ISSN 0286-813X

山形県工業技術センター報告
REPORTS OF YAMAGATA RESEARCH INSTITUTE OF TECHNOLOGY

No. 41（2009）山形県工業技術センター
YAMAGATA RESEARCH INSTITUTE OF TECHNOLOGY

目

論

次

文

カーボンナノチューブ複合ニッケルめっき被膜の熱処理による硬さの変化 …………… 1
鈴木庸久 加藤睦人 松田丈 丹野裕司

CNT 被覆ダイヤモンド砥粒の開発
4−光化学反応によるアミノ基修飾の効果− …………………………………………………
齊藤寛史

鈴木庸久

加藤睦人

藤野知樹

三井俊明

佐竹康史

回転ツルアを用いた小径ダイヤモンド電着工具のツルーイング法の検討 ……………… 8
村岡潤一 一刀弘真

FPGAとオープンソースソフトウェアを活用したシステム開発事例 …………………… 11
高橋勝弘 海老名孝裕 境修

近赤外分光用ラミナー型グレーティングの試作と可動化の基礎検討
渡部善幸

阿部泰

岩松新之輔

小林誠也

…………………
高橋義行

シリコン研削装置における機上高速ウェハ厚・欠陥計測システムの開発
石山和弘

高橋義行 村上穣
小沼雅樹 大山裕司

15

佐藤敏幸

……………

20

渡部善幸 佐藤敏幸
板垣文則 村尾純一
渡部裕樹 佐藤学

微小流路反応管を用いた溶存有機物の紫外線分解・検出デバイスの開発 …………… 26
岩松新之輔 阿部泰 渡部善幸 小林誠也

CNTを含有した機能性複合Niめっき被膜の開発−パルス電解めっきによる被膜形成の検討− ……………………………………………… 30
三井俊明 鈴木庸久 加藤陸人 藤野知樹 佐竹康史 齊藤寛史

レーザ溶接法による異種金属接合技術の開発……………………………………………

33

鈴木剛

県産砕石粉のデータベース化………………………………………………………………
豊田匡曜

有用乳酸菌の分離とその利用技術開発

抄

録

38

藤野知樹

…………………………………………………… 43
長俊広 石塚健 菅原哲也 村岡義之 安食雄介…………………………………………………………………………………………

49

CONTENTS

Papers

Effects of Heat Treatments on Hardness of Ni-Based CNT Composite Electroplating
Tsunehisa SUZUKI

Mutsuto KATOH

Takeshi MATSUDA………

1

Yuji TANNO

Development of CNT-coated Diamond Grains
Effect of Amino Group Modification Using Photochemical reactions
Hiroshi SAITOTsunehisa SUZUKI……………………………

Mutsuto KATO

Toshiaki MITSUI

Truing of Micro Electroplated Diamond Tool by Rotary Truer

4

Tomoki FUJINO

Yasufumi SATAKE……………………………………

Jun-ichi MURAOKA

8Hiromasa ITTO

Review of producing embedded system that use general purpose PC , simple CPU board ,FPGA board and open source software………………………………………………………………

Katsuhiro TAKAHASHI

Takahiro EBINA

Osamu SAKAI

Fabrication of Near Infrared Laminar Grating and Fundamental Investigation for its Actuation
Yoshiyuki WATANABE
Seiya KOBAYASHI

Yutaka ABE

11

………

15

Shinnosuke IWAMATSU

Yoshiyuki TAKAHASHI

Toshiyuki SATO

Development of High-speed Measurement System for Wafer Thickness and Defect on
Machine for Silicon Wafer Back-Side Grinding ………………………………………………………
Yoshiyuki TAKAHASHI

Yutaka MURAKAMI

Yoshiyuki WATANABE

Kazuhiro ISHIYAMA

20

Toshiyuki SATO

Masaki KONUMA

Yuuji OOYAMA

Huminori ITAGAKI

Jun-ichi MURAO

Yuuki WATANABE

Manabu SATOUV Degradation and Electrical Detection of Dissolved Organic Compounds using
Microchannel Reactor…………………………………………………………………………………

Shinnosuke IWAMATSU

Yutaka ABE

Yoshiyuki WATANABE

Seiya KOBAYASHI

26

Development of Ni-Based CNT Composite Electroplating-Study on the Composite Film Plated by Periodic Reverse Pulse Electrolysis-………………

Toshiaki MITSUI

Tsunehisa SUZUKI

Mutsuto KATOH

Tomoki FUJINO

Yasufumi SATAKE

Hiroshi SAITOH

Development of different kind of metal joint technology by laser welding method

…………

30

33

Takeshi SUZUKI

Making of database of Crushed Stone Powder ………………………………………………………
Masaaki TOYODA

Tomoki FUJINO

Separation of useful lactic acid bacterium and development of the technology usedToshihiro CHO

Ken ISHIZUKA

38

………

43

Tetuya SUGAWARA

Yoshiyuki MURAOKA

Yusuke AJIKI

Abstracts ………………………………………………………………………………………………… 49

カーボンナノチューブ複合ニッケルめっき被膜の熱処理による硬さの変化【平成 20 年度地域イノベーション創出研究開発事業】
鈴木 庸久

加藤 睦人

松田 丈

丹野 裕司

Effects of Heat Treatments on Hardness of Ni-Based CNT Composite Electroplating
Tsunehisa SUZUKI

1

緒

Mutsuto KATOH

言Takeshi MATSUDA

Yuji TANNO

き浴を用いて形成しためっき被膜の常温硬さ，ガラスレンズ成形用の金型材は，耐熱性がよ

熱処理後の硬さは，被膜断面に対してマイクロ

い超硬が用いられている。しかし，超硬は，ダビッカース硬度計（Akashi 製 HM-124）を用

イヤモンド工具による切削加工が困難である

いて測定した。測定は、ダイヤモンド圧子を用ため，複雑形状の創成が難しいという課題があいて荷重 0.49N で行った。高温硬さ試験は，高る。そこで，我々は，機械的強度，熱伝導性等

温顕微硬度計（日本光学製 QM 型）を用い，アに優れ，ガラスとの反応性が低いカーボンナノ

ルゴンガス雰囲気中で設定温度まで加熱保持

チューブ（CNT）を，電解めっきにより Ni にし，被膜表面からサファイヤ圧子を用いて荷重含有させた CNT 複合材料を開発し 1),2)，ガラス

0.98N で行った。めっき被膜中の炭素含有量は，

レンズ成型用金型材への応用を検討している。

マーカス型高周波グロー放電発光表面分析装

CNT 複合ニッケル基金型材はダイヤモンド切置(堀場製作所製 GD-Profiler2)を用いて測定し削加工が可能であり，CNT を複合することでた。

DLC などの離型膜が不要になると考えられることから，複雑形状の創成が可能な金型材とし3

実験結果および考察
Fig. 1 に，めっき浴への CNT 添加量 0−て期待できる。
本研究では，超音波攪拌を援用した電解めっ

10g/L で形成した被膜の常温硬さと被膜表面かき法 3)により CNT 複合 Ni めっき被膜を形成

ら深さ約 5µm での炭素含有量を示す。被膜中

し，金型材として重要な一要素である耐熱性をの炭素成分は，分散剤などの取り込みも考えら評価するために，室温〜600℃での熱処理によれるが，主に CNT の含有によるものと考え，る被膜硬さの変化，高温硬さを調べた。

被膜中の CNT 含有量の相対的な指標とした。
Fig. 1 より，被膜中の CNT 含有量は，めっき浴

2

実験方法

への CNT 添加量に従って増加し，CNT 添加量

CNT 複合 Ni めっき被膜の形成には，平均直Table 1 The plating bath and the operation
conditions for CNT composite electroplatings.

径 10nm ， 長 さ 0.1 〜 10µm の 多 層 CNT（Nanocyl 製）を添加したスルファミン酸 Ni
浴（NiHSO3･NH2: 500 g/L, NiCl･6H2O: 4 g/L,

Bath

Nickel Sulphamate
plating bath

CNT sizediameter 10 nm,
length 0.1-10 µm

CNT in bath0 - 10 g/L

Agitation method

Horn sonication

Bath temperature

45 °C

Current density

5 A/dmSubstrate

WC-Co or SKD11

H3BO3: 33 g/L）を用いた。めっき母材をチタン合金製超音波ホーン振動面（φ22mm）の直下に配置し，常に超音波攪拌(27kHz，200W)を行
いながら，Table 1 に示すめっき条件で被膜を形成した。被膜の熱処理は，窒素ガス雰囲気において各設定温度 100〜600℃で 3 時間保持することにより行った。CNT 添加量の異なるめっ

-1-

2

鈴木

加藤

松田

丹野： カーボンナノチューブ複合ニッケルめっき被膜の熱処理による硬さの変化

2.4

い向上し，CNT 添加量 1g/L で約 600HV に達

500

2.2

するが，それ以上 CNT を添加すると硬さが下がり，CNT 添加量 10g/L で約 400HV となった。
この結果から CNT 複合による被膜の常温硬さの向上は，単に複合則に従った強度向上ではな
いことが示唆された。

1.8
300
1.6
200

膜の常温硬さを示す。めっき浴への CNT 添加

常 Ni めっき被膜の硬さよりも低くなる。さら1.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
The
CNT ininaaplating
platingbath
bath,
g/L
Theconcentration
concentration ofof CNT[g/L]

Fig. 1 Vickers hardness and carbon compositionof coatings versus the concentration of CNTs inelectroplating bath.

に，熱処理温度 400〜600℃では，通常ニッケ

600

ルめっきとほぼ等しい値（200HV 以下）となっ

0g/L
1.6g/L
5g/L
10g/L

500

き浴を用いて形成した CNT 複合 Ni めっき被膜の熱処理前および 600℃での熱処理後の被膜断面の金属顕微鏡写真を示す。Fig. 3 (a)より，熱VickersHardness
Vickers Hardness

た。
Fig. 3(a),(b)に，CNT 添加量 1.6g/L のめっ

400
300
200

処理前のめっき被膜は，結晶粒が非常に微細で100あり，電解めっきによる通常 Ni めっき被膜に00見られる柱状で粗粒な被膜とは異なることがわかった。このことから，CNT 複合 Ni めっき
被膜の硬さ向上は，結晶の微細化と関連がある

1.2

0

量に関わらず，熱処理温度が高くなるにつれり，熱処理温度 300℃では CNT を含まない通1.4
Vickers Hardness
Carbon Composition

100

Fig. 2 に，熱処理温度に対する熱処理後の被CNT 複合めっき被膜の常温硬さは急激に下が

2.0

400

-2

600

Vickers Hardness .
VickersHardness

た。一方，被膜硬さは CNT 添加量の増加に伴

Carbon10 -2wt%
Carboncomposition,
composition [10wt%]

5g/L のとき CNT 含有量は約 0.02wt%となっ

200

400

600

800

Heat
Treatment
Heat
TreatmentTemperature,
Temperature [℃]℃Fig. 2 Vickers hardness versus heat treatment
temperature.

と考えられる。一方，Fig. 3 (b)より，熱処理後量 1.6g/L のめっき浴を用いて形成した CNT 複のめっき被膜は，結晶粒が粗大化して，10µm

合 Ni めっき被膜および通常ニッケルめっき被以上の結晶粒が見られた。熱処理後の被膜硬さ

膜の高温硬さの測定結果を示す。Fig. 4 より 400の低下は，熱処理による結晶粒の粗大化による℃以上では CNT を含まない通常めっき被膜よものと考えられ，CNT が結晶粗大化の促進に寄りも硬さが低下し，50HV 以下となった。400与していることが推測される。

℃以上の熱処理後の常温硬さは，通常めっき被Fig. 4 に，常温から 600℃において CNT 添加
Ni-CNT

Ni-CNT

10µm

10µm(a) As deposition(b) After heat treatment (600℃, 3hour)Fig. 3 Cross-sectional optical image of Ni-based CNT composite coatings before and after heat
treatment.

-2-山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

た。

800
700
Vickers Hardness
VickersHardness(1) 熱処理前は約 600HV である CNT 複合 Ni

Ni
Ni-CNT

600

めっき被膜の常温硬さは，熱処理により急500激に低下し，熱処理温度 400℃以上で，通常

400

Ni めっき被膜とほぼ同じ 200HV 以下とな300る。この傾向は，めっき被膜中の CNT 含有200

量に依存しない。

100(2) 熱処理による被膜硬さの低下は，結晶粒の

0
0

200

400

600

粗大化によるもので，CNT は結晶粒の成長

800

TestTest
Temperature℃
Temperatureon
on hardness,
Hardness [℃]を促進する作用があると考えられる。

Fig. 4 Vickers hardness versus measurement
temperature.

(3) CNT 複合 Ni めっき被膜の 400〜600℃での高温硬さは，通常の Ni めっき被膜より低下

膜とほぼ等しいことから，この温度範囲におい

し，50HV 以下となる。

ては CNT の有無にかかわらず被膜の結晶状態がほぼ等しいと仮定すると，CNT は 400℃以上

文の高温状態において，被膜の組成変形抵抗の低1) T. Suzuki et al., Proceedings of 16th

減に寄与している可能性がある。

International Conference on Composite

献Materials, CD-ROM, July 2007

4

結

言

2) T. Suzuki et al., International Journal of

CNT 複合 Ni めっき被膜の室温〜600℃でのElectrical Machining, 13 (2008) 41-44

熱処理による常温硬さの変化および高温硬さ

3) 鈴木庸久 他：山形県工業技術センター報告,を調べたところ，以下のことが明らかになっ

40 (2008) 8-11

-3-

CNT 被覆ダイヤモンド砥粒の開発-光化学反応によるアミノ基修飾の効果【(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構 平成 18 年度産業技術研究助成事業】
齊藤 寛史

鈴木 庸久

加藤 睦人

藤野 知樹

三井 俊明

佐竹 康史

Development of CNT-coated Diamond Grains-Effect of Amino Group Modification Using Photochemical reactions-

1緒

Hiroshi SAITOTsunehisa SUZUKI

Mutsuto KATOH

Tomoki FUJINO

Toshiaki MITSUI

Yasufumi SATAKE

言

モンド表面に生成された官能基は，フーリエ変

石英ガラスなどの硬脆材料の微細加工にお換赤外分光光度計(FTIR)と光電子分光分析装

いて，精度向上やコスト削減のために，高寿命置(XPS)により分析した。

な電着砥石が求められている。電着砥石は，切FTIR による分析に供したダイヤモンドは，れ刃となる単結晶ダイヤモンド砥粒をめっき分析に必要な表面積を得るため粒径 500nm とによって保持する構造である。我々は，めっき

し，ダイヤモンド表面に塩素が修飾されたもの

中に機械的強度に優れるカーボンナノチューを使用した。アミノ基修飾における熱の影響をブ（CNT）を複合させ，砥粒保持力を強化した

調べるため，UV 照射後にダイヤモンドを大気

高寿命電着砥石を開発してきた 1)。さらに，砥

中で 330℃，500℃に加熱処理を行い FTIR で粒保持力の向上に作用する CNT をダイヤモン分析した。FTIR の測定は拡散反射法で実施し，

ド砥粒表面に集中させることを目的とし，vanUV 光源

der Waals 力による CNT の自己凝集作用を用

石英ガラス管
ダイヤモンドいた CNT 被覆ダイヤモンド砥粒の開発を行っている 2)。CNT は，アミノ基との相互作用が知られており，ダイヤモンド砥粒表面にアミノ基アンモニアを修飾することで，CNT を砥粒表面に自己凝集させることができる 2)。本研究では，UV によ

UV 光源る光化学反応を用いたダイヤモンド砥粒のアミノ基修飾を検討し，得られたアミノ基修飾ダ

図1

イヤモンド砥粒を用いて，CNT 被覆ダイヤモン

UV 装置概略図

ド砥粒を作製し，砥粒の保持力を評価した。

実験方法
2.1

ダイヤモンド砥粒のアミノ基修飾

ダイヤモンド砥粒

図 1 に UV 処理の概略図を示す。ダイヤモン
ドを石英ガラス管の中に配置し，N2 により十分

10µm

2

シェアツール
速度100µm/s

Niめっき

パージした後，純アンモニアガスを流しながら20cc/min である。UV 光源には波長 185nm，15µm

UV を 照 射 し た 。 ア ン モ ニ ア ガ ス の 流 量 は
母材

254nm の紫外線を発生する 8W の低圧水銀ランプを 4 灯使用し，2.5 時間照射した。ダイヤ

図2-4-

砥粒保持力の測定方法

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

JSM-6301F)で観察した。

得られたスペクトルは，透過法による吸光度ス

ダイヤモンド砥粒保持力の測定

ペクトルと同等に扱うことのできるクベルカ

2.3−ムンク（Kubelka-Munk）変換を行った。

図 2 に実験方法を示す。粒径 100µｍのダイ

XPS による分析に供したダイヤモンドは，電ヤモンド砥粒を膜厚 15µｍの Ni めっきで保持

着砥石で使用される砥粒を想定し，粒径 100µm

し，突き出し部分をボンドテスター（Dage 社とした。酸洗浄の後に UV 処理を行い，XPS で製 series4000）でシェア試験 1)を行った。シェ

分析した。

アツールの高さは，めっきから 10µm の位置に

CNT 被覆ダイヤモンドの作製・評価設定した。シェアツールによりダイヤモンド砥

酸化処理を行った CNT(Nanocyl 製 多層

粒がめっきから脱落する時の最大シェア強度

CNT，平均直径 10nm，長さ 0.1〜10µm)を分を測定し，砥粒保持力とした。実験に供した砥

散 さ せ た N,N- ジ メ チ ル ホ ル ム ア ミ ド ( 略 称

粒は，CNT 被覆処理を行ったダイヤモンド砥粒DMF)溶液に，UV 処理後のダイヤモンド砥粒をと，未処理のダイヤモンド砥粒の２種類であ浸漬させた後，取り出した砥粒を洗浄し 110℃

る。Ni めっきは，スルファミン酸ニッケル浴

で乾燥を行う。この作業を 5 回繰り返し，CNT(Ni(NH2SO3)2･4H2O: 500 g/L, NiCl2･6H2O: 4

をダイヤモンド表面に自己凝集させた。実験後

g/L, H3BO3: 33 g/L）を用いて形成した。

2.2は ， 砥 粒 表 面 性 状 を 電 子 顕 微 鏡 (日 本 電 子 製

Kubelka‑Munk

UV処理＋500℃

UV処理＋330℃

UV処理

未処理
波数, cm‑1

図3

FTIR測定結果

Kubelka‑Munk

UV処理＋500℃

UV処理＋330℃

UV処理

波数, cm‑1

図4

FTIR差スペクトル
-5-

齊藤

3

鈴木

加藤

藤野

三井

佐竹： CNT 被覆ダイヤモンド砥粒の開発

実験結果
3.1

C1s
(a)C1sFTIR 分析285.3
Intensity

図 3 は，未処理のダイヤモンド，UV 処理を行ったダイヤモンド，UV 処理と加熱処理を行ったダイヤモンドの FTIR 分析結果を示す。未処理のダイヤモンドは 812.5cm-1，1100.0cm-1，
1262.5cm-1 にピークがあり，表面に塩素が修飾
288.0

されていることを示すと考えられる。UV 処理を行ったダイヤモンドと UV 処理後 330℃で加

292

290

284.3

286.5

288

286

284

282

280

396

394

Binding
Energy,Binding Energy[eV] eV

熱処理を行ったダイヤモンドにも同じピークが見られることから，処理後も塩素が残存して

N1s(b)N1sいると推測される。UV 処理後 500℃で加熱処

399.5

理を行ったダイヤモンドは，塩素によるIntensity

812.5cm-1 の ピ ー ク が 消 滅 し ， 1100.0cm-1 ，1262.5cm-1 の周辺と 1768.0cm-1 に新たなピー

398.4

クが確認できる。これらのピークは，加熱によりダイヤモンド表面の酸化が進行したことを示すと考えられる。
UV 処理および熱処理前後でのスペクトルの

408

406

404

402

400

398

Binding
Energy,Binding Energy[eV] eV

違いを明らかにするため，未処理のダイヤモン
図6ドに対する差スペクトルを求めた結果を図 4 にXPS スペクトルの解析結果示す。いずれの差スペクトルも，塩素による812.5cm-1 ，1100.0cm-1 ，1262.5cm-1 のピーク
が下向きとなり，ダイヤモンド表面の塩素が減少したことを示す。1589.6cm-1 のピークは上向
きのピークであり，ダイヤモンド表面にアミノ基が修飾されたことを示すと考えられる。UV
処理後に 330℃で加熱処理を行ったものは，加熱を行わないものと比較し，1589.6cm-1 のピー
クが大きい。この理由として考えられるのは，

50 µm(a) 砥粒全体画像

C1s

Intensity

O1s

N1s

(b) after(a) before

500 nm
1400

1200

1000
800
600
400
Binding Energy[eV]eV
Binding
Energy,

図5

200

0

(b) CNT 拡大画像

XPS スペクトル

図7-6-

CNT 被覆砥粒 SEM 画像

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

ダイヤモンド表面に吸着していたアンモニウ

粒は平均 3.56N であり，平均値で比較するとムイオンが，加熱によってアミノ基へ反応が進

CNT 被覆により砥粒保持力が 2 倍以上向上し行したことが挙げられるが，今後更なる確認がた。

必要である。

4

3.2

結

言

1) アンモニア雰囲気中で UV 処理を行ったダ

XPS 分析

図 5 は，UV 処理前後におけるダイヤモンド

イ ヤ モ ン ド を FTIR で 分 析 し た 結 果 ，

表面の XPS 分析結果を示す。図 5 の UV 処理

1589.6cm-1 にピークが確認された。これは，前の結果に見られる O1s のピークは，前処理のダイヤモンド表面にアミノ基が修飾されたこ

酸洗浄により，ダイヤモンド表面が酸化したことを示すと考えられる。

とを示す。UV 照射後のダイヤモンドには，N1s2) XPS 分析においても，アミノ基に起因するとのピークが確認できた。図 5 の C1s，N1s のス考えられるケミカルシフトが C1s および N1s のペクトルの解析結果を図 6(a)，(b)に示す。それ

ピークに確認された。

ぞれに，アミノ基に起因すると考えられるケミ

3) UV 処理を行ったダイヤモンド砥粒表面にカルシフト（C1s: 285.3eV，N1s: 399.5eV）がCNT を被覆することができた。

確認でき，ダイヤモンド砥粒表面にアミノ基が4) CNT 被覆ダイヤモンドの砥粒保持力は，未修飾されたと考えられる。

処理のダイヤモンドと比較し 2 倍以上大きい。

3.3

CNT 被覆ダイヤモンドの観察

図 7(a),(b)に CNT 被覆ダイヤモンドの電子謝

辞

顕微鏡写真を示す。図 7(a)の白くチャージアッ

本研究は，(独)新エネルギー・産業技術総合プしている部分以外は，CNT が被覆されてい開発機構 平成 18 年度産業技術研究助成事業にる。図 7(b)は，CNT 被覆部を拡大した画像であより行われた。ここに謝意を表する。

る。ダイヤモンド砥粒表面に CNT が凝集し，文密に絡み合っている様子が確認できる。
3.4

ダイヤモンド砥粒保持力

Conference on Composite Materials, CD-ROM, JulyNi めっきで保持したダイヤモンド砥粒のシ

2007

ェア試験結果を図 8 に示す。未処理のダイヤモ

2) T. Suzuki et al., Key Engineering Materials,

ンド砥粒は，砥粒保持力が平均 1.51N であるの

389-390 (2009) 72-76

に対し，CNT 被覆処理を行ったダイヤモンド砥

6

剥離強度，N

5
4
3
2
1
0

未処理
図8

献

1) T. Suzuki et al., Proceedings of 16th International

UV 処理

シェア試験測定結果-7-

回転ツルアを用いた小径ダイヤモンド電着工具のツルーイング法の検討
村岡 潤一

一刀 弘真

Truing of Micro Electroplated Diamond Tool by Rotary Truer
Jun-ichi MURAOKA

1緒

Hiromasa ITTO言

近年，化学分析用マイクロセルなどの小ロッ
ト生産を目的として，石英ガラスの高精度微細形状の機械加工に対する要望が高まっている。
その一手法として，コスト面で優位なダイヤモ
ンド電着軸付砥石（以下，電着工具という。
）を用いた加工が注目されている。
前報 1）では，砥粒切れ刃高さの整列を目的として，立型フライス盤（東芝機械製 F-mach442）

図 1 立型フライス盤（東芝機械製 F-Mach442）

図 1 で把持した回転する電着工具の底面を，加工テーブルに固定されたツルーイング工具（板状のダイヤモンド電着砥石）に接触させ，切り電着工具込みと送りを与えるツルーイング方法（図 2）を試みたが，砥粒の摩滅が不均一であった。これは，同じ底面内であっても，回転半径によってツルーイング工具との相対速度が大きく異なるためである。図 3 はこの電着工具で石英ガラ

ツルア

スに加工した溝の写真と断面曲線である。このような工具で加工すると，図のように底面に段

図 2 ツルーイング概念図（ツルア固定）差ができ，加工精度の上で問題となる。
本研究では，この問題を解決するためにツルーイング工具を回転させ，電着工具に相対的な切り込みと送りを与える方法で，砥石作業面の砥粒を均一に摩滅させることを試みた。これにより，石英ガラスの溝底面形状を段差無く加工するとともに，表面粗さを向上させることを目
的とする。

200µm

2

実験方法

(µm)
＋1.0

図 4 にツルーイングの概念図を示す。立型フライス盤の主軸にツルーイング工具（φ3mm，＃200）を取り付けて回転させ，加工テーブル

0に上向きに固定した電着工具（φ 0.5mm，＃400）に接触させる。その後，1µm の切込みを−1.0

与え，ツルーイング工具を半径方向に連続して

図 3 石英ガラスの加工面性状（上）および断面曲線（下）往復させるという作業を 10 回繰り返す。

-8-

村岡

一刀： 回転ツルアを用いた小径ダイヤモンド電着工具のツルーイング法の検討与えた場合，砥粒を破砕させずに砥粒先端を平

(µm)
＋0.1

坦にツルーイングでき，切れ刃高さが整列したと考えられる。
3.3 加工面の表面粗さ0

図 8 に，石英ガラス溝底面部の表面粗さを示す。電着工具のツルーイングにより表面粗さが−0.1

向上し，ツルーイング条件 2，3 において，（a）条件 10.1µmPV 以下を得た。砥粒先端に摩滅によって

(µm)
＋0.1

平坦部が形成されたことにより，表面粗さが向上したものと考えられる。

0

4

結

言

石英ガラスの溝底面形状の平坦化および表−0.1

面粗さの向上を目指して，回転ツルアを用いた（b）条件 2(µm)
＋0.1

電着工具のツルーイングを行い，次の結果を得た。
（1）ツルア送り速度が速いツルーイング条件
では，電着工具の砥粒の破砕が見られる。

0（2）ツルア送り速度を遅く，単位ツルーイン
グ時間を長くしたツルーイング条件では，−0.1（c）条件 3電着工具の砥粒先端が摩滅により平坦に

図 6 加工面への影響（断面図）

なるため，切れ刃高さを整列させることができる。
（3）ツルーイングした電着工具で石英ガラスの溝加工を行ったところ，段差無く平坦な
底面部をもつ溝が加工できた。また，溝底部の表面粗さが向上し，0.1µmPV 以下と
なった。

文

20µm

20µm

（b）条件 3（a）条件 1
図 7 砥粒のツルーイング状態（電子顕微鏡写真）

1） 村岡潤一，一刀弘真：山形県工業技術セン

ター報告, No.40（2008）27.

1.0
0.826
表面粗さ（µmPV
µmPV）
表面粗さ.

0.8
0.6

0.487

0.4
0.2

0.081

0.052

0.0
ﾂﾙｰｲﾝｸﾞなし

条件 1

条件 2

献

条件 3

図 8 表面粗さの比較- 10 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

この方法では電着工具の底面全体が回転するツツルア

ルーイング工具と接触するため，相対速度の差
ツルア送り方向は小さくなり，砥粒を均一に摩滅させることができる。
ツルーイング工具は，底面の砥粒をめっき層の切込み方向高さまで研削し，図 5 のように作業面を平坦にしてから使用する。これは，ツルーイング工具の切れ刃高さを揃えることで，ツルーイング時のツル

電着工具

図 4 ツルーイング概念図（回転ツルア）

アと電着工具の位置関係の把握を容易にするためである。
ツルーイング条件のうち，往復運動の送り速度（ツルア送り速度）と 1 切込みあたりの持続時間(a)（単位ツルーイング時間）の 2 因子を変化させ，得られたそれぞれの砥石作業面を走査型電子顕

(b)
φ3.0

微鏡（FEI 製 Quanta400）で観察し，影響を調べ100µmた。ツルーイング条件を表 1 に示す。
さらに，立型フライス盤の主軸に電着工具を把図 5 ツルーイング工具

持し，表 2 の条件で石英ガラスに溝を加工した。
溝底面の形状および表面粗さの測定には，白色干渉顕微鏡（Zygo 製 NewView200）を用いた。

表 1 ツルーイング条件
条件 1

3

実験結果および考察

条件 2

ツルーイング工具＃200

φ3.0mm

電着工具＃400

φ 0.5mm

3.1 加工面の断面曲線
図 6(a)に，ツルーイング条件 1 の電着工具で加工した石英ガラス溝底面部の断面曲線を示す。

ツルア回転数溝の中心部に約 0.1µm の段差が生じているこ

ツルア送り速度とが確認できる。図 6(b)にツルーイング条件 250000min-1
5.0（mm/min）の電着工具で加工した石英ガラス溝底面部の断面曲線を示す。こちらも同様な段差が見られ，その段差は約 0.05µm であった。図 6(c)に，ツルーイング条件 3 の電着工具で加工した石英ガ

条件 3

1.0

切込み量

1µm

総切込み量

10µm

単位ツルーイング時間

1min

1min

1.0

10min

ラス溝底面部の断面曲線を示す。この条件では
表 2 加工条件

段差はみられない。ツルーイングにより切れ刃
高さが整列したと考えられる。
3.2 砥粒のツルーイング状態
図 7(a),(b)に，それぞれツルーイング条件 1，
3 の電着工具の砥粒の SEM 写真を示す。ツルーイング条件１では砥粒の破砕が見られる（点線内）。ツルーイング条件 3 では，多くの砥粒の先端に摩滅による平坦部の形成が見られ（点

被削材

石英ガラス

工具回転数

50000min-1

送り速度

0.5 mm/min

軸方向切込み量

10µm

切込み回数

3 パス

加工液

ソリューションタイプ
50 倍希釈（ミスト供給）線内），破砕した砥粒はなかった。ツルーイング
条件 2 では，図 7(a)のように破砕した砥粒と図7(b)のように摩滅による平坦部が形成された砥
粒が確認された。以上の結果より，ツルア送り
速度を遅くし，十分な単位ツルーイング時間を

-9-

高橋

海老名

境：FPGA とオープンソースソフトウェアを活用したシステム開発事例

FPGA とオープンソースソフトウェアを活用したシステム開発事例【平成 18〜20 年度 県単独事業: 組込み産業基盤醸成事業】
高橋 勝弘

海老名 孝裕境 修

Review of producing embedded system that use general purpose PC , simple CPU board ,FPGA board and open source software
Katsuhiro TAKAHASHI

1

緒Takahiro EBINA

Osamu SAKAI

言

ハードウェアを柔軟に構成できるFPGAと本開発事例は，組込みシステム開発におけるLinuxに代表されるオープンソースソフトウェ

オープンソースソフトウェア(以下 OSS)の活アを用いた開発事例として，インターネット上

用と，異種ハードウェアでも同一処理を行い，からダウンロードした画像を表示する組込みシ開発に関する技術的知見を深めることを目的とステムを構築した。

している。この目的のため，開発の基本方針と開発対象を汎用パソコン，市販CPUボード，

して以下の点を設定した。

FPGAボードと種類の異なるハードウェアを用

・ ハードウェアには，汎用のパソコンだけい，同一の動きをするアプリケーションを作成･でなく，機器組込みで多用される小規模

修正し，ソフトウェアの移植性などを検討した。

CPU ボードなど，特徴を持つハードウェ

ここでは，それぞれ特徴があるハードウェア

アを用いるを対象にした際の，オープンソースソフトウェ・ ハードウェアが異っても，OSS を活用しアの活用と，FPGAボードの利用について，シて一度作成したアプリケーションソフト

ステムの開発手順に沿って述べ，その結果得ら

ウェアの修正点を少なく稼動させる

れた知見について報告する。

・ 画面表示やタッチパネル，LAN を用い，
人や外部システムとの情報交換を行う

2

開発システムの設定
2.1 開発目標の設定

具体的な開発システムは山形・庄内間を自動

情報家電機器をはじめ，製品に組込まれるシ車で移動する際，事前に道路状況を映像で確認

ステムは，より小型なものが求められている。

するものとした。道路映像は国土交通省がイン

それと同時に高機能化も進み，全体を制御してターネット上で公開しているもの 1)を用い，走いるソフトウェアの複雑さは増加の一途をたど行ルート候補として仮定した地図上の経路かっている。加えて昨今は付加価値として情報通ら，マウスやタッチパネルで選択する。それに信技術を組み合わせたサービス，より使いやすより選択した経路の沿線画像をダウンロード，

いユーザインターフェースを積極的に取り入れ

サムネイル一覧表示し，さらにその画像を拡大た製品も多い。

表示できることとした(図 1)。
2.2

使用したハードウェアとその特徴

開発には OSS の基本ソフト稼働実績がある，
3 種のハードウェアを用いた(表 1)。OSS 基本
ソフトには Linux 系を前提とした。これは，本開発は，アプリケーション開発に専念するためと，Linux 系には実績がある多数のライブラリ(ソフトウェア部品)が存在し，活用が容易と思われたためである。
図1

開発システム画面- 11 -

高橋

海老名

境：FPGA とオープンソースソフトウェアを活用したシステム開発事例

表1

使用したハードウェア

汎用パソコン

組込み用 CPU ボード

FPGA ボード−㈱アルファ
プロジェクト製㈱アルテラ製
NiosⅡ評価キット
CycloneⅢ Edition
NiosII コア 100MHz(FPU,MMU※ 無)品 名EMP-ARM9 開発キット
CPU

Pentium4
1.8GHz

ARM926 コア
108MHz(FPU※ 無)

メモリ

512MB

32MB

32MB

外部記憶

HDD 等

FlashROM 40MB

FlashROM 16MB
SD カード

画像表示(最大)

1280x1024

付属 LCD 640x480

付属 LCD 800x480※FPU:浮動小数点演算ユニット
MMU:メモリ管理ユニット

まず，汎用パソコンは Linux が最初に開発さ割することで，点線枠部分で既存 OSS ライブ

れたハードウェアであり，他に比べ実績のあるラリを活用できると思われた。同様の処理をす

既存ソフトウェアの数が豊富で高性能だが，特る複数のライブラリ候補があるが，まずはイン定用途では占有体積が大きすぎる。次に，機器

ターネット検索結果から多数の利用実績が予想

組込みで多用される組込み用 CPU ボートは，できるものを選択することとした。これは，ラ

小型・低消費電力で優れている一方，メモリな

イブラリとしての熟度が高いか，もしくは機能どに限りがあることが多い。それに加えて，が豊富と考えられるからである。検討の結果，

FPGA は IC の内部回路が書き換え可能であり，ユーザインターフェース部分に関わる画面表示

柔軟な機能拡張や最適化が図れるなど，それぞおよびマウス入力などのライブラリにれ特徴を持っている。

DirectFB，画像取得用のネットワーク通信ライ
ブ ラ リ libcurl を 使 用 す る こ と と し た 。

3

DirectFB は Linux がもっているグラフィック

システムの開発
システムの必要機能と使用 OSS の選定

フレームバッファを簡単に使うためのもので，

本開発システムでは，道路画像の取得や表示

メ モ リ な ど の 使 用 資 源 が Linux で 一 般 的 ななど様々な機能が必要であるが，しばしば使わ

X-Window system に比べ少ない。後者は処理れる基本的な機能は OSS として多数ライブラが煩雑な http 通信を簡便に実現できるためでリ化され，インターネットで公開されている。

ある。またこの時点で，採用ライブラリが他のそれらを有効活用することで，開発はオリジナ

ライブラリを必要とする依存関係を確認し，最リティのある部分(アプリケーション)が中心と小限の OSS を選定した(表 2)。

3.1

なり，開発効率の向上につながる。今回の開発

これらの選定は高性能な汎用パソコンで確認

では，図 2 で示す開発システムの必要機能に分
汎用処理

表２ 選択した OSS(文字列処理等)

アプリ
ケーション

画 像通 信
取得

画面出力

画面
出力

ユーザ

映像拡大

タッチパネル
入 力等

経路選択をしたため，スムーズに行うことが出来た。

LANInternet

画像処理(jpeg 展開等 )ハードウェア制御

使用 OSS 名

画面出力

DirectFB

タッチパネル
マウス入力

DirectFB

画像通信取得libcurl

画像処理（基本ソフト）

その他

開発システム
図２

The

必要機能

システムの必要機能と処理内容- 12 -

libgd,libjpeg
libpngglibc

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)3.2

汎用パソコンによる開発と，した。これにより表 3 に示すとおり取得した画市販の組込み用 CPU ボードへの移植

像の処理時間を大幅に縮減することができた。

アプリケーションの開発はまずは高性能な汎

このほか，汎用ライブラリも省資源コンピュー用パソコンで行った。使用した Linux ディスト

タ用のそれと置き換えた。一方，タッチパネル

リビューション CentOS4.4，基本ソフト(Linuxで不規則に発生した異常に対し，ライブラリや

kernel)のバージョンは 2.6 系列である。

Linux 内部までトレースすることで原因を特定

まずは，目的とする全体の機能を実現するたできた(結局は，キャリブレーション設定ファイ

め，採用 OSS ライブラリの詳細な動作を確認

ルの不備だった)など，内部構造まで公開されてしながら動作検証用プロトタイプを構築し，見いる OSS 利用の長所を生かす開発が出来た。

やすいと思われる画面構成や LAN 通信エラー

この CPU ボードでのアプリケーション稼動は，への対処法などを決定した。この開発時点では

汎用パソコンより動きは遅いものの，ライブラ

後で利用する組込み用 CPU ボードは決定してリ追加や置換により，自作部分では処理構造のいなかったが，このプロトタイプを元に，使用大きな変更をせずに同一の動きをさせることがメモリの削減など，組込み用 CPU ボードへのできた。

移植性についても考慮しつつ改良した。

3.3

FPGA ボードによるシステムの稼働

組込み用 CPU ボードの選定は，携帯電話でFPGA(Field Programmable Gate Array)は，も多用されている ARM アーキテクチャ CPU

Verilog-HDL などのハードウェア記述言語ををコアにし，画面表示など周辺回路を一つの用いて，内部の論理回路を書換え可能な IC でLSI に 格 納 し た マ ル チ メ デ ィ ア プ ロ セ ッ サ

ある。種類により上限容量はあるが，一つのAP4010 を搭載したものとした。このプロセッ

FPGA 内にソフトプロセッサ(論理回路合成でサは適合する LCD 画面やタッチパネルが準備

実現可能な CPU)やシリアル通信回路などを柔されており，メーカーで Linux や DirectFB の軟に構成でき，適切に使うことで従来は半田付動作がすでに検証されている。一方このボードけなどを必要とした回路追加も，あたかもソフ

は表１のとおりメモリなどの利用可能資源が小トウェアのプログラム変更のように構成可能で

さく，CPU クロックも低い。加えてハードウェある。本開発事例では，（株）アルテラ社の FPGA

アで小数演算を行う，浮動小数点演算ユニット

で あ る CycloneIII と ， そ の 中 で 構 成 で き る(FPU)が無い。そのため特に，離散コサイン変

NiosII と名付けられたソフトプロセッサを試換を用いている JPEG 画像形式はその影響が顕用した。NiosII は OSS ソフトプロセッサでは著であり，画像表示の遅延はユーザの使用感へないが Linux 系システムの稼働報告がある。先の影響が大きい。そこで，汎用パソコンでは処の組込み用 CPU ボード同様，FPGA ボードも理時間に差異が無かったため高精細を優先した

LCD とタッチパネルが準備されている開発キ

画像縮小時の再サンプリング法から，サムネイットを採用した。

ル画像生成を目的とした高速な JPEG サイズ変一方，今回 FPGA で構成したハードウェアに

更ライブラリである libepeg を利用することとは，FPU に加えメモリ管理ユニット(MMU)が

表３ ライブラリ変更による処理時間の違い
処理時間(秒)使用関数
libgd のresample 関数使用
libgd のresize 関数使用
libepeg のresize 関数使用

構成されない。ソフトウェア的には，Linux では MMU が必須のため，NiosII 用 Linux では
仮想メモリ機能などが削除されたµCLinux と(5 回の平均)

なっている。この影響で，ライブラリ構成を静3.10的なものにするなど，OSS 部分の構成変更とその動作検証に時間を要したが，自作部分はほと

0.41

んど変更する必要がなくシステム開発を進めら

0.19

れた。

400×267(pixel)の JPEG 画像を
80×50(pixel)に縮小処理。
処理時間は time コマンドで計測

ハードウェアの柔軟性を確認するために，標準では未使用となっている外部ディスプレー
(VGA)への出力に，LCD と同時に出力できる- 13 -

高橋

海老名

山形県工業技術センター報告
No.41 (2009)
境：FPGAとオープンソースソフトウェアを活用したシステム開発事例

メインメモリ
タイミング
調整回路

ＤＭＡ

LCD同期
出力回路

ＬＣＤへ

フレーム
メモリ領域

結

言

汎用パソコンから FPGA ボードまで OSS を活用して事例として画像表示，タッチパネル入力，ネットワーク通信を伴うシステム開発を行(a)った。メリットとしては，

メインメモリ
フレーム
メモリ領域

4

ＬＣＤ・ＶＧＡ
同期発生
回路

ＤＭＡ

ＬＣＤへ

・基本ソフトや既存ライブラリの適切利用

ＶＧＡへで，処理が煩雑となりがちな機能を簡便に
実現できた

(b)

・異種ハードウェアでも，ライブラリ等に留

図３ FPGA ボードの画像出力回路ブロック

意した開発で，ソフトウェアの移植性を高くできる回路を追加することとした。開発キットで用意

・OSS は，システム不具合時にはその内部まされている LCD 出力回路は，図 3(a)のようなで調査でき，異常個所の切り分けが容易に構成になっており，VGA にも同様の回路を用意なるすればよいが，FPGA 内に構成できるメモリ回

・FPGA により，必要機能に絞った回路を柔路の制約や LCD と同時出力させる理由から，
タイミング調整回路を必要としない図 3(b)のようなシンプルな構成とした。設計では，DMA
がフレームメモリ内容を転送するタイミングと軟に構成できる
一方，開発で感じたデメリットとしては，・ OSS は開発責任の所在が明確でなく，マニュアルも未整備であることも多い

各同期生成回路のタイミングかずれると表示位・ ライブラリ間の組合せや，使用ライセンス

置や色ずれが起こり，シミュレータで確認しなへの留意も必要

がら調整を繰り返した。結果的には，800×600
ピクセルの VGA 出力の一部を切り出す様な形
で，800×480 ピクセルの LCD に出力する構成で実現できた。
最後に，汎用パソコンから使用してきたライ・ FPGA の構成には熟練を要する
OSS には有用なライブラリが多数あるので，製品開発前のアルゴリズム検証などでも利用価値はあると思われる。

ブラリなどの推移と構築したシステム画面など
外観を図 4 に示す。

作成部分
(アプリケーション)

アプリケーション

アプリケーションライブラリ

glibc, directFB,
gd,curl, png,
jpeg

uClibc, directFB,
curl, png, epeg

Linux v.2.6

Linux v.2.6µClinux v.2.6

CPUボードCPUや
外部表示回路等

基本ソフト(OS)ハードウェアPC-AT

アプリケーション
uClibc, directFB,
curl, png, epeg

静的リンク

FPGA ボード

汎用
パソコン

図４

組込み用
CPU ボード

FPGA
ボード

開発システムの推移と外観(下線部が変更部)

文

献µCLinux:Embedded Linux/Microcontroller Project ホームページ http://www.uclinux.org/
森島史仁:組込み Linux 実践講座 Part2, Software Design , 技術評論社,2005 年 12 月号.

- 14 -

近赤外分光用ラミナー型グレーティングの試作と可動化の基礎検討【MEMS 型可動グレーティングを用いた高精度３次元計測技術の開発】
渡部 善幸

阿部 泰

岩松 新之輔

小林 誠也

高橋 義行

佐藤 敏幸

Fabrication of Near Infrared Laminar Grating and Fundamental Investigation
for its Actuation
Yoshiyuki WATANABE
Seiya KOBAYASHI

1

緒

Yutaka ABE

Shinnosuke IWAMATSU

Yoshiyuki TAKAHASHI

言

Toshiyuki SATO渉する。本システムは，MEMS 型グレーティングのBGA（Ball Grid Array）や PGA（Pin Grid

角度を変えることにより単一の光センサで干渉する

Array）などの高密度 IC パッケージ，水晶発振器

波長を特定し，３次元形状が求められるフーリエドなどの実装に用いられるセラミックパッケージの製メイン型 光 干渉 法 である。本 シ ス テ ム を 構 成 す造において，電極形状，配置の形状評価が必須でる，近赤外分光用ラミナー型グレーティング

あるが，現状では製造過程からの抜き取りまたは製（NIR-GR）と FD 型干渉計の構築について次

造後において形状測定が行われている。製造途中

節以降で述べることとする。

での不良率を明確にするためには，製造ライン中での形状測定法が求められる。これまでは評価法

光センサ

広帯域光源(SLD)の１つとして接触式形状測定器が用いられてきたが，製品へのダメージが懸念されることから非接触
β

２軸走査
MEMSミラー式が必要である。非接触式として白色干渉顕微鏡

半透過ミラーαや共焦点顕微鏡が用いられており，数 nm の非常に高い分解能で計測できる反面，装置が高コスト

回折分光

干渉光

対物光路

の他，測定エリアが狭いこと，可搬性がないため製

参照光路

可動グレーティング

測定対象物（ 小型部品）造ライン中での計測は困難などの課題がある。そこ参照ミラー

で本研究では，フーリエドメイン（FD）型光干渉法 1)とこれに組み込む近赤外分光用 MEMS 型可動グ

図 1 MEMS 型グレーティングと FD 干

レーティングを用いて，製造ライン中での形状測定

渉法を用いた３次元形状計測原理に対応できる小型３次元形状計測システムの構築を目指し，近赤外分光用ラミナー型グレーティングの試作と可動化の検討，および FD 型光干渉計の3 近赤外分光用ラミナー型グレーティン
グ（NIR-GR）
3.1 グレーティングの設計構築を行ったので報告する。

波長 λ の光がピッチ P のグレーティング(GR)2に入射角 α で照射されたとき，m 次（m=0,±1,±2

形状計測原理測定原理を図 1 に示す。光源に広帯域光であ･･･）の回折角 β は(1)式に従い，単位波長あた

る SLD（Super Luminescent Diode）を用い，半りの回折角変化率（分散能）は(2)式から算出で透過ミラーで基準長となる参照光路と対物光路にきる（図 2(a)）。

分岐する。対物光は MEMS ミラー（スキャナ）により測定対象物上で２次元的に走査され，対象物の各点と参照ミラーからの反射光は半透過ミラーでカッ
プリングし，光路差に応じて特定の波長周期で干- 15 -

sinβ + sinα = m

λ ······························· (1)Pdβm······································ (2)=dλ Pcosβ渡部 阿部岩松

小林

高橋

佐藤：シリコン研削装置における機上高速ウェアハ厚・欠陥計測システムの開発

GR が角度 θ 傾斜したとき（図 2(b)），入射出を行った。レジストは汎用 UV ネガレジスト

角と回折角は θ だけずれるため，回転座標系で（東京応化，OMR85-35cp）のキシレン 25wt.%の回折式は(3)式で，静止座標系における回折角

希釈液とし，プローブ電流 100pA，１ドット

β は(4)式で表すことができる。

（100nm）あたりの露光時間（ドーズ時間）を
1〜10µs とした。代表としてピッチ 2.0µm の結

θ

β

α

α0

β0

果を図 4 に示す。いずれの場合も形成されたラ
イン幅は設計値（破線）よりも大きく，ラインP

幅が大きくなるにつれて過露光となりパタンがθ(a)GR 基本構造

形成されない領域が見られた。ピッチ 0.6〜●

1.0µm のパタンも同様の傾向で，ドーズ時間(b)GR 回転時

1µs のときに設計値に最も近く，形成可能な最図 2 GR 構造と回折
sinβ 0 + sin (α 0 + θ ) = m

λ ······················· (3)P

小ライン幅は 0.25µm，最小パタン間ピッチは0.6µm であった。

β = β 0 − θ ········································· (4)

2000
10μs
5μs
4μs
3μs
2μs
1μs
Ideal

1800

ライン幅実測値 , nm

図 1 のシステムで用いる光源は，中心波長1550nm，帯域 1500-1600nm（半値幅約 100nm）の SLD を用いることとし，(3)，(4)式を用いて全帯域の 1 次回折光を分光するときに GR の必
要な回転角度とピッチの計算結果を図 3 に示

1600
1400
1200
1000
800
600
400
200

す。GR ピッチが狭いほど波長分解能が高いが，00

作製が困難になることのほか，単位波長あたり

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

ライン幅設計値, nmの GR 回転角度が非線形になるなどの課題があ

図 4 ピッチ 2µmL/S パタンの UV レジス

る。これらの特性を考慮して，高い分解能と波ト（東京応化,OMR85-35cp）EB 露光特性

長分解能の線形性，GR の可動性を考慮し，GR
ピッチが 0.8〜2.0µm として試作，評価を行う

3.3 NIR-GR の試作および評価
EB 直接描画で UV レジストにパタン形成しこととした。

た後，基板シリコンのドライエッチングにより

18

波長分解能
高
低
非線形 線形

16

0.5µm の GR 写真を図 5 に示す。いずれもパタ

12

8
6
4
2

ン転写性がよく，最小ライン幅 0.25µm，最小

作製難易度
難
易

10

GR回転容易GR 回転角度 , °14

深さ 0.5〜2.0µm の NIR-GR を試作した。深さ

GRピッチ

0
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

GRピッチ, µm(a) ピッチ 2µm(b) ピッチ 1µm(c) ピッチ 0.8µm(d) ピッチ 0.6µm

図 3 1500-1600nm 全帯域を分光するために必要な GR 回転角度とピッチの関係
3.2

電子線リソグラフィー

GR パタンを想定し，ピッチ 0.1〜2.0µm のライン&スペース（L/S）パタンについて，電子線（EB）直接描画によるリソグラフィーの条件抽- 16 -

図 5 ラミナー型グレーティングの SEM 像

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

ピッチ 0.6µm まで作製可能であった。

したグレーティングが設計通りに作製できてい試作したグレーティングのうち，ピッチ 2.0，

るものと考えられる。

1.0，0.8µm の３水準について回折特性を評価し次に，FD 型干渉計を光学ベンチ上に構築し，た。評価系を図 6 に示す。光源は波長 1550nm

試作した GR を用いて分光したときに，十分なのレーザとし，GR 法線に対して光源およびセ

計測感度が得られるか評価した。測定系を図 8ンサの配置を 30°とした。光源から出力した光に示す。光源は中心波長 830nm，半値幅 40nm

束をコリメートレンズで平行光として GR に照の SLD とし，コリメートレンズで平行光とし射させ，GR を±90°回転させることで各次回た後，半透過ミラー（BS）で参照光路と対物光

折光をスリットで絞り，光パワーメータで受光路を想定して２光路に分岐する。各光路は全反する構成とした。GR 溝深さ 1.0µm の測定結果

射ミラーで光束を反射し，BS でカップリングを図 7 に示す。回転角 0°の 0 次光（正反射）を後固定した GR で波長毎に分光してラインセン

中心に，ピッチ 2µm の場合は ±１次回折光がサ で 受 光 す る 。 分 光 用 GR と し て 試 作 し た±23°，±２次回折光が±53°で検出され，ピッMEMS-GR と，比較対象の市販のグレーティン

チ 1µm の場合は±１次回折光が±53°で検出さグ（1000Lines/mm）を用いた。測定した干渉れている様子がわかる。なお，ピッチ 0.8µm の波形を横軸深さ（光路長差），縦軸光強度と変場合は 0 次光以外は検出されておらず，式(3)換した結果を図 9 に示す。干渉計測感度は市販の計算と一致する。また，上記の回折光検出角

GR が 69.5dB に対して試作した MEMS-GR は±23°，±53°は，(3)，(4)式から求められる理論

67.5dB とほぼ同等であり，干渉計の分光素子と値と±1°以下で合致していることから，試作して十分な感度を得られることがわかった。
SLD（830nm）

スリット（1mm）①市販GR②MEMS-GR

光パワーメータ（InGaSシングルセンサ）

Coll. Lens

90
mm

光源

全反射ミラーΦ30°

・λ1.55μmレーザ

B.S.

全反射ミラーColl. Lens

MEMS-GR

全反射ミラー

ラインセンサ
波形例

図 6 回折角評価系

図 8 干渉感度評価系

P2.0µm 0 order
P2.0µm −2ndP1.0µm 0 order

P1.0µm −1st

P2.0µm −1st P0.8µm 0 order

MEMS-GR
67.5dB

P2.0µm +2nd
P2.0µm +1st

P1.0µm +1st

10

市販‑GR

MEMS‑GR‑20

0.1

P2.0µm

光強度 , dB

光強度 , a.u.

0

‑10

1

0.01

市販GR
69.5dB

P1.0µm

0.001

‑30
‑40
‑50

0.0001‑60

P0.8µm
-70

-50

-30

0.00001
-10

‑70
10

30

50

70

0

GR回転 角 度 , °

100

200

300

400

深 さ, µm

図 7 回折角の評価結果

図 9 干渉感度の評価結果- 17 -

500

600

渡部 阿部

4

岩松

小林

高橋

佐藤：シリコン研削装置における機上高速ウェアハ厚・欠陥計測システムの開発

GR 可動化の検討

4

傾斜角変化率 , °/mA

今後，GR デバイス単体で電磁駆動による交流振動および分光を検討するが，必要な傾斜角度は図 6 のシステム配置や GR ピッチなどにより異なる。今，波長帯域 1500-1600nm として全帯域を分光計測するためには，図 3 の計算結

3.5□6mm-X□6mm-Y□8mm-X□8mm-Y□15mm-X□15mm-Y

□6mm

3

□8mm

2.5
2
1.5
1

□15mm

0.5
0

果 か ら 最 大 で ±5°の 機 械 傾 斜 角 が 必 要 で あ

0

500

1000

1500

2000

2500

磁石 −コイル間距離 , µm

り，効率的な駆動力の確保が必要である。そこ
で，可動グレーティングを想定した図 10 に示す

図 11 静的傾斜角の評価結果

構造の電磁駆動型 MEMS ミラーを試作し，厚さ 1mm のプリント基板内に固定した後，磁石布のみとした１次元モデルで定性的動作を考え

およびホルダを固定した（図 10(a)）。デバイス

るとき，その発生力の垂直成分 F(z)は磁気ポテ下部に固定した磁石は，厚さ 5mm 一定，□6，

ンシャルエネルギーU(z)の空間勾配として(5)，8，15mm の３水準とし，それぞれについて磁(6)式で表すことができる 2)-4)。結局電磁力は，

石ホルダの厚さを変えることで磁石表面と駆動(7)式の通り磁石とコイルの磁気モーメント，おコイル間距離 g を変えたときの静的傾斜角の変よび磁石とコイルが発生する磁界の磁気勾配に化を評価した（図 10(b)）。

それぞれ比例すると考えられる。用いた磁石が発生する磁界の z 軸方向分布を測定したところ，小さい磁石のほうが磁気勾配（磁束密度のY-scan coils

Au mirror

空間勾配）が大きいことがわかった。このこと

Printed board(t 1.0mm)は，電磁力が(7)式右辺第２項の磁石が発生する
磁界の磁気勾配∂Hm (z)/ ∂z の増加関数であるこTorsion beamsとを意味しており，図 11 の測定結果はこれらのFlexible lead

t
gne
Ma

Y

理論式と定性的に一致することがわかった。

10

X-scan coilsand6(Typ.)F (z ) =

er
hold

15

X

∂U ( z ) ······································ (5)∂z1{mm [H m (− t / 2) + H c (z + t / 2)] ········· (6)2+ mc [H m ( z ) + H c (0)] }U (z ) = −(a) 試作した MEMS ミラー

すなわち以下としてまとめられる。
0.3

プリント基板
ホルダ

g

1.0

1
∂
∂

F (z ) = − mm H c (z + t / 2) + mc H m (z ) ···· (7)
2
∂z
∂z


N

磁石

5.0
S

ただし，

(b) MEMS ミラー断面図

z：磁石表面からコイルまでのギャップ

図 10 可動 GR を想定した MEMS ミラー

mm：磁石の磁気モーメント
mc：コイルの磁気モーメント

コイル通電時の静的傾斜角は，非接触段差測

Hm：磁石が作る磁界の強さ

定 器 （ユ ニオ ン 光学 ，Hisomet） を 用 いて □Hc：コイルが作る磁界の強さ1.8mm のミラー４端の縦方向変位から求めた。

t：磁石の厚さ

結果を図 11 に示す。単位電流あたりの機械傾斜用いた磁石の中では最も小さい□6mm×厚さ

角（傾斜角変化率）は，小さい磁石ほど大きく，

5mm を使ったときに単位電流あたりの機械傾

距離の増加と共に低下している。この駆動力は，

斜角が最大 3.68 °/mA であり，今後この構造をコイルの通電電流と磁石の磁界との相互作用に用いた GR の可動化，および分光特性評価を行より動作させるものであり，磁界が z 軸方向分

う予定である。

- 18 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

5

結

言

文

献

(1) 汎用 UV レジストの EB 露光について検討

1) 春名正光，近江雅人：低コヒーレント光干渉したところ，最小線幅 0.25µm でパタン形成可を用いた生体機能検出，計測と制御，Vol.45，

能であった。

No.11，pp.915-921 (2006)(2) EB 直接描画および Si のドライエッチング2) 鈴木宏明，島宏樹，笠木伸英，鈴木雄二，下によりピッチ 0.6〜2.0µm のグレーティングが山勲，三浦宏文：乱流能動制御のためのフラッ試作可能で，各次回折角は理論値と一致するこプ型電磁アクチュエータの開発研究，日本機械とを確認した。また，フーリエドメイン型光干

学会第 75 期通常総会講演会，No.98-1(Ⅲ)，

渉計を構築し，試作した MEMS-GR の干渉感

pp.259-260 (1998)

度を評価したところ 67.5dB と市販の GR とほ

3) 鈴木宏明，笠木伸英，鈴木雄二：インテリジ

ぼ同等であった。

ェント・ノズル用のフラップ型ミニチュア電磁(3) GR の可動化のため，電磁駆動型 MEMS ミ

アクチュエータの動特性評価，第 11 回電磁力ラーを用いて磁石形状および磁石-コイル間距

関連のダイナミックスシンポジウム，

離を変えて傾斜角を調べたところ，磁石が小さpp.287-290 (1999)

いほど，また磁石に近いほど傾斜角が大きくな

4) 渡部善幸，阿部泰，岩松新之輔，小林誠也，

ることがわかり，理論式と定性的に一致するこ

高橋義行，佐藤敏幸：電磁駆動型２軸光走査とを確認した。

MEMS ミラー動作の磁界依存性，電気学会論文誌 E，2010 (in print)- 19 -

シリコン研削装置における機上高速ウェハ厚・欠陥計測システムの開発
平成 20 年度地域ニーズ即応型】【(独)科学技術振興機構

石山 和弘

高橋 義行

村上 穣

*

*

小沼 雅樹

渡部 善幸

大山 裕司

渡部 裕輝

**

*

佐藤 敏幸

板垣 文則*

佐藤 学

村尾 純一***Development of High-speed Measurement System for Wafer Thickness and Defect on Machinefor Silicon Wafer Back-Side Grinding
Yoshiyuki TAKAHASHI

Yutaka MURAKAMI

Kazuhiro ISHIYAMA

1

緒

*

Yoshiyuki WATANABE

Masaki KONUMA*

Yuuji OOYAMA*

Huminori ITAGAKI*

Jun-ichi MURAO*

Yuuki WATANABE**

Manabu SATO**

言

Toshiyuki SATO

ダメージの検査は加工機上で行うことが必須条

近年，IC の製造プロセスの微細化には莫大な件である。このように，加工機上でシリコン基投資が必要となっており，これを回避しながら板厚を計測することは喫緊の課題であるが，現集積度を上げる方法として IC チップの積層化

状では実用的な手法は提案されていない。

技術が注目されている。この技術を実現する上

我々は，山形大学の研究シーズである OCT

で IC チップの薄板化は非常に重要な要素であ（Optical Coherence Tomography）技術 1)を応り，現在は IC 製造の前工程終了後にシリコン用して工業計測への展開を検討してきた。本研

ウェハの背面を研削（Back Grind，以下 BG）

究では，従来から取り組んできた近赤外の低干してシリコン基板部を除去する加工が行われて渉光を用いたタイムドメイン型によるシリコンいる。

ウェハ厚機上計測技術 2)と，分光解析により高この際，ウェハの厚さ管理は，研削用砥石の速に干渉計測を行うスペクトルドメイン型干渉

送り量のモニタリングや触針式のハイトゲージ

解析手法 3)を応用して，BG 加工機上で，シリなどでの計測によって，150µm 程度のプロセス

コンウェハの高速板厚計測を実現した。これに面保護シートや 10µm 前後の配線層を含んだ加加えて， MEMS 技術により新たに開発した小工面高さを計測することで代替して行われてい型二軸走査ミラー 4) を光プローブヘッドへ内蔵る。しかし，市場では 50µm 以下の薄板化の要してエリアスキャンを行い，三次元構造を取得

求があり，シリコン基板部のみの残厚を正確にできるシステムへと発展させ，シリコンウェハ

管理しながら研削して除去する必要が生じていの研削加工時のダメージなどの欠陥計測を行う

る。また，極めて薄く加工されたウェハは非常システムを開発した。

に脆く，ハイトゲージなどの接触計測方式ではワークを破損してしまう可能性があることに加2

計測システム概要

え，研削加工においてもチップ内部への微小クシステム構成を図 1 に示す。干渉計部分は全ラックなどのダメージの発生が懸念されておりファイバー型のマイケルソン干渉計により構成

何らかの評価手法が求められている。一方，ウ

しており，光源には中心波長 1.55µm，拡がり

ェハが薄く加工された状態では加工機からの取幅約 90nm の Superluminescent diode（SLD

り外しや再装着は困難であるため，厚さ計測や：DL-CS58L9B, DenseLight Semiconductors*エムテックスマツムラ株式会社**山形大学大学院理工学研究科- 20 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

R ef.M irror
O bj.Lens
S LD
λ= 1.55 µm

3dB C oup ler
Interferom eter head
M EM S M irror

S pectrom eter
(InG aA s)

C ol.Lens
C apture da ta line
O bj.Lens

D A C ontro l linePC

図 1 計測システム概要
Co.）を用いており，3dB のファイバー型光カ

ファイルを構築する。

プラ（10202A-50-FC, THORLABS Inc.）を経

こうして得られた断層プロファイルから試

由して，それぞれリファレンスアームとサンプ

料の表裏面のピーク間距離を求め，屈折率換算

ルアームに分岐する。リファレンスアーム側ですることで機械厚を得ることができる。また，はコリメートレンズ経由で空間へ光出力して，PCI バスへ実装した D/A コンバーター（DAC

アルミミラーで全反射して再びファイバーへ戻：PCI-3305, Contec Co., Ltd.）に LSC の露光

す。サンプルアーム側は引き回し用の光ファイタイミングパルスを外部クロックとして入力

バーを経由して光プローブヘッドに設置してあし，LSC による断層プロファイル計測と MEMS

るコリメートレンズに接続し，サンプル光を空

ミラーの二軸の各制御用の DAC 出力の同期を間出力する。このプローブヘッドの内部にはとっている。このミラーでエリア走査を行うこ

15×15×6mm3（W×D×H）の非常に小型化された MEMS の二軸走査ミラー（ミラー面：□2mm2）が内蔵されており，プローブ光はこのミラーを経由して対物レンズ（f=11.0mm）により試料へ集光して照射される。その反射光は逆経路でファイバーへ戻される。リファレンス
アーム，サンプルアームそれぞれの反射光は再び光カプラを経由して干渉光として分光解析部
へ入力される。
分光解析部では入力された干渉光をコリメ

図 2 光プローブヘッド概観

ートレンズにより空間出力し，反射型ブレーズ
ドグレーティング（600 lines/mm）により分光してアクロマティックレンズ（f=50mm）経由
で InGaAs （1024 pixels, 40kHz/line）のライ
ン ス キ ャ ン カ メ ラ （ LSC ： G10768-1024D,
Hamamatsu Photonics K.K.）上へと結像する。
この分光強度信号は Camera Link バス経由でPC 側の PCI Express バスに実装したフレーム
グ ラ バ ボ ー ド （ PCIe-1427,

National

Instruments Co.）で PC 内部に取り込み，波長
軸変換と波数解析処理の演算を行って断層プロ
図 3 計測ボックス概観- 21 -

高橋 村上 渡部 佐藤 他：シリコン研削装置における機上高速ウェハ厚・欠陥計測システムの開発

定全深度 Z の理論値は式(1)で与えられる 5)。

とにより三次元断層画像計測が実現する。
計測装置は，PC と光プローブを除く，SLD，

Z = λ0 4δλ

SLD ドライバ，ファイバー干渉計部，リファレ(1)

2

ンスアーム部，分光解析部の全てを単一の計測ボックスに収納している。光プローブヘッドもこれより理論値は Z=1.51mm と見積もられる。

30×30×20mm3（W×D×H）程度と省容積化してこれは，実際に試料のミラーを移動させて実測設計しており，BG 装置上で計測する際には，した全深度の約 1.5mm とほぼ一致する。

この計測ボックスから引き出している約 2m の波数解析にはフーリエ逆変換（IDFT）を用

サンプルアームの光ファイバーと MEMS ミラ

いており，センサ素子数である 1024data のー制御用のケーブルを装置上へ導入し，小型のIDFT により 512data が得られる。このデータ

光プローブヘッドをワークにアプローチできる

数と実測の測定深度より，断層プロファイルの位置へ設置するだけで計測が可能となる。光プ

データ分解能は 2.93µm となる。

ローブヘッドの概観を図 2 に，計測ボックスか

1 本の断層プロファイル計測に要する時間はら光プローブを引き出している状態を図 3 に示

LSC の露光時間に依存し，本システムの場合約す。

32µs である。また，図 5 の断層プロファイルで，ミ ラ ー 位 置 の 信 号 の S/N よ り 測 定 感 度 は 約
50dB であり，光源のアッテネート分と合わせ

実験結果および考察

3

たシステム全体の感度は約 75dB と見積もるこ

測定深度と感度計測

3.1

試料にミラーを用いて，光源の最大出力を約とができる。

25dB 相当アッテネートして，ミラーを干渉位置付近に設置する。これにより得られたスペク

3.2 シリコンウェハ厚計測
板厚計測評価として，マイクロメーターによトル干渉波形を図 4 に示す。また，この波形かる計測で厚さ 96µm であったシリコンウェハの

図 5 に示す。光源の仕様から中心波長は断層プロファイルを取得した。この結果を図 6

λ0=1.55µm，スペクトル幅とセンサ素子数から得られる LSC の素子単位の波長幅はδλ=398nmに示す。先に求めたデータ分解能と波形のピー

であり，これらのパラメータにより得られる測渉ピーク間は光学距離で 340µm となる。これ

ク間隔より，シリコンウェハの表面と裏面の干を物理的な厚さ 96µm で除したところ屈折率換

1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0

算値 3.54 が得られる。この値は公称されているシリコンの屈折率とほぼ一致する。
0
-10
-20

0

200

400

600

800

Intensity, dB

Intensity a.u.

ら波数解析を行い得られた断層プロファイルを

1000

Data number

-30
-40
-50
-60

図 4 スペクトル干渉波形

-70
-80
0

0

100

200

300

400

500

Data number-10

図 6 シリコンウェハの断層プロファイル

Intensity, dB

-20
-30
-40

3.3

-50

MEMS ミラーによるエリア走査-60

三次元計測を想定したエリア走査では，走査-70

平面上のデータ分解能均一化のため，縦横均等

-80
0

100

200

300

400

Data number

500

な正方エリア計測となるように制御電圧を設定する必要がある。使用した MEMS ミラーは電

図 5 ミラーの断層プロファイル- 22 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

Exposure pulse
32µs/pulse
Lateral scan(a) Lateral scan(b) Vertical scan
16.4ms/frame

図 7 ミラーによるビーム走査磁駆動型で，非共振時にはミラーの傾斜角は原Vertical scan

理的に制御電流に比例する。このため，リニア
16.4ms × 512frame = 8.4s/volume

リティーと安定性の確保のためにミラーの駆動方式は非共振駆動とした。尚，この際の制御コ
イルのインピーダンス変化は比較的小さいことから，DAC からの操作性を優先して電圧制御としている。

図 8 エリア走査タイミングチャート
ることになる。このため，横方向の走査速度は
約 30Hz となり，更にこれを縦方向に 512 ライ
ン分走査するため，縦方向の走査速度は約

デバイス単体で測定したミラーの電圧−傾0.13Hz となる。また，駆動波形は，横走査で斜角特性は，横走査を想定した図 7(a)と縦走査はミラー可動域全域を利用するために動作方向を想定した図 7(b)において各々SL=1.583deg/V，
SV=1.006deg/V であった。しかし，横方向走査

反転時のダンピングなどの影響を極力抑える目
的で正弦波駆動とし，後処理で軸補正処理を行と縦方向走査ではミラーの傾斜により得られるっている。縦走査は鋸波走査としている。これ

ビームの振れ角は異なり，横方向では倍角でビにより，512×512 画素のエリアの断層画像が2 となる。対物レ
ンズの焦点距離 f と横方向，縦方向の制御電圧

約 8.4s で取得されることになる。

ームが振れ，縦方向では 1

この設定で走査エリア範囲の計測試験を行のピーク値を各 VL ，VV として両極への走査をった。試料には 1951-USAF（United States Air

考えると全走査距離 LL ，LV は式(2)，式(3)となForce）規格のテストターゲット（Edmund Opt.

る。

Inc.）を用いてエリア計測し，得られた三次元

LL = 4 f tan (S L ⋅ VL )(2)

LV = 2 f tan (SV ⋅ VV )(3)

画像を平面に投影した結果を図 9 に示す。点線で囲んだエリアは Group:3 の Line:6 に属し，
テストターゲットの規格より 14.25lines/mmの線ピッチであり，このライン群の構成する正方形は約□175.4 µm2 相当となる。一方，この一方，DAC の最大出力電圧レンジは±10V
で，設定できるピーク値は 10V が最大となる。

エリアの画像上の画素数は横 27 画素，縦 29 画

対物レンズの焦点距離 f=11mm より，LV の最大値は 2.48mm，LL の最大値は 11.17mm と見積もることができる。正方エリアの走査を行うた
めには LL を LV 程度に抑える必要があることか
ら，横方向の制御電圧ピーク値は縦方向の制御
電圧ピーク値の約 22%である 2.2V 程度に設定することになる。

Group:３
Line:６

エリア走査のタイミングチャートを図 8 に示す。LSC の露光タイミングパルスは 32µm とな
り，このパルス毎に断層プロファイルが取得されることになる。この断層プロファイル 512 本
で横方向走査 1 ライン分とし，ミラーの往復により 2 ライン分の断層プロファイルが取得され- 23 -

図 9 USAF テストターゲット画像

高橋 村上 渡部 佐藤 他：シリコン研削装置における機上高速ウェハ厚・欠陥計測システムの開発素であり，エリア全体である 512 画素相当の距離を求めると，横 3.33mm，縦 3.10mm となり，想定した□2.48mm2 よりも拡がっていること

ウェハ表面が確認された。原因として，対物レンズを設置する際に MEMS ミラーとレンズ間の距離がレンズの焦点距離と完全に一致していないことが考えられる。また，この構成でのミラーの縦走
査では，原理的にビーム走査は円弧状となるため，画像には円弧状の歪が認められる。このたウェハ裏面

め，平面上の寸法が重要となる計測用途では何

内部クラックらかの位置補正処理が必要である。

3.33×3.10×0.35mm3（X×Y×Z）
3.4

シリコンウェハ断層計測

測定システムを BG 加工装置上へ搭載して機上での三次元計測実験を行った。試料として ICの前工程後に 10µm 厚程度まで BG 限界加工を

図 11 ウェハのクラック画像て表面の観察ではクラックが認識できない状態の試料である。測定画像を図 11 に示す。画像
サイズは 3.33×3.10×0.35mm3（X×Y×Z）である。本手法による計測でも，ウェハ表面にはクラックと思われるラインなどは認められない。
しかし，内部の透過画像にはプロセス面にクラックが明瞭に認められる。画像データから，このクラック幅は約 200µm であることが分かっ
た。

4

結

言

本研究では，BG 加工機上でのシリコンウェ
ハの厚さ計測及び欠陥計測を目的に近赤外光源を用いた全ファイバー型干渉系を構築し，次の内容を確認した。

3

3.33×3.10×0.23mm （X×Y×Z）

1． 試料にミラーを用いて計測した断層プロフ

図 10 機上計測によるウェハ断層画像

ァイルにより測定全深度を実測したところ行ったシリコンウェハを用意した。試料には所

約 1.5mm で，光源の中心波長と分光器の波々クラックが認められ，ダメージのある状態で長分解能から得られる理論値 1.51mm とほある。測定画像を図 10 に示す。画像サイズは3.33×3.10×0.23mm3（X×Y×Z）である。この画像から，研削面であるシリコン表面と，シリコぼ一致した。
2． 同様に，測定深度と解析後のデータ数から
断層プロファイルにおけるデータ分解能はンと IC プロセス層との界面が明瞭に観察できる。また，中央部に入るクラックも明瞭に確認でき，このクラック部には段差が生じており，

2.93µm となる。
3． 断層プロファイル１本の計測時間は，LSCの露光時間から約 32µs となる。512×512

画像データから約 4.4µm と計測できた。また，のエリアの断層画像計測では約 8.4s とな

ウェハ厚も約 10.2 µm であることが分かった。
次に，内部クラックの観察評価として，約96 µm に BG 加工したダメージのないウェハにる。
4． ミラーの干渉波形の S/N と光源のアッテネート分より，システム全体の感度 75dB で外力でクラックを入れたサンプルを作成した。
この試料は平面上に設置するとクラックが閉じあった。
5． シリコンウェハの板厚計測を行い，測定さ- 24 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

れた光学距離とウェハの機械厚の比から屈折率 3.54 が得られ，公称されているシリコ

文

献

ンの屈折率と一致することを確認した。

1) 丹野直弘 : 光学, 28(1999)116-125.

6． 断層プロファイル計測と MEMS ミラー走

2) 高橋義行 他 : 山形県工業技術センタ

査を同期し，ミラー制御条件を検討して□
2.48mm2 のエリア走査になるよう設計した
ところ，撮影画像の実測で 3.33×3.10mm2となることが確認された。不一致の原因として，ミラーとレンズ間の距離がレンズの焦点距離と一致していないことが考えられー報告, No.40(2008)36-40.
3) 高橋義行 他 : 山形県工業技術センタ
ー報告, No.39(2007)24-28.
4) 渡部善幸 他 : 山形県工業技術センタ
ー報告, No.40(2008)31-35.
5) B. E. A. Saleh, and M. C. Teich.:
Fundamentals of Photonics, Wileyる。
7． MEMS ミラーの縦走査は，原理的に円弧状の走査となるため，画像平面には歪が生じることが確認された。
8． シリコンウェハの断層画像計測を行い，ウェハ表面と IC プロセス面との界面が観察でき，内部クラックも明瞭に可視化されることが確認された。

- 25 -

Interscience, 1991, 996p.

微小流路反応管を用いた溶存有機物の紫外線分解・検出デバイスの開発【MEMS 技術を用いた水質検査用マイクロ化学チップの開発】
岩松 新之輔

阿部 泰

渡部 善幸

小林 誠也

UV Degradation and Electrical Detection of Dissolved Organic Compounds using
Microchannel Reactor
Shinnosuke IWAMATSU

1

緒

Yutaka ABE

Yoshiyuki WATANABE

言

Seiya KOBAYASHI

電極基板には，微小櫛形電極，薄膜抵抗温度計，

マイクロ化学チップの特徴は，マイクロチ

微小櫛形電極とホイートストンブリッジ接続すャネルと呼ばれる微細な流路によりミクロンオ

るための薄膜抵抗を形成した。微小櫛形電極にーダーの化学反応空間を形成し，従来のマクロは，Au/Cr 積層膜を用いた。電極幅 250µm，電スケールの化学反応では得られない高効率，高極間距離 50µm は一定値とし，電極総本数は 4，

収率，省エネルギーな反応プロセスを実現する

8，16，32 本の 4 水準とした。薄膜抵抗温度計

ことにある 1)。本研究では，微小流路内での分には，Au/Cr 積層膜及び Ti 膜を用いた。配線析対象として，超純水の管理指標として用いら

幅は 20µm の一定値とし，配線長は 155，226，

れている全有機炭素量（TOC）に着目した。一298mm の 3 水準とした。マイクロチャネルの

般に TOC の分析には，公定法である燃焼酸化･

封止は，電極基板上に形成した接着層（ASAHI

赤外分析方式が用いられているが，この測定原

GLASS, CYTOP CLT-809）を介して 150℃，

理を利用した装置は，高価で大型なものとなり，4MPa で圧着することにより行った。図 1 に試

測定原理上，連続分析が困難であることから，作したマイクロ化学チップと各素子の構造を示

簡易法である紫外線酸化・導電率測定方式が注す。作製したチップは，プリント基板への接合，目されている。同方式は，簡易な構成で連続分

ワイヤボンディング，コネクタの接続を行い，析が可能であり，比較的安価に装置を作製でき以後の特性評価に用いた。

ることから，各方面でニーズが高まっている汎Ti 固定抵抗用・携帯型の TOC モニタのベースとなる測定原理として期待されている。
そこで本研究では，紫外線酸化・導電率測定

薄膜抵抗温度計方式を用いた小型 TOC モニタの開発を最終的な目標として，TOC 分析用マイクロ化学チップ
40mmの要素技術開発，開発素子を用いた応用技術開微小櫛形電極発に取り組んだ。

2

実験方法
2.1

マイクロチャネル

デバイス作製
25mm

マイクロ化学チップは，マイクロチャネル基
板と電極基板を個別に作製し，電極基板により

図1

マイクロチャネルを封止する構造とした。デバ
2.2

イス基板には板厚 1mm，直径 50mm の合成石
英ウェハを用いた。マイクロチャネルは，バッ
ファードフッ酸（NH4F：HF = 10：1）を用いた等方性ウェットエッチングにより形成した。

デバイス構造微小櫛形電極導電率特性の評価には，ロックインアンプ（NF, LI5640）を用いた。評価電極と電極セル抵抗より十分に小さい 1kΩの参照抵抗を直列- 26 -

山形県工業技術センター報告 No.41（2009）に接続し，その両端にファンクションジェネレ

後の導電率の差から有機物分解特性を評価しータ（NF, WF1974）を用いて 2Vp-p，1kHz

た。紫外線光源としては低圧水銀ランプを用いの交流電圧を印加した。そして，ロックインア

た。測定試料の単位体積当たりの紫外線照射時ンプにより参照信号と同相成分の電圧を検出

間は 0〜250s とし，シリンジポンプの流量によし，測定試料の純抵抗に由来する電流値を算出り制御した。有機物としては，1000ppbC のエ

した。測定系の概要を図 2 に示す。被測定水のタノール及び 2-プロパノールを用いた。

導電率は，KCl により 1〜50µS/cm に調製した。
送液流量の制御には，シリンジポンプを用いた。

実験結果および考察

3

た条件で送液流量を 5〜100µL/ min の範囲で3.1 微小櫛形電極の特性評価
微小櫛形電極の導電率特性評価の結果を図 3変動させ，各流量における出力電流値と流量依に示す。評価は流量 10µL/min で行った。グラ

存する出力変動を測定することにより評価しフのプロットの凡例は電極総本数を示していた。

る。特性評価の結果，全ての電極水準で導電率

流量特性は，測定試料の導電率を一定に保持しに対応した出力応答となり，1〜50µS/cm の範

Syringe Pump
IDE

Lock-in
Amp.

flow

120

PC

図2
2.3

32
16
8
4

100

Ref.
Resistance

Output Current, µA

Ref. Signal

導電率測定系

薄膜抵抗温度計

80
60
40
20

金属薄膜抵抗温度計の評価には四端子抵抗測定 法 を 用 い た 。 直 流 電 源 （ ADVANTEST,

0

R6144）を用いて 1mA の定電流を金属薄膜抵

0抗体に投入し，その際の電圧降下から抵抗値を

100

(a)

（ADVANTEC, FV320）を用いて温度制御を行ける抵抗値を測定した。温度範囲は 30〜80℃と2.4

有機物分解特性評価

有機物分解特性の評価は，分解により生じた導電率の変化をマイクロチャネル内に配置した

500

40

50

1〜500µS/cm

32
16
8
4

25
Output Current, µA

金属薄膜としては,Au/Cr（2000Å/500Å）及びTi（2000Å）を用いた。

400

30

い，デバイスが熱平衡に達してから各温度にお温度係数を算出し，理論値との比較を行った。

300

Conductivity, µS･cm-1算出した。温度特性の評価は，送風オーブンした。また，測定した抵抗値から電気抵抗率の

200

20
15
10
5

微小櫛形電極により検出し行った。初めに入口側の微小櫛形電極により分解前の導電率を測定した。その後，紫外線照射部となるマイクロチ
ャネルへ測定試料を導入し，紫外線酸化による

0
0

10

- 27 -

30

Conductivity, µS・cm-1(b)

分解反応を進行させた。最後に出口側の微小櫛形電極により分解後の導電率を測定し，分解前20

図31〜50µS/cm

導電率特性評価

岩松

阿部

渡部

小林：微小流路反応管を用いた溶存有機物の紫外線分解・検出デバイスの開発

囲では直線的な応答が得られたが，100µS/ cm

顕著に表れなかったものと考えられる。以上の以上の高導電率域においては応答の非線形化が結果から，特性評価を行った 5〜100µL/ min の見られた。この要因としては，測定試料由来の流量範囲では，一定の出力応答が得られるため抵抗が低い高導電率域では，電極界面由来の電同一の検量線により定量できることが明らかと

気二重層容量や電荷移動抵抗等の誤差成分の影なった。

響が顕著に現れたためと考えられる。以上の結果から，バックグラウンドとなる誤差成分が混3.2 薄膜抵抗温度計の特性評価
特性評価の結果を図 5 に示す。金属薄膜の抵入するために，広範囲での直線性の確保は困難

抗値は，Au/Cr が 2〜6kΩ，Ti が 40〜90kΩ

であることが明らかとなった 2),3)。一方で測定となり，全ての水準が電気抵抗率文献値と配線範囲を限定して測定を行った場合は，定量的な形状より算出した理論値よりも高い値となっ評価が可能であることが示された。本研究の分た。Au については，基板との密着性を向上さ析対象である ppb オーダーの TOC 測定では，せるために Cr との積層構造となっており，そ導電率としては 50µS/cm 以下の測定が必要とのために抵抗値が高くなったと考えられる。Tiなる。図 3(b)の結果から，高い直線性が確保さについては，表面酸化により不動態皮膜が形成れていることが確認でき，本試作の櫛形電極をされ，一部絶縁体を形成しているために抵抗値用いた TOC 分析が可能であることが示された。

が高くなったと考えられる。一方，薄膜抵抗体

流量特性評価の結果を図 4 に示す。一般に平の温度特性については，全ての水準で抵抗値が行平板電極を用いた導電率測定では，流量変化温度に対して直線的に変化することが明らかとが発生した場合，対向する電極間での被測定物なった。この結果から金属薄膜を用いた四端子の流速が変化するため，出力値が変動すること

抵抗測定によりマイクロ化学チップ上の温度モが知られている。本試作の微小櫛形電極においニタリングが可能であることが示された。次にては，流量 5〜100µL/min の範囲では出力値の各金属の電気抵抗率の温度係数を算出し，文献

変動は見られなかった。安定性をもたらした要値との比較を行った。その結果を表 1 に示す。

因としては，対向する電極が同一平面上に形成全ての実測値が文献値より低い値を示し，温度されているため，電極間での流速変化が発生し当たりの電気抵抗率の変化が低下していることない構造となっていることが考えられる。また，
90されている壁面付近での流速は，平均流速よりも低くなる 1)。そのため流量変化による影響が，5.5

Resistance, kΩHagen-Poiseuille 流れとなるため，電極が形成

Resistance, kΩ

マイクロチャネル内では，放物線型速度分布の

4.5
3.5

Output Current , µA

70
60
50

7
2.5

6

80

40
30 40 50 60 70 80
Temperature, ℃

532
4

L/S=20/40

16

図5

4

2

表1

20

40

60

80

100

Flow rate , µL･min-1

図4

流量特性評価- 28 -(b) Ti

体積固有抵抗率の温度係数 (1/K)

理論値（0〜100℃）
0

L/S=20/10

金属薄膜抵抗の温度特性

10L/S=20/20(a) Au/Cr

8

3

30 40 50 60 70 80
Temperature, ℃

Au2000Å

Ti 2000Å

4.00×10-3

3.47×10-3

実測値

20/40

1.15×10-3

1.27×10-3

実測値

20/20

1.14×10-3

1.33×10-3

実測値

20/10

1.14×10-3

1.17×10-3

山形県工業技術センター報告 No.41（2009）が分かった。この結果は，バルクと薄膜の物性

イオンまで分解したことにより導電性物質の濃の違いによるものと考えられる。物性値の違い

度が減少したためと考えられる。一方，2-プロをもたらしていると考えられる結晶構造等の薄パノールは，エタノールと比較して難分解性で膜特性については，今後検討を行う予定である。

あるために本実験では低分子有機酸への分解に

3.3

有機物分解特性評価

よる導電率の上昇のみを観察することができ有機物分解試験に用いた低圧水銀ランプは，た。以上の結果により，適正な紫外線照射時間

紫外光を主とした光源であり，輝線スペクトルを選択することにより，マイクロチャネル内でとして 184.9nm，253.7nm の波長を持つ。紫外の有機物の分解・検出が可能であることが示さ

線による有機物分解のメカニズムは，はじめにれた。

溶存酸素から発生したオゾン分子が，紫外線酸化により酸素ラジカルに活性化される。次に，

4

結

言

酸素ラジカルと水分子の反応により発生したヒ紫外線酸化・導電率検出方式を測定原理としドロキシラジカルが有機物を分解すると考えらて用いた TOC 分析用マイクロ化学チップを試れている。一般にエタノール等のアルコール類

作し，特性評価を行った。

の反応では，初めに低分子有機酸等への分解が１．合成石英基板へのマイクロチャネル形成技

見られ，それに伴い溶液中の導電性物質の濃度術を確立した。

が増加するため導電率が上昇する。さらに反応

２．1〜50µS/cm の範囲で直線的な応答となり，が進行すると低分子有機酸等が炭酸イオンへ分流量 5〜100µm/min の範囲で一定の出力が得ら解し，導電率の減少が観察される。この分解にれる微小櫛形電極を作製した。

起因する導電率変動をマイクロチャネル内に配３．Au/Cr 及び Ti 薄膜を用いた金属薄膜温度

置した微小櫛形電極により測定した。

計を作製した。

1000ppbC のエタノール及び 2-プロパノールの４．ロックインアンプを用いた高感度導電率測試験結果を図 6 に示す。エタノールの分解プロ定系を構築した。

ファイルを見ると，はじめに導電率の上昇が観５．四端子抵抗測定によるマイクロ化学チップ

察され，照射時間 75s で最高値が得られ，その上温度測定技術を確立した。

後減少に転じた。導電率の上昇は，エタノール

６．集積化マイクロ化学チップを用いた有機物

が酢酸やギ酸等の有機酸へ分解した結果と考え

分解・検出を実現した。

られ，その後の導電率の減少は，有機酸が炭酸

文

6.0

Conductivity, µS･cm-1

1) 北森他：マイクロ化学チップの技術と応1000ppbC
EtOH
1000ppbC
IPA

5.0

献

用，丸善（2004）
2) W. Olthuis et al. : Sensors andActuators B 24-25(1995)252-256

4.0

3)

RobertodelaElectrochemistry

3.0

8(2006)1239-1244
2.0
1.0
0.0
0

50

100

150

200

250

UV Irradiation time, S

図6

有機物分解特性評価- 29 -

Rica

et

al.

:

Communications

CNT を含有した機能性複合 Ni めっき被膜の開発−パルス電解めっきによる被膜形成の検討−
平成 18 年度産業技術研究助成事業】【(独)新エネルギー・産業技術総合開発機構
三井 俊明

鈴木 庸久

加藤 睦人

藤野 知樹

佐竹 康史

齊藤 寛史

Development of Ni-Based CNT Composite Electroplating−Study on the Composite Film Plated by Periodic Reverse Pulse Electrolysis−
Toshiaki MITSUI Tsunehisa SUZUKI Mutsuto KATOH
Tomoki FUJINO Yasufumi SATAKE Hiroshi SAITO

1

緒

作用極においてカソード析出した複合Ni被膜

言

機械的強度，熱伝導性等，種々の物理特性にの一部を，続いて行うNiのアノード溶出により優れたカーボンナノチューブ(CNT)を複合させ再溶解させる。このとき，取り込まれたCNTは

た有機，無機材料が盛んに開発されており，実ある程度被膜中に残留すると考えられため，こ用化が期待されている。我々はこれまでに，ダの工程をパルス波形で繰り返して行うことによイヤモンド電着工具や放電加工用電極への応用

り，Niとともにめっき被膜中に取り込まれるを目的として，CNTを強力超音波によりめっき

CNT量の増加が期待される。作成した複合めっ

液中で均一に分散させて金属被膜と共析させる

き被膜については，種々の方法でCNTの含有量ことにより，砥粒保磁力や電極の低消耗化に優についての評価をおこなった。また，膜の特性れた複合めっき被膜が得られることを報告してとして被膜硬さについて評価を行った。

きた1〜3)。得られる複合めっき被膜の特性をさらに向上させるためには膜中のCNTの含有率

実験方法

2

を制御し，増加させることが有効と考えられる

行っためっきの条件を表１に，また，用いたが，膜中のCNT含有率は主にめっき液中のCNT

電解セルの模式図を図１にそれぞれ示す。電解

濃度に依存するため，添加量には限界があり，液にはスルファミン酸ニッケルを用い，予め分

また，CNT添加量の増加による凝集やめっき液

散された状態の CNT 分散液を 1g/L となるようの粘性増加などの課題がある。

に添加した。作用極（被めっき材）には SUS304

本研究では，めっき液中のCNT添加量を変えずに析出する複合めっき被膜のCNT含有率を上げる手段として，PR（periodicを用い，ストライクめっきを行った後，電解セルの中央底部に設置した。また，対極には円筒

reverse）パ

状 Ni 板を用いてセルの周囲に設置した。

ルス電解めっき法を検討した。この電解法では
表１ めっき条件
めっき浴

CNT

分散させるためには強力超音波攪拌が非常に有WE

スルファミン酸ニッケル浴
Ni(NH2SO3)2･4H2O：500g/L
NiCl･6H2O：4g/L，H3BO3：33g/L，添加剤

超音波振動ホーンCE

Nanocyl製MWCNT 直径10nm，長さ0.1〜10μm

CNT量g/L

1g/L

攪拌方法

超音波振動（ホーン方式，27kHz, 200W）

浴温度

45 ℃

電流密度

直流（5 A /dm2 ），PRパルス

作用極（被
めっき材）

SUS304板（10mm x 10mm）

対極

これまでの研究から，めっき処理中にCNTを

超音波振動
円筒状Ni 板基板

円筒状Ni板

図１ 電解セル図- 30 -

N iめっき液/CNT

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

効であることが分かっている 3) 。そこで，チタ3

実験結果および考察

ン合金製超音波ホーンを作用極の上部10mmの種々の電解条件で得られためっき被膜表面の位置に設置し，常に超音波攪拌を行いながらめ

SEM 像を図２に示す。PR パルス電解の影響のっきを行った。

みについて着目すると，667Hz では大きな変化

電解は電流制御で行い，直流電解時には５は見られなかったが，6.67Hz では表面の凹凸

A/dm2で40分，また，PRパルス電解時にはカソ

及び結晶粒径の拡大が観察された。CNT 添加のードとアノードの時間の比が2:1となる条件で影響については直流において表面の平滑化が観

電流密度はいずれも５A/dm2となるようにして察されたが，PR パルスではいずれの周波数で120分おこなった。パルスの周波数は6.67Hzおも微細な凹凸が現れる結果となった。これはア

よび667Hzの条件で行った。また，PRパルス電

ノード側で Ni の溶出が起こる際に，被膜中に解のみによるめっき被膜への影響を調べるため取り込まれた CNT が表面形状に影響したものに，CNTを添加しない条件でも実験を行った。

と考えられる。また，得られためっき皮膜の目得られた複合めっき被膜の表面観察は電子視による観察では CNT 添加 PR パルス 6.67Hz

顕微鏡（SEM:日本電子製JXA-8800）で，またの条件でのみ，表面の黒色化が見られた。

極表面付近のC量の測定は光電子分光分析装置

通電した電気量が全てNi2+ から金属Niへの（XPS：アルバック・ファイ製ESCA5600ci）

還元析出に使われたとして，得られた被膜の質により行った。さらに表面から約10μmまでの量から計算した電流効率を図３に示す。直流条

プロファイル測定はグロー放電発光分析装置

件ではCNTの有無に係らず約96％であった。一

（GD-OES：堀場製作所製GD-profiler）を用い

方，PRパルス電解条件ではいずれもCNTの添て行った。また，被膜断面の硬さ測定をマイク加により電流効率の低下が確認された。特にロビッカース硬さ試験機（アカシ製HM-124）

6.67Hzでは84%と低い値となり，この原因としにより行った。

ては，アノード溶解の際にめっき被膜表面から(a)

ある程度のCNTの脱離が起こり，CNTに付着し(b)

たNiが同時に脱離したことが考えられる。
次に複合メッキ被膜中のCNTの含有率を調べるため，XPSにより表面およびArイオンスパッタによる深さ方向でのC量測定を行った（図４）。PRパルス電解6.67hzでは表面のC濃度が(c)

50％程度で非常に高く，表面にCNTが多く存在(d)していることが示唆される。また，スパッタで深さ方向のプロファイル分析を行った場合に
100

(f)

96
電流効率, %(e)92
88
CNT 1g/L
84

5µm

80
直流

図２ めっき被膜の表面 SEM 像
直流

CNT 0g/L

PRパルス
667Hz

PRパルス
6.67Hz(a):CNT 0g/L，(b):CNT 1g/L

PR パルス(667Hz)(c):CNT 0g/L，(d):CNT 1g/L

図３ 各め っき条件での電流効率

PR パルス(6.67Hz)(e):CNT 0g/L，(f):CNT 1g/L

（CNT の影響）- 31 -

鈴木

加藤

松田

丹野： カーボンナノチューブ複合ニッケルめっき被膜の熱処理による硬さの変化

60

出限界以下となるが，PRパルス条件では30分の50

PRパルス(6.67Hz)

スパッタ後もピークとして確認できる量のCが40

直流存在していることが分かった。
また，同様に表面近傍でのCNT量を調べるた
め，GD-OESによる分析を行った。5µmの深さ

C濃度, atom%

は，直流条件では約3分のスパッタでXPSの検30
20でのC量を，これまでの研究3)で得られている，

10

めっき液中のCNT濃度を変えて直流めっきを00行った各条件と比較すると（図５），PRパルス

5

10
15
20
スパッタリング時間, min

2530

図４ 複合めっき被膜の XPS プロファイル

中のCNT濃度が５倍の条件よりも多くのCNT

2.0

濃度5g/Lのめっき液は粘性が高くCNTを均一に分散させる条件としては問題があると考えられるため，本研究で用いたPRパルス電解めっき
はめっき液中のCNT濃度を上げずに，生成する
被膜中のCNT含有率を上げる有効な手段である。
一方，PRパルスめっき667HzではCNT含有-2を被膜中に取り込まれたことが分かった。CNT-2wt%.
Carbon composition [10 10wt%]
めっき被膜中のC濃度,

めっき6.67Hzでは0.0195wt%であり，めっき液

Depth: 5μm

1.8
1.6
1.4
1.2

直流

1.0

PRパルス(667Hz)

0.8

PRパルス(6.67Hz)

0.6

Horn

0.4

Bath

0.2

（GD-OES分析 深さ:5μm)0.00率は直流の場合よりやや低下する結果であった。このことから，緒言で述べたようなCNT濃
縮のプロセスを経るには，一周期でのカソード
析出の際にある程度のめっき膜成長が必要であ

より硬くなることが確認された。しかし，CNT
添加の影響は各条件により全く異なり，直流め
っきではこれまでの報告と同様に硬さが大幅に向上したが，PRパルスめっきでは667Hzでほぼ同じ，CNT含有率の向上した6.67Hzで逆に硬さの低下がおこった。これは，複合皮膜の硬さを決定する要因はCNTの含有率だけでなく，Ni結晶の結晶粒サイズや内部応力等によるためと考えられ，今後最適な条件を検討する必要があ
る。

4

結

4

5

700
CNT 1g/L

600
Vickers Hardness

のみに着目すると，何れの周波数でも直流条件

3中の C 含有率

各条件で得られためっき被膜を樹脂包理したを測定した結果を図６に示す。PRパルスの影響

2

図５ 各条件で成膜した複合めっき被膜ることが示唆された。
断面試料を作製し，被膜断面のビッカース硬度

1

The concentrationof CNT in a plating
bath [g/L]
めっき液中のCNT濃度,
g/L

CNT 0g/L

500
400
300
200
100
0
直流

PRパルス
667Hz

PRパルス
6.67Hz

図６ 各条件で成膜した複合めっき被膜のビッカース硬さ(断面，5gf)など他の特性についても評価したい。

文献1) 鈴木庸久他：山形県工業技術センター

言PR パルス電解めっきを行うことにより，複合 Ni 被膜中の CNT 含有率を上げることが可能となった。含有率が向上した条件でも被膜断面のビッカース硬さは向上しなかったため，最適条件を検討する必要がある。今後，砥粒保磁力- 32 -

報告，No.38 (2006)1-10.
2) 鈴木庸久他：山形県工業技術センター
報告，No.39 (2007)1-4.
3) 鈴木庸久他：山形県工業技術センター
報告，No.40 (2008)8-11.

レーザ溶接法による異種金属接合技術の開発【自動車関連産業集積促進事業】
鈴木 剛
Development of different kind of metal joint technology by laser welding method
Takeshi SUZUKI

1

緒

言

機械や構造物をより高性能，高機能化するたとが知られている 1)。本実験では，レーザ溶接

め，異なる特徴を持つ金属材料を接合により複法を FCD と SUS との溶接に用いた時の，溶合化し，材料自体を高性能化，高機能化するこ

接部界面の金属組織が受ける影響について調査とが必要となっている。金属材料を接合する方を行った。

法は，アーク溶接に代表される溶融接合法，拡散接合や摩擦撹拌接合といった固相接合法，リ3ベットやボルト締結等の機械的接合法など様々

レーザ溶接機の選定
本実験では，以下に示す 2 種類のレーザ加な手法が上げられるが，生産性や製品の軽量化工機を用いて実験を行った。

の面で溶融接合法が求められる場合が多い。し

①炭酸ガスレーザ加工機:三菱電機製

かし、異種金属材料の接合に溶融接合法を用い

ML806T3（ 福島県ハイテクプラザいわき技術

た場合，選択した材料の組み合わせによって，支援センター所有：福島県いわき市）

脆弱な金属間化合物の生成や熱影響部の硬さの② フ ァ イ バ ー レ ー ザ 加 工 機 ： IPG 社 製

上昇，耐食性の低下などの問題が生じる。

YLR-5000（（ 株 ）レー ザッ クス 所有：神 奈川

レーザ溶接法は溶融接合法に分類されるが，

県横浜市）

高エネルギー密度のビーム熱源が溶接材料に対それぞれの加工機で FCD 板材へのビードオ

し高指向性で溶接を行うため，溶接ビード，熱ンプレート試験を行い，得られた試験片の溶接

影響部が非常に小さくできる特徴がある。この部断面の金属組織を調査した。 図 1 に炭酸ガため溶接の分野で急速に用いられ，異種金属接スレーザ加工機とファイバーレーザ加工機を用合においても有効であると考えられる。

いて FCD 板にビードオンプレート試験を行っ

本研究では，金属材料の複合化による高付た時の溶接ビード外観写真及び溶接条件を示

加価値化を目指し，レーザ溶接法を用いて異種す。 図 2 に溶接ビード断面金属組織写真を示

金属材料の溶融接合実験を行った。実験で得らす。また比較のため MAG 溶接法を用いてビーれた試験片の溶接部金属組織観察や，引張試験

ドオンプレート試験を行った時の溶接ビード外による強度試験を行い，最適な溶接条件につい

観及び断面組織写真も 図 1 及び 図 2 に示す。

て検討を行った。

炭酸ガスレーザ加工機の溶接条件はレーザ出力
1.5kW， 溶接速度 100cm/min， 焦点位置は材2

溶接母材の選定料表面とした。ファイバーレーザ加工機の溶接溶接する異種金属母材は，球状黒鉛鋳鉄

条件はレーザ出力 5kW，溶接速度 350cm/min，

FCD450 相当（以下 FCD と記述）とオーステ

焦点位置は材料表面から下に 2mm である。

ナイト系ステンレス鋼 SUS304（以下 SUS と2 種類のレーザ加工機で溶接した溶接ビード

記述）の組み合わせを選定した。 FCD と SUSと MAG 溶接のビードを比較すると，レーザ加との溶融接合を行った場合， FCD 側溶接部に工機で溶接したものはビード幅が狭く溶込みがは脆弱な金属間化合物が晶出し， SUS 側界面深くなった。レーザ溶接は一般的なアーク溶接

ではクロム炭化物が析出し耐食性が劣化するこである MAG 溶接比べ，溶接部に対し局所的に- 33 -

鈴木 ：レ ーザ 溶接 法に よる異 種金 属接 合技 術の 開発

高エネルギーを加えることが可能である。そのb)

ため，アーク溶接に比べビード幅が狭く溶込みa)の深い溶接が可能になる。
同じレーザ溶接でも炭酸ガスレーザ加工機とファイバーレーザ加工機の溶接ビードを比較す
ると，ファイバーレーザ加工機で溶接したビー
ドは，炭酸ガスレーザ加工機で溶接したビードより溶込みが深くなった。ファイバーレーザは半導体（ LD）励起の固体レーザで，従来の LD

1mm

励起の固体レーザに比べ発振効率が高く，高輝度の LD の開発や，二重構造のファイバー自体

c)で励起しながら冷却を行うといった最新のレーザ技術が用いられている。この技術により，これまで LD 励起固体レーザの課題であったレー

1mm

ザ励起時に発生する熱によりレーザビーム集光性の低下が改善され，高出力でも高効率で集光性の優れたレーザビーム品質が得られるようになった ２ ）， ３ ）。炭酸ガスレーザは高出力でのビ1mm

ーム集光性は従来の LD 励起固体レーザよりも

図2 ビードオンプレート試験の優れてはいるが，今回の実験で炭酸ガスレーザ

ビード断面金属組織写真との比較においても，ファイバーレーザのビーa)炭酸ガスレーザ溶接

ムは高出力でもビーム品質が良く，ビームが広b)ファイバーレーザ溶接

がらないことが分かった。

c)MAG溶接

この結果より，実験ではファイバーレーザ加
炭酸ガスレーザ溶接の溶接条件
出力：1.5ｋW
溶接スピード:100cm/min
シールドガス:Ar

炭酸ガスレーザ溶接

ファイバレーザ溶接の溶接条件
出力：5kW
溶接スピード:350cm/min
シールドガス:Ar

ファイバーレーザ溶接

MAG溶接の溶接条件
溶接電流：110A
溶接電圧：22V
溶接スピード:60cm/min
シールドガス:Ar+20%CO2

MAG溶接

パルス有り

図1 2種類のレーザ加工機及びMAG溶接のビード外観写真と溶接条件
ビード

10mm

割れ

割れ

割れ

割れ

割れ

図3 ファイバーレーザ加工機によるビードオンプレート試験体のエックス線探傷試験写真- 34 -

山形 県工 業技 術セ ンター 報告 No.41 (2009)を防止するため，炭素を固溶しない Cu 箔もイ

工機を用いて実験を進めていくこととした。
図 3 にファイバーレーザ加工機を用いてビンサート材に用いた。

ードオンプレート溶接試験を行った試料のエッ溶接条件は，レーザ出力 4.5kW，溶接速度

クス線探傷試験の結果を示す。溶接ビードの進100cm/min，焦点位置を材料表面から下に 3mm

行方向と直角に微細な割れが発生している。レ

とした。レーザ狙い位置はインサート材無しのーザ溶接のビードオンプレート試験は，溶加材

場合は母材と母材の溶接部中央，インサート材を使用していないため，レーザ光による急熱急を用いた場合はインサート材の中央とした。シ

冷で母材の FCD に割れが発生したと考えられールドガスは Ar を用い，流量を 30L/min としる。一般に FCD 等の鋳鉄を溶接する場合， Ni

た。
溶接は母材表面からの 1 パスとし，裏面ま系の溶加材や溶接棒を用いて割れ欠陥を防止す
４）

る溶接方法が用いられる 。レーザ加工機を用での溶込みが出来るよう溶接条件を設定した。

いて FCD を溶接する場合も，溶接部での割れ4.2発生を防止するための金属を，相手側母材との図 5 にインサート無しの直接接合の試験体，溶接面にインサート材として挿入する必要があ

厚さ 0.5mm の Ni 箔をインサート材に用いたる。

試験体，厚さ 0.5mm の Ni 箔と厚さ 0.5mm の実験結果

銅箔をインサート材に用いた試験体の，溶接部

4

外観写真とエックス線探傷試験結果を示す。

ファイバーレーザ加工機を用いた

ビード幅は直接接合を行った試験体のビード

溶接実験
4.1

が最も細くスパッタの発生も直接接合が一番少

実験方法

ファイバーレーザ加工機を用いて， FCD となかった。エックス線探傷試験結果から，直接

SUS との溶接実験を行った。 図 4 に溶接継手

接合では溶接ビードの進行方向と直角に微細な形状と材料寸法の概要図を示す。 FCD 母材寸割れが発生している。レーザ光が FCD 母材に

法は 100 × 100 × 6.5mm， SUS は 100 × 100

直接当たるため，溶接時の急熱急冷で FCD 母× 6.0mm のものを使用した。継手形状は FCD

材側に割れが発生し， SUS 側に割れが進展し母材端面と SUS 母材端面を突き合わせて溶接たものと考えられる。 Ni のみをインサート材

する突合せ溶接とし，開先加工無しの I 形開先に用いた試験体は，割れは発生していないが，とした。ルートギャプはとらず， 図 4 に示す

ビード中央にブローホール状の欠陥が多数発生

材質と厚さのインサート材を組合せて溶接部にしている。一方， Ni と Cu を同時にインサー挟み溶接を行った。インサート材には， FCD

ト材として使用した試験体では，割れやブロー

側溶接界面において，溶接による急熱急冷で晶ホール状の欠陥は発生しなかった。 Ni は Cu

出する硬くて脆いレデブライト層の晶出を抑制に比べてレーザ光の吸収率が高い ５）。このため，するため，溶接部で炭素の拡散を抑制すると考同じ溶接条件でも Ni のみをインサート材に用えられている Ni 箔を用いた。また， FCD 母材

いた試験体の方の溶接部は Ni が急激に昇温の炭素が SUS 母材に拡散し， SUS 母材中のクし，一部ガス化したものが急冷され溶接ビード

ロムと結びついてクロム炭化物が析出すること内部にブローホール状欠陥として残ったものと

100

100

100

母材
FCD450

母材
SUS3046(単位:mm)インサート材Cu箔
インサート材Ni箔 (厚さ0.2mm，0.5mm)(厚さ0.5mm，1.0mm)
6.5

考えられる。
図 6 に直接接合の試験体と Ni 箔(0.5mm)+
Cu 箔(0.5mm)をインサート材に用いた試験体の溶接部断面マクロ写真と FCD 側界面の顕微
鏡組織写真を示す。どちらの試験体においてもFCD 側界面にレデブライト層の晶出が見られた。また， FCD 側母材基地中のパーライトの形状が溶接熱の影響により崩れていた。パーラ
イト形状の崩れた部分を熱影響部とした。

図4 溶接継手形状の概要図

直接接合と Ni 箔 (0.5mm)+Cu 箔 (0.5mm)を- 35 -

鈴木 ：レ ーザ 溶接 法に よる異 種金 属接 合技 術の 開発

インサート材無し（直接接合）

10mm

表側外観

割れ

エックス線透過写真

Ni（0.5mm)インサート

10mm

表側外観

エックス線透過写真
ブローホールNi(0.5mm)+Cu(0.5mm)インサート

10mm

表側外観

エックス線透過写真

図5 ファイバーレーザ加工機を用いたFCDとSUSとの溶接試験体の外観写真とエックス線透過写真

熱影響部
a)

レデブライト層

a)

b)

6.5
mm

0.2mm
FCD

SUS

レデブライト層
熱影響部
b)
SUS

FCD
FCD

SUS

0.2mm
FCD

図6 ファイバレーザ加工機を用いた溶接試験体の断面マクロ写真とFCD側溶接部界面の顕微鏡組織写真- 36 -

インサート材a)インサート無し(直接接合)b)Ni(0.5mm)+Cu(0.5mm)インサート山形 県工 業技 術セ ンター 報告 No.41 (2009)

インサート材として用いた試験体の，溶接部
FCD

FCD 側に晶出したレデブライト層幅を比較す

SUS

溶接部

ると，インサート材を用いた試験体の方が狭くなった。また，熱影響部長さもインサート材を用いた試験体の方が短くなった。レデブライト
層幅が狭くなった原因として，インサート材のNi が溶接部でのレデブライト晶出を抑制した
ことに加え，インサート材を挟むことでレーザの狙い位置が FCD 母材より離れるため， FCD

図7 引張試験片写真

側の溶融量が減少したためと考えられる。また
450

熱影響部幅が狭くなった原因は，レーザの狙い

5

伸び

位置が FCD 母 材より離れたためと考えられ溶接部の機械的性質を調査するため，それぞれの試験体から 図 7 に示す形状の引張試験片を採取し引張試験を行った。引張試験の結果を
図 8 に示す。破断位置はすべての試験片で FCD

400

4

引張強さ

3
2

350

伸び , %

引張強さ , M P aる。

1側溶接界面であった。引張強さ，伸びともにイ
た。直接接合では溶接部に微細な割れが発生していることに加え， FCD 側のレデブライト層

インサート
無し

300

ンサート無しの直接接合が最も低い値となっ

Ni
1.0
mm

の晶出が多いためインサート材を用いた試験片

結

Ni
0.5mm
+
Cu
0.2mm

0

図8 引張試験結果

よりも値が低くなったと考えられる。

5

Ni
0.5mm
+
Cu
0.5mm

4)機械的性質では，インサート材を用いない

言

炭酸ガスレーザ加工機及びファイバーレーザ

直接接合よりもインサート材を用いて溶接加工機を用いて， FCD と SUS との異種金属接を行った試験片の方が引張強さ及び伸びと合を行い，溶接界面について解析したところ以もに増加した。
5)ファイバーレーザ加工機を用いて異種金属

下のような結果が得られた。
1)ファイバーレーザ加工機は炭酸ガスレーザを接合するための基礎的なデータが得られた。

に比べ高出力でもレーザのビーム品質が良いため，ファイバーレーザ加工機を用いた

文

方が炭酸ガスレーザ加工機よりも，幅が狭献

く，溶込みの深い溶接ビードが得られる。

1)鈴木剛，平塚貞人，堀江皓，森谷茂，中村満2)インサート材を用いない直接接合を行った：鋳造工学，第 77 巻 (2005)第 5 号， 314 頁

場合，レーザ光による急熱急冷で溶接部に2)片 山 聖二 ，塚本進，望戸 実：溶 接学会誌，
Vol.72， No.8， 4 頁

微細な割れが発生する。溶接界面にインサート材を挟むことで、割れを防止するとと

3)宮本勇：溶接学会誌， Vol.72， No.8， 13 頁

もに，鋳鉄側の熱影響部幅と金属間化合物

4)溶接・接合技術 Q&A1000：溶接・接合技術
Q&A1000 編集委員会，㈱産業技術サービス

層の幅を狭くすることが出来る。

センター， 474 頁

3)インサート材に Ni を単独で用いた場合，溶接部ではブローホール状の欠陥が発生し

5)溶接・接合便覧，第 2 版，溶接学会編， 326

た。 Ni と Cu を同時に用いることでブローホール状の欠陥は少なくすることが可能である。
- 37 -頁

県産砕石粉のデータベース化【平成 20 年度 価値創造型研究開発推進事業】
豊田 匡曜

藤野 知樹

Making of database of Crushed Stone Powder
Masaaki TOYODA

1

緒

言

Tomoki FUJINO

2

県内には砕石製造事業所が約 40 事業所あり，

実験方法
2.1 聞き取り調査

骨材には向かない微粉が発生している。乾式で調査対象は，採石生産量一覧（県産業政策課）

排出されるものは砕石粉，湿式のものは脱水ケにおいて，平成 17 年度に砕石の項目で生産がーキやスラッジと呼ばれる。本報では便宜的に確認された 43 事業所およびその他窯業原料を

どちらも砕石粉と呼ぶ。砕石製造事業所では，製造する 5 事業所とした。聞き取りの項目は，砕石粉をタイルの原料等として利用することを原石の種類，砕砂と砕石粉の分離方法，砕石粉進めてきたが，発生量が膨大なことや事業所毎等の副産物排出量，廃棄または利用方法とし，に性状が異なることから，大部分を埋め戻しに

品質管理の担当者より聞き取りした。
2.2 試料より堆積しているのが現状である。

試料の採取は，事業所毎に 1 回とし，採取量

これまで筆者らは，5 事業所の砕石粉について組成や焼結体の強度を明らかにした

1)

。県内

は，偏析等を考慮して 20kg 程度とした。

事業所の大部分が未調査であることから，全事

試料は，風乾して試験に用いた。基礎的な性

業所の排出量や性状を把握することが利用拡大状を把握するために，化学組成分析と鉱物組成につながると考えられた。

の同定を行った。窯業原料とするには，焼結温

全国的には，砕石粉をコンクリート原料とし度を把握する必要があるため，焼成試験を行って利用しようとする JIS 化の動きがある。2002

た。TR A 0015「コンクリート用砕石粉」では，

年に JIS の前身となる TR A 0015「コンクリー

砕石粉の品質として表 1 に示す 6 項目が規定さ

ト用砕石粉」が公表され，2009 年 3 月には JISれており，湿分，密度，ふるい残分，メチレン

A5041 として制定された。

ブルー吸着量（以下，MB 吸着量）について試

本研究では，砕石粉の有効利用を目指すため，験を行った。活性度指数およびフロー値比は，

県産砕石粉の基礎的な性状をデータベースとし実験規模が大きくなるため，今回は見送ることてまとめることとした。各事業所を訪問し，砕とした。

石粉の分離方法や排出量を聞き取りした。性状表1試験として，組成分析と焼成試験，湿分，密度，
メチレンブルー吸着量，ふるい残分試験を行っ

砕石粉の品質 2)3)

項目

規定値

た。砕石粉以外の県産の窯業系副産物について

湿分(%)

1.0 以下も調査を行い，いくつかの知見を得たので報告

密度(g/cm3)

2.5 以上する。

150µm ふるい残分(%)

5 以下

MB 吸着量(mg/g)

10.0 以下

活性度指数(%)

60 以上

フロー値比(%)

90 以上- 38 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

2.3 化学組成分析と構成鉱物の同定

2.5 湿分

化学組成は，1025℃で強熱減量を測定した試

湿分は，コンクリートに使用した場合の水セ料からガラスビードを作製し，蛍光Ｘ線法にてメント比及び流動性などに及ぼす影響が大きい分析した。ガラスビード作製の融剤は四ほう酸とされる。湿分は，バットに広げて約 2 週間放リチウムを用い，試料と融剤の比は 1：5 とし置した風乾重量を基準とし，乾燥は 110℃にてた。構成鉱物の同定は，Ｘ線回折装置により 3

2 時間行った。

〜70°/2θを測定し，Hanawalt 法にて行った。

2.6 密度2.4 焼結温度の確認

密度はピクノメータ法を用いて測定し，飽水各試料の焼結温度を簡易的な乾式成形方法で確認した。成形は，内径および深さ 20mm のアの方法はアスピレーターにて真空引きを 2 時間行った。

ルミナ製るつぼに粉末試料を充填し，指で押し

2.7 ふるい残分固めた。るつぼは，炭素・硫黄分析用の安価なふるい残分試験は，コンクリートに材料分離ものを用いた。焼成条件は，電気炉で酸化雰囲

抵抗性を付与するために必要な性能である粒度

気とし，1000〜1250℃の範囲で焼成した。昇温についての品質規定である。ふるいは，JIS で

速度は，室温から 1000℃までを 10℃/min，1000

規定される目開き 150µｍの網ふるいを用いた。

℃以上を 1.7℃/min とした。焼結の評価は，触湿式で分離された砕石粉は，乾燥すると塊状とれても欠けない程度に固まった温度を焼結となるため，乾式のふるい分けが困難であった。

し，試料が溶けるまたは発泡した温度を溶融とそのため JIS A 1103 骨材の微粒分量試験方法表した。

に準じ，湿式でふるい分けた。

表2

砕石粉の分離方法と排出量

試料名

母岩名

砂利の種類

分離方法

泥水の処理方法

年間排出量(t)

砕石粉Ａ

安山岩

山砂利

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

20,700

砕石粉Ｂ

安山岩

山砂利

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

3,000

砕石粉Ｃ

安山岩

陸砂利(田)

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

12,000

砕石粉Ｄ

安山岩

山砂利

湿式

沈殿池,天日乾燥

不明

砕石粉Ｅ

安山岩，玄武岩

山砂利

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

38,000

砕石粉Ｆ

硬質砂岩

山砂利

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

3,200

砕石粉Ｇ

花崗岩

山砂利

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

1,300〜1,600

砕石粉Ｈ

花崗斑岩

陸砂利(田)

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

5,000

砕石粉Ｉ

花崗岩

山砂利

湿式

沈殿池,天日乾燥

4,800

砕石粉Ｊ

凝灰岩

山砂利

湿式

沈殿池,天日乾燥

不明

砕石粉Ｋ

安山岩

山砂利

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

7,700

砕石粉Ｌ

安山岩

山砂利

湿式

沈殿池,天日乾燥

40

砕石粉Ｍ

凝灰岩

陸砂利(田)

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

3,200

砕石粉Ｎ

花崗岩

陸砂利(田)

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

全量利用

砕石粉Ｏ

玄武岩

山砂利

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

800

砕石粉Ｐ

安山岩，閃緑岩

山砂利

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

15,800

砕石粉Ｑ

凝灰岩

陸砂利(田)

湿式

ｼｯｸﾅｰ,ﾌｨﾙﾀｰﾌﾟﾚｽ

10,200

砕石粉Ｒ

花崗岩

陸砂利

湿式

沈殿池,天日乾燥

2,000

砕石粉Ｓ

安山岩，閃緑岩

陸砂利(田)

−

−

全量利用

粘土 A

粗面岩

山砂利

湿式

沈殿池,天日乾燥不明- 39 -

豊田

藤野：県産砕石粉のデータベース化

2.8 MB 吸着量
MB 吸着量は，砕石粉に含まれる粘土分の量を評価する指標として TR A 0015 に記載されている。MB 吸着量の測定は，同付属書 1 に準じた。

3

実験結果および考察
3.1

聞き取り調査

砕石粉および窯業系副産物を排出する事業所の位置を図 1 に，砕石粉の分離方法と排出量を表 2 に示す。対象とした 43 事業所のうち砕石粉を排出する事業所は，19 事業所であった。
砕砂と砕石粉の分離は，19 事業所とも湿式で行っていた。洗浄後に発生する砕石粉を含む泥
水は，水を分離する必要があり，一般的には作●砕石粉排出事業所

業性をよくするため凝集剤を添加することが多○その他窯業系副産物

い。この工程で凝集剤を添加しない事業所が 1

排出事業所

事業所あった。添加する凝集剤の種類は，ほと
図1

んどの事業所で有機系の高分子凝集剤を用いて
表3
化学組成

試料名

副産物を排出する事業所の位置図

化学組成と構成鉱物(mass%）

構成鉱物

Ig.loss

SiO2

Al2O3

Fe2O3

MgO

CaO

Na2O

K2O

砕石粉Ａ

3.99

53.9

16.6

8.00

3.74

8.46

1.76

1.29

石英，長石，緑泥石

砕石粉Ｂ

1.07

54.9

18.3

8.52

3.29

8.41

2.10

0.61

長石

砕石粉Ｃ

5.81

56.1

14.9

4.78

2.65

5.91

2.09

2.49

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｄ

6.46

52.1

17.2

6.45

4.47

4.91

1.86

1.92

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｅ

4.29

57.8

16.9

6.27

4.41

4.15

1.20

2.55

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｆ

3.95

58.8

15.2

6.94

5.47

1.14

3.37

1.66

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｇ

3.98

57.3

15.2

8.09

3.63

3.11

1.92

2.09

石英，緑泥石，雲母

砕石粉Ｈ

3.57

59.0

17.6

5.58

3.49

2.69

1.79

3.89

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｉ

6.40

57.4

16.7

6.27

2.85

3.56

1.12

3.21

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｊ

3.49

59.9

16.5

7.22

2.93

2.24

2.16

3.29

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｋ

1.65

62.3

17.4

5.52

2.21

4.23

2.54

2.07

石英，長石，雲母

砕石粉Ｌ

4.62

57.9

18.1

7.35

5.47

0.75

1.46

2.93

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｍ

0.30

64.3

16.8

6.83

1.81

5.71

2.44

0.63

石英，長石

砕石粉Ｎ

3.36

59.9

17.4

7.03

2.39

2.69

2.09

2.32

石英，長石，緑泥石，雲母

砕石粉Ｏ

2.34

56.6

21.0

8.19

2.04

2.39

1.63

2.72

石英，長石，緑泥石

砕石粉Ｐ

5.00

56.7

19.5

7.93

2.81

1.75

1.40

2.37

石英，長石，緑泥石

砕石粉Ｑ

6.53

56.2

22.1

6.82

2.74

1.39

1.33

2.44

石英，長石，緑泥石

砕石粉Ｒ

5.15

58.3

18.5

7.68

2.30

1.76

1.49

2.82

石英，長石

頁岩Ａ

3.99

82.9

6.16

1.45

0.50

0.61

0.63

1.26

石英，長石，ﾓﾝﾓﾘﾛﾅｲﾄ

粘土Ａ

7.98

60.8

19.9

4.53

2.76

1.43

0.31

0.92

石英，ﾓﾝﾓﾘﾛﾅｲﾄ

珪砂粘土Ａ

5.45

66.9

18.9

2.20

0.37

1.45

1.27

1.74

石英，長石，ﾊﾛｲｻｲﾄ，ﾓﾝﾓﾘﾛﾅｲﾄ，沸石

珪砂粘土Ｂ

9.24

58.3

24.5

2.40

0.14

0.98

0.52

0.92

石英，ﾊﾛｲｻｲﾄ，ﾓﾝﾓﾘﾛﾅｲﾄ- 40 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

3.0%と比較的少なかった。

いた。
廃泥水の処理方法は，13 事業所がシックナー

3.4

湿分，密度，ふるい残分，MB 吸着量とフィルタープレスによるものであり，5 事業

JIS A 5041 では乾式の工程で発生する砕石所が沈殿池で分離し，天日干しによるものであ粉を対象としているが，県内の砕石粉は全て湿った。

式で分離される。湿式を含めない理由として，

砕石粉の廃棄方法は，18 事業所で埋め戻しを

実験データが不足しているため 2)であることか行っていた。埋め戻しには強度を確保するため，ら，湿式の試料についても試験を行うこととし表土や製品である砕石を砕石粉に混合する事業た。

所があった。利用の例としては，「石灰を混ぜ

結果を表 5 に示す。4 項目とも規定値内となて固化し路盤材とする」「砕石を混ぜて道路用った試料は，7 試料であった。密度と 150µm ふの盛土とする」「法面の緑化資材の原料とする」

るい残分は，全ての砕石粉が規定値内のなどがあり，資源化に積極的な事業所が見つか

2.5g/cm3 以上，5%以下となった。どの事業所でった。

も 150µm 以上の粒子は，砕砂として効率よく

その他窯業系の副産物として，ベントナイト

分離されているものと考えられる。

鉱山より排出される頁岩Ａ，珪砂工場より排出

一方，規定値から外れる項目は，湿分と MBされる粘土（珪砂粘土）が確認され，量はそれ吸着量であった。湿分が 1.0%を超えて，規定値

ぞれ 4 万トンと 6 万トン発生する。また，山砂
表4

利の事業所からは，掘削時に発生する泥水を沈焼結温度

殿池で分離した粘土Ａが確認された。
3.2

化学組成分析と構成鉱物の同定

化学組成と構成鉱物を表 3 に示す。試料は，

焼成温度

(℃)

1100

1150

1200

1250

試料名

18 種の砕石粉，頁岩Ａと粘土Ａ，および 2 種の

砕石粉 A

×

○

●

●

珪砂粘土について行った。

砕石粉 B

○

●

●

●

Fe2O3 の含有量は，焼成色の指標となるもの

砕石粉 C

×

○

●

●

であり，採取した砕石粉は，多いもので 8.8％

砕石粉 D

×

○

●

●

含んでいた。アルカリ成分（Na2O，MgO，K2O，

砕石粉 E

×

○

●

●

CaO）の量は，これまでの検討内容から，多い

砕石粉 F

○

○

●

●

と低い温度で焼結する傾向があることがわかっ

砕石粉 G

×

●

●

●

ている。採取した砕石粉は 7.9〜15.0％の範囲

砕石粉 H

×

○

●

●

となった。

砕石粉 I

×

○

●

●

砕石粉のほとんどは，緑泥石，石英，長石，

砕石粉 J

×

○

●

●

雲母から成っていた。砕石粉 A は長石が多く，

砕石粉 K

×

○

○

●

砕石粉 B は長石のみが同定された。

砕石粉 L

○

○

●

●

砕石粉 M

○

○

●

●

頁岩 A は主に石英と長石，粘土 A はモンモリ
ロナイトから構成されていた。

砕石粉 N

×

○

○

●

焼結温度の確認

砕石粉 O

×

○

○

●

乾式成形方法による焼結温度を表 4 に示す。

砕石粉 P

○

○

○

●

採取した砕石粉は，全て 1150℃以下で焼結し

砕石粉 Q

×

○

○

○

た。1150℃で溶融する砕石粉は，2 試料あった。

砕石粉 R

×

○

○

●

1250℃では砕石粉 Q 以外の砕石粉が溶融した。

頁岩 A

−

−

−

×

砕石粉 Q は，アルカリ成分が 7.9%と，採取し

粘土 A

−

×

○

○

た砕石粉の中で最も少ないことから，溶融する

珪砂粘土 A××○○

温度が比較的高いものと考えられる。

珪砂粘土 B×

3.3

頁岩 A は 1250℃でも焼結せず，粘土 A は1200℃で焼結した。頁岩 A のアルカリ成分は，- 41 -

×

×

×

×未焼結

○焼結

●溶融

豊田

藤野：県産砕石粉のデータベース化から外れた試料は 9 試料あった。MB 吸着量が

4

結

言

10.0mg/g を超えて，規定値から外れた試料は 6

砕石粉等の副産物の有効利用を図るため，聞試料あった。MB 吸着量が規定値から外れた砕き取り調査および窯業原料やコンクリート原料

石粉は，粘土分を比較的多く含むものと考えらとしての基礎的な性状について検討したとこれる。ＭＢ吸着量が 9.7 や 10.1 と閾値に近い砕ろ，以下のとおりであった。

石粉も確認された。

1) 県内で砕石粉を排出する事業所は 19 事業所
で，その量は年間 12 万トンであることが明

今後は，圧縮強度とフロー値および乾式の分らかとなった。

離方法等も含めた検討が必要と考えられる。

2) 長石質の砕石粉が 2 試料あることが明らか
表5

となった。

湿分，密度，ふるい残分，MB 吸着量
湿分

密度150µm ふるMB 吸着量(%)(g/cm3)い残分(%)(mg/g)

砕石粉Ａ

0.56

2.76

0.2

7.5

砕石粉Ｂ

0.69

2.68

0.9

7.6

砕石粉Ｃ

1.47

2.53

0.6

6.3

砕石粉Ｄ

0.67

2.63

2.7

14.1

砕石粉Ｅ

1.43

2.60

1.3

13.4

砕石粉Ｆ

1.20

2.67

4.6

8.1

砕石粉Ｇ

0.68

2.65

0.8

8.9

砕石粉Ｈ

2.18

2.51

0.2

14.6

砕石粉Ｉ

0.81

2.66

0.5

8.4

砕石粉Ｊ

1.62

2.58

0.5

7.7

砕石粉Ｋ

0.70

2.69

0.3

7.7

砕石粉Ｌ

0.30

2.74

0.6

4.4

砕石粉Ｍ

1.24

2.55

0.7

10.1

砕石粉Ｎ

0.97

2.62

4.2

11.1

砕石粉Ｏ

1.99

2.57

1.6

7.9

砕石粉Ｐ

1.63

2.63

2.0

12.5

砕石粉Ｑ

2.14

2.56

0.2

7.1

砕石粉Ｒ

0.88

2.58

2.1

9.7

試料名

3) 乾式成形方法で簡易的に成形して焼成した
ところ，採取した砕石粉の全てが 1150℃以下で焼結し，そのほとんどが 1250℃以下で溶融することがわかった。
4) 県内での砕石粉と砕砂の分離方法は，全て湿式であることがわかった。コンクリート用砕石粉に規定される一部の試験を行ったところ，湿式ではあるものの規定値内となる砕石粉が 7
試料あることが明らかとなった。
5) 県産砕石粉の基礎的な性状をデータベースとしてまとめることができた。

文献1) 豊田匡曜，松木和久，船山博：山形県工業技術センター報告，39(2007)44．
2) JIS A 5041：コンクリート用砕石粉(2009)
3) TR A 0015：コンクリート用砕石粉(2002)(廃止)- 42 -

有用乳酸菌の分離とその利用技術開発【平成 20 年度ものづくり企業技術開発支援受託調査（高付加価値型加工食品開発研究会）】
長俊広

石塚健

菅原哲也

村岡義之

安食雄介

Separation of useful lactic acid bacterium and development of the technology usedToshihiro CHO

Ken ISHIZUKA

Yoshiyuki MURAOKA

1

緒

言

Tetuya SUGAWARA
Yusuke AJIKI

養後の菌数を計測し，生育良好な菌株を選抜し近年，発酵食品製造における問題解決や新製た。乳酸菌数は，BCP 加プレートカウント寒天品開発を目的として，優れた特性を有する地域

培地（日水製薬製）を用い，35℃，72 時間培養

オリジナル微生物の開発研究が盛んに行われ実後に現れた黄変コロニーを計数した。

用化されてきている。発酵食品の代表的な微生2.1.2 野菜発酵試験による二次選抜物として，酵母，乳酸菌，酢酸菌などが知られている。この中で乳酸菌は，発酵による風味付

2.1.2.1 実験材料
一次選抜した乳酸菌を用いて野菜を発酵さ

与や保存性向上などに加え，バクテリオシン，

せた。野菜は，山形県産の大根（遊佐町），白GABA などの有用物質を生産することやプロ

菜（鶴岡市），赤カブ（鶴岡市）を使用した。

バイオティクス製品の中心であることから大きなお，Lactobacillus fermentum ATCC 9338，
Lactococcus lactis subsp. lactis JCM 7638 をな注目を集めている。
そこで，本研究では，山形県の代表的発酵食

用いて発酵状態を比較した。
野菜発酵試験

品である漬物の品質向上を目的として，乳酸菌

2.1.2.2

を分離・選抜し，漬物への利用を検討したので

容量 200mL の三角フラスコに，フードプロ
セッサーで粉砕した野菜 20g と水 50mL を入報告する。

れ，レトルト高圧蒸気滅菌器（平山製作所製）

2を用い，115℃で 15 分保持，冷却 30 分の殺菌

実験方法
2.1

処理を行った。これに，MRS 液体培地で 35℃，

漬物用乳酸菌の選抜

2.1.1 一次選抜

48 時間培養した保存乳酸菌培養液を 0.1mL 加

2.1.1.1 保存菌株からの乳酸菌選抜

え，シリコンゴム栓をして，35℃で 1 週間発酵

当試験場で食品等から分離，保存している酸させた。なお，菌を接種しないものをブランク

生産菌 249 株について，乳酸菌実験マニュアルとした。

に従い，カタラーゼ試験，硝酸還元試験，グ

この野菜発酵液の pH，アミノ態窒素，滴定酸

ラム染色，細胞の形態試験，グルコースからの度，L*a*b*を測定した。pH は pH メーター（東ガス発生，生育温度試験，耐塩性・好塩性試験

亜電波工業 HM-30V），アミノ態窒素はホルモを行った。乳酸菌の培養，保存には，MRS 液

ール滴定法，L*a*b*は分光側色計（コニカミノ体培地（MERCK 製）を用い，保存用の高層培

ルタ CM-2500d）を用いて測定した。

1)

地には寒天，炭酸カルシウムを加え，調製した。

2.2 乳酸菌の同定

2.1.1.2 トマトジュースでの生育試験

二次選抜した菌株の形態観察および食塩無添加トマトジュース（カゴメ製）をワ

16SrDNA(16SrDNA 遺 伝 子 )の 部 分 塩 基 配 列

ッセルマン試験管に 5mL ずつ分注し，滅菌(約 500bp)を解析し，その結果から各菌株の帰（121℃，15 分）した。この滅菌トマトジュー

属分類群を推定した。

スに高層培地で保存していた乳酸菌（以下保存2.3乳酸菌）をニードルで接種し，35℃，24 時間培

野菜発酵液をメンブレンフィルター（孔径- 43 -

有機酸組成およびアミノ酸組成

長

石塚

菅原

村岡

安食：有用乳酸菌の分離とその利用技術開発

0.45µm）で濾過し，濾液の有機酸組成と遊離ア

ドルで滅菌トマトジュースに接種，35℃，48

ミノ酸 17 種の組成を高速液体クロマトグラフ

時間培養し，トマトジュース乳酸発酵液とした。

ィーで分析した。有機酸組成は，ポストカラム

このトマトジュース乳酸発酵液 0.5mL を市販

pH 緩衝化電気伝導度検出法（島津製作所製の漬物製品に添加，15℃で保存し，１週間後，LC-9A システム），遊離アミノ組成は OPA を

2 週間後の状態を観察した。

反応試薬に用いたポストカラム蛍光検出法（島2.5.2

津製作所製 LC-6A システム）で分析した。

選抜した乳酸菌を用いて，赤カブ甘酢漬け，漬物試作

なお，定量できた有機酸の合計を有機酸量，

きゅうりピクルス試作した。赤カブ 500g に下17 種類の遊離アミノ酸の合計をアミノ酸量と漬け液（水 95g，塩 23g，リンゴ酢 40g）を加した。

え，常温で 1 日漬け込んだ。その後，甘酢（砂糖 67g，リンゴ酢 22g）に入れ，冷蔵庫で 2 週

2.4 抗菌性試験
選抜した乳酸菌の抗菌性物質生産性を検証

間漬け込んだ。これに，トマトジュース乳酸発するため， Bacillus subtilis NBRC 13722，

酵液 1mL を接種し，15℃で 1 週間保存した。

Bacillus coagulans NBRC 12583，Escherichia
coli NBRC 3301 を指標菌として抗菌性試験を

きゅうりピクルスは，熱湯で殺菌した保存ビン行った。

れ，下漬け液（塩 12g，水 600mL，乳酸菌 1g）を用い，水洗後，塩をすり込んだきゅうりを入

保存乳酸菌をニードルで滅菌トマトジュー

を加え，10℃で 3 週間漬け込んだ。下漬け後，ス 5mL に接種し，35℃，48 時間培養後，滅菌きゅうりを取り出し，地元漬物企業レシピの調（121℃，15 分）したものをトマトジュース乳味液に入れ，10℃で 10 日間保存した。また，

酸発酵液とした。また，指標菌をトリプトソー

漬け液（砂糖 20g，塩 20g，酢 400mL，水 400mL）

ヤ液体培地（日水製薬製）で，35℃で 48 時間で調製したきゅうりピクルスも同様に保存し，培養後，105〜106 個/mL に希釈したものを供試比較した。

菌液とした。抗菌性試験は，次の方法で行った。
すなわち，シャーレに濾過滅菌したトマトジュ

いずれも官能により，外観，風味に異常がな
いか確認した。

ース乳酸発酵液 0.1mL，供試菌液 0.1mL を入れ，培地を混釈，35℃で 48 時間培養後，生じ

3

実験結果および考察たコロニー数を計測した。 Bacillus subtilis ，

3.1 漬物用乳酸菌の選抜

Bacillus coagulans には標準寒天培地（日水製
薬製），Escherichia coli にはデゾキシコレー

3.1.1
3.1.1.1

ト寒天培地（日水製薬製）を用いた。

漬物に使用する乳酸菌として，ガス発生が無一次選抜試験
保存菌株からの乳酸菌選抜

なお，トマトジュース乳酸発酵液を 2.5%乳酸

いことが前提となる。また，漬物の食塩濃度は水溶液，あるいは，トマトジュース培地に代え製造工程や製品で大きく異なること，製造・販たもの，トマトジュース乳酸発酵液を加えない売過程での有害菌の増殖リスクなどを考慮し，

もの 3 区を対照とした。1 実験区当たり 3 連で食塩濃度 10%もしくは 10℃で生育することを行い，その平均値から以下の式 2)により抗菌活指標として選抜を行った。

性（%）を求めた。

最初にカタラーゼ試験陰性，硝酸還元試験陰性，グラム染色陽性で，グルコースからのガス

抗菌活性（%）＝（N1−N2）/N1×100

発生がない 50 株を選抜した。次にこの 50 株にN1：生菌数の平均値（乳酸発酵液無添加）

ついて耐塩性・好塩性試験，低温生育試験を行

N2：生菌数の平均値（乳酸発酵液添加）った。その結果，食塩濃度 10％で生育を示した
菌株は 10 株，温度 10℃で生育を示した菌株は

2.5
2.5.1

4 株であった（表 1）。この 14 株のうち，No.1072

漬物への適用試験と No.1073，No.1302 と No.1314，No.1401 と漬物製品への添加試験

選抜した乳酸菌を漬物製品 13 点に添加した

No.1405 は，分離源や形態が同じで同一と推測ときの品質変化を検証した。保存乳酸菌をニーされたため，No.1073，No.1302，No.1401 を- 44 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

表1

JCM7638

耐塩性・好塩性，低温生育試験結果

耐塩性・好塩性試験

ATCC9338

低温生育試験

食塩

生育菌株数

温度

生育菌株数

6%

48 株

5℃

0株

8%

42 株

10℃

4株

10%

10 株

15℃

48 株

No.6004
No.M17
No.K1
No.Y323
No.E910
No.6024
No.1405

表2

トマトジュース培地での生育試験結果

菌株 No

No.1314

乳酸菌数（個/mL）

No.11110日

1日

No.11011025

1.1×107

6.0×108

No.10721072

8.0×106

4.0×107

No.10251101

4.0×106

1.2×108

ブランク

1111

7.4×105

8.0×106

0

200

400

600

800

滴定 酸度， mg/100mL

1314

6.0×105

1.3×1081405

1.1×106

6.0×1076024

3.0×106

1.2×108

JCM7638E910

2.5×105

9.0×107

ATCC9338

Y323

3.6×106

2.5×107No.6004

K1

1.1×1072.0×108

No.M17M17

4.0×106

8.0×107

No.K1

1120

1.3×106

7.0×105

No.Y3236004

5.0×107

5.0×108

No.E910

図2

白菜発酵液の滴定酸度No.6024
No.1405
JCM7638

No.1314

ATCC9338

No.1111

No.6004
No.M17

No.1101

No.K1

No.1072

No.Y323

No.1025

No.E910

ブランク

No.60240No.1405
No.1314

図3

No.1111

2

4

6

8

10

12

a*

赤かぶ発酵液（7 日後）の a*値

No.1101
No.1072
No.1025

除いた 11 株を選んだ。また，当試験場で分離・ブランク

選抜し，保存していたバクテリオシン生産菌 2
0

0.005

0.01

ア ミ ノ 態 窒 素 ， g/100mL

図1

0.015

株(No.1120，No.6004)も本研究の選抜指標を満たしており，これを加えた 13 株を選抜した。

大根発酵液のアミノ態窒素- 45 -

長

表3

石塚

菅原

村岡

安食：有用乳酸菌の分離とその利用技術開発

大根発酵液の乳酸菌数変化

菌株 No

3.1.2

野菜発酵試験による二次選抜

乳酸菌数/g

乳酸菌数/g

すべての乳酸菌が，漬物の風味や品質向上に

（0 日）

（7 日）

寄与するものではない。そこで，一次選抜した

1025

3.5×106

5.7×108

乳酸菌を野菜に添加しとき，異常を引き起こす1072

1.7×106

3.6×108ことがないかを検証するため，野菜発酵試験を

1101

2.1×105

2.1×108

行った。野菜は，本県の漬物用野菜として代表

1111

1.1×105

2.3×1081314

1.5×106

6.4×1081405

1.3×106

4.1×1086024

9.4×105

8.9×107

アミノ態窒素，滴定酸度，L*a*b*を測定した結E910

1.8×105

1.6×108

果，同じ菌株でも野菜によりアミノ態窒素や酸

Y323

3.1×105

3.1×107

生成量が大きく変化することが分かった。このK1

1.5×106

1.6×108

ことから，乳酸菌を漬物に使用する場合，原料

M17

2.0×106

8.7×107

野菜に対する乳酸菌の適性があることが示唆さ

1120

2.8×105

102 以下れた。アミノ態窒素は，分析結果で特徴的だっ

6004

4.5×106

4.8×107

ATCC9338

5.2×105

1.6×105

JCM7638

1.1×106

1.4×106

的な大根，白菜，赤かぶを使用した。
野菜発酵試験の結果，官能では全ての試験区
で外観異常や異臭の発生など，問題となる変化はみられなかった。この野菜発酵液について，たのは大根発酵液で，No.1072，No.1101 のア
ミノ態窒素生成量が他の菌株に比べて多く（図1），大根原料の漬物の旨みを増すことができる可能性がある。また，滴定酸度の分析結果で特徴的だったのは白菜の滴定酸度で，No.1405，

乳酸菌の同定結果

No.E910 の滴定酸度が低く（図 2），酸味の少菌株 No推定される帰属分類群

ない漬物が製造可能と考えられる。L*a*b*は，

E910

Pediococcus ehanolidurans に 近 縁 な

大根と白菜では乳酸発酵に伴う変化はほとんど

Pediococcus sp.

なかったが，赤かぶ発酵液で a*が増加した。特

表4

M17

Lactobacillus paraplantarum

1072

Pediococcus parvulus

1101

Lactobacillus paracasei

1405

Pediococcus parvulus

6004

Lactobacillus

pentosusに No.M17 の a*の増加が著しく（図 3），鮮やかな赤色の赤かぶ漬けの製造が可能と考えられる。野菜発酵液の乳酸菌数を測定した結果，白菜では供試菌株すべて良好な生育を示したが，赤かぶと大根では，ATCC9338，JCM7638 のまた

生育が悪かった。特に大根ではその傾向が顕著

は

L.plantarum

で，ATCC9338 は減少，JCM7638 は増殖しなかったが，他の菌株は 10〜1000 倍に増えた（表トマトジュースでの生育試験

3）。大根の辛味成分には抗菌性があることが乳酸菌培養液を漬物に添加する場合，食品に知られており 3)，菌株毎にこの辛味成分への感使用可能な培地であることが必要である。そこ

受性が異なることや栄養要求が異なることが，で，品質が安定，通年入手可能，乳酸菌の生育
支持成分を含む，漬物に添加しても風味を損な生育に影響を及ぼしたと考えられる。
以 上 の 結 果 か ら ， No.1072 ， No.1101 ，わないことなどを考慮し，トマトジュースを培

No.1405，No.E910，No.M17，バクテリオシン

地とすることとした。そこで，保存菌株から選生産菌である No.6004 の計 6 株を二次選抜し抜した 13 株について，トマトジュースでの生た。

3.1.1.2

育試験を行った。

3.2

乳酸菌の同定

その結果，No.1120 以外すべてトマトジュー

二次選抜した 6 株の形態観察と遺伝子解析のスで生育を示した（表 2）。このことから，

結果，Lactobacillus 属が 3 株，Pediococcus 属

No.1120 を除く 12 株を一次選抜株とした。

が 3 株であった（表 4）。
- 46 -

山形県工業技術センター報告 No.41 (2009)

3.3

60

有機酸組成およびアミノ酸組成

野菜発酵液の有機酸組成を分析した結果，最なく，使用する野菜と乳酸菌の組み合わせにより，生成する有機酸量が変化することが分かった（図 4〜6）。有機酸量を比較すると，大根発酵液では，No.1101，No.M17，白菜発酵液では，アミノ酸量， mg/100mLも多いのは乳酸で，その他の有機酸は非常に少

50
40
30
20

No.1101，No.M17，No.6004 が高い値を示した。

10

赤かぶ発酵液では，No.6004 の酸生成量が他の0ブランク菌株に比べて非常に少なく，赤かぶ中ではほと

図7

ピログルタミン酸
酢酸
乳酸
リン酸
その他の有機酸

E910

M17

6004

大根発酵液のアミノ酸量

100

300
有機酸量， mg/100mL

1405

120

アミノ酸量， mg/100mL

350

1101

菌株No

んど増殖しなかった可能性がある。
400

1072

250
200
150

80

60
40

100

20
50

0

0
ブランク

1072

1101

＊ブランクは滴定酸度のデータ

図4

1405

E910

M17

1101

大根発酵液の有機酸組成

E910

M17

6004

図8

白菜発酵液のアミノ酸量140
ピログルタミン酸
酢酸

400

乳酸
リン酸

350

その他の有機酸120

アミノ酸量， mg/100mL

450

300
250
200
150
100
50

100
80
60
40
20
0

0
ブランク

1072

1101

1405

E910

M17

ブランク

6004

1072

1101

図5

1405

E910

M17

6004

菌株No

菌株No

白菜発酵液の有機酸組成

図9

赤かぶ発酵液のアミノ酸量12450
ピ ロ グ ル タ ミ ン酸
酢酸
乳酸
リン酸
その他の有機酸

108

アミノ酸量， mg/100mL

2

ブランク

1072

1101

1405

E910

M17

菌株No

図6

赤かぶ発酵液の有機酸組成

Arg

NH3

His

Lys

Phe

Tyr

GABA

Ile

Leu

Val

Met

-2

0

Ala

0

50

Cys

100

4

Gly

150

Pro

200

6

Ser

250

アミノ酸量＝発酵液アミノ酸量−ブランクアミノ酸量

Glu

300

Thr

350

Asp

400

有機酸量， mg/100mL

1405
菌 株No

菌 株 No500

有 機 酸 量 ， m g /100m L

1072

ブランク

6004

6004

-4

図 10
- 47 -

赤かぶ発酵液(No.1072)のアミノ酸生成

長

石塚

菅原

村岡

安食：有用乳酸菌の分離とその利用技術開発

また，遊離アミノ酸分析の結果，菌株により生成するアミノ酸量，組成が異なること，選抜

分あるいは乳酸が， E.coli の生育を阻害したものと考えられる。

した 12 株の中では特に No.1072 のアミノ酸生

3.5

成量が多いことが分かった（図 7〜9）。No.1072

乳酸菌を接種した製品は，乳酸菌の接種が原以外の 11 株のアミノ酸量はブランクより低く，因となる異常は発生しなかった。特に酢漬けでアミノ酸が栄養源として消費されたと考えられ

は外観，においとも 2 週間経過しても変化が見る。図 10 は，赤かぶ発酵液（No.1072）のアミられなかった。浅漬けは，賞味期限時点で，乳ノ酸量から赤かぶ発酵液（ブランク）のアミノ酸菌の接種の有無にかかわらず膨張，液汁の濁

酸量を差し引いたものである。この結果から，りが見られた。また，選抜した乳酸菌を使用しNo.1072 は赤かぶ発酵液では旨み成分であるて試作した赤かぶ漬けは，官能では，外観，にAsp，Glu，甘み成分である Thr が生成しておおい，味など品質に異常はなく，良好な品質でり，漬物の旨みを増す可能性が示唆された。

あった。さらに，地元企業と連携し，きゅうり

漬物への適用試験

ピクルスの試作品を作成し，官能試験を行った。
表5

抗菌性試験結果

その結果，No.1072 を使用したものは酸味が抗菌活性（%）

少なく，旨みが他の菌株に比べて強かった（表

1072

1101

1405 E910

M17

6004

乳酸

トマト

6）。比較のため，乳酸菌に代えて酢を使った

B.subtilis

31.5

25.1

-0.2 -38.6

6.9 -25.1 -22.3-45.1

ものは，酸味が強く好まれなかった。No.1101，

B.coagulans

-0.3

-2.9

2.6

-0.3

-0.8

-0.9

-3.5

-4.7

E.coli

No.E910 は，酢を使ったものより pH が低いに

37.2

31.9

41.4

4.3

51.1

44.7

26.6

13.8

もかかわらず，酸味が弱くまろやかであった。
漬物は，多種多様で複雑な多成分系であるた

表6

きゅうりピクルス官能検査，pH 測定結果

め，乳酸菌の効果を発揮させるには，製品毎に

菌株 No

酸味

旨み

pH

最適な菌株を選定もしくは使用条件を設定する

1072

C

A

3.83

必要がある。実用化に向けて，漬物の種類別に

1101

C

C

3.31

相性を検討していく必要があると思われる。

1405

C

C

3.91

E910

C

E

3.41

4

結

言

M17

C

E

3.71

1)乳酸菌に組み合わせる野菜が異なると，発酵

6004

C

B

3.62

液のアミノ酸と有機酸の含有量，組成が変化す

なし

C

C

4.24

ることが分かった。

酢

A

E

3.52

2)No.1072 は，旨み成分である Asp，Glu，甘み成分である Thr を生産することが分かった。

A：強い B：やや強い C：普通 D：やや弱い E：弱い

3.4

3)No.1072，No.1101，No.M17 の発酵液は，

B.subtilis の生育を抑制した。

抗菌性試験

抗菌性試験の結果を表 5 に示した。No.1072，
No.1101，No.M17 は，B.subtilis に対する抗菌性を示した。 B.subtilis は，穀類や野菜など自然界に普遍的に存在しており，原料から製品に謝

辞

この研究は，高付加価値型加工食品開発研究会からの受託調査により行われたものです。

移行し，加工食品でしばしば問題を引き起こす
ことが知られている。漬物でも同様のことが起こりうるが，No.1072，No.1101，No.M17 の発酵液の添加により，漬物の保存性を向上できる
可能性がある。また，ブランクを含めすべての試験区で E.coli に対する抗菌性が確認されたが，これは試験液に使用したトマトジュース成文献1) 内村泰，岡田早苗：乳酸菌実験マニュアル，
1992，P1-73
2) 土 田 廣 信 ら ： 日 本 食 品 科 学 工 学 会 誌 ，
55(2008)，P606-611
3) Yasushi UDA ら：日本食品工業学会誌，
40(1993)，P801-806- 48 -

山形 県工 業技 術セ ンター 報告 No.41 (2009)

抄

録

/

術は廃液からのニッケル回収に有効な技術とし論 文 発 表て期待される。
＊（独）産業技術総合研究所

切断砥石による石英ガラスの高品位溝加工に関する研究江端潔

本多啓志 ＊半田賢祐

田中善衛

砥粒加工学会誌 Vol.53 No.1 2009 JAN 35-38
極微粒レジンボンドダイヤモンド切断砥石に

ラ・フランス果汁およびアルコール−
エステル混合水溶液のヘッドスペース
GC分析における塩析効果

よる石英ガラスの溝加工において，砥粒の埋没

飛塚幸喜

安食雄介

野内義之

現象と摩滅摩耗現象を利用することで，切れ刃

日本食品工学会誌 ,10,3,155-162（ 2009）
ラ･フランス果汁およびアルコール−エステの高密度化と切れ刃高さの整列を同時に行うこル混合水溶液に飽和量の塩化ナトリウムを添加とができた。
この切断砥石を用いて溝を加工したのち，被して，静的ヘッドスペース GC 法および固相マ

加工物を斜めに研磨して溝底面の残留き裂深さ

イクロ抽出 GC 法で分析し，香気成分の検出感を調べ，この 5 倍を仕上げ代として研削する度の変化を計測した。

ことで，溝底面粗さ 23nmRa を得た。また，

ラ・フランス果汁，アルコール−エステル混

送り速度を低くすることにより，仕上げ加工な合水溶液とも，塩化ナトリウムを添加すること

しでも底面粗さ 21nmRa，側面粗さ 7nmRa のにより，ほぼ全ての香気成分の検出感度が向上

微細角溝を得ることができた。

した。塩化ナトリウムの添加による検出感度の＊東ソー・クォーツ株式会社

向上は，アルコールでは分子量が大きいものでより大きく，エステルでは逆に分子量が小さい
ものでより大きくなる傾向が見られた。

Solvent extraction recovery of nickelfrom spent electroless nickel plating
baths by a mixer-settler extractor
田中幹也 *

Y.Huang*

佐藤祐美子 *

矢作徹 M.K.Hossain*

成田弘一 *

Separation and Purification Technology,62,97（2008）
無電解ニッケルめっき廃液の取り扱いについては、環境保護やニッケルの再利用という点から関心が高い。廃液からのニッケル回収システ
ムを確立するため、ミキサーセトラーを用いてニッケルの連続抽出と分離実験を行った。ニッケルの抽出剤としては疎水性キレート試薬である LIX84I、また加速剤として酸性有機リン化合物である PC88A を用いた。抽出及び逆抽出
効率は水相と有機相の流速の影響を受け、そのメカニズムはミキサー内の流動特性及び抽出の化学量論関係に基づき定性的に議論された。ニッケルの抽出は向流３段の操作で 99.9%に 達し、また逆抽出においては向流２段で 98.4 ％となり、高濃度（ 0.49 kmol/m3）の硫酸ニッケ
ル溶液が得られた。この連続抽出及び逆抽出技- 49 -

抄

液 に 非 イ オ ン 性 界 面 活 性 剤 Tween20

録 / 口 頭 発 表（Polyoxyethylene Sorbitan Monolaurate） を添加したときの特性を調べた。TMAH 15, 20,

ダイヤモンド平バイトによる単結晶シリコンの高能率旋削加工技術の開発
齊藤寛史
日本機会学会 2009 年度年次大会（2009.9.14）
近年，加工機が高精度化したことに伴い，脆性材料の切削加工に関する研究が行われている。その結果，適切な加工条件下では，延性的な加工が可能であることが明らかとなってきた。しかし，一刃あたりの切取り厚さを小さくする必要があるため，加工能率が課題のひとつである。本研究は，単結晶シリコンの切削加工における加工能率改善を図るため，切込み量を25wt.％に Tween-20 を 0.01, 0.1, 1.0vol.％添加
した場合は、(111)面の他に (100)面に対して 45°傾斜した (110)面が形成され、 TMAH 25wt.％のみの場合は (111)面の他 (100)ウェハ面に対して90° で切り立った (001)面が形成される。 (110)面の表面粗さは TMAH 20wt.％で最も小さく、Tween20 添加量 1.0vol.％の時に Ra が 4.5nm
で最小であった 。(001)面は、TMAH 25wt.％ 、Tween20 無 添加の条件でのみ形成可能で Raは 3.9nm であり、いずれの面も表面粗さが小さいことから、微小反射光学系デバイスへの応用が期待できる。

大きくとる加工方法を検討した。

超精密研削加工における超砥粒ホイー
ル
松田丈

金田亮

田中善衛

岩松新之輔，阿部泰，渡部善幸，小林誠也
第 18 回化学とマイクロ・ナノシステム研究会（2008.12.8）

日本機械学会 2009 年度年次大会(2009.9.14)
超硬合金製ガラスレンズ金型を研削加工のみで鏡面にすることを目的とし ， レジンボンド
ダイヤモンドホイールの加工作用面を円弧断面形状に機上成形する方法の検討を行った。砥石
軸とツルア軸が直交な場合 ， 平行な場合およびカーブジェネレータ方式の 3 つの場合で成形を行った結果 ， 成形可能な曲率と成形精度から平行な場合が有効であった。さらに ， 成
形した砥石で超微粒超硬合金を非軸対称形状に加工し ， 形状精度 0.2

マイクロチャネル型反応管を用いた有機物分解・検出システムの開発µm および加工面粗さ

10nm を得た。

超純水の管理指標として全有機炭素量が用いられている。一般に超純水製造装置では、簡易な構成で連続分析が可能である紫外線酸化・導電率測定方式が採用されている。その中で有機物分解・検出部は、紫外線照射により有機物を分解する石英製反応管と導電率センサにより構成されているが、石英製反応管の小型化や難分解性物質の酸化効率の向上が課題として指摘されている。そこで本研究では、石英基板上にマイクロチャネル型反応管と微小櫛形電極を集積した有機物分解・検出システムの開発とマイク
ロチャネル内での導電率測定及び有機物分解特性の評価を行った。

Tween20 を添加したTMAHによる（ 110）
単結晶シリコンの結晶異方性エッチン
グ

赤外干渉計用マイクロレンズの光学特
性評価

渡部善幸

阿部泰

岩松新之輔

小林誠也

阿部泰

渡部善幸

岩松新之輔

2009 春季第 56 回応用物理学関係連合講演会

高橋義行

村上穣

佐藤敏幸

（2009.3.30）

平成 21 年電気学会全国大会（ 2009.3.18）(100)単結晶 Si ウェハの結晶異方性エッチングにおいて、ベースエッチング液の TMAH 水溶小林誠也

レジストのリフローと RIE によって作製した Si レンズと、弱露光プロセスにより作製し- 50 -

山形 県工 業技 術セ ンター 報告 No.41 (2009)

た SU-8 レンズの集光特性を評価した。理論値（2009.2.18）と比較した最小のビーム径は、 Si レンズで約ステンレス鋳鋼品を生産している企業で，熱1.4 倍〜 2 倍、 SU-8 レンズで約 1.2 倍〜 5 倍で間割れと考えられる不良が多発した。社内の成あった。曲率半径が小さい場合、ビーム径が理分検査では特に異常は確認されず，また，この論値と大きく異なった。

不良品を戻り材として使用しても割れが発生しないロットがあるなど対応に苦慮していた。
ICP 発光分光分析装置や EPMA による解析のプリハードン鋳鋼を用いた新しい温調
金型

結果，ほう素の混入が原因であると推定された 。

中野哲生を確認した。その後，再発防止に有効な対策

日 本 鋳 造 工 学 会 東 北 支 部 第 40 回 宮 城 大 会を講じることができた。

企業とともに検証実験を行ったところ割れの発(2009.6.23)
鋳造材料ではあるが市販金型材に匹敵する材料性能を持つ新規金型材料により，従来の金型
材料と機械加工の組合せでは実現困難な，温調管を「より近く，より多く，より均等に」配置する技術を構築した。温調管を理想的な場所に配置することで，複雑 3 次元形状を高精度に成形するとともに，冷却時間の短縮等，従来の金型が抱える課題の解決を目指した。

水への分散性改善を目指したカーボン
ナノチューブのマイクロ波処理
藤野知樹

鈴木庸久

加藤睦人

佐竹康史

齊藤寛史

小林誠也

溶融アルミニウム合金めっき処理を施した鋳鉄の合金層の形成と耐酸化性
松木俊朗 菅井和人 槙寛 堀江皓 *鋳造工学， 81， 344-350(2009)
鋳鉄への溶融アルミニウムめっき処理により形成した鉄 -アルミニウム系合金層を加熱したときの性状変化と，めっき処理材の耐熱性を調べた。
大気中での加熱試験の結果，めっき処理した試験片ではめっき処理を施さない鋳鉄材と比較
して酸化増量が小さくなり，耐酸化性が向上す
ることがわかった．

三井俊明

めっき処理により鋳鉄表面に形成した主にFe2Al5 からなる合金層は，高温保持の際の表第 22 回 ニ ュ ー ダ イ ヤ モ ン ド シ ン ポ ジ ウ ム

面アルミニウムと鉄との拡散反応により厚くな（2008.10.21）

った。 1073 K での保持により成長した合金層

一般に CNT は水系溶媒，特にめっき液等のの組成は主に Fe2Al5 であった。 1273 K の保持

電解質溶液中では凝集しやすく，界面活性剤をでは Fe2Al5， FeAl， Fe3Al 及び Fe3AlC0.5 から添加することによって液中での分散性を維持さなる複合組織が得られた。

せている。界面活性剤によるめっき被膜への影*岩手大学工学部

響を除去するためには，めっき液中における分散性の改善が必要である。 CNT へ水酸基を修飾することによって水への分散性を改善することを目的に，酸存在化でのマイクロ波処理を行い，処理条件が粒径分布，CNT 回収率 (残存率 )及び形状に及ぼす影響を比較した。

静的ヘッドスペースガスクロマトグラ
フィー法による香気成分分析における
塩析効果
飛塚幸喜

安食雄介

野内義之

2009 年日本農芸化学会（ 2009.3.28）
静的ヘッドスペース GC 法による香気成分分

鋳鋼の熱間割れについて
藤野知樹

山田享

佐藤昇

析における塩析効果について検討した。ラ･フ
加藤睦人

鈴木剛

ランス果汁およびアルコール−エステル混合水

松木俊朗

溶液に飽和量の塩化ナトリウムを添加したとこ

第 17 回 日 本 鋳 造 工学 会 東 北 支 部 YFE 大 会

ろ，ほぼ全ての香気成分の検出感度が向上した 。

- 51 -

測定した成分のうち最も大きく検出感度が向上

石川千暁 *

したのは 1-ヘプタノールで，GC ピーク面積値

第 10 回日本食品工学会（2009.8.1）

が約 18 倍となった。アルコールでは分子量が新しい天然香料素材としての利用を目的に，大きいものほど，エステルでは逆に分子量が小山形県を代表する果実であるラ・フランスから

さいものほど検出感度が大きく増加する傾向が得られる香気成分について，逆浸透膜による濃見られた。

縮を検討した。平膜を装備したテストセルでラ・フランス果汁減圧蒸留凝縮水を約 10 倍に濃縮し，香気成分の定量を行った結果，成分によ

界面前進凍結濃縮法によるラ･フラン
ス香気成分の濃縮
飛塚幸喜

安食雄介

野内義之

り溶質阻止率に差があることを確認した 。また ，性能が異なる 3 種類の逆浸透膜について，それぞれの溶質阻止率を確認できた。

宮脇長人 ＊＊株式会社果香

第 10 回日本食品工学会（2009.8.1）
ラ・フランス果実香気成分の濃縮における界面前進凍結濃縮法の有効性について検討した。
む凝縮水を採取し，これを界面前進凍結濃縮しテクスチャー試験における測定速度の影響た。体積比で約 11.5 倍濃縮し，濃縮液および

野内義之

氷結晶に含まれる主な香気成分（エステル，ア

第 56 回日本食品科学工学会（ 2009.9.12）

ラ･フランス果汁を減圧蒸留して香気成分を含佐々木朋子 ＊

神山かおる ＊

ルコール，アルデヒド）を定量したところ，氷

食品用圧縮試験機 4 機種を用いてテクスチ結晶に取り込まれた香気成分はわずかであり，

ャー試験における測定速度の影響を検討した。

ラ・フランス香気成分は効率良く濃縮されるこ測定試料として物性の異なる数種のゲルおよびとがわかった。

ゾルを調製し，測定速度 1mm/s， 10mm/s の 2＊石川県立大学生物資源環境学部

条 件 で 測 定 し た 。 測 定 速 度 1mm/s に 比 べ ，10mm/s では機種の違いによる測定値の差が顕著に現れた。これは 10mm/s では試験動作に

界面前進凍結濃縮法による香気成分水
溶液の濃縮
飛塚幸喜

安食雄介

神谷勇一郎 ＊

野内義之

よる試験機への負荷が大きいためと考えられる。
＊独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構

早川喜郎 ＊

食品総合研究所

宮脇長人 ＊＊

第 10 回日本食品工学会（2009.8.1）
西洋ナシの主要な香気成分である，エステル（3 種類），アルコール（3 種類）およびアルデヒド（ 2 種類）を各 20mg/L 濃度に溶解させた水溶液 350kg を調製し，これを界面前進凍結
濃縮した。重量比で約 2.7 倍濃縮したところ，
氷結晶に取り込まれた香気成分は投入量の 1%未満となり，極めて効率良く濃縮されることが五員環ジチオカーボナート構造をもつ
メタクリル系コポリマーと末端アミノ化ポリマーの反応による両親媒性グラ
フトコポリマーの合成とその応用
平田

充弘

落合

文吾 ＊

遠藤

剛＊＊

第 58 回高分子学会年次大会（ 2009.5.27）

わかった。

五員環ジチオカーボナート構造をもつメタク＊カゴメ株式会社総合研究所

リル系コポリマーを，片末端アミノ化ポリエー＊＊石川県立大学生物資源環境学部

テルと反応させ，両親媒性グラフトコポリマーの合成を行った。ポリマーは，収率 85 ∼ 99%
で得られ，数平均分子量は 48100 ∼ 60200 で

ラ・フランス香気成分の逆浸透膜濃縮
安食雄介

飛塚幸喜

野内義之

小林康弘 *

あった。また，グラフトコポリマーのフィルムの水に対する接触角は， 39 ∼ 76 ° を示し，ポ- 52 -

山形 県工 業技 術セ ンター 報告 No.41 (2009)

リエチレンオキシド鎖の含有量に応じて増加す
ることが分かった。
＊山形大学工学部機能高分子工学科＊＊近畿大学分子工学研究所- 53 -

研究成果広報委員
高

橋

佐

藤

丹

野

中

野

向

誠

小

関

敏

彦

敏

幸

高 橋

勝

弘

裕

司

金

内

秀

志

哲

渡

辺

健

弘

石

塚

健

俊

山形県工業技術センター報告

No.41（ 2009）2010 年（平成 22 年）3 月
発

行 山形県工業技術センター〒 990-2473
山形市松栄二丁目 2 番 1 号
Tel. (023)644-3222

印

刷 株式会社 大風印 刷