ISSN 1343‑9391

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滋賀県工業技術総合 センター

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目
1)IT活

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ロ

1

発

‑健 康サポー トシステムのための携帯型 モ ニ タの性能評価 ―
櫻井

淳

月瀬寛 二

2)超 音波による高周波焼入れ層深 さ評価 に関す る研究・ H日 日日日 H tt B H tt L 5‑組 織散乱波 による高周波焼入部材検査技術 についての予備実験 ―井上 栄 ―

3)も のづ くり価値 を評価す る手法の開発研究 (第 1報 )B H日 日日日日日日日 HH8
山下誡児

野 上雅彦

4)ひ ずみゲージを用いた触覚センサの開発 (第 4報 )日 ●日日日日日●●●い●13
藤井利徳

5)マ イク ロ波 セ ンサの高機能化 に関す る研究 (第 3報 )日 ■日日●●●●日日日￢6‑任 意 の検知 エ リア実現のための設計手法 の確 立 一
山本典央

平野

真

6)静 電気放電 (ESD)試 験 に関す る研究 日ロロユ 4ロ ロ H Hロ ロロロロ HHⅢ 19‑水 平結合板 へ の間 接放電 における ESDガ ン配 置 の供試 機器 へ 及ぼす影響比較 一
山本典央

高

義礼

藤原

修

7)機 械異常音検査装置 を開発す るための支援 システム構築に関す る研究 (第 2報川崎雅生 日 L日 日 B H■ ■ロロロ BH23
山本典央
平野 真

)

8)医 療用 Ti合 金の表面改質に ついての研究 (第 2報 )日 L H日 日 H日 ■日日日27
岡田太郎9)微 量分析技術のため の超 高感度蛍光測定技術 の開発 (1)一小型 FCS測 定装置 を用 いた蛍光 1分 子測定法のための基礎検討 一
川崎雅生 口 H口 ・ 区日出 B B H日 日ロロロ●30
白井伸明
岡田俊樹

10)滋 賀 の伝統発酵技術 を活 か した地域資源高度化開発 芭七・・ B H日 日 ,日 日34‑県 産発酵食品か らの微生物資源の収集および保存 一
岡田俊樹

白井伸明

那須喜 ―

11)マ

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平尾浩 一

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成

増谷 一 成37

小原仁実12)熱 電変換材料 の高性能化 に関す る研究 (第 2報 )Hロ ロロロHロ ロH日 日日B41
佐 々木宗生安達智彦13)ゾ

H tt H日

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B44

製

‑ガ スバ リア性 を有す る有機 一無機 ハ イ ブ リッ ド膜 の創製 一
佐 々木宗 生

山本和弘

坂山邦彦

14)超 臨界反応場における化合物の高機能化に関する研究① ロロロロロBロ ロロ47

‑超 臨界アル コールのアルケンヘの付加反応 一
上田中隆志
B H E tt B H H H・ 日日 H H日

H H15)都 市環境対応陶器製品の開発研究 2・50‑誰 もが住みやす い環境 を求 めて一
福村

伊藤公 ―

哲

川澄 一 司高畑宏亮

宮本ル リ子16)光 触媒 コー テ ィ ングセ ラ ミックフィルターのVOCガ ス 除去性能の向上について 日
中島
17)県

産

資

源

口 53

孝

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56^

横井川 正美18)多 孔質水酸化鉄 (Fe00H)に よる水環境浄化 システムの構築 に係 る研究・ 芭59
坂山邦彦

横井川 正 美

山中仁敏

山本和弘

IT 活用型健康サポートシステム
活用型健康サポートシステムのサポートシステムの開発－ 健康サポートシステム
健康サポートシステムのためのサポートシステムのための携帯型のための携帯型モニタ
携帯型モニタのモニタの性能評価 －櫻井 淳 *SAKURAI Atsushi
要旨

月瀬 寛二 *TSUKISE Kanji

現在、産学官連携により、携帯型運動モニタとネットワークを利用して健康サポートサービスシステムの開発を行っている。本研究では、健康サポートシステムの被験者の日常生
活中の活動量を測定するための携帯型運動モニタの各種性能評価を行った。試作機として開発した携帯型運動モニタについて、放射電磁界の測定、放射イミュニティ試験を実施することにより、小型電子機器製品として求められる基準を満足していることを確認した。

１．まえがき２．性能評価（
性能評価（信頼性・信頼性・耐久性）
耐久性）

2008 年 4 月より特定健康診査ならびに特定保健指昨今の電子機器のモバイル化や機械制御の電子化導に関する法律が改正され、40 歳以上の成人に対すに伴い、さまざまな環境下で電子機器は使用される

る健康診断の受診率の向上、ならびに特定保健指導状況にある。そのため、電子機器製品は、より高いが必要とされた対象者の保健指導参加率の向上が数

信頼性や耐久性が求められるようになり、電子機器

値で示されている。これは、40 歳以上の男性では、の製品化を行うためには、市場での不具合の発生を2 人に 1 人がメタボリック症候群の該当者あるいは未然に防止するため、あらゆる面での製品の信頼性

その予備軍といわれる現代社会において、検診によや耐久性を確認することが必要である。

るスクリーニングを徹底させ、早めの指導によりメ

そのため、携帯型運動モニタの使用環境下での信タボリック症候群の該当者とその予備軍を減少させ

頼性や耐久性を総合的に評価するため、次の評価試ることが主なねらいである。

験を計画し、今年度は、先ず、放射電磁界の測定お本研究は、平成 19、20 年度の 2 年間、滋賀県提案

よび放射イミュニティ試験を実施した。

2.1 放射電磁界の放射電磁界の測定、測定、放射イミュニティ
放射イミュニティ試験
イミュニティ試験

公募型産学官新技術開発事業として実施した産学官の共同研究事業であり、携帯型運動モニタとネット

携帯型運動モニタから漏れ出ていく電磁波ノイズ

ワークを利用して、定期的な励まし・適切なアドバの測定、およびトランシーバ、ラジオなど各種無線

イス・評価を、メタボリック症候群の対象者（患者）

器から意図的に発生する放射電磁界に曝された時のに提供することにより、食事や運動習慣を改め、メ携帯型運動モニタのノイズ耐性を評価する。

タボリック症候群の予防が行える健康サポートサー

2.2 静電気放電（ＥＳＤ）
静電気放電（ＥＳＤ）試験（ＥＳＤ）試験１）

人体から直接，あるいは近接した物体への静電気本研究では、身体の活動量を把握するために、3放電に曝されたときの携帯型運動モニタの耐性を評

ビスシステムを開発することを目的としている。

軸の加速度センサと GPS センサを組み込んだ携帯価する。

型運動モニタの試作機の各種性能について評価した。

2.3 温度サイクル
温度サイクル試験
サイクル試験
携帯型運動モニタの温湿度環境での動作確認や耐久性を評価する。

* 滋賀県工業技術総合センター機械電子担当-1-

2.4 冷熱衝撃試験
携帯型運動モニタの繰り返し温度変化に対する動作確認および耐久性を評価する。

2.5 振動試験
携帯型運動モニタに正弦波振動・ランダム振動・ショックなどの振動を加え、振動に対する耐久性の評価する。

2.6 落下衝撃試験

図２ 携帯型運動モニタ

携帯型運動モニタを床等に落とした時等の衝撃に対する耐久性を評価する。

３．放射電磁界の放射電磁界の測定（
測定（EMI）
EMI）
携帯型運動モニタから漏れ出る電磁波ノイズの測定については、VCCI（情報処理装置等電波障害自主規制協議会）3ｍ法 Class B「住宅地域で使用され
図３ GPS ロガー

る機器，40dBμV/m（30M～230MHz）、4７dBμV/m（230M～1GHz）」を規準として、図１の電波暗室で測定を行

図４に携帯型運動モニタの放射電磁界レベルの測った。

定結果，図５に GPS ロガーの放射電磁界レベルの測定結果を示す。いずれの結果も各放射電磁界レベルを水平方向と垂直方向別に表示している。

水平方向

図１ 電波暗室

また、図２に示す携帯型運動モニタの試作機の放垂直方向

射電磁界レベルと、類似の市販製品の放射電磁界レベルを比較するため、図３に示す GPS ロガーの放射
電磁界レベルの測定も併せて行った。

図４ 携帯型運動モニタの放射電磁界測定結果
-2-

水平方向

垂直方向

図６ 電磁耐性評価室

携帯型運動モニタの電磁耐性についても，市販製品との比較を行うため、図７に示すように、携帯型
運動モニタと GPS ロガーを振動台の上に固定して連測的に振動を与え、試験後に携帯型運動モニタの加速度データの記録を確認することにより誤動作の有無を調べた。
図５ GPS ロガーの放射電磁界測定結果

放射電磁界は 80MHz から 1000MHz まで連測的に上昇させた。放射電磁界の方向は、水平方向と垂図４の測定結果に示すように、携帯型運動モニタ

直方向に分けて行った。

の放射電磁界レベルは、VCCI 3ｍ法 Class B の規準（グラフの中の赤色水平線）を十分満たしている。

携帯型運動モニタ

GPS ロガー

また、図４と図５の結果を比較すると、携帯型運動モニタの放射電磁界レベルは市販製品とほぼ同等であることがわかる。

４．放射イミニティ
放射イミニティ試験
イミニティ試験
携帯型運動モニタが射電磁界に曝された時のノイズ耐性の評価については、IEC(国際電気標準会議)の規準 IEC 61000-4-3 規格「放射、無線周波数、電図７ 振動台上に固定した供試品

磁界イミュニティ試験逆 3ｍ法 3V/m 80-1000MHz」
図８に、携帯型運動モニタの加速度データの記録を規準として、図６の電磁耐性評価室で実施した。

結果の一部を示す。

-3-

図８ 携帯型運動モニタで計測した加速度データ

機は IEC 61000-4-3 の規準を満たしていることを電磁耐性試験中に携帯型運動モニタで計測した確認した。

197,882 サンプリングすべての加速度データを確

今後は、静電気に対する耐性評価、温湿度環境認した結果、放射電磁界による誤動作の形跡は全に対する耐性評価、機械的振動・衝撃に対する耐く見つからなかった。
GPS 機能の確認については、試験室内はシール性評価等を引き続き確認し、製品として必要とさドルームであるため GPS の電波が受信できず、確れる信頼性や耐久性の確認を行う予定である。

認は出来ていない。
また、試験後においても携帯型運動モニタの機

参考文献

能に全く異常はなく、携帯型運動モニタの試作機

1)伊坂忠夫、他：平成 19 年度滋賀県提案公募型産学官新技術開発事業報告書：(2008.3)

は IEC 61000-4-3 の規準を満たしていることを確
認した。

５．まとめ
放射電磁界の測定により、携帯型運動モニタの試作機の放射電磁界レベルは、VCCI 3ｍ法 Class Bの規準を十分満たしており、市販製品とほぼ同性能であることがかった。
電磁耐性試験により、携帯型運動モニタの試作-4-

超音波による
超音波 による高周波焼入による 高周波焼入れ
高周波焼入 れ 層深さ
層深 さ 評価に
評価 に 関 する研究
する 研究
－ 組織散乱波による
組織散乱波 による高周波焼入部材検査技術による 高周波焼入部材検査技術についての
高周波焼入部材検査技術 についての予備実験についての 予備実験－
予備実験 －
井上栄一*
INOUE Eiichi
要旨： 本研究は、高周波焼入された自動車部品に超音波を送信し、試験体内部を透過した応答信号から、超音波音弾性特性等を解析することで、焼入硬化層の欠陥検出を行う検査技術の開発とその技術移転を目的としている。本報では、材料表面で生じる表面反射波と硬化層界面で生じる組織散乱波による表面硬化層深さ計測への適用性を調べるため、一定の有効硬化層深さを持つ焼入基準試験体を作製し、全没式水浸法で入射角を変化させて縦波を入射して表面反射波近傍の波形を調べた。この結果、垂直入射時と射角入射時の表面反射波近傍の波形に関するいくつかの知見を得たので報告する。

1. はじめに

表 1 有効硬化層の限界硬さ

2. 実験方法
2.1. 高周波焼入 れ＊
高周波焼入れは、高周波誘導加熱を用いる表面焼
き入れである。自動化や局部加熱が比較的容易であり、表面層に高い耐摩性を付与でき、芯部は靭性が確保される等の特長がある。
2.1.1
有効硬化深さ有効硬化深 さ表面硬化層の深さ評価法は、国内では、一般に JIS
G0559「 鋼 の 炎 焼 入 及 び 高 周 波 焼 入 硬 化 層 深 さ 測 定方法」に基づいておこなわれ、硬化層の表面から限界硬さの位置までの距離をもって示される。有効硬化層の限界硬さは表 1 に示したとおりで、今回はS45C 材のため HV450 が限界硬さということになる。

＊

滋賀県工業技術総合センター機械電子担当-5-

鋼の炭素含有量［%］0.23～0.33未満
0.33～0.43未満
0.43～0.53未満
0.53以上ビッカース硬さHV

ロックウエル硬さHRC
350
400
450
500
出典：JISG0559表1より一部抜粋

36
41
45
49

2.1.2
基準試験体
焼入深 さ基準 試験体 の端 面からの 硬さ推 移 を図 1に示す。なお形状はφ25 の丸棒であり、それぞれの有効硬化層深さは、ほぼ 3mm であることがわかる。
900
800
ビッカース硬さ ［HV0.3］

機械部品は、初期検査、中間検査、最終検査と下流になるに従い、検査項目数が増加する傾向が高く、特に高価な部品や、高精度かつ複雑部品であるほど
破壊検査の数を減らすことが重要な課題となっている。
非破壊検査は、超音波や放射線等を用いて正常な製品を基準として、破壊することなく異常品を判別することができ、全数検査も可能なことから近年要望が増えてきているが、現場で利用するためには課題が多い。
本研究では、焼入れ硬化層の欠陥検出を行うため、焼入深さを変えた試験体を作製し、検査に最適な測定方法・計測手段及び使用周波数等の検査条件を明らかにするため、まずは、10MHz の超音波探触子を用いて、全没式水浸法により、縦波を入射角を変化させて入射し、表面反射波近傍の波形を調べた。

700
600
500
400
300
200
100
0
0

1000

2000
3000
4000
端面からの深さ［μm］

5000

図 1 硬さ推移曲線

2.2 超音波測定
2.2.1 装置概要
超音波測定は図 2の様に、全没式水浸法で探触子と試験体と法線のなす角度θを変化させ行った。

Energｙ=32uJμJ
Energy=32

超音波送受信超音波送受信機

Energy=16
Energｙ=16uJμJ

オシロスコー
オシロスコープ
θ

水浸法
S

S：表面反射波
B:組織散乱波

Energｙ=8uJμJ
Energy=8

S

Energy=4
Energｙ=4uJμJ

B

B
Energｙ=2uJμJ
Energy=2

Energy=1
Energｙ=1uJμJ
図 2 実験機器構成図

表面反射波

0.1μs

図 3 生材の垂直入射結果
2.2.2
装置仕様および装置仕様 および測定条件
および 測定条件測定装置の仕様と測定条件を表 2に示す。

Energy=32
Energｙ=32uJμJ

表 2 装置仕様および測定条件
超音波送受信機
Maker
Panametrics
Model
5900
Modes
Pulse/Echo
Pulse Rate 2KHz
Energy32uJ
Damping50Ω
High Pass 1KHz
Low Pass 20MHz
Attenuation 0.0dB
GAIN
54ｄB
RF Phase 0°

Energy=16
Energｙ=16uJμJ

超音波探触子Maｋer
Harisonic
Model
I4-1008-T
Frequency
10MHz
Focus Distance 76.2mm
Diameter
12.7mmEnergy=8
Energｙ=8uJμJ
Energy=4
Energｙ=4uJμJ
Energｙ=2uJ
Energy=2
μJ

オシロスコープ
Maker
LeCroyModel
9341L

Energｙ=1uJμJ
Energy=1

表面反射波

3. 測定結果および測定結果 および考察
および 考察
3.1 高周波焼入れ垂直入射（θ=0°）θ=0°の垂直入射による測定では、超音波探触子の送信パルスの Energy を 1、2、4、8、16 および 32μJ
まで変化させて表面反射波の直後の波形部分の時間軸を拡大して観察した。焼入れをしていない生材と焼入れ深さ 3mm の場合の受信波形をそれぞれ図 3 と図4 に示す。
生材と焼入を行った試験体の表面波形直後の受信波形を比較すると、図 4 に 8、16 および 32μJ で、3 番目のピーク以降の波形に 硬 化 層 か ら の散 乱 波 によると考えられる波形の乱れが確認できるが、硬化層界面からの明確な反射波とまでは認められない。

-6-

0.1μs

図 4 焼入れ深さ 3mm の垂直入射結果
3.2 斜角入射
斜 角 入 射 に よ る 測 定 で は θ =10.0°～ 13.0°ま で0.5°ス テ ッ プ 毎 に 変 化 さ せ て 表 面 反 射 と そ の 近 傍の受信波形を測定した。
焼入れをしていない生材と焼入れ材（深さ 3mm）の場合の信号波形をそれぞれ図 5 と図 6 に示す。
図 5 の生材では、どの入射角でも表面反射波と思
われる受信波以外のピークは認められない。それに対し、図 6 の焼入れ材では、θ=10、10.5、12 および 12.5°において、表面反射波と思われるピークの
約 1μsec 後にもうひとつのピークが見られる。

4. まとめ
一定の有効硬化層深さを持 つ焼入れ基準試験体を用い、全没式水浸法により、周波数 10MHz の 76.2mm
フォーカス距離の焦点型探触子を用いて超音波を垂直入射並びに斜角入射させ、次のような結果を得た。

θ=13.0°θ=12.5°

θ=12.0°（1）垂直入射では、表面反射波直後の波形に、硬化層の影響と思われる波形の乱れが僅かに観察できたが、明確な硬化層と非硬化層からの反射波形かどうかの確認まではできなかった。

θ=11.5°

θ=11.0°（2）斜角入射では、焼入れ無しの受信波形では、角度を変化さ せても表 面反射 波近傍の波 形に殆ど 変化は無かったが、3.0mm の焼入れ深さの試験体では、入射角により 硬化深さ 距離の 往復伝搬時 間に近い 波形
ピークが確認された。

θ=10.5°

θ=10.0°2μs

5. 今後の
今後 の 課題

図 5 生材の斜角入射結果

垂直入射法での波形に関しては、分散性等を検討するなどにより、硬化層の影響を調査し、直接硬化層深さの判断が可能かを検討する。
また、斜角入射についても、分離した波形が、組織
散乱波かどうかを伝搬経路等を詳細に検討することで、明確にし、硬化深さ評価に適用していきたい。

θ=13.0°θ=12.5°参考文献
θ=12.0°1)
θ=11.5°2)

θ=11.0°約1μsecθ=10.5°3)

θ=10.0°

4)

2μs

5)

図 6 焼入れ深さ 3mm の斜角入射結果
鉄鋼の縦波音速は約 5,900m/s であるが、焼入部分の音速は生材より速いため約 6,000mm/s 相当と考えら
れ［6］、この場合 1μsec は距離で 6mm 相当になり、入射角を考慮してもほぼ往復距離相当となっている。
但し、このメカニズムについては、今後実験によりさらに確認する必要がある。

-7-

6)

7)
8)

永島良昭、超音波と渦電流の複合による表面層の深さ方向硬度の非破壊測定、非破壊検査協会
秋期講演論文集、pp.195-196（1999）
三原毅他、組織散乱エコーによる硬化層深さの評価、非破壊検査協会秋期講演論文集、
pp.315-322（1994）
福岡秀和他、鉄道レールの冷間加工層、『音弾性の基礎と応用』、オーム社、pp.187-192（1993）
長秀夫他、表面波の速度分散の定量化とメッキ
層特性の非破壊評価、非破壊検査協会秋期講演
論文集、pp.23-26（1994）
遠藤敏夫他、非破壊式焼入れ硬化層深さ測定装置の開発、日本金属学会、30 巻、5 号、pp.422-444（1991）
日本非破壊検査協会編、超音波によるロール硬化層の測定、『音弾性』、日本非破壊検査協会、
pp.112-113（1994）
中村僖良編、『超音波』、コロナ社（2003）
前田宣喜他、『非破壊試験の理論』、丸善プラ
ネット（2007）ものづくり価値を評価する手法の開発研究（第１報）

要旨

山下 誠児*

野上 雅彦**YAMASHITA Seiji*

NOGAMI Masahiko**

商品のもつ曖昧な感性価値の分析および評価手法の確立を目指し、清酒ラベルをサンプルの評価対象として、67 組の評価項目を用いて SD 法（Semantic Differential method）
による予備アンケートを実施した。11 組の評価項目に整理し、評価対象を評価項目軸に配置して傾向を考察した。この結果、本番アンケートでの回答の傾向予測とデザイン要素を抽出することができた。

１ はじめに

1.形容詞とその対義語を 40～50 組（感性語）準備
2.評価対象を準備（写真でもよい）

現在、国内の産業は、ニーズの多様化や低価格商品

3.評価対象と感性語を用いて予備アンケート（SD 法で 10〜20 人）

をはじめとする海外商品の流入によって激しい競争に

4.評価結果が分散、中心に集中した感性語を削除し 10〜15 程度に整理さらされている。また、現代の成熟した市場では、高5.整理した感性語によって本番アンケート（SD 法で 100 人程度）
6.アンケート結果から同傾向の感性語をまとめる機能であるから、あるいは低価格であるからという理7.デザイン要素を抽出し、まとめた感性語と関連づける（感性モデル）

由だけではものが売れなくなっている。消費を喚起拡

8.サンプルを用いて感性モデルを評価、構築

大するために作り手は機能、信頼性、価格といった従Fig.1

来価値だけでなく、それらの要素を超えた＋αの感性

感性工学での評価方法

価値、例えば素材や製法など見えないところまでこだ
わり、感動や共感が生まれるような商品のストーリー*２点試験法、*３点試験法、*１対２点試験法、*２対５点試験法、*Ａ
非Ａ試験法、*順位法、*分類、*格付け法、*採点法、*等級付け、*簡
単な記述的試験法、*定量的記述的試験法及びプロファイル法、多変量解析、コンジョイント分析、ＡＨＰ、共分散構造分析、経時データ分
析、相関分析、回帰分析、重回帰分析、ロジスティック回帰分析、コレスポンデンス分析、ＳＤ法、レパートリーグリッド発展手法、平均順位法、３Ｐタスク分析、因子分析、主成分分析、自己組織化マップ（ＳＯＭ）、クラスター分析、評価グリット法、ニューラルネットワー
クなど

やメッセージを、消費者へ伝える売り方を含めた商品づくりが重要になっている（参考１）。
感性価値を消費者へ伝えるには、作り手が感性価値の重要性を認識すること、作り手が消費者の目線に立つこと、企業は感性価値が分かる人材を育成すること、作り手が優れたデザイナーと協力すること、売り方や見せ方を工夫することなどが必要である（参考Fig.2

他の評価手法＊がついたものは JIS１）。しかし、感性価値は曖昧なものであるため、作り手がいくら消費者の目線に立っても何が感動や共感を与えているのか、どのようにすれば感動や共感が生まれるのか。また、商品企画やデザインするとき、デ２ 評価手法調査

ザイナーとの協力の仕方も不明確である。
そ こ で 本 研 究 で は 、 SD 法 や 自 己 組 織 化 マ ッ プ

2.1 調査（SOM：Self-Organizing Maps、コホネン）を活用し、

日本感性工学会（1998 年設立）では、曖昧な感性

曖昧な感性価値の分析および評価手法の確立を目指

を人文科学系や自然科学系など様々な視点で研究してす。そのためにまず、SD 法によるアンケート結果をいる（参考２）。商品の感性価値を評価する主な手法

分析し、消費者が商品のどこからどのようなイメージ

を Fig.1 に示す。

を感じているか、また逆に、作り手がどのようなデザ

その他に、JIS の官能評価手法で食品や化粧品向け

イン（色や形）にすればイメージを消費者へ上手く伝の評価手法などがある（Fig.2）。

えることができるかを明らかにする。

2.2 手法
評価する商品（または類似する商品）のカタログや、商品について書かれた書籍、Web などから、商品を形容している言葉を抜き出し（抜き出した言葉のほとんどが形容詞）、その言葉の対義語を組にして、***滋賀県工業技術総合センター 機械電子担当
滋賀県 新産業振興課-8-

40 から 50 項目の評価軸とする（以下、組にした形容
1.辛くないー辛い2.渋くないー渋い
3.甘くないー甘い4.苦くないー苦い
5.酸っぱくないー酸っぱい
6.水っぽくないー水っぽい
7.フルーティーでないーフルーテ
ィーな8.ドライなースイートな
9.かどがあるーあっさりな
10.とげとげしいー丸みがある
11.淡白なー濃厚な12.淡麗なー芳醇な13.さっぱりしていないーさっぱりした
14.まろやかでないーまろやかな15.ふっくらしていないーふっくらした
16.こくがないーこくがある
17.後味が悪そうー後味が良さそう
18.冴えていないー冴えた19.不安になるー安心できる
20.まずそうー美味しそう
21.シャープなーマイルドな22.軽薄なー重厚な23.くせがないーくせがある
24.乏しいー豊かな25.切れ味がないー切れ味がある
26.口当たりが悪いー口当たりが良い
27.下品なー上品な
28.気品のないー気品がある
29.濁ったー澄んだ
30.モダンなー伝統的な31.ゆるいー引き締まった
32.粗雑なー繊細な
33.平凡なー貴重な
34.質素なー贅沢な35.安っぽいー高級な36.緊張するーほっとする
37.一般的なー個性的な38.男性的なー女性的な39.荒削りなー洗練された

40.下品なー上品な41.おとなしいー派手な42.気品のないー気品がある
43.モダンなー伝統的な44.粗雑なー繊細な45.素朴なーシャレた
46.平凡なー貴重な
47.質素なー贅沢な48.安っぽいー高級な49.調和のないー調和のとれた
50.冷たそうなー暖かそうな
51.ごてごてしたーすっきりした
52.暗いー明るい53.野性的なー知的な54.かわいらしくないーかわいらしい55.曲線的なー直線的な56.一般的なー個性的な
57.凸凹したー平らな
58.落ち着いていないー落ち着いた
59.センスのないーセンスがある
60.若々しいー大人っぽい
61.親しみにくいー親しみやすい
62.保守的なー革新的な63.わざとらしいーさりげない
64.男性的なー女性的な65.荒削りなー洗練された
66.複雑なー単純な67.フォーマルなーカジュアルな詞を感性語という）。
次に、評価対象である商品と類似する商品（写真でもよい）を用意して、10 から 20 人に SD 法を用いて予備アンケートを実施する。この予備アンケートは、回答が分散、または集中する感性語を無意味な感性語としてあらかじめ削除することで、本番のアンケート
調査と解析を円滑にすることを目的に実施する。
その後、整理した感性語を使い 100 人程度に本番のアンケートを実施し、同傾向の感性語をまとめる。一方で商品のイメージを作り出しているデザイン要素を抽出して、まとめた感性語とデザイン要素を関連づける。この関連づけを検証して、感性を評価する手法（以下、感性モデル）を作成する。さらに、自己組織化マップを利用して、感性語とデザイン要素の関連づけを２次元マップに変換し、より分かりやすく表現する（参考１０）。
2.3 効果前述のような感性モデルを構築すると、作り手、デザイナー、売り手、消費者それぞれの間に、同一の商品イメージができあがりやすくなるので、ものづくりが円滑に進むと考えられる。例えば、消費者が「スマートな」イメージの商品を望んでいるとき、それと関連するデザイン要素が「直線的、青」であれば、その要素を盛り込んだデザインにするようデザイナーに注文すればよい。また、デザイナーから提出された案を確認するときにも利用できる。

３ 予備アンケート
3.1 感性語

Fig.3 67 組の感性語

感性モデルを構築するサンプルとして、日本酒（清酒）ラベルを選択した（平成 18 年度と 19 年度に日本●北海道・東北（14 銘柄）
札幌国税局、仙台国税局
北海道、青森、岩手、宮城、秋田、山形、福島●関東・信越（20 銘柄）
関東信越国税局、東京国税局
茨城、栃木、群馬、埼玉、新潟、長野、千葉、東京、神奈川、山梨●北陸（6+4 銘柄）
金沢国税局
富山、石川、福井●東海（8+2 銘柄）
名古屋国税局
岐阜、静岡、愛知、三重●近畿（12 銘柄）
大阪国税局
滋賀、京都、大阪、兵庫、奈良、和歌山●中国（10 銘柄）
広島国税局
鳥取、島根、岡山、広島、山口●四国（8+2 銘柄）
高松国税局
徳島、香川、愛媛、高知●九州・沖縄（14 銘柄）
福岡国税局、熊本国税局、沖縄国税事務所
福岡、佐賀、長崎、熊本、大分、宮崎、沖縄、
（鹿児島）

Fig.4

酒ブランド構築の研究に取り組んでいること、日本酒
ラベルのデザイン経験があることから、取り組みやすさを考慮した）。
日本酒関連や感性工学の資料および Web から Fig.3に示す 67 組の感性語を作成した（参考３から８）。対義語の候補が複数ある形容詞は、否定する表現を用いた。
Fig.3 の 1 から 39 の感性語は、ラベルから受けるお酒の味のイメージとして抽出、40 から 67 の感性語はラベル自体のデザインイメージを評価する感性語として抽出した。
3.2 ラベル
評価対象とした 100 種類の日本酒（清酒）ラベル
は、酒類総合研究所の日本酒ラベルコレクションを活用して、アルコール度、日本酒度、酸度、アミノ酸度、価格など日本酒（清酒）の情報が分かる銘柄をピ

都道府県、地域別のピックアップ銘柄数

ックアップし、その内 50 銘柄はホームページの飲みたいお酒ランキングを参考に飲みたいお酒を造る蔵元-9-

のラベルを選んだ。また、Fig.3 に示すように地域で
1.辛くないー辛い3.甘くないー甘い5.酸っぱくないー酸っぱい21.シャープなーマイルドな
30.モダンなー伝統的な38.男性的なー女性的な43.モダンなー伝統的な（デザインイメージ）
54.かわいらしくないーかわいらしい
60.若々しいー大人っぽい
62.保守的なー革新的な64.男性的なー女性的な（デザインイメージ）

10 銘柄程度に調整して、地域や知名度に偏りがない
ように配慮した（参考６から８）。
3.3 予備アンケート作成
アンケートは、Fig.5 のような Web ページを作り実
施した。

Fig.6

整理した感性語

各ラベルの各感性語について平均、平均偏差を求めた。平均が±0.2 未満、平均が±0.3 未満かつ平均偏差が 0.5 未満、平均偏差が 0.8 を超える感性語をチェッ
クし、チェックがないものをカウントした。カウント
数が 60 未満を削除し、Fig.6 に示す 11 組の感性語に整理した。
また、整理した感性語について、評価対象のラベルを配置したものが、Fig.7 から Fig.17 である。

Fig.5

予備アンケートの Web 画面

質問の文面によって回答に変化がある可能性を考慮して、ラベルからイメージされる酒の味についての質問と、ラベルそのもののデザインイメージについての質問に分けた。
100 種類のラベルは、回答順の影響が分散するようにランダムに表示させた。

Fig.7

感性語 1：辛くないー辛いFig.8

感性語 3：甘くないー甘いFig.9

感性語 5：酸っぱくないー酸っぱい

回答項目である 67 組の感性語は、左に否定的な形
容詞を配置し、1 から 5 の尺度を付けた。
「辛くない-辛い」の感性語を例にすると、サンプルの清酒ラベル
から「辛い」イメージを受けたときは「辛さ」の度合
いによって右方の「4」または「5」をクリックするよ
うにし、逆に「辛くない」イメージを受けたときは左方の「2」または「1」をクリックして評価するようにした。
3.4 回答者
予備アンケートは、本番のアンケートに向けた感性語の整理が目的であるので、当センターの職員 20 名を回答者とした。

４ 予備アンケート結果
予備アンケートは 20 名に実施したところ、有効回
答総数 67000 であった。各感性語では平均 10 人分の回答を得ることができた。
左方のイメージから 1 から 5 の尺度をつけてあり、「1 を-2 ポイント」、「2 を 1 ポイント」、「3 を 0 ポイント」、「4 を 1 ポイント」、「5 を 2 ポイント」として-10-

Fig.10

感性語 21：シャープなーマイルドなFig.15

感性語 60：若々しいー大人っぽい（デザインイメージ）

Fig.11

感性語 30：モダンなー伝統的なFig.16

感性語 62：保守的なー革新的な（デザインイメージ）

Fig.12

感性語 38：男性的なー女性的なFig.17

感性語 64：男性的なー女性的な（デザインイメージ）

本番のアンケート後に感性モデルを構築するためデザイン要素を抽出することになるが、予備アンケート結果から次のことが予測できる。
1.「モダンな」と「革新的な」に相関がある。
Fig.13

感性語 38：モダンなー伝統的な（デザインイメージ）

2.「伝統的な」と「マイルドな」と「大人っぽい」に相関がある。
3.「甘い」と「マイルドな」と「かわいらしい」に相関がある。
4.「女性的な」イメージは「甘く」、「男性的な」イメ
ージは「辛い」。
5．ラベルからイメージされる味とラベルデザインのイメージを分けた質問は、同様の傾向を示す。

Fig.14

また、デザイン要素は、「文字と背景のコントラス

感性語 54：かわいらしくないーかわいらしい（デザイン

ト」、「文字」、「暖寒色」、「モノトーン」、「人物」、「動イメージ）

物（鶴、鯛、亀など）」、「植物（桜、梅など）」、「自然（ 川 、 山 な ど ）」 な ど が 抽 出 で き る と 考 え ら れ る（Fig.18）。
例えば、文字と背景のコントラストが高いと辛い、
シャープな、若々しいイメージになる。暖色で特に桃色は甘く、マイルドでかわいらしいイメージになる。

-11-

参考

鶴など動物は伝統的で大人っぽいイメージになり、桜や梅の植物は伝統的で女性的なイメージになる。山や1.

海の自然は男性的イメージで、川は女性的イメージに

感性価値創造イニシアティブ － 第四の価値軸の提案 －、経済産業省（2007）

なっている。また、文字では、細幅で長い単調な草書風は女性的イメージでふっくらした文字も女性的イメージになっている。

2.

日本感性工学会

3.

日本の美酒 吟醸酒、大久保亀三郎編集、日之http://www.jske.org/

出出版（1986）
1．文字の形状
2．文字と背景のコントラスト
3．暖色
4．寒色
5．桃色
6．モノトーン
7．着物
8．鶴
9．亀
10．桜
11．梅
12．花びら
13．川
14．山
15．海

Fig.184.

酒屋さんが書いた酒の本、大越貴史著、三水社（1987）

5.

感性工学、長町三生著、海文堂（1987）

6.

酒類総合研究所／日本酒ラベルコレクション
http://www.nrib.go.jp/sake/sl/sl_top.htm

7.

由紀の酒／日本酒ラベル
http://www.yukinosake.com/04-00label.html#hokkaido

8.

デザイン要素一度は飲んでみたい有名日本酒のブランドランキング
http://ranking.goo.ne.jp/ranking/013/sake_brand/

5 まとめ

9.

予備アンケートから感性語の作成方法、アンケート

ヒットを生む経験価値創造、長沢伸也、日科技連出版社（2005）

回答様式の作成方法、回答の分析方法、感性語の整理

10.

方法を確認できた。また、本番アンケートでの回答の感性商品開発の実践、日本感性工学会

長沢伸也、日本出版サ－ビス（2003）

傾向予測とデザイン要素を抽出することができた。
今後は、清酒ラベルの本番のアンケートを実施し、11.

感性をめぐる商品開発、長沢伸也

日本感性工

それ以外の商品（サンプル）についても同様に実施

学会感性商品研究部会、日本出版サ－ビス

し、各種パターンの感性モデルの構築を目指す。

（2003）

機能、信頼性、価格を超えた＋αの感性価値を評価するには、素材や製法などのこだわり、商品のストー
リーやメッセージを感性語に変換して、同様のアンケートを実施することになる。しかし、ストーリーやこだわりなどは、ほとんどが商品の外観からは見えない情報である。そのため、文章やビデオ映像など補足の説明が必要になると考えられる。それらをどのようにアンケートに取り入れるかが課題である。

謝辞
研究を遂行するにあたり、多くの方からご指導を受けました。特に立命館大学情報理工学部知能情報学科の亀井且有教授、情報システム学科の Eric W. Cooper
准教授、中岡伊織助手、日本福祉大学健康科学部福祉工学科健康情報専攻の大場和久准教授に感謝を申し上げます。
また、予備アンケートの回答に協力いただいた方に感謝いたします。

-12-

ひずみゲージを用いた触覚センサの開発（第４報）
１

藤井 利徳*
FUJII Toshinori

要旨

高機能内視鏡に搭載可能で、内視鏡による触診に使用可能な触覚センサの製作を試み、その性能評価を実施した。対象物の硬さを測定するためのひずみゲージを貼りつけた薄膜部と、測定対象に貼りつき、測定箇所を吸い上げるための吸引機構を有する触覚センサを作製した。
摘出した胃壁の硬さ測定を実施した結果、胃壁の粘膜側と外壁側の差を検出することができ、吸引による硬さ測定が可能であることを確認した。これらの結果から、本触覚センサを用いたガン部位を特定できる可能性を見いだせた。

１ 緒 言

吸引

シリコンチューブ

近年、外科手術において腹腔に小さな穴を開け、その穴から腹腔鏡や術具を挿入し、テレビモニタを見な
がら鉗子などの術具を操作する腹腔鏡手術が適用されるケースが多くなっている(1)。開腹手術に比べて、入院期間の短縮、社会復帰の早期化など患者への負担が大幅に軽減されるという利点がある。また、口腔や鼻ひずみゲージ腔から挿入して行う内視鏡手術についても、日々、使用器具の高機能化が進み、より低侵襲な手術が可能になっている。しかしながら、どちらの手術方法においても術部付近を直接指で触れることができないため、

ひずみゲージ出力配線

指先による触診ができないという問題がある。実際、薄膜部（30μm）

胃ガンの手術では、標本採取や各種検査と同時に、指図１ 吸引式触覚センサの模式図

で患部付近を触り、硬さの違いによってガン部位と正常部位の判別を行っている。そこで、腹腔鏡・内視鏡
手術においては指のかわりになり、その部分の硬さが測定できる触覚センサが必要とされている。
昨年度までの研究において、ひずみゲージを貼った薄膜部に圧力を付加することで対象物の硬さを測定するセンサを試作し、性能評価を行った。その際、圧力を加える方法では、硬さに対する分解能が十分に得られなかった(2)。このことから、本年度は測定部位を吸引することで硬さ測定するセンサの開発を目的とし、センサの試作、性能評価を実施した。

２ 実験方法図２ 胃壁を用いた硬さ測定風景

2.1 触覚センサの作製方法

盤により薄膜に成形し、そこにひずみゲージを接着

図１に、作製する触覚センサの模式図を示す。硬さ

し、薄膜部の変形を検出できるように作製した。測定

検出部は切削加工したアルミ合金製の円筒の先を研削

箇所を引きつける吸引機構は、硬さ検出部の外側に樹脂製の部品を取り付け、シリコンチューブを経由してポンプに接続した。

*滋賀県工業技術総合センター 機械電子担当-13-

2.2 触覚センサを用いた硬さ測定方法

図４(a)、(b)に、今回のセンサ評価実験に利用した開腹手術により摘出した胃壁を用いた硬さ測定実験

試料の写真を示す。図４(a)は胃壁の粘膜側、図４(b)を図２に示す。まず、治具に作製した触覚センサを取は外壁側の写真である。本試料は、胃ガン手術の際にり付け、ひずみゲージ出力配線を動ひずみ測定機に、摘出された胃壁である。本実験では、この胃壁を用

シリコンチューブをポンプに接続した。吸引圧力は、

い、-7.5kPa、-12kPa、-25kPa の負圧条件で硬さを測定

触覚センサとポンプの間に設置した圧力センサで計測し、粘膜側と外壁側の硬さの違いを比較した。

し、薄膜部のひずみゲージの出力と同時に、計測用コンピュータで記録した。
①

３ 結果および考察②

3.1 作製した触覚センサの概要
吸引

図５に、作製した吸引式触覚センサの概観写真を示す。センサ先端は直径 4mm、厚み 30μm の薄膜であシリコンチューブ

り、ひずみゲージを貼りつけてある。その外側に樹脂で作製した吸引機構を取り付けた。触覚センサ全体の大きさは直径 10mm、全長 18mm である。

図３ 硬さ測定動作
図３に、吸着を利用した硬さ測定方法の模式図を示す。まず、治具に固定した触覚センサを測定対象物に軽く接触させ（図３①）、ポンプのバルブを開けて測定箇所を吸引する（図３②）。吸引により測定箇所が触覚センサの薄膜部に押しつけられ、薄膜部が変形する。そのときの薄膜部の変形量をひずみゲージにより

図５ 製作した吸引式触覚センサ

検出し、測定箇所の硬さを計測した。

3.2 胃壁の硬さ測定結果(a) 粘膜側図 6 に、胃壁粘膜を測定した際の測定データのグラフを示す。グラフの横軸は時間（秒）、縦軸は電圧（V）である。黒色で表示したデータが圧力値であり、電圧が 1V 減少するごとに、圧力が 25kPa 減少することを意味している。灰色で表示したデータがひず
みゲージの出力であり、電圧が 1V 上昇すると、薄膜部に 200μεの引張ひずみが発生したことを意味する。バルブを開けることでポンプから吸引され、所定の負圧が発生する。さらに、負圧により胃壁が吸引さ6(b) 外壁側

520kPa

電圧V /Volt4
吸引負圧( 30kPa/V)

3
2

ひずみ出力
( 200με/V )

1
0

84με

-1
0

10

20

30

40

50

60

70

時間 t/sec

図４ 測定に用いた胃壁試料の写真

図６ 胃壁の負圧および硬さ測定データ(a) 粘膜側, (b) 外壁側-14-

り、小型化が来年度の課題である。

れ、薄膜部にひずみが発生する。本実験では、バルブ

また、今年度の実験に用いた胃壁は、明確にガン部の開閉による吸引動作を数回行い、同一条件で複数回位が存在するものでなかったため、ガン部位の探索をの硬さ測定を行った。
図７(a)、(b)および(c)に、胃壁の粘膜側および外実施することができなかった。来年度は、小型化する

壁側をそれぞれ(a)-7.5kPa、(b)-12kPa および(c)-と同時に、ガン部位を含む試料の測定を実施する。

25kPa で吸引したときのグラフを示す。-7.5kPa で吸引した場合、粘膜側と外壁側で薄膜部に発生するひず

４ まとめ

み量はほぼ同じ程度であった。-12kPa、-25kPa と負圧をかけるにしたがって、両者の差が大きくなった。

(1) ひずみゲージを貼りつけた薄膜部で対象物の硬さ

このことから、適当な負圧で吸引することにより、組を測定する吸引式の触覚センサを作製した。大きさ

織の違いを検出することができると考えられる。まは、直径10mm、長さ18mmとなった。本触覚センサ

た、本実験では、同じ負圧で吸引すると軟らかい組織

は、ポンプのバルブを開くことにより測定箇所を吸引のほうが多く吸い込まれ、薄膜部の変形量も大きくな

し、対象物の硬さ測定するものである。

る。したがって、軟らかい組織のほうが、薄膜部に発(2) 上記の触覚センサを用い、摘出した胃壁試料の硬生するひずみ量が大きくなることを示している。

さ測定を行った結果、粘膜側と外壁側の違いを検出することができた。

100

粘膜側
外壁

(a) –7.5kPa

ひずみ /ε80

なお、本研究は、都市エリア産学官連携促進事業（発展型）～びわ湖南部エリア～「患者負担軽減のた60めのオンサイト診療システムの開発」として実施しま

40

した。

20
0

また、実験にあたっては、国立大学法人滋賀医科大-20

学外科学講座にご協力いただきました。ここに謝意を
0

2

4

6

8

10

表します。

時間 t/sec

100

粘膜側
外壁

(b) –12kPa

ひずみ /ε80

参考文献(1) たとえば、http://www.gsic.jp/cancer/cc_02/ysc02/(2)

40

告，12-14（2007）

20
0
-20
0

2

4

6

8

10

時間 t/sec
100

粘膜側
外壁

(c) –25kPa

80
ひずみ /ε藤井利徳：滋賀県工業技術総合センター研究報

60

60
40
20
0
-20
0

2

4

6

8

10

時間 t/sec

図７ 種々の負圧で胃壁を測定したときのひずみ出力結果 (a)-7.5kPa, (b)-12kPa, (c)-25kPa
本年度に作製した吸引式の触覚センサは、先端部の直径が 10mm である。腹腔鏡で利用する場合はこの大
きさで十分だと考えられるが、内視鏡の鉗子口に挿入するためには、直径 3.5mm 以下で作製する必要があ-15-マイクロ波センサの高機能化に関する研究（第３報）－任意の検知エリア実現のための設計手法の確立－

山本 典央*YAMAMOTO Norio
要旨

平野 真*
HIRANO Makoto

マイクロ波帯物体検知センサにおいて、アンテナを交換することなく検知エリアを簡易的に変更・調整可能な手法の開発を目的に、電波レンズの検討を行った。本年度は、電界面金属板レンズと誘電体材料を組み合わせた新しいレンズ（ハイブリッドレンズ：仮称）を独自に考案し、その試作と実測による評価、および電磁界シミュレータによる解析を実施した。その結果、ハイブリッドレンズは、通常の電界面金属板レンズに比べて、アンテナ－レンズ間距離を実測、およびシミュレーション結果ともに約 20%短縮できることを確認した。

電波レンズはアンテナ前面に配置されるため、アン

１ まえがきテナ－レンズ間距離を短縮できれば、結果としてレン

我が国では、人の動きに応じて機器の動作を制御す

ズとアンテナから構成されるアンテナ系の小型化が図る場合に使用するセンサとして、人体が発する遠赤外れる。この目的のために、電界面金属板レンズと誘電線を検知する「熱線センサ」（焦電センサ）や赤外線体材料を組み合わせたレンズ（ハイブリッドレンズ：

センサが広く利用されているが、それらのセンサは周仮称）を考案し、その試作を行った。このハイブリッ

囲温度、あるいは強い外乱光に対して影響を受けやす

ドレンズの概念を図１に、また試作したハイブリッド

い等のデメリットがある。一方、近年では、防犯対策

レンズの構造を図２に示す。

や高齢者の安全対策等、より安全で快適な環境を求め
金属板る消費者ニーズの高まりから、より高度で簡便に利用できる電波センサが求められている。特にマイクロ波

一次放射器

位相同一面

b

帯を使用する移動体検知センサーは、赤外線や超音波E等に比較して機能面や設置の容易性等で優れた特徴を有することから、その利用が期待されている１） 。

誘電体レンズ

しかし、マイクロ波センサは、熱線センサや赤外線

誘電体

L

センサの様に検知エリアを容易に調整・変更することは難しい。検知エリアを変更するためには、アンテナそのものを指向性の異なるものに交換すればよいが、

図１ ハイブリッドレンズの概念図

アンテナの交換が不可能、あるいはアンテナをあらか
じめ複数種用意することが難しい場合がほとんどであ
る。

誘電体材料

金属板で球面を構成

そこで、検知エリア、すなわちアンテナの指向性を金属板
凸レンズ形状構成

比較的容易に変更する手段として電波レンズに着目し、電界面金属板レンズと誘電体材料を組み合わせた
新しいレンズ（ハイブリッドレンズ：仮称）を考案・試作し、その評価を行った。

２ ハイブリッドレンズ
通常の電界面金属板レンズの原理については、参考

励振ポート

ホーンアンテナ

文献 2）、3)を参照されたい。
図２ 試作したハイブリッドレンズの構造* 滋賀県工業技術総合センター機械電子担当-16-

一般的に、誘電体中における電波の伝搬速度は真空

電界面金属板レンズでは 14 °、ハイブリッドレンズ

中よりも遅くなる。この性質を利用して、電界面金属

では 13 °であった。なお、ハイブリッドレンズ装着

板レンズ中心部から周辺部にかけて負の勾配をもたせ時のアンテナ－レンズ間距離 L は 5.5cm であり、電界るように誘電体の厚さを変化させながら配置する。誘面金属板レンズ装着時の 7cm と比較して、約 20 ％短

電体の厚さが大きい程、その箇所を通る電波の位相面縮できた。

が遅れるため、電界面金属板レンズの中心部に近い程、レンズ中を透過する電波の位相面を遅らせることが可

3.2 電磁界シミュレータによる指向性の解析能となる。この結果、通常の電界面金属板レンズより

三次元電磁界シミュレータ（MW STUDIO：AET 社）

もアンテナに近づけて配置することが可能となる。

を使用して、電波レンズの指向性の解析を実施した。
誘電体を装填しない通常の電界面金属板レンズの指向性の解析結果を図５に示す。このときのアンテナ－

３ 測定、および解析結果

レンズ間距離 L は 7cm である。

3.1 実測による指向性変化の測定

図５より、HPBW が 11.8 °、またメインローブに

3m 法電波暗室において、ハイブリッドレンズによ対するサイドローブの値（サイドローブレベル）はるアンテナの指向性の変化を測定した。その測定系全-12.4dB となることが分かる。

景を図３に示す。アンテナ指向性の測定系の詳細については、参考文献 3)を参照されたい。
送信アンテナ

Half-Power Beamwidth（＋レンズ）（半値角）
HPBW = 11.8 deg
Side lobe = -12.4 dB
受信アンテナ

信号発生器

アンテナ設置台
ターンテーブル

図５

電磁界シミュレータによる金属板レンズの指向性の解析結果（H面，L=7cm）

図３ アンテナ指向性の測定系全景

誘電体を装填したハイブリッドレンズとアンテナ間

電界面金属板レンズに誘電体材料を組み合わたレン

距離 L が 7cm、6.4cm、6cm、および 5.5cm の場合のズ（ハイブリッドレンズ）を使用した場合の指向性の指向性の解析結果を各々図６、図７、図８、および図

変化を、図４に示す。

９に示す。
Half-Power Beamwidth（半値角）

Half-Power Beamwidth（半値角）

HPBW = 45 deg

HPBW = 11.0 deg

HPBW = 14 deg

Side lobe = -10.5 dB

HPBW = 13 deg

図４

パッチアンテナとハイブリッドレンズを組み合わせた時の垂直偏波時（H面）の指向性
図６

指向性を評価する指標の一つである半値角（HPBW

電磁界シミュレータによるハイブリッドレンズの指向性の解析結果（H面，L=7cm）：Half-Power Beamwidth）は、アンテナ単体では 45 °、-17-

また、メインローブの大きさは 20.0dBi から 21.1dBi
Half-Power Beamwidthと増加し、HPBW は 11.0deg から 11.9deg と微増する（半値角）ことが分かった。なお、解析に用いたホーンアンテナ

HPBW = 11.2 deg

単体の指向性の解析結果は、メインローブが 12.2dBi、Side lobe = -11.4 dB

HPBW が 50.4 °、サイドローブレベルは-20.0dBi となるという解析結果であった。
これらのことから、ハイブリッドレンズによってメ
インローブの最大値を増加させ、また、サイドローブを低減させると同時に、アンテナ－レンズ間距離が約20%短縮できることが解析結果においても確認できた。

図７

電磁界シミュレータによるハイブリッドレンズ

４ まとめと課題の指向性の解析結果（H面，L=6.4cm）

試作した電界面金属板レンズと新たに考案・試作したハイブリッドレンズを用いてアンテナ指向性の変化を実験的に評価した結果と、三次元電磁界シミュレー

Half-Power Beamwidth

タも用いた解析結果、および、今後の課題を以下に記

（半値角）

す。

HPBW = 11.3 deg
Side lobe = -12.9 dB（１）今回新たに考案・試作した電界面金属板レンズに誘電体材料を組み合わせたレンズ（ハイブリッドレンズ）によって、誘電体を装填しない電界面金属板レンズと比較して、アンテナ－レンズ間距離を約 20%短
縮できることが実測によって確認できた。
（２）電磁界シミュレータの解析結果によって、ハイブリッドレンズによって、誘電体を装填しない電界面
金属板レンズと比較して、メインローブを増加させ、
図８

電磁界シミュレータによるハイブリッドレンズ

サイドローブレベルを低減できることが確認できた。

の指向性の解析結果（H面，L=6cm）

さらに、ハイブリッドレンズは、電界面金属板と比較して、アンテナ－レンズ間距離を約 20%短縮できることも確認できた。
今後は、ハイブリッドレンズに使用する誘電体材料

Half-Power Beamwidth（半値角）の形状と材料特性を検討し、さらなるアンテナ－レン

HPBW = 11.9 deg

ズ間距離の短縮やサイドローブ低減に取り組む。また、Side lobe = -13.4 dB

様々なタイプのアンテナとレンズの組合せも検討して
いく。

参考文献
1) 総務省報道資料，"セキュリティ分野等の電波センサーの実現に向けて"
図９

http://www.soumu.go.jp/joho_tsusin/pressrelease/japa

電磁界シミュレータによるハイブリッドレンズ

nese/sogo_tsusin/010418_8.htmlの指向性の解析結果（H面，L=5.5cm）

2) John D. Kraus, Ronald J. Marhefka, "Antennas for
All Applications 3d ed.", McGRAW-HILL, 2003,

この解析結果から、ハイブリッドレンズの場合、ア

Chap. 17.

ンテナ－レンズ間距離が 7cm から 5.5cm と短くなるに

3) 山本典央，"滋賀県工業技術総合センター研究報

つれてサイドローブレベルが-10.5dB から-13.4dB と小告", pp1-5, 2006.

さくなっていくことが分かった。特に後方放射に限ってみると、7dB 程度も低減されていることが分かる。

-18-

静電気放電（ESD）試験に関する研究－水平結合板への間接放電における ESD ガン配置の供試機器へ及ぼす影響比較－

山本 典央*YAMAMOTO Norio

要旨

高 義礼**TAKA Yoshinori

藤原 修**
FUJIWARA Osamu

ESD ガンを水平結合板上面に対して鉛直下方（IEC 旧規格）と同結合板端面に対して垂直方向（IEC 新規格）の両配置で間接放電させ、供試器とした回路基板パターン上の誘導電圧を測定した。その結果、新規格の配置では旧規格のそれと比較して、誘導電圧の波形ピークは数分の一小さく、放電位置に対する依存性も極めて小さいことから、新旧の規格で試験結果に差異が生じる可能性があることが分かった。
いるが、各面の基準位置が規格に明記されていないた

１ まえがきめ、印加位置が一意的に決まらず、同一供試品であっ近年の半導体技術の飛躍的な進歩に伴う IC の高速ても試験サイトや試験実施者によって試験結果が異な・高集積化の結果、高性能かつ高機能化された様々なるという問題が生じている。

電子機器が市場に供給されている。一方で、これら電本報告では、IEC 規格の ESD 試験法の改定前後で

子機器の電磁雑音に対する耐性の劣化が問題となって変更となった ESD ガンの水平結合板に対する間接放きている。特に、帯電した人体によって引き起こされ電試験方法が供試品へ及ぼす影響の比較結果を示す。

る静電気放電（ESD：Electrostatic discharge）は、広帯域の過渡電磁雑音を含むため、ハイテク機器ほど深刻

２ ESD ガンの水平結合板への間接放電な誤作動を引き起こす[1], [2]。
このような背景から、ESD に関する電子機器の耐図 1 は改訂前の ESD 規格 IEC1000-4-2 1995-01[4]に性（イミュニティ）試験法が国際電気標準会議（IECよる卓上機器に対する試験機器配置例を、現行規格：International Electrotechnical Commission）で既に標IEC61000-4-2 2001-04[3]のそれ（図中の円内）と併せ準化されている。例えば、IEC61000-4-2 2001-04[3]でて示す。改訂前の ESD 規格では、水平結合板へ間接は、帯電人体からの ESD を模擬した静電気試験法が放電する場合、ESD ガンの放電電極を水平結合板に示され、静電気放電試験器（以降は ESD ガンと呼対して鉛直下向きの状態で結合板に接触させていたぶ）の典型的な放電波形が具体的に規定されている。

が、現行規格では、水平結合板の端（エッジ）の部分

また、ESD ガンによる供試品への ESD 印加方法につに対し垂直に放電電極を当てて印加することに改訂さいても、ESD ガンから供試品へ直接印加する方法
ESD-gun（直接放電）と、供試品周辺に静電気放電が起きたとHorizontal coupling plane

きの供試品への影響を模擬するために、垂直および水EUT

平結合板へ印加する方法（間接放電）が具体的に規定

Insulation

されている。これらの印加方法のうち、IEC1000-4-2
1995-01[4]は ESD ガンを水平結合板の上面に対して鉛

0.1m

直下方へ接触放電させてきたが、IEC61000-4-2 200104[3]では結合板の端（エッジ）に対して垂直方向に接触放電することに変更されたため、規格改訂前後で試験データに相関が取れないことが関連業界において経験的に知られている。また、水平結合板への印加時には、供試品の各面から 10cm 離れた位置に ESD ガ

Power supply

ンの放電電極を接触させて放電することが規定されてGround reference plane* 滋賀県工業技術総合センター機械電子担当** 名古屋工業大学大学院

Resistor 470kΩ
Wooden table

図 1 卓上機器に対する試験機器配置例-19-

100mmDielectric

Microstrip

50mm

50Ωcoaxial cable(To a digital oscilloscope)
160cm

50mm

4.4mm
R2.2

Insulation
80cm

Horizontal coupling plane

Styrene foam
3.5cm

R2.2

31cm

PCB
ESD-gun

図2

供試品模擬用基板

80cmれた。この改訂によって変更された ESD ガンの向きの違いにより、同一供試品であっても試験結果の異なDischarge return cable

Resistor 470kΩ

ることが経験的に知られている。

Ground reference plane

Wooden table(a)

３ 評価用回路基板と測定法
本章では、ESD ガンの向きによる供試品への影響

50Ωtermination

To a digital oscilloscopeの違いを評価するために、供試品内部の回路基板を模

Styrene foam

擬するための簡易基板を作製し、放電によって基板上のパターンに誘導される電圧波形を測定する。なお、

P3

ESD 規格改定前後においても、供試品に対する印加箇所は同じである。即ち、供試品の各面に対して印加箇所は変更されず、それぞれの面から 10cm 離れた箇

P2

2.5cm

P1

2.5cm

ESD-gun

所のままである。
図 2 に供試品とした評価用の簡易回路基板を示10cmす。同基板は厚さ 1.6mm のテフロン基板であり、そ31cmの上にはマイクロストリップライン（特性インピーダ
ンス：50Ω、長さ：50mm）のパターンを形成し、両Insulation

PCB

Horizontal coupling plane

端にはスルーホールを設け、全面グラウンドとした基
板裏面に取り付けた SMA コネクタの中心導体とパタ(b)ーンを接続している。なお、図の回路基板は、ノイズ抑制シートの特性評価法の国際規格 IEC62333-2 Ed.1.0

図3

測定系(a)と ESD ガンの印加位置(b)en:2006[5]に基づいて製作したことを付記する。
図 3(a)に測定系全体図、同図(b)に ESD 印加点をそ

ESD を印加し、回路基板上のパターンの誘導電圧を測定した。なお、充電電圧は 10kV とした。

れぞれ示す。
測定系は、図 2 の基板パターン面を水平結合板に向けた状態で発泡スチロール上に設置、基板裏面にある４ 結果と考察

SMA コネクタの片方に 50Ω終端を取り付け、他方のコネクタには 50Ω同軸ケーブルを介してデジタルオ

図 4 は、図 3(b)中の P1 への ESD ガンの間接放電にシロスコープ（入力インピーダンス：50Ω、帯域幅：

対して回路基板上のパターンに誘導された電圧波形の1GHz、サンプリング周波数 4GHz、量子化ビット：8

測定例を示す。薄い実線は ESD ガンを垂直に、濃いビット）に接続し、水平結合板への放電で回路基板上

実線は水平に配置したときの観測波形をそれぞれ示に誘導される電圧波形を観測した。水平結合板への間す。図から、ESD ガンが水平配置の場合は正の電圧

接放電に対する ESD ガンの印加位置については、供ピークが最大 1.30V に対して、垂直配置の場合は最大

試品側面の各面に対して各々の面から 10cm 離れた箇値が 3.89V であることがわかる。また、負の電圧ピー所と規定されている。しかしながら、IEC 規格には、

クは水平配置の場合が-0.54V に対して、垂直配置の場

供試品の各面のどの点を基準として 10cm の距離を取合は-2.97V と約 5.4 倍もの差がある。これらのこと

るのか明確な規定はないので、基準点の取り方によっ

は、ESD 試験に関する IEC 規格の改定により、今回ては ESD 試験の結果が異なる恐れがある。従って、の配置では同じ供試品であっても旧規格での試験の方

ここでは、図 3(b)の 3 点（P1、P2、P3）に対して、そが厳しい試験であり、それ故に試験結果に差異の生じ

れぞれ ESD ガンの配置を垂直および水平の両方向でる可能性が十分にあり得ることを意味する。

-20-

Vertical gun location
Horizontal gun location

3
2

Observed voltage [V]Observed voltage [V]

4

1
0
-1
-2
-3
-4
-4

0

4

8

12

4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-4

16

0

4

8

12

16

Time [ns]Time [ns]

図 4

P1
P2
P3

Vertical gun location(a) HCP に ESD ガンを垂直配置した場合の誘導電圧波形

ESD ガンの垂直配置と水平配置に対する誘導電圧の測定波形

4
Observed voltage [V]

図 5(a)は、ESD ガンを水平結合板に対して鉛直下方に接触させた状態で図 3 の 3 箇所の印加点（P1、P2、P3）へ放電したときに誘導された電圧波形を、同(b)には ESD ガンを水平結合板の端面に対し垂直に接触・放電させた場合の測定例をそれぞれ示す。

P1
P2
P3

Horizontal gun location

3
2
1
0
-1
-2
-3
-4

これらの図から、正の電圧ピークは、ESD ガンの

-4

0

4

配置方向に依らず、どちらも同軸ケーブルが接続され

8

12

16

Time [ns]ているコネクタに近い位置（図 3 中の P1）に印加し(b)た場合がピーク値が最も大きく、コネクタから離れる

HCP に ESD ガンを水平配置した場合の誘導電圧波形

につれて小さくなる傾向のあることがわかる。一方、

図5

負の電圧ピークについては、水平配置の場合はほとん

測定電圧波形の ESD 印加点依存性

ど変化がないのに対して、垂直配置の場合は正の電圧ピークと同様な傾向を示すことがわかる。このことか

今後の課題として、水平結合板上の供試品の配置位

ら、水平結合板による間接放電試験の場合、供試品の置と同結合板への間接放電印加点の関係について実験

同一面であっても、ESD ガンの放電電極を水平結合を行うことがあげられる。

板に接触させる箇所によって IEC 規格改訂前後の試験結果が異なる恐れのあることが確認できた。なお、・本研究報告は電子情報通信学会論文誌 B Vol. J92-B

基板に対する ESD 放電点を変えたことによる測定電No.2 pp502-505（2009 年 2 月）に掲載の内容である。

圧波形の違いは、第 1、第 2 ピーク、垂直配置の場合（copyright&copy2009 IEICE）には負のピークにも顕著に現れるが、その後に続く波形にはそれほどの差異はなかった。

参考文献[1] R. Jobava，D. Pommerenke，D. Karkashadze，P.

５ まとめ

Shubitidze，R. Zarize，S. Frei and M. Aidam，“Computer simulation of ESD from voluminous

IEC61000-4-2 の ESD 試験において、同規格の改定による水平結合板への間接放電に対する試験法の影響

objects compared to transient fields of humans，”IEEE Trans. EMC, vol.42, no.1, pp.54-65, 2001.

を、供試品とした簡易回路基板を用いて調べた。その結果、今回の配置では新規格の試験法は、旧規格のそれに比して回路基板パターンに誘導される電圧ピーク[2] G P Fotis, I F Gonos and I A Stathopulos,“Measurement of the electric field radiated byが小さく、波形も大きく異なること、水平結合板へのelectrostatic discharges, ” Measurement Science andTechnology, vol. 17, pp.1292-1298, 2006.

放電位置については新旧規格とも電圧ピークが場所により異なるが、その依存性は新規格の方が小さいこ[3] IEC (International Electrotechnical Commission),“IEC 61000 Ed. 1.2: Electromagnetic compatibilityと、などがわかった。これらの結果は、同一供試品であっても、規格改定前後で試験結果に相関が取れない(EMC)-

ことを意味し、それ故に ESD 試験を製品に実施するtechniques – Electrosta １ tic discharge immunity
test,” 2001

企業においては、改訂後の規格の試験条件の下での試験データを新たに蓄積する必要がある。

Part

4-2:

Testingandmeasurement[4] IEC (International Electrotechnical Commission),“IEC 1000-4-2 Ed. 1: Electromagnetic compatibility-21-

(EMC)- Part 4: Testing and measurement techniques– Section 2: Electrostatic discharge immunity test,”
1995[5] IEC (International Electrotechnical Commission),“IEC 62333-2 Ed. 1: Noise suppression sheet for
digital devices and equipment – Part 2: Measuringmethods,” 2006-22-

機械異常音検査装置を開発するための支援システム構築に関する研究（第２報）

平野 真*
HIRANO Makoto

要旨

山本 典央*YAMAMOTO Norio

川崎 雅生**KAWASAKI Masao

簡便に機械異常音検査ができる支援システムを構築するため、製品の異常音検査を行う際に必要となる信号処理をカスタマイズできるプラットフォームを作成した。本報告
では、模型用モータの音を収録したデータを利用して、作成したソフトウェアによる信号処理を行った。作成したソフトウェアでは収録したデータを読み込み、各種信号処理を組
み合わせて波形や数値を表示させることが可能である。
異常音検査で求められる信号処理は対象物により異１ まえがきなるが、一般に実用化されている異常音検査装置は処モータが組み込まれた製品や駆動部分をもつ製品で理が検査対象に特化しているため、他の検査現場にそは、ギヤの欠損やベアリングの不良、異物の混入といのまま適用できるものではない。また異常音検査装置

った機械的な異常が発生した場合、通常の音とは異なを独自開発することは、多大な費用と労力を必要とす

る音(異常音)を発生する。このような音を調べることる。そこで各検査現場の多様な要望に応えるためににより、製品の良否判定を行う技術を異常音診断技術

は、個々の検査ニーズに合致するように各種信号処理という。従来、このような検査は熟練したベテラン技をカスタマイズできる支援システムの提供が必要であ

術者の耳や勘が頼りの官能検査であり、誰でも簡単にる。

調べることができるものではなかった。また検査員の本研究は、多様な要望に応えるための各種信号処理

熟練度や体調によりバラツキが出ることもあり、安定を備えることで、現場の開発者が個々の現場に適したした品質の確保は困難であった。この課題を解決する

検査を簡便に行うことのできる支援システムの構築をため、様々な分野でコンピュータによる異常音検査の目指すものである。

自動化が試みられている。
拡大選択

拡大選択

カーソル始点

カーソル終点

全体波形
選択された
音源ファイル
拡大波形

信号処理

処理波形

の候補

選択した
処理順序

統計値

処理実行
ボタン

信号１

信号２
図１ 画面説明* 滋賀県工業技術総合センター機械電子担当** 滋賀県工業技術総合センター機能材料担当-23-

2.2 信号処理の種類

昨年度は、検査に必要な基本的な信号処理ライブラ
リの蓄積を目的として、各種処理を行うソフトウェア

選択できる信号処理の種類を図３に示す。処理の分を作成した。今年度は、信号処理をカスタマイズする

類は演算、フィルタ、波形、周波数、ウェーブレット

ためのプラットフォームを作成し、信号処理の実装をとしている。

行った。
処理分類

２ プラットフォームについて

処理項目

異常音の検査に必要な各種信号処理を組み込むためのプラットフォームの作成を行った。プラットフォー
ム の画 面の 一例 を図 １に 示す 。ソ フト ウェ アは、
National Instruments 社の LabVIEW を用いた。
本プラットフォームでは、音源ファイルを解析し O
ＯＫ／ＮＧの判定処理を行うことを目指している。な
お音源ファイルは、あらかじめ検査対象となる製品についてマイクロホンを用いて事前に収録しておく必要がある。収録したファイルについて、パソコン内の本
プラットフォームを用いて波形表示および信号処理を行い、ＯＫ／ＮＧの判定をさせて異常音検査に活用する。

図３ 信号処理の種類

また正常と異常の違いが判別できるように、それぞれの特徴を抽出する必要があるため、２つの異なる信

各分類中の処理項目について処理名をダブルクリッ

号を同時に解析ができるような仕様としている。

クすると詳細設定画面が開き、必要に応じてパラメー
タを変更することができる。例えばパワースペクトル

2.1 音源ファイルの読み込み

A では図４に示す詳細設定画面が表示される。ＦＦＴ

プラットフォームを起動し、WAVE ファイルの読

長は１回のＦＦＴ処理を行う長さであり、シフト長はみ込みを行う。読み込んだ音源ファイルの波形が図２

連続してＦＦＴ処理を行う際の移動の長さである。設のように表示される。全体波形中に表示される２本の定したＦＦＴ長およびシフト長に従って選択波形全体

カーソルを移動させるとカーソル間の領域が拡大表示を分割し、ＦＦＴ処理を連続して行い、全ての処理結される。この選択領域について信号処理が実行され果を平均化する。

る。

カーソル

カーソル

始点

終点

全体波形

図４ パワースペクトル詳細設定
2.3 信号処理の選択
信号処理を実行するためには、処理手順を決定する必要がある。例えばフィルタ A という処理をする場

選択箇所の合は、図５に示すように信号処理選択項目「フィルタ

拡大波形A」をマウス操作のドラッグ＆ドロップで処理１選択の空欄にコピーする。続けて処理２および処理３まで
図２ 波形表示選択可能である。選択１から３まで順に処理が実行さ
れる。

-24-

ドラッグ＆ドロップ（ｂ）ＮＧ品
図６ パワースペクトル処理
このパワースペクトルについて正常品と異常品のピークを比べるといくつかの違いが見られる。例えばそ
図５ 信号処理の選択の中の一つとして 10ｋＨｚ付近のピーク（図６中矢印）に顕著な違いが確認できる。

３ DC モータの解析例

3.2 フィルタによる特徴波形の抽出

ここではプラットフォームの使用例を示す。検査対

パワースペクトルで確認した 10ｋＨｚ付近の波形象とするサンプルは模型用の DC モータで、異常音をの違いを比較するため、フィルタを用いて帯域制限を発生するようにブラシに傷を付けたものを利用した。

行う。図７に示すように信号処理選択項目「フィルタ

傷のないものをＯＫ品、傷のあるものをＮＧ品とすA」の詳細画面を開き FIR フィルタのタップ数、低域る。収録データは量子化ビット数 16 ビット、サンプ

カットオフ周波数、高域カットオフ周波数を設定す

リング周波数 44.1kHz である。なお収録環境は通常のる。

実験室で、デスクトップパソコンの冷却ファンの騒音などの中で測定を行った。
3.1 パワースペクトルによる周波数特性比較
周波数特性の違いを比較するため、パワースペクト
ルの処理を行う。ＯＫ品、ＮＧ品それぞれの音源ファイルを開き波形表示をさせ、処理する領域を拡大表示させる。次に信号処理選択項目「パワースペクトル
A」の設定画面を開き、選択波形全体についてＦＦＴの平均処理を行うため、ＦＦＴ処理を行う演算長およ（ａ）パラメータ

びＦＦＴ処理をシフトする長さを設定する。
パワースペクトルＡを選択し実行すると、入力波形に対してパワースペクトルの演算を行い、図６（ａ）、（ｂ）に示すように OK 品、NG 品それぞれの周波数特性が表示される。

（ｂ）フィルタ特性
図７ フィルタ詳細設定
次に信号処理選択項目「フィルタＡ」を選択し実行
すると図８（ａ）、（ｂ）のようにＯＫ品、ＮＧ品のそれぞれのフィルタ処理された波形が表示される。
（ａ）ＯＫ品-25-

（ａ）ＯＫ品（ｂ）ＮＧ品
図９ フィルタ後の２乗処理
処理後の結果を見比べると正常品と異常品との間で振幅の違いに大きな差が得られ、一連の処理が特徴量を得る一つの方法として有効に機能していることがわ
かる。

４ まとめ
異常音検査に必要な信号処理を作成し、異常音検査
を簡便に行うことのできるような支援システムの構築を試みた。
今年度は、信号処理をカスタマイズするためのプラ（ｂ）ＮＧ品ットフォームの作成を行うとともに、ＤＣモータの解

図８ フィルタ処理

析を行い、ソフトウェアを用いた異常音解析方法の一例を示した。
今後は、必要に応じてさらに信号処理の追加を行う

3.3 特徴波形の比較
フィルタ処理後の波形を比較し易くするため、２乗とともに、ＯＫ／ＮＧの判定処理作成を行う予定であ演算を行い振幅の違いを強調する。信号処理選択項目

る。また、オフラインでの収録機能や、オンラインで「２乗」を選択し実行すると図９（ａ）、（ｂ）のよの判定機能の実装についても検討を進める。

うにＯＫ品、ＮＧ品のそれぞれについてフィルタ処理
後に２乗された結果が表示される。

（ａ）ＯＫ品-26-

医療用 Ti 合金の表面改質についての研究(第 2 報)

岡田 太郎*OKADA Taro

要旨

Ti 合金製人工骨の表面には、生体骨との生体親和性を向上させるための多孔質加工が施されている。従来法として、アーク溶射、Ti ビーズの焼結等の加工法があるが、いずれも積層処理であるため剥離脱落の懸念がある上、高価な設備を必要とする。そこで NaCl 水溶液中の電気分解で Ti が溶出する性質を用い、表面からの孔食を制御して、Ti 合金表面に安全な多孔質組織を安価に加工する技術の開発を目指した。研究開始当初、孔径 500μm 深さ 150μm 程度の孔が分散する多孔質組織を得ていたが、電気分解条件を調節したところ孔の深さが約 40%深い、孔径 535μm 深さ 219μm の孔が分散する多孔質組織を得ることができた。

1 はじめに

1L ビーカーを用い、試料と比較して十分に表面積の高齢者や骨粗しょう症患者が大腿骨を骨折した際、極とした。試料をビーカーの中心に配置して電気分解

人工股関節に置換する治療が行われる。人工股関節はを行った(図 2)。そして、発生した多孔質組織をレー強度に優れる一方、長期間の使用に伴って緩みが発生

ザー顕微鏡（オプテリクス C130:レーザーテック株式することが問題となっている。この問題に対し、人工会社）を用いて観察し、孔径と深さの測定を行った。

大きい SUS 板をビーカー内壁に沿って一周配置して陰骨表面にあらかじめ多孔質組織を付与しておくと生体
骨との骨癒合で強い固定力得られることが確認されているため[1]、アーク溶射や Ti ビーズ焼結といった方法を用いて多孔質加工することによって対処している[2]。しかしこれらの加工法はいずれも積層処理であるため剥離脱落の懸念がある上、専用の高価な設備が必要である。
Ti 合金は化学的安定性が高いことで知られるが、一方で食塩水中においては一定以上の電圧を印加することによって容易に電気分解される[3]。食塩水は酸

図 1 実験に用いた試料

・アルカリ系溶液に比べて取り扱いが非常に容易であり、食塩水中での電気分解による孔食で多孔質組織が得られれば、コスト・安全性の面で Ti 合金表面への多孔質作製法として非常に大きな価値がある。そこで、骨組織との結合性を考慮し、孔径 500μm・深さ 250μm の孔が分散する多孔質組織を得ることを目標として、
電圧と通電時間が形成される多孔質組織に与える影響について検討した。

2 試料と実験装置
試料は、φ16mm の Ti-6Al-4V 合金棒材を長さ 20mm
切り出し、上面は導線を張り付けて熱収縮チューブで覆い、底面にはテフロンテープを張り、円柱側面を長さ 16mm 露出させた物を用いた(図 1)。水溶液には 20℃の 3.5wt%NaCl 水溶液を 1L 使用した。水槽として
図 2 実験装置の概念図*滋賀県工業技術総合センター 機械電子担当-27-

3 実験結果と考察
3.1 溶出電圧
試料に 0～20V の範囲で 1V/min で昇圧・降圧を行い、測定された電流値を試料表面積で除した電流密度の変化をプロットして、Ti の溶出に必要な電圧条件を調べた(図 3)。 Ti 合金は強固な酸化被膜を持つため、0
V から昇圧しても電圧が 7V に達するまでは電流が流れはじめず、溶出も起こらない。また、降圧時の結果

図5

10V で 5 分間電気分解した組織

図615V で 5 分間電気分解した組織から一旦電流が流れ始めると 3V まで電圧を下げても電流が流れ、溶出を続けるとわかった。

表 1 電圧と孔径・深さの関係
図3

20℃NaCl3.5wt%における電圧と電流密度の関係

3.2 電圧の与える影響についての検討

電圧(V)

7

10

15

平均孔径(μm)

0

359

261

平均深さ(μm)

0

118

114

電圧が多孔質組織に与える影響を調べるため、７V、
10V、15V の電圧を 5 分間印加した 3 つの試料の組織

3.3 通電時間が与える影響についての検討(図 4，5、6) を比較した。その結果、電圧の上昇に通電時間が多孔質組織に与える影響を調べるため、伴い孔の数が増大していた。孔の深さを測定したとこ

10V の電圧を 5 分間、10 分間、17 分間かけた 3 つのろ、電圧の上昇は孔の深さに影響を及ぼさないとわか

試料の組織(図 7，8，9)を比較した。その結果、通電った(表 1)。電圧の上昇は電流を増大させ、単位時間時間が長くなるにつれて孔径が大きくなっていることあたりの Ti 合金の溶出量が増大している。このとき、がわかった。孔の深さを測定したところ、孔の深さも溶出する表面積が増大しているが、孔一つあたりの大深くなっていた(表 2)。なお、5 分間の組織から 10 分

きさが大きくなっているのではなく、孔の数が増加す間の組織で孔径は 1.5 倍、深さは 1.3 倍になっている

ることで単位時間あたりの溶出量が増大していると考が、10 分間の組織から 17 分間の組織では孔径は 1.1えられる。

倍、深さは 1.4 倍になっている。このことから、溶出初期においては溶出面積を広げるために孔が広がる方向に優先的に孔食が進み、その後は深さ方向に優先的に孔食が進むと考えられる。

図4

7V で 5 分間電気分解した組織

図7

-28-

10V で 5 分間電気分解した組織

4 まとめ
本年度に行った実験結果をまとめると(1) Ti 合金の溶出を開始するためには 7V を超える電圧が必要であるが、以後は 3V まで降圧しても溶出を続ける。
(2) 電圧を上昇させると孔の発生数が増加する。
(3) 一定電圧で通電を続けると、初期は孔径を広げる
図8が、その後は深さ方向への孔食が優先的となる。

10V で 10 分間電気分解した組織ということがわかった。また、電圧と通電時間を調節することによって孔径 535μm 深さ 219μm の多孔質組織を得ることができ、当初目標値であった深さ 250μm には届かなかったが、研究開始当初の孔経 533μm
深さ 155μm の組織に比べ、深さを約 1.4 倍深めることができた。

5 今後の課題
図9

10V で 17 分間電気分解した組織目標としている孔径 500μm・深さ 250μm の多孔質組織を得るための電気分解条件をひきつづき検討する

表 2 時間と孔径・深さの関係とともに、任意の多孔質組織を得るための電気分解の時間(min)51017平均孔径(μm)

359

533

597

平均深さ(μm)

118

155

215

最適条件を確立する。また、今回は特に孔のサイズに注目していたが、孔の発生数と分散も重要な要素であるため、これらの制御についても検討を行う。

参考文献

3.4 目標組織の作製[1]筏義人：バイオマテリアルの開発,シーエムシー

以上の結果をうけて、電圧と通電時間を調節し、孔(1989)

径 500μm・深さ 250μm の孔が分散する多孔質組織の作製を試みた。最初に印加する電圧で孔の発生数とあ[2]塙隆夫,米山隆之：金属バイオマテリアル,コロナる程度の孔径を制御し、その電圧より低い電圧で徐々社(2007)に溶出を進行させるという方針の元で電気分解を行っ[3]公開特許公報 特開 2001-170091た。結果、8V で 10 分間電気分解を行った後に連続して 6V で 20 分間電気分解を行うことで、孔径 535μm
深さ 219μm の多孔質組織を得ることができた(図 10)。

図 10 8V で 10 分間電気分解した後6V で 20 分間電気分解して得た多孔質組織-29-

微量分析技術のための微量分析技術のための超高感度蛍光測定技術のための超高感度蛍光測定技術の超高感度蛍光測定技術の開発（
開発（１）―小型 FCS 測定装置を用いた蛍光１分子測定法のための基礎検討－

要旨

白井 伸明*

岡田 俊樹*SHIRAI Nobuaki

OKADA Toshiki

川崎

雅生*

KAWASAKI Masao

微量に存在する食品中の機能性成分や環境中の有害成分を検出するには、これまではHPLC などのクロマト分析機器を利用するか、ELISA のような抗体を用いた手法により一定の熟練と手間を要する測定を行っていた。いずれも検査結果が出るまでに半日から２日程度の作業を必要としていた。このような課題を解消し、簡便な操作により微量で超高感度な分析技術を開発することを最終目的として、まず本年度は蛍光相関分光（FCS）測定装置を用いて、１滴の試料に含まれる低濃度の蛍光分子を超高感度に｢１分子検出｣するための基礎検討を行った。
レーザー光が照射された微小な空間を１分子の蛍光化合物が通過する際の発光シグナルを検出し、発光の頻度を計数することにより、10～20μl のサンプル中で 10－12M の低濃度の蛍光分子を定量的に検出する技術を開発した。

いる。さらに、高感度化するために酵素反応で蛍光や

１ はじめに

化学発光を示す化合物となる基質が開発・販売される分析技術の向上により食品や環境、あるいは臨床検ようになり、応用技術も基礎研究などで広く利用され査などの分野では、これまでは簡単に測定ができなかている。多くの改良高感度化法があるが、いずれも一った成分を測定し安全性の評価や医療診断に活用され般的に 96 穴プレートを使用するため 0.1～0.2mL の少るようになっている。例えば、HPLC のようにクロマ

量のサンプルで多検体を同時に測定できるが、ここでト分析法を利用して目的成分を分離して、検出では分の課題は約１日から 2 日程度の操作時間が必要で、し離の前後で色素化合物を検出対象の成分にラベルし、かも自動処理装置を導入しない限りある程度の熟練を

吸光度や蛍光検出することで高感度化する方法には多要する多くの手作業があり分析の精度に影響を与える。

くの成功例がある 1）。また、近年では質量分析装置

また抗体を利用する別の手法としてイムノクロマトが長足の進歩を遂げており超高感度での検出が可能な法も一般的であり、特に装置を必要としない簡易検査

対象が増えている２)，３）。さらに、高性能なクロマト法として臨床現場などで実用化例が増えている。例え分析機器では溶媒やカラムの安定化や測定後の洗浄操ば、インフルエンザウイルスの治療薬を処方する前に作などを自動化することが出来るようになっている。

鼻や喉からのぬぐい液にウイルスが存在することを調

食品や環境、臨床検査の分野では、クロマト分析法

べる検査が行われている。しかし、感度が十分でない以外の高感度微量分析技術として、ELISA 法が一般的ために低濃度のウイルスしか存在しない場合に、誤っであり、検査対象成分に対しての抗体があれば比較的た陰性結果を示すため、高感度化が求められている。

簡単に ELISA 法の開発を行うことが出来る。例えば、

この他にも微量成分の検出技術の高度化のニーズは生体内でも低濃度しか存在しないサイトカインの検出多様であり、分光法、蛍光、pH、質量、屈折率、電などライフサイエンス分野での基礎研究や食品分野で気特性など光学・化学・物理的な様々な方法に着目しの混入異物の特定、環境分野では環境ホルモンや界面た測定法の開発が行われており、測定対象の化合物、活性剤の検出などの応用分野で多様に用いられている。

サンプル量、濃度、安定性などから、酵素法、光、電ELISA 法は特定成分に対して抗体が特異的に結合する気など測定信号の変換や増幅方法の工夫を組み合わせ性質を利用し、最終的な検出には抗体に結合した酵素を選ぶことが重要となっている。最近では、ナノテク（多くはフォスファターゼ[ALP]かペルオキシダーゼ

技術の急速な発展から微粒子や超微細加工、表面処理[HRP]）との反応で生じる着色化合物の吸光度を測定技術を利用した新しい技術の利用も積極的に行われてする。よって、検出対象成分－抗体－酵素の結合体のおり、理論的な限界が高く、高精度の検査･分析装置

存在量がわずかでも酵素反応により増感反応を行っての実用化が期待されている。
ライフサイエンス系でも高感度分析技術が求められる場面は多いが、食品や環境の安全性管理、そして臨* 滋賀県工業技術総合センター機能材料担当

床検査などを行う現場では簡便な操作で微量のサンプ-30-

ルから目的物質の測定が出来る方法のニーズが高い。

回り、微小時間で微小領域を観察した場合にのみ、こ我々は最終的には、抗原抗体反応や DNA の対合、酵の出入りを観察することができる。

素－基質の結合を利用して特定の生体成分を微量・高溶液中の共焦点領域の大きさは、レーザー光源から感度で簡便に蛍光検出するための分析技術の開発を目の共焦点光学系に対応して円柱状になる。そのサイズ指している。その第一段階として、わずか１滴のサンは直径が 0.4 μm 程度、軸長が 2 μm 程度（図１A）、

プル中の蛍光質を｢蛍光１分子検出｣することにより一したがって容積はサブフェムトリットルの大きさとな

般的な蛍光光度計以上の感度で蛍光分子を定量検出する。例えば、溶液中に含まれる蛍光色素の濃度が 10

ることを目標とした試験研究を行った。

nM とすると、共焦点領域の測定体積を 0.1 フェムトリットルとすると平均 0.6 個となり７）、これより低濃度では分子 1 個がたまに通過する状況となる。

２

具体的な測定手順は、まず対物レンズの上に蒸留水

実験・操作を１滴置いた上に厚さ約 0.15mm のガラス基板あるい2.1 試料は、同等の底面にもつチャンバー（Lab-Tek II CC2 8実験に用いた蛍光化合物は、FITC-I（同仁化学研究

ウェルチェンバースライド Nunc 製）を設置し、測定所）、Alexa Fluor®488 succinimidyl ester（Molecular

対象の低濃度の蛍光化合物溶液を 10～30μL 滴下しProbes 社、米国 CA）、ATTO488-NHS ester（ATTO-

たのちに 2 分間程度静置した後、3 秒あるいは 10 秒

Tec 社、独国 Siegen）を使用し、緩衝液の調整にはの FCS 測定を１回の測定として、同じサンプルで数NaCl(ナカライテスク㈱,京都)、Na2HPO4、NaH2PO4、回の連続測定を行った。

Triton X-100（和光純薬工業㈱, 大阪）、Tween ® 20
（東京化成工業㈱, 東京）を使用した。
蛍光化合物は DMSO（dimethyl sulfoxide）あるいはEtOH（ethanol）の分光分析用を用いて 1 mg/ml に溶解した後、蒸留水か PBS(phosphate buffered saline,
Sigma-Aldrich, Co., 米国 Mo）)に添加して吸光度を測定し各蛍光物質のモル吸光計数から濃度決定した。さらに 10-7M 以下の低濃度に希釈する際には容器、分注
器具、測定用チャンバー壁面などへの吸着を防ぐため
Tween 20 などの界面活性剤を 0.01～0.05%添加し、低濃度蛍光化合物溶液として FCS 測定に供した。

図 １ 蛍光相関分光（FCS）測定系の構成と高感度な蛍光分子の検出、測定のための基本的なポイント 固体レーザー光源、ダイ
クロイックミラー、対物レンズ、カットオフフィルター、ピンホ
ールと PMT（光電増倍管）から構成される共焦点光学系（B）により、対物レンズ近くのサンプル中の共焦点領域（A）を通過する
１分子の蛍光発光を超高感度に測定する。

2.2 蛍光相関分光（FCS）測定装置
本研究では、小型 FCS 測定装置（FCS-101, 東洋紡
績㈱）を使用し、その共焦点光学系と高感度な蛍光検出システムを利用して｢蛍光１分子検出｣の測定のための基礎条件検討を行った。まず、蛍光相関分光法（FCS; Fluorescence correlation spectroscopy）測定装置のシステムと原理を概説すると、図１のようにレーザー

2.3 蛍光検出結果の数値化

光が対物レンズを通して少量の溶液中に照射され、加試料溶液中の共焦点領域を 1 分子の蛍光化合物が通えてダイクロイックミラーとカットオフフィルター、

過することを示すと考えられるピーク状シグナルは、

ピンホールから構成される共焦点光学系により極小さ

２つの方法で数値化した。まず、FCS 測定装置を利用な空間（図１A 共焦点領域）に存在する蛍光分子からして低濃度の蛍光化合物溶液を測定した蛍光シグナル

発生するフォトンレベルの蛍光を光電子増倍管（PMを１ミリ秒毎のカウント値として時系列に並べ図１C

T）により増幅し高感度でなおかつ、高い時間分解能のようなグラフとして、一定の閾値以上のピークの数

で連続的に測定するものである。通常 FCS 測定では、を手計算で計数、あるいは表計算ソフトを利用してカ得られた時系列の蛍光強度の変化が自己相関関数によウント値の合計を求めた。閾値の設定は、測定から得って解析され、微小な時間差でシグナルがどれだけ変られるグラフでの平均値に安全係数を加えて設定した。

化するかの相関性を求めるグラフを画く。その関数式

グラフよりピークを判別、計数する作業は非常に煩雑から並進拡散時間（DT）を求め、蛍光分子が共焦点

で読み間違いも起こりうることから、ピーク計数を行

領域を通過する平均時間、つまり分子の大きさを求めうプログラムを作成した。

ることが出来る４）,５）,６）。共焦点領域に注目した観察では、溶液中で分子はブラウン運動により高速で動き-31-

３ 結果と考察

8 ウェルチェンバースライド上に滴下、10 秒間の FCS
測定を 3 回連続して行った。通常の蛍光分光光度計で3.１ 蛍光検出に適した化合物の測定と異なり共焦点領域を出入りする蛍光分子のブ

蛍光化合物を 10-10M 以下の極低濃度でも安定に検出するためには、量子効率が高く（蛍光発光が強く）、
レーザー光源の強い励起光でも退色を起こしにくい化合物を用いる必要がある。また、最終的に食品や環境、
臨床検査、ライフサイエンス基礎研究などの分析技術

ラウン運動にあわせて測定値がμSec レベルの短時間に変化する様子を測定することになる。FCS 測定条件を最適化することでノイズを十分に低減させ、１分子の蛍光化合物が共焦点領域を通過することを示す“ピーク状”のシグナルとノイズが混ざった測定結果を得として応用する為には、水溶液中で利用できることもた（図３）。

重要な条件となる。現在、光学顕微鏡観察用の蛍光組
織染色やフローサイトメトリー分析用の細胞ラベルなどのために多くの蛍光化合物が開発、販売されるようになっている。本研究で使用する小型 FCS 測定装置のレーザー光源波長（473nm）に適した化合物の中から、水溶液と PBS 中での一定濃度の調製しやすさや、溶液中での安定性、蛍光強度・蛍光スペクトルを測定、比較した。その結果、FSC 測定装置が検出に利用できる蛍光強度（カットオフフィルターを通過する 500nm 以上の波長域）が最大であった Alexa Fluor®488 を利用することとした。選んだ Alexa 蛍光化合物の DMSO 溶液
を 10-8M～10-13M となるように蒸留水に希釈し、蛍光分光光度計（日立 F-7000）により蛍光測定を行った。
一般的な１ｃｍ角の石英セルを用いると 1ml のサンプ
ル量で十分に測定が可能であり、溶液濃度と蛍光強度測定値から検量線を描き（図２）、およそ 10-11M までの定量的測定が可能であることが確認された。

図 3 小型 FSC 装置による装置による Alexa488 溶液 10-10M での｢での｢蛍光１蛍光１分子検出｣分子検出｣
小型 FCS 測定装置に測定装置にフィルターとフィルターとピンホールのピンホールの光学系を光学系を調整した
調整した最適した最適な最適な測定条件では測定条件では 1 分子の分子の蛍光化合物が蛍光化合物が共焦点を
共焦点を通過することを通過することを示することを示すピーク状
ピーク状のシグナルを
シグナルをバックグラウンドノイズとバックグラウンドノイズと区別して区別して検出して検出できる検出できる。
できる。測定結果は
測定結果は検出器（PMT）PMT）で検出された
検出された１
された１ミリ秒毎
ミリ秒毎の秒毎のカウント値
カウント値を縦軸に縦軸に時系列で時系列でグラフにし
グラフにし
たもので、
たもので、数値化には
数値化にはピークにはピーク数
ピーク数の計数あるいは計数あるいは、
あるいは、カウント値
カウント値の積算を積算を行う。

ここで、ノイズの原因を調べると蛍光シグナルを高めるためにレーザー光を強くしていることが一つの原因であることが分かった。光化合物を含まない PBSに界面活性剤を添加しただけの溶液でも成分と試薬ロットにより蛍光化合物と同等の強いノイズシグナルを与える場合があった。その頻度は１秒間に 1～5 回程度となった。通常の自己相関解析を行う FCS 測定では 10-8M 程度の蛍光物質濃度をサンプルとするため影図２ 蛍光化合物
蛍光化合物（化合物（Alexa488）
Alexa488）溶液の溶液の蛍光光度計での蛍光光度計での蛍光測定
での蛍光測定。
蛍光測定。蒸留水によ
蒸留水による希釈溶液を希釈溶液を調製し調製し、蛍光光度計(
蛍光光度計( FF-7000, Hitachi)によりHitachi)により蛍光測定
により蛍光測定を
蛍光測定を行なった。標準的な
標準的な 1ｃｍ角ｃｍ角の石英セル
石英セルを
セルを用いて１
いて１ｍｌのｍｌのサンプル量
サンプル量で測定を測定を行い,
検量線をまでは定量的な
定量的な蛍光測定が蛍光測定が可能である
可能である。
である。
検量線を作成すると作成すると 10-11M までは定量的

3.2 蛍光１分子検出の測定条件

響がないレベルであるが、本研究では 10-10M 以下の極めて低濃度を対象とするため、以後、事前確認した
溶媒、緩衝液のみを使用した。

3.3 ピークの検出と定量化

実際の FCS 測定操作は、まず小型 FCS 測定装置の図３は、蛍光化合物濃度が 10-10M で測定した場合

共焦点位置をガラス界面からサンプル溶液側におよそであり、バックグラウンドでノイズ検出される一定時

0.2mm の位置となるよう調整を行った。次に、10-8M

間毎のカウント数が約 2.4 counts/msec である。ここの Alexa488 溶液を用いてピンホール位置の調整、レで閾値を 5 あるいは 10 counts/msec としてピーク状

ーザー光源からの照射量を ND フィルターにより最適のシグナル本数をグラフから手作業で数える、あるいな強度に減光し、検出器の感度などの確認を行った。

はプログラムで数値化した。ピーク部位を正確にノイ測定に使用する 10-10M 以下の蛍光化合物溶液は、蛍ズと判別するための数学的な処理法について報告 ８）光光度計で蛍光強度および蛍光スペクトルを確認済み

があるが、本研究では処理速度が重要であり閾値を設の 10-7M 溶液からの希釈により調製し、希釈には吸着定してピーク検出を行うシンプルなものとした。作成

予防の為に界面活性剤を PBS 緩衝液に添加したもの

したプログラムは、FCS 装置の共焦点領域を観察してを使用した。サンプルは 10-30μL を Lab-Tek II CC2

得られる蛍光強度が時系列に変化することを並べたデ-32-

ータに対して閾値を任意に設定することが可能であり、1/100 程度で、1/100 低濃度である。サンプルに含まれ観察空間を蛍光分子が通過することを示すピーク本数た蛍光化合物は 10-17mol と極めて微量であり、今後は、を短時間に自動計数することが出来る。このプログラ

食品や環境分析での超高感度微量分析に応用するため

ムは Windows を OS とする汎用 PC 上で動作し 50Mbに、抗体や DNA などに蛍光物質をラベルした状態での大きなサイズの測定データを 10 秒以内で処理を出の蛍光検出とともに、抗原-抗体反応や DNA の対合を来る。

利用した特定成分の存在を評価するための応用技術を開発し、最終的な安全・安心な社会実現に役立つ微量分析技術の確立をめざす。

3.4 極低濃度蛍光溶液の測定による検量線測定に用いた 10-10M 以下の蛍光化合物溶液の濃度と FCS 装置で 10 秒間測定した蛍光時系列データから

謝

ピーク数から検量線を作成した（図４）。同じ測定デ辞ータでも閾値の設定により検量線の直線性が異なる結本研究は、平成 20 年度｢JST シーズ発掘試験｣による果となった。これは、閾値を下げて検出ピーク数を増成果の一部です。研究の実施において、長浜バイオ大

やすによる統計的な確かさを高めることは重要である

学長谷川慎先生、東洋紡績株式会社西矢博士には FCS

が、蛍光化合物を含まない緩衝液のみでも一定のノイ装置およびその解析技術情報の提供、FCS 測定によるズシグナルが計数されるまで閾値を下げた条件（図５

検査対象など応用分野の検討などについて共同研究者

左＞５の場合）では、ノイズの統計的なバラつきが大として大変お世話になりました。また、日本自転車振きく、1 フェムトリットル以下の微小な空間を蛍光分

興会（現:財団法人 JKA）の補助を受けて導入した分子が通過する頻度が極めて少なくなるために“誤差”

光蛍光光度計を本研究開発に活用しました。

として現れる。図の例では、閾値を＞10 とすると検量線の直線性が良好となることから、測定時間を 10秒以上にすることで精度を得られることを示している。

参考文献
1) 高速液体クロマトグラフィーハンドブック改訂 2 版
日 本 分 析 化 学 会 関 東 支 部 編 、丸 善 出 版 事
業 部 （2000）
2) 小川茂, GC/MS, LC/MS のための誘導体化：
ぶんせき，7, 337 (2008)3) 宮野博，新保和高：細胞工学，25, 1410 (2006).
4) Magde D, Elson EL, Webb WW.
Fluorescence correlation spectroscopy. II. An experimen
tal realization.Biopolymers. 1974,13(1):29-61.
5) Ehrenberg M, Rigler R.
Fluorescence correlation spectroscopy applied to rotational diffusion of macromolecules. Quarterly reviewsof biophysics ,1976, 9(1):69-81.

図４ 小型 FCS 装置を用いて極低濃度蛍光
いて極低濃度蛍光溶液
極低濃度蛍光溶液を
溶液を蛍光１蛍光１分子検出法によって測定によって測定・測定・定量化した定量化した検量線
した検量線。
検量線。各濃度で各濃度で 10 秒間の秒間の測定を測定を３回行い、ピーク数
ピーク数を合計して合計して作成して作成した作成した検量線
した検量線。
検量線。左）ピークとする
ピークとする閾値とする閾値を
閾値を＞

6) Koppel DE, Axelrod D, Schlessinger J, Elson EL,
Webb WW.
Dynamics of fluorescence marker concentration as aprobe of mobility. Biophys J. 1976, 16(11):1315-29.

５と低く設定した
設定した場合した場合。
場合。右）閾値を閾値を＞１０と１０と高く設定した
設定した場合した場合の場合の検量線

4

まとめ・今後7) 坂田啓司, 藤井文彦, 田村守, 金城政孝.
蛍光相関分光法（FCS）を用いた抗原抗体反応解析および検体検出.BIO INDUSTRY,2004, 21(4), 52-59

本研究では、小型 FCS（蛍光相関分光法）測定装置を用いた超高感度、微量、迅速、簡便な｢蛍光１分子

8) Kai Zhang and Haw Yang
Photon-by-photon determination of emission bursts fromdiffusing single chromophores, J. Phys. Chem. B.
2005, 109, 21930-21937

検出｣法に関する基礎的な検討を行った。本来 FCS 測定装置では、サンプル中の蛍光分子の有無や分子の拡散速度を調べることができるが、10-8M 程度の蛍光分
子濃度を対象としている。一方、本研究では、装置の光学系の工夫と測定条件の最適化により測定された時系列データから微小な領域の蛍光分子の通過を示すピーク状のシグナル数を計数することでサンプル量がわずか 10μL でも 10-12M～10-13M までの極めて低濃度の蛍光物質を定量検出することができた。これは、一般的な蛍光光度計での測定に比べて必要サンプル量が-33-

滋賀の伝統発酵技術を活かした地域資源高度化開発－ 県産発酵食品からの微生物資源の収集および保存－岡田 俊樹＊OKADA Toshiki

白井 伸明＊SHIRAI Nobuaki

那須 喜一*
NASU Yoshikazu

要旨 滋賀県の伝統発酵食品である鮒鮨（ふなずし）や鯖の熟鮨（なれずし）を入手して乳酸菌等を分離した。分離した乳酸菌は、Lactobacillus 属と Pediococcus 属に属し、Lactobacill

us 属は多種類におよんだ。また分離した各種乳酸菌の機能性評価の一環で Escherichia coli
等に対する抗菌性について検討したところ、抗菌性を示すと考えられる菌株の取得ができた。

２ 実験方法

１ はじめに

2.1 発酵食品からの微生物の分離

消費者の食への安全、安心への高まりや健康志向か

１）供試発酵食品

ら、食の本物志向、伝統志向へのニーズが高まってい鮒鮨（市販品）25 試料、鮒鮨（家庭製造）5 試料、る。
当センターでは、このような社会情勢と地域産業の鯖の熟鮨（市販品）2 試料、ハスの熟鮨（市販品）1

技術振興から滋賀の伝統発酵技術を活かした地域資源

試料、鮒鮨製造に漬込んだ後の飯（市販品）2 試料の高度化開発研究を実施している。

35 試料を入手した。

滋賀の伝統発酵食品の一つ鮒鮨（ふなずし）は、主に琵琶湖固有のニゴロブナの内蔵を除去し、数ヶ月の２）微生物の分離

塩漬け後、炊いたご飯と一緒に半年から数年漬け込ん①乳酸菌の分離 5,6)だ乳酸菌を主体にした乳酸発酵漬物で、いわゆる熟鮨

各供試試料 5g を滅菌済み 0.9%食塩水 45ml と混合（なれずし）である。古くから各家庭で漬けられてきし撹拌後、10 倍毎の希釈系列を 108 まで作成して、MRたり、水産加工場や食品製造企業等 40 件以上で現在

S 培地および GYP 白亜培地に 0.1～0.2ml 添加した。

も製造され、販売されている。

培養は、35℃でコロニーが出現するまで行った。なお、

鮒鮨をよく摂取している人は、美味なこと以外に、乳酸菌と考えられるコロニーは、培地に一緒に混合し整腸作用や疲労回復、便秘解消など改善効果等の民間

た炭酸カルシウムのクリアーゾーンの形成で判断した的伝承があるが、県の有望な地域資源でありながらこ（以後、乳酸菌と仮定し記す）。

れまで研究実績があまり見あたらない。

分離培地の MRS 培地は、Lactobacilli MRS(DIFCO)

一方、食品関連研究に目を向けると、日本人の食に魚肉エキス（和光純薬工業）を 0.2%添加して用い

生活は、飽食、欧米的食生活による過剰の油脂の摂た。GYP 白亜培地は、蒸留水 1L あたり、ｸﾞﾙｺｰｽ 10g,

取等により肥満や糖尿病、血栓、各種疾病が増加傾

酵母ｴｷｽ 10g,ﾍﾟﾌﾟﾄﾝ 5g,魚肉ｴｷｽ 2g,CH3COONa・3H2O

向にあることより、日頃の食品摂取からの健康維持

2g,salts solution 5ml(MgSo4・7H2O 4g,MnSO4・4H2Oを期待した機能性の研究開発

1-4)が活発である。

0.2g,FeSO4・7H2O 0.2g,NaCl 0.2g /100ml)、ﾂｲﾝ 80 s

そこで、本研究開発では、滋賀の発酵食品である

olution 10ml(ﾂｲﾝ 80 5g /100ml)を用いた。

鮒鮨等を中心に各製造場から発酵食品の収集およびなお、各分離培地は、寒天 1.5%、CaCO3 0.4%、NaCl

そこから主に乳酸菌等の微生物資源の分離、収集を

1.0～2.0%、可溶性澱粉 1.0% を混合し、pH6.0 に調行った。

整した。また、必要に応じてｼｸﾛﾍｷｼﾐﾄﾞおよびｱｼﾞ化ﾅﾄ

これらは、発酵食品や分離した微生物にどのようﾘｳﾑを 10ppm で添加した。

な機能性があるのか検索するため食品の機能性評価試

一方、分離培地に 10 倍希釈溶液を塗抹しても乳酸験に用いるためで、今後、微生物を活用した新たな技菌と考えられるコロニーが出現しなかった試料につい術開発や製品開発へ繋がるものであり、伝統発酵技術ては、各液体培地で 30℃、３日～５日程度の集積培とバイオ技術を融合して新しい産業を創出するための養を行い寒天培地に展開して分離取得した。

地域発の微生物資源となる。
②乳酸菌以外の細菌類の分離*

滋賀県工業技術総合センター 機能材料担当-34-

蒸留水 1L あたり、ﾃﾞﾝﾌﾟﾝ 10g,ｸﾞﾙｺｰｽ 10g,酵母ｴｷｽ

３ 結果と考察

10g,ﾎﾟﾘﾍﾟﾌﾟﾄﾝ 5g,NaCl 15g, CaCO3 4g, 寒天 15g

3.1 発酵食品からの微生物の分離で調整した寒天培地に①で調整した希釈系列の試料を鮒鮨や鯖の熟鮨等 35 試料を入手して乳酸菌等の分塗抹し 25℃で培養して CaCO3 のクリアーゾーン以外の出現したコロニーを採取した。

離を行い、結果を表 1 に示した。乳酸菌の分離におい③酵母菌類の分離の分離では、これらの培地に食塩および魚肉エキスをては、MRS 培地および GYP 白亜培地を用いたが、今回蒸留水 1L あたり、ﾃﾞﾝﾌﾟﾝ 10g,ｸﾞﾙｺｰｽ 10g,酵母ｴｷｽ

添加することにより多くの種類の乳酸菌と考えられる

10g,ﾎﾟﾘﾍﾟﾌﾟﾄﾝ 5g,NaCl 15g,寒天 15g,ｸﾛﾗﾑﾌｪﾆｺｰﾙ 2菌株の取得が可能で、これらを添加しないと全くコロ

5ppm,ｽﾄﾚﾌﾟﾄﾏｲｼﾝ 25ppm で調整した寒天培地に①で調ニーが出現しない試料もあった。しかし、10 試料に整した希釈系列の試料を塗抹し 25℃で培養して出現

おいては、今回の培地を用いた希釈液による分離方法

コロニーを採取した。

では生菌で含有する菌体は少ないのか、集積培養を行わないと乳酸菌の分離は困難だった。
試料中より乳酸菌と考えられる培地上に生育する金

３）微生物の純粋分離数は、最も多かったもので、1.5×108cfu/g で 108ord２）で出現したコロニーは、各分離培地の液体培地
および寒天培地で交互に植継ぎ、これをを 7～10 回程

er cfu /g が 1 試料、107 order cfu /g が 2 試料、10度繰り返し純化した。

6

order cfu /g が 3 試料、105～102 order cfu /g が11 試料、101 order cfu /g 以下が 12 試料で、6 試料
2.2 分離乳酸菌の 16SrRNA の塩基配列においては全く分離ができなかった。これらは、乳酸

PCR による 16S rRNA の増幅は、供試菌のコロニー発酵が進み菌が死滅しているものと予想する。

の一部を採取し、プライマー（10F:5’-GTTTGATCCTG

乳酸菌の分離では、一試料から様相や生育速度が異

GCTCA, 800R:TACCAGGGTATCTAATCC-3’）を用いて目的なるコロニーを選出し純粋分離を行った。

領域（16S rRNA 遺伝子、増幅鎖長＝約 800bp）を増幅

その他、細菌類はや酵母菌類と考えられる菌株数はした。PCR 後、PCR 産物の検出は、反応液をアガロー

表１のとおりで、乳酸菌と考えられる菌が優性にある

スゲル電気泳動に供し、目的領域の増幅を確認した。

ことから、今回の分離方法では多くの出現はなかった。

塩基配列の解析は、DNA オートシーケンサーにて塩基配列の読み取りを行い、10F プライマーで読み取り

3.2 分離乳酸菌の 16SrRNA の塩基配列からの簡易同定得られたデータを、データベース（MicroSeqID:ABI鮒鮨 11 試料から分離した乳酸菌と考えられた菌株社）と照合し、一致率（％）の高い上位をリストアッ11 菌株について 16SrRNA の塩基配列からデータベー

プした。

スで検索した。その結果、 Lactobacillus plantarum、

2.3 分離乳酸菌の抗菌性試験

Lactobacillus paracasei tolerans、Lactobacillus
pentosus、Lactobacillus buchneri、Lactobacillus
brevis、Pediococcus damnosus 等がヒットし数種類

１）供試菌株
分離乳酸菌 178 株、細菌類および酵母菌類 51 株をにわたっていた。

用いた。抗菌試験の対象菌株は、A:Escherichia coli
(NBRC3972)、

B:Staphylococcus aureus(NBRC12732) 、C： Bacillus subtilis

3.3 分離乳酸菌の抗菌性試験(NBRC13719)

鮒鮨等発酵食品から分離した乳酸菌 178 株、細菌類を用いた。

および酵母菌類 51 株を用いて抗菌性試験を行った。
結果を表 2 に示した。細菌類、酵母菌類 45 株は、試

２）試験方法験対象菌株 3 種類において 45 菌株とも阻止円は見ら供試した各分離微生物は、乳酸菌と考えられた菌株れなかった。

乳 酸 菌 で は 、 Escherichia coli

は MRS 培地で、細菌類、酵母菌類は YPD 培地(酵母ｴｷｽ(NBRC3972) に 対 し て は 、 41.4% 、 Staphylococcus

0.5%,ﾍﾟﾌﾟﾄﾝ 0.5,ｸﾞﾙｺｰｽ 1.0%)で培養を行い、抗菌対
象の菌株は、YPD 培地(酵母ｴｷｽ 0.2%,ﾍﾟﾌﾟﾄﾝ 0.1,ｸﾞﾙ

aureus (NBRC12732)に対しては、46.4%、 Bacillus
subtilis (NBRC13719)に対しては、28.4%で阻止円形

ｺｰｽ 0.5%)で、30℃で 20 時間振トウ培養を行った。抗成が認められ菌株によって抗菌力に違いが見られた。

8

菌対象菌株培養後 10 cells/ml order の溶液 0.2ml

その後 2 次スクリーニング、3 次スクリーニングを実を YPD 寒天培地上に塗抹し、滅菌した 6mm の円形のペ施して、Escherichia coli(NBRC3972)に対する抗菌力

ーパーディスクに先の各分離菌を培養した培地を 20の強い 9 株、 Staphylococcus aureus

μl 染みこませ、塗抹培地上にのせた。なお、培養は、に 対 す る 抗 菌 力 の 強 い 5 株 、 Bacillus subtilis

30℃で(NBRC13719) に対する抗菌力の強い 5 株を選出株とし

24 時間行い、ペーパーディスクからの阻止円の距離をもって抗菌性を計測した。

(NBRC12732)

た。選出株の分離源は９種類の鮒鮨等からであり、こ-35-

表１ 乳酸菌等の分離結果
整理番号

分 離 源

乳酸菌数 乳酸菌(cfu/g)－0
7
3.0×109
45
4.0×106
1.5×1019
830
1.5×101<1.0×102
6
2.4×105－
06
13
6.0×103
5.0×107
7
8.0×10
28
－
3 *
－
0
1
1
<1.0×103
1.5×107
1*<1.0×10101*<1.0×1081*
8<1.0×10

Ｎ－ １ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－ ２ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－ ３ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－ ４ 鯖鮨（市販品）
Ｎ－ ５ 鯖鮨（市販品）
Ｎ－ ６ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－ ７ ﾊｽ鮨（市販品）
Ｎ－ ８ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－ ９ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－１０ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－１１ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－１２ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－１３ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－１４ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－１５ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－１６ 鮒鮨（市販品）
Ｎ－１７ 鮒鮨（家庭漬）
Ｎ－１８ 鮒鮨（市販品）*:集積培養から分離

細菌類 酵母菌類
1
2
10
4
3
4

2
4

1
5
4
2

1

整理番号

分 離 源

Ｎ－１９
Ｎ－２０
Ｎ－２１
Ｎ－２２
Ｎ－２３
Ｎ－２４
Ｎ－２５
Ｎ－２６
Ｎ－２７
Ｎ－２８
Ｎ－２９
Ｎ－３０
Ｎ－３１
Ｎ－３２
Ｎ－３３
Ｎ－３４
Ｎ－３５

鮒鮨漬込後の飯鮒鮨（市販品）鮒鮨（家庭漬）鮒鮨（市販品）鮒鮨（家庭漬）鮒鮨（家庭漬）鮒鮨（家庭漬）鮒鮨（市販品）鮒鮨（市販品）鮒鮨漬込後の飯鮒鮨（市販品）鮒鮨（市販品）鮒鮨（市販品）鮒鮨（市販品）鮒鮨（市販品）鮒鮨（市販品）鮒鮨（市販品）

乳酸菌数 乳酸菌(cfu/g)1.0×105103
1.5×1010
1*<1.0×10
2
－
0
－
0
*
－
2
4
2.6×102
3
5
3.8×103
4.8×102
3
1.5×103－
0
2.0×104
43
2.0×10
6
－
5 *
*
－
2
*
－
1
*
－
1
210

細菌類 酵母菌類
1
2

1
1
1

2
45

6

表２ 分離乳酸菌等の抗菌性試験結果
阻止円

Escherichia coli

Staphylococcus aureus

Bacillus subtilis(NBRC3972)(NBRC12732)(NBRC13719)

(mm)

(%)

(%)

(%)

0
～0.5
～1.0
～2.0
～3.0
～4.0

136
23
12
47
14

58.6
9.9
5.2
20.3
6.0

124
22
10
33
27
16

53.4
9.5
4.3
14.2
11.6
6.9

166
33
12
18
3

71.6
14.2
5.2
7.8
1.3

計

232

100

232

100

232

100

通過株

17

7.3

15

6.5

13

5.6

れらは今後抗菌の成分およびスペクトル等について検討する予定である。

参考文献
1)篠原和毅、鈴木建夫、上野川修一編著：食品機能研

４ まとめ

究法，株式会社光琳(2000)

県産伝統発酵食品の鮒鮨や鯖の熟鮨等 35 試料を入2)荒川綜一監修：機能性食品の研究，学会出版センタ手して乳酸菌等の分離を行った。

ー(1996)

乳酸菌の分離では、通常の乳酸菌培養用培地に食塩

3)津志田藤二郎、梅垣敬三、井上浩一、村上明編集：

および魚肉エキスを添加することで分離が容易になっ

機能性食品の安全性ガイドブック，株式会社サイエた。

ンスフォーラム(2007)

分 離 し た 乳 酸 菌 は 、 Lactobacillus 属 とPediococcus 属に属し、Lactobacillus 属は多種類に

4)国立健康・栄養研究所編：特定保健用食品データブ

およんだ。

5)小崎道雄監修:乳酸菌実験マニュアル,朝倉書店

ック，南山堂(2008)(1992)

分離した各種乳酸菌の機能性評価の一環で

Escherichia coli 、 Staphylococcus aureus 、Bacillus subtilis に対する抗菌性について検討した

6)乳酸菌研究集談会編:乳酸菌の科学と技術,学会出版センター(1996)

ところ、抗菌性を示す菌株の取得ができた。

-36-

マイクロ波を用いたポリ乳酸の合成
平尾 浩一１*HIRAO Koichi

要旨

増谷 一成２*
MASUTANI Kazunari

小原 仁実２*
OHARA Hitomi

ポリ乳酸の無触媒、直接重縮合をマイクロ波照射下で行った。その結果、通常加熱に比べてマイクロ波照射により反応が速く進み、到達するポリ乳酸の分子量も高いことが分かった。しかし、マイクロ波照射下では、ポリマー中の乳酸ユニットのラセミ化が通常加熱に比べて高い割合で起こっていることが分かった。また、通常の加熱に比べてマイク
ロ波照射下では、反応系中のラクチドの存在割合が高く、ラクチドのラセミ化も高い割合で起こっていることが分かった。

ゴマー化、解重合によるラクチド合成、L,L-ラクチド

１ はじめにの精製、ラクチドの開環重合によるポリ乳酸の合成、

地球温暖化と資源枯渇の問題が大きく取り上げられという多段階の工程を経て行われる。ポリ乳酸の製造るようになった。地球温暖化は、天然資源の燃焼など

1 トン当たりの二酸化炭素排出量は、既存のプラスチにより生じる二酸化炭素が大気中に増えることによックの中では最低レベルの 1,820kg/ton であるが、石り、太陽光による熱が地表近くから大気圏外へ放出さ油由来のポリプロピレンも二酸化炭素の排出量はれにくくなるために起こる。地球温暖化は、海面上

1,891 kg/ton である 2)。もちろん、廃棄時に排出さ

昇、気候変化による農業、漁業の変化など様々な問題れる二酸化炭素も考慮すればポリプロピレンがが起こっている。また、資源枯渇については、石油、

5,091kg/ton に対してポリ乳酸が 3,650 kg/ton とポ

天然ガス、石炭などの天然資源は有限であり、それぞ

リ乳酸の方が二酸化炭素の排出量が少ないもののそのれ 41.6 年、60.3 年、133 年相当の埋蔵量が確認され差は決して大きいとは言えない。ポリ乳酸は製造工程ているのみである 1)。推計の精度はともかく、現状のが他段階であり、製造時のエネルギーが大きいことがまま推移すれば資源が枯渇することは確実である。何二酸化炭素の排出につながっている。そのため、製造れの問題も最終的に解決されなければ現在の文明を維工程におけるエネルギーの削減、すなわち二酸化炭素

持することも不可能になる。将来の世代においても、搬出量の削減が PLLA をより環境に適した材料とする人類が発展し続けるためにはこれらの地球規模の問題ために求められている。

を解決する必要がある。

ポリ乳酸の製造として工程が簡素な直接重合法で天然資源のうち、石油や天然ガスは主にエネルギーは、エネルギーの削減が期待できる。これまで、ポリと化学工業に用いられている。エネルギーとしては、乳酸を直接重縮合する方法として、固相重合を利用しまだ極一部であるが、風力、地熱、水力、バイオマスた方法が Moon らにより報告されている 3)。彼らの報など多様な方法で温暖化ガスの排出のない再生可能な

告では、ラクチド法と同等の高分子量のポリ乳酸の合新エネルギーへの代替が行われている。一方、化学工成に成功しているが、ラクチド法に比べて多量の触媒業用途としても石油、天然ガスの利用削減と二酸化炭を用いることからポリマー中に触媒が多く残存してい素などの温暖化ガス排出抑制のために、植物由来材料

る。ポリ乳酸中に残存する触媒は、成形時にポリマーの利用がなされるようになった。その代表的なプラスの分解を引き起こす可能性があり、望ましくない。そチックがポリ乳酸である。

のため、ポリマーの精製が必要になると考えられる。

ポリ乳酸は植物から取り出した糖の発酵により得ら

近年、化学反応をマイクロ波により行うとした発表

れる乳酸から合成される。合成方法には、大きく分けが多く見られるようになった。通常の加熱条件では、て乳酸を直接重縮合する方法と乳酸の二量体であるラヒーターなどによる熱移動により反応物を加熱する

クチドを経て重合する方法があり、工業的にはラクチが、ヒーターにより反応物を加熱するためには、反応

ド経由で合成する方法がとられている。ラクチドを経

釜自体を加熱する必要があり多くのエネルギーを要す

由する方法では、乳酸の脱水重縮合による乳酸のオリる。一方、マイクロ波では、反応釜は加熱する必要がなく、内部の反応物を直接加熱できる。さらに、マイ1*

滋賀県工業技術総合センター 機能材料担当

2*

京都工芸繊維大学

クロ波加熱では、化学反応を格段に速く進める例が多数報告されており、また、通常の加熱では触媒なしで-37-

は反応が進まなかった系においてもマイクロ波照射にポリ乳酸中の乳酸ユニットの D 体の割合は、ポリ乳より反応が進むことが報告されている 4)。

酸を加水分解して得られた乳酸の D 体の割合から求めこれまでにも、マイクロ波を用いてポリ乳酸の合成

た。サンプルの加水分解は 2 N NaOH により、室温でを試みた例はいくつか報告されているが、従来の方法

12 時間行ったのち、1 N H2SO4 により中和した。乳酸と同様に多量の触媒を用いたものや 5)、D,L-乳酸を用の D 体 の 割 合 は 、 254 nm の UV 検 出 器 を 備 え た

6)。ポリ乳酸の機械的物性には、乳HPLC(LC-20A, Shimadzu Corp.) に、光学分割カラム酸ユニットの光学純度が大きく影響し、高い純度が求MCI gel CRS10W (Mitsubishi Chemical Corp.)を用いめられる。そのため、D,L-乳酸を用いた場合実用可能て測定した。カラム温度、溶離液、流速は、それぞれなポリ乳酸は得られない。

35°C、1 mM CuSO4、 0.5 ml/min とした。

いた報告しかない

本研究では、L-乳酸の無触媒直接重合についてマイいることにより、通常の加熱方法に比べて高分子量の2.3.3. NMR 測定
反応混合物中のラクチド、及び、メソラクチドを1H-

ポリ乳酸が得られることが分かった。また、反応系中

NMRスペクトルのメチンピーク、及び、メチンプロトの状態やラセミ化の影響についても観測し、マイクロンをデカップルした1H-NMR測定のメチル基のピークに波による反応の特性について調べたので報告する。

より観測した(ARX-500, Bruker Co.)。それぞれのケ

クロ波照射により行った。その結果、マイクロ波を用

ミカルシフトは以下の通りである。δ = 5.14–5.25

δ = 5.01–5.10
δ = 4.33–4.39 (chain
terminal methine) 、 δ = 1.72 (mesolactide) 、
δ = 1.65 (L,L-/D,D-lactide)(chain middle methine) 、

２ 実験(lactide methine) 、

2.1 試料
乳酸水溶液をマイクロ波により加熱すると、突沸のため通常の加熱と比較が困難である。そのため、乳酸を通常加熱によりオリゴマーとしてから通常加熱とマ３ 結果と考察イ ク ロ 波 加 熱 の 比 較 を 行 っ た 。 90 ％ 乳 酸 (Purac
Figure 1 に25 mmHg、6 時間、OLLAを反応させたJapan) を 通 常 の 方 法 に よ り オ リ ゴ マ ー （ OLLA;
Mw=1480）とした 3)。

ときの、反応温度による分子量の変化を示した。100

2.2 合成℃から180 ℃の範囲において、マイクロ波照射下、通ガラスチューブ(10 mm o.d.)に OLLA を 5.0 g 入れ、常加熱ともに、温度が上がるとともに分子量の増加が上部を真空ポンプに接続した。Discover® microwave

見られた。また、すべての温度範囲において、通常加

synthesis system (CEM Co.)を用いて 2.45 GHz のマ

熱に比べてマイクロ波照射を行った方が高分子量のポイクロ波をサンプルに照射した。重合中は装置付属のリマーが得られた。
水はマイクロ波による誘電損失が大きく加熱されマグネチックスターラーを用い撹拌子によりサンプル

Oを撹拌した。また、オーバーヒートを防ぐため、装置O

付属の導入口から圧縮空気を供給した。温度は付属の

OH

O

O

+ HO

O

O

赤外温度センサーにより観測し、マイクロ波の出力により制御した。反応終了後、サンプルを 10 ml のクロ

+ H2O

O
O

Scheme 1 Polycondensation of OLLA

ロホルムに溶解し、100 ml のメタノールに注ぎ沈澱
させ、濾過、洗浄の後、室温、減圧下で２日間乾燥を
行った。

12
10
Mw/1000

比較のため、通常加熱としてオイルバスによる加熱により同様の実験を行った。
2.3 測定2.3.1 分子量測定
ポリ乳酸の分子量は、東ソー製 HLC-8220GPC により行った。カラムは、TSKgelSuperHZ2000（排除限界分
子量:1×104）、TSKgelSuperHZ4000（排除限界分子量642:4×105 ）、ガードカラムを直列に接続して用いた。

080

カ ラ ム 温 度 、 溶 離 液 、 流 速 は そ れ ぞ れ 、 40 ℃ 、
CHCl3、0.35 ml/min とした。標準のポリスチレンを基

Fig.1

準として分子量の校正を行った。
2.3.2.

8

乳酸ユニットの光学純度測定

200
120
160
Temperature (℃)

The reaction temperature dependence ofmolecular

weightof

PLLA

polymerized

undermicrowave

irradiation(open

circle)underconventional heating (closed circle).
-38-

and

O

O

12

O

O
O

O

O

O

10

O
O

Chain middle

OO

Mw/1000

8

Chain terminal

6
(a)

4
2
0

(b)

2 4 6 8 10 12 14Time (h)0

Fig.2

The reaction time dependence of molecularweightof

PLLA

polymerized

under

Fig.4 1H-NMR spectra of reaction mixtures; (a) under
microwave irradiation and (b) conventional heating.

microwave

irradiation (open circle) and under conventional heatingO(closed circle).

O

O

O

O

O

D-lactate ratio to total lactate (%)

O

Fig.3

L,L‐lactideOmeso‐lactide

O
O
O

20

O

D,D‐lactide

2

1
Fig.5 Methine proton decoupled 1H-NMR spectra ofreaction mixtures; (a) under microwave irradiation and00(b) conventional heating.

2 4 6 8 10 12 14Time (h)mmHgでマイクロ波照射下及び通常加熱により6 時間反The reaction time dependence of D-lactate

ratio to total lactate in the PLLA polymerized under

応させたサンプルについて、1H-NMR測定を行った。

microwave irradiation (open circle) and under

Figure 4にメチン基の1H-NMRスペクトルを示した。まconventional heating (closed circle)

た、Figure 5にメチン基のプロトンをデカップルした
1

H-NMRスペクトルのラクチドのメチル基のピークを示やすいため、縮合により生じた水はマイクロ波照射にした。Figure 4から通常加熱に比べてマイクロ波照射より系から容易に除去できる。水が効率よく除去されによりラクチドが多く発生することが分かった。まればScheme１の平衡が右へと移動するため、縮合が効

た、Figure 5より、通常加熱に比べてマイクロ波照射率よく行われたと考えられる。

下では、ラクチドのメソ体の比率が高くポリマー成分

また、Figure 2に180 ℃、25 mmHgでOLLAを反応させだけでなくラクチドもラセミ化の影響を大きく受けてたときの、反応時間による分子量の変化を示した。通いることが分かった。ラクチドのメソ体の割合はポリ常の加熱に比べてマイクロ波照射により重合が速く進

マー中の乳酸ユニットのD体の割合に比べてはるかにみ、また、到達する分子量もマイクロ波照射下の方が高いことから、ラセミ化がラクチドで起こり、ラセミ

高いことが分かった。しかし、マイクロ波照射下で12化したラクチドが重合することによりポリマーの乳酸

時間反応させたサンプルは、軟質であり変色が見られユニットのラセミ化が起こっていると推測された。

た。
Figure 3に乳酸ユニットの光学純度の時間変化を示４した。マイクロ波照射下では、照射時間の経過ととも・に著しく乳酸ユニットのラセミ化が起こっていることまとめ

マイクロ波照射を行うことにより、通常加熱に比べて高分子量のポリ乳酸を得ることができた。

が分かった。これより、ポリ乳酸の分子量は高くなっ・ているものの機械的物性はラセミ化により低下すこと

通常加熱に比べてマイクロ波照射によりポリ乳が分かった。

酸を合成することにより、乳酸ユニットのラセミ次に反応系中の状態を調べるために、180 ℃、25化が進んだ。

-39-

・

通常加熱に比べてマイクロ波照射下では、反応混合物中にラクチドが多く存在し、また、ラクチ
ドのラセミ化が進んでいることが分かった。

なお、本報告はJournal of Chemical Engineering of Japanにアクセプトされた論文の一部です。

参考文献
１)

BP

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2008
２)

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３)

Moon, S. -I., C. -W. Lee, I. Taniguchi,M.

Miyamoto

andY.

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Polycondensation of L-Lactic Acid with
Sn(II)

catalysts

Activated

ProtonAcids:

DirectA

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Various

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1673–1679 (2000)
４)

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assistedacriticaltechnology

GreenChem.,–

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128–141(2004)
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Takeuchi;“Microwave-Assisted

Single-Step Synthesis of Poly(lactic acid) by
Direct Polycondensation of Lactic Acid,”

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Rapid

Commun.,28,

437–442(2007)
６)

Kéki, S., I. Bodnár, J. Borda, G. Deák
and M. Zsuga; “Fast Microwave-Mediated
Bulk

Polycondensationof

D,L-Lactic

Acid,” Macromol. Rapid Commun., 22(13),1063–1065 (2001)-40-

熱電変換材料の高性能化に関する研究（第２報）
安達 智彦*ADACHI Tomohiko

要旨

佐々木 宗生*SASAKI Muneo

アルミニウムをドープした酸化亜鉛（アルミドープ酸化亜鉛）は熱電材料として優れた特性を持つ材料として知られている。これまでの研究で、放電プラズマ焼結法により作製したアルミドープ酸化亜鉛は常圧焼結法で作製した場合と比べて、多孔質すなわち低熱伝導率でありながら高導電率であるという特長を持つことが分かっている。本研究では、放電プラズマ焼結法の各種焼結パラメータ（アルミナ添加量、焼結温度、保持時間）を変えたときのアルミ
ドープ酸化亜鉛焼結体の特性について、主として密度と導電率の両面から評価を行った。その結果、2～3wt%程度のアルミナ添加量、1～5 分程度の保持時間で焼結した場合に、優れた導電性を持つ焼結体が得られることが分かった。
各パラメータについて、SPS-AZO 焼結体の導電率と１ はじめに

気孔率への影響を評価し、熱電変換材料として有望な

ア ル ミ ニ ウ ム を ド ー プ し た 酸 化 亜 鉛 （ AZO ：「多孔質（＝低熱伝導率）と高導電率が両立」する
AZO 焼結体の作製条件について検討した。

Aluminum-doped Zinc Oxide）は、比較的高温域で使用できる n 型熱電変換材料として知られている｡

1,2)

２ 実験方法AZO は高導電率と高ゼーベック係数を持ち熱電変換

2.1 原料粉末の作製

材料として理想的であるものの、高熱伝導率であるこ

出発原料として、あらかじめ約 100℃で十分に乾燥とが熱電変換材料としてのポテンシャルを低下させる原因となっている。仮に AZO の熱伝導率のみを低減させた ZnO 粉末（ハクスイテック㈱）およびγ-Al2O3

できれば熱電性能を飛躍的に向上できる（熱伝導率の粉末（旭化成㈱）を用いた。各粉末をγ-Al2 O3 が全粉みを半減すると熱電性能は 2 倍）ため、AZO 焼結体

末重量に対して 1、2、3、5wt%（Zn1-xAlxO 表記でその熱伝導率を低減することは非常に重要である。しかれぞれ約 x=0.015, 0.03, 0.045, 0.075）になるよう

し実際は、熱伝導率の低減と引き換えに長所の高い導に秤量した後に、エタノール中で湿式ボールミル混合

電率が低下するなど、AZO の熱伝導率のみを低減すを行った。得られたスラリーをエバポレーターによりることは容易ではない。そのため AZO では高導電率

乾燥した後、乳鉢で粉砕し、穴径 100µm のふるいをと低熱伝導率を両立することが、重要な研究課題と通った粉末のみを原料粉末とした。

なっている。
本研究ではこれまで、常圧焼結（PLS：Pressure-

2.2

3)

SPS 焼結体の作製

less Sintering ） 法 、 放 電 プ ラ ズ マ 焼 結 （ SPS ：SPS-AZO 焼結体の作製には穴径φ20mm のカーボ

4)ンダイスを使用した。2.1 で作製した原料粉末をダイ（ MWS： Microwave Sintering ） 法 の 各 焼 結方 法 でスに充填する際には、原料粉末とダイスやパンチ棒が

AZO 焼結体を作製し、焼結挙動や密度、導電率等の直接接触して焼結中に融着しないように、ダイスと原Spark Plasma Sintering ） 法 、 マ イ ク ロ 波 焼 結

5 7)

評価を行ってきた｡ ～ その結果 SPS 法で作製した料粉末の間にグラファイトシートを挟み込んだ。このAZO 焼結体（SPS-AZO 焼結体）では、高い気孔率ダイスを SPS 装置（Dr. Sinter Model SPS-1030：住（＝低密度＝低熱伝導率）でありながら高導電率を有

友石炭鉱業㈱）にセットし、表 1 に示す焼結パラ

6)

メータで焼結を行った。なお測温はカーボンダイス表すことを明らかにした｡®

なお PLS 法で作製した面の光温度計の測温値を用いた。

AZO 焼結体（PLS-AZO 焼結体）では、わずかな気孔率の増加によって導電率は急激に低下することが分

表 1：本研究での SPS 法の焼結パラメータ6)

かった｡ しかしこれまでの SPS 法の研究では、多数

γ-Al2O3 添加量

1, 2, 3, 5wt%

焼結温度800～1150℃

SPS 法の焼結パラメータのなかから特に重要と思わ

焼結時間

1, 5, 20min

れる「γ-Al2O3 添加量」、「焼結温度」、「焼結時間」の

昇温速度

50℃/min

加圧力

30MPa

雰囲気ガス

Ar

ある SPS 法の焼結パラメータのどれが特性に影響するのか、明確ではなかった。そこで本報では、数ある*

滋賀県工業技術総合センター機能材料担当

-41-

2.3

SPS 焼結体の評価

３ 結果と考察作製した AZO 焼結体の嵩密度は、焼結体表面をサンドペーパー等で研削・研磨した後、アルキメデス法

3.1

により求めた。なお相対密度（%）は嵩密度を理論密

γ-Al2O3 添加量の影響

SPS 法、PLS 法ともに、焼結温度を高温にすると度で除した後に 100 を乗じて、100 分率（%）として相対密度が高い（低気孔率）焼結体（γ-Al2 O3 添加量算出した。気孔率（%）は 100 から相対密度（%）をが 1 および 2wt%の場合については前報 ）を参照）が減じて算出し、単位体積あたりに何%の気孔（空気）

得られた。

5

が存在しているかを示し、値が高いほど多孔質である

SPS-AZO 焼結体（γ-Al2O3 添加量 1～5wt%、焼結ことを示している。AZO 焼結体の理論密度はγ-Al2O3

温度 800～1100℃、焼結時間 5min）の気孔率（x

添加量と分散もしくは固溶状態によって変化するので、軸）と導電率（y 軸）の関係を図 1 に示す。あわせて
PLS-AZO 焼結体（γ-Al2O3 添加量 1～5wt%、焼結温添加したγ-Al2O3 が全てスピネル（ZnAl2O4）の形成に
3

度 800～1100℃、焼結時間 5min）の気孔率（x 軸）消費されると仮定して、ZnO（理論密度 5.7g/cm ）3と ZnAl2O4（理論密度 4.6g/cm ）の比率から算出した。

と導電率（y 軸）のプロットを図 2 に示す。なお図中

本研究では、γ-Al2O3 添加量が 1、2、3、5wt%の AZOの同じプロットマーク（○、×など）で比較した場合、

3

気孔率が低いものほど高温で焼結したものである。

焼結体の理論密度を、5.68, 5.65, 5.63, 5.58g/cm と見積もった。導電率は、焼結体表面をサンドペーパー

3000

等で研削・研磨した後、四端針法により測定した。

S1-5
S2-5
S3-5
S5-5

表 2 および 3 に SPS-AZO 焼結体および PLS-AZO
5)を参導電率 (S/cm)

焼結体（PLS-AZO 焼結体の作製方法は前報照）の作製条件とサンプル名を示す。

表 2：SPS-AZO 焼結体の作製条件とサンプル名
焼結方法

γ-Al2O3
添加量
1wt%
（S1）
2wt%

SPS

（S2）
3wt%
（S3）
5wt%
（S5）

焼結時間
（サンプル名）

焼結温度

2000

1000

5min （S1-5）
1min （S2-1）
5min （S2-5）
20min （S2-20）

0
0

800～

10

5min （S3-5）

焼結体の気孔率（x 軸）と導電率（y 軸）
5min （S5-5）

3000

γ-Al2O3
添加量
1wt%
（P1）
2wt%
（P2）

PLS
3wt%
（P3）
5wt%
（P5）

焼結時間
（サンプル名）

焼結温度

導電率 （S/cm）

方法

40

図 1：γ-Al2O3 添加量を変えて作製した SPS-AZO

表 3：PLS-AZO 焼結体の作製条件とサンプル名
焼結

20
30
気孔率 (%)

1150℃

2hr （P1-2）
12hr （P1-12）24hr （P1-24）
2hr （P2-2）

2000

P1-2
P2-2

P1-12
P2-12

P1-24
P2-24

P3-2
P5-2

P3-12
P5-12

P3-24
P5-24

1000

12hr （P2-12）24hr （P2-24）

1000～

2hr （P3-2）

1400℃

0

12hr （P3-12）01024hr （P3-24）
2hr （P5-2）2030
気孔率 （%）

40

図 2：γ-Al2O3 添加量を変えて作製した PLS-AZO

12hr （P5-12）

焼結体の気孔率（x 軸）と導電率（y 軸）24hr （P5-24）
これまでの研究

6)で、気孔率と熱伝導率の相関関係が得られており、PLS 法、SPS 法のいずれの作製方-42-

法でも、気孔率 10%で熱伝導率は約 25%減少し、気3000

孔率 20%では熱伝導率は約 50%減少することが分S2-1

かっている。このことは気孔率を測定することによっ

S2-5て AZO 焼結体のおよその熱伝導率を見積もることが導電率 (S/cm)

可能であることを示している。
図 2 に示すように PLS-AZO 焼結体では、PLS 法の作製条件に関係なく、気孔率が 0%付近の緻密な焼結体では導電率は 1200S/cm 程度と高い導電率を示すのに対して、気孔率がわずかに増加すると導電率は急激

S2-20

2000

1000

に低下しほぼ 0 となった。このことは PLS 法では焼結条件を変えても、多孔質（＝低熱伝導率）と高導電率が両立した焼結体の作製が困難であることを示して

0

いる。

0

一方、SPS-AZO 焼結体（図 1）では、γ-Al2O3 添加

10

20
30
気孔率 (%)

量に関係なく、気孔率が多く（＝低相対密度）になる

40

図 3：焼結時間を変えて作製した SPS-AZO

に従って導電率はゆるやかに減少し、気孔率が 30%

焼結体の気孔率（x 軸）と導電率（y 軸）以上になるまで一定の導電率を有することが分かった。
このことは SPS 法を採用すれば、PLS 法では困難で４ まとめあった多孔質な AZO 焼結体（気孔率 10～30%）にも導電性を付与できることを示しており、多孔質であり本研究では、SPS 法の各種焼結パラメータを変えながら高導電率を有する AZO 焼結体を作製できるこて AZO 焼結体を作製し、焼結パラメータが主としてとを明確にした。

気孔率と導電率に及ぼす影響について評価・検討を行い、以下の知見を得た。

γ-Al 2 O3 添加量が 1wt%と少ない場合は、導電率の最高値が 1200S/cm（気孔率 0%）であるのに対して、高導電率を有す SPS-AZO 焼結体を作製するには、

2wt%以上の焼結体では 2000S/cm 以上（気孔率 5%

γ-Al2O3 添加量を 2～3wt%、焼結時間を 1～5 分とす以下）の導電率を持つ焼結体が得られ、特に 2 およべきことが分かった。さらに焼結温度を 1100℃以上

び 3wt%において他の添加量よりも高い導電率を示しにするとほぼ緻密（気孔率 5%以下）でありながら、た。このことから、SPS-AZO 焼結体における最適の導電率が 2000S/cm 以上の AZO 焼結体が作製できる。

γ-Al 2 O3 添加量は 2～3wt%であり、1wt%では添加量

また焼結温度を制御することで、PLS 法では困難なが不十分であり、5wt%では添加量が過剰であること

多孔質（気孔率 10～30%）でありながら一定の導電が示唆された。なお、本研究での SPS-AZO 焼結体の率持つ AZO 焼結体を作製できることが分かった。

最高導電率は 2500S/cm であり、常圧焼結法の最高値

謝辞（1200S/cm）の 2 倍以上の導電率を有することが分

本研究は独立行政法人科学技術振興機構（JST）のかった。

地域イノベーション創出総合支援事業、平成 20 年度「シーズ発掘試験」の一環として実施しました。

3.2 焼結時間の影響
3.1 で得られたγ-Al2O3 の最適添加量から、γ-Al2O3

また、研究の全体的な進行において、東北大学多元添加量を 2wt%に固定して、焼結時間の影響を評価し物質科学研究所 関野徹先生にご指導を頂きました。

た。図 3 に SPS-AZO 焼結体（γ-Al2O3 添加量 2wt%、

参考文献

焼結温度 800～1150℃、焼結時間 1～20min）の気孔率（x 軸）と導電率（y 軸）の関係を示す。
焼結時間が 1min の SPS-AZO 焼結体は気孔率の全範囲において 5 および 20min の焼結体よりも導電率

1)M.Ohtaki, J.Appl.Phys. 79, 1816-18 (1996)

2)
3)

T.Tsubota, J.Mater.Chem., 7, 85-90 (1997)
三宅 正司ら：セラミックスの高速焼結技術-セラ
ミックス電磁プロセッシング-, ㈱TIC (1998)

が低くなった。また 5min と 20min ではほぼ同じ導電率を示した。このことから、1min のように短時間の4)焼結時間では十分な導電率が得にくい一方で、5min

越島 哲夫：マイクロ波加熱技術集成, ㈱ NTS(1994)

以上の焼結時間は導電率の向上に寄与しないことが明5)

安達 智彦ほか：滋賀県工業技術総合センター研究報告, 31-34 (2005)

らかとなり、1～5 分の間に最適焼結時間が存在する
ことが示唆された。

6)

安達 智彦ほか：滋賀県工業技術総合センター研究報告, 31-34 (2006)7)安達 智彦ほか：滋賀県工業技術総合センター研究報告, 32-35 (2007)-43-

ゾル-ゲル法による機能性薄膜の創製-ガスバリア性
ガスバリア性を有する有機
する有機－
有機－無機ハイブリッド
無機ハイブリッド膜
ハイブリッド膜の創製創製山本和弘*
YAMAMOTO Kazuhiro

要旨佐々木宗生*
SASAKI Muneo

坂山邦彦**SAKAYAMA Kunihiko

有機－無機ハイブリッド膜は有機材料と無機材料のそれぞれの利点を活かした材料設計が可能である。本研究では、柔軟性を有するガスバリア膜の作製を目的として、polyvinyl
alcohol-SiO2 系有機―無機ハイブリッド膜を検討した。重合度が 500、1500、3500 の PVA を用いて様々な量を含有させた膜を作製した。作製した膜の酸素ガス透過度は PVA の重合度が減少するにつれて、また PVA 含有量が増加するにつれて減少した。このことから本系での材料設計指針として、酸素ガスバリア性の向上には低重合度の PVA を高含有させることが有効であると考えられる。
SiO2 を選択した。PVA-SiO2 系膜の作製条件および

１ 緒言

PVA の含有量と重合度が酸素ガスバリア性に与える

ガスバリア膜は膜を隔てて外部雰囲気と内部雰囲気

影響について検討し、この系における材料設計指針をを遮断し、電子材料や包装材料として用いられている。

探索することを目的とする。

電子材料として有機 EL や太陽電池などに用いられる

２ 実験

バリア膜があるが、近年の需要の多様化によりロールアップ型に対応した柔軟性を持ち合わせたものが要望

2.1

されている。一般的に用いられている無機系のガスバ

テトラエトキシシラン（TEOS：Si(OC2H5)4、信越化

スピンコート用ゾル溶液の作製

リア膜は真空蒸着法やスパッタリング法などにより作学工業㈱製）、HNO3（和光純薬工業㈱製）、H2O、製されており、構造骨格が無機物のみであるため、柔エタノール（EtOH、和光純薬工業㈱製）、ポリビニ

軟性については課題がある 1)。

ルアルコール（PVA、和光純薬工業㈱製）を用いた。

この課題を解決する一つの方法として、有機－無機

PVA はケン化度が 86～90 %で重合度が 500、1500、ハイブリッド膜によるガスバリア膜の作製が挙げられ3500 の 3 種 類 を 使 用 し た （ そ れ ぞ れ PVA500 、る。構造骨格中に有機物を含有させることで、ガスバ

PVA1500、PVA3500 と表記する）。

リア性を保持しつつ、柔軟性を付与させることが可能

TEOS 溶液は全体の秤量値が 20 g となるように、モとなる。また、有機物を膜中に含有させることで有機ル比で TEOS：HNO3 ：H2O：EtOH＝2：0.1：9：10

物と無機物それぞれの長所を併せ持った材料が作製可（or 14）となるように秤量した。ここで、溶媒量の影能となる 1)。有機－無機ハイブリッド膜を作製する一響を調べるため、EtOH のモル比が 10 と 14 の試料を般的な作製方法としてゾル－ゲル法がある。ゾル－ゲ

作製した。秤量した EtOH を半分に分割し、一方にル法は原料となるアルコキシド、アルコール溶媒、水、TEOS のみ、もう一方に硝酸と H2O を混合し、その後触媒となる酸・アルカリなどと混合し、アルコキシド

両方の溶液を混合し 5 時間かく拌した。

の加水分解・重縮合などを経て骨格ネットワークを形PVA 水溶液は PVA の重量比率が 1.5～10 wt%とな成する方法である。反応場は溶液であるため、反応場

るように秤量し、室温で粒子状の PVA が目視で確認に溶解できる物質であればその材料中に含有させるこ

できなくなるまでかく拌した。

とが出来る。また、溶液を介しての反応であるため均質な材料を作製することができる

上記 TEOS 溶液 10 g に対して、PVA 水溶液 10 ml

1,2)

。

を 1 ml ずつ添加し 3 時間かく拌した溶液をスピンコ

本研究では有機・無機材料（複酸化物など）を用い

ート用ゾル溶液とした。

て、ガスバリア性の高い膜の作製を目標としており、本報告では酸素バリア性に優れたポリビニルアルコー

2.3

ル（PVA） 3)を有機物として選択し、無機骨格として成膜はスピンコーター（ミカサ製：1H-D3 型）を

PVA-SiO2 有機－無機ハイブリッド膜の作製用いてスピンコート法により行った。スピンコート用
ゾル溶液 1 ml を、5000 rpm で回転させている直径 8*滋賀県工業技術総合センター機能材料担当

cm、厚さ 50 µm の PET フィルムに滴下してコーティ** 滋賀県工業技術総合センターセラミック材料担当

ングした。PVA-SiO2 有機－無機ハイブリッド膜（PS-44-

料が優れていた。一方、TEOS 溶液に対する PVA 水
EtOH＋＋ TEOS

EtOH＋
＋H2O＋
＋HNO3

溶液の溶解性については、本来ケン化度が高い PVAはアルコールに難溶性であるが、EtOH モル比 14 の試

5h 撹拌

料は混合時に PVA が析出しやすい傾向が見られた。

PVA水溶液水溶液

これは、ケン化度が 86～90 %と比較的高い割合の
PVA を使用しているためアルコール系溶媒への溶解

3h 撹拌

性が低く、TEOS 溶液と混合した際に溶媒抽出に似た効果による影響であると推察される。そのため、今回スピンコート用
スピンコート用ゾル溶液
ゾル溶液の作製条件では EtOH の含有量はなるべく少ない方がスピンコート1h, 70℃℃ 乾燥

適していると考えられる。

PVA-SiO2ハイブリッド膜
ハイブリッド膜

3.2

PS 膜の表面分析

図２に作製した PS 膜および基板 PET フィルムの図１ 試料作製フローチャート.

XPS ワイドスキャン測定の結果を示す。PET フィル
膜と表記する）はコーティングした PET フィルムをムでは 280 eV および 530 eV 付近にそれぞれ C、O に

70℃の乾燥器で一時間保持して作製した。溶液調整か起因するピークが観測され、PS 膜には C、O のピー

ら成膜までの工程をフローチャートにして図１に示す。

クに加えて 110、150 eV 付近に Si に起因するピークが観測された。PS 膜は表面に Si の存在を確認するこ

2.4 測定とができた。また、それぞれのピーク強度は PVA 溶

膜の表面の化学状態・成分比率を分析するために、

液濃度および EtOH モル比によって異なっている。こXPS 測定（ULVAC-PHI㈱製：model5400）を行った。

れらのピークのナロースキャンを行い、それぞれの元

また、酸素ガスバリア性を評価するために、酸素ガス

素の原子比率を表した代表的なものを図３に示す。

透過測定（GTR テック㈱製：GTR-10XATC）を行っ

PVA 重合度による大きな比率変化は観測されなかっ
たが、PVA 水溶液濃度についてはその濃度が増すごた。

とに C 量が増加し、相対的に Si および O 量が減少す

３ 結果および考察
3.1

る傾向にあった。よって、溶液作製過程や乾燥過程に

PS 膜作製結果と EtOH 量の影響

おいて、仕込み組成がほぼ維持されていると考えられ

表１に作製した PS 膜について PVA 水溶液濃度とる。

PVA 重合度を変えたときの成膜結果を示す。目視による外観検査の結果、今回の作製条件ではほぼ全ての

O

C KLL

Intensity
Intensity (a.
(a. u.)u.)膜が作製可能であり、成膜した PS 膜はひび割れもな
く 、湾 曲さ せて もひ び割 れは 観測 され なか った。
PVA3500 の水溶液を用いた場合は 10 wt%で作製が不可能となった。これは PVA 水溶液の粘度が高かった
こと、および EtOH との混合により PVA が析出した

C

O KVV

Si

PET

PET
3500_5.0%_④④

3500_5.0%_14

3500_5.0%_③③

3500_5.0%_10

3500_1.5%_④④

3500_1.5%_14

3500_1.5%_③③

3500_1.5%_10

ことに起因する。

１ 500_10%_③③

1500_10%_10
１ 500_1.5%_③③

一般に、EtOH は反応の中で TEOS の官能基と置換

1500_1.5%_10
500_10%_③③

500_10%_10反応を行うため、その量が多い場合は加水分解速度を

1100

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Binding Energy / eV
Binding
Energy / eV低減させることができる。そのため、今回、溶媒とな
る EtOH をモル比で 10 および 14 のゾル溶液を作製

図２ PS 膜および基板 PET フィルムの XPS ワイ

し、モル比 10 および 14 での比較を行った。その結ドスキャンスペクトル. （測定した試料は[重合度

果、成膜性については大きな違いは観測されなかった_濃度_EtOH モル比]で表した）が、スピンコート用ゾル溶液の保存性（一ヶ月後に固化しているか確認）については、EtOH モル比 14 の試表１ PS 膜の作製結果

PVA濃度（wt%）
エタノール量（モル比）
PVA500
PVA1500
PVA3500

1.5
10
○
○

2.5
14
○
○

10
○
○
○

5.0
14
○
○
○

10
○
○

10.0
14
○
○

10
○
○
×

14
○
○
×

○：成膜可能 ×：成膜不可-45-

４ まとめ70

PVA重合度PVA 重合度◇ 500○ 1500□ 350060

原子O原子

ガスバリア性を有する有機－無機ハイブリッド膜の作製およびその材料設計指針の探索を目的として、
PVA-SiO2 系膜（PS 膜）の作製を行った。以下に得ら

50

原子比率 / %れた知見を示す。
40

原子
C原子

・TEOS 溶液作製時の EtOH 溶媒量としてモル比30で 10 および 14 を検討した結果、PVA の溶解性などを考慮して、モル比 10 が適当であった。

20

原子
Si原子
・ゾル溶液の仕込み組成と作製した膜の組成は相10関があり、作製・乾燥過程での揮発などによる大
0

0

2

4

6

8

きな組成変化はないと考えられる。

10 12 14

PVA水
水 溶 液 濃 度 / wt%

・PVA の重合度およびその含有量が酸素ガス透過

図３ XPS 測定から得られた PS 膜（EtOH モル比

度を支配する要因の一つであることが分かった。

10）の原子比率.

重合度に関しては低いのもが、また含有量に関して多く含有するものが酸素ガスバリア性の向上に寄与することが分かった。今回作製した PS 膜の3.4 酸素ガスバリア性に対する PVA 重合度と添加中で、PVA500 を使用した PS 膜が最もガスバリア量の影響性が良好であったが、今後 PVA 含有量を増加させ

図４に酸素ガス透過測定の結果を示す。PVA の重ることも可能であり、さらなる酸素バリア性の向合度が減少するにつれて酸素透過度は減少した。これ

上が見込まれる。

は、重合度の大きな PVA を用いた場合は、無機骨格となる SiO2 と PVA それぞれのドメインの間に生じる

参考文献

隙間が大きくなること、および PVA の重合度が大きいためそれら自身の重なりにより酸素透過の経路が形

1) 作花済夫：ゾル－ゲル法のナノテクノロジーへ成されやすくなり、酸素分子が透過できる空間が広くの応用，pp 97-101（2005）.

空いてしまうことが原因の一つと推察される。一方

2) 作花済夫：ゾル－ゲル法の応用，（1997）.

PVA 含有量が増加するにつれて酸素透過度は減少し

3) 竹村元良：工業材料，53，52-55（2005）.

た。このことから、PVA の持つ高い酸素ガスバリア
性が、添加量に比例して PS 膜に付与することが可能であると考えられる。
50

40
35

酸素透過度

2

/ (cc/m /24h/atm)

45

30
25

PVA水溶液濃度

20

1.5%

15

2.5%

10

5%
10%

5
0
0

1000

2000

3000

4000

PVA重合度
重合度

図４ PS 膜（EtOH モル比 10）の酸素ガス透過度.

-46-超臨界反応場における化合物の高機能化に関する研究①―超臨界アルコールのアルケンへの付加反応―
上田中 隆志*KAMITANAKA Takashi
要旨

有機金属試薬・触媒を用いない炭素―炭素結合形成反応について検討を行なった。今回は有機化合物中の C=C 結合にアルコール分子が付加するヒドロキシアルキル化反応について検討した。反応温度 300℃における超臨界アルコールによるスチレンのヒドロキシアルキル化
反応について検討したところ、収率が低かった。しかし、ラジカル開始剤である過酸化ベンゾ
イルを添加したところ、収率が向上した。この結果から、本反応はラジカル過程で進行する可能性が考えられる。

１ はじめに

これらの反応は、従来法では触媒が必要であるが、近年、石油資源の枯渇および環境にやさしいものづ

超臨界アルコールを用いることで無触媒で反応が進行

くりへの志向から、環境にやさしい付加価値の高い生する。たとえば、スキーム１(a)に示すヒドロキシア

産技術の開発が求められている。なかでも超臨界流体

ルキル化の場合には、酸触媒と貴金属錯体触媒を用いによる手法が注目されており、さまざまな分野での利る手法が近年報告されている[12]。この方法に比べ用が検討されている。

て、超臨界アルコールを用いる方法だと、アルコール

超臨界流体は臨界温度および臨界圧力を超えた物質と原料以外の物質を加えていないため、反応後の処理の状態であり、液体・気体と異なる特性をもっているが容易である。

ため、化学反応を行なう特異な反応場として利用が注

本研究では、スキーム１(a)に示すヒドロキシアル

目されている [1]。特に、有機溶媒の代替として超臨キル化について、その反応収率の向上を目的に検討を

界二酸化炭素[2]、高い酸性度を利用した超臨界水[3]行なった。今回は比較的収率が高かった超臨界２－プ

に関する研究が盛んに行なわれている。 近年、超臨ロパノールによるスチレンの反応について検討した。

界アルコールの利用についても検討されており、ケミ
カルリサイクル[4]や有機合成反応に利用できること

２ 実験操作が報告されている。特に、超臨界アルコールを反応場
2.1 試薬のみでなく反応試剤として利用する反応が報告されて２－プロパノールは和光純薬株式会社、スチレンはいる[5‐11]。そのいくつかをスキーム１に示す。

東京化成工業株式会社より購入し、これらを精製する

(a)
R

R

ことなく用いた。

R2OH

2.2 反応装置

R1, R2 = H or CH3

(b)
O
R

R1

supercritical R1R2CH(OH)

反応には SUS316 製バッチ式反応容器（容量 50 mlに圧力計、安全弁およびバルブを装備している。このR

R'；オーエムラボテック製）を用いた。この容器の出口OHsupercritical R1R2CH(OH)R'

バルブに配管を接続することで、容器内部の空気を不活性ガスに置換できるようにした。パッキンには反応

(c)
R C N

supercritical R1R2CH(OH)

容器と同一素材である SUS316 を用いた。昇温にはバR COOCHR1R2

ンドヒーターを用いた。

スキーム１
スキーム１ 超臨界アルコールを反応試剤とする反応

2.4 分析

(a)アルコールの付加（ヒドロキシアルキル化）

生成物の同定および定量にはガスクロマトグラフ質(b)カルボニル基の還元

量分析装置（島津製作所 GCMS-QP2010 Plus）を用(c) ニトリルのエステル化

いた。
*滋賀県工業技術総合センター機能材料担当-47-

本反応はアルコールのα‐水素が解離してアルコー

2.4 反応および評価
所定濃度のスチレンのアルコール溶液を調製した。

ル骨格がアルケンのＣ＝Ｃ炭素に付加する反応であこの溶液を反応容器に入れ、内部の空気を窒素ガスでる。このため、反応中にα‐水素を容易に解離するこ置換した。反応温度まで昇温し、反応温度に達した時とができれば、反応が促進できる、すなわち、収率を点を反応開始とした。所定時間保持後、空冷ファンに向上することができると考えた。
α‐水素の解離の形式としてはラジカルとして解離て容器を室温まで冷却した。

する可能性が考えられることから、ラジカル開始剤で反応溶液を一部取り出し、生成物を GC-MS にてある過酸化ベンゾイルを反応系に添加し、収率を比較分析した。

した。超臨界 2‐プロパノールによるスチレンのヒド

３ 結果と考察

ロキシアルキル化反応において、ラジカル開始剤であ

筆者らはこれまでに超臨界アルコールと C=C 結合について検討をおこなった。結果を表 2 に示す。同条の反応において、アルコール付加生成物であるヒドロ件において、BPO 無添加の場合に比べて BPO を添加

キシアルキル誘導体が得られ、その収率は用いるアル

した場合にヒドロキシアルキル誘導体（２‐メチル‐

コールの構造に依存することを報告した（表 1）[8]。

4‐フェニル‐２‐ブタノール）の収率が 23%に向上

る過酸化ベンゾイル（BPO）を添加し、生成物の収率した。この結果から、ラジカル開始剤の添加により収率を向上できることがわかった。

表１ 超臨界アルコールとアルケンとのヒドロキシアルキル化
RR1

supercritical alcohol
o

R

350 C
R = 1a: C6H5-, 1b: CH3(CH2)3-, 1c: CH3(CH2)7-

R2

さらに BPO の添加量を増加させてもさらに収率がOH向上することはなかった。これは、高温における反応であるため、BPO がラジカル開始剤として働くよりはやく、失活してしまうためと考えられる。このた

R1, R2 = H or CH3

アルケン

アルコール

1a

メタノール

1a

エタノール

収率(%)

め、一定量以上の開始剤を加えても、それ以上反応が26促進されないことが分かった。

256

また、反応後の溶液に生成物として安息香酸エステ

反応時間(h)1a2-プロパノール

2

70

ルが確認された。これは、BPO が分解して安息香酸

1b2-プロパノール

20

12

ラジカルが生成し、H ラジカルを引き抜き、その後エ1c

2-プロパノール

20

13

ステル化されたためと考えられる。
また、ラジカル開始剤により反応が促進されたこと

1. アルケンの濃度 0.10 mol/L のアルコール溶液 0.14 mL を容積 0.32 mL のガラから、本反応がラジカル過程を含むことが考えられス管に封入、350℃にて反応。

る。現時点で考えられる機構をスキーム２に示す。はアルケンとしてスチレンを用いた場合に、最高収率

じめに 2‐プロパノールのα‐水素を引き抜き、ヒド70%が得られた。しかし、350℃と高温で反応を行っロキシアルキルラジカルが生成する。そしてこのラジているため、今回はより低い温度で収率の向上を試み

カルがスチレンのビニル炭素に付加する。そして、スた。

チレンのα‐炭素に水素ラジカルが付加し生成物が得られる。

ステンレス容器内、反応温度 300℃で反応を行った
ところ、7%とかなり低い収率であった（表 2）。
表 2 超臨界 2-プロパノールによるスチレンのヒドロキシアル

CH3
CH3
OH

キル化反応（ラジカル開始剤の添加効果）1OH

Ph
BPO, 300oC

Ph

BPO2

スチレン反応率(%)

生成物収率(%)

0

35

7

0.048

75

23

75

23

0.147
1.

OH

OH

H3C

CH3

H3C

H

CH3
H

スキーム 2 想定されるラジカル反応機構

反応条件: 反応時間 3 時間、スチレン初濃度 50 mmol/L, 溶液量 30 mL,
内容積 50 mL SUS316 容器にて反応

2.

H

OH

-H

過酸化ベンゾイル

-48-

CH3
CH3
OH

4

まとめ・展望超臨界アルコールによるスチレンのヒドロキシアル
キル化について、より低い温度における収率の向上を目指した。その結果、ラジカル開始剤を添加することで収率が向上することが分かった。この結果より本反
応はラジカル過程を含むことがわかった。
高い収量をえるためにはスチレン濃度を向上させる
ことが考えられるが、ラジカル開始剤はスチレンの重合反応に対しても反応促進剤となるため、さらに高い
スチレン濃度で反応を行うことは難しい。このため、更なる反応条件の検討が必要であり、現在、検討中で
ある。

参考文献
1) (a) 化学工学会超臨界流体部会編，超臨界流体入門（2008）; (b)佐古猛編，超臨界流体 －環境浄化とリサイクル・高効率合成の展開－，アグネ
承風社（2001）; (c) 佐古，岡島著，超臨界流体のはなし，日刊工業新聞社(2006).
2) T. Matsuda, Y. Ohashi, T. Harada, R. Yanagihara,
T. Nagasawa, K. Nakamura, Chem. Commun.,
2001, 2194－2195.
3) Y. Ikushima, K. Hatakeda, O. Sato, T. Yokoyam
M. Arai, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 1908‐
1918.
4) M. Goto, H. Koyamoto, A. Kodama, T. Hirose, S.
Nagaoka, B. J. McCoy, AIChE J., 2002, 48, 136‐144.
5) T. Kamitanaka, . Matsuda, T. Harada, Tetrahedron
Lett., 2003, 44, 4551‐4553.
6) T. Kamitanaka, Y. Ono, H. Morishima, T. Hikida,
T. Matsuda, T. Harada, J. Supercritical Fluids,
2009, 49, 221‐226.
7) T. Kamitanaka, . Matsuda, T. Harada, Tetrahedron,
2007, 63, 1429‐1434.
8) T. Kamitanaka, T. Hikida, S. Hayashi, N. Kishida,
T. Matsuda, T. Harada, Tetrahedron Lett., 2007,
48, 8460‐8463.
9) T. Nakagawa, H. Ozaki, T. Kamitanaka, H. Takagi,
T. Matsuda, T. Kitamura, T. Harada, J.
Supercritical Fluids, 2003, 27, 255‐261.
10) T. Kamitan aka, K. Yamamoto , T. Matsuda,
T. Harada, Tetrahedron, 2008, 64, 5699‐5702.
11) Y. Takebayashi, Y. Morita, H. Sakai, M. Abe,S . Yo d a , T. Fu ru ya , T. S u g e t a , K . O t a k e ,Chem. Commun., 2005, 3965‐3967.
1 2 ) L. S h i, Y - Q . Tu , M . Wa n g , F - M . Z h a n g ,C-A. Fan, Y-M. Zhao, W-J. Xia, J. Am. Chem.
Soc., 2005, 127, 10836‐10837.

-49-都市環境対応陶製品の開発研究２―誰もが住みやすい環境を求めて―

福村

哲*

FUKUMURA

Satoshi伊藤公一*
ITO

Kouichi

川澄一司*
KAWASUMI Kazushi

高畑宏亮*
TAKAHATA

Hiroaki

宮本ルリ子**MIYAMOTO
要旨

Ruriko

前年度に続いて、都市環境対応陶製品の開発に取り組んだ。陶器の持つ素材感や耐候性

・耐水性等を生かすとともに、新たな機能として冷却効果・断熱効果・赤外線反射効果等をもたせた機能性陶建材の開発を重点に行った。また、心地よい空間を演出できる照明関連製品を開発した。
成果を「信楽土まつり」開催にあわせ展示を行い、今後の課題の参考とするために来場者への聞き取りとアンケート記入による情報収集を実施した。関係業界へは研究成果発表会（平成20 年 12 月 4 日）の中で改めて紹介した。

１ まえがき近年、地球温暖化の影響による環境の悪化が懸念され、特に大都市圏ではヒートアイランド現象や都市洪水などが大きな社会問題となっている。こうした現象の緩和を目的とした環境対応の製品開発を実施した。
陶器が持つ耐候性に加えて新たな機能を付加し、信楽焼をはじめとする県内陶器産業の一層の振興を図る
ために、環境負荷低減に貢献出来る機能を付加した製品の開発に取り組んだ。

図１

2.2

通常の建物に貼られている平滑な外装タイルは太陽

２ 素材・技術・試作品の開発
2.1

歩道用レンガ赤外線反射タイルから放射される赤外線を地表に照り返す。この照り返

歩道用冷却レンガしを防ぐために、太陽の方向へと赤外線を再帰性反射

製品の特徴

するタイルを試作した。

夏季、貯水した雨水を、ソーラエネルギーにより循環し冷却する方式で、あつい日中に作動し夜間や雨天

製品の特徴

時には作動しないシステムにより効率的な冷却が期待

タイル表面に赤外線を再帰反射させるコーナーキュ

されるまさに自動的な打ち水をしてくれる装置である。

ウブという合わせ鏡状の凹凸を設けた。

研究のポイント

熱くならない。

赤外線の反射率は 80％で夏季でもタイルの表面がレンガブロックの主原料には、需要が少なくなっている県産の長石原料を用い、粒度や粘土量の調整により、吸い上げる水量のコントロールが出来るようにした。また、レリーフ紋様を施し、レンガの表面積を広くすることによる蒸散水量の増加と滑り止めの効果をもたせた。

*滋賀県工業技術総合センター陶磁器デザイン担当**同デザイン開発業務嘱託
図2

-50-

赤外線反射タイルかし、消費電力が少なく長寿命の LED ランプを組み合わせることにより、優しい光の漏れる新感覚の照明具を提案した。
製品の特徴
長石とアルミナ、石灰石を原料とした泥しょうをポ
リウレタンフォームのシートに浸し成形したもの。
スポンジ状で柔らかく、有機的な形状を作り出すこ
図3

赤外線反射タイルとができる。この特徴を生かして無理のない自然で優研究のポイント

しい形の照明具をデザインした。複雑な孔はほどよく

タイルの金型を精密機械加工により作成した。そのLED の光を透し独特のあかりを演出してくれる。

結果タイルを薄く成形することができた。
赤外線反射材料に吸水性がない素地を使い無釉で焼研究のポイント

き締めているため、他の釉薬を施しているタイルに比ポリウレタンフォームの形状に変化をつけるためセべ再帰反射性能が向上している。

ッターを工夫し、焼成時の変形を防ぎ、強度を出すことが出来た。

2.3

廃ガラスを利用した陶器製照明器具の開発

熱膨張率の違う陶器とガラスを組み合わせ、屋内外で光りを演出する照明具の開発を行った。透光部以外の素地にもガラスを混入し、資源リサイクル、省エネ
ルギーに配慮している。
製品の特徴
昼間は、陶器のラフな肌とガラスの硬質な質感の対比効果を、夜間はガラスを透した光の陰影を演出する。
素地へのガラス粉の混入により特徴のある肌合いが生まれたうえに焼結温度を下げる事ができた。

図６

2.5

多孔質セラミック照明

緑の絵画（陶額）

額状の下部には植木鉢、上部には照明を取り付けています。都市建築の中でのインテリアに植物を効果的に取り込むことの出来る「緑の絵画」ともいうべきも
のである。
製品の特徴
図4

廃ガラスを利用した壁面照明器具

空間を有効に利用できるよう薄型のフレームで構成されています。植物の組み合わせにより、異なった緑の風景を楽しむことができます。キッチンスペースにはハーブなどを植栽して活用することもできます。

図５

2.4

廃ガラスを利用した室内照明器具

多孔質セラミック照明

厨房用に使用されている多孔質セラミックフィルタ
ーを利用して、三次元気孔形状で柔らかい素材感を生

図７

-51-

緑の絵画

研究のポイント
湿式押し出し成形機で押し出した筒状の陶管を組み

3.1

信楽窯業技術試験場試作展

合わせて成形したものです。植物育成用ランプを組み合わせることにより地下街での利用も考えられる。
2.6

タイトル：都市環境対応陶製品の開発研究２

陶製冷風扇

近年、夏の冷房装置として冷風扇に人気がある。冷会期：平成 20 年 10 月 11 日～11 月 16 日

会場

：滋賀県立陶芸の森

主催：滋賀県工業技術総合センター

風扇は水が蒸発するとき気化熱を奪う性質を利用する

技術試験場

ため扇風機よりも涼しく、エアコンほど電気を消費し入場者数：13，250 人

信楽産業展示館
信楽窯業

ない。今回は陶器の特徴である吸水性と蒸散機能を活かした製品を開発した。
3.2
製品の特徴

陶芸の森陶芸館ギャラリー企画展に協力

タイトル：「廃ガラス未来の素材探し

陶器表面に多孔質層を設けている。上部に溜めた水／時代デザイン探し／」展

は毛細管現象により徐々に表面層に送り出される。こ会期：平成 20 年 3 月 14 日～4 月 26 日

れらの水を表面で気化させることにより周辺を加湿し会場：滋賀県立陶芸の森

冷却させることができる。

主催：滋賀県立陶芸の森

協力：信楽窯業技術試験場

研究のポイント

36 日間

陶芸館ギャラリー

入場者数：4,427 人

陶器表面の多孔質化粧土の組成により、吸水力のコ
ントロールができる。さらに、気化しないで下部に到達した水が水滴となって落ちる様子を楽しめるように
した。

図 10

図８

陶製冷風扇

３

５

展示発表

廃ガラス未来の素材探し展会場

まとめ

前年度の課題を解決しながら完成度を高めるべく研究をすすめ新たな提案も行った。成果発表に企業の関研究成果を関係業界および一般に対して展示発表した。

心も高く、アンケートからは一般来場者の環境への関心の高さが伺われた。
機能性の良さに加えて感性に訴える製品に仕上げることも必要であり製品化に向けて業界への技術移転に力を入れているところである。
なかでも、冷却機能材料研究は「蒸散機能を有する
壁面用タイルの開発」として経済産業省 地域資源活用型研究開発事業に採択され産官学による開発を進め
ている。

図９

試作展会場

-52-

光触媒コーティングセラミックフィルターのＶＯＣガス除去性能の向上について
中島 孝*
NAKAJIMA Takashi

要旨

現在、光触媒材料を利用した臭いやＶＯＣ（揮発性有機化合物）ガスの分解除去を目的にした多くの製品が開発されているが、さらにその分解浄化機能を利用した製品開発や機能向上が望まれている。
本研究では、ＶＯＣガスの除去性能の向上のためにオイルミスト除去用に開発したセラミッ
クフィルターを基材にガス吸着材料と光触媒材料を組み合わせてコーティングしたものについて、流通式反応容器によるＶＯＣガスの除去分解性能の評価検討より、その相乗効果によりＶ
ＯＣ除去性能が向上することを確認した。

１ まえがき
現在、光触媒材料を利用した臭いやＶＯＣ（揮発性有機化合物）ガスの分解除去を目的にした空気清浄機
や壁紙、置物など、多くの製品が開発されているが、大気環境保全や住環境改善などの幅広い観点から、さらに光触媒材料のメーカーでは高性能化が行われているとともに、その分解浄化機能を利用した製品開発や機能向上が望まれている。
そこで本研究では、平成１９年度に行った研究（１）に引き続きＶＯＣガスの除去性能の向上を目的に、吸図１ 基材セラミックフィルター

着材料との組合せ効果を検討するため、オイルミスト
除去用に開発したセラミックフィルターを基材に使用し、ガス吸着材料としてシリカゲル粉末と光触媒材料

次にガス吸着材料および光触媒材料については、平をコーティングしたものについて、流通式反応容器を

成１９年度の研究の配合を参考に表１に示す配合およ使用し、評価用ＶＯＣガスとしてトルエンの除去性能

び組合せで行った。また、それぞれの基本特性を表２

評価試験を行った。

に示す。コーティングについては、混合調整したスラ

また、本報告については、平成２０年度経済産業省

リーに浸漬し、簡易遠心処理、110℃乾燥を繰り返し、

地域資源活用型研究開発事業「信楽焼の生産技術によ

小型電気炉にて 500℃（RT〜500℃：5ｈ、500℃：15

るＶＯＣ除去用セラミックフィルターの開発」の中のmin 保持）で焼成し評価試料とした。このときコーテ

ＶＯＣ除去性能の評価技術に関する研究で検討した内ィングされた光触媒材料スラリーの量は基材フィルタ

容から一部を示すものである。

ーに対し約 15％で、吸着材量スラリーは約 20％ある。
表１ コート材料の配合

２ 実験
2.1 試料作成
基材のセラミックフィルターとしては、図 1 に示す
三喜ゴム株式会社製のオイルミスト除去用セラミック
フィルター（灰長石−アルミナ質）で、大きさが 5×5×1cm、セル数（1 インチ当りの孔数）が 13 セルのものを使用した。
*滋賀県工業技術総合センター セラミック材料担当-53-

表 2 原料特性

2.2 ＶＯＣ除去性能評価
今回の試験についても、ＶＯＣガス除去処理装置な

図 2 流通型反応容器

どの比較的高濃度ＶＯＣの除去分解処理用途を考慮し、2.3 測定評価結果

作成した各試料 2 個を図 2 に示す流通型反応容器（JI
S R1701-1 準拠：ファインセラミックス−光触媒材料

はじめに光触媒材料と吸着材料を組み合わせた試料の空気浄化性能試験方法−第１部：窒素酸化物の除去（S1+T1）と、さらに密着性を向上させるために無機

性能、本体：アクリル製、照射部分：硼珪酸ガラス

バインダーとして市販のシリカゾルを添加した試料

製）にセットし、図 3 の概略構成図に示すように、エ（S2+T1）について、前記の方法でトルエンガス 1000

アポンプにより、活性炭およびシリカゲル乾燥剤を通ppmC を流通し、初めの 30 分間はガスを流通させる

過させた清浄乾燥空気を室温の蒸留水および温度調整

のみで、次に 10 分間紫外線照射し、10 分間 OFF した

したトルエン試薬にバブリングさせることで約 1000p

時のＶＯＣ濃度変化を測定し、トルエンの除去分解特pmC および 100 ppmC（メタン換算濃度：室温：15〜性のグラフを図 4 に示す。

25℃、相対湿度：50±5％）の濃度に調整したＶＯＣ
ガスを 1L/min で流通し、紫外線照射（UV：ブラックライト（FL20S/BL-B）：各２本、紫外線強度（ガラス内面）：約 6500μW/cm2）によるＶＯＣの濃度変化を日本サーモ製 Model51C-HT で測定した。また、トルエンガス 1000ppmC は 143ppm に理論換算できる。

流通型反応容器

ポンプ

②
①

調整器

③
１０００ppmC

温湿度④

図 4 （S1+T1）と（S2+T1）のトルエン 1000ppmC の除去分解特性

VOC 測定装置

調整器
調整器

排ガス吸着処理⑤

図 4 の結果から、今回の試料条件では初めの 30 分

ＶＯＣガス発生部

間ではシリカゲルの吸着作用により一時的に 95%以上①活性炭 ②フィルター ③シリカゲルの除去率を示すが徐々に吸着が進み、約 30 分で平衡

排気飽和状態の 90％前後で除去率 10％前後なった。その④水 ⑤ＶＯＣ(トルエン等)試薬

後 10 分間の紫外線照射による分解反応により流通ト
ルエンガスと吸着トルエンの両方を分解していること

図 3 評価装置の概略図が分かり、紫外線照射との時間差はあるが 20％以上-54-の分解性能を回復できる。また、シリカゾルによる一することにより、外観および性能はほぼ初期状態に戻定の密着効果については、作業性から確認できた。分るが、吸着材料を組み合わした試料では多くに時間が解性能に対する影響は、吸着性能を低下させることな必要であった。

く、むしろ向上する結果であった。

３

次に、光触媒材料のみの（T1）と光触媒材料と吸まとめ

着材料、シリカゾルを組み合わせた試料（S2+T1）に

光触媒材料におけるＶＯＣガスの除去性能の向上をついて、トルエンガス 100ppmC を流通し、初めの 10

目的に、吸着材料との組合せ効果を検討してきた結果、分間はガスを流通させるのみで、次に 10 分間紫外線

今回の試料作製条件および評価条件では、光触媒材

照射し、10 分間 OFF を 2 回繰り返した時のＶＯＣ濃料のみの試料に比べて、吸着材料を組み合わせること

度変化を測定し、トルエンの除去分解特性のグラフをにより、吸着成分の分解によりに紫外線照射との時間

図 5 に示す。

差は発生するが、全体としてのＶＯＣ除去分解性能は２倍程度向上することを確認することができた。
また、高濃度や長時間の使用については、別に評価が必要であるが、ＶＯＣの発生状況が短時間で断続的である環境浄化においては、有効な方法であることが考えられる。
今後、これらの評価方法および測定データをもとに素材や作製条件の改良により、実用化に繋げて行く予
定である。

参考文献
1) 中島孝：滋賀県工業技術センター研究報告，5153（2007）

図 5 （T1）と（S2+T1）のトルエン 100ppmC の除去分解特性
図 5 の結果から、今回はトルエンガスの濃度を 100
ppmC に低くした条件であるが、前回の条件と同様に試料（S2+T1）では、初めの 10 分間ではシリカゲルの吸着作用により一時的に 95%以上の除去率を示すが徐々に吸着が進み、約 10 分で平衡飽和状態の 80％前後、除去率で 20％前後まで低下した。その後 10 分間の紫外線照射により、除去率で約 70％まで回復し、時間差はあるが光触媒材料のみの試料（T1）よりも持続性もあり高い分解性能を示した。さらに 2 回目の紫外線照射についても吸着ガスによる影響が増加しが比較的高い除去率を示した。光触媒材料と吸着材料を組み合わすことによって、試料（S2+T1）は試料（T1）に対して、測定している 50 分間全体として約２倍の除去量を示すことが分かった。
また、いずれの試料の分解性能も徐々に低下する傾向があり、試験後の試料表面も薄く黄ばんでいたことから、分解中間物質が表面に蓄積し、分解性能を低下させたものと考えられる。しかし、再度紫外線を照射-55-

県産資源を用いたパイルアップセラミックスの開発
横井川 正美*YOKOIGAWA Masami

要旨

県産資源、特にアプライト（珪長石）を主原料とした機能性セラミックスの開発は以前から取り組んでいるテーマであるが、今年度からは「茅葺きの屋根」からヒントを得たパイル
アップセラミックスについて研究することにした。これはセラミックス原料をペレット状、ひも状に押し出し、それを積み重ねることことで構造化した多孔質セラミックスである。特徴としては、従来の保水性（吸水性）だけでなく、傾斜させることで内部の水を排出する機能がある点である。非可塑性原料のアプライトを主体だけにその成形や押し出したペレットの結合強度など課題は多々あったが、概ねそれらをクリアした。

１ はじめにせるには、ペレットや球自身をガラス化、または釉薬のように融けるものをコーティングのいずれの方法を採る必要がある。
ただ、後者の場合、幅広い素材、組成に対して有効であるが、プロセスとしては２度手間になるので本年度は前者を中心に検討した。
信楽産の長石の割合が７割程度までは、1200～1250℃でも焼結状態であるが、それ以上になる光沢がある
ガラス状態になる。（図１）

滋賀県の中期計画体系の第２の柱として「活力を創造する産業・経済政策」があり、その中で(1)本県が有する地域資源を掘り起こす(2)先端技術やデザイン等を融合させる(3)消費者の感性に訴える新たな製品やサービスを生み出す(4)地域ブランド力を高め、地域の活性化を促進させるの 4 つの項目が挙げられている。
本研究はこれらの項目に対応させた視点で進めている。まず、県南部で産出するアプライト（珪長石）は日本一の生産量を誇る滋賀県を代表する鉱産資源であり、近年出荷量も低迷しているので新しい用途を開発
して消費拡大を図る。次に、セラミックスの軽量化技
術と材料をペレット化したものを積み上げるという新しい構造を融合させる。さらに、パイルアップセラミ
ックス（パイルアップとは積み上げるという意味）のヒントになったものが日本の伝統技術である茅葺きの屋根である点を、素材のストーリーとして感性に訴える。茅葺き屋根はすでに一部の地方でしか見られなくなったが、断熱性・保温性・雨仕舞・通気性・吸音性など優れた機能を兼ね備えている。筆者はこの降った雨が通気性があるのに漏らない点に注目した。
これらの要素を併せ持つ素材を作り、その機能を種々の用途に応用することで、新しい信楽焼ブランドとして地域産業を活性化させたい。

図１．ガラス化したペレットで構造化
ただ、この状態でも一見すると結合しているように見えるが、実際はあまり強度がなく、この構造体を触ると、ペレットがぱらぱらと落ちる状態であった。ペ
レットの焼成による収縮により、かなり気孔率は稼げているのだが、やはり接点数、結合面積が不足しているのであろう。この場合はペレットを単に型枠に充填するだけでなく、若干のプレス圧を加える必要がある。
なお、この結合強度の問題を解決する手段として、
気孔率はやや犠牲になるのではあるが、ペレットの発泡化も有望である。図２はその構造体の組織である。
この方法を用いると、ペレット落ちもなく、実用強度も得られることが予備試験でわかった。

２ 実験内容2.1 パイルアップセラミックスの製造プロセス
信楽産アプライト（珪長石）に粘性原料を添加し、水を加えて練り土状にする。これを円筒造粒機で押し出して、ペレット状または球状に加工する。そして、これらを焼成時に連結して構造化する。なお、連結さ*滋賀県工業技術総合センター

ｾﾗﾐｯｸ材料担当-56-

ペレット作製には、筒井理化学器械（株）製の卓上顆粒製造機 KAR-130 形を用いた。（図３）ペレットの径は 1mm および 2mm のものを中心に作製した。
押し出し時には、ペレット同士のくっつきを防ぐためにドライヤーで熱風を当てた。
なお、成形はアルミナを塗布した棚板に窯道具で200×200mm の枠を作り、そこで一定量のペレットを充填するだけである。

図２．発泡化したペレットで構造化
2.2 実験方法
2.2.1 使用原料
信楽産の長石粉末は、一般的な組成の NC クレー（大福長石）とソーダ系長石の日産長石７号 A を選択し、粘性原料しては土岐口水ひ蛙目およびスーパーボンド（ベントナイト）、発泡材には炭化ケイ素の#4000 を用いた。天然原料の化学分析値を表１に示す。
なお、長石のみ、その鉱物組成を表２に示す。
表１

基本物性用試験体の焼成は、日陶科学（株）の小型電気炉を用い、1000℃まで 200℃/min、 1000℃から最高温度まで 100℃/min とし、最高温度で 30 分保持したあと、炉冷した。なお、焼成温度は 1150℃から 125
0℃とした。
パイルアップセラミックスの焼成については丸二陶料製の 6kw の電気炉を用い、その温度を高温用(白)は1225℃、低温用(赤)は 1150℃とした。なお、焼成パターンについては、前述と同じである。
低温用（赤）の発泡による膨張は、高温用（白）に比べてかなり大きい。

使用原料の化学分析値（重量％）SiO2 Al2O3

NC ｸﾚｰ

図３．円筒形造粒機

Fe2O3 TiO2

CaO MgO

K2O

Na2O Ig.loss

77.8 12.5 0.12 0.05 0.49 0.01 4.88 3.23 0.50

日産 7A 73.0 15.6 0.86 0.06 0.20 0.04 3.21 6.00 0.88
水ひ蛙目 49.1 33.8 1.56 0.90 0.16 0.34 0.93 0.12 12.5
ﾍﾞﾝﾄﾅｲﾄ68.6 16.3 3.88 0.15 1.49 1.72 0.49 1.80 4.96
表２

使用原料の鉱物組成（重量％）Ｋ長石 Na 長石 Ca 長石 石英NC ｸﾚｰ
日産 7A

29
19

27
51

2
1

38
23

カオリン その他

351
1

2.2.2 調合割合と混合プロセス
調合割合については代表的なものを表３に示す。
表３ 素地の調合割合（重量％）NC ｸﾚｰ 日産 7A 水ひ蛙目 ﾍﾞﾝﾄﾅｲﾄ 炭化珪素

高温用(白)
801550.5
低温用(赤)
801550.5
原料はすべて粉末であるが、炭化珪素は添加量が少ないため、長石：炭化珪素=9.：１を自動乳鉢で 15 分
間混合したものを用意しておき、それを調合時に 10倍量用いてた。混合は（株）品川製作所製の万能混合攪拌機で 10 分間乾式混合後、基本物性を測定するための粉末を一部抜き取ったあと、水を外割で約 26％
加えて練り土状にした。

図４．焼成試験体の外観
図５はパイルアップセラミックスの焼成品を 4 種類
並べたもので、左上：1mm 白、右上：2mm 白、左下：2mm 赤白、右下：2mm 赤となっている。発泡化によってペレット同士が強固に結合しているため、パラ
パラとペレットが落ちることはあまりなく、実用的な強度を得ている。もちろん、比重低下により、絶対的な強度はないため、用途によっては補強策を考える必要がある。
2.2.4 評価方法
基本物性用試験体の評価としては、膨張率、かさ比
重、吸水率の 3 項目を選択した。膨張率は焼成後の外径をデジタルノギスで測り、金型の外径（28mm）と2.2.3 試験体作製方法と焼成
基本物性試験用の試験体は粉末に約 10％程度をス
プレーで加水したあと、直径 28mm の金型を用いて加圧プレスした。成形圧は 300kg/cm2 である。

-57-

1.6
1.4
1.2

かさ比重

の差から求めた。かさ比重は水に浮く試料があるため、
30 分煮沸して飽水後、デジタルハカリの上に水を満たしたビーカーを置き、試験体を先の細いピンセット
で挟んで沈め、その増加分を体積として換算して求めた。吸水率は 30 分煮沸後のものである。
また、パイルアップセラミックスについては、試料の外寸と重量から求まるかさ密度と水の浸水させて保水する水を表す保水率（瞬間的な吸水率）を求めた。

1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1100

高温用（白）
低温用（赤）
1150

1200

1250

1300

焼成温度（℃）
図７．かさ比重の傾向
図７はかさ比重の変化を比較したものである。傾向
はもちろん図６の膨張率と同じになる。
50

吸水率（％）

40

図５．パイルアップセラミックスの焼成品

３

結果とまとめ

高温用（白）
低温用（赤）

30
20
10パイルアップセラミックスのプロセス簡略化のひ
とつの手段として、ペレットの発泡化に着目して実用強度を得た。素地の調合については、過去 1)、2)にも行っているが、今回は信楽産の特異なソーダ長石も用いているので、再度、基本的な物性の傾向を調べた。

0
1100

1150

1200

1250

1300

焼成温度（℃）

図８．吸水率の傾向
50

吸水率については、粘土質 20％前後の調合の特徴であるで開気孔化が見られ、非常に大きいものになっている。（図８）
パイルアップセラミックスの物性値については、1mm 白がかさ密度 0.56、保水率 54％、2mm 白がかさ
密度 0.62、保水率 31％となった。
ペレット間に空隙があるものの発泡体の気孔には水があまり進入しないため、後者は水に浮く性質を持つ。
本素材は保水率が優れるだけでなく、傾斜させることで、水が排出できる機能を持つため、今後はこの得長を生かした試作品の提案とこの機能の解析を中心に実験を進めて行く予定である。

高温用（白）

膨張率（％）

40

低温用（赤）

30

20

10

0
1100

1150

1200

1250

1300

焼成温度（℃）

図６．膨張率の傾向

参考文献

図６は 2 種の素地の膨張率を比較したものであるが、図４も見てもわかるようにソーダ系長石を用いたものはかなり大きくなる。

1)横井川正美：平成 9 年度滋賀県工業技術総合センタ
ー研究報告,62-65(1998)
2)横井川正美：平成 10 年度滋賀県工業技術総合セン
ター研究報告,105-108(1999)-58-

多孔質水酸化鉄（FeOOH）による水環境浄化システ
ムの構築に係る研究
坂山邦彦*、

横井川 正美*、SAKAYAMA Kunihiko,

YOKOIGAWA Masami,

要旨

山中

仁敏**、

YAMANAKA Masatoshi,

山本

和弘**

YAMAMOTO Kazuhiro

滋賀県地域結集型共同研究事業のフォローアップ研究としてスタートした。多孔質水酸化鉄（FeOOH）を吸着材とし、リン酸等の物質を吸着除去、回収および資源化するシステムを構築するものであり、事業化に向けて研究を進めている。本年度は、課題の１つである吸着材の摩耗劣化によるカラムの目詰まり対策として、吸着材の造粒方法について検討した。樹脂バ
インダーで造粒することで破壊しない弾力性のある吸着材を作製することができた。

１ はじめに

２

琵琶湖を抱える本県のみならず、湖沼や河川の富栄

2.1

実験方法

造粒方法について養化は国内外で大きな問題であり、その主たる原因の摩耗に強い吸着材を作製することが目的であるが、中でも、リン・窒素の水域での増加が富栄養化を進行

造粒方法を検討するに当たり次の 3 点を考慮して考えさせている。しかしながら、これらを除去するには大なければならない。

がかりなシステムが必要であるため、小規模排水や農①摩耗に強いこと業排水等については、ほとんど対策がなされていない②水および酸塩基に強いことのが現状である。

③加熱せずに作製すること

また、リン資源については、日本は 100％輸入して②について、水に強いことは廃水中で使用するのでいるが、世界的に枯渇化が進んでおり、リン鉱石がな

当然のことであるが、吸着→脱着・回収→再生の操作

くなるのは 60 年後とも 130 年後ともいわれている 1)。

では吸着時に pH3〜7 に脱着・回収時に pH 11〜14 に主要原産国の輸出制限等により近年価格が高騰してお調整して行うことから酸塩基にも強いものでなければり資源確保の意味においても対策を講じる必要があならない。また、多孔質水酸化鉄（FeOOH）は、100℃以上で熱処理をおこなうとリン酸イオンの吸着性能る。
本研究は、平成 15 年 1 月から平成 19 年 12 月までが著しく悪くなることがわかっている。そのため熱を行われていた滋賀県地域結集型共同研究事業（以下、加えることはできない。これらを考慮し、造粒するた

COE とする。）のフォローアップ研究の１つであめに使用するバインダーをフッ素系のフッ化ビニリデ

り、COE 参加企業の 1 社との共同研究で進めていン‑六フッ化プロピレン共重合体ポリマーとした。造る。

粒方法を次に記す。

COE では、多孔質水酸化鉄（FeOOH）が pH 調整す

フッ化ビニリデン‑六フッ化プロピレン共重合体ポることで廃水中に含まれるリン酸イオンの吸脱着を制

リマーを有機溶媒に溶かしたバインダー溶液（Ⓐ、以御できる特性を利用し除去、回収、再生するシステム

下Ⓐと記す）と擂潰機ですりつぶした FeOOH 細粒体を構築する研究がおこなわれた。多孔質水酸化鉄は、（Ⓑ、以下Ⓑと記す）を混ぜ合わしスラリーとした。

リン酸イオンだけでなく、フッ酸イオン等の他物質にこのスラリーをピペットで蒸留水中に滴下することに関しても同様の性能を有することが確認された。2）しよって造粒体を作製した。検討項目としては、Ⓑの量かしながら、事業化に向けては、解決しなければならを固定しⒶの濃度と添加量を変えておこなった。

ない幾つかの課題が残った。
課題の１つにカラム方式での目詰まりの問題があ

2. 2リン酸イオンの吸着性能の評価方法
浸漬法

る。これは、吸着→脱着・回収→再生の操作を繰り返

2.2.1

す場合に、吸着材同士の摩耗によって細粒化すること調製した造粒体にリン酸イオンを吸着する能力があが原因であると確認されている。そこで、対策法としるかを確認するため造粒体 0.3g を 60ppm リン酸イオて吸着材を造粒し摩耗に強いものを作製することを試

ン溶液 5cc 中に浸漬し 24 時間後にパックテストでリみた。本報告書では、その検討結果について記載す

ン酸イオン濃度を確認した。

る。なお、本研究は独立行政法人科学技術振興機構

次にリン酸イオンの処理量を多くして確認をした。

（JST）の平成 20 年度「シーズ発掘試験（発掘型）」

この時は、100ppm のリン酸イオン溶液 100ml に造粒の採択を受け進めたものである。

体を 0.1g 一定期間浸漬したのちリン酸イオン濃度を* 滋賀県工業技術総合センターセラミック材料担当** 滋賀県工業技術総合センター機能材料担当-59-

パックテストで測定した。また、30 日間浸漬したの較的球形に近いものができたが、⑪のように溶液自体ち採取した溶液のリン酸イオン濃度はイオンクロマトの量が少なすぎるとⒷにすべて吸収されてしまいスラ

グラフ（島津製作所：HIC‑SP Super）でも測定をした。

リー状にならなかった。⑤、⑧、⑨および⑬は球形となったが、使用する溶液量や作業性を考慮すると、⑧

2.2.2

流通法

（Fig.2）が一番良いと判断した。

Fig.1 の実験システムを組み、カラムに作製した造

また、各造粒体の耐摩耗性を評価しなければならな

粒体を一定量詰めた。リン酸溶液を送液ポンプによっいのだが、残念ながら当方にその設備がないため万能て一定速度でカラムに流し込みフラクションコレクタ

試験機（島津製作所：AG−5kNI）で⑧、⑨および⑬

ーで 30 分毎に測定サンプルを採取した。リン酸イオの破壊強度の評価を試みた。３種類の造粒体はどれもン濃度の測定は、イオンクロマトグラフ（島津製作所

弾力性があり、万能試験機に荷重をかけても潰れるだ：HIC-SP Super）でおこない、流通実験は Table 1 のけで破壊することも細かい粒子が生成することもなか条件でおこなった。

った（Fig.3）。COE で作製された吸着材の破壊強度
は 2MPa であることから 2)、本研究で調製した造粒体
は元の吸着材よりも耐摩耗性に優れたものである。

Fig.2 Table 2 の⑧造粒体

Fig.1 流通実験システム

Fig.3 ⑧を万能試験機にかけた後の状態

Table 1 流通実験条件

3.2 リン酸イオンの吸着性能
3.2.1 浸漬法の結果
浸漬法により、最初にリン酸イオン吸着性能を確認した際には、Fig.4 に示すように１日の浸漬で 60ppmのリン酸イオン濃度が 2〜5ppm まで下がった。

３

結果

3.1 造粒方法の検討
Table 2 に示した割合でバインダー溶液であるⒶとFeOOH 細粒体であるⒷを混合しスラリーとした。こ原液のスラリーを蒸留水に滴下した場合、Ⓑに対する樹脂

③

⑤

⑧

⑨

の量が 0.1 未満では、樹脂の量が少ないことから、塊にならず蒸留水の水面で広がって膜状になってしまっFig.4 各種造粒体 0.3g を 60ppm リン酸イ

たり、半球状になったりした。0.1 以上のものは、比オン溶液 5cc に浸漬し 24 時間後のパックテストTable 2 造粒用スラリーの調整条件-60-

しかしながら、リン酸イオンの処理量を多くした場
合、Fig.5 が示すように 1 日浸漬しておいただけでは、ほとんどリン酸イオンの吸着性能が認められず、30日間後では吸着が認められた。浸漬 30 日後のものはイオンクロマトグラフでも測定をおこない、その結果
を Table 3 に示す。
これらの結果より、今回調製した造粒体は、リン酸イオンの吸着性能を示すものの、バインダーによって被覆されており、反応に時間がかかるものであると考えられる。吸着能力自体は、吸着材 1g 当たり 90mg以上のリン酸イオンが吸着しており（Table 3）、高Fig.6 流通法によるカラム出口でのリン酸イオン濃い能力を示していた。

度のイオンクロマトグラフ測定結果（リン酸イオン初期濃度：60ppm，吸着材の量：2.6ｇ，
送液速度：0.66ml/min，30 分毎に測定溶液を分取）

（B）

（A）

４

まとめ

フッ素系のバインダーを使用することによって荷重をかけても破壊しない弾力性を有する造粒体を調製す

Fig.5 各種造粒体 0.1ｇを 100ppm リン酸イオン溶液 100ml に一定期間浸漬したることができた。リン酸イオンの吸着能力としては、後のパックテスト

浸漬法で利用するには良い結果を得ることができたが、（A：1 日浸漬後

流通法においては、良いものではなかった。

B：30 日浸漬後）

今後は、他のバインダーによる造粒の検討を引き続きおこなうとともに他の物質に対する吸着性能の確認もおこなう予定である。
Table3 各種造粒体 0.1ｇを 100ppm リン酸イオン溶液
100ml に 30 日間浸漬した後のイオンクロマト
グラフ測定による結果

参考文献
1) Akio Kuroda, Noboru Takiguchi, Junichi Kato andHisao Ohtake, Journal of environmental biotechnology Vol.4(2) , p.87−94（2005）
2)滋賀県地域結集型共同研究事業 平成 19 年度事業終了報告会 要旨集

3.2.2 流通法の結果
流通実験の結果（Fig.6）より、リン酸イオン濃度をゼロにすることはできなかったが、60ppm の溶液を約4ppm まで下げる能力があることを示した。破過時間
は約 210 分であることもわかった。しかし、リン酸イオンの吸着能力としては、吸着材 1g あたり約 10mgのリン酸イオンを吸着していることとなり思ったよりも良い結果を得ることができなかった。これは、浸漬法での結果と同様にリン酸イオン溶液が浸透し多孔質
水酸化鉄（FeOOH）に接触するのに時間がかかるためと推測される。

-61-

滋 賀 県 工 業 技 術 総 合 センター
研究報
告平成 21 年 7 月 印刷発行
発行 滋賀県工業技術総合センター〒520-3004 滋賀県栗東市上砥山 232
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FAX 0748-82-1156

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