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平成12年度 長野県精密工業試験場研究報告  No.14 2001-8

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《諏訪地域コンソーシアム研究開発事業》
解説 地域コンソーシアム研究開発事業 − 1チップ型多機能運動センサの開発とインテリジェントモジュールへの適用 −
資料 1チップ型多機能運動センサの開発(第1報) − 水晶の高精度高アスペクト比エッチング加工 −
資料 1チップ型多機能運動センサの開発(第2報) − 作製プロセス −
  
《論文》
三次元測定機用微小プローブの高精度化に関する研究(第1報)
デジタルカメラを利用した計測に関する研究
不確かさの評価による測定方法の検討 − ブロックゲージ光波干渉測定の場合 −
アクティブ画像処理技術に関する研究(第3報) − 合焦画像の合成 −
旋盤型微小穴加工装置の開発
ジェットモールディング法による酸化チタン膜の形成
局所加熱微細押出し加工(第3報) − 板材の温度解析 −
熱分解ガスクロマトグラフ質量分析法によるポリアニリンのキャラクタリゼーション
原子発光検出器によるゴムの加熱発生ガスの分析
蛍光X線分析装置の応用に関する研究 − 粉体試料調整法の検討 −
電子部品の熱設計のためのIDFファイルの利用に関する研究
多層プリント基板のノイズ対策設計  − 電源層の多層化による共振放射の逓減手法 −
窒化珪素系(Si-Nx)絶縁薄膜のピンホール低減
シリコンウェハのフロロメタンガスプラズマ処理
シリコン-タンタル(Si-Ta)薄膜及びシリコン-タンタル-窒素(Si-Ta-N)薄膜の形成
《資料》
直流低抵抗測定器の0Ω(ゼロオーム)調整法
 
《抄録》
モード分離LISNによる伝導雑音のノイズ源インピーダンスの測定
  − スイッチング電源の伝導雑音の測定 −
スイッチング電源におけるコモンモードノイズの定量解析の一手法
スイッチング電源の電磁波ノイズに関する研究
多層基板の電源層パターンと共振現象の一考察

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研究抄録

《諏訪地域コンソーシアム研究開発事業》
解説 地域コンソーシアム研究開発事業  − 1チップ型多機能運動センサの開発とインテリジェントモジュールへの適用 −
須山 聰

 新エネルギー・産業技術総合開発機構から委託されたベンチャー企業支援型地域コンソーシアム研究開発事業(中小企業創造基盤型、平成12年度)が、水晶を用いた超小型高精度1チップ型多機能運動センサ及びそのセンサを用いた人体運動の数値化により、健康・医療機器分野のニーズに対応可能なインテリジェントモジュールを開発して終了した。そこで、本事業の全体及び研究開発成果の概要について解説する。
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資料 1チップ型多機能運動センサの開発(第1報) − 水晶の高精度高アスペクト比エッチング加工 −
米久保荘 岡田恵也* 三沢雅芳 黒河内靖子

 1チップ型多機能運動センサデバイスの作製に必要な、水晶基板の高精度高アスペクト比エッチング加工について検討した。その結果、両面露光方式で形成した金/クロム薄膜パターンをマスクとして、バッファードふっ酸によるウェットエッチングにより、アスペクト比1.5以上の構造体の加工技術が確立できた。また、エッチング精度は、結晶方位によりそれぞれ異なるアンダーエッチング量を考慮した金/クロム薄膜パターンの寸法に依存し、最適条件では±5μm以内が実現できた。
* マイクロストーン
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資料 1チップ型多機能運動センサの開発(第2報) − 作製プロセス −
米久保荘 岡田恵也* 黒河内靖子 三沢雅芳

 既存水晶振動子の作製プロセスを基に、1チップ型多機能運動センサに最適化した作製プロセスについて検討し、センサデバイスを作製した。その結果、センサデバイスの作製プロセスを、水晶の高アスペクト比エッチング、薄膜形成及びパターニング、メッキ、レーザトリミング、ワイヤボンディングの各技術を用いて確立した。また、板厚0.3mmの水晶板を用いて、加速度及び角速度の検出動作が確認できるセンサデバイスを作製した。
* マイクロストーン
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《論文》
三次元測定機用微小プローブの高精度化に関する研究(第1報)
若林優治 丸山六男

 近年の微細加工技術の発達にともない、加工される機械部品等の微細化・高精度化が進んでいるが、それらの寸法や形状を評価するための測定技術はまだ確立されていない。今回、微小な機械部品や機械要素の高精度測定を実現するための三次元測定機用微小プローブの開発を目的として、その構造および接触検出方法について検討した。また、微小プローブの接触検出に用いる光ファイバ型の変位センサを試作し、それを用いて接触検出実験をおこなった。その結果、接触検出分解能は垂直方向接触では約0.05μm、水平方向接触では約3μmであった。
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デジタルカメラを利用した計測に関する研究
尾坂 一

 テレセントリックレンズとデジタルカメラを組み合わせた画像入力装置を開発し、長さ測定に使用できることを確認した。しかし、サイズ、コスト、使い難さの面から使用範囲が限定されてしまう。そこで一般のレンズを用いたデジタルカメラを入力装置として利用する場合の問題点(画角、振動、ピント等)を検討し、各種の測定実験を行った。その結果、長さ測定、熱変形等の微小変化、目盛の読み取り等、幅広い分野に対応できることを確認することができた。。
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不確かさの評価による測定方法の検討 − ブロックゲージ光波干渉測定の場合 −
田中敏幸

 前年度までに行った、ブロックゲージの光波干渉測定における校正値の不確かさの評価結果をもとに、より不確かさを小さくする測定方法、あまり精度を落とさずに測定効率を上げる方法、について検討した。その結果、測定効率を上げつつ、不確かさを小さくする測定方法を考案でき、不確かさの評価結果を検討することで、測定方法を改良できることが示された。
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アクティブ画像処理技術に関する研究(第3報) − 合焦画像の合成 −
横道正和 小林耕治

 奥行きの大きい対象を撮像する際に画像上に生じる非合焦部分は、産業用画像処理では不都合となることが多い。そこで非合焦部分のない画像の自動生成について検討及び実験を行った。その結果、ピント位置を変えて撮像した複数の画像から合焦部分だけを取り出し、対象像全体に合焦した単一画像として合成する手法を開発することができた。
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旋盤型微小穴加工装置の開発
小口京吾 池田博通 河部繁 村木治一* 竹渕智博*

 直径0.3mm以下の微小径ドリルによる深穴加工を行う旋盤型の微小穴加工装置を開発した。回転するドリルのチャック近傍に設けたトルクおよびスラストセンサにより、ドリルに作用する力を常に監視し、折損の危険がある場合は、加工を中断して切りくずの排出や切削油の供給を行う。
 このような動作を自動的に行う装置を開発した結果、ドリルを折損することなく直径0.1mm程度の穴あけが可能となった。
* 潟_イヤ精機製作所
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ジェットモールディング法による酸化チタン膜の形成
成田 博 新井亮一

 ルチル型酸化チタン粉末を用い、ジェットモールディング法による酸化チタン膜の成膜実験を行った。一定の粉末乾燥条件において、成膜速度の経時変化、成膜条件と酸化チタン膜の形状との関係を明らかにした。得られた酸化チタン膜は、同一原料粉末にて1300℃で作製した焼結体に比べ、半分程度のビッカース硬さをもつ強固な膜であった。。
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局所加熱微細押出し加工(第3報) − 板材の温度解析 −
山岸 光

 YAGレーザにより板材を短時間で加熱すると、厚さ方向に温度勾配を生じるが、予めその分布を予測するために、本研究に特化した軸対象モデルのシミュレータを開発し、板材内の温度分布を解析した。その結果、熱伝導率が小さい材料ほど局所的に温度が高くなることを確認できた。また、赤外領域の電磁波を利用した非接触温度計により温度分布を観測した結果、シミュレーションと同等な傾向が得られた。
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熱分解ガスクロマトグラフ質量分析法によるポリアニリンのキャラクタリゼーション
藤沢 健

 熱分解ガスクロマトグラフ質量分析装置を用いて、種々の熱分解条件のもとポリアニリンのパイログラムを測定し、ポリアニリンの構造推定についての検討を行った。その結果、ドープしたポリアニリンのパイログラムは熱分解温度を変えてもほとんど変化しないこと、また熱処理によりパイログラムが変化することが示された。
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原子発光検出器によるゴムの加熱発生ガスの分析
田垣千英 藤沢 健

 ガスクロマトグラフ−原子発光分光分析装置(GC-AED)を用いて、ゴムの加熱発生ガスの分析を行った。その結果、発生ガスに含まれる元素情報、ピーク感度特性、GC/MSによる測定結果と併せて判定することで臭化メチルが同定された。
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蛍光X線分析装置の応用に関する研究 − 粉体試料調整法の検討 −
曽根原浩幸 宇敷澄子

 蛍光X線分析のための試料調整法として、粉体試料・加圧成型試料・ガラスビード試料の調整を行い、粒径効果・加圧成型効果の確認をした。各試料の調整において繰り返し精度の検討を行い、ガラスビード試料のばらつきが小さいことを確認した。実試料への応用として、ゼオライト中のアルミナの定量分析をガラスビード法で行い、相対標準偏差0.28%で定量分析ができた。
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電子部品の熱設計のためのIDFファイルの利用に関する研究
田口宗治

 電子機器開発時に実装基板設計CAD(ECAD)や機械系CAD(MCAD)で作成される設計情報を構造解析や熱解析などで有効に利用するための、IDF仕様1)の中間ファイルによるデータ交換について検討した。使用したECADのようにIDF2.0ファイルのみをサポートするシステム間では、IDFファイルに熱的特性値などの付加情報をユーザ側で定義して、それをソルバ等で利用する方法の実現は困難であった。その過程で作成した、テキスト形式で記述されたIDFファイル(2.0)の記述内容の理解を助けるための専用エディタは有用であった。
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多層プリント基板のノイズ対策設計  − 電源層の多層化による共振放射の逓減手法 −
輕部俊幸 宮下純一 蜜澤雅之 大力賢次*

 デジタル回路の多層プリント基板における電源層間(Vcc層とグラウンド(GND)層)の共振は電磁波ノイズを増大させる一因である。その対策として、電源層をGND-Vcc-GNDもしくはVcc-GND-Vccのように多層化する方法を提案し、電源層の共振及び放射ノイズから検討を行った。その結果、基板の両端面において多数のVIAなどにより上下のGND(もしくはVcc)層間のインピーダンスを下げることにより、放射ノイズを逓減できることを確認した。
* 茨城県工業技術センター
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窒化珪素系(Si-Nx)絶縁薄膜のピンホール低減
須山 聰 三沢雅芳 黒河内靖子

 物理量を物質の変位に変え、これを電気信号に変換するセンサ等では、基板に金属や導体を用いることも多く、基板と素子間の絶縁膜には、密着良く、できるだけ薄く、無ピンホールで、耐電圧が良いことが要求される。特に膜のピンホール特性は、センサ製造上非常に重要な要素となる。ここでは、絶縁膜にCVD及びPVDで得られる窒化珪素系薄膜を用い、成膜条件の検討によりピンホールの低減を目指した。その結果、基板温度が最も大きく影響し、373K付近で形成することでピンホールを最小とすることができたが、1μmの薄膜のピンホール面積率は0.1%程度に留まった。この厚さでは、粗さの影響も大きく受け、薄膜単体では絶縁膜としての信頼性はまだ不十分のため、感光性ポリイミド膜による穴埋めが必要であった。
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シリコンウェハのフロロメタンガスプラズマ処理
三沢雅芳 米久保荘

 シリコンウェハのフロロメタンガスプラズマ処理を行った結果、テトラフロロメタン(CF4)とトリフロロメタン(CHF3)ガスでは異なる現象を示すことが確認された。シリコンのエッチングレートは酸素ガス添加量の増加につれて増加した後、減少する傾向を示した。CHF3 のみのガスプラズマ処理ではシリコンウェハ上に堆積膜が形成された。この堆積膜において、C−F結合によると見られるピークを、赤外分光(IR)スペクトル及びX線光電子分光(XPS)スペクトルにより確認した。堆積膜は真空熱処理により膜厚が激減した。堆積膜のXPSのC1sスペクトルには、熱処理前後ともに4つの明確なピークが確認され、それらのピークパターンの変化が見られた。
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シリコン-タンタル(Si-Ta)薄膜及びシリコン-タンタル-窒素(Si-Ta-N)薄膜の形成
倉沢良伸 黒河内靖子 三沢雅芳

 超小型で高い信頼性を持つ抵抗器には、抵抗温度係数(TCR)が0ppm/℃に近く、かつ高い体積抵抗率(ρ)を持つ薄膜が必要である。そこで、高融点材料でもあるタンタル(Ta)を含む化合物の良好なTCR特性に注目し、シリコン(Si)と合金化、さらには窒素(N)と反応させることで、この薄膜を得ようとした。成膜には反応性二元同時スパッタ法を用いて、Si-Ta、Si-Ta-N系薄膜を得た。その結果、Si-Ta系薄膜では、Taの増加に伴い、また、Si-Ta-N系薄膜では、窒素流量の減少に伴いρが低下してTCRは負に大きな値から0に近づいた。両者とも、ρとTCRは一つの曲線で表された。TCRが0ppm/℃とできるのは、Si200W/Ta100W、窒素流量比0.25%で得られる膜でρは、200μΩcmレベルにとどまると思われる。
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《資料》
直流低抵抗測定器の0Ω(ゼロオーム)調整法
花岡健一 松沢草介

 低抵抗を対象とした4端子接続のディジタル式抵抗測定器は、測定前に0Ω調整をおこなうことが一般的である。0Ω調整は、リード線の先端を1カ所で短絡した状態で、測定器の表示を0Ωに合わせる。理想的な0Ωは、電流端子と電圧端子を大きさを持たない一点から引き出すことで実現できる。しかしながら、実際の短絡点は有限の大きさを持つため、正確な0Ωでない場合が多い。10μΩ分解能のディジタル式抵抗測定器では、0Ω調整の不十分さがそのまま測定に影響する。ここでは、4端子接合点のクロス抵抗に着目して、直流抵抗測定器の0Ω調整をおこなう際の注意点を紹介する。
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《抄録》
モード分離LISNによる伝導雑音のノイズ源インピーダンスの測定 − スイッチング電源の伝導雑音の測定 −
宮下純一 蜜沢雅之 輕部俊幸 山沢清人* 佐藤敏郎*

 スイッチング電源が発生する高周波ノイズの効率的な対策を行うため、ノイズメカニズムの理解が求められている。伝導ノイズについて伝搬経路を解明し、効果的な対策を行うためにはノイズ源インピーダンスの把握が不可欠となる。本報告では、モード分離測定LISNを用いた、伝導ノイズのノイズ源複素インピーダンスを測定する方法を述べる。
 ノイズ測定からノイズ源インピーダンスを求めるためにはコモン及びディファレンシャル各伝搬モードの分離測定が必要である。そのために、バラントランスを用いたLISNを作成し、一般的な50Y系LISNに対し、インピーダンスを変えることなく、また等価なレベルでの分離測定を可能にした。各モードについて、このLISNの被試験機器端子に適当な既知のインピーダンスを挿入し、そのときのノイズレベルの変化からノイズ源複素インピーダンスを求める。スイッチング電源について測定、解析を行った結果、この方法によりノイズの伝搬経路やフィルタリング効果の解析を行うために、十分な精度でノイズ源インピーダンスを複素インピーダンスで測定できることが確認された。
電気学会論文誌D Vol.120-D,No.11,pp.1376-1381(2000)
* 信州大学工学部電気電子工学科
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スイッチング電源におけるコモンモードノイズの定量解析の一手法
宮下純一 蜜沢雅之 輕部俊幸 山沢清人* 佐藤敏郎*

 伝導ノイズ測定の対象となる周波数範囲において、スイッチング電源のコモンモードノイズ伝搬経路をモデリングし、その伝搬経路モデルに基づき、回路内の電圧測定とインピーダンス評価により解析を行った。
 モード分離LISNを用いたモード分離ノイズ測定と、差動プローブによる回路内の任意ポイント間の電圧測定及び伝搬経路のインピーダンス評価により、コモンモードノイズの定量解析を行った。その結果、ノイズ源電圧から求めた計算値と、雑音端子電圧の測定値とは良好な一致を示し、モデリングの妥当性と解析手法の有効性が確認された。また、トランスのように個々のインピーダンスの分離が難しい経路には4端子回路網を用いることにより、全周波数範囲においてノイズの定量解析ができることを示した。
電子情報通信学会論文誌B Vol.J84-B,No.3,pp.643-646(2001)
* 信州大学工学部電気電子工学科
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スイッチング電源の電磁波ノイズに関する研究
宮下純一

 本研究では、スイッチング電源のノイズについて、その解析の基礎となるいくつかの測定方法を提案した。回路図にない浮遊容量等を主たる伝搬経路とするコモンモードノイズを中心に、その伝搬のモデリングを行い、提案した手法により解析を行った。
 伝導ノイズの基本的な伝搬解析のため、コモンモードとディファレンシャルモードを分離して測定するモード分離LISNを提案した。そのEUT接続端子に既知のインピーダンスを挿入することにより、各モードのノイズ源複素インピーダンスが良好に求められることを示した。
 また、回路内任意ポイント間のスイッチング電圧を測定する差動プローブを提案した。スイッチング電源のコモンモードノイズ伝搬経路をモデリングし、差動プローブによる電圧測定、モード分離LISNによる電流測定及び伝搬経路のインピーダンス評価から伝搬経路を定量的に明らかにした。
 さらに、コモンモードノイズの伝搬機構と、30MHz以上の放射ノイズとの関連について検討を加え、スイッチング電源で多く対象となる、100MHz程度までの放射ノイズは、コモンモードループにより放射され、そのインピーダンスにより特徴付けられることを明らかにした。
信州大学大学院工学系研究科学位論文(2001)
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多層基板の電源層パターンと共振現象の一考察
輕部俊幸 大力賢次* 宮下純一 蜜澤雅之
多層回路基板では電源パターン(電源層とグラウンド層)の共振が不要輻射ノイズの増大に影響する。そこで電源パターンと共振現象についてシミュレーションと実測により検討を行った。その結果、長方形の電源パターンでは辺の長さで共振周波数が容易に計算され、共振時に電流分布の密となる部分に切り込みが存在すると共振周波数は低周波化し、その変化量は切り込みの幅・長さに影響されることを確認した。さらに、切り込みを入れる際にパターン端部を残すことにより共振のQを抑え、放射強度を逓減する効果を得た。
電子情報通信学会技術研究報告 ENCJ2000-122,pp.25-30(2000)
* 茨城県工業技術センター
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(H13.05)

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