格子セル型センサーを用いた人体のふく射放熱計測手法の確立

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 21K03904
• 研究機関: 神戸市立工業高等専門学校
• 研究代表者: 熊野 智之 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (80435437)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 熱電堆 / ふく射センサー / スパッタリング

研究実績の概要

本研究課題では、既存のふく射熱流束計の測定原理を活かしつつ、被測定物自体の正味ふく射熱流束が計測できる新しいふく射センサーを開発することが第一の目的である。そのため、まず研究の取り掛として、海外メーカーから販売されている既存のふく射熱流束計の構造を調べた。マイクロスコープやSEMを用いて表面および断面を観察した結果、①銅基板、②樹脂層、③プラスチック板、④樹脂層、⑤熱電堆の５層構造になっていることが判明した。①③⑤の厚みはいずれも50ミクロン程度であった。原理的には①②⑤あるいは③④⑤の３層構造で測定可能である。そのため、５層構造の理由として①は背面ふく射の反射、②④は接着、③は絶縁および断熱であると考察した。また、元素分析を行った結果、肝心の熱電堆部分は、銅とコンスタンタンが別々になっているのではなく、銅はコンスタンタンの表面に薄くコーティングされていることが判明した。この点についても、公表されている原理図とは異なっており、何故この構造になっているかを吟味する必要があった。そこで、スパッタリング法によりガラス基板上に銅およびコンスタンタンの薄膜をコーティングし、その成膜率を調べた。その結果、コンスタンタンは銅に比べて成膜率が小さく、厚膜をコーティングしにくい可能性があることが判明した。このことから、既製品においても、コンスタンタンはバルク材を薄く加工したものであり、銅のみスパッタリングによりコーティングしていると推察される。今後独自のセンサーを製作するにあたって、測定原理だけでなく、実際に用いる材料の特性などを考慮して製作方法や構造を検討する必要がある。その意味で初年度の研究成果は意味のあるものであったと言える。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度は、コロナ禍により、外部機関に出向いての研究実施が困難な時期があった。また、研究の一部を卒業研究の一環として行っていたが、２度の登校禁止期間があるなど長期間に渡って学生が研究を行うことができない状況が生じた。さらに、当初予定していた設備購入についても、半導体不足の影響で価格や納期が不安定になったことから購入を見送ることにした。ただし、このような状況下でも、研究実績の概要に記載したようにできる範囲では研究を進めていたため、全体的には大きな遅れには至っていないと考えている。

今後の研究の推進方策

兵庫県立工業技術センター、大阪大学産業科学研究所と共同研究を締結し、それらの機関の設備を利用してセンサーの試作に取り組む。今年度同様にコロナ禍によって実際に出向くことができない場合は、サンプルを送付して作業を依頼することも検討する。センサーの構造や製作方法などがある程度固まった段階で速やかに設備購入を行い、本校だけでも開発ができる環境を整える。

次年度使用額が生じた理由

当初予定していた電子機器類は、半導体不足の影響で価格や納期が不安定になったことから購入を見送ることにした。また、レーザー加工機やスパッタ装置など大型の設備についても、本当にその装置でよいのかを検証するための予備実験がコロナ禍の影響によって十分に実施できなかったため、次年度に繰り越して使用することとした。したがって、令和4年度は、外部機関の設備を利用してサンプルの試作を実施し、ある程度内容が固まった段階で、微細加工機や成膜装置を速やかに選定し、購入する。電子機器類についても、引き続き納期がかかることが予想されるため、業者に早めに見積りを貰い、余裕を持って購入する。