工 業 技 術 研 究 報 告 書
Report of the Industrial Research Institute of NIIGATA Prefecture No.47 2017

No.47 平成 29 年度

新潟県工業技術総合研究所
Industrial

Research Instituteof NIIGATA Prefecture〒950-0915 新潟県新潟市中央区鐙西 1-11-1
1-11-1 Abumi-nishi, Chuo-ku, Niigata City, Niigata 950-0915, Japan平成 30 年 6 月

目

Ⅰ

次

研究論文
１．CAE 技術を用いた高性能テニスラケットの開発・・・・・・・・・・・・・・・・ 3
２．太陽熱を利用した熱音響冷凍機による雪室冷却装置の開発～太陽熱集熱装置の製作と評価～・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 9
３. 伝統的工芸品の世界販売戦略を支援するためのバーチャルショウケースの研究開発（第 3 報）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13
４．ネットワークアナライザを用いた高周波測定技術の育成・・・・・・・・・・・・ 18
５．熱可塑性エラストマーの力学的特性評価に関する研究・・・・・・・・・・・・・ 23
６．X 線回折による残留オーステナイト定量値のばらつきに関する研究・・・・・・・ 29

Ⅱ

ノート
１．SUH660 の形質制御熱間鍛造技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 39
２．半導体パッケージ基板配線狭ピッチ化等に関する研究開発・・・・・・・・・・・ 42
３．加熱加圧接着による電磁鋼板モータコアの積層接着技術の開発・・・・・・・・ 44
４. アモルファス積層鉄心の鉄損測定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48
５. 断続切削を伴う難削材の加工方法の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50
６. テーラードブランクの対向液圧によるプレス深絞り成形法の開発・・・・・・・・ 53
７. 複合めっき皮膜の断面観察手法の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 55
８. 複合樹脂の特性評価と樹脂のナノ複合化による高機能性複合樹脂の開発・・・・・ 58
９．フェロモントラップと画像解析技術を組み合わせた斑点米カメムシの自動モニタリングシステムの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 61
10. LP ガス用圧力調整器用部品の流動解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 65
11. エアロゾルデポジション法によるアルミナ膜の作製（第 2 報）・・・・・・・・・・ 68
12. 鋳鉄の組織と蛍光 X 線強度の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 70
13. 毛繊維への機能性付与に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74
14. 糸の平滑性評価に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 77
15. ジオポリマーによる硫化水素吸着剤の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 79

16．X 線応力測定における応力値のばらつきについて（測定時間との関係）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 82
17. レプリカ法による非接触表面粗さ測定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 84
18. 各種腐食液によるステンレス鋼の金属組織観察・・・・・・・・・・・・・・・・ 86
19. 合金鋼および工具鋼の金属組織と硬さ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 88
20. 鋼の金属組織と旧オーステナイト結晶粒の関係・・・・・・・・・・・・・・・・ 92
21. 工具鋼 KA-70 の金属組織と硬さ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 95
22. 刃物鋼の二度焼入れについて・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 99
23．新規草木染め染料に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101

Ⅲ

調査・報告
１．農業分野における ICT 活用促進に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・107
２．3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究（第 3 報）・・・・・・・111
３．繊維技術を活用した加飾加工に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・114
４．ファインバブルに関する調査研究（第 2 報）・・・・・・・・・・・・・・・・・118
５．微細構造分析による結晶材料の高機能化に関する調査研究・・・・・・・・・・・ 121
６．ナノセルロースに関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 125
７．ディープラーニングの産業利用の事例紹介・・・・・・・・・・・・・・・・・・128※ 平成 29 年度に実施した研究 134 テーマのうち、研究成果を公表できるものを報告しています。

Ⅰ

研究論文

−1−

研究論文CAE 技術を用いた高性能テニスラケットの開発
片山 聡* 相田 収平** 三村 和弘** 岡田 英樹**
米山 亘*** 吉川 英之*** 宇野 寿一***
Development of high-performance tennis racket by using CAE technology
KATAYAMA Satoshi*，AIDA Shuhei**，MIMURA Kazuhiro**，OKADA Hideki**
YONEYAMA Wataru***，YOSHIKAWA Hidenori*** and UNO Toshikazu***

抄録

テニスラケットフレームに対する構造シミュレーション精度向上のため，均質化法によるマルチスケー
ルシミュレーションおよび平板の 3 点曲げ試験を実施し，材料物性値を同定した。その結果，本研究で用いた CFRP シートについては，ミクロモデルの繊維配列を格子状とした場合に試験値とよく一致することを確認できた。また，同定した物性値を用いた円管の 3 点曲げ試験では，支点間距離による変形モードの違いをよく再現できた。

1. 緒

けるミクロモデルの重要性と得られた等価物性値の言

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は繊維方向と妥当性検証結果について報告する。

繊維直交方向で材料物性値が異なるため，構造シミュレーションにおいては各々の方向に対する材料物

2. マルチスケールシミュレーションの概要

性値（縦弾性率，せん断弾性率，ポアソン比）を入

CFRP を対象とした均質化法によるマルチスケー

力する必要がある 1)2)。CFRP の材料物性値を求める

ルシミュレーションでは，繊維周りのミクロモデル

方法としては，材料力学的手法やその修正式が提案を作成し，それを 1 要素に置き換えた場合の等価物

3)

されているが ，近年ではマルチスケールシミュレ

性値を取得する。本研究では，UD 材（単一方向性，材）積層シートを対象に，図 1 に示す 2 つのミクロ

当研究所においても平成 26 年度に実施した実用研モデルを作成し，直交異方性モデルの等価物性値を究にてその有効性を確認した 6)。

計算した。計算においては繊維縦弾性率をメーカ公ーションを利用した同定手法も研究されており

4)5)

当研究所では今年度，ヨネックス（株）との共同研究において，CFRP 製テニスラケットフレームに樹脂対する構造シミュレーション技術を確立した。本稿
では研究で得られた知見のうち，計算精度向上に寄与した部分，マルチスケールシミュレーションにお* 中越技術支援センター

繊維(1)直線配列モデル(2)格子配列モデル** 研究開発センター*** ヨネックス（株）新潟生産本部

図 1 CFRP（UD 材）のミクロモデル−3−表値，繊維体積含有率を JIS K 7075:1991「炭素繊維なお，本研究では繊維縦弾性率，繊維体積含有率，強化プラスチックの繊維含有率及び空洞率試験方法」

樹脂材種，目付などが異なる 9 種類の UD 材積層シによる実測値より固定値とし，樹脂縦弾性率を変化

ートについて等価物性値を求めたが，そのすべてにさせて数種類の等価物性値を得た。マルチスケール

おいて表 1 と同様の傾向が見られた。

シミュレーションソフトウェアはサイバネット（株）製 Multiscale.Sim 18.0（ソルバー：ANSYS Mechanical

3. 等価物性値の妥当性検証結果

Enterprise 18.0，GUI：ANSYS Workbench 18.0）を用

3.1 平板の 3 点曲げ試験
JIS K 7042:1998「炭素繊維強化プラスチックの曲いた。
均質化法によって得られた等価物性値のうち縦弾げ試験方法」を参考に，UD 材積層シートより作製性率について，従来式による計算値と比較した結果した平板試験体の 3 点曲げ試験，3 点曲げシミュレ

を表 1 に示す。従来式は，繊維方向には複合則を，ーションを実施した。試験機には（株）島津製作所

繊維直交方向には植村らの式 を適用した。繊維方製万能材料試験機 AG-100KNG-M1 を，
3 点曲げシミ向の縦弾性率は繊維配列によらず，ほぼ一定の値をュレーションには ANSYS Mechanical Enterprise 18.0

示し，複合則による計算値ともよく一致した。繊維（GUI：ANSYS Workbench 18.0）を用いた。試験概直交方向の縦弾性率は繊維配列によって大きな違い

要を図 3 に示す。平板試験体は長辺方向を繊維基準が現れ，直線配列モデルのほうが大きな値を示した。

方向（0°方向）とし，同一方向（0°，15°，30°，

また，植村らの式による計算値に対しては直線配列

45°，90°）に積層して作成した。試験速度は 1mm/s

モデルのほうが近い値となった。図 2 に繊維直交方とし，曲げ荷重は 3mm 変形時の値を評価した。シ向の縦弾性率に対する樹脂縦弾性率，繊維配列の影

ミュレーションにおける試験体は，厚さ方向の中立響を示す。樹脂縦弾性率の影響は線形的に現れ，影面を用いたシェル要素として作成した。試験ジグと響度は直線配列モデルのほうがやや大きくなった。

なるパンチおよび支点はそれぞれ剛体（材料特性値

7)は鋼系材料を適用）として定義し，曲げ荷重は試験
表 1 均質化法と従来式による計算値の差体とパンチの接触反力履歴より抽出した。
3 点曲げ試験，
3 点曲げシミュレーションで得られ（比較物性値：縦弾性率）
直線配列

格子配列

た繊維角度と曲げ荷重の関係を図 4 に示す。図中の

モデル

モデル

シミュレーション結果は，均質化法で求めた等価物

繊維方向

-0.1%

-0.1%

性値のうち試験値と最も一致したものを記載した。

繊維直交方向8.0%-35.9%

直線配列モデル，格子配列モデルとも全体的には試方向

験結果の傾向を再現できているが，直線配列モデル

パンチ

繊維基準方向試験体

支点

図 2 繊維直交方向の縦弾性率に対する図 3 平板の 3 点曲げ試験概要

樹脂縦弾性率，繊維配列モデルの影響−4−

では繊維角度が大きくなるにつれて，試験結果より象とした CFRP シートでは直線配列モデルや従来式も高い値を示すことがわかる。一方，格子配列モデ

よりも，格子配列モデルにて等価物性値を求めるこルはすべての角度において試験結果をよく再現できとが適しているといえる。

ている。曲げ荷重の大小関係は表 1 に示した繊維直図 5 は直線配列モデルにおいて，繊維角度 90°の交方向の縦弾性率の差と同傾向にあり，本研究で対試験値とよく一致する等価物性値を用いて行った 3
点曲げシミュレーション結果であるが，全体的な一致度は図 4(1)よりも悪いことがわかる。ただし，この場合でも繊維角度 0°の値は大きく変化しておらず，仮に 0°，90°の試験値だけを用いてミクロモ
デルの検証を行ったとすると，図 4(2)と図 5 の差はなく，誤った結論を導き出してしまう。そのため，
ミクロモデルの検証には 0°，90°以外の試験値も比較対象として用いる必要がある。一般的に UD 材の重ね合わせでは 0°，45°，90°が用いられることが多いため 8)，この 3 方向にて検証を行うことが（1）直線配列モデル

適切であると考えられる。
3.2 円管の 3 点曲げ試験
3.1 にて同定した等価物性値（図 4(2)）の妥当性を検証するため，UD 材積層シートより作製した円管試験体による 3 点曲げ試験，3 点曲げシミュレーシ
ョンを実施した。試験概要を図 6 に示す。円管試験体の繊維基準方向（0°方向）は円管軸方向とし，±30°，±45°にて積層した 2 種類の試験体を用意した。支点間距離 L は 120mm，200mm の 2 条件とした。試験条件およびシミュレーション条件は平板（2）格子配列モデルの 3 点曲げ試験，同シミュレーションと同一とし，

図 4 平板の 3 点曲げシミュレーション結果

ストロークと曲げ荷重の関係を調べた。交互に積層

試験体

繊維基準方向パンチ（R75mm）

支点（R30mm）L

図 5 平板の 3 点曲げシミュレーション結果
図 6 円管の 3 点曲げ試験概要（90°基準，直線配列モデル）−5−

される UD 材の情報（厚さ，繊維角度）は ANSYS

材積層シートすべてで確認された。
シミュレーション結果を図 8 に示す。それぞれのの積層断面機能より入力した。
図 7 に試験結果を示す。支点間距離 L により繊維支点間距離において，繊維角度による曲げ荷重の変角度と曲げ荷重の関係が変化し，L=200mm では±化をよく再現していることがわかる。また，曲げ荷30°が，L=120mm では±45°が他方よりも高い値

重値はほぼ一致しており，図 4(2)で使用した等価物を示した。この現象は試験を実施した 9 種類の UD

性値にて非常に高精度なシミュレーションが実施できることを示している。
シミュレーション結果より試験体の変形モードを確認すると，L=200mm では軸方向の曲げたわみ変形が，L=120mm では円管断面のへん平変形が主となっていた。各モードにおける最大主応力方向も異なっており，それらの方向と繊維方向が近い場合に剛性が向上する結果となった。これは複雑な変形モードを有するテニスラケットの開発において，繊維角度による局所的な剛性向上が期待できることを示すものと考えられる。
また，本研究では CFRP 織物材，GFRP（ガラス

図 7 円管の 3 点曲げ試験結果

繊維強化プラスチック）織物材についても均質化法による等価物性値の計算，円管試験体による 3 点曲
げ試験による精度検証を実施した。織物材のミクロ
モデルおよび計算手順を図 9 に示す。ミクロモデル
は Multiscale.Sim（Design Modeler で稼働）の平織材
モデリング機能を用いて作成した。CFRP 織物材，

①繊維周りのミクロモデルで等価物性値を計算②繊維束周りのミクロモデルで等価物性を計算（繊維束の物
性値に①の結果を使用）(1)試験間距離 L=200mm

繊維束(2)試験間距離 L=120mm
図 9 織物材のミクロモデルおよび計算手順

図 8 円管の 3 点曲げシミュレーション結果−6−

GFRP 織物材の 3 点曲げシミュレーション結果を図

5. 結

10 に示す。CFRP，GFRP とも試験結果とよく一致（1）CFRP（UD 材）に対する均質化法を実施し，する値が得られ，織物材においても適切なミクロモ

ミクロモデルにおける繊維配列と従来式の関デルを作成することで妥当な等価物性値を得られる係を調べた。繊維方向の縦弾性率は繊維配列にことを確認できた。

よらず複合則とよく一致し，繊維直交方向の縦言

弾性率は直線配列モデルにて植村らの式と近い値となった。また，直線配列モデルは格子配列モデルよりも高い値を示した。
（2）平板の 3 点曲げシミュレーションを実施し，本研究で用いた CFRP シートではミクロモデル
を格子配列とした場合に試験結果と一致することを確認した。
（3）平板の 3 点曲げ試験で求めた等価物性値を用いて円管の 3 点曲げシミュレーションを実施
し，支点間距離による曲げ変形モードの変化を高精度に再現できることを確認した。
(1)CFRP 織物材（4）織物材の均質化法，円管の 3 点曲げ試験結果を実施し，得られた等価物性値にて変形挙動を精度良く再現できることを確認した。
参考文献
1）福田博，“複合材料力学入門 第 1 章 複合材料
力学のための弾性学，材料力学の基礎”，日本複合材料学会誌，22，1，1996，pp.19-25．
2）石川隆司，“複合材料力学入門 第 2 章 複合材
料の弾性・非弾性挙動”，日本複合材料学会誌，
22，2，1996，pp.76-81．

(2)GFRP 織物材

3）山岸暢，吉田光則，鈴木耕裕，“FEM による異方図 10 円管の 3 点曲げシミュレーション結果性複合材料構造体の構造解析（第 1 報）FRP の構造解析用物性値の検証”，北海道立工業試験場
報告，No.298，1999，pp.77-83．

4. 今後の課題
さらなる高精度化のためには，CFRP シート内に4）高野直樹，“均質化法による新しい数値シミュレ

おける繊維配列のバラツキや繊維のゆらぎなど，実ーション”，日本複合材料学会誌，27，1，2001，

際のシートの状態を再現するミクロモデルについて

pp.4-11．

検証を重ねる必要がある。また，CFRP の材料モデ

5）吉岡健一，熊谷裕太，樋口諒，Dongyeon Lee，岡ルについては，均質化法に用いる繊維特性値を異方部朋永，“一方向強化 CFRP 複合材の斜め方向引

9)

10)

も報告さ

張試験における破断延性に関するマルチスケー

れており，対象とする変形挙動によってはこれらに

ルモデリング”，材料システム，第 34 巻，2016，

ついても検証する必要がある。

pp.7-13．

性材料とした例 や弾塑性を考慮した例

6）片山聡，田村信，櫻井貴文，“マルチスケールシ−7−ミュレーションによる CFRP 製品の機械特性評9）足立廣正，長谷川照夫，“一方向強化 CFRP 材に価に関する研究”，工業技術研究報告書，No.45，

おける繊維直角方向のヤング率の評価”，日本レ2015，pp.17-24．

オロジー学会誌，Vol.30，2002，pp.103-107．

7）植村益次，山田直樹，“炭素繊維強化プラスチッ

10）松原成志朗，荒川裕介，加藤準治，寺田賢二郎，

ク材の弾性係数”，
材料，
第24 巻，
第257 号，
1975，

京谷孝史，上野雄太，宮永直弘，平山紀夫，山pp.156-163．

本晃司“弾塑性・クリープ・損傷複合モデルに

8）藤本俊二，中村仁，藤田雅彦，友近宏，平岡芳信，

よる繊維強化プラスチックの分離型マルチスケ“CFRP 板の曲げ特性（第 1 報）”
，愛媛県産業技ール解析”，日本計算工学会論文（Transactions of

術研究所研究報告，No.52，2014，pp.1-6．

JSCES），Paper No.20140004，2014

−8−

研究論文

太陽熱を利用した熱音響冷凍機による雪室冷却装置の開発～太陽熱集熱装置の製作と評価～
三村

和弘*

佐藤

健*

須貝

裕之*

櫻井 貴文*

本多章作**

Development of a Yukimuro Cooling Unit Using a Thermoacoustic Refrigerator Driven by Solar Power~Fabrication and Evaluation of a Heat Circulation System Using Solar Thermal Collectors~
MIMURA Kazuhiro*, SATO Takeshi*, SUGAI Hiroyuki*, SAKURAI Takafumi* and HONDA Shosaku**

抄録

本県や豪雪地域では雪を雪室に保存し，夏季の冷房に用いるほか，野菜や米などの冷蔵庫としても使用する。雪室を使った雪冷房装置は，運用コストは安価であるが導入コストが高い。そこで再生可
能エネルギーである太陽熱から冷熱を作り出し，それを雪室に供給すれば雪室を減容でき，導入コス
ト削減が期待できる 1)。工業技術総合研究所では，学校法人東海大学，新潟機器（株）とともに，太陽熱を集熱して熱音響冷凍機 1),2)に入熱する太陽熱集熱装置と，その熱を冷熱に変換して雪室に供給する熱音響冷凍機を開発している。本報告では，太陽熱集熱装置の製作と評価について述べる。

1.

緒

熱音響冷凍機を太陽熱で駆動する実証試験に

言

太陽エネルギーを熱に変換して，これを収集

先立ち，熱音響冷凍機の代替としてラジエータする機器を太陽熱集熱器（以下，集熱器）と呼を装着した評価用の太陽熱集熱装置を製作した。

ぶ。集熱器には平板型や真空ガラス管型などが集熱器 1 台を接続し，集熱性能や配管の熱損失あり，一般的に真空により放熱が抑えられる真を評価した。

空ガラス管型が高温集熱に有利である 3)。
集熱器は主に温水を作るために使用され，公2.

太陽熱集熱装置の製作

共施設や住宅などで給湯や暖房などに使われて

2.1

太陽熱集熱装置の概要

いる。水を直接加熱する場合や不凍液を加熱し，太陽熱集熱装置の構成を図 1 に示す。真空ガ

水と熱交換する場合があるが，使用用途から加熱温度は 100℃程度までである。
一方，熱音響冷凍機を高効率で駆動させるには，数 100℃の高温で入熱することが望ましい
が，集熱器を熱源とする場合は，一般に高温が得にくいため駆動が困難である。そこで，本研
究では，真空ガラス管型集熱器で油系の熱媒を加熱し，熱音響冷凍機を駆動できる 210℃以上の高温を得ることを目標とした。
*

研究開発センター**

下越技術支援センター

図1

−9−

太陽熱集熱装置の構成

(a)
図2

集熱器出入口の熱媒温度製作した太陽熱集熱装置

ラス管型集熱器には通水式とヒートパイプ式があり，それぞれを付け替えて評価する。流量計と配管各部に温度計を装着し，熱媒温度と流量を測定する。加熱による熱媒の酸化を防止する
ため循環回路は密閉系とし，内圧変化は膨張タ
ンクで吸収する。
(b)

上記の構成に基づき太陽熱集熱装置を製作しラジエータ出入口の熱媒温度た。外観を図 2 に示す。集熱器の受光面は南向
きとし，地面に対して 30°傾斜させた。配管とポンプなどの機器には，放熱の抑制と屋外使用のため，ロックウールによる保温処理と外装処理をした。熱媒は，綜研テクニックス（株）
製 NeoSK-OIL L400 高引火点品とした。
2.2

集熱器

通水式は，真空ガラス管内の銅管に通水し，

(c)

日射量

これを直接加熱する方式である。実験では，

図3

測定例

（株）寺田鉄工所製 CPC1518（集熱面積 3m ）2を使用した。一方，ヒートパイプ式は，ガラスる。図 3 に 9 月 1 日の熱媒温度と日射量の測定

管内のヒートパイプを加熱し，ヒートパイプ内例を示す。ヒートパイプ式の集熱器を装着し，に封入されている液体の気化・液化によって，熱媒流量 0.1L/min で測定した。

ヒートパイプの端部に接する媒体に伝熱する方式である。実験では，日本熱源システム（株）

3

製 V300-30（集熱面積 3.25m2）を使用した。

3.1

2.3

評価結果
集熱性能

図 4 に集熱器出入口の熱媒温度を熱媒流量に対して測定した結果を示す。測定値は正午近傍

測定項目

測定は平成 29 年 7 月から 9 月にかけて行っ

2 時間の平均値である。
表 1，2 に熱媒流量に対する集熱量および集た。測定項目は，集熱器とラジエータの出入口

熱効率を測定時の日射量とともに示す。集熱量の熱媒温度，熱媒流量，気温および日射量であは，図 4 の集熱器出入口の熱媒温度差，熱媒の− 10 −

あり，ほぼ同等の集熱性能を示した。
3.2

熱損失

図 5 にラジエータ出入口の熱媒温度を示す。
前項と同様，正午近傍 2 時間の平均値である。
この測定に用いた集熱器は，ヒートパイプ式であり，測定時にラジエータの冷却ファンは動作(a)

させていない。
熱媒流量 0.1L/min におけるラジエータ入口

通水式の熱媒温度は 174℃だが，図 4(b)によると集熱器出口では 256℃だったので，82℃の温度低下がこの間で生じたことになる。流量の増加に伴い温度差は小さくなり，3.0L/min 以上で 2℃程度にまで減少した。
熱音響冷凍機への入熱は高温が望ましいので，実証試験では温度低下の少ない 3.0L/min 以上
で熱媒を循環させる必要があるが，現状の仕様(b)
図4では目標温度に達しない。したがって，集熱器

集熱器出入口の熱媒温度

表1
熱媒流量 (L/min)

ヒートパイプ式の台数を増やすことで補う必要がある。
次に，熱音響冷凍機の駆動を想定して，ラジ集熱効率(通水式)
0.1

0.5

1.5

3.0

日射量 (kW)

2.64

2.37

2.50

2.67

1.98

集熱量 (kW)

0.53

0.89

1.06

0.76

0.68

集熱効率

0.20

0.38

0.43

0.28

0.35

表2

エータの冷却ファンの ON／OFF による熱媒の4.5

集熱効率（ヒートパイプ式）

熱媒流量 (L/min)

0.1

0.5

1.5

3.0

4.5

日射量 (kW)

3.23

2.66

3.01

2.92

3.12

集熱量 (kW)

0.60

0.82

1.01

1.02

1.05

集熱効率

0.19

0.31

0.34

0.35

0.34

比熱，比重および流量から計算し，集熱効率は，
図5

集熱量を日射量で除した値である。

ラジエータ出入口の熱媒温度

図 4 より，両方式とも熱媒流量 0.1L/min では，
熱媒温度は目標温度の 210℃を超えたが，低流速のため集熱器出口から入口に至る過程で大きく低下した。
ヒートパイプ式の方が高温の熱媒が得られたが，表 1，2 のとおり測定時の日射量が通水式に比べ大きかったためと考えられる。
また，両方式とも熱媒流量 0.1L/min の集熱効率が著しく小さいのは，低流速のため集熱器の出口に至る前に熱媒が最高温度に到達したためと考えられる。この値を除いた集熱効率の平均
値は，通水式が 0.36，ヒートパイプ式が 0.34 で

図6− 11 −

冷却ファンの作動による熱媒温度変化

表3

4.

配管各部の熱損失

冷却ファン

OFF

ON

日射量 (kW)

2.98

2.92

集熱量 (kW)

1.09

1.21

ラジエータの放熱量 (kW)

0.35

0.79

ラジエータ前配管の熱損失 (kW)

0.21

0.16

ラジエータ後配管の熱損失 (kW)

0.53

0.27

結

言

(1) 熱音響冷凍機の代替としてラジエータを装着した太陽熱集熱装置を製作した。
(2) 通水式とヒートパイプ式集熱器の性能評価を行い，熱媒流量 0.1L/min では，両方式とも目標とする 210℃以上の熱媒温度が得られた。

温度変化を測定した。熱媒流量を 3L/min とし，(3) 通水式とヒートパイプ式集熱器の集熱性能

12 時 35 分に冷却ファンを作動させた。結果をは，ほぼ同等であった。
(4) 集熱量に対する配管部の熱損失割合は，ラ

図 6 に示す。

ジエータ冷却ファンの停止，作動時でそれ

冷却ファンの作動によりすべての測定点で温ぞれ 68%，36%だった。

度が低下しており，ラジエータによる放熱の増加に対して，集熱量が不足していることを示し

なお，本研究は国立研究開発法人新エネルギている。
図 6 の時間帯 A，B について，配管各部の熱ー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託に損失を同じ時間帯の日射量，集熱量およびラジ

よる「太陽熱を利用した熱音響冷凍機による雪エータの放熱量と合わせて表 3 に示す。表中の室冷却装置の開発（平成 27～30 年度）」の一

ラジエータ前配管とは，集熱器出口からラジエ環で実施したものである。

ータ入口まで，ラジエータ後配管とは，ラジエ
参考文献

ータ出口から集熱器入口までの配管である。
時間帯 B では，冷却ファンの作動による温

1）大野宏他，“熱音響機関に関する調査研度低下で，集熱器出入口の温度差が若干大きく

究 ” ， 工 業 技 術 研 究 報 告 書 ，45，2015，

なったため，日射量の減少に関わらず集熱量がpp.101-103.
2）http://www.ed.u-tokai.ac.jp/thermoacoustic/

見かけ上増加した。

research1.html，東海大学工学部動力機械工

また，ラジエータの放熱量は大きく増加し，学科長谷川研究室 HP，2018 年 3 月 30 日

ラジエータ後配管の熱損失は半減した。
時間帯 A，B における配管部全体の熱損失割

3）http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_

合は，それぞれ 68%と 36%であり，熱音響冷

and_new/attaka_eco/system/index.html， 資 源

凍機に，より多く入熱するためには配管部の断エネルギー庁 HP， 2018 年 3 月 30 日

熱性向上が望ましい。

− 12 −

研究論文

伝統的工芸品の世界販売戦略を支援するためのバーチャルショウケースの研究開発（第 3 報）
阿部

淑人*

大野

宏**

五十嵐

晃***

Development of a Virtual Showcase of Traditional Handicrafts for Worldwide Promotion, 3rd. Ed.
ABE Yoshito*，OHNO Hiroshi** and IKARASHI Akira ***抄録

伝統的工芸品の販売を支援するために質感を高品位に再現できるバーチャルショウケースの開発を行っている。企画段階から設計・試作・量産段階の流れを改善するための取り組みとしてデジタル
プロトタイピング技術の開発に取り組んだ結果を活用して，より一層写実的なコンピュータグラフィ
クス（CG）を簡便に生成し容易に鑑賞できるシステムを構築することとした。 平成 27 年に総務省の戦略的情報通信研究開発推進事業（略称 SCOPE）の採択を受け，3 ヵ年の研究開発計画を実行し，今
年度は 3 年目としてのプロトタイプシステム試作とデモコンテンツの制作を実施した。全体概要および個々の技術要素と今年度までの研究成果について報告する。

1.

緒

言

本研究開発は，伝統的工芸品を，いつでもど

新潟県の伝統的工芸品は，村上木彫堆朱や新こにいても手元のスマートフォンや PC，TV に潟漆器，燕鎚起銅器など 13 地域で 16 品目が経標準装備されている Web ブラウザなどから自済産業大臣の指定を受けている。全国第 2 位の由に製品画像が見られ，製品を高い質感再現性

品目数を誇るものの，生活スタイルの変化や人で疑似展示できるバーチャルショウケースの実口減少などにより需要は減少傾向にある。また，現を目的とする。サーバにデジタルコンテンツ

一方では後継職人の確保や早期育成という人材としてのバーチャル製品を全数揃えることで，面の経営課題もある。

各提携ショップ内に当該商品の在庫がなくても，国内市場の縮小に抗する策として，広く海外顧客や売主は正確なアピアランスを把握するこに販路を拡大するために世界各地に製品フルラとができる。また，この延長線上には，ユーザ

インナップの伝統的工芸品ショウルームを設置

が直接ウェブサイト上で製品ページを見て購入することは効果的と思われるが，店舗コストやできる電子商取引（EC）の為のオンラインカタ

製品輸送あるいは在庫の確保など様々な困難がログや，さらにはオンラインカスタマイズ（ユ伴う。インターネット時代の解決策として，コーザ自らウェブサイト上で形状や模様などを自ンピュータグラフィクス（CG）によるバーチャ

在にアレンジして発注）やデジタル試作などへ

ルショウケースを構築することが効果的であるの発展形が期待できる。また，製造業者は単品と考えた。

生産のデジタルアーカイブとして記録を残すことができ，品目管理や若手職人への育成指導な*

下越技術支援センター**

中越技術支援センター

前記の目的に対して，H23～H24 年度に県の***研究開発センター

創造的研究推進費で取り組んだ「質感の測定技

どにも活用できる。

− 13 −

術・表現技術の研究」1) 2)の成果をベースとして，コンテンツの生成にかかる技術と，鑑賞・操作にかかる技術について研究開発 3) 4)を行った。
本研究を開発要素ごとに整理すると，(A) 写実的 CG5)に必要なテクスチャを自動的に分析・合成して GLSL6)等の計算機言語で処理するための「テクスチャツール」(B) CG の写実性を高めるための背景画像モデ
図 1 分析合成のフローダイアグラム

ルを取得する「バックグラウンドツール」(C) Web などで高い操作性を備えて写実的表示できるようにする「ディスプレイツール」

フトウェアで造形した。

(D) 汎用のディスプレイ表示に代えて，より臨

テクスチャの分析合成に関して，この 3 年間

場感や拡張現実感・没入感が高く表示でき

で鎚起銅器の模様生成 7)と，2 値模様の形態分る「プレゼンスツール」

類 8)と，進化論的にプロシージャルテクスチャの 4 つになる。(A)と(B)はコンテンツとなる CGを自動合成する方法 9)などについて検討を行っの素材生成にかかる技術で，(C)と(D)はユーザてきた。

がディスプレイで CG を鑑賞する際の表現力と今年度の研究では，取得したテクスチャ画像

操作性にかかる技術であるとともに，そのコンを元に，計算機プログラムがマッピング用テク

テンツの制作にかかる技術である。これらを開スチャ生成プログラム（プロシージャルテクス

発し，システム全体として研究完了後にフィーチャのコード）を自動合成することを目標にしルドテストできることを目標とした。

て取り組んだ。プロシージャルテクスチャとは計算機プログラムでテクスチャを発生する仕組

2.

みであり，プログラムを変更することでテクス研究開発内容前記の 4 つのツールについて列記する。

2.1

チャの模様や色などを自在に操ることが可能である。

テクスチャツール

テクスチャツールは，伝統的工芸品を CG で

確率的進化手法の最適化アルゴリズムをもと再現する際に必要な色彩・模様データ（テクスにプロシージャルテクスチャ進化アルゴリズム

チャマップ）を生成するためのサブシステムでを考案し試行錯誤を行った。現在までに筆者がある。

自身でプログラムしたプロシージャルテクスチ

開発目標は，実製品同様の模様を施したテス

ャに優る結果をだせずにいるが，今後改良を行

トピースを専用の撮像装置で実写し，それを計って目的を達成したいと考えている。図 1 には算機に取り込んで解析することで，自動的に分析合成のシステムフローダイヤグラムを示す。

CG で使用するテクスチャマップ（色彩マッ

リスト 1 にはプロシージャルテクスチャのコ

プ・光沢マップ・法線マップ）を生成できるシード例を示す。Perlin はパーリンノイズ生成 10)，

ステムを構築することである。なお，CG 合成

Math は算術演算，Mask はマスク演算，Cmapに必要な形状データ（3D データ）については，

はカラーマップ演算，Normal は法線算出演算を光学式の 3 次元スキャナや X 線 CT 装置などにそれぞれ表し，各ノードを示す演算同志を接続

よって製品そのものから取得するか，3 次元

して結果を得る。

CAD ソフトウェアや CG の 3 次元モデリングソ− 14 −

リスト 1 Procedural Texture p-code
Perlin(Xs0, Ys0, Va0, De0, St0, En0, Rnd0)
Perlin(Xs1, Ys1, Va1, De1, St1, En1, Rnd1)
Math(1,'Thr', Th)

図 2 Kinect v2 で取得した低解像度距離画像

Mask(0, 1, 2)
Math(3, 'Mul', Mp)
Cmap(3, Cmap1, 'gloss.png')

図3

Cmap(3, Cmap2, 'diffuse.png')

Osmo+で取得した高解像度カラー画像

Normal(4, 'normal.png')

2.2

バックグラウンドツール

バックグラウンドツールは，CG による製品
画像を実写空間にバーチャル配置するための全周画像取得を目的としたサブシステムである。
大衆に向けて配給上映される商業映画やコマー
シャルフィルムにおいても CG によるバーチャ
ル・エフェクツ（VFX）の利用は枚挙に暇がな

図4

Osmo+パノラマカメラの外観

く，外周など背景画像についてはイメージベー
ストライティング（IBL）やイメージベースト

図 2 と図 3 には，ToF（光の飛翔時間計測）

レンダリング（IBR）という技術を利用して実式レンジスキャナを内蔵する Microsoft Kinect

写画像と CG 画像が融合されている。大規模な

v2 で取得した低解像度距離画像（2,700×527 画

映像プロダクションでは数百万円～数千万円程素）と，自動回転機構を有する DJI Osmo+で取度 の パ ノ ラ マ カ メ ラ （ 例 え ば PanoScan® や得した高解像度カラー画像（18,432×2,200 画

SceneCam®など）を用いて周囲の背景画像を取素）の例を示す。外周の距離画像とカラー画像得しているが，これらは極めて高額な装置であを背景球体の内面にマッピングすることで背景るため，本研究では，より安価な装置で撮像での形状が反映される。図 4 には DJI Osmo+の外きることを目指した。また，近距離の外周画像観を示す。電動ジンバルとスタビライザーが装では遠距離の外周画像と異なり，視点や視野角備されている。

などを変更した際に製品画像が背景の中で浮上したり埋没して見えるという問題があるため，

2.3

背景の距離データ（形状データ）の同時取得を目指した。

ディスプレイツール

ディスプレイツールは，あらかじめ用意した製品の形状データおよびテクスチャデータと外

一方，背景のデータが複雑すぎると CG レン

周データを元に簡便にシーンを構築することがダリングに時間がかかりすぎレスポンスが悪くでき，ユーザが写実的 CG を容易な操作で見らなる。昨年度は，テーブルやキャビネットなど

れるようにするシステムである。一般的な PC商品を置く物体のみを 3D モデル化する方法を

やスマートフォン，ゲームコンソールなどの検討し，今年度は，画像データと距離データのWeb ブラウザなどに表示できるように開発を進

解像度を変える方法を検討した。

めた。初年度と 2 年目には表示機能・操作性などについて主に開発と評価をおこない，ゲーム− 15 −

エンジンでのスタンドアローン表示ツールおよび Web 表示ツールを試作した。3 年目の今年度
はシーン構築について機能を強化した編集・閲
覧ツールを試作した。図 5 はツールの編集モード画面である。編集モードでは，ビューの中心に製品オブジェクトを配置し，テクスチャのマテリアルや外部照明条件などを設定することができ，閲覧鑑賞モードでは，構築したシーンを
図5

呼び出して自由な視点で製品画像を鑑賞できる。

ディスプレイツール用

シーン構築ソフトウェア
2.4

プレゼンスツール

プレゼンスツールは，通常のディスプレイ表
示よりも写実性を高めたり没入感を高めたりす
るために，プロジェクションマッピングやヘッ
ドマウントディスプレイを活用する表示システ
ムである。
プレゼンスツールの初年度と 2 年目の研究では，ヘッドマウントディスプレイ（HMD）を用いてバーチャルリアリティ（VR）表示とオーグ
メンテッドリアリティ（AR）表示，つまり実画像にリアルタイムに CG を描画する方法を検討

図6

疑似 3D 表示例

した。3 年目の今年度は，疑似的 3D 表示ディスプレイでのコンテンツ制作と，ワイドプロジェ
クタシステムによる臨場感向上を検討した。
図 6 に DreamocHD3 という反射投影デバイス
への製品ムービー投影状態を示す。天面に仕込まれた LCD へ表示した 3 面図上の製品イメージ
図7

がピラミッド状のハーフミラーに投影されて鑑ワイドプロジェクションスクリーン賞される。回転ムービーを表示することであた
かも立体が浮上して回転しているように見える。

3.

課題と展望

図 7 にアスペクト比 32 対 10 のワイドスクリ

テクスチャツールとバックグラウンドツールーン（幅 3,667mm×高 1,146mm）を用いたワイの CG 素材生成技術については，自動化・高性

ドプロジェクションブースを示す。3 台の超短能化という点でまだ研究の余地があり今後の継焦点プロジェクタから製品画像を投影して，同続的な改善が必要である。

時に最大で 6 種類の製品を同時に鑑賞できるよ

ディスプレイツールとプレゼンスツールの，うなシーン構築ソフトウェア（編集・閲覧ツー

シーン構築（オーサリング）およびブラウジン

ル）を試作した。

グのための編集・鑑賞技術については，一応のどちらも当所の講堂脇展示ホールに常設展示完成をみたため，関連企業へフィールドテスト

することにして現在設置調整作業を行っている。

に供することで完成度の向上につなげたい。

今後様々な製品の展示に活用する予定である。

− 16 −

4.

結

言

参考文献

(1) 伝統的工芸品を始めとする質感が重要な製

01）阿部，中部，橋詰，“質感の測定技術・表品のバーチャルショウケースを構築するた

現技術の研究 ”，工業技術研究報告書，めの技術開発とデモコンテンツの制作を行

No.42，2013，pp．68-71．
02）阿部，中部，橋詰，“質感の測定技術・表

った。
(2)

3 カ年の事業で，以下の 4 つのパートにつ

現技術の研究 （第 2 報）”，工業技術研究

いて研究開発を行なった。

報告書，No.43，2014，pp.19-25．

(A) 写 実 的 コ ン ピ ュ ー タ グ ラ フ ィ ク ス03）阿部，大野，長谷川，中部，木嶋，“伝統（CG）に必要なテクスチャマッピン

的工芸品の世界販売戦略を支援するためのグのためのマップデータの分析・合成

バーチャルショウケースの研究開発”，工を行う「テクスチャツール」

業技術研究報告書，No.45，2016，pp.11-16．

(B) CG の写実性を高めるため背景画像モ04）阿部，大野，長谷川，中部，木嶋，“伝統デルを取得する「バックグラウンドツ

的工芸品の世界販売戦略を支援するためのール」

バーチャルショウケースの研究開発（第 2(C) ウェブ経由で高い操作性を備えて写報）”，工業技術研究報告書，No.46，2017，
pp.3-7．

実的表示できるようにする「ディスプ05）M. Phar and G. Humphreys, Physically Based

レイツール」(D) 汎用のパネルディスプレイ表示に代Rendering, Second Edition，Morgan Kaufmann，MA，2010．

えて，より臨場感や拡張現実感・没入
感が高く表示できる「プレゼンスツー

06）D. Wolff, OpenGL4.0 Shading Language Cook
book, Second Ed，Packt Pub.，2013.

ル」
(3)

(4)

3 年目は，過去の研究の成果と課題を07）阿部淑人，“鎚起銅器の CG 再現のためのもとにフィールドテストができるデモシス

マッピングテクスチャ生成”，映像メディテムの開発を行った。

ア処理シンポジウム 2015 予稿集，2015 年

次年度以降は，デモシステムのフィールド

11 月

1)2)3)4)

テストやデモ用コンテンツの制作を行いな

08）阿部淑人，“2 値画像の類型とその連続変がら，実用化・普及促進に向けた活動を活化”，映像メディア処理シンポジウム 2016

発化したい。

予稿集，2016，pp.106-107.
09）阿部淑人，“確率的進化手法によるプロシ

なお，本研究は，総務省から戦略的情報通信

ージャルテクスチャ自動合成について”，

研究開発推進事業（SCOPE）平成 27 年度地域

映像メディア処理シンポジウム 2017 予稿

ICT 振興型研究開発課題（課題番号 1654467）

集，2017，pp.36-37．

として委託を受けて実施した。

10 ）K. Perlin, "An Image Synthesizer" ， Proc.
SIGGRAPH，19，July 1985，pp.287–296.

− 17 −

研究論文

ネットワークアナライザを用いた高周波測定技術の育成
石澤

賢太*

牧野

斉*

須田

孝義*

A Study of Super High Frequency Measurement Technology Using a Network Analyzer
ISHIZAWA Kenta*，MAKINO Hitoshi* and SUDA Takayoshi*
抄

録

高周波技術分野においては回路動作周波数が高速化しており，これに対応するため下越技術支援センターでは，高性能ベクトルネットワークアナライザを平成29年2月に導入した。動作周波数の高速化に伴い，回路動作を評価するためには高い測定技術が求められる。本研究では，測定技術を高度化することを目的とする。そのために無線通信などで使用される高周波部品を例とした特性測定を試み，製品仕様と比較することで測定の妥当性を検証した。また，被測定物の接続状態が測定結果に及ぼす影響について調査した。

1.

緒

言

波数の高周波化に伴い，より高度な高周波測定

無線通信機器や電子機器等の製品開発におい技術が求められる。

ては，部品・構成材料・通信用デバイスなどの本研究では市販されている高周波部品の周波

周波数特性を知る必要がある。第 5 世代移動通数特性を測定し，既知の特性データと比較検証

信のサービス開始を目前に控え，使用周波数帯することで測定方法の妥当性を確認した。また，域が従来より高い領域へシフトしつつあり，今その結果を応用してアンテナの設計を試みた。

後もこうした動きは継続するものと考えられる。

更に，測定結果に影響を及ぼすと考えられる同このような背景から 67GHz までの測定に対応

軸コネクタの接続状態について調べた。

したベクトルネットワークアナライザ（Rohde& Schwarz 社製 ZVA67 1））を平成 29 年 2 月に2.

導入した。測定器の外観を図 1 に示す。測定周

ネットワークアナライザについて
ネットワークアナライザは伝送経路にある電子部品，電子回路網，材料等の周波数特性（透過，減衰 ，反射）を解析する測定器である。ネットワークアナライザは，スカラ型とベクトル型とに大別される。前者は，被測定物（Device
Under Test：DUT）への入射信号に対する反射
信号もしくは伝送信号の振幅を測定することでDUT の周波数特性を解析する。一方後者は，振幅に加えて位相の測定も可能で，今回導入したものもこれに該当する。ネットワークアナライ
ザは内部に信号源を持ち，DUT への入射信号を
図1

ベクトルネットワークアナライザ ZVA67

出力する。DUT へ入射した信号と DUT から反射された反射信号及び DUT を通過した伝送信*

下越技術支援センター

号を解析することで，信号経路に存在する DUT− 18 −

図2

図3

アンプゲイン

によって信号の振幅及び位相がどのように変化

3.1.1

Ｐ1ｄＢ

アンプゲイン

したかという情報を得る。ネットワークアナラ

HMC451LC3 に添付のデータシートと測定結

イザで DUT の周波数特性を測定する場合，S果を図 2 に示す。周波数 5GHz～20GHz におい（Scattering：散乱）パラメータが用いられる。

て，データシートでは 14～19dB のゲインであS パラメータは DUT を 2～8 端子数を有する等価回路網に見立て，周波数特性を複素量として散乱行列で表わすものであり，この情報を基にネットワークアナライザ内部で演算し，任意のる。 実測では，15.8～17.2dB のゲインであることが確認できた。このことから，測定方法は妥当であると判断した。

表示形式による周波数特性としてディスプレイ
に表示される。ネットワークアナライザはイン

3.1.2

1dB コンプレッションポイント （P1dB)

ピーダンスと減衰量の基本測定器であり，測定

P1dB はアンプの出力性能を示す指標の一つ系が持つ誤差要因をキャリブレーションによっである。ゲインの周波数特性の線形応答が 1dBて補正するため極めて高い測定確度を持ち，電低下する出力レベルを示すもので，dBm（電力）子計測器の中でも標準器として位置付けられて単位で表される。P1dB を超えると出力レベルいる。

が飽和すると言われる。図 3 にデータシート値と実測値の比較結果を示す。

3.

研究内容および結果
本研究では，データシートや仕様書で特性が既知である高周波部品を入手し，S パラメータやインピーダンスを測定した。測定データと既知のデータとを比較することで測定方法の妥当

8GHz まではデータシート値と合致しているが，更に周波数が高くなると，実測値の方が高くなり，最大 3.5dB（20GHz）の偏差があった。
データシートによれば，P1dB の範囲は 16～性を検証した。併せて DUT の配置，同軸コネ19.5dBm となっており，実測値はこの範囲にあクタの接続方法などを検証することで，測定技るので測定方法は妥当と判断した。

術およびベクトルネットワークアナライザの操作方法を習得した。高周波部品は，アンプ ，高3.2

周波スイッチ，アンテナを選定した。

高周波スイッチ

高周波スイッチは高周波回路を切り替える為に使用されるものである。例えば利用周波数に

3.1

アンプ

応じてアンテナの入出力を切替える用途として

周 波 数 帯 域 5GHz ～ 20GHz に 対 応 し た
ANALOG DEVICES 社製 HMC451LC3 2)を使用した。

用いられている。本研究では周波数帯域 9kHzから 13GHz に対応した SPDT（Single-Pole，
Double-T hro w，1 入力 2 出力）スイッチ− 19 −

3

図4

4

5

6

図6

反射損失

5

6

8

9

10

8

9

10

高周波スイッチの挿入損失測定

3

4

図7
0

5

図5

10

電圧定在波比ここでは，市販されている UWB 用チップア

挿入損失

ンテナと，試作した無線 LAN 用アンテナを使

挿入損失を測定した。図 4 に測定時の様子を示す。HMC1118 に添付のデータシートと測定結果を図 5 に示す。周波数 13GHz までにおいて，
データシートと実測値は概ね一致していた。

用した。
3.3.1

UWB 用チップアンテナ

3.1GHz ～ 10.3GHz に 対 応 し た JOHANSONTECHNOLOGY 社製 3100AT51A7200 4)を使用した。
アンテナ性能の指標として反射損失，電圧定アンテナ

一般にアンテナは，UWB（Ultra Wide Band，
周波数：3.1GHz～10.3GHz）のような広い周波数帯域に対応したワイドバンドアンテナと，無線 LAN（周波数：2.4GHz および 5.2GHz）のよ
うに幾つかの個々の周波数に対応したマルチバ
ンドアンテナとに大別される。

7

13

ANALOG DEVICES 社製 HMC1118 3)を使用し，

3.37

在波比，アンテナインピーダンスを測定した。
3100AT51A7200 の反射損失の測定結果を図 6に，電圧定在波比の測定結果を図 7 に，データ
シートの特性値と共に示す。図 8 にアンテナイ
ンピーダンスの測定結果を示す。UWB の周波数帯域において，反射損失と電圧定在波比の実測値はデータシートと概ね一致していた。

− 20 −

3.1 GHz

10.3 GHz

2.4 GHz

1

2

図 10
図8

5.2 GHz

3

4

5

6

無線 LAN 用アンテナの電圧定在波比

アンテナインピーダンス

2.4 GHz 用
5.2 GHz 用

4

グラウンド面

図 11

10

15

20

23

同軸コネクタ締付けトルクによる DUT
測定結果への影響

電圧定在波比は一般的に 2 以下が設計指標と
図9
3.3.2

して推奨されている。試作当初 10 以上だった

無線 LAN 用アンテナ

電圧定在波比を，ベクトルネットワークアナラ
イザを用いて調整と測定を繰り返すことにより，無線 LAN 用アンテナの試作

これまでに妥当性が確認された測定方法を応用し，無線 LAN 用途として広く用いられている 2.4GHz および 5.2GHz の 2 周波に対応したマルチバンドアンテナを試作した。図 9 に試作し設計指標以下になるように試みた。その結果，
試作アンテナの 2.4GHz と 5.2GHz における電圧
定在波比は 1.4 と 1.2 となった。
3.4

た無線 LAN 用アンテナを示す。

DUT の接続状態の検討

高周波測定において，ベクトルネットワーク

試作した無線 LAN 用アンテナの構造は分岐アナライザと DUT を接続する同軸コネクタは素子型 L 字アンテナとした。給電部から最遠部

適正トルクで締付けるように注意喚起されていまでが 2.4GHz 用，給電部から途中分岐した先る 5)。そこで，締付けトルクが異なる場合に，端までが 5.2GHz 用として動作するものである。

測定結果に対してどのような影響があるかを検

試作アンテナの電圧定在波比と，アンテナイン

討した。3.1 で述べたアンプの測定環境においピーダンスを測定した。電圧定在波比を図 10て， 適正トルクに対しておおよそ半分の締付に示す。

けとした場合の結果を図 11 に示す。適正トル− 21 −

クでない場合，複数のリップルが発生し測定再参考文献

現性が乏しくなることがわかった。

1）Rohde & Schwarz GmbH & Co.KG, “R&S ZVA
Vector Network Analyzers Getting Started ”,

4.

結2015, https://cdn.rohdeschwarz.com/p ws/

言

dl_downloads/dl_common_lirary/dl_manuals/（1）新規導入されたベクトルネットワークア
ナライザを用いて高周波部品の特性を測定し，既知の特性データと比較検証する

gb_1/z/zva_2/ZVA_GettingStarted_en_13.pdf
2）ANALOG DEVICES , “HMC451LC3 GaAs
PHEMT MMIC MEDIUM POWER AMPLIFIER”,

ことで測定方法の妥当性を確認した。
（2）妥当性が確認された測定方法を応用し，試作した無線 LAN 用アンテナの特性を測Data sheet, v06.0514, 20173）ANALOG DEVICES, “HMC1118 High Isolation, Silicon SPDT, Non-reflective Switch”, Data
Sheet, Rev.0, 2015

定した。
（3）DUT と同軸コネクタの接続状態に着目し，

4）JOHANSON TECHNOLOGY, “3100AT51A7200

締付けトルクの違いが及ぼす測定結果へ

Ultra Wide Band (UWB) Chip Antenna 3.1-10.3の影響を調査した。

GHz”, Data Sheet, 2008
5）アジレント･テクノロジー株式会社, “マイクロ 波 ミ リ波 同 軸コ ネ クタ ”, 5 9 8 8 -8 0 1 5 J A,
2012 年− 22 −

研究論文

熱可塑性エラストマーの力学的特性評価に関する研究
石井 治彦* 本田 崇* 永井 智裕*
Study of M mechanical properties of ethylene-vinylacetate copolymer
ISHII Haruhiko*，HONDA Takashi*and NAGAI Tomohiro*
抄録

熱可塑性エラストマーの基礎的な力学的特性評価を目的に，ダンベル試験片を用いて引張特性及び応力緩和特性を評価した。試験片の平行部に加わるひずみ，変形速度および試験体温度を変えて力学的特性への影響を評価したところ，特に試験体温度に大きく影響を受けることがわかった。

1. 緒

そこで本研究では，汎用的な装置による TPE の言

ソフトマテリアルの一種であるエラストマーは，

大ひずみ領域における力学的特性評価を目的に，

プラスチックとは異なる柔軟性や粘弾性特性を持

万能材料試験機を用いて調査した。試験片に加え

ち，自動車などの工業分野や医療分野など幅広くるひずみ，変形速度および試験体温度を変化させ用いられている 1～4)。エラストマーの中でも温度てその影響を確認したが，本論文では特に影響のの昇降で溶融，凝固を制御できる熱可塑性エラス

大きかった試験体温度を変化させた際の試験結果

トマー（TPE）は，一般的な熱可塑性プラスチッについて述べる。

クと同じ製造装置で成形できることが知られている 4)。そのため，TPE の成形は射出成形や押出し

2. 供試材料

成形を始め，エンボス加工などの二次加工も含め2.1 供試材料と試験片形状て多種多様である。しかしながら，その柔軟性ゆ本研究では，TPE の一種である EVA（エチレン

えに TPE の成形中および成形後の力学的特性は非－酢酸ビニル共重合体）のシートを供試材料とし常に複雑である。

て用いた。呼び寸法は 127×127×4mm である。

一般的に，エラストマーの力学的特性評価は，

このシートは押出成形で作られているため，透明DMA や円盤型レオメータなどの装置を用いた動な外観の表面に筋が見られ，端部の厚みが均一で的粘弾性測定で行われることが多い 5～7)。それらはない。よって，JIS K 6251 の 3 号ダンベル試験の装置では，高精度な TPE の物性測定が可能であ片の抜き型を使用して，厚みが比較的均一な部分

るが，実際の成形に比べて小さなひずみ領域でのから筋と平行な方向（MD 方向）で打ち抜いたも評価が主である。大きなひずみ領域の評価方法は，のを試験体とした（図 1）。

JIS K6251 ，K6263 に，引張特性や応力緩和に関8)9)する記載がある。ただし，TPE の軟化温度に近い条件では，つかみ具で試験体が変形するため均一な変形が得られず，成形過程を模擬できない。
* 下越技術支援センター

図 1 ダンベル試験片の外観（平行部長さ 20mm, 幅 5mm, ×は温度測定部）− 23 −

2.2 供試材料の軟化点

し解析に用いた。試験体を引っ張るためのジグ及試験温度を決めるにあたり，熱機械分析装置

び変位は実際の試験を想定してφ9mm の円柱と（TMA/SS6000，セイコーインスツルメンツ(株)）し，試験体の長手方向に 2.5mm（ε=0.25 相当）まを用いて，EVA シートの軟化点を測定する予備試で移動させた。物性値は，EVA の引張試験で得ら験を行った。TMA は，石英製の圧縮プローブで試れたデータを用いた。数値計算の結果を図 3 に示験体を挟み，一定の微小な荷重を負荷しながら環す。試験体の肩部とジグが接触する部分に局所的

境温度を上昇させることで，試験体の熱膨張を測な応力集中がみられるが，平行部は概ね均一な応定する装置であり，温度変化に伴うひずみの変化

力分布であると確認できた。

を評価できる。MD 方向から切り出した高さ 5mmの試験片を用いて本研究では，圧縮荷重 98mN，3.2 試験装置

昇温速度1℃/min の条件のもと，測定を実施した。

試験装置は，万能材料試験機（（株）島津製作所

温度－ひずみ線図を図 2 に示す。ひずみは 70℃のAG-250kN，以下：試験機）で，ロードセルは 100N

手前まで単調に増加した後，急激に減少している。

の容量を用いた。図 4 に試験の模式図を示す。試

これは，試験体の温度上昇に伴って試験体が軟化

験体温度の加熱には試験機附属の恒温槽を用い，して，試験体が圧縮プローブに押し込まれたこと

試験体の広幅の部分（図 1 の×印）に取り付けたを示している。グラフの傾きが減少し始める 60℃

熱電対の測定値を試験体温度とした。与える変位付近から，試験体の膨張と軟化が同時に起こってについては，公称ひずみε=0.25 となるようダンいると考えられるが，本研究では最大ひずみを示した温度を軟化点とした。3 回測定を行ったとこ
ろ，平均で 63.2℃という結果が得られた。
3. 試験方法
TPE の評価にあたり，JIS K 62638)に沿った引張試験を検討したところ，室温におけるつかみ具での滑りや軟化点付近での試験体の潰れといった課題があることがわかった。これらの課題を解決す

図 2 温度－ひずみ線図るため，試験体を把持しないチャック方法として，
本来はゴムを対象とした引張試験の規格である
JIS K 62519)に記載されているダンベル試験片の肩部に突起を引っ掛ける方法を採用した。文献から，一般的には 3 号試験片の平行部で均一な応力分布

図 3 数値計算による応力分布（ε=0.25）が得られる 10)が，本研究では自作ジグを使用する
ため，数値解析と偏光観察による平行部の応力分布確認を行い，試験の妥当性を確認した。
3.1 解析モデルと解析条件
応力解析には，有限要素法解析ソフトの ANSYSWorkbench（サイバネットシステム(株)）を用いた。
なお，ダンベル試験片形状の対称性により長手方
向，幅方向，厚み方向それぞれの 1/2 をモデル化− 24 −

図 4 試験の模式図

ベル試験片の平行部 20mm の基準長さに対して，

ε≧0.1 で試験体の平行部が均一に伸ばされてい5mm に設定した。設定した変位を与えた後に変位ると考えられる。

を 1000 秒以上停止させ，測定した荷重から公称応力を算出し，応力緩和を評価した。

4.2 引張過程，緩和過程の結果
引張の過程で得られた公称ひずみεと公称応力3.3 試験条件

σの関係を図 7 に示す。ε≧0.1 では，ひずみと応

φ9mm の突起を 5mm の間隔で薄板に取りつけた力は概ね直線的な関係である。得られた結果から，

ジグに試験体の肩部を引っ掛けた後，ジグを試験

式（1）を用いて 0.1≦ε≦0.2 の範囲でヤング率を機のつかみ具で把持することで，試験片に変位を

算出した。

加えた。
試験条件を表 1 に示す。変位速度は装置のクロ
スヘッド変位速度である。予め装置の動作精度を確認し，高精度な動作が繰り返し可能な

E=

.
.

.

.

・・・(1)

300mm/min を試験速度とした。また，試験体温度を安定させるため，試験体を恒温槽内に 30 分間静置させた後，試験を実施した。
4. 試験結果
4.1 偏光観察
偏光観察は，円偏光板を取り付けた LED パネル
ライトと位相差 90°の円偏光板を取り付けたハ
イスピードカメラを用いて実施した（図 5）。これ

図 5 偏光観察の模式図により，EVA シート内のひずみが光の明暗として確認できる。
円偏光板は 140nm 右回転偏光板（（株）
美舘イメージング）を，ハイスピードカメラはFastCam miniAX100（（株）フォトロン）をそれぞれ用いた。
室温（18.7℃）で試験体の平行部を偏光観察した一例を図 6 に示す。試験前には明暗が縞状に分布しているものの，ε≧0.1 で比較的均一な模様にきが引張方向に配向していることを示唆しており，

図 6 偏光観察の一例

表 1 試験条件
条件

単位

設定値

変位速度

mm/min

300

最大変位

mm

5

環境温度

℃

室温（18.7）,
50, 60, 70

図 7 試験結果（引張過程）− 25 −

得られた応力緩和の様子を図 8 に示す。この結果から，変位停止直後のわずかな時間で大きな応力緩和をした後，徐々に応力が低下することがわかる。一般的に，作成した応力緩和曲線から緩和
時間分布関数および緩和スペクトルを算出し評価する事例が見受けられる 11)が，得られたデータか
ら実成形中の現象に結び付けることは難しい。そこで本研究では，急激な応力低下を示す領域（領域 I）と緩やかな応力低下を示す領域（領域 II）のそれぞれの一次近似直線の交点を応力緩和に関す

図 8 試験結果（緩和過程）

る代表値として，
緩和時間τ及び緩和応力στを算出した。停止直後の装置変位のオーバーシュートの影響を避けるために，領域 I は 0.5～1 秒間の応力値を使用した。領域 II については応力の変化が小さくなるため，800～1000 秒までの応力値を使用した（図 9）。室温における緩和時間τは 6.41秒，緩和応力στは 1.38MPa であった。
4.3 試験体温度の影響
試験体温度を室温（18.7℃），50℃，60℃，70℃

図 9 緩和応力と緩和時間の算出と変化させた場合の，引張過程の結果を図 10，ヤ
ング率と試験体温度の関係を図 11 に示す。最大応力σ0 とヤング率は室温で最も高く，温度の上昇に伴いそれぞれ減少することがわかる。軟化点付近
で急激な変化を示すと予想していたが，温度に対して概ね線形的に減少しているように見える。
次に，試験体温度を変化させた時の緩和過程の結果を図 12 に示す。結果から，室温での応力緩和が大きかった。試験体温度の上昇により引張過程に発生する最大応力σ0 が低下したため，応力の緩図 10 試験体の温度変化（引張過程）

和は小さくなる結果となった。

10

それぞれの試験温度で得られた応力緩和曲線か
応力σ0，緩和応力στ，およびその比である応力低下割合στ/σ0 と試験体温度の関係を示す。試験
体温度が上昇するにつれて，σ0 およびστともに低下していることがわかる。また，στ/σ0 は 20℃から 50℃では変化がないのに対して，50℃から
60℃，70℃と大きく低下していることがわかる。
このことから，ヤング率よりもστ/σ0 のほうが，− 26 −

8
ヤング率 [MPa]ら緩和時間及び緩和応力を算出した。図 13 に最大

6
4
2
0

0

20

40
温度 [℃]

60

図 11 ヤング率と試験体温度の関係

80

軟化点付近の特性変化を表現できると考えられる。
次に，στ/σ0 および緩和時間τと温度の関係を
図 14 に示す。στ/σ0 は前述のとおり，50℃から60℃の間で大きな変化を示す一方で，緩和時間には変化が見られなかった。
本研究ではエラストマー材料の基礎的な特性評
価を検討し，試験体温度を変化したときの代表値の変化から力学的評価に関する知見を得た。今後は，本研究で得られた知見と他の測定装置との比較により，より詳細な評価が可能になると思われ

図 12 試験体の温度変化（緩和過程）

る。
5. 結

言

本研究では，熱可塑性エラストマーの基礎的な力学的特性評価を目的に，ダンベル試験片を用いた引張特性及び応力緩和特性の評価を行い，以下の結果が得られた。
（1）高温で柔らかい熱可塑性エラストマーに対して，均一な引張を与えられる試験方法を確立した。
（2）試験体温度を変化させることにより，熱可塑性エラストマーの引張特性及び緩和特性の

図 13 最大応力，緩和応力と応力緩和割合

変化を把握した。
参考文献
1）福森健三，“自動車用エラストマー部品”，日本ゴム協会誌，68（6），1995，pp357-367．
2）西脇剛史ほか，“シューズソール材料の力学的特性シミュレーション”，9（1），1999，pp1-7．
3）前田芳信ほか，“衝撃吸収性の高いマウスガードの開発”，日本補綴学会誌，41 ，1997 ，
pp489-494．
4）浅井治海ほか，“熱可塑性エラストマーの開発

図 14 応力緩和割合と緩和時間の関係

技術”，シーエムシー，1992．
5）日笠茂樹ほか，“PP/エラストマー/フィラー複合

pp108-113．

材料の力学特性に関するエラストマーおよび

7）青木雄二，“ABS 樹脂の溶融状態における動的フィラーの影響”，高分子論文集，67（11），2010，

粘弾性”，日本レオロジー学会誌，7，1979．

pp615-625．

8）日本工業規格，“JIS K 6263 加硫ゴム及び熱可6）片倉直至ほか，“マウスガードの化学構造と動的粘弾性”，日本補綴歯科学会雑誌，40，1996，− 27 −

塑性ゴム―応力緩和の求め方”，2015，日本規格協会．

9）日本工業規格，“JIS K 6251 加硫ゴム及び熱可10）和田法明，“豆知識㊴”，日本ゴム協会誌，82

塑性ゴム－引張特性の求め方”，2017，日本規
格協会．

（1）
，2009，pp42-43．
11）村上謙吉，“レオロジー基礎論”，産業図書，
1991，pp97-111．

− 28 −

研究論文

X 線回折による残留オーステナイト定量値のばらつきに関する研究
斎藤雄治*

Study on the Deviation of the Retained Austenite Content Using X-Ray Diffraction
SAITO Yuji*

抄

録

X 線回折を利用した鋼の残留オーステナイトの定量は，マルテンサイト相とオーステナイト相の回
折線プロファイルの積分強度から求める。ここで，X 線で得られる測定値は X 線強度固有の統計変動によってばらつくので，残留オーステナイトの定量値もばらつく。本研究では，残留オーステナイ
トの定量値のばらつきの大きさを一回の測定から解析的に求める方法を提案し，この方法を用いて一回の測定から求めた定量値の標準偏差と，多数回繰り返し測定した定量値の標準偏差がほぼ一致することを実験により示した。さらに，導入した装置にこの方法を組み込み，刃物鋼の残留オーステナイ
トの定量を行った。

1.

緒の定量は，マルテンサイト相とオーステナイト

言

鋼の焼入れで残留するオーステナイトは，低相の回折線プロファイルの積分強度を使って求温焼戻しで使用する部品や製品において，耐摩めるため，X 線強度固有の統計変動によってば

耗性や疲労強度を低下させたり，寸法の経年変らつくと考えられる。しかしながら，このばら化の要因となる一方，適量の残留オーステナイ

つきについて検討した事例は見受けられない。

トは靭性を高めることも知られている。このた

ここで，積分強度の統計変動によるばらつき

め，部品や製品に求められる特性に応じた残留の大きさは，栗田が提案した理論 1）により一回

オーステナイト量のコントロールが重要になっの測定から解析的に求めることができる。本研ている。

究では，マルテンサイト相とオーステナイト相

残留オーステナイトの定量は，顕微鏡組織をの積分強度のばらつきの大きさから，残留オー観察する方法や X 線回折を利用した方法が知ら

ステナイトの定量値のばらつきの大きさを求めれている。顕微鏡組織による定量は現場的である方法を提案した。これにより，残留オーステ

るが，客観的評価は難しい。一方，X 線回折にナイトの定量値のばらつきの大きさを一回の測よる定量は専用の装置が必要となるが，測定条定で求めることができる。本研究では，上記の件が決まれば作業者に関係なく同じ結果が得ら

方法で得られる定量値のばらつきの大きさと，れる利点がある。

同一条件で多数回測定したときの定量値のばら

ところで，X 線による測定値は X 線強度固有の統計変動によりばらつきを生じることが分かつきの大きさを比較し，ほぼ一致する結果を得た。

っている。X 線回折による残留オーステナイト

なお，残留オーステナイトの定量においては，
マルテンサイト相とオーステナイト相の回折線*

県央技術支援センター

プロファイルの測定時間を変える場合があるた− 29 −

め，本研究ではその場合についても定量値のばらつきの大きさを求める方法を示した。
2.

積分強度の信頼限界

2.1

積分強度とその標準偏差の求め方

図 1 に示すように，回折角 x に対する回折 X
線強度 y0，y1，・・・，yn，yn+1 をステップ角 cの間隔で測定した場合を考える。いま，バックグラウンド強度 yb を回折線の両端の点（x0, y0）と（xn+1, yn+1）を結んだ直線で表すと

ybi Ei y 0  Fi y n 1 ·········································· (1)

図1

X 線強度 y と回折角 x の関係

ここに

Ei 

xn1  xi················································· (2)xn1  x0

Fi 

xi  x0·················································(3)xn1  x0となる。ここに，添字 i は 0～n+1 の値をとることを表す。
いま，図 2 に示すように，X 線強度 y をバッ
クグランドと LPA 因子で補正した値を z で表すと，z は次式となる。
z i li  y i  Ei y 0  Fi y n 1  ·······························(4)図2

バックグラウンド補正された X 線強度 zと回折角 x の関係

ここに，li は LPA 因子の逆数である。
回折線プロファイルの積分強度 I は，i=0～
n+1 の点（xi, zi）より計算した積分値として次2n 1  I  yi ············································· (9)2I i  0  y  i

式のように表される。
I   z ( x)dx ····················································(5)式(9)に式(4)と(6)を代入して I yi を求める。

式(5)の積分値は近似的に次式から計算される。
n

今後は簡単のため，i=1～n までの和を取ること

i 1

を単に∑と表す。はじめに，i=0 についてはI  c zi ························································(6)I cli Ei ················································ (10)y0

ここで，y の統計変動によって生じる積分強度 Iのばらつきの大きさを表す分散  2I は，誤差伝播の法則により次式で求められる 2)。
n 1I cli ····················································· (11)y i2 I  2  yi ···········································(7) i  0  y 
 i
2
I

となり，i=1～n についてはとなる。また，i=n+1 については

I cli Fi ·············································· (12)yn 1

ここで，次式が成り立つ 3)。

2y y ···························································(8)となる。式(10)～(12)を式(9)に代入すると式(8)を式(7)に代入すると次式となる。

− 30 −


2I c 2 li Ei  y0  li2 yi  li Fi  yn1 ········(13)

3.2

を得る。

（100 メッシュ以下）を同体積で混合したもの

2

2

実験方法

純鉄粉末（325 メッシュ）と SUS304 粉末

式(6)と(13)において，X 線強度すなわちプリを試料とした。ここで，純鉄粉末はフェライト

セットタイムを k 倍にすると，c，Ei，Fi は変わ相で，SUS304 粉末は若干磁性を持つため γ 相らないが yi や zi は k 倍になるため，I は k 倍になと少量の α 相からなると考えられる。ここで，り，I の標準偏差  I は k 倍になる。なお，LP

フェライト相と α 相はきわめて近い結晶構造を

A 因子補正を行わない場合は li  1 と置けばよい。

もつため，実験で用いた X 線応力測定装置で測定すると一つの回折線プロファイルとして測定

3.

残留オーステナイトの定量値の信頼限界されるため，本報告書ではフェライト相も α 相

3.1

残留オーステナイトの定量値とその標準と呼ぶことにする。以上のことから，この試料偏差の求め方
いま，残留オーステナイトの定量値を V，マルテンサイト相（以降，α 相）およびオーステ

については α 相に比べて γ 相が若干少ないと考えられるため，オーステナイトの定量値は 50%弱となると予想される。

ナイト相（以降，γ 相）の積分強度をそれぞれ
Iα および Iγ とし，回折角，回折面および物質の種類に依存する定数を R とすると，V は次式から求まる 4)。
I·················································(14)V
RI   I 
ここで，誤差伝播の法則 2)を使うと，V のばら120s）について，α 相と γ 相の回折線プロファ
イルを表 1 の条件で 50 回繰り返し測定した。
得られた回折線プロファイルについて積分強度を式(6)から求め，その標準偏差を式(13)から求めた。積分強度の計算には，回折線プロファイ
ルのデータのうち α 相は 150～165deg，γ 相はつきの大きさを表す分散 V2 は2

測定は 3 種類のプリセットタイム（7，30，

127～132deg の回折角の範囲を用いた。X 線強2 V  2  V  2   I  V2  I  I ··························(15) I  と表せる。ここに， 2I と  2I は α 相と γ 相の積度はバックグラウンドで補正した。さらに，得られた積分強度とその標準偏差を用いて，オーステナイトの定量値とその標準偏差を式(14)と分強度の分散を表す。式(15)において V I  ，

表1

オーステナイトの定量の測定条件

V I  を計算すると
RI 
V
 
I 
RI  I  2 ········································(16)

測定装置

RI 
V
···········································(17)2I  RI   I  

測定する相

α相

管球

Cr

Kβ フィルタV

管電圧, kV

30

管電流, mA

10

コリメータ, mm

2×2

回折面

(211)

ψ 角, deg

02θ 角, deg

142-170

ステップ角, deg

0.05

プリセットタイム, s

7, 30, 120となる。式(15)に式(16)と(17)を代入してR
I 2  2  I 2  2  ·····················(18)V2 
RI   I  4  I  I2を得る。式(18)において，α 相と γ 相の X 線強度すなわちプリセットタイムをそれぞれ k 倍にすると，R は変わらないが，Iα と Iγ は k 倍になり，σIα と σIγ は k 倍になるため，σV は 1になることが分かる。

k 倍（株）リガク製 X 線
応 力 測 定 装 置 PSPCMSF-3M− 31 −

γ相(220)
114-142

式(18)から求めた。計算に用いた R は 0.3 とした結果を示す。これらの図には，50 回の定量値

た。一回ごとの測定から求まるオーステナイトの平均値と 95%信頼区間を示した。また，一回の定量値の標準偏差と，50 回の測定から求まるごとの測定から式(18)を使って計算した定量値

オーステナイトの定量値の標準偏差を比較した。

とその 95%信頼区間をエラーバーで示した。これらの図より，エラーバーの中に 50 回測定し3.3

実験結果および考察た平均値がほぼ含まれていることが分かる。ま図 3 と図 4 に，測定した回折線プロファイル

た，50 回の定量値の 95%信頼区間の幅とエラーの一例を示す。図 3 は α 相で，図 4 は γ 相であバーの幅がほぼ同じであることが分かる。

る。図 3 は回折角 156deg 付近に，図 4 は回折角

表 2 に，各プリセットタイムに対して

129deg 付近に強度のピークがあることが分かる。

①50 回のオーステナイトの定量値の平均値とそ

図 5～図 7 に，プリセットタイムを 7，30 お
よび 120s で 50 回ずつオーステナイトを定量し図5
図3測定した回折線プロファイルの一例

オーステナイト定量値の統計変動（プリセットタイム 7s）

（α 相）

図4

図6

測定した回折線プロファイルの一例

オーステナイト定量値の統計変動（プリセットタイム 30s）

（γ 相）− 32 −

の 95%信頼限界

一般に鋼の残留オーステナイト量はマルテン②25 回目のオーステナイトの定量値とその 95%

サイト量に比べて少ないため，α 相と γ 相の回

信頼限界

折線プロファイルの測定においてプリセットタを示した。なお，②については 50 回の測定結イムを変える場合がある。残留オーステナイト

果の代表として 25 回目の測定結果を示した。

を求める式(14)は α 相と γ 相の回折線プロファ

表より，①と②いずれもプリセットタイムの平イルを同一のプリセットタイムで測定する場合

方根にほぼ比例して信頼区間の幅が小さくなっを想定している。このため，α 相と γ 相でプリていることが分かる。また，同一のプリセット

セットタイムを変えた場合，見かけ上，同じプ

タイムにおいて，②は①に近い値を取っている

リセットタイムのデータになるよう，α 相と γことが分かる。これらの結果より，式(18)を使相のいずれか一方の X 線強度の補正が必要となって一回の測定からオーステナイト体積率のばる。ここでは，X 線強度の補正を行った場合のらつきを評価することは有効と考えられる。

積分強度とその標準偏差の求め方を説明する。
さて，バックグラウンド補正，LPA 補正およ4.

刃物鋼の残留オーステナイトの定量

4.1

α 相と γ 相の回折線プロファイルの測定でプリセットタイムを変えた場合の強度補正

び N 倍に強度補正したときの X 線強度 z は，式(4)に計数 N を付けて
z i Nl i  y i  Ei y 0  Fi y n 1  ··························· (19)と表せる。式(19)を式(9)に代入すると，補正された積分強度が求まる。
また，式(9)に式(19)と式(6)を代入して計算すると，補正された積分強度の分散が次式のように求まる。

 2I c 2 N 2 li Ei  y0  li2 yi  li Fi  y n1 (20)22

式(20)において，N を k 倍にすると I の標準偏差  2I も k 倍になることが分かる。
4.2

実験

用いた材料は炭素工具鋼 SK85（大きさ：
図720×20×2mm）で，これを焼入れ（850℃に 15 分

オーステナイト定量値の統計変動

保持後に水冷），焼戻し（180℃に 2 時間保持

（プリセットタイム 120s）

後に空冷）後，1000 番の耐水紙ヤスリで20×20mm の表面の酸化スケールを除去して試験

表2

オーステナイトの定量値とその 95%信頼

片とした。

区間
プリセ

①50 回のオース②25 回目のオー

ットタ

テナイト定量値

ステナイト定量

イム, sの平均値とその値 と その 95%信

95%信頼限界, %頼限界, %

測定は，表 3 の条件で α 相と γ 相の回折線をそれぞれ 10 回繰り返し測定した。プリセット
タイム（測定時間）は，表 1 の最下行に示した
α 相と γ 相の時間を組み合わせた。

745.5±2.947.2±3.1

得られた回折線プロファイルを強度補正およ30

45.6±1.2

46.2±1.5

びバックグラウンド補正して積分強度を計算し

12045.3±0.9

45.0±0.9た。強度補正については，係数 N を− 33 −

N 相のプリセットタイム·························(21)相のプリセットタイム

4.3

実験結果および考察

図 8 に，残留オーステナイトの測定後に測定から求め，γ 相の X 線強度を式(19)で補正した。

面を鏡面研磨および硝酸アルコール溶液（配積分強度の計算には，回折線プロファイルのデ

合：HNO3 3ml，エチルアルコール 97ml）で腐ータのうち，α 相は 142～170deg，γ 相は 126～

食した試験片の金属組織を示す。基地は焼戻し

132deg の回折角の範囲を用いた。さらに，積分

マルテンサイト組織となっているが，一部に白強度の値を使って残留オーステナイトの定量値

色の残留オーステナイト組織が認められる。
図 9 と図 10 に，試験片の α 相と γ 相の回折線とその標準偏差を式(14)と式(20)から求めた。計

プロファイルの測定結果の一例を示す。図 9 は算に用いた R は 0.3 とした。
一回ごとの測定から求まる残留オーステナイ

回折角 156deg 付近に，図 10 は回折角 129deg 付

トの定量値の標準偏差と，10 回の残留オーステ

近に，それぞれ強度のピークがあることが分か

ナイトの定量値の標準偏差を比較した。

る。また，γ 相は α 相に比べてピーク強度が小さいため，積分強度がかなり低いことが分かる。

表3

表 4 に，α 相と γ 相の種々のプリセットタイ

残留オーステナイトの定量の測定条件（株）リガク製 X 線応ムの組み合わせに対する測定装置

力測定装置 PSPC-MSF-①残留オーステナイトの定量値の 10 回の平均

3M

値とその 95%信頼限界

測定する相

α相

管球

Cr

Kβ フィルタV

管電圧, kV

30

管電流, mA

10

コリメータ, mm

2×2

回折面

(211)

ψ 角, deg

02θ 角, deg

142-170

ステップ角, deg

0.05

プリセットタイム, s

30, 60γ相②5 回目の測定の残留オーステナイトの定量値の 95%信頼限界を示した。なお，②については 10 回の測定結果の代表として 5 回目の測定結果を示した。表より，①と②の信頼区間の幅がほぼ同じになっ(220)
114-142ていることが分かる。また，この試験片は残留
オーステナイトの定量値が小さいため，γ 相のプリセットタイムを大きくすることが定量値のばらつきを小さくするのに有効であることが確

30, 120, 240

図9
図8

測定した回折線プロファイルの一例（α相）

試験片の金属組織− 34 −

一致した。
（3）上記（1）について，α 相と γ 相の回折線
プロファイルの測定でプリセットタイム
を変える場合の強度補正の方法を示した。
参考文献
1）栗田政則ほか，重心法による X 線応力測定に関する統計学的解析，材料，31 巻, 345 号，
1982，pp.609-615．
2）栗田政則，定時計数法による X 線応力測定における応力定数および弾性定数の統計学
図 10

相）

号，1989，pp.590-597．
3）三浦功・菅浩一・俣野恒夫，放射線計測学，
1970，pp.325-328，裳華房．

残留オーステナイトの定量値とその 95%

表4

的解析，日本機械学会論文集，55 巻，511

測定した回折線プロファイルの一例（γ4）円山弘，残留オーステナイトの X 線測定方

信頼区間
プリセット

① 10 回 の 残②5 回目の残法，熱処理，第 17 巻，4 号，1977，pp.198-

タイム, s留オーステナ留オーステナ204．

イト定量値のイト定量値と5）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin9.

平均値とそのその 95%信頼

95% 信 頼 限限界, %html，X 線回折における積分強度のばらつ

α相

γ相

きについて「新潟県工業技術総合研究所ホ

界, %
30

30

6.6±1.77.1±1.630120

6.7±0.8

7.1±0.860240

6.6±0.6

6.1±0.6

ームページ」，2018 年 1 月 10 日．
6）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin1
0.html，X 線回折における強度補正と統計変動について「新潟県工業技術総合研究所ホ認できる。
なお，本報告書の実験結果については当研究ームページ」，2018 年 1 月 10 日．
7）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin1
2.html，X 線回折における残留オーステナイ

所 の ホ ー ム ペ ー ジ に 掲 載 し て いる 5 ） ～ 8 ） 。

ト体積率のばらつきについて「新潟県工業5.

結技術総合研究所ホームページ」，2018 年 1

言（1）X 線固有の統計変動による残留オーステ
ナイト定量値の標準偏差を一回の測定で

月 10 日．
8）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin1求める方法を示した。
（2）上記（1）の方法を市販の X 線応力測定

5.html，X 線回折における残留オーステナイ
トの統計変動（マルテンサイト相と残留オーステナイト相の測定時間が異なる場合）に適用して粉末や鉄鋼材料のオーステナ「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，

イトの定量を行った結果，一回の測定か

2018 年 1 月 10 日．

ら求めた定量値の標準偏差は，多数回繰
り返し測定した定量値の標準偏差とほぼ− 35 −

Ⅱ

ノート− 37 −

ノート

SUH660 の形質制御熱間鍛造技術の開発
本田

崇*

櫻井

貴文**

阿部

和昭***

岡田
神田

英樹**

三村

和弘**

恭***

藤岡

智裕***

相田

収平**

Study of the Hot Forging Prosess of SUH660 for Near-net-shape and Net Property
HONDA Takashi*，SAKURAI Takafumi**，OKADA Hideki**，MIMURA Kazuhiro**，AIDA Shuhei**，
ABE Kazuaki***，KANDA Takashi*** and FUJIOKA Tomohiro***

1.

緒

言

2.

高温材料特性の把握

鉄道車両のモーター用保持環（以下保持環）

成形条件の検討およびシミュレーションの実には，高強度かつ非磁性であることが求められ施にあたり，SUH660 の高温材料特性を把握すており，素材には析出硬化型ステンレス鋼

るため，引張試験と圧縮試験を実施した。試験

SUH660 が使用されている。保持環は熱間リンの結果，SUH660 の高温材料特性は温度とひず

グローリングによる成形の後，機械的特性の強み速度に大きく依存することを確認した。結果化を目的とした熱処理後，旋削されて製品となの一例として，0.2%耐力を図 2 に示す。

る（図 1）。ここで，熱処理工程では，①熱変形が生じる，②必要な強度を付与するための時

3.

成形試験

効処理時間が長いといった課題がある。保持環

3.1

試験条件

は薄いリング形状であり，①のゆがみは後工程本研究で対象とする成形品の形状を図 3 に示の旋削工程への影響が大きく，加工時間の増加，す。予熱温度と圧延速度を変更した成形試験をひいては不良の発生が避けられない。

行い，熱処理の後に得られた成形サンプルにつそこで，これらの課題を解決するため，加工いて，成形形状と機械的特性を評価した。

熱を利用して，ニアネットシェイプ化と高強度

本研究では，従来の成形条件に対して予熱温化を同時に実現する形質制御技術の開発を行っ

度を-50～+65℃，圧延速度を 56～120%の範囲た。加工熱の利用にあたり，シミュレーションにて検討を行った。ここで，圧延速度は主ローを活用して，重要な要素となる成形中の素材内

ル一回転あたりのマンドレル軸の圧下速度であ部の温度を把握するとともに，素材の予熱温度，る。

圧延速度といった最適な加工条件を検討した。

図1

保持環製造工程*

下越技術支援センター**

研究開発センター***

タンレイ工業株式会社

図2− 39 −

引張試験から得られた 0.2%耐力

図3
3.2

研究対象の保持環形状(a)従来工法

試験結果

3.2.1

成形形状の評価

形状の評価については，熱処理後の成形サン
プルの長径と短径の差で評価した。図 4 に評価結果を示す。
従来の工法に比べて，成形したサンプルは形状精度が大きく向上したことを確認できた。また，試験結果を解析した結果，形状精度は温度と圧延速度の影響を受けており，特に圧延速度に大きく依存していることがわかった。
(b)成形したサンプル
3.2.2

図5

機械的特性の評価

金属組織の比較

熱処理後の成形サンプルから引張試験片とシャルピー衝撃試験片を採取して，機械的性質の得られた試験結果の評価を表 1 に示す。いずれ

評価を行った。満たすべき製品の仕様に対して，の評価でも，従来工法で作られた製品に比べて，成形したサンプルは機械的性質が向上していることを確認できた。
同一温度で予熱して成形したサンプルについて，金属組織の比較を図 5 に示す。成形サンプ
ルの金属組織は，従来工法で得られる組織より結晶粒径が細かいことが確認できた。このような細かな組織が機械的性質向上に寄与していると考えられる。
4.

図4

リングローリングシミュレーション
実成形を模擬した圧延シミュレーションを実成形形状の評価

施して，成形中における温度やひずみなどの素
表1

引張試験およびシャルピー衝撃試験結果

材の状態の把握を行った。図 6 に計算モデルを0.2%耐力(MPa)

衝撃値(J/cm2)

従来工法+12 ～ 99+74

計算結果と実成形中の比較として，素材表面

サンプル+70 ～ 176

+80 ～ 111

で最高温度となる箇所の温度変化を図 7 に示す。

示す。形状の対称性より，1/2 モデルとした。

− 40 −

ここで，図 7 のグラフは成形中の最も低い温度を基準とした。
実成形では，成形中に温度が低下後，加工発熱によって温度上昇が起こり，最後に冷却と加熱が釣り合っている様子が観察される。また，計算結果はこのような温度変化の傾向をよく再現していることが確認できる。したがって，本計算を用いて，成形中の素材の内部の状態につ
図6

計算モデル

いても良好に評価できると考えられる。
5.

結

言

（1）SUH660 を対象とした熱間リングローリ
ングにおいて，加工熱を利用した加工方法を開発した。
（2）開発した工法は，従来の工法に比べて形
状精度，機械的性質ともに向上できることを確認した。
（3）成形シミュレーションの活用により，成形終了時の温度・ひずみなどの素材の状
図7

実成形と計算結果の素材表面温度の比較− 41 −

態を把握できるようになった。

ノート

半導体パッケージ基板配線狭ピッチ化等に関する研究開発
敏浩*

山田

小松

孝司*

宮口
裕司

****

丸山

水野

英樹*

雅之

****

天城
横山

和哉*
智之

近

****

正道**

下石坂

望

佐藤
****

健***

平田

相田
勝則

収平***

****

A Study on Narrow Pitch Wiring on a Semiconductor Package Substrateand Related Technologies
YAMADA Toshihiro* ，MIYAGUCHI Takashi*，MARUYAMA Hideki*，AMAKI Kazuya* ，CHIKA Masamichi** ，SATO Takeshi***，AIDA Shuhei*** ，KOMATSU Hiroshi****，MIZUNO Masayuki****，YOKOYAMA Tomoyuki****，SHIMOISHIZAKA Nozomi****，and HIRATA Katsunori****

1.

緒

言

半導体のチップを作製する前工程では配線ルールが微細化し，チップサイズの小型化が進んでいる。一方，チップを実装する半導体パッケージ基板（以下，基板と呼ぶ）では，バンプピ
ッチの微細化に限界があるため，チップサイズと同じ割合で基板面積を小型化することが難し
くなってきている。
図 1 は，半導体の配線ルールが 24nmから 12nm

図1

配線ルール・パンプピッチと基板面積になった場合の基板面積を比較したものである。
バンプピッチが 40μm でこれが基板面積縮小をスでは，律速する場合，チップの実装面積が削減されて① マスターモールド作製

も基板面積は縮小しない。チップの実装面積の② レプリカモールド作製

削減率と同程度に基板面積を縮小するためには③ 導電ペースト充填

バンプピッチを少なくとも 20μm 以下に狭ピッ④ 導電ペースト転写

チ化する必要がある。

の工程で導電ペーストを用いた狭ピッチ配線を

本研究では，グレイスケールリソグラフィー形成する。

とインプリント技術を利用した狭ピッチ化技術

本稿では，プロセスの最初の工程であるグレの開発を目指した。パンプピッチの目標は，10μm

イスケールリソグラフィーによるマスターモーである。

ルドの作製について報告する。

プロセスのフローを図 2 に示す。このプロセ*

研究開発センター
レーザー・ナノテク研究室

2.

マスターモールドの作製

2.1

マスターモールドの作製方法**

上越技術支援センター

マスターモールドは，グレイスケールマスク***

研究開発センター****にネガ型フォトレジストSU-8 3000（MICROCHEM

コネクテックジャパン株式会社

社製）を塗布し，露光することで形成した。

− 42 −

図5

マスターモールド（L/S
図2

プロセスフロー

図6
図35μm/5μm）

グレイスケールマスクの原理

マスターモールド（L/S

5μm/15μm）

図 4 にグレイスケールマスクを用いた SU-8の露光の様子を示す。CrO の部分の SU-8 の高さは，紫外線透過率で調整した。
2.2

マスターモールドの形状測定

マスターモールドの形状測定はオリンパス（株）製 3D 測定レーザー顕微鏡 OLS4100-SAT
を用いてを行った。
測定結果を図 5，図 6 に示す。測定試料の配線の高さは 5μm，パンプの高さは 13μm であった。 5μm の配線について，目的とするバンプピ
図4

グレイスケールマスクを用いた

ッチ 10μm を得ることができた。

SU-8 の露光
図 3 に今回用いたグレイスケールマスクの原

3.

結

言

理図を示す。グレイスケールマスクはガラス基（1）Cr と CrO でパターニングしたグレイスケ

板に Cr と CrO をパターニングして作製した。

ールマスクを用いたマスターモールド作製

Cr の部分は紫外線を遮り，CrO の部分は低い透技術を確立した。

過率で紫外線を透過させる。

（2）配線の L/S が 5μm/5μm，バンプピッチが10μm のマスターモールドを作製した。

− 43 −

ノート

加熱加圧接着による電磁鋼板モータコアの積層接着技術の開発
中川

昌幸*

森田

渉*

英樹**

岡田

相田

収平**

Development of Laminating Process with Heating and Pressing for Motor-Core of Piled Electromagnetic Steel
SheetsNAKAGAWA Masayuki*，MORITA Wataru*，OKADA Hideki** and AIDA Shuhei**

1.

緒

鋼板のリング形状試験片の鉄損を測定した。

言

現在主流となっている電磁鋼板モータコアは，
一般的には金型内で積層する，ダボカシメ積層

2.

供試材および実験方法と呼ばれる手法で生産されている。これはプレ2.1

評価用コア材料

ス加工でカシメ用のダボを成形し，ダボカシメ

モータコアには軟磁性材料である電磁鋼板がしながら抜き落として積層し，指定枚数になっ良 く 用 い ら れ る 。 本 研 究 で は ， 20HTH1200

たところで金型内から排出する手法である。し

t0.2mm （新日鐵住金（株））を用いた。

かし，ダボカシメ積層では，電磁鋼板の塑性変形による損失 1)や層間短絡による鉄損の低下が

2.2

接着剤

避けられない。また，効率化のために電磁鋼板本研究では，接着剤を塗布した電磁鋼板を積の薄肉化が進むほどカシメによる損失が大きく層させたのち，加熱，加圧して接着する方法をなるため，接着による積層が適していると考え検討した。接着剤として一液エポキシ加熱硬化られる。

型接着剤を用いた。

プレスで打ち抜いた後に抜き落として積層接接着剤の硬化反応を確認するため，熱重量示

着する場合，1 枚ごとに接着剤を塗布する必要

差 熱 分 析 （ TG-DTA ） を 行 っ た 。 室 温 か らがあるが，接着面積の小さい小型モータコアの250℃まで 10℃/min で昇温し，そのときの重量場合には余剰接着剤の処理や離型の問題がある。

変化率（TG）と参照試料との温度差（DTA）

一方，材料に接着剤を塗布，乾燥させて皮膜を測定した。その結果を図 1 に示す。およそとし，その後プレスで打ち抜き，型内積層させ，170℃付近まで重量がわずかに減少しており，加熱圧着させる方法では，モータのサイズやコ

これは接着剤に含まれていた溶媒などが蒸発しア形状に依らず，それらの問題を解決することたものと考えられる。DTA チャートから，おができると考えられる。本研究では，このよう

よそ 130℃から発熱が始まり，178℃でピーク

な積層接着工程に適用可能な接着剤および加熱となった。このことから，130℃以上に加熱す

圧着条件について検討した。また，接着によるることで接着剤の硬化反応が開始するものと思

鉄損の変化を確認するため，積層接着した電磁われる。
図 2 に接着剤を室温から 150℃まで 10℃/min* 下越技術支援センター**

研究開発センター

で昇温し，その後 60min 保持したときの DTAの変化を示す。130℃を越えたところで DTA が上昇し始め，150℃に達した 2min 後にピーク− 44 −

図3

図1

(mm)

引張試験片形状接着剤の TG-DTA 分析結果

(mm)

図4

リング形状試験片形状

積層(接着)
試験片
ジグ

接着剤の DTA の等温測定結果

15

40

図2

を示し，そこからおよそ 25min 経過したあた
φ24
φ40
φ50

りからほぼ変化がなくなった。このことから150℃で加熱した場合，25min 以上保持することで接着剤の硬化はある程度完了するものと考

図5

えられる。
モータコアにおいて，鉄心の占積率を高くする必要があり，接着層はできるだけ薄くしなけ(mm)

積層ジグと試験片せた。その後重ね合わせた部分に 3.65N を負荷した状態で，150℃で 1h 加熱した。

ればならない。しかし，接着剤は原液のままだと粘度が高いため，薄く塗布することが困難で

2.4

リング形状の積層接着方法ある。したがって，薄い接着層を形成させるた供試材を図 4 に示す試験片形状にプレスで打めには，溶媒で希釈し，接着剤の粘度を下げ，ち抜き，ディッピングにより MEK で希釈した

塗布後，溶媒を蒸発させることが有効である。

接着剤を塗布した後 100℃で 30min 乾燥させ，

本研究では，メチルエチルケトン（以後 MEK

塗布ありとなしの試験片を順番に 1 枚ずつ 11と記載）を用いて，接着剤を希釈した。

枚重ねた。1 枚目と最後の 1 枚を塗布なしのものにすることで，片面塗布の試験片を重ねたと

2.3

きと同じように，向かい合った材料間の片面に接着継ぎ手の引張試験方法

図 3 に試験片の概略図を示す。厚さ 0.1mm

接着剤層が形成される。

の短冊形状の SUS304 板を 20×20mm 角で重ね合わせ，接着した。一方の端部に接着面積が

2.5

積層接着

20×20mm となるようにマスキングを施し，接前述のリング形状試験片に 50 倍希釈の接着

着剤を滴下し，100℃に 30min 保持して乾燥さ剤を塗布，乾燥後，重ねた状態で図 5 のような

− 45 −

器を製作し，電力計で無負荷状態の有効電力をヒーター測定した。電力計で測定される有効電力(瞬時電力の時間平均値）を鉄損とした。

重ねた試験片

熱電対

3.

実験結果

3.1

接着継ぎ手の引張試験

MEK で 20 倍，50 倍に希釈された接着剤を

ヒーター

図6

用いて図 3 に示した試験片を製作し，引張試験

積層接着試験の様子を行った。結果を図 9 に示す。50 倍希釈ではジグに設置した。その上下を TG-DTA で測定

20 倍希釈と比べて破断荷重が 20％程度低下しした硬化温度 150℃よりも高い 200℃に設定した。希釈が大きくなると，接着剤量が少なくなたヒータープレートで加熱し，万能材料試験機るためと考えられる。しかし，50 倍の希釈でにより，10MPa で加圧した。加圧時間は重ねも t0.1mm の SUS304（引張強さ 1300MPa）のた試験片外周に温度計を当て，150℃に達して母材強度の 78％程度の継手強度を示した。破から 20min とした。積層接着試験の様子を図 6断した接着面の様子を図 10(a)(b)に示す。(a)はに示す。

20 倍希釈，(b)は 50 倍希釈の場合の破断面である。剥離した接着面の両側には広く接着剤が残2.6

留しており，破断経路は母材-接着剤界面の剥鉄損測定

積層接着したリング形状試験片を鉄心とした

離ではなく，接着層破断であると考えられる。

コイルを製作し，電力計法を用いて鉄損を測定した。トランスに組み立てた積層接着試験片を
図 7 に，測定回路を図 8 に示す。鉄心に一次および二次コイルを同数巻いてトロイダル型変圧

図9
図7

引張試験結果トランスに組み立てた積層接着試験片(a)
図8

鉄損の測定回路

20 倍希釈図 10− 46 −(b)

50 倍希釈

引張破断部

3.2

鉄損測定

4.

結

言

積層接着リング試験片と比較のために接着せ（1）一液エポキシ加熱硬化型接着剤を MEKずに重ねただけの試験片を用いて、それぞれをで 20 倍および 50 倍に希釈して，重ね接鉄心としたコイルを製作し、鉄損を比較した。

着継ぎ手を製作し，引張試験を行った。

どちらの鉄心も占積率はおよそ 98％となった。

希釈倍率に関わらず，界面剥離ではなく

図 11 に磁束密度 1T，周波数 10kHz までの鉄損

接着層破断となった。50 倍希釈では 20

測定結果を示す。接着による鉄損の増加は倍希釈よりも破断荷重が 20％程度低下し10kHz で 2％程度であった。

た が ， t0.1mm の SUS304 （ 引 張 強 さ
1300MPa）の母材強度の 78％程度の継手強度を示した。
（2）MEK で 50 倍希釈した接着剤を塗布，乾燥させ，接着剤層を形成した電磁鋼板を重ねて 200℃に加熱したプレートで加熱圧着し，積層接着したコアを製作した。
占 積 率 は 従 来 の カ シ メ 積層 と 同 程 度 の98％となった。
（3）電力計法を用いて積層接着したコアの鉄損を測定した。接着しない重ね電磁鋼板
コアの鉄損と比較し 2％程度の増加にと

図 11

鉄損測定結果どまり，接着による影響は小さいと考え
られる。
参考文献
1）川邊ほか，“無方向電磁鋼板の切断加工による磁気特性劣化の推定”，日本磁気学会
誌，38(1)，2012，p.5− 47 −

ノート

アモルファス積層鉄心の鉄損測定
本多

章作*

中川

昌幸*

森田

渉*

遠藤

桂一郎**

Measurement of Iron Loss in Amorphous Laminated Core.
HONDA Syosaku*，NAKAGAWA Masayuki*，MORITA Wataru* and ENDO Keiichiro**

1.

緒

言

近年のレアアース高騰を受けて，永久磁石を使用しないスイッチトリラクタンスモータ（SRM）が注目されている。SRM はステータおよびロータの磁気回路が鉄心のみで構成される
単純な構造のモータである。そのため，堅牢で高速回転が可能，高温耐久性が高い，安価といった特徴を持つが，効率と出力密度では永久磁

図1

鉄損測定回路石同期モータに劣ることが課題となっている。
SRM で高効率高出力駆動を実現するには，高出時電力の時間平均値）は単位時間に鉄心で消費力が得られる高トルク時または高回転数時に増される磁気エネルギーすなわち鉄損に等しい。
鉄心が低鉄損の場合，測定される電力の力率

加する鉄損の削減が重要な要素となる。
アモルファス箔は，モータ鉄心に使用されるは非常に小さくなるため，低力率において有効

一般的な無方向性電磁鋼板と比べて鉄損が一桁電力の測定誤差が十分に小さい電力計を使用した。

ほど低い低鉄損材料である。SRM の鉄心用とし鉄損は，周波数に比例するヒステリシス損とて有望な材料であるが，加工歪みによりヒステ

周波数の二乗に比例する渦電流損の和であるた

リシス損が増加しやすい性質があるため，加工め，鉄損の周波数特性から両損失を分離できる。

方法の検討が重要な課題となる。

しかし，高い周波数では磁束の表皮効果により

本研究では，プレス打抜きで切断したアモル磁束分布が不均一となり渦電流損が二乗則よりファス箔で積層鉄心を構成した場合について，小さくなるため，ヒステリシス損の周波数特性

加工に伴う鉄損の変化を調べた。

は低周波数（50～400Hz）の鉄損より算出し，渦電流損は鉄損からヒステリシス損の計算値を2.

研究内容および結果

2.1

測定方法

引いた値とした。

鉄損は電力計法を用いて測定した。測定回路

2.2

アモルファス積層鉄心の製作

を図 1 に示す。リング形状の測定用鉄心に一次鉄損測定に用いるアモルファス積層鉄心の加および二次コイルを同数巻いてトロイダル型変工条件を表 1 に示す。実際の SRM の鉄心形状圧器を製作し，電力計で無負荷状態の有効電力

は凸極構造を持つ複雑な形状となるが，製作すを測定した。電力計で測定される有効電力（瞬る鉄心は鉄損を正確に測定するため，磁路の磁*下越技術支援センター

束密度が均一となるリング形状とした。プレス**

研究開発センター− 48 −

表1

アモルファス積層鉄心の加工条件

鉄基アモルファス金属箔
MetglasⓇ 2605SA1（厚さ0.025mm）
切断方法
プレス打抜き加工
切断形状
リング形状（外径40mm，内径24mm）
200枚
積層数
層間絶縁
無し
熱処理
無し
89%
占積率
200回（周波数50Hz～400Hz）
コイル巻数
25回（周波数1kHz）
材料

打抜きで切断したリング形状のアモルファス箔

図2

アモルファス箔と積層鉄心の鉄損比較

を層間絶縁せずにそのまま積層して鉄心に組み立てた。この鉄心に一次および二次コイルを均一に巻いてトロイダル型の変圧器とした。変圧器の一次側インピーダンスが電源の内部抵抗より十分に大きくないと磁束波形が歪んで正確な鉄損の周波数特性が測れないため，測定周波数
範囲により巻数を変えて変圧器の励磁インダク
タンスを調整した。
2.3

測定結果と考察

図 3 珪素鋼板とアモルファス積層鉄心の鉄損

磁束密度 1T において測定したアモルファス積
層鉄心の鉄損と単板の状態で測定されたアモル
1)鉄損の優位性を保っている。アモルファス箔は

ファス箔の鉄損（メーカーによる測定値） と加工性では珪素鋼板に劣るものの，SRM の高効の比較を図 2 に示す。アモルファス箔のヒステ率化に期待できる結果となった。

リシス損および渦電流損は鉄心と同様の方法で計算した値である。積層鉄心の鉄損は材料のア

3.

モルファス箔に比べて増加し，例えば 1kHz にお（1）プレス打抜き加工で製作したアモルファス

いてヒステリシス損は 26%，渦電流損は 10%増

積層鉄心について鉄損を測定し，加工後も加した。ヒステリシス損と渦電流損の増加要因

低鉄損が保たれていることを明らかにした。

結言はそれぞれ剪断部の残留応力などの加工歪み，（2）今後，この測定方法を用いて様々な条件

層間の絶縁不足などが考えられるが，これらので試作した鉄心の鉄損を測定し，製造条

改良は今後の課題である。また，渦電流損は周件の最適化を図りたい。

波数の上昇とともに急増し，1kHz にいたる前にヒステリシス損を超えている。鉄心内磁束の周

参考文献

波数が 1kHz を超える高速駆動の SRM では，更1）中島晋，“高効率モータに使われる最近のに増加する渦電流損の抑制が重要となる。

軟磁性材料の技術動向”，日本磁気学会第213 回研究会報告，2017．

アモルファス箔と同じく，鉄系で安価かつ鉄損が低い鉄心材料として板厚の薄い無方向性珪素鋼板がある。これら珪素鋼板の鉄損

2) 3)

2）新日鐵住金株式会社カタログ，無方向性電とアモルファス積層鉄心の鉄損との比較（図 3）にお磁鋼帯，D005je_05_201509f．
3）JFE スチール株式会社カタログ，スーパーコ

いて，アモルファス箔は鉄心に加工した後も低− 49 −

アⓇ，Cat.No.F2J-001-01．

ノート

断続切削を伴う難削材の加工方法の開発
須藤貴裕* 遠藤内堀博**

桂一郎* 相田

木村

政幸**

収平*

渡邊

石川

竜也**

淳* 田村

髙野

信*

祐生**

Development of the Machining Method for the Difficult-to-cut Material with Interrupted Cutting
SUTOH Takahiro*，ENDO Keiichiro*，AIDA Shuhei*，ISHIKAWA Atsushi*，TAMURA Makoto*，
UCHIBORI Hiroshi**，KIMURA Masayuki**，WATANABE Tatsuya** and TAKANO Yusei**

1.

緒

言

航空機エンジン部品の多くは，超耐熱合金製
精密鋳造品で構成されるが，近年，高性能かつ燃費向上などを目的として薄肉化，複雑化が進んでいる。そのため，これらの精密鋳造品は，品質確保のために，余肉を付与して鋳造した後，余肉を除去して完成させる場合が多いが，その余肉除去のためのコストやリードタイムの面で改善が望まれている。そこで本研究では，余肉除去のコスト低減を目的として，切削加工条件の最適化および工具寿命の評価を実施した。
図1
2.

対象部品のイメージ

対象部品形状図 1 に本研究の対象となる航空機エンジン部

3.

切削加工条件の検討品のイメージを示す。対象部品の形状は，翼と切削加工条件において，切削速度は加工能率なる部分とそれを保持する内外のリングから構や工具寿命に影響する最も重要なパラメータで成されており，外側リングの上下にはフランジある。そこで，インコネル 713C の切削加工にが設けられている。また，翼は中空となっておおける適切な切削速度を検討するため，表 1 にり，リング側面には中空翼からつながる穴があ示す切削加工条件で工具摩耗の比較試験を実施いている。余肉除去が必要となる部分は，図中した。使用した工具は直径 100mm，刃数 8 枚のに示したとおり，内外リング側面であり，対象

サイドカッターである。切削速度 Vc は超耐熱部位の加工は，切削加工において難易度の高い合金の切削加工で一般的な Vc＝30m/min2)を基

断続形状切削となる。さらに，対象部品は難削

準として，高速側となる Vc＝40m/min，Vc＝材としてよく知られているニッケル基超耐熱合50m/min の 3 水準とした。そのほかの切削加工

金インコネル 713C である。

条件は表に示したとおりである。試験はブロッ

1)

ク材の側面を切削加工し，一定量除去後の工具***研究開発センターの最大逃げ面摩耗幅 VBmax を比較した。
図 2 に切削速度 Vc と一定量除去後の最大逃

株式会社東京ロストワックス工業− 50 −

切削加工条件

切削速度
Vc(m/min)
軸方向切り込み深さ
ap(mm)
径方向切り込み深さ
ae(mm)
1刃あたりの送り量
fz(mm/t)
切削方向

最大逃げ面摩耗幅 V Bmax (mm)

切削油

図2

0.75

30

800

40

50

主軸動力 P (W)

表1

12
1
0.25

600
400
切削速度Vc=40m/min
200
0

ダウンカット0

水溶性切削油図3

除去体積Q=32cm3(Vc50m/minのみ Q=23cm 3)

5 10 15 20 25 30 35 40 45
除去体積Q(cm 3)
除去体積と主軸動力の関係

41cm3 となるまで試験を継続したところ， VBmax

0.5＝0.67mm となった。ここで，図 3 に本試験において測定した除去体積 Q と工作機械の主軸動力
P の関係を示す。図より，除去体積 Q＝35cm3 を

0.25

超えた付近から主軸動力 P が急激に増加していることから，工具寿命は除去体積 Q＝35cm3 程

030度であると推測できる。なお，このときの主軸

4050
切削速度 Vc(m/min)

動力 P は約 600W であった。
つぎに，1 刃あたりの送り量 fz について検討

切削速度と最大逃げ面摩耗幅の関係した。1 刃あたりの送り量 fz は，切削速度 Vc と同様に，切削加工において工具寿命に大きな影げ面摩耗幅 VBmax の関係を示す。Vc＝30m/min

響を与えるパラメータのひとつである。1 刃あと Vc＝40m/min は除去体積 Q＝32cm3，Vc＝た り の 送 り 量 fz を 0.15mm/t，0.25mm/t，50m/min については，Q＝23cm となったときの0.35mm/t の 3 水準とし，切削速度 Vc は 40m/min

最大逃げ面摩耗幅 VBmax を示す。Vc＝50m/min

として工具摩耗の比較試験を実施した。試験結では，ほかに比べて除去体積 Q が小さいにもか果の評価は除去体積 Q＝32cm3 となったときのかわらず VBmax＝0.58mm と大きい。また，Vc＝工具の最大逃げ面摩耗幅 VBmax を比較した。

3

30m/min および Vc＝40m/min では，Q＝32cm3 と図 4 に 1 刃あたりの送り量 fz と最大逃げ面摩なったときの最大逃げ面摩耗幅 VBmax がそれぞ耗幅 VBmax の関係を示す。図に示したとおり，1

れ 0.31mm，0.28mm でほぼ同等である。本試験

刃あたりの送り量 fz が 0.15mm/t と 0.25mm/t にでは，1 刃あたりの送り量 fz を一定としたこと

ついては，最大逃げ面摩耗幅 VBmax がいずれもから，加工能率は切削速度 Vc に比例する。こ0.28mm である。1 刃あたりの送り量 fz を小さくのことから，工具摩耗が同等であれば，Vc＝すると，被削材の切り取り厚さが薄くなり，工40m/min のほうが優位であり，切削速度 Vc は具刃先に加わる負荷は小さくなるが，同じ体積

40m/min が最適であると判断した。

の被削材を除去する場合，切れ刃逃げ面が被削

さらに，Vc＝40m/min の切削加工条件につい材を擦過する距離は長くなる。このことから，て，工具寿命を見極めるため，除去体積 Q＝fz＝0.15mm/t とした条件では，fz＝0.25mm/t と− 51 −

最大逃げ面摩耗幅 VBmax(mm)1変化などの影響により，工具寿命が短くなる傾向がある。そこで，図 1 に示した対象部品の断除去体積Q=32cm3

続状態を模擬し，前述の切削加工試験において0.75使用したブロック材の中間に切り欠きを設けて，工具の寿命試験を実施した。 切削加工条件は，

0.5

これまでの切削加工試験で最適であると判断し0.25

た切削速度 Vc＝40m/min，1 刃あたりの送り量
fz＝0.25mm/t で実施した。試験の結果，除去体

0

積 Q＝24cm3 となったときに主軸動力 P が 600W

0.15
0.25
0.35
1刃あたりの送り量 fz(mm/t)
図4を超えたため，工具寿命に至ったと判断した。
切り欠きのないブロック材を用いた場合の工具

1 刃あたりの送り量と寿命は除去体積 Q＝35cm3 程度であったことか

最大逃げ面摩耗幅の関係

ら，断続切削の影響により，工具寿命が 3 割程

比較して，刃先に加わる負荷が小さくなるにも度低下した。

かかわらず同等の最大逃げ面摩耗幅 VBmax となったと考えられる。加工能率の点では， fz＝4.

0.25mm/t は fz＝0.15mm/t に対して約 1.7 倍であ（1）サイドカッターを用いたインコネル 713C

ることから，同等の工具摩耗であれば， fz＝の 切 削 加 工 に お い て ， 切 削 速 度 Vc は0.25mm/t の ほ う が 優 位 で あ る 。 一 方 ， fz ＝40m/min ， 1 刃 あ た り の 送 り 量 fz は

0.35mm/t とした条件では，VBmax＝0.88mm であ

0.25mm/t が最適であった。

結言った。これは，1 刃あたりの送り量 fz を大きく

（2）被削材の切り欠きにより断続切削となるしたことで，切り取り厚さが厚くなり，刃先に場合には，切り欠きがない場合と比較し加わる負荷が増え，早期に逃げ面摩耗が進行して 3 割程度工具寿命が低下した。

たためと考えられる。これらの結果から，1 刃あたりの送り量 fz は 0.25mm/t が最適であると判

参考文献

断した。

1）源川将保，“難削材とその加工”，機械と最後に断続切削の影響について検討した。前

工具，2011 年 8 月号，2011，pp.79-81．

述したとおり，対象となる部品の加工面には穴2）例えば，狩野勝吉，“超耐熱合金と高耐食があり，切削加工において難易度の高い断続切

Ni 基合金-2”，機械と工具，Vol.45，No.5，

削となる。断続切削は，切り取り厚さの急激な

2001，pp.97-103．

− 52 −

ノート

テーラードブランクの対向液圧による
プレス深絞り成形法の開発
須貝

裕之*

田村

信*

片山

聡**

本間

龍一****

田辺

寛***

親松

吉田

正樹***

相田

収平*

豊****

Development of Deep Drawing for Tailored Blank with Hydraulic Counter Pressure
SUGAI Hiroyuki*，TAMURA Makoto*，KATAYAMA Satoshi**，TANABE Hiroshi***，YOSHIDA Masaki***，AIDA Shuhei*，HONMA Ryuichi**** and OYAMATSU Yutaka****1.

緒

対して，レーザ出力や溶接速度などの条件を変言

自動車の開発では，安全確保のための強度向

えて溶接を行い，試験片を製作した。この試験

上と省エネルギーのための軽量化という相反す片に対して，引張試験，断面マクロ観察及び断る要素が求められている。これを実現するため，

面硬さ試験を行い，成形に適した溶接条件を調厚板の高張力鋼板と薄板の鋼板を溶接でつなぎべた。最後に対向液圧を付与した円筒深絞り成

1)（以下，TB と形試験を行い，成形性の確認や成形シミュレー

呼ぶ）によりボディの一部をプレス成形する取ションにおける摩擦係数を決定した（図 1）。

合わせたテーラードブランク

り組みが自動車で進んでいる。しかし，板厚の異なる異種材料のプレス成形は難易度が高く，

2.2

様々な部位への適用は容易ではない。

TB の対向液圧成形シミュレーション

対向液圧のプレス成形シミュレーションにはそこで本研究では，成形中のプレス素材に液

汎用動的陽解法有限要素法ソフトウエア LS-

圧を付与してパンチに張り付かせ，その摩擦保

DYNA を使用した。最初に，対向液圧を付与

持効果により成形性を向上させる対向液圧成形

した円筒深絞り成形をシミュレーション上で再を TB に適用する成形法を開発した。開発はコ

現し，成形試験の結果を再現できる解析モデル

ンピューターによる成形シミュレーションをもを構築した。次に，図 2 に示す実製品を想定しとに進めると共に，本成形法の実用化に必要なた金型形状を作成し，シミュレーション上で液周辺技術として，TB 製作のためのレーザ溶接

圧やしわ抑え荷重などの成形条件を検討した。

および成形品のレーザ切断技術を確立した。

図 3 に最適条件で成形した場合の成形品の板厚減少率を示す。材料が破断することなく成形で

2.

研究概要と成果

2.1

きる条件を見いだすことができた。

TB 製作のためのレーザ溶接技術の確立

TB のプレス成形では溶接部とその近傍におSPCCける破断の問題がある。本研究では板厚 2mmの高張力鋼板 SAPH440 と 1mm の鋼板 SPCC に* 研究開発センター** 中越技術支援センター***

県央技術支援センター****

フジイコーポレーション株式会社

2 mm

図1

− 53 −

SAPH440

断面マクロ観察及び成形試験

SAPH440

SPCC
SAPH440

図2

図4

実製品を想定した金型形状

成形品

小 ← 板厚減少率 → 大

図32.3

成形シミュレーション

図5

TB による対向液圧成形

3.

成形シミュレーションの結果にもとづき実際

結

レーザによる切断

言（1）レーザ溶接条件を変えて試験片を作製し，に金型を製作して成形試験を行った。その結果

各種の評価を行った結果，プレス成形に

図 4 に示す成形品を得ることができた。成形品

適した TB の溶接技術を確立した。

側面に若干のしわは残るが，これについては成（2）対向液圧プレス成形のシミュレーション

形シミュレーションの段階から存在していたもモデルを構築し，実製品を想定した金型のであり，金型の形状修正で改善できると考え形状に対する最適成形条件を決定した。

られる。

（3）成形シミュレーションの結果にもとづき成形試験を行った結果，対向液圧による

2.4

TB の成形を実現することができた。

TB 成形品のレーザ切断技術の確立

成形品を切断するためのレーザ切断条件につ（4）成形品を切断するためのレーザ切断条件

いて検討した。TB による成形品は部材毎に板について検討し，実用上問題なく切断す

厚や材質が異なっている。そこでレーザ出力及ることができた。

び切断速度などの条件を変化させて予備実験を行い，どちらの材料に対しても安定して切断可

参考文献

能となる条件を決定した。図 5 に切断中の状況

1）（社）日本金属プレス工業協会編，“プレを示す。また，ひずみゲージや 3D スキャナー

ス絞り加工”，日刊工業新聞社，2002，

により切断前後の成形品の歪みを測定し，実用

p.133

上問題ないことも確認した。

− 54 −

ノート

複合めっき皮膜の断面観察手法の検討
三浦

一真*

林

成実**

中川

昌幸***

Examination of Cross-sectional Observation Technique on Composite Plating Film
MIURA Kazuma*，HAYASHI Narumi ** and NAKAGAWA Masayuki ***

1.

緒

言

我々は，めっき皮膜中に不溶性の微粒子を共析（めっきで金属が析出する過程において浴中に存在する微粒子が同時に析出すること）させる複合めっき（図1の模式図参照）のうち，粒径が10nm以下のナノダイヤモンド微粒子（以後，NDと記載）のめっき皮膜中への複合分散化に関する研究を行っている1)，2)。
めっき皮膜中に取り込まれたNDの複合分散化の状態をを正確かつ迅速に解析し，実用デー
図1

タに迅速にフィードバックできる手法として，

複合分散めっき皮膜の模式図

電界放出形走査型電子顕微鏡（ Field Emission
Scanning Electron Microscope：以後，FE-SEMとイオンビームを使った試料断面作製手法を用い記載）による断面観察手法を試みた。本報ではた。特殊なサンプルホルダーにサンプルをセッ

観 察 用 サ ン プ ル 作 製 手 法 と FE-SEM に よ る 観

トして精密小型試料研磨装置（ IS-POLISHER，

察・分析結果を紹介する。

(株)池上精機製）にて鏡面研磨を行い，端面の平面出しを行った。その後，前述のサンプルホ

2.

サンプル作製および観察方法

ル ダ を ク ロ ス セ ク シ ョ ン ポ リ ッ シ ャ － （ CP:

2.1

サンプル

Cross Section Polisher，IB-19520 CCP（日本電子共同研究機関である日本メッキ工業（株）に(株)製）によるアルゴンイオンビームエッチンて作製した。当該企業オリジナルの Fe めっき

グを行い，観察に必要な断面を作製した。作製

浴に 5g/L の ND を投入し，Al 製のテストピー

した断面観察用サンプルを低倍率で撮影した電スの表面に複合めっきを行った。めっき厚さは約 20 m とした。めっき皮膜のビッカース硬さ

観察範囲はおおよそ 400HV である。
2.2

観察用断面サンプル作製方法

FE-SEMによる観察を可能にするため，従来からの樹脂包埋の鏡面研磨に替わり，アルゴン*

素材応用技術支援センター**

中越技術支援センター***

下越技術支援センター

100μm
図2

− 55 −

断面観察用サンプル図 3 ND 複合化前後の Fe めっき皮膜断面写真（反射電子像）
い細かな黒点が観察領域の全域に存在していることがわかった。
この黒点の任意点（図3(b)の点(A)）とFeめっき素地の任意点（図3(b)の点(B)）において，
EDS点分析を行った。炭素Cの検出ピーク（エネルギー準位が0.3keV付近）を見ると，黒点部分である点(A)はめっき素地部分の点(B)に比べ，この部分のピークカウントレベルが高くなっている。このことから，この黒点はナノダイヤモ
図4

EDS 分析結果（図 3(b)中の（A）,(B)）

ンド（ND）であると考えられる。
図5は複合Feめっき皮膜を高倍率で観察した

子顕微鏡像を図2に示す。作製した断面サンプ

反射電子像を示し，図5(a)は50,000倍，図5(b)はルの上側端面の中央付近で表面に近い点線枠で100,000倍で観察したものである。

囲まれた部分について，FE-SEM（JSM-7100F，めっき皮膜が50,000倍では黒点であるND粒子

日本電子(株)製）を用いて観察とEDS（Energy

が鮮明に観察された。100,000倍の観察で得られDispersive X-ray Spectroscopy）分析を行った。

た像は，50,000倍で得た像に比べるとわずかに解像度は下がるが，皮膜内のND粒子の分布の3.

様子を把握することができた。

観察結果
FE-SEMで観察・EDS分析した結果をそれぞこの範囲で観察されているNDは単体ではなれ図3と図4に示す。加速電圧は5kVとし，反射

く，複数の粒子が集まった凝集体である。観察

電子における組成像を20,000倍にて観察した。

された凝集体のうち，最も小さいもので約20nm

図3（b）の写真中には，図3（a）で観察されな弱あった。大きさから判断して，この部分は3

写真１

写真２

（ａ） 50,000倍観察
図5

100nm

（ｂ） 100,000倍観察

50nm

ND 複合 Fe めっき皮膜断面写真（反射電子像）− 56 −

～4個のNDが凝集していると思われる。100,000

事業研究成 果最適 展開支 援プログラ ム（ A－

倍の像ではこれよりも小さな黒点も観察されてSTEP）シーズ顕在化タイプにおいて，日本メッいるが，像はやや不鮮明で有り，単独のND粒キ工業（株），（株）小西鍍金，長岡技術科学

子であるか否かは不明であった。単独で存在す大学と行った｢ナノ粒子複合分散技術を用いたる（単分散）粒子や単分散に近い凝集体を観察

自己潤滑性摺動部品の開発｣の研究成果の一部するには，さらに倍率を上げて観察する必要がであり，（国研）科学技術振興機構（JST）のある。引き続き，観察用試料の作製手法とFE-委託を受けて実施したものであることを付記す

SEMの観察・分析条件の探索を行っていく。

る。

4.

参考文献

結

言

（1）アルゴンイオンビームにより断面観察用

1） 松原浩，“ナノ粒子の複合化による機能性試料を作製し，FE-SEM を用いることでめっき膜の創成”，精密工学会誌，Vol.78，

ND めっき断面を 100,000 倍で観察できた。

No.12，2012，p1049-1053．

（2）ND の皮膜中への分散の状況を詳細に把握

2） 松原浩，三浦一真，工藤孝一，小西 統雄，するためには，さらに倍率を上げて観察“ナノ粒子複合めっきの夜明け～ナノダイする必要があり，適正な観察手法の確立

ヤモンド複合めっきの研究開発”，に向け，探索を行っていく。

Electrochemistry ， Vol.80,No.12 ， 2012 ，なお，本研究は，平成 29 年度研究成果展開− 57 −

p1006-1011．

ノート

複合樹脂の特性評価と樹脂のナノ複合化による高機能性複合樹脂の開発
岡田英樹* 櫻井石井

貴文* 笠原治彦** 森田勝次* 五十嵐

渉** 磯部

錦平***

晃* 佐藤

永井

健*

直人***

Evaluation of Properties of Nanocomposites Fabricated by High Shear Processing
OKADA Hideki*，SAKURAI Takafumi*，KASAHARA Katsuji*，IKARASHI Akira*，SATO Takeshi*
ISHII Haruhiko**，MORITA Wataru**，ISOBE Kohei*** and NAGAI Naoto***

1.

緒

言

プラスチック材料同士だけではなく，プラスチ

自動車の軽量ボディ，水力・風力発電機の堅ック材料に金属やガラス，セラミックスといっ

牢ギア，高い光透過性を持つ封止材など，高機た無機材料なども分散・混合することができる

能プラスチック部品が，将来の省エネルギーを可能性がある。ただし，この装置の原理を開発実現するキーデバイスになると期待されている。

した清水氏は，非平衡状態下で非相溶系ポリマ

しかし，分子構造設計による新しいプラスチッーアロイの相溶化がなぜ起こるのかということ

ク材料の開発は停滞しており，ここしばらくはと，この方法で作製された微細構造はなぜ緩和

ほとんど誕生していない。そこで，既存のプラしないのか，については理論的にわかっていな

スチック材料をブレンドして新しい機能や目的

いため，その解明が必要であるとしている 2)。

の機能を付与したプラスチック材料の開発が進そこで，（公財）にいがた産業創造機構の市場

むようになってきた。しかしながら，プラスチ

開拓技術構築事業の一環として，高せん断成形

ック材料同士は簡単には混ざり合わず，ブレン

加工装置による混合や分散のメカニズムを解明ドするためには相溶化剤を添加する，混合時にし，特性向上を目指した「新材料」の開発を目反応させるといった工夫が必要であった。

指した。開発した新材料の用途として，当面はそのような中，2009 年に（株）ニイガタマシ

材料の量が少なくても高い付加価値を付与でき，ンテクノが（国研）産業技術総合研究所と共同

最終製品としての特性評価が可能な歯科材料ので開発した高せん断成形加工装置を発表し，相開発を行った。また，高せん断加工によるナノ溶化剤を使用することなく，非相溶系ポリマー

分散のメカニズム解明のため，高せん断加工が1)

アロイの相溶化が可能になった 。この装置は，材料特性に及ぼす影響について検討した。

特殊な形状のスクリューによって強いせん断を

ここでは本事業で得られた知見の一部である

プラスチック材料に与えることで，ナノレベル

ポリカーボネート（以下 PC）と微粒子シリカ（以まで分散，混合することが特徴である。さらに，

下 SiO2）のブレンドについて報告する。

*

研究開発センター**

下越技術支援センター***

県央技術支援センター

2.

結

果

2.1

実験方法

PC に SiO2 を重量比で 10%ブレンドした。な− 58 −

お，PC はブレンド前に真空乾燥機で 80℃，4h

PC と SiO2 のブレンド材では，着色はほとんど

以上乾燥させ，SiO2 は 900℃で 3h 以上強熱した

確認することができなかった。
図 2 に HM の測定結果を示す。未添加の PC

ものを使用した。
高せん断加工は高せん断成形加工装置に比べて，SiO2 を添加したものは HM が高くな

NHSS8-28（（株）ニイガタマシンテクノ製）をった。また，わずかではあるものの回転数が高使用した。加工条件として，高せん断スクリュ

くなるとともに HM は上昇した。

ーの回転数を 500～2500rpm，高せん断を付与す
る時間を 10 秒とした。
加工した材料の評価は，マルテンス硬さ HMと破断面観察による SiO2 の分散状態評価によっ て 行 っ た 。 HM の 測 定 は 微 小 硬 さ 試 験 機
PICODENTOR HM500（（株）フィッシャー・イ
ンストルメンツ製）を用い，押込み荷重 100mN，rpm

荷重負荷時間 20s，保持時間 5s，除荷時間 20s で

rpm

rpm

rpm

rpm

測定した。破断面観察は，電界放出形走査電子顕微鏡 JSM-6330F（日本電子（株）製）を用い

図2

HM に及ぼす高せん断加工の影響た。
(a) 500rpm
2.2

実験結果

図 1 にサンプルの外観を示す。PC 単体を同条
件で高せん断加工した場合，回転数が 1500rpm
を超えたあたりから着色が目立つようになるが，(a) PC 単体

1μm

500rpm1000rpm

1500rpm2000rpm

2500rpm

1500rpm2000rpm

2500rpm(b) 2500rpm(b) PC/SiO2

500rpm1000rpm

図1

1μm
図3

サンプルの外観− 59 −

破断面観察結果

図 3 に高せん断加工の回転数が 500rpm と開発を行うため，歯科材料の開発を進めな

2500rpm で加工した材料の破断面の観察結果をがら高せん断加工のノウハウとナノ分散示す。500rpm では，数 μm の二次粒子や一次粒化したプラスチック材料の評価技術を蓄子が数個凝集したものが多くみられるのに対し，積した。

2500rpm では一次粒子まで解砕している粒子が(2) ここでは，PC と SiO2 のブレンドの結果に多数みられ，凝集した粒子はほとんど確認されついて報告した。高せん断加工によってなかった。SiO2 は，高せん断加工によって一次

SiO2 が高分散化し，HM が高くなったこと

粒子まで解砕され，ナノレベルまで分散させるが確認された。

ことができた。この分散状態の変化によって(3) 今後は電子材料や自動車用材料など高せHM が上昇したものと考えられる。

ん断加工を応用した新材料開発を進める。

ナノサイズのフィラーは，少量で大きな効果が得られること，新規物質を開発する必要がな

参考文献

いことなどのメリットがある一方で，粒子の凝1）（株）ニイガタマシンテクノ，高せん断技術

集力が強いため，効率的に分散させる方法や安情報 http://n-mtec.com/publics/index/84/（2018

定化に課題がある。高せん断加工は，ナノサイ

年 2 月 21 日）

ズのフィラー分散技術として有望であることが2）清水博，Yongjin LI，“高せん断成形加工技術
により創製した新規ナノコンポジットの構確認された。

造と物性”，高分子論文集，Vol. 71，No. 3，
3.

結2013，pp. 69-88．

言(1) 高せん断成形加工装置を活用した新材料− 60 −

ノート

フェロモントラップと画像解析技術を組み合わせた
斑点米カメムシの自動モニタリングシステムの開発
小林 豊* 岩田 大介** 石本 万寿広**Development of an Automatic Monitoring System for Bugs Causing Pecky Rice Using Pheromone Trap and Image
Analysis
KOBAYASHI Yutaka*，IWATA Daisuke**，and ISHIMOTO Masuhiro**

1.

緒

言

近 年 ， ICT （ Information and Communication
Technology）技術が発達し工業分野以外でも盛んに用いられるようになっている。特に高齢化や人手不足が深刻になっている農業分野で盛図1

トラップの外観んに研究が行われている 1)。 本研究では水稲の図2

重要害虫として知られる斑点米カメムシの計とコンピュ数自動化を目的として，画像解析と ICT 技術を

ータ

カメラ

組み合わせた自動モニタリングシステムを開ロモントラップでカメムシを誘引し，撮影板上発して現状の課題解決について検討を行った。

に滞留している個体を一定時間間隔で撮影・解析することで誘引数を自動計数するシステム

2.

について検討を行った。図 1 に開発したフェロ

斑点米カメムシについて
斑点米カメムシ（以後，カメムシと表記する）

モントラップの外観を示す。撮影板の上部に直は稲穂を吸汁して斑点米を発生させる重要害

射日光や雨を防ぐ屋根があり、屋根の上部に撮虫であり，斑点米の発生を合理的に防ぐにはカ

影用のカメラ（ロジクール C920r），制御・解析

メムシの発生量をモニタリングして防除要否

用のコンピュータ（Raspberry Pi）が設置されて。しかしないる。図 2 に設置したカメラとコンピュータをがら，現行のモニタリング方法は調査員が頻繁示す。またフェロモン剤は屋根の内側に固定しに調査水田に出かける必要があり，カメムシのた。

などを判断することが重要である

2)

計数にも経験と時間を要するため，より簡便な方法が求められている。

4.

撮影時間帯の検討
モニタリングを効率良く行うためにはカメ

3.

フェロモントラップの設計

ムシが多く誘引される時間帯を知ることが重フェロモンで対象昆虫を誘引，捕獲する装置要である。そこで，時間帯による誘引数の違い

をフェロモントラップという。本研究ではフェを調べた結果を図 3 に示す。対象のカメムシは水稲の害虫として知られるアカヒゲホソミド*

中越技術支援センター

リカスミカメ（アカヒゲ），アカスジカスミカ**

農業総合研究所作物研究センターメ（アカスジ）の 2 種類とした。2016 年 5 月− 61 −

40

表1

主な撮影条件アカヒゲ

誘引数(頭)

30

アカスジ

撮影画素数

2304×1536 ピクセル

撮影間隔

約 40 秒

撮影照明

自然光，蛍光灯

撮影場所

水田，雑草地，室内

20
10

8

日の入り

日
-の出
18日の入り

14-16

6

16-18

12-14

4

10-12

8-10

2

6-8

図3

0

日の出 -6010

時刻数よりも多いカウント数になることが確認された。

時間帯別のアカヒゲ，アカスジの
誘引数

5.2

識別

20～30 日に，一般的に使用されている粘着式ト

撮影した画像を使ってアカヒゲを識別する

ラップ（それぞれのカメムシのフェロモン剤をアルゴリズムを開発した。おもな手順を下記に併用）を雑草地に設置し，2 時間毎(日の入から示す。

日の出までは連続)に誘引された数を計数した。

①画像撮影

結果としてアカヒゲは早朝に多く誘引され，ア②明るさ補正カスジは夜間に多く誘引されることが分かっ③撮影面以外をマスクた。また，水田においても同様の実験を行い，④識別 1

アカヒゲについては早朝だけでなく日中も多・被写体の輪郭を抽出して形状と面積

く誘引されることが分かった。この結果からモで予備識別ニタリングは日中自然光で撮影が行える時間⑤識別 2

帯とし，この時間帯に多く誘引されるアカヒゲ

・予備識別で識別した領域の色値(RGBを対象とすることとした。
5.

画像撮影・識別5.1

画像撮影

値の G 値)から昆虫の種類を識別
図 4 に撮影した画像，図 5 にマスク画像，図6 に予備識別により輪郭抽出したアカヒゲの拡開発したトラップを使って画像撮影を行っ

大画像を示す。また，図 7 にアカヒゲ 276 枚,

た。表 1 に主な撮影条件を示す。カメムシが発

アカスジ 22 枚，他種昆虫 124 枚の画像を識別 2生する水田，雑草地にトラップを設置して日のにより識別したときの色値の度数分布を示す。

出から日の入りまでの時間帯におよそ 40 秒間

グラフから 215 付近をしきい値とすることでア

隔で撮影を行った。また，システムの動作確認

カヒゲを識別可能であることが分かる。

のためにあらかじめ用意したカメムシを室内で撮影する実験を同時に行った。結果として，屋外での撮影では小雨，弱い風は影響が小さく，正常に撮影することができた。一方，早朝や日
アカヒゲの入り前は撮影板の一部に直射日光が当たり，
明るさの急激な変化によりカメラの自動露出補正が対応しきれずに適正露出が得られない画像が認められた。また，インターバル撮影時に同一の個体が重複して写るため，実際の誘引− 62 −

図4

撮影した画像

したアルゴリズムで識別を行い精度の検討を行った。アカヒゲが写っていない画像には他種
昆虫，汚れ・シミ，影などが写っている。表 2にアカヒゲが写っている画像の識別結果，表 3にアカヒゲが写っていない画像の識別結果を示す。アカヒゲが写っている画像は 401 枚を正しく識別することができた。識別できなかった
図5のはマスクで個体が部分的に隠されたことがマスク画像原因であった。また，マスクで完全に隠れている個体については結果に含んでいない。図 8 にマスクで部分的に隠れた個体の画像の例を示す。アカヒゲが写っていない画像については
115 枚をアカヒゲと誤識別する結果となった。
誤識別の内訳は他の虫（20 枚），汚れ・シミ（73

図6

抽出したアカヒゲの輪郭拡大画像
表2

アカヒゲが写っている画像の識別結果評価した画像枚数

411 枚

正しくアカヒゲと401 枚（識別率 98%）

識別した枚数表3アカヒゲが写っていない画像の識別結果評価した画像枚数

19870 枚誤ってアカヒゲと115 枚（誤識別率 0.6%）

識別した枚数

元画像
図8

図7

マスクで隠れた画像

マスクで部分的に隠れた個体の画像

アカヒゲ，アカスジ，他種昆虫の色値の
度数分布

5.3

識別結果の検討

アカヒゲが写っている画像 411 枚およびアカヒゲが写っていない画像 19870 枚について開発− 63 −

他種昆虫
図9

汚れ・シミ

ノイズ

アカヒゲと誤識別した画像枚），解析時のノイズ（22 枚）であった。図 9

面積，色値から斑点米カメムシを高い確に誤識別した画像の例を示す。この結果から開率で正しく識別できることを確認した。

発したアルゴリズムを使用することで高い確（3）実用化に向けてさらなる精度向上，長時率でアカヒゲを識別可能であることが確認で間稼働のできる電源供給方法の検討，ア

きた。今後は現行トラップとの精度比較などを

カスジカスミカメを対象とした夜間モニ行って実用化への検討を行う必要があると考

タリングシステムの開発などを検討するえる。

必要があると考える。

6.

結

言

参考文献

（1）水稲の重要害虫である斑点米カメムシの

1）総務省，”農業における ICT 活用事例”，
情報通信白書平成 26 年版

計数自動化について検討を行い，アカヒ
ゲホソミドリカスミカメを対象とした自

2）樋口博也，”斑点米被害を引き起こすカス動モニタリングシステムを開発した

ミカメムシ類の生態と管理技術”，日本応（2）インターバル撮影した画像を使い形状，

用動物昆虫学会誌，54(4)，2010，pp171-188− 64 −

ノート

LP ガス用圧力調整器用部品の流動解析
本田崇*

CAE Mold Flow Analysis about the Parts for Liquid Propane Gas Pressure Regulator
HONDA Takashi*

1.

緒

フトウェア MoldFlow Plastic Adviser を用いた。

言

樹脂製の LP ガス用圧力調整器用部品には，内部のジョイント部にてガスのリークが起こら

3.

計算条件
主な成形条件を表 1 に示す。

ないよう，良好な充填性が求められている。図1 に本研究で対象とする部品の形状を示す。
良好な充填性を得るには，ゲートの位置・形

4.

計算結果

状など，成形条件の検討が必要となる。ただし，計算結果から，充填中における射出形状，フ

成形中の樹脂の流動は観察することができず，

ローフロント温度，圧力損失および充填確実性

また，このような複雑な形状の部品に対して成をもとに流動性の評価を行った。

形時の流れの予測は困難であり，詳細な充填の評価を行うのは難しい。そこで本研究では，コ4.1

充填中における射出形状

MoldFlow Plastic Adviser では，設定した射出

ンピュータシミュレーションにより成形時の樹時間に依らず，樹脂が充填可能な状態である限脂流動の評価を行った。

り成形のシミュレーションを実施するため，設2.

定した射出時間である 6 秒以降の結果について

ゲート形状の検討
本研究では良好な充填性を目的として，図 1も計算される。サイドゲートの充填終了時間での部品に対してゲート形状を変更して流動性のある 6.4 秒時点において，各ゲート形状の成形評価を行った。検討したゲート形状は，(a)ピンゲート，(b)サイドゲートおよび(c)ピンゲー
トとサイドゲートを組み合わせたゲート（以下複合ゲート）の 3 種類である。図 2 に検討した各ゲート形状の計算モデルを示す。シミュレー⇒⇒

ションには，MoldFlow, Inc 製樹脂流動解析ソ⇒(a)ピンゲート (b)サイドゲート (c)複合ゲート
図2

作成したゲート形状（図中の⇒）取り付け部

ジョイント部

図1*

製品形状（左：側面、右：背面）

下越技術支援センター− 65 −

表1

成形条件

項目

設定

製品材質

ジュラコン M90-44

素材温度

180℃

金型温度

55℃

射出圧力

10MPa

途中における充填の様子を図 3 に示す。表示の4.2

フローフロント温度

色は成形品の各位置に到達した時間を示しておフローフロント温度とは成形品の各位置に樹り，図中の破線の丸は未充填部であることを示

脂が到達した時の温度である。図 4 に各ゲートす。

形状の成形におけるフローフロント温度を示す。

成形の前半ではゲート形状による差はほとん

すべての結果においてゲート付近の温度は高ど見られない。ただし，成形後半において，サ

く，離れた位置では温度は低くなっており，

イドゲートはジョイント部や取り付け部（図 1

ゲート形状による大きな温度分布の差は見られ参照）に最も速く到達することが確認できる。

ない。ここで，内径のジョイント部は比較的

また，サイドゲートの充填終了時には，ピンゲートに近い位置であるが，樹脂の到達が遅く，ゲートおよび複合ゲートでは内径の縁近傍に未フローフロント温度の低下が大きいことがわか

充填の領域があることが確認できる。

る。ただし，ジョイント部のフローフロント温表 2 に充填終了時間を示す。充填終了時間の比較からもサイドゲートが最も流動性がよく，度についてもゲート形状による違いは見られなかった。

次いでピンゲート，そして最も流動性が悪いのが複合ゲートであるといえる。

4.3

圧力損失

圧力損失とは成形品の各位置に樹脂が到達したときの射出圧力の低下量を示す。図 5 に各ゲート形状における成形時の圧力損失を示す。
サイドゲートは樹脂が流動する際の圧力損失が最も少なく，ジョイント部で約 8MPa の低下(a)ピンゲートとなっている。これに対して，ピンゲートおよ(b)サイドゲート(a)ピンゲート(c)複合ゲート
図3

成形中における充填の様子(b)サイドゲート（左：側面、右：背面）
表2

充填終了時間

ゲート

ピン

サイド

複合

形状

ゲート

ゲート

ゲート

6.8

6.4

8.5

充填終了時間（秒）(c)複合ゲート
図4

フローフロント温度（左：側面、右：背面）− 66 −

(a)ピンゲート(a)ピンゲート(b)サイドゲート(b)サイドゲート(c)複合ゲート(c)複合ゲート

図5

図6

成形時の圧力損失

充填確実性（左：側面、右：背面）（左：側面、右：背面）

び複合ゲートの場合，ジョイント部で 10MPa のゲート形状でも樹脂が到達できなかったため，損失となる。これは設定した射出圧力がすべて全ての形状で充填確実性は低い評価となった。

失われている結果であることから，サイドゲー
トに比べて流動性が低いと考えられる。

5.

結

言

樹脂製の LP ガス用圧力調整器用部品を対象
4.4

充填確実性

に，ゲート形状を変更したときの流動性をシ

充填確実性とは設定した射出時間における樹

ミュレーションにより評価して，以下の知見を

脂流動の先端位置と圧力損失の大きさを目安に得た。

充填の評価を行うものである。図 6 に各ゲート（1）樹脂の流動性については，サイドゲート，

形状で成形したときの充填確実性を示す。

ピンゲート，複合ゲートの順に良いこと

充填確実性の評価からも，サイドゲート，ピが確認できた。

ンゲート，複合ゲートの順に流動性が良いこと（2）ゲート形状に依らず，内径部のジョインが確認できる。ただし，ジョイント部に関して

ト部への流動性は低い。流動性の低い原は，本研究にて設定した射出時間内にいずれの因は射出圧力の損失であると考えられる。

− 67 −

ノート

エアロゾルデポジション法によるアルミナ膜の作製（第 2 報）
渡邉

亮*

笹川

博央*

石井

治彦*

白川

正登*

諸橋

春夫*

幸田

貴司**

Fabrication of Al2O3 Film Using Aerosol Deposition Method, 2nd. Ed.
WATANABE Ryo*， SASAGAWA Hiroo*， ISHII Haruhiko*，
SHIRAKAWA Masato*， MOROHASHI Haruo* and KODA Takashi**

1.

緒

さが上昇する傾向があった。昨年度に成膜した

言

エアロゾルデポジション法（以下 AD 法）は,膜 2)と比較すると，より硬い膜が得られた。ま乾燥した微粉末をガスと混合してエアロゾル化
し，常温で基材に高速で衝突させ，緻密で高密
着な膜を形成する技術である。微粉末と基材の組み合わせは，微粉末側は金属またはセラミッ
クス，基材側は金属，セラミックス，ガラス，
プラスチックなどで，様々な組み合わせが適用可能である 1)。
AD 法は溶射技術などの従来のコーティング
技術の課題を克服する可能性があるため，新たな表面処理技術として県内企業に導入が見込まれる。そのため，（国研）産業技術総合研究所の協力により AD 法装置を導入し，技術指導を

図１

装置概略図

表1

成膜条件

2)

受け，昨年度から継続 して実験を行った。
2.

成膜温度

室温

成膜実験
図 1 に示す AD 法装置を用い，事前に所定の搬送ガス種

温 度 （600，800，900，1000℃ ） で熱 処 理し た

ノズル孔サイズ(mm )10×0.8

原料のアルミナ粉末で表 1 の条件で金属基材の基材―ノズル間距離(mm)10

ノズル掃引速度(m/s)

4

成膜面積(mm )10×10

表面に成膜を行った。

N2
2

2

3.

結果
成膜したサンプルについて表 2 に示す機器で

表2

基材と膜の段差から膜厚を評価し，膜厚 2μm 以

機器名

上のサンプルについては硬さも評価した。原料（株）東京精密製粗のアルミナ粉末の処理温度と膜の硬さの関係を
図 2 に示す。文献

3)と同様に，原料であるアル

ミナ粉末の熱処理温度を上昇させると，膜の硬評価に使用した機器

さ測定器サーフコム
5000DX

評価項目
膜厚，表面粗さ（算術平均粗さ Ra）

（株）フィッシャ*

ー・インスツルメン

硬さ（マルテンス硬下越技術支援センター**

ツ製ピコデンター

企画管理室

さ HM）

HM500

− 68 −

4.

12

硬さHM(GPa)

言(1) 原料アルミナ粉末に熱処理を行うことで,

1110

より硬い膜が得られる傾向があった。

9(2) 昨年度成膜した膜に比べて，より硬くて表8

面粗さの小さいアルミナ膜を得ることがで

7

きた。

6
5
4

参考文献

3

1）明渡純，エアロゾルデポジション法の基礎

2

から応用まで-常温衝撃固化現象による新規

10

セラミックスコーティング技術のすべて-，
0

200

400

600

800

1000

シーエムシー出版，2008，pp. 1-5．

1200

原料アルミナ熱処理温度T(℃)

図2結2）渡邉，近，内藤，白川，石井，幸田，“エアロゾルデポジション法によるアルミナ膜

原料アルミナ粉末の熱処理と硬さの関の 製 作 ” ， 工 業 技 術 報 告 書, No.46,

係
た，原料のアルミナ粉末を 900℃で熱処理して成膜した膜について表面粗さを評価すると Ra

2017,pp.67-68．
3）明渡純，エアロゾルデポジション法の基礎

0.02～0.07μm であり，昨年度の膜と比較し，より表面粗さの小さい膜を得ることができた。

から応用まで-常温衝撃固化現象による新規セラミックスコーティング技術のすべて-，
シーエムシー出版，2008，pp. 28-31．

− 69 −

ノート

鋳鉄の組織と蛍光 X 線強度の検討
毛利 敦雄* 林 成実* 桑原 理絵*
Investigation of Cast Iron Structure and Fluorescence X-Ray Intensity
MOURI Atsuo*，HAYASHI Narumi* and KUWAHARA Rie*

1. 緒

FCD 正常はフェライト，パーライトの鉄素地中

言

鋳鉄の蛍光 X 線分析では，けい素（Si）マグネ
表 1 試料成分（％）

シウム（Mg）などの蛍光 X 線強度が，組織の違い
により異なる事例が報告されている 1）2）3）。本研
究では，球状黒鉛鋳鉄（以下 FCD）の正常組織，
白銑組織と球状化剤について走査型電子顕微鏡分

試料

C

Si

Mn

FCD正常

3.67

2.54

0.31

0.030 0.011 0.025 0.061 0.043

FCD白銑

3.42

2.98

0.54

0.014 0.002

析を行い，Mg の蛍光 X 線強度の違いについて検

P

S

Cr

---

Cu

0.04

Mg

0.054

ﾊﾟｰﾗｲﾄ

討を行った。
2. 実験
2.1 蛍光 X 線分析
蛍光 X 線分析装置はブルカー･エイエックスエス（株）製 S8 TIGER 4kW を使用した。Rh 管球を備えた波長分散型の装置である。

ﾌｪﾗｲﾄ
黒鉛

2.2 評価100μm

金属顕微鏡と走査型電子顕微鏡（SEM/EDS）で評価を行った。使用した金属顕微鏡はオリンパス

FCD 正常（×500）

光学工業（株）製 BX-60M-53MB，走査型電子顕微鏡は日本電子（株）製 JSM-6060A である。
ｾﾒﾝﾀｲﾄ2.3 試料
測定した球状黒鉛鋳鉄の成分を表 1 に，500 倍金

ﾊﾟｰﾗｲﾄ,ﾚﾃﾞﾌﾞﾗｲﾄ

属顕微鏡写真を図 1 に示す。FCD 正常は企業より依頼試験で当所に持ち込まれた試料で，成分は炭素硫黄分析（C，S），湿式分析（Si，Mn，P），
ICP 発光分光分析（Cr，Cu，Mg）により求めた 4)。

100μm

FCD 白銑は市販の機器分析用標準試料を使い，成FCD 白銑（×500）

分は添付成分表より引用した。

図 1 金属顕微鏡写真* 中越技術支援センター− 70 −

に黒鉛が分散する正常組織で，FCD 白銑は白色針の空孔が分散している状況が確認された。これら状のセメンタイトと黒色樹状のパーライト，レデ

鉄素地の粒子からはかなりの頻度で Mg が検出さブライトが混在する組織である。白銑は鋳鉄溶湯れた。また，空孔からは Mg が検出される例も確を急冷すると現れる組織で，正常組織に比べエネ認された。図 3 に黒鉛，フェライト中の Mg 含有

ルギー的に不安定な準安定状態である。

粒子とフェライト中 Mg 含有空孔の測定例を示す。
図 3 の Mg 含有粒子は，MgAlSi を含む球状化剤由

2.4 結果と考察来の粒子である。Mg 含有粒子は MgAlSi 型以外に

2.4.1 球状化剤の電子顕微鏡分析結果

も，MgSiS，MgAlS，MgSiP，MgO，MgP 型の粒

FCD 正常に使用した球状化剤を入手して，走査子が，また Ca，Ce，La を含む粒子も観察された。

型電子顕微鏡による観察と分析を行った。球状化

なお，Mg 含有空孔と粒子は区分されるものではな

剤メーカーの分析値を表 2 に，球状化剤の SEM 写

く，空孔と粒子が共存するものなど，中間的な形

真と EDS 分析結果例を図 2 に示す。球状化剤には態も認められた。

Mg の他に，Ca，Al，Ce，La（後者 2 成分は併せて REと標記）が添加されており，マトリックスで

FCD 白銑においては，Sb（球状化剤由来と推察される）を含む MgSiSb 型の粒子を確認した。

あ る フ ェ ロ シ リ コ ン （ FeSi ） 中 に MgSi 相 ，

FCD 正常と FCD 白銑において，Mg 含有粒子とMgAlSiCa 相，SiCaCeLa 相が金属間化合物として空孔以外のブランク部において点分析，エリア分

分散していることがわかった。図 2 のチャートは析を行った。これらのブランク部では黒鉛，鉄素

MgAlSiCa 相の分析例である。

地ともに Mg のピークは認められず，ブランク部
では Mg の存在は確認されなかった。

2.4.2 FCD の電子顕微鏡分析結果
球状黒鉛鋳鉄における Mg の分布状況を明らか

2.4.3 電子顕微鏡分析結果の考察にするため，FCD 正常と FCD 白銑について，走査型電子顕微鏡による観察と分析を行った。

FCD の製造工程においては，球状化剤をあらか
じめ取鍋にセットしておいて，溶解した鋳鉄を注FCD 正常についての点分析測定例を図 3 に示す。
FCD 正常の黒鉛中央部に径数 μm 程度の Mg 含有
粒子が，フェライト，パーライト中に同様に径数μm 程度の粒子と，フェライト中には径数 μm 程度

SEM写真（×500）
FeSi 相表 2 FCD 正常 球状化剤成分（％）
成分

Si

球状化剤 45.18

Mg

Ca

RE

Al

Fe

4.66

2.18

2.02

0.96

bal

MgAlSiCa相EDSチャート
SiCaCeLa 相

MgAlSiCa 相
MgSi 相図 2 FCD 正常 球状化剤 SEM/EDS 分析例− 71 −

走査型電子顕微鏡分析結果からは，FCD 正常中ぎ，球状化剤を溶湯中に均一に分散させることにに分散する Mg 含有粒子は，球状化剤に由来するより球状化処理を行う。
黒鉛が球状化するメカニズムについては，諸説

粒子（MgAlSi）と，MgO，MgS など反応性の高いが提唱されているが定説は定まっていない。この元素と反応した粒子が存在していること，また空うち，核説は黒鉛中に Mg，Si，O，S などからな

孔には一部 Mg が含まれることがわかった。これる異種の核が存在するというもの，気泡説は球状

は気泡説を援用すると次のように説明できる。溶化剤中の Mg が溶湯中で気泡を形成し，黒鉛が気湯中に分散した球状化剤は徐々に分解し，Mg が気泡表面から中心に向けて C 軸方向に成長するとい化して気泡が生成し，球状黒鉛が成長する。

うものである

Mg は他元素と反応して消費されつつ，一部は微

5）6）

。

SEM写真（×5000）

黒EDSチャート

分析箇所

鉛
中
粒
子

ェ

フ
ラ
イ
ト

分析箇所

中
粒
子

ェ

フ
ラ
イ

分析箇所

ト
中
空
孔
図 3 FCD 正常 SEM/EDS 分析例− 72 −

表 3 MgKα線の 90％吸収厚

細な空孔として残り，固体として凝結する。
Mg の鉄素地への固溶の可能性については，Mg-Fe 状態図

媒体によると，Mg と Fe は金属間化合物

7）

媒体密度
3

（g/cm )を作らず，Fe への Mg 固溶量は温度が下がるほど

Fe

7.86

小さくて 600℃以下ではほぼ 0 になる。これと分析

C

2.25

結果より，Mg 気泡から鉄素地への拡散は無視して良く，Mg は Mg 含有粒子，Mg 含有空孔に存在し90%吸収厚

蛍光X線

（μm）

MgKα線
（1.253keV）
MgKα線（1.253keV）

0.6
7.5

3.5

て，それ以外では無視して差し支えないものと思3

2.4.4 Mg 検量線の考察
Rh ターゲットの X 線管球から鉄に X 線が照射される場合，RhKα 線が 1/100 に減衰する深さ（侵MgKα 強度（kcps)

われる。

入する深さ）は 230μm である。表 3 に MgKα 線
2）

2.5
2
正常組織

1.5

白銑組織
正常組織

1

白銑組織

0.5

が Fe（鉄素地）C（黒鉛）で，90％吸収される厚0さの計算結果 8）を示す。これより，管球からの X

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

Mg(%)

線は鋳鉄に 200μm 程度侵入し，この層に含まれる

図 4 Mg 検量線

Mg は励起されて MgKα 線が放出されるが，MgKα
線が FCD から外に出てくる深さは，黒鉛からは7.5μm，鉄素地では 0.6μm 程度であり，両者の透過厚に差があることがわかる。
FCD 正常と FCD 白銑の Mg 検量線を図 4 に示す

参考文献。両者は MgKα 線強度，傾きが異なっている。

1）村松哲夫ら，“銑鉄のけい光 X 線分析と発光分

この理由は，MgKα 線の透過厚が大きい黒鉛を含光分析の比較研究”，鉄と鋼，vol.58，No.14，

む正常組織のほうが，白銑組織よりも MgKα 線強1972，pp.2014-2059．

3）2）毛利敦雄，“鋳鉄の組織と蛍光 X 線分析定量値

度が高くなるためと思われる。

の検討”，工業技術研究報告書，No.43，2014，
3. 結

pp,48-50．

言（1）球状黒鉛鋳鉄正常組織の黒鉛中と鉄素地中に

3）毛利敦雄，H25 年度小規模研究報告書“蛍光 X

径数 μm 程度の Mg 含有粒子と，フェライト

線分析装置の性能把握-鋳鉄の組織と定量値の中に Mg 含有空孔の存在を確認した。白銑組検討”，2013．

織の鉄素地においても Mg 含有粒子の存在を4）JIS G1212，JIS G1213，JIS G1214，JIS G1258確認した。それ以外の領域では Mg の存在は

5）中江秀雄監修，“新版鋳鉄の材質”，（公社）

確認されなかった。

日本鋳造工学会，2012，pp.20-21．

（2）Mg 含有粒子は球状化剤由来と，O，S などの6）（社）日本鋳造工学会編，“鋳造工学便覧”，

元素との反応物であることを確認した。

丸善（株），2002，pp.236-238．

（3）正常組織と白銑組織で Mg 検量線の傾きが異7）https://astamuse.com/ja/drawing/JP/2014/164/901/
A/ 000010.png

なる原因は，MgKα 線の透過厚が鉄素地よりも黒鉛で大きいため，正常組織の黒鉛からの

8）ブルカーエイエックスエス，S8TIGER，吸収係

MgKα 線の寄与が大きいためと考えられる。

− 73 −

数計算ソフトウェア

ノート

毛繊維への機能性付与に関する研究
恵太*

渋谷

古畑

雅弘*

橋詰

史則*

Study on Adding Function to the Wool Fiber
SHIBUYA Keita*,

1.

緒

FURUHATA Masahiro* and HASHIZUME Fuminori*

言

組織：天竺

羊毛をはじめとする毛繊維は保温性，吸湿性

工程：編立て，ノニオン系界面活性剤になど優れた性質を備えており，県内繊維産業による洗い，すすぎ，乾燥（縮絨な

おいても，五泉や見附のニット業を中心に広く

どの整理加工は行わない）

活用されている。しかし，毛繊維はその形質か
ら，洗濯などの湿潤状態において繊維表面のう

2.2

加工

2.1 で作製した編地に対し，薬剤を付与した。

ろこ状のスケールが開いて絡み合うことによるフェルト化，収縮が欠点となっており，そのた

試験条件を以下に示す。試験後の編地に風合いめに用途が限定されている。

の明らかな低下は認められなかった。

本研究では毛繊維への防縮性能をはじめとす

薬剤：コタニ化学工業（株）製る機能性の付与を技術シーズとし，毛繊維の容「クインセッター

易な取扱いを可能とする防縮性能の向上，本県

加工濃度：0.5%，2%，5%Sol.

SS No.7」

工程：80℃に加温した加工浴に 30min 浸

ニット製品の差別化につながる機能性の付与を漬した後，脱水し，60℃で 30min

目指して開発を行ってきた。
本報では，一般にはスリップ防止用として織乾燥物に使用される薬剤を編地に付与した場合の防縮性能向上の有無を確認した事例および，ドラ

2.3

イアイスブラストによるスケール除去の可能性

2.3.1

を検討した事例について紹介する。

防縮性能評価洗濯による寸法変化率試験

家庭洗濯における寸法変化について試験し，評価を行った。

2.

編地への薬剤付与

2.1

試験試料

試験方法は JIS L 1096：2010 織物及び編物の生地試験方法 8.39 寸法変化 G 法 を準用した。

ウール糸を以下の条件で編立てて試験用の編地を作製した。
糸：毛ーン乾燥により行った。
2/48 を 1 本取りで使用

洗濯の方法は JIS L 1930：2014 繊維製品の家

試験装置：（株）島精機製作所製

庭洗濯試験方法 No.C3M を準用し，中性洗剤を

SWG041

使用した洗濯と弱アルカリ性洗剤を使用した洗

自動編み機
*

試験片生地の 2 枚重ねは省略し，乾燥はスクリ

素材応用技術支援センター

濯を実施した。中性洗剤は花王（株）製「エマ− 74 −

表1

表2

洗濯による寸法変化率

厚さを 100 とした時の洗濯後の厚さ）

洗剤
加工濃度

方向

（未加工）

0.5%
2%
5%

中性

厚さ試験結果（洗濯前の試料

弱アルカリ性

たて

-20.0

-11.6

よこ

-5.5

-6.6

たて

-10.0

-10.7

よこ

-1.5

-2.4

たて

-5.7

よこ

洗剤
加工濃度

中性

弱アルカリ性

（未加工）

164

144

0.5%

128

125

-6.1

2%

116

110

-2.5

-3.9

5%

117

110

たて

-7.2

-5.8

よこ

0.8

-2.1

2.4.2

厚さ試験

試験結果を表 2 に示す。加工を行った試料は（単位：%）

未加工試料よりも厚さの増加が少なかった。
加工濃度
0
-2

(未加工)

0.5%

2%

5%

3.

-6

％

ドライアイスブラスト処理-78℃のドライアイスを噴射することにより溶-4

剤や研磨剤を使用せずに汚れなどを除去する技-8-10

術について，スケール除去への利用の可能性を-12検討した。当該技術を有する日本液炭（株）技-14

術開発本部（埼玉県久喜市）を訪問し試験を行
中性洗剤

図1

った。処理の様子を図 2 に示す。

弱アルカリ性洗剤

洗濯による寸法変化率
3.1

試験条件

ール」，弱アルカリ性洗剤は花王（株）製「ア

試験試料：2.1 で述べた編地およびセレプレ

バイオ EX」をそれぞれの推奨濃度でン（糸を巻く板）に巻き付けたタック

2/48 毛 100％糸使用した。

装置設定：エア圧力 0.1～0.3MPa，流量（粉2.3.2

末 量 ） 300 ～ 500g/min ， 速 度 約

厚さ試験

2m/min，ドライアイス粒子サイズ

洗濯による編地のフェルト化進行の度合いを評価する目的で，試験 2.3.1 を行う前後の試料

20～30μmの厚さを測定した。
試験方法は JIS L 1096：2010 織物及び編物の生地試験方法 8.4 厚さ A 法（JIS 法） に準じて

3.2

行い，試験結果は洗濯前の試料厚さを 100 とし試験結果

低いエア圧力設定であっても糸は激しく暴れたときの洗濯後の試料厚さで表すこととした。
2.4

試験結果

2.4.1

洗濯による寸法変化率試験

試験結果を表 1 および図 1 に示す。加工を行った試料は未加工試料よりも寸法変化が少なかった。
図2− 75 −

ドライアイスブラスト処理の様子処理したが，凍ってしまったため，その効果は薄いように見受けられた。図 3 に処理直後の状態を示す。
処理後の試料を SEM により観察した。図 4に観察画像を示す。糸，編地ともに，繊維に切断などの損傷状態は見受けられなかったものの，スケールが除去された形跡も確認されなかった。
図3

処理直後の編地の様子

このように，ドライアイスブラスト処理によるスケール除去，ひいては防縮性能向上に資する効果は見いだすことができなかった。
4.

結

言

（1）一般に織物のスリップ防止用として使用される薬剤を編地へ加工したところ，風合いが損なわれることなく洗濯による寸法変化や厚さの増加が低減し，防縮効果
図4が期待できる。

処理後試料の繊維表面 SEM 像（2）ドライアイスブラスト処理によるスケー
たが，毛羽が発生する程度であり，切断するこル除去を試験したが，処理後試料の SEMとは無かった。スケールは湿潤状態で開く特性

観察の結果から，防縮加工への利用可能があるため，編地ではあらかじめ濡らしてから性は見いだせなかった。

− 76 −

ノート

糸の平滑性評価に関する研究
古畑

雅弘*

橋詰

史則*

渋谷

恵太*

佐藤

清治*

Study on the Evaluation of Yarn Smoothness
FURUHATA Masahiro*，HASHIZUME Fuminori*，SHIBUYA Keita* and SATOU Seiji*1.

緒（図 2）。この装置は，糸を針と直交するよう言

ニットは編地の目面（めづら，表面感）や風に接触させながら低速で巻き取り，一定速度で合いがその商品の価値を左右する重要な要素の糸を走行させたときの張力を測定する。張力は一つである。特に編成時の糸とニット針との摩針を通過する前の張力 T １と通過した後の張力

擦抵抗は編地の品質に大きく影響を及ぼす。一T2 をロードセルで検出する。張力 T１が一定の張方，近年は素材の多様化が進み，ストレッチ性力となるようにスプリングテンサで調整できるの小さい麻や和紙と伸びやすいナイロンといっようにした。仕様は以下のとおりである。
LVS-200GA

た相反する特性を持った素材を組み合わせるな

ロードセル：（株)共和電業

ど多種多様な糸が使用されるようになり，編地

糸速：10m/min ～ 40m/minの編成性，品質が課題となっている。ニットメ

張力 T１の調整範囲：0.05N ～ 0.5N

ーカや染色メーカは編成性を向上させるため柔軟処理やワキシングなどを行っているが，同一

3.

素材においても色によって物性が異なったり，糸の張力測定および考察
染色メーカにおいて編成が困難とされた様

糸切れや張力ムラに起因したよこ筋が発生するため，当所に品質に関する相談が多く寄せられている（図 1）。
そこで本研究では，編地の編成性評価として市販のロードセルを使用した簡易型の張力測定装置を試作した。また染色メーカから糸の提供を受け，各種の糸について張力を測定し，その図1

有効性について検証を行った。
2.

編地のよこ筋

張力測定装置の試作
同種の測定法として，JIS L 1095:2010 一般紡

績糸試験方法に摩擦係数の測定が規格化されており，これを参考に測定装置の試作を行った*

素材応用技術支援センター

図2− 77 −

試作した張力測定装置

々な糸について張力を測定した。図 3，4 に測定表1

結果の例を示す。試料は表 1 のとおりである。

試料

試料

素材

いずれも柔軟処理の有無で比較を行った。なお

1

測定条件は張力 T1 0.05N，糸速 20m/min，サンレーヨン54%/ポリエステル46%
1/60

2

綿49%/CDP30%/ラミー21%
1/34

プリングタイム 0.1S ，測定時間 60S とした。

柔軟処理 ワックス

無
有
無
有

無
無
無
無

柔軟処理なしの糸では，試料により張力 T2 が解じょ張力によるものと考えられる。今後は測大きく異なり変動も大きかった。一方，柔軟処

定結果と実際の編地との関係について検証を行

理した糸は試料による差が減少し，変動も小さっていく予定である。

く抑えられた。なお図 4(a)の T2 は瞬間的に張力が高くなる箇所があったが，4(b)ではこうした4.

現象が抑えられた。この張力の異常は前述のよ（1）編地の編成性を評価するための簡易型張こ筋の原因と考えられるが，柔軟処理によりよ

力測定装置を試作し，様々な糸について

こ筋の発生を抑えられる可能性がある。なお周

張力を測定しデータを蓄積した。

期的に現れている小さい張力変動は，コーンの（2）柔軟処理により張力が低減し，張力の変

結

言

0.3

0.3

0.25

0.25

0.2

0.2

張力[N]

張力[N]

動も抑えられることを確認した。

0.15
0.1

0.15
0.1
0.05

0.05

0

0
0

10

20

30

40

50

0

60

10

20

T1

30

40

50

60

T2

50

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

60

10

20

30

40

時間 [s]

時間 [s]
T1

60

試料 1 の張力

張力[N]

張力[N]

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
20

50

(b)柔軟処理あり
図3

10

40

T1

T2

(a)柔軟処理なし

030
時間 [s]

時間 [s]T1

T2(a)柔軟処理なし

T2(b)柔軟処理あり
図4

試料 2 の張力− 78 −

ノート

ジオポリマーによる硫化水素吸着剤の開発
渡邉

亮*

笹川

博央*

森田

渉*

Development of Absorbent for Hydrogen Sulfide by Geopolymer
WATANABE Ryo*， SASAGAWA Hiroo* and MORITA Wataru*

1.

緒件（2 つの条件を合わせて以下の文中では試料

言

ジオポリマーはアルミナシリカ粉末とアルカ
リシリカ溶液との反応により生成する非晶性硬
化体である

1)

作製条件とする）を変化させ，その影響を調べた。

。アルミナシリカ粉末はメタカオ

リンやフライアッシュなど様々な材料が利用可

2.

実験能であり，フライアッシュや高炉スラグを活用

2.1

試料調整

したジオポリマーの例としては耐酸性を必要と試料を表 1 の試料作製条件，図 1 の試料作製される部分のセメント代替物の開発が行われてフローに沿って作製した。その後，室温で数日いる。その他のジオポリマーが用いられている開発事例として重金属吸着剤の開発がある。
様々な材料を利用できるとともに，配合により機能を持たせることが可能なジオポリマーについて，我々はフライアッシュをベースとした
硫化水素用の吸着剤の開発を試みた。静的試験
では室温養生で作製した試料で優れた硫化水素
吸着能がある可能性が示唆されていたため 2)，
実際の吸着剤の使用条件に近い動的試験を行って吸着能を確認するともに，配合条件や養生条
図１
表1
試料名

試料作製条件

配合条件
a)

養生条件

フライアッシュ (g)水ガラス b)(g)

NaOH 水溶液(g)

GP1

40

10.8

9.2 (5mol/L)

20℃48 時間封緘

GP2

40

10.8

9.2 (5mol/L)

80℃48 時間封緘

GP3

40

10.8

9.2 (10mol/L)

20℃48 時間封緘

GP4

40

10.8

9.2 (10mol/L)

80℃48 時間封緘a)フライアッシュ 2 種相当，b)1 号水ガラス相当*

試料作製フロー

下越技術支援センター− 79 −

800

静置して振動ミルで各試料を破砕した後，ふる700

いを用いて分級し，目開き 2mm を通過して

2.2

硫化水素測定濃度(ppm)

1mm で保持される大きさに調整した。
硫化水素動的吸着試験

図 2 の実験装置概略の試験システムを組み，2.1 で調整した試料を用いて表 2 の試験条件で試験を行った。

600

GP1

500

GP2

400

GP3

300

GP4

200
100

試験の手順は以下のとおりである。まず，所00.0

定の硫化水素濃度のガスを得るため，図 2 の A

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

測定時間(min.)および B から C を用いて調整してガスを流し，
図1

D で混合後に F および H を通じて排気し，ガス

硫化水素動的吸着試験結果

濃度を安定させるためにガスを流し始めてから

表3

30 分経過してからガス検知管を用いて D の硫

破過時間

試料名

破過時間(min.)

化水素濃度を確認し，調整した。試験は硫化水

GP1

36.6

素ガス濃度の調整前から試料を E に充填し，試

GP2

6.4

験開始直後に D から E を通じて G にガスが流

GP3

25.4

れるように流路を切り替えて行った。

GP4

0

2.3

結果

硫化水素動的吸着試験の結果を図 3 に示す。
試験開始直後は試料が硫化水素を吸着するため，濃度が 0 近傍で推移するが，やがて試料が硫化水素を吸着できずに破過して硫化水素濃度が上昇してくる。本研究では測定用吸着塔に流す硫
化水素濃度の 100 分の 1(100ppm)が出口側のガス検出器 G で測定されるまでの時間を破過時間と定義し，表 3 に示す。
3.
A:H2S/N2 ボンベ，B:O2/N2 ボンベ，C:流量計，
D:ガス混合器，E:測定用吸着塔，F:迂回用吸
着塔，G:ガス検知機，H:排気用吸着塔
図2

実験装置概略図

表2

吸着試験条件考察
2.3 から，前回の静的試験 2)に近い養生条件である 20℃で封緘養生して作製した試料 GP1 が硫化水素動的吸着試験にて良好な傾向が見られた。この結果から，試料作製条件を変化させた多数の試料を作製した後，そこから動的吸着試

吸着塔充填高さ(mm)(内径 10mm×高さ 100mm)

60

流量(mL/min.)45

硫化水素濃度(%)

1

験を行う前のスクリーニング試験として静的試験が有効であることを確認した。
また，試料作成時に NaOH 濃度が低い溶液を用いて作製した GP1 および GP2 の結果が高い− 80 −

溶液を用いて作製した GP3 および GP4 に比べ験として静的吸着試験が有効であると分て良かった。硫化水素ガスは酸性ガスであるた

かった。

め塩基の量が増加すると吸着に有利であると思（2）試料作製条件によって吸着能が異なった。

われるが，結果は異なり，生成するジオポリマ

これは生成する構造に違いが生じているーの構造に違いが生じたものと推定される。そためと推定される。

して塩基の量よりも構造の違いが吸着に大きく（3）吸着能最適化のための条件探索には試料影響したと思われる。

作製条件と吸着能の関係把握が必要で，今後の課題として，吸着能を最適化する試料

そのためには細孔径分布測定や比表面積作製条件の探索があるが，生成する構造の違い測定が必要である。

によって吸着能が変化すると推定されるため，
細孔径分布や比表面積を測定して試料作製条件

参考文献と硫化水素吸着能との関係を把握する必要があ1）Joseph Davidovits， GEOPOLYMER Chemis
try ＆ Applications4th edition， 2015，pp.11-14．

る。

2）渡邉，栁，森田，毛利，岡田，“ジオポリ4.

結マーに関する調査研究”，工業技術報告書，

言（1）動的吸着試験試の前のスクリーニング試− 81 −

No.46，2017，pp.91-94．

ノート

Ｘ線応力測定における応力値のばらつきについて（測定時間との関係）
斎藤雄治*

On the Deviation of Stress Values in X-Ray Stress Measurement (Relationship with Measurement Time)SAITO Yuji*

1.

緒

言

X 線応力測定において，応力値などの測定値

表1
管球

X 線応力値の統計変動の測定条件
Crはばらつきを生じる。このばらつきの最も大きKβ フィルタVな要因は X 線強度固有の統計変動であることが

回折面

(211)

知られている。この統計変動による応力値のば

管電圧，kV30

らつきを表す標準偏差の大きさについては，一管電流，mA

10

回の測定から統計学の理論を用いて解析的に求コリメータ，mm

2×2

sin ψ

0, 0.2, 0.4, 0.6

2θ 角，deg

142～170

ステップ角，deg0.2

ピーク位置決定法

ガウス曲線法バックグラウンド補正

あり

LPA 因子補正あり

応力定数，MPa/deg-318

信頼区間，%

95

める方法が提案されている 1)。この理論によれ
ば，応力値の標準偏差は測定時間（プリセットタイム）の平方根に反比例することが明らかにされている。例えば，プリセットタイムを 4 倍にすると標準偏差は理論上 1/2 となる。
本研究では，同一試料を種々のプリセットタ
イム（5～30s）で 50 回ずつ測定して応力値の標2準偏差とプリセットタイムの関係を調べた。
2.

実験条件
用いた材料は，機械構造用炭素鋼 S45C である。この材料を大きさ 40×40×120mm に切り出
し，860℃に 60 分保持して水冷した。さらに，
40×120mm の面を紙やすりで研磨後，電解研磨で約 70μm 表面層を除去して試験片とした。
X 線による残留応力測定は，試験片の長手方
向に表 1 の測定条件で行った。応力値は，ψ0 一定法を用いて同一条件で 50 回繰り返し測定した。
回折線強度はバックグラウンドと LPA 因子によって補正し，回折線ピーク位置は補正した回折

線強度の 80%以上のデータを用いて，ガウス曲
線法 1)により決定した。
一回ごとの測定から求めた応力値とその標準偏差と，50 回の応力値の平均値と標準偏差を比較した。なお，すべての測定（300 回＝6 種類
×50 回）は連続で行い，約 12 時間を要した。
3.

実験結果
図 1～図 3 に，プリセットタイムを 5，15，および 30s で 50 回ずつ応力測定した結果を示す。
図には，50 回の応力値の平均値と 95%信頼区間を示した。また，一回ごとの測定から求まる応
力値の 95％信頼区間 1)をエラーバーで示した。
これらの図より，プリセットタイムを大きくす*

県央技術支援センター

るほど，信頼区間の幅が小さくなっていることが分かる。また，エラーバーの中に 50 回測定し

− 82 −

図1

図2

プリセットタイム 5s の応力測定結果

プリセットタイム 15s の応力測定結果

図3

プリセットタイム 30s の応力測定結果

表2

X 線による応力値とその 95％信頼区間

プリセ①応力値の 50 回

②25 回目の応力

ットタの平均値とその値とその 95％信

イム, s

95%信頼限界, %頼限界, %

5-483±39-490±288-485±30-489±2610-492±25-492±2515-493±23-487±2020-489±22-493±1730-485±20-505±174.

結言プリセットタイムを大きく取ると応力値の信た平均値がほぼ含まれていることが分かる。なお，プリセットタイムが 8，10，20s の場合についても同様な結果が得られている。

頼区間の大きさが小さくなることを確認した。
参考文献

表 2 に，各プリセットタイムに対して①応力値の 50 回の平均値とその 95%信頼限界

1）Kurita，M. ，“A Statistical Analysis of X-ray
Stress Measurement by the Gaussian Curve-Fitti②25 回目の測定の応力値の 95%信頼限界

ng Method”，Journal of Testing and Evaluatioを示した。理論上，信頼区間の大きさはプリセ
ットタイムの平方根に反比例するが，実測した信頼区間の大きさはそこまで小さくはならなかn，Vol.9，No.5，1983，pp.285-291．
2）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin8.

った。これは，電源電圧の変動等の統計変動以外の要因が測定値のばらつきに影響を及ぼした

html，Ｘ線応力測定における応力値のばらつきについて（測定時間との関係），「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，201

ことが考えられる。
なお，本報告書の実験結果については当研究所のホームページに掲載している 2）。

− 83 −

8 年 1 月 19 日．

ノート

レプリカ法による非接触表面粗さ測定
斎藤雄治*

Non-contact Surface Roughness Measurement using Replica Technique
SAITO Yuji*

1.

緒は 50 倍とした。カットオフは，ヘアライン

言

表面粗さは，機械加工などによって生じた製

0.8mm，2B 仕上げ 0.25mm（Ra 測定時）および品の表面性状（「つるつる」や「ざらざら」）

0.8mm（Rz 測定時），#400 バフ仕上げ 0.25mmを数値で表したものである。表面粗さの測定方とした。評価長さはカットオフの 5 倍とし，フ法には接触式と非接触式がある。接触式についィルタλs は 2.5μm とした。レプリカには丸本ては JIS で測定方法が規定されているが，非接ストルアス（株）製のレプリセット T3 を用い触式については JIS の規定がないうえ，試料のた。測定は試料の同一箇所を 5 回繰り返し行い，

表面状態，反射率，形状などに測定値が影響さRa と Rz の平均値と t 分布による 95％信頼限界

れやすい。しかしながら，非接触式は試料を傷を算出した。

付けずに表面粗さを測定できる利点がある。前報 1）では，表面状態が異なる種々のステンレス

3.

実験結果

鋼板などについて，接触式と非接触式による表

表 1 に，今回測定したレプリカの表面粗さ

面粗さ（Ra，Rz）の比較測定を行い，両者がおと，前報 1）で測定した鋼板表面の表面粗さを示

おむね一致する結果を得ている。

す。表より，レプリカの測定結果は，鋼板表面

本研究では，据え置き型の接触式の表面粗さ測定機に載らない大物の測定物の表面粗さ測定を行う場合を想定し，試料から採取した表面のレプリカについて，レーザ顕微鏡による表面粗さ測定を試みた。

を測定した結果と信頼区間の範囲内でほぼ一致していることが分かる。レプリカの方が鋼板表面より信頼区間の範囲が小さいのは，鋼板表面
は表面の任意の位置を 10 回測定しているのに対して，レプリカは同一の位置を 5 回繰り返し測定しているためと考えられる。なお，レプリ
カの表面は実際の表面と凹凸が反対になるた

2.

実験条件

め，負荷曲線の解析などを行う際に注意が必要

測定に用いた試料は，前報 1）でレーザ顕微鏡と考えられる。

で直接測定した SUS304 鋼板（ヘアライン，2B
仕上げ，#400 バフ仕上げ）およびこれらの鋼板

なお，本報告書の実験結果については当研究所のホームページに掲載している 2）。

から採ったレプリカである。実験では，レプリ
カの表面粗さをレーザ顕微鏡で測定して前報の測定結果と比較した。
測定装置にはオリンパス（株）製レーザ顕微
鏡 LEXT-OLS4100 を用いた。対物レンズの倍率*

県央技術支援センター− 84 −

表1

4.

結レーザ顕微鏡によるレプリカと鋼板表面の表面粗さの比較

言

参考文献

ステンレス鋼板表面とそのレプリカについて

1）堀田，吉田，斎藤，“レーザ顕微鏡および粗レーザ顕微鏡で表面粗さを測定した。その結果，さ測定機による表面粗さの比較” ，工業技術

レプリカと鋼板表面の粗さ値は，実験で行った研究報告書，Vol.45，2015，pp.77-81．

範囲において信頼区間の範囲内でほぼ一致した。

2）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin1
7.html，レプリカ法による非接触表面粗さ測定，「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，2018 年 2 月 22 日．

− 85 −

ノート

各種腐食液によるステンレス鋼の金属組織観察斎藤雄治*

Metallographic Etchants for Stainless Steels
SAITO Yuji*

1.

緒

SUS420J2）または表面（SUS304，SUS430）を

言

ステンレス鋼の金属組織を観察する際，ステ

鏡面研磨および腐食後に観察した。腐食液にはンレス鋼の種類（オーステナイト系，マルテン

次の四種類を用いた。

サイト系，フェライト系など）に応じて腐食液① し ゅ う 酸 水 溶 液 （ し ゅ う 酸 10g ， 蒸 留 水を使い分ける必要がある。例えば，オーステナ

100ml）による電解腐食

イト系の SUS304 の組織観察にはしゅう酸水溶②カリングⅠ液（蒸留水 33ml，エチルアルコ液がよく使われる。この腐食液を使えばール 33ml，塩酸 33ml，塩化銅Ⅱ1.5g）

SUS304 のオーステナイトの金属組織を明瞭に③塩酸－ピクリン酸－アルコール溶液（塩酸観察できるが，直流電源や電極が必要となる。

10ml，ピクリン酸 1g，エチルアルコール 80ml）

このため，腐食液への浸漬だけで済む塩化第二④塩化第二鉄の塩酸溶液（塩化第二鉄 10g，塩

鉄の塩酸溶液などを使って SUS304 の金属組織

酸 30ml，蒸留水 120ml）を観察したい場合もあろうかと考えられる。
本研究では，各種の腐食液を使ってステンレ

3.

図 1 に，①～④の各種腐食液で腐食した試験

ス鋼を腐食したときに金属組織がどのように観察されるかを調べた。

実験結果

片の金属組織の観察結果を示す。左の列がSUS304 の結果，真ん中の列が SUS420J2 の結

2.

果，右の列が SUS430 の結果である。

実験条件
試験片には，オーステナイト系 SUS304 鋼板

SUS304 については，①しゅう酸水溶液と④（板厚 1mm），熱処理したマルテンサイト系

塩化第二鉄の塩酸溶液でオーステナイトの結晶

SUS420J2 丸棒（直径 19×長さ 20mm），フェ粒が観察できることが分かる。ただし，④塩化

ライト系 SUS430 鋼板（板厚 0.8mm）を用いた。

第二鉄の塩酸溶液では研磨傷が強調される傾向

SUS420J2 の熱処理条件は，焼入れ 1050℃に 15がみられた。

分保持後空冷，焼戻し 180℃に 1 時間保持後空SUS420J2 については，②カリングⅠ液，③冷である。SUS304 と SUS430 は納入状態のま

塩酸－ピクリン酸－アルコール溶液および④塩

ま試験片とした。

化第二鉄の塩酸溶液で基地組織のマルテンサイ

実験装置には（株）東洋製作所製 電気マットが観察できることが分かる。しかし，④塩化

フル炉 KM-420，（株）ニコンインステック製

第二鉄の塩酸溶液では介在物等の脱落とみられ

倒立型金属顕微鏡 TME3000U-NR 型を用いた。

る黒い斑点が多く見られた。
SUS430 は，②カリングⅠ液，③塩酸－ピク

金属組織の観察は，試験片の断面（

リン酸－アルコール溶液および④塩化第二鉄の*県央技術支援センター

塩酸溶液で基地組織のフェライトを観察できる− 86 −

ことが分かる。このうち，③塩酸－ピクリン酸

SUS304 は し ゅ う 酸 水 溶 液 ， SUS420J2 と－アルコール溶液と④塩化第二鉄の塩酸溶液にSUS430 は塩酸－ピクリン酸－アルコール溶液

ついては，フェライトの結晶粒を明瞭に観察でがよく使われるが，それ以外の腐食液を使ってきることが分かる。また，②カリングⅠ液につも金属組織を観察することも可能である。ただいては，個々の結晶粒を容易に識別できた。

し，腐食液が変わると金属組織の見え方が変わるので注意が必要である。

4.

結

言

図1

①～④の各種腐食液で腐食した試験片の金属組織− 87 −

ノート

合金鋼および工具鋼の金属組織と硬さ斎藤雄治*

Metal structure and Hardness of Alloy Steels and Tool Steels
SAITO Yuji*

1.

緒

言

合金鋼や工具鋼は機械部品や金型などに多用されている。本研究では，機械部品に使われている炭素鋼 S45C，低合金鋼 SCM435 および
SNCM439，金型に多く使われている工具鋼
SKD11 および SKD61 について，焼入温度を変えたときの金属組織や硬さを調べた。
2.

実験条件
試験片には，機械構造用炭素鋼 S45C，機械構

造用合金鋼 SCM435 および SNCM439，合金工

表1
試験片（直
径，長さ）

焼入れ焼戻しの条件

S45C（20m

800～950℃のm， 20 m

各温度に 15 分

m）

保持後に水冷SCM435800～950℃の（20mm，2

各温度に 15 分

0mm）

保持後に油冷600℃で 2 時間

SNCM439800～950℃の保持後に空冷（38mm，1

各温度に 20 分

0mm）

保持後に油冷焼入れ

具鋼 SKD11 および SKD61 を用いた。これらの焼戻し
600℃で 1 時間
保持後に水冷180℃に 2 時間

試験片について，表 1 に示す温度で焼入れ焼戻保持後に空冷SKD11（32

しを行った。

またはmm， 10m

熱処理後，試験片の断面を鏡面研磨してビッm）

900～1100℃のカース硬さ試験（HV0.5）と金属組織観察を行

各温度に 20 分った。腐食液には，SKD 以外は硝酸アルコール

保持後に空冷溶液（HNO3 3ml，エチルアルコール 97ml），

SKD61（28

SKD は塩化第二鉄の塩酸溶液（塩化第二鉄 10g，mm， 10mm）

塩酸 30ml，蒸留水 120ml）を用いた。

520℃に 1 時間
保持後に空冷を2回550℃に 1 時間
保持後空冷＋520℃に 1 時間
保持後空冷

実験には（株）東洋製作所製 電気マッフル炉
KM-420， ヤ マ ト 科 学 （ 株 ） 電 気 マ ッ フ ル 炉

図 1～図 6 に SCM435 試験片の結果を示した。

F0410，（株）明石製作所製 マイクロビッカー

図 1 に SCM435 試験片の焼入前の金属組織を示

ス硬度計 MVK-G1，（株）ニコンインステック

す。白色のフェライトと粒状および層状のセメ

製 倒立型金属顕微鏡 TME3000U-NR 型を用いた。

ンタイトが見られる。硬さは約 250HV0.5 であった。

3.

図 2 に，800～950℃の種々の温度で焼入後に実験結果
ここでは，SCM435 と SKD61 の試験片の結果

600℃で焼戻した SCM435 試験片のビッカース硬のみを示す。すべての実験結果については当研さの試験結果を示す。硬さは，焼入温度が究所のホームページに掲載している
*

1）～6）

。

850℃以上で 300HV0.5 程度となったが，焼入温度が 800℃ではそれより低いことが分かる。

県央技術支援センター

図 3 は，SCM435 の推奨焼入温度である 830～

− 88 −

880℃に比べて低い温度で焼入後に 600℃で焼戻

べて高い温度で焼入後に 600℃で焼戻した金属

した金属組織である。基地組織は焼戻しマルテ組織である。焼戻しマルテンサイト組織になっンサイトになっているが，ところどころに白色ているが，図 4 の推奨焼入温度の組織に比べてのフェライトが見られる。フェライトは焼戻し
マルテンサイトに比べて軟らかい組織であるため，推奨焼入温度より低い焼入温度においては，
図 2 に示したように硬度が低くなる傾向にある。
図 4 は，SCM435 の推奨焼入温度で焼入後に600℃で焼戻した金属組織である。フェライトが見られなくなり，焼戻しマルテンサイト組織のみになっていることが分かる。
図 5 と図 6 は，SCM435 の推奨焼入温度に比

図1

図2

図 3

SCM435 試験片の金属組織（800℃焼入れ）

図 4

SCM435 試験片の金属組織（850℃焼入れ）

図 5

SCM435 試験片の金属組織（900℃焼入れ）

SCM435 試験片の焼入前の金属組織

SCM435 試験片を種々の温度で焼入後に600℃で焼戻したときの硬さ− 89 −

粗くなっていることが分かる。
図 7～図 13 には SKD61 試験片の結果を示した。SKD61 試験片の焼入前の金属組織を図 7 に示す。フェライト基地に粒状の無数の炭化物が見られる。硬さは約 195HV0.5 であった。
900～1100℃の種々の温度で焼入後に 550℃と520℃で焼戻した SKD61 試験片のビッカース硬さの試験結果を図 8 に示す。焼入温度が 1050℃
で約 650HV0.5 の硬さが得られた。
図 9 は 900℃で焼入後に 550℃と 520℃で焼戻した金属組織である。灰色の基地組織は焼戻し
マルテンサイトで，粒状の組織はフェライトとみられる。焼入温度 900℃は SKD61 の推奨焼入
温度 1000～1050℃に比べてかなり低いため，フ

図8550℃＋520℃で焼戻したときの硬さ

ェライト組織が見られたと考えられる。

図 6

SKD61 試験片を種々の温度で焼入後にSCM435 試験片の金属組織（950℃焼入れ）

図9

SKD61 試験片の金属組織（900℃焼入れ）

3.
図7

SKD61 試験片の焼入前の金属組織

図 10 SKD61 試験片の金属組織（950℃焼入れ）− 90 −

図 11 SKD61 試験片の金属組織（1000℃焼入れ）

図 13 SKD61 試験片の金属組織（1100℃焼入れ）

参考文献
1）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin2.
html，クロムモリブデン鋼（SCM435）の硬さと金属組織，「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，2018 年 2 月 2 日．
2）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin3.
html，ニッケルクロムモリブデン鋼（SNCM439）の硬さと金属組織，「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，2018 年 2 月 2 日．
図 12 SKD61 試験片の金属組織（1050℃焼入れ）

3）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin4.
html，合金工具鋼 SKD11 の硬さと金属組織，

図 10～図 13 は焼入温度が 950℃～1100℃にお「新潟県工業技術総合研究所ホームペー
ジ」，2018 年 2 月 2 日．

ける金属組織である。図 9 で見られたフェライト組織は見られず，焼戻しマルテンサイト組織

4）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin5.

になっている。また，焼入温度が高くなるにつ

html，合金工具鋼 SKD11 の硬さと金属組織

れ組織が粗くなることが分かる。特に図 13 の焼（高温焼戻し），「新潟県工業技術総合研

入温度が 1100℃に対する金属組織は焼戻しマル

究所ホームページ」，2018 年 2 月 2 日．

テンサイトがかなり粗いことから，耐衝撃性が5）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin6.
html，合金工具鋼 SKD61 の硬さと金属組織，低下している可能性が考えられる。

「新潟県工業技術総合研究所ホームペー
4.

結ジ」，2018 年 2 月 2 日．

言

一般的に焼入温度が高いと金属組織は粗くな

6）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin7.

ることが知られているが，高温で焼戻した後に

html，機械構造用炭素鋼 S45C の硬さと金属もこの傾向が引き継がれることを確認した。組組織，「新潟県工業技術総合研究所ホーム

織が粗くなると，硬度が同じであっても耐衝撃ページ」，2018 年 2 月 2 日．

性（じん性）が低下するため注意が必要である。

− 91 −

ノート

鋼の金属組織と旧オーステナイト結晶粒の関係
斎藤雄治*

Relationship between Metal Structure and Prior Austenite Grain Boundaries of Steels
SAITO Yuji*

1.

緒

言

表1

焼入れした鋼の金属組織は焼入温度や保持時

焼入れ焼戻しの条件

試験片

焼入れ

間に影響を受ける。一般的に，適正な焼入温度

850 ， 900 ，や保持時間より高温で長時間保持してから鋼を

950℃ の 各 温 度

焼入れすると，金属組織は粗くなることが知ら

S45C

60 分 保 持 後 にれている。金属組織の粗さは材料の耐衝撃性
SCM435

焼入れした鋼の金属組織の粗さを客観的に評価する方法として，旧オーステナイト結晶粒の大きさを調べる方法がある。一般的には，旧オ600℃で 1 時間
保持後に水冷水冷（靭性）と関係があり，一般的に，金属組織が粗いと衝撃に弱く（靭性が小さく）なる。

に 15 分または焼戻し

850 ， 900 ，
950℃ の 各 温 度に 15 分またはSNCM439

60 分 保 持 後 に600℃で 2 時間
保持後に空冷油冷

ーステナイト結晶粒が大きいと金属組織が粗くなる傾向にある。本研究では各種鋼材について

ント（50℃に加熱して 15 分浸漬後，1%水酸

焼入温度や保持時間を変えたときに金属組織や化ナトリウム水溶液で中和および水洗）

旧オーステナイト結晶粒の大きさがどう変わるを用いた。

かを調べた。

実験装置には（株）東洋製作所製 電気マッフル炉 KM-420，ヤマト科学（株） 電気マッフ

2.

実験条件
試験片には，機械構造用炭素鋼 S45C（直径20mm × 長 さ 20mm ） ， 機 械 構 造 用 合 金 鋼
SCM435 （ 直 径 20mm × 長 さ 20mm） お よ び
SNCM439（直径 38mm×厚さ 10mm）を用いた。
これらの試験片について，表 1 に示す温度で

ル炉 F0410，（株）明石製作所製 マイクロビ
ッカース硬度計 MVK-G1，（株）ニコンイン
ステック製 倒立型金属顕微鏡 TME3000U-NR
型を用いた。
3.

焼入れ焼戻しを行った。

ここでは，S45C と SNCM439 について，焼熱処理後，試験片の断面を鏡面研磨して金属組織観察を行った。腐食液には，①硝酸アルコール溶液

入れ温度が 850℃と 950℃で保持時間を 60 分とした結果のみ示す。すべての実験結果について

HNO33ml，エチルア

ルコール 97ml

は当研究所のホームページに掲載している 1）～
3）。

②（株）山本科学工具研究社製 AGS エッチャ*

実験結果

図 1～図 4 に S45C 試験片の結果を示した。
図 1 と図 2 は焼入れ温度 850℃の結果である。

県央技術支援センター

腐食液①で腐食すると焼戻しマルテンサイト組− 92 −

織が見られ，腐食液②で腐食すると旧オーステ

れ温度 950℃の結果を図 7 と図 8 にそれぞれ示

ナイト結晶粒界が見られることが分かる。

す。図 5 と図 7 を比較すると，焼入れ温度が

図 3 と図 4 は焼入れ温度 950℃の結果である。

850℃から 950℃になっても金属組織はさほど

図 1 と図 2 に示した 850℃の結果と比べて組織粗くなったという印象は受けない。しかし，図が粗く，旧オーステナイト結晶粒も大きくなっ

6 と図 8 の旧オーステナイト結晶粒の大きさをていることが分かる。

比較するとかなり異なっている。

図 5～8 に SNCM439 試験片の結果を示した。
焼入れ温度 850℃の結果を図 5 と図 6 に，焼入

図1

図2

S45C 試験片の金属組織

図3

S45C 試験片の金属組織

焼入れ：850℃に 60 分保持後に水冷

焼入れ：950℃に 60 分保持後に水冷

腐食液：①硝酸アルコール溶液

腐食液：①硝酸アルコール溶液

S45C 試験片の金属組織

図4

S45C 試験片の金属組織

焼入れ：850℃に 60 分保持後に水冷

焼入れ：950℃に 60 分保持後に水冷

腐食液：②AGS エッチャント

腐食液：②AGS エッチャント− 93 −

図5

図6

4.

SNCM439 試験片の金属組織

図7

SNCM439 試験片の金属組織

焼入れ：850℃に 60 分保持後に油冷

焼入れ：950℃に 60 分保持後に油冷

腐食液：①硝酸アルコール溶液

腐食液：①硝酸アルコール溶液

SNCM439 試験片の金属組織

図8

SNCM439 試験片の金属組織

焼入れ：850℃に 60 分保持後に油冷

焼入れ：950℃に 60 分保持後に油冷

腐食液：②AGS エッチャント

腐食液：②AGS エッチャント

結言ト結晶粒界，「新潟県工業技術総合研究所
ホームページ」，2018 年 2 月 5 日．

通常の金属組織観察だけでは結晶粒の粗大化がよく分からない場合もある。このため，金属

2）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin1

組織をよく観察する鉄鋼材料については，金属

3.html，SCM435 の金属組織と旧オーステナ

組織と旧オーステナイト結晶粒の大きさの関係

イト結晶粒界，「新潟県工業技術総合研究を把握しておくことが大事だと考える。

所ホームページ」，2018 年 2 月 5 日．
3）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin1

参考文献

4.html，SNCM439 の金属組織と旧オーステ

1）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin1

ナイト結晶粒界，「新潟県工業技術総合研

1.html，S45C の金属組織と旧オーステナイ

究所ホームページ」，2018 年 2 月 5 日．

− 94 −

ノート

工具鋼 KA-70 の金属組織と硬さ斎藤雄治*

Metal structure and Hardness of Kogu Steel KA-70
SAITO Yuji*

1.

緒ース硬さ試験（HV0.5）と金属組織観察（腐食言

鋼の焼入れ硬さは，焼入前の金属組織に関係
1)

液：HNO3 3ml，エチルアルコール 97ml）を行。本研究では，作業った。実験装置にはヤマト科学（株）製 電気

工具や刃物などに使われている（株）神戸製鋼

マッフル炉 F0410，（株）明石製作所製 マイ

所製の工具鋼 KA-70 について，焼入前の金属組

クロビッカース硬度計 MVK-G1，（株）ニコ織の炭化物の形状の違いが焼入れ焼戻し後の金ンインステック製属組織や硬さに及ぼす影響を調べた。

TME3000U-NR 型を用いた。

2.

3.

することが知られている

実験条件
供試材には，（株）神戸製鋼所製の工具鋼

倒立型金属顕微鏡

実験結果
試験片 A，B の金属組織を図 1 と図 2 に示す。

KA-70（直径 13mm×長さ 200mm）を用いた。

試験片 A はほぼ全面がパーライト組織で，炭この供試材から次の A，B 二種類の試験片を作

化物は層状になっていることが分かる。それに製した。

対して，試験片 B は球状化焼鈍しを行っていA 供試材を長さ 19mm に切断したもの

るため炭化物が球状になっていることが分かる。

B 供試材を球状化焼鈍し後に長さ 19mm に切断

図 3 に，試験品 A，B を種々の温度で焼入後したものに 180℃で焼戻したときの硬さを示す。試験片

ここで，球状化焼鈍しは常温から 700℃まで

A では実験したすべての焼入温度において 700

1 時間で昇温後，次の①～④の処理 2)を 3 回繰HV0.5 を超える高い値を示した。一方，試験片り返して常温まで炉冷した。
①700℃から 760℃まで 1 時間で昇温②760℃で 15 分保持③760℃から 700℃まで 1 時間で徐冷④700℃で 30 分保持
試験片 A，B について次の焼入れ，焼戻しの熱処理を行った。
・焼入れ…750～900℃の各温度に 10 分保持後に油冷・焼戻し…180℃に 1 時間保持後に空冷
熱処理後，試験片の端面を鏡面研磨してビッカ*

県央技術支援センター

図1− 95 −

試験片 A の金属組織

B では焼入温度 750℃では硬さが低く，焼入温

入温度は 800℃前後と考えられる。このため，

度 800℃以上で 700 HV0.5 以上の硬さになって焼入温度 750℃は低めの温度となるが，試験片いることが分かる。また，実験したすべての焼A は焼戻しマルテンサイトになっていることか

入温度において，試験片 A の方が高硬度になら焼きが入っていることが分かる。一方，試験っていることが分かる。

片 B は一部に焼戻しマルテンサイト（灰色で

図 4～図 6 には，試験片 A，B を種々の温度

見える組織）が見られるが，大部分はフェライで焼入後に 180℃で焼戻したときの金属組織をトと炭化物になっており，焼きが入っていない示した。

ことが分かる。この組織の違いが，図 3 の焼入

図 4 は，焼入温度が 750℃のときの試験片 A

温度 750℃における試験片 A と B の硬さの違と B の金属組織である。KA-70 は炭素工具鋼
SK70 と化学成分が似ているため，標準的な焼図2

試験片 B の金属組織

図3

試験片を種々の温度で焼入後に 180℃で焼戻したときの硬さ

（a）

試験片 A

（b）
図4

試験片 B

試験片の金属組織（焼入れ：750℃に 10 分保持後に油冷、焼戻し：180℃に 1 時間保持後に空冷）− 96 −

（a）

試験片 A

（b）
図5

試験片 B

試験片の金属組織（焼入れ：800℃に 10 分保持後に油冷、焼戻し：180℃に 1 時間保持後に空冷）

（a）

試験片 A

（b）
図6

試験片 B

試験片の金属組織（焼入れ：850℃に 10 分保持後に油冷、焼戻し：180℃に 1 時間保持後に空冷）
図 6 は，焼入温度が 850℃のときの試験片 A

いとなって表れている。
図 5 は，焼入温度が 800℃のときの試験片 Aと B の金属組織である。標準的な焼入温度よと B の金属組織である。すでに述べたように，り 高 い た め ， 試 験 片 A， B と も 焼 入 温 度 が

この温度は KA-70 の標準的な焼入温度と考え800℃の金属組織に比べて粗い焼戻しマルテンられる。試験片 A，B とも焼戻しマルテンサイ

サイトになっていることが分かる。金属組織のト組織であるが，試験片 A は試験片 B に比べ粗さは，試験片 A の方が顕著になっている。

て粗い組織になっていることが分かる。このよ

図 7 は焼入温度が 900℃のときの試験片 A とうに，焼入前の金属組織がパーライトになってB の金属組織である。標準的な焼入温度よりいると，標準的な焼入温度で焼入れしても組織100℃も高いので，試験片 A，B とも粗い焼戻が粗くなることが確認できた。

しマルテンサイトになっていることが分かる。
なお，本報告書の実験結果については当研究− 97 −

（a）

試験片 A

（b）
図7

試験片 B

試験片の金属組織（焼入れ：900℃に 10 分保持後に油冷、焼戻し：180℃に 1 時間保持後に空冷）所のホームページに掲載している 3）。

り低めの温度では焼きが入りにくい。また，適正な焼入温度より高めの温度でも

4.

結

言

金属組織が粗くなりにくい。

工具鋼 KA-70 について，焼入前の金属組織の炭化物の形状の違い（層状，球状）が焼入れ

参考文献

焼戻し後の金属組織や硬さに及ぼす影響を調べ，

1） 日本鉄鋼協会編，改訂 5 版 鋼の熱処理，
1989，p.27-28，丸善（株）．

以下の傾向があることを確認した。
（1）炭化物が層状の場合，適正な焼入温度よ2） 文献 1）の 44 ページ．

り低めの温度でも焼きが入る。また，適

3） http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin

正な温度で焼入れしても金属組織が粗く

19.html，工具鋼 KA70 の硬さと金属組織，なりやすい。

「新潟県工業技術総合研究所ホームペー（2）炭化物が球状の場合，適正な焼入温度よ− 98 −

ジ」，2018 年 1 月 19 日．

ノート

刃物鋼の二度焼入れについて
斎藤雄治*

Twice quenching for Knife Steels
SAITO Yuji*

1.

緒

実験装置には，ヤマト科学（株） 電気マッ

言

浸炭焼入れなどを除き，一般的に鋼材の二度

フル炉 F0410，（株）ニコンインステック 倒

焼入れは良くないとされている。その理由とし

立型金属顕微鏡 TME3000U-NR 型，（株）明ては，表面の脱炭，焼入れひずみ，組織が変わ

石製作所製 マイクロビッカース硬度計 MVK-

ることによる焼入れ性の変化などが挙げられる。

G1 を用いた。

ここでは，刃物鋼の再焼入れを行い，通常の焼入れに比べて金属組織や硬さがどう変わるか

3.

を調べた。

実験結果
ここでは，SK85 の結果のみを示すが，すべての実験結果については当研究所のホームペー
2.

ジに掲載している 1）。

実験条件
試 験 片 に は ， 炭 素 工 具 鋼 SK85 （ 20mm ×

図 1 に SK85 試験片の熱処理前の結果を示し

20mm×厚さ 3mm），日立金属（株）製 青紙 2

た。図 1 より，炭化物が球状化していることが号（19mm×74×3mm），（株）神戸製鋼所製分かる。硬さは約 160HV であった。

KA-70（直径 13×長さ 15mm），日立金属（株）

SK85 に対して，①～③の各熱処理を行った

製 YCS3（直径 19×長さ 20mm）を用いた。こ後の金属組織を図 2～図 4 に示す。図 2 に比べれらの試験片の金属組織は球状化されている。

て特に図 3 の組織は粗くなっていることが分か

これらの試験片についてる。

①焼入れ＋焼戻し

焼入前に炭化物が大きくしかも球状化してい②焼入れ＋焼入れ＋焼戻し③空冷＋焼入れ＋焼戻しの熱処理を行った。①～③の各熱処理の条件は次のとおり。
・焼入れ：800℃に 10 分保持後に水冷
・空冷：800℃に 10 分保持後に空冷・焼戻し：180℃に 1 時間保持後に空冷
熱処理後，試験片の断面を鏡面研磨してビッカース硬さ試験（HV0.5）と金属組織観察を行った。腐食液には硝酸アルコール溶液（HNO33ml，エチルアルコール 97ml）を用いた。
*

県央技術支援センター

図1− 99 −

SK85 試験片の熱処理前の金属組織

る場合，加熱の際にオーステナイト中への炭化物の固溶が困難になり，焼入れ性が低下することが知られている 2 ） 。熱処理①では焼入前に球状炭化物が基地に分散して析出しているため，
上述のように焼入れ性が良くない状態にあると考えられる。一方，熱処理②や③では焼入れ温度まで一度加熱しているため，焼入前に炭化物が基地に固溶あるいは細かく析出した状態にあると考えられ，熱処理①に比べて焼入れ性が良

図4

SK85 の熱処理③後の金属組織（硬度 800HV0.5）

い状態と考えられる。SK85 の試験片について，
熱処理①に比べて熱処理②や③の金属組織がやや粗いのはこのためと考えられる。
4.

結

言

二度焼入れは通常の焼入れに比べて，金属組織が粗くなる傾向があることを確認した。
図2

SK85 の熱処理①後の金属組織（硬度 790HV0.5）

参考文献
1） http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin
21.html，刃物鋼の再焼入れについて，「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，
2018 年 2 月 19 日．
2） 日本鉄鋼協会編，改訂 5 版 鋼の熱処理，
1989，p.27-28，丸善（株）．

図3

SK85 の熱処理②後の金属組織（硬度 800HV0.5）− 100 −

ノート

新規草木染め染料に関する研究
清治* 渋谷佐藤恵太*

Study on New Type Natural Dyestuff Extracted from Natural Colouring AgentSATOU Seiji* and SHIBUYA Keita*

1． 緒

黄色染料：えんじゅ

言

天然染料を用いた染色は，商品の付加価値を高める方法として強い関心が持たれている

赤色染料：ラックダイ

1) 2)

。しか

青色染料：くちなし

し，藍などの一部の染料を除いて，天然由来の染以下では，えんじゅ，ラックダイ，くしなしを料は,合成染料とは異なり，染色堅ろう度が著しそれぞれ黄，赤，青と記載。

く低いことはもちろんのこと,染料の抽出及びそ・媒染剤：塩化第一スズ（試薬）の後の保存など取り扱いが非常に煩雑であり，更※麻布と媒染剤以外は，洛東化成工業(株)製に混ぜ合わせによって任意の色を出し難いなどの欠点を有するために，なかなか使えないのが現状

2.2 精練，洗浄，カチオン化及び染色条件である。

一連の工程の概要および条件を以下に示す。

検討をした天然染料は，先に挙げた抽出や保存〇工程の概要などの取り扱いの欠点が克服された，非常に使い精練 → カチオン化 → 洗浄 → 水洗 → 染色 → 水

勝手の良い染料である。今回の試験では，もう一洗 → 金属媒染 → 洗浄 → 水洗 → 乾燥

つの欠点である“任意の色出し(任意の色に染めそれぞれの処理は，三角フラスコに所定量の麻る)ができるか否か”について検討をした。具体

布と薬剤などを入れ，振とう機付き湯煎器を用い的には，黄色染料として“えんじゅ”，赤色染料て，常法 3)に従って操作を行った。

として“ラックダイ”，青色染料として“くちな〇各々の工程の処理条件

し”を用いて見本色であるカラートライアングル

・精練･洗浄工程：濃度 1g/l ，70℃-10 分を作成し，三原色配合染色の可能性について検討

・カチオン化工程：濃度 50g/l，NaoH 10g/l，
浴比 1:20，80℃-30 分をした。

・染色工程：20% o.w.f. ，浴比 1:50，80℃-30 分
2. 試験方法

・金属媒染工程：20% o.w.f.，70℃-20 分

2.1 供試材等
・麻布：たて糸，よこ糸共に 60/1,30 本/cm

2.3 カラートライアングルの色配置図

・カチオン化剤：カチオテック MRC

カラートライアングル作成においては，図 2に・精練･洗浄助剤：ハイデスコ PNC

示すように，①黄から…⑥赤…㉑青までの 21 分

・染料：RK カラー

割で表示した。染色条件は，トータル濃度を* 素材応用技術支援センター− 101 −

図 1 カラートライアングルの配色番号
図２
図 2 カチオン化未処理及び処理染色布のカチオン化未処理及び処理染色布の20% o.w.f.に設定し，カチオン化処理布を用い分光反射率曲線
分光反射率曲線た。

-黄」を示す。表 1 および図 2 より，カチオン化未

2.4 測色・測色機：スペクトラフラッシュ 500

処理布は，これらの染料では汚染程度にしか染まデータカラーインターナショナル製
測色の光源は，D65 を用いて評価をした。

らないが，カチオン化処理を施すことによって非
常に良く染まることがわかる。今回用いた染料の中では，分子構造中に“負”の官能基であるカルボキシル基を有する“赤”つまり「ラックダイ」

3. 結果
3.1 カチオン化の効果
実際に染色した布を肉眼で観察をすると，その効果は一目瞭然である。しかし，染色布の色をカラー写真等で表現することができないために，試料の測色結果を L*a*b*表色系に従って表 1 に示し，
また分光反射率曲線を図 2 に示した。
表 1 において「②ｶﾁｵﾝ化未処理-黄」は，カチでは，これが顕著に現れている。
3.2 カラートライアングルの作成
図 1 に示したカラートライアングル配色番号に基づいて，21 種類の染料配合でカチオン化処理麻布を染色し，それらの染色布の測色結果を L*a*b*
表色系に従って a*b*値で図 3 に示した。

オン化処理をしていない麻布を黄色の染料である「えんじゅ」で染色したことを示し，また，図 2
においては，「②」は表 1 の「②ｶﾁｵﾝ化未処理
表１ カチオン化未処理及び処理染色布の測色
結果

処理条件
①白生地
②ｶﾁｵﾝ化未処理-黄③ｶﾁｵﾝ化-黄④ｶﾁｵﾝ化未処理-赤⑤ｶﾁｵﾝ化-赤⑥ｶﾁｵﾝ化未処理-青⑦ｶﾁｵﾝ化-青

Ｌ*
88.1
86.5
77.3
87.8
45.9
87.7
54.5

a*
b*
0.6
2.4
-1.8
9.8
3.2 48.5
1.3
0.9
60.5 22.1
1.2
0.4-3.8 -15.9− 102 −

図 3 カラートライアングル測色図

図 3 の①～⑥は，図 1 のカラートライアングル配ン化処理は非常に有効である。特に，分子構

色番の号①～⑥に相当している。以下，⑦～⑪…，

造中に“カルボキシル基”などの“負”の官…，…⑮～⑳についても同様である。星(★)印は能基を有する染料では，その効果が著しい。

未染色の麻布の値を示しており，わずかに“黄色（2） 黄色成分として“えんじゅ”，赤色成分とし味”を帯びているが，ほぼ無彩色の位置“（a*，て“ラックダイ”，青色成分として“くちなb*）≒（0.6，2.3 ）”にある。

し”の天然染料を用いて、カラートライアン

図 3 から明らかなように，青は他の色と比較してグルを作成することができた。

著しく彩度が低いために，天然染料としては極めて彩度の高い赤や黄に引っ張られるような形にな

参考文献っている。以上，染色堅ろう度など，実用面では

1） 伊藤哲司ほか，“桐抽出液を用いた染色方

解決しなればならない課題が山積しているが，麻法”，福島県ハイテクプラザ試験研究報告，をカチオン化処理をすることによって，色見本で2009，p.43.

あるカラートライアングルを作成することができ

2）伊藤哲司ほか，“天然染料用いた染色方法について”，福島県ハイテクプラザ試験研究報

た。

告，2009，p.45.
4. 結3） “草木染め〈RK カラー〉”，洛東化成工業

言（1）天然染料による麻の染色において，カチオ− 103 −

（株），p7.

Ⅲ

調査・報告

− 105 −

調査・報告

農業分野における ICT 活用促進に関する調査研究
五十嵐

晃*

菅家

章*

馬場

大輔**

智裕**

永井

小林

豊***

松本

好勝****

Report of Market and Technology Trends of Information Communication Technology in Agriculture
IKARASHI Akira*， KANKE Akira*，BABA Daisuke**，
NAGAI Tomohiro**， KOBAYASHI Yutaka*** and MATSUMOTO Yoshikatsu****1.

緒

分野への ICT 技術導入セミナー」を開催した。

言

国は，未来投資戦略 2017 における「産業競参加人数は 25 名と 22 名であった。

1)

11 月のセミナーでは，農業現場におけるセ（平成 30 年 2 月 6 日閣議決定）「Society5.0 のンシングの統一規格として提案されている，ユ社会実装と破壊的イノベーションによる生産性

ビキタス環境制御システム 2)（Ubiquitous Envi-革命」の中で，スマート農林水産業の実現など，

ronment Control System，以下 UECS と記述す

最先端技術の開発・実装を推進している。

る）の第一人者，近畿大学の星岳彦教授から，争力の強化に関する実行計画（2018 年版）」

我々はセンシング技術の農業分野への応用にUECS の歴史と現状・将来について，ご講演い関する調査研究を平成 27 年度から始め，今年ただいた。UECS は，大きな可能性を秘めた規度は，農業分野への導入で注目されている ICT格であり，講演後のアンケートは，詳細な情報技術について，学会や展示会などを調査し，さが知りたいなど，概ね好評の結果であった。

らに県内企業の農業 ICT への取り組み状況にまた，2 月のセミナーでは，すでに農業分野

ついて調査した。また，農業現場における各種へ参入している県内企業とその協力企業から，センシングや制御に関して，より具体的なニー

農業への参入の経緯，現状や今後について，ごズを確認するため，新潟県農業総合研究所と連講演いただいた。センシング部と制御ユニット

携してセンシング機器や制御機器を開発し，機部を県内企業で開発・製造し，それらを含めた器を用いて実際に園芸施設でデータを取得した。

システム全体を協力企業が提供するという内容

それらのデータを分析して，機器に必要な改善であった。近年， Raspberry Pi など，比較的について考察した。

安価で容易にセンシング機器を開発できるマ

また，外部の競争的資金事業を調査し，連携

イコンボードが普及しているが，それらとの共同体を形成するために必要なポイントについ差別化は，機器の信頼性につきるという協力て検討した。

企業の言葉が印象に残った。セミナーでは活発に意見が交換され，アンケートでは 90%

2.

活動概要

2.1

セミナーの開催

近くの参加者から役に立ったとの意見を得た。

平成 29 年 11 月と平成 30 年 2 月に，「農業

2.2
2.2.1

調査活動
技術動向および市場動向*

研究開発センター**

下越技術支援センター「UECS プラットフォームで日本型施設園芸が***中越技術支援センター

活きるスマート農業の実現」というセッション****

上越技術支援センターが設定されるほど活発で，イチゴ栽培やトマト

UECS の 動 向 は ， 農 業 情 報 学 会 に お い て− 107 −

栽培への導入事例など，多くの発表があり，着3.

課題とその対応

実に普及してきている印象を得た。さらに，県3.1

市場参入時の課題とその対応

外の展示会では，UECS に対応もしくは対応予調査したところ、農業分野の参入には，障壁定であることを強調した展示がみられ，広く普が 3 つみられた。一つ目は，ユーザである農家及している状況が伺えた。

の多くが小規模で，導入システムに対し，大き県内においては，農業機械メーカによる最先なコストがかけられないことである。二つ目は，

端技術フェアや新潟県農林水産部主催の研修の農家の高齢化により，扱い方が複雑なシステム

テーマで ICT が取り上げられるなど，取り組は受け入れられないことである。三つ目として，みへの動きがみられた。

個々の農家が求めるデータや制御のためのしき

県外の展示会を調査したところ，植物の生体内情報を遺伝子レベルで解析して生育予測モデ

い値がそれぞれ異なるという点もシステム供給側にとって大きな障壁となる。

ルを構築，それをもとに環境制御を試みた

それらへの対応には，2 つのアプローチが考CPS（Cyber Physical System）の事例がみられ，えられる。ひとつは，公的資金を投入して大規仮想モデルと物理モデルの活用について，今後模にモデルラインを構築して開発を進めていくの動向が注目されている。

いわゆるトップダウン方式であり，もうひとつ国の動向は広範囲であるが，その一つを紹介

は，ユーザの農家に寄り添いながら細かなニーする。内閣府の SIP（戦略的イノベーション創ズにひとつひとつ対応していくような，いわゆ造プログラム）で進めている農業データ連携基るボトムアップ方式である。ボトムアップ方式

盤 3)は，多様な技術提案で試みられている農業

は，コストはそれほどかからないが，技術力，ICT サービスやデータを共通のプラットフォー

人手，時間が必要とされる。当所と新潟県農業ム（農業データ連携基盤）で構築しようという総合研究所園芸研究センターで連携して進めてもので，注目すべき取り組みである。SIP は平いる機器開発の手法はボトムアップ方式に該当

成 29 年 8 月に協議会を設立し，平成 31 年 4 月

し，今後もこの方式を活用しながら継続して参を目途に本格サービス提供が計画されている。

入支援に取り組みたいと考えている。

2.2.2 県内企業の動向
県内の製造業に関して，すでに農業分野への3.2 技術的課題と対策
農業分野への ICT 導入は既存技術の応用が参入を果している企業，および自社で植物工場主である。技術的課題としては，低コスト化やを稼働させている企業を調査した。いずれも，信頼性向上があげられ，センサについても低コ

自社としての収益源となる柱の事業を農業分野

スト化，高耐久性の付与は重要な課題である。

以外で持ちつつ，まだ収益には結びつかないが，

ここで，あらゆるセンサをインターネットへ接農業分野に参入し，そこでしか得られないノウ

続する技術である IoT（Internet of Things）が活

ハウを蓄積しているという印象を受けた。農業

発化していることから，センサおよびその周辺

分野は，はっきり言って儲かっていないという技術分野の技術動向について，IoT の技術は注調査した企業からの正直な話があった一方，農視していくべき分野であると考えている。

業現場で要求される仕様のセンサの開発が重要で，自社開発したいという話がみられた。

4.

工業技術総合研究所の取り組み

4.1 試作した計測装置
平成 28 年度は 9 機種，平成 29 年度も 9 機種の計測装置を試作した。装置は，Raspberry Pi− 108 −

ワンボードマイコンを基本とし，イントラネッ

4.2 排水重量 EC 計測装置
植物の植えられたプランタにおいて，タイトなどの LAN の構成ばかりでなく，スタンド

マで定時に給水された後の排水の重量と EC

アローンでも使用可能な装置とした。また，計（Electrical Conductivity：電気伝導度）を測定

測に加えて制御もできる装置としており，エッするため，排水重量 EC 計測装置を試作した。

ジコンピューティングに関する検討を試みた。

装置の全景を図 1 に示す。プランタから出る排例として平成 29 年度に試作した計測装置につ

水は排水受け容器の中に貯えられ，重量と EC

いて以下に述べる。

が 測 定 さ れ て Raspberry Pi に 記 録 さ れ る 。

財団製の Raspberry Pi と呼ばれる組込み Linux

Raspberry Pi は定時に電磁弁を開き，排水受け
容器の中に貯えられた排水を放流する。
取得したデータの推移を図 2 に示す。横軸はRaspberry Pi
計測・制御回路
SSR

ﾌｫｰｸ型
水分ｾﾝｻ

時間軸で，計測期間は 1 月中旬の 1 週間である。

排水受
け容器

縦軸左側の目盛りは排水温度を，縦軸右側の目

白色は昼間，灰色は夜間を表している。また，
盛りは排水の重量と電気伝導度を示している。
実験では，毎日 3 回給水したため、排水重量のグラフには毎日 3 段の変化がみられる。夜間に電磁弁を開くので，その直前の重量がその日の排水重量である。

電磁弁

電子秤
図1

本装置でデータ収集を積み重ねることで，プランタやポットなどの園芸施設の様々な栽培環

装置の全景

温度

電気伝導度

図2

計測したデータ例− 109 −

重量

境における給水量などの適正値の導出が期待できる。気温と排水量の相関をみることで，例え

6. 結言（1）農業分野においても，IoT，AI，CPS，

ば気温の高い日は排水量の減少が予想されるの

ビッグデータの波が押し寄せており，各で，給水回数を日に 3 回から 4 回に増やすとい社各様のアプローチがみられる。

った，より有用な制御に利用できると考えられ（2）UECS や農業データ連携基盤は，各社各様のアプローチを束ねられる可能性を秘る。

めており，今後も注視したい。

農作物の生育は広い環境で何年にもわたって長期的なデータ計測を積み重ね，記録し，生育（3）農業分野へのIoT 展開には，エッジコンの状態や気候の状態などを過去の記録と比較しピューティングについて注目していく必ながら生育の改善を試みるようなクラウド的な要がある。

制御が必要な一方で，日照量や気温に応じて給（4）農業分野へのICT活用では，農林水産省，

水量を変更するなど，末端での短期的な制御も経済産業省，文部科学省の競争的資金へ必要である。そのような制御は近年エッジコンの応募が考えられ，農林水産省においてピューティングとして注目され，農作業者の大は幅広い連携とコーディネート役が必要

きな負担軽減になるものと期待されている。

となる。

以上は試作した計測装置の一例である。今後，（5）試作した計測システムを用いてデータ計

データ計測を重ね，それらの解析結果から得ら測を継続しながら，今後もデータ分析にれる技術的課題を明らかにしながら，よりよい

ついて様々な検討を試み，調査研究に取

農作物の育成，およびそれに活用できる計測装

り組みたい。

置の開発につなげていきたい。
参考文献
5.

1）https://www.kantei.go.jp/jp/singi/keizaisaisei/pdf/

研究テーマの提案

本調査研究事業で求められる成果に，競争的

keikaku_honbun_180206.pdf，産業競争力

資金への応募がある。経済産業省所管の競争的の強化に関する実行計画（2018 年版），

資金事業（例えばサポインなど）における研究「内閣府ホームページ」，平成 30 年 3 月

連携体の構成は，製造業が中心となり，理論的

27 日．

裏付けを担当する大学，それらの間で成果物の2）https://uecs.jp/，「ユビキタス環境制御シ測定や試験・応用研究などを担当する当所といステム（Ubiquitous Environment Control

ったように，少ない組織で構成される場合が多System）ホームページ」，平成 30 年 3 月

い。農林水産省の競争的資金事業 4)の場合は，27 日．

農林漁業者や地方公共団体，普及組織を実施主

3）https://wagri.net/，「農業データ連携基盤体に入れるスキームとなっているため，連携体協議会ホームページ」，平成 30 年 3 月

構築にはより幅広い連携と，連携をまとめるコ

27 日．
4）http://www.affrc.maff.go.jp/docs/press/

ーディネータが必要となる。

171205.html，イノベーション創出強化
研究推進事業，「農林水産省ホームペー
ジ」，平成 30 年 3 月 27 日．

− 110 −

調査・報告3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究（第 3 報）
三村

和弘*

須貝

裕之*

遠藤

桂一郎* 馬場

天城

裕子**

片山

聡***

橋詰

大輔**

史則****A Report of Manufacturing Technology Utilizing Three-dimentional Shape Data
MIMURA Kazuhiro*,
AMAKI Yuko**,

1． 緒

SUGAI Hiroyuki*,

ENDO Keiichiro*,

BABA Daisuke**,

KATAYAMA Satoshi***and HASHIZUME Fuminori****言

現 在 ，3D プ リ ン タ を 用 い た 付 加 製 造（Additive Manufacturing，AM）技術は，当初の試作や治具などの製作から，製品製造へ移行している。本研究会において 3D プリンタの現状および動向，活用事例について講演会を実施
し，装置メーカへの訪問，展示会・講習会へも参加し調査を行った。また，H27 年度から継続して調査研究 1,2)活動を実施してきたが，今年度は金属 3D プリンタに注目し，詳細な情報収集を行った。
図1

講演会の様子2． 講演会開催概要
県内企業に 3D プリンタの現状を知っても

開催日：平成 29 年 9 月 7 日

らい活用を促進するために講演会を開催した。

「デジタルものづくりフォーラムの取組み」

最初に今年度の研究会に関して目的と取組み方

下越技術支援センターを説明した後に講演を行った。内容は 3D プリ「3D プリンタの技術解説と最新の活用法」

ンタの造形方式や活用事例（試作・最終製品・（株）リコー

事業開発本部馬場金子

治具・金型），製品設計のポイント，業界動向などの詳しい説明である。その後に実機と造形サンプルについて，現物を手に取り質疑応答を行った。講演会の様子を図 1，実機と造形サン
プルを図 2 に示す。参加者は 35 名であった。

*

研究開発センター**

下越技術支援センター***

中越技術支援センター****

素材応用技術支援センター

図2− 111 −

実機と造形サンプル

大輔
高氏

3． 調査内容トップ型の金属 3D プリンタがある。これは，3.1

材料として金属に樹脂を混ぜたロッド状の材料

市場動向

3D プリンタは基本的に 7 つの造形方式に分を用いて造形を行い，その後に焼結炉に入れて類される。しかし，最近は基本をベースにした樹脂を焼失させて製作するもので，価格も安価

新しい方式の 3D プリンタも開発されている。

である。

今後，さらに用途開発や新材料の研究により新
しい方式の 3D プリンタが開発されると思われ

3.2.2

金属３Ｄプリンタに使われる粉末材料

る。また，全世界での産業用プリンタの販売台

金属 3D プリンタの造形に際して原料になる数は，ここ数年，横ばい状態であるが，全体の主な粉末材料を表 1 に示す。一般的にこれらは売り上げ金額は伸びている。これは一台数千万

各装置メーカから専用の材料が提供されている。

～数億円の金属 3D プリンタの販売が伸びてお材料の多くは欧米のプリンタメーカが標準材とり，比較的安価なプリンタの販売が減っている

して提供しているものが日本でも使われているからである。また，国内で販売が伸びていないが，現在，国内メーカは国内市場に適した 3Dのに対し，国外，特に欧米で販売が好調であり，プリンタ専用の材料開発を行っている。材料はその要因として，航空宇宙・医療の市場が伸び

恒温恒湿で保管する必要があり，材料自体も磁ていることが挙げられる。金属 3D プリンタの気を帯びない，粒形が球形である，粒径が揃っ日本での使い方は金型製作が主であり、有効活ているなどが高精度な造形をするための条件と用している企業は，金型製造業よりは，むしろなっている。

成形加工会社が金型を内製するようになった例が多い。ここでは，製作した金型を加工工程に

3.2.3

金属３Ｄプリンタの特徴と課題組み込んで使うため，自社の技術ノウハウを金

金属 3D プリンタによる造形の特徴として，型製作に活かし、成形加工の生産性を上げてい

機械設計の自由度が高く，軽量化や新機能を実る。

現しやすいことが挙げられる。特に機械部品に関しては航空機部品に大きな成果を上げており，

3.2

技術動向

3.2.1

欧米では実用化されている。前述のとおり，日金属３Ｄプリンタの現状

本国内での主な用途である金型製作への適用で

金属 3D プリンタの方式として数種類あるが，は，積層造形と切削加工を組み合わせた複合加

主にパウダーベッド方式（PBF 式）とレーザメ

工機が用いられている場合が多い。課題としてタルデポジション方式（LMD 式）が多くのメは，粉末材料のコストが高い，造形時の残留応ーカから販売されている。PBF 式は金属粉末を力などによる反りの発生および装置メンテナン

敷き詰め，レーザや電子ビームで造形部分を溶スの煩雑さが挙げられる。

融・凝固させる方法である。LMD 式は溶融し表1た金属材料を所定の場所に積層・凝固させて造材質

成分・名称等用途

マルエージング鋼

Ni，Co，Mo

金型，医療

ステンレス

SUS316L 等

機械部品

アルミニウムAlSi10Mg

機械部品

チタン

Ti6Al4V

航空機，医療

インコネル

インコネル 718

航空機，自動車形する方法であり，PBF 式に比べて形状精度は低いが、高速造形が可能であり造形後のパウダー除去が不要である。その他にアーク溶接式などが市販されている。
また最近，注目されている金属 3D プリンタ
として，樹脂系でよく利用される熱溶解積層法

主な粉末材料（FDM 式）をベースにしたシンプルなデスク− 112 −

3.3

県内企業の動向

市場が落ち着いてきた感があり，企業ごとに活3D プリンタの活用状況については，県内で用の仕方に差が出てきている。今年度，金属

も樹脂プリンタで試作や治具製作で活用してい3D プリンタの調査をしたところ，単に装置をる企業は多いが，量産は一部でしか実現されて購入して造形精度を上げるための研究や用途開いない。現在，3D プリンタの試作や導入についての相談は，主として樹脂に限られており，
3D 測定については，3D スキャナによる形状入発ではなく，金属 3D プリンタ自体の開発や新材料開発なども研究対象になることがわかった。
例えば，造形のスピードアップや新しい金属材料を使った製品化も考えられる。また，国内に力とデータ化について説明するにとどまってい

おいては，次世代型 3D プリンタを開発するたる。

めのプロジェクト TRAFAM（技術研究組合次世代 3D 積層造形技術総合開発機構）の活動が3.4

H30 年度で終了するため，順次，新しい 3D プ

各県公設試の３Ｄプリンタ利用状況

産業技術連携推進会議の 3D ものづくり分

リンタが販売される予定であり，既存のものと科会及び国立研究開発法人産業技術総合研究所

比較しながら県内企業に役立つ機種を考慮し，

3D3 プロジェクトに参画し，各県公設試の 3D支援を行うことが可能である。

プリンタの利用状況を把握した。興味深い取り組みについて以下に示す。

新機能や軽量化を検討したときに，設計時のトポロジー最適化技術を用いるのは当然であるが，金属に「しなり」を与えるためにラティス(1) 北海道：青銅粉末利用の積層造形構造を駆使した構造体や傾斜機能材料，異種金(2) 青森県：ゲル素材を用いたプリントの検討

属の造形による製品化も金属 3D プリンタで実(3) 神奈川県：3D プリンタ活用のデザイン支

現可能である。

援(4) 兵庫県：樹脂モデルの鋳型としての可能性

4． 結(5) 同 上 ：加硫ゴム 3D プリンタの研究開発（1）金属 3D プリンタの市場や技術動向は，

言(6) 福井県：造形サポート作製と造形事例試作だけでなく製品化および量産化に向(7) 広島県：3D プリンタ活用コンテスト

かっており，今後，技術開発が進み市場が拡大すると思われる。

3.5（2）金属 3D プリンタの研究として，構造設

切削機能付き金属３Ｄプリンタ

山梨県と栃木県の産業技術センターに国内メ計や材料開発などを進めるときにトポローカ製の切削機能付きの PBF 式金属 3D プリン

ジー最適化，ラティス構造，傾斜機能材

タが設置されているので調査を行った。

料などの技術を複合的に検討する必要が用途は機械部品よりも金型造形として用いるある。

ことが多い。型の内部には 3D プリンタの利点を活かして 3 次元冷却配管を作ることも多く，冷却効率の高い金型製作が可能となる。

参考文献

造形後の後加工で必要なものとしては，サポート材から造形物を切り離すためのワイヤカッ
ト放電加工機や造形物を熱処理するための電気

1）中部 昇他，“3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究”，工業技術研究報告書，45，2016，pp.98-1002）中部炉などがある。

昇他，“3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究(第 2 報)”，3.6

工業技術研究報告書，46，2017，pp.82-84

市場参入時の課題とその対応

数年前の 3D プリンタブームは過ぎ，技術や− 113 −

調査・報告繊維技術を活用した加飾加工に関する調査研究
橋詰

史則*
河原

古畑

雅弘*

*

崇史 山田

渋谷
敏浩

**

恵太*

佐藤

田辺

***

寛

清治*

Research on Decorative Processing Using Textile Technology
HASHIZUME Fuminori*，FURUHATA Masahiro*，SHIBUYA Keita*，SATOU Seiji，
KAWAHARA Takashi*，YAMADA Toshihiro** and TANABE Hiroshi***

1.

緒

言

自動車内装部品や携帯情報端末をはじめとした生活用品分野において，製品表面に高い質感を付与する加飾技術について，昨年度より調査研究を行ってきた 1）。今年度は調査対象分野を拡大し，昨年度から試作を行ってきた金属表面へのテキスタイル接合による質感向上手法の他にも，繊維技術を活用した加飾技術について調

図1

講演会の様子査や試作を行った。それらを基に県内外企業間

講演 1：「革新的加飾工法 TOM（Three dimen-の連携構築を図るとともに，加飾技術の実製品

sion Overlay Method）」への適用を目標に，調査研究を継続して実施し講師：布施真空（株）代表取締役社長

た。

行氏

三浦高

概要：熱成形加工の一つである真空成形が進化
2.

活動概要

した 3 次元表面加飾工法（Three dimension Over-

2.1

研究会の開催lay Method＝TOM 工法）の原理から応用，そし

実際に加飾加工を手掛けている企業から講師て新しく創りだされる市場とその今後についてを招き，加飾サンプルの多数の提示を交えなが紹介いただいた。

ら，技術や素材，対象分野や動向に関して，県

講演 2：「ホットスタンピングによる表面加飾

内企業に情報提供するためのセミナーを開催し，（高級感・意匠性と機能性の付加技術）」

県内企業等 27 社からの 41 名を含む合計 51 名の講師：カタニ産業（株）東京支店営業一課マネ参加を得た。図 1 に講演会の様子を示す。加飾ージャー

加工技術研究会の活動内容紹介も併せて行った。

概要：金銀箔等のホットスタンプ箔と，ホット

講演内容は以下のとおり。

スタンピング工法の幅広い分野での加飾加工の開催日：平成 29 年 10 月 12 日

実績を紹介いただいた。

*

素材応用技術支援センター**

研究開発センター レーザー・ナノテク

研究室
***

2.2

安田雅彦氏

調査

2.2.1

展示会

加飾技術に関連した展示会に 7 回参加し，技

県央技術支援センター− 114 −

術動向の調査を行った。意匠デザインにフォーカスした展示会では，フルカラー3D プリンタの実用化や携帯端末向け金属調加飾，インモール
ド成形による異素材接合などの技術が見受けられた。インテリア用品分野では異素材同士の組合せによる高付加価値化の取組みが数多く提案されていた。自動車関連の展示会では，TOM 工

図2

織鼈甲製チェア

法の普及による加飾フィルムの展開，原料着色（原着）樹脂による加飾の高度化，皮革表面処

カットなどの 2 次加工も可能。他社手法と異な理の多様化と手法の組合せによる高付加価値化，り圧着工程を伴わないため，封入素材の凹凸感，

デジタルシボによる成形樹脂表面処理の多様化，

シワ，織り目等の立体感がそのまま再現される。

などに関する情報収集を行った。

また封入素材（特に絹，綿，和紙の自然素材）に樹脂がよく含浸するため，色に深みが出たり

2.2.2

透明感が出るなどの効果が発現する 2）。図 2 にセミナー

加飾技術に関するセミナーに 2 回参加し，調試作品事例を示す。
後日，県内企業 5 社から収集した生地 7 点に査を行った。
自動車メーカー講師による講演からは，プラスチックによる皮革調や金属調の質感表現高度

よる織鼈甲加工試作を依頼した。2.3.3 に結果を述べる。

化への取組みの紹介があったほか，EV や自動運転技術の普及，ディスプレイ大型化に対応し2.2.3.2

布施真空（株）

た加飾技術の予測，環境規制強化に伴う原着樹

昨年度からの調査で，特に自動車部品分野で

脂加飾の増加などの報告があった。サプライヤ

布施真空（株）が展開する TOM 工法（3 次元表ーによる講演では，TOM 工法の用途展開，原着

面加飾工法）が普及しつつあることが分かって用新規ナイロン樹脂の開発，射出成形技術の高いた。そこで 6 月 30 日に開催された S&T 社セ

度化，スクリーン印刷の特長を活かした加飾技

ミナー「進化する自動車加飾の技術動向」に参術の紹介などの紹介があった。

加し，講師として登壇の三浦社長に挨拶のうえ，
前述の加飾加工技術研究会セミナーにおいても

2.2.3

講師として招聘した。

県外企業調査特長的な加飾技術を有する県外企業 2 社を訪また，（株）大原鉄工所のゲレンデ整備車に問し，技術の調査のうえ，県内企業製品との連ついて，従来塗装による仕上げであった 3Ｄプ

携による試作加工実施に繋げることができた。

リンタ製操作レバー部品に対し，布施真空本社において TOM 工法試作加工を実施し，平滑性

2.2.3.1

京都樹脂（株）（地独）京都市産業技術研究所デザインチーム
木戸次席研究員の紹介により訪問。当該企業が手掛けるアクリル製パネル「織鼈甲（おりべっこう）」は，既製アクリル板の層間に織物や和紙などの素材を設置し，低粘度常温硬化型アクリル樹脂を脱気・含浸し一体化させることによる 3 層構造のパネルである。加熱による曲げや− 115 −

図3

TOM 加工後の操作レバー部品（右）付与や表面質感向上で良好な結果を得た。図 3に結果を示す。今後実装テストを行うなど，正式採用に向け開発を進める予定である。
2.2.4

特許情報調査特許情報は，特許出願中の案件について審査請求すべきかどうかの判断に用いる他にも，企

図4

ニット生地接合プレスサンプル

業などが技術開発を開始する前の研究開発段階
から有効に活用できる優れた情報である。本事

レスを経た後は生地の風合いはかなり潰れてい業においても，テキスタイルと金属の接合によるが，厚みはある程度保持している。ニットのる加飾技術を中心に，加飾技術に関する動向な

伸縮性により破れの発生は無いが，角部周辺がどを把握することを目的に，調査を行った。

一部剥離している。大小の空隙を編目で表現し（ 独 ） 工 業 所 有 権 情 報 ・ 研 修 館 （ INPIT ） がているレース状生地は，その凹凸が SUS 基材に（一社）発明推進協会に委託して実施する「中も転写するという興味深い結果となった。

小企業等特許情報分析活用支援事業」の「研究開発段階」に，「金属，樹脂製製品表面へのテ2.3.2

形状付与した金属基材へのシリコン治

キスタイルの接合による加飾技術」として採択

具によるテキスタイルの熱圧着接合テスト
製品など，既に形状付与された金属基材に対され，下記の調査結果を得た。
対象物を樹脂や金属，加飾材料をテキスタイ

して，新たな金型を用いることなくテキスタイ

ルなどとして検索した特許情報 2,398 件のうち，ルを熱圧着接合する手法について試作を行った。

対象物を金属としたものは 496 件該当した。こ形状に沿って加熱・加圧することを想定して，れらからマップにより動向を調査した。更に

市販の低硬度シリコンシートを使用し，SUS 板「テキスタイルと金属の接合による加飾技術」

上にシリコンシートを複数枚積層して 10mm 程に関係が深いと思われる 16 件を抽出し，内容を度の厚みとしたものの表面に，ポリエステル製精査した。その結果，2.3.2 で述べる，形状付与

ニット生地で全体を覆い，治具とした。この治した金属基材と加飾シートをシリコン治具など具で試料を上下から挟む 1 組を用意した。

で挟んで貼り付ける方式の記載は見当たらず，

シリコンシートの厚みが上下合計 20mm 程度

特許出願により権利化できる可能性が示された。

なので，製品形状は高さ方向に 10mm 程度以下,

ただ追加調査で，加飾技術以外の分野には類複雑形状でないものを対象とした。
3 種類の形状の SUS 製コースターにスエード似の技術があることも確認したため，出願は行生地を接合した。接合自体はできていたが，プわないこととした。

レスの圧力により変形したサンプルもあったた
2.3

め，より低硬度のシリコンシートを使用する必工業技術総合研究所の取り組み

2.3.1

テキスタイルと金属の熱圧着、プレス

要があることが分かった。
鎚起銅器製品を対象にした試作では，店舗展

形状付与テスト
ホットメルトシートを使用して金属とテキス

示用什器を想定した端部に溶断の凹凸のあるプ

タイルを熱圧着接合した後，プレスにより形状

レートと，携帯靴ベラに対し，さらに低硬度の付与する手法について，県内企業提供のニット

シリコンシートを使用して再度治具を作成し実

生地 3 種で試作した。

施した。結果を図 5 に示す。スエード生地と，

図 4 に試作したサンプルを示す。熱圧着，プ

綿帆布生地の 2 種類を使用し，変形することな− 116 −

企業に，表面付加価値向上のため，フロッキー
加工を手掛ける県内繊維企業を紹介した。上記
素材へのテスト加工結果が良好であり，製品化に向け支援を継続する。
図5

インモールド成形加飾用シートの製造を行っ鎚起銅器製品への生地接合サンプルている県内企業の大型量産装置開発に対し，装く接合ができた。特に靴ベラは曲面に沿って接置仕様について助言を行った他，装置設計開発

合することができた。

メーカーを紹介した。

2.3.3

3.

県内繊維企業製造生地による京都樹脂

織鼈甲試作

結

言

（1）加飾技術に関するセミナーを開催した。

2.2.3.1 で述べた技術を活用して県内繊維企業

県内企業 27 社 41 名の参加者に対し，実際

製造生地 5 社 7 点での織鼈甲加工試作を行った。

に加飾加工を手掛ける企業から講師を迎完成サンプルの一部を元生地とともに図 6 にえ，技術の概要や最新動向について情報示す。厚みのある生地で一部気泡が残ったが，提供を行った。

全体的に色彩が濃色方向へ変化し，透過性が加（2）見本市視察やセミナー参加により，技術

わるなど，大変興味深い結果となった。また切動向や市場動向を調査した。また中小企

断加工は通常のアクリル板と同様に行えた。サ

業等特許情報分析活用支援事業への採択

ンプルピースとして各協力企業に返還し，今後，により，加飾技術の特許情報および，テ用途開発や連携の実施などを検討する材料とし

キスタイルと金属の接合による加飾技術

たい。照明器具やパーティションなどのインテの権利化可能性について調査した。

リア関連や，機械加工と組合せて生活用品への（3）県外企業が手掛ける加飾技術についての展開などを図っていけると良い。

訪問調査により，県内企業製品との連携による試作加工実施に繋げた。

2.4

企業間マッチング（4）テキスタイルと金属の接合による加飾技

この他，加飾技術に関して以下のとおり県内

術について，県内テキスタイル製品と金企業と県外企業，県内企業間のマッチングを行属製品の活用による 2 つの手法についてった。

テストを行い，良好な結果を得た。

2.2.3.2 で述べた 3D プリンタ製操作レバー部（5）加飾技術に関する県内企業と県外企業，品への適用の他，航空機内装部品を製造してい県内企業間のマッチングを行った。

る県内メーカーに布施真空（株）を紹介した。
発泡 ABS 材製宝飾品用化粧箱を開発中の県内

参考文献
1）橋詰史則ほか，“テキスタイルと金属の接合による加飾技術に関する調査研究”，工業技術研究報告書，46，2017，pp．99-101．
2）木戸雅史ほか，“京都の伝統素材の意匠を活かしたインテリア関連アイテムのデザイン開発”，京都市産業技術研究所研究報告，
6，2017，pp．27-32．

図6

織鼈甲サンプル（左）と元生地− 117 −

調査・報告ファインバブルに関する調査研究（第 2 報）
内藤

隆之*

星野

公明**

天城

裕子***

山下

亮***

桑原

理絵****

Report of Market and Technology Trend of Fine-buble Technology
NAITO Takayuki*,

HOSHINO Kimiaki** ,AMAKI Yuko*** ,YAMASHITA Ryo***and KUWAHARA Rie****1.

緒
言ファインバブルとは，直径 100μm 以下の気泡

ァインバブルの利用状況について技術動向を報告する。

を総称した呼称である。さらに直径 1μm を境として大きい気泡をマイクロバブルと呼び，小さ

2.

活動概要

い気泡をウルトラファインバブルと呼んで区別

2.1

講習会の開催する。平成 29 年 6 月にファインバブルの用語にファインバブルの利用技術に関する講習会を関する基本規格（ISO20480-1）が発行されてお開催した。講習会の様子を図 1 に，内容を以下

り 1)，ウルトラファインバブルの呼称が徐々にに示す。講演終了後，ファインバブル発生装置

浸透していくものと考えられる。

と計測装置の実演を行った。
開催日：平成 30 年 1 月 23 日（火）またファインバブルは，水中への易溶性のほか，水中で浮遊する気泡（特にウルトラファイ

参加者：14 社 21 名

ンバブル）の存在による効果 2)に特徴があると内されている。しかし，この浮遊する気泡の計測①ファインバブル技術の紹介（粒度分析）は困難であり，今日まで確立され②難加工単結晶材料の超精密研磨加工

容：～ファインバブル水を用いた研磨加工事例～

た粒度分析方法がなく，ISO 化に向けていくつ③ファインバブルを用いた洗浄技術

かの方法が検討されている状況である。
28 年度は，『NIIGATA 開県プロジェクト』に講師：

おける「新潟清酒ブランド構築」に向けた取り①県央技術支援センター

内藤 隆之

組みとして，ファインバブル径計測装置を導入②長岡技術科学大学 准教授

會田 英雄 氏

した。

③新潟大学

牛田 晃臣 氏助教

29 年度は，導入したファインバブル径計測装置の使用事例や，別途導入したファインバブル発生装置で発生させたファインバブル水を当該計測装置で測定した結果を報告する。また，フ*県央技術支援センター

**

企画管理室

***

下越技術支援センター****

中越技術支援センター

図1− 118 −

講習会の様子参加者はファインバブルに関心のある方々でで測定方式が異なる。水面に向けて浮上するマ

あり，複数企業から共同研究などへの前向きなイクロバブルにはフローセルを，水中を浮遊す

意見が得られた。一方で，具体的な活用事例のるウルトラファインバブルには回分セルを使用紹介を多く望む声もあることがわかった。

する。
一般にファインバブルは発生装置から生成さ2.2

せた直後，マイクロバブルとウルトラファイン

技術動向調査

2.2.1

バブルが共存しており，マイクロバブルによりファインバブル径計測装置

ファインバブル径計測について，各メーカから様々な方式（レーザ回折･散乱法，動的光散乱法，粒子軌跡解析法，電気的検知帯など）の計測装置が提案されている。
ファインバブル径計測にあたり，対象物が目視できない大きさのため，気泡なのかコンタミ（粒子状物質）なのか判別できないことが課題となっている。現時点でこの課題に対応できる（気泡とコンタミの区別）装置として，共振式
質量測定法が提案されている。
2.2.2

白濁して見える。マイクロバブルはすぐに浮上して消失するため，発生させながらリアルタイ
ム計測となる。一方，ウルトラファインバブル
はマイクロバブル消失後に計測する。通常，ファインバブル発生直後から 24 時間放置してウルトラファインバブルを計測する。マイクロバブ
ルとウルトラファインバブルの計測例を図 2 に示す。
ファインバブル発生装置の購入にあたり，以下の基準を満たす機種を検討した結果，IDEC(株)製の装置を導入した（図 3）。
・ファインバブル産業会（FBIA）の認証装置。

ファインバブル発生装置

・販売実績がある。

旋回液流方式，加圧溶解方式などの装置が市販品では主流を占めている。一方，これらの方式とは異なる方式の発生装置の開発に取り組む企業が県内にあって，新潟県醸造試験場などに導入されている。また，ガス種（窒素，酸素など）を選択することで様々な用途開発の提案が当該装置によるウルトラファインバブル水の安定性を確認するため，発生させてから常温で24 時間経過後と 1 週間経過後の計測結果を図 4に示す。（なお，得られる分布の個数濃度を比較するため，数値に応じて配色を行った。）

行われているが，県内企業の中には燃焼ガスを

1 週間の常温放置でも計測が安定して行える

導入させる発生装置の開発に取り組む事例もあ

個数濃度を維持できていることが確認できた。

2.2.3

ファインバブルの利用技術

国内外を問わず農業，水処理，洗浄の各分野

濃度（個数）

った。
1x10

6x10

2x10

について，利用事例が先行している。農業分野

5

4

4

5

1

50

10

では主に水耕栽培と養殖が，水処理分野では湖粒子径(µm)

沼･河川の浄化が，洗浄分野では洗濯機（国内(a) マイクロバブル

いる。また，オゾンを用いたファインバブルに関する日独加の国際共同プロジェクトも提案されている 3)。
2.3

濃度（個数）

メーカ民生品）への利用がそれぞれ実施されて
1x10

6x10

2x10

9

8

8

0.1

工業技術総合研究所の取り組み

0.5

1

5

粒子径(µm)

導入した装置によるファインバブル径計測では，マイクロバブルとウルトラファインバブル− 119 −(b) ウルトラファインバブル
図2

ファインバブルの計測例

100

2.4

県の取り組み『NIIGATA 開県プロジェクト』における「新潟清酒ブランド構築」に向けた取組みとして，
新潟清酒へのファインバブル活用を検討するため，新潟県醸造試験場と連携し，酒造りにおけるファインバブル技術の適用を検討している。
また，新潟県水産海洋研究所では，陸上養殖

濃度（個数）

図3
5x10

3x10

ファインバブル発生装置

技術への利用を目的としてファインバブルによる排水水処理を検討している 4)。

9

9

3.
1x10

9

0.5

1

把握することを目的として，ファインバ

5ブル発生装置を導入した。

粒子径(µm)(a)濃度（個数）

言（1）ファインバブルの基礎的な性質について
0.1

1x10

結

（2）ファインバブル径計測では，気泡とコン

24 時間経過後

タミ（粒子状物質）との区別が課題であ

9り，共振式質量測定法が区別できる測定
6x10

2x10

8

法として提案されている。
8（3）計測においてはコンタミ（粒子状物質）
0.1

0.5

1

の有無が大きく影響するため，純水ベー5スのものが望ましい。

粒子径(µm)(b)>11（4）県内では独自方式によるファインバブル

1 週間経過後発生装置を開発・販売している企業があ

0.8 0.6 0.4 0.2 0.2<

り，醸造試験場等への納入実績があった。
（5）醸造試験場と連携し，酒造りにおいてフ個数濃度（×10^9 個/ml）の表示

ァインバブル技術の適用を検討している。
図4

ウルトラファインバブル水の計測結果(6) 本県にはファインバブル技術に取り組む

また，生成させたウルトラファインバブルは大学や企業があり，ファインバブル技術

目視では確認できないため，一般的にグリーンについて連携できる基盤がある。

レーザー光による散乱光路の有無で確認している。確認の様子を図 5 に示す。

参考文献
1) https://www.iso.org/standard/

68187.html?browse=tc
2) 矢部彰ほか，“ナノバブルによる固体微粒子

光

汚れの洗浄”，伝熱，43，183，2004，
pp.16-18.
UFB 水

通常水

3) 第 10 回ファインバブル国際シンポジウム予稿集4) 平成 28 年度新潟県水産海洋研究所年報，

図52018，pp.69-75.

ウルトラファインバブル(UFB)の確認− 120 −

調査・報告微細構造分析による結晶材料の高機能化に関する調査研究
昌幸*

中川

森田

渉*

石井

治彦*

林

成実**

渋谷

恵太***

正道****

近岡田

英樹*****

Report of Technology Trends of Microscopic Structural Analysis of Polycrystalline Material
NAKAGAWA Masayuki*，MORITA Wataru*，ISHII Haruhiko*，HAYASHI Narumi**，SHIBUYA Keita*** ，CHIKA Masamichi**** and OKADA Hideki*****

1.

緒

大手材料メーカーや大学をはじめとした研究機

言

低コスト化，高品質化による国際競争力向上

関などにとどまっていた状況から，材料のユーの必要性から，接合，組立の工程を削減し，複ザーにも広がることが予見される。地域におけ

雑な成形加工に置き換える加工技術の開発が求る中小製造業が材料の高機能化を検討し，製品められている。材料内部の結晶粒内ひずみ，ナの高付加価値化を目指す取り組みを支援するたノ・マイクロスケールの結晶相変態，結晶方位め，このような EBSD 測定技術の調査と活用

変化，またそれらの分布により材料全体の機能

分野についての啓蒙を目的として，調査研究を性に与える影響を理解し，活用することが，製実施した。

品の付加価値機能向上に寄与すると考えられる。
そのような微細構造分析のひとつとして，

2.

活動概要

EBSD（電子線後方散乱回折法）による結晶解2.1

セミナーの開催析がある。結晶相分布，結晶方位解析，ひずみ

EBSD による結晶材料解析は，現状では未だ分布解析により，さまざまな加工履歴により形

一般的な解析技術とは言い難い。そこで，成された微視組織（微細構造）の状態を評価す

EBSD とはどのような原理で何が分かるのか，ることができる。

という基礎を紹介するために「EBSD の基礎」

EBSD は電子線照射により生ずる回折情報をと題して平成 29 年 10 月 17 日にセミナーを開検出し，結晶解析を行う装置である。電界放出催した。2 名の講師をお招きし，解説いただい形電子銃の高性能化や解析の高速化により，結た。

晶方位分布だけでなく，微小ひずみ分布の評価(1)「EBSD の基礎などアプリケーションも広がりを見せている。

事例)」

このことは従来 EBSD 解析の活用範囲が主にオックスフォード・インストゥルメンツ(EBSD の原理とその解析(株)プロダクトマーケティンググループ*

下越技術支援センター**

中越技術支援センター

森田

博文

氏

(2)「EBSD 法による組織解析」***

素材応用技術支援センター

富山大学

****

上越技術支援センター

柴柳

*****

研究開発センター− 121 −

工学部

敏哉 氏

材料機能工学科教授

企業からの参加は 10 社 16 名であり，アンケートの回答では，12 名は EBSD について聞いたことはあるがデータの見方は知らない，また 2 名は知らなかったということで，ほとんどの参加者が EBSD にはなじみがなく，今回基礎から学びたいという意図での参加であった。
内容については，EBSD が結晶解析ということ
で，結晶構造や方位について少々専門的な部分があり，内容の難易度が高いのではないかと心図1

EBSD 測定の模式図

図2

菊池パターンの例

配されたが，全体的な感想についてのアンケー
トでは，分かり易かった，勉強になった，など
概ね好評をいただいたようである。
2.2

技術調査

2.2.1

FE-SEM/EDS/EBSD による微細構造分析

エネルギー分散形元素分析（EDS）や EBSD
による分析を行う場合，単位時間当たりの検出
感度を得るためには，より高エネルギーの電子ビームを用いることが有利となるが，反面ビー
ム径が大きくなるため分解能が低下する。このため電子銃のタイプとしては，高分解能な電界
放 出 形 で ， 数 百 nA と い う 大 電 流 を 流 せ る
ショットキー電界放出形電子銃が適していると考えられる。
2.2.2

EBSD 測定

EBSD 測定におけるいわゆる菊池パターン 1)は照射された電子ビームがブラッグの条件によ（a）電解 Cu 箔

り反射された回折像である。そのパターンをある結晶構造として解析し，結晶方位を同定するのが EBSD 測定である。図 1 に EBSD 測定における電子ビーム，試料，検出器の位置関係の模式図を示す。電子ビームが円錐状に回折しスクリーンには帯状のバンドとして投影される。実際には複数の結晶格子面で同様なバンドが生じるため，検出器のスクリーンには複数のバンドが重なり合ったパターンとして投影される。図（b）圧延 Cu 箔

2 に菊池パターンの一例を示す。このパターン
を指数付けすることにより結晶方位が同定され図3る。このような測定を矩形のエリアでマッピン− 122 −

Cu 箔の EBSD 測定（IPF-Z 方位マップ）

グ測定を行うことにより，結晶方位分布を取得することができる。図 3(a)，(b)に圧延 Cu 箔，
電解 Cu 箔の EBSD 測定による結晶方位分布（IPF-Z）をそれぞれ示す。電解 Cu 箔は粒径5µm 未満の細かい結晶からなっており，結晶
配向はあまり見られない構造となっているのに対し，圧延 Cu 箔では，結晶粒界が不明瞭で方位マップの変化がグラデーション状となっており，微視的な塑性ひずみが導入されていると考

図4

断面イオンミリングのマクロ観察えられる。このように EBSD 測定では同じ Cu

より電解液が必要であり，処理が不均一になり箔であっても製造プロセスによる微細結晶構造やすいのに対し，イオンミリングでは単一材料の違いを評価することができる。

であれば，ミリングレートに応じた条件により比較的均一な加工が可能である。

2.2.3

結晶方位差によるひずみの解析

完全結晶内においては，原子は規則的に配列

3.

工業技術総合研究所の取り組み

しその方位は同一となる。しかし，実際の結晶

3.1

イオンミリング加工

内には不純物や転位などにより局所的に結晶格

EBSD 測定の前処理技術であるイオンミリン

子が歪み，わずかな方位差を生じる。さらに塑

グ加工を検討した。本報告では，一例として表性変形が加わると転位が増殖し，転位密度が大面薄膜の断面ミリング加工の事例を示す。供試

きくなるため，同一結晶内における局所方位差材は金属基材上に製膜した Y2O3 の薄膜であり，が大きくなる。図 3(b)の圧延 Cu 箔においては膜厚は 100～200nm 程度である。図 4 に供試材

方位マップのグラデーション状の変化がこれにの断面をイオンミリング加工したマクロ観察像相当する。このことを利用し，EBSD 測定におを示す。薄膜の表面側からイオンビームを照射ける局所方位差測定により，加工による塑性ひ

したが，表面と断面のエッジをイオンビームのずみ領域 2 ）や疲労，クリープなどの材料損傷

ダメージから保護するため，薄膜表面にはエポ評価への適用3）が試みられている。

キシ接着剤を塗布した。
図 5 にイオンミリング加工後の薄膜断面の2.2.4

EBSD 測定の前処理

SEM 観察結果を示す。100nm～200nm 程度の

EBSD 測定では個々の測定点において，正確皮膜が基材上に形成しているのを確認できる。

な結晶の指数付けを行うために明瞭な菊池パ
ターンを取得することが必要である。そのためエポキシ接着剤には測定表面を平坦に仕上げるだけでなく，研磨などよる加工変質層を取り除く必要がある。
EBSD 測定における菊池パターンはせいぜい深皮膜

さ 40nm までの情報であると言われている。そのため機械研磨の最終仕上げには，例えばコロ
イダルシリカの粒径 50nm のものが推奨されて基材いる。また，最終仕上げには，加工時に物理的な力がほとんど作用しない電解研磨やイオンミリング加工が有効である。電解研磨では材質に− 123 −

図5

薄膜断面の SEM 観察このような薄膜の断面ミリング加工においては，
エポキシ接着剤などで表面を保護し，薄膜側から断面ミリング加工を行うことにより，ダレの少ない断面を得ることができる。
3.2

EBSD による皮膜の方位マッピング

物理蒸着法（PVD）による製膜において堆積する皮膜の優先配向により，硬さなどの特性

γが変化する。EBSD では皮膜の結晶方位，結晶サイズを測定できるため，製膜条件の最適化や

図 8 ブラスト処理された SUS304 表面の EBSD

皮膜の品質評価に有効に活用することが可能である。図 6 に超硬チップ上にコートされた TiN
皮膜の方位マップを，図 7 に方位マップから求めた極点図を示す。表面の法線方向に向かって（110）面が配向していることが確認できる。
3.3

EBSD 測定による 2 相金属の相マッピング

EBSD 測定では，複数の結晶相で構成される

測定（γ/α’相マップ）測定した γ 相と α’相のマッピング結果である。
このように EBSD 測定では，顕微鏡のスケー
ルで相変態を評価することが可能である。
4.

言

今後の EBSD 測定の活用促進の第一歩として，基本原理と測定事例を分かり易くできる。図 8 はブラスト処理したオーステナイ
研磨した後，イオンミリング加工し，EBSD で結（1）「EBSD の基礎」セミナーを開催した。

材料において，結晶相マップを取得することがト系ステンレス鋼 SUS304 の表面を，平坦にα’紹介し，概ね好評を得た。
（2）EBSD 測定の前処理として，特にイオンミリング加工について技術調査を行い，さまざまな試料に対する加工条件を検討した。
（3）EBSD 測定による微細構造解析手法の一例として，TiN 皮膜の結晶方位マップ，
SUS304 における γ/α’の相分布マップを評
価した。
参考文献
1) 大槻，“帰ってきた「菊池パターン」”日本物理学会誌,No.30, 1975, pp. 321-329.

図6

TiN 表面の EBSD 測定（IPF-Z 方位マップ）

2) 中川，林，“超音波キャビテーション処理により形成される表面加工層の評価法に関す る 研 究 ” 工 業 技 術 研 究 報 告 書 ,No.42 ，2013，pp.79-82.
3) 日本材料学会

高温強度部門委員会,“第一回 EBSD 法による損傷評価講習会
資料”,2017.
図7

TiN 表面の EBSD 測定（極点図）− 124 −

講習会

調査・報告ナノセルロースに関する調査研究
田辺

寛*

毛利

敦雄**

林

成実**

石井

治彦***

岡田

英樹**** 櫻井

貴文****

Report of Market and Technology Trend of Nanocellulose
TANABE Hiroshi*，MOURI Atsuo**，HAYASHI Narumi**，ISHII Haruhiko***，OKADA Hideki**** and SAKURAI Takafumi****1.

緒

4 団体，計 43 名となった。

言

ナノセルロースは，植物細胞壁の骨格を成す成分であり，一般にはセルロースナノファイバ

開催日：平成 29 年 9 月 15 日

ー（以下，CNF）及びセルロースナノクリスタ

会場：県央技術支援センター

ル（以下，CNC）の総称を指す 1)。ナノセルロ（講演 1）「第一工業製薬におけるセルロース

ースは，パルプ（植物繊維）をナノサイズまで

ナノファイバー研究のこれまでとこれから～実

細かくほぐす（解繊）することで得られ，近年，用化事例と最新の開発状況～」

製紙メーカーや機械メーカーが量産化プラント

第一工業製薬（株）事業本部

レオクリスタ事を製造して製造量が増加する一方で，現状での

業部

氏

用途は，おむつやヘッドフォンの振動板などの（講演 2）「あいち産業科学技術総合センター

紙製品やポールペンのインクに限られており 2)，における CNF の取組について」用途開発の途上にある。

あいち産業科学技術総合センター

当所では，ナノセルロースの用途開発を目的

ンター

専門課長

後居

主任研究員

洋介

森川

研修室

豊

産業技術セ
氏

として，県内企業への情報提供のための講演会を開催するとともに，技術動向や県内企業のニ

聴講者のアンケート結果では，CNF の機能にーズを調査した。また，最終的に県内企業のニ関し，フィラー用途としての興味が多く，次い

ーズに基づいた CNF に関する研究テーマを当所で粘度向上，吸着性となっていた。一方，製品の共同研究事業に提案した。

への適用可能性を聞く設問では，樹脂やゴムへのフィラー，塗料の粘度向上，建設資材への添

2.

活動概要

加，食品添加剤などが挙げられており，幅広い

2.1

講演会の開催分野で CNF の適用可能性を検討していることが県内企業に対しナノセルロースの概要や最新の技術動向を情報提供するために講演会を開催した。講演テーマ及び講演者は以下のとおりで，講演会の様子を図 1 に示す。参加者は，19 企業*

県央技術支援センター**

中越技術支援センター***

下越技術支援センター****

研究開発センター

図1− 125 −

講演会の様子うかがえた。

所とともに，樹脂複合化工程の開発を進め，研究開発の過程で CNF の化学修飾や変性パルプの2.2

技術動向調査利用など，様々な進展を遂げながら現在に至っ

ナノセルロースに関する技術動向や市場を把ている。現状の複合化プロセスでは，2 軸押し握するため，学会などの各種団体や国，都道府出し機を利用し，疎水化した乾性パルプを樹脂

県などの行政機関が主催するセミナーや展示会，と混合して，押出機の中で解繊しながらマスタ

勉強会に参加し，最新の技術動向や製品への適ーバッチを製造するのが特徴で，繊維のナノ化用を行ううえでの技術的課題を調査した。

と樹脂への均一分散が同時に行えることを利点

CNF は，パルプ等の植物繊維から得られるが，としている。平成 28 年からは，同大学も参画す

近年は，酢酸菌等の微生物により CNF が合成さる環境省の NCV（ナノセルロースビークル）モれることが分かっており，北海道大学などが研デル事業において，自動車部品への CNF 添加樹究を進めている。また，CNF に関連した材料と脂の実証試験が実施されており，成果が注目さして，キチンナノファイバーがある。キチンは，れる。

カニなどの甲殻類の外皮から得られる物質であ

CNF を製品へ適用する上での課題の一つは，るが，キチンナノファイバーはカニ殻などを精最適な CNF の選択である。CNF は大きく分けて製及び粉砕処理することで得られる。CNF の工機械解繊と化学解繊が存在し，製品への適用時

業的な製造方法としては，パルプから製造するに特性の違いが見られるため，その特徴を把握

CNF が中心になることは間違いないが，パルプしたうえでの選択が必要になる。また，県内企を解繊し得られる CNF でも機械解繊と化学解繊業の調査では分散性の悪さを指摘する声も多く，

では特性が異なることから，用途に最適な CNF

分散度合いの評価も AFM や FE-SEM などの高価を選定する必要がある。

な設備で行う必要があり，課題の一つである。

ナノセルロースの安全性については，米国をさらに，製品への適用の際は，CNF を原料その中心に網羅的かつ系統的な検討が進んでおり，ままで使用することはほとんど無いと考えられ，

米国内ではそれらを既に学会などで公表済みで

CNF の化学修飾などを含めた最適化を行う必要

標準化しようという動きがある。日本国内でも，があり，技術的なハードルが高くなる。

この動きに追随するための受け皿が必要となり，（国研）産業技術総合研究所が事務局となって2.3

県内企業のニーズ調査

いるナノセルロースフォーラム内に分科会を設

ナノセルロースに関心のありそうな県内企業

置し，検討が行われた。分科会では，リスク評を訪問して，CNF に関するニーズ調査を行った。

価のストラテジー（順序）を検討して，日本で全体では 16 企業・2 団体を調査した。以下に調のリスク評価の実施例を公表している。なお，

査の結果から判明した CNF に関するニーズおよ

実際の安全性評価は，個別の企業などにて実施

び適用可能性の一部を記す。

する。

塗料の分野において，CNF は塗料の粘度向上

CNF と樹脂との複合化については，自動車向や塗膜の強度向上に寄与できる可能性がある。

けの樹脂への適用に向けての開発が進められて県内の塗料メーカーでは，CNF を無機系塗料におり，展示会などでの CNF メーカーによるサン

添加することで，透明性を確保するだけでなく，プル展示は散見されるが，量産化はされていな

乾燥後の塗膜強度の保持を期待しており，CNF

い。CNF と樹脂との複合化技術は，京都大学がの塗料へのニーズを確認できた。

草分けであり，当該技術は「京都プロセス」と桐箪笥の表面処理では，撥水塗料，蝋（ろう）呼ばれる。同大は（地独）京都市産業技術研究の塗布による撥水・防汚処理が一般的であるが，− 126 −

撥水防汚機能の強化や耐久性向上が望まれてお本実験で使用した使用した塗料が紫外線吸収剤

り，CNF を使った新しい機能性コーティングがを含有するために耐候性が高く，ナノセルロー

期待されていた。

スの耐候性への寄与度を上回ったため，詳細な一方で，CNF が自然由来の材料であるが故の評価が困難になったことが原因と思われる。

ばらつきがネックとなり，電子材料では採用が難しいとの指摘や高いコストが製品に適用する

2.5

上での障壁となるとの意見があった。

公募事業への提案

県内企業のニーズ調査の結果から，CNF は木製品や紙製品の機能性コーティングにニーズが

2.4

工業技術総合研究所の取り組みあると判明した。さらに企業との連携の中でコ

県内企業のニーズ調査において，塗料に関すーティング剤の開発を進め，その機能性も確認るニーズが見受けられたことから，調査研究にできたことから，CNF に様々な機能性成分を付おける取り組みの一つとして，ナノセルロース

加した機能性コーティング剤の開発をテーマにを添加した塗料の耐候性試験を行った。

掲げ，当所の共同研究事業への提案を行った。

塗料を塗布する基板は SUS304 とし，塗料は，
透明ウレタン系 1 種類，透明ウレタン系塗料に

3.

白色着色剤を加えたもの 1 種類，無機系塗料 1（1）県内企業に対しナノセルロースの概要や種類を使用し，それぞれの塗料に CNF，CNC，最新の技術動向を情報提供するために講

カルボキシルメチルセルロース（CMC）を添加

演会を開催し，19 企業 4 団体，計 43 名のして基板に塗装し，キセノンウェザーメーター

参加があった。

結言による 1,000 時間の耐候性試験を実施した。一（2）各種 CNF の製造技術の開発が進み，安全例として CNF を添加したウレタン系塗料の試験

性評価などの標準化が国主導で進められ前後の外観を図 2 に示す。耐候性試験後の各塗ている。一方，用途開発においては，樹料は、塗装後に見られたつやが消失しており，

脂との複合化技術の開発が進められていウレタン系塗料では白化が見られたが，黄変はるが，実用化には至っていない。

観察できなかった。塗膜の評価は，表面硬さ，（3）ナノセルロースに関する県内企業のニー

摩耗度合い，接触角，色の変化，表面粗さを実ズ調査から，塗料や木製品などへの適用施したが，ナノセルロースを添加することで耐にニーズがあることが分かった。

候性が向上する根拠は得られなかった。これは，（4）CNF に様々な機能性成分を付加した機能
性コーティング剤の開発をテーマに掲げ，

CNF 添加ウレタン系塗料
試験前
試験後

当所の共同研究事業への提案を行った。
参考文献
1）ナノセルロースフォーラム，“トコトンやさしいナノセルロースの本”，日刊工業新聞社，2017， pp.16-17.

白化2）https://unit.aist.go.jp/rpd-mc/ncf/all/product.htm
l，ナノセルロース商品化情報，ナノセルロ
ースフォーラムホームページ.

図2

耐候性試験前後の塗膜の外観（試験後は点線内を参照）− 127 −

調査・報告ディープラーニングの産業利用の事例紹介
宏*

大野

五十嵐

晃**

小林

豊*

佐藤

健**

好勝***

松本

Case study of industrial use of deep learning
OHNO Hiroshi*,

IKARASHI Akira**，

KOBAYASHI Yutaka*，

SATOU Takeshi**and MATSUMOTO Yoshikatsu***1.

緒の向上，とりわけ GPU（Graphics Processing Unit）

言

人工知能の一分野であるディープラーニング

を利用することで，多層のネットワークの計算が注目され，産業利用のための研究開発が進めが可能となり，認識率が向上した。なお，3 層られている。特に，画像認識分野では従来技術以上のニューラルネットワークの学習をディー

より高い認識性能を達成し，実用化が進んでいプラーニングと呼ぶ。

る。

1)

工業技術総合研究所は，昨年度から講

3.

ディープラー二ングによる一般物体検出

演会やディープラーニングのツールの使い方の多層化された CNN は，特徴を抽出する畳み込講習会を開催し，個別企業からの相談に応じてみ層（Convolution Layer）と位置ずれを吸収す

製造業での活用の支援を行っている。

る プ ー リ ン グ 層 （ Pooling Layer ） か ら 成 る 。

本報告では，ディープラーニングによる一般
物体検出の産業利用の事例を紹介する。

CNN は一枚の画像に何が写っているか認識することは得意であるが，一枚の画像に複数の物体が写っている場合，それぞれの物体が何で画像2.

ディープラー二ングの概要

中のどこにあるかを示すことはできない。画像ディープラーニングの元となるニューラル

では複数の物体が写っている場合が多いので，ネットワークは，生物の神経網を模した構造を

この CNN を拡張し，どのような物体が画像中のしており，その起源は 1943 年にマカロックとどこにあるか抽出する R-CNN（Regions-CNN）

ピッツが単一の神経細胞の動作をモデル化した

5)が提案された。この方法は，画像全体で対象

ニューラルネットワー

を探し CNN で特徴を抽出し，サポートベクター

クの研究は隆盛と衰退を繰り返し，1998 年に画マシンで認識するという手法が取られており，像認識に適した CNN（Convolutional Neural Net-

計算に時間がかかった。この欠点を改良し処理work） 3) がルカンらによって提案された。これ

速度を高速化した Fast R-CNN6)，Faster R-CNN7)は，1982 年に福島が提案したネオコグニトロンが提案された。その後も GPU でリアルタイムに

4)

一般物体検出を行う YOLO（You only Look once）

ことにさかのぼる。

2)とほぼ同じ構造になっている。その後もや SSD（Single Shot MultiBox Detector）9)が提ニューラルネットワークの研究でいくつもの成8)果があり，2011 年頃から音声認識や画像認識の案された。特に YOLO のバージョン 2 は高速かコンテストで圧倒的な成績を収めて注目される

つ高精度で物体を検出し，ソースコードが公開ようになった。近年のコンピュータの処理速度されている。10)*

中越技術支援センター

検出した事例を示す。

**

研究開発センター***

上越技術支援センター− 128 −

図 1 に YOLO で複数の物体を

物体クラスと候補領域

入力画像

検出結果
自転車

車
代表クラス

図1
4.

YOLO による物体検出例

図2

一般物体検出プログラム YOLO

YOLO による物体検出の概略

手順書を作成し，希望者に配布している。

R-CNN では画像中の物体の候補領域が非常に多数となり，1 個ずつ推測を行うことに時間が

5.

産業利用事例

かかっていた。一方，YOLO では候補領域の切YOLO を活用した産業利用の事例として，工り出しと推測を同時に行うため非常に高速であ

場内の機器の状態把握について紹介する。図 3

る。YOLO による物体検出の概略を図 2 に示す。

に示すとおり，工場内の機器にはパトランプが画像全体を 7×7 のグリッドに分割した後，各グ付いていて，その稼働状況を表示している。赤，リッドでの物体クラスと候補領域を算出し，同橙，緑の 3 色のパトランプの場合，赤点灯は異時に各グリッドの代表クラスを算出する。これ

常発生，橙点灯は運転準備中，緑点灯は正常運らの結果を統合し，NMS（Non-Maximum Sup-

転などを示す。複数のパトランプを 1 台のカメ

pression） で 出 力 矩 形 を 選 択 し て 出 力 す る 。

ラで撮像し YOLO で解析すれば，複数の機器のGPU を使うことで毎秒 30 フレームの動画像に稼働状況を把握できる。実際に赤，橙，緑の 3も対応できる。ただし，画像をグリッドに分割

色のパトランプの画像を多数取得し，消灯，赤するため小さな対象の認識は不得意である。

点灯，橙点灯，緑点灯の 4 種類にラベル付けし，

YOLO は C++でプログラムされており，これYOLO で学習させてパトランプの検出モデルをを使用するために，YOLO のソースコード，こ作成した。実際に検出した結果を図 4 に示す。

れをコンパイルするための Microsoft Visual Studio，画像処理ライブラリーOpenCV をインストールする。また，NVIDIA 社の GPU を使う場
合は同社が提供している CUDA をインストールする必要がある。
YOLO を実行して対象を検出するためにはモデルが必要になり，開発者の学習済みモデルをダウンロードすると，人，乗り物，動物などが検出できる。また，自分で検出したい対象がある場合，その画像を多数用意してモデルを作成する。これらの手順は，YOLO のソースコードが掲載されているホームページに記載されている。また，工業技術総合研究所は分かりやすい− 129 −

図3

機械の稼働状況を示すパトランプ

（a）消灯（b）赤点灯（c）橙点灯（d）緑点灯図4

YOLO によるパトランプの検出

結果として，消灯，赤点灯，橙点灯，緑点灯を

出 YOLO の概要について説明した。

正しく検出できた。ただし，周辺の照明が変わ（2）工場内で撮像した画像に YOLO を適用し，るとパトランプの見え方も変わるので，周辺のパトランプの検出から機器の稼働状況を

照明が変わった時の画像を学習用に加える必要把握する方法について紹介した。

がある。
その他に，YOLO はコンベア上を流れるワー
クの検出，良品と不良品の判別などに使うこと

参考文献
01）分部，“画像認識の極みディープラーニン
グ”，2017，pp.12-30．産業開発機構（株）ができ，当所では、共同研究や受託研究を行い，企業からの個別の相談に対応した。また，これ

02）W. S. McCulloch and W. Pitts，“A logicalまでは 2 次元画像の認識に適した CNN を主に利

calculus of the ideas immanent in nervous ac-

用してきたが，時系列データの認識や予測に適

tivity”，Bulletin of Mathematical Bi-

した RNN（Recurrent Neural Network）の産業利

ophsics，vol.5，No.4，1943，pp.115-133

用にも取り組んでいる。

03）Y. LeCun, et.al，“Gardient-based Learning
Applied to Document Recognition”，Pro-

6.

結

ceedings of the IEEE， vol.86，No.11，

言（1）ディープラーニングを使った一般物体検− 130 −

1998，pp.2278-2324

04）K. Fukushima and S. Miyake，“Neocognitron:

07）S. Ren, et.al，“Faster R-CNN:Towards real-

A new algorithm for pattern recognition tolerant

time object detection with region proposal netof deformtions and shifts in position”，Patternworks”，In Conference on Neural Information

Recognition， vol.15，No.6，1982， pp.455-469

Processing Systems，2015．

05）R. Girshick, et.al，“Rich feature hierarchies08）J. Redmon, et.al．“You Only Look Once:for accurate object detection and semantic seg-

Unified, Real-Time Object Detection”，Inmentation”，In Computer Vision and Pattern

Computer Vision and Pattern Recognition

Recognition IEEE Conferece on，2014，

IEEE Conferece on， 2016．

pp.580-58709）W. Liu, et.al，“Single Shot MultiBox Detec-06）R. Girshick, et.al，“Fast r-cnn”，In Inter-

tor ”，In Computer Vision-ECCV，2016．

national Conference on Computer Vision IEEE

10）https://github.com/AlexeyAB/darknet，2017
年 10 月 30 日

Conferece on，2015．

− 131 −

工 業 技 術 研 究 報 告 書№47

平成29年度

平成30年6月

発行

編集発行人

新 潟 県 工 業 技 術 総 合 研 究 所

所〒950-0915

在地

新潟市中央区鐙西1丁目11番1号
TEL
印

刷

所

株式会社

025−247−1301

サンバーストにいがた
TEL025−231−0077