熊本県産業技術センター研 究 報 告熊本県産業技術センター

研 究 報 告第 49 号

平成 22 年度････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

第４９号

REPORTS OF
KUMAMOTO INDUSTRIAL RESEARCHINSTITUTE
No.49 2010.4-2011.3････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

平成二十二年度

平成 24 年 1 月

熊本県産業技術センター〒862-0901

熊本市東町 3-11-38

発 行
者：熊本県
発 行
者：熊本県
属：熊本県産業技術センター
所 所 属：熊本県産業技術センター
発行年度：平成２３年度
発行年度：平成２３年度

Published by
Kumamoto Industrial Research Institute3-11-38, Higashi-machi, Kumamoto 862-0901 Japan熊本県産業技術センター研究報告第 49 号 （平成 22 年度）
目

次

【論
文】
県内農産加工施設の衛生管理状況の調査事例 ･･･････････････････････････････････ 工藤康文 ･･････
三牧奈美
半導体検査装置のコンタクトプローブへの応用を目指した
BeCu 合金基材への導電性ダイヤモンド膜の合成 ･････････････････････････････････ 天野博士 ･･････
坪田敏樹
村上直也
横野照尚
澤田 滋
末永知子
長畑博之

1

7

畳表製造副産物のバイオマス燃料としての利用に関する検討 ･･････････････････････ 大坪路弘 ･･････ 14
田中亮一
佐藤崇雄
齋田佳菜子
中川 優
湯之上雅子
林田安生
電気化学的手法による酸化亜鉛薄膜作製に関する研究 ････････････････････････････ 永田正典 ･･････ 20
雪田勝也
セラミックス金型による高機能新規成形品の創出に関する研究 ････････････････････ 高橋孝誠 ･･････ 25
土村将範
坂本英俊
峠
睦
大淵慶文
コロイダルセルロースを用いたスキンケア材のプラント大型化とトレンド拡大に関する探索 ････････････････････････････････････････････････････ 永岡昭二 ･･････ 29-コロイダルセルロースによる環境人体調和スキンケア材料の開発(2)戸畑温子
力石史朗
滝口靖憲
高藤 誠
伊原博隆

【技 術 資 料】
EMC 測定・対策効率化支援技術の開発 ･･････････････････････････････････････････ 石松賢治 ･･････ 34-ノイズ対策部品活用の最適化に関するマニュアル化高精度・高スループット 2D-3D インスペクション技術の開発 ･･････････････････････ 重森清史 ･･････ 38- W 低コントラスト欠陥検出-【研究ノート】
県産木材を使った屋根材の開発 ････････････････････････････････････････････････ 中村哲男 ･･････ 42
土村将範
矢野 隆
村上 聖
江藤留寿
北原良誠
【転
載】
スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト
欠陥検査方法の提案 ･･････････････････････････････････････････････････････････ 重森清史 ･･････ 44
電気学会論文誌 C, Vol.130, No.9, pp.1546-1553 (2010)
菊野敏博
井上高宏
木質３層構造材の遮音性能（第１報） ･･････････････････････････････････････････ 中村哲男 ･･････ 52- 3 層壁の音響透過損失矢野 隆
木材学会誌, Vol.56, No.2, pp.84-92 (2010)
村上 聖
長谷川麻子
江藤留寿
高橋優樹
北原良誠
木質３層構造材の遮音性能（第２報） ･･････････････････････････････････････････ 中村哲男 ･･････ 61- 3 層床の床衝撃音レベル矢野 隆
木材学会誌, Vol.56, No.2, pp.99-103 (2010)
村上 聖
長谷川麻子
江藤留寿
高橋優樹
北原良誠
Preparation of nanoporous inorganic membrane on supports with graded structure
Hideyuki Negishi, Toshinori Tsuru, Katsuya Nouzaki,
Takuya Kitazato, Keiji Sakaki, Hiroshi Yanagishita ･････････････････････････････････ 72
Desalination and Water Treatment Vol.17 pp.99–105 (2010)

REPORT OF
KUMAMOTO INDUSTRIAL RESEARCH INSTITUTE
Vol.49(2010.4-2011.3)
CONTENTS【Original papers】
Investigation Examples of Food Hygiene Management at Factories of Farm Output Processing inKumamoto Prefecture
Yasufumi KUDOH and Nami MIMAKI ･････････････････････････････････････････････････････････ 1
Synthesis of Conductive Diamond Film on BeCu Alloy Substrate for the Application to Contact
Probe of Semiconductor Inspection Equipment
Hiroshi AMANO, Toshiki TSUBOTA, Naoya MURAKAMI, Teruhisa OHNO,
Shigeru SAWADA, Tomoko SUENAGA, and Hiroyuki NAGAHATA ･･････････････････････････････････ 7
Utilization of Byproduct in Japanese Grass Carpet(TATAMI) Production as a Material of
Bio-cokes
Michihiro OHTSUBO, Ryoichi TANAKA, Takao SATOH, Kanako SAITA,
Masaru NAKAGAWA, Masako YUNOUE and Yasuo HAYASHIDA ････････････････････････････････････ 14
Studies on Fabrication of ZnO Thin Films by Electrochemical Techniques
Masanori NAGATA and Katsuya YUKITA ････････････････････････････････････････････････････ 20
Development of High Accuracy and High Quality Glass-fiber Reinforced Product byHybrid Ceramics
Kousei TAKAHASHI, Masanori TSUCHIMURA, Hidetoshi SAKAMOTO, Mutsumi TOUGE
and Yoshifumi OHBUCHI ･････････････････････････････････････････････････････････････････ 25
Development of Ecological Cosmetic Materials from Surface-modified Coloidal Cellulose:
Preparation of Hygloscopic Cellulose Microbeads with Acid Anhydride andtheir Application to Cosmetrical Materials (2)Shoji NAGAOKA, Haruko TOBATA, Shirou RIKITAKE, Yasunori TAKIGUCHI, Makoto TAKAFUJI
and Hirotaka IHARA ････････････････････････････････････････････････････････････････････ 29【Technical Reports】
Development of Assistive Technology for EMC Measurement and Design
Kenji ISHIMATSU ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 34
Development of High Accuracy and High Throughput 2D-3D Inspection Technology:
Detection of Low Contrast Defects
Kiyoshi SHIGEMORI ･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 38【Technical Note】
Study on the Development of Roof Material Using Domestic Wood

Tetsuo NAKAMURA, Masanori TSUCHIMURA, Takashi YANO, Kiyoshi MURAKAMI,
Tomehisa ETOH and Ryosei KITAHARA ･････････････････････････････････････････････････････ 42【Reprinting】
A Proposal of a Visual Inspection Method for Detecting Low Contrast Defects ofan IC Lead Frame by Using a Spline Function
Kiyoshi SHIGEMORI, Toshihiro KIKUNO and Takahiro INOUE ･･･････････････････････････････ 44
IEEJ Trans. EIS, Vol.130, No.9, pp.1546-1553 (2010)
Sound Insulation of Wooden Three-layered Material I:
Sound Transmission Loss of Wooden Three-layered Walls
Tetsuo NAKAMURA, Takashi YANO, Kiyoshi MURAKAMI, Asako HASEGAWA,
Tomehisa ETOH, Yuki TAKAHASHI and Ryosei KITAHARA ････････････････････････････････････ 52
Mokuzai Gakkaishi, Vol.56, No.2, pp.84-92 (2010)
Sound Insulation of Wooden Three-layered Material II:
Floor-impact Sound Level of Wooden Three-layered Floors
Tetsuo NAKAMURA, Takashi YANO, Kiyoshi MURAKAMI, Asako HASEGAWA,
Tomehisa ETOH, Yuki TAKAHASHI and Ryosei KITAHARA ････････････････････････････････････ 61
Mokuzai Gakkaishi, Vol.56, No.2, pp.93-103 (2010)
Preparation of Nanoporous Inorganic Membrane on Supports with Graded Structure
Hideyuki NEGISHI, Toshinori TSURU, Katsuya NOUZAKI
Takuya KITAZATO, Keiji SAKAKI and Hiroshi YANAGISHITA ･･･････････････････････････････････ 72
Desalination and Water Treatment Vol.17 pp.99–105 (2010)

【論文】

県内農産加工施設の衛生管理状況の調査事例

県内農産加工施設の衛生管理状況の調査事例
工藤康文＊・三牧 奈美＊
食品加工技術室＊

Investigation Examples of Food Hygiene Management at Factories of Farm Output
Processing Processing in Kumamoto Prefecture
Yasufumi KUDOH＊ and Nami MIMAKI＊
本県の農産加工施設が生産する主要な加工品である漬物・ゼリー類・瓶詰加工品を対象にして、衛生管理上の問題点を把握するために、それらの加工施設や加工品の一般細菌数及び大腸菌群等の調査を行った。その結果、各施設に共通な作業台上では一般細菌数や大腸菌群はほとんど検出されなかったが、冷蔵庫・冷凍庫・保蔵庫等のドアノブや水道の蛇口・シンクなどの水周りに検出されるものがあった。作業中の調査ではなかったが、落下菌数はいずれの加工施設でも少なかった。加工品では、浅漬けに一般細菌数の多いものがあったが、他の加工品では問題は認められなかった。

1. はじめに

1)

近年、食をめぐっては、「栄養、おいしさ」だけでなく、健康増進や地域資源の有効利用といった課題に関心が高まっているが、カイワレダイコンの腸管
出血性大腸菌O-157による食中毒事件や雪印集団食中毒事件、最近のユッケ食中毒事件など、国民の不安を招く食中毒事件が発生し、その前提となる「安全・安心」の確保も重要な課題となっている。このような食品中毒事件は、大企業といえども食品に対する消費者の信頼を失うと、存続することができな
くなるという教訓を示している。
一方、食料自給率の向上に向けた社会的な動きや食の安全に対する消費者のニーズに対応するため、県内の食品産業も国産原料への志向が強くなっている。また、JAや物産館、加工組織等を中心に活動が活発化し、地域農産物を活用した多様な取組みが進められ、農産加工品のレベルアップのための努力が続けられているだけでなく、他産業からの農産加工分野への新規参入も増えてきており、このような農産加工組織や新規参入者の衛生管理技術の向上が求められている。
そこで、本調査では、本県の農産加工施設が生産する主要な加工品である漬物・ゼリー類・瓶詰加工品を対象にして、衛生管理上の問題点を把握するために、それらの加工施設や加工品の調査を行った。
2. 材料及び方法
2.1

加工施設の衛生管理状況調査

調査した加工施設
県内の農産加工施設のうち、漬物3ヶ所、ゼリー2
ヶ所、瓶詰加工品3ヶ所、合計8ヶ所を選定して調査を行った。なお、作業中に調査した農産加工施設は、1ヶ所であった。
2) 調査項目① 拭取検査
上記加工施設の非汚染作業区域内にある冷凍庫・冷蔵庫・貯蔵庫等のドアノブ、水道蛇口、シンク、加工機器等の表面10cm2を滅菌した綿棒で拭取り、りん酸緩衝生理食塩水（0.85%NaCl）10mlに希釈して、検体とした。
② 落下細菌(生菌)数
標準寒天培地を入れたペトリザラ(直径9cm、深さ1.5cm)を非汚染作業区域の数箇所に置き、カバーを開けて5分間水平に静置した後、再び静かにカバーをしめて、これを35℃の温度で48時間培養し、細菌集落数を算定してその平均値を求め、ペトリザラ1枚当たりの5分間の落下細菌数とした。
2.2 農産加工品の衛生管理状況調査及び保存試験
1) 調査した農産加工品
漬物については、浅漬け2種類（白菜、高菜）、味噌漬け2種類（ダイコン・ショウガ・ニンジン・キュ
ウリ詰合せ、ニンジン）の調査を行った。
ゼリーについては、ドラゴンフルーツ2種類（赤果、白果）、カンキツ2種類（バンペイユ、温州みかん）の調査を行った。
瓶詰加工品については、豆乳、バター及びトマト加工品の調査を行った。

―1―

熊本県産業技術センター研究報告書

2) 調査項目① 一般細菌数及び大腸菌群
食品衛生検査指針１）に準じて、測定した。すなわ
ち、拭取り検査の検体は、その1mlを標準プレート寒天培地（関東化学）15mlとペトリザラ(直径9cm、深さ1.5cm)で混釈した。ペトリザラを35℃の温度で48時間培養し、細菌集落数を算定して10cm2の細菌数とした。また、同じく検体1mlを、デスオキシコレート
寒天培地（極東製薬）及びBGLB培地（栄研化学）を用いて大腸菌群の有無の判定を行った。
各サンプルからは、無菌的に10gを採取し、滅菌したりん酸緩衝生理食塩水90mlを加えてストマッカー
で均質化したものを試料原液とした。次いで、試料原液を10倍づつ段階希釈したもの1mlを標準寒天培
地15mlとペトリザラで混釈した。ペトリザラを35℃の温度で48時間培養し、細菌集落数を算定して、一般細菌数とした。また、同じく試料原液1mlをデスオ
キシコレート寒天培地（極東製薬）及びBGLB培地（栄研化学）を用いて大腸菌群の有無の判定を行った。
② pH
浅漬は調味液をそのまま試料とした。味噌漬は、検体10gを超純水で5倍希釈したものを試料とした。
ゼリー及びトマト加工品は、そのまま試料とした。
豆乳及びバター加工品は、水相部を試料として測定した。
③ 塩分
浅漬は調味液をそのまま試料とした。味噌漬は、検体10gを超純水で5倍希釈したものを試料とし、アタゴ社製ソルトメーターES-421で測定した。
④ BrixゼリーのBrixは、検体10gを超純水で10倍希釈したもの試料とし、アタゴ社製REFRACTOMETER PAL-1で測定した。
⑤ 水分活性
水分活性は、マイルストーンゼネラル社製アクアラブ CX-3TE により、測定した。
⑥ 測色値
測色値は、日本電色工業社製分光色差計カラー
メーターZE2000 により測定した。
⑦ 過酸化物価
試料から抽出した油脂 1g を精密に量り採り，共栓付三角フラスコに入れてクロロホルム・酢酸混液(2：3)25ml を加えて溶解した。次いで，フラスコ内の空気を窒素で置換し，窒素を通じながら飽和ヨウ化カリウム溶液 1ml を加え，直ちに共栓せんをして
約 1 分間振り混ぜた後，暗所に常温で約 10 分間放置する。これに水 30ml を加え，激しく振り混ぜた後，デンプン試液を指示薬として，0.01mol／l チオ硫酸ナトリウム溶液で滴定した。

No. 49.

20113) 日持ち調査
浅漬、ゼリー、豆乳加工品及びバター加工品は10℃に設定したインキュベーターで実施した。味噌漬及
びトマト加工品は、25℃に設定したインキュベータ
ーで実施した。
3. 結果
3.1 加工施設の衛生管理状況
各農産加工施設に共通な機器である作業台上の一
般細菌数を調査した結果を図1に示した。調査した作業台の7割が102レベル以下の細菌数であり、105レベ
ル以上の細菌数に汚染されている作業台は、認められなかった。
各農産加工施設に設置してある機器等の一般細菌数を調査した結果を図2に示した。調査した機器等
は、冷凍庫・冷蔵庫・貯蔵庫等のドアノブ、水道蛇口・シンク、加工機器等である。102レベル以下の生菌数のものは50％以下であり、105レベル以上の生菌数に汚染されている機器等は10％程度あった。特に、汚染状況が激しい機器等は、直接手で触れるドアノ
ブ、水周りの水道蛇口周辺のものであり、ミキサー等の加工機器等は清浄であった。

―2―

5

10 レベル
4

10 レベル
103レベル
102レベル
300CFU未満

0

図1

3

6
頻度（件数）

912

作業台上の一般生菌数の頻度

105レベル
4

10 レベル
3

10 レベル
102レベル
300CFU未満

0

図2

3

6
頻度（件数）

9

12

設置機器等の一般生菌数の頻度

図3に、大腸菌群の検出結果を示した。作業台上か県内農産加工施設の衛生管理状況の調査事例

件（12％）であり、作業中のものであった。一方、

（
）
一般細菌数

表3 高菜浅漬けの保存試験（10℃）
調査日

らはほとんど大腸菌群は検出されず、検出したのは2

g
/
u
f
c

pH

0日目

1.9×106

欠測

欠測

1日目

5.6×106

欠測

欠測

7.3×10

7

5.8

2.7

5.3×10

7

5.5

3.0

3.2×10

8

5.2

2.7

1.8×10

8

4.4

3.2

設置機器等では、12件（43％）のものから大腸菌群が検出された。検出された機器等は、冷凍庫・冷蔵庫・貯蔵庫等のドアノブ、水道蛇口・シンク、加工機器等であったが、特に水周りの機器等から検出されるものが多かった。

2日目
3日目
4日目
陽性

15

作業台

7日目

2

塩分
(%)

陰性

設置機器等

16

0

図3

5

1) 浅漬け表2及び表3に浅漬の保存試験の結果を示した。いずれの浅漬も、製造時または製造直後にかなりの細菌数が検出された。pHは保存中に低下し、白菜浅漬
けでは7日目に3.8、高菜浅漬けでは4.4まで低下した。塩分は、白菜浅漬けでは2％前後で、高菜浅漬け
では3％程度で推移した。

12

10

15
件数

20

25

30

作業台及び設置機器等の大腸菌群の検出件数

表4

（
）
一般細菌数

大腸菌群

味噌漬け（詰合せ）＊の保存試験（25℃）

調査日

表1 加工施設の落下細菌数

pH

0日目

300以下

陰性

4.4

5.8

4ヶ月目

300以下

陰性

4.7

6.3

表1に各加工施設の落下細菌数を示した。1ヶ所を

6ヶ月目

300以下

陰性

欠測

欠測

除いて非作業中の測定ではあったが、落下細菌数は、

12ヶ月目

300以下

陰性

4.0

6.4

A

B

C

D

落下細菌数

4.3

0.6

1.0

0.0

加工施設

E

F

G

H

落下細菌数

1.0

1.0

1.3

0.0

：包装後殺菌

欠測

g
/
U
F
C

4.0

2.5

3日目

1.1×108

4.1

1.7

4日目

3.1×108

4.0

2.2

7日目

1.5×108

3.8

1.8

4.7×103

陰性

4.4

8.0

7日目

1.7×10

3

陰性

4.3

8.0

1.2×10

3

陰性

4.3

8.6

1.6×10

3

陰性

4.3

8.3

21日目

欠測

2.9×107

0日目
14日目

欠測

2日目

pH

g
/
U
F
C

1.0×106

欠測

塩分
(%)

大腸菌群

調査日
1日目

2.2×105

pH

（
）
一般細菌数

表2 白菜浅漬けの保存試験（10℃）

ニンジン味噌漬け＊の保存試験（10℃）

調査日

表5

（
）
一般細菌数

農産加工品の衛生管理状況及び保存試験結果

0日目

塩分
(%)

＊

非常に少なかった。
3.2

g
/
U
F
C

加工施設

塩分
(%)

＊

：パックによる簡易包装、包装後殺菌無し

2) 味噌漬け
表4及び表5に味噌漬けの保存試験の結果を示した。包装後殺菌した味噌漬けは、12ヶ月間（30℃）
一般細菌数は300CFU/g未満、大腸菌群は陰性であっ―3―

熊本県産業技術センター研究報告書

リーはpH4以下であった。Brixは、概ね20％程度で
あった。

pH

Brix
(%)

pH

0日目

300以下

陰性

欠測

欠測

9日目

300以下

陰性

欠測

欠測

25日目

300以下

陰性

欠測

欠測

g
/
U
F
C

大腸菌群

g
/
U
F
C

調査日

（
）
一般細菌数

ドラゴンフルーツ〈赤〉
・ゼリーの保存試験（10℃）

温州みかん・ゼリーの保存試験（10℃）
大腸菌群

表9

（
）
一般細菌数

表6

2011

調査日

た。pHは4.3、塩分は8％程度で変化無かった。簡易包装の味噌漬けの一般細菌数は、21日間（10℃）
103CFU/gレベルで変化なく、大腸菌群も陰性、pH4.3、塩分8％程度で変化無かった。

No. 49.

Brix
(%)

0日目

300以下

陰性

5.0

20.5

39日目

300以下

陰性

3.8

19.0

9日目

300以下

陰性

欠測

欠測

46日目

300以下

陰性

3.9

19.0

28日目

300以下

陰性

欠測

欠測

42日目

300以下

陰性

欠測

欠測

63日目

300以下

陰性

欠測

欠測

g
/
U
F
C

陰性

5.0

18.5

pH

製造直後

3.2×103

陰性

欠測

4.4

2週間後

3.4×10

3

陰性

欠測

4.4

4週間後

1.5×103

陰性

欠測

4.4

6週間後

1.7×10

3

陰性

0.99

4.4

1.2×10

3

陰性

0.99

4.4

1.2×10

3

陰性

0.99

4.4

1.0×10

3

陰性

0.99

4.5

g
/
U
F
C

300以下

水分活性

0日目

大腸菌群

pH

Brix
(%)

（
）
一般細菌数

大腸菌群

調査日

（
）
一般細菌数

ドラゴンフルーツ〈白〉
・ゼリーの保存試験（10℃）

調査日表7

表10 豆乳加工品の保存試験1（10℃）

8週間後

9日目

300以下

陰性

欠測

欠測

10週間後

28日目

300以下

陰性

欠測

欠測

10週間後

＊

42日目

300以下

陰性

欠測

欠測

＊：室温保存

63日目

300以下

陰性

欠測

欠測

Brix
(%)

g
k
/
q
e
m

大腸菌群

g
/
U
F
C

調査日

pH

調査日

バンペイユ・ゼリーの保存試験（10℃）
（
）
一般細菌数

表8

（
）
過酸化物価

表11 豆乳加工品の保存試験2（10℃）
測色値
L値

a値

b値

製造直後

4.9

84.5

-3.0

17.3

0日目

300以下

陰性

欠測

欠測

2週間後

9.6

84.4

-3.2

17.4

9日目

300以下

陰性

欠測

欠測

4週間後

11.5

84.1

-3.0

17.4

14.7

83.7

-3.2

17.2

25日目

300以下

陰性

欠測

欠測

6週間後

39日目

300以下

陰性

3.5

20.0

8週間後

12.1

82.3

-2.6

17.0

46日目

300以下

陰性

3.6

18.3

10週間後

15.7

82.4

-2.8

17.0

＊

19.0

81.4

-2.0

16.0

10週間後
3) ゼリー
表6から表9にゼリーの保存試験の結果を示した。
いずれのゼリーも、一般細菌数は300 CFU/g 以 下 であり保存中の増加も無かった。大腸菌群も全て陰性であった。pHは、ドラゴンフルーツ・ゼリーは2種類
ともにpH5.0、バンペイユ・ゼリー及び温州ミカンゼ＊：室温保存4) 豆乳加工品
表10及び表11に豆乳加工品の保存試験結果を示した。豆乳加工品の10週間の保存試験中、一般細菌数は103レベル、大腸菌群も陰性で保存試験中変化は無―4―県内農産加工施設の衛生管理状況の調査事例

かった。また、水分活性、pHも保存試験中変化は無かった。過酸化物価は、保存試験中増加したが、室温下10週間の保存でも30meq/kgを超えることは無かった。測色値はＬ値が減少し、肉眼的にも色調が暗くなることが認められた。

調査日

（
）
一般細菌数

大腸菌群

水分活性

表12 バター加工品の保存試験１（10℃）

pH

製造直後

300以下

陰性

0.87

4.0

2ヶ月後

300以下

陰性

0.86

4.0

4ヶ月後

300以下

陰性

0.87

3.9

6ヶ月後

300以下

陰性

欠測

4.1

4. 考察
本調査では、本県の加工施設および加工品の衛生管理がどのような状況であるか明らかにするために
本県農産加工組織が製造する農産加工品の中から、主要な漬物、ゼリー、瓶詰加工品を調査品目として、その加工施設及び加工品の一般細菌数及び大腸菌群
や衛生関連項目の調査を行った。
まず、各農産加工施設の施設・器具等の拭取り調査を実施したところ、各施設に共通な作業台上の一
般細菌数は300CFU/10cm2未満の物が大半であり、大腸菌群もほとんど検出されなかった。一方、その他の器具では、冷蔵庫・冷凍庫・保蔵庫等のドアノブ
や水道の蛇口・シンクなどの水周りに細菌数が多く検出され、大腸菌群が検出されるものもあった。大
腸菌群の検出は、直ちに糞便性の大腸菌の存在を証明するものではないが、留意する必要がある。なお、
本調査で確認された102 ～105 レベルの一般細菌数
は、他の事例２）にくらべて多いものではないが、施設内の整理整頓、器具等の洗浄・消毒、乾燥などに努力する必要がある。
また、落下菌数を調査したところ、作業中の調査ではなかったが、いずれの加工施設でも厚生労働省の基準３）以下で、ほとんど検出されなかった。

g
/
U
F
C

調査日

表13 バター加工品の保存試験2（10℃）
測色値
L値

a値

b値

製造直後

47.0

-3.0

21.1

2ヶ月後

50.8

-3.2

21.4

4ヶ月後

52.0

-2.5

22.5

6ヶ月後

51.1

-2.5

22.3

調査日

（
）
一般細菌数

大腸菌群

水分活性

表14 トマト加工品の保存試験1（25℃）

pH

製造直後

300以下

陰性

0.97

4.0

2ヶ月後

300以下

陰性

0.97

4.2

4ヶ月後

300以下

陰性

0.97

4.1

6ヶ月後

300以下

陰性

欠測

4.2

した。バター加工品の6ヶ月間の保存試験中、一般細菌数は300以下、大腸菌群も陰性で保存試験中変化は無かった。また、水分活性、pHも保存試験中変化は無かった。測色値はL値が増加し、肉眼的にも色調が淡くなることが認められた。
6) トマト加工品
表14及び表15にトマト加工品の保存試験結果を示した。トマト加工品の6ヶ月間の保存試験中、一般細菌数は300以下、大腸菌群も陰性で保存試験中変化は無かった。また、水分活性、pH及び測色値も保存試
験中変化は無かった。

g
/
U
F
C

調査日

表15 トマト加工品の保存試験2（25℃）

ついで、加工品の衛生状況を調査した。漬物では、

測色値

味噌漬けについては一般細菌数、大腸菌群の有無、

L値

a値

b値

pH及び塩分に問題が認められず、衛生管理状況は良

製造直後

22.0

22.9

13.1

好であったが、浅漬けについては一般細菌数が多か

2ヶ月後

22.1

23.4

13.4

った。これまでに実施した調査４）では、本県の浅漬

4ヶ月後

22.1

23.5

13.4

けの一般細菌数は103 ～107 レベルであったことか

6ヶ月後

22.2

23.5

13.3

ら、今回調査した浅漬けは一般細菌数が多い方に入5) バター加工品
表12及び表13にバター加工品の保存試験結果を示るものと思われたが、さらに初発菌数を低減する必要があると思われた。

―5―

熊本県産業技術センター研究報告書

ゼリーについては、4品とも一般細菌数、大腸菌群の有無、pHに問題が認められず、衛生管理状況は良No. 49.

2011

フト面が充実することにより、達成されるものであるので、一層の努力が必要である。

好であった。
参考文献

瓶詰加工品の豆乳加工品では、一般細菌数は10週間103レベルを保持し、大腸菌群も陰性のままであり、pHも変化無かった。過酸化物価は保存試験中増

1) 厚生労働省監修，食品衛生検査指針，社団法人日本食品衛生協会，2004

加したが、室温下でも30meq/kgを越えることはなく、

2) 桑原祥浩，食品工場における微生物管理について，食問題なかった。同様に、バター加工品・トマト加工

品工場のサニテーション（Ⅱ），環境管理技術研究会，品ともに、6ヶ月間の保存試験では、問題は認められ

pp. 32-38，1991
3)

なかった。
以上のように、本調査では施設や加工品というハ

厚生省通知，弁当及びそうざいの衛生規範について，

1979
4) 三牧奈美，上野華子，工藤康文，浅漬けの品質向上とードの面から調査を行った。その結果、対象とした

新規開発，熊本県産業技術センター研究報告，No.46，

農産加工施設の衛生管理状況は概ね良好であった

pp. 41-44，2008

が、施設や加工品について、なお改善すべき点も認められた。衛生管理は、施設や加工法などのハード面だけでなく、従業員の意識などそれを運用するソ―6―

【論文】 半導体検査装置のコンタクトプローブへの応用を目指した BeCu 合金基材への導電性ダイヤモンド膜の合成

半導体検査装置のコンタクトプローブへの応用を目指した BeCu 合金基材への導電性ダイヤモンド膜の合成
天野

博士*・坪田 敏樹*・村上 直也*・横野 照尚*・澤田 滋**・末永 知子***・長畑博之*****

九州工業大学大学院工学府物質工学専攻応用化学コース、**三重大学大学院工学研究科車載ネットワーク技術研究室、***熊本県産業技術センター 材料・地域資源室、****サンユー工業株式会社

Synthesis of Conductive Diamond Film on BeCu Alloy Substrate for the Application toContact Probe of Semiconductor Inspection Equipment
Hiroshi AMANO*, Toshiki TSUBOTA*, Naoya MURAKAMI*, Teruhisa OHNO*, Shigeru SAWADA**, Tomoko SUENAGA***,and Hiroyuki NAGAHATA****
化学気相析出(CVD)により合成される導電性ダイヤモンド膜は、高硬度、化学的安定性、導電性等の特異な物性を有する。これらの物性は、半導体製造の検査工程のための電気接触子への応用に適している。そこで、この研究では電気接触子としての導電性ダイヤモンドの特性を調査するために BeCu 合金の板状基板に導電体であるボロンドープダイヤモンド膜の合成を試み、BeCu 合金 L コンタクト（市販の電気接触子の製品）上に CVD ダイヤモンド膜の合成に成功した。合成されたダイヤモンド膜中のボロン濃度は、ラマンスペクトルのピーク位置より、約 3.2×1020 cm-3 と見積もられた。2 h
合成の試料の接触状態における系全体の電気抵抗値は充分に小さく、この結果から初期状態の系全体の電気抵抗値は実用で要求される条件を満たしている。接触抵抗の解析結果から L コンタクトの接触状態は、すべり機構を含んでいると推測された。また、耐久試験の結果より、本ダイヤモンド合成膜は、接点表面でのはんだ付着を抑制することが確認できた。

1. 諸言
ダイヤモンドは物質中最高の硬度、熱伝導率を持
ち、大きなバンドギャップ、高い化学的安定性など
他の材料にはない様々な特性を有することから工業材料としても利用が大いに期待されている 1)-3)。ダイヤモンドの人工合成方法としては、高圧合成 4)、
爆発法 5)、CVD 法 4)が知られている。このうち CVD
法は、気体原料から膜状のダイヤモンドを合成できる方法であり、他の合成方法と比較して、原理的に異種元素（炭素以外）の混入を抑制することが可能である。CVD ダイヤモンドの主な合成法として、マイクロ波プラズマ CVD 法 6)、燃焼法 7)、熱フィラメ
ント CVD 法 8)などが知られている。
ダイヤモンドは、ボロンをドープすることで p 型の導電性を有するダイヤモンドとすることができる。
そのため、この特性とダイヤモンド特有の特性を生かしてパワーデバイスの材料に応用するための研究が長年行われている 9)。また、1021 cm-3 以上の高濃度にボロンをドープしたダイヤモンドは低温で超伝導を示すことが報告されている 10)-16)。
半導体製造の検査工程に用いられるコンタクトプ
ローブには以下の性質が求められる。
・良好な耐摩耗性
・接触状態での低い電気抵抗値
・異物の付着しにくさ

コンタクトプローブは、測定対象に対して繰り返
し押し付けられるため良好な耐摩耗性を要求される。
また、コンタクトプローブを介して電流を印加して半導体素子の評価を行うため導電性が高いことが要求される。測定対象に押し付けを繰り返すことにより、はんだくずなどの異物がコンタクトプローブ表面に付着する。そのため、電流印加時に抵抗加熱による発熱を起こし、更なる酸化の促進とはんだくずの付着を誘発し、その結果として測定ができなくなる。したがって異物の付着しにくさも半導体検査用のコンタクトプローブとして要求される性質である。
現在、半導体検査用に使用されているコンタクト
プローブは、導電性、加工性、価格などの観点から、
主に Au めっきした BeCu 合金、Au めっきした SK 鋼が使用されている。しかしながら、低い硬度により耐久性が劣るという問題、はんだくずが接点部分に堆積し接触状態での電気抵抗値を増大させる問題な
どの課題を抱えている。そのため、最近では貴金属の合金や導電性を付与した DLC を被覆したコンタク
トプローブの研究が進められているが、充分な性能は得られていない。
ダイヤモンドは高い耐摩耗性を有しており、また、
ボロンを添加することにより導電性を示す 10)-16)。ダイヤモンドは基板との接合技術が研究されているほど異物が付着しにくい材料である 17)。したがって、異物が付着しにくいことが要求される半導体検査用―7―熊本県産業技術センター研究報告書のコンタクトプローブに適した特性を有している。
また、ダイヤモンドは高い熱伝導率を有するため、大電流を流す必要があるパワーデバイスに対する検査用のコンタクトプローブが開発できれば、大電流により発生する大きな熱量を放散させるのに有利と考える。今後、発展が予想される電気自動車や太陽電池ユニットで多用されるパワーデバイスの検査用
コンタクトプローブにより有用な材料と考える。
そこで本研究では、導電性ダイヤモンド膜を半導体製造の後工程の検査工程に使用するコンタクトプ
ローブに適用することを目指して、現在、実用部品の材料として使用されている BeCu 合金部材表面に、ボロンドープ CVD ダイヤモンド膜を合成(成膜)する
条件を検討した。また、実用されている部品と同じ条件の接触状態における系全体の電気抵抗値の評価を行った。

No. 49.

2011

NRS-2100)（励起光源：514.5 nm（ Ar+レーザー））を使用した。ダイヤモンド相の存在の確認にはＸ線
回折（XRD）装置 (Rigaku, MiniFlexⅡ, 入射波長
1.54 Å(CuKα))を用いた。
L コンタクトの接触状態での電気抵抗値の測定は、実用の試験機と同じセットアップの装置を使用し、手動制御による測定を行った。接触抵抗値測定装置とその模式図を図 1 に示す。

2. 実験方法
本研究では、CVD ダイヤモンド膜を合成する基板として、BeCu 合金板(5 mm×5 mm×0.25 mm)(25 合金
C1720)と BeCu 合金 L コンタクト(2 mm×1.26 mm×0.15 mm)を用いた。L コンタクトとは、ブレード型のコンタクトプローブの名称である。この L コンタ
クトには、部材である BeCu 合金の表面に Ni 下地のAu めっきを施してあるが、本研究ではめっき処理を施していない BeCu 合金を使用した。CVD 合成を行う
前処理として、ダイヤモンドの核発生密度を向上させるために、ダイヤモンド粉末(平均粒径 500 nm)を用いて、手動あるいは超音波洗浄機を用いて傷付け処理を施した。超音波洗浄機によって傷付け処理を施す場合、エタノール 20 mL 中に 10 mg のダイヤモ
ンド粉末を投入し、60 分間超音波処理を施した。
CVD ダイヤモンド膜の合成には、自作の熱フィラ
メント CVD 装置を使用した。原料ガスとして、H2、
CH4、H2 で希釈したトリメチルボロン（1010 ppm）を使用した。BeCu 合金板への合成時には、基板ホルダ
ーとして銅板を使用した。BeCu 合金 L コンタクトへの合成時には、二つの BeCu 合金 L コンタクトを同時に銅板で挟み込んで保持した。合成条件を表 1 にまとめる。
表 1 合成条件
H2
CH4
TMB(1010 ppm)/H2
B/C
基板
フィラメント距離圧力
出力
時間100-200 ccm
2-5 ccm
20 ccm
3600-8900 ppm
BeCu 合金
Ta(φ0.25 mm)Φ2.5 mm×7 turns
4-7 mm80 Torr
250 W
1-4 h

図 1 電気抵抗値測定方法の概略図
試料が保持された xyz ステージには、3 つのマイク
ロメーターが取り付けてあり、手動で xyz 方向への移動を制御できる。通電状態を確認しながら高さ方
向を変化させて、はんだプレート（b）に L コンタク
ト（d）を近づけ電気が流れはじめた（つまりはんだ
プレート（b）に触れた）位置を原点（押し込み深さ
0 mm）とした。押し込み深さを 0.10-0.25 mm までの範囲で 0.025 mm ずつ押し込んでいき測定を行った。
押し込み深さと押し付け力の関係は、このセットア
ップの場合について測定されている既知のデータを使用した。測定する試料は、同時に合成した L コン
タクト 2 本を 1 組として使用し、電気抵抗値を測定した。この電気抵抗値は、四端子法により印加電流を最大 100 mA まで変化させて電位差を測定し、オームの法則に従うことを確認して電気抵抗値を計算した。各合成条件の試料について 5 回ずつ測定を行い、得られた値の平均値を求めた。耐久試験は、上記の装置と同じ構成で、自動で繰り返し押し付け操作（100 万回）を行い、適当な押しつけ回数ごとの電気抵抗値を測定した。
3. 結果および考察

合成した試料の表面状態は電界放射型走査型電子顕微鏡（FE-SEM；JOEL, JSM-6701)で観察した。膜の評 価 に は レ ー ザ ー ラ マ ン 分 光 測 定 装 置 (JASCO,

3.1 BeCu 合金基板への CVD ダイヤモンドの合成
3.1.1 板状基板へのダイヤモンド合成
これまでに、Si18)、WC19)、W20)、Si3N421)、鋼合金 22)、など様々な基板に対して、熱フィラメント法で CVD
ダイヤモンドが合成されたことが報告されている。
しかしながら、BeCu 合金板に対して CVD ダイヤモン
ドを合成した報告はない。今回使用した装置で Si
および W 基材(基板および L コンタクト)にダイヤモ
ンドを良好に合成できる条件を既に見出している。

―8―

半導体検査装置のコンタクトプローブへの応用を目指した BeCu 合金基材への導電性ダイヤモンド膜の合成

当初、Si および W 基板と同じ合成条件で実験を行ったが、BeCu 合金が低融点(865-980 ℃)23)であるため、BeCu 合金が軟化または融解した。そこで、放熱のために銅板の基板ホルダーを使用すること、また、CH4
濃度を高めの 4.0％とすることでダイヤモンドの合成を確認した。通常、CVD ダイヤモンド合成では、炭素の濃度が原料ガス中で 1-3 %で合成が行われる
24)。その理由は、3.0 %以上の CH4 濃度で合成操作を行うと、煤状の非ダイヤモンド成分の炭素物質が基板やフィラメント周囲に多量に析出するためである。
しかし、本実験では合成後の BeCu 合金板表面には煤といった明らかな非ダイヤモンド層のような物質の析出は肉眼では確認できず、良好に膜状物質を合成することができた。
CVD 合成を行った BeCu 合金板の光学顕微鏡写真を
図 2 に示す。膜状の物質が堆積していることが確認できる。XRD の測定結果を図 3 に示す。

ードなピークは、膜中に含まれる非晶質炭素相に帰属されると考えられる。本研究で行った合成条件は、
通常の CVD 合成の条件よりも CH4 濃度が高い条件で合成を行っているため、部分的に非晶質炭素が析出していると考えられる。ボロンをドープした試料のラマンスペクトル（図 4b）は、ボロンをドープしていない試料のラマンスペクトル（図 4a）とは全く異なるスペクトル形状を示した。このスペクトルの形状は、報告されている高濃度にボロンをドープした
CVD ダイヤモンドのラマンスペクトルに酷似している 26)。また 1200 cm-1 付近のピークは Fano 共鳴に由来するピークである 27)。

図 2 (a)合成前と(b)合成後の BeCu 合金基板の光学
顕微鏡写真

図 4 合成時間 2 h で(a)ノンドープ試料と(b)ボロン
ドープ試料のラマンスペクトル
高濃度にボロンをドープした CVD ダイヤモンドのラマンスペクトルについて、ピーク位置からダイヤ
モンド膜中のボロン濃度を推算できるという報告 28)がある。この報告によると、ダイヤモンド膜中のボロン濃度とピーク位置は以下の式（1）の関係がある。
[B] = (8.44×1030)×exp (－0.048W)(1)
ただし、[B] (cm-3)はボロン濃度、W(cm-1)はラマンスペクトルの 500 cm-1 付近のピーク位置である。

図 3 (a)BeCu 合金基板と(b)合成時間 2 h の試料のXRD 測定結果得られた XRD のピーク位置から、ダイヤモンド相の存在が示唆される。しかしながら、基板の材料である BeCu の結晶相の XRD のピーク位置は、ダイヤモ
ンド相のピーク位置と近いため、BeCu 合金由来かダイヤモンド由来かを断定することはできない。
ラマン測定の結果を図 4 に示す。ボロンをドープしていない試料のラマンスペクトル（図 4a）は、1332
cm-1 に鋭いピークがあることが確認できる。このピークはダイヤモンド相特有のピーク 25)であることから、BeCu 合金板の表面にダイヤモンド膜を合成できたことが確認できた。1500 cm-1 付近に存在するブロ―9―

図 5 合成時間の異なる各 CVD 合成後の SEM 画像、(a)1 h、(b)2 h、(c)3 h、(d)4 h

熊本県産業技術センター研究報告書

この式から図 4b の試料のボロン濃度を計算した
ところ、約 2.0×1021 cm-3 であった。ただし、ラマンスペクトルの分解能等を考慮すると、ピーク位置の値から計算したこのボロン濃度の値は、概算値でしかない。このボロン濃度と同程度のボロンドープ
ダイヤモンドの室温における導電率の値として約2.4×102 Ω-1m-1 と報告している文献がある 29)。一般に、CVD ダイヤモンドの導電率の値は膜中のボロン濃度のみでは決まらないので、この値は参考程度である。
SEM により表面状態を観察した結果を図 5 に示す。
合成時間の増大に伴い、粒子の大きさが大きくなる
ことがわかる。また、配向性は確認できなかった。
断面を観察した結果から、合成時間 3 h の試料の堆積した膜の厚さは、約 2.4 μm であった。
3.1.2 L コンタクトへのダイヤモンド合成
L コンタクトとは、サンユー工業の製品として実際に市場に流通している半導体検査装置のコンタク
トプローブの一つである。実用条件で評価を行うた
めに、L コンタクトの形状の BeCu 合金板に、3.1.1
で示した BeCu 合金板と同じ合成条件でダイヤモン
ド合成を試みた。BeCu 合金板の場合に Cu 板で放熱を行うことが有効であることを見出し、BeCu 合金 L
コンタクトが溶けることを防ぐために放熱のためのCu 板で挟み込んだ状態で保持して合成した。

図 6 L コンタクトの SEM 画像、(a)側面光学顕微鏡、(b)合成時間 2 h の L コンタクト先端、(c)(b)の拡大
合成後の SEM 像を図 6 に示す。図 6a)は L コンタ
クトの側面光学顕微鏡写真であり、図 6b)は電気接
触部分における SEM の全体像、図 6c)は電気接触部分の拡大 SEM 像である。この SEM 像より約 800 nm
径のダイヤモンド粒子により L コンタクトが被覆されていることが確認できた。この粒子の形状は BeCu
合金板に同じ合成時間で合成した場合と類似している。
合成後の試料のラマンスペクトルを図 7 に示す。
ラマンスペクトルから、L コンタクトに堆積した物
質がボロンドープダイヤモンドであることを確認した。しかし、ラマンスペクトルの形状は BeCu 合金板

No. 49.

2011に合成した試料と異なっており、また、試料によりスペクトルの形状も異なっている。BeCu 合金板に合図 7 CVD 合成後の L コンタクトのラマンスペクトル、
合成時間(a)1 h、(b)2 h、(c)3 h、(d)4 h成した場合と異なる粒径とラマンスペクトルになった原因として、基板を複雑な形状の L コンタクトに変えたことで CVD 中のガスの流れが変化したこと、実効的な合成温度が変化したこと等が考えられる。
板状の試料と同様に 500 cm-1 付近のピーク位置から式(1)より、L コンタクトに堆積したダイヤモンド
膜中のボロン濃度を推定した。その結果、ボロンの濃度は合成時間に依存せず、全ての試料で約 3.2×1020 cm-3 と推算された。板状の試料と同様、ラマン
スペクトルのピークの分解能を考えると概算値でしかないが、板状の基板に合成した場合よりもボロン
濃度が低いと推察できる。この程度のボロン濃度と報告されているボロンドープダイヤモンドの室温での導電率 14)は 19.1‐62.5 Ω-1m-1(導電率に幅があるのはボロン濃度だけでは決まらないため)である。
BeCu 合金 L コンタクト上にダイヤモンドを合成することに成功したので、L コンタクトについて接触状態での系全体の電気抵抗値の測定を行った。
3.2 L コンタクトにおける電気抵抗の評価
ダイヤモンドを被覆した L コンタクトを用いて実用条件と同じ方法で接触抵抗値を測定した。接触抵
抗値の押し込み距離依存性を図 8 に示す。実用に要求される条件は、押し込み距離 0.20 mm で接触抵抗値が 50 mΩ以下である。合成条件 2 h の試料は、この条件を満たすことが確認できた。未処理の BeCu
合金試料については小さな値を示しているが、実際に使用する場合には、次第に表面が酸化されて値が徐々に増大するために使用できないことがわかっている。
図 8 からどの合成時間においても合成後の L コン
タクトの系全体の接触状態における電気抵抗値は未処理の BeCu 合金の値より高いことがわかる。BeCu
合金の導電率は 11.6×106 Ω-1m-1 である 23)。Takano― 10 ―

半導体検査装置のコンタクトプローブへの応用を目指した BeCu 合金基材への導電性ダイヤモンド膜の合成

ら 14)と Li ら 29)の報告から本実験のボロンドープダ
イヤモンドの導電率は 101-102 Ω-1m-1 程度と推量される。したがって、ダイヤモンド膜で被覆すること
は、導電率の低い膜で導電率の高い物質を被覆することになるので接触抵抗値は高くなる方向になる。

本研究の実験データについて、接触状態での電気抵抗の解析を行うために、実験で得られた電気抵抗
値 R の値と押し付け力 F の関係について調査した。
押し付け力は、この実験とは別に測定した押し込み
距離と押し付け力の関係から求めた。log R vs log Fのグラフを図 9 に示す。また、図 9 のグラフから傾き n と y 切片を求め、表 2 にまとめる。図 9 におい

図 8 各試料における接触抵抗値
電気接触子に関する電気抵抗の理論としては、Holm と Slade の研究が知られている 30),31)。それらの研究の結果として、異種の金属同士が半径 a を持つ円形の接触点にて接触し、その接触界面に被膜が介在している場合、その時の電気抵抗Ｒｋは以下の関係式(2)があることが導出されている。
(2)
Rk  (  A   B ) / 4 a   f d / a 2
ここで、ρA, ρB は、接触しているそれぞれの金属の抵抗率、a は接触面の半径、ρｆは表面被膜の抵抗率、d は表面被膜厚みである。接触面は押し付け力 F により、弾性変形、または塑性変形により変化する。弾性変形が起きている場合は、ヘルツの接触理論式（式(3)）より、接触面積が表される。
1/ 3
a  3F / 4(1  A2 ) / EA  (1  B2 ) / EB  1/ RA  1/ RB  (3)
ここで、RA および RB は、2 つの接触している金属
A,B のそれぞれの接触半径で、EA,EB は、ヤング率、
νA,νB は、ポアソン比である。押し付け力 F が材料の降伏応力を超える力となっている場合、材料は塑性変形し、その場合の接触面積と押し付け力との関係は材料の硬さの定義式より式(4)で表される。

図 9 接触抵抗値と押し込み力の解析結果て式 (5)-(6) で予想される値（n＝1/3～1）の範囲である場合は実線で、式 (5)-(6) で予想される値（n＝1/3～1）の範囲にない場合には点線で示している。
現在使用されている製品（BeCu 基板の Au めっき）
および合成時間 3 h の試料は、傾き n の値が途中で変化していることがわかる。
めっきのない BeCu 基板と、
Au めっきを行った BeCu
基板では、傾き n の値は 0.46～0.51 と 0.5 に近く、これは接触が主に表面被膜のない場合の塑性変形状
態が主体的であることを示している。一方、ダイヤ
モンド膜のある試料では、n の値は、0.75～1.23 と、
ダイヤモンド膜がない場合に比べて高い値を示し、おおよそ 1 に近い値となっている。この傾きの値は、接点に被膜（ダイヤモンド膜）が介在し主に、全体が塑性変形により接触がなされていることを示唆している。

a 2  F / H(4)
ここで、H は、やわらかいほうの材料の硬さである。式(2)と式(3)、(4)を組み合わせると、式(5)、(6)となる。

Rk  F1/ 3

Rk   ' F

 F

1/ 2

2/3

 'F

1

表 2 図 9 から求めた傾き n と y 切片(R = KF -n)
合成時間
未処理
Au めっき
1 h
2 h
3 h

(5)
(6)

ここで、α、β、α’、β’は、押し込み力 F に対して独立な定数である。
この式は、電気抵抗が押し込み力 F に対して、-1/3～-1 乗の間で変化することを示している。これらの式は、表面被膜を持つ金属と金属の接触を前提として単純化されたモデルから導出された式である。

n
0.51
0.46
0.75
1.23
0.90

n’

k’/ΩN -nK/ΩN-n
2

0.89

1.4

5.2×10
3.8×102
1.3×104
7.5×104
1.4×104

4.4×103

3.3×105

傾き n が試料により理論値から異なる理由として
は、接触メカニズムが塑性変形と弾性変形とが複合しており、その複合の程度が異なることと、表面の粗さによる影響が原因と考えられる。類似した形状のコンタクトを使用しても塑性変形と弾性変形の複― 11 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

合状態が同一でないことはコンタクトの研究分野では、しばしば報告されている 32-33)。本研究では、実用に則した複雑な機構でコンタクトしているため、
塑性変形と弾性変形の複合状態が同一でないと考えられる。また、傾き n が荷重により変化し、式(5)-(6)で予想される値（n＝1/3～1）の範囲から外れる場合については、接触時に、はんだプレートと、BeCu 合
金/ダイヤモンドとの接触面ですべりが生じたことが原因と考えられる。玉井らは、Sn のようなやわら
かい金属と硬い接点とを押し付けた場合、接触表面で接点のすべりによる Sn の盛り上がりが発生し、その結果、傾き n が 1 よりも大きな値となることを報告している 32-33）。本研究では、ダイヤモンドとはんだとの接点であるため、押し込み深さが大きい場合には、はんだの盛り上りが生じ、その結果として、
傾き n が 1 よりも大きな値となったと考えられる。
本研究で行った測定方法は、実際の使用条件と同じにして、実用条件を確認するために行ったため、接触機構が複雑となり接触状態の電気伝導を解析するには向いているとは言えないが、実用化の可能性を評価するには適している。コンタクトの研究においては再現性が乏しいため単純な機構で実験を行っても解析に困難を伴うことが多いが、今後、接触機構を単純化した実験も行い接触状態の伝導の考察も試みる予定である。

No. 49.

2011

れている。Au めっきが行われる理由は、BeCu 合金が酸化されて、系全体の接触状態における電気抵抗値が高くなることを防ぐためである。そこで、ダイヤモンドで被覆した BeCu 合金 L コンタクトについても製品と同じ条件で Au めっきを行った。しかしながら、BeCu 合金露出部分のみならず、ダイヤモンド部
分も全て Au めっきで覆われてしまった。この全面がAu めっきで覆われていた試料について、耐久試験を行った結果、接触抵抗値に関して製品のデータと大きな差異が確認できなかった。Au が全面を覆っているために差異が現れなかったと考えられる。

図 11 繰り返し押し込み試験前後の L コンタクト先端、(a)Au めっき L コンタクト、(b)(a)の試験後、(c) 2 h 合成後に Au めっきした試料、(d)(c)の試験
後、(e) 2 h 合成した試料、(f)(e)の試験後

図 10 繰り返し押し付け試験結果、(a)Au めっき L
コンタクト、(b)2 h 合成後に Au めっきした試料、(c)2 h 合成した試料
次に、ダイヤモンドで被覆した BeCu 合金 L コン
タクトの耐久性を評価することを試みた(図 10)。実験は図.1 と同じ機構の装置で、試料を繰り返しはん
だプレートに押し付ける方法で行った。実際の製品は、基材の BeCu 合金に Ni 下地の Au めっきが施さ

Au めっきが不充分な試料についても、耐久性試験を行った。その結果、系全体の接触状態における電気抵抗値は、製品と比較して非常に大きな値となった(図 10c)。この大きな系全体の接触状態における電気抵抗値の増大は、Au で被覆されていないことにより基材の BeCu 合金が酸化されたためと予想される。100 万回の耐久試験の後、はんだとの接触面を観察した結果、Au めっきされた表面（製品、Au めっ
きされたダイヤモンド被覆試料）(図 11a-11d)には、はんだが堆積していたが、ダイヤモンドの表面（Au
めっきが不充分な試料）には、はんだの堆積が非常に少ないことがわかる（図 11e-11f）。ダイヤモンド
表面にわずかにはんだが堆積した原因として、ダイ
ヤモンド膜由来の表面の凹凸が考えられ、表面の平滑性を向上させれば、よりはんだの堆積を抑制できると考えられる。Au めっきが不充分な試料について
はんだの堆積が抑制されているものの、繰り返し押し付けを行うと系全体の接触状態における電気抵抗値が大きくなった原因は、はんだの堆積ではなく、
BeCu 合金基材の酸化によって系全体の接触状態における電気抵抗値が高くなるためだと考えられる。
したがって、ダイヤモンド表面を避けて BeCu 合金露出部のみを Au めっきできることができれば、性能は大きく向上すると考えられる。

― 12 ―

半導体検査装置のコンタクトプローブへの応用を目指した BeCu 合金基材への導電性ダイヤモンド膜の合成

4. まとめBeCu 合金板、L コンタクト材料への導電性ダイヤ
モンドコート膜合成を CVD 法により試みた。その結果、以下のことが得られた。
(1)SEM、XRD、ラマン分析結果より、結晶性のダイヤ
モンドが合成されているのを確認した。ラマンスペ
クトルより推定されたボロン濃度は、BeCu 合金板では約 2.0×1021 cm-3 で、BeCu 合金 L コンタクトでは
約 3.2×1020 cm-3 であった。
(2)合成に成功した L コンタクトについて系全体の接触状態における電気抵抗値の測定を行ったところ、合成条件 2 h の試料において実用条件(押し込み距離0.20 mm で 50 mΩ以下)を満たしていた。そのため、本試料は（少なくとも初期値においって）実用化が十分使用可能なレベルである。
(2)繰り返し耐久試験の結果より、ダイヤモンドの被覆がはんだ屑の凝着を防ぐのに効果的であることが確認できた。ただし、耐久試験における電気抵抗の結果では、製品との差異が確認できなかった。これは、ダイヤ表面にも Au めっきがされてしたまったた
めと考えられ、BeCu 合金露出部のみに Au めっきを被覆できれば耐久性が高い L コンタクトを製造できると期待できる。

参考文献
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Electron, E93C, 670-677 (2010)― 13 ―

【論文】

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

畳表製造副産物のバイオマス燃料としての利用に関する検討
大坪路弘*・田中亮一**・佐藤崇雄**・齋田佳菜子**・中川優**・湯之上雅子**・林田安生***

食品加工室（現：発明協会）、** 食品加工室（現：食品加工技術室）

Utilization of Byproduct in Japanese Gｒass Carpet(TATAMI) Production
as a Material of Bio-cokes
Michihiro OHTSUBO*, Ryoichi TANAKA**, Takao SATOH**, Kanako SAITA**, Masaru NAKAGAWA**, Masako YUNOUE**
and Yasuo HAYASHIDA**
畳表製造の際に畳表の切れ端として発生する“い草”を草系バイオマス（刈草）のモデル材料として用い、木質系バイ
オマスの杉チップと、その他の草系バイオマスである稲わらを対象に、直接燃焼によってエネルギー源とするバイオマス
燃料としての可能性を検討した。
運搬に関しては、かさ比重は、“い草”＞稲わら＞杉チップの順で大きく、“い草”は同じ運搬体積で、より多くの重量のバイオマスを運搬可能であることが分かった。
炭化に関して、灰分量は、稲わら(16.5％)＞“い草”(5％)＞杉チップ(1％)の順で、可燃成分量は、杉チップ(39％)＞“い草”(35％)＞稲わら(33.5％)の順であった。
“い草”は、可燃成分として利用できない灰分が少なく、杉チップに次いで可燃成分量が多いことが分かった。また、炭化に要するエネルギー（温度と時間）量は、“い草”＞杉チップ＞稲わらの順で、特に炭化温度が、“い草”の場合300℃で十分な点が、350℃を必要とする杉チップと稲わらとは大きく異なっていた。
粉砕（すり潰し易さ）は、炭化が十分出来ていれば、材料によってすり潰し易さが極端に異なることはないことがわかった。
形成したい草固形炭は、糊6.4%を固着材と含んだ場合、負荷加重1,000gに対する強度が得られることが確認された。
以上の結果を総合すると、“い草”は、杉チップや稲わらと比べ、効率良く運搬可能で、灰分が少なく、可燃成分が多く、炭化のためのエネルギーが少なくて良く、粉砕も容易なため、直接燃焼させるエネルギー源として有望な材料である可能性が示唆された。

1. はじめに上げるときに生じる切れ端や、新しい畳表との交換により不要になった古い畳表は可燃性であるが、エ

近年、バイオ燃料が世界中で注目されている理由

ネルギー源として使用されることは殆どなく、家庭は、化石由来の資源であるガソリンや軽油をバイオや地域の除草によって発生する刈草と同様に焼却処

燃料で代替することで、二酸化炭素の発生抑制に寄分、または、放置されたままになっているのが現状

与できることから、地球温暖化の抑制効果が期待さである。

れている点にある

1,2)。わが国には、未利用バイオマ

そこで、本研究では、“い草”を刈草等草系バイオ

スとして農作物非食部（約 1,400 万トン、70％未利

マスのモデル材料とし、これを直接燃焼してエネル用）、林地残材（800 万トン、未利用）、河川や山地

ギーを取り出す新たなバイオマス燃料としての可能のススキなどの草類（全国の賦存量は不明、北海道

性を検討した。

の道路等の除草に伴う賦存量は 9 万トン／年、未利
2. 材料及び方法用）などが存在する 3)。
他方、熊本県は畳表の原料となる“い草”の産地である。このい草で畳表を織り上げ、畳表として仕2.1 材料― 14 ―

畳表製造副産物のバイオマス燃料としての利用に関する検討

試験には、県内の畳表製造業者より供与いただい

灰分量測定で使用する磁性容器るつぼ（アズワン

た畳表製造に用いる“い草”（図１左）を使用した。

㈱製、型式 CW-B2、直径 53×43mm、容量 50ml）は、

また、杉チップ（図１中央）と稲わら（図１右）を電気炉（㈱ヤマト社製、型式 Muffle FurnaceFP42）

比較対象として使用した。

で 550℃、30 分間前処理後、デシケーター内に移して室温に戻し、容器重量を測定した。このるつぼに秤量したサンプル 1.0g を入れ、電気炉で 550℃、3時間処理した。その後、デシケーター内に 30 分間置
き常温に戻し、サンプルと容器の総重量を測定し、加熱処理後のサンプル重量を計測し、灰分量を算出した。電気炉運転中は、ドラフトチャンバー（ダルトン社製）を同時運転して、サンプル処理中の発生ガスを強制的に屋外に排出した。

2.4 炭化条件の検討

図１ 刈草モデルの材料

まず、検討に使用する容器るつぼの重量を個別に（長さ約 20mm 程度に切断）

電子天秤で秤量した。各炭化条件につき試料 10ｇを電子天秤で秤量し、るつぼ 2 個に分けて入れ、150℃、2.2 かさ比重測定
裁断したサンプルを 100ml ビーカー（イワキ製、

200℃、250℃、300℃、350℃の 5 種類の各温度で 10

型式 TE-32）に 100ml の目盛りまで入れ、電子天秤

分、20 分、30 分、40 分間、電気炉を用いて炭化処（メトラー社製、型式 PM4600 Delta Range）でサン理を実施した。炭化処理中及び電気炉から取り出し

プル重量を測定し、かさ比重（重量／体積）を算出

た直後のサンプルは、臭いの強いガスを発生する場した。

合もあったので、処理終了後すぐにドラフト内に移動させ、室温に戻るまで放置した。容器が室温に戻った後に、サンプルを含めた容器の総重量を測り、2.3 水分量及び灰分量の測定
水分量及び灰分量は、サンプルを加熱処理前後の炭化後のサンプル重量を算出した。炭化処理したサンプルは、ジッパー付きの低密度ポリエチレン製ポ

重量の変化を測定することで算出した。
水分量測定で使用するアルミホイル製容器は、オーブン（タバイエスペック㈱製、コンベクション・

リ袋（㈱生産日本社、型式ユニパック D-4、120×85
×0.04mm）に入れて室温保存した。

オーブン、型式 LC-222）で 110℃、30 分間前処理後、デシケーター（アズワン㈱製、型番 1-4414-05、上2.5 すり潰し易さの評価

口型、直径 210mm）内に移して 30 分置いて室温（10

炭化処理後のサンプルを乳鉢（アズワン㈱製、磁～20℃）に戻し、容器重量を測定した。そして、電性乳鉢、型番 6-549-03、外寸 120 mm×内寸 95 mm×子天秤で 1.0g 秤量した裁断サンプル（1cm 程度）を、

高さ 55 mm×深さ 50mm）に入れ、乳棒でサンプルを準備したアルミホイル製容器に入れ、オーブンで 2

挟み込むように乳鉢の底に押し付けながら、ゆっく

時間処理した。その後、デシケーター内に 30 分間置

り回転させてすり潰した。すり潰しやすさを３段階

き、常温に戻し、サンプルと容器の総重量を測定し、（容易にすり潰せる、やや難しい、困難）で評価し、加熱処理後のサンプル重量を計測し、サンプルに含炭化条件毎にすり潰しやすさを比較した。

まれる水分量を算出した。固形炭の試作に使用した
糊の水分量も、同様の方法で測定した。

2.6 “い草”固形炭の試作― 15 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

粉砕加工した“い草”サンプル 2.0g に 10～80％

量を表２に示す。“い草”の可燃成分量は、杉チッの糊水溶液 4.0ml を加え、薬匙でペースト状に練り、プと同等レベル（約 9 割）であった。また、稲わら

固形炭を試作するための金型（外寸直径 50mm×高さの可燃成分は 77％で、“い草”と杉チップに比べ 1360mm、内寸直径 15mm×高さ 60mm、底板直径 60mm×～10.85％も少なかった。

厚み 10mm）に入れた。鉄棒（直径 10mm）で金型に入
表 2 各材料の可燃成分量

れた炭を約 1 分間、繰り返し強く押し込んだ。その後、底板をはずし、鉄棒で円柱状に成形された炭を取り出し、長さ 2cm にカッターでカットし、自然乾

材

料

水

燥させた。

い

草

2.7 “い草”固形炭の潰れやすさ評価

分

灰

分

可燃成分

7.06％

5.09％

87.85％

杉チップ

8.98％

1.02％

90.00％

稲わら

6.50％

16.50％

77.00％

試作した円柱状の“い草”固形炭を台秤（HOKUTOWSCAKE Co., Ltd）の架台中央に置き、固形炭に手で3.3 炭化条件による重量変化の検討“い草”は、150℃、200℃の炭化温度では、重量加重をかけ、固形炭がつぶれる負荷加重を計測した。

減少は殆どなかったが、250℃の条件では重量減少が観察された。さらに温度を上げる（300℃、350℃）

3. 結果と、10 分処理で重量はほぼ最小値まで減少し、20～
40 分間処理ではほぼ一定だった（図 2）。

3.1 かさ比重裁断した“い草”、杉チップ、稲わら各 100ml の重

杉チップは、250℃、300℃の炭化温度では、時間量測定の結果（表 1）から、各サンプルのかさ比重

経過とともに重量は一定の傾きで減少した。350℃では、“い草”0.135g/ml、杉チップ 0.022g/ml、稲わは、10 分間に急激な重量減少(-0.55g／分)が認めら

ら 0.053g/ml であった。杉チップのかさ比重が最小

れ、20 分～40 分間の重量減少は僅か(-0.03g／分)

で、同じ草本系バイオマスでもい草は稲わらの約であった（図 3）。
稲わらの重量減少のパターンは、“い草”のパター

2.5 倍のかさ比重であった。

ンに似ていたが、全体的に重量減少はゆっくりであった。最小重量値に達する条件は、稲わらの場合

表 1 材料のかさ比重
材

料

水

い

草

分

灰

分

可燃成分

7.06％

5.09％

87.85％

杉チップ

8.98％

1.02％

90.00％

稲わら

6.50％

16.50％

77.00％

350℃で 30 分間を必要としたが、“い草”は 300℃、20 分間で十分であった（図 4）。
以上の結果から、炭化処理後の重量は、“い草”、杉チップ、稲わらについて 4 割、4 割、5 割に減少し、3.2 水分量及び灰分量の測定
測定の結果を表 2 に示す。水分量測定では、杉チップの水分量が 8.98％と最も多く、稲わらは 6.50％と最も少なく、“い草”は中間の 7.06％であった。
また、灰分量測定では、稲わらが 16.50％と圧倒的に多く、杉チップは 1.02％と非常に少なく、“い草”は中間の 5.09％であった。
水分量、灰分量のデータを元に算出した可燃成分― 16 ―

図 2 い草の炭化条件による重量変化

畳表製造副産物のバイオマス燃料としての利用に関する検討

10～80％の糊溶液を使用して、最終的に糊固形分炭化に必要なエネルギー順位（温度、時間）は、が 3.2～25.6％含まれる“い草”固形炭を試作した。

“い草”＜杉チップ＜稲わらであった。

使用した糊溶液濃度と固形分量は表 3 に、試作した固形炭を図 5 に示す。

表 3 試作品のつぶれ易さの評価

糊 溶 液

糊の固形分量(g)

つぶれた時

No.

図 3 杉チップの炭化条件による重量変化

濃度(％)

(

)内は％

の加重

１

10

0.068g

(3.2％)

400g

２

20

0.136g

(6.4％)

1800g

３

30

0.204g

(9.6％)

1000g

４

40

0.272g(12.8％)

900g

５

50

0.34g

（16％）

1200g

６

60

0.408g(19.2％)

2600g

７

70

0.476g(22.4％)

4500g でもつぶれなかった
８80

0.544g(25.6％)

2300g

図 4 稲わらの炭化条件による重量変化

3.4 すり潰し易さの評価（粉砕評価）“い草”は、炭化条件 300℃・10 分および 350℃・10 分では、容易にすり潰す事が可能であった。

図5

杉チップは、炭化条件 350℃・10 分では“い草”の場合と同様であったが、杉チップの場合、重量が最小になっていない炭化条件（300℃・20 分、250℃・
30 分）でも容易にすり潰す事が可能であった。

試作した固形炭

糊を固着材とした時のつぶれ易さを検討した結果、糊の固形分 3.2％で試作した炭は、400g の加重でこなごなに潰れた。糊の固形分 6.4～25.6％で試作し稲わらは、最小重量の炭化条件（350℃・20 分、350℃・30 分）でも、すり潰す事がやや難しいという結果であった。

た炭は、ほぼ全例において 1,000g 以上の加重で潰れた。
“い草”炭を直接燃焼のバイオマス燃料として利用する場合、運搬や保存時に壊れない強度としては、以上の結果から、すり潰し易さ（粉砕加工のし易さ）が難しい場合もあれば、逆に、炭化が十分でな

加重 1kg に耐えられれば十分と推測されるので、糊
固形分は 6.4％以下で良いと結論した。

くてもすり潰し易い場合もあることが分かった。
4. 考察
3.5 固形炭の試作と試作品のつぶれ易さ評価― 17 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011“い草”をモデル材料とした本研究の結果から、腐敗や虫の発生がなくなり、長期保存可能となる。

炭化した“い草”のような刈草は、刈取りから燃焼②大幅な減容化・重量削減となる。広島県の刈りまでのフローを考慮すると、杉チップや稲わらと比草 RDF 固形炭の事例では、減容比（炭化物：刈草

べ、効率良く運搬可能で、灰分が少なく、可燃成分=1/370）、重量比（炭化物：刈草=1/25）という大幅が多く、炭化のためのエネルギーが少なくて良く、な減容化・重量削減を実現している。
③単位重量あたりの発熱量が増す（竹炭の場合、粉砕も容易なため、直接燃焼させるエネルギー源と炭にすることで発熱量は 2.5 倍にアップ）8)。

して有望な材料であると考えられる。

④炭化装置は安価で運転操作が容易な割に有機炭
4.1 刈り草のメリット～発熱量が大きい

素の大部分を固定化できる

草系バイオマスである稲わら、ひまわり、デント

以上、燃焼による熱利用時には、“い草”を固形炭

コーンの低位発熱量（水蒸気のままで凝縮潜熱を含にしておくことで使用時の便利さが大きく向上する

まない発熱量）は、3,000～4,000 cal/g であり、化と考えられる。

石燃料の石炭の低位発熱量約 7,000 cal/g に比べると約半分である 4)。一方、木質系バイオマスの発熱

4.3 バイオエタノール以外へのエネルギー利用～直接燃焼利用

量は、薪（4,000 cal/g、水分 20％）
、マツ（4,900 cal/g、乾物）、杉の樹皮（5,100 cal/g、乾物）、オガライトバイオ燃料技術革新協議会が、平成 20 年に掲げた（4,200 cal/g、水分 10％）、ペレット（4,500 cal/g、

バイオエタノール生産の短期目標 100 円/L から、更水分 10％）、廃材（4,100 cal/g、水分 10％）でありに高い目標 40 円/L も一つの選択肢である 9)。

5)、草系バイオマスの発熱量に比べ、やや大きい。

しかし、未利用バイオマス資源である刈草につい

国土交通省中国地方整備局は、刈り草の RDF 炭化ては、刈り取りから、乾燥、運搬、炭化、粉砕加工、システムに取り組んでおり、刈草固形炭の発熱量が使用、廃棄されるまでのすべての段階を通して、環約 5,000cal/g と公表 6)しており、刈草炭の発熱量が境にどんな影響を与えたのかを評価すると、直接燃

木質系バイオマス並みに高いことが推察される。た焼し発生する熱を利用する方法も一つの方法として、だし、刈草に含まれる草の種類によっては、発熱量

LCA（Life Cycle Assessment）の視点から有望であは多少変動するかもしれないが、木質系バイオマスると考えられる 10)。

全般と同等レベルの発熱量を有すると考えられる。
刈草などの草の成長速度は、木本に比べ早い特徴

4.4 刈草炭化の問題点がある。乾燥重量にして、樹木成長量は 5 トン/ha/

広島県の車載式刈草炭化装置の開発事例では 11)、年であるのに対し、草本は約 2 倍で、牧草は 4 倍以装置の価格が非常に高い（1 台 2800 万円、処理効率上にもなる 7)。

が悪い）炭化物原料容積 1m3（350kg）の処理で作業

また、草は木質に比べ、灰分が一般的に一桁多いが完了するまで 24 時間も要する(燃焼 5 時間、そのため、発熱のための可燃成分量が少ないという欠点

後自然冷却)、の 2 つの欠点がわかっている。広島県があるが、今回の結果では、“い草”の灰分は 5％との事例では、刈草 RDF を制作した後に炭化処理を行

少なく、稲わらの 15％の灰分の 3 分の 1 であり、可っており、RDF にしたため炭化が進みにくくなって燃成分を通常の草より多く含むことがわかった。

いると考えられる。今回の検討では、乾燥した刈草をそのまま炭化するには、250～300℃の温度、処理

4.2

炭化のメリット

時間 10 分で十分であったため、RDF 作製（形成）→①刈草は木質系に比べ、高タンパク質であるため、炭化の順番を入れ替えて、炭化→形成にすれば、エ

腐敗しやすい欠点がある。しかし、炭化することで、ネルギー（熱）の無駄を大幅に削減できると考えら― 18 ―

畳表製造副産物のバイオマス燃料としての利用に関する検討

れる（燃焼時間 5 時間→10 分、1／30）。このエネル4) 財団法人電力中央研究所,平成21年4月、報告書番号：

ギーの無駄を省くことが出来れば、炭化装置の小型

V08035,中山間地における草本性バイオマス生産に関化・低コスト化が図れるものと期待できる。

するLCA的手法による評価
5) バイオマス情報ヘッドクオーター、木質系バイオマス
http://www.biomass-hq.jp/data/exp_pdf/310.pdf

4.5 今後の検討課題
まずは、本検討で使用した“い草”固形炭の燃焼

6) 刈草固形物炭化システム時に発生する熱量を実際に測定し、直接燃焼させる

http://www.netis.mlit.go.jp/RenewNetis/Search/N

燃料としての特性を把握する必要がある。その結果

t/NtDetailPreview.asp?REG_NO=CG-030018&TabType=を踏まえ、“い草”固形炭作製時にエネルギーロスが&nt=nt&pFlg=1

少なく、200℃位の低温で炭化可能な装置を試作・開7) 日エネ学会・シリーズ 21 世紀のエネルギー,7、コロナ
社（2008.7）松村幸彦,太陽の恵みバイオマス：CO2 を発することが必要である。

出さないこれからのエネルギー
http://www.jie.or.jp/biomass/bmsg/main/009Bsyoh

謝辞

you/009B-0809/009B-0809.html

本研究を推進するにあたり、試料を提供いただく

8) 岡山県林業試験場、2008 年 1 月号、専門研究員石井と共に、多くの助言等をいただきました合資会社一哲,環境に優しい炭の活用

期崎畳店専務一期崎智太郎氏に感謝いたします。

http://www.pref.okayama.jp/norin/ringyo/fukyu_jy
ouhou/data/rinsei/sumi_rinsei.htm
9) バイオ燃料技術革新計画（案）平成20年3月,バイオ燃

参考文献

料技術革新協議会
http://www.meti.go.jp/committee/materials/downlo

1) バイオマス・ニッポン総合戦略，平成 18 年 3 月 31

adfiles/g80326c04j.pdf

日閣議決定
http://www.maff.go.jp/j/biomass/index.html.
2) NEDO

10)革新的バイオマス利用システム有望シナリオに関する

バイオマスエネルギー地域システム化実験事業

査研究報告書,平成 20 年,財団法人地球環境産業技術

草本系バイオマスのエネルギー利活用システム実験事業

研究機構
11)国土交通省中国地方整備局中国技術事務所,みどりのhttp://asocityv2.aso.ne.jp/municipal/biomass.pdf
3) 北海道立工業試験場報告№306,道路等の除草に伴うリサイクル刈り草の RDF 炭化システム
http://www.cgr.mlit.go.jp/ctc/tech_dev/topics/rd

草本系バイオマスの賦存量調査

f/animation/index.html― 19 ―

【論文】

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

電気化学的手法による酸化亜鉛薄膜作製に関する研究
永田*

正典*・雪田 勝也**

材料・地域資源室、** (株)オジックテクノロジーズ

Studies on Fabrication of ZnO Thin Films by Electrochemical Techniques
Masanori NAGATA*, Katsuya YUKITA**
筆者らは、ITOに替る酸化物系透明導電膜として注目されているZnO薄膜の作製法に関し、電気化学的手法、いわゆるめっき技術を応用した湿式法について研究した。電気めっき法では、硝酸亜鉛溶液をめっき液として銅基板上にZnO薄膜を作製する際の電流密度、電解時間などのめっき条件とZnO薄膜の結晶構造、表面形態等との関係を調べた。また、ガラス基板を用いて化学析出（無電解めっき）法による基板表面へのZnO薄膜形成についても検討した。電気めっき、無電解めっき法とも、基板表面にZnO薄膜を作製することが可能で、ガラス基板を用いる無電解めっき法では、作製したZnO薄膜は８０％以上の光透過率が得られた。しかし、薄膜の電気抵抗は高く、導電性を高めるための有効な不純物ドーピングが必要であることが分かった。

1. はじめに
透明導電膜は、液晶ディスプレイ、太陽電池などに使用されており工業的に重要である。透明でかつ導電性を有する酸化物としては、ITO（すずドープ酸
化インジウム）、FTO（フッ素ドープ酸化すず）、ZnO（酸化亜鉛）等があげられる。現在主流のITOは主元素であるインジウムは希少金属にあげられており、高価であって産出地が限れれており（ほとんど中国）、
戦略物質ともなっていることから、その代替が重要な課題となっている。
なお、亜鉛は、インジウムに比べて安価な金属であり、ZnOに代替できるなら大幅なコストダウンが期待できるため、数多くの研究開発が行われている。
ZnO薄膜の作製法としては、スパッタリング、化学
気相成長（CVD）法といったいわゆる乾式法が主流となっている。しかし、乾式法は、真空装置等が必要であるため、装置費用が高く、初期投資が大きくな
り中小企業にとっての導入は不向きである。一方、ゾルゲル法など大気下で行う溶液プロセスは、乾式法に比べて装置費がかからないといった利点があり、コストダウンが見込まれ、中小企業でも参入できる可能性が大きい。特に、電解液に硝酸亜鉛を使用し電気化学的手法や化学析出法によりZnO薄膜を作製する方法１，２）は、電気めっきや無電解めっき法の応用であり、県内めっき企業への技術移転が期待できる。
しかし、電気化学的手法や化学析出法で作製したZ

nO薄膜の光透過率は、80%以上となるが、表面の電気抵抗が高いといった問題がある３）。
そこで、本研究では、ZnO薄膜の導電率を向上させることを目的に、めっき技術を用いるZnO薄膜作製について検討した。すなわち、電気めっき法では、電解液として硝酸亜鉛溶液、銅基板を用い、電解時間、電流密度等の電解条件とZnO薄膜の表面形状、結晶構
造との関係を調べた。更に、市販ソーダガラス板を用いて無電解めっき法でZnO薄膜を形成するためのめっき条件とZnO薄膜の表面形状、結晶構造、光透過率、導電率との関係を調べ、ZnO薄膜の光透過率と導電性の向上を目指した。
その結果、電気めっき、無電解めっき法でもZnO
薄膜が作製でき、特に無電解めっき法で作製したZn
O薄膜の光透過率は良好であるが、導電率を向上させることができなかった。
本報告では、一連の研究結果と導電性を向上させるための対策について述べる。
2. 実験方法
2.1 電気めっき基板として銅板を用いた。まずめっきを行う前に、銅板をアルカリ脱脂液に50℃下、5分間浸せきして脱脂を行った後、超音波洗浄し、さらに水道水、純水
で十分洗浄してから40℃で乾燥した。次いで、めっき面積が、10cm2（0.1dm2）となるよう絶縁テープでシールした。

― 20 ―

電気化学的手法による酸化亜鉛薄膜作製に関する研究

めっき液として和光純薬工業（株）製試薬特級硝酸亜鉛・二水和物（Zn(NO3)22H2O）を0.05mol/lとなるよう精秤し純水に溶解した。
めっき液800mlを１Lビーカーに分取し、陽極に純亜鉛板（（株）山本鍍金）、陰極に前処理を行った基
板をそれぞれ１Lビーカーに設置した。直流電源に亜鉛板、基板を結線し、スターラー撹拌、電流密度0.
4～1.7A/dm2、50～80℃、20～60分直流電解を行った。
また、水浴で温調を行った。

そこで、作用極、対極としてそれぞれ銅板（0.1dm ）、Zn板を用い、電解時間、電流密度変化によるZ
nO薄膜の結晶構造の変化を調べた。その結果を図1,2に示す。
22.2 無電解めっき
基板試料には市販のソーダガラスを用い、電気めっき法と同様に前処理を行った。次いで、以下のとおり基板表面に触媒付けを行った.
前処理した基板を塩酸酸性SnCl2（10g/l）、AgNO3(1g/l)、PdCl2(1g/l)の順にそれぞれ2分、1分、1分間浸せきした。各浸せき後は軽く純水で水洗した。なお、触媒付けが、十分ガラス表面に行われるよう上記の操作を2回繰り返した。
めっき液は、Zn(NO3)26H2O 0.1mol/l、ジメチルア
ミンボラン（DMAB）0.0１mol/l、pH6となるよう調整した。また、めっき液温度60～75℃、めっき時間20分～2時間の範囲で行った。また、めっき後は、基板を十分水洗・風乾した。

3.1 電気めっき法によるZnO薄膜形成
通常の電気めっきでは、金属イオン電解液中、作用極（陰極）、対極（陽極）間に所望の電流密度で電圧を印加することにより、作用極表面に「金属」として析出するが、今回電解の対象とするZn(NO3)2溶
液では、(1)～(4)式に示すような化学反応式２）にしたがって、ZnOが作用極表面に析出する。

（１）

NO3- + H2O + 2 e- → NO2- + 2 OH-（２）

Zn2+ + 2 OH- → Zn( OH) 2（３）

Zn( OH) 2 → ZnO + H2O

（４）

450

（101）
（100）

400
350

（002）

CPS

300

（１１０）

（102）

（１０３）（１１２）

60分

250
200

40分

150
100

20分

50
0
20

30

40

50

60

70

80

2θ

定電流(0.8A/dm2)電解における電解時間

図 1の違いによる ZnO 薄膜の結晶構造の変化、液温
60℃

2.3 ZnO薄膜の評価
ZnO薄膜の結晶構造を調べるため、X線回折分析を行った。X線回折装置は、(株)リガク製RINT2000を使用し、試料面へのX線入射角度（θ）を1.0°に固定し、2θ(20～80°)のみ走査させ、X線出力は、50KV/150mAとした。特に、2θ：30～40°に回折線が現われる(100)､(002)､(101)面の形状・ピークの有無をもとに、形成されるZnO薄膜の結晶を評価した。ZnO薄膜の表面観察は、日立(株)S-4000型 FE-SEMで行った。
また、ZnO薄膜の表面電気抵抗測定は、三菱化学(株)LORESTA-GP MCP-T600型を用いて、4探針法で行った。
3. 実験結果と考察

Zn( NO3) 2 → Zn2+ + 2 NO3-

600

500

CPS

400

1.7A/dm2

300

1.2A/dm2

200

0.8A/dm2

100

0.4A/dm2

0
20

30

40

50

60

70

2θ

図2 電流密度の違いによるZnO薄膜の結晶構造の変化
電解時間：20分、液温：60℃、結晶面は図1と同様
図1，2より、電気めっきで銅基板上に析出する結晶はZnOであり、(100)、(002)、（101）面に強く配向した多結晶体であることが分かる。
なお、ZnO結晶の底面配向性が高いなら、入射光の散乱が小さくかつ、ZnOの(00x)面が強調されること
で(00x)面上を電子が流れやすくなり導電率が向上すると考えた。そこで、底面配向性の高いZnO膜を得るため、ZnO析出速度押さえることとし、電流密度を0.6A/dm2、液温を60℃より高めの75℃に設定して電― 21 ―

80

熊本県産業技術センター研究報告書

解を行った。電解時間の違いによる銅基板表面に析出するZnOの結晶構造の変化を図3に示す。図3より、図1に比べ、電解時間が長くなるにしたがって(100)、(101)面方位の結晶は少なくなり、底面反射(002)の大きなZnO結晶が析出している様子が分かる。
3000

2500

CPS

2000

（１０３）

60分

（１０２）

2011

（ソーダガラス）に析出する３）。

（５）

Sn2+ + Pd2+

Sn4+

DMAB ＋ H2O

DMAB-H+ + OHｰ （６）+Pd０(5)式に示すとおりガラス板表面へのPd触媒付けがD
MABの加水分解によるOH-イオン生成反応に影響すると考えられる。そこで、ガラス表面に付着したSn,Ag,Pd
原子の化学結合状態を調べるため、XPS分析装置で表面をArスパッタエッチングさせながら、深さ方向分析を行った。図5にSn,Ag,Pdの3d光電子（3d5/2,3/2）ナロースペクトル分析結果を示す。

（００２）

1500

No. 49.

1000

40分
500

20分
0
20

30

40

50

60

70

80

Sn3d

2θ

Ag3d

Ag3d

図3 低電流密度、高温電解下における電解時間の違いによるZnO結晶構造の変化
電流密度：0.6A/dm2、液温75℃

Pd3d

Pd3d

ｴｯﾁﾝｸﾞ
（秒）

５
４
３
Pd3d

２
１
０

A

B

図4 電解法によるZnO薄膜表面のSEM写真
A:電流密度0.8A/dm2、電解温度60℃、電解時間60分、B:電流密度0.6A/dm2 電解温度75℃､電解時間60分、
基板：銅板
また、図4のAでは、ZnO結晶が各方位を向いて析出しており、一方Bの場合、六角板状結晶((00x)配向が強い)が重なって析出している様子が分かる。このように六角板状結晶を生成しやすくするためには、低電流密度下、より高い液温で電解を行うことが望ましいと考えられる。
3.2 無電解めっき法によるZnO薄膜作製
無電解めっき法は、金属イオンを還元剤の存在下
金属原子に還元して金属皮膜を形成させる方式である。ZnO生成に関しては、(5)式に示すとおり、まず、
Pd2+イオンがPd０に還元され、次いでPd0が触媒となり(6)式に示すDMABの加水分解や硝酸イオンの還元((2)式)を促進させ、生成するOH-イオンによって電解と同様に(3)、(4)式の反応が進行してZnOが基板上

図5 触媒化処理後の表面から深さ方向における光電子（Sn3d,Ag3d,Pd3d）スペクトルArスパッタ条件：Arガス圧 4×10-2Pa,400V/10mA,
１秒エッチングごとに各光電子スペクトルを分析
図5よりスパッタ前(0秒)では、いずれの光電子とも高結合エネルギー側にシフトしており、金属イオンとなっている可能性が高いが、エッチングを行っていくと低結合エネルギー側にシフトし金属原子(0価)となっていく様子が分かる。ただ、Snは表面から深く分布しているが、触媒効果を発揮するPdは極表面に存在している。このことは、（6）式に示したDM
ABの加水分解反応は基板の極表面で起こると予想されるので、基板の表面粗さがZnO薄膜形成に大きく影響することが考えられる。
次に、比較的低温の60℃で2時間無電解めっきした表面の微構造を図6に示す。図6の左写真より一面に膜が形成されておらず、基板であるガラス面が見え、拡大像（右写真）からは、六角板状結晶が面方向不揃いで生成している様子が分かる。

― 22 ―

電気化学的手法による酸化亜鉛薄膜作製に関する研究

×１０，０００

×６０，０００

図6 無電解めっき法によるZnO薄膜表面のSEM写真
Zn(NO3)2 0.075M, DMAB 0.01M, 60℃, 2h
また、結晶方位を調べるため、X線回折分析を行った結果を図7に示す。
100

（００２）

図8 ZnO薄膜形成ガラス板の光透過率曲線
ZnO薄膜作製条件は図6と同様
そこで、薄膜試料のシート抵抗を測定した。シー
ト抵抗測定結果を表1に示す。

80

表1 ZnO薄膜のシート抵抗測定結果

（１０１）
60

40

（１１０）

20

液温（℃）

（１０３）

（１０２）

（１００）

（１１２）

0

20

30

40

50

60

70

80

2θ

図7 無電解めっき法により製膜したZnO薄膜のX線
回折パターン。
無電解めっき条件は図6と同様
ZnO多結晶体を示す回折パターンとなっており、(002)面の回折線が強くなっているが、図3に示した電気めっきほど(002)面が強く出ていない。このことは、
図6の表面観察からも分かるように無電解めっきの場合、六角板状結晶が不揃いで結晶面が不均一となっていることによると考えられる。無電解めっきの場合、上述したように触媒付けが重要で、ガラス板
表面に均一に分散担持させる必要がある。XPS分析からガラス表面には、触媒効果のあるPdが担持されているのは明かであるが、ガラス表面上に均一担持されているのかは、判断できない。原子間力顕微鏡等を用いた極表面分析が必要であり、今後の課題である。
図8に60℃で2時間製膜した試料の光透過率測定結果を示す。
400～800nmの可視光域では80%以上の光透過率となっており、目標の光透過率が得られることが分かった。なお、液温を60～80℃まで変化させて無電解めっき実験を行った結果、ZnO薄膜の光透過率、結晶構造、表面微構造とも、60℃での実験結果（図6～8）とほぼ同等であった。

×107 Ω/□60

2.1～2.565

2.0～2.3

70

3.8

75

2

80

1.0～5.0

表1から明らかになっており、めっき温度に関係なくシート抵抗が非常に高い。このことについて、図6のSEM像からZnO薄膜の析出むらがあり均一でないこと、およびZnO自体のバンドギャップが3.2eVと高く、このままでは導電性は得られにくいので、導電性を向上させるには、ガラス基板上にZnO結晶をむら無く形成させることや不純物ドーピングを行いキャリヤ
数を増やす必要がある。
そこで、ZnO結晶格子から酸素イオンを抜いて電子
キャリヤを発生させることを目的に、表１に示す
70℃で無電解めっきした試料を真空アニール（10-6
Torr台、500℃、1時間）して脱酸素を行った。その結果、シート抵抗と抵抗率は、それぞれ1×102Ω/□、1×10-3Ω･cm台となり、導電性の向上が認められた。しかし、高温で真空アニールするためには高温真空炉が必要で、企業化する場合コストアップになる。そのためには、Zn2+イオン置換の不純物ドー
ピングによる導電性の向上を図ることが望ましいと考えられる。
なお、本研究でAl３＋,Ga３＋イオンによるZn２＋イオンの一部置換を試みたが、Zn２＋イオンとの置換は困難で、アルミの水和物が生成したり、ZnO薄膜自体の― 23 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

溶解が起こった。今後、3価の金属イオン置換方法について詳細に調べる予定である。
4. おわりに
ZnO薄膜作製に関する研究を行った結果、以下のことが得られた。
(1)電解法でZnO薄膜を作製する場合、Zn(NO3)2を電解液に用い、低電流密度（0.6A/dm2）かつ比較的高温(75℃)下で電解を行うと、陰極（銅板）表面に六角板状結晶体が析出し、X線回折分析から底面(002)
配向性の高いZnO結晶となることが分かった。
(2)ガラス基板に無電解法でZnO薄膜を作製する場合、前処理としての触媒付が重要であり、Sn,Ag,Pdの順
で各溶液への浸せきと洗浄を2回繰り返して触媒付を行った。次いで、Zn(NO3)2 0.075M, DMAB 0.01M含有液に60～75℃下、2時間浸せきした結果、ZnO薄膜がガラス基板上に形成され、光透過率は可視光域で80%以上であった。しかし、ZnOの析出むらが生じたり、

No. 49.

2011

ドーピング処理を行わない場合、表面のシート抵抗は107Ω/□台と高く、効果的なZn２＋イオンの不純物（3価陽イオン）置換による導電性向上について研究する必要があることが分かった。
なお、本研究を行うに当たり光透過率測定と有意義なアドバイスをいただいた熊本大学工学部電子情報工学科の中村有水教授、無電解法について、適切なアドバイスをいただいた奥野製薬工業(株)の大友
さとみ様に心より謝意を表します。
参考文献
1) M. Izaki and T. Omi; J.Electrochem. Soc., 143, L
53(1996)2) M. Izaki and T. Omi; J.Electrochem. Soc.. 144, L
3(1997)3) 片山純一, めっきプロセスによるZnO透明導電膜の作― 24 ―

製,

表面技術, Vol. 60, No.10, pp. 625-630, 2009

【論文】

セラミックス金型による高機能新規成形品の創出に関する研究

セラミックス金型による高機能新規成形品の創出に関する研究
高橋 孝誠*・土村 将範**・坂本 英俊***・峠 睦***・大淵 慶文****熊本県溶接協会、** ものづくり室、*** 熊本大学工学部

Development of High Accuracy and High Quality Glass-fiber
Reinforced Product by Hybrid Ceramics
Kousei TAKAHASHI*, Masanori TSUCHIMURA**, Hidetoshi SAKAMOTO***, Mutsumi TOUGE***and Yoshifumi OHBUCHI***
近年、世界的な環境問題への関心の高まりにより廃棄物処理時にダイオキシンが発生する塩素を含んだ材料や、環境ホルモンとして危険性が指摘されている素材から、環境に優しくリサイクル性の高い材料へと工業製品の素材が大きく変わりつつある。従って、製造基盤を支える金型産業とその製作技術においても、高精度・高品質とコストダウンとを同時に満足させるだけでなく、新しい原材料を利用可能な、新しい発想に基づいた革新的金型製造技術の研究開発が不可欠となっている。
そこで本研究は、従来の金属製の金型と比較して新しい製品製造を実現化できるセラミックス材を金型に利用する射出成形金型の製造に関する研究開発と実用化研究を行った。ここでは、三次元レーザー加工機により ZrO2（ジルコニアセラ
ミックス）を用いた金型の三次元彫り込みを行っており、射出成型時の成形材料は熱可塑性樹脂の PS（ポリスチロール）、
PC（ポリカーボネート、ガラス 20%）の３種類を用いて結果を比較した。セラミックス金型による成形は、いずれの材料においても推奨成形温度より低温での成形が可能であると同時に成形精度も優れていることがわかった。その結果、サン
プル製品のセラミックス金型では、特に GFRP の流動性が大きく改善され、 製品の表面粗さは金属型に比較して(Rz:40
μm→0.4μm)と大幅に改良でた。さらには、 セラミックスの高対摩耗性により型寿命が長いので、長期にわたる製造コ
ストや金型メインテナンスコスト等を低減することが可能となった。

1. はじめに
近年、世界的な環境問題への関心の高まりにより、工業製品の素材は、廃棄物処理時にダイオキシンが発生する塩素を含んだ材料や環境ホルモンとして危険性が指摘されている素材から、環境に優しい材料
またはリサイクル性の高い材料へと大きく変わりつつある。また一方で、自動車や家電など工業製品に利用される部品は、製造段階での高精度・高品質保証、製造コスト・エネルギーの削減及びグラム単位での軽量化要求等を同時に達成することが求められている1)-2)。従って、産業の製造基盤を支える金型産
業とその製作技術においては、環境問題解消のニーズに合わせた新しい原材料を利用可能とする高精度・高品質とコストダウンとを同時に満足させることが可能な、新しい発想に基づいた革新的金型製造技術の研究開発が不可欠となっている。
このため本研究開発では、金型という「ものづくり」基盤と基礎技術を高いレベルで維持していくた
め、革新的な製品製造を実現化させることが可能な、セラミックス材を利用した射出成形ハイブリッド金型の研究開発と実用化研究を行った。
具体的研究開発目標は以下とした。
(1) 高機能素材の成形性を大幅に改善する金型(2) 微細な高精度製品製造が可能な高付加価値金型(3) 後処理工程集約や製造エネルギーの大幅な低減(4) 高寿命金型によるコストダウン等を達成する実用化要素技術の開発
この結果、本研究開発による金型及び製造技術を活用することで、一般的な情報機器部品や自動車部
品向けに大幅に軽量化した繊維強化プラスチック部
品が代替利用できる。加えて、高品位成形品による塗装レスなど工程集約を中心とした製造エネルギー
低減とライン省略によるコストダウン、また薄肉成
形による成形原料の減少を可能にするなど、省エネ
型生産・流通システムの実現により地球環境問題にも多大な貢献が期待できる。
2. 研究目的及びサブテーマの設定
本研究は、射出成形用金型材料の入れ子部分が新素材(新規セラミックス材料)であり、かつ射出成形
樹脂材料も高機能素材(FRP樹脂等)となるなど、新しい金型製造技術及び成形品製造技術の双方に関連する研究開発となる。また、セラミックスの高精度三次元金型加工に切削、研削、及び研磨とレーザ加工を併せた基礎加工技術の開発を行い、これまで困難であったセラミックスの三次元形状の作成を可能とする。
2.1 本研究の特色及び予想される成果と意義
本研究による技術開発により、金属金型で成形表― 25 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

面品質に問題のあった繊維強化プラスチック材料等の成形を含む、プラスチック部品全般の表面品質の大幅な改善と薄肉化を達成させることも可能となる。
期待される成果の具体例は、以下が挙げられる。
(1) 高精度・高機能・軽量部品製造による市場シェ
ア向上と新規分野開拓(2) 工程集約による総合的な製造コスト低減と短納期(3) 製造材料の減少及び製造エネルギーの低減による環境問題への貢献
高機能樹脂材料

新しい金型材料

成形品評価と金型構造成
形条件へのフィードバック(繊維強化プラスチック(熱可塑性樹脂))

普通のプラスティックの約10倍の強度
普通のプラスティックの約10倍の強度
電波の遮蔽効果も高い
電波の遮蔽効果も高い
成型後表面が粗く、小型精密部品には不向き
成型後表面が粗く、小型精密部品には不向き
利用例：F1マシンのシャーシ、船体利用例：F1マシンのシャーシ、船体(特殊セラミックス(ジルコニア,SiCなど)

耐磨耗特性・耐熱性・耐食性に優れ、軽量
耐磨耗特性・耐熱性・耐食性に優れ、軽量単価が高く、脆い(割れやすい)ため精密な部品単価が高く、脆い(割れやすい)ため精密な部品
用金型に必要な高精度3次元機械加工が困難
用金型に必要な高精度3次元機械加工が困難

CAE解析による成形条
件・金型設計の最適化

セラミックスの高精度3次元加工技術の確立

2種類の新素材を同時に金型で利用可能にする研究・製造技術開発

高品質・高精度部品の大量生産技術を確立
製造工程及び製品品質の大幅な改善
高精度・高付加価値
部品の低コスト製造

汎用部品代替へ利用用途拡大研究開発を通した技術蓄積による、
地域中小企業の国
際競争力の向上

新規製品市場分野への用途の開拓図 1 ハイブリッド金型による高機能高付加価値
成形品の開発概念図
ここでは、上記の研究開発のため以下の3つのサブ
テーマを設けて、本研究における技術目標を達成可
能な個別要素技術の確立を目指す。
(1) セラミックスの高精度三次元加工技術の確立(2) セラミックス表面の高精度仕上げ研磨技術確立(3) CAE解析による成形条件・金型設計の最適化
上記の個々のテーマと全体目標の関係を図1に示す。
2.2 個別の研究テーマ詳細
現在の金型及び成型品精度を飛躍的に向上させる
研究目標の達成には、以下の新しい基礎要素技術の開発が必要であり、初年度にセラミックス金型設計、最適加工条件・評価、高精度加工技術の検討を行い、2年目に射出成形およびシミュレーション解析を実施し、以下の技術開発項目について研究を行った。
(1) 高精度金型加工技術
三次元複雑形状セラミックス金型の高精度加工
三次元セラミック金型表面の仕上げ研磨加工(2) 高精度射出成形技術
熱伝導率が金属と大きく異なるセラミック金型における樹脂射出製造条件の決定

No. 49.

2011(3) 金型機構設計による金型内の樹脂流動最適化
金属とセラミックスを組合せたハイブリッド金型の金型機構設計技術の開発
2.2.1 セラミックスの高精度三次元加工技術の確立
本研究では、ジルコニア(ZrO2)、アルミナ(Al2O3)、
炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)、マシナブルセラ
ミックスなど物理特性が大きく異なる各種セラミッ
クス材のうち、試作品製作等において成形品の表面形状が最も良好であったジルコニア(ZrO2)を金型材として使用する。また、成型品精度を左右する転写性を大幅に改善するセラミックスについて、試作金型を用いて材料の違いによる性能を比較・評価し最終的な金型用セラミックス材料を決定する。次に脆性材料であるセラミックス材の加工では、金型に必要となる複雑な三次元サーフェス形状の高精度加工を保証することは難しいため3)、金型に利用される
特殊な微細・複雑形状の高精度加工について、ショットブラスト加工、研削加工、レーザ加工を組合せた最適な製造加工技術の構築を図る。
2.2.2 セラミックス表面の高精度仕上げ研磨技術確立
ラップ、ガラスブラスト、化学薬品、ダイヤペー
スト等を利用した研磨加工を適用し、三次元形状のセラミックス材に最適な研磨プロセス技術を確立する。また、製品形状及びCAE解析からフィードバック
された試作金型データに基づく、製品金型の最終調
整及び表面処理手法に関する微小修正仕上げの研磨技術の開発・評価を行う。
2.2.3 CAE解析による成形条件・金型設計の最適化
本研究における開発ターゲットは、金属とセラミックスのハイブリッド金型である。そこで金型の周辺部品を構成する炭素鋼や工具鋼(11×10 -6 /℃)と製品形状を決定するセラミックス(ジルコニア(10×10-6/℃)、その他(2～4×10-6/℃))との材料の熱膨張率の違いを考慮したパーティングライン、ゲート、入れ子、水穴(冷却)等の最適位置決定のための設計
技術開発を行う。
また、金属とセラミックスの材料特性、特に金型内の樹脂流動性を大きく左右する物性値である熱伝導率が、金属(S55C:42w/m・k)と比較してセラミックス(ZrO2:4.2w/m・k)は大きく異なることから、製品
及び金型材料の変化に伴う製品精度・転写性等に及ぼす物理現象を構造・熱・流体連成解析により解明
し高機能部品の量産を目指した製造実用化技術を検― 26 ―

セラミックス金型による高機能新規成形品の創出に関する研究討する。
3. 研究成果
3.1 射出成型用金型の製作
本研究では、 3 次元セラミックス金型加工とセラ
ミック金型による高機能高付加価値の射出成型品の創成と技術課題を解決し、金型材料の違いによる成形製品の特性評価を行うためにセラミックス金型と金属製金型による射出成型品を試作した。射出成形品形状を図 2 に示す。

工業 SE180DU、型締め力 40t)で行った。射出成型用素材としては、代表的なエンジニアリングプラスチ
ック材、ポリスチレン樹脂 (PS)：代表的な熱可塑性
樹脂、ポリカーボネート樹脂 (PC)： ビスフェノー
ル A とホスゲンの縮合重合によって造られる樹脂であり、強靱で透明性、耐熱性、寸法安定性、難燃性などに優れ、特に衝撃強度は熱可塑性樹脂でも最高に近い値を示す材料及びガラス繊維強化（20％）ポ
リカーボネート(PCG)の 3 種類を用いた。

図 3 射出成型品のサンプル形状(a) キャビ側形状(b) コア側形状

図 2 ハイブリッド試作金型
3.2 射出成形試験結果
本研究では、製作した工具鋼金型及びセラミック
ス金型を差出成形器にセットし、従来の金属金型とハイブリットセラミックス金型を用いた成型実験を実施した。
射出成型実験は、株式会社つくも金型製造所有の射出成形機(日精樹脂工業 ES400、型締め力 450t)及び辻本金型株式会社所有の射出成形機(住友重機械

表 1 表面粗さ測定器（東京精密株式会社製サーフコム 570A）測定結果

金属金型
項目
成形数

射出成形品のサンプルを図 3 に示す。成形実験は、3 種類の材料(PC、PCG、PS)に関してそれぞれ 1,000
個ずつの合計 6,000 個を成形した。成形品の測定については、50 個単位に、3 次元測定器（ミツトヨ製
LEGEX）を用いて球径、真球度、高さ測定を行った。
また、各サンプルに対して表面粗さ測定器(東京精密株式会社製サーフコム 570A)を用いて測定した結果
を表 1 に示す。
サンプル形状の測定結果は、金属金型ではPC>PS>PCG で成形精度が良であるが、セラミックス
金型では PS>PC>PCG で成形精度が良となった。

金型形状精度（キャビ）
球径(mm) 真球度
Z高さ

1
250
500
750
1000

33.178

表面粗さ
Ra
Rz

μm
0.09
0.96

球径(mm)
33.01833.0220.012
15.08833.02133.02033.025
Σ
165.106
AVE
33.021

樹脂種類
PC
PC（２０％G)
PS
真球度
Z高さ
球径(mm) 真球度
Z高さ
球径(mm) 真球度
Z高さ
0.028
16.58932.9150.012
16.52332.9750.015
16.5650.028
16.58932.9130.031
16.52432.9730.012
16.5640.028
16.59532.9150.025
16.52132.9690.024
16.5630.022
16.59032.9200.015
16.52132.9730.012
16.5670.016
16.59532.9190.014
16.58132.9690.023
16.5580.122
82.958 164.582
0.097
82.670 164.859
0.086
82.8170.024
16.59232.9160.019
16.53432.9720.017
16.563
0.02
0.1

0.06
0.52

0.02
0.12

セラミックス金型
項目
成形数

金型形状精度（キャビ）
球径(mm) 真球度
Z高さ

1
250
500
750
1000

33.457

表面粗さ
Ra
Rz

μm
0.15
0.66

球径(mm)
33.31233.3160.098
15.28933.31833.31733.320Σ
166.583
AVE
33.317

樹脂種類
PC
PC（２０％G)
PS
真球度
Z高さ
球径(mm) 真球度
Z高さ
球径(mm) 真球度
Z高さ
0.084
16.79133.2200.078
16.74133.3740.117
16.7790.093
16.70033.2280.078
16.74633.3620.104
16.8150.094
16.76033.2270.079
16.74833.361
0.101
16.8260.093
16.76133.2280.078
16.74433.3580.097
16.8280.097
16.75633.2280.079
16.73633.357
0.093
16.8230.461
83.768 166.131
0.392
83.715 166.812
0.512
84.071
0.092
16.75433.2260.078
16.74333.3620.102
16.814
0.02
0.04

0.08
0.52

― 27 ―

0.02
0.1

熊本県産業技術センター研究報告書

傾向は若干の相違はあるが、セラミックス金型の方が、ヒケ量が少なく成形精度が良好なことがわかった。また、成形温度－10℃ないし－20℃及び型締力が 1/10 の成形機を使用したにもかかわらず、成形が良好な理由は、セラミックス金型の断熱効果が大きく寄与したためと推察される。
3.3 CAE 解析による成形条件評価
樹脂流動解析 FEM コード MOLD FLOW を用いて、金属金型及びセラミックス金型による樹脂流動解析を行い、射出成形品の型材料特性の成型品に及ぼす影響を検討した。CAR 解析による成型条件・金型設計においては、セラミックス金型・金属金型の表面摩擦および熱伝導性の違いによる成型状態の違いを、セラミックス金型（キャビ・コア）、金属金型（キャビ・コア）の組み合わせにより解析を実施しその影
響について検討した。その結果、セラミックス金型の流動性に関する金属金型と比較した優位性が認められた。解析結果の実例を図 4 に示す。

(a) 金属・PC・冷却時間 (b) セラ・PC・冷却時間(a) 金属・PS・充填時間 (b) セラ・PS・充填時間
図 4 CAE 解析結果例(Mold Flow Plastic Adviser)
4. おわりにNo. 49.

2011(1) セラミックスの高精度三次元加工技術においては、3次元レーザ加工機によりジルコニアセラミックス(ZrO2)を用いた金型の彫り込みを行い、その表面加工能力評価を行った。加工は、等高線加工とし、スライス量は1～5μm(平均2μm)/回で、送り速度は200mm/secで行った。半球状の形状加工の結果、球に直角方向で表面粗さ(1.5～2.0μmRz)の結果を得た。
(2) セラミック表面の高精度仕上げ研磨技術においては、直径30mm、厚み1mmの金型(SKD11、ジルコニ
アセラミックス)を製作し、成形試験を行い、成形材料は熱可塑性樹脂のPS(ポリスチロール)、PC(ポリカーボネート)、PCG(ポリカーボネート、ガラス
20%)の3種類を用いた。成形評価は、成形温度、成形圧力、引け、表面形状、寸法精度について評価した。セラミックス金型による成形は、いずれの材料においても、推奨成形温度より低温での成形が可能であると同時に、表面粗さによる成形精度確認でも最大でRz=40μmが0.4μmに改善するなど、金属金型と比較しても優れていることがわかった。
(3) CAE解析による成型条件・金型設計においては、
セラミックス金型・金属金型の表面摩擦および熱伝導性の違いによる成型状態の違いを、セラミッ
クス金型（キャビ・コア）、金属金型（キャビ・コア）の組み合わせにより解析し、セラミックス金型の流動性に対する優位性が認められた。
今後、本研究開発によるセラミックス金型及び成形品の優位性を現存製品製造工程の改善だけでなく、精密光学部品などの新規製品市場分野への販路拡大に利用するためには、光劣化が少なく十分な透明度及び強度を持つ樹脂成形材料の開発や金型用大型セ
ラミックスの高精度焼結技術とコストダウンが必要となる。

なお、本研究は競輪の補助を受けて導入した機器（3 次元レーザー加工機）を用いました。

金型の製造開発に当たっては、金型形状の高精度加工技術だけでなく、射出成形製品の品質(形状精度、
表面粗さ、転写性等)を保証するため、射出冷却後の変形形状を見越した金型機構設計と射出成形装置の製造条件設定(射出圧力、射出速度、金型温度等)など、多種多様なパラメータ設定を総合的に最適化した製造技術を確立することが不可欠であり、本研究では、射出成形用金型がセラミックスで、製品材料
がFRPという新しい組み合わせの製品特性の検証を
実験及び解析を用いて行った。
その結果以下の結論を得た。

参考文献
1) B.D.Agrwal, L.J.Broutman, Analysis and Performanceof Fiber Composites、John Wiley & Sons, pp.245, 1970.
2) R.V.Kim (T.J.Reinhart, Ed.), Engineering Materilas
Handbook, pp.1, ASME. 1987.
3) H.Aoyama, et. al., J.JSME, Vol.1, pp.84.

― 28 ―

【論文】 コロイダルセルロースを用いたスキンケア材のプラント大型化とトレンド拡大に関する探索― 29 ―

熊本県産業技術センター研究報告書― 30 ―

No. 49.

2011

コロイダルセルロースを用いたスキンケア材のプラント大型化とトレンド拡大に関する探索― 31 ―

熊本県産業技術センター研究報告書― 32 ―

No. 49.

2011

コロイダルセルロースを用いたスキンケア材のプラント大型化とトレンド拡大に関する探索― 33 ―

【技術資料】

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

EMC 測定・対策効率化支援技術の開発－ノイズ対策部品活用の最適化に関するマニュアル化－
石松賢治**

ものづくり室Development of Assistive Technology for EMC Measurement and Design
Kenji ISHIMATSU *近年、デジタル信号を使った電子機器が盛んに使われ始め、それら機器から発生するデジタルノイズは深刻な問題となっている。そこで、デジタル信号発生回路にアンテナを取り付け、デジタルノイズ放射のメカニズムを検討した。
また、デジタル信号発生回路とアンテナの間に三端子フィルタを挿入し、デジタルノイズ低減効果を評価したので報告する。

昨今、電子機器の小型化・高速化・高機能化・複合化 に 伴 い 、 EMC 規 格 規 制 （ Electro-magnetic
Compatibility 電磁両立性）の拡大・強化が進んでいる。企業が電気電子機器を商品化する際には、EMC 規
格規制に対応するための測定・対策が不可避である。
企業の EMC 測定･対策の効率化を総合的に支援するため、九州内公設試・大学等の保有する技術シーズを活用・高度化することを目的として、九州イノベーシ
ョン推進協議会（以下 KICC 略する）の「EMC 測定・対策効率化支援技術の開発」が始まった。この事業の中で、放射ノイズ高効率・簡易測定環境の構築、EMC 測定ノウハウの共用、ノイズ発生源の可視化等に取り組
み、熊本県産業技術センターではノイズ対策部品活用の最適化に関するマニュアル化に取り組んだ。
近年、デジタル信号を使った電子機器が使われ始め、
デジタルノイズは深刻な問題になっている。一般に、必要とするデジタル成分の信号に比べて不要なノイズは高い周波数成分を含んだものが多い。そのため、周波数が高いノイズを除去するため、ローパスフィルタが使用される 1)。今回、ローパスフィルタの一種である三端子フィルタを使い、デジタル信号の放射ノイズ対策を検討し、その性能を検証した。
２. 方法
2.1 実験に使用した回路
デジタル機器から放射されるデジタルノイズのメカ
ニズムを検討するために、図 1 に示す電子回路を作成した。デジタル信号発生回路は、水晶発信回路と NAND
ロジック IC で構成し、8MHｚのパルス信号を発生する。

出力端にデジタル信号波形をオシロスコープで観測し、減衰回路（50dB）
を通してスペクトラムアナライザで、デジタル信号のスペクトラムを観測した。図 1 に示す回路の出力端に長さ 2m のリード線をアンテナとして取り付け、放射される電磁ノイズの電界強度を電波暗室で測定した。
デジタル信号発生回路
アンテナ

74HC048MHz

出力ポート

１. はじめに

図 1 デジタルノイズ放射実験回路
2.2 実験に使用したフィルタ
今回の実験に使用したフィルタは、積層チップ EMC
フィルタを使った。このフィルタは、コンデンサとインダクタを積層したチップ部品であり、その大きさは2.0mm×1.2mm（2012 タイプ）である。また、接続する回路が、ローインピーダンスの場合には T 型三端子フ
ィルタを、ハイインピーダンスの場合にはπ型三端子フィルタを使用した 2)。
３

実験結果

3.1 デジタル信号波形とスペクトラム― 34 ―

EMC 測定・対策効率化支援技術の開発確認できた。

1/4波長
電界強度（ｄBμV / m)68

図 2(a)に回路のデジタル信号波形を、
図 2(b)にスペクトラムを示す。このデジタル信号は、基本周波数が8MHz であり、立ち上がりや立下り時間は 2.5ns である。
図 2(b)より、基本周波数が 8MHｚであり、その 2,3,4…倍高調波（16, 24, 32…Hz）が観測される。その電圧の大きさは、基本周波数が一番高くなる。

80
70
60
50
40
30

電圧(V)
2
4

20
10
0

0

0

50

100
150
200
周波数（MHｚ）

250

300

-2

図 3 アンテナを付けたときの放射電界強度t0.05μs/div

-80

-60

-40

-20

0

(a) 信号波形(dBmV)

3/4波長

1

100
周波数(MHz)(b) スペクトラム
図 2 デジタル信号波形とスペクトラム
図 3 に、この出力端にアンテナとなるリード線を接続したときの放射ノイズの電界強度を示す。図 2(b)のスペクトラムの観測結果と異なり、リード線を取り付けると周波数が 40MHz で放射ノイズは最大になり、120MHｚ周辺でも放射ノイズが高くなる。
これらの周波数は、アンテナ（長さ２ｍのリード線）の長さが１/4
波長、3/4 波長になる周波数である。リード線の終端が開放されているため、リード線に定在波が立ち、リード線の長さが 1/4 波長、3/4 波長の周波数で電磁ノイズが効率が良く放射されるためである。このことから、電磁ノイズは、ノイズ源でなく、電磁ノイズを放射する部分がアンテナとなり、放射されていることが3.2 フィルタの効果
図１に示すデジタル信号発生回路とアンテナ（リード線）との間に三端子フィルタを挿入して、フィルタの効果を観測した。
図 4 に T 型三端子フィルタを挿入したときのデジタ
ル信号波形、放射したノイズの電界強度を示す。図 5にπ型三端子フィルタを挿入した時のデジタル信号波
形、放射したノイズの電界強度を示す。
カットオフ周波数が低くなると、低い周波数の高調波が減衰するため、信号波形はなまりが大きくなる。
カットオフ周波数 10MHz のフィルタでは、信号の基本
波（8MHz）とほぼ同じになるので、信号波形のフラットな部分がなくなってくる。
放射ノイズが最も高い周波数 40MHz においては、放射
ノイズの電界強度はカットオフ周波数が 10MHz の T 型フィルタでは 20dB、π型フィルタでは 13dB 減少している。
40MHz でのフィルタの挿入損失は、カットオフ周波数が10MHz の T 型フィルタでは 23dB、π型では 13dB あり、
放射ノイズの電界強度とほぼ同じ値であった。
カットオフ周波数の低いフィルタを使用すると、放射ノイズをより減少させることができる。しかし、カットオフ
周波数が、デジタル信号の基本波に近いと、波形のなまりが大きくなる。

― 35 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

カットオフ
周波数

No. 49.

2011

デジタル波形

放射ノイズ

電界強度（ｄBμV / m)

8

10MHz
電圧(V)

6
4
2
0
-2
t

0.05μs/div

80
70
60
50
40
30
20
10
0

50

100

150

200

250

300

周波数（MHｚ）

２５MHｚ
電界強度（ｄBμV / m)

8
電圧(V)

6
4
2
0
-2

t

50

0.05μs/div

図4

カットオフ
周波数

80
70
60
50
40
30
20
10
0

電界強度（ｄBμV / m)

電圧(V)

4
2
0

-2

50

4
2
0

-2

100

150

200

250

300

250

300

周波数（MHｚ）

電界強度（ｄBμV / m)

電圧(V)

6

0.05μs/div

80
70
60
50
40
30
20
10
0

50

100

150

200

周波数（MHｚ）

図5

300

80
70
60
50
40
30
20
10
0

0.05μs/div

8

t

250

放射ノイズ

6

25MHｚ

200

T型フィルタの効果

8

t

150

周波数（MHｚ）

デジタル波形

１０MHｚ

100

π型フィルタの効果― 36 ―

EMC 測定・対策効率化支援技術の開発

４. おわりに

デジタル信号発生器にアンテナとしてリード線を取り付け、
デジタルノイズ発生のメカニズムを検討した。
デジタル信号は、基本波と高調波からなり、同じ基
本波、高調波成分のデジタルノイズが放射される。しかし、デジタルノイズは、アンテナの様な電磁波を効率よく放射する構造物から放射され、かつアンテナの放射効率の良い周波数でよく放射される。そのため、
デジタルノイズ対策は、ノイズを効率よく放射する構造物を探し出す必要がある。電子機器では、ノイズを効率よく発生する主な構造物として、プリント基板の伝送路、電源ライン、筐体の隙間がある。
伝送線からデジタルノイズが放射される場合は、三端子フィルタなどのローパスフィルタを使用し、高周波のノイズ成分を減少することにより、デジタルノイ
ズを減らすことができ、三端子フィルタの挿入損失と放射ノイズの削減量はほぼ一致する。フィルタのカッ
トオフ周波数が低すぎると、デジタル信号の低次高調波成分を減衰させ、デジタル波形がなまり、デジタル信号として使用できなくなる。そのため、適切な選択が必要になる。
今回の詳細な内容は、「EMC 測定・対策効率化支援
3)としてマニュアル化した。今後は、マニ技術の開発」
ュアルを使い企業の電子機器開発の支援を行っていく。
文 献1)

坂本幸夫,対策部品で行う EMC 対策,丸善,pp.48-49,
2005 年

2)坂本幸夫,電子回路とノイズ対策が分かる本,日刊工業新聞,pp.36-40,2006 年

3)

九州イノベーション創出推進協議会,成果報告書,
http://kicc.kitec.or.jp/pdf/manual4.pdf― 37 ―

【技術資料】

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

高精度・高スループット 2D-3D インスペクション技術の開発- W 低コントラスト欠陥検出重森清史**ものづくり室

Development of High Accuracy and High Throughput 2D-3D Inspection Technology- Detection of Low Contrast Defects Kiyoshi SHIGEMORI
半導体製造においては、工程毎に必要に応じ外観検査が行われている。近年、外観検査は自動化が進んできているが、人手に依存しているケースも多い。今回検査対象としたICリードフレームにおいても、近年の微細化に伴い、検査員が触ることにより、欠陥が生じる危険性が生じており、新たな外観検査ニーズが求められている。本研究では、これまで自動検出が困難であったICリードフレームのしみや光沢ムラ等の低コントラスト欠陥検出の実現を目標とした欠陥検出実験
システムを構築した。

1. はじめに
本研究は、平成20～21年度にかけて実施した九
州産業技術イノベーション創出共同体形成事業研
究開発環境支援事業の中の「高精度・高スループ
ット2D-3Dインスペクション技術の開発」の一環として行ったものである。本事業には、当センターの他に、産業技術総合研究所 九州センター、鹿児
島県工業技術センター及び福岡県工業技術センタ
ー 機械電子研究所が参加しており、半導体製造の後工程における平面的な外観検査及び高さ方向も含めた3次元の検査技術に関するインスペクショ
ン(検査)技術の研究開発を行った。他の研究機関のテーマは、以下のとおりである。
「多焦点撮像装置による焦点深度の深い鮮明な撮像」「分光位相差検出法による高さ測定」
・産業技術総合研究所 九州センター
・鹿児島県工業技術センター「非合焦点関数解析法による高さ測定」
・産業技術総合研究所 九州センター「スペックル干渉法を利用した3D変形分布計測」
・福岡県工業技術センター 機械電子研究所
当センターでは、半導体チップを搭載するICリードフレームのしみや光沢ムラ等の低コントラス
ト欠陥検出の実用化を目指した高解像画像の外観検査システムの開発を行った。なお、本システムで用いた欠陥検出手法は、スプライン関数1)2)を用

図 1. システム構成
いて仮想的な良品画像を良品サンプル画像として用いる方法であるが、通常行われている実際の良品サンプル画像を用いる方法に比べ、良品サンプ
ルと検査対象品の正常部における濃度差を小さくすることができるため、欠陥検出のためのしきい値を小さくすることができ、その結果、低コント
ラスト欠陥にも有効であるという特徴がある。
2. システム構成
本システムの構成を図 1 に示す。本システムでは、高解像画像を得るためラインセンサカメラ
3)(4096 画素/ライン)を用いている。ラインセンサ

カメラは、高解像の画像を得ることができるが、受光素子が 1 ラインしかなく、2 次元的な画像を得― 38 ―

高精度・高スループット 2D-3D インスペクション技術の開発(a)画像濃度プロファイル(b)画像濃度プロファイルとスプライン関数

図 2. パッド部(C)補間による仮想良品面の生成
図 4. 検出原理
本システムにおける欠陥検出原理の概略を図4に示す。本システムの手法では、先ず、画像上における濃度変化を調べる。一般に、検査対象画像
は、ノイズ等の原因により、図4(a)に示す画像濃度プロファイルのように一定のばらつきを含んでいる(注：画像濃度プロファイルとは、画像の1ラ
イン上の濃度変化を示したものである)。そこで、大局的な濃度変化を調べるために、図4(b)に示す
データ点と呼ばれるサンプリング点の画像濃度を調べ、その画像濃度を基にスプライン関数を用いて、スプライン曲線を求める。そして、図4(c)に示すように、濃度変化の割合が大きい箇所については、スプライン関数の補間機能を用いて、画像濃度面の補間を行い、このようにして得られた仮想良品曲線を基にスプライン関数により仮想良品
画像を構成する。次に、この画像と検査対象画像との間で、欠陥検査で一般的に用いられる濃度を用いた比較検査法3)を行うことにより、欠陥検出を（a） 全 体(b) 画像取り込み部
図 3. システム外観
るには、ステージを移動させながら 1 ラインずつ
画像を取り込む必要がある。そのため、本システ
ムでは、1 軸のＸステージを用いて、ステージを移動させながら 1 ラインずつ画像を取り込み、それをワークステーションにおいて、1 枚の画像として構成している。そして、その画像を用いて、半導体チップが搭載されるパッド部(図 2)と言われるエリアに対して、欠陥検査を行う。図 3(a)にシス
テム全体の写真及び図 3(b)に画像取り込み部の写行う。本手法では、正常部における良品画像と検査対象画像間で濃度差が小さいので、検出のためのしきい値を低く設定することができ、低コント
ラスト欠陥検出にも有効である。この仮想良品画
像は、検査対象画像毎に構成される。なお、検出原理の詳細及びその有効性の評価については、本誌の「スプライン関数を用いたICリードフレームの低コントラスト欠陥検査方法の提案」を参照していただきたい。
4. 操 作真を示す。
本システムの操作方法の概略を述べる。本システムを起動すると、図5に示すメインメニューが表3. 欠陥検出原理― 39 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

ラメータ設定」では、本プログラムで使用される遺伝的アルゴリズム 4)及び欠陥検出のためのしきい値設定等のパラメータ設定を行う。そして、「検査実行」を選択すると、Ｘステージが画像取り込
み開始位置まで移動し、ラインセンサカメラとス
テージを連動させながら画像取り込みを行う。次に、ラインセンサカメラから得られた画像は、1枚の2次元画像として、操作ボタンの横にICリードフ
レーム全体画像が表示され、同時に、パッド部の位置決め及び欠陥検査を実行する。そして、異常が検出されたパッド部については、全体画像に赤枠で表示され、欠陥箇所は、画面右側の欠陥表示
部に、異常が検出されたパッド部の拡大画像が表示されると共に、赤丸で欠陥部が示される。
なお、本システムは、実験システムであるので、検査対象の入れ替えは、オペレータが行う必要がある。
図 5. メイン操作画面

5. 実験例本システムは、ICリードフレームのしみや光沢
ムラ等の低コントラスト欠陥に有効であるが、異物等のコントラストがはっきりした高コントラス
ト欠陥検出例にも有効である。図7に低コントラス
ト欠陥検出例を、図8に高コントラスト欠陥検出例
を示す。なお、今回の実験に使用したICリードフ
レームは、幅60mm、長さ200mm程度の大きさであるが、画像取り込みから判定まで、3秒程度で処理を終了している。

図 6. 検査実行画面示される。本システムは、実験システムではあるが、検査実施に際して、ステージのマニュアル操
作及びカメラ等のパラメータ調整等が必要である
ので、それらの操作メニューも併せて作成している。その概略は、以下のとおりである。図5において、「画像データ入力」では、ラインセンサカメラ
もしくはハードディスクからの画像データ読み込みを行う。
「ステージ操作」では、Ｘステージのマ
ニュアル操作及び原点設定を行う。また、「ライン
センサ調整」では、ラインセンサカメラのフォー
カスやゲイン調整等ラインセンサカメラの調整を行う。そして、「検査実行」を選択することにより、
図6の検査実行画面が開かれ、検査実験を行う。検
査実行画面には、画面左上に「パラメータ設定」、「検査実行」及び「検査終了」ボタンがあり、「パ

6. 仕 様以下に、本システムの概略使用を記載する。

(a)ラインセンサカメラ：
NED製NUCL4KDmk2
・画素数：4096 画素
・画素サイズ：9.325μm(H)×9.325μm(V)・素子長：38.1925mm
・データレート：40MHz(固定)・レンズマウント：ニコンマウント
・エンコーダ：光洋電子製 TRD-SH2000B(2000 パルス/回転)(b)X ステージ：
シグマ光機製 SGSP46-500(X)・移動量：500mm― 40 ―

高精度・高スループット 2D-3D インスペクション技術の開発

・最大移動量：120mm/sec
・位置決め精度：0.025mm
・繰り返し位置決め精度：0.006mm
・2 軸ステージコントローラ：SHOT-202(シグマ光機製)(c)照明：
CCS 製

疑似同軸落射照明

LFV2-130RD

・発光色：赤色・照射エリアサイズ：100mm×100mm(d)ステージ制御パソコン：
DELL 製 Precision T3400
・CPU:375W

インテル(R)Core(TM)2 Quad

プロセッサ Q9559(12MB L2 キャッシュ，2.83GHz，1333MHz

FSB )(e)画像処理ライブラリ：Matrox製

MIL9.0

7. おわりに本研究では、ICリードフレームの外観検査において問題となっているしみや光沢ムラ等の低コン
トラスト欠陥検出に有効な外観検査実験装置を開発した。
本システムは、ラインセンサカメラを用いた画像入力システムとなっており、実際のICリードフ
レームに対して、実験を行うことができ、実験により有効性を確認した。
今後は、実際のICリードフレームに対する検証により、検出性能の評価及び改善を行っていく必要がある。

図 7. 低コントラスト欠陥検出例

参考文献
1) 桜井明，スプライン関数入門,東京電機大学出版局，
19812) 菅野敬祐，吉村和美,高山文雄,(桜井明 監修)，Ｃによるスプライン関数，東京電機大学出版局，1993
3) (社)精密工学会画像応用技術専門委員会編，画像処理応用システム，2000
4) 北野宏明 編，遺伝的アルゴリズム，産業図書，1993

図 8. 高コントラスト欠陥検出例― 41 ―

【研究ノート】

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

県産木材を使った屋根材の開発
中村哲男*・土村将範**・矢野隆***・村上聖***・江藤留寿****・北原良誠******

材料・地域資源室、**技術交流企画室、*** 熊本大学工学部、****（株）伸巧、*****（株）フォレスト

Study on the Development of Roof Material Using Domestic Wood
Tetsuo NAKAMURA*, Masanori TSUCHIMURA** ,Takashi YANO ***, Kiyoshi MURAKAMI***, Tomehisa ETOH**** andRyosei KITAHARA*****
ガルバリウム鋼板とスギ構造材を使用し、内部充填剤にグラスウール等を用いた屋根材を試作した。その外部騒音、雨音に対する効果について検討したところ、発泡コンクリートは、グラスウール等に比べ、大きな外部騒音、雨音に対する効果があることが明らかとなった。

1. はじめに

3. 結果および考察

近年、住まいにおいては、快適な生活環境に対する要求の高まりを示す一方であり、なかでも音環境の問題がクローズアップされている。また、建築活動にかかる温暖化ガスの実質的な低減を検討するた
めにも、設計段階で建築物のライフサイクルを考慮した資源循環型社会に相応しい建築素材の開発が求められてきている。
本研究では、生活環境の質を向上させる事を目的として、上述のような循環系素材を用いて屋根材を作成し、材料の組み合わせから考えられる屋根の遮音特性および雨音に対する衝撃音低減の可能性について検討するため、軽量床衝撃音の性能等について評価試験を行った。
また、一般的に屋根下地材として利用されている
グラスウールの代用品として、低コスト化と耐火性を付与することを目的に、現在土壌改良材として利用されている発泡コンクリートの利用の可能性についても検討した。

3.1 各種屋根材の空気音遮断性能試験
供試屋根材は、表1に記載したものを用いた。また、
図1に各種屋根材の空気音遮断性能結果を、表2に重み付き音響透過損失(Rw)、音響透過損失等級(Rr)、
および100Hz～2.5KHzの平均音響透過損失の算術平均(Rm(1/3))を示す。

表1
No
1
2
3
4
5

壁材の組み合わせ表面材(mm)
ガルバリウム0.6ｔ＋スギ12mm合板
ガルバリウム0.6ｔ＋スギ12mm合板
ガルバリウム0.6ｔ＋スギ12mm合板
ガルバリウム0.6ｔ＋スギ12mm合板
ガルバリウム0.6ｔ＋スギ12mm合板

空気層厚
(mm)

充填剤

裏面材

―

スギ12mm合板

60
60
60
60
60

グラスウール
スギ12mm合板
50t 32kg/m2
スチレンボード
スギ12mm合板
50t
エアミルク
スギ12mm合板
25t
エアミルク
スギ12mm合板
50t

Rr-60

70

Rr-55
Rr-50

2. 試験方法
屋根材として広く利用されているガルバリウム鋼
板とスギ構造合板等を用いた屋根表面材と裏面材で構成される屋根材を基本構成とし、充填剤を変化させた屋根材を試作した。これらと、現在建設されている工法で作られた屋根との空気音遮断効果ならびに軽量床衝撃音源による衝撃音特性の比較を行った。
実験は、熊本大学工学部音響実験室で行い、空気音の遮断性能試験はJIS A-1416 に準拠して、衝撃音
遮断性能試験はJIS A-1418に準拠して行った。

Sound transmission loss [dB]

60

Rr-45
Rr-35
Rr-30

40
30
20

在来工法
グラスウール充填
スチレン充填

1025mmエアミルク
50mmエアミルク

0

125 250 500 1K

2K

4K

Center frequency [Hz]図１
― 42 ―

Rr-40

50

各屋根材の空気音遮断性能

県産木材を使った屋根材の開発

表 3 には、軽量床衝撃音源（タッピングマシン）
による重み付き床衝撃音レベル(Ln,w)、床衝撃音レ
ベル等級(Lr)、逆 A 特性重み付き床衝撃音レベル(Li,aw)を示す。

表 2 各屋根材の空気遮断性能

Sample No.

Rw

Rr

R m(1/3)

No.1
No.2
No.3
No.4
No.5

38
41
35
42
42

30
35
30
35
35

35
38
32
38
39

表 3 各屋根材の床衝撃音特性

各屋根材とも 2 層構造であるため、図 1 から明らかなように低音域で共鳴透過による遮音欠損が大きく現れ、低音域での空気音遮断性能が低いことが明らかとなった。なかでも、在来工法屋根に断熱性を付 与 す る 目的 で ポ リ スチ レ ン 樹 脂板 を 充 填 した
No.3 は、グラスウールのように通気性を持たないため、この場合の空気層は 10mm となり、空気音遮断性能結果が低下した。また、共鳴透過周波数は 274Hz
であるが、ほぼ計算値に近い数値で出現し、性能低下をもたらす結果となった。
表 2 から発泡コンクリートを充填した No.3, No.4
は、グラスウールを充填させた No.2 と比べ、空気音
遮断性能と遜色がないことが明らかとなった。No.4の発泡コンクリートの充填量は、No.5 の半分である
ことや、耐火性付与の可能性もあり、今後比重と充填量について検討する必要がある。
3.2 各種屋根材の軽量床衝撃音遮断性能試験
図 2 に各種屋根材の軽量床衝撃音遮断性能試験結
果を示す。
110

%@
FWVRXQGOHYHO>GLight floor impact
sound level [dB]
/LJKWIORRULPSD

100
90
L r-85
L r-80
L r-75
L r-70
L r-65
L r-60
L r-55
L r-50
L r-45
L r-40

80
70
60
50
在来工法
スチレン

40

グラスウール
２５ｍｍｴｱﾐﾙｸ

30
20

1k

2k

Center frequency [Hz]Lr

L i,A W

No.1
No.2
No.3
No.4
No.5

83
80
81
79
79

80
75
80
75
75

90
75
78
76
77

図 2、表 3 から明らかなように、No.1 の在来工法
屋根は最も軽量床衝撃音に対して、重み付き床衝撃
音レベルル(Ln,w)が最も高い値を示し、従来から言われるように、雨音がよく響くという事を示唆する結果となった。またポリスチレン樹脂を充填した屋
根材 No.3 は、広く断熱・吸音材として用いられているグラスウールを充填した No.2 に比べ 250Hz ～500KHz 帯域での音圧が高く出る傾向を示したため、
床衝撃音レベル(Ln,w)、床衝撃音レベル等級(Lr)、
逆 A 特性重み付き床衝撃音レベル(Li,aw)とも悪い結果となった。
発泡コンクリートを充填した No.4、No.5 は、重み付き床衝撃音レベル(Ln,w)、床衝撃音レベル等級(Lr)とも同等であり、逆 A 特性重み付き床衝撃音レベル(Li,aw)も 1dB しか異ならない。とくに、発泡コ
ンクリート充填量を半分とした No.4 は、グラスウー
ルを充填した屋根材 No.2 と遜色が無い事が判明した。
以上のことから、屋根材への発泡コンクリート充
填は、空気音遮断・軽量床衝撃音の両方に対し、低減効果があることが明らかとなった。しかしながら、軽量床衝撃音については、衝撃源が 500g のスチールハ
ンマーであり、雨音としてはエネルギー量が大きす
ぎて実際の雨音との相違が考えられる。今後は、供試屋根材を使って実際に降雨時の雨音を計測する予定である。

本試験を行うにあたり発泡コンクリート作成に協力を頂いた、廃棄物再資源化研究会各位に対し深謝いたします。

10
125 250 500

L n,W

謝辞

50ｍｍｴｱﾐﾙｸ

63

Sample No.

4k― 43 ―

【転載】熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

論

文

スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト
欠陥検査方法の提案
正

員

上級会員

重森 清史

非会員

井上 高宏

菊野

敏博

A Proposal of a Visual Inspection Method for Detecting Low Contrast Defects of an IC Lead
Frame by Using a Spline Function
Kiyoshi Shigemori , Member, Toshihiro Kikuno , Non-member, Takahiro Inoue, Senior Member

An automatic visual inspection method for an IC lead frame, which is effective to detect low contrast defects called
stains and irregular luster, is desired. Low contrast defects are usually difficult to be distinguished clearly from thenormal area by the difference of intensity level. Therefore, a simple subtraction technique using a good product asa reference image is not effective for detecting low contrast defects. This paper proposes a novel automatic visualinspection method effective to detect low contrast defects by using a spline function. In our method, a virtual goodproduct image is created for each product under the visual inspection by using a spline function. And the intensity
subtraction technique is applied between a target image and a virtual good-product image. The intensity deviation of
the virtual good-product image from the normal one can be made small enough to distinguish low contrast defects.
Thus, the proposed method realizes an effective detection of low contrast defects and the reduction of false detection
for the good product.
キーワード：画像処理，外観検査，スプライン関数，

遺伝的アルゴリズム，IC リードフレーム

Keywords: image processing, visual inspection, spline function, genetic algorithm，IC lead frame

四角のエリアが検査対象となるパッド部である。また，同

1. まえがき図 (b) に検査領域および検査員が指摘した同図 (a) の低コン
トラスト欠陥部を示す。IC リードフレームのパッド部に発

外観検査において，しみ，光沢むら等の正常部に対して生する低コントラスト欠陥の特徴は，(i) 正常部との濃度差

明確なクラスタリングが困難な欠陥 (以下，低コントラス

が小さくフルスケール 256 階調において 20 階調未満のもト欠陥）は，各分野で問題となっておりその検査方法も提案されている(1) (2) (3) (4)のがあり，輪郭は不明瞭である，(ii) 形状は様々で，その長。しかし，実際には自動化が遅れているケースが多く，今回検査対象とする IC リードフレームの径は百μ m 程度から１ cm 近くに及ぶ，(iii) 欠陥部の表面の低コントラスト欠陥検査は目視に依存し，その効果的な場合がある，が挙げられる。

状態と照明の関係により，正常部よりも明るい場合と暗い

パッドと呼ばれる IC チップ搭載箇所も，しみや光沢むら等

自動外観検査では，比較検査法 (5) が一般的に用いられて自動検査法が望まれている。

いる。通常用いられる比較検査法は，良品サンプルを用い

低コントラスト欠陥例を Fig.1(a) に示す。中央部の白いた参照画像と検査対象画像間で濃度差分を行い，濃度差が熊本県産業技術センター〒 862–0901 熊本市東町 3–11–38
Kumamoto Industrial Research Institute.
3–11–38, Higashi-machi, Kumamoto–shi 862–0901
熊本防錆工業株式会社〒 861–8037 熊本市長嶺西 1–4–15
KUMAMOTO BOUSEIKOUGYO CO.,LTD.
1–4–15, Nagaminenishi, Kumamoto–shi 861–8037
熊本大学〒 860–8555 熊本市黒髪 2–39–1
Kumamoto University
2–39-1, Kurokami, Kumamoto–shi 860–8555

c 2010 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

設定しきい値以上の箇所を欠陥として検出するが，その結果は設定しきい値に影響を受けやすいため，検査対象に応じた最適なしきい値を決定する手法 (6) (7) ，複数の良品サン

プルから統計的にしきい値を決定する手法 (8) (9) (10) 等が提案されている。また，低コントラスト欠陥検出を目的とした欠陥モデルを用いる方法 (11) 等も提案されている。

しかし，IC リードフレームのパッド部における低コント

ラスト欠陥は，正常部との濃度分布を明確に区分することが難しく，また，大きさや形状も様々であるため，これら
1― 44 ―

スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト欠陥検査方法の提案の手法の適用は困難である。

本論文では，先に述べた比較検査法の参照画像を改良することにより低コントラスト欠陥検出を行う方法を提案する。前述のとおり，参照画像として良品サンプルを用いる

比較検査法では，低コントラスト欠陥検出は困難である。

しかし，正常部における検査対象画像との濃度差が小さく，低コントラスト欠陥を識別できるような仮想的な良品画像（以下，仮想良品画像）が得られれば，その検出が可能となる。

ここで，検査対象画像との濃度差が小さな画像を得る方法として，検査対象画像に平滑化フィルタ (12) 処理等を行い，濃度平均を求める方法もあるが，低コントラスト欠陥の場
合，正常部との濃度差が小さく，また，そのサイズも大きいので，この方法では正常部と欠陥部が平均化され，低コントラスト欠陥検出は困難である。

そこで本手法では，スプライン関数 (13) (14) を用いて検査対

象画像毎に仮想良品画像を構成する方法を提案する。この仮想良品画像は，検査対象画像上のサンプリングデータを基にスプライン曲面として構成される。そして，スプライン関数の補間機能 (13) (14) により，濃度変化の大きい箇所に対して，滑らかな濃度変化となるよう補間を行う。こうして得られた仮想良品画像を比較検査法の参照画像として用いることにより，設定しきい値を低コントラスト欠陥が識別可能な程度に小さくすることができ，その検出および正常部における誤検出の低減が可能となる。

2. 本手法の概要
本手法で提案する仮想良品画像を構成するスプライン曲

面は，データ点 (13) (14) と呼ばれるサンプリング点で得られたデータを基に計算される。従って，以下に述べる処理の主目的は，仮想良品画像を構成するためのデータ点の濃度を適切に決定することとなる。

本手法では，先ず，検査領域において格子状にスプライン曲線を求め，各スプライン曲線上での正常部と比較し濃Fig. 1. Sample of low contrast defects.

度変化が大きい箇所を調べる。例えば，Fig.1(c) は，同図(b) に示す点 A,B 間の濃淡プロファイルとスプライン曲線を示したものであるが，スプライン曲線は濃淡プロファイ

そして，補間実施後に決定されたデータ点の濃度を用いてように，スプライン曲線上で正常部と比較しその振幅が大差分を行い欠陥検出を行う。なお，本論文ではスプライン

スプライン曲面を構成し，これを仮想良品画像として濃度

ルの低周波成分と見なすことができる。そして，欠陥 1 の関数として，データ点の値および個数を変更してもその影

きな凸部（もしくは凹部）が存在した場合，そこに欠陥が響はスプライン曲線全体に及ばないという特徴から，リー存在する可能性があると見なし，スプライン関数を用いた

ゼンフェルトスプライン (14) を用いている。以下に，本手法補間を行う。しかし，低コントラスト欠陥の場合，正常部の詳細を述べる。

との濃度差が小さいため，正常部と比較し明るい欠陥であるか暗い欠陥であるかは，一つのスプライン曲線のデータ

3. 補間候補区間の選出

だけでは判定が困難である。例えば，Fig.1(c) の欠陥 1 に〈3・1〉 スプライン曲線の計算

関しては，このスプライン曲線だけでは，区間 a が欠陥とFig.1(b) に示した検なる可能性も考えられる。そこで，この時点では補間を実査領域内に，Fig.2 のようにデータ点（黒丸) を一定間隔には遺伝的アルゴリズム (以下，GA) による探索 (16) を用いて，周波成分となる t 曲線 (14) (横方向) および s 曲線 (14) (縦方向)

施する候補とし，次のステップで，消耗的探索法 (15) もしく

配置し，そこで得られる情報を基に濃淡プロファイルの低

仮想良品画像を構成するための補間実施区間を決定する。

を計算する。ここで，スプライン曲線の両端部分は多重節
2― 45 ―IEEJ Trans. EIS, Vol.130, No.9, 2010

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト欠陥検査方法の提案

Fig. 3. Detection of motifs on the spline curve.

Fig. 2. Spline curves.

て定めるうねり曲線との類似から，スプライン曲線上の凸点 (13) となり，その値が固定化されるので，スプライン曲線状区間および凹状区間をモチーフ (motif) と呼ぶことにすの検査領域境界部に自由度を持たせるため，検査領域周辺

る。また，凸状区間および凹状区間をそれぞれ山状モチー

部に，ダミーのデータ点 (Fig.2 の白丸) を付加する。なお，

フおよび谷状モチーフと呼び，その両端に位置する一対のその濃度は検査領域境界部の最近傍のデータ点と同じとし，極小点（山状モチーフの場合）もしくは極大点（谷状モチー

その間隔は検査領域内のデータ点間と同じとする。そして，

フの場合）を端点，そして，モチーフ内に存在する最大点

これらを合わせたデータ点の個数を x 方向 I 個，y 方向 J 個（山状モチーフの場合）もしくは最小点（谷状モチーフの場とする。ここで，左上端のデータ点を起点として，横方向合）を頂点と呼ぶこととする。

i 番目，縦方向 j 番目に位置するデータ点を Pi j とし，そこでサンプリングされた座標 (xi j yi j ) および濃度 (zi j ) を用いて (1) 式で表すと，検査領域内の t 曲線は，B-スプラ
イン (13) (14) (Bi K t ) を用いて (2) 式で求められる。同様に，s曲線は，B-スプライン (B j L s ) を用いて (3) 式で求められる。なお，K および L は，それぞれ t 曲線および s 曲線の〈3・2〉 モチーフの検出る。なお，検査領域境界部 (E1 および E2 ) は，最近傍の極点が極小点の場合は極大点とし，極大点の場合は極小点として扱う。次に，Mν 3 と Mν 5 のように連続する谷状モチー
フについては，それらの両端に位置する端点間を結ぶ直線

階数 (13) (14) を示している。

Pi ji

xi j yi j zi j
0

I

xt j
zt j
ただし，i

yis
zis
ただし， j1; j(LineAB ) に対し，そこに含まれるモチーフの各極大点からひいた垂線の最短値 DB_min が，各極小点から LineAB にひいた垂線の最長値 DP_max の DB_T h % 以上の場合，DP_max
をひいた極小点を頂点とする新たな谷状モチーフ Mν 8 を追加する。山状モチーフ Mν 4 と Mν 6 についても同様に判定し，条件を満足する場合，新たな山状モチーフ Mν 9を追加する。なお，今回，DB_T h 40 とした。そして，検

(1)
0

J

1

I 2

∑ xi j B i K t

i 1
I 2

(2)

査領域境界部において片方の端点しか無い場合もモチーフ∑ zi j Bi K t

として加える (Mν 10 と Mν 11 )。この処理を各スプライン

i 1

t

i

曲線に行い，検出モチーフの合計を U 個とする。

1〈3・3〉 補間候補モチーフの選出

J 2∑ yi j B j L s

j 1

J 2

〈3・2〉
で検出されたモチーフについて，その振幅の大きさを下記の Qν で評価し，設定しきい値 (Qth ) 以上の場合，補間候補モチーフと(3)

して選出する。先ず，検査領域境界部以外のモチーフにつ∑ zi j B j L s

いて，Fig.3 のモチーフ Mν を用いて説明する。端点間の距

j 1

離 (Lν ) とモチーフの頂点から端点間を結ぶ直線 (Lineν ) にs

j 1
以上の処理により，Fig.3 に示すようなスプライン曲線が得られる。Fig.3 は，t 曲線の場合を示している。ここで，ひいた垂線の長さ (Dν ) を用いて Qν を求め，モチーフ評価値とする。

本論文ではスプライン曲線上の凸状区間と凹状区間を補間Qν

実施の際の処理要素として取り扱うが，名称の簡略化のた(0

め，JIS の「製品の幾何特性仕様 (GPS)-表面性状：輪郭曲
線方式−モチーフパラメータ」（ＪＩＳ B 0631) (17) におい
電学論 C，130 巻 9 号，2010 年

先ず，Fig.3 の Mν 〜Mν 7 のように，端点間に 1 つの頂点が存在するモチーフを検出す

DνLνν U ただし，U：検出モチーフ数)

Lν : Mν の端点間の距離3― 46 ―(4)スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト欠陥検査方法の提案

Fig. 5. Interpolation of motifs.
Fig. 4. Treatment of motifs on the boundary.

Dν : Mν の頂点から Lineν にひいた垂線の長さ

Fig. 6. Sequence of candidate motifs to be interpolated.

次に，検査領域境界部に位置するモチーフの評価方法について補間を実施するモチーフの組み合わせを決定する。ないて，境界部を極小点として扱う場合を用いて示す (Fig.4)。

Fig.4 において，点 B を頂点とし点 C を端点とする山状モ
チーフは，点 A の濃度が za zc の場合，点 A を端点として扱い，前述の検査領域境界部以外のモチーフとして Qν ((4)
式) を求める。za zc の場合は，Lν_1 と Lν_3 × 2 の値を比較し，大きい方の値を Lν とし，Dν Dν_1 とする。また，点A を頂点とし点 B を端点とする谷状のモチーフは，スプライン曲線は滑らかに変化していることを考慮し，Lν Lν_2
× 2 5，Dν Dν_2 とする。検査領域境界部が極大点の場合

お，補間候補モチーフが無い場合 (R0)，6 章の欠陥検出〈4・1〉 適応度評価式設定の準備補間実施モチーフ

判定処理を実行する。

組み合わせに対する適応度評価式を設定するため，以下の準備を行う。

〈4・1・1〉 補間候補モチーフ列3 章で選出された補r R; R U) に対応する
補間候補モチーフ列を設定する (Fig.6)。ここで，補間候補
モチーフ列中の r 番目の値は，補間候補モチーフ Cr に対応しており，その値を φ r とする。そして，φ r
1 のとき，補間候補モチーフ Cr に含まれるデータ点の補間濃度z Cr i j は，仮想良品画像構成の際のデータ点の濃度計算に採用され，φ r
0 のとき，z Cr i j は無視される。
〈4・1・2〉 矛盾する補間候補モチーフ対
補間候補モ
チーフにおいて，Fig.5 の Cq と C q 1 あるいは C q 1 とC q 2 のように，同じ位置のデータ点を共有し，正常部と間候補モチーフ Cr (ただし，0も同様の処理を行う。
以上の処理後，QνQth となるモチーフを補間候補モ
チーフとして選出し，Cr (ただし，0 r R; R U) で表す。R は補間候補モチーフの数である。
〈3・4〉 モチーフの補間
各補間候補モチーフにおいて，補間を実施した場合の各データ点の濃度を計算する。

Fig.5 の Cq ，C q 1 および C q 2 は，Fig.3 に示したモチー
フ Mν 2 ，Mν 8 および Mν 9 について，それぞれ補間を実施した例を示している。ここで，補間候補モチーフ Cq に含まれるデータ点を Pε j 〜P ε d j とし，画像上でサンプリン
グされたそれらの濃度を zε j 〜z ε d j とする。そして，Cqと同じスプライン曲線上で，Cq に含まれないデータ点の濃度を用い，データ点 Pε j 〜P ε d j の濃度をスプライン関数
を用いて補間し，それらを z Cq ε j 〜z Cq ε d j とする。
一方，Fig.4 に示すような検査領域境界部の補間候補モ
チーフについては，端点の濃度で補間する。即ち，点 A を頂点とする谷状モチーフについては，濃度 zb を，また，点B を頂点とする山状モチーフについては，濃度 zc を，端比較し明るい欠陥として補間するか，もしくは，暗い欠陥として補間するか，両立しない補間候補モチーフの組み合わせを「矛盾補間候補モチーフ対」と呼び，(r0 ω r1 ω )(たΩ) として，補間候補モチーフ列における番号の組み合わせを記録する。ここで，Ω は矛盾補間候補モ

だし，0

ω

チーフ対の数である。

〈4・1・3〉 各データ点濃度の算出方法

データ点 Pi j

は複数の補間候補モチーフに含まれる場合があることを考慮し，その濃度 zi j を以下のように決定する。

先ず，データ点 Pi j を含む補間候補モチーフの数を Hi j

個とし，それらを Cr h ただし， 0点から検査領域境界部までの補間によるデータ点の濃度とh

Hi j で表す。そして，データ点 Pi j を含む補間候補モチーフ列の値が，すする。

べて φ r h

0 のとき，zi j はサンプリングデータをそのまま用い ((5) 式)，それ以外は，φ r h
1 となっている
Cr h の濃度の平均とする ((6) 式)。

4. 補間実施モチーフの決定条件
以上の処理で選出された補間候補モチーフ（R 個）の中から，濃度変化が滑らかな仮想良品画像を構成するためのzi j

適応度評価式を設定し，消耗的探索もしくは GA 探索を用

4― 47 ―zi j(5)

IEEJ Trans. EIS, Vol.130, No.9, 2010

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト欠陥検査方法の提案

H

1

i ・
j φ r hi j
∑h 0 z Cr h

zi j

H

1

i j
∑h 0 φ r h〈4・2〉 適応度評価式の設定

F3

(6)

Nc 1

濃度変化が滑らかな仮

∑

ic

∑

c 0 i ic

1
1

Γi j c

j c

∑

1

j j c

1

Γi c j

4Nc(10)

想良品画像を構成するために，次の３つの条件からなる評

ただし，i

価式を設定し，補間を実施するモチーフを決定する。

i c かつ jj c

条件 1:〈4・1・2〉に示した矛盾補間候補モチーフ対は，片方の補間のみ有効とすること。これにより，正常部と比較し

Γi j c明るい欠陥として補間するか，もしくは，暗い欠陥として補間するか，片方のみを有効とすることを要求する。

条件 2:補間実施後，補間候補モチーフの評価値 ((4) 式) は

しきい値 ( Qth ) 未満となること。これにより，補間実施後

Γi c jにスプライン曲線が滑らかになることを要求する。

条件 3:補間を実施するモチーフに含まれるデータ点の濃度が，隣接する t 曲線もしくは s 曲線において，正常部におプライン曲線において，正常部と比較し明るい欠陥として

G2 F2

G3 F3

〈5・1〉 消耗的探索

ここで，記号

φ r0 ω

φ r1 ωΩ

べ，最も高い値を示した組合せを採用する。
〈5・2〉 GA 探 索

GA 探索では，補間候補モチーフの組み合わせパターンを GA 適用の際の各個体 (16) とし，探索終了時点で最大の適応度 F を有する補間候補モチーフの組み合わせを採用する。その条件は以下のとおりである。

(8)

染色体 (16) ：補間候補モチーフ列 (Fig.6) を R ビットの遺伝
子 (16) からなる染色体として用いる。

は排他的論理和である。

進化方法：各世代の個体の中で，適応度 F の高い順から S%

F2：条件 2 に対応し，〈4・1・3〉で示した方法により求めた各データ点の濃度により，各 Cr のモチーフ評価値 Q Cr ((4)
式参照) を調べ，(9) 式によりペナルティーを与える。
F2R∑ V Crr 0

Rを優秀個体として，次世代にそのまま生存させるさせるエ
リート保存戦略 (16) を用いる。そして， 100

S % の個体については，各個体の適応度 F に比例した確率で交配用の個体を選択するルーレット方式 (16) で選択した個体により交(9)

叉 (16) と突然変異 (16) を行い，次世代の個体を決定する。

交叉：二つの個体間で染色体を組み替えるものであるが，本

ただし，

V Cr

消耗的探索では，補間候補モチー

フ列 (Fig.6) の全ての組み合わせパターンの適応度 F を調以外はペナルティを与える。

ω 0

0 それ以外のとき

耗的探索を用い，それを超える場合は GA 探索を用いた。

(7)

G1 ，G2 および G3 は，重み付けである。
F1：条件 1 に対応し，(8) 式により，矛盾補間候補モチー
フ対 (r0 ω r1 ω ) の内，どちらか片方の値のみ 1 となる∑ 1

Zth のとき回の実験では，補間候補モチーフが 11 個以下の場合は消

G1 F1

Ω 1

zi c jえる場合，GA 探索の処理時間の方が短くなっており，今

ここで，F1 ，F2 および F3 は，次に示す評価式で定義され，

F1

1 if zi c j cプログラムにおいては，補間候補モチーフの数が 11 個を超の値を仮想良品画像を構成する際の適応度とする。なお，

1 1

0 それ以外のとき

耗的探索と GA 探索を使い分ける。実験の結果，試作した

そして，補間モチーフの組み合わせを (7) 式で評価し，FF

Zth のときため，補間実施モチーフの選択は，その検出数に応じて消て整合性があることを要求する。

1 である。

zi j c

補間候補モチーフ数は，検査対象画像毎に異なる。その補間するか，もしくは，暗い欠陥として補間するかについFzi c j c

5. 補間実施モチーフの決定

ける濃度差の範囲内であること。これにより，隣接するス

0

1

1
0

Q Cr

論文では 2 点交叉 (16) を用いた。また，交叉によりできた子

Qth のとき

供個体について，Θ% の確率で突然変異を発生させている。

それ以外のとき突然変異を行う個体については，ランダムに遺伝子を 1 個

選択し，その値を反転させている。

F3：条件 3 に対応し，隣接データ点間の濃度差が設定し以上の処理を所定の個体数が揃うまで繰り返し，次世代

たしきい値以上の場合，ペナルティを与える。ここで，検査領域内のデータ点のうち，いずれかの補間候補モチーフの個体を決定する。終了判定は，適応度 F の値が 0 9 以上

Pi c j c ただし，c 0
Nc 1 で表す。そして，Pi c j cについて，〈4・1・3〉の方法で求めたデータ点の濃度について，その 4 近傍のデータ点との濃度差がしきい値 Zth 以上であったとき，(10) 式によりペナルティを与える。

適応度 F の値が 15 世代の間変化しない場合は終了とする。

の個体が出現した場合，もしくは，各世代における最大のに含まれるデータ点の数を Nc とし，それらのデータ点を電学論 C，130 巻 9 号，2010 年

6. 欠陥検出判定処理

5 章で選択された補間候補モチーフに含まれるデータ点
5― 48 ―

スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト欠陥検査方法の提案
数 (K ，L）およびデータ点の間隔は，良品サンプルとそれについて，〈4・1・3〉で述べた方法により濃度 zi j を求め，補間実施後のデータ点 P i j を (11) 式で表す。なお，補間候を基に構成されたスプライン曲面と濃度に関する偏差が小データをそのまま用い，zi j

るような値として，事前に行った実験データを基に階数をさくなり，かつ，構成されるスプライン曲面が滑らかとな補モチーフに含まれないデータ点の濃度は，サンプリング

zi j とする。このようにしてそして，仮想良品画像と検査対象画像間で濃度差分を行

K ，L 共に 4 およびデータ点の間隔を 10 画素とした。補間
候補モチーフ選出しきい値 Qth は，検査実験用とは別に用意した良品サンプル画像（26 枚）と実験に用いた欠陥サン
プルから任意に選択した 9 個の欠陥部の Qν のヒストグラ
ムの違いにより，Qth 0 1 とした。
GA 探索に関し，個体数は検出された補間候補モチーフ
数 (R) の 4 倍とし，優秀個体数の生存率 (S%) は，個体数の1% とした。個体数の 1% が 2 個未満の場合は，優秀個体数
を 2 個とした。また，突然変異の発生確率 (Θ%) は 1% とした。(10) 式で用いた隣接データ点間濃度に関するしきい
値 (Zth ) は，先の良品サンプル画像（26 個）において，隣接データ点との濃度差の絶対値の平均 (µd ) が 2.8 階調，その標準偏差 (σ) が 2.24 であったので，µd +3σ から Zth 10とした。適応度に対する重み付けは，経験的に，G1 0 2，
G2 0 4 および G3 0 4 とした。
濃度差分結果に対するしきい値 (Ith ) は，事前に良品サン

以上の箇所を検出し，最小欠陥の規定により，長径 3 画素

差を調べ，その平均 (µI ) が 0 047 階調，その標準偏差 (σI )求めたデータ点の濃度を用いることにより，仮想良品画像
はスプライン曲面として (12) 式で計算される。

Pi ji

xi j yi j zi j
0

xt s
yt s
zt s

I

1; j

(11)
J

0

1

I 2J 2∑ ∑ xi j B i K t B j L s

i 1j 1I 2J 2∑ ∑ yi j B i K t B j L s(12)

i 1j 1I 2J 2∑ ∑ zi j Bi K t B j L s

i 1j 1

ただし，i

t

i

1；

j

s

j

1

プルとそのデータを基に構成されたスプライン曲面の濃度

い，その濃度差分の絶対値が，事前に設定したしきい値 Ithが 1.742 であったので，(µI以上のものを欠陥とする。

7. 実〈7・2・2〉 平滑化スプライン法の実験条件

験

実験は，検査員により良品と判定されたサンプル 73 個においてサンプリングされた y 座標および z 座標からなる
データ点 (yi zi )(ただし，iて，提案手法と矢口らによる平滑化スプライン関数を用いとき， 2M

景別統計的しきい値法 (8) による手法を比較した。また，欠の σs で評価される。

陥サンプルは，正常部との最大濃度差に応じ，(i)20 階調未満，(ii)20 階調以上 40 階調未満，および (iii)40 階調以上のσs

3 つに分けて性能評価を行った。
〈7・1〉 判定評価
各手法において，良品サンプルを

1 次のスプライン関数

N(14)1) が与えられたにより求められる

N 1∑ wi f yi

i 0

zi 2

g

β
α

f M y

2

dy

(13)

ここで，第 1 項は平滑化曲線のデータ点に対する忠実さを欠陥有りと判定した場合は誤検出とし，欠陥サンプルを欠測る尺度であり，wi は正の重み 0

陥有りと判定した場合は以下の方法で評価した。先ず，事第 2 項は滑らかさの尺度である。

前に検査員に欠陥部を指定してもらい，その指定エリアにwi1 である。また，

実験では，検査領域で x 軸に対し垂直方向に 10 画素間

対し，面積比で 30% 以上を欠陥部と判定し，かつ正常部の隔でサンプリングしたデータ点から y 方向の平滑化スプラ

5% 以上を誤検出していない場合を正しく欠陥部が検出さイン曲線を求めた。そして，データ点の位置を x 方向に 1れたとし，それ意外は検出失敗とした。

画素づつ変化させて，検査範領域内の平滑化曲線を求め，3低コントラスト欠陥の輪郭部は不明瞭であり，検査員の× 3 の平滑化フィルタを実行して得られた画像データを平判定も官能的要素が強いため，この方法により判定結果を滑化スプライン曲面とした。そして，この平滑化スプライン曲面と検査対象画像間で濃度差分を行い，各画素毎の差

検査対象画像は，解像度 640 × 480

分結果の偏差値 η を (14) 式に代入した。そして，ψ の値が画像のモノクロ画像であり，検査範囲 (Fig.1(b) 参照) は，幅設定したしきい値以上かつ規定サイズ以上の場合，欠陥部

130 画素および縦 150 画素である。前処理として，3 × 3 のとした。なお，文献 (4) に従い重み wi は全て 1.0，g

50 0，
a=1.65 とし，しきい値は事前に行った実験を基に，η 6 0の場合の ψ の値とした。

平滑化フィルタ処理を行った。なお，使用したコンピュー
タの CPU は，Intel Core(TM)2 Duo T9900 3.06GHz である。照明は，疑似同軸落射照明を用いた。
〈7・2・1〉 提案手法の実験条件

01

平滑化曲線 (14) を f y とすると，その曲線の状態は (13）式

た欠陥検出方法 (3) (4) (以下，平滑化スプライン法) および背〈7・2〉 実験条件

平滑化ス

プライン法について簡単に説明する。画像上の区間 α βおよび欠陥と判定されたサンプル 19 個の合計 92 個につい評価した。

3σI ) により Ith =5.5 とした。

ψスプライン関数の階6― 49 ―aη

(14)
IEEJ Trans. EIS, Vol.130, No.9, 2010

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト欠陥検査方法の提案

Table 1. Performance comparison.
Count of correct judgement
DefectNumber of

SmoothingStatistical

ProposedTypesamples

splinethresholdmethodmethodmethodDefect

ID 20

8

1

0

6

sample20 ID 40

9

9

0

9

40 ID

2

2

1

2

-

73

49

73

65

Good product sample

ID:An absolute value of the difference of the intensity levels between a defect area
and a normal area.

Table 2. Average processing time of each method.
Smoothing spline

Statistical thresholdmethodmethodProposed method

Averageprocessing time

121ms

48ms

〈7・2・3〉 背景別統計的しきい値法の条件

187ms

背景別統

計的しきい値法は，〈7・2・1〉で用いた 26 個の良品サンプルを用いて，以下の処理により，しきい値を決定した。

(1) 複数の良品サンプルの隣接するパッド間で各対応画素間の濃度差を保存する。

(2) 検査範囲の座標 x y 毎に平均値 µx y と標準偏差 σx y を求める。

(3) 上記平均値 µx y と標準偏差 σx y を用いて，上側しきい
値 (T HUx y ) および下側しきい値 (T HBx y ) を決定する。
T HUx yµx yk σx yT HBx yµx yk σx y(15)k の値は，文献 (8) に基づき 6.0 とした。実験は，順に画像入力を行い，新しく入力された画像と一つ前に入力された画像間で濃度差分を行い，差分結果 DIFx y が T HUx y

DIFx yT HBx y から外れる画素を検出し，規定サイズ以上のものを欠陥部と判定した。
〈7・3〉 実験結果

Table 1 に各実験手法の処理結果を示す。平滑化スプライン法は，20 階調未満の欠陥を 1 個検出しているが，良品サンプルの正解率は 67%(49 個/73 個)であった。背景別統計的しきい値法は，良品サンプルの誤検出は無いものの，正常部との濃度差が 40 階調未満の欠陥に対する検出率は 0% であった。これは，(15) 式の σx y が
10 階調近くあり，このような結果となったと考えられる。
一方，提案手法では，正常部との濃度差が 20 階調未満の低コントラスト欠陥に関し，75%(6 個/8 個) の認識率であった。検出できなかった 2 個の欠陥品は，欠陥部の長径が100 画素近くある広範囲の欠陥であり，今後の改良が必要である。また，良品サンプルに関するその正解率は，89%(65個/73 個) であった。なお，提案手法が誤検出した良品サン
プルの検出結果は，微小径 (3〜5 画素程度) のものが，１な

Fig. 7. Sample of the experiment result.

平均処理時間を Table 2 に示す。処理時間は，背景別統計

的しきい値法が一番短かったが，提案手法に関しても実用化が見込める範囲であると考える。なお，ここに示した平均処理時間は，画像取り込みおよび前処理の時間は含まれていない。また，提案手法の処理時間の内訳は，補間候補

いし数個検出されたケースがほとんどであり，面積と濃度区間の選出に 21ms，補間実施モチーフの決定に 8ms，スプの条件等を考慮した判定を導入することにより，改善できると考える。

電学論 C，130 巻 9 号，2010 年

ライン曲面の構成に 142ms，そして，欠陥検出処理に 16ms
7

― 50 ―

スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コントラスト欠陥検査方法の提案であった。

201(1996-2)（ 7 ） S.Maeda, F.Endo, H.Makihira and H.Kubota,"Threshold Setting Assisted
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ワークショップ，pp.294-299，横浜 (2008)（11） A.Ishii, V.Lachkhia, Y.Ochi and M.Akutsu:"Recognition of Internal Weld Defects by Defect Model",Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng.
A,Vol.60,No578,pp272-277(1994-10)(in Japanese)
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No.94-0335，pp.272-277(1994)（12） 高木幹雄・下田陽久 監修：「新編 画像解析ハンドブック」, 東京大学出版会「スプライン関数入門」，東京電機大学出版局 (1981)（13） 桜井明：（14） 菅野敬祐・吉村和美・高山文雄 (桜井明 監修)：
「C によるスプライン関数」，東京電機大学出版局 (1993)（15） Wolfgang Banzhaf，Peter Nordi，Robert E. Keller and Frank D. Fran「遺伝的プログラミング」，科学技術出cone(伊庭斉志・新田徹 訳)：
版 (2000)（16） 北野宏明 編：「遺伝的アルゴリズム」，産業図書 (1993)（17） 日本規格協会，http://www.jsa.or.jp/

Fig.7(a) に実験で用いた低コントラスト欠陥の例 (Fig.1(a)と同図) を示す。Fig.7(b) に本手法で構成された仮想良品画

像，Fig.7(c) に本手法による検出結果，そして，Fig.7(d) に平滑化スプライン法による検出結果を示す。背景別統計的
しきい値法では，良品判定であった。本手法による検査結果は，検査員が指摘した欠陥領域 (Fig.1(b)) と比較し，欠陥部を良く検出している。また，平滑化スプライン法による判定は欠陥有りであったが，〈7・1〉の条件により，本実験

では検出失敗とした。なお，Fig.7(c),(d) の白い枠は，検査領域を示すため，後で付加したものである。

8. ま と め
スプライン関数を用いたＩＣリードフレームの低コント

ラスト欠陥検査方法を提案した。本手法は，スプライン関数を用いて検査対象画像毎に仮想良品画像を作成し，これを比較検査法の参照画像として用いるものである。この仮
想良品画像は，スプライン曲面として構成され，その補間機能を用いることにより，正常部と欠陥部の差別化が可能となり，低コントラスト欠陥検出および良品の誤検出の低減を可能とする。実験により提案手法の有効性を確認した。
今後の課題として，検査領域境界部の処理では，経験的にパラメータを決定しており，改良が必要である。また，実用化を考えた場合，処理時間の短縮と共に，広範囲の欠陥

重に対する改良および良品における誤検出の更なる低減が必森清卒業。1979 年同大学院工学研究科修士課程修了。

1979 年富士電機製造 (株) 入社。1985 年熊本県工

要である。

謝

史 （正員） 1977 年 3 月熊本大学工学部電気工学科

業技術センター (現，熊本県産業技術センター) 入

辞所，現在に至る。主に，画像処理に関する研究に従事。精密工学会会員。

本研究は，経済産業省「地域イノベーション創出共同体

形成事業」(平成 20〜21 年度) の助成を受けています。また，貴重なご意見を頂いた独立行政法人産業技術総合研究所の坂上勝彦氏，樋口哲也氏，そして，本研究にご理解とご協力をいただきました熊本防錆工業株式会社の山崎周一

菊取締役会長に深謝します。

文

野

敏

博 （非会員） 1982 年 3 月 熊本工業大学工学部工業化学科卒業。1985 年熊本防錆工業 (株) に入社，現在に至る。現在，IC リードフレーム事業部に勤務。

献（ 1 ） 秦清治：
「見えにくい欠陥・評価しにくい欠陥・人の感覚に依存する欠陥の外観検査」，電気学会産業システム情報化研究会資料，IIS-06-23，
pp.23-26(2006)（ 2 ） 中野宏毅・森由美：「マルチウェーブレットを用いた低コントラス
ト欠陥の定量評価手法 液晶ディスプレイのムラの抽出・定量化手法」，View2004 ビジョン技術の実利用ワークショップ，pp.44-47，横浜 (2004)（ 3 ） 小野豊土・矢口博之・市野学：「液晶パネルの自動検査システムの基礎的研究」，電子情報通信学会情報・システムソサイエティ大会，
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号：特開平 11-066311（1999)（ 5 ） (社) 精密工学会画像応用技術専門委員会編:「画像処理応用システ
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前田俊二・窪田仁志・牧平坦：「LSI ウェーハパターン自動外観検査における最適しきい値の自動生成」，信学論,J79-D- ,No.2,pp.191-

井

上

高

宏 （上級会員） 1969 年 3 月熊本大学工学部電気工学科卒業。1971 年 3 月同大学院工学研究科修士課程修了。1971 年 (株) 日立製作所入社。1975 年

熊本大学工学部助手。1988 年同 教授。工学博士。
主として SC および SI フィルタなどのＭＯＳ集

積化フィルタ，低消費電力/低電圧アナログ回路，

カオス回路，ファジィ回路，ニューラル回路等のアナログ回路の設計に関する研究に従事。

8― 51 ―IEEJ Trans. EIS, Vol.130, No.9, 2010

【転載】熊本県産業技術センター研究報告書― 52 ―

No. 49.

2011木質３層構造材の遮音性能（第１報）― 53 ―

熊本県産業技術センター研究報告書― 54 ―

No. 49.

2011木質３層構造材の遮音性能（第１報）― 55 ―

熊本県産業技術センター研究報告書― 56 ―

No. 49.

2011木質３層構造材の遮音性能（第１報）― 57 ―

熊本県産業技術センター研究報告書― 58 ―

No. 49.

2011木質３層構造材の遮音性能（第１報）― 59 ―

熊本県産業技術センター研究報告書― 60 ―

No. 49.

2011

【転載】

木質３層構造材の遮音性能（第２報）
93― 61 ―

熊本県産業技術センター研究報告書― 62 ―

No. 49.

2011木質３層構造材の遮音性能（第２報）― 63 ―

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No. 49.

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熊本県産業技術センター研究報告書― 68 ―

No. 49.

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【転載】熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

Desalination and Water Treatment

17 (2010) 99–105
May

www.deswater.com
1944-3994/1944-3986 # 2010 Desalination Publications. All rights reserved
doi: 10.5004/dwt.2010.1704

Preparation of nanoporous inorganic membrane on
supports with graded structure
Hideyuki Negishia� , Toshinori Tsurub, Katsuya Nouzakic,
Takuya Kitazatod, Keiji Sakakia, Hiroshi YanagishitaaaNational Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), AIST Central 5-2, 1-1-1 Higashi,
Tsukuba 305-8565, Japan
Tel. þ81298612956; Fax þ81298614674; email: h-negishi@aist.go.jpb
Hiroshima University, 1-4-1 Kagamiyama, Higashi-Hiroshima, 739-8527, Japan
Email: tsuru@hiroshima-u.ac.jpcKumamoto Industrial Research Institute, 3-11-38 Higashimachi, Kumamoto 862-0901, Japan
Email: nouzaki@kmt-iri.go.jp
dTokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda 278-8510, Japan
Received 28 July 2009; accepted 3 November 2009

ABSTRACT

It is expected to develop an inorganic separation membrane for use in wastewater treatment athigh temperatures. For this purpose, we have developed pore-size-graded inorganic microfiltration membranes and applied them to the supports of nanosized porous inorganic membranes. The
preparation procedure is the subsequent following three steps. First, graded support discs wereprepared from crushed AMAKUSA china stone by filtration-sedimentation method, followedby firing at 1,473 K. Then the support surface was modified by the electrophoretic deposition
method using the alumina particles, followed by sintering at 1,523 K. Finally, titania colloidal sols
were coated on the deposited support disc, and subsequently sintered at 723 K. As a result, nanosized porous titania top-layer having average pore size of about 3.5 nm was successfully prepared.
Keywords: Nanoporous inorganic membrane; Graded support; Filtration-sedimentation;
Electrophoretic deposition; Sol–gel method

1. Introduction
Nanofiltration (NF) membranes have a large
number of potential applications in industries such as
paper, sugar, food and textile in which the operating
temperature can be high and may even reach 363 K[1]. Polymeric NF membranes are reported to show adrastic decrease in separation performance over
333 K due to glass transition [2]. It is necessary prepare
the inorganic substances as a raw material to prepare�Corresponding author

membranes that can be used at the high temperatures.
On the other hand, the waste of a lot of stones is generated by mining the stone used for the raw material of
pottery and chinaware in the AMAKUSA region [3].
The particle size distribution of AMAKUSA china
stone is wide. Therefore, effective use of this abandoned stone is expected. In general, the particle sedimentation follows Stoke’s law in the solvent. That is,large particle sediment early, and the sedimentationof a small particles is late. Therefore, structure of thedeposit can be made graded by using gravity and thecentrifugal force. Tubular structures of a continuous

Presented at the Fifth Conference of the Aseanian Membrane Society Aseania 2009 “Recent Progress in Membrane Science andTechnology”, 12–14 July 2009, Kobe, Japan.

― 72 ―

Preparation of nanoporous inorganic membrane on supports with graded structure100

H. Negishi et al. / Desalination and Water Treatment 17 (2010) 99–105
3rd step: Preparation of titania NF
membrane by sol−gel process
2nd step: Surface modification by
Electrophoretic deposition method

1st step: Formation of graded support
by filtration−sedimentation method

Colloid sol

Fig. 1. Schematic image of nanoporous inorganic membrane on graded support.

particle size gradient were reported and a hollow
cylindrical mold filled with a suspension of dispersed
powder with a size distribution is centrifuged aroundits center axis [4].
In this study, we investigated the preparation of
inorganic graded support discs that made use of theabandoned stone as raw materials first. The particle
size distribution of the raw materials was widely dispersed. A green disc that has the graded structure inpore size ranging from less than 0.1 to 100 mm can was
prepared by filtration-sedimentation method in the
powder dispersed suspension, subsequently sintered.
Then, the microstructure on the surface of support
disc was uniformly controlled by the electrophoretic
deposition (EPD) method. The EPD process is one ofseveral ceramic powder assembling technologies using
a simultaneous colloidal process and electrochemical
driving force. This process is very simple; the dispersed and charged particles in a solvent migrate toan electrode substrate under a certain electrical fieldusing a DC power source [5]. So, the preparation of laminate structure such as 3Y-TZP (yttria tetragonal zirconia
polycrystal)/alumina and LM (lanthanum manganate)/
YSZ (yttria stabilized zirconia)/NiO-YSZ were reported[6,7]. In this study, three different sizes of alumina particles were orderly deposited by EPD on the support discs
for the surface modification of support discs.
Finally, to prepare nanoporous inorganic membranes having controlled pore sizes, nanoporous titania (TiO2) membranes were fabricated by sol–gel
processing [8,9].
Thus, it is assumed to be our purpose to achieve
preparing the NF membrane that has the support in

the graded structure based on waste material by combining three methods of filtration-sedimentation, EPD,
and sol–gel coating as shown in Fig. 1.

2. Instruction
2.1. Formation of graded supports by filtrationsedimentation method
Table 1 shows the chemical composition of
AMAKUSA china stone [10]. Crushed AMAKUSA
china stone, the particle size of which was widelydistributed in the range of less than 0.1 to 100 mm,
was used as raw materials of support discs. Crushed
AMAKUSA china stone was dispersed in water.
Poly-vinyl-alcohol (PVA, ACROS ORGANICS,
m.w.95,000) was used as pore forming materials.
Positive charged acrylonitrile styrene copolymer(AS, Soken Chemical & Engineering Co., Ltd.,SX-5000) was used as a dispersant. Three types ofsuspension were prepared. The composition was
controlled as the following weight ratio, and PVA
saturated aqueous solution were added. The composition of AMAKUSA china stone: H2O ¼ 0.45: 3,
AMAKUSA china stone: H2O: PVAaq. ¼ 0.45: 2: 1
and AMAKUSA china stone: H2O: PVAaq.:
AS ¼ 0.45: 2: 1: 0.0075. Green support discs wereprepared by sedimentation in the suspension, subsequently filtration. These suspensions were poured inBüchner funnel that paved the filter paper (5 A). The
time spent on filtration is approximately 2–3 h. The
dried green support was heated at a rate of 1.6 K/
min and fired at 1,473–1,488 K for 2 h.

Table 1
Molar ratio of AMAKUSA china stone
SiO2

Al2O3

Fel2O3

MgO

K2O

Na2O

IgLoss

78.90

14.09

0.27

0.16

2.90

0.09

3.58

― 73 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

H. Negishi et al. / Desalination and Water Treatment 17 (2010) 99–105

101

100
DC power source

80−

Mass finer ⁄ %+Electrode

60

40

20
0

Porous support

2
0.1

EPD bath

ElectrodeFig. 2. EPD cell configuration.

2.2. Surface modification by EPD method
Three types of alumina particles with the average
diameters of 0.7, 0.4 and 0.08 mm, were orderly deposited by EPD method on the above support disc and/orcommercial support discs (ø30 mm, t1.7 mm, pore size
0.7 mm, porosity 37%) for the surface modification of
support discs. These alumina particles were suppliedby Showa Denko Co. Ltd (diameter: 0.7 mm; AL45-H,
0.4 mm; AL47-1 and 0.08 mm; AL160-SG3). 95 vol%MeOH–5 vol%HClaq. (pH 2.2) was used as an EPD
bath [11]. A powder concentration of AL45-H, AL471, and AL160 SG3 are 0.5, 0.6, 0.1 g/L, respectively.
EPD bath was ultrasonically dispersed before EPD.
EPD was operated so that the particle migrates upward
as shown in Fig. 2. Porous support is between both Pt
mesh electrodes and the electrode distance is ca.
5 mm. AL45-H powder was EPD the first on porous
support. Next, EPD bath was substituted and AL47-1
powder was deposited. Similarly, AL160 SG3 powder
was deposited at the end. Each EPD was operated at
100 V for 20 min. The deposited support disc washeated at a rate of 3 K/min and sintered at 1,523 K for
1 h in air.

2.3. Preparation of titania NF membrane by sol–gel process
Titania colloidal sols were prepared by hydrolysis
and condensation of titanium tetra-isoproxide in isopropanol solutions with HCl catalysts. NF membranes
were prepared by coating titania sols on support discmodified by EPD, followed by firing at 723 K [8].

4

6 8

2
4 6 8
2
1
10
Equivarentspherical diameter ⁄ µm

4 6 8
100

Fig. 3. Particle size distribution of crashed AMAKUSA china
stone.

The surface and cross section morphology of themembrane was observed using a scanning electron
microscopy (SEM) and a confocal laser scanningmicroscope (KEYENCE VK9500, Japan). Pore size
distributions of porous membranes were evaluatedusing Porometer 3G (Bel Japan Inc.) and NanoPermPrometer (Seika Sangyo Co., Japan). Sedimentation property of the particle was evaluated using
Turbiscan Lab Thermo (Formulaction, France).

3. Results and discussion
3.1. Formation of graded supports by filtrationsedimentation method
The particle size distribution of the crushed AMAKUSA china stone was shown in Fig. 3. The particle
size is widely dispersed from less than 0.1 to 100 mm
with the average particle size of 4 mm. Suspension
properties were measured as shown in Fig. 4. The vertical axis shows the height of bath. The height of 40 mm
was the surface of bath. A horizontal axis shows intensity of transmission. The transmission intensity in eachheight was measured at constant intervals. The time
between measurements of Figs. 4a and b are 10 min,and c is 6 h, respectively. The profile shifted to the rightand under with the time passage. The shift to the rightmeans cohesion of the dispersed powder. The shift tothe under means the sedimentation of the particles.
In case of using H2O suspension, an irregular sedimentation and cohesion were observed as shown in Fig. 4a.
Then, PVA was added. As a result, it was necessary toadjust the time between measurements from 10 min to
6 h to detect a clear subsidence. It means that the addition of PVA has increased the dispersion of the― 74 ―

Preparation of nanoporous inorganic membrane on supports with graded structure102

H. Negishi et al. / Desalination and Water Treatment 17 (2010) 99–105
50
(b)

(a)

Height / mm

40

10 20

30

30
40 min

(c)

10

20 30

6
12
18
24 h

40 min

20

10

0

0

20
40
60
80
Transmission / %

100 0

20
40
60
80
Transmission / %

100 0

20
40
60
80
Transmission / %100

Fig. 4. Sedimentation property of the crashed AMAKUSA china stone. Composition of (a) AMAKUSA china stone: H2O ¼ 0.45:
3 (weight ratio), interval; 10 min, (b) AMAKUSA china stone: H2O: PVAaq. ¼ 0.45: 2: 1, interval; 10 min, and (c) AMAKUSA
china stone: H2O: PVAaq.: AS ¼ 0.45: 2: 1: 0.0075, interval; 6 h.

particles. When suspension that added PVA was used,neither irregular cohesion nor the sedimentation wasobserved as shown in Fig. 4b. However, the sedimentation and the cohesion of (a) and (b) are remarkablewithin 1 h. In addition, the effect of the addition of
positive charged AS copolymer was examined. As aresult, dispersion property has improved. It is thoughtthat this is because of AS’s adsorption to the particle,
and having charged positively. The particle thatcharged positive was repulsed each other, and the sedimentation and cohesion were decreased as shown in
Fig. 4c. The interval time of Fig. 4c is 6 h. Therefore, thesedimentation became remarkably slow, and the bulk
density of deposition became lowered. In other words,
porosity of deposition became increased. Here, even if
the particle sedimentation slows, a large particle is promised to subside early. Therefore, obtained deposition

(a)

(b)

(c)

becomes graded structure. From these results, model ofsedimentation is considered as shown in Fig. 5. After
sintering at 1,473 K, the sintered support disc had
graded structure. The disc size is ca. ø30 mm and
t2 mm. The cross section view of close to the top andbottom are shown in Fig. 6. Fig. 6a is a whole image
in the cross section. Fig. 6b is close to the top view,Fig. 6c in middle part and Fig. 6d is close to the bottom
view. The pore size of close to the top is small and thatof close to the bottom is large. Thus, the graded support
was able to be made in the process of one time. The
membrane performances were different at the sintering
temperature as shown in Table 2. In case of sintered at
1,473 K (Test piece No. 2), the maximum pore size of
dense surface is ca. 1.340 mm by bubble point method
and the pure water flux was ca. 39.9 m3/m2/ d at
0.05 MPa. In case of sintered at 1,488 K (Test piece
No. 1), the maximum pore size of dense surface is ca.
0.520 mm and the pure water flux was ca. 5.43 m3/m2 d at 0.05 MPa.

3.2. Surface modification by EPD method

Fig. 5. Schematic models of sedimentation. Suspension: (a)H2O, (b) H2O þ PVAaq., and (c) H2O þ PVAaq. þ AS.

― 75 ―

Three types of alumina particles with the average
diameters of 0.7, 0.4 and 0.08 mm, were orderly deposited by EPD method on the above support disc and/orcommercial support discs having pore size of less than
0.7 mm. Each EPD bath concentration was 0.6, 0.5 and0.1 g/L, respectively. These particle size distributions
in each EPD bath are shown in Fig. 7. The distributionof each particle is narrow. The orderly deposition

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No. 49.

2011

H. Negishi et al. / Desalination and Water Treatment 17 (2010) 99–105

(a)

103

(b)
20

(b)

50
50µm
mm

Frequency / wt%

(a)

(c)

10

(c)

0
0.01

0.1

1

10

Particle diameter /µm

50
50µm
mm

Fig. 7. Particle size distribution of (a) AL160-SG3, (b) AL47-1,
and (c) AL45-H in EPD bath.

(d)

100
100µm
mm

50
50µm
mm

Fig. 6. SEM images of the cross sections of the whole (a), close
to the top (b), middle (c), and bottom (d) of graded support
made by sedimentation method.

image is shown in Fig. 8. An increase in weight by the
EPD of three kinds of particles is 1 mg/cm2 or less.
Therefore, it is difficult to show the data of theweight change of each EPD because these amounts
were very small. Ref. [10] describes reported detailinvestigation of orderly EPD of aluminum particles in
95 vol%MeOH–5 vol%HClaq. (pH 2.2) EPD bath. The
deposited support disc was sintered at various temperatures. The hardness of deposition layer is estimated by pencil hardness test as shown in Table 3.
The sintering temperature was recommended over
1,473 K because the hardness drastically increasedaround 1,473–1,523 K. Fig. 9 shows photograph of thesample. The surface was flat and the roughness of thesurface is approximately 2 mm. Table 4 shows the membrane performance of EPD support disc which wereprepared only by EPD of large particles, EPD of large

particle subsequently middle size particles and EPDof large particles, middle particles and small particles
orderly. As a result, the minimum pore size of the surface has become small stepwise with 0.20, 0.17 and0.10 mm respectively.

3.3. Preparation of titania NF membrane by sol–gel process
Titania colloidal sols were coated on the deposited
support disc, and subsequently sintered at 723 K. The
permeance of the nitrogen of various support discs
were 4.8–15.8 � 10�6 mol/m2 s Pa at room temperature
as summarized in Table 5.
Fig. 10 shows dimensionless permeability of nitrogen (DPN) curves of TiO2 membranes prepared in thisstudy. The pore size distributions of porous membranes were evaluated using the nanopermporometry
technique, the principle of which is based on the capillary condensation of vapors inside pores and subsequent blocking of permeation of a noncondensablegas (nitrogen). Water was used as a condensable gas.
Nanopermporometry characterization reveals thatnano-sized porous titania top-layer having averagepore size of about 3.5 nm, which were defined at 50%
of DPN, was successfully prepared.

Table 2
Graded support membrane performances ((P ¼ 0.05 MPa, 298 K)
Test pieceNo.

Sinteringtemp.[K]Minimumpore size [mm]Maximumpore size [mm]MFPpore size [mm]Pure water
flux [m3/m2 d]

1
2

1,488
1,473

0.129
0.201

0.520
1.340

0.407
0.585

5.43
39.9

― 76 ―

Preparation of nanoporous inorganic membrane on supports with graded structure104

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Table 5Permeance of the various disc membranes
Disc membrane

Permeance[10�6 mol/m2 s Pa]

Sample 1 (Alumina disc þ EPD)
15.8
Sample 2 (Alumina disc þ EPD)
15.0
Sample 3 (Test peace þ EPD)
9.4
Sample 4 (Test peace þ EPD þ sol–gel) 4.8
Fig. 8. Schematic image of orderly EPD.

Table 3
Pencil hardness test of the EPD coating
Sintering temp.[K] 1,273 1,373 1,473 1,523 1,573 1,673
Pencil hardness

<6B

<6B

<B

>9H

>9H

>9H

10mm

nanosized porous inorganic membranes. First, crushed
AMAKUSA china stone (distributed in the range of ca.
10 nm to 100 mm) was used as raw materials of support
discs. The green support disc was prepared by sedimentation method in the powder dispersed suspension, followed by firing at 1,473 K. The sinteredsupport disc has graded structures and the pore size
was less than 2.0 mm. Then three types of Al2O3 particles, the average diameters of 0.7, 0.4 and 0.08 mm, wereorderly deposited by EPD on the above support discand/or commercial support discs having pore size ofless than 0.7 mm. The deposited support disc was sintered at 1,523 K and the average pore size of the surface
was about 0.1 mm. Finally, TiO2 colloidal sols were
coated on the deposited support disc, and subsequently sintered at 723 K. As a result, nano-sized porous TiO2 top-layer having average pore size of about
3.5 nm was successfully prepared.

Acknowledgement

Fig. 9. Photograph of the surface modified support disc by
EPD.

This study was supported by the Research andDevelopment Grant Program of the Kanto Bureau of
1.0

4. Conclusions

Table 4
Membrane performance of EPD support disc
EPD layer

Particle Minimum Flux (bubble
diameter pore size point method)
[mm]
[mm]
[L/min]Large particle
0.7
Large particle
0.7
þ Middle particle þ 0.4
Large particle
0.7
þ Middle particle þ 0.4
þ Small particle þ 0.08

0.20

0.21

0.17

0.087

0.10

0.044

0.8
Premeability of N2 / -We have developed pore-size-graded inorganic
supports and applied them to the supports of

0.6

0.4

0.2

0
0

5

10

15

20

Kelvin Diameter / nm

Fig. 10. Dimensionless permeability of nitrogen of TiO2 membranes determined by nanopermporometry. (condensable
vapor: water).

― 77 ―

熊本県産業技術センター研究報告書

No. 49.

2011

H. Negishi et al. / Desalination and Water Treatment 17 (2010) 99–105

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― 78 ―

委 員 長
委員

編集委員会
河 北 隆 生濱 嶋 英 樹甲 斐彰
堀 川 真 希納 嵜 克 也工 藤 康 文中 川優

熊本県産業技術センター研究報告 第 49 号
編集・発行

平成 22 年度

熊本県産業技術センター〒862-0901 熊本市東町 3-11-38
TEL : 096-368-2101（代表）FAX: 096-369-1938

印

刷

所

コロニー印刷TEL : 096-353-1291
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熊本県産業技術センター研 究 報 告熊本県産業技術センター

研 究 報 告第 49 号

平成 22 年度････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

第４９号

REPORTS OF
KUMAMOTO INDUSTRIAL RESEARCHINSTITUTE
No.49 2010.4-2011.3････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

平成二十二年度

平成 24 年 1 月

熊本県産業技術センター〒862-0901

熊本市東町 3-11-38

発 行
者：熊本県
発 行
者：熊本県
属：熊本県産業技術センター
所 所 属：熊本県産業技術センター
発行年度：平成２３年度
発行年度：平成２３年度

Published by
Kumamoto Industrial Research Institute3-11-38, Higashi-machi, Kumamoto 862-0901 Japan