技術支援活動の多くは、ものづくり企業からの技術相談業務に加え、技術支援グループが持つ研究シーズ・成果のものづくり企業への積極的な導入が実現できる独自体制（オープンイノベーション）の中で実施しています。同時に、設置者である大阪府および大阪市と同等レベルの徹底した情報管理体制も確立できています。

この当所のオープンイノベーション体制を活用し、多くの成果に繋げているものづくり企業も多数出てきており、本レポートでは、「DXに欠かせないIoT技術に資するデバイス技術」、「快適さをあらわす指標の一つである『におい』評価からのものづくり」、「カーボンニュートラルに貢献する蓄電池技術」、および「これまで作製が不可能、または困難だったカタチを実現できる積層造形技術」に係る４つの開発事例について紹介します。これらの事例を参考に、大阪技術研とのオープンイノベーションの導入を通じ、自社にはないリソースを使うことで、成果を産み出し、新しい価値の創造が実現できることを少しでもご理解いただければ幸いです。

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2．MEMS技術によるIoTデバイスの開発

村上 修一

図2-2に当研究室が有する装置群を示している。MEMSプロセスにおいて、設計から試作、評価まで一貫して実施することが可能である^2-1)。特に、フォトマスク作製装置を保有しているので、迅速な研究開発が可能であることが特長である。今までに、企業や大学と、赤外線センサ、超音波センサ、圧力センサ、流量センサなどのセンサデバイス、圧電型振動発電素子など環境発電デバイス、ホログラフィ技術を使った光学素子、Brain-Machine-Interface (BMI) などの研究開発を行ってきた。今回、事例として、熱式流量センサ［コフロック株式会社（京都府京田辺市）、京都大学との共同開発］、圧電型振動発電素子とその応用［株式会社ダイヘン（大阪府大阪市）、大阪府立大学との共同開発］について紹介する。

2-2．熱式流量センサ
熱式流量センサは図2-3に示すように、流体であるガスが通過する細い金属管に温度センサ兼ヒータとなるワイヤを上流側と下流側に巻線にして温度センサ兼ヒータを形成する。ガスが流れているとき温度分布は中央に対して対象であるが、ガスが流れると上流側の温度センサ兼ヒータの熱がガスにより奪われ、下流側のそれにその熱を与えるので、温度分布に偏りが生じ、それぞれの電気抵抗が変化する。その電気抵抗の変化からガス流量を算出する。しかしながら、従来の巻線型では巻線部の熱容量が大きく熱絶縁性が低いため、微小流領域において高精度で、高速応答、低消費電力でセンシングすることが困難である。

そこで、MEMS技術を活用して高精度・高速応答でかつ低消費電力な熱式流量センサの開発を行った。まず、熱式巻線型流量センサを平面的な手法で設計し直した。図2-4にMEMS流量センサの断面を示す。数100 μm平方程度の大きさで厚さ1 μm程度のダイアフラムに金属薄膜を埋め込み、温度センサ兼ヒータを形成した。極めて微小なダイアフラムに埋め込んだことで、スケール効果により熱容量が小さく、熱絶縁性の高い温度センサ兼ヒータとなった。これにより、高感度でかつ高速応答、低消費電力な熱式流量センサを実現することができた。当研究室では主に、設計・試作と、基本的な電気特性の評価を担当した。試作においては、当研究室内のMEMS関連装置を使った。ダイアフラム形成においては、半導体熱処理装置、LP-CVD（Low Pressure-Chemical Vapor Deposition）装置、対向ターゲット型スパッタ装置による製膜、フォトリソグラフィ、ウェットプロセスによるシリコン異方性エッチングを行った。また、温度センサ兼ヒータや配線、電極パッドの形成においては、マグネトロンスパッタ装置による製膜、フォトリソグラフィ、プラズマエッチングなどによる微細加工を行った。この後、コフロック株式会社にて実装、流量センサとしての詳細な評価、信頼性評価を経て、製品化を実現した。

2-3．圧電型振動発電素子とその応用
近年、IoT社会実現に向けて建築物，物流，車両，酪農，農業，医療などの広い分野でセンサを大量に配置するセンサネットワークが高い関心を集めているが、センサ向けの自立型電源の確保が課題となっている^{2-2, 3)}。このような事情から、身近な環境に存在する微小なエネルギー源から電力を得る環境発電が注目を集めている。原子力発電、火力発電などの代替としてではなく、化学電池に替わる低環境負荷の小型電力源として期待されている。環境発電のエネルギー源、発電方式には多種多様あり、それぞれ一長一短ある。圧電型振動発電に着目し、大阪府立大学との共同研究を実施した。

一般に圧電体薄膜としてPb(Zr,Ti)O₃ (PZT)薄膜が最も用いられているが、非鉛強誘電体BiFeO₃(BFO)薄膜に注目し、世界初となるBFO薄膜搭載の圧電型振動発電素子を試作した^2-4)。図2-5にその模式図を示す。片持ち梁上にBFO圧電体膜が製膜されたユニモルフ構造で、片持ち梁先端に共振周波数の調整と発電効率を高めるための錘を形成している。片持ち梁が外部から加振され共振すると圧電体膜に歪みが発生し、圧電効果により分極が生じる。これに伴い電圧出力が発生し電力として回収して発電素子として機能することになる。本研究では、MEMSプロセスにより、シリコンからなる片持ち梁上にBFO圧電体膜を形成し、片持ち梁先端にシリコン・バルクを残す形で錘を形成した。図2-6に試作した圧電MEMS振動発電素子の写真を示す。現在までに、10.5 μW∙mm^-2∙G^-2 もの高い発電能力を得ている。錘の質量(m)、機械的品質係数(Qm)、共振周波数(?)、振動源の加速度(A(peak))を用いて??²?/8?で与えられる振動発電素子の最大理論発電量と比較すると、得られた発電量はその 80 %に相当し、高い発電効率を達成している。なお、BFOの他の圧電材料PZT、AlN、（K,Na）NbO₃(KNN)、ZrOを用いた発電素子と比較して同等あるいは同等以上の世界最高レベルの発電性能を示している^2-5)。現在も、BFO圧電体膜の高性能化、設計技術の進展などにより、更なる発電性能の向上を目指している。

一方で、圧電MEMS振動発電素子の研究開発の過程で培った設計技術、電力回収技術等^2-6)を基に、株式会社ダイヘンと大阪府立大学とで磁界振動発電素子の共同開発を行った。磁界振動発電とは、交流電流が流れる電線の周囲形成される交流磁界中に永久磁石を置くと振動し、その振動エネルギーを圧電効果により電力に変換するものである^2-7)。図2-7に磁界振動発電の発電原理と素子構造の模式図を示している。図2-8に発電量の電力線に流れる電流依存性を示している。電線電流10 Aで発電量1 mWオーダーの発電性能が得られており、センサ向け自立型電源としては十分な電力が得られることを実証した。特徴としては、１）電線の横に設置するだけで工事が不要であること、２）電線電圧に無関係であることから少品種で対応可であること、３）通常電線に流れる電流の周波数は商用電源の周波数（東日本50 Hz、西日本60 Hz）は一定であることから安定した発電量が得られることなどが挙げられる。応用分野も広く今後に期待できる。

謝　辞
圧電MEMS振動発電素子の開発は、大阪府立大学 吉村武准教授との共同研究で、NEDO平成23年度先導的産業技術創出事業（若手グラント）および、神戸大学、大阪府立大学、兵庫県立大学との共同研究で、JST CREST (JPMJCR16Q4、JPMJCR20Q2) の支援を受けて実施した。

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3．においセンサアレイによる使用済みおむつ保管袋の評価

喜多 幸司

表3-1　スタンダードモードに用いる9種類の基準ガス

基準臭	基準ガス	嗅覚閾値濃度（ppm）
硫化水素系	硫化水素	0.00041
硫黄系	ジメチルジスルフィド	0.0022
アンモニア系	アンモニア	1.5
アミン系	トリメチルアミン	0.000032
有機酸系	プロピオン酸	0.0057
アルデヒド系	ブチルアルデヒド	0.00067
エステル系	酢酸ブチル	0.016
芳香族系	トルエン	0.33

3-2．におい識別装置
におい識別装置は、ガスクロマトグラフと比較して、複合臭気のにおいの質および強さを数値化可能であるため、当所では、各種樹脂製の保管袋（使用済みおむつ、大便、簡易トイレ用凝固剤、吐瀉物、および食品等の用途）のガスバリア性（臭気透過性）評価に活用している。ここでは、混合ガスとして、表3-2に示すISO 17299 Part 52）に規定されている模擬排泄臭ガスを用いるガスバリア性の評価について事例を紹介する。

表3-2　模擬排泄臭ガスの臭気物質および濃度^3-2）

臭気物質	ガス濃度（ppm）
アンモニア	30
酢酸	50
硫化水素	4
メチルメルカプタン	8
インドール	3

3-3．ガスバリア性の評価を始めるきっかけおよび評価方法の構築と結果
ガスバリア性の評価を始めるきっかけは、2015年に東洋紡STC株式会社からの、開発した使用済みおむつ保管袋（紙おむつ処理袋　ひねってポイ®）の性能評価依頼であった。当時、樹脂袋の排泄臭透過性を評価する方法および規格が見当たらなかったため、評価系の構築から始めた。袋内に注入する臭気ガスとしては、2014年に示すISO 17299 Part 5が規格化されていたためすぐに決まったが、課題は袋内での密閉方法であった。

表3-3　臭気指数相当値（無単位）の測定結果

経過時間	開発品	他社比較品
アンモニア	3	0
試験開始時	3	3
1日	4	24
2日	20	28
3日	24	30

3-4．おわりに
この評価事例が商品紹介のWEBサイト^3-3）に当所名を添えて掲載されたことや、新技術情報として認められた^3-4）ことで関連企業に認知された結果、当該評価の依頼件数および金額が、近年着実に増加している。

次回に続く－