ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

一般財団法人

金属系材料研究開発センター

2024.05

No.446

TODAY
当会の統計では、我が国のロボット産業の 2022
年の受注、生産、出荷の規模は約 1 兆円、出荷台数の世界シェアは 50％弱、輸出比率は約 80％で一般社団法人日本ロボット工業会 輸出のうち約 40％は中国向けとなっている。
産業用ロボットは安全対策上基本的に柵を設け専務理事 冨士原 寛て使用されているが、近年は、安全柵なしで使用できる協働ロボットと呼ばれるタイプが登場して
1. 日本は「ロボット先進国」？
少子化・高齢化の加速によって社会を支えるあ きている。中小中堅規模の工場、自動化しにくいらゆる分野で人手不足が大きな課題となってい 作業工程を多く抱える現場などへの導入が期待さる。こうした中で、従来から「ロボット先進国」 れているが、市場拡大はこれからである。
一方、福祉・介護、飲食業、配送事業等の分野と認識されている我が国では、ロボットの利活用で使われる、いわゆるサービスロボットについてへの期待はとりわけ大きい。
我が国では、ロボットには親しみを持つ人が大 は、ベンチャー企業も数多く登場し政策的支援に半で、逆に、人とロボットとが共存する社会に負 よる導入実証事業も進められているものの、ビのイメージを持つ人は少ないだろう。ロボット ジネスとして成立できている国内企業は少ない。
分野の研究者、開発技術者のレベルは高く、製造 近年見られるようになった物流倉庫内の入出荷業の現場では溶接や組み立てなどに多くの産業用 システムや飲食チェーンでの配膳ロボットなどの分野では現在のところ海外製のロボットが大きなロボットが使われている。
他方で、介護現場や町中など人々の生活に身近 シェアを取っている。
な場面でロボットを見かけることは、まだほとん 3. 今後の発展の方向性
本格的なネットワーク社会の中で、ロボットはどない。自動配送ロボットや飲食店での配膳ロボットなどではむしろ海外の方が普及が進んでい フィジカル空間とデジタル空間をつなぐ端末、そる。日本が真の意味で「ロボット先進国」として れも、フィジカル空間で物理的に作用することが認められるためには、こうした社会全体でのロ できる端末である。このことがロボットに大きな可能性を与えるとともに多くの議論のテーマを惹ボット利活用を進める必要がある。
政府においてもこのような課題を強く認識し、 起している。今後のロボットの発展において、AI2015 年策定の「ロボット新戦略」、さらに 2019 の進歩との関係、あるいはその利用における倫理年策定の「ロボットによる社会変革推進計画」に の問題等々多くの話題、論点があり、国際的なルーおいて提示された「ロボットの社会実装のさらな ル作りが求められるものもある。残念ながらここでは紙面の関係で内容に触れることができないこる推進」を施策の重要な柱として掲げている。とをお許し願いたい。
2. 我が国のロボット産業の現状
最後に、現在私ども日本ロボット工業会では、我が国のロボット産業は、世界に先駆けてロボット導入を進めた自動車産業と電気電子産業の 2050 年に向けたビジョン策定に取り組んでいる。
需要に牽引されて大きく成長した。また、これら 来年春の最終報告に向けて、期待すべき 2050 年の需要産業における生産拠点の積極的な海外進出 の社会の有り様を検討し、その中で、前に触れたに伴って産業用ロボットの輸出比率も高まること テーマも意識しつつロボットがどのように活躍でとなった。現在に至るまで、商業的に利用される きるのかをバックキャストで議論している。当会
ロボットの大半は製造業における生産財としての のウェブサイトには昨年 3 月の中間的とりまと産業用ロボットである。このため、ロボット産業 めを Ver.0 として掲載している（https://jara.jp/
は世界経済の変動、設備投資動向に大きな影響を publications/visionver0.html）ので、ご覧いただ
ければ幸いである。
受ける産業となっている。

「ロボット先進国」
日本の現状1

JRCM REPORT

令和 3 年度採択 戦略的基盤技術高度化支援事業「電解砥粒研磨による次世代半導体製造ライン向け超精密バルブ・継手の高能率加工技術の開発」（一財）金属系材料研究開発センター

非鉄材料研究部長

箕浦忠行

1. はじめに2021 ～ 2023 年度に関東経済産業局から交付決定を受け実施した助成事業「電解砥粒研磨による次世代半導体製造ライン向け超精密バルブ・継手の高能率加工技術の開発」（経済産業省 戦略的基盤技術高度化支援事業 JPJ005698）の成果概要を紹介する。
本研究開発は、東陽理化学 ( 株 ) と東京電機大学、産業技術総合研究所（以下、産総研と記す）の産学連携で進められ、金属系材料研究開発センターは、事業管理機関として参画した。
図 1 電解砥粒研磨の原理（上）と工程比較（下）2. 研究開発の背景・概要
半導体市場は、パソコン・タブレットの需要増加や、本研究開発では、産総研の「電解砥粒研磨」技術を5G・AI・EV・自動運転システム向けの需要の高まり 核として、①様々な形状の製品に対応可能な加工工程から今後着実に拡大が予想されている（2024 年予想 の【ロボット化】、②研磨工具開発による【高能率化】、WSTS：6,000 億ドル）。こうした半導体の需要増加 ③加工パラメータのモニタリングによる【予知保全に伴い、半導体製造装置の需要も拡大が予測される。 化】、④品質保証の為の製品性能評価の【自動検査化】
東陽理化学は半導体製造装置用バルブや継手の切 を導入した「次世代型電解砥粒研磨装置」を開発を削加工・表面処理を行っており、半導体製造装置用 した（図 2）。これにより、排水による環境負荷を低バルブメーカーからさらなる増産要請を受けている。 減し、安全・安心の作業環境下で、加工時間を従来半導体素子の製造装置には、①高強度、②ガスとの の 1/3 に短縮することができ、我が国の半導体製造低反応性、③耐食性、④高溶接性などが求められ、 産業等の最先端産業の発展に寄与する。
一般的には耐食性ステンレス鋼部品・部材が使用さᶅుմ౒ཽ‫ݜ‬ຑ޽ఖ͹ϫϚρφԿᶆ‫ݜ‬ຑ޽۫͹߶೵ིԿ
れているが、近年、半導体素子の高性能化や歩留ま඾࣯҈ఈԿɼঘ‫ܗ‬ʀ঴ਕԿɼघࡠ‫ۂ‬ʀ
り向上のために、鋼管内面の平滑性、クリーン性、߶੠ౕ੣඾ଲԢٗ೵ғଚ͹րવ
耐食性は更に高いレベルが要求されている。
東陽理化学では、これまでにバフ研磨や電解研磨、ᶈ੣඾੓೵඲Ճ͹ࣙಊԿᶇϠωνϨϱήͶΓΖ༩எฯસԿ
不働態化等の表面処理で顧客のニーズに応えてきた。
こうしたバルブ・継手部品は、1980 年代半ばには、
੣඾඾࣯ฯৄɼ঴ਕԿ඾࣯҈ఈԿɼਫ਼ࢊްི͹޴৏
生産技術を活かして市場シェア７割を占め、日本が図２ 「次世代型電解砥粒研磨装置」の概要
市場優位性を得ていたが、現在はシェア２割を割り込み、中国、韓国、台湾などのアジア諸国の後塵を 3. 本研究開発の内容と成果概要拝している。日本が比較的優位を保っているのは、 ①ロボット化技術開発
精密でかつ高精度の部品のみであり、今後さらに高従来の研磨では手作業が主であり、不確定の要素度化し、高まる半導体需要に対応していくためには、 が強く、かつ経験的要素が多く含まれていたため、研高精度で、複雑形状に対応した最高レベルの表面処 磨動作を機械化し、２段階で加工機の開発を行った。
理技術の導入が不可欠である。そこで、従来の「バまず、直管用実験機として電動ステージを組み合フ研磨＋電解研磨」プロセスを、手作業から自動化 わせた構成の電解砥粒研磨加工機を作製した。このに置き換え、かつ 1 つのプロセスにまとめる可能性 実験装置を用いて直管製品へ電解砥粒研磨技術の適のある電解砥粒研磨に着目した。
用可能性を確認した。次に、研磨実験装置の発展形
電解砥粒研磨は産総研のオリジナル技術で、電解 として、直管製品への電解砥粒研磨処理を適用した研磨と機械研磨を複合化させた超平滑金属面を形成 実験装置を発展させ、６軸アームロボットを搭載しする研磨法である（図 1）。
た汎用電解砥粒研磨装置を作製した（図 3）。本装置
ʀϕϫήϧϞࡠ੔ͶΓΖՅ޽͹ࣙಊԿ(‫ڢ‬ಉϫϚρφ)ʀ௜؇ɼL‫ܗ‬ɼV‫ܗ‬੣඾ଲԢʀుմӹɼుླྀ͹ླྀΗ͹εϝϣϪʖεϥϱͶΓΕ੣඾‫ܙ‬য়Ͷ࠹న͵޽۫Ν֋൅ʀՅ޽ϏϧϟʖνΝιϱγʖͲϠωνϨϱήɼ৶ߺॴཀྵ
ͶΓΕҡ৙‫ݗ‬எʀන໚૊͠ɼੜ৞ౕɼ෈ಉସ
ൿຜૌ੔(Cr/Feർ)͹඲Ճʀ‫ݜ‬ຑ໚֐؏‫ࠬݗ‬͹ࣙಊԿ(໪ࢻસ਼‫ࠬݗ‬͹঴ྲྀ)

JRCM NEWS No.4462

図３②高能率化技術開発
バルブ・継手製品に適した電解砥粒研磨工具の設計および開発を行った。電極工具は、より高性能化するためには、電解液の流し方、電流の流し方、電圧のかけ方など、ノウハウが最も集約される箇所である。流体および電流密度シミュレーションを活用し、バルブや継手形状に即したそれぞれ専用の電極工具の開発を行った。
電解砥粒研磨は砥粒擦過と電解溶出が同時に行われることから通常の砥粒研磨、電解研磨とは研磨進行プロセスが異なってくる。電解砥粒研磨工具の設計に流体および電気化学、電解研磨＋砥粒研磨（電解砥粒研磨）モデルを作成し、それらを連成解析させることで、マルチフィジックスシミュレーションを行った（図６）。これらの解析により、工具製作前に不織布回転ブラシの間隔（ブラシピッチ）とブラシ径に対して研磨条件を変化させて、砥粒研磨と電解研磨の双方から得られる加工総量を計算することで、工具の適切な設計指針を得ることに成功した。

ロボット電解砥粒研磨装置

は製品固定治具を複数設置可能で、固定治具と研磨工具を適切な形状にすることで様々な形状の製品に対応することができる。
プログラム制御によって複雑な形状の製品に対して電解砥粒研磨処理を適用させるための開発を行った。現在東陽理化学でバフ研磨 + 電解研磨処理を行っている複雑形状バルブ部品（図４）へ電解砥粒研磨を適用させるため、ロボット研磨装置に専用の研磨工具・固定治具・動作プログラムを追加することで電解砥粒研磨処理を可能とした。
電解砥粒研磨処理前後の平面部の測定箇所および粗さ測定結果を図５に示す。研磨後の表面は鏡面となっており、未処理時の表面粗さ Ra = 0.2 ～ 0.3 μ m程度から Ra = 0.02 μ m レベルまで表面粗さを改善することができた。

図６ マルチフィジックス ( 連成 ) シミュレーション解析結果

図４

図５③予知保全化技術開発
電解砥粒研磨条件の設定のために、電極に流す電流や、pH などを加工中にモニタリング可能とするセンサを実験装置に取りつけ、電解液、砥粒、電解条件など条件を様々に変えて、研磨条件の確立を行った。また、異常診断信号処理にも着手し、各種研磨条件や加工液の劣化状況を調べて、センサからの信号で異常検知可能とすることで、品質の安定化を実践できるようにした。
AE センサを用いて研磨処理中の AE 波を測定し、表面粗さの状態と AE 信号の強度・波形に相関があればモニタリングに応用できるとして実験を行った。その結果、素材表面が粗いときには波形が大きく、表面粗さが小さいときには波形が小さくなるという関係が見られた（図７）ため、加工物表面の仕上がりモニタリングへ活用できる可能性を見出した。また、電解液の pH、電導度、溶存酸素濃度のモニタリングを行い、電解処理による電解液の経時変化を見た。
研磨を行うことによる電解液・砥粒の状態の変化をモニタリングすることは、研磨面の品質を保つために必須となる。電解液の状態をモニタリングする

複雑形状バルブ製品概略図・断面図

複雑形状製品内面底部表面粗さ測定結果

JRCM NEWS No.4463Ḟ㝗䛒䜚⏬ീ䠄Ꮫ⩦⏝䝕䞊䝍䛸䝔䝇䝖䝕䞊䝍)Ḟ㝗࠶ࡾ⏬ീ㸦⥲ᩘ85ᯛ㸧

80ᯛ Ꮫ⩦ࢹ࣮ࢱ
5ᯛ ࢸࢫࢺࢹ࣮ࢱਕ͹೓‫ؗܿͲء‬Ν֮೟͢Ώͤ͏ল໎ড়݇ͲࡳӪї ઀ࡡܿ‫͗ؗ‬പ͚‫͏ͱ͓ݡ‬ΖḞ㝗䛺䛧⏬ീ䠄䛩䜉䛶䝔䝇䝖䝕䞊䝍)Ḟ㝗࠶ࡾ⏬ീ㸦⥲ᩘ60ᯛ㸧

図７60ᯛ ࢸࢫࢺࢹ࣮ࢱ

加工中 AE 波と表面粗さためにイオンクロマトグラフを導入し、研磨を行いながら電解液サンプルを一定時間ごとに自動採取・分析を行う機構を作製した。
砥粒の粒径・形状の状態は研磨のパラメータとして重要である。特に、遊離砥粒といった液体中に砥粒を分散させる場合の流動性などをパウダーレオメーターによって解析し、電子顕微鏡（SEM）の砥粒形状評価と合わせて、電解砥粒研磨にとって最適な砥粒の選択を行った。
④自動検査化技術開発
研磨面の粗さや組織、不純物の有無、不働態被膜の状態などを計測、評価した。また直管製品の内面を撮影する装置及び、撮影した画像から表面欠陥を検出する技術を開発した。
電解砥粒研磨したバルブ・継手部品の実製品としての性能評価を実施した。評価項目として、表面粗さ測定、内視鏡による内面観察とした。円筒内部の表面粗さは、小型の触針式表面粗度測定機を円筒内部に送り込んで評価し、平面と同様の基準で評価を行った。また、円筒内面の外観は内視鏡を円筒内部に送り込んで観察可能とし、得られた画像に対しての良し悪しは機械学習（AI）による画像解析手法を用いて判断した。画像解析には、画素の有する輝度情報を数値化し、キズやムラの有無の判定を行った。
これらの評価と平面での評価結果を合わせることで、電解砥粒研磨を行ったバルブや継手の評価をした。
AI 解析については、撮影した内面写真を大量に学習させ、物体検出手法を用いて発注者からのもとから存在しているキズを判断し、欠陥の有無を判定可能とした（図 8）。
The Japan Research and Development Center for Metalsܿ‫͍ؗ‬Εͳಋͣল໎ড়݇ͲࡳӪї പ͚‫ؗܿࡡ઀ͪ͏ͱ͓ݡ‬ͺଚࡑ͢͵͏≀య᳨ฟ䛻䜘䜛᳨ฟ⤖ᯝ઀ࡡܿ‫͗ؗ‬ଚࡑ͢ͱ͏Ζപ͏՗ॶΝAIմੵͶΓΕ൓இͤΖ͞ͳͶ੔ޯ

Ꮫ⩦᮲௳
᳨ฟᑐ㇟≀
ゎᯒᡭἲ
Ꮫ⩦䝕䞊䝍ᩘ⏬ീ䝕䞊䝍㔞

図8ษ๐Ḟ㝗
≀య᳨ฟ(YOLOv5)
80ᯛ
1944(⦪)×2144(ᶓ)×3(RGB)1ທ౲ͪΕ͹૱υʖν਼ 1250.3808ຬ఼їָसͶ࢘ͮͪ૱υʖν਼ͺɼ10Ա఼

不良データの学習と物体検出による検出結果

4. 事業化と今後東陽理化学が切削加工・表面処理を行っている半導体製造装置用バルブや継手の安定供給には、「電解砥粒研磨による次世代半導体製造ライン向け超精密バルブ・継手の高能率加工技術」が必要不可欠である。本研究開発を通じて、その基盤となる①ロボット化、②高能率化、③予知保全化、④自動検査化技術が確立した。
現状の市場動向と将来性から、開発技術の早期の実用化を前提とした開発計画が必要である。製品市場や製品品質に関するユーザーからの助言を反映し、実用化開発を進めることで、本研究開発成果のすみやかな事業化が期待できる。

JRCM NEWS ／第 446 号

発 行
発行人
発行所

2024 年 5 月 1 日
小紫 正樹
一般財団法人 金属系材料研究開発センター

内容に関するご意見、ご質問は JRCM 総務企画部までお寄せください。
本書の内容を無断で複写・複製・転載することを禁じます。

T E L (03)3592-1282（代）／ FAX (03)3592-1285
URL http://www.jrcm.or.jp/
E-mail jrcm@oak.ocn.ne.jp〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階※送付先の変更・中止等は上記 E-mail に御連絡をお願いいたします。

4