製造工程でリアルタイムな錠剤非破壊全数検査システムを開発 －搬送ラインへ薄膜カーボンナノチューブ光学シートを実装－

・医薬品製造工程でのインラインLive品質管理に向けた、検査基盤システムを確立。
・カーボンナノチューブ（CNT）型の紙のように薄くて軽い光イメージャーシートにより、医薬錠剤を透視してリアルタイムで光計測する非破壊検査へと展開。
・CNT型シートはテラヘルツ–赤外という眼には見えない光で錠剤の成分を同定でき、取り違えや混入異物を検知することで隠れた欠陥の発見が可能。

　中央大学 理工学部 電気電子情報通信工学科の李 恒 助教、久保田 実樹 大学院生（同 理工学研究科 電気電子情報通信工学専攻・博士前期課程2年）、河野 行雄 教授、木下 祐哉 大学院生（同 理工学研究科 電気電子情報通信工学専攻・博士前期課程2年（※ 研究当時））らを中心とする研究チームは、独自の光イメージャーシートデバイスを用いた新たな医薬品検査システムを開発しました（図1）。このイメージャーは日本発の先端材料：カーボンナノチューブ（CNT）薄膜から成り、ヒトの眼には見えない光であるミリ波・テラヘルツ・赤外線（MMW、THz、IR）を高感度に検出します。また、特にTHz–IR光計測は医薬品成分に対する透視・材質同定へ特化しており、取り違えや混入異物の検知に有用です。李 助教・久保田 大学院生らは、CNT型イメージャーがもたらす「シールのように貼り付けられる操作性」と「THz–IR光の潜在能力を最大限に引き出す豊かな材料特性」を活用し、ベルトコンベア状の錠剤搬送ラインへと、さりげなくしなやかに実装可能な非破壊検査プラットフォームを確立しました。
　健康寿命の増進に向けては、流通前の段階における網羅的な医薬製品への検査が鍵を握ります。しかし、含有成分/混入異物の広範な材質同定を可能にする計測技術は、巨躯な装置構成からインライン（製造現場での本来の環境を妨げない操作形態）な実装に課題を残しており、依然として欠陥漏れを招き得る抜き取り検査での利用が主流となっています。この状況に対して本研究グループが確立したシステムは、小型CNT型イメージャーを搬送といった創薬ラインへシールのように薄く軽く装着でき、創薬工程と並行して含有成分/混入異物に対するリアルタイムかつ非破壊な材質同定情報を全数画像検査結果としてユーザーへ提供します。システム化の鍵は、事前にデータベース化された分光スペクトルから対象の医薬品検査へ直結する光照射波長を選定することです。医薬品を含むモノづくり現場では、取り扱い対象の材質・成分を事前に把握可能で、この情報から逸脱するインライン環境上の光学的挙動を欠陥・異常の発生と紐付けることができます。また、多波長光照射を要する分光装置とは異なり、単一帯域光を照射する光源はマッチ箱程度という小型サイズで扱えます。本研究では対象の医薬成分を3種（鎮痛剤・解熱剤・抗血小板剤）に事例化し、これらの非破壊識別に適応する3波長の小型光源を配列し、CNT型PTEイメージャーシートと共に集積しました。これらの取り組みは、基礎研究部分での光学分野における裾野を拡げるとともに、我が国が過去・現在・そして今後も強く依存し続ける医薬品利用へ、非破壊検査による安全性担保という観点から貢献しうるか真価を試されるものです。
　本研究グループではこれまでにCNT膜による光学素子への適性の理論・実験的な解明、高性能なMMW–IRセンシングの実証、MMW–IR帯での画像検査アルゴリズムの確立、また卓上ロボットによる簡便・高速・高歩留まりなCNT型イメージャーの量産化といった独自性を一つ一つ打ち出しています。今回の成果では、CNT型イメージャーの光学素子としての豊かな機能性に加えて、シートデバイスとしての扱い易さを最大限に活かした出口戦略を具現化するものです。日本発のCNT膜が有する、先端材料としての新たなポテンシャル（産業用の非破壊検査デバイス・システム）を遺憾なく発揮し、我が国の基礎科学とその成果を更に加速させる位置付けと言えます。
　本研究成果は、2025年9月11日付で国際科学誌『Light: Science & Applications』にオンライン公開されます。

　モノつくりの機械化・全自動化により工業部品および日用製品の製造や流通が飛躍的に加速し続ける中、非破壊検査技術の社会的な役割は日に日に高まっています。モノを壊さず・触れずに点検する非破壊検査技術において、イメージング（画像計測）という形式により大面積情報を非接触で取得可能な電磁波-光モニタリングは注目を集めています。特に従来は高い透視性からX線計測が検査技術の代表格と位置付けられており、工場における品質評価や空港内での安全審査へ積極的に用いられています。これはつまり、ヒトの眼で視認不可能なモノの内部を不透明パッケージ越しに可視化することを意味します。この様な利点の一方、被爆性が長年にわたって課題視されており、観察物が工業部品や日用品の場合においても、操作員を含めた環境全域への被爆事故も実際に報告され続けています。
　上記の状況に対して、近年ではMMW–IR計測へ係る取り組みが全世界で精力的に進められています。MMW–IR照射は非侵襲であり、非金属材料の識別にも特化しています（参考文献1–5）。プラスチックやセラミック、半導体、ガラス等、工業部品や日用品はそれらの主要構造を非金属材料によって占めています。つまり透視という非破壊検査においては、ひび割れや傷の検知のみでなく、「対象は何の材料から成るか？」「どの非金属材料にて異常が生じているか？」といった詳細理解に資するMMW–IR計測型の非金属材料への材質同定は、極めて重要な役割を担います。X線計測は金属物・非金属物を明瞭に識別し，金属物を非常に高い空間分解能で観察することができるため、それらと相補的な役割を以って非破壊検査技術の拡充・モノつくりの持続性確保を実現するうえで、依然として萌芽的なMMW–IR計測の更なる高機能化は喫緊の課題と言えます。

　基礎科学として萌芽的なMMW–IR計測への研究が盛んに国内外で進められている中、産業的なニーズの一つには医薬品検査が挙げられています。特に、THz–IRの波長域では高分子レベルでの医薬品成分へ個別に識別対応する指紋スペクトルが数多く存在しており、X線計測と比較した具体的な差別化と言えます。これらの潜在能力を創薬現場での全数検査へ落とし込むうえでは、検査の実施により本来の創薬環境（規模・設備）が妨げられることは避けなければならず、ベルトコンベア状の搬送/加工/梱包ラインへ検査デバイスを実装することが期待されます（図3）。

　上記の状況に対して代表的なTHz–IR計測システムには分光装置が挙げられ、複数の波長での透過率・吸光率情報による重ね合わせから材質同定が行われる中、分光装置は単一セットアップから多波長計測を検体へ施します。一方で巨躯・閉所・暗所・複雑な光学系といった観点（図4）から、分光装置の創薬工場へのインライン実装は依然として発展途上な状況となっています。

　上記課題を解決すべく、研究グループはシート状のCNT型イメージャーによるシステム設計を進めていきました（図5）。動作原理は光熱起電力（PTE）効果となり（参考文献1–3）、食品ラップ程に薄い一桁µmの構造でMMW–IR、更には可視光に及ぶ超広帯域下において80 %超の吸光率を一貫して発揮します。研究グループは李 助教らが独自に確立したディスペンサ印刷によりCNT型PTEイメージャーを量産しており（参考文献4–6）、撮像素子としての空間分解能は400 µmとなっています。CNT型PTEイメージャーは複数画素間での光検出感度誤差を2.5 %以下に抑制し、本来の高感度なセンシング（参考文献7,8）を安定して発揮することができます。

　CNT型PTEイメージャーシートによるインライン検査応用に向けて、研究グループは医薬品試料のセットアップを確立しました（図6）。創薬過程の搬送ラインを想定して、3Dプリンタによりベルコンベア搭載の錠剤ホルダを造形し、試料背面にはシート状CNT型PTEイメージャーが設置されます。本システムにより観察可能な錠剤の仕様上限は現時点において7 mm厚・20 %濃度となり、市販品の中では含有成分濃度が低い鎮痛剤等へ適性を示します。また多画素集積のCNT型PTEイメージャーでは、単一画素の長時間撮像へ比肩する空間分解能を優位に有します。

　これらのデバイス実装・試料準備に続いて、李 助教・久保田 大学院生らはインライン形式の広帯域・多波長なリアルタイムTHz–IR非破壊モニタリングシステムを構築しました。システム化の鍵となるポイントは、事前にデータベース化された分光スペクトルから対象の医薬品検査へ直結する光照射波長を選定することです。医薬品を含むモノづくり現場では取り扱い対象の材質・成分が事前に把握可能となっており、インライン環境において左記情報から逸脱する光学的挙動を欠陥・異常の発生と紐付けることができます。また多波長光照射を要する分光装置とは異なり、単一帯域光を照射する光源はマッチ箱程度という小型サイズにて扱うことができます。本研究では対象の医薬成分を3種（鎮痛剤・解熱剤・抗血小板剤）に事例化し、これらの非破壊識別に適応する3波長の小型光源（サブTHz（sub-THz）：909 µm、長波長IR（LWIR）：6.13 µm、短波長IR（SWIR）：4.33 µm）を配列し、CNT型PTEイメージャーシートと共に集積しました。
　インライン非破壊検査システムとして医薬品工場内へ実装するためには、ベルトコンベア状の搬送速度に比肩するTHz–IR撮像スピードが不可欠となります。研究グループは現時点では3 mm/sの動作速度を最速のシステム動作スピードとして実証しており、高速なデバイス動作では一般にノイズ信号が顕在化する中、CNT型PTEイメージャーが特に高い動作感度を誇るIR帯では、上記の最速条件において依然として明瞭な非破壊インライン透視画像を提供します（図7）。

　インラインTHz–IRモニタリングシステムとしての基礎動作実証に続き、本研究グループは試料構成を実寸の医薬錠剤サイズへと拡張しました（図8）。本研究の基礎検証段階では圧縮成形した薄膜試料を検体として扱っていきましたが、下記に得られた結果は提案するデバイス・システムによる社会実装への可能性を示唆しています。サイズと加えて社会実装への試金石となる含有成分濃度に関しても、上記の実寸錠剤を対象とする非破壊な透視モニタリングでは鎮痛剤成分100 %が採用されています。このことから、貼り付けシートデバイスとしてCNT型PTEイメージャーがインライン系において本来の高感度動作を発揮していることが伺えます。

　本研究成果に基づきより広範な医薬品検査デバイス・システムへと昇華させるべく、李 助教・久保田 大学院生らは更に光学系のハイブリッド化へと展開しました（図9）。具体的には、CNT型PTEイメージャーシートを用いたインラインなTHz–IRモニタリングシステムにおいて、現行の透過系（光照射による錠剤からの透り抜けを観察）に加えて、反射系（光照射による錠剤からの反射を観察）での同時計測へ着手しました。特に反射系での光学観察は、透過系を適応させにくい「高濃度な医薬成分錠剤」や「金属異物とは別種類の欠陥が混在している試料」への観察に秀いでています。これらの特徴は、本システムと相補的な位置付けを占める分光計測においても全反射計測法（ATR）として知られております。研究グループでは試験的取り組みとして少数画素CNT型PTEイメージャーによるハイブリッド・インラインな非破壊モニタリングを行っており、動的な1回の錠剤搬送において「透過系の計測のみでは補い切れない検査情報」・「反射系の計測のみでは補い切れない検査情報」をリアルタイムに紐付けることができました。

　医薬品の安全性への国民的な関心は高く、某製薬会社による報告では、コロナ禍を経た2022年以降では医薬品のリコール件数は1件/日超という危機的なペースとなっています。流通後のリコールでは医薬製品から網羅的に欠陥を取り除くことは極めて困難であり、我が国のみならず世界的な潮流としても製造段階での医薬品への高精度な全数検査は健康寿命へ直結する必須アプローチです。その需要に対して本研究成果は、CNT型イメージャーの光学素子の特性を最大限に活かした出口戦略として社会実装を具現化するものです。本研究成果を基に本研究グループでは、① 現行性能からの30倍以上の高解像度化が見込まれるインクジェット印刷デバイス実装、② CNT型イメージャーシートにおける本来の単一画素動作速度をモニタリングシステムスピードへと昇華させる最適構造回路デザイン、③ 独自のMMW–IR 3D形状復元（参考文献9,10）との融合によるマルチモーダルな非破壊検査、といった項目へ取り組みます。これらを通じて、「操作員・動作環境・観察対象の全てにフレンドリー」な非破壊検査基盤へと展開していきます。

1. K. Li, D. Suzuki, Y. Kawano, Series Photothermoelectric Coupling Between Two Composite Materials for a Freely Attachable Broadband Imaging Sheet, Advanced Photonics Research 2, 3, 2000095, 2021.　DOI: 10.1002/adpr.202000095
2.  K. Li, R. Yuasa, R. Utaki, M. Sun, Y. Tokumoto, D. Suzuki, Y. Kawano, Robot-assisted, source-camera-coupled multi-view broadband imagers for ubiquitous sensing platform, Nature Communications 12, 3009, 2021.　DOI: 10.1038/s41467-021-23089-w
3. K. Li, T. Araki, R. Utaki, Y. Tokumoto, M. Sun, S. Yasui, N. Kurihira, Y. Kasai, D. Suzuki, R. Marteijn, J.M.J. den Toonder, T. Sekitani, Y. Kawano, Stretchable broadband photo-sensor sheets for nonsampling, source-free, and label-free chemical monitoring by simple deformable wrapping, Science Advances 8, 19, eabm4349, 2022.　DOI: 10.1126/sciadv.abm4349
4. M. Yamamoto, D. Sakai, Y. Matsuzaki, L. Takai, Y. Kon, Y. Aoshima, N. Izumi, N. Hagiwara, H. Hamashima, D. Shikichi, J. Jin, Q. Zhang, K. Murakami, Y. Kinoshita, S. Yasui, N. Takahashi, H. Nishiyama, Y. Kawano, K. Li, Mechanically alignable and all-dispenser-printable device design platform for carbon nanotube-based soft-deformable photo-thermoelectric broadband imager sheets, npj Flexible Electronics 9, 42, 2025.　DOI: 10.1038/s41528-025-00419-2
5. Y. Matsuzaki, R. Tadenuma, Y. Aoshima, M. Yamamoto, L. Takai, Y. Kon, D. Sakai, N. Takahashi, R. Koshimizu, Q. Zhang, N. Hagiwara, M. Sun, D. Shikichi, R. Ota, S. Hirokawa, Y. Kawano, K. Li, All‐Solution‐Processable Hybrid Photothermoelectric Sensors with Carbon Nanotube Absorbers and Bismuth Composite Electrodes for Nondestructive Testing, Small Science 5, 5, 2400448, 2025.　DOI: 10.1002/smsc.202400448
6. L. Takai, Y. Kinoshita, N. Takahashi, M. Yamamoto, D. Shikichi, N. Izumi, Y. Matsuzaki, Y. Kon, N. Hagiwara, Y. Kawano, K. Li, n-type carbon nanotube inks for high-yield printing of ultrabroadband soft photo-imager thin sheets, FlexMat 2, 1, 115–125, 2025.　DOI: 10.1002/flm2.41
7. K. Li, Y. Mastuzaki, S. Takahara, D. Sakai, Y. Aoshima, N. Takahashi, M. Yamamoto, Y. Kawano, All-Screen-Coatable Photo-Thermoelectric Imagers for Physical and Thermal Durability Enhancement, Advanced Materials Interfaces 10, 35, 2300528, 2023.　DOI: 10.1002/admi.202300528
8. Q. Zhang, H. Li, R. Koshimizu, N. Takahashi, Y. Kinoshita, A. Sano, J. Jin, H. Okawa, Y. Matsuzaki, D. Shikichi, Y. Kawano, K. Li, Microwave Monitoring by Compact Carbon Nanotube Photo-Thermoelectric Sensors Beyond the Diffraction Limit Toward Ultrabroadband Non-Destructive Inspections, Advanced Sensor Research, Early View, 2400159, 2025.　DOI: 10.1002/adsr.202400159
9. K. Li, Y. Kinoshita, D. Shikichi, M. Kubota, N. Takahashi, Q. Zhang, R. Koshimizu, R. Tadenuma, M. Yamamoto, L. Takai, Z. Zhou, I. Sato, Y. Kawano, Simple Non-Destructive and 3D Multi-Layer Visual Hull Reconstruction with an Ultrabroadband Carbon Nanotubes Photo-Imager, Advanced Optical Materials 12, 14, 2302847, 2024.　DOI: 10.1002/adom.202302847
10. D. Shikichi, R. Ota, M. Kubota, Y. Kinoshita, N. Izumi, M. Kosaka, T. Nishi, D. Sakai, Y. Matsuzaki, L. Takai, M. Yamamoto, Y. Aoshima, R. Odawara, T.Q. Suyama, H. Okawa, Z. Zhou, T. Furukawa, S. Wada, S. Ikehata, I. Sato, Y. Kawano, K. Li, Multi Computer Vision-Driven Testing Platform: Structural Reconstruction and Material Identification with Ultrabroadband Carbon Nanotube Imagers, Advanced Materials Technologies 10, 7, 2401724, 2025.　DOI: 10.1002/admt.202401724
     

　本研究は、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業 ACT-X（JPMJAX23KL）、同 未来社会創造事業（JPMJMI23G1）、日本学術振興会 科学研究費助成事業（研究活動スタート支援（JP23K19125）、同 若手研究（JP24K17325）、同 基盤研究（A）（JP23H00169）、同 基盤研究（B）（JP22H01553、JP22H01555、JP24K01288）、同 学術変革領域研究（A）（JP20H05953、JP22H05470、JP25H02154））、住友電工グループ社会貢献基金、タカノ農芸化学研究助成財団、東電記念財団、スズキ財団、双葉電子記念財団、フジシール財団、電気通信普及財団、コニカミノルタ画像科学奨励賞（優秀賞）、イオン工学振興財団、機械システム振興協会、服部報公会、新素材情報財団、栢森情報科学振興財団、島津科学技術振興財団、八洲環境技術振興財団、徳山科学技術振興財団、パワーアカデミー、JKA・補助事業、立石科学技術振興財団、鹿島学術振興財団、天野工業技術研究所、神奈川県立産業技術総合研究所等からの事業の一環として援助を受けました。
　また、武蔵エンジニアリング株式会社からの技術提供の下に実施されました。