ISSN 2434-5873

研究報告 2019(KISTEC Annual Research Report, 2019)（地独）神奈川県立産業技術総合研究所
Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology

研究報告 2019 目次【機械・材料技術部】◆両眼立体視機能を用いたＸ線透視観察の試み･･････････････････････････････････････････････

1◆混合試料の個別粒度分布解析に関する検討････････････････････････････････････････････････

4◆人工オパールを利用した周期構造の形成による表面特性の付与･･････････････････････････････

6◆散乱媒質を含む固体中の超音波伝搬特性について･･････････････････････････････････････････

8◆マイクロカンチレバー試験片を用いた窒化化合物層の曲げ試験･･････････････････････････････

10◆ガス窒化ポテンシャル制御により形成されるステンレス鋼の拡張オーステナイト相････････････

12◆鉛筆で紙上へ塗布したカーボンの加工用レーザー照射による改質････････････････････････････

14◆超微細多結晶 CBN 工具を用いた高速度工具鋼の鏡面加工･･･････････････････････････････････

16◆油剤の不飽和度が DLC 膜の摩擦特性に与える影響･････････････････････････････････････････

18◆ZnO ナノ粒子を含有した高い柔軟性を有する圧電シートの開発･･････････････････････････････

20【電子技術部】◆生活支援ロボットの安全性評価に関する検討･･････････････････････････････････････････････

23◆KISTEC における電源ポート伝導エミッション測定の不確かさの評価････････････････････････

25◆電子線レジストパターンの断面 SEM 観察条件の検討･･･････････････････････････････････････

27◆次世代 EMC 試験に適用可能な光伝送システムの開発論文･･････････････････････････････････

29◆2400W 級ファンレス降圧コンバータの試作･･･････････････････････････････････････････････

34【情報・生産技術部】◆トポロジー最適化設計におけるデザイン的活用論文････････････････････････････････････････

37◆有限要素法シミュレーションにおける表面コーティングの影響に関する研究･･････････････････

40◆センサー・アクチュエーター層の通信に関する調査研究････････････････････････････････････

42◆塗装した県産スギ材の乾燥･･････････････････････････････････････････････････････････････

44【化学技術部】◆X 線回折法による酸化ハフニウム薄膜の結晶相同定の検討･･････････････････････････････････

47◆塩素消毒により生成する消毒副生成物（トリハロメタン類）の基礎的検討････････････････････

48◆油脂類の酸化による発火危険性の評価手法の検討･･････････････････････････････････････････

50◆寝具及び衣料製品の熱伝導特性（放射及び熱伝導）の評価方法の検討（第１報）論文･･････････

52◆3D プリンタに用いられる鉄鋼材料の主要成分分析法の検討（１）･･･････････････････････････

56◆非線形粘弾性の温度依存････････････････････････････････････････････････････････････････

58◆ポリカーボネートの劣化に関する総合的解析（２）････････････････････････････････････････

60ⅰ【川崎技術支援部】◆材料に吸着した臭気成分等の分析試験法およびその光触媒による分解性能試験法の確立･･･････

63【抄録】････････････････････････････････････････････････････････････････

65【研究開発部】
有望シーズ展開事業「力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット」プロジェクト◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

67◆大型円弧形リニアモータで駆動するプラットフォームを用いた手術支援システムの開発･･･････

70◆脳性麻痺児のための 3 軸座位保持支援装置の開発･････････････････････････････････････････

74◆磁気ギアードリニアモータの開発･･･････････････････････････････････････････････････････

78◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

82「革新的高信頼性セラミックス創製」プロジェクト◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

85◆窒化物蛍光体粒子分散透明バルク体の開発･･･････････････････････････････････････････････

88◆多層グラフェンの形態制御と複合粒子の磁化率異方性評価･････････････････････････････････

92◆メソスケール破壊特性評価法の確立･････････････････････････････････････････････････････

95◆一軸加圧成形過程における粒子集合構造変化の動的観察･･･････････････････････････････････

99◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 102「腸内細菌叢」プロジェクト
解析ツール開発グループ◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 105◆肥満者、または、耐糖能異常者に特有の腸内細菌と代謝物の探索･･･････････････････････････ 108◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 111
腸内環境制御グループ◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 113◆腸内環境制御基盤技術の開発に向けた難培養性腸内細菌の培養法確立および生体に与える影響の評価･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 116◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 119

実用化実証事業「光触媒」グループ（材料グループ）◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 123◆伝統的な和紙の漂白技術を参考にした促進酸化法による綿布の漂白･････････････････････････ 130ⅱ

◆材料に吸着した臭気成分等の分析試験法およびその光触媒による分解性能試験法の確立（２）･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 133◆電撃連打法(ME 法)で作製した Pt/Ti 電極による電解オゾン生成･････････････････････････････ 136◆TiO₂コート金属多孔体フィルタとアセトアルデヒドガス分解性能評価･･････････････････････

140◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 143「光触媒」グループ(抗菌・抗ウイルス研究グループ)◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 147◆KISTEC 機器の共用化の取り組みとウイルス噴霧試験･････････････････････････････････････

150◆可視光下での金属酸化物の抗ウイルス活性に関する試験･･･････････････････････････････････ 153◆防藻性能評価試験方法の JIS 化に向けた取り組み･････････････････････････････････････････

156◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 159「人工細胞膜システム」グループ◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 161◆イオンチャネルのシグナル計測のための小型・遠隔プラットフォームの開発･････････････････ 163◆吸水性ポリマーを利用した連続検出機構の開発･･･････････････････････････････････････････ 166◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 170「食品機能性評価」グループ◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 175◆食品素材を対象とした脳機能評価系の導入･･･････････････････････････････････････････････ 178◆腸における自然薯ムカゴ投与の影響･････････････････････････････････････････････････････ 182◆食品機能性評価研究－脳機能評価･･･････････････････････････････････････････････････････ 185◆食品機能性評価のための新規マーカー検出手法の開発と検討･･･････････････････････････････ 188◆機器共用化･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 191◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 193「高効率燃料電池開発」グループ◆総括･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 195◆高い原子配列規則度を有するカーボンフリーPt–Fe ナノ粒子連結触媒の開発･････････････････

199◆酸高密度型細孔フィリング薄膜および高温低湿度対応膜電極接合体の開発･･･････････････････ 204◆業績･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 208

戦略的研究シーズ育成事業
研究テーマ：「貼るだけ人工膵臓」の開発◆総括・業績･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 211

ⅲ

研究テーマ：有機超弾性材料の導出◆総括・業績･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 217研究テーマ：革新的環境調和機能性材料の創出◆総括・業績･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 221研究テーマ：毛包原基の大量調製法を用いた毛髪再生医療◆総括・業績･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 229

研究テーマ：ナノカーボン光源分析装置開発◆総括・業績･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 235研究テーマ：３D ナノ界面を有する異種接合技術の開発◆総括・業績･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 241

政策課題受託研究「グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター（GHRCC）」プロジェクト･･･ 247

ⅳ

【機械・材料技術部】

両眼立体視機能を用いたＸ線透視観察の試み
伊東
１．

秀高、増田 信次（機械・材料技術部

はじめに解析評価グループ）る角度に位置するＸ線源(左)より照射され投影された透視

当所では電子基板や電子部品、機械部品等を主な対象とし、Ｘ線透視画像により内部の構造や欠陥を調査する技術

画像(左)とする。それぞれの透視画像を左右両眼に入力することで角度の異なる画像情報の組み合わせから空間認支援を行っている 1)2) 。得られる透視画像は、Ｘ線源より出たＸ線を観察対象に照射し透過したＸ線がフラットパ

識を行うことができる人間の機能を利用して立体的な情報認識を可能とする仕組みである。

ネルセンサ(平面)に投影された像である。観察対象は３次元的なものであるが、透視画像は平面に投影された２次元

３．

となるので内部の３次元的な状況を把握することが困難な場合もある。このような場合は異なった方向から観察し当所に設置されているＸ線透視装置の構造と一般的な観察方法について説明する。外観は図 2 のようになってお観察対象の構造を類推する。または設計図等を参考にすることもある。正確に観察対象の内部の状況を３次元的に把り、装置は正面に扉がついたＸ線防護箱の内部で観察対象にＸ線を照射するが、防護箱の周囲は鉛板を鋼板で挟み込握する必要がある場合には、おもにＸ線ＣＴスキャン装置が利用されるがコストや時間のかかる試験となる。今回、んだ構造で作成されており装置外部へのＸ線の漏えい防止と力学的強度を兼ね備えている。そのため外部にはごく

人間の両眼の立体視機能を活用することで、観察対象の内部の状況を立体的に把握できないか、原理的に可能か、当僅かなＸ線しか漏洩しないため観察者が被爆を気にする
心配はなく安心して作業ができる。防護箱内部では、図３

所における主なターゲットである電子・機械・材料等の分
野ので活用の可能性も含めて検討した。

に示すように、Ｘ線源よりＸ線が上方に向かって照射され、炭素繊維強化プラスチック製のサンプルステージ上にの２．

せられた観察対象を透過し、上方に設置されたＸ線カメラ(フラットパネルセンサ)に透視画像が投影される仕組みに

Ｘ線立体撮影法

Ｘ線透視装置の構造と観察方法

Ｘ線透視画像はレントゲンによるＸ線の発見後、主に医学の分野で用いられ肺や骨、その他の診断に活用されていなっている。なお、炭素繊維強化プラスチック板はＸ線が透過しやすいため透視画像に与える影響は少ない。

る。Ｘ線立体撮影法はＸ線透視画像を撮影する際に、観察対象部位とＸ線源の位置を相対的に移動させて撮像した

Ｘ線は非常に微小な 1μｍ程度の大きさの発生源から放射状に照射され、透視画像は観察対象の微細な構造や欠陥

透視画像を両眼に入力することにより人間が持つ３次元
空間認識機能を利用して立体感を認識する方法であるが、を写し出すことが可能である。Ｘ線源と観察対象との距離を調節することにより観察倍率を調整することができる。

Ｘ線の発見以後、立体的に観察対象を把握できる方法として応用されていた 3)。 現在はコンピュータ技術の発達も距離を大きくとれば倍率は下がり観察範囲は広がる、距離を相対的に小さくとれば倍率は上がり観察範囲は狭くなあり、詳細な３次元構造や内部欠陥を解析するにはＸ線Ｃ
Ｔスキャンを使用して断層像や立体像を得ることで内部る。透視画像は装置のコンピュータ画面に表示される。観
察者は画面上の透視画像を見ながら観察場所や倍率をマ

構造を把握している。しかし、Ｘ線立体撮影法も手軽に観察対象の立体的構造を把握できる方法として再考する価ウス操作で調整することが可能である。
次にＸ線カメラの傾動機能とトラッキング機能につい値はあると考えられる。図 1 にＸ線立体撮影法の原理を示す。右目に対応する角度に位置するＸ線源(右)より観て説明する。Ｘ線カメラを斜め方向に傾動することができるが、そのままだと傾動や回転動作を行った時に観察対象

察対象に照射され投影された透視画像(右)、左目に対応すが視野の中心から外れてしまう。Ｘ線カメラの傾動と同時にサンプルステージが水平および上下方向に追随し観察
対象が視野中心からずれないよう連動して制御する機能をトラッキング機能という。図５にトラッキング機能について図示する。トラッキング機能を用いることにより傾動角と連動しサンプルステージを制御することにより観察対象をほぼ同一倍率で視野中心に安定して表示するでき、また傾動方向は後方側だけでなく左右に 180 度回転することが可能である。通常はこれらの機能を駆使し、また場合によってはサンプルステージ上の観察対象の設置方向を変え再度観察することにより目的である内部構造や欠陥を調べていく。

図 1 Ｘ線立体撮影法の原理

1

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

観察対象は小さく薄くとも 3 次元構造を持つが、結果として得られる透視画像は平面状のＸ線カメラに投影された 2 次元画像であるため、観察者の想像力や観察対象の大まかな構造等の予備知識がないと理解が難しい場合がある。次にこの装置を用いて左右両眼用の立体視画像を取得
し、それを両眼を用いて立体視を行う方法について述べる。

Ｘ線透視装置島津製作所
SMX-2000
焦点寸法 1μm
管電圧 160kVまで
図５トラッキング機能(島津製作所 SMX-2000 取扱説明書 6 ページ図 1-2 より転載)4)
図 2 Ｘ線透視装置外観

透視画像

観察対象
サンプルステージ

Ｘ線源

図６ 傾動・トラッキング機能を用いた立体視画像の取得法
図３

Ｘ線透視装置原理図４．

両眼立体視機能を用いたＸ線透視観察法

前節で説明した本装置の傾動機能とトラッキング機能を活用して左右両眼立体視のための透視画像を取得した。
図６に傾動・トラッキング機能を用いた立体視画像の取得法を示す。基準状態での透視画像を右眼用として、傾動角度を増加させた透視画像を左眼用とした。さらに装置で得られる透視画像はＸ線カメラ撮像面より外側からみた裏画像であるため反転および右 90 度回転操作を行った。左右の傾動角の増分は５～６度程度とした。テスト的な観察
対象は、
a) BGA デバイスが両面実装されたメモリ基板b) 繊維強化プラスチック試験片に割れが生じたもの
2 種を用意した。図７に観察対象 a)の外観写真と観察部位を示す。図８に観察対象 a)、図９に b)の両眼立体視用画像を示す。このような両眼用画像をスマートフォン画面に
図４ステージとフラットパネル検出器(Ｘ線カメラ)の動き

表示させ簡易的な VR ビューワを用いて立体視観察を行った。当所職員のほか、2019/02/06～02/08 にパシフィコ横(島津製作所 SMX-2000 取扱説明書 5 ページ図 1-1 より転載)4)

浜で開催された多くの来場者に b)の立体視動画を体験い
ただき、好評であった。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

2【機械・材料技術部】

５．

現状の問題点

当所のＸ線透視装置を用い、傾動・トラッキング機能を

3.斎藤,朴沢,袴田,笠原,石田;Ｘ線立体撮影法の喉頭造影法への応用,日本気管食道学会報 30 (5), 1979 pp.

用いることにより両眼立体視画像が作成可能である。この
画像を両眼に適切に入力することにより立体視が可能で

311-315.
4.島津製作所マイクロフォーカスＸ線透視装置 SMX-2000

あることが分かったが、様々な煩雑な作業が必要であり、現状では技術支援現場で迅速に対応できる状況にない。必取扱説明書

要とする機能は装置内部で観察対象を把持し回転角を調整する機能、回転させながら透視画像を取得・蓄積し左右両眼用画像を編集・生成する機能を実現することが必要と思われる。
【参考文献】
1.増田,伊東,曽我; BGA の接続不良解析事例，神奈川県産業技術センター研究報告 15, 68 (2009).
2.伊東,増田; BGA 接合部の品質確認，神奈川県産業技術センター研究報告 16, 53 (2010).

図７ 観察対象 a)両面ＢＧＡ実装メモリ基板

左眼用
図８

右眼用
両面ＢＧＡ実装メモリ基板の立体視画像

左眼用
図９

右眼用
繊維強化プラスチック試験片の割れ立体視画像

3

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

混合試料の個別粒度分布解析に関する検討奥田

１．

徹也（機械・材料技術部

はじめに

２．

粒度分布計測は、サイズや計測原理、計測目的に応じて、ナノ材料グループ）

モデル試料の評価

まず、評価が比較的容易なモデル試料として、重曹（炭

様々な手法が存在するが、大別すればアンサンブル法と計数法に分けることができる。前者は、レーザー回折、動的

酸水素 Na）とクエン酸を混ぜた粉末を検討した。混合粉
末を、スライドガラスの上に適量振りかけて観察試料とし、

光散乱、小角Ｘ線散乱などの光散乱法が代表的である。この他、液相遠心沈降法、超音波法などもあり、平均粒径だ20 倍の対物レンズで観察した。画像合成機能を使って一2視野あたり 4mm 角の範囲を撮像した後、面積 100μm（円けで良い場合はＸ線回折の半値幅や比表面積からも評価できる。また後者は、顕微鏡下での観察法である TEM、相当径約 11 μm）以上のサイズをもつ検出粒子一つひとつに対し、自動処理でラマンスペクトルを取得した。上記

SPM、SEM、光学顕微鏡などが代表的であるが、この他、
粒子フロー式画像解析法、粒子トラッキング法、さらに目の作業を多数の視野に対して行った後、最終的に約 4400
個の粒子を解析対象として得た。そして、各粒子のラマン

視確認はできないがコールター計数法もある。
アンサンブル法の長所は、比較的簡易かつ短時間に、大スペクトルに対し、重曹、クエン酸、スライドガラスの３種類の単体スペクトルをモデルデータとして、CLS（最小量の粒子を観測できることである。しかしその反面、実際に何を測定しているのか目で確認できないだけでなく、得二乗法）解析を行った。まず、重曹のスコア値が 50%以上
を重曹粒子と見なし、次に、残りの粒子の中からクエン酸

られる粒度分布の一次データは個数基準ではない。さらに、“平均”粒径の評価には適しているが、粒径の“分布”にのスコア値が 20%を超えているものをクエン酸粒子と見なした。それ以外の粒子は、スライドガラス基板の強度がついての信頼性は一般に乏しい。一方、計数法の長所は、一般に目で状況を確認できるだけでなく、個数基準の粒度強いなど、何らかの理由で十分なラマンスペクトルが取得できなかったと考えて、解析対象から外した。CLS 解析に分布が得られることである。特に顕微鏡下での観察法は、大量の粒子を短時間で計測することが不可能という重大よる自動分別の結果、最終的に重曹粒子 644 個、クエン酸
粒子 1410 個を得た。

な欠点があるものの、乾燥可能な検体の場合、信頼性は最も高く、かつ、粒子の形状パラメータも知ることができる。

図 1 に、重曹を赤色、クエン酸を緑色で色づけした光学
顕微鏡像を示す。どちらにも分類できず解析対象から外し

また、試料作製や観察の自由度が高いため、未知試料にも対処しやすく、さらに元素分析など、他の分析手段と組みた粒子は、グレーまたは中間色になっている。重曹とクエン酸の形態に大差はなく、形状パラメータによる分別は不合わせれば複合的な解析が可能となる。
当所では、マイクロメートルサイズ以上の粒度分布計測

可能なことが分かる。
図 2 に、(a)ラマンスペクトルで分別する前の重曹とクを目的とし、かつ、多種多様な未知試料の評価が求められる状況に対応するため、光学顕微鏡下で観察するタイプのエン酸の合計、(b)ラマンで分別した重曹、(c)ラマンで分別したクエン酸、それぞれの粒度分布ヒストグラムを示す。

画像解析式粒度分布計を、一昨年度末に導入した。装置本
体は、ラマン顕微鏡（堀場製作所製 XploRA Plus、レーザ

また(d)に、解析精度の確認のため、混合する前の重曹単体に対して通常の画

ー波長 532nm）であり、粒度解析ソフトウエア（Particle
Finder ver.2）が付属している。粒度解析は、多数の粒子画像解析を行った結果を示す。(b)と(d)像を二値化し、ソフトウエアが自動的に粒子検出と形状パ
ラメータの算出を行う一般的なタイプである。本装置の長の円相当径（ECD）の平均値±標準偏所として、粒径計測を行った一つひとつの粒子に対し、後から高精度の XY ステージを使って各粒子の座標位置に差を比較すると、それぞれ(b)53.0±21.4

再び戻って、自動的にラマンスペクトルを取得ができることが挙げられる。従来の画像解析式粒度分布計では、例えμm と(d)54.8±23.0μm で大差ない。よば明確にアスペクト比が異なる球状粒子と針状粒子など、
形状パラメータのみで分別するしかなかったが、本装置はって重曹については、混合試料からララマンスペクトルも分別基準として利用できる。そこで本報告では、従来あまり報告されてこなかった、複数の物質

マンで 分別して
図 1. 混合粉末をラマンスペクトルで分別して重曹を赤，クエン酸を緑で色付けした光学顕微鏡像からなる混合粒子系の、ラマン分析を使った個別粒度解析の可能性について検討した結果を紹介する。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

4【機械・材料技術部】

1060 個の粒子を解析対象として得た。円形度の低い粒子を排除するのは、試料に元々あった強凝集体ではなく、観察試料調製の際に偶然くっついてできた弱凝集体の可能性が高いためである。
すべての粒子から、図 4(c)のような強い蛍光を伴うラマンスペクトルが得られたので、ベースライン補正を行った
ものの、ベースラインが平坦ではないため、モデル試料の場合のような CLS 解析による自動分別は適用できなかった。そこで時間をかけて手動で分別して、図 4 (a)のような「材料 A」とする）397
1045 cm-1 付近にピークをもつ粒子（-1個と、図 4 (b)のような 995 cm 付近にピークをもつ粒子（「材料 B」とする）253 個を得た。ピークが 1 本だけなので確かではないが、ピーク波数から材料 A は重曹（あ図 2. 粒度分布ヒストグラム(a)重曹＋クエン酸，(b)ラマンで分別した重曹，(c)ラマンで分別したクエン酸，(d)重曹単体で評価した場合

るいは炭酸 Na）
、材料 B は硫酸 Na の可能性が高い。図 5に、ラマンによって材料 A と材料 B に分別した粒度分布

も、単体で評価した場合とほぼ同等の解析精度が得られることが分かった。ただし詳細に見ると、本来の分布である

ヒストグラムを示す。円相当径（ECD）の平均値±標準偏差は、材料 A も材料 B も 80±36μm 程度で大差ないが、(d)に比べて、(b)ラマンで分別したヒストグラムは少しシ
ャープになっており、正確に分布を再現できたわけではな

材料 A の分布の方が少しブロードである。

かった。混合粉末試料の作製、ラマンスペクトルの取得、
CLS 解析の各段階を経るにつれて、何らかの意図しないフィルタリングがなされたことが原因と思われる。

３．

実サンプル評価の試み

モデル試料ではなく、市販品や天然物への応用を図るた

図 3. 入浴剤中の無機物の光学顕微鏡像

め、各種のサンプルに当たってみたところ、市販品ではす
べて、成分間の均一な混合や造粒のために、複数の成分が一体となって凝集していた。また、製品の主成分は蛍光を発する材料ではないにもかかわらず、添加物のために強い蛍光が出てラマンスペクトルの取得が困難なことが多かった。すなわち凝集および蛍光が、実サンプル評価の際の主な問題点であることが分かった。よって、ラマン分析による粒度の分別は汎用的に適用可能なわけではなく、評価

図 4. 無機物のラマンスペクトル (a) 材料 A，(b)材料 B，(c) ベースライン補正前の強い蛍光

対象や評価目的に対する何らかの限定が必要である。
ここでは、評価可能であった事例として、市販の入浴剤
中の無機物の粒度解析について紹介する。商品の成分表によれば、重曹、炭酸 Na、硫酸 Na、コハク酸、デキストリ
ン、ポリエチレングリコール、流動パラフィン、色素などを含んでおり、大きなタブレット状に成形されている。そこでターゲットを無機物に絞り、まずタブレットから少し試料を掻き取って、クロロホルム中で超音波を短時間当て

図 5. 無機物をラマンで分別した粒度分布ヒストグラム(a) 材料 A，(b) 材料 Bて、沈殿物を得た。次に、有機成分を洗い流すために、クロロホルムで 3 回デカンテーションした後、沈殿物をクロロホルムと一緒にスライドガラスの上に滴下し、クロロホ
ルムを揮発させた。色素成分は除くことができず、最終的

４．

まとめ

に残った着色した微粉末に対して粒度解析を行った。20倍の対物レンズ下で、画像合成機能を使って一視野あたり

ル試料と実サンプルに対して個別粒度解析を試みた。その結果、モデル試料では比較的うまくいったものの、実サン

3～5mm 角の範囲を撮像した後、面積 900μm2（円相当径
約 34μm）以上のサイズをもつ検出粒子一つひとつに対し、

プルでは凝集や蛍光で評価困難な場合があることや、解析に時間を要することなどが分かった。この解析手法につい自動処理でラマンスペクトルを取得した。図 3 に、光学顕微鏡像を示す。上記の作業を多数の視野に対して行った後、ては、現在も用途開発中である。比較的粗大な混合粒子系の粒度評価にご興味のある方は、機械・材料技術部までご

円形度が 0.6 以上の粒子のみを選び取って、最終的に約連絡いただきたい。

ラマンスペクトルを分別基準として、粒子複合系のモデ

5

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

人工オパールを利用した周期構造の形成による表面特性の付与
小野

１．

洋介（機械・材料技術部

はじめに

２．

ナノ材料グループ）

実験及び結果

虹色に輝く宝石として知られるオパールは、可視光の波長と同程度の数百ナノメートルオーダーの物理的な周期

人工オパールは、古くから知られる Stöber 法 4)と呼ばれる液相合成法により作製した。ガラス瓶にオルトケイ酸テ構造を有しており、その周期の距離に応じた波長の可視光を強く反射することにより、その特徴的な色彩を発現する。

トラエチル(TEOS)とエタノール水溶液を混ぜ、アンモニア
水を添加して TEOS の加水分解・脱水縮合反応を促進させ、オパールの微構造とそれに由来する色彩は、数百ナノメー
トルの球状粒子を作製し最密充填することで人工的に模粒子を析出させた 2-3)。図 1(a)に示すように、反応初期は紫～青色の波長の短い光を散乱する微粒子が視認され、室倣でき、「人工オパール」として光学分野で応用が進められている。 1998 年には、人工オパールをテンプレートと温で 1 時間程度撹拌し続けると白濁した。蓋を開けた状態
で分散液を数日間静置すると、液が蒸発しバルク体の人工して作製される多孔体（インバースオパール）が発表され1)、ますます技術が発展してきている。インバースオパー

オパールが得られた。ガラス瓶の内面積に応じて任意の大きさの人工オパールを作製することが可能であったが、本ルは、人工オパールと他材料から構成される複合体のうち人工オパールのみを選択的に除去することで作製され、微研究では、目的とする試作に大面積を必要としないことと取扱い性の理由から図 1(b)のようにランダムな形状に割細な孔が三次元で連なる周期構造を有する。粒径を制御しやすいポリマー製の人工オパールが用いられることが多った状態で使用した。同図から分かるように、観察する角度によって青、緑、赤等の異なる色が確認された。なお、

く、除去の工程で高温焼成または溶媒抽出を要するため、有害な排ガスや廃液が発生する点に課題が残されている。

遠心分離機を用いて、固液分離の工程を大幅に短縮することも可能であった。

これまで人工オパールやインバースオパールは、前記の周期構造を活かし光制御等の光学分野での応用が図られ

図 2 に示すように、作製した人工オパールをホットプレートで 190oC に加熱したプラスチック基材(ポリスチレンてきたが、本研究では、酸化ケイ素の親水性と耐熱性に着眼し、酸化ケイ素製人工オパールの新しい応用技術として

またはポリプロピレン)に手で接触させ、空冷後に人工オパールを部分的に剥離した。ポリスチレンを基材として用

プラスチック基材への親水・疎水表面の形成を試みた 2)。
疎水表面の形成にあたっては、廃液や排ガスを排出しない

いて得られた試料表面の微構造を、走査電子顕微鏡(JEOL
JSM-6510，10kV)で観察した結果を図 3 に示す。人工オパ

シンプルなプロセスにより、二次元周期の微細な穴をプラ
スチック表面に形成した。当所単独で特許を出願しておりールを担持した表面では、直径約 250 nm に大きさの揃った球状粒子が観察された。一方、人工オパールを剥離した

3)、企業への技術移転を目的として、本報にて研究成果を紹介する。

表面では、直径約 200 nm に大きさの揃った周期的に配列する穴が観察された。

図 1. (a)酸化ケイ素粒子分散液と(b)バルク体の外観

図 2. 本研究で提案する親水・疎水表面形成プロセス

KISTEC研究報告2019（2019.7）

6

【機械・材料技術部】

４．

今後の展開

本研究では、人工オパールの新たな応用技術として、これをプラスチック表面に担持することにより親水表面を、剥離して微細な穴を形成することにより疎水表面を形成できることを示した。ポリプロピレンを基材とした場合には柔軟に曲げられる試料が得られたことから、親水・疎水
表面の特徴とあわせて、フレキシブルな印刷版としての利用を期待している。また、通常の機械加工では 1 ミクロン
以下の超微細加工が困難であること、レーザーや電子線による描画では生産性が低く高コストであることを鑑みると、本研究で提案した手法は安価な超微細加工技術としての応用も期待できる。ご興味をお持ちの方は、機械・材料
技術部までご連絡いただきたい。
図 3. 走査電子顕微鏡による観察像；(a)人工オパールを担【参考文献】
1. B.T. Holland et al., Science, 281, 538-540 (1998).
2. Y. Ono, Chem. Lett., 48, 541-543 (2019).

持した表面、(b)人工オパールを剥離した表面

3. 特願 2018-150838
4. W. Stöber et al., J. Colloid Interf. Sci., 26, 62-69 (1968).

接触角計(協和界面科学 DropMaster 300)を用いて室温
で水接触角を測定した結果、人工オパールを剥離した表面では 104o であり、ポリスチレン基材の水接触角 90o と比べ

5. A.B.D. Cassie and S. Baxter, Trans Faraday Soc., 40,
546-551 (1944).

て高い値を示した。一方、人工オパールを担持した表面では吸水され測定不能であった。

【外部発表】論文等発表

３．

1件

考察

作製した人工オパールは、観察角度によって異なる色が観られたことから、宝石と同様に物理的な周期構造に由来して発色したと考えられる。電子顕微鏡像(図 3)は最表面の観察像であるため球状粒子の規則的配列を確認しにく
いが、粒子サイズが高度に揃っていることは確認できた。
パチンコ玉を敷きつめると自然と最密充填する現象と同様に、分散液の静置の工程においてサイズの揃った粒子が最密充填のように規則的に配列して周期構造を形成したため、発色したと思われる。
人工オパールを剥離した表面で水接触角が増大した結果は、Cassie-Baxter モデル 5)として知られるメカニズムのように、穴の形成により水が空気と接触したことに由来すると考えられる。これは、部分的に超撥水表面が形成されたと言い換えることもできる。一方、人工オパール担持表
面で水が粒子表面に濡れ内部まで浸透した結果は、人工オパールを構成する酸化ケイ素粒子の親水性と多孔性に由来すると思われる。酸化ケイ素粒子の多孔性を評価するた
めに N2-BET 法による比表面積を測定したところ、人工オ
パールの測定値(31 m2/g)が、粒径と密度から算出される計算値(11 m2/g)と比較して約 3 倍であった。このような多孔質な酸化ケイ素からなる人工オパールを作製し用いたことが、親水的な特徴を強調する結果につながったと思われる。

7

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

散乱媒質を含む固体中の超音波伝搬特性について１．

関野晃一（機械・材料技術部

材料評価グループ）横内正洋（機械・材料技術部

材料物性グループ）

はじめに

建築構造物には、建材の腐食を防止する目的として、塗(2)測定装置および方法
測定装置は、超音波探傷装置、探触子、オシロスコープ

装が施されている。このような塗装には、種々の塗料が用いられており、中でも、ガラスフレーク入りの塗料は、建から構成した。超音波探傷装置は、市販の装置（GE イン
スペクション テクノロジーズ社、USN60）を用いた。探材の長寿命化に有効な塗料の一つである。
しかし、ガラスフレーク入りの塗料は、建築構造物の維触子は、振動子寸法φ10mm、中心周波数 2MHz および
5MHz の垂直探触子で、狭帯域と広帯域のものである。

持管理のために実施される超音波板厚測定において、ガラ
スフレーク(散乱媒質)が超音波を散乱させるため、底面エ図 3 に測定方法を示す。測定方法は、一探触子法で接触媒質にグリセリンペーストを用いた。探傷装置の感度は、コーの識別性が悪くなると考えられる。また、この散乱媒質は媒質の大きさ、材質、形状によって、散乱減衰の大き

底面エコーB が探傷装置の波形表示画面で 80％になる感度とした。

さも異なると予想される。
この散乱減衰による影響を明らかにするために、サンド測定結果は、図 3(b)に示した A スコープ波形が得られる。
この A スコープ波形には、塗装と鋼の界面で反射した超ブラスト用のガラスビーズ(散乱媒質)を塩化ビニル樹脂に配合した塗料を作り、試験片の底面で反射した超音波の強音波のエコーI と底面で反射した超音波のエコーB(底面エコー)が識別されることになる。

さとガラスビーズ径の関係について調査した。

結果は、エコー高さおよび板厚の測定値で整理した。エ
コー高さによる整理では、ガラスビーズ径 58μm

２．

実験及び結果(1)試験片図 1 に試験片の形状を示す。材質は SS400 で、試験片の表面は、♯300 の紙やすりで表面を粗くし、ガラスビーズ
入りの塩化ビニル樹脂を塗装した。裏側は、黒皮のままと
した。

300μm

300μm

300μm

♯320(D=58μm)♯120(D=138μm)♯60(D=303μm)

表 1 にガラスビーズ径および試験片に塗装したコーテ
ィングの膜厚を示し、図 2 にガラスビーズの画像を示す。

図 2 ガラスビーズ

ガラスビーズの粒度は♯320、♯120、♯60 で、直径の平均値 D は、それぞれ 58μm、138μm、303μm である。こ

表 1 ガラスビーズの仕様と塗装の膜厚

ガラスビーズ径(μm)

板厚 t

膜厚 tc

平均値 D

(mm)

(μm)

のガラスビーズを塩化ビニル樹脂に対して 20wt％の割合で配合し、刷毛で試験片に塗装した。乾燥後の塗料の膜厚

粒度
320

53

63

58

11.4

351

tc を電磁誘導式膜厚計で測定したところ、351μm≦tc≦
463μm であった。

120

125

150

138

11.3

381

60

250

355

303

11.4

463

最小値

最大値

SS400
探触子

t

t

c

50

コーティング50t(a)一探触子法

図 1 試験片形状（単位：mm）

KISTEC研究報告2019（2019.7）

エコー高さ

塗装

発信パルス
B
I
伝搬時間
(b)A スコープ波形

図 3 測定方法8【機械・材料技術部】の試験片で得られた底面エコーを基準として、それぞれの周波数を高くすると散乱減衰の影響を受けて底面エコー

条件で得られた底面エコーの感度差で整理した。板厚測定の結果は、マイクロメータで測定した板厚(実測値)と超音の識別性が悪く，塗料の状態や要求される板厚測定精度の条件によって探触子の周波数を選定する必要がある。
100

図 4 に、中心周波数 f＝5MHz におけるガラスビーズ径
58μm と 303μm の A スコープ波形を示す。図中の A は50

エコー(％)

波で測定した板厚(測定値)で整理した。
(3)測定結果

発信パルスで、B が底面で反射した超音波を示している。
塗料と鋼の界面は、塩化ビニル樹脂の音速を 2330m/s として膜厚測定の結果を基に界面の伝搬時間を求めると、図中の○印付近でエコーが識別されることになるが、A スコー

A

B

0
-50

-100
0

プ波形上では、発信パルスに妨害され、塗料と鋼の界面で反射した超音波は識別することができなかった。実際の建築構造物などの板厚測定では、塗装の上から測定することがあり、塗装と鋼の界面が識別できない場合、膜厚計など

1

2

3
4
伝搬時間(μs)56(a)ガラスビーズ径 58μm(探傷器感度：39.9dB)

100
エコー(％)

で塗装の膜厚を測定し、その結果と底面エコーの伝搬時間から板厚を求めることになる(R-B 方式)。本研究においても、R-B 方式を採用し、板厚を求めることとする。
図 5 は、ガラスビーズ径 58μm の底面エコーを基準として、それぞれの条件の底面エコーの感度差で整理した結果である。中心周波数 f＝2MHz の結果は、ガラスビーズ

A

B

2

3
4
伝搬時間(μs)

50
0
-50

-100

径を変えてもほぼ一定の傾向を示しているが、f＝5MHz
は、ガラスビーズ径が大きくなると、底面エコー高さは低0くなる傾向であった。
図 6 に板厚測定の結果を示す。この図は、横軸にマイク

1

5

6

(b)ガラスビーズ径 302.5μm(探傷器感度：46.0dB)
図 4 A スコープ波形(広帯域，中心周波数 5MHz)ロメータで板厚を測定した結果(実測値)を示し、縦軸に超音波で板厚を測定した結果(測定値)を示している。中心周5

感度差(dB)

波数 f＝2MHz では、測定値に大きな差が生じるが、f＝5MHz においては、マイクロメータの測定値に対して±0.2mm 以内の差であった。また、周波数帯域においては、広帯域の方が実測値に近い傾向を示した。このことから、板厚測定の結果においては、f が高い条件の方が有利であることがわかる。

0-5
f=2MHz(狭帯域)
f=2MHz(広帯域)
f=5MHz(狭帯域)
f=5MHz(広帯域)-10以上のことから、散乱媒質を有する材料において、エコー高さの観点では、板厚測定で用いる探触子の中心周波数-150は低い方が、エコーが強くなるため有利である。しかし、板厚の測定精度を重視する場合は、周波数の高い探触子を

100
200
300
ガラスビーズ径(μm)

400

図 5 ガラスビーズ径が底面エコー高さに及ぼす影響

用いた方が有利であることがわかった。

３．

13.0

考察及び今後の展開

散乱媒質としてガラスビーズを塩化ビニル樹脂に混合

f=2MHz(狭帯域)
f=2MHz(広帯域)
f=5MHz(狭帯域)
f=5MHz(広帯域)12.5
測定値(mm)

した塗料を使って，ガラスビーズ径と超音波伝搬特性を調査したところ，散乱物質が大きくなると，底面エコーは低12.0下する傾向を示した。このような傾向は，粗大結晶の金属材料と同様の傾向で，塗料中のガラスビーズで超音波が反射・屈折することで散乱が生じ，底面エコーが低下したと考えられる。

11.5

板厚測定精度については，中心周波数が高いほど，実測値に近い傾向を示した。これは，中心周波数が高いと，媒

11.0
11.0

質中を伝搬する超音波の波長が短くなり，時間分解能が高いためである。探触子の中心周波数を高くすれば，板厚測

11.2

11.4
11.6
実測値(mm)

11.8

12.0

図 6 板厚測定結果

定精度も向上する可能性があるが，前述したように，中心9

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

マイクロカンチレバー試験片を用いた窒化化合物層の曲げ試験

髙木
小沼
１．

眞一、吉田
誠司、近藤

健太郎（機械・材料技術部 材料物性グループ）
敏之（川崎技術支援部 微細構造解析グループ）

はじめに

窒化処理は処理に伴う変形が格段に小さいことに加え、最近実用化された窒化ポテンシャル制御技術を用いて表面に生成する窒化化合物層の結晶構造を制御することに
よって疲労強度の向上が可能であること 1-3)が報告されるようになり注目されている。
著者らはこれまでに、窒化鋼材の疲労強度に及ぼす表面の窒化化合物層（以下、表面化合物層）の影響を調査してきた 4)。その結果、表面化合物層が破壊するか否かによって基材である鋼材の疲労強度は著しい影響を受けることが判明した。例えば、SCM435 鋼窒化材の場合は、表面化合物層が γ’ 相（Fe4N）である方が、ε 相（Fe2-3N）と比較して著しく高い疲労強度を示し、その理由は γ’ 相の方がε 相よりも靭性に富み破壊強度が高いためと推察された。
しかし、表面化合物層は厚さが数μm から十数μm と薄いことから、その機械的性質を評価することは容易ではない。
そこで、著者らは表面化合物層の機械的性質を評価する手法として、マイクロカンチレバー試験片による曲げ試験を

３．

検討している。本稿では、これまでに得られた結果について報告する。

２．

γ’相、ε 相のいずれの場合にも表面から見た結晶粒径は数μm 程度である。また、FCC 構造の γ’相には双晶と思われる直線的な境界が観察される。
マイクロカンチレバー試験片の作製には FIB（Focused
Ion Beam; エスアイアイ・ナノテクノロジー社製 XVision
200TB）加工装置を用いた。マイクロカンチレバー試験片の模式図と実際に作製した試験片の SEM 像を図 2 に示す。
試験片の梁の長さは約 5μm、幅は約 0.5μm である。梁の先端部分には曲げ試験において荷重点の目標とするために微小なくぼみを加工した。このような試験片を γ’相と ε相についてそれぞれ 3 個ずつ作製して曲げ試験に供した。
曲げ試験にはナノインデンテーション装置（ハイジトロ
ン社製 トライボインデンター）を用いた。ナノインデン
テーションの圧子はダイヤモンド製のキューブコーナーと呼ばれる先端が正四面体形状のものである。上述したマイクロカンチレバー試験片の荷重点に対してこの圧子により力を負荷して荷重と変位の関係を測定した。

結果および考察

図 3 に曲げ試験により得られた荷重－変位線図を示す。
γ’相の試験片についてはデータの保存に失敗し 3 個中 2 個の試験片のデータしか得られなかった。いずれの試験片についても最大荷重は 100μN に満たない極めて小さな荷重であった。また、試験片ごとのばらつきも著しく大きい。

実験方法

供試材は平板状の S45C 鋼（調質材、焼戻し温度 620℃）である。窒化処理は水素センサーによる窒化ポテンシャル（KN）制御機能を備えたピット型ガス（軟）窒化炉を用いて実施し、窒化化合物層の表面側で γ’ 相（Fe4N）あるいは ε 相（Fe2-3N）が主相になるようにそれぞれ調整した。
窒化処理温度と時間はそれぞれ 570 ℃および 5 hr である。
窒化処理した供試材の表面には微細な凹凸やポーラス構造と呼ばれる微小な孔が生成する。これらは、後の曲げ試験において悪影響を及ぼす恐れがあることから、窒化処
理後にコロイダルシリカを用いて表面をわずかに研磨して平滑に仕上げた。研磨後の供試材表面を走査型電子顕微鏡（SEM）の反射電子像により観察した像を図１に示す。

図 2 マイクロカンチレバー試験片の模式図と作製した試験片の SEM 像．a) 模式図，b) 作製した試験片の正面像，c) 同
側面像
図 1 供試材表面の反射電子像．a) γ’ 相，b) ε 相．

KISTEC研究報告2019（2019.7）

10【機械・材料技術部】

2．試験片ごとの荷重値のばらつきが大きくなった原因として、試験片寸法の精度や微細構造因子の影響が顕在化したことが考えられるので、今後はさらに大きなサイズの試験片を作製して曲げ試験を試みたい。

謝辞
窒化ポテンシャル制御によるガス窒化処理の実施に協力を頂いた（株）オーネックス技術研究所の伊藤経教 氏に感謝します。

図 3 曲げ試験による荷重-変位線図．a) ε 相，b) γ’ 相．

文献1) Kobayashi, S. Maeda, H. Imataka, Y. Gyotoku, M. Yusa, Y.
Shimizu, M. Kanayama: Trans. Soc. of Automotive Engineersof Jpn., 45(2014), 1153.
2) Y. Hiraoka, A. Ishida, O. Umezawa : J. Jpn. Soc. Heat Treat.,57(2017), 64.
3) 高木眞一，殿塚易行，星川 潔，伊藤経教：「機械構造

図 4 曲げ試験後の試験片の SEM 像．a) ε 相，b) γ’相．

用鋼表面硬化部材の疲労損傷」シンポジウムテキスト,
日本鉄鋼協会編，(2016), 3.

ε 相の試験片は 1000～2000nm の変位を示した後に荷重値がほぼゼロに急減することから破断していると推測される。一方、γ’ 相の方は 3000nm を超える領域まで塑性変形した後、荷重値は急激に増加に転じている。
図 4 に曲げ試験後の試験片の SEM 像を示す。ε 相の試験
片はいずれも梁の根元部分が明白に破断していることが判るが、γ’相の試験片は梁の根元で塑性変形しているものの破断している試験片はなかった。以上のことから、ε 相はわずかに塑性変形を示した後に梁の根元部分で破断したと考えられる。一方、γ’ 相の試験片は大きく塑性変形した後、破断することなく梁の先端部分が底部に接触する
か、あるいは圧子が試験片以外の部分などに接触することによって急激に荷重の増加を示したものと推測される。いずれにしても、変形の様子から ε 相と比較して γ’相の方が延性に富むことが明らかになった。
試験片ごとの荷重値のばらつきが著しく大きくなった
原因としては、試験片のサイズが小さすぎたため荷重値が著しく小さく、試験片の加工精度などに起因するばらつきが顕在化しやすいことや、変形が梁の根元部分に集中しており、試験片の幅が 0.5μm 程度しかないことから、根元部の結晶粒の大きさや方位、あるいは結晶粒界の強度特性などの微細構造因子が強度に著しい影響を及ぼしたと推測される。したがって、荷重値のばらつきを小さくするには、より大きな試験片を作製して曲げ試験を実施する必要があると考えられる。

４．

4) 髙木眞一, 殿塚易行, 中村紀夫, 伊藤経教：鉄と鋼，
vol.104, (2018), 594.

まとめと今後の展開

S45C 鋼窒化材を供試材として、表面の窒化化合物層からマイクロカンチレバー試験片を作製し、曲げ試験を実施することによって、γ' 相と ε 相の機械的特性の評価を試みた結果、以下の知見を得た。
1. 曲げ試験による荷重－変位線図および試験後の試験片の SEM 像より、ε 相と比較して γ’ 相の方が延性に富むことが明らかになった。

11

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

ガス窒化ポテンシャル制御により形成されるステンレス鋼の拡張オーステナイト相
中村

１．

紀夫、高木

眞一（機械・材料技術部

はじめに

材料物性グループ）造がオーステナイトのまま結晶格子が膨張した拡張オー

医療や食品関連の金属製品等に多用されているオース
テナイト系ステンレス鋼は耐食性に優れる反面、硬さが低ステナイトが形成していると考えられる 3)。しかし、各回
折ピークのシフト量と処理温度および KN の間に明瞭な相く、耐摩耗性に劣る欠点がある。そこで耐摩耗性を付与するための表面硬化熱処理として、窒化処理を施す場合があ関は見られなかった。
図 2 に各条件においてガス窒化後の金属組織写真を示る。しかし、ステンレス鋼の表面には窒素の侵入を阻害す
る不動態皮膜が存在するので、通常のガス窒化での窒化はす。400℃と 420℃では処理時間がそれぞれ 20h と 45h と異なることから、処理温度が高いほど、KN が高いほど形困難である。著者らはこれまでガス窒化を阻害する不動態
皮膜の除去方法を検討した結果、酸による電解処理が有効成される拡張オーステナイトは厚くなる。母相の組織を現出するためのエッチングを行った結果、いずれの拡張オーであること見出した 1)。
ステンレス鋼に 500℃以上の高温で行う窒化処理を施す

ステナイトも母相と比較して著しい耐食性の劣化は見られなかった。また、400℃-KN1.0 においては拡張オーステとクロム窒化物が生成し、表面硬度は著しく上昇するが、耐食性が著しく劣化することが知られており、この問題のナイト層の内部に多数のすべり線が見られる。他の条件においても図 2 の金属組織写真の視野には見られないが、わ

解決に 450℃以下の低温で窒化処理を施し、拡張オーステ
ナイトを生成させることが有効であることも知られていずかにすべり線が観察された。
図 3 に 420℃-KN2.0 でガス窒化後の断面方向からの電子

る 2)。
近年、ガス窒化時の水素およびアンモニアガスの分圧を

線後方散乱回折装置による分析結果を示す。
（a）に示す窒素が分布している領域が形成された拡張オーステナイト

計測し窒化ポテンシャルを制御する技術が注目されている。そこで本稿ではオーステナイトステンレス鋼に施されの領域である。
（b）に示すバンドコントラストは電子線回折図形が明瞭なほど白色となるように示した図である。拡る低温ガス窒化について種々の条件で窒化ポテンシャルを変化させ、形成される拡張オーステナイトについて調査

張オーステナイト内はバンドコントラストが暗く、電子線
回折図形は不明瞭である。このことから拡張オーステナイ

した結果を報告する。

ト中に多量の格子ひずみが含まれることが示差される。
（c）の結晶方位マップ中に白矢印で示す結晶粒内におい

２．

実験方法

試験片は SUS316 のφ30 丸棒から切り出した厚さ 5mmて、表面から内部に向かって結晶方位が薄い水色から青色に変化しており、格子ひずみがもたらす塑性変形によっての円盤である。ガス窒化の前処理には耐水研磨紙#400 で研磨後に酸を用いた電解処理を施した。ガス窒化条件は方位変化が起きていることを示している。
（d）に示す結晶
相マップから表面層はオーステナイトと同じ面心立方格

420℃-20h と 400℃-45h、窒化ポテンシャル（以下 KN）は2.0 と 1.0 である。ガス窒化後の結晶構造を X 線回折装置

子のままであることがわかる。
次に各条件においてガス窒化後の表面における窒素濃（Philips 製 X’Part）
および電子線後方散乱回折装置（Oxford
instruments 製 Aztec HKL）を用いて評価を行った。また、

度とマイクロビッカース硬さを表 1 に示す。各試料の表面について任意に 10 点を選び測定を行っている。窒素濃度

金属組織、窒素濃度分布および硬さを、それぞれ光学顕微
鏡、電子線励起のエネルギー分散型 X 線分析（Oxfordの表面からの分析深さはモンテカルロ法による電子線侵入深さのシミュレーション結果から約 2μm である。
また、

instruments 製 Aztec energy）、マイクロビッカース硬さ試
験機（マツザワ MMT-X3A）を用いて評価した。

マイクロビッカースの圧痕の対角長さと深さの関係から、
荷重 25gf で押し込み深さは約 2μm であり、分析深さと硬３．

さ測定の深さはほぼ対応している。KN2.0 の試料について
は平均硬さで 1000HV を超える硬さを示した。KN1.0 は

結果および考察

図 1 に各条件においてガス窒化後の表面の X 線回折結果を示す。ガス窒化後にはオーステナイトの（1 1 1）およKN2.0 と比較して低い硬さを示し、特に 400℃で処理した試料については平均硬さで 628HV と他の試料よりも明白び（2 0 0）の回折ピークは低角度側にシフトしている。つ
まり面間隔が大きくなっており、窒素の侵入により結晶構に低い値を示した。一方、窒素濃度のばらつきの範囲は大きいものの平均濃度は各試料において大きな差異は見らKISTEC研究報告2019（2019.7）

12【機械・材料技術部】

れない。つまり、窒素濃度と硬さの値に明瞭な相関は認められないことから、硬さの上昇は窒素濃度だけでは説明できないことが判った。したがって、拡張オーステナイトの硬さ増加の機構については侵入した窒素による格子ひずみ以外の因子についても検討する必要がある。

４．

おわりに

オーステナイト系ステンレス鋼に種々の条件で窒化ポ
テンシャルを変化させたガス窒化を施し、形成される拡張
オーステナイトの評価を行った結果、以下の知見を得た。
(1) X 線回折結果より、拡張オーステナイトの生成を示す
回折ピークのシフトが認められたが、回折ピークのシ
フト量と処理温度および KN との相関は明瞭でなかった。

図 2 各条件においてガス窒化後の金属組織写真(2) 金属組織観察より処理温度が高いほど、KN が高いほど形成される拡張オーステナイトは厚くなる。
(3) 形成される拡張オーステナイト内には多数のひずみを含んでおり、侵入した窒素による格子ひずみにより同じ結晶粒内で方位変化を起こしている。
(4) 形成される拡張オーステナイトの硬さは 1000HV を超える値を示したが、硬さ値は窒素濃度だけでは説明できないことが判った。
【謝辞】
低温ガス窒化処理に多大なるご協力をいただいた株式会社オーネックスの伊藤経教氏に感謝いたします。
【参考文献】
1. N. Nakamura and S. Takagi, KISTEC Annual Research
Report., 1, 7-9 (2018)
2. S. Thaiwatthana, X. Y. Li, H. Dong and T. Bell, Surf. Eng.,18, 433-437 (2002)
3. K. Ichii, K. Fujimura and T. Takase, Technol. Rep. Kansai
Univ 27, 135-144 (1986).

図 3 電子線後方散乱回折による分析結果（(a)窒素分布，(b)バンドコントラスト，(c)結晶方位マップ，(d)結晶相マップ）

表 1 各条件においてガス窒化後の硬さと窒素濃度

図 1 各条件においてガス窒化後の表面の X 線回折結果

13

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

鉛筆で紙上へ塗布したカーボンの加工用レーザー照射による改質
本泉

佑、伊東

秀高（機械・材料技術部
金子

１．

はじめに

智（電子技術部

解析評価グループ）
電子材料グループ）グラフェンが初めて実験的に取り出されたのは、粘着テって粘土成分が徐々に少なくなり、軟らかく濃い色となる（※規格にはないが、相当する硬度・粘土成分で製品化さープを用いてグラファイトから機械的に引き剥がす手法によるものであった。ただ、この手法で得られるグラフェ

れた 10B 鉛筆が存在する。表にはカーボン量のみ記載したが、粘土およびワックスも含まれていると考えられる）。

ンはわずかな面積であり任意のパターンを形成させることは困難である 1)。現在、シート状のグラフェンを得るべ

図 2 に各種鉛筆による描画領域のラマン分光分析の結果を示す。10B の鉛筆において、構造の欠陥に由来した D ピ

く SiC 熱分解法 2)や触媒を用いた CVD 法 3)等が試みられているが、いずれも高温プロセスを必要とする。また、ークが他の鉛筆に比べ小さかった。加えて、10B は他の鉛筆と比較してグラファイトが多く、粘土成分が少ないこと

CVD 法については、電気的な測定やデバイス用途のため、絶縁基板上への転写が必須となるが容易ではない。

から、本研究では 10B の鉛筆を使用することにした。
レーザーは、波長 445 nm、出力 3.5 W である。広い領

これまでに著者らは、鉛筆で塗りつぶした印画紙へのフェムト秒レーザー照射による多層グラフェンの成長を報域に均一な効果を与えることを目的として、レーザーをデフォーカスさせて、3.3 mm のスポット径とし、スキャン

告している 4)。鉛筆と紙は一般的に入手可能なものであり、グラフェンが紙という絶縁物に塗布されること、さらにはスピードとスキャン間隔を変えて照射した。

紙がフレキシブルな材料であることから多様な用途へ展開できる可能性を有している。しかしながら、フェムト秒
レーザーは導入および維持に高いコストを必要とし、さらに、照射面積が小さいため、製造プロセスに応用するには課題がある。そこで本研究では、フェムト秒レーザーの代
わりに、市販の加工用レーザーカッターを使用することを試み、同様の効果を示すかを調査した。

２．

実験方法

加工用レーザーカッター（smart DIYs 製 FABOOL Laser
Mini）を用いて、鉛筆を塗った印画紙の裏面上にレーザー照射を行った（図 1）。印画紙の裏面側は繊維質ではなく、
比較的滑らかな表面を有するので、鉛筆の塗布量が均一になるものと考え選択した。使用する鉛筆は、各種鉛筆を比較検討し、選択することにした。表 1 に各種鉛筆におけるカーボン・粘土・ワックス成分比 4）を示す。表 1 において、鉛筆は硬度記号により分類され、左側ほど粘土成分が多く硬度が高く薄い色となる。右側の等級になるにしたが

図 1 加工概略図

表 1 各種鉛筆の成分比

KISTEC研究報告2019（2019.7）

14【機械・材料技術部】

３．

結果及び考察図 4 に、照射条件（a）1,500 mm/min、2 lines/mm、（b）
1,000 mm/min、1 line/mm、（c）1,500 mm/min、1 line/ mm
におけるレーザー照射後のラマンスペクトルを示す。(b)、(c)の照射条件において、明確な D および G ピークを示した。D ピークは構造の乱れや欠陥部分に起因したピークである。(a)の照射条件では、その強度が減少しており、塗布された鉛筆がグラファイト化した領域があることが予想される結果となった。このことから、フェムト秒レーザーに代わり、安価な加工用レーザーでもカーボン表面の改質に利用できる可能性を見出した。
ただし、グラフェンの存在を示唆する G'ピーク（約 2700
cm-1 付近）が生じていないことから、フェムト秒レーザー
照射で報告したような多層グラフェンの形成には至らなかったものと考えられる。また、今回検討した照射条件と

図 2 各種鉛筆のラマンスペクトル

ラマンスペクトルとの間で明確な相関性は確認されなかった。

４．

まとめと今後の展開

著者らは、10B の鉛筆で塗りつぶした印画紙へのフェム
ト秒レーザー照射による多層グラフェンの成長を報告しており、今回はフェムト秒レーザーの代わりに加工用レーザーカッターを用いて、同様の効果を示すかを調査した。
10B の鉛筆で塗りつぶした印画紙裏面側にレーザー照射
し、ラマン分光により評価したところ、フェムト秒レーザ

図 3 レーザー照射後のサンプル外観ーの照射で報告したような多層グラフェンの形成には至らなかったものの、ある条件下において欠陥部分に対応する D ピークが減少し、塗布された鉛筆がグラファイト化したことがわかった。このことから、安価な加工用レーザ
ーによりカーボンの改質が可能であることが確認できた。
今回検討した条件とラマンスペクトルの間に明確な相関性が確認できなかった。その原因として、レーザーの照射ムラ、鉛筆の筆圧ムラによる表面粗さや塗布量のバラツ
キ等が想定され、そうした因子が複雑に影響を及ぼしていることで処理条件の最適化を困難なものにしていると思われる。こうした点については今後、ラマンマッピングを実施することで、外観上の特徴と D ピークの強弱に関係性があるかを検証したい。
【参考文献】
1. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D.Jiang, Y.
Zhang, S. V. Dobonos, I. V. Grigorieva, A. A.Firsov, Science,
306, 666 (2004).

図 4 レーザー照射後のラマンスペクトル

レーザー照射後、 633nm の波長を励起光として照射領

2. I. Forbeaux J. M. Themlin, J. M. Debever, Surf. Sci., 442, 9,(1999).

域のラマン分光分析を行った。分析領域は数 μm 程度でありレーザーのスポット径に比べ局所的となる。図 3 はレー

3. W. C. Yen, Y. Z. Chen, C. H. Yeh, J. H. He, P. W. Chiu and Y.
L. Chueh, Scientific Rep., 4, 4739 (2014).

ザー照射後のサンプル外観写真である。外観より、掃引方向が判別可能なほどレーザー痕の中央部と外縁部の照射

4. S. Kaneko, Y. Motoizumi, et al., Nanoscience andNanotechnology letters, 8, 611 (2016).

強度に差が生じていることが明らかとなった。そこで、ラマン分光分析はレーザー照射の影響を強く受けていると思われるレーザー痕中央部で行った。

15

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

超微細多結晶 CBN 工具を用いた高速度工具鋼の鏡面加工
横内正洋（機械・材料技術部

材料物性グループ）横田知宏（情報・生産技術部

試作加工グループ）

市田

１．

良夫（CBN＆D ナノ加工研究所）

はじめに高精度を要求される光学レンズ金型をはじめとする精密金型の最終仕上げ加工では、鏡面に仕上げる必要がある。
最終仕上げは手作業によるものであるが、前加工である機械加工の加工精度がそのまま金型の精度に影響するため、機械加工においては高能率な高精度加工が望まれている。
金型素材として一般的な焼入れ鋼の加工では、耐熱性や耐摩耗性に優れている CBN 工具を用いた切削加工や研削加工が有効であることが知られている。これは、CBN（立方晶窒化ホウ素）がダイヤモンドの次に硬く、ダイヤモン
ドよりも鉄系材料との親和性が小さい等の性質による。従図 1. 研削加工実験って、従来の単結晶 CBN 工具より高強度かつ高硬度な超微細多結晶 CBN 工具 1)2)を用いることで、難削材（焼入れ

表 1. 研削条件

鋼、チタン、耐熱合金等）の高能率な高精度加工に有利なことが推測される。
本研究は焼入れ鋼の CBN 工具を用いた鏡面加工を実現するため超微細多結晶 CBN 工具を使用しその可能性を追
及する。

２．

実験及び結果従来の CBN 工具に比べて高強度かつ高硬度なサブミク
ロンオーダの超微粒子多結晶 CBN 砥粒を用いて、CBN 研
削砥石と CBN 旋削用インサートを作製し、その研削特性と切削特性を調べた。特に難削性を示す高速度工具鋼の鏡面加工をターゲットとし、鏡面仕上げの高能率化・高精度化・高品位化の可能性を追求した。

２．１

研削加工

研削加工では図 1 に示す平面研削盤でのプランジカッ
トによる加工を行い、工作物の表面粗さによって加工性能を評価した。表 1 に研削加工条件を示す。SKH51 を 64HRCに調質したものを被削材に用い、ドレッシングは WA ステ
ィックとインプリドレッサを使用した。
図 2 に研削加工で得られた鏡面の外観と粗さ曲線を示す。最大高さ粗さ(Rz)で 0.25μm となり、外観写真からも良好な鏡面が得られていることが分かる。

２．２

切削加工

切削加工では超微細多結晶 CBN インサートを作製し、図 3 に示す超精密正面旋盤による端面切削加工を行い、工作物の表面粗さによって加工性能の評価を行った。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 2. 得られた工作物の外観と粗さ曲線

16【機械・材料技術部】

表 2 に切削加工条件を示す。被削材には研削加工でも使用した SKH51 を用い、乾式での端面切削を行った。送り量を変化させ市販されている CBN 工具との比較を行った。
図 4 に端面加工後の表面粗さを示す。どちらの工具においても送り量を大きくすると粗さが大きくなる傾向を示した。送り量 5μm/rev 以下で超微細多結晶 CBN 工具で切削すると表面粗さ Rz は 0.1～0.13μm となり、市販品より 1～2 割表面粗さが小さい良好な面粗さを得ることができた。

３．

考察及び今後の展開

高速度工具鋼の鏡面加工を目的に、超微細多結晶 CBN

図 3. 切削加工実験を用いて CBN 研削砥石と CBN 旋削用インサートを作製し研削加工と切削加工実験を行った。その結果、研削加工で

表 2. 切削条件

は今回行った唯一の加工条件で Rz=0.25μm を得ることが出来た。実験に用いた CBN 砥石の粒度は＃140(約 100μm)であるが、同じ粒度の一般砥石で加工すると得られる面粗さは Rz で 3μm 程度である 3)ことから、非常に良好な面粗さが得られていることが分かる。今後は切り込み量や送り量を変えて実験し、その影響について調べる予定である。また、市販されている CBN 砥石との比較を行うこと
で超微細多結晶 CBN 砥石の優位性を確認したい。
切削加工では送り量を大きくすると理論的に粗さが大きくなることが知られており、今回得られた結果はその傾向が得られていることから、CBN 工具による切削加工が理想的な状態であったと推測される。また、超微細多結晶
CBN は市販 CBN 工具に比べ約 1～2 割程であるが、良好な粗さを得ることが出来たので、さらに難削材であるチタンやインコネルの鏡面加工に有効であると期待している。
今後、工作物を替えた実験を行う予定である。
【参考文献】
1. Y. Ichida, J. Ad. Mechanical Design, 2, 3, 385 (2008).
2. 市田良夫，貴志浩三，鈴木正治，二階堂知己，日本機械学会論文集 C,62, 595, 1169 (1996).
3. 切削油技術研究会,研削加工皆伝,151 (2000).

図 4. 送り量を変化させたときの表面粗さ

17

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

油剤の不飽和度が DLC 膜の摩擦特性に与える影響吉田長沼健太郎（機械・材料技術部

１．

康弘（機械・材料技術部

はじめに

材料物性グループ）
解析評価グループ）

種類の植物油を用いた。試験開始前の摩擦面にこれらを10 µl 滴下した。材料 3 種類、潤滑剤 6 種類で総計 18 水準

摩擦摩耗特性に優れた DLC 膜は、膜の種類や使用する潤滑剤によってその特性が異なることが知られている 1-3)。
影響を及ぼす因子は様々あるが、潤滑剤の化学構造の違いの摩擦試験を実施した。

が及ぼす影響については、系統的な検討がなされていない。
そこで著者らは DLC 膜用の環境負荷が低い潤滑剤の設計

３．

指針を得ることを目的として、摩擦摩耗の抑制効果が期待される植物油を用いて、それらの不飽和度が摩擦特性に及類の植物油のいずれを用いた場合においても、ta-C 膜の摩擦係数が大幅に低くなる結果となった。SUJ2 および a-C:H

ぼす影響を調べたので報告する。

については、一価不飽和脂肪酸の含有割合が大きいナタネ
油が、ta-C についても一価不飽和脂肪酸を多く含むオリー

２．

実験方法

実験結果と考察各試験組合せにおける平均摩擦係数を図 2 に示す。6 種

基材には、SUJ2 軸受鋼(焼入れ、HRC60)のディスク（Φブ油が最も低い摩擦係数を示した。どの材料組合せにおいても、飽和脂肪酸の含有割合が大きいヤシ油や、三価不飽

33 mm × t 3 mm）およびピン（Φ9 mm × L 9 mm）を使用した。全てのディスクとピンにラッピング研磨を施し、和脂肪酸を多く含むアマニ油については、相対的に高い摩擦係数となった。

二乗平均平方根粗さ(Rq)で、それぞれ約 3 nm、約 12 nm の鏡面に仕上げた。その後、その表面に、プラズマ化学蒸着

次に、ナタネ油およびアマニ油を用いた a-C:H 膜およびta-C 膜「a-C:H_ナタネ油」「a-C:H_アマニ油」「ta-C_ナタネ（Plasma Chemical Vapor Deposition : PCVD）法による水素含有 DLC（a-C:H、水素含有量約 20 at%、膜厚 1.0 µm）お油」
「ta-C_アマニ油」の 4 種類について、ディスク摩擦面

よび T 字型フィルタードアーク（T-shaped Filtered Arc
Deposition : T-FAD）法による水素フリーDLC（ta-C、膜厚0.3 µm）を成膜した。
SUJ2 同士（基材まま）、a-C:H 同士、ta-C 同士の 3 種類のディスクおよびピンの組合せで、600 秒間の往復式ピンオンディスク摩擦試験を行った。摩擦試験方法の模式図を図 1 に示す。試験は大気中室温（23℃）環境下にて行い、往復運動を行うディスクに対し、上部に固定したピンに
5N の荷重をかけ、最大すべり速度を 50mm/s として実施した。DLC を成膜したディスクおよびピンは、すべり摩擦試験の前に 2-プロパノールに浸漬させて 5 分間超音波洗浄を行った後、送風乾燥させた。
潤滑剤としては、表 1 に示すような不飽和度の異なる 6

図 1. ピンオンディスク摩擦試験模式図

表 1. 植物油の脂肪酸組成と動粘度

油

飽和脂肪酸, wt%

オリーブ油
ナタネ油
ダイズ油
ヒマワリ油
アマニ油
ヤシ油

14
8
16
10
9
87

KISTEC研究報告2019（2019.7）

不飽和脂肪酸, wt%
その他, wt%
一価 二価 三価
73
11
2
63
19
9
1
23
51
7
3
20
70
19
14
53
5
6
2
5

18

動粘度
37.8℃, cSt
46.68
50.64
28.49
33.31
29.60
29.79

【機械・材料技術部】の XPS 分析を行った。C1s ピーク分離による各結合の面積0.10Friction coefficient

比を比較した結果を図 3 に示す。a-C:H 表面には C-O、C=O、
O-C=O 等の含酸素結合が存在した。これに対し ta-C 表面の含酸素結合は C-O のみであった。この結果から、a-C:H
上では植物油由来の脂肪酸成分が化学反応を経由せずに表面に残存していることが、ta-C 上では植物油由来の脂肪酸が化学反応によって Cn-O(H)の単結合のみを有する表面層となっていることが示唆される 3)。
次に上記 XPS 分析を行った 4 種類のうち、ta-C 膜の 2

0.05

0.00

種類について ToF-SIMS 分析を行った。
一例として図 4 に、
「ta-C_ナタネ油」の質量数 0-100 の範囲における強度値を

SUJ2
a-C:H
ta-C

オリーブ油

ナタネ油

ダイズ油

ヒマワリ油

アマニ油

ヤシ油

Lubricant type示す。この範囲における Cn-O(H)の質量数は、29、1、53、65、77、89 であり、各試験片についてこれらの質量数の

図 2. 植物油潤滑下 DLC 膜の平均摩擦係数

強度をプロットし比較した図を図 5 に示す。図より、質量数 29、41、53 については、アマニ油と比べて、ナタネ油の方が検出強度が大きいことが確認された。それゆえにCn-O(H)結合の存在が多いことが示唆され、このような表面状態を呈することが低い摩擦係数の発現につながったと考えられる。
一価不飽和脂肪酸を多く含む油では、相対的に摩擦係数が小さいが、以上の分析で Cn-O(H)が多く検出された。

0%

その要因は、化学反応性が高い官能基や二重結合が、一価
不飽和脂肪酸分子では 2 ヶ所存在するためと考えられる。
反応性が高い部分は ta-C 膜表面との化学反応によって強固に化学吸着することが知られている。しゅう動する 2 つの ta-C 膜の摩擦表面において、一価不飽和脂肪酸の官能基が一方へ、二重結合がもう一方へ化学吸着することで、

図 3. C1s ピーク分離によるピーク面積比

より安定なトライボ化学反応膜を維持できると推察される。この現象はクロスリンキング効果 4)として他の機関より報告されている。官能基や二重結合が 1 つでは相対する
表面同士をつなぐことは難しく、3 ヶ所以上ではクロスリ
ンキング効果が阻害される恐れがあると考えられる。

４．

まとめ及び今後の展開

DLC 膜の摩擦特性に及ぼす植物油の不飽和度の影響について評価した結果、ta-C 膜の摩擦係数が総じて低い傾向となり、一価の不飽和脂肪酸含有割合が多い油で低い摩擦係数を示した。水素フリーDLC(ta-C)膜表面には、C-OH 結合で構成された層の形成が確認され、これらの検出強度が
図 4. 「ta-C_ナタネ油」より検出される質量数強度波形

高いほど低い摩擦係数を示した。
本研究は、環境負荷を低減する技術として、自動車分
野をはじめ、食品、医療、福祉分野等、今後の成長が見込
まれる分野への応用が期待される。また、切削、研削、塑性加工等をはじめとする機械加工への応用も可能である。
【参考文献】
1) C. Matta et al. ; Phys. Rev., 78, 8(2008)085436.
2) M. Kalin & R. Simic ; Appl. Surf. Sci., 271(2013)317.
3) 吉田ら，トライボロジスト, 58, 10(2013)773.
4) T. Kuwahara et al. ; Nat. Commun., 10, 151(2019).
【外部発表】口頭発表１件、論文等発表１件予定

図 5. 摩擦面より検出される Cn-O(H)の強度比較

19

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【機械・材料技術部】

ZnO ナノ粒子を含有した高い柔軟性を有する
圧電シートの開発
良知

１．

健、藤井

寿（機械・材料技術部

はじめに

ナノ材料グループ）

圧電材料は機械/電気エネルギーを相互に変換できる特させ、ナノ粒子を得る方法である。原料の亜鉛粉末の蒸発はアーク加熱により行い、負極はカーボン電極とした。な徴を持ち、センサやアクチュエータとして古くから利用されている材料である 1,2)。また近年では環境からエネルギ

お、アーク放電の印加電圧、電流はそれぞれ 20 V、50 Aとした。雰囲気ガスには 20 %O2 - He ガスを用い、作製時ーを取り出すエナジーハーベスティングの観点からも注目されている。

の圧力は 1.1×105 Pa、ガス流量は 3 ℓ/min とした。生成したナノ粒子は水冷されたチャンバーの内壁に付着するた現在一般的に使用されている圧電材料は、チタン酸ジル
コン酸鉛(PZT) 3,4)に代表される無機材料を用いた圧電セラ

め、作製終了後にチャンバー内壁から掻き取って回収した。
ガス中蒸発法により作製した ZnO ナノ粒子を熱硬化型シミックスである。しかし、圧電セラミックスは柔軟性に乏しいため曲面部への適用が難しく適用箇所が制限される

リコーンゴム KE-106（信越化学工業㈱製）に添加し、スターラーを用いて分散させた。なお、ZnO の添加量は 0, 1,という問題がある。さらに PZT は鉛を含むため、環境の観点からも課題がある。

3 vol%とした。分散液を金型に流し込み、脱泡処理を行った後 150 ℃の電気炉で 30 分加熱し、φ20×0.6 mm の膜

これに対し、柔軟性の高いゴム材料に圧電セラミックスを分散させ、高電場を印加して圧電性能を付与した圧電ゴを得た。
ZnO ナノ粒子の形状と膜中での ZnO ナノ粒子の分布はムが圧電性と柔軟性を両立する材料として検討されてきた 5）。しかし、ゴム中に分散させる圧電セラミックスの量

走査電子顕微鏡（SEM）により評価した。膜の比誘電率はLCR メータ（Agilent 4284A）と誘電体測定用電極（Keysightが増えてくると柔軟性が低下するため、圧電性能の向上が困難である。

16451B）を用いて測定した。作製した膜の両面に Au 電極を形成して交流電場を印加し D-E 測定による強誘電分極

そこで、本研究ではこの柔軟性の低下を緩和するため、セラミックスナノ粒子を分散した圧電ゴムを検討した。ま

反転の有無を確認するとともに、X 線回折（XRD）により膜中での ZnO ナノ粒子の配向性を評価した。

た、ゴムに添加するナノ粒子を有害な元素を含まない酸化亜鉛（ZnO）ナノ粒子とすることで、安価で環境負荷の低３．

結果及び考察い圧電ゴムの開発を目指した。

ガス中蒸発法により作製した ZnO ナノ粒子の SEM 像を
図 1 に示す。ZnO ナノ粒子は短径が 10～500 nm 程度、長２．

酸化亜鉛（ZnO）ナノ粒子の作製は、ガスデポジション

径が 50 nm～1 μm 程度の異方性を持った粒子であることがわかる。この ZnO ナノ粒子を 3 vol%添加したシリコー

装置（真空冶金､PJ930-KK）を用い、ガス中蒸発法により行った。ガス中蒸発法は、原料となる材料をガス中で蒸発

ンゴム膜断面の SEM 像を図 2 に示す。SEM 像の下側が成膜時の下面（金型側）であるが、膜の上面側および下面側

実験方法

2μm
図 2 ZnO ナノ粒子 3 vol% 試料の断面 SEM 像

図 1 ZnO ナノ粒子の SEM 像

KISTEC研究報告2019（2019.7）

20【機械・材料技術部】

表 1 ZnO ナノ粒子分散シリコーンゴム膜の比誘電率

13◆ : ZnO○ : Au

◆

比誘電率
◆

2.5

電場印加後

◆

Intensity ( a.u. )ZnO量（vol%）
0

3.4
3.6

◆

◆

◆

◆

○

◆
○

○

◆

電場印加前

30

40

50

60

70

2θ ( °)

図 4 ZnO ナノ粒子 3 vol% 試料の電場印加前後でのXRD スペクトル（Au は電極由来）

４．

まとめ

圧電性と柔軟性を両立した安価で有害な元素を含まない圧電ゴムの開発を目的として、シリコーンゴムに ZnO
ナノ粒子を添加した膜の作製を試みた。しかし、D-E 測定
から強誘電分極反転は確認されず、また高電場を印加した
膜でも ZnO ナノ粒子の配向は見られなかった。一方で、

図3

ZnO 量の増加に伴って膜の比誘電率が増加し、誘電特性の向上が見られた。そこで、粒子を分散させる膜として膜自ZnO ナノ粒子 3 vol% 試料の D-E 測定結果

体が圧電性を有する圧電性高分子膜を用いれば、ZnO ナノ粒子の添加により誘電特性が向上し、圧電特性が向上する

で分布に偏りが見られないことから、重力による粒子の沈ことが期待できる。今後は、圧電性高分子膜に ZnO ナノ粒子を添加することにより、柔軟性と圧電性を両立した圧降は顕著に見られず、ZnO ナノ粒子が膜全体に分布した膜が作製できていることを確認した。

電材料の開発を目指す。

表 1 に 100 kHz で測定した各試料の比誘電率を示す。
ZnO 量の増加に伴い比誘電率が増加しており、誘電特性が【参考文献】
1. C. D. Richards, M. J. Anderson, D. F. Richards, J.

向上していることがわかる。ZnO ナノ粒子を 3 vol%添加したシリコーンゴム膜に 1 Hz、振幅 5 MV/m の交流電場をMicromechanics and Microengineering, 14, 717 (2004).
2. H. Luo and S Hanagud, J. Aerospace engineering, 23, 23

印加して測定した D-E 測定結果を図 3 に示す。同図にはヒステリシスは見られず、強誘電分極反転は確認できなかっ(1999).
3. G. Shirane and K. Suzuki, J. Phys. Soc. Japan, 7, 333 (1952).

た。次に ZnO ナノ粒子の配向や粒子内での分極を目的として更に高電場を印加したところ、振幅 7 MV/m で絶縁破

4. B. Jaffe, R. S. Roth and S. Marzullo, J. Research of Natural
Bureau of Standards, 55, 239 (1955).

壊を起こした。図 4 に振幅 7 MV/m の電場印加後の XRD
スペクトルを、電場印加前のスペクトルと併せて示す。そ5. R. E. Newnham et al., Proc. IEEE Ultrasonic Symp., 501(1984).

の結果、電場印加の前後で XRD スペクトルは変化せず、
ZnO ナノ粒子の配向は確認できなかった。

21

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】

生活支援ロボットの安全性評価に関する検討
井上

１．

はじめに

崇（電子技術部 電子システムグループ）

我が国における高齢化率は年々上昇し，介護需要に対す組み合わせ」と JIS で定義され，その評価手法には加算式や積算法等がある．

る供給が追い付かなくなる事態が予想されている 1）．
この打開策として，生活支援ロボットによる介護サポー評価手法の一例として，生活支援ロボット安全情報センター（RT-SIC）から公開されている「リスクアセスメント

トに期待が集まっているが，生活支援ロボットには，産業用に比べ，高い安全性が必要とされる．

雛形シート」2）では，リスク（R）をこのため，サービスロボットの国際安全規格（ISO13482）
や生活支援ロボットの安全要求事項（JIS B 8445，8446 等）

・危害のひどさ（S）
・暴露の頻度および時間（F）が整備され，開発の初期段階から，リスクアセスメントを実施することにより，安全性の確保を行おうとしている．

・災害回避または制限の可能性（A）
・危険事象の発生確率（Ps）

２．

リスクアセスメントの関数として，各項目を点数化し，以下の計算式から，リ

リスクアセスメントを実施する際，まず必要となるのが，危害を引き起こす事象（危険源）を見極めることである．
この危険源には，火傷の原因となる温度，怪我の原因となる鋭利な部分，感電の危険性のある部分等があり，機器スクを見積るとしている．
リスク（R）＝S ×（F+A+Ps）
なお，各項目の点数化については，図 1 のように定義されている．

により様々である．
リスクアセスメントでは，機器の使用が想定される場面に応じて，危険源をリスト化し，それぞれの項目に対して，被害の程度や対策を検討していく必要がある．
JIS B 9700「機械類の安全性－設計のための一般原則－
リスクアセスメント及びリスク低減」では，3 ステップメ
ソッドとして，以下のようなリスク低減手順が推奨されている．

図 1.RA 雛形シートのリスク見積基準 3）・ステップ 1：本質的安全設計方策
さらに，上記方法により見積もったリスク（R）について，以下のような評価を行っている．

「ガード又は保護装置を適用しないで，機械の設計又は運転特性を変更することによって，危険源を除去する又は危険源に関連するリスクを低減する保護方策」（JIS B 9700 による定義）

R≧15

リスクが高く，受け入れられない・ステップ 2：安全防護および付加保護方策
ガード又は保護装置によるリスク低減

7≦R≦14 リスクの低減が必要
条件付きで許容可能（他に方策が無い等）

・ステップ 3：使用上の情報
比較的安全度の高いリスク（許容リスク）にのみR≦6

リスクは十分低い

以上のような方法により，初期分析・評価，低減方策適用後の再評価を重ねていくのがリスクアセスメントの流

適用可能

れとなる．

可能な限り，ステップ 1 の本質安全設計によるリスク回避が望ましいが，回避できない場合，ステップ 2 の安全防

３．

護（ガード等）および付加保護（非常停止装置等）方策でリスクを低減することになる．

実際の評価例

次に，生活支援ロボットの安全性評価例として，現在，ステップ 3 の使用上の情報は，ステップ 1 および 2 の方策を実施した後に残るリスクを警告ラベルや取扱説明書

当所の事業化促進研究にて開発中の「歩行支援杖型ロボッ
ト」（図 2）を対象とした事例を紹介する．

などで注意喚起を図る方策である．
また，リスクは，「危害の発生確率と危害のひどさとのこのロボットは，使用者の動きに合わせて移動し，どのような向きの力を加えても適切な姿勢で支持を行って使23

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】

用者の体重を支える役割を果たすことを目的として開発ように低減される効果が期待できる．
①R＝18 → 12，②R＝12 → 9 に低減．
また，「歩行支援杖型ロボット」の派生として，1 輪タ

されている．

イプよりも構造が簡単で安価に作製が可能な，ホイールイ
ンモーターを利用した 2 輪タイプ（図 2 右）の開発も行われている．この 2 輪タイプについても現状での仕様を基に，初期リスク評価を実施した．
その中から，主な項目を幾つか紹介すると，①リスク点数 15 以上の危険なリスクを持つ項目
危険源：外部からの EMI に誘発された危険な動作
危険状態：EMI による想定外の挙動/急発進
想定危害：打撲・骨折，リスク点数：R＝15②リスク点数 15 以上の危険なリスクを持つ項目
危険源：移動および機械的な不安定性
危険状態：意図しない転倒・暴走
想定危害：打撲・骨折，リスク点数：R＝18
等が挙げられる．これら項目の保護方策としては，①EMI 対策の実施により，R＝0 に低減．
現段階では，静電気試験や放射電磁界イミュニティ

図 2. 開発中の「歩行支援杖型ロボット」(左：1 輪タイプ

試験等が未実施のため，今後，試験を実施し，誤動
作の無いことが確認されれば，低減可能となる．

右：2 輪タイプ)

図 2 左側の 1 輪タイプについては，昨年度，実証試験用②グリップ検知機能搭載により，R＝12 に低減可能．
1 輪タイプと同様，グリップ検知機能（離すと動力遮のリスク評価を実施した．今年度は，非常時の安全性向上
対策として，バッテリー容量低下等，予期しない電源遮断が発生した際，杖が転倒しないよう，機械的に支持脚が展開する機構の検討が行われた．

断）を搭載する事により，低減可能となる．
R=12 では，まだ十分に低いとは言えないが，条件付き許容と考えられる．
となる．現段階では，対策が完全には実施されておらず，本機構の構成を図 3 に示す．

安全対策が十分とは言えないが，今後，改良を進め，実証試験実施へとつなげていきたい．

４．

まとめ

今回，安全性評価の例として，開発中の生活支援ロボットに対する評価事例を紹介した．今後，これらのロボットが実証試験段階に進み，その後の実用化を検討する際，今回より複雑なリスク評価が必要とされることが想定される．そのため，将来の実用化にも対応できるよう，今後も検討を進めていく予定である．
図 3. 非常時展開支持脚の機構(藤本研究室提供)

５．

本機構を採用するとした場合，昨年度の評価にて，①リスク点数 15 以上の危険なリスクを持つ項目
危険源：機械的な不安定性の藤本教授，株式会社タクマ精工の白石様に感謝申し上げます．

危険状態：意図しない転倒・暴走
想定危害：打撲・骨折，リスク点数：R＝18【参考文献】

および②リスク点数 15 未満の低減が必要な項目

1. 国立社会保障・人口問題研究所「日本の将来推計人口」（平成 29 年推計）.

危険源：意図しない運転停止
危険状態：故障，バッテリーの電圧低下等による

2. 生活支援ロボット安全情報センター（RT-SIC）
資料 リスクアセスメント資料 .

運転（アシスト）停止
想定危害：打撲・骨折，リスク点数：R＝12

3. 介護ロボットポータルサイト
参考資料 リスクアセスメントシート解説とされた初期評価に対し，リスク点数がそれぞれ，以下のKISTEC研究報告2019（2019.7）

謝辞

今回，当所の事業化促進研究にて開発中のロボットを御提供いただいた国立大学法人 横浜国立大学 工学研究院

24【電子技術部】

KISTEC における電源ポート伝導エミッション測定の不確かさの評価
臼井 亮、鶴田 誠（電子技術部

電磁環境グループ）

１．はじめに

３．不確かさの要因

電気製品から発生する不要な妨害波（電磁ノイズ）が、他の機器へ悪影響を与えないように、世界各国で EMI

電源ポート伝導エミッション測定のバジェットシート
を表 1 に示す。
入力量 Xi の測定量 V は次のとおりとなる。

（Electromagnetic Interference：電磁妨害）規制が行われており、日本国内においては、1985 年から（一財）VCCI

V=Vr+ac+FAMN+δVSW+δVpa+δVpr+δVnf+δFAMNf+δM+δZAMN+δDmains+δVenv

協会（以下 VCCI：Voluntary Control Council for Interferenceby Information Technology Equipment）が自主規制を開始し

不確かさの要因である入力量の推定値 xi について検討した内容を以下に記載する。なお a)を除き、入力量と確率

現在に至っている。VCCI では、これまで技術の変化に応じて、その時々で規定類の改訂が行われてきたが、2016

分布関数については、VCCI 規定と CISPR16-4-2(CISPR：
国際無線障害特別委員会)を引用している。

年 11 月に始まった新規定の運用が、旧規定との併用期間を経て、移行期間が終了した 2019 年 4 月からは、 EMIa) 測定用受信機の読み：Vr は、測定系の不安定さや計測
ソフトの数値の丸め込みに関する入力量である。一般的な測定における不確かさの算出が必須となった。
KISTEC では、1995 年より VCCI に測定設備登録をした算出方法である平均値の実験標準偏差を求めたが、使用している計測ソフトの丸め込み（小数点 2 位以下を四捨五入）

電波暗室・電磁波シールド室において企業への技術支援を続けてきたが、この度の規定類の改訂に合わせて EMI 測による影響の方が大きいため推定値は±0.05dB とした。確率分布関数は一様（除数√3）となる。

定の不確かさを算出した。
EMI 測定には、放射妨害波・伝導妨害波・測定ポートなb) AMN-測定用受信機の減衰量：ac は、AMN-受信機間を接続する同軸ケーブルで生じる高周波損失に関する入力

どの違いにより多くの測定項目があるが、本報告では、比較的、算出が容易な、電源ポート伝導エミッション測定の量である。損失はネットワークアナライザにより測定しているため、ネットワークアナライザの校正データからレベ

不確かさについて記載する。

ル測定に関する不確かさを引用して ac を求めた。校正データからの引用であるため、確率分布関数は正規分布（除２．電源ポート伝導エミッション測定の測定系
電源ポート伝導エミッション測定は、供試機器の電源ポ

数 2）となる。
c) AMN 電圧分割係数：FAMN は、AMN 内部の高周波損失

ートから発生する伝導妨害波の測定を目的としている。図1 に示すとおり、供試機器の電源ポートを疑似電源回路網に関する入力量であり、校正データから引用した。確率分
布関数は正規分布（除数 2）となる。

（以下 AMN：Artificial Mains Network）に接続し、減衰器とハイパスフィルタを介して、妨害波のレベルを受信機でd) 正弦波電圧：δVSW は、受信機の正弦波電圧測定に対する精度の入力量であり、校正データから引用した。確率分測定する。測定には計測ソフトを使用する。

布関数は正規分布（除数 2）となる。
e) パルス振幅応答：δVpa は、受信機のパルス振幅測定に電磁波シールド室
同軸ケーブル

対する精度の入力量である。校正データから引用することもできるが、校正時に使用するパルスは、実際の供試機器

測定用PC
妨害波

から発生する妨害波とは大きく異なるため、引用せず、代わりに CISPR16-4-2 が定める基準値を引用した。確率分布

ﾊｲﾊﾟｽ
ﾌｨﾙﾀ
GPIB
フィルタ盤

安定化電源
AC電源

図1

減衰器

疑似電源回路網
(AMN)

供試機器

関数は一様（除数√3）となる。
f) パルス繰り返し率応答：δVpr は、受信機の繰り返しパ

受信機

ルスに対する精度の入力量である。e)と同様の理由から
CISPR16-4-2 が定める基準値を引用した。確率分布関数はAC電源

一様（除数√3）となる。
g) ノイズフロアの影響：δVnf は、受信機のノイズフロア

電源ポート伝導エミッション測定の測定系
受信機：ROHDE&SCHWARZ ESCIが測定値に与える影響に関する入力量である。使用している受信機は CISPR 規格に適合したもので、ノイズフロア

疑似電源回路網：Schwarzbeck NSLK8127
減衰器：HUBER+SUHNER 6810.01.A

安定化電源：NF 回路設計ブロック ES2000S+ES2000B

は VCCI 規格の限度値に対して 30dB 以上の余裕があるた
め、影響は無視できると考えた。

計測ソフト：テクノサイエンスジャパン TEPTOh) AMN 電圧分割係数の周波数補間：δFAMNf は、校正デー

ハイパスフィルタ：協立電子工業 KFL-007

25

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】

この合成標準不確かさに、次式のとおり包含係数 k=2 を

タから得られる電圧分割係数を周波数補間によって計算乗ずることにより拡張不確かさ Ulab を算出する。
Ulab =2uc(y)する際に生じる誤差に関する入力量であり、校正データから算出した。確率分布関数は一様（除数√3）となる。
i) AMN-測定用受信機の不整合：δM は、測定系の接続箇
所の反射の影響に関する入力量である。受信機、AMN、

５．結果

減衰器、ハイパスフィルタの反射係数を合成して算出した。
確率分布関数は U 字（除数√2）となる。
j) AMN インピーダンス：δZAMN は、AMN のインピーダン

KISTEC における電源ポート伝導エミッション測定の不確かさを算出した結果、
拡張不確かさ Ulab は 3.3dB（Ulabは包含係数 k=2 として求めた拡張不確かさで、約 95%の信頼の水準を持つと推定される区間を定める。
）となった。

スと位相角に関する入力量である。規格に適合した AMNを使用していることから、CISPR16-4-2 が定める基準値を引用した。確率分布関数は三角（除数√6）となる。

CISPR で提示されている基準値 Ucispr は 3.4dB であり、ほぼ同じ値であった。今のところ VCCI では不確かさの算出k) 電源からの妨害波の影響：δDmains は、測定サイト外部からの妨害波の影響に関する入力量である。KISTEC ではを要求してはいるが、測定結果への適用までは要求していない。しかし、将来的には適用することも検討されており

電磁波シールド室において電源ポート伝導エミッション測定を行っており、専用の安定化電源、フィルタ盤を介し

不確かさの算出は重要な課題となる。今回 3.3dB という値が得られたが、不確かさには正解はなく、今後、更に検討て電源を供給していること。さらに、測定に使用する AMN
は 40dB 以上の絶縁性能を有していることから、影響は無を繰り返すことで KISTEC における不確かさをより小さくしたいと考える。

視できると考えた。
l) 環境の影響：δVenv は、その他の環境の影響に関する入【参考文献】

力量である。影響を与えるもので定量化できる入力量があれば今後検討するが、現時点では考慮しないこととした。

1.VCCI32-1-3:2016 測定装置の不確かさ，（一財）VCCI 協会，(2016)４．拡張不確かさの算出

2.CISPR16-4-2 Edition2.1 Specification for radio disturbanceand immunity measuring apparatus and methods - Part 4-2:

標準不確かさ ciu(xi)は、感度係数 ci を 1 とし、xi の不確
かさを除数で乗じて算出する。次に合成標準不確かさ

Uncertainties, statistics and limit modelling - Measurement
instrumentation uncertainty，CISPR，(2014)

uc(y)を次式により算出する。

3.今井秀孝ほか， 測定における不確かさの表現ガイド[GUM]ハンドブック，日本規格協会，(2018)𝑢𝑢𝑐𝑐 (𝑦𝑦) = �� 𝑐𝑐𝑖𝑖2 𝑢𝑢2 (𝑥𝑥𝑖𝑖 )𝑖𝑖

表1

電源ポート伝導エミッション測定のバジェットシート(150kHz から 30MHz)

xiの不確かさ
入力量

Xi

dB

標準不確かさ確率分布関数ciu(xi)dB

測定用受信機の読み

Vr± 0.05一様

0.029

AM N-測定用受信機の減衰量ac± 0.25正規(k=2)0.125

AM N電圧分割係数

FAMN± 0.21

正規(k=2)

0.105

正弦波電圧

δVSW

± 0.25正規(k=2)0.125

パルス振幅応答

δVpa

± 1.5

一様

0.866

パルス繰り返し率応答

δVpr

± 1.5

一様

0.866

ノイズフロアの影響

δVnf

± 0

AM N電圧分割係数の周波数補間δFAMNf± 0.05一様

0.029

AM N-測定用受信機の不整合

δM+ 0.055 / -0.056

U字

0.039

AM Nインピーダンス

δZ AMN+ 2.6 / -2.7

三角

1.082

電源からの妨害波の影響δDmains

± 0

環境の影響

δVenv

-

・測定用受信機の補正：

0

0
-

-

合成標準不確かさ uc (y)=1.65dB
拡張不確かさ Ulab=3.3dB (k=2)

KISTEC研究報告2019（2019.7）

26

【電子技術部】

電子線レジストパターンの断面 SEM 観察条件の検討
黒内

１．

正仁、安井

学、金子

智（電子技術部

電子材料グループ）

はじめに

電子線リソグラフィはフォトリソグラフィの微細限界
以下のパターン形成が可能であり、研究開発用途の直接描画によるパターン形成の他、高精細フォトマスクの作製 1)やナノインプリントの原盤作製に利用され、応用面において重要な微細加工技術である。
このような微細加工ではレジストパターンが用いられるが、レジストの断面形状は後工程のエッチング等で転写特性に影響を与えるために矩形性 2)やアスペクト比などの項目が評価されている。また、極微細パターンでは正常に形成できる条件の窓が狭くなってくるため、レジストパ
ターンが正常に形成されているかを断面形状から確認す(a) 加速電圧 15kV

ることが好ましい。ところが、電子線リソグラフィで形成した電子線レジストパターンは数十ナノメートルと非常に小さいサイズである上に絶縁性材料であることから、
SEM(Scanning Electron Microscope)観察の難易度は高い。そこで、電子線レジストの断面の観察に適した条件を検討したので、その事例を紹介する。

２．

実験

3 インチシリコン基板上にポジ型の電子線レジスト(日本ゼオン社製、ZEP-520A)を約 80nm の厚さで塗布した試料に電子線描画装置(ELIONIX 社製、ELS-S50)でハーフ
ピッチ 25nm のラインアンドスペースパターンを形成した。
その後、作製した試料を劈開して断面観察用試料を作製した。試料を観察前に Pt コートを行い、SEM 装置(日本電子(b) 加速電圧 5kV
図 1 電子線レジストのハーフピッチ 25nm ラインアンドスペースパターン観察の加速電圧依存性

社製、JSM-7800F Prime)で断面観察を行った。観察条件は標準的な加速電圧である 15kV と、これより低い加速電圧

さらに、加速電圧 5kV において、照射電流の依存性をである 5kV とした。また、5kV において、照射電流の依存性を検討した。照射電流は SEM 装置にある照射電流を調べた。図 1(b)に示す標準条件での照射電流(300pA 相当)
から、照射電流を小さくした SEM 像を図 2 に示す。照射

段階的に調整する機能を利用して変えた。

電流を下げるにつれて、SEM 像全体は明瞭になる傾向がみられた。SEM 像の明瞭さは図 2(a-b)に示すように照射電３．

標準的な観察条件において加速電圧を 15kV としたとき流が 40pA 相当であるときと 13pA 相当であるときで変化しなくなり、加速電圧 15kV で観察したとき(図 1(a))と同の SEM 像を図 1(a)に示す。レジスト線のエッジに注目すると、エッジ荒れによる微細な構造が観察できるが、レジ等の微細構造がみられるようになった。良好な観察ができた理由は照射電流を小さくしたことによって、チャージア

スト線部およびレジスト膜部の断面において、端面が白くなるコントラスト異常がみられた。次に、加速電圧を 5kV

ップが低減したことやプローブ径が小さくなった 3)ことが考えられる。照射電流が 9pA 相当以下のときについてとしたときの SEM 像を図 1(b)に示す。前述のコントラス
ト異常は、この観察条件では抑制できていることが確認では、照射電流が低くバックグラウンドのノイズが多くなり、
フォーカス合わせが困難となった。以上の結果から観察にきるが、その一方で SEM 像は全体的にぼやける結果とな
り、奥手方向に伸びるレジスト側面にみられるエッジ荒れ

適した照射電流の条件は 13pA 相当と 40pA 相当であることが分かった。

結果と考察に関連した細かい構造は明瞭に観察することはできなかった。

27

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】

４．

まとめ

電子線レジストの極微細パターンの断面 SEM 観察条件を検討した。高加速電圧時に見られるコントラスト異常を抑制する低い加速電圧の条件では照射電流が装置の標準条件のときは像のぼけが見られた。照射電流を低くしていくと、像の鮮明さが改善していく様子が確認でき、観察に適した照射電流は 13pA 相当もしくは 40pA 相当であることが分かった。
【参考文献】
1. 応用物理学会編，“超微細加工技術”，オーム社，P.77(1997).

(a)照射電流 13pA 相当

2. 扇子 義久,関口 淳, 電子情報通信学会論文誌. C, エレ
クトロニクス, 86 (12), 1350-1359 (2003).
3. 日本電子顕微鏡学会編，“走査電子顕微鏡 -基礎と応用-”，共立出版，P.46 (1976).

(b)照射電流 39pA 相当(c)照射電流 81pA 相当(d)照射電流 130pA 相当
図 2 電子線レジストのハーフピッチ 25nm ラインアンドスペースパターン観察の照射電流依存性

KISTEC研究報告2019（2019.7）

28

【電子技術部】

次世代 EMC 試験に適用可能な光伝送システムの開発
菅間

秀晃、土屋
柳澤

明久（電子技術部
幸樹、諏訪部
橋本

１．

はじめに

電磁環境グループ）

豊（株式会社多摩川電子）修、須賀良介（青山学院大学）

といった利点を活かせる分野での活用が期待できる。

EV（電気自動車）や IoT（モノのインターネット）の技
術開発において必須な EMC 計測（電磁ノイズ計測）およ

光給電 RoF レシーバシステムは、EMI 測定において、
放射妨害波測定（30MHz～1GHz）、1GHz 超の放射妨害波

び電波計測に適用可能な光給電 RoF（Radio on Fiber；光ファイバ無線）システム 1)2)を開発した。本研究は、青山学

測定（1GHz～6GHz）などでの利用が期待できる。これらの測定では、同軸ケーブルで 10m を超える長距離の信号

院大学の電磁波評価技術と当所の EMC 試験技術を活用して株式会社多摩川電子が製品化を行った。

伝送を行っており、シールド性能不足のため外来ノイズの影響を受ける可能性がある。一般的な電波暗室の配線ピッ自動車産業では、自動車の電動化（EV、HEV など）、コ
ネクティッドカーや自動運転技術、ワイヤレス充電など、

ト内は、図 5 に示すように、計測用同軸ケーブル、アンテ
ナマストとターンテーブルの駆動用電力ケーブル、EUT

電気・電子化が急速に進んでおり、安全性を確保する上で高精度な EMC 計測が今後重要になる。しかし、モーターやインバータから高電圧（数千 V）
・大電流（数千 A）のスイッチングノイズが発生している劣悪な電磁環境下で、高精度に EMC 計測を行うためには、従来の金属製同軸ケ
ーブルでは外来ノイズの混入を防ぐことが困難である。そこで開発した光給電 RoF システムは、光ファイバの高絶縁性や広帯域低損失といった特徴を活かした高精度な
EMC 計測を実現する有効な技術である。さらに IoT や 5G
（第 5 世代移動通信システム）開発でのアンテナ評価にも活用が期待できる。

２．

光給電 RoF システム

光給電 RoF システムは、図 1 に示すように電気信号を
光信号に変換して光ファイバで伝送するだけでなく、センサヘッド内の電子回路への給電も光ファイバで行うため、

図 1 光給電 RoF システムの原理（レシーバ）

長時間の測定も可能である。開発した光伝送システムは、
図 2 に示すように光給電 RoF レシーバシステム（センサ
ヘッド＋制御コントローラ）および光給電 RoF トランス
ミッタシステム（センサヘッド＋制御コントローラ）から構成される。
光給電 RoF システムの伝送特性は、周波数 10kHz～
10MHz をトラッキングジェネレータ（TG）内蔵のスペク
トラム・アナライザ（SA；E4407B）で測定し、周波数 10MHz～20GHz をベクトル・ネットワーク・アナライザ(VNA；
E8363B)で測定した。光給電 RoF レシーバシステムは、図3 に示すように周波数 10kHz～6GHz をカバーしており、伝送ケーブルとしては約 8dB（一定）の減衰量となっている。また、光給電 RoF トランスミッタシステムは、図 4に示すように周波数 100kHz～10GHz をカバーしており、伝送ケーブルとしては約 8dB（一定）の減衰量となっている。このため、低周波領域や 10m 以下の信号伝送におい

図 2 光給電 RoF レシーバシステムとては同軸ケーブルに比べ減衰量が大きいので、不利な面もあるが、光ファイバの軽量、優れた屈曲性及び高い絶縁性

光給電 RoF トランスミッタシステム

29

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】と対向機の接続ケーブルなど様々なケーブルを設置してになる場合もある。また、アンテナ等を移動させて測定すいるため、測定中に原因不明のノイズにより再測定が必要

るような場合は、同軸ケーブルの屈曲や金属床面との接触などにより伝送特性が変化して測定値が変動する恐れがある。光給電 RoF レシーバシステムは屈曲性に優れた光ファイバで信号伝送を行うため、外来ノイズの混入や金属
床面等の影響を受けることがないため、高精度な EMI 測定が可能となる。
光給電 RoF トランスミッタシステムは、電波暗室の特性評価である正規化サイトアッテネーション測定（NSA測定）やサイト VSWR 測定（SVSWR 測定）において送信アンテナ側に用いることで、同軸ケーブルからの電磁放射や反射波の影響を除去する手法として期待できる。また、
小型アンテナ等の指向性測定においても同軸ケーブルの影響を除去する手法として期待できる。

(a) 10kHz～10MHz(SA＋TG)

３．

実験方法

EMC に関する試験計測は、電子機器の種類や電子材料の用途等により試験方法や周波数範囲が大きく異なる。一
般的な電子機器、HEV（ハイブリッド車）や EV（電気自動車）などに搭載させる電子機器（車載機器）、ノイズ対策部品・材料などにおいて、光伝送システムが有効と考えられる試験方法について検討を行った。

３．１

低周波領域での電磁波シールド材評価

電磁波シールド効果（磁界シールド）は、図 6 の(a)に示(b) 10MHz～20GHz(VNA)

すように VNA と KEC 法治具により周波数 100kHz～1GHz
で測定を行うことができる。しかし、図 6 の(b)に示すよう

図 3 光給電 RoF 給電レシーバシステムの伝送特性に、KEC 法はその構造上、 VNA を使用すると同軸ケーブ
ルの外部導体によるグランドループを形成してしまう。周
波数 1MHz 以下では同軸ケーブルのシールド性能が低い
ため、送信側の信号の一部がグランドループを介して受信側の同軸ケーブル内に混入してしまい、測定ダイナミック
レンジが大きく低下する。そのため高い絶縁性を有する光ファイバによる光伝送システムの活用が期待できる。そこ
で、周波数 100kHz において測定ダイナミックレンジ 60dB以上を達成することを目標に光伝送システムを用いたシールド効果測定システムを検討した。

３．２

マイクロ波帯域の電波吸収材評価(a) 10kHz～10MHz(SA＋TG)

IoT や 5G の普及により、周波数 1GHz～6GHz の領域で

(b) 10MHz～20GHz(VNA)

図 5 電波暗室の配線ピット

図 4 光給電 RoF トランスミッタシステムの伝送特性

KISTEC研究報告2019（2019.7）30

【電子技術部】(a) KEC 法による磁界シールド効果測定

図 7 マイクロ波帯の電波吸収率測定(b) KEC 法と VNA を接続した場合の等価回路モデル
図 6 低周波領域での電磁波シールド効果測定
図 8 ノイズ抑制シートの輻射抑制率測定利用される無線通信システムによる電磁環境問題が多数発生する可能性がある。現在、電波を吸収するシートや塗料などの電波吸収材を壁、床、天井などに施工することで電波の伝搬特性を改善することができるが、高価であるため、低コストで作製できる電波吸収材を開発するニーズがある。
周波数 1GHz 以上のマイクロ波帯において電波吸収率は、
図 7 に示すようにホーンアンテナによる自由空間法で測定できる 3)。電波吸収材は、電波の入射角度によって電波吸収率が変化するので、送受信アンテナの角度を可変する必要がある。しかし、屈曲性に乏しい同軸ケーブルも一緒

図 9 ボアサイトによる EMI 測定に動かす必要があるため、測定の再現性が乏しい。そのため光ファイバの高い屈曲性能を有する光伝送システムの活用が期待できる。

RoF トランスミッタシステムを使用することで、同軸ケーブルを使用した場合に比べて正確な測定が可能となる。

３．３

３．４

ノイズ抑制シートの輻射抑制率評価

ボアサイトによる EMI 測定

米国の FCC（連邦通信委員会）Part15 で規定する 1GHz
超の EMI 測定（1GHz～6GHz）では、図 9 に示すように受

主に周波数 500MHz 以上の EMI 対策には、回路基板や金属筐体に貼り付けるだけでノイズの電磁エネルギーを吸収する効果をもつノイズ抑制シート（NSS）が用いられ

信アンテナの高さを 1m～4m の範囲でスキャンし、かつアンテナのメインローブが常に EUT の方向になるようにチている。NSS の評価方法の一つに図 8 に示す輻射抑制率測定がある 4)。この測定では、ノイズの放射源にマイクロス

ルト機構を追加してボアサイト測定することになっている 5)。しかし、国際規格の CISPR（国際無線障害特別委員

トリップライン（MSL）を形成したプリント基板が用いられる。しかし、終端された MSL からの電磁放射のレベル

会）Pub.32 では、1m 立方以内の小型 EUT は、受信アンテ
ナは高さ 1m に固定して測定することになっており、両者は非常に低いため、MSL 基板に接続した同軸ケーブルからの電磁放射の影響が無視できない。そこで、送信側に光の測定結果に差異が生じる可能性がある。しかし、FCC

31

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】の方法で測定するために、同軸ケーブルは太くて屈曲性に乏しい低損失タイプ（SUCOFLEX 106 など）を使用し、長さは 15m 以上必要となる。このため、光給電 RoF レシ

４．２

ーバシステムを利用すると、細くて屈曲性に優れた低損失の光ファイバの有効性が十分活かせると考えられる。

電 RoF トランスミッタシステム、受信アンテナの同軸ケーブルを光給電 RoF レシーバシステムにそれぞれ置き換

自由空間法による電波吸収率測定

図 13 に示すように送信アンテナの同軸ケーブルを光給えて電波吸収率の角度依存性を測定した。送受信に標準ゲ
インホーンアンテナを用いて 5GHz～8GHz において測定

４． 結果及び考察
４．１ KEC 法による磁界シールド効果測定
図 10 にスペクトラム・アナライザ（TG 内蔵）と KECを行った。VNA のタイムドメイン機能により、壁、床、天井などからの不要な反射波を除去することで測定ダイ

法（磁界シールド）を同軸ケーブルで接続して測定したスルー特性（基準）及び銅板（厚さ 2mm）を挿入したとき

ナミックレンジの拡大を図っている。今回の評価サンプル
は、ETC 用の 5.8GHz 帯で電波吸収特性を有する厚さ約の伝送特性を示す。これらの差分がシールド効果となるが、グランドループの影響により 1MHz 以下でダイナミック

2mm のゴムシートとした。
図 14 に測定結果を示す。入射角度 30°の場合に最大の電レンジが低下している。そこで、図 11 に示すように送信側に光給電 RoF トランスミッタを用いて磁界シールド測

波吸収率（約 50dB）であることが確認できた。

定システムを構築した。その結果、図 12 に示すように
100kHz において約 60dB のダイナミックレンジを達成す

４．３

ることができた。このため、EV のワイヤレス充電（85kHz）などに使用される高いシールド性能を要求されるシールを用いて輻射抑制率測定システムを構築した。評価用MSL 基板（10cm×5cm）のライン上に厚みの異なる NSS

ド材の磁界シールド評価に利用できると考える。

を貼りつけた場合と無い場合における放射電界強度（dBμV/m）を 300MHz～1GHz で測定し、それらの差分が輻

ノイズ抑制シートの輻射抑制率測定

図 15 に示すように光給電 RoF トランスミッタシステム

射抑制率となる。同軸ケーブルを用いた場合と比較した結果を図 16 に示す。同軸ケーブルで給電した場合は、ケーブルからの直接放射レベルが高いため、輻射抑制率が負の値になる領域もあるが、光給電 RoF トランスミッタシス
テムを使用すると輻射抑制率が正の値となり、予想される結果となった。

４．４

ボアサイトによる EMI 測定

図 17 に示すように光給電 RoF レシーバシステムを用いてボアサイトによる 1GHz 超の EMI 測定を行った。放射図 10 同軸系におけるグランドループの影響

図 13 光伝送システムを用いた電波吸収率測定

60dB@100kHz

磁界シールド効果[dB]

図 11 光伝送システムを用いた磁界シールド測定

銅板 厚さ2mm
測定限界

100[kHz]1[MHz]

10[MHz]周波数

図 14 電波吸収率の測定結果

図 12 磁界シールド効果の測定結果

KISTEC研究報告2019（2019.7）

32

【電子技術部】

源にはコムジェネレータ（CGE01R）を使用した。図 18

損失な光ファイバの特性を十分活用できるため、光給電

は周波数 3GHz におけるハイトパターンを示す。ボアサイ
トでは正確な最大値を得ることができている。この結果か

RoF レシーバシステムは 18GHz まで対応できるように改良する必要がある。

らボアサイト測定の有効性は確認できたが、光伝送システ
ムと同軸ケーブルとの差異は確認できなかった。しかし、

５．

今後の展開

EV などの車載用電子機器の誤動作を誘発する電磁ノイズを正確に測定することが求められている。電気信号を光今後 6GHz 以上の EMI 測定規制が施行された場合は、低信号に変換し、光ファイバによる信号伝送と電力供給を光で行うことによって、外来ノイズの影響を受けずに正確な
EMC 計測が行えるメリットを最大限に発揮するために、さらに小型・広帯域・高感度な電磁波計測システムの開発を目指す。
※本研究は、平成 29 年度～30 年度の産学公連携事業化促
進研究で実施したものである。

a)サンプル無【参考文献】b)サンプル装着時

1． 大西, 石原, 東山；“直接変調電気/光(EO)変換器を用いた電磁界計測”, 信学技報, PEM2014-15(2015).
2． 西岡, 原口, 安藤, 山浦, 深沢；“光給電 RoF 技術を用いた高絶縁・小型な光送受信モジュール”，信学技評価用基板MSL報,PN2014-48(2015).
“高周波領域における材料定数測定法”，森北
3． 橋本修；

EFF01（厚さ0.1mm）
EFF03（厚さ0.3m）

測定サンプル（トーキン製出版 (2003).
4． 平塚信之；“ノイズ抑制用軟磁性材料とその応用”，三

バスタレイド®）松出版(2008).
5． 佐藤智典；“デジタル・デバイスの FCC 規制への対応”，

図 15 光伝送システムを用いた輻射抑制率測定

科学情報出版, EMC, 373, 65-82(2019)．
【外部発表】口頭発表

プリアンプ（40dB）

1件

光給電RoF
レシーバヘッド
チルト装置用
電源・通信ケーブル

ホーンアンテナ
（受信）
チルト装置
光ファイバ

a)

同軸ケーブル

同軸ケーブル

チルト角 -45.9deg.@4m

図 17 光伝送システムを用いたボアサイト測定b)

BS: ボアサイト

光伝送システム

図 18 ハイトパターン測定（水平偏波 3GHz）

図 16 NSS の輻射抑制率測定

33

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【電子技術部】

2400W 級ファンレス降圧コンバータの試作
三岩 幸夫（電子技術部 電子システムグループ）

１．

はじめに

れ，実現可能な定格電力の上限は 800 W(16÷0.02)となる．

コンバータに使用するスイッチング素子は 1990 年代以
降，Si 製の IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ），目標とする定格電力はマージンをとって 750 W とし，
起動時電流が大きいモーターにも対応できるようにする

MOS（金属酸化物半導体）-FET（電界効果トランジスタ）が主流となっている．Si 製の MOS-FET と IGBT は性能ため，最大電力を定格電力の 3 倍超である 2400 W とした．

の向上が図られているが，Si の物性限界により大幅な性能向上が見込めなくなっている．

３．

一方，SiC（炭化ケイ素）や GaN（窒化ガリウム）など，
Si の性能を超えるワイドギャップ半導体である SiC-SBD

また，スイッチング周波数が kHz 帯としても MHz 帯の高調波が含まれることがある．

（ショットキーバリアダイオード），SiC-FET，GaN-HEMT（高電子移動度トランジスタ）が製品化され，素子の損失高周波化しつつあるパワー回路設計ではプリント基板などの配線のインダクタンスを 0 H，配線間の寄生容量を低減が見込めるようになった．
しかし，従来の Si 製素子で構成されたコンバータにお0 F とみなす事に対して問題意識が高まりつつあるが，決定打となる代替案はなく，模索中であるのが現状である．

いて，ワイドギャップ半導体への置き換えのみで性能を向上させることは困難であり，現在，電源関連メーカーを中代替案の１つとして電磁環境分野の手法を取り入れようとしたが，無線やアンテナを目的としているためノウハ

心にワイドギャップ半導体の性能をコンバータで生かす
ため方策が模索されている現状である．

ウやツールをそのまま導入できなかった．
そのため，折衷案としてプリント基板のパターンを以下

その原因の 1 つとしては，コンバータなどのパワー回路
ではスイッチング動作を緩衝させるスナバ回路があり破の式 1)で寄生インダクタンスとして設計に取り入れることとした．

コンバータの設計

スナバ回路を外すと MHz 帯の強力な EMC が発生し，損の防止や EMC 低減を担っているが，スナバ回路がスイ
ッチング速度を低下させるため，ワイドギャップ半導体をL[nH] = 0.2・l・(ln

2・l

w+t

+0.5)
w+t
l
l[mm]=長さ，w[mm]=幅，t[mm]=箔厚用いた高速性能を相殺されることが挙げられる．
コンバータからスナバ回路を外すと損失が大幅に低減+0.2235・することは知られているが，破損や EMC 増大のリスクがあるため，安易にスナバ回路を外すことはできない．

部品の寄生成分はデータシートの記載値や記載がない場合はネットワークアナライザで測定し，それら寄生成分

今回，１つの方策として，ワイドギャップ半導体を使ったコンバータからスナバ回路を外し，スナバ回路以外の手を設計や回路シミュレータによる検証に反映させた．

段で破損や EMC 増大の対策をしたファンレスのコンバー
タを試作することとした．

２．

コンバータの仕様

AC400 V 系対応コンバータは市販品が少なく，AC440 Vから AC220 V へ変換における小型化のニーズがある．

図 1. 回路シミュレータの解析結果

交流から直流への変換は整流ダイオードと平滑コンデンサで可能なため，試作する降圧コンバータのスペックは

図 1 左は寄生成分を加えない場合の回路シミュレータの解析結果，図 1 右は寄生成分を加えた場合の解析結果となる．

入力 DC622V（AC440V 整流後）
，出力 DC310V（AC220V
整流後）とした．

図 1 右はプリントパターンによる寄生インダクタンスと半導体の寄生容量による共振が引き起こすリンギング

一般的にコンバータの許容温度上昇は 40 ℃とされ，また，筐体で放熱する場合の半導体の熱抵抗は概ね 5 ℃/Wがみられ，リンギングを抑制するためには，スナバ回路が必要となる．一方，これらの寄生成分を減らすとスナバ回のため，半導体の損失は 8 W(40÷5)と見込まれる．
コンバータの損失はインダクタでも発生し，半導体と同路が不要となる．
そのため，プリントパターンの設計では寄生インダクタ

じ 8 W とすると損失の合計は 16 W(8+8)となる．
現在，降圧コンバータの効率上限は 98 %(損失 2 %)とさ

KISTEC研究報告2019（2019.7）

ンスの影響を低減させることを最優先させ，ワイドギャッ

34

【電子技術部】

プ半導体の選定では，従来，FET はオン抵抗，ダイオード

表１ 出力性能確認

は順方向電圧が低いものが良いとされていたが，今回は，FET では Coss(出力容量)，ダイオードでは接合容量の低さ

定格電力

最大電力

入力電圧

622.7 V622.6 V

入力電力

783.4 W

2393.7 W

出力電圧308.4 V

307.5 V

出力電力

768.0 W

2357.9 W

効率98.08 %

98.50%

を優先させることとした．
その結果，SiC-FET として Wolfspeed 製 C3M0120100K，
SiC-SBD として Microsemi 製 APT10SCD120B を採用した．
実際には，プリントパターンのレイアウトや半導体の選定において寄生成分低減に限界があったため，スナバ回路の代替手段として東芝製のアモビーズ 2) (図 2)を採用し半今回，試作したファンレスコンバータのサイズは，13mm(W)×60 mm(H)×7 mm(D) となった．

導体のリードに挿入することとした．

定格電力で連続 5 日間稼働時におけるコンバータの最大温度は図 5 のとおり 52 ℃であり，周囲温度が 16 ℃のため，最大温度上昇 36 ℃(52-16)に抑えることができた．

図 2. アモビーズについて

次に回路設計についてであるが，降圧コンバータの回路
方式には，同期降圧回路(図 3 左)と非同期降圧回路(図 3 右)がある．
同期式は出力電圧が低い場合は Q1 により充電を行い，

図 5. 定格電力における温度上昇

５．

高い場合は Q2 により放電を行うが，非同期式では放電を行う Q2 が存在せず，特に軽・無負荷では電圧を下げる手

まとめワイドギャップ半導体は，素子レベルでコンバータをファンレス化できる性能を有している．

段がなく安定した制御を行えないため，回路方式としてほとんど使われなくなった．

そのため，当初はコンバータの素子を Si からワイドギ
ャップ半導体への置き換えのみで損失低減し，簡単にコン

しかし，主流である同期式はノイズによるコントローラ
やゲートドライブの誤作動で Q1 と Q2 が同時に ON にな

バータのファンレス化が実現可能であると見込んでいた．
しかし，コンバータの素子をワイドギャップ半導体へのるアーム短絡事故発生のリスクを孕んでいる．
その点，非同期式はスイッチングが Q1 のみであり，誤置き換えのみでは思うような性能向上ができず，コンバー
タ回路全般における寄生成分の低減が必要になることが作動時においても回路が短絡せずノイズや誤動作に対して耐性が極めて高い回路となっているため，今回は非同期わかった．
今回，プリントパターンの寄生インダクタンス低減に重式を採用することとした．
非同期式の欠点を補うため，軽・無負荷時のみ出力電圧点を置いたこと，部品選定において寄生容量の少なさを重視したこと，スナバ回路に代替する手段としてアモビーズが降下するまで FET を ON にしないバースト(間欠)制御を用いることにより，非同期方式で安定した電圧制御を実現を採用したこと，高レベルノイズに対して耐性が強い非同期式降圧回路を採用したことにより，コンバータのファンすることができた．

レス化が実現できた．
現状では寄生成分低減には限界があり，これ以上の低減が困難であるため，今後は寄生成分を積極的に利用した回路方式によるコンバータの実現を模索していきたい．
図 3. 同期降圧回路(左)と非同期降圧回路(右)４．

【参考文献】
1) ローム株式会社, Tech Web,基礎知識,DC/DC,
DC/DC コンバータの基板レイアウト,
銅箔の抵抗とインピーダンス,
https://micro.rohm.com/jp/techweb/2) 東芝マテリアル株式会社,研究開発,
新デザイン 低価格「アモビーズ(R) DY シリーズ」
https://www.toshiba-tmat.co.jp/res/index.htm

評価

スナバ回路を外したことにより，ファンレスを実現した
降圧コンバータ(図 4)を試作し，最大電力 2400 W，定格電
力 750 W の出力性能を確認した．
（表 1）

図 4. 試作したファンレス降圧コンバータ

35

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【情報・生産技術部】

トポロジー最適化設計におけるデザイン的活用
阿部
村石

１．

顕一（情報・生産技術部

伊知郎（情報・生産技術部

試作加工グループ）

デザイン・設計グループ）

所，計 12 か所を 3D CAD を用いて空間に配置する．次に，全ての結合部に接触する設計領域を設定する．設計領域ははじめに部材に与える荷重条件に対して，最適な材料分布を解析するトポロジー最適化技術は，これまでにもあったが，解析結果は複雑形状になるため加工が難しく，製品設計には限定した範囲でのみ用いられてきた．しかし，設計者が意図しないような結果も得られることから，従来製品との差別化を図った製品デザインを実現するためのツールとして，トポロジー最適化を活用することを試みた．

トポロジー最適化により不要な部分が削除されることから，計算結果の最大外形を決定する要因になる．これは，切削加工における材料に相当する（図 1）．
Inspire で解析する際には，一般的な CAE のように解析条件を設定する．主に，材料，結合状態，固定部，荷重条件等である．Inspire では，さらに解析結果（形状）に対して対称性や，加工方法に合わせた拘束条件を設定できる．
今回，与える荷重条件として，座面に対して垂直荷重をトポロジー最適化技術は複雑な解析結果が出力されるため，製品設計に利用される場面は少ない．しかしながら
3D プリンターをはじめ今後の加工技術の向上により，一かけた場合，水平モーメントをかけた場合，背もたれに垂直荷重をかけた場合の，解析結果を報告する．解析条件を般的に利用されると思われる．今後のデザイン・設計技術の向上のため，トポロジー最適化に必要な解析条件や要点を調査した．さらに解析結果を製品デザインに活かすため，デザインの一手法としての可能性を模索した．

表 1 に，解析結果を図 2～6 に示す．各結果の左図が設計
領域との体積比 10%，右図が 5%の結果を示す．
表 1 荷重条件

２． 実験及び結果
２．１． トポロジー最適化

座面

座面

背もたれ

垂直

モーメント

垂直

利用した解析ソフトウェアは，Altair Inspire（2017.3）を用いた．トポロジー最適化は，拘束条件や荷重条件により○解析結果が大きく変化するため，解析条件を変化させた時の解析結果について調査した．対象として，背もたれのあ○る 4 脚椅子について調査した．
手順として，形状を変化させない結合部を設定する．今

○

結果
①

○

②

○

③

○
○

○

④

○

⑤

回は，4 脚それぞれの接地部，座面 4 か所，背もたれ 4 か図 2. 結果①

図 3. 結果②

図 1. 椅子の設計領域

37

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【情報・生産技術部】

対象はテーブルとした．効果を強調するため基本形状（設計領域）は軸対称で，接地面と天板は単純な円板，胴体部分は R 曲面を有する円筒とした（図 7）．荷重条件として天板に垂直荷重やモーメントを設定したところ，図 8のような中空構造となった．特にモーメントは最小質量で最大の強度確保しようとするため外縁部が支配的になる．
単純な形状に対して単純な荷重条件を与えると，設計領域とあまり変わらない単純な外見になってしまった．
図 4. 結果③

図 7. テーブルの設計領域

図 8. 結果（断面）そこで，Inspire の機能を用いて結果形状に拘束条件を与図 5. 結果④

えた．得られる結果形状に回転対称構造や引き抜き構造に拘束する条件を設定できる．図 9 は回転対称で拘束した例
であるが，今回は設計後の生産性が容易と思われる引き抜き構造で拘束することとした．
椅子と同様に，垂直荷重とモーメントを個別，合成した
解析結果を図 10～12 に示す．

図 6. 結果⑤脚部に注目すると，垂直荷重のみをかけた結果①，④は接地部から直線状の脚が生成されており，垂直荷重に対し当然と思われる形状が生成された．モーメントのみをかけた結果②では，斜め方向の直線構造が生成された．垂直荷重とモーメントを同時にかけた結果③，⑤は，垂直荷重のみの結果とモーメントのみの結果を合成したかのような形状が生成された．背もたれに注目すると，トラス構造を

図 9. 回転対称

図 10. 引き抜き 垂直荷重

図 11. 引き抜きモーメント

図 12. 引き抜き
垂直荷重+モーメント有するアーチ構造が生成された．
与えた条件に対して得られた結果は，意外性が少なく当然と思われる結果となった．与える荷重条件が単純であるからと思われる．荷重条件が複雑であると構造も複雑になる傾向がある．

２．２．

トポロジー最適化を用いたデザイン

条件を複雑にすることで，結果が複雑になり，意外性のある結果が得られれば，従来の製品とは異なるデザインとして利用できると思われる．そこで，標準的な形状を有す

垂直荷重，モーメントとも想像しにくい結果となった．

る工業製品について，トポロジー最適化結果を利用して，新たなデザインを試みた．解析結果はそのままでは粗い形

垂直荷重+モーメントも合成されたと思われる形状となった．

状になるため，3D CAD 等のデザインツールで再デザイン
して立体化し有効性を検討した．

KISTEC研究報告2019（2019.7）

製品デザインへの適用例として，加工性も考慮し，モー
メント・引き抜き拘束での結果を採用することとした．得38

【情報・生産技術部】

られた結果を参考に，3D CAD でモデリングを行った．
（図13）モデリング後は，実際の材料や荷重条件を与え構造解

３．

析により強度を確認できるので，細部の形状を決定できる（図 14）．

今後は汎用的な構造材に対する解析や再デザイン，さらに造形物での荷重試験を行い，実用性を検証していく（図考察及び今後の展開最適化のための，荷重条件や拘束条件を把握できたが，17）．
単純な形状で，解析結果の傾向を検討したところ，特にモーメントが強くかかると，設計領域の最外縁部が残りやすい．そのため設計領域の形状が支配的になってしまい，
意外性の少ない結果になりやすかった．
また，得られた結果は，そのままでは 3D プリンターでなければ造形できず，中小企業の製品製造への適用が難し
い．解析条件に一方向への引抜形状等に限定することによ図 13. 再モデリング

り加工が容易になり適用性が高まると思われる．
切削加工や鋳造加工で製造可能な形状や解析条件につ図 14. 内部応力解析例

いてまとめ，3D プリンターやマシニングセンタと組み合
わせて，製品設計や試作での支援に活用できるようにし，トポロジー最適化結果を参考にした製品デザインへの適用例を図 15，16 に示す．図 15 の加工には 5 軸制御マシ

製品デザインの幅を広げ，中小企業への支援に結び付けたい．

ニングセンタを使用して接地部と胴体部を加工している．
天板はガラス板を用いている．図 16 の加工では木材を使用し原寸で加工した．

図 15. 加工例①

図 17.

汎用的な構造材の設計領域例

図 16. 加工例②39

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【情報・生産技術部】

有限要素法シミュレーションにおける表面コーティングの影響に関する研究
斉藤 光弘（情報・生産技術部 デザイン・設計グループ）

１． はじめに工程が複雑となる。ANSYS DesignSpace に新たに実装さメッキや塗装など、表面コーティングの物体強度への影
響は、表面コーティングを施した試験片と無い試験片に対れた“表面コーティング”では、シェル要素の厚さや材料を指定することで、ソリッドモデルの表面にシェル要素をし引っ張り試験や曲げ試験を行うことで、ある程度評価できる。しかし形状が複雑な物体や、複数の荷重条件を考慮

簡単に作成することが出来る。

しなければならない場合などは、その影響を実機試験で測るのは困難である１）。本研究では、有限要素法シミュレ

３． 評価の方法

ーションソフト ANSYS DesignSpace に実装されたプリポスト機能である“表面コーティング”を使用し、ソリッド

や薄膜層の厚さの違いによる、有限要素法シミュレーショ
ンを行った。

モデルの表面に薄膜層を設定した場合の、曲げ強度・引張
り強度等への影響を評価する手法の確立を目指した。

なお、ソリッドモデルの材質は SPCC、表面コーティン
グは石英ガラス（SiO2）、実際のコーティングの厚さは２． 有限要素法シミュレーションソフトについて

石英ガラスの場合、数 µ～数十 µ 程度だが２）、コーティ
ングの際に生じる拡散層（数百 µ）を考慮し、コーティン

引張り試験及び三点曲げ試験を想定し、ソリッドの形状

グ無し、0.01mm 、0.1mm の 3 種類とした。
引張り試験については、図 1 の幅 15mm、厚さ 2.3mm

当所では、3 次元 CAD と ANSYS DesignSpace を利用して、３次元モデリング及び静的構造解析の技術支援を実施している。しかし、表面コーティングを施している部材をの引張り試験片をモデリングし（図は 1/4 モデル）、要素数は 544 とした（スイープ分割数は 4）。構造解析条件は、含む構造解析の技術相談には対応できていなかった。有限要素法でシェル要素を作成する場合、一般的にデフォルトの設定ではメッシュ作成時に厚み方向へ十分な要素数を取ることが出来ないため、薄板スイープなどの手法を用いる。

それぞれの断面を摩擦なし支持とし、端面に 100N の引張り荷重を与えた（図 2）。

しかし薄板スイープを用いる場合、めっきや塗装に相当す
るシェル部分をソリッド要素とは別にモデリングする必要があり、ソリッドモデルの形状変更を行う場合などは、

図 1 引張り試験片（要素数 544）

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 2 引張り試験の構造解析条件40【情報・生産技術部】

三点曲げ試験については、図 3 の幅 28mm、厚さ 2.3mm、支点間 46.9mm の曲げ試験片をモデリングし（図は 1/4 モデル）、要素数は 8691 とした（スイープ分割数は 4、圧子と支点の要素数も含む）。構造解析条件は、それぞれの断面を摩擦なし支持、試験片と圧子及び支点の接触を分離しない接触とし 、圧子に下向きに 500N の荷重を与えた（図 4）。

図 5 引っ張り試験の相当応力分布

図 3 曲げ試験片（要素数 8691）

図 6 曲げ試験の相当応力分布５．

図 4 曲げ試験の構造解析条件

４．

おわりに

これまで構造解析を行っていなかった表面コーティングを施したソリッドモデルの強度シミュレーションを実施し、表面処理の効果を確認することが出来た。今後は表面処理結果および考察

表 1 に構造解析結果を示す。引張り試験の場合はコーティング 0.01mm で 0.31%、0.1ｍｍで 3.9% 強度が向上しており、曲げ試験の場合ではコーティング 0.01mm で 0.6%、
0.1ｍｍで 6.1% 強度が向上した。石英ガラスは圧縮に対して非常に強いため（圧縮強度 1100MPa、引張り強度は48MPa）、圧縮の作用が大きい曲げ試験で、より強度が向上したと思われる。

時間、化合物層の厚さとシミュレーションで設定する厚みの関連性の検証を行う。また保有の有限要素法シミュレー
ションソフトが疲労解析に対応した場合は、当所の疲労試
験と連携して受託研究等への対応を可能としたい。

【参考文献】
1．線延飛、都井裕、日本シミュレーション学会論文誌、Vol.9，No.3，pp.39-45，(2017)．
2．加賀谷忠治，加藤政則，江上登，「材料」第 31 巻 第343 号，pp.364-369，(1982)．

表 1 構造解析結果（相当応力）

コーティング無し
引っ張り試験
曲げ試験

72.274 Mpa
303.72 Mpa

コーティング
0.01mm
71.973 Mpa
301.91 Mpa

コーティング
0.1mm
69.365 Mpa
285.03 Mpa

41

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【情報・生産技術部】

センサー・アクチュエーター層の通信に関する調査研究長尾 達明、奥田 誠（情報・生産技術部

１．

はじめに

システム技術グループ）

COM3：230.4kbps の 3 種類がある。１）

ファクトリーオートメーション（FA）においては、センサーの値をプログラマブルロジックコントローラ（PLC）に取り込んで、プログラム上でどのように制御するかを判３．

フィールドバスについて断して、アクチュエーターを動作させるための信号を送り、モノを動かすということを行っているが、センサーと PLC記になる。
・CC-Link、CC-Link IE Field

現在、国内で主に使用されているフィールドバスは、下とアクチュエーターを簡易に接続する方法が注目されている。今回は、IO-Link を対象として、様々な FA 用ネット

・Vnet/IP、TCnet
・Profibus、Profinet

ワークとの接続の可否や通信データの信頼性、応答速度、配線の利便性などについて調査研究を行った。

・Devicenet、Ethernet/IP・EtherCAT

２．

・MECHATROLINK
また、欧州、米国などでは、他に数種類のものが使用さ

IO-Link の概要

FA では、PLC を用いて生産ラインのセンサーからデー
タを取り込んでモータなどを制御しているが、センサーやれている。
かつて、国内には十数社の PLC メーカーがあり、各社

モータの数が多く、また、距離が離れているため FA 用のネットワーク（フィールドバス）で接続されていることがが専用のフィールドバスを開発して使用していた。しかし、ネットワークのオープン化という流れにより、現在は、数多い。そして、フィールドバスの端末の機器とセンサーを接続するという手法が一般的であり、そこの部分を統一し種類のフィールドバスが生き残り、また、PLC メーカーも減少してきた。

たのが、IO-Link になる。図 1 において、オレンジ色の線が該当する。

４．

出力信号の計測実験

IO-Link を通過することによって、どのくらいの出力信号の遅れが発生するかを測定するために、図 2 のようなシステムで実験を行った。当所では、三菱電機の PLC と CCLink のフィールドバスを使用しているため、バルーフ社のCC-Link 用の IO-Link マスタと IO-Link デバイスのスマー
トライトを用いた。２）（IO-Link コミュニティ ジャパン発行の「IO‐Link シス
テム概説書」より抜粋）
図１．IO-Link の全体図

フィールドバスの端末の機器が、IO-Link マスタで、センサーやモータなどが、IO-Link デバイスとなる。IO-Link
マスタと IO-Link デバイスは、１対１で専用のコネクタ、
ケーブル、通信方法で接続されている。通信方法は、双方向シリアル通信で、IO-Link デバイスが通信速度を選択で
図２．実験装置

きるようになっており、COM1：4.8kbps、COM2：38.4kbps、

KISTEC研究報告2019（2019.7）

実験方法としては、IO-Link マスタの出力（本体中央左42【情報・生産技術部】のオレンジの LED）と IO-Link デバイスのスマートライト

結果としては、IO-Link マスタの本体の LED は、ラダーの（緑の LED）を一つの命令で ON、OFF させるようなラダーを使用した。
（図３）

通りに点滅した。IO-Link デバイスのスマートライトのLED は、IO-Link の通信を通っている分だけ遅れて、点滅しており、また、その影響もあり、わずかではあるが ON、
OFF の時間にもばらつきが発生した。

５．

まとめ

様々な FA 用ネットワークとの接続の可否については、国内で使用されている数種類のフィールドバスについて
図３．実験用ラダー

は、もちろんであるが、海外で使用されているものについてもすべて可能となっている。また、IO-Link マスタは、

具体的には、クロックを 0.1 秒間隔で点滅させて（ON：十数社から販売されており、IO-Link デバイスは、数十社のセンサーやモータなどのメーカーから様々な機種が販

50msec、OFF：50msec）、両方の LED を 1,000 コマ／秒の高速度カメラで撮影して、実際の LED がどのように点滅

売されている。
通信データの信頼性、応答速度については、元の出力信しているかを計測した。
10 回の点滅を下記のグラフにまとめた。

号に対して、ほぼ正確に IO-Link デバイスの出力が応答していたが、IO-Link の通信を通る分だけ遅れが生じていた。
なお、遅れについては、9～19msec の範囲でバラツキがあった。今回の IO-Link デバイスは、COM2 の通信であったが、これ以外の通信スピードの機器についても応答速度の確認をする必要があると考えられる。
配線の利便性については、他のメーカーのセンサーなどについてもコネクタの形状が統一されており、作業者が配線を間違えないように、また、短時間で作業できるような配慮がされていることが確認できた。

【参考文献】
図４．IO-Link マスタ（本体）1.

IO-Link コミュニティジャパン、IO-Link 紹介セミナー
資料、 (2018).

2.

バ ル ー フ 株 式 会 社 、 IO-Link 製 品 カ タ ロ グ 、https://www.balluff.com/local/jp/products/product-overview/.

図５．IO-Link デバイス（スマートライト）

図６．遅れ時間

43

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【情報・生産技術部】

塗装した県産スギ材の乾燥
中島
長尾

１．

岳彦（情報・生産技術部

達明（情報・生産技術部

はじめに試作加工グループ）

システム技術グループ）

片の含水率は気乾状態で約 11.2%、湿潤状態で 24.8%であった。

木材は乾燥してから使用するのが一般的である。山から伐採された直後の木材は水分を多く含んでおり、その後の乾燥過程で収縮したり、割れたりするため、そのまま使用

２．２

するには適していない。乾燥方法には人工乾燥と天然乾燥がある。人工乾燥は熱やエネルギーをかけて、木材を強制

木材に耐候性や耐腐朽性を付与する保護塗料は乾燥材に塗ることを想定しているため、生材（湿潤状態）の木材

的に乾かす方法であり、天然乾燥は風通しの良い場所に長期間放置し、自然に水分が抜けるのを待つ方法である。そには適していない。ここでは市販の木材保護塗料を湿潤状態の木材に塗り、その影響を調べた。保護塗料は水性タイ

れぞれ一長一短であるが、近年は寸法安定性に優れた人工
乾燥の割合が増えてきており、現在では国内で生産される

プ（塗料 1）と油性タイプ（塗料 2）の 2 種類を使用した。
試験体を塗料の中に 10 秒間完全に沈め、試験体を軽く振建築用材の約 45%が人工乾燥である(1)。これはプレカット
材の普及などにより人工乾燥材が求められるためであるってから重量を測定した。その後、105℃の恒温槽にて重量が恒量に達するまで乾燥させた。表 1 に塗布直後の重量が、乾燥施設の整備に莫大な費用が掛かることから、建築用材の半数はコストのかからない天然乾燥で行われてい増加分と、増加分に含まれる不揮発性分の重量を示す。
気乾状態で見ると、増加重量分は塗料 2 の方が多く染みる。天然乾燥時の問題として、長期間にわたる屋外暴露による干割れや腐朽がある。使用時に表面を大きく切削する込んでいる。塗料 2 は有機溶剤を含むため、染み込みやすかったと考えられるが不揮発分は 2 割程度あったため、木ことでこれらの問題を回避できるが、歩留まりが低下する
原因でもある。

材表面に残った量は塗料 1 よりも少なかった。湿潤状態になると、塗料 1 では気乾状態の 3 割程度まで減少し、塗料割れの原因の一つに、木材内部と表面の含水率の違いがあげられる。木口や表面近傍では盛んに水分蒸発が行われ2 になると 1 割程度まで減少した。使用した保護塗料は十分に乾燥させた木材に使用することが塗布条件になってるため乾燥速度が速いが、内部では水分が移動しづらいた
め乾燥速度が遅い。乾燥に伴って収縮が起こり、表面だけいるため、湿潤状態の木材に適していないことがわかる。
特に油性タイプは水に不溶であることからさらに木材表

縮むために割れが発生する。
そこで本研究では、天然乾燥における木材の割れを防ぐ

面に残り難かったと考えられる。塗布方法に簡便なディッ
ピング（図 2）を採用し手段として、木材保護塗料を高含水率状態の木材に塗布し、乾燥速度の低下が可能かどうか調査した。また、屋外でのたが、各塗料で刷毛塗が推奨されており、塗布方

天然乾燥時の割れ防止に有効な手段として、木材への散水があげられる。簡便な IoT 技術を導入した散水システムに法を変えることでより大きな効果を得られる可能ついても紹介する。

性があった。今回は実大材（4m の柱材など）を想

２． 実験及び結果
２．１ 試験体

定した塗布方法を採用したため、推奨される塗装

木材保護塗料の影響を調べるために、試験片には神奈

方法は採用しなかった。

含水率による比較

川県産スギの辺材部分だけ
抜 出 し 、 気 乾 密 度 が

表 1 塗布量と不揮発分

0.34~0.40g/cm3 になるよう調整した。試験片寸法は 25mm
×25mm×50mm とした（図1）。湿潤状態の試験片は、気乾材を水に沈めた状態で真空に引いて 1 時間放置し、室

50mm

塗料１
25mm

25mm

塗料２

図 1 試験片の寸法

内の気圧まで戻したのち 24 時間放置して作成した。試験KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 2 ディッピング

44

気乾

湿潤

増加重量

1.12 g0.36 g

不揮発分

0.39 g0.13 g

増加重量1.40 g0.16 g

不揮発分

0.29 g0.03 gタイプ
水性

油性【情報・生産技術部】

２．３

塗料による乾燥の遅延効果

３．

考察及び今後の展開保護塗料により木材表面に被膜が形成されることから、木材内部の水分が抜けにくくなり乾燥速度が落ちること

保護塗料の塗布条件に適していない湿潤状態で塗布しても、塗料による乾燥速度への遅延効果が得られることがが予想された。そこで、生材（湿潤）状態の木材に保護塗料（塗料 1 および塗料 2）を塗布したものを、乾燥促進試

明らかとなった。ディッピング時間は作業性を重視して10 秒に設定したが、木材の含水率が今回の湿潤状態より験として 60℃の恒温槽で乾燥させたときの重量変化を測定し、塗料による乾燥速度への影響を調べた（図 3）。

も低ければ、同じディッピング時間でも塗布量が増える可能性がある。その分遅延効果の増大も見込めるものの、塗グラフから、8 時間乾燥した時点で、無塗装の場合で乾燥速度が最も早く、塗料 1 が最も遅い結果となった。その料は木材に比べて高額であるため、コスト高にもつながる。
できるだけ少ない塗料で効果が得られるよう、さらに検証

先の 22 時間までのデータがないが、この状態のまま乾燥が進んだとすると、乾燥するまで無塗装で 10 時間、塗料を行い最適な時間を見極めたい。
今後は実大材に近い木材を使った乾燥試験を検証する

1 で 22 時間、
塗料 2 で 12 時間程度かかったと予想される。
このことから、わずかな塗料であるが、乾燥速度に影響を予定である。屋外での乾燥試験では、日射による急激な温度上昇や、冬期における過乾燥状態が続く場合など、塗装与えていることが確認できた。塗料を 2 度塗り 3 度塗りの要領で複数回ディッピング行えば、さらに効果は高くなるによる乾燥遅延効果だけでは干割れには対応できないと思われる。実際の木材集積場などでは適宜散水するなどしと思われるが、出来るだけ手間のかからない方法を調べる
ため今回は 1 回のディッピングのみの評価とした。保護塗て、人的に対応しながら干割れを防いでいる。そこで IoT技術を用いて自動で散水できるようなシステムを構築す

料にもさまざまな種類が存在するが、今回は塗布対象が湿潤状態であること、対象物との馴染みやすさなどを考慮しる。既に Raspberry Pi を使ってハード部分は構築できた。
（図 4）そこに水道水の出し止めを制御する電磁弁、温湿て水性と油性に大きく分けた。さらに浸透性があり造膜タ
イプではないものを基準に選択した。

度センサー、Web カメラなどをつなぎ、木材の状況を監視しながら自動で散水するシステムを構築する予定である。
さらに木材表面の収縮状態を測定するためにひずみゲー
ジによる測定も併せて行っている。これらと温湿度などの

30.0
塗料1

25.0

塗料2

20.0

水分量 (g)

環境要因をデータ化することで、割れの予測が可能かどうか検証したい。

無塗装

15.0
10.0
5.0
0.0

1

10
乾燥時間 (h)100

図 3 塗料による乾燥の遅延効果
図 4 Raspberry Pi に接続された温湿度センサーと電磁リレー【参考文献】
1. 林野庁編.森林・林業白書.平成 30 年度版,2018, p.147-149

45

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

X 線回折法による酸化ハフニウム薄膜の結晶相同定の検討
秋山
１．

賢輔、野島

咲子（化学技術部

はじめに

新エネルギーグループ）

強誘電体は、自発分極を有し外部から電界を加えること

この 2θピーク位置は、HfO2 の斜方晶相の 111 回折（2θ：
30.2°）と一致しているように見えるものの、エピタキシャ

によって自発分極の向きを反転させることが可能な物質である。また外部からの電界印可を除した後も物質内部

ル成長薄膜の基板拘束による格子歪を考慮すると単斜晶
相の 111 回折（2θ：31.3°）の可能性も考えられる。

の分極が維持されることから、この特性を利用したメモリデバイスやセンサーへの応用が期待されている 。近年、次に非対称反射面を用いた清水らが報告するθ-2 θ vsψ
マッピング（図２）3)での測定を検討した。

その応用開発が活発化する中で、チタン酸鉛（PbTiO3）やタンタル酸ストロンチウム・ビスマス（SrBi2Ta2O9）等のY

鉛や希少金属を含まない元素で構成される材料が求められている。
一方これまで Si メモリデバイスにて、高誘電体材料として用いられてきた酸化ハフニウム（HfO２）の薄膜が強X

誘電体特性を示すことが 7 年前に報告された。この材料は単斜晶が熱的安定相であるが、単結晶上に成長させた薄膜や熱処理での急冷によって斜方晶へと相変態すると強誘電性を示すことが報告 1)されている。

図 2． (111)配向した YSZ，単斜晶，及び斜方晶 HfO2の非対象反射面のあおり角（ψ）とθ--2 θマッピン
グ・シュミレーション3)．
Psi /
Psi /
degreedegree854180 (b)
(a)
39
75
35
70
65
31
60
29
55
25 30 3520 25
30

本研究は、エレクトロニクスデバイスやセンサーに用いられる強誘電特性を持つ薄膜材料の応用化・産業化へ向けたアプローチを目指して鉛や希少金属を含まない元素で構成された HfO２薄膜について、強誘電特性に影響を及ぼす結晶構造の評価を非破壊検査である X 線を用いた分析法で評価する方法を検討する。

２．

SAP-2

実験及び結果測定には、東京工業大学から提供されたスパッタ法にて作製されたイットリウム安定化ジルコニア（10%-Y2O3 添

2theta / degree

加 ZrO2；以後 YSZ と記述する）基板（111）面方位上のHfO2 薄膜（厚さ 53nm）2)を用いた。X 線回折測定には４2theta / degree

図 3． 図 2 中の(a) X 部，及び(b) Y 部に対応した(111)とθ-2 θ
配向した HfO2 薄膜の非対象反射面のあおり角（ψ）

軸を備えた X 線回折装置（PaNalytical；X’pert MRD）にて
Cu Kα線を用いて評価を行った。

マッピング評価結果．

の 111 からの強い回折スポットと重畳する斜方晶 HfO2 の111 からの回折スポットが観察され、単斜晶に起因したス
ポットは見られなかった。この結果より測定試料は斜方晶からなる HfO2 薄膜であることが明らかとなった。

HfO2 222

YSZ 222の高角側肩部（2θ：30.2°）に薄膜に起因した回折ピークが観察された。

HfO2 111

図 3(a)に示すように、斜方晶の HfO2 膜に起因する回折スポットが確認された。さらに図 3(b)に示すように YSZYSZ 111

図 1 に基板垂直面方向へのθ − 2θスキャン・プロファイ
ルを示す。基板 YSZ の 111、及び 222 面からの回折ピーク【参考文献】
1. T.S.Bớscke, J. Mứller, D. Braứhaus, U. Schrớder and U. Bớttger,
Appl. Phys. Lett. 99, 102903 (2011).
2. T. Mimura, K. Katayama, T. Shimizu, H. Uchida, T. Kiguchi, A.
Akama, T. J. Konno, O. Sakata and H. Funakubo, Appl.Phys. Lett.,
109, 052903 (2016).
3. T. Shimizu, K. Katayama, T. Kiguchi, A. Akama, T. J. Konnno
and H. Funakubo, Appl.Phys. Lett., 107, 032910 (2015).

図 1．YSZ(111)基板上の HfO2 薄膜の X 線回折θ − 2θ
スキャンプロファイル．

47

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

塩素消毒により生成する消毒副生成物（トリハロメタン類）の基礎的検討
岩本
１．

はじめに

卓治（化学技術部

腐葉土を0.1 M NaOHに浸漬し、30分間沸騰させた後、24時間静置

日本の水道は病原菌等の汚染対策として塩素処理が行われている。水道法第 22 条及び水道法施行規則第 17 条では衛生上必要な措置の一つとして、末端の給水栓における水の遊離残留塩素濃度を 0.1mg/L（結合残留塩素の場合は0.4 mg/L）以上保持するように塩素消毒することと定めて遠心分離（10000 rpm、5分）
Na2SO4添加
残渣

ろ過
HCl添加 pH1.5に調整いる。水道水の残留塩素は消毒の持続効果として大きな役割を果たしているが、濃度が高いと塩素臭が強くなり、水中のフミン質などと反応して発がん性物質であるクロロホルム等のトリハロメタン類（THMs）を生成することが知られている残渣

遠心分離（10000 rpm、5分）

残渣（フミン酸）1)。そのため、安全でおいしい水の観点かろ過
溶液（フルボ酸）

ら、水道水には水質管理目標設定項目として残留塩素濃度
が、1 mg/L 以下という値も設定されている。
THMs の生成に寄与するフミン質は、植物を微生物が分図 1 フルボ酸の調製

ガラス繊維ろ紙でろ過することでフミン質をフミン酸とフルボ酸に分離した。残渣物をフミン酸、ろ液をフルボ酸解した自然由来の最終分解生成物で溶解性有機物として
河川水や湖沼水に含まれている。よって、河川水や湖沼水を水道原水とする浄水場では、THMs といった消毒副生成とした。得られたフルボ酸は全有機炭素（TOC）濃度として 1300 mg/L であった。

物が非意図的に生成されてしまう。多くの浄水場では、河川水を凝集沈殿・砂ろ過処理を行った後、塩素処理を行っている。凝集沈殿・砂ろ過処理ではフミン質の内のフミン酸の多くを取り除くことができるが、フルボ酸は取り除く
ことができない 1)。取り除けなったフミン質が塩素と反応し、消毒副生成物となる。一方、臭化物イオン（Brˉ）を含む凝集沈殿・砂ろ過水を塩素処理すると、Brˉは次亜塩
素酸（HClO）と速やかに反応し、次亜臭素酸（HBrO）に酸化され 2)、HBrO がフルボ酸と反応する。

２．２

塩素処理実験

実験原水は TOC で 1.0 mg/L となるように、２．１で得られたフルボ酸を精製水で希釈し、pH7 のリン酸緩衝溶液（PBS）、Brˉ（臭化カリウム：KBr）を添加して 250 mL に調製した。ここで、実験原水の PBS 濃度は 5 mM、Brˉ濃度は 0、50、100、200、300、500 mg/L（6 種類）とした。
これらの実験原水に塩素注入率 6 mg/L となるように次亜塩素酸ナトリウム溶液を添加し、20 °C で 24 時間静置することで塩素処理を行った。処理後、残留する遊離塩素を
チオ硫酸ナトリウムで除去し、塩素処理水とした。

そこで本研究では、腐葉土から抽出したフルボ酸にBrˉを添加した疑似原水を対象に塩素処理を行い、消毒副

２．３

THMs 分析方法

塩素処理水を 10 mL 採取し、濃硫酸で pH2 以下にした、ブロモジク
生成物である THMs（クロロホルム（CHCl3）
ロロメタン（CHBrCl2）、ジブロモクロロメタン（CHBr2Cl）、後、NaCl を約 4 g 加え、内標準（p-ブロモフルオロベンゼン）を含む tert-ブチルメチルエーテル（MTBE）を 1 mL）の生成特性を調査した。
ブロモホルム（CHBr3）

加え、振盪後、20～30 分間静置して、THMs を MTBE 層に抽出した。抽出した THMs はガスクロマトグラフ質量分

２． 実験方法
２．１ フルボ酸の調製

析計で測定し、内標準法により定量した。

熊田のアルカリ溶出抽出法 3)を参考にフルボ酸を調製した。フルボ酸調製のフローチャートを図 1 に示す。市販

３． 結果及び考察
３．１ 塩素処理による THM 生成特性

されている腐葉土を 0.1 M の NaOH 水溶液に浸漬し、30 分間沸騰させた後、24 時間静置することでアルカリ溶液中

Brˉ濃度を変えた実験原水を塩素処理した時の THMs 生
成濃度と水道水質基準値を表 1 に、Brˉ濃度と各 THM 濃度にフミン質を抽出した。フミン質抽出溶液を遠心分離し、上澄み液を 1.0 µm のガラス繊維ろ紙でろ過することで、の関係を図 2 に示す。本実験においては、いずれの塩素処
理の条件下でも生成した各 THM 濃度と総 THM 濃度は水

残渣物を除去した。このろ液に塩酸を添加して、酸性（pH1.5）にし、再度、遠心分離を行い、さらに 1.0 µm のKISTEC研究報告2019（2019.7）

環境安全グループ）

道水質基準値を満たす結果となった（表 1）。ここで、総48

【化学技術部】

350

THM 濃度とは各 THM 濃度の総和を指す。
生成した各 THMの濃度を調べると、Brˉを添加していない 0 µg/L の時は、

総THM濃度(nmol/L)

300

臭素系の THMs は生成されず、CHCl3 のみが生成された。
CHCl3 の生成濃度は Brˉ添加濃度が高くなるほど、減少していく傾向にあった。これは、Brˉと HClO が反応し、生成した HBrO が酸化剤となるため、塩素のみで構成されて
い る CHCl3 は 生 成 が 抑 制 さ れ る も の と 考 え ら れ た 。
CHBrCl2 濃度は Brˉ添加濃度が 100 µg/L までは増加する傾

250
200
150
100
50
0

向にあるが、それ以上の Brˉ濃度では減少していった。同様に、CHBr2Cl 濃度は Brˉ濃度が 300 µg/L までは増加する

0

200
400
Br－濃度(µg/L)

600

図 3 総 THM 濃度における Br－濃度の影響

３．２傾向にあるが、500 µg/L では減少に転じた。CHBr3 濃度はBrˉ濃度が高くなるほど、増加する傾向にあり、100 µg/L

臭素系 THM 生成における Brˉ の寄与率試算

本実験において、Brˉ濃度が 0 µg/L の時に臭素系 THMが生成しなかったことから（表 1）、Brˉ共存下の塩素処理により生成した臭素系 THM は、添加した Brˉに起因するを境に生成濃度の傾向が大きく異なった。これらの結果から、Brˉ濃度によって生成しやすい THMs の種類が異なり、と考えられる。添加したすべての Brˉが HClO と反応し、等モルの HBrO になったと仮定した場合、
1 mol の CHBrCl2

濃度が高くなればなるほど、THM を構成する Br の数が多くなる（CHCl3＜CHBrCl2＜CHBr2Cl＜CHBr3）、すなわち臭素系の THM の比率が増加することが明らかとなった。
一方、表 1 より、Brˉ添加濃度が高いほど、総 THM 濃度が生成するには 1 mol の HBrO が必要である。同様に、
CHBr2Cl は 2 mol、CHBr3 は 3 mol が必要となる。このよは高くなる傾向がわかった。水道水質基準値の単位は重量濃度（mg/L）で表記されているが、THMs のように塩素系

うな単純な系のみで反応が進むとした場合に、臭素系
THM 生成における Brˉの寄与率を試算した結果を表 2 に示

THM と臭素系 THM では分子量が大きく異なるため（表 1）、
THM を構成する Cl が Br に置き換わることによって、総す。添加した Brˉ濃度が 200 µg/L までは寄与率は 20 %とほぼ一定であったが、それ以上の濃度では寄与率は下がった。

THM の重量濃度が増加している可能性も考えられた。そこで、総 THM 濃度をモル濃度（nmol/L）に換算した結果

図 3 においても、総 THM 濃度が Brˉ濃度 200 µg/L 以上では増加が緩やかになっていることから、何らかの要因があを図 3 に示す。これより、Brˉ濃度が高くなるほど、総 THMのモル濃度は増加する傾向を確認できた。このことからると推測された。
表 2 臭素系 THM 生成における Brˉの寄与率

THM を構成する Cl が単純に Br に置き換わったわけではなく、酸化剤として寄与する HBrO の反応性が HClO のそ

臭素系THMの生成に関与した
HBrO濃度(nmol/L)
CHBrCl2
CHBr2Cl
CHBr3
総THM
50
626
55
60
12
127
100
1252
68
152
38
258
200
2503
53
259
173
485
300
3755
35
277
315
627
500
6258
19
229
577
825
※）Br がHClOと反応し、すべてHBrOになったと仮定した時のモル濃度-

Br 添加 HBrO濃度※濃度(µg/L) (nmol/L)

れよりも高いため、より多くのフルボ酸と反応し、THMsが生成したものと考えられた。

寄与率（vs 総THM)
20.3%
20.6%
19.4%
16.7%
13.2%

表 1 フルボ酸を塩素処理した時の THMs 生成濃度
THMs生成濃度(µg/L)
Br－添加濃度(µg/L)CHCl3

CHBrCl2

CHBr2Cl

CHBr3（119.38） *（163.83） *（208.28） *（252.73） *

11.9
7.4
4.2
1.7
0.8
0.3
60

不検出
9.1
11.2
8.7
5.7
3.1
30

不検出
6.2
15.8
26.9
28.8
23.9
100

不検出
1.0
3.2
14.6
26.5
48.6
90

0
50
100
200
300
500
水道水質基準値*）分子量４．

総THM濃度(µg/L)
11.9
23.7
34.4
51.9
61.8
75.9
100

THM における臭素系 THM の比率が増加することがわかった。また、総 THM をモル濃度で検討したところ、Brˉ
濃度に対して生成する総 THM が増えていくことから、
Brˉと HClO の反応生成物である HBrO が HClO よりも多く

60

各THM濃度(µg/L)のフルボ酸と反応し、総 THM の生成に寄与しているものと考えられた。

CHCl3
CHBrCl2
CHBr2Cl
CHBr3

50
40

単純な反応系と仮定した場合の臭素系 THM 生成における Brˉの寄与率は 13～21 %の範囲内にあった。

30
20【参考文献】
1. 北見市，http://www.city.kitami.lg.jp/docs/5941/ (2019 年 6
月時点).

10
0

まとめ

Brˉを添加したフルボ酸を塩素処理し、生成する THMsの特性を調べた。その結果、Brˉ濃度が高くなるほど、総

0

200
400
Br－添加濃度(µg/L)

2. Siddiqui, M. S., Amy, G. L., and Rice, R. G. J. Am. Water
Works Assoc., 87, 58-70 (1995).

600

図 2 各 THM 生成における Brˉ濃度の影響

3. 熊田恭一，土壌有機物の化学, 学会出版センター (1981)

49

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

油脂類の酸化による発火危険性の評価手法の検討
内田剛史（化学技術部

竹内

１．

はじめに

新エネルギーグループ）茉莉子（化学技術部

環境評価グループ）

指標と発火温度の関係を検討した。

油脂類は食品、化粧品などの原料に利用される植物油や、機械、設備では潤滑油、熱媒体などには鉱物油や化学合成
油など幅広く利用されている。これら油脂類は有機物であるため、利用時には空気中の酸素によってしだいに酸化し

３． 考察
３．１

油脂類の発火温度測定

発火温度測定の一例としてオレイン酸メチルの発火温ていく。酸化反応において油脂類は過酸化物を生成する危険性があり、環境条件によっては生成した過酸化物が蓄積

度測定の結果を図 1 に示す。HP-TG/DTA での昇温過程において試料が発火、燃焼する際には、熱重量曲線(TG：緑)

していく。この過酸化物が熱などによって分解することで発火や爆発が生じる。例として自然塗料やアロマオイル、の急激な減少と同時に示差熱曲線(DTA：青)、温度曲線(赤)が急激に立ち上がる現象が生じる。このように各曲線に急エステオイルなどではふき取ったウエスやタオルが発火するなどの火災が生じている。

激な変化が生じた時を発火とし、この時の開始温度を発火温度と定義している。

これらの危険性を把握するためには油脂類の酸化しやすさや、酸化の進行度合いによる発火危険性を評価するこ

HP-TG/DTA による測定では、一般的な有機物の発火温
度は 250 ℃から 300 ℃となることが多いが、図 1 のようとが必要である。一般的に不飽和脂肪酸は不飽和度を表す
ヨウ素価が発火危険性の指標となることが報告されていにリノール酸メチルなどの不飽和油脂は発火温度が 200℃以下となる 2)。そのため、不飽和油脂を含む油脂類の発火

るが 1)、酸化の進行にともなって発火の危険度が変化する可能性があり、酸化反応による発火危険性の評価する手法

事故が多く発生している。

の構築が必要である。
本研究では油脂類の酸化の進行に伴う危険性挙動の変化について発火温度測定などによる評価を行った。さらに、一般的な油脂類の評価指標と危険度の関連についても検
討した。

２． 実験
２．１
試料
今回の測定では油脂類として不飽和油脂のエステルであるオレイン酸メチル、リノール酸メチルを使用した。一
般的な植物油はオレイン酸、リノール酸、リノレン酸など
種々の不飽和脂肪酸を含む混合物であり組成にばらつき

図 1 リノール酸メチルの発火温度測定結果(60℃，21 日目) 発火温度：156℃があるため、試薬を用いて測定を行った。
この油脂類の酸化した試料を作成するため、60 ℃の恒３．２

温槽内で数日間静置し、一定期間ごとに取り出し、これらを評価用試料とした。

２．２

このときのヨウ素価および過酸化物の変化を図 2 に示す。
ヨウ素価は 10 日付近まで低下を続けており、この期間で油脂類の評価方法

油脂類の酸化による危険性の指標として、発火温度によ

リノール酸メチルの不飽和結合の約 50%が酸素との反応により消失していることがわかる。一方で過酸化物価はヨる評価を行った。発火温度は高圧示差熱天秤(HP-TG/DTA)
により測定した。グラスウールに含浸させた試料をアルミ

ウ素価の低下の要因である過酸化物の生成により上昇していくが、5 日目に最大値となった後は過酸化物の分解にニウム製の試料容器に入れたのち、装置に設置し酸素 1
MPa に加圧した。これを昇温速度 20 ℃/min で加熱した時ともない減少している。この試料について HP-TG/DTA による発火温度との関係を図 3 に示す。発火温度は日数の経の発熱と重量変化より発火温度を測定した。
また、一般的な油脂の評価法であり、油脂中の不飽和度

過に従い、
145 ℃付近から 120 ℃付近まで大きく低下し、酸化により危険性が増大することが明らかとなった。一方の指標であるヨウ素価、空気中の酸素が不飽和油脂に吸収されて生成する過酸化物量を示す過酸化物価を測定し、各KISTEC研究報告2019（2019.7）

油脂類の劣化による発火危険性

リノール酸メチルを 60 ℃、空気中で保持した日数と、50

【化学技術部】

図 2 リノール酸メチルの酸化劣化による過酸化物価，ヨウ素価の経時変化 (60℃)

図 4 オレイン酸メチルの酸化劣化による過酸化物価，ヨウ素価の経時変化 (60℃)

図 3 リノール酸メチルの酸化劣化による過酸化物価と発火温度の経時変化 (60℃)

図 5 オレイン酸メチルの酸化劣化による過酸化物価と発火温度の経時変化 (60℃)

で 7 日目を過ぎると、発火温度は上昇に転じ、28 日後には初めの発火温度よりも上昇し、危険性は低下していくこ

３．

まとめ

とが確認された。ヨウ素価や過酸化物価の変化と比較すると、発火温度は過酸化物価の増減に合わせて変化しており、明らかとなった。発火温度の低下には過酸化物濃度が影響しており、過酸化物の増加によって発火温度は低下し、危発火の危険性は過酸化物生成量に起因することが明らかとなった。

険性が増加する。一方で、分解によって過酸化物濃度が低下すると発火温度は上昇し、発火危険性が低下することがオレイン酸メチルについても図 4 に示すように同様の傾向が得られ、酸化の進行にともない過酸化物の増加とヨ明らかとなった。
この発火危険性については熱分析だけでなく、過酸化物

ウ素価の低下が見られた。このときの過酸化物の増加速度
はリノール酸メチルよりも遅いことから、不飽和度の低い

価測定によって確認できることが示された。

油脂類は酸化の進行により発火温度が低下することがものほど酸化速度が低下し、劣化しにくいことが明らかとなった。また、図 5 に示すように発火温度は過酸化物価の【参考文献】

増加とともに低下し、過酸化物価の減少とともに上昇する
ことから、油脂の種類によらず、酸化劣化時の発火温度の1. 木田清春，五味正光，海和晋史，渡邉一章，消防技術安全所報，47，103-110 (2010)

挙動は過酸化物濃度とともに変化することが確認された。
以上のことから、発火危険性は過酸化物濃度の寄与が大

2.

M.

Wakakura,

K.

Komamiya,

PolymericMaterials

Encyclopedia, 5, p.3187-3190 (1996)

きく、過酸化物価からも発火危険性が予測できることが明らかとなった。

【外部発表】口頭発表

51

1件

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

寝具及び衣料製品の熱伝導特性（放射及び熱伝導）の評価方法の検討（第１報）

加藤三貴（化学技術部
薩本

１．

２．

はじめに

私たちが毎日着ている衣料製品に求められる基本的な

環境評価グループ）弥生（横浜国立大学）

実験（１）恒温機密容器機能として“暖かさ（保温性）”がある。近年は、衣料製品の基本的な機能である静止空気を含むことによる消極的

本実験での遠赤外線分光放射率は、パーキンエルマー社
製 Frontier FT IR/NIR の外部光源取り込みポート部分に、保温だけではなく、吸湿発熱性や放射特性などの付加価値を加えた機能性繊維を用いた積極的保温による“暖かさ”

試作した恒温気密容器を接続することにより測定を行った。したがって、遠赤外線の放射率の輝度情報は、1.2μ～を追求した衣料製品の開発がアパレル業界に求められている。

25μ までの感度を有しているが、窓材で使用する ZnSe の光学特性により、測定は超範囲を５～１５μ の範囲で遠赤

もちろん繊維製品である寝具にも衣料製品と同様に“暖かさ”が求められている。これらは、温熱快適性という機

外線分光放射率の測定を行った。
最初に試作した恒温気密容器の仕様特性について確認

能性として共通であり、いずれも繊維製品の機能性評価として重要なキーワードとなっている。

を行った。恒温気密容器の内面からの放射加熱により試料を加熱するが、まず、その試料が置かれている環境での背機能性として見た“暖かさ”を理解する上で 3 つの熱伝導形態を区別する必要がある。1 つ目は接した物質同士の伝景放射特性を試料設置部で検証した。２つ目に窓材の光学特性を検証したところ、５～１５μ の範囲で透過率が約

導による熱移動、2 つ目は空気や水などを介在した対流による熱移動、3 つ目に真空中でも伝わる放射による熱移動70％あり、当初予想した特性の範囲であることを確認した。
3 つ目に恒温気密容器の表面の温度と容器内の温度の昇温である。本来の衣料製品や寝具などの“暖かさ”の評価では、
この３つの熱移動形態を総合的に判断することが必要で到達時間と安定性について検証したところ、容器の温度は
約 1 時間必要であることがわかった。次に容器内温度につある。しかし、例えば JIS 規格の保温性評価「JISL1096」などは、主に伝導による熱移動を評価対象としており、対

いては、約 2 時間で一定温度（約 50℃）になることがわかった。4 つ目に恒温気密容器の内部温度の変動は、繊維流による熱移動をいわば変動因子のように捉えて極力対流が少ない状況での測定が行われている。

材料で標準偏差 0.100℃、金属製のサンプルホルダーで0.049℃、標準試料である炭化珪素（SiC）の円盤で 0.053℃

更に、これらの評価に対して放射による熱移動を評価に加えた“暖かさ”の評価は、見当たらない。そこで、本研究であることがわかった。なお恒温気密容器の温度設定値と内部に設置した試料の温度は、放射輝度の差異から検証すでは、評価対象の繊維製品を減圧環境（真空環境下）で計測することにより、対流の効果を抑制し、放射による熱移

ると、50±0.18℃で放射輝度は 1％の変動があり、50±0.37℃
で 2％の変動があることがわかった。なお、従来ラウンド

動に特化した“暖かさ”の評価方法を検討することにした。
この方法は、これまでに無かった評価方法であるので、ロビンテストなどで標準資料として使用していた SiC を測定すると、放射率の波長に対する挙動は同じ傾向を示し

まずは対流の影響を抑制しながら測定可能な装置の試作および評価方法の検討を行った。その結果、水分や二酸化ており、恒温気密容器をとりつけた遠赤外線放射率測定装置全体が、妥当性のあるものであることがわかった。装置

炭素の影響を低減した装置が完成し、また、いくつかのサンプルにおいてその装置及び測定方法の有効性が確認でがおおよそ完成したところで、この装置を活用して特定の材料に対してどのような測定となるのか検討した。

きたので報告する。
なお、この研究は、機械システム振興協会が行っている（２）測定試料「平成 30 年度イノベーション戦略策定事業」に一般社団
法人遠赤外線協会が応募し採択された事業の一部で行わ

紙面の制約により、様々な試料を用いて検討した実験結果をすべて掲載することができないので、本稿では、多孔れた研究である。

性試料である低密度ポリウレタンスポンジ（以下赤スポン
ジ）を用いて、大気中での計測環境で多孔性繊維集合体試

KISTEC研究報告2019（2019.7）

52

【化学技術部】

料の構成要因が放射特性に及ぼす影響について検討した

表２ 放射率の測定方法に関する JIS 規格一覧

結果のみ記載する。詳細について興味のある方は、一般財
団法人機械システム振興協会から公開される報告書を参

規格番号
JIS A 1423

照してほしい。
赤スポンジの諸元を表１に示す。

名称

制定年月日

赤外線放射温度計による垂直放射

1983/03/01

率の簡易測定方法
JIS R 1693-1

ファインセラミックス及びセラミ2012/06/20

ックス複合材料の放射率測定―第表１

赤スポンジの諸元

１部―

厚みδ(m)*1

Vf (%)k (m )

ρ組成

2.00×10-3

3.56

1.59×10-6

1.15

ポリウレタン

*1

*2

3

*3

JIS R 1693-2

ファインセラミックス及びセラミ2012/06/20

ックス複合材料の放射率測定―第２部―

繊維の体積分率, *2：試料の見かけの体積，*3：繊維の比重

JIS R 1693-3

赤スポンジの外観は、図１の通りである。

ファインセラミックス及びセラミ2012/06/20

ックス複合材料の放射率測定―第３部―
JIS R 1801

遠赤外線ヒータに放射部材として

2002/03/20

用いられるセラミックスの FTIR による分光放射率測定方法
JIS R 1803

遠赤外ヒータの遠赤外線域におけ

2005/03/20

る分光放射エネルギーの測定方法
図１

赤スポンジの外観ているため、参考とはなるがこのまま測定できないことがこの赤スポンジを積層することにより、試料の厚みによっわかった。

て、観測結果がどのように変化するのか検討した。
なお、試料の積層および裏面にアルミ箔を設置しない場（２）試作装置の開発
上記のような測定方法に関する規格の状況を考慮し、試合と設置した場合を組み合わせて検討した（表２）。
表２

作装置が具備する必要な要件を検討した結果、以下のとおりになった。①背景放射の処理についてどのように課題解

赤スポンジの積層時の計測組合せ

試料背面のアルミ箔の有無
2mm 厚

無し

有り

4mm 厚

無し

有り

8mm 厚

-

有り

55mm 厚無し-

決するか、②大気中の水蒸気による吸収によって生じる課
題をどのように解決するか、③大気中の二酸化炭素による吸収によって生じる課題をどのように解決するか、④測定
環境中で温度差によって生じる空気の対流をどのように抑制するかの４つの課題が想定された。
①の課題については、背景放射として、測定対象を設置する試料台の周辺の状況や測定装置そのものからの放射などがあるが、ひとまず試料の設置場所に放射率の小さい

恒温気密容器内の試料設置部に、何も置かずに測定した
場合、その時の放射輝度は擬似黒体とほぼ同等であることが測定されている。それゆえ、試料裏にアルミ箔を置かな（反射率の大きい）金メッキミラーを設置することによる周辺環境からの背景放射を実測することにした。②、③のい場合は疑似黒体が裏にある場合と同等と考えられる。また、アルミ箔を裏面に設置することでアルミ箔を薄くして

課題は、測定環境として恒温気密容器をつくることにより、真空（減圧）もしくは乾燥窒素を充填させることにより、も裏面からの放射の影響を排除して評価できると考えた。
そこで、実験は試料裏面にアルミ箔を置くか、アルミ箔を測定系から水蒸気や二酸化炭素を排除することにした。④の空気の対流を抑制する方法は、恒温気密容器が真空（減置かない疑似黒体内に設置した条件で実験を行った。

圧）されていれば、原理的に対流はおこらない。それ以外にも単一の乾燥された気体が均一に加熱されていれば、そ３．

の気体の密度差が生じないため原理的に対流が抑制されると考えて装置を設計、試作した。

結果と考察（１）放射率測定に関する規格の調査
本研究を進めるにあたり、放射率測定方法に関する JIS
規格について調査をした結果、表２のような結果となった。
これらの規格の中では、JIS R1801 が本研究の装置構成と一番似ているが、JIS R1801 の記載では前述したように含気率の大きなサンプルへの対応は難しく、また試験対

最後に、観測用の窓の設計が課題として残った。その窓材が備える要件として、赤外線波長域に透明で、かつある程度の機械的強度を持つ材料である必要がある。その候補として、ゲルマニウム（Ge）およびセレン化亜鉛（ZnSe）を選定したが最終的には、透過率の大きさや透過範囲から
ZnSe を選定した。

象がセラミックス材料であり、測定対象の温度域も異なっ

53

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

これらのことを考慮したいわゆる恒温気密容器を設計し、試作した。
（装置の概略図を図２）に示す。
○黒体とサンプル、疑似黒体の放射輝度をFT-IR本体 測定し、放射率を算出
検出器

温度コントローラー
黒体炉

従来の測定
装置部分
鏡筒

本年度の研
究で製作し
た部分

乾
燥
窒
素
窓材
（ZnSe)

スライド可能三方コック

恒温気密容器

真空計
P
Pt測温
抵抗体

データロガー（温度）

減圧（真空）ポンプ

温度コントローラー○容器温度○サンプルホルダー温度をロギング

図２

装置の概略図
図 4 赤スポンジの測定結果

なお、これらの試作した恒温気密容器を用いれば、図３のような二酸化炭素と水蒸気の吸収による影響を除去し偏差と平均値から、ちなみに変動係数を算出すると 5μm～15μm の範囲で約±2％であった。以上の実験では、厚さながら ZnSe の窓材による信号減少の結果が得られることを期待して設計を行った。

図３の影響もアルミ箔の有無の影響も見いだすことができなかった。

窓材越しに観測される理想黒体の輝度曲線（予想）（３）多孔質材料の測定
図 4 に、積層した赤スポンジの放射率の測定結果を示し

図 5 波長 10μm での赤スポンジの厚さと放射率

図 6 は、1 枚（2mm 厚）～4 枚（8mm 厚）の 4 種で測た。測定は、機密容器内に試料を設置し、機密容器内には乾燥窒素を満たして測定した。測定に用いた試料は、赤ス

定した結果である。赤スポンジ 1 枚（2mm 厚）の場合は他に比して明らかに低い放射率を示している。

ポンジを重ねたもので、2 枚（4mm）、3 枚（6mm）、4 枚（8mm）と 55mm で、試料の裏面はアルミ箔のある場合とない場合の 1 種類である。測定回数は、2 枚（4mm）が 4
回、3 枚（6mm）が 2 回、その他は各 1 回である。複数回測定した場合はその平均をデータとして用いている。これ
らのデータ中で、2 枚（4mm）のみ標準偏差を付け加えている。図中のエラーバーが標準偏差を示している。
図 4 の縦軸の放射率は厚さやアルミ箔の有無による違いを示すために、
0.8～1.0 の範囲を拡大して表示している。
図４では、厚さやアルミ箔の有無による傾向は認められず、様々な実験条件のデータが混在している。
図 5 はそれを明確にするために、波長 10μm における放射率を厚さに対してプロットした。ここでは、アルミ箔付きの試料を対象としている。この図からも 5％ほどのばら

図 6 赤スポンジの放射率（裏面アルミ箔）

つきの下、厚さに対する依存性は認められない。先の標準

赤スポンジの放射率は図 4 と図 6 のデータ群から 1 枚

KISTEC研究報告2019（2019.7）

54

【化学技術部】（2mm 厚）の場合を除いて平均化し、それに標準偏差を重ね合わせると図 7 となる。低波長域の水分と 15μm 付近の炭酸ガスの影響のある波長域の変動が幾分大きく観測されている。

図 7 放射率の変動

試料裏にアルミ箔を設置してスポンジの枚数による影響を検討したところ、1 枚（2mm）の時に放射率がそれ以上の厚みの時と比較して小さくなった。これは、裏に設置したアルミ箔の位置以降に試料が存在するとした時の放射がアルミ箔によって阻害されたためと考えられる。それ以上の厚みでは、55mm（アルミ箔無）でも放射率は 2-8mm（裏アルミ箔）と近似値であったため、厚み方向に影響せず一定の誤差範囲にあると考えられた。

４．

まとめ

本研究で用いた装置により、乾燥窒素中において、水蒸
気の影響を低減しながら測定する効果が確認できた。気密性容器内で水蒸気や二酸化炭素の影響を排除しながら繊維製品の暖かさに関する評価ができることがわかった。
今後、減圧（真空）環境での測定を試み、測定対象を拡張するとともに、測定装置や測定方法の改良を予定している。装置や測定方法の妥当性を確認しながら、本装置の評
価方法により繊維材料を中心とした新規の機能性繊維が開発されていくことを期待している。

55

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

3D プリンタに用いられる鉄鋼材料の主要成分分析法の検討 (1)
城田

１．

はじめに

近年注目を集める 3D プリンタでの積層造形技術は、プラスチック材
料だけではなく、鉄鋼材料やアルミ

化学評価グループ）

表 1 検討試料 SE24-01（単位：% (質量分率) ）

C
Si
Mn
P
S
元素
認証値 0.0048 0.0222 0.0203 0.0013 0.0026

ニウム合金、チタン合金等の金属材料にも応用されている。
金属材料を用いることで、機械的強度や熱伝導性、電気伝導性などの特徴を生かしつつ、従来では困難であった試料形状を造形でき、軽量化や低コスト化を図り、新たな機

Ni
18.85

Co
11.46

Mo
4.64

Ti
1.28

下 CS 分析装置とする）を用いた。CS 分析装置の仕様・測定条件は表 2 のとおりである。
ニッケル分析用の滴定装置は、
主に JIS 規格を参考とし、ガラス製ビュレットを用いた。試薬は主に関東化学の特級品を用いた。

能・性能を持たせることが可能となる。
積層造形技術の金属製品への実用化においては品質管理が重要であり、材料粉末及び製品の分析依頼が当研究所にも寄せられている。依頼内容としては、鉄鋼材料やチタ

２．２

分析操作

検討試料は、主要な合金成分としてニッケル等を高濃度で含有し、また微量濃度で炭素・硫黄を含んでいる。今回、ン合金に含有する主要成分の分析や微量炭素・酸素成分のガス分析である。従来の金属材料分析を応用することで対分析元素として炭素、硫黄及びニッケルの 3 元素を選択した。

応できることは多いが、分析事例の少ない金属材料であったり、含有元素の濃度が極めて低濃度であったりするため分析方法として、炭素・硫黄については、高周波誘導加熱燃焼‐赤外線吸収法とした。一般に軽元素成分の微量分に分析条件の検討を必要とする事例もある。今回、積層造形技術で用いられる金属材料の成分分析法を検討し、今後析は難しいことが多いが、本方法は、鉄鋼材料に特化した極めて実用的で定量性のある元素分析法であり、依頼分析も継続した技術支援を着実に実施するための技術的蓄積を図ることとした。

での利用頻度が高い。また、ニッケルの分析は容量法とし、精確な分析操作を検討した。分析方法としては、日頃、依本報告では、高合金鋼（マルエージング鋼相当品）を検討試料として用いた分析事例を紹介する。検討した分析元

頼分析で実施している EDTA 滴定法を適用することとした。

素は、鉄鋼材料の主要成分である炭素（C）、硫黄（S）
及びニッケル（Ni）とした。炭素・硫黄成分については、
鉄鋼材料分析では欠かせない元素であり、高合金鋼での微量濃度域の分析条件を検討した。また、ニッケル成分につ

２．２．１ 炭素・硫黄の定量
炭素・硫黄成分の分析については、高周波誘導加熱燃焼－赤外線吸収法を用いた。測定条件は表 2 のとおりであり、いては、妨害成分を高濃度含有する高合金鋼に対して精確な定量分析を行うために、容量法での分析を検討した。

鉄鋼の基本的な条件である。標準試料については、炭素・２． 実験と結果
２．１ 分析装置・試薬

表 3 C・S 分析用標準試料
番号 種類
合金種

今回、市販標準物質 SE24-01 を検討試料として選択した。
検討試料の主要成分は表 1 のとおりである。標準試料として社団法人日本鉄鋼連盟の鉄鋼標準物質を選択した。
炭素・硫黄成分の分析については、炭素硫黄分析装置（以表 2 CS 分析装置の仕様・測定条件
装置
EMIA-Expert, 堀場製作所製
測定方法
高周波誘導加熱燃焼‐赤外線吸収法
1.0 g
試料量
るつぼ
セラミックス製（空焼き実施）
助燃剤
タングステン・すず

KISTEC研究報告2019（2019.7）

はまな（化学技術部

1
2
3
4
5

JSS 003-1
JSS 650-10
JSS 652-14
JSS 653-14
JSS 656-1

高純度鉄
SUS 430
SUS 316
SUS 309S
SUS 315

C 認証値 (%) S 認証値 (%)

0.0011
0.046
0.03580.05640.0049

表 4 検討試料の C・S 分析結果
測定順
試料量 (g)
C 測定値 (%)①
1.00120.004548②
1.00400.004784③
1.00390.004880
分析値
0.0047356

0.00040.00530.001350.000940.00188
S 測定値 (%)

0.002551
0.002627
0.002599
0.00259

【化学技術部】

図 標準試料の測定結果[炭素]生成した沈澱をろ過（5A）し、純水で洗浄した。熱硝酸（横軸：検出値，縦軸 含有量）
[硫黄](1+1)20 mL と温水を用いて、沈殿をろ紙から溶解した。その後、数分間煮沸した。放冷後、指示薬を数滴添加し、酢酸アンモニウム溶液を徐々に加えておぉ、溶液が黄色から赤紫になったところで、さらに 10 mL 加えた。煮沸近くまで加熱し、直ちに EDTA 溶液にて滴定した。標準試料から力価を求め、検討試料に含まれるニッケル量を計算した。
分析結果は表 5 のとおりである。認証値 18.85 %に比べて低値ではあるが、JIS 規格での許容差等を考慮すると妥当な範囲であると考えられる。そのため、今回の試料は本分
析方法で分析可能であると判断した。

硫黄成分同時測定が可能となるように、各認証値の範囲を検討し、表 3 のとおり、純鉄 1 点及びステンレス鋼 4 点を選択した。標準試料を各 3 回ずつ測定した。続けて、検討

３．

考察及び今後の展望

鉄鋼標準試料を用いた主要成分元素の分析結果より、炭素・硫黄成分については、今回の高合金材料についても、試料を各 3 回ずつ測定し、平均値を分析値とした。
校正に用いた標準試料の測定結果は図のとおりであり、二成分とも直線性のある検量線を得ることができた。特に、炭素成分については、依頼分析で頻繁に持ち込まれる炭素鋼（例えば S45C であれば約 0.45 %）よりも微量な濃度域（0.05 %以下）においても、精度よく分析が可能であるこ

通常の鉄鋼材料と同様の条件で分析可能であることが確認できた。ニッケル成分についても、EDTA 滴定法にて分析できることが確認された。
今回、検討した分析方法を用いることで、炭素・硫黄・ニッケル成分を精度よく分析可能であることを確認した。
加えて炭素・硫黄成分の分析では極めて簡易で定量範囲がとが確認された。硫黄成分についても、通常の依頼分析のとおり、微量域でも精度よく分析で来ることを確認した。

広く、また、ニッケル成分の分析では、ステンレス鋼だけ
ではなく、類似の高ニッケル材料にも応用が可能であるこ

検討試料の結果は表 4 のとおりである。炭素・硫黄成分の分析値は認証値に近い値となり、高合金鋼を標準試料として用いた今回の分析結果が妥当であると考えられる。

とが確認された。今後の展望として、今回の検討成果を技術支援を中心とした幅広い分野に応用していく。

２．２．２ ニッケルの定量

今回は 3 元素のみを分析したが、他の高濃度含有元素であるコバルト・モリブデン等の分析法についても今後さら

ニッケルの分析については、ジメチルグリオキシム分離

なる検討が必要である。これらの元素については、依頼分
析では主に ICP 発光分光分析で対応しているが、高濃度域

EDTA 滴定法を用いた。試料量は 0.15 g とした。標準試料として、社団法人日本鉄鋼連盟の鉄鋼標準物質 JSS 654-10で要求される分析精度を考慮すると、吸光光度法などの化学分析法が適していると考えられる。

を用いた。標準試料および検討試料を以下の方法で分析操作を行った。
はかりとった試料をコニカルビーカー（容量 300 mL）に入れ、時計皿をのせ、王水 (1+1) 20 mL を添加し、ホッ【謝辞】
CS 分析装置は、公益財団法人 JKA の平成 28 年度
RING!RING!プロジェクト機械工業振興補助事業による補トプレート上で加熱分解した。放冷後、くえん酸溶液を
10 mL 添加し、純水で壁面を洗い流した。検討試料にはコ助を受けて導入したものである。

バルトを多量に含んでいるため、コバルトの酸化処理を行った。臭素酸カリウム 1 g を加え、ホットプレート上で 10分間穏やかに加熱した。放冷後、純水で壁面を洗い流し、液量を 100 mL とした後、アンモニア水 25 mL を添加した。
煮沸近くまで加熱し、ジメチルグリオキシム溶液を加えた。
添加量は、ニッケル及びコバルトの計算値から、標準試料には 30 mL、検討試料には 46 mL とした。1 時間放冷し、
表 5 検討試料の Ni 分析結果
試料量(g)
滴定量(ml)番号①0.1500848.83
標準②
0.1500248.83
試料③
0.1501948.90
平均試料量(g)
滴定量(ml)番号①0.1500847.68
検討②
0.1504747.73
試料③
0.1500947.68
分析値

力価 (Ni mg/ml)

0.587650.587420.58724
0.58743

Ni 測定値 (%)

18.662
18.63318.661
18.65

57

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

非線形粘弾性の温度依存
武田理香、津留﨑恭一（化学技術部
柴田

材料化学グループ）侑輝（横浜国立大学）

エラストマー（TPE）やゴム材料は、柔軟性や振動吸収

・各時間における点（γ, γ , σ ）を繋ぎ合わせた集合（N 角形）
を 3D-Lis の近似多角形とする。

性などの性質を粘弾性測定により特徴付けている。粘弾性は線形粘弾性（LVE）指標（tanδ など）により評価される

次に、i 番目の時刻 ti=(i-1)/(N f0)の測定点を xi = ( γ i , γi ,σ i )とし、外角θti を求める。θti は、方位ベクトル di をが、大きな歪を印加することにより非線形粘弾性（NLVE）が現れ、その振舞いは線形粘弾性（LVE）とは大きく異な=di xi +1 − xiで定め、di と di-1 のなす角度によって得られる。

１．

はじめに

る。このため、NLVE は従来の LVE 指標では正しく評価
出来ないことが問題となっている。

(1)
(2)

di = di我々はこれまでの研究により、ゴムの NLVE を評価す
る指標を考案した 1-3）。動的粘弾性測定から得られる歪γ・・
歪速度 γ・応力 σ を 3 次元プロットしたリサージュ曲線(3D-Lis)を多角形とみなし、3D-Lis のゆがみを多角形の外

ここで、最後の点は周期境界条件 x1= xN+1 を満たすものと角の総和Θによって数値化した。
これまでは、室温（約 23℃）における NLVE の振舞いする。
最後に、全θti の総和Θ によって NLVE 指標を得る。

=
θti cos −1

di −1 di⋅di −1 diN

(3)について評価してきた。しかし、TPE やゴム材料は様々な環境で使用されることから、温度を変化させたときのΘ =∑ θti

NLVE についても見極めなければならない。
また、TPE やゴム材料の制振性能の評価方法のひとつと多角形が平面であれば、その外角の総和は必ず2πとなる。
そこで、本研究において、2πの有効数字2桁（6.3 rad）まして、振動数と温度の間の経験的な換算則（Time-Temperature Superposition：TTS）が用いられ、幅広では、3D-Lis は平面上にあるとみなし、LVE とする。
図 1 に 3D-Lis と粘弾性測定結果から算出したγ0 = 0.5 %い温度範囲での振動数依存の測定を行っている。但し、TTS は LVE における経験則であることから、温度を変化。γ0 = 0.5 %でとγ0 = 10 %のΘ値を示す（T=23℃，f0=1 Hz）
は、Θは 6.3rad であり、3D-Lis は平面上の楕円となっていさせたときに得られた結果が、LVE とみなしてよいか、あるいは NLVE を含むのか、その境界を把握することは非常る（図 1 左）。一方、γ0 = 10 %ではΘは 6.4 rad（>2π）となり、視覚的にも 3D-Lis は 3 次元的に捻じれていることがに重要となる。
本研究では、温度、振動数及び歪を変化させたときの確認できる（図 1 右）。このように、3D-Lis のゆがみ具合（=NLVE）をΘから確認することができる。

(4)

i =1

TPE の LVE-NLVE 領域をΘによって確認し、ゴムや TPEなど柔らかい材料の評価に有用なデータの構築を図る。

２．

実験

試料は、スチレン系熱可塑性エラストマー（㈱クラレ製
ハイブラー7125、厚さ 1mm）を用い、3D-Lis データ取得には、捩じり振動型の動的粘弾性測定装置（TA Instruments
社製 ARES-G2）を使用する。測定条件として、振動数 f0
は 0.1 Hz から 5Hz まで、最大歪γ0 は 0.5 %から 10 %までを走査する。各γ0 において、 γ が 1 周する間にσ を等しい時
間間隔で 128 点測定する。測定温度 T は、 -5、0、10、23、
40、60、80℃とする。

Θ0.5%=6.3 radΘ10%=6.4 rad

図 1. 3D-Lis と粘弾性測定結果から算出したΘ値

３．

解析方法

（T=23℃，f0=1 Hz，左：γ0 = 0.5 %，右：γ0 = 10 %）NLVE 指標Θを算出するために、まず 3D-Lis を等時間間隔で分割した多角形で近似する。方法として、粘弾性測定
開始時刻 t=0 から 1 周期後の時刻 t=1/ f0まで 128 等分し、KISTEC研究報告2019（2019.7）

58

【化学技術部】

４．

結果

５．

考察とまとめ

図2及び図3に、f0=1 Hz における T とγ0 とΘの3次元マッピングと 2 次元射影図を示す。40℃以上は、測定したγ0 範

NLVE 指標Θを用いることで、温度と振動数と歪の変化
による LVE と NLVE の境界を示すことができた。この結囲内全てにおいてΘが 6.3 rad であることから、LVE である。一方、23℃以下では、温度の低下、またはγ0 の増大に果を踏まえ、温度や振動数を変える粘弾性特性評価の際は、
NLVE の影響を重視する必要がある。

伴い、Θは増加して NLVE が現れる。特に-5℃においては、
γ0 = 0.5 %であっても NLVE となる。

ゴムや TPE などの柔らかい材料の振動吸収性能（tanδ ）の評価方法として、振動数と温度の間に経験的な換算則

図4及び図5に、γ0 =10 %における T と f0とΘの3次元マッピングと 2 次元射影図を示す。40℃以上では、f0によらず（TTS）が広く用いられている。TTS では、幅広い温度範
囲で tanδ の振動数走査を行い、23℃を基準として各温度

Θは 6.3 rad となったことから LVE である。一方、23℃以下では f0を上げることでΘが増し、NLVE が発現する。

の振動数分散データを水平移動させながら振動数を拡張する。
TTS を用いるとき、 LVE と考えられる微小歪（通常、

γ0 = 0.5 %程度）に設定し、各温度で振動数依存測定を行う。
ここで、実際にγ0 = 0.5 %において LVE とみなすことができる領域を確認してみる。図 6 にγ0 = 0.5 %における T と f0とΘの 2 次元射影図を示す。その結果、10℃以上は LVE 領
域であるが、0℃以下では殆どの f0で NLVE となっていた。
この様にγ0 = 0.5 %であっても、温度や振動数によっては
NLVE が顕著に表れてしまうことに注意しなければならない。
TTS は LVE においては成り立つが、NLVE で成り立つ

図 2. T とγ0 とΘの 3 次元マッピング（f0 = 1 Hz）

かは自明でない。温度が低いと NLVE が現れやすくなることから、TTS 使用の際には LVE 領域の把握が重要となる。
LVE
LVE

NLVE

NLVE

図 3. T とγ0 とΘの 2 次元投影図（f0 = 1 Hz）

図 6. T と f0とΘの 2 次元投影図（γ0 = 0.5 ％）謝辞
本研究を進めるにあたり、株式会社クラレ 千田 泰史
氏、森口 信弘氏からはサンプル提供や多大な助言を賜りました。深謝の意を表します。
図 4. T と f0とΘの 3 次元マッピング（γ0 = 10 ％）【参考文献】
1.武田、西村、津留崎、神奈川県産業技術センター研究報

告、No.21, 1(2015) ．
2.武田、本多、津留崎、神奈川県産業技術センター研究報

LVE

告、No.22, 18(2016) ．
3.武田、本多、津留崎、神奈川県産業技術センター研究報

NLVE

告、No.23, 9(2017) ．

図 5. T と f0とΘの 2 次元投影図（γ0 = 10 ％）59

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

ポリカーボネートの劣化に関する総合的解析(2)村上津留崎

小枝子（化学技術部

田中

聡美、加藤

千尋（化学技術部

環境安全グループ）

恭一、武田

理香、羽田

孔明（化学技術部

材料化学グループ）

熊谷

賢一、松尾

涼子（化学技術部

環境評価グループ）

高橋
長沼

１．

バイオ技術グループ）

亮（化学技術部

新エネルギーグループ）

康弘（機械・材料技術部

はじめに

プラスチックは、軽量性、易加工性、低コストをはじめとする優位性から、ますますその適用範囲が拡大している。
一方で光・熱・水などの環境因子による劣化はさけられず、劣化現象に係る相談は当所においても数多く寄せられている。
プラスチックの劣化解析にあたり、用いられる評価・診断法は多岐に渡るが、その中から相談内容に応じて適切な手法を選択し、劣化現象を的確かつ迅速に把握することが解析評価グループ）

条件 a
水噴霧無
FAL-25X-HC-B・EC（スガ試験機㈱製）

条件 b
水噴霧有
WEL-75XS-LHP-BEC（スガ試験機㈱製）

放射照度(300～400 nm)
ブラック
パネル温度

48 Ｗ/㎡

60±3 Ｗ/㎡

63℃

63℃

水噴霧条件

―

60 分照射中 12 分噴霧
噴霧圧 0.8～1.2 kgf/c ㎡

試験機

表 1. 促進耐候性試験条件

求められている。
本研究では，ニーズに応じた適切な劣化解析法選定のた

２．３

促進耐候性試験を行った試料の評価

めの指針を得ることを目的として、プラスチックの劣化について、種々の評価法を組み合わせて総合的に解析検討を力学特性については、ダンベル試験片を用いて、5565
型材料試験機（インストロンリミテッド製）により引張試行った。対象とするプラスチック材料としては、透明性、耐衝撃性、耐熱性に優れ、エンジニアリングプラスチック

験を行った。また、短冊試験片は分割し、以下の測定に供した。熱特性は、示差走査熱量計 DSC3100（マックサイ

として広範囲な分野で使用されるポリカーボネート（PC）を選択した。

エンス（株）製）によりガラス転移温度（Tg）を測定した。
光学特性は、紫外可視分光光度計 UV-3100PC（（株）島津

前報では PC の加水分解性に着目し、水噴霧下で促進耐候性試験を行った PC について、力学特性、光学特性、な製作所製）により 200～800 nm の吸収スペクトルを測定した。化学構造については、フーリエ変換赤外分光光度計

らびに、化学構造を分析評価し、それらの相関について調べた。本報では、水噴霧を行わない条件で促進耐候性試験

FTIR-4100（日本分光（株）製）により表面数μm の情報が得られる ATR 法を用いてスペクトルを測定することでを行った PC について、前報と同様の評価を行い、水噴霧有りと無しの違いにより、観測される劣化現象に違いがみ評価した。また、走査型 X 線光電子分光分析装置（XPS）
PHI5000 VersaProbe II（アルバック・ファイ（株）製）にられるかを検討した。

より炭素の 1s 軌道の結合エネルギーを測定し、表面数 nmの化学構造についても評価した。

２． 実験
２．1 試料３．

PC は、三菱ガス化学（株）から提供された、ユーピロ
ン・フィルム FS-2000（厚さ 100 µm）をそのまま用いた。
引張試験には JIS K 6251 引張 2 号形ダンベル試験片、それ以外の測定には幅 70 mm、長さ 150 mm の短冊試験片をんど変化しなかったものの、400 h にかけて大きく減少し、
ほぼ 0 となった。一方、水噴霧を行った場合、破断伸びは作成し、使用した。

２．２

100～200 h に大きく減少し、400 h でほぼ 0 となった。
図 2 に Tg の変化を示す。水噴霧を行わなかった場合に促進耐候性試験

キセノンアークランプを光源とし、表１の通り水噴霧を行わない条件（a）と水噴霧を行う条件（b）で試験を行っ

は、Tg は暴露時間の増大とともに直線的に低下したが、水噴霧を行った場合には 100～200 h にかけて Tg の低下がた。暴露時間は、100、200、400、800 時間とした。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

結果と考察

図 1 に引張試験による暴露時間に伴う破断伸びの変化を示す。水噴霧を行わなかった場合、200 h まで値はほと顕著であった。

60

【化学技術部】

図 1. 暴露時間に伴う破断伸びの変化

図 5.

800 h 暴露後の赤外吸収スペクトルの変化

図 6.

800 h 暴露後の XPS C1S スペクトルの変化

図 2. 暴露時間に伴うガラス転移温度の変化

破断伸びと Tg の低下は、主鎖の切断などで分子量が減
少し、劣化が進んだことに起因すると考えられる。図 3 にPC で予測される劣化反応機構を示す。水噴霧を行った場
合には、光・熱による酸化劣化反応に加え、加水分解反応

図 3. 予測されるポリカーボネートの劣化反応 1)が起きるため、より短い暴露時間で低分子化が進行したものと推察される。
図 4 に紫外可視吸収スペクトルの変化を示す。暴露時間に伴い 300～400 nm の吸光度が上昇し、試料の黄変が認められた。吸光度の上昇は、PC の紫外線照射に伴う光フリース転位反応による生成物であるフェニルサリチレート（吸収ピーク：320 nm）ならびにジヒドロキシベンゾフェノン（吸収ピーク：355 nm）に起因する 1)。吸光度上昇については、水噴霧を行わないほうがやや大きい傾向がみられた。加水分解は、より不安定な光フリース転位生成物を起点として進行しやすいと考えられることから、水噴霧無しの方が見かけ上、最終的な光フリース転位生成物の量が図 4. 暴露時間に伴う紫外可視吸収スペクトルの変化多くなったためと推察された。

61

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【化学技術部】

評価項目

劣化として観測された事象

引張試験

劣化の度合い破断伸びの低下

水噴霧有＞水噴霧無熱分析

ガラス転移温度の低下

紫外可視分光測定

300～400 nm の吸光度の上昇（黄変）劣化を確認できた
暴露時間
200 時間（水噴霧有）
400 時間（水噴霧無）

水噴霧有＞水噴霧無100 時間水噴霧有≈水噴霧無100 時間※水噴霧無の方がやや大

赤外分光測定炭酸ｴｽﾃﾙ結合の切断

水噴霧有＜水噴霧無800 時間X 線光電子分光測定

ｴｽﾃﾙ、ｹﾄﾝ構造の生成

水噴霧有＜水噴霧無800 時間表 2.

各評価法で観測された劣化現象

化学構造の変化を調べるため、暴露時間に伴う赤外吸収
スペクトルならびに XPS C1s スペクトルの変化を調べた。

水噴霧有りと無しの条件で劣化の度合いを比較した場
合、引張試験と熱分析では水噴霧有りにおいて変化が大き両スペクトルとも暴露時間 800 h ではじめて大きな変化が観測された。図 5 ならびに図 6 に暴露前と 800 h 暴露後のく、紫外可視分光測定と赤外分光測定、X 線光電子分光測定では水噴霧無しにおいて変化が大きい傾向にあった。引

それぞれのスペクトルを示す。
図 5 の赤外スペクトルにおいては、3500 cm-1 付近にバ張試験と熱分析では分子量低下に起因する劣化現象を観測している。そのため、光・熱（酸化劣化）に加え、加水ンドの生成と 1765 cm-1 のバンド幅の低波数側への広がりが観測された。ここで、3500 cm-1 は水酸基の吸収に帰属

分解反応による主鎖の切断が生じる水噴霧有りの条件下
で変化が大きく観測されたと考えられる。一方、分光学的される。一方 1765 cm-1 は PC の炭酸エステル基（O-CO-O）の吸収に帰属され、その低波数側へのバンド幅の広がりは、な測定手法では、光フリース転位による化学構造変化に起因する劣化現象を観測している。加水分解は、より不安定

図 3 に示すフェニルサリチレートの生成に伴うエステル
基（COOR; 吸収ピーク 1730 cm-1 近傍）、やジヒロドキシな光フリース転位生成物を起点として進行しやすいと考えられることから、水噴霧有りの条件下の方が最終的な光ベンゾフェノンの生成に伴うケトン基（C=O; 吸収ピーク
1620 cm-1 近傍）に由来する吸収と推察される。

フリース転位生成物の量が少なく、それらに起因する変化
が水噴霧無しにおいてより大きく認められたと推察され一方、図 6 の XPS C1s スペクトルにおいては、炭酸エス
テル基（291 eV）のバンド強度の減少と、C=O（288 eV）、

る。
また、評価法によって、劣化進行を検出可能な暴露時間

COO（289.3 eV）バンドの生成ならびに C-O（286.8 eV）
バンドの上昇が観測された。

が異なっており、劣化進行の各ステージにおいて適した評
価手法の選択が重要であることが示唆された。ただし、本

赤外吸収と XPS スペクトルの変化から、紫外線暴露後の PC では、水酸基やエステル、ケトンの生成が認められ、研究では厚さ 100 µm のフィルムを対象としている。ポリ
カーボネートでは光フリース転位により形成された黄変

図 3 に示す、炭酸エステル結合の切断や、光フリース転位
反応により、化学構造の変化が進んでいることが推察され物質が紫外光を吸収するため、光劣化の進行が徐々に遅くなる傾向にある。厚みのある試料では、引張試験などで観た。また、変化の度合いは水噴霧無しで暴露した場合の方が顕著であった。紫外可視吸収スペクトルの変化の時と同測される強度の低下は劣化の後期に観測されると推察され、光学特性や試料表面採取物の熱特性、あるいは表面の様、水噴霧無しの方が見かけ上、最終的な光フリース転位
生成物の量が多くなったためと考えられる。

化学構造の変化から劣化の進行を予測する必要があると考えられる。

４．

本研究結果については、データベース化などにより、技術支援への活用を図りたい。

まとめと今後の展開

プラスチックの劣化の総合的な解析を目的として、PCを対象として、促進耐候性試験を行い、各種分析、評価を【参考文献】
1. A. Rivaton, Polym. Degrad. Stab., 49, 163 (1995).

行った。表１に各評価法により観測された劣化現象、水噴
霧有りと無しの条件で比較した劣化の度合い、ならびに劣化を観測できた暴露時間を示す。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

62

【川崎技術支援部】

材料に吸着した臭気成分等の分析試験法およびその光触媒による分解性能試験法の確立
落合

１．

剛（川崎技術支援部

はじめに

光触媒を用いた空気清浄器の普及によって、空気中の臭気成分等が光触媒で分解できることはよく知られている。

色差測定

材料解析グループ）

光触媒担持 ブランク
不織布
不織布

しかし、壁紙や衣服などに吸着した臭気成分等が光触媒でどれだけ分解できるかについては、光触媒 JIS 試験でも評

acryl sealed test box (1 m3)

価法が定められておらず、あまり報告もない。そこで、材料への臭気成分等（とくに、たばこ煙中の臭気成分やタール分）の吸着挙動と、その材料に光触媒を担持した場合の臭気成分等の分解性能の評価法を新たに確立した。光触媒
微粒子を担持した材料と担持していない材料に、それぞれたばこ煙を接触させ、臭気成分等の吸着挙動と、その後の紫外線照射による分解挙動を、色差測定および GC/MS 分
析によって評価した。

２．

実験及び結果衣服のモデルとして不織布を選定した。不織布に可視光
応答光触媒を担持させ、光触媒担持不織布を得た(図 1)。

air (50%RH,
0.5 L/min, 2 h)

それぞれの不織布を所定のサイズに切り、図 2 のように
JEM1467 試験用 1 m3 反応器[1] の内側に貼り付け、たばこ

図 2.

tobaccosmoke
CS2 1 mLで固相抽出、
GCMS分析

five cigarettes

ホルダーチューブ

活性炭捕集管不織布への臭気成分等の吸着試験の概念図

5 本を燃焼させて、その煙に一晩 (16 h) 接触させた。各
不織布を取り出し、吸着した臭気成分を固相抽出-GC/MS
分析[2] で、タール成分等による着色の度合いを色差計で、それぞれ評価した。各不織布を、図 3 のように 5 L テドラーバッグに封入し、空気 3 L (相対湿度 50%) を導入した
のち、可視光線 (10,000 lx) を照射した。所定時間ごとに10,000 lx
380 nm以下カット

取り出し、固相抽出-GC/MS 分析および色差計で、吸着した臭気成分等の分解挙動をそれぞれ評価した。

(b)

(a)

図 3.

50 µm
図 1.

50 µm

不織布に吸着した臭気成分等の光触媒による分解試験

たばこ煙に一晩接触させた可視光応答光触媒担持不織
布は、目視でも黄色く着色していた。色差測定結果から算出した吸着直後のΔE*ab 値（色変化を数値化した値で、こ(a)光触媒を担持していない不織布（b）可視光応答光触れが大きいほど色変化が大きい）も、10.4 と大きな数値を示した(図 4、照射時間 0 h 時点の値)。また GC/MS 分析の媒担持不織布の SEM 像

63

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【川崎技術支援部】

クロマトグラムから、JIS A 1965 に基づき、ヘキサン～ヘにあたり、東京理科大学工学部工業化学科の永田衞男准教

キサデカンの範囲の各成分のピークの総面積を合計し、トルエン相当量に換算して TVOC 濃度を算出したところ、授ならびに柴田友梨佳氏のご協力をいただきました。ここに厚く御礼申し上げます。

1.3 µg/m3 となった。さらに官能試験によって測定した臭気
強度も 3 となり、着色成分も臭気成分も、一定量吸着して【参考文献】
1. Ochiai, T.; Hayashi, Y.; Ito, M.; Nakata, K.; Murakami, T.;にはそれぞれ 1/3、1/2 程度の値になった。目視でも黄色から白色に脱色した様子が確認できた(図 4 下)。また臭気強Morito, Y.; Fujishima, A., An effective method for aseparationofsmoking
area
by
using
novel

度も、3 から 2.5 に減少した。

photocatalysis-plasma synergistic air-cleaner.
Engineering Journal 2012, 209, 313-317.

Chemical

1.4

12

1.2

2. Ochiai, T.; Ichihashi, E.; Nishida, N.; Machida, T.; Uchida,Y.; Hayashi, Y.; Morito, Y.; Fujishima, A., Field Performance10

Test of an Air-Cleaner with Photocatalysis-Plasma
Synergistic Reactors for Practical and Long-Term Use.

1

8

0.8

6

0.6

4

0.4

【外部発表】口頭発表 3 件，

2

0.2
0

0

0h

図 4.

Molecules 2014, 19, 17424-17434.

色差 (ΔE*ab)

TVOC濃度 (μg/m3)

いることがわかった。しかし、図 4 に示す通り、可視光照
射によって ΔE*ab 値も TVOC 濃度も減少し、24 h 経過後

612照射時間 (h)

2h

4h

18

6h

24

0

24 h

可視光応答光触媒担持不織布に吸着した臭気成分等の光触媒反応による分解試験結果(上)および不織布の外観(下)３．

考察及び今後の展開

以上のことから、色差測定と GC/MS 分析を用い、光触媒担持不織布へのたばこ煙成分の吸着とその分解挙動を評価した。本法は、多種多様な光触媒材料や吸着成分の評価に適用でき、新しい評価法として有効であるといえる。
非喫煙者は、喫煙時の副流煙のみならず、喫煙者の衣服や建材などに吸着した臭気成分等も不快に思っている。そうした状況に対して、光触媒が有効であることを示した。
今後は、こうして生まれたシーズをしっかりと形にし、社会に普及させていくことが重要である。そのために、産学公医の各分野が連携して、スムーズな実用化をめざしていく。あわせて、今後も社会のニーズをふまえ、とくに環境
浄化・医療分野への応用研究を重点的に継続していく必要があると考えている。

４．

謝辞

可視光応答光触媒担持不織布の作製において、日本バイリーン株式会社の御協力を賜りました。また、実験の遂行

KISTEC研究報告2019（2019.7）

64

論文等発表 2 件

【抄添加剤を加えた N-メチル-2-ピロリドンによる
SU8 微細パターンの剥離録】

Control of p- and n-type Conduction in
Thermoelectric Non-doped Mg2Si Thin Films
Prepared by Sputtering Method

電子技術部電子材料グループ 安井 学
黒内正仁
金子 智
野村マイクロ・サイエンス株式会 中野一史
川野伸一

東京工業大学物質理工学院 黒川満央
清水荘雄
上原睦雄
片桐敦夫
松島正明
木村好里
舟窪 浩
化学技術部新エネルギーグループ 秋山賢輔
上智大学工学部 内田 寛

掲 載 誌 ： 日 本 機 械 学 会 論 文集 ,84 巻 862 号 p. 1800091(2018)
本論文では，ガラス表面の防汚機能や超親水機能に必要な直径：数 μm サイズの凸パターン形成を目指して，直径：数 μm の SU8 ドットパターンの剥離性能が良好だった塩化リチウム(LiCl)と水(H2O)を加えた N-

掲載誌：MRS Advances, Vol.150, pp.1-5 (2018)

メチル-2-ピロリドン（NMP）（以下，添加剤入り NMP）の有効性を検討した．その結果，10µm 以下の微細なMg2Si 膜の電気伝導特性に及ぼすポスト・アニールの影響を調査し、He 中にて 500℃でアニール処理すると

SU8 凸パターンを剥離する場合，適切な割合で LiCl と
H2O を添加した NMP は，SU8 凸パターンの膨潤を促

p 型の伝導特性を示した Mg2Si 膜が Mg 箔で包んで500℃で更にアニール処理することで n 型の伝導特性進させた．これは SU8 凸パターンを座屈させやすくすることにより剥離を促進したと考えられる．加えて，に変化することが明らかとなった．
これらの結果より熱処理時に Mg2Si 膜内部に Mg サイ

剥離を要する SU8 凸パターンの作製において，微小なSU8 凸パターンは密着性が高いため，ハードベイクはト空孔の形成によって p 型伝導特性となり、同空孔サイトの消滅が n 型伝導特性に起因することが示唆され不要であり，剥離時には添加剤入り NMP に長時間浸漬することで剥離できると考えられる．

た．さらにアニール処理での雰囲気による電気伝導型制御の可能性が示唆された．

Room temperature photoluminescence spectrum
from β-FeSi2 films

Growth of (111)-oriented epitaxial magnesium
silicide (Mg2Si) films on (001) Al2O3 substrates by
RF magnetron sputtering and their properties

化学技術部新エネルギーグループ 秋山賢輔
松本佳久
東京工業大物質理工学院 舟窪 浩

東京工業大学物質理工学院 片桐敦夫
小川将太
上原睦雄
P. S. Sankara Rama Krishnan
黒川満央
松島正明
清水荘雄
舟窪 浩
化学技術部新エネルギーグループ 秋山賢輔

掲載誌：Proceedings of SPIE, Vol.10554, N1-N6 (2018)
Ag 層を導入した Si(111)基板に有機金属気相成長法
にて鉄シリサイド(β-FeSi2)薄膜をエピタキシャル成
長させ、この膜からのフォトルミネッセンス発光を確認した．このエピタキシャル薄膜は、(101)/(110)優先配
向した 3 回対称なドメイン構造を有することが明らかとなった．フォトルミネッセンス強度の成長温度依存性より、700℃で成長したエピタキシャル薄膜において

掲載誌：Journal of Material Science, Vol.53, pp. 5151-5158(2018)

最も強いフォトルミネッセンス発光が得られ、非輻射再結合中心密度が低減されていることが示唆された．

(111)配向のエピタキシャル Mg2Si 膜を(001)サファイ

これらの結果はエピタキシャル鉄シリサイド薄膜の成長中に形成される熱平衡 Si 空孔サイトが非輻射再結ア（Al2O3）基板上に 300℃でエピタキシャル成長させることを実現した。成長速度低減と成長時の圧力がエ合中心として作用していると考えられる．

ピタキシャル成長実現に有効であった。X 線回折分析

65

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【抄

録】

と透過電子顕微鏡による結晶構造解析から、基板とMg2Si 膜 と の エ ピ タ キ シ ャ ル 関 係 は 、 (111)
Mg2Si//(001)Al2O3 となることが明らかとなった。
作製膜は p 型の電気伝導特性を示し、既報の(110)一軸
配向性の Mg2Si 膜と同様であるものの電気伝導度がより低いことが明らかとなった。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

66

【研究開発部】力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット「力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット」
プロジェクトプロジェクトリーダー

下野

誠通【基本構想】
超高齢社会を迎える２１世紀の我が国において、経済産業の持続的発展と安全安心で質の高い生活の実現に寄与する新しい科学技術の開発に対して大きな期待が寄せられている。特に、ロボット技術は従来の生産加工分野への応用のみならず、人間支援分野にも広く展開されることが強く望まれている。しかしな
がら、産業ロボット技術が高速精密で頑強な動作を可能としてきたのに対して、人間支援に応用するためには優しく柔らかな接触動作を可能とするロボット技術を新たに開発する必要がある。これはつまり、ロボットが精密に接触力を制御する機能を獲得する必要があることを意味する。このような機能は力触覚技術（リアルハプティクス技術）を援用することで初めてロボットに付与することができる。
本プロジェクトでは、医療分野、リハビリテーション分野および介護分野などにおける人間動作の直接的支援を目指した、次世代ロボットを開発することを目的としている。具体的には、リアルハプティクス
技術を基盤とすることで、（Ａ）力触覚の伝送や記録機能を有する最先端医療デバイス、（Ｂ）力触覚に基づいて身体機能の定量化を可能とするリハビリテーション支援ロボット、（Ｃ）生活空間での動作補助や介護支援を提供する生活支援ロボット、（Ｄ）高度で安全安心な手術を可能とする手術支援ロボットの四つのテーマ課題を推進している。様々な医療・リハビリ・介護ロボットの試作開発を、産学公連携を通じて遂行することで、リアルハプティクス技術の医療福祉分野における社会実装を達成する。

１．

平成３０年度の研究目的

本プロジェクトは図１に概要を示すように、平成２７年
度研究シーズ育成事業で得られた人間支援ロボットへの応用を指向したアクチュエータ技術と、リアルハプティク
ス技術の両者を基盤として、医療・福祉・介護のための新しいロボット開発を行うことを主テーマとしている。プロ
ジェクト三年目となる平成３０年度では、以下の項目を重点項目として取り組んだ。
（１）人間支援ロボット用アクチュエーション技術の開発
平成２７年度研究シーズ育成事業から実施してきた、これまでの機能性ハプティックアクチュエータに関する開図１ プロジェクト概要

発研究で得られた知見を基にして、人間支援ロボットに実装可能なアクチュエーション技術の開発研究を継続してながら、これまで県プロジェクトで実施した消化器外科分野への応用研究で得られた成果を発展させ、脳神経外科分野、口腔外科分野、整形外科分野などへの横展開を加速さ実施する。特に平成３０年度では、アキシャル積層形モータの設計試作、磁気ギア内蔵リニアモータの試作と原理実せる。さらに、革新的な手術操作を可能とする多自由度鉗
子デバイスの試作や、植毛支援デバイスの試作についても、証を実施する。平成２９年度に 4 層モデルの試作を行った
ラジアル積層形モータについては、1 層から 3 層までの比

各分野の専門家と協力して研究を推進する。
（３）リハビリロボット・生活支援ロボットの研究

較モデルの製作を行い、比較検証を進めることで有用性実証を達成する。また、大型円弧モータについては、手術支

これまでに試作開発を行った移乗支援ロボット、下肢機能支援ロボット、下肢リハビリテーション支援ロボット、援ロボット用プラットフォーム等に実装するために、改良研究を継続して実施する。

座位保持支援装置といったリハビリロボット・生活支援ロ
ボットの研究を継続して行う。特に各種評価実験を通じて（２）医療デバイスの開発
プロジェクト後期となる平成３０年度からは、医療デバ

試作ロボットの有用性を多角的に明らかにする。またリハ
ビリ・介護ロボット分野でのコンソーシアムを設置し、積イスの試作開発をプロジェクト内の最重点テーマとして定める。JST リサーチコンプレックス事業の資金も活用し極的な成果発信と、地域連携体制の確立を達成する。

67

KISTEC研究報告2019（2019.7）

2．

平成３０年度の研究成果

平成３０年度においては、主に以下の研究成果を得た。
（１）人間支援ロボット用アクチュエーション技術の開発
平成２９年度に 4 層モデルの試作を行ったラジアル積層モータについては、1 層モデルから 3 層モデルまでの試作が完了し、有用性評価実験に着手した。前年度に試作したモデルでは、トルク重量比の最大化という観点から磁石の軸方向厚さが層毎に異なっていたが、新たに試作したモ
デルではトルク体積比の最大化という観点から設計を改良した。また、ラジアル積層モータの基本概念を応用した
アキシャル積層モータについても、実機の設計試作を完了した。平成３１年度に本試作機を用いた性能評価を行い、

図 3 口腔外科手術支援ロボット

有用性を実証する。磁気ギア内蔵リニアモータについては、試作機を用いた実験を完了し、その有用性を評価した。さ
らに、手術支援ロボット用円弧形リニアモータの改良製作を行い、多自由度鉗子ロボットを搭載した手術プラットフ
ォームを実現した。
（２）医療デバイスの開発
医療デバイスの開発では、各分野の医学研究者と連携し、JST リサーチコンプレックス事業の支援を活用しながらリ
アルハプティクス技術の応用実装研究を実施した。具体的には、脳神経外科、 整形外科、消化器外科、口腔外科、植毛治療といった分野におけるハプティックデバイスの試作開発を行い、実験を通して有用性を確認している。
脳神経外科分野では、昨年度に試作したマスタ・スレー
ブ一体型鑷子を改良し、実際の手術で用いられているバヨ

図４ 多自由度ハプティック鉗子デバイス

ネット型鑷子構造を採用した改良機の試作を新たに行った（図２）。このハプティック鑷子を用い、血管の脈動検

整形外科分野においては、リアルハプティクスを応用し知や脳組織の剛性抽出などの実験を行った。力触覚情報を活用することで、癌化領域のマッピングや脈動検知によるたドリルデバイスを試作し、切削力のフィードバック機能
やドリル貫通時の自動停止機能などの付加価値を医療デ

誤動作防止といった付加価値を与えることが可能であるとの見通しを得た。

バイスに与えることに成功した。消化器外科分野においては、これまでに開発したマスタ・スレーブ一体型鉗子を用い、鉗子把持力と臓器損傷の関連性を定量的に評価する実験を実施した。また、高出力モデルの試作を行い、さらなる有用性検証実験を実施している。
口腔外科分野では、図３に示す多自由度手術支援ロボットを開発し、リアルタイムでの鋭敏な力触覚フィードバッ
クが可能であること、口腔外科手術に必要となる基本自由度を獲得できていることなどを基礎実験により確認した。
今後は、画像データとの統合により、手術ナビゲーションの実現など発展的研究に移行する予定である。
植毛治療分野では、細胞移植を支援するための植毛ツールを開発した。平成３１年度には基礎性能を検証する実験を行い、マウス等での細胞移植実験により有用性を明らか

図２にする予定である。
また、一般外科を革新するための多自由度鉗子デバイス

バヨネット型ハプティック鑷子デバイスを試作した（図４）。本デバイスは、独立に開閉可能な 3
指と回転自由度を有しており、術者の手が体内に直接侵入する動作が実現可能である。

68

【研究開発部】力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット（３）リハビリロボット・生活支援ロボットの研究

３．

リハビリロボット・生活支援ロボットについては、昨年
度までに試作開発した実機を用いて、実験検証を継続してこれまでの開発研究により、様々な実験機の試作開発と、これらを用いた有用性実証を段階的に達成してきている。

実施した。移乗支援ロボットについては、日本人高齢女性の体格を模して作られた人体ダミーを用いた実験を行い、今後は、社会実装に向けた発展研究へとステージを移行しつつ、産業界との共同研究を加速させる予定である。

開発したロボットが移乗支援を実際に達成可能であることを確認した。座位保持支援装置については、座位保持支

人間支援ロボット用アクチュエーション技術の開発では、新アクチュエーション技術の原理実証を完遂し、学術援のための運動制御アルゴリズムを開発した。リクライニ
ング部分に開発した制御アルゴリズムを実装し、理学療法

的成果を発信すると共に、医療デバイスへの応用を見据えた技術開発に重点的に取り組む。医療デバイス開発におい士の協力を得て、制御パラメータの設計など実用に向けた開発研究を行った。下肢リハビリテーション支援ロボットては、試作機を用いた動物実験など非臨床 POC をそれぞれの分野において達成すると共に、産業界との連携を促進し、の研究では、下肢筋力の評価法を開発し、実機での検証を達成した。また、下肢機能支援ロボットの研究では、数理実用化に向けた開発プロセスへと移行する。また、リハビ
リロボット・介護ロボットの開発研究においては、特区や学的な基本モデル式を確立し、実験データとの比較を行う
ことで、必要となる改良点などを明らかにした。

コンソーシアム等を活用し、得られた成果の地域への還元を目指す。

また、リハビリ・介護ロボット分野における地域連携コンソーシアムを設立し、セミナーや第二回未来医療ロボッ

平成３１年度においても、昨年度と同様に、セミナーや
未来医療ロボット技術シンポジウム、教育講座などを実施

ト技術シンポジウムを開催するなど、開発技術の社会実装に向けた地域連携、産学公連携の体制を構築した。

し、積極的に地域への成果発信と産学公連携の充実化を図る予定である。

69

今後の展望

KISTEC研究報告2019（2019.7）

大型円弧形リニアモータで駆動するプラットフォームを用いた手術支援システムの開発
松永

１．

卓也

はじめに

医療分野において患者の負担軽減を考慮した低侵襲性治療が注目されており、ロボット技術を駆使した治療の低侵襲化や，熟練の技術を要する低侵襲性手術における治療行為支援が試みられている [1]。特に、腹腔鏡下外科手術の 支 援 を 目 的 と し て 開 発 さ れ た da Vinci Ⓡ (Intuitive
Surgical, Inc.) に代表される遠隔操作ロボット技術を応用したマスタ・スレーブ型手術支援システムの研究開発が盛んにおこなわれている [2][3]。医師の遠隔操作下で実際に治療をおこなうロボット（スレーブ）は、視覚情報を取得するための腹腔鏡に加え、エンドエフェクタとして手術器具を備えた多自由度ロボットおよび多自由度ロボットを支えるプラットフォームで構成される。医師の手の代わり

図 1. 大型円弧形リニアモータで駆動する多自由度双腕型プラッ
トフォームの 3D モデルとなる多自由度ロボットには繊細な動作、プラットフォー
ムには高出力かつ大きな可動域が要求され、それぞれの要素について研究開発が進められている。

１．１

手術支援システム

本研究では、大型円弧形リニアモータで駆動する双腕型
プラットフォームと、手術における基本的な動作を可能とするマスタ・スレーブ型 3 自由度力触覚鉗子ロボットを中心として、手術支援システムを構成する [4]。

(a) マスタ１．１．１ 双腕型プラットフォーム
双腕型プラットフォームの各腕は大型円弧形リニアモータによって構成される。大型円弧形リニアモータはリア
ルハプティクス技術の医療分野への応用のために本プロジェクトで試作したアクチュエータであり [5]、高出力かつバックドライバビリティを有する。磁石を内蔵した円弧形のシャフトに沿ってコイルを内蔵した可動子が移動する。また、動力伝達機構を介さずに RCM（Remote Center of(b) スレーブ

Motion）機構を構成可能であり、可動子に取り付けたエン
ドエフェクタの先端を中心としたピボット運動が実現で

図 2. 3 自由度力触覚鉗子ロボット

きる。
図 1 に双腕型プラットフォームの 3D モデルを示す。土が存在する軸上に第二関節の RCM が配置されており、患部を中心とした 2 自由度のピボット運動が可能である。

台には中心角が約 270 度の大型円弧形リニアモータのシ
ャフトが固定されており、各腕の第一関節として 2 台の可１．１．２

動子を有する。そして、各腕の第一関節の可動部には中心角が約 90 度の大型円弧形リニアモータを備え、第二関節手術における基本的な動作として把持動作，直動動作，回転動作を備えたマスタ・スレーブ型 3 自由度力触覚鉗子

として駆動する。第一関節の円弧を含む平面と第二関節の円弧を含む平面は常に直交する。また、第一関節の RCM

ロボットは，マスタとスレーブがエンドエフェクタを除いて同様の構造を有する遠隔操作ロボットである。図 2 に 370

3 自由度力触覚鉗子ロボット

【研究開発部】力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット

自由度力触覚鉗子ロボットの 3D モデルを示す。各ロボッ
トにおいて、2 台の直動型モータがそれぞれ把持動作、直動動作、回転型モータが回転動作をおこなう。エンドエフ
ェクタとしてマスタはハンドル，スレーブは腹腔鏡手術用
鉗子の先端を備える。

１．２

加速度制御

ロボットを駆動するモータの位置、力の高精度な制御は
外乱オブザーバ [6]を用いたロバストな加速度制御によって実現可能である。本研究では、プラットフォームに加速度制御に基づく位置制御、3 自由度力触覚鉗子ロボットに

図 3. 手術支援システムの構成

加速度制御に基づくバイラテラル制御を実装する。

１．２．１ 位置制御
加速度制御に基づき、モータの位置の PD 制御をおこなう。加速度参照値 X ref は式(1)で表される。
X ref = C p (X cmd – X res )(1)

Cp=Kp+sKv
(2)
cmd
res
X は位置指令値、X は位置応答値を表す。C p は位置制御器であり、本研究では PD 制御をおこなう。s、K p、K v
はそれぞれラプラス演算子、位置ゲイン、速度ゲインである。外乱オブザーバによって外乱を推定し補償することで、ロバストな加速度制御系となる。位置情報は各モータが備えるエンコーダで取得する。速度情報は位置応答値の擬似微分によって推定する。

た視覚情報を確認し、手元の入力装置で双腕型プラットフ
ォームに位置指令値を与え、力触覚鉗子ロボットのマスタ

１．２．２ バイラテラル制御を介してスレーブを操作する。なお、プラットフォームの左腕と右腕は同様の構造であるため、本実験では右腕のみ

マスタ・スレーブ型遠隔操作ロボットにおける力触覚伝
達手法の一つであるバイラテラル制御では、位置情報や力を使用して検証をおこなう。

情報を送信して力触覚を伝達する。本研究では、位置情報と力情報を双方向に送信する加速度制御に基づいたバイ

２．

ラテラル制御を用いる [7]。加速度制御に基づくバイラテ
ラル制御では、式(3)、式(4)の制御目標を同時に達成する本研究で開発した手術支援システムを用いて遠隔操作

形リニアモータの磁力が 3 自由度力触覚鉗子ロボットの動作に及ぼす影響を確認した。

(3)
(4)

式(3)でマスタの位置 X m とスレーブの位置 X s を一致させ、かつ、式(4)でマスタに加わる外力 F m とスレーブに加わる

２．１

実験方法

図 4 に示す操作者側の実験装置は、視覚情報を提示する
ためのディスプレイ、双腕型プラットフォームに位置指令

外力 F s に作用反作用の法則を成り立たせることで、環境のかたさを操作者に伝達することが可能となる。

値を与えるためのキーボード、3 自由度力触覚鉗子ロボッ
トのマスタで構成した。図 5 に示す環境側の実験装置は、

バイラテラル制御で扱う位置情報はエンコーダで取得する。一方、力情報は反力オブザーバで推定する [8]。力視覚情報取得のためのカメラ、右腕に 3 自由度力触覚鉗子
ロボットのスレーブを搭載した双腕型プラットフォーム

センサレスの構造を採用することで、装置のコストや機構の複雑化等を抑えることが可能である。

１．３

実験と結果

による検証実験をおこない、双腕型プラットフォームの基
本的な性能およびプラットフォームを構成する大型円弧ことで、スレーブが接触した物体（環境）のかたさを操作者に伝達する。
X m– X s = 0
F m+ Fs = 0

図 4. 操作者側の実験装置で構成した。環境として縫合練習パッドを使用した。
実験において、視覚情報はカメラで取得し、リアルタイ

実験の概要

ムで操作者に提示した。双腕型プラットフォームの各モー
タには一定の位置指令値を与え、キーボード入力時に第一双腕型プラットフォーム、3 自由度力触覚鉗子ロボット、カメラ等の機器で図 3 に示す手術支援システムを構成し、関節または第二関節の位置指令値を 0.5 秒間で 10mm 変化させた。位置指令値が変化した際の大型円弧形リニアモー

基礎的な検証実験をおこなう。バイラテラル制御を実装した 3 自由度力触覚鉗子ロボットのスレーブを双腕型プラ

タの移動速度は一定とした。環境への接触は 3 自由度力触覚鉗子ロボットを用いておこなった。

ットフォームの右腕に搭載する。操作者はカメラで取得し

71

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 6. 双腕型プラットフォーム右腕の位置応答

図 5. 環境側の実験装置(a) 把持動作、直動動作の位置応答

実験は下記の手順でおこなった。
（1）環境に非接触な状態で 3 自由度力触覚鉗子ロボットの各自由度を操作した。
（2）双腕型プラットフォームの右腕第二関節を上方向に駆動した。
（3）力触覚鉗子ロボットの直動動作で環境に接触した後、環境を 2 回把持した。
（4）第一関節を右方向に動かし、直動動作による環境へ(b) 把持動作、直動動作の力応答の接触動作をおこなった。
（5）第一関節を左方向に動かし、直動動作による環境への接触動作をおこなった。

２．２．実験結果
実験結果として双腕型プラットフォーム右腕の位置応答を図 6、3 自由度力触覚鉗子ロボットの位置応答および力応答を図 7 に示す。図 6 の位置応答値より、双腕型プラ(c) 回転動作の位置応答

ットフォーム右腕の第一関節、第二関節の位置応答値が与えられた位置指令値に追従したことが確認できる。図 7 の実験結果では、各動作においてマスタの位置応答値にスレーブの位置応答値が追従し、かつ推定反力に作用反作用の法則が成立していることが確認できる。環境への接触では使用した動作において反力が増大しており、マスタ・スレーブ間において力触覚が伝達された。一方、本実験では重力の影響を考慮していないため、双腕型プラットフォーム(d) 回転動作の力応答
図 7. 3 自由度力触覚鉗子ロボットの位置・力応答の第二関節を上方向に駆動した後に、重力によって生じる力も操作者に伝達されたことが確認できる。

３．

評価をおこなう必要がある。また、大型円弧形リニアモータは磁力が強く、モータ間に干渉が生じる可能性があったが、本実験において影響は確認されなかった。しかし、プ考察及び今後の展望

本実験で使用した 3 自由度鉗子ロボットのスレーブの質量は約 2.5 kg である。図 6 において双腕型プラットフォ

ラットフォームの動作に応じた重力の補償は必要である。
今後の展望としては、積載量や位置決め精度の検証など、ームの右腕第二関節を上方向に移動させた際にも精度良く指令値に応答値が追従したことから、開発したプラット

双腕型プラットフォームの基本性能の検証を進める。縫合作業等の両手を用いた作業や、持ち上げ動作等の大きな出フォームが約 2.5 kg 程度の多自由度ロボットを持ち上げる能力を有することが確認できる。一方、搭載した多自由力を要する作業による評価をおこなう。また、本研究では
腹腔鏡下外科手術を想定した多自由度ロボットを開発し度ロボットが環境を持ち上げる場合には、一時的に負荷が増大する。したがって、手術中に想定される様々な作業でたが、プラットフォームに搭載する多自由度ロボットについては他分野にも拡張する予定である。

72

【研究開発部】力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット【参考文献】

Industrial Electronics (2019).

1. R. H. Taylor and D. Stoianovici, IEEE Transactions on
Robotics and Automation, 19, 5, 765-781 (2003).

5. H. Asai, T. Shimono, Y. Fujimoto, T. Mizoguchi, and K.
Ohnishi, IEEE Transactions on Industry Applications, 55, 1,

2. G. S. Guthart and J. K. Salisbury Jr., Proceedings of IEEE
International Conference on Robotics and Automation, 618-621

437-447 (2019).
6. K. Ohnishi, M. Shibata, and T. Murakami, IEEE/ASME(2000).
3. B. Hannaford, J. Rosen, D. W. Friedman, H. King, P. Roan, L.

Transactions on Mechatronics, 1, 1, 56-67 (1996).
7. W. Iida and K. Ohnishi, Proceedings of the 8th IEEE

Cheng, D. Glozman, J. Ma, S. N. Kosari, and L. White, IEEE
Transactions on Biomedical Engineering, 60, 4, 954-959

International Workshop on Advanced Motion Control, 217-222(2004).

(2013).
4. T. Matsunaga, H. Asai, T. Shimono, and K. Ohnishi,

8. T. Murakami, F. Yu, and K. Ohnishi, IEEE Transactions on
Industrial Electronics, 40, 2, 259-265 (1993)

Proceedings of the 28th IEEE International Symposium on

73

KISTEC研究報告2019（2019.7）

脳性麻痺児のための 3 軸座位保持支援装置の開発
富樫

１．

信之

序論

近年の研究により新生児 1000 人の内，2 から 3 人の割合で脳性麻痺を発症するという調査結果が報告されている[1]。このような脳性麻痺を発症した児童の生活支援を行うため，今日ではロボット技術の導入による支援が行われるようになっている[2][3]。
脳性麻痺を発症した児童は，日常生活において座位姿勢の保持に多くの問題を抱えている。脳性麻痺を発症した児童は会話や食事等の僅かな刺激を受けた際に，座位姿勢を崩す。そのため，抱きかかえるようにして座位姿勢を保持しなければならず，介護を行う親の負担が増加する。その問題を解決するため，今日では児童の座位姿勢を保持する器具が開発されている。また，児童の自立支援を促すため，
ロボット技術を導入した車椅子型の座位保持支援の研究についても報告されている[4][5][6]。
しかしながら，これらの器具はいずれも座位姿勢を強制的に保持するものであり，児童が姿勢を自由に反らすことが困難となってしまう。自由に座位姿勢を変えることが出来なくなってしまった結果，児童がストレスを抱え込んでしまう等の問題が生じる。そこで，本研究では椅子に加わった力に応じて座位姿勢を変えることが可能な椅子型の装置を開発した。この装置はリクライニング，腰のひねり及び首周りにモータが搭載されており，モータにより駆動

図 1. 3 軸座位保持支援装置[10]する装置となっている。本稿では開発した装置及びリクラ
イニングの制御手法について述べる。

表 1. 3 軸座位保持支援装置のパラメータ[10]２． 3 軸座位保持支援装置と運動制御
２．１ 3 軸座位保持支援装置
図 1 に開発した 3 軸座位保持支援装置を示す。この装置
はリクライニング，腰のひねり，首周りの 3 箇所がモータによって駆動される。それぞれの可動範囲はリクライニン
グが 45°，腰のひねりが±30°，首周りが 45°となっている。
また，各駆動部には減速機が実装されており，これにより大きなトルクが出力可能となっている。さらにリクライニ
ングにおいては減速比の増加を抑え，良好なバックドライ

Length of the reclining part

1.14×103 mm

Weight of the reclining part17.0 kg

Length of the backrest

540 mmSeat size

400 mm ×400 mm

Weight of the chair

67.0 kg

Gear ratio of the right side in reclining

96.0

Gear ratio of the left side in reclining

96.0

Gear ratio of the twist of hip

35.8

Gear ratio of the neck

5.00ている。表 1 に開発した 3 軸座位保持支援装置の機械的パバビリティを獲得するため，2 個のモータによるツインド
ライブ方式を採用している。装置に取り付けられている背ラメータを示す。

もたれや座面，首周りのクッションやシートは車椅子型の座位保持器具から移植したものであり，対象となる被験者

２．２の体格に合わせて作成されたものとなっている。座面には，股の開き具合を固定するクッションが取り付けられており，背もたれには体の軸を固定するベルトが備え付けられリクライニングの運動制御

本装置では力に応じて姿勢の保持と姿勢の変化を切り替えるために，可変コンプライアンス制御を実装する[7]。
また，ロバストな加速度制御を実現するために外乱オブザ
ーバを，人が装置に加えた力をトルクとして推定するため74

【研究開発部】力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット

図 4. 反り返りの動作における力の関係を設ける。この状態における遷移条件は次の通りである。

図 2. リクライニングにおける運動制御のブロック線図

a. Tlow<Treac のとき，t1 秒待機する。t1 秒後，Tlow<Treac を満たしている場合，Treac に応じて b または c の条件のどちらかを実行する。満たしていない場合は普段の姿勢の保持を継続する。
b. Tlow<Treac<Thigh のとき，変化の目標値 θlow を設定して，反り返りの動作に移る。
c. Treac>Thigh のとき，変化の目標値 θhigh を設定して，反り返りの動作に移る。
Tlow および Thigh はそれぞれ，トルクの閾値を示し，θlow お
よび θhigh はそれぞれ小さく反る場合の変化量の目標値と大きく反る場合の変化量の目標値を示す。t1 はこの状態における設定した待機時間を示す。

図 3. 座位の状態[10]２．２．２に反トルク推定オブザーバを実装する[8][9]。図 2 にリク
ライニングに実装したブロック線図を示す。図中の DOB

反り返りの動作

反り返りの動作においては，図 4 に示すように急な加減速を防止するために，動作開始時は椅子から人に加わる抵

は外乱オブザーバを，RTOB は反トルク推定オブザーバを示す。Treac は RTOB によって推定された人が装置に加えた抗力を減少させ徐々に加速し，目標角度付近に接近した場
合は抵抗力を増加して減速する必要がある。この力関係を

トルクを示す。θini は普段の姿勢を表し，装置に印加された力に応じて生成された角度，角速度，角加速度の変化量満たすよう設計した，反り返り時における可変コンプライ
アンス制御が(2)式から(5)式である。

を普段の姿勢の角度に加えて演算することによって，姿勢の変化と姿勢の保持を切り替える。
図 3 に座位の状態図を示す。座位の状態は，1.普段の状態の保持，2.反り返りの動作，3.反り返り後の姿勢の保持，4.普段の状態まで戻す動作の 4 つに状態分けされる。この4 つの状態に応じた生成すべき角度，角速度，角加速度の変化量および状態遷移の条件について述べる。

２．２．１ 普段の状態の保持
普段の状態の保持における可変コンプライアンス制御(2)式から(5)式中の s はラプラス演算子を示す。Kf，Kc1，器によって生成される角度，角速度，角加速度の変化量は(1)式となる。

Dc1，M はコンプライアンス制御に用いる力ゲインおよび仮想的な弾性，粘性，慣性を表し，それぞれ定数値として用いる。また，Tmin は動作中の抵抗力の極小値を示す。θcmdには θlow または θhigh が代入される。
椅子からの抵抗力 Tcomp(1)式に示すように変化量を 0 とすることによって，姿勢が(3)式によって生成され，(2)式により加速度が計算され，(4)式および(5)式に示すようにその積分によって角度およの保持が可能となる。
普段の姿勢の保持から反り返りの動作への遷移条件は，

び角速度の変化量が生成される。θc が 0<θc<θcmd /2 の範囲にある場合には抵抗力が減少し，θcmd /2<θc<θcmd の範囲に椅子に印加された力によって決定する。反り返りの動作においては，小さく反る場合と大きく反る場合の 2 種類があある場合には抵抗力が増加する。これにより，図 4 の力関係を満たすように動作することが可能となる。θc≧θcmd をるため，力に応じて反り返り動作における変化量の目標値を設定する。また，過敏な動作を防止するため，待機時間

満たした場合，反り返り後の姿勢の保持に移行する。

75

KISTEC研究報告2019（2019.7）

２．２．３ 反り返り後の姿勢の保持
反り返り後の姿勢の保持における可変コンプライアン
ス制御器によって生成される角度，角速度，角加速度の変化量は(6)式および(7)式となる。

生成される角度を θcmd に固定し，角速度および角加速度を0 とする。これにより，変化後の姿勢を保持することが可能となる。
また，反り返り後の姿勢の保持から次の動作に遷移する
場合，遷移する状態が 2 通りあり，元の姿勢に戻る場合か
あるいはより大きく姿勢を反る場合のどちらかである。遷

図 5. 実験における動作

移条件は次の通りである。
a. Treac< Tlow または Treac>Thigh のとき，t2 秒待機する。t2 秒
後，その条件を満たしている場合，Treac に応じて以下 b ま
たは c の条件を実行する。満たしていない場合は反り返り
後の姿勢の保持を継続する。
b. Treac< Tlow のとき，普段の状態まで戻す動作に移る。
c. Treac>Thigh かつ姿勢の保持の変化量が θlow の場合，変化の
目標値 θhigh を設定して，反り返りの動作に移る。
t2 はこの状態における設定した待機時間を示す。

図 6. 角度応答２．２．４ 普段の状態に戻す動作
普段の姿勢に戻す場合は，急激な変化を防止するために設定した時間によって戻るよう制御する必要がある。その条件を満たすよう設計した，可変コンプライアンス制御によって生成される椅子からの抵抗力は(8)式となる。

Kc2，Dc2 はコンプライアンス制御に用いる仮想的な弾性，
粘性，および慣性を表し，それぞれ定数値として用いる。

図 7. トルク応答

また，t および tconst は普段の状態に戻す動作に遷移してから経過した時間及び元の姿勢に戻すまでに要する時間をれぞれ 40.0Nm，65.0Nm とした。また，実験の動作を図 5に示す。図 5 に示すように，始めは小さい反り返りの動作示す。(8)式によって生成された椅子からの抵抗力 Tcomp を(2)式，(4)式および(5)式に代入することによって，変化すから開始し，その後小さい反り返り姿勢を保持した。その後元の姿勢に戻し，大きい反り返り動作を行い，大きい反べき角度，角速度，角加速度を得る。これにより，tconstで設定した時間通りに普段の状態に戻ることが可能となる。θcmd が 0 と一致した場合，普段の状態の保持に移る。

り返り姿勢を保持し，最後に元の姿勢に戻るよう椅子に力
を加えた。

３． 実験
３．１ 実験方法

３．２

実験結果

図 6 および図 7 にリクライニングの角度応答及びトルク応答を示す。図の青色部分は反り返り後の姿勢の保持期間

実際にセラピストの方に試乗して頂き，前述のリクライ
ニングの運動制御について検証を行った。
θini は 30.0°とし，を表している。実験開始から 4 秒ほどでトルク応答が増加しており閾値 Tlow を超えているが，閾値 Thigh 未満であるた

姿勢を反らした場合，小さい反り返りの場合は 20.0°に，大きい反り返りの場合は 5.00°に収束する設定となってめに，小さい反り返り動作が実行され，角度 20.0°程まで動作している。その後，角度 20.0°程で数秒保持し，トルいる。姿勢保持中の待機時間 t1，および t2 はそれぞれ 1.00
秒および 3.00 秒とし，トルクの閾値 Tlow および Thigh はそ

ク応答が閾値 Tlow を下回っているため，しばらく保持して76【研究開発部】力を感じる医療・福祉介護次世代ロボットの他，腰のひねりや首周りの制御の設計が挙げられる。また，共同研究先である心身障害児総合医療療育センターの協力の下，臨床試験を実施することを予定している。

【参考文献】
1. C. Morris, “Definition and classification of cerebral palsy: ahistorical perspective,” Development Medicine and Child
Neurology, Vol. 109, No. 49 pp. 3–7, 2007.
2. L. Maisa, F. Frascarelli, P. Morasso, G. Di. Rosa, M. Petrarca,
E. Castelli, and P. Cappa, “Reduced short term adaptation to
robot generated dynamic environment in children affected by

図 8. 大きい反り返りの動作時の速度応答

Cerebral Palsy,” Journal of Neuroengineering
Rehabilitation, No. 1, Vol. 8, article No. 28, 2011.

から元の姿勢に戻っていることがわかる。これにより，小さい反り返りに対して適切に動作していることが確認さ

3. C. Bayon, R. Raya, S. L. Lara, O. Ramirez, I. Serrano J, andE. Rocon, “ Robotic Therapies for Children with Cerebral

れた。
大きい反り返りの動作についても同様に，実験開始から

Palsy: A Systematic Review,” Translational Biomedicine, No.
1:44, Vol. 7, pp. 1–10, 2016.

15 秒程で閾値 Thigh を超えている。そのため，角度 5.00°程まで動作し，その後数秒程角度 5.00°で保持されているため，大きい反り返りの動作が実行されていることがわかる。
さらにその後，トルク応答が閾値 Tlow を下回っているため，しばらく反り返り姿勢を保持した後に元の姿勢に戻っていることがわかる。このことから，大きい反り返りの動作

4. L. Marchal-Crespo, J. Furumasu, and D. J. Reinkensmeyer,“A robotic wheelchair trainer: design overview and a feasibility
study,” Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, No. 1,
Vol. 7, article No. 40, 2010.
5. C. W. Dennis, S. Stansfield, and H. M. Larin, “Feasability ofa mobile robot with alternative control system for a child withについても適切に動作することが確認された。
次に大きい反り返りの動作に注目し，反り返りの動作時

cerebral palsy,” Proceedings of the FICCDAT RESNA
Conference, pp. 1–4, Toronto, Canada, 2011.

の速度応答について検証する。図 8 に大きい反り返りの動作時の速度応答を示す。緑色の部分は反り返り動作の期間

6. C. Y. Zheng and T. T. Yang, “Development of portable handcycle for children with cerebral palsy ― The Malaysianを表している。反り返り開始から 15.5 秒ほどまで速度が増加していることから，安全に反り返り動作を開始していscenario: Wheelchair propulsion motion,” Proceedings of 2017
IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference, pp.

るということが伺える。また，15.5 秒からは速度が減少していることから，徐々に減速して停止を試みているという

873–877, 2017.
7. N. Motoi, T. Shimono, R. Kubo and A. Kawamura, “Task

様子が伺える。このことから，反り返り動作中の可変コン
プライアンス制御が有効に機能しているということが確

Realization by a Force-Based Variable Compliance Controller
for Flexible Motion Control Systems,” IEEE Transactions on

認された。しかしながら，反り返り動作の期間中に速度が0 まで減速せず，姿勢保持に移行してから 0 に収束してしIndustrial Electronics, Vol. 61, No. 2, pp. 1009-1021, February
2014.

まったため，急な減速となってしまっていることも確認さ
れた。

４．

and

8. T. Murakami, F. Yu, and K. Ohnishi, “Torque Sensorless
Control in Multi degree-of-freedom Manipulator,” IEEE

考察及び今後の展望Transactions on Industrial Electronics, Vol. 40, No. 2, pp.
259–265, 1993.

今回の実験では，力に応じて姿勢の保持と姿勢の変化を切り替えるという機能的な部分については有効に動作し

9. K. Ohnishi, M. Shibata, and T. Murakami, “Motion Control
for Advanced Mechatronics,” IEEE/ASME Transactions onているという知見が得られた。しかし，反り返り動作時において姿勢の保持に移行する前に十分に減速せず，急な減

Mechatronics, Vol. 1, No. 1. pp. 56–67, 1996.
10. N. Togashi, S. Shimono, T. Nozaki, T. Shibata, Y. Aoyama,

速になってしまっていることも確認された。この現象については，姿勢の保持と姿勢の変化の間に制御の連続性がな

and Y. Kitahashi, “Development of Three-axis Seating Posture
Holding Assist Chair and Proposed Variable Compliance

いために引き起こされてしまっていると考えられる。したがって，姿勢の保持と姿勢の変化を連続して行うことが可Control,” Proceedings of International Conference
Mechatronics, ICM2019, Vol. 1, pp. 455—460, 2019.

能なコンプライアンス制御の提案が今後必要となる。
今後の展望としては，リクライニングの運動制御の改善

77

on

KISTEC研究報告2019（2019.7）

磁気ギアードリニアモータの開発
下野

１．

誠通、浅井

はじめに

昨今，機械式ギアの代替となる駆動力増幅機構として非接触での動力伝達が可能な磁気ギアが注目を浴びている。
永久磁石同士の引力・斥力によって動力が伝達される磁気ギアは従来の機械式ギアに比べ，低騒音・低振動・メンテ
図 1. 磁気ギアードリニアモータ[6]ナンスフリーといった特徴を持つ[1]。また過剰な負荷が印加された際はギアの内部で空転が発生するため，システム全体を保護するトルクリミッタとしての役割を果たすことも可能である。このような永久磁石を用いた磁気ギアに永久磁石型同期モータを一体化させた磁気ギアードモー
タと呼ばれるシステムも提案されている。互いの永久磁石が共通要素として構成されており，モータと磁気ギアを個別に用いる場合に比べ部品点数の削減やシステム全体の小型化が可能である[2]。先行研究ではラジアル型やアキシ
ャル型の磁気ギア[3]や，リニアモータを組み合わせた磁気
ギアードリニアモータ[4]などが提案されている。

２．

磁気ギアードリニアモータの構造・原理

図 2. 磁気ギアードリニアモータ CAD 図[6]

そこで本研究では，直動型磁気ギアに三相同期モータを組み合わせた磁気ギアードリニアモータを開発した[5][6]。
磁気ギアードリニアモータの実機および CAD 図をそれぞ表 1. 磁気ギアードリニアモータのパラメータ[6]Permanent magnets

Outer/Inner

Material

Neodymium N40SH

Inner diameter [mm]31.0/11.0側(高速側)永久磁石，ポールピース，内側(低速側)永久磁石で構成されており，3 相コイルと高速側永久磁石がリニア

Outer diameter [mm]45.0/0.00

Thickness [mm]20.0/3.75

モータを，高速側永久磁石，ポールピース，低速側永久磁
石が磁気ギアを構築している。磁石はいずれも軸方向に磁Pole piece

れ図 1 および図 2 に示す。また構造パラメータを表 1 に示す。磁気ギアードリニアモータはそれぞれ 3 相コイル，外化されており，同極同士で接合することで接合部に径方向の磁束が集中する構造となっている。
リニアモータ部では，コイルに印加された 3 相交流と径方向への磁束が鎖交することによって高速側永久磁石にMaterial

Steel S45C

Inner diameter [mm]15.0Outer diameter [mm]28.0

Thickness [mm]3.16

Coil windings

軸方向への推力が生成される。磁気ギア部は，永久磁石による磁束がポールピースによって変調されることで内外磁石が同期し，推力が伝達・増幅される原理となっている。
そのためこのモータは，磁気ギアによって増幅されたリニMaterial

CopperNumber of turns[/slot]

40

Magnetic gear

アモータの推力を低速側永久磁石から出力として得られる構造となっており，従来のリニアモータに比べ推力密度の増加が期待できる。ここで高速側磁石極対数を Nh，低速側磁石極対数を Nl とするとポールピース極数 Npp および磁気ギアによるギア比 Gr はそれぞれ式(1)および式(2)から定められる。
𝑁𝑁𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝑁𝑁𝑙𝑙± 𝑁𝑁ℎ ……………………………(1)
𝐺𝐺𝑟𝑟 = ∓ 𝑁𝑁𝑙𝑙 ⁄𝑁𝑁ℎ ……………………………(2)78

Number of pole pairs forhigh speed mover3

Number of pole pairs forlow speed mover16

Number of pole pairs forpole piece

19

Gear ratio

-5.33

洋

【研究開発部】力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット

図 3. 高速側永久磁石による磁束密度のスペクトル[6]図 5. 低速側永久磁石による磁束密度のスペクトル[6]図 4. 高速側永久磁石による変調後磁束密度のスペクトル[6]図 6. 低速側永久磁石による変調後磁束密度のスペクトル[6]なお負のギア比は高速側と低速側が互いに反対方向へ駆を目的とした構造の検討も行われている[7]。また周期動することを意味する。

120mm に対する低速側永久磁石による磁束密度分布のス
ペクトル分析結果を図 5 に示す。この結果から図 4 の変調

３．

本章では磁気ギアードリニアモータの電磁界解析を行

後磁束密度と同様に 16 次の成分を有することが分かる。
以上から,高速側永久磁石による磁束密度分布がポールピ

い，磁気ギア部の原理検証や最大伝達推力およびコギング力の導出を行う。

ースによって低速側永久磁石と同一の周期を有する磁束密度分布へと変調されていることが確認できる。さらに低前章にて述べた通り，磁気ギアにおけるポールピースは磁束の周期を変調し高速側および低速側の永久磁石を同速側永久磁石によって生成された磁束密度の変調後のスペクトル分析結果を図 6 に示す。この結果においても同様期させる役割を持つ。そこでポールピースによる磁束の変調を確認するため電磁界解析ソフト JMAG Designer によに高速側極対数である Nh =3 次の高調波成分が生成されている。以上から高速側から低速側，または低速側から高速る有限要素解析を行った。図 3 は周期 120mm に対する高速側永久磁石による磁束密度分布のスペクトル分析結果側のどちらの場合であっても同一の周期を有する分布へと変調されていることが分かる。

を示す。なお周期 120mm は高速側 1 磁極対 40mm と低速
側 1 磁極対 7.50mm の最小公倍数である。この結果から高また電磁界解析から磁気ギア部における最大伝達推力を導出する。最大伝達推力とは磁気ギアが伝達可能な力の速側極対数として設計した Nh =3 次の高調波成分が生成されていることが確認できる。これらの磁束密度は Npp=19

最大値であり，最大伝達推力以上の力が印加された場合は可動部が空転する。最大伝達推力は高速側可動子(永久磁

次のポールピースによって異なるスペクトルを有する磁束密度へと変調される。変調後の磁束密度のスペクトル分石)を固定した状態で低速側可動子(永久磁石)を移動させることで空転状態を解析上で再現し，発生する磁気吸引力

析結果を図 4 に示す。この結果から低速側極対数として設計した Nl=16 次の高調波成分へと変調されていることがの最大値を解析することで明らかになる。これら空転状態
を電磁界解析上で再現した際のポールピース，高速側可動確認できる。なお同様に生成されている 22 次成分は，式(1)における Nh =3 および Npp=19 での Nl の別解である。一子，低速側可動子に発生する力を図 7 に示す。この結果か
ら，設計した磁気ギアードリニアモータにおける最大伝達

般に磁気ギアでは非同期の高調波磁束によって磁石に渦電流が発生することが知られており,渦電流損失の低減

推力は 77.1N であることが確認された。
さらに磁気ギア部におけるコギング力を電磁界解析か

電磁界解析

79

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 9. 磁気ギアードリニアモータの推力特性試験結果[6]図 7. 空転時における磁気吸引力の変動[5]図 10. 電流印加時の位置応答値

る推力特性試験を行う。実験ではコイルに三相交流を印加し，両可動子に発生する推力をロードセルを用いて測定している。実効値 0.7A から 0.1A 毎に測定した推力を図 9 に示す。図 9 から高速側可動子の推力定数は 17.0N/A，低速
側可動子の推力定数は 84.6N/A となっており，リニアモータ部の出力が磁気ギアによって増幅されていることが確認できる。一方，両者の比率は 4.97 であり設計したギア比である 5.33 とは 6.75%の誤差が発生している。この誤差の主要因は前章にて述べたコギング力であり，特に高速側可

図 8. 無負荷時における磁気吸引力の変動[5]動子の推力定数である 17.0N/A に対しコギング力 8.17N の割合は非常に大きい。図 9 におけるエラーバーは推力計測

ら導出する。コギングとは磁石と磁性体間で働く吸引力による力の脈動現象であり，その原理から従来の機械式ギアでは発生しない。また磁気ギアではコギング力は低速側極値の最大値および最小値を示しており，高速側では特に変動が大きいことが分かる。

数とポールピース極数の最小公倍数が大きいほど小さくなることが知られている。コギング力は高速側可動子と低また図 10 はコイルに実効値 1.1A を印加した際の両可動子の位置応答値の変化を示す。実験開始から 5.5 秒後に速側可動子を互いに磁気的に安定な位置関係を保った状
態で駆動させることで無負荷状態を再現し，発生する力の脈動を解析することで明らかになる。これら無負荷状態を電磁界解析上で再現した際のポールピース,高速側可動子，
低速側可動子に発生する力を図 8 に示す。この結果から，設計した磁気ギア部におけるコギング力は高速側可動子

電流を印加しており，それに伴い両可動子が移動している。
両可動子の位置変動の比率は 5.59 であり，設計したギア比である 5.33 とは 4.88%の誤差が発生している。こちらに関しても同様にコギング力が誤差の主要因であることが予想される。

では 8.17N，低速側可動子では 5.27N であることが確認された。

５．

結論および今後の展望

本研究では磁束変調型磁気ギアにリニアモータを組み

４．

実機実験

合わせた磁気ギアードリニアモータを設計・開発した。本項では電磁界解析用の 3 次元モデルや実機をもとに磁気

本章では図 1 の磁気ギアードリニアモータ実機におけ80

【研究開発部】力を感じる医療・福祉介護次世代ロボット

ギアードリニアモータの原理実証および特性試験を行っmarine energy,” IET Renewable Power Generation, Vol. 12,

た。これらの結果から，開発した磁気ギアードリニアモー
タが概ね設計ギア比通りに動作することを確認した。今後

Issue. 2, pp. 174-181, 2018.
4. S. Niu, S. L. Ho, and W. N. Fu: “Performance Analysis of aの展望としては，コギング力の主要因となる非同期高調波
磁束を対象とした各種検討を行っていく。

Novel Magnetic-geared Tubular Linear Permanent Magnet
Machine,” IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 47, No. 10, pp.

【参考文献】

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ニクス制御研究会資料, MEC-17-003, pp. 13-16, 2017 年.

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pp. 130-134, 2009 年.

81

KISTEC研究報告2019（2019.7）

業績

【原著論文】

ＮＵ研究イノベーション・シンポジウム 2018, 2018 年 11

1. M.K.C.D. Chinthaka and T. Shimono, “Inertia Compensationof Motion Copying System for Dexterous Object Handling,”

月, 横浜

IEEJ Journal of Industry Applications, 7, 6, 495-505 (2018).

3. 下野誠通，“リアルハプティクスの医療機器応用”，
医療機器開発支援セミナー, 2018 年 12 月, 横浜

2. K. Ogawa, M. Yousef Ibrahim, and K. Ohnishi,“Development of Flexible Haptic Forceps Based on the

4. 大西公平，“リアルハプティクス技術を用いた外科支Electro-Hydraulic Transmission System,” IEEE Transactions
on Industrial Informatics, 14, 12, 5256-5267 (2018).

援手術ロボット”，
第 11 回日本ロボット外科学会学術集会,

2019 年 1 月, 名古屋

3. H. Asai, T. Shimono, Y. Fujimoto, T. Mizoguchi, and K.

5. K. Ohnishi, “Haptics-Led Innovation,” The IEEE 20thOhnishi, “Mathematical Modeling of Semicircular Linear
Motor Based on Vector Potential with Landen'sInternational Conference On Industrial Technology, ICIT2019,2019 年 2 月, オーストラリア

Transformation,” IEEE Transactions on Industry Applications,55, 1, 437-447 (2019).

【口頭発表】

4. H. Asai, T. Shimono, and T. Mizoguchi, “Disturbance

1. Y. Hatta and T. Shimono, “Analysis of Interior Permanent
Magnet Two Degrees of Freedom Motor Based onModeling based on Fourier Series for Precise Reaction Force
Estimation in Semicircular Linear Motor,” IEEJ Journal of

Cross-Coupled Structure,” The 2018 International PowerElectronics Conference, IPEC2018, 2018 年 5 月, 新潟

Industry Applications, 8, 3, 512-521 (2019).
2. N. Inamura, T. Shimono, T. Mizoguchi, T. Nozaki, S. Ishii
5. S. Nagai, R. Oboe, T. Shimono, and A. Kawamura, “FastForce Control without Force Sensor Using Combination ofand K. Ohnishi, “Improvement of Supporting Robot for
Lower Limb and Evaluation of Output Force in Vertical

aaKF and RFOB for In-circuit Test with Probing System,” IEEJ
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1. さがみロボット産業特区 かながわロボタウン, 神奈川

SAMCON2019，2019 年 3 月, 千葉

県庁, 辻堂テラスモール, 2018 年 11 月 23 日～25 日

8. M. Aoki, T. Shimono, T. Matsunaga, T. Mizoguchi, S. Shibao,
H. Sasaki, M. Nishimoto, E. Ishihara, and K. Ohnishi,

2. 健康未来 EXPO2019, ポートメッセなごや, 2019 年 3 月
30 日～4 月 7 日“Utility Consideration of Haptic Forceps for Brain Surgery,”The IEEJ International Workshop on Sensing, Actuation,【記者発表・取材】

Motion Control, and Optimization 2019, SAMCON2019,2019 年 3 月, 千葉

1. 日刊工業社電子版, ロボ実用化へ連携呼びかけ
KISTEC が「未来医療シンポ」, 2019 年 3 月 8 日

9. M.K.C.D. Chinthaka, and T. Shimono, “Adaptability【その他】

Improvement of Handling Object based Inertia Variation in
Multi DOF Motion Copying System,” The IEEJ International

1. ものづくりライフイノベーション・シンポジウム 2018,
ポスター展示, 2018 年 6 月 27 日

Workshop on Sensing, Actuation, Motion Control, andOptimization 2019, SAMCON2019，2019 年 3 月, 千葉

2. かながわ福祉介護ロボットコンソーシアム

マッチン

グセミナー2018, 主催, KSP 西棟 7 階 709 号室, 2018

年 12 月 12 日

10. T. Matsunaga, T. Shimono, and K. Ohnishi, “Developmentof Multi Degree of Freedom Haptic Forceps Robot with
Multi Actuated Fingers,” The IEEJ International Workshop

3. 第 2 回未来医療ロボット技術シンポジウム, 共催, 2019

on Sensing, Actuation, Motion Control, and Optimization
2019, SAMCON2019，2019 年 3 月, 千葉

年3月1日

11. T. Mizoguchi, G. Kokubun, N.Yamaguchi, T. Shimono,and K. Ohnishi, “Experimental Study on Bilateral Control

4. KISTEC 教育講座「モーションコントロールの基礎」開講, 2019 年 3 月 7 日、8 日

System under Different Wireless Communication Methods,”
IEEE International Conference on Mechatronics, ICM2019,【特許】

2019 年 3 月, ドイツ

国際特許出願2件

国内特許出願1件

12. N. Togashi, S. Shimono, T. Nozaki, T. Shibata, Y. Aoyama,
And Y. Kitahashi, “Development of Three-axis Seating
Posture Holding Assist Chair and Proposed Variable
Compliance Control,” IEEE International Conference on【受賞】
1. 松永卓也，
一般財団法人 FA 財団 平成 30 年度 論文賞，

Mechatronics, ICM2019，2019 年 3 月, ドイツ

2018 年 12 月 14 日

13. 曽根田千夏, 佐久間昴輝, 浅井洋, 下野誠通,
大西公平，“積層型アキシャルモータの特性解析”，平

2. T. Matsunaga, T. Shimono, and K. Ohnishi, IEEJSAMCON2019, Outstanding Paper Award

成 30 年電気学会産業応用部門大会, 2018 年 8 月，横浜
14. 松永卓也, 下野誠通, 大西公平，“異構造力触覚装置で構成した動作再現システムにおけるスケーリングを用いた力触覚情報加工の一手法”，平成 30 年電気学会産業応用部門大会, 2018 年 8 月，横浜

83

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

革新的高信頼性セラミックス創製プロジェクト
プロジェクトリーダー

多々見純一【基本構想】
本プロジェクトは、平成 25 年 4 月より実施した戦略的研究シーズ育成事業の成果をさらに展開し、革新的な機能と信頼性を有するセラミックス材料を創製し、これを低炭素社会の実現に大きく貢献する分野を中
心に応用展開することを目的としたものである。具体的には、○高効率高出力 LED 照明の社会実装を推進するための透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の開発、○自動車やスマートグリッドなどで利用される大電流電力変換用パワーモジュールを実現するための高熱伝導性配向材料の開発、および、これらを含めた各種セラミックスの機械的信頼性の向上するための○材料のメソスケール破壊特性評価法と○光コヒーレンストモグラフィーによるセラミックス内部構造形成過程のリアルタイム３次元観察法の確立と広範な実部材への適用に関する研究を進める。本研究で得られる成果は、エネルギー供給に伴う温室効果ガスの発生の抑制とともに、分散型
エネルギーシステムの推進に大きく貢献すると期待される。

１．

平成 30 年度の研究目的

電池、フィルター、断熱材、風力発電、医療など非常にク体開発のための冷間静水圧加圧装置を導入した成形条
件の最適化、粉体プロセスの高度化について引き続き検討

広範な分野を支えるセラミックス材料が開発されているが、これらを実用化するためには、機能と機械的信頼性のを進め、黄色に発光するセラミックスバルク体の透光性向上について検討した。さらに、高熱伝導率マトリックスと両立が重要である。本プロジェクトは、革新的で高い機械的信頼性を有するセラミックスを創製することを目的としての AlN セラミックスの透光性向上、および、低融点ガ
ラスをマトリックスとした蛍光体粒子分散ガラスの開発

して、プロジェクト 2 年目となる平成 30 年度は、以下の各項目を重点項目として研究開発を進めた。

も進めた。

(1) 透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の開発
照明の LED 化は、神奈川県地球温暖化対策計画（2016年 10 月改訂）にあるように低炭素社会実現のために有効な手段であることは言うまでもない。また、2016 年 5 月に閣議決定された地球温暖化対策計画においても、LED 等の高効率照明を 2030 年までにストックで 100％普及することを目指すこととなっている。現在、白熱電球や蛍光灯の代替として LED 照明が普及しつつあるが、高出力 LED 照明は普及が十分に進んでいるとはいえない。現在の最も典型的な LED 照明では、UV、紫色あるいは青色 LED を励起光源として、これに樹脂に分散させたサイアロン蛍光体からの赤や緑、黄色の発光を併せて白色を実現している。LED

図 1 本研究で研究を進める透明蛍光サイアロンセラミックスバ
ルク体の概念図

照明においては、励起光源から発生した熱や光に起因した樹脂の劣化により光束減少が生じて寿命となる。特に、高(2) 低磁場中成形法による高熱伝導配向材料の開発

天井用照明や屋外インフラ用照明、スタジアムなどの投光器、大型プロジェクターなどの高出力 LED 照明の発熱量はパワー半導体は、低炭素社会を実現するためのキーとなる電力変換素子として、家電などから HV・EV やパワート
レインなどの車両、さらには再生可能エネルギーを利用し大きく樹脂の劣化は顕著であり、蛍光体関連部材の耐久性の欠如が高出力 LED 照明の社会実装のボトルネックとなたスマートグリッドのためのインフラまで多岐にわたり応用が期待されている。特に、自動車関連のパワーデバイっていた。これを解決するためには、耐熱性の高いセラミックスを利用することが極めて有効である。

スは CO2 削減効果とともに市場も大きい分野である。このような SiC や GaN パワー半導体デバイスを実現するために

平成 30 年度は、透明蛍光サイアロンセラミックスバル

85

KISTEC研究報告2019（2019.7）

は、それを構成する材料の高度化が克服すべき課題である。

験を行い、マイクロカンチレバー試験片の寸法や材料の結

このうち、パワーチップについては多数の企業、大学、研究機関などにおいて研究開発が活発になされている。一方、晶性とメソスケール力学特性の相関を明らかにすることを目的とした。また、多孔質 SiC に関しては、メソスケー

周辺技術、特に樹脂や絶縁セラミックスなどの耐熱サーマ
ルマネジメントに必要な高熱伝導材料の開発は進展してル破壊特性とバルク体の強度の相関についても検討した。

いないのが現状である。
平成 30 年度は、グラフェン被覆した種粒子の低磁場・(4)光コヒーレンストモグラフィーによるセラミッ
クスの構造形成過程のリアルタイム３次元観察

静磁場による c 軸配向セラミックスの作製のキーポイン
トなるグラフェンの結晶性向上を目指して、その基礎的知

セラミックスの各種機能はその構造に強く依存することから、優れた特性と高い信頼性を有するセラミックスを見となるグラフェンの高せん断場下における層間剥離と破壊に関する研究を行った。

開発するためには、内部構造の理解と制御に関する知見を得なければならない。セラミックスの内部構造は、原料粉体からスラリー、成形体、焼結体に至るまでプロセス中に大きく変化することが知られており、その内部構造の形成過程を観察することが重要である。これまでに、光学顕微
鏡、X 線 CT などの手法でこれらの内部構造観察が行われてきたが、製造プロセス中に３次元的に刻々と変化する構造を観察できる手法がなく、内部構造の形成過程に関する知見は十分ではなかった。光コヒーレンストモグラフィー（OCT）は、光の干渉を利用して内部構造の観察が可能な手法であり、他の内部構造観察手法と比較して、３次元、非破壊、高速、安価、高分解能と高い優位性を有している。

図 2 グラフェン被覆粒子を用いた低磁場配向プロセス

平成 30 年度は、OCT によるセラミックススラリー、成形体、焼結体の内部構造観察手法の確立を目指して、乾式(3) メソスケール破壊特性評価法の確立と高信頼性材料設計の研究

成形過程、脱脂過程、焼結過程、スラリーへのせん断場印
加時の内部構造のその場観察を進めた。

環境エネルギー分野や安心・安全な社会を支える重要な
各種構造用セラミックスや機能性セラミックスの研究開発が進められている。これらの材料は社会実装が近づくに

表 1 光コヒーレンスと他の観察手法の比較

つれて、機械的信頼性の向上や耐久性の確保への要求が高まっているが、現時点で、高信頼性化のための材料設計やその基礎となる破壊現象の理解は十分なされていなかった。セラミックスの破壊の素過程はこれを構成する要素の破壊である。従って、セラミックスの機械的信頼性や耐久性は、結晶粒子や粒界といった構成要素と同程度のサブµmから数十µm スケールの領域、すなわち、メソスケールでの破壊特性に支配される。しかし、その実測データはなく
高信頼性材料の設計と創製の足かせとなっていた。これまでに研究を進めてきたマイクロカンチレバー法によるメ
ソスケール破壊特性評価法の確立を目指した研究を行う。
平成 30 年度は、単結晶 Si および各種 SiC を試料として

図 4 光コヒーレンストモグラフィーの概略図

用いてマイクロカンチレバー試験片を加工し、この破壊試

図 3 メソスケール破壊特性評価法の確立と高信頼性材料設計の研究の概念図86

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

2．

平成 30 年度の研究成果

これまでに、焼結過程、乾式成形過程、脱脂過程、スラ

以下に挙げるのは、平成 30 年度の具体的な研究成果である。

リーの混合過程など、従来の手法で観察することの難しかった内部構造の動的変化を、OCT を用いて観察することに(1) 透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の開発成功した。特に、レオメーターにてせん断場を印加しながらスラリー中の粒子集合構造を観察することができた。こ平成 29 年度に導入した冷間静水圧加圧装置による成形条件の最適化を軸に粉体プロセスの高度化を進めた。そのれらの像の意味を明確にするために、X 線 CT や超音波顕微鏡を利用した研究を進めている。

結果、圧力 1000MPa、１０回くり返し加圧処理を行うこと
で、相対密度が 70%を超える成形体の作製に成功した。蛍3.

光体粒子分散型サイアロンセラミックスの透光性向上のために、蛍光体粒子への造孔材被覆を行った。その結果、以上の平成 30 年度の成果を踏まえ、引き続き革新的高信頼性セラミックスの研究開発を進めていく。具体的な予HIP 処理後の透光性は、造孔材無添加と比較して、造孔材を添加した試料の方が高くなることを見いだした。また、定は以下の通りである。

赤色蛍光体である CaAlSiN3 を分散させるマトリックスとして AlN セラミックスの透光性向上に関する研究を進め(1) 透明蛍光サイアロンセラミックスバルク体の開発たところ、焼結助剤の種類と添加量と HIP 処理条件を最適化すると、透光性が向上することを明らかにした。窒化物

これまでに得られた知見を活かして、各種発光色のサイ
アロンセラミックスバルク体開発の実験を KISTEC 関連

蛍光体粒子分散複合材料を低温で実現させるためにリン酸塩系ガラスをマトリックスとした実験を行い、５００℃

部署と連携して進めていく。また、海老名本所４階研究室
導入した冷間静水圧加圧装置を活用して、透明化のキーとにて黄色発光可能な材料の開発に成功した。

なる成形体の高密度・均質化、および、新規プロセスの開発を進める。さらには、平成 30 年度に開発した透明蛍光(2) 低磁場中成形法による高熱伝導配向材料の開発

サイアロンセラミックス、窒化物蛍光体粒子を分散した
AlN セラミックス、ガラスセラミックスなどの高出力照明

グラフェン被覆による Si3N4 セラミックス低磁場配向に

今後の予定

おいて、種粒子に被覆したグラフェンの結晶性の低下は配向挙動に影響を及ぼすと考えられる。そこで、これまで機への搭載をめざす。

械的複合化処理装置にて一度に行っていたグラフェン被覆プロセスを、グラフェンの剥離、粉砕、被覆の各過程に(2)低磁場中成形法による高熱伝導配向材料の開発

分けて個別に再検討することとした。これまでに、高せん
断場を利用した液中プロセスにて、多層グラフェンを外径指して、グラフェンの剥離、粉砕、被覆の各過程に分けた検討を進め、グラフェン被覆粒子の低磁場配向挙動の基礎は変化させずに剥離させることに成功している。さらに、
OCT により１個粒子の磁場配向挙動を観察し、その粒子学理を構築する。

の磁化率異方性の実測に成功した。この結果に基づいて、被覆したグラフェンの結晶性と磁化率異方性の相関が解(3)メソスケール破壊特性評価法の確立と高信頼性材料設計の研究

明可能になると考えられる。

ラウンドロビン試験の結果をまとめ、課題を抽出する。
また、必要に応じて、ラウンドロビン試験を行う機関を増(3) メソスケール破壊特性評価法の確立と高信頼性材料設計の研究やして、より精度の高い計測法として確立するための検討を行う。各種セラミックス、単結晶、コーティング材料を

これまでにマイクロカンチレバー試験片で評価した単結晶シリコンに対して、さらに微小な試験片により機械的対象としたマイクロカンチレバー試験を行うと共に、実材料の使用環境を念頭に置いた雰囲気の影響についても検特性評価を行い、理論強度に近い値を示すことを見いだした。荷重印加後の試験片の TEM 観察を行ったところ、曲げ討する。

応力下にて単結晶シリコンに転位の発生・運動に起因した塑性変形が生じていることを明らかにした。また、昨年度(4)光コヒーレンストモグラフィーによるセラミッ
クスの構造形成過程のリアルタイム３次元観察に引き続きラウンドロビン試験について、新たに試験片を作製して実施した。さらに、CVD 法により SiC コーティン

X 線 CT 等と比較しながら、OCT により得られる像の意
味を明らかにする。特に、画像処理は有効なツールであり、グを作製し、これにマイクロカンチレバー試験片を作製して機械的特性を実測した。単結晶 SiC の機械的特性も同様

平成 30 年度に導入した画像処理ソフトウェアを利用して、同一視野観察を通じて得た教師画像セットによる機械学に測定し、微小な試験片では極めて高い強度を示すことを明らかにした。

習などを進め、各種物質・材料に展開することで OCT 像
データベースの構築を進めていく。

確実な低磁場中成形による配向材料作製プロセスを目(4) 光コヒーレンストモグラフィーによるセラミッ
クスの構造形成過程のリアルタイム３次元観察

87

KISTEC研究報告2019（2019.7）

窒化物蛍光体粒子分散透明バルク体の開発
高橋

１．

拓実、李

頴、高橋

絵美、多々見 純一、横内

正洋

はじめに

新しい照明用光源である白色 LED は、小型照明用途で我々の生活の中で非常に身近な存在となった。小型 LED
照明の製品寿命は長いため、今後、市場規模は縮小方向にいくと予測されているが、車のヘッドライトや、スタジア
ムやプロジェクションマッピングといった大規模光源に利用されるような、高出力 LED の需要は近年急増している 1)。図 1 は、従来の白色 LED の構造である 2)。白色 LED
は、白色光を構成するための蛍光粉体とそれを固定するた

図 1 従来の白色 LED の構造

めの樹脂、および蛍光体を光らせるための励起光源からなる。白色光を構成する蛍光色の組み合わせは、三原色（青＋赤＋緑）と青＋黄の 2 パターンがある。ハイパワー白色
LED の場合、蛍光粉体を固定する樹脂の熱伝導性、耐熱性が低いため、高出力化に伴う発熱で樹脂が劣化し、デバイスが故障することが問題である。したがって、樹脂を使わない構造ができれば、ハイパワーLED の長寿命化が期待できる。樹脂フリー化のためには、図 2 に示すように、蛍図 2 透明蛍光バルクセラミックスを採用した

光体そのものを透明なバルクセラミックスして、組み合わせれば良い。既報の透明蛍光バルクセラミックスとしては、

ハイパワーLED の構造

黄色蛍光体として知られる Ce3+賦活 YAG セラミックスがある 3)。Ce3+賦活 YAG セラミックスは、室温では優れた蛍光特性をもつものの、温度依存性が強く、高温になると発光強度が劇的に低下する問題がある 4)。そこで我々は、機械的強度に優れ、励起光である紫外光や青色光を照射しても変性しない高耐久性をもつ SiAlON 系蛍光体に着目した。
SiAlON 系蛍光体は、物質材料研究機構（NIMS）で精力的に研究開発されている窒化物系蛍光体 5-11)であり、温度上昇による発光強度の低下が少なく、母体となる結晶と賦活イオンの組み合わせで様々な発光色を実現できる特長を有する。他方、SiAlON 自体は、窒化ケイ素（Si3N4）の置換型固溶体で、基本物性も類似（高屈折率（約 2.2）で、

図 3 蛍光体粒子分散型 SiAlON バルク体の一例
a, b：Ca-α SiAlON:Eu2+/ Ca-α SiAlON

自己拡散係数が小さい難焼結物質）する典型的なエンジニ
アリングセラミックスである。したがって、SiAlON を透

c, d：β-SiAlON:Eu2+/ Y-α SiAlON

明化するためには、適切な材料設計はもちろん、主たる散乱源である気孔の生成を極力低減しつつ、粒成長を抑制し自身の解決すべき課題をいくつか内包している。
一つは、透明性のさらなる向上である。励起光が蛍光体粒子に効率的に照射されるためには、マトリックス部でのうる高度なプロセス制御が不可欠である。こうした観点か
ら、当プロジェクトではこれまで、青、青緑、緑、黄、赤

散乱が極力排除されなければならない。このためには、焼成条件はもちろんのこと、成形体の内部構造の均質化と高の計 5 種類の全蛍光体型透明 SiAlON バルクセラミックスを開発した。また、白色 LED への応用を見据えて、より密度化が肝要である。これまで Y-α SiAlON を基軸に、原料組成と焼成温度を変数とした高透明化のための検討を

自由度の高い設計と熱伝導性を両立する蛍光体粒子分散型透明 SiAlON バルクセラミックスも開発（図 3）し、材進めてきた。その結果、焼結助剤の添加量が少なく、焼成温度が低いほど透過率は高く、最適条件では可視光域にお料の高度化も着実に進めることで、ハイパワーLED の短寿命化に直結する根本的問題を解決してきた。しかし、蛍ける全透過率は 60%以上に達した。表面反射率を考慮すれば、さらなる向上が期待できる。

光体粒子分散型透明 SiAlON バルクセラミックスは、材料

88

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

もう一つは、マトリックスの緻密化のための高温焼結に伴う蛍光体粒子の変質や劣化である。変質はマトリックスとの反応性やマトリックスの焼結収縮に起因した焼結応力が原因で、劣化は蛍光体自身の高温下での安定性が原因と考えられる。とりわけ、これまでの SiAlON マトリック
スでは、赤色蛍光体の CaAlSiN3:Eu2+（CASN）が高温で反応して変質することが問題だった。
これらの課題解決のために、本年度は異なる 3 つのマトリックス（SiAlON／AlN／ガラス）に対して、目的に応じた構造設計とプロセス制御を適用した。SiAlON マトリックスでは、さらなる高透明化を図るべく、成形体の内部構
図 4 成形体の相対密度と CIP 圧力の関係

造の均質化と高密度化を試みた。AlN は、SiAlON よりも圧倒的な高熱伝導率（> 150 W･m-1･K-1）を示すだけでなく、（繰り返し数：10 回）

高温でも CaAlSiN3:Eu2+と反応しないことを予備検討で明らかにした。そのため、SiAlON が適用できない蛍光体粒子を固定化し、高熱伝導性を発現しうるマトリックスとして期待できることから、透明 AlN セラミックスの作製を試みた。ガラスはセラミックスマトリックスよりも熱処理
温度が低く、蛍光体粒子の変質や劣化が回避できる一方、

図 5 各圧力で CIP 処理した成形体の HIP 焼成後の外観

自身の熱伝導率が低い（0.1 W･m-1･K-1 程度）ことが問題だった。しかし、蛍光体粒子と同様に、ガラスとの濡れ性が（厚さ 100 μm、両面鏡面研磨）

よい熱伝導性フィラーを同時に固定化できれば、SiAlON
マトリックスと同程度の高熱伝導率化が期待できる。そこ
でまず、低融点のリン酸塩系ガラス中に窒化物蛍光体粒子の固定化を試みた。

２． 実験と結果
２．１ SiAlON マトリックスの高透明化に資する成形／焼成条件の検討
成形体の内部構造の均質化と高密度化のために、最大1000 MPa の静水圧加圧成形（CIP）を適用した。モデル材料として、全蛍光体型の Ca-α SiAlON:Eu2+用の成形体（反応焼結させるため、α-Si3N4／AlN／CaCO3／Eu2O3 の混合

図 6 各圧力で CIP 処理した成形体の HIP 焼成後の内部構造（赤外線顕微鏡の透過モードで観察）

圧粉体）を用いた。CIP 処理の繰り返し数を 10 回とした時の成形体の相対密度と CIP 圧力の関係を図 4 に示す。図4 より、圧力が高いほど成形体の相対密度は向上し、最大で 70 %に達した。図 5 は、各圧力で CIP 処理した成形体の HIP 焼成後の外観（厚さ 100 μm、両面鏡面研磨）である。800 MPa 以上で CIP 処理した場合、良好な透明性が発現できていることがわかる。本試料の可視光域における全透過率は、従来の 200 MPa では 10 %程度だったが、800
MPa 以上では 50 %を超えた。また、図 5 の各試料の内部構造を赤外線顕微鏡の透過モードで観察した結果を図 6に示す。これより、良好な透明性を示した 800 MPa 以上の試料では、散乱源となる気孔（黒点）の数が劇的に低減さ

図 7 各種希土類酸化物を添加して作製した

れたことが明らかとなった。

AlN セラミックスの全透過率

２．２

AlN マトリックスの透明化

AlN は Si3N4 と同様、自己拡散係数が小さい難焼結物質

表 1 窒化物蛍光体粒子を 5 wt%添加したガラスの焼成温度と相対密度の関係である。そのため、各種希土類酸化物を焼結助剤として添加し、液相焼結にて高緻密化させる必要がある。添加した焼成温度 / ℃

500

600

700

酸化物は、冷却後に粒界第二相を形成し、微構造中に残留相対密度 / %

93.5

52.3

63.9

89

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 9 蛍光体粒子分散ガラスの励起蛍光スペクトル

図 8 蛍光体粒子分散ガラスの XRD プロファイル
する。このため、マトリックスである AlN 粒子と粒界第二が最も効率よく透過光を吸収し発光したと言える。実際の相の屈折率差が小さくなるよう、適切な焼結助剤を選択する必要がある。ここで、分極率が大きなより重い元素が含現象として試料は全方向に発光するのに対して、今回測定した透過モードでは試料の下側に発光した分しかカウン

まれる粒界第二相ほど屈折率が高くなると考えられる。図
7 は Y2O3、CaCO3、Lu2O3、Dy2O3、Gd2O3 を添加して作製トされないため上側に発光した分もカウントすればより正確な量子効率が分かるはずである。

した AlN セラミックスの可視光域における全透過率である。図 7 より、Gd2O3 を添加した AlN セラミックスの全透３．

過率が最も高くなった。Gd3+はこれらの希土類元素の中で最も電子分極率が大きく、粒界第二相として現れたアルミ

SiAlON マトリックスの高透明化では、より高い圧力での CIP 処理は成形体の高密度化に大きく寄与した。これ

ネートの屈折率が高いため、AlN 粒子との屈折率差が小さ
くなり、散乱が低減されたことに起因すると考えられる。

は、高圧の CIP 処理により、顆粒の崩壊と、これに起因した粒子の充填が促進されたためと考えられる。他方、成形考察と今後の展望

体の均質性は焼結体の均質性に直結する。図 6 で示されたように、今回用いた成形体に対しては 800 MPa 以上の CIP

２．３ ガラスマトリックスへの窒化物蛍光体粒子の固定化
低温で窒化物蛍光体粒子を固定化するためのマトリ処理が内部構造の均質化と高密度化に対して極めて有効に作用し、焼結時の高緻密化と粒成長制御の両立を実現しックスとして、市販のリン酸塩系ガラス（軟化点 380）を検討した。表 1 は、窒化物蛍光体粒子を 5 wt%添加したガた。しかしながら、CIP の効果は成形体の性状（構成粒子の形態や物性、粒子間の摩擦など）によって変動するため、ラスの焼成温度と相対密度の関係である。600℃以上では緻密化しなかったことから、焼成温度は 500℃に決定した。

原料粉体の調整と併せた統一的な制御が不可欠である。
AlN マトリックスの透明化は、焼結後の微構造形態を鑑

図 8 は、窒化物蛍光体粒子を各量で添加して作製したガラ
スの XRD プロファイルである。図 8 より、ガラスのみのみた構造設計の観点から、粒界第二相の高屈折率化を試みた。本アプローチでは想定通りの結果が得られているもの

試料はガラスに特有のピークを示していることが確認された。蛍光体粒子の添加量が 1 wt%の試料は、濃度が低いの、助剤の種類が変わることに起因した焼結メカニズムの解明は未達である。助剤の種類が変われば、当然、液相のためにガラスのピークと区別ができなかったが、5 および
10 wt%の試料は蛍光体のピークが確認された。本結果から、性質（生成温度や粘度）も変わるため、液相焼結挙動（緻
密化や粒成長）に直接的に影響を及ぼす。そこで今後は、窒化物蛍光体粒子がガラスと反応していないことが明らかとなった。各試料の励起蛍光スペクトルを図 9 に示す。

助剤の種類だけでなく、組成や微構造発達過程の調査も進め、さらなる高透明化を目指すとともに、蛍光体粒子分散

いずれも 430 nm にブロードなピークを持つ励起スペクト
ルと、540 nm 付近でのブロードな発光を示した。これは発の実験も進める。
ガラスマトリックスは、低融点ガラスを用いることによ

光中心となる 3 価のセリウムイオンの 4f-5d 遷移に起因したものと考えられる。いずれのスペクトルも同様であるこり、高温で変質してしまう窒化物蛍光体粒子の固定化という第一段階の目的を達成できた。今後は、ガラスマとリッとから、ガラス中でも窒化物蛍光体の発光特性が確認された。また、発光光量子数と透過光量子数から算出した内部

クスの熱伝導率の向上を目指し、高熱伝導性と蛍光性を共発現する窒化物蛍光体粒子透明バルク体の開発を進めて量子効率は原料の蛍光体が 88 %、蛍光体添加量 1 wt%のサンプルが 32 %、5 wt %のサンプルが 74 %、10 wt%のサいく。
なお、本研究に関連した内容で、2018 年 5 月から 2019

ンプルが 46 %となった。従って、高出力照明において透過モードで光を取り出す場合においては、作製した試料の年 5 月までの期間において、国立研究開発法人新エネルギ
ー・産業技術総合開発機構（NEDO） の委託業務「エネル中ではガラスに対して窒化物蛍光体を 5 wt%添加した試料

ギー・環境新技術先導プログラム」を受けた。記して感謝

90

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製の意を表す。

【参考文献】
1. LED 照明推進協議会, JLEDS Technical Report, 2 (2008)
2. 別所 誠, 清水 恵一, 東芝レビュー, 65 [7], (2010)
3. G. Blasse, A. Bril, App. Phys. Lett., 11 [2], (1967) 53
4. 多田 尚史, 本越 伸二, 本田 能之, 實野 孝久, 藤岡
加奈, 吉田 実, レーザー研究, 38 [5], (2010) 382-385
5. R.J. Xie, M. Mitomo, K. Uheda, F.F. Xu, Y. Akimune, J. Am.
Ceram. Soc., 85 (2002) 1229-1234
6. R.J. Xie., N. Hirosaki, M. Mitomo, Y. Yamamoto, T. Suehiro,
K. Sakuma, J. Phys. Chem., B108 (2004) 12027-1203
7. K. Sakuma, K. Omichi, N. Kimura, M. Ohashi, D. Tanaka, N.
Hirosaki, Y. Yamamoto, R.J. Xie, T. Suehiro, Opt. Lett. 29 (2004)
2001-2003
8. R.J. Xie., N. Hirosaki, M. Mitomo, K. Sakuma, N. Kimura,App. Phys. Lett. 89 (2006) 241103
9. K. Uheda, N. Hirosaki, Y. Yamamoto, A. Naito, T. Nakajima,
H. Yamamoto, Electrochem. Solid-State
Lett., 9, (2006) H22-25
10. K. Uheda, N. Hirosaki, H. Yamamoto, phys. Stat. sol. (a) 203[11], (2006) 2712-2717
11. N. Hirosaki, R.J. Xie, K. Kimoto, T. Sekiguchi, Y. Yamamoto,T. Suehiro, M. Mitomo, App. Phys. Lett. 86 (2005) 211905

91

KISTEC研究報告2019（2019.7）

多層グラフェンの形態制御と複合粒子の磁化率異方性評価
高橋１．

拓実、多々見純一

はじめに

我々はこれまで、異方性形状を有する粒子（例えば、図1（A）の柱状の β-Si3N4 粒子）の側部に巨大磁気異方性をもつ多層グラフェン（図 1（B））を被覆することで、ネオジム磁石級の低磁場かつ静磁場印加で粒子を配向制御する技術を開発した。本技術では、磁場配向性を決定する
重要因子として、多層グラフェンの結晶性と被覆形態の制御が肝要である。そこで、これまで乾式粒子複合化装置にて一度に行っていたグラフェン被覆プロセスを、グラフェ
ンの剥離、粉砕、被覆の各過程に分けて個別に検討を行い、多層グラフェンに対する粉砕・解砕処理が結晶性に与える影響を検討した。

２． 実験と結果
２．１ 処理方法による粉砕・解砕効果の検証

図 1 各原料粉体と機械的処理後の複合粒子の形態

多層グラフェンに対する粉砕・解砕処理がその結晶性と配向性に与える影響を検討するために、回転ディスクミル、（A）β-Si3N4 種粒子（B）多層グラフェン（C）多層グラフェン被覆 β-Si3N4 粒子

ボールミル、乾式粒子複合化装置を用いた。回転ディスク
ミル（Disperizer、新東工業（株）製）は、高速回転する
ディスクと固定ディスクの僅かな隙間にスラリーを連続的に投入し、粒子間にせん断場を作用させて凝集を解す装置であり、積層したグラフェンを効率的かつ結晶性を維持した状態で剥離することが期待される。また、乾式粒子複合化装置（ノビルタ、ホソカワミクロン（株））は、高速回転するブレードと円筒型容器の僅かな隙間に侵入した粒子に圧密せん断場を作用させる装置で、回転ディスクミ
ルに近い効果が得られるものと考えられる。
図 2 は、機械的な各手法で粉砕・解砕処理した多層グラ
フェン粉体の形態である。図 2（B）より、回転ディスク
ミルで処理した場合、処理前（図 2（A））と比べると薄片化傾向がみられた。一方、ボールミル（図 2（C）
）では形

図 2 各手法で処理された多層グラフェン粉体の形態

態変化は認められなかった。乾式粒子複合化装置（図 2（D））ではエッジのシャープさがなくなり、全体的に丸（A）処理前の原料粉体（B）回転ディスクミル
（C）ボールミル（D）乾式粒子複合化装置

みを帯びた形態へと変化した。図 2 の各粉体の粒子径分布
をレーザー回折法で測定した結果、図 3 の結果が得られた。
湿式法では、液中での凝集を防ぐために分散剤を添加した。
図 3 より、原料粉体に分散剤を添加した場合と添加していない場合の粒子径分布は異なり、分散剤を添加したほうが粒子径は小さいことがわかった。この結果から、添加した分散剤が多層グラフェンに対して有効に作用していることが示唆された。他方、湿式法の場合は分散剤を添加した
原料粉体と、乾式法の場合は分散剤を添加していない原料
粉体とで比較すると、処理前後で粒子径分布に変化がない

図 3 各手法で処理された多層グラフェン粉体の粒子径分布（レーザー回折法）

ことが明らかとなった。これは、いずれの方法においても、92

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

処理前後で多層グラフェンの径方向の大きさに変化がな

表 1 各手法で処理された多層グラフェン粉体のかったものと考えられる。次に、積層方向の変化を見るた
めに、XRD による面間隔と結晶子サイズの算出を試みた。

面間隔と結晶子サイズ

結果を表 1 に示す。表 1 より、回転ディスクミルでは結晶子サイズの変化がないが、ボールミルや乾式粒子複合化装
置では結晶子サイズが小さくなっていることがわかる。これは、回転ディスクミルでは原料粉体と同じ結晶子サイズを維持したまま、剥離が進行したものと考えられる。回転
ディスクミルによる剥離効果をさらに検証すべく、処理回

面間隔 / Å

結晶子サイズ / nm

原料粉体

3.36

29

回転ディスクミル

3.36

29

ボールミル

3.36

27

乾式粒子複合化装置

3.36

26

数が異なるスラリーで沈降試験を行った。結果を図 4 に示す。図 4 より、処理回数の増加に伴い、沈降高さが大きくなっていくことがわかった。これは、回転ディスクミルでの処理により多層グラフェンの剥離が進行し、スラリー中の粒子数が増加したためと考えられる。
表 2 は、回転ディスクミル処理を行った多層グラフェン
粉体と原料粉体の粒子形態（厚さ、粒子径）を走査型プローブ顕微鏡の DFM モードで測定した結果である。
ここで、粒子の厚さとして、多層グラフェンの平面部と基盤が平行に接していると考えられる最小の高さを採用した。また、
粒子径は、粒子の面内方向における最大長を採用した。表2 より、回転ディスクミルで処理した多層グラフェンは、

図 4 回転ディスクミルでの処理回数が異なる
スラリーの沈降試験

処理前の原料状態と比較して厚さは薄く、粒子径が小さくなっていることがわかった。本結果から、回転ディスクミ

表 2 回転ディスクミルで処理した多層グラフェン粉体の厚ル処理によって解砕されつつ、厚さ方向に剥離が進行する
ことが明らかとなった。以上の結果から、多層グラフェン

さと粒子径（平均値）の解砕と剥離には回転ディスクミルによる処理が効果的であることがわかった。

２．２

試料

厚さ/nm

粒子径/µm

原料粉体

62

3.1

回転ディスクミル後

421.5

処理方法が結晶性に及ぼす影響

各手法で処理した多層グラフェンの結晶性をラマン分光装置で評価した。結果を図 5 に示す。ラマン分光法において、グラフェンの結晶性に起因する G-band（1580 cm-1）と構造の乱れと欠陥に起因する D-band（1270-1450 cm-1）のピーク強度の比（G/D 比）が高いほど結晶性がよいとされる。
図 5 は D-band のピーク値で規格化されているため、
G-band のピーク値をそのまま G/D 比としてみることができる。図 5 より、回転ディスクミルとボールミルで処理した粉体の G/D 比は原料粉体とほとんど変化しないが、乾式粒子複合化装置では大幅に低下することがわかった。

３．

図 5 各手法で処理された多層グラフェン粉体の考察及び今後の展望

ラマンスペクトル

グラフェンの剥離、粉砕、被覆の各過程に分けて個別に検討を行い、多層グラフェンに対する粉砕・解砕処理が結は母粒子に接合する際に多層グラフェンの構造が乱れ、結晶性に与える影響を検討した結果、回転ディスクミルによる処理が結晶性を維持した状態で最も解砕できることが晶性が大きく低下した可能性が示唆された。したがって、配向性がよい複合粒子を作製するためには、従来よりもマ明らかとなった。ボールミル処理では、図 2 に示すように、形態はほとんど変化しないように見えたものの、XRD 測

イルドな処理条件下で被覆させるか、乾式粒子複合化装置と同程度の接合が可能な別の手法を検討する必要がある

定から結晶子サイズが低下し、構造に乱れが生じていることが示唆された。また、圧密せん断場を利用する乾式粒子複合化装置では、最も結晶性を低下させることがわかった。
これは、回転ディスクミルよりも多層グラフェンの厚さ方向に作用する負荷が大きいためと考えられ、従来の条件で93ことが明らかとなった。
一方、多層グラフェンの被覆形態（厚さ、粒子径、被覆箇所など）と配向性との関係は未解明である。これを評価するためには、被覆形態の観察技術と、粒子ごとに磁化率

KISTEC研究報告2019（2019.7）

異方性を評価する技術が必要である。被覆形態の観察については、FE-SEM や TEM、AFM、ラマン顕微鏡等を駆使すれば可能である。一方、複合粒子の磁化率異方性を直接評価する手法はまだなく、これを解決するためには、磁場中での 3 次元的な粒子の回転運動を観察する技術が必要である。2 次元的な評価法は、すでに確立されていることから、本知見をベースとした新規評価法の開発も並行して
進める。

94

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

メソスケール破壊特性評価法の確立
高橋

１．

拓実、矢矧

はじめに

束穂、飯島

志行、多々見純一

基づく高信頼性設計による各種セラミックスの社会実装

環境エネルギー分野や安心・安全な社会を支える重要な
各種構造用セラミックスや機能性セラミックスの研究開に大きく貢献することができる。
そこで本プロジェクトでは、セラミックスの破壊を支配

発が進められている。これらの材料は社会実装が近づくにつれて、機械的信頼性の向上や耐久性の確保への要求が高するメソスケール破壊特性の評価法確立と微構造因子との相関解明、および、これを活用した高信頼性材料の設計

まっている。しかし、現時点で、高信頼性化のための材料
設計やその基礎となる破壊現象の理解は十分なされていと創製を行うことを目的として研究を進めている。平成30 年度は、単結晶 Si および SiC を対象としてマイクロカ

なかった。
セラミックスの破壊の素過程はこれを構成する要素のンチレバー試験片を用いてメソスケール破壊特性を行うことを目的とした。

破壊である。従って、セラミックスの機械的信頼性や耐久性は、結晶粒子や粒界といった構成要素と同程度のサブ２．

µm から数十µm スケールの領域、すなわち、メソスケー
ルでの破壊特性に支配される。これまでに、有限要素法に２．１

よるき裂進展シミュレーションや理論解析などが行われ、材料の強度や破壊靱性を予測する試みがなされている。こ近年、機器の微小化に伴って微小部材の需要が高まっている。例えば、半導体の微細加工技術の発展により微小電の計算を妥当に行うためには、メソスケールの強度や破壊靱性を用いなければならないが、使用可能な信頼できるデ子機械システム(MEMS)が様々な分野で普及しており、MEMS デバイスの構成材料として単結晶シリコンをはじめータは限られていた。また、量子力学計算等による結晶粒子や粒界の破壊現象の理解の試みも行われているが、計算とした各種材料が用いられている。非常に微小な構造体である MEMS デバイスの機械的信頼性を確保するためには、結果の妥当性を検証するためには実験値と比較しなければならない。単結晶やバイクリスタルを擬似的な結晶粒子

これと同程度のスケールでの機械的特性の評価を行うことが有用である。また、単結晶シリコンはバルク体で各種機や粒界と見なして実験的に破壊特性を評価することが検討されている。しかし、バルクな単結晶やバイクリスタル

械的特性が評価されており、マイクロカンチレバー法の確立のためのモデル材料としては最も適切である。そこで本で実験できる物質系はわずかであり、セラミックスの計算科学を支援するには多様な材料系での破壊特性に関する研究では、寸法の異なるマイクロカンチレバー試験片を単結晶 Si に作製し、その機械的特性を測定することを目的と情報が必要であった。これらの課題はメソスケールの破壊特性の実測で解決できると考えられる。しかし、これまでした。また、メソスケールであらわれる力学特性の発現メ
カニズムを解明するために、高分解能電子顕微鏡観察も行

そのような研究はなく、セラミックスの破壊現象の理解と高信頼性材料設計は不十分なままであった。

った。

これを受けて我々のグループでは、集束イオンビーム加工装置を利用して断面が縦横数µm、長さが約 10µm のマ

２．１．１

イクロカンチレバー試験片を加工し、これをナノインデン
ターで破壊試験することで、微小領域の強度や破壊靱性を加工装置を用いて、幅 0.5～3.6 µm×高さ 1.2～6.6 µm の五角形で長さ 4.5～25 µm のマイクロカンチレバー試験片を測定できる革新的手法を提案した。これまでに、バルクな単結晶やバイクリスタルを作製することができない Si3N4作製した。試料の長手方向は<100>であり、試験片断面は(010)である。作製した試験片に対し、トライボインデンタ

セラミックス中の単一粒子（＝単結晶）および粒界の破壊
靱性の実測に世界で初めて成功し、定性的な議論に留まっーを用いて支持部からの距離が 3.9～20 µm の位置を荷重点とする破壊試験を行い、機械的特性を評価した。

ていた Si3N4 セラミックス中の粒界破壊靱性の希土類添加
物依存性も実験的に解明するなど研究を進めている。この

２．１．２

新規な方法は現時点で一部の材料での検討であるが、従来得ることのできなかった領域の強度と破壊靱性を実際の図 1 にマイクロカンチレバー試験片の応力ひずみ曲線
を、表 1 にマイクロカンチレバー法で得られた機械的特性部材を用いて実測できる点で極めて有用である。この手法を拡張し、多様な構造の部材に対して、他の破壊特性も含を示す。応力印加直後は応力とひずみは比例関係にあり弾性変形をしていることが確認され、応力をさらに印加する

めてメソスケールで評価可能になれば、破壊現象の理解にと応力とひずみの関係は比例関係から外れた（図 1(a)）。

実験と結果
単結晶 Si の機械的特性評価

実験方法

本研究では単結晶シリコンの表面に集中イオンビーム

95

実験結果と考察KISTEC研究報告2019（2019.7）

12

6
Stress / GPa(b) 8Stress / GPa(a) 168―LARGE―MEDIUM―SMALL

4

0

0

5

10

ス力を計算すると約 1.7 GPa となった。圧縮試験で報告されているパイエルス力（約 1.4 GPa[1]）とよく一致した。
また、
寸法 1.5×2.5×10 µm の曲げ強度はバルク体の強度（約0.17 GPa）をはるかに上回る約 7.3 GPa を示し、マイクロカンチレバー試験片が小さくなるにつれ曲げ強度は高く

4

2

0

15

Permanent strain01Strain / %23Strain / %4

なり、マイクロカンチレバー試験片程度の微小領域においても、寸法効果が現れることが確認された。特に、寸法が5

図 1. マイクロカンチレバー試験片で測定した単結晶 Si の応
力ひずみ線図 (a)破壊まで (b)破壊前に除荷（MEDIUM）

0.5×1.2×3.8 µm の試験片では、曲げ強度は 14.2±1.4 GPa となり、第一原理計算から得られる Si 間の結合を切断する

表 1. マイクロカンチレバー法で測定した単結晶 Si の機械的特性のに要する理想強度[2]に極めて近い値となった。
上述の破壊せずに荷重を除荷した試験片（MEDIUM）かSMALL

MEDIUMLARGE

ら TEM 試験片を作製し、高分解能電子顕微鏡観察を行った。
観察箇所は、最も高い曲げ応力が印加されると考えられる

厚さ / μm

0.5

1.5

3.6

試験片支持部の上部、および、応力印加されていない試験
片先端部である。これより、高い曲げ応力が印加されたと

高さ / μm

1.2

2.5

6.6

長さ / μm

4.9

15.8

22.4

荷重点距離/μm

3.9 ± 0.1

10.3 ± 0.4

19.5 ± 0.2

試験片
形状考えられる領域にのみ、転位が高密度で存在しており、塑
性変形領域を形成していることがわかる。この領域の大きさは 200nm 程度であった。また、転位の存在領域からはずれた部分の TEM 写真ではきれいな格子像が得られたこと

機械的特性
ヤング率 / GPa

171 ± 31175 ± 10143 ± 9曲げ強度 / GPa

14.2 ± 1.4

9.0 ± 1.4

4.1 ± 0.4

降伏応力 / GPa

4.1 ± 1.0

4.0 ± 0.6

ーパイエルス応力/GPa

1.7 ± 0.4

1.6 ± 0.2ー

等価き裂長さ 2c / nm

7.4 ± 1.4

17.7 ± 6.3

73.7 ± 13.6から、転位は曲げ応力が集中したごくわずかな領域に集中していることが明らかとなった。転位がもっと大きく集積した領域の大きさは 15nm 程度であり、グリフィスの式から計算された等価き裂長さと同程度であった。このことより、単結晶 Si の数 µm 程度の微小領域の曲げ強度は、バルク体とは異なり転位の集積に支配されることが示唆された。

マイクロカンチレバー試験片
Microcantilever beam specimen

(a)

２．２

(d)

SiC の機械的特性評価

SiC は強度・耐熱性・耐酸化性に優れ、様々な製品に応用されており、機械的信頼性の高さが求められている。SiCのようなセラミックスは 0.1µm から数十 µm 程度の大きさである結晶粒とその界面である粒界から構成されている。

(e)

(b)
160 nm－(1 1 1)250 nm

合性が悪くなり、粒界は非晶質状の構造となる。このような SiC の結晶粒と粒界から構成される SiC セラミックスの
バルク体の破壊の素過程は、その構成要素の破壊となる。
従って、SiC セラミックスのバルク体の破壊特性は、構成－－(1 1 1)

要素の破壊特性に支配されると考えられる。しかし、これまで所望の領域の破壊特性をピンポイントで測定する手

5 nm

100 nm(c)

粒界には整合性の良し悪しがあり、整合性の良い粒界である対応粒界から結晶方位のずれが大きくなるにつれて整

1μm

1μm

15 nm

法はないために、SiC セラミックスの構成要素と同程度のスケール、つまりメソスケールでの破壊特性に関する知見はなかった。そこで、本研究では、 SiC のメソスケール
破壊特性の実測と、SiC の破壊特性と微構造因子との相関解明を目的とした。測定対象は、単結晶、多孔質 SiC 中の粒界から作製した双結晶、CVD から作製された SiC コー

10 nm

ティングである。また、多孔体においては、測定した粒界
強度と多孔体のバルク体強度の関係の解明も行った。

図 2. 除荷したマイクロカンチレバー試験片の TEM 写真 (a)荷重点付近の全体像，(b)(a)の拡大写真，(c)(b)の拡大写真，(d)試
験片先端の全体像，(e)(d)の拡大写真

試験片を破壊せずに荷重を除荷した試験片ではヒステリ

２．２．１ 実験方法

シスを示して永久ひずみが生じたことから塑性変形を起こしていることが確認された。降伏応力の平均値は約 4.1

単結晶は市販の表面が(0001)の 4H-SiC 単結晶を用いた。
SiC コーティングは CVD 法により作製した。原料のヘキ

GPa であり、この降伏応力から塑性変形に必要なパイエル

サメチルジシランを 40℃で揮発させて Ar 雰囲気下 800Pa、96

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

２．２．２ 実験結果と考察
表 2 に示すように、マイクロカンチレバー法で測定した単結晶の強度は 56.2±6.7 GP a であった。これまでに第一原理計算で 4H-SiC 単結晶の強度が予測されている。強度は約 50 GPa と報告されており、実測値と概ね等しい値となった。これは、今回得られた強度は 4H-SiC の理論強度であり、SiC 単結晶の原子間結合を切断するために必要な応力であることを意味していると考えられる。
CVD 法で作製した SiC コーティングの XRD プロファイル（図 3）、EDS による元素分析、および、XPS による化
学状態分析（図 4）から、作製した SiC コーティングは

図 3 CVD で作製した SiC コーティングの XRD プロファイル

C/Si 比が 1 より大きく酸素を微量含む非晶質であることがわかった。マイクロカンチレバー法で測定したこのような非晶質相の強度は 32.8±2.8 GPa となり、単結晶のように極めて高い値となった。この値は単結晶の強度より小さくな
ったが、これは第一原理計算での報告にあるように SiC の
非晶質度の増加、および、C/Si 比の増加 に起因していると考えられる。
双結晶の粒界強度はばらついていたが、試験片 12 本の平均値は 39.2 GPa であった。
得られた強度のばらつきは、粒界の結晶方位の差異に起因している可能性が示唆される。得られた強度の分布は上位 5 本と下位 7 本とに大きく
2 つに分かれた。上位 5 本の粒界強度の平均値は 53.6 GPaとなり、第一原理計算で予測されている対応粒界の強度である約 50 GPa と概ね等しい値であった。従って、これらの粒界は対応粒界に近い整合性の良い構造を有していると考えられる。また、最も高い３本の強度の平均値 57.1
GPa は、単結晶の強度とほぼ一致した。これは、これらの粒界が単結晶に近い構造を有しているからであると考え

図 4 SiC コーティングの XPS スペクトルられる。一方、低い 7 本の粒界強度の平均値は、28.9 GPaであった。この値は、得られた非晶質相の強度 32.8 GPa

1200℃の条件で Si 単結晶の基板を加熱しながら、基板上に膜を堆積させた。多孔質 SiC は、粒径 22µm と粒径 1µmと概ね等しい値となった。従って、これらの粒界は非晶質相に近い構造を有していると考えられる。

の SiC 原料粉末を 1：1 の割合で混合したものを成形し、Ar 雰囲気下で 2200℃3時間保持の焼成を行い作製した。こ

ネック部１個を含む大きさの試料を介して、粒界強度とバルク体強度の関係を解明した。粒界強度の平均値から求れら３つの試料にマイクロカンチレバー試験片を作製した。単結晶は長手方向が<11 0>方向に、コーティングは表

めたネック部１個を持つ試験片のバルク体強度は 382
MPa、３点曲げ試験法で測定したバルク体強度から求めた面の Ar イオン研磨面に、多孔質 SiC は粒界が試験片端となるような位置に試験片を作製した。試験片の形状は、全値は 210 MPa となり、両者はオーダーでは一致した。しかし、厳密には一致しなかった。これは、粒界強度の中でもて断面が幅 0.5 µm、高さ 0.9 µm の五角形の片持ち支持梁形状で、試験片端から 3 µm の位置にナノインデンターで低い強度を有するものが多孔質 SiC 全体の破壊を支配しているためであると推測される。例えば、粒界強度を測定

荷重を印加し破壊試験を行うことで微小領域の強度を実測した。

した 12 本の試験片の内、強度の下位 4 分の 1 以下に相当する強度の低い 3 本の平均値である 22 GPa という値を用

表 2 マイクロカンチレバー試験片で測定した単結晶，双結晶および非晶質 SiC の機械的特性
試料

単結晶 SiC

双結晶 SiC

非晶質 SiC

ヤング率

485±91 GPa

497±166 GPa

471±100 GPa

曲げ強度56.2±6.7 GPa

39.2±14.4 GPa(18.9～61.7 GPa)32.8±2.8 GPa

破壊靱性3.78 MPam1/2－

2.53 MPam1/2

備考

破面 : {1120}
き裂進展方向 : <0001>

多孔質 SiC の２粒子界面から作製

97

CVD 法で作製
少量の酸素を含有

KISTEC研究報告2019（2019.7）

いてネック部１個の試験片のバルク体強度を求めると 210
MPa となり、バルク体強度から求めた値 210 MPa とよく一致した。従って、多孔質 SiC の破壊は粒界強度を考えた
最弱リンク説に支配されていると示唆される。ネック部１個を持つ試験片のバルク体強度について、粒界強度から求めた値とバルク体強度から求めた値が一致したことから、
SiC 多孔体のバルク体強度と粒界強度は、ネック部表面の曲率半径、気孔の長さ、寸法効果で関係づけられることが
分かった。

３．

今後の展望

以上のように、典型的な脆性材料である、単結晶 Si、SiC
において、メソスケールでは特異な力学特性を示すことが明らかとなった。特に、単結晶 Si の結果から、力学特性が転位に支配されていることがわかった。今後は、類似の結晶構造であるダイヤモンドなどに本手法を展開するとともに、各種機能性材料についてもマイクロカンチレバー
試験片を用いたメソスケール破壊特性を行い、材料の破壊の本質解明とともに、高い信頼性を有する材料を実現するための材料設計指針の提案も合わせて行っていきたいと考えている。
なお、本研究の一部は、科学研究費補助金基盤研究(A)（研究課題番号 17H01319）の支援を受けて行われた。記して感謝の意を表す。

98

【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

一軸加圧成形過程における粒子集合構造変化の動的観察高橋１．

拓実、多々見純一

はじめに粉体から焼結体に至るまで多様な形態を経るセラミッ
クス材料の内部構造制御は所望の特性を発現させるために肝要であるが、プロセス中の変化過程がブラックボック
スであるため勘と経験に頼る最適化は膨大な時間と労力を要した。我々はこれまでに光コヒーレンストモグラフィー（OCT）を基盤とした新たな内部構造観察システムを構築し、たとえば、高温下での成形体の内部構造変化過程やスラリー中の粒子集合構造の経時変化過程のその場観察などを通じて本システムがプロセス中の様々な内部構造
変化過程の観察に有用であることを報告してきた。本稿では、OCT による顆粒を用いた一軸加圧成形過程における粉体層の内部構造変化のその場観察について報告する。
図 1 観察の様子

２． 実験と結果
２．１ 粉体層に対する OCT 観察の有用性の検証
観察冶具としてアクリル樹脂製の透明成形型（φ15mm）、
原料粉体として市販の Al2O3 顆粒（平均粒径 50μm、DS-25、
大明化学工業（株）製）を用いた。図 1 に実際の観察の様子を示す。粉体を充填した治具を材料試験機（オートグラ
フ AG-X、（株）島津製作所製）内に設置し、0.1mm/min で
最大 250N の条件で圧縮試験を実施した。OCT 観察は、市販の SS-OCT 装置（IVS-2000-WR、santec（株）製）を用いた。冶具側面にカメラを設置し、深さ方向走査（A-scan）
を平面的に繰り返す B-scan モードで連続的に行った。信
号強度の減衰に起因した深さ方向のコントラストの分布の補正や、信号強度が高い明部の抽出等の画像処理は、Image J で行った。
図 2 左は、信号強度が高い領域を明るく表示した OCT

図 2 一軸加圧成形過程における粉体層中の像である。加圧方向は、図中矢印で示した。通常、OCT では、光源と同じ位相と波長をもつ反射直進光のみを干渉で内部構造変化

検出して表示するため、信号強度が高い明部は粒子間の界面が多く存在する高充填領域に相当すると考えられる。他方、暗部は透過領域と考えられるので、空隙に相当すると考えられる。また、OCT は光源に低コヒーレンス光を用いていることから、試料内部での散乱光同士の干渉に起因するスペックルパターンが一様に表れる。図 2 左の OCT 像
では、スペックルパターンにより不鮮明であるものの、明暗の存在が確認される。そこで、空隙に相当する信号強度

図 3 空隙の形態変化

が低い暗部を画像処理で抽出した後、明暗を反転させて表示させた（図 2 右）。その結果、粉体層中には、顆粒内、圧に伴い、変形しながら消失する様子が観察された。また、さらに長い時間での観察では、加圧方向への顆粒の移動や、あるいは顆粒間の空隙に対応すると考えられる 20-100μm程度の領域が観察された。さらに図 3 は、図 2 右の各段階

観察面内で顆粒が消失あるいは出現する様子が観察された。これらは 3 次元的な顆粒の再配列を示唆している。以の破線部を拡大表示したものである。これより、空隙が加上より、OCT 観察は、顆粒を用いた一軸加圧成形過程にお99

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 4 荷重-変位曲線

図 5 空隙構造の 3 次元モデル化
表 1 一軸加圧中の空隙構造の変化過程

1 mm であったため、変位が 1 mm を超えると連続性が失われる。これを踏まえ、表 1 の 0→1 mm と 2→3 mm の範

ける粉体層の内部構造変化の観察に有効な手段であることが明らかとなった。

２．２

囲で各々比較すると、加圧に伴う空隙の形態変化の過程を
3 次元的に理解することができた。

空隙の 3 次元モデル化

２．１節で述べたように、OCT によって一軸加圧成形過程における粉体層中の内部構造変化を動的観察できるこ

３．

とが明らかとなった。そこで、定量評価のために空隙構造の 3 次元モデル化を試みた。

本稿で報告した Al2O3 粉体層の OCT 観察では、加圧に伴う顆粒の充填と変形に起因すると考えられる空隙の形

観察時の荷重-変位曲線を図 4 に示す。荷重印加開始から変位 0.2mm ごとに 3 次元スキャンを行った。スキャン

態変化過程を 3 次元的かつ定性的に評価することができた。一方で、解決すべき技術的課題がある。例えば、表 1時の軸方向分解は 3.74 μm/pixel とした。その後、各変位における断層画像に対して、図 2 や 3 と同様、Image J で二に示した空隙構造の 3 次元モデルにおいて、赤色で表示された 50 μm 以上の粗大気孔は、加圧に伴って増加している

値化処理を行った。二値化処理後の断層画像を使用した再構築は ExFact（日本ビジュアルサイエンス（株）製）にてように見える。しかし、加圧前は最も粒子充填率が低く、粗大な空隙が支配的のはずである。これは、OCT 観察で粉行った。結果の一例を図 5 に示す。ここで、再構築時に抽出された空隙サイズの定量化（不定形状の抽出領域のサイ体層全体を捉えておらず、また、境界に接している空隙については解析対象外としたため、検出できなかったと考えズは、同一体積の球の直径（有効直径）に相当するとして解析）も行い、図中に示された指定領域条件でサイズごとられる。また、加圧後に増加した原因については、粒子の充填が進むにつれて粗大な空隙が分断され、領域内で閉じに色別で表示した。また、境界に接した空隙については除
外し、解析領域内で閉じている空隙のみを対象に解析を行た検出対象が増加したためと考えられる。今後は、こうした技術的課題の解決に尽力し、4 次元観察（3 次元観察＋った。
表 1 は、図 4 で赤くマークされた各ポイントにおける荷時間変化）による定性的かつ定量的な評価法としての確立を目指す。

重と空隙構造の一覧である。今回の OCT 観察は、冶具の高さ方向（すなわち、加圧方向）に相当する B-scan 範囲が

本稿では報告しなかったが、せん断場下におけるスラリ
ーの内部構造変化過程や、脱脂や焼成など高温下での成形100

考察と今後の展望【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

体の内部構造変化過程など、プロセス中の構造変化過程のオペランド観察にも取り組んでいる。これらの結果は、これまで先人らを悶々とさせてきた見えない何かを少しずつ解明するための鍵として、あるいは、推測の域にあった既成概念に疑問を投げかけ新たなアイディアを生む呼び水として、我々の想像や好奇心を刺激するのみに留まらず、多様な分野で大きな反響がある。こうした研究に出会えた
ことは幸甚であるが、同時に手をかけた扉の重みをひしひしと感じるところである。一望千里の広野に竦み、歩みが滞らぬよう、着実な前進を心掛けたい。
なお、本研究は A-step 産業ニーズ対応タイプ「セラミックスの高機能化と製造プロセス革新」の支援を受けて行われた。記して感謝の意を表す。

101

KISTEC研究報告2019（2019.7）

業績
CMCEE2018, 7 月, シンガポール【原著論文】
1.

2.

高橋 拓実, 多々見 純一, 飯島 志行, 伊東
口 勇

秀高, 田
8.

高橋 拓実, 多々見 純一

セラミックスプロセスチェーンの最適化のための光
コヒーレンストモグラフィー観察

透明蛍光 SiA1ON バルクセラミックスの開発
日本結晶成長学会第 103 回バルク成長分科会研究会,

FC Report 春号, 36 (2018).

8 月, 東京
9.

高橋 拓実, 多々見 純一, 坂本 文香, 伊東 秀高, 飯
島 志行

高橋 拓実, 多々見 純一, 伊東 秀高
Al2O3 セラミックスの不均質構造の OCT 観察
日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウム, 9月, 愛知

光コヒーレンストモグラフィーによるセラミックス
焼結体とスラリーの内部構造観察
粉体および粉末冶金, 65, 10, 659-663 (2018).
10.

【口頭発表】
1.

加藤 真由, 多々見 純一, 飯島 志行, 高橋 拓実

多々見 純一光コヒーレンストモグラフィーによるセラミック
スの脱脂過程のその場観察

スラリー, 成形体, 焼結体内部構造のリアルタイム
3 次元 OCT 観察

日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウム, 9
月, 愛知

第 3 回関西高機能セラミックス展, 5 月, 大阪
11.
2.

3.

4.

5.

光コヒーレンストモグラフィーによるアルミナ成形体の 3 次元リアルタイム焼結過程観察の光コヒーレンストモグラフィー観察
粉体粉末冶金協会平成 30 年度春季大会, 5 月, 愛知

日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウム, 9
月, 愛知
12.

多々見 純一, 高橋 拓実, 飯島 志行

7.

秋元 勇人, 多々見 純一, 飯島 志行, 高橋 拓実,

セラミックススラリーのリアルタイム光コヒーレ
ンストモグラフィー観察横内 正洋, 奥田 徹也
透光性 AIN セラミックスの作製

粉体工学会春期研究発表会, 5 月, 京都

日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウム, 9月, 愛知

多々見 純一, 井本矢矧 束穂

有美, 飯島 志行, 高橋 拓実,
13.

山口 拓志, 多々見 純一, 飯島 志行, 高橋 拓実,

Grain boundary strength in porous SiC ceramics
measured using microcantilever beam specimens矢矧 束穂, 近藤 敏之
マイクロカンチレバー試験片の曲げ試験で測定さ

ICC7, 6 月, ブラジル

れた単結晶シリコンの強度の寸法効果及び降状現象

多々見 純一, 高橋 拓実, 飯島 志行
In-situ observation of slurry, green body and sintered

日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウム, 9月, 愛知

body using OCTICCCI2018, 7 月, 倉敷
6.

坂本 文香, 高橋 拓実, 多々見 純一, 飯島 志行

多々見 純一, 高橋 拓実, 飯島 志行
セラミックススラリー, 成形体, 焼結体の内部構造

高橋 拓実, 多々見 純一, 伊東

14.

梶井 健司, 多々見 純一, 飯島 志行, 高橋 拓実,
矢矧 束穂
様々なプロセスで作製した YSZ 成形体の焼結収縮

秀高, 田口 勇Internal structure observation in Al2O3 ceramics using
optical coherence tomography

挙動
日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウム, 9

ICCCI2018, 7 月, 倉敷

月, 愛知
15.

多々見 純一, 高橋 拓実, 飯島 志行
Observation of internal structure of ceramic slurry, green
body and sintered body by optical coherence tomography,

多々見 純一, 飯島 志行, 高橋 拓実
粒子集合構造の理解と制御に立脚したセラミック
スエラボレーション102【研究開発部】革新的高信頼性セラミックス創製

日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウム, 9

神奈川

月, 愛知
25.
16.

梶井 健司, 多々見 純一, 飯島 志行, 高橋 拓実,
矢矧 束穂

神奈川県立産業技術総合研究所の紹介
若手研究発表交流会, 12 月, 神奈川

NiO/GDC 多孔体の焼結収縮挙動に及ぼす成形体の粒子集合構造の影響

17.

26.

多々見 純一, 高橋 拓実

第 56 回粉体に関する討論会, 9 月, 静岡

セラミックスの構造形成過程のリアルタイム 3 次元
OCT 観察加藤 真由, 多々見 純一, 飯島 志行, 高橋 拓実
TG/OCT 複合システムによる成形体の脱脂に伴う重第 3 回高機能セラミックス展, 12 月, 東京
27.

量と内部構造のその場同時観測
第 56 回粉体に関する討論会, 9 月, 静岡
18.

高橋 拓実

多々見 純一, 坂本 文香, 飯島 志行, 高橋 拓実
In-situ observation of sintering behavior in a ceramic
powder compact by optical coherence tomography
ICACC2019, 1 月, アメリカ

坂本 文香, 高橋 拓実, 多々見 純一, 飯島 志行
光コヒーレンストモグラフィーによるアルミナの焼結過程のオペランド観察28.

第 34 回日本セラミックス協会関東支部研究発表会,
9 月, 群馬

多々見 純一光コヒーレンストモグラフィーによるセラミック
ス内部構造の高分解能・高速・三次元観察
3 次元可視化研究会, 3 月, 新潟

19.

20.

坂本 文香, 高橋 拓実, 多々見 純一, 飯島 志行,
光コヒーレンストモグラフィーによるアルミナの焼結過程のオペランド観察, 日本セラミックス協会【特許】(1) 国内特許出願

2件

2019 年年会関西支部
月, 滋賀(2) 国外特許出願

0件

多々見 純一, 藤田

第 21 回若手フォーラム, 10

紗帆, 飯島 志行, 矢矧

束穂,

高橋 拓実
Degradation Evaluation of Si₃N₄ Ceramic Surface
Corroded by Molten Aluminum Using Microcantilever
Beam Specimens
ISHOC2018, 10 月, 島根21.

多々見 純一, 坂本 文香, 高橋 拓実, 飯島 志行,
In-situ observation of internal structure of alumina
during sintering by optical coherence tomography,
KJ-Ceramics35, 11 月, 韓国

22.

高橋 拓実, 多々見 純一, 横内正洋

Fabrication of transparent and fluorescent α-SiAlON
bulk ceramics
14th Laser Ceramics Symposium, 11 月, 愛知
23.

高橋 拓実, 多々見 純一
透明蛍光 SiAlON バルクセラミックスの開発－高出力 LED への実装を目指して－
第 3 回光材料・応用技術研究会, 11 月, 滋賀

24.

多々見 純一, 飯島 志行, 矢矧 束穂, 高橋 拓実
マイクロカンチレバー試験片を用いた部材局所領
域の機械的特性評価
第 38 回エレクトロセラミックス研究討論会, 11 月,

103

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

腸内細菌叢プロジェクト
解析ツール開発グループ
プロジェクトリーダー兼グループリーダー

大野博司【基本構想】
我が国において糖尿病患者は増加の一途をたどり、罹患者数は約 950 万人を数えるに到っている。糖尿病
は高齢者における主要な疾患であり、糖尿病に肥満・高脂血症・高血圧が合併するメタボリックシンドロームは動脈硬化を促進し、心筋梗塞・脳卒中のリスク増大を介して日本人の健康寿命を短縮する最大の原因となっており、大きな社会的・経済的問題となっている。最近腸内細菌と肥満、2 型糖尿病といった生活習慣病との関連が動物やヒトで報告され、このことが肥満や 2 型糖尿病の誘因の１つとなっているのではないかと考えられる。従って摂取する栄養素やエネルギー状態によって変化する腸内細菌叢を捉えることができれば、肥満や 2 型糖尿病発症といった生活習慣病の予測や治療に役立つと考えられる。本研究では、摂取する栄養素やエネルギー状態の把握とメタゲノム解析による腸内細菌の菌種や機能といった包括的な解析に加え、遺伝的背景を加味し、そのデータを横断的に解析することにより、食習慣、腸内細菌叢、
生活習慣病発症の相互関係を明らかにすることを目的とする。方法は、これまでの欧米人の論文をもとに東京大学付属病院の検診受診者で 20 歳から 75 歳までの男女含む肥満者 100 名、耐糖能異常者 100 名、肥満も耐糖能異常もない者 計 100 名の合計 300 名を対象とした。解析項目は、(1) 簡易型自記式食事歴法質問票(BDHQ)を用いた食事調査と活動量計を用いた身体活動量の測定、(2)腹部エコーを含む臨床データ(3)血中アディポカインの測定、(4)腸内細菌叢の 16S・メタゲノム解析、(5)血中・糞便中のメタボローム解
析、(6)単核球を用いたトランスクリプトーム解析、(7)全ゲノムシークエンスによる遺伝子多型解析、(8)統合データベースの作成と解析ツールの開発を行う。このことにより、どのような腸内細菌叢が生活習慣病発症に重要な役割をしているかが明らかとなり、さらに新規バイオマーカーなどの開発や予防薬、個別化医療といった新しい予防法やリスク診断の実現を目指す。

１．

平成 30 年度の研究目的

発症の相互関係について解析する。

本研究では、摂取する栄養素やエネルギー状態の把握とメタゲノム解析による腸内細菌の菌種や機能といった包2．

括的な解析に加え、遺伝的背景を加味し、そのデータを横断的に解析することにより、食習慣、腸内細菌叢、生活習(1) 簡易型自記式食事歴法質問票(BDHQ)を用いた食事調
査と活動量計を用いた身体活動量の測定

慣病発症の相互関係を明らかにすることを目的とする。方法はこれまでの欧米人の論文をもとに東京大学付属病院

昨年度 7 月よりリクルートを開始し、現地点で 313 名をリクルートし、219 名の同意を得ることができ、同意取得率の検診受診者で 20 歳から 75 歳までの男女含む肥満者 100
名、耐糖能異常者 100 名、肥満も耐糖能異常もない者 計

69.9%であり、順調に経緯した (図 1)。特に再受診された方の同意取得率は 83.7%と非常に高かったが、再受診され100 名の合計 300 名を対象とする。また２週間以内に何らかの抗生物質を投与あるいは内服した者、何らかの消化器ず、郵送のみの方の同意取得率は 47%と約 1.7 倍の差があ

研究の成果

図1

系の薬を内服している者、糖尿病治療薬を内服している者、３ヶ月以内に体重が３kg 以上増減した者は、腸内細菌叢に影響を与える可能性が大きいためリクルートから除外
し解析する。解析する項目は、(1) 簡易型自記式食事歴法
質問票(BDHQ)を用いた食事調査と活動量計を用いた身体活動量の測定、(2)腹部エコーを含む臨床データ、(3)血中アディポカインの測定、(4)腸内細菌叢の 16S・メタゲノム
解析、(5)血中・糞便中のメタボローム解析、(6）単核球を用いたトランスクリプトーム解析、(7)全ゲノムシークエンスによる遺伝子多型解析、(8)統合データベースの作成と解析ツールの開発を行う。昨年度に引き続き上記項目について解析し、食習慣・身体活動量、腸内細菌叢、生活習慣病

105

KISTEC研究報告2019（2019.7）

った。この違いは元々再受診者の方が健康に対する意識がポカインデータらを格納した。さらに個々の被験者データ

高い可能性があったのではないかと考えられた。また
BDHQ と活動量計については、今後の食習慣や身体活動量を瞬時に描出できるようにするとともに(図 2)、研究者が解析したい項目だけをエクセル表として抽出できるようの参考にしていただくために、その一部のデータを被験者全員に返却した。

にした(図 3)。
図2(2) 腹部エコーを含む臨床データ
同意撤回者/糞便未提出者/解析困難者が 9 名存在し、肥満も耐糖能異常もない者 106 名、肥満者 97 名、耐糖能異常者(肥満+非肥満者)100 名のサンプル採取が終了するとともに、
腹部エコーを含む臨床データを取得することが出来たため統合データベースに格納した。
(3) 血中アディポカインの測定
303 名分に対し Adiponectin, MCP-1, CRP といった血中のアディポカインの測定を終了したため、統合データベースに格納した。
(4) 腸内細菌叢の 16S・メタゲノム解析
健常者、肥満者、耐糖能異常者の糞便検体を用いて、DNA 抽出し、16S rRNA 遺伝子の V1-2 領域を PCR で増幅しシークエンシングを行い、菌種の同定を試みた。追加

図3

したデータを含めて解析したところ、昨年度のデータと傾向は一致し、門レベルにおいて耐糖能異常者で Firmicutes
門が減少、肥満者で Bacteroidetes の減少を認めた。更に肥満者、耐糖能異常者では Actinobacteria の増加を認めた。
(5) 血中・糞便中のメタボローム解析
安定的かつ正確性を期するために、糞便中の水溶性代謝産物について 195 検体を解析し 204 物質を同定した。さらに
脂質代謝産物について 150 検体を解析し 348 物質を同定し、Spearman の相関係数を用いてクラスタリングを行い、水溶性代謝産物については 45、脂溶性代謝産物については
38 のクラスターに分類した。血漿中の水溶性代謝物を解析した結果、91 物質が同定された。主成分分析の結果か(9)マルチオミックス解析を用いた肥満・耐糖能異常者におら耐糖能異常者の血漿中水溶性代謝物は健常者や肥満者と異なることが分かった。

ける腸内細菌叢との関連についての検討
これまでに 2 型糖尿病と腸内細菌に関しては、2012 年に(6）単核球を用いたトランスクリプトーム解析
昨年度に引き続き正常者、肥満患者、糖尿病予備群(IGT)

中国から 2 型糖尿病に関わる約 60,000 種類のマーカーが発 見 さ れ 、 特 に 2 型 糖 尿 病 患 者 で Clostridium 属 やの末梢血単核細胞から、RNA を抽出し CAGE 遺伝子発現解析を行い、疾患バイオマーカーの同定を合計 300 名分行

Bacteroides 属の細菌が優位であること、また 2 型糖尿病
患者では，腸上皮バリア機能の保持に重要な役割を果たすった。正常者に比べ肥満患者・糖尿病予備群で発現量が上昇した遺伝子には、免疫細胞のシグナル伝達に重要な酪酸の生合成に関わる細菌叢が減少しており，逆に酸化ス
トレスに対し保護的に働くカタラーゼなどの還元酵素とPTPN6(SHP1)、2 型糖尿病のリスク遺伝子である TCF7L2など疾患との関連性が報告されているものが複数含まれ逆相関することが明らかとなっている 1。2013 年には平均
年齢 70 歳のヨーロッパ人女性の 2 型糖尿病の解析からていた。
(7) 全ゲノムシークエンスによる遺伝子多型解析

Clostridium 属、Ruminoccocus 属、Faecalibacterium 属が正
常耐糖能者で優位に、Lactobacillus gasseri が 2 型糖尿病患

昨年度に引き続き肥満も耐糖能異常もない者 135 名に対してイルミナ社 TruSeq DNA PCR-Free Sample Prep Kit を用者で優位であることが見出され，さらに酪酸を産生する腸内細菌の数が健康な女性に比べ減少していることが報告

いてライブラリーを作製後、イルミナ社の HiSeqX を使用
して全ゲノムシークエンスを行った。ライブラリーの両側されている 2。そこで Spearman の相関係数によってクラス
ター分類した項目で、メタボリックシンドローム、NAFLD、から配列を 151 bp、1 サンプル当たり 45 Gbp 以上を解読した。

肥満、耐糖能異常と有意な相関のあるパラメータを抽出し腸内細菌との関連性を検討し、腸内細菌の絞り込みを行っ(8) 統合データベースの作成と解析ツールの開発
サンプル、データ、グループといった個々が連動して動くた。絞り込んだ腸内細菌と臨床パラメータの関連を検討したところ、Collinsella, Allisonella, Acidaminococcus は肥満者ごとができるというコンセプトの元、臨床データ、アディ

106

【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

や耐糖能異常者において有意に増加していることが明ら化と関連する細菌を探索する。さらに脂溶性代謝産物に関かとなった。
(10)脂肪肝を中心とした検討

しては、解析サンプル数を増加させるとともにノンターゲ
ット法で候補になった物質に関して、ターゲット法を用い食生活の欧米化や車社会による運動不足に伴い、平成 28
年度の国民健康・栄養調査では肥満者(Body mass index≧て精度を上げて測定していく。
(4) 統合データベースの作成と解析ツールの開発

25)の割合は男性で 31.3%、女性で 20.6%存在していることが報告されている。そして BMI の増加とともに非アルコ

昨年度に引き続き統合データベースおよび解釈プラット
フォームをそれぞれのサブパートに分けてモジュール化ール性肝疾患(non-alchoholic fatty liver disease: NAFLD)の有病率がこの 10 年間で約 2 倍まで増加している 3。このし、臨床データおよび解析データを安全に保存し便利な使用環境と融通性ある活用が可能となる統合データベース

NAFLD の原因の一つとして、最近腸内細菌の関与が指摘されており、実際 NAFLD 罹患者では Bacteroidetes 門が減および解析プラットフォームの構築を行う。また複数の遺伝子発現量の組み合わせ、さらにマイクロバイオーム、メ

少し、Firmicutes 門が増加していることが明らかになっている 4。しかし NAFLD が腸内細菌を介してどのように発タボロームデータを組み込むことで、より高い確率で正常者と肥満・糖尿病予備群を識別できるアルゴリズムの開発

症するのかは十分に分かっていない。そこで臨床データについて詳細に解析したところ、肥満者、耐糖能異常者ではに取り組む。これらの遺伝子は、疾患メカニズムに関わっている可能性もあることから、今後ノックアウトマウスな

BMI、中性脂肪、肝臓の数値が有意に高値を示し、善玉のコレステロールである HDL が有意に低値を示した。一方

どを用い疾患との因果関係を検証していく。

血圧や悪玉のコレステロールである LDL は 3 群間で差を認めなかった。つまり NAFLD を解析するのに非常に適し【参考文献】
1. Qin J, Li Y, Cai Z, Li S, Zhu J, Zhang F, Liang S, Zhang W,

たサンプルであると考えられた。実際腹部エコーでは肥満者、耐糖能異常者で脂肪肝と指摘されている方が多く存在

Guan Y, Shen D, Peng Y, Zhang D, Jie Z, Wu W, Qin Y, Xue W,
Li J, Han L, Lu D, Wu P, Dai Y, Sun X, Li Z, Tang A, Zhong S,

していた。そこで NAFLD を中心に多重ロジスチィック回
帰分析を行うと非肥満者では BMI と中性脂質が、肥満者

Li X, Chen W, Xu R, Wang M, Feng Q, Gong M, Yu J, Zhang Y,
Zhang M, Hansen T, Sanchez G, Raes J, Falony G, Okuda S,

では ALT と HDL が NAFLD と関連性が強いことが明らかとなり、非肥満者と肥満者での NAFLD の成因が異なる可Almeida M, LeChatelier E, Renault P, Pons N, Batto JM, Zhang
Z, Chen H, Yang R, Zheng W, Li S, Yang H, Wang J, Ehrlich能性が示唆された。さらにこれらのパラメータと腸内細菌について検討したところ、Allisonella がすべてのパラメー

SD, Nielsen R, Pedersen O, Kristiansen K, Wang J. A
metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2

タと有意な相関を示した。

３．

diabetes. Nature.49:55-60,2012.
2. Karlsson FH, Tremaroli V, Nookaew I, Bergström G, Behre

今後の研究計画

CJ, Fagerberg B, Nielsen J, Bäckhed F. Gut metagenome inEuropean women with normal, impaired and diabetic glucose(1) 簡易型自記式食事歴法質問票(BDHQ)を用いた食事調
査と活動量計を用いた身体活動量の測定
東京大学検診部や病態栄養治療部の現場スタッフと密に連携し、クレームらの対応を検討するとともにリクルート
率の向上を図っていく。また受診予定の被験者に対しては、郵送で対応していく。
(2) 腸内細菌叢の 16S・メタゲノム解析

control. Nature.498;99-103,2013.
3. Eguchi Y, Hyogo H, Ono M, Mizuta T, Ono N, Fujimoto K,
Chayama K, Saibara T. Prevalence and associated metabolic
factors of nonalcoholic fatty liver disease in the general
population from 2009 to 2010 in Japan: a multicenter large
retrospective study. J Gasteroenterol 47: 586-595. 2012.

各種臨床パラメータやメタボローム解析結果との相関解
析やクラスター解析で候補に挙がった細菌についてはマ
ウスで確認する。また 16S 解析だけでは十分な情報を得ることができないため、今後はメタゲノム解析も追加で行う。
(3) 血中・糞便中のメタボローム解析
引き続き血清中のアミノ酸や短鎖脂肪酸濃度についても

4.Nistal E, Sáenz de Miera LE, Ballesteros Pomar M,
Sánchez-Campos S, García-Mediavilla MV, Álvarez-Cuenllas
B, Linares P, Olcoz JL, Arias-Loste MT, García-Lobo JM,
Crespo J, González-Gallego J, Jorquera Plaza F. An alteredfecal microbiota profile in patients with non-alcoholic fatty
liver disease (NAFLD) associated with obesity. Rev Esp

測定していく。解析したデータについて、個々人の糞便中のアミノ酸や短鎖脂肪酸濃度との相関解析を行うとともEnferm Dig.111:275-282, 2019.

に、腸内細菌叢との関連解析を行い、これらの代謝物の変

107

KISTEC研究報告2019（2019.7）

肥満者、または、耐糖能異常者に特有の腸内細菌と代謝物の探索
中西

１．

はじめに

裕美子

所に応じて作成する必要があると提唱されている。

近年、肥満や 2 型糖尿病（T2D）といった生活習慣病と腸内細菌との関連が動物やヒトで報告されている。肥満の１．２ 日本における肥満や T2D を対象とした腸内細菌研究

ヒトでは Firmicutes 門の細菌と Bacteroidetes 門の細菌の比（Firmicutes/Bacteroide[F/B]比）が高く、細菌種の多様性は前述のように、海外ではヒトを対象とした肥満や T2D

低いことなどが報告されている。さらに肥満や T2D の患者の腸内細菌を無菌マウスに移植すると同様の病態を生の対規模なコホート研究が行われているが、日本人における肥満や T2D の腸内細菌叢の研究例は少ない。肥満に関じることから、異常な菌の組成そのものが病態の原因の１つであることが証明されている。従って、肥満や T2D にしては 2015 年に発表された健常者 23 名と肥満者 33 名の
糞 便 中 の 腸 内 細 菌 叢 を T-RFLP （ Terminal Restriction

伴う異常な腸内細菌叢を改善することで病態の治療や予防に役立つことが期待されている。本研究では、肥満やFragment Length Polymorphism）法で比較した結果では、Bacteroidetes 門の細菌が肥満者で有意に低かったことを報T2D の発症に関連する腸内細菌やその代謝物を探索し、また、それらの機能解析を行うことで、肥満や T2D の発症告している[7]。また、T2D に関しては健常者 50 名と 2 型
糖尿病患者 50 名の糞便中の腸内細菌を RT(Real time)-PCRや悪化に関与する腸内細菌のメカニズムを解明する。

法 で 比 較し た 結 果、 T2D 患 者 で C. coccoides group 、Atopobium cluster 、 Prevotella 属 が 有 意 に 減 少 し 、

１．１

近年、世界中で増加の一途をたどっている肥満や糖尿病

Lactobacillus 属が有意に増加していた。また、C. coccoides
group、Atopobium cluster は T2D 患者の血中でも検出されが腸内細菌と密接な関わりがあると多数報告されている。
まず、2006 年に Gordon らのグループが肥満の患者や肥満た。T2D 患者では糞便中の酢酸、プロピオン酸が有意に減少していたことも報告している[8]。これらの研究では、症

モ デ ル マ ウ ス に お い て 、 Firmicutes 門 が 増 加 し 、Bacteroidetes 門が減少することを報告した[1, 2]。その後、例数が少ないこと、また、腸内細菌叢を解析する手法として、T-RFLP 法や RT-PCR 法を用いているが、これらの方肥満のヒトや肥満モデルマウスにおいて、Verrucomicrobia
門の Akkermansia mucinphila の割合が減少していることが法では腸内細菌叢の一部分を解析することしかできないことが問題であり、症例数を増やし網羅的な解析法による明らかとなり、同菌をマウスに経口投与したところ、インスリン抵抗性や脂肪の蓄積といったメタボリックシンド

腸内細菌叢解析を行い、日本人における肥満や糖尿病の発症に関わる腸内細菌を探索することが重要である。

ロームの病態を改善できたことが報告された[3]。一方、
T2D の発症には遺伝的要因と環境要因が関与すると考え

２．

肥満や T2D と腸内細菌との関わりられているが、これまでの研究から遺伝学的要因の寄与は小さく、環境要因の影響の方が大きいことが示唆されてい実験と結果

２．１ 実験方法
２．１．１ ヒト試験の概要

る[4]。そのため、環境要因の１つとして近年、腸内細菌の重要性が注目されており、実際に、中国やヨーロッパにお本研究では、東京大学附属病院予防医学センターと共同

いて T2D 患者の大規模コホート研究が行われた[5, 6]。中国人の T2D 患者の腸内細菌叢のメタゲノム解析（細菌ので、健康診断の受診者うち、空腹時血糖が 110 mg/dL もし
くはヘモグロビン A1c が 6.0％以上の受診者を耐糖能異常

ゲノム情報すべてを読み、どのような遺伝子を持つかを解析する手法）結果から、T2D 群に特徴的な腸内細菌の遺伝（Impaired glucose tolerance :IGT）群、また、BMI が 25 以
上で正常血糖の受診者を肥満群とし、これらの受診者に加子群を用いて T2D 発症リスクを判別することが可能であることが報告されている[5]。また、ヨーロッパでも同様の

え、同数の非肥満で非 IGT の受診者を健常者群として本研
究にリクルートし、通常の検診項目に加えて便や血液を採コホートが行われたが、２つコホート研究を比較するとヨーロッパ系コホートと中国人コホートでは T2D を識別す取した。リクルートした人数はそれぞれ約 100 名である。

るメタゲノムマーカーが異なっていたことから、メタゲノ
ムによる T2D 予測法は、研究の対象集団の年齢や居住場

採取した糞便から DNA 抽出し、16S rRNA 遺伝子の V1-2
領域を PCR で増幅した後、Miseq (llumina)によりシーケン

２．１．２

108

腸内細菌叢解析【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

スを行った。得られた塩基配列データは、微生物解析ソフ

２．２．２

トウェア QIIME v1.9.1 (http://qiime.org/) を用いて解析を行った。USEARCH v6.1544 のアルゴリズムを使用し、得血漿と糞便のメタボローム解析を行ったところ、血漿中から 101 化合物、糞便中から 109 化合物を同定した。まず、メタボローム解析の結果られた遺伝子配列から 97%以上の類似性をもつ配列を
Operational taxonomic unit (OTU) と設定した。OTU の系統

代謝物に関しても全体的な傾向を調べるため、主成分分析（Principal component analysis: PCA）を行った結果、

分 類 は 、 Greeangenes デ ー タ ベ ー ス
v13.8(http://greengenes.secondgenome.com/) をリファレンスとし血漿中代謝物は IGT 群が他の３群と比較し全体的に代謝物に変化がみられていた。一方で糞便中代謝物についてはて属レベルまで分類した。

あまり 3 群が分離しておらず、全体的な傾向に違いは見られなかった（図 2）。

２．１．２ メタボローム解析
腸内細菌叢解析に用いた糞便検体から水溶性代謝物と短鎖脂肪酸を抽出し、それぞれの抽出サンプルを
GCMS-TQ8030（島津製作所）を用いて、測定を行った。
水溶性代謝物の抽出と誘導体化は、糞便に水：MeOH：ク
ロロホルムを 5：5：2 の比率で加え、上層の水溶性画分を凍結乾燥した後に、Methoxyamine を加えオキシム化を行った後に、N-Methyl-N-trimethylsilyl-trifluoroacetamide を加えトリメチルシリル化を行った。また、短鎖脂肪酸の抽出と誘導体は、水：HCl：ジエチルエーテルを 2：1：4 の比図 2. 血漿中代謝物と糞便中代謝物の PCA の結果

率 で 加 え 、 上 層 の 脂 溶 性 画 分 を 採 取 し 、N-tert-Butyldimethylsilyl-N-methyltrifluoroacetamide を 加 え

次に、血漿中代謝物について、多群検定を行い 3 群間で誘導化を行った。それぞれの誘導体化したサンプルは
BPX-5 カラムを用いて、GCMS-TQ8030 の MRM モードで有意に異なる代謝物を調べた。その結果、64 化合物に有意差（P 値が 0.05 以下）が見られた。有意差が見られた測定を行った。

血漿中代謝物の濃度変化を相対的に示し、変化の傾向を
Heatmap で示した（図 3）。代謝物の種類について着目する

２．２ 結果２．２．１ 腸内細菌叢解析の結果とアミノ酸や単糖が IGT 群で多く、短鎖脂肪酸が健常者で多いことが分かった。

腸内細菌叢の全体的な変化を比較するため、データのグ
ループ間の距離の指標である Weighted unifrac distance を

糞便中代謝物についても、多群検定を行い 3 群間で有意に異なる代謝物を調べた。その結果、34 化合物に有意差計算し Principal coordinate analysis（PCoA）プロットを行ったところ、3 群は分かれることはなかったため、全体的（P 値が 0.05 以下）が見られた。有意差が見られた血漿
中代謝物の濃度変化を相対的に示し、変化の傾向をな細菌叢において変化は見られなかった。また、腸内細菌叢の多様性の低下が疾患に関連するなどの報告があるが、Heatmap で示した（図 4）。血漿中代謝物ではアミノ酸や単糖が IGT 群で多かったが、糞便中代謝物では肥満群で特に多様性についても 3 群では変化がなかった。次に、細菌の系統的な種類ごとに比較を行ったところ、肥満群ではそれらの物質が多い傾向にあり、血漿中と糞便中では異なる傾向にある事が分かった。

Bacteroidetes 門の細菌が有意に減少していた。これは過去の研究の結果とも一致していた。また、肥満群ではActinobacteria 門の細菌も有意に増加していた（図 1）。細菌の分類を属レベルで比較を行ったところ、Collinsella 属が肥満群と IGT 群で有意に増加していることが分かった。

図 1．腸内細菌叢解析の結果

図 3. 3 群間で有意差が見られた血漿中代謝物の変化

109

KISTEC研究報告2019（2019.7）

2. P. J. Turnbaugh et al., An obesity-associated gut microbiomewith increased capacity for energy harvest. Nature 444,
1027-1031 (2006).
3. H. Plovier et al., A purified membrane protein from
Akkermansia muciniphila or the pasteurized bacterium
improves metabolism in obese and diabetic mice. Nature
medicine 23, 107-113 (2017).
4. C. Fuchsberger et al., The genetic architecture of type 2
diabetes. Nature 536, 41 (2016).
5. J. Qin et al., A metagenome-wide association study of gut
microbiota in type 2 diabetes. Nature 490, 55-60 (2012).
6. H. K. Pedersen et al., Human gut microbes impact hostserum metabolome and insulin sensitivity. Nature 535, 376-381(2016).
7. C. Kasai et al., Comparison of the gut microbiota

図 4．3 群間で有意差の見られた糞便中代謝物の変化

３．

composition between obese and non-obese individuals in a
Japanese population, as analyzed by terminal restriction
fragment length polymorphism and next-generation sequencing.
BMC Gastroenterol 15, 100 (2015).

考察及び今後の展望

糞便中の腸内細菌叢解析の結果から、門レベルでは肥満者で Bacteroidetes が減少し、Actinobacteria が増加し

8. J. Sato et al., Gut dysbiosis and detection of "live gut
bacteria" in blood of Japanese patients with type 2 diabetes.

ていた。属レベルでは Collinsella 属が肥満者と IGT で有意に増加していた。肥満者で Bacteroidetes 門の細菌が減Diabetes care 37, 2343-2350 (2014).
9. R. Liu et al., Gut microbiome and serum metabolome

少することは過去の報告と一致していた。Actinobacteria
や Collinsella 属の変化についてはあまり報告がないた

alterations in obesity and after weight-loss intervention. Nat
Med 23, 859-868 (2017)

め、日本人特有の腸内細菌叢の変化を示していると考えられる。

1.

血漿メタボロームの結果からは、IGT 群ではアミノ酸の増加や糖類の増加が見られ、血中アミノ酸の増加は 2 型糖

Ley, R.E., et al., Human gut microbes
associated with obesity. Nature, 2006.
444(7122): p. 1022-1023.

尿病のヒトで増加しているという過去の報告[9]と一致していた。また、肥満者と IGT の血漿で短鎖脂肪酸が減少し2.

ていた。短鎖脂肪酸はインスリン感受性や代謝機能を上げる報告があるため、そのような有用な代謝産物が減少して

Turnbaugh,

P.J.,

et

al.,

An

obesity-associated gut microbiome with

いることが、肥満や糖尿病の発症や悪化に関与している可能性がある。糞便メタボローム解析の結果からは、血漿のincreased capacity for energy harvest.
Nature, 2006. 444(7122): p. 1027-1031.

結果と比較し、グループ間に違いはあまりみられず、血漿中とは異なる代謝物の変動をしていた。腸内の低分子代謝

3.

物の多くは吸収され血中に入り、肝臓等で代謝を受けるた
め、糞便中で変化していた代謝物が血中においても同じ変

Plovier, H., et al., A purified membraneprotein from Akkermansia muciniphila

動がみられなかったことが考えられた。
今後の予定として、肥満群と IGT 群では変化している代or the pasteurized bacterium improves

謝物が異なるため、それぞれ健常者群と比較し、有意に異なる腸内細菌や代謝物を探索する。また、腸内細菌叢デー

metabolism in obese and diabetic mice.
Nat Med, 2017. 23(1): p. 107-113.

タと代謝物データの統合解析法の検討を行う。さらに、現
在、GC/MS により水溶性代謝物を計測しているが、GC/MS

4.

分析では分析できない代謝物、または、不安定な代謝物について LC-MS により分析を行う。

Fuchsberger, C., et al., The geneticarchitecture of type 2 diabetes. Nature,
2016. 536: p. 41.

【参考文献】

5.

1. R. E. Ley, P. J. Turnbaugh, S. Klein, J. I. Gordon, Human gut
microbes associated with obesity. Nature 444, 1022-1023

Qin, J., et al., A metagenome-wide
association study of gut microbiota in(2006).

type
110

2

diabetes.

Nature,2012.

【研究開発部】腸内細菌叢（解析ツール開発）

業績【原著論文】
1. Kubota T, Inoue M, Kubota N, Takamoto I, Mineyama T,
Iwayama K, Tokuyama K, Moroi M, Ueki K, Yamauchi T,

4.大野博司 宿主-腸内細菌相互作用 第 25 回日本門脈圧亢進症学会 特別講演、2018.9、大阪

Kadowaki T. Downregulation of macrophage Irs2 byhyperinsulinemia impairs IL-4-indeuced M2a-subtype

5.Ohno, H. Obesity, Impaired Glucose Tolerance and gut

macrophage activation in obesity. Nat Commun. 9:4863,
2018.

microbiota. 5th International Probiotics and Prebiotics
Symposium、2018.12、Surabaya, Indonesia
6.大野博司 Host-microbiota interaction in the host health【総説】
1.窪田哲也、窪田直人、門脇 孝 インスリン抵抗性-イン ス リン 作用 「失 調」 仮説 - 医 と 食 Vol. 10 No.3:

and diseases. 第 47 回日本免疫学会学術集会 Overview
Talk、2018.12、福岡

146-149, 2018.
7.大野博司
2.大野博司 腸内細菌と宿主の生理･病理析 41：125-134, 2018
3.大野博司

口頭発表
1.窪田哲也、窪田直人、井上真理子、林高則、相原允一、

腸内フローラの健康と病気への関わり

亜鉛栄養治療誌

Vol.8

ヒトマイクロバイオームと疾患発症の関連 第 5 回日本食看護研究会、2019.3、東京

生物試料分

No. 2: 50-57, 2018

高本偉碩、山内敏正、植木浩二郎、門脇孝：肥満のM2a-subtype マクロファージにおける Irs2 の役割の解明、
第 91 回日本内分泌学会学術総会、2018.4、宮崎4.大野博司、宮本博邦 腸内細菌叢と宿主の生理・病理
日本動物用医薬品協会会報 Vol.62 No. 6: 1-20, 2018
畜産･家禽類の生産

2.窪田哲也、窪田直人、井上真理子、林高則、相原允一、
高本偉碵、山内敏正、植木浩二郎、門脇孝：マクロファ性を制御する環境微生物 -好熱菌･耐熱金を中心として- 畜産技術 762:18-22, 2018

ージにおける Irs2 は IL-4 による M2a-subtype 活性化を減弱し、インスリン抵抗性を惹起する、第 61 回日本糖5.宮本浩邦、児玉浩明、大野博司

尿病学会年次学術集会、2018.5、東京
6.佐藤尚子、大野博司
球と疾患誘導共生細菌が制御する自然リンパ実験医学増刊 Vol.37、No. 2、2019

7.中西裕美子、大野博司
刊 Vol.37 No. 2 2019

老化と腸内細菌ポスター発表1.Nakanishi Y. and Hiroshi O. Aging-related alterations in
the intestinal environment lead to gut dysbiosis, Poster
presentation, International Conference on Ageing, 7 – 8

実験医学増March 2019, Penang, Malaysia

【書籍】
なし

受賞
1.大野博司 文部科学大臣表彰科学技術賞（研究部門）
2018.4、東京【口頭発表】
招待講演
1.大野博司 腸内細菌が健康と病気に及ぼす影響 ｢長野ブランド郷土色｣平成 29 年度第 2 回公開シンポジウム、

2019.11、福2.大野博司島

第 61 回野口英世記念医学賞

3.窪田哲也

第 33 回日本肥満・糖尿病動物学会

2018.１、長野
2.窪田哲也: 肥満における M2a-subtype マクロファージ
活性化障害の分子機構第 12 回 Diabetes Leading-edge

賞

Conference、2018.8、千葉

研究2019.3, 福岡【特許】

3.Ohno H. Impact of smoking on the gut microbiota in IBD
patients FALK Sympoium “IBD and Liver: East Meets West、(1) 国内特許出願

0件(2) 国外特許出願0件

2018.9、Kyoto

111

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

腸内細菌叢プロジェクト
腸内環境制御グループ プロジェクトリーダー 福田真嗣

【基本構想】
本プロジェクトは、近年増加傾向にある様々な疾患と関連が示唆されている腸内細菌叢を含む腸内環境を適切に制御することにより、腸内環境のバランスの悪化が起因となる疾患の予防や治療につながる腸内
環境制御システムの基盤構築を目的とする。
ヒトの腸管内にはおよそ 1,000 種類、40 兆個にも及ぶとされる腸内細菌が生息している。正常なバランスを保っている腸内細菌叢は外部から侵入する外来細菌の定着を防いだり、宿主免疫系を活性化したりする。しかし、腸内細菌叢のバランスの乱れは大腸炎や大腸がんといった腸管関連疾患のみならず、代謝疾
患や自己免疫疾患などの全身疾患にも関連することが報告されている。遺伝子解析技術の進歩により、腸管内に生息する細菌叢の構成、種類などが明らかになってきたが、生息する個々の腸内細菌が果たす役割
や、その役割を理解するための腸内細菌の培養方法などについては十分とは言えず、さらなる進展が望まれている。加えて、腸内細菌叢由来の代謝物質が宿主の健康維持や疾患に深く関与していることが示されてきたが、それらがどのような腸内細菌により産生されているのかについても不明な点が多い。
腸内細菌叢を含む、腸内環境を適切に制御するためには個々の腸内細菌の特性を理解し、腸内細菌叢由来の代謝物質や菌体自身が宿主へ与える影響を知ることが重要となる。腸内細菌が主に生息する大腸は嫌気性環境であり、腸内細菌叢を構成する細菌のほとんどは偏性嫌気性細菌に区分される。これまで、専用の培養容器と脱酸素・炭酸ガス発生剤を組み合わせた簡易的な嫌気環境下やグローブボックスなどの嫌気培養装置を使用した腸内細菌の単離培養方法が確立されている。また、腸内細菌の単離培養に使用することができる選択培地もいくつか市販されている。しかしながら、標的腸内細菌の培養が困難なケースが報告されるなど、腸内細菌の培養技術については改善が必要とされる部分が多い。ゆえに難培養性腸内細菌の培養技術の開発が最優先課題となる。そこで本プロジェクトでは、鍵となる腸内環境制御システムの構築を行うために（１）難培養性腸内細菌の新規培養方法の確立（2）難培養性腸内細菌単独定着マウスを作製し、それらが宿主に与える影響の解析、の 2 つを実施する。これらの研究を遂行することで、将来的には腸内環境制御に向けた創薬やサプリメント、機能性食品の開発につながり、健康維持、疾患予防および新規治療方法開発に貢献できると考えている。

１．

平成 30 年度の研究目的ては、今後の研究に向け嫌気性チャンバー内にて安定的か

プロジェクト二年目となる平成 30 年度は以下を重点項目として定めた。

つ容易に培養する方法を検討した。

(1) 腸内細菌基準株の安定的培養技術の確立(2) ヒト由来腸内細菌の単離、培養技術の確立
ヒトやマウスの腸内細菌叢において主要な割合を占め

腸内細菌叢を構成する個々の腸内細菌を得るためには二つの方法がある。一つ目は、腸内細菌叢が含まれている

る腸内細菌は基準株として単離されているものが多い。一方で、腸内細菌叢の中における割合が低く、数が少ない腸ヒトやマウスの便試料懸濁液を直接培地プレート上に播種し、コロニーを形成させ、単離する方法である。二つ目

内細菌の単離、培養は難しく培地作製の工夫や新規培養法の開発が必要となっている。腸内細菌の多くは偏性嫌気性は微生物バンクに登録されている腸内細菌基準株を入手し、培養する方法がある。腸内細菌基準株はいくつかのバ細菌に分類され、単離、培養中において少しでも酸素が混入すると死滅することもある。このような腸内細菌を失う

イオリソースセンターから入手することができるが、日本国内において腸内細菌を含む微生物基準株は理化学研究ことなく単離、培養する際に、培養環境中の酸素を可能な限り除去することが必要となる。

所バイオリソースセンター（以下理研 BRC とする）内の微
生 物 材 料 開 発 室 に 保 管 、 登 録 さ れ て い る (URL:

我々の体内には食物に由来する多くの栄養素や未消化物が存在しており腸内細菌はそれらを栄養源として増殖

http://jcm.brc.riken.jp/ja/)。
昨年度に引き続き、現在までに蓄積してきたヒトおよびしている。そのため細菌の増殖に必要な栄養等を添加した
新たな培地を作製することも重要となる。本年度は慶應義

マウスの腸内細菌叢の解析データから重要性が高いと思われる腸内細菌の選定を続け、入手可能な腸内細菌基準株

塾大学先端生命科学研究所や森下仁丹株式会社と協力し、新たな培地作製や新規培養装置の導入によりヒト由来腸を理研 BRC より購入した。入手した腸内細菌基準株に関し内細菌の新規培養方法の構築を試みた。
はじめに理研 BRC

113

KISTEC研究報告2019（2019.7）

より入手した腸内細菌基準株の中でも厳密な嫌気環境下でしか生育できない腸内細菌を用いて、新規培養方法の有効性の検証を行った。また新規培地を用いて、健常人の便グラム陽性菌
グラム陰性菌

試料からの腸内細菌の単離、培養を試みた。

基準株入手数

培養成功数

培養検討中

31
17

29
14

2
4

表１ H30 年度終了時の腸内細菌基準株の培養状況(3) 腸内細菌が生体に及ぼす影響の評価
単離、培養方法を確立した腸内細菌について、生体に与(2) ヒト由来腸内細菌の単離、培養技術の確立
昨年度に確立した嫌気培養方法を用いて、ヒト便試料からの腸内細菌を単離、培養を試みた。始めに便試料に含まえる影響を評価するためには以下に挙げる方法がある。1.
腸内細菌単独定着マウスを構築し、代謝物質の網羅的解析

れたいている食物由来の未消化物をフィルターを用いて除去し、残った腸内細菌叢懸濁液を様々な選択培地に播種、や腸管上皮細胞、免疫細胞の組成や数を検討する。2.安定
培養した腸内細菌の投与による免疫系の変化や、薬剤マウ

嫌気チャンバー内にてコロニーを形成させた。プレート上に形成されたコロニー群から単コロニーを分取し、液体培ス誘導腸炎モデルにおける炎症応答への感受性を評価する。本プロジェクトの拠点である川崎生命科学・環境セン地内にて培養を継続した（図 1）。増幅が確認されたものはDNA を抽出し、その配列をシークエンス解析することで、ター（LiSE）には実験動物の維持、繁殖、実験を実施するための施設が備わっていない。そこで隣接する公益財団法

菌種の同定を行った。本年度は本手法により 1 種類のグラ
ム陽性菌および 3 種類のグラム陰性腸内細菌をヒト便試

人 実験動物中央研究所（以下 CIEA とする）と連携し腸内細菌単独定着マウスの解析や腸内細菌投与実験を実施し料より単離することができた（図 1）。

た。これまでに安定培養方法を確立した腸内細菌の数が増加するにつれて、腸内細菌単独定着マウスを構築するためのビニールアイソレーターの数を確保するのが困難になりつつある。そこで、多くの腸内細菌の機能を明らかにするため、大型実験動物施設を有する筑波大学との連携を開始し、来年度からの共同研究に向けた準備を進めてきた。

２．

平成 30 年度の研究成果

平成 30 年度は以下に挙げる具体的な研究成果を得ることができた。実験方法、結果の詳細は研究員報告書に記

図 1 ヒト便試料由来の腸内細菌のグラム染色載するため要点を示す。
腸内細菌叢を構成する個々の腸内細菌同士は生存競争(1) 腸内細菌基準株の安定的培養方法の確立
独自に作成した腸内細菌株のリストを元に、本年度は理を繰り広げる一方で、互いに助け合い共生する細菌も存在していると考えられている。すなわち、ある腸内細菌が産研 BRC から入手可能な腸内細菌基準株 11 種類（グラム陽性菌 6 種類、グラム陰性菌 5 種類）を入手した。これらに生する代謝産物が他の腸内細菌の増殖に重要である可能性がある。このような状況を擬似的に再現するために、二加えて、昨年度培養の検討ができなかった 6 種類の腸内細菌基準株に関しても嫌気チャンバー内にて安定培養方法

槽式透析培養器を用いた腸内細菌の培養を試みた（図 2）。
本培養装置器は細菌を通さずに特定の成分のみを通す特の確立を試みた。はじめに嫌気性菌の一般的な培養に広く用いられている GAM ブイヨンを用いて寒天培地、液体培地

殊な膜を中央部に配置しており、腸内細菌叢を含む培地で産生された代謝物質などの成分が膜を通してもう一方にを作成し、腸内細菌基準株の培養を実施した。大半の腸内細菌基準株は GAM 培地を用いて安定培養することができ供給される仕組みとなっている。始めに本培養装置の有用性を検証するために、片側に培地と難培養性腸内細菌基準た。その一方で、GAM 培地により培養できなかった腸内細菌基準株は、より栄養素が豊富に含まれている YCFA 培地

株を添加し、反対側に腸内細菌叢を含む培地を加え、嫌気チャンバー内にて培養を試みた。その結果、本透析培養器をベースにさらにいくつかの栄養素を加えた改良型 YCFA培地を用いて培養を試みた。その結果、本年度検討したすを用いることで難培養性腸内細菌基準株を培養することができた。今後は項目 1 で培養できなかった腸内細菌基準

べての腸内細菌基準株の培養に成功した。昨年度と合わせるとこれまでに 43 種類の腸内細菌基準株の安定的培養方株の培養やヒト由来新規腸内細菌の単離などに応用していく。

法を確立できた（表１）。
一方で、6 種類の腸内細菌基準株に関しては GAM 培地、改良型 YCFA 培地のどちらでも培養することができなかった。これらの腸内細菌基準株に関しては、引き続き組成の異なる培地を用いて安定的な培養方法の確立を目指して
いく。

114

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

慶應義塾大学の両研究施設、筑波大学は距離が離れている
ため、常時オンライン接続をすることで、互いの研究室を繋ぐことにより円滑なコミュニケーション環境を整備し、活用している。また、図 4 で示す共同研究先とは定期的に進捗状況を報告する機会を設け、プロジェクトの課題や進め方を議論している。

図 2 二槽式透析培養器を用いた腸内細菌培養方法の概要(3) 腸内細菌が生体に及ぼす影響の評価
安定培養に成功した、腸内細菌基準株の中から選抜した腸内細菌をマウスに腹腔内投与し、免疫系に与える影響を評価した。その結果、グラム陰性常在腸内細菌の一つを投与するとマウスの生存には影響しないものの、脾臓が肥大し、炎症に関する免疫応答が強く惹起されることを見出した。常在腸内細図 4 本プロジェクトの研究協力体制

菌の免疫感作によりこのような強い炎症反応が誘導される報告はほとんどなく、本所見は新しい知見であると考えられる。

４．総括

腸内細菌単独定着マウスの構築に関しては、本年度は 1
種類の腸内細菌定着マウスの構築を行った。無菌マウスに定培養法の検討に取り組み、43 種類の腸内細菌株について安定培養法を確立した。その後、本年度の研究計画に沿腸内細菌を経口投与した後、糞便を定期的に回収して標的
腸内細菌の定着を検討した。グラム染色による検鏡の結果、った研究項目を実施し、計画通りに研究開発を進めることができた。来年度以降も引き続き計画に沿って研究開発を目的の腸内細菌がマウス腸内に定着できていることを確認できた（図 3）。今後は構築した腸内細菌単独定着マウス実施し、当初の研究目標以上の成果が得られるよう取り組
む。

プロジェクト 2 年目となる本年度は、腸内細菌基準株の安を用いて代謝物質の網羅的解析や腸管上皮細胞、免疫細胞の組成や数を検討する。

図 3 無菌マウスおよび腸内細菌単独定着マウス糞便のグラム染色像。無菌マウスにおいても未消化物の塊が観察されるが、腸内細菌単独定着マウスでは未消化物以外に矢印で示すように定着した腸内細菌が観察される。

３．研究協力体制に関して
本プロジェクトでは研究を円滑に進めていくために様々な研究機関との共同研究を実施している。そのため、共同研究先との綿密な連携はプロジェクトを推進していく上で重要な項目となる。CIEA は隣接しているため、研究
ディスカッションも容易に行うことが可能である。一方で、

115

KISTEC研究報告2019（2019.7）

腸内環境制御基盤技術の開発に向けた難培養性腸内細菌の培養法確立および生体に与える影響の評価
中藤 学
１．

はじめに

１．２
と課題

我々は生後すぐに外部の環境に曝されることにより微個々の腸内細菌を対象とした研究の重要性

生物との共生関係が始まる。体内にありながら外界とも繋がる消化管内も例外ではない。
ヒトの腸管にはおよそ 1000

これまでの研究から個人個人の腸内細菌叢の構成、種類
および経時的変化は明らかとなってきた。また、項目 1.1

種類、40 兆個もの腸内細菌が生息しており、地球上のあらゆる環境の中で最も生息密度が高い場所の一つとなっで述べてきたように腸内細菌叢由来の代謝物質は宿主の健康維持に重要な要素となってくるのみならず、疾患ともている。腸内細菌同士は互いに生存競争を繰り広げたり、互いに支えあったりしながら一定のバランスを保つこと深く関わることが明らかとなってきた。しかしながら、それらの代謝物質が腸内細菌叢を構成するどの腸内細菌由で腸内細菌叢を形成している。食生活の変化が大きい乳幼児期では腸内細菌叢の変動も大きくなるが、成人になると来するものであるかについては、不明な点が多い。そのため個々の腸内細菌の特性や代謝物質を理解することが重日々の食事や生活様式により多少の変動はあるものの腸内細菌叢は安定した状態となる（参考文献１）。

要である。しかしながらこれらに関する研究報告数が少な
い一番の理由は、腸内細菌の培養方法が十分に確立されて１．１ 腸内細菌叢が宿主に与える影響

いないことが挙げられる。腸内細菌はその多くが偏性嫌気性細菌に分類されており、少量の酸素の混入により生育が共存関係を構築している腸内細菌叢は宿主に有益な効果をもたらしている。我々は呼吸や飲食などにより、常に阻害されてしまう。脱酸素剤などを利用した簡易的嫌気環境の構築やグローブボックスなどの嫌気培養装置を利用

外来抗原が体内へと侵入するリスクを抱えている。腸内細菌叢は消化管内に侵入してくるこれらの外来性抗原の定した腸内細菌の培養も進んでいる。しかしながら、依然として単離、培養ができない腸内細菌も数多く残されている着を防ぐ役割を果たしている。また、腸内細菌は食物由来の未消化物を栄養源として発酵分解し、その際に代謝物質のが現状である。

として低分子を菌体外に放出する。腸内細菌叢由来代謝物
質は腸管上皮細胞のエネルギー源となるだけではなく物

１．３

理的バリアの構築に寄与し腸管上皮細胞の恒常性維持にも重要な役割を果たしている（参考文献 2）。更に、一部の構築は、我々の健康維持や疾患予防に有効な手段となる。
このような基盤技術を構築するためには、以下に示す 3 つの腸内細菌由来代謝物質は宿主の免疫機能を活性化する。
例えば、腸内細菌叢を構成する主要な細菌群の一種であるの課題に取り組む必要がある
1. 腸内細菌の安定的な大量培養方法の確立

腸内環境制御基盤技術の構築に向けて

腸内細菌叢を含む腸内環境を適切に制御する基盤技術

クロストリジウム目細菌群が食物繊維を代謝発酵し産生する酪酸は、炎症やアレルギーの起因となる過剰な免疫応

2. 難培養性腸内細菌の新規培養技術の開発
3. 腸内細菌単独定着マウスを作製や腸内細菌の投答を抑制する T 細胞である制御性 T 細胞の分化誘導を促進
するといった重要な役割を果たしている（参考文献 3、4）。

与が生体に与える影響の評価する
個々の腸内細菌に関する基礎データの蓄積は、腸内環境制

その一方で、ストレスや生活習慣の乱れにより腸内細菌
叢のバランスが崩れることが疾患につながることも知ら

御基盤技術に必要となる創薬、栄養補助食品、機能性食品の開発にも直結することが期待される。

れている。実際に腸内細菌叢の乱れが大腸がんや大腸炎などの腸管関連疾患のみならず、糖尿病、動脈硬化、自閉症、

２． 実験と結果
２．１ 腸内細菌基準株の安定的培養方法の確立

アレルギー疾患など多岐にわたる疾患の発症にも関連することが報告されている（参考文献 5）。また、バランス

個々の腸内細菌の特性を理解するために微生物バンクのの乱れた腸内細菌叢由来の代謝物質も、これらの疾患を引き起こす要因となっている（参考文献 6）。ゆえに、腸内一つである理化学研究所バイオリソースセンターより腸内細菌基準株 11 種類（グラム陽性菌 6 種類、グラム陰性

細菌叢を含む腸内環境を正常に保つことは健康維持にとって重要となる。

菌 5 種類）を入手した。これらの腸内細菌基準株に加え、昨年度に培養の検討ができなかった 6 種類の腸内細菌基準株を加えた合計 17 種類の基準株の安定培養方法の確立
を試みた。

116

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

はじめに嫌気性菌の培養に一般的に用いられている GAM
ブイヨン（日水製薬株式会社）を用いて、寒天培地および２．３ ヒト由来腸内細菌単離に向けた新規培養技
術の確立

液体培地を作製し、嫌気チャンバー内にて腸内細菌基準株の培養を試みた。それぞれの培地に腸内細菌のストック溶

腸内細菌同士は生存競争をすることにより宿主の消化液を添加し、
嫌気性チャンバー内において 24-72 時間 37℃に保ちながらプレート上でのコロニー形成の検討および管内の限られた生存領域を確保しているが、一方で、互いに共生関係を持つ腸内細菌も存在している可能性が示唆

液体培地中における腸内細菌の増幅を行った。その結果、8 種類のグラム陽性菌、7 種類のグラム陰性菌のコロニーされている。このような腸内細菌は互いの利益になるような代謝物質を産生、利用することで増殖していることが推形成および液体培地での増殖を確認することができた。しかしながら、2 種類の腸内細菌基準株に関しては GAM 培地察される。そこで微生物共生系を検討するために使用されている、二槽式透析培養器を用いた腸内細菌の培養を試みによる増殖が観察されなかったため、GAM 培地よりもビタミンやミネラル成分が多く含まれる YCFA 培地に更に数種た。左右のガラス器具の間には、細菌は通過することができないが、代謝物質などの低分子化合物は透過できる径の類の栄養素添加した改良型 YCFA 培地による培養を試みた。
改良型 YCFA 培地の使用により安定培養に成功した（表１）。

膜を装填した。本透析培養器の有用性を検証するために難培養性腸内細菌基準株の培養を試みた。嫌気チャンバー内

安定的な培養方法を確立したすべての腸内細菌基準株
は、細菌類を染色する方法の一つであるグラム染色を実施

にて 72 時間 37℃に保ちながら培養した結果、本透析培養器を用いることで難培養性腸内細菌基準株を培養するこすることで単一の細菌のみしか存在しないことを確認した。単一菌であることが確認できた腸内細菌基準株についとができた(図 2)。今後は本培養器を用いて、ヒト由来細菌の単離を実施していくのみならず、未だ培養方法が確立ては、今後の実験の際に他の菌が混入した際にも対処できるように予備の凍結ストックを作製した。

できていない腸内細菌基準株の培養を試みていく。

検討数

培養成功数

グラム陽性菌10 種

10 種

グラム陰性菌7種(GAM8 種,改良型 YCFA2 種)
7種(GAM7 種)表１ 本年度に実施した腸内細菌基準株の培養状況

２．２

ヒト由来腸内細菌の単離、培養

図２ 二槽式透析培養器を用いた難培養性腸内細菌基準株の培養昨年度確立した嫌気培養方法を用いて、ヒト便試料から検討の腸内細菌の単離、培養を試みた。腸内細菌を単離する際に、様々な種類の選択培地や、市販の培地をベースとして

２．４

独自に栄養素などを追加した培地を用いてヒト便試料より腸内細菌の単離、培養を試みた。培養プレート上から単腸内細菌が生体に与える影響の評価

本プロジェクトはこれまでに 40 種類を超える腸内細菌

コロニーを分取、培養した後に DNA を抽出した。その後、シークエンス解析により菌株の同定を実施した。その結果、1 種類のグラム陽性菌、3 種類のグラム陰性菌を単離、培養することに成功した(図 1)。

基準株の安定培養方法を確立してきた。次にこれらの腸内細菌が生体に与える影響を評価するために以下に示す動物実験を実施した。始めに、腸内細菌基準株の中から選抜した 8
種類の腸内細菌をマウスに腹腔内投与し、免疫系に与える影響を評価した。本年度検討した 7 種類の腸内細菌は軽い炎症を起こすだけであったが、1 種類のグラム陰性常在腸内細菌(図 3 に記載されているグラム陰性腸内細菌 1)を投与すると脾臓において強い炎症応答を引き起こすことが明らかになった(図 3)。さらに炎症応答に伴う免疫細胞の変化を検証したところ、特徴的に変化する免疫細胞集団を見出すことができた(図3)。
更に単独の腸内細菌が生体におよぼす影響を評価するために、本年度は 1 種類の腸内細菌定着マウスの構築を行った。無菌マウスに腸内細菌を経口投与した後、糞便を回収し、腸内細菌の定着を検討した。回収した便をバッファー内ですり潰し、懸濁液を用いてグラム染色を実施した。
比較対照の無菌マウス由来の懸濁液中にも食物の未消化物の塊が見られるが、腸内細菌単独定着マウスでは食物の図 1 健常人便試料より単離した腸内細菌のグラム染色

117

KISTEC研究報告2019（2019.7）

未消化物以外に菌体が存在していることを確認することができた。菌体の形状は投与前のものと一致しており、標【参考文献】

的とする腸内細菌の定着していることを確認することができた（図 4）。

1 Odamaki, T., Kato, K., Sugahara, H., Hashikura, N.,
Takahashi, S., Xiao, J.Z., Abe, F., Osawa, R., Age-relatedchanges in gut microbiota composition from newborn tocentenarian: a cross-sectional study. BMC Microbiol. 25:16:90,
2016.
2 Okada, T., Fukuda, S., Hase, K., Nishiumi, S., Izumi, Y.,
Yoshida, M., Hagiwara, T., Kawashima, R., Yamazaki, M.,
Oshio, T., Otsubo, T., Inagaki, O. K., Kakimoto, K., Higuchi,
K., Kawamura, Y. I., Ohno, H., Dohi, T. Microbiota-derived
lactate accelerates colon epithelial cell turnover instarvation-refed mice. Nat. Commun. 4: 1654, 2013.

図３ 腸内細菌腹腔内投与後の脾臓重量および、変化があった免疫††††
3 Furusawa, Y., Obata, Y., *Fukuda, S. ( co-first and細胞の細胞数*corresponding author), Endo, T. A., Nakato, G., Takahashi, D.,
Nakanishi, Y., Uetake, C., Kato, K., Kato, T., Takahashi, M.,
Fukuda, N.N., Murakami, S., Miyauchi, E., Hino, S., Atarashi,K., Onawa, S., Fujimura, Y., Lockett, T., Clarke, J.M., Topping,
D.L., Tomita, M., Hori, S., Ohara, O., Morita, T., Koseki, H.,†
Kikuchi, J., Honda, K., * Hase, K., * Ohno, H. Commensal
microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic
regulatory T cells. Nature 504: 446-450, 2013.
図 4 投与前の培養した腸内細菌および腸内細菌単独定着マウス由

4 Atarashi, K., Tanoue, T., Suda, W., Oshima, K., Nagano, Y.,

来の便中に含まれる腸内細菌のグラム染色像

Nishikawa, H., Fukuda, S., Saito, T., Narushima, S., Hase, K.,
Kim, S.W., Fritz, J.V., Wilmes, P., Ueha, S., Matsushima, K.,

３．

Ohno, H., Olle, B., Sakaguchi, S., Taniguchi, T., Morita, H.,
Hattori, M., Honda, K. Treg induction by a rationally selected

考察及び今後の展望

本年度は 17 種類の腸内細菌基準株の安定的培養法の確

mixture of Clostridia strains from the human microbiota.
Nature 500: 232-236, 2013.

立に成功した。一方で、6 種類の腸内細菌基準株に関しては GAM 培地、改良型 YCFA 培地のどちらでも培養すること

5 Sekirov, I., Russell, S.L., Antunes, L.C., Finlay, B.B. Gutができなかった。これらの腸内細菌基準株に関しては、本年度に構築した二槽式透析培養器を用いた培養を次年度

microbiota in health and disease. Physiol Rev. 2010
Jul;90(3):859-904.

に試みる。本年度に見出した常在グラム陰性腸内細菌の免疫感作により引き起こされる強い炎症応答に関する報告はほと

6 Schulz, M.D., Atay, C., Heringer, J., Romrig, F.K.,

んどなく、本所見は新しい知見であると考えられる。次年度以降は詳細なメカニズムの解明を進めていく。また構築した腸内Schwitalla, S., Aydin, B., Ziegler, P.K., Varga, J., Reindl, W.,
Pommerenke, C., Salinas-Riester, G., Böck, A., Alpert, C.,

細菌単独定着マウスの代謝物の網羅的解析、腸管上皮細胞
や免疫細胞の変化を検討していく。

4．

Blaut, M., Polson, S.C., Brandl, L., Kirchner, T., Greten, F.R.,
Polson, S.W., Arkan, M.C. High-fat-diet-mediated dysbiosis

謝辞

本実験の遂行にあたり、腸内細菌の分離、新規培養技術の構築では慶應義塾先端生命科学研究所の谷川直紀博士、楊佳約博士、楊永寿博士、筑波大学トランスボーダー医学センターの尾花望博士、森下仁丹株式会社の河野麻美子博士を始め多くの方々のご協力を賜りました。また動物実験に関しては公益財団法人 実験動物中央研究所の高橋利一
氏、小倉智幸氏、野津量子氏から腸内細菌単独定着マウス構築のためのご指導、ご協力を賜りました。厚く御礼申し
上げます。

118

promotes intestinal carcinogenesis independently of obesity.
Nature. 514(7523):508-12,2014

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

業

績
7.

【原著論文】
1.

Yamamoto, Y., Nakanishi, Y., Murakami, S., Aw, W.,

Orimo T, Sasaki I, Hemmi H, Ozasa T, Fukuda-Ohta
Y, Ohta T, Morinaka M, Kitauchi M, Yamaguchi T,

Tsukimi, T., Nozu, R., Ueno, M., Hioki, K.,
Nakahigashi, K., Hirayama, A., Sugimoto, M., Soga,

Sato Y, Tanaka T, Hoshino K, Katayama KI, Fukuda
S, Miyake K, Yamamoto M, Satoh T, Furukawa K,

T., Ito, M., Tomita, M., *Fukuda, S.
(*correspondence)

Kuroda E, Ishii KJ, Takeda K, Kaisho T.
Cholera toxin B induces interleukine-1β production

A metabolomic-based evaluation of the role ofcommensal microbiota throughout the gastrointestinal

from resident peritoneal macrophages through pyrin
as well as NLRP3 inflammasome.

tract in mice.
Microorganisms, 6: E101, 2018.

Int. Immunol. 2019 in press.
8.
2.

P, Momoda R, Tanaka M, Fukuda S, Popluechai S,
Kespechara K, Sonomoto K, Lee YK, Nitisinprasert S,

Shimomura A, Yanagisawa N, Hisada Y, Watanabe K,
Imbe K, Akiyama J, Mizokami M, Miyoshi-Akiyama

Nakayama J.
Urban Diets Linked to Gut Microbiome andT, Uemura N, Hattori M.
Effects of bowel preparation on the human gut

Metabolome Alterations in Children: A Comparative
Cross-Sectional Study in Thailand.

microbiome and metabolome.
Sci. Rep. 9: 4042, 2019.

Front. Microbiol. 9: 1345, 2018.

Kushida, M., Sugawara, S., Asano, M., Yamamoto, K.,

Hayakawa T, Sawada A, Tanabe AS, Fukuda S,
Kishida T, Kurihara Y, Matsushima K, Liu J,

Fukuda, S., Tsuduki, T.
Effects of the 1975 Japanese diet on the gut

Akomo-Okoue EF, Gravena W, Kashima M, Suzuki
M, Kadowaki K, Suzumura T, Inoue E, Sugiura H,

microbiota in younger adults.
J. Nutr. Biochem. 64: 121-127, 2019.

Hanya G, Agata K.
Improving the standards for gut microbiome analysis

Ishii, C., Nakanishi, Y., Murakami, S., Nozu, R.,of fecal samples: insights from the field biology ofJapanese macaques on Yakushima Island.

9.
3.

4.

Ueno, M., Hioki, K., Aw, W., Hirayama, A., Soga, T.,
Ito, M., Tomita, M., *Fukuda, S. (*correspondence)Primates. 59: 423-436, 2018. (IF 1.202)

A metabologenomic approach reveals changes in theintestinal environment of mice fed on American diet.

5.

Kisuse J, La-Ongkham O, Nakphaichit M, Therdtatha

Nagata N, Tohya M, Fukuda S, Suda W, Nishijima S,
Takeuchi F, Ohsugi M, Tsujimoto T, Nakamura T,

10. Yasutomi, E., Hoshi, N., Adachi, S., Otsuka, T., Kong,
L., Ku, Y., Yamairi, H., Inoue, J., Ishida, T., Watanabe,Int. J. Mol. Sci. 19: E4079, 2018.

D., Ooi, M., Yoshida, M., Tsukimi, T., Fukuda, S.,
Azuma, T.

Nishihara, T., Kuno, S., Nonaka, H., Tabata, S., Saito,
N., Fukuda, S., Tomita, M., Sando, S., Soga, T.

Proton Pump Inhibitors Increase the Susceptibility ofMice to Oral Infection with Enteropathogenic

Beta-galactosidase-responsive synthetic biomarker
for targeted tumor detection.

Bacteria.
Dig. Dis. Sci. 63: 881-889, 2018.

Chem. Commun. 54: 11745-11748, 2018.

【総説】
6.

Hayakawa, T., Nathan, SKSS., Stark, DJ., Saldivar,
DAR., Sipangkui, R., Goossens, B., Tuuga, A.,

1.

Clauss, M., Sawada, A., Fukuda, S., Imai, H.,
Matsuda, I.

野間口達洋、村上慎之介、*福田真嗣
腸内細菌叢由来代謝物質がもたらす生体恒常性と疾患性
生化学、19: 65-72, 2019.

First report of foregut microbial community inproboscis monkeys: Are diverse forests a reservoir for2.

diverse microbiomes?
Environ. Microbiol. Rep. 10: 655-662, 2018.

朴成和、福田真嗣、工藤千恵、砂川優
マイクロバイオーム研究の可能性
がん分子標的治療、16: 56-63, 2019.

119

KISTEC研究報告2019（2019.7）

3.

村上慎之介、*福田真嗣

The 3rd Kyoto Biomolecular Mass Spectrometry「腸内デザイン」が切り拓く病気ゼロ社会、
化学と生物、56: 692-696, 2018.

Society (KBMSS) Symposium 2019, Kyoto
University Masukawa Hall, Kyoto, Japan, Feb. 23rd,
2019.

4.

村上慎之介、*福田真嗣
6.

腸内環境に基づく層別化ヘルスケアがもたらす未来
生物工学会誌、96: 524-528, 2018.
5.

6.

福田真嗣
メタボロゲノミクスが解き明かす腸内細菌叢機能とそ

福田真嗣

の制御
神戸大学農工連携次世代バイオプロダクション主催

腸内細菌叢がもたらす生体恒常性と疾患
腎臓内科・泌尿器科、7: 519-526, 2018.

フォーラム 神戸大学百年記念館（兵庫）、2019 年 1
月 31 日Toju, H., Peay, KG, Yamamichi, M., Narisawa, K.,

7.

福田真嗣

Hiruma, K., Naito, K., Fukuda, S., Ushio, M.
Nakaoka, S., Onoda, Y., Yoshida, K., Schlaeppi, K.,

茶色い宝石物語、腸内細菌叢の革新的制御技術の開発

Bai, Y., Sugiura, R., Ichihashi, Y., Minamisawa, K.,
Kiers, ET.

サイエンスパーク拠点間連携シンポジウム 湘南ヘ
ルスイノベーションパーク（神奈川）、2019 年 1 月 2４

Core microbiomes for sustainable agroecosystems.
Nat. Plants 4: 247-257, 2018.

日【口頭発表】

Shinji Fukuda
A metabologenomic approach reveals the function of（招待講演）
1. Shinji Fukuda

gut microbiota in health and disease
Asia-Pacific Nutrigenomics and8.

The 9th Federation of the Asian and OceanianPhysiological Society Congress (FAOPS 2019), Kobe

2.

9.

食を介した腸内環境の制御による新たな健康維持
基盤技術の創出福田真嗣
第 3 の液性因子：腸内細菌叢由来代謝物質がもた

第 16 回大麦食品シンポジウム サッポロビール本社（東京）、2018 年 11 月 23 日
10. Shinji Fukuda

田谷キャンパス（東京）、2019 年 3 月 24 日

The impact of gut microbiota-derived metabolites inhealth and disease

Shinji Fukuda
A metabologenomic approach reveals the function of

NTU 90th Anniversary Symposium, National Taiwan
University, Taipei, Taiwan, Nov. 15th, 2018.

gut microbiota in health and disease
Keio International Symposium 2019 Keio University

4.

5.

福田真嗣

Convention Center, Hyogo, Japan, Mar. 29th, 2019.

らす機能
日本農芸化学会 2019 年度大会 東京農業大学世3.

Nutrigenetics

Organization (APNNO) 2018, Ito International
Research Center (Tokyo), Dec. 3rd, 2018.

A metabologenmic approach reveals the function ofgut microbiota in health and disease

11. 福田真嗣

Faculty of Pharmacy, Tokyo, Japan, Mar. 8th, 2019.

疾患制御における腸内細菌叢由来代謝物質の役割
第 12 回メタボロームシンポジウム 鶴岡市先端研究Shinji Fukuda
The impact of gut microbiota-derived metabolites in

産業支援センター（山形）、2018 年 10 月 18 日

tumorigenesis
U.S.-Japan Cooperative Medical Sciences Program,

12. 福田真嗣
腸内細菌叢機能の包括的理解と腸内デザインによ21th International Conference on Emerging
Infectious Disease in the Pacific Rim, La Thanh hotel,

る新規ヘルスケア産業の創出
BioJapan 2018 パシフィコ横浜（神奈川）、2018 年

Hanoi, Vietnam, Feb. 27th, 2019.

10 月 12 日

Shinji Fukuda
A metabologenomic approach reveals the function of

13. Shinji Fukuda
The impact of gut microbiota-derived metabolites ingut microbiota in health and diseasetumorigenesis

120

【研究開発部】腸内細菌叢（腸内環境制御）

The 77th Annual Meeting of the Japanese Cancer

23. 福田真嗣

Association, Osaka International Convention Center,
Sep. 28th, 2018.

腸内環境の制御による疾患予防・治療基盤技術の構築
第 4 回 Gut Microbiota 研究会 東京プリンスホテル（東京）、2018 年 5 月 12 日

14. 福田真嗣
腸内環境に基づく個別化ヘルスケアの必要性
第 39 回日本食品微生物学会学術総会 大阪市立

（口頭発表）
1. 田中一己，Aw Wanping，鈴木健大，尾花望，冨大学杉本キャンパス（大阪）、2018 年 9 月 27 日

田勝，福田真嗣．
米ぬか摂取による大腸炎抑制機構の解明

15. 福田真嗣
もう一つの臓器、腸内細菌叢の機能に迫る

日本農芸化学会 2019 年度大会，東京都世田谷区,
2019 年 3 月 26 日

第 2 回慶應ライフサイエンスシンポジウム 慶應義塾大学日吉キャンパス（東京）、2018 年 9 月 13 日

優秀発表、トピックス賞 受賞
2.

16. Shinji Fukuda

田中一己，Wanping Aw，鈴木健大，尾花望, 冨田
勝，福田真嗣The importance of gut luminal metabolism in healthand disease

米ぬか摂取による大腸炎抑制メカニズムの解明
第 2 回慶應ライフサイエンスシンポジウム 神奈

FALK symposium 212 IBD and Liver: East meets
West, Kyoto Hotel Okura, Sep. 8th, 2018.

川県横浜市 2018 年 9 月 13 日
研究奨励賞受賞

17. 福田真嗣【特許】(1) 国内特許出願(2) 国外特許出願

もう一つの臓器、腸内細菌叢の機能に迫る
第 58 回生命科学夏の学校（山梨）、2018 年 8 月 31

0件
0件

日
18. 中藤学
腸内環境を整えて生活習慣病を予防し、健康寿命をのばそう
かながわ発・中高生のためのサイエンスフェア
新都市ホール 2018 年 7 月 14 日
19. 福田真嗣
腸内環境に基づく個別化医療・ヘルスケアの必要性
第 67 回日本アレルギー学会学術大会 幕張メッセ（千葉）、2018 年 6 月 23 日
20. 福田真嗣
もう一つの臓器、腸内細菌叢の機能に迫る 第 29 回
HiHA セミナー 広島大学東広島キャンパス（広島）、
2018 年 5 月 25 日
21. 福田真嗣
腸内環境を標的とした新たな疾患予防・治療基盤技術の創出
第 20 回 KEMS 研究会 慶應義塾大学信濃町キャン
パス（東京）、2018 年 5 月 19 日
22. 福田真嗣
腸内細菌叢がもたらす生体恒常性と疾患
第 72 回日本口腔科学会学術集会 ウィンクあいち（愛知）、2018 年 5 月 13 日

121

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）「光触媒」材料グループ
グループリーダー

藤嶋昭【基本構想】
本グループは、光触媒およびホウ素ドープダイヤモンド(BDD)電極に関する基礎研究を行うとともに、企業との共同研究で実用化をめざした応用研究を実施している。また、光触媒ミュージアムの運営や出前教室などを通じて、光触媒をはじめとした科学技術の普及および地域社会への貢献なども行っている。さらに、藤嶋グループリーダーの本務地である東京理科大学の光触媒国際研究センターおよび LiSE Lab.とも連携し、産学公の各分野の特色を活かした材料および製品の研究開発を幅広く展開している。
平成 30 年度末で材料グループが終了することに伴い、材料グループが発足した平成 25 年度からの主な研究成果を本稿にまとめるとともに、今後の展望について述べる。
（年度）

高度計測センター⇒
川崎技術支援部に改称

高度計測センター●落合サブリーダー、計測センター職員に。
材料Gとの兼務で計測センターとの連携開始

イノベーションセンター 光触媒グループ●藤嶋グループリーダー、
理科大の学長に就任
研究員も客員研究員や客員准教授となり、理科大と連携開始●人員・装置等を移動

東京理科大学
総合研究機構●人員・装置等を移動

イノベーション
センター⇒研究開発部に改称

材料グループ（KSP)
光機能材料G

から KISTECにKAST
光触媒横断プロジェクト発足~H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22 H23 H24 H25 H26 H27 H28 H29 H30 H31~

抗菌・抗ウイルスグループ（LiSE)

材料グループ終了

イノベーション
センター⇒研究開発部に改称

光触媒国際研究センター （東京理科大)●藤嶋学長定年
光触媒センター長として引き続き連携

H16/7

光触媒ミュージアム

図 1．光触媒材料グループの沿革。青くハイライトした期間が、本稿に記載している部分。

1．

研究目的

図１に、光触媒材料グループの沿革を示した。材料グル

ラス管などの環境浄化等への応用について、企業との共同研究として実施した。また、東京理科大学や鶴見大学と共ープは、平成 25 年度に、それまでの「光触媒グループ」
が、「材料グループ」と「抗菌・抗ウイルスグループ」と同で、硫化水素分解や歯科材料への抗菌性能の付与などを検討した。とくに、東京理科大学からは、多数の学生が研に分かれる形で発足した。以来 6 年間、主として光触媒および BDD 電極に関する基礎・応用研究を、企業との共同研

究協力員として研究に従事し、国際学会での発表や論文投稿など多数の実績につながった。なお、最近は浄化機器の究などによる研究課題として研究開発を進めてきた。重点研究項目は下記の３つである。

市場動向が縮小してきており、新たなニーズとシーズのマ
ッチングの必要性が示唆されている。

(1) 光触媒およびその担持体の基礎・応用研究

100

主に環境・医療分野への応用展開を出口として研究している。図 2 に光触媒製品の分野別の事業規模推移を示す。ここ十年ほどで、急激に浄化機器分野の規模が増加している
ことがわかる。この理由として、図中に示した通り、新型
インフルエンザの流行など環境リスクの多様化・深刻化が考えられる。こうした市場動向や社会ニーズの変化をふま

sales volume / billion yen

酸化チタン光触媒は、外装材や浄化機器、色素増感太陽電池など、多岐にわたる応用先があるが、当グループでは、

90
80
70
60
50

新型インフルその他
エンザ大流行
生活用品
ノロウイルス等の感染性胃腸炎多発浄化機器
シックハウス
道路資材 関連の法改正
内装材
外装材

PM 2.5全国測定監視体制整備

ノロウイルス等の感染性胃腸炎多発

震災・原発事故

約70年ぶりにデング熱の国内感染症例確認

40
30
20
10
0

え、環境・医療分野への応用展開を基本戦略として設定してきた。これまでに、光触媒とプラズマ処理を組み合わせ'00 '01 '02 '03 '04 '05 '06 '07 '08 '09 '10 '11 '12 '13 '14 '15 '16 '17
fiscal year

図 2．光触媒製品の事業規模推移（光触媒工業会資料より）た空気清浄機の実用化や、酸化チタン担持多孔質シリカガ

123

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）UV lamp

1 µm

TMiP

1 mm

TMiPとUVランプとを組み合わせた空気清浄機
Ind. Eng. Chem. Res., 2012, 51, 587-590

光触媒担持フィルタTMiPの創製

Catal. Sci. Technol. 2011, 1, 1324–1327
inner VUV radiation at 172 nm from Xe2* (7.2 mWcm-2)
electrode
300 mm20 mm

AC power
supply (36 W)

UV-C lamp

E.colioff

photocatalytic filter in the air-plasma

phagequartz tube
outer electrode andphotocatalytic filter, TMiPTM (filler gas: Xe)rolled TMiP

phenolinjection /samplingon
TMiPとエキシマランプとを組み合わせた空気浄化・水浄化ユニット
Chem. Eng. J., 2013, 218, 327-332

O3
bubbling

air flowstirwaterpurification unitpump

reservoir

TMiPとオゾン処理とを組み合わせた水浄化ユニット
Water 2013, 5, 1101-1115

TMiPとプラズマ処理とを組み合わせた空気清浄機
Molecules 2014, 19, 17424

図 3.光触媒担持チタンメッシュフィルタ TMiP の環境浄化機器への応用展開(2) BDD 電極等を用いた電気化学的手法の基礎・応用研究とそれ以外の処理法とを組み合わせた環境浄化機器につ本来絶縁体であるダイヤモンドにホウ素をドープした
BDD は、電気化学センサや電解用電極等としての応用が期いて、複数の企業と研究開発を実施した。研究開発の全体像を図 3 にまとめた。特筆すべきは、TMiP とプラズマ技

待されている機能材料である。広い電位窓を有し、電解によって、オゾン、過酸化水素、OH ラジカルなどの強力な術とを組み合わせた空気清浄機の実用化である。
平成 26 年度に実施した、TMiP とプラズマ処理とを組み酸化剤が生成し、光触媒反応同様に有機物分解や殺菌などに有効であることが知られている。こうした背景をふまえ、合わせた空気清浄機のフィールド試験結果（図 4）などをふまえ、平成 28 年 4 月より業務用空気清浄機（図 5 上）

BDD の環境・医療応用に関する研究を進めている。これまで、BDD 電極と光触媒とを組み合わせた汚水処理、フレキ

が、平成 28 年 6 月より家庭用小型空気清浄機（図 5 下）が、それぞれ販売された。

シブル BDD 電極を用いた電解歯科治療ユニットや植物生体電位測定について、科研費等をうけて研究した。また、(3) 光触媒ミュージアムをはじめとした普及活動

AC power supply
25 kHz, 10 kV(peak-to-peak)

団体見学者などへのミュージアム館内の案内をはじめ、毎年恒例となっている「夏休み光触媒おもしろ実験教室」

air flow

1-1. 光触媒担持チタンメッシュフィルタ TMiP の応用
本研究は、平成 23 年度に開発・製品化した光触媒担持

78

247

air outlet

air inlet

total suspended particulates

0

after 2,300 after 21,900
cigarettes cigarettes

501

図 4．TMiP とプラズマ処理とを組み合わせた空気清浄機の模式図

チタンメッシュフィルタ TMiP の環境浄化機器への応用展
開が主な目的であり、平成 25 年度以降はとくに、光触媒

KISTEC研究報告2019（2019.7）

50

total volatile organic compounds(1) 光触媒およびその担持体を用いた基礎・応用研究

The air-cleaner
consists of HEPA filter,
PACT-TMiP reactor x 10,
activated carbon filter,O3-cut filter, and fan
air flow rate≥1,200 m3/h

removal ratio / %204

tobacco smoke(350 cigarettes/day)
air in100(sampling points)

air inんだ。来館者の見学対応や技術相談も、随時行ってきた。

平成 25～30 年度の研究成果

air out(side view)

air flow

も、かわさきサイエンスチャレンジの一環として実施した。
また、出前授業などで光触媒技術の普及に積極的に取り組

2．

air plasma

2.11 mouter electrodedielectric
TiO2-coated Ti-mesh
Ni-plated steel coil(inner electrode)

air-cleaner

purifiedair

BDD 電極よりも安価で効率の良い電解オゾン生成用電極の作製法についても基礎研究を実施した。

(上)およびフィールド試験(下)124【研究開発部】光触媒（材料）

rotateH2, O2, and SiCl4
Si3N4
rod

traverse

burneramorphous-silica (a-silica) particles layer
cutpulling out

porous a-silica tube

(external diameter: 8.6 mm, thickness: 1.3 mm, length: 300 mm)
1 M titanium(IV) isopropoxide/ethanol solution

impregnation and calcination

TiO2-impregnated porous a-silica tube
図 6．光触媒担持多孔質シリカガラス管の製法
図 5．平成 28 年度より販売を開始した業務用空気清浄機（上）と
家

庭

用

小

型

空

気

清

浄

機

（

下

TiO2-impregnated porous structure

、

TiO2

http://www.maxell.jp/consumer/deodorization/mxap-pca100/）

1-2. 光触媒担持多孔質シリカガラス管の創製とその応用
本研究は、住友電工株式会社との共同研究の過程で平成
25 年度より開始されたテーマである。一端を封じた光触SiO2媒担持多孔質シリカガラス管を、小型紫外光源と組み合わせて、災害時などに飲料水を得られるストロー型簡易水浄1000 nm

図 7．光触媒担持多孔質シリカガラス管の 3D-SEM イメージング

化器等としての応用をめざしている。平成２７年度は、多孔質シリカガラス管に酸化チタン前駆体（チタンテトライ（緑：SiO2, 赤：TiO2）

ソプロポキシド:TTIP）を含浸させ、焼成させて酸化チタンを担持した（図 6）。こうして得られた光触媒担持多孔

1-3. 材料に吸着した臭気成分等の分析試験法およびその質シリカガラス管は、表面近傍に酸化チタンナノ粒子が担持され、さらに細孔が 3 次元的に連続であることが確認さ

光触媒による分解性能試験法の確立
光触媒を用いた空気清浄器によって、空気中の臭気成分れた(図 7)。このサンプルについて、空気浄化性能を検証したところ、高濃度のアセトアルデヒドガスをワンパスで等が光触媒で分解できることはよく知られている。しかし、壁紙や衣服などに吸着した臭気成分等が光触媒でどれだ処理する条件でも、高い分解効率を示した。また、メチレ
ンブルー水溶液の脱色試験から水浄化性能も兼ね備えてけ分解できるかについては、光触媒 JIS 試験でも評価法が定められておらず、あまり報告もない。そこで、平成 28

いることがわかった。以上のことから、インライン式小型
環境浄化装置等として有用であることが示唆された。詳細

年度以降、材料への臭気成分等（とくに、たばこ煙中の臭気成分やタール分）の吸着挙動と、その材料に光触媒を担は後述の林研究員の報告を参照されたい。

持した場合の臭気成分等の分解性能の評価法を新たに確立した。酸化チタン光触媒微粒子を担持した材料と担持していない材料に、それぞれたばこ煙を接触させ、臭気成分

125

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）等の吸着挙動と、その後の紫外線照射による分解挙動を、

1-5. 歯科材料への光触媒コーティング

色差測定および GCMS 分析によって評価した(図 8)。その結果、光触媒担持不織布表面に吸着したタール成分も臭気

本研究は、鶴見大学中村研究室との共同研究のひとつである。矯正器具や義歯床などの歯科材料は、細菌の繁殖に成分も、光触媒反応によって分解可能であることが示唆された。詳細は、後述の落合研究員の報告を参照されたい。

よる疾患の誘発が問題になっている。そこで本研究では、
光触媒による歯科材料への抗菌性能の付与を検討していacryl sealed test box (1 m3)

色差測定

air (50%RH,
0.5 L/min, 2 h)

光触媒担持 ブランク
不織布
不織布

る。、矯正器具への可視光応答光触媒担持と、その抗菌性能の評価では、円形の矯正器具用ステンレス基材を用いて1.0 mWcm-2@310-380 nm

抗菌性能試験を実施したところ、図 10 上に示すように、光触媒を担持させた基材は、可視光照射によって、虫歯菌

tobaccosmoke

や歯周病菌を培養した寒天培地上にクリアゾーンを形成した。これは、細菌が光触媒反応によって殺滅されている
CS2 1 mLで固相抽出しGCMS分析

five cigarettes

ホルダーチューブ

活性炭捕集管

ことを示している。また、義歯床などに用いられる歯科用レジンへの光触媒コートと、その抗菌性能の評価でも、試それぞれの不織布を、10×10 cm の大きさに切り、テドラーバッグに封入し、紫外線を照射。所定時間ごとに取り出し固相抽出-GCMS 分析および色差計で、吸着した臭気成分等の分解挙動をそれぞれ評価。

験片上に菌液を滴下し、2.0 mW/cm2 で UV 照射を行い、90分後に菌液を回収して培養法で抗菌性能を評価したとこ

図 8．材料に吸着した臭気成分等の分析試験法およびその光触媒

ろ、早期定着菌及びう蝕関連細菌に対してコート＋UV 群
は UV 単独群に比較して有意に抗菌活性を示した（図 10）。

による分解性能試験の概念図

1-4．東京理科大学との各種研究テーマ
図１に示した通り、東京理科大学との連携を進めてきた。

こちらについても、細菌が光触媒反応によって殺滅されていることを示している。

近年では、新たなニーズとシーズのマッチングを視野に入れ、主に人工光合成分野への応用展開をめざした多数の研究テーマを実施している（図 9）。なかでも、水分解水素
生成や色素増感太陽電池については、論文や国際学会での発表などの成果を多くあげている。とくに水分解水素生成
では、可視光応答光触媒を用い、電子とホールの効率的な移動による光触媒能の向上を達成すべく設計した
CdS/SiC/TiO2 複合光触媒を報告している。また、太陽電

Survival ratio

log10(%)

池のテーマにおいても、有機超伝導体材料である TCNQ を
ニオブドープ酸化チタン基板上に吸着させ、界面電荷移動
錯体を形成した有機系太陽電池の構築に成功している。

3
＊

2

＊
＊

1

FTO glass

有機系太陽電池

＊

0
-1
-2

S.sanguinis
Catalysts 2018, 8, 367＊

coat(-)light(-)

S.oralisGTC

coat(+)light(-)

S.mitisS.mutans S.sobrinus＊ p<0.05

coat(-)light(+)(n=3)

coat(+)light(+)

図 10．光触媒コートした歯科材料（上）およびその 90 分 UV 照
射後の各菌種に対する抗菌活性（下）Solar Cells
人工光合成

光機能材料

Artificial
Photosynthesis

Photocatalysis(2) BDD 電極等を用いた電気化学的手法の基礎・応用研究
2-1. BDD 電極と光触媒を組み合わせた生物学的水浄化
本研究は、東京理科大学との共同研究である。一般の汚水処理では、生物学的処理だけでは分解しきれない有機物が多々存在する。現状は塩素処理を実施しているが、トリ
ハロメタンなどの有毒・発がん物質が産生するおそれがあ

CdS/SiC/TiO2る。そこで本研究では、生物学的処理に、BDD 電極と光触媒による化学的処理を組み合わせることで、より低コスト

CdS

可視光応答光触媒を用い、電子とホールを効率的に移動させた複合光触媒による
水分解水素生成ACS Omega 2018, 3, 12770-12777

で環境への負荷が少ない汚水浄化をめざした。汚水中の有機物は併用システムによって 24 時間で 70%以上分解されChemistry Letters 2018, acceptedた（図 11 左下）。また、併用処理前後の網羅的な細菌叢解析を生細胞特異的 PCR-DGGE により行ったところ、併用処

図 9．東京理科大学との各種研究テーマ

理後に細菌の生存は確認されなかった（図 11 右下）。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

126

【研究開発部】光触媒（材料）2-3. BDD を用いた植物生体電位測定の研究
本研究は、BDD 電極を用いて生体電位変化を鋭敏に測定するものである。これまでに、植物に諸種の電極を接続した基礎実験において、BDD 電極が高感度で安定に植物
生体電位をモニタリングできることを見出し、特許を出願
二次処理モデル

7日間処理した水した。28 年度は鉢植えアロエに BDD 電極を設置し、刺激応答の再現性と測定系の信頼性を確認した（図 13）。29 年

三次処理モデル
光触媒 + BDD

度は「フレキシブル BDD センサ素子の開発と植物生体電位測定への応用」という研究課題で科研費（基盤 C）の対象となり、BDD 粉と樹脂材料を用いて作製したフレキシ
ブル BDD 電極の研究を進め、前年度に引き続き鉢植えのアロエに設置された BDD/Vylon 系と BDD/Nafion 系の電極の長期的評価を行い（図 14）、3 カ月以上にわたり人の指が接触したときに起こる植物の生体電位の変化を安定的に検出できることを確認した。詳細は田子研究員の報告をtime(h)

図 11．生物学的処理と BDD-TMiP ハイブリッド処理ユニットを併用した汚水処理試験の概念図（上）、諸種の条件におけるa pair ofelectrodes

有機物分解効果（左下）、生細胞特異的 PCR-DGGE 法の結果

PC

（右下）
A/D

2-2. 光化学反応や BDD を用いた綿布の漂白に関する研究

converter

本研究は、長岡技科大ならびに日清紡との共同研究であり、従来塩素系薬剤を用いて漂白している綿布を、より環

amplifier

境にやさしい光触媒や BDD 電極を用いた方法で漂白することを目的とする。現在、電解により生成させたオゾン水

Potential change

参照されたい。

SD

Mean

coefficient of variation(CoV)= SD/Mean

図 13．電極が設置されたアロエの葉に触れる様子（左）と測定系

処理と紫外線照射とを組み合わせた促進酸化法(AOT)を検討している。これは、新潟の伝統工芸品である小国和紙

全体図（中央）ならびに接触刺激による電極間電位差変動モ
デル図（右）の製造工程で用いられている「雪さらし」と呼ばれる漂白法を参考にしている。反射スペクトル測定を駆使し、和紙と綿布の漂白過程を比較すると、着色成分の差異による漂白メカニズムの違いが見いだされた（図 12）。和紙および
綿布の着色成分が何であるかは、いまなお明らかにされていないが、いずれにしても本研究で提案した促進酸化処理が有用であることが確認できた。

図 14．平板 BDD、BDD/Nafion 針状ならびに Film 型電極、
BDD/Vylon 針状ならびに Film 型電極の刺激応答検出ばらつ
きの経時変化評価

2-4. 歯科治療用小型電解ユニットの研究開発
平成 25 年度より、科研費若手 B の補助をうけ、歯科治療用小型電解ユニットとしての応用展開を目指している。
conventional bleaching

beforebleaching

歯科医療における根管治療は、根管切削器具等で物理的に感染組織を除去する方法がとられており、細菌叢の残存に
AOT
60 minよる炎症や齲蝕の発生が問題となっている。本研究は、こうした現状をふまえ、より効果的な歯科治療方法を提示す

conventional
bleachingる。平成 27 年度は、BDD 微粒子を高分子とコンポジット
化し、既存の歯科治療器具に塗布して電解機能を賦与する

図 12．綿布及び和紙の漂白工程（上）と、その際の反射スペクト

ことに成功した（図 15）。加えて、牛歯や人歯（抜去歯）の根管のバイオフィルムの不活化試験を実施し、従来の次ル変化（下）

127

KISTEC研究報告2019（2019.7）

トでフレキシブルな BDD 電極を作製できるため、歯科治療
器具以外にも応用展開が期待される。

Before

亜塩素酸処理と同等の効果を確認した。この方法は低コス

cathode：Pt wire

Pt

After

1 cm

100 nmglass sleeve【研究開発部】光触媒（材料）

100 nmanode：
Pt/Ti wire

図 17 ME 法による電解用電極表面の電解前後の様子（左）と、
小型電解ユニットの写真（右）(3) 光触媒ミュージアムをはじめとした普及活動
平成 25 年度から、展示企業との連絡調整などの運営は事務局にて、技術相談や出前授業などの光触媒技術の普及
活動は材料グループおよび人材育成部にて、それぞれ協力
して随時取り組んでいる。これまで、毎年夏休みに「かわ図 15 BDD 粉末含有塗料を用いた歯科治療用超小型電解ユニッ

さきサイエンスチャレンジ」の一環として、光触媒を中心とした実験教室を開催したほか(図 18)、近隣の学校や海外

トの SEM 像、電解原理、および使用イメージの来訪者の見学対応、人材育成部と共同で実験教室の企画
運営(図 19)などに取り組んだ。平成 29 年には、光触媒ミ

2-5. BDD 電極と同等あるいはそれ以上の特性をもつ電解用電極の創出と、その歯科治療器具への応用ュージアム来館者数の累計が 10 万人に到達した（図 20）。

上記の、平成 27 年度まで、科研費若手 B 補助金で展開されていた BDD 電極の歯科治療器具への応用を検討中、偶然、チタン電極表面に白金を微量担持することで、BDD電極と同等あるいはそれ以上のオゾン生成能をもつ電解用電極が作製できることを発見した。この電極作製法を電撃連打(multiple electrostrike, ME)法と命名した。図 16 に概要を示した。平成 29 年度以降は、ME 法で作製した平板状電極の表面観察および組成分析から、最適な Pt 担持量

図 18．「かわさきサイエンスチャレンジ」での実験教室

が 1 wt%前後であること、担持されている Pt 微粒子の大きさがサブミクロン～数 nm オーダーであること、電解後に Pt 微粒子が崩壊している様子を確認した（図 17 左）。
依然として詳細なメカニズムは不明だが、前述の歯科治療ユニットへの応用を検討するため、図 17 右に示す小型電解ユニットを試作し、歯科治療への応用可能性を試験予定
である。

図 19．
「かながわ発 中高生のためのサイエンスフェア」（新都市ホール）での実験教室の様子

図 16．電撃連打(multiple electrostrike, ME)法による電解用電極作
製

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 20．来館者数累計 10 万人達成セレモニー（平成 29 年）

128【研究開発部】光触媒（材料）

また、普及活動や技術支援をより効果的に実施するための試みも進めてきた。図 1 に示した通り、平成 27 年度までは、旧 KAST 高度計測センター、光触媒グループ材料グ
ループ、そして抗菌・抗ウイルスグループと、それぞれが別々に依頼試験や共同研究に対応していたが、平成 28 年
度より、これを一本化し、「光触媒グループ横断プロジェ
クト」を立ち上げ、材料の基礎評価から製品の性能評価までを総合的にサポートできるよう調整を進めている。あわせて、医療機器設備展 HOSPEX への出展（図 21）や、評価
技術活用セミナーの開催（図 22）などを行った。今後、
光触媒ミュージアムを展示場や研修プログラムの一環と図 22．光触媒の評価を中心とした活用セミナーの様子して活用していただく仕組みや、理科大光触媒センターなどとも連携し、光触媒技術の発展にいっそう貢献できる体3．

制づくりを進めていく。

化の二分野におけるいくつかの課題が克服されると同時に、人工光合成をはじめとした新たな分野への挑戦が積極

今後の展望

近年の光触媒関連技術は、セルフクリーニングと環境浄的に行われるであろう。我々は、それぞれの応用分野において、光触媒の特性を最大限に発揮できるソリューション
を求め、ひきつづき KISTEC 川崎技術支援部を舞台に、産学公連携を活かした研究開発を続けていく。そうした努力
が、環境問題、エネルギー問題などにおいて大きなブレイ
クスルーを生み出し、我が国の科学技術の価値をよりいっそう高めるとともに、図 23 に示すような持続可能な未来
社会の実現につながると信じている。
図 21． 医療機器設備展 HOSPEX への出展

図 23． 光触媒が活躍する未来社会像（東京理科大学 光触媒国際研究センターHP より）

129

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）

伝統的な和紙の漂白技術を参考にした
促進酸化法による綿布の漂白
落合

１．

はじめに

剛

２． 実験と結果
２．１ 実験

新潟県長岡市の伝統工芸品である小国和紙の製造工程
では、800 年以上も前から「雪さらし」と呼ばれる漂白法

和紙については、図 2 に示す通り、雪さらし中のコウゾが用いられている（図 1）。和紙の原料となるコウゾの樹
皮を雪面に並べ、1 週間ほど日光にさらすことで、雪面かの樹皮の反射スペクトルを、雪面に並べられた状態で、ス
ペクトロメーターシステム (BAS 製 SEC2000-UV/VIS) にら供給される水分と、日光の紫外線とそれによって生成するオゾンとが、樹皮を漂白すると考えられている。これは光ファイバープローブ (BAS 製 R400-7-UV/VIS) を接続して、所定時間経過ごとにその場測定した。綿布については、

化学薬品をまったく使用しない、きわめて環境にやさしい
促進酸化法(AOT)と言える[1]。

図 3 に示す通り、未漂白の綿布 (5 cm×5 cm) に、電解オ
ゾン水生成装置 (アイ電子工業製 Quick Ozone Pico) で水

一方、従来の天然繊維製品の製造工程では、アルカリ薬剤や界面活性剤を用いて夾雑物（ペクチン、タンパク質等）

道水から連続的に調製したオゾン水をかけ流しながら、ス
ポット UV 照射器 (林時計工業製 LA-310UV-1) で紫外線を除去する精練プロセス、酸素系又は塩素系漂白剤を用いた高温処理による漂白プロセス等がある。これらは典型的を照射した。このとき、流量は 1.5 L/min、溶存オゾン濃度は 1.0 mg/L、紫外線強度は 175 mW/cm2 (@310-380 nm)

なエネルギー多消費型プロセスであると共に、排水処理やダイオキシン類の発生等の環境負荷が生じる問題がある。

とした。所定時間ごとに処理を止めて乾燥させたのち、反射スペクトル測定と、カラーリーダー (コニカミノルタ製

アパレル業界においても世界的にハロゲン等の排出ゼロを目指す動きが広がりつつあり、対応が求められている。

CR-10) を用いた色差測定とを行い、未漂白および従来の漂白法で漂白した綿布と比較した。

こうした背景をふまえ、本研究では「省エネルギー」「循環型」「ハロゲンフリー」実現のため、電解オゾン水[2]及び紫外線照射を用いた AOT による綿布の精練・漂白プロ
セスの確立をめざした。オゾン水は高い酸化力を持つため、塩素系漂白剤と同等の漂白効果が期待できる。しかも、オ
ゾン水中のオゾンは直ちに酸化反応で消費されて水や酸素に戻るため、塩素系漂白剤で問題となる残留等の環境負荷が少なく、大気中にオゾンが放出されないため安全性も高い。また室温で行われるため、重油等の燃焼による熱エネルギーを必要とせず、電気分解等に係る電気エネルギー
消費のみとなり、大幅な省エネルギーが期待できる。
図 2.

図 1.

図 3. オゾン水処理と紫外光を用いた AOT による綿布の漂白
左：オゾン水処理のみ(top view), 右：AOT(oblique view)

和紙の漂白工程“雪さらし”の様子

KISTEC研究報告2019（2019.7）

雪面で漂白中の和紙の in-situ 反射スペクトル測定130

【研究開発部】光触媒（材料）

２．２

結果

図 4 に、1 週間の雪さらしによるコウゾ樹皮の漂白過程
における反射スペクトルおよび外観の変化を示した。外観

次に、色差測定によって色の変化を数値化し、オゾン水処理のみ、紫外線照射のみの場合と、AOT による漂白のは、うす茶色から白色に変化していた。反射スペクトルから、可視光領域に吸収を持つ化合物の分解が示唆された。

場合とを比較した。まず、図 6 に、オゾン水処理のみの場
合の色の変化を、ただの水道水をかけ流した場合のそれと1 週間の試験期間のうち、よく晴れた日中において、紫外
線強度は 1.4 mW/cm2、オゾン濃度は 0.05 ppm、PM2.5 濃度

比較して示した。ここで算出している ΔE*ab 値は、基準となる色（今回の実験では、従来の方法で漂白した綿布のは 1 μg/m3 であった。和紙の原料となるコウゾの樹皮に対し、雪面から供給される水分と、日光の紫外線とそれによ色）に対し、測定対象としている色が、どれだけ異なっているかを数値化したものである。ΔE*ab 値が 0 に近いほど、って生成するオゾンとが、樹皮に含まれる物質を分解すると考えられた。また、PM2.5 濃度が低い地域であることも、

従来の方法で漂白した綿布の色に近いといえる。漂白前の綿布は薄茶色（いわゆる生成色）をしており、ΔE*ab 値は雪さらしによる効果を最大化していると考えられた。都市部でも積雪や日光によるオゾン生成は起きるが、1 週間も10 であった。水道水を 90 分かけ流したあとは、外観にもΔE*ab 値にもほとんど変化がみられなかった。一方、オゾ

屋外にさらしていると、PM2.5 をはじめとする汚染物質が堆積し、このような漂白効果は期待できないと思われる。

ン水をかけ流した場合、急速に ΔE*ab 値が減少し、90 分
後には ΔE*ab=2.3 となり、外観も目に見えて白くなった。

100

しかしながら、2 時間処理したあたりで、ΔE*ab 値の減少が緩やかになり、それ以上漂白されにくくなった。綿布の90

着色成分の中に、オゾンによって分解できる成分とできな
い成分があることが示唆された。

% Reflectance

80
70
60
50
40
30

ΔE*ab≒10

20

10

10
250

図 4.

350

450
550
Wavelength / nm

650

ΔE*ab=9.0
ΔE*ab=3.7

750

ΔE*ab

0

雪さらしによるコウゾ樹皮の漂白過程における反射スペクトルおよび外観の変化

ΔE*ab=2.3

5

ΔE*ab=1.9

図 5 に、AOT による綿布の漂白過程における反射スペ
クトルおよび外観の変化を示した。1 時間のオゾン水処理とスポット UV 照射によって、従来の漂白法とほぼ同じ反射スペクトルが得られた。目視でも、UV 照射領域は従来0の漂白法とほぼ同じ白さになっていた。この反射スペクト
ルの形状および変化は、図 4 に示した、1 週間の雪さらし

図 6.

0

によって漂白されたコウゾの樹皮のそれとは異なった。これは、それぞれの色の原因となる物質および脱色メカニズ

60time / min120

オゾン水処理による綿布の漂白過程における色差および外観の変化

ムの差異を示唆していると考えられた。
100

AOT
60 min

90
70

5

45
30
15

60
50
40

ΔE*ab

% Reflectance

80

30
20
10
0

250

350

図 5.

従来の方法で未処理

AOT 60 min 漂白した綿布

450
550
Wavelength / nm

650

750

1

0

20

40

60

time / min

AOT による綿布の漂白過程における反射スペクトルおよび外観の変化

図 7. 各方法での綿布の漂白過程における色差変化

131

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）

図 7 に、オゾン水処理のみ、紫外線照射のみの場合と、AOT による漂白の場合とを比較した結果を片対数グラフ

エネルギーコストがかえって増大してしまうおそれがあった。一方、当グループでは、光触媒とホウ素ドープダイ

で示した（図中青色で示したオゾン水処理のみのグラフは、
図 6 に示したデータを再度用いている）。いずれも指数関ヤモンド(BDD)電極という二つの機能材料を組み合わせ、実用的な環境浄化方法を検討してきた実績がある[4]。今

数に近似し、一次反応として反応速度定数を算出すると、
オゾン水処理のみ：0.015、紫外線照射のみ：0.009、AOT：回検討した方法は、電解により水をオゾンに変化させることで、比較的低いエネルギーコストで、オゾンを高濃度に0.029 となる。AOT の場合の値が、オゾン水処理と紫外線照射の値の単純な和よりも大きくなっているため、二つの溶解させたオゾン水を連続的に生成できるという利点がある。したがって本研究は、将来的に、図 9 に示すような処理の相乗効果による効率的な AOT が実現できていると考えられた。

AOT を応用した環境にやさしい循環型漂白プロセスとしての実用化が期待できる。

さらに、漂白プロセスのみならず、漂白の前に行われる精練プロセスにおいても、この AOT の有効性を検討した。
従来法における精練工程は、夾雑物（ペクチン、タンパク質等）を除去するために界面活性剤などの薬剤を使用しており、廃液の排出やエネルギーコストの増大といった課題がある。この工程も、AOT に置き換えられれば、さらなる
省エネルギー・低環境負荷プロセスとなる。精練前の綿布に対して、前述の方法と同じ AOT 処理を行い、精練前後でのスペクトル変化を比較した結果を図 8 に示した。AOTによる漂白効果は、精練前後でほとんど変わらなかった。
特筆すべきことに、精練前の綿布は、ろう分などの夾雑物
によって高撥水性であるにもかかわらず、AOT 後の綿布は親水性を示し（図 8 中の写真右）、かつ漂白されていた。
すなわち、従来の方法では、薬剤やエネルギーを投入し 2

図 9. AOT を応用した循環型漂白プロセスの概念図

段階に分けていた工程を、より環境負荷の少ない 1 段階の工程に短縮できる可能性が示唆された。

４．
100

AOT
60 min90% Reflectance8070

本研究は、日清紡テキスタイル株式会社ならびに長岡技術科学大学との共同研究として行われたものです。実験の

精練前
精練後

遂行にあたり、日清紡テキスタイル株式会社の名倉俊成様、
石川洋輔様、長岡技術科学大学の木村悟隆先生、土田康之

30

60

謝辞

氏、三浦綱介氏、小国和紙生産組合の今井宏明氏に多大なるご協力を賜りました。ここに厚く御礼申し上げます。

50
40
30

【参考文献】

20
100

精練前・未処理

250

図 8.

３．

350

550
450
Wavelength / nm

1. Ochiai, T.; Fujishima, A., Photoelectrochemical properties of

精練前・AOT 30 min

650

750

Photochemistry Reviews 2012, 13, 247-262.
2. Arihara, K.; Terashima, C.; Fujishima, A., Application of

精練前後での AOT による綿布の漂白過程における反射スペクトルおよび外観の変化

freestanding perforated diamond electrodes for efficientozone-water production. Electrochemical and Solid State
Letters 2006, 9, D17-D20.
3. 榎本一郎，武田浩司，長尾梨沙，添田 心，星 幸則，考察及び今後の展望

和紙の漂白に用いられている伝統的な雪さらしの技法を参考に、紫外光照射とオゾン水処理による促進酸化法を

高橋芳郎，渋谷良一，増子富美，美谷千鶴：「オゾン・マイクロバブルによる綿布の漂白効果」, 東京都立産業

用いた綿布の漂白方法について検討した。反射スペクトル
測定および色差測定を用い、和紙と綿布の漂白メカニズム

技術研究センター研究報告, 第 8 号, pp.84-87 (2013).
4. Ochiai, T.; Tago, S.; Hayashi, M.; Fujishima, A., Combined

および漂白の度合いを分析・定量した。このような AOT による綿布の漂白プロセスについては、これまでもいくつか

Wastewater Treatment with Photocatalysis and Other
Technologies (in Japanese). Bulletin of the Ceramic Society

報告があるが、オゾンの生成や水への溶解に、高エネルギ
ーを要する放電装置や溶解装置を使用している[3]など、

KISTEC研究報告2019（2019.7）

TiO2 photocatalyst and its applications for environmental
purification. Journal of Photochemistry and Photobiology C:

of Japan 2018, 53, 86-89.

132

【研究開発部】光触媒（材料）

材料に吸着した臭気成分等の分析試験法およびその光触媒による分解性能試験法の確立（２）
落合

１．

はじめに

光触媒を用いた空気清浄器の普及によって、空気中の臭気成分等が光触媒で分解できることはよく知られている。

色差測定

剛

光触媒担持 ブランク
不織布
不織布

しかし、壁紙や衣服などに吸着した臭気成分等が光触媒でどれだけ分解できるかについては、光触媒 JIS 試験でも評

acryl sealed test box (1 m3)

価法が定められておらず、あまり報告もない。そこで、材料への臭気成分等（とくに、たばこ煙中の臭気成分やタール分）の吸着挙動と、その材料に光触媒を担持した場合の臭気成分等の分解性能の評価法を新たに確立した。光触媒
微粒子を担持した材料と担持していない材料に、それぞれたばこ煙を接触させ、臭気成分等の吸着挙動と、その後の紫外線照射による分解挙動を、色差測定および GCMS 分析
によって評価した。

２．

実験と結果

２．１

air (50%RH,
0.5 L/min, 2 h)

実験

衣服のモデルとして不織布を選定した。不織布に酸化チタン光触媒または銅化合物担持酸化タングステン可視光

tobaccosmoke

five cigarettes

ホルダーチューブ

CS2 1 mLで固相抽出、
GCMS分析
活性炭捕集管図 2. 材料への臭気成分等の吸着試験の概念図

応答光触媒を担持させ、光触媒担持不織布を得た(図 1)[1]。
それぞれの不織布および壁紙を所定のサイズに切り、図 2のように JEM1467 試験用 1 m3 ボックス[2] の内側に貼り付け、たばこ 5 本を燃焼させて、その煙に一晩 (16 h) 接

それぞれの不織布および壁紙を、図 3 のように 5 L テド
ラーバッグに封入し、空気 3 L (相対湿度 50%) を導入したのち、紫外線 (1.0 mWcm-2@310-380 nm) または可視光
線 (10,000 lx) を照射した。所定時間ごとに取り出し、固触させた。それぞれの不織布および壁紙を取り出し、吸着した臭気成分を固相抽出-GCMS 分析[3] で、タール成分等

相抽出-GCMS 分析および色差計で、吸着した臭気成分等の分解挙動をそれぞれ評価した。

による着色の度合いを色差計で、それぞれ評価した。

図 3. 材料に吸着した臭気成分等の光触媒反応による分解試験（可視光応答光触媒を用いた場合）

図 1. 光触媒を担持していない不織布（左）および
光触媒担持不織布（右）の SEM 像

133

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）

２．２

結果

たばこ煙に一晩接触させた酸化チタン光触媒担持不GCMS 分析では、吸着直後のそれぞれの不織布から抽出された臭気成分のクロマトグラムに若干の差は見られた

織布は、目視でも明らかに黄色く着色していたが、ブラン
ク不織布は、ほとんど着色していなかった。色差測定結果

ものの、ピークの総面積にはあまり差がなく(図 6)、吸着
臭の強さもほぼ同じであった。ブランク不織布は 24 h のから算出した吸着直後のΔE*ab 値も、それぞれ 5.4、0.7と、大きな差があった(図 4、紫外線照射時間 0 h 時点の値)。

紫外線照射でもピークの総面積にはあまり差が見られなかったが、光触媒担持不織布は 24 h 経過後にはピークのブランク不織布は 24 h の紫外線照射でもほとんど ΔE*ab
値が低下しなかったが、光触媒担持不織布は 2 h の紫外

総面積が大幅に減少した。このクロマトグラムから、JIS A
1965 に基づき、ヘキサン～ヘキサンデカンの範囲の各成線照射で ΔE*ab 値が半減し、24 h 経過後にはブランクと同等の数値まで減少した。目視でも黄色から白色に脱色し分のピークの総面積を合計し、トルエン相当量に換算してTVOC 濃度を算出した値を図 6 中に記した。一方、可視光た様子が確認できた(図 4)。一方、可視光応答光触媒担持
不織布については、もともと黄色に着色しているためか、

応答光触媒担持不織布については、可視光照射によって比較的高分子量の VOC 成分が分解されたと考えられる挙動

色差測定での着色成分の分解性能評価は困難であった(図5)。現在、反射スペクトル測定による評価を検討中である。

が観察された(図 7 中の赤い部分)。
,)

ヘキサデカン

6

トルエン
ヘキサン
標準試料

5

ΔE*ab

4
一晩吸着後 24 h UV照射後

3

TVOC濃度(JIS A 1965に基づき算出):
0.93 μg/m3

ブランク
不織布
（吸着直後）

1.10 μg/m3

ブランク
不織布
（24 h照射後）※吸着前の各不織布の値を基準にΔE*abを算出

2

光触媒担持
不織布
（吸着直後）

1
00.91 μg/m3

0

6
12
18
紫外線照射時間 / h

24

光触媒担持
不織布
（24 h照射後）0.25 μg/m3

図 4. 臭気成分等を吸着させた各不織布の紫外線照射による変化を色差測定と目視より評価した結果

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

55.0

溶出時間 / 分

図 6. 臭気成分等を吸着させた各材料の紫外線照射による変化を GCMS 分析により評価した結果

臭気成分吸着直後
TVOC濃度：6 µg/m3

可視光照射 2 時間後
TVOC濃度：4 µg/m3

可視光照射 4 時間後
TVOC濃度：3 µg/m315
図 5. 臭気成分等を吸着させた各不織布の可視光照射による変化を色差測定と目視より評価した結果

KISTEC研究報告2019（2019.7）

20

25

30

高分子量成分の分解

3540TIme / min

45

50

55

60

図 7. 臭気成分等を吸着させた各材料の可視光照射による変化を GCMS 分析により評価した結果134

【研究開発部】光触媒（材料）３．

考察及び今後の展望

photocatalysis-plasma

synergistic

air-cleaner.

Chemical

図 4 および図 5 において、光触媒担持不織布の方が色差が大きかったのは、酸化チタン微粒子を担持させたことにEngineering Journal 2012, 209, 313-317.
3. Ochiai, T.; Ichihashi, E.; Nishida, N.; Machida, T.; Uchida,

よって、比表面積が大幅に増大したことと、吸着特性が変化したことが原因と考えられた。結果として光触媒担持材

Y.; Hayashi, Y.; Morito, Y.; Fujishima, A., Field Performance
Test of an Air-Cleaner with Photocatalysis-Plasma

料の方がタール成分等を吸着させやすくなっていたが、それらの成分は、酸化チタン担持不織布の場合は、光触媒反Synergistic Reactors for Practical and Long-Term Use.
Molecules 2014, 19, 17424-17434.

応によって分解できたと考えられた。これは、以前当グループにて光触媒担持チタンメッシュフィルタを用いて得

4. Slimen, H.; Ochiai, T.; Nakata, K.; Murakami, T.; Houas, A.;
Morito, Y.; Fujishima, A., Photocatalytic Decomposition ofられた知見と同様である[4]。一方、可視光応答光触媒担持
不織布については、もともと黄色に着色しているため、色Cigarette Smoke Using a TiO2-Impregnated Titanium Mesh
Filter. Industrial & Engineering Chemistry Research 2012,

差測定での着色成分の分解性能評価は困難であったが、可視光照射による何らかの変化は起きていることが示唆さ

51, 587-590.
5. Geng, Q.; Guo, Q.; Yue, X., Adsorption and Photocatalytic

れた。現在、反射スペクトル測定による評価を検討中である。

Degradation Kinetics of Gaseous Cyclohexane in an Annular
Fluidized Bed Photocatalytic Reactor. Industrial &

図 7 の吸着臭気成分の分析結果は、光触媒担持不織布でもブランク不織布でも、ほとんど差がなかった。タール成Engineering Chemistry Research 2010, 49, 4644-4652.

分と臭気成分とでは、吸着特性が異なることが示唆された。
この理由として、温湿度等の実験条件の吸着特性への影響が考えられた[5]。光触媒担持不織布表面に吸着した臭気成分については、紫外線応答型でも可視光応答型でも、光触媒反応によって分解可能であることが示唆された。
以上のことから、色差測定と GCMS 分析を用い、光触媒担持不織布へのたばこ煙成分の吸着とその分解挙動を評価した。本法は、多種多様な光触媒材料や吸着成分の評価に適用でき、新しい評価法として有効であるといえる。
非喫煙者は、喫煙時の副流煙のみならず、喫煙者の衣服や建材などに吸着した臭気成分等も不快に思っている。そうした状況に対して、光触媒が有効であることを示した。
今後は、こうして生まれたシーズをしっかりと形にし、社会に普及させていくことが重要である。そのために、産学公医の各分野が連携して、スムーズな実用化をめざしていく。あわせて、今後も社会のニーズをふまえ、とくに環境
浄化・医療分野への応用研究を重点的に継続していく必要があると考えている。

４．

謝辞

実験の遂行にあたり、東京理科大学工学部工業化学科の眞田太郎氏のご協力をいただきました。また、研究全般を通じ、KISTEC 川崎技術支援部の阿久津康久部長ならびに東京理科大学工学部工業化学科の永田衞男准教授のご指導とご協力を賜りました。ここに厚く御礼申し上げます。

【参考文献】
1. Ochiai, T.; Fukuda, T.; Nakata, K.; Murakami, T.; Tryk, D.;
Koide, Y.; Fujishima, A., Photocatalytic inactivation andremoval of algae with TiO2-coated materials. Journal ofApplied Electrochemistry 2010, 40, 1737-1742.
2. Ochiai, T.; Hayashi, Y.; Ito, M.; Nakata, K.; Murakami, T.;
Morito, Y.; Fujishima, A., An effective method for aseparationofsmoking

area

by

using

novel

135

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）

電撃連打法(ME 法)で作製した Pt/Ti 電極による電解オゾン生成
林

１．

美緒

はじめに

オゾンは非常に強い酸化力を持ち、脱臭、殺菌、漂白、(a)

洗浄等、幅広い分野で活用されている。また、オゾンが溶解したオゾン水も同様に強い酸化力を持つことから、一般細菌からウイルスまで広範囲な微生物に対して殺菌作用があり、細菌の細胞壁を破壊し繁殖を防ぐので耐性菌を作らないといった特徴が挙げられる[1]。さらに、オゾンの不安定な性質により残留性のない殺菌剤として使用できる
ほか、塩素系殺菌剤やエタノール系殺菌剤が使えない場合にも使用できるといった利点がある。

(d)

オゾンを生成する方法の一つに、電気分解により水中でオゾンを生成させる方法が知られている。電解オゾン生成電極として、BDD 電極や、白金触媒層を形成させたチタン電極を使う方法が報告され[2,3] すでに実用化されている。
特に BDD 電極は電気化学的に安定で[4,5]、電気化学分野から注目を浴びている[2,6-9]が、高価であり、製造が煩(c)

雑で、大面積化が困難であるという難点があるため、その応用は限られている。我々は、電気分解中、偶然 Ti 電極と Pt 電極を接触（ショート）させたところ、そこからオゾンが生成されることを発見した。さらにその現象を利用して、Ti 電極と Pt 電極を一定電圧下でショートさせながらこすり付けることで、簡便にオゾン生成用電極（Pt/Ti電極）を形成する電撃連打法（multiple electrostrike, ME 法）を確立した。本研究では、ME 法で作製した Pt/Ti 電極の電解オゾン生成能を評価するとともに、その電解メカニズ
ムを考察した。

Figure 1. Images of carrying platinum on Ti plate using the ME
method (a), photograph of Pt/Ti electrode (b) and SEM image ofPt/Ti electrode surface (c).

２． 実験方法
２．１
Pt/Ti 電極の作製
Pt/Ti 電極は、我々オリジナルの ME 法によって作製した。アセトンで超音波洗浄した Ti 板（1cm×5cm、厚さ0.15mm）の先端を 0.5 M の H2SO4 溶液を使って DC 7.5V
でおよそ 1 時間陽極酸化を行った後、振動させた Pt ワイ
ヤ（陰極）を Ti 板（陽極）に DC7.5 V 下で一定面積ショートさせることで Pt/Ti 電極を得た（Fig. 1(a), (b)）
。Pt/Ti電極の表面を SEM 観察した結果、数 µm～数 10 µm の溶融した Pt 粒子が不定形に Ti 板表面に広がっていることが確認された（Fig. 1(c)）
。

２．２

Figure 2. Schematic diagram of the electrolysis experiment for ozone
generation.

電解オゾン生成能試験

Fig. 2 に実験装置の概略を示す。アクリル製の 36 L 容器
内で Pt/Ti 電極を陽極、Pt 電極を陰極として定電位電解（陽極と陰極の間の距離はおよそ 0.5-1cm）を行った。発生したオゾン濃度は、36 L 容器からオゾン濃度分析モニタKISTEC研究報告2019（2019.7）

136（OZM-7000、OKITROTEC CO.）へガスを引くことで測定し、測定したガスを再び 36 L 容器に戻し循環させた。電流値も同時に測定した。オゾン生成効率を評価するために数種類の電解質（0.5 M H2SO4、0.5 M Na2SO4、0.5 M NaHCO3、

【研究開発部】光触媒（材料）

0.5 M りん酸緩衝液）を用いた。また、比較のために Pt 電
極と BDD 電極でも同様の試験を行った。

３． 結果及び考察
３．１
Pt/Ti 電極のオゾン生成能
ME 法で作製した Pt/Ti 電極のオゾン生成能を評価した
結果、BDD 電極や Pt 電極と比較してオゾン生成能が非常に高いことが確認された（Fig. 3）。BDD 電極ではオゾン
濃度は穏やかに上昇しピークに達した後も比較的安定した濃度が維持された。同様に Pt 電極でも低いオゾン濃度が安定して発生することが確認された。一方、Pt/Ti 電極の場合、オゾン濃度は急激に上昇して、ピークの後で徐々Figure 4. Effect of a short-circuit time by the ME method on ozone
electrogeneration. electrolyte = 3 mL of 0.5 M H2SO4, applied
voltage = 5 V.

に減少した。さらに Pt/Ti 電極では、およそ 170 分で電流値がゼロになり、この電極はオゾン生成の即効性においては優れているが耐久性に欠けていることが確認された。

Figure 3. Electrogenerated ozone concentration for various
electrodes. electrolyte = 100 mL of 0.5 M H2SO4, applied voltage =5 V.

Figure 5. SEM images and EDS spectra of Pt/Ti electrode preparedusing short-circuit times of (a) 15 s, (b) 1 min, (c) 3 min, and (d) 6 min(electrolyte = 3 mL 0.5 M H2SO4, applied voltage = 5 V).

Pt 担持量がオゾン生成に与える影響を検証するために、て(0.5 M H2SO4, 0.5 M Na2SO4, 0.5 M NaHCO3, 0.5 M りん
酸緩衝液)Pt/Ti 電極のオゾン生成に関する効果を検証した。

ME 法でショートする時間を変化させて Pt/Ti 電極を作製
しオゾン生成能を評価した結果を Fig. 4 に示す。これより

Na2SO4、NaHCO3 とリン酸緩衝液の場合、DC 5V ではオゾンは発生せず DC 7.5V にすると発生した。
Fig. 6 に DC 7.5V

ショート時間によってオゾン生成能が大きく異なることが確認された。3 min ショートした電極では急激にオゾンで 100 mL の各電解液を電気分解することによって得られるオゾン濃度を示す。H2SO4 溶液で最も高いオゾン濃度が濃度が上昇し 1 min ショートした電極の 3 倍以上のオゾンが発生し、その後大幅に濃度が減少した。また 6 min ショ

得られ、そして Na2SO4、NaHCO3 とリン酸緩衝液と続いた。
また H2SO4 と Na2SO4 の場合、電流はそれぞれおよそ 150

ートした電極では緩やかにオゾン濃度が上昇した。この傾向より Pt 粒子の分散状態と Ti 上の Pt 量が電解オゾンの発と 280 分でゼロになった。一方、リン酸塩緩衝液の場合、非常に低いオゾン濃度（＞0.5 ppm）の発生が継続した。

生に大きく寄与していることが示唆された。Pt 担持量はシ
ョート時間に比例していることが考えられるため、Fig. 4

一般的に電解質の pH が低い方がオゾンが生成しやすいと考えられており[10-12]、H2SO4、Na2SO4、NaHCO3 とリン

より、Pt の担持量が過剰になるとオゾンの生成効率が減少することが確認された。Fig. 5 に Pt/Ti 電極の SEM 画像と酸塩緩衝液の pH 値はそれぞれ 1、7、8.5、7 である。よって低 pH である硫酸溶液の高いオゾン生成能はこの研究に

EDS 分析結果を示す。数 µm の Pt クラスターが Ti 上に分散し、EDS スペクトルの Pt ピークはショート時間を増やおいても示された。Wang et al.は Sb–Ni 担持 SnO2 電極を用いて電解オゾン生成を観察した結果、H2SO4, HClO4, H3PO4

すことで徐々に増加する。6 min ショートした電極が 98.22
w％の Ti と 1.75 w％の Pt の組成を持つことから、Pt 担持電解液のうち、H2SO4 で最もオゾンが発生し、その理由として SO42-は電極への吸着力が高いことから中間反応を促

量が 1.75 w％未満の電極がオゾン生成に適していることが示唆された。

３．２

進しているためであると考察している[12]。ここでも同じ現象が起きていることが考えられる。図 6(a)では電流が急激に下がりおよそ 150 分間でゼロに到達した。電流値が電解開始から減少する傾向は 4 種の電解液で同様だった。

電解液の違いがオゾン生成に与える影響

電解液の違いが電解オゾン生成効率に影響を与えていることが報告されている[10-12]。ここでは、電解液を変え

137

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）

(a)

(c)

(b)

(d)

Figure 6. Effect of electrolyte on ozone electrogeneration. (a) H2SO4, (b) Na2SO4, (c) NaHCO3, and (d) phosphatebuffer (electrolyte concentration = 0.5 M, electrolyte volume = 100 mL, applied voltage = 7.5 V).

Figure 7. SEM images of Pt/Ti electrode (a) before electrolysis and (b) around the ozone concentration peak. (c)EDS analysis of the electrode in (b) (electrolyte = 100 mL 0.5 M H2SO4, applied voltage = 5 V).

３．３

４．

Pt/Ti 電極表面の変化

Pt/Ti 電極の表面形態の変化を SEM 及び EDS によって分析した (Fig. 7)。同じ電極の電解前と電解を行いオゾン生成がピーク付近で同一の Pt クラスターの変化を観察した。
これより DC 5 V で 0.5 M H2SO4 を電気分解することにより Pt クラスターがより小さくなり、さらに、硫黄を含有する化合物が Pt クラスターの端に環状に沈着していることが確認された。電極の選択的な吸着のために、酸性陰イ
オンの種類がオゾン生成に重要な影響を及ぼすという報告がいくつかあることから、H2SO4 の電解の場合、電気分
解が Pt クラスターの端で主に起こることが示唆された。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

138

結論

電撃連打法（ME 法）で作製した Pt/Ti 電極を用いて電解オゾン生成能を評価したところ、BDD 電極や Pt 電極と比較して Pt/Ti 電極は非常に高いオゾン生成能を有することが確認された。電解発生したオゾン濃度は、ショート時間の長さに依存し、Ti 上の Pt 量はオゾン生成に対し大きな影響があることが示唆された。オゾン発生のために適した Pt 量は 1.75 w％未満であった。
いくつかの電解液（H2SO4、Na2SO4、NaHCO3 とりん酸緩衝液）を用いた電気分解によってオゾンが発生し、特に、
H2SO4 溶液の電気分解によって高いオゾン濃度が確認された。この結果より、低コストで簡便に作製できる Pt/Ti
電極は高いオゾン生成効率を持つことが示された。今後、オゾン発生電極として幅広い活躍が期待できる。

【研究開発部】光触媒（材料）【参考文献】
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139

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）

TiO2 コート金属多孔体フィルタとアセトアルデヒドガス分解性能評価
田子

１．

はじめに

祥子

気伝導性の問題を改善して電池性能を向上させる目的で光触媒が見出されてから今日まで、水の分解や汚染物質の分解、超親水性などの特性を持つことが認知され、様々広く実用化されている。発泡ニッケル基材は通連孔を有す
る発泡ウレタンシートに無電解ニッケルめっきで導電性な用途への可能性を盛んに検討されてきた [1]。光触媒の脱臭性能を評価する方法としては、反応容器中の臭気成分を付与し、その上に電解によるニッケルめっきを行ったの
ち、酸化雰囲気下で加熱してウレタンを焼き払い、その後、を光触媒に分解させ、その挙動を測定する方法が一般的であり、JIS 試験にも採用されている(JIS R 1701-2)。ここに、還元雰囲気下で引き続き加熱して発泡形状を維持したニッケル基材を得る。[2]安定的な性能をもった試験片が存在すれば測定系の配管の漏れや光の当たり方などの試験結果に影響する要素が本研究では、チタンよりも低価格な金属で光触媒である
酸化チタンの支持体として、既に電極材料として流通して正しく設定され作動しているかを都度確認できるため、大変有意義であると考えられる。そこで本研究では、多孔質おり、表面積の大きさも期待できるこのニッケル基材（富山住友電工株式会社製）を検討することとした。

金属フィルタに TiO2 をコートして多孔質光触媒フィルタを作製し、光の照射による分解反応の速さと回復を評価した、標準試験片としての可能性を検討した。
、

２． 実験と結果
２．１
多孔質金属基材

１．１

平成 23 年研究概要の P52 に落合報告の通り、現在実用使用した基材はニッケル基材の CELMET®の#7 であり、
孔径 0.5 mm、比表面積は 7500 m2/m3（カタログ値、富山

化されている光触媒式空気清浄機に使用されている酸化チタンをコーティングした光触媒フィルタは多孔質セラ

住友電工株式会社）である。JIS R 1701-2 アセトアルデヒ
ド除去試験用反応容器にあわせた形状にするため、基材はミックスフィルタに酸化チタン微粒子を焼き付けたものが一般的である。多孔質セラミックスフィルタは、有害物

セラミックはさみを用いて 99.5 mm ± 0.5 mm × 49.5mm±0.5 mm の大きさに切り出した。これを 550℃で 3hrs、質や微生物などを酸化分解する際にもその前後で変化せず、耐久性が高いという利点がある。一方で、比較的重く、

Air 雰囲気下のデンケンマッフル炉(KDF-S100G, 株式会社デンケン)内で熱処理を行い、表面を酸化させた。基材の加工しにくいという課題が指摘されている。当時、落合はチタンメッシュを基材として耐久性を損なわず、加工が容

熱処理工程は、酸化により基材の表面状態が変化すること
で、基材の光触媒コート液に対する親和性を向上させるこ

易で表面に焼き付けた酸化チタンが剥離しにくい新規光触媒フィルタ TMiP をユーヴィックス社と共同開発した。

と、ならびに、基材表面に付着している可能性のあるあらゆる有機物質による汚れを酸化分解して基材コーティン

これは基材がチタンであるため、セラミックスフィルタと比較して軽いという点も特徴的であり、またその光触媒性グの阻害要因を除去することを目的として行われた。

これまでの研究能も高いと報告されている。しかし、チタンであるため価格が高くなり、基材のエッチングにフッ素を使うなどの危険度が高い工程を含んでいた。

１．２

発泡金属

触媒を用いた反応においては、触媒と対象物質の接触面積の大きさが実際の触媒性能に寄与するパラメーターとなる。反応性が同等であるならば接触面積が大きい方がより多くの物質を分解できるためである。このため、接触面積を大きくする形状として多孔質体、フィルタ、表面凹凸加工などの複雑な表面形状や加工技術が反応系ではよく検討されている。

図 1 CELMET®#7 の表面（実体顕微鏡画像）。

三次元構造の発泡ニッケル基材は現在、正極活物質の電KISTEC研究報告2019（2019.7）

140

【研究開発部】光触媒（材料）

ブランク試験片として、図 2 に示した光触媒コートを施していない、前処理後の CELMET®を使用した。1M のチ
タン酸テトライソプロポキシドを用いて光触媒コートを施した試験片は TTIP フィルタ試験片とした。また、前述の TKD-701 とアセトンを使用して調整した TiO2 分散液を使用して光触媒コートを施した試験片を TKD フィルタ試
験片とした。

図 2 550℃3 時間にわたり熱処理（空気雰囲気）を行った Ni フォ
ーム CELMET®#7 の表面（実体顕微鏡写真）

本研究では、#7 に表面積を増やすために凹めっき処理をされている基材を使用しており、当該熱処理により表層に青味がかかる。

２．２

図 3 TTIP フィルタ試験片表面実体顕微鏡写真（左）と TKD フィ
ルタ試験片（右）光触媒コート液

エタノール（濃度 99.0%以上）を用いて 1M に調整されたチタン酸テトライソプロポキシドを光触媒コート液と

図 3（左）の TTIP フィルタ試験片表面写真より、表層に細かな TiO2 粒子が存在するのがわかる。また、図 3（右）では TKD フィルタ試験片に用いられた CELMET®表面がして用いた。これはチタン酸テトライソプロポキシドが加水分解しやすいため、水の含有量が低い高濃度エタノール

TiO2 により金属骨格に沿って被覆されているのがわかる。

を用いたものであり、基材含侵後に大気中で乾燥させてから 550℃3 時間熱処理を行うことでナノサイズの微細な２．５

TiO2 が基材表面に得られる。微細な TiO2 の粒子により表面積の大きな TiO2 層を得ることを期待したものである。

器内に設置され、紫外線照射前後でのアセトアルデヒド濃度 変 化 の 挙 動 は 光 音 響 ガ ス モ ニ タ （ LumaSense[3,4]

また、光触媒コート液としては、40 ml の TKD-701（テTechnologies, Inc. 1412 Photoacoustic field gas monitor）を使用した。試験片への前処理は規格通り 15 W/m2 以上で 16

イカ(株)）を 100 ml ビーカーに入れ、40℃で 150 rpm にセットしたホットスターラー上で 3.5 時間撹拌したのち、ア

時間以上行った。

セトンを 50 ml になるまで加えて調製した TiO2 分散液を検
討した。

２．３

アセトアルデヒド除去試験

作製した試験片は JIS R 1701-2 の規格に合致した反応容

図 4 JIS R 1701-2 規定条件と反応容器

光触媒コート

所定のサイズに切り出され 500℃3 時間前処理後の基材は、それぞれ上述の 1M チタン酸テトライソプロポキシド
ならびに TiO2 分散液に 1 分間浸漬されたのちに引き上げられ、液による目詰まりを Air gun により除去してから、自然乾燥後、前処理と同じ条件 550℃3 時間の熱処理により光触媒層を基材表面に形成した。光触媒コート多孔質金属フィルタ試料は、デンケンマッフル炉から取り出したの
ち、余分な TiO2 粒子を除去するため、超純水 Milli-Q で満たしたビーカー内に入れられて、ビーカーごと超音波洗浄機で 5 分間超音波処理され、引き上げられて大気中で自然

図 4 に示す通り、5.0±0.25 ppm に調整されたアセトア

乾燥された。

ルデヒドガスはガス入口より反応容器内に流入し、光触媒フィルタ試験片を通過してガス出口より出てきた後、ガス２．４モニタで測定される。

試験片

141

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）

ガスのサンプリング間隔が 1 分であることから、反応容器
内のガスは入れ替わることを考慮すると、測定値と反応容
器内ガス濃度とのタイムラグは 1～2 分であると考えられる。これらのことから、TTIP フィルタ試験片を用いた時の緩やかなガス濃度の変化は TTIP フィルタ試験片の微細な TiO2 に吸着したガスの脱離と分解挙動によるものだと推察される。これと比較して TKD フィルタ試験片は光への応答が速いことから、ガスの吸着が小さいと考えられる。
また、TKD フィルタ試験片のアセトアルデヒド除去率は81.6%であり、TTIP フィルタ試験片によるアセトアルデヒ
ド除去率 51.1%よりも大きいことがわかった。
次に、アセトアルデヒドガスの除去率が高かった TKD
フィルタ試験片を用いて、10 分おきに光照射 On/Off を切り替えたときのガス分解挙動を図 6 に示す。光照射の Onに応答してアセトアルデヒドガス濃度が 1~2 分で大幅に減少し、また Off から 1~2 分で初期濃度に回復する挙動が再現性良くあらわれていることがわかる。

図 5 (a)光照射を開始した時、ならびに(b)光照射を停止した
時のアセトアルデヒドガス濃度変化。

図 5a に光照射を開始した時、ならびに図 5b に光照射を停止した時のアセトアルデヒドガスの濃度変化を示す。ア３．

考察及び今後の展望

TKD-701（テイカ(株)）とアセトンを用いて調製した TiO2

セトアルデヒドガス濃度は TTIP フィルタ試験片では紫外線照射開始から 15 分かけて緩やかに 3 ppm 以下に低下し分散液に 550℃3 時間熱処理をした多孔質 Ni フィルタ
CELMET®（富山住友電工(株)）を浸漬した後、再度 550℃た。一方、TKD フィルタ試験片では光照射開始後にアセトアルデヒドが大幅に低下し、2 分後には 1 ppm 程度の安3 時間熱処理をして作製した光触媒フィルタ（TKD フィル
タ試験片）を用いて JIS R 1701-2 試験規格の測定環境にて定したガス濃度になった。ブランクフィルタ試験片を用いた場合は光照射 On/Off によるアセトアルデヒド濃度に変

アセトアルデヒドガスの光触媒による分解除去を評価したところ、市が移行の On/Off に対して速やかな応答と回化がないことから、TTIP フィルタ試験片ならびに TKD フ
ィルタ試験片を用いた時のアセトアルデヒド濃度低下は

復、ならびに良好なアセトアルデヒドガス分解特性が認められた。この分解性能はチタンメッシュを基材とした

TiO2 の光触媒作用によるものだとわかる。反応容器は内容積が約 300 ml であり、ガスの流量は 1 L/min である。
また、

TMiP に匹敵する水準であり、高い光触媒能を有する安価な光触媒フィルタとして実用化が期待される。
また、アセトアルデヒドガス分解挙動の再現性の高さか
ら、測定系を構成する要素が想定通りに設定され、正しく機能しているかを都度確認するための、標準試験片候補としても有望である。

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（抗菌 G との共同成果）砂田香矢乃、石黒 斉、落KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）合 剛、永井 武、田子 祥子、林 美緒、青木大輔、
阿久津 康久、臭いの測定法と消臭・脱臭技術 事
例集-消臭素材、光触媒、オゾン、ストリーマ放電、
マスキング、微生物、燃焼・洗浄法-、2018, 技術情潟地区・石川地区合同交流会・講演会「生物・環境と高分子」”、2019.03.04、アオーレ長岡、新潟県長岡市（一般講演）

報協会

9. 落合剛，石川洋輔，名倉俊成，木村悟隆、促進酸化法
による綿布および和紙の漂白、2018 年電気化学秋季大会、2018.9.25、金沢大学角間キャンパス【口頭発表】（招待講演）
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Electrodes, 3rd International Symposium on Energy andEnvironmental Photocatalytic Materials (EEPM3),

Semiconductor Photochemistry 2018, 2018.7.19, Northeast
Normal University, Changchun, P.R.China.

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Semiconductor Photochemistry 2018, 2018.7.19, Northeast

Photochemistry 2018, 2018.7.19,
University, Changchun, P.R.China.

Northeast

NormalNormal University, Changchun, P.R.China.
12. Miyako Ishida, Tsuyoshi Ochiai, and Morio Nagata,
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“光触媒の現状と未来への展望～快適で持続可能な社会のために～”落合剛、科学技術者フォーラム、

Consideration of Sn3O4/TiO2 Composite Photocatalysts for
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UV-visible Light Irradiation, 2nd Workshop on
Semiconductor Photochemistry 2018, 2018.7.19, Northeast

落合剛、【近未来の電気化学を考える】人にやさしく、
地球にやさしく、電気化学会関東支部主催第 36 回夏Normal University, Changchun, P.R.China.
13. Haruki Nagakawa, Tsuyoshi Ochiai, Seiji Konuma, andMorio Nagata, Visible Light Water Splitting Using Anti-の学校、2018.8.31、八王子セミナーハウス
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学技術者の集い)、2018.10.05、板橋区立グリーンホール2018.7.19, Northeast Normal University, Changchun,
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“産学公連携でつながる人と人、うまれるアイデア ～14. 黒岩哲良、野村義明、落合剛、中村芳樹、紫外光応答

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境・医療への応用を例にして～”落合剛、第 89 回武型光触媒コーティング歯科矯正用レジンの抗菌/親水性効果および機械的性質の検討, 第 77 回東京矯正歯蔵野地区高分子懇話会、2018.11.15、電気通信大学

科学会学術大会, 2018.7.12, 有楽町朝日ホール, 東京.

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CdS composite photocatalyst, Pre-conference of TOCAT8
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KISTEC研究報告2019（2019.7）

144

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【研究開発部】光触媒（材料）

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Materials and Systems, 2018.08.28, Yamagata University,

6. Tsuyoshi Ochiai, Yosuke Ishikawa, Toshinari Nagura,Yonezawa, Japan

Noritaka Kimura, Application of Advanced Oxidation
Technologies (AOTs) for Bleaching of Japanese Papers(Washi) and Cotton Fabrics, 69th Annual Meeting of theInternational Society of Electrochemistry, 2018.9.5,

18. 落合剛，石川洋輔，名倉俊成，木村悟隆、電解オゾン
水処理と紫外線照射による低環境負荷な綿布の漂白法、電気化学会第 86 回大会、2019.3.27、京都大学吉田キャンパス

Bologna, Italy

19. Tsuyoshi Ochiai, Mio Hayashi, Shoko Tago, Akira

7. Sachiko Haga, Tsuyoshi Ochiai, Morio Nagata,
Photocatalytic Reduction of Aqueous Ammonia to Nitrite

Fujishima, Design and Optimization for Environmental
Application of TiO2 Photocatalysts, 3rd Edition ofand Nitrate Ions on Zeolite/TiO2, 69th Annual Meeting of
the International Society of Electrochemistry, 2018.9.5,

International Congress on Catalysis and Chemical Science,
2019.03.12, Village Hotel Changi, Singapore

Bologna, Italy
8. Ryosuke Yatsu, Tsuyoshi Ochiai, Morio Nagata, CO2
photoreduction using BiOI/TiO2 photocatalysts in purewater, 69th Annual Meeting of the International Society ofElectrochemistry, 2018.9.4, Bologna, Italy【ポスター発表】
1. Haruki Nagakawa, Tsuyoshi Ochiai, Morio Nagata,
Efficient H2 production and solving the fundamental

9. Haruki Nagakawa, Tsuyoshi Ociai, Morio Nagata, Pureproblems of CdS photocatalyst by cascadal carrier transfer
in the reverse direction, 3rd International Symposium onwater splitting under visible light with triple composite
photocatalyst suppressing photocorrosion of CdS, 69th

Energy and Environmental Photocatalytic(EEPM3), Jagiellonian University, Poland.

Annual Meeting of the International
Electrochemistry, 2018.9.4, Bologna, Italy

2. SachikoHaga,

Tsuyoshi

Ochiai,Morio

Materials

Societyof

Nagata,10. 須田孝史郎、永田衞男、落合剛、ZnS/ZnO Core-shellComparison of Several Zeolites for TiO2-zeolite
Photocatalyst To Oxidize Aqueous Ammonia on,

Heterojunction Photocatalyst via ZnS@ZIF-8 forHydrogen Generation、電気化学会関東支部主催第 36 回

Pre-conference of TOCAT8 and the 5th International
Symposium of Institute for Catalysis, 2018.8.4, Hokkaido

夏の学校、2018.08.31、八王子セミナーハウス

University, Sapporo, Japan.

11. 眞田太郎、落合剛、永田衞男、Catalysis of Adsorption andDecomposition of Tobacco Smoke on Non-woven Coated

3. Ryosuke Yatsu, Tsuyoshi Ochiai, Morio Nagata, CO2
photoreduction using BiOI/TiO2 photocatalysts in purewith Photocatalysts Working under Visible Light、電気化学会関東支部主催第 36 回夏の学校、2018.08.30、八王

water, Pre-conference of TOCAT8 and the 5th International
Symposium of Institute for Catalysis, 2018.8.4, Hokkaido

子セミナーハウス

University, Sapporo, Japan.

12. 浅沼 宏治，落合 剛，大野 弘幸，中村 暢文、テ
トラブチルホスホニウムヒドロキシド水溶液中にお4. Ayano Takeuchi, Haruki Nagakawa, Morio Nagata, Photohydrogen production with Photosystem I (PSI)/Pt

けるホウ素ドープダイヤモンド電極を用いたリグニ
ン低分子化、高分子討論会、2018.09.12、北海道大学

nanoparticle and LumogenRed, Pre-conference of TOCAT8
and the 5th International Symposium of Institute for13. 石田都、落合 剛、永田衞男、TiO2/Sn3O4 複合体

Catalysis, 2018.8.4, Hokkaido University, Sapporo, Japan.

の光安定性および光触媒活性の検討、第 8 回 CSJ 化学
フェスタ 2018、2018.10.25、タワーホール船堀

5. Mio Hayashi, Tsuyoshi Ochiai, Shoko Tago, Tsukaho

14. 柴田友梨佳、眞田太郎、落合剛、永田衞男、可視光応

Yahagi, Akira Fujishima, Improvement of the Electrolytic

答性光触媒を担持した不織布へのたばこ煙成分の吸145

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（材料）

着およびその分解挙動の評価、第 24 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」、2018.11.30、東京理科大学・神楽坂キャンパス
15. 落合 剛、石川洋輔、名倉俊成、木村悟隆、伝統的な和紙の漂白技術を参考にした促進酸化法による綿布の漂白、第 24 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」、2018.11.30、東京理科大学・神楽坂キャンパス
16. 林美緒、落合剛、田子祥子、矢矧束穂、藤嶋昭、電撃連打法で作製した Pt/Ti 電極が電解オゾン生成に与える影響、第 24 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」、2018.11.30、東京理科大学・神楽坂キャンパス
17. 田子祥子、林美緒、落合剛、藤嶋昭、土田斉、俵山博
匡、奥野一樹、真嶋正利、酸化チタン担持多孔質金属フィルタの作製と JIS R 1701-2 標準試験片への可能性の検討、第 24 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」、2018.11.30、東京理科大学・神楽坂キャンパス
18. 髙尾綾乃，大嶋佑治，岡本歩未，落合剛，藤嶋昭，鈴木智順、細菌の細胞壁であるペプチドグリカンに対す
る TiO₂光触媒反応の影響、第 24 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」、2018.11.30、東京理科大学・
神楽坂キャンパス
19. 小笠原麻衣、三浦菜摘、鈴木孝宗、寺島千晶、藤嶋昭、
落合剛、鈴木智順、日光文化財に発生する真菌の特定および防除に向けた事前試験、第 24 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」、2018.11.30、東京理科大学・神楽坂キャンパス
20. 竹内彩乃、長川遥輝、永田衞男、人工光捕集系を用いた光合成タンパク質複合体による光水素発生、第 24
回 シ ン ポ ジ ウ ム 「 光 触 媒 反 応 の 最 近 の 展 開 」、
2018.11.30、東京理科大学・神楽坂キャンパス
21. Hayato Takada, Tsuyoshi Ochiai, Morio Nagata, Water
purification material having self-cleaning function by
exposure to sunlight using visible-light photo-catalysts andadsorbent material, International conference on Water 2018
(ICW2018): From pollution to purification, 2018.12.08,
School of environmental science, Mahatma Gandhi
University Kottayam, India
22. Mio Hayashi, Tsuyoshi Ochiai, Shoko Tago, Tsukaho
Yahagi, Akira Fujishima, Investigation of Mechanism on
Electrolytic Ozone Generation using Pt/Ti Electrode
Prepared by the Multiple Electrostrike Method, 3rd Editionof International Congress on Catalysis and Chemical
Science, 2019.03.12, Village Hotel Changi, Singapore

KISTEC研究報告2019（2019.7）

146

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）「光触媒」グループ（抗菌・抗ウイルス研究グループ）
グループリーダー窪田

吉信、石黒

斉

【基本構想】
本プロジェクトでは、地域イノベーション戦略支援プログラムにおけるテーマとして、「KISTEC 機器の共用化」により、光触媒加工品やその他抗ウイルス加工品による抗ウイルス性能評価試験を行い、様々な企業や研究機関による抗ウイルス加工品の研究開発を推進することを目的とした取り組みを行っている。
また、抗ウイルス加工品に限らず、抗菌加工品に関しても性能評価試験の提供も行っている。提供している性能評価試験は JIS/ISO 規格に基づいた抗菌・抗ウイルス性能評価が主であるが、JIS/ISO 規格では対応できない加工品についても、それぞれの製品開発の特徴に合わせて、JIS/ISO 規格を応用させた性能評価試
験方法を提供している。また、本プロジェクトでは抗菌分野について ISO17025 を取得しており、国際的に通用する評価機関として、日々その技術や品質の向上に努めながら、KISTEC で展開していく評価技術センター機能の構築に向けた取り組みを行っている。また、新たな試験方法の提供に向けた取り組みや共同研究を通じた新規 ISO/JIS 規格の作成などへの取組を続けている。

１．

同研究及び経済産業省「平成 30 年度戦略的国際標準化加平成 30 年度の研究目的

プロジェクト 14 年目となる平成 30 年度は、以下の各項目について、検討を行った。

速事業：産業基盤分野に係る国際標準開発活動 光触媒の防藻性能試験法に関する JIS 開発」として、光触媒工業会(1) KISTEC 機器の共用化

より委託を受けて推進した。具体的な内容として、防藻性能試験方法の立ち上げと ISO 規格における実際の作業上

本研究テーマでは、昨年度と同様に地域イノベーション
戦略支援プログラムとして、KISTEC が所有する無菌作業の問題点の確認を行った。更に、光触媒加工品が実際の環境下でどの程度の防藻性能を発揮するかについて、で必要な機器類の利用を通じて、県内外や国内外の多くの企業や研究機関の研究開発を推進することを目的として

KISTEC 及び他機関と連携しながら、1-2 年間のモニタリ
ングによる防藻性能実証試験を開始した。

活動し、様々な抗菌・抗ウイルス加工品の性能評価試験を提供し、製品開発を促進することを目標としている。また、(3) 新規機能性物質の探索と抗ウイルス性能

試験対象を微生物としていることから、KISTEC 研究員が各種試験を代行して行っている。加えて、平成 30 年度は

我々はこれまでに水に難溶性の金属化合物の暗所下での抗ウイルス活性を調べ、銅一価化合物が銅イオンや銅ニ

これまでに要望の多かったウイルスを気中に噴霧させて、抗ウイルス性能評価を行う試験系の構築に向けた取り組

価化合物に比較して、高い抗菌・抗ウイルス活性を発揮す
ることを見出している。また、同時に銀イオンを溶出しなみを行った。
抗菌・抗ウイルス性能評価試験を提供するにあたっては、い個体の銀化合物は抗菌・抗ウイルス活性をほとんど発揮
しないことも明らかとしている。本検討では、銅化合物やISO17025 を取得しており、評価試験の信頼性と技術向上に向けた活動を行っている。具体的には、年間活動計画に

銀化合物以外の金属化合物の抗ウイルス活性を検討し、新規可視光応答形光触媒材料の作成について検討した。

基づいて、技能試験への参加、内部の試験精度の管理などを行った。更に、平成 30 年度は抗菌プラスチック加工品

また、共同研究として、国立大学法人東京工業大学物質理工学院の中島章教授と新規セラミックス材料の機能性に対する抗菌性能評価試験方法である JIS Z 2801 を JNLA試験として、新規登録するための整備を行い、KISTEC が評価を行い、その抗菌・抗ウイルス性能について検討を行った。

提供する抗菌性能評価試験の信頼性や技術を更に高めていくことで、評価技術センター機能構築に向けた取り組み

2．

平成３０年度の研究成果を行った。

以下に挙げるのは、平成 30 年度の具体的な研究成果であり、それぞれの項目について順調な成果を上げることが(2) 防藻性能評価試験方法の JIS 化に向けた取り組み
防藻性能評価試験方法として ISO19635 が 2016 年に制定出来た。

されている。平成 30 年度はこの ISO 規格をもとにしながら、国内規格である JIS を作成することを目標とした基礎(1) KISTEC 機器の共用化
平成 30 年度についても、これまでと同様にバクテリオ的な検討を開始した。本テーマでは、光触媒工業会との共ファージや動物細胞感染ウイルスを用いた抗ウイルス加147

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

工品の抗ウイルス性能評価試験を進めるとともに、抗菌加工品の抗菌性能評価試験を行った。抗菌・抗ウイルス性能

その後、予め内部に設置していた試験対象機器を一定時間、稼働させた。本検討で用いた試験機器は内部に光触媒評価の依頼件数は過去最高となり、図 1 に示すように 227件であった。また、相談件数を含めたのべ依頼試験数としフィルタが設置してあり、ファン及び紫外光照射を ON とすることで、光触媒フィルタを用いた空気清浄機となるこては 279 件であった。このことから、平成 30 年度も昨年に引き続き、多くの抗菌・抗ウイルス加工製品の研究開発とを想定した機器である。試験機器の稼働条件は、①ファ
ン OFF 光照射無し、②ファン ON 光照射無し、③ファンが進められていると考えられる。

ON 光照射有の 3 条件で試験を行った。一定時間経過後にエアサンプラーを用いて、ゼラチンフィルター上にグロー
ブボックス内の空気を回収し、そこに含まれるウイルス量をプラークアッセイ法によって確認した。試験結果例を図3 に示す。

図 1. 各年度の依頼件数の推移

ウイルスの噴霧試験については、これまでにも要望の高い試験方法であったことから、KISTEC にて試験対応が出来るように整備を進めた。本試験方法の導入については、
バイオメディカルサイエンス研究会の協力のもとで、試験を行うとともに、KISTEC 内に噴霧試験に必要な機器の整図 3. プラークアッセイ法による抗ウイルス効果の確認

プラークアッセイ法は、ウイルスに感染した細胞が死滅することを利用したウイルス量の測定方法であり、予め培養していた細胞シートに段階希釈したウイルスを接種す備を進めた。試験方法は密閉可能なグローブボックス内部にネブライザーを用いてウイルスを噴霧、攪拌を行った

る。その後、一定時間培養した後、細胞を染色すると、ウイルスが感染することで細胞が死滅した箇所は染色され(図 2)。

ず、色が抜けた状態となる(プラーク)。このプラーク数を比較することで、どれだけの抗ウイルス効果が得られているかを計算することが可能である。図 3 に示すように、エアサンプラーで捕集したウイルスの量を確認したところ、①及び②の条件下では、多くの細胞が死滅しており、染色部分が非常に少ない事が認められる。一方で、③の条件では、多くの細胞が死滅せずに残っており、ほぼすべての細胞が染色されていることがわかる。この染色結果をもとに、穴の様に抜けた部分をカウントし比較することで、ウイルスの不活化量を算出することが出来る。図 3 にも明らかなように、本試験機器はウイルスを効率よく不活化させていることが明らかとなった。ウイルス噴霧試験については
KISTEC 内部で機器の整備を進め、2019 年には提供可能とする予定である。
ISO17025 に関しては、JIS Z 2801 を JNLA 試験として登録するために必要な整備を行い、申請業務を行った。その
結果、JNLA 試験として登録することが出来た。また、
ISO17025 の改訂を受けて、新 ISO17025 への対応整備を開始した。

図 2. グローブボックスを用いた抗ウイルス性能評価試験

KISTEC研究報告2019（2019.7）

148

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）(2) 防藻性能評価試験方法の JIS 化に向けた取り組み(3) 新規機能性物質の探索と抗ウイルス性能

平成 30 年度より光触媒工業会との共同研究及び光触媒工業会が採択された経済産業省「平成 30 年度戦略的国際

抗菌活性を持つことが知られている金属酸化物を中心に選択し、Fe2O3、MnO2、MoO3 を始めとする 7 種類の金標準化加速事業：産業基盤分野に係る国際標準開発活動
光触媒の防藻性能試験法に関する JIS 開発」の一環として、属酸化物の抗ウイルス性能を検討した。方法は可視光応答
形光触媒加工品の抗ウイルス性能評価で用いられている

防藻性能評価試験方法である ISO19635 をもとにした新規
JIS 規格の作成に向けて取り組みを行った。始めに、

JIS R 1756 に沿って行った。また、使用したウイルスはバ
クテリオファージ Qβ及びφ6、動物細胞感染ウイルスとしISO19635 に準じて、防藻性能評価試験を行うための準備及び試験を行った。用いた光触媒加工品は本 ISO を作成すてネコカリシウイルス及びインフルエンザウイルスを用いた。抗ウイルス性能評価を行った結果、MoO3 に非常にる際に使用していたものと同等性能を持つ紫外光応答形
光触媒加工ガラス板を用いた。また、ISO19635 に規定さ高い抗ウイルス活性を認めた。この高い抗ウイルス活性はウイルス種を選ばず得られたことから、MoO3 は抗菌活性れているが、現状ですぐに準備が出来ない機器等について
は、代替方法を用いることが可能かについても同時に検討

だけではなく、高い抗ウイルス活性を併せ持つことを明らかとした。一方で、1000 lx の可視光照射では大きな光触を行った。特に、問題と考えられた点が、クロレラの増殖方法であり、ISO19635 ではクロレラの増殖のために、液媒効果は得られていなかった。そこで、MoO3 をもとにした可視光応答形光触媒材料の開発に向けて検討を行った。

中のバブリングが必要となっているが、本検討から通気性を保っていれば、バブリングを行うことなくクロレラを増方法として、TiO2 及び MoO3 を混合した化合物(Mo/TiO2)を作成し、その抗ウイルス性能を確認した。その結果、殖させることが可能であった (図 4)。

Mo/TiO2 は暗所下での抗ウイルス活性を持ち、かつ 1000 lxの可視光照射下において非常に強い抗ウイルス活性を得ることが出来た。この結果から、Mo/TiO2 は可視光応答性を持つ光触媒であることが示唆された。
国立大学法人東京工業大学物質理工学院(中島章教授)との共同研究では新規セラミックス材料として、自己撥水性を発揮しながら、抗菌・抗ウイルス活性を持つ新規セラミックス材料を作成した。この結果については、日本セラミックス協会第 31 回秋季シンポジウムのトピックス研究として選定されるとともに、プレスリリースや新聞報道とし図 4. 試験に用いるために増殖、濃縮したクロレラ液て取り上げられ、社会に広く注目を浴びており、今後更なる発展が期待される。

このように増殖、濃縮を行ったクロレラを用いて、ISO19635 に基づいた防藻性能評価試験を行った結果、光3．

照射を行った光触媒加工品に接種したクロレラはほぼ100%の不活化効果が得られており、光触媒加工品による謝辞

KISTEC 機器の共用化については、文部科学省地域イノ
ベーション戦略支援プログラムの一環として取り組んだ。

防藻性能を確認することが出来た。このように、光触媒加工品による防藻性能を研究室で確認することが出来た一

グローブボックスを用いたウイルス噴霧試験の実施及び構築にあたっては、バイオメディカルサイエンス研究会の方で、実際の環境下において、光触媒加工品がどの程度の防藻性能が発揮されるかについて詳細は不明である。そこ協力のもとで行った。また、グローブボックスを用いたウ
イルス噴霧試験結果については、全南大学校(韓国)ので、本検討課題である防藻性能評価試験方法の JIS 化に向けた検討と並行して、実環境下における防藻性能を確認す

金鍾鎬教授のご厚意により紹介した。
防藻性能評価試験を行うにあたっては、光触媒工業会とる検討について準備を進め、実際の環境中に各種試験品を設置し、防藻性能を確認する研究を開始している(図 5)。

の共同研究及び光触媒工業会が経済産業省委託事業「平成30 年度戦略的国際標準化加速事業：産業基盤分野に係る国際標準開発活動 光触媒の防藻性能試験法に関する JIS
開発」として、一般財団法人日本規格協会から再委託を受けて取り組んだ一環である。
新規機能性材料の研究については、JSPS 科研費基盤研究(c)(課題番号 17K00633)の助成を受けて行った。また、新規セラミックス材料の研究については国立大学法人東京工業大学物質理工学院(中島章教授)との共同研究として行った。

図 5. 光触媒加工品による実環境における防藻性能評価試験

149

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

KISTEC 機器の共用化の取り組みとウイルス噴霧試験永井

１．

武、畑山 靖佳、砂田

香矢乃、石黒斉

はじめに

我々は、地域イノベーション戦略支援プログラム(平成25 年度～平成 30 年度)の一環として「KISTEC 機器の共用化」により、KISTEC が保有する無菌作業やバイオ実験で使用される機器類を多くの企業や研究団体に利用してもらいながら、製品の研究開発を促進させるための活動を行っている。中でも、光触媒加工品やその他の抗ウイルス加工品による抗ウイルス性能評価を行うことを主としている。一方、実際の作業工程では病原性微生物を使用することから、性能評価試験従事者は微生物に関する専門知識及び取り扱い技術を有する必要があるため、KISTEC 研究員が受託を受けて、評価技術サービスの提供を代行すること
で、機器を利用してもらえるよう活動を行っている。これまでに、光触媒加工品の抗ウイルス性能評価である JIS R
1706 及び JIS R 1756 に加え、動物細胞感染ウイルスであるインフルエンザウイルスやネコカリシウイルス(ノロウ

図 1. 各年度の受託件数の推移

イルス代替)を用いた抗ウイルス性能評価試験の整備と提供を行ってきた。更に、抗ウイルス性能評価試験以外に抗表1. 用いた光触媒加工品の違い

菌性能評価試験の提供を行うとともに、JIS/ISO 規格外の試験について、海外規格を参考とした応用方法や、新しい

紫外光応答型

36 (20%)

可視光応答型

142 (80%)

試験方法を開発しながら、機器の共用化として評価技術サービスの提供を推進してきた。本報告では、平成 30 年度の受託試験の状況及びこれまでに要望が多く出されていた動物細胞感染ウイルスを用いたウイルス噴霧試験の現２．２
試験状について報告する。

２．

これまで、多くの受託試験を通じて KISTEC 機器の共用化活動を行うと同時に、JIS/ISO 規格では対応できない形状の加工品についても、要望に応じた抗菌・抗ウイルス性

実験と結果

２．１
能評価

能評価試験を行ってきた。その中で、気中にウイルスを噴霧し、例えば空気清浄機のような機器の抗ウイルス効果を

平成 30 年度における抗菌・抗ウイルス性

確認したいという要望が多くあげられていた。そこで、バイオメディカルサイエンス研究会の協力のもと、グローブ

KISTEC 機器の共用化として、光触媒を始め、その他の多くの抗ウイルス及び抗菌加工製品の性能評価を実施しボックスを用いたウイルス噴霧試験を行い、それと共に
KISTEC 内に噴霧試験を行うための整備を進めた。

た。各年度の受託試験の件数の推移を図 1 に示す。試験数は年々増加しており、平成 30 年度は 227 件の受託件数であった。光触媒加工品及びその他加工品の件数の比較では、
約 66%が光触媒加工品を用いた抗菌・抗ウイルス性能評価であった。また、光触媒加工品は紫外光応答型光触媒と可視光応答型光触媒の二つのタイプに大別されるが、評価対グローブボックスを用いたウイルス噴霧試験システムの概要を図 2 に示し、その写真を図 3 に示す。ウイルスが漏れないよう密閉されたグローブボックス内に試験機器を設置し、ネブライザーにてウイルスを内部に噴霧、攪拌し、グローブボックス内にウイルスが攪拌されるように調整した。その後、試験機器を一定時間稼働させた後、エア象としては可視光応答形光触媒を用いた加工品が 80%となっていた(表 1)。また、近年は光触媒材料に各種抗菌材

サンプラーを用いてゼラチンフィルター上にウイルスを集めた（30L/回）。ゼラチンフィルターは細胞培養に用い料や抗ウイルス材料などを混合したハイブリッド型と呼ばれる製品の開発も進められており、そのような加工品のる培地で溶解し、感染価をプラークアッセイ法により確認した。プラークアッセイ法は、ウイルスに感染した細胞が評価も行った。更に、光触媒工業会が推進している PIAJ
マーク認証事業に関連した受託試験依頼もあった。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

グローブボックスを用いたウイルス噴霧150

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

死滅することを利用したウイルス感染価の測定方法であ明らかなプラーク数の減少が認められた。さらに、5 分後り、その方法は次の通りである。6well プレートに培養しておいた宿主細胞に段階希釈したウイルスを接種する。その比較では、回収したウイルス原液を感染させた場合に、ファン ON 光照射有の群では多くの細胞が染色されていの後、2 日ほど培養した後、細胞を染色すると、ウイルスの感染によって細胞が死滅した箇所は染色されず、色が抜るのに対して、ファン OFF 光照射 OFF（未稼働）及びファン ON 光照射 OFF の群ではほとんどの宿主細胞が死滅けた状態となる(プラーク)。各条件下で集めたグローブボックス内のウイルスから得られたプラーク数を比較する

していることを認めた。図 5 では、プラークアッセイの結果をもとにウイルス感染価を算出し、グラフとしてあらわ

ことで、どれだけの抗ウイルス効果が得られているか計算した。また、用いたウイルスは A 型インフルエンザウイしている。グラフに示されるようにファン ON 光照射 ONの群は 20 分経過後には検出限界近くまでウイルスを不活

ルス（ATCC VR-1469）であり、宿主細胞は MDCK 細胞を用いた。

化することができた。この結果から、グローブボックスを用いたウイルス噴霧試験による光触媒フィルタ搭載空気清浄機等の抗ウイルス性能評価を提供することが出来、また、本システムを KISTEC にて整備し、機器の共用化の一つとして、提供するための整備を進めた。

図 2. 試験システムの概要
図 4. プラークアッセイの結果

図 5. プラークアッセイから算出したウイルス不活化量３．

考察及び今後の展望以上、平成 30 年度に機器共用化の取組と新たな試験シ
図 3. ウイルス噴霧試験の様子

ステムの構築に取り組んだ。
我々は以前より、光触媒に関する研究を精力的に行って今回の試験で使用した機器は光触媒フィルタを内蔵しきており、光触媒に関する多くの知見を有している。この背景から、光触媒加工品を用いた性能評価サービスの依頼た小型空気清浄機であり、試験機器の稼働条件は、①ファ
ン OFF 光照射 OFF（未稼働）、②ファン ON 光照射 OFF、が多い傾向であったと推測された。しかし、抗菌性能評価
サービスも含めた各種性能評価サービス依頼件数につい③ファン ON 光照射 ON の 3 条件で試験を行った。ウイル
スの回収は試験機器を稼動後 5、10 及び 20 分とした。

て、年々その提供数が増加していることから、光触媒加工
品以外の加工品についても KISTEC 機器の共用化の中で

図 4 は試験機器を未稼働及び稼動後に回収したウイルスを宿主細胞に感染させたプラークアッセイの結果であ

多くの性能評価試験を提供することが出来たと考えている。更に、光触媒加工品に関しては、KISTEC 川崎技術支る。ファン ON 光照射 ON の群では、ファン OFF 光照射
OFF
（未稼働）
及びファン ON 光照射 OFF の群と比較して、援部においても、空気浄化性能評価に関する支援業務も増加しており、国内外の各企業や研究機関における光触媒材

151

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）料や加工品の研究開発が活発に進められていると考えられる。また、光触媒技術の応用開発や普及活動を推進している光触媒工業会では平成 29 年度より「きれい JAPAN」
としての普及活動に取り組み、光触媒の持つ可能性を広く社会に発信している。また、可視光応答形光触媒を中心とした新しい光触媒加工品の各種性能評価判定基準とそれに基づいた PIAJ マーク認証も開始している。これらのことも、光触媒加工品の製品開発を加速する要因と考えられる。
グローブボックスを用いた抗ウイルス性能評価試験で
は、光触媒フィルタに対して、紫外光を照射することで、速やかな噴霧ウイルスの不活化を確認することが出来た。
また、ファン ON 光照射 OFF の条件においても、ファン
OFF 光照射 OFF の条件と比較して、90%程度のウイルスの減少を認めた。このことから、試験機器が噴霧されたウ
イルスを効率良く取り込んでおり、光触媒フィルタ等に吸着することで、ウイルス量を減少させていると考えられる。
また、そこに光触媒反応を付加することで、更に抗ウイル
ス性能が高くなったと考えられる。特に、試験機器を稼働
5 分後において、光触媒反応が非常に速やかにウイルス不活化を起こすことが明らかとなっており、ウイルス感染のリスクを下げるための、有効な製品開発につながっていくと考えられる。グローブボックスを用いたこのようなウイ
ルス噴霧試験系は、噴霧専用の部屋等が不要であり、通常行われているウイルス噴霧試験と比較して、研究開発の段階で非常に有効なシステムであり、我々も KISTEC 内に機器類の整備も終えていることから、今後評価技術サービスとして、提供していく予定としている。一方で、ウイルス噴霧試験における試験機器未稼働の条件下においても噴霧したウイルス量が時間経過とともに減少していくことが認められていることから、試験機器を使用しない場合におけるウイルス量の減少量を少なくし、抗ウイルス性能をより高精度で確認できる方法の構築が必要であり、今後の検討でより安定したウイルス噴霧試験に向けた改良を加えていく予定としている。また、抗菌・抗ウイルス性能評
価を中心とした評価技術サービスを更に拡充させるために、新しい応用試験方法の研究開発を進めていく予定とし
ている。

【謝辞】
KISTEC 機器の共用化については、文部科学省地域イノ
ベーション戦略支援プログラムの一環として行った。グローブボックスを用いたウイルス噴霧試験の実施と構築にあたっては、バイオメディカルサイエンス研究会の協力のもとで行った。また、グローブボックスを用いたウイルス
噴霧試験結果については、全南大学校(韓国)の金鍾鎬教授のご厚意により紹介している。この場を借りて謝意を表明する。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

152

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

可視光下での金属酸化物の抗ウイルス活性に関する試験
砂田

１．

はじめに

香矢乃、畑山靖佳、永井 武、石黒斉

ルエンザウイルス

1990 年代から積極的に研究開発が進められてきた光触媒材料は、空気浄化、セルフクリーニング、抗菌、抗ウイ(H1N1) A/PR/8/34 株(ATCC VR-1469、 宿ルスなどの機能を発揮する製品として応用され、上市されてきた。それは、太陽光などにふくまれる紫外光に反応す

主:MDCK 細胞(ATCC
CCL-34))を 対 象に行る酸化チタンを中心とした紫外光応答形光触媒製品だけではなく、室内光でも同様の機能を発揮する可視光に応答った。ネコカリシウ
イルスやインフルエする光触媒製品の研究開発も進められてきた。特に、2010年頃に高い抗菌・抗ウイルス性能を発揮する可視光応答形

ンザウイルスを対象にした試験では、図1

光触媒材料が創製 1)され、感染リスクの低減やクリーンな生活環境を創造するためのツールとして有効と考えられ、に示すような方法で測定し、その感染価

様々な使用箇所を想定した多くの製品開発が進められてきている。

は、TCID50 として求めた。光照射は、白

一方、これまでに我々は、光触媒材料ではないが、水に難溶の金属化合物である銅化合物や銀化合物の暗所下で色蛍光灯を用いて、Type B (N169:380nmの抗菌・抗ウイルス活性を調べ、銅一価化合物は、銅イオンや銅二価化合物に比べ、抗菌効果のみならず、エンベロ

以下の波長をカット)のフィルター下、ープをもつウイルス、エンベロープをもたないウイルスのどちらに対しても高い抗ウイルス活性を発揮することを1000 lx の照度で行った。

見出した 2)。また、銀イオンを溶出しない固体の銀化合物(たとえば Ag2S)は、抗菌･抗ウイルス活性をほとんど発揮
しないことも明らかにしてきた 2)。さらに、銅一価化合物の高い抗菌・抗ウイルス活性を活かした可視光応答型光触２．２． 金属酸化物の抗ウイルス
活性評価結果媒材料の研究開発にも携わってきた 3)。
そこで、本稿では、銅化合物や銀化合物以外の金属化合表１にバクテリオ

図 1. ウイルス感染価の測定方法

物の中に、抗菌・抗ウイルス活性が高い化合物が見出せな
いかについて金属酸化物を中心に調べ、また、またその知ファージ Qβを対象に評価したそれぞれの金属酸化物の抗ウイルス活性値を見をもとに新たに作製した可視光応答型光触媒材料の抗ウイルス活性についても検討したので、報告する。

示した。ここでの抗ウイルス活性値(R)は、接種直後の0時間での感染価からの低減率を対数値で示した(式(1))。また、

２．

光照射効果(ΔR )は、光照射下と暗所下での抗ウイルス活性値の差で示した(式(2))。

実験と結果

２．１．

抗ウイルス活性値：R=log(N0)- log(N)ここで、 Ν0: 接種直後の感染価、金属酸化物の抗ウイルス活性評価方法(1)

抗ウイルス活性を調べる金属酸化物は、抗菌活性を持つことが知られている金属イオンをふくむ酸化物を中心に

Ν: 2, 4時間後の光照射下ならびに暗所下での感染価
光照射効果：ΔR= RL- RD(2)

選択し、Fe2O3, MnO2, CeO2, MoO3, SnO2, NiO, ZnO の７種の市販の金属酸化物の粉末を用いた。それぞれの粉末を純

ここで、RL: 光照射下での抗ウイルス活性値、RD: 暗所下での抗ウイルス活性値

水でよく洗浄した後、25 mm×25 mm のガラスに 6 µmolの量を担持した。

表１の結果より、白色蛍光灯照射下、暗所下ともに、酸化亜鉛(ZnO)で弱い抗ウイルス活性が認められ、さらに、酸抗ウイルス活性評価は、基本的には JIS R 1756 にそって行い、バクテリオファージ Qβ (NBRC20012、宿主大腸菌

化モリブデン(MoO3)において、非常に高い抗ウイルス活性が認められた。

(NBRC106373))とバクテリオファージ φ6(NBRC105899、
宿主菌(NBRC14084))、並びにネコカリシウイルス F-9 株

また、バクテリオファージ φ6 についても同様に調べた
ところ、やはり MoO3 が高い抗ウイルス活性を示した。こ(ATCC VR-782、宿主:CRFK 細胞(ATCC CCL-94))、インフのことから、エンベロープをもたないバクテリオファージ

153

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

表１

金属酸化物の Bacteriophage Qβに対する抗ウイルス活性RL: 抗ウイルス活性値*

RD:抗ウイルス活性値*

2 時間

4 時間

2 時間

4 時間

2 時間

4 時間

Fe2O3

0.4

0.3

0.0

0.1

0.4

0.2

MnO2

0.2

0.4

0.3

0.3

-0.1

0.1

CeO2

0.1

0.2

0.0

0.0

0.2

0.2

MoO3

3.4

5.3

3.0

5.0

0.4

0.4

SnO2

-0.1

0.0

0.0

0.0

-0.1

-0.1

NiO

0.0

0.0

0.0

-0.1

0.0

0.1

ZnO

0.2

1.6

0.4

1.2

-0.2

0.3

金属酸化物

(光照射下)(暗所)

ΔR: 光照射効果** 数値は、いずれも小数点 2 桁目を四捨五入して小数点以下 1 桁で表示
Qβ、エンベロープをもつバクテリオファージ φ6 のどちらに対しても高い抗ウイルス活性を示した金属酸化物は、7れをサンプルとした(以下、このサンプルを Mo/TiO2 とする)。

種の中では、MoO3 であることが明らかとなった。一方、
MoO3 は、暗所下でも高い抗ウイルス活性を示しており、Mo/TiO2 のサンプルも、２．１．の金属酸化物の評価と同様に、
25 mm×25 mm のガラスに 6 µmol の量を担持し、光照射効果すなわち可視光応答性は低いものであることが判明した。

抗ウイルス活性評価を行った。対象ウイルスも、２．１．
と同様に、バクテリオファージ Qβ、バクテリオファージ

また、インフルエンザウイルス

φ6、並びに、ネコカリシウイルス、インフルエンザウイル
スとした。

やネコカリシウ
イルスを対象に２．４． 可視光応答形光触媒材料の抗ウイルス活性評価結果

抗ウイルス活性を調べたところ、

モリブデン酸化物と酸化チタンを組み合わせた材料

図 2 に示すように、
バクテリオファ(Mo/TiO2)の抗ウイルス活性について、バクテリオファー
ジ Qβを対象として評価したところ、図 3 のような結果とージを対象とした時と同様に高なった。暗所下でも低い抗ウイルス活性が認められたが、1000 lx の可視光照射下では、2 時間でファージ感染価が検い抗ウイルス活性をもつことが出限界となり、高い抗ウイルス活性が観察された。

明らかとなった。
これらの結果より、MoO3 は、抗菌性をもつことは知られているが、高い抗ウイルス活性も示すという新たな知見が得られた。

２．３．
媒の作製

図 2. MoO3 の抗ウイルス活性(上；ネコ
カリシウイルスに対して、下；インフル
エンザウイルスに対して)抗ウイルス活性を示す可視光応答形光触図 3. バクテリオファージ Qβに対する暗所下と光照射下でのMo/TiO2 の抗ウイルス活性

モリブデン酸化物である MoO3 が、高い抗ウイルス活性をもつことが明らかになったため、それを活用して、抗ウ

また、ネコカリシウイルス、インフルエンザウイルスに対しても、バクテリオファージ Qβの場合と同様に、暗所
下より光照射下でより高い抗ウイルス活性を示した。これ

イルス活性をもつ可視光応答形光触媒材料が作製できないかと考えた。そこで、酸化チタンとモリブデン酸化物を

らの結果は、Mo/TiO2 が可視光応答性をもつことを示唆している。

組み合わせた材料を作製しようと、Na2MoO4 水溶液に酸化チタン粉末を浸漬し、約 80 ℃に加温して 3 時間攪拌しながら作製した。その後、水で洗浄し、100 ℃で乾燥し、そKISTEC研究報告2019（2019.7）

154【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

３．

考察及び今後の展望以上、高い抗菌･抗ウイルス活性が知られている銅化合物や銀化合物以外の金属化合物の中で、抗菌・抗ウイルス活性を示す化合物の一つとして、酸化モリブデン(MoO3)があることを見出した。特に、エンベロープをもたないウ
イルス、エンベロープをもつウイルスのどちらに対しても抗ウイルス活性をもつことは新規な知見であると考えている。しかしながら、どのような機構で抗ウイルス活性を示すかは、まだ何もわかっていない状況であるので、今後、他のモリブデン化合物の抗ウイルス活性と比較すること
や、タンパク変性の性能を評価することで、明らかにしていきたいと考えている。
次に、モリブデン酸化物と酸化チタンを組み合わせた可視光応答形光触媒材料(Mo/TiO2)は、暗所下よりも白色蛍光灯照射下で、より高い抗ウイルス活性を示したが、この可視光応答性についても、まだ何も明らかとなっていない。
材料のキャラクタリゼーションをはじめ、モリブデン酸化物と酸化チタンの量比を変化させるなど、種々の材料を作製し、より可視光応答性の高い材料を求めながら、明らかにしていきたいと考えている
さらに、当試験室は国立大学法人東京工業大学物質理工学院の中島章教授と共に、新規セラミックス材料の抗菌・抗ウイルス活性について共同研究を行っている。その研究
成果のひとつである自己撥水性を発揮しながら、抗菌・抗ウイルス活性をもつ新規なセラミックス材料としてランタン・モリブデン酸化物が創製された。この材料にも、モリブデン酸化物が含まれており、高い抗菌・抗ウイルス活性を示す。今後、このような共同研究も通じ、モリブデン
酸化物がもつ抗ウイルス活性についてさらに検討していければと思っている。
なお、上記の新規なランタン・モリブデン酸化物について中島研究室が発表したところ、日本セラミックス協会第31 回秋季シンポジウムのトピックス研究として選定され、プレスリリースや新聞報道にも取り上げられ、広く着目を
受けた。

４．謝辞
本研究を行うにあたっては JSPS 科研費基盤研究(c)(課
題番号 17K00633)の助成を受けて行った。

【参考文献】
1. M. Miyauchi, H. Irie, K. Hashimoto, et al., J. Phys. Chem.
Lett., 2016, 7, 75-84.
2. M. Minoshima, H. Ishiguro, K. Hashimoto, K. Sunada, et al.,J. Haz. Mat., 2016, 312, 1-7.
3. M. Miyauchi, K. Sunada, K. Hashimoto, et al., ACS Nano,
2012, 6, 1609–1618.

155

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

防藻性能評価試験方法の JIS 化に向けた取り組み
石黒

１．

斉、永井 武、砂田

香矢乃

ISO19635 をもとに、JIS 規格化に向けた取り組みを行った。

はじめに

光触媒は光が当たることでその表面で強い酸化力が起き、様々な有機物の分解や超親水性を発揮する。これによ

また、本検討では、基本は ISO19635 に沿って行ったが、JIS 化するにあたって、ISO19635 から変更すべき点についって、空気浄化、水浄化、防汚、抗菌、抗ウイルス、抗かび、防曇などの様々な機能を発揮することから、光触媒をて確認することを目的とした検討を行った。光触媒加工品
は ISO19635 の制定時に用いられていたものと同等の紫外応用した数多くの製品の研究開発が進められている。従来は紫外光に反応する紫外光応答形光触媒が主流であり、屋光応答形光触媒ガラス板を使用し、未加工品としては光触媒加工をしていないガラス板を使用した。また、藻類及び内利用に制限があった光触媒であったが、近年、屋内においても光触媒反応を生み出すことのできる可視光応答形

C 培地は Chlorella vulgaris(C. vulgaris、NIES-227)を国立環境研究所より入手し、試験に用いた。試験水準表は表 2 に

光触媒の研究が進められ、高い光触媒活性を有する可視光
応答形光触媒が開発された。これにより、屋内外を問わず、示すとおりである。
表2. 試験水準表
24時間(又は6時間)

光触媒を応用した加工製品の研究開発が加速してきた。一方、製品の研究開発を進めていくうえでは、それぞれの開0時間

発品の性能を適切に比較・評価することが重要であり、そのための試験方法を制定することが必要であった。そこで、
各種光触媒材料の研究と共に試験方法の標準化が推進され、これまでに各目的に合わせた性能評価試験方法として未加工品

ISO 規格や JIS 規格の作成が行われた(表 1)。
光触媒加工品表1. 光触媒性能評価試験法のJIS/ISO規格
評価分類
可視光応答型
紫外光応答型
JIS
ISO
JIS
ISO
JIS R 1703-1
ISO 27448
JIS R 1753
ISO 19810
セルフクリーニング JIS R 1703-2
ISO 10678
ISO 21066
JIS R 1701-1 ISO 22197-1 JIS R 1751-1 ISO 17168-1
JIS R 1701-2 ISO 22197-2 JIS R 1751-2 ISO 17168-2
JIS R 1701-3 ISO 22197-3 JIS R 1751-3 ISO 17168-3
空気浄化
JIS R 1701-4 ISO 22197-4 JIS R 1751-4 ISO 17168-4
JIS R 1701-5 ISO 22197-5 JIS R 1751-5 ISO 17168-5
JIS R 1751-6 ISO 18560-1
JIS R 1704
ISO 10676
水浄化
JIS R 1711
JIS R 1708
ISO 19722
酸化反応活性JIS R 1757
ISO 19652
完全分解
抗菌
JIS R 1702
ISO 27447
JIS R 1752
ISO 17094
抗カビJIS R 1705
ISO 13125
防藻ISO 19635
抗ウイルス
JIS R 1706
ISO 18061
JIS R 1756
ISO 18071
標準光源
JIS R 1709
ISO 10677
JIS R 1750
ISO 14605

0.0 mW/cm2

1.0 mW/cm2(又は0.25 mW/cm2 )

#1
#2

#4
#5

#10
#11

#3

#6

#12

-

#7

#13

-

#8

#14

-

#9

#15

試験手順としては、始めに C 培地にて、C. vulgaris を増殖させ、濃縮後に各試験片に接種し、所定時間経過後に、歯ブラシを用いて、C. vulgaris を回収した。得られた回収液については、分光光度計を用いて各 OD 値を測定し、防藻性能を判定した。防藻性能の計算は以下の式を用いて計算し、最終的に防藻活性値 Rs(%)として算出した。
Wbase692=W660+(W750-W660)/(750-660)×(692-660)
Wpeak(0h)= W692-Wbase692
Wpeak=W692-Wbase692
Wbase692：OD660 及び OD750 の値を結んだベースラインを0 とした時の OD692 の値
W660：回収液の OD660 の値

これらの性能評価試験を利用することで、研究開発が更に加速することとなった。更に、現在は実環境を想定した
抗菌性能評価試験方法や急速に普及が進む LED 光源の ISO

W750：回収液の OD750 の値
W692：回収液の OD692 の値化等の新規標準化も進められており、今後は利用状況を想定するような規格が重要となると考えられる。

２．

Wpeak(0h)：試験液を無加工品に接種直後に回収した OD692の値
Wpeak：試験液を光触媒加工品に接種し、光照射後の無加工品の OD692 の値

２．１

実験と結果
防藻性能評価試験方法(ISO19635)

Rs=(1-Wpeak/Wpeak(0h))×100

今回の検討では、防藻性能評価試験方法である

KISTEC研究報告2019（2019.7）

156

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

また、本検討の主目的である JIS 化に向けた多くの課題

Rs：防藻活性(%)

についても明らかとすることが出来た。主要な課題としては、以下の通りである。

試験の結果、図 1 及び表 3 に示すように、光触媒加工品に紫外光を照射した回収液では OD692 にみられるピークが消失しており、光触媒加工品では十分な防藻活性(98.4%)

・C 培地の組成が国立環境研究所製のものと ISO19635 では組成が若干異なっているが、培養に問題はない
・藻類の培養時に何らかの方法で通気が出来ていればよいが得られた。
光触媒工品

・吸光度測定時の液量が規定されているが、測定が可能であれば試験で使用できるセルサイズで問題無い

ピークの消失・藻類の試験液作成の定量方法として、OD530 の測定値が10 となっているが、現実的には希釈等をしなければ測定が出来ない
また、ISO19635 では最大照射時間を 24 時間としていることから、照射時間を減らすことでどのような結果となるかについて、検討を行った。方法は上記内容の内、照射時間を 6 時間として試験を行った。その結果、6 時間の光照

未加工品射であってもある程度の防藻性能(24.9%)が得られることを明らかとした(表 4)。一方で、光照射時間を 6 時間とし、更に紫外高強度を 0.25 mW/cm2 に下げて試験をしたとこ
ろ、防藻性能を確認することは出来なかった(表 5、-7.5%)。

２．２

防藻性能実証試験

本検討では、光触媒による防藻性能が実際の環境下でどのように発揮されるかを確認する目的として、検討を行った。暴露試験を行う場所の選定については、直射日光が当たらない箇所であり、周辺に水場や緑地があることを考慮

図 1. 光照射後の OD 値の測定例した。
表3. 試験結果①
暗所24時間

0時間
未加工品
2
3
0.206 0.218

1
0.133

光触媒加工品
12
30.136 0.133 0.138

1 mW/cm2 24時間
未加工品
光触媒加工品
123
1230.115 0.131 0.126 0.001 0.012 0.012

0.168

0.155

0.151

0.154

0.129

0.146

0.145

0.002

0.011

0.011

0.144

0.135

0.132

0.135

0.114

0.13

0.127

0

0.009

0.01

0.14

0.146

0.136

0.133

0.137

0.115

0.131

0.126

0.001

0.011

0.011

0.021
0.022
6.2

0.022

0.019

0.018
0.018
22.2

0.017

0.014

0.015
0.016
31.4

0.019

0.001

0
0
98.4

0

未加工品
2
3
0.14
0.147

number
W660

1
0.19

W692

0.212

0.231

0.245

0.156

0.161

W750

0.194

0.208

0.222

0.134

0.139

Wbase692 0.191

0.207

0.219

0.133

Wpeak(0h 0.021

0.024

0.026

Wpeak
平均値
Rs (%)

0.023
0.023

number
W660

0時間
未加工品
1
2
3
0.311 0.305 0.329

表4. 試験結果②
暗所6時間
未加工品
光触媒加工品
1231230.304 0.305 0.306 0.314 0.303 0.318

W692

0.344

0.34

0.362

0.342

0.342

0.343

0.348

0.34

0.358

0.36

0.356

0.351

0.278

0.248

W750

0.308

0.304

0.328

0.304

0.307

0.303

0.308

0.297

0.315

0.316

0.31

0.304

0.244

0.214

0.24

Wbase692

0.31

0.305

0.329

0.304

0.306

0.305

0.312

0.301

0.317

0.322

0.316

0.312

0.255

0.221

0.248

Wpeak(0h) 0.034

0.035

0.033

Wpeak
平均値
Rs (%)

0.038

0.036
0.037
-9.3

0.038

0.036

0.039
0.039
-13.2

0.041

0.038

0.04
0.039
-13.9

0.039

0.023

0.027
0.026
24.9

0.027

0.034

157

2

1 mW/cm 6時間
未加工品
光触媒加工品
1231230.325 0.319 0.317 0.261 0.225 0.252
0.275

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

表5. 試験結果③0 時間
サンプル番 1
W660
0.15
W692
0.169
W750
0.155
Wbase692
0.152
Wpeak(0h) 0.017
Wpeak
平均値
Rs

未加工品
2
0.149
0.168
0.152
0.15
0.018

暗所 6 時間
3
0.154
0.175
0.152
0.153
0.022

0.019

1
0.164
0.184
0.161
0.163
0.021

未加工品
2
3
0.169
0.16
0.189
0.182
0.166
0.157
0.168
0.159
0.021
0.022
-14.7

0.023

光触媒加工品
1
2
3
0.148
0.161
0.155
0.166
0.181
0.179
0.144
0.157
0.155
0.147
0.16
0.155

1
0.158
0.179
0.157
0.158

0.019

0.021

0.021
0.022
-14

0.024

0.25 mW/cm2 6 時間
未加工品
光触媒加工品
2
3
1
2
3
0.171
0.168
0.15
0.152
0.148
0.193
0.19
0.172
0.17
0.167
0.16
0.166
0.148
0.149
0.147
0.167
0.167
0.149
0.151
0.148
0.026
0.023
-23.1

0.023

0.023

0.019
0.02
-7.5

0.019

その結果、海老名本部にある池周辺及び溝の口支所光触媒ミュージアムで各種暴露試験及び展示を行っている中いくためと考えられている。そのため、ウイルスや細菌の不活化に対して、藻類は不活化するまでのエネルギーが多庭を選定した。実際の選定場所では実際に藻類の付着も認められており、本検討を行う場所として適切であると考えく必要なためと考えられ、紫外光照射時間及び紫外光強度を下げた場合に有意な防藻性能が確認できなかったと考られる。試験片の設置については、垂直面及び 45°の傾斜面の二つのパターンとした。用いる試験片は本項２．１のえられる。また、本試験方法は C. vulgaris の持つクロロフ
ィルの吸光度を測定することで、防藻性能を数値化する試試験で用いたガラスではなく、スレート板とした。この理由は通常のガラス板には藻類がほぼ生着しないことが知験方法である。そのため、実際の C. vulgaris の不活化とク
ロロフィルの褪色の相関性の確認も重要と考えられる。

られているためである。また、スレート剤はアルカリ溶出防止処理を行った後、エナメル塗料、保護層の順に塗布を実環境における防藻性能の実証試験については、平成
30 年度後期より試験準備を行い、試験を開始したところ行い、その上に光触媒を塗布したものとした。比較対象として、光触媒の代わりに親水塗料を塗布したもの及びエナである。今後、1-2 年間の期間をかけて、実環境における
光触媒加工品の防藻性能を確認し、試験室で行う防藻性能

メル塗料のものを準備した。また、試験片のサイズは幅100 mm×長さ 300 mm とした。図 2 に実際に設置した状況評価試験方法との相関性について、確認を行う予定としている。

を示す。今後、実際の藻類の付着状況を確認して行く予定としている。

国内規格である JIS 作成については、国際規格である
ISO 規格をもとに作成することが基本となっている。しかしながら、国内の状況に合わせた変更が可能であり、今回の検討結果からより国内の状況に合わせた JIS 規格を作成することが可能になると考えている。また、JIS 制定に伴い、防藻性能を付与した様々な製品の開発につながると期待される。更に、光触媒工業会による防藻性能認証基準の作成と認証事業も進められていき、信頼性の高い光触媒製品の開発が促進されると期待する。

【謝辞】
本研究を行うにあたっては、光触媒工業会との共同研究
及び光触媒工業会が経済産業省委託事業「平成 30 年度戦
略的国際標準化加速事業：産業基盤分野に係る国際標準開発活動 光触媒の防藻性能試験法に関する JIS 開発」として、一般財団法人日本規格協会から再委託を受けて取り組んだ一環として行った。

図 2. 防藻実証試験の実際

３．

【参考文献】

考察及び今後の展望

1. ISO19635:2016

以上、光触媒加工品の防藻性能評価試験法である
ISO19635 の試験構築を行い、JIS 化に向けた課題を明らかとすることが出来た。また、紫外光照射時間及び紫外光照
射強度を下げた試験では、有効と思われる防藻性能は確認できなかった。光触媒反応による抗微生物のメカニズムとして、対象微生物の外部から有機物を分解し、不活化してKISTEC研究報告2019（2019.7）

158

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

業績【原著論文】
1. K. Mizutani, K. Sunada, T. Isobe, S Matsushita, A. Nakajima
Anti-bacterial and photocatalytic activities of (Mo0.5,

4. T. Matsumoto, K. Sunada, T. Isobe, S. Matsushita A.
Nakajima

W0.5)O3 with Cu(Mo0.5, W0.5)O4 prepared by impregnation
method and mechanochemical processing

Preparation of self-hydrophobic La2Mo2O9 ceramics with
antibacterial and antiviral properties

J. Jpn. Soc. Colour Mater. 126, 89-93 (2018).

Water on Materials Surface 2018, 2018 年 7 月, 東京

2. M. Hayashi, T. Ochiai, S. Tago, H. Tawarayama, T. Hosoya,
T. Yahagi, H. Ishiguro, A. Fujishima

5. 親川昭彦, 塩澤優樹, 石黒斉, 砂田香矢乃, 永井武
浮遊ウイルス空間における可視光応答型光触媒膜材料

Fabrication of TiO2-coated porous silica glass tube andevaluation as environmental purification unitの抗ウイルス効果 その 1の低減効果

Electrochemistry. 87, 1-7 (2019)2018 年度日本建築学会大会(東北)学術講演会. 2018 年 9月, 宮城

表面に付着したウイルス【総説】
6. 塩澤優樹, 親川明彦, 石黒斉, 砂田香矢乃, 永井武

1. 砂田香矢乃, 石黒斉, 永井武, 落合剛, 青木大輔, 林美緒, 田子祥子, 阿久津康久
光触媒反応による消臭・脱臭性能の評価法とその応用

浮遊ウイルス空間における可視光応答型光触媒膜材料の抗ウイルス効果 その 2 空気中に浮遊するウイル「臭いの評価法と最新消臭・脱臭技術事例集」 (技術情報協会) 第 6 章 第 1 節.

スの低減効果2018 年度日本建築学会大会(東北)学術講演会. 2018 年 9月, 宮城

2. 阿久津康久, 落合剛, 石黒斉, 眞田太郎, 山本詩乃, 永
7. 松本拓巳, 砂田香矢乃, 磯部敏宏, 松下祥子, 中島章
抗菌・抗ウイルス性を有する、自己撥水性 La2Mo2O9

田衞男
光触媒の性能評価
工業材料 Vol. 66. No. 12, 79-83 (2018)

セラミックスの作製
公益社団法人日本セラミックス協会 第 31 回秋季シン
ポジウム, 2018 年 9 月, 名古屋＊「最優秀賞受賞」

3. 石黒斉, 窪田吉信
CD 22551 実環境を想定した光触媒抗菌性能評価試験方

8. 石黒斉, 秋本和憲, 矢尾正祐, 上村博司
aPKC λ / ι associates with prostate carcinogenesis by

法
JFIS 会報. No. 26, 33, 2019.

increasing cytokine expression
第 77 回日本癌学会学術総会, 2018 年 9 月, 大阪【口頭発表】
1. 阿久津康久, 落合剛, 青木大輔, 石黒斉, 永井武, 畑山
靖佳, 砂田香矢乃

9. 石黒斉, 砂田香矢乃, 畑山靖佳, 永井武

光触媒の機能と評価法の紹介(一社)表面技術協会 第 139 回公演大会, 2019 年 3 月, 神

光触媒による抗菌性能とアンモニア生成抑制効果
日本防菌防黴学会第 45 回年次大会, 2018 年 11 月, 東京

奈川
10. 砂田香矢乃, 畑山靖佳, 永井武, 石黒斉
2．砂田香矢乃酸化モリブデンと酸化チタンを組み合わせた可視光光

金属酸化物と可視光応答型光触媒の抗ウイルス活性について触媒抗ウイルス材料「ナノシート科学：ナノシートの表面・界面科学と機

日本防菌防黴学会第 45 回年次大会. 2018 年 11 月, 東京

能創発」研究会, 2019 年 3 月, 大阪

11. 砂田香矢乃, 畑山靖佳, 永井武, 中島章, 石黒斉
可視光下での酸化モリブデン担持酸化チタンの抗ウイ3. 安井将人, 河原崇, 泉浩司, 矢尾正祐, 石黒斉, 上村博司, 三好康秀

ルス活性
第 24 回シンポジウム「光触媒反応の最近の展開」, 2018年 11 月, 東京

筋層非浸潤性膀胱癌におけるアンドロゲン受容体の膀胱内再発予測因子としての有用性
第 55 回日本癌治療学会学術集会, 2017 年 10 月, 神奈川

12. 石黒斉, 秋本和憲, 矢尾正祐, 上村博司

159

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】光触媒（抗菌・抗ウイルス研究）

前立腺がん発生における aPKC の役割
第 34 回前立腺シンポジウム, 2018 年 12 月, 東京
13. Y. Shiozawa, A. Oyakawa, H. Ishiguro, K. Sunada, T. Nagai
Virus inactivation on membrane materials coated withvisible-light-sensitive photocatalyst in a simulated living
space sprayed with virus-containing aerosol
12th Asian Pacific Conference on Shell & Spatial Structures
2018, 2018 年 10 月, マレーシア
14. Ishiguro H, Kubota Y
ISO 27447 Antibacterial activity
The 25th ISO/TC206 plenary meeting, 2018 年 10 月, マレーシア
15. Ishiguro H, Kubota Y
CD 22551 Bacterial reduction rate by semi-dry method.
The 25th ISO/TC206 plenary meeting, 2018 年 10 月, マレーシア
16. Ishiguro H
Current status of new ISO testing method proposal(CD22551)-bacterial reduction rate by semi-dry methodThe Committee of Asian Standardization for Photocatalytic
Material and Products Meeting (CASP2018), 2018 年 11 月,
マレーシア

【特許】
(1) 国内特許出願

2件(2) 国外特許出願0件【記者発表】
1. 抗菌・抗ウイルス性を有する、自己撥水性 La2Mo2O9 セラミックスの作製
公益社団法人日本セラミックス協会 第 31 回秋季シンポジウム トピックス研究発表 (プレス発表), 2018 年 8月 31 日2. 6 時間後に 99％超殺菌する、撥⽔セラ 東工大など開発
日刊工業新聞, 9 月 5 日
3. 抗菌・自己撥水性を兼備 東工大など新酸化物開発
化学工業日報, 9 月 11 日

KISTEC研究報告2019（2019.7）

160

【研究開発部】人工細胞膜システム

人工細胞膜システムグループ
グループリーダー

竹内昌治【基本構想】
膜タンパク質は細胞膜中に存在し、細胞の内外への物質輸送・排出、シグナル伝達・変換などにおいて重要な役割を果たしており、１兆ドル余り(2011年)の医薬品の世界市場において、薬剤の標的の半数以上がこれら膜タンパク質や膜表在性物質だと言われている。リガンド同定済みのGタンパク質共役型受容体(GPCR)に関するだけでも約600億ドル(2009年)に上り、リガンド未同定のGPCRをはじめ、イオンチャネルや
トランスポータなどの膜タンパク質の機能や特性を一つ一つ解明することが、基礎研究のみならず創薬・医療分野における重要な課題である。しかし細胞膜中に存在する膜タンパク質は単離が困難なため、機能解析は難しいとされてきた。
創造展開プロジェクト(2009-2012年度)では、細胞膜のモデルとなる脂質二重膜を人工的に再構成した後、精製された膜タンパク質を導入することで、その膜タンパク質の特性を低ノイズで解析する戦略にもとづ
いて研究を行い、膜タンパク質を再構成するための２つの人工脂質二重膜システムを確立した。(1)電気的計測技術に適する平面膜システムでは、ヒト由来イオンチャネルの並列同時シグナル計測に適する自動化・集積化チップ、小型化チップをそれぞれ研究・開発した。(2)光学的計測技術に適するリポソーム膜シ
ステムでは、細胞サイズリポソームの形成手法を確立し、トランスポータの輸送現象やGPCRの基質結合を蛍光により観測することに成功している。
2013年度にスタートした実用化実証事業および地域イノベーション戦略支援プログラムでは、創造展開
プロジェクトで得られた研究成果を展開し、標的膜タンパク質の生体外での創薬解析支援システムを確立すべく研究開発を行っている。具体的には、効率的膜システム要素技術の開発として、人工脂質二重膜の集積化や薬剤スクリーニングに適したデバイスとするためのシステム全体の基盤研究開発を実施し、膜タ
ンパク質の調製・導入法の開発として、イオンチャネルやGPCR、トランスポータなどを人工脂質二重膜に効率的・体系的に導入できる手法の研究開発を実施している。最終的に、大学・研究機関や製薬企業、受託試験機関などで使用できる評価法およびシステムの開発も目標としている。2015年度から参画している
NEDO事業および2018年度に開始した地域イノベーション・エコシステム形成プログラムでは、膜タンパク
質の機能利用による人工細胞膜センサに関わる研究開発を行っている。膜タンパク質である嗅覚受容体に代表されるように、生体のもつセンサは優れた感度・特異性をもつことが知られており、膜タンパク質をセンサ素子として活用するための研究開発を実施している。周辺技術も含め、小型・高性能センサの実用化技術の開発を目標としている。

１．

2018 年度の研究目的

実用化実証事業 6 年目となる 2018 年度は、イオンチャに再構成する標的膜タンパク質の活性を保持したまま機能解析を可能とするシステムである。実用化実証事業におネル機能評価システムの開発では、地域イノベーション戦
略支援プログラムの成果とりまとめ、および成果展開を目

いては、これらの人工脂質二重膜デバイスを膜タンパク質の機能解析や創薬スクリーニングといった場面において的とした。一方で、膜タンパク質を利用したセンサ開発に関しては、要素技術開発に注力した。

実用的なプラットフォームとして拡張していくための要
素技術、あるいは量産化に必要となる技術の開発を目標と(1) イオンチャネル機能評価システムの開発

して研究開発を行っている。
2018 年度は、地域イノベーション戦略支援プログラム

従来、膜タンパク質の機能解析は、培養細胞を用いた電気生理学的手法（パッチクランプ法）や蛍光イメージングによる支援の 1 年間延長を受け、創薬スクリーニングプラ
ットフォームを目指して開発してきた成果のとりまとめ

法によって行なわれるのが一般的である。しかしながらこれらの手法では、培養中の汚染対策や個体差の均一化処理と、その成果展開を目標とした。実用化を目指す創薬スクリーニングシステムに対しては、マイクロチップ部品の研が煩雑であるほか、標的以外の雑多なタンパク質からの影響が避けられず、一つの標的タンパク質に限定して機能を究開発を継続するとともに、これまでの評価事例をまとめたアプリケーションノートの作成および配布体制の確立

探ることは難しかった。
我々の目指す人工細胞膜プラットフォームは、細胞膜のを目標とした。

モデルとなる脂質二重膜を簡便に再現良く形成し、その膜(2) 膜タンパク質を利用したセンサ開発

161

KISTEC研究報告2019（2019.7）

膜タンパク質は、匂いや味などの化学量センサとしての

サ開発を行う NEDO 事業については、匂いの連続的検知

役割を生体内で担っており、その感度や特異性は人工的なセンサに比べ非常に高いことが知られている。こうした膜のための研究開発を進めている。2018 年度は、センサに対する動特性付与のための研究開発を中心に行った。超吸タンパク質の機能を活用することができれば、小型で高性能のバイオセンサを実現できると考えられる。

水性高分子による水溶液の吸引力を利用した水溶液の還流技術を考案し、匂い分子などの標的物質を希釈・交換す

これまでの研究成果を通じてマイクロチップ上での脂質二重膜の形成が再現良くできるようになり、膜タンパクることができる機構を開発した。計測機器についても開発を行い、4 つのチップを同時に計測可能な無線・小型計測

質機能の解析技術が発展したことで、膜タンパク質機能を利用する研究が可能となりつつある。2015 年度より実施

器の試作を行った。
一方、2018 年度に開始した地域イノベーション・エコ

している NEDO 事業では、昆虫の嗅覚受容体を利用した
ヒトの汗の匂いを検知するセンサの開発に取り組んでいシステム形成プログラムでは、次世代プロジェクトとして
人工細胞膜センサ技術の開発を行う。人工細胞膜センサ実る。また、2018 年度からは人工細胞膜センサの要素技術開発を進めるため、地域イノベーション・エコシステム形用化のための要素技術開発を目的としている。
また、多数の疾病のバイオマーカーとして有望視されて成プログラムに参画している。
2018 年度は、標的物質の動的な検出技術や夾雑物存在いる MicroRNA の検出技術に関する研究成果が Analytical
Chemistry 誌に掲載された。生体ナノポアと平面脂質二重下での検出技術といったセンサの要素技術開発を目的とした。

膜デバイスを組み合わせた本法は、血液や尿などの夾雑物
存在下においても特異性高く標的 MicroRNA を検出可能

2．

である点が高く評価されており、新聞や報道番組でも取り上げられた。

2018 年度の研究成果(1) イオンチャネル機能評価システムの開発
膜タンパク質の一群であるイオンチャネルの創薬スク

これら人工細胞膜センサに関する総説が Journal of The
Royal Society Interface 誌に掲載された。

リーニングプラットフォームについて、地域イノベーショ
ン戦略支援プログラムの成果をとりまとめた結果が国際(3) 共同研究による成果

誌 Scientific Reports 誌に掲載され、また新聞記事としても取り上げられた。この成果の展開を目的として、同システ

大阪大学松浦友亮准教授と共同で膜タンパク質の一つであるトランスポータの機能解析チップの研究を行った。

ムで計測したイオンチャネル群の評価結果をアプリケー
ションノートとして取りまとめて印刷を行い、外部研究機

イオンチャネル機能評価システムに用いるチップを改良し、トランスポータによる基質移動を長時間蛍光観察でき

関等への配布体制を整えた。
事業化に向けた活動も行い、ベンチャーキャピタルであるようにした。本成果は Chemical Communications 誌に掲載された。

るウエルインベストメント社と共同で JST 大学発新産業創出プログラム（START）の採択を受けた。同プログラム

受託研究に関して、東京大学浦野泰照教授と行っている
革新的先端研究開発支援事業（CREST）では疾患特異的代では、マイクロチップ上に細胞膜を簡便・再現良く形成するコア技術を利用し、細胞内イオンチャネルに対する薬剤

謝活性の探索を、開発したデバイスを用いて食道癌・胃癌検体を対象として引き続き行っている。また、2018 年度

候補物質の評価技術を確立することを目標とする。細胞内
イオンチャネルを標的とした創薬向けの高品質なスクリより東京大学白髭克彦教授の CREST 研究である機能的人
工染色体の設計と利用のための革新的研究に参画し、人工ーニングサービスの実現によってベンチャーを設立し、新たな創薬市場の創出を目指す。

細胞核のリポソームに対する封入技術の開発を担当することが決定した。

イオンチャネル計測チップの開発では、脂質二重膜を担持する部品（セパレータ部品）について、東レエンジニア

上記のそれぞれの研究成果は、業績一覧に示す通り、国リングとの共同研究開発を行っている。同研究開発を通じて考案したセパレータ部品について、引き続き検討および際会議・国内学会での発表、学術論文、記者発表などとして積極的に公開している。

基礎性能評価を実施中である。
成果展開として外部研究機関との共同研究を 2018 年度も実施した。
アイオナ大 Lee 研とは MTA を交わしての 1ch
計測チップの提供や、研究者の短期受け入れ（技術教育）を継続して行った。また、科研費研究での連携研究も継続中である。アウトリーチ活動も積極的に行っており、大学生や中高生向けの講義・講演や東大生産研での一般公開での研究紹介を行った。
(2) 膜タンパク質を利用したセンサ開発
昆虫の嗅覚受容体を用いたヒト検知のための匂いセン

162

【研究開発部】人工細胞膜システム

イオンチャネルのシグナル計測のための小型・遠隔プラットフォームの開発
大崎

１．

寿久、早川

正俊、神谷

厚輝、藤井

聡志、三澤 宣雄、竹内

昌治

１．１

はじめに
バイオセンサとしてのイオンチャネル

イオンチャネルは細胞膜を貫通する膜タンパク質であり、膜電位の調節やシグナルの変換・伝達など、生物の生命維持に不可欠な役割を担っている。こうした非常に重要な機能を背景に、イオンチャネルは長年、創薬の重要な標的として研究が行われてきた。一方で、近年、リガンド結合型イオンチャネルを極小のセンサとして利用する研究が注目されている。リガンド結合型イオンチャネルは、リガンド（基質分子）の結合によりイオンチャネルを通過す
るイオン電流の調節を行う。リガンド 1 分子の結合を検出

図 1 液滴接触法による脂質二重膜形成原理（右上）と従来研究で使用していた計測プラットフォームの模式図。計測時には、電磁場による影響を受けないようにアルミカップで作製したファ
ラデーケージ内にチップを納める必要があった。

する感度、リガンド分子に対する高い特異性、リガンドの結合を毎秒 1 千万個のイオン電流に変換する高い変換・増幅効率といった優れた特長により、次世代のバイオセンサ
素子への応用を期待されている[1,2]。

１．２

プについては、これまでに携帯性を保持するための脂質二重膜安定化技術などを開発してきた[5]。しかしながら、計

液滴接触法

イオンチャネルをはじめとした膜タンパク質を細胞外で利用するためには、膜タンパク質を再構成するための人

測器に関する検討は行われていなかった（図 1）[6]。
そこで本研究では、イオンチャネルのシグナル計測のた

工の細胞膜（脂質二重膜）が必要である。細胞外で脂質二重膜を形成する方法は、後述する液滴接触法や、ガラスキ

めのプラットフォーム開発を行う。まず、計測器に関して
無線通信による携帯性を向上させる。また、タブレットやャピラリ先端に刷毛塗り法によって形成する方法、マイク
ロ流路中で形成する方法など、多数報告がある[1,3]。

スマートフォンで操作可能とする。さらに計測性能を向上させるためにマルチチャンネル計測を実現する。最後に、

液滴接触法は、油中水滴表面に両親媒性の脂質分子が単分子膜を自発的に形成することを利用し、2 つの油中水滴微弱電流計測のためのノイズ抑制機構を検討する。

の界面に脂質二重膜を形成する手法である（図 1）[4]。ピペット操作のみの単純な手順にもかかわらず、液滴サイズ

２．

と距離を規定することで迅速に再現良く脂質二重膜を形成できる。本方法は他の方法に比べてマイクロチップの構

２．１

4ch 計測プラットフォーム

本研究では、
4 つの増幅器を搭載した計測器を作製した。

造も比較的単純であり、またポンプなどの周辺機器も不要であることから小型化や携帯化、使い捨てが重要なセンサ

増幅器は 4 つのアナログ増幅回路とデジタル回路、加えて、人工細胞膜形成チップをマウントするための接続ボード

用途に適する。

１．３

実験方法

から構成される。また、コントローラ（タブレットやスマートフォン）による遠隔操作を可能とするため、Bluetooth

イオンチャネルセンサ開発の課題

による無線接続チップおよび充電池を組み込んだ。チップと計測器との接続は、チップ側にソケットを、計測器側にイオンチャネルのシグナル（信号）はピコアンペア程度の微弱電流であり、計測のためには高感度の増幅器（アンプ）を用い、電磁場ノイズの影響を抑制して観測する必要

ピンを用いたソケット－ピン型とした。ソケットとピンの嵌合のため、ガイドピンを設置している。環境由来の電磁がある。イオンチャネルの機能計測を行う場合、高性能アンプやファラデーケージを使用することができるが、イオ
ンチャネルを利用するセンサは携帯性が特長となるため、
計測プラットフォームの小型化が求められる。センサチッ

163

場ノイズを除外するため、アルミ板をケース材として使用した。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 2 (a)人工細胞膜形成チップの表面・裏面写真。チップ裏面には銀－塩化銀電極と接続されたソケットがあり、計測器のピンと嵌合することで電気的な計測が可能となる。(b)液滴接触法による脂質二重膜形成手順。

人工細胞膜形成チップは、従来の液滴接触法に用いられている形状・構成に則って設計した。図 2a にチップ外観を示す。中央に配置された一対のウェルは直径 4 mm、深さ 3 mm であり、ウェルの境界は脂質二重膜を形成するための微小孔（直径 600 µm）が設けられたセパレータ（厚さ約 100 µm）で仕切られている。ウェル底面には、膜電位を印加し、イオン電流を計測するための銀－塩化銀電極が貫通している。電極の裏面はソケット構造となっている。
ソケットと計測器側のピンとが嵌合するようにガイドピン用の穴が設けられている。

２．２

脂質二重膜形成

図 3 (a)作製した計測プラットフォーム外観。(b)脂質二重膜形
成時の電流値の RMS ノイズの比較。図 1 に示す従来型のチップおよび計測器を組み合わせたプラットフォームによる結果（赤）に対して、本研究で作製した計測プラットフォーム（灰、青）は電磁場による外部環境からのノイズを抑制できていることがわかる。

イオンチャネルを再構成するための脂質二重膜は、セパレータに設けた直径 600 µm の微小孔に液滴接触法により形成した（図 2b）。まず、脂質を分散したオイル（20 mg/mL

３． 結果と考察
本研究で作製した計測器の外観を図 3a に示す。手のひらに乗る大きさ（約 9×8×4 cm3）のアルミ製ケース内に、DPhPC / n-decane）をウェルに滴下する。続いて、水溶液
をそれぞれのウェルに滴下する。滴下後、脂質分子が液滴

増幅器 4ch と無線回路、充電池を収納している。人工細胞
膜形成チップは計測器上面に突出したピンに差し込む形

表面に単分子膜が自発的に形成され、両ウェルの液滴が接するセパレータの微小孔で合わさることで、脂質二重膜とで 2 cm 角のチップ 4 個をマウントできる。無線通信により、タブレット上のソフトから計測器を制御する。2 本のなる。本研究では、脂質二重膜形成を確認するため、再構成されると膜にナノメートルサイズの孔（ナノポア）を形

ピンを通してチップ上の電極に対してクランプ電圧を設定し、その際に電極間に流れる電流を銀－塩化銀電極によ成するα-hemolysin を水溶液中に添加している。脂質二重膜にナノポアが形成されるとイオン電流が流れ、階段状のって計測した。サンプリング周波数は 1 kHz、ベッセルロ
ーパスフィルタ 0.2 kHz で処理した信号をタブレット端末

電流上昇として確認できる。本研究の実験条件では、約100 pA の上昇値が観測される。液滴はオイルよりも密度に記録した。
作製した 4ch 計測器のノイズ抑制について、従来の計測が高く沈むため、ウェル底面に設けた銀－塩化銀電極によりイオン電流を計測することができる。

プラットフォーム（図 1）と比較した。図 3b に比較結果を示す。従来の人工細胞膜形成チップと計測器の組み合わ
せでは、ファラデーケージなしでは RMS ノイズが大きく

164

【研究開発部】人工細胞膜システム

ナノポアの形成で生じる 100 pA の電流上昇を確認するこ

Yoshizawa, and S. Takeuchi, “Rapid Detection of aともできなかった。一方で、本研究で作製した計測プラッ
トフォームでは、ファラデーケージなしでも RMS ノイズ

Cocaine-Binding Aptamer Using Biological Nanopores ona Chip,” J. Am. Chem. Soc., vol. 133, no. 22, pp. 8474–

を数ピコアンペアに抑制でき、ナノポア由来の階段状の電流上昇を十分に確認することができた。この RMS ノイズ[8]8477, 2011.
S. Fujii, A. Nobukawa, T. Osaki, Y. Morimoto, K. Kamiya,の低減は、ソケット－ピン型のチップ－計測器接続による電極露出面積の低減や、計測器全体のアルミ製ケースによN. Misawa, and S. Takeuchi, “Pesticide Vapor Sensing
Using an Aptamer, Nanopore, and Agarose Gel on a Chip,”る電磁場の遮蔽効果に起因すると考えられる。
本研究では、イオンチャネルのシグナル計測のための小Lab Chip, vol. 17, pp. 2421–2425, 2017.
S. Fujii, K. Kamiya, T. Osaki, N. Misawa, M. Hayakawa,[9]型・遠隔操作可能な 4ch プラットフォームの作製を行った。
ファラデーケージなしで計測できるプラットフォームは、and S. Takeuchi, “Purification-Free MicroRNA Detection
by Using Magnetically Immobilized Nanopores on

検出対象となる液体や気体の検出プロセスを容易にする。
また、計測器のマルチチャンネル化は多項目の検出のみなLiposome Membrane,” Anal. Chem., vol. 90, pp. 10217–
10222, 2018.

らずセンサの高感度化など、高性能化にもつながると考えられる。今後、人工細胞膜チップ上に再構成したイオンチ
ャネルを診断や環境センサとして実用化するための検討を継続していく[7–9]。

【謝辞】
本研究内容の一部は、文部科学省地域イノベーション戦
略支援プログラム、日本学術振興会科研費基盤研究 B
17H02758 の助成、および国立研究開発法人新エネルギ
ー・産業技術総合開発機構 次世代人工知能・ロボット中核技術開発委託事業により行われました。ここに感謝申し上げます。

【参考文献】[1][2]

T. Osaki and S. Takeuchi, “Artificial Cell Membrane
Systems for Biosensing Applications,” Anal. Chem., vol.
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Protein,” PLOS ONE, vol. 9, e102427, 2014.

[7]

R. Kawano, T. Osaki, H. Sasaki, M. Takinoue, S.

165

KISTEC研究報告2019（2019.7）

吸水性ポリマーを利用した連続検出機構の開発
山田

１．

哲也、神谷 厚輝、大崎

はじめに

寿久、竹内

昌治

電力を必要としない小型ポンプの役割を果たすと考えた

近年、生物由来の膜タンパク質を人工細胞膜に取り入れ、その機能をセンサとして利用する研究が盛んに行われている。これまでに人工細胞膜を利用してコカインセンサ[1]や農薬検知 [2]、DNA/RNA シーケンサー [3]、マイク[10], [11]。
我々は吸水性ポリマーの持つ高い吸水性を利用した溶液交換機構を構築した。この機構は小型で外部電力を必要としない。我々はこの機構を人工細胞膜センサに搭載することで、連続計測に成功している。以下では作動原理と溶液交換機構の構造、溶液交換による分析物の動態、溶液交

ロ RNA [4]による診断技術など幅広い応用分野での報告がある。人工細胞膜センサの特徴は一分子レベルという極め

換機構を搭載したセンサの検出例の順に概説する。

て高い検出感度と優れた選択性を有している点である。例
えば、溶血毒素の一種である α へモリシンを脂質二重膜に２．

導入することでナノポアを形成することができ[5]、このナ
ノポアを利用することで DNA の配列を読み取ることが可

２．１

実験と結果
作動原理と溶液交換機構の構造能となる。
従来の人工細胞膜形成方法は貼り合わせ法やペインテ

我々が提案する吸水性ポリマーを利用した溶液交換機

ィング法などがあったが [6]、これら従来の方法は膜の作製効率が低く、一度に多くの膜を形成することができなか構の模式図を図 1a に示す [12]。この溶液交換機構は貯水槽と検出部位及び吸水性ポリマー設置部位から構成されった。当研究室では人工細胞膜をより簡便な方法で作製できる液滴接触法 [7]（Droplet Contact Method）を開発し、ており、貯水槽の緩衝溶液がマイクロ流路を通して検出部位に流れ込み、分析物を吸着剤設置部位に排出する構造と容易に膜を形成させることができるようになった [8]。また、ナノポアを一つのセンサ素子として見たとき、その大なっている。
人工細胞膜センサの検出原理として、ナノポアを利用しきさはナノメートルスケールであることから小型化が期待でき、将来的には高感度かつ高い選択性を兼ね備えたポたシクロデキストリンの検出を一つの例として記述する。
へモリシン由来のナノポアが脂質二重膜に形成されるとータブルセンサとなりうる。
近年のナノポアセンサにおける課題の一つは連続検出

電極間で印加した電位勾配によりイオン電流が流れ始める（図 1b）。その後、シクロデキストリンを添加すると、を実現することである。つまり、ガスクロマトグラフィー
や液体クロマトグラフィーなどと同じように分析終了後

シクロデキストリンによるナノポアの閉塞が引き起こされ、イオン電流が降下するシグナルが得られる。この電流に分析物を交換することができれば連続計測が可能になると考えられる。人工細胞膜を利用したナノポアセンサに

降下シグナルを観測することで検出部位に存在する分析

おいては、液滴内に含まれた分析物を交換することが必要となる。これを達成するためには数ナノメートルという薄い脂質二重膜を壊すことなく、液滴の交換を実現できる流速制御機構が必要になる。これまでに液滴接触法により脂質二重膜を形成し、シリンジポンプを用いて分析物を洗い流す機構が実現されていた [9]。しかしながら、この機構
は 2 つのシリンジポンプを利用するため外部電力が必要であり、かつ、シリンジポンプを制御するためのインターフェイスや配線などが必要となる。そのため、小型化が難
しく、連続計測が可能なポータブルセンサ開発の足かせとなっていた。
そこで、持ち運び可能な分析物交換機構を実現するために、我々は吸水性ポリマーが持つ高い吸水力に着目した。
吸水性ポリマーは高い吸水性を有し、長時間持続的に水を吸い上げることができるという特徴を有している。そのため、吸水性ポリマーをデバイス内に搭載することで、外部

図１ (a) 吸水性ポリマーを利用した溶液交換機構の模式図。
(b) 溶液交換機構をナノポアセンサに搭載した場合の模式図。

166

【研究開発部】人工細胞膜システム

図 3 (a) インク添加前の検出ウェルの顕微鏡写真。側面から観察し流入口流路と流出口流路を矢印で示している。(b) インクを滴下した場合の様子を時系列的に示した顕微鏡写真。

確認された。この溶液交換時間と濃度の関係を完全混合槽モデルに当てはめて解析したところ、脂質二重膜付近では
図 2 吸水性ポリマーの吸水力により駆動する溶液交換機構を搭載した人工細胞膜チップ写真。

十分な混合がなされていることがわかった。つまり、検出部位付近では十分な撹拌がなされており、分析物の洗い流物の有無を調べることができる。吸水性ポリマーを利用ししが効率的に行われていることが示唆される結果となっている。

た溶液交換機構においては検出部位の溶液は交換され続け、シクロデキストリンの濃度は徐々に減少し、最終的にこれまではポンプにより溶液を交換する方法が主流であったが [9]、図 3 より外部電力を必要としない小型の溶は分析物がない状態に到達すると考えられる。
実際に吸水性ポリマーとマイクロ流路を用いた実験に液交換機構が構築できていることが示されている。

より、検出部位に緩衝溶液が流れ込む流速と検出部位から
吸水性ポリマーに排出される流速は 0.03～5 μL/sec で制御２．３できることがわかった。この実験データをもとにアクリルを切削し、このアクリル板を熱圧着により接合することで吸水性ポリマーで駆動する溶液交換機構を搭載したセンサを実証するために、一つの例としてこれまで多く使わデバイスを作製した（図 2）。このデバイスの流速が 0.24
μL/sec となるようにマイクロ流路を設計した。このデバイれてきた電気化学センサ [13]に溶液交換機構を搭載した。
模擬分析物としては次亜塩素酸イオンを標的として洗い

溶液交換機構を搭載したセンサ

スには液滴接触法ができるように 2 つのウェルが中心に配置されており、そのウェルの接触部位に人工細胞膜が形

流しが可能であるかを検証した [14]。次亜塩素酸は水道などの水を殺菌するために幅広く使われている薬剤である。

成される構造をとっている。

次亜塩素酸イオンの検出原理は流れの上流である貯水槽と下流である検出部位に配置した電極間に生じる起電力２．２を測定するものである（図 4a）。この起電力は濃度差に起因しており、ネルンストの式に従い電気化学的に検出する

溶液交換による分析物の動態

ここでは吸水性ポリマーを利用した溶液交換機構によことが可能となる。この検出機構をもとに次亜塩素酸イオ
ンセンサを作製した。

り分析物が交換されるかを検討した。実験系としてはインクを滴下することで溶液の流れを可視化し、検出ウェルの貯水槽には 1 M の塩化カリウムを含んだリン酸緩衝溶
液（pH 7.6）を満たし、マイクロ流路を経由して検出部位

溶液の様子を顕微鏡により観察した。
図 3a に検出部位をデバイス側面から観察した顕微鏡写に緩衝溶液が流れ込み、最終的には吸水性ポリマーに排出される構造となっている。このとき吸水性ポリマーは真を示す。矢印は流入口と流出口の流れの向きを模式的に示している。連続的な流れが吸水性ポリマーの持つ吸水力

AQUALIC CA（日本触媒）を使用し、吸着部位に 20 mg設置した。溶液の駆動を確認後、3.1 mM の次亜塩素酸ナで駆動されている。この連続的な流れのもとインクを滴下したときの挙動を時系列で観察した結果を図 3b に示す。0秒後はインク滴下直後である。滴下後、徐々に色が薄まり、
180 秒後にはインクのほとんどが洗い流されていることが確認された。この時、液滴量はほぼ一定に維持されており、緩衝溶液が貯水槽から検出部位に入る流速と検出部位

トリウム 5 μl を滴下し、そのときに発生する起電力を電圧計で計測した。
実験結果を図 4b に示す。次亜塩素酸イオン添加前では電極間の電位は 0 V であるが、検出部位に次亜塩素酸イオ
ン（5 μL, 3.1 mM）を滴下すると約 0.5 V の起電力が発生することが確認された（図 4b）。次亜塩素酸イオン添加後から吸着剤設置部位に排出される流速が統一されていることが確認された。これはマイクロ流路の構造を精密に制の起電力を計測し続けると起電力が徐々に減少し、添加前の値である 0 V に漸近した。その後、次亜塩素酸を再度滴御することで流速が統一されていることを示している。次に溶液交換の状態を定量的に調べるために蛍光物質（カル下すると同様に約 0.5 V の起電力が確認された。この結果
は検出部位の洗い流しが実現されていることを示していセイン）を滴下する実験を行った。蛍光強度からカルセイ
ン濃度を定量すると、溶液交換時間とともに濃度の減少がる。上記の操作を繰り返し行ったところ、約 1 時間の連続

167

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 5 (a) 溶液交換機構を搭載した人工細胞膜デバイス写真。(b)シクロデキストリンの洗い流し実験。シクロデキストリンがナノ
ポアを閉塞することで電流降下が発生する。

た時間経過とともに閉塞シグナルが見られなくなる結果
は、検出部位に添加したシクロデキストリンが溶液交換機

図 4 (a) 溶液交換機構を搭載した次亜塩素酸イオンセンサの模式図と検出原理。(b) 次亜塩素酸イオンを連続滴下したときに発生する起電力のモニタリング結果。矢印は 3.1 mM の次亜塩素酸
ナトリウムを 5 μL 滴下した時間を示している。

構により洗い流されていることを示している。この結果は小型で外部電力を必要としない溶液交換機構を人工細胞検出が実現できていることがわかった。特筆すべきことは、膜センサに応用した一例であり、今後、他の人工細胞膜センサの系に応用できる可能性を示唆している。

このとき使用した吸水性ポリマーの量は僅か 20 mg と少量であり、1 時間以上の連続駆動が実現されていることで３．

ある。
最後に開発した溶液交換機構を人工細胞膜センサに搭

本研究では吸水性ポリマーの吸水力を利用した溶液交
換機構に関して概説した。近年、膜タンパク質の持つ優れ載した例を記載する。今回使用したデバイスと測定系を図5a に示す。3 µL の DPhPC（20 mg/mL）と 1 M の塩化カリ

た感度と特異性に着目し、次世代センサに応用するための研究が盛んになっている。我々は簡便かつ再現良く人工細ウムを含んだリン酸緩衝液を 20 μL それぞれのウェルに滴下し、液滴接触法により人工細胞膜を形成した。ナノポア

今後の展望

胞膜を形成できる液滴接触法をコア技術として、分析物を特異性高く検出する方法を開発してきた。人工細胞膜センを導入するために 1 nM の α へモリシンをグランド側電極に入れ、電圧は 60 mV 印加した。その後、貯水槽に緩衝

サは酸化物半導体センサにはない特異性や感度をもち、次世代センサとしての高い可能性を有している。今後は、膜溶液を入れ、さらに、吸水性ポリマーを吸着剤設置部位に配置することで溶液駆動を行った。

タンパク質のエンジニアリングなどのセンサ素子の機能向上と組み合わせることで、センサの安定性、選択性、感

シクロデキストリンの洗い流し結果を図 5b に示す。αへモリシン由来のナノポアが平面膜に導入されたときに度のさらなる向上も期待される [16],[17]。液滴接触法を利用した人工細胞膜センサの課題の一つとして連続計測がは約 50 pA の電流が流れた（シクロデキストリン添加前, 0
時間）。分析物として α へモリシンのナノポアを閉塞することが知られているシクロデキストリンを滴下した [15]。
添加後シクロデキストリンがナノポアを閉塞させることで発生する電流降下が見られた（添加後 5 分後）。その後、閉塞シグナルの頻度が徐々に減少し、添加後 25 分後には困難なことが挙げられ、本研究は液滴接触法と組み合わせることのできる溶液交換機構を提案した。この機構は外部電力を使わず駆動することができ、従来の溶液交換機構より小型であることから、連続計測可能でかつ可搬性を有した人工細胞膜センサへの応用が期待できると考えている。

閉塞シグナルがほとんど見られなくなった。図 5b で示し

168

【研究開発部】人工細胞膜システム

biosensor driven by superabsorbent polymer andhydrostatic pressure”, IEEE MEMS 2019, pp. 182–183,
2019.

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[12]

T. Yamada, K. Kamiya, T. Osaki and S. Takeuchi,“Pumpless solution exchange for repeatable nanopore

169

KISTEC研究報告2019（2019.7）

業 績【原著論文】
1. Hiroki Yasuga, Koki Kamiya, Shoji Takeuchi, and Norihisa
Miki

3. 神谷厚輝, 竹内昌治
マイクロデバイスを利用した人工脂質二重膜によるタ

Self-generation of two-dimensional droplet array using
oil-water immiscibility and replacement

ンパク質機能解析
生体の科学, 2018 年第 69 巻 3 号, pp. 252-257.

Lab on a Chip, Vol. 18, pp. 1130-1137 (2018).
4. 神谷厚輝, 竹内昌治
2. Satoshi Fujii, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, Nobuo
Misawa, Masatoshi Hayakawa, and Shoji Takeuchi

細胞サイズリポソームのエンジニアリング
生物物理, 2018 年第 58 巻 6 号, pp. 291-296.

Purification-Free
microRNA detection
by using
magnetically immobilized nanopores on liposome

5. 藤井聡志, 竹内昌治

membrane
Analytical Chemistry, Vol. 90, pp. 10217-10222 (2018).

がんの簡易診断装置の開発
PHARM STAGE, 2019 年第 18 巻 11 号, pp. 53-57.

3. Maie A. Elfaramawy, Satoshi Fujii, Atsuko Uyeda,

6. 大崎寿久, 小山由利子, 神谷厚輝, 竹内昌治

Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi, Yasuhiko Kato, Hajime
Watanabe, and Tomoaki Matsuura

超吸水性高分子を利用した高感度イムノチップ 簡便・迅速な高感度インフルエンザ診断技術の開発

Quantitative analysis of cell-free synthesized membraneproteins at the stabilized droplet interface bilayer

クリーンテクノロジー, 2019 年第 29 巻 3 号, pp. 12-15.

【口頭発表】

Chemical Communications, Vol. 54, pp. 12226-12229(2018).

1. Shoji Takeuchi
Biohybrid
LIMMS/CNRS-IIS and UTC joint workshop, 2018 年 4 月,

4. Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, Kenji Nakao, Ryuji
Kawano, Satoshi Fujii, Nobuo
Hayakawa, and Shoji Takeuchi

Misawa,Masatoshi

フランスElectrophysiological measurement of ion channels on
plasma/organelle membranes using an on-chip lipid bilayer

2. Shoji Takeuchi
Biohybrid microdevices

systemScientific Reports, Vol. 8, 17498 (2018).

The 13th Annual IEEE International Conference on
Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 2018 年 4月, シンガポール

5. Nobuo Misawa, Satoshi Fujii, Koki Kamiya, Toshihisa
Osaki, Tomoyuki Takaku, Yasuhiko Takahashi, and Shoji
Takeuchi

3. 竹内昌治
細胞を使ったものづくりその応用展開

Construction of a biohybrid odorant sensor using biologicalolfactory receptors embedded into bilayer lipid membrane

大阪大学工業会機械系技術交流会, 2018 年 5 月, 吹田

on a Chip
ACS Sensors, Vol. 4, pp. 711-716 (2019).

4. 大崎寿久
インフルエンザ検出感度 従来法の 1 万倍 ～超高感度・簡便・迅速イムノチップの開発～
ものづくり技術 新技術説明会, 2018 年 5 月, 千代田区

【総説】
1. Nobuo Misawa, Toshihisa Osaki, and Shoji Takeuchi
Membrane protein-based biosensors

5. 竹内昌治

Journal of the Royal Society Interface, Vol. 15, 20170952(2018).

マイクロデバイス技術による 3 次元培養と Organ on achip 分野への応用
3 次元培養・臓器チップ入門セミナー ―各種培養法
・装置・基材の基礎知識から最新動向まで―, 2018 年

2. 神谷厚輝, 竹内昌治

6 月, 江戸川区

リン脂質非対称組成の人工細胞膜作製と生体分子相互作用観察
生化学, 2018 年第 90 巻 2 号, pp. 225-229

6. 竹内昌治

170

【研究開発部】人工細胞膜システム

Think Hybrid. 異分野をとりいれよう！

Lab-on-a-Chip & Microfluidics World Congress 2018,

メディア文化論特講, 2018 年 6 月, 杉並区

2018 年 10 月, 米国

7. 竹内昌治
生体材料を直接使うバイオハイブリッド技術

17. 神谷厚輝
人工細胞膜によるイオンチャネル計測とその応用
Nanion・東京女子医大イオンチャネルフォーラム 2018,2018 年 10 月, 新宿区

IMSI 総会特別講演, 2018 年 6 月, 文京区
8. 神谷厚輝
マイクロデバイスによる人工細胞膜研究18. 杉山博紀, 大崎寿久, 竹内昌治, 豊田太郎

さきがけ細胞構成研究会 2018, 2018 年 7 月, 札幌

鈴木－宮浦カップリングによる自己再生産を志向した
ジャイアントベシクルのマイクロ流体デバイスでの捕9. 立花岳志, 神谷厚輝, 大崎寿久, 三澤宣雄, 藤井聡志,
三木則尚, 竹内昌治

捉「細胞を創る」研究会 11.0, 2018 年 10 月, 仙台

逐次反応を行う 3 次元マイクロ混在デバイスの形状検討と作製

19. 古谷嘉崇, 神谷厚輝, 申東哲, 竹内昌治

平成 30 年度電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会, 2018 年 7 月, 奈良

人工細胞から人工組織へ～形状制御した三次元リポソーム集積体の作製～「細胞を創る」研究会 11.0, 2018 年 10 月, 仙台

10. 竹内昌治
20. Shoji Takeuchi
Emerging technologies for biohybrid devices

生体と機械が融合したシステムを目指して
第 119 回サイテックサロン, 2018 年 7 月, 目黒区
11. Masahide Gotanda, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, Satoshi

ICB Colloquium in microfluidics and biohybrid systems,
2018 年 10 月, イギリス.

Fujii, Nobuo Misawa, Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi
Automatic planar asymmetric lipid bilayer membrane

21. 伊藤嘉玖, 大崎寿久, 神谷厚輝, 山田哲也, 三木則尚,

formation toward biological high-throughput assay
40th Annual International Conference of the IEEE

竹内昌治
脂質二重膜アレイを用いた生体ナノポア電気計測デバ

Engineering in Medicine and Biology Society, 2018 年 7 月,
米国

イスの開発
第 9 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム, 2018 年 10 月,
札幌

12. 竹内昌治
22. 五反田真秀, 神谷厚輝, 大崎寿久, 三木則尚, 竹内昌治
速度制御された液滴接触により形成される脂質二重膜

バイオハイブリッドのすすめ
早稲田大学先端生命医療科学センター（TWINS）セミナー, 2018 年 9 月, 新宿区の評価
第 9 回マイクロ・ナノ工学シンポジウム, 2018 年 10 月,

13. Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi
Formation of giant vesicle containing small vesicles with札幌

asymmetric lipid membranes
第 56 回日本生物物理学会年会,2018 年 9 月, 岡山

23. 山田哲也, 神谷厚輝, 大崎寿久, 竹内昌治
人工細胞膜内の溶液交換機構の開発
化学とマイクロ・ナノシステム学会第 38 回研究会,
2018 年 10 月, 札幌

14. 山田哲也, 神谷厚輝, 大崎寿久, 竹内昌治
吸水性ポリマーを用いたマイクロ流路内の流体駆動シ
ステムの開発24. 大崎寿久, 金子美晴, 荒木勝文, 上原秀雄, 浦敏行, 平

2018 年電気化学秋季大会（同時開催シンポジウム：第64 回化学センサ研究発表会）, 2018 年 9 月, 金沢

田肇, 神谷厚輝, 藤井聡志, 三澤宣雄, 竹内昌治
人工細胞膜デバイスのためのポリイミドセパレータ
化学とマイクロ・ナノシステム学会第 38 回研究会,
2018 年 10 月, 札幌

15. 竹内昌治
いきモノづくりへの挑戦
高校生のための金曜特別講座, 2018 年 9 月, 目黒区

25. 神谷厚輝, 大崎寿久, 竹内昌治
小胞輸送を模倣したリン脂質非対称膜の融合観察
化学とマイクロ・ナノシステム学会第 38 回研究会,

16. Shoji Takeuchi

2018 年 11 月, 札幌

Microfluidics for biohybrid devices

171

KISTEC研究報告2019（2019.7）

Takeuchi
26. Yoshitaka Furuya, Fumisato Ozawa, Tetsuya Yamada, andShoji Takeuchi

Pumpless solution exchange for repeatable nanopore
biosensor driven by superabsorbent polymer and

CNT covered and shewanella-laden hydrogel microfiber for
minitualized microbial fuel cellhydrostatic pressure
The 32nd IEEE International Conference on Micro Electro

The 22nd International Conference on Miniaturized Systems
for Chemistry and Life Science, 2018 年 11 月, 台湾

Mechanical Systems, 2019 年 1 月, 韓国
35. Toshihisa Osaki, Kei Sakamoto, Haruna Onoyama, Yugo
Kuriki, Mako Kamiya, Koki Kamiya, Yasuyuki Seto,

27. Toshihisa Osaki, Koki Kamiya, Satoshi Fujii, Nobuo
Misawa, Shoji Takeuchi
Palmtop, remote ion-channel recording platformYasuteru Urano, Shoji Takeuchi
96-color microcontact printing device for screening of

The 22nd International Conference on Miniaturized Systems
for Chemistry and Life Science, 2018 年 11 月, 台湾

tumor-imaging probes on clinical samples
The 32nd IEEE International Conference on Micro Electro
Mechanical Systems, 2019 年 1 月, 韓国

28. Tetsuya Yamada, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, and Shoji
Takeuchi
One hour-long pumpless flushing device for lateral flow

36. 大崎寿久, 神谷厚輝, 竹内昌治
イオンチャネルの電気生理学的解析のための多チャン

sensorThe 22nd International Conference on Miniaturized Systems

ネル細胞膜チップ
日本安全性薬理研究会 第 10 回学術年会, 2019 年 3 月,

for Chemistry and Life Science, 2018 年 11 月, 台湾

大田区

29. Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, Shoji Takeuchi
Formation of cell-sized asymmetric lipid vesicles with lipid

37. 竹内昌治
生体と機械の融合
次世代ヘルスケア, 2019 年 3 月, 文京区

microdomains
The 22nd International Conference on Miniaturized Systems
for Chemistry and Life Science, 2018 年 11 月, 台湾

38. 矢菅浩規，大崎寿久，神谷厚輝，Emre Iseri，Wouter vander Wijngaart，竹内昌治，三木則尚

30. Takeshi Tachibana, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, Nobuo
Misawa, Satoshi Fujii, Norihisa Miki, and Shoji Takeuchi

マイクロ足場構造を用いた 3 次元液滴ネットワークの形成

Three-dimensional rotation/translation microfluidic devices
for sequential mixing

第 2 回分子ロボティクス年次大会（併催分子ロボット
倫理シンポジウム）, 2019 年 3 月, 目黒区

The 22nd International Conference on Miniaturized Systems
for Chemistry and Life Science, 2018 年 11 月, 台湾

39. 神谷厚輝
細胞膜環境を模倣した人工細胞膜の創出
日本化学会 第 99 春季年会 (2019), 2019 年 3 月, 神戸

31. Shoji Takeuchi
Emerging technology for biohybrid devices
EMBS Micro and Nanotechnology in Medicine Conference,【記者発表、取材】2018 年 12 月, 米国

1. 大崎寿久「インフル検出感度１万倍

32. 竹内昌治
生体と機械が融合したバイオハイブリッドデバイス

神奈川産技総研

早期診断に道」
日刊工業新聞, 2018 年 6 月 5 日

高砂香料, 2019 年 1 月, 平塚
2. 藤井聡志
33. Hiroki Yasuga, Toshihisa Osaki, Koki Kamiya, Emre Iseri,
Wouter van der Wijngaart, Shoji Takeuchi, and Norihisa「血液や尿から簡単な操作でがん診断マーカーを検知」

Miki
Stacking 2D droplet arrays for 3D configurable droplet

日経デジタルヘルス(Web), 2018 年 10 月 9 日

networkThe 32nd IEEE International Conference on Micro Electro

3. 神奈川県立産業技術総合研究所「マイクロ RNA 血液・尿から簡単検出 KISTEC 小型

Mechanical Systems, 2019 年 1 月, 韓国

チップを利用」
化学工業日報, 2018 年 10 月 15 日

34. Tetsuya Yamada, Koki Kamiya, Toshihisa Osaki, and Shoji172

【研究開発部】人工細胞膜システム

4. 藤井聡志, 竹内昌治
「血液や尿に含まれるがんの診断マーカーを簡単に検知する技術を開発」
MONOist(Web), 2018 年 10 月 24 日
5. 藤井聡志, 竹内昌治
「がん 家庭で簡単に診断 東大と共同 装置 手のひらサイズ」
日本経済新聞（神奈川版）, 2018 年 11 月 13 日
6. 藤井聡志, 竹内昌治
「家庭で簡単にがん診断」
日本経済新聞（東京版）, 2018 年 11 月 13 日
7. 神谷厚輝, 竹内昌治
「東大など、膜内外にイオン輸送チャネルが組み込まれた『人工細胞膜チップ』を開発」
日本経済新聞（Web）, 2018 年 11 月 30 日
8. 神奈川県立産業技術総合研究所「人工細胞膜チップ開発 イオンチャネル組み込む」
化学工業日報, 2018 年 12 月 4 日
9. 神奈川県立産業技術総合研究所「人工細胞膜チップ開発 神奈川県産総研など 創薬研
究を効率化」
日本経済新聞, 2018 年 12 月 10 日
10. 藤井聡志「”がん検査をより手軽に〟進む早期発見の研究〝がん検査を自宅で”」NHK「おはよう日本」（TV）, 2018 年 12 月 17 日
11. 神奈川県立産業技術総合研究所「細胞内イオンチャネルが組み込まれた人工細胞膜チップを開発」
MONOist (Web), 2018 年 12 月 18 日

【特許】(1) 国内特許出願

3件(2) 国外特許出願

1件

173

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

食品機能性評価グループ
グループリーダー

阿部啓子【基本構想】
食は健康な生体を築き上げ、それを維持する上で限りなく重要であり、適正な食生活は “quality oflife”(QOL)の向上に寄与し、生活習慣病を防ぎ、健康寿命を延ばす手段としても高い関心が寄せられている。わが国ではまもなく 65 歳以上の高齢者が人口の 30％に達すると予想されており、健康を保ち、エイジング（加齢）に伴う生活習慣病の発症や認知機能・運動機能の低下を遅らせる機能性食品の開発は国際的にも注目されている。本テーマの出口としては、科学的エビデンスに基づく商品を開発するための公的機能性評価システム機関を世界に先駆けて構築し、この日本発の領域を、学術的・産業的・社会的に発展させ世界に発信していくことにある。

１．平成 30 年度の研究目的＜実施項目＞

グループ 2 年目となる平成 30 年度は、以下の各項目を重(1)-1

自然薯ムカゴの機能性解析：動物実験

点項目として実施した。

(1)-2 メタボリックシンドロームへの作用から脳機能への作用まで(1) 食品機能性評価技術センター(1)-1 動物とヒトのシームレス研究

食品の機能性評価研究は、特定保健用食品（トクホ）に食品は私たちが日常的に摂取するものである。複数の成おいてはメタボリックシンドロームに対する作用が中心分から成り、それらが相加・相乗・拮抗作用するために機であったが、機能性表示制度の対象が脳機能、運動機能（ロ

能性は多岐に亘るという特徴を持つ。食品に期待される機

コモティブシンドローム）等多岐に亘るようになったこと

能性は、未病の維持・改善に働く効果であるため、本グルを受け、脳機能評価にも重点を置いて進めており、その成ープでは、未病評価という観点から食品機能性の評価技術

果についても紹介する。

センター構想を描き、実現に向けて取り組んでいる。

＜実施項目＞

食品には、長い食経験という歴史を持つものが多いが、昨今の研究開発により、特定の成分の高含有作物や、特定(1)-2-1(1)-2-2

脳機能評価方法の導入：動物実験
脳機能評価方法の導入：ヒト実験の成分を抽出したサプリメント食品等が普及し始めてい(1)-3 未病改善食品の評価技術の開発（未病マーカー）る。そのため、現在の食品の機能性評価においては安全性の確認が必須条件であり、さらにその理解のためには作用

われわれは動物実験やヒト試験を行い、トランスクリプ

メカニズムを明らかにすることが不可欠であることから、

トーム解析等により食品の有効性や機能性についての評
価を行っているが、評価技術センターとして、新しい評価

動物を対象とする実験を中心に進めてきた。一方で、2015
年に始まった食品の機能性表示制度においては、ヒトにお系で新しいマーカーを探索することは、受託研究を進める
うえで非常に重要である。そこで新たなマーカー候補探索

ける評価研究が求められることから、ヒトにおける食品機を目的とし、単一細胞のトランスクリプトーム解析技術の導入を試みた。また、生体ガス（呼気ガス）も動物とヒト

能性評価の需要も高まってきた。現状では、ヒトにおいては血液の生化学データ等、健康診断に用いられる手法で判ものであり、病気の治癒を目的としない食品の機能性評価との双方で測定可能な指標のひとつであることからマーカー候補とし、微細な変化を検出するための精度化を常時においては、指標としての有効性が低い。食品機能性評価

検討している。これらの研究成果について紹介する。

のためには、より感度が高く応答がはやく、ヒトにも応用＜実施項目＞

断せざるを得ないが、これら指標は病気を検出するための(1)-3-1 単一細胞トランスクリプトーム解析技術の検討(1)-3-2 生体ガス分析を利用した食品機能性の機能性評価系の高精度化

可能な評価試験手法や指標が必要である。現在、動物からヒトへ、研究展開を図るための取り組みを進めているが（図 1）、その一方で、ヒトで得られた結果について、動物でメカニズム解明をする研究にも着手しており、その成果について紹介する。

175

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

現を変動させた。このことから、自然薯ムカゴ摂取が高脂肪による腸管免疫の低下を抑制すると示唆された。また、
自然薯ムカゴ摂取が動物の腸内細菌にも影響していたことから、摂取されたムカゴ成分がある種の細菌の生育を促
進、あるいは、抑制することによって高脂肪の影響を解消する方向に作用すると考えられた。
小腸は栄養吸収の主要部位であり、遺伝子発現では栄養成分に対する応答に関与する遺伝子も改善方向に変動していたことから、吸収の段階でムカゴ摂取の効果は現れていると推察された。これまでの肝臓に対する効果と今回の結果を考慮すると、自然薯ムカゴの摂取は代謝のみならず免疫を含む生体機能を調節する可能性が示唆された。

(1)-2 メタボリックシンドロームへの作用から脳機能への作用まで(1)-2-1 脳機能評価方法の導入：動物実験

図 1 機能性食品の評価技術センター構想(2) 地域イノベーション戦略支援プログラム事業－機器の共用化

食品の機能性成分が脳機能に与える影響を評価する為、実験動物を用いた行動試験を導入した。実験動物を用いた2017 年度にて終了予定であった地域イノベーション戦

行動試験では認知、不安様行動をはじめとした様々な項目の脳機能評価が可能である。食品の機能性成分摂取が脳機

略支援プログラム事業について、業績が認められ、1 年間の期間延長となった。この期間を活かし、機器共用化の推能に及ぼす影響を評価するために、動物へのストレス負荷が低いと考えられる測定手法を取り入れ、検討、精査を重進に力を入れ、前年度（2,328 時間）に比べて著しい延伸（3,400 時間）を達成した。6 年間の活動を通じ、食品のねた。その結果、不安様行動、短期記憶や好奇心などの評価系が確立された。

機能性評価研究に関連する様々な装置の周知を図り、徐々に利用拡大に至った。今後も活動に力を入れ、評価センタ
ーの利用拡大に努める。

また、これらの方法については、より微細な変化を検出するために、高精度化の検討も重ねている。現在、認知、(3) 受託・共同研究

不安様行動測定について手法の改良を行い、これまでの手法よりもさらに詳細な解析とかつ顕著な差異の検出に成企業との共同研究に加え、文部科学省「地域イノベーシ

功しており、今後も他の行動測定方法についても高精度化を図る。

ョン戦略支援プログラム事業」、内閣府 戦略的イノベーシ
ョン創造プログラム（ＳＩＰ）「次世代農林水産業創造技術」（管理法人：生研支援センター）等の国家プロジェク(1)-2-2

トにて研究コンソーシアムを形成し、産学官連携の共同研

脳機能評価方法の導入：ヒト実験

ヒトを対象とした試験において、食品の単回摂取で脳機究の推進も目指した。

能（テスト成績や疲労度）の差異を検出可能であることを示し、脳機能に対する作用を明らかにするためのヒト試験

２．平成 30 年度の研究成果(1)
食品機能性評価技術センター(1)-1 動物とヒトのシームレス研究(1)-1 自然薯ムカゴの機能性解析：動物実験の基盤を構築した。当グループでは、動物を対象とする脳機能測定のための手法の高精度化を検討しており、食品摂
取によるわずかな差の検出を試みている。これまでは主にメタボリックシンドロームへの作用についての研究を積

本研究はヒト試験で得られた結果を基に、動物でその作み重ねてきた実績があるが、脳機能に関しても同様に動物を対象とする試験（主にメカニズム解明）とヒト試験（現用メカニズムを明らかにする取り組みの例である。
これまでの基礎研究では代謝の要である肝臓に対する影響を明らかにし、ヒト試験においても同様の作用を見出象）とを組み合わせ、両者を行き来しながら評価を進めていくことで、より効率的に、かつより詳細に食品の機能性している。一方、ヒト試験において、腸内細菌叢の変化のを明らかにすることができると確信している。

兆しを見出したことから、腸管に着目した作用とそのメカ(1)-3 未病改善食品の評価技術の開発（未病マーカー）(1)-3-1 単一細胞トランスクリプトーム解析技術の開発と導入

ニズム解明のための研究に着手した。
本研究から、脂肪負荷時の自然薯ムカゴ摂取が小腸の遺伝子発現および腸内細菌に影響することが明らかとなった。小腸の遺伝子発現では免疫関係の遺伝子発現の変動が血液を用いてトランスクリプトーム解析を行い、全体を見た変化から食品の機能性を評価することも大切であり、検出され、高脂肪と自然薯ムカゴの同時摂取は高脂肪による免疫関連遺伝子発現の低下を解消するように遺伝子発KISTEC研究報告2019（2019.7）

176

【研究開発部】食品機能性評価

これまでに動物、ヒト試験でその有効性を評価してきた。
一方で、血液は液体成分である血漿、固形成分である赤血球、白血球、血小板で構成されており、生体防御にかかわる免疫担当細胞である白血球は、細胞のなかに顆粒を有す
る好中球、好酸球、好塩基球、顆粒を持たないリンパ球、
単球とさらに細かく分類される。血液細胞全体から見えてきた食品の機能性が免疫系に影響した結果であれば、血液細胞とりわけ白血球の 1 つ 1 つの変化も重要な情報となる。
また、食品に対する個々人の応答のブレを解消し、個々の細胞について食品への応答の小さな変化を捉えるためには、細胞の単一細胞分離（シングルセル化）がトランスク(2) 地域イノベーション戦略支援プログラム事業－機器の共用化
実験室、動物室、機器・インフラ等の整備を行い、徐々に共用化への展開を図った。5 年間の活動を通し、食品機能性評価における動物試験から作用メカニズム解明までの一連の研究システムについて共用化体制を整えるに至った。また、企業ニーズについてヒアリングを行い、機能性表示やトクホ等の認定を目指すまでの専門人材や資金のない中小企業等の利用を促進することを目標とした他、大企業からのエビデンス検証のニーズも強いことから、それらへの協力も併せて実績を作りつつある。なお、一連の食の評価には、ノウハウ・経験を要するため、利用する企

リプトーム解析の高精度化に向けて必要となる。未病におけるヒト血液トランスクリプトームの高精度な評価系を業や公設試担当者への指導も随時行っている。

確立するために、われわれはまずマウスの血液から白血球を分離するための条件検討を行い、さらに、得られた白血(3) 受託・共同研究

球サンプルからシングルセルの分離を試みた。複数の手法による検討を重ねた結果、単一細胞のトランスクリプトー

企業との共同研究に加え、文部科学省「地域イノベーシ
ョン戦略支援プログラム事業」、内閣府 戦略的イノベーシ
ョン創造プログラム（ＳＩＰ）「次世代農林水産業創造技

ム解析に適した条件を見出し、予備的な結果を得た。さらにその解析について検討を行い、細胞種毎のクラスター形術」（管理法人：生研支援センター）等の国家プロジェク
トにて研究コンソーシアムを形成し、産学官連携の共同研

成と飼育条件の差異の検出に至った。

究も推進した。

(1)-3-2 生体ガス分析を利用した食品機能性の評価系
の高精度化

(4)

その他

食品の機能性の一般的な評価系として、食品を実験動物

平成 28 年 10 月 1 日から JSPS 先導的研究開発委員会「食に長期間継続摂取させ、身体的変化を検出する方法がある。
この身体的変化は、摂取した食品に起因する僅かな代謝変による生体恒常性維持の指標となる未病マーカーの探索戦略」（委員長：阿部啓子）が発足した。未病マーカーの化の積み重ねによって引き起こされるが、既存の手法では僅かな変化の初期段階を捉えることが困難であった。本研

開発研究には、本グループの研究員も従事し、全国の大学、企業との連携により、最新のマーカー探索に向けての情報

究では、より初期に引き起こされる僅かな代謝変化を生体ガス分析により検出することで、食品機能性評価マーカー

共有、情報収集、開発研究を進めている。
また、平成 30 年 3 月に、本グループの研究手法を基盤として利用することを目指した。現時点で、食餌のわずかな組成変化に応答する変化を検出するに至っており、今後、とする「ワンストップ型食品機能性評価サービス」が神奈
川県 ME-BYO BRAND に認定された。今後、周知を図り、さらなる精度化に努める。

評価センターでの食品機能性評価の受託あるいは共同研
究拡大を目指す。

177

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

食品素材を対象とした脳機能評価系の導入
嶋田

１．

耕育

はじめに

近年、食品及び食品素材が持つ機能性に注目が集まっている。食品には主に３つの機能性があるがとりわけ栄
養機能、感覚機能以外の三次機能(生体調節機能)としての食品非栄養成分の持つ新たな機能性の探索、及びその効
果検証が鋭意進められている。現在、食品非栄養成分の多岐に亘る効果が知られている。例として、食品に含まれる食品ポリフェノールであるカテキンは、脂肪吸収の阻害作用や抗酸化作用などを有することが報告されている 1。食品の機能性成分の作用の特徴は、薬物(特に人工的な化合物)のように少数の作用点に強く働きかけるのではなく、複数の作用点に対して穏やかに働きかけることである。食品ポリフェノールの多くが有する抗酸化作用

図 2：ストレス関連性神経症性障害(躁鬱含む)の年次患者推移

は多面的な作用の一例である。
このように多様な効果を有し、穏やかな効果が見込まなどの複雑な機構に対する機能性効果を検証することがれる食品の機能性成分は、今後社会問題として憂慮されている超高齢化や深刻なストレス社会の分野においても、その効果を期待されている。未曾有の高齢化社会の到来に伴い、アルツハイマー病などに代表される認知症疾患

可能な重要なツールである。現在、薬物(医薬品など)の効果を対象とした動物実験系がいくつか存在し、脳機能、
身体ロコモーション機能、ストレス抑制効果の検出のための検討が進められている。上記のような動物を対象とした実験系の多くは実験動物に対して一定のストレス源を負荷することによってなんらかのストレス起因性疾患の推定有病率の増加が危惧されている(図 1)。一方高齢化因子以外において、全年代を通してストレス起因性の疾を誘起するモデルが多い。しかしながら作用点の明確な医薬品や化合物などの効果を推定する場合、これらモデ患も近年増加傾向にある(図 2)。益々進む高齢化社会において認知機能低下を予防する効果、また深刻なストレス

ル動物による評価は有用であるが、作用点が複数存在し、また全体として緩やかな効果を期待する食品機能性成分

社会においてストレス軽減・予防効果、身体ロコモーシ
ョン向上機能を有する食品機能性素材の探索は、生活のの評価においては必ずしも有用とは限らない。その理由として、モデル動物作出時に使用されるストレス負荷が質(QOL)の向上を目指す上でも重要な課題である。食品によるこのような機能の多くは、食品ポリフェノールに代過大である場合、食品機能性成分による効果がマスクされてしまうことが懸念される。一般的にモデル動物作出

表される多面的作用によってその効果を発揮すると考えられている。しかしこれらの効果を検討する為には培養細胞を対象とする実験のみで評価することは困難である。
一方で、マウスやラットなどの実験動物を用いた評価系
は全身に張り巡らされた神経系や内分泌系、腸内細菌叢
による代謝物等を介した脳機能への作用やストレス応答に用いられるストレス源はトラウマティックな侵襲度の高い(高侵襲ストレス)ものが多く使用されている(図３)。
また高侵襲ストレス負荷を長期間や複数回もしくは複数の組み合わせで動物に対して実施する場合、従事する実図１：超高齢化社会の到来とそれに伴う認知症有病率の推移

KISTEC研究報告2019（2019.7）

178

【研究開発部】食品機能性評価

験者への負担も大きく、操作が煩雑となることからのばることから精神的・肉体的への負荷は低く、かつ、多く

らつきなども危惧される。従って、食品機能性成分を用いた評価においては、操作によるばらつきを低減するたの情報を得ることができる試験である。現在、行動試験の導入は完了し、予備検討を重ねた結果、運用に使用でめに、比較的短期間かつ簡便に実施可能で、トラウマテ
ィックな侵襲度の低い(低侵襲ストレス)負荷源を用いたきる水準に達している。したがって、同一個体に対して複数組み合わせて実施することが可能であり、同一個体

モデル動物実験系を用意することが望ましいと考えられる。

から多くの行動指標を得ることができる環境が整った。

図 3：モデル動物作出に用いられる一般的なストレス源

以上のことから脳機能、身体ロコモーション機能、ス
トレス抑制効果を期待する食品や食品素材の探索を実現するためには、『食品の機能性評価に適した抗ストレス効
果、もしくは脳機能に対する効果を検証する動物実験系の構築』が求められる。そこで、本グループでは脳機能解析の一端として、一つにはその表現型の解析を目的として、新たに行動試験の導入や飼育環境の整備を行ってきた。また、食品の機能性評価に適したモデル動物の構築についても現在検討を開始している。今後、我々がこれまで蓄積してきた従来の遺伝子発現解析技術の手法と行動学的解析を合わせた総合的な食品機能性解析を用いて、食品または機能性成分の脳機能を含めた網羅的・多角的な評価を遂行することを目指している。

２．
２．１

実験と結果

図 4：行動試験の導入

行動試験の導入（脳機能）２．２

脳機能の表現型の解析方法として、マウスを用いた行行動試験の導入（身体ロコモーション）

身体ロコモーションの評価として運動機能を測定する
以下の２つの装置の導入を進めた。①マウス四肢筋力測動学的解析を挙げることができる。本グループにおいては、食品の機能性成分が脳機能に与える影響を評価する

定装置、②行動量測定装置(図５)。これらの装置を用いた測定はマウスに別段負荷をかけることなく連続的もしく目的として数種類の行動解析技術を導入している。我々
は複数の行動試験を実施し、総合的な行動指標の評価をは経時的な測定が可能である。これらの機器を用いて食品機能性成分による運動・身体機能への影響を評価をす

目指している。複数の行動試験を実施するにあたり、既存の様々な行動試験項目から精神的・肉体的に負荷の少ない試験を選択する必要がある。このような試験は別の行動試験に及ぼす影響も低いと考えられる。これまで本グループで導入した主な行動試験は①マウスの情動行動
や不安様行動の観察に用いられているオープンフィール
ドテスト及び高架式十字迷路試験、②マウスの自発的な行動量と空間作業記憶(自発的交替行動)の評価に用いられる Y 迷路試験、③新規物質への好奇心を評価する新規
物体認識試験、④マウスの社会性行動の評価に用いられる社会的相互作用テストなどを導入している(図 4)。これ
らの行動試験は、マウスによる一般的な認知・記憶試験の機能評価に使用される場所課題試験、モーリス水迷路、
受動回避試験のようにある種の報酬系、罰刺激を加える
ことなく、マウス自身の自発行動の測定を行うものであ

図 5：運動・身体機能測定装置の導入

179

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

べく現在、稼働に向け予備検討を鋭意重ねている。

２．３に適した負荷源及び条件の検討を実施している。

試験環境の整備行動試験を実施するにあたりマウスの飼育環境(温度・湿度条件、照度、室内騒音度など)が大きく試験結果に影響を及ぼすことが報告されている 2,3。食品の機能性成分
による行動様式へのわずかな影響をも精査する必要があるため、安定した飼育環境の維持は非常に重要であると考えられる。飼育環境がどのように行動試験に影響するのかを検討するため、異なる照度下で飼育したマウスを用い、オープンフィールドテストを実施した結果、飼育環境の違いが行動様式に対して影響を及ぼすことを確認した(図 6)。現在、マウスの飼育環境について、全ての飼育ケージ内の照度を一定に保つために適宜照度を確認し飼育環境の整備を進めている。その他、マウス飼育施設の環境(温度、湿度、室内騒音度など)についても全ての飼育マウスにおいて一定となるように適宜飼育室内の環境測定を実施し、環境整備を務めている。
図７：負荷の異なるモデルマウスによる行動様式(Y 路迷路)の変化

３．

考察及び今後の展望

食品機能性成分は、医薬品や化合物のように治療効果を期待し服用するものではなく、食品または食材として日々の食生活に取り入れることで結果的に代謝ストレス、
精神的ストレス抑制効果や緩和作用を期待するものである。このような効果を評価するためにはモデル動物を用

図 6：飼育環境の違いによる行動様式(オープンフィールドテスト)の変化

２．３

いた評価系の樹立が必要である。我々はまず行動試験法
自体において精神的・肉体的に負荷の少ない行動試験の低侵襲ストレス負荷動物モデルの構築

食品による脳機能、身体ロコモーションへの影響やス
トレス抑制効果といった機能性評価を実施するにあたり、動物実験を用いた評価系は重要なツールである。一般的にマウスを用いて脳機能を評価する方法として、一定の効果についても検証する必要があることから行動試験に影響を与える飼育条件及び飼育環境の整備に尽力した。
安定した行動試験データを得るための環境整備は概ね整いつつあり、現在は『食品による脳機能性評価に適した

ストレス負荷を与えたモデル動物を用いた方法が挙げられる。モデル動物に与える様々なストレス負荷によってモデル動物』の作成に取り組んでいる。
“医薬”とは異なる“食品の機能性成分”の脳機能効果を評価するためにマウスなどの実験動物の行動様式が変化することが知られている 4。本グループでは『食品による脳機能性評価には、いわゆる“ストレス未病モデル”のような動物モデ
ルが評価に向け有用ではないかと想定される。
“ストレ

適したモデル動物』の作出を目指しており、いくつかの負荷源を用いてマウスの行動解析を実施して最適な方法

ス未病モデル”とは、ストレス起因性疾患と健常の間のグレーゾーンに位置し、一見正常かのように見られるモの検討を開始している。求められるモデル動物は、低侵襲ストレスではあるが、短期間の負荷によって行動様式デルである。このようなモデル動物を用いて食品の機能性成分によるストレス抑制・緩和効果を検討することはの表現型が認められるモデル動物である。我々はまず、
低侵襲ストレスを短期間マウスに負荷し、行動様式がどのように変化するかを検討するために行動解析を実施した。負荷強度の異なる２つの負荷源を用い、負荷した群(強、弱)と負荷しない群について行動学的試験の一つである Y
字迷路試験を実施した。結果、負荷の程度に従って Y 字

脳機能に対して効果が期待される素材のスクリーニング
だけでなく、その機能メカニズムの解明にもつながることが期待される。我々は比較的低い精神ストレス源を短期間マウスに負荷することで負荷の有無やその程度の違いによってマウスの行動様式が変化することを見出しており、このモデル動物が食品の脳機能性評価に応用でき

迷路内での行動回数に各群間で有意な差が認められた（図 7）。現在、行動試験による評価をいくつかの侵襲性るのではないかと期待し、鋭意研究を進めている。今後
はモデル動物を用いて、脳機能への効果が期待される食の低い負荷源を用いて実施しており、食品の脳機能評価

KISTEC研究報告2019（2019.7）

導入を試み、同一個体での複数の行動試験による脳機能評価系を確立した。また、食品による脳機能への僅かな180

【研究開発部】食品機能性評価

品機能性素材を投与することでストレス負荷に起因する
行動フェノタイプもしくは遺伝子発現の変化を緩和、改善し得るかなどの機能メカニズムについても順次検討を開始する予定である。

謝辞
本研究（の一部）は，総合科学技術・イノベーション会
議のＳＩＰ（戦略的イノベーション創造プログラム）「次世代農林水産業創造技術」及び、科学研究費助成事業・
挑戦萌芽「孤独ストレスによる脳トランスクリプトーム
失調とその食品三次機能成分による予防」によって実施されました。

【参考文献】
1. Bose M, Lambert JD, Ju J, Reuhl KR, Shapses SA, Yang
CS., The Journal of Nutrition., 133, 9 (2008).
2. ED. Kemble and MJ. Goblirsch, The Psychological Record.,
47, 167-174 (1997)
3. F.J Martin-Arenas and C.O.Pintado, Proceedings of
Measuring Behavior., August 27-29, (2014)
4. Jessica L. Ihne, Paul J. Fitzgerald, Kathryn R. Hefner1, andAndrew Holmes, Neuropharmacology., 62, 464-473 (2012)

181

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

腸における自然薯ムカゴ投与の影響
篠﨑

はじめに自然薯 Dioscorea japonica は日本に現存するヤマノイ

文夏

１．

ムカゴの方が茹でムカゴよりも活性酸素除去能が高いが、モ類の中で唯一の日本原産種で、8 世紀に編纂された出雲

茹でたムカゴでもキャベツくらいの活性酸素除去能があった。

国風土記に登場するくらい古くから食べられている食物である。神奈川県では伊勢原市を中心とした地域で栽培さ

以上、in vitro の結果から自然薯ムカゴは機能性食材の候補であることが推測された。次に、in vivo での機能れている。
通常は根の部分をイモとして食べる。粘りが強いことや、性を検討した。

皮が非常にうすく皮ごと食べられるという特徴がある。食品としての自然薯は滋養強壮・血糖安定などに効果がある

１．１．２ 肝臓のトランスクリプトーム解析とされるが、その機能性については伝承によるものが多く、科学的エビデンスは乏しい。また、自然薯は通常食べる根の遺伝子発現変動を調べた。階層的クラスター解析では、
おおまかにそれぞれの餌ごとに集団を形成していたことの部分の他に葉の根元にできる零余子（ムカゴ）(図 1)も食用である。ムカゴも古くから親しまれている食材である。

から、摂取する餌の違いが肝臓の遺伝子発現に影響していることが明らかとなった。

生産者の方からムカゴを摂取した翌日の体調が良いとの声を聞き、また、ムカゴの機能性に関してはほぼ事例がな

高脂肪負荷によって発現変動した遺伝子を通常の状態に近づける方向に変動した遺伝子を改善変動遺伝子としかったことから、当グループではムカゴに注目して研究してきた。

て抽出した。それらの遺伝子を Gene Ontology に基づく生物学的機能性で分類したところ、脂質代謝に関わる遺伝子

マウスに高脂肪餌を与え、代謝負荷を与えた場合の肝臓が多く、中でもステロイド生合成に関連するものが改善していることがわかった。ステロイド生合成経路の遺伝子は高脂肪負荷によって発現が上昇するが、自然薯ムカゴを同時に摂取すると高脂肪群よりもそれらの遺伝子発現が低かった。以上の結果から、自然薯ムカゴの摂取は肝臓における高脂肪負荷によるステロイド生合成の亢進を抑制する可能性が示唆された 1,2）。
これまでの基礎研究では代謝の要である肝臓に対する影響を明らかにしてきたが、本研究では摂取し消化された

２．

成分を体内に取り込むための主な器官である小腸をターゲットとした。

２．１. 材料と方法

１．１

２．１. １

これまでの研究

実験と結果

試料作製

ムカゴの機能性を探索するにあたり、in vitro の系で機能性を有する可能性を調べた上で、in vivo の系で摂取

本実験では神奈川県伊勢原市産の自然薯ムカゴを使用した。自然薯ムカゴの粉化は神奈川県農業技術センターで後、消化され体内に吸収された際の影響を調べた。

以下の手順で行われた。洗浄したムカゴはコンビオーブン（フジマック FCE-C）にて 100℃で 10 分間スチーム処理し１．１．１ 栄養成分および抗酸化能

た後、圧縮粉砕した。その後、凍結乾燥し、石臼型粉砕器
で冷却しながら粉末化した。

自然薯ムカゴは皮ごと加熱して食べることが多いため、まず自然薯ムカゴを皮ごと加熱後凍結乾燥し粉末化したものについて栄養成分を測定した。その結果、カロテンや２．１. ２

ミネラルが多いことがわかった。また、ポリフェノールが比較的多く含まれ、粉 100 グラムあたり 680ｍｇであった。

動物は C57BL6J 雄性マウスとした。マウスは 1 週間通
常脂肪餌（LFD：脂質エネルギー比 10％）で環境馴化し、

ポリフェノール含量が多い場合には抗酸化活性が高いと言われていることから、生ムカゴと茹でたムカゴを用い3 群に分けた。試験餌は LFD、高脂肪餌（HFD：脂質エネ
ル ギ ー 比 45 ％ ）、 高 脂 肪 餌 に ム カ ゴ 粉 を 添 加 し た 餌て、抗酸化能として活性酸素除去能を測定したところ、生（HFD+P）の 3 種類用意し、4 週間または 8 週間飼育した。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

182

動物実験

【研究開発部】食品機能性評価

ムカゴ粉はαコーンスターチと置き換えて５％となるよれた（図 2）。改善変動遺伝子を GO TERM 分類後、FDR 補正

うに添加した。解剖前日は一晩絶食し、麻酔後採血および採材を行った。採材したサンプルは使用時まで－80℃で保p-value<1x10-5 で階層図を作成し、最下層の GO Term を抽出したところ、代謝（脂肪酸代謝プロセス、小分子生合成

存した。飼育期間中の餌と水は自由摂取とし、毎日体重測
定と摂食量を測定した。動物実験は実験動物中央研究所のプロセス）、制御（細胞内シグナルトランスダクション制
御、細胞接着制御、獲得免疫応答制御など）、また、応答承認を得て実施した。

（バクテリアに対する応答、内因性刺激に対する応答、サイトカイン刺激に対する細胞応答、栄養レベルに対する応２．１. ３答など）が多いことがわかった(表１)。また、遺伝子発現

遺伝子発現解析採材した小腸からトータル RNA を抽出し、Affymetrix

表1 改善遺伝子のGO Term分類

社の GeneChip™ Mouse Genome 430 2.0 Array を用いて遺伝子発現解析を行った。
得られた CEL データは正規化し、Term

階層的クラスター解析を行った。また、LFD 群と HFD 群、
HFD 群と HFD+P 群で二群間比較を行い、それぞれ変動遺fatty acid metabolic process

48

small molecule biosynthetic process

53

伝子を得た。LFD 群と HFD 群の比較で発現が変動した遺伝子で、HFD 群と HFD+P 群の比較で HFD+P 群の方が LFD

negative regulation of intracellular signal transduction

59

regulation of cell adhesion70

群に近くなるように変動した遺伝子（LFD＜ HFD かつ
HFD＞HFD+P、LFD＞ HFD かつ HFD＜ HFD+P）を“改regulation of adaptive immune response28

regulation of B cell activation25

善変動遺伝子”として抽出した。また、それらの変動遺伝
子がどのような機能を有しているかを Gene Ontology にpositive regulation of apoptotic process

63

positive regulation of lymphocyte activation

35

基づく生物学的機能で分類によって調べた。

regulation of inflammatory response38

regulation of lymphocyte proliferation

32

negative regulation of apoptotic process

83

positive regulation of cell proliferation

84

響を与えると推測されたため、試験餌を 8 週間与えたマウスから大腸内糞を回収し、次世代シーケンス解析による腸homeostatic process136

response to bacterium

62

内菌叢解析を行った。取得したデータは、菌属レベルの占有率を算出し、三群間で比較した。

response to endogenous stimulus

132

cellular response to cytokine stimulus

59

cellular response to oxygen-containing compound89

response to nutrient levels

51

response to decreased oxygen levels

41

２．１. ４

腸内菌叢解析

自然薯ムカゴにはオリゴ糖が多く含まれ腸内環境に影

２．２．実験結果
２．２. １

小腸の遺伝子発現Count

immunoglobulin mediated immune response

22

ムカゴ摂取は飼育期間中の体重増加や総摂取エネルギ
ー量に影響しなかった。

cell-cell adhesion

113

cell migration109

階層的クラスター解析の結果、各群でクラスターを形成しており、群によって遺伝子発現に特徴があると考えら

FDR補正p-value<1x10 -5 で階層図を作成した際の最下層を抽出

変動の方向性を調べると、高脂肪負荷によって低下した免
疫関連遺伝子がムカゴ摂取群では逆に変動していた。
以上の結果から、高脂肪負荷時のムカゴ同時摂取は小腸遺伝子発現に影響することが明らかとなった。また、ムカゴ摂取によって高脂肪負荷による影響が改善された遺伝子は脂質代謝や免疫に関与するものが多く、ムカゴ摂取は小腸では代謝のみならず免疫にも大きな影響を与えると示唆された。

２．２. ２

腸内菌叢解析

大腸内糞の菌叢解析を実施した結果、顕著ではないが菌の多様性や均一性がムカゴを摂取した群で高い傾向にあった。また、主成分分析を行ったところ、高脂肪ムカゴ摂取群が通常脂肪および高脂肪群とは異なる分布をし、それぞれの群の摂取物が腸内細菌に影響していると考えられた（図３）。また、属レベルでの菌の占有率を比較すると
図４に示すように、各群で腸内細菌の占有率が異なってお183

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

り、ムカゴ摂取群で占有率が有意に高くなる、または、低されたムカゴ成分がある種の細菌の生育を促進、あるいは、くなる菌があった。変化した中には有用であると推定される細菌の仲間も含まれていたことから、生体の健常性に貢抑制することによって高脂肪の影響を解消する方向に作用すると考えられた。

献すると示唆された。

小腸は栄養吸収の主要部位であり、遺伝子発現では栄養成分に対する応答に関与する遺伝子も改善方向に変動し３．

以上、高脂肪負荷時の自然薯ムカゴ摂取が小腸の遺伝子ていたことから、吸収の段階でムカゴ摂取の効果は現れていると推察された。これまでの肝臓に対する効果と今回の発現および腸内細菌に影響することが明らかとなった。小腸の遺伝子発現では免疫関係の遺伝子発現の変動が検出

結果を考慮すると、自然薯ムカゴの摂取は代謝のみならず免疫を含む生体機能を調節する可能性が示唆された。

され、高脂肪と自然薯ムカゴの同時摂取は高脂肪による免疫関連遺伝子発現の低下を解消するように遺伝子発現を【参考文献】

変動させた。このことから、自然薯ムカゴ摂取が高脂肪による腸管免疫の低下を抑制すると示唆された。また、自然

1. 日本農芸化学会 2014 年度大会
2. 日本農芸化学会 2015 年度大会

考察

薯ムカゴ摂取が腸内細菌にも影響していたことから、摂取

KISTEC研究報告2019（2019.7）

184

【研究開発部】食品機能性評価

食品機能性評価研究－脳機能評価亀井

飛鳥

１．はじめにトランスクリプトーム解析（網羅的な遺伝子発現解析）に

神奈川県立産業技術総合研究所では、これまでに食品機能性研究として、主に動物を対象とする評価を実施してきより実施してきた。例えば、桑の葉の脂質代謝に及ぼす作
用 (1, 2)、サラシア属植物の免疫に及ぼす作用 (3, 4)、ビ

た。これらの研究成果や評価技術を応用し、現在はヒト試
験、特に未病という観点から評価する研究へと展開しつつフィズス菌の脂質代謝に及ぼす作用(5, 6)、短鎖フルクト
オリゴ糖の脂質代謝に及ぼす作用 (7)、アミノ酸混合液のある。これまでの研究対象の多くは、メタボリックシンド
ロームの緩和・改善作用を期待し、その作用メカニズム等作用 (8)、栄養素の一つである鉄の摂取量の違いが身体に及ぼす作用 (9, 10)などである。さらに、食品の機能性成を明らかにすることを目指すものであった。一方、昨今ではメタボリックシンドロームに加えて、脳や運動機能に対分について、その効果を発揮する至適な量があることも明らかにした。これはメープルシロップの機能性評価研究にする作用への期待も高まっている。例えば、機能性表示食品には、体脂肪等に加えて記憶、ストレス、疲労、関節とおいて見出された（11, 12, 13）。

いったキーワードが並ぶ。食品の多岐に亘る機能性について少しずつ解明し、その情報を活用して生活に取り入れる

１．３

ことで、健康寿命の延伸や生活の質（QOL）の向上に繋がると期待される。本稿では、食品の機能性評価研究の一環

例えば厚生労働省の平成 28 年国民生活基礎調査の概況によると、世代に関わらず日本人の約半数がストレスを抱えとして、脳機能、なかでもストレスや疲労に対する作用を評価する実験系の確立に向けての取り組みを紹介する。

ながら生活をしているとあることからも、ストレスは非常に身近にあり、認識されていることがわかる。ストレスは

１．１

必ずしも身体にとって負の影響を及ぼすものではなく、うまく活用することで健康維持に貢献するものでもあるが、脳機能と食品

私たちは日常生活の中で様々なストレスを受けている。

未病とその評価

未病は、病気ではないが、健康でもない状態であり、日本未病システム学会では「自覚症状はないが検査では異常

それを逸脱するような過度のストレスや継続的なストレ
ス負荷によって健康を損なうものでもある。また、ストレがある状態」と「自覚症状はあるが検査では異常がない状態」とを合わせたものと定義している。健康状態から病気スと密接な関係にある疲労についても 2004 年の文部科学省の大阪地区を対象にした調査によれば、半数以上が疲労に至るまで、身体の中は徐々に変化するが、このわずかな変化、すなわち病気に至る兆しを捉え、対策を講じることを感じているという結果であった。疲労は作業効率の低下
やひいては病気の原因にもなり得る。すなわち、ストレスが病気の予防の一つであると考えられる。このわずかな変化は、既存の手法では検出が難しいため、未病を評価する

や疲労は脳の未病状態であり、その軽減は現代社会において急務である。そのためには生活習慣の改善が不可避であにあたり新たなマーカー分子の探索が必須である。

り、そこには食事が大いに貢献すると期待される。
本稿では、ヒトを対象とした食品の疲労・ストレス軽減

１．２作用の検出を試みた研究成果について報告する。

未病と食品

１．１にて述べたように、未病は病気に至る前の状態で２．方法と結果
２．１ 方法
２．１．１ 試験食の選定ある。そのため、医薬に頼る段階ではないが、未病から病気に至ることのないように講じるべき対策として、食品の機能性への期待が高い。食品にはそれぞれに様々な機能があるが、そのほとんどにおいて、摂取することによる身体試験食として、複数の素材候補について調査を行い、主の中の変化はわずかである。しかし食品は日常的に摂取するものであるため、そのわずかな変化が重要な意味を持つに海外にて動物およびヒトを対象とする脳機能評価研究が進んでいる食品を 1 つ、脳機能評価の研究の基礎的デーと考えられる。例えばわずかな変化の積み重ねにより大きな変化となる、あるいはわずかな変化を繰り返すことによタが報告されている和食素材の食品を 1 つ選抜した。それ
ぞれの食材に対してプラセボ食を設定し、プラセボ食と試り、病気への進行を遅らせるといったことなどが期待される。

験食との比較にて機能性を評価した。

KISTEC ではこれまで、主にメタボリックシンドローム
やその予備軍を想定した条件下において、食品による改善

２．１．２ 脳機能テストの作成

作用とその作用メカニズムを明らかにしてきた。いずれも応）を反復実施し、それに伴う疲労度の変化と成績を測定

今回の試験では、脳機能テスト（計算や提示条件への反185

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価することにした（図 1）。脳機能テストは、各小課題 3 つ

表 1 脳機能テスト結果から構成される大課題 3 つとし、大課題ごとに独立した試
験対象者を募集して実施した。脳機能の適切な評価をする

TEST

項目
項目A
項目B
項目C
項目D
項目E
項目F
項目G
項目H
項目I
項目J
TEST_A 項目K
項目L
項目M
項目N
項目O
項目P
項目Q
項目R
項目S
項目T
項目U
項目V
項目W
項目X
項目Y
項目Z
項目AA
項目AB
項目AC
項目AD
TEST_B 項目AE
項目AF
項目AG
項目AH
項目AI
項目AJ
項目AK
項目AL
項目AM
項目AN
項目AO
項目AP
項目AQ
項目AR
項目AS
項目AT
項目AU
項目AV
項目AW
TEST_C 項目AX
項目AY
項目AZ
項目BA
項目BB
項目BC
項目BD
項目BE
項目BF
項目BG

ためには、試験問題や内容を試験対象者の母国言語に最適化して設定する必要があるため、いずれも日本人を対象に実施した実績のある脳機能テストであることを条件に選抜し、本試験に合わせて編成した。

図 1 脳機能評価試験の流れ

２．１．３ 試験実施
試験方法については KISTEC 立案とし、実施機関は東海大学とする共同研究にて実施した。本試験は、単回摂取の効果を測定すること、そのため効果を長期にわたって持ち越すことがないと想定されること、試験成績には個人差が大きいことが予備テストにより示されていたことから、単回摂取の二期クロスオーバー比較試験として実施した。長期的な持越しは想定されないものの、ウォッシュアウト期間として、2 回の試験の間を 3 日以上と設定した。
1 つの大課題に対し、20 名を集め、3 つの独立した大課
題を設定、食品素材を 2 つ設定したために、20（名）×3（課題）×食材（2 つ）の合計 120 名を対象とする試験と
した。

食品B

評価マーカーの探索を試みる。

介入試験実施機関である東海大学では、伊勢原キャンパ
スおよび湘南キャンパスにて学生を対象に募集を行い、試験説明に同意を得た方に参加いただいた。
本試験を通して得られたデータを KISTEC にて集計し、東海大学の統計解析責任者を中心とする担当チームにて結論の確認を行った。

３. 考察と今後の展望
ヒトを対象とした試験において、食品の単回摂取で脳機能（テスト成績や疲労度）の差異を検出可能であることを示し、脳機能に対する作用を明らかにするためのヒト試験の基盤を構築した。
当グループでは、動物を対象とする脳機能測定のための手法の高精度化を検討しており、食品摂取によるわずかな２．２ 結果両食材について、それぞれプラセボに対して有意に変動する評価項目が見出された。プラセボに対して優位に変動差の検出を試みている。これまでは主にメタボリックシン
ドロームへの作用についての研究を積み重ねてきた実績

した項目について黄色でハイライトする（表 1）。すなわ
ち、複数の項目において、試験食摂取によりプラセボ食摂があるが、脳機能に関しても同様に動物を対象とする試験（主にメカニズム解明）とヒト試験（現象）とを組み合わ取時とは異なる成績であることが示された。なお、食品 Aと食品 B を比較した場合、プラセボ食摂取時と試験食摂せ、両者を行き来しながら評価を進めていくことで、より効率的に、かつより詳細に食品の機能性を明らかにするこ取時とで有意な差を招じる試験項目が異なることも示された。ここから、食品によって、その機能を評価するのにとを目指す。
このプロジェクトの一部は、JSPS 科研費 15H05346、

適した脳機能テストがあることが示唆された。今後は、脳機能への作用を評価する場合に、どのような種類の食品に

18K05514 の助成を受けて実施されました。

どの試験方法が適しているかを明らかにするとともに、血液トランスクリプトーム解析との組み合わせから脳機能

KISTEC研究報告2019（2019.7）

食品A【参考文献】
1.

186

Kobayashi Y, Miyazawa M, Araki M et al. (2015)

【研究開発部】食品機能性評価

Effects of Morus alba L. (Mulberry) Leaf Extract in2.

79:1893-1897.

Hypercholesterolemic Mice on Suppression ofCholesterol Synthesis. J Pharmacogn Nat Prod 1:113.

13. Kamei A, Watanabe Y, Shinozaki F et al. (2017)
Quantitative deviating effects of maple syrup extract

Kobayashi Y, Miyazawa M, Kamei A et al. (2010)
Ameliorative effects of mulberry (Morus alba L.) leaves

supplementation on the hepatic gene expression of mice
fed a high-fat diet. Mol Nutr Food Res 61.

on hyperlipidemia in rats fed a high-fat diet: inductionof fatty acid oxidation, inhibition of lipogenesis andsuppression of oxidative stress. Biosci Biotechnol
Biochem 74:2385-2395
3.

Oda Y, Ueda F, Utsuyama M et al. (2015) Improvementin Human Immune Function with Changes in Intestinal
Microbiota by Salacia reticulata Extract Ingestion: A
Randomized Placebo-Controlled Trial. PLoS One

4.

10:e0142909.
Oda Y, Ueda F, Kamei A et al. (2011) Biochemical
investigation and gene expression analysis of theimmunostimulatory functions of an edible Salacia

5.

extract in rat small intestine. BioFactors 37:31-39
Kondo S, Kamei A, Xiao JX et al. (2013)
Bifidobacterium breve B-3 exerts
syndrome-sippressing effects in themetabolicliver ofdiet-induced obese mice: a DNA microarray analysis.
Beneficial Microbes 4:247-251
6.

Kondo S, Xiao JZ, Satoh T et al. (2010) Antiobesity
effects of bifidobacterium breve strain B-3
supplementation in a mouse model with high-fat
diet-induced obesity. Biosci Biotechnol Biochem

7.

74:1656-1661
Fukasawa T, Kamei A, Watanabe Y et al. (2010)
Short-chain fructooligosaccharide regulates hepatic
PPARa and FXR target gene expression in rats. J Agric8.

Food Chem 58:7007-7012
Shinozaki F, Abe T, Kamei A et al. (2016) Coordinatedregulation of hepatic and adipose tissue transcriptomes
by the oral administration of an amino acid mixture
simulating the larval saliva of Vespa species. Genes
Nutrition 11:21.

9.

Kamei A, Watanabe Y, Kondo K et al. (2013) Influenceof a short-term iron-deficient diet on hepatic gene

expression profiles in rats. PLoS One 8:e65732
10. Kamei A, Watanabe Y, Ishijima T et al. (2010) Dietaryiron deficient anemia induces a variety of metabolicchanges and even apoptosis in rat liver: a DNA
microarray study. Physiol Genomics 42:149-156.
11. Watanabe Y, Kamei A, Shinozaki F et al. (2011)
Ingested Maple syrup evokes a possible liver-protecting
effort －physiologic and genomic investigations with
rats. Biosci Biotechnol Biochem 75:2408-2410
12. Kamei A, Watanabe Y, Shinozaki F et al. (2015)
Administration of a maple syrup extract to mitigate
their hepatic inflammation induced by a high-fat diet: atranscriptome analysis. Biosci Biotechnol Biochem

187

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

食品機能性評価のための新規マーカー検出手法の開発と検討
野原

１．

正勝、嶋田

耕育、亀井 飛鳥、篠﨑

文夏

はじめに

われわれは動物実験やヒト試験を行い、トランスクリプ
トーム解析等により食品の有効性や機能性についての評
価を行っているが、評価センターとして、新しい評価系で新しいマーカーを探索することは、受託研究を進めるうえで非常に重要である。

１．１

トランスクリプトーム解析の現状

マウスやラットを用いた研究では、脳や肝臓といった組織や臓器単位で材料採取を行い、これらの組織や臓器をサンプルにしてデータを得ることが一般的である。そして，脳や肝臓といった組織や臓器は 1 種類の細胞のみで構成
されているのではなく、役割の異なる複数の種類の細胞が
図 1 臓器・組織を構成する細胞の種類

集まってできている（図 1）。したがって、これらの組織や臓器をサンプルとして行われるトランスクリプトーム
解析は、平均化されたデータを抽出して全体の変化を評価していることになる。一方ヒト試験の場合、ヒトから組織や臓器を採取することは非常に困難であるが、血液を採取することは比較的容易であり（図 2）、ヒト試験を行う際には、血液をサンプルとしてトランスクリプトーム解析を行い評価する。

１．２

血液の組成について

血液は液体成分である血漿、固形成分である赤血球、白血球、血小板で構成されており、生体防御にかかわる免疫担当細胞である白血球は、細胞のなかに顆粒を有する好中球、好酸球、好塩基球、顆粒を持たないリンパ球、単球とさらに細かく分類される（表 1）。ヒトにおいて好中球は白血球のうち最も多く存在し、体内に侵入した細菌を攻撃

図 2 ヒトにおいて用いることが容易なサンプル

して貪食する機能を有している。また、好酸球と好塩基球
はアレルギー反応に関与しており、好中球に次いで多く存

表 1 血球の分類とヒトにおける正常値 [看護 roo!，血液の仕組みとはたらき— 血液の流れから理解する（5）「血球の種類」（https://www.kango-roo.com/sn/k/view/1845）を基に作成]在するリンパ球は免疫反応の中心的な役割を担っている。
さらに、好中球に次ぐ活発な貪食作用を有する単球は、体内に侵入してきた細菌や不用な細胞を貪食する。このように、他の組織や臓器と同様に、血液はそれぞれが別々の役割を担っている複数の種類の細胞で構成されており、複数種類の細胞の集合である血液を用いてトランスクリプトーム解析を行うと、組織・臓器で行う際と同様に、血液においても平均化されたデータを抽出して全体の変化を評価することになる。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

188

【研究開発部】食品機能性評価

表 2 白血球の単一細胞補足率

単一細胞

１．３

死細胞

≧ 2細胞

細胞なし

生細胞の割合 (%)

1回目 (条件B)

66

1

23

7

67.7

2回目 (条件A)

75

8

10

11

69.8

平均値

70.5

4.5

16.5

9.0

68.8

トランスクリプトーム解析の高精度化

血液を用いてトランスクリプトーム解析を行い、全体を

い、血液からの白血球分離を試みた。赤血球凝集試薬で得られた細胞懸濁液には白血球のほかに多くの赤血球や血見た変化から食品の機能性を評価することも大切である。
一方で、血液細胞全体から見えてきた食品の機能性が免疫小板が認められ、白血球のみを分離することができなかった。また密度勾配分離試薬では赤血球の層と白血球の層が系に影響した結果であれば、血液細胞とりわけ白血球の 1
つ 1 つの変化も重要な情報となる。また、食品に対する分離せず、白血球のみを分離することができなかった。この 2 系統の試薬では白血球を分離することができなかっ個々人の応答のブレを解消し、個々の細胞について食品への応答の小さな変化を捉えるためには、細胞の単一細胞分たため、次いで、細胞表面の構造の違いを利用して赤血球を破裂させる溶血試薬を用いて白血球分離を検討した。当離（シングルセル化）がトランスクリプトーム解析の高精度化に向けて必要となる。

初は白血球のほかに血小板も多く含むサンプルであったが、遠心分離の条件を検討し、細胞懸濁液の洗浄工程を経本研究では、生体防御にかかわる免疫担当細胞である白ることにより、細胞保存試薬と混和した血液から血小板をほとんど含まない白血球を分離することができた（図 4）。

血球に着目し、未病におけるヒト血液トランスクリプトー
ムの高精度な評価系を確立するために、われわれはマウスの血液から白血球を分離するための条件検討を行った。ついで、得られた白血球サンプルから単一細胞への分離を行い、そこで得られたシングルセルについて大規模塩基配列解析を行った。

２．

実験と結果

本研究の一番の特徴は、ヒト試験を想定し、採取した血液をRNA、タンパク質や細胞を安定的に保存することができる細胞

図 4 溶血試薬を用いた血液からの白血球分離の結果。採血した血液では多くの赤血球に囲まれた中にわずかな白血球が認められるが、溶血試薬を加えることで赤血球はなくなり、白血球のみとなった。

保存試薬と混和してサンプル処理を行っていることである。
採血から塩基配列解析までの流れは次に示すとおりである。
① 採血し、血液を細胞保存液と混和② 血液からの白血球分離③ 単一細胞分離装置による単一白血球の分離

２．２

白血球の単一細胞分離④ 顕微鏡観察による細胞分離の確認⑤ 塩基配列解析用サンプルの調製材料として、流路分離型の単一細胞分離装置による白血球のシングルセル化を行った。この実験では異なる飼育条件⑦ 大規模塩基配列解析によるデータの取得（条件 A、条件 B）で飼育をしたマウスの血液を用いて、単一細胞の分離と塩基破裂解析を行った。

２．１

次いで、確立した白血球分離法で得られた細胞懸濁液をまず、本研究の特徴である細胞保存試薬と混和した血液

単一細胞分離装置はシングルセル遺伝子解析のための自動化システムであり、細胞のシングルセル化から塩基配から白血球を分離するための条件検討を行った。
表 1 に示したように、白血球数は血液 1 mm3 あたり 5 千

列解析用サンプルの調製を行うことができる。この装置はシングルセル研究には欠かせない重要なアイテムとなっから 1 万個であるのに対して、その数の 400 倍から 1000
倍近くの赤血球が血液中には存在している。白血球をターている。単一細胞分離装置を用いた研究は、腫瘍学、神経学、免疫学、遺伝性疾患などのとりわけヒトの疾病にかかゲットにしてシングルセル化を行う場合、この赤血球の多さが問題となるため、血液から赤血球を取り除き白血球をわる分野において多く報告されている。しかしながら、食品の機能性について、単一細胞解析を用いた研究は現在報分離する必要がある。
マウスから採取した血液を RNA、タンパク質や細胞を安告されていない。
今回使用した単一細胞分離装置では、細胞サンプルを流定的に保存可能な細胞保存試薬と混和した。この血液を材料として赤血球を凝集させて白血球と分離する試薬（赤血

すと個々の細胞が 96 個の小さなチャンバーを通り、それぞれのチャンバーに 1 個 1 個の細胞が留まる仕組みとなっ球凝集試薬）と混和、または細胞の密度の違いによって分離する試薬（密度勾配分離試薬）に重層して遠心分離を行ている。細胞分離後の顕微鏡観察によって捕捉率を算出した結果、およそ 70％の単一細胞捕捉率であった（表 2）。

血液からの白血球分離

189

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

次に塩基配列解析用のサンプルを調製すると，細胞のあるチャンバーからは細胞由来の DNA のピークが認められたのに対して、細胞のないチャンバーからは、DNA のピー
クは認められなかった（図 5）。
この塩基配列解析用のサンプルについて大規模塩基配列解析を行い、t 分布型確率的近傍埋め込み法により、個々の細胞をクラスターに分類した。分類の結果、細胞は 3 つのクラスターに分けられ、クラスター1 およびクラスター
2 は、飼育条件 A および飼育条件 B 由来の細胞がほぼ均一に分散する集団であることが明らかとなった（図 6）。一方クラスター3 に分類される細胞は、飼育条件 A の方が飼育条件 B よりも多く（図 7）、この特徴のあるクラスター3について、現在解析を行っている。

図 5 細胞由来 DNA の確認

３. 考察及び今後の展望
本研究の特徴である細胞保存試薬と混和した血液から白血球を分離する方法を確立し、この細胞懸濁液を用いて高い捕捉率での単一細胞分離を実現した。そして、ここで得られた塩基配列用のサンプルについて解析を行ったと
ころ、特徴のあるクラスターを得ることができた。
今後はヒト試験への実用化に向けて、飼育条件の違いや食品成分の効果などを示す普遍的なマーカーの選定を行うとともに、さらなる解析を進め、新たなマーカーとしての可能性を探る。

４.

謝辞

図 6 得られたーデータからクラスターに分類した結果

本研究の一部は、文部科学省「地域イノベーション戦
略支援プログラム事業」により実施されました。

図 7 得られたーデータからクラスターに分類した結果

KISTEC研究報告2019（2019.7）

190

【研究開発部】食品機能性評価

機器共用化
飯尾

１．

はじめに

将太、亀井

飛鳥

めの計算環境についても更なる展開を図り、共用機器の利

本稿では、地域イノベーション戦略支援プログラム・神奈川国際ライフサイエンス実用化開発拠点におけるニュ

用拡大へと繋げた（図 2）。なお、一連の食の評価には、
ノウハウ・経験を要するため、利用する企業や公設試担当

ートリゲノミクス研究関連事業の機器共用化への取り組
みについて紹介する。

者への指導も随時行っている。

地域イノベーション戦略支援プログラムにおけるニュートリゲノミクス研究は、神奈川科学技術アカデミー 健
康・アンチエイジングプロジェクト（2013〜2014 年度）、
未病改善食品評価法開発プロジェクト（2015〜2016 年度）、
神奈川県立産業技術総合研究所 食品機能性評価グルー
プ（2017 年度）の 3 プロジェクトに亘って継続実施された。特任研究員を採用し、実験室、動物室、機器・インフラ等の整備を行い、徐々に共用化への展開を図った。5 年間の活動を通し、食品機能性評価における動物試験から作用メカニズム解明までの一連の研究システムについて共用化体制を整えるに至った。また、企業ニーズについてヒ
アリングを行い、機能性表示やトクホ等の認定を目指すま

図 2 DNA マイクロアレイ実験の流れと代表的な使用機器

での専門人材や資金のない中小企業等の利用を促進することを目標とした他、大企業からのエビデンス検証のニーズも強いことから、それらへの協力も併せて実績を作りつつある。

なお、共用化時間の実績は下記の通りである。
・平成 25 年度共用時間実績：29 時間２．

・平成 26 年度共用時間実績：44 時間
・平成 27 年度共用時間実績：281 時間

具体的な取り組みと実績

DNA マイクロアレイ装置は、当初より県内の企業による共同研究あるいは受託研究による利用が進んでいる。ま・平成 28 年度共用時間実績：1,042 時間
・平成 29 年度共用時間実績：2,328 時間

た、DNA マイクロアレイ装置による食の評価にあたり、必
要な前処理や、解析の検証で必要となる装置類の他、組織・平成 30 年度共用時間実績：3,400 時間

学的解析の受託等を可能にするための装置を徐々に共用化へと展開したことで、共用化機器の利用実績が増加した（図 1）。さらに、平成 28 年度には、DNA マイクロアレイ
装置にかけるサンプルを得るための動物飼育を行う環境を整備し、また、DNA マイクロアレイデータ等の解析のた

図 3 共用化実績

３．

今後の展望

共同および受託研究契約の範囲で、評価法を指導し、装置の利用方法を覚えていただいた上で、使用していただく
事を希望しており、今後もこれまで同様、その活動は継続

図 1 共用化機器リスト

191

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価して行く。なお、この 5 年間の活動を通し、共用時間実績

手法を用いた研究の相談や共同研究による取り組みを目

は経年増加しており（図 3）、食品機能性評価研究への関心の高さがうかがえる。また、RNA 抽出装置、マイクロチ

指す。機器共用化のさらなる拡大を目指し、食品機能性評
価のための一連の研究システムを広く紹介する活動も進ップ型電気泳動装置の活用による安定的な DNA マイクロアレイのデータ取得や、リアルタイム PCR 装置等を用いためていく。
本取り組みは、文部科学省「地域イノベーション戦略支援プ

解析を行う補助を継続して行う他、要望に応じて新規解析

ログラム事業」により実施されました。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

192

【研究開発部】食品機能性評価

業 績【原著論文】

【総説】

1.

1.

Ogawa, M., Nagai, T., Saito, Y., Miyaguchi, H.,
Kumakura, K., Abe, K., and Asakura, T. Short-term
mastication after weaning upregulates GABAergic
signalling and reduces dendritic spine in thalamus.

Abe, K., Misaka, T. Food functionality research as a newnational project in special reference to improvement ofcognitive and locomotive abilities. Biosci Biotechnol
Biochem. 82(4):573-583 (2018)

Biochem Biophys Res Commun. 498(3):621-626 (2018)
2.
2.

Tanaka, M., Yasuoka, A., Yoshinuma, H., Saito, Y.,
Asakura, T., and Tanabe, S. Seasoning ingredients in aの成果と今後の展望、BioJapan2018 SIP 主催セミナー（2018.10.11）JBA 機関紙「B&I」(2018)

medium-fat diet regulate lipid metabolism in peripheral
tissues via the hypothalamic-pituitary axis in growing rats.

3.

Biosci Biotechnol Biochem. 82(3):497-506. (2018)3.

Yoshinaga, K., Nakai, Y., Izumi, H., Nagaosa, K.,
Ishijima, T., Nakano, T., and Abe, K. Oral Administration【口頭発表】
1.

Rats: A DNA Microarray Analysis. Mol Nutr Food Res.
62(12) e1700828 (2018)5.

篠﨑文夏、廣川隆彦、神奈川県発フードイノベーショ
ン 食品の機能性評価と機能性食品の開発、月刊誌
FOOD STYLE 21 (2018)of Edible Wakame Seaweed Undaria pinnatifida(Wakame) Modifies Glucose and Lipid Metabolism in4.

亀井飛鳥、「次世代機能性農林水産物・食品の開発」

豊田集、石島智子、亀井飛鳥、阿部啓子、岡田晋治、
2 型糖尿病モデルマウスにおけるメープルシロップ抽出物の抗炎症作用、第 72 回日本栄養・食糧学会大会（2018 年 5 月 12 日、岡山）

Hori, T., Ouchi, M., Otani, N., Nohara, M., Morita, A.,2.

Hazuki Maehata, Yodai Kobayashi, Kousuke Shimada, Eri

Otsuka, Y., Jutabha, P., Shibasaki, I., Matsushita, Y.,
Fujita, T., Fukuda, H., and Anzai, N. The uricosuric

Mitsuyama, Tetsuya Kuhara1, Akihito, Akihito Yasuoka,
Takashi Kondo, Keiko Abe and Jin-zhong Xiao

effects of dihydropyridine calcium channel blockers invivo using urate under-excretion animal models. J

Bifidobacterium breve strain A1 has potential to improve
cognitive dysfunction in the Alzheimer’s disease model

Pharmacol Sci. 136(4):196-202 (2018)

mice. IPC (international probiotics conference) 2018（2018 年 6 月 18-21 日、Hungary Budapest）

Izuchi, R., Ishijima, T., Okada, S., Abe, K., and Nakai, Y.
Hepatic fatty acid biosynthesis in KK-Ay mice is3.

modulated by administration of persimmon peel extract:
A DNA microarray study Food Sci Nutr 6(6):1657-1663

亀井飛鳥、未病と食品 －食品の機能性評価研究－ 、鹿児島県工業技術センター
年 7 月 19 日、鹿児島）

研究成果発表会（2018(2018)
4.
6.

先導的研究開発委員会「食による生体恒常性維持の指標となる未病マーカーの探索戦略」公開シンポジウム

H., Abe, K., Misaka, T., and Asakura, T. Novel indoleand benzothiophene ring derivatives showing differential（2018 年 7 月 20 日、東京）

modulatory activity against human epithelial sodium
channel subunits, ENaC β and γ. Biosci Biotechnol

5.

Biochem. 83(2):243-250 (2018)7.

阿部啓子、未病マーカーによる食のイノベーション、

Kasahara, Y., Sakurai, T., Matsuda, R., Narukawa, M.,
Yasuoka, A., Mori, N., Watanabe, H., Okabe, T., Kojima,

阿部啓子、ILSI 寄付講座の成果、ILSI Japan 寄付講座
「機能性食品ゲノミクス」主催シンポジウム 機能性
食品科学の基盤から実用化に至る統合的成果と新たな息吹き（2018 年 9 月 18 日、東京）

Shimazu, K., Fukumitsu, S., Ishijima, T., Toyoda, T.,
Nakai, Y., Abe, K., Aida, K., Okada, S., and Hino, A. The

6.

阿部啓子、パネルディスカッション“ 食品科学の産業

Anti-Arthritis Effect of Olive-Derived Maslinic Acid inmice is Due to its Promotion of Tissue Formation and its

的新展開 ”、ILSI Japan 寄付講座「機能性食品ゲノミクス」主催シンポジウム 機能性食品科学の基盤から

Anti-Inflammatory Effects.
63(3):e1800543 (2018)

実用化に至る統合的成果と新たな息吹き（2018 年 9月 18 日、東京）

Mol

Nutr

Food

Res.

193

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】食品機能性評価

7.

8.

亀井飛鳥、ヒトを対象とする食品機能性評価への取り与する血漿マイクロ RNA の探索とその機能の解析、組み、ILSI Japan 寄付講座「機能性食品ゲノミクス」
主催シンポジウム 機能性食品科学の基盤から実用

日本農芸化学会 2019 年度大会（2019 年 3 月 26 日、
東京）

化に至る統合的成果と新たな息吹き（2018 年 9 月 18
日、東京）

19. 篠﨑文夏、山下治之、亀井飛鳥、嶋田耕育、野原正勝、

嶋田耕育、食品の機能性評価

荒井綜一、阿部啓子、肝臓遺伝子発現による自然薯ム
カゴ粉末および抽出物摂取効果の検証、日本農芸化学

抗メタボリックシンド

ロームから脳機能活性化へ 基盤研究を中心にして、
食品開発展 2018（2018 年 10 月 5 日、東京）
9.

会 2019 年度大会（2019 年 3 月 27 日、東京）

抗メタボリックシンド

20. Keiko Abe, Asuka Kamei, Tsudoi Toyoda, Humanintervention trial on maple syrup to evaluate its preclinical

ロームから脳機能活性化へ 基盤研究を中心にして、
食品開発展 2018 ポスターセッション（2018 年 10 月

effects、 the 257th ACS (American Chemical Society)
National Meeting（2019 年 3 月 29 日、アメリカ、オー

3-5 日、東京）ランド）

嶋田耕育、食品の機能性評価

10. 亀井飛鳥、科学的エビデンスに基づいた次世代農林水
産物・食品の開発と社会実装事例、BioJapan2018 セ
ミナー（2018 年 10 月 11 日、神奈川）
11. 亀井飛鳥、桑葉の機能性評価、BioJapan2018 ポスターセッション（2018 年 10 月 10-12 日、神奈川）
12. 篠﨑文夏、自然薯ムカゴの生理的機性、BioJapan2018
ポスターセッション（2018 年 10 月 10-12 日、神奈川）
13. Mizuki Honda, Mio Aida, Asuka Kamei, and Hideo Satsu
Establishment of a stable NFB-responsive cell line andanalysis of anti-inflammatory food substances 日本動物細胞工学会国際会議（JAACT2018）（2018 年 11 月 8 日、つくば市）
14. 亀井飛鳥、食品の機能性を明らかにするために－研究
事例と受託研究のご案内、アグリビジネス創出フェア（展示会）（2018 年 11 月 22 日、東京）
15. 亀井飛鳥、桑葉の機能性評価研究におけるマーカーとしてのトランスクリプトーム解析、JBA 平成 30 年度
機能性食品研究会講演会・第 3 回研究会「miRNA とmRNA」（2018 年 12 月 10 日、東京）
16. 亀井飛鳥、食品の機能性評価事例、戦略的イノベーシ
ョン創造プログラム（SIP）自然免疫制御技術研究組
合第 8 回シンポジウム『未来志向の次世代食品機能性と自然免疫』（2019 年 3 月 15 日、東京）
17. 本 田 瑞 希 、 亀 井 飛 鳥 、 相 田 美 緒 、 薩 秀 夫 、
1-Deoxynojirimycin による抗炎症作用の解析、日本農芸化学会 2019 年度大会（2019 年 3 月 24 日、東京）
18. 家山智子、長谷知輝 、山下玲 、嶋田耕育、濱口毅 、
篠原もえ子 、山田 正仁、阿部啓子、小林彰子、ロスマリン酸摂食によるアルツハイマー病発症遅延に関KISTEC研究報告2019（2019.7）

194【研究開発部】高効率燃料電池開発「高効率燃料電池開発」グループ
グループリーダー

山口 猛央【基本構想】
本プロジェクトは、平成 23 年より開始した戦略的研究シーズ育成事業、有望シーズ展開事業の成果をさらに展開し、低白金、高耐久で、広温・広湿・広電流密度で運転できる固体高分子形燃料電池（PEFC）の実用化へ向けた取り組みである。
現在の科学技術では、化学物質から仕事（電気）への変換効率は低い。火力発電所における変換効率は
平均 40 %程度であり、自動車の移動仕事はガソリンエンジンで 20 %程度、ハイブリッド車でも 35 %程度である。熱力学的な最高効率は、水が水蒸気になる潜熱を仕事として活かせるとすると、効率は 25 °C
で 95 %以上にもなる。現実世界で目指すべきは、60–70 %の変換効率であろう。PEFC は、低温、小型であり、必用な場所で、必用なときに、必用な量の発電が効率的に行えるデバイスである。日本では世界に先駆け、定置用のエネファームは既に 25 万台が設置され、燃料電池自動車の販売も開始された。しかしながら、普及技術とするためには、さらなる技術革新が必要となっている。
燃料電池自動車の白金使用量を 10 分の 1 程度にまで低減できれば、燃料電池に用いる白金量は、ガソリン自動車の排ガス触媒に使用する貴金属量と大差なくなる。水管理が重要と言われる PEFC において、幅
広い湿度および低温から 100 °C までの幅広い温度での効率的な運転が可能となれば、システムが簡便となり、信頼性向上、低コスト化だけでなく、総合効率も向上する。また、現状の耐久性を大幅に向上できれ
ば、自家用車だけで無く、商用車にも展開できる。材料としては、白金担持カーボンの 10 倍の活性を有す
る触媒材料、広い湿度および温度範囲で高いプロトン伝導性を発現する電解質材料の開発が重要となる。
さらに、新しい材料を開発しても、燃料電池としての性能および高い耐久性に結びつかなければ意味は無く、物質からデバイスまでを繋げた設計が重要となる。
これらを実現するためには、現状の燃料電池材料とは異なる発想が必要であり、低白金、高性能、高耐久を有する次世代型の燃料電池デバイスをイメージし、そこから発想した触媒材料および電解質膜の設計・開発が必要である。本グループでは、これまでの研究成果を発展させ、新しい触媒・触媒層と電解質膜の開発を行い、組み合わせることにより、高耐久で、広い湿度・温度領域で作動し、低白金量で高効率発電が可能な次世代型の燃料電池の設計・開発を行っている（図 1）。さらに、企業と連携し、これらの材料の実用化に向けた取り組みを積極的に進めている。

図 1. 触媒・電解質膜材料及びシステム的燃料電池設計・開発

195

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】高効率燃料電池開発

1．

平成 30 年度の研究目的

ーボンフリーPt–Fe ナノ粒子連結触媒は、高い触媒活性と高い起動停止・負荷応答耐久性を実現するため、次世代の燃料電池触媒として非常に有望である。

実用化実証事業 2 年目である平成 30 年度は、以下を重点項目として、研究開発および実用化に向けた取り組みを実施した。
(1) カーボンフリー白金合金ナノ粒子連結触媒の開発
本グループで開発したカーボンフリーPt–Fe ナノ粒子連結触媒は、図 2 に示すように、Pt–Fe 合金ナノ粒子が連結したナノサイズのネットワークで構成されるため、高い表面積を有し、且つ、金属ネットワークが導電性を持つため、カーボン担体を必要としない。従来のカーボン担体上に白金ナノ粒子を担持させた触媒（Pt/C, 図 2a）と比べて、本触 媒 は、 約 9 倍 高 い 酸素還 元 反応 （ Oxygen reduction

図 3. (a) 規則配列（超格子）fct 構造、(b) 不規則配列 fcc 構造を持つ白金合金触媒の格子構造

そこで、本グループは、高い規則度の白金合金ナノ粒子

reaction: ORR）活性を示し、大幅な低白金化が可能である。
さらに、カーボンフリー触媒は、燃料電池の起動停止運転

触媒の実用化に向けて、量産化が可能な簡易合成法の確立を進めている。H30 年度では、従来の合成法で用いていたの際に生じるカーボン腐食による劣化を回避できるため、高耐久性を実現する。一方で、燃料電池触媒の耐久性は、

高温高圧下での超臨界処理を必要としない、新規な簡易合成法（後述の研究成果参照）の実証および合成条件の最適

起動停止サイクルに加えて、負荷応答サイクルも考慮しなければならない。燃料電池発電時の負荷応答によって触媒化を行った。
(2) 酸高密度型細孔フィリング薄膜及び高温低湿度対応

金属の溶出が生じ、触媒活性の低下を引き起こすため、燃料電池の長期安定性には触媒金属の溶出を抑制すること

膜電極接合体の開発が必要不可欠である。

本グループは、高いスルホン酸基容量（Ion exchange
capacity: IEC）を持つパーフルオロスルホン酸（PFSA）アイオノマーを超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）多孔
質基材に充填した酸高密度型細孔フィリング薄膜（図 4）の開発に取り組んでいる。従来の高 IEC のキャスト膜では、水に対して極度に膨潤するため、単独で燃料電池に使用することは困難である。一方、細孔フィリング膜は、機械的強度の高い基材によってアイオノマーの膨潤を抑えるた
め、高い膨潤抑制能を有する。さらに、本研究では、従来の膜より非常に薄い約 7 μm の細孔フィリング薄膜を開発
し、水の少ない高温低湿度環境においても優れたプロトン伝導性を示すことを実証した。

図 2. (a) 従来のカーボン担持白金ナノ粒子（Pt/C）触媒、(b) Pt–Fe
合金ナノ粒子が連結した中空カプセル状のカーボンフリー触媒の模式図と TEM 像本グループはこれまでに、白金合金ナノ粒子において、合金内の原子が規則的に配列した超格子（face centered
tetragonal: fct, 図 3a）構造を有する触媒開発を行い、不規則配列（face centered cubic: fcc, 図 3b）構造の触媒よりも、合金金属の溶出を抑制し、高い負荷応答耐久性を示すことを実証している。そこで、本知見を活かし、Pt–Fe ナノ粒

図 4. (a) 超高分子量ポリエチレン多孔質基材に高 IEC の PFSA ア子連結触媒における原子配列規則度（fct の割合）を向上
させ、高 fct 触媒が優れた負荷応答耐久性を示すことを実

イオノマーを充填した (b) 細孔フィリング薄膜の模式図と膜表面の SEM 像証した。
（H29 年度研究報告参照）この高い fct を有するカ

KISTEC研究報告2019（2019.7）

196

【研究開発部】高効率燃料電池開発

そこで、H30 年度は、高 IEC 細孔フィリング薄膜におけワーク構造を形成させる。図 6b の新規合成法は、超臨界る高温低湿度環境下での高速プロトン伝導の要因を調査した。ここでは、膜の作製条件の検討を行い、膜性能に及処理を用いず簡易であるため、量産化に適した合成プロセスを構築できる。

ぼす影響、さらに、日産アークと共同で、膜構造の詳細な解析に着手した。
さらに、本グループは、高 IEC 細孔フィリング薄膜を用いた膜電極接合体（MEA, 図 5）での評価も進めている。
低い IEC の市販ナフィオン膜（NR-211, 25 μm）では実現できなかった高温低湿度（80 °C, 20–60% RH、80–100 °C,
30% RH）環境下での高い燃料電池性能を実証した。H30
年度では、MEA 内部の水移動に着目して高温低湿度条件
での高い発電性能の要因を調査した。さらに、本研究では、実用化を見据えて、燃料電池運転環境での高 IEC 細孔フィリング薄膜の耐久性評価を行った。

図 6. 高規則度（高 fct）を持つ Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の合成法.
(a) 高温高圧下の超臨界処理を用いる合成法、(b) 熱処理のみで高規則度とネットワーク構造を形成する簡易合成法

本研究は、図 6b に示す新規合成法の実証、そして熱処理条件（300–800 °C）の検討を行った。その結果、熱処理
温度 400 °C 以上で L10 型 fct-Pt–Fe 規則構造を形成し、温度を上げるに連れて規則化度は増加し、70–80 %の高い規則度を達成した。また、高い熱処理温度により結晶子径が増加するものの、高温処理後もナノサイズのネットワーク
図 5. 酸高密度型細孔フィリング薄膜を用いた膜電極接合体を維持することも確認された。
続いて、作製した触媒の酸電解液（0.1 M HClO4 電解液）

（MEA）の模式図

中での電気化学測定を行い、熱処理温度に対する酸素還元
反応（ORR）活性の変化を評価した。その結果、600 °C 以

2．

上の熱処理を施した高い規則度を有する Pt–Fe ナノ粒子連結触媒は、市販 Pt/C の 10 倍近い高い ORR 表面比活性を

平成 30 年度の研究成果

以下に挙げるのは、平成 30 年度の研究成果の概要であり、詳細は各研究員の報告書に記載する。

示すことが分かった。さらに、高い規則度（約 70–80 %）を持つ Pt–Fe ナノ粒子連結触媒は金属の溶出を加速する負(1) カーボンフリー白金合金ナノ粒子連結触媒の開発

荷応答試験において、低規則度（40–50 %）触媒よりも高い耐久性を示すことを確認した。以上の結果から、新規な本研究は H29 年度に、図 6a に示す合成法を用いて、高い規則度を持つ Pt–Fe ナノ粒子連結触媒を開発した。本合

簡易合成法は高活性と高耐久性を両立する Pt–Fe ナノ粒子
連結触媒の作製に有用であることを実証した。

成法は、まず、Pt–Fe ナノ粒子をシリカ粒子上に生成させ、高温・高圧下の超臨界処理により、ナノ粒子同士が連結し高温・高圧下の超臨界処理を必要としない図 6b の簡易合成法は量産プロセスを構築できると期待される。今後も、たネットワーク構造を形成する。その後、ネットワーク同士の融着・凝集を抑制するために、表面をシリカで被覆し、合成条件の最適化を進めることで、実用化へ向けた触媒の量産体制を整備する。さらに、本研究では、合金金属種、

高温での熱処理によって、規則度を向上させる。最後に表面と内部のシリカをアルカリ処理で除去することで中空金属組成など触媒の構造制御も進めており、触媒構造と活性・耐久性の関係性を明らかにすることで、触媒のさらなカプセル構造を得る。この合成法は、ステップ数が多く、またバッチ式の超臨界（高温・高圧）処理を用いる。

る高性能化を図る。

そこで、H30 年度では、図 6b に示す超臨界処理を必要としない、より簡易な合成法の実証および合成条件の検討(2) 酸高密度型細孔フィリング薄膜及び高温低湿度対応を行った。本合成法では、Pt–Fe ナノ粒子をシリカ粒子上に生成させた後、超臨界処理を行わず、表面をシリカで被本グループは、高 IEC 細孔フィリング薄膜が高温低湿度
環境下で高いプロトン伝導性を示すことを実証してきた。

覆する。そして、大気圧下で熱処理を行う。この熱処理は、規則度を向上させると同時に、ナノ粒子が連結したネット

この膜は、高 IEC の PFSA アイオノマーを水/エタノール
混合溶媒に溶かした溶液を用いて、多孔質基材の細孔内に膜電極接合体の開発

197

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】高効率燃料電池開発

アイオノマーを充填することで作製する。一方で、溶媒にジメチルホルムアミド（DMF）を用いた場合、水/エタノール溶媒と同様に均一な細孔フィリング薄膜を作製できるものの、プロトン伝導性に顕著な違いが確認された。
PFSA 系のアイオノマーは、溶媒によってモルフォロジーが異なることが知られている。そのため、異なる溶媒を用いることで、細孔内に充填された PFSA アイオノマーの構造も変化したと推測される。特に、プロトン伝導には、スルホン酸基が密集したナノサイズのチャネル構造が重要であるため、日産アークと共同で、高 IEC 細孔フィリング
薄膜におけるプロトン伝導チャネル構造の解析を進めている。
さらに、H30 年度は、高温低湿度条件での高い発電性能の要因を MEA 内部の水移動に着目して調査した。その結果、細孔フィリング薄膜（膜厚 9 µm）は、市販のナフィオン膜（膜厚 25 µm）よりも膜厚が薄く水透過度が高いた
め、MEA 全体で適切な湿度管理を行い、低湿度運転でも高い性能につながったことを明らかにした。続いて、細孔
フィリング薄膜を用いた MEA の開回路電圧（OCV）保持試験（膜の化学的耐久性を評価する試験）を行った。110℃、30% RH の高温低湿度条件での OCV 保持試験において、
細孔フィリング薄膜は薄膜化したにもかかわらず、ナフィオン膜と同程度の OCV 保持性能を示し、高い化学的耐久性を有することが確認された。このように、細孔フィリン
グ薄膜を用いた MEA は、高温低湿度運転での高い発電性
能と高い化学的耐久性を両立することが実証された。今後も実用化に向けて、細孔フィリング薄膜における作製条件、基材やアイオノマー材料の検討など、高温低湿度運転に適した膜の設計・開発を進めていく。

上記で得られた研究成果は、国内・国外での学会発表や学術論文により、積極的に世の中へ広く発信した。（詳細は業績の項を参照）
現在、本事業で開発した Pt–Fe ナノ粒子連結触媒や高IEC 細孔フィリング薄膜の実用化に向けて、外部企業での評価を進めている。外部企業での評価と並行して、触媒や電解質膜の高性能化、そしてこれらを組み込んだ MEA の最適化も行っている。さらに本事業で開発した触媒や膜材
料は、酸型の PEFC に留まらず、アルカリ型燃料電池や水電解技術にも展開している。
本プロジェクトが目標とする高効率燃料電池が実現す
れば、大型発電所を凌ぐ効率で低コストな家庭用発電・移動用発電を普及することが可能で、現在の変換効率の低い
エネルギー技術に替わる革新的技術となり得る。今後も、本事業で得られた材料や技術の実用化に向けた取り組み
を積極的に推進していく。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

198

【研究開発部】高効率燃料電池開発

高い原子配列規則度を有する
カーボンフリーPt–Fe ナノ粒子連結触媒の開発

黒木

1.

秀記、井村

悠、藤田

遼介、田巻

はじめに

孝敬、有田

正司、山口

猛央

このように、カーボンフリー白金合金ナノ粒子連結触媒
は、高い触媒活性、カーボンフリーによる高耐久化、極薄固体高分子形燃料電池（PEFC）は環境負荷が低く、高触媒層による高出力化を実現し得る有望な燃料電池材料
であり、本グループは、本触媒の実用化に向けた取り組み

効率な発電システムであるため、定置用燃料電池や燃料電
池自動車として普及が開始された。しかしながら、PEFC
を普及技術として確立するためには、さらなる低コスト化、高耐久化、高出力化が必要不可欠である。
本グループは、図 1 に示す白金鉄（Pt–Fe）ナノ粒子が連結したネットワークから成る、多孔性中空カプセル状を実施している。
燃料電池触媒の実用的な運転を考えた場合、起動停止サ
イクルによるカーボン腐食の劣化に加えて、負荷応答サイ
クルにおける触媒金属の溶出も問題となる。触媒金属の溶出は表面構造の変化を引き起こし、活性低下につながる。
つまり、高い活性を持つ触媒を長期的安定に使用するため

Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の開発に取り組んでいる。1–3 本触媒は、従来の燃料電池触媒である白金ナノ粒子担持カーボには、触媒金属の溶出を抑える必要がある。

ンブラック（Pt/C, 図 1a）に比べて、酸素還元反応 （Oxygen
Reduction Reaction: ORR）における表面比活性が約 9 倍高い値を示すため、低白金による低コスト化が実現できる。
加えて、Pt–Fe 金属ネットワークは導電性を有するため、カーボン担体を必要とせず、カーボンフリーである。燃料
電池の起動停止時にはカーボン腐食が起こり、発電性能を大幅に低下させる要因となることが知られている。4 カー
ボンフリー触媒は、カーボン腐食の問題を回避できるため、高耐久性を実現する。さらに、カーボン担体は電極触媒層内の体積を大きく占めているため、カーボンフリーとする

本グループは、有望シーズ展開プロジェクトにおいて、
原子配列規則（face centered tetragonal: fct）構造を持つ白金
合金ナノ粒子触媒の開発を行い、不規則配列（face centeredcubic: fcc）構造の触媒よりも高い ORR 活性と優れた負荷応答耐久性を示すことに成功している。5–9 そこで、本研
究では H29 年度に、従来の合成法を改良し、Pt–Fe ナノ粒
子連結触媒の規則度の制御を行った（図 2）。その結果、規則度を向上させることで、高い負荷応答耐久性を有する
Pt–Fe ナノ粒子連結触媒を初めて実現した。しかしながら、実用化に際しては、触媒の量産化は必須であり、量産プロ

ことで、燃料ガスの物質移動に対して有利な薄い触媒層を形成できる。

セスを可能とする簡易合成法が望まれる。そのため、本グループは新たに簡易な触媒合成法を提案し、その合成法の実証および合成条件の最適化を進めた。

図 2. Pt–Fe ナノ粒子連結触媒における格子構造の模式図: (a) Pt, Fe層が規則的に配列した規則配列（超格子）構造、(b) Pt, Fe がラン
図 1. (a) 白金ナノ粒子担持カーボンブラック（Pt/C）を用いた従ダムに配置している不規則配列構造

来の触媒層、(b) 多孔中空カプセル状の Pt–Fe ナノ粒子連結触媒を用いたカーボンフリー触媒層の模式図

199

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】高効率燃料電池開発

２.

実験、結果及び考察

２. 1.

高い原子配列規則度を有する Pt– Fe ナノ粒
子連結触媒の開発

２. 1. 1.

触媒合成法の比較

Pt–Fe ナノ粒子連結触媒はこれまで、図 3a に示す合成法（以下、合成法①）を用いて作製してきた。この方法では、
Pt–Fe ナノ粒子をシリカ粒子上に生成させ、高温・高圧下の超臨界処理により、ナノ粒子同士が連結したネットワー
ク構造を形成する。そして、アルカリ処理でシリカ粒子を除去することで中空カプセル構造を得る。この合成法①で得られた触媒は、高い ORR 活性と高い起動停止耐久性を示すものの、規則度が 40–50 %と低いため、負荷応答耐久性に課題があった。
そこで、H29 年度に新たに図 3b に示す合成法②を提案
し、規則度の向上を図った。合成法②は、合成法①の超臨界処理後に、ネットワーク同士の融着・凝集を抑えるために、表面をシリカで被覆し、高温で熱処理を施し、規則度を向上させる。最後に表面と内部のシリカをアルカリ処理

図 3. Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の合成法. (a) 合成法① ：超臨界処

で除去することで中空カプセル構造を得る。この合成法②を用いることで、ナノサイズのネットワーク構造を維持し理を用いる低規則度触媒の合成法、(b) 合成法② ：超臨界処理、つつ、約 80 %の高い規則度を達成した。規則度を向上させることで、負荷応答耐久性の高い Pt–Fe ナノ粒子連結触合成法③ ：超臨界処理を必要としない、シリカコートと熱処理

およびシリカコートと熱処理を用いる高規則度触媒の合成法、(c)を用いる高規則度触媒の簡易合成法

媒が初めて得られた。規則度の高い Pt–Fe ナノ粒子連結触媒は、燃料電池運転（起動停止・負荷応答運転）における

図 4 に各々の合成法で作製した Pt–Fe ナノ粒子連結触媒

触媒劣化の問題を解決する材料であり、高い触媒活性を有することから低白金化も可能である。

の XRD パターンを示す。800 °C の高温で熱処理を行った
合成法②、③において、L10 型 fct 規則構造に由来するピー

一方で、実用化を見据えた場合、触媒の量産化が可能な
簡易な合成プロセスが必要とされる。そこで、H30 年度でクの強度増加が確認された。fct と fcc を含む 40°付近の(111)面の基本ピークに対する 33°の fct 由来の (110)面のピは、図 3c に示す超臨界処理を必要としない、より簡易な合成法（以下、合成法③）の実証および合成条件の検討をークの比から規則度（ordering parameter）を算出したとこ
ろ、合成法①で作製した触媒の規則度は 44 %であった。

行った。本合成法では、Pt–Fe ナノ粒子をシリカ粒子上に生成させた後、超臨界処理を行わず、表面をシリカで被覆する。そして、大気圧下で熱処理を行う。この熱処理は、規則度を向上させると同時に、ナノ粒子が連結したネット

一方で、800 °C の熱処理を用いた合成法②、③の規則度は各々89 %、78 %であり、合成法①に比べて 2 倍程度高い規則度が得られた。

10)

ワーク構造を形成させる。図 3c の新規合成法は、従来法（図 3a, b）と比べ、超臨界処理を用いず簡易であるため、以下では、異なる合成法で作製した Pt–Fe ナノ粒子連結
触媒の構造、触媒活性・耐久性の比較を行い、新規合成法③の有用性を議論する。
ここでは、合成法①、②に用いる超臨界エタノール処理

Intensity (a.u.)

Intensity (a.u)

量産化に適した合成プロセスを構築できる。

は、330 °C、約 20 MPa で 160 分間行い、合成法②、③で用いる熱処理は、H2/N2 雰囲気下、800 °C、3 時間で行った。
触媒のシリカコートは、オルトケイ酸テトラエチルを用い、約 50 nm のシリカ層を触媒表面に形成させた。また、ア
ルカリ処理は、サンプルを 90 °C、3 M NaOH 水溶液中で 3時間撹拌した。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

10 20 30 40 50 60 70 80 90
2θ (degree)30

35 40 452θ (degree)

図 4. 異なる合成法で作製した Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の XRD パ
ターン. *L10 型 fct 規則構造由来のピーク

200

【研究開発部】高効率燃料電池開発

また、TEM 観察（図 5）から、いずれの合成法において高規則度の触媒に関しては、耐久性試験後も触媒内に Feも、ナノサイズのネットワークで形成された中空カプセル
構造が確認された。このことから、新規合成法③では、超の大部分が保持されており、高規則度による Fe の溶出抑制が高活性の維持につながったと示唆された。

臨界処理を用いずに熱処理のみで、ナノ粒子が連結したネットワーク構造を形成できることが示された。加えて、触3.5

ORR表面比活性 (mA cmPt-2)媒表面をシリカで固めることにより、800 °C の高温処理における触媒金属の凝集を抑制し、高表面積のナノサイズネ
ットワークを形成することが示唆された。

(a) 合成法①(b) 合成法②(c) 合成法③

3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

50 nm

50 nm

50 nm

初期
負荷応答一万サイクル後

市販Pt/C 合成法① 合成法② 合成法③
Low fct
High fct
High fct
(44%)
(89%)
(78%)

図 6. 異なる合成法で作製した Pt–Fe ナノ粒子連結触媒と市販 Pt/C
における初期と負荷応答一万サイクル後の ORR 表面比活性の比
較

20 nm

20 nm

20 nm

以上の結果から、本研究が提案した簡易合成法③（図3c）は、高表面積のナノサイズネットワークと高い原子配図 5. 異なる合成法で作製した Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の TEM 像

列規則度を有する Pt–Fe ナノ粒子連結触媒を作製でき、さらに、高い ORR 活性と負荷応答耐久性を両立する触媒であることが実証された。

続いて、合成した触媒に関して、酸電解液（0.1 M HClO4水溶液）中で電気化学測定を行い、ORR 活性を評価した。
その結果、簡易合成法③で作製した Pt–Fe ナノ粒子連結触２. １．２．簡易合成法における熱処理条件の検討

媒は、合成法①、②で作製した触媒と同程度の高い ORR
活性を示すことが確認された。この活性は、市販 Pt/C 触本研究は、2. 1. 1 において簡易合成法③の有用性を実証した。続いて、Pt–Fe ナノ粒子連結触媒のさらなる高性能化に向けて、合成法③における熱処理条件の検討を行った。

媒よりも 10 倍近い高い ORR 表面比活性である。このことから、カーボンフリーの Pt–Fe 合金ネットワーク構造は

ここでは、シリカコート後に異なる処理温度（300–800 °C、
H2/N2 雰囲気下、処理時間は 1 h で固定）で合成を行い、ORR 活性向上に強く寄与することが示唆された。
続いて、合成法（原子配列規則度）の異なる Pt–Fe ナノ

熱処理温度が触媒構造に与える影響を調査した。

粒子連結触媒の負荷応答耐久性を評価した。ここでは、金属の溶出を加速する負荷応答サイクル試験として、燃料電

図 7 に合成した Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の XRD パターンを示す。図 7 から、400 °C 以上の高温で処理した場合、池触媒における標準プロトコル（0.6 V で 3 秒間、1.0 V で3 秒間の保持を 1 サイクルとして、この電位サイクルを繰り返す試験）を用いた。10 負荷応答電位サイクルは、60 °C、
N2 雰囲気下 0.1 M HClO4 電解液で行った。
図 6 に初期と負荷応答一万サイクル後における ORR 表
面比活性を示す。比較として、市販 Pt/C の結果も示す。

規則配列 fct 構造に由来するピークが観察された。さらに、処理温度が増加するにつれて、規則度由来のピーク強度が増加した。図 8 に示す処理温度と規則度（orderingparameter）の関係性から、500 °C 以上の高温処理を施すことで、従来の合成法①よりも高い規則度（60–80 %）を達成することが確認された。

いずれの Pt–Fe ナノ粒子連結触媒は、Pt/C よりも非常に高い初期活性を示す。一方で、負荷応答試験後では、規則度

続いて、TEM 測定から、いずれの処理温度においても、ナノサイズのネットワークと均一なカプセル構造が観によって活性保持率の明確な違いが確認された。合成法①により作製した低規則度（fct = 44 %）触媒の活性保持率察された。図 9 にネットワーク部分を拡大した TEM 像を示す。300 °C の低温処理でもナノ粒子が連結した緻密なネは 39 %であり、初期活性の半分以下に大きく低下したのに対して、合成法②、③の高規則度触媒は活性保持率がットワークを形成することが確認された。また、熱処理温度を上げることでネットワークが太くなるものの、ナノサ

70–80 %であり、高い負荷応答耐久性を示した。
負荷応答一万サイクル後の触媒の STEM-EDX 線分析か
ら、規則度の低い触媒では Fe の残存量が少なく、負荷応
答サイクルによる Fe の顕著な溶出が確認された。一方で、

201

イズのネットワークを維持することを確認した。

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】高効率燃料電池開発

Intensity (a.u.)

*

(110)

の 10 倍近い高い ORR 表面比活性と、優れた負荷応答耐久性を有することを確認している。引き続き評価を進め、触媒構造と ORR 活性・耐久性の関係性を調査する。

３．まとめ及び今後の展望
本研究は、高い原子配列規則度を有する Pt–Fe ナノ粒子
連結触媒の量産化に向けて、従来の高温・高圧（超臨界）処理を用いない、熱処理のみの簡易な合成法を提案・実証
10

20

30

40

50

60

70

80

90 30

2θ (degree)3540

した。得られた触媒は、高い ORR 活性と高い負荷応答耐久性の両立を実現した。本触媒はカーボンフリーであり、

45

2θ (degree)

起動停止耐久性にも優れている。そのため、高い規則度を有する Pt–Fe ナノ粒子連結触媒は、燃料電池運転中におけ図 7. Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の XRD パターン：図 3c の簡易合成法で作製した触媒. 熱処理温度：(a) 300 °C, (b) 400 °C, (c) 500 °C,

る触媒劣化の問題を解決する材料であり、さらに高い触媒活性を有することから低白金化も可能である。

(d) 600 °C, (e) 700 °C, (f) 800 °C. *L10 型 fct 規則構造由来のピーク

今後、合成条件の最適化を引き続き行い、量産体制の整

fct規則度 (%)

10080

備を進めていく。さらに、合金金属種、金属組成の異なる
白金合金ナノ粒子連結触媒の開発も進めており、触媒構造

60と活性・耐久性の関係性を明らかにすることで、触媒のさらなる高性能化を図る。また、開発した触媒は外部企業での評価を行い、実用化への課題の抽出、更なる高性能触媒の設計・開発にも取り組む。今後も、本グループが開発し40た白金合金ナノ粒子連結触媒の実用化に向けた取り組み
を精力的に進めていく。

20
0

400

500 600 700
熱処理温度 (oC)800

図 8. 簡易合成法③における熱処理温度が Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の fct 規則度に与える影響(a) 300 °C(c) 500 °C(b) 400 °C(d) 600 °C(f) 800 °C(e) 700 °C

20 nm

20 nm

20 nm

20 nm

20 nm

20 nm

図 9. 簡易合成法③を用いて異なる熱処理温度（300–800 °C）で合成した Pt–Fe ナノ粒子連結触媒の TEM 像

現在、作製した触媒の酸電解液（0.1 M HClO4 水溶液）
中での ORR 活性・耐久性評価を進めており、高温処理を施した高い規則度の Pt–Fe ナノ粒子連結触媒は、市販 Pt/C

KISTEC研究報告2019（2019.7）

202【研究開発部】高効率燃料電池開発【参考文献】
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203

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】高効率燃料電池開発

酸高密度型細孔フィリング薄膜
および高温低湿度対応膜電極接合体の開発

大柴

1.

雄平、小坂 恵夢、戸松

仁、山口

猛央

も優れたプロトン伝導性（図 1c）を示す。このように、多孔質基材の微小な細孔空間内へ電解質ポリマーを充填はじめに近年注目を集める燃料電池は、高効率・低環境負荷型のする細孔フィリング法は、酸高密度構造の構築や膨潤抑制の観点から非常に有用なアプローチである。6–8

次世代発電システムとして非常に期待されている分野である。とりわけ、固体高分子形燃料電池（Polymer electrolyte
fuel cell: PEFC）は、他の燃料電池システムと比較しても、出力密度が高いことや室温付近での発電が可能であることから、定置用・移動用などの電源として、活発に研究開発が進められている。その中で PEFC 用の電解質材料（電解質膜、触媒層アイオノマー）は、発電性能や発電環境を左右する重要な中枢部材の一つである。広い湿度および温度範囲で高いプロトン伝導性を発現する電解質材料の開発が、この分野のブレイクスルーに必要不可欠である。
従来の電解質材料では、水を介したプロトン伝導が主であるため、水の少ない低湿度環境では著しくプロトン伝導性が低下する。この問題に対して、本グループは、スルホン酸基が高密度に密集した構造（酸高密度構造）を持つ電解質材料において、低湿度環境でもプロトンを高速に伝導する現象（Packed acid mechanism）を実験と量子化学計算の双方から明らかにしてきた。 1–4 この現象は、酸高密度構造により、プロトン移動と再配向がそれぞれ起こりやす
い距離が形成され、水が大きく運動しなくても、プロトンが連続的に移動し得る。

図 1. (a) ポリエチレン多孔質基材に高 IEC の PFSA ポリマーを充この研究成果を活かし、本グループでは、図 1a に示す

填した高 IEC 細孔フィリング薄膜の模式図. 市販の低 IEC ナフィ

酸高密度構造を持つ高 IEC（Ion exchange capacity: IEC）細孔フィリング薄膜を開発し、高温低湿度環境で高いプロト

オン膜、高 IEC キャスト膜、高 IEC 細孔フィリング薄膜の (b) 湿
潤時の面積変化率と (c) プロトン伝導性の湿度依存性

ン伝導性を示すことに成功した。この膜は、高い機械強度を有する超高分子量ポリエチレン多孔質基材細孔内に、高そこで、H30 年度では、高 IEC 細孔フィリング薄膜の構造制御およびプロトン伝導チャネル構造の解析を進めた。

いスルホン酸基密度（高 IEC）のパーフルオロスルホン酸（polyperfluorosulfonic acid: PFSA）ポリマーを充填した膜

高温低湿度環境下での高速プロトン伝導に必要な構造因子を明確にすることで、膜のさらなる高性能化へフィード

厚 7 µm の非常に薄い電解質膜である。図 1b, c に示すように、市販の低 IEC キャスト膜（Nafion 211）では、低湿度

バックできる。
さらに、本グループは、高 IEC 細孔フィリング薄膜を組下で低いプロトン伝導性を示す。一方で、高 IEC キャスト
膜の場合、低湿度で高いプロトン伝導性を示すものの、水み 込 ん だ 膜 電 極 接 合 体 （ Membrane–electrode assembly:
MEA）を開発し、従来の MEA では実現できなかった高温に対して極度に膨潤するため、燃料電池への応用が困難である。本グループの細孔フィリング薄膜は、機械強度の高低湿運転での高い発電性能を達成している。5 そこで、高IEC 細孔フィリング薄膜の実用化を見据えて、高温低湿度

い基材で電解質ポリマーの膨潤を抑えるため、湿潤時でもほぼ膨潤しない（面積変化率が小さい, 図 1b）。さらに、（110℃、30% RH）での燃料電池運転における耐久性を評価した。

高いスルホン酸基酸密を有するため、高温低湿度において

KISTEC研究報告2019（2019.7）

204【研究開発部】高効率燃料電池開発

２．

実験、結果及び考察
続いて、水/エタノール混合溶媒を用いて、PFSA ポリマ
ーを充填する際の乾燥温度（20, 60, 100 °C）を変化させて２．１．酸高密度型細孔フィリング薄膜の開発
高 IEC 細孔フィリング薄膜の作製は、高 IEC の PFSA ポ
リマーの溶液を膜厚 6 µm のポリエチレン多孔質基材上に高 IEC 細孔フィリング薄膜を作製した。その結果、図 3に示すように、より低温の乾燥温度でポリマーを充填させ滴下し、徐々に乾燥させることで、細孔内部までポリマーを充填させる。そこで、本研究は、PFSA ポリマーを多孔た細孔フィリング薄膜が高いプロトン伝導性を示した。このことから、高温での急速な乾燥では細孔内でプロトン伝質基材に充填する条件を検討し、膜作製条件がプロトン伝導性に与える影響を調査した。

導パスが十分に形成されず、低温で緩やかに乾燥させると連続的なプロトン伝導パスが発達しやすい可能性が示唆

まず、異なる溶媒に溶解させた高 IEC の PFSA ポリマー溶液を用い、細孔フィリング薄膜の作製を行った。ここでされた。

は、溶媒として、水/エタノール混合溶媒（H2O:EtOH = 2/1
重量比）とジチルホルムアミド（DMF）を用い、20 °C で

1
-1

プロトン伝導性 (S cm )

乾燥させ、PFSA ポリマーを多孔質基材細孔内に充填させた。図 2a に異なる溶媒で作製した高 IEC 細孔フィリング
薄膜のプロトン伝導性を示す。興味深いことに、同じ材料を用いたにも関わらず、充填溶媒の違いによって、異なる
プロトン伝導性が示し、水/エタノール混合溶媒を用いた膜が高い伝導性を示した。特に、低湿度での伝導性の差が顕著である。図 2b に示すように、40% RH の低湿度において、DMF 溶媒よりも水/エタノール混合溶媒を用いた方

0.1

0.01

0.001
20

がプロトン伝導における活性化エネルギーは低い値を示した。すなわち、水/エタノール混合溶媒を用いた細孔フ

20 ℃
60 ℃
100 ℃

40

60
80
相対湿度 (%)

100

図 3. 異なる乾燥温度（20, 60, 100 °C）で作製した高 IEC 細孔フィリング薄膜は低湿度で、よりプロトンを伝導しやすいことが示唆された。既往の文献において、PFSA ポリマーは

ィリング薄膜のプロトン伝導性

溶媒中で異なるモルフォロジー（シリンダー型、凝集型など）を取ることが報告されている。9 このことから、充填以上の結果から、高 IEC 細孔フィリング薄膜のプロトン伝導性は、同じ材料を用いたとしても、その作製条件に大する際の溶媒は、細孔内のポリマー構造（酸高密度構造）、
延いてはプロトン伝導性に強く影響を及ぼすと推測されきく影響されることを見出した。プロトン伝導性の違いは細孔内部のプロトン伝導チャネル構造（酸高密度構造）がた。

異なるためと考えられる。そこで、本研究では、日産アークと共同で、高 IEC 細孔フィリング薄膜の詳細な構造解析を進めている。細孔内のプロトン伝導チャネル構造とプロトン伝導性の関係性を明らかにすることで、細孔フィリン-1

プロトン伝導性 (S cm-1)10.1

グ薄膜のさらなる高性能化にフィードバックさせる。

0.01

２．２．酸高密度型細孔フィリング薄膜を用いた MEAの耐久性評価H2O/EtOH

DMF

0.001
20

40

60
80
相対湿度 (%)

本研究では、高 IEC 細孔フィリング薄膜（膜厚 7 μm）

100を用いた MEA において高温低湿度運転での高い発電性能を実証してきた。図 4a にセル温度 80℃、アノードに H2、活性化エネルギー (kJ mol-1)

2520

ガス入口湿度を低湿度の 20% RH
カソードに O2 を供給し、で運転を行った発電性能（IV カーブ）を示す。比較とし

H2O/EtOH
DMFて、低 IEC の市販ナフィオン膜（Nafion 211、膜厚 25 μm）を用た結果も示す。図 4a に示すように、高 IEC 細孔フィ1510

リング薄膜を用いた MEA は、ナフィオン膜よりも高温低湿度環境で高い電池性能を発現する。電流遮断法から求め50た膜 IR 損（図 4b）を比較すると、高 IEC 細孔フィリング
薄膜を用いた MEA では、ナフィオン膜の MEA よりも顕90% RH
40% RH相対湿度

著に IR 損が小さいことが確認された。さらに、ナフィオン膜の場合、電流密度に対して、線形に IR 損が増加する

図2. 異なる溶媒（H2O/EtOHまたはDMF）を用いて作製した高IEC細孔フィリング薄のに対して、細孔フィリング薄膜の場合は、電流密度が高膜の(a) プロトン伝導性と(b) 活性化エネルギー

205

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】高効率燃料電池開発

くなると IR 損の増加が小さくなる傾向が観察された。
1.0

そこで、本研究は、MEA 内部の水移動に着目して、IR

0.8開回路電圧 (V)損低減の要因を調査した。高温低湿度で電流を印加し、ア
ノードおよびカソード出口の湿度を精密露点計で評価したところ、細孔フィリング薄膜を用いた MEA では、アノードとカソードの湿度は同程度であり、MEA 全体でバランスのとれた湿度であることが確認された。一方で、膜厚の厚いナフィオン膜においては、アノード側で低い湿度を

0.6
0.4

0.0

高い水透過度を示す。つまり、細孔フィリング薄膜を用いた MEA では、カソードでの生成水によって、MEA 全体

60における高温低湿度運転での高い発電性能は、薄膜化による水透過の促進が要因の一つであることが明らかとなった。
0.3
Pore-filling
Nafion 211

0.8
0.6
0.4

0.2

20 30 40
保持時間 (h)

50

60

50

60

Pore-filling
Nafion 211

30
20
10
0

10

20 30 40
保持時間 (h)図 5. (●) 高 IEC 細孔フィリング薄膜および（■）市販ナフィオン膜を用いた MEA の 110 °C, 30% RH における開回路電圧（OCV）

0.1

保持試験. (a) OCV と (b) 水素クロスオーバー電流密度の時間変

0.2
0.0
0.0

10

40

0

Pore-filling
Nafion 211

IR損 (V)

セル電圧 (V)

1.0

0

50
-2

で高い湿度を維持し、膜 IR 損の低減につながったと示唆された。このことから、細孔フィリング薄膜を用いた MEA(mA cm )水素クロスオーバー電流密度示した。カソード側では反応により水が生成する。細孔フィリング薄膜の場合、ナフィオン膜よりも薄膜であるため、

1.2

Pore-filling
Nafion 211

0.2

化
0.5
1.0
1.5
-2
電流密度 (A cm )

2.0

0
0.0

0.5
1.0
1.5
-2
電流密度 (A cm )2.0

Pore-filling, anodePore-filling, cathode
Nafion 211, anode
Nafion 211, cathode

図 4. (●) 高 IEC 細孔フィリング薄膜および（■）低 IEC 市販ナフ
フッ化物イオン排出速度 (mg h-1 m-2)

ィオン膜（Nafion 211）を用いた MEA の高温低湿度（80 °C, 20%
RH）運転における (a) 燃料電池発電性能と (b) 膜 IR 損

続いて、本研究では、実用化を見据えて、高温低湿度運
転における高 IEC 細孔フィリング薄膜の耐久性を評価した。ここでは、膜の化学的耐久性を評価する加速試験として、開回路電圧（Open circuit voltage: OCV）保持試験を
110 °C、30% RH の条件で行った。図 5a に示すように、細孔フィリング薄膜（膜厚 9 µm）は、市販ナフィオン膜（膜
厚 25 µm）よりも薄膜であるにも関わらず、同程度の OCV保持性能を示した。また、膜を介してアノードからカソー

100
80
60
40
20
0

0

10

20 30 40
保持時間 (h)5060

ドに透過する水素クロスオーバー量（水素クロスオーバー電流密度）においても、同程度の保持時間でクロスオーバ

図 6. (●) 高 IEC 細孔フィリング薄膜および（■）市販ナフィオン

ー量の増加が確認された（図 5b）。
さらに、アノード、カソード出口側の排出水に含まれる度の時間変化膜を用いた MEA の OCV 保持試験におけるフッ化物イオン排出速

フッ化物イオンの量から膜劣化を評価した。図 6 に示すよ
うに、ナフィオン膜を用いた MEA では高いフッ化物イオ

以上の結果から、高 IEC 細孔フィリング薄膜は、市販ナン排出速度を示しており、膜の著しい化学的劣化が示唆された。一方で、細孔フィリング薄膜では、非常に低いフッフィオン膜よりも薄いにも関わらず、同程度の OCV 保持性能を示し、化学的耐久性の高い膜であることが実証され化物イオン排出速度を示した。OCV 保持試験後の膜厚変化を評価したところ、ナフィオン膜は初期の約 1/5 程度また。

で膜厚が大きく減少していたのに対して、細孔フィリング
薄膜の膜厚はあまり変化していなかった。

３．

KISTEC研究報告2019（2019.7）

まとめ及び今後の展望

本研究は、高 IEC の PFSA ポリマーを膜厚 6 µm のポリ

206

【研究開発部】高効率燃料電池開発

エチレン多孔質基材に充填した高 IEC 細孔フィリング薄【参考文献】

膜において、その作製条件（充填時の溶媒や乾燥温度）がプロトン伝導性に大きく影響することを見出した。現在、

1.

G. M. Anilkumar, S. Nakazawa, T. Okubo, and T.
Yamaguchi, “Proton conducting phosphated zirconia-sulfonated polyether sulfone nanohybrid electrolyte forlow humidity, wide temperature PEMFC operation”,

その要因を明らかにするために、細孔内部のプロトン伝導
チャネル構造（酸高密度構造）の解析を進めている。
さらに、高 IEC 細孔フィリング薄膜を組み込んだ MEAに関して、水移動に着目した調査を行い、薄膜化による高2.

Electrochem. Commun., 8, 133–136, 2006.
T. Ogawa, T. Aonuma, T. Tamaki, H. Ohashi, H.

い水透過度が MEA 全体での適切な湿度管理を実現し、高温低湿度運転での高い発電性能につながったことを明ら

Ushiyama, K. Yamashita, and T. Yamaguchi, “The proton
conduction mechanism in a material consisting of packed

かにした。
加えて、
細孔フィリング薄膜を用いた MEA は、
市販のナフィオン膜よりも薄いにも関わらず、同程度のacids”, Chem. Sci., 5, 4878–4887, 2014.
T. Ogawa, K. Kamiguchi, T. Tamaki, H. Imai and T.

3.

OCV 保持性能を有する化学的耐久性に優れた膜であることを実証した。

Yamaguchi,“Differentiating
Grotthuss
ProtonConduction Mechanisms by Nuclear Magnetic Resonance

このように、高 IEC 細孔フィリング薄膜は、高温低湿度

Spectroscopic Analysis of Frozen Samples”, Anal. Chem.,
86 (19), 9362–9366, 2014.
4.

での高い発電性能と高い化学的耐久性を両立する膜材料である。開発した高 IEC 細孔フィリング薄膜は外部企業で

T. Ogawa, T. Tamaki, and T. Yamaguchi, “Proton
Conductivity of Organic–Inorganic Electrolyte for
Polymer Electrolyte Fuel Cell”, Chem. Lett., 46, 204–206,
2017.

の評価を進めており、得られた結果から実用化に対する課
題を抽出する。膜材料のさらなる高耐久化や MEA の最適5.

化など、今後も細孔フィリング薄膜の実用化に向けた取り組みを積極的に推進していく。

Y. Oshiba, J. Tomatsu, and T. Yamaguchi, “Thinpore-filling membrane with highly packed-acid structure
for high temperature and low humidity operating polymer
electrolyte fuel cells”, J. Power Sources, 394, 67–73,

6.

2018.
T. Yamaguchi, F. Miyata, and S. Nakao, “Polymer
electrolyte membranes with pore-filling structure for a
direct methanol fuel cell”, Adv. Mater., 15, 1198–1201,

7.

2003.
T. Yamaguchi, Z. Hua, T. Nakazawa, and N. Hara, “AnExtremely Low Methanol Crossover and Highly Durable
Aromatic Pore-Filling Electrolyte Membrane for Direct

8.

Methanol Fuel Cells”, Adv. Mater., 19, 592–596, 2007.
N. Hara, H. Ohashi, T. Ito, and T. Yamaguchi, “Rapid
proton conduction through unfreezable and bound waterin a wholly aromatic pore-filling electrolyte membrane”,

9.

J. Phys. Chem. B, 113, 4656–4663, 2009.
C. Ma, T. Yu, H. Lin, Y. Huang, Y. Chen, U. Jeng, Y. Lai,and Y. Sun, “Morphology and properties of Nafion
membranes prepared by solution casting”, Polymer, 50,
1764–1777, 2009.

207

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】高効率燃料電池開発

業績【原著論文】The 6th International Conference on the Characterization

1. Takanori Tamaki, Akari Koshiishi, Yuuki Sugawara, Hidenori
Kuroki, Yuhei Oshiba, and Takeo Yamaguchi

and Control of Interfaces for High Quality Advanced
Materials (ICCCI 2018), Kurashiki, Japan, July (2018).

“Evaluationof PerformanceandDurability
ofPlatinum−Iron−Copper with L10 Ordered Face-Centered

4.

Takanori Tamaki

Tetragonal Structure as Cathode Catalysts in Polymer
Electrolyte Fuel Cells”“Systematic material design for catalysts in electrodes ofpolymer electrolyte fuel cells and solid alkaline fuel cells”

Journal of Applied Electrochemistry, 48(7), 773–782 (2018).

The 12th International Conference on Ceramic Materials
and Components for Energy and Environmental

2. Yuhei Oshiba, Jin Tomatsu, and Takeo Yamaguchi“Thin Pore-Filling Membrane with Highly Packed Acid

Applications (CMCEE 2018), Suntec, Singapore, July
(2018).

Structure for High Temperature and Low Humidity
Operating Polymer Electrolyte Fuel Cells”

・国内学会

Journal of Power Sources, 394, 67–73 (2018).

5.

山口猛央
「水素社会の必要性と水素・燃料電池技術の革新」

第 67 回高分子討論会、北海道、2018 年 9 月

3. Shuntaro Amari, Shinji Ando, Shoji Miyanishi, and Takeo
Yamaguchi
6.

“Effects of a Sulfonated Benzothiadiazole Unit on theMorphology and Physical Properties of a Polymer
Electrolyte Membrane”
Industrial & Engineering Chemistry Research, 57(47),

大柴雄平、戸松仁、山口猛央「次世代固体高分子形燃料電池用細孔フィリング電解質薄膜の開発」
分離技術会年会 2018、千葉、2018 年 5 月

16095–16102 (2018).
7.

山口猛央、黒木秀記、大柴雄平、宮西将史、田巻孝敬【総説】「燃料電池および水電解の材料システム設計」

1. 黒木秀記、山口猛央

第 28 回日本 MRS 年次大会、福岡、2018 年 12 月

「自然エネルギーを利用する水素社会と燃料電池触媒技術の進展」

8.

粉体工学会誌、56 巻、1 号、p.100–108 (2019).

田巻孝敬「燃料電池・水電解の電極触媒における材料機能シス
テム設計」

化学工学会反応工学部会若手会第 18 回反好会講演会、東京、2019 年 3 月【口頭発表】【招待・依頼講演】（一般講演）

・国際学会
1.

2.

Takeo Yamaguchi“Systematic Material Design for Fuel Cells and Liquid

・国際学会
9. Hidenori Kuroki, Takanori Tamaki, Masashi Matsumoto,

Energy Carrier Systems”
16th International Symposium on Polymer Electrolytes

Masazumi Arao, Yohei Takahashi, Hideto Imai, Yoshitaka
Kitamoto, and Takeo Yamaguchi(ISPE-16), Yokohama, Japan, June 28th (2018).

“Carbon-Free Connected Nanoparticle Catalyst forEnhanced Oxygen Reduction Activity and Durability in

Takeo Yamaguchi“Systematic Membrane

Designfor

Fuel

Polymer Electrolyte Fuel Cells”
Grand Renewable Energy 2018, Yokohama, Japan, June

Cells,

Bio-inspired Materials and Desalination Process”
The 11th conference of the Aseanian Membrane Society

20th (2018).

(AMS11), Brisbane, Australia, July 6th (2018).
3.

10. Yuhei Oshiba, Jin Tomatsu, and Takeo Yamaguchi“Thin Pore-filling Membrane with High-density Structure

Takeo Yamaguchi“Hydrogen Economy and Systematic Material Design forof Sulfonic Acid Groups for Next-generation PEFCs”
Grand Renewable Energy 2018, Yokohama, Japan, June

Fuel Cells”

20th (2018).

KISTEC研究報告2019（2019.7）

208【研究開発部】高効率燃料電池開発

化学工学会第 50 回秋季大会、鹿児島大学郡元キャン

パス、鹿児島、2018 年 9 月 20 日

11. Yoshiyuki Sugita, Takanori Tamaki, Hidenori Kuroki, andTakeo Yamaguchi

19. 黒木秀記、藤田遼介、田巻孝敬、山口猛央「高い原子配列規則度を有する PEFC 用 Pt-Fe ナノ粒“Carbon-Free Connected Ru, Ir Based Nanoparticle
Catalysts for Polymer-Electrolyte Water Electrolysis”

子連結触媒の開発」
化学工学会第 50 回秋季大会、鹿児島大学郡元キャン

AiMES 2018/234th ECS meeting, Cancun, Mexico, October
2nd (2018).

パス、鹿児島、2018 年 9 月 18 日

12. Hidenori Kuroki, Shoji Miyanishi, Ayaka Sakakibara,

20. 石川脩介、黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央「Pt-Fe ナノ粒子連結触媒を用いた PEFC カソード内

Takanori Tamaki, Sankar Sasidharan, Gopinathan M.
Anilkumar, and Takeo Yamaguchiの水移動特性向上へ向けた電極構造制御」
化学工学会第 84 年会、芝浦工業大学豊洲キャンパス、“Highly-Durable Membrane Electrode Assembly for
Direct Formate Solid Alkaline Fuel Cells”

東京、2019 年 3 月 13 日

AiMES 2018/234th ECS meeting, Cancun, Mexico, October
3rd (2018).

21. 小坂恵夢、大柴雄平、山口猛央「PEFC 用高スルホン酸基密度アイオノマー充填細孔

13. Takeo Yamaguchi, Shoji Miyanishi, Ayaka Sakakibara,

フィリング電解質薄膜の燃料電池特性評価」
化学工学会第 84 年会、芝浦工業大学豊洲キャンパス、

Takanori Tamaki, Sankar Sasidharan, and Gopinathan M.
Anilkumar

東京、2019 年 3 月 13 日

“Highly Durable Direct Formate Solid Alkaline Fuel Cells
Using New Aromatic Anion Exchange Polymer and22. 大野和希、黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央「水素酸化・発生用 Ru・Pt 系ナノ粒子連結触媒の開Carbon Free Electro-Catalysts”
2018 AIChE Annual Meeting, Pittsburgh, PA, USA,発」

October 28th (2018).

化学工学会第 84 年会、芝浦工業大学豊洲キャンパス、
東京、2019 年 3 月 14 日

・国内学会
14. 杉田佳之、田巻孝敬、黒木秀記、山口猛央「固体高分子形水電解用 Ir 系ナノ粒子連結触媒の開
発」

【特許】

ャンパス、千葉、2018 年 5 月 26 日

(2) 国外特許出願 1 件

分離技術会年会 2018、日本大学生産工学部津田沼キ(1) 国内特許出願 1 件

15. 石川脩介、黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央「水移動に着目した Pt-Fe ナノ粒子連結触媒の PEFC
カソード電極における構造制御」

化学工学会第 50 回秋季大会、鹿児島大学郡元キャン
パス、鹿児島、2018 年 9 月 18 日
16. 小坂恵夢、大柴雄平、山口猛央「PEFC 用低 EW 充填細孔フィリング電解質薄膜の特性評価」

化学工学会第 50 回秋季大会、鹿児島大学郡元キャン

パス、鹿児島、2018 年 9 月 18 日

17. 大野和希、黒木秀記、田巻孝敬、山口猛央「水素酸化・発生反応用 Ru ナノ粒子連結触媒の開発
および構造制御」

化学工学会第 50 回秋季大会、鹿児島大学郡元キャン

パス、鹿児島、2018 年 9 月 19 日

18. 杉田佳之、田巻孝敬、黒木秀記、山口猛央「固体高分子形水電解用 Ir ナノ粒子連結触媒の開発」

209

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業「貼るだけ人工膵臓」の開発
研究代表者：東京医科歯科大学

松元亮【基本構想】
我々は、生体由来材料や機械（エレクトロニクス）を一切用いない水溶性高分子ゲルによる自律型のイ
ンスリン供給機構を実証している。グルコースと可逆的に結合するボロン酸をある種の高分子ゲルネット
ワーク中に適当な割合で共有結合的に導入すると、グルコース濃度に応答した解離平衡シフトに伴うイオ
ン浸透圧変化によるゲルの含水率変化が誘起される。これと同期してゲル表面に生成する「スキン層」と呼ばれる薄い脱水収縮層が、血糖値に応じたインスリン放出の制御機構として作用する。非天然分子であるが故の免疫毒性の回避、安定性（環境耐性、長期保存、滅菌処理耐性など）に加え、スキン層による拡散制御方式の特徴として、早い応答性（低血糖を避け正確な血糖値コントロールに有利）、表面局在性（ゲルの形状や大きさに依存しない投与量設定が可能）、静注針や埋め込みデバイスなどの既存技術との親和性が挙げられる。本研究では、 マイクロニードル等の低侵襲皮下導入技術と融合し、丈夫で廉価、患者の使用負担を格段に軽減する「次世代型の人工膵臓」いわば「貼るだけ人工膵臓」の開発を目指す。今日、糖尿病
は地球規模での健康に対する大きな脅威と認識されている。今後は先進国のみならず、中国、インド、アフリカ地域における患者数の爆発的増加が確実視されている。１型糖尿病患者を対象とするインスリンポ
ンプの世界市場規模は、2010 年時点では 7.2 億ドルであり、2017 年には 12 億ドルに達する見込みである。
２型糖尿病まで含めると 2030 年には 4900 億ドル（50 兆円）まで拡大すると推定される（BCC・リサーチ、
2010 年）グローバルな巨大市場である。
「貼るだけ人工膵臓」では、「アジア型」と呼ばれ日本人高齢者に多い２型糖尿病患者を当初のターゲットとしつつ、徐々に対象患者を拡大し、インスリン療法を必要とす
る全ての糖尿病患者を対象に獲得市場を拡大（1 兆円規模）していくことを想定している。

１．

研究目的

プロジェクト２年目となる 2018 年度は、以下の各項目を(1) 温度耐性の改善と安全性評価

重点項目として実施した。

(2) インスリン供給の持続性の評価(3) In vivo でのデバイス応答性の評価

Fig. 1. 開発中の「貼るだけ人工膵臓」.

2．

研究成果

(1) 温度耐性の改善と安全性評価
N-イソプロピルアクリルアミド(NIPAAm)は温度応答性を示すことから、異なる温度およびグルコース濃度でのハらの温度においてハイドロゲルは膨潤および収縮しない
ことが示唆された。また、これらのハイドロゲルは水和状

イドロゲルの膨潤特性を評価することは重要である。
NIPAAm / FPBA ハイドロゲル(Fig. 2A)と SF を混合した態の変化によりグルコース濃度に応答したインスリン放出挙動を示したが、これは、ハイドロゲル内部にインスリ

IPN ハイドロゲル(Fig. 2B)の相図より、体温(37˚C)および表皮温度(32˚C)での体積変化が見られないことから、これ

ンの拡散制御に適したサイズのメッシュ構造が形成されたためだと考えられる。さらに、アニオン性のインスリン211

KISTEC研究報告2019（2019.7）

ゲル(Fig. 3A)よりも、メタノール処理後の SF 混合 IPN ハ
イドロゲルは、ポリマー中への SF の拡散およびメタノー
ル処理による SF 間架橋により、大きな孔径および粗い表面構造を示した(Fig. 3B)。
SF 混合 IPN ハイドロゲルの細胞毒性を、ヒトすい腺がん細胞（MIA PaCa-1 細胞）を用いて評価した。培養細胞へのハイドロゲル抽出物添加 24 時間後も、MIA PaCa-1 細胞に対する毒性がほとんど観察されなかったことから、得られたハイドロゲルは SF と同程度の生体適合性を有する
ことが示唆された(Fig. 4)。
(2) インスリン供給の持続性の評価
マイクロニードルのインスリン供給の持続性をインス
リン放出試験により評価した。インスリンリザーバー(100μL)をマイクロニードルの表面に取り付け、インスリン放出を評価したところ、インスリンの放出がグルコース濃度
パターンにより持続的に制御されることが確認された(Fig. 5A)。ここで、グルコース濃度とインスリン放出のパターンが一致しており、その差は 10 秒程度であった。リ
ザーバー内のインスリン量の減少のため、１週間後にインスリン放出量の減少が確認されたが、インスリンをリザー

Fig. 2. メタノール処理後の(A) NIPAAm/FPBA ハイドロゲル(1M, 架橋率: 2%)および(B)SF 混合 IPN ハイドロゲル(1M, 架
橋率: 2%)の様々なグルコース濃度における相図.

バー内に補充することによりインスリン放出が確認された(Fig. 5B)。さらに、インスリンを補充したマイクロニー
ドルから、インスリン放出が 1 週間確認され、マイクロニードルからのインスリン放出の持続性がリザーバ内のイ
ンスリン量に依存することが示唆された。
(3) In vivo でのデバイス応答性の評価
糖負荷試験(GTT)により in vivo でのグルコース応答性
およびインスリン放出を評価した。マウス皮膚に処置した
マイクロニードルは、マウスの動きによってはがれること

Fig. 3. メタノール処理後に再水和した(A)NIPAAm/FPBA ハイド
ロゲルおよび(B)SF 混合 IPN ハイドロゲルの走査型電子顕微鏡像(スケールバー: 20 μm).

が懸念されるため、アロンアルファを用いて処置した。また、インスリン内包によるマイクロニードルの強度の低下と負電荷を有するボロン酸-グルコース複合体との間の静を抑えるために、マイクロニードル処置後にインスリンをリザーバに注入した。PBS 内包マイクロニードルを処置し電反発によりインスリン放出が促進されると考えられ、これまでの研究においても同様の現象が確認されている。

たマウスの血糖値は、グルコース投与後 30 分間増加したが、インスリン内包マイクロニードルを処置したマウスのNIPAAm / FPBA ハイドロゲルよりも、メタノール処理した SF 混合 IPN ハイドロゲルは小さな体積変化を示した

血糖値の上昇は、血中に放出されたインスリンにより大きく緩和された。これら２つの群の差は、グルコース投与 60が、グルコース応答性は同程度であったことから、SF 混
合 IPN ハイドロゲルの架橋後もゲル内部がグルコースに分後にさらに顕著となり、インスリン群では 90 分後には血糖値が正常値となったが、PBS 群では高血糖(約 250 mg

応答して水和することを示唆している。このような特性は、グルコース応答性官能基を有する一方で、ハイドロゲルの/ dL)となった。このことから、マイクロニードルデバイスのグルコース応答性が示唆された。

膨潤の靭性への影響を減少させるため、デバイス設計において非常に重要であると考えられる。
水和後のハイドロゲルの内部構造を Fig. 3 に示す。両方のハイドロゲルは、メタノール−水混合溶媒においてアクリルアミド誘導体の重合中に発生するミクロ相分離のために、多孔質およびそれらが相互連結した形態を示した。
このような相互連結した多孔質構造は、ゲル内部でのイン
スリンおよびグルコースの拡散を促進するため、薬物送達においては非常に重要である。NIPAAm / FPBA ハイドロ

Fig. 4. ハイドロゲル抽出物添加 24 時間後の MIA PaCa-1 細胞
の生存率.

212

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

Fig. 5. (A) FITC 修飾インスリン内包マイクロニードルを用いたインスリン放出試験. (B) マイクロニードルへの FITC 修飾インスリン補充後のインスリン放出挙動。グルコース添加 200 時間後にインスリンをリザーバーに再注入し、マイクロニードルデバイスの持続性を評価した213

KISTEC研究報告2019（2019.7）

業績
2018.08; 67 年会 87.

【原著論文】
1. Taiki Miyazawa, Akira Matsumoto, Yuji Miyahara,
Determination of cellular vitamin C dynamics by HPLC-DAD,
Analyst, 2019, 144, 3483-3487.

4. 桑田 博仁, 田中 都, 越智 梢, 松本 裕子, 後藤 沙也
香, 白川 伊吹, 宮原 裕二, 石井 均, 小川 佳宏, 松元 亮,
菅波 孝祥. エレクトロニクスフリーな人工膵臓様デバイスによる新規糖尿病治療戦略の開発 糖尿病. 2018.04; 61(Suppl.1): S-134.

2. Siyuan Chen, Yuki Morooka, Miyako Tanaka, Yuji Miyahara,
Takayoshi Suganami, Arika Matsumoto*, Microneedle-Array
Patch Fabricated with Enzyme-Free Polymeric Components
Capable of On-Demend Insulin Delivery, Adv. Funct. Mater.
2019, 29(7), 1807369.

5. 田中 都, 桑田 博仁, 越智 梢, 松本 裕子, 後藤 沙也
香, 白川 伊吹, 宮原 裕二, 石井 均, 小川 佳宏, 松元 亮,
菅波 孝祥. グルコース応答性スマートゲルを用いた新規インスリンデバイスの開発 日本内分泌学会雑誌. 2018.04;
94 (1): 324.

3. Toshihiro Yoshizumi, Tatsuro Goda, Rui Yatabe, Akio Oki,
Akira Matsumoto, Hiroaki Oka, Takashi Washio, Kiyoshi Toko,
Yuji Miyahara, Field-effect Transistor Array Modified by aStationary Phase to Generate Informative Signal Patterns for
Machine Learning-assisted Recognition of Gas-phase
Chemicals, Mol. Syst. Des. Eng. 2019, 4, 386-389.

6. 内藤 瑞, 吉永 直人, 石井 武彦, 宮田 完二郎, 松元亮, 宮原 裕二, 片岡 一則. ATP 応答性高分子ミセルによる細胞質内への siRNA 送達技術の開発 生体医歯工学共同研究拠点成果報告書. 2018.04; 平成 29 年度 52.

4. Hiroaki Hatano, Tatsuro Goda, Akira Matsumoto, Yuji
Miyahara, Induced Proton Perturbation for Sensitive andSelective Detection of Tight Junction Breakdown, Anal. Chem.
2019, 91(5), 3525-3532.

7. Ratanaporncharoen Chindanai, Tabata Miyuki, Goda Tatsuro,
Matsumoto Akira, Miyahara Yuji, Ishihara Noboru, Masu
Kazuya, Sriyudthsak Mana. Ir/IrOx ワイヤレス pH センサーを用いた齲食部位の pH マッピング 生体医歯工学共同研
究拠点成果報告書. 2018.04; 平成 29 年度 171.

5. Chindanai Ratanaporncharoen, Miyuki Tabata, Natthapol
Watanagool, Tatsuro Goda, Akira Matsumoto, Mana
Sriyudthsak, Yuji Miyahara, Characterization and Optimizationof Thermally Grown IrOx and its Application to pH Sensors,
Sens. Mater. 2018, 30(5), 1175-1185.

8. 菅波 孝祥, 田中 都, 越智 梢, 桑田 博仁, 岡田 純, 松
元 亮, 松本 裕子, 宮原 裕二. スマートインスリンデバ
イスによる革新的な糖尿病治療機器の開発 生体医歯工学
共同研究拠点成果報告書. 2018.04; 平成 29 年度 161.

6. Chindanai Ratanaporncharoen, Miyuki Tabata, Yuichi
Kitasako, Masaomi Ikeda, Tatsuro Goda, Akira Matsumoto,
Junji Tagami, Yuji Miyahara, pH Mapping on Tooth Surfaces
for Quantitative Caries Diagnosis using Micro Ir/IrOx pH
Sensor, Anal. Chem. 2018, 90(7), 4925-4931.

9. 田畑 美幸, 合田 達郎, 松元 亮, 宮原 裕二, 吉岡 祐
亮, 落谷 孝広. パターン化 Ir/IrOx センサの作製とリキッ
ドバイオプシーへの応用 生体医歯工学共同研究拠点成果
報告書. 2018.04; 平成 29 年度 166.
10. 淡路 啓一郎, 星 徹, 青柳 隆夫, 飯塚 大介, 合田 達郎, 松元 亮, 宮原 裕二. 二リン酸検出を目的としたボロ
ン酸ポリマーの合成と評価 生体医歯工学共同研究拠点成果報告書. 2018.04; 平成 29 年度 137.

7. Akira Matsumoto, Yuji Miyahara. 'Borono-lectin' basedengineering as a versatile platform for biomedical applications.
Sci Technol Adv Mater. 2018; 19 (1): 18-30.

【プロシーディング】
1. Akira, Miyahara Yuji, Miyata Kanjiro, Kataoka Kazunori.
Fabrication of Intracellular ATP-responsive Polyion Complex
Micelles for Smart Nucleotide Therapeutics Delivery(和訳中)日本バイオマテリアル学会大会予稿集. 2018.11; 40 回 489.

11. 増山 絢子, 青柳 隆夫, 合田 達郎, 松元 亮, 宮原 裕
二. 微小電極とイメージングによる単一細胞内外カルシ
ウムイオン同時測定 生体医歯工学共同研究拠点成果報告書. 2018.04; 平成 29 年度 168.

2. 桑田 博仁, 田中 都, 越智 梢, 松本 裕子, 白川 伊吹,
宮原 裕二, 石井 均, 小川 佳宏, 松元 亮, 菅波 孝祥. グ
ルコース応答性ゲルを用いた人工膵臓様デバイスによる新規糖尿病治療戦略の開発 肥満研究. 2018.09; 24 (Suppl.):166.

12. Ainiwaer Dilinaer, 田畑 美幸, 合田 達郎, 松元 亮, 宮原 裕二, Tenaglia Enrico, Guiducci Carlotta. 等温核酸増幅法と組み合わせた pH-based microRNA 検出システムの創製 生体医歯工学共同研究拠点成果報告書. 2018.04; 平成
29 年度 71.

3. 堀口 諭吉, 合田 達郎, 松元 亮, 武内 寛明, 山岡 昇
司, 宮原 裕二. 細孔電気抵抗法を用いたヒトインフルエ
ンザウイルスの特異的検出 日本分析化学会講演要旨集.

1. Thahomina Khan, Akira Matsumoto, Horacio Cabral andKazunori Kataoka, Development of 5-boronopicolinic【口頭発表】

214

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

Fabricated with Phenylboronic Acid/Silk Fibroin Hybrid
Hydrogelfor
Glucose-Responsive
Insulin
Delivery,
China-Japan Joint Symposium on Biomaterials 2018,
Changchun Institute of Applied Chemistry, China, 2018/11/29.

acid-installed polymeric micelles for targeting sialylated
epitopes on cancer cells, Biomaterials International Conference,
Tokyo, 2018/06/22.
2. Thahomina Khan, Akira Matsumoto, Horacio Cabral andKazunori
Kataoka,
5-Boronopicolinicacid-installed
nano-carriers for targeting sialylated epitopes on cancer cells,
第 34 回日本 DDS 学会, Nagasaki, 2018/06/26

13. Siyuan Chen, Hiroko Matsumoto, Yuki Morooka, Miyako
Tanaka, Kozue Ochi, Yuji Miyahara, Takayoshi Suganami,
Akira Matsumoto, Artificial On-Skin Pancreas Fabricated with
Silk Fibroin/ Phenylboronic Acid Hybrid Hydrogel for
Glucose-Responsive Insulin Delivery, 1st Global Polymer
Symposium in KANTO, Tokyo, 2018/12/15.

3. Siyuan Chen, Yuki Morooka, Miyako Tanaka, Kozue Ochi,
Yuji Miyahara, Takayoshi Suganami, Arika Matsumoto,
Artificial on-skin pancreas fabricated with smart hybridhydrogel for self-regulated insulin delivery, First International
Conference on 4D Materials and Systems, Yonezawa,
2018/08/27.

14. Siyuan Chen, Hiroko Matsumoto, Yuki Morooka, Miyako
Tanaka, Kozue Ochi, Yuji Miyahara, Takayoshi Suganami,
Akira Matsumoto, Smart Artificial on-Skin Pancreas Fabricatedwith Phenylboronic Acid/Silk Fibroin Hybrid Hydrogel for
Glucose-Responsive Insulin Delivery, 28th Intelligent
Nanomaterial Symposium, Tokyo, 2019/01/11.

4. 松元亮、Chen Siyuan、松本裕子、諸岡由佳、山田紘理、
桑田博仁、田中都、越智梢、片岡一則、菅波孝祥、宮原裕
二, スマートゲルと皮下アクセス技術を融合した人工膵臓デバイスの開発, 第 67 回高分子討論会(招待講演), 札幌,
2018/09/12.

15. Siyuan Chen, Hiroko Matsumoto, Yuki Morooka, Miyako
Tanaka, Kozue Ochi, Yuji Miyahara, Takayoshi Suganami,
Akira Matsumoto, Silk fibroin/ phenylboronic acidsemi-interpenetrating network hydrogels integrated withmicroneedles patch for glucose-responsive insulin delivery, 30th
Symposium on macromolecule gel, Tokyo, 2019/01/17.

5. 鹿谷真紀、松元 亮、宮原裕二、合田達郎、田畑美幸、
カブラルオラシオ、宮崎拓也、一木隆範、赤木貴則、木下
ひろみ, エクソソーム電気泳動解析を高効率化するシアル酸認識高分子の設計と評価, 第 67 回高分子討論会, 札幌, 2018/09/12.

16. 松元 亮, “糖尿病患者に期待の新星、貼るだけで自律型の次世代人工膵臓の開発, サイエンスパーク拠点間連
携シンポジウム, 湘南ヘルスイノベーションパーク
（iPark）, 2019/01/24.

6. Siyuan Chen, Hiroko Matsumoto, Yuki Morooka, Miyako
Tanaka, Kozue Ochi, Yuji Miyahara, Takayoshi Suganami,
Akira Matsumoto, Smart Artificial on-Skin Pancreas Fabricatedwith Phenylboronic Acid/Silk Fibroin Hybrid Hydrogel for
Glucose-Responsive Insulin Delivery, 第 67 回高分子討論会,
札幌, 2018/09/13.

17. 松元 亮, ボロン酸の分子認識能を駆使したバイオエ
ンジニアリング, 日本大学特別講義(招待講演), 日本大学,
2019/03/06.

7. 合田達郎、海文峰、藤谷昌弘、松元 亮、宮原裕二, 生
体模倣基を有する導電性高分子のバイオエレクトロニク
ス応用, 第 67 回高分子討論会, 札幌, 2018/09/13.

【報道発表等】
1. 高知新聞「進む「貼るだけ医薬品」」（2019 年 2 月 14
日夕刊、p.4）

8. 松元 亮, “ボロノレクチン”を基盤とする生体計測とドラッグデリバリーシステム, 第 67 回高分子討論会(招待講演), 札幌, 2018/09/14.

2. 中国新聞「貼る医薬品
p.11）

進む開発」
（2019 年 2 月 17 日、

3. 徳島新聞「開発進む「貼るだけ医薬品」」（2019 年 2 月
18 日夕刊、p.2）
4. 山形新聞「体にぺたり 医療を変える」(2019 年 2 月 20
日、p.14)

9. Akira Matsumoto,“Borono-lectin” engineering as a versatile
platform for biosensing and drug delivery applications,“Frontiers2018”-EPFL/TMDU/UTokyo
Symposium,
Switzerland, 2018/09/19.

5. 琉球新聞「進む「貼るだけ医薬品」」(2019 年 2 月 20 日、
p.29)

10. 松元 亮, 次世代型の人口膵臓による革新的な糖尿病
治療機器の開発, ACT-M/MS 第１回成果発表会(招待講演),
横浜パシフィコ, 2018/10/12.

6. 北海道新聞「貼るだけ医薬品
20 日夕刊、p.4）

11. Akira Matsumoto, Siyuan Chen, Takayoshi Suganami, Yuji
Miyahara, Smart Artificial on-Skin Pancreas Fabricated with
Phenylboronic Acid/Silk Fibroin Hybrid Hydrogel for
Glucose-Responsive Insulin Delivery, 第 3 回生体医歯工学共同研究拠点, 広島大学, 2018/11/09.

進む開発」（2019 年 2 月

7. 下野新聞「「薬や注射の手間なし―「貼るだけ医薬品」
進化」（2019 年 2 月 22 日、p.21）
8. 大分合同新聞「貼る医薬品 開発進む」（2019 年 2 月
25 日、p.4）
9. 山陰中央新聞「ワクチン、人工すい臓も―「貼るだけ12. Akira Matsumoto, Smart Artificial on-Skin Pancreas

215

KISTEC研究報告2019（2019.7）

医薬品」開発」（2019 年 2 月 25 日、p.6）
10. 福井新聞「貼る医薬品開発進む」(2019 年 2 月 26 日、
p.14)
11. 四国新聞「手軽で患者負担少なく 進む「貼るだけ医薬品」開発」（2019 年 3 月 1 日、p.13）
12. 山陽新聞「開発進む「貼るだけ医薬品」」（2019 年 3 月
3 日、p.25）
13. 京都新聞「進む「貼るだけ医薬品」」（2019 年 3 月 6 日
夕刊、p.2）
14. 熊本日日新聞「「貼るだけ医薬品」開発進む」（2019 年3 月 6 日、p.12）【特許】(1) 国内特許出願

1件(2) 国外特許出願

0件

【受賞】
1. 高分子学会 パブリシティ賞
2. 第 2 回（2018 年）バイオインダストリー奨励賞
3. 日本糖尿病学会 第 8 回（2018 年）若手研究奨励賞
4. 日本糖尿病肥満動物学会 H30 年度若手研究奨励賞（2018 年）

216

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

有機超弾性材料の導出
研究代表者：横浜市立大学

高見澤聡【基本構想】
本プロジェクトは、研究代表者が見出した有機結晶における超弾性現象の実用化を目指す。超弾性は塑性変態した固体が自発的に構造回復する特性である。この特性を活かし、超弾性合金・形状記憶合金はメ
ガネのフレームや歯列矯正器具などに用いられてきた。しかし、超弾性は特殊な合金でのみ見られる特異な物理特性と考えられており、その発展は極めて限定的であった。有機物での超弾性や形状記憶の機能実
現は、開発しうる新規素材の種類を格段に増やし、その応用範囲もまた大きく広がる。有機分子は化学的手法による多様な修飾が可能であり、この高い設計性を利用して超弾性と有機分子の特異な機能との複合化を行うことで、単に合金代替でない新たな使用方法に繋がる有機超弾性材料を創出する。

１．

研究目的

本研究は、有機物の柔軟性・透明性・軽量性・機能性を2017 年に、マクロとミクロ両方の視点から有機強弾性体の機械的特性と変形機構の解明を行う手法を確立した

活かした超弾性現象の実用化を目的としている。合金に比べ、有機物では多様な分子が超弾性を発現する。これは、(Angew. Chem. Int. Ed. 56, 15882-15885 (2017).)。この手法に基づき、これまでにいくつも有機強弾性体の特性

分子性結晶の超弾性が合金における超弾性の機構を逸脱した機構で発現していることが一因と考えられる。そこで評価を行ってきた。そこで得られた知見をもとに、結晶変形時の応力の向上や大きな散逸エネルギー密度をもつ有戦略的研究シーズ育成事業では、超弾性を示す有機物材料
を設計・合成・評価し、物質一般で超弾性発現に必要な条機強弾性体を探索した。
その結果、シクロヘキサンという嵩高い部位を持った

件を明らかにする。これにより、新規素材創出や用途開発の基盤となる基礎的な知見を蓄積する。最終的には、実用

trans-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸結晶が、これまで可能な有機超弾性材料の創出を目指す。

0.7 MPa)を示すことがわかった(図 1)。強弾性変形した結晶について、X 線結晶構造解析を行ったところ、双晶変形

2．

時にシクロヘキサン部位がフリップしていることが分かった。すなわち、シクロヘキサン環の嵩高さのためにフリに見出した有機強弾性体の中で最も大きな変形応力(ca.

研究成果

戦略的研究シーズ育成事業では、入手容易な有機化合物
における超弾性・強弾性挙動を探索した。その結果、自発的形状回復能を持たない有機強弾性体において、(1)変形応力や散逸エネルギー密度を向上させる設計指針の提案、(2)結晶性を維持した大きな曲げ変形を可能とする新たな機構”晶帯多重双晶”の提唱、につながった。有機結晶のップに必要な力が大きくなったと考えられる。本研究成果に関しては、結晶研究における重要性から、イギリスの学術 機 関 王 立 化 学 会 (RSC) の 結 晶 専 門 誌 で あ る
CrystEngComm(IF: 3.304)に掲載され、表紙を飾った。
(CrystEngComm 20, 3807-3811 (2018))。

変形性に関してはさらに、(3) 結晶性を保ったまま数百%以上の大きな変形が可能な新しい固体変形の仕組み”有機超塑性”を見出した。これらに加え、(4)脂肪酸の柔かい結晶における超弾性の実現にも成功した。このように、
平成 30 年度内においては有機結晶の変形性に関して新たな概念を提唱するとともに、有機超弾性体の化合物種の拡張を達成した。これらは、5 件の原著論文、2 件の招待講
演、1 件の一般講演として結実した。以下に詳細な研究実
施内容および研究成果を示す。
(1) 有機強弾性体における変形応力および散逸エネルギ
ー密度の向上自発的な歪み（永久歪み）を示す現象である強弾性は、固くて丈夫な原子性固体において研究されてきた。これに対して、もろく壊れやすい有機結晶では機械特性の評価が

図 1. trans-1,4-シクロヘキサンジカルボン酸の構造式と強弾性困難であり、詳細な研究がなされてこなかった。我々は変形における応力試験の結果および CrystEngComm の表紙.

217

KISTEC研究報告2019（2019.7）

また、2-メチル-5-ニトロ安息香酸結晶においては、θ
=64 度もの大きな屈曲角をもった有機強弾性が確認できた(図 2)。tanθで表される最大歪みは 200％を超えており、この値はこれまでに報告されている有機強弾性体の中で最も大きい。この大きな屈曲角（最大歪み）を反映し、σtanθ（σ：変形応力）で計算される散逸エネルギー密度(Ed)は、Ed=1000 kJ m-3 と、典型的な有機結晶よりも数倍
から数十倍大きく、合金にも匹敵するほどである。このよ
うに、屈曲角の増加は散逸エネルギー密度を向上させ、機械的減衰材としての性能向上につながる。本成果は、RSC
Advances(IF: 2.936) に 掲 載 さ れ た （ RSC Adv. 8(39),21933-21936 (2018)）。

図 3. 1,4-ジエトキシベンゼンの構造式と晶帯多重双晶による結晶の自由変形および Angewandte Chemie International Editionの表紙.
図 2. 2-メチル-5-ニトロ安息香酸の構造式と強弾性変形の様子お(3) 有機超塑性による超弾性結晶の大変形

よび応力試験の結果.

一般に分子性結晶はもろく、成型性・加工性に乏しいことが知られている。これに対し、N,N-ジメチル-4-ニトロ(2) 晶帯多重双晶による有機結晶の大変形
これまで有機強弾性体では、1 つの化合物の結晶につきアニリン結晶が、1 軸方向への引張に対して 500%以上もの変形性(歪み)を示すことが分かった(図 4)。このような大1 種類の双晶変形のみが観測されていた。そのため、有機結晶は決まった角度でのみ屈曲していた。これに対し、変形性は、金属では超塑性として知られており、有機化合物単結晶での超塑性を”有機超塑性”と名付けた。

1,4-ジエトキシベンゼン結晶では、複数の双晶が晶帯軸周りに連続的に生成する”晶帯多重双晶”により、結晶性を

通常、金属では高温に加熱することで超塑性変形が達成されるのに対し、N,N-ジメチル-4-ニトロアニリン結晶で維持したまま自由な屈曲角で結晶を変形可能なことが分かった(図 3)。

は、室温で超塑性変形が可能であった。このような超塑性現象は、N,N-ジメチル-4-ニトロアニリンが層状構造の形

屈曲角が決まっている従来の有機超弾性体・有機強弾性体では、厳密な結晶の変形が可能という点では優れている。

成とその集積による結晶を構築しており、層間ですべりが生じることに基づいている。このとき、層間に働くニトロ

一方で、材料としての応用を考えたとき、結晶性を維持したままで自由に変形できれば、結晶を必要な形に成形でき

基とメチル基との間の弱い水素結合が層のすべりに伴って切断と再結合を繰り返す。すなわち、室温での超塑性でるという利点が生まれる。本成果は、実用化における有機結晶の大きな障害であった成形性の低さを乗り越える新は、層間の相互作用の弱さが 1 つの重要なカギとなっている。

たな可能性を示している。その新規性と重要性から有力な
化学系国際誌である Angewandte Chemie (IF: 12.102)のさらに重要なことに、このような大変形の後であっても、単結晶性が維持されていた。実際、超塑性変形後の結晶にVery Imporant Paper に選ばれ、表紙を飾った(Angew. Chem.
Int. Ed. 57(37), 11888-11892 (2018))。

ついて単結晶 X 線構造解析が可能であるのに加え、双晶変形による超弾性挙動も観測できた。すなわち、再結晶によって得られる結晶がプレート状であっても、超塑性変形によってファイバー状に成形することも可能となる。有機超塑性のような変形性は、先ほどの晶帯多重双晶と同様に有機結晶の成形性・加工性を大きく向上させるものであり、材料開発における大きな利点となる。
本成果は結晶性に由来する優れた機能を利用する有機材料の応用可能性を大きく広げる発見であり、材料科学に多大なインパクトを与えるものとなっている。このような重要性と新規性から、生物学、物理学、化学および地球科218

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

学のあらゆる領域における高品質な研究を出版するオー
プンアクセスジャーナルである Nature Communications（ IF: 12.353 ） に 掲 載 さ れ 、 Organic Chemistry andChemical Biology 部門のハイライトにも選ばれた（Nat.
Commun. 9, 3984 (2018)）。

図 5. ペンタデカン酸の構造式と結晶変形挙動および変形時の分子配列変化の様子.

図 4. N,N-ジメチル-4-ニトロアニリンの構造式と超塑性挙動(上段)、超塑性における層のすべりの模式図(中段)、および超塑性
変形後の結晶における超弾性挙動(下段).

(4) 脂肪酸の柔かい結晶における超弾性
長鎖アルキルカルボン酸である脂肪酸は、主にファンデルワールス力によって自己集合し、柔らかい結晶を形成する。また、脂肪酸は生体内で脂質の代謝物としても存在することから、生体毒性も低い。このような特徴を持つ脂肪酸の結晶において、強弾性や超弾性、さらには形状記憶効
果が発現することを見出した(図 5)。特異な機械特性を利用して幅広い応用がなされている形状記憶合金において、生体毒性は 1 つの大きな課題となっているが、本研究成果
はこの問題を解決した形状記憶材料開発の可能性を示すものとなっている。
炭素数が 15 のペンタデカン酸では、34 度以上で高温相結晶が安定である。この結晶に応力を負荷すると低温相が生じて結晶が変形し、力を除くと低温相が消失するという超弾性を示す。このときの形状回復力は、低温相と高温相のギブスエネルギー差から生じている。そのため、十分な
形状回復力が生じない温度では、応力負荷によって生じたひずみが残り、強弾性的挙動となる。実際、33 度より下の温度では低温相が安定であるが、低温相結晶に応力を負荷して生じさせた高温相は、応力を除荷しても過冷却状態
として残存し、強弾性的挙動となる。この結晶を加熱して高温相へと転移させると、低温相が消失して高温相のみの結晶となるため、形状が回復する（形状記憶効果）。
本研究成果は結晶研究におけるその重要性から、アメリカ化学会(ACS)の結晶専門誌である Cryst. Growth Des.
(IF: 3.972)に掲載された。 (Cryst. Growth Des. 19(3),1912-1920 (2019))。

219

KISTEC研究報告2019（2019.7）

業績

【原著論文】【口頭発表】

1. S. H. Mir, Y. Takasaki, E. R. Engel, S. Takamizawa
Controllability of Coercive Stress in an Organoferroelasticity

招待講演
1. 高見澤聡

by Incorporation of Bulky Flipping Moiety in Molecular
Crystal

有機超弾性材料の開発
KISTEC Innovation Hub 2018 in EBINA, 2018 年 10 月,

CrystEngComm, 20, 3807–3811 (2018). (Cover)海老名
2. 高見澤聡
有機超弾性の発見

2. S. H. Mir, Y. Takasaki, E. R. Engel, S. Takamizawa
Enhancement of Dissipated Energy by Large Bending of an
Organic Single Crystal Undergoing Twinning Deformation
RSC Adv., 8(39), 21933–21936 (2018).

高分子学会：第３３回茨城地区「若手の会」交流会,
2018年 11 月, つくばみらい市

3. E. R. Engel, S. Takamizawa

一般講演

Versatile Ferroelastic Deformability in an Organic Single
Crystal by Twinning about a Molecular Zone Axis

3. 坂元駿一, 高見澤聡, 佐々木俊之, 尾崎仁亮
双晶超弾性を示す 1,4-ジシアノベンゼン結晶の変形応

Angew. Chem. Int. Ed., 57(37), 11888–11892 (2018). (VIP,
Cover)

力の時間依存
日本化学会第 99 春季年会 2019, 2019 年 3 月, 神戸

4. S. Takamizawa, Y. Takasaki, T. Sasaki, N. Ozaki【特許】

Superplasticity in an Organic Crystal
Nat. Commun., 9, 3984 (2018). [6 pages]

国内特許出願5. S. Takamizawa, Y. Takasaki
Versatile Shape Recoverability of Odd-Numbered Saturated
Long-Chain Fatty Acid Crystals
Cryst. Growth Des., 19(3), 1912–1920 (2019).

220

1件

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

革新的環境調和機能性材料の創出
研究代表者：東京工業大学

東正樹【基本構想】
全てのモノがインターネットにつながる IoT 社会の実現に向けて、電子デバイスの消費電力の低減や、環境負荷の小さい材料の開発が求められている。例えば、電流ではなく電場による磁化の制御が可能なマ
ルチフェロイック物質は、低消費電力不揮発性メモリ材料として期待されている。また、センターやアクチュエーターとしてインクジェットプリンターや超音波診断機などで使われている圧電体の主流材料である PZT は、毒性元素である鉛を多量に含むため、代替物質の開発が望まれている。さらに、精密加工、半導体製造、光学、計測、電子デバイスといったナノテクノロジー分野では熱膨張によるわずかな位置ズレも許容できなくなってきており、熱膨張制御の強い要請がある。研究代表者は Co ドープ BiFeO3 を薄膜形態で安定化させ、室温で弱強磁性と強誘電性が共存するマルチフェロイック物質であること、分極回転の起こりうる結晶構造で圧電特性が向上することを実験的に確認した。また、サイト間電荷移動という全く新しいメカニズムで室温で巨大な負の熱膨張を示す BiNiO3 ベースのペロブスカイト型酸化物を発見し、新聞報道されるなど注目を集めた。本プロジェクトでは、精密構造解析と電子状態解析に基づく物質設計で、低消費電力不揮発性メモリ材料につながる強磁性強誘電体や、風や振動から電気エネルギーを生む圧電発電のための非鉛圧電体、外気温の変化から生じる熱歪みを吸収する負熱膨張材料などの、革新的な環境調
和機能性材料の開発を目指す。

１．

研究目的

低消費電力のメモリデバイスに繋がる可能性がある。現在は書き込み、読み出しともにプローブ顕微鏡（書き込み：

プロジェクト 2 年目となる 30 年度は、以下の各項目を重点項目として研究を行った。

PFM、読み出し：磁気力顕微鏡（MFM））を用いているが、これを電極に用いた書き込みと、ホール素子を用いた読み(1) 非鉛圧電体の開発
非鉛圧電体の開発には、代表的な鉛系圧電体である出しにするため、強誘電ドメインをシングルドメイン化する。具体的には、分極方向を変えることでストライプ状のPbZr1-xTixO3 (PZT)に倣った材料設計を行う事が大切である。28 年度に論文・新聞発表した、格子定数の小さなドメインを実現する方法、500nm 程度の島状に微細加工への微細加工の二通りの方法を試す。

LaAlO3 基板上に成長させた BFCO 薄膜では、対称性から
電気分極の方向が変化（回転）できる、MA と呼ばれる単(3) 負熱膨張物質の開発
引き続き BiNi1-xFexO3 の合成圧力低下に取り組む。最近、斜晶の結晶構造相で、圧電応答が増大する。これは PZTの巨大圧電応答の起源であるとされているメカニズムでGdSc(OH)6・xH2O のゲルを水蒸気中で熱分解することで、ある。現状では格子歪みの目安である c/a 比が 1.26 と巨大である事から、圧電定数 d33 は 60pm/V と小さい。さらな
る圧電応答の向上のためには、c/a 比を低下することが必要である。29 年度に、同様の巨大正方晶歪みを持つ PbVO3の Pb2+を一部 Bi3+で置換し、電子ドープを施すと、c/a 比
を 1.21 から PbTiO3 と同程度の 1.08 にまで低下できることを見いだした。そこで BiCoO3 についても Co3+を一部 Ti4+で置換することで電子ドープを行い、c/a を低下させることを目指す。また、Bi3+を半分 Na+で置換、Co3+を V4+で置換した Bi0.5Na0.5VO3 の高圧合成にも取り組む。
(2) 強磁性強誘電体の開発
29 年度の研究で、GdScO3 基板上に成膜した室温強磁性
強誘電体 BiFe0.9Co0.1O3 において、圧電応答顕微鏡（PFM）
を用い、ストライプ状のドメイン形状を保ったままで電気
分極を反転すると、面外方向の磁化を反転できることを見出した。磁化反転に電流で発生する磁場を用いないため、

221

図 1：GdScO3 基板上の BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の強誘電・強磁性ドメイン構造の観察。分極ドメイン像の色は、左の 8 つの<111>
方向の分極に相当する。紙面奥から手前への分極反転（71°ス
イッチング）の前後で、磁気ドメインのコントラストが反転している。

300℃という低温でペロブスカイト化合物 GdScO3 を合成できることが示された。この方法を BiNi1-xFexO3 に応用す

KISTEC研究報告2019（2019.7）

る。また、(1)に記したとおり、PbVO3 の Pb2+を一部 Bi3+

(2) 強磁性強誘電体の開発で置換し、電子ドープを施すと、c/a 比を 1.21 から PbTiO3と同程度の 1.08 にまで低下、昇温によって 8%もの体積減

室温で強磁性の発現が期待される BiFe0.9Co0.1O3 (BFCO)
薄膜を PLD 法を用いて作製し、電場印加磁化反転の直接少を伴って立方晶の常誘電相へ転移することを見出した。
さらに La3+置換を行うと、室温での負熱膨張を引き起こす

観察を試みた。(110)o 配向の GdScO3 基板に作製された
BFCO 薄膜は格子歪みの少ない結晶性に優れた試料であことが出来る。O2-への F-置換による電子ドープや、V4+への Cr4+置換によっても負熱膨張化を行う。

り、室温で面直の磁化成分を有すること確認された。圧電応答顕微鏡(PFM)と磁気力顕微鏡(MFM)を用いることで、

２．

強誘電および磁気ドメインの直接観察に成功した。磁気ドメインが強誘電ドメインと同じストライプ構造を持つこ

研究成果

以下に挙げるのは、平成 30 年度の具体的な研究成果である。

とから、両者は相関を持つと明らかとなった。電場印加によって電気分極の面直成分を反転させたところ、ドメイン(1) 非鉛圧電体の開発

形状を維持する 71°分極反転が起きた場所では、面直磁化成分が反転していることが確認された(図 5)。これより、

PbVO3 同様に巨大な正方晶歪みを持ち、かつ非鉛のBiCoO3 に対し、Co3+を一部 Ti4+で置換する事で電子ドープ

室温弱強磁性強誘電体 BFCO は電場による磁化制御が可能であると明らかになった。将来の低消費電力磁気メモリを行った。BiCo1-xTixO3 においては、Ti 置換量 x に伴って
c/a 比と自発分極の減少が見られたが、x=0.2 でも c/a=1.2への応用が期待される。論文は Nano Letter（IF: 12.08）に掲載された。

を下回ることはなかった。また、x=0.25 では斜方晶と思われる構造に転移した。SHG 測定の結果、この相も極性の強誘電ドメインのサイズを拡大するため、ストライプ状のドメイン構造の安定化を図った。分極反転を行う際のカ構造を持つ事がわかり、現在構造解析を進めている。
新しい非鉛正方晶ペロブスカイトである Na1/2Bi1/2VO3

ンチレバーのスキャン方向をそれまでの(100)方向から(110)方向に変えたところ、広い範囲にわたってストライプと K1/2Bi1/2VO3 の合成に成功した。図 2 に示す通り、構造歪みの指標である c/a 比はそれぞれ 1.085, 1.054 と、PZT

ドメイン構造が得られることがわかった。また、アルミ箔
を陽極酸化することで、300 nm 程度の穴が空いたポーラの母物質である PbTiO3 の 1.064 に近い。また、強弾性を示す事も確認した。PZT を模した、正方晶―菱面体晶の固溶

スアルミナを得ることに成功した。これをマスクとして用い、島状の成膜に取り組んでいる。

体の開発に期待が持てる。この結果は Chemistry of Material誌（IF: 9.8）に掲載された。

非鉛圧電体、強磁性強誘電体としての BiFe1-xCoxO3 研究について、Advanced Materials （IF: 21.95）に解説記事が掲載された。
強磁性体薄膜は記録媒体として、また、スピン流生成のために重要な材料である。A サイト秩序型四重ペロブスカ
イト LnCu3Mn4O12(Ln=希土類元素)は、平面四角形サイトの Cu2+と八面体サイトの Mn3+が反強磁性的に秩序するフ
ェリ磁性体として知られる。350 K 以上の高いネール温度(TN)を持つこと、大きな磁気抵抗効果を示すことからスピ
ントロニクスへの応用が期待されている。YAO(110)o 基板
上に PLD 法で成膜することで、Ln= La, Ce, Pr, Nd, Gd, Hoの薄膜試料の作製に成功した。

図 2：BiCo1-xTixO3 の粉末 XRD パターン

図 3：Na1/2Bi1/2VO3 と K1/2Bi1/2VO3 の結晶構造

図 4：BiFe0.9Co0.1O3 薄膜の PFM 像・MFM 像(a) 電場印加前, (b) 電場印加後222

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

中でも CeCu3Mn4O12 は室温をはるかに超える 420K の磁気る。酸化剤は前駆体中の Ni2+を Ni3+に酸化するために必要転移温度と、式量あたり 9µB の大きな飽和磁化を持つ事か
ら、スピントロニクスデバイスへの応用が期待できる。今だが、残った KCl は水洗で取り除くため、この際にもロスが生じて、収率が低下する原因となっている。これに対年度は、バッファー層として YCaAlO4 を用いる事で面内に圧縮応力を付与した。その結果、形状磁気異方性によっし、共沈法で前駆体を調整、NaClO を用いて予め Ni3+に酸化する事が可能である事を見いだした。図５に示す様に、
KClO4 を混合しなくても高圧高温処理で巨大負熱膨張物て磁化困難軸になっていた面外方向の磁化が増大し、垂直
磁気異方性が実現したことが確認された。特許申請を準備

質を得る事が出来る事を確認している。特許申請後、企業中である。

での試験的な合成に展開する予定である。
PbTiO3 が強誘電→常誘電転移に伴って負熱膨張を示す
事は古くから知られている。PbVO3 は PbTiO3 型の結晶構造を持つペロブスカイト化合物である d1 電子配置の V4+
イオンのヤーンテラー効果のため、c/a=1.21 と巨大な正方晶歪みを持つ。Pb2+を Bi3+で一部置換し、電子ドープを行った Pb1-xBixVO3 は、最大 8%もの体積収縮を伴った負熱膨
張 を 示 す 事 を 見 い だ し た 。 La3+, Bi3+ 両 置 換 を 行 っ た
Pb0.76La0.04Bi0.20VO3 は、図 8 の通り 230K から 410 K の間で、6.7%の体積収縮を示す。これは、これまでに報告されている負熱膨張材料の中で最大の体積収縮である。この結果は Angewandte Chemmie International Edition（IF: 12.102）に論文掲載、特許申請も行った。また、朝日新聞、化学工業日報で報道された。

図 5： YCaAlO4 バッファー層の上に成長した
CeCu3Mn4O12 の磁気異方性。

(3) 負熱膨張物質の開発
東工大の研究・産学連携本部が関西 TLO 等を通してBiNi1-xFexO3 の売り込みを図り、樹脂メーカーであるダイセルへの試料提供を行う運びとなった。材料としての有用性が企業に認められる一方、東工大の産学連携会員である、

図 7： Pb0.76La0.04Bi0.20VO3 の単位格子体積の温度変化（左）と熱膨張曲線（右）ファブレス材料メーカーの日本材料技研の目に留まり、製造委託による量産試験を行うことにした。4回の合成実験を経て、良好な負熱膨張を示す試料の合成に成功した。試験研究で合成された材料も、日本材料技研によって販売される予定である。
現状は、硝酸塩を蒸発乾固、空気中で熱処理したものに酸化剤である KClO4 を 20vol%加えて高圧高温処理してい図 8：PbV1-xCrxO3 の強弾性と負熱膨張

さらに、PbVO3 の O2-を一部 F-で置換した PbVO3-xFx の負熱膨張化に成功し、論文が Applied Physic Express に掲載

図 6：共沈法で調整した前駆体から KClO4 フリーで合成した BiNi0.85Fe0.15O3 の負熱膨張

223

KISTEC研究報告2019（2019.7）

された。また、V4+を一部 Cr4+で置換した PbV1-xCrxO3 でもBiFe0.90Co0.10O3 に関し、リソグラフィーで円板上に微細加

c/a 比を 1.07 までの任意の値に設定でき、電気分極の大きさを制御することに成功した。またこの物質が応力によっ工を行い、単一ドメイン化を図る。成功すれば上部電極とホール素子を成膜し、電極を用いた電場印加による分極反て結晶の方位が変化する強弾性や、負熱膨張を示す事も確認した。この成果は Chemistry of Materials 誌に掲載され、転と、ホール素子による磁化反転の検出を行い、メモリデバイスとしての動作を実証する。
巨大負熱膨張材料 BiNi1-xFexO3については、日本材料技研にて製造販売を行うべく調整中である。上手くいけ
ば、先ずはサンプル品として販売を行い、各企業との共同研究へとつなげる。

Supplementary Cover を飾った。

３．

今後の展開

室温での電場印加磁化反転の観察に成功した

224

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【原著論文】

S. Kawaguchi，Z. Pan，T. Nishikubo，J. Rödel and M. Azuma

1. K. Shigematsu, T. Asakura, H. Yamamoto, K. Shimizu, M.
Katsumata, H. Shimizu, Y. Sakai, H. Hojo, K. Mibu and M.

Melting ofSuppression

Azuma
Room temperature ferromagnetism in BiFe1-xMnxO3 thindxyof

Orbital Ordering Accompanied by
Giant Tetragonal Distortion andInsulator-to-Metal Transition in Cr-Substituted PbVO3
Chem. Mater., 31, 1352-1358, 2019.

film induced by spinstructuremanipulation
Appl. Phys. Lett., 112, 192905, 2018

9. H. Yamamoto，T. Ogata，Y. Sakai and M. Azuma
Stability of Polar Structure in Filling-Controlled Giant
Tetragonal Perovskite Oxide PbVO3

2. H. Hojo, K. Oka, K. Shimizu, H. Yamamoto, R. Kawabe andInorg. Chem., 58, 2755-2760, 2019.

M. AzumaDevelopment of Bismuth Ferrite as a Piezoelectric and

10. K. Shimizu, R. Kawabe, H. Hojo, H. Shimizu, H.
Yamamoto, M. Katsumata, K. Shigematsu, K. Mibu, Y.

Multiferroic Material by Cobalt Substitution
Adv. Mater., 30, 170566, 2018.
3. T. Nishikubo, Y. Sakai, K. Oka, M. Mizumaki, T. Watanuki,

Kumagai, F. Oba and M. Azuma
Direct Observation of Magnetization Reversal by Electric

A. Machida, N. Maejima, S. Ueda, T. Mizokawa and M.
Azuma

Field at Room Temperature in Co-Substituted Bismuth
Ferrite Thin Film

Optimized negative thermal expansion induced by gradualintermetallic charge transfer in Bi1-xSbxNiO3

Nano Lett., 19, 1767-1773, 2019.

Appl. Phys. Express, 11, 061102, 2018.

【総説】
1. 酒井雄樹, 東正樹
s-d 軌道のエネルギー制御により実現するペロブスカイ

4. H. Yamamoto, T. Imai, Y. Sakai and M. Azuma
Colossal Negative Thermal Expansion in Electron-Doped

ト酸化物 PbCoO3 の A サイト B サイト電荷秩序子
結晶学会誌, 第 60 巻, 第 5-6 号, 2018.

PbVO3 Perovskites
Angew. Chem. Int. Ed., 57, 8170 –8173, 2018.
5. K. Takenaka, N. Inoue, Y. Mizuno, Y. Okamoto, N.

2. 東正樹, 岡研吾, 山本孟, 酒井雄樹

Katayama, Y. Sakai, T. Nishikubo and M. Azuma
Extended operating temperature window of giant negative

相転移型巨大負熱膨張物質
応用物理, 第 88 巻, 第 3 号, 2019.

thermal expansion in Sn-doped Ca2RuO4Applied Physics Letters, 113, 071902, 2018.

【口頭発表】
6. H. Yamamoto, T. Ogata, S. Patel, J. Koruza, J. Rӧdel, A. Paul,

1. M. Azuma, K. Shimizu, H. Hojo, R. Kawabe, H. Yamamoto,T. Saha-Dasgupta, Y. Sakai, M. Itoh and M. Azuma
Na1/2Bi1/2VO3 and K1/2Bi1/2VO3: New Lead-free Tetragonal

K. Shigematsu and K. Mibu
Magnetization Reversal by Electric Field

Perovskites with Moderate c/a ratio
Chem. Mater., 30, 6728-6736, 2019.

Temperature in Co Substituted BiFeO3 Thin Film
IFAAP Hiroshima2018, 2018 年 5 月, 広島

at

Room

2. 酒井雄樹，東正樹

7. Z. Pan，J. Chen，R. Yu，L. Patra，P. Ravindran，A. Sanson，
R. Milazzo，A. Carnera，L. Hu，L. Wang，H. Yamamoto，
Y. Ren，Q. Huang，Y. Sakai，T. Nishikubo，T. Ogata，X. Fan，

Bi・Pb 系ペロブスカイト型酸化物の高圧合成と電荷分
布

Y. Li，G. Li，H. Hojo，M. Azuma and X. Xing
Large Negative Thermal Expansion Induced by Synergistic

第 3 回マテリアルズ・インフォマティクス基礎研究会,
2018 年 5 月, 横浜

Effects of Ferroelectrostriction and Spin Crossover in
PbTiO3-Based Perovskites

3. 勝俣真綸, 清水陽樹, 清水啓佑, 重松圭, 東正樹

Chem. Mater., 31, 1296-1303, 2019.

マルチフェロイック BiFe1−xMnxO3 薄膜の強誘電・強磁性ドメイン観察8. T. Ogata，Y. Sakai，H. Yamamoto，S. Patel，P. Keil，J. Koruza，

225

第三回固体化学フォーラム, 2018 年 6 月, 京都

KISTEC研究報告2019（2019.7）

(ACHPR 9), 2018 年 10 月, シンガポール
4. M. Azuma
Systematic Charge Distribution Changes in Bi- and Pb-3d

13. 酒井雄樹, 西久保匠, 山田幾也, 町田晃彦, 綿貫徹,

Transition Metal Perovskite Oxides
9th International Symposium on the Reactivity of Solids

LONGYouwen, 東正樹
ペロブスカイト型酸化物 PbCoO3 の圧力誘起逐次相転移(ISRS-19), 2018 年 7 月, ドイツ

第 59 回高圧討論会, 2018 年 11 月, 岡山

5. 今井孝, 山本孟, 酒井雄樹, 尾形昂洋, 西久保匠, 東正樹

14. 西久保匠, 酒井雄樹, 岡研吾, 綿貫徹, 町田晃彦, 溝川貴司, 東正樹

電子ドープによる PbVO3 の巨大正方晶歪み制御と負熱
膨張物質化

BiNiO3 系負熱膨張物質のサイト間電荷移動と局所構造
第 59 回高圧討論会, 2018 年 11 月, 岡山

日本物理学会 2018 年秋季大会, 2018 年 9 月, 京都
15. 東正樹
6. 尾形昂洋, 西久保匠, 東正樹, 岡研吾
F 置換による PbVO3 の巨大正方晶歪みの抑制と負熱膨

ビスマス・鉛ペロブスカイトの系統的な電荷分布変化
神戸大学 分子フォトサイエンス研究センタースピン系
物理研究会, 2018 年 11 月, 神戸張の実現
日本物理学会 2018 年秋季大会, 2018 年 9 月, 京都

16. 東正樹
高圧合成を用いた負熱膨張材料の探索

7. 室田康太, 山本健登, 溝川貴司, 水牧仁一朗, 保井晃,

高圧物質科学と地球惑星科学のワークショップ, 2018 年
12 月, 仙台西久保匠, 山本樹, 尾形昂洋, 東正樹, 酒井雄樹, 池永
英司
PbMO3(M=Cr,Mn,Fe,Co)の電子構造と原子価状態
日本物理学会 2018 年秋季大会, 2018 年 9 月, 京都

17. 東正樹, 清水啓佑, 山本孟, 川邊諒, 清水陽樹, 勝俣真
綸, 重松圭, 熊谷悠 , 大場史康, 北條元, 壬生攻
Co 置換 BiFeO3 薄膜の電場印加磁化反転8. 勝俣真綸, 清水陽樹, 清水啓佑, 重松圭, 東正樹
B サイト置換 BiFeO3 薄膜の強誘電・強磁性ドメイン構造変化

第 8 回・酸化物研究の新機軸に向けた学際討論会, 2019
年 1 月, 東京

第 79 回応用物理学会秋季学術講演会, 2018 年 9 月, 名古屋

18. M. Azuma, K. Shimizu, R. Kawabe, H. Yamamoto, K.
Shigematsu, H. Hojo and K. Mibu
Magnetization Reversal by Electric Field

9. 重松圭, 山本一理, 清水啓佑, 西久保匠, 酒井雄樹, 東

at

Room

正樹
フェリ磁性体四重ペロブスカイト型 LnCu3Mn4O12 薄膜

Temperature in Co Substituted BiFeO3 Thin Film
The 8th Indo-Japan Seminar ”Designing Emergentの電子状態
第 79 回応用物理学会秋季学術講演会, 2018 年 9 月, 名古Materials”, 2019 年 1 月, 東京
19. K. Shigematsu, K. Yamamoto, K.Shimizu and M.Azuma
Epitaxial growth and strain manipulation of magnetic屋

anisotropy in room temperature ferrimagnetic quadruple
perovskite

10. 前林航紀, 西久保匠, 酒井雄樹, 今井孝, 東正樹
酢酸塩を出発原料に用いた CaFeO3 の高圧合成

The 8th Indo-Japan Seminar
Materials”, 2019 年 1 月, 東京

粉体粉末冶金協会平成３０年度秋季大会, 2018 年 10 月,
新潟”Designing

Emergent

20. 酒井雄樹, 西久保匠, 尾形昂洋, 水牧仁一朗, 溝川貴

11. 山本一理, 清水啓佑, 重松圭, 東正樹
四重ペロブスカイト CeCu3Mn4O12 薄膜の格子歪みによる磁気異方性の制御

司, 町田晃彦, 綿貫徹, 横山景祐, 沖本洋一, 東正樹
極性−非極性転移による Bi1−xPbxNiO3 (0.6 ≤ x ≤ 0.8)の負粉体粉末冶金協会平成３０年度秋季大会, 2018 年 10 月,
新潟

熱膨張
日本物理学会 第 74 回年次大会, 2019 年 3 月, 博多

12. M. Azuma

21. 今井孝, 西久保匠, 酒井雄樹, 山本孟, 水牧仁一朗, 溝Systematic Charge Distribution Changes in Bi- and Pb-3d
Transition Metal Perovskite Oxides

川貴司, 東正樹
孤立電子対および Jahn-Teller 効果を制御した PbVO3 のThe 9th Asian Conference on High Pressure Research

負熱膨張

226

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

日本物理学会 第 74 回年次大会, 2019 年 3 月, 博多
22. 尾関将樹, 岡本佳比古, 竹中康司, 酒井雄樹, 東正樹,
森茂生
逆ペロフスカイト型マンガン窒化物微粒子の磁性, 構造と負熱膨張日本物理学会 第 74 回年次大会, 2019 年 3 月, 博多
23. 山本一理, 清水啓佑, 重松圭, 東正樹
CeCu3Mn4O12 薄膜への面内圧縮歪みの付与と垂直磁気
異方性
第 66 回応用物理学会春季学術講演会, 2019 年 3 月, 横浜
24. 石崎颯斗, 東正樹, 酒井雄樹, 岡研吾
電子ドープによる Bi 系巨大正方晶相の安定性制御と負の熱膨張
日本セラミックス協会 2019 年年会, 2019 年 3 月, 東京
25. 大橋孔太郎, 山本一理, 重松圭, Hena Das, 東正樹
パルスレーザー堆積法を用いた LiCuTa3O9 薄膜の作製と第一原理計算による構造最適化
日本セラミックス協会 2019 年年会, 2019 年 3 月, 東京
26. 勝俣真綸, 清水陽樹, 清水啓佑, 重松圭, 東正樹
マルチフェロイック BiFe0.9Co0.1O3 薄膜のストライプ型
強誘電・強磁性ドメインの相関
日本セラミックス協会 2019 年年会, 2019 年 3 月, 東京
27. 西久保匠, 尾形昂洋, 酒井雄樹, 東正樹
BiInO3-BiZn1/2Ti1/2O3 固溶体における強誘電常誘電相転移による負熱膨張日本セラミックス協会 2019 年年会, 2019 年 3 月, 東京
28. 酒井雄樹
PbCoO3 の A サイト B サイト電荷秩序
第二回コバルト研究会, 2019 年 3 月, 仙台
29. 東正樹
コバルト置換ビスマスフェライト薄膜における電場印
加磁化反転
第二回コバルト研究会, 2019 年 3 月, 仙台【特許】
国内特許出願1件

227

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

毛包原基の大量調製法を用いた毛髪再生医療研究代表者：横浜国立大学

福田淳二【基本構想】
近年、毛を作り出す器官である毛包を構成している細胞そのものを用いて、脱毛症の治療を行う毛髪再生医療に期待が寄せられている。この治療法は、患者本人の髪の毛数本を取り出し、その根本にある毛包組織から毛包の幹細胞を採取して例えば 100 本分に増殖させ移植するというものである。近年、毛包を構成する 2 種類の幹細胞を用い、それぞれの細胞凝集塊を作製して接合させた上で、移植するというアプローチが提案された。この毛包原基では、胎児期に見られる上皮・間葉相互作用を誘導できるため、移植後に毛包を効率よく再生できることが報告された。しかしながら、毛包原基は顕微鏡下で１つずつ接合することで作られており、この手法をヒト臨床に必要な数千個の毛包原基の作製に応用することは、現実的ではなかった。一方、本プロジェクトリーダーらは、上皮系細胞と間葉系細胞の懸濁液を混ぜて 1 つの凝集体を形成させると、培養初期は 2 種類の細胞がバラバラの状態で凝集体内に存在するものの、培養 3 日間のうちにそれぞれの細胞が自発的に分離して毛包原基と同様の凝集体が形成されることを発見し、これを応用して独自の細胞培養器を開発することで毛包原基を大量調製する技術を確立した。その成果は新聞・メディアでも大きく取り上げられ、国内外へ特許申請を済ませたところである。本研究提案では、この技
術シーズをもとに、医療機関と連携してヒト患者細胞を用いて基盤技術の確立を行い、毛髪再生医療の実用化を目指す。

毛包原基の大量調製法を用いた毛髪再生医療

１．

研究目的

プロジェクト 1 年目となる 2018 年度は、以下の各項目

様に上皮系と間葉系の２種類の幹細胞の相互作用により作り出される。他の臓器がこの胎児期にしか作られないのを重点項目として研究を進めた。また、動物実験について
は、横浜国立大学動物実験専門委員会の承認を得て実施し、に対し、毛包は誕生後も一定間隔の毛周期で何度も再生を繰り返しているという特徴がある。このように再生を繰り患者組織の利用については、横浜国立大学倫理委員会（人を対象とする医学系研究）の承認を得て実施した。

返すために、高い増殖力を持つ幹細胞が毛包には存在している。本研究では、毛包から毛包上皮幹細胞と毛乳頭細胞(1) 毛包の幹細胞の採取方法の検討と呼ばれる２種類の毛包の幹細胞を採取する方法を検討した。つまり、細胞の採取部位や酵素の種類などを最適化

重点項目の１つ目は、毛包の幹細胞の採取方法の検討である。毛髪を生み出す毛包組織は、胎児期に他の臓器と同することで、毛包原基作製に適した採取条件を検討した。

229

KISTEC研究報告2019（2019.7）

(2) 毛包の幹細胞の増殖培養方法の開発
重点項目の２つ目は、毛包の幹細胞の増殖培養方法の開発である。毛髪再生医療のコンセプトは、患者本人の毛髪数本から上皮系と間葉系の幹細胞を取り出し、生体外で毛髪 100 本分にまで増殖させ移植するものである。しかしながら、この増殖培養中にこれらの細胞の毛髪再生能力が急激に低下するという課題がある。特に上皮系細胞は、通常の培養基板上では強く接着・伸展し、強烈な増殖スイッチが入ることで、脱分化してしまう。従来は培養液に成長因

図 1 毛乳頭細胞の培養 (A) 培養ディッシュに接着した毛乳頭と増殖した毛乳頭細胞、(B) 継代培養後の毛乳頭細胞のVersican 染色（緑：Versican, 青：細胞核）子を添加するなどして毛髪再生能を維持する工夫が検討されてきたが未だに十分な手法は確立されていない。最新の先行研究では、細胞をマトリゲル内で分散させて三次元培養することで、幹細胞性が向上することが示されている(2) 毛包の幹細胞の採取方法の検討

が、いまだその維持効率に課題が残る。本研究では、独自のスフェロイドアレイ培養器で毛包の幹細胞のスフェロ

毛包上皮幹細胞の三次元培養のために、微細加工を用いて、独自の培養器を作製した。すなわち、オレフィン樹脂

イドを調製し、これをマトリゲル内で三次元培養する新たな培養法を開発し、その有用性について評価を行った。

に直径 1 mm、深さ 1 mm の丸底ウェルを約 100 wells/cm2の密度で切削し、これをエポキシ樹脂に転写後、さらに酸
素透過性に優れたポリジメチルシロキサン（PDMS）に転写することで、スフェロイドアレイ培養器を作製した（図(3) 毛髪再生能の高い毛包原基を調製する条件の検討
重点項目の３つ目は、毛髪再生効率の高い毛包原基を大量調製する技術の確立である。増殖させた細胞で毛包原基2A）。この培養器の表面に細胞非接着処理を施した上で、毛包上皮幹細胞の懸濁液を培養器に注ぐと、細胞は各ウェを形成させると、毛髪再生能が一定程度回復することは知られている。さらに毛髪再生能を向上させることを目的とル内に均一に播種されたのち、1 日間の培養中に細胞がそれぞれのウェル内で自発的に凝集した（図 2B）。続いて、して、発生プロセスや生体における毛包の周囲環境を模擬する工夫を加えた。つまり、毛包周囲の酸素分圧や、細胞外マトリクスの種類、血管網や混合する細胞種などを毛包原基の形成条件として検討した。毛髪再生効率の評価は、
毛包原基の遺伝子発現および免疫染色などの in vitro 試験と免疫不全マウスへの移植による発毛効率の in vivo 評価

毛包幹細胞の幹細胞マーカーである CD34 の陽性細胞数は、播種前の約 15 倍まで増加した。また、免疫染色の結果から、本手法で大量培養した細胞のほとんどが CD34 陽性であることも確認された（図 2C）。さらに興味深いことに、を併用しデータを解析した。また、再生毛髪の毛色制御を目的として、毛包原基に導入する色素細胞の混合比などの細胞をスフェロイドでゲルに包埋した本手法と細胞を分散状態でゲルに懸濁した先行研究の手法を比較したとこ

条件も検討した。

２．

培地をマトリゲルに置換し 14 日間の培養を行ったところ、凝集体の直径は、
14 日間の培養中に約 350 µm まで増大し、ろ、本手法で得られる CD34 陽性細胞数が約 2 倍多く、幹細胞マーカーである CD34, Tcf3, Nfatc1 の遺伝子発現が有研究成果意に増加することが示された。

以下に、2018 年度の研究成果の一部を記す。
(1) 毛包の幹細胞の採取方法の検討
まず、間葉系細胞について、脱毛症患者の毛包組織から
毛乳頭細胞を調製する方法を検討した。ヒト毛包から外科的に毛乳頭を採取した後、培養ディッシュに播種すると、毛乳頭はディッシュに接着した後、同心円状に広がるように増殖した（図 1A）。免疫染色の結果から、増殖した細胞は毛乳頭細胞のマーカーである Versican を発現していることも観察された（図 1B）。また、培養培地に FGF などの増殖因子を添加することで、細胞増殖が加速することも観察された。 続いて、上皮系細胞について、脱毛症患者の毛包組織から毛包上皮幹細胞を調製する方法を検討した。つまり、ヒト毛包から外科的にバルジ部を採取した後、細胞を分散するための酵素の種類、濃度、処理時間を変更
し、細胞生存率の高い方法を検討した。その結果、低い酵
素濃度かつ長時間処理する条件が毛包上皮幹細胞の分散

図 2 上皮系細胞の培養 (A) スフェロイドアレイ培養器、(B) 培養 14 日目の毛包上皮幹細胞スフェロイド、(C) 培養
14 日目の CD34 陽性細胞法として適していることが示された。

230

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業(3) 毛髪再生能の高い毛包原基を調製する条件の検討

さらに、毛髪再生能の高い毛包原基を調製するために、培

我々は、微細加工技術を用いて作製した独自のスフェロ
イドアレイ培養器を用いて、毛包原基を均一かつ大量に作地の成分や、細胞外マトリクス (ECM)の存在、血管網などを毛包原基に組み込み、毛包のニッチ環境を再現する試製し、これを移植することで、毛髪を再生させる技術を開発してきた。この技術は、酸素供給の改善された環境下でみを行った。まず、血管内皮細胞の導入が毛包原基の生着率向上に貢献することを見出した。上皮系細胞と間葉系細は、1：1 で混合した上皮系細胞と間葉系細胞が自発的に 1つの凝集体を形成し、なおかつその内部ではそれぞれの細胞と血管内皮細胞の細胞混合液を 4：4：1 の混合比で播種したところ、各細胞がすべてのウェル内で自発的に 1 つの胞種が分離されるという現象の発見に基づいている(図 3)。

凝集体を形成した後、3 日間の培養で上皮系細胞と間葉系細胞がその内部で分離し、なおかつ血管内皮細胞が間葉系
細胞の凝集体内で毛細血管を形成した（図 5A, B）。この毛
包原基を、ヌードマウスの皮膚に移植すると、毛髪の再生が観察され、血管を持たない毛包原基よりも発毛効率が有意に向上した（図 5C）。

図 3 自己組織化による毛包原基の形成現象

これまで、マウスの細胞を用いて、実験を進めてきたが、今後のヒト臨床を考えると、当然ながらヒト細胞を用いて発毛できることを実証する必要がある。そこでまず、2 種類の細胞のうち 1 種類をヒト毛乳頭細胞に置き換え、同様の実験を行った。すなわち、ヒト毛乳頭細胞とマウス上皮系細胞をスフェロイドアレイ培養器に播種し、マウス細胞
図 5 血管を有する毛包原基の大量調製 (A) 血管を有する
毛包原基の形成メカニズム(B) チップ内で形成した血管を有する毛包原基、(C) 移植 3 週後の毛髪再生効率を用いた場合と同様に毛包原基が自発的に形成されること (図 4A, 4B)、ヌードマウス皮下へ移植すると毛髪が再生することを確認した (図 4C)。再生した毛髪は毛の生え変わりを繰り返し、組織学的にも正常な毛包を形成している様子が確認された（図 4D）。極最近のデータでは、2 種
類ともヒト毛乳頭細胞、ヒト上皮幹細胞を用いても毛包原

同様に、脂肪幹細胞の導入の効果を検討するために、上皮系細胞と間葉系細胞と脂肪幹細胞の細胞混合液を任意の混合比で播種したところ、血管内皮細胞を混合した場合基の構造が形成されることを確認している。

と同様に、各細胞がすべてのウェル内で自発的に 1 つの凝集体を形成した後、3 日間の培養で上皮系細胞と間葉系細胞がその内部で分離し、なおかつ脂肪幹細胞が間葉系細胞側に分離された（図 6A, B）。この毛包原基の毛髪再生能を評価するために、毛髪再生に関わる遺伝子である Versican,
BMP4, ALP の発現を評価したところ、脂肪幹細胞を含まない場合と比較して、発現量が有意に向上することが確認された（図 6C）
。この毛包原基を移植することで、毛髪再生効率が向上する傾向も確認できている。
また、再生毛髪の毛色を制御する目的で、色素を産生する細胞を任意の割合で上皮系細胞と間葉系細胞の混合液に懸濁し、毛包原基を形成した。この毛包原基を免疫不全マウスに移植したところ、色素を産生する細胞の混合割合

図 4 ヒト細胞を用いた毛包原基の大量調製 (A)(B) チップ
内で形成したヒト毛包原基、(C)移植 18 日目の再生毛髪、(D) 移植 18 日目の皮膚切片の HE 染色像で再生する毛髪の色を制御できることがわかった（図 7）。

231

KISTEC研究報告2019（2019.7）

テムを用いて、撥水性表面に 2 µL ずつのドロップレット
として隣接するように打ち出すことで、毛包原基様構造を大量に調製した。この組織を毛包ビーズと名付けた。培養
液内で 3 日間の浮遊培養を行ったのち、毛髪再生能を毛包誘導マーカーである Versican の遺伝子発現により評価した。培養後の組織をヌードマウス皮下に移植し、3 週間後の再生毛髪を解析した。調製した毛包ビーズは 3 日間の培養中に細胞自身の牽引力により、その形状を保ったまま長
径 2 mm から 500 µm にまで収縮し、高濃度のコラーゲンを有する毛包原基を自発的に形成した（図 9）。この毛包
ビーズの Versican 遺伝子の発現は、コラーゲンを含まない
毛包原基と比較して有意に増加する傾向が確認された。また、この毛包原基を移植した結果、3 週間後にマウスから発毛が観察され、再生した毛包組織は皮下に定着し、一定の毛周期を繰り返した。
図 6 脂肪幹細胞を有する毛包原基の大量調製 (A) 形成した脂肪幹細胞を含む毛包原基（緑：脂肪幹細胞）、(B) 形成した脂肪幹細胞を含む毛包原基の分布（青：細胞核、緑：上皮系細胞、赤：脂肪幹細胞）(C) 培養 3 日後の毛包原基の遺伝
子発現比

図 7 色素細胞を有する毛包原基の大量調製
図 8 多血小板血漿を有する毛包原基の大量調製 (A) パッ
チ法で皮下移植後に再生した毛髪、(B) 毛髪再生効率（移植部あたりに発毛した本数）

続いて、毛包原基培養時の培地の検討として、多血小板
血漿の導入の効果を検討した。まず、血液を遠心すること
で、多血小板血漿を抽出し、塩化カルシウムで活性化させた。これを上皮系細胞と間葉系細胞の細胞混合液に添加し3 日間培養を行った後、毛髪再生に関わる遺伝子である
Versican, Nexin, Igfbp5, Tgfb2, Wnt10b の発現を評価したところ、多血小板血漿を添加しない培養と比較して、発現量が有意に向上することが確認された。この毛包原基を皮下に移植し、パッチ法と呼ばれる方法で評価すると、多血小板血漿の添加により、毛髪再生効率が向上することが確認された（図 8A, B）。さらに、多血小板血漿の成分で、毛髪再生に効果のある因子を解析し、血小板由来増殖因子（PDGF）、繊維芽細胞増殖因子（FGF）、血管内皮増殖因子（VEGF）の添加で、毛髪再生に関わる遺伝子の発現の向上と毛髪再生効率の向上効果が得られることも確認している。

図 9 コラーゲンを有する毛包原基の大量調製

さらに、毛包周囲の細胞外マトリクスの 1 つであるコラーゲンを含む毛包原基を作製した。上皮系細胞および間葉系細胞をそれぞれコラーゲンゲルに懸濁し、自動分注シス232

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業業

績【原著論文】

Matteo Moretti, Simone Bersini, Giovanni Velotta,

1.

Tatsuto Kageyama, Chisa Yoshimura, Dina Mysnikova,
Ken Kataoka, Tadashi Nittami, Shoji Maruo, Junji Fukuda,

Keiichiro Kasai, Junji Fukuda, Spontaneous hair follicle
germ (HFG) formation for regenerative medicine, 5th

Spontaneous hair follicle germ (HFG) formation in vitro,
enabling the large-scale production of HFGs for

TERMIS World Congress, 2018 年 9 月, 京都

regenerative medicine, Biomaterials, 154, 291-300 (2018)
2.

3.

Tatsuto Kageyama, Lei Yan, Akihiro Shimizu, Shoji
Maruo, Junji Fukuda, Preparation of hair beads and hair

Tatsuto Kageyama and J. Fukuda, Large-scale preparationof hair follicle germs for hair regenerative medicine. The
Korean Society for Biomaterials, 2018 年 10 月, 韓国

follicle germs for regenerative medicine, Biomaterials, in
press

4.

Tatsuto Kageyama and J. Fukuda, Large-scale preparationof hair follicle germs using hydrogel bioprinting.
International conference on biofabrication 2018, 2018 年
10 月, ドイツ

【書籍】
1. 楯芳樹, 景山達斗, 福田淳二
毛包原基の大量培養器と毛髪再生医療

5.

PHARM STAGE, Vol.17, No.12, 2018

Sugi Hirano, Tatsuto Kageyama, Junji Fukuda, Expansion
culture of hair follicle stem cells while maintaining hairgeneration ability. International Conference on

2. 吉村知紗, 景山達斗, 福田淳二
毛髪再生医療のための毛包原基の大量調製技術

Biofabrication 2018, 2018 年 10 月, ドイツ
6.

再生医療・創薬のための３次元細胞培養技術,
監修 紀ノ岡正博, シーエムシー出版, 2018

Chisa Yoshimura, Tatsuto Kageyama, Kenichiro Kasai,Junji Fukuda, Large scale preparation of hair follicle
germs (HFGs) using microfabricated PDMS spheroid
chips for hair regenerative medicine. 2018 MRS Fall

3. 清水亮啓, 景山達斗, 福田淳二,

meeting & exhibit, Boston, 2018 年 10 月, ボストン
(USA)

創薬研究のための球状組織培養デバイス,
創薬のための細胞利用技術の最新動向と市場,
監修 古江 美保（楠田）, シーエムシー出版, 2018
7.
4. 景山達斗, 福田淳二
毛包原基の大量調製のためのバイオプリンティング技

吉村知紗, 景山達斗, 笠井敬一郎, 福田淳二, 毛髪再生医療の実現に向けた毛包原基大量調製デバイス,
化学とマイクロ・ナノシステム学会第 37 回研究会,

術,化学とマイクロ・ナノシステム学会誌, Vol.17, No.2,
20182018 年 5 月
8.

5. 景山達斗, 福田淳二

景山達斗, 福田淳二, 毛包ビーズを用いた毛髪再生技術, 化学とマイクロ・ナノシステム学会第 37 回研究会, 2018 年 5 月

毛包原基の大量調製技術を用いた毛髪再生医療,
バイオマテリアル -生体材料-, Vol.37, No.1, 20199.
6. 平野杉, 景山達斗, 福田淳二
毛髪再生医療の現状と実用化へ向けた課題
再生医療の開発戦略と最新研究事例集, 第 2 章, 第 1 節,

楯芳樹, 景山達斗, 福田淳二, 毛包を有する皮膚組織の作製, 第 70 回日本生物工学会大会, 2018 年 9 月

10. 清水亮啓, 景山達斗, 福田淳二, 毛包原基の長期培養

技術情報協会, 2019による毛髪モデルの開発, 第 31 回動物実験代替法学会 2018 年 11 月

【口頭発表】
1.

Sugi Hirano, Tatsuto Kageyama, Junji Fukuda, Expansion

11. 平野杉, 景山達斗, 福田淳二, 創薬のための毛包幹細of hair follicle stem cells using oxygen-permeable
microwell culture plate, 5th TERMIS World Congress

胞の大量培養技術, 日本動物実験代替法学会 第 31 回
大会, 2018 年 11 月

2018, 2018 年 9 月, 京都
12. 楯芳樹, 景山達斗, 福田淳二, 毛包原基を用いた皮膚2.

Chisa Yoshimura, Tastuto Kageyama, Ken Kataoka,

組織の作製, 第 40 回日本バイオマテリアル学会大会

233

KISTEC研究報告2019（2019.7）

2018 年 11 月
13. 吉村知紗, 景山達斗, 笠井敬一郎, 福田淳二, 毛髪再生医療の実現に向けた毛包原基大量調製法の開発,
第 56 回人工臓器学会

2018 年 11 月

14. Tatsuto Kageyama Chisa Yoshimura, Sugi Hirano,
Keiichiro Kasai and J. Fukuda, Hair follicle germ
formation on oxygen-permeable microwell array chips forhair regenerative medicine. 11th world congress hairresearch, 2019 年 4 月, スペイン

【特許】(1) 国内特許出願

5件(2) 国外特許出願

2件

234

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

ナノカーボン光源分析装置開発
研究代表者：慶應義塾大学

牧英之【基本構想】
本研究では、カーボンナノチューブやグラフェンを用いたチップ上の超小型・超高速ナノカーボン光源を用いて、従来の光源では実現できない全く新しい原理の分析装置開発を行う。ここでは、ナノカーボン
光源を用いた分析技術開発を実現するため、新たなナノカーボン光源の開発を進める。また、実際に分析技術にも応用して、ナノカーボン光源の優れた特性を生かした新しい分析技術の基盤を構築する。プロジ
ェクト 1 年目となる平成 30 年度は、申請者が開発してきたナノカーボン発光素子に関して、発光メカニズ
ムやナノカーボン材料、素子構造に着目した発光素子開発を中心に進めた。

１．研究目的能化について研究を進めた。以下に、それぞれの成果について報告する。

本研究では、代表者が独自に開発してきたシリコンチッ
プ上の超小型・超高速ナノカーボン光源を用いて、従来のマクロな光源では実現できない全く新しい原理に基づく(1) グラフェン黒体放射光源

分析装置の開発を行う。プロジェクト 1 年目となる平成
30 年度は、我々が開発してきたグラフェンを用いた黒体

あらゆる物質は、絶対零度を超える温度において熱放射による光を発しており、黒体放射として知られている。こ放射発光素子の最適デバイス構造の検討と半導体カーボ
ンナノチューブ (CNT) 薄膜を用いた新規発光素子の探索の黒体放射は、量子力学の先駆けでも知られているプランク則に従った発光スペクトルを有しており、可視~赤外で及び検討を実施した。

のブロードで連続な発光スペクトルが得られる。現代において、この黒体放射を利用した光源としては、白熱電球や２．研究成果ハロゲンランプが有名であり、タングステンなどの金属フィラメントに通電することで熱放射による発光が得られ、本研究では、カーボンナノチューブやグラフェンといったナノカーボン材料を用いたシリコンチップ上での小型

照明や赤外光源として用いられている。この黒体放射光源
は、LED やレーザーダイオード等と比べた場合、数 mm

で高速な光源開発を進めた。ナノカーボン材料を用いた発光素子としては、現在、2 つのメカニズムの発光素子が知以上の大きなマクロな光源であることに加えて、点滅に必
要な応答速度が 10Hz オーダーと非常に低速であることかられている。一つは、通電に伴うジュール加熱に伴い発光する黒体放射発光素子であり、これは、現在の電球に相当

ら、高集積化や高速化は極めて困難であり、大型で低速な用途に利用が限られている。それに対して、我々は、カーする光源であるが、後述する通り、ナノカーボン材料を用いた場合は、通常の電球と比べて桁違いの性能を示す。もボンナノチューブやグラフェンといったナノカーボン材料を用いることで、従来の金属フィラメントでは全く実現

う一つが、半導体のバンドギャップに起因して、電子と正孔の再結合により発光するエレクトロルミネッセンス

できない、高集積で高速な黒体放射発光素子の開発を目指
して研究をスタートした。これらの黒体放射発光素子の研（EL）発光素子があり、これは、現在の発光ダイオード（LED）に相当する光源となる。これらの光源は、従来の究成果について報告する。
開発したナノカーボン黒体放射発光素子の構造の模式

電球や LED と比較して、シリコン上にダイレクトに集積できることが特徴である。特に、現代の光源技術は、主に化合物半導体で発展してきたが、この化合物半導体は、シリコンウェハー上に直接成長できないため、シリコン上に高集積化することができない。一方、ナノカーボン材料は、シリコンウェハー上に形成して集積化が可能なため、従来の光源では実現できなかった様々な応用を新たに切り開
くことが期待される。本研究では、この新しいナノカーボ
ン光源を分析技術に応用することを目指し、新たな光源開発を進めてきた。そこで、今年度は、ナノカーボン材料を用いた黒体放射発光素子と EL 発光素子の 2 つの光源に関して、発光素子作製プロセスの開拓から発光特性の評価と

図 1 グラフェン黒体放射発光素子の模式図

メカニズム解明、その高輝度化や高速応答性といった高性

235

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 2 グラフェン黒体放射発光素子から得られた発光スペクトル

図を図 1 に示す。黒体放射光源は、カーボンナノチューブ
でもグラフェンでも作製可能であるが、今年度は、主にグラフェンに関する黒体放射光源に関する研究を進めた。グ
ラフェン黒体放射光源は、シリコン上に形成したグラフェンに対して、ドライエッチングでグラフェンを成形した後に、リソグラフィープロセスで電極を形成するという、非常に簡単なプロセスで発光素子が作製された。黒体放射発光素子では、単純な通電加熱による発光であるため、この素子で用いるグラフェンは、通電さえできればよいことか
ら、グラフェンの層数に対して特性は鈍感であり、それらを精密に制御する必要がない。そのため、本研究で用いるグラフェンは、様々な製法によるグラフェンを用いることが可能であり、本研究では、スコッチテープを用いた機械

図 3 上図：グラフェン黒体放射発光素子から得られた発光の赤外カメラ像。下図：同様の素子から得られた発光の可視カメラ像。

剥離によるグラフェンおよび化学気相成長法（CVD 法）によって成長されたグラフェンの両方で発光素子を開発した。特に、CVD 法でのグラフェンは、大面積に成長可能であることから、実用化した場合にも安価で大量に作製す。図 3 上図は、InGaAs 近赤外カメラで観測した結果であるが、図 2 の発光スペクトルと同様に、近赤外領域で高できることが特徴である。また、図 1 に示した発光素子の電極構造は、高速変調発光を実現するために、高周波印加

輝度な発光を得ることに成功した。さらに、この発光素子を可視光領域で測定可能な Si 検出器による可視カメラでを可能にしたコプレーナー導波路構造を有しており、特性
インピーダンスが 50Ωに設計された素子となっている。

観測した結果を図 3 下図に示す。可視カメラ像でも、明瞭な発光を観測することに成功し、本素子では、グラフェン

高速変調が不要な場合は、構造が単純な 2 端子電極も用いることが可能であり、変調速度とプロセスに応じて最適なデバイス構造を用いた。
本素子から得られた発光スペクトルの例を図 2 に示す。
このスペクトルは、InGaAs 検出器を用いて近赤外領域で測定した結果であるが、黒体放射特有のブロードな連続ス

から直接、可視～赤外領域にかけた発光が得られていることを観測した。
また、本素子の高輝度化についても検討した。これまでの我々の研究で、グラフェンを用いた黒体放射発光素子に関する研究を報告するとともに、その発光メカニズムについて、詳細に検討してきた。この研究では、シリコン上にペクトルを有する発光が得られた。また、このスペクトルを黒体放射の理論式であるプランク則を用いてフィッテ
ィングしたところ、実験結果を説明することが可能であり、得られた発光が黒体放射由来であることが明らかとなった。これらの結果より、本発光素子は、赤外領域全般での発光スペクトルを有する赤外光源として利用可能である

形成されたグラフェンを用いることで、通常の金属フィラ
メントによる黒体放射と比べて 6～7 桁以上も早い 1～
10GHz の高速変調性が得られることを実験的・理論的に初めて明らかにし、Nature Communicatins 誌に掲載された。
ここでは、その高速変調発光のメカニズムを詳細に調べた
結果、グラフェンと基板間でダイレクトに遠隔で作用する

ことが示された。
本素子からの発光をカメラで観測した結果を図 3 に示

量子的な新しい熱輸送が発光特性を支配していることを236

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

図 4 グラフェン黒体放射発光素子で発現する熱輸送モデル明らかにした。図 4 にその熱輸送モデルの模式図を示すが、この発光素子からの発光は、
過去に報告されてきた CNT

通常の古典的な熱輸送として電極方向や基板方向への熱輸送があるが、それに加えて、シリコンウェハー上でのナ一本による EL と比べると、本研究では薄膜状にすることによって大幅な高輝度化に成功した。電流－電圧特性から

ノカーボン材料では、極性基板である SiO2 の表面に発生する表面極性フォノンによる量子的な熱輸送が重要な役

は、低電圧下ではほとんどオーミックな特性が得られ、高電圧下では抵抗がやや減少する非線形な I－Vds カーブが割を果たすことが明らかになった。この量子的な熱輸送は、グラフェン－基板間での遠隔でダイレクトな熱輸送であ見られた。ゲート電圧特性では電流が完全にはゼロにならないが、I－Vg カーブの形状から、この発光素子は p 型半ることから、基板が重要な役割を果たすことが示された。
このことは、グラフェン－基板間の熱輸送をコントロール

導体の特性を持つことが明らかになった。さらに、この発光素子からの発光スペクトルは、薄膜に含まれる CNT のすることで、発光素子の性能を制御可能であることを示しており、これを用いた発光素子の高性能化が可能であるこカイラリティに依存したピーク形状を有しており、このことからも、この発光が黒体放射ではなく EL 発光であることを示した。
また、発光素子の高輝度化に関しては、グラフェン 1 層とが分かった。
また、フォトルミネッセンス（PL）及び吸収スペクト

あたり 2.3%の光を吸収することが明らかとなっていることから、層数を増やすことで発光素子の発光強度を増加さ

ルと比較すると、EL スペクトルは約 0.2 eV のレッドシフトが観測された。このレッドシフトより、今回得られた発せることが可能であることが示された。また、吸収係数と放射率は、相関を持つ物理量であるが、グラフェンの放射率は、非常に広い波長領域で一定であることが知られており、広波長範囲での光源となることも明らかなことから、
可視~赤外での光源として期待される。
(2) 半導体 CNT 薄膜を用いた EL 発光素子開発
本研究では、グラフェンの黒体放射発光素子に加えて、半導体型 CNT のエレクトロルミネッセンス（EL）を利用した光源の開発も行った。CNT には金属と半導体が存在しており、作り分けはできないが、近年の技術の進展により半導体 CNT と金属 CNT の分離技術が確立し、半導体
CNT を生成分離したものを購入できるようになってきた。
ここでは、半導体リッチな単層 CNT の分散液をシリコン基板上に滴下し、スピンコートすることで、シリコンチッ
プ上に CNT 薄膜を形成した。図 5 に示すように、CNT 薄膜の両側にチャネル長 500 nm で Pd 電極を形成し、電圧を印加させることにより、半導体型 CNT 特有の EL 発光が得られた。発光波長は、1~2 µm 帯を中心とする近赤外領域で得られたことから、得られた発光素子は、シリコンチ

図 5 半導体 CNT 薄膜による EL 発光素子の概念図。

ップ上に集積化可能な近赤外光源として利用可能である
ことが明らかとなった。

237

KISTEC研究報告2019（2019.7）

図 6 トリオンからの EL 発光の模式図。

光は、通常の CNT からの発光で知られている励起子からの発光ではなく、図 6 に示すように、電子と正孔が結合し

図 7 EL 発光の時間分解測定結果。

た励起子にさらにもう一つ正孔が結合してより安定化したトリオンからの発光であることが明らかとなった。発光で論文を投稿中であるとともに、国内で最も有名な「応用強度の電圧依存性からは、印加電圧の増加に伴って、発光強度も指数関数的に増加することが明らかとなった。

物理学会」からは、グラフェン光源で受賞１件、CNT 光
源で受賞１件の計 2 件の受賞を受け、専門家からも高い評

さらに、作製した EL 発光素子に対して ns オーダーの矩形パルス電圧を印加し、時間分解測定により発光の応答速価を得てきた。今後は、引き続きオリジナリティーの高い
独自のナノカーボン光源開発を進めるとともに、その高性度を調べたところ、図 7 に示すような高速な発光が確認された。得られた発光の時間応答波形に対して、理論的なフ能化や実用化技術を構築していく。

ィッティングを施すことにより、この発光の応答時間が140ps 程度であることが明らかとなった。この値は、測定器のジッター100ps 程度と同じオーダーのため、発光応答が 140ps よりも短いことを示した。EL によるトリオンの時間分解測定は世界でも初の試みであり、この結果から、理論的に数 GHz オーダーの高速変調が可能であることを世界に先駆けて明らかにした。 実際、本研究では、120psのパルス発光と、1GHz の高速直接変調を実現し、グラフ
ェンや CNT の黒体放射発光素子と同等の高速応答性を有することが明らかとなった。得られた EL 素子は、波長 1～2 µm 帯での近赤外領域で発光することから、近赤外領域における赤外光源として利用可能である。また、EL 発
光素子は、黒体放射光源よりも量子効率が高いことが期待されることから、低消費電力の光源として期待され、小型チップへの応用も期待される。

３．まとめと今後の展望
以上に示すように、グラフェンを用いた発光素子の特性や高性能化に関する検討と半導体 CNT 薄膜を用いた EL
発光素子の開発や評価を中心に進めた。グラフェン発光素
子では、その作製プロセス、発光メカニズム、高輝度化の手法を構築した。CNT による EL 発光素子では、発光素子開発に加えて、その発光メカニズム解明や高速発光について明らかにした。
戦略的シーズ育成事業開始直前には、我々が開発したグラフェンを用いた発光素子に関する研究成果が「Nature
Communications」に掲載されたが、その後も発光素子関連238

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

業 績【原著論文】
1.

H. Takahashi, Y. Suzuki, N. Yoshida, K. Nakagawa and H.
Maki, Trion-based High-speed Electroluminescence from
Semiconducting Carbon Nanotube Films, ACS Applied
Electronic Materials, Submitted.

【口頭発表】
1.

2.

3.

4.

5.

Yusuke Fukazawa, Yusuke Miyoshi, Yuya Amasaka, Robin
Reckmann, Tomoya Yokoi, Kazuki Ishida, Kenji
Kawahara, Hiroki Ago and Hideyuki Maki
High-Speed and integrated graphene blackbody emitters
7th Workshop on Nanotube Optics and Nanospectroscopy(WONTON 2018)，2019 年 7 月，神奈川
Hideyuki Maki and Yusuke Fukazawa
High-Speed and on-Chip Blackbody Emitters based on
nanocarbon materials
19th International Conference on Science and Applicationof Nanotube and Low-dimensional Materials (NT18)，
2019 年 7 月，中国
中川鉄馬，深澤佑介，三好勇輔，天坂裕也，ロビンレ
ックマン，横井智哉，河原憲治, 吾郷 浩樹, 牧英之
超高速 Si チップ上のグラフェン黒体放射発光”，第 56
回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム，2019 年 3 月，東京
深澤佑介，三好勇輔，中川鉄馬，天坂裕也，ロビンレ
ックマン，横井智哉，河原憲治, 吾郷 浩樹, 牧英之
Si チップ上での高速・高集積グラフェン黒体放射発光素子（第 45 回応用物理学会講演奨励賞）
2019 年第 66 回応用物理学会春季学術講演会，2019 年
3 月，東京高橋英統，鈴木裕司，吉田識人，中川鉄馬，牧英之
トリオン発光によるカーボンナノチューブ薄膜高速EL 素子（第 66 回応用物理学会春季学術講演会 Poster
Award）
2019 年第 66 回応用物理学会春季学術講演会， 2019年 3 月，東京【特許】(1) 国内特許出願

2 件 (出願準備中)(2) 国外特許出願

2 件 (出願準備中)

239

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

３D ナノ界面を有する異種接合技術の開発

研究代表者：早稲田大学

細井厚志【基本構想】
本プロジェクトは、自己組織化により金属表面に高秩序、高密度なナノ空間構造体を創製し、炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（CFRTP）積層板と金属の新しい接合技術を開発し、力学的特性と接合・破壊メカ
ニズムを明らかにしたうえで、ボルトレス構造のための異種材料直接接合技術を確立することを目的とする。近年では、航空機や自動車等の輸送機器の軽量化による省燃費化を図り、CO2 排出を削減する環境保全対策が進められている。最新鋭民間航空機 B787 の一次構造材料に炭素繊維強化プラスチック（CFRP）が採用され、従来機と比較して約 20%の燃費削減を実現した。これを受けて量産自動車の一次構造部材に CFRPを採用するための研究開発が急ピッチで進められている。一方、量産自動車においては軽量化を図るために構造材料のマルチマテリアル化が検討されており、CFRP やアルミニウム合金などの更なる適用が期待されている。とりわけ CFRP の適用においては、生産性の向上と生産コスト削減のために、母材が熱可塑性樹脂である CFRTP を用いた一体成形によるスタンピング成形法が検討されている。材料コストの観点から構造すべてに CFRP が採用されるのではなく、金属材料と併用されるため CFRP と金属の接合箇所を設ける必要がある。しかし、ボルト締結では CFRP と金属の切削特性が極端に異なるため、加工性・生産性が悪いといった問題がある。また、ボルト孔に応力が集中し剥離やき裂を生じさせる原因となる。さらに、ボルトを使用することにより重量が増大し軽量である CFRP を使用するメリットを失う原因となる。以上のことから、次世代の自動車や航空機においてボルトレス構造の確立が期待されている。しかし、接着剤を用いた接合では、硬化時間が長く生産性が悪いことや、熱可塑性樹脂は化学的に不活性であり金属材料との接着性に乏しいことが課題となっている。そこで、本研究では新規に開発した異種材接合技術について接合強度等の力学的特性を定量的に評価し、そのメカニズムを明らかにすることによって、格段に接合強度の高い異種材接合技術とその長期信頼性を確立する。本研究の成果によって、一次構造に CFRTP を用いる航空
機や自動車の接合技術や、スマートフォンや PC の筐体、電子デバイス等への異種材接合技術への実用化への展開を目指す。

１．

(1)

研究目的

プロジェクト 1 年目となる平成 30 年度は、以下を重点

アルミニウム合金表面上の金属酸化物ナノ空間構造
体の創製項目として研究を推進した。新たな異種接合技術を構築するとともに、異種材接合技術の基礎となる力学的特性、長本研究では広く構造材料に用いられているアルミニウ
ム合金 A5052 を用いた。アルミニウム合金板の表面を脱期耐久性について定量的に評価することを目的とした。
(1) アルミニウム合金表面上の金属酸化物ナノ空間構造

脂した後、複数回の陽極酸化処理・エッチング処理を施すことによって、新規に 2 種類の表面ナノ構造を作製した。

(2)

体の創製
引張せん断試験における接着強度と破壊形態へ及ぼそれぞれを One-Tiered（OT）構造、Multi-Tiered（MT）構造と呼称し、作製条件を表 1、表 2 にそれぞれ示す。OT(3)

す表面ナノ構造の影響評価
静的双片持ち梁（Double Cantilever Beam: DCB）試験

構造の作製では、クエン酸エチレングリコール混合溶液を用いて同一条件での 2 段階の陽極酸化処理を行った。MT(4)による層間破壊靭性へ及ぼすナノ構造の影響評価
疲労 DCB 試験による層間剥離進展へ及ぼすナノ構造構造の作製では、異なる条件で 3 段階の陽極酸化処理を行
った。

の影響評価

作製した OT 構造と MT 構造の SEM 観察結果を図 1、2にそれぞれ示す。図 1 より、同一条件での陽極酸化処理に

研究成果

以下は、平成 30 年度の具体的な研究成果であり、異種より均一な表面ナノ構造の形成が確認できた。これは、一段階目の陽極酸化処理・エッチング処理で表面に凹凸構造

接合体の接着特性を力学的に評価し、提案する本技術の有用性を明らかにした。

が形成され、二段階目の陽極酸化処理においてその凹凸を起点として表面ナノ構造が形成されていったためだと考２．

えられる。図 2 より、異なる条件の陽極酸化処理により孔241

KISTEC研究報告2019（2019.7）

径の異なるポーラスからなる多層的なナノ構造の形成が確認できた。これは、陽極酸化処理時の印加電圧を低下す
るにつれて、形成するポーラス構造の孔間隔が小さくなっ

4

Time
min

Table 3 Specification of CFRTP.

540
60

20

Polyamide 6 (PA6)

Melting point °C

225
50

Carbon fiber

Toray T300B-3K

Stacking sequence[(0/90)9]T

接着強度を最大せん断荷重あたりの接着面積（τad = P/A）として評価した。OT 構造にシランカップリング処理を施した後に接着した試験片を Si-OT、MT 構造にシランカッ
プリング処理を施さずに接着した試験片と施した後に接着した試験片を MT、Si-MT、圧延まま材にシランカップ
リング処理を施さずに接着した試験片と施した後に接着した試験片を AR、Si-AR とそれぞれ呼称する。また、引張せん断試験中の接着部分の側面を撮影し、デジタル画像
相関（Digital Image Correlation: DIC）法にてひずみ分布を取得した。
引張せん断試験結果を図 4 に示す。図 4 より、ナノ構造を作製することにより接着強度が向上することが確認された。これは、ナノ構造の作製による表面積増加とアンカ
ー効果によるものであると考えられる。

Time
min
30
150
3.5
90
15
40

30

Adhesive strength MPa

1μm(a) Low magnification.
(b) High Magnification.
Fig. 1 Aluminum surface observed by SEM (OT structure).

1μm

24.4
22.8

20

15.3

17.3

10

0

(a) Low magnification.
(b) High Magnification.
Fig. 2 Aluminum surface observed by SEM (MT structure).

(2)

Matrix resin
Fiber volume fraction Vf %540

Table 2 Fabrication condition of MT structure.
Temperature Voltage
Solution°C
V
Anodizing
0.3M H3PO4
2
130
Etching
5wt% H3PO4
25
Anodizing
0.15M (COOH)2080
Etching
5wt% H3PO4
25
Anodizing
0.3M (COOH)2050
Etching
5wt% H3PO4
25
-

5μm

37.5

Bond section
Grip section
Grip section
Fig.3 Schematic of specimen geometry for static shear test.

Table 1 Fabrication condition of OT structure.
Temperature Voltage
Solution°CV
2wt% C6H8O7
Anodizing
10400+2wt% C2H6O2 (2:1)
12wt% H3PO4
Etching
63+3.6wt% H2CrO4
2wt% C6H8O7
Anodizing
10400+2wt% C2H6O2 (2:1)
12wt% H3PO4
Etching
63+3.6wt% H2CrO4

5μm

12.5

37.5

たためである。

25

0
AR

MT

Si-AR

Si-OT

Si-MT

Fig. 4 Effect of adhesive strength on surface nano-structures.

き裂進展開始時の Si-AR、Si-OT、Si-MT のき裂先端の引張せん断試験における接着強度と破壊形態へ及ぼ

主ひずみ方向を図 5 にそれぞれ示す。図 5 から、き裂進展開始時の各試験片のき裂先端での主ひずみ方向は、Si-AR

す表面ナノ構造の影響評価
表面ナノ構造を有するアルミニウム合金若しくは表面

は接着面に対して約 45°方向であるのに対して、Si-OT、Si-MT については約 50~60°方向になっていることが確認

処理を施していない平滑なアルミニウム合金を 1wt%シラ
ンカップリング水溶液に 15 分間含浸させた後、100 °C のできた。これは、表面ナノ構造の作製により接着強度が向上し、き裂進展開始時までの接着部近傍におけるアルミニ

オーブンで乾燥させた。その後、アルミニウム合金とCFRTP 積層板を 300 °C に加熱したホットプレート上で重ね、接着部に 0.13 MPa の圧力を 3 分間与えた後空冷を行い、図 3 に示すシングルラップ試験片を作製した。なお、試験片形状は JIS K6850 を参考にし、長さ 100 mm、幅 25mm、厚さ 2.0 mm のアルミニウム合金と CFRTP 積層板をウム合金の塑性変形量が増加するためだと考えられる。
Si-AR については、接着強度が低いために塑性変形が起こる前に純せん断方向の荷重のみでき裂が進展開始したと考えられる。一方、Si-OT と Si-MT については、せん断方
向の荷重のみではき裂が進展せず、荷重増加により接着部付近で塑性変形するのに伴い、荷重方向が純せん断方向か

接着し、引張せん断試験において用いる引張せん断試験片を作製した。本試験に用いる CFRTP の諸元を Table 3 に示らせん断方向と垂直方向の混合となることでき裂が進展

す。

242

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業開始したと考えられる。以上より、主ひずみ方向の解析結果から、Si-AR についてはモードⅡによる破壊が起こっているのに対して、Si-OT と Si-MT については表面ナノ構造作製による接着強度の向上により、モードⅠとモードⅡの混合モードによる破壊が起こっていることが示された。
Bond interface
Al

CFRTP

Bond interface

Bond interface

Al

Al

CFRTP

CFRTP

Fig. 7 Schematic of DCB test.

機械的影響の算出においては、JIS K 7086 に基づき、き裂先端の局所変形を考慮した修正コンプライアンス較正約 45°(a) Si-AR

約 55°(b) Si-OT法を用いた。用いた式を式(1)に示す。

約 56.5°2(c) Si-MT

Gmech =

Fig. 5 First major principal strain direction just before crack growth.

(3)23  PC  ( Bλ ) 3 
2 H  B  α1(1)

ここで、式(1)の H は試験片板厚、B は試験片幅、PC は初

静的 DCB 試験による層間破壊靭性へ及ぼすナノ構造

期限界荷重、λは荷重－COD 線図から得られたコンプライの影響評価
接着界面の層間破壊靭性に及ぼす表面ナノ構造の影響

アンスである。また、α1 はき裂長さ a とコンプライアンス

λによって求められる係数であり、式(2)の関係より算出しを評価するために、静的 DCB 試験を行った。アルミニウ
ム合金及び CFRTP 板の試験片寸法はそれぞれ、140 mm ×

た。

25 mm × 2 mm とした。予き裂導入のためのポリイミドフ
ィルムを 45 mm 挿入し、ホットプレス機を用いて 400 kPa、1a
= α1 ( Bλ ) 3 + α 0H(2)

A5052 と CFRTP の線膨張係数は異なるために、接着時

300 °C で 3 分間加圧し、圧力を加えたまま 50 °C まで急冷した。試験片形状を図 6 に示す。表面にナノ構造を有するに加えた熱によって接着試験片に熱残留応力が発生する。

アルミニウム合金にシランカップリング処理を施してCFRTP と接着させた試験片、平滑なアルミニウム合金に応力によるエネルギー解放率を算出する必要がある。ここ

熱残留応力は層間破壊靭性値に影響を及ぼすため、熱残留では式(3)に示す Nairn[1]によって提案されたモデルを参考

シランカップリング処理のみを施して CFRTP と接着させた試験片をそれぞれ、Si-NS、Si-AR と呼称する。

にした。

Gthermal =H (∆α∆T ) 2 E1E2 ( E1 + E2 )4
( E1 − E2 ) 2 + 16 E1E2

(3)

E1、E2 は A5052 及び CFRTP の曲げ弾性係数、∆αは A5052と CFRTP の線膨張係数の差、∆T は室温と接着試験片の応
力フリー温度との差を表す。
DCB 試験によって測定した Si-NS と Si-AR の代表的な荷重－COD 線図を図 8 に示す。また、層間破壊靭性値の算出結果を図 9 に示す。図 9 に示す層間破壊靭性値は、式

Fig. 6 Specimen geometry for static DCB test.

(1)と式(3)の和である。Si-NS の層間破壊靭性値は Gc =JIS K 7086 に基づき静的 DCB 試験を行った。静的 DCB試験の概要を図 7 に示す。試験は精密万能試験機を用いた。
試験前に予め一度引張荷重を負荷することにより、き裂を進展させ、鋭い予き裂を導入した。引張速度は 0.5 mm/min

0.984 kJ/m2 であり、Si-AR の層間破壊靭性値 Gc = 0.380
kJ/m2 と比べて約 2.6 倍向上することが明らかとなった。
なお、熱残留応力が層間破壊靭性値に及ぼす影響は Gthermal= 0.136 kJ/m2 であり、Si-NS においては 13.8 %、 Si-AR に
おいては 35.8 %の影響が確認された。

とし、き裂が進展するまで荷重を負荷した。き裂長さは荷重線からき裂先端までの長さとし、CCD カメラで試験片破面観察の結果、A5052 側は全面的に樹脂で覆われてお側面を撮影し、DIC 法によってき裂進展長さを測定した。
荷重とき裂開口変位(Crack Opening Displacement: COD)を測定し、荷重－COD 線図を取得した。試験後に、き裂進
展 部 の A5052 及 び CFRTP の 破 面 を 走 査 電 子 顕 微 鏡

り、樹脂部を破壊していることが分かった。さらに詳しく観察すると、樹脂で厚く覆われている樹脂リッチ部と、樹脂が薄い破面が確認された。樹脂リッチ部では、A5052、
CFRTP ともに、Si-NS 及び Si-AR で同様に脆性的な破壊形態が確認された。Si-NS と Si-AR との破面の違いは、樹脂(Scanning Electron Microscope : SEM)によって表面を観察した。

が薄く残った部分で観察された。図 10 に示すように、

243

KISTEC研究報告2019（2019.7）

Si-NS では微小な樹脂の毛羽立ちが無数に確認され、樹脂疲労試験機を用いた。疲労試験の概略図を図 11 に示す。

の延性破壊が確認された。Si-AR では表面に Si-NS でみら

ASTM D6115-97 を参考に、エネルギー解放率が層間破壊
靭性の 50%、80%になるように開口変位を制御し、変位比れた毛羽立ちはなく、脆性的な破面が確認された。Si-NS

を 0.1、周波数は 5Hz とし、データ取得のサンプリング周
波数は 500Hz とした。また、各サイクルごとのコンプライ

においては、表面ナノ構造によって破壊が延性的に進行することにより、層間破壊靭性が向上したと考えられる。

アンスと最大荷重 Pmax、最小荷重 Pmin をそれぞれ取得し式(4)を用いてエネルギー解放率範囲を算出した。き裂進展部
における、パリス線図（式(5)）の形に近似できる領域について、両対数グラフの傾き m の比較をすることで疲労特性の評価を行った。
2

3  P 2 − P 2  ( Bλ ) 3∆G =  max 2 min 
B
2H 
 α1

(4)

da
= C (∆G ) m
dN(5)

データの処理は Python を用いたプログラムにて行った。
各サイクルにおけるコンプライアンスとき裂長さを算出したのち、200 サイクルごとにデータの間引きを行った。

Fig. 8 Representative load-COD diagram (Si-NS vs Si-AR).

間引いたコンプライアンスとき裂長さのデータを pythonの scipy パッケージにある Savitzky-Golay フィルターを用いてフィッティングする。フィッティングされたデータが初めに算出したプロットから大幅にずれていないことを確認し、フィッティング後のコンプライアンスをエネルギ
ー解放率範囲の計算に、平滑化後のき裂長さをき裂進展速度の計算に用いた。き裂進展速度は、200 サイクルごとに取得したフィッティング後のき裂長さの差をサイクルの差(=200)で除したものとした。

Fig. 9 Fracture toughness (Si-NS vs Si-AR).

Fig. 11 Schematic of DCB test.

接着剤（adhesive）の試験片を用いて開口変位 50%で行っ(a) Si-AR

た疲労試験、Si-AR の試験片を用いて開口変位 80%で行った疲労試験、Si-NS の試験片の開口変位 80%で行った疲労(b) Si-NS

試験のサイクル数とき裂長さの関係を図 12 にそれぞれ示す。図 12 のいずれの試験片においても実験データに対しFig. 10 Fracture surface of specimen(5)

疲労 DCB 試験による層間剥離進展へ及ぼすナノ構造の影響評価て、フィッティングラインが合致していることが確認される。このことから、平滑化後の直線を用いて Paris 線図を

アルミニウム合金と CFRTP を直接接着した試験体に対し疲労 DCB 試験を行い、Paris 線図を描くことにより層間取得した。また、図 12(c)を図 12(a)、(b)と比較すると、平滑化前のデータのばらつきが最も少ないこともが認でき剥離進展へ及ぼすナノ構造の影響を定量的に評価した。予き裂は静的 DCB 試験を行うことで導入した。変位制御にる。これは、Si-NS は試験時の最大荷重 Pmax が adhesive や
Si-AR よりも高かったため、出力されたデータが微細なノて引張荷重を負荷し、荷重の減少が確認できた点でき裂が進展したと判断した。予き裂長さは、前節と同様に DIC

イズに影響されにくかったためであると考えられる。また、
図 12 (b)、(c)における A～C 部において、傾きが変化して法を用いて計測した。繰返し負荷によって進展するき裂長
さは前節の式(2)に示したコンプライアンス法を用いて計いることが確認できる。A 部についてはボイドなどが形成されていることによってその部分でき裂進展が早くなっ測した。本試験は JIS K7086 の破壊靭性試験を参考に、繰
り返し荷重を加えることによって行った。試験には電磁式ている可能性が考えられる。B 部と C 部についても、同様の理由も考えられるが、拡張ポーラス構造が形成できてい244

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業

る部分とそうでない部分の差や、ポーラス径の微細な違い

進展速度で比較を行うと、エネルギー解放率範囲 ΔG がによっても、進展の速さに変化が生じている可能性があると考えられる。

Si-NS は adhesive や Si-AR よりも 1 桁程度大きいことが確認できる。また、Si-AR も adhesive よりも同じき裂進展速度におけるエネルギー解放率範囲 ΔG が大きいことが確認される。次に、Paris 則を適応できる右端の直線部の傾きを比較すると、adhesive と Si-AR、Si-NS の傾きは madhesive= 2.72 と mSi-AR = 2.59、mSi-NS = 1.89 であり、大小関係は
madhesive > mSi-AR e > mSi-NS となっている。Si-NS は Si-AR、
adhesive よりもき裂が発生してもき裂進展速度が上昇しにくく、き裂進展が進みにくい傾向があることが確認された。
Si-NS の疲労特性の向上は接着界面の樹脂の延性破壊が生じている可能性や、き裂進展をナノ構造が阻害している可能性が考えられる。前節に示したように、ナノ構造によって樹脂が局所的に塑性変形し、き裂進展時に必要なエネル
ギーが大きくなるため、き裂進展速度の抑制があったと考(a) adhesive for the 50% caseえられる。また、Si-AR と、Si-NS のき裂進展の概略図を
図 14 に示す。図 14 (a)に示すように、ナノ構造がない場合には、炭素繊維と A5052 表面の間に樹脂があり、A5052
表面が炭素繊維に直接干渉していないことが予想される。
このとき、樹脂内をき裂が進展するときはこれを阻害するものがなく、き裂進展速度を抑制する要素が少ないと考えられる。一方で、図 14 (b)に示されるように、ナノ構造を持っているとき、微細なナノ構造が CFRTP の炭素繊維に直接干渉することで、き裂が樹脂内を通り抜けようとする
際に停滞することが考えられる。

(b) Si-AR for the 80% case(a) Si-AR(b) Si-NS

Fig. 14 Schematic of expected fracture mechanism.
(c) Si-NS for the 80% case

３．

Fig. 12 Relationship between cycles and estimated crack length

今後の展望

本研究の成果によって、接着界面のナノ構造によって表面積増大やアンカー効果によって接着強度を向上させ、延性的な破壊を促すことで破壊靱性を向上させることが明らかとなった。また、それによって疲労き裂進展抵抗を格段に向上することが明らかとなった。一方、求めた破壊靱
性値はモードⅠとモードⅡの混合モードによる評価となっているため、純モードによる評価方法を健闘する必要がある。また、実用化にむけて、シームレス接合への展開や様々な樹脂や金属への適用可能性について検討を進める。

【参考文献】[1] J.A. Nairn, International Journal of Fracture 139, 267-293,
2006.

Fig. 13 Paris diagram.

謝辞

adhesive (50%)、Si-AR(50%)、Si-AR (80%)、Si-NS(80%)

本研究の一部は、JSPS 科研費 18H01342 の研究事業の一環を同時にプロットした Paris 線図を図 12 に示す。同じき裂として行われたものである。ここに記し謝意を表する。

245

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】戦略的研究シーズ育成事業業

績【原著論文】
1.

H. Abe, J.C. Chung, T. Mori, A. Hosoi, K.M. Jespersenand H. Kawada

5.

齊藤慧，Kristine Munk Jespersen，阿部暉，大田宙起，
和田啓汰，細井厚志，川田宏之

The effect of nanospike structures on direct bonding
strength properties between aluminum and carbon fiber

アルミニウム合金および CFRTP 積層板の直接接着部における 疲労はく離成長特性の評価

reinforced thermoplastics
Compos. Part B, 172, 1, 26-32 (2019)日本複合材料学会第 10 回日本複合材料会議, 2019 年 3
月, 東京

【総説】

【特許】

1. 細井厚志
３D ナノ構造を有するアルミニウムと熱可塑性炭素繊(1) 国内特許出願

0件(2) 国外特許出願

0件

維強化プラスチックの直接接合技術
プラスチックス, 2018 年 10 月号, 23-25.

【書籍】
なし

【口頭発表】
1.

K. Okamoto, J.C. Chung, H. Abe, A. Hosoi, N. Ishida, S.
Matsukawa, K.M. Jespersen and H. Kawada
Direct bonding between carbon fiber

reinforced

thermoplastics and aluminum alloys and its soundness
evaluation by non-contact ultrasonic testing
26th International Conference on
Engineering, 2018 年 7 月, フランス
2.

Composites/Nano

和田啓汰，阿部暉，Kristine Munk Jespersen，細井厚志，
川田宏之
アルミニウム合金と CFRTP の接着強度に及ぼす表面
ナノ構造の影響日本材料学会 2018 年度 JCOM 若手シンポジウム,
2018 年 8 月, 箱根

3.

K.M. Jespersen, J.C. Chung, K. Okamoto, H. Abe, A.
Hosoi and H. Kawada
Damage mechanisms of directly bonded carbon fibre
reinforced
thermoplastics
nanostructured surface

andaluminium

with

39th Risø International Symposium on Materials Science,
2018 年 9 月, デンマーク
4.

阿部暉，大田宙起，齊藤慧，和田啓汰，Kristine MunkJespersen，細井厚志，川田宏之
アルミニウム合金と CFRTP 積層板の直接接着継手における破壊靱性の評価
日本機械学会第 26 回機械材料・材料加工技術講演会,
2018 年 11 月, 山形.

KISTEC研究報告2019（2019.7）

246

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター「グローバルヘルスリサーチコーディネーティング
センター（GHRCC）」プロジェクト
ディレクター

毛利

光子

基本構想
GHRCC プロジェクトは，以下の理念と 6 つの事業方針に基づき，研究活動を行っている。

理念
臨床研究の実施により得られる「知」と患者・家族・一般市民（コミュニティ）の「生活」を融合することにより，“神奈川県から” 医療の発展と世界の人々のより健康な暮らしに貢献する。

事業方針（６つの柱）
１）臨床研究のマネジメント支援
２）わが国におけるグローバル臨床研究の推進
３）未病の知識と対応の普及
４）臨床研究のコンサルテーション
５）臨床研究専門職の人材育成
６）臨床研究方法論に関する研究活動

１．

平成 30 年度の研究目的

平成 30 年度に、プロジェクト 4 年目を迎えた。これま

巣癌の治療薬として承認申請が期待され、目に見える形
での GHRCC の社会貢献になるものと期待している。小でと同様、6 つの事業方針に基づいて研究を進め、臨床研究支援を通じて医療の発展に寄与することを目的に活児肝芽腫を対象とした多施設共同国際共同試験「AHEP0731」は、日本での潜在的患者数が少なく症例登動した。

録数における試験への貢献度は低いが、世界的規模での小児領域治療薬剤開発を目の当たりにして、GHRCC で小２．

平成 30 年度の研究成果

児領域試験の支援を行うことの意義を痛感している。
平成 30 年度は「国内試験」においても、あらたに多施

平成 30 年度の具体的な研究成果は以下のとおりである。

設共同医師主導治験の支援を開始した。初発の子宮頸癌患者を対象とした「GOTIC-018」試験は化学放射線療法

1） 臨床研究のマネジメント支援
臨床研究マネジメントの重点支援領域を「希少がん」に免疫チェックポイント阻害剤（ICI）のオプジーボを併用するデザインで実施されるが、時代の本流である ICI「精神・神経難病」「再生医療」としている。このうち、婦人科がん、小児がん領域の治験・特定臨床研究・臨床を用いた試験を GHRCC が初めて経験する試験である。
2018 年 4 月臨床研究法が施行されたことに伴い、それ試験あわせて 18 試験のマネジメント支援を続けている。
GHRCC でマネジメント支援する試験の中で、国際共同とまで「人を対象とする医学系研究に関する倫理指針」の下で研究者主導臨床研究として行っていた GOTIC-VTE

して実施する多施設共同医師主導治験に、多くの知財と労力を注力した。この他、国際共同の研究者主導多施設試験を、「特定臨床研究」へ積み替える業務を行った。臨床研究法は、近年問題となった研究不正に対処する目的

共同臨床試験、国内で実施する多施設共同医師主導治験、更に特定臨床研究と、支援する試験の形態は多岐にわたで施行されたが、法の不備も相まって対応に相当な時間を費やした。

っており、国内の規制要件のみならず、FDA、EMA のRegulation の動向も確認しながら実施している。

精神・神経難病試験においては、試験調整事務局を主たる実施医療機関である大学病院臨床研究センターに移「国際共同治験」としては、フランスのグループがリードする「PAOLA-1]試験が平成 28 年度に症例登録目標

管した後も、試験調整事務局を経験した組織として移管
後の組織からの問合せに対応している。

を達成したことに続いて、平成 30 年度にはアメリカ
National Cancer Institute（NCI）の主導する「NRG-GY004」

再生医療製品は、早期開発段階であることが多く、GHRCC が開発の後期フェーズを得意とすることも相ま

試験でも日本での予定登録数を完了した。いずれも卵巣癌患者を対象とした医師主導治験であり、近い将来、卵って具体的な受託実績には至らなかったが、基礎研究者との情報交換を重ねて、平成 31 年度の具体的な支援相談

247

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター

へ繋がることが期待できる。

「臨床研究おしゃべりサロン」と題した講演会を開催しGHRCC で支援している試験概要を図 1 に、国際共同試
験の支援体制を図 2 に示す。

ている。平成 27 年度から累積すると、開催回数は 12 回になった。平成 30 年度は「女性のがんと臨床研究」「子「NRG Oncology-Japan」及び「GOTIC」の専属コーディネーティングセンターの立場から、海外研究グループ

どものがんと臨床研究」「放射線治療と臨床研究」の 3 回を開催した。

との活発な情報共有を通して国内体制の整備を継続実施
し、マネジメント業務の品質向上を図っている。

4） 臨床研究のコンサルテーション

この他、一般社団法人化「NRG Oncology-Japan」の事
務局として、本法人を一層活性化すべく、種々の企画を

GHRCC では、研究者や企業からの臨床試験実施上の問
題点や研究実施体制整備と必要な準備、確認すべき規制盛り込んだ社員総会、運営委員会の開催支援を行った。

要件、品質管理方法等の実務的側面からの相談を受け付
け、コンサルテーションを行っている。平成 30 年度の相

2） わが国におけるグローバル臨床研究の推進
研究者および医療スタッフが国際共同研究に参画しモ談実績は 14 件、相談者は、製薬企業や研究者・研究ループだった。

チベーションを高める活動を継続した。国内外の研究機
関や製薬企業/医療機器企業に対して、学会発表、セミナ

相談内容は、国際共同試験への参画に関するもの、再生医療等製品の臨床試験支援に関するものに加えて、ーあるいは面談を通じ、米国 NCI 傘下の NRG Oncologyと Children Oncology Group の２つの臨床研究グループに

QOL や医療経済評価研究の支援可能性についてもあり、多岐にわたっている。

対する支援活動の実際を紹介した。
「国際的な研究ネット
ワーク」が企画運営する国際共同試験を医師主導治験と

5） 臨床研究専門職の人材育成

して実施し、国内での新薬承認や適応拡大へと発展させる意義や、そのメリットを強調したい。GHRCC 研究員が本邦における臨床研究の実務を支援し、品質向上をおこなうにあたり必要な人材の育成を目指し、GHRCC の経

定期的に米国 NRG Oncology や欧州 GCIG の研究グルー
プ会議に出張し、最新情報の入手に努めている。

験を学会やセミナーを通じて紹介した。生物統計家や、臨床試験を実際に行っている医師を GHRCC に講師としアカデミアの臨床研究グループとして、グローバル製
薬企業の行う企業治験において、症例登録情報配信や研て迎え、研究室セミナーを行った。国際共同試験に関わる人材の育成方法として、環境が許せば、将来的にはイ

究者会議開催支援等を行っている。

ンターンの受け入れ検討も開始したい。

3） 未病の知識と対応の普及
未病の知識すなわち、正しい疾患情報や予防・治療方6） 臨床研究方法論に関する研究活動
承認取得までのプロセスを鑑みたレギュラトリーサイ法を届けるべく、一般市民を対象として GHRCC 主催でエンス研究は、ますますその重要性を増している。日本

図1 GHRCCで支援している試験概要

KISTEC研究報告2019（2019.7）

248

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター

臨床試験学会、日本レギュラトリーサイエンス学会を軸や規制で求められることの対処方法について、それぞれとして GHRCC から発信する場を持ち続けたいと考えている。

日本臨床試験学会、生体医工学会レギュラトリーサイエ
ンス研究会で発表した。

平成 30 年度は、多施設共同の研究者主導臨床試験を
臨床特定研究に積み替え対応をする際の GHRCC での取り組み、国際共同試験の説明文書・同意書の日本語翻訳

図 2 国際共同試験の支援体制

249

KISTEC研究報告2019（2019.7）

【研究開発部】グローバルヘルスリサーチコーディネーティングセンター

業

績

【総説】
1.

梶本裕介, 北島勉, 沢田貴志, 宮首弘子. Pre-exposure
prophylaxis の費用対効果に関する文献レビュー. 日
本エイズ学会誌 20(2) 101-5,2018.

【口頭発表】
1.

二宮真紀，林聖子，高橋詳史，藤原寛行，毛利光子．
臨床研究法下で行う多施設共同医師主導臨床研究について、研究事務局の取り組み – 迅速な法移行にむけて-日本臨床試験学会第 10 回学術集会総会.東京．
2019 年 1 月 25 日. ポスター発表

2.

毛利光子，笠貫宏．アカデミア主導の国際共同試験における説明文書・同意書に関する考察、日本生体医工学会 –第 16 回レギュラトリーサイエンス研究会-

3.

長野，2018 年 8 月 26 日．一般演題

深川恵美子、山本さおり、阿部由佳、村瀬哲也、田中惇子、高橋まりも、角山政之、松尾裕彰、梅本誠治、檜山英三、被験者が他の治験実施施設へ転院したときに発生した重篤な有害事象は、誰が報告するのか？第 18 回 CRC と臨床試験のあり方を考える会
議 2018、2018 年 9 月 16 日、富山、ポスター発表

4.

梶本裕介、北島勉. Economic Burden of Dengue inJapan: Results from National Database Research. ISPOR
Asia pacific 2018. 2018 年 9 月 10 日 ポスター発表

5.

梶本裕介、北島勉. Prescription drug among patients withdengue fever in Japan: Results from National Claims
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Pharmacoepidemiology. 2018 年 10 月 28 日.ポスター発表

KISTEC研究報告2019（2019.7）

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研 究 報 告 2019２０１９年７月３１日発行

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