工 業 技 術 研 究 報 告 書
Report of the Industrial Research Institute of NIIGATA Prefecture No.45 2015

No.45 平成 27 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 28 年 6 月

目

Ⅰ

次

研究論文
１．フェライト系ステンレス鋼の窒素熱処理に関する研究 ・・・・・・・・・・・・・

3

２．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・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11
３．マルチスケールシミュレーションによる CFRP 製品の機械特性評価に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17
４．決め押し加工シミュレーション技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 25
５．人工光リーフレタス栽培における遠赤色光が生育と品質に及ぼす影響・・・・・・ 32

Ⅱ

ノート
１．LIB 用タブリード材製造工程におけるリード材表面皮膜処理のインライン化・・・ 39
２．超精密微細加工技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 41
３．超高張力鋼板加工技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 44
４. 高硬度材切削用被膜の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46
５．高圧クーラントによる析出硬化系ステンレス鋼の高能率旋削加工・・・・・・・・ 48
６．チタンアルミ合金の切削加工技術開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 51
７．真空装置用ステンレス製大型容器の多様な形状に対応する新加工技術の開発・・・ 54
８．シミュレーションを用いた不等ピッチメタルソーにおける刃型最適化設計
技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 57
９．高出力の熱音響エンジンの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 59
10. 異種金属材料の非溶融接合技術の開発 ～アルミニウムと鋼板の接合～ ・・・・ 62
11. 簡易なグレースケールマスクを使用したリフロー法によるマイクロレンズアレイの作製・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 64
12. 人工光レタス栽培における反射材が光強度と生育に与える影響・・・・・・・・・ 68
13. 低温排熱用スターリングエンジンの理論的側面からの理解と実現可能性に関する検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 71
14. 鋼材の球状化焼鈍しについて・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 73
15. レーザ顕微鏡および粗さ測定機による表面粗さの比較・・・・・・・・・・・・・・ 77
16. ヌープ硬さ試験について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 82
17. ビデオ伸び計による変位測定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 84

18. 蛍光Ｘ線分析における FP 法定量分析の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・ 87
19. イオンミリング法による電子顕微鏡観察用断面試料の作製・・・・・・・・・・・ 91

Ⅲ

調査・報告
１．3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究・・・・・・・・・・・・98
２．熱音響機関に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・101
３．炭素化繊維利用に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・104
４．精密微細加工技術の分析分野への応用に関する調査研究・・・・・・・・・・・・107
５．新材料創生に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 111
６．ビッグデータを活用したものづくりに関する調査研究・・・・・・・・・・・・・ 115
７．センシング技術の農業分野への応用に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・118※ 平成 27 年度に実施した研究 130 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−

研究論文フェライト系ステンレス鋼の窒素熱処理に関する研究
三浦

一真*

岡田

英樹**

Study on Nitrogen Heat Treatment of Ferritec Stainless SteelMIURA Kazuma* and OKADA Hideki**
抄録

フェライト系ステンレス鋼の代表的な鋼種である Fe-16~18Cr（SUS430 以後，Fe-18Cr）の耐食性向上を目的に窒素熱処理に関する研究を行った。素材を窒素雰囲気で処理したところ，窒素含有率は処理温度とともに高くなり，1100℃で最大 0.6 mass%もの窒素が添加された。1100℃で処理した場合は処理前に比べ硬くなり，処理後の組織はオーステナイトとマルテンサイトの 2 相からなることが明らかとなった。耐食性はオーステナイト系ステンレス鋼の代表鋼種である Fe-18Cr-8Ni と同等程度の耐食性レベルを確保した。

1.

緒

フェライト系ステンレス鋼が数種開発された 2)。

言

ステンレス鋼は耐食性を向上させる目的でこのような状況のもと，我々はステンレス

ク ロ ム （ Cr） が 約 11mass%（ 以 後 mass%を 省

鋼の特性を改善するための添加元素として，資略）以上添加した鋼をいい，家庭用，建材，一源的制約がなく安定供給可能でステンレス鋼の般機械，産業機械，化学・食品プラント，車局部腐食である孔食を防止する元素の一つであ

両・自動車などの輸送機器，電気機器など多方る窒素に着目し，誘導加熱と真空ガス置換によ面の分野で用いられ，先端分野，腐食環境製品

る窒素熱処理技術を開発した 3)～5)。この技術をを中心に要求される特性が厳しくなっている 1)。

用いて，Fe-22Cr の高 Cr 系フェライト系ステステンレス鋼は従来からオーステナイト系

ンレス鋼の窒素添加に関する研究を行い，約を中心に希少金属であるニッケル（Ni），モ

1%の添加で金属組織がフェライトからオースリブデン（Mo）を含んだ鋼種が多く存在する。

テナイトに変態し，耐食性をはじめとする優れ

さらに，最近では耐食性，加工性，溶接性の改た特性を見出すとともにいくつかの知見を得て善を目的にニオブ（Nb），チタン（Ti）をはいる。

じめとする希少金属を微量添加した鋼種が数多

これに加え，さらに流通量が多く，価格もく開発されている。ところが，これらの希少金

安定な Fe-13Cr 中心のマルテンサイト系ステン

属は有限で，産出地域が偏在しており，価格もレス鋼や Fe-16～18Cr 中心のフェライト系ステ

変動しやすい。

ンレス鋼の付加価値を高めることを目的にこれステンレス鋼は2006～2007年にかけて，Niの高騰によるオーステナイト系の価格上昇と鋼ら Cr 系ステンレス鋼の窒素添加に関する研究を行っている 6)～8)。
我々は，ステンレス鋼のなかで最も使用さ材不足を招き，代替鋼種として，18Cr以上のれているオーステナイト系の代表鋼種である* 中越技術支援センター

Fe-18Cr-8Ni の代替を目的に Fe-16～18Cr のフ** 下越技術支援センター

ェライト系ステンレス鋼の窒素添加の研究に着−3−

手し，金属組織に影響のない焼き鈍し温度域でよる脱脂洗浄後，リン酸系溶液による酸洗と無の処理について研究を行った。その結果，金属機系溶液による処理を行った後，サンプルを炉

組織や硬さに変化はないものの，窒素の添加量

内に設置し，真空排気によるガス置換を行い，はわずかであり，耐食性の改善はわずかであっ窒素ガス充填後，大気圧窒素雰囲気にて加熱をた 8)。そこで，Fe-18Cr-N 系について窒素の含開始した。所定の処理温度に到達した後，最長有率と温度を変えたときの金属組織の変化を計

で 1h 保持した。加熱終了後は窒素ガスで冷却

算状態図で予測するとともに，熱処理温度を高した。処理温度は 600～1150℃とした。

温域を中心に広範囲に拡大した。本報告では窒処理後の板材について，波長分散型蛍光Ｘ

素熱処理温度と窒素含有率との関係および耐食線分析装置（S8 TIGER 4kW，（ブルカー・エ

性との関連について研究を行い，得られた研究

イエックスエス(株)製）を用いて検量線法に結果と実用化へ向けての課題について述べる。

よる窒素の定量分析を行った。また，金属組織は，表面に近い部分について鏡面まで研磨を行

2.

実験方法

い，金属顕微鏡（オリンパス光学工業(株)製，

2.1

窒素熱処理

BX-60M-53MB），走査型電子顕微鏡（日本電窒素熱処理に用いた素材はフェライト系ス子(株) 製，JSM-6060A）による組織観察や X

テンレスの代表鋼種で SUS430 に相当する Fe-

線回折装置（(株)リガク製，RINT-UltimaIII）

18Cr であり，化学組成を表 1 に示す。この素における相同定を行うとともに，マイクロビッ

材は特性改善を目的としたレアメタルなどの微カ ー ス 硬 度 計 （ ( 株 ) 明 石 製 作 所 製 ， MVK-

量添加元素を含んでいない。

G2500）による硬さ測定を行った。

窒素熱処理は誘導加熱方式の真空ガス置換機構付加熱装置（SK メディカル電子(株)製，

2.2

耐食性評価方法

MU-1700D）で行った。装置外観を図 1 に示す。

耐食性の評価は孔食電位を測定する試験

処理可能なサンプルの大きさは 50×50mm まで（JIS G 0577『ステンレス鋼の孔食電位測定方である。本研究では厚さ 0.8mm の板材を用い法』に準拠）を行った。図 2 に試験装置の概略

た。処理手順は，前処理として，有機系溶液に

図と実験装置の外観を示す。
試験用サンプルは試験前に耐水研磨紙#600

表1

処理に用いた素材の化学組成（wt.%)

鋼 種C
Fe-16Cr 0.05

Si
0.27

Mn
P
S
Cr
Mo
0.14 0.023 0.003 16.14 0.03

で研磨を行った後，アセトンで洗浄し，硝酸による不動態化処理を行った。試験前に 1cm2 のR.E ポテンショ

スタット

W.E

PC

C.E
N2ガス

塩橋（ＫＣｌ寒天）

参照電極（S.C.E)
ルギン管

気泡管
作用極 対極（Ｐｔ）

図1

真空ガス置換機構付加熱装置

図2

−4−

試験装置概略と装置外観

電極面を確保し，それ以外をエポキシ樹脂にて

3.1

窒素熱処理プロセス

コートし乾燥後，試験面を再度#600 の耐水研

窒 素 熱 処 理 プ ロ セ ス の 研 究 に 先 立 ち ， Fe-

磨紙で研磨し，サンプルを電解槽内にセットし18Cr に窒素の添加量を変化させたときの温度た。試験溶液は 5.5%NaCl 水溶液を使用し，脱による金属組織の予測を目的にする熱力学計算

気は高純度窒素ガスを用いて行った。設定液温により状態図を作成した。

は 30 ℃ で あ る 。 ま た ， 電 位 掃 引 速 度 は
20mV/min に設定した。

図 3 は状態図計算ソフト「Pandat」と熱力学データを用いて，Fe-18Cr に窒素を添加した時

試験は電流値の変化を見るものである。典の横軸に窒素濃度，縦軸に温度をとり，１気圧型的な変化は，電位を上げると途中で電位の変のガス（N2 ） 相を考慮した垂直断面平衡状態化にかかわらず電流値が一定になる不動態域に図である。この状態図によると，焼き鈍し温度入り，さらに電位を上げたときにある電位で急の上限値である 850℃以下では基材は bcc（フ激に電流値が高くなる。この電流値が立ち上がェライト）であり，窒素は窒化物（Cr2N）とる際の電位が孔食電位であり，このとき素材がして存在することが予想される。900℃を超え激しく溶け出して食孔が形成される。この電極てくると，窒素が 0.2%あたりから fcc（オースに発生した食孔をデジタルマイクロスコープ

テナイト）相が現れる。図中太字で囲んだ部分（(株)キーエンス製，VHX2000/1100）を用い

が fcc 単相領域となる。1000℃に温度を上げたて観察した。さらに，耐食性メカニズムの解明

場 合 ， 窒 素 が 0.2 ～ 0.4% で fcc 相 と な り ，には，ステンレス鋼の耐食性に関係する不動態

1100℃まで温度を上げた場合では fcc 領域で最皮膜（酸化皮膜）に着目し，この皮膜を含む表

大 0.6%の窒素添加が予測される。図 3 の状態

面について，グロー放電発光分光装置（GD-

図で示された温度と窒素含有率変化に伴う相変

OES：(株)堀場製作所製，GD-Profiler2）と X

化を参考に量産設備の常用上限温度を考慮し，線光電子分光分析装置（XPS，サーモフィッシ

検討範囲を 600～1150℃として窒素熱処理を行ャーサイエンティフィック(株)製，K-Alpha でい，処理温度と窒素含有率との関係を調査した。

分析を行った。

その結果を図 4 に示す。温度が高くなるにつれて，窒素含有率は高くなる。800℃で窒素含有

3.

結果と考察

率は約 0.1%，1000℃で約 0.4%，1100℃では

図4
図3

Fe-18Cr-N の垂直断面平衡状態図

窒素熱処理における温度と窒素含有率との関係（処理時間：1h）−5−0.6%となった。900～1100℃にかけての急激なで処理した図 6(a)をよく見ると，以前の研究で窒素の増加は bcc 相から fcc 相への金属組織変は確認できなかった微細な点が散在している 8)。

化が影響していると考える。窒素熱処理後の金代表的な点 A 部分を EDS 分析したところ，窒属組織を解析したところ，処理温度が 800℃ま素が 4.6%，Cr が 62.1%，Fe が 28.6%であった。

では金属組織はフェライトであり，硬さも 150

分析値そのものは半定量で軽元素である窒素の～ 175HV0.1 の 範 囲 で 板 材 の 規 格 値 で あ る

分析感度も低くなっているため，実際には窒素200HV 以下となった。これより処理温度を高の含有率は分析値よりも高いと考える。分析結

くすると，窒素含有率，硬さとも高くなってい果より，微細な化合物は Cr 窒化物と思われる。

く。900℃の場合は，フェライトに加え一部オ

それに対して，1100℃処理した図 6(b)では，

ーステナイトやマルテンサイトが晶出し，硬さ(a)で観察された微細な化合物は観察されなかも 400HV0.1 を大きく超える。図 5 は Fe-18Cr

った。したがって，添加された窒素は固溶してフェライト系ステンレス鋼を 1100℃で 1h 窒素いると考える。

熱処理を行った後の組織の X 線回折パターン

本研究では窒素熱処理前に処理前の脱脂・洗および金属組織を示す。窒素含有率が 0.6%の浄・酸洗を行った。この一連の前処理により，1100℃で処理した場合の X 線回折結果では、最表面の汚染層は除去され，さらに，不動態皮

fcc と準安定相のα'（マルテンサイト）が固定

膜も一定厚さ除去されている可能性がある。本

され，マルテンサイト変態が起こってα'相が研究で用いた熱処理設備は真空排気～窒素ガス

一部発生したため，520HV0.1 と非常に硬くなっ

導入を 2 回行うことで酸素をはじめとする不純た。

物ガス濃度を低く抑えていることから，サンプ

窒素熱処理後の金属組織における窒素の挙

ルからのアウトガスの影響は少ないと考える。

動を調べるために，鏡面研磨面について高倍でSEM 観察を行った。結果を図 6 に示す。800℃

図5

窒素熱処理後の組織の X 線回折

図6

パターンおよび金属組織

電子顕微鏡による窒素熱処理後の金属組織観察結果−6−したがって，800℃で 0.1%弱の窒素が添加されているのは前処理の効果によるものと考えられる。その一方で平衡状態図と熱力学計算からフェライト相における窒素の固溶限は含有率の1%にも満たないほど低い。したがって，添加された窒素のほとんどは窒化物として存在していると考える。
処理温度が 1000～1100℃の高温域では表面状 態 の 影 響 は 受 け に く い と 考 え る 。 800 ～1100℃で 0.4～0.6%の窒素含有でオーステナイ
ト単相領域に入る。窒素熱処理後窒化物は形成

図7

孔食電位測定結果と食孔観察の一例

されないが，オーステナイト単相ではなく，一部マルテンサイトが認められ，硬度も500HV0.1 を超えた。

窒素含有による孔食電位の増加，すなわち耐食性の向上は窒素が寄与すると考えられるが，その原因を解明するため，ステンレス鋼の耐食

3.2

孔食電位および表面分析結果性に関係する不動態皮膜（酸化皮膜）に着目し，JIS 準拠の孔食電位測定結果であるアノード
分極曲線を図 7 に示す。1100℃で窒素熱処理しこの皮膜を含む表面について，GD-OES と XPSで分析を行った。

た Fe-18Cr（図 7(D)）と比較のための未処理材

図 9 は GD-OES による Fe-18Cr 材（未処理材，（図 7(A)）、およびオーステナイト系ステン

窒素熱処理材）の分析結果で表面からの深さプレス鋼である Fe-18Cr-8Ni（図 7(B)，SUS304

ロファイルを示す。図 9 の上段は Fe，Cr，O，に相当）と Fe-18Cr-12Ni（図 7(C)，SUS316 にC の深さプロファイルで未処理材の例である。

相当）の結果を示す。

なお，窒素熱処理したものについても同様のプ

アノード分極曲線において，電流値が立ち

ロファイルを示すことから，今回は未処理の例

上がる際の電位が孔食電位であり，このとき素を示した。表面の C の立ち上がりは汚染膜に材が激しく溶け出し図 7 の写真に示す食孔が形由来するものと考える。O と Cr，Fe のプロフ成される。窒素熱処理後の窒素含有率が約

ァイルより不動態皮膜は 5nm 弱形成されてい0.6%である 1100℃処理材(D)の孔食電位の値はる。下段は窒素の深さプロファイルを示し，未0.23V であり，未処理材(A)(0.1V)を大きく上回

処理，800℃，および 1100℃処理の結果を示す。

り，Fe-18Cr-12Ni（図 7(C)，0.32V）には及ばないものの，Fe-18Cr-8Ni(C)と同等(0.21V)であった。
図 8 は孔食電位と窒素熱処理温度との関係をを示す。それぞれの温度で 3 回の測定を行った。
処理温度が 1100℃の場合は，孔食電位は 0.20
～0.25V であるのに対し，処理温度が低くなると電位は低くなり，900℃，1000℃ではばらつきが見られた。処理温度が 800℃の場合は未処理の場合よりは高いものの，その差は小さくな
図８

っている。

−7−

窒素熱処理温度と孔食電位との関係

これより，処理により不動態皮膜中に窒素が含いるとは断定できないのに対して，1100℃処有している。1100℃処理ではバルクと同じ約

理では窒素のピークが明瞭であることから，不0.6%窒素濃度を示すが，800℃処理の濃度は低動態皮膜中に窒素は固溶していると考える。
オーステナイト温度域である 1100℃の窒素

く，未処理よりわずかに高いレベルとなってい

熱処理で約 0.6%の窒素が添加された。この値る。
不動態皮膜の化学結合に関する情報を得るたは Fe-18Cr-N の垂直断面平衡状態図における上めに極表面近傍の不動態皮膜部分について限値と一致している。ステンレス鋼の耐食性はXPS による分析を行った。図 10 に Fe-18Cr の最表面から数 nm に存在する不動態皮膜による未処理材に関して最表面から 1.5nm（酸化タン
タル換算）の Fe (Fe2P) , O (O1s)，および Cr(Cr2p) の分析結果を示す。これより，ステンレ
ス鋼の不動態皮膜を主に構成している Cr 酸化物，Cr 水酸化物の他に Fe の水酸化物，酸化物が同定され，不動態皮膜には Fe 系の酸化物・水酸化物が含まれることがわかった。
図 11 は 800℃処理(a)と 1100℃処理(b)の表面から同じ 1.5nm 深さの窒素の表面分析結果を示す。(a)，(b)ともに窒化物を示すピークはなく(a)，(b)ともに 397eV 付近に窒素のピークを示している。800℃処理ではそのピークはノイズレベルであり，不動態皮膜中に窒素が存在して

図9

Fe-18Cr 材の GD-OES 深さプロファ
イル（上段：C、O、Fe、Cr（未処理）下段～N：未処理材と窒素熱

図 10

処理材）

−8−

XPS による未処理材表面分析結果

もので主に Cr 酸化物や Cr 水和物から構成されFe-18Cr ステンレス鋼の窒素熱処理に関する

るが，Fe 系の酸化物や水酸化物も認められる。

研究例は少ない。加圧雰囲気での窒素熱処理でステンレス鋼の耐食性は素材に含まれる Cr，オーステナイト化による耐食性改善の例がある

Mo，窒素の含有率に密接に関係し，%Cr＋3.3

が，その場合も素材の硬さは高くなっている

×%Mo＋ｎ×%N（N：窒素，ｎ：8～30：多11),12)くは n=16）で求められる孔食指数(PRE)が高いができれば硬さや組織を処理前と同等で耐食性ほど高くなるが，これは不動態皮膜に起因するをあげることが可能となる。今後更なるプロセものと考える

。孔食指数の Mo や窒素は固9),10)。不動態皮膜のみに窒素を固溶させる処理

ス開発が必要と考える。

溶しているものが対象でこれらの元素の固溶により，破壊された皮膜の修復機能や皮膜自体が4.

耐久性が増すものと考える。化合物（例えば窒（1）Fe-18Cr 系ステンレス鋼を窒素熱処理を化物）は耐食性向上に寄与せず，腐食環境が厳行ったところ，処理温度とともに窒素含しくなると，局部腐食の起点になる懸念がある。

有率は上がり，1100℃の処理で最大 0.6%

処理温度を下げると窒素含有率が低くなり，皮の窒素が添加される。焼き鈍し温度域の膜中に固溶される窒素が減少するとともに一部

800℃では 0.1%以下となった。

窒化物になるため，耐食性改善の効果は薄れる。

結言（2）1100℃の処理材の金属組織はオーステナ
イトとマルテンサイトの 2 相からなり窒素の含有率の増加はオーステナイト相の現500HV を超える硬さとなる。

出によるが，一部マルテンサイト相が現れるた
め硬くなる。一般にステンレス鋼の Cr 組成が（3）窒素熱処理材の耐食性は窒素含有率と相低くなるとマルテンサイト変態を起こす傾向に関がある。窒素含有率が 0.6%を示したある。

1100℃処理材の孔食電位は処理前を大きく上回り，Fe-18Cr-8Ni オーステナイト系
ステンレス鋼と同等であった。
（4）窒素処理材の表面分析を行ったところ，
窒素はバルク中の含有率とほぼ同じ割合
で不動態皮膜中にも固溶して存在しており，これが耐食性向上の要因と推察される。
なお，本研究の一部は（国研）科学技術振興機構からの委託研究「研究成果展開事業 研
究成果最適展開支援プログラム(A-STEP)，平成 27 年度 FS ステージ探索タイプのテーマ「窒素添加によるクロム系ステンレス鋼の耐食性向上に関する研究」中で行った。ここに記して謝意を表す。
参考文献

図 11

XPS による窒素の表面分析結果

1）根本力夫，“ステンレス鋼の選び方・使い方とトラブル対策”，（株）情報技術セン−9−ター主催講演資料，2007，pp.8-21．

潟県工業技術総合研究所研究報告書，No.42

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2013，pp.19-25．
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技術総合研究所研究報告書，No.44，2015，
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4)5)9) 松橋透，高橋明彦，梶村治彦，“Mo フリー

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属学会誌，Vol.79，No.7，2015，pp.376-383．
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ter-national，Vol.47，2007，pp.479-485．

系ステンレス鋼の実用化研究”，新潟県工12) 福島県ハイテクプラザ：“窒素固溶によるス

業 技 術 総 合 研 究 所 研 究 報 告 書 ， No.41 ，テンレス鋼の高機能化に関する研究開発”，

2012，pp.14-21．

平成 20 年度福島県ハイテクプラザ研究報告

7) 三浦一真，林成実，“汎用クロム系ステン書（公募型新事業ﾌﾟﾛｼﾞｪｸﾄ），2009，pp.135．

レス鋼の窒素吸収処理に関する研究”，新− 10 −

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
阿部

淑人*

大野

宏**

長谷川

直樹***

中部

昇***

木嶋

祐太****Development of Virtual Showcase for Worldwide Promotion of Traditional Handicrafts
ABE Yoshito*，OHNO Hiroshi**，HASEGAWA Naoki***，NAKABE Noboru*** and KIJIMA Yuta****抄録

質感の高い伝統的工芸品の販売を支援するためのバーチャルショウケースの開発を行っている。企
画から設計・製造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成果を活用して，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観察できるシステムを構築することとした。
本年度は，総務省

戦略的情報通信研究開発推進事業（通称 SCOPE）の採択を受けた 3 ヵ年の研究開発計画の初年度として予備実験やプロトタイプ試験などを実施した。主に，全体概要および個々の技術要素の研究開発構想と当面の研究成果について報告する。
1.

緒

本研究開発は，伝統的工芸品を，イツでもド言

新潟県の伝統的工芸品は，村上木彫り堆朱やコでもウェブ・ブラウザなどから自由に製品画

新潟漆器，燕鎚起銅器など 13 地域で 16 品目が像が見られ，製品を高い質感再現性で疑似展示指定されている。品目数は全国で第 2 位の地位できるバーチャルショウケースの実現を目的とであるが，生活スタイルの変化や人口減少などする。サーバにデジタルコンテンツとしてのバにより需要は減少傾向にある。また，一方では，

ーチャル製品を全数揃えることで，各提携ショ

後継職人の確保や早期育成という人材面の課題

ップ内に当該商品の在庫がなくても顧客や売主もある。

は正確なアピアランスを把握することができる。

国内市場の縮小に対する策として，広く海外

また，この延長線上には，ユーザが直接ウェに販路を求めることが急務となっている。伝統

ブサイト上で製品ページを見て購入できる電子的工芸品について，世界各地に製品フルライン

商取引（EC）の為のオンラインカタログや，さナップのショウルームを設置することには，コらにはオンラインカスタマイズ（ユーザ自らウ

ストの増大や輸送あるいは在庫の確保など様々ェブサイト上で形状や模様などを自在にアレンな困難が伴う。その解決には，ICT（情報通信

ジして発注）などへの発展形が期待できる。ま技術）を活用し，CG によるバーチャルショウ

た，製造業者は単品生産のデジタルアーカイブ

ケースを構築することが効果的であると考えた。

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どにも活用できる。

*

素材応用技術支援センター

前記の目的に対して，平成 23～24 年度に創造**

下越技術支援センター

的研究で取り組んだ「質感の測定技術・表現技***

研究開発センター術の研究」1) 2)の成果をベースとして，コンテン****

中越技術支援センター

ツの生成に係る技術と，鑑賞・操作に係る技術− 11 −

カメラモジュールについて研究を開始した。開発要素ごとに分割
遮光フレーム

すると，
A 写実的コンピュータ・グラフィックス 3) 4)に

試料ステージ

必要なテクスチャマッピングのためのマッ
プデータの分析・合成をおこなう「テクスチ
ャツール」
B 写実性を高めるために背景画像モデルを取図1

得する「バックグラウンドツール」

撮像デバイスC ウェブ経由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」

D 汎用のパネルディスプレイ表示に代えて，より臨場感や拡張現実感・没入感が高く表示できる「プレゼンスツール」の 4 つになる。A と B はコンテンツとなる CGの素材生成にかかる技術で，C と D はユーザがディスプレイで CG を鑑賞する際の表現力と操作性にかかる技術である。これらを開発し，シ

図2

木製テストピースのカラー点群データ

ステム全体として 3 年後に実環境下で試験運用
図 1 は，撮像デバイスの外観である。陰影のできることを目標としている。

ない色彩画像および光沢画像を取得することと，
2.

単眼カメラで凹凸情報を算出するためのステレ
単眼カメラで凹凸情報を算出ためのステレオ画研究開発内容前記の 4 つのツールについて順に列記する。

オ画像を取得することを目的としたものである。
像を取得することを目的としたものである。外外乱光を遮蔽するためにアルミ箔を貼付したア
乱光を遮蔽するためにアルミ箔を貼付したアク

2.1

クリル半球を外部に設け，その内側には散乱光
リル半球を外部に設け，その内側には散乱光をテクスチャツール

テクスチャツールは，伝統的工芸品を CG でを照射するための半透明半球を内蔵した。半球照射するための半透明半球を内蔵した。半球の再現する際に必要な色彩・模様データ（テクスの天頂部には開口を設けて，カメラモジュール
天頂部には開口を設けて，カメラモジュールに

チャマップ）を生成するためのサブシステムでによって試料ステージに載せたテストピースを
よって試料ステージに載せたテストピースを撮ある。

撮像できるようにした。2つの半球の間には拡像できるようにした。2 つの半球の間には拡散

開発目標は，実製品同様の模様を施したテス

散照明として機能するための高演色性
LED光源
光
照明として機能するための高演色性 LED

トピースを専用の撮像装置で実写し，それを計源を上向きに装備した。また直射式の方位照明を上向きに装備した。また直射式の方位照明と算機に取り込んで解析することで，自動的にとして機能するための高演色性
LED
光源を，
半
して機能するための高演色性 LED
光源を，半透

CG で使用するテクスチャマップ（色彩マッ

透明半球の斜め上方に開口して装備した。
明半球の斜め上方に開口して装備した。

プ・光沢マップ・法線マップ）を生成できるシ

図 2 は試験的に木製のテストピースを撮像しステムを構築することである。なお，CG 合成て得られた画像から模様の色彩と凹凸を取得しに必要な形状データ(3D データ）については，た結果を図示したものである。撮像後に光学式の 3 次元スキャナなどによって製品その

1024×1024 画素を切り出してからステレオ画像

ものから取得するか 3 次元 CAD ソフトウェア

マッチングを行って凹凸情報を算出するのに，（または CG の 3 次元モデリングソフトウェア）

CPU クロック 2.4GHz の PC で 11 分 30 秒を要で造形することとした。

した。
今後，点群データからメッシュデータへの効− 12 −

テストピース

実画像
色彩マップ

図4

光沢マップ

法線マップ

複合模様のテストピースと生成結果た写真と，それを元に生成した打叩位置情報，
その位置に金鎚で打叩するようにして画像処理して得た法線マップを示す。単純鎚目について
は，適切に打叩位置を発生することで自動合成が可能となった。複雑な模様については，加飾中心位置特徴形状による領域分割などいくつかの分析合成手続きが必要であり，今後の課題である 5)。
図 4 には，複合模様の鎚目を有するテストピースと，そのために専用に書き下ろしたソフト
ウェアで生成したテクスチャを示している。
個々にソフトウェアを書き下ろすことなく自動的に生成できるようにすることが目標である。
また，本研究課題では，燕鎚起銅器のほか村
上木彫堆朱と新潟漆器も対象にしているが，過合成した法線マップ
図3

去に開発したテクスチャからの進展がなかった

鎚起銅器の打叩模様

ためここでは説明を省略する。

果的な変換方法などを検討し，実際の伝統的工2.2

芸品模様を施したテストピースによって多数の実画像データを蓄積する予定である。

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撮像した画像を元にして，テクスチャマッピ

周画像取得を目的としたサブシステムである。

ングに使用する色彩マップと光沢マップと法線

大衆に向けて配給上映される商業映画やコマー

マップの 3 画像を生成することが必要で，それシャルフィルムにおいても CG による VFX（バぞれの画像は大表面を覆った際にもつぎはぎとーチャル・エフェクツ）の利用は枚挙に暇がな

ならないように循環対称であることが求められ

く、外周など背景画像についてはイメージ・ベる。

ースト・ライティング（IBL）やイメージ・ベ

図 3 には鎚起銅器の典型的な鎚目模様を写しース・トレンダリング（IBR）という技術を利− 13 −

用して実写画像とCG 画像が融合されている。
用して実写画像と融合されている。大規模な映
大規模な映像プロダクションでは数百万円～数
像プロダクションでは数百万円～数千万円程度
千
万ノ
円ラ
程マ
度カ
のメ
パラ
ノ（
ラ例
マえ
カば
メラ
（例えば
のパ
PanoScan®
や
PanoScan®やSceneCam®，iStar®など）を用い
SceneCam®，iStar®など）を用いて周囲の背景て周囲の背景画像を取得しているが，これらは画像を取得しているが，これらは極めて高額な
極めて高額な装置であるため，より安価な装置装置であるため，より安価な装置で撮像できるで撮像できることと，室内などの近景を対象にことと，室内などの近景を対象にするため距離
図5するため距離データの同時取得をめざした。
データの同時取得をめざした。

全周撮像デバイス

3 カ年計画の初年度の目標としては，ステレ
オカメラなどによって簡易的に外周の距離画像と色彩画像および光沢画像を取得するための予備実験を完了することを掲げた。
図 5 には，Ricoh 社製の THETA S という 2 眼式全周画像カメラ（画像サイズは 360°×180°:
5376×2688 画素）を 2 台縦列配置したデバイスを示している。これを用い縦列ステレオとなる
図6

全周画像を取得して距離画像の生成を試みた。

全周画像

図 6 は，会議室のテーブル上に撮像デバイスを設置して取得した全周画像の例である。床には長机と椅子が多数配置されていて，これらの形状が正確に取得できれば，外周画像と製品画像を合成する際に背景と製品の位置関係がずれることが少なくなる。
図 7 は，上下ステレオ画像から算出した距離データを元に外周形状を生成したものであるが，
図7

距離データの不正確さに由来する歪みと，雑音

算出した外周形状

的な凹凸が認められることから改善が必要であのプロトタイプソフトウェアを制作した。当研る。

究所内の LAN 環境下に用意した既設のウェブ
2.3

サーバに，ゲームエンジンで制作したアプリケ

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ーションソフトウェアと，製品の形状データ・

製品の形状データとテクスチャデータそして外

テクスチャデータを格納し，LAN 経由で別の周データを元に写実的 CG を簡便な操作で見らPC からウェブ・ブラウザで製品の CG を表示し，れるようにするシステムである。一般的な PC

着せ替えや視点移動などの操作ができるようにやスマートフォン，ゲームコンソールなどのウした。

ェブ・ブラウザに表示できるように開発を進め

図 8 には，制作したソフトウェアで，図 4 にている。今期はゲームエンジンと呼ばれるソフ

示したテクスチャを表示した結果を示す。表示

トウェア開発ツールを用いて，リアルタイムに装置側でのリアルタイムレンダリングであるが，写実的な CG を表示し製品やテクスチャの変更

マッピングとパラメータの調整により概ね良好

あるいは視点の移動などができるサブシステム

な表示ができるようになった。今後，機能性や− 14 −

色彩マップのみ適用

図9

レンダリング結果

光沢マップも適用

金属パラメータを調整
図8

テクスチャマッピング結果

操作性に関する開発の進行と合わせて表示品質と表示速度の一層の改善も行っていく予定であ
図 10る。
図 9 には，急須の形状データにテクスチャをヘッドマウントディスプレイとジェスチャデバイス

マッピングして表示した様子を示した。マウス
操作などによって視点移動などを容易に試すことができ，FullHD 解像度で 30 フレーム毎秒程度のスループットが得られた。また，4K 解像度のテレビジョンモニタに出力した場合にも 7 フ
レーム毎秒程度のスループットが得られた。今後は，表示品質の向上をはじめとして品目・デ
図 11ータの登録管理など多くの機能追加を行うこと

HMD への手の表示を予定している。
ために，プロジェクションマッピングやヘッド

2.4

マウントディスプレイを活用する表示システム

プレゼンスツール

プレゼンスツールは，通常のパネルディスプ

である。

レイ表示よりももっと写実性や没入感を高める− 15 −

図 10 に示したようなヘッドマウントディス

プレイ HMD（Oculus-Rift DK2）とポインティン

D 汎用のパネルディスプレイ表示に代

グデバイス（Leap Motion）を用いて，ハンドジ

えて，より臨場感や拡張現実感・没入ェスチャによって視点を変更する没入型表示に感が高く表示できる「プレゼンスツー

ついて検討した。現状では 20FPS 以上のフレール」

ムレートが出ているため，視点や視線の移動は（3） 初年度は，過去の研究 1) 2)の成果と課題をストレスなく行うことができた。フレームレー

もとに主に予備実験や基礎検討を行なっ

トと独立の問題として，自然な印象を目指して，た。

図 11 に示したように被験者の手を模擬的に表（4） 次年度以降は，今年度の成果をもとに研示すると逆に違和感が出ることがわかった。

究開発を本格化する予定である。

今後は，距離情報付き全周背景画像を適用した場合フレームレートの低下が懸念されるため，なお，本研究は，総務省から戦略的情報通信

10 フレーム毎秒を下回らないための手法につ研究開発推進事業（SCOPE）平成 27 年度課題

いて検討を行い，併せてプロジェクションマッ

名「伝統的工芸品の世界販売戦略を支援するた

ピング方式のプレゼンスツールの開発にも着手

めのバーチャルショウケースの研究開発（課題する。

番号 1654467）」として委託をうけたものである。

3.

結

参考文献

言

（1） 伝統的工芸品を始めとする質感製品のバ

1)

阿部，中部，橋詰，“質感の測定技術・表現

ーチャルショウケースを構築するための技術の研究 ”，工業技術研究報告書，No.42，

技術開発を開始した。

2013，pp.68-71.

（2） 3 カ年の研究計画で以下の 4 つのパート

2)

阿部，中部，橋詰，“質感の測定技術・表現について研究開発を行なっている。

技術の研究 （第 2 報）”，工業技術研究報

A 写実的コンピュータ・グラフィックス

告書，No.43，2014，pp.19-25.

に必要なテクスチャマッピングのた3)

T. Akenine-Moeller and E.Haines, Real-Time

めのマップデータの分析・合成をおこ

Rendering Second Edition，A. K. Peters，Ltd，

なう「テクスチャツール」

MA，2002.

B 写実性を高めるために背景画像モデ

4)

M. Phar and G. Humphreys, Physically Based

ルを取得する「バックグラウンドツー

Rendering Second Edition，Morgan Kaufmann，ル」

MA，2010.

C ウェブ経由で高い操作性を備えて写5)

阿部淑人，“鎚起銅器の CG 再現のためのマ実的表示できるようにする「ディスプッピングテクスチャ生成”，映像メディア処レイツール」

理シンポジウム 2015 予稿集，2015 年 11 月

− 16 −

研究論文

マルチスケールシミュレーションによる
CFRP 製品の機械特性評価に関する研究
片山

聡*

田村

信*

貴文*

櫻井

Study on the mechanical properties evaluation of CFRP products by Multi-Scale Simulation
KATAYAMA Satoshi*，TAMURA Makoto* and SAKURAI Takafumi*
抄

録

CFRP 製品の設計技術力強化を目的に，マルチスケールシミュレーションによる CFRP 製品の機械的特性評価手法の有効性や問題点について検討した。基本形状を用いた UD 材（単一方向性材料）の強度シミュレーションを実施し，繊維弾性率や繊維体積含有率などの特性値だけでなく，ミクロモデ
ルにおける繊維配列も計算結果に影響を与えることを示した。
1.

緒

2.

言

マルチスケールシミュレーション

炭素繊維複合材料（以下 CFRP と略す）は「軽CFRP 製品のマルチスケールシミュレーショ

くて強い」特徴から，次世代の先端材料としてンの流れを図 1 に示す。まず，CFRP のミクロ注目されている。これまで航空・宇宙分野やスモデルに対する数値材料試験をシミュレーショ

ポーツ分野が市場を形成してきたが，近年ではン上で行い，ミクロモデル全体としての等価物

環境や安全性に対する関心の高まりから風力発性値（密度，弾性率など）を算出する（均質化電用ブレード，圧力容器，土木建築など一般産解析）。その後，等価物性値を適用した強度シミ

1）。将ュレーション（マクロ構造解析）を行い，必要

来的には自動車分野における量産部品への適用に応じてマクロ構造解析結果から抽出した任意

業用途において需要が増加してきている
2）も期待されている 。
当研究所では平成 20～25 年度に CFRP に関する調査研究，CFRP 研究会を実施し，CFRP の素
均質化解析

材特性や成形技術に関する情報を県内企業へ提供してきた。その一方で CFRP の持つ異方特性を活用した設計技術については研究実績がなく，県内企業の製品開発に対し，十分な支援を行え

ミクロモデルなかった。
そこで本研究では CFRP 製品の設計技術力強化を目的に，マルチスケールシミュレーション

局所化解析による CFRP 製品の機械的特性評価手法の有効性や問題点について検討した。

マクロ構造解析*研究開発センター

図1− 17 −

マルチスケールシミュレーションの流れ

の要素をミクロモデルに置き換えて応力解析（局所化解析）を実施する。このように，マルチスケールシミュレーションでは，等価物性値を用いることでマクロ構造解析前後にて要素の簡略化，詳細化を切り替えるところに特徴がある。
50um

本研究では，マルチスケールシミュレーショ
図2

ンソフトウェアとしてサイバネット（株）製

UD 材の断面Multiscale.Sim 6.0 を，マクロ構造解析ソフトウ
樹脂

ェアとして ANSYS 社製有限要素法解析ソフト
ウェア ANSYS Workbench 16.1 を用いた。
3.

UD 材を用いた均質化解析
CFRP に使用される繊維弾性率および体積含有率により等価物性値がどのように変化するか

繊維を確認するため，UD 材（単一方向性材料）を(1)直線配列

用いた均質化解析を実施した。使用した CFRP

図3(2)格子配列
繊維配列モデルの物性値を表 1 に示す。また，図 2 に示すように UD 材の断面では必ずしも等間隔に繊維（白色部）が並んでいるとは限らないことから，代表的な繊維配列パターンとして図 3 に示す立方体基準の直線配列モデル，格子配列モデルを作成し，等価物性値への影響を調べた。
均質化解析結果を図 4，5 に示す。繊維方向の縦弾性率は繊維配列の影響を受けず，各繊維弾性率において理論値 3）に近い値を示した。一方で，繊維直交方向の縦弾性率は繊維配列による(1)繊維方向違いが現れ，直線配列のほうが大きな値を示した。また，その違いは繊維体積含有率が大きいほど顕著となった。
表1

CFRP の物性値

項目

値

弾性率

繊維

200,300,400

(GPa)

樹脂

3.50

繊維

0.20

樹脂

0.35

ポアソン比

繊維体積含有率(%)(2)繊維直交方向

50,55,60

図4

繊維弾性率と縦弾性係数の関係（繊維体積含有率 55%）

− 18 −

4.2

平板の曲げ試験シミュレーション

曲げ試験シミュレーションでは JIS K 7017 に準拠した 3 点曲げ試験モデルを作成し（図 8），
試験片を 1mm 曲げた際の圧子反力を計測した。
試験片寸法は引張試験と同一とした。
1.0mm 強制変位

(1)繊維方向完全固定
繊維 0°方向

図6

引張試験シミュレーションの概要(2)繊維直交方向
図5

繊維体積含有率と縦弾性係数の関係（繊維弾性率 300GPa）4.

マクロ構造解析4.1

平板の引張試験シミュレーション

等価物性値を用いて平板の引張試験シミュレーションを実施した。試験片は幅 12.5mm×厚(1)直線配列

さ 1mm×長さ 80mm の一様形状とし，片側端部を完全固定，反対側端部を 1mm 強制変位させた際の固定部反力を求めた（図 6）。要素は 8 節
点 4 辺形要素（高次シェル要素）として作成し，繊維方向は ANSYS Workbench の積層機能により定義し，試験方向を角度基準方向（繊維 0°方向）とした。繊維角度は図 6 において反時計回りに 0°～90°となる。
図 7 にシミュレーション結果を示す。繊維弾性率（Ef）の影響は繊維角度 0°では顕著であるが，繊維角度 30°からはほぼ見られなくなった。繊維配列の影響はほぼ見られないが，わず
かながら直線配列のほうが大きな値を示した。

− 19 −(2)格子配列
図7

引張試験シミュレーション結果（繊維体積含有率 55%）

シミュレーション結果を図 9 に示す。引張試

4.3

円管の曲げ試験シミュレーション

験シミュレーション同様，繊維弾性率の影響は

図 10 に示す 3 点曲げモデルを作成し，円管の繊維角度 0°では顕著であるが，角度が大きく

曲げ試験シミュレーションを実施した。円管寸

なるとともに小さくなった。繊維配列の影響は

法は外径 16mm×厚さ 1mm×長さ 300mm としほぼ見られないが，わずかながら直線配列のほた。試験ジグ寸法は圧子先端半径 75mm，支持

うが大きな値を示した。

具半径 30mm，支持具支点間距離 200mm とした。
試験方法，評価方法は平板の曲げシミュレーシ
繊維 0°方向ョン方法に準じた。
角度基準方向（繊維 0°方向）は円管軸と平試験方向行とし，局所座標系処理を行うため，ANSYSWorkbench の積層機能に加え，「要素の向き」コ

圧子

マンドを使用して定義した。これにより各要素
試験片
支持具

図8

曲げ試験シミュレーションの概要

上に局所座標系が作成され，積層機能にて入力
した繊維角度が正しく反映される（図 11）。
シミュレーション結果を図 12 に示す。全体の傾向としては平板の引張シミュレーション結果（図 7）に近く，繊維角度が大きくなるほど
試験方向

繊維 0°方向

圧子

試験片(1)直線配列

支持具

図 10

曲げ試験シミュレーションの概要

要素法線方向
（自動決定）

繊維角度基準方向（コマンド指定）(2)格子配列
図9

曲げ試験シミュレーション結果（繊維体積含有率 55%）

図 11

− 20 −

要素上に作成される局所座標系

繊維弾性率の影響が見られなくなった。ただし，試験方向平板よりも繊維配列の影響が大きく現れている。

試験片

圧子

また，繊維弾性率による反力の変化率は平板よりも小さくなっている。

固定板

繊維 0°方向図 13

扁平試験シミュレーションの概要(1)直線配列(1)直線配列(2)格子配列
図 12

曲げ試験シミュレーション結果（繊維体積含有率 55%）4.4

円管の扁平試験シミュレーション

図 13 に示す計算モデルを用いて，円管の扁平試験シミュレーションを実施した。円管寸法は
外径 16mm×厚さ 1mm×長さ 10mm とし，試験(2)格子配列

片を 1mm 変形させた際の圧子反力を計測した。

図 14

シミュレーション結果を図 14 に示す。全体

扁平試験シミュレーション結果（繊維体積含有率 55%）の傾向としては平板の曲げシミュレーション結果（図 9）を左右反転させた形状となっている。

4.5

円管のねじり試験シミュレーション

同じ円管を対象にしたシミュレーションである

図 15 に示す計算モデルを用いて，円管のねじが，図 12 とは異なり，繊維配列の影響はわずかり試験シミュレーションを実施した。円管寸法であった。

は外径 16mm×厚さ 1mm×長さ 300mm とした。

− 21 −

ねじり角度は 5°とし，ねじり部の変位拘束30°にて反力の最大値を示した。繊維配列の影は(1)軸方向自由，(2)軸方向固定の 2 条件とした。

響は強く現れ，直線配列のほうが大きな値を示

評価項目は完全固定部の円周方向反力とした。

した。また，繊維弾性率の影響は軸方向固定条

計算結果を図 16，17 に示す。ねじり部の変位件のほうが大きくなった。

拘束条件を軸方向自由とした場合には繊維方向45°で，軸方向固定とした場合には繊維角度

4.6

考察

UD 材の等価物性値を用いたマクロ構造解析
では，円管の曲げ試験シミュレーションとねじり試験シミュレーションにて繊維配列による影
繊維 0°方向

響が大きく現れた。この 2 つのシミュレーショ
ねじり部

完全固定

ンにおいて，試験片は試験方向への単純な変形ではなく，曲げ試験シミュレーションでは曲げと扁平の複合変形（図 18），ねじり試験シミュ
レーションではねじり角度との差によるせん断
変形を生じる。そのため，他のシミュレーショ

図 15

図 16

ねじり試験シミュレーションの概要

ンよりも繊維直交方向の縦弾性率，せん断弾性(1)直線配列(1)直線配列(2)格子配列(2)格子配列

ねじり試験シミュレーション結果

図 17（繊維体積含有率 55%：軸方向自由）− 22 −

ねじり試験シミュレーション結果（繊維体積含有率 55%：軸方向固定）

率の影響を受けることになり，繊維配列による要である。

違いが大きくなったと考えられる。

また，CFRP の強度試験より物性値を得よう

実際の CFRP 製品の変形挙動はさらに複雑でとする場合には，繊維配列の影響を得られるよ

あることから，計算精度を低下させないためにう，複数の試験を組み合わせる必要があるといも繊維配列については可能な限り正確にモデルえる。

化する必要があるといえる。特に，物性値を過剛性とする繊維配列モデルの採用には注意が必5.

試験結果からの物性値同定結果
UD 材を用いた繊維角度 0°，45°の円管を作成し，曲げ試験，扁平試験と同試験シミュレー
ションを実施した。なお，試験に用いた UD 材
は樹脂物性値が非公開となっており，シミュレ
ーション実施においては，まず繊維角度 0°の曲げ試験結果より物性値を同定することとした。
繊維角度 0°の曲げ試験および同シミュレー
扁平変形が入るため単純な応力分布にならない

図 18

ション結果を図 19 に示す。実際の試験において，試験片にはストローク 0.3mm で割れが発生し円管の曲げシミュレーション結果

たが，そこまでの線形領域にて樹脂特性を同定（繊維 0°方向：相当応力分布）した。繊維配列には，格子配列を用いた。

試験片に割れが発生

図 19

曲げ試験結果（繊維 0°方向）

図 21

扁平試験結果（繊維 0°方向）

図 20

曲げ試験結果（繊維 45°方向）

図 22

扁平試験結果（繊維 45°方向）− 23 −

同定した樹脂特性を用いたシミュレーション

7.

結

言

結果を各々の試験結果と合わせて図 20～22 に（1）UD 材を用いた均質化解析を実施し，繊維示す。繊維角度 0°の結果は比較的よく一致し配列により繊維直交方向の等価物性値がたが，繊維角度 45°の結果はシミュレーション

変化することを確認した。

のほうが低い値を示した。これには CFRP の成（2）マクロ構造解析により，等価物性値や繊維形時における角度や寸法のバラツキ，試験にお配列が与える影響を調査した。その結果，けるジグと試験片の平行度などが影響したもの

試験方向以外の変形成分が生じる条件下と考えられる。また，繊維配列も完全な格子配では，繊維配列の影響が大きくなることを列であるとは限らず，その影響も少なからず現見出した。

れていると考えられる。

（3）UD 材による曲げ試験，扁平試験と同試験
シミュレーションを実施し，比較的よく一

6.

今後の課題

致した解を得た。

本研究で実施したマクロ構造解析は線形範囲に限定されている。CFRP 製品の設計において

参考文献

安全性を確保するためには破壊や層間剥離のモ

1）前田 豊，“炭素繊維の最先端技術”，シーエ

デル化は重要となるため，これらの点について

ムシー出版，2007，pp.159-253.
2） 井塚 淑夫，
“ 炭素繊維 複合化時代への挑戦”，

は今後も研究を進めたい。
なお，本研究で用いた ANSYS Workbench に繊維社，2012，pp.117-128.

は円筒座標系による変位出力，全体座標系と一3）山岸暢，吉田光則，鈴木耕裕，"FEM による

致しない繊維配列モデルにおける直交異方性特

異方性複合材料構造体の構造解析"，北海道

性値の出力，多層ソリッドシェル要素作成時の立工業試験場報告，No.298，1999，pp.77-83.

法線処理など，ソフトウェア上の不具合がいく
つか存在した。今後の改善を期待したい。

− 24 −

研究論文

決め押し加工シミュレーション技術の開発
櫻井

貴文*

片山

聡*

田村

信*

Development of Computer Simulation Technology for Bottoming
SAKURAI Takafumi*，KATAYAMA Satoshi* and TAMURA Makoto*
抄録

シェル要素を用いた決め押し加工シミュレーションの精度向上を目的に，LS-DYNA の新型シェル
要素とリスタート機能を用いたシミュレーション技術を開発した。新型および従来型シェル要素定式の切り替えを用いた V 曲げおよびハット曲げの決め押し加工シミュレーションを行い，開発したシミュレーション技術の有効性を確認した。また，曲げ試験の結果との比較を行い，実際のプレス加工に適用可能であることを示した。
1.

緒

言

プレス成形におけるスプリングバックを抑2.

決め押し加工シミュレーション

2.1

シミュレーションの流れ

決め押し加工シミュレーションの流れを図 1

制する加工技術の一つとして，決め押し加工が1 ）， 2 ）。これをプレス成形シミに示す。実際の加工では曲げ・決め押し・スプュレーションで計算しようとした場合，一般的

リングバックが一連の工程（現象）となっていに用いられるシェル要素では板厚方向の応力をるが，シミュレーションではそれぞれの工程考慮できないため，決め押し加工の効果を予測（現象）ごとに一旦シミュレーションを終了さすることはできない。また，シェル要素をソリせる。決め押し加工の前後で要素定式を変更し，ッド要素に置き換えて計算した事例もあるが，ソフトウェアのリスタート機能を用いて前工程計算時間が膨大となるほか，要素細分化や材料を引き継いで計算を行い，一連の決め押し加工

モデルの汎用性にも問題を抱えているため，現シミュレーションとする。

用いられている3）

実的な手法ではない 。
2009年よりLSTC社製動的陽解法有限要素法

曲げ

ソフトウェアLS-DYNAに搭載されたシェル要
素の新型要素定式（ELFORM=26）は板厚方向

要素定式
切り替え

の応力を考慮できるものの，面内方向応力への応答が過敏であり，しわの予測精度が著しく低いという課題を抱えている4）。

決め押し

そこで本研究ではLS-DYNAのリスタート機
能を用いた要素定式の切り替えにより，シェル
要素にて精度良く決め押し効果を予測できるシ
スプリング
バック解析

ミュレーション手法を開発し，実験との比較検討を行った。
*

図1

研究開発センター− 25 −

要素定式
復帰

シミュレーションの流れ

本研究では，プリポストソフトウェアとし材料について，比較実験で使用する板材を圧延て LSTC 社製 LS-PrePost 4.1 を，一連の決め押方向に対して 0°の方向に JIS Z 2241 によるし加工シミュレーションソフトウェアとして

13B 号試験片を採取し，（株）島津製作所製万LSTC 社製動的陽解法有限要素法ソフトウェア

能材料試験機 AG-250kNI を用いて引張試験を

LS-DYNA を用いた。

行った。この結果を基に，材料特性を表 1 のように設定した。

2.2

有限要素モデルと要素定式

3 次元モデル（シェル）と，比較のため 2 次

2.4

接触モデル

元モデル（平面ひずみ）でシミュレーションを

接触面はすべて面－面型接触とし，静摩擦行った。3 次元モデル（シェル）については，係数および動摩擦係数ともに 0.15 とした。他

ELFORM=16 （ 完 全 積 分 要 素 ， 以 下 F16 ） とはソフトウェアのデフォルトとし，特殊なオプ

ELFORM=26（板厚方向の応力を考慮できる完

ションは加えていない。

全積分要素，以下 F26）の 2 種類の要素定式を用いて計算を行った。F16 は計算が高速である

2.5

計算方法

が，板厚方向の応力を考慮できないため板を潰

2 次元モデルと 3 次元モデルそれぞれのシミ

すような現象を扱うことができない。一方，ュレーション方法を図 2 に示す。一般的なシミ

F26 は板厚方向の応力を考慮できるため板を潰ュレーションでは計算途中で要素定式を変更しすような現象を扱うことができるが，しわの予ないが，本研究では計算途中で要素定式の変更

測精度が著しく低いことと，F16 に比べて計算速度が遅いという短所がある。
2.3

表1

材料モデル

金型はすべて剛体とし，試験片は異方性を考慮しない等方性弾塑性体とした。試験片は，SPCC（公称板厚 1.0mm）および SUS304（公称板厚 1.0mm）の 2 種類を用いた。これらの

＜2次元＞

材料特性
SPCC

SUS304

質量密度（kg/m3）

7850

7850

ヤング率

（GPa）

200

200

0.3

0.3

ポアソン比
降伏応力

（MPa）

260

320

接線係数

（MPa）

680

1200

＜3次元＞

陽解法による
曲げシミュレーション

陽解法による
曲げシミュレーション（ELFORM=16）

本研究で開発した手法

決め押しパートの要素定式切り替え（ELFROM=26）
陽解法による
決め押しシミュレーション

陽解法による
決め押しシミュレーション

陽解法による
決め押しシミュレーション
決め押しパートの要素定式復帰（ELFROM=16）

陰解法によるスプリングバック解析（NSOLVR=6，弧長法）

陰解法によるスプリングバック解析（NSOLVR=6，弧長法）

図2

シミュレーションの流れ− 26 −

陰解法によるスプリングバック解析（NSOLVR=6，弧長法）

と復帰を行う。まず，第 1 工程として試験片の曲げシミュレーションを行う。第 1 工程終了時10に出力されるリスタートファイルを引き継いだ

パンチ
先端R2

うえで要素定式を F26 に変更し，第 2 工程の決試験片（フルモデル寸法）
W20×L100×T1.0

め押し加工シミュレーションを行う。第 2 工程

ダイス
肩R2

ファイルを引き継いだうえで要素定式を F16

20

終了時には，出力されるリスタートファイルをに復帰し，スプリングバック解析を行う。この
決め押し
プレート

手法を用いることにより，一般的には相反する
高速性と計算精度を両立させることができる。

図4

V 曲げの決め押し加工シミュレーションについ計算モデル（2 次元）て，F16 の計算時間を 1 とした場合の各モデル

決め押し
パート

の計算速度比を図 3 に示す（値が小さいほど計
算速度が速い）。
3.

曲げ

3.1

V 曲げシミュレーション

2 次元モデルの計算モデルを図 4 に，3 次元モデルの計算モデルを図 5 に示す。形状の対称性を考慮し，2 次元モデルは 1/2 モデルとし，3次元モデルは 1/4 モデルとした。試験片（フル

図5

モデル寸法）は，幅 20mm×長さ 100mm×厚1.00

ルについて，決め押し加工により応力がかかる

0.95

部分は，ほかの部分よりもメッシュサイズを小さくした。
図 6 に決め押し工程でのパンチストロークと板厚（mm）

さ 1.0mm の一様形状とした。なお，3 次元モデ

板厚の比較を示す。2 次元モデルはパンチスト

計算モデル（3 次元）

0.90
2D
3D（F16）3D（F26）

0.85
0.80
0.00

ロークと板厚が近い値を示しており，板厚減少が適切に計算されている。一方で，3 次元モデ

0.05
0.10
0.15
パンチストローク（mm）

(a)

6

0.20

SPCC

1.00

4

板厚（mm）

計算速度比

5
3
2
1

0.95
0.90
2D
3D（F16）3D（F26）

0.85

0
0.80
0.00

図3

計算速度の比較

図6− 27 −

0.05
0.10
0.15
パンチストローク（mm）

0.20(b) SUS304
パンチストロークと板厚の比較

ル（F16）はパンチストロークが大きくなって計算されていない。3 次元モデル（F26）はス
トロークの半分程度の板厚変化となっている。
図 7 にパンチストロークと曲げ角度の比較を示す。2 次元モデルおよび 3 次元モデル

曲げ角度（°）

も板厚の変化は微小であり，板厚減少が適切に

95

2D
3D（F16）3D（F26）

90
85
80
0.00

（F26）はパンチストロークが大きくなると曲げ角度が狭くなっており，決め押し加工の効果

0.05
0.10
0.15
パンチストローク（mm）(a)

が計算されている。両者の間には差異が見られるが，板厚減少量（＝決め押し加工量）が異な（F16）は曲げ角度が狭くなっておらず，決め押し加工を適切に計算できていない。
3.2

V 曲げ実験

V 曲げ実験について，図 8 に実験の様子と試

90
85
80
0.00

験後の試験片を示す。実験ジグは計算モデルと同じ寸法で製作し，万能材料試験機に取り付けて実験を行った。
3.3

SPCC

95
曲げ角度（°）るためと考えられる。一方で，3 次元モデル

図7

2D
3D（F16）3D（F26）

0.05
0.10
0.15
パンチストローク（mm）

試験片

図 9 に決め押し加工シミュレーションおよび実験における板厚減少量と曲げ角度の比較を示す。3 次元モデル（F16）は板厚減少が計算されていないため，比較対象から除いた。3 次元モデル（F26）で計算された曲げ角度は 2 次元
モデルや実験値と近い値となっている（最大誤差 0.7 ° ） 。 こ の こ と か ら ， 3 次 元 モ デ ル（F26）は決め押し加工シミュレーションに適(a)V 曲げ実験の様子

用できると考えられる。
決め押し量 : 小

ハット曲げ

4.1

ハット曲げシミュレーション

0.20(b) SUS304
パンチストロークと曲げ角度の比較

結果の比較

4.

0.20

決め押し量 : 大2 次元モデルの計算モデルを図 10 に，3 次元モデルの計算モデルを図 11 に示す。形状の対称性を考慮し，2 次元モデルは 1/2 モデルとし，
3 次元モデルは 1/4 モデルとした。試験片（フルモデル寸法）は，幅 20mm×長さ 100mm×
厚さ 1.0mm の一様形状とした。板押さえは一定のすきま量（0.1mm）を与え，試験片に張力− 28 −(b) V 曲げ後の試験片
図 8 V 曲げ実験

1.00

2D
3D（F26）
実験値

90

板厚（mm）

曲げ角度（°）

95

85
80
0.00

0.05
板厚減少量（mm）

(a)

0.90

2D
3D（F16）3D（F26）

0.85

0.10

0.00

SPCC

0.05
0.10
パンチストローク（mm）

(a)

95

0.15

SPCC

1.00

90
85

2D
3D（F26）
実験値

80
0.00

図9

板厚（mm）

曲げ角度（°）

0.95

0.05
板厚減少量（mm）

2D
3D（F16）3D（F26）

0.00

図 12

パンチ
肩R5

0.05
0.10
パンチストローク（mm）

0.15(b) SUS304
パンチストロークと板厚の比較が生じないようにした。また，パッドの押し付
け力は 200N とした。なお，3 次元モデルにつ

板押さえ
肩R5

42.02

0.90
0.85

0.10

(b) SUS304
板厚減少量と曲げ角度の比較

40

0.95

いて，決め押し加工により応力がかかる部分は，ほかの部分よりもメッシュサイズを小さくした。

20

図 12 に決め押し工程でのパンチストローク
パッド

試験片（フルモデル寸法）
W20×L100×T1.0
ダイス 肩R5
決め押し部 内R6

図 10

計算モデル（2 次元）と板厚の比較を示す。2 次元モデルおよび 3D
モデル（F26）はパンチストロークが大きくなるにつれて板厚が減少している。先述の V 曲げと比較すると，圧縮された材料が移動する場
所（すきま）が少ないため要素の食い込みが生じており，板厚減少量はパンチストロークよりも小さな値となっている。一方で，3 次元モデル（F16）はパンチストロークが大きくなっても板厚の変化は微小であり，板厚減少が適切に計算されていない。

決め押し
パート

図 13 にパンチストロークと曲げ角度の比較
を 示 す 。 2 次 元 モ デ ル およ び 3 次 元 モ デ ル（F26）はパンチストロークが大きくなると曲げ角度が狭くなっており，決め押し加工の効果

図 11計算モデル（3 次元）が計算されている。両者の間には差異が見られ− 29 −

100

2D
3D（F16）3D（F26）95

曲げ角度（°）

曲げ角度（°）

100

90
85
0

0.05
0.1
パンチストローク（mm）

(a)

90

SPCC

0.05
板厚減少量（mm）

(a)

0.10

SPCC

100

曲げ角度（°）

曲げ角度（°）

95

85
0.00

0.15

100
95
90

2D
3D（F16）3D（F26）

85
0

図 13

2D
3D（F26）
実験値

0.05
0.1
パンチストローク（mm）

95

90

2D
3D（F26）
実験値

85
0.00

0.15

(b) SUS304
パンチストロークと曲げ角度の比較

図 15

0.05
板厚減少量（mm）

0.10(b) SUS304
パンチストロークと板厚の比較

るが，板厚減少量（＝決め押し加工量）が異なるためと考えられる。一方で，3 次元モデル
試験片（F16）は曲げ角度が狭くなっておらず，決め押し加工を適切に計算できていない。
4.2

ハット曲げ実験

ハット曲げ実験について，図 14 に実験の様子と試験後の試験片を示す。実験ジグは計算モ
板押さえを外している状態(a)ハット曲げ実験の様子

デルと同じ寸法で製作し，万能材料試験機に取り付けて実験を行った。
4.3

結果の比較

図 15 に決め押し加工シミュレーションおよ

決め押し量 : 大び実験による板厚減少量と曲げ角度の比較を示す。3 次元モデル（F16）は板厚減少が計算されていないため，比較対象から除いた。3 次元
決め押し量 : 小モデル（F26）で計算された曲げ角度は 2 次元
モデルや実験値と近い値となっている（最大誤差 0.5 ° ） 。 こ の こ と か ら ， 3 次 元 モ デ ル(b) ハット曲げ後の試験片
図 14 ハット曲げ実験（F26）は決め押し加工シミュレーションに適用できると考えられる。

− 30 −

5.

結

言

参考文献

（1）LS-DYNA のリスタート機能を用い，要1）岩谷二郎，“高強度鋼板の実用化のための素定式の切り替えと復帰を行う決め押し

プレス成形技術”，神戸製鋼技報，Vol.52，

加工シミュレーション技術を開発した。

No.3，2002，pp.23-27．

（2）V 曲げの決め押し加工シミュレーション

2）吉田亨ら，“高強度鋼板の形状凍結性改善と実験を行い，開発したシミュレーショ

技 術 ” ， 新 日 鉄 技 報 ， No.378 ， 2007 ，ン技術が 2 次元モデル（平面ひずみ）やpp.25-29．

実験値と近い値となることを確認した。

3）小川孝行，“高張力鋼板のプレス加工にお（3）ハット曲げの決め押し加工シミュレーシ

ける決め押しがスプリングバック抑制に及ョンと実験を行い，開発したシミュレー

ぼす効果”，広島大学学位論文（博士（工ション技術が 2 次元モデル（平面ひず学）），2011，pp.32-66．

み）や実験値と近い値となることを確認

4）www.lancemore.jp/report/report_006.html

した。

− 31 −

研究論文

人工光リーフレタス栽培における
遠赤色光が生育と品質に及ぼす影響
種村

竜太*

大川原

真*

石井

治彦*

木嶋

祐太**

Effects of far-red light on growth and quality of lettuce
TANEMURA Ryota*，OKAWARA Makoto*，ISHII Haruhiko* and KIJIMA Yuta**
抄録

完全人工光リーフレタス栽培における最適光環境条件を明らかにするため，遠赤色光が生育と品質に及ぼす影響について検討した。遠赤色光の照射は，葉の縦伸長を促進し，地上部生体重を増大させる効果があることを明らかにした。一方，品質については葉色の淡色化や硝酸イオン濃度の上昇，光強度によっては節間伸長の促進による抽苔などマイナスに働くこともあることが明らかとなった。
1.

緒色光 LED を用いた研究も行われ 7 ~ 9 )，生育促

言

光・温度・湿度・CO2 濃度などの環境条件を進効果が報告されているが，硝酸イオン含量な植物に最適な条件で制御することが可能な完全ど品質に与える影響については明らかにされて人工光植物工場（以下，「植物工場」）は，成いない。

長産業と位置づけられ，参入企業は増加傾向に

そこで，本研究では，完全人工光リーフレタある。また，植物工場野菜の特徴としては無農

ス栽培における遠赤色光が生育と品質に及ぼす薬，洗わずにそのまま食べられる，長持ちする，影響について検討した。

えぐみや苦みが少なく食べやすい，ロスが少ないなどが挙げられ 1 )，消費者や食品加工業者へ

2.

材料および方法

浸透しつつある。しかし，植物工場に関する技

2.1

光環境条件

術は発展途上であり，装置や生産コストの低減

育苗時は昼白色の Hf 蛍光灯（パナソニック

技術や，生産性向上技術の開発が求められてい（株），FHF32EX-N-H）を用い，光量子束密1)度（PFD） 200µmol・m-2・s-1，明期 16 時間と植物工場で用いられる光源はこれまで主に蛍した。定植後は，色温度 4200K の白色，ピー

光灯であったが，近年は長寿命で消費電力が少ク波長 660nm の赤色，ピーク波長 740nm の遠なく，発光波長を調節することにより植物に最赤色が組み込まれ，色ごとに調光可能なパネル

適な光質を作ることが可能な LED に移行して

式 LED（オリンピア照明（株））を使用した。

いる。植物の光合成は，クロロフィルが光を吸

明 期 を 18 時 間 ， 定 植 面 に お け る PFD を収することにより行われ，光吸収スペクトルが200µmol ・ m-2 ・ s-1 と し ， 白 色 と 赤 色 の 比 率

赤色光と青色光の波長にピークがあることから，（PFD 比）を 1：1 とした。試験区は遠赤色光

最適な光質については赤色や青色 LED を用いを照射しない対照区（白 100，赤 100），遠赤る 。

て様々な試験が行われてきた***

下越技術支援センター

2~6)。近年は遠赤色 12.5µmol 区（白 93.8，赤 93.8，遠赤 12.5），25µmol 区（白 87.5，赤 87.5，遠赤 25.0）の 3

中越技術支援センター− 32 −

した葉などを取り除いた可食部の重量）の生体光強度(w・m-2・nm-1)

1.0
0.8

対照区

重・全葉数・生葉数（黄化した葉などを取り除

25μmolいた葉数）・草丈の測定を行った。生育調査終12.5μmol了後は-40℃で凍結したのちに凍結乾燥および粉砕し，80%熱エタノール抽出を行い，硝酸イ

0.6

オン含有量を Cataldo 法，糖含有量をフェノー

0.4

ル硫酸法により測定した。また，80%アセトン

0.2

抽出法により葉のクロロフィル含量を測定した。

0.0

360

460

560

660

図1

分光特性

3.

760

結果および考察
遠赤色光照射による障害発生は認められなかった。地上部重や調整葉重は遠赤色光の照射に試験区を設けた。図 1 に各試験区の分光特性をより対照区と比較して 20%程度重くなったが，示す。

12.5µmol 区と 25.0µmol 区に差はなかった（図2，表 1）。出荷規格を 80g と想定した場合，

2.2

遠赤色光照射により栽培期間を 2 日程度短縮す

栽培方法

試験は室温 20±1℃，相対湿度 70±5%の室ることが可能と考えられる。地上部の乾物率内で行った。品種は‘ハンサムグリーン’（横（地上部の乾物重／生体重）は遠赤色光の照射浜植木）を供試した。8 月 8 日にウレタンキュ

により対照区と比較して低くなり，地上部乾物ーブ（2.5cm×2.cm×3.0cm）に播種し，発芽後重は差がみられなかった（表 1）。最大葉長は，は OAT A 処方 1/4 濃度（EC 0.7dS/m）の培養液

無 処 理 区 で は 15.1cm で あ っ た の に 対 し ，により育苗した。8 月 25 日にプラスチックコ

12.5µmol 区では 17.8cm，25µmol 区では 20.7cm

ンテナ（W390×D540×H90mm）に 8 株ずつ定植し，湛液式水耕栽培（培養液量：8L）により試験を行った。定植後の培養液は OAT A 処
方 1/2 濃度（EC1.4dS/m）とし，植物の吸水による減水分を随時水道水で補充し，2～3 日ごとに肥料を追加して EC を 1.4dS/m に調整した。
定植後は培養液の循環や更新は行わず，栽培終了まで通気処理を行った。
2.3

調査方法

9 月 16 日に収穫し，地上部と調整葉（黄化
表1
遠赤色光
無処理
12.5μmol
25μmol

図2

調整後の状況

遠赤色光が生育に及ぼす影響

地上部重

調整葉重

最大葉長

全葉数

生葉数

葉面積

地上部乾物重

（g/株）

（g/株）

（㎝）

（枚/株）

（枚/株）

2

（cm /株）（g/株）

z76.6 b93.2 a90.6 a15.1 c17.8 b
20.7 a15.8 b
16.3 b
18.0 a11.8 a11.8 a13.0 a593.7 b715.9 a665.4 ab

3.3 a
3.4 a
3.3 a

79.6 b96.9 a97.8 az：同一アルファベット間は，Tukey法により5％水準で有意差なし− 33 −

区では葉面積に差がなく生葉数が多かったこと
から葉数が増加することによって生体重が増加していたと考えられる。遠赤色光の照射による伸長促進効果は赤色光と遠赤色光の比率の変化によってフィトクロム光平衡が変化し，茎や葉脈の伸長速度が増大するために茎長，節間長，葉面積が増加することによる 10 )。遠赤色光の光合成への寄与は無視できると考えられるため12.5 μmol

無処理

図325.0 μmol

10 )，生体重増加の原因は遠赤色光自体が光合成を促進するのではなく，茎長や葉脈の伸長が最大葉の状況

促進し，植物の光源への接近や受光葉面積の増大などにより受光量が増加し，光合成量が増加したためと考えられる。遠赤色光の照射による生育促進効果には品種間差が大きいことから 9 )，品種ごとに効果を検証する必要がある。
調整葉の硝酸イオン含量は，対照区で350mg/100gFW 程 度 で あ っ た の に 対 し ，
12.5µmol 区および 25µmol 区では約 10%高い
380mg/100gFW 程度であった（図 5）。本試験で使用した培養液の窒素成分のうち約 90%が

図4

硝酸態窒素である。根から吸収された硝酸イオ

抽苔の状況

であり，遠赤色光の照射量が多いほど長くなる傾向がみられた（表 1，図 3）。遠赤色光の照射により葉全体の伸長が促進されるのではなく，
主に中肋部の伸長が促進されることによって葉長が長くなり，葉の形態が大きく変化していた（図 3）。25µmol 区では無処理区や 12.5µmol
区と比較して全葉数は多かったが，黄化葉も多かったため生葉数は差がなかった（表 1）。葉ンは硝酸還元酵素（NR）により亜硝酸イオン
へ，亜硝酸還元酵素（NiR）によりアンモニア
へ還元され，この硝酸還元には光合成で生成される NADPH が関与している 11 )。窒素の栄養条件が十分な場合，遠赤色光を照射して赤色光と遠赤色光の比率を変化させても NR 活性は変化しない 12 )。一方，乾物率と硝酸イオン濃度には負の相関がある 4)。本試験では，遠赤色光
40025µmol 区では差がなかった（表 1）。25µmol

300

区では，節間が長く抽苔していた（図 4）。遠赤色光の付加照射による生長促進効果について
はレタス，コマツナ，チンゲンサイなどで報告されている

硝酸イオン含量（mg/100gFW）

面 積 は ， 12.5µmol 区 で 大 き く ， 対 照 区 と

b

a

a

12.5μmol

25μmol

200
100

7~9)

。本試験においても遠赤色光の照射により生体重が増加していた。12.5µmol
区では，対照区と比較して生葉数に差がなく葉

0

無処理

図5

調整葉の硝酸イオン含量

面積が増加していたことから，1 枚の葉が大き同一アルファベット間は，Tukey 法により 5％水

くなることによって生体重が増加し，25µmol

準で有意差なし− 34 −

クロロフィル含量（mg/100gFW）

20

a

16

b

b

5.

12

結

言

（1）人工光リーフレタス栽培において遠赤色

8

光の照射は，葉の縦伸長を促進し，地上4

部生体重を増大させる効果がある。
（2）遠赤色光の比率が高いと節間伸長が促進

0

無処理

図6

12.5μmol

25μmol

され，抽苔が早まる。

調整葉のクロロフィル含量（3）葉色の淡色化や硝酸イオン濃度の上昇な

同一アルファベット間は，Tukey 法により 5％水

ど品質にはマイナスに働くこともある。

準で有意差なしの照射により葉に占める中肋部の割合が増大し参考文献たために乾物率が低下し，硝酸イオン濃度が高1）高辻正基，“完全制御型植物工場の現状”，

くなったと思われる。

植物環境工学，22 巻，1 号，2010，pp2-7．

葉のクロロフィル含量は，対照区では

2）庄司和博，後藤英司，橋田慎之介，後藤文之，

17.3mg/100gFW で あ っ た の に 対 し， 12.5µmol

吉原利一，“赤色光と青色光がレッドリーフ

区 お よ び 25µmol 区 で は 13.7mg/100gFW ，レタスのアントシアニン蓄積と生合成遺伝子

12.8mg/100gFW であり葉色が淡かった（図 6）。

の発現に及ぼす影響”，植物環境工学，22 巻，

遠赤色光の照射によって葉色が淡くなる傾向に

2 号，2010，pp.107-113．

ついてはコマツナにおいても報告されている
13 )3）斎藤裕太，清水浩，中島洋，宮坂寿郎，大土。クロロフィル量の減少はフィトクローム

居克明，“LED を使用した搔レタス栽培におを介した赤色光と遠赤色光の比により制御されける赤色光をベースとした光質の影響”，植ており，赤色光の比率が低下することによって

物環境工学，24 巻，1 号，2012，pp.25-30．

下位の古い葉の老化が促進され，葉が老化して

4）松本拓也，伊藤博通，白居祐希，白石斉聖，

いく過程でクロロフィルなどの色素量が減少す

宇野雄一，“光質がレタス生長と野菜中硝酸

る 14 )。そのため，本試験では遠赤色光照射に

イオン濃度に及ぼす影響”，植物環境工学，

より赤色光の割合が低下したためにクロロフィ

22 巻，3 号，2010，pp.140-147．

ル含量が低下し，25µmol 区では黄化葉が増加したと考えられる。

5）森康裕，高辻正基， “LED と LD 光がサラダナ生育に及ぼす影響”，植物工場学会誌，

以上のことから，人工光リーフレタス栽培に11 巻，1 号，1999，pp.46-49．

おいて遠赤色光の照射は，葉の縦伸長を促進し， 6）大嶋泰平，大橋敬子，大野英一，渡邊博之，
地上部生体重を増大させる効果があることが確“レッドリーフレタス生産に適した赤色と青認された。しかし，本試験での照射方法では葉色発光ダイオードの光混合条件の検討”，植色の淡色化や硝酸イオン濃度の上昇など品質に

物環境工学，27 巻，1 号，2015，pp.24-32．

はマイナスに働く傾向を示しており，照射強度7）佐々木晴美，富田依里子，小西淳，“遠赤色や照射方法などについてはさらに検討が必要で（FR）がレタスの生育に与える影響”，日本ある。また，リーフレタスは葉の形態や葉色の生物環境工学会 2013 年大会

バリエーションが豊富で，遠赤色光に対する生

2013，pp.266-267．

講演論文要旨，育反応には品種間差が大きい思われるため，品

8）野末はつみ，野末雅之，“遠赤色光が光合成

種ごとに検証する必要があると考えられる。

活性および生育に及ぼす影響について”，日− 35 −

本生物環境工学会 2014 年大会

12）壇

講演論文要

旨，2014，pp.52-53．

和弘，大和陽一，今田成雄，“光強度および赤色光/遠赤色光の違いがコマツナの硝

9）宮嵜航，吉田英生，福田直也，“LED を使用

酸イオン濃度および硝酸還元酵素活性に及ぼした連続照明条件下における光質中の遠赤色

す 影 響 ” ， 園 学 雑 ， 4 巻 ， 3 号 ， 2005 ，

光がリーフレタスの形態形成ならびに成長に

pp.323-328．

及ぼす影響”，園芸学研究，14（別 2），
2015，pp.214．

13）日高千里，霜村雅昭，堀慧，伊澤侑美子，
大谷有理，位田晴久，，日本生物環境工学会

10）村上克介，洞口公俊，柴田治男，森田政明，
相賀一郎，“植物栽培用人工光源の開発に関する考察”，生物環境調節，30(4)，1992，
pp.135-141．

2014 年大会

講演論文要旨，2014，pp.200-201．
14）小野清美，永野聡一郎，“葉の老化に影響を与える環境要因と葉の老化の制御機構”，

11）田口亮平，植物生理学大要，養賢堂，1995，

日本生態学会誌， 63，2013，pp.49-57．

pp.216-219．

− 36 −

Ⅱ

ノート− 37 −

ノート

LIB 用タブリード材製造工程におけるリード材表面皮膜処理のインライン化
中部

昇*

佐藤

山口

健*

貴史

****

櫻井

貴文*

上村

****

忠

中川
坂詰

昌幸**
智裕

****

渡邉
沢中

亮**

本多

純一

****

章作***
嶋

優仁

桂澤

豊*

****

Development of In-line Coating Process for Tab Lead Material of Litium Ion Battery
NAKABE Noboru*，SATO Takeshi*，SAKURAI Takafumi*，NAKAGAWA Masayuki**，
WATANABE Ryo**，HONDA Syosaku***，KATSURAZAWA Yutaka*，YAMAGUCHI Takashi****，KAMIMURA Tadashi****，SAKAZUME Tomohiro****，SAWANAKA Junichi**** and SHIMA Yuji****

1.

緒

言

する超音波処理装置を開発した。また，表面皮

ラミネート型リチウムイオンバッテリー

膜の密着性を高めるための表面改質方法につい（LIB）用タブリードは，電池の正・負極端子て検討し，改質液の最適化を図ることで処理をとして使用する部材である。図 1 に示すように迅速化し，その結果インライン処理においても一端は電解液中にありながら他端は外部に露出

所定の濡れ性を達成することができた。

するため，電池の密封性を高める目的でリード材である Al，Cu 薄板の両面に絶縁フィルムを溶着した構造を有する。リード材とフィルムには高い密着性が要求されることから，リード材には表面皮膜処理を行う必要がある。従来，タブリードの製造工程はリード材をプレス加工で切断した後，バッチ処理にて洗浄，表面改質，
表面皮膜の順に処理を行った後，フィルム溶着を行っていたが，LIB の需要拡大に伴いより生産能力を高め，かつ低コストでの製造が必要である。
そこで本研究では，タブリードの一貫生産ラインの構築を目的として，タブリード材の表面改質および表面皮膜処理工程のインライン化を図った。
2.

バリ取り，表面改質技術の確立
タブリードの材料となるロール材表面の油脂を洗浄し，同時に両端のスリッターバリを除去* 研究開発センター** 下越技術支援センター***

素材応用技術支援センター****

株式会社山口製作所

図1− 39 −

ラミネート型 LIB 用タブリード

図2

3.

構築したテストライン

表面皮膜処理技術の確立

後は，後工程としてタブフィルム溶着と検査工

インライン処理を想定した表面皮膜液塗布装
置および乾燥装置を開発した。また，製造時に程を付加することにより，タブリード製造の一貫生産ラインを構築する予定である。

おける品質管理では膜厚の検査が必要となるが，膜厚に対しリード材表面の凹凸が大きいことか

5.

ら直接測定は困難である。そこで，膜厚計測方(1) ロール材表面の油脂の洗浄とスリッターバリ

法について検討を行い，化学分析を応用した膜を除去する超音波処理装置を開発した。

結言(2) 表面改質について，改質液の最適化を図るこ厚計測手法を確立した。

とで所定の濡れ性を得ながらも処理を迅速
4.

テストラインの構築

化することができた。

開発した表面改質，表面皮膜処理技術を用い(3) 表面皮膜手法および品質管理を考慮した膜厚てテストラインを構築した。テストラインは図2 に示すようにバリ取り，表面改質，表面皮膜，

検査方法を確立した。
(4) 開発した技術を基にテストラインを構築し，プレス切断で構成され，実験の結果，目標とす

目標とする送り速度で製造が可能なことをる送り速度で製造が可能なことを確認した。今確認した。

− 40 −

ノート

超精密微細加工技術の開発
樋口

智*

天城

和哉*

宮口

孝司*

桂澤

豊*

菅野

明宏*

Development of Ultra-Precision Machining Technology
HIGUCHI Satoru*，AMAKI Kazuya*，MIYAGUCHI Takashi*，
KATSURAZAWA Yutaka* and KANNO Akihiro*

1.

緒

表1

言

金型においては，その表面は非常に高度な鏡面

主軸回転数
送り速度
径方向切込み軸方向切込みクーラント
主軸傾斜角

状態が求められるが，プラスチック金型用鋼に

切削方向

現代のものづくりにおいて，“金型”は非常に重要な役割を担っており，その材質も用途により多岐にわたっている。
プラスチック成型品の中でも特に光学部品用

対する切削加工による高度な鏡面加工は難易度

切削条件
60,000min-1
150mm/min
0.009mm
0.003mmなし（ドライ）
15°，40°
アップカットダウンカットが高いため，後工程として手作業による磨きを加工機にはエアタービンスピンドルを搭載し行うのが一般的となっている。しかし，磨き作た超精密ナノ加工機（ファナック製業は熟練した高度な技術が必要であるうえ，職ROBONANO-α0iA）を使用した。

人の高齢化，後継者不足などの課題も抱えている。こうした中，磨き工程の負荷を軽減させる

主軸回転数と送り速度から一刃あたりの送り量は 2.5μm となる。
cBN 工具はヒートショックによるチッピン

ために切削加工による加工面の品質を向上させることが重要となっている。

グが生じやすいため，クーラントは使用せずにそこで本研究では，プラスチック金型用鋼にドライ加工とした。加工面の表面粗さには工具

対し，切削加工条件が加工面の表面粗さにおよ

摩耗が大きく影響するが，小径 cBN エンドミ

ぼす影響について調べた。

ルにおける工具摩耗の抑制には，切削速度を上げることが有効であることが知られている 1)。

2.

平面切削加工実験

そこで，本実験では工具傾斜角を変えることで

2.1

実験概要

切削速度を変化させた。なお，工具傾斜角 15°

切削条件を表 1 に示す。

の場合の切削速度は 49m/min であり，40°の場

工具にはバインダレス cBN ボールエンドミ

合は 121m/min である。これら主軸傾斜角と切ル（マイクロ・ダイヤモンド製，R0.5mm）を

削方向の違いとの組み合わせで以下のように条用いた。

件を設定した。

被削材にはステンレス系焼入鋼（日立金属工

条件①：工具傾斜角 15°，アップカット

HPM38，硬さ： 54 HRC）を用いた。

条件②：工具傾斜角 15°，ダウンカット

具鋼製*

条件③：工具傾斜角 40°，アップカット

研究開発センター

条件④：工具傾斜角 40°，ダウンカット− 41 −

条件②

件③による加工面の表面粗さが他の条件に比べ条件①悪化した。ただし，加工面に文字を反射させた
様子からは，条件③が突出して面性状が悪いという印象はないため，この程度の数値差は見た目への影響は少ないと考えられる。

(a)

条件①(右)と条件②(左)
条件④

(b)

条件③

(a)

条件①

(c)

条件③

(b)

条件②

条件③(右)と条件④(左)図1

切削加工面の様子

最大高さ粗さ[μm]

図3

(d)

条件④
0.5mm
切削加工後の工具

また，加工後の工具をすくい面側から観察した拡大写真を図 3 に示す。どの条件においてもすくい面に損傷がみられ，特に条件③では切れ
刃稜線に比較的大きなチッピングがみられる。
これが表面粗さの悪化につながったと推察される。主軸傾斜角で比較した場合，40°傾斜させ
図2

切削距離[m]た（条件③，条件④）ほうが工具損傷が大きい

表面粗さ測定結果（Rz）

結果となった。小径 cBN エンドミルの工具摩耗を抑制するための手段の一つとして，切削速

2.2

度を増加させることがあるが，おそらくこれは実験結果および考察

加工面に文字を反射させた様子を図 1 に示す。

オイルミストをクーラントとして使用した場合

各条件ともある程度は反射しているが，中でもであり，ドライ切削時の摩耗形態がアブレイシ

条件②による加工面がより鮮明に反射している

ブ摩耗であること 2)を考慮すると，単純な切削のがわかる。

速度の増加には注意が必要である。

次に，加工面の最大高さ粗さ（Rz）測定結果を図 2 に示す。測定には，非接触三次元測定

3.

結

言

NH-3SP）を使用し，基準

バインダレス cBN 工具を用いたステンレス

長さと測定長さはそれぞれ，0.08mm，0.8mm

系焼入鋼の切削加工を実施し，以下の結果が得とした。切削距離 6.5m 付近では各条件とも明られた。

装置（三鷹光器製

確な差異はないが，切削距離 13m 付近では条− 42 −

(1) 主軸を 15°傾斜させダウンカットすること
で反射像が確認できる程度の鏡面が得られ

参考文献
1) 浜口和也，“バインダレス cBN 製マイクロた。

エンドミルの切削特性に関する研究”， 兵(2) ドライ切削状況下では，切削速度を上げる

庫県立工業技術センター研究報告書，第 23号，平成 26 年， pp.18-19．

と工具損傷が大きくなり表面粗さを悪化させる。

2) 平石誠ほか，“cBN エンドミル工具による鉄系材料の鏡面加工（第 2 報）”，工業技術研
究報告書，No.39，2010，pp.41-46．

− 43 −

ノート

超高張力鋼板加工技術の開発
片山

聡*

石川

白川

一輝***

正登**

田村

信*

櫻井

貴文*

桂澤

豊*

吉田

元之***

山崎

卓***

松原

克浩***

Development of Sheet Metal Forming Process for Ultra High Tensile Strength Steel Sheets
KATAYAMA Satoshi*，SHIRAKAWA Masato**，TAMURA Makoto*，SAKURAI Takafumi*，
KATSURAZAWA Yutaka*，ISHIKAWA Kazuki***，YOSHIDA Motoyuki***，YAMAZAKI Suguru***and MATSUBARA Katsuhiro***1.

緒は 13B 号，試験機は（株）島津製作所製精密万言

自動車の軽量化は燃費向上を図るうえで最も能材料試験機 AG-250KNI を使用した。ひずみ

重要な技術課題であり，その解決策のひとつと計測には非接触型ビデオ伸び計とひずみゲージ

して高張力鋼板の採用が進められている。近年を併用した。

では引張強さが 1，000MPa を超える超高張力鋼

引張試験より得らえた応力－ひずみ曲線を図

板を自動車部品に適用する例も見られるように

1 に示す。超高張力鋼板は一般的に使用されるなったが，超高張力鋼板が延性に乏しい難成形鋼板よりも破断伸びが小さく，6%前後で破断し材料であることから，その適用部位はまだ限定た。また，降伏後の加工硬化が小さいという特的である。また，超高張力鋼板は成形性を向上

徴があることも分かった。

させるために金型を高温にする温間・熱間プレr 値の算出においては JIS Z 2254 に規定されス成形にて加工することが多く，その場合にはる評価ひずみ値に達しないため，同規格 10b)に設備や加工時間が問題となる。

記される計算方法などにより弾性ひずみを排除

このような背景のもと，本研究では（株）野する必要があることが分かった。

島製作所の強みであるプレス成形技術を高度化し，軽量化への提案に繋げることのできる超高2.2張力鋼板を用いたシートフレーム部品の冷間加トフレーム部品の成形性評価
プレス成形シミュレーションソフトウェア

工技術の確立を目指した。
2.

研究結果

2.1

超高張力鋼板の材料特性評価

プレス成形シミュレーションによるシー

プレス成形シミュレーションにて利用可能な材料モデルを作成するため，引張試験により超高張力鋼板の機械的特性を求めた。
引張試験方法は JIS Z 2241 に準拠し，試験片*研究開発センター**

下越技術支援センター***

株式会社野島製作所

図1− 44 −

応力－ひずみ曲線

ESI 社製 PAM-STAMP，LSTC 社製 LS-DYNA を用いて，金型形状および成形方法による成形性の違いについて検証した。超高張力鋼板の材料
モデルは図 1 の応力－ひずみ曲線より作成した
吉田－上森モデル 1）を用いた。同モデルのパラ

図2

成形試験結果メータ同定には（株）CEM 研究所製 MatPara を
用いた。

3.

結

言

シミュレーションの結果，超高張力鋼板は比（1）超高張力鋼板の引張試験を実施し，材料特較的小さな曲率であっても曲げ成形が可能であ性を把握した。また試験結果より，プレス

ること，絞り成形では引張応力場にて板厚が激成形シミュレーション用材料モデルを作しく減少することが分かった。

成した。

以上の結果をもとに，目標とするシートフレ（2）プレス成形シミュレーションを用いて目標

ーム部品に対し，成形中に発生する張力を低減

形状に対する成形方法を考案し，金型形状させる方法を考案し，金型形状へフィードバッ

へフィードバックした。

クした。

（3）成形試験により，考案した成形方法にて超高張力鋼板の冷間加工が可能であること

2.3

シートフレーム部品金型による成形試験確認した。

既存金型を用いた成形試験により，材料の破断位置が成形シミュレーションとよく一致する

参考文献

ことを確認した。

1）吉田亨，上西朗弘，磯貝栄志，佐藤浩一，米プレス成形シミュレーション結果を元に作成

村繁，"高強度鋼板のスプリングバック予測

した金型形状では，図 2 に示す形状を破断する

精度向上のための材料モデル"，新日鉄技法，ことなく成形することができた。

第 392 号，2012，pp.65-71.

− 45 −

ノート

高硬度材切削用被膜の開発
石川

淳*

桜井

相田

収平*

田村

信*

雅彦**

和田

雷太**

大矢

須藤

貴裕*

正人**

Development of Coating Film for Hardened Steel Cutting Tool
ISHIKAWA Atsushi*，AIDA Shuhei*，TAMURA Makoto* ， SUTOH Takahiro* ，SAKURAI Masahiko**，WADA Raita** and OYA Masato**

1.

緒

言

高硬度難削材料である粉末ハイス鋼の切削加工において，加工の高能率化や工具寿命延伸のための工具コーティング被膜が求められている。
そこで，市場で実績のある被膜をベンチマーク
として，より工具寿命延伸が可能となる被膜開発を目的に被膜の試作開発を行い，ミーリング

図1

試作開発した被膜の断面模式図

による工具寿命試験を実施し，性能を評価した。
2.

表1

試験条件

試作開発被膜について
粉末ハイス鋼の切削加工用エンドミル被膜として試作開発した被膜の模式的な断面を図 1 に示す。耐摩耗層と母材の間に密着層と二層の傾斜層を設けた多層構造とすることで，高硬度でかつ密着性の高い被膜を狙いとしている。
3.

試験条件について

表2

試験に供した被膜

図2

切削寿命試験の模式図

本被膜開発においてターゲットとする切削加工条件を含めた試験条件を表 1 に示す。本条件
において，表 2 に示す試作開発被膜をはじめとした 3 種類の被膜について，それぞれベース工具にコーティングし，切削寿命試験を行った。
試験は図 2 に示すとおり，粉末ハイス鋼ブロッ
ク上面について，ブロック外側から内側に向かって平行渦巻き状に切削した。ブロック一面*

研究開発センター**

ＪＦＥ精密株式会社− 46 −

（切削距離 35m）を加工するごとに工具刃先逃げ面の最大摩耗幅 Vbmax を測定し，工具寿命の目安として，おおよそ Vbmax=0.15mm に達するまで試験を継続した。
4.

試験結果
図 3 に切削寿命試験の結果である切削距離と工具逃げ面最大摩耗幅 Vbmax の関係を示す。また，各被膜の工具逃げ面の摩耗の進行を比較し図3

た写真を図 4 に示す。

切削距離と Vbmax の関係

試作開発した被膜による工具寿命は 420m に達しており，ベンチマーク被膜（175m）や既存被膜（80m）よりも優れていた。これはひとつに，試作開発被膜の硬さが高く耐摩耗性に優れていたことが要因と考えられる。さらに試作開発被膜は他の被膜と比較すると摩耗部の変色が比較的少ない（他は黒っぽくなっている）ことから，母材の露出が抑制されていることが推測され，このことから試作開発被膜はその構造において，傾斜層を二層設けたことによる膜の密着性が有効に働いていると考えられる。なお，摩耗が進行していくと摩耗線に「がたつき」が顕著に観察されることから，被膜に耐チッピン
図4

グ性を付与することにより，さらなる高性能化

工具逃げ面の摩耗状態の比較写真が期待できる。
5.

結言（1）高硬度難削材料である粉末ハイス鋼のエ

おいて傾斜層を二層設けたことによる密ンドミル加工について，試作開発した被着性が有効に働いていたことが推測され膜がベンチマークとした被膜よりも工具る。

寿命試験において約 2.4 倍の切削距離を達（2）摩耗の形態観察から，今回の試作開発被成した。試作被膜の高硬度に起因する耐膜に耐チッピング性を付与することによ

摩耗性が優れていたことや，被膜構造にり，さらなる高性能化が期待できる。

− 47 −

ノート

高圧クーラントによる析出硬化系ステンレス鋼の高能率旋削加工
田村

信* 石川

淳*

須藤

貴裕* 相田収平*

High Efficiency Turning of Precipitation Hardening Stainless Steel with High Pressure Coolant
TAMURA Makoto*，ISHIKAWA Atsushi*，SUTOH Takahiro* and AIDA Shuhei*1.

緒（以下，クーラント圧）は最大 15MPa であり，

言

航空機産業を中心に析出硬化系ステンレス鋼，

NC により任意に設定可能である。ポンプで加チタン合金，ニッケル基超耐熱合金などの難削圧されたクーラントは配管により旋盤本体に送材の加工が増加している。これら難削材の加工

られ，ホルダに取り付けたノズルから切削加工

では加工能率の向上が求められているが，いず

点に向け供給される。

れの材料も熱伝導率が小さく，切削熱が刃先に高圧クーラントユニット

蓄積し局部的に高温になるため，切削速度を上NC 旋盤

げて加工能率を高めることが難しい。
このような材料を高能率に加工する技術として，近年，高圧クーラント援用旋削加工が注目されている。この技術はクーラントを加圧してチップ先端に向けて供給する方法で，期待される効果は，①刃先の強制冷却によるチップ寿命延伸と高能率加工の実現，②切り屑の強制排出による面品位向上と無人運転化などである。
当所では平成 27 年度航空機産業参入推進事
図1

業において，高圧クーラントユニット付き旋削

外観写真（上）と構成図（下）加工装置を導入し，難削材加工の高能率化を目標に高圧クーラント援用旋削加工技術の開発を表1

進めている。
本報は，この装置を用い，析出硬化系ステン
レス鋼 SUS630 を供試材としてチップの寿命試験を行い，高圧クーラント援用による高能率化を検証した結果を紹介する。
2.

高圧クーラントユニット付き旋削装置

主な仕様
NC 旋盤
メーカー/型番（株）滝澤鉄工所/ TCN-213J

最大加工径/長さ（mm）

370 / 301

-1

主軸回転数（min ）100～5000

軸移動量 X/Z（mm）

210 / 370

切削送り速度 X/Z（m/min）

0～20 / 0～24

高圧クーラントユニット

図 1 に実験に用いた装置の外観写真と構成図，
表 1 に主な仕様を示す。クーラント吐出圧力*

高圧クーラントユニット付き旋削装置の研究開発センター− 48 −

メーカー/型番

小倉クラッチ（株）/ OJ150BB37-BF

最大吐出圧力（MPa）

15

最大吐出量（L/min）

35

3.

試験方法

3.1

供試材

析出硬化系ステンレス鋼は，耐食性，耐摩耗性，高強度が要求される航空機材料として広く使われている。本研究では，その代表鋼種である SUS630 の 中 実 丸 棒 （ 直 径 75mm ， 長 さ

図2120mm）を使用し，供試材には，固溶化熱処理

ホルダおよびノズルの外観

後（1038℃/AC），析出硬化熱処理（482℃/AC，
H900）を施した。硬度は 42HRC である。
3.2

工具

チップは（株）タンガロイ製 CNMG120404SM-T6130 を用いた。これは頂角 80°のステン
レス鋼加工用である。図 2 にホルダおよびノズルの外観を示す。ホルダは（株）タンガロイ製
高圧クーラント用ホルダ PCLNR を用いた。このホルダには，チップすくい面に加圧されたクーラントを供給するためのノズルが取り付けて図3ある。ここで，図 3 にクーラント圧とクーラン

クーラント圧と流速，流量の関係

ト流量およびノズル出口におけるクーラント流

表2速の関係を示す。流量は実測した値，流速は流条件 1量より計算により求めた値である。いずれもク

切削速度 V（m/min）

ーラント圧が高いほど大きな値を示す傾向がみ
られる。

クーラント
供給（MPa）

寿命試験条件
条件 2

条件 3

100

条件 4

150

通常外部

高圧クーラント

クーラント

10

15

表 2 に試験条件を示す。高能率化を検証する

送り f（mm/rev）
切り込み ap（mm）

1.0

際の基準条件は，工具カタログ 1)に記載されてクーラント液Blaser Vasco5000（水溶性） 10 倍希釈

3.3

チップ寿命試験方法

0.2

いる標準切削条件を参考に，切削速度を
V=100m/min，クーラント供給を通常外部クーチップ寿命は，チップの逃げ面の最大摩耗幅 VB

ラントとした（条件 1）。なお，通常外部クーが 0.2mm に達した時点とした。

ラントは一般的に用いられる外部供給方式のク4.

ーラントを示す。

試験結果

条件 2～4 は，切削速度を条件 1 に比べ 1.5 倍

通常外部クーラントにおけるチップ寿命を把の加工能率となる V=150m/min，クーラント供握するために，条件 1 と条件 2 の試験を実施し給を，それぞれ，通常外部クーラント，10MPa，た。図 4 に切削距離と VB の関係を示す。条件 1

15MPa の高圧クーラントとした。

におけるチップ寿命は約 700m，条件 2 は約

チップ寿命試験は各条件において供試材外径60m であった。基準条件に対して切削速度をを旋削加工し，切削距離 60~90m ごとにチップ

1.5 倍にすると寿命が 1/10 以下に低下することの摩耗状態をマイクロスコープにより観察した。

がわかる。

− 49 −

次に高圧クーラント援用による高能率化を検証する目的で，条件 3 と条件 4 の試験を実施した。図 5 に切削距離と VB の関係を示す。条件 3
におけるチップ寿命は約 1100m，条件 4 は約1600m であり，クーラント圧が高いほど長寿命であった。またこれら寿命は，基準である条件
1 に比べてそれぞれ約 1.6 倍（条件 3），約 2.3倍（条件 4）となり，1.5 倍の切削速度にもかかわらず，高圧クーラントを援用することでチッ
プ寿命が延伸することがわかる。
以上より，高圧クーラント援用が高能率化とチップ寿命の延伸に寄与することがわかった。
より高能率な加工を実現するためには，チップ

図4

寿命とクーラント流量および流速との相関や被切削距離と逃げ面最大摩耗幅 VB の関係（通常外部クーラント）

削材種の影響などを明らかにする必要があることから，次年度も継続して研究を行う予定であ
る。
5.

結

言

（1）SUS630 の外径旋削加工において，基準
条件（V=100m/min）に対して，高圧クー
ラ ン トの 援用 によ り 1.5 倍 の 高能 率 化（V=150m/min）と 2 倍のチップ長寿命化の両立が可能である。
（2）SUS630 の外径旋削加工において，高能率化，チップ寿命の観点から高圧クーラ
ントを援用する場合のクーラント圧は，高いほど効果的である。

図5

切削距離と逃げ面最大摩耗幅 VB の関係（高圧クーラント，V=150m/min）

参考文献
1）切削工具カタログ，株式会社タンガロイ，（2013-2014），p.2-6.

− 50 −

ノート

チタンアルミ合金の切削加工技術開発
石川

淳* 相田

収平*

須藤

貴裕* 大川原真**

Development of Milling Technology for TiAl Alloy
ISHIKAWA Atsushi*，AIDA Shuhei* ，SUTOH Takahiro* and OKAWARA Makoto**

1.

緒

言

表1

チタンアルミ合金は，比重が 4 程度と Ni 基超耐熱合金の約 1/2 であるにもかかわらず同程度の高温強度を有していることから，近年航空機

最大切削 速度 Vc

切削加工条件案
基礎
試験
導出
条件
1

条件案
（基礎 試験導出 条件を 1 とした場 合の比率 ）
A
B
C
D
1.33
1
1
1.17

エンジン用素材として注目されている。しかし， 1 刃当たり の送り fz

1

1.8

1.5

1.8

2

軸方向切 込深さ ap

1

1

1.2

1.2

1.2

径方向切 込深さ ae

1

1

1.4

1.2

1.2

加工能率 (cm 3 /min)

0.43

1.02

1.00

1.03

1.00

低熱伝導率，低延性，工具材料との化学的親和性が高いなどの性質も有していることから難削材料として認識されている 1)。その適用拡大を図るためには，チタンアルミ合金の効率的な加の加工条件を提案した。
条件 A は基礎試験導出条件に対して，最高切工方法を確立することが重要である。
本研究では，「戦略的基盤技術高度化支援事

削速度 Vc と 1 刃当たりの送り fz を増加させる業」において，環境対応型先進 UAV 用ターボ

ことにより，加工能率を 1.02cm3/min としていジェットジェネレーターのタービンブリスクにる。同様に条件 B と条件 C は 1 刃当たりの送り

チタンアルミ合金を適用することを目的に，そfz と軸方向切込深さ ap と径方向切込深さ ae を，の製作に必要となる小径ボールエンドミルによ

条件 D はすべてのパラメータを増加させることる高能率・高速・高精度切削加工技術の開発をにより，加工能率が 1cm3/min 以上となるような目指した。

条件となっている。
これら 4 通りの加工条件について，工具寿命

2.

が 30min 以上に達するか，平面切削試験を行い加工条件の検討
本研究では，加工能率 1cm /min 以上を維持し検証した。切削試験は図 1 に示すとおり平面寸ながら，工具寿命は 30min 以上を達成できる加法 72mm×110mm のチタンアルミ合金ブロック工技術の実現を開発目標としている。ところで，材を用いて，一方向に平面切削を行った。工具

工具寿命を重視したこれまでの基礎試験においについては，本事業で開発した試作工具て導出した切削条件では，加工能率は（R1.5mm ボールエンドミル）を用い，各加工

0.43cm /min であり目標を満たしていない。そこ

条件においてブロック材一断面切削ごとに工具で，表 1 に示すとおり，これまでの基礎試験で逃げ面最大摩耗幅 Vbmax を測定した。本切削試の導出条件におけるパラメータを基準として，

験の経過を切削時間と工具逃げ面最大摩耗幅

加工能率 1cm3/min 以上を満たす A～D の 4 通り

Vbmax の関係としてまとめたグラフを図 2 に示

3

3

す。Vbmax=0.1mm を工具寿命の判断基準とし*研究開発センター**

下越技術支援センター

た場合，いずれの条件において 90min 切削して− 51 −

図1

図2

切削試験の概要

図3

切削条件ﾊﾟﾗﾒｰﾀ の工具寿命への影響

図4

工具寿命までの切削時間と Vbmax の切削時間と Vbmax の関係

も工具寿命には達していない。また，条件 A の
Vbmax が一番大きく推移し，次に条件 D が大きい。条件 B と条件 C はほぼ同じで，相対的にVbmax は小さいことから，工具寿命に対して有利な加工条件であることがわかる。

関係（条件 C）

ここで，一般的な工具寿命に対する切削条件
パラメータの影響は，切削速度が一番大きく，

において工具寿命の判定とする Vbmax=0.1mm

送り，切込深さとその影響は小さくなってくるに達している。このことから難削材であるチタ

ことが知られている 2)。本試験では表 1 に示し

ンアルミ合金ではあるが，工具開発と適切な切たとおり，ベースとなる切削条件から加工能率

削加工条件の設定により，長時間の切削加工がを上げるために切削条件パラメータを複数組み実現できることが明らかとなった。

合わせて上げているが，試験結果から図 3 に示
すとおり，切削条件パラメータが工具寿命に与2.

加工形状精度の検証

える影響を整理してみると，チタンアルミ合金

これまで開発してきたチタンアルミ合金の切に対する本開発技術においても，工具寿命に対削加工技術による加工物が，目標とする形状精する切削条件パラメータの影響は切削速度が一度を満たすかを確認するために，図 5 に示すジ番大きく，送り，切込深さとその影響は小さくェットエンジンのタービン翼を想定したモデルなってくる傾向があるといえる。

形状を切削加工し，その形状精度を評価した。

さらに工具寿命に至るまでの切削時間を確認

幅 40mm×高さ 50mm×厚さ 7mm のチタンアルミ

するために，条件 C について切削試験を継続し，合金ブロック素材を用いて，荒加工により図 5

切削時間と工具逃げ面最大摩耗幅 Vbmax の関係に示すようにモデル形状に対して翼部の余肉がを求めたグラフを図 4 に示す。切削時間 300min

片側 1.5mm となるような素材形状とした。その− 52 −

表2

加工した翼モデルの形状誤差測定結果

測定 断面

図5

形 状誤差 (μm ）Z= -2mm

最小
-12.9

最大
10.3

Z= -10mm

-16.9

15.1

加工形状精度評価用モデルの形状

3.

結

言

（1）チタンアルミ合金の切削加工に適する
R1.5mm ボールエンドミルを試作開発し，
加 工 能 率 1cm3/min 以 上 か つ 工 具 寿 命
30min 以上を満たす加工条件を把握した。
（2）本開発技術においては，工具寿命に対して切削速度が最も影響し，送り，切込深
図6

加工した翼モデルと形状評価位置

さの順にその影響が小さくなる傾向にあり，加工条件を最適化することにより，後，開発技術を基にした切削加工条件にて，約前記加工能率において加工時間 300min

10 分程度で，仕上が り 翼弦長 30mm×翼 高さ（切削除去量 300cm3）の切削加工が可能

20mm×最大翼厚 1mm の翼部を加工した。加工となった。

した翼モデルの外観写真を図 6 に示す。この翼（3）本開発技術によりタービンブレード翼モ面について，モデル CAD データを設計値として，デルを切削加工し，ブレード翼断面の形

Z=-2mm ならびに Z=-10mm の断面形状を三次元

状精度評価を行った結果，目標とする形測定機（ZEISS 製 UPMC550）を用いて測定し，状精度±30μm 以内であることを確認した。

設計値と測定値の照合を行い，誤差を評価した。
三次元測定機による形状誤差の測定評価結果

参考文献

を表 2 にまとめた。形状誤差としては翼断面

1）Priarone P.C.，Rizzuti S.，Rotella G.，Set-

Z=-2mm においては最小-12.9μm，最大 10.3μm，tineri L.，“Milling Experiments on γ-TiAl”，X

また翼断面 Z=-10mm においては最小-16.9μm，Con-vegno AlTeM,Napoli ， 12-14 settembre

最大 15.1μm であった。このことから本開発技術

2011.

による加工形状精度が目標である±30μm 以内を2）横山明宜，元素から見た鉄鋼材料と切削の 基 礎 知 識 ， 日 刊 工 業 新 聞 社 ， 2014 ，満たすことを確認した。

pp.201.

− 53 −

ノート

真空装置用ステンレス製大型容器の多様な形状に対応する新加工技術の開発
菅野
菅井

明宏*

謹一***

藤岡

崇*

山崎

栄一**

桂澤

智裕***

森田

順平***

押野谷

本田

豊*
明則***

Development of Flexible Forming Technology for Large-size Stainless Container for Vacuum Equipment
KANNO Akihiro*，HONDA Takashi*，YAMAZAKI Eiichi**，KATSURAZAWA Yutaka*，
SUGAI Kinichi***，FUJIOKA Tomohiro***，MORITA Junpei*** and OSHINOYA Akinori***

1.

緒

言

鍛造での内径の異形化に取り組んだ。金型形状

真空装置用の SUS304 製大型容器は，多様なや鍛造条件を検討して最適化した結果，フロー

サイズや肉厚差のある形状へのニーズがあり，

フォーミング成形に適した中間素材形状を実現

かつその一体構造化が求められている。しかし，した。図 2 に開発した中間素材の外観を示す。

そのような容器形状（大型・肉厚差）であることに加えて難加工材であることから，現状では鍛造によるニアネットシェイプ化が困難であり，切削工法または溶接工法により製造されている。
しかし，これらの従来工法では材料歩留まりが悪いうえに工程数も多く，コスト高となることから，その解決が求められている。
そこで，本研究では前述のような容器を一体成形可能で，かつ多様な形状に対応できるブレークスルー技術として，リング鍛造と加工中の温度制御を取り入れた熱間フローフォーミング
を組み合わせた新しい複合加工技術の開発を行った。この開発により，高品質な一体構造の
SUS304 製大型容器（外径約 300mm）の成形を可能にするとともに，材料ロスの削減と短納期化，低コスト化の実現を目指す。図 1 に本研究で開発した新加工技術の概要を示す。
2.

新加工技術の開発

2.1

リング鍛造による中間素材形状の検討

図1

新加工技術の概要

使用する素材の重量を削減するためにリング*

研究開発センター

**

企画管理室

***

タンレイ工業株式会社

図2− 54 −

リング鍛造による中間素材

2.2

ュ技術を開発した。図 5 に従来と本開発によるシミュレーションを活用した開発

はじめに，適切な成形温度範囲を把握するた

リメッシュ技術の比較を示す。また図 6 に，開め，SUS304 の高温材料試験を行い，材料特性発したリメッシュ技術による要素形状の修正例

に対する温度と試験速度による影響を調べた。

を示す。

試験結果の一例を図 3 に示す。それらの結果を開発したシミュレーション手法を活用し，基分析して SUS304 の高温領域の変形抵抗を調べ

礎成形試験で得た知見をもとに，最適なローラた。

ー形状と材料流れを得る新加工法を開発した。

次にフローフォーミング（図 4）で発生する加工装置自体の変形，加工荷重を把握するため

図 7 に新加工法の計算結果と，実際に成形した成形品の外観を示す。

の荷重・変位測定システムを開発するとともに，基礎成形試験を行い，加工ローラーの形状とモーションの違いによる材料の流れを把握した。
一方，成形条件を効率的に検討するために，
フローフォーミングシミュレーション手法の確立に取り組んだ。フローフォーミングのような大変形に対応した計算を実現するためには，加工に伴う要素のゆがみを解消するリメッシュが必要である。しかし現在，主なソフトウェアに

図5

従来と本開発のリメッシュ技術の比較

図6

リメッシュによる要素形状の修正例

実装されているリメッシュ手法では計算精度に課題がある。そこで精度のよい 6 面体リメッシ

図3

SUS304 高温材料試験の結果（a）計算結果

図4

熱間フローフォーミングの様子

図7− 55 −（b）成形品開発した新加工法（計算結果と成形品）

2.3

最適な加熱条件の検討

3.

新加工技術による結果

短時間でワークを高温へ加熱するために高周本研究で開発した新加工技術により，目標値

波加熱装置を開発した（図 8）。また熱画像装である切断重量 21.5kg 以下，加工時間 10 分以

置による温度測定と加熱条件の検討により，最内で，出荷形状にて黒皮（削り残し）のない製

適な温度分布への加熱を実現した。

品の加工を実現した。図 10 に新加工技術による成形品を出荷形状に旋削した製品の外観を示

2.4

実用化技術の開発す。加えて，必要な検査項目および検査方法で実用化に向けて図 9 に示すような試作用ラインを開発した。試作試験の結果，目標とするサ

本技術による成形品の検証を行い，良好な品質であることを確認した。

イクルタイムが実現できることを確認した。

4.
図8

高周波加熱装置

図 10

開発した新技術で加工した製品

結言（1）フランジ付きの SUS304 製大型容器を一体構造で目標形状に成形ができた。
（2）目標とした材料ロス削減と加工時間の短縮ができた。
（3）多様なサイズのフランジ付き形状の容器にも適用可能な成形技術を確立した。
なお，本研究は，経済産業省による平成 25
から 27 年度戦略的基盤技術高度化支援事業で実施したものである。

図9開発した試作用ライン− 56 −

ノート

シミュレーションを用いた不等ピッチメタルソー
における刃型最適化設計技術の開発
片山

聡*

貴文*

櫻井

Development of Optimization Design Technology of Unequal Pitch Metal Saw by Computer Simulation
KATAYAMA Satoshi* and SAKURAI Takafumi*
1.

緒

言

不等ピッチを採用した回転工具は，加工時に発生する振動を抑制し，加工効率や品質，工具寿命を向上させる 1-2）。メタルソーはエンドミルに比べ刃数も多く，ピッチの組み合わせは無限に近い数が想定される。そのため，刃型の最適設計は非常に困難であり，基本形状から手探りで設計しているのが現状である。
そこで本研究では，不等ピッチメタルソーの図1

最適刃型設計技術におけるシミュレーション技

切削荷重の FFT 分析結果

術の活用方法について検討した。
2.2

切削時の振動周波数解析

LSTC 社製動的陽解法有限要素法ソフトウェ

2.

研究結果

2.1

切削実験による加工時の振動および周波

ア LS-DYNA を用いて，不等ピッチメタルソーの振動周波数（ワークとの接触頻度）を簡易的

数成分の分析
同じ刃数を有す等ピッチメタルソー，不等ピ
ッチメタルソーによる切削実験を行い，工具動

な接触シミュレーションより求めた。FFT 分析には LSTC 社製 LS-PrePost4.2 を用いた。

力計（日本キスラー（株）製 9257B），動ひずみ切削実験とシミュレーションとの FFT 分析結測定器（（株）共和電業製 EDX-1500A-16AD）に果を図 2 に示す。振動周波数の傾向はよく一致て切削荷重を測定した。測定された切削荷重はしているが，シミュレーション結果では切削実

動ひずみ測定器付属の FFT 分析機能にて，周波数毎の強度（Magnitude）を分析した。
図 1 に切削荷重の FFT 分析結果を示す。等ピッチでは刃数×回転数の成分とその倍数成分が現れている。不等ピッチでは等ピッチと同じ周波数のほか，その前後にも波形が現れていることが分かる。

*

研究開発センター

図2− 57 −

切削実験とシミュレーションとの比較

験よりも高周波成分が大きくなった。これは切きることをシミュレーションにより確認した。

削における減衰効果（ワークの塑性変形に費やされるエネルギなど）を考慮せず，接触荷重を3.

求めたためと考えられる。切削シミュレーショ

（1）切削実験における振動挙動を再現する簡易ンソフトウェアを用いればこの問題は解決する的なシミュレーション手法を考案した。

と考えられるが，刃型により振動周波数がどの（2）最適な刃型設計により振動周波数を低減でように変化するかを定性的に求めるには本研究きることが分かった。それをシミュレーシにて実施した簡易的な接触シミュレーションで

ョンにより予測できることが分かった。

も十分な精度を有しているといえる。

結言（3）シミュレーション技術を活用することで刃

なお，事前にモーダル解析を実施し，接触周型設計を迅速に行えることを示した。

波数と共振周波数が十分に離れていると確認された場合には，振動周波数は表計算ソフトウェ

参考文献

アなどでも求められることも分かった。FFT 分

1）社本英二，景山和宏，森脇俊道，"不等ピッ析における処理点数を多くとれないという問題

チエンドミルによる再生型びびり振動の抑はあるが，簡易的な手法としては有効である。

制:解析モデルの構築とピッチ角の最適化"，
一般社団法人日本機械学会関西支部講演会

2.3

講演論文集 2002（77），2002，pp."3-5"-"3-6".

刃型の最適化

接触シミュレーションにて刃型形状による振2）小島拓也，鈴木教和，社本英二，"不等ピッ動周波数とその強度の変化を求めたところ，同

チ／リードエンドミルによるびびり振動のじ刃数であってもピッチにより結果が異なるこ

抑制:安定限界に対する半径方向切込みの影とが分かった。不等ピッチメタルソーにおいて響"，精密工学会学術講演会講演論文集

も，基本的には刃数×回転数の成分が最も大き

2011A（0），2011，pp.315-316.

くなるが，適切な刃型設計によりそれを低減で− 58 −

ノート

高出力の熱音響エンジンの開発
大野

宏*

大川原

真*

須貝

裕之**

平石

誠**

本多

章作***

Development of High Power Thermoacoustic Engine
OHNO Hiroshi*，OKAWARA Makoto*，SUGAI Hiroyuki**，HIRAISHI Makoto**and HONDA Syosaku***

1.

緒

言

管の中に入った細いパイプの束（蓄熱器）の蓄熱器

両端に温度差を与えると，中の気体は不安定になり振動を始め音波が発生する。これは熱音響現象と呼ばれ，この現象を利用し熱から音波を発生させる装置が熱音響エンジンである。熱音
響現象は，古くから知られていたが，熱力学や流体力学の発展とともに，音波が発生する原理が解明され，工場の未利用熱や太陽熱から音波を発生させる熱音響エンジンを利用し，冷熱や

図1

音波が発生する原理

電気に変換して活用する技術の研究開発が盛んになっている 1)。

パイプの中の気体は，①加熱されて膨張し圧力

本研究では，熱音響エンジンの実用化を目的が高くなり，②圧力の低い反対側に移動し，③として，ループ状の進行波型熱音響エンジンをここで冷却されて収縮し圧力が下がり，④さら製作した。また，エンジンの数を増やし，多段に右側の気体より圧力が下がるため押し返され，型にして高出力化に取り組んだ。さらに，熱音最初の位置に戻る。この気体の移動が振動源と響エンジンが熱源から離れていても，ヒートパ

なって音波が発生する。この音波を発生させる

イプで熱が輸送できれば音波が発生するか実験

装置が熱音響エンジンである。逆に蓄熱器に音した。

波を当てると，粗密波として蓄熱器の中を気体は振動し，①細いパイプで強制的に収縮されて2.

熱音響エンジンの概要

放熱し，②振動により反対側に移動し，③膨張

細いパイプの束である蓄熱器を管の中に入れ，して吸熱し，④振動により最初の位置に戻る。

この両端に温度差を与えると中の気体は不安定

蓄熱器の片方で放熱し反対側で吸熱するため，になり，振動を始め音波が発生する。この原理

その両端に温度差が発生する。

を図 1 に示す。細いパイプの束から 1 本のパイ
プを取り出し，これを拡大して表示した。細い*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

3.

熱音響エンジンの製作と実験

3.1

進行波型熱音響エンジン

図 2 に製作した進行波型熱音響エンジンの外観を示す。管をループ状にし，発生する音波の腹と節は時間とともに移動するので，進行波型− 59 −

図4

図2

進行波型熱音響エンジン

蓄熱器

熱交換器

図3

進行波型と定在波型の発電電力の比較

熱交換器

熱音響エンジン中心部
図5と呼ばれている。発生する音波の一部を出力とエンジン個数による発電電力の比較

して取り出しスピーカで発電させ，残りを熱音Ｗ=

響エンジンに戻して増幅させる。音波を発生させる熱音響エンジン中心部は図 3 に示すように，
直径 0.6mm の細いパイプの束の蓄熱器の両側にフィン式の熱交換器を設置し，一方を電熱線で加熱し，もう一方を循環水で冷却する。進行波比較した。その結果を図 4 に示す。縦軸に発電
電力，横軸に加熱を開始してからの時間を示す
が，300W の電熱線で加熱した。加熱を開始して 15 分後に蓄熱器の両端の温度差は，定在波
型と進行波型で差があるものの約 200℃になった。この時，進行波型は定在波型の 2 倍の電力が得られた。熱音響エンジンの仕事 W は式（1）に示すとおり，発生する音波の圧力 P と流速 Uとその位相差θ，および管の断面積 A の積で表される 3)。

２

cos

（1）

直管の定在波型エンジンの音波の圧力と流速に位相差が生じ，ループ状の進行波型エンジンは両者の位相差がゼロになるため，後者の方が仕事は大きくなり，発電電力も大きくなる。

型熱音響エンジンと，昨年度製作した直管式の定在波型熱音響エンジン 2)の発電電力を測定し１

次に，進行波型熱音響エンジンでエンジンの数が 1 個と 2 個の時の発電電力を比較した。その結果を図 5 に示す。縦軸に発電電力，横軸に加熱を開始してからの時間を示す。各エンジン
とも 400W の電熱線で加熱し，加熱を開始して15 分後に蓄熱器の両端の温度差は，各エンジンで差があるものの約 280℃になった。エンジ
ン 2 個の投入電力は 400W×2 の 800W で発電
電力は 2 倍になると予想したが，15 分後の発電電力は 3 倍に増加した。当初の予想より発電電力が大きく増加したため，管内の圧力と流速− 60 −

図6

図7

熱輸送実験装置

ホットプレートと熱音響エンジンの温度変化を測定し詳しい解析を行う予定である。また，より出力を大きくするため 1MPa のヘリウムガ

温度差は 134℃であった。

スを封入したエンジンを設計し製作中である。
ヘリウムは分子量が小さいため流速が早くなり，

4.

結

言

高圧にすることで出力が大きくなることが期待(1)

進行波型熱音響エンジンを製作し，スピーカで発電させたところ，定在波型熱音響エできる。

ンジンの 2 倍の電力が得られた。また，進3.2

行波型熱音響エンジンでエンジンの数を 1

熱輸送実験個から 2 個に増やしたところ，発電電力は

熱音響エンジンでは高温側熱交換器と熱源が3 倍になり，出力が大きくなった。

離れている場合もあるが，熱を損失なく輸送できれば，音波を発生させることができる。昨年(2) ヒートパイプを使った熱輸送装置を製作し，度ヒートパイプを使用した熱輸送装置 4)を製作

熱源と熱音響エンジンが離れていても，こしたが，今年度はこの先に熱音響エンジンを取れを駆動するために必要な熱が輸送される

り付け，音波が発生するか確認した。実験装置

ことを確認した。

の外観を図 6 に示す。ホットプレートを熱源にして受熱板で集熱し，長さ 70cm のヒートパイ

参考文献

プで右上の熱音響エンジンの高温側熱交換器に

1) 富永昭，“熱音響工学の基礎”，内田老鶴
圃，1998，pp.9-11．

熱を輸送する。ヒートパイプは外部へ熱が逃げないよう断熱材を巻いた。ホットプレートは

2) 大野宏，平石誠，須貝裕之，本多章作，石300℃で温度上昇が停止する設定にした。動作

井啓貴，“熱音響機関技術研究会報告”，

させてからのプレートと熱音響エンジンの高温

新潟県工業技術研究報告書，No.44，2014，

側熱交換器と低温側熱交換器の温度変化，音波

pp.64-66．

の発生時間を図 7 に示す。ヒートパイプで熱が

3) 琵琶哲志，高尾景，“複数蓄熱器による音輸送されるが，熱音響エンジンの高温側熱交換

響パワー増幅”，低温工学，Vol.47，No.1，

器の温度はホットプレートに比べてゆっくりと

2012，pp.42-46．

上昇し，250℃で一定になった。熱音響エンジ4) 大野宏，平石誠，須貝裕之，本多章作，石ンの高温側熱交換器が 156℃まで上昇すると音井啓貴，“高出力の熱音響機エンジンの開波が発生し，熱音響エンジンを駆動させるため

発”，新潟県工業技術研究報告書，No.44，の熱が輸送されていることを確認した。なお，

2014，pp.35-38．

この時の低温側熱交換器は 22℃で蓄熱器両端の− 61 −

ノート

異種金属材料の非溶融接合技術の開発～アルミニウムと鋼板の接合～
平石 誠* 中川 昌幸**
Non-melting Joining of Dissimilar Metals～Joining between Aluminum Alloy and Steel Sheet～
HIRAISHI Makoto* and NAKAGAWA Masayuki**
1. 緒

言

機械装置を構成する材料には様々な材料特性が求められるが，中でも「軽さ」は省エネルギー化や機械装置の性能の向上，取り扱いの容易さなどの観点から重要な特性の一つである。ただし，多くの場合，
強度あるいは耐食性，加工性などの複数の特性を併

図１ 接合原理

せ持つことが必要となるため，これを実現する方法
アプセット荷重 摩擦荷重

として異なる特性を持つ材料をつなぎ合わせる接合技術が注目されている。しかし，従来の部材を溶かす「溶接」を行った場合，金属間化合物の生成に伴う脆化や割れの発生により接合が困難であるため，非溶融接合技術の開発に向けた研究がなされている。
本研究では継手形態として汎用性の高い点接合を対象として，非溶融接合の一種である摩擦圧接の原理

アプセット時間摩擦時間を応用した鋼板とアルミニウム合金の接合技術の開発に取り組んだ。

図２ 接合工程数の時間変化をグラフ状に表すと図 2 のようになる。

2. 実験方法
製作した摩擦圧接機を用いてアルミニウム合金丸

接合実験では摩擦時間やアプセット荷重が接合強棒（A5052，φ6 mm）と冷間圧延鋼板（SPCC，厚ささに及ぼす影響を調べた。接合条件を表 1 に示す。

1 mm）の接合実験を行った。

接合部の強さを評価するために引張試験を行った。

図 1 は接合原理を表したものである。回転させた
アルミニウム丸棒を鋼板に押し付けて摩擦熱を発生

引張荷重の負荷方向は接合面に垂直方向（引張強さ）とした。

させ（摩擦過程），適正な時間だけ保持して接合部周
表１ 接合条件

辺の材料を軟化させた後に回転を急停止し，これとほぼ同時に押付荷重を増し材料を圧縮変形（アプセ

回転数

50 s-1

ット過程）させて接合を完了する。押付荷重と回転摩擦荷重

1.7 kN

摩擦時間

1.0～5.0 s*

中越技術支援センター

アプセット荷重

1.7～3.1 kN**

下越技術支援センター

アプセット時間

5.0 s− 62 −

ブレーキ

アルミニウム丸棒

摩擦荷重：1.7 kN
アプセット荷重：3.1 kN

鋼板

10mm

5mm

図３ 接合した試験片
摩擦時間

アプセット時間

3. 実験結果接合された試験片の外観および断面を図3に示す。
アルミニウム丸棒は接合部付近で拡がり，その先端
図４ 接合部付近の温度変化はカールしてバリを形成した。バリは主にアプセッ
ト過程に形成されたもので，接合界面に沿った塑性流動によるものである。
接合面の裏側に当たる鋼板表面に線径0.3 mmのK
熱電対を取り付け，
接合時の温度を測定した（図 4）。
接合部の温度はアルミニウム丸棒が鋼板に接触するのと同時に上昇し，アプセット荷重に切り替わると410℃に達した。そしてブレーキをかけ摩擦発熱量が小さくなると急速に低下した。塑性流動を生じやす

摩擦荷重：1.7 kN
摩擦時間：3 s

い高温状態でアプセット荷重付加を付加するためにはブレーキとのタイミングが重要となる。
接合条件が接合強さに及ぼす影響を調べた結果の一例を図 5 に示す。アプセット荷重の増加とともに

図５ 接合強さの変化

接合強さは増加した。併記した寄代（アルミニウム
丸棒の長さ変化量でバリの排出量と同義）も同様の傾向を示しており，寄代が接合強さの指標となることを示唆している。なお，摩擦時間（1.0～5.0 s）が接合強さに及ぼす影響は少なかった。
引張試験後の破断部では図 6 のように鋼板が大き

図６ 破断部の様子く変形した。破断面を電子顕微鏡で観察すると，黒い筋状の未接合部（図 7（a）矢印）が観察されたが，

(b)

(a)

延性破面（図 7（b）
）が広い面積に認められ，強固な接合がなされていることが確認された。
4. 結言

鋼板とアルミニウム合金丸棒の非溶融接合技術の10mm開発に取り組み，接合部の温度変化および摩擦圧接

図７ 破面の電子顕微鏡像

条件が接合強さに及ぼす影響を把握した。

（(b)は(a)の囲み部の拡大）− 63 −50μm

ノート

簡易なグレースケールマスクを使用したリフロー法によるマイクロレンズアレイの作製
佐藤

健*

宮口

孝司*

Fabrication of Micro-lens Array by Reflow Method Using Simple Gray-scale Mask
SATO Takeshi* and MIYAGUCHI Takashi*

1. 緒

言

マイクロレンズアレイ（以下，MLA）は直径数 10μm のマイクロレンズを多数配列したもので，CCD 撮像素子や液晶プロジェクターな
図1

どの光学部品として利用されている。

リフロー法

石英やガラスなどに直接レンズ形状を加工する方法の一つにリフロー法がある。
フォトリソグラフィーで円柱状のレジストパ
ターンを形成し，加熱でフォトレジストを溶
融・流動させて表面張力で球面を形成する。これをドライエッチングすることで基板にレンズ形状を形成する方法である（図 1 参照）。レジ
ストと基板の選択比が 1 となる条件でエッチン(a) 外観グを行うとレジスト形状がほぼそのまま基板に転写される。
比較的容易な方法であるが，アスペクト比の小さいレンズ（径に対して高さの低い形状）については，レジストが十分に流動せず球面が形成されないという課題がある。図 2 は当研究室の試作例で，レジストが中央部まで流動せず頂点が凹形状となっている。球面が形成される前にレジストが硬化したことが原因と考えられる。

(b) 断面形状

本研究ではスパッタリング装置で簡易なグレ

図2

試作した石英製 MLA

ースケールマスクを作製し，リフロー法への適用を検討した。図 3 のようにグレースケールマ
スクでレジストを階段状にパターニングすることで，レジストの流動を容易にし，上記課題の改善を試みたので報告する。
* 研究開発センター

図3

レーザー・ナノテク研究室− 64 −

グレースケールのパターン形成

し，直接透過率を測定した。
レジストを Si 基板にスピンコートし，ホットプレートで 110℃2min のベークをして 3.1μm の厚さに成膜した。上記の評価用マスクを使用し，照射エネルギー97mJ/cm2 でコンタクト露光を行い現像した。レジスト表面に薄い反射膜を形成した後，非接触三次元測定機 NH-3SP（三鷹光
図4器（株））で膜厚を測定し残膜率を算出した。

UV 透過率とレジストの残膜率

その結果，図 4 に示すとおりレジストの階調性が確認された。
2.2

フォトマスクの作製

φ38μm の MLA 用にグレースケールマスクとバイナリーマスク（光の透過の有無のみでパターン形成する 2 値のマスク）を作製した。
グレースケールマスクは図 5 のようにリフト
図5

グレースケールマスクの作製フロー

オフプロセスを 2 回繰り返すことで作製した。
先ずソーダガラスにレジストでレンズの直径よりも小径の開口パターンを形成し，100nm 厚の Cr をスパッタリングした後，レジストを剥離して遮光部を形成する。遮光部は，φ18，
24，30μm の 3 種類とし，リフロー後のレジス
ト高さのパラメータとした。

図6

次にレンズの直径と同じ φ38μm の開口パタ

グレースケールマスクの外観

ーンを形成し，CrO をスパッタリングした後レ
2.

実験

2.1

レジストの階調性評価

ジストを剥離し，遮光部の周囲にグレースケー
ル部を形成する。CrO は図 4 におけるレジスト

レジスト OFPR800LB（東京応化工業（株））
を用いて UV 透過率に対するレジストの残膜率を測定した。
ソーダガラスに CrO を時間を変えてスパッタ
リングし，20～70%の範囲で 6 階調の透過率の領域を形成し，遮光領域とソーダガラスのみの領域（透過率 92%）も加えて 8 階調の評価用マ
ス ク を 作製 し た。 マ スクア ラ イ ナー PEM-800（ユニオン光学（株））で露光し，UV センサ
ーUVD-405PD（ウシオ電機（株））で各領域の透過率を測定した。UV センサーの受光部はφ1mm であるため，各領域は幅 2mm 以上で形成残膜率 60%を目安に，透過率 30%となるスパッタリング条件で成膜した。作製したマスクの外観を図 6 に示す。
バイナリーマスクは，120nm 厚の Cr をφ38μm にパターニングして作製した。
2.3

実験方法

レジスト OFPR800LB を Si 基板にスピンコ
ートし，ホットプレートで 100℃2min のベークをして成膜する。グレースケールマスクでパターニングする試料はレジスト厚を 3.1μm とし，バイナリーマスクの場合は，レジスト厚を
1.7，1.9，2.2μm の 3 種類とした。露光エネル− 65 −

ギー97mJ/cm2 でコンタクト露光を行い，現像調の簡易なグレースケールマスクを使用す

後，ホットプレートで 210℃5min の加熱をしることで，従来法に比べレジストの流動性てレジストをリフローさせた。

が向上し，よりアスペクト比の小さいレン

2.1 項と同様にレジスト表面に反射膜を形成

ズ形状を形成できることがわかった。

した後形状を測定した。機器に内臓されたプロ(2) 微小なグレースケール部では光の回折など

グラムで円に近似し，フィッティングの可否での影響により，レジストの残膜率において流動性を判断した。

想定値からのずれが生じた。

2.4

結果

2.4.1

リフロー後のレジスト形状

図 7 にグレースケールマスクで形成したレジストの断面形状を示す。遮光部φ18μm の試料で高さ 2.4μm となった。
図 8 は同じ試料の断面を円に近似した図であり，端部でわずかにずれがあるもののフィッテ

図7

断面形状（グレースケールマスク）

ィングは良好である。図示はしていないがφ24，30μm の試料の近似も良好で，表 1 のように近似した円の半径を求めることができた。
バイナリーマスクのレジスト形状を図 9 に示す。レジスト厚 2.2μm の試料のみ高さ 3.2μmの球面が形成されたが，その他の試料ではレジ
ストの流動が不十分で凹形状となった。
したがって，低アスペクト比の球面形状を作製する場合にはグレースケールマスクの方が有図8円への近似（遮光部φ18μm）

図9

断面形状（バイナリ―マスク）

表1

レジスト高さと近似した円の半径利であるといえる。
2.4.2

グレースケール部のレジスト形状

グレースケールマスクを使用した場合のリフ
ロー前の断面形状を図 10 に示す。縦軸の高さは規格化して表示した。グレースケール部の高さは図 4 の階調性評価の結果から 0.6 程度と想定されたが，実際にはこの値からずれており，凹凸のある面となった。これは，光の回折や反射などの影響で透過光に強度分布が生じたことが原因と考えられ，2.1 項で使用したマスクと異なり，グレースケール部の領域が微小なパターンでは影響が大きい。
3.

結遮光部の直径 (μm)
グレースケー
レジスト高さ（μm）
ルマスク
近似した円の半径 (μm)
バイナリ―
マスク

言

(1) リフロー法による MLA 作製において，3 階− 66 −

φ18

φ24

2.4

2.9

φ30
3.3

86.9

71.5

60.8

レジスト厚 (μm)

1.7

1.9

2.2

レジスト高さ (μm)

-

-

3.2

近似した円の半径 (μm)

-

-

66.6

(a)

(b)

遮光部φ18μm
図 10

遮光部φ24μm

リフロー前のレジストの断面形状− 67 −(c)

遮光部φ30μm

ノート

人工光レタス栽培における反射材が光強度と生育に与える影響
石井

治彦*

種村

竜太*

小林

豊*

大川原

真*

Efficiency on agricaltual environment using reflective material
ISHII Haruhiko*，TANEMURA Ryota*，KOBAYASHI Yutaka* and OKAWARA Makoto*

1. 緒

培養液は，OAT アグリオ（株）の A 処方を用い言

天候に左右されず，栽培条件を制御することが可た。発芽後は 1/4 濃度（EC 0.7dS/m）で育苗し，定能な完全人工光植物工場が注目されている。その一植後は 1/2 濃度（EC1.4dS/m）で管理した。試験は湛方で，導入時の初期コストや生産コストが高いこと

液式水耕で行い，植物の吸水による減水分を随時水が課題となっている。栽培環境要素のひとつとして，道水で補充し，2～3 日毎に EC を 1.4dS/m に調整し光環境がある。従来は蛍光灯を光源として用いていた。

たが，近年では長寿命で省電力な LED に置き換わ

育苗時の光源には，昼白色 Hf 蛍光灯（パナソニってきた。省電力効果や光利用の高効率化を求めて，ック（株），FHF32EX-N-H）を用い，光強度（光合LED の波長がレタスの生育に及ぼす影響について

成有効光量子束密度：PPFD）を 200μmol・m-2・s-1，の報告がされている 1-3)。現状では，LED の光が栽

明期を 12 時間とした。定植以降は白色 LED（シャ培領域から漏れ，植物に利用されていない光がある。

ープ新潟電子工業（株），色温度 5000K，20W）をそのため，反射材を利用することで，光の効率的な使用し，明期は 16 時間とした。

利用や LED にかかる電力の削減につながると考えられる。

2.2 試験区の設定

しかし，LED の光を有効に使うために反射材を

反射材は反射率が約 90%のタイベック 700AG

利用した栽培の報告例はみられない。本研究では，（丸和バイオケミカル（株））を用いた。波長別のLED 照明の効率的な利用を目的とした，反射材の反射率を図 1 に示す。白色 LED を各試験区に 4 本設置による光環境の変化およびレタスの生育に及ぼ配置し，栽培装置の側面に反射材を吊り下げて開口す影響について検討した。

高さをそれぞれ 10cm，5cm，0cm とした 3 試験区と，反射材を設置しない無処理区を設けた。いずれの試
験区ともに LED の上面には反射材を設置した。

2. 材料及び方法

図 2 に各試験区の模式図を示す。

2.1 栽培方法
21 日にウレタンキューブ（2.5cm×2.5cm×3.0cm）に播種し，育苗した。平成 28 年 1 月 8 日に栽培ベッド（W59cm×L88cm×H3cm）に定植（8 条千鳥植え）
し，1 つの試験区とした。

反射率 (%)

品種はフリルアイスを供試した。平成 27 年 12 月

100
80
60
40
20
0
400

* 下越技術支援センター

500
600
波長 (nm)

図 1 反射材の光反射率− 68 −

700

●無処理区●開口高さ10 (cm)

反射材
LED

反射材
6

14

18

14

6
25

レタス

10

発泡
スチロール

●開口高さ5 (cm)

●開口高さ0 (cm)5

図 2 各試験区の模式図（側面反射材の高さを変化）
2.3 調査方法
定植 面に おけ る光 強度を Light Meter （ LICOR,LI250A）を使用して長手方向，幅方向に8 点ずつ合計 64 点測定した。
1 月 28 日に収穫し，黄化葉などを取り除き可食部だけにした状態に調整し，調整葉重量と生理障害の一種であるチップバーンの発生株率を調査した。
3. 結果及び考察
3.1 開口高さと光強度の関係
光強度の測定結果を図 3，4 に示す。無処理区，10cm 区，5cm 区と開口高さが低くなるにつれ，全体的に光強度が上昇した。そして，
5cm 区と 0cm 区では有意差は見られなかった。
無 処 理 区 と 比 較 し て ， 0cm 区 で は 平 均 値 で69%の光強度が増加した。栽培装置の側面に反射材を設置することで光強度が上昇したことから，効率的な LED の利用につながると考図 3 各試験区の光強度分布(上から，無処理区，10cm 区，5cm 区，0cm 区)えられる。また，開口高さが低いほど光強度300

幅方向（LED 照明と垂直の方向）の光強度のばらつき（光強度の幅方向の最大値と最小値の差）を図 3 と同様に端部からの距離で比較したところ，開口高さが低いほどばらつきが小さくなる傾向が見られた（図 5）。反射材を配置することで端部の光強度が上がったことが要因と考えられる。

− 69 −

PPFD (μmol/m2/s)のばらつきは大きくなる傾向であった。一方，

250
200
150
100
50
0
無処理区

10cm区

5cm区

0cm区

図 4 光強度の平均値（エラーバーは標準偏差）

100

50

調整葉重量 (g/株)

最大値－最小 (μmol/m2/s)

60

40
30
20
10

無処理区

10cm区

5cm区

0cm区

0
0

10

20

30
40
50
60
端部からの距離 (cm)

70

80

80
60
40
20
0

無処理区

図 5 幅方向における光強度のばらつき

10cm区

5cm区

0cm区

図 6 調整葉重量（エラーバーは標準偏差）3.2 開口高さとレタスの生育の関係なかったが開口高さを 5cm 以下とすることにより無処理区と比較して増加し，0cm 区では14%増加した（図 6）。開口高さが小さくなり，
定植後のレタスが受ける光強度が増加することで，生育が促進されたと考えられる。光強度が 69%増加しているのに対し，レタスの重

チップバーン発生率(%)

調整葉重量は，無処理区と 10cm 区では差が

15%
10%
5%
0%

無処理区

量増加が 14%にとどまったことについては，

10cm区

5cm区

0cm区

図 7 チップバーン発生株率

レタスの生育によりレタスが反射材の一部を覆うことで，光の反射量が抑えられたと考え（3）調整葉重量は最大 14%増加する。

られる。
チップバーン発生は，反射材を設置するこ（4）反射材を設置することにより、チップバーとで発生株率が増加した（図 7）。チップバー

ンは発生率が増加する傾向がみられた。

ンはカルシウム欠乏症状の一種で，葉からの蒸散が抑制されることでカルシウムの転流が参考文献抑制され，局所的に欠乏状態となって発生す4）1）高辻，“完全制御型植物工場の現状”，植物。そのため，反射材を設置したことによ

環境工学(J.SHITA)，22(1)，2010，pp.2-7.高辻ら，り，空気の流れが妨げられ，レタスの蒸散が“可視発光ダイオードによる植物栽培実験”，

抑制されていたと考えられる。レタスのチッ

植物工場学会誌(JOURNAL OF SHITA)，7(3)，プバーンについては，送風処理を行うことで1995，pp.163-165.

る。

2）大竹ら，“人工光型植物工場における赤青

今後，レタスの蒸散を考慮した栽培環境の最LED と蛍光灯使用時の植物成長および消費電適化について検討することが必要である。

力の 評価”植物 環境工学(J.SHITA)，27(4)，発生を抑制できることが報告されている5）以上の結果から，開口高さを 5cm 以下になるよう反射材を設置することで，レタスの重量増が見込めると考えられる。

2015，pp.213-218.
3）日本施設園芸協会/日本養液栽培研究会，“養液栽培のすべて”，2012，pp.264.
4）吉田ら，“暗期中補光栽培における送風およ

4. 結

言

び低カリウム培養液処方が水耕レタスおよび（1）反射材を側面に設置することによって光強度は最大 69%増加する。

シュンギクのチップバーン発生に及ぼす影響”，園芸学研究第 14 巻別冊 1，2015，
pp.175.

（2）幅方向の光強度のばらつきは減少する。

− 70 −

ノート

低温排熱用スターリングエンジンの理論的側面からの理解と実現可能性に関する検討須貝裕之*

Theoretical and Feasibility Study of Stirling-engine
SUGAI Hiroyuki*

1.

緒

ストンに近く，解析が容易なβ型スターリング

言

工場などから排出される低温排熱を利用してエンジンとして解析を行った。本エンジンは開電気エネルギーを作り出す低温排熱用スターリ発中であるため，エンジンの仕様や詳細な動作

ングエンジンは，低炭素社会の実現に貢献する

条件は記載しないが，加熱側の温度は 200℃，技術であり，県内企業においても実用化に向け冷却側の温度は 20℃として計算を行った。

て開発が進められている。スターリングエンジ

図 2 にシュミット理論により求めた P-V（圧ンは内部の作動ガスの熱力学的変化を利用して力-体積）線図を示す。計算の結果，理論熱効動作する。従って出力向上には運転中の作動ガ

率は 38%，理論出力は 950W であった。ただし，スを最も効率の良い状態に近づけることが重要

実際の出力は熱交換器の能力や再生器の効率，となる。そこで本研究では，最初に開発中のス

内部摩擦やディスプレーサによる損失などによ

ターリングエンジンについて熱力学や伝熱工学

り理論値の半分程度 2 ）となる。しかしこれをなどの理論的側面から検討し，理想的な運転状
態とそのときの理論的な出力について検討する。

熱交換器

次に，運転中のエンジンの内部状態を実測する

加熱部

実験装置を作成し，理論からの乖離を調べ，装再生器

置性能向上の方向性を明らかにする。

膨張空間
ディスプレーサ

圧縮空間

熱交換器
冷却部

2.

ﾊﾟﾜｰﾋﾟｽﾄﾝ

スターリングエンジンについての熱力学・

伝熱工学的検討

図1

スターリングエンジンの運転状態を理論的に
2.5

この理論により開発中の 500W 級スターリング

2.3

エンジンの解析を行い，理論上の運転出力を計算する。図 1 にシュミット理論により解析する

圧力（MPa）

解析する方法の一つにシュミット理論 1)がある。

β型スターリングエンジン

2.1
1.9

スターリングエンジンの概略構造を示す。企業にて開発中のエンジンはフリーピストン型であるが，この形式のエンジンはディスプレーサの

1.7
1.5
350

運動抵抗が複雑になるため，ここではフリーピ
図2* 中越技術支援センター

400
体積（103mm3)開発中のスターリングエンジンのP-V（圧力-体積）線図− 71 −

450

熱電対

外殻

電気ﾋｰﾀ

図3

圧力ｾﾝｻ

純銅

図4

固体型熱交換器による実験装置

エンジン内部状態測定センサーの設置考慮しても開発中のスターリングエンジンは次にこの実験装置を改造し，運転中の内部状

500W に近い出力を発揮できる可能性がある。

態を測定する。図 4 に構想図（装置断面）を示す。図 1 に示す膨張空間頭頂部に圧力センサを3.

取り付ける。また，作動ガスが通過する熱交換

運転中のエンジン内部状態の調査
作動ガスの加熱に使用されているサーモサイ

器加熱側出口には熱電対を設置する。熱電対はフォン型熱交換器は，現在未完成のため所定の

この他にも再生器中央部と冷却側熱交換器出口

伝熱能力を発揮できていない。このような状態に同様の方法で設置する。

でエンジンの内部状態（作動ガスの圧力変動，

今後の予定としては，上記装置を製作し，運熱交換器出入り口と再生器での温度）を測定す

転時の基礎的なデータを収集を行う。その後，

ると，それがエンジン自体の問題なのか，熱交

圧縮空間側の圧力と，パワーピストンとディス換器の能力不足によるものなのか切り分けが困

プレーサの位相も測定できるようにさらに装置難である。そこで本研究では，高い熱伝導率をを改造する。これによってスターリングエンジ

もつ純銅で伝熱を行う熱交換器を考案した。図ンの運転時の内部状態を完全に測定し，性能向3 に概略を示す。装置は円筒形状であるが，構上の方向性を明らかにすることを目指す。

造をわかりやすくするため，1/4 モデルで示してある。本装置は外周に取り付けられた電気ヒ4.

ータで純銅を加熱し，内周穴を通過する作動ガ（1）シュミット理論による解析を行った結果，

結言スと熱交換を行う。設計においては，有限要素開発中のスターリングエンジンは 950 W

法シミュレーションによる伝熱解析を行い，ヒの理論出力を発生する。従って，実機にータの温度を 215℃に制御することで，内周のおいても 500 W に近い出力を発生できる穴から合計 5kW の熱が作動ガスに供給されて可能性がある。

も，内周穴壁面の温度を 200℃に維持できるこ（2）固体型熱交換器を製作して発電実験を行とを確認している。すなわちこの装置は，サーった結果，サーモサイフォンの 2.5 倍のモサイフォンが所定の能力を発揮した状態を再出力が得られた。今後は装置を改造し，現できる。

運転時内部状態の測定を目指す。

本装置で発電実験を行った結果，同形状・同条件のサーモサイフォン型熱交換器に対して，参考文献

2.5 倍の出力（約 90W）が得られた。これによ

1）山下巌ほか，“スターリングエンジンの設り，固体型熱交換器がその機能を発揮できていることと，現状の熱交換器がその能力を十分に計”，パワー社，2000，pp.42．
2）山下巌ほか，“スターリングエンジンの設計 ” ， パ ワ ー 社 ， 2000 ， pp.70 ． pp.223.

発揮していないことが確認できた。

− 72 −

ノート

鋼材の球状化焼鈍しについて斎藤雄治*

Spheroidizing annealing for SteelSAITO Yuji*

1.

緒

2.1

言

熱処理条件

炭素工具鋼鋼材 SK105 は，約 1%の炭素を含供試材について，焼ならし（950℃に 1 時間

む炭素鋼で，刃物などに使用されている。この保持後に空冷）を行った後，以下①～⑧の 8 種

鋼材は材料出荷前に球状化焼鈍しを行い，鋼材類の条件で焼鈍しを実施した。

として最も軟らかい状態にしている。球状化焼①完全焼鈍し鈍しを行うと，金属組織はフェライト地に無数

770℃で 1h 保持，770℃から 600℃までの球状の炭化物が一様に分布した状態となる。

8.5h で徐冷，600℃から常温まで炉冷

これにより，容易に機械加工することができ，②等温焼鈍しⅠ

しかも焼入れしたときに変形が少なく高い耐摩

770℃で 3h 保持，770℃から 720℃まで炉耗性をもった製品・部品にすることが可能とな

冷，720℃で 8h 保持後に炉冷る。

③等温焼鈍しⅡ
770℃で 3h 保持，770℃から 720℃まで

当センターにおいて，企業から持ち込まれた

2.5h で徐冷，720℃で 16h 保持後に炉冷鋼製の刃物や工具などの金属組織観察や硬さ試
験を行うことがある。その結果，焼入れ前の金④焼入れ＋高温焼戻し

属組織が問題であると推測されることもあるが，850℃で 15 分保持後に水冷，720℃で 5h 保

さほど知見がないため，試験結果の客観的な評

持後に炉冷を 2 回

価や企業への結果説明が十分でないことがある。

⑤焼入れ＋繰返し加熱冷却Ⅰ

ここでは，熱処理条件と炭化物の球状化の関850℃で 15 分保持後に水冷，750℃で 30 分

係について実験を行った。実験で用いた供試材

保持と 700℃で 30 分保持を三回繰返して（炭素工具鋼鋼材 SK105）は，購入した状態

炉冷で炭化物が球状化しているため，これを焼なら⑥焼入れ＋繰返し加熱冷却Ⅱしして層状の炭化物にした後，各種の条件で球850℃で 15 分保持後に水冷，750℃で 30 分

状化焼鈍しを行い，硬さと金属組織を調べた。

保持と 700℃で 30 分保持を三回繰返し後，これにより，熱処理条件と金属組織や硬さのデ720℃で 16h 保持して炉冷ータを蓄積し，上記の技術相談により迅速に対⑦上記③を 2 回

応できるようにすることを目的とする。

⑧焼入れ＋変態点直下保持＋上記③を３回850℃で 30 分保持後に水冷，700℃で 4h 保

2.

実験条件

持後に空冷，上記③を３回

試験片には，炭素工具鋼鋼材 SK105，サイズ（19 mm×19 mm×20mm）を用いた。この

2.2

試験片について，以下の熱処理と評価を行った。
*

県央技術支援センター− 73 −

評価項目

・硬さ試験…試験片断面を鏡面研磨後，マイる。硬さは 348HV0.5 と納入状態に比べてかな

クロビッカース硬度計で試験（HV0.5）
・金属組織観察…試験片断面を鏡面研磨おより高くなっている。

び腐食後，金属顕微鏡で観察
3.3
2.3

各種熱処理後の試験片の金属組織と硬さ①完全焼鈍し（図 3）：大きさ 1～2µm 程度

試験機器および腐食液の細かい球状炭化物と，細かい炭化物（色実験に用いた試験機器および腐食液は以下のが濃い部分）が見られる。硬さはとおりである。

198HV0.5 と焼ならし後に比べて低くなっ

・電気炉：（株）東洋製作所製 電気マッフているが，納入状態ほど低くない。図 1 にル炉 KM-420

比べて図 3 の金属組織が硬いのは，単位面・硬度計：（株）ミツトヨ製 マイクロビッ
カース硬度計 MVK-G1

積あたりの炭化物の数が少ないと硬さが低下する 1）ためと考えられる。

・金属顕微鏡：（株）ニコンインステック製②等温焼鈍しⅠ（図 4）：焼鈍し①に比べて倒立型金属顕微鏡 TME3000U-NR 型
・ 腐 食 液 ： 硝酸 -ア ル コ ー ル 溶 液 （ 配合 ：球状炭化物が大きくなっているが，一方でHNO3－3ml，エチルアルコール 97ml）
3.

実験結果および考察

3.1

供試材の試験片の金属組織と硬さ供試材の金属組織を図 1 に示す。大きさ 2～
3µm の球状炭化物が一様に分布している。基地組織はフェライトで，硬さは 167HV0.5 と低くなっている。
3.225µm

焼ならし後の試験片の金属組織と硬さ

供試材を焼ならしした金属組織を図 2 に示す。
ほぼ全面がパーライト組織になっており，一部

図2の旧オーステナイト粒界に網状炭化物が見られ

ト、網状炭化物）の金属組織

25µm

25µm

図1

供試材（硬さ 167HV0.5、フェライト、

球状炭化物）の金属組織

焼ならし後（硬さ 348HV0.5、パーライ

図3①完全焼鈍し（硬さ 198HV0.5、フェラ

イト、球状炭化物）の金属組織− 74 −

細かい炭化物の密度が高まったように見える。球状炭化物が大きい部分は軟らかく，細かい炭化物がある部分は硬いと考えられるが，硬さ試験による圧痕の大きさは70µm 程度のため，これらの平均的な硬さを試験していると考えられる。
硬さは 195HV0.5 と焼鈍し①の金属組織とほぼ同じとなった。

25µm③等温焼鈍しⅡ（図 5）：焼鈍し②に比べて球状炭化物が大きくなるとともに，細かい炭化物のある部分が少なくなっている。こ図 6のため，硬さは 185HV0.5 と焼鈍し②の金

フェライト、球状炭化物）の金属組織④焼入れ＋高温焼戻し（硬さ 214HV0.5、属組織より 10 程度低くなっている。
④焼入れ＋高温焼戻し（図 6）：大きさ 1µm
程度の細かい球状炭化物が均一に分布して

25µm
25µm

図7

⑤焼入れ＋繰返し加熱冷却Ⅰ（硬さ206HV0.5、フェライト、球状炭化物）の金属
図4②等温焼鈍しⅠ（硬さ 195HV0.5、フェ組織

ライト、球状炭化物）の金属組織

25µm
25µm
図8
図5

③等温焼鈍しⅡ（硬さ 185HV0.5、フェライト、球状炭化物）の金属組織⑥焼入れ＋繰返し加熱冷却Ⅱ（硬さ186HV0.5、フェライト、球状炭化物）の金属
組織− 75 −

⑦上記③を 2 回（図 9）：焼鈍し③を二回行った結果である。炭化物が大きくなり，地のフェライト組織もよく見える。しかし，細かい炭化物がある部分も若干残っている。
硬さは 176HV0.5 と焼鈍し⑥の組織より 10程度低くなった。
⑧焼入れ＋変態点直下保持＋上記③を三回（図 10）：焼入れ後に変態点直下保持と等25µm

温焼鈍しⅡを三回行ったものである。焼鈍
し⑦に比べて炭化物がさらに大きくなり，

図 9

地のフェライト組織もよく見える。細かい⑦等温焼鈍しⅡを二回（硬さ 176HV0.5、フェライト、球状炭化物）の金属組織

球状炭化物の部分はごくわずかとなり，硬さは 173HV0.5 となった。
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） 。
4.

結

言

（1）変態点（723℃）直下での長時間保持により，球状炭化物の粒径が大きくなった。
（焼鈍し②，③，⑦，⑧）（2）焼入後に変態点（723℃）付近での昇温25µm

降温を繰り返すことで，短時間で球状炭化物が得られた。（焼鈍し⑤，⑥）⑧焼入れ＋変態点直下保持＋等温焼鈍（3）細かい球状炭化物が少なく，かつ，球状しⅡを三回（硬さ 173V0.5、フェライト、球炭化物の粒径が大きくなると，硬度が低状炭化物）の金属組織下した。（焼鈍し③，⑦，⑧）

図 10（4）焼鈍し⑧の金属組織と硬さは，納入状態いる。硬さは 214HV0.5 とやや高くなってに近い結果が得られた。

いる。これは，細かい炭化物が均一に分布しているためと考えられる。

参考文献⑤焼入れ＋繰返し加熱冷却Ⅰ（図 7）：短時

1) https://unit.aist.go.jp/cpiad/ci/techno_kw/mono-

間で球状化する熱処理を行った結果である。

kyohon_pdf/technote014.pdf ， ヤスリ製造技術

大きさ 1µm 程度の細かい球状炭化物が均一マニュアル，「国立研究開発法人に分布している。硬さは 206HV0.5 と焼鈍術総合研究所ホームページ」，平成 27 年

し④の組織より若干低くなっている。

10 月 26 日．

産業技⑥焼入れ＋繰返し加熱冷却Ⅱ（図 8）：焼鈍

2）http://www.iri.pref.niigata.jp/news/27new27.ht

し⑤の繰返し加熱冷却の回数を増やした結ml，炭素工具鋼鋼材（SK105）の球状化焼果である。焼鈍し⑤に比べ球状炭化物が大鈍し，「新潟県工業技術総合研究所ホーム

きくなり，186HV0.5 と焼鈍し⑤の組織よページ」，2016 年 1 月 19 日．

り 20 程度低くなった。

− 76 −

ノート

レーザ顕微鏡および粗さ測定機による表面粗さの比較
堀田

優*

吉田

正樹*

斎藤

雄治*

Comparison of the surface roughness by the laser microscope and the styus method
HOTTA Yu*，YOSHIDA Masaki* and SAITO Yuji*

1.

緒

2.2

言

測定試料

表面粗さを測定する方法には，大きく分けて

機械構造用炭素鋼 S45Cφ20mm 丸棒を長さ「接触式」と「非接触式」の 2 つの方式がある。

10mm に切断して樹脂込めを行い，切断面を#80，「接触式」は触針が試料を直接なぞることによ#220，#500，#1000，#2000，#4000 の SiC 研磨

り表面の凹凸を測定するもので，表面粗さ測定

紙で表面仕上げした試料，ステンレス鋼板に最も広く用いられている。これに対して，

SUS304，ステンレス鋼板 SUS430，チタン合金「非接触式」は光を使用したものであり，共焦板を各種表面仕上げした試料を測定した。図 1点方式を利用したレーザ顕微鏡，白色干渉方式に SUS304 鋼板，SUS430 鋼板，チタン合金板のを利用した白色干渉計などがある。これらの測表面仕上げの概要を示す 4)，5)。

定値は試料の表面状態，反射率，形状などに影響されやすいものの 1)，試料を傷つけることなく表面粗さを測定できるメリットがある

2.3

2)，3)

。

測定機器

本研究では，接触式としてアメテック（株）

しかし，同一試料を接触式と非接触式で測定

製粗さ測定機（フォームタリサーフ PGI430），

した場合，測定値がどの程度一致するのか検証

非接触式としてオリンパス（株）製レーザ顕微

2)

したデータは少ない 。

鏡（LEXT-OLS4100）を使用した。

そこで本研究では，接触式と非接触式で表面接触式では先端半径 2µm，円錐角 60°のダイ

粗さの異なる複数の試料を測定し，測定値がど

ヤモンド製触針を使用した。高さ方向の測定分の程度一致するのか検討した。

解能は 0.8nm である。
非接触式は対物レンズの高さを変えながら集

2.

実験方法

光したレーザで走査することで，試料を水平に

2.1 測定条件
表面粗さの測定は接触式の規格（JIS B 0633:
2001）に準拠して行った。測定試料は 23 種類とし，各試料につき 10 回測定した。測定方向
は，加工方向が一定の試料は加工方向に対して直交方向に測定を行い，加工方向が不定の試料
は任意の方向に測定を行った。粗さパラメータは算術平均粗さ Ra，最大高さ粗さ Rz を算出し，10 個の平均値および Student の t 分布による95%信頼限界を求めた。
*

県央技術支援センター

輪切りにしたような画像を取得し，これを重ね合わせることで立体画像を構築する顕微鏡である。立体画像には 1 画素ごとに高さ情報が含まれており，真上からみた立体画像に任意の直線を引くことで，その直線上の断面形状を表す曲線を得ることができる。この曲線に対して接触式の規格（JIS B 0632: 2001）に基づいた解析を行うことで各種粗さパラメータを算出する。集光したレーザは接触式の触針に相当するもので，本研究における理論径は 0.43µm（倍率 50×，
開口数 0.95 の対物レンズ使用時）である。対物− 77 −

No.2D

No.2D-S・SUS304 鋼板

・チタン合金板

冷間圧延後，大気焼冷間圧延後，大気焼鈍，酸洗したもの。

鈍，ソルト焼入れ，酸洗したもの。

No.2B

No.4

・SUS304 鋼板

・SUS304 鋼板

・SUS430 鋼板

・SUS430 鋼板

・チタン合金板#150～#180 で研磨した

No.2D 仕上げ後，スキもの。

ンパス圧延したもの。
#400 バフ

No.7

・SUS304 鋼板

・チタン合金板・SUS430 鋼板#400 バフ仕上げより反No.2B 仕上げ後，#400

射率が良いようバフ研相当の反射率を持つよ

磨したもの。

うバフ研磨したもの。
BA

BA-S

・チタン合金板

・チタン合金板

冷間圧延後，真空焼鈍

冷間圧延後，真空焼したもの。

鈍，スキンパス圧延し
たもの。

DS

HL

・SUS430 鋼板

・SUS304 鋼板

冷間圧延後，大気焼鈍

・SUS430 鋼板したもの。

適当な粒度の研磨剤で連続した磨き目が付くよう研磨したもの。

ブラスト

電解複合研磨・チタン合金板・SUS304 鋼板

アルミナ，サンド，グ

電気化学的な研磨と研ラスビーズなど投射材

磨剤による物理的な研によりブラスト仕上げ

磨を複合したもの。

したもの。

図1

測定した SUS304 鋼板，SUS430 鋼板，チタン合金板の表面仕上げの概要
各図は試料表面のレーザ顕微鏡像を示す。

− 78 −

レンズの高さ方向の移動分解能は 10nm である。

していた。SUS304 鋼板

電解複合研磨の粗さ

曲線，粗さパラメータが大きく異なる理由とし
3.

実験結果および考察ては，非接触式の対物レンズの高さ方向の移動

図 2 に接触式と非接触式による粗さ曲線の代表例を示す。(a)SUS430 鋼板
チタン合金板

DS 仕上げと(b)

分解能に近い微小な凹凸であることなどが考えられる。

No.2B 仕上げの粗さ曲線は類似しているのに対して(c)SUS430 鋼板

電解複合

研磨では大きく異なっていることがわかる。

表 1 の結果を用いて接触式と非接触式による粗さパラメータを比較したものを図 3 に示す（95%信頼区間が重ならない試料を除く）。図

表 1 に接触式と非接触式による粗さパラメー

中の白丸は粗さパラメータの平均値をプロット

タの平均値とその 95%信頼限界を示す。数値

したもの，直線は最小二乗法により求めたものの右肩に短剣符（†），二重短剣符（‡）が記である。Ra，Rz ともに，直線の勾配が 1 に近載されているものは接触式と非接触式によるい値を示したことから，非接触式による測定値

95%信頼区間が重ならない試料であることを示

は接触式による測定値と概ね一致していることす。SUS304 鋼板がわかる。

電解複合研磨を除き，接触式と非接触式による粗さパラメータはほぼ一致

(a)

図2

SUS430 鋼板

DS 仕上げ(b)

チタン合金板No.2B 仕上げ(c)

SUS304 鋼板

電解複合研磨接触式と非接触式による粗さ曲線の代表例（左: 接触式，右: 非接触式）− 79 −

表1

接触式と非接触式による粗さパラメータの平均値とその 95%信頼限界

数値の右肩に短剣符（†），二重短剣符（‡）が記載されているものは接触式と非接触式による 95%信頼区間が重ならない試料であることを示す。
算術平均粗さ Ra(μm)

S45C

SUS304
鋼板

SUS430鋼板

チタン
合金板

最大高さ粗さ Rz(μm)

接触式

非接触式

接触式

非接触式

#80
#220
#500
#1000
#2000
#4000
HL
No.4
No.2D
No.2B
#400 バフ電解複合研磨
DS
HL
No.4
No.2B
#400 バフ

0.837+0.324
0.305+0.103
0.084+0.018
0.076+0.020
0.018+0.004
0.010+0.002
0.441+0.075
0.164+0.018
0.147+0.014
0.064+0.013
0.030+0.005
0.006+0.001†
1.16+0.25
0.480+0.043
0.157+0.011
0.050+0.006
0.036+0.006

0.798+0.322
0.306+0.069
0.089+0.012
0.076+0.013
0.022+0.005
0.010+0.003
0.422+0.042
0.167+0.019
0.154+0.016
0.072+0.018
0.031+0.004
0.002+0.001†
1.12+0.24
0.481+0.039
0.161+0.014
0.050+0.010
0.034+0.006

5.74+2.48
2.90+1.84
0.657+0.218
0.614+0.194
0.134+0.050
0.060+0.017
4.80+1.73
1.73+0.43
1.37+0.24
0.864+0.286
0.252+0.092
0.033+0.006‡
6.42+0.71
4.94+0.66
1.66+0.24
0.396+0.128
0.317+0.175

5.59+1.66
2.73+0.95
0.699+0.197
0.648+0.174
0.181+0.053
0.061+0.014
4.43+0.84
1.60+0.34
1.46+0.26
0.874+0.215
0.246+0.050
0.009+0.003‡
6.37+0.64
5.14+0.65
1.60+0.35
0.392+0.160
0.290+0.109

ブラスト
No.2B
No.7
No.2D-SBA
BA-S

1.01+0.07
0.767+0.222
0.668+0.096
0.569+0.126
0.386+0.049
0.247+0.044

1.05+0.10
0.731+0.168
0.675+0.094
0.590+0.152
0.411+0.080
0.250+0.040

7.66+0.66
5.17+1.71
5.67+1.03
4.84+0.74
3.22+1.06
2.09+0.58

8.07+1.35
4.86+1.05
5.36+1.06
5.21+1.09
3.37+1.08
2.18+0.5710

1Rz(μm): 非接触式

Ra(μm): 非接触式

10

10-1
10-2
10-3
10-3

10-2
10-1
1
Ra(μm): 接触式(a) Ra の比較
図3

1

10-1

10-2
10-2

10

10-1
1
Rz(μm): 接触式(b) Rz の比較

接触式と非接触式による粗さパラメータの比較

白丸は粗さパラメータの平均値をプロットしたものを示す。
（表 1

95%信頼区間が重ならない試料を除く）
直線は最小二乗法により求めた。

− 80 −104.

結2 ） 藤 井 章 弘 ら ， “ 3D 測 定 レ ー ザ ー 顕 微 鏡

言

接触式と非接触式により S45C， SUS304 鋼

OLS4000 に よ る 3D 表 面 性 状 計 測 ” ，OplusE板，SUS430 鋼板，チタン合金板を各種表面仕上げした試料の表面粗さを測定した。その結果，
SUS304 鋼板

6 月号，2009，pp.1-5．

3）佐藤壽芳，“超精密非接触表面形状測定法

電解複合研磨を除き，粗さ曲線について”，生産研究

第 39 巻

第 6 号，

1987，pp.201-208．

の形状は類似し，粗さパラメータはほぼ一致し

4）（株）日本金属工業，“表面仕上げ記号のた。

摘要”，NTK ステンレス鋼表面仕上げサン
参考文献

プルブック．

1）http://microscopelabo.jp/trend/009/，レーザー5）（株）神戸製鋼所，“表面仕上げ記号の摘

顕微鏡による非接触表面粗さ計測，要” チタン表面仕上げサンプルブック．

「OLYMPUS ホームページ」，平成 28 年 3月 14 日．

− 81 −

ノート

ヌープ硬さ試験について
斎藤

雄治*

Knoop Hardness Test
SAITO Yuji*

1.

緒

プ硬さで比較試験して，両者の関係を調べた。

言

一般に，ビッカース硬さ試験機は圧子を付け替えることにより，ビッカース硬さとヌープ硬2.

さの両方を試験することができる。これら二つ

実験条件
表 1 に試験条件を示す。ビッカースとマイクの試験によるくぼみを図 1 に示す。ビッカース

ロビッカースの二台の硬さ試験機について，硬硬さのくぼみは正方形で，ヌープ硬さのくぼみ

さ基準片のビッカース硬さとヌープ硬さを試験は細長いひし形になっていることが分かる。ヌした。各硬さ試験機について，試験力を一定にープ硬さのくぼみの長手の対角線長さはビッカした。各硬さ基準片について 5 点の硬さ試験をース硬さのくぼみの約 3 倍と長く，硬さの変化行った。

に敏感である。さらに，ヌープ硬さのくぼみの深さはビッカース硬さのくぼみの約 1/2 と浅い

3.

実験結果
表 2，3 にビッカース硬さ試験機とマイクロため，ビッカース硬さに比べてより表面に近い

ビッカース硬さ試験機による試験結果をそれぞ部分の硬さの評価に向いている 1）。
ここで，ヌープ硬さはビッカース硬さに近いれ示す。いずれの試験機についても，ヌープ硬値をとることが知られているが，実際に比較しさはビッカース硬さに近い値をとっていることたデータがほとんどない。このため本研究では，が確認できた。

ビッカース硬さ基準片をビッカース硬さとヌー

50μm

ただし，ヌープ硬さはビッカース硬さに比べ

50μm

図1

ビッカース硬さ試験とヌープ硬さ試験による 695HV1 基準片のくぼみ（試験力 9.807N，左：ビッカース，右：ヌープ）*

県央技術支援センター− 82 −

試験機器
圧子
試験力
基準片

表 1 試験条件
ビッカース硬さ試験機
マイクロビッカース硬さ試験機（株）ミツトヨ製 HV-115（株）明石製作所製 MVK-G1
51576（ビッカース）
34971（ビッカース）
K45514（ヌープ）K19796（ヌープ）9.807N
0.9807N（株）山本科学工具研究社製（株）山本科学工具研究社製
725-269（705HV0.1）
281-573（694HV1）
725-172（505HV0.1）
281-871（508HV1）
719-792（198HV0.1）
280-644（204HV1）

表 2 ビッカース硬さ試験機による試験結果
基準片5 点の平均値と標準偏差（カッコ内）
試験力 N
番号
硬さ値 HV
ヌープ硬さ HK
ビッカース硬さ HV
281-573694
663.8（1.1）
689.6（1.1）
281-871508
508.0（2.2）
499.8（1.3）
9.807
280-644204
217.8（1.5）
201.6（0.5）
表 3 マイクロビッカース硬さ試験機による試験結果
基準片5 点の平均値と標準偏差（カッコ内）
試験力 N
番号
硬さ値 HV
ヌープ硬さ HK
ビッカース硬さ HV725-269705
741.8（5.6）
711.6（3.7）
725-172505
541.2（8.9）
505（3.5）0.9807719-792198
217.2（3.1）
199.4（3.2）て，ばらつきを表す標準偏差が大きい傾向があ（2）ヌープ硬さはビッカース硬さに比べて，った。この理由としては，ヌープ硬さのくぼみ

ばらつきを表す標準偏差が大きい傾向がは細長いため，どこまでがくぼみであるかが分あった。

かりにくいことに加え，ヌープ硬さはビッカー
ス硬さに比べて，硬さ値がくぼみの幅の変化に参考文献

敏感であることが挙げられる。

1）http://sts.kahaku.go.jp/diversity/document/system/pdf/054.pdf，小賀正樹，材料試験硬さ技

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）。

術の系統化調査，「国立科学博物館

産業

技術史資料情報センターホームページ」，
4.

結平成 27 年 12 月 15 日．

言（1）ヌープ硬さはビッカース硬さに近い値を2）http://www.iri.pref.niigata.jp/news/27new30.ht
ml，ビッカース硬さ試験とヌープ硬さ試験，取ることを確認した。

「新潟県工業技術総合研究所ホームペー
ジ」，2016 年 1 月 19 日．

− 83 −

ノート

ビデオ伸び計による変位測定
斎藤雄治*

Displacement Measurement using Video Extensometer
SAITO Yuji*

1.

緒

言

材料試験機を使って試験片の引張試験を行う
際，耐力などの測定をするために試験片の変位を伸び計で測定することがある。引張試験でよく使用する伸び計として，接触伸び計とビデオ
伸び計が挙げられる。
接触伸び計は図 1 に示すように試験片に直接取り付けるもので，試験片の伸びを精度よく測定することができる。しかし，伸び計の破損を防ぐため，試験片が破断する前に取り外す必要がある。一方，ビデオ伸び計は図 1 右に示すように試験片の標点の間隔をビデオカメラで測定するものである。非接触で変位を測定するため
接触伸び計に比べて一般的に測定精度は劣るが，ゴムや薄板など接触伸び計では測定が困難な試
験片の変位を破断まで測定することができる。
さて，引張試験を行う際，事前に伸び計の変位の測定精度を確認したいことがある。接触伸び計については，校正器と呼ばれる器具に伸び計を取り付けて，校正器で与えた変位と伸び計の指示値を比較することによって精度を確認することができる。しかし，ビデオ伸び計については，ビデオカメラが材料試験機に固定されているため，校正器を使った変位の測定は困難である。このため，接触伸び計，ひずみゲージ，
ビデオ伸び計の測定データを比較した事例が報告されている 1）。

図 1
2.

接触伸び計（左）とビデオ伸び計（右）実験条件
ビデオ伸び計の変位を測定するために，図 2に示すようなジグを用いた。このジグは，接触
伸び計の校正器のスライド部を材料試験機のチャックに取り付けられるように改造したものである。このジグをチャックに取り付けてクロス
ヘッドを移動させると，試験力を加えることな
くジグの一部をスライドさせることができる。
このジグを図 3 に示すように，材料試験機の引張チャックに把持した状態でクロスヘッドを一定速度で上昇させながら，クロスヘッド変位に対するジグのスライド量をビデオ伸び計で測定した。実験条件は次のとおり。

ここでは，ビデオ伸び計の精度を現場で簡易的に確認するため，材料試験機のクロスヘッド
変位の変化量だけ標点距離が変化するジグを使って，ビデオ伸び計の精度を簡易的に確認した事例を紹介する。

・材料試験機：インストロンジャパンカンパ
ニイリミテッド製 万能材料試験機 5582
・ビデオ伸び計：レンズ f25，画角 100mm，
照明アレイ 500mm
・クロスヘッド移動速度：5mm／min
・サンプリング間隔：0.05s
・変位の測定範囲：0～25mm*

県央技術支援センター− 84 −

ダイヤルゲージの指示値（mm）

30
25
20
15
10
5
0

0

5

10

15

20

25

30

クロスヘッド変位（mm）

図2

伸び計の精度確認のためのジグ

図4

試験機のクロスヘッド変位に対するダイヤルゲージの指示値

ビデオ伸び計の変位（mm）

30
25
20
15
10
5
0

0

5

10

15

20

25

30

クロスヘッド変位（mm）

図3

伸び計の変位の測定

図5

試験機のクロスヘッド変位に対するビデオ伸び計の変位

なお，この測定を行ったクロスヘッドの移動
範囲について，クロスヘッド変位とダイヤルゲ配を求めたところ 1.006 となった。このことかージ（（株）ミツトヨ製 ダイヤルゲージ Code

ら，ビデオ伸び計の変位はクロスヘッド変位とNo. 543-474B）の指示値を比較した結果，両者ほぼ一致していることが分かる。この方法を使は 1/100mm 以内で一致していることを確認しえば，ビデオ伸び計の精度を現場で簡易的にている。図 4 にクロスヘッド変位に対するダイ確認できると考えられる。
なお，本報告書の実験結果については当研究

ヤルゲージの指示値の測定結果を示す。

所のホームページに掲載している 2）。
3.

実験結果
図 5 に，クロスヘッド変位に対するビデオ伸4.

び計の変位を測定した結果を示す。この図のデータに最小二乗法を用いて当てはめた直線の勾結言

クロスヘッド変位と伸び計の変位はほぼ一致することが確認できた。

− 85 −

2）http://www.iri.pref.niigata.jp/news/27new32.ht
参考文献

ml，ビデオ伸び計の簡易的な精度確認，

1）高久康弘，“ビデオ伸び計によるひずみ測「新潟県工業技術総合研究所ホームペー

定”，IIC REVIEW，No.46（2011），pp.5763．

− 86 −

ジ」，2016 年 2 月 4 日．

ノート

蛍光 X 線分析における FP 法定量分析の検討
毛利 敦雄＊
Investigation of Fundamental Parameter Method in X-Ray Fluorescence Analysis
MOURI Atsuo＊
1. 緒

言

表 1 試料分析結果

ファンダメンタルパラメータ法（以下 FP 法）

鉄系材料（％）

は，X 線測定強度から化学成分の含有量を理論強度計算により求める手法である。本研究では鉄系材料（ステンレス鋼（SUS304），クロムモリブデン鋼（SCM435），ねずみ鋳鉄（FC300）
）
，非鉄金

C

Si

Mn

P

S

Cu

FC300 3.23 1.83 0.82 0.056 0.058 --- 0.03 0.01 0.47

銅合金鋳物（％）
Sn

Pb

Zn

Fe

Cu合金 4.13 5.28 6.92 0.20

法定量分析結果（以下 FP 法結果）との対比を行

アルミニウム合金鋳物（％）

2. 実

Mo

SUS304 0.06 0.57 0.97 0.029 0.008 8.52 18.1 0.23 0.11

金鋳物（Al 合金））を対象として，他分析法と FPの検討を行った結果を報告する。

Cr

SCM435 0.34 0.29 0.81 0.010 0.005 0.13 1.19 0.17 0.13

属材料（銅合金鋳物（Cu 合金），アルミニウム合うとともに，表面粗さが FP 法結果に及ぼす影響

Ni

Cu

Si

Al合金 1.80

Mg

Ni

Si

0.26 0.01

ZnFe

4.32 0.84 0.77

Mn

Ni

Ti

Cr

0.79 0.13 0.04 0.06 0.05

表 2 算術平均粗さ（Ra）（µm）

験

SUS304 SCM435 FC300 Cu合金 Al合金

2.1 試 料
依頼試験などで当所に持ち込まれた試料を試

鏡面研磨

0.007

0.006

0.11

0.010

0.031

験に供した。これらの試料について，蛍光 X 線

旋盤加工

---

---

---

0.15

0.14

検量線法，炭素硫黄分析（鉄系材料），ICP（Si

耐水研磨（#220）

0.19

0.52

0.24

0.59

0.81

以外の Al 合金，Cu 合金），湿式重量分析（Al 合ベルト研磨(#120)

1.8

1.2

1.3

---

---

金中 Si）で分析を行った。結果を表 1 に示す（以下分析結果）。これにより Cu 合金は鉛入り青銅
鋳物材の CAC406（旧 BC6）に，Al 合金は Al-Cu-Si系合金の AC2B に近い材質であることを確認した。

表 3 蛍光 X 線分析 FP 法測定条件
SEA6000VX
測定 管電圧条件 （kV）

管電流
（μA）

ﾌｨﾙﾀ

1

50

1000

ﾕﾆ

2

50

1000

Pb用

3

15

83

なし

照射域
（mm□）

3

雰囲気

測定時間
（s）

大気

30

大気

30

Heﾊﾟｰｼﾞ30

2.2 試料調整
鉄系材料についてはベルト研磨（#120，砥粒コ）を，非鉄金属材料についてはランダム（Al2O3）
旋盤加工を行った。これらは文献 1）で推奨する
試料調整である。これに加えて，耐水研磨（#220，砥粒 SiC）と鏡面研磨（砥粒 3μm ダイヤモンド＊

県央技術支援センター

S8 TIGER 4kW
測定
管電圧 管電流分光結晶
条件（kV） （mA）

1
2

LiF20060

ﾌｨﾙﾀ67 Cu200μm

60/50 60/50

なし

3

PET

30

135

なし

4

XS-55

30

135

なし

− 87 −

走査角度
照射径
雰囲気
（mmφ）
（°）

5.5-24.6
18

真空

3.4-142.2
51.7-148.5
17.0-53.9

またはシリカ懸濁液）を行った。試料調整後の表

2.4 結果と考察

面粗さを算術平均粗さ（Ra）として求めた。表面

2.4.1 鉄系材料

粗さ測定装置はアメテック（株）製フォームタリ

鉄系材料の FP 法結果を表 4 に示す。FP 法ではサーフ PGI430 である。5 回測定の平均値を表 2

分析実施元素以外の成分も検出されたが，Fe 以外に示す。

の元素は除外した。
表 4 からは，S8 TIGER 4kW の FP 法結果はSEA6000VX よ り も 分 析 結 果 に 近 い こ と ，

2.3 蛍光 X 線分析（株）日立ハイテクサイエンス製 SEA6000VXSEA6000 VX では軽元素である Si，Mo（SUS304，と，ブルカー･エイエックスエス（株）製 S8 TIGER

SCM435），Cr（FC300）など，含有量の低い成分

4kW の 2 種類の蛍光 X 線分析装置を使用した。

で分析結果との差が大きくなる傾向が見られた。

前者は W 管球，エネルギー分散型で検出対象元

これは SEA6000VX では，S8 TIGER 4kW よりも

素は Na〜U，後者は Rh 管球，波長分散型で，検波長分解能が低いこと，Si など軽元素の感度が低出対象元素は O〜U である。両者の FP 法測定条

いことなどが原因と考えられる。

件を表 3 に示す。測定後，得られたチャートから

蛍光 X 線分析では， X 線強度は表面粗さの影

元素を取捨選択し，FP 法計算を行った。測定は響を受けることが報告されているが 2），表 4 から

各条件 5 回行い平均値を求めた。

は粗さと FP 法結果の傾向は特に見られなかった。
図 1 に SUS304 の算術平均粗さ（Ra）と，規格化

SUS304

（％）

成分
分析結果
鏡面研磨
FP法結果
耐水研磨紙(#220)
SEA6000VX
ベルト研磨(#120)
鏡面研磨
FP法結果
耐水研磨紙(#220)
S8 TIGER 4kW
ベルト研磨(#120)

SCM435

Fe--71.21
70.26
70.26
70.72
70.86
70.94

C
0.06
-------------

Si
0.57
1.15
1.08
1.01
0.54
0.53
0.52

Mn
0.97
0.97
0.97
0.96
0.94
0.94
0.95

P
0.029
-------------

S
0.008-------------

Ni
8.52
7.81
7.90
7.82
8.45
8.38
8.46

Cr
18.06
19.53
19.36
19.51
18.71
18.64
18.52

Mo
0.23
0.43
0.43
0.43
0.23
0.23
0.23

Cu
0.11
------0.12
0.11
0.12

Fe
--96.30
96.30
96.11
97.29
97.20
97.31

C
0.34
-------------

Si
0.29
0.74
0.73
0.90
0.32
0.34
0.28

Mn
0.81
1.03
1.04
1.05
0.85
0.84
0.84

P
0.010
-------------

S
0.005-------------

Ni
0.13
0.08
0.09
0.08
0.05
0.05
0.06

Cr
1.19
1.36
1.35
1.38
1.22
1.22
1.22

Mo
0.17
0.37
0.38
0.37
0.15
0.15
0.15

Cu
0.13
0.11
0.11
0.12
0.12
0.12
0.12

Fe
--95.93
95.84
95.87
96.75
96.70
96.75

C
3.23
-------------

Si
1.83
2.43
2.47
2.49
1.73
1.83
1.70

Mn
0.82
1.09
1.10
1.10
0.89
0.89
0.90

P
0.056
----------0.063

S
0.058------0.083
0.067
0.074

Ni
---------------

Cr
0.03
0.11
0.12
0.11
0.03
0.03
0.03

Mo
0.01
-------------

Cu
0.47
0.43
0.43
0.42
0.49
0.43
0.44

（％）

成分
分析結果
鏡面研磨
FP法結果
耐水研磨紙(#220)
SEA6000VX
ベルト研磨(#120)
鏡面研磨
FP法結果
耐水研磨紙(#220)
S8 TIGER 4kW
ベルト研磨(#120)

FC300

表 4 鉄系材料 FP 法測定結果

（％）

成分
分析結果
鏡面研磨
FP法結果
耐水研磨紙(#220)
SEA6000VX
ベルト研磨(#120)
鏡面研磨
FP法結果
耐水研磨紙(#220)
S8 TIGER 4kW
ベルト研磨(#120)− 88 −

Si を除き，粗さが増すほど X 線強度が低下する

1.3

規格化X線強度

1.25

傾向があった。FP 法では，検出された元素全体

1.2の合計が 100%となるように各元素の含有量を計

Fe
Si
Mn
Ni
Cr
Mo

1.15
1.1
1.05
1

算する。このため，FP 法結果は粗さの影響を受けにくくなるものと考えられる。
S8 TIGER 4kW では，蛍光 X 線エネルギーが低

0.95
0.9

0.01

0.1
1
算術平均粗さRa（μm）

く X 線の透過長が短い Si，Cr 以外の重元素では，

10

規格化 X 線強度に顕著な違いは見られなかった。
こ れ は ， S8 TIGER 4kW で は 管 球 出 力 が

SEA6000VXSEA6000VX の数十倍あり，試料に侵入する X 線

1.02

量が大きくなって粗さの影響を緩和するためで

規格化X線強度1はないかと考えられる。

Fe
Si
Mn
Ni
Cr
Mo

0.98
0.96
0.94

2.4.2 非鉄金属材料
今回使用した Cu 合金（CAC406）では Sn，Zn，

0.92
0.9

Pb が数%添加されている。このうち Sn，Zn は
0.01

0.1

1

Cu に固溶し α 相を形成するが，Pb は固溶せず

10

算術平均粗さRa（μm）

Cu マトリックス中に Pb 相が分散する。また Al

S8 TIGER 4kW

合金（AC2B）では Cu，Si が数%，Mg が 1%未

図 1 算術平均粗さと規格化 X 線強度（SUS304）

満添加されているが，α 相のマトリックス中に，固溶化しきれない Cu，Si などが Al2Cu 相，共晶

X 線強度（鏡面研磨を 1 とした時の相対値，5 回Si 相などとして分散する 3）。

測定平均）の関係を示す。SEA6000VX では，研Cu 合金，Al 合金の FP 法結果を表 5 に示す。な磨剤（SiC）の影響が見られる耐水研磨紙処理のお，SEA6000VX による Al 合金の分析では，AlKα

表 5 非鉄金属材料 FP 法測定結果
Cu合金

（％）

成分
分析結果
鏡面研磨
FP法結果
旋盤加工
SEA6000VX
耐水研磨紙(#220)
鏡面研磨
FP法結果
旋盤加工
S8 TIGER 4kW
耐水研磨紙(#220)

Al合金

Cu
--83.49
84.71
84.17
84.33
85.60
84.87

Sn
4.13
4.07
4.11
4.13
4.09
4.18
4.18

Pb
5.28
3.95
2.39
3.31
3.91
2.53
3.26

Zn
6.92
7.00
7.14
7.03
6.98
7.06
7.02

Fe
0.20
0.28
0.27
0.28
0.22
0.22
0.22

Ni
0.26
0.43
0.44
0.43
0.31
0.31
0.31

Si
0.01
0.78
0.93
0.65
-------

Al--89.00
88.92
89.28
90.59
91.42
90.87

Cu
1.80
1.57
1.73
1.56
1.55
1.55
1.56

Si
4.32
7.65
7.39
7.33
5.39
4.49
5.01

Mg
0.84
------0.63
0.67
0.66

Zn
0.77
0.69
0.76
0.69
0.71
0.72
0.72

Fe
0.79
0.76
0.84
0.78
0.72
0.74
0.74

Mn
0.13
0.14
0.15
0.14
0.13
0.13
0.13

（％）

成分
分析結果
鏡面研磨
FP法結果
旋盤加工
SEA6000VX
耐水研磨紙(#220)
鏡面研磨
FP法結果
旋盤加工
S8 TIGER 4kW
耐水研磨紙(#220)− 89 −

Ni
0.04
0.03
0.04
0.03
0.04
0.04
0.04

Ti
0.06
------0.05
0.06
0.06

Cr
0.05
0.05
0.04
0.05
0.05
0.05
0.05

線と MgKα 線が明確に分離しなかったため Mg は3. 結

非検出とした。表 5 からは鉄系材料の場合と同様（1）表面粗さによる FP 法結果への影響は認めに，粗さが FP 法結果に及ぼす影響は特に見られ言られなかった。

なかった。また，Cu 合金の Pb，Al 合金中 Si など，（2）エネルギー分散型である SEA6000VX では，

マトリックスと別相を形成する元素，Cu 合金の鉄系材料，非鉄金属材料ともに，Si などのSi（SEA6000VX）などの軽元素で分析結果と FP

軽元素，含有量の少ない元素で FP 法結果と法結果の差が大きかった。FP 法では試料が均一で分析結果との差が大きかった。

あるとの前提で計算を行うため，含有量が比較的（3）非鉄金属材料では，マトリックス金属と別多く，マトリックスと別相を形成するこれらの元相を形成する元素で，FP 法結果と分析結果

素では，分析値と FP 法結果との差が大きくなっの差が大きくなることを確認した。

たものと思われる。
別途，非鉄金属表面の走査型電子顕微鏡 EDX分析を行ったところ，Cu 合金 Al 合金とも Pb，

参考文献
1）中井泉，“蛍光 X 線分析の実際” ，朝倉書店，

Al がマトリックス相と別相となっていることを確認した。また研磨によっては，これらの相のだ

2005，pp.68．
2）中井泉，“蛍光 X 線分析の実際” ，朝倉書店，

れ，脱落が観察された。これらも FP 法結果に影響を及ぼしていることが推察される。

2005，pp.63．
3）(財)素形材センター編，“素形材の組織” ，日刊工業新聞社，1988，pp.79-97．

− 90 −

ノート

イオンミリング法による電子顕微鏡観察用
断面試料の作製
林

成実*

雄治*

斎藤

Application of Ion milling to Sample Preparation for Cross-section Analysis by SEM Observation
HAYASHI Narumi* and SAITO Yuji*

1.

緒

言

2.2

走査電子顕微鏡（以下 SEM）による試料の断面観察分析を行う際，試料の前処理が重要で試料および前処理

断面作製用として，下記の試料 5 種を用いた。
・めっき処理板：ニッケルめっき銅板，ある。通常，組織や形状を確認するための断面

クロメート鋼板（ワッシャ）

作製法は，樹脂包埋後，機械式研磨を行ってい・複合多層材料：電子基板，CFRP 板る。しかし，めっき，塗装などの表面処理材や・紙系材料：耐水研磨紙（#80，220，1000 を 3 枚重ねたもの）複合材料では，ダレや欠けなどが発生し観察分析ができない場合がある。また，吸水や汚染されやすい試料では研磨が難しい。これらの問題を解決する方法として，イオンミリングによる断面作製がある 1)。これは，機械的な力を加えずにアルゴンイオンビームを使用し，断面を加工する方法である。
本報告では，機械式研磨や刃物による切断では観察が困難な，表面処理した金属，紙やプラ
スチックなどの軟質材料の断面を弊所所有のイ
オンミリング装置で作製し，SEM 観察分析を行った事例を紹介する。
図1
2.

試料断面作製

2.1

使用装置

クロスセクションポリッシャ

イオンミリング装置として，日本電子（株）
製クロスセクションポリッシャ IB-09020 を使用した（図 1）。本装置は，試料直上にスパッタリング速度の遅い遮蔽板を置き，その上からアルゴンのブロードイオンビームを照射してエッチングを行うことで，遮蔽板の端面に沿った断面を作製することができる（図 2）。
図2*

県央技術支援センター− 91 −

断面作製の概要

断面を作製するには，図 2 のとおり最大試料

素マッピング結果を図 9 に示す。はんだ接合部

寸法は厚さ 2mm×幅 11mm×奥行 10mm となから基材までの多層構造体の断面をダレもなく

2)

る。また，試料の上下両面が平滑で，加工断面が直角であり，バリや窪みがないサンプルが確認できた。また図 9 より銅めっき層とはんだの境界面にニッケルめっき層が確認された。

必要である。そのため前処理として，めっき処
理板および電子基板については，精密切断機を用いて約 8mm 角に加工した後，平面研磨機でニッケルめっき層

加工断面を平坦に加工した。CFRP および耐水研磨紙についてはエポキシ樹脂で包埋後，サン
プルの上下面が平坦で断面厚さが 2mm 以下になるように研磨し試料とした。材質や加工する
厚さに応じ，加速電圧 4～6kV にて，6～12 時
間程アルゴンイオンビーム照射を行い加工した。
3.

断面観察結果

各試料の断面について，SEM による反射電

図3

ニッケルめっき銅板の SEM 観察画像

子組成像観察およびエネルギ－分散型 X 線分
光装置（以下 EDX）による分析を行った。
以下に試料ごとの断面観察結果を示す。
3.1

亜鉛めっき層

ニッケルめっき銅板

図 3 に断面の SEM 観察画像を示す。厚さ
0.5mm 銅板の表面に約 1.8µm のニッケルめっき層が確認された。また，銅基材には結晶組織の方位の違いを示すチャネリングコントラスト
が確認された。

ワッシャ

3.2

図4

クロメート鋼板（ワッシャ）

クロメート鋼板の SEM 観察画像

図 4 にクロメート鋼板断面の SEM 観察画像を，図 5 にその全面の元素分析結果を示す。厚さ 0.8mm のクロメート鋼板であるワッシャの表面には，亜鉛めっき層が確認され，元素分析の結果では，クロメートの Cr およびストライ
クめっきの Cu も確認された。また，銅基材より明瞭ではないが，鉄基材でもチャネリングコ
ントラストが確認された。
3.3

電子基板

図 6 に電子基板および断面観察部を示す。その断面の SEM 観察画像を図 7，8 に，図 8 の元

− 92 −

図5

図 4 全面の元素分析結果

断面観察部

図6

電子基板と断面観察部

図7

断面の SEM 観察画像

図 10

図 11

CFRP の表面画像

断面の SEM 観察画像

リード
はんだ

銅めっき層
基板

図8

図 7 資格部の SEM 観察画像

図 12

図 11 四角部の SEM 観察画像

図 13

図 12 四角部の SEM 観察画像

Fe，Ni
Pb，Sn
Ni
Cu
Br
Si
図9

図 8 の元素マッピング結果(合成像)− 93 −

#80

#220

#1000

図 14

断面作製した各種耐水研磨紙

図 16

#80

耐水研磨紙#220 の拡大 SEM 画像

Si,C

#220

#1000

図 15
3.4

重ねた種耐水研磨紙の SEM 観察画像

図 17

CFRP

4.

図 16 の元素マッピング結果(合成像)結言

図 10 に表面から見た CFRP を，断面の SEM（1）本装置による断面作製により，めっき層観察画像を図 11，12，13 に示す。格子状に編厚さや組成を確認できた。また，電子基

み込んだカーボン繊維の断面が層状になってい板や CFRP，耐水研磨紙など，金属，樹ることが確認された。また，カーボン繊維の直脂，紙などが複合し，多層の構造を持つ

径は約 7µm であることが確認された。

材料もダレることなく形状が確認された。
（2）金属材料では，結晶方位の違いに起因す

3.5

耐水研磨紙

るチャネリングコントラストを確認した。

図 14 に断面作製した各種耐水研磨紙を，重ねた耐水研磨紙の断面 SEM 観察画像を図 15 に参考文献示す。また，＃220 の拡大画像を図 16 に，そ

1）材料技術教育研究会編，“改訂版金属組の元素マッピング結果を図 17 に示す。研磨材，織の現出と試料作製の基本”，（株）大河

接着剤，基材紙ともダレることなく形状が確認

出版，2016，pp.273．

された。また，粒度の違いによる研磨材の形状

2）“IB-09020CP

および分布状況が確認できた。

クロスセクションポリッシ

ャ取扱説明書”，日本電子（株）− 94 −

Ⅲ

調査・報告− 95 −

工業技術総合研究所

研究会活動報告

工業技術総合研究所では，新分野や新産業，新技術を調査し，研究開発テーマの創出を目的として各種研究会を開催している。この研究会活動を通じて参加企業とのコンソーシアムを形成し，研究開発体制を構築することにも取り組んだ。

研究会活動は，主として「ものづくり技術連携活性化事業」によって実施した。対象とする市場や技術の動向を調査し，会員企業へ情報提供を行うとともに，県内企業による研究開発の可能性を模索するため，平成 27 年度は，以下の７テーマについて研究会を立ち上げて実施した。

1. 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
2. 熱音響機関に関する調査研究
3. 炭素化繊維利用に関する調査研究
4. 精密微細加工技術の分析分野への応用に関する調査研究
5. 新材料創生に関する調査研究
6. ビッグデータを活用したものづくりに関する調査研究
7. センシング技術の農業分野への応用に関する調査研究

なお，研究会主催のセミナーには，講師として各界の専門家を招聘し，市場や技術動向等の最新情報の紹介などを行った。

− 97 −

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
中部
馬場

昇*

片山

大輔

****

聡*

雄治**

斎藤

渋谷

恵太

*****

天城

阿部

裕子***

淑人*****A Report of Manufacturing Technology Utilizing Three-dimentional Shape Data
NAKABE Noboru*，KATAYAMA Satoshi*，SAITO Yuji**，AMAKI Yuko***，BABA Daisuke****，SHIBUYA Keita***** and ABE Yoshito*****

1.

緒

ア Geomagic Capture for Design X（スリーディ・

言

製造現場における 3D-CAD の普及や 3D プリンタなどを活用した試作技術の高度化，迅速化

システムズ・ジャパン製）を導入し，その周知と講習を実施した。

が進む中で，入力，編集・設計，出力といった
3D データによるものづくりのワークフロー改善

2.1

3 次元スキャナによるものづくり講習会が求められている。3D プリンタを活用した試作

平成 28 年 2 月 2，3，10 日の 3 日間，実技をの迅速化はある程度普及してきたが，3D データ

伴う講習会を，各回 5 名の定員として同じ内容の入力や編集・データ交換に関する運用技術をで実施した。内容は以下のとおり。

普及させる必要があるため，前年度の 3 次元ア(1)「3 次元スキャナと 3 次元ソフトウエアによプリケーション研究会から継続して調査研究活るものづくりの概要」

動を行った。
2.

講習会開催概要「3 次元デジタルものづくり技術高度化のための人材育成事業」として，以下に示す講演会を実施した。本事業は，県内製造業界において3 次元 CAD 自体は導入が進みつつあるが，実体から 3 次元データを生成したり，実体と 3 次元
データの照合を行うシステムの導入やその運用はまだ普及していないことから，設計や品質保証に従事するエンジニアが，実体形状を計測して 3 次元設計や検査に利用するためのスキルを身につけられるよう，実技講習による人材育成を行うことを目的とする。図 1 に示す 3D スキャ
ナおよびリバースエンジニアリングソフトウエ*

研究開発センター**

県央技術支援センター***

中越技術支援センター****

上越技術支援センター*****

素材応用技術支援センター

図1− 98 −

3D スキャナおよびソフトウエア

(2)「3 次元スキャニング実習」

噴射方式，材料噴射方式といったインクジェッ

形状計測，データ編集を行いポリゴンモデル

ト方式について，近年中に基本特許が切れるこ作成までの手順を体験した。

とから HP など 2D プリンタで実績のある複数企(3)「3 次元ソフトウエア」

業の参入が発表されており，造形速度に優れる

ポリゴンモデルからの自由曲面抽出，CAD モ
デル作成について説明した。

ことから低価格化により大きく普及することが予想される。液槽光重合方式（SLA）についても紫外光をプロジェクタ式に 1 層分を一度に照

2.2

3D スキャナ・3D プリンタ講演会

射することにより造形速度が大幅に改善される導入したシステムの周知を図るため，装置のことで，インクジェット方式と並び普及してい紹介とデモンストレーションを目的として平成

くものと思われる。粉末焼結積層方式（SLS）

28 年 3 月 16 日に実施した。併せて 3 次元プリンについても低価格化が進み，組み立てキットなタの活用に関する講演を行った。内容は以下のがら 5 千ユーロ程度の装置が市販されている。
金属 AM 装置は SLS を中心に製造台数が前年とおり。
(1)「3D スキャナと 3D ソフトウエアによるものの約 2 倍以上に増加しており，適用は Zimmer やづくり」

Stryker などによるカスタムフィットインプラン（研究開発センター

中部）

3D スキャナおよびリバースエンジニアリング

トや人工骨製造といった医療分野，GE，ボーイ

ソフトウエアについて説明した。

ング，エアバスといった航空・宇宙分野が多い。

(2)「3 次元データは図面に非ず～3D プリンタの金型分野においても，冷却用水管を自由に設計

表裏～」（素材応用技術支援センター

阿部）できることや，深溝や薄肉のリブが造形できる

デジタルものづくりを，3 次元データというなどの利点があり適用が進んでいる。また，金仮想物体として制作することから開始するとい属 AM における製造工程では，ワイヤカットにう観点で，様々な 3D プリンタの分類や従来のよる造形物の取出しに始まり熱処理や研磨など加工技術との類似，相違などについて説明した。

の後工程が必須であることから，今後はモジュ(3)「3D プリンタの医療分野への応用」

ール構成など，これら後工程を考慮した統合的（新潟大学

尾田雅文教授）な製造機として普及していくものと思われる。

術前検討に用いる，患者個々の疾患部位の 3

一方，造形材料についても製品製造を考慮し次元モデルを，医療画像や 3D スキャナ，3D プて多様化が進み，複合材料や高付加価値材料のリンタを用いて製作するプロセスや臨床応用例開発が進むと予想される。例えば，溶融物堆積について紹介した。

方式では PLA 材に木材，カーボン，金属などを混合した材料や PEEK 材などエンジニアリング

3.

調査・研究内容

プラスチックへの対応が進んでいる。SLA では

3.1

3D プリンティング技術動向

樹脂のみならずセラミックス系材料なども提案

3D プリンティング技術は，従来の切削，研削されている。インクジェットにおいてもセラミなどの除去加工，プレスなどの塑性加工に対す

ックス，金属粉の混合，柔軟材料，基盤造形がる第 3 の加工法であり，現在 ASTM International

可能な導電材・絶縁材などが注目されている。

において付加製造；アディティブマニュファク
チュアリング（Additive Manufacturing，AM）技3.2

3D データ入力技術動向

術という名称で国際標準化が進められ，

3D データの入力に用いる光学式 3D スキャナ

ISO/ASTM によって造形方式別に 7 種類に分類

は実物の表面形状をカメラ（一般にステレオカ

されている 。樹脂 3D プリンタでは特に結合剤メラ）で撮影し，その 3 次元座標を点群として

1)− 99 −

入力する装置である。製造現場などで使われる

もの，③内部構造を有するもの，④傾斜構造やミドルレンジ機，ハイエンド機については，一複合材料といった，AM で製造することで新た

般にラインレーザー光を走査する光切断方式とな機能付加が期待される分野への参入が望まし

画角全体に格子パターンを照射するパターン照い。

射方式に分類されるが，近年は高速でリアルタ

一方，設計技術においても，3 次元データをイム計測が可能な後者が主流となっている。こ

活用することで従来の工程に対して大幅な簡略れとは別に，10 万円以下のローエンド機として，化が期待できる場合がある。例えば，個別対応

前出の光切断方式，あるいは Microsoft Kinect での必要な医療福祉分野向けの義肢義足・義歯な実用化された PrimeSense や，Intel 製 RealSense

どの製造過程における 3 次元データの利用などなど距離画像センサを応用したハンディスキャが挙げられる。また，前述のように AM によりナなどがあり，1mm 単位の精度であるもののコ

従来の製造工程では不可能であった構造を製造

ンシュマー向けの CG モデル作製や人体のフィできるようになり，設計技術についても従来とギュア化などに活用されている。

異なる技術が要求される。例えば，構造最適化

今後はカメラの高解像度化や処理能力の高速シミュレーション技術を応用した，傾斜機能構化と共に低価格化が進むことによって，製造現造をなすための内部構造設計や，金属 AM 製造場においてもより普及していくものと推察されにおける溶融熱の制御など，AM を想定した設る。

計技術の開発が新たな研究課題として挙がるものと思われる。

3.3

県内企業の動向

3D プリンタについては多くの企業が試作，開

4.

結

言

発評価やジグ製造目的で活用しており，また，(1) 金属 AM 装置による製品製造は，医療分野や，

3D プリンタを保有しない企業からの試作，少量

航空・宇宙分野，金型分野で適用が進んで生産についての相談も多く，装置の低価格化にいるが，単純に従来工程を AM に置き換えて伴いその傾向が拡大していくものと思われる。

もメリットは少なく，AM によって従来工程

また，3D スキャナについては前述のように講習の効率化や製品の高性能化が得られる分野会を開き周知を行ったが，希望者が多く追加講に限定される。

習を実施するなど，関心が高いことが窺えた。

(2) AM により，従来の製造工程では不可能であった構造の製品を製造できるようになり，

3.4

市場参入時の課題とその対応製品の設計技術自体についても内部構造のAM 装 置 の 活 用 に つ い て は ， 当 初 の 試 作設計など従来と異なる方法論が要求されて（Rapid Prototyping），ジグやガイドなどの製くる。

造 （Rapid Tooling） か ら ， 現 在 は 製 品 の 製 造

最後に，本研究のうち，「3 次元デジタルも（Rapid Manufacturing）に移行しつつある時期のづくり技術高度化のための人材育成事業」はであり，AM による従来工程の効率化や製品の（公財）JKA の補助（27-77）を受けて実施した高性能化の可能性は大いにあると思われる。た

ことを記す。

だし，単純に従来工程を AM に置き換えてもメ
リットはなく，対象となる分野は限られてくる。

参考文献

例を挙げると，①カスタムメイドなどの少量生

1) 阿部淑人他，“3 次元データの工業利用に関産品，量産品でも②形状・構造が複雑で部品点する研究調査”，工業技術研究報告書，44，

数の削減により軽量化・低コスト化が見込める

2015，pp.78-80.

− 100 −

調査・報告熱音響機関に関する調査研究
大野

宏*

大川原

真*

須貝

裕之**

平石

誠**

本多

章作***

Report of Market and Technology Trend of ThermoAcoustics Technology
OHNO Hiroshi*，OKAWARA Makoto**，SUGAI Hiroyuki**，HIRAISHI Makoto**and HONDA Syosaku***

1.

緒

言

与えると音波が発生する。細いパイプの中の気

熱音響機関は，工場の未利用熱や太陽熱から

体は，加熱されて膨張し，圧力の低い反対側に音波を発生させ，これを電気や冷熱に変換して移動し，冷却されて収縮し，最初の位置に戻る。

有効活用する技術である。細いパイプの束（蓄

この気体の移動が振動源となって音波が発生す

熱器）の両端に温度差を与えると，中の気体がる。逆に蓄熱器に音波をあてると粗密波として膨張・収縮してパイプ内を移動し，温度差があ振動するため，細いパイプで強制的に圧縮される一定以上になるとこの動作が繰り返され，気放熱するため温度は上がり，反対側に移動しな体の移動が振動源となって音波が発生する。こがら収縮して吸熱するため温度は下がり，最初れを電気に変換したり冷熱として取り出したりの位置に戻る。この現象を利用して発生する音

1)

して，有効利用できることがわかってきた 。
本研究会は，熱音響機関の実用化を目的とし波を電気に変換したり，冷熱として利用したりするデバイスが熱音響機関である。

て，啓蒙普及のための講演会を開催し，技術動他の熱電変換技術である，バイナリ発電，熱向や県内企業の動向を調査した。また，高熱か

電変換素子，スターリングエンジンと比較する

ら音波を発生させ，これを冷熱に変換する熱音と，発電量当たりの価格が安い，高温度域の変響冷凍機を実用化するため，適した用途を考え換効率が高い，保守性が良いことなどが特長と公募事業に提案した。

して挙げられるが，現状では体積当たりの出力が低く，低温域における高効率化が課題となっ

2.

活動概要

2.1

研究会の開催ている。
熱音響エンジンの動作条件は，無数のパラメ

熱音響機関の概要，技術動向および実用化のータがあるため，最適化が難しい。動作条件の課題を知るため，セミナー形式の研究会を開催

予想や最適化には数値計算が有効であり，長谷した。

川研究室では熱音響工学の理論方程式を解析的

・第 1 回（平成 27 年 8 月 17 日）に解くことで，熱音響エンジンの動作条件と性「排熱を有効活用する熱音響エンジン」

能の予測，最適化を可能とした。2012 年に，多東海大学工学部講師

長谷川真也氏段化進行波型エンジンと進行波型クーラにより細いパイプの束（蓄熱器）の両端に温度差を熱源温度 140℃で-40℃の冷凍を実現した。
熱音響機関の課題は，蓄熱器を低コストで実*

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

現できる製造技術と，熱交換器へ効率的に入熱する方法である。また，音波の発生や成長を阻害する要因の解明など，まだ分からないことも− 101 −

多い 2)。

2.2

・第 2 回（平成 27 年 1 月 28 日）

技術動向

東海大学が数値計算で熱音響機関の性能を予≪講演 1≫

測する手法を確立し，高効率の装置が開発でき「実用スターリングエンジンの開発動向と用途るようになった。熱源温度 300℃で-108℃の冷事例」

凍を実現し，変換効率も 18%と実用化レベルに明星大学理工学部

教授

濱口和洋氏

達している。本手法は，国内の研究者の標準にスターリングエンジンは他のエンジンにくらなっている。

べ軸出力当たりの熱効率が高い。気体を高熱と熱音響冷凍機で利用する場合，音波を発生さ

冷熱で収縮・膨張させてピストンを動かし仕事せるループと冷凍されるループのインピーダンをさせる。出力を電力として取り出す方法は 2

スが合わないと出力が低下するため，4m とい通りあり，キネマティック方式は回転運動に変う長い管が必要になり，装置全体が大きくなっ

換して取り出し，フリーピストン方式は直線運てしまう。一方，リニア発電機を使い発電装置

動をリニア発電機で取り出す。スターリングエとして利用する場合は，発電機のインピーダン

ンジンの出力は，スターリングサイクルを圧力スを調整することで長い接続管が不要になる。

P と体積 V を測定することで予測できる。

冷凍機にも機械的な振動装置でインピーダンス

実用化は海外のほうが進んでおり，世界で一を合わせられれば，装置全体を小さくできる。

番数が出ている機種は Micro-Gen 社製の 1kW フ

高出力の熱音響機関を実現するためには，分

リーピストン型エンジン発電機で，年 6,000 台

子量の小さい He を高気圧で封入する必要があ程度出荷されているが動作温度が高い。また，り，銅製の熱交換器と耐熱性のあるステンレス

日本の潜水艦で使われているのは Kockums 社製

パイプを溶接する必要がある。しかし，銅とスの 75kW エンジンである。

テンレスの溶接は難しく，ただ接合するだけで国内では木質ペレットとの組み合わせのもの

なく気密性も保たなければならない。製品化にが多い。日本製エンジンは海外製にくらべるとは，低コストで銅とステンレスを溶接する技術

耐久性が低い。最も多く生産されている百瀬機が必要である。

械設計のエンジンは出力 200W と小型である。
また，模型エンジンに関する書籍が多く，教育

2.3

県内企業の動き用としては良い教材であるが，耐久性がないた

県内にはファンヒータメーカがあるが，温風め，製品化を安易に考えるのは危険である。

を送るファンは商用電源で駆動しており，熱か≪講演 2≫

ら電気を取り出せないか，以前から検討してい「スターリングエンジンの作り方」

た。今年度，カセットコンロメーカと共同で熱工業技術総合研究所

専門研究員

大野宏

電変換素子を用いたカセットガスファンヒータ

大気圧で動作する模型スターリングエンジン

を製品化した。熱電変換素子は変換効率が低くの作り方について解説した。特に製作が容易な

高価のため，取り出せる電力は非常に小さいが，ものは，水柱をピストン代わりに使ったフルイ

カセットガスの熱量が大きいため，ヒータとしダイン（水スターリングエンジン）で，動作周ては十分使えるものになっている。

波数は 1Hz とゆっくり動作する。また，ガラス研究会に参加した企業の内，化学プラント，

製の注射器を使った模型エンジンが数万円で入

鋳物，鍛造，食品など，工場の未利用熱からの手でき，書籍でも製作方法が紹介されているが，エネルギー回収について興味を持っている企業

長時間加熱するとシリンダーが変形してしまいは多い。また，機械設備工事を主な業務とする

耐久性はない。

企業にも，自社製品の開発に積極的で熱音響機− 102 −

能 力 は 雪 12.5 ト ン に 相 当 し ， 雪 室 の 容 積 を関の開発に興味を持つ企業が見受けられた。

41.7%削減できる。また，汎用のプレハブ冷蔵
2.4

公募事業への提案庫に使われている断熱壁を雪室用に改良するこ

熱音響機関の利用方法は，熱音響機関で高熱とで，従来の雪室用の断熱材より安価になり，から冷熱を発生させ冷凍機として使用する方法

これも加えて導入コスト 17%の削減が見込める。

と，熱音響機関で発生する音波をリニア発電機

この内容で，（国研）新エネルギー・産業技術

で電気に変換して利用する方法がある。熱音響

総合開発機構（NEDO）再生可能エネルギー熱

冷凍機はループ状のパイプの中に 2 個蓄熱器を利用技術開発事業に，「太陽熱を利用した熱音

配置するという簡単な構造のため，まずは冷凍

響冷凍機による雪室冷却装置の開発」で提案し機として公募事業へ提案することを検討した。

採択された。この事業は，再生可能エネルギー

新潟県では，冬季に降った大量の雪を保存し，熱を使ったシステムの導入コストが高いため，夏季の冷房に使ったり食料の冷蔵庫として利用

従来の 10%削減を目指すもので，熱音響冷凍機

したりしている。課題は導入コストが高いことの理論と設計を担当する東海大学，装置の製造で，大量の雪を保存しておく雪室，冷たい空気を担当する県内企業とともに 3 年間の予定で研を各部屋まで送る配管と送風ファンの設置に約究開発を実施する。

500 万円がかかる 3)。その半分が雪室の設置費用であるが，太陽熱を熱源とした熱音響冷凍機で3.

結

雪室を冷却すれば，雪融けを遅らせ雪室容積を(1)

熱音響機関は構造が簡単で可動部がないた

言

小さくして雪冷房の導入コストを削減できる。

め，メインテナンスの必要がなく低コスト

また，雪冷房に必要な雪の量を削減できるため，という特徴がある。工場の未利用熱や太陽

それほど雪が降らない地域でも導入可能となり，熱を冷熱や電気に変換する装置の研究開発

利用地域の拡大が期待できる。開発する装置のが大学や企業で進められている。

概要を図 1 に示す。太陽熱が強い時ほど雪も解(2)

熱音響機関は他の外燃機関にくらべて効率

けるが，熱音響冷凍機の冷凍能力も大きくなる

は高いが，装置全体が大きいなどの課題がため，非常に適した利用方法と言える。

ある。そのため，小型化の研究開発も進め

一般家庭で雪冷房を使う場合，雪室に約 30 ト
ンの雪を貯蔵する必要があるが，出力 1kW の熱られている。
(3)

音響冷凍機を 6 か月間運転した場合，その冷凍大学や企業と連携し，太陽熱を利用した熱音響冷凍機の開発で NEOD の事業に提案し採択された。この研究開発をすすめ熱音響

熱音響冷凍機

太
陽
熱

居住空間
暖気

冷
熱

冷凍機の実用化に取り組む。
参考文献
1) 富永昭，“熱音響工学の基礎”， 内田老鶴
圃，1998，pp.9-11.
2) 杉 本 信 正 ， “熱 流 の不 安 定性 と熱 音 響 現冷気象”，ながれ 33，2014，pp.181-194.
3) 新潟県産業観光労働部産業振興課新エネル
雪ギー資源開発室，“雪冷熱エネルギー住宅
建築のためのガイドライン”，2009，pp.13.

図1

熱音響冷凍機による雪室冷却装置− 103 −

調査・報告炭素化繊維利用に関する調査研究古畑雅弘* 渋谷岡田

英樹**

恵太* 河原
三浦

一真***

崇史*

笠原

勝次**

桑原

理絵***

Report of Market and Technology Trends of Activated Carbon of Fibers
FURUHATA Masahiro*，SHIBUYA Keita*，KAWAHARA Takashi*，KASAHARA Katsuji**，
OKADA Hideki**，MIURA Kazuma*** and KUWAHARA Rie***

1.

緒

言

綿，レーヨンなど汎用繊維を炭素化させた「炭素化繊維」は，比表面積が大きく優れた吸着性能や導電性，電磁波シールド性など様々な特徴を持つことが知られている。また，炭素化
後も繊維の特徴である軽量・柔軟性を有することもメリットの一つである。昨年度は吸着性能
や電気二重層キャパシタへの適用について調査研究を行ったが 1)，今年度も引き続き行うとともに新たに県内企業からニーズの高かった電磁図1

講演会の様子波シールド材への適用について，技術動向や課題，適用の可能性について調査研究を行った。

講師：東京工業大学 名誉教授 谷岡明彦氏
概要：米国では国家プロジェクトとして兵員向

2.

活動概要

けの軍服や装着品をはじめとした軍事用途で盛2.1研究会の開催んに研究が行われている。人間の利便性・安全

炭素化繊維の概要や電気特性を活かした用途性を高める電子ツールとしてウェアラブルデバ

として近年注目されている導電性繊維の市場動イスが注目されているが，デバイスが人間を取向および技術的課題について講演会を開催し，り巻く環境に入っていくためには，「軽量，薄25 名の参加を得た。図 1 に講演会の様子を示す。

型，柔軟，大面積，低コスト」が課題である。

アンケート調査では，導電性繊維の情報収集を

また，衣料用途へ展開するためにはストレッチ目的とした参加者が多く，講演内容には「非常性や耐洗濯性も必要である。国内ではアラミドに参考になった」または「参考になった」と概

繊維を活用した切れない電線やヒーター，熱電

ね好評であった。講演内容は以下のとおり。

変換デバイス，電池関連などで実用化され始め

開催日：平成 28 年 3 月 9 日ている。テキスタイルを活用した事例では，衣演題：「導電性繊維の開発動向と今後の市場性」

料のほかにカーテン，壁紙，カーペットなどへ*

素材応用技術支援センター**

下越技術支援センター***

中越技術支援センターの展開に向けて研究が行われている。
2.2

市場や県内企業の動き

電気二重層キャパシタの電極に賦活化したヤ− 104 −

シ殻活性炭が使用されており，電圧，エネルギ
ー密度の向上など一層の高性能化が求められて

温度
炭素化処理
窒素ガス

いる。比表面積の大きい炭素化繊維を活用した研究も行われているが，現状では大幅なコスト

賦活化処理
炭酸ガス
800℃ 1 時間

600℃ 1 時間

高となり，新たな機能性の付与や特殊な用途でない限り，ヤシ殻活性炭の代替として活用することは難しい。こうした中で綿炭素化繊維を用
室温

いた電気二重層キャパシタ電極が開発されたという報道は注目に値する 2)。このほかに炭素化

時間

図2

繊維を活用した事例としては，比較的発熱量の炭素化および賦活化処理条件

小さい面状発熱体などがある。
県内企業では，現在使用している電磁波シー法としてメチレンブルー溶液の脱色程度を測定

ルド材の代替としての活用や電磁波シールド性する手法があり，試験方法が「JIS K 1474 活性を付与した樹脂製品の開発など，電磁波シール

炭試験方法 7.1.2.3 メチレンブルー吸着性能」に

ド材への適用について強いニーズがあった。

規定されている。作製した各種炭素化繊維および市販の活性炭についてこの方法に準拠して試3.

工業技術総合研究所の取り組み

験を行い，吸着性能を評価した。試験を行った

汎用繊維による炭素化処理実験を行い，素材による特徴や課題，吸着性能，電磁波シールド

中では賦活化処理を行った綿炭素化繊維が最も高い吸着性能を示した。

特性などを把握した。ここでは各繊維の炭素化実験について示し，各種機能性の評価を行った

3.2.2

結果を報告する。

気相吸着性能気相における吸着性能の評価試験として，悪臭物質である酢酸，酪酸の消臭性能をガスクロ

3.1

繊維の炭素化処理

マトグラフを用いて測定した。その結果，炭素管状炉を用いて炭素化処理および賦活化処理

化繊維の中には市販の活性炭よりも高い消臭性をさまざまな条件で行い，綿，レーヨン，絹の能を示すものもあった。また，液相吸着性能の炭素化繊維を作製した。代表的な炭素化処理条

結果と合わせて考えると，炭素化繊維中の細孔件を図 2 に示す。綿，レーヨンは比較的容易に

径と捕集物質の分子の大きさの関係が吸着性能炭素化することができたが，絹は素材に含まれの良し悪しに影響を及ぼしている可能性が示唆

るタール，不純物が多く，部分的に塊状に固化された。

するなどうまく炭素化することが難しかった。
3.2.3
3.2

炭素化繊維の各種性能評価

電気抵抗率

電磁波シールド材や面状発熱体の性能は，炭前項で作製した炭素化繊維の各種特性を把握

素化繊維の電気特性に影響を受ける。そこで各するため，吸着特性，電気特性および電磁波シ

素材の炭素化処理温度による表面抵抗率を測定

ールド特性などについて試験を行った。以下にした。あわせて炭素化繊維の厚さを測定し表面測定した結果の一部を示す。

抵抗率との関係を求めた。図 3 に結果の一部を示す。表面抵抗率はいずれも 3～15Ω/☐で，厚3.2.1

液相吸着性能さと負の相関があった。また，処理温度が高い

液相における活性炭の吸着性能を評価する方

ほど表面抵抗率が小さかった。

− 105 −

0.3

表面抵抗率

15

0.2

厚さ

10

0.1

5
0

厚さ(mm)

表面抵抗率(Ω/☐）

200
絹(厚地) 絹(中地) 絹(薄地)

綿

キュプラ

素材

図3
3.2.4

表面抵抗率と厚さ

電磁波シールド特性

シールド材の性能評価法として同軸管法が知

図4

電磁波シールド測定器の外観られている。これは図 4 に示すような同軸管に0.0

ドーナツ型試料を挿入し，ネットワークアナラ-10.0

方法である。測定可能周波数範囲は 45MHz～-20.0

3GHz である。試料は外径 47mm，内径 5mm の(dB)

イザを使用して反射特性と透過特性を測定する-30.0

ドーナツ状で，その加工精度や治具に装着する-40.0

際の電気的接触不良などが測定値に大きく影響-50.0
1.00E+07する。絹を 1,300℃で炭素化した試料の電磁波
シールド測定結果を図 5 に示す。減衰率は約 30

図5～35dB で測定範囲全域で比較的平坦な結果が得

1.00E+08
1.00E+09
Frequency (Hz)1.00E+10

電磁波シールド測定結果られた。一般的に電磁波シールド材の減衰率は30dB 以上必要といわれており，炭素化繊維がシ(3) 絹炭素化繊維の電磁波シールド性能を測定した。その結果，減衰率は 30～35dB で，ールド材として適用可能であることが分かった。

45MHz～3GHz の広い周波数範囲にわたっ
4.

結

言

て比較的平坦な減衰効果があることが分か(1) 炭素化繊維の用途について調査し，吸着った。

材，電磁波シールド材，電気二重層キャ
パシタへのニーズがあることが分かった。

参考文献

特に電磁波シールド材への適用ニーズが1) 明歩谷英樹，渋谷恵太，笠原勝次，岡田英樹，高かった。

三浦一真，依田毅，“炭化繊維利用研究会報(2) 吸着材および電気二重層キャパシタへの告”，工業技術研究報告書，No.44，平成 26

適用は，市販活性炭に比べコストが高く，炭素化繊維の特徴を活かした用途でなけ

年度，pp.71-73.
2) 日刊工業新聞，2014.3.27.

れば活用が難しい。

− 106 −

調査・報告精密微細加工技術の分析分野への応用に関する調査研究
宮口

孝司*

佐藤

健*

天城

裕子**

種村

竜太***

樋口

智*

Report of Market and Technology of Micro Chemical Analysis Using Micro Fabrication
MIYAGUCHI Takashi*，SATO Takeshi*，AMAKI Yuko**，TANEMURA Ryota*** and HIGUCHI Satoru*

1.

緒ア（健康寿命の増進，在宅医療，POCT(Ponit of言

マイクロ加工を応用した微細なマイクロ化学

Care Testing), ロボット手術）などで必要とされチップによって，これまで複雑で手間のかかるるシリコン製マイクロカンチレバー構造を応用

化学分析を安価かつ短時間に行うことのできるした力センサ，触覚センサ，バイオセンサや Ti

μ-TAS（マイクロタス，Micro Total Analysis Sys-

製微小針の作製とその特性評価について講演しtem）あるいは Lab-on-a-chip と称される分析手た。

法が実用化の段階に差し掛かっている。

講演②「MEMS 製造におけるプラズマ加工技術

そこで本調査研究では，精密微細加工技術をの役割」

応用した分析装置に関する①講演会開催による

講師：サムコ株式会社 取締役常務執行役員

情報提供，②技術動向と企業における技術課題

技術開発統括部長

山葉 隆久

氏の調査，③加工実験などによる要素技術の蓄積

プラズマを使った主にシリコンのドライエッを行い，県内企業の高付加価値分野への参入を

チング技術について，その歴史と原理および方促すとともに，共同研究や公募型研究事業への式による加工特性の違いを概説した。

研究課題の提案をすることを目的に活動した。

マイクロ分析やそれに関連する微細加工技術の動向について，先進的な取り組みを会員企業

2.

活動概要

2.1

講演会の開催などと共有することができた。

NPO 法人長岡産業活性化協会 NAZE「にいが2.2

市場や県内企業の動き

たナノ基盤技術実践会」が主催した平成 27 年

マイクロ化学チップはガラスやシリコンなど

第 2 回「にいがたナノ基盤技術実践会」講の上に微細な流路を形成することで，混合や分度演会を共催した（平成 27 年 12 月 7 日）。

離，反応などを手のひらサイズのチップ上で行

講演内容は以下のとおり。

うことができる。マイクロ化学チップを用いた分析手法としては，

講演①「MEMS カンチレバー構造を用いた多機①試薬による蛍光発色・吸光度分析

能センサデバイスとその応用」②電気泳動

講師：新潟大学 工学部 機械システム工学科③抗原抗体反応による蛋白質などの分析

助教④フローサイトメトリ

寒川 雅之

氏

IoT（Internet of Things），スマートヘルスケなどがある。これらを単独もしくは組み合わせて分析を行う。これらの特徴としては，*研究開発センター①サンプルが極少量（数 μL 程度）**

中越技術支援センター②測定時間が短い***

下越技術支援センター− 107 −

③温度の急上昇，急下降が可能ると考え，関連するフィジビリティスタディを

④小型

行った。

⑤低装置コスト⑥低分析コスト

3.1

ガラス流体チップの試作などが挙げられる。温度の急上昇，急下降が化学分析に使用するマイクロ流体チップの作可能な点は，DNA 増幅，化学操作の迅速化や製に関して，課題を把握するため，ウェットエ

化学反応時の副生成物の割合を下げるなどにとッチングによる試作を行った。
図 1 に流路の作製手順を示す。流路の材質はって都合が良い。
極少量の血液などで分析が可能であることか

ほうケイ酸ガラスである。流路の深さ目標値は

ら，患者の身体的負担を抑えた病気診断や遺伝50μm とした。流路の幅は深さと同じ 50μm が望子情報の解析などが簡便・迅速に行えると期待ましいが，エッチング液の回り込みを考慮して，されているほか，り患する確率が高いがんや疾形状の基となるフォトマスクの幅は目標の患を個々人が知ることのできる遺伝子発現解析

50μm より狭くした。しかし，狭すぎるとエッは，すでにビジネスに発展している

1)～4)

。

チング液がうまく浸透しないことから，フォト

このような状況のなか，米国大統領は，2015
年 の 一 般 教 書 演 説 の 中 で ， Precision Medicine
Initiative を推進すると発表した

マスクの幅は 20μm とし，深さのみを目標にウェットエッチングを行った。

。これまでの始めに，Au と Cr をウェットエッチングして治 療 法 の 多 く は 「 平 均 的 な 患 者 （ average

エッチングマスクを形成した。次いでガラスを

patient）」向けにデザインされたものであった

48%フッ酸を用いて 8.5 分間エッチングしたのが，遺伝子，環境，ライフスタイルに関する個

ち，レジスト，Au，Cr を順に剥離して，マイ

人ごとの違いを考慮した予防や治療法を確立す

クロ流体チップを作製した。

5)

ることで，より良いがんの治療法の開発・提供

図 2 に作製した流路の断面形状を示す。深さを行うというもので，100 万人またはそれ以上

は 42.5μm であり，幅は一番広い部分で 180μmのボランティアからなる全米研究コホートの創設を行うとした。2016 年度の大統領予算案は2.15 億ドルである。日本でも，今後同様の動きがあると思われ，この動きに適合する製品として, DNA チップなど個人の遺伝情報を計測する
装置の需要が増えると考えられている。
農業分野や環境分析においても，連続分析や迅速・低コスト分析への要求は高まっており 6)～8)，マイクロ化学分析は有力な解決手段になる

図1
(μm)

と考えられている。
このような状況のなか，県内企業や大学など

流路の作製手順0と連携体を構築し，関連する機器の開発を検討

-10

した。

-20
-30

3.

フィジビリティスタディ

-40

微細加工を応用した分析装置として，マイクロ流体チップを用いた電気泳動分析が有望であ− 108 −

50

100
150
200
250
図 2 流路の断面形状

(μm)

50 ㎜

であった。
図 3 に作製した流路の外観を示す。流路は十字に交差しており，末端は研削加工によって貫通穴が開いている。ガラス基板の寸法は 50mm
×100mm×t0.7mm である。

100 ㎜

次に，流路のふたになるガラス基板に，電極図3作製した流路の外観

図4

ふたへの電極形成手順を形成した。材質は，流路基板と同じほうケイ酸ガラスである。
図 4 にふたへの電極形成手順を示す。金属膜の形成にはリフトオフを用いた。リフトオフでは，エッチングによる方法とは逆に，金属膜を成膜する前にフォトレジストでパターニングを行う。その上に Ti および Pt を成膜し，レジストを除去することによって電極を形成した。
3.2

非接触電気伝導度検出器用アンプの試作

電気泳動装置の検出装置の一種である，非接触電気伝導度検出 9)（C4D：Capacitively Coupled
Contactless Conductivity Detection ）は，検出す

1µsec

る電解液に電極が触れないことから，電極の消図5

耗や金属などの堆積がないため安定した測定がロックインアンプの出力波形可能であるうえ，感度が高いため注目されてい程度，所要サンプル量が数 μL 程度以下であり，る。

マイクロ流路の溶液サンプルに十分対応可能で検出器には，ロックインアンプが使われる。

あることがあげられる。また，水溶液サンプル

ロックインアンプは，検出電極部のインピーダの大半を占める水の影響が少ないこと，ガラスンス変化に敏感なアンプであり，ノイズの多いやアクリルなどの可視光に対して透明な物質を微弱な信号を検出することが可能である。検出

透過した分析が可能であることもラマン分光分

感度を最大にするためには位相の補正が必要で析の利点である。

あることから，本研究では位相の補正機能を有するロックインアンプを試作した。

本研究では，昨年度と同様に金属キレート溶
液にナノコロイド溶液添加による表面増強ラマ

図 5 に試作したロックインアンプの出力波形

ンスペクトル（SERS：Surface-Enhanced Ramanを示す。350kHz の正弦波を入力し，ローパス

Spectoscopy）の効果について検討した。キレー

フィルターを通す前の出力波形を撮影した。位

ト剤は 4-(2-Pyridylazo)resorcinol(PAR)を用いた。

相の補正を行っているため，波形はきれいに揃

昨年度の調査において，微量金属イオンを対象とした PAR の金属錯体について，Au ナノコっている。

ロイド添加による SERS スペクトルについて報
3.3

告し，金属イオン濃度でサブ ppm 程度まで検出

ラマン分光分析による検出方法

本項ではラマン分光分析による金属イオン検可能であり，かつ，10，50，100nm の 3 種類の出の検討を行った。ラマン分光分析の利点とし

うち 50nm がもっとも安定した SERS 効果を発ては，測定プローブ（レーザー照射径）が 1μm

現することが確認されている。

− 109 −

今回は Au ナノロッドおよび Ag ナノコロイド

1600について，同様に Fe-PAR 錯体で測定を行い，材質および形状による SERS 効果について検証した。Fe イオンの濃度は 0.2ppm であり，PARが Fe イオンと同モルになるよう混合した。Au

50nm

1400
1200
Int.

および Ag の結果をそれぞれ図 6，7 に示す。Ag55×8nm

1000

10nm

800

ナノコロイドにおいても，Au ナノコロイドと

8×3nm

600
1873.69

同様に代表的な長さが 50nm 付近を用いた場合

1500
Raman Shift [cm-1]の SERS スペクトルが比較的明瞭である。Au ナ
図6ノロッドについても長径が約 50nm のサンプル

Fe-PAR SERS スペクトル(Au)

8000

が SERS 効果が最も高かった。分子との吸着効
果や，表面プラズモン共鳴と励起レーザー波長

50nm

6000

との関連性が考えられるが，詳細は不明である。
4.

結

30nm

Int. 4000

言

872.186(1) 微細加工を用いたマイクロ流体チップの適20nm

用分野および現状技術を調査し，バイオ・2000

医療，農業，環境など様々な分野で活用さ

1000
1873.86

れ始めていることが分かった。
(2) 電気泳動を行うための装置の一部として，

図7

ガラスチップのウェットエッチングによっ

1500
872.364
Raman Shift [cm-1]
Fe-PAR SERS スペクトル(Ag)て流路を形成した。さらに流路のふたにリ術を用いた全自動免疫測定装置ミュータス

フトオフによって電極を形成した。

ワコーi30，“生物試料分析，Vol.33，No3，2010，pp.201.

(3) 非接触電気伝導度検出器用の位相補正機能を有するロックインアンプを試作し，350

5) https://www.kantei.go.jp/jp/singi/kenkouiryou/
genome/dai1/siryou04.pdf

kHz の入力信号に対して位相補正が可能で6) 佐藤ほか，“キャピラリ電気泳動法によるあることを確認した。
(4) SERS 効果を安定的に発揮する粒子径や代イチゴの糖組成分析”，福岡県農業総合試
験場研究報告，28，2009，pp.56.

表的な長さは，金および銀で形状は問わず

7) 溝口，“土壌センサーを用いたフィールド

50nm 付近であった。

モ ニ タ リ ン グ の 基 礎 と 応 用 ” ，
参考文献

http://www.iai.ga.a.u-tokyo.ac.jp/mizo/seminar1) https://mycode.jp/landing/a12_f.html?src=pc_se/130516/abstract/1.mizo.pdf．

_adw_000004412&gclid=CNPVjNXO2ssCFdgj

8) 高速処理自動比色分析装置カタログ，ビー

vQodeaYGLg.

エルテック（株）．

2) 北森武彦，“平成 26 年度第一回微細加工研

9) M. Galloway, et. al., “Contact Conductivity Detection in Poly(methyl methacylate)-Based Mi-究会配布資料”．
3) 日刊工業新聞，“薬剤費節減個別化医療でcrofluidics Device for Analysis of Mono- andPolyanionic Molecules”, Analytical Chemistry,

追及”，平成 27 年 11 月 13 日．
4) 横山ほか，“マイクロフリュイディスク技− 110 −

Vol.74, No.10, 2002, pp.2407-2415.

調査・報告新材料創生に関する調査研究
岡田

英樹*

小林

豊*

中川

昌幸*

森田

渉*

幸田

貴司**

Report of Market and Technology Trends of Creation of New Materials
OKADA Hideki*，KOBAYASHI Yutaka*，NAKAGAWA Masayuki*，
MORITA Wataru* and KODA Takashi**

1.

緒

言

自動車，ロボット，エレクトロニクスや医療

2.

活動概要

2.1

講演会開催

など，各種産業分野において新しい機能材料が新しい材料開発の手法として樹脂の複合化技求められている。特に自動車では，軽量化が進術（ポリマーブレンドとポリマーアロイ）にタ

む中でその重量の 10% 程度がプラスチック材料

ーゲットを絞り，基礎から応用事例，さらに実に置き換わっており，世界的に省エネルギー化，用化に関するセミナーを開催し，企業から 33

温室効果ガス削減が加速する中，今後も自動車名の参加があった。概要は以下のとおり。セミには低燃費化・高効率化が求められる。プラス

ナーの様子を図 1 に示す。

チック材料の使用率は高くなるものと予想され，

・第 1 回樹脂の複合化技術セミナー（平成 27より高性能なプラスチック材料が必要となる。

年 12 月 16 日）

プラスチック材料を高性能化する手法として合成による新しい分子構造を持つプラスチック

講演 1：「「混ぜる」の話し」（三菱樹脂（株）開発推進部

担当部長

川東

宏至氏）

の開発が行われてきた。しかし，新しい特性を導光板用のポリカーボネート（以下 PC）で持ったプラスチック材料はもはや単一の素材だは，わずか数千 ppm のポリメチルメタクリレー

けでは達成されるものではなくなりつつあり，ト（以下 PMMA）を添加することによって全光コンポジットやアロイと呼ばれる複合材料，あ線透過率が 89%から 91.5%になり，波長特性もるいは特殊なミクロ構造体から創生されるもの

PMMA に近づけることに成功し，スマートフォと考えられている。特に複合材料は素材の組み

ンのディスプレイなどでかなり使用されている

合わせや製造方法の選択によって無限の組み合とのことだった。また，変性した PMMA を PC

わせがある。
そこで，本調査研究では，新材料創生のためにプラスチック材料の複合化に関して，市場の動向，技術動向，そして成形のための技術課題とその対策についての調査を行った。また，県内企業へのアンケートや聞き取り調査により，新材料に関する取り組み状況や今後の取り組み
予定，そして課題について調べたので併せて報告する。
*

下越技術支援センター

**

企画管理室

図1

− 111 −

第 1 セミナーの様子

に添加して，成形する際，表面に PMMA が高の要望もあった。さらには高分散化するだけで濃度化することで傷がつきにくい PC を開発しは目的の特性が発現できず，むしろ高分散状態た事例の紹介があった。ポリマーブレンドやポではなく中分散程度が良いといった話もあった。

リマーアロイでは，異なる材料を微量に添加することによって，元々の物性を大きく変えるこ

2.3

プラスチック材料の技術課題と対策とができることや成形時の流動や硬化過程を制

各産業分野からプラスチック材料のさらなる御することで必要な物性を得ることができると高機能化が求められている。その手法の一つという内容であった。

して，合成によって新しい分子構造を持つプラ

講演 2：「「全自動小型高せん断加工装置」に

スチック材料の開発が行われ，エンジニアリン

よる分散事例「PC-PMMA 透明・他」の紹介」

グプラスチック，スーパーエンジニアリングプ（（株）ニイガタマシンテクノ

ラスチックと世の中に生み出されていった。し業グループ

成形部国内営専任部長（大宮駐在）

吉沢

行

雄氏）

かし，多様化・高度化している市場の要求を満足できるような新しい特性を持たせることは，

2007 年より高せん断成形加工機の開発に携わもはや単一の素材だけで達成することは容易でるようになった。高せん断成形加工技術は，なく，開発コストも大きいため，異なる性質の（国研）産業技術総合研究所との共同開発によ二種類以上の材料を複合化することが試みられるものである。高せん断成形加工機の特徴は，てきた。このような複合化による新材料開発は，そのスクリュの構造にあり，スクリュの真ん中

素材の組み合わせや製造方法で無限の組み合わに帰還穴と呼ばれる穴があることである。流動せがある。二種類以上のプラスチック材料を複した樹脂がこの穴を通って，再度入り口側に戻合化したものはポリマーブレンドもしくはポリり，強いせん断流動を維持することが可能とな

マーアロイと呼ばれており，1950 年ごろからる。透明な PC と PMMA を混合すると，通常は開発が始まっていて歴史は古い。通常，プラス

二つのプラスチックの屈折率の違いにより，そチック材料同士を混練する場合，混ざり合わなの界面で光の散乱が起こり，不透明なものしかいとお互いの長所を併せ持つことができず，逆作ることができなかったが，この装置を使用すに短所を併せ持つような材料になってしまう恐

ると，ナノレベルまで二つのプラスチックを混れがある。第一世代では耐衝撃性ポリスチレン

合することが可能となり，光の散乱を抑え，透（HI-PS）に始まり，アクリロニトリルブタジ

明なプラスチックを作り出すことに成功した。

エンスチレン共重合体（以下 ABS）といったさらに興味深いのは高せん断成形加工機によるブロック共重合体やグラフト重合体に代表され試作を行なって，特許を取得している企業が既るポリマーアロイだった。第二世代になると相にあるということだった。

溶系ポリマーアロイに発展し，PC/ABS や PS/
ポリフェニレンエーテルが開発されて，ポリマ

2.2

県内企業の動きーアロイの進展に大きく貢献した。第三世代で県内企業の材料に関する要望や新材料を創生

は，プラスチック材料のほとんどは簡単には混するための新しい技術などに関して調査を行な

ざり合わないものが多く，これら非相溶系のポった。個別のヒアリング結果については割愛すリマーアロイの開発へと進んでいく。相容化剤

るが，全体的には材料に対するニーズとして，と呼ばれる界面活性剤のような働きをするもの

高強度化はもちろんのこと，充填剤として添加を添加して相溶化する方法である。また，混練している材料の高分散化に関する要望が多かっ

中にお互いの分子同士を反応させて相溶化する

た。また，表面の高硬度化，接着性の改善など手法も開発された（リアクティブプロセッシン− 112 −グ）。しかし，相容化剤の設計が複雑であったを付与する目的が多い。さらにポリマーアロイ

り，相容化剤そのものが不純物や欠陥になる場にフィラーを添加することでより高機能な材料合があるため，相容化剤を使わず非相溶系のポを創成することも行われている。

リマーアロイを相溶化できるプロセスの開発が望まれていた。

プラスチック材料の構造には，化学結合によってのみ変えることができる一次構造（コンフ2009 年 に （ 株 ） ニ イ ガ タ マ シ ン テ ク ノ がィグレーション），C-C 結合のように回転可能（独）産業技術総合研究所と共同で開発した高な結合の回転による二次構造（コンフォメーシ

せん断成形加工装置を発表し，相容化剤を使用

ョン），さらには分子鎖同士の配列による非晶

することなく，非相溶系のポリマーアロイが相や結晶といった三次構造，その配列同士の配置

溶化した材料の製造が可能になった。この装置による四次構造がある 2)。これら高次構造は，は，特殊なスクリュ形状によって強いせん断を

プラスチック材料を成形加工する際や熱履歴，

材料に与えることで，ナノレベルまで分散・混凝固過程などによって複雑に変化して材料の物

合できることが特徴である。プラスチック材料性を大きく左右する。したがって，高機能なポ同士だけではなく，プラスチック材料に金属やリマーアロイを開発するためには，一次構造か

ガラス，セラミックスといった無機材料なども

ら高次構造の制御まで含めた形で材料設計が求分散混合することができる可能性がある。ただめられる。それ故，プラスチック材料の高次構

し，この装置を開発した清水博氏によれば，高造の解析は，材料特性の発現を理解するうえで，せん断成形加工という非平衡状態下で作成した欠かせない技術である。構造のサイズによってナノ構造が，再溶融しても熱的に緩和しない点

様々な解析手法 2)があり，二次構造と分子間相は，現時点では解明できておらず，理論的解釈

互作用（数 nm スケール）の解析が重要だが，が必要であると報告している 1)。また，この高分子の回転のみによる効果を調べる方法がない

せん断成形加工のパラメータであるスクリュ回ため，踏み込んだ考察ができなかった。そこで，

転数や高せん断を付与する時間などが，生み出せん断応力をサンプルに与えてわずかに分子をされる材料の特性に対してどのように作用する

動かしてやり，その前後のコンフォメーションのかは，加工してみないと分からないため，今の変化を調べることで，やや長距離的な情報をのところこの加工方法で新しい材料を生み出す得ることができる分析手法を開発した 3)。このことは容易ではない。また，仮に高性能なプラ手法を用いることで，プラスチック材料の構造

スチック材料が開発できたとしても，現状この解析を一次構造から四次構造まで連続的に行う装置の製造能力は低く，自動車産業などで使用ことが可能となり，材料の機械的な特性と構造される材料を製造するためには，製造能力の向の関係を調べることができ，材料開発や材料設上が求められおり，処理能力の高い装置開発も計の指針を得ることができる。

進められている。
ポリマーアロイと呼ばれるプラスチック材料

2.4

高せん断成形加工による確認試験

同士を複合化して高機能化する方法の他に，プ（株）ニイガタマシンテクノが実施している

ラスチック材料にガラスやセラミックス，金属

高せん断成形加工装置による受託加工を活用し，といった無機材料（フィラー）を混ぜ合わせて

PC 単体での高せん断成形加工の影響について複合化し目的の特性を得る方法がある。プラス

検討した。

チック材料同士では改善しにくい特性を向上さ（株）三菱エンジニアリングプラスチックのせるために添加されることが多く，機械的特性

PC（S-3000）を用いて，破断応力，破断伸び，や熱的特性の向上やフィラーの持つ特殊な機能

降伏応力に及ぼす高せん断成形加工の影響につ− 113 −

いて検討した。試験片の成形は歯科技工用成形

参考文献

器セレクトミニ（東伸洋行（株）製）を用いた。

1) 清水博，Yongjin Li，“高せん断成形加工

高せん断加工は高せん断成形加工装置 NHSS8-技術により創製した新規ナノコンポジット

28（（株）ニイガタマシンテクノ製）を使用しの構造と物性”，高分子論文集，Vol. 71，

た。高せん断スクリュの回転数と高せん断を付

No. 3，2014，pp. 69-88．

与している時間をパラメータとした。スクリュ

2) （社）プラスチック成形加工学会編，“プの回転数は，500，1500，2500rpm，時間は 10，

ラスチック成形品の高次構造解析入門”，

20sec とした。

日刊工業新聞社，2006，pp. 1-16．

高せん断成形加工による影響について，破断

3) 永井直人，岡田英樹，櫻井貴文，“新しい応力の変化を図 2，破断伸びの変化を図 3，降

ナノ切削装置によるソフトマターの表面構

伏応力の変化を図 4 に示す。高せん断成形加工

造解析技術の開発”，新潟県工業技術総合を行なうと，破断伸びが大きく減少し，それに研究所研究報告書，No. 42，2013，pp. 14-

伴って破断応力も減少した。このことから，高18．

せん断成形加工を行なうことによってプラスチ
ック材料の物性が変わることが分かった。しかし，今回の実験条件では破断応力や伸びといった特性を向上させるような加工条件を見つけることができなかった。一方，2500rpm-20sec の条件では，破断強さや破断伸びが最も小さいものの，降伏応力は未処理よりも高くなった。高
せん断の加工条件を最適化することによって材
料特性の改善が期待できる。
3.

結

図2

破断応力への影響

図3

破断伸びへの影響

図4

降伏応力への影響

言(1) 新しい材料開発の手法として樹脂の複合化技術（ポリマーブレンドとポリマーアロイ）にターゲットを絞り，基礎から応用事
例，さらに実用化に関するセミナーを開催
し，企業から 33 名の参加があった。
(2) 新潟県内企業を訪問し，材料に対するニー
ズ調査を行った結果，プラスチック材料の高強度化はもちろんのこと，高硬度化，接着性の改善，フィラーの高分散化や高充填化といったところからさらには分散状態の制御といったニーズがあった。
(3) これらニーズを解決する技術として（株）
ニイガタマシンテクノが開発した高せん断成形加工機が有効である可能性が実験結果から示唆された。

− 114 −

調査・報告ビッグデータを活用したものづくりに関する調査研究
菅家

章*

長谷川

直樹*

啓貴**

石井

木嶋

祐太***

Report of Market and Technology Trends of Manufacturing by Using Big Data
KANKE Akira*，HASEGAWA Naoki*，ISHII Hirotaka** and KIJIMA Yuta***1.

緒

査研究では，産学官の動向や先進事例を調査し

言

情報通信技術の普及にともない，SNS，音声，ながら県内企業へ情報提供し，ものづくりの大センサ，位置，ログ情報など，多様で大量のデきな変革を企業のチャンスへ結びつけることをータをリアルタイムに収集・蓄積・分析して活目的とした活動を実施した。

用するビッグデータが着目され，事業運営の効率化，新商品の開発やサービスの提供，社会的2.

課題への対応に活用されている。さらに，IoT

2.1

活動概要
セミナー開催（Internet of Things:モノのインターネット），

ビッグデータ，Industrie 4.0，IoT，CPS，人

ビッグデータ，AI（Artificial Intelligence:人工工知能の最新動向を県内企業へ情報提供するた知能）を用い，現実世界の情報をコンピュータ

め，セミナーを 2 回開催し，各々2 名の講師か上のサイバー世界で分析・判断し，現実世界をらご講演をいただいた。セミナーの様子を図 1制御する CPS（Cyber Physical System）を活用に，内容を以下に示す。

して，データ駆動型社会へ産業構造を大きく変
第 1 回セミナー：

革しようとする動きが世界中でみられる。
米国ではインターネットへ接続された産業機「ビッグデータがもたらす次世代のものづくり」セミナー

器のデータを分析して高度な自動制御を可能にする Industrial Internet を GE 社が提唱し，Cisco

開催日：平成 27 年 10 月 16 日（金）社，IBM 社，Intel 社など，60 社以上でコンソ

参加者：22 社・団体，36 名

ーシアムを形成して大きな変革へ対応している。
ドイツでは IoT を活用し，開発・製造・流通プ

講演：「Industrie 4.0 による産業制御

ロセスを最適化する Industrie 4.0 を 2011 年に採システムの変革」

択し，国策として大きな変革へ対応している。
これらの大きな変革は第 4 の産業革命（第 4 次
産業革命）と日本で呼ばれ，大きな変革への対応が産学官の広い分野で取り組まれている。
米国やドイツなどの産業先進国では既に取り組まれ，日本においても取り組みが始まったデータ駆動型社会への大きな変革について，本調*研究開発センター

**

企画管理室

***

中越技術支援センター

図1− 115 −

セミナーの様子IoT や AI 関連技術について，社内外でのハ講師：（株）カスペルスキー
ビジネスデベロップメント
マネージャー松岡

ッカソンなどの取り組み内容と，その経験から正人

氏得たことを紹介いただいた。

Industrie 4.0，IoT，CPS に関する説明に続き，それらに関する日本の現状について講演いただ

2.2

技術動向調査いた。また，サイバー脅威に関する事例説明のIoT，ビッグデータ，CPS，AI に関する技術

後，セキュリティ対策と教育について講演いた

動向について，県内外の展示会・セミナーなどだいた。

で調査・情報収集を実施した。また，（公財）にいがた産業創造機構主催の「IT 新技術フェア」へ出展し，本調査研究の取り組みを紹介し講演：「ビッグデータ・オープンデータ＋IoT を活用した県内外の事例」

ながら来場者の聞き取り調査を実施した。出展の様子を図 2 に示す。

講師：（株）muku
代表取締役

田中 えいじ氏る説明に引き続き，世界と国内の事例，新潟県

2.3 県内企業と大学の訪問調査
変化の激しい IT 業界の動向を把握するため，

内の事例，次世代のものづくりについて講演い6 月と半年後の 11～12 月に新潟県 IT 産業ネッ

ただいた。

トワーク 21 の幹事企業を数社訪問し，IT 業界

オープンデータ，ビッグデータ，IoT に関すや IT に関わる県内企業の動向を調査した。ま
第 2 回セミナー：

た，IoT，ビッグデータ，CPS，AI について，「人工知能がもたらす次世代の本調査研究開催のセミナーなどで興味を示されものづくり」セミナー

た企業を訪問し，企業の取り組みについて調査

開催日：平成 28 年 3 月 7 日（月）を実施した。調査により，大きな変革への県内

参加者：30 社・団体，51 名

企業の対応と課題などを知ることができた。訪問した企業 1 社から平成 28 年度共同研究のご提案をいただいた。

講演：「経営に貢献する IT 活用とは」
講師：日本アイ・ビー・エム（株）

県内の大学についても，大学連携新潟協議会

テクニカル・リーダーシップの「ビッグデータ・オープンデータ活用研究

中野

千春

氏

多くの企業の経営者は新たな IT サービス活会」やセミナーへ参加し，取り組み状況を調査した。

用による差別化戦略を重要視している。そこで，
地域創生の原動力となる IoT，ビッグデータ活用など，先進テクノロジーについて分かりやすく紹介いただいた。
講演：「IoT やコグニティブ技術を使ったア
プリケーション開発～新ビジネスの創出を目指した弊社の取り組み～」
講師：日本情報通信（株）
新ビジネス開発グループ
浜谷

貞祐

氏

− 116 −

図2

「IT 新技術フェア」出展の様子

2.4

工業技術総合研究所の取り組み

2.5

県の取り組みIoT，ビッグデータ，CPS，AI，ロボットな平成 28 年度新潟県当初予算では，AI や IoT

どの技術を活用したものづくりでは，モノからの活用の促進に向け，企業や大学などによる研情報を収集・蓄積し，分析して制御する組込み究会の開催や，実装モデルの研究開発，実証をシステムの利用が活発化している。

通じた効果検証を実施する「AI・IoT 活用ビジ

当所では「組込みシステム開発支援研究室」

ネス創出事業」が計上されている。

を平成 24 年 4 月に開設し，組込みシステム開発の技術支援に取り組んでいる。組込みシステ

2.6

農業分野の調査研究と技術連携

ム開発支援研究室の活動を図 3 に示す。図 3 は本調査研究は平成 27 年度ものづくり技術連

IoT の技術支援の一例である。当所では，組込携活性化事業「センシング技術の農業分野へのみシステムの設計・試作・製品化の技術支援を応用に関する調査研究」と連携し，IoT に関わするばかりでなく，県内企業の間で仕事に結びる装置の設計・試作に協力している。組込みつけられるよう，設計・試作をしている県内企Linux のワンボードマイコンや無線通信装置が業を紹介し，製品化の場合は県内の製造工場を組み込まれたワンチップマイコンを使った計測

紹介している（リンケージ）。また，当所の測データの収集方法や制御方法を提案し，装置の定機器や試験機器を開放し，企業の技術開発で設計と試作，プログラムの試作に協力した。ま活用していただくサービス（機器貸付）や，測た，農場の実験時に発生した計測装置の不具合

定機器や試験機器を用いて当所が試験・検査・について，計測データ，OS 記録，気象情報を分析するサービス（依頼試験）を提供している。

比較しながら不具合の原因を分析した。

これらのサービスを必要に応じて組み合わせな

本調査研究では製造業の調査に加え，農業分

がら，県内企業の組込みシステム開発の支援に野における技術支援を試みた。ビッグデータは取り組んでいる。

全産業に関わることから，製造業でつくられた製品を活用するばかりでなく，製造業の技術が他の分野で活用され，相互の産業の活性化に結びつけられるよう，今後も技術支援や人材育成に取り組みたい。
3. 結言(1) ビッグデータに関して，産学官の動向や先進事例を調査しながら県内企業へ情報提供
し，ものづくりの大きな変革を企業のチャンスへ結びつける活動を実施した。
(2) IoT，ビッグデータ，CPS，AI に関するセミ
ナーを 2 回開催し，企業を訪問調査した。
うち 1 社から平成 28 年度共同研究のご提案をいただいた。
(3) 製造業の調査に加え，農業分野における
IoT の技術支援を試みながら，技術支援や

図3組込みシステム開発支援研究室の活動− 117 −

人材育成の方法について検討した。

調査・報告センシング技術の農業分野への応用に関する調査研究
種村

竜太*

小林

豊*

大川原

真*

石井

治彦*

木嶋

祐太**

Report of Market and Technology Trends of Sensing Technology in Agriculture
TANEMURA Ryouta*， KOBAYASHI Yutaka*， OKAWARA Makoto*，
ISHII Haruhiko* and KIJIMA Yuta**
1.

緒

演題：「農業分野におけるセンシング技術・言

農業では高品質安定生産のために気象条件やICT 利活用の現状と課題」

生育状況に応じた細かな栽培管理が重要である

講師：新潟大学農学部准教授

が，生産者の経験やカンに基づいた作業管理が内容: 農業分野における ICT 利活用は，国されていることが多い。そのため生産者間でのの IT 総合戦略本部においても分科会が設置さ生産性や品質に大きな差が生じ，規模拡大や新れるなど，注目される分野である。農業分野で規参入の抑制要因となっている。また，工業分

IT 技術を利用し情報を集積することで，農産

野では産業用ロボットなどの普及により生産工物の品質向上や生産効率の向上に結びつくこと

程や出荷調整工程の自動化が進んでいるのに対が期待されている。ICT の利活用として，トヨし，農業分野においては稲作で一部機械化されタ自動車，クボタ，富士通，（国研）農業・食ている工程もあるが，多くは人の手によって管品産業技術総合研究機構などの取り組み状況に理されている。

ついて紹介いただいた。センシング技術に関し

元永佳孝氏

そこで，本調査研究では工業分野で普及してては，農業で得られた経験値を科学的データといるセンシング・画像処理技術を農業分野へ応結びつける技術のひとつとしてとらえ，トレー

用し，生産技術のデータ化および生産工程など

サビリティシステムへの発展性が示された。まの自動化に関する市場の動向，技術動向，そした，生産者へ普及している事例として，果実のて自動制御装置開発に向けた技術課題とその対成熟度を判別するためのカラーチャートが紹介策についての調査を行った。

された。
農業分野における ICT 活用については期待

2.

活動概要

される技術であることから，幅広い業種の企業

2.1 研究会の開催
植物工場研究会と共催で新潟大学農学部の元永佳孝准教授を講師に招聘し，セミナーを開催から参加いただき，活発な意見交換が行われた。
アンケート調査の結果についても概ね好評であった。

した（農業分野へのセンシング技術利用セミナ
ー，平成 28 年 1 月 14 日）。会場は新潟県工業2.2

技術総合研究所で，参加人数は 52 名であった。

2.2.1

講演内容は以下のとおり。

市場や研究動向
環境情報のセンシング

圃場に設置した各種センサから収集した環境*

下越技術支援センター

情報を遠隔からリアルタイムでモニタリングで**中越技術支援センター

きるクラウド型サービスが既に始まっている。

− 118 −

センサで温度・湿度・照度などの測定を行うである。例えば前述の識別の「色のグリーン値「子機」と，そのデータを集約しインターネッ

が 200 以上」という 200 という数値を人間が決トサーバに送信する「親機」，インターネット

めるのではなく，学習した画像からその数値をサーバ上のデータを PC・スマートフォンで確決めることになる。特徴抽出や識別を人間が決認・管理するための「ウェブサービス」で構成定することには限界があり，問題が複雑になるされているケースが多い。栽培環境や栽培状況と良い結果が得られなくなる。機械学習はそのを離れた場所の PC や携帯端末でモニタリング

限界を突破する方法であり，時には人間以上の可能で，栽培環境の異常やトラブルを遠隔 PC

結果を得られる可能性があるが，テンプレートに警告画面表示したりメール送信する。すでに画像を学習させるのにコストがかかってしまう。

市販されているセンサーが取り付けられている

カメラによる生体情報センシングのために機製品が多く，土壌水分や電気伝導率などもオプ

械学習の導入は有効であるが，この分野での学ションで取り付けることが可能な製品もある。

習データはそろっていないため，導入には高い壁がある。機械学習やデータ収集について研究

2.2.2「Kinect」による生体情報センシング「Kinect」は Microsoft 社が開発した赤外線を行い知見やデータが得られることは，今後の新潟県の農業にとって強みとなる可能性がある。

プロジェクターと赤外線カメラからなる距離画
像センサーで，PC に接続できるユニットが販

2.2.4

県内企業の動きと市場参入時の課題

売されており，安価で性能が良いことから医療

現在，圃場モニタリングやセンサーネットワなど各種産業分野で利用が進んでいる。農業分ークに関するシステムを提供している県内企業

野においても比較的安価で RGB 画像だけでなはないが，こちらからの情報提供やセミナーをく深度距離情報を面的に取得できることから，開催することによって生体情報センシングや，

深度データを保存するプログラムを作成して園制御装置の開発に関心を示す企業が出てきてい芸施設に設置し，作物のモニタリングに応用する。気象情報のモニタリングシステムについてる研究がおこなわれている

1～3)

。

は既に多くの企業が提供しており，性能や価格の面で優位性を持ったシステムを開発する必要

2.2.3

画像認識の技術動向がある。現状のモニタリングシステムについて

画像データは 2 次元の座標とその位置での色は，装置やランニングコストが高すぎることやや明るさのデータであり，センシングツールと取得したデータを生産者が十分に活用できない

して利用するためにはこの画像データから植物などの課題があることが明らかとなった。

体を認識させる必要がある。画像認識には特徴抽出と識別の工程がある。特徴抽出とはある物

3.

工業技術総合研究所の取り組み

体の特徴が明確になるパラメータを決めて，そ3.1

イチゴ栽培における植物体センシングのパラメータを取り出す工程で，識別とは取りワンボードマイコン「Raspberry Pi 2 Model

出したパラメータにより判定する工程である。

B」と専用カメラモジュールからなる試作装置

例えば 1 枚の画像から植物体を認識するためのをイチゴ施設に設置して鉛直方向からセンシン

方法として「色で判定し」，「色のグリーン値

グした。設置位置は，葉かきや収穫などの栽培が 200 以上だと植物」と決めた場合，前者が特管理や病害虫防除のための薬剤散布の際に邪魔

徴抽出で後者が識別の工程である。機械学習とにならないように定植面から 80cm（地面からはテンプレートの画像をソフトウェアがあらか

180cm）とした。試作装置で生育の変化を十分じめ学習しておいて，その結果を利用する手法にとらえることができ，画像処理を行うことに− 119 −

出することができると思われる。今後は，茎径変化・土壌水分状態・葉のしおれ程度などを同時にセンシングし，データ解析する必要がある。
4.

結

言

(1) 「センシング技術農業利用研究会」を立ち
図1

画像処理による群落葉の抽出上げ，セミナーを開催した。幅広い業種のより受光葉面積を算出可能であることが分かっ

企業から多くの方に参加いただき，活発なた（図 1）。しかし，背景によっては葉の部分

意 見 交換 が行 われ た。 農業 分 野に おけ るだけを正確に抽出することができないケースもICT 活用については期待される技術であり，あり，撮影位置の地面に白色のシートを敷くな

参加者からは概ね好評であった。

どの工夫が必要と思われる。また，撮影時の光(2) 温湿度や日射量など環境情報については遠条件によって，葉色が異なって映し出されるた隔からリアルタイムでモニタリングできる

め，今回用いた装置では葉色による栄養診断なクラウド型サービスを多くの企業が展開しどは困難と思われる。

ている。一方，生体情報のセンシングについては開発途上である。

3.2

マイクロスコープによるセンシング(3) 「Raspberry Pi」と Web カメラやマイクロ

植物の水分状態によって茎径が変化すること

スコープを用いることにより，群落葉面積から，レーザー変位計を用いた自動水分制御装や茎径などの生体情報のモニタリングが可置などが報告されているが 4)，農業生産者への能であることが分かった。

普及を考えると低コスト化が必要である。そこ
で，USB マイクロスコープを用いてトマトの参考文献

茎径の計測が可能かどうかを検証した。試作し

1) 黒崎秀仁ら，“Kinect センサを利用した植た装置は「Raspberry Pi 2 Model B」と USB マ

物の成長モニタリング”，日本生物環境工

イクロスコープからなり，背景を白色にするこ学会 2014 年大会とによって茎径を検出することができた（図pp.284-285.

講演論文要旨，2014，2）。今回試作した装置では 0.1mm の分解能で

2) 浜本浩ら，“Kinect for Windows の深度情報

茎径を算出することが可能であり，測定結果もから作物の受光体勢を評価する”，園芸学

安定していた。カメラの位置をさらに植物体に研究，13（別 2），2014，pp.223.

近づけることが可能なため，より高い精度で算3) 浜本浩ら，“Kinect（キネクト）の深度情報を利用 した作 物個体 群 の受光体 勢の評
価 ” ， 植 物 環 境 工 学 ， 27 （ 2 ） ， 2015 ，pp.97-101.
4) 大石直記，“トマトの養液栽培における水分ストレスに応じた給液制御システムの開発 ” ， 生 物 環 境 調 節 ， 40 （ 1 ） ， 2002 ，pp.81-89.

図2

茎径のセンシング状況− 120 −

工 業 技 術 研 究 報 告 書№45

平成27年度

平成28年6月

発行

編集発行人

新 潟 県 工 業 技 術 総 合 研 究 所

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