参照）。

モジュール ANSYS Workbench が用意されている。SolidWorks とは違い，3 次元 CAD とは別に

3.3 サーボプレス
国際的な競争の激化にともない，プレス加工

起動する必要があるが，ANSYS Mechanical な分野においても，低コスト化と高付加価値化がことで，アセンブリモデルの接触問題や材料非キーワードとなっている。近年，注目を集めて線形問題，熱伝導解析を取り扱うことが可能といるサーボプレス機械は，CNC による自在なモなっている。従来の ANSYS GUI との大きな違ーションコントロールや高精度の位置制御など

いは，CAD モデルから接触面を自動認識する機による，難加工材の高精度加工などを容易に実能や設計変数による最適設計値を CAD モデル

現できる可能性を持った，新しい概念のプレスに反映させる機能を有する点である。ただし，機械である。従来のプレス機械（特にメカプレ

これら 3 次元 CAD との親和性を高めた強度解ス）と比較した場合の大きな特長は，CNC によ析モジュールでは非等分布荷重の適用や時刻暦

る自在なスライドモーションが可能，スライド

応答解析など，難易度の高い解析は行うことが速度を自由に可変可能，下死点位置などの制御できない点に注意が必要である。

どの ANSYS 本体の解析モジュールを活用するを高精度に設定できるなどである。また，特に抜き加工時に材料板厚の 85〜90％のところで止めることにより，静音抜きが可能である。

3.4.2 プレス加工シミュレーション
プレス加工シミュレーションは汎用有限要素

なお，全国で 2000 台といわれるサーボプレ法解析ソフトにおいても解析可能であるが，プス所有数（2006 年 1 月現在）に対して，県内はリポストをプレス加工専用にカスタマイズされ約 20 台（1%）と少なく，作業者の熟練技能にたソフトが発売されており，そちらを使うのが依存している状況がうかがえる。

一般的である。準静的問題として扱うことができるようなプレス加工であれば，陰解法ソルバ

3.4

シミュレーションーでも解析可能であるが，ひずみ量が大きくな

近年，ハードウェアの進歩にともない，製品った場合に収束性が低下して解析が発散する傾開発・設計段階におけるシミュレーション技術向にあるため，これらのソフトの多くは解法に導入が急速に進んでいる。コスト低減や短納期

陽解法を採用している。陽解法は陰解法のよう化の実現だけでなく，新技術開発の分野においに力の釣り合い方程式を解くのではなく運動方てもシミュレーション技術は必須となってきて

程式を解くため，計算が発散することがないといるため，その最新技術動向を調査した。

いう利点がある。その一方で，材料の減衰性や後述する時間ステップサイズの極微小化などの3.4.1

強度シミュレーション

最近のソフト開発の傾向として特に顕著なのが，強度解析ソフトと 3 次元 CAD との親和性問題があり，求解には陰解法による解析とは違ったノウハウが必要となる。陽解法を採用する
ソフトのソルバーは LS-DYNA を用いるものと，

独自ソルバーを備えているものに大別される。

おいてもシミュレーションに対するニーズは高どちらのソルバーを用いても，しわおよび割れ

いが，高温域の材料定数データベースの不足やの予測は実用レベルにあり，大手自動車関連企

伝熱効果などの技術課題を抱えており，実用レ

業では複数本のソフトを所有して使い分けていベルには達していない。

るようである。特に，陰解法によりスプリング
バック解析を行う場合には，陰解法ソルバーと

3.4.4

鋳造シミュレーションの親和性の高い LS-DYNA が多く用いられるよ

鋳造シミュレーションにおける解析内容は，うである。プレス加工シミュレーションにおい湯流れ解析（充墳解析）と凝固解析に大別されて，最大の技術課題となっているのはスプリンる。注湯位置や注湯圧力による流れ状態を確認

グバック解析の精度向上である。自動車用ドアするだけであれば，湯流れ解析だけで十分であパネルなど，高張力鋼板の大型製品プレス加工

るが，最終的な製品形状を予測するためには，

において，特に積極的な研究が進められている

冷却後のヒケなどを確認する必要があり，そのが，新規の製品形状に対する信頼度においてはためには凝固解析が必須となる。

まだ実用レベルに達していないのが現状である。

国内で使用されている鋳造シミュレーション

また，マグネシウム合金のような温度依存性

ソフトは，MAGMASOFT，Procast，JSCAST，の高い材料では，加工温度というのは重要な要

ADSTEFAN などである。ソフト開発の傾向と素となる。熱との連成解析におけるスプリング

して，MAGMASOFT と Procast は構造解析ソフ

バック解析は，板材開放時の放熱速度による材トとの連携強化，JSCAST は GUI のユーザ親和

料定数変化も考慮せねばならず，従来以上に問性向上，ADSTEFAN は大規模モデル（1 億メッ

題が複雑となり，非常に技術ハードルの高い課シュ）の高速求解の開発に力を入れている。な

題であるといえる。

お，鋳造シミュレーションは構造解析ベースのものに比べメッシュ数が多い（数十万〜数千万

3.4.3 鍛造シミュレーション
鍛造シミュレーション専用ソフトとして国内

メッシュ）のが普通であり，シミュレーション

で取り扱われている代表的な製品は MSC.Super-

進んでいる。そのため，ハードウェアが高価にForge と DEFORM である。MSC.SuperForge はなり，中小企業への普及の障害となっている。

分野においてハードウェアのクラスタ化が最も有限体積法，DEFORM は有限要素法を用いてあれば，汎用有限要素法解析ソフト MSC.Marc，

3.5 金属リサイクル
鉄，アルミニウムなどのベースメタルのリサ

ANSYS，LS-DYNA などでも可能であるが，要

イクルの大部分は希釈により行われている。す素が異常変形した際の再メッシング機能を 3 次

なわち，使用後，回収された金属を基成分のみ

元モデルでも精度良く行える点において，上記に注目し，分離不能な添加成分を害にならない

2 本のソフトは優れている。また，鍛造シミュ程度までバージン材などで希釈して使用する方レーションにおいては製品の完成形状予測だけ法である。しかしながら，このような方法をとではなく，鍛流線による欠肉・巻きこみの確認

る場合，二次精錬の能力を超える多量の添加元や金型寿命予測などを行うことも目的としてい素を含むものや，成分調整の困難なものはバー

るため，ポスト機能において，それらの確認を

ジンメタルとは異なった用途に使われる。これ容易に行えることもソフト選定における重要なに対し，合金の基成分も添加成分も含まれるす要素となる。鍛造シミュレーションで取り扱わ

べての成分をその組成のまま再利用しようとすれる事例の多くは冷間鍛造である。熱間鍛造にるのが Alloy to Alloy である。すべての成分をいる。2 次元モデルの鍛造シミュレーションで利用するという点では Alloy to Alloy がリサイの高精度加工などを容易に実現できる可能

クルの理想形ではあるが，実際には，再溶解時性がある。県内導入は約 20 台程度と推測の成分移動など技術的な課題は多い。現状では，される。ちなみに，全国での推定導入台数

電線，鉛蓄電池などほぼ単一成分に近く組成のは 2006 年 1 月現在で約 2000 台と言われて決まっているもの，工場内部の自家発生屑の再おり，新潟県内導入台数は全国の約 1％と溶解などに限られている。

いう状況である。

一方，レアメタルのリサイクルは，80%近く(4)

ハードウェアの進歩にともない，製品開の高いリサイクル率を示すものから，ほとんど

発・設計段階におけるシミュレーション技

リサイクルされていないものまで様々であり，術導入が急速に進んでいる。コスト低減や抽出によるリサイクルが技術的に困難であるも短納期化の実現だけでなく，新技術開発ののも多い。また，回収される形態もガラス，セ分野においてもシミュレーション技術は必

ラミックス，複合材，薄膜，積層構造，超微粉須となってきている。

など様々である。

(5)

レアメタルは，80%近くの高いリサイクル率を示すものから，ほとんどリサイクルさ

4．結
(1)

れていないものまで様々である。回収され言

冷間鍛造は，温間鍛造，熱間鍛造と比較しる形態もガラス，セラミックス，複合材，て寸法精度の良好な鍛造品が成形可能であ

薄膜，積層構造，超微粉など様々であるが，る。後工程の加工量も減少させることがで今後レアメタルの需要はますます増加する

きるため，切削工程を削減して全生産コス傾向にあるとみられる。

トを下げる取り組みが活発であり，製品に(2)近い形状（ニアネットシェイプ）から，さ参考文献

らに進んで最終形状（ネットシェイプ）ま1)

岡野忍，金属便覧，2000，p972-974.

で求められるようになっている。冷間鍛造

2)

原雅徳，小沢賢久，河野勝海，金内良夫，

機械（サーボプレスなど），潤滑剤，工法，

桜木秀偉,“新半凝固ダイカスト法による熱処理，材料開発などを総合した開発が重アルミニウム合金サスペンション部品の開要である。

発”，素形材,42,12,2001,p13-18.

鋳造，鍛造分野の素形材産業においては，

3)

国際的な価格競争と技術競争の厳しい環境

http://www.hitachi-におかれ，その革新的な生産プロセスの開

metals.co.jp/prod/prod06/p06_02.html

発が急務である。解決手段の１つに半溶

4)内田正志，古屋博幸,“コールドチャン

融・半凝固加工が注目されており，軽金属

バ・ダイカストマシンについて”，鋳造工分野で適用が進んでいる。複雑形状部品の学，75，6，2003，p428-434.

ネットシェイプ加工が期待されているが，

5)

鉄系高融点金属において実用化された例はほとんど無く，今後の課題である。
(3)

日立金属株式会社ホームページ,

虹技株式会社開発部,“鋳鉄の半溶融ダイ
カスト法”，素形材，46，1，2005，p9．

6)

蛭川遼治，塚本順夫,“「ロストフォーム

低コスト化と高付加価値化に対応するため法による鋳鉄の遷移制御セミソリッド鋳造

サーボプレス機械の導入が進んでいる。

法およびロストフォーム用金型技術に関す

CNC による自在なモーションコントロール

る研究開発」の成果報告”，プレス技術，

や高精度の位置制御などによる，難加工材

60，2，2005，p60-64.

機器性能向上を目的とする表面・界面の高機能化に関する調査研究
桂澤

豊*

直人*

永井

諸橋

春夫**

勝次**

笠原

山田

昭博**

小林

泰則***

Research on the Surface and an Interface Technology to Improving the Instrument Performances
KATSURAZAWA Yutaka*, NAGAI Naoto*, MOROHASHI Haruo**, KASAHARA Katsuji**
YAMADA Akihiro** and KOBAYASHI Yasunori***

抄

録

本報告書は，材料の表面と界面に注目し，今日話題となっている成膜技術や界面制御技術，そしてこれらの技術を支える分析評価技術について，本県産業との関わりを踏まえて調査研究を行ったものである。今後新潟県が取り組むべき研究開発の方向性について検討した。

1．緒言

2．技術動向従来，材料開発は主にバルク材そのものの開表面処理技術や界面制御技術の発展と，分析発を意味することが多かったが，材料に新しい機器や観察機器などを用いた分析評価技術の発表面形成を行い，材料のバルクにおける性質を展とは，車輪の両輪のごとき深い関係がある。

生かした上で，さらに表面に新しい機能を付与する表面技術（Surface technology）が注目されるようになってきた 1)。

2.1

表面処理技術新しい表面改質技術の開発が進み，速度を増

また，表面処理技術とともに，界面制御技術しつつある。これらには，電子ビーム，イオンやナノレベル（10 億分の 1 m）での制御技術をビーム，電磁波，プラズマ，レーザなどを用い利用した材料開発もナノテク技術の基で行われて，材料の表面改質法や従来の表面処理を大きるようになってきている。

く発展させる方法のものなど，種々試みられてこれらの技術的進展を支えているのが，最近いる。

特に，高度化してきた分析・評価技術である。

摩擦，摩耗，潤滑，固体接触などトライボロ

本調査研究は，材料表面に機能性薄膜を生成

ジー性向上のための表面改質は常温，常圧下のし，表面・界面における高機能化を図る技術，

みならず，高圧，真空，高温，高速，長寿命なおよびそれを支える分析・評価技術に関し，県

ど極限状態での使用を含め，機能性や材料経済

内産業を視野に入れて平成 17 年度に行った調性からも極めて重要である。これら構造用材料

査研究についてとりまとめたものである。

と，また電子材料としての機能を求める表面の新素材化が進んでいる。
表 1 には，操業性，環境調和性，高品質，高*下越技術支援センター

機能化，低価格という観点では，今後，最も期**研究開発センター

待できるプラズマエネルギーを利用した代表的*** 中越技術支援センター

な表面改質法とその特性を示した。それぞれのク（ハードディスク）においては，ディスクお処理法によって各種のプロセスの使い分けがな

よびヘッドの表面へ炭素系の保護膜がついていされている。これからの処理方法は，プラズマるが，記憶容量の向上のため薄膜化が求められ浸炭を除き 600℃以下という比較的低温側で処ている。最近までは，ハードディスクの炭素保理が可能で，基材の相変態を伴わない寸法精度

護膜の作成にはマグネトロンスパッタリングがの維持が可能で，後加工を必要としないことも用いられてきたが，マグネトロンスパッタリン

大きな特徴である。

グによる炭素保護膜は，薄膜化により耐食性，
耐摺動性が低下するため，5nm 以下の極薄保護

2.2

膜には CVD による DLC 保護膜が必須となって界面制御技術

界面制御技術のなかでも，材料の高機能化をいる 5)。

図るため，極微小（ナノレベル，ナノサイズ）の機能性材料をナノレベルで材料制御を行い，

2.3

1970 年代後半より，RBS（Rutherford Back

複合材料を生成する技術が盛んに研究されてい3)

分析・評価技術。例えば，カーボンナノチューブ（ナノカ

Scattering），NRA（Nuclear Reaction Analysis），

ーボン），ナノメタル・ナノ合金，ナノガラス，

XPS（X-ray Photoelectron Spectroscopy），AES

ナノコンポジット等がある。

（Auger Electron Spectroscopy）などが表面およる

薄膜成長技術についても，ナノレベルでの制び深さ方向分析法として発展してきた。RBS や御が可能になりつつある。薄膜成長技術につい

NRA は加速させた He イオンのエネルギー損失ては，特に半導体材料において，単結晶化が重や核反応断面積相関などを理論的計算と比較す

要なテーマとなっている。今まで，多結晶やアることで非破壊的に表面・界面分析する手法でモルファスであった薄膜材料を単結晶化するこある。しかしながら，これらは加速器などの大とにより，機械的・電気的・光学的特性を向上

規模な装置が必要である。一方，同じく 1970

することが知られている
表1
処理法

プラズマ窒化

ラジカル窒化4)。また，磁気ディス

年代には機械的研磨，化学的溶解，電解研磨しプラズマエネルギーを利用した種々の表面改質処理法とその特性 2)
表面生成法また

処理温度

は膜種

（℃）

Fe3N，Fe4N

400〜570

Fe4N（拡散層の400〜570

み）

処理特性

備

考

耐摩耗性

他の軟窒化プロセスよりプラズマ窒

耐疲労性

化へ移行

耐摩耗性

表面光沢維持可能，PVD との複合処

耐疲労性

理に最適

耐摩耗性

機械部品，金型など耐かじり性を必

耐疲労性要とする対象品に適用

プラズマ浸硫窒

FeS，Fe3N，

化

Fe4N

プラズマ浸炭マルテンサイト

800〜

耐摩耗性

オーステナイト系ステンレス鋼およ

層，炭化物

1100

耐疲労性

び Ti 含有量の表面硬化に適用

PVD（AIP，

TiN，TiCN，

200〜600

耐摩耗性

高寸法精度維持

HCD，UBMS

TiAlN

法など）

CrN，DLC

プラズマ CVD

TiN，TiCN，
DLC

400〜570

低摩擦係数
〜600

耐摩耗性
低摩擦係数

操作条件のコントロール維持

た表面層を種々の化学分析・分光分析で評価す

めっき法に大別される。現在はプラズマ窒化，ることが考えられた。これは破壊分析であるが，ラジカル窒化，プラズマ浸硫窒化，プラズマ浸一定の成果があり，現在でも使われている。

炭，PVD（AIP 法，HCD 法，UBMS 法など），

1980 年代にイオンスパッターによる表面研磨技

プラズマ CVD などの乾式めっき法が伸びてい術が開発され，これを AES，XPS，SIMS

る。

（Secondary Ion Mass Spectroscopy）と組み合わ

これらの乾式メッキ法は湿式めっき法に比べせて，金属・ポリマー・半導体に適用すること

環境規制対応の点で有利とされ，乾式への移行

で，大きな成功を収めた。これらの分析手法はや新機能薄膜の開発により，今後も伸びて行く

現在でも表面・界面分析手法の中心であり，と言われている。

個々に感度など要素技術は進歩している。
（Scanning Electron Microscopy）が一般的に利

3.1.1 湿式めっきに関する調査結果
業種や取引先によって RoHS 規制対応が早急用されているが，1980 年代に開発された AFMに求められている企業と，そうではない企業が（Atomic Force Microscopy）の登場によって表ある。ヨーロッパに輸出している電機機器やそ面を原子レベルで観察できるようになってきた。

の部品を作っているメーカーでは特に早急な対

さらに，これらの観察技術と分光技術を組み応を求められている。しかしながら，現時点に合わせて，原子・分子レベルの構造と形態を対おいて取引先から分析値を示せという要請をさ応させる試みが盛んになっている。原子・分子

れている企業はごく一部である。今早急に対応のサイズオーダーは通常の分光方法では使ってを進めているメーカーは取引先の要請の先を読いる光の波長よりはるかに小さいため，物理的む形で独自に動いているものと考えられる。

回折限界を越えておりその情報を得ることがで

RoHS 規制は 6 価クロムでのクロメート処理をきない。そこでエバネッセント波を使ったこと行っている業者にとっては非常に致命的な規制によって nm サイズオーダーの構造情報が得らであるため，多くの業者ではすでに 3 価への置れるようになってきている。

き換えが進んでいる。クロムめっき皮膜への処

一 方 ， 表 面 の 形 態 観 察 と し て は SEM

これまで，元素，化学構造情報などが表面・理液残留についても試験研究機関に分析を依頼

界面あるいは微小な領域で取得できるようになするなど，一部の企業ではしっかりとした対応ってきている。近年，物質が構成されるにあたを取っている。

って，化学構造とともに重要なもう一つの要素

表2である分子間相互作用はバイオ関連材料の評価で注目されている。これまで分子間相互作用の評価は NMR（Nuclear Magnetic Resonance）で行われていたが，NMR は基本的にバルク分析

規制物質

スクリーニング分析法

鉛で試料量が必要なことから，薄膜の層界面，接カドミウム合面など特定領域の分子間相互作用解析は不可水銀能である。今後，特定領域の分子間相互作用解
析ができる手法が望まれる。

RoHS 規制対象物質の分析方法
詳細分析法
ICP 発光分光法

蛍光 X 線分析法

ICP 質量分析法

原子吸光法
蛍光 X 線分析法

6 価クロム（全クロム分析）

吸光光度法

吸光光度法
3．調査研究内容と結果
3.1

PBB

表面処理技術に関する調査結果

表面処理技術は，大きく湿式めっき法と乾式

PBDE

蛍光 X 線分析法（全臭素分析）FT-IR 法（％オーダー）

GC-MS 法る製造方法の組み合わせは無限で，また，界面制御技術を使った密着性向上のための応力緩和技術や機能性発現のための分子間相互作用の研究が，今後の利用拡大に寄与するものと考えられる。
また，製造コストの低減については DLC の最
図1

DLC の構造比較

6)

近の研究では，セグメント方式の DLC や準大気下での DLC 膜の成膜が試みられており 7)，注

このように，環境規制強化に伴い企業負担は目されるところである。

増加しているものの，製法の改善で対応している。また，RoHS 規制対象物質の分析方法をま

3.2

界面制御技術（ナノレベルでの材料制御技術）に関する調査結果

とめたものを表 2 に示す。
3.2.1

ナノカーボン材料

フラーレンやカーボンナノチューブを代表と3.1.2 乾式めっきに関する調査研究と結果
ここでは最近特に注目されているプラズマをする新しいナノカーボン材料は，様々な分野で使用した成膜技術の中でも DLC を中心に調査の応用が期待されている。県内企業におけるナした。DLC 皮膜とは，ダイヤモンドライクカー

ノカーボン材料の応用は，ほとんどがナノカー

ボン（Diamond-Like-Carbon）膜の略称であり，ボン材料をプラスチックや金属との複合体とす

高硬度などのダイヤモンドと似た物性を持つ，る方法であり，複合体とすることで機械的，電水素を含むアモルファスなカーボン膜のことで気的特性をそのマトリックスより向上させるこある。DLC 膜はダイヤモンドやグラファイトととを目指している。

異なり，定まった結晶構造を持たないが，これ

ナノカーボン材料の複合材料化において一番までの解析などにより，図 16)のような構造を持

大きな問題は，凝集が強いためマトリックス

つと考えられている。DLC 成膜法では，水素化（プラスチックや金属）中への分散性が著しくされた無定形炭素膜（a-C:H）と，水素をほと悪いという点であり，この凝集を防ぐ方法としんど含まない無定形炭素膜（a-C）に分類するて，分散剤や界面活性剤の添加，あるいは粒子ことが出来る。

表面のζ電位制御，グラフト処理などがある。

代表的な成膜原理と成膜の性質は表 36)のとおりである。
市場規模予測は，2001 年度の DLC 市場は内製加工および受託加工を合わせた，いわゆる賃加工ベースで 26 億 3000 万円となっている。成長率は約 20％／年で，2010 年度には 65 億円／年になると予想されている。今後の開発課題としては成膜技術においては基材との密着性の向上，前処理プロセス，厚膜，多層，複合膜および複合処理（スーパー高機能 DLC の開発）などがあり，これらの課題が解決されるにつれ，
新たな用途開発が可能になることと思われる。
特に，多層膜，複合膜および複合処理におけ

3.2.2 自己組織化現象の応用制御技術
自己組織化現象は材料となる分子や原子，あるいは，もっと大きな微粒子が一定の秩序をもって集合，集積して，決まった形状を形成する現象である。この技術を使うと，従来では，切削や研磨，プレスのような機械加工やそれらの微細加工技術を応用したリソグラフなどを用いて，何工程も経て作成していた微細構造物が自動的に 1 工程のみで形成できることや，誘電異方性材料を，あらかじめ，使用時と直交する電界をかけて歪ませた状態で成型することで，高効率の電界駆動型ポリマーアクチュエータなど

の新規機能性材料への応用も考えられている。

ダイプラ・ウィンテスが製造している SAICAS

現状では，この現象は，条件を整えれば均一（Surface And Interfacial Cutting Analytical Sys-

な処理を行うことができるレベルから，繊維表tem)もいくつか問題があるものの，微小領域分面を樹脂フィルムがモザイク状に覆うレベルま析が可能なことから知名度は比較的高い。こので制御できることがわかっているため，県内産

装置は密着性だけでなく分析用前処理用として地の「スペック染色」の応用展開に利用できるも使用することができ，切削した面や切削によ可能性がある。

って露出した界面を分析することで従来の手法では得られない情報を取得できる。

3.3

分析評価技術各法

3.3.1

表面分析技術光学顕微鏡や SEM を用いて表面の観察を行う。

3.4

テラへルツ波に関する調査

近年登場してきたテラヘルツ波技術は，界面

また，表面の異物や変色の解析には EPMA，制御技術にも関係する分子間相互作用の解明やSIMS，TOF-SIMS，AES による元素分析が必要

テラヘルツ波のセンシング応用への実用化など，であり，表面構造のほか，劣化構造の変化解析

今後さまざまな応用技術開発が期待されているなどで FTIR，ESCA を使用する場合もある。

分野である。

3.3.2

元素分析としては RBS，SIMS，AMS，TEM-

3.4.1 県内関連企業調査
テラヘルツ波関連技術の県内企業は存在しな

EDX，GDMS など，構造解析には FTIR，ESCA，いが，テラヘルツ波を使った研究は長岡技術科

TEM-EELS などが使用され，界面相互作用分析

学大学で行われており，主に，情報通信の観点には NMR，テラヘルツ波などが用いられる。

から特定周波数のテラヘルツ波の遠隔伝搬の研

この界面分析技術分野に対する機器の性能は究が行われている。

界面分析技術十分ではなく，今後の発展が期待される。
本調査研究では，現在テラヘルツ波に関する応用化の研究が盛んに行われているため，後段に詳しく述べることにする。

3.4.2

テラヘルツ波に関する調査

以下に述べるように，分子間相互作用解析やセンシング応用でテラヘルツ波の調査を行った。
分子間相互作用解析のための実証測定は（株）

3.3.3

精密切削法による薄膜の密着性評価

材料のトラブルの種類で，薄膜の密着性が問題になるケースが多い。密着性を評価する手法
は JIS にもあるピール試験が代表的ではあるが，
表 3 各種 DLC 成膜法の特徴比較 6)

東レリサーチセンター（滋賀県大津市）にて行った。
セ ン シン グ応 用 のた めの 基 礎デ ータ 取 得 は（株）栃木ニコンにて行った。この分野の研究は世界的には米国および欧州で進んでいる。欧州は主にバイオへの応用研究がなされTeraVision と TeraBridge という数十億円規模の国際共同プログラムが行われた。米国は軍事利用が行われているらしく，研究成果の公表はあまり行われていない。
3.4.3

テラヘルツ分光法の材料分析応用

テラヘルツ分光法は分子間相互作用解析に期待されると言われてはいるものの，本領域にはることが確認できた。

分子の回転振動などの分子内振動も共存するこ
3.4.3.2とから，その両者を区別し，本周波数帯の有効

テラヘルツ波まとめ性を主張している文献は少なく，今後の研究が今回の調査によって，テラヘルツ波分光は従待ち望まれる。本先導研究では，その有効性を来の分析法で困難であった分子間相互作用に関いくつかの生体関連物質で確認し，将来の応用する情報が得られることが分かった。特に，バ研究への基礎資料とした。

イオ・医薬品の分野への応用が期待でき，分子間相互作用解析装置の開発などへの応用提案が3.4.3.1できる。

分子間相互作用シグナルの確認

図 2 にはグルタミン酸に対してアセトンと水を滴下した場合を示した。この場合には，アセ4．結

トン滴下で 0.6THz に新たなピークが発生する(1) 今回の調査研究で，表面・界面に注目したことがわかった。一方，水に対しては最初水の高機能化材料の開発や製品開発が，今後まバックグラウンドが見られるが，時間が経過しすます盛んになると考えられ，県内産業にて水がなくなると全体のスペクトルはほぼ元においても重要戦略の一つになるということ戻ることが分かる。このアセトン滴下では多くが分かった。DLC を始めとする表面硬質皮のアミノ酸に共通でこの 0.6THz のシグナルが膜の研究開発やナノ材料を使用した複合材

現れることが判明した。赤外スペクトル測定よ料の高度化などは，県内でも徐々に始まっ

り，本実験で使用したアミノ酸はカルボン酸とていて，それらの企業から開発に絡む分析

アミンで分子内塩を形成している構造をとって評価法に関する問い合わせや要望も来ていおり，そこへアセトン分子が攻撃することで，る。

言(2) 総研においてもこれら企業の要望に応える

アセトン分子とアミノ酸との間で新たな相互作用振動が現れたものではないかと考えられるが，べく，ナノレベルや分子間相互作用に係る詳細な構造解析のためにはもっと多くの実験が分析評価技術に対する備えを進めていく必必要であろう。その他，コロネンやサリチル酸

要がある。

ナトリウムで溶媒との相互作用シグナルが現れ
水添加

アセトン添加3.0

4

2.5

before spotting
9 min.
19min.
30min.
36min.

3

AbsorbanceAbsorbance

2.0

1.5

2

1.0
1

8 min.
23 min.

0.5

58 min.

31 min.
50 min.
0.0
0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Frequency (THz)

図2

before spotting

0
1.2

1.4

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

Frequency (THz)

グルタミン酸にアセトンと水を滴下した場合のテラヘルツスペクトル経時変化

参考文献

5) 藤巻成彦，小角雄一，“ナノ単位の高記録密1) （社）表面技術協会編，表面技術便覧，1998，
2) 鈴木秀人・池永勝，事例で学ぶ DLC 成膜

技術，日刊工業新聞社，2003，p6.
3) 工業材料

キーワード 30，日刊工業新聞社，

2004，p9〜79.
4) 麻蒔度化に対応する極薄の炭素保護膜を作製”，
日刊工業新聞社，工業材料，Vol.52，NO.3，

p5.

立男，”最近の薄膜材料・形成技術の動向と用途展開・課題”，工業材料，日刊工業新聞社，Vol.52，NO.3，2004，p20.

2004，p37.
6) 鈴木秀人・池永勝，“事例で学ぶ DLC 成膜技術”，日刊工業新聞社，2003，p2〜18.
7) 大竹尚登，“DLC 膜の合成に関するいくつかの試み”，表面技術，Vol.56，No.10，2005，p31.

生体情報の工業製品への応用に関する調査研究阿部淑人*

長谷川 直樹** 林 成実**

中部 昇*

菅家 章*

馬場 大輔***

木嶋祐太****A Research Report of Homeware Development Based on Biocybernetics
ABE Yoshito*, HASEGAWA Naoki**, HAYASHI Narumi**, NAKABE Noboru*,
KANKE Akira*, BABA Daisuke***, KIJIMA Yuta****
抄
録
本調査研究では生体情報を利用しての製品開発の効率化や製品の高付加価値化を目論んで，技術動向および産業動向を調べた。健康・快適・安全に関連する産業として医療福祉産業があるが，医療福祉産業は薬事法の適用を受け参入障壁が高いため，その適用を受けないような生活用品や，ス
ポーツ用品・衣料品の快適性向上に繋がる技術開発を主な対象にして調査を行なった。調査の結果，県内企業の多くにおいて生体情報を利用した製品開発や，快適性，健康増進などをキーワードにした高付加価値化に興味をもつことが分かった。今後はツールの開発などをとおして開発支援を行っていく必要があると考えられる。

1．緒言で，高付加価値化のキーワードにつながる技術

生体情報工学は，生体情報の計測・処理・

シーズとしての生体情報を活用した製品開発に制御を対象とする工学の分野である。本調査研

ついて調査を行なった。以下，第 2 章では，本究では，生体情報を利用しての製品開発の効率

調査研究の関連技術分野について述べる。また化や製品の高付加価値化を目論んで，技術動向

第 3 章では，関連の深い日用品等製造業の動向

および産業動向を調べた。バブル崩壊以後産業について述べる。第 4 章では，今後の方針を含構造は急変し，労働集約産業は BRICs (Brazil,

めてまとめる。

Russia, India, China)地区にその勢力の大半を奪われ，設備集約産業は大企業でも合弁などの構造改革策を伴う資金調達力の強化策なしには維持できないほどに設備投資額が高騰するように

2．関連技術分野の概略
以下に，関連の深い 4 つの技術分野について説明する。

なってきた。そのような背景のもとで中小企業が生き残るためには，大企業以上に知識集約を

2.1 生体情報工学

進め製品やサービスの高付加価値化を図らない

生体は非常に優れた情報処理システムを持といけない状況となった。21 世紀は心の世紀っている。生体情報工学(Biocybernetics)とは，といわれるように，人々の健康や快適に関心が「生物から学ぶ」という観点から生体システム

集中するようになってきたため，「健康・快の計測・処理・制御の解析について工学的手法

適・安全」は高付加価値化のキーワードとしてによりアプローチし，そのシステムを工学的お検討する余地が十分にあると考えられる。そこ

よび医学的に応用することを目的とした学問である 1)。生体情報は，生体の形質および諸機能* 研究開発センター

を計測し数値として得られたものである。生体** 下越技術支援センター

諸機能の計測目的は，最終的には人間の生活や*** 県央技術支援センター

作業環境における安全性，快適性の追求にある。

**** 上越技術支援センター

生体情報の対象としては身体の構造と機能つまアウト型からニーズ主導のいわゆるマーケット

り情報システムとしての脳・神経系や形態構造

イン型の設計開発へとパラダイムをシフトする物としての骨格，稼動組織としての骨格・筋肉，企業も多くみられ，自企業の価値をどう位置づ

各種感覚器，生体としての生理反応，などが主

け，それをプロダクトやサービスとして実現すとしてあげられる。またそれ以外にも疲労度合るという課題の中で，人の感性に対する深い理

いや，作業効率，性格知能，主観評価値，周辺解が必要となっているため，今後重要度が増し

環境なども測定対象として重要である。生体情てくる学問分野である 3)-5)。

報工学は，「これらの情報を如何に測定するか」から始め，「それをどう理解するか」，

2.3 人間工学「どう活用し，生体を制御するか」などについ人間工学（Ergonomics/Human Factors Engi-て探る学問分野である。生体情報工学は医学，

neering）は，第二次世界大戦以後急速に発展し心理学，電子工学，計算科学，機械工学，などてきた学問であり，機器やシステムや環境がいの幅広い分野にわたる知識を必要とする分野でかに人に優しいかを評価し，それをどう実現すある。

るかについて研究する 6)。初期の段階では，機生体情報の計測に当たっては，主に生体か

械要素的なヒトへの負荷などについて扱われる

ら発せられる微弱電気信号を用いる場合が多く，ことが多かったため，現在でも誤解が多いよう

それ以外に，機械的なセンシング手段や光学的であるが，人という生体は，生理的，論理的，なセンシング手段によるものがある。生体を扱

心理的，社会的，などさまざまな側面を持った

うために，無侵襲もしくはできるだけ低侵襲でシステムであり，現在は，より心理的・感覚的あることが望ましく，機械的・化学的・電気的側面に関心の中心が移りつつある。ヒトと機械な破壊を起こさないことは絶対条件である。

とのインターフェースをさまざまな側面から改善することが人間工学の目的である。関連分野
として生体計測，認知科学，生体制御，人工知2.2 感性工学
感性工学 (Kansei Engineering) は，感性（主能，感性工学，意匠設計などがある。その守備観）と工学（客観）を結びつけることを目的と範囲は，工業製品のみならず，システム，作業2)する学問である 。人間の感性を分析し，それ環境（工程）などにおよび，生活や産業の広いを工業製品の設計に取り込むことで，より満足場面をカバーしようという方向に進んでいる。

をもたらすモノづくりをサポートする技術分野の学問である。生活者にとって必要なモノがあ
ふれる現代社会においては，“必要”を超えて2.4 ユニバーサルデザイン
ユニバーサルデザイン（Universal

Design）“欲しい”という気にさせなければ購買意欲をは，「多様なニーズを持つユーザに，公平に満そそることができない。感性は，辞書的には足を提供できるように商品（製品，サービス，「外界の刺激に応じて何らかの印象を感じ取る

環境や情報）を設計すること」と定義されていその人の直感的な心の働き」という説明がなさるように，商品のアクセシビリティとユーザビれている。そして感性は，社会的歴史的側面もリティの改善を設計に反映することが目的でああれば個人的側面もあり，また総合的に統合さる 7)。 その提唱者であるロン・メイスがまとれた知覚であるために，それをいかに工学的尺めたユニバーサルデザインの 7 原則は度で評価し，さらに商品設計につなげるかが大a) 誰にでも公平に使用できること

きな課題となっている。昨今の商品開発の現場においては，シーズ主導のいわゆるプロダクト（Equitable Use）
b) 使う上での自由度が高いこと

（Flexibility in Use）

能を評価する必要がある。新潟県には，技術c) 簡単で直感的にわかる使用方法となってシーズと治験の場として新潟大学医学部などいること（Simple and Intuitive Use）

複数の医療関係教育研究機関が存在し，産業d) 必要な情報がすぐ理解できること（Perceptible Information）

技術開発の側面においては，様々な県の政策
・制度とあわせて工業技術総合研究所が大きe) うっかりエラーや危険につながらないデな役割を果たしている事により産学連携の進ザインであること（Tolerance for Error）

みやすい環境にあると考えられている。しかf) 無理な姿勢や強い力なしで楽に使用できしながら大多数の中小企業にとって狭き門でること（Low Physical Effort）

あることには，変わりがない。前述のように

g) 接近して使えるような寸法・空間となっ本調査研究では，薬事法の適用を受けないよていること（Size and Space for Approach

うな生活用品やスポーツ用品・衣料品の快適

and Use）

性向上に繋がる技術開発を主な対象にして調とされ，これによって，その方向性を規定して査することにした。以下，本調査研究の対象はいるが，どのようにしてその実現を図るか，である新潟県内の代表的な既存製造業の状況というアプローチや方法論については，触れて

9)10)と課題を記す。

いない。原則 1 の「誰にでも」の部分がユニバーサルという用語の由来でもあり，「誰にでも3．1

家具装備品製造業の現状および課題公平に使用できること」という目標を提示する

県内の家具製造業は，婚礼タンスなどの箱ことによって，デザインの方向性についての理物家具を得意とし，桐タンスから洋タンスま念を提示したものである。ただし「誰にでも」で幅広く生産し，最盛期には，全国 3 位の生を考える際に，共用品的な考え方でなく，専用品としての考え方が必要なケースもあることに注意が必要である。
3．県内関連製造業の動向
健康・快適・安全に関連する産業として医療福祉産業があるが，医療福祉産業は薬事法の適用を受け参入障壁が高いため大多数の企業にとって狭き門となっている。「にいがた産業活性化戦略策定事業」に係わる医療機器
産業創出基礎調査報告によれば，薬事法の改正により製造者の責任は，全般的に重くなる。
一方で低リスク医療機器への参入や製造外注の受託といった面では，県内医療機器産業の創出に向けた機会は広がっているとみられている 8)。また産学官連携による医療機器産業創出に向けた支援戦略を構築していく上では，現状の産業の創造と育成に関する県の施策・制度・インフラなどを把握し，その成果や機産額を占めていた。しかし，住宅様式の変化や阪神淡路大震災などの地震をきっかけに置き家具から住設家具への移行が進み，タンス
等箱物家具の出荷額は落ち込んだ。さらに，
韓国から始まり数年前からは，中国から安価な家具が大量に輸入され，現在，量産品については，価格的に太刀打ちできない状況となっている。建具製造業については，従業員 3
人以下の零細事業所が全体の約 6 割を占めている。家具同様に住宅・生活様式が変わり，主力であった襖や障子は徐々に姿を消し始めている。枠付きドアなども生産していたが，一般住宅に関しては，日本の大手企業が中国工場で大規模に量産したことを契機に，中小零細企業は太刀打ちできなくなった。ただし，県内外のマンションについては，取付設置込
みで県内企業が請け負うケースもある。
大半の企業は，生産量は上がっているにも関わらず，出荷額に結びつかない例が多い。つまり付加価値額が低いことが最大の問題点と言活スタイルの変化や安価な輸入品の増加などかえる。そこで，付加価値を高くし，差別化を図ら，依然として低調な動きが続いている。また，った特徴のある製品開発が求められている。現

洋食器について述べると，高額な贈答品用とい状では，上記のように「和」，「伝統」を基調ったような付加価値の高い製品を取り扱う一部とした製品や自然志向・環境に配慮した製品，の企業で原材料価格の上昇を価格転嫁できてい高齢化社会を背景とした介護・福祉製品，電化るものの，ほとんどの企業では，鋼材価格上昇

製品との融合を図った製品など様々な種類があ分を転嫁ができない状況である。

る。これらに関して，強度性能やホルムアルデ

今後の課題としては，高級品のプレミア化のヒド放散量などの環境データについては，数値

一方で，旧来の一般品についてコスト低減と同化しユーザにも伝えることが可能である。しか時にデザイン・機能に付け加えて快適性や安全

し，木の「温もり」や「暖かみ」，「自然」，

性の訴求による高付加価値化が必要不可欠とな「使いやすさ」，「和」といった性能についてっている。

は，感覚や伝統的な判断のみが支配的なため，ユーザの関心は，高いにもかかわらず需要拡大には，結び付きにくいのが現状である。そこで

3.4 運動用具等製造業の現状および課題
H8 年度から H16 年度にかけて事業所数，従これらの性能を数値化または，定量化が可能に

業員数とも大幅に減少しており（39 事業所

なれば，製品の性能を客観的に伝えることが可

1,300 名→14 事業所 888 名），製造出荷額ベー能となり，製品開発もとより市場拡大が図られスで 288 億円から 168 億円と 40％以上の減少ると考えられる。

がみられる。これは児童数，若年者数の減少に起因するところが大きく，今後の高齢化社会の3.2 日用雑貨・食卓用品製造業の現状および進行に伴い，さらに厳しい状況に置かれると考課題えられる。このような状況下においては，競合

全国のプラスチック製日用雑貨等製造業事業

他社との差別化を図るために，継続的に新材料所の 6％程度が新潟県内に存在しており，あるの適用など機能的な優位性をユーザに訴求し，程度の産業集積があると考えられるが，事業所市場を確保する必要があり，常に新しい付加価

あたりの付加価値などでは，全国平均と比べて値が切望されている。

下回っており，単純製造下請け構造から脱出仕
切っていないことがわかる。

生産拠点の多くが海外に進出した現状では，価格面での競争は，困難であり，市場確保のた

この事業分野についても，使い勝手などの定めには価格面以外での差別化が必要となる。そ

量化にもとづく訴求ができれば，付加価値の増の方策として，これまでもデザイン性や機能性

加や市場拡大に大きく貢献することが期待されの向上に努めているが，後者では，前述のようる。

に新材料の開発に依存することがほとんどで，その結果，市場への訴求が散発的になる傾向が

3.3 洋食器・厨房用品等製造業の現状およびある。以上のことから，今後は新材料に依存し課題ない，かつ継続的に市場へ訴求することが可能

最近の陶磁器業界の動向をみると，主力の台所・食卓用品は，料亭やホテルの購買意欲が乏な新たな付加価値の導入が大きな課題となると考えられる。

しく，法人向け業務用割烹食器の受注は，引きこれに関連して，運動用具は，ユーザが直接続き減少している。個人向けの一般食器も，生身につけて使用することから，製品の機能がユ

ーザの身体的負担や快適性に直接影響を及ぼしわれる。生体情報を基にした開発により，動作やすい。したがって，感性・生体情報によるユ時における関節可動域や，力仕事，スポーツなーザの応答を基にした製品開発は，負担軽減，

どで筋力を発揮する際の筋力，関節のサポート

使いやすさ，快適性の向上など，新たな付加価性などの機能向上を図ることが可能と思われる。

値として有用と考えられる。
企業調査の結果によれば，新材料の開発に依

3.6 民生用電気機器製造業の現状および課題存した機能向上の訴求については，限界があり，民生用電気機器製造は，ここ数年で，事業所近年において，ユーザビリティ（使い易さ），

数，出荷額，従業員数ともに減少傾向である。

あるいはユーザの負担軽減や快適感向上が新た

しかし，出荷額における付加価値額の割合は増な付加価値として注目されている。例えば，ゴえている。H14 年と H16 年を比べてみると，ルフクラブにおいては，従来，飛距離向上を目

事業所数と従業員数は，減っている。しかし，的とした高反発性の発揮が最重要項目とされて内訳をみてみると，空調・住宅関連機器部分は，きた。しかしながら，H20 年の SLE ルール施

事業所数，従業員数，出荷額は，増えている。

行（高反発クラブの規制）にともない，反発性

空調住宅関連機器として床暖房があり，今回は，による他社との差別化が困難となるため，市場製造している何社かを調査した。各社とも付加優位性を得るための新たな付加価値が求められ価値をつけるための取り組みに力を入れていた。

ている。そこで，打感・打音など，使用者の感

自社製品を増やすところや，開発に力を入れ，性（快適性）や生体情報に関連した技術開発が特許をとっているところもあった。通信機器製

新たな高付加価値化のキーワードとして注目さ造は，事業所数，従業員数，出荷額，ともに減れている。実際に，一部企業において，筋電図っている。内訳をみると，減っているのが電気などの生体情報を基にした製品開発を試みてい音響機械器具製造業で，有線，無線通信機械器

るようであるが，未だ確実なアピールポイント

具製造業は，それほど減ってはいない。開発型に結び付けるまでには，至っていないようであ企業が多く，新たなシステムやデバイス開発にる。

意欲のある企業が多い。電子部品デバイス製造
は，H8 年から事業所数は，減っているが，そ3.5 業務用衣服製造業の現状および課題の他は変わっていない。抵抗器やコンデンサな

H8 年度で 48 事業所，従業員数 1,457 名であどの素子製造は，わずかに減少している。海外ったのが，H16 年度 20 事業所，従業員数 445

進出の影響と思われる。プリント回路製造業，名と激減しており，製造出荷額も 93.2 億円か

その他の電子部品製造業の出荷額は，伸びていら 46.7 億円と半減している。これは，生産拠る。おそらく，電子デバイスが好調であるのが点の海外移行がさらに進行していることによる要因である。

ものと思われる。

以上総括すると，最終製品の設計，開発に携

他業種と同様，市場確保のためには，他者とわっている所が，競争に勝ち生き残っている印の差別化，すなわち新たな付加価値の訴求が求象を受ける。全体として事業所数が減っていて，められる。例えば，当該品目は，一般の衣服に

付加価値額が上がる傾向にある。付加価値が低比べ，特に長時間着用して作業，運動することかった所が，海外との競争に負けて淘汰されたが要求されることから，その際に，いかに身体結果であると考えられる。

への負荷を軽減し，かつ快適に作業することがインターネット普及によるユビキタス時代へできるかは，付加価値のひとつとして有用と思の移行などにより，電子デバイス，通信器具の

製造は，非常に盛んである。様々な製品に，電は，技術面では，ほぼ成熟した製品である。今子デバイスがとりいれられ，付加価値の高い製後の開発課題は，ユーザの使い勝手や快適性の品が生み出されている。電子デバイスが，高性追求にあると感じているが，その評価方法が確

能化，小型化，低価格になっており，応用範囲

立されておらず，模索している状態である。

が広くなっている。東南アジアには，各国のファンヒータなどの開放式暖房機は，換気の様々な企業が進出してきており，それにともな必要性，結露発生の問題から，近年増加傾向にい技術もそこへ集約し，グローバル化により，ある高気密高断熱住宅には，向かないと言われ取引自体も従来よりも容易になり競争相手もまている。一方，送風出口温度が高いため，暖をた増えてきている。韓国では，国を挙げてユビ

とることができ，局所的な暖房が可能であるとキタス時代に備えている。このような状況下で，いう利点がある。人が感じる快適性の評価手法

県内企業の課題としては，①単なる下請けからとして，気温，湿度，風速などを基にする

脱却し，設計・開発力強化，製造技術強化など

PMV （Predicted Mean Vote）値があるが，暖に力を入れなければならない。②優秀な人材が房機の評価に適用しても，人が感じる暖かさ，不足している。③技術水準が上がってくる海外

心地よさを評価することができない。この快適との差別化要因が必要になる。などがあげられ性を客観評価する手法を確立し，利点をアピー

る。

ルしていく必要がある。石油ストーブ，ファン
ヒータは，技術的には，ほぼ成熟した製品であ3.7 暖房装置等製造業の現状および課題

るが，製造コストの低減，省エネルギー，消臭

この分類に含まれる製品は，ガス・石油を使性能，安全性などの性能の一層の向上が望まれう暖房用・調理用機器およびその部分品・附属ている。輸出を視野に入れると，国によって異品である。県内では，ほとんどが石油ストーブ

なる石油品質に対応した製品開発が必要となる（しん式，ファンヒータを含む）およびその部と思われる。この他，石油枯渇，地球温暖化，分品・附属品が占める。事業所数は，平成 10

他分野模索（他家電，エコキュート，燃料電

年から平成 16 年で約 100 事業所から 60 事業所

池）の課題なども挙げられる。

に減少しているが，従業員数は 2,500 人，出荷額は 600 億円前後でほぼ横ばいである。また，付加価値額は，近年減少傾向にある。製品の低4．結言(1) 生体情報工学は，生体情報の計測・処価格化が影響していると考えられる。なお，平理・制御を対象とする工学の分野である。

成 11 年から平成 13 年にかけて，出荷額は本調査研究では，生体情報を利用しての1,000 億円前後で一時的に増加した。これは，製品開発の効率化や製品の高付加価値化

石油ストーブの 2000 年問題特需と県外大手撤を目論んで，技術動向および産業動向を

退の影響であるとみられる。

調べた。調査の結果，県内企業の多くに

平成 17 年の状況は，寒波，停電などに対応する需要と県外大手の更なる撤退により，出荷額を大幅に伸ばしている。県内シェアは 80%が見込まれている。企業調査の結果，現在の最大の課題は，製造コスト低減であることが分かった。その一方，消臭性能向上や輻射熱併用の高級機種の市場投入も行っている。石油暖房機器

おいて，生体情報を利用した製品開発や，快適性，健康増進などをキーワードにした高付加価値化に興味をもつことが分かった。しかしながら，中小企業単独での製品化などについては，多くの困難が伴うために，今後はツールの開発などをとおして開発支援を行っていく必要がある

と考えられる。

参考文献(2) 健康・福祉・医療などについては，「新1) 山越憲一，戸川達男,“生体用センサと計測

潟県健康・福祉・医療新産業ビジョン」

装置”, 日本エム・イー学会 編コロナ社,

11)

2000．

が策定され，これにより「健康福祉医療」ビジネス連峰の活性化が積極的にすすめられることとなったため，本研究調

2) 辻三郎,“感性の科学―感性情報処理へのア
プローチ”,サイエンス社, 1997．

査での結果に基づき，今後の開発案件な

3) 長町三生, “快適科学”, 海文堂, 1992．

どについて本庁との連携を深めてゆく必4) 長沢伸也,“感性をめぐる商品開発―その方要がある。
(3) 生体情報を利用した製品開発や快適性な法と実際”, 日本出版サービス, 2002．
5) 原島 博，井口征士,“感じる・楽しむ・創どをキーワードにした高付加価値化の産りだす 感性情報学”,工作舎, 2005．

業応用は，端緒についたばかりであり，

6) 福田忠彦,“人間工学ガイド―感性を科学す

今後も継続して情報調査を初め製品開発

る方法”,サイエンティスト社, 2004．

への適用を行う必要がある。

7) 日本人間工学会編, “ユニバーサルデザイ(4) 今後の方策としては，まず H18 年度の共ン実践ガイドライン”, 共立出版, 2003．

同研究での製品開発（ここちよい打音打

8) 日本総合研究所,「にいがた産業活性化戦略

感のゴルフクラブ）を通してわれわれの策定事業」に係わる医療機器産業創出基礎

経験を深めるとともに，他の案件との連調査報告書，2004．

携を模索してゆくこととしたい。また，

9) 新潟県総合政策部統計課, “にいがた県の感性の定量化のみならず生体情報の常時

工業〜工業統計調査結果報告〜”, 1996〜

計測デバイスなどについても，今後は市2002．

場が増大すると考えられるため先行調査

10) 新潟県，にいがた産業創造機構, “第１回および引き続き研究開発が必要であるとスポーツ・健康増進・健康食品に関する研考えられる。

究会資料”，2006．
11) 新潟県産業労働部, “新潟県健康・福祉・
医療新産業ビジョンについて”，2006．