ISSN 1349-1741

平成24年度宮城県産業技術総合センター研究報告
The Annual Research Report of Industrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government

No.10 (2012）目次

1. 高度電子産業育成促進に向けた実用化研究 …………………………………………………… 1
サブテーマ１： SPS法による機能性焼結体の実用化 …………………………………………… 2
サブテーマ２： 超精密加工技術の実用化 ……………………………………………………… 7
サブテーマ３： 微細形状の創成および転写技術の実用化 …………………………………… 12
サブテーマ４： 光学機器の高付加価値化を実現する微細光学部品の開発 ………………… 17
サブテーマ５： 軽量繊維活用した自動車・家電機器製品などの高強度・軽量化 ………… 19
2. 保護機能付き組込み用リアルタイムOSの開発 ……………………………………………… 21
3. クリーンエネルギー対応組込みシステムの開発 …………………………………………… 23

宮 城 県 産 業 技 術 総 合 セ ン タ ーIndustrial Technology Institute, MIYAGI Prefectural Government

【平成20～24年度 県単研究】

高度電子産業育成促進に向けた実用化研究
材料開発・分析技術部，機械電子情報技術部，自動車産業支援部，企画・事業推進部
研究の目的・背景
宮城県には半導体分野に関わる企業群（半導体製造装置製造，同部品製造，半導体デバイス製造およびパッケー
ジ，それらを応用した電子部品製造）による高度電子産業に関わる企業集積が加速度的に進展している。近年，半導体分野では超低消費電力，超高性能をキーワードに，Siウエハの大型化やLSIの高密度集積化と，それに伴う半導体製造装置の高性能化・高機能化や，パワーデバイス用の新しい半導体材料である単結晶SiCの実用化開発など，技術開発競争が一層厳しさを増してきている。宮城県産業技術総合センターでは，平成20年度から24年度まで「高度電子産業育成促進に向けた実用化研究」と題して，県内の高度電子産業の育成を目的として，当センターのオンリーワン技術である機能性焼結・接合技術や超精密加工技術，成形加工技術を活かした研究開発を実施してきた。
研究内容
実施内容は，以下の５つのサブテーマに分かれる。括弧内は実施年度を示す。
○サブテーマ１： SPS法による機能性焼結体の実用化（H20～H24）
通電加熱焼結法（Spark Plasma Sintering：SPS法）を用いて，県内外の企業からの委託試作による各種焼結体や接合体を開発してきた。本報告書では，半導体製造に関連した代表的な試作案件として，超耐摩耗材料（緻密体）及び真空吸着材料（多孔質体）を選定し，これらの実用化への取り組みを紹介する。
○サブテーマ２： 超精密加工技術の実用化（H20～H24）
次世代半導体製造装置のセラミックス製部品の超精密乾式研削加工技術を開発し，光学系部品に使用される石英ガラスの鏡面研削加工技術の開発も実施した。得られた成果については，積極的に技術移転を進め，い
くつかの製品の実用化に向けた開発を行った。
○サブテーマ３： 微細形状の創成および転写技術の実用化（H20～H23）
MEMS製造コストの７割を占めるパッケージ部分に焦点をあて，インプリント技術を応用して，MEMSデバイスの低コストのウエハレベルパッケージング技術の開発を行った。具体的には，研削によりブロックパターンモールドを作製し，そのモールドの形状をホットエンボスによりガラスウエハに転写し，MEMSセンサ用パッケージとした。
○サブテーマ４： 光学機器の高付加価値化を実現する微細光学部品の開発（H24）
スマートフォンやタブレット等の液晶表示装置の必須部品である導光板に対する薄型化のニーズは高い。ここ
では，インプリント技術を新たに応用した導光板の製造プロセス開発を行った。具体的には，液体二酸化炭素による樹脂表面の可塑化を利用したインプリント法を開発し，室温で迅速にアクリル樹脂表面への金型の微細形状転写が可能であることを見出した。
○サブテーマ５： 軽量繊維を活用した自動車・家電機器部品などの高強度・軽量化（H24）
炭素繊維で強化された長繊維強化熱可塑性樹脂（CF-LFT）を用い，射出成形時の混練・可塑化工程での繊維切断を抑えるべくスクリュ構造の検討と，CF-LFTの耐熱性と電磁波シールド性の評価を行った。その結果，繊維切断を抑制できる射出成形機のスクリュ構造を見出し，CF-LFTのマトリックス樹脂の変更により使用温度範囲を拡大できること，長繊維状態のCFは電磁波シールド性に効果があることがわかった。
個々の内容については，次ページよりサブテーマ毎の研究報告として記載する。

1

【平成20～24年度 県単研究（地域企業競争力強化支援事業（みやぎ発展税））】

高度電子産業育成促進に向けた実用化研究－サブテーマ１：ＳＰＳ法による機能性焼結体の実用化－
阿部 一彦 ・ 大山 礼 ・ 内海 宏和 ・ 浦 啓祐* ・ 天本 義己** ・ 斎藤 雅弘
材料開発・分析技術部 ・ *宮城県産業人材対策課 ・ **企画・事業推進部
県が注力している半導体や自動車関連産業では用途に応じて様々な素材や部品が使用されている。現状において，県内企業で生産されている物もこれらの産業で幅広く使用されている。しかし，汎用品的な既存製品に関しては県外や海外企業からの新規参入の増加や金融情勢の変化などにより，急激にその競争力を失いつつある。この様な状況の中，半導体や自動車に関連した県内企業の競争力向上策の１つとしては，エンドユーザーに対する製品の高付加価値化を図ることが挙げられ，この対応が急務となっている。こ
れには，既存方法では具現化できない製品を他社に先駆けていち早く提案できる開発力が不可欠となる。
高付加価値化を図った素材や部品を作製する際に既存法では自ずと限界があり，新しい製法による開発が必要となる。新しい製法として，色々な手法が提案されているが，通電加熱焼結法によるもの作りが注目されている。本研究では，この通電加熱法を主要製法として位置づけ，特に半導体製造装置に関連した新
しい機能性部品としての利用を想定し，用途に応じた作製条件の最適化を図った。
キーワード： 通電加熱，焼結，接合，耐摩耗性，多孔質性，透光性
1. 緒言までの粗密制御が可能⑤薄物から厚物まで幅広い対通電加熱焼結法（Spark Plasma Sintering:以下，SPS法と略記）は，金属やセラミックス粉末あるいはこれらの複合粉末に対して，粉体間の隙間に低電圧・大電流の直流パルス通電を行うことでグロー放電を発生させ，これに伴うジュール熱と粉体への加圧力との併用により極め

応⑥組成や密度の傾斜化などが挙げられる。
これまでに，SPS法を用いて各種焼結体や接合体を試作開発してきたが，本報告書では半導体製造に関連した代表的な試作案件として，①超耐摩耗材料（緻密体）②真空吸着材料（多孔質体）を選定し，これらの試作内容を記載する。

て効率良く焼結体や接合体を作製する手法である。

ジュール熱

2. 試作開発結果
2.1. 超耐摩耗材料
半導体製造で必要な各種原料の製造プラントや部品として使用されている耐摩耗材料は，これまでタングス
テンカーバイド（以下，WCと略記）系鋼材やダイヤモン

焼結，接合

粒子間でグロー放電
粒子
粒子

ドなど硬い素材を選定したり，汎用素材にDLCなどの硬質皮膜をコーティングすることなどで対応してきた。しかし，生産性向上のために製造ラインの稼働条件が厳しくなると，従来の耐摩耗材の使用ではライフが大幅に短縮し，メンテナンス作業が多くなるため，製造設備の稼働率が逆に低下してくる。このため，この抜本対策として粒子

図１ SPS法による放電現象（概念図）

新しい超耐摩耗材材料の開発が急務となっていた。
従来の耐摩耗材料が摩耗する主因としては，材料を構成する原料同士を結合するバインダーがあり，これが原料粉末と比べて耐摩耗性が著しく低いために，このバインダーが選択的に摩耗することで材料としての耐摩SPS法は従来法と比べて数多くの特長を有している。
具体的には，①結晶粒粗大化抑制②完全バインダーフ
リー化③同種・異種材料の接合④緻密体から多孔質体2

耗性が大幅に低下することが確認されている。
一般的に従来法ではバインダー未使用で焼結体を作製することができないのに対し，SPS法はバインダー
未使用でも焼結体を作製できることを特長としている。
そこで，耐摩耗材料として汎用的なWCを選定し，SPS【耐摩耗性評価】
作製した焼結体は，簡易的なブラストエロージョン試
験装置により，耐摩耗性を評価した。
ブラストエロージョン試験は，ブラスト材をノズルから所定噴射条件でサンプルに噴射することを1

法によりバインダーを全く添加しないWC焼結体を作製することで耐摩耗性の大幅な向上を目指した。
【原料粉末】
原料としては，バインダーを一切使用しないため，焼結性の向上を踏まえてWCの超微粉（日本新金属㈱製
WC-F，平均粒径0.7μm）を選定した。

ショットとして繰り返して複数のショット行い，10

なお，耐摩耗性のバインダー添加量依存性を調べる
た め に ， バ イ ン ダ ー と し て Co 粉 （ 三 井 物 産 ㈱ 輸 入
EXTRA FINE製，平均粒径1.5μm）を選定し，主原料であるWC粉末に対してそれぞれ1，2.5，4，5，8wt%を混合
し，48hの乾式ボールミル混合を行った。
【作製方法】

ミナ（98% Al2O3，硬さ：HV 2050），粒度：#240，粒子

φ50×5mm厚相当のWC焼結体作製に必要な原料粉末を計量後，下部パンチ（φ50×50mm，東洋炭素㈱製
ISO-68）を挿入した焼結用グラファィトダイス（内径φ50×外径φ90×100mm，東洋炭素㈱製ISO-68）の中に振動をかけながら充填後，上部パンチ（ φ 50×50mm，東洋炭素㈱製ISO-68）を挿入した。

これより，バインダー無添加WC材（WC100%）は，従来WC材（WC95%に相当）と比べてショット数が多い程，顕著な耐摩耗性の向上が図られていることが判明した。
この素材を用いることにより，耐摩耗性を必要としている部品のメンテナンス時間が大幅に軽減できることが期待できる。ただし，耐摩耗性が向上すると同時に材料延

また，WC粉末の焼結には高温が必要となり，グラフ
アィトと容易に反応することで離型が困難となるため，0.2mm厚のカーボンシート（東洋炭素㈱製PF-20）をダイ
ス内壁と，焼結体上下部に設置した。
使用したSPS装置は，住友石炭鉱業㈱製Dr. SinterSPS - 7.40（電極サイズφ250，最大荷重値100Ton，最性が低下するため，適用箇所によっては延性材料と組み合わせた組成の傾斜化などの対策が必要となる。

大電流値10,000A）である。
SPSによる基本的な焼結条件として，1700℃-5min,
65MPaを設定し，Co添加量に応じて，焼結密度が100%となる様に作製条件の最適化を行った。

料には無数の穴が開いており，この穴の分布や連続性の良し悪しにより，多孔質体の通気性が大きく変わるため，用途に応じた多孔質体の気孔任意制御ができることが求められている。
しかし，従来の真空吸着材料の穴は制御して作製しているものではなく，成り行きで作製しているため，これショット後，30ショット後および100ショット後の3種について，それぞれ焼結体の磨耗量（磨耗深さ：μm）
を三鷹工器株式会社製

非接触三次元測定器

NH-3SPで計測した。その結果を図２に示す。
なお，テストに用いたブラスト材は，ホワイトアル
径：～127μmのものであった。
また，1ショットの噴射条件は，ノズル径：φ0.6mm，
噴射圧力：0.8MPa G，粒子速度：110m/sec，噴射時間：
On 80msec，／OFF 40msec，ワーク距離：3mm，入射角：90°であった。

2.2. 真空吸着材料
半導体製造ではウエハーなどの搬送や固定を目的として真空吸着材料が使用されている。この真空吸着材

を厚さが薄いウエハーなどの搬送や固定に使用すると割れや反りが発生し，歩留りが大幅に低下することにな
る。
そこで，多孔質材の材料として用途が多岐にわたっているメタル系の材料を選定し，SPS 法により気孔任意制御した多孔質体の試作を行った。
【原料粉末】
通気性を向上させる目的から，原料粉末は球状であり，かつ限定された粒径分布であることが必要と考えられる。
さらに，コストの観点から流通量が多いものを調査し

図２ WC焼結体摩耗量Co添加量依存性3

た結果，㈱山陽特殊鋼のガスアトマイズ法による球状
SUS316L（105μm～210μm），金型素材などで使用される SPC5（90μm～150μm）を選定した。
写真１，２に，原料粉末の SEM 観察結果を示す。
いずれも粒度分布はあるものの，通気性に大きな影

SPS30300T（電極サイズφ400，最大荷重値 3000kN，最大電流値 30000A）である（写真３）。この大型 SPS 装置
は，現時点において民間企業等が自由に使用できる量
産化検証可能な国内唯一のものとなっている。
多孔質体作製条件として，焼結は約 10Pa の真空下

響を与える程のものではないことが分かった。

で実施し，圧力は 30MPa とした。この温度は，ダイス表
面を外部から赤外線放射温度計にて測定したものである。
図３に，焼結時における負荷電流と温度データの一例を示す。電流を適時変更しつつ昇温させ，所定の厚みに達した時点で焼結を終了した。焼結に必要な時間
は冷却時間を除くと約１時間 30 分であり，大型焼結体の作製時間としては比較的短かった。なお，大型焼結体作製の場合，焼結体の均一性を確保するため，温度制御ではなく電流制御で行っている。

写真１ 原料粉末の表面形態（SUS316L）

写真３ 大型 SPS 装置の外観
負荷電流

ダイス表面温度
800

25000

負荷電流（A）

750

写真２ 原料粉末の表面形態（SPC5）

20000
15000

700

10000
650
5000

【作製方法】

0
0:00:00

ダイス表面温度（℃）

30000

600
0:30:00
1:00:00
時間（hr:min:sec）

1:30:00

製作する多孔質体サイズは，量産化や 12in サイズのウエハー搬送や固定での使用を想定し，φ300mm，厚
さ 30～50mm，相対密度 60%～85%となる様に設定した。
原料粉末を所定量秤量し，グラファイト製ダイス（東洋炭素製，ISO-68，内径φ300×外径φ450×100mm に充填後，上下にグラファイト製パンチ（東洋炭素製，【焼結体の作製結果】
焼結条件及び焼結体の形状・密度を表１に示す。厚さ，相対密度ともに，当初の目的通りの焼結体が作製でISO-68，φ300×55mm）を挿入し，約 1500kN で予備加圧した。なお，離型を容易とするために，ダイス内壁および上下パンチの焼結体接触面に 0.2mm 厚のカーボ
ンシートを設置した。焼結に用いた装置は，SPS シン
テ ッ ク ス ㈱ 製 大 型 SPS 装 置 （ Sinter ExpertTMきている。写真４には，φ300×52mm 厚の多孔質体焼結体の外観を示す。ただし，ダイスから取り出した直後であるため，カーボンシートが付着した状態である。
表 ２ に は ， SUS316L （ 29mm 厚 ， 相 対 密 度 84% ） と
SUS316L（36mm厚，相対密度68%）のそれぞれについて，

図３ 焼結時の負荷電流とダイス表面温度の一例

4焼結体中央部と外周部を切り出し，密度を測定した結果を示す。これより，中央部は外周部に比べて緻密化する傾向があり，また36mm厚に比べ，より緻密化した
29mm厚の方が，密度の差が大きい。この原因は，焼結
時に，焼結体の中央部と端部に温度差があるためと考粒子えられる。これを改善するには，昇温速度を下げるなどの対策が考えられる。通気性金型の素材として，通気性能に影響が大きい焼結体の密度差をさらに低減させるには，必要に応じてこのような対策を施す必要がある。
表１
材質

粒子

焼結条件及び焼結体の形状・密度
焼結条件

焼結体のサイズ、密度

焼結温度(℃) 加圧(MPa) 厚さ(mm) 直径(mm) 密度(g/cm^3) 相対密度(%)

SPC5

830

30

30

297

6.38

83%

SUS316L

890

30

29

297

6.72

84%

775

30

36

297

5.41

68%

750

30

40

297

5.41

68%

765

30

41

297

5.28

66%

745

30

52

297

5.14

64%

700

30

54

297

4.95

62%

写真５ 試作品及び市販品の放電加工面のSEM像
通気性を確保するための後処理として，研磨により表面近傍における溶融粒子を除去し，さらに無電解エッ
チングを追加した。研磨方法は，メッシュ#600 にて湿式研磨とし，厚さで数 10μm 程度磨いた。無電解エッ
チングは，FeCl3（濃度：210g/L，温度 65℃，エッチン
グ時間：600 秒，SPC5 のみ 300 秒）を用いた。なお，研磨粉等の粒子を効率良く除去するため，超音波洗浄をエッチングと同時に実施した。写真６には，研磨とエッチング後における表面の SEM 像を示す。

写真４

SUS316L_R.D 68%

焼結体外観（SUS316L，φ300×52mm厚）

表２ 多孔質体の中央部と外周部の密度比較結果
SUS316L、36t

SUS316L、29t

中央部 外周部① 外周部② 外周部③ 外周部④ 中央部
密度（g/cm^3) 5.54
5.50
5.45
5.41
5.48
6.93
相対密度
69.5%
68.9%
68.3%
67.7%
68.6%
86.8%

外周部
6.66
83.5%

【焼結体の後処理および特性評価】
焼結後の多孔質体から，真空吸着材料として使用できる形状にするには，切削，研削，放電などの加工方法が用いられるが，特に複雑な製品形状に対応するためには放電加工が多用される。写真５には，作製した多孔質体に対して放電加工後の表面の SEM 像を示す。比較のため，市販品（ポーセラックス）の放電加工面を合市販品（ポーセラックス）

わせて示す。相対密度 68%の SUS316L は若干の空孔が認められるが，市販品においては，放電加工により粒子が溶融，変形して空孔が埋まっている。いずれのサンプ
ルにおいても，この状態では素材本来の通気特性は発揮されないため，何らかの後処理が必要である。

写真６ 試作品及び市販品の研磨，エッチング後の放電加工面の SEM 像
5

放電加工面と比較すると，研磨により粒子の形状が明確になり，さらにエッチングを施すことで，空孔の目詰まりが改善されている。なお，ポーセラックスはエッチン
グ条件が強かったため，表面に腐食生成物が発生している。
試作品及び市販品を後処理したサンプルについて，通気性を評価した。図４に，通気特性評価装置の概略
を示す。

図５

通気特性比較結果

図４ 通気特性評価装置の概略

3. 結言
半導体製造に関連したものづくりとして，超耐摩耗材，真空吸着材料の試作を行った結果，以下の様な結果を得た。
【超耐摩耗材料】

本装置で得られる通気流量には，真空パッドと多孔質体間で発生するリーク量が含まれる。多孔質体を通気した状態でのリーク量を測定することはできな
いため，通気特性の評価方法は下記の通りとした。
まず，サンプルの大気側をシールした状態で，圧（1） SPS法を用いることにより，完全バインダーフリーのWC材（WC100wt%）を作製することができた。
（2） WC100%材は，バインダーが添加された従来のWC材と比べて大幅な耐摩耗性の向上が図られた。
（3） WC100%材は靱性が低いため，適用箇所によっては延性材料と組み合わせた組成の傾斜化などの対力を 50kPa に設定し，このときの流量を測定する。得
られる流量値は真空パッドとサンプル間のリーク量が大部分を占めると考えられる。次に，サンプル大気側のシールを取り外して，圧力および流量を測定する。
サンプルにリーク部を上回る通気性があれば，圧力は低下し，流量は増加する。このようにして得られた策が別途必要となる。
【真空吸着材料】（1）ガスアトマイズ法による粒径 105μm～210μm の球状粉を用いた相対密度 60～70%の大型多孔質体（φ300×50mm 厚）を，SPS 法により再現性良く製作することが可能であった。

圧力低下比と流量増加比を，各サンプルについて，後処理が研磨のみの場合とエッチングを追加した場合で比較した。なお，サンプルの厚さは 10～12mm である。厳密には厚さ補正が必要だが，各サンプルで厚さに大きな差が無いため，今回の比較では無視するものとした。

（2）相対密度 60～70%の大型多孔質体を通常の機械加工方法で加工し，さらに研磨等の後処理を施すこと
で，真空吸着材料として必要とされる通気性を確保できた。
（3）相対密度 60～70%の大型多孔質体を研磨等で後処理したものは，市販品（ポーセラックス）と比べて優図５に，通気特性評価結果を示す。これより，今回の評価対象の中では，SUS316L，相対密度 68%の通気特性が優れていることがわかる。研磨のみの場合とエッチングを追加した場合を比較すると，密度の高いサンプルについては，通気性が改善される傾向があるが，密度の低いサンプルでは，大きく変わらない。

れた通気性を有していることが判明した。
（4）真空吸着材料での使用を目的として，焼結後の後処理として実施するエッチングについては，素材，
形状により方法が大きく異なるため，用途に応じて最適な条件出しが肝要である。
以上の様に，SPS法では完全緻密体から多孔質まで

なお，ポーセラックスについては，エッチング条件が厳しかったため，腐食生成物が通気性を阻害していると考えられる。

幅広い材料を簡便に作製できる。これまでに産業技術総合センターではこの他にも数多くの試作開発を行っており，今後においてもこれらの基盤技術をベースとして，リアルニーズを踏まえた実用化支援を継続して行っていく予定である。
6【平成20～24年度 県単研究】

高度電子産業育成促進に向けた実用化研究－サブテーマ２：超精密加工技術の実用化－
渡邉 洋一 ・ 齋藤 佳史 ・ 久田 哲弥
自動車産業支援部
近年，高い付加価値を付与できる超精密加工技術は金型や部品など様々な製品を製造する上で必要不可欠な技術となっている。本研究では，これまで培った超精密加工技術の技術移転を積極的に進め，本技術を適用して製品の実用化に向けた開発を行った。
キーワード： セラミックス，ダイヤモンド砥石，超精密加工，高能率加工，乾式研削
1．緒言
製造業の国際的競争が激しくなる中,高い付加価値できないため，本実験では砥石のボンド材に耐熱性の高いビトリファイドボンドを採用し，砥粒はダイヤモンドとを付与できる超精密加工技術は金型や部品など様々な製品を製造する上で必要不可欠な技術となっている。
例えば，高度電子産業では半導体ウエハの更なる大口径化に伴い半導体製造装置の大型化が進められ，これらの部品として軽量で高強度なファインセラミックスの適用が検討されている。これらの部品は高精度加工

立方晶窒化ほう素の2種類を検討した。実験は表１に示す加工条件にて実施し，研削抵抗，被削材の平面度，加工比（＝実加工量/総切込量）を評価することで最適加工条件を導出した。
表１ 実験条件
被削材

窒化ケイ素が必要であることに加え，不純物混入の原因となる研削液を使用しない乾式研削が求められるなど，製品化を進めるためには更に新しい超精密加工技術の開発も急務となっている。
本研究では，これまで培った超精密加工技術1)～4)の技術移転を積極的に進め，更に本技術を発展させるこ

被削材外形とで製品の実用化に向けた開発を行った。特に，セラミックス製次世代半導体製造装置部品の超精密乾式研削，ガラス基板の仕上げ研削の技術開発を行い，製品化への取り組みを行った。

切込量□50mm×t20mm
超精密 CNC 研削盤 SGU52SXSN4（ナガセインテグレックス社製）

加工機

SD170V（ダイヤモンド砥粒）
cBN170V（立方晶窒化ほう素）
800， 1300 , 1800m/min

砥石
砥石周速度

1，3，5 µm

総切込量
テーブル送
り速度

30µm
前後 50mm /min，左右 8m/min
水晶圧電型 3 成分動力計 9257B(KISTLER 社製)

動力計

2. セラミックス製半導体製造装置部品の超精密乾式
研削加工技術の開発
大型半導体製造装置向けの装置部品として軽量で材
料特性に優れたファインセラミックスの適用が検討され，特に不純物混入の原因となる研削液を使用しない乾式
研削での超精密加工技術が求められている。 本項では，特にファインセラミックスの中でも機械特性の信頼性

研削砥石
トラバース研削
窒化ケイ素板材
鋼材製冶具 Ftの高い窒化ケイ素（Si3N4）を対象に，加工能率1µm/min
以上で平面度1µm以下を達成可能な加工技術の開発を行った。
2.1 実験方法
乾式による研削加工では研削液による砥石の冷却が動力計
Fn
マシンテーブル
図１ 実験装置の模式図

7なお，加工実験には，静圧式の砥石軸とテーブル案
内を搭載し切込方向の最小設定位置決め分解能が0.01mである超精密CNC成形平面研削盤を使用した。
また，研削抵抗の測定には水晶圧電型3成分動力計を，被削材の平面度の評価には三次元座標測定機（ZEISS実施することで高精度，高能率な加工が実現可能となる結果を得たため，製品の実用化を急速に進展させることが可能となった。

製UPMC550A）を使用した。実験装置の模式図を図1に示した。被削材は鋼材製冶具に熱可塑性樹脂を用いて接着固定した後，研削盤のテーブルに設置された動力計に取り付けた。
2.2 実験結果
実験結果を表2に示した。ダイヤモンド砥粒の砥石

光学系部品や半導体製造装置などに使用される石
英ガラスの加工では，仕上げ工程での研磨加工において大量のセリア（CeO2）研磨剤を使用する。しかしセリ
ウム（Ce）はレアアースであり，世界的な需要の増加と流通量の減少により価格高騰や供給量の減少が懸念されている。一方で使用済みセリア研磨剤の再利用はガラ（SD170V）による加工では，研削抵抗，平面度ともに立方晶窒化ほう素砥粒の砥石（cBN170V）と比較して小さくなる傾向が得られた。 また，SD170V砥石で砥石周速
度1300m/min又は1800m/minの加工条件加工した場合，被削材の平面度が1µm以下となり，且つ高い加工比（＝実加工量/総切込量）での加工が可能となることがスの研磨屑との分離が難しいことから，現在は産業廃棄物として処理されている。これらの理由から，ガラスの仕上げ加工ではコストや環境負荷の面で早急な改善が求
められており，県内のガラス加工に携わるメーカからも加工技術の改善に対する期待が高まっている。このため，本研究では研磨工程に代替する技術として，加明らかとなった。これらの結果から，目標の加工精度と加工能率を達成する最適条件を見出すことができた。

工能率と環境負荷の面で優位性があり，加工形状の自由度が高い，産業技術総合センターが持つ精密研削技術の適用を検討した。
現在，ガラス部品は主に硬質なダイヤモンド砥粒を含む砥石で加工されているが，ガラス表面に多数の破砕が生じるために，砥石の使用は中仕上げまでの工程

3. 石英ガラスの仕上げ加工技術の開発

表 2 窒化ケイ素の乾式研削実験結果
砥石

SD
170
V

周速
度
m/min

切
込
µm

800

1
3
5
1
3
5
1
3
5
1
3
5
1
3
5
1
3
5

1300

1800

cBN
170
V

800

1300

1800

研削抵抗 N

接
線
2.8
9.2
12.4
1.0
2.5
2.0
0.4
1.3
2.4
2.9
11.5
14.9
11.3
18.4
22.6
14.4
20.9
27.1

法
線
7.5
26.1
33.0
3.2
6.2
6.9
3.6
4.5
6.4
7.4
30.0
37.7
27.9
48.8
63.2
33.7
51.5
57.2

平面
度
µm

加
工
比

0.9
1.0
1.0
0.6
0.6
0.7
0.6
0.6
0.7
1.2
1.3
1.6
0.8
0.9
1.1
0.7
0.9
0.8

1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
0.9
0.9
0.7
0.7
0.6
0.6
0.6
0.6
0.7
0.7
0.7

に留められている。そこで本研究ではこの工程にレジノ
イドボンドセリア砥石を適用し，仕上げ工程と同等の加工表面が得られる最適加工条件を導出した。ガラスの仕上げ工程では加工表面の破砕が無く，表面粗さ10nmRz 以下が求められるため，これらを目標とした。
3.1 実験方法
実験はボンド材にレジン，砥粒にセリア（CeO2 ）を使用した有気孔レジノイドボンドセリア砥石CM10000BP，
無気孔レジノイドボンドセリア砥石CM10000Bおよび有気孔レジノイドボンドダイヤモンド砥石SD12000BLの3種類について実施した。始めに，予備実験の結果から得られた表3の実験条件により，各砥石の周速度を変化させた場合の研削抵抗，加工比と表面性状の相関関係を調査し最適な砥石周速度を求めた。次に，得られた最適砥石周速度において，切込み量と加工プロセスを変化させた場合の表面粗さと内部欠陥の評価を行い，最適加工条件を導出した。
実験装置は前項と同等のものを使用した。研削液には40倍に希釈したケミカルソリューションタイプ（pH=8.9）を使用した。石英ガラス板材は鋼材製冶具に熱可塑性樹脂を用いて接着固定した後，研削盤のテーブルに設置した水晶圧電型3成分動力計に取り付けた。加工表
面の破砕や内部欠陥の評価は，非接触三次元測定機

ダイヤモンド砥石は，従来，耐熱性が低く乾式加工には適さないと考えられていた。しかしながら，本実験により，ダイヤモンド砥粒の砥石でも最適条件で加工を8

（三鷹光器製NH-3SP）に付属する光学顕微鏡の観察像にて実施し，表面粗さの評価には触針式表面粗さ測定機（AMETEK製タリサーフPGI1250A）を使用した。なお実験に使用した石英ガラス板材は，有気孔レジノイド
ボンドダイヤモンド砥石（SD2000BL）により予め表面を孔レジノイドボンドダイヤモンド砥石（SD12000BL）はレ
ジノイドボンドセリア砥石と比較して加工比が小さくなる
結果となった。
図3に砥石周速度600m/minの場合の各砥石における総切込み量と法線研削抵抗値を示す。法線研削抵抗

研削加工したものを使用した。

値は総切込みが増加すると単調増加する結果が得られた。 特に加工比が少ないレジノイドボンドダイヤモンド
砥石の場合はセリア砥石と比較して研削抵抗値も高くなる傾向が得られた。
表5に各砥石において砥石周速度600m/minで加工した場合の，総切込量が2.4m，4.8m，7.2mとなっ

表 3 ガラス仕上げ加工の実験条件
被削材
被削材外形
加工機
前加工面
仕上げ砥石

砥石外形
ドレス方法
研削液
加工開始位置動力計

石英ガラス （信越石英製）□30mm×t2mm
超精密 CNC 研削盤 SGU52SXSN4（ナガセインテグレックス製）
SD2000BL による研削面
SD12000BL ， CM10000BP ，
CM10000B（東京ダイヤモンド工具製作所製）
平型砥石（直径 200mm，幅 8mm）
単石ダイヤモンドドレッサ法
ケミカルソリューションタイプ
平面研削（0.5m 切込み）にて
法線研削抵抗 Fn>10N となる位置
水晶圧電型 3 成分動力計 9257B(KISTLER 製)た際の加工面観察像を示す。SD12000BL の砥石ではすべての加工面において破砕が生じていた。無気孔レ
ジノイドボンドセリア砥石（CM10000B）では総切込量2.4mの時点で破砕は観察されず総切込量7.2mにおいても破砕は生じなかった。一方，有気孔レジノイドオン
ドセリア砥石（CM10000BP）では総切込量2.4mの時点
で破砕が発生しており総切込量7.2mでも僅かに破砕が見られた。これは砥石に含まれる中空ガラスビーズな
どの気孔形成剤が加工表面に破砕を及ぼしたと考えら
れる。

加工比

3.2 実験結果
3.2.1 砥石周速度による影響について
砥石仕様及び砥石周速度が加工面及び加工比に及ぼす影響を調査するため表 4 の実験条件により実験を行った。
表 4 砥石周速度選定のための実験条件

総切込み量
テーブル速度トラバース速度

2.4

4.8

7.2

総切込量
CM10000B-V300
CM10000B-V900
CM10000BP-V600
SD12000BL-V600

SD12000BL ： 600m/min
CM10000BP：300，600，900m/min
CM10000B：300，600，900m/min
7.2µm（0.3m×24 回）
6m/min50 mm/min

CM10000B-V600
CM10000BP-V300
CM10000BP-V900

140

法線研削抵抗Fn N

砥石周速度

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

図2に，各砥石と周速度（図中のV）における，砥石の総切込み量に対する加工比（＝実加工量/総切込量）の関係を示した。図中で周速度はVと示した。レジノイド
ボンドセリア砥石については総切込量に対して周速度が 600m/min. の 場 合 に 高 い加 工 比 と な り ， 総 切 込 量
7.2mで加工比が0.5以上となる結果となった。これによ120

SD12000BL

100

CM10000B

80

CM10000BP

60
40
20
0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

総切込量 m

り最適周速度は600m/min.であることが確認できた。また
無気孔レジノイドボンドセリア砥石は周速度が900m/min.
の場合に加工比が低下する結果となった。一方，有気

図3

各砥石における総切込量と法線研削抵抗の関係（砥石周速度 600m/min）

9前加工面（SD2000BL）

総切込 2.4mm

総切込 4.8mm

総切込 7.2mm

SD12000BL

CM10000BP

CM10000B

砥石

表 5 仕上げ加工時の観察像および表面粗さの加工結果
100 倍観察像

3.2.2 加工プロセスによる表面粗さおよび内部欠陥への影響について観察像を示す。有気孔レジノイドボンドダイヤモンド砥
石（SD2000BL）で加工した前加工面には深さ0.3µm以

２種類のセリア砥石を使用した場合に，切込量やス
パークアウト回数が表面粗さや表面破砕，内部欠陥に及ぼす影響を評価するため，表６に示す条件にて実験を行った。砥石周速度は加工比が最も高くなる
600m/minとした。まず，仕上げ加工後にサンプルの表
面粗さと表面破砕を観察した。次に内部欠陥の評価を上の破砕が多数発生し，表面粗さは30.5nmRaであった。
無気孔レジノイドボンドセリア砥石（CM10000B）で仕上
げ加工を行った場合には，加工プロセスA，Bともに微小な破砕が散見されたが，スパークアウトを20回実施することで表面破砕を取り除くことが可能となった。また表面
粗さに関して，加工プロセスAよりも加工プロセスBの方行うにあたり，サンプル表面をフッ酸にて約3µm程度
エッチングにて除去し，その面の表面粗さと観察を行った。
表７に各仕上げ加工後における加工面の表面粗さとが良好であり，スパークアウト20回実施後で2nmRaを得た。一方有気孔レジノイドボンドセリア砥石
（CM10000BP）で仕上げ加工を行った場合には，加工プロセスAと比較して加工プロセスBの方が破砕は少な
く，良好な表面粗さを得た。またスパークアウト回数を20回実施することで破砕は減少したが，深さ0.2µm程度の

表６ 加工プロセスを評価するための実験条件
前加工面
仕上げ砥石
砥石周速度
テーブル速度トラバース速度プロセス A

プロセス B

破砕が散見された。
内部欠陥に関しては，無気孔レジノイドボンドセリア
砥石（CM10000B）の場合の方で少なくなる傾向が見られた。また加工プロセスBの条件でスパークアウトを20回実施することで内部欠陥無く仕上げ加工することが可能となる結果を得た。

SD2000BL による研削面
CM10000B，CM10000BP（東京ダイヤモンド工具製作所製）
600m/min6m/min50 mm/min
0.3m×6 回⇒ 0.1m×6 回⇒ スパークアウト無し，または 20 回
0.3m×12 回⇒ 0.1m×6 回⇒ スパークアウト無し，または 20 回以上の結果より,石英ガラスの仕上げ加工では無気孔レジノイドボンドセリア砥石（CM10000B）を使用し，切込み量が大きい加工プロセスBにてスパークアウト回数を20回行う加工方法で表面破砕及び内部欠陥が少な
い良好な加工表面となり表面粗さ2nmRaが得られることが明らかとなった。
10

加工プロセス A

4nmRa， 62nmRz

2nmRa， 25nmRz

45nmRa， 880nmRz

12nmRa， 762nmRz

加工プロセス B

4nmRa， 17nmRz

2nmRa， 13nmRz

6nmRa， 135nmRz

2nmRa， 55nmRz

加工プロセス A

12nmRa， 268nmRz

4nmRa， 130nmRz

75nmRa， 801nmRz

96nmRa， 1485nmRz

3nmRa， 76nmRz

4nmRa， 102nmRz

12nmRa， 753nmRz

68nmRa， 1434nmRz

加工プロセス B

CM10000BP

CM10000B

表 7 仕上げ加工時の加工プロセスが表面粗さ及び内部欠陥に及ぼす影響
観察像（エッチング前）観察像（エッチング後）
スパークアウトなし
スパークアウト 20 回
スパークアウトなし
スパークアウト 20 回

4．結言
超精密加工技術の技術移転を積極的に進め，いく
つかの製品の実用化に向けた開発を行った。実績やそ謝辞
本研究を行うにあたり，秋田県立大学システム科学
技術学部の呉勇波先生には多大なるご協力を頂きました。ここに謝意を表します。

の開発過程で得られた知見は以下のとおりである。
（1）平成 20 年度から平成 24 年度の 5 年間で県内外の14 企業へ，延べ 75 件の支援を実施した。特に，セラミックス製次世代半導体製造装置用部品の超精
密乾式研削に関する技術支援においては実際に製品として採用された事例もあった。
（２）窒化ケイ素材の乾式研削加工技術の開発では，
SD170V 砥 石 で 砥 石 周 速 度 1300m/min 又 は1800m/min で加工した場合に，平面度が 1µm 以下
で切込み量指令値と実切込量との差異が僅かな加工が可能であり，目標の加工精度と加工能率を達成する条件を見出すことができた。
（３）石英の仕上げ加工では，無気孔レジノイドボンドセ
リア砥石 CM10000B を用いることにより，表面破砕がない，表面粗さ 2nmRa の加工面が得られる条件を見出した。また切り込み量及びスパークアウト回数を増加させた場合には，内部欠陥も少なくなることが明らかとなった。

参考文献
1) 森由喜男，和嶋直，鈴木福雄，佐々木泰孝，高橋正直，児玉省明：宮城県工業技術センター研究報告，
27（1996），P13.
2） 森由喜男，久田哲弥，和嶋直，林正博，渡邉洋一，
家口心，齋藤佳史：宮城県産業技術総合センター研究報告，2（2004），P15．
3） 庄司克雄ほか：超精密加工と非球面加工（2004），
P177．
4) 森由喜男，中塚朝夫，久田哲弥，家口心，齋藤佳
史：宮城県産業技術総合センター研究報告，4（2006），P1．

11【平成20～22年度 県単研究】

高度電子産業育成促進に向けた実用化研究－サブテーマ３：微細形状の創成および転写技術の実用化－
家口 心 ・ 渡邉 洋一* ・ 阿部 宏之
機械電子情報技術部 ・ *自動車産業支援部
本テーマでは，研削とホットエンボスを用いた MEMS デバイスのウエハレベルパッケージング技術の開発を行った。MEMS デバイスは汚染に脆弱であるため，デバイス部を封止して製品化される。複数のデバイスが作製されたシリコンウエハとガラスウエハを接合しデバイス部を封止するウエハレベルパッ
ケージングは，デバイスの小型化，量産化に有効な方法である。本手法では，デバイス部とガラスウエ
ハとの干渉を回避するため，キャビティを有するガラスウエハ（キャップウエハ）を用意する必要がある。
このキャビティの形成方法として，我々はホットエンボスを提案する。具体的には，研削によりブロックパ
ターンモールドを作製し，そのモールドの形状をホットエンボスによりガラスウエハに転写する。本プロセスで作製したキャップウエハと MEMS センサの作製されたシリコンウエハとの陽極接合を行い，本センサの特性試験とヘリウムリーク試験を実施した結果，本プロセスはウエハレベルパッケージングに有用であることが明らかとなった。
キーワード：研削，ホットエンボス，ガラス，MEMS，ウエハレベルパッケージング，陽極接合
1. 緒言

ブロック
パターン

MEMS デバイスは汚染に脆弱なため，通常デバイス
部を封止して製品化される。デバイスの小型化と生産の効率化が実現できるため，ウエハレベルパッケージングが注目されている 1), 2)。本手法では，複数のデバイスが作製されたシリコンウエハとガラスキャップウエハを接合しデバイス部を封止する。その後ウエハをダイシングし，

ブレード

モールド
ブロック
パターン
キャップ
ウエハ
キャビティ
フラットモールド

モールド(i) モールドの研削加工(ii) キャップウエハのホットエンボス研削砥石

多数 のデ バイ ス を 得る 。こ の手 法 を 適用 する 場合 ，
キャップウエハにはデバイスとの干渉を回避するキャビティを形成する必要がある。キャビティを形成する方法としてはエッチング 3), 4) やショットブラストがあるが，これらの方法は非効率である他，使用する薬品や投射材による環境負荷が懸念される。そこで，キャビティの形成方

キャップ
ウエハ
キャビティ

(iii) キャップウエハの
鏡面研削

キャップ
ウエハ
キャビティ
デバイス
シリコンウエハ(iv) シリコンウエハとキャップ
ウエハの陽極接合法として我々はホットエンボスを提案する。具体的には，耐熱材料の板を平面研削した後，格子状に溝加工し，ブロックパターンのモールドを作製する。このパターンを，
ホットエンボスによりキャップウエハに転写し ，箱型のキャビティを形成する。この方法によれば，キャップウエ
ハ上に任意の寸法・間隔のキャビティを効率的に形成

図1 研削とホットエンボスを用いたウエハレベル MEMS
パッケージングの模式図できる。本プロセスの有効性について実験的に検討した内容を本稿で報告する。

キャップウエハの陽極接合を行う。以下に各プロセスについて詳述する。
2. 1 モールドの加工
ブロックパターンモールドの形状と寸法を図 2 に示す。
一対の超硬合金（J05，冨士ダイス）の板（30×30mm，厚2. 実験方法
本プロセスの概略を図 1 に示す。(i)先ず，研削により
12

ブロックパターンモールドを作製し，(ii)ホットエンボスによりガラスキャップウエハに転写する。(iii)その後キャップウ エハの両面 を鏡面研 削し ，(iv) シリ コンウエハ と30×30mm

1.6mm

64－2×2mm

上部プレート
（固定）
ロードセル
コラム
真空チャンバ中間プレート
（昇降）

150μm
1.6mm

ボールネジ
下部プレート
（固定）

3mm

(a)

図 2 ブロックパターンモールドの形状と寸法

図3 キャップウエハのホットエンボスに用いた成形装置の外観(a)と概略図(b)

表 1 フラットモールドの平面研削条件
研削方式
研削盤
モールド材質モールド寸法
予備仕上げ砥石

仕上げ砥石
砥石周速度
テーブル速度
クーラント(b)

横軸平面研削（トラバース送り）
SGM-52E（ナガセインテグレックス）
超硬合金 J05（冨士ダイス）
30×30mm, 厚さ 3mm
SD2000V，幅 8mm，直径 200mm（ニートレックス）※GC1000 ブロックの平面研削により目立て
SD12000B，幅 5mm，直径 200mm（東京ダイヤモンド工具製作所）※SUS304 ブロックの平面研削により目立て
600m/min12m/min
ノリタケクール AF-T（ノリタケ）

(a)
冷媒流入口

冷媒排出口

断熱材

表2

ブロックパターンモールドの溝加工条件

溝加工方式
溝加工装置

クリープフィード研削
SPG-150（ナガセインテグレックス）

パターン寸法2×2mm，高さ 0.15mm，溝幅 1.6mm

砥石周速度
テーブル速度
工具パス

SD200B，幅 1mm, 直径 100mm（東京ダイヤモンド工具製作所）※GC500 カップツルアにより目立て
1500m/min
50mm/min
各溝毎に 0.3mm ピッチで 3 パス

クーラント

ノリタケクール AF-T（ノリタケ）

ブレード

制御用 TC
測定用 TC
キャップウエハ
測定用 TC
制御用 TC
※TC：
熱電対

ヒータ
ブロック

ヒータ
ブロック
断熱材

冷媒流入口

ベローズ
ヒータ（4 本）
上側治具
モールド
下側治具
ヒータ（4 本）
チャンバ

冷媒排出口

(b)

図 4 真空チャンバ内部の写真(a)と概略図(b)

表 3 キャップウエハのホットエンボス条件

平面研削条件を表 1 に示す。ビトリファイドボンドダイ
ヤモンド砥石を用いて予備仕上げを行った後，極微粒
レジノイドボンドダイヤモンド砥石を用いて鏡面仕上げ

成形装置
ガラス基板材料
ガラス基板寸法
成形温度
成形圧力
加圧時間

Reprina-T50（オリジン電気）
TEMPAX Float（SCHOTT）
30×30mm，厚さ 0.6mm
655℃
2.83MPa（2.55kN）
1800s

冷却

炉冷（655℃～450℃）→空冷（450℃～250℃）→水冷（250℃～40℃）

離型剤
雰囲気

BN 粉末（オーデック）
真空（50Pa）を行った 5)。
溝加工条件を表 2 に示す。カップツルア 6)（RS-61，
リード）を用いて目立てした 1mm 幅のレジノイドボンドダ
イヤモンドブレードを，各溝毎に 0.3mm 間隔で 3 パス通
過させ 1.6mm 幅の溝を加工した。
2. 2 キャップウエハのホットエンボス

さ 3mm）の片面を鏡面研削した後，一方のモールドの
鏡面研削面を格子状に溝加工し，ブロックパターンを形成した。ブロックパターンの突起部の寸法は 2×2mm，高さ 150μm とし，溝幅は 1.6mm とした。

キャップウエハのホットエンボス条件を表 3 に示す。
キャップウエハの素材にはシリコンウエハとの陽極接合が可能な TEMPAX（30×30mm，厚さ 0.6mm，SHOTT）を用いた。高橋ら 7)による成形実験を参考に，加熱温度
655℃，加圧力 2.83MPa（モールドの投影面積を基準と13

表 4 キャップウエハの平面研削条件
研削方式

横軸平面研削（トラバース送り）

研削盤

SGM-52E（ナガセインテグレックス）
SD2000V，幅 8mm，直径 200mm（ニートレックス）※GC1000 ブロックの平面研削により目立て
SD12000B，幅 5mm，直径 200mm（東京ダイヤモンド工具製作所）※SUS304 ブロックの平面研削により目立て
600m/min12m/min
ノリタケクール AF-T（ノリタケ）

予備仕上げ砥石

仕上げ砥石
砥石周速度
テーブル速度
クーラント

図6 平面研削したフラットモールドの外観

表 5 シリコンウエハとキャップウエハの陽極接合条件
接合装置
接合温度
印画電圧
雰囲気
キャップウエハの前処理

50μm

AB-40（アユミ工業製）
400℃
600V
真空（1mPa）(a)

図7 研削したブロックパターンモールドの外観(a)とパターン角部(b)酸洗浄（硫酸 + 過酸化水素水）

陽極
シリコンウエハ

デバイス

キャップウエハ
ダミーシリコン
ウエハ

e

(b)

した。その後，チャンバを開放しモールドとキャップウエ
ハを取り出した。
2. 3 キャップウエハの平面研削
後述するように，ホットエンボス後のキャップウエハはBN 粉末の離型剤を用いたことによって梨地面となり，そのままではシリコンウエハとの陽極接合が困難であった。

600V
キャビティ
400℃

ヒータ兼陰極（接地）

そこでキャップウエハ両面の平面研削を行った。研削条
件を表 4 に示す。ビトリファイドボンドダイヤモンド砥石を用いて予備仕上げを行った後，極微粒のレジノイドボン
ドダイヤモンド砥石を用いて最終仕上げを行った。
2. 4 陽極接合
シリコンウエハとキャップウエハの陽極接合条件を表

図 5 シリコンウエハとキャップウエハの陽極接合した加圧荷重は 2.55kN），加圧保持時間 1800s でキャップウエハの成形を行った。
ホットエンボスに使用した装置の外観と概略図を図 3に示す。本装置は内部の真空脱気，または窒素置換が可能なチャンバを装備し，その内部において任意の温度，荷重でのホットエンボスが可能である 8)。図 4 にチャ

5 に，陽極接合の模式図を図 5 に示す。研削したキャップウエハを酸洗後，キャップウエハの接合面（キャビティ形成面）上に，MEMS センサが作製されたシリコンウエ
ハを積層し，陽極接合を行った。電界の安定とウエハの均熱化を目的としてキャップウエハと陰極側ヒータの間にダミーのシリコンウエハを配置した。

ンバ内部の写真と概略を示す。ブロックパターンモール
ドとフラットモールドの中間にキャップウエハを配置し，さらにそれらを下側の治具上に配置した。予備実験から，離型剤なしではキャップウエハとモールドの離型が困難であることが判明したため，モールドの成形面には離型材として窒化ホウ素（BN）の粉末を塗布した。モールド

3. 実験結果及び考察
3. 1 モールドの加工結果
図 6 に平面研削後のフラットモールドの外観を示す。
モールドの研削面は表面粗さ 1.4nmRa，9.5nmRz の鏡面となった。図 7 にブロックパターンモールドの外観とパの酸化防止と転写性向上のため，チャンバ内を真空にして加熱を開始した。加熱はヒータブロックに配置した
カートリッジヒータにより行われる。加熱温度は上下のヒータブロックに配置した熱電対により制御される。モールドにさらに近い位置での温度を把握するため，上下治具のモールドとの接触面から 5mm の位置にも熱電対

ターン角部の観察像を示す。ブロックパターンの角部や端部は，ほぼチッピングなく加工できた。図 8 に溝底面の観察像を示す。溝底面には研削方向と平行に縞状の加工痕が観察され，それと垂直な方向における表面粗さは 0.4μm Ra，2.3μmRz であった。この加工痕は，を配置した。目標の加熱温度に到達後，所定の加圧荷重で成形を開始した。設定した加圧保持時間が経過した後，中間プレートの位置を保持したまま 40℃まで冷却
14

研削方向

空孔

50μm

5μm

図 8 ブロックパターンモールドの溝底面の観察像

700

4

上下治具
平均温度

500

3.5
3

400

2.5

加圧荷重

300

よって，今後，平滑な底面が得られる溝加工技術の開発を行う予定である。
3. 2 キャップウエハのホットエンボスの結果

4.5

温度

600
温度 T ℃

5

上下ヒータブロック平均

21.5

加圧荷重 L kN

800

図12 キャップウエハの仕上げ面の観察像

図 9 にホットエンボス中における上下ヒータブロックの平均温度，および上下治具の平均温度と加圧荷重の変化を示す。当初，加熱温度（ヒータブロック温度で制御）を 655℃に設定し実験を行った。この時，ヒータブ
ロックは設定温度に到達するものの，治具は約 30℃低い温度であった。そこで，設定温度を 688℃に変更した。

200
1
100

0.5

0
0

0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
経過時間 t s

その結果，定常状態での治具温度は上側で約 654℃，
下側で約 657℃となり，平均で約 655℃となった。よって，
この時の加熱温度を 655℃として取り扱うこととした。
図 10 に 655℃，2.83MPa，1800s の条件で成形したキャップウエハの外観と断面形状曲線を示す。成形後のウエハは，モールドの溝加工痕は転写されなかった

図 9 ホットエンボス中における上下ヒータブロック及び上下治具の平均温度と加圧荷重の変化

断面形状
測定位置

が，BN 粉末を塗布したため，梨地面となった。また，
キャビティの断面形状から，外側のキャビティの側壁が垂直に成形されておらず，深さも他のキャビティと比較して浅いことが分かる。この原因は，ホットエンボス時にウエハの側面が自由表面になるため，材料が側方へ流動したためである。よって，この現象は型構造を密閉型

Z μm

(a)
200
150
100
50
0
-50 0
-100

5

10

15

20

25

30

(b)

にすることにより抑制できると思われる。その他のキャビ
ティについてはモールドの形状が概ね転写された。
3. 3 キャップウエハの平面研削結果
図11に平面研削後のキャップウエハの外観と断面形状を示す。研削後のキャップウエハは，キャビティ部を除き透明であった。平面研削により外側のキャビティ深さにX mm

図10 成形したキャップウエハの外観(a)と断面形状(b)

断面形状
測定位置

他のキャビティを一致させた結果，研削後のキャビティ深さは約110μmとなった。図12に平面研削後のキャップウ
エハの仕上げ面の拡大観察像を示す。研削面を拡大観察すると10μm前後の空孔が若干観察されたが，空孔部を除く表面粗さは1.9nmRa，11.6nmRzであった。今後，キャビティ部も含む鏡面転写技術や成形後の研削を省

Z μm

(a)
150
100
50
0
-50 0
-100

5

10

15

20

25

30

(b)

X mm

図11 平面研削後のキャップウエハの外観(a)と断面形状(b)略できる手法を検討する。
3. 4 パッケージング性能の評価
図 13 に陽極接合後のウエハの外観を示す。キャップ
ウエハのキャビティ周囲にある配線用貫通穴（直径約1mm）は高速スピンドルを搭載したフライス盤（F-MACH

キャップウエハに転写されシリコンウエハとの接触面積を減少させるため，接合強度を低下させる要因となる。
15

1) ホットエンボス（655℃-2.83MPa-1800s）により，箱型
キャビティ（2×2mm，深さ150μm，キャビティ間隔
1.6mm）を有するキャップウエハが成形可能である。
2) ホットエンボス時，キャップウエハと超硬合金モール
ドはBN粉末の離型剤を用いることにより離型可能である。
3) ホットエンボス時にBN粉末の離型剤を用いた場合，キャップウエハは梨地面となるが，粒度#12000のレ
ジノイドボンドダイヤモンド砥石を用いてキャップウ
エハを平面研削することにより，シリコンウエハとの陽極接合（400℃，600V）が可能となる。

図 13 陽極接合後のウエハの外観

4) 本プロセスにより，3.8×10-9Pa・m3/sのリークレート（MIL-STD-883C）でのMEMSパッケージングが可
能である。

400μm
キャップウエハ
キャビティ部
センサ検出部
シリコンウエハ
エッチングホール

参考文献
1) Masanobu Saruta, Hideyuki Wada, Michikazu Tomita,
Kohei Matsumaru, Tatsuo Suemasu, Hirokazu Hashimoto:
Wafer Level MEMS Packaging, Fujikura Tech. J, 110,
4(2006)46 (in Japanese).
2) Takafumi Okudo, Toru Baba, Koji Goto, Masanao
Kamakura, Yoshiyuki Takegawa, Takashi Saijo: MicroMiniaturization of MEMS Devices Bases on Wafer-Level
Packaging, Matsushita Tech. J., 56, 3(2008)76 (inJapanese).
3) Xinghua Li, Takashi Abe and Masayoshi Esashi: Deep
Reactive Ion Etching of Pyrex Glass, Proc. 13th IEEE
MEMS 2000, Tech. Digest, Miyazaki, (2000)271.
4) Xinghua Li, Takashi Abe, Yongxun Liu and Masayoshi
Esashi: High Density Electrical Feedthrough Fabricated by
Deep Reactive Ion Etching of Pyrex Glass, Proc. 14th
IEEE MEMS 2001, Tech. Digest, Interlaken, (2001)98.
5) Shin Kaguchi, Yoshifumi Saito, Tetsuya Hisada:Development of High Precision Grinding Technology ofReaction Sintered Silicon Carbaide, Proc. ABTEC 2007,(2007)55 (in Japanese).
6) Matsui Seiki, Katsuo Syoji and Cheng Hao Piao: Study on
Truing of Diamond Vitrified Wheels (2nd Report) -Truing
Performance of Cup Truer-, J. Jpn. Soc. Precis. Eng., 53,
3(1987)486 (in Japanese).
7) Masaharu Takahashi, Ryutaro Maeda: Large-Area
Micro-Hot Embossing of Grass Materials with Glassy
Carbon Mold Machined by Dicing, J. Jpn. Soc. Technol.
Plasticity, 47-549, 10(2006)963.
8) Hajime Kaburaki, Masami Kuroda: Thermal Nanoimprint
System for Reserch and Development, Reprina-T50,
Origin Tech. J., 71-Ⅱ(2008)8 (in Japanese).

観察方向

図14 シリコンウエハのエッチングホールから観察した

ダイシング後の MEMS センサの検出部
442，東芝機械）を用い，ダイヤモンド被覆された超硬ドリルにより穿孔した。本ウエハを個片化後，ヘリウムリー
ク 試 験 （ MIL-STD-883C ） を 実 施 し た 。 そ の 結 果 ，
3.8×10-9Pa・m3/s のリークレートが得られた。
図 14 に，シリコンウエハとキャップウエハを接合後，シリコンウエハのエッチングホールから観察したセンサ検出部の写真を示す。この図からセンサが損傷なく接合されたことがわかった。
4. 結言
研削加工した超硬合金製ブロックパターン金型を用いたホットエンボスにより，TEMPAX（SHOTTO）製キャップウエハに箱型キャビティを成形した。さらに成形後のキャップウエハを平面研削し，MEMSセンサが形成されたシリコンウエハとの陽極接合を行った。その結果，以下に示す結言が得られた。

16【平成24年度 県単研究】

高度電子産業育成促進に向けた実用化研究－サブテーマ４：光学機器の高付加価値化を実現する微細光学部品の開発－
石井 克治 ・ 家口 心* ・ 林 正博 ・ 阿部 宏之 ・ 高田 健一
機械電子情報技術部 ・ *自動車産業支援部
液体二酸化炭素による樹脂表面の可塑化を利用したインプリント法を開発し，室温で迅速に樹脂表面への金型の微細形状転写が可能であることを見出した。室温，液体二酸化炭素への含浸時間１分，金型プレス時間１分，プレス圧力0.55MPaの条件で，アクリル樹脂表面に高さ11μmの形状転写が可能であることを実験的に明らかにした。また，ポリエチレンテレフタレート，ポリカーボネートなど複数種類の熱可塑性樹脂
材料に対して同様の形状転写が可能であることを明らかにした。
キーワード： 光学部品，樹脂，微細形状，熱インプリント法，超臨界二酸化炭素，液体二酸化炭素
1. 緒言
光学機器の高性能化のためには，構成部品の高付加価値化が必要不可欠である。例えば，ディスプレイの高性能化のためには，樹脂部品である導光板やフレネル
レンズの大面積化，薄肉化，および表面への微細形状付与が必須である。従来技術である射出成形法では，するためのピストンとバネから構成されている。高圧容器と樹脂板間，及び高圧容器とピストン間は，Ｏリングによって封止している。

微細形状を有する大面積，薄肉部品において，射出された溶融樹脂が微細形状に充填する前に固化してしまうため，金型形状を精密に転写できない。樹脂表面に微細形状を転写する技術として熱インプリント法が注目されているが，熱によって樹脂を可塑化させるため，加熱・冷却に長い時間を要するという課題がある1)。この課題に対して，超臨界二酸化炭素による樹脂の可塑化を利用したインプリント法が近年提案されているが，超臨界状態を安定に保持するには，二酸化炭素の高い圧力に耐えうる大がかりな装置を必要とする2)～4)。また，超臨界状態から減圧する際に，樹脂が発泡しやすく，微細形状を有する光学部品などには不向きである。そこで，工業生産に適う転写時間で，大がかりな装置を要せず，微細形状のインプリントを実現するために，液体二酸化炭素による樹脂の可塑化を利用したインプリント法の研究を行った。

図1 液体二酸化炭素を利用したインプリント装置
転写のプロセスを図2に示す。はじめに，高圧容器と樹脂板で密閉された空間に二酸化炭素を導入する（a）。
二酸化炭素のボンベから直結で導入した場合，20℃で2. 実験方法

5.7MPaの気体の二酸化炭素で高圧容器内が満たされる。次に，ピストンを下げ，高圧容器内の体積を減少させることによって，二酸化炭素を液化させる。樹脂板表
面を液体二酸化炭素で浸し，二酸化炭素の樹脂板への含浸によって，樹脂表面を可塑化させる(b)。次に，さらにピストンを下げ，可塑化した樹脂表面に金型をプレ

液体二酸化炭素によって樹脂表面を可塑化し，金型をプレスすることによって，微細形状を転写する装置の概略図を図１に示す。装置は，二酸化炭素の導入バル
ブと排出バルブを備えた高圧容器（設計耐圧20MPa），
樹脂板，金型，金型ホルダー，金型を樹脂板にプレススし，金型形状を樹脂表面に転写する（c）。最後に，ピストンを上げて，金型を離し，二酸化炭素を高圧容器から排気し，高圧容器を樹脂板から離す（d）。本プロセス
は，一端に開口部を有する高圧容器を樹脂板に押圧することによって密閉空間を構成するため，樹脂を板状
17

12

50

のまま送り出して連続転写できる。すなわち，生産ラインへの導入が容易であるという長所を持つ。

10
8

30

高さ[um]

高さ[μm]

40

20

6
4

10

2

0

0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
測定位置[mm]

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
測定位置[mm]（ａ） Ｖ溝金型の形状（ｂ） 転写した樹脂の形状

図4 表面形状の測定結果
表１に，同じ金型を用いて，各種樹脂に対して，インプリントした結果を示す。転写条件は前述と同様である。
アクリル樹脂に限らず，ポリエチレンテレフタレート，ポリカーボネートなど，多くの樹脂材料に対して，ミクロンオーダーの形状転写が可能であり，非晶性でかつ極性基を持つ樹脂ほど，転写高さが高いことを明らかにした。

図2 液体二酸化炭素を利用したインプリント法

今後，転写条件の最適化とともに，二酸化炭素の樹
脂板への含浸および可塑化特性の解明に取り組む予定である。

3. 実験結果及び考察
実験に用いた金型（サイズ20mm×20mm，厚さ2mm，グラッシーカーボン製），およびインプリントしたアクリル
樹脂（厚さ1mm，アクリライトＬ 三菱レイヨン株式会社）の外観写真を図3に示す。また，金型，及びインプリント

表１ 各種樹脂における転写高さ

した樹脂表面の形状を測定した結果を図4(a)，(b)にそれぞれ示す。形状測定は，非接触三次元形状測定機（三鷹光器株式会社 NH-3SP）を用いて行った。金型には幅100μm，高さ47μmのＶ溝形状が全面に形成されている。また，樹脂表面の転写高さは11μmであった。
転写条件は，室温（20℃），液体二酸化炭素への含浸
時間１分，金型プレス時間１分，プレス圧力0.55MPaであり，転写時間は合計2分である。同等の転写結果を得るために20分の時間を要する従来の熱インプリント法の転写時間を1/10に短縮できることを明らかにした。さらに，樹脂の転写面側のみを可塑化するため，転写条件
及び転写結果が樹脂板の厚さに依存しないことを実験

4. 結言
液体二酸化炭素による樹脂表面の可塑化を利用した
インプリント法の研究を行い，従来の熱インプリント法の1/10の時間で，ミクロンオーダーの形状転写を可能とし的に確認済みである。

た。本研究は，（独）産業技術総合研究所 コンパクト化学システム研究センター 相澤崇史 上級主任研究員との共同研究で実施した。本研究の成果については，共同で特許出願（特願2013-068743）済みである。
参考文献
1) 平 井 義 彦 : 精 密 工 学 会 誌 Vol.76, No.2,
pp.143-147, 20102) 遊佐敦，杉山寿紀： 特開2004-235613号
3) 須藤克典：特許第4202901号
4) 遊佐敦，小賀野順之： 特許第4611731号

図3 金型と転写したアクリル樹脂板の外観写真

18

【平成24年度 県単研究】

高度電子産業育成促進に向けた実用化研究－サブテーマ５：軽量繊維活用した自動車・家電機器部品などの高強度・軽量化－
佐藤 勲征 ・ 推野 敦子
材料開発・分析技術部
炭素繊維で強化された長繊維強化熱可塑性樹脂（CF-LFT）を用い，射出成形時の混練・可塑化工程での繊維切断を抑えるべくスクリュ構造の検討と，CF-LFTの耐熱性と電磁波シールド性の評価を行った。その結果，CF-LFTにおいて，混練・可塑化工程での繊維切断を抑制できる射出成形機のスクリュ構造を確認できた。また，CF-LFTのマト
リックス樹脂を変更することで使用温度範囲を拡大できること，CF-LFTでCFを長繊維の状態で存在させることは電磁波シールド性に優位性あることがわかった。
キーワード：長繊維強化熱可塑性樹脂，炭素繊維，繊維切断，耐熱性，電磁波シールド
CF-LFT の繊維の切断を抑えた成形を可能にするために，宮城県産業技術総合センター設置の射出成形機（実験機レベル，JSW 製 J50E-C5）に取り付け可能な
LFT 専用のスクリュを製作した。製作したスクリュは従来
スクリュに比べ，全体に深溝とし，供給部が長く，圧縮部を短くした。このスクリュにより，実験機レベルの射出成られる方法として金属部品の樹脂化（金属代替）が挙げられ，各メーカーが検討を行っている。
一方で金属代替の可能性のある樹脂材料としてＬＦＴ（長繊維強化熱可塑性樹脂）が開発されており，強化繊
維として炭素繊維（CF）を用いた場合は，アルミニウムに匹敵する引張強度が得られるとされる。しかしながら，形機を用いた LFT の安定的な計量が可能となった。この結果をふまえて，量産機レベルの射出成形機（150ton）の LFT 専用のスクリュを設計・製作した。LFT
専用スクリュの定量的な効果を示すため，量産機レベルの射出成形機を用い，従来スクリュ（STD）と製作した
LFT 用スクリュ（LFT）を用いた際の繊維の切断状況を

LFTを用いて所望の物性を発現するには，加工過程で繊維の切断を抑制することが必要とされる。また，繊維切断の抑制と相反することとして，ウエルド強度の低下
や成形品の流れ方向と直交する方向の収縮率（ヒケ）が大きくなるという問題が指摘されている。
そ こ で ， 本 研 究 で は 炭 素 繊 維 で 強 化 さ れ た LFT調べた。繊維の切断状況は，射出成形機ノズル先端から射出されるパージ材を対象に，樹脂部を薬品で溶解させ，濾過により繊維成分を取り出し，それを無限希釈しマイクロスコープで残存繊維長を測定することで調べ（CF-LFT）を用い，射出成形時の混練・可塑化工程，
金型充填工程の繊維切断を抑制した上で，ウエルド強度の向上ならびに成形品として寸法精度を高め，軽量・高強度の要求への対応を図ることを最終目的とし，その第１段階として，射出成形時の混練・可塑化工程での繊維切断を抑制するスクリュ構造の検討と，CF-LFTの適

for STD(150ton,3mmφnozzle)

存在割合[％]

1. 緒言
自動車業界や産業機械業界では，部品の軽量化による使用燃料や電力の削減のニーズがある。また，家
電・OAモバイル機器業界ではスマートフォンやタブレッ
トPCのハウジングに代表されるように薄肉・幅狭傾向があり，材料の高い剛性が求められる。これら要求に応え

用範囲を確認するべく耐熱性および電磁波シールド性の評価を行ったので，報告する。

80
70
60
50
40
30
20
10
0

for LFT(150ton,3mmφnozzle)～1 ～2 ～3 ～4 ～5 ～6 ～7 ～8 ～9
繊維長[mm]2. 実験方法と結果
2.1. スクリュ構造の検討

図1 パージ材の残存繊維長19た。成形材料として繊維長9mmの炭素繊維で強化された半芳香族ポリアミドをノズル径3mmφで射出した時の結果を図１として示す。図1より，STDスクリュを用いた場
合，1mm以下の長さの繊維が70％程度を占めるのに対して，LFTスクリュでは1mm以下の繊維が30％程度であり，長い繊維が多く残存していることがわかる。この結果
より，製作したスクリュ繊維の切断の抑制に大きく貢献していることがわかった。今後は，LFT用のスクリュを用い，射出成形条件が繊維の切断や物性に及ぼす影響を調査するとともに，繊維切断の抑制によって現れるウエル
ド強度や成形品の形状精度の低下の問題解決に材料

図3 CF存在形態の違いによるシールド特性

面，金型面から着手する予定である。
2.2. 耐熱性評価
CF-LFTの耐熱性を評価するために，各種マトリック
ス樹脂での引張強度の温度依存性を測定した。検討したマトリックス樹脂は，構造の異なる半芳香族ポリアミド2
種とPPSである。結果を図2に示す。

Tensile stress/MPa

400○：半芳香族ﾎﾟﾘｱﾐﾄﾞ A△：半芳香族ﾎﾟﾘｱﾐﾄﾞ B

300

□：PPS

200
図4 CF含有量の違いによるシールド特性
100

CF含有量が多いほど，シールド特性が良好であることがわかった。

0
0

50

100
150
Temp. of test/C
図2 引張強度の温度依存性

200

図2より，CF-LFTの耐熱性はマトリックス樹脂に依存，
詳しくはガラス転移温度に依存することがわかった。試験温度が高くなるほど，引張強度は低下するが，半芳香族ポリアミドAをマトリックス樹脂としたCF-LFTでは，150℃においても，常温強度の半分程度を維持していることがわかった。
2.3. 電磁シールド性評価
CF-LFTの電磁波シールド特性を把握するため，CFの存在形態（長繊維，短繊維） とCFの含有量を変えた平板を作製し，マイクロ波ベクトルネットワ－クアナライザと電磁シールド材料評価ホルダ（ADVANTEST
TR17302プラスチックシールド材評価器（遠方界用））の

3. 結言
・CF-LFTにおいて，射出成形機のスクリュを専用のものにすることで，混練・可塑化工程での繊維切断を抑制することができた。
・CF-LFTの適用範囲を広げる検討を行い，マトリックス
樹脂を変更することで使用温度範囲を拡大できることを確認した。
・CF-LFTで，CFを長繊維の状態で存在させることで，電磁波シールド性に高まることがわかった。今後，電磁波シールドが必要な部材への展開を進めたい。

構成により，周波数範囲10MHz-1GHzのシールド特性を評価した。その結果を図3，4に示す。
図3，4の結果から，長繊維状態でCFを存在させることで，短繊維状態と比較し，CFの接触頻度が多くなり，その結果として良好なシールド特性が得られた。また，20

【平成24年度 県単研究】

保護機能付き組込み用リアルタイムOSの開発
小野 仁 ・ 荒木 武 ・ 今井 和彦
機械電子情報技術部
保護機能付きOSは，あるモジュールの不具合が他のモジュールに波及することを防止し，組込みシステ
ム全体の信頼性を向上させる。
本開発では，保護機能付きOSとしてTOPPERS/HRP2カーネルを選択し，多くの組込みシステムに用いられる32ビットCPU(ARM Cortex-M3)上で，保護機能の確認と実行性能の測定を行った。また，保護機能付
きOSを移植する際の課題を抽出した。
キーワード： CPU，リアルタイムOS，メモリ保護機能，TOPPERSプロジェクト，MMU，MPU
1. 緒言

2. 実験方法

組込みシステムの信頼性を向上させ，デバッグの工数
及びコストを削減する手段の一つとして，保護機能付きOSの活用が挙げられる。保護機能付きOSは，あるモ
ジュールの不具合が他のモジュールに波及することを防止し，組込みシステム全体としての信頼性を向上させる。なお，本稿では，保護機能とはメモリ保護機能とオ

2.1 MMUとMPU
OSがメモリ 保護機能を実現するためには ，CPUにMMU(Memory Management Unit)またはMPU(Memory
Protection Unit)が搭載されている必要がある。一方，組
込みシステムでは静的なメモリ配置が可能な場合が多く，
リアルタイム性を保証するためには，アドレス変換を伴ブジェクトアクセス保護機能を指す。
一般的に，パソコンには高性能のCPUが搭載され，その上で動作するOSは保護機能を有することが多いが，組込みシステムに搭載されるCPUは性能が比較的低い
ため，OSは搭載されないか，保護機能を持たないリア
ルタイムOSが搭載されることが多い。

わないMPUの方が有利となる 1） 。この様子を図１に示す。

そこで本開発は，多くの組込みシステムに用いられる32ビットCPUをターゲットとした保護機能付きリアルタイ
ムOSの開発を目標として開始した。
今年度は，既存の保護機能付きリアルタイムOSの評
価と、移植の際の課題を抽出したので報告する。

毎にアクセスを制限できるユーザモードがある。アプリ
ケーションソフトウェアは通常はユーザモードで動作する。後述のTOPPERS/HRP2カーネルの場合，OS上のタ
スクは，ユーザモードで動作するユーザタスクと，特権モードで動作するシステムタスクの２種類がある２）。

2.2 特権モードとユーザモード
MMPやMPUを搭載したCPUの動作モードには，全てのメモリ領域にアクセスできる特権モードと，メモリ領域

2.3 評価対象
マ イ コ ン ボ ー ド は ， ARM コ ア を 内 蔵 し た 32 ビ ッ ト
CPU(Cortex-M3, 50MHz, ROM256KB, RAM64KB）を搭 載 し た TEXAS INSTRUMENTS 製 EK-LM3S6965を使用した。
保護機能付きOSは，MPUに対応し，国内製で無償かつ使用制限の無いTOPPERS/HRP2カーネル（バージョン2.1.0）３）を使用した。比較対象となる保護機能無しOSは，TOPPERS/ASPカーネル（バージョン1.7.0）４）を使用した。
図１ MMU と MPU の違い
21

表 1 act_tsk の実行条件と実行結果
タスク切り替えの有無

タスク切り替え先

システムタスク-

ユーザタスク-システムタスクシステムタスク

ユーザタスクシステムタスク

ユーザタスク

ユーザタスク（同じ保護ドメイン）

6.9
7.6
7.9
8.2
9.7

ユーザタスク

ユーザタスク（別の保護ドメイン）

10.2

切り替え無し図 2 今回使用したマイコンボードの外観図
2.4 保護機能の確認
故意にアクセス違反を起こすユーザタスクを用意し，保護機能付きOSと（図3A）保護機能無しOS（図3B）それ
ぞれの上で動作させることにより，保護機能の動作を確認した。アクセス違反の種類は，ユーザタスクが不正な切り替え有り保護機能付き OS（TOPPERS/HRP2
カーネル）

呼び出し元

保護機能無し OS（TOPPERS/ASP
カーネル）

2.7

3.7

程度増加した（表1）。
保護機能無しOSのact_tskの実行時間が3～4μsecでメモリ領域にアクセスするタイプ（メモリアクセス違反）と，
ユーザタスクが操作を許可されていない保護ドメインに属するカーネルオブジェクトに対して，サービスコール
経由でアクセスを行うタイプ（オブジェクトアクセス違反）の２種類とした。
２種類用意した理由は，ユーザタスクのメモリアクセスあることや，アドレス変換情報の入れ替えによるさらなる実行時間の遅れが発生しないことから，多くのソフトウェ
アにおいてリアルタイム性が保証できると考えられる。

違反はハードウェア(MPU)で検出できるのに対し，オブ
ジェクトアクセス違反はサービスコール内で検出する必要があり，検出のメカニズムが異なるためである。

は ， メ モ リ ア ク セ ス 違 反 を TLB(Translation Lookaside
Buffer)のヒットミスとして検出することにより可能である。
また，リアルタイム性の観点からアドレス変換を行わない方が有利である。
一方で，保護機能付きOSへの既存のソフトウェア資産の移植は，移植対象となるソフトウェアのモジュール分

3.3 保護機能付きOSの移植について
MMU搭載CPUへのMPU対応保護機能付きOSの移植割を保護ドメインの観点で見直すことが必要となり，そのための工数が発生する。
4. 結言
B

既存の保護機能付きOSの保護機能の確認と実行性

図 3 保護機能の確認方法

能の測定を実施し，移植における課題を抽出した。今回の成果は，保護機能付きOSの活用を考える際の一つの指針となる。

A

2.5 実行性能の測定
保護機能付きOSの実行性能が，保護機能無しOSと比較してどの程度変化するかを，様々な条件1）でシステムコール(act_tsk)を実行することにより測定した（表1）。

参考文献
1) 石川卓也, 本田晋也, 高田広章 : コンピュータソ
フトウェア, Vol.29 No.4 (2012), p.161
2) TOPPERS 新 世 代 カ ー ネ ル 統 合 仕 様 書 Release
1.5.0, p.21-25, p.63-67
http://www.toppers.jp/documents.html#ngki_spec3) TOPPERSプロジェクト：TOPPERS/HRP2カーネル，
http://www.toppers.jp/hrp2-kernel.html

3. 実験結果及び考察
3.1 保護機能の確認結果
保護機能付きOSにより，２種類のアクセス違反を両方検出することができた。これにより，保護機能付きOSが適切にアクセス保護を行っていることが確認できた。

4) TOPPERSプロジェクト：TOPPERS/ASPカーネル，
http://www.toppers.jp/asp-kernel.html

3.2 実行性能の測定結果
保護機能付きOSでは，保護機能無しOSと比較して
act_tskの実行時間が4～7μsec（相対値で120～180%）22【平成22，24年度 県単研究】

クリーンエネルギー対応組込みシステムの開発
小野 仁 ・ 今井 和彦
機械電子情報技術部
一般的にクリーンエネルギーはエネルギー密度が低いため，これを利用する機器は，省エネルギーであることが求められる。また，組込み機器には高機能化が求められており，クリーンエネルギー対応組込み機
器は高機能化と省エネルギーの両立が必要となる。
本開発では，開発対象を独立電源の無線センサ応用システムとし，高機能化と省エネルギーの両立を示すプロトタイプシステムとして，9個のノードからなるマルチホップ通信網を構築し，センサネットワークとしての機能及び通信ネットワークとしての機能，そして省エネルギー性を評価した。
キーワード： クリーンエネルギー，省エネルギー，マイコン，マルチホップ，センサネットワーク
1. 緒言
1.1 無線センサ
無線センサは各種の産業におけるデータ収集の手段として幅広いニーズがある。また近年は，電力消費量の監視等，一般家庭にもニーズが広がりつつあるため，無線センサ応用システムの適用対象は拡大している。

BA
図 1 マルチホップ通信

1.2 デジタル無線の規格
無線センサとして活用できるデジタル無線には表１の通り各種の規格が存在するが，後述するマルチホップ
通信によるセンサネットワークの構築には，
IEEE802.15.4（ZigBeeの基礎部分に採用されている規本開発では，1年目にシングルホップ通信システム 2）を，2年目にマルチホップ通信システムを構築した。

格）対応の無線端末が適している。

2.1 プロトタイプシステム全体像
9個のマルチホップ通信対応センサノードを，各センサ
ノードが隣同士とだけ通信できる距離に調整して配置した。また，全体の片方の端に情報集約ノード1を，反対側の端に情報集約ノード2を設置した。 これらのノードは連携して以下の機能を実現する（図2）。

表 1 各種のデジタル無線の規格

2. 実験方法

1）(1)情報集約ノードへの全温度データの転送と表示(2)情報集約ノード1，2間での文字列の送受信
1.3 マルチホップ通信
マルチホップ通信は，無線機器間で最大通信距離を越えた通信を行うために，機器が互いに情報を中継し合う技術で，基地局が必要無いため，様々な設置条件に対応できる（図1A）。
一方で，独立電源の無線機器間でマルチホップ通信を行う際，電力の消費を抑えるため，各無線機器が同期してスリープモードに入る必要がある（図1B）。
図 2 プロトタイプシステムの全体像
23

2.2 センサノードの概要
市販の安価な無線機器（IEEE802.15.4対応 2.4GHz帯）にアルカリ乾電池（単三・3本直列）と温度センサを組み合わせた回路を9個作製し，密閉して当センターの敷地内（屋外）に設置した（図3）。

到達していることが確認できた（図5）。

無線機器は9個全てが同期して5秒間の動作モードと595秒間のスリープモードを繰り返すように設定した。な
お動作モード5秒間は9個のノード間でマルチホップ通信を行うために必要な最低限の時間である。

図 5 センサノード別温度データ
一方で，情報集約ノードに届かないデータもあった。
データ到着率は１ホップあたり2～3％低下した（図6）。

図 3 センサノードの概要

図 6 データ到着率とホップ数の関係

2.3 情報集約ノードの概要
ハードウェアは１ノードあたり1台のパソコンと1台の無線端末の組み合わせとした。ソフトウェアは，各センサ
ノードの温度データを収集し，地図上に表示するものを作成した。文字列の送受信は，フリーのターミナルソフト
ウェアを活用した（図4）。

3.2 文字列の送受信結果
5秒間の動作モード中に，256バイトの文字列が双方の情報集約ノード間で送受信可能であり，文字列に欠落が無いことを確認した。また，文字列の送受信による温度データの欠落も生じなかった。
3.3 省エネルギー性の評価結果
今回使用した無線機器の消費電力は，動作モードでは165mW，スリープモードでは165μWである。本センサノードはこの無線機器を使用するので，動作モードとスリープモードを平均した消費電力は3.1mWとなり，単三のアルカリ乾電池3本により約130日間動作する。
本センサノードの専有面積程度の多結晶太陽電池の
太陽光による最大出力は約300mWなので，太陽電池と二次電池やコンデンサとの組み合わせにより，本センサ
ノードには十分な電力が供給可能である。

図 4 情報集約ノードの概要
2.4 データ送信方法
各センサノードで収集した温度データは，データ到着率を測定するためブロードキャストにより送信した。情報集約ノードのパソコンに入力される文字列は，一般的な

4. 結言

ユニキャストにより送信した（表2）。

市販の安価な無線機器を利用して，10ホップ程度であれば通信システムとしても活用可能な独立電源のセンサネットワークが構築できることを示した。
今回の結果は企業の技術的支援等で活用・普及していく。

表 2 データ送信方法

参考文献
1) 堀賢冶 他4名 : 電子情報通信学会誌 , Vol.96(2013) No.5 , p.325
2) 小野仁，今井和彦 : 宮城県産業技術総合センター
業務年報, Vol.42 (2011), p.16

3. 実験結果及び考察
3.1 温度データ収集結果
情報集約ノードに全センサノードからの温度データが24平成24年度
宮城県産業技術総合センター研究報告 No.10（2012）
平成25年8月発行
発行所
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