Research Reports of Nagoya
Municipal Industrial Research Institute

ISSN 0369-3333
CODEN:NASKAR

名古屋市工業研究所
研

究

報

告

N o .１００

2 0 1 5名古屋市工業研究所

名 古 屋 市 工 業 研 究 所
研

究

報

告

No.100(平成 27 年)
目
次
論文
1.

電子制御機器の設計効率化に関する研究··································· 梶田欣、高橋文明、近藤光一郎、井谷久博、岩間由希 ·········12.

非接触三次元デジタイザを用いた製品評価技術に関する研究····································· 真鍋孝顕、松下聖一、山田博行、児島澄人、深谷聡 ·········73.

メチルトリエトキシシランを用いた透明無機バインダーの作製とその応用························· 小野さとみ、岸川允幸、柘植弘安、川瀬聡、川中洋和、津田博洋 ········ 114.

ステンレス鋼鋳鋼品(SCS5)の共同分析結果······································· 野々部恵美子、大橋芳明、柴田信行、小野さとみ ········ 15

技術ノート
1. 頭部保護緩衝材の衝撃吸収性能評価························································· 奥田崇之、坂崎克秋、堀公子 ········ 19
2. 走査電子顕微鏡による樹脂めっきの密着性評価··········································································· 浅野成宏 ········ 21

既発表論文抄録
1.

ニッケルめっき処理炭素繊維をトレーサーに用いた X 線 CT による炭素繊維強化樹脂(CFRP)の繊維配向観察························名倉あずさ、岡本和明、伊藤清治、今井祐介、島本太介、堀田裕司 ········ 24

2.

3,6-ジブロモ-1,2-ベンゾキノンジイミン配位子を持つルテニウム錯体の合成およびこの錯体と有機スズお
よび有機ホウ素化合物とのクロスカップリング反応··············································· 小泉武昭、林英樹、塩崎史穂、山本隆一 ········ 25

3.

ジステアリン酸アルミニウム塩と脂肪酸との混合物を用いた超はっ水表面の作製······················································· 中野万敬、秋田重人、山中基資 ········ 26

4.

プルシアンブルー担持酸化タングステンのアセトアルデヒド分解反応における光触媒性能············································· 岸川允幸、柘植弘安、川瀬聡、小野さとみ ········ 27

5.

極限環境下でも安定な超疎媒表面の開発
Daniel F. MIRANDA、浦田千尋、Benjamin MASHEDER、Gary J. DUNDERDALE、八木橋信、穂積篤 ········ 28Research Reportsof
Nagoya Municipal
Industrial Research InstituteNo.100(2015)
CONTENTS
Papers1.

Improvement of Electronic Control Equipment Design···· Yasushi KAJITA, Fumiaki TAKAHASHI, Koichiro KONDO, Hisahiro ITANI and Yuki IWAMA ·········1

2.

A Study on Product Evaluation using Non-contact 3D Digitizer······························· Takaaki MANABE, Seiichi MATSUSHITA, Hiroyuki YAMADA,··················································· Sumito KOJIMA and Satoshi FUKAYA ·········73.

Preparation of Transparent Inorganic Binder using Methyltriethoxysilane and its Application···································· Satomi ONO, Nobuyuki KISHIKAWA, Hiroyasu TSUGE,································· Satoru KAWASE, Hirokazu KAWANAKA and Hiroumi TSUDA ········ 114.

Results of Co-operative Analysis of Corrosion-resistant Cast Steel (SCS5)······················Emiko NONOBE, Yoshiaki OHASHI, Nobuyuki SHIBATA and Satomi ONO ········ 15

Technical Note1.

Shock Absorption Evaluation of the Head Protection Buffer Materials·································· Takayuki OKUDA, Katsuaki SAKAZAKI and Kimiko HORI ········ 192.

Adhesion Evaluation of Metal Plating on Plastics by Scanning Electron Microscope····································································· Narihiro ASANO ········ 21

Abstracts of Papers Published in Other Formals
1.

The Ni-plated Carbon Fiber as a Tracer for Observation of the Fiber Orientation in the Carbon Fiber
Reinforced Plastic with X-ray CT······································ Azusa NAGURA, Kazuaki OKAMOTO, Kiyoharu ITOH,······································ Yusuke IMAI, Daisuke SHIMAMOTO and Yuji HOTTA ········ 24

2.

[Ru(bpy)2(bqdiBr2)](PF6)2

Bearinga3,6-dibromo-1,2-benzoquinone

Diimine

Ligand(bqdiBr2=

Br-C6H2(NH)2-Br): Synthesis and its Cross Coupling Reactions with Organostannanes and Organoboronic
Acids··············· Takeaki KOIZUMI, Hideki HAYASHI, Shiho SHIOZAKI and Takakazu YAMAMOTO ········ 25
3.

Fabrication of Superhydrophobic Surfaces from Mixtures of Aluminum Distearate and Fatty Acids via
Intermediate Organogel Formation······························· Kazunori NAKANO, Shigendo AKITA and Motoshi YAMANAKA ········ 26

4.

Photocatalytic Performance of Prussian Blue-loaded Tungstern Oxide for Photodegradation of
Acetaldehyde····················Nobuyuki KISHIKAWA, Hiroyasu TSUGE, Satoru KAWASE and Satomi ONO ········ 27

5.

Physically and Chemically Stable Ionic Liquid-infused Textured Surfaces Showing Excellent Dynamic
Omniphobicity······························· Daniel F. MIRANDA, Chihiro URATA, Benjamin MASHEDER,···························· Gary J. DUNDERDALE, Makoto YAGIHASHI and Atsushi HOZUMI ······· 28

研究報告No.100

発行によせて名古屋市工業研究所 所長

平 野 幸 治名古屋市工業研究所研究報告は、本号をもって No.100 の発行となりました。
この研究報告は、昭和 24 年 8 月に「名工研所報」（四季刊）として No.1 が創刊され、その後、昭和 27 年 2 月から「名古屋市工業研究所研究報告」と発行名を変更し、本年度の発行号にて No.100 となります。創刊から No.100 までの「名古屋市工業研究所研究報告」発刊に携わった執筆者の方々、編集者の方々と読者の皆様に改めましてお礼を申し上げます。
名古屋市工業研究所は、名古屋市工業指導所として昭和 12 年 7 月に業務を開始して以来、戦後の復興、高度成長、バブル崩壊、リーマンショックなど、目
まぐるしい経済・社会情勢の変遷のなか、一貫して地域の中小企業の技術支援、技術者育成支援につとめてまいりました。
この研究報告の発行についても、工業研究所が保有する技術シーズをもとにした研究成果を広く情報発信することで、中小企業の振興・発展に寄与、貢献
してきたものと考えております。これからも引き続き、地域の中小企業の技術力向上につとめてまいる所存です。
「名古屋市工業研究所研究報告 No.100」の発行にあたり、今後とも当所に対する一層のご理解とご協力のほど、お願い申し上げます。

No.100(2015)
論文

1

電子制御機器の設計効率化に関する研究
梶田欣、高橋文明、近藤光一郎、井谷久博、岩間由希
Improvement of Electronic Control Equipment Design
Yasushi KAJITA, Fumiaki TAKAHASHI, Koichiro KONDO, Hisahiro ITANI and Yuki IWAMA
Abstract ： Three dimensional numerical analysis is utilized for thermal design of electronic devices. In this calculation, it isimportant to make an optimum analysis modeling for electronic components. But, it is often case that an inner structure ofelectronic components is imprecision.

So, we conducted a method to make a detail thermal modeling for electronic

components by thermal transient tests. As a result, the simulation model of the electronic components matches experimental
results very well. This method is considered of value for the efficiency improvement of electronic device design.

１．緒 言

このような理由から電子部品・電気部品を利用してい昨今はハイブリッドカー、電気自動車等が急速に普及る機器の熱対策は重要であるが、昨今は機器の小型化がし、電子制御機器は非常に多く利用されている。自動車

要求されているため放熱は難しくなっている。放熱を増等輸送機器は高度な安全性が求められるため、誤動作・やすには表面積を増やすことがもっとも簡単な方法であ

故障の対策が重要である。一般に電子部品、電気部品はるが、機器が大型化するために製品設計上は許容されに熱には弱いものが多い。一方で大電流を利用することがくい。特に、自動車に搭載される様々な電子機器は非常多くなってきたため、それら自身が多くの熱を発生させ、に数が増えているが、放熱を理由に居住スペースを減らそれによって誤動作や故障を引き起こすことがある。すす、あるいは自動車を大型化するということはほぼ不可

ぐに故障がおこらないとしても、寿命が短くなることが能であり、設計上の工夫で限られたスペースに詰め込ま多い。たとえば、図 1 はメーカーが公表している電解コ

なければならない。

ンデンサの温度と寿命の関係である。温度が 10℃高くなると寿命が半減することがわかる。

厳しい制約の中で、電子機器が適切に動作できるように各部品の目標温度を定めて設計を行う熱設計が重要になっている。電子機器の熱的な制約がそれほど厳しくな
かった頃は、試作後に不具合が生じてもヒートシンクの追加などの後対策で問題を解決することが可能であった。
しかし、現在の設計環境ではヒートシンクを追加するス
ペースがなく、設計のやり直しになってしまい、時間、コストが無駄になる。そのようなことをなくすために試作前に計算で適切に温度を予測して設計する必要がある。
電子部品・電気部品の温度を事前に予測するために 3次元熱解析を利用することが多くなり、モデルの作成指針はある程度確立されてきたが 1) - 3)、必要となる入力情報を入手する手段は確立されていない。熱解析を行うた
めには事前に発熱部品の形状、発熱量、熱物性値に関す

図1

コンデンサの寿命と周囲温度の関係（ニチコンの技術資料より）る情報が必要である。部品メーカーが外部形状を公開す
ることは多いが内部構造に関する情報は通常提供されない。発熱量は部品の動作内容によって異なるため、部品No.100(2015)2

メーカーには把握できない。熱物性値はメーカー自身がを測定することによって、k-factor を利用して温度変化把握しきれないこともあり、更に材料メーカーまで遡るに換算することができる。これらの測定は連続的に多数ことになる。また、材料間の接続部に発生する接触熱抵のデータを記録するため、フィルタ処理などを行うこと

抗に関しては材料メーカーも当然わからない。

が可能になり相対的に精度が高くなる測定方法である。

そこで、本研究では電子機器の設計効率化に関して、測定後に冷却時の温度変化を数学的演算によって熱抵設計時に適切に温度を予測するための解析モデルの作成

抗と熱容量の関係に変換した構造関数を求める。図 3 に手法を確立することを目的とする。本稿では代表的な素示すようにジャンクションを先頭に各部の熱抵抗と熱容子である FET について、過渡熱測定から解析モデルを作

量が累積的に接続され、最終的に大気までの熱抵抗が求成するまでの過程を報告する。
この手法は FET に限らず、まる。大気は熱容量が無限大と考えることができる。

電子部品一般に適用でき、部品の温度予測を適切に行って設計効率化に活用できる。

図 3 は模式的に示したものであり、実際は各部の境界が明確ではない。これは構造関数が示すものが、チップ、
ダイ・アタッチなどの領域そのものではなく、図 4 に示

２．過渡熱測定

すようなジャンクションから部品内部の等温面までの熱電子部品内部の熱的構造を調べるために過渡熱抵抗測抵抗を示しているからである（図 4 は解析結果）。正確に定が利用され始めた。JEDEC（米国合同電子デバイス委員

表現するとチップ、ダイ・アタッチの領域が多い部分の4)会）の規格による JESD51-14 はこの測定方法を利用しており、多数のメーカーがθjc（ジャンクション－ケース

熱抵抗・熱容量ということになる。
電力[W]間熱抵抗）を測定している。本研究においてもこの測定方法を基本としている。ただし、過渡熱測定結果を利用した詳細な熱解析モデルの作成を目的としており、θjc
時間[s]を求めることが最終目的ではない。
2.1

ジャンクション温度[℃]

測定原理

半導体部品に電力を加え、ジャンクションの温度変化を測定することによってジャンクションから大気までの熱に関する構造を示す累積熱構造関数（以下、構造関数）

時間[s]

加熱

を求めることができる。この測定原理を示す。
ダイオードに一定電流を流したときに発生する電圧

図2

冷却

過渡熱測定の手順
熱容量（VF：ダイオード順方向電圧）は温度依存性があり、これを利用してジャンクションの温度を測定することがで

ヒートシンクモールド（樹脂）
ジャンクション

きる。ダイオードはそのまま利用でき、トランジスタ、FET や集積部品に関しても必ず PN 接合を含んでいるため、チップ（Si）

ダイ・アタッチ

フレーム（Cuなど）
ヒートシンクフレーム

チップ ダイ・アタッチ

原理的には半導体部品全般に利用できる。ただし、この

熱抵抗

温度依存性（k-factor）は部品ごとに異なるため、あら(a)

かじめ個別に測定しておく必要がある。また、温度をセ

図3

内部構造(a)と構造関数(b)図4

電子部品内部の等温面(b)

ンシングするための電流であるため、これによる発熱は小さいほうがよい。ただし、極端に小さいと SN 比が悪化するので、最適な電流を個別に見極めなければならない。
本研究では 1～20 mA の範囲で検討した。
過渡熱測定は、図 2 に示すように測定対象となる半導体部品に大電流を流して加熱し、それを止めた後に冷却させながらセンシング電流を流す。冷却時に電圧の変化

グリース

グリース

No.100(2015)

2.2

3

FET の過渡熱測定

図 5 に示す TO3P パッケージの FET（2SK2173）についFETて過渡熱測定を行い、構造関数を求めた。測定にはメンターグラフィックス社製 T3Ster とアジレント社製電源
樹脂製固定板N5765A を使用した。FET をアルミ製コールドプレートの上に置き、樹脂製の板で上から押さえつけて固定した。
これによって大多数の熱が安定してコールドプレートに伝わる。尚、FET とコールドプレートの間はグリースをアルミ製コールドプレート

塗る場合と塗らない場合の 2 通りの測定を行った。また、固定するための板は 3 次元造型機（Stratasys 社 FORTUS

図5

測定サンプルの FET

400mc-L）で作成し、材料はポリエーテルイミドである。
熱伝導率は 0.2 W/(mK)程度と小さいため、放熱に与える

JESD51-14 で示す Transient Dual Interface 法により FET

影響は小さくほぼすべての熱がコールドプレートに伝わの過渡熱測定を行った。15A または 20A を流して 30 秒加ると考えられる。この割合の検証は解析で行う。

熱し、冷却に切り替えたときにセンシング電流 20 mA を

FET の配線方法は主に 3 種類あり、その方法と特長を流しながら電圧を 150 秒間測定した。図 6 は測定から得

表１にまとめる。表中の D, G, S はそれぞれドレイン、た構造関数であり、FET とコールドプレートの間にグリ

ゲート、ソースを示す。今回の測定の目的から考えるとースを塗った場合と塗らなかった場合の 2 種類を比較し

5)、比較的ノイている。グリースを塗ったときは全体の熱抵抗が小さくズが少なく測定できる Body-Diode を利用した。確認のたなっていることがわかる。しかし、途中までは熱抵抗-

め MOS-Diode を利用した測定を行ったが、大きな差異は

熱容量の曲線は重なっており、両者の差異が生じる位置

みられなかった。

までが FET の熱的構造を示す領域であるといえる。つま

いずれの接続方法でも測定可能であるがり、その位置までの熱抵抗がジャンクション-ケース間の表1

MOSFET の接続方法

熱抵抗θjc であり、この FET は 0.30 K/W であった。

名称

接続方法

特徴

このように過渡熱測定を用いてθjc までは比較的簡単

MOS-Diode・D→S の向きに電・電圧は 3～5V 程に求めることはできるが、図 6 は図 3 の模式図のように

流を流す

度

・D と G をショー

・ヒートシンクのトする評価に適してい境界が明確ではないため、各部の熱抵抗をそのまま求めることは難しい。そのため、設計初期あるいは企画段階においておおよその温度を予測するには使えるが（これで十分な場合もあり、有用な情報ではある）、詳細な３次る（電力が大きく

元熱解析を行うには不十分である。

なるため）
T3Ster Master: cumulative structure function(s)MOS-ON 抵抗

1e6

・S→D の向きに電・電圧は 0.7V 程

流を流す

度

・G は S または D・パッケージの評にショートした価に適しているほうが安定する・ノイズが少ない

0.01

・G に T3Ster の・大電流が必要に

1e-4

UCB を接続する

なる

2SK2173_gs_20A_30s_20mA_150s.aver - Ch. 1
2SK2173_dry_15A_30s_20mA_150s.aver - Ch. 1

10000

100

Cth [Ws/K]

C [J/K]

Body-Diode

1

1e-6
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Rth [K/W]

・D→S の向きに電・ノイズがのりや

流を流す

すい

R [K/W]
図６

FET の構造関数

1.4

1.6

1.8

No.100(2015)

4

３．熱解析モデル
3.1

以上のように得られた形状に関する情報をもとに、図モデル形状および境界条件

9 に示す解析モデルを作成した。解析には ANSYS 社製

詳細な熱解析を行うために３次元の詳細な部品の解析

icepak およびクレイドル社製熱設計 PAC を使用した。本

モデルを作成する。はじめに X 線 CT 等を用いて、内部の研究における計算はこれらの解析ツールの一般的な使用

構造を調べ、形状を描く。次に解析結果（時間とジャン

方法とは計算内容が若干異なるため、同様の計算をそれ

クション温度の関係）を構造関数に変換して、測定結果

ぞれ行って相互に確認した。結果として両者に差異はなから得た構造関数と重なるように、熱物性値と発熱領域かった。熱物性値には初期値として一般的な値を入れて、をパラメータとしてふりながら調整していく。

非定常計算を行った。このとき、実際の測定とは異なり、

X 線 CT （ 東 芝 IT コ ン ト ロ ー ル シ ス テ ム 社 製

加熱時だけを計算してジャンクション温度を保存するよ

TOSCANER-32252μhd）を用いることによって部品内部のうにした。図 2 に示す温度変化は、加熱時と冷却時は同ジャンクション位置、大きさ、フレーム、端子の位置関じ曲線を描くため、加熱時の温度変化の上下を反転させ係などを調べた（図 7）。Si は透過するため直接撮影する

ると冷却時の温度変化に重なる。しかしながら、測定でことはできないが、その下にあるダイ・アタッチは写るは加熱しながら同時にジャンクション温度をセンシング

ので Si の大きさがほぼ同じと考えて、おおよその推測がする手段がない。このため冷却時にセンシング電流を流できた。

して測定することになるが、計算では任意の位置の温度

しかしながら、発熱部分である Si の厚さがわからないを記録することができるため、このような制約がなくな

ため、部品を樹脂埋めして断面カットしてデジタルマイる。測定と同じような順序で解析を行っても問題はない

クロスコープ（ハイロックス社製 KH-7700）を使って調が、不必要に計算時間が長くなるだけであり、本研究でべた。X 線 CT と異なり破壊検査となるため、やり直しははすべて温度上昇を計算した。

難しい。そのため、X 線 CT を使って確実に Si がある位置を調べてからカットした。測定した FET 内部の Si の厚さは 240 μm であった。

図7

X 線 CT による FET 内部の撮影

図9

FET の熱解析モデル

温度変化の計算をするにあたり、熱物性値の他に境界
モ ー ル

条件・収束判定条件も考慮する必要がある。実際の測定
Si

ダイ・アタッチは空気中で行われており、自然対流や輻射による放熱はある。しかし、これらの現象を非定常で計算すると非常

フレームに計算時間が長くなる。これらの伝熱量が大きければ、計算する必要があるが、基本的にはフレーム下側のコー
ルドプレートに熱が移動するため、必要性は少ないと予測した。計算時間が膨大に増える反面、得られる結果が

図8

断面カットによる Si の撮影

ほとんど変わらないのであれば、固体部分の熱伝導だけ

No.100(2015)

5の計算を行い、計算時間を短縮するほうが有効である。
そこで、表 2 に示すような条件で定常状態を計算して、ジャンクションからフレーム側への熱流とモールド側への熱流を比較した。尚、コールドプレート裏面（FET が接する面と反対側）の温度は大気と同じ温度（今回は20℃）に固定した。この計算を行ったときは熱伝導率等が暫定的であるため、絶対値は正確ではないが、熱流を図 10比較することが目的であるため特に問題はない。結果と熱流体解析結果

して、得られたジャンクション温度は比較的測定値に近く（測定時は 27℃）、それほど離れた値ではなかった。

まず、発熱する位置と記録する温度の位置を決める必計算結果の一例として、図 10 に熱流体を含めた計算結果要がある。発熱する位置は一般的に Si 表面の面積を一回を示す。実際には周囲の空気を解く領域は更に広くなり、り程度小さくした領域であると考えられる。そして、測熱伝導のみの計算に比べてノード数は 3 倍以上になった。

定で得られる温度は発熱しているジャンクション部分

そして、非線形方程式となるため、収束計算が必要とな（通電部分と考える）の平均温度と考えられる。図 11

り、計算時間は 10 倍以上増えることになる。

は Si と同じ面積である□5mm の領域で発熱する計算と、

表 2 から FET まわりの自然対流と輻射を計算してもほ□4mm で発熱する計算から得た構造関数の比較である。

2

発熱面積は構造関数に影響を与えることがわかる。測定2

然対流と輻射があるときの平均的な値、100 W/(m K)は空から得た構造関数の Si 部分に相当する熱抵抗は□4mm の気による強制冷却でほぼ限界に近い値を想定している。

計算結果とよく一致し、以降はこの条件で計算を進めた。

ぼ変わらないことがわかる。熱伝達率が 10 W/(m K)は自

実際の測定をそのような強制空冷の状況の中で行うのはT3Ster Master: cumulative structure function(s)通常考えられないが、そのような状況でも温度上昇は 8%10000射を計算せずに、固体部分の伝熱計算だけを行った。

Cth [Ws/K]

移動が支配的であるといえ、今回の計算は自然対流・輻

C [J/K]

程度の差異である。それだけ、コールドプレートへの熱
100□5mm で発熱
1

0.01□4mm で発熱
表 2：各計算条件による温度と熱流
条件

1e-4

ｼﾞｬﾝｸｼｮﾝ

モールド側

フレーム側

温度[℃]

熱流[W]

熱流[W]

26.5

0.138

16.9

断熱

26.5

0.142

16.9

これ以降は熱伝導率、熱容量および接触熱抵抗につい

熱伝達率

26.5

0.143

16.9

て想定できる範囲で変更して、実験結果を再現できるよ

自然対流・

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Rth [K/W]

R [K/W]
図 11

発熱面積の違いによる構造関数の比較輻射

うにした。最終的に得られた解析モデルと測定結果の比10 W/(m2K)
熱伝達率

26.0

0.150

16.8

100 W/(m2K)

較を図 12 に示す。本研究の目的は FET の解析モデルを導くことであり、FET の熱抵抗と熱容量を表す R=0.3 K/Wの領域までを再現できればよい。図 12 はこの領域まで良3.2

熱物性値の特定

く再現できている。

境界条件を決めた後に、ジャンクション部分を起点とR=0.3 K/W より大きな領域は FET とコールドプレート

して、測定より得られた構造関数を再現するような条件の接触熱抵抗とコールドプレートの熱抵抗を表しているを順次求める。

が、これも近い結果になっている。ただし、解析では常にプレートの裏面が一定温度という理想的なモデルをおNo.100(2015)

6

いているのに対して、実際には若干の温度変化があるた

ルを基準に簡易モデルの精度を確認することができる。

め、実験値は少し熱抵抗が大きくなっている。これを改これらの解析モデルを利用して製品全体の解析モデル

善するには、コールドプレートの放熱をより詳細にモデを作成して、各部品の温度上昇が計算できる。詳細モデル化すればよいが、本研究の対象ではないので、この段

ルは計算時間がある程度かかることがあるが、精度よく階で解析モデルを完成とした。今回作成した解析モデル

温度上昇を見積もることができる。一方、簡易モデルはを設計で利用するときは、FET 部分だけなので（製品で条件によっては精度が若干落ちるかもしれないが、短時はコールドプレートに載せるわけではない）、ここで止め間で計算することができる。いずれを使うとしても電子て問題はない。

部品の温度上昇を的確に見積もることが可能になり、電子機器の設計効率化に貢献する。

T3Ster Master: cumulative structure function(s)10000

Cth [Ws/K]

C [J/K]

100

Calc.

本研究では TO3P パッケージの FET を測定して解析モデ

Exp.

ルを作成したが、他のパッケージや部品に対しても同様の方法で測定と解析モデルの作成を行うことができる。

1

既に TO220 パッケージの FET や大型パッケージの IGBT
0.01の解析モデルを作成して、測定結果とよく一致している。

1e-4

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

５．結言

Rth [K/W]

図 12

R [K/W]

FET を対象として過渡熱測定を行い、得られた構造関解析モデルと測定結果の構造関数の比較数を利用して詳細な熱解析モデルを作成することで、構造関数の示す熱抵抗と熱容量を明確にすることができた。

４．考察得られた詳細な熱解析モデルを利用して構造関数が示

これらを利用することで電子部品の温度を的確に予測でき、電子機器の設計効率化に役立つと考える。

す熱抵抗および熱容量が部品のどの領域に相当するか調べることができる。部品を構成するある材料の熱物性値

参考文献を変化させて計算し、構造関数を求めると、変化させた

1） 国峰尚樹，“電子機器の熱流体解析入門”，日刊工業

領域以降の熱抵抗と熱容量が変化する。それによって部

新聞社，2009

品内の領域と構造関数との対応が明確になる。モデルの

2) 中部エレクトロニクス振興会，名古屋市工業研究所，

形状を作成した後に、発熱領域を変化させてチップ部分“電子機器の熱設計に関する研究～シミュレーショ

の熱抵抗と熱容量に合うような条件を求めたが、これをンモデルの簡略化に関する検討～（2008）

行うことによって発熱部の詳細な条件を特定することが3) 中部エレクトロニクス振興会，名古屋市工業研究所，

できる。部品を断面カットしてもここまでの情報を得る“電子機器の熱設計に関する研究～シミュレーショ

ことはできない。そして、発熱領域だけに限らず、接触ンモデルの簡略化に関する検討Ⅱ～（2011）

熱抵抗なども特定することになり、これらも通常の熱伝

4) JESD51-14,“Transient Dual Interface Test Method

導率測定や温度上昇試験だけでは得ることができない。

for the Measurement of the Thermal Resistance

これらの利点から、過渡熱測定と解析モデルを作成する

Junction to Case of Semiconductor Devices with

意義は大きいといえる。

Heat Flow Through a single Path”, JEDEC (2010).

また、作成した熱解析モデルは熱的にはほぼ完全なモ

5) Yafei LUO, Yasushi KAJITA, Tomoyuki HATAKEYAMA,

デルと考えられるので、これを利用して製品全体の解析

Shinji NAKAGAWA and Masaru ISHIZUKA “ Powerを行うと精度が向上すると考えられる。ただし、詳細なMosfet's Thermal Resistance Measures Different

モデルなのでメッシュ数が膨大になる可能性があり、場

Value between Body-Diode and Saturate Test

合によってはこのモデルを元に簡易的なモデルを作成す

Conditions”, Journal of the Japan Institute of

る必要がある。しかし、そうした場合でもこの詳細モデElectronics Packaging 18 [3], PP161-166 (2015).

No.100(2015)

7

非接触三次元デジタイザを用いた製品評価技術に関する研究
真鍋孝顕、松下聖一、山田博行、児島澄人、深谷聡
A Study on Product Evaluation using Non-contact 3D Digitizer
Takaaki MANABE, Seiichi MATSUSHITA, Hiroyuki YAMADA, Sumito KOJIMA and Satoshi FUKAYA
Abstract ： We studied the acquisition of the high-accuracy and high-quality 3D data by using a non-contact 3D digitizer. We
propose a method to significantly reduce the reverse engineering process by direct modeler. The evaluation technique was
improved by using 3D printers and CAE.

１．緒言る。角度を変えて撮影を繰り返し、それらの画像を貼り

近年、高性能なコンピュータの普及によって大量のデ合わせて合成することで測定対象物を三次元データ化すータを扱うことが可能となった。これに伴い、非接触三る。各測定画像間の貼り合わせはマーカーシール、及び次元デジタイザの CCD 画素数が大幅に増え、高密度かつ形状によるベストフィットによって行われる。また本装

高精度な三次元形状を取得することが可能になってきて

置は光学式であるため、レンズを交換することによっている。ここで得られた三次元形状データと三次元 CAD モ

測定範囲を変更することが可能であり、その範囲は概ね

デルの検査結果はグラフィカルに表示されるため、形状

50～500mm である。また、測定対象に合わせて回転テーの評価が容易になる。一方、三次元形状データを使用す

ブル、昇降スタンド、チルトターンテーブル等を組み合るハードウェア、ソフトウェアに目を向けると三次元

わせて測定を行う。なお、本装置は平成 24 年度（財）JKA

CAD やモデリングソフトを初めとして、三次元造形機、X

設備補助事業により導入した。

線 CT 装置や CAE などがあげられる。本研究では非接触三三次元造形機は両機種ともに熱溶解積層法（FDM）タイ

次元デジタイザを用いた製品の高精度な三次元形状の取プであり、三次元 CAD モデルや非接触三次元デジタイザ

得とこれらの関連装置を用いた製品評価技術の向上を目で得られた三次元データからの造形が可能である。

指した。

また、リバースエンジニアリングソフトはパラメトリ
ックフィーチャー型の三次元 CAD をベースとしたソフト

２．使用装置の概要

ウェアであり広く使用されているものである。

本研究で使用した機器、ソフトウェアは下記のものである。

ラメトリックフィーチャー型とは異なり、履歴にとらわ

・非接触三次元デジタイザ

ATOS III Triple Scan,

ATOS Professional XL（GOM 社製）
・三次元造形機

3D モデリングソフトの ANSYS SpaceClaim は前述のパれず形状を直感的に編集可能なダイレクトモデラーと呼ばれるソフトウェアである。

Fortus 400mc-L（Stratasys 社製）,

Zortrax M200（Zortrax 社製）
・リバースエンジニアリングソフト Geomagic Design X

３．三次元形状の取得
製品評価のためには品質の良い三次元データの取得が（3D Systems 社製）

不可欠である。また、その後のリバースエンジニアリン

・3D モデリングソフト ANSYS SpaceClaim（SpaceClaim

グや造型用の加工データ作成など、二次利用する場合に社製）

おいても扱いが容易になり、ノイズの除去や穴埋めなど

非接触三次元デジタイザは 800 万画素の CCD カメラ 2台とプロジェクタで構成され、プロジェクタ投影された縞模様（フリンジパターン）を CCD カメラ 2 台で撮影すの作業を大幅に減らすことができる。
3.1

測定精度及びデータ品質の向上

非接触三次元デジタイザは光学式の測定機器であるたNo.100(2015)

8

め、測定精度を向上させるためには、通常の写真撮影と多く確認されている。多重反射の影響除去は縞模様のマ同様に CCD の許容露出範囲内に納めなければならない。

スキング、露出時間の調整によって行った（図 2）。

実際の測定対象で問題となる代表的なものとしては透明

図 3 はそれぞれ 6mm、4mm の間隔で向かい合う壁面を測（半透明含む）、金属光沢、黒色などがあげられる。この定評価したものである。6mm の場合は壁面全てのデータ

他にはコントラストの高い場合も適正露出を超えてしまが取得できているが、4mm の場合は深さ方向が約 8mm にう。これらの影響を軽減するため、反射防止スプレー（あ留まった。穴についても同様の傾向があるため、4mm 以

るいは白色の探傷スプレー）が広く用いられるが、塗膜下の場合はデータ取得に限界があると考えられる。

が均一になりにくい、細かい部分に塗布できないなどの一方、プレス成形品などの薄板状の製品については測問題点がある。そのため本研究では酸化チタン粉体を無定方向によって、製品の見える面積が大きく変化するた

水エタノールに分散させ、これをエアブラシによって塗め表裏のずれが発生しやすい。そのため、厚さや外形な布することにより、データ品質の向上を行った。図 1 のど測定データの検証が必須である。

事例では本来滑らかな表面であるにも関わらず、未処理の場合は凹凸が現れており、また輝度の高い部分は筋状のノイズが混入している。これに対して、酸化チタンを約 8mm塗布した場合は乱反射が抑えられ、データ品質が向上し
ている。
6mm

図3

3.3

4mm

6mm

4mm

対面する壁面の測定評価

測定効率の改善

測定効率の改善は工数削減もさることながら、測定精度やデータ品質の向上に寄与する。非接触三次元デジタ
イザは位置決め不要で測定できるのが大きな特徴である
図1

未処理（左）と酸化チタン塗布（右）の比較

が、同一製品を多数測定する場合は図 4（左）のような製品の固定と測定を補助する専用治具の作成が有効であ3.2

る。しかし、製品形状が多数存在する場合、簡便かつ汎形状による影響

非接触三次元デジタイザの測定原理は三角測量であり、用的な測定治具が求められる。また、本研究で用いる非原則として 2 台の CCD カメラが同時に撮影可能な範囲が接触三次元デジタイザは、基本的に各ショット間の貼り

データ取得可能な範囲である。よって、固定用の穴やリ合わせをマーカーシールに依存しているため、測定対象

ブの側面などは制限を受けやすい。また、これらの形状となる製品形状によっては製品に貼り付けたマーカーシの多くは隅部や隣接面など多重反射の影響を受けノイズが発生しデータ品質、データ取得率の低下を招く事象も

図2
取得データ数多重反射対策有無の比較

未対策(左):25 万点対策(右):35 万点

図4

専用固定治具(左)多面体マーカー（中央）簡易測定治具（右）No.100(2015)

9

ールだけでは貼り合わせが上手くできない場合も多い。

ィーチャー型 CAD のように履歴に縛られることがないた

これらの治具にマーカーシールを貼り付けることによっめモデリング順序を考慮する必要がない。これらの特徴て、各ショット間の貼り合わせを確実に行うことができを生かして大まかな形状を最初に作成し、その後リバーるため、測定効率が改善されることを確認した。

スエンジニアリングソフトを用いて不足部分の作成と修また、工業製品でしばしば見られる規則的に並んだ冷正を行った。

却フィンや歯車、リブなどの形状はプロジェクタから照図 5（左）の冷却ファンの事例ではリバースエンジニ

射されるフリンジパターンと平行に近い場合、縞模様のアリングソフトのみを用いた場合は 6～9 時間程度要し認識が上手く行えず測定方向が制限される。この対策とていたが、ダイレクトモデラーを使用することで約 3 時して、治具を作成し測定方向の制限を排除することでデ間に短縮した。同様に図 5（右）の歯車についても 9 時

ータ取得率を改善させることが可能である。

間が約 4 時間に短縮可能であった。これら二つの事例はこれらの多面体マーカーや簡易治具は三次元造形機に設計 CAD モデルが存在していないが、存在する場合にはよって手軽に作製でき、拡大縮小も容易なため測定対象

CAD モデルを測定データにフィットさせる機能（リフィに合わせた形状を使用可能である。

ット）が利用できるため更に工数削減が可能である。

3.4

４．製品評価への応用

データ加工

測定で得られたデータが高品質になった現在、この三

4.1

シミュレーションとの比較

次元データを CAE、設計、加工などの用途への活用ニー

非接触三次元デジタイザは測定中に形状が変化しなけズが高まっている。しかし、非接触三次元測定で得られれば負荷が与えられた状態の測定も可能である。よってた三次元データは STL 形式のポリゴンデータのため、三無負荷時とボルト締結時の偏差を実機とシミュレーショ

次元 CAD で使用されるソリッドやサーフェスデータとはンの比較を行った（図 6）。コンター表示は異なるが結果異なり、形状の変更や修正は困難である。これらの用途はほぼ合致しており、実機では見ることのできない部分

では、データの修正や加工が不可欠であるため、リバーをシミュレーション結果で代用することが可能であった。

スエンジニアリングによって三次元 CAD 化を行う必要がある。しかしながら、現在は CAD モデルの作成を自動的に行うソフトウェアは存在せず手動の作業は繁雑で時間を要する。そのため、リバースエンジニアリングの過程
において手動で行う部分の工数を減らし時間短縮することが求められる。
そこで、本研究ではダイレクトモデラーを併用するこ

図6とによって、工数削減する手法を検討した。このツール

実測（左）とシミュレーション結果（右）との比較

は直接図形を編集することの他に、STL 形式のスキャン
データをソリッドやサーフェスと大きく区別することなく自然な形で利用可能である。また、パラメトリックフ

4.2

三次元造形機による試作

設計への応用としてリバースエンジニアリングが用いられるが、変更や修正を施したモデルを三次元造形機によって出力することで、組み付けや干渉、握り心地などの評価を行うことが出来る。図 7(左)で示す測定データから必要な部分のみリバースエンジニアリングを行い、
図 7(右)のような三次元 CAD モデルを作成した。この三次元 CAD モデルを三次元造形機で造形した。実際に試作

図5

リバースエンジニアリング事例

した部品を別の部品への組み付けて確認することが可能

No.100(2015)

10である(図 8)。このように PC 上のバーチャル空間だけでの技術を使用して化石や石器などの三次元データ化、造はなく、実物で製品を評価できることは見落とされ易い

形を行い触れることの出来る展示物への活用を行った 2)。

不具合の発見にも効果があり有用であった。

リバースエンジニアリングはデータの用途によって工数に大きく影響する。本研究で取り上げた事例はいずれも CAE 用途であり、CAD モデルが存在しない状態からモデリングを行った。これらの事例では半分から 3 分の 1程度に時間短縮可能であった。基本的な作業の流れは、
大まかな形状をダイレクトモデラーで作り、その後リフ
ィットさせるが、冷却ファンのような翼断面は形状を高

図7

測定データ(左)から設計モデル(右)の作成

品質に測定できていなければリバースエンジニアリングは困難であった。また、本研究で使用したリバースエン
ジニアリングソフトは、その手順はほぼパラメトリック
フィーチャー型の三次元 CAD と同じである。そのため、パラメトリックフィーチャー型三次元 CAD 及びリバース
エンジニアリング特有の作業の習熟を要し、その習熟度の違いによる作業時間や効率の差も無視できない。複雑なモデルになれば履歴修正によるモデルの崩壊なども考図8

試作品の組み付け状態の確認

慮する必要もある。更に CAD ソフト間のデータ互換性問
題は未だ解決されておらず、修復作業は避けて通れない。
本研究で用いたダイレクトモデラーはマルチ CAD 環境で

５．まとめと考察
非接触三次元デジタイザは柔軟な測定が可能であり、静止した状態が維持でき写真撮影可能であれば三次元データ化することが可能である。測定の際には光学式測定器の特性を理解し測定対象の表面処理を適切に行う必要がある。また、各撮影画像の貼り合わせ誤差を減らすた
めに、治具やマーカーを配置しその有効性を確認した。
これらの治具やマーカーは測定対象に応じて適切な形状となるように三次元造形機を使用して作成した。これらの改善によって測定データ品質、及びデータ取得効率の向上が認められた。
非接触三次元デジタイザは目視できないような内部のの利用が考慮されており、自動修復可能なケースが多い。
修復されたモデルは制限なく編集可能であり工数削減に有効であった。
製品評価への応用事例では、CAD モデルを使用した解析を行ったが、現物での解析の場合や、三次元造形機による試作においても、リバースエンジニアリングの工数削減が課題となることが多い。
製品評価における三次元形状の測定は、最も基本的な検査として重要である。形状に問題があった場合の原因追及においては、その差違を分かりやすく表現する必要がある。これを実現するために、ひずみ、振動、圧力、温度等性能面の評価を組み合わせた総合的な判断が求められる。

構造を三次元データ化することは不可能である。そのため、内部構造を測定するためには測定対象を切断するか内部を透過可能な測定器による測定が必要になる。測定
対象を切断する場合は残留応力や剛性低下による変形の影響を考慮しなければならない。一方、測定対象物の材
質や形状は限られるが X 線 CT 装置と非接触三次元デジタ
イザで得られた三次元データを重ね合わせることで製品全体の三次元データを取得することが可能である 1)。こ参考文献
1) 岩間由希、飯田浩史、近藤光一郎、真鍋孝顕，名古屋
市工業研究所

研究報告, 99, pp.1-4（2014）2) 岩間由希、西本昌司、真鍋孝顕、近藤光一郎、門脇誠
二、山中敦子，名古屋市科学館紀要, [40]，pp.40-44（2014）

No.100(2015)11メチルトリエトキシシランを用いた透明無機バインダーの作製とその応用小野さとみ、岸川允幸、柘植弘安、川瀬聡、川中洋和*、津田博洋*
Preparation of Transparent Inorganic Binder using Methyltriethoxysilane and its Application
Satomi ONO, Nobuyuki KISHIKAWA, Hiroyasu TSUGE, Satoru KAWASE,
Hirokazu KAWANAKA* and Hiroumi TSUDA*
Abstract ： We have established the preparation method for a transparent inorganic binder from methyltrimethoxysilane ortrimethoxyvinylsilane, so far.

But, these silanes were expensive and industry required an inexpensive starting material.

Inthis research, we examined a preparation method for transparent inorganic binder using methyltriethoxysilane, which was asinexpensive as cement and hardened by drying at room temperature. The transparent inorganic binder with high adhesiveness
was found to be prepared by optimizing the composition of methyｌtriethoxysilane, water, nitric acid and polyvinyl butyral.
This binder can be used for a high grade pavement with transparency and permeability, and for a titania photocatalytic coating.
High adhesive titania coatings using the binder are available on a concrete block and a porous material such as zeolite, andthose have photocatalytic activity.

１．緒 言
駐車場等で緑被率の高い緑化舗装を実現するためには、め、より安価な出発原料を産業界から求められていた。
そこで、本研究では、常温硬化が可能でセメント並に芝等の生育に最適な通気性や透水性を有した多孔質体が安価な有機シラン化合物であるメチルトリエトキシシラ

有効である。多孔質体は火山礫等を骨材として、セメンンを用いて、セメントの弱点を補強する無機バインダー

トを用いて点接点で結合させることにより作製することを開発した。これにより、セメントだけでは成し得なかができる。セメントは主にコンクリート製造において、ったセメント結合多孔質体の薄肉化と強度増進を達成す

骨材を結合させるために用いられている安価な無機バイるとともに、セメントからのアルカリ溶出を抑えること

ンダーであり、ビル、河川、道路などのインフラ整備にで、植物の育成を妨げない植物親和性を付与することを欠かせない有用な材料である。通常、セメントは水と反可能とした。さらに、チタニア光触媒を含有させたコー

応して水酸化カルシウムを生じさせるため、強いアルカト剤を用いて、セメント結合多孔質体表面に光触媒を塗リ性を示すが、コンクリート製品では、表層の微細な空布することにより、空気浄化性能も付与した。

隙に存在する水酸化カルシウムが空気中の炭酸ガスと反応して、中性の炭酸カルシウムになっているため安全上に問題はない。しかしながら、火山礫をセメントで結合させた多孔質体を植物の栽培容器などに利用しようとす
ると、セメントからのアルカリ溶出により、植物の生育が妨げられるという問題点があった。
我々は、これまでに、メチルトリメトキシシランやト
リメトキシビニルシランからの透明無機バインダーの作
製方法を確立したが 1)、これらのシランは高価であるた

２．実 験
2.1

無機バインダー及びチタニアコート剤の調製(1)無機バインダーの調製
透明無機バインダーは、メチルトリエトキシシラン（MTES）、水、硝酸を様々な組成で混合溶解し、粘性が出るまで 70 ℃程度で加熱濃縮して調製した。また、ポリビニルブチラール（PVB）含有無機バインダーは、上記組
成に加え、PVB を固形分率（PVB/(CH3SiO3/2 + PVB)×100
mass%）で 7.5～15 mass%添加して、常温下で透明溶液に* 大有コンクリート工業株式会社

No.100(2015)

12なるまで 12 時間以上撹拌して調製した。

105 ℃×24 時間乾燥後の質量：m2 g(2)チタニアコート剤の調製(5)密度の測定調製した無機バインダーに所定量のチタニア光触媒（ JRC-TIO-4(2) 、 触 媒 学 会 チ タ ニ ア 参 照 触 媒 ま た は
A-100、石原産業(株)）を撹拌混合してチタニアコート剤

試料の密度は以下の (c) 式より算出した。
密度 = 質量/体積 g/cm3(c)(6)光触媒性能の評価を調製した。バインダーの粘性が高いので、チタニアコ

光触媒性能の評価は、A-100 よりも光触媒活性の高いート剤を用いる場合には、塗布する際にエタノール溶媒

JRC-TIO-4(2)を用いたチタニアコート試料で行った。合で 1.4 倍程度に希釈した。JRC-TIO-4(2)と A-100 の純度

成ゼオライト A-4 には、30 mass%チタニア含有コート剤

及び平均粒径は以下のとおりである。

を用いて、また、コンクリートブロック及びセメント結

・JRC-TIO-4(2)、純度：99.5 %以上、平均粒径：21 nm

合多孔質体には 20 mass%チタニア含有コート剤を用いて・A-100、純度：98 %、平均粒径：0.15 µm

チタニアコートを行った。それぞれのチタニアコート試(3)被コート材料について、以下に示した前処理を行った後、100 ppm

火山礫をセメント結合した多孔質体（大有コンクリー

アセトアルデヒドの分解に要した UV 照射（ブラックライ

ト工業(株)）、コンクリートブロック（普通セメント（W/C:

ト、1.0 mW/cm2）時間の長さで光触媒性能を評価した。

41）、大有コンクリート工業(株)）、合成ゼオライト A-4【前処理】合成ゼオライト A-4 のチタニアコート試料（東ソー(株)）を被コート材として用いた。

を水に浸漬させた後、105 ℃で 24 時間加熱処理、直径

2.2

90 mm シャーレ（63.6 cm2）に敷き詰め、168 時間 UV 照

試料作製と測定評価

射（ブラックライト、1.0 mW/cm2）。

(1) 無機バインダーの組成分析
過剰量の水を加えて作製した PVB 非含有無機バインダ

コンクリートブロック（表面積：50 cm2）のチタニア

ーと組成を最適化した 15 mass% PVB 含有無機バインダー

コート試料を水に浸漬した後、
110 ℃で 2 時間加熱処理、の乾燥固形体について蛍光 X 線分析により組成分析を行

168 時間 UV 照射（ブラックライト、1.0 mW/cm2）。
火山礫のセメント結合多孔質体（表面積：50 cm2）のった(2)接着率の測定

チタニアコート試料を水に浸漬した後、110 ℃で 2 時間

無機バインダーの接着性については、10 g の合成ゼオ

加熱処理、168 時間 UV 照射（ブラックライト、
1.0 mW/cm2）。

ライト A-4 に対して、1 g の無機バインダーを用いて成形体を作製したとき、80 ℃で 1 時間の加熱処理後に全体３．結果及び考察の何パーセントを接着することができたかによる接着率3.1（(a)式）で評価した。

接着性の向上接着率=接着部分の質量／成形体全質量×100 %(a)(3)溶出 pH の測定

無機バインダーの組成の最適化と PVB 添加によるMTES に対して水と硝酸の添加量を変えることにより、乾燥後のバインダー固形体の透明性、接着性、硬度が変

溶出 pH はセメント結合多孔質体やコンクリートブロ化した。水の添加量を多くするほど、透明性と接着性はック（普通セメント（W/C: 41））を 500 cm3 の純水（pH 6）

低くなり、バインダー固形体は硬くなった。硝酸の添加

中に常温下で 24 時間浸漬させた後、水表面の pH をユニ

量を多くするほど、透明性は低く、接着性は高くなり、バーサル試験紙により調べた。

バインダー固形体は硬くなった。しかしながら、MTES、(4)吸水率の測定

水、硝酸のみから調製した無機バインダーを用いて作製

試料の吸水率は以下の（b）式より算出した。

したゼオライト成形体では、組成を最適化（MTES：水：

吸水率 = (m1－ m2)/m2 ×100 %

硝酸 = 1：4：2.5×10-5（モル比））しても、手による加(b)

水中（21.3 ℃）24 時間浸漬後のコート試料の質量：m1 g

圧により容易に破壊するような低い接着性と硬度しか示

No.100(2015)13

さなかった。そこで、接着性を向上させるため、無機バ除去に効果的であることがわかった。

インダーに PVB を添加して接着性を調べたところ、固形

他の有機シラン化合物についても、エタノール溶媒を分比率 15 mass%の PVB を添加することにより、手による用いず、水、硝酸または、水、硝酸、PVB を添加して混加圧で破壊しない十分な接着性を付与することができた。

合撹拌することにより、均一で安定な透明バインダーが

表 1 に過剰量の水を添加して作製した PVB 非含有無機調製できるかどうかを調べた。その結果、MTES に水、硝バインダー及び組成を最適化した 15 mass% PVB 含有無機

酸、PVB を添加した場合のみ、均一で安定な透明バイン

バインダー固形体の組成分析を行った結果を示す。

ダーが調製でき、しかも、強固な接着性を有していることがわかった。これは、MTES が加水分解することにより

表1

無機バインダー固形体の組成分析

生じるエタノールに PVB が溶解するためである。MTES は
コスト的にも安価であるため、最適な有機シラン化合物といえる。トリメトキシビニルシランを用いた場合、水と硝酸を添加して透明な溶液を調製することはできたが、接着性は 71 % と低い結果であった。この溶液に PVB を添加した場合、均一に溶解させることはできず不均一なバインダーではあったが、接着率は 98 % と高い値を示した。この溶液で均一に PVB を溶解させるためには、エ

無機バインダーの組成分析について、主成分であるメ
チルトリエトキシシランが完全に加水分解重合したと仮定して計算すると、メチルシルセスキオキサン（ CH3SiO3/2 ）： 85 mass% 、 PVB(-[(C7O2H12)-CH2]n-) ： 15
mass%となる。過剰の水を添加して作製した PVB 非含有無機バインダー固形体の組成では、メチルシルセスキオキ
サン（CH3SiO3/2）での C：Si：O = 1：1：1.5 の原子比に対して、C の原子比が 0.8 と低値を示したが、ほぼ一致
した結果が得られ、加水分解重合反応が十分に進んでいたことが推測できる。一方、PVB 含有無機バインダー固形体での組成では、計算上では C の原子比が 1.2 程度となるところが、1.5 と大きい値が得られた。これより、
PVB 含有無機バインダー固形体では、加水分解重合反応が十分に進んでいないことによる残留炭素の存在が示唆された。そこで、この PVB 含有無機バインダー固形体を
24 時間水中に浸漬後、105 ℃で 24 時間加熱処理を行った後に組成分析を行ったところ、C の原子比は 1.0 に低下した。この値は PVB 非含有無機バインダー固形体でのC の原子比 0.8 に PVB の添加による C の増加分 0.2 を加えた値と一致しているので、残留炭素を除去できたと考えられる。以上の結果より、常温乾燥による硬化後に水中浸漬し、105 ℃程度で加熱処理することが残留炭素のタノール溶媒の添加が必須であった 2）。
3.2

セメント結合多孔質体のチタニアコート

図１にセメント結合多孔質体を PVB 含有トリメトキシ
ビニルシランコート（ビニルシランコート）1）、PVB 含有
MTES コート（メチルシランコート）及び PVB + 20 mass%チタニア（A-100）含有 MTES コート（20 mass%チタニア（A-100）含有メチルシランコート）した試料の写真を示す。セメント結合多孔質体のビニルシラン及びメチルシ
ランコートでは、両者とも密着性の高い皮膜が作製できた。これは多孔質体表面にコート剤が浸透することで、作製皮膜のアンカー効果が得られるためであると考えられる。コンクリートブロックのコートにおいても同様の効果が得られる。また、通常、ガラス等のコートでは、皮膜の硬化に数時間以上を要するのに対して、コンクリ
ートブロックやセメント結合多孔質体をコートした場合、
1 時間程度で皮膜の硬化が見られた。セメント結合多孔質体の 20 mass%チタニア（A-100）含有メチルシランコート剤の使用前後において、コート剤を常温乾燥して得た固形体の組成分析を行ったところ、使用後ではセメン
ト成分より溶出したと考えられるカルシウムが約 0.2
mass%検出された。このことより、コンクリートブロック
やセメント結合多孔質体のコートでは、溶出カルシウムNo.100(2015)14の共存により、皮膜の硬化が促進されたと考えられる。

3.3

光触媒性能の評価

表 2 にこれらの試料の溶出 pH・吸水率・密度を調べた

図 2 に 30 mass%チタニア（JRC-TIO-4(2)）含有メチル結果を示す。比較として、コンクリートブロックのデー

シランコートした合成ゼオライト A-4（図 2(a)下）、20

タも示した。コンクリートブロックの溶出 pH が 11、未mass%チタニア（JRC-TIO-4(2)）含有メチルシランコート

コートのセメント結合多孔質体の溶出 pH は 9 でアルカリしたコンクリートブロック（図 2(b)下）及び同セメント性を示した。それに対して、メチルシランコート試料の結合多孔質体（図 2(c)下）の試料写真を示す。これらの溶出 pH は 7、ビニルシランコート及び 20 mass%チタニア

試料について光触媒性能を調べたところ、アセトアルデ

コート試料の溶出 pH は 6 と中性を示し、アルカリ溶出をヒド分解に要した UV 照射時間は、それぞれ、30 mass%

抑制した。吸水率では、コンクリートブロックが 7.0 %チタニアコートした合成ゼオライト A-4 で 6 時間（図であるのに対して、未コートのセメント結合多孔質体で2(a)上）、20 mass%チタニアコートしたコンクリートブロ

25 %と高い吸水率を示した。この吸水率の値はメチルシ

ックで 2.5 時間（図 2(b)上）、同セメント結合多孔質体

ランコートした場合には 23 %、チタニアコートした場合で 23 時間（図 2(c)上）と、いずれも光触媒性能を示しには 20 %と 5 ポイント以内の低下であったのに対し、ビ

たが、コンクリートブロック上でのチタニアコートが最ニルシランコートでは 12 %と半分以下に低下した。密度も高い光触媒性能を示した。

については、未コートのセメント結合体で 1.4 g/cm3、ビニルシランコートした場合に 1.2 g/cm3、メチルシラ
ンコートした場合で 1.3 g/cm3、20 mass%チタニア（A-100）
含有メチルシランコートした場合で 1.4 g/cm3 と 3 つの試料間で顕著な差は見られなかった。これらの結果より、
20 mass%チタニア（A-100）含有メチルシランコートはセメント結合多孔質体の有する吸水性を保持しながら、ア
ルカリ溶出の抑制に効果的に働くことが明らかとなった。

図 2 チタニアコートの試料写真（下）及び光触媒性能（上）、a)合成ゼオライト A-4、b) コンクリートブロック、c）セメント結合多孔質体

4．結 論
安価なメチルトリエトキシシランより調製した無機バ
インダーを用いて、火山礫をセメント結合した多孔質体
図 1 セメント結合多孔質体のコーティング、a)参照、b）
ビニルシランコート、c）メチルシランコート、d）20 mass%チタニア（A-100）含有メチルシランコート
表2

溶出 pH・吸水率・密度をコート補強することにより、吸水率を低下させることなく、アルカリ溶出を抑制することができた。この無機
バインダーは常温乾燥により強固に固化させることができるので、焼結させることなく、光触媒性能を有したチ
タニアコート多孔質体の作製が可能である 2）。

参考文献
1) コーティング用組成物及びその製造方法並びにコーティ
ング方法、特願 2011-147144
2) 農作物等栽培用隔離床容器、特許第 5691025 号

No.100(2015)15

ステンレス鋼鋳鋼品(SCS5)の共同分析結果*
野々部恵美子、大橋芳明、柴田信行、小野さとみ
Results of Co-operative Analysis of Corrosion-resistant Cast Steel (SCS5)
Emiko NONOBE, Yoshiaki OHASHI, Nobuyuki SHIBATA and Satomi ONO
Ａbstract ： Co-operative analysis of corrosion-resistant cast steel (SCS5) has been carried out. The analyzed components were Cr,
Ni, Si, Mn, C, S, P, V, Cu, Ca, Mg, and Sr. There was good correspondence among the analytical results obtained by various
procedures in all components. Some problems in the analytical methods have been discussed.

１．緒 言(株)ユニケミー、愛知製鋼(株)、日鉄住金テクノロジー

東海無機分析化学研究会の金属部会では、2013 年 7 月(株)、三重県工業研究所、JFE テクノリサーチ(株)、トから 2015 年 3 月まで、6 回にわたりステンレス鋼鋳鋼品

ヨタ自動車(株)、あいち産業科学技術総合センター、(株)（SCS5）の共同分析を行った。

日本環境アセスおよび名古屋市工業研究所の 12 機関でステンレス鋼鋳鋼品は、ステンレスの一種で製法が鋳ある。

造によるものであり、機械加工が困難な部位に適用可能

共同分析参加機関のうち、10 機関からデータの提出がである。ステンレス鋼鋳鋼品の規格の一つである SCS5あった。なお名古屋市工業研究所は共同分析実施者 3 名

はマルテンサイト系ステンレス鋼鋳材で、炭素量を低減が別個に分析結果を報告したため、総データ提出数は 12させることで溶接性をアップさせている。ステンレスのである。以下、機関名は任意のアルファベットで示す。

持つ耐熱、耐食、耐酸性が鋳物でも発揮されるため、各
種液体用のポンプのケーシングやインペラーに多用されている。

２．関連する規格、参考文献および標準物質
鉄鋼試料の ICP 発光分光分析法による分析方法は

鉄鋼は、これまでに金属部会の共同分析試料として何JIS G 1258 の第 1 部から第 7 部に規定されている。こ度も採り上げられている。前回の金属部会の共同分析 1)の中で 2014 年 2 月 20 日に改正があったのは、多元素（2011 年 12 月から 2013 年 7 月）でも耐熱鋼（SUH35）

分析用の第 1～3 部である。第 1～3 部に追加された成を共同分析試料とした。しかしながら、最近、鉄鋼中の分および定量範囲を表 1～3 に示す。改正の結果、1 回

微量成分が問題となり、各機関で分析をする機会がさらの試料溶液調製により第 1 部では 16 成分が、第 2 部おに増えている。また、本部会においても、微量成分の分

よび第 3 部では 14 成分が同時に定量できることになり

析方法における問題点が多く議論されている。そこで、分析効率が大きく向上する。

今回は、ステンレス鋼鋳鋼品(SCS5)（名古屋市工業研究

表 1～3 に示すように、今回追加された成分の定量範所提供）を共同分析試料として採り上げ、微量成分元素

囲はかなり微量のものとなる。JIS G 1258 の中で特にを分析項目に入れて検討を行うことにした。本共同分析

カルシウムの微量分析に関する試料調製の注意事項が期間中に鉄鋼の ICP 発光分光分析法による JIS2,)3,)4)が改記載されている。具体的には、試料については塩酸

正され、微量の 5 成分（カルシウム、マグネシウム、ヒ(1+100)および純水で洗浄して、試料表面に付着してい素、ジルコニウム、亜鉛）が JIS の適用分析成分としてるカルシウムを除くこと、また器具やろ紙については追加されたため、それらを参考にして共同分析を進めた。

塩酸(1+2)および温水で洗浄することなどである。これ

共同分析参加機関は、(株)大同分析リサーチ、日本軽らの注意事項はその他の元素（ナトリウムやカリウム

金属(株)グループ技術センター、(株)矢作分析センター、など）の微量分析でも応用可能である。JIS 以外にも
成書 5),6)にも微量分析の際の注意事項の記載がある。

* 本論文を「数種の試料の共同分析結果(第 36 報)」とする。

No.100(2015)16

表 1 JIS G 1258 第 1 部に追加された適用成分および範囲
単位%追加

３．共同分析結果および討議内容
JIS G 5121「ステンレス鋼鋳鋼品」7)に規定されてい

Ca

Mg

As

Zr

Zn

0.0005以上
0.005
以下

0.0005
以上
0.011
以下

0.001
以上
0.012
以下

0.010
以上
0.060
以下

0.001
以上
0.005
以下

成分
定量
範囲

ことが必要である。

る化学成分は表 4 の通りである。共同分析項目は、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、ケイ素(Si)、マンガン(Mn)、炭素(C)、硫黄(S)、リン(P)に ICP 発光法で予備測定を行った際に検出されたバナジウム(V)、銅(Cu)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、ストロンチウム(Sr)を加えた

表 2 JIS G 1258 第 2 部に追加された適用成分および範囲
単位%

12 項目とした。
共同分析結果を表 5-1（クロム～硫黄）および表 5-2（リン～ストロンチウム）に示す。

追加成分

Ca

Mg

As

Zr

定量範囲

0.001
以上
0.005
以下

0.0005
以上
0.011
以下

0.003
以上
0.012
以下

0.010
以上
0.060
以下

クロム
データ数は 12 で、分析方法は ICP 発光法が 9 件で滴定法が 3 件である。ICP 発光法の試料の分解方法は、塩酸(1+1)で分解後、硝酸を添加する方法が 6 件、酸分解後、

表 3 JIS G 1258 第 3 部に追加された適用成分および範囲

炭酸ナトリウム＋ホウ酸や二硫酸カリウム＋硫酸水素カリウムなどの融剤で融解する方法が 3 件である。滴定法

単位%は JIS G 1217-20058)附属書 I の方法であるペルオキソ二

追加成分

Ca

Mg

As

硫酸アンモニウム酸化過マンガン酸カリウム滴定法が 2

定量範囲0.001 以上
0.005 以下

0.002 以上
0.011 以下

0.003 以上
0.012 以下

件、JIS H 1279-19989)の方法であるペルオキソ二硫酸アンモニウム酸化硫酸アンモニウム鉄(II)滴定法が 1 件である。前回もクロムの多い鉄鋼（耐熱鋼 SUH35）を分析

表 4 ステンレス鋼鋳鋼品(SCS5)の化学成分
単位%
Cr

Ni

11.50
以上
14.00
以下

3.50
以上
4.50
以下

Si

Mn

C

S

P

しており、測定ノウハウを蓄積していることもあり、今回は第 1 回目から比較的分析値がそろっていた。
ニッケル

1.00
以下

1.00
以下

0.06
以下

0.040
以下

0.040
以下

データ数は 12 である。分析方法はすべて ICP 発光法である。試料の分解方法は塩酸および硝酸で分解する方法
が 9 件、酸分解後、炭酸ナトリウム＋ホウ酸や二硫酸カ

微量成分の分析手法の信頼性の確認には、分析値が既リウム＋硫酸水素カリウムなどの融剤で融解する方法が知の標準物質を測定試料と同じ操作で分析を行うことが3 件である。分析値はそろっており、特に問題はなかっ有用である。鉄鋼の標準物質は、世界的には、米国、欧た。

州、日本のものが有名であるが、国内では、一般社団法

ケイ素

人日本鉄鋼連盟から頒布されている日本鉄鋼標準物質

データ数は 12 である。分析方法は ICP 発光法が 9 件で、(JSS)が種類も多く使いやすい。JSS の中で、微量元素シ重量法が 2 件、モリブデン青吸光光度法が 1 件である。

リーズ B という標準物質が販売されており、微量の酸可重量法と吸光光度法のデータはよく揃っている。ICP 発

溶性アルミニウム、ヒ素、スズ、ホウ素、ジルコニウム、光法の試料の分解方法は、塩酸および硝酸で分解する方

アンチモン、カルシウム、亜鉛などの認証値が記載され法が 5 件で、酸分解後、炭酸ナトリウム＋ホウ酸や二硫ている。これらの標準物質の測定値が認証値と比較して酸カリウム＋硫酸水素カリウムなどの融剤で融解する方高い値が出る場合は、何らかの汚染があったことが考え法が 4 件である。酸分解のみ、もしくは二硫酸カリウムられる。汚染源について推定し、原因を取り除いていく＋硫酸水素カリウムでの融解では低値のところがあった。

No.100(2015)17

表 5-1 共同分析結果
単位%
Cr

Ni

Si

Mn

C

S

A

11.87

I

4.12

I

0.904 重0.153

I0.078 燃0.0018

燃

B

11.67

I

4.08

I

0.833

I

0.162

I

0.077 燃0.0018燃C

12.12 滴4.16

I0.894 重

0.162

I

－

D

11.82 滴4.07

I

0.906 吸0.163 吸0.079 燃0.0017燃E

11.80 滴

4.08

I

0.897

I

0.155

I

0.076 燃0.0016

燃

F

12.05

I

4.15

I

0.896

I

0.154

I

0.074 燃0.0018

燃

G

11.82

I

4.18

I

0.854

I

0.157

I

0.074 燃0.0016

燃

H

11.94

I

4.01

I

0.884

I

0.152

I

0.074 燃0.0017

燃

I

11.96

I

4.17

I

0.912

I

0.152

I

－

J

11.82

I

4.11

I

0.894

I

0.150

I

0.076 燃0.0018

燃

K

11.94

I

4.19

I

0.847

I

0.152

I

0.079 燃0.0018

燃

L

12.07

I

4.02

I

0.899

I

0.164

I

0.076 燃0.0018

燃

－

－

平均

11.91

4.11

0.885

0.156

0.076

0.0017

標準偏差

0.131

0.059

0.026

0.00510.00190.000083

ＣＶ%

1.1

1.4

2.9

3.2

2.5

4.8

I：ICP 発光法、滴：滴定法、重：重量法、吸：吸光光度法、燃：燃焼赤外線吸収法

表 5-2 共同分析結果
単位%
P

V

Cu

Ca

Mg

Sr

A

0.0279吸0.0551I

0.0155I

0.00002I<0.00001 I

0.00004I

B

0.0296I

0.0540I

0.0148I

0.00041I

0.00004I

0.00006

I

C

0.0288I

0.0572I

0.0148I

0.0004

原<0.0001

I<0.0001ID

0.0267

吸0.0563I

0.0147I

0.00012I<0.00001 I<0.00001 I

E

0.0268I

0.0556I

0.0154I

0.00032I

0.00005

0.000026 I

F

0.0265I

0.0542I

0.0152I

0.00019I

0.000048 I

0.00004G

0.0282

I

0.0551I

0.0152I<0.0001

I<0.0001

0.000057 I

H

0.0291

吸0.0555I

0.0151I<0.0001

I<0.00001 I

0.00005

I

I

0.0278I

0.0558I

0.0152I<0.00001 I

0.00005 原

0.00006

I

J

0.0269I

0.0548I

0.0143I<0.0001 原<0.0001 原<0.001I

K

0.0304I

0.0537

I

－

－

－

－

L

0.0282

I

0.0527I

0.01450.000023 I

0.000049 I

I

0.00004

I

I

I

I

平均

0.02810.05500.01500.000210.00004

0.00005

標準偏差0.00120.00120.000380.000160.000012

0.000012

ＣＶ%

4.4

2.2

2.5

77

27

25

吸：吸光光度法、I：ICP 発光法、原：原子吸光法

No.100(2015)

18

マンガン

に問題はなかった。

データ数は 12 である。分析方法は ICP 発光法が 11 件、吸光光度法 1 件である。分析値はそろっており、特に問題はなかった。
炭素、硫黄

４．結 論
今回の共同分析では、ステンレス鋼鋳鋼品(SCS5)を対象試料とし、微量成分も分析項目として採り上げて検討

データ数は 10 である。分析方法はすべて燃焼赤外線吸を行った。最近は、環境における規制対象物質の低濃度収法である。分析値はそろっており、特に問題はなかっ

化や、微量成分の材料に及ぼす影響が検討されるようにた。

なり、低濃度の成分を分析する機会が増えてきている。

リン

微量成分を分析する場合には、汚染に特に注意が必要でデータ数は 12 である。分析方法は ICP 発光法が 9 件、ある。測定成分ごとに、汚染源となるものを見極めて、吸光光度法 3 件である。分析値はそろっており、特に問対策を考えていく必要がある。このような場合にも共同

題はなかった。

分析を上手に活用していくことが重要である。

バナジウム
データ数は 12 である。分析方法はすべて ICP 発光法である。分析値はそろっており、特に問題はなかった。
銅謝辞
日常業務でお忙しい中、共同分析にご参加いただき、非常に有用なご意見をいただきました東海無機分析化学

データ数は 11 である。分析方法はすべて ICP 発光法で研究会の各機関の皆様に心から感謝申し上げます。

ある。分析値はそろっており、特に問題はなかった。
カルシウム

参考文献

データ数は 11 である。
分析方法は ICP 発光法が 9 件で、

1) 野々部恵美子, 大橋芳明, 柴田信行, 橋井光弥, 小

原子吸光法が 2 件である。
第 1 回目の分析値は<0.00001%

野 さ と み : 名 古 屋 市 工 業 研 究 所 研 究 報 告 ,99,

から 0.00092%まで非常にばらついていた。そのため、低pp.33-38(2014)

値のカルシウムを定量する注意点について議論を行った。

2) 日本工業規格

JIS G 1258-1:2014「鉄及び鋼-ICP 発

ベンゼンやエーテルで試料を洗浄することや、石英製の光分光分析方法－第 1 部：多元素定量方法－

ビーカーや時計皿を使用することなどの意見が上がった

解・二硫酸カリウム融解法」

が、一番大きい要因は 5C ろ紙で測定溶液をろ過している

3) 日本工業規格

JIS G 1258-2:2014「鉄及び鋼-ICP 発

ことだと推測された。ろ紙を希釈した塩酸や硝酸であら

光分光分析方法－第 2 部：多元素定量方法－

かじめ洗浄するか、上澄み液で測定を行うことなどの方

りん酸分解法」

法が提案された。また、PTFE 製のメンブランフィルターでろ過している分析所もあった。
第 2 回目の共同分析で、ろ過せず上澄み液で測定を行っ た と こ ろ 、 分 析 値 が 0.00092% か ら 0.00032% へ 、

4) 日本工業規格

酸分

硫酸

JIS G 1258-3:2014「鉄及び鋼-ICP 発

光分光分析方法－第 3 部：多元素定量方法－

酸分

解・炭酸ナトリウム融解法」
5) 社団法人

日本分析化学会

関東支部編：“ICP 発光0.00060%から 0.00019%へと変化し、データのばらつきが分析・ICP 質量分析の基礎と実際” p46, オーム社

小さくなった。微量のカルシウムを定量する際には、ろ(2008)

過に注意が必要なことが確認された。
マグネシウム
データ数は 11 である。
分析方法は ICP 発光法が 9 件で、原子吸光法が 2 件である。非常に低値であるが、分析値はそろっており、特に問題はなかった。
ストロンチウム
データ数は 11 である。分析方法はすべて ICP 発光法である。非常に低値であるが、分析値はそろっており、特6) 社団法人

日本分析化学会編：“現場で役立つ

化学

分析の基礎”p58, オーム社(2006)
7) 日本工業規格

JIS G 5121:2003「ステンレス鋼鋳鋼品」
8) 日本工業規格

JIS G 1217:2005「鉄及び鋼－クロム定量方法」
9) 日本工業規格

JIS H 1279:1998「ニッケル合金中のクロムの定量方法

No.100(2015)19

頭部保護緩衝材の衝撃吸収性能評価
奥田崇之、坂崎克秋＊、堀公子＊
Shock Absorption Evaluation of the Head Protection Buffer Materials
Ｔakayuki OKUDA，Katsuaki SAKAZAKI* and Kimiko HORI*

１．緒 言
現在日本において高齢化および老齢世代の増加に伴い、転倒による不慮の事故が発生する傾向は大きくなると考えられる。特に転倒時の衝撃による頭部損傷は重大なリスクが発生する。若いうちは無意識に手や体を使って頭部への損傷を最小限に食い止めようとするが、年齢が上がるにつれて運動神経も鈍り、直接頭部への衝撃による損傷につながりやすくなる。もちろん頭部の部位によっても衝撃によるダメージは異なってくるが、大局的に見

図1

HIC 値に対する頭部損傷の可能性て衝撃の大きさと頭部へのダメージは比例していると考えられる。このような衝撃による頭部損傷の程度を表現
1)

本研究では、転倒時の頭部損傷を和らげるための安全や遊具落下によ帽の開発を目的として、まず加速度を容易に測定できる

る安全基準でよく利用されている頭部障害基準値

頭部モデルを有する装置を検討し、頭部保護を目的とし(HIC[Head Injury Criterion])というものがある。

た衝撃吸収素材の検討および HIC 値の測定を行った。

するのに、自動車事故の頭部保護基準

HIC＝ �(𝑡2 − 𝑡1 ) �𝑡2
1� 𝑎𝑎𝑎 �(𝑡2 − 𝑡1 ) 𝑡1

2.5

�

𝑚𝑚𝑚

(1)

２．頭部モデル衝撃装置
図２に頭部モデル衝撃測定用装置の写真を示す。頭部モデルを直径 185mm 質量 5.8kg のアルミ製人頭型とし、ここで、a は合成加速度、t1 は積分開始時間、t2 は積分終了時間である。ただし t1、t2 は HIC 値が最大になるように選択しなければならない。
この HIC 値は 1971 年に National Highway Traffic
Safety Administration(NHTSA)で導入され、頭部損傷の危険性を示す指標となっている。図１は HIC 値から起こりうる障害の確率を表したグラフ 2)である。一般的に HIC
値=1000 を越えたあたりから致命的な頭部損傷が起こり始めている。ただしこの HIC 値は規定のダミーロボットと対象材料との相互作用から得られるデータであり、頭部モデルの材質の違いによって変化することを考慮する必要がある。

床面から既定高さまで引き上げたのち自由落下させ、モデル上部に設置された加速度センサにより垂直方向(1軸のみ)の衝撃加速度を計測するものである。実際の HIC
値は 3 軸の加速度を計測しその合成加速度を用いて演算するのであるが、今回の試験内容では垂直方向以外の加速度は結果に大きく影響しないと思われるため、また手軽な計測を行えるように 1 軸のみのデータから演算することにした。
一方、アルミ製の頭部モデルはほとんど緩衝作用が発生しないため、コンクリート面と衝突した場合かなりの衝撃が発生する。このため実際の頭部衝撃メカニズムとは異なるため、頭部モデル頭頂部に天然ゴム板を貼りつけた状態で各試験を行うことにした。そのため今回の試＊

和光技研工業株式会社

験では HIC 値を相対的な指標として用いている。

No.100(2015)

20

緩衝材なし
SK1145W_2層
SK1145W_3層
SK1082W_2層
SK1082W_3層
CRスポンジt10
0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

HIC値

図4

各材料の HIC 値

この試験結果から、HIC 値が相対的に大きく低下して
図2

頭部モデル衝撃測定装置

いる(今回のデータは HIC 値を相対的に利用)材料は
SK1082W の 2 層以上と厚さ 10mm の CR スポンジである。
質量 5.8kg の剛体が自由落下したときの衝撃を緩和させるためには、緩衝材に関してある程度の材料厚さと堅さ

３．実験内容が必要であることが分かる。さらに帽子に対して装着性

人がしりもちをついたり、手でガードしたりした後に頭部が床面に衝突する状況を想定して、前述装置の落下や 通 気 性を 考 える な らば 、今 回 の 選定 材 料の 中 で はSK1082W を中心とした製品作りが有力である。

高さをコンクリート面から 50cm とした。今回準備した緩衝材として、和光技研工業(株)が提供した三次元構造のメッシュ材料(図 3）および市販のゴムスポンジを用いた。
メッシュ材料の SK1145W と SK1082W はともに通気性はあるが、表裏素材はそれぞれ柔らかいものと堅いものである。一方ゴムスポンジは厚さ 10mm で通気性がまったくな
い均一素材である。

５．まとめ
日常生活において、不意な転倒等による頭部損傷事故を防止するために、外観に違和感がなく普段対策できる手段としての安全帽の開発指針を検討した。その結果、以下の知見を得た。
（１）帽子の装着緩衝材を評価するために検討した衝撃

試験は頭部モデル頭頂部に厚さ 5mm のゴム板を貼りつ測定装置で、簡易にではあるが HIC 値の演算を行

け、コンクリート床面に緩衝材を配置し、50cm 高さから自由落下させ衝撃加速度をセンサで測定した。

えることが分かった。
（２）帽子に装着させる緩衝材として今のところ
SK1082W 複層が一番有効であることが分かった。
今後の課題として、実際の HIC 値と合致するように衝撃測定装置の完成度を高めるとともに、さらなる緩衝材の検討および製品形状の安全帽の実測定が挙げられる。

参考文献
1) 例えば、「自動車技術ハンドブック」試験・評価(車両)SK1145W（厚さ 5mm）
図3

SK1082W（厚さ 6mm）

三次元構造のメッシュ素材

編

p192(1990)

2) 中野正博，松浦弘幸，玉川雅章，山中真，行正徹：バ
イオメディカル・ファジィ・システム学会誌[2]，pp.57-63(2010)

４．実験結果および考察
各素材の HIC 値演算結果を図 4 に示す。

12，

No.100(2015)21

走査電子顕微鏡による樹脂めっきの密着性評価
浅野成宏
Adhesion Evaluation of Metal Plating on Plastics by Scanning Electron Microscope
Narihiro ASANO
１．緒 言

以外に分けて、めっき部の断面と成形後及びめっきを剥樹脂は柔軟性及び加工性に優れ、軽量であることから、離した後の表面を観察した。ウェルドとは、射出成形に様々な分野で利用されている。その反面、金属と比較す

おいて金型内で溶融樹脂の流れが合流して融着する箇所

ると、装飾性、耐候性、耐熱性、導電性、耐衝撃性、耐である。成形後（成形体）の表面観察については、ふく擦傷性などの物性で劣っているため、これらの欠点を補れ不良試料にはめっき及びエッチング処理が施されていうことのできる樹脂めっきの需要が高まっている。樹脂

るため、それと同ロットの成形品を同等品と見なして観めっきでは、めっきの密着性を向上させることが最も重察した。比較として、ふくれ不良の発生していない正常要な課題とされており、めっき皮膜のふくれや剥がれな箇所についても同様に観察した。

どの密着不良をいかに減少させるかが常に求められていまたウェルド付近のふくれ不良箇所と正常箇所の組成る。例えば、ABS 樹脂めっきでは、事前に、エッチングの違いを調べるため、それぞれの箇所を深さ方向に削っ処理により樹脂中のブタジエン相を溶解させて、樹脂表て採取した試料について、示差走査熱量測定装置

面に微小な孔を開ける。その孔にめっき金属が入り込ん（DSC3100：Bruker AXS）により、熱分析（試料：約 5.0で生じるアンカー効果により、めっきの密着性向上を図

mg、昇温速度：10.0 ℃/min）を行った。

っている。この場合、樹脂表面に存在するブタジエン相

次に、異なる射出速度で成形した樹脂の、ブタジエンの分布状態が異なれば、エッチング処理後の孔の分布や相をエッチング除去した後の孔の形状変化を調べるため、形状が変化する。ABS 樹脂の射出成形体では、成形条件

10 mm/s 及び 20 mm/s の射出速度で成形した ABS 樹脂のが成形体におけるブタジエン相の存在状態に大きな影響

エッチング処理後の表面を観察した。

を与えるため、成形条件がその後のめっき密着性に関わる要因となる。

試料の表面及び断面観察は、金コーティングにより導電化処理を施し、走査電子顕微鏡（S-4800、（株）日立ハ

そこで、本研究では、製品において実際にふくれ不良

イテクノロジーズ）により、二次電子像観察（加速電圧：を起こした ABS 樹脂と、成形条件の中で射出速度に着目

5 kV）を行った。断面観察は、樹脂包埋して耐水研磨紙し、射出速度を変えて成形した ABS 樹脂の、表面及び断及びバフ研磨後、断面試料作製装置（E-3500：㈱日立ハ面観察を行うことにより、射出速度がめっき密着性にど

イテクノロジーズ）により作製した試料を用いて行った。

のような影響を与えるかについて詳しく調べた。

ABS 樹脂表面に存在するブタジエン相は、四酸化オス
ミウム染色により確認した。ABS 樹脂を四酸化オスミウ

２．実験方法ム溶液に一晩浸漬し、ブタジエン相に選択的に四酸化オ

樹脂めっきのめっき密着性試験の一つとしてヒートサ

スミウムを吸着させた。その試料を走査電子顕微鏡によ

イクル試験がある。ABS 樹脂めっき品にヒートサイクル

り反射電子像観察を行うことにより、ブタジエン相を確試験（条件：75 ℃・-30 ℃、20 サイクル）を行い、複認した。

数のふくれ不良が発生した試料を準備した。これら発生したふくれ不良についてはウェルド付近とウェルド付近

No.100(2015)

22

３．結果及び考察

熱分析では検出できない程度の量ではあるが、ブタジエ

ふくれ不良試料の断面観察を行ったところ、ふくれ不ン相が表層でのみ少なくなっていると推測される。その良はめっきと ABS 樹脂の界面で発生していることを確認ため、樹脂表層にエッチング処理を施しても、アンカーした。そこで、ウェルド付近のふくれ不良の発生原因を効果として働く孔が形成されず、ふくれ不良が発生した

さらに詳しく調べるため、ウェルド付近のふくれ箇所と、と考えられる。一般的に、樹脂の射出成形では、ウェル正常箇所について比較観察を行った。図 1（上段）にウ

ド付近の温度が低くなる傾向があるため、様々な不良がェルド付近のふくれ箇所と、正常箇所のめっき剥離後の発生しやすいと言われている。よって、このような不良表面写真を示す。ふくれ箇所には孔がほとんどなく、正が発生した場合には、樹脂の成形条件を見直す必要があ

常箇所には 1μm 以下の孔が無数に空いていることが確る。

認できる。また図 1（下段）にウェルド付近のふくれ箇

次に、ウェルド付近以外でのふくれ不良の発生原因に所と、正常箇所の成形後の表面写真を示す。正常箇所についても同様に調べた。ふくれ箇所（図 2）では、正常はブタジエン相が多数確認できるが、ウェルド付近のふ箇所（図 1 上段右側）と比較して孔が一方向に長く扁平

くれ箇所にはブタジエン相が少なく、平坦な表面を形成になっていた。これはブタジエン相が射出成形の流れ方している。図 1 の矢印が示す箇所がブタジエン相である
ことは四酸化オスミウム染色により確認した。また、ウェルド付近のふくれ箇所及び、正常箇所から採取した試料について熱分析を行ったところ、両者の結果に顕著な違いは見られなかった。この結果より、ふくれ箇所では、

向に引き伸ばされ、扁平な形状のまま固化したと考えられる。このようなエッチング孔は、深さ方向に浅くなり、十分なアンカー効果が発揮されないと言える。また同一試料内においても場所によって孔の形状がかなり異なっ

1 μm
図1

ウェルド付近のふくれ箇所（左側）と、正常箇所（右側）の成形後（下段）及びめっき剥離後（上段）の表面写真

No.100(2015)23

く扁平なものや、ブタジエンが表層に存在していないため孔が形成されないといった、成形条件の見直しを要す
る事例を確認した。成形条件の中で、射出速度に着目し、射出速度を変えて作製した成形体について調べた結果、過剰に射出速度が速いとブタジエン相は流れ方向に扁平に引き伸ばされることが分かった。この結果は、製品において実際にふくれ不良を起こした事例と一致し、過剰な射出速度の高速化はブタジエン相の扁平→エッチング
孔の扁平→密着力の低下→ふくれなどの密着不良へとつ
図2

ウェルド付近以外に発生したふくれ箇所のめっきながることが立証された。

剥離後の表面写真ていることから、金型内において、樹脂の流れ速度が流動する箇所により異なっていると考えられる。したがって、金型内の部位による樹脂の流れ速度の違いを考慮し、成形条件を見直す必要がある。
以上の結果より、ふくれ不良の原因として成形条件が密接に関係していることが分かった。そこで、エッチン
グ後の孔の形状に大きな影響を与えるブタジエン相の存在状態を調べるため、異なる射出速度で作製した成形体におけるエッチング処理後の孔の変化を観察した。図 3に 10 mm/s 及び 20 mm/s の射出速度条件により成形したABS 樹脂のエッチング処理後の表面写真を示す。射出速
度の速い方（20 mm/s）が遅い方（10 mm/s）と比較して孔が一方向に長く扁平になっている。これは射出速度が速いほどブタジエン相は流れ方向に引き伸ばされ、長く扁平になると言える。球状のブタジエン相が成形の際の流れ方向に引き伸ばされたまま固化することにより、エッチング処理後の孔が同様に深さ方向には浅い扁平な形

図3状になったと言え、球状と比較し扁平な孔ではアンカー

により成形した ABS 樹脂のエッチング処理後の表面写真

10 mm/s（上図）及び 20 mm/s（下図）の射出速度

効果は弱くなると考えられる。したがって、射出速度の過剰な高速化は十分なアンカー効果を得られない扁平な参考文献

孔の発生につながると考えられる。この結果は、既述し

１） M.Matsunaga and Y.Hagiuda : 生産研究, 21[5],た、製品において実際にふくれ不良を起こした事例と一致し、射出速度がめっき密着性に影響を及ぼすことが言
える。

４．結論
ABS 樹脂めっきのふくれなどの密着不良の一つの要因としては成形不良が挙げられる。ふくれ不良発生箇所の樹脂表面を観察したところ、エッチング孔が球状ではな

pp.2～8(1969).

No.100(2015)24

ニッケルめっき処理炭素繊維をトレーサーに用いた
X 線 CT による炭素繊維強化樹脂(CFRP)の繊維配向観察
名倉あずさ、岡本和明、伊藤清治、今井祐介*、島本太介*、堀田裕司*
高い強度と軽さを併せ持つ炭素繊維強化樹脂（CFRP）

これを所定の割合でめっき処理していない CF とともには航空機、自動車、エネルギー、医療など幅広い産業分

樹脂と混練し、射出成形したのち、-XCT で観察した。

野での活用が期待される。とくに母材に熱可塑性樹脂を

Ni-CF は XCT 画像上で明瞭に観察することができた。

用いた CFRTP（carbon fiber reinforced thermoplastic）

対照として、10wt%の CF を含む成形品を同条件で測定しは、そのリサイクル性や生産性の高さが注目されている。

たが、繊維は観察されなかった（図 1）。Ni-CF の含有量

CFRTP の加工法のなかでも、射出成形はサイクルタイムの増加に伴い、繊維同士が密着し配向を観察するのが困が通常 1 分以下と短く、また複雑形状を一挙に成形でき難になることから、数 wt%程度の含有量が妥当であるこることから、著しく生産性に優れているといえる。

とがわかった。

CFRTP の射出成形においては、金型内の溶融樹脂の流れに伴い、繊維が配向することが知られている。繊維配向は材料物性に異方性を生じ、ヒケ、ソリなどの成形不良やウェルド部（樹脂の流れが合流する部分）での著しい強度低下など、成形物の品質に悪影響を及ぼすことがある。このため成形品中の繊維配向の簡便な観察技術が

図1必要である。

含有品、（c）CF10wt%含有品（a）XCT 測定サンプル概観、（b）Ni-CF3wt%+CF7wt%

マイクロフォーカス X 線 CT（-XCT）は材料内部の状
また Ni-CF と樹脂のコントラストが明瞭になったこと
態を比較的短時間・非破壊で三次元観察できる有用な方で、より低倍率（CT 画像の 1 画素サイズが繊維径の 3 倍法であり、ガラス繊維強化樹脂（GFRP）の繊維配向観察程度）でも、繊維が十分に長ければ繊維配向を観察できでは頻繁に用いられている。一方、CFRP の観察例は少なた。これは、一度の測定でより広範囲を観察できることい。これは CF と樹脂の X 線吸収係数の差がほとんどなく、を意味する。
一般的な産業用 X 線 CT 装置では CT 画像上で両者のコンめっき処理していない CF と Ni-CF の繊維配向を比較しトラストが十分得られず、CF の観察が困難であることにたところ、成形品表面付近・内部にかかわらず、層流部よる。
やウェルド部でほぼ一致した。このことから Ni-CF が射
そこで、射出成形 CFRTP の X 線 CT による繊維配向観察
出成形 CFRTP の繊維配向を観察するトレーサーとして有を可能にすべく、ニッケルめっき処理した CF（Ni-CF）
効であると確認された。
をトレーサーとして用いることを検討した。ニッケルはCF や樹脂と比較して X 線吸収係数が大きく、これを CF
表面に付着させることで、CT 画像上で樹脂とのコントラストを得られると期待した。また Ni-CF が CF と同じ配向

掲載誌：Composites Part B: Engineering, 76, pp.38-43(2015).
The Ni-plated carbon fiber as a tracer for observationを示すなら、Ni-CF を観察することで間接的に CF の配向

of the fiber orientation in the carbon fiberがわかると考えた。

reinforced plastic with X-ray CT＊

Ni-CF は市販のめっき液を用いて常法により調製した。

Azusa NAGURA, Kazuaki OKAMOTO, Kiyoharu ITOH, Yusuke

国立研究開発法人産業技術総合研究所

IMAI, Daisuke SHIMAMOTO and Yuji HOTTA

No.100(2015)25

3,6-ジブロモ-1,2-ベンゾキノンジイミン配位子を持つ
ルテニウム錯体の合成およびこの錯体と有機スズおよび有機ホウ素化合物とのクロスカップリング反応
小泉武昭＊、林英樹、塩崎史穂＊、山本隆一＊
ベンゾキノンジイミン（bqdi，図 1）は、non-innocent

系が拡張された[2](PF6)2 および[3](PF6)2 の合成を行った。

な配位子として知られており、bqdi の Ru 錯体（bqdi-Ru[2](PF6)2 および[3](PF6)2 の電気化学特性を評価したと

complex，図 1）について数多くの研究がなされている。

ころ、π拡張を行うことにより、Ru(II)/Ru(III)由来の第bqdi は、化学修飾させることにより更なる機能化が可能

一酸化電位の負側へのシフト、および[Ru]2+/[Ru]+由来のとなると考えられる。特に、π共役化合物を導入させた

第一還元電位と[Ru]+/[Ru]0 由来の第二還元電位の正側へ

π-extended bqdi（図 1）を配位子に用いた Ru 錯体は、導のシフトが見られた。分光特性を評価したところ、MLCT

入したπ共役ユニットが錯体の化学物性にもたらす影響

バンド由来の吸収端の長波長シフトが確認できた。
これらの結果から、[1](PF6)2 は Pd 錯体によるクロスカ

について大きな興味が持たれる。
HN

HN

NH

ップリング反応が錯体の構造を壊すことなく進行するこ

L2
Ru

NH
HN

N

NH

Ar

Ar

Ar

Ar

π-extended bqdi

bqdi

bqdi-Ru complex

図1

N

N Ru N
HN

NH
Br

Br

とが確認できたので、重合反応を試みた。[1](PF6)2 とジスタニルチオフェンとのクロスカップリング反応を試み[1]bqdi、bqdi-Ru 錯体およびジブロモ Ru 錯体[1]そこで、図 1 に示した臭素化された bqdi ユニットを持
つ Ru 錯体[1]を出発物質として、Pd 錯体を用いるクロスたところ、重合体 4 が得られた。図 4 に示したように、この手法により得られた高分子錯体は、金属の導入率が100％となる。

カップリングによる bqdi ユニットのπ拡張を行い、その特性を調べた。
まず、ジブロモフェニレンジアミンとジクロロルテニ。続
ウム錯体との反応により[1](PF6)2 を合成した（図 2）
いて、図 3 の要領で、[1](PF6)2 を出発物質とするクロス
カップリング反応により、[1](PF6)2 の bqdi ユニットのπ図4

重合体 4 の合成スキーム

4 の第一還元電位および第二還元電位は低分子モデル
化合物の[2](PF6)2 よりも正側にシフトしており、なおか
つ 4 の高分子配位子のπ-π*遷移に由来する吸収極大波
長が 2 のそれよりも長波長シフトしていたことから、
bqdi ユニットの更なるπ拡張が起こっていることが示唆される。
これらのことから、[1](PF6)2 はπ拡張型配位子を持つ

図2[1](PF6)2 の合成スキーム

Ru 錯体を合成するためのビルディングブロックとして有効と考えられ、π拡張による新規な機能性錯体への展開が可能となることがわかった。
掲載誌：Inorganica Chimica Acta, 421, pp. 427-432 (2014).
[Ru(bpy)2(bqdiBr2)](PF6)2

bearinga3,6-dibromo-1,2-

benzoquinone diimine ligand (bqdiBr2 = Br-C6H2(NH)2-Br):
Synthesis

and

its

cross

coupling

reactionswithorganostannanes and organoboronic acids
Take-aki KOIZUMI, Hideki HAYASHI, Shiho SHIOZAKI
図3＊[2](PF6)2 および[3](PF6)2 の合成スキーム

東京工業大学

資源化学研究所

and Takakazu YAMAMOTO

No.100(2015)26

ジステアリン酸アルミニウム塩と脂肪酸との混合物を用いた
超はっ水表面の作製
中野万敬、秋田重人、山中基資
超はっ水とは、固体表面に対して 150°以上の静的接触角で水滴が接する現象のことであり、植物の葉、水鳥の羽根、アメンボの足などに見られる。これらの表面は、
単に油分やワックスなどで覆われているだけではなく、
ナノ/マイクロメートルスケールの粗さにより超はっ水化を発現している。最近、人工的に超はっ水表面を作製するさまざまな方法が見つけられているが、時間やコストがかかったり大がかりな装置を必要とするなどの課題があった。そこで、低分子ゲル化剤の特性を利用した超はっ水表面の簡易な作製方法を開発し、その詳細について報告した。
はっ水剤成分として注目したのは、ジステアリン酸ア
ルミニウム塩（AlDS）という低分子ゲル化剤である。この化合物を 5 mg 添加するだけで 1 mL の n-ヘプタンをゲル化できる。この化合物だけを n-ヘプタンに溶かして基材に塗布し乾燥させると、接触角は 109°のはっ水膜が形成した。一方、AlDS に脂肪酸の一つであるステアリン酸（SA）を加えて塗布すると 150°以上の超はっ水膜が得られることがわかった。そこで、AlDS と脂肪酸の混合
割 合 と 接触 角 との 関 係を 調べ た 。 その 結 果、 重 量 比
SA/AlDS が 2～50 の範囲の時に接触角が 150°以上になることがわかった（図 1）。さらに、他の脂肪酸（MA=
ミリスチン酸、PA=パルミチン酸、AA=アラキジン酸、BA=

図1 脂肪酸のAlDSに対する重量比と(a) 接触角、(b)滑落角との関係ベヘン酸）と AlDS との混合物でも特定の混合割合の範囲で接触角が 150°以上になった。次に、混合割合と滑落角の関係を調べた。SA 混合物では重量比 SA/AlDS が 5～20、AA 混合物では重量比 AA/AlDS が 16～24 の範囲の時に滑落角が 10°以下になった。
脂肪酸と AlDS との混合物から超はっ水表面が形成する理由を調べるため、電子顕微鏡により形成した表面を観察した（図 2）。AlDS のみから作製した表面は平坦であったが、SA を一定量添加すると SA の微細結晶が枝分かれしてできた数十マイクロメートルスケールの構造体が表面にみられた。同様の構造体は AA 混合物から作製した超はっ水表面でも観察されたことから、この構造体が超はっ水化に重要な役割を果たしていると考えられる。

図2 (a) AlDS、(b) SA/AlDS=12から作製した表面の電子顕微鏡写真
掲載誌： Colloid and Polymer Science, 292, pp.1475～1478 (2014).
Fabrication of superhydrophobic surfaces frommixtures of aluminum distearate and fatty acids via
intermediate organogel formation
Kazunori NAKANO, Shigendo AKITA, Motoshi YAMANAKANo.100(2015)27

プルシアンブルー担持酸化タングステンのアセトアルデヒド分解反応における光触媒性能
岸川允幸、柘植弘安、川瀬聡、小野さとみ
酸化タングステン（WO3）は、可視光で働く光触媒（可解反応における CO2 生成反応の経時変化を図 2 に示した。

視光応答型光触媒）の一つであるが、WO3 単独で示す光触焼成法により Pt 担持したものを Pt-WO3-C、光電着法に媒活性は低い。しかしながら、WO3 に助触媒として白金、より Pt 担持したものを Pt-WO3-P と表記した。

銅等を担持することにより、光触媒性能を向上できることが報告されている。
本研究では、プルシアンブルー（PB）を助触媒として用いた新規の WO3 光触媒を作製し、その光触媒性能を評価した。WO3 上へ PB を担持する方法としては乾式混練を用いて、担持量は作製試料の重量比 0.5 %になるように調製した。光触媒の性能評価は、可視光照射下におけるアセトアルデヒド(CH3CHO)分解反応の速度を調べることにより行った。反応装置の概略図を図 1 に示した。体積
4.8 mL バイアル瓶の底に光触媒試料粉末 30 mg を敷き詰め、更に濃度 12 g L-1 の CH3CHO 水溶液 5.0 µL を光触媒

図2

CH3CHO 分解によって生じる CO2 濃度の経時変化

試料に滴下した後に密閉した。紫外光を除いた可視光をバイアル瓶の底面より照射し、WO3 光触媒による CH3CHO

バイアル瓶内の CH3CHO がすべて CO2 へ分解した場合、分解反応を 3 時間行った。CH3CHO 分解反応により、バイ4.8 mL 体積中で室温での気体 CO2 濃度は約 13000 ppm に

アル瓶内の大気中に生成する二酸化炭素（CO2）濃度の経なる。助触媒を担持していない WO3 を用いて CH3CHO 分解

時変化を、ガスクロマトグラフ分析装置を用いて測定し反応を行うと、光照射 30 分後に CO2 濃度が 6000 ppm 付

た。光触媒性能の比較対象としては、酸化銅担持 WO3（CuO-WO3）および白金担持 WO3（Pt-WO3）を使用した。
各種 WO3 光触媒を用いて、可視光照射による CH3CHO 分

近で一定となり、CO2 生成反応が停止した。一方、CuO、
Pt、PB を担持した WO3 を用いた場合、いずれも反応開始から 3 時間後の CO2 濃度が 13000 ppm 近くにまでに達し、中間生成物による光触媒性能の失活もなく反応が進行したと考えられる。既知の助触媒である CuO や Pt と共に、新たに PB も WO3 光触媒の助触媒として作用することがわかった。PB が WO3 上に存在することで励起電子と正孔の再結合が抑えられて、CH3CHO 分解反応が促進されたと考えられる。

掲載誌：分析化学, 63 [11], pp. 903-908 (2014).
Photocatalytic performance of Prussian blue-loaded
tungsten oxide for photodegradation of acetaldehyde
Nobuyuki KISHIKAWA, Hiroyasu TSUGE, Satoru KAWASE and
図1

装置概略図

Satomi ONO

No.100(2015)28

極限環境下でも安定な超疎媒表面の開発
Daniel F. MIRANDA*、浦田千尋*、Benjamin MASHEDER*
Gary J. DUNDERDALE*、八木橋信、穂積篤*
固体表面に付着した液体を速やかに除去することを可け で 滑 落 し た 。 n- デ カ ン の 例 で は 、 超 撥 油 表 面

能にする表面処理技術の開発は、基礎研究のみならず実(θs>160°)で TA が 5.3°という報告に対して、開発し用研究においても大変注目を集めている。これまで、蓮た表面ではわずか 3.7°傾けるだけで液滴が滑落するこの葉の超撥水機能を模倣した表面処理手法が数多く開発とが明らかとなった。さらに、加熱(250℃ / 12 時間)、されてきた。最近では、水だけでなく油などの低表面エ

真空下 (0.7Pa / 24 時間)、真空紫外光(172nm / 20 分)

ネルギー液体や粘性の高いエマルションを容易に滑落さ照射といった極限環境下でも表面特性に変化がないことせることができるこれまでにない画期的な表面処理手法を確認した。

が報告がされている。しかしながら、微細構造に依存す
る従来の処理手法は、複雑な製造工程や摩耗に対する弱さなどが欠点となり、実用化の大きな妨げとなっている。
本研究では、従来のような、表面の微細構造化により静的接触角(θs)を極限まで大きくするのではなく、接触
角ヒステリシス(Δθ:前進接触角（θA ）と後退接触角(θR)の差)を制御することで、液滴の滑落性を向上させる方法に着目した。Δθ が小さい表面では、θs の値が大きくなくても、わずかな傾斜(TA:Tilt angle)でも液滴図を滑落させることができる。このような表面を実現する(a)D4H の微細構造(上面)ため、表面エネルギーの低い液体が保持された表面を開(b)IL を浸潤させスムーズになった表面(側面)1 処理表面の電子顕微鏡による観察画像発した。液体には 200℃以上の高温下や高真空中でも安
表 1 各液体のθs,Δθと 5μL での TA

定 な イ オ ン 液 体 (IL) を 用 い た 。 具 体 的 に は 、
1-ethyl-3-methylimidazoliumbis(trifluoromethyl

プローブ液体

θs(°)

Δθ(°)

TA(°)

-sulfonyl)imide を用いた。最初に、光洗浄したシリコ

水51.1 ± 1.0

1.4 ± 0.4

3.0 ± 0.7

ン ウ ェ ハ を 1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane

ジヨードメタン52.4 ± 1.2

2.5 ± 1.4

2.3 ± 0.6

(D4 ) の 蒸 気 に 180-200℃ 下 で 2-3 日 間 曝 し 、 直 径

ヨードベンゼン27.7 ± 1.3

2.2 ± 1.0

1.3 ± 0.5

0.5-3.0μm の粒子が積み重なった粒子膜を形成した（図n-ヘキサデカン

33.0 ± 0.8

1.8 ± 0.8

2.0 ± 1.1

1(a)）。次に、IL を安定に保持するため、表面を真空紫

n-テトラデカン

28.7 ± 0.7

1.1 ± 0.8

2.3 ± 1.6

外光で洗浄した後、(3-aminopropyl)triethoxy -silane

n-ドデカン

24.4 ± 0.3

1.6 ± 0.6

3.8 ± 2.2の蒸気で処理し、粒子表面の表面エネルギーと IL の表面

n-デカン

17.0 ± 1.7

1.6 ± 2.2

3.7 ± 1.2

H

エネルギーのマッチングを行った。この処理により、ILは粒子内に均一に含浸し、
図 1(b)に示すような平滑な IL

掲載誌:APL Materials,2 [5],pp.056108-1〜056108-6.

膜を得た。

Physically

複数のプローブ液体を用いた θs,Δθ, TA の結果を表

andchemicallystableionic

liquid-infused textured surfaces showing excellent dynamic

1 に示す。すべての液体で Δθ は 3°未満と接触角ヒス

omniphobicity

テリシスが非常に小さいため、液滴はわずかに傾けただ

Daniel F. MIRANDA, Chihiro URATA,Benjamin MASHEDER,
Gary J. DUNDERDALE, Makoto YAGIHASHI and Atsushi＊

国立研究開発法人産業技術総合研究所

HOZUMI名古屋市工業研究所研究報告№100

平 成 27年 11月 発 行
発行部数
４５０部
無
料
特定配布
発

行

編集担当

名古屋市工業研究所
名古屋市熱田区六番三丁目4番41号
TEL 〈052〉661-3161（代表）名古屋市工業研究所支援総括室

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