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第6回筑波大学技術職員

技術発表会報告書
開催日：2007年3月14日
会場：筑波大学臨床講堂

第６回筑波大学技術職員技術発表会の公式ウエブサイト

http://www.tech.tsukuba.ac.jp/2006/

筑波大学技術報告
27: 1-5, 2007

献体業務及び解剖実習時の環境改善について〜感染症防止及びホルムアルデヒド対策〜
矢部一徳、瀬谷祐一
筑波大学人間総合科学等支援室（医学系）〒305-8575 茨城県つくば市天王台 1-1-1の意思に従って遺体を大学に提供することが「献体」といわれる行為である。
平成 16 年の調査では、全国に献体篤志家団体が 61
近年シックハウス症候群を代表とする有機化学物
質に対する過敏症について社会的問題となっており、 団体あり、献体登録者の総数は 198,000 名を越え、そこの有機化学物質が及ぼす人体への影響についての のうちすでに献体された方は約 70,074 名に達してい早急な対策が求められている。医学・歯学における る（平成 16 年 3 月現在 日本篤志献体協会調べ)。
筑波大学への遺体の提供は、この献体篤志家団体
解剖学実習についても、実習に供されるご遺体は、防腐、感染防止のために多くの有機化学物質が使用 の 1 つ「筑波大学白菊会」により成り立っている。
されてきた。ホルムアルデヒドを主とするこれらの処置液が長年使用されており、実習中のホルムアル 2.2 正常解剖での献体の重要性
デヒド曝露が懸念される[1]。本学医学専門学群解剖学
医学・歯学教育の基礎を履修する目的である正常実習のために行っている感染症防止、ホルムアルデ 解剖は、献体によって解剖が行われており、正常解ヒド対策を献体業務と共に紹介する。
剖以外は献体によって行われる解剖ではない。「医概要

学及び歯学の教育のための献体に関する法律」により献体の定義、意思の尊重が明確にされ、献体による死体の解剖が明記されている。
解剖学実習が行われるためには、献体を志す篤志
家団体の存在は重要なものである。

１．はじめに
筑波大学には正常、病理、法医の３つの解剖がある。
（1）正常解剖
医師・歯科医師になるため、医学・歯学の学生が正常な人体の構造を十分に理解するために行われる解剖。実習は解剖学の教授または助教授の責任と指導のもとで、学生が実際にメスを持って行う。
（2）病理解剖医師が診療していた患者が死亡した場合、その病変や死因を明らかにするために行われる解剖。
（3）法医解剖
変死体を対象として、変死の原因や死亡の状況など、行政上または司法上必要な医学的事項を明らかにするために行われる解剖。
これらの解剖時には感染症防止、防腐処置、標本保管のためにホルマリン（35～38％ホルムアルデヒ
ド水溶液）が使用されている。
ホルムアルデヒドは人に対して発癌性の高い物質とされており、シックハウス症候群に代表されるア
レルギー症状、化学物質過敏症を引き起こすことが報告されている[2, 3]。
これらの解剖に携わる研究者や作業者に対してはホルムアルデヒドに対する十分な注意と対策が必要である。

３．筑波大学白菊会
3.1 筑波大学白菊会について
医学・歯学の各大学には名前は異なるが篤志家団体が存在する。筑波大学では「筑波大学白菊会」が組織されている。
筑波大学白菊会は昭和 49 年 6 月に「白菊会筑波大学支部」として発足した。昭和 58 年 4 月から 250 名の会員を有する「筑波大学白菊会」として東京の白菊会本部（平成 16 年 3 月解散）より独立した。
筑波大学白菊会への登録は自分の意思と家族の承諾によって行われている。現在では、献体時のトラ
ブルを避けるためにも登録の際に次のような制限を設けている。
60 歳以上であること
家族全員の承諾を取ること
ドナー登録をしていないこと
年間 40 名の募集
県内在住（県外の方はなるべく住所地の大学へ登録をしていただく）
実際の献体は感染症の有無、交通事故やその他の事故によって献体できない場合もある。
筑波大学白菊会の入会者総数は 1679 名、生存会員
は 802 名である（平成 19 年 1 月現在)。平成 7 年より登録の制限をしているため生存会員の人数はこのところ 800 人ほどで安定している。これまでの遺体提供総数は 1085 名、内筑波大学白菊会会員は 662 名である。会員、献体数を図１に示した。

２．正常解剖
2.1 献体とは「自分の死後、遺体を医学・歯学の教育と研究のために役立てたい」という意思を持った方が、生前から大学またはこれに関連した団体に名前を登録しておき、亡くなられた時、遺族あるいは関係者がそ1

４．感染症対策
1800

4.1 遺体処置時における作業者の対策

入会者総数
会員数
献体者総数

1600
1400
1200

実習のための防腐処置を行う我々作業者は、遺体に初めに接するため次のような点に注意している。
献体される方の死因、病歴、感染症の有無を確認する。感染症にかかっている方は献体をお断りする
場合もある。
体液、血液の付着の可能性がある献体者の衣服はすべて感染性廃棄物として処理する。
処置に使用する解剖衣や器具等は、できる限りディスポーザブル製品を使用する。それ以外の解剖器
具は洗浄液、オートクレーブを用いて消毒・滅菌処
理を行う。

1000
800
600
400
200
0

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２

1

８

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６
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Ｈ.

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Ｓ.

０

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Ｈ.

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Ｓ.

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Ｈ.

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Ｓ

図１. 筑波大学白菊会会員の動向

4.2 感染症対策用解剖台の導入

平成 7 年より入会者数の制限を行っているため会員数は800 人強を維持している.

防腐処置には、動脈からホルムアルデヒドを主成分とする固定液を注入する方法を用いる。処置の最中は作業従事者が最も病原体に感染の危険があるため、バイオハザード対策用解剖台（白井松器械株式会社）を使用している（図４，図５)。
この解剖台は、処置時に遺体から発する骨紛等のエアロゾルなどが舞い上がり、浮遊することを制御するため、給気を天井面より解剖台にダウンフロー
し、均一のエアーの流れを作る工夫がなされている。
解剖台側面からエアーを吸引することにより遺体を囲むエアーカーテンが作られる。吸引されたエアーは屋外に設置された空気清浄システムを通して、室外に排気される。空気清浄システムのフィルターユ
ニ ッ ト に は 、 プ レ フ ィ ル タ ー 、 High Efficiency
Particulate Air (HEPA) フィルター、活性炭フィルターが使用されており、周辺環境への感染防止対策も併せて行っている。

3.2 会員・解剖体のデータベース化
白菊会登録者、献体者はデータベース化して管理されており、家族や各大学からの問合せに対して迅
速な対応が可能である。
「医学及び歯学の教育のための献体に関する法律に基づく正常解剖の解剖体の記録に関する省令」により解剖体については記録の記載事項が義務付けられている。それらの項目も印刷することによって保存、提出ができる（図２，図３)。
本学で保管する標本について、平成 16 年度よりすべての会員に対して「標本保管のお願い」を通知し、承諾を得た方からの標本作製、保管を行っている。
標本保管承諾者や標本管理も会員及び献体者のデー
タベースに含まれており一括管理を行っている。

図３. 献体者原簿

図２. 白菊会会員原簿

ファイルメーカーPro を使用し、献体者のデータベース化を行った. 遺体の状況、実習使用年度など検索が可能
である.

ファイルメーカーPro を使用し、会員のデータベース化を行った.

2

4.3 急速遺体防腐処理装置の使用
灌流固定後、急速遺体防腐処理装置（加藤萬製作所）の中に遺体を 2 週間浸漬させる（図６)。この装置は固定液を 37℃に加温し遺体表面から浸透固定させるための装置で、灌流固定だけでは不十分な部位を完全に固定させるものである。実習中の遺体の固定不良による病原体感染を防ぐために導入した。
2 週間後、遺体は乾燥防止のためネル布とビニールシートで覆いロッカーに保管する。本装置導入以前
は、ビニールシートの中に固定液を数リットル入れていた。そのため実習使用時にホルムアルデヒド廃液や布、ビニールシートなどの廃棄物の処理に苦慮した。現在は保存液を必要とせず、ロッカーから出した遺体を直接実習に使用している。廃棄物の点でも効率がよくなった。
図４. バイオハザード対策用解剖台システム
フローチャート
解剖台上の遺体を天井からの給気と床からの吸気により取り囲み、病原体等の拡散を防止する. 吸気はフィルター
ユニットを通して屋外に排気される.

図６. 急速遺体防腐処理装置
タンク内には固定液が入っており、密封し、37℃に加温される.

５．ホルムアルデヒド対策
5.1 文部科学省通達
劇物に指定されているホルムアルデヒドは無色の揮発性物質であり、目や鼻、喉、皮膚への刺激により、粘膜刺激症状、アレルギー症状、シックハウス症候群、鼻咽頭癌を生じさせることが報告されている[4]。
文部科学省では 2001 年 2 月当時の国立大学医学部
歯学部事務部長宛に実習室内のホルマリン濃度の計
測依頼を、更に同年 4 月には「系統解剖実習時の環
境向上について」の通達を出した[5]。それによると以下の事が記載されている。ホルマリン使用時には、その濃度に応じて室内の空気環境の改善に努めること。特に実習室内は多数の学生が同時に曝露される可能性があるので、換気扇や空気清浄機等で出来る限りの清浄化に努めること。ホルムアルデヒド濃度
及び実習時・遺体処理時における毒性を低減させる
よう手段を講ずるよう努めること。学生にはホルム
アルデヒドの防腐、保存効果及び有害性、防護方法、廃棄方法について文章をもって理解させること。

図５. バイオハザード対策用解剖台
解剖台上の蛍光灯外側より給気される.

3

黒

板

解剖台

柱

柱

A

窓

入口

図８. 光触媒環境浄化装置
紫外線により活性酸素が発生し、ホルムアルデヒドを
水、水素、二酸化炭素に分解する.

図７. 解剖実習室内配置図
部分は光触媒環境浄化装置の設置場所、A はホルム
アルデヒド濃度測定点を示す.

5.2 実習における対策
従来、解剖実習では学生に対して、白衣、マスク、
薄手の手袋を使用するよう指導し、実習室は強制排気を行っていた。しかし、室内環境は季節や温度によって変化し、それだけでは対処できないと思われる。実際、目や鼻、皮膚への刺激、不快感を訴える学生が毎年現れている。
文部科学省の通達を受け、本学解剖実習室でのホルムアルデヒド対策として、光触媒環境浄化装置
SSC-50E（盛和工業）を 8 台実習室に設置した（図７，
図８)。この装置は光触媒セラミックフィルターと強力な紫外線で、効率的に光触媒分解を行う。光触媒
反応は酸化チタンに紫外線（380 nm 以下）を当てる
ことにより水と酸素から活性酸素 (ヒドロキシルラ
ジカル; ･OH) を発生させ、ホルムアルデヒドを水、水素、二酸化炭素に分解する。
HCHO＋2･OH → H2O＋H2＋CO2
光触媒方式は、有機物質（雑菌の死骸まで）を分解するので吸着飽和することがない。光触媒フィル
ターは細菌やウイルスにも有効で、二次感染等を防止し、有機化合物のエチレン、ホルムアルデヒド、
エーテル、アンモニア等も分解する。室内空気循環型であるため特別の設置作業も必要としなかった。
防腐処置液の見直しも行った。これまで防腐液には、ホルマリン 10％、グリセリン 10％、フェノール
6.25％、アルコール 45％の水溶液を使用していたが、4フェノールの使用を取りやめた。劇物であるフェノールは、防カビの目的で使用されていたが、ホルム
アルデヒドの光触媒分解効果が妨げられる恐れがあり、また人に対しても皮膚、粘膜に強い刺激作用があるため使用を中止した。
直接的なホルムアルデヒド曝露を減らすため、実習中に、乾燥防止及び防腐のため噴霧使用している
カルボール液からのホルムアルデヒドの使用を取りやめた。現在、乾燥防止のために 2％グリセリン液を使用している。

5.3 廃棄方法
遺体処置時に血液、体液と共に流れ出る防腐液は排水されないよう解剖台のトラップを塞ぎ、吸水性の良い産業用ワイパーに吸収させ、二酸化塩素(ClO2) 液を噴霧する。ワイパーは感染性医療廃棄物として指定の袋に入れ集積所に集め廃棄業者に引き渡される。使用している二酸化塩素は消臭、殺菌に効果が高いとされている。
実習中に遺体から出た防腐液は、実習台の下に液回収用のバケツがあり、その都度、学生によって所
定の回収容器に集められる。これら回収液と臓器等標本保存のために使用されていたホルムアルデヒド
液は、固形物を取り除くため布でろ過し、10 リット
ルのポリタンクに入れ、学内環境安全管理室の処理方法に従って有機廃液として処分する。

６．まとめ
大学内での化学物質過敏症の症例が多数発生している状況下において、学生、教職員を化学物質障害から守ることは重要な問題である。特に気化したホ0 /#¦*[8, 9] !-ô¯"
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[2] S. Sato, et al., Pseudoreticulocytosis in a patient with"«] # Heinz h ĕčçu"Ē*.
hemoglobin Köln due to autofluorescent erythrocytes
16 ¿ĥ®ª$."ħ°ĭù#¸$enumerated as reticulocytes by the Cell-Dyn 4000, Lab.
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Hct o f º( Heinz h¸ĳscore
Hematol. 10 (2004) 65-67.
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7筑波大学技術報告
27: 8-13, 2007

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E-mail: akiyamak@md.tsukuba.ac.jp; Tel: 029-853-3330
E-mail: yabek@md.tsukuba.ac.jp; Tel: 029-853-3231
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E-mail: dsutoo@md.tsukuba.ac.jp; Tel: 029-853-3113
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13

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筑波大学技術報告
27: 14-19, 2007

大学実験室の作業環境測定の精度管理の試み〜有機溶剤の固体捕集･ガスクロマトグラフ測定法について〜
柏木保人
筑波大学組織・人事部環境安全管理室〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
大学実験室における有機溶剤についての作業環境
測定の精度管理のために、大学実験室で取り扱われている多品種の有機溶剤の混合標準ガスの調製法を検討した。調製した有機溶剤の混合標準ガスを用いて、活性炭吸着/二硫化炭素溶出/ガスクロマトグラフ(GC) 測定を行い、有機溶剤の回収率を求め、測定操作を評価した。

剤などに関係する 10 種類の作業場について作業環境測定の義務を規定している。測定の実施に当たっては、労働安全衛生法第 65 条第 2 項に、厚生労働大臣の定める作業環境測定基準に従って行うことを規定している。また、作業環境測定法第 3 条の規定により、10 種類の作業場所のうち、粉じん、放射性物質、
特定化学物質、鉛、有機溶剤の各々に関する 5 種類の指定作業場所については、作業環境測定士または作業環境測定機関に測定させる義務を規定している。

2.2 測定のデザイン・サンプリング

１．はじめに
平成 16 年度から国立大学法人化に伴い労働安全衛生法の適用を受け、有機溶剤 (第一種、第二種) を、日常的に、または定期的に取り扱う実験室には有機溶剤中毒予防規則に基づき、局所排気装置、プッシ
ュプル換気装置又は密閉装置の設置、六ヶ月に一度の作業環境測定などが義務づけられている。一般的に、大学の実験室は、産業界の製造現場及び取り扱い現場とはかなり異質である。つまり、教育研究の現場においては、人的な流動性、取り扱い物の質的及び量的な変動性が著しい特徴が挙げられる。また、有機溶剤等の取扱いの有害業務は、年度ごとに、また季節的にも変動している。このような教育研究現場の特殊な作業環境における気体中の有機溶剤濃度の定量を、学内の作業環境測定士が行うにあたり、測定の精度、つまり、その正確さ及び精密さを確保するために、大学実験室の実状に即した測定操作の基本的な検討を行った。具体的には、大学実験室では、少量・多品種の有機溶剤が同時に取り扱われているために、複雑な組成の混合有機溶剤の測定となる場合が多い。そこで、事前に混合有機溶剤の活性
炭・シリカゲルへの固体捕集挙動を確認できる方法を確立しておくことは測定の精度管理のために重要である。本報告では、市販のミゼットインビンジャ
ーを標準ガス発生管として用い、混合有機溶剤の標
準ガスの調製方法を検討した。そして、有機溶剤の混合標準ガスについての活性炭吸着捕集挙動を調べた。

作業環境管理の対象として、有害物質の分布状況、
作業者の行動範囲から単位作業場が確定される。その単位作業場について A 測定 (空気中の有害物質濃度の空間的及び時間的な変動の平均的な状態を把握する測定) と B 測定 (有害物質の発散源近くの作業者が最大の暴露を受けると考えられる場所と時間で行う測定) が行われる。A 測定の測定点は、原則として、単位作業場内に引ける 6 m 以下の等間隔の縦線と横線の交点である。測定点数は一つの単位作業場について 5 点以上を設定しなければならない。A 及
び B 測定の各測定点において、床上 0.5～1.5 m の呼吸域の空気を 10 分間以上かけて所定量採取する必要がある。

３．実験方法3.1 試薬及び装置
活性炭吸着管:柴田科学製標準活性炭管（前層: 100
mg 活性炭, 後層: 50 mg 活性炭）。ガスクロマトグラ
フ: ジーエルサイエンス製 GC-4000 ガスクロマトグ
ラ フ (FID) 。 極 性 カ ラ ム : 液 相 PEG20M (10%) 、
Chromosorb W (AW-DMCS 処理、60/80 メッシュ)、 2
m×3 mmφ。無極性カラム: G-100 カラム (液相 OV-1、膜厚 2.0 µm、40 m×1.2 mmφ)。

入口
出口

２．作業環境測定の概要説明
2.1 関係法令
労働安全衛生法第 65 条第 1 項に「事業者は、有害な業務を行う屋内作業場その他の作業場で政令で定めるものについて、厚生労働省令で定めるところにより、必要な作業環境測定を行い、その結果を記録
しておかなければならない。」とあり、労働安全衛生法施行令第 21 条に粉じん、特定化学物質、有機溶

14

図 1. ミゼットインピンジャー

混合有機溶剤ガス

湿式ガスメーター
活性炭管
空気

5Ｌガスバック

シリカゲル管マントルヒーター/ 湯浴 8０℃

ガラス管、テフロン管

ミゼットインピンジャー（既知量の有機溶剤を加えて加熱蒸発）

エアーポンプ，
０．２Ｌ／分

図 2. 有機溶剤の混合標準ガス調製の説明
ジーエルサイエンス製オートインジェクター（ASI240）を用いて測定試料 1.0 μl を注入した。ミニポ
ンプ: 柴田科学製 MP-Σ30 を用いて空気を採取した。
ガスバック: 5 L テドラーバックを使用した。湿式
ガスメーター: シナガワ製 W-NK-0.5A 。エアーポン
プ: ジャーレルアッシュ製還元気化水銀原子吸光用(ADB2)。試薬は、すべて特級品または同等品を用いた。

3.2 有機溶剤の混合標準ガスの調製方法

3.3 有機溶剤の保持時間の確認
有機溶剤中毒予防規則が規定する第一種有機溶剤
は 7 物質、第二種有機溶剤は 40 物質である。平成 17
年度に実施した筑波大学での有機溶剤取り扱い調査
では有機溶剤 20 物質が取り扱われていた。そこで、
強極性液相カラムと無極性カラムを使って、これらの 20 物質の有機溶剤の各々のカラムでの保持時間を測定した。

3.4 有機溶剤の作業環境測定操作
3.2.1 有機溶剤の標準ガス調製の器具構成
図 1 に示した市販のミゼットインピンジャー、湿式ガスメーター、エアーポンプ、活性炭管、シリカ
ゲル管、マントルヒーターで加温した湯浴 (80℃)、5
L ガスバック、ガラス管、テフロン管を図 2 のように連結し、有機溶剤の混合標準ガスを調製した。

3.2.2 混合有機溶剤標準ガスの調製手順① 氷浴に漬けて冷却したミゼットインピンジャ
ーの分岐管のガス入り口の内管に 10、50、または 100
μl のマイクロシリンジを用いて所定量の各有機溶剤を正確に入れる。
② ミゼットインピンジャーの分岐管のガス入り
口側に清浄空気の送気チューブ、分岐管のガス出口側にテフロン管及びガラス管で 5 L ガスバックに連結する。
③ エアーポンプで 0.2 L/分の流速で清浄空気をガスバックに送気開始し、直ちにミゼットインピンジ
ャーを 80℃の湯浴に漬けて、加熱する。
④ 20 分間後に清浄空気の送気を停止し、湿式ガスメーターの目盛から送気空気量を読み取り、添加した有機溶剤量から調製した各有機溶剤ガス濃度を計算する。
⑤ ガスバック内の混合有機溶剤ガスが室温になり、均一になるまで密栓して静置する。
⑥ 次に、調製した混合有機溶剤の標準ガスをガス
タイトシリンジを用いて所定量分取し、既知量の清浄空気を入れたガスバックに注入口から注入し、混合標準ガスを希釈してから、使用に供する。

15

単位作業場内の測定点で、所定量の空気を活性炭
管を通して 10 分間ミニポンプで吸引して、有機溶剤を吸着捕集する。活性炭管のガラス管を割って、活性炭を取り出し、5 ml バイアル瓶に移し入れる。次に、 2.0 ml 二硫化炭素を入れてテフロン膜セプタム
付のキャップで密栓し、振とう機で 2 時間振り混ぜ、有機溶剤を溶離する。溶離液約 1 ml をオートインジ
ェクター用のバイアル瓶に移し入れて、試料液 1.0 µl
を FID-ガスクロマトグラフ測定に供する。濃度の定量は、溶離溶媒の二硫化炭素にマイクロシリンジで各々の有機溶剤を添加して、測定濃度範囲の標準液を調製し、検量線法で行った。

4．結果及び考察
4.1 各有機溶剤の GC 保持時間
筑波大学の実験室で取り扱われている有機溶剤(特定化学物質のベンゼンを含む。) のガスクロマト
グラムにおける分離ピークの保持時間を測定し、各有機溶剤の分離挙動を調べた。その結果を、表 1 に示した。いくつかの成分のピークが重なっており、
無極性カラム (G-100) と極性カラム (PEG 20M) を併用して測定することが必要であると分かった。

4.2 高濃度混合有機溶剤の活性炭吸着挙動
活性炭の気相吸着平衡は、単一成分のガスの場合と複数成分のガスの場合を比べた時に、吸着挙動が変化することが知られている。この吸着実験では、高濃度のトルエン (飽和蒸気濃度の 1/7～1/14 濃度)、クロロホルム (飽和蒸気濃度の 1/50～1/100 濃度) の二成分系の混合標準ガスを使って、作業環境測定に日常的に使用される活性炭管の前層 (100 mg) と後層 (50 mg) への吸着捕集の回収率を求めた。その結果、採取空気量、流速が過大の場合には、トルエンが優先的に吸着され、クロロホルムは吸着妨害を受けることがわかった。しかし、採取空気量、流速を半分にすると高濃度のトルエン、クロロホルムが活性炭管に定量的に捕集された (表 2)。

表 1. 有機溶剤の GC 保持時間
G-100 カラム

PEG 20M

40-85℃(3 分), 85℃一定
ピーク成分

min

ﾒﾀﾉｰﾙ

2.18

カラム

ピーク成分

4.3 低濃度混合有機溶剤の活性炭捕集/CS2
溶離/ガスクロマドラフ測定
4.3.1 二成分混合標準ガスの測定
5 L ガスバックに調製したクロロホルム、P-キシレ
ンの低濃度混合有機溶剤標準ガスを、0.4 L/分の流速で活性炭管を通して吸引して有機溶剤を捕集し、回収率を求めた。その結果を表 3 に示した。

40-100℃(3 分), 100℃一定
ｴﾁﾙｴｰﾃﾙホルムの管理濃度は 10 ppm に定められていることから、トルエン、クロロホルムの飽和蒸気濃度は、それぞれ管理濃度の 736 倍、25700 倍になっていると推計できる。このように、開放系での、有機溶剤の加温等による蒸気発生は極めて危険である。

min
1.2

ｱｾﾄﾝ

2.47

ﾍｷｻﾝ

1.2

ｲｿﾌﾟﾛﾋﾟﾙｱﾙｺｰﾙ

2.51

CS2

1.7

ｴﾁﾙｴｰﾃﾙ

2.53

ｱｾﾄﾝ

2.37

表 3. 二成分の低濃度混合有機溶剤ガスの回収率
混合溶剤標準ガス III

混合溶剤標準ガス IV

ｼﾞｸﾛﾛﾒﾀﾝ

2.62

ﾃﾄﾗﾋﾄﾞﾛﾌﾗﾝ

2.9

CS2

2.72

酢酸ｴﾁﾙ

3.09

ｸﾛﾛﾎﾙﾑp－ｷｼﾚﾝ

ｸﾛﾛﾎﾙﾑp-ｷｼﾚﾝﾒﾁﾙｴﾁﾙｹﾄﾝ

2.98

ﾒﾀﾉｰﾙ

3.32

19.6 ppm

9.80 ppm

19.7 ppm

9.74 ppm

2-ﾌﾞﾀﾉｰﾙ

3.04

ﾒﾁﾙｴﾁﾙｹﾄﾝ

3.32

採取量

ﾍｷｻﾝ

3.14

ｼﾞｸﾛﾛﾒﾀﾝ

3.55

酢酸ｴﾁﾙ
ﾃﾄﾗﾋﾄﾞﾛﾌﾗﾝ

3.14

ｲｿﾌﾟﾛﾋﾟﾙｱﾙｺｰﾙ

3.29

ﾍﾞﾝｾﾞﾝ

3.8

3.76

16.9 ppm

7.51 ppm
回収率

回収率

回収率

76.6%

107%

79.3%

3.35

ﾄﾘｸﾛﾛｴﾁﾚﾝ

4.34

3.53

ｸﾛﾛﾎﾙﾑ

4.68

86.2%

ﾍﾞﾝｾﾞﾝ

3.58

2-ﾌﾞﾀﾉｰﾙ

4.71

ﾄﾘｸﾛﾛｴﾁﾚﾝ

3.95

ﾄﾙｴﾝ

5.20

DMF

4.72

酢酸ﾌﾞﾁﾙ

5.59

ﾄﾙｴﾝ

4.89

1-ﾌﾞﾀﾉｰﾙ

6.73

酢酸ﾌﾞﾁﾙ

5.6

p-ｷｼﾚﾝ6.94

ｸﾛﾛﾍﾞﾝｾﾞﾝ

6.46

o-ｷｼﾚﾝ

7.99

p-ｷｼﾚﾝ7.11

ｸﾛﾛﾍﾞﾝｾﾞﾝ

8.97

o-ｷｼﾚﾝ

7.78

DMF

14.27

混合溶剤標準ガス II

ｸﾛﾛﾎﾙﾑﾄﾙｴﾝ

ｸﾛﾛﾎﾙﾑ5000ppm

5000ppm

2500ppm

2500ppm

採取量1.00 L (0.1L/min)

前層回収率

前層回収率

前層回収率

63.0 %

8.6 %

76 %

92 %

後層回収率

後層回収率

後層回収率

後層回収率

前層回収率

19.0 %

23.7 %

0%

0%

全回収率

全回収率

全回収率

全回収率

82.0 %

32.3 %

76 %

92%

実測濃度

実測濃度

実測濃度

実測濃度

4100 ppm

1600 ppm

1900 ppm

2300 ppm

21.1 ppm

実測濃度7.72 ppm

4.3.2 五成分混合有機溶剤標準ガスの測定

表 2. 高濃度混合標準ガスの吸着挙 (CS2, 1.5 ml)

ﾄﾙｴﾝ

実測濃度

L

3.57

ｸﾛﾛﾎﾙﾑ2.63 L (0.2L/min)

4

実測濃度

1-ﾌﾞﾀﾉｰﾙ

採取量

L

実測濃度
回収率

混合溶剤標準ガス I

採取量

トルエン、クロロホルムの飽和蒸気圧は、各々28
mmHg、195 mmHg である。これらを体積百万分率（ppm）で示すと、各々3.68×104 ppm、2.57×105 ppmに相当する。トルエンの管理濃度は 50 ppm、クロロ

16

ヘキサン、アセトン、酢酸エチル、ジクロロメタ
ン、クロロホルムの 5 成分の混合有機溶剤標準ガスを同じ濃度となるように、五つの 5 L ガスバックに調製して、各々のガスバック内の標準ガス成分を活性炭管に捕集定量し、各成分の回収率を求めた。その結果を、表 4 に示した。また、図 3 にガスクロマ
トグラムを示した。
同じ濃度になるように混合標準ガスの調製を試みたところ、希釈清浄空気量を一定にすることができなかったので、標準ガス濃度にばらつきが生じた。
しかし、五つの標準ガスの各成分の平均濃度は9.78±0.04 ppm ( R.S.D. 0.44%)であり、各成分の回収率のばらつきを評価するにあたり、ほぼ一定として扱っても良いと考えられる。
この有機溶剤 5 成分は、ある実験室で頻繁に使用されている組み合わせである。
図 3 に示したように、各成分の分離性は、かなり良好である。アセトン以外の 4 成分の平均回収率は、概ね 90%近傍であり、良好であった。有機溶剤の固体捕集法では、活性炭に吸着捕集した有機溶剤は、二硫化炭素で溶離する方法を用いる場合が多い。しかし、二硫化炭素による脱着率は、極性の大きな有機溶媒については低下することが知られている。アセトンは、親水性の極性溶媒であることから、アセトンのみが、回収率67.5%と低くなったと考えられる。また、五つのガス
バック内の混合標準ガス成分の各回収率のばらつきも小さく、測定の精密さも良好であった。

4.4 混合有機溶剤の評価法

合有機溶剤の総合的な濃度値とし、作業環境評価計
算が行われることになっている。したがって、混合
有機溶剤についての管理濃度は 1 になる。
例えば、ある測定点でのクロロホルム、エチルエ
ーテルの実測濃度が、各々10 ppm であった場合には、各実測濃度と各々の管理濃度の比の総和の換算値
C=10/10+10/400=1+0.025 =1.025が、この測定点の混合有機溶剤の総合的な濃度になり、管理濃度を超えていることになる。この場合、同じ実測濃度でも、エチルエーテルの測定点での濃度への寄与は 0.025 となり、非常に小さくなる。このように、作業環境の評価への各有機溶剤成分の寄与
は、その成分の管理濃度の値によって大きく影響を受ける。この場合を、人の臭気感覚で考えると、同
じ実測濃度でも、クロロホルムはエチルエーテルに比べて無臭に近く、評価計算法と逆転して感じることになるであろう。この場合には、管理濃度を超えていることから、測定点にリスクがあると指摘できるが、クロロホルムが存在せずに、エチルエーテル
だけであったとすると、臭気をかなり感じるにもかかわらず、低いリスク評価になってしまうと考えられる。
表 5 には、平成 18 年度の有機溶剤の取り扱い調査に基づき、筑波大学で取り扱われている有機溶剤を列挙し、これらの性状と管理濃度も示した。有害性の大きい第一種有機溶剤の管理濃度は、低い濃度に決められているので、注意が必要である。
ただし、ベンゼンは有機溶媒であるが、特定化学物質であり、混合有機溶剤のように、実測濃度と管理濃度との比を用いない、実測濃度で評価される。
また、ベンゼンの管理濃度は、発ガン性等の有害性により、1 ppm (質量濃度 3.2 mg/m3) と厳しい値である。取り扱いに注意が必要である。

仮に、単位作業場内で、5 成分の有機溶剤を取扱っている場合に、ある測定点における、各成分の実測
濃度が c1、c2、c3、c4、c5、また、各成分の管理濃

1

2

3

4
5

6

図 3. 五成分混合有機溶剤標準ガスのクロマトグラム
1 : ヘキサン、2: 二硫化炭素、3: アセトン
4: 酢酸エチル、5: ｼﾞｸﾛﾛﾒﾀﾝ、6: ｸﾛﾛﾎﾙﾑ
液相: PEG 20M 10%, ｵｰﾌﾞﾝ温度 55℃ (一定)

4.5 作業環境の評価計算方法の概要

度が E1、E2、E3、E4、E5 とすると、各成分の実測
濃度と各々の管理濃度との比の総和
C= c1/ E1+ c2/ E2+ c3/ E3+ c4/ E4+ c5/ E5を計算する。そして、この値を、その測定点での混作業環境評価基準 (厚生労働省告示第 192 号、平成
13 年 4 月 27 日改正) の第 2 条、第 3 条に、測定結果

表 4. 五成分の低濃度有機溶剤標準ガスの回収率

標
準
ガ
ス
V
VI
VII
VIII
IX

各 成
分
の 調
製 濃
度
ppm
9.72
9.78
9.79
9.84
9.77

平均回収率、%回収率の標準
偏差
相対標準偏
差、%

ヘキサン

アセトン

酢酸エチル

ｼﾞｸﾛﾛﾒﾀﾝ

クロロホルム

実測
濃度
ppm

回 収
率、%

実測
濃度
ppm

回 収
率、%

実測
濃度
ppm

回 収
率、%

実測
濃度
ppm

回 収
率、%

実測
濃度
ppm

回 収
率、%

8.46
8.15
8.46
8.77
8.15

87.0
83.3
86.4
89.1
83.4

6.53
6.74
6.74
6.99
6.02

67.2
68.9
68.8
71.0
61.6

8.92
8.75
8.58
9.22
8.44

91.8
89.5
87.6
93.7
86.4

9.08
8.24
8.76
8.76
8.76

93.4
84.3
89.5
89.0
89.7

10.3
11.4
10.7
10.7
10.5

105.4
116.4
109.3
108.7
107.5

85.8

67.5

91.8

89.2

109.5

2.48

3.56

3.45

3.24

4.2

2.9

5.3

3.8

3.6

3.8

17

の評価法、計算式が規定されている。ここでは、作業環境測定結果を受け取った時に、その結果を理解して、作業環境測定の実施を、実験室のリスクアセ
スメントとして有効に活用するために、作業環境評
価法の概要説明を加える。
一日間 A 測定の実測濃度 (又は混合有機溶剤の換算値) C は、対数にして、標準偏差 logσ1、平均値 logMを計算する。そして、経験的に分かっている日間変動を考慮して、図 4 右の正規分布の標準偏差 logσを、
log2σ= log2σ1+ 0.084
により計算する。
濃度分布の上限 5%に相当する濃度が、第一評価値
EA1 になるので、図 4 右の正規分布に示すように、
logEA1=logM + 1.645×logσの上式で、第一評価値 EA1 が求まる。
この第一評価値 EA1（上限 5%の濃度）が、管理濃度 E に等しい時を、第一管理水準といい、この時に成り立つ式loge E= logM + 1.645×logσ
で描ける曲線が、図 5 の第一管理水準の曲線になる。
作業環境が良好な評価の「第一管理区分」とは、第一評価値 EA1 が、管理濃度 E 未満の状況を言う。つまり、
logEA1 < logEが成り立つ図 5 の左端の領域内に、その測定結果(σ,M )で決まる点が入る。
図 4 左に示したように、対数正規分布形の有害物
質濃度の算術平均値が、第二評価値 EA2 になる。
数学的に、対数正規分布の算術平均 [C] は、
ln [C] =lnM + 1/2×ln2σで求まる。そして、第二評価値 EA2 が管理濃度に等しい時を、第二管理水準と言う、つまり、[C](= EA2)=E である。
従って、第二管理水準では、
ln E =lnM + 1/2×ln2σとなる。
常用対数で書き表すと、
log E =logM + 1.151×log2σであり、この式で図 5 の右の曲線が描ける。作業環
境が、最も悪い評価の「第三管理区分」は、第二評
価値が、管理濃度を超えている状況を言う。つまり、
logEA2>logE = logM + 1.151×log2σで示される図 5 の右端の領域内に、その測定結果 (σ,M )で決まる点が入る。最後に、良好でない要改善作
業場の第二管理区分は、
logEA2≦logE≦logEA1で示される図 5 の真ん中の領域内に入る点 (σ, M)で示される。

表 5. 筑波大学で取り扱われている有機溶剤の性状と管理濃度

有機溶剤名称

密度

分子
量

沸
点℃

飽和蒸
気圧
mmHg

管理
濃度
ppm

ｸﾛﾛﾎﾙﾑ

1.48

119.4

61

195

10

ﾄﾘｸﾛﾛｴﾁﾚﾝ

1.476

131.4

87

74.3

25

ｸﾛﾛﾍﾞﾝｾﾞﾝ
DMF
1-ﾌﾞﾀﾉｰﾙ
ﾍｷｻﾝ
ﾄﾙｴﾝ
ｐ-ｷｼﾚﾝｏ-ｷｼﾚﾝ
ｼﾞｸﾛﾛﾒﾀﾝ
2-ﾌﾞﾀﾉｰﾙ
酢酸ﾌﾞﾁﾙ
ﾒﾀﾉｰﾙ
ｲｿﾌﾟﾛﾋﾟﾙｱﾙｺｰﾙ
ﾒﾁﾙｴﾁﾙｹﾄﾝ
酢酸ｴﾁﾙ
ﾃﾄﾗﾋﾄﾞﾛﾌﾗﾝ
ｴﾁﾙｴｰﾃﾙｱｾﾄﾝ
ﾍﾞﾝｾﾞﾝ

1.106
0.945
0.808
0.655
0.862
0.857
0.876
1.307
0.803
0.876
0.786
0.781
0.798
0.891
0.881
0.708
0.785
0.879

112.6
73.1
74.1
86.2
92.1
106.2
106.2
84.9
74.1
116.2
32
60.1
72.1
88.1
72.1
74.1
58.1
78.11

132
153
117
69
111
138
144
40
100
127
65
82
80
77
67
35
56
80.1

11.8
3.7
6.47
151
28
8.7
6.6
436
17.6
81.3
125
43.4
90.5
96.9
182
535
230
95.2

10
10
25
40
50
50
50
50
100
150
200
200
200
200
200
400
500
1

log EA1

EA2
第二評価値

95 %

度数

度数

濃度の対数

logσ

50%

50%
log M

有害物質の濃度 C

1.645logσ

図 4. 単位作業場内の有害物質の濃度分布( 対数正規分布型†)
C: 有害物質濃度, M: 幾何平均, σ: 幾何標準偏差, EA1: 第一評価値, EA2: 第二評価値†: 単位作業場内における有害物質の濃度分布は、時間的にも空間的にも左図のグラフのように低濃度側に偏った形になることが多い. そして、有害物質濃度を対数変換した値の分布は
右図のグラフのような正規分布型に近くなる.

18

5%

3

一日測定幾何標準偏差σ

2.8
2.6
2.4
第三管理区分2.2
第二管理区分2

第二管理水準(EA2=E)

第一管理区分1.8
1.6

第一管理水準(EA1 = E)

1.4
1.2
1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

M(一日測定幾何平均値)/E(管理濃度)

図 5. 管理区分と管理水準††( 一日間の A 測定)
M、σ、EA1、EA2 : 図 4 と同じ。E : 管理濃度。
第一管理水準 : logE = logM + 1.645×log σ で描ける曲線、第一管理と第二管理の境界.
第二管理水準 : logE= log M +1.151×log 2σ で描ける曲線、第二管理と第三管理の境界.
††：品質管理の手法と同じように、作業場における気体中有害物質濃度の測定結果から求まる(σ、M)を点で示して、管理水準との隔たりの程度から、直感的に、作業環境の良否を判断することができる.

参考文献
厚生労働省安全衛生部環境改善室編: 作業環境測定
ガイドブック５，有機溶剤関係, 日本作業環境測定協会 (平成 10 年 6 月).
[2] 厚生労働省安全衛生部環境改善室編: 労働衛生管理とデザイン・サンプリングの実務, 日本作業環境測定協会 (平成 15 年 4 月).

[1]

19

[3] 松村芳美, 活性炭による有機、無機化合物の気相吸着,
表面, 29 (1991) 76.
[4] 深堀すみ江, 多田治, 菅井勤, 環境中の有機溶剤蒸気の測定－活性炭管法における回収率についての実験的研究－, 労働科学, 3 (1987) T21.

筑波大学技術報告
27: 20-25, 2007

水素中の CO 選択酸化反応触媒 (K2CO3 - Rh/SiO2) の調製法と透過型電子顕微鏡観察伊藤伸一
筑波大学数理物質科学等支援室（物性・分子工学専攻）〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1

m2/g 以上のものまである。SiO2 に Rh を担持した触媒を Rh/SiO2 のように表す。
燃料電池用水素製造過程で生成する一酸化炭素
Oh と Sinkevitch は Al2O3 に担持した貴金属触媒が、(CO) を選択的に酸化除去する触媒の調製法と、透過
水素過剰雰囲気での CO 選択酸化反応に有効である型電子顕微鏡 (TEM) 観察の結果について報告する。
ことを報告している[4]。また、これまでの研究で、担二酸化ケイ素担持ロジウム触媒 (Rh/SiO2) にアルカリ（カリウム）を添加した K2CO3-Rh/SiO2 触媒は、 持 Rh 触媒に Nb2O5 やアルカリを添加したものがこの
水素過剰雰囲気で CO をほぼ完全に酸化した。この 反応に高活性を示すことが報告されている[5-8]。アル触媒を調製する際に、どの段階でアルカリを添加す カリ添加 Rh/SiO2 触媒を用いた場合、水素が 75 vol%るかが重要であることがわかった。最も高活性であ 存在する過剰雰囲気での CO 選択酸化反応では、COった触媒は、三硝酸ロジウム (Rh(NO3)3) 溶液と炭酸
濃度は 10 ppm 以下にまで減少した[6-8]。また、最近こカリウム (K2CO3) 溶液の逐次含浸法により調製したものであった。この触媒は TEM 観察によると、 のアルカリの添加効果は担持 Pt 触媒にもみられるこ[9-11]。
他の触媒にはみられない特異な “Fish-egg” 構造を とがわかった
持っていた。また、Rh とアルカリとの相互作用によRh/SiO2 触媒に、アルカリ（特にカリウム (K)）をり CO 選択酸化反応の高い活性が得られたことがわ 添加する場合、その最適な K/Rh 比は 3 であることかった。
がわかった[7, 8]。さらに、カリウムを添加する場合、触媒調製のどの段階が最も効果的かを調べた結果、
１．はじめにRh(NO3)3 溶液を SiO2 担体に含浸し、乾燥後に K2CO3
地球温暖化対策のひとつとして、燃料電池の普及 溶液を含浸する方法（逐次含浸法）が最適であるこが進められている。自動車などの移動体へ搭載する とがわかってきた[8]。この触媒を透過型電子顕微鏡
ものとしては、固体高分子形燃料電池がその始動性 (TEM) で観察したところ、他の触媒に見られない特や軽量さから適している。燃料となる水素は、式 (1) 異な構造が見られた。ほとんどの Rh 微粒子は均一なで示したメタノール (CH3OH) の水蒸気改質反応な
大きさ (2 nm) で、多くの Rh 微粒子が寄り集まったどにより生成される。しかし、メタノールの一部は 集合体が見られた。しかも、これらの微粒子は互い
式 (2) で示した分解が起こり CO を生成する。改質に離れて存在している。このような構造は、まるでガスには通常、1 ~ 2 vol%の CO が含まれる。
魚の卵のように見えることから “Fish-egg” 構造とCH3OH + H2O → 3H2 + CO2(1)
名づけた[8]。これは、触媒の調製時に担持成分である
CH3OH → 2H2 + CO
(2)
Rh とカリウムが相互作用した結果と考えられる。ま燃料電池の電極に使用される白金 (Pt) は CO を強く た、この触媒が水素過剰雰囲気での CO 選択酸化反吸着するため、燃料水素ガス中に CO が存在すると 応に高活性であることから、Rh とカリウムの相互作
発電性能が低下してしまう。CO 濃度の許容範囲はお 用がこの反応に深く関与していることがわかった。
よそ 10 ppm 以下である[1, 2]。純粋な Pt 電極に比べて、本報告では、カリウムを添加した Rh/SiO2 触媒（こPt-Ru 合金を用いた電極においても、100 ppm 以下で れ以降 K2CO3-Rh/SiO2 とあらわす）の調製法と TEMあることが要求される[3]。したがって、改質ガス中の 観察の結果について検討した結果を報告する。また、
CO を酸化除去する必要がある。しかし、水素過剰雰
水素中の CO 選択酸化反応の結果についても報告す
囲気での CO 酸化反応は、水素が優先的に酸化してる。
しまうことから非常に難しい。そこで、CO 酸化に選
２．実験
択的な触媒が必要である。
触媒とは、化学反応の速度を変化させる物質である。担持貴金属触媒とは比表面積の大きい固体（担 2. 1 触媒調製
体という）上に貴金属の微粒子を分散及び固定（担今回用いた SiO2 担体は触媒学会参照触媒委員会か持という）したものである。担体には、二酸化ケイら提供された JRC-SIO-7 (BET 比表面積：81 m2/g)を素 (SiO2) や三酸化二アルミニウム (Al2O3) あるい
900℃で予備焼成 (3 時間)した後使用した。
は炭素 (C) などがあり、比表面積は数十から 1000

概要

20

カリウムを添加していない Rh/SiO2 触媒は、SiO2
担体 1 g に Rh(NO3)3 溶液 (Rh: 1.05×10-2 g/ml, pH = 0.8,
1.9 ml)を含浸 (incipient wetness) し、110℃で一晩乾燥後、500℃で 3 時間マッフル炉により空気焼成した
後、反応前処理として 500℃水素還元を行った。触媒の Rh 担持率は 2 wt%とした。
カリウム添加触媒は以下の 3 つの方法により調製した。逐次含浸法 (Sequential impregnation, 以下 (SI)と表記する)、共含浸法 (Co-impregnation, 以下 (CI)と表記)、および逐次焼成法 (Sequential calcination, 以
下 (SC) と表記)である。Rh 担持率はすべて、2 wt%、
K/Rh 比は 3 に統一した。逐次含浸法では、SiO2 担体
1 g に Rh(NO3)3 溶液 1.9 ml を含浸 (incipient wetness)、
乾燥後に K2CO3 溶液 (K2CO3: 4.03×10-3 g/ml, pH =11.0, 10 ml) を滴下しながら乾燥（蒸発乾固）し、全量を滴下後、110℃で一晩乾燥し、500℃で 3 時間空気焼成した。共含浸法では、SiO2 担体 1 g に Rh(NO3)3溶液と K2CO3 溶液を混合した溶液を含浸（蒸発乾固）したのち、110℃で一晩乾燥後 500℃で 3 時間空気焼成した。逐次焼成法では、SiO2 担体 1 g に Rh(NO3)3
溶液を含浸 (incipient wetness) し、110℃で一晩乾燥
後、一度 500℃で 3 時間空気焼成した後、K2CO3 溶液を滴下しながら乾燥（蒸発乾固）し、全量を滴下後、110℃で一晩乾燥し、500℃で 3 時間空気焼成した。
いずれの触媒も、反応前処理として 500℃水素還元を行った。

2. 2 透過型電子顕微鏡 (TEM) 観察
約 10 mg の触媒をメノウ乳鉢で粉砕後、5 ml の蒸
留水に分散させ超音波を 1 分間照射した後、粘着処理をほどこしたマイクログリッド（試料用支持膜）
上にマウントした。
観 察 は 本 学 医 学 系 電 子 顕 微 鏡 室 に あ る 、 TEM(JEOL 100CX) を利用した。Rh 微粒子の平均粒子径は、1 つの試料につき 1850
個の微粒子の粒子径を測定し volume-area 平均（dVA）を計算し、分散度 (D) を求めた[12, 13]。分散度とは、触媒微粒子の全金属原子数に対する表面原子数の割合である。Rh の場合、粒子径が 1.098 nm で分散度が 1（最大）となる。平均
粒子径と分散度との関係は以下の式で示される。
D = 1.098 /dVA

2. 3

水素吸着量、CO 吸着量測定

触媒のキャラクタリゼーション（ガス吸着量などの特性を明らかにすること）として水素吸着量、CO吸着量測定を真空系吸着装置（到達真空度: 1×10-5
Pa）を用いて行った[12, 14]。用いた触媒量は 150 mg で、触媒の前処理は測定装置内で 500℃水素還元を行っ

21

た後、真空脱気処理を 450℃で 1 時間行った。水素吸着測定は室温において水素を導入し、1 時間後、吸着
平衡圧力 500 ~ 1000 Pa の範囲で測定した。CO 吸着量についても同様に行った。吸着量の測定結果から、
H/Rh, CO/Rh を求めた。

2. 4

水素中の CO 選択酸化反応

反応は常圧固定床流通式反応装置を用いて行った。
用いた触媒は 25 mg で、SiO2 75 mg と混合し、内径 6mm の石英反応管につめ、前処理として 500℃水素還元を行った。反応ガス組成は、CO: 0.2 vol%, O2: 0.2
vol%, H2: 75 vol%, He バランスで、全流量は 100
ml/min とした。ガスの分析は TCD ガスクロマトグラ
フ (Shimadzu GC-8A)を用いた。反応活性は CO 転化
率と、酸素 (O2) 転化率で示した。また、選択性は次式で示したように、反応した酸素が CO の酸化に消費された割合で表した[5-10]。
酸化した COS%=

1
×

反応した酸素×100
2

３．結果と考察
図 1 に 500 ℃ 還 元 後 の Rh/SiO2 触 媒 とK2CO3-Rh/SiO2(SI) 触媒の TEM 写真を示した。図 1(a) に示したように、アルカリ（カリウム）を添加していない Rh/SiO2 触媒では 10 nm 程度の Rh 粒子が確認できた。これらの Rh 粒子は比較的大きく、低分散であった。また、粒子径分布も広いことがわかった。
一方、逐次含浸法により調製した K2CO3-Rh/SiO2 (SI)
触媒は、図 1 (b) に示したようにきわめて特異的な構造を持っていることがわかった。Rh 粒子径は 2 nm程度と小さく均一で、高分散である。また、これらの Rh 微粒子が寄り集まった集合体を形成している（図 1 (b) 中央）。しかも、それぞれの Rh 微粒子は、密集しているにもかかわらず、互いに離れて存在している。この特異的な構造は、まるで魚の卵のように見えることから、“Fish-egg” 構造と名づけた[8]。単独で存在している Rh 微粒子もあるが、いたるところにこの特異な構造が見られることが、この触媒の大きな特徴のひとつである。なお、どのような機構で“Fish-egg” 構造が生成するかについては、現在検討中である。Rh/SiO2 触媒と比較するために、Rh 微粒
子の粒子径分布を求めた結果を図 2 に示した。アル
カリを添加していない Rh/SiO2 触媒では、分布が比較的 広 く 10 nm 程 度 の 粒 子 も 見 ら れ た 。 一 方 、K2CO3-Rh/SiO2 (SI) 触媒では、Rh 粒子径の分布は非常に鋭く、7 nm を超えるものは見られなかった。担

(a)

(a)

50 nm

50 nm

(b)

(b)

50 nm

50 nm
図 1. 500℃還元後の触媒の透過型電子顕微鏡写真(a) Rh/SiO2、(b) K2CO3-Rh/SiO2 (SI).

図 3. カリウム添加方法の違いによる K2CO3-Rh/SiO2
触媒の透過型電子顕微鏡写真(a) K2CO3-Rh/SiO2 (CI)、(b) K2CO3-Rh/SiO2 (SC) .

1500

1500

粒子数

500
0

1500

粒子数

(a)

1000

0

1

1

2

2

3

3

500

0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10
粒子径 / nm

1500

(b)

(b)

1000
500
0

1000

0

4 5 6
7 8 9
10
4 粒子径
5 6/ nm7 8 9 10

粒子数

粒子数

(a)

1000
500
0

0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1010
粒子径 / nm

図 2. Rh/SiO2 触媒と K2CO3-Rh/SiO2 (SI)
触媒の Rh 粒子径分布(a) Rh/SiO2、(b) K2CO3-Rh/SiO2 (SI).

0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10
粒子径 / nm

図 4. K2CO3-Rh/SiO2 (CI) と K2CO3-Rh/SiO2 (SC)
触媒の Rh 粒子径分布(a) K2CO3-Rh/SiO2 (CI)、(b) K2CO3-Rh/SiO2 (SC).

22持貴金属触媒の場合、貴金属粒子径が小さいほど、 ように、一度焼成した触媒は Rh 微粒子の粒子径が固全金属原子数に対する表面原子数の割合が高く、望 定されてしまい、カリウムの添加によって溶け出し
ましいとされる（高分散触媒)。それは、触媒反応がたりしない、安定な状態になっているものと考えら
触媒表面でのみ起こることから、バルク（塊）中に れる。
存在する原子が少ないほど貴金属を有効利用できる
今回、検討した 4 種類の触媒の TEM 観察結果からためである。この観点から、Rh/SiO2 触媒にカリウム Rh 微粒子の平均粒子径 (dVA) を求め、分散度（D）を添加したことはポジティブな結果をもたらしたと を算出した。また、水素吸着量 (H/Rh)、CO 吸着量いえる。
測定 (CO/Rh) の結果を表 1 にまとめた。カリウムを図 3 にカリウムの添加方法を変えた Rh/SiO2 触媒の 添加していない、Rh/SiO2 触媒の Rh 平均粒子径は 6.2
透過型電子顕微鏡写真を示した。図 3 (a) は Rh(NO3)3 nm であった。また、この結果から算出した分散度は0.18 で Rh は低分散であった。また、水素吸着量、COと K2CO3 の混合溶液を SiO2 担体に含浸（共含浸）し
吸着量はそれぞれ 0.14 と 0.15 であった。一般的にた K2CO3-Rh/SiO2 (CI) 触媒である。Rh 微粒子は非常に高分散であり、その粒子径も均一であった。この 分散度（D）と H/Rh, CO/Rh はよく一致するが、この結果も同様であることがわかる。一方、カリウムをことから、アルカリ（カリウム）の存在が Rh 微粒子の形成に深く関与していることがわかった。一方、 添加した触媒では、異なる結果が得られた。逐次含浸法により調製した K2CO3-Rh/SiO2 (SI) 触媒では Rh
Rh(NO3)3 溶液を含浸し、乾燥、焼成した後、K2CO3
微粒子の平均粒子径は 2.8 nm で Rh/SiO2 触媒に比べ溶液を含浸後、乾燥、焼成した触媒 K2CO3-Rh/SiO2
ると、分散度が 0.18 → 0.39 と向上していることが(SC) （逐次焼成）は、図 3 (b) に示したように、カわかった。水素吸着量は 0.42 で分散度にほぼ一致しリウムを添加していない Rh/SiO2 触媒とほとんど変化がないことがわかった。Rh 粒子径は比較的大きく、 た。しかし、CO 吸着量は 0.16 とかなり低い値を示
粒子径も均一ではなかった。図 4 に、粒子径分布の した。これは、水素は吸着するが、CO は吸着できな
い Rh の吸着サイトが存在することを示している。お測定結果を示した。
そらく、Rh とカリウムとの相互作用により Rh の電図 4 (a) に示したように、Rh(NO3)3 と K2CO3 の混子状態が変化しているのであろう。一般に CO の金合 溶 液 を SiO2 担 体 に 含 浸 （ 共 含 浸 ） し た
K2CO3-Rh/SiO2 (CI) 触媒では、Rh 粒子径は非常に鋭 属表面への吸着は、CO の 5σ軌道の電子が金属に流れ込み、金属の d 軌道の電子が CO の反結合性軌道
い分布であることがわかった。数えた微粒子 1850 個のうち、1395 個が 1~2 nm の粒子径であり、これは に移行（逆供与）しπ結合を作るという Blyholder モ
デルで説明できる[15,16]。カリウムを添加した触媒で全体のおよそ 75%に相当する。また、4 nm を超える
ものはほとんどなかった。このことは、Rh(NO3)3 とは、水素吸着量に比べて CO の吸着が抑制されるこ
K2CO3 を混合溶液とすることで、溶液の pH が上昇し、 とから、カリウムの存在が Rh の電子状態を変化させ
Rh 錯体の状態が変化したことによるものと考えてい ていると考えられる。ここで、カリウムの添加効果
は 2 つあることを確認しておく。1 つは触媒調製時にる[8]。一方、Rh(NO3)3 溶液を SiO2 担体に含浸後、一度焼成を行った後、K2CO3 溶液を含浸し、再び焼成 おける Rh の微粒子化であり、もう 1 つは Rh 電子状態の変化である。共含浸法により調製した
した逐次焼成 K2CO3-Rh/SiO2 (SC) 触媒では、図 4 (b)に示したように、Rh 微粒子の分布は、カリウムを添 K2CO3-Rh/SiO2 (CI) 触媒では、Rh 微粒子の平均粒子
加していない Rh/SiO2 触媒とほとんど同じであった径 (dVA) は今回用いた触媒中もっとも小さく 2.2 nm（図 2 (a) 参照）。これは、TEM 写真からもわかるであった。また、分散度（D）は 0.50、水素吸着量(H/Rh) は 0.52 であったが、CO 吸着量 (CO/Rh) は著しく抑制され、わずか 0.01 であった。この触媒は、
表 1. 触媒のキャラクタリゼーションの結果
調製時に Rh(NO3)3 と K2CO3 を混合溶液として用い
a)
c)
d)
e)
ることから、Rhとカリウムがより強く相互作用して
触媒
dVA
H/Rh
CO/Rh
D
b)
いると考えられる。逐次焼成法により調製した(nm)
K2CO3-Rh/SiO2 (SC) 触媒では、Rh の平均粒子径は 5.5
Rh/SiO2
6.2
0.18
0.14
0.15
nm であり、カリウムを添加していない Rh/SiO2 触媒
K2CO3-Rh/SiO2 (SI)
2.8
0.39
0.42
0.16
とほぼ同じであった。分散度に対して水素吸着量は、
K2CO3-Rh/SiO2 (CI)
2.2
0.50
0.52
0.01
ほぼ一致したが、CO 吸着量は 0.00 であり、著しく
K2CO3-Rh/SiO2 (SC)
5.5
0.20
0.18
0.00
抑制された結果となった。（ただし、CO 吸着量が完a) 500℃水素還元後、b) Rh 微粒子の平均粒子径（volume-area[12, 13]
全に 0 ではなかった。）これは、Rh(NO3)3 溶液を含平均
： 粒子径の 3 乗の総和を 2 乗の総和で除したも浸、乾燥後に焼成したことで、Rh は SiO2 担体に固定の）、c) 分散度（全 Rh 原子数に対する表面原子数の割合）、
され、カリウムを添加しても粒子径については、まd) 全 Rh 原子に対する吸着水素原子の割合、e) 全 Rh 原子
ったく影響を受けなかったと考えられる。また、COに対する吸着 CO 分子の割合.
吸着量がほとんどなかったことについては、Rh 微粒

23CO 酸化選択率 (%)

O2 転化率 (%)

CO 転化率 (%)

子の表面のかなりの部分がカリウムで覆われてしま は水素の酸化が優勢となり CO 酸化が起こらないことがわかった。一方、最も高活性を示した触媒は、ったためと考えられる。
Rh(NO3)3 と K2CO3 溶液を逐次含浸して調製した
図 5 に水素中の CO 選択酸化反応活性の反応温度依存性を示した。Rh/SiO2 触媒は、90℃から CO 酸化
K2CO3-Rh/SiO2 (SI) 触媒であった。CO 酸化反応はが始まるが、130℃で CO 転化率が 85%になるものの、 50℃で始まり、CO 転化率は 130℃でほぼ 100%に到
それ以上反応温度を上げても横ばいであった。酸素 達した。TCD ガスクロマトグラフの検出感度を考慮
転化率をみると、130℃以上で 100%になっており、 すると、CO の残存濃度は 10 ppm 以下であることか
また選択率は 50%未満であることから、130℃以上でら、この研究の目的である CO 除去がほぼ完全に達成できたと考えられる。酸素転化率は 50℃では 10%程度であり低温領域では水素の酸化が優勢である
100（選択率が低い)。しかし、80℃付近から選択率は上昇し、130℃（CO 転化率が 100%）では 50%に到達し80た。（反応ガス組成から、CO が完全に酸化し、残りの酸素がすべて消費した場合、選択率は 50%が最大60となる。）Rh(NO3)3 と K2CO3 の混合溶液を用いて調製（共含浸）した K2CO3-Rh/SiO2 (CI) 触媒では、100℃
40付近から CO 酸化反応が始まり、130℃では CO 転化
率は 10%程度で Rh/SiO2 触媒よりも活性は低かった。
20
しかし、反応温度の上昇とともに CO 転化率も上昇
し、190℃で 100%に到達した。選択率は 50%に到達
0
50
100
150
200
した。Rh(NO3)3 を含浸後に一度焼成し K2CO3 溶液を含浸し、逐次焼成した、K2CO3-Rh/SiO2 (SC) 触媒で100
は、活性はさらに低いことがわかった。図には表示していないが、反応温度を 220℃に上げることで、80
CO 転化率は 100%に到達した。また、選択率は 50%に到達した。以上のことから、カリウムを添加した
60
触媒は活性の差はあるものの、水素過剰雰囲気での
微量 CO をほぼ完全に酸化除去できることがわかっ40た。
カリウム（アルカリ）を添加するとなぜ、高活性20が得られるかについては、次のように考えている。
K2CO3-Rh/SiO2 (SI) 触媒を用いた実験について、CO
0
50
100
150
200
酸化反応速度に対する水素分圧依存性、酸素分圧依存性を調べたところ、それぞれ 0.4 次、1.1 次で、い[8, 17]
ずれも正の次数であった。このことから、水素、100
酸素の反応によって生成した表面 OH 種が CO 選択酸
80化に関与していると考えられる。反応メカニズムの詳細については現在検討中であるが、現段階では図 660に示したように考えている。まず、触媒である Rh とカリウムとの界面に水素、酸素が解離吸着する。Rh40
表面上で生成した OH 種はカリウムによって一時的に保持される。この OH 種と吸着した CO が反応し、20中間体を経て CO2 として脱離する。中間体については、図に示したものであると断定するのは難しく、
0
50
100
150
200
推測である（反応速度が速いため、触媒表面上での滞在時間が極めて短く、したがって、赤外吸収スペ
反応温度 (℃)
クトルなどの測定が困難である)。一方、カリウムが存在しない Rh/SiO2 触媒の場合については、次のよ
図 5. 水素中の CO 選択酸化反応活性のうに考えられる。Rh 表面上で解離吸着した、水素と反応温度依存性
酸素が反応して生成した OH 種は、別に解離吸着し■：K2CO3-Rh/SiO2 (SI)、▲：K2CO3-Rh/SiO2 (CI)、た水素と直ちに反応し水として脱離する。水素の酸▽：K2CO3-Rh/SiO2 (SC)、○：Rh/SiO2.
化が優先して起こるため、CO の酸化活性は低いと考24

えられる。この表面 OH 種の関与については、担持Pt 触媒にアルカリを添加した触媒を用いた研究においても、支持されている[9, 10]。

O2

H2
O

H

- K -Rh - Rh -- K -Rh - Rh -1. 反応前

2. 水素、酸素の解離吸着

H
O

CO

H
O

- K -Rh - Rh -- K -Rh - Rh -3. OH 種の保持

4. CO の吸着

５．謝辞
透過型電子顕微鏡観察についてご協力いただきま
した、筑波大学医学系電顕室の大野良樹氏に感謝いたします。触媒反応試験にご協力いただきました、
筑波大学数理物質科学研究科、国森・冨重研究室の田中久教氏、峯村雄治氏、栗山正俊氏、石田洋一氏に感謝いたします。数学的観点から、ご助言いただ
きました数理物質科学等支援室の間宮精一氏に感謝いたします。触媒調製の段階からさまざまなご助言をいただきました、東北大学多元物質科学研究所の亀岡聡助教授に感謝いたします。また、ご多忙中にもかかわらず本研究を御指導いただきました筑波大
学数理物質科学研究科、冨重圭一助教授、国森公夫
教授に深く感謝いたします。

参考文献[1] B. Höhlein, M. Boe, J. Bøglid-Hansen, P. Bröckrhlff, G.
Colsman, B. Emonts, R. Menzer, E. Riedel, J. PowerH
O

Sources 61 (1996) 143.

CO2

O
C

H

- K -Rh - Rh -- K -Rh - Rh -International Symposium on Proton Conducting Membrane

5. 反応中間体？

6. CO2 の脱離Fuel Cells (1995) 12.

[2] B. Rohland, V. Plzak, J. Power Sources 84 (1999) 183.
[3] M. Iwase, S. Kawatsu, in: Proceedings of the First[4] S. H. Oh, R. M. Sinkevitch, J. Catal. 142 (1993) 254.
[5] S. Ito, T. Fujimori, K. Nagashima, K. Yuzaki, K. Kunimori,

図 6. K2CO3-Rh/SiO2 (SI) 触媒による水素中の CO 選択酸化反応モデル.

Catal. Today 57 (2000) 247.
[6] H. Tanaka, S. Ito, S. Kameoka, K. Tomishige, K. Kunimori,
Catal. Commun. 4 (2003) 1.
[7] H. Tanaka, S. Ito, S. Kameoka, K. Tomishige, K. Kunimori,Appl. Catal. A: 250 (2003) 255.

４．まとめ

[8] S. Ito, H. Tanaka, Y. Minemura, S. Kameoka, K.

Rh/SiO2 触媒にカリウムを添加した触媒は、Rh とカリウムとの相互作用により水素中の CO 選択酸化反応に高い活性を示した。カリウムの添加方法について、逐次含浸法、共含浸法、逐次焼成法の 3 つの方法を検討した結果、活性の序列は以下のとおりであった。
逐次含浸法 ＞ 共含浸法 ＞ 逐次焼成法
最も高活性を示した逐次含浸法による触媒は、透過型電子顕微鏡観察により、特異な構造（“Fish–egg”
構造）を持っていることがわかった。Rh 微粒子の粒子径は均一かつ高分散であり、また、カリウムとの相互作用が発現した。この系については逐次含浸法
が最適の調製法であるということがわかった。
今回の研究とは別に他の触媒系についても、第二成分を添加する方法として逐次含浸法は、本来の触媒成分の高分散化や第二成分との相互作用の発現が考えられ、高い活性、選択性を持つ触媒の調製が期
待できる。

25

Tomishige, K. Kunimori, Appl. Catal. A: 273 (2004) 295.
[9] Y. Minemura, S. Ito, T. Miyao, S. Naito, K. Tomishige, K.
Kunimori, Chem. Commun. 2005, 1429.
[10] Y. Minemura, M. Kuriyama, S. Ito, K. Tomishige, K.
Kunimori, Catal. Commun. 7 (2006) 623.
[11] C. Pedrero, T. Waku, E. Iglesia, J. Catal. 233 (2005) 242.
[12] K. Kunimori, T. Uchijima, M. Yamada, H. Matsumoto, T.
Hattori, Y. Murakami, Appl. Catal. 4 (1982) 67.
[13] J. R. Anderson, Structure of Metallic Catalysts, Academic
Press, New York (1975).
[14] Z. Hu, H. Nakamura, K. Kunimori, Y. Yokoyama, H.
Asano, M. Soma, T. Uchijima, J. Catal. 119 (1989) 33.
[15] G. Blyholder, J. Phys. Chem. 68 (1964) 2772.
[16] 服部英，多田旭男，菊池英一，瀬川幸一，射水雄三，
あたらしい触媒化学，三共出版，東京，1982.
[17] 伊藤伸一，博士論文「担持貴金属触媒における第二成分の添加効果と C1 化学反応への応用」（筑波大学)，(2005) 175．

筑波大学技術報告
27: 26-29, 2007

水温負荷法による体表温測定の試み
鷺野谷秀夫
筑波大学病院総務部医事課中央診療〒305-8576 茨城県つくば市天久保 2-1-1

概要
体表温を測定できるサーモグラフィーは、医療分野等で広く利用されている。しかし、サーモグラフ
ィー測定時の状況で、皮膚温は大きく変化し、正確に測定をすることができなかった。そこで、より正確な測定をするため、実験を行い有用な成果が得られたので報告する。

１．はじめに
サーモグラフィーは、人体や動物などから放出される赤外線を計測し、温度分布を画像化する機器である。そのサーモグラフィーは、乳癌等、多くの病変の診断に利用されている。
サーモグラフィーを用いて、体表温度を測定する
場合は、測定場所の室温および患者のそれまでに居た周囲温度が、大きくサーモグラフィー画像に影響を及ぼし、常に同一条件で体表温測定をすることは、非常に困難である。また、従来の方法として、同一条件で測定しようとするときは、温度と湿度を常に一定に保つことのできる、恒温恒湿室の設備等が最小限必要条件となる。しかし、このような施設があったとしても、季節的な変動による生体反応などにより、同一条件下での測定は、非常に困難な問題であった。
そこで今回、多くの施設で利用が可能である簡易な保温装置を作製した。その装置は、小さな環境条件をつくり、負荷により測定条件を一定にして、正確な測定を試みるものである。その装置を用いて、測定部位に多少の負荷を与えて、サーモトレーサ
6T67 を用い計測を行った。この実験結果から、体表温測定における環境条件の一定化及び、この実験により得られた知見について検討を行ったので報告する。また、皮膚温に特徴を持つ患者に対して、同様に応用を試みたので報告する。

図 1. サーモトレーサ 6T67

図 2. 水中用ヒーターと電子サーモスタット

２．方法
測定実験には、日本電気三栄のサーモトレーサ
6T67（図 1）を使用した。恒温装置は、200 W の水中用ヒーター2 本、電子サーモスタット、温度計を用いた（図 2）。安全性を考慮し、プラスチックのコンテ
ナを用いて、図 2 に示した各機材を取り付けた、水温負荷用の恒温水槽を作製した（図 3）。

実験１
恒温装置の水槽を 25℃に設定する。測定する部位である手は、濡れないようにビニール袋に入れて行う。負荷は、ビニール袋に入れた手を、その水槽に

26

30 秒間沈めて行った。サーモトレーサによる測定は、負荷をかける前と負荷をした直後、そして、測定する台の上に手を置いたまま動かさずに 30 秒後、1 分
後、2 分後、3 分後、5 分後、8 分後の計測を同様に行う。その画像はサーモトレーサ 6T67 の、8 画像メ
モリ機能を応用して、4 画像のマルチ表示を行い、時間経過における皮膚温の変化について比較検討する。
実験 2
恒温装置の水槽を、30℃にセットして、実験 1 と同様に測定し比較検討を行う。

下が 8 分後を示している。この画像を観察すると、負荷直後は皮膚温低下が大きいことがわかるが、徐々に回復して約 2 分後には、負荷前と同様な温度に戻っている。しかし、3 分後からは、負荷前よりも上昇していることを示している。また、手の各部位を観察すると、まず指先の温度が上昇し、次に、手背の表在性の血管が上昇し、最後に手背全体が上昇していることが観察できる。
実験 2
図 5 は、30℃の水温で負荷をかけた実験結果である。画像を観察すると、25℃の水温負荷同様に約 2分後には、負荷前と同様な温度に戻っている。しかし、その後は、大きな変化は観察できず、8 分後の測定終了まで、変化のない同様な画像を示している。

図 3. 水温負荷用の恒温水槽

実験 3
恒温装置の水槽を、35℃にセットして、実験 1 と同様に測定し比較検討を行う。
実験 4
水温負荷をかけない例として、
実験 1～3 と同様に、測定する台の上に手を置いたまま動かさずに 30 秒後、
1 分後、2 分後、3 分後、5 分後、8 分後の計測を同様に行い、水温負荷をかけた実験と比較検討する。
(1)
(2)
実験 5
冷え性の女性に対して、実験 1～3 同様に 25℃、
図 5. 30℃の水温負荷実験
30℃、35℃の水温負荷による測定を行う。そして、同一人物に対する各温度の水温負荷による反応を画
図 6 は、35 ℃の水温負荷で行った症例の実験結果像記録して、比較検討を行う。
である。(1) の左下の負荷直後の像は、手背全体がほ
実験 6
瞬間冷却スプレーを用いて皮膚に負荷を与え、実 ぼ均一に黄色の高い温度を示しているが、前例の
験 1～5 同様に測定を行う。そして、水温負荷による 25℃ と、30℃ の負荷同様に (2) 左上の 2 分後には負荷前と同様の皮膚温を示している。また、反応と比較し、その特徴を検討する。
その後は、25℃ で行った実験同様に、2 次的な血実験 7
臨床への応用として皮膚科患者に対して、水温負 管拡張を起こし、皮膚温が徐々に上昇している。
荷を与え実験 1～3 同様に測定を行い検討する。

３．結果
実験 1
図 4 は、25℃の水温で負荷をかけた実験結果である。(1) の左上は、負荷をかける前の皮膚温の状態を示し、その下が負荷をかけた直後を示したものであり、まったく異なる画像を示している。そして、右

(1)
図 4.

(2)
25℃の水温負荷実験

上の画像は、30 秒後を示し、右下は、1 分後、次に (2)の左上が 2 分後、左下が 3 分後、右上が 5 分後、右

27

(1)

(2)

図 6. 35℃の水温負荷実験
図 7 は、測定する板の上に手を乗せて、水温負荷をかけずに、その直後から 10 分間測定を行った画像である。測定法は、まず椅子に腰を掛けて両手を垂直に下げて、5 分間安静にしてから行った。(1) の左上の図は、板の上に手を置いた直後を示し、その下が 30 秒後、右上が 1 分後、右下が 2 分後であり、右上が 8 分後、右下が 10 分後を示している。直後から
2 分後までは、ほとんど変化はなく、皮膚温は安定している。しかし、 (2) の 3 分後の画像では、手背の血管像が観察され、それから 10 分後まで徐々に皮膚温が上昇していることが分かる。

一回下がった皮膚温が、また上昇する特異な反応を
示した。

(1)

(2)

図 7.

負荷をかけない例(1)

冷え性の女性に対して、各温度の水温負荷の実験を同様行った。図 8 は、25℃の水温で負荷をかけた実験結果である。測定法は、前例同様に直後から 8分後の測定を行った。この実験では、負荷直後から皮膚温は上昇しているが、8 分経過した後でも負荷前の皮膚温に戻らず、負荷前よりも、皮膚温が戻っていないことが分かる。

(1)
図 8.

図 9.

35℃の水温負荷

次に、スポーツの際の怪我などに用いられる瞬間
冷却スプレーを使用して、同様な実験を行った。図
11 は、瞬間冷却スプレーを約 10 ㎝ の位置から 3 秒
間スプレーをして、手背に負荷を与え、前例同様に計測を行った画像である。スプレーによる方法は、計測部位前面を、均一に負荷することは難しく、(1)の左下の画像に示されるように、スプレー直後には、冷却ムラが多く見られる。しかし、この冷却ムラは、
1 分後から 8 分後までの画像では観察できず、一様に皮膚温が上昇している。これにより、不均一な負荷を与えても、水温負荷同様な結果が得られ、多少のムラがある負荷でも測定が可能であることが分かる。

(2)
冷え性に対する例

図 9 は、図 8 の女性を 30℃ の水温で負荷をかけた実験結果である。この画像を観察すると、25℃ の
水温負荷同様に徐々に皮膚温は上昇しているが、8分後でも元の温度に戻っていないことが分かる。また、(2) の右下で示された 8 分後の画像では、左手に比較して右手の温度が上がらず、左右の反応が同一でないことを示している。

(1)

図 10.

(2)

(1)

(2)

図 11. 冷却スプレーの負荷(2)
30℃の水温負荷

図 10 は、前例の女性の 35℃ の水温負荷による測定結果である。この画像は、前例の 25℃、30℃ の反応とは異なり、負荷直後の温まった手背が徐々に冷えていき、2 分後には負荷前に近い状態に戻っていることが観察できる。しかし、(2) に示されるように手
背の皮膚温は、3 分後から 8 分後まで上昇を示して、

28

図 12. 臨床診断メラノーマの臨床写真
図 12 は、皮膚科患者の臨床写真であり、臨床診断
は、メラノーマである。図 13 は、図 12 に示した両足を 25℃で 30 秒間負荷を与えて、6 分間の測定を行 手の温度に差があったため、生じたと考える。そのったサーモグラフィー画像である。測定時間は、負 熱伝導の差異により、手の平は冷刺激を受けて、二荷前と負荷直後から 6 分後まで計測した。また、右 次的な血管反応を起こして皮膚温が上昇したものと足及び左足の正常部位の皮膚温が 25℃であったため、 考える。
同様な水温で負荷を与えた。(1) の左下に示された負冷え性の女性に対して行った実験では、25℃ と荷直後の画像は、負荷前と比較して足の裏全体が一 30℃ で 8 分経過した後も負荷前の皮膚温に戻らず、様な皮膚温を示している。そして、正常部位と病変 二次的血管反応も認められなかった。この結果から、部位は、正常部位が 6 分経過した後も、ほとんど変 冷え性の症状を持つ患者に対しては、皮膚温に近い化していないのに対し、病変部位は急激に上昇し、6
水温負荷である軽度の温度刺激では、二次的な血管
分後には負荷前の皮膚温に戻っていることが観察で 反応が起きにくいことが考えられる。しかし、35℃きる。
の体温に近い温度の実験結果では、皮膚温上昇を示
す画像が得られ、冷え性の症状を持つ患者に対しては 35℃ 以上でなければ、二次的血管拡張が起きにくいことが分かった。
瞬間冷却スプレーを用いた実験では、測定部位を一様に刺激しなくても、1 分ほどの時間が経過すれば、同様な測定が可能なことが分かった。これは、強力な冷刺激により、血管が急に拡張したために皮膚温が上がったと考える。
皮膚科患者の測定では、足が常に多種多様な負荷(1)(2)
を受けているために、二次的な血管拡張がしにくく、健常部位の画像では大きな変化は観察されなかった。
図 13. 30℃の水温負荷
しかし、病変部位は異常に温度が高く、健常部位と比較して、負荷を与えてから負荷前の温度に戻る時
間も非常に早かった。

４．考察

サーモグラフィーによる体表温測定は、以前から医学分野で行われてきた分野ではあるが、測定する
環境や測定方法等により一定化することは非常に難しく、また個人差もあるため、正確なデータを作成することは困難であった。そこで、測定する部位に、一定の負荷をかけてから、その後決まった時間に測定すれば、正確な情報が得られるものと考え実験を行った。しかし、測定する部屋の気温や、それに用いる台の温度などの環境の差においても、測定値は変化してしまい、安定した値を得ることが難しかった。
サーモトレーサ 6T67 には、時間経過を観察できるメモリ機能があるため、皮膚温の変化を詳細に記録することができた。そして、今回使用した恒温水槽
は、丈夫で安全なコンテナを用い、電子サーモスタ
ットと水中用ヒーターを用いたが、非常に正確な温度管理ができ、熱帯魚等の飼育のために作られたものなので、長時間の使用が可能であった。
従来の水温負荷は、冷水負荷が多く、4℃や 15℃に設定することが多かったため、痛みを訴える場合が多かった。しかし、今回行った温度は、25℃が環境
温、35℃が皮膚温、そして 30℃はその中間温として設定し、もっとも身近に感じる温度を設定したため、患者に負担を掛けることは少ないと考える。
水温負荷の各実験では、血管の反応を示しやすい
指先が先ず上昇している事から、水温負荷により二次的な血管拡張を起こして、皮膚温が上昇することが考えられる。また、この血管反応は、体温に近い
軽度の負荷であっても、水の中に入れた際の圧迫や測定部位の位置の移動などによっても皮膚温が上昇することが分かった。そして、水温負荷をせずに行った実験では、測定に用いた台の上に手を乗せただ
けで皮膚温が上昇し、負荷をかけなくても皮膚温は変化した。これは、測定に用いたベニヤ板の台と、

29

５．まとめ
通常の部屋で使用できる簡易な恒温装置を作成して、測定部位に保温や冷却等の負荷を与えて実験を行った。その結果、多くの知見が得られ、有用なデータを得ることができた。しかし、サーモグラフィ
ーの測定値は、測定する環境や測定方法で大きく変化するため、測定環境を統一することは、たいへん重要と考える。また、負荷に対する反応に個人差があるため、負荷温度の設定は非常に難しく、特に冷え性の患者には、注意が必要である。今回の実験では、負荷後の二次的血管拡張による温度変化が大きく作用したことから、今後多くの症例に対して観察を行えば、有用なデータを得る可能性が示唆された。
今後は、皮膚温に特徴のあるレイノー症などの患者や、多くの病変に対して水温負荷によるサーモグ
ラフィーの観察を行えば、病状を管理する上で貴重な資料となり、また多くの新知見が得られるものと期待される。

６．謝辞
本報告にあたり、ご指導ならびにご助言をいただ
いた人間総合科学研究科の宮本俊和助教授に、感謝いたします。

筑波大学技術報告
27: 30-33, 2007

類別式としてのオイラー標数について
間宮精一
筑波大学数理物質科学等支援室（物性・分子工学専攻）〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1

いろいろな方法があるが、ここではルジャンドルの証明を用いる。
私が常々興味を抱いているものの一つをここに紹
このホモロジー論の応用として、半導体の回路設介する。それは、高等数学でありながら、その導入 計、ホモロジー解析（ホモロジーモデリングにより部分は日常生活に見られる簡単な図形で始まり、又、 立体構造が知られていない蛋白質の構造を予測でき
式は 3 つの整数の和と差だけしか出てこない、このる)、ホモロジー検索、ホモロジー類を計算すること
アンバランスさに大変好奇心を掻き立てられた。何 によって物体の形状の特徴を掴むことが出来る。
故だろう？こんなことから何が導き出されるのだろχ(R)=1う？これがこの理論を学ぶ切っ掛けとなった。
私たちは、中学校で図形の合同と相似について学習した。日常生活において前者は紙幣のように全く同じものと、後者は獲物が遠くから近づいてくる時、同一の物であると認識することに対応している。
更に、これから示すことは、図形の構造的な違い
χ(R)=2だけに重点を置いた類別についてである。具体的に概要

は顔の表情が刻々と変化していても、同一人物であると認識することに対応している。
オイラー標数χ(R)=(頂点の数)-(辺の数)+(面の数)を使うと、比較的簡単にある特徴を持つ図形の類別が出来る。例えば、2 次元凸多角形の場合、オイラー
標数χ(R)=1 となる、そして 3 次元凸多面体の場合、オイラー標数χ(R)=2 となる。このように、具体的に図形の頂点、辺、面の数を式に代入するだけで不変的な量が得られる (図 1)。
このような解り易い形態で不変量と類についての関係が見られることは稀なことである。
この事実はオイラーにより発見された。そして、ポアンカレが群の理論を導入し、オイラー標数は n次元まで拡張されオイラー-ポアンカレの公式として表された。これがホモロジー論と呼ばれているものである。ここでホモロジー論について簡単に述べると、ある図形の面、辺、頂点それぞれ別々に数式化し、面と辺、辺と頂点それぞれの間に境界(変換)を定義する (図 2)。 この定義により面の境界が辺の集合に対応され、辺の境界が頂点の集合に対応され、更に両者の関係が明らかになる。
そして、それぞれの群について適切な演算を行えば有効な利用が出来る。
全体を大きく俯瞰(ふかん)すれば、定義が厳格でな
く緩くなればなるほど図形の仲間が増えることが分かる。
ここでは、群の知識を使わず、初等数学でオイラー標数 (3 次元凸多面体) について証明し、球に対しても成立することを示す。シュタイナーの証明など

30

図 1. オイラー標数の等しい図形の例
(1)

A0

A0
∂2

α
A1

A2
α

(2)

∂1
A1

a=(A0,A1)A2∂2α= (A1,A2)+(A2,A0)+(A0,A1)

a

A0

A1

－

＋

A0

A1
∂1a=A1-A0

図 2. 境界(変換)(1) 方向付けられた面αから方向付けられた辺∂２αへの変換.
(2) 方向付けられた辺から方向付けられた頂点∂１a への変換.

弓形の部分の面積 α１．はじめにオイラーの定理(3 次元凸多面体)について証明する。
オイラーの定理
Γを空間 E(3) 内の任意の凸多面体とする。
λ…Γの頂点の個数
μ…Γの辺の個数(1)ν…Γの面の個数とおくと、そのとき

α= (球の表面積)×θ/(2π)=4π×12 ×θ/(2π) = 2θ … (4)2∠A=△ABC+△ÁCB … (5)2∠B=△ABC+△B́AC … (6)2∠C=△ABC+△ĆBA … (7)
ここで (5)+(6)+(7) より
2(∠A+∠B +∠C)
=3△ABC+△ÁCB+△B́AC+△ĆBA=2△ABC+△ABC+△ÁCB+△B́AC+△CB́Á
=2△ABC+2π (下線部分は半球の表面積)

λ－μ＋ν＝2 …(2)が成り立つ
オイラーの定理を証明するために次の準備をする。

2(∠A +∠B+∠C)=2△ABC+2π

補題 1
球面三角形 ABC において、その面積を△ABCで表すとき∠A＋∠B＋∠C=△ABC+π … (3)
補題 1 の証明
S を半径 1 の球面とする。一般に、この球の中心を通る平面によって球面を切って得られる球面の切り口を大円という。二つの大円のなす角θは、図 3 に
よって定義される。球面 S 上で、3 個の大円によって囲まれた部分を球面三角形という (図 4)。

∠A+∠B+∠C=△ABC+πとなり補題 1 を得る。
補題 2
球面凸 n 辺形 A1A2 … An において、その面積を□(A1A2 … An) で表すとき(図 5)∠A1+∠A2+…+∠An=□(A1A2 …An)+(n-2)π …(8)
補題 2 の証明
球面凸 n 辺形 A1 A2 … An は、球面三角形(n-2)個に分割される。
補題 1 を(n－2)個の球面三角形に適応し、その和をとれば、補題 2 が得られる。
∠A3A1A2+∠A1A2A3+∠A2A3A1=△A1A2A3+π∠A4A1A3+∠A1A3A4+∠A3A4A1=△A1A3A4+π∠A5A1A4+∠A1A4A5+∠A4A5A1=△A1A4A5+π・・・∠AnA1An-1+∠A1An-1An+∠An-1AnA1=△A1An-1An+πθ

図 3．二つの大円のなす角θ∠A1+∠A2+…+∠An-1+∠An=□(A1A2…An)+(n-2)π

A

C

A2

B́
́

A1

An-1

A3
A4
B

An

A5

C
Á
図 5．球面凸 n 角形

図 4．球面三角形31オイラーの定理の証明(ルジャンドルの方法)

ν ni∑∑∠Aij=2λπ … (10)i=1j=1与えられた凸多面体Γの内部に１点 O を取る。
O を中心として、半径 1 の球面 S を作る。
Γの表面上の各点 P に対して OP を結ぶ半直線を作り、 を得る。右辺においてν
これと S との交わりを Q とする。
∑(αi の面積)=球の表面積=4π … (11)
この写像
i=1
φ：P → Q
また、⊿の各辺は 2 度ずつ数えられるのであるからをΓの表面から球面 S への射影という。
ν

射影φによって、Γの辺は S 上の大円の弧に写像される。かくして、Γの表面の射影として、球面 S の
球面凸多角形への分割⊿を生じる(図 6)。

2μ=∑nii=1となり、したがってν∑(ni-2)π=(2μ-2ν)π=2(μ-ν)π … (12)i=1を得る。よって(10)(11)(12)より
2λπ=4π+2(μ-ν)πλ=2+μ-ν∴λ-μ+ν=2

(証明終)

２．つぎに
球に対してもオイラーの定理が成り立つことを示す。
第一段として、凸多面体として正四面体を選んで、前章で示した球面への射影をとると、正四面体の正三角形が球面三角形に変換される(図 7)。
図 6．六面体の球面への射影
特に、Γが凸多面体であることからΓの頂点、辺、面が射影φによって球面の分割⊿の頂点、辺、面にそれぞれ一対一に対応する。したがって⊿の頂点、辺、面の個数も、やはりλ,μ,νである。
球面の分割⊿において、その面(球面多角形)を
α1, α2, …, ανとしαi の頂点を

Ai1, Ai2, …, Ai ni

αi の辺を

ai1, ai2, …, ai ni

とおく。
⊿における一つの頂点は、幾つかの面αi の頂点として重複して数えられ、また、⊿における一つの辺はちょうど二つの面αi, αj の共通の辺として二重に数えられる。
式(8)をαi (i=1,2,…,ν)について作り∠Ai1+∠Ai2+ … +∠Aini=(αi の面積)+(ni-2)π … (9)これを i=1,2,…,νについて辺々加え合わせる。
左辺の和∑∑∠Aij を加え合わせる順序を変えて、まず⊿の各頂点について加えれば、2πとなり、全体でλ個の⊿の頂点について総和すれば

32

図 7. 正四面体の球面への射影
それぞれの球面三角形を分割する。まず、球面三角形 ABC 内に頂点 O を置き、辺 AB, BC, CA の中点を D, E, F とし、頂点 O から頂点 A, B, C, D, E,
F に大円の弧となるように結ぶ。これで球面三角形は6 分割される (図 8)。
そして、この球面分割を球に内接する凸多面体に変換するために、すべての頂点はそのまま球面上に置き、球面上の各辺と面に対応するように内接凸多面体を作る。これで球に内接する凸 24 面体を得る。
第二段として、この凸 24 面体を第一段と同じように球面へ射影し球面を 24 個の球面三角形に分割する。
それぞれの球面三角形を第一段のように 6 分割し、球に内接する凸 144 面体を得る。

このような操作を n 回繰り返しても球に内接する凸多面体であるのでオイラーの定理よりオイラー標数は 2 となる。この操作をさらに n→∞すると、この凸多面体は球に限りなく近づくので、球についてもオイラー標数は 2 となることを示せた。

A
F
D
O
B

３．まとめ
これは、今年度、大学に於ける社会貢献事業として中学生を対象にした夏休み自由研究お助け隊に参加したときの課題について報告したものである。
これまでオイラーの定理の証明とそれが球に対しても成り立つことを示したが、これに興味を持たれて更に知識を深めたい方は、多様体論に進むと良いと思います。その際、集合論、特に群論についての知識があるとその理解は飛躍的に速くなります。そして読者が、これを良き道具として使いこなし多くの利益を得ることを期待しています。

参考文献

C
E

[1] 河田敬義. 位相数学 基礎数学講座 21 巻, 共立出版株
式会社 (1976) 1-129.

図 8. 球面三角形の分割

33

筑波大学技術報告
27: 34-36, 2007

Webmail IMP の日本語化
木村博美
筑波大学 研究基盤総合センター（応用加速器部門）〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
IMP は horde.org がオープンソースで開発している
web アプリケーションの一つです。私の職場では2001 年頃に自分自身が学外から学内のメールサーバ
ーにアクセスする必要から IMP version 2 を導入しました。この時、IMP は別の人（trustbee.com）によって既に日本語化はされていましたが、その後はあまり更新されなくなってしまったため、PHP の勉強を兼ねて、自分で日本語化の作業を始めました。
作 業 の 成 果 は 私 の ホ ー ム ペ ー ジ(http://www.tac.tsukuba.ac.jp/~hiromi/)で公開しています。

１．IMP について

図１. IMP の構造

２．計算機環境

IMP は図１に示すように horde というフレームワ
サーバ OS には以前から FreeBSD を使用しており、ーク上で動くアプリケーションであり、IMP 単体で現在は6.1-RELEASE で運用しています。Web サーバも使用できますが、アドレス帳（turba）や予定表には
apache-2.2.3と PHP5.1.6 を使用しています。
（kronolith）など他のアプリケーションと組み合わせ
IMPをインストールするためには、PHPの拡張ラて使用することができるようになっています。そしイブラリであるPECL／PEAR
モジュールを10 個程て、個人毎の情報管理だけでなくグループウェアと度インストールしておく必要があります。そしてしても使用できるように設計されています。ただし、horde をインストールし、次に IMP をインストールす
別途 SQL サーバと IMAP サーバが必要です。
図２は現在私の職場で使用している最新版の IMP るという手順になります。この手間が FreeBSD ならで、メールフォルダ－内のメール一覧を表示した画 ば ports からインストールすれば、ほとんど make 一
面です。この画面左端に並んだアイコンをクリック 発で済んでしまいます。
作業は直接 サーバ上の php ファイルを編集して、することで、他のアプリケーションや設定画面にワ
ブラウザから結果を見るというやりかたで、不具合
ンタッチでアクセスできるようになっています。
の原因箇所を探る際には print 文を挿入するという原始的な方法で行っています。

図２.メール一覧表示画面

34

３．経過
2003 年 2 月に trustbee.com から
IMP 3.1 の日本語版が公開されました。その時点では職場では未だ
IMP 2 を使用していましたが、更新に備え、2003 年 10 月から自分で IMP 3.2.2 の日本語化作業を開始しました。といっても、ほとん
ど IMP 3.1 のパッチを適用し、翻訳を更新した程度です。そして職場のサーバを IMP3 に更新し、その後はオリジナルの更新に合わ
せ て IMP3 の 日 本 語 化 作 業 を2005 年 11 月まで行いました。
一方、2004 年には IMP4 のテスト版が公開されたため、12 月から IMP4 用の翻訳を開始しました。そして、2005 年 2月に IMP4.0 公開されたので、日本語化の作業を開始
しましたが、作業用サーバの障害等により中断し、作業を再開したのは 2006 年 6 月からでした。
IMP4 では文字エンコーディングに UTF-8 を優先的に使用するようになったため、パッチを一から作り直しました。2006 年 10 月からは職場でも IMP4 を運用しています。
また、メール以外にもアドレス帳、予定表、メモなどのアプリケーションとの連携も強化されたので、それらの日本語化作業もするようになりました。図
３はアプリケーションの一つ、予定表の画面です。

４．作業内容4.1 メッセージの翻訳
日本語化の第一歩はメッセージの翻訳です。翻訳
すべき文字列はバージョンが上がる度に増えて現在
では horde と IMP 合計で約 3000 行ありますが、IMP3
からはメッセージの処理に gettext1が使用されるようになったので、更新の手間はかなり少なくなりました。
メッセージは図４のように１つのファイルにまとまっているので、msgid の文字列を翻訳し、msgstrに記入していきます。
翻訳がひと通り終わったら、単純な翻訳ではメッ
セージの意図が伝わらない場合があるので、実際に画面に表示させて確認します。また、文字の長さが変わることでレイアウトがずれてしまうこともある
ので、その修正も行います。例えば、Import/Export
は普通「インポート/エクスポート」と翻訳しますが、文字幅が倍近くになってしまいますので、代替案として「イン／アウト」を使用しています。

#: framework/Form/Form.php:2387#, php-format
msgid " (%s days ago)"
msgstr " (%s 日前)"#: framework/Horde/Horde.php:1362#, php-format
msgid " (Accesskey %s)"
msgstr "アクセスキイ %s"#: framework/Form/Form.php:2395#, php-format
msgid " (in %s days)"msgstr "（%s 日の内に）"
図４．メッセージファイルの一部ましたが、多くの環境で日本語を表示することができました。
この時、日本語の文字エンコーディングには
EUC-JP を使用するのが最善であることは日本人には知られていたのですが、horde.org に最初に日本語訳を登録した人が日本人でなかったためか、
SHIFT-JIS で登録されていました。そこでパッチでは
EUC-JP を使用するようにしていました。
IMP 4.1 では Unicode の UTF-8 エンコーディングを使用するようになり、日本語以外のメールも正しく表示されるようになりました。しかし残念ながら古いブラウザでは逆に文字化けするようになってしまいました。幸い firefox が色々な OS で使用できるので、古いブラウザを使っている人には、firefox を勧めています。

4.3 日本語メールへの対応

4.2 ブラウザへの対応
IMP 3 当時のブラウザは Unicode 対応が遅れていた
ために、言語毎に文字コードを固定して表示する方法を採用していました。言語に日本語を選択すると、英語以外の海外からのメールは文字化けしてしまい

1

図３．予定表画面

http://ja.wikipedia.org/wiki/Gettext

35

日本語メール送信時には JIS（iso-2022-jp）に変換する処理は最初から入っていましたが、ヘッダ（From,
To, Subject）の日本語を mime エンコードする処理が入っていませんでした。その点は horde.org に知らせたのですが未だに直っていないので、パッチで解決しています。
また、IMP 以外のアプリケーションから通知のメールを送る機能があるのですが、そのメールは

UTF-8 で送られてしまうので、やはりパッチで解決しました。
添付ファイル名が日本語の場合、ファイルを保存した時、ブラウザによってはファイル名が文字化けします。MSIE はフィル名を SHIFT-JIS で指定しなけ
ればなりません。Safari はどんなエンコーディングでも文字化けしてしまいますが、奥村先生のホームページ2に拠れば、PATH_INFO で渡せば良いということなので、試してみたのですが未だ成功していません。
また、添付ファイル名の中に空白、タブ、丸数字などがあるとブラウザによって保存の際の挙動が異なります。Firefox では保存したつもりでも保存されないことがありますので、それらの文字を排除する
ようにパッチで対応しました。

4.4 OS への対応
IMP4 になってから、日本語が所々で文字化けするようになりましたが、ある時 FreeBSD 特有だと気付きました。
$jstr = "¥xe7¥xa0¥x94";/*UTF-8 の研*/setlocale(LC_ALL,"C");
print preg_match('/¥s/',$jstr) . ",";
setlocale(LC_ALL,"en_US.UTF-8");
print preg_match('/¥s/',$jstr) . "¥n";

この文字列中の空白を検出する PHP コードを実行
すると、Linux では "0,0" となりますが、FreeBSD では "0,1" となってしまいます。原因は、FreeBSD では UTF-8 locale の ctype データに Unicode のプロパティデータを使用しているからです。そのファイルの
中で、
SPACE

と定義されているので、２つ目の preg_match( ) が日
本語文字中の 0xa0 に一致してしまうのです。もちろん preg_match で '/¥s/u' と UTF-8 であることを指定すればそうはなりませんが、実際のコードでは必ず
しも UTF-8 の文字列が渡されるとは限らないので、そうすることはできません。そこで、locale を設定する時にsetlocate(LC_CTYPE,”C”);というコードを挿入することで回避しています。

５．今後
管理者の設定画面（図５）やヘルプ画面の翻訳をしていませんが、日本のユーザを増やすためには必要だろうと思います。また、未解決の問題がいくつかあるので、時間をみつけて解決したいと思います。
更に、パッチを整理し、horde.org に取り入れてもらえるように努力したいと思っています。

図５．管理者用設定画面

2

http://oku.edu.mie-u.ac.jp/~okumura/php/filename.php

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筑波大学技術報告
27: 37-44, 2007

Maestro3 クラスタネットワーク用基板の設計
小野雅晃
筑波大学システム情報工学等支援室（装置開発班）〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
クラスタ型コンピュータ向けネットワーク
Maestro3 用のプリント基板を設計し製作した。本報
告では Maestro3 用プリント基板を設計、作製するための手順について述べる。プリント基板の使用部品の選定、回路図の作成、プリント基板のパターン設
計、多層プリント基板の作製方法について詳述し、今回作製した 2 種類のプリント基板の構成を紹介する。

１．はじめに筑波大学システム情報工学研究科コンピュータサ
イエンス専攻の和田研究室では、クラスタ型のコンピュータに使用するために、高速、高機能のアドイ
ン・カード及びスイッチから構成される通信システ
ムを開発している。
第 1 期には、200MbpsのIEEE1394 (i-LINK) を使用
した第一世代の通信システムMaestro1 を開発した。
次に、第 2 期にはMaestro2[1, 2]として第 2 世代の通信システムを開発した。
今回開発した 2 種類の基板は第 3 世代の Maestro
システムとして開発されたものである。Maestro2 はFPGA (Field Programmable Gate Array) の回路をすべてスクラッチから作成したため、回路の設計およびシミュレーションの工程を経て動作のテストをするまでにかなり時間がかかってしまった。Maestro3 はMaestro2 のアッパーバージョンとして基本構成はほとんど同一ではあるが 2 倍の性能を得ることを目標にして設計された。現在は Maestro2 の回路を今回使用した部品に適合するように変更してハードウェア
テストを実行している。
Maestro3 の構成の概要を説明する。Maestro3 は、ネットワークインターフェース (NI) とスイッチボ
ックス (SB) の 2 つの基板で構成される。NI はパー
ソナルコンピュータ (PC) の PCI-X バスに挿入して使用する基板である。NI は、片方向 6.4Gbps の LVDS
(Low Voltage Differential Signalling) で SB の 1 つのポートに接続される。SB は最大 7 個の NI と LVDS で接続することができる。SB は NI から送られた通信
パケットをルーティングする基板である。2 つの基板
はクラスタコンピューティングに使用され、PC で計算したデータなどを他の PC に高速に伝送することが出来る。
今回の報告では Maestro3 用基板を作る際の使用に基づいた部品の選定、回路設計など基板の作製過程を説明し、Maestro3 の構成について報告する。

２．一般的な基板の作製手順(1) 要求仕様を決定する。例えば ”ホストのパーソ
ナルコンピュータとのインターフェースに PCI-X の133MHz を使用し、伝送線路には LVDS の伝送周波数 1GHz を使用する” などの仕様を決定する。
(2) 仕様に合致した使用部品を選定する。インター
ネットの検索や規格表などを使用して要求仕様にあった部品を選定する。
(3) 選定した部品の部品表を作成する。部品を選定
後に、部品を購入可能かどうか調査し購入する。
(4) 部品表の作成と並列して、回路を検討し回路図を描き始める。
(5) 回路図が出来上がったら、プリント基板のパターンを設計する。
(6) パターンを設計しながら、高速信号については
伝送線路シミュレーションを行い、波形品質を確認する。
(7) パターン設計終了後に、プリント基板を製造して部品を実装しハンダ付けする。
(8) 基板完成後の検査を行う。
今回はプリント基板のパターン設計、高速信号の伝送線路シミュレーション、プリント基板の製造、プリント基板への部品の実装、ハンダ付けは業者に依頼した。
研究室ではそれ以外の部分を担当した。筆者は部品の選定、部品のテスト、回路の検討を担当した。
回路図の作成は青木圭一氏 1 、部品表の作成は丸岡大記氏１が担当した。
第 3 章から第 6 章では一般的な基板の作製手順について説明する。

３．使用部品の選定
基板の使用部品を決定する際に、使えそうな部品のデータシート、ユーザーズマニュアルに一通り目を通して、Maestro3 の仕様に準拠できるかを検討した。今回、目を通したマニュアル、データシート及びアプリケーションノートは 1000 ページ以上であった。次に、仕様を満たした部品が購入可能かどうかを検討する。その結果、部品がどこからも購入できない場合は再度部品の選定をやり直す。その過程を以下に詳しく述べる。

3.1 大学の研究室で基板を作製する場合の部品の選定について
大手メーカーのように購入数が多い場合は部品の入手は比較的簡単と思われるが、大学の研究室では購入数が少ないため、部品の購入が難しい場合がある。部品を販売する代理店が対応してくれない場合も多々ある。特に高性能プロセッサや特定用途 IC、
電源用部品などの購入が難しい。汎用の SDRAM

一般的な基板の作製手順を以下に示す。
1

37

筑波大学

システム情報工学研究科

(Synchronous Dynamic Random Access Memory) など
もモジュールでは購入が容易であるが、チップとな
るとなかなか購入が難しい。今回 SDRAM は電源電圧が 2.5V のものを選定したため、最も購入に苦労した部品である。

スタート時間設定用のコンデンサのみ必要となる。
EN5360 はソフトスタート時間設定用のコンデンサ
によって出力電圧の立ち上がり時間を変えることができる。現在は 15nFのコンデンサをつけているので、データシートによると出力電圧の立ち上がり時間は1msecである。EN5360 は東京エレクトロンデバイス
3.2 部品の選定例(株) から購入することができた。
PowerPCプロセッサのコア電圧用電源の仕様は部品の選定、購入の一例として、電源の選定につ1.42GHz動作時に最大消費電力が 30Wである。最大消いて説明する。電源は Maestro2 の時にはシリーズパ
費電流は約 23Aを消費する。かなり大電力を消費す
スレギュレータを使用していた。シリーズパスレギ
るので当初は最適なモジュールが見つからなかった。
ュレータは回路が簡単で確実に動作するという利点
電子部品小売業者のRSコンポーネンツ（株）のWebがある。一方、電力の損失が大きく大電流での使用
サ イ ト で 検 索 し た と こ ろ 最 大 出 力 電 流 が 30A のには向かないという欠点がある。Maestro3 では電流ASTEC社のATH30T05-9J[4] が使用できるということ
量の増加が予想されたためシリーズパスレギュレーがわかった。出力電圧の立ち上がり時間はグラフよ
タではなく、電力損失面で有利なスイッチングレギ
り 5msecだった。ATH30T05-9Jの外付け部品は、低ュレータを選択した。スイッチングレギュレータは、
ESRの入出力用バイパスコンデンサと電源電圧決定
電力効率が良いという利点があるが、部品点数が多用の抵抗である。
く大電流の高周波スイッチングをするため、実装や部品選定が難しいという欠点がある。
3.3 使用部品のテスト
例えばシリーズパスレギュレータだと外付け部品
ATH30T05-9J は今まで使用したことのない大電流はバイパスコンデンサ程度であるが、スイッチング
レギュレータではスイッチングレギュレータ IC、 の DC-DC スイッチングレギュレータ・モジュールで
MOS FET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect あるため、バラックでテスト回路を作成してテスト
Transistor)、コイル、バイパスコンデンサ、抵抗など を 行 っ た 。 図 1 に テ ス ト 風 景 全 景 、 図 2 にの付属部品が必要となる。部品点数が増えると言う ATH30T05-9J の拡大図を示す。
ことは購入を検討する個数が増えるということである。業者への問い合わせでそれらの部品の購入について探ってみると、スイッチングレギュレータ IC を購入できたとしても指定されたコイル、MOS FET を購入することは難しかった。検討の結果、Maestro3
では付属部品購入の困難を回避するためや電源の安定動作を図るために、大電流を必要とする電源は、なるべくスイッチングレギュレータ・モジュールを使用することにした。スイッチングレギュレータ・
モジュールであれば電源の完成部品として比較的容易に購入することが出来る。更に部品点数も 1 個となるので購入と管理が容易になる。小電流しか必要としない電源は従来通りシリーズパスレギュレータ
を使用することにした。
次に今回重視した電源の仕様として立ち上がり時間がある。PowerPC プロセッサはコア電圧に+1.3V、
図 1. DC-DC スイッチングレギュレータ・
IO 電圧に+2.5V の 2 電源を使用している。PowerPCモジュール (ATH30T05-9J) のテストの全景
プロセッサのデータシートにはすべての電源を20msec 以内に立ち上げるという制限がある。この制限を満たすスイッチングレギュレータ・モジュールが必要である。NI の FPGA はコア電圧として+1.5V、IO 電圧として+2.5V、+3V、+3.3V の 4 電源を使用している。SB の FPGA は NI の FPGA から PCI-X または PCI バス用の+3V 電源を除いた 3 電源を使用している。FPGA の電源投入仕様はコア電圧のみ 200μsec
から 50msec の間に立ち上げ、IO 電圧の立ち上げ仕様は規定されていない。
各デバイス電源仕様を考えながら比較的簡単に手に入る電源の検討を行った。FPGAなどのIO電源の内、+1.5Vと+2.5Vはエンピリオン社のEN5360[3]を選定した。このDC-DCスイッチングレギュレータ・モジュールは小型コンパクトで 6Aの電流容量を持ち電源
電圧を設定端子の設定により簡単に変更することが
図 2. DC-DC スイッチングレギュレータ・
で き る 。 外 付 け 部 品 は 低 ESR (Equivalent Series
モジュール (ATH30T05-9J) の拡大図
Resistance) の入出力用バイパスコンデンサとソフト

38

図 2 で確認できる様に GND (GrouND) を電線で接続し、Track や Vo Sense などの信号線はテストのた
め IC クリップで接続した。
試験は主に入力電圧の立ち上がり後の出力電圧の立ち上がりをデジタルオシロスコープで測定した。

CH1
2V
5msec

どの理由で再選定になるとシンボルも作り直しとなる。
その後、回路図シンボル間でピン間を線で接続していく。接続するためにはデータシート、ユーザー
ズマニュアルを読み、IC を熟知しなければならない。
配線間違いをなくすために、回路図とは別に回路図チェック用に PowerPC プロセッサ周りなどの機能を書き出した配線表を作成した。さらに OrCAD の DRC(Design Rule Check) 機能を使用して配線間違いを検出した。何千本もの配線の中で 1 本間違っていても基板が動作せずに作り直しになる可能性がある。そのため緊張感を持って複数回の確認をしながら回路図を作成していった。

５．基板のプリントパターン設計

CH2
1V

CH1: 入力波形
CH2: 出力波形
図 3. ATH30T05-9J の入出力応答波形
図 3 に ATH30T05-9J の無負荷時の入出力応答波形のオシロスコープによる測定結果を示す。上の CH1が入力電圧 (+5V) 、下の CH2 が出力電圧 (+1.3V) である。図の横軸の 1 目盛は 5msec、縦軸の 1 目盛はCH1 が 2V、CH2 が１V である。図 3 に示したように、出力電圧の立ち上がり時間は約 5msec だった。
デジタルマルチメータによる出力電圧値は Vout 出力端子を測定して 1.303V だった。その後負荷を 10Ω、
0.15Ω、0.1Ωと変化させてテストしたが、いずれの場合も入力電圧が安定してから出力電圧が立ち上がった。出力電圧の立ち上がり時間はいずれの負荷の場合も約 5msec で変化がなかった。

４．回路図の作成
使用する部品が決定したら、回路図 CAD で回路図を作成する。回路図 CAD には、サイバネットシステ
ム社の OrCAD Capture を使用した。回路図作成の過程は回路図シンボルを作成することから始まる。回
路図シンボルの作成は単調で手間のかかる仕事である。FPGA は数百ピンから千数百ピン程度の入出力ピンを持ち、しかもピンの定義が変更されることがあるため、シンボルの作成および更新が大変である。
この手間を省くため、FPGA ツール Xilinx ISE の PAD
出力ファイルから OrCAD へインポートする機能を使用して、シンボルを作成することとした。これでFPGA のピンの定義を大きく変更しても、シンボルフ
ァイルを作り直すことができる。これで作成したシンボルは、必ずしも人間が見て見やすいものではな
いため、かなり修正を加えなければならない。しかし、初めから作り直すのに比べればよほどましである。
回路図シンボルの作成も部品購入の可否の影響を受ける。使用が決定していた部品が購入できないな

39

基板のプリントパターンは基板設計用 CAD で業者が設計した。大まかな手順を説明する。
研 究 室 で 使 用 し て い る 回 路 図 CAD の OrCAD
Capture からネットリストを出力する。そのネットリ
ストを基板設計用 CAD にインポートすると配線が確定する。基板設計用に部品寸法、ピンの物理的配置の情報が反映されている基板設計用 CAD の部品
シンボルを作成する。いろいろな部品の配置を考慮しながら部品シンボルを置いて行く。配置した状態
で伝送線路シミュレーションを行い、波形を確認して配置を変更する。配置が決定したら部品シンボルのピン間をプリントパターンで配線する。その過程で配線が難しい場合は部品シンボルの配置を変更する。それも難しければ回路図に戻って配線を入れ替える。配線がおおむね終了したら、高周波信号を伝送するパターンは伝送線路シミュレーションを行う。
その結果が悪ければダンピング抵抗の追加や配線の経路を変更するなどの対策をとる。最後にパターンのチェック、回路図 CAD のネットリストと基板設計
用 CAD のネットリストが合っているかどうかチェックする。
次に特に設計の際に考慮した点について詳しく述べる。

5.1 配線の入れ替え
ダンピング抵抗として集合抵抗を使用する時は、配線を楽にまわせるようにピンを入れ替える場合がある。その場合はプリント基板の配線を担当する業
者から配線変更の依頼が来るので、回路図を書き換
えて変更したネットリストを送り、基板設計用 CADに反映させる。

図 4. SB の回路図の一部
図 4 は SB の回路図の一部である。図 4 の右側はFPGA の SDRAM アドレス（SDRAM_A）の出力ピンを表している。R10~R13 の MNR04 はダンピング抵

電圧（

V)

抗（集合抵抗）である。当初は SDRAM のアドレス
ピン(SDRAM_A<?>)は番号順に並んでいたが、基板のパターンを設計する上で、R10 などのダンピング
抵抗を入れ替えるとパターン配線がしやすいとの指摘を業者から受けて変更した。具体的には FPGA の回路図シンボルを変更して、図 4 のように
SDRAM_A<5>, SDRAM_A<1>, SDRAM<4>...というように不規則な配置に変更した。
回路図を修正した場合、回路図 CAD で変更されたネットリストを出力して業者に送り、もう一度基板設
計用 CAD にインポートした。

時間（nsec)

5.2 伝送線路シミュレーション

図 5. アドレス 29 ビットを FPGA がドライブしたときの伝送線路シミュレーション波形（ダンピング抵抗＝22Ω）

電圧（

V)
時間（nsec)

青：出力波形、赤破線：入力波形

図 6. アドレス 29 ビットを FPGA がドライブしたときの伝送線路シミュレーション波形（ダンピング抵抗＝33Ω）

電圧（

V)

BGA (Ball Grid Array) は最近の高速伝送基板の ICのパッケージとして定着している。BGA は入出力ピンが外から見えないパッケージであるためオシロス
コープのプローブを当てて波形を観測することができない。インピーダンス制御可能なマイクロストリ
ップラインやストリップラインは、一般的な高速信号を伝送する基板にプリント基板の配線として使用されている。それらを使用すると伝送線路シミュレーションによって設計段階で波形を予測できるので、より良い波形に整形することができる。波形を整形する方法としては、ダンピング抵抗などによってインピーダンスを合わせる方法やプリント配線の取り回しの変更などの方法がある。Maestro3 では主にダンピング抵抗の値や FPGA の出力電流値などを変更
してインピーダンスマッチングを図った。
図 5～図 7 はPowerPCプロセッサのアドレス 29 ビ
ットをFPGAがドライブしたときの伝送線路シミュ
レーション波形である。FPGAのIOBの設定は入出力
信号レベルがLVCMOS25、
出力電流値が 8mAである。
青色の線がFPGAの出力ピンでの出力波形、赤色の線がPowerPCのアドレスピンでの入力波形を表す。図 5はFPGAの出力ピンに 22Ωのダンピング抵抗を入れたときの波形、図 6 はダンピング抵抗を 33Ωとした
時の波形、図 7 はダンピング抵抗を 47Ωとしたときの波形である。波形の立ち下がり部分を比べてみると、ダンピング抵抗を 47Ωとした時の波形が入力電圧の低い方のスレッショルド (Vinl) 付近で乱れているのがわかる。次に、データシート[5]にPowerPCプ
ロセッサの入力電圧のAbsolute Maximum Ratingは-0.3V to OVdd + 0.3V と記されている。ここでOVdd
は 2.5Vなので、入力電圧の絶対最大定格は-0.3V～
2.8Vとなる。ダンピング抵抗を 22Ωとした時の最大電圧に注目すると約 2.8Vなので入力電圧の絶対最大定格とほぼ同一である。この伝送線路シミュレーシ
ョンの結果から、PowerPCプロセッサのアドレスバスのダンピング抵抗値は図 6 の 33Ωに決定した。

青：出力波形、赤破線：入力波形

時間（nsec)

青：出力波形、赤破線：入力波形

図 7. アドレス 29 ビットを FPGA がドライブしたときの伝送線路シミュレーション波形（ダンピング抵抗＝47Ω）

5.3 電源周りの設計の注意点
最近 FPGA やプロセッサなどの IC のコアは大電流を必要とすることが多くなってきた。大電流を流す
ためには抵抗値の少ない電源、GND 配線が必要とされる。更にバイパスコンデンサについての考慮も必要とされる。負荷から離れた位置にある電源では、パターンのインダクタンス成分や抵抗成分などの影響により、高周波信号をスイッチングするための高40速な電流を流すことが出来ない。そのため電源を使用する IC の近傍に高速なバイパスコンデンサを配置して、バイパスコンデンサから高速な電流を供給する。これは IC の内部ロジックを駆動するコア電源だ
けではなく、周辺 IC との信号のやり取りのための電源である IO 電源にも当てはまる。IO 電源に最適な
バイパスコンデンサを最適な位置に実装しないと、周辺 IC との信号のやり取り時にデータ誤りが生じる
ようになる。これは以前にわれわれが Maetro2 の基板の作製で経験したことである。Maestro3 の基板では、FPGA や PowerPC プロセッサの BGA パッケージの裏面へ表面実装パッケージの小さな積層セラミッ
クコンデンサと、BGA パッケージの裏面の近傍にタンタルコンデンサを配置した。これらのコンデンサの配置を図 8 に示す。

タンタルコンデンサ

タ
ン
タ
ル
コ
ン
デ
ン
サ
積層セラミックコンデンサ

タ
ン
タ
ル
コ
ン
デ
ン
サ

の SSO 制限を考慮して IO バンクに対するピンをFPGA に割り振った。

６．多層プリント基板の作製方法
6.1

多層プリント基板の製造

Maestro3 用プリント基板の製造方法を示す。4 枚の両面基板（コア基板）にプリントパターンを形成し (2層目～9 層目) プリントパターン以外をエッチングで除去する。エッチングとは、銅箔が一面に張ってある基板においてプリントパターン以外の部分を薬品で溶かす作業を言う。基板の表裏の銅箔と先ほどエッチングした 4 枚のコア基板をプリプレグで接着
し重ね合わせる。ドリルで穴を開け、スルーホール形成のためにめっき処理を施す。表に 1 層目、裏に10 層目のプリントパターンを形成してエッチングしプリントパターン以外を除去する。次にハンダ付けするパッドやアキシャル部品を挿入するスルーホール以外の部分を保護するために、ソルダレジストを塗布する。これは一般的には緑色の塗料であり、パーソナルコンピュータのマザーボードを見た時に緑色に見えるのがソルダレジストである。次にシルクを印刷する。シルクは通常白色で、IC や抵抗、コンデンサなどのリファレンス番号やピン番号、設定ピンの設定値などを表示する。
パターンの導通チェックを行う。基板の銅箔部分を保護するためにプリフラックスを塗布する。PCI
バスの基板などはコネクタ端子を金メッキする。最後に予定寸法に基板を切り抜いて終了となる。
信号
ベタ (GND)

図 8. バイパスコンデンサの実装状況

信号
信号

図 8 において写真の中心部の黄色の四角で囲んだ場所に積層セラミックコンデンサが実装されている。
四角の中の黄色の矢印で示された小さい長方形がそのうちの１個である。タンタルコンデンサはピンクの四角で示されている。積層セラミックコンデンサの基板の裏側に FPGA が搭載されている。積層セラ
ミックコンデンサを FPGA の裏側に実装するのはFPGA の電源、GND からの距離を最短とするためである。

5.4 グラウンド・バウンズに関する考慮

ベタ (GND)
ベタ (複数電源)
ベタ(単一電源)信号
ベタ (GND)
信号
コア基板

プリプレグ
(PP)

銅箔

一般的に多数の IC の出力ピンが高速で同時に変化
すると、GND が変動するグラウンド・バウンズが起
こり出力ピンまたは内部ロジックで不正な過渡現象が発生することがある。これを同時スイッチ出力(SSO) ノイズと言う。Xilinx 社の FPGA が SSO ノイ
ズを起こさない制限値は、パッケージや出力電流値、
インターフェース標準、スルーレート値などによって異なる。例えば IO 電源と GND 1 ペアにおける同時 切 り 替 え 可 能 な 出 力 の 最 大 数 は
LVCMOS25_4_slow（LVCMOS レベル、 出力電流
4mA 、 ス ル ー レ ー ト SLOW ） で は 41 だ が 、
LVCMOS25_24_fast （ LVCMOS レ ベ ル 、 出 力 電 流
24mA、スルーレート FAST）では 5 である。これら

41

図 9. Maestro3 用多層プリント基板の層構成
図 9 に Maestro3 基板の層構成を示す。Maestro3 基
板は 10 層から構成されていて、インピーダンスを整合させるために基本的には信号層の両隣に GND な
どの基準層を持っている。

6.2 プリント基板への部品の実装
プリント基板への部品の実装方法について述べる。
初めにクリームハンダを塗布するためにメタルマスクを作る。メタルマスクは部品を半田付けするパッドのところだけ穴が開いた金属の薄い板である。この板を基板上においてクリームハンダを塗布すると、必要な部分だけにクリームハンダを塗布できる。部
品をマウンタまたは手で基板に置いて、大きなオー
ブンのような炉（リフロー炉）に入れ加熱する。クリームハンダが溶けて部品がハンダ付けされる。この工程を裏面、表面と行う。ここでマウンタとは複数の部品を実装する機械を指す。次に DIP 部品のハ
ンダ付けを行う。
最近大きな IC などは、BGA という IC の下にハンダボールがあるパッケージがよく使われている。
BGA は加熱されると BGA 裏のハンダボールと塗布されたクリームハンダが溶けて表面張力が発生し、その力で実装位置が自動補正される。

ディスクドライブコネクタPowerPCコア電圧用電源(+1.3V)
ATH30T05-9S＋2.5V電源
EN5360PowerPCプロセッサ
MPC7447AVU1420LB

PCI-X

6.3 高周波信号伝送プリント基板設計上の
注意点

バ
ス
、

Data Bus(64bit) 133MHzPowerPC
プロセッサ

SDRAM

SDRAM
Address

HY 25L256160A

FPGA(Xilinx社
XC2VP30)

送信データ24bit DDR,133MHz
受信データ48bit SDR,133MHzLVDSインタ(LVTTLレベル)
ーフェース
用IC
Data Bus(8bit)
Configuration

LVDS
データ 8bit
クロック1bit

FLASH
ROM
TC58FVM6T2
ATG

MPC7447A

Control
1.4GHz動作

8MByte128Mbyte, 133MHz動作
Control
Configuration終了時に切り離しPowerPC Address

Control
64bit, 133MHz

PCI-X BusCPLD
(Xilinx社
XC95288XV)

図 10. Maestro3 ネットワークインター
フェース (NI) のブロック図

42

バ
ス
（

）
64

図 10 に NI のブロック図、図 11 に NI の写真を示す。NI は PowerPC プロセッサを搭載したインテリジ
ェントな PCI-X カードである。

FLASH ROM
TC58FVM6T2ATG-65

66MHz

７．NI の構成FPGA
XC2VP30-6FF896C

PCI

通常の両面プリント基板ではインピーダンスは考慮されていないが、動作周波数が約 50MHz を超えるとプリントパターンも伝送線路としての考慮が必要となる。高速な信号を伝送するプリントパターンはパターンの隣の層に基準面（GND などのベタパター
ン）を配置し、インピーダンスを制御可能な伝送線路として設計される。それは多層プリント基板の表面ではマイクロストリップライン、内層ではストリ
ップラインと呼ばれている。マイクロストリップラ
イン、ストリップラインともに基板の誘電率、パターンの厚さ、パターン幅によってインピーダンスが変化する。NI 基板、SB 基板は前述したパラメータを調整してインピーダンスが 50Ωになるように調整されている。良好な波形を送受信するためには、信号の送受信を行う各デバイスの入力、出力インピーダ
ンスをなるべく 50Ωにあわせることが肝心である。

ビ
ッ
ト
幅

CPLD
XC95288XV-7TQ144CFPGA CORE用
電源(+1.5V)
EN5360

LVDS受信用IC
DS90CR486

LVDS送信用IC
DS90CR485

PCI-Xバス用電源(+3.0V)
LT1963AEQ

LVDS送信用コネクタ

LVDS受信用コネクタ

図 11．Maestro3 NI 基板写真
NI には CPLD (Complex Programmable Logic Device)、
FPGA、PowerPC プロセッサ、8MByte の FLASH ROM(Flash Read Only Memory)、128MByte の SDRAM、最大 6.4Gbps の LVDS インターフェース用の送信 IC 及び受信 IC が搭載されている。
FPGA は電源が ON になった時に内部回路が空のままなのでコンフィギュレーションが必要である。
CPLD が電源 ON 時の FPGA のコンフィギュレーショ
ンを制御する。コンフィギュレーションの方式はス
レーブセレクトマップである。この方式はコンフィ
ギュレーション･データを FLASH ROM から 8 ビット
ずつ FPGA に転送できるため、迅速に FPGA をコン
フィギュレーションすることが出来る。FPGA のコン
フィギュレーションはその他、JTAG 端子経由でパー
ソナルコンピュータ上のツールからも行うことができる。デバック時は JTAG 端子経由でコンフィギュ
レーションを行っている。
FPGAにはPCI-XまたはPCIバス[6]のコントローラ、PowerPCコントローラ、FLASH ROMコントローラ
LVDSインターフェース回路、DMA２チャネル、
SDRAMコントローラなどの制御、データパスといった主要な回路が搭載されている。
PowerPC プロセッサは最大動作周波数 1.4GHz 動作の Freescale 社製 MPC7447A である。このプロセッサ
は以前アップル社製のマックミニに使用されていた。
PowerPC プロセッサから SDRAM や PCI バスへアクセスすることができる。PowerPC プロセッサの最大消費電力は 30W と大きいため PCI-X バスのカードエ

LVDS

LVDS

ッジから供給することができなかった。その電源は 128MByte の SDRAM、CPLD、FPGA、Xilinx PROM、
図 11 に示す NI 基板上部にあるディスクドライブコ Xport を主に搭載している。
ネクタから供給される。
SDRAM は 2.5V 動 作 可 能 な Infineon 社 製 の256MByte 品の HYB25L256160A を 4 個使用している。
PowerPC プロセッサのバス電圧は 2.5V なので電源電圧が同一の SDRAM を選定したが、入手が難しく最後まで入手に苦労した部品である。
LVDS インターフェース用送信 IC はナショナル・
セミコンダクター社の DS90CR485 である。Maestro2
では LVDS 送信 IC と FPGA 間のインターフェース幅
48 ビットの内 32 ビットのみを使用して 100MHz の動
作 周 波 数 で 動 作 さ せ て い た (3.2Gbps) 。 今 回 のMaestro3 では 48 ビット幅をフルに使用して 133MHzで動作させる予定である。従って NI の最大スループ
ットは片方向 6.4Gbps になる。
Maestro3 ハードウェアの特徴は PowerPC プロセッ
サ、SDRAM と FPGA のデータがバス接続されていることである (図 10 参照)。SDRAM のデータ出力はFPGA を介さずに直接 PowerPC プロセッサに伝わるためレイテンシを短縮することができる。また 1 組
図 13．Maestro3 スイッチボックスのデ ータ用ピン を FPGA に 用意すれば 良いので(SB)ブロック図
FPGA のピンを節約することができる。欠点としては
2 つ ある。１つ は共通バス であるた め FPGA が
SB も NI と同様に PowerPC プロセッサ、SDRAM
SDRAM に転送している場合に PowerPC プロセッサと FPGA のデータがバス接続されていて同様の特徴
がバスを使えないことである。もう１つは 133MHzがある。SB は図 12 に示すように LVDS インターフで高速動作する信号線が 1 対 1 ではなくバス接続であるため信号波形が乱れやすいことである。事実、 ェース用 IC が 7 個搭載されていて、それぞれの LVDS
データバスは伝送線路シミュレーション時に一番波 インターフェースが NI と接続される。つまり 1 つのSB に 7 つの NI を接続することができる。SB はイー
形整形に苦労した。
サネットで言うとスイッチングハブに相当する。以下に NI と構成が違っている点を述べる。
８．SB の構成
Xilinx PROM はコンフィギュレーション専用 IC で、
図 12 に SB の写真、図 13 に SB のブロック図を示
電源 ON 時の FPGA のコンフィギュレーションを行す。
う。
Xport は TCP/IP プロトコルが実装されている便利なモジュールである。Xport を使うと TCP/IP プロト
コルを調歩同期のシリアルインターフェースに変換
することができるので SB を手軽に LAN に接続することができる。
電源 ON 時に SB がブートする時は、PowerPC プロ
セッサが起動する。PowerPC プロセッサは FPGA の内部 RAM にあらかじめロードされているダウンロ
ードソフトウェアを実行する。ダウンロードソフト
ウェアは Xport からファームウェアが転送されるのを待っている。ファームウェアの転送が終了したらPowerPC プロセッサはファームウェアを実行して様々な処理を開始する。

９．まとめ

図 12．Maestro3 SB 基板写真
SB は PowerPC プロセッサ、7 組の最大 6.4Gbps のLVDS インターフェース用の送信 IC 及び受信 IC、

43

本報告では Maestro3 の基板の設計と作成手順について述べた後、Maestro3 基板の構成について述べた。
Maestro3 は現在 Maestro2 を変更した回路を FPGAに搭載してデバック中である。現在、NI 基板の PCI
バスは PCI-X バスでなく PCI66MHz,64bit でテストしている。NI、SB 共にバススピードは予定した 133MHzの半分のスピード 66MHz で動作させている。現在のデバックを早期に終了し設計仕様の性能を実現することを目指したい。

１０．謝辞参考文献

Maestro2 システムの開発に参加の機会を与えて頂いた、筑波大学システム情報工学研究科コンピュー
タサイエンス専攻の和田耕一教授に深く感謝いたします。また、共同制作者であるシステム情報工学研
究科の青木圭一氏、及び Maestro3 に関する様々な作業をしていただいた丸岡大記氏に深謝いたします。
PowerPC プロセッサや JTAG ICE、C コンパイラなどを提供していただいたフリースケール・セミコンダ
クタ・ジャパン株式会社の関係者の方々に感謝いた
します。プリント基板の設計と製作、部品実装をお願いした A&D プリントエンジニアリング株式会社の担当者の方々に感謝いたします。

[1] 小野雅晃, Maestro2 スイッチボックスの開発, 筑波大
学技術報告 26 (2006) 42-47.
[2] 小野雅晃, Maestro2 ネットワークインターフェースの開発, 筑波大学技術報告 25 (2005) 42-49.
[3] EN5360 データシート, Enpirion Inc., Rev 1.0, 2005.
[4] ATH30T05 Series データシート, ASTEC, REVISION
00(30APR2004).
[5] MPC7447A RISC Microprocessor Hardware Specifications, Freescale Semiconductor, Rev. 4, 2005.
[6] 小野雅晃, Xilinx 社製 FPGA を搭載した PCI ボードのシ
ミュレーション, 平成 15 年度高エネルギー加速器研究機構技術研究会報告集 (2004) P-23.

44

筑波大学技術報告
27: 45-49, 2007

木材加工における研磨について
田所千明
筑波大学生命環境科学等支援室（農林工学系）〒305-8572 茨城県つくば市天王台 1-1-1

きさ毎に番手と呼ばれる各種のものがあり、求める
仕上がり状態により使い分けられている。

概要
木材加工における研磨作業のうち、主に手を使った作業の要点について、これまでの経験等から得られた知識を基に述べる。木材を加工するための刃物について、研磨用具である砥石との関係により生じ
る研磨の難しさや、不具合への対処の仕方を考察した。木材の研磨では、研磨粒度の違いによる表面性状の変化を電子顕微鏡を用いて調べた。また、研磨
粒度による木目の表れ方の違いと、摺り漆塗装の状態の違いを観察した。塗膜研磨については、限られた厚みの塗膜をいかに平滑に研ぎ破らずに研磨するか、その方法を検討した。

１．はじめに

2.2 刃物研磨
木材を加工する刃物は刃先の鋭さが必要である。
軟らかい木材を切削するには、わずかな刃先の摩耗が切削品質を低下させる。刃物の研磨には、やすりや砥石が用いられる。やすりは、のこぎりの目立て等に使われ、すり込み・仕上げ・上目やすりがある。
砥石は天然・人工砥石があり、仕上げ研ぎ以外は人工砥石が使われている。研磨方法には機械と手による研磨がある。機械の研磨では、機械に取りつけて使用される刃物を研磨することが多く、やすりを往復運動させて研磨する帯のこの研磨や、回転する砥
石に刃物を押付けて研磨する自動かんな盤用の刃の研磨が主なものである。手による研磨では、やすりを用いたのこぎりの研磨や、砥石を固定して刃物を往復させる、かんなやのみの研磨等がある。
砥石による水研ぎ研磨では、水の浸みた砥石面と切れ刃面による摩擦で、砥石成分がはく離し砥粒となり切れ刃面が研磨される。したがって、刃物を研磨しながら砥石も研磨される。この砥石面の減少に
より切れ刃面も変化してしまうため、砥石面の形状維持が重要となる。写真 1 は切れ刃面と砥石面が一致した結果、倒れなくなったかんな刃である。

ものづくりにおいて、材料と道具は密接な関係にある。人の手による加工では、道具は材料に従属したものであり、材料の持つ様々な特質に対応していなければならない。特に異方性の極みである生物材
料（木材）の加工には、金属や高分子材料のような均一なものとは異なり、様々な加工工程にその特徴（生まれ付き）が現れるため、道具や手を上手く対応させなければならない。合理的な加工が求められる機械加工では、木材を可能な限り均一で等質な材料として扱い、圧倒的な力を用いた材料に従属しな
い加工となる。手による加工では、材料の違いを目
2.3 木材研磨で見、鼻で嗅ぎ、手で触れる等の五感より得られた情報から、備わった能力（体力・知力）を使い、そ木材研磨の目的は塗装のための素地調整が主なもれに応じた対応（加工）をすることで、個性のある のであり、その素地研磨の出来不出来が製品の価値製作となる。加工中は対象物と直接関わりながら、 に影響を与える。製作中に生じたキズ、逆目、目違
過去の経験を加味し加工状態に合わせて自身の動き い等の欠陥を修正し、平滑にして、特有の木目を引を決める。
木材加工では工程ごとに異なった研磨作業があり、その良否が後の工程に影響を及ぼしている。それぞれの研磨技術については知られているが、研磨用具と被削材の関係およびその詳細について、これまでの経験を基に述べる。

２．木材加工における研磨
2.1 研磨とは
研磨とは材料表面を平滑で光沢のある面に仕上げる加工である。表面処理加工の一分野である研磨には、主に機械研磨・電解研磨・化学研磨の 3 種類があり、木材加工では機械研磨が行われている。機械
研磨では微小で連続した突起や微細な砥粒を表面に押しつけてこすり、物理的に被削材を研磨する。用いられる研磨用具には、やすり、砥石、金属粉を接着した研磨紙等がある。砥石や研磨紙には砥粒の大45

写真 1．かんな切れ刃面と仕上げ砥石面との関係
中砥石で中研ぎしたかんなを仕上げ砥石で研磨し、切れ刃面と砥石面が互いに隙間無く接した状態となり、倒れなくなったかんな刃.

立たてる。研磨に用いられるやすりには、鬼目・すじ目と呼ばれるものがあり、荒削りに使われる。研
磨紙は粒度が＃12〜＃1200 までの 27 段階に分かれているが、一般に使用される範囲は＃120～＃600 である。そして、低い粒度から順次目的の仕上がり状
態まで粒度を上げながら研磨する。研磨には水を使わない空研ぎが行われる。機械の研磨では布地に研磨材を接着したベルトサンダーが一般的で、研磨粒度＃320 までが主に用いられる。手による研磨では、形状による不適や熱による目詰まり等の機械の研磨に適さない場合や、工芸分野および銘木等に対して行われる。また、紫檀や黒檀等の硬い銘木を用いた唐木家具等では、＃1,500 位までの耐水研磨紙による
水研ぎも行われる。

を表 1 に示す。研磨の目的では、刃物と塗膜研磨については表面の鏡面化が共通している。刃物の鏡面化は刃先の鋭さと同義である。被削材の硬さは金属材料である刃物が一番硬く、高分子材料の塗膜、次に生物材料の木材（節等を除く）の順となっている。
研磨粒度については、刃物が＃3,000 以上までの広い範囲の粒度による研磨が行われ、木材では＃600 程度
までの範囲、塗膜は＃1,500 位までの粒度範囲で、研磨目的の違いにより使い分けられている。研磨作業時の研磨方向については、刃物の場合は、求める刃先角となるように刃物を砥石面と平行に往復させる。
木材では木材繊維の向きと同じ方向になるようにし、塗膜面では平滑に削られた下塗り研ぎ面と平行になるよう研磨する。

2.4 塗膜研磨
塗膜研磨の場合は塗装の仕上げ塗りの前処理として行われる。数回塗り重ねられた塗装面を耐水研磨
紙を用いて水研ぎすることにより、仕上がった塗装
面は、より平滑で光沢の有るものになる。
漆工芸における研磨作業は非常に重要である。塗りの前工程として下地作りがあり、下地材を数回塗り重ね研磨し下地を作る。そして漆を塗り、仕上げ
塗りの前に研磨し、仕上げ塗りをする。漆塗りの仕上げには、上塗り後そのまま乾燥させた「塗立て仕上げ（花ぬり）」と下塗りを出さないように上塗りを研磨し、より平滑に仕上げる「呂色仕上げ」の 2種類がある。塗立て仕上げには、ほこりを付けずに均一に塗る技術が必要である。呂色仕上げでは、研磨する塗膜厚さが数十マイクロメートルと薄いため、その厚さの範囲内で平滑に研磨する技術が求められる。仕上げられた塗装面が鏡面光沢を有するためには、平滑でキズの無いことが必要である。
漆の樹液（生漆：きうるし）を均一に撹拌しながら含まれる水分を無くして作られる木地呂漆は、塗られた時点では透明度が低く黒ずんで見えるが、時間の経過と共に透明になり、下の下地が見えるようになる。木材に木地呂漆を用いて呂色仕上げをした
場合、時間とともに漆が透けて木目が見えるようになり、しっとりとした触感も加味され、漆塗りの特徴の一つとなっている。

大
小

3mm

刃物・木材・塗膜それぞれの手による研磨の特徴

目

的

研磨方向

切れ刃面が平面でなくなる

図 1．「一分のみ」の研磨一分のみは刃幅 3 mm と狭いため、砥石面上の研磨
位置や研ぐ力および切れ刃面の接地状態の偏り等により、刃面を平面で刃先が真直ぐな状態に研ぎ上げることが難しい.

塗膜研磨 「耐水研磨紙」

刃先の鋭利さ－鏡面化

木地調整－木目鮮明化

塗膜平滑－鏡面化

硬

軟

中庸

荒砥
研磨粒度

刃先が斜めになる

木材研磨「空研ぎ研磨紙」

被削材の硬さ

「砥 石」

研磨力が
偏る研磨

砥石

2.5 刃物・木材・塗膜研磨の関係について

刃物研磨

耳が丸くなる

研磨位置が偏る研磨－ #240

荒研ぎ－ #120荒研ぎ－ #600

中砥#400－ #1,500

中研ぎ#120 － #320

中研ぎ

#800 － #1,000

仕上げ砥#3,000－仕上げ研ぎ#600 －

仕上げ研ぎ#1,500 －切れ刃面の動きが砥石面と平行

木目に平行

表１．手による研磨形態の比較

46

下塗り面に平行木材を使ったものづくりの工程は、刃物により加工が行われ、次に組み立て前後に木材の研磨が行われ、塗装の後に塗膜の研磨が行われ、磨き上げられて完成となる。良く切れる刃物で木材を平滑に加工
し、表面を研磨紙でより滑らかにし、その上に塗料を塗り、より細かな塗粒で研磨し、光沢のある製品に仕上げる。しかし、初期の刃物による加工に欠点がある場合、その後の木材研磨や塗装での補修は非常に時間と手間の掛かることとなり、負担が非常に大きい。次の木材研磨が不十分では塗装による補修に手間取ってしまい、最後の塗膜研磨での失敗は塗装のやり直しとなり時間の損失が大きい。

鉋
裏金

押さえ棒

m
2m
0.

裏金

かんな身
先割れ

木材

かんな身

裏金

裏金研磨

３．研磨の詳細について砥石

3.1 刃物研磨の詳細
一分のみ（幅 3 mm、奥行き 12 mm）のような幅の非常に狭い刃物の研磨時の不良について、図 1 に示す。幅の狭い刃物研磨では、通常の幅の研磨には現れにくい欠陥が顕著になる。絶えず砥石面を移動しながら往復動作を繰返さないと、のみにとっては重要な耳（両刃先角）が丸くなってしまう。そののみを用いて穴を開けた場合、穴の角が正確に出来ず、ほぞ接合に不向きとなる。また接触面積が小さいた
め、力が集中することにより砥石面が凹凸になりやすい。研磨中砥石面の状態を出来得る限り平面となるよう（刃物を研磨しながら砥石面も平面に研磨するよう）に、砥石面全体を使う研磨としなければならない。また、微小な幅であるため切れ刃面に均一に力を加えることが難しく、刃先が斜めになったり、切れ刃面が平面でなく凸面になりやすい。
研磨作業では研磨用具の磨耗は避けがたい結果である。刃物と共に研磨用具も減少するため、切れ刃
面を平面に保つことが難しくなる。図 2 に示したものは、2 枚刃かんなにおける、かんな身と裏金の重なり合いの関係を示したものである。2 枚刃かんなは、
木材細胞の配列の方向が切削方向と逆になる場合に起こる、逆目を止めるためのかんなである。裏金によって無理やり曲げられたかんな屑が、先割れを防ぎ切削面の荒れを防止する。そのため接合部分にはかんな屑が詰まりやすくなるので、隙間の無い接合にしなければならない。2 つの面が交わる場合、どちらも平面になっていないと隙間が出来てしまう。2
枚刃かんなのかんな身と裏金の研磨をする場合（裏押し等を含め)、砥石面は凹状態になり切れ刃面は凸

かんな削り

研磨粒度 ＃120

裏金
かんな身

押さえ棒

図 2．刃物と砥石面形状との関係
砥石の形状をわずかに変えることにより、刃物の機能や性能が良好な状態となる（例えば鋏の研磨）.

状になりやすい。その対処法として、あらかじめ砥
石面をわずかに凸状にして研磨をすることで研磨された裏金はわずかな凹状となり、押さえ棒により多少凸状態のかんな身でも隙間無く密着することが出来る。このように研磨用具表面を所定の形状にして研磨をすることにより、求める切れ刃面を得ることが可能である。

3.2 木材研磨の詳細
木材加工における木材の研磨は、欠点を補う事を目的とした消極的なものである。しかし、木材工芸（特に漆工芸）分野では、木目の美しさを表現する
ため、より精細な研磨が行われている。家具製作では研磨紙粒度＃320 までの研磨だが、漆工芸では＃
320 から順次＃600 までの研磨が行われる。

＃320

＃600

写真 2．研磨面（ヒノキ）の走査型電子顕微鏡観察
よく研磨された刃物で切削されたヒノキ材の表面を研磨紙で研磨し、研磨粒子の大きさの違いによって変化する表面の様子を比較した.

47

写真 2 はかんな削りと、研磨粒度＃120，＃320，＃600 で研磨したヒノキを、走査型電子顕微鏡（SEM）
を用いて 300 倍で撮影し、表面性状を調べたものである。かんな削りでは木材細胞（仮道管）が斜めに切断され、その断面がはっきりと分かる。粒度＃120
では仮道管が押し潰され、千切れかけた細胞がまとわり付いている。＃320 の研磨は＃120 に比べ凹凸が少なく細かな溝になっているが、仮道管の形がわずかに残っている。＃600 はさらに細かく滑らかな表面になっているのが分かる。
写真 3 は研磨粒度＃120，＃320，＃600 の研磨紙により研磨したスギ材と、それに摺り漆をしたものを、
デジタルカメラで撮影したものである。研磨粒度＃120 では放射組織による縞模様がぼやけて見え、研磨紙による傷が目立つ。＃320 では＃120 よりは縞模様が見えるようになり、傷も見えない。＃600 は縞模様がはっきりと見え表面の滑らかさも分かる。また摺り漆（拭き漆）をした場合、＃320 では表面の凹凸箇
所に漆が拭き残り、全体が黒っぽく汚い感じであるが、＃600 では拭き残りが少なくきれいな仕上がりとなっている。

き内側が乾かないチヂミと呼ばれる状態になりやすい。したがって木地呂漆は厚く塗ることが出来ず、研ぎ破りをしないで研磨する研磨量が少なくなり、
木地呂漆による呂色仕上げは難しくなる。
写真 4 は木地呂漆を用いた呂色仕上げの工程写真と研ぎ破りの写真である。凹凸とゴミのある塗装面を平面に研磨し、呂色仕上げを行ったものと、研ぎ過ぎた結果、下塗り面が出てしまったものである。

＃120

3.3 塗膜研磨の詳細
塗膜を研磨する場合、下塗りによる塗膜が平滑に研磨されている事が必要である。その下塗り面を基準に上塗りの研磨が行われる。
呂色仕上げにおいて、傾斜と凹凸のある大きな面
積の塗膜表面を上から研いだ場合、下塗り研磨面に対して平行とはなりにくく、下塗り面を研ぎ出してしまう「研ぎ破り」となることが多い。これを防ぐ方法として、研磨面の端を残し中央だけをまず研磨し、最後に残った端を研磨する（図 3)。
また、木材に直接木地呂漆を塗り呂色仕上げをする場合、木地呂漆は乾燥が速いので、外側が先に乾

断面

＃320

＃600

表面

塗膜（厚さ概ね50μm）
塗膜表面

木材

下塗り

＃320 摺り漆
研磨表面

塗膜面＃600 摺り漆図 3. 呂色仕上げにおける研磨手順

写真 3．研磨面と摺り漆（スギ）薄い塗膜を平面に研磨する場合、凹凸のある面すべてを一度に研磨しようとすると、傾いた面となり、研ぎ破りになりやすい.

研磨粒度の違いによる木目の現れ方と、摺り漆をしたときの様子.

48

塗

り

研

磨

仕上げ

研ぎ破り

写真 4．呂色仕上げの工程と研ぎ破り（木地呂漆）
凹凸のある塗膜面を平滑に研磨し艶出し仕上げを行ったものと、研磨時の研ぎ破り.

４．まとめ手による加工は加工工程を楽しむことが出来る。目
機械による研磨は生産性が第一の目的であり、大 標を決め、技を磨き、創意工夫をし、満足な結果がきな刃物や大面積の研磨および同形状の多量な加工 得られた場合、その達成感が人の気持ちを豊かにすが可能である。誰でもバラツキのない同じ研磨結果 る。理想とする研磨結果を得ようと研磨に熱中するが得られる。手による研磨は手加減による加工が出 ことで、日常の時間軸とは別の時間軸に身を置くこ
来、異なる条件毎のすばやい対応が可能である。ま た、 とが出来る。

49

筑波大学技術報告
27: 50-54, 2007

装置の監視システムの開発に向けて～様々な研修を通して～
嶋頼子
筑波大学研究事業部研究事業課（プラズマ研究センター）〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
プラズマ研究センターでは、プラズマ閉込実験を行っている。プラズマパラメータの上昇に伴い、制御装置側の状況の監視とデータの蓄積が課題となってきた。特に制御装置と運転室（実験棟）が別の建物にあることにより、ネットワークを使った監視シ
ステムが必要であった。昨年度の分子科学研究所での技術研究会で PIC (peripheral Interface Controller) と小型デバイスサーバ Xport を用いた装置の監視シ
ステムを知り、プラズマ研究センターでもこのシス
テムでの監視装置を提案した。システムの開発には、今まで受けた研修や他研究機関との交流が大いに役に立ったので、システム開発に向けての経緯を報告する。

ワーク上に流す事により、安全な実験の遂行と、自由なデータ取り込みができるようになる。
このシステムを設計するのにデータベース（DB）
や PIC に関する知識が必要であるが、今まで受けた研修や、行き詰って受けた研修など、他機関との交流が役に立った。受けた研修・技術交流を以下に示す。
・核融合科学研究所 技術交流
・筑波大学 情報処理化研修
・高エネルギー加速器研究機構

受け入れ研修２．核融合科学研究所 技術交流
2.1 核融合科学研究所

１．はじめに様々な製品の開発や、技術の向上により、技術職員も自らの技術力の向上と、分野を問わない開発力が求められる機会が多いのではないかと思う。しかしながら、業務が特殊であったり、時間がなかった
り、また組織的に確立されていなかったりなどの理由で、技術力の向上に悩む事が多いのではないかと思う。私自身、装置の設計や運用において、悩んできた。技術力の向上の手段は、それぞれに工夫するしかないが、一つの手段として研修も有用であると考える。今回、様々な研修を受け、一つのシステムの設計に至れた。
短時間大電力を得る為の電動発電機の担当をしているが、近年、様々な実験パラメータ（加熱シーケンス）で実験が行なわれるようになってきた。それに伴い、装置の状況を監視し、実験状況やショット
番号などのデータと装置の状況の関係を調べる事が重要となっている。そこで、ネットワークを通じての監視システムを提案した。監視システムは、分子科学研究所（愛知県）にて昨年３月に行なわれた第
17 回分子科学研究所技術研究会で多くの報告がなされた PIC と Xport を用いてのシステムを取り入れた。
監視するのは、プラズマ閉込装置のコイルに流れる電流を制御する装置の一部である直流電流アンプ（DCCT アンプ）の状況と、実験進行状況（通電ま
での残時間等）である。
DCCT アンプのバイアス電流値は、現在は職員が現場に数値を読みに行っている。DCCT アンプは職員が常時実験を監視・制御する実験棟とは別の建屋にある。職員がそれぞれのグループの仕事と実験の統轄作業を兼任していることから、いつでも何処でもアンプの値をモニターできる事を望んでいた。
また、通電までの残時間や、ショット番号をネット

50

岐阜県にある大学共同利用機関法人自然科学研究機構・核融合科学研究所（NIFS）は、平成元年に文部省核融合科学研究所としてスタートした研究機関である。プラズマ研究センターも同じ分野なので様々な面で関わりも多い。
技術部は５課で構成され、人数は 52 人。研究所には大型のプラズマ実験装置があり、技術職員は装置建設に関しての施行管理や各種周辺装置の設計、製作、実験期間中は実験装置の運転、装置の維持・管理や新装置の開発、新しい装置の制御やデータ収集
部の設計・製作またソフト開発なども行なっている。

2.2 技術交流
NIFS の技術部1では、装置の設計・製作や、コンピ
ュータのプログラム制作等を通して互いに技術の向上を目指す目的で技術交流が行なわれている。
技術交流の内容は交流プログラムにより分類される。技術部ホームページ（HP）より抜粋した交流プ
ログラムを表１に示す。ほとんどの交流が関連業務に携わるもの、もしくは興味を示すものという条件で受ける事が出来る。担当者と連絡を取り合い、自分の希望・状況などを伝え実施することができる。

2.3 内容電子回路工作を平成１４年度に、パーソナルコン
ピュータ（PC）を用いた計測・制御技術を平成１５
年度に受けた。電子回路工作の時は１名での受講だった。私自身、電子回路の製作はあまりやったことがなく経験させて頂く意味での技術交流だった。その後、私がプラズマ研究センターで担当している計1

http://etmikan.nifs.ac.jp/jap.html

表 1. 技術交流プログラム（NIFS 技術部 HP より抜粋）
技術交流項目

交流人数

期間

NC 加工技術
電子ビーム溶接加工
電子回路工作
PC を用いた計測・制御技術
構造解析シミュレーション技術
3 次元 CAD シミュレーション技術
低温技術
真空技術
大電力高周波技術
バースト放射線計測及び環境放射線監視技術
PC を用いた大規模装置の制御技術
メカトロニクス技術
電子出版関連技術
安全衛生管理について
技術組織について

1～2 名
1名
1～2 名
1～2 名
1～2 名
1～2 名
1名
1～2 名
1～2 名
1～2 名
2～3 名
2～3 名
会議形式
会議形式

3 日～1 週間
3 日～1 週間
1～2 週間
1～2 週間
1～2 週間
1～2 週間
3 日間
1 週間
2 週間
5 日間程度
1 週間
1 週間
1 週間
2 日程度

測装置の関係で「PC を用いた大規模装置の制御技術」のテーマで申し込んだ。内容は VisualBasicを用いた制御プログラムの作成である。プラズマ研究センターの実験状況は PostgreSQL を用いた DB サーバに保存されており、その DB と計測したデータを組み合わせて利用したい事などを伝えた。その結果、内容としては VisualBasic を用いた DB へのアクセスというものになった。他大学の方との２名での受講であったが、その方は装置の制御が目的で、２日目以降は個別の内容で実施された。

から基本文法を学び、実践を通し掲示板を作っていくというものであった。テキスト１冊を２日で終わらせるというもので、内容は濃く、進むスピードも速かった。最後の掲示板の作成までは出来なかったが、Web アプリケーションというものを理解できた。
研修終了後、プラズマ研究センターのサーバでPHP を利用してみたが、PostgreSQL への接続は試せなかった。

4． KEK 受け入れ研修

研修の期間は４日間であり、VisualBasic の導入から PosatgreSQL のインストール、実習を行なった。
DB というものがどのように構築されているか分からなかったが、インストールから経験する事により段々と理解ができた。また、研修は Windows マシンを用いて行い、access からの簡単な DB へのアクセスも経験した。その後、センターの DB へ実際にアクセスし修正なども行なえるようになった。

高エネルギー加速器研究機構2 (KEK) では、他の研究機関・大学等の職員を受け入れての研修を行っている。平成１７年度の筑波大学技術発表において、
KEK の職員の方と知り合い、遠隔システムに興味があるならば、研修を受けてみないかとアドバイスいただいた。そこでどうしてもうまく動作しなかった
PIC に関して１２月に研修を実施してもらった。研修は通常の業務に影響が小さいよう、午前のみを３回行った。

３．筑波大学 事務情報化研修

4.1 内容平成１５年度第Ⅳ期事務情報化研修 専門研修＝担当の方は PIC に詳しいわけではなかったが、シCGI 基礎（PHP）コースを平成１６年２月に受講した。
リアル通信等に精通しており、ピンの動作を１点１
受講のきっかけは、NIFS での技術交流の際に DB へ
点 LabVIEW にて確認し、動作が何処まで正確であるのアクセスならば VisualBasic よりもこれからは PHPかを確認した。LabVIEW を扱うのは始めてであったの方が楽だろうと雑談の中で出たことである。
がプログラムの方法から教えてもらい、PIC の動作を知る事ができた。
3.1 内容午前のみという事で次回までに確認できたところ
研修は、WebOffice などの業務の情報化・ペーパレまでを修正し動作を確認、更にプログラムを改造しス化に有用な Web 型のオンライン業務システムの開研修と言う進め方で行った。次回研修までに実施す発促進のため、ホームページ作成に必要な PHP 言語る事が多く大変であったが、その分進みは速かった。
の基礎的な知識及び開発技術を習得させる目的で、この研修で PIC のシリアル通信の部分が分かり、総務部情報処理課が開催しているものである。研修 実際に PC と繋ぐところまで確認することができた。
期間は２日で専門の講師による指導で、PHP の概要
251

http://www.kek.jp/ja/index.html

５．研修の成果
5.1 埋め込み SQL 用 C プリプロセッサによる DB の利用
NIFS での技術交流の際に少し PostgreSQL について触れてもらったので、それを参考にプラズマ研究センターの DB をコマンドで操作することからはじめた。この DB はショットの時間・加熱条件など実験状況が記入されているものである。
センターでは、プラズマ生成実験中はショットのト リ ガ に 合 わ せ て 様 々 な デ ー タ が 、 AD 変 換 機（CAMAC）よりワークステーションにバイナリデー
タで送信される。したがってショット中のプラズマの様々なデータは、このワークステーションに蓄積されている。ユーザーは様々なデータを計算し解析している。データの中には常時監視し、その変動をつかむのが必要なものもある。装置の真空度もその一つで、通電中のある時間の値を Fortran で計算し、その変動を監視している。しかし、通電状況などはDB に保存される為、測定値と実験状況を手で書き写しながら監視をしている。
より安定した監視の為、データを組み合わせて新
たな DB を作る事を考えた。PostgreSQL の参考書とインターネットで調べた結果、埋め込み SQL 用 C プ
リプロセッサ（ECPG）というものを使う事にした。
これは C 言語から PostgreSQL へアクセスするというものである。ecpgtype.h と ecpglib.h の２つのライブラ
リを使用する。プログラムの記述は非常に簡単で、DB にアクセスする SQL のコマンドは exec sqlに続けて SQL コマンドを記述するだけである。以下に、そのプログラムの一部を載せる。
/******* データベースに接続 *******//*何らかのエラーが発生した場合は関数 error_exit()
をコールする*/exec sql whenever sqlerror do error_exit();exec sql connect to
tcp:postgresql://192.168.11.1:5432/DBname user NAME
using PW;/*DB に書き込み*/
exec sql
insert into vacdata(indexno,shotno,ee,ea,eb,cc,wa,wb,we,datetime) values(:indexno,:shotNO2,:EE,:EA,:EB,:CC,:WA,:WB,:WE,:
datetime);
exec sql commit;
exec sql disconnect;
Fortran で書かれた既存のプログラムを C 言語に書
き換え exec sql の記述を追加し sql の拡張子を付けて保存する。ECPG を実行するとコンパイル可能な C
ファイルが作成される。ショット番号が実験状況のDB とワークステーションのデータの両方に入っているので、これを連携させ、通電時刻は実験状況のDB から取り込み、真空度はワークステーションのデータを計算している。これらのデータを新たな DBに入れている。コンパイルした C ファイルを動かすと、DB にはショットの進行に応じ新しいデータが書き込まれる。更にこの結果を Web に表示するようにした。表示している画面を図 1 に示す。項目の左か52

らショット番号、通電時刻、7 箇所の真空度を表している。表示するプログラムは PHP で書いており、大学の情報化研修の際に配られた参考書のプログラムをそのまま移植したものである。ただ、ECPG のプロ
グラムがセグメンテーションエラーで止まってしま
うことが度々あるため、現在 C 言語を勉強しながらプログラムを見直している。
DB にデータを保存することにより、新たに備考や、通電のタイミング以外のデータも加えることができる。また、PHP で表示する場合、サーバで JpGraphを動かせるようにすれば自動的にグラフ表示も行なう事ができるようになる。

図１. PHP によるデータ表示
ECPG を用いて新しく作った DB を PHP で表示した.

5.2 監視システムの設計と現状
KEK での研修などを通し PIC でのシリアル通信ができるようになり、Web からの DB のアクセスも分かってきたので、発電機周辺機器の状況を監視するシステムを考えた。
DCCT アンプの値の変動には、温度の依存性があるのではという意見が出ていた。そこで、温度とアンプ出力の両方を監視するシステムを設計した。設
計したシステムを図２に示す。監視システムは、技術研究会での発表を元にワンチップマイクロコンピ
ュータである PIC と Xport で構成し、PC 上のブラウ
ザにて装置の状況を監視できるものを考えた。装置
自体は整流器棟地下に設置されており、そこからの出力は整流器棟１階の制御盤の端子から取れるようになっている。地下の室温を温度測定素子（LM35）で電圧値として取り出し、１階の DCCT 出力と共にPIC で取り込むシステムである。PIC で取り込んだデータは Xport によりネットワーク上で監視できるようにする。整流器棟には LAN は設置されていなかったので、整流器棟と実験棟を光ファイバーでつなぐことにした。共同溝を通り実験棟と結ぶもので、140m のケーブルを用意した。１月に光ファイバーの設置を終えた。
DCCT アンプの電流値は抵抗を接続し、端子間の電圧を計り、電流値を出している。PIC にてそのまま電圧を取り込むとアースの問題が出てくる
為、絶縁アンプを入れる必要がある。現在は、クランプ式の小型電流センサーを使って DCCT アンプ側の配線に接することなく電流を測定することを検討している。電流計測の試験中の様子を図３に示す。
測定対象の電流が４ mA という微小であり、その 1%以下の変動を知りたい為、分解能を考慮しなければならず、電子回路の問題が残っている。モニターした DCCT アンプの値を DB に入力する部分は JAVAで行なうため、JAVA の知識も習得する課題も残っている。
また、プラズマの計測機器の多様化などにより、
従来の CAMAC に頼らない取り込みが増えてきたため、正確な実験の進行状況が必要となっていた。そこで、発電機を制御する PLC (Programmable Logic
Controller) とリレーの出力を PIC に入れ、今まで監視デスク上と実験室でしか分からなかった、ショッ
ト番号・ショットまでの残時間を Xport でネットワー
ク上に流し、VisualBasic などで自由に利用してもらうよう考えた。これにより、より正確に取り込みが行なえるようになり、更により安全に実験が行なえるようになる。現在、配線などを行ないながら、PICのプログラムを検討している。
課題点はいくつかあるが、NIFS でも Xport に関するシステムを考えていることから、技術交流を２月に行なう事になっており、共に勉強しあうことになっている。

図３. 実験中の PIC
電流センサーの出力を PIC に取り込み、電流値を計算し、LCD に出力してテスターの値と比較する.

整流器棟

実験棟

DCCTアンプ出力
ーアナログ電圧出力

運転室

制御盤
リレー出力
端子台

絶縁アンプ
PIC 16F84A（A/D変換）残時間(4桁)16チャンネル

ある値を超えたら警報

xport
絶縁アンプ
アンプ設置部温度・アンプ出力
・モニター
・DBサーバーに保存

JAVA

LANケーブル

光メディア
コンバータ

データ処理室センター内
ネットワーク地下

PLC出力
ショット番号（6桁）
24チャンネル

HUB
アンプ設置部

光メディア
コンバータ

温度センサー（LM35)
ーアナログ電圧出力

PIC 16F877
xport

共同溝
光ファイバケーブル（140ｍ）

ショット番号・残時間
ネットワーク上に出力

・モニター
・telnet
VB等にてアクセス可（取り込み/
データ解析に利用）

既設

図２. 装置の監視システム図
PIC にセンサーや PLC・リレーの出力を取り込み、Xport にてネットワーク上から装置の状態・実験状
況を監視する.

53

６．まとめ
いくつかの研修を受け、監視システムの設計を行った。システム自体は新しいものではないが、装置の監視技術に関して全く知識のなかった状態から低価格でのシステムを設計できるようになった。
最初はまばらに受けていた講習もどこかでつながり、
今回のシステム構築にまで至る事ができた。
このシステムでは全て DB の利用と、Web でのモ
ニターを前提にしており、この点では様々なサーバに対する設定が必要となる。これに関して実験的なサーバを利用する事ができ、設定に関してもほとんど管理者に依頼すれば可能であった。PLC の出力を取るにしても図面の見方も分からなかったが、担当
教員の指導と技術職員の協力により図面の解読と接点の利用にこぎつけることができた。作業に関しても協力を頂いている。このような恵まれた環境もシ
ステム設計が行なえた背景である。
技術力の向上には、様々な方法があり現在の社会ではインターネットでの情報収集も手である。今回のシステムでも ECPG や JpGraph などはインターネ
ットで見つけた。しかしながら様々な研修を通し様々な方の意見を聞くことにより、自分自身が思っ54てもいなかったアイデアが思い浮かんだりするし、
また仕事の励みになるのではないかと思う。
研修や交流会、発表会等を通じ、得た知識を自分の職場で生かすには周囲の職員の協力なくしては出来ない事である。これからも、研修で得たものを業
務に活かしていきたい。

謝辞
本報告書作成にあたりご指導頂いた板倉先生、周囲の技術職員の方、プラズマ研究センターの皆様に深く感謝いたします。

参考文献
[1]

大津直史, 佐藤和弘, X-PORT を利用した携帯電話による装置監視の試み, 第 17 回分子科学研究所技術研
究会講演報告書 (2006) 80-83.
[2] Richard Stones, Neil Matthew, エ キ ス パ ー ト か ら
PostgreSQL 活用テクニック, 株式会社インプレス, 東
京, 2002.
[3] 後閑哲也, C 言語による PIC プログラミング入門, 株
式会社技術評論社, 東京, 2002.

筑波大学技術報告
27: 55-62, 2007

顕微鏡画像の遠隔監視システム～ガラス包有物の水素分析～

大和良広
筑波大学研究基盤総合センター（応用加速器部門）〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
応用加速器部門では、マイクロビームによる岩石中のガラス包有物の水素濃度分析を行っている（図１）。第２回筑波大学技術職員技術発表会に於いて「地球科学試料中の水素分析のためのマイクロビー
ム制御システム及び照射試料駆動制御システムの開発 [1]」というタイトルで発表したシステムのうち、試料の照射位置を決定するために必要な顕微鏡をリモートで監視する装置について改良・改善を行った。

１．はじめに
これまで、ガラス包有物（図２）の観察やマイク
ロビーム（図３）の形成のためのモニターは、アナログの CCD カメラを顕微鏡（図４）に接続し BNC
ケーブルで測定室から制御室にビデオ信号として送っていた。このため通常のテレビ画像と同じ 640×
480 ピクセルの解像度しか得られず、画像に外来ノイズの影響も受けやすかった。しかし、今までよりも構造の複雑なガラス包有物を特定しマイクロビームの照射位置に合わせることが必要になったため、照明の高輝度 LED 化およびカメラのデジタル化を行った。これにより高照度・高解像度（1,024×768 ピクセル）の顕微鏡画像観察が可能となった。

図１. 水素分析方法の概略
陽子弾性散乱同時計測法とは、固体試料に20MeV の陽子線を照射し、試料中の水素により散乱された陽子と、同時にはじき飛ばされる試料中の水素を同時検出して、ppm ~ wt.%の水素を非破壊に定量する手法である.この手法では測定試料を既知水素濃度の標準物質で挟んで同条件で分析するため、両者の測定に関わる誤差を相殺することができ、高い正確度の定量が可能.

図２. ガラス包有物（メルトインクルージョン）
酸性火山岩の石英斑晶中に取り込まれた初期のマグマ物質
火山岩の包有物の揮発性物質の分析によって、島弧マグマの発生と揮発性成分の関係、地殻内部での水の挙動などの解明、ひいては火山噴火予知への貢献も期待される.

55

直径 30µm 程度に20MeV の陽子ビームを絞り込む調整画面

図３. マイクロビーム形成
通常の実験で使用される加速イオンビームの収束直径はφ1∼2 mm 程度である.
これをスリットや電磁石レンズでφ10∼100 µm 程度まで試料に合わせ小さくしぼる操作を行う.

マイクロビーム

側面

正面

図４

試料チャンバー・顕微鏡図面

56

２．特殊な観察装置

３．照明の高輝度 LED 化

本システムは、真空中を加速されたマイクロビー
カメラの性能を調べるためたくさんのメーカーよムで試料の水素濃度を分析するため、通常の顕微鏡 りデモ機をお借りして顕微鏡での試料画像のチェッと異なり非常に複雑な構造をしている。図４の様に クを行った。その過程で画像の不鮮明さに後方照明
試料は XYZ に動作するステージ（移動機構）上にマの照度の影響がかなり大きいことがわかったため、ウントされビームを自在な位置に照射するため地面 従 来 の ハ ロ ゲ ン ラ イ ト (Leica Microsystems CLSに対して垂直である。ところが高エネルギーのビー 150XD) で 45°ミラーの反射光を使った照明から
ムと同じ軸上に顕微鏡とカメラを置くことは不可能 「超高輝度白色 LED (日進電子工業 (株) W3SP-28) +なので顕微鏡は地面に対して水平に設置されている。 集光レンズ」をマイクロビームと同じ光軸に設置しすなわち対物レンズと試料が 90°ずれて設置されて た照明に変更（図５）したところ、試料画像の鮮明
おり 45°のミラーによって遠くから観察する。さら さが増した。
に実体顕微鏡 (Leica Microsystems MZ125 ) で 14 イン
チモニター表示時 700 倍程度の倍率を要求するので投影レンズ等が必要である。
この様な条件で鮮明かつ高解像度な画像を得るのは非常に難しい。

試料へ

旧照明

新照明
試料へ
観察時
上に待避

図５. 顕微鏡後方（試料透過光）照明の変更

57

４．CCD カメラのデジタル化
4.1 解像度の向上

4.2 デモ機による評価と選定

本システムの導入まではアナログの CCD カメラを使用してきた。最初に顕微鏡と同時に設置されたのは 1/2 インチ CCD の Sony DXC-200A であった。これを用いてしばらく実験してみたところ、最低被写体照度と倍率が足りずビームトランスポートや包有物の位置設定が難しかった。そのため、1/3 インチ
CCD で最低被写体照度が 2 桁感度の高い Moswell
Co., Ltd. MS-560A と交換した所、照度・倍率とも飛躍的に改善した。このカメラを用いて数年は BNC ケーブルで測定室から制御室にビデオ信号として送った画像を、モニターテレビと PC のビデオキャプチャ
ーボードを用いて観察・記録していた。
ところが、それまでの実験では比較的発見しやす
い包有物（図６）ばかりを測定していたが、研究の進展により複雑な包有物（図７）を特定し測定しなければならなくなった。この条件をクリアするためには解像度の向上が必要であった。また、照度やゲ
イン、ホワイトバランスなどの画質調整が必要なとき、アナログカメラは本体に付いているディップス
イッチの設定が必要で実験中は現場に立ち入れない
我々の環境では非常に不便であった。

4.1 の様な要求から顕微鏡用カメラの交換を検討
し、以下のような多数のデモ機を使用して価格・性能の評価を行った。
Olympus DP12、浜松ホトニクス (株) C8484、(株)アートレイ Artcam-300MI , Artcam-200SH、(株) 日本
ローパー QImaging RETIGA EXi、Nikon DS5Mc-L1、Sony XCD-X710CR , DFW-X710 で、価格性能比で最終的に Sony DFW-X710 を選定した。
顕微鏡の対物レンズの分解能の仕様限界、試料の傾きやミラーの角度なども少なからず観察映像の劣化に影響がある点を考慮し、実際の試料チャンバー
顕微鏡にマウントした状態での評価が有効であった。

4.3 現場カメラ観察用 PC
測定室の試料チャンバー側近にも観察用モニターは必要で、現場で快適に動作し、リモート監視を行っても問題のないパフォーマンスである PC を予算範囲で選択した。PC とデジタル出力カラーカメラモ
ジュール(4.2)のインタフェースには、観察・計測・
キ ャ プ チ ャ ソ フ ト ウ ェ ア (Media Cybernetics Inc.
Image-Pro Express5.1) が 対 応 し て い る IEEE1394(Technoscope Co., Ltd. PFW-46) を採用した。
これにより、カメラ本体を操作しなくてもソフト
ウェアで照度やゲイン、ホワイトバランスなどをコントロールでき（図８）、マーキング、長さや面積の計測などが可能となった。

図６. 試料（宮城県苅田郡蔵王町円田土浮山 D）

図８. ソフトウェアによるカメラの画質調整

図７. 試料（山梨県中富町西島月見橋 3-2-A-A）

58

５．リモート監視
5.1 画像信号伝送方法の検討
１階にある測定室の水素分析用コース（ローカル）と２階にある制御室（リモート）（図９）は新しく
ケーブルを張る場合の経路が約 40m である。これまでは既設の BNC ケーブルを使用できたが、ローカルとリモートで顕微鏡画像を見たい場合 PC が介在するとどうしてもデジタル信号ケーブルが必要である。
そのため、CAT5 UTP ケーブルで接続する USB2 エク ス テ ン ダ ー や IEEE1394 光 伝 送 リ ピ ー タ ー 、IEEE1394 ロングケーブルなどを検討したが、ローカ
ル・リモートの切換がうまくいかない可能性が高かったため既設 LAN 配線 (100BASE-TX) を用いた方法を検討した。

共同利用棟
・
受電室

2F 制御室放射線リモート
タ ン デト ロ ン
測定室

真空準備室

地球科学
( マイ ク ロ PIXE)

工作室
RI 室

四重極
電磁石

第1 測定室偏極標的シ ステ ム

ECRイ オン 源

結晶物理
振分
電磁石

第2 測定室ク ラ スタ ー実験
振分
電磁石
大型汎用散乱槽

地球科学試料用
マイ ク ロ ビ ーム装置

分析電磁石
原子核反応実験

5.2 IP 対応リモート KVM
ローカルとリモートで同じ画面及びキーボード、
マ ウ ス 操 作 が で き れ ば 良 い だ け な の で 、 KVM(Keyboard/Video/Mouse switch) が遠隔で使えれば最も簡単にリモート監視が実現できると考え（図１０）、
既設 LAN 配線が利用できる KVM over IP ユニット
（日本ラリタン・コンピュータ(株) LARA Express）
を使用してみた。
ところが、通常のアプリケーション利用程度であれば全く問題ないが、リアルタイム性を要求するビ
デオ画像を表示するためにはフレームレートが低す
ぎ、画像のリフレッシュノイズも酷かったため、顕微鏡画像の遠隔監視には全く利用できなかった。

スペク ト ロ メ ータ ー

1F 測定室ローカル

図９ ローカル・リモート位置関係
１階第１測定室０°コース試料チャンバーから２階加速器制御室コントロール PC までは遠く、現場の顕微鏡画像を高解像度かつ劣化無く送るにはデジタル化が必要。

図１０. KVM over IP ユニットでの接続図

59

加速器質量分析
新機能素材開発

5.3 UltraVNC

5.5 ギガビット LAN による高速化

IP 対応リモート KVM の性能が期待外れだったた
め過去に遠隔制御用に使用経験のある UltraVNC 1を使用して遠隔監視及びカメラコントロールを試した。画像のリフレッシュノイズは無いものの動画のフレームレート2が 5 fps 程度で、試料照射位置の決定には使用できるがマイクロビーム形成のためのリ
アルタイムモニターとしては使えなかった。

リモートデスクトップのフレームレートでもまだ、マイクロビーム形成のためには利用者のストレスが高かった。そこで、既設の情報コンセント１系統を専用に使用し、さらに測定室や制御室内の足りない部分には新規に STP ケーブルを敷設してローカル・
リモート間の通信をギガビットネットワーク化した（図１１）。 これにより、実効通信速度は３倍以上になり、動画のフレームレートが 12 fps 程度まで向上した。カメラ自身のフレームレートが Max. 15fps
なので概ね良好な結果と言える。
また、ネットワークの設定をジャンボフレームに設定し速度の向上があるかテストしたが、ファイル転送などのスループットは向上したものの動画のフレームレートは変わらなかった。
今後さらなるフレームレートの向上ができるか
IgScope や PacketiX Desktop VPN などのソフトウェ
アでもテストする予定である。

5.4 リモートデスクトップ
水素分析実験のための顕微鏡モニターとしてはUltraVNC の フ レ ー ム レ ー ト で も 不 満 が あ り 、Windows XP Professional に標準装備のリモートデス
クトップを試した。結果は良好で、8 fps 程度のフレ
ームレートが得られた。

水素分析顕微鏡モニターリモートシステム ２００６
顕微鏡カメラ DFW-X710
０°コース
顕微鏡PC
DELL GX620

計算機室
ギガハブ経由

ギガビットLAN
実効速度200Mbps

IEEE1394
400Mbps
Image-Pro
EXPRESS
Ver.5.1J
でモニター&
コントロール

AM室
情報コンセント経由

ギガビットLAN
で
リモート
デスクトップ

ギガLAN化で 64Mbps → 200Mbps に３倍以上速度向上

２Ｆ コントロールPC
EPSON Direct
Endeavor Pro3300

図１１. ギガビットネットワーク化「1F 測定室ローカル」から分析電磁石室（AM 室）情報コンセントまで（図９参照）と計算機室ギガ対応スイッチングハブからコントロール PC までの間に CAT5e STP ケーブルをはり顕微鏡画像を見やすくするためのフレームレートの向上ができた.

1
2

http://kp774.com/soft/uvnc_jp/
ここでのフレームレートは筆者の体感速度60６．水素分析研究成果

6.2 ガラス包有物の水素濃度測定[2]

本システムを使用した研究論文 として、学会誌等
３６、国際会議発表８、口頭発表１１、学士論文５、修士論文２が提出されている。
具体的な２例を以下に示す。

6.1 原爆放射線量再評価 DS02 のための
広島元安橋花崗岩の水素濃度測定
広島爆心直下の地でその姿をとどめていた元安橋（図１２）の花崗岩を水素分析し DS02 の評価データの１つとして分析結果を提供した。[3-5]図１２. 現在保存されている当時の元安橋の欄干
花崗岩中の水素の分布は一様ではないので岩石の薄片上で無作為に測定点を選び多数回の測定を行い平均値を求めた。測定した花崗岩は U4-1 のラベルがあり、南北に抜いたコアサンプルの北側から４番目、
深さ 6～8 cm、上方の部分である。この花崗岩サンプ
ルから厚さ 0.2 mm の薄片を 11 枚作成し測定を行った（図１３）。
測定結果は、0.29±0.11wt. % (H2O) で Iwatani ら [6]の、灼熱減量法およびカール・フィッシャー法により求めた水素濃度と誤差範囲内で一致した。

国内外の様々な試料を計測してきた。以下にこれまで測定した試料のリスト3を示す。
• 宮城県苅田郡蔵王町 円田 土浮山高温石英• 茨城県日立市 初崎
奥日光流紋岩類（白亜紀）• 富山県東礪波郡城端町 細尾峠
月長石流紋岩（臼中月長石流紋岩 24-25 Ma）• 兵庫県多紀郡今田町 立杭
流紋岩（有馬層群 71-67 Ma）• 静岡県田方郡修善寺町 柏久保
高温石英（白浜層群酸性凝灰岩 7-8 Ma）• 秋田県雄勝郡雄勝町 荒湯 高温石英• 滋賀県大津市藤尾町 小関峠
石英斑岩（比叡花崗岩体を貫く岩脈 白亜紀）
• 鹿児島県鹿児島郡桜島町 咲花平• 兵庫県多紀郡丹南町 不来坂
流紋岩（有馬層群 71-67 Ma）• 奈良県宇陀郡室生村 室生
流紋岩質溶結凝灰岩（7-10 Ma）• 長野県更埴市 稲荷山
斜長石流紋岩（小川層下部 7.5 Ma）• 神奈川県津久井郡津久井町 早戸川
玄武岩（15-16 Ma）• 山梨県南巨摩郡南部町 上佐野
玄武岩質安山岩（5-6 Ma）• 山梨県南巨摩郡身延町 光子沢
クロム透輝石[7]他多数。今後、これら試料の詳細な測定データ解析を進める。
一例として、宮城県蔵王町円田 ～５万年の蔵王火山噴出物の石英斑晶（無色及び茶色透明均質・200 µm
厚の両面研磨片）の分析結果を示す（図１４）。
単結晶内の包有物の水濃度
wt.% H2O
4.16
4.37
4.69
4.44

4.06

4.01

4.46

500 µm
複数包有物の濃度：ほぼ一定 (1σ=7%以内)

図１４. 宮城県蔵王町円田石英試料中のガラス包有物の水換算濃度測定結果
本システムを用いることにより、析出結晶を含む
不均質包有物の水素濃度も決定が可能で、これはその他（赤外吸光分析（FTIR）など）の分析手法では不可能である。

試料ステージにマウントした試料

図１３. 水素濃度分析のためにマウントした元安橋の薄片試料を含むチャンバー内試料ステージ
361

サンプル収集当時の旧住所での表示

７．まとめ参考文献

照明の高輝度 LED 化とカメラ及び信号伝送方式の[1]
変更によって遠く離れた測定室の実体顕微鏡を制御室で操作し高解像度で観察するシステムを構築した。
アナログカメラ画像では輪郭などの特定が難しかった複雑なガラス包有物が本システムを使用するこ[2]とによりかなり見やすい環境となった。
このことにより、測定する包有物の照射位置設定
時間が短縮し実験時間を有効に使うことが可能で多[3]数の包有物の発見時間短縮に貢献できた。

大和良広. 地球科学試料中の水素分析のためのマイク
ロビーム制御システム及び照射試料駆動制御システ
ムの開発, 第２回筑波大学技術職員技術発表会講演予
稿集 (2003) 36-43.
http://www.tech.tsukuba.ac.jp/2002/abstract/05yamato.pdf
古野興平. 共鳴原子核反応法による岩石・鉱物中の水素分析法の研究 課題番号:12304032, 平成 12 年度～平成 14 年度 科学研究費補助金 基盤研究(A)(2) 研究成果報告書 (2003).
小松原哲郎、笹公和、石井聡、大和良広、宮川一尚、
佐藤健一郎、黒澤正紀. 陽子弾性散乱同時計数法による花崗岩の水素分析, 広島・長崎原爆放射線量新評価システム DS02 に関する専門研究会報告書 (2005)
120-123.
謝辞[4] 小松原哲郎、笹公和、大島弘行、木村博美、田島義一、
高橋努、石井聡、大和良広、黒澤正紀、古野興平. 第本システムの資源は、生命環境科学研究科 地球進
１０章中性子測定と計算値に寄与する因子、Ｅ。花崗化科学専攻 黒澤正紀 講師の科学研究費補助金より
岩中の水素含有量 「広島および長崎における原子爆
支出させていただきました。黒澤講師にはサンプル
弾放射線被曝線量の再評価」線量評価システム 2002、の収集から薄片試料作製まで一手に引き受けていた
DS02, 2006 年財団法人 放射線影響研究所.
だき地球科学的見地から様々なご助言を頂きました。 [5] T. Komatsubara, K. Sasa, H. Ohshima, H. Kimura, Y.
Tajima, T. Takahashi, S. Ishii, Y. Yamato, M. Kurosawa,
研究基盤総合センター応用加速器部門 石井聡氏
K. Furuno, Hydrogen Content in Granite, ”Reassessment ofには、照明の高輝度 LED 化を一手に引き受けていた
the Atomic Bomb Radiation Dosimetry for Hiroshima andNagasaki-Dosimetry System 2002”, Report of the Joint
だき、観察テストにも協力いただきました。
US-Japan Working Group, Chapter 10, Part E, pp.750-754,
また、計測・解析を中心に当分析システムを統括
Radiation Effects Research Foundation (2005).
[6] H. Hasai, K. Iwatani, K. Shizuma, M. Hoshi, K. Yokoro, S.
的に担当されている数理物質科学研究科 物理学専
Sawada, T. Kosako, H. Morishima, Health Phys. 53 (1987)
攻 小松原哲郎 講師、ビームライン全般・マイクロ227.
ビーム形成を中心に担当されている数理物質科学研 [7] 黒澤正紀、宮川一尚、小松原哲郎、佐藤健一郎、笹公和、石井聡、大和良広、小林洋二、安間了. 伊豆一小
究科 物理学専攻 笹公和 講師に様々なご協力を頂
笠原弧衝突境界付近に発達するクロム透輝石を含む
きました。
岩脈の水濃度, 月刊地球 27 (2005) 519-524.
この場をお借りして感謝の意を表します。
[8] T. Komatsubara, K. Sasa, K. Okumoto, S. Ishii, Y. Yamato,
K. Satou, K. Furuno, M. Kurosawa, Development of ERCS
hydrogen analysis for melt inclusionsin erupted magmatic
samples,N.I.M. B 251 (2006) 237-245.
[9] K. Sasa, K. Furuno, Y. Yamato, H. Ohshima, S. Ishii T.
Komatsubara, M. Kurosawa, The Tsukuba high-energy
nuclear microprobe for hydrogen analysis of mineral
samples, Nucl. Instr. and Meth. B210 (2003) 48-53.
[10] K. Furuno, T. Komatsubara, K. Sasa, H. Ohshima, Y.
Yamato, S. Ishii, H. Kimura, M. Kurosawa, Measurementof hydrogen concentration in thick mineral or rock samples,
Nucl. Instr. and Meth. B210 (2003) 459-463.

62筑波大学技術報告
27: 63-65, 2007

医学安全管理室の業務とその役割
櫻井秀子、文随和美、渡邉祐子
筑波大学人間総合科学等支援室（医学系）〒305-8575 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要

表 1 平成 18 年度業務カレンダー[1]

医学安全管理室 は平成 16 年 4 月より設置され、全学の環境安全管理室[2]と連携をとりながら医学の
環境保全のための業務を行っている。今回、医学安全管理室の業務内容を報告する。

１．はじめに地球環境保全が叫ばれている現在、環境中へ排出される物質を規制する法律は年々厳しくなっている。
筑波大学においては、教育、研究活動等により廃棄される物質の処理を、開学時には「実験環境管理室」の名称でその役目を担っていた。法人化に伴い、平成 16 年 4 月 1 日に、教育研究活動等における安全衛生も含め環境管理等に関する業務を一元的に行う組織として、「環境安全管理室」と変更されている。
社会的には、環境関連法規・条例・協定の遵守、環境保全活動への取り組み、環境負荷の低減等、果たすべき役割は大きなものとなっている。医学安全管理室は、同年度に医学地区の研究室と「環境安全管理室」をつなぐ窓口の役割と、医学地区の環境保全を目的として設置された。現在の構成員は、教員 5名（基礎医学系 2 名、臨床医学系 1 名、社会医学系 2名）が担当となっている。事務部門の研究支援係より支援を受けている。技術職員は兼任で 3 名配置され、共通部門として安全管理の役割を担い、支援業務に当たっている。

２．業務内容一年間の業務内容を表 1 に示す（右段)。

2.1 実験廃棄物の共同搬出
医学地区の共同搬出は一年間に 3 回行っている。
平成 17 年度第 1 回から平成 18 年度第 2 回までの共同搬出実施状況を表 2 に示す。毎回約 20 グループが約 100 個のポリタンクを搬出している。廃棄区分の傾向は大きくは変わらない。
表 2 医学地区共同搬出件数
平成17年度
第2回

第3回

第1回

第2回

ポリタンク数

111

90

97

88

118

グループ数

22

20

21

17

22

無機系廃液（L）

49.8

104.5

54.6

12.3

54.0

有機系廃液（L）

772.9

464.3

513.0

663.5

571.6

写真系廃液（L）

332.6

294.0

253.0

163.0

693.0

2.2 試薬管理システムの利用支援
学内の試薬管理コンピューターシステムへ利用者登録を行うことにより、試薬管理ができるようになる。
医学安全管理室では下記の支援を行っている。
①利用者の登録、変更、追加の窓口になる。
②利用の説明会を開いている。
③データベースに掲載されていない試薬の登録申請を行っている。
④バーコードリーダーの貸し出し、バーコードラ
ベル印刷の提供を行なっている。これらを行う
ことにより利用の推進を図っている。

平成18年度

第1回

平成 18 年 4～12 月
4 月 医学地区安全管理 WG 委員の変更・新設申請受付（通年随時）
PRTR 法関連試薬移動量の集計
5 月 第 1 回実験系廃液共同搬出申し込み締め切り（22 日）
安全管理室保管分不要薬品等の分別管理作業（29 日）
6 月 実験安全管理説明会・試薬管理システム説明会（5 日）
安全管理室保管分不要薬品等の分別管理作業（26 日）
7 月 第 1 回実験系廃液共同搬出（3 日）
8 月 ケタミン講習会（4 日）
9 月 安全管理室保管分不要薬品等の分別管理作業（25 日）
10 月 第 2 回実験系廃液共同搬出申し込み締め切り（4 日）
11 月 第 2 回実験系廃液共同搬出（6 日）
局所排気装置（ドラフト）等定期自主検査者養成講習会（22 日）
安全管理室ドラフト自主点検実施（27 日）
平成 19 年 1～3 月
1 月 試薬管理に関するアンケート実施（10～18 日）
安全管理室保管分不要薬品等の分別管理作業（29 日予定）
2 月 技術職員研修・東京大学環境安全研究センター
環境安全講習会（5 日予定）
医学安全管理 WG 委員会開催（7 日予定）
技術職員研修・東京大学環境安全研究センター
施設見学会（19 日予定）
第 3 回実験系廃液共同搬出申し込み締め切り（日程未定）
安全管理室保管分不要薬品等の分別管理作業（26 日予定）
3 月 第 3 回実験系廃液共同搬出（日程未定）
安全管理室保管分不要薬品等の分別管理作業（26 日予定）＊業務予定については 1 月 26 日現在

63

2.3 不要試薬の再利用

４．今後の課題と対策

循環型社会の目的は、資源の消費抑制と環境負荷の低減である。“もったいない”精神である。医学
安全管理室では、退職、転出等で不要になった試薬で使用可能なものを必要な研究者に利用してもらう
ため、試薬の一覧をホームページに載せて医学地区
内から見ることができるようにした。平成 17 年度よりスタートして平成 18 年 12 月までで、回収した試薬は 508 本。リサイクルした試薬は 150 本。グルー
プ数はのべ 35 グループであった（図 1）。

様々な部門の協力を得ながら業務を行ってきた結果、医学において、実験廃棄物、不要試薬等の問題
が、少しずつ改善されて来ている。しかし、医学安全管理室は設置されてからまだ日も浅く、経験の蓄積が不十分である。そのため、今後も「環境安全管
理室」と連帯を強めなければならない。
同時に、他の機関の施設の見学、講習会、研究会へ参加するなどして技術職員のスキルアップを図らなければならないと考えている。
廃棄物の適切な処理、処分のため、利用者への啓蒙活動を工夫していきたい。たとえば、利用者自らが出した廃棄物がどのように取り扱われ処理されているのか、その現場状況を見学することは、廃棄物の適切な処理、処分の重要性を知ることとなり、環境安全教育に意義あることと考える。
また、廃棄物問題の上流に位置する試薬管理シス
テムの利用推進のため、各グループの利用状況調査を実施して、有効な支援を継続したい。

平成17年4月～平成18年12月
回収済み試薬508本
リサイクルした
試薬
29.5%（150本）

安全管理室で保管している試薬70.5%（358本）

図 1 再利用試薬の状況

５．まとめ

2.4 管理者不明の試薬類処理
本来保管する場所でないところに放置された管理者不明の試薬や廃液のポリタンクは、一般社会では不法投棄であり、あってはならない残念なことである。管理者の移動、退職などによって生じた例がほとんどである。発足当初は、問い合わせが多くあり、共通の低温室、廊下等の現場に足を運んだが、最近では少なくなった。

2.5 安全管理 WG 委員の追加登録及び変更
同じ研究グループでも研究室が違っていて連絡がスムーズに伝わらないときは、ワーキンググループ（WG）委員を複数にして、情報がすべての人に伝わるようにしている。WG 委員が転出等で不在となった場合は、事務部門の研究支援係と連絡を取り合い対応している。現在 WG 委員は 87 名である。

技術職員 3 名が兼任であることは、情報の共有化、伝達等は難しくデメリットもあるが、他の業務を担当することから得る情報は、利用者の現場の声であり、医学安全管理室を運営するために役立つことが多くある。
よりよい教育・研究活動を維持するため、安全管
理には、教育、広報、監視、相談窓口が必要であり、医学安全管理室はその一端を担うべく、日々の業務の遂行に努めている。
よりよい環境保全のため、足を運んで現場を見る
こと、現場を知ることが必要である。そのために医学安全管理室は利用者にとって身近なものでなければならないと考える。局所排気装置 (ドラフト) の管
理や廃棄物等の処理に関する遵守意識を高めるために、環境安全管理室と連帯をはかりながら、医学地
区の状況に応じた安全管理室を目指したい。

参考文献[1] 筑 波 大 学 医 学 内 共 同 利 用 施 設 医 学 安 全 管 理 室
http://www.md.tsukuba.ac.jp/local/anzen/[2]
筑波大学環境安全管理室（実験廃棄物・試薬管理関係）
実験廃液、感染性廃棄物、試薬の管理[3]について、
http://jtukan1.sec.tsukuba.ac.jp
実験者が守るべきルールについて説明を行っている。 [3] 実験系廃棄物取扱の手引き（改訂版）筑波大学 (2001)

2.6 実験安全管理説明会

発足当初は WG 委員を対象に行ってきていたが、現在は新任者を中心に行っている。また、必要に応じて臨時に開催している。

３．スタッフミーティング
技術職員は 3 人すべてが兼任でかつ業務の曜日が違っている。さらに業務先の場所も違っているため、1 週間に 1 度のミーティングが申し送りの場となる。
曜日ごとの担当者が行った業務記録をコンピュー
ターに書き込み、全員が同じ情報を共有して、業務が円滑に行えるようにしている。

64

医学安全管理室内設備＜←劇毒物保管庫＞＜ドラフト→＞

実験安全管理説明会（平成 18 年 6 月 5 日開催）

局所排気装置（ドラフト）等定期自主検査者養成講習会（平成 18 年 11 月 22 日開催）＜←学群実習室＞＜学群棟屋上→＞ドラフト屋外設備の点検

医学安全管理室ドラフト自主点検（平成 18 年 11 月 27 日実施）
＜学系棟屋上＞

学系棟屋上で点検中の安全管理担当教職員

ドラフト屋外排気筒

65

点検で発見されたベルトの亀裂

筑波大学技術報告
27: 66-68, 2007

ウニの室内飼育系の確立
土屋泰孝 1
筑波大学生命環境科学等支援室（下田臨海実験センター）〒415-0025 静岡県下田市 5-10-1

概要
ウニ類は、発生・生理学等の研究教育に欠かすことの出来ない海産生物であり、臨海実習等における需要も大きい。下田臨海実験センターでは、採集して消費するのみでなく自主育成による安定供給が可能となるように、ウニの幼生期から成体の成熟期に至るまでの室内完全飼育系の確立を試みた。現在のところ、アカウニ Psedocentrotus depressus とバフン
ウニ Hemicentrotus pulcherrimus において成体に至るまでの飼育に成功している。

１．はじめにウニ類は生物学の研究教育において欠かすことができない実験生物であるが、同時に重要な漁業対象物でもある。近年、乱獲や水質汚染の影響などにより、ウニ類の資源量は減少傾向にある。特にアカウ
ニは、全国の臨海実験所で入手が困難な状況となり、研究者への供給ができない場合さえ生じている。アカウニは、水産学的な側面からも、その増殖や行動に関して多くの研究が行われてきた[1, 2]。臨海実験施設において、実験用ウニを採集消費しながら、資源量の維持を図るためには、自主的にウニを育成して消費量を補うことが望ましい。また、さらなる余剰生産が可能であれば、放流を行ったり、施設外研究者に供給したりすることも可能となる。
そこで、当センターでは、臨海実習などの研究教
育のためのウニの安定供給を目的に、ウニの完全室
内飼育系の確立を試みた。まず、幼生の飼育装置と変態後の稚ウニの飼育装置からなる小規模飼育系を作製した。さらに、水槽内で小型ウニに海藻を与えて育て、成ウニまで完全に室内で飼育することに成功した。育成を行っているのはアカウニとバフンウ
ニであるが、バフンウニについては他の報告例もあるので、本報ではアカウニを中心に述べる。

３．採卵と受精
アカウニを海水でよく洗い、外来精子の排除のために淡水で短時間洗った。その後、背面の棘をハサミで刈り、腹面中央の口器をピンセットで取り除きウニの内臓や不純物を海水で綺麗に洗い流した。
150 ml のプラスチック容器に濾過海水をいっぱいに満たし、口器を除去したウニを、腹面が上になるようにして置いた。口器除去後の穴より 0.5 M KClを注入して、放卵および放精を促した。雌のウニはオレンジ色が濃く粒が大きな卵を放卵するが、雄は白く濁った色の精子を放出する（図 1A）。卵は濾過
海水による洗浄を３回行うとともに、過密にならぬような濃度になるまで薄めた。精子の放出が確認された雄ウニについては、殻を壊して精巣を取り出し、精巣から滲出する新鮮な精子をスポイトで採取し、これを十分に低密度になるまで薄めた。薄めた卵の容器に薄めた精子を滴下した後、十分に撹拌して受精を促した。受精の完了は顕微鏡下において、視野内の全ての卵の受精膜が形成されたことによって確認した（図１B）。

A

B

C

D

２．アカウニの採集
アカウニは 10 月から 1 月までが産卵期である。このため、ウニが成熟し産卵の最盛期となる 11 月後半に、下田市大浦湾内では、アカウニはカジメ林周辺の転石帯周辺に多く分布していた。水深 10 m 地点において、スキューバ潜水によって徒手でアカウニを採集した。15 個体のアカウニを種苗育成のための親ウニとして用いた。

1

E-mail: tsuchiya@kurofune.shimoda.tsukuba.ac.jp
http://www.shimoda.tsukuba.ac.jp

66

図 1. アカウニの発生：卵と精子の採取から初期幼生
まで．
A. 卵と精子の採取の様子
B. 受精卵C. 2 椀後期（受精後 3 日目）
D. 4 椀後期（受精後 7 日目）

受精後 20 日目より 6 椀期に入った。6 腕後期（図3A）より 5 日おきに、プランクトンネットのカバー
下田臨海実験センターの野外水槽から汲み上げた をかけて、幼生を吸い込まないようにしながら、ホ
海水を、脱脂綿を詰めたロートで濾過して、小型生 ースで水槽の 5 分の 4 の海水を新鮮な濾過海水に置物の混入のない濾過海水を作った。幼生の飼育には、 換した。22 日目から 8 椀期（図 3B）となった。
プラスチックの羽を取り付けたアクリル棒をモータ
アカウニの幼生は珪藻や石灰藻の存在で定着と変ーに繋ぎ、それを市販の 30 L のパンライト水槽に入態を促されることが知られている[3-5]。そこで、受精
れて、1 分間に 30 回転させる装置を用いた。幼生飼 後 28 日目からの変態直前の時期に、珪藻の付着した育時の海水温は 18℃とした。この装置により、自然 40 cm×40 cm の波板を投入して変態を促した（図 4）。
の海水の流れに近い環境で幼生を飼育した（図 2）。 波板は予め屋外水槽の流海水中に約１ヶ月設置しておき、珪藻の付着を促しておいたものを使用した。
幼生から稚ウニへの変態が進み（図 3C）、32 日目にはほとんどの幼生が稚ウニ（図 3D）となって着底した。

４.幼生の飼育図 2. 幼生飼育用 30 L パンライト水槽
モーターに接続した海水撹拌用のプロペラが設置されている．
受精卵は受精後 2 日目でプリズム幼生になり、2
椀期を経て（図２C）3 日目からはプランクトンを食べるようになった。そこで、幼生の餌には貝類・甲殻類生産用の藻飼料でのあるサンカルチャー（高濃度培養の Chaetoceros calcitrans; 日清マリンテック株式会社）を用いた。これを毎日 2 ml 与え、さらに 5日に 1 回、水槽の 3 分の１を新鮮な濾過海水に置換した。
幼生は受精後 6 日目に 4 椀期に達した（図 1D）。

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図 4. 稚ウニ飼育用 20 L パンライト水槽．
珪藻の付着した波板が設置されている．
受精から稚ウニに至る発生の経過について、受精からの経過日数と、それぞれの時期における成長段
階を表１にまとめた．
表 1．アカウニの発生経過
月 日
11 月 29 日
12 月 1 日
12 月 5 日
12 月 19 日
12 月 21 日
12 月 27 日
12 月 30 日

受精後日数
0
2
6
20
22
28
31

成長段階
受精
プリズム幼生
4 椀期
6 椀期
8 椀期
変態期
稚ウニ

４．稚ウニの飼育CD

図 3. アカウニの発生：後期幼生から稚ウニまで．
A. 6 椀後期（受精後 20 日目）
B. 8 椀中期（受精後 22 日目）
C. 変態期 （受精後 28 日目）
D. 稚ウニ （受精後 32 日目）

67

着底した稚ウニは、 20 L のパンライト水槽に穴を開けて排水口を作り海水を上から流して、流水中で飼育した。この段階での飼育水温は 14℃であった。
餌および付着基質として、前述の珪藻を繁茂させた
40 cm×40 cm の透明の波板を与えた。波板上に餌が無くなり透明になる前に、珪藻の付着した新たな波板を供給した。稚ウニは古い波板上から、筆で払い落として、新たな波板上に移動させた。その後、殻径 1 mm 以上に成長したものには、海岸より採集して来たアナアオサを刻んで与えた。

５．成長したウニの飼育６．現況と今後の展望

殻径 1 cm 以上に成長したウニは、流海水の屋内水
槽中にフロートで浮くように設置した 1 cm 網目のト
リカルネット籠（幅 40 cm×長さ 70 cm×高さ 30 cm）に移し、3 日に 1 回、生のカジメを餌として与えて飼育している（図５）。カジメは潜水作業時に採集して来たものを水槽に蓄えておき、適宜適当な大きさに刻んで、ウニに与えている。

受精から室内飼育を開始して１年以上が経ち、アカウニは殻径 35 mm に達した。現在、約 230 個体を飼育しており、これらは今年の秋には成熟する見込みである。同様にして飼育したバフンウニも現在約500 個体飼育しており、順調に生育している。今後、ムラサキウニやコシダカウニなど他のウニの育成も実現したい。さらに育成方法の研究も行い、育成過程の簡略化や効率化を図り、実験生物としてのウニ
資源の安定供給を目指したい。
本報で用いたこの室内飼育系は、ウニ類のみならず、ナマコやヒトデなど棘皮動物、巻貝類や二枚貝類などの軟体動物、さらに他の海産無脊椎動物の飼育にも応用できる可能性がある。設備や時間の許す
限り、いろいろな動物において、種苗育成を試みてみたいと考えている。

参考文献[1] 今井利為, 新井章吾, 小川数也, アカウニの食性と摂餌量について, 水産増殖 34 (1986) 157-166.
[2] 今井利為, 三冨龍一, 小川数也, アカウ Pseudocentrotus
depressus (A.Agassiz) の日周行動について, 神水研研
報 1 (1996) 1-6.
[3] H. Kitamura, S. Kitahara and H. B. Koh, The induction oflarval settlement and metamorphosis of two sea urchins,
Pseudocentrotus depressus and Anthocidaris crassispina,
by free fatty acids extracted from the coralline red alga
Corallina pilulifera. Marine Biology 115 (1992) 387-392.
[4] 谷雄策, 伊東義信, アカウニ幼生の付着および付着珪藻の影響について, 水産増殖 25 (1979) 15-20.
[5] 伊東義信, ウニ幼生に対する付着珪藻の変態促進
効果, 付着生物研究 5 (1984) 15-18.

図５. トリカルネット籠内で育成中のアカウニ
トリカルネットの目合：1 cm
籠サイズ：幅 40×長さ 70×高さ 30 (cm)68

筑波大学技術報告
27: 69-71, 2007

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[1] ì Ù   ®   Ė  ė [ Ć i  ė ] D 8 > F(1992)16-29.
 

71筑波大学技術報告
27: 72-75, 2007

正面旋盤による大径パイプの両端面加工の工夫
内田豊春
筑波大学研究基盤総合センター（工作部門）〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
大径フランジ等のように直径が大きく、全長（厚み）が短い板状加工物の表面加工（端面加工）を主な目的とする正面旋盤において、直径 1016 mm、肉厚 8 mm、長さ 1000 mm のステンレス製パイプの両端面加工を、専用の保持具を工夫製作することで安全確実に切削加工を行った。（以下、大径長尺ステ
ンレス製パイプをパイプという）

１．はじめに本学研究基盤総合センター工作部門は、さまざまな教育研究用実験機器等の製作に応えるため各種の工作機械を設備している。特に旋盤は、汎用旋盤、NC 旋盤、卓上型精密旋盤の他に大径加工用として
正面旋盤を保有している。
一般に正面旋盤は、大径フランジ等のように直径は大きいが、全長（厚み）が短い板状加工物の端面加工（表面加工）を主な目的としている。本学研究
基盤総合センター工作部門の正面旋盤は、藤井精機
株式会社製 50-4FLHA（芯間距離：1500 mm、ベッ
ド上の振り：1100 mm、往復台上の振り：800 mm）
で、直径 1270 mm (50 inch) の４爪単動チャックが装着されている。数年前、この正面旋盤を主に使用
し、プラズマ研究センターより依頼を受けた NBI
入射タンク延長管を製作した。NBI 入射タンク延長
管の形状を図 1 に示し、形状を簡単に説明する。

NBI 入射タンク延長管は全長が 1000 mm あり、図のように直径 1016 mm、肉厚 8 mm、長さ 972 mmのパイプ両端には、直径 1170 mm の JIS 真空フランジが付いている。さらにパイプの円周上には 90 度
間隔で JIS 真空フランジが付いている。材種は全てステンレス鋼 SUS304 である。
本報告は、正面旋盤本来の加工に適していない形状を加工するために検討し工夫したパイプ保持具の詳細形状と、パイプ保持具を利用し加工した結果、パイプ両端面の平行が比較的精度良く加工することができた理由等を述べる。

２．保持方法と保持具の検討
パイプは指定された直径形状の製品が入手困難
なため、形状寸法を指定し外注製作とした。各寸法
は、直径と肉厚は図面の指示通り、長さ寸法は削り代を見込んで 1000 mm とした。このため、パイプは長さを 972 mm にする必要がある。また、両端にフランジが溶接されるので平行度も重要である。
正面旋盤は、芯間距離、ベッド上の振り共にステ
ンレス管を取り付けるには問題はない仕様である。
しかし、装着されている４爪単動チャックの外爪形状は、つかみ部長さが 40 mm とフランジ等の把持には十分であるが、長さ 1000 mm のパイプを安全確実に把持するには極めて短い長さである。
パイプ重量は約 200 kg と重く、この点も考慮しパ
イプの把持方法を色々検討した結果、４爪チャック
での把持に拘らず、旋盤主軸と芯押し台に傘型回転

1000

JIS40B-VF

JIS40B-VG

図 1. NBI 入射タンク延長管

72

φ1170

φ1016
8

φ1170

972

1000

回し棒

φ1000

支柱
傘型回転センター

主軸頭

芯押し台
中心軸
主軸端

図 2. パイプ保持概念図
センターを装着した両センターによる保持方法を考えた。
図 2 に両センター支持によるパイプ保持の概念図を示し構造を簡単に説明する。中心軸の両端に各 4本の支柱を取り付け、パイプ内面を押さえる。回し棒は旋盤主軸の回転を中心軸に伝達するもので、支柱を介しパイプを回転させる。支柱はケレも兼用している。

３．製作したパイプ保持具の詳細
概念図を元に実際に製作したパイプ保持具の詳
細形状を図 3 に示す。

3.1 詳細形状
基本的な構造は概念図で説明したが、更に各部の

1200

M20

φ100

1000

センター穴

φ45

φ35

図 3. パイプ保持具の詳細形状

73

詳細な形状を述べる。
(1) 中心軸
両端面は傘型回転センターのテーパに合わせ75°のセンター穴加工が施されている。8 箇所の支柱取り付け部は平面加工され、支柱を固定するための M30×1.5 のメネジが切られている。
(2) 支柱各 4 本の支柱は、根本に M30×1.5 のオネジを切り中心軸と固定。先端は M20 のメネジを切り、M20
六角ボルトを取り付けパイプ内面を支える。それと同時にパイプ全体の芯出し調整が出来る構造とした。

(3) 芯出し完了後、バイトの取り付け等、切削加工の準備をした後、切削加工に入る。
(4) 片側端面の切削加工が完了すると、保持具をクレーンで吊し反転させ、両センターで確実に支えた後、もう一方の端面を切削する。この時点
でパイプの全長 972 mm を決めた。

4.2 パイプ端面の切削加工
パイプの端面切削に使用したバイトは、超硬スロ
アウェイバイトを使用した。バイトホルダーの形式
は PTTNL2525M16、切削速度約 80 m/min、切り込
み量 0.5 mm、送りは手動で行った。
パイプ端面の切削加工の様子を図 5 に示す。

3.2 保持具の製作
保持具の材種は全て一般構造用鋼 SS400 を採用した。製作は特別難しくなく、中心軸の外径加工、センター穴加工および支柱の外径加工、ネジ切り加工は旋盤で行い、中心軸の平面加工とネジ切り加工
は横中グリ盤で行った。加工が終わり、組み立てた保持具の総重量は約 110 kg になった。
製作したパイプ保持具を図 4 に示す。

図 5. パイプ端面切削加工の様子

4.3 パイプ全長の確認
パイプの全長は、端面を切削しながら適宜計測し、削り過ぎのないように慎重に切削を行い、パイプ全長 972 mm に仕上げた。
1000 mm ノギスを使い、端面上の 8 点を計測した
結果、いずれも 972±0.05 mm 以内に仕上がっていた。

図 4. 製作したパイプ保持具

５．考察
４．パイプの端面加工
4.1 加工手順
実際に行ったパイプ端面加工の手順を簡単に説明する。
(1) 予め、パイプの中に支柱を外した中心軸を入れ、両端にワイヤーを掛けクレーンで吊す。次に支柱を取り付け、M20 ボルトで中心軸とパイプの大まかな芯出しを行う。これらの作業は機外で行った。
(2) 大まかな芯出しが終わったパイプと保持具は、クレーンで吊し正面旋盤に装着する。パイプと保持具は、安全確実に装着されているかを確認
後、両センターで支え、旋盤上で芯だし作業を
行った。

74

パイプ保持具を使用した結果、パイプの端面加工が安全確実に行えた。同時にパイプ保持具を利用し加工した結果、パイプ両端面の平行が比較的精度良く加工することが出来た。
これはパイプ保持具の中心軸を両センターで支持するため、加工されたパイプ端面と回転軸の直角が確保されているためと考えられる。
パイプ保持具の構造は、重量も重く剛性の高いものと思われていたが、実際の切削ではビビリが激し
く、切り込み、送り共に手動で行い、旋盤主軸回転数も、14 min-1、19 min-1、26 min-1 の各回転数を使い分け、ビビリ加減を観察しながら加工した。このビビリ対策は今後の検討課題である。
パイプ保持具とパイプを合わせた総重量は約310kg もあり、段取りと段取り換えはクレーンを使いながらの作業であったが、保持具の両端にワイヤが掛けられるので、段取り変えが安全かつ円滑に行 謝辞えた。
本報告の作成にあたり、研究基盤総合センター工
端面加工されたパイプにフランジ等が溶接され、作部門長松内一雄教授、
長田秀治講師のご支援をは完成した NBI 入射タンク延長管を図 6 に示す。
じめとし、工作部門の皆様の協力に感謝いたします。

図 6. 完成した NBI 入射タンク延長管75筑波大学技術報告
27: 76-78, 2007

精密加工用仮止め接着剤により樹脂薄板を固定しての立フライス盤切削加工の試み
小林浩三
筑波大学人間総合科学等支援室（医学系）〒305-8575 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
精密加工用仮止め接着剤は、研削加工などの際、金属の固定に用いられる。一般的な製品は、樹脂が変形する温度より軟化点が高く、樹脂の固定には不向きである。しかし、一部の製品において軟化点が比較的低い温度の製品があった。そこで、新たに精密加工用仮止め接着剤を用いた樹脂板の固定方法を考案し、試してみたところ、良好な結果が得られたので報告する。

１．はじめに筑波大学臨床医学系整形外科の依頼により、医学工作室で、マウスの脚部に創外固定器を装着する際に使用される手術台を製作した（図 1）。この装置は、マウスを用いた動物実験において評価が高く、国際会議でも報告された[1]。
更に、時間当たりの手術数を大幅に増やし、MRI解析にも直接使用できる、改造型の新たな手術台の作製の依頼を受けた。この改良するに当たり、図 2に示した部品が必要になった。しかも、MRI 解析を実現するために、使用材料として樹脂を用いることが要求された。しかし、樹脂板に加工を施すには、板の固定方法を工夫する必要があり、従来の方法では困難であった。

樹脂板の厚さは、材質、種類により様々である。
カタログで紹介されているアクリル樹脂の厚さは 1mm 以下から 100 mm 以上の製品までラインナップされている。ここで扱っている薄板とは、2 mm 以下を指すことにする。
立フライス盤での樹脂薄板の切削加工は、ワークの固定時に発生する変形、及び切削加工時に発生す
る変形を防ぐ工夫が必要である。従来、筑波大学医学工作室において、樹脂薄板の加工は、(1)捨て板による固定、(2)両面テープによる固定での切削加工を行ってきた。いずれの方法も長所・短所があり、その制約の中で、完成した製品が仕様を満たす方法を選択し組み合わせるながら加工してきた。

２．従来の加工法
筑波大学医学工作室でこれまで行ってきた薄板の加工方法についていくつか振り返ってみる。図 3 の形状の部品の加工は、以下の 2 つの方法で行ってきた。両方法ともあらかじめ外径を捨て板とともに仕上げておく。
共通した特徴は、同時に複数枚の加工ができる点である。反面、捨て板により挟んで加工するため薄板面の加工が困難である。

2.1 方法１
薄板の面が切削工具の軸と平行する、すなわち立フライス盤においては、テーブルに対して薄板のワークが垂直な向きに固定する方法である。具体的には、テーブルに装着したマシンバイスに薄板を立てた状態で固定して切削加工を行う。図 4 の様にワークを捨て板で挟んで同時に加工する。加工形状によ

図 1. 手術台

図 2. 手術台の部品

図 3. 樹脂製薄板部品
厚さ 1mm、横 150 mm、縦 35 mm

図 4. 薄板加工方法１76

り捨て板は都度準備する必要がある。同時に複数枚加工できる反面、溝の深さは、切削工具の刃長によって決定する。

2.2 方法２
切削工具の軸が薄板の面と垂直に交わり向く、す
なわち、テーブル面と平行に固定して切削加工を行う。この場合、溝の長さは、ほぼ捨て板の強度などにより決まる。また、一度に切削できる枚数は、切削工具の刃長以下となる。（図 5）

軟化点は、カタログ値で 46℃と比較的低い温度となっている。溶融温度のデータは、記載されていない。当工作室で接着剤を加熱し確認したところ、およそ 60~65℃で粘性のある液状の状態に溶融した。この温度は、アクリル材料での一般的な熱変形温度以下であることから、ワークを固定したり、はずしたりするのに加熱しても不都合はないと期待される。
接着力（引張剪断強度）は 4.6 N/mm2 となっている。
現在、最適な加工条件を詳細に検討中であるが、今回の切削加工では、従来の方法と比較し、送り速度・切り込値とも低下してはいるものの使用に耐えうる条件を既に得ている。

3.2 方法
ワークを接着剤で仮止めするための固定台を準備する。固定台の材質・形状は、ワークの材質や加工方法、機械への取り付け方法などにより選択する。
加工例 1（図 7）で固定台となる板は、ワークより十分大きい。更に、溶融した仮止め接着剤が固定台か
ら、こぼれ落ちない様に、ワークより大きな凹み状のプールを作った（図 8）。

図 5. 薄板加工方法２

2.3 方法３
ワークを固定するための台を準備して、両面テープによりワークを貼り付けて固定する方法である。
図 6 のように、薄板の片面への加工が可能な固定方法である。欠点として、固定台からワークを取り外すとき破損する可能性がある。この方法は、板の厚みや加工する形状から判断して、使用するかを決定する必要がある。

図 7. 加工例 1. アクリル樹脂: 厚さ 1 mm、横 90 mm、縦 46 mm、格子の幅 2 mm

図 6. 両面テープによる加工

３. 仮止め接着剤を用いた新加工法
3.1 材料
今回、切削加工に使用した仮止め接着剤は、シフ
トワックス 5405S（日化精工株式会社製）である。

77

図 8. 固定台とワーク

ワークと固定台の接着は、仮止め接着剤が溶融する温度に、ワーク・固定台・仮止め接着剤を加熱する。仮止め接着剤が溶融したら、ワークと固定台の間に気泡が入らないように、密着して大気中で常温まで冷却する。
取り外すときは、再び、仮止め接着剤が溶融するまで、加熱すれと簡単にはずすことができる。
固定台は、ワークとともに切削加工されると、溝などの跡ができる。これらの固定台は、条件により再使用が可能である。これは、固定台上にワークを乗せたとき、固定台の面とワークの面とが平行で、仮止め接着剤が固定台の溝などに、すき間なく流れ込んで、密着する場合である。（図 9）

ワークの材質は、アクリル板で厚さ 1 mm、外径は、横 150 mm、縦 35 mm である。加工条件は、回転数
750 rpm、送り 50 mm/min で、切削工具は、ハイス鋼
製直径 1 mm のエンドミルを使用した。
加工例で示した部品は、仮止め接着材での固定の利点を生かした切削方法と考えられる。

3.4 手術台部品の作製
図 11 は、マウスの手術台の部品のイメージ図である。材質は、強度があり、かつ適度な弾性のあるポリアセタール樹脂を用いた。
この部品の厚さは 1.5 mm で、一部段差があり、薄図 11. 加工例 3 のイメージ図

図 9. 固定台を再利用している様子

3.3 加工例
以前、切削加工した部品を仮止め接着剤による固定法で加工した（図 10）。写真のくし状部分（図中、丸）の拡大した設計図を右に示した。
これまで 1.5 mm の幅の溝の寸法は、直径が 1.5 mm の切削工具を使用して加工した時に得られる寸法とした。この寸法は、加工条件等の工夫により、要求された公差の範囲内になっている。
今回の加工では、直径 1 mmの切削工具を用いて 1.5 mm
拡大設計図の溝を加工した。従って、溝の角部は、コーナ半径が 0.5mm となっている。

いところは 1 mm の厚さである。この厚みの材料は、規格上入手が困難なため、仮止め接着剤を用いた固定での加工で 2 mm 厚の材料から 1.5 mm 厚の板を削り出した。加工条件は、ハイス製エンドミル外径 60mm、回転数 110 rpm、送り 27 mm/min である。
外径の切削、段差の切削は、外径 3 mm のエンドミ
ル、回転数 750 rpm、送り 50 mm/min である。

4．まとめ
本報告のテーマとなった手術台の部品は、要求された形状に加工することができた。この樹脂薄板の接着剤による固定法により、従来困難であった、形状の加工が比較的安易になった。現在、更に検討を重ね、より薄く、より細い加工を可能とする筑波大
学医学工作室で新しい加工法の開発を進めている。

文献[1] D. Nozawa, K. Kobayashi, T. Ishii, N. Ochiai, A murine
model of distraction osteogenesis – a new devise forapparatus fixation, Abstract for 4th Meeting of the
A.S.A.M.I. International, Kyoto, Japan, 2007.

図 10. 加工例２78

筑波大学技術報告
27: 79-82, 2007

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^U <_ (1989).
[2] Y. Manassen et al., PRB 61 (2000) 16223.

82







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筑波大学技術報告
27: 83-86, 2007

ワイヤ放電加工機を使った加工
石川健司
筑波大学研究基盤総合センター（工作部門）〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
ステンレス製の真空チャンバーを製作するとき、ポート（枝管）のアール加工は従来横中ぐり盤で切削加工していた。今回、複雑な形状を持つ真空チャ
ンバーのポート（枝管）をワイヤ放電加工機で加工し、良い結果が得られたので報告する。

１．はじめに
昨年「陽電子ビーム縮小のための真空チャンバー」の試作を依頼された。このチャンバーは低速陽電子
ビームラインの最終端に付けるものである。図 1 に依頼主・物理工学系上殿研究室から提供された「低速陽電子ビームラインの全体図」を示す。今回の真空チャンバーは図 1 右端の赤い点線で囲った所に位置する。
従来は切削加工で真空チャンバーのポート（枝管）
接合部を加工していたが、材料の把握は中空の片持
ち梁になるので、ビビリが出てしっかり把握しないと動いた。それを避けるために管の中に中子を入れてしっかり把握したが、管自体真円が出ていないので把握したときにゆがみが出て、その状態では求める形に仕上がっても、把握を外し自由な状態にするとずれが生じることもある。しかも、ステンレス薄肉管では刃が切り込むときに材料に食い込み、刃が抜けるとき材料が逃げて切削できないし、カエリが出てやすりで落とさないと使えない、と言う困難な作業である。
平成 14 年、工作部門にワイヤ放電加工機が導入された。ワイヤ放電加工機の加工槽に入るものなら、ワイヤ放電加工機を使って加工するようになり、今まで苦労していた接合部の加工も楽にできるようになった。

２．ワイヤ放電加工機
ワイヤ放電加工機とは、細いワイヤ（直径 0.25 mm）
を電極として、工作物と垂直に張ったワイヤを放電することにより、熱を発生させその熱で金属を溶かして切断する機械である。加工は水中で行うので熱による影響は少ない。ワイヤ放電加工は、加工物と工具（ワイヤ電極）が接触しない非接触加工かつ溶融加工である。ワイヤは消耗するが常時テンションをかけた状態で巻き取っているので常に新しい電極面が出て、精度の高い加工が可能になる。
工作物を固定するテーブルは NC 制御装置で駆動され、0.001 mm 台の動作も可能である。工作材料が導電性の物であれば硬さを問わず加工でき、工作物
や工具電極に作用する力が少ないので、難削材の加工、硬度金属の加工、脆弱部品の精密加工に適している。これにより真空チャンバーポート接合部加工
時、材料の把握に弱い力で固定できるので、把握による変形はない。またプログラムで直線・アール加工も出来るので、一度の把握で複雑な加工が可能になる。

図 1. 低速陽電子ビームライン全体図83３．真空チャンバー
3.1 試料チャンバー
今まで前段で 10 mm ぐらいまで陽電子ビームを絞れていたが、今回作るチャンバーで、陽電子ビームを 1 mm ぐらいまで絞る目的で設計されている。
真空チャンバーは 6 方向管になっており、長軸に対して直角に 90 度間隔同径のポート（枝管）が 3 本と細いポートが 1 本出ている。横から見るとクロス管に対し前後に 2 本ポートが出ている形である。各
ポート（枝管）は直角で、クロス管に対して垂直に出るポートは、ずれが無い事を要求されていた。今まで同径管での製作は T 字管・クロス管（十字管）
以外作ったことが無く、製作出来るか、またどういう構造にしたら作れるか想像できなかった。クロス
管の交点に、同径の管を前方向に細い管を後方向に溶接可能なら作れると思い、2 次元 CAD で構造図を描いて検討した。図 2 にフランジを除いた構造図を示す。
300

図 3. ワイヤ放電加工機で切断した管

270

63.5

101.6

140

もう一度アール加工を行う。加工後の部品 (クロス管)を図 3 に示す。
2. ステンレス管を所定の長さに旋盤で加工する。
3. クロス管接合部の管を 2 本ずつ TIG 溶接で点付けし、全体が合うか確認する（図 4・図 5)。
4. クロス管を TIG 溶接する。
5. クロス管に前後方向の管を溶接するための穴の切削加工をする (図 6)。

図 2. 真空チャンバー構造図
この構造図からクロス管の交点に同径の管を溶接できる事がわかったが、ワイヤ放電加工機では異径管を切断できないので、細い管に合わせた加工をし、接合部の溶接後切削加工を行い前後方向の管と合わせ加工することにする。
真空チャンバーは全てステンレス（SUS316）を使用する。管は厚さ 3 mm、直径 101.6 mm の物と、厚さ 1.65 mm、直径 63.5 mm の 2 種類を使い、フランジは ICF152 を 5 枚と ICF114 を 1 枚使う。
真空チャンバーのパイプを 6 個の部品として分けて考える。図 2 の構造図からわかるように、チャンバーの中心からフランジ端の位置は 3 本同じ 150 mm
で 1 本だけが 270 mm に設計されている、形状は同じなので NC 装置が付いているワイヤ放電加工機なら一つのプログラムで、4 本同じ形状に加工できる。

図 4. 点付けした管3.2 製作順序
今回の真空チャンバー製作の工程を写真で説明する。
1. ステンレス管は治具で把握しワイヤ放電加工機にセットし切断する。クロス管の切断は一回の把握で加工できるが、前後方向の管の切断は治具に把握したままアール加工を行い、治具ごと 90 度回転させ、

84

図 5. 点付けした 2 組がつながるか確認する.

6. 前後方向の管を TIG 溶接し、クロス管に ICF フ
ランジを TIG 溶接する。前後方向の管が短く、前後方向の管にフランジを TIG 溶接すると、クロス管の部分でリークしても修正できない（溶接トーチが入らない）ため、前後方向の管を治具で封じ、各 ICF
フランジも封じ 6 方向真空チャンバーの中にヘリウ
ムガスを満たしスニファー法でリークテストを行う(図 7)。
7. 前後方向のフランジを TIG 溶接し、すべてのフランジを封じヘリウムリークディテクターでリークチェックを行い完成（図 8)。
以上の作業で、陽電子縮小のための真空チャンバーを製作することが出来た。

3.3 結果
今まで苦労していたチャンバーのアール取り作業
は、ワイヤ放電加工機を使って楽に加工できるようになった。また精度は高くバリが出ないので、組み合わせたときに遊びが無く、溶接する時に失敗が少なくなると思われる。
真空チャンバーは、リークも無く、現在陽電子ビームラインにセットされ（図 9）ビームの直径を 2~3mm まで絞ることに成功している。

図 9. ビームラインにセットしたチャンバー

図 6. 切削加工後の接合部

3.4 考察TIG 溶接で仕上がった面を再切削して、あわせ加工をする時 TIG 溶接は溶け込みが浅いので、切削抵抗がかかるとビビリ、溶接面にクラックが入らないか心配したが、音だけで実際のダメージは無かった。
接合部の対向する管の径が同じなら、接合部の加工は全てワイヤ放電加工機で加工できたと思う。
部品の組み立てのときに、切断面がシャープに切断されていて、がたつきが無く楽に組め、薄肉管でも加工精度が高いのを実感した。

４．小物部品の加工
今までワイヤ放電加工機を使って、加工した小物
部品の一部を紹介する。

図 7. スニファーリークテストの準備

図 8. 最終リークテストを行っている.

図 10. 引張試験片

85この引張試験片の材質は、特殊耐熱鋼である。両面をフライス盤で仕上げ、穴加工してからワイヤ放電加工機で加工した。中心に 0.5 mm のスリットが入っているがその場所は境面といい、左右別の配合の物質を高圧高温で圧接した材料である。切削加工ではスリットバリが出てスリットが入れられないし、斜面の途中の凹凸は加工できない (図 10)。

５．終わりにワイヤ放電加工機を使うことにより、精度の高い部品の製作が簡単に出来るようになった。ワイヤ放電加工は時間がかかるが、プログラムで動くのでワ
イヤ放電加工機に材料をセットして、動かしておけ
ば自分はほかの作業が出来、時間のロスにはならない。
高精度の切断という点では、ワイヤ速度・オフセ
ット量・移動速度等設定項目が多く材料によっても変わるのでデータがまだ少なく、0.001 mm の精度までは出せていない。
まだ使いこなすと言う域まで行かないが、刃物や材料が回転する機械ではないので、安全でプログラ
ムどおり動かせ、まだまだいろいろな使い方が出来
ると思う。

６．謝辞
図 11. 電極（銅製板厚 3 mm）
スケールと見比べれば大きさがわかるが、板厚 3mm で幅も 3 mm しかなく、切削加工では刃物が当たっただけで、変形しそうな部品である (図 11)。

図 12. 低温バイス部品
この部品は、2 個一組でバイスになる部品。ステン
レス（SUS304）製で厚さ 2 mm。各リブの太さは 2 mm
以下である (図 12)。

図 13. ステンレス部品
この部品はステンレス製（SUS304）で、中央から少しずらした位置に幅 3 mm の V 溝を切りその右側を切り落とし、センターに角穴を加工した (図 13)。
ここに紹介した小物部品は、いずれも切削加工す
ると時間がかかり、加工するための治具をつくり加工しなければならないような物である。

86

本報告書作成にあたり、図面ならびに写真を提供していただいた、本学物理工学系 上殿明良助教授ならびに上殿研究室 伊東健一氏に深く謝意を表します。

筑波大学技術報告
27: 87-90, 2007

空気中の放射性同位元素濃度測定
松尾邦夫
筑波大学アイソトープ総合センター〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

全ガンマ放射能計測方法又はガンマ線スペ
クトル分析方法概要
非密封放射性同位元素使用室における空気中の放射性同位元素濃度の測定に関して、試料の採取法、処理、分析から測定の諸課程を検討したので報告する。

以上のように採取法や分析法が細かく決められているので医学アイソトープ共同利用施設では次のような方法と器材を採用することとした。

１．はじめに

2.1 採取方法

実験室は種々の過程において化学反応によるガ
平成１６年度より国立大学の法人化に伴い、放射スの発生、揮発性物質の拡散、採取や撹拌等による線に関わる従事者に対する労働安全面の法規制が人ダストやミストの発生、放射性廃棄物の詰め替え、
事院規則から労働安全衛生法に移行した。これに伴
床・実験台の表面汚染物質の再浮遊などにより作業って、従来実施されていなかった作業環境測定の放環境中の空気は放射性物質によって汚染される。し射性物質に関する項目が義務づけられ、第一種作業
たがって、以下のように試料の採取に際してはそれ
環境測定士（放射性物質）の有資格者でなければ空ぞれの異なる化学的状態、物理的性状を考慮し目的
気中の放射性同位元素濃度の測定、評価をすることに適った方法を選ばなければならない。
ができなくなった。この濃度評価に関して放射線障害防止法では、実測が著しく困難な場合には放射性2.1.1 粒子状（ダスト、ミスト）の放射性同位元素の実使用量から、それぞれの使用室の換気量により計算によって評価する事もできる。しかし、
物質
労働安全衛生法では計算による評価ができないので、実際に使用室の空気を採取し、これを分析しなけれ
ろ過捕集方法ばならない。これらの事からアイソトープ総合セン（対象核種）５１Cr、５９Fe、７５Se、３２P、３５S 等
ターの技術職員が資格を取り、環境測定用の器材等（ろ材）セルローズ繊維とガラス繊維を組み合を整え放射線施設内の作業環境測定を実施すること
わせたダストろ紙を使用 (HE-40T)。
になった。
HE-40T：0.3 µm の粒子に対し、99.5%の捕集効率を有する。

２．試料採取について
放射線障害防止法においては、放射線量率や放射性同位元素による汚染の状況の測定方法について具体的な指定はしていないが、作業環境測定法においては作業環境測定基準で採取方法、測定方法、濾過
捕集材の性能などに関して詳細に決められている。
作業環境測定基準第９条の空気中の放射性物質の濃度の測定は、次の方法によらなければならない。（アルファ線を放出する放射性物質等は省略）（採取方法）
・粒子状の放射性物質
液体捕集方法又はろ過捕集方法
・ガス状の放射性物質
液体捕集方法、固体捕集方法、直接捕集方法又は冷却凝縮捕集方法（分析方法）
・ベータ線放出核種
全ベータ放射能計測方法又はベータ線スペ
クトル分析方法・ガンマ線放出核種

87

2.1.2

揮発性またはガス状の放射性物質

固体捕集方法（対象核種）１２５I、１３１I、３２P、３５S 等（吸着材）活性炭含浸ろ紙 (CP-20)。
CP-20： 相対湿度と捕集時間により 10%～93%の捕集効率を有する。
それぞれのろ紙は図１のようにローボリュー
ムサンプラーに連結され、対象実験室の空気を吸引する。
空気中の汚染された粒子状物質は HE-40T に捕集され、ガスのヨウ素等は CP-20 の活性炭に吸着される。特に放射性ヨウ素はその化学的性質から空気中に遊離し、ガス状になって存在する可能性が高い物質である。

り更に厳しい値を考慮して採取しなければならない。
下記の式は１核種の濃度限度の精度を必要とする
空気量の算定式である[1]。

Q＝

図 1. サンプルホルダー内の装着ろ紙

2.1.3 ガス状の放射性物質（水素及び炭酸ガス）

３×

２Nｂ

１× １０３× ｔｃ× ηM× ηｃ× (DAC)

Q：必要吸引空気量（m3）Nb：バックグラウンド計数値 (counts)
tc：計数時間 (秒)ηM：計数効率 (cps/Bq)
ηC：ろ紙の捕集効率 (%)
DAC：濃度限度 (Bq/cm3)

冷却凝縮捕集方法、液体捕集方法
上記の式から１２５I（濃度限度）について必要空気（対象核種）３H、１４C量を計算すると約 2400 cm3 となる。しかし、通常使採取はサンプラー (Aloka HCM101B) を使用用する核種は複数種使用され、測定器の測定効率、し、３H は HTO (ﾄﾘﾁｳﾑ水) の化学形で冷却凝縮
１４１４捕集し、 C は CO２の化学形でモノエタノー 捕集効率などを考慮すると検出限界が濃度限度の1/10 を超えないようにする必要がある[2]。われわれがルアミンにより捕集する。この２核種の採取に行っている測定では更に一桁精度を上げて採取空気
ついての詳細を図２に示す。
量を 100 倍以上としている。
ポンプ①によってろ過（ダスト等の除去）吸引された空気は、約 750℃の電気炉②でそれぞれ酸化される。HTO はコールドトラップ③で捕３．分析方法集され、１４CO２は次のモノエタノールアミント
ラップ④によって捕集される。その後空気はモノエタノールアミン除去用活性炭層⑤を通過後、 3.1 ろ紙の計測
排気される。
対象とする核種は３H、１４C 以外は全ガンマ放射能
測定及び全ベータ放射能測定を実施し、異常値を検出した場合にスペクトル分析を行い、核種の同定と濃度を評価する事としている。この際、空気中に存在する天然のラドン及びトロンの崩壊生成物の影響を考慮しなければならないが、測定は試料採取後数時間経てからでないと実施できないので特にラドンの影響による補正はしていない。トロンについても３日後の測定値と数時間後の測定値とでは有意差がないので、測定は採取から数時間後に行っている。
全ベータ放射能の測定には２πガスフローカウン
ターを、全ガンマ放射能はオートウェルシンチレー
ションカウンターを用いて測定し、何れの測定にお図 2. トラップ装置の概要
いても対象核種中で最も計数効率が低い核種の効率をもって放射能値を決定する。
サンプラーから回収したセルローズろ紙はベータ
2.2 吸引試料空気量と検出限界について
線測定用の試料皿の直径に合わせて切り出し、残りの部分を全ガンマ用の試料とする。この際、ろ紙の実験室内における空気中放射性同位元素濃度の上面積による補正をする。また、活性炭含浸ろ紙は放限値は法律により厳しく規制されている。作業者は
射性ヨウ素用にそのまま試験管に入れて測定する。
放射線による外部被ばくと、放射性同位元素を呼吸
この活性炭含浸ろ紙の放射性ヨウ素に対する捕集などにより体内に取り込んだ効果による内部被ばく
効率はヨウ素の性状、雰囲気条件、捕集時間、流量、の合算値を一週間で１ミリシーベルトを超えないよ[1]
うにしなければならない。たとえば１２５I では空気中 湿度などの諸条件によって大きく変化する（図３） 。
したがって、捕集効率をこれらの条件により補正をの濃度限度は 0.001 Bq/cm3 である。核種が２核種以上しなければならない。
あれば、それぞれの空気中濃度の濃度限度に対する比の和が１を超えてはいけないので更に厳しくなる。
したがって、採取する空気量は法定の濃度限度よ88

試料測定用のそれぞれのバイアルは十分撹拌し、静置後、液体シンチレーションカウンターで測定する。
３
H、１４C 試料のバイアル中の成分は下記のとおり
である。
・HTO
液体シンチレーションカクテル (Aquasol2) 8 ml
エタノール (99.5%)2 ml
回収水 (HTO)
・１４CO２
液体シンチレーションカクテル (Aquasol2) 8 ml
エタノール (99.5%)
5 ml
Monoethanolamine (MEA)
2.5 ml
回収 CO２ (１４CO２)

ヨウ素の捕集効率
100
90
80

相対湿度30～50%

捕集効率(%)

70

60～80%

60

10%以下(捕集空気を60～70℃加熱)

50
40
30
20
10
0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

捕集時間(時間)

図 3. 放射性ヨウ素の捕集効率(文献[1]の表 3 の一部よりｸﾞﾗﾌ化)
３

3.2

H、１４C の計測

４．測定における添加剤の影響

図２の装置においてトリチウム用の試料はコールドトラップ用の U 字管内に霜状になって回収される。
次に、この U 字管を取り出し、液体シンチレーショ
ンカクテル 8 ml で洗い出し所定のバイアルに移す。
更にエタノール 2 ml で洗い出し、これもバイアルに回収する。このときの水の捕集効率は温度と湿度により異なるのでこの補正をしなければならない。図４は装置のマニュアルから求めた水の捕集効率曲線である[3]。

・添加剤の無い試料
A：24364 dpm±60 dpm
シンチレーションカクテル (Aquasol2) 8 ml
１４
C-希釈水溶液
100 µl
・A+MEA を 0～5 ml 添加した試料 B
・A+エタノールを 0～5 ml 添加した試料 C
・A+MEA 2.5 ml +エタノールを 0～5 ml 添加した
試料 D

水の捕集効率1009080

捕集効率(%)

70

相対湿度20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%

60
50
40
30
20
10

液体シンチレーション計測においてシンチレー
ションカクテル中の成分は測定値に大きく影響を与える。その主なものはバイアル中での発光を抑制する消光 (quenting) 作用によるものが大部分である。基本的にカクテル中に添加するものは何でも消光の原因になり得る。したがって、MEA やエタノールの添加剤による計測値への影響を以下のように検証した。

それぞれ添加剤を 0.5 ml～1.0 ml 毎追加して計測
する。

0
10

15

20

25

30

35

40

添加剤の影響

室温(℃)
25000
23000

１４

一方の C はモノエタノールアミントラップ用ガ
ス吸収管の下部に取り付けられたバイアルに回収される。次に吸収管の上部からエタノール 3 ml で管内を洗い出し、最後にエタノール 2 ml で吸収管下部を洗い流す。このエタノールの洗い出しの上下部の量の割合はどのような比でもかまわない。バイアル中にはあらかじめモノエタノールアミン 2.5 ml が添加されているが、この中に液体シンチレーションカ
クテル 8 ml を追加して測定用試料とする。マニュア
ルではモノエタノールアミンの CO２ 回収率を 95%としているが、99% 以上の回収率の報告がある[4]。
また、この物質は腐食性と急性毒性（吸引による肺水腫等）の危険性があるので十分注意して取り扱う必要がある。

89

dpm

図 4. 水の捕集効率

21000

B (Scintillator+MEA0～5 ml)

19000

C (Scintillator+Ethanol 0～5ml)

17000

D (Scintillator+MEA2.5ml+Ethanol 0～5ml)

15000
13000
11000
9000
7000
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

MEA/Ethanol(ml)

図 5. 添加剤による計測値への影響
図５にその結果を示した。MEA 添加の試料 B は
MEA を添加した直後から計数値が低下し、2～3 ml
で計数値が極小値を示す。その後 MEA が増加するに従って僅かに計数値の上昇が見られる。この時の液相は MEA 添加直後から混濁を呈する。一方、
エタノールの試料 C では計数値の低下は殆ど見られなく、液相も清澄である。また、MEA 2.5 ml を
あらかじめ入れた試料 D はエタノール 0.5 ml 添加
時は B の試料と同様の計数であったが、エタノー
ルを増量するに伴って液相が清澄になり、計数値
もエタノール 2.0 ml 以上の添加で正常に戻った。
この時の計数値に与える quenting の変化を図６に示した。図中の H#値はバイアル中でコンプトン
電子のスペクトルが低エネルギー側にシフトする
大きさを示したもので quenting の量を反映する指標である。図６で quenting は全ての試料で添加物の増加によって大きくなっている。しかし、液相の清澄な試料は図５から計数値の補正が正常になされているのが分かる。

施設の許可を受ける際は放射性同位元素の 1/100
が空気中に飛散するとして使用室の放射性同位元素濃度を計算しなければならないが、通常の使用では放射性同位元素が空気中に飛散する事はあまり考えられない。筑波大学アイソトープセンターが実施した１４C 標識アミノ酸の加熱実験（105℃～175℃）では始めの２～３時間に急激な放射能減少（半減期で１時間から３８時間）がみられたが、常温での６０日間の放置実験では検出できないレベルであった[5]。
筆者が各種材料に放射性同位元素を滴下し、常温放置における実験を試みたが（図７）、一週間、一ヶ月
単位ではそれぞれの核種で放射能の散逸（半減期の減衰補正あり）は殆ど認められなかった。
表面材料の核種別拡散
1000000

添加剤によるQuenting指標(H#)の変化

100000200

counts/5min

180
160
140

H#値

120

10000
1000

14C ろ紙
14C 床材
3H ろ紙
3H 床材
32P ろ紙
32P 床材

100
10

100

1
1

80
B (MEA添加)

6

11

16

21

26

経過日数(日)60
C (Ethanol添加)40

D (MEA2.5ml+Ethanol添加)

図 7. 汚染した表面からの放射能の散逸

20
0
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

６．まとめ

5

MEA/Ethanol

図 6. 添加剤による quenting の影響

労働安全衛生法では空気中の放射性物質濃度測定
は毎月１回実施することとなっている。我々が実施
５．結果と考察した平成１６年４月から約３年間の実測データでは１度だけ下記のように１４C が検出限界を超えた事がろ紙の測定では特に問題とするような事はないが、 あった。ただし、統計的にこの時の値を汚染レベル
活性炭含浸ろ紙の場合、試験管に入れる作業が少しと判定する事はなかった。
煩雑になる。実測では殆どの試料がバックグラウン
・検出限界値～2.53×10-5 Bq/cm3
ドレベルであったが、附属病院の核医学検査室（医・測定値～2.98×10-5 Bq/cm3~5.58×10-5 Bq/cm3
学施設からは毎月核医学の空気中放射性物質濃度の・濃度限度～4.0×10-2 Bq/cm3検査を実施している。）で僅かに検出限界を超えた汚非密封の放射性同位元素を取り扱う実験室では前染試料があった。このときに測定済みのろ紙を重ね述のように飛散量を 1/100 と想定して換気量を設定て置いたため、下のろ紙にも僅かに汚染が検出されしているので使用時、床の汚染時、詰め替え時であてしまった。再度、同一場所を計測したが汚染は検っても検出できる程度の汚染は少ないと思われる。
出されなかったので明らかに試料間の汚染であることが判明した。この時の汚染はスペクトル分析で核
参考文献
種を同定する事ができたが、注射器内に残った放射性同位元素を取り出すときに内容物が空気中に飛散[1] 作業環境測定ガイドブック・電離放射線関係, 労働省
したのが原因であった。
安全衛生部環境改善室編, p. 33, p. 44-45, 日本作業環
３
境測定協会, 2000.
H、１４C の測定では 4 項で述べたように試料中の[2] 労働衛生管理とデザイン・サンプリングの実務, 厚生
成分比では計数値に影響が無いことが分かった。
労働省安全衛生部環境改善室編, p. 117, 日本作業環境
MEA の添加で計数値が大きく低下するのは添加量に測定協会, 2002.
よって液相が微妙に変化し、乳濁と二層分離によっ[3] 空気中３H・１４C 捕集装置 Aloka HCM-101B 取扱説明て影響が異なる事によるためと推測される。この試書, p. 15-17.
料をしばらく静置すれば全ての MEA のみの添加物[4] 斎藤智雄 他, 空気中の３H・１４C の放射能測定,
は二層に分離すると思われるが、これはシンチレー
RADIOISOTOPES 25 (1976) 37.
タとエタノールの添加によって解消される。また、[5] 微量放射能汚染の測定法に関する研究, 研究代表者
東京大学アイソトープ総合センター 森川尚威, p.
HTO の採取では使用室の湿度が高いときは、回収さ39-47, 昭和 61 年度科学研究費補助金 (総合研究 A) 研
れる霜状の氷が目視で容易に判別できるほどである。
究成果報告書 (60303030).
乾燥した冬期では図４でも明らかなように HTO の捕集率は悪い。

90

筑波大学技術報告
27: 91-94, 2007

筑波大学プラズマ研究センター防災訓練実施記録
平田久子
筑波大学数理物質科学等支援室（物理学専攻）〒305-8571 茨城県つくば市天王台 1-1-1

まえがき
大規模の事業所では安全の為に災害を想定した訓練をする必要がある。殊に大学では学生を預っているため、その学生の安全を優先して図らねばならない。
筑波大学では平成 15 年度までは全学の防災訓練
が防災の日前後に行われてきた。しかし、平成 16年度の国立大学法人化に際し、周辺の数多の事項の構築のために防災訓練を行う時間的、組織的機会が無くなった。筆者が業務活動を行っているプラズマ
研究センター（以下『センター』と記す）は殊に工場並の設備を擁し、安全の維持に多大な配慮を要す
るので、年度当初のセンター独自の安全講習会は継続して行ってきているが、全学の防災訓練に歩調を合わせていた訓練を、法人化後は行う機会を逸していることが懸念されていた。そこで平成 18 年 3 月に防災訓練の必要性から、年度末で学生数が少なくはあったがセンター独自に防災訓練を行った。本報告はその際の実施記録である。

１．実施前
今回は訓練の日の朝のセンター定例ミーティングの際に、今までで初めて訓練シナリオを渡し、訓練の際の流れを一応全員に予告することにした。恰度
1 年以上の訓練空白期間があり、特に若い学生には経験者がいなかったのでシナリオ提示は良かったと思える。事前に事の流れを予告することは、非常時には却って対応できなくなると危惧したが実際には予想に反し、仮空経験を 1 つ持った上で臨んだことになり、大いに役立った。というのは訓練のシナリ
オで予備知識を入れていたにも拘らず、実地ではその通りにならなかったし、訓練後に予想以上の感想、コメントが集まったからである。
以下に防災訓練シナリオ及びセンター規則に準拠するセンター防災組織表を掲げる。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
平成 17 年度プラズマ研究センター防災訓練実施要領（平成 18 年 3 月 20 日実施）
中規模地震（建物の倒壊はないが実験装置、什器等の転倒、火災を想定）の発生を感知して開始する。
（11 時頃予定）

91○センター内緊急放送で地震発生、学生等退避を指示（センター長）。
○院生・学類生は最寄りの安全な出入り口より外へ
避難、建物の外側を通って玄関前のスペースに集合する（警備搬出班誘導）。その際に行き先表示
板の表示は変更しない。
○教職員は全員運転室に集合し防災隊を組織（運転室の白板に自衛防災組織表を掲示し、在・不在を各自で記す。次に、予め定めていた防災隊長、副隊長、EL…Experiment Leader の略、週番…の順に
当日センターに居るものから実際の隊長を決定し、組織上手薄な班へ適宜人員を再配備する。
更 に 上 記 該 当 者 が 不 在 の 節 は 次 に KP … Key
Person の略、鍵当番、週番…へ対象を拡大する。）
消火工作班（班長・H 垣）
消火器・ヘルメット・懐中電灯・トランシーバ
を確保
実験室での火災等の有無の確認作業を指示（防災隊長）
大実験室 1 階の北側東ガスパフ装置付近より出火の報告（ ）
緊急放送により現場での出火の旨の連絡と消火作業を指示（防災隊長）
消火器を持って現場へ急行、消火作業
消火の報告（H 垣）
警備搬出班（班長・K 沼）
ヘルメット・ハンドマイク・トランシーバを確
保学生を建物の外へ誘導、行先表示板仕様の一覧
表で安否を確認
結果を防災隊長へ報告（K 沼）
総務救護班（班長・MH 田）
ヘルメット・救急用品・トランシーバを確保し、運転室で待機（5603、5601 の電話を確保）
学生の一人（M 本）が行方不明であることの連絡を受け、実験室及び地下の捜索を緊急放送で指示（防災隊長）（ ）が消火工作班に連絡し、当の学生が実験室南側で動けなくなっているとの連絡
簡易担架を持って現場へ急行
安全径路を通って避難場所へ脱出（工作係と連携する）
結果を防災隊長に報告（MH 田）○防災隊長は、学生全員安全に避難、完全消火、救護処置完了の連絡を確認して訓練の終了を宣言

1107 H 垣: 消火工作班より大実験室北側東ガスパフ
装置周辺から出火の連絡（運転室へ急行して口頭）
1108 C: 総務救護班の 1 名（T 松）の消火工作班への異動を指示消火工作班（H 垣、T 松): 出火現場へ急行
1109 消火工作班 4 名（H 垣、I 村、0 川、T 松）による消火器を用いた消火活動
1109 警備搬出班: 2 階居室全員退避の連絡（トランシーバ）
同班: 3 階居室全員退避の連絡（トランシーバ）
1110 消火活動終了
C: 鎮火の連絡（全館放送）
1111 N 嶋: 鎮火の再確認と実験室内の点検の指示→
消火工作班（トランシーバ）
1112 C、N 嶋: 学生の避難状況の報告を要請→警備搬出班（全館放送、トランシーバ）
1112 警備搬出班: 1・2・3 階の居室からの避難報告と学生 1 名の不明を通知（トランシーバ）
消火工作班 RI 係（KI 井、K 蔵): セントラル部
南側で人が倒れているのを発見（運転室へ来て口頭）
1113 C: 救護係へ救助を指示（口頭）
救護係（S 山、E 藤）、K 蔵が救助活動に出動（この時点で屋外の警備搬出班は不明者を特定できていない）
消火工作班本隊: 負傷者を発見、救護要請（トランシーバ）（この時点で救護係は未到着であった）
N 嶋: 救護係が出動した旨連絡（トランシー
バ）
1113 救護係: 負傷者を外へ搬送中と連絡→本部（トランシーバ）
1114 警備搬出班: （実験室で負傷の）M 本以外の屋外退去を報告→本部（トランシーバ）
N 嶋: 消火工作班へ状況報告を要請（トランシーバ）H 垣: 実験棟と西棟の間で担架にて負傷者を搬送中（トランシーバ）
H 垣: 屋外へ負傷者を搬送中（トランシーバ）（この間に救急車の要請について議論あり、救急車を要請する状況としないことに決定）
N 嶋: 消火工作班へ実験室の状況確認を指示（トランシーバ）
H 垣: 地下も確認するかの問い合わせ（トランシーバ）
N 嶋: 実験棟地下の確認を依頼（トランシー
バ）
1117 救護係: 負傷者を建物玄関まで搬送完了の通知（トランシーバ）
KI 井: 負傷学生の搬送完了を報告（防災本部の運転室へ来て口頭）
C: 「消火工作班は地下を確認中」の連絡（全館放送）1118 H 垣:「実験棟地下異常なし、西棟地下確認のため移動」の連絡（トランシーバ）※上記訓練に先立ち、防災用具（ヘルメット、懐中電灯、ハンドマイク、トランシーバとバッテリー残量）の点検、消火器の配置、防災隊組織図、緊急連絡網の掲示の確認等を実施する。
（防災隊副隊長）＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
国立大学法人筑波大学プラズマ研究センター防災安全管理委員会＊
プラズマ研究センター自衛防災組織責任者＊ ：

C

副責任者＊： N 嶋

総務救護班 班長： MH 田
総務係： T 松、（H 田）、＜K 池、Y 村＞
救護係： MH 田、S 山、E 藤、（I）
消火工作班 班長： H 垣
消火係： I 村、H 垣、（Y 川）
工作係： N 嶋、W 所、（0 川）
ＲＩ係： K 蔵、（KI 井）
警備搬出班 班長： K 沼
警備係： H 條、M、S、＜I 倉＞
搬出係： K 沼、N 倉、W 邉、（TI 井）
但し、（ ）は物理学専攻からの応援部隊、＜ ＞は非常勤職員＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

２．実施
前述の流れを前提に実地訓練を行った。自衛防災隊総務係の筆者は例年、防災本部にてタイムキーパ
ーを自発的に行っているがその役割が定着したようである。以下にその際の記録を掲げる。なお、この資料は当日の発言メモから起こした記録を元に既にプラズマ研究センター年次報告－平成 17 年度－等に掲載しているが、直接の当事者として再掲させていただく。行頭の 4 桁の数字は時刻である。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
1103 C:「緊急放送」により地震発生の通知、学生は外へ避難、職員の運転室集合を指示（全館放送）1104 職員点呼
1105 C: 実験室火災発生の有無確認の要請（全館放送）1106 H 垣: 消火工作班 3 名 1 組にて実験室へ急行
消火工作班 RI 係（KI 井、K 蔵): RI 保管場所の組立調整室へ急行
1107 KI 井: RI 安全確認報告→副隊長

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C、N 嶋: 「了解」（全館放送、トランシーバ）
1119 H 垣: 「西棟異常なし」の連絡（トランシーバ）
C:「実験棟地下異常なし」（全館放送）
N 嶋: 地下に入った人の名前の確認要請（トランシーバ）
消火工作班（I 村、O 川、K 蔵、H 垣）が運転室へ戻る
1120 C: 員数の確認、センター屋外にいる職員名の確認要請（全館放送、トランシーバ）
警備搬出班: 屋外の人名の読み上げ（トランシーバ、聞き取り難い）
本部: 再度ゆっくり読み上げることを要請（トランシーバ）
屋外: TI 井、T 松、E 藤、H 條、S 山、I 倉、
KI 井、N 倉、W 邉、K 沼、M、S（12 名）（運転室には 8 名）
1124 員数チェック完
C: 訓練終了宣言

３．検討会
K 沼: 非常時につき、女子トイレも男子が確認した。
（問題なし）
H 田: トランシーバの音声が聞き取り難いので、発信の際に班名、居場所を言ってから用件を言うようにして欲しい。
N 嶋: トランシーバの使用法として、① 本部（運転室）と各班（原則として班長）が持つ。
② 送信する際、「こちら○○班、△△班または本部きこえますか？どうぞ」で始め、応答を待って内容に入る。
③ 話し終わったら「どうぞ」で送信終了。
N 嶋: 防災組織の変更で T 松→消火工作班への移動が後手に回った感がある。警備搬出班の初動が遅いと学生誘導に当たるのに遅れが出る恐れがある。
H 條:「学生は外へ退避、職員は集合」というが学生は元々避難するのではないのか。
N 嶋: 学生に対して、何らかの避難誘導は必要だと思う。
C:
確認も必要。
N 嶋: 先ず避難誘導と退去、残りを確認する。
C:
学生を守ることが第一。
H 條: 担当職員の一部は学生を連れて屋外へ、一部は居室の見回り。
MH 田: 防災隊の組織を確認してから。
N 嶋: 消火工作班で、火災発生の連絡が口頭で入ったが、初期消火が重要なので、連絡に人員を割くよりも、現場での人員確保を優先して、
トランシーバを使用して欲しい。火災が一箇所だけではない場合の対応も考えておく必要がある。
H 垣: 消火のときは現場にいる全員を集めて消火活
動をした。

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N 嶋: 消火工作班の要員を運転室に残すべきか？
（ほかに火がでることがあり得る。）
C:
人の手配は隊長が指示。
全館放送を使えないときは、全体の状況把握ができないか。
先に全員対象である旨を言ってからトランシーバで。
N 嶋: 外へ避難したら放送は聞こえない。
S:
その関連で玄関にも救急箱を備えた方がよい。
（今回救護係が持っていくのを忘れた。
）
MH 田: 運転室の防災リュックにある。
S 山: 持ち出しやすく必要なものだけリュックにいれておく必要がある。
C:
今後考慮する。
TI 井: 怪我人がある時、救急車の要請はどうするのか？
N 嶋: 救護現場の要請ではなく、事故発生の段階で判断し、本部が要請する。
K 蔵: RI 係は薬品庫と RI が燃えている状況では持ち出せないので、どちらかというと薬品のチェックのみでよいか？
A 井 （環境安全管理室): 確認する。
C:
報告できればそれで当座は OK。
H 田: 職員点呼リストは防災隊発動時には良いが、員数最終チェックには使いにくい。
N 嶋: 員数チェックは（普段見慣れた）行き先表示
板と同じ様式にする。
T 松: 総務係→消火係→救護係に回った。その旨を「連絡して下さい」とトランシーバ所持者に伝えた。（しかし本部には伝わらなかった。
）
現場へ向かう場合は伝えるべき。誰がどの様にいうのか？
N 嶋: 担当変更は到着・合流も連絡する。
C:
基本は危険箇所に入る場合は本部へ連絡する。
一般的に部署を移動する場合も本部へ連絡する。
T 松: 担当変更になり現場へ入った場合には、その旨連絡する。
S 山: 救護係は作業が終了したので、室内の人にトランシーバを渡した。
N 嶋: トランシーバは当初の班に固定すべき。全ての作業が終了するまで離さない。
S:
教職員の安否の確認はどうするか？
N 嶋: 最初にチェックした。班長は、班員全員の安否について常に把握している必要がある。屋
外の避難者リストとの突き合わせが必要。最
初は防災組織表のほうが使いよいが、最後の点呼では行き先表示板の並び方がやりやすい。
MH 田: 屋外へ避難者を誘導する班は、運転室で作業をチェックしてから外へチェックしに行く。
C:
点呼とリストの照合が重要。行き先表示板のマグネット表示忘れのチェックも必要。
W 邉: 本部の設置は運転室のみか。
C:
災害が大きければ屋外の避難先、小さければ運転室とする。その場で臨機応変に対応。大間をかけて、参加者からの有意義な意見が提案され、次回に向けての課題として活かされることとなった。
特に今回は、環境安全管理室安全衛生担当専門職員
荒井氏を見学に迎えて、実施後の検討会において貴重なご意見をいただいた。次回はもう少し早い時期に行うことも念頭に置いて実施したい。また検討会に学生も同席させ、意見や感想を聞くと同時に検討会そのものによる教育も兼ねたい。

規模地震では、一斉に外へ避難することもあり得る。
A 井: 先ず学生を避難させる。
災害のレベルで避難（訓練）も異なる。その場合でも生命を守ることを優先。場合によってはマニュアルを作って訓練を行うのが役に立つであろう。
＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
記録は以上であるが、記録の整理をしていて後から気の付いた点として、いくつか挙げられる。
① 中規模の災害の場合、実験室の点検の際にガスボンベの元栓の閉じていることを確認する作業を含めたい。勿論、その配置図、確認順路の目安
図も準備する。
② 実験時を想定した訓練（実験休止、発電機緊急停止作業が加わる）も必要。
③ 今回のシナリオ、または上記②の場合の何れかで停電を想定した訓練。照明、全館放送設備を使えないことを想定。
④ 緊急時に必要な作業をリストアップし、どの班が担当するかを予め決めておくのがよい。
⑤ もっと大規模な災害（地震）を想定して、全員が避難するだけの訓練（避難時間を計測する）をやってみるのもよいかもしれない。
などと思いつく。
また、今後準備するものとして、① 防災リュックサック収納救急用品の充実。運転室に置く消火工作班用と避難者応急処置用② 点呼用リスト（最初の防災隊組織時と最後の員数確認用）の作成③ 実施計画の詳細（各班毎のフローチャート形式など）実施要領書の作成④ 大学支給の担架は、組み立ての際に怪我をした経験があるので扱いに慣れておく必要がある。又、1 人の人間を緊急時に 2 人で担ぐことを考えると不安定である。担送される者を固定する紐と、担ぐ人用の肩ベルトがあると多少は安心といえよう。この点について京都大学工学研究科附属安全環境衛生センター中川俊幸技術専門職員に教わったことによると、担架の組立ては足を使うほうがやりやすい、固定ベルトは市販されている、とのことである。
⑤ 今までに問題にあげていないが、搬出物、警備の対象、警備方法、等の指針を用意。
が考えられる。

４．総評
昨年度は未実施だったプラズマ研究センター防災
訓練は、平成 17 年度は年度末の 3 月の実施とはなったものの、訓練自体はスムーズに進行し、大きな問題も生ずることなく無事に終了することができた。
終了後の検討会では、訓練の時間を大幅に上回る時

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５．結語
今回は大学の連絡網の利用、確認はなく、センター独自に行ったので、センター長の「今、地震がありました。」の宣言で訓練実施の起点とした。
センターの実地訓練は模擬とは判っていながらも真剣に各人は役割をこなしている。それとて実際の災害では予想通りには行かないものである。しかし、想定訓練を経験した者と理屈しか頭に入っていない
者とは自分の生命を守る能力が大幅に異なる筈である。実際にシナリオを渡されていてもその通りにはならず、実地訓練後の検討会には訓練の実時間以上の時間を割いている。この積み重ねが日頃の軽度の地震の際での対応、火災報知器の誤作動の際の対応、等に活かされているのは事実である。
特に今回は大学本部環境安全管理室荒井専門職員に声を掛け、立ち会っていただき、全学安全担当の視点で貴重な意見をいただけたことを感謝する。

あとがき
筑波大学級の規模になると防災訓練を行おうにも
1 棟の建物に対して複数の部局があり、組織ぐるみの防災訓練を行うのは難しい。附属病院等の一部の組織を除き、防災訓練が形骸化してしまった気配が感じられる。プラズマ研究センターは幸いにも 1 棟の建物の中に複数部局所属の教職員学生 70～80 名程が居る大所帯であるが、1 組織として 1 つの命令
系統、責任系統が機能した活動を行っており、実態に即した訓練を行える。
また筆者はタイムキーパーとして記録し、殴り書きの発言メモを整理するという復習をすることで、当日考えつかなかったことを改めて思いつくというメリットを感じている。
今回の訓練の対応が全ての組織に適用できるわけではないが一部でも参考になれば幸いである。又、関連する参考意見を戴いて、今後に反映していきたい。
最後に本報告の体裁において、筑波大学システム
情報工学等支援室鈴木秀則技術専門官、山形朝義技
術専門職員の御協力を戴きましたことをここに記し、感謝します。

筑波大学技術報告 №２７
第６回筑波大学技術職員技術発表会報告集
平成１９年３月発行
編 集

筑波大学技術報告編集委員会
第６回筑波大学技術職員技術発表会実行委員会

発 行

筑波大学研究事業部研究事業課〒305-8577 茨城県つくば市天王台1-1-1
電話 ０２９（８５３）２９２４
筑波大学人間総合科学等支援室（医学系）〒305-8575 茨城県つくば市天王台1-1-1
電話 ０２９（８５３）３０１４

第６回筑波大学技術職員技術発表会実行委員会
実行委員長
瀧田宏樹 副学長（研究担当）
実行委員[人間総合科学等支援室]
稲月 一高（実行委員代表）
佐久間 勉
森田 倫子
須藤 伝悦
大神 明子
菅江 則子
桜井 秀子
佐藤 晶子
小林 浩三
秋山 佳代
文隨 和美
安達 苗生美林 剛人丸[研究基盤総合センター]
内田 豊春
西田 憲正
松尾 邦夫
高橋 努
大和 良広
近藤 裕
[数理物質科学等支援室]
鶴見 明
間宮 精一
[システム情報工学等支援室]
鈴木 秀則
中島 孝
[生命環境科学等支援室]
有本 光江