工 業 技 術 研 究 報 告 書
Report of the Industrial Research Institute of NIIGATA Prefecture No.41 2011

No.41 平成 23 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 Ward, Niigata City, Niigata 950-0915, Japan平成 24 年 6 月

目次

Ⅰ 研究論文
１．RFID 測位センサーネットワークノードの開発に関する研究・・・・・・・・・・ 3
２．窒素含有汎用クロム系ステンレス鋼の実用化研究・・・・・・・・・・・・・・・14
３．ICT を活用した遠隔技能伝承アシストシステムに関する研究開発（第 2 報）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・22
４．インコネル 718 に対するボールエンドミル加工の切削シミュレーション（第 2 報）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・31
５．木材の新たな利用分野を開拓するためのプレス加工技術の開発・・・・・・・・・37

Ⅱ ノート
１．超微細成形技術によるシート型微小針アレイの開発（第 2 報）・・・・・・・・・ 45
２．未利用低温排熱利用の発電システムの技術開発・・・・・・・・・・・・・・・・49
３. 省エネ型植物工場に向けた基盤技術の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 52
４．セルロース材料を効率よく熱分解する触媒組成の探索・・・・・・・・・・・・・ 55
５．樹脂の熱特性分析の基礎技術確立・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 58
６．カプセル化技術を応用した新しいスペック染色法の開発・・・・・・・・・・・・ 60
７．LED 光源の演色性評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 63
８．光沢部材・非光沢部材の反射率角度依存性評価・・・・・・・・・・・・・・・・ 66
９．メッキ皮膜の作成と評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 68
10. ヘキサンを用いたクロメート廃液中の油分抽出法・・・・・・・・・・・・・・・ 71
11．ねじ締結体の振動試験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74

Ⅲ 調査・報告
１．植物工場研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・81
２．航空宇宙分野調査報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・84
３．太陽光発電研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・87
４．EV 技術研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91
５．小水力発電研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・94
６．質感エンジニアリング研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・98
７．表面技術研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 101
８．CFRP 研究会報告 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・104
９．天然素材活用研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・107
10．高信頼制御技術研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・110
11．素形材研究会報告・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 113
12. ナノテク機器利用技術講習会・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 115
13．上信越公設研ネット環境対応技術分野交流会報告・・・・・・・・・・・・・・・118※ 平成 23 年度に実施した研究 90 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

研究論文

RFID 測位センサーネットワークノードの開発に関する研究
坂井

朋之*
敏浩*

山田

西村

晃*

五十嵐

和也*

坂井

修*

公明**

石井

啓貴**

江口

菅野

明宏*

星野

俊治***

石月

斗志宏***

吉田好文***

Research for Development of PositiningSenser Network Node withRFIDSAKAI Tomoyuki*, IKARASHI Akira*, EGUCHI Kazuya*, SAKAI Osamu*,
YAMADA Toshihiro *, KANNO Akihiro*,HOSHINO Kimiaki**,ISHII Hirotaka**,
NISHIMURA Toshiharu*** , ISHIZUKI Toshihiro *** and YOSHIDA Yoshifumi ***抄

録

工作機械や産業機械メーカー等において，生産性向上や，受発注管理のために，各社とも工程管理ソフトを導入して，コスト低減の実現を進めている。しかし，汎用ソフトでは，作業員の勤務状況の入力を人手で行う必要があり，煩雑である。そこで，本研究では，作業員の動態状況を把握し自動で入力できるシステムの開発を目的とする。近距離動態管理システムのセンシング用通信ユニットには，通信規格として，IEEE802.15.4 を採用し，電界強度をもとに，位置範囲を特定する測位アルゴリズムを開発した。さらに，そのアルゴリズムを組み込み，実際に動態管理が可能なシステムのプロトタイ
プを開発した。また，当該システムの多様な現場への応用を可能とするため，指向特性の異なる平面アンテナを設計し，その評価を行った。今後，当該開発システムの位置管理機能を核として，生産現場のみならず，様々な場面への応用を想定している。

1.

緒

言

工作機械や産業機械メーカーの生産形態は一フトにアドオンできるシステムの開発を目的とする。

品一様生産である。生産性向上や，受発注管理

研究開発項目は，以下の 3 つである。

のためには，生産の進捗に応じた部材の適正調① 通信方式，通信ユニットの選定と，測位達や作業員の適正配置が不可欠であり，各社とアルゴリズムの開発

も工程管理ソフトを導入して，その対策，およ② 使用環境に応じたアンテナの開発

びコスト低減の実現を進めている。しかし，汎③ 全体システムの開発用ソフトでは，作業員の勤務状況の入力を人手また，本研究では，開発したプロトタイプをで行う必要があり，そのための工数が増加する

将来のユーザーに対して，無償で使用していた等矛盾した状況になっている。

だくことを想定しているため，公共の場面におそこで，作業員の動態状況を把握し自動で入いて，電波を発射できるよう，使用する通信ユ

力できるシステムを構築し，汎用の生産管理ソ

ニットについては，技術基準適合証明の技術的*研究開発センター** 下越技術支援センター*** 株式会社ジェイシーエム

手続きおよび事務手続きも行った。
以下に各項目について詳細を述べる。

2.

通信ユニットの選定と測位アルゴリズムの開発
2.1

通信ユニットの選定

本共同研究の無線通信による中精度近距離測位システムは主に屋内での使用を前提としている。ここでいう『中精度』とは，測位対象物の管理のための位置特定や位置推定を実現するのに十分な精度であると定義し，同様に『近距離』とは 10m 以内と定義した。また，屋内での電波伝播は，直接波，透過波，反射波が複雑に干

図1

同心正方形による位置管理

図2

実験に使用した通信ユニット

渉しあうマルチパス干渉環境となるため，連続的な値ではなく，離散的な相対値を基に伝搬環
境特性をモデル化する。本共同研究の無線通信による測位は，タグ（測位対象点）から送信された電波をカンバン（測位基準点）で受信した時の受信電力の計測値を利用して行う。受信電力の計測方法としては RSSI（受信信号強度）を使用する方法と LQI（リンク品質値）を使用する方法とがある。RSSI は受信信号強度(%) =(受信 RSSI / 最大 RSSI)☓100 で算出され絶対値として示されるのに対し，LQI は復調後の符号誤り割合を示し受信信号強度と変調方式に依存する相対的な回線品質を示す。本共同研究では相対的な計測値に主眼をおくため LQI 値の計測機能を有する通信ユニットを選定する方針とした。技術仕様を表 1 に示す。
表1

通信ユニットの技術仕様
仕様概要

項目

た格子状の領域単位で管理している。このため
本共同研究における測位とは基準点から連続的に同心円状の位置距離を計測するのではなく，基準点から管理対象が属する正方形の位置領域までの概距離を計測することで位置を特定することと定義した。

具体的には『近距離』要件より一辺 10m

周波数帯

2.4GHz帯もしくは950MHz帯

以下の一定の大きさを有する正方形の管理対

送信方式

直接拡散もしくは狭帯域変調

象領域を，中心は同一で，辺の長さが異なる

送信出力-30dBm以下もしくは通信距離5mの地点での受信電力が-80dBm以下となる設定が可能なこと、
また、送信出力の可変が可能なこと

複数の正方形（以下，同心正方形と記述する）

通信規格

IEEE 802.11b もしくは IEEE 802.15.4 もしくは独自
方式

ネットワーク機能 自動接続によりクラスタツリー型の構成が可能なこと
受信感度～-80dBm

インタフェース UART 1chを有すること
電源

乾電池もしくはボタン電池で動作することのサブ領域に分割し，管理対象領域の中心に設置されたカンバン（測位基準点）からタグ（測位対象点）を走査し，そのタグが属している同心正方形サブ領域を特定する（図 1）。
計測は出力低減済み通信ユニット SD タイプを使用した（図 2）。送信出力は最小出力

2.2測位アルゴリズムの開発

2.2.1 基礎実験
実際の工場における場所や位置の管理は円形の領域では行わず矩形や正方形の領域を組合せの-16.6dBm に設定した。距離 4.0m 地上高
1.5m 対向時の LQI 受信電力換算値は-77.1
dBm で標準仕様の-44.1dBm から約 30dB 低を直線移動した場合でも測位基準点からの距

カンバン

離が遠くなるにつれて分散が小さくなること

タグが確認できる。LQI の相対度数分布を近似式タグで表すと，距離毎に度数分布が異なることが確認できるためこの特性を利用して位置判別が可能なのではないかという仮説を得た。
2.3

モデルの生成本共同研究では基礎実験の結果に基づき，距離の判別は基準点からの位置領域ごとの LQI 分
図3

散の変化のみを変量として使用する。目的シス実験場の様子減している。カンバン（測位基準点）側は等テムの適用環境に対応した同心正方形の位置領方性を確保できる方向で設置し，タグ（測位

域ごとの LQI 分散モデルを作成し，測位基準点対象点）側は双指向性となる方向で設置し指で観測された LQI 分散と照合することにより位向性による変動を無視せずに計測を行った。

置領域を特定することを試みた。
モデルとの照合は判別分析法（Discriminant

図 3 に実験場の様子を示す。
2m，4m，10m の同心正方形の領域を設定

analysis）を用いて行う。判別分析法とはある程

し各々の正方形の辺上を図 4 に示すように任度重複する部分を持ついくつかの母集団の群デ

意の速度（静止～徒歩）で任意の方向に直線

ータに基づき，新しい標本が得られたときこの標本がどの群に属するかを判定・予測する手法である。具体的には，個々のデータと群の汎距離を計算し判別する方法を採用した。モデルとして計測した LQI データ A 群および，B 群があり各々の LQI の平均値に対し，新しく観測されたデータＸの値を各群の平均値との隔たりの大小で判別しようとしても各群の分散が異なるた
め正しく分類できない（図 5）。ここで，各モ
デルデータ群の相対度数分布を母集団分布と同

図4

じ確率分布とみなし，母平均を μA，μB

実験時の移動経路

母分散移動した。また，その際計測された，LQI の
基本統計量を表 2 に示す。同心正方形の辺上
表2

領域内側移動実験時の基本統計量（単位：dBm）

LQI

2m辺上

4m辺上

10m辺上

平均

-68.06-73.06-76.03

標準偏差

0.99

0.96

0.64

中央値

-67.92-72.23-75

最頻値-60.85-79.92-79.92

送信電 標準偏差
力換算 分散
標本数

8.48

8.22

5.51

71.83

67.54

30.32

73

73

73

図5

計測データと平均値の隔たりの例

を σ2A ，σ2B とし，観測されたデータ X と各母

位置領域判別についての検証も行った。その結平均との隔たりを分散で標準化した汎距離を求果，SD タイプと同様の結果が得られている。

める。

𝑋 − 𝜇𝐴
𝜎 2𝐴

𝐷𝐴 =

2

,

𝐷𝐵 =

𝑋 − 𝜇𝐵
𝜎2𝐵

23.

使用環境に適したアンテナの開発

3.1

目的

本共同研究で開発する近距離動態管理システ
ムは，様々な作業環境において利用されることこのときの判別方法は，を想定しているため，送受信アンテナの特性は，

𝐷𝐴 − 𝐷𝐵 ≦ 0⟹ 群𝐴に属する𝐷𝐴 − 𝐷𝐵 > 0⟹ 群𝐵に属するとなる。

利得や指向性において，様々なバリエーションでの実証が求められている。あわせて，この近距離動態管理システムは，将来的には複数回書1)

き換え可能なリライタブルシートへの実装を視

実際のモデル用計測データの例を表 3 に示す。
表中の『1m 内』が群 A，『2m 内』が群 B を表
表3

モデル用計測データの例

基準地点
1m内
2m内
平均
-75.17-77.50
標準偏差 5.434087 5.839164

野に入れている。
したがって当研究所では，CC2530ZDK に接続可能な小型平面アンテナを 2 種類試作開発し評価を行うこととした。
3.2

電磁界シミュレーション

電磁界シミュレーションとは，マクスウェル
表4

モデルデータによる判別分析

群A (1m内)群B (2m内)
観測値X -78.20

DA - DB

判別

0.419664 >0 (群B)

方程式を演算することにより，対象物と電磁場の相互作用の解析を行うためのツールである。
アンテナ開発においては，電磁界シミュレーションソフト上に仮想的にアンテナモデルを構築
し，材料パラメータを設定し，マクスウェル方

し，平均および分散が各々群の母平均と母分散

程式を演算し，アンテナ性能を記述する上で重を表す。いま真値=3m の観測値 -78.20 dBm が得

要な反射特性や指向特性を計算機上で演算を行られたとする。汎距離を計算すると判別式は非い，目標とするアンテナ仕様に近いアンテナの負となり群 A と群 B の群間判別においては群 B設計を行うことで，アンテナ設計，試作，測定に属すると判定できる（表 4）。この結果から評価のプロセス工数の低減に寄与することがで2 群の判別を各群間で繰り返すことによって処きる。

理が可能であると判断した。

本共同研究プロジェクトでは ，CC2530ZDK

その後，このアルゴリズムをもとにして，複に実装するアンテナ開発・設計を行うためのツ

数のカンバンへの展開を図り，最終的に，計測ールとして，電磁界シミュレーションソフト

ソフトウェアを作成した。

（ Agilent

なお，基礎実験においては，当初，通信ユニ

Technologies

社 製 「 ADS

Momentum」 ） を 導 入 し た 。 「 ADS

Momen-

ットとして SD タイプを使用したが，将来の製

tum」は，平面構造を基本として限定された 3品化を視野に入れるために，製品化候補として，次元（2.5 次元）構造用の電磁界シミュレーシ

通 信 ユ ニ ッ ト （ TI 社 評 価 開 発 キ ッ トョンソフトである。解析エンジンは，モーメン

CC2530ZDK-ZNP-MINI：以下 CC2530ZDK）をト法を採用している。

使用してモデルデータの取得と判別分析による

3.3

八木・宇田アンテナの設計

八木・宇田アンテナは，特定方向の電磁波の位相をそろえて指向性を鋭くしたアンテナである。アンテナ設計に設計条件は，使用する
CC2530ZDK の技術仕様，アンテナ加工条件等の制約から，表 5 のとおりとした。
上記条件にもとづいて設計したアンテナイメ
ージを図 6 に示す。
表5

八木・宇田アンテナの設計条件

設計項目
中心周波数
基板

図7

八木・宇田アンテナリターンロス特性

設計仕様
2.45

GHz

素材

FR-4（ガラスエポキシ）

板厚

0.3mm

入力インピーダンス 中心周波数において50Ω
素子

4素子（導波器2素子、放射器・導波器1素子）

図8

図6

八木・宇田アンテナ VSWR

八木・宇田アンテナの設計イメージ

なお，本アンテナ設計においては，実装する
CC2530ZDK の仕様上，入力インピーダンスを50Ωに設計する必要がある。そのため，アンテ
ナレイアウトの設計において放射器エレメントと導波器，反射器エレメントの間隔を変化させ

図9

八木・宇田アンテナスミスチャート

図 10

八木・宇田アンテナ指向性パターン

ることで，それを実現した。
シミュレーション評価結果として，リターン
ロス特性，VSWR（定在波比），スミスチャー
ト，指向性パターンをそれぞれ，図 7，8，9，
10 に示す。
リターンロスは，アンテナの特性を表す重要な指標であり，図 7 から，共振周波数は2.453GHz となったことがわかる。
VSWR は，一般的に 2.0 以下に設計する必要があると言われているが，図 8 に示すように，

今回の結果は，2.453GHz 付近で 1～2 の値を示

ンテナと同様の放射特性を持つ。またメアンダ

していることがわかる。

ラインの段数，縦線の間隔，ピッチを変えるこ

図 9 では，m2（共振周波数：2.456GHz）におけるインピーダンスは，とにより，同じ高さのモノポールアンテナに比Z0 ☓ (1.018 +べ共振周波数を低くできる特徴がある。前節でj0.006)となっており，設計目標値に近い値とな述べた，八木・宇田アンテナと同様に，設計イっている。

メージを図 11 に，共振周波数(f=2.442GHz)にお図 10 に，共振周波数(f = 2.456GHz)におけるける指向性パターンのシミュレーション結果を八木・宇田アンテナのアンテナゲインの指向性

図 12 に示す。これから，前述の八木・宇田アパターンのシミュレーション結果（3 次元イメ

ンテナに比べ広い指向性を有している事が分かージ図）を示す。八木・宇田アンテナの特徴通る。

り，導波器方向に鋭い指向性を示している事が
分かる。

3.5

アンテナの加工

アンテナはサンハヤト（株）製「クイックポ
3.4

小型メアンダライン・モノポール・アン

テナの設計

ジ感光基板作製システム」を用い作製した。
「クイックポジ感光基板作製システム」はプリ

もう 1 種類のアンテナとして，小型メアンダ
ライン・モノポール・アンテナを検討した。小型のメアンダライン・アンテナはモノポールア

ント基板の試作等に用いられるシステムである。

主な工程は以下のとおりである。
工程①：アートワーク（パターンフィルム作成）
工程②：露光工程③：現像工程④：エッチング
工程⑤：外形切断
3.6アンテナの評価

前節で述べたように，加工したアンテナについて，実際の特性評価を行い，シミュレーショ
図 11

小型目アンダライン・モノポール・アン

ン結果との比較を行った。

テナの設計イメージ
3.6.1

測定条件

測定項目は，①リターンロス測定，②指向性
パターン，の 2 つとした。
使用した設備は，①リターンロス・ネットワークアナライザー
Agilent

Technology

8753E②指向性パターン
・電波暗室
図 12

小型メアンダライン・モノポール・アン
テナ指向性パターン

1GHz 超簡易電波暗室・スペクトラムアナライザ
Agilent

Technology

E7405A

300 cm

Rx：ETS-LINDGREN
Model 3117

アッテネータ
Tx：試作評価
10dB
アンテナ

1GHz超
簡易
電波暗室

174 cm

発砲スチロール

Signal Generator
SignalGenerator（Agilent E4422A）（Agilent
E4422BA）

図 13

Spectram Analyzer

Pre-Amplifier（Agilent E7405A）(東陽テクニカ TPA)

指向性パターン測定系ブロック図

NetworkAnalyzer（Agilent

8753E ）

Port1
試作評価アンテナ

図 14

リターンロス測定系ブロック図

図 15

リターンロス測定結果

・信号発生機Agilent

Technology E4422A・プリアンプ
東陽テクニカRF PRE AMPLIFIER TPA

・試験アンテナ（Tx）
試作アンテナ・受信アンテナ（Rx）
ETS-Lindgren

3117
図 16

指向性パターンの測定系ブロック図を図 13に，リターンロスの測定系ブロック図を図 14
に示す。
3.6.2

アンテナ単体の評価結果

VSWR 測定結果

八木・宇田アンテナのリターンロスの測定結果について，図 15 に示す。これから，共振周
波数は，2.43GHz ということがわかる。これは，シミュレーション結果の 2.453GHz と若干ずれている。また，VSWR 測定結果を図 16 に示す。

射できるように，当該通信ユニットについて，

これから，2.26GHz～2.716GHz という広範囲で，技術基準適合証明を行なった。以下，申請の事

VSWR が 2.0 以下ということがわかる。これは，前試験および，申請の手続きについて述べる。

シミュレーション結果と符号している。
次に，指向性パターン測定結果の 1 例について，図 17 に示す。これより，0°方向への指向性が良好であることがわかる。
30 (deg)（1）実効放射電力

(dB)

-10

300

2.4GHz 帯技術適合証明の申請手続きに必要な，て，申請前の簡易計測試験を実施した。

0

10
0

事前試験

以下の申請項目について，当所の設備を利用しYagi(単体）_Y軸回転_V偏波
330

4.1

（2）空中線利得

60

-20
-30
-40

270

90

-50

240

2.45GHz
2.48GHz（6）周波数偏差150（7）指向特性180

図 17（4）占有周波数帯域幅（5）拡散周波数帯域幅

120
210

（3）空中線電力

指向性パターン測定結果試験に使用した設備を表 6 に示す。今回の計同様にして，小型メアンダライン・モノポー
ル・アンテナ，および，CC2530 ZDK の標準アンテナについても測定し，それらの指向特性を

表6

事前簡易計測試験に係る試験設備
測定設備

比較した結果を図 18 に示す。

トーキンEMCエンジニアリング製工業技術総合研究所

0
10

30

0

60

-20
-30

東陽テクニカ

プリアンプ

-40
270

特別仕様

簡易電波暗室（1GHz超）ETS-Lindgren製 特別仕様
EMI テ ス ト レ シ ー
ROHDE & SCHWARZ ESU26
バ

-10
300

メーカー名・型式
工業技術総合研究所 電波暗室（登録）電波暗室

Y軸回転_V偏波比較（単体）330

技術基準適合証明

TPA0108-40

既存アンテナ90-50

八木アンテナメアンダラインアンテナ

240

120

210

150

受信用アンテナ
送信用アンテナ
信号発生器

ダブルリッジドガイドアンテナ
ETS Lindgren 3117
ダブルリッジドガイドアンテナ
Schwarzbeck BBHA9120B
Agilent N5181A-506

180

図 18

3 種類のアンテナ特性比較

これより，八木・宇田アンテナは 0°方向に

測は，16CH 分の計測が必要であるが，そのうちの 1CH の結果について，表 7 に示す。
実効放射電力［dBm］

対して標準アンテナよりも指向特性が良く，小330

いことがわかる。
4.

開発した通信ユニットの技術適合証明

-10.0

300

60

-20.0
-30.0

270

90

-40.0

240

開発する通信ユニットを使用し，今後，展示

V偏波
H偏波

120

210

会等でのデモを想定しているため，製品化候補
通信ユニットについて，公共の場でも電波を発角度［deg］

30

0.0型メアンダライン・モノポール・アンテナは全方向において，標準アンテナより指向特性が良

0

10.0

150
180

図 19

指向特性の測定結果の例

表7

周波数

CH

2.4GHz 帯技術適合証明事前簡易計測試験に係る測定結果の例
実効放射

空中線

半値幅

空中線電
力
(非拡散時)

占有周波
数
帯域幅

拡散周波
数
帯域幅

電力：

利得

(非拡散時)

dBi

deg

dBm

MHz

MHz

周波数
偏差

(非拡散時)

GHz
1

2.405

dBm
4.732

0.385

81 -1.74594397 2.772435897 3.717948718

6.66E-06

また指向特性については，一例として，図 19に示すような結果となり，これらの結果をもと

5.

全体システムの開発に，技術基準適合証明申請を行った。

5.1

ハードウェアの仕様

ハードウェアとしては，無線モジュール格納4.2

手続きの流れケースより小型化する事，電池の交換時間を延下記の図 20 に示す流れに沿って，申請を行ばすために電池の大容量化を実現する事，低コった。前節で述べた，事前試験結果のほか，設スト化を図るために片面基板での開発を行う事

計図面やブロック図，工事設計書等を揃えたうを念頭に開発を行った。図 22 に端末の外観をえに，現物となるユニットを添えて，申請し，示す。

結果として，図 21 に示す技術基準適合証明シールを交付された。

図 22
5.2

開発した端末の外観

ソフトウェアの仕様

ソフトウェアは RF サブシステム，測位計算
サブシステムおよび，見える化サブシステムか
図 20

手続きの流れら構成される。RF サブシステムはタグ（測位対象点）とカンバン（測位基準点）デバイスのファームウェアから成り IEEE802.15.4 ネットワークを構成する。標準のファームウエアに対してタイマ設定による LQI の任意間隔での送出機
能や送信出力制御機能の追加改造を行った。
測位計算サブシステムはカンバンからの LQI
データ収集，測位判別制御および判別計算プロ

図 21

技術基準適合証明シール

グラムから成る。計測されたデータは LQI デー

称等）が格納された位置情報データを参照し処理を行う。
データ収集と測位計算はデータベース（MySQL）をインタフェースとして各々非同期に並列分散処理を行うため，目的システム適用
時のネットワーク構成設計やハードウエア構成
設計の独立性と柔軟性を確保している。見える化サブシステムは Web モニタ（図 23）とタブ
レット端末（図 24）による表示盤からなり，データベースと TCP/IP ネットワークを介して独立して通信するため，目的システムの用途に合
図 23

わせた拡張性の高い構成を可能としている。

Web モニタ画面

RF サブシステムのセンシング部は，①移動
判別モード，②動態測位モード，③静態測位モ
ード，④ゲート検知モード，⑤混合モードの５
つの動作モードを実装した（表 8）。
①移動判別モードは対象物の移動の有無（位置の変化，高さの変化，向きの変化）を判別する。②動態測位モードは対象物が指定した同心
正方形の内側に位置するか外側に位置するかの距離範囲を判別し，LQI 分散モデルと送信出力の組合せによって 3m 以内，5m 以内，7m 以内，
図 24

10m 以内，10m 以上の５つのレンジを切替えてタブレット端末の外観

タに格納され，カンバン（測位基準点）が設置

計測，または，3m～10m の一連の距離範囲のどされた場所の名前や管理距離範囲の情報および，

この内側に位置するかを計測する。このモード

タグ（測位対象点）の属性（社員番号や所属・は主に作業員の動態管理で使用することを想定

氏名，備品番号や名称等）が格納され，カンバ

している。③静態測位モードは主にほとんど移ン（測位基準点）が設置された場所の名前や管動しない対象物が移動を開始した状態を判別す

理距離範囲の情報および，タグ（測位対象点）

る。検査装置などの位置管理での使用を想定しの属性（社員番号や所属・氏名，備品番号や名ている。④ゲート検知モードは対象物が位置を

表8
測位モード

対象
レンジ

分解能

5 つの動作モード

出力

参照
モデル名

群判別 不偏分 群判別 最小計 標準計測
回数 散閾値 閾値 測間隔
間隔

1m～10m 2m～3m +4.5dBm Y1Y2Y3Y4

84

1.902

0.15

1秒

5秒

5ｍ内外

5m

-10dBm

Y1,Y2

20

1.902

0.15

1秒

5秒

3m内外

3m

-22dBm

Y1,Y2

12

1.902

0.15

1秒

5秒

1m～10m 2m～3m +4.5dBm Y1Y2Y3Y4③静態測位モード
3m-22dBmY1,Y2④ゲート検知モード 3m内外

84
12

1.902
1.902

0.15
0.15

1秒
1秒

60秒以上
20秒

⑤混合モード

84

1.902

0.15

60秒

60秒

①移動判別モード②動態測位モード

1m～10m 2m～3m +4.5dBm Y1Y2Y3Y4

表9
毎正分(秒)

00

処理

ネット
ワーク
初期化

出力

10

混合モードの動作パターン
20

ゲート検知モード

30

40

00

10

動態測位・静態測位・移動判別モード

ネット
ワーク
初期化

・・・

+4.5dBm-22dBm

・・・-22dBm50固定されたカンバン（測位基準点）に接近ある

採用し,測位方式は，電界強度の平均値と標

いは通過したかを判別し，いわゆるゲート型の準偏差から，ある範囲内にいるのか範囲外

位置情報管理での使用を想定している。⑤混合

なのかの判別分析を行うことで，位置範囲

モードは①から④までのモードをソフトウエアの特定をするアルゴリズムを開発した。

の指示で組合せてひとつのカンバン（測位基準(2)通信ユニットのうち，生産現場において，

点）ユニットで混在運用する。これは指定され製造される機械側に設置する（カンバン側）

た計測所要時間を指定された配分で時分割して用に指向特性の異なる 2 種類の平面アンテ

各モードを切替えてひとつのユニットに複数のナの設計，加工，評価を行い，指向性パタ

計測モードを割りつけて運用を行う（表 9）。

ーンの異なる 2 種類の平面アンテナの試作
を行った。

6.

今後の予定
以上により，全体システムを開発することができた。当該システムの特徴は，無線により非(3)上記通信ユニットおよびアルゴリズムにより，生産現場等において作業者の動態管理が可能なデモシステムを開発した。

接触で，中精度の位置（範囲）特定を，低消費電力で行うシステムである。これらの特徴を活謝辞

かすことができるような用途であれば，今回提本研究を進めるにあたり，電波計測技術に関案した生産現場における作業者の動態管理だけして有益なアドバイスをいただいた，新潟大学

でなく，事務所での在席管理や，備品等の位置

工学部佐々木教授，石井准教授に感謝する。

管理等，幅広い応用先が想定できる。今後，顧また，統計理論に関して有益なアドバイスを客評価用システムのリリースを行い，各業種のいただいた，新潟大学医歯学総合病院赤澤教授

顧客に様々な評価実証試験を行っていただき，に感謝する。

着実な実用化を図りたいと考えている。
参考文献
7.

結

言

(1)無線通信規格および周波数はそれぞれ，
IEEE802.15.4，2.4GHz 帯の通信ユニットを

1)河口至商，“多変量解析入門Ⅰ”，1973，p8193.

研究論文

窒素含有汎用クロム系ステンレス鋼の実用化研究
三浦

一真＊

林

成実＊

Study of Nitrogen Content General Chrome-based Stainless Steel for Practical Use
MIURA Kazuma* and HAYASHI Narumi*
抄録Fe-13～18mass%Cr のうち特殊な添加元素を含まない汎用ステンレス鋼の窒素吸収処理に関する研究を行った。素材を窒素雰囲気・高温で処理することで，窒素(N)を添加する。このうち，マルテン
サイト系ステンレス鋼である Fe-13mass%Cr は N 添加により通常の熱処理の場合に比べ，素材の硬さが約 10～15％ほど高くなる。耐食性は同等以上であった。フェライト系ステンレス鋼である Fe16mass%Cr に N を添加すると表面部から窒素が吸収されて相変態し，やや硬い窒素吸収層を形成する。この層の厚さは処理温度，時間と相関がある。なお，耐食性については今後，詳細に検討する予定であるが，JIS 準拠の孔食電位は 0.3V を示しており，オーステナイト系ステンレス鋼である Fe-Cr-Ni に匹敵する値を示した。

1． 緒

言

ステンレス鋼は従来からオーステナイト系を

ステンレス鋼は耐食性を向上させる目的でク中心に希少金属であるNi，モリブデン(Mo)を含

ロム(Cr)又はCrとニッケル(Ni)を合金させた合んだ鋼種が多く存在する。さらに，最近では耐金鋼で，一般にはCr含有量が約11mass％（以後

食性，加工性，溶接性等の改善を目的にCrの含

mass％を省略）以上の鋼をいい，主としてその有量を高めたり，ニオブ(Nb)，チタン（Ti）を組織によって，マルテンサイト系，フェライト

はじめとする希少金属を微量添加した鋼種が数系，オーステナイト系，オーステナイト・フェ

多く開発されている。ところが，これらの希少

ライト系（二相ステンレス）及び析出硬化系の金属は耐用年数の短いものが多く，産出地域が五つに分類される。

偏在化しており，価格も変動しやすい。

鉄(Fe) 以外はCr が必須合金元素でJIS におい

ステンレス鋼は2006～2007年にかけて，Niのて100 種類程度のステンレス鋼種が規定されて高騰によるオーステナイト系の価格上昇と鋼材いる。ステンレス鋼は厨房器具・台所用品・ガ不足を招き，代替鋼種として，18Cr以上の高Cr

ス・石油器具等に代表される家庭用，ビルの内系のフェライト系ステンレス鋼が数種開発され外装パネル・サッシ類や大規模展示場・空港のた2)。

屋根等の建材，一般機械、産業機械，化学・食

このような状況のもと，我々は高 Cr のフェ品プラント，車両・自動車の排気系・エンジン

ライト系ステンレス鋼に窒素吸収することによ

部品等の輸送機器，電気機器等多方面の分野でり，オーステナイト化することで耐食性をはじ用いられ，先端分野，腐食環境製品を中心に要めとする優れた特性が得られることに着目し，1)求される特性が厳しくなっている 。
* 研究開発センター

当初 Fe-24Cr-2Mo（研究開発材）の素材に窒素を 1%強吸収させてオーステナイト相へ変態させ，既存のオーステナイト系ステンレス鋼と同等以上の特性を有する Ni を含まない Ni フリー
ステンレス鋼の研究開発を行ってきた

3)、4)

。

用いた処理も行っている。一方，硬さよりも耐食性等の特性改善が目的の Fe-16Cr 系では厚さ

さらに，誘導加熱と真空ガス置換による窒素

0.8mm の板材を用い，900℃，30min で焼鈍を行吸収処理技術を開発し，Fe-24Cr-2Mo の類似組

った後，1150℃まで昇温し，10min 保持後，直成で市場に流通している素材である SUS445J2

ちに急冷した。

相当鋼種の窒素吸収処理ステンレス鋼の開発に処理終了後は，金属顕微鏡や走査型電子顕微

成功し，数例の製品試作を行うとともに，事業

鏡による断面組織観察やマイクロビッカース硬展開を図っているところである

5)、6)

。

度測定を行った。また，ONH 分析装置（(株)堀本研究では，流通量が多く，価格も安定な汎場製作所製，EMGA-1300）を用い，素材に含ま

用ステンレス鋼の付加価値を高めることを目的れる窒素の定量分析を行った。さらに，グローに汎用鋼種への窒素吸収処理を試み，その適用

放電発光分析装置（以下，GD-OES，（株)堀場

可能性について，基礎研究を開始した。本報告

製作所製）を用いて，処理材の表面近傍の元素では，マルテンサイト系 ステンレス鋼の Fe-分析を試みた。

13Cr-0.3C（以後，文章中では Fe-13Cr）とフェライト系ステンレス鋼，Fe-16Cr について現在までに得られている研究結果と実用化へ向けての方向性と技術課題について述べる。

2.2

耐食性評価方法

耐食性の評価は Fe-13Cr 系については JIS 準
拠の塩水噴霧試験を 8h 行い，試験前後の外観を観察するとともに，孔食性の評価手法のひと

2． 実験方法つである外部から一定の速度で電位をあげ，食2.1

孔が発生した時の孔食電位を測定する試験で行窒素吸収処理窒素吸収処理に用いた素材はマルテンサイトった。

系ステンレス鋼であり，SUS420J2 に相当する

孔食電位の測定は JIS G 0577『ステンレス鋼

Fe-13Cr とフェライト系ステンレスの汎用鋼種の孔食電位測定方法』に準拠した。試験装置ので SUS430 に相当する Fe-16Cr である。両鋼種

概略と装置の外観を図 2 に示す。

の化学組成を表１に示す。いずれも特性改善を試験用サンプルは試験前に耐水研磨紙#600 で目的としたレアメタル等の微量添加元素を含んでいない。
窒素吸収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，
MD-1700D）で行った。装置外観を図 1 に示す。

表1

処理に用いた素材の化学組成（wt.%)

鋼 種
Fe-13Cr
Fe-16Cr

C
0.3
0.05

Si
0.46
0.27

Mn
0.6
0.14

P
0.024
0.023

S
0.006
0.003

処理可能なサンプルの大きさは 50×50mm である。処理手順は，脱脂・洗浄した板材サンプルを炉内に設置後，真空排気によるガス置換を行い，窒素ガス充填後，大気圧窒素雰囲気にて加熱を開始した。所定の加熱温度に到達後，一定時間保持し，加熱終了後は窒素ガスで冷却した。
窒素吸収処理は焼入れにより硬くすることが目的の Fe-13Cr 系は前述の寸法で厚さ 2mm の板材を用い，1050℃で 30min の条件で行った。比較のために前述の温度と時間で汎用の電気炉を

図1

真空ガス置換機構付加熱装置

Cr
12.36
16.14

R.E ポテンショ

スタット

W.E

すると，窒素吸収処理がよりはっきりした針状PCの組織を呈している。５点平均のマイクロビッ

C.E

カース硬さは(A)が 580HV0.3，(B)が 685HV0.3

N2ガス

塩橋（ＫＣｌ寒天）である。ロックウエル硬さのおおよその換算値
は(A)が約 52～53HRC，(B)は 59～60HRC である。(B)で得られた数値は Fe-16Cr-0.6～1.2C 系

参照電極（S.C.E)
ルギン管（SUS440C 相当鋼種）の焼入れ硬さに匹敵する

気泡管

高い値が得られた。

作用極 対極（Ｐｔ）

図 4 は熱処理を行った試験片について 8h の
図2

塩水噴霧試験を行った後の外観観察結果を示す。

試験装置概略と外観(A)は通常の処理，(B)は窒素吸収処理を施した研磨を行った後，アセトンで洗浄後，硝酸によ
2

試験片である。通常の焼入れの(A)では周辺部

る不動態化処理を行った。試験前に 1cm の電にさびが発生している。それに対して，窒素吸極面を確保し，それ以外をエポキシ樹脂にてコ

収処理(B)ではさびは観察されなかった。

ートし，乾燥後試験面を再度#600 の耐水研磨紙

耐食性については孔食電位でも比較した。そで研磨し，サンプルを電解槽内にセットした。

の結果を図 5 に示す。ここでは Fe-13Cr-0.3C に試験溶液は 5.5%NaCl 水溶液を使用し，脱気加え，C の高い Fe-13Cr-0.6C の測定を行った。

は高純度窒素ガスを用いて行った。設定液温は

なお，図 4 に掲載した分極曲線は平均値に近い30℃である。また，電位掃引速度は 20mV/min

代表的なものである。(A)の C 含有が高い場合，に設定した。

孔食電位は 0V に至らず，非常に低い値となる。

試験は電流値の変化を見るものである。典型

Fe-13Cr-0.3C の通常焼入れ(B)では，孔食電位は的な変化は，電位を上げると途中電位の変化に0Ｖ前後となる。窒素吸収処理を施した(C)ではかかわらず電流値が一定になる不働態域に入り，

孔食電位は平均で 0.1Ｖで，通常の焼入れに比さらに電位をあげたときにある電位で急激に電べ，0.1Ｖ高い値を示した。図 6 は電位測定後の流値が高くなる。この電流値が立ち上がる際の電極表面であり，いずれも測定終了時に形成さ電位が孔食電位であり，このとき素材が激しくれた食孔が観察されている。

溶け出して食孔が形成される。一部の供試材については試験後の表面をデジタルマイクロスコープを用いて観察した。

OP

3． 結果と考察
3.1

Fe-13Cr ステンレス鋼の窒素吸収処理

図 3 は断面の金属組織写真を示す。図 3(A)は大気中での通常の焼入れ，(B)は窒素吸収処理，

SEI

すなわち，窒素雰囲気で焼入れを行った場合の組織を示す。写真を窒素吸収処理したものでそれぞれ，上の写真はエッチングにより得られた
金属顕微鏡像，下は二次電子像（未処理）を示す。金属顕微鏡写真を見ると，マルテンサイト
組織に変態していることがわかる。写真を比較（A）

580HV0.3
図310mm（B） 685HV0.3

断面の金属組織写真

1150℃で窒素吸収処理を行うと，表面からフェライトとは異なる層（便宜上，窒素吸収層と（A）：Fe-13Cr-0.3C呼ぶ）が形成される。この組織は Fe-22Cr-1Mo
や Fe-24Cr-2Mo といった 20%を超える高 Cr 系のフェライト系ステンレス鋼を窒素吸収処理し（B）：Fe-13Cr-0.3C-Nて得られるオーステナイト組織とは異なり，マ
ルテンサイトにやや似た組織に見える。この層のマイクロビッカース硬さは 480～530HV0.3 であり，先の Fe-13Cr 系の場合よりは低いが，窒

図4

素吸収処理で得られるオーステナイト組織より塩水噴霧試験後の試験片外観

はるかに硬い。
この層は処理時間とともに成長する。処理時
間が 10min で約 100mm の厚さとなり，2h の処理ですべてがこの層に変態する。窒素吸収層からなる Fe-16Cr-N について JIS 準拠の孔食電位測定試験を行い，既存のステンレス鋼と比較した。その結果を図 8 に示す。測定は各条件 3 回行った結果のうち平均値にもっとも近い分極曲線を示している。1150℃で 2h 窒素吸収処理を行い，窒素吸収層を形成させたものが(D)である。比較に用いたステンレス鋼のうち，(A)は
図5

孔食電位測定結果

処理前の Fe-16Cr，（B）と（C）は Ni を含む
オーステナイト系ステンレス鋼であり，（B）
は SUS304，（C）は SUS316 に相当する鋼種の結果を示す。
（A）に示す Fe-16Cr の孔食電位は約 0.1V である。(A)に 1150℃で 2h 窒素吸収処理を行い，窒300mm（A):Fe-13Cr-0.6C，（B）：Fe-13Cr-0.3C，（C):Fe-13Cr-0.3C-N

図63.2

孔食電位測定後の電極表面

Fe-16Cr ステンレス鋼の窒素吸収処理

素吸収層を形成させた(D)は孔食電位が大幅に貴な方向に移動し，オーステナイト系ステンレ
ス鋼である(B)を上回り SUS316 である(C)に匹敵する高い孔食電位を得た。

本研究ではフェライト系ステンレスのうち Cr

以上の結果，Fe-16Cr に 1150℃で窒素吸収処

含有量が 20%未満，特に 16～18%Cr で添加元理して得られた層は高い耐食性を示すことがわ

素のない最も汎用な Fe-16Cr ステンレス鋼の窒かった。耐食性については処理温度との相関，

素吸収処理プロセスの研究を開始した。図 7 に更なる耐食性向上のためのプロセス改良，等引処理結果の一例を示す。いずれも 900℃，30min

き続き研究を継続する。

で焼鈍後，1150℃まで昇温して一定時間保持後急冷して得た組織であり，(A)は昇温後 10min
保持して得られた組織，(B)は保持時間が 2h の場合である。

3.3

窒素吸収処理材の特性向上機構

窒素吸収プロセス後のサンプル中に含まれる
窒素含有量の分析等を行い，状態図から窒素吸と思われる。この状態から急冷すると，γからマルテンサイトに変態する。C や N は侵入型固溶元素であるが，C が多い場合は急冷により固窒素吸収層：480～510HV溶 C が歪むとともに一部固溶しきれない C がFe や Cr と炭化物を形成して析出することで硬くなるものと思われる。例えば C が 1％含む場
合は 700HV，ロックウエル換算で約 60HRC の

100mm(A)1150℃、10min
図7(B)1150℃、2h

窒素吸収処理後の断面組織硬度を得る。今回のように C が 0.3%と低い場
合は，固溶限まで到達せずに炭化物は形成されな い た め ， ビ ッ カ ー ス 硬 さ で 600HV 弱（52~53HRC 相当）であり，それほど硬くならない。図 11 に窒素吸収処理による Fe-13Cr の結晶構造の変化の模式図を示す。窒素吸収した場
合，1050℃での加熱保持中はγ相になる。この間，吸収された N は C と同様に固溶する。γを急冷すると，マルテンサイトに変態するが，Nは窒化物を形成せずに C とともに歪んだ状態で固溶するため硬くなるものと考えられる。したがって，窒化物や炭化物を形成せずに 680HV（59HRC 相当）の高い硬度値が得られるものと考えられる。

図8

孔食電位測定結果

収処理による特性向上機構について考察した。
図 9 は Fe-13Cr の窒素吸収後の表面からの Cr，C，N の GD-OES 分析結果を，図 10 は同じ組成の垂直断面状態図を示す 7)。表面から 1～1.5mm
までの Cr と C の分析結果は，素材の化学成分とほぼ同じである。窒素吸収後，このサンプルに含まれる窒素含有量はおよそ 0.2%である。
Fe-13Cr 窒素吸収サンプルを ONH 分析装置で定量分析を行ったところ，平均値は約 0.2%である
が，測定値自体は 0.05~0.5%で大きくばらついた。GD-OES 分析の深さプロファイルから得られる値は ONH 定量分析の平均値を示している。
図 10 の垂直断面状態図によると，窒素吸収温度 1050℃では窒素が 0.1％前後からオーステナ
イト（γ）領域に入ってくる。
したがって，含まれる窒素の量がある程度ばらついても 1050℃での加熱保持中ではγである

図9

GD-OES による Fe-13Cr の表面からの深さプロファイルTemperature (℃）α

た。 Fe-16Cr の未処理材(b)は，フェライトの回

1300
1200

折パターンに一致している。一方，窒素吸収処

α ＋γ

たフェライトの回折パターンと同じ角度のとこ

1100
1000

理材の回折パターン(a)は未処理のもので得られ

γα

ろにピークが見られるが，未処理材とピーク強度は異なっており，回折角が 40°付近の第 1 ピ

900
γ ＋Cr2N
α ＋γ ＋Cr2N

800
α ＋Cr2N

700
Fe-13% Cr

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Ｎ （ｗｔ％）
図 10

垂直断面状態図（Fe-13Cr）：Fe or Cr 原子
：C 原子
：N 原子

窒素吸収
処理
オーステナイト（FCC）（高温状態）

図 11

マルテンサイト（BCC）

窒素吸収処理による Fe-13Crの結晶構造の変化
図 12

今回，Fe-13Cr 中の N 量がばらついた。N 量

Sectionらの深さプロファイル
diagram of Fe-Cr-N at 18% Cr

は硬度や耐食性と相関があるものと考えられることから，Fe-13Cr については更なる耐食性の1300

Cr，C，N の GD-OES 分析結果を，図 13 は Fe18Cr 組成の垂直断面状態図を示す

7)。GD-OESによる深さラインプロファイルより，固溶している N 量は 0.5~0.8％の範囲である。垂直断面図によると，Fe-16Cr 材は窒素吸収処理温度である 1150℃ではオーステナイト（γ）相である。

Temperature (℃）

改善に向けて研究開発を継続していく。
図 12 は Fe-16Cr の窒素吸収後の表面からのGD-OES による Fe-13Cr の表面か

α

1200
1100

α ＋γ

γ

1000
γ ＋Cr2N

900
800

α ＋γ ＋Cr2N

α ＋Cr2N

700

加熱終了時，急冷したときに生成する金属相（組織）や化合物の同定を目的にＸ線回折を行

Fe-18% Cr 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Ｎ （ｗｔ％）

った結果を図 14 に示す。なお，比較のために
Fe-16Cr の未処理材についても X 線回折を行っ

図 13

垂直断面状態図（Fe-18Cr）

化するものと思われる。今度，冷却速度による金属組織の違いについて研究していく。
特に 20Cr を超える高 Cr 系にステンレス鋼は
窒素吸収処理により Cr-Ni 系ステンレス鋼と同じオーステナイト組織に相変態する。
Fe-16Cr についてもオーステナイト組織への変化を期待したが，オーステナイトとは異なる組織となった。窒素吸収処理に関する研究例の多くは Cr が 20%以上である高 Cr 系の特殊組成であり，窒素吸収後の金属組織は耐食性等の特性に優れているオーステナイトである 8)~10)。
一方，Cr か 20%以下の窒素吸収に関する研究
報告例は少ない。Fe-16Cr 系では，加圧雰囲気で窒素吸収を行った研究報告例があるが，オーステナイトとは異なった組織を呈している 11)。
耐食性は高 Cr ステンレス鋼を窒素吸収して
図 14

Fe-16Cr 材の X 線回折結果得られるオーステナイト組織よりは劣るもの窒素吸収処理前からは大幅に改善されることが明ークは非常に強く，65°付近に見られる第 2 ピ

らかになった。しかしながら，窒素吸収層が硬ークと 80°付近に見られる第 3 ピークの強度はいため，加工は難しい。

弱くなっている。また，各回折ピークとも処理したがって，最終形状に加工後，窒素吸収す

前に比べると若干，検出角度がブロード状に広るのが有効であるが，コストの上昇を抑えるたがっている。この第 2，3 ピークはマルテンサ

めには量産技術の確立が必要である。そのためイトの第 2，3 ピークにも近い。また，ピークには，板材等の一次加工品に窒素吸収処理を施強度は低いものの，オーステナイトの第 2，第してから成形加工するのがより効果的である。

3 ピークが認められる。強度の高い第 1 ピーク

そこで，今後は Fe-16Cr について，加工が可能

は，オーステナイト，フェライト，マルテンサ

な窒素吸収板材の開発研究を行い，高耐食な板イトの第 1 ピークが近い回折角で近接して存在

材としての実用化を目指す。

している。したがって，このピークはこれらの複数のピークから成るものと考えられる。

4． 結

言

窒素吸収層の組織観察ではマルテンサイトに（1）Fe-13Cr に窒素吸収処理，すなわち，窒素

近い形態を示したが，硬度は 500HV でマルテ

雰囲気で焼入れを行った。処理後の硬さ

ンサイトとしては硬度が低い。したがって，マは約 685HV（59HRC 相当）である。一方，

ルテンサイト単相ではなく，オーステナイトや通常の焼入れでは 580HV（53HRC 相当）

フェライトとの混合組織になっている可能性がであり，窒素吸収で硬度が上昇する。まある。なお，窒化物が形成される可能性もある

た，塩水噴霧試験や孔食電位の測定試験

が、金属組織や X 線回折の結果より，その可能を行ったところ，通常の焼入れ材を上回性は低いと考える。

る耐食性を示した。

加熱終了後の冷却はガスにより行っているが，水冷や放冷，など冷却速度によっても組織は変（2）Fe-16Cr に窒素吸収処理を行うと，表面から素材組織と異なる窒素吸収処理層が形成される。その厚さは 1150℃，10min のス鋼の実用化研究”， 新潟県工業技術総合研

処理で約 100mm で 2h の処理で 0.8mm の究所研究報告書，No.36，2006，p.63-67．

板材全体が窒素吸収処理層となる。窒素

4）黒田大介，岡村一伯，中村晃規，大澤康暁，

吸収処理層の硬度は約 500HV で，素材の三浦一真，白木原香織，“冷間圧延した Fe-

硬度 200HV に比べると硬い。孔食電位を24Cr-2Mo-1.2N の 機 械 的 性 質 ” ， Journal of

測定したところ，Cr-Ni 系のオーステナイ

JACT，Vol.14，No.3，2009，p.29-34．

ト系ステンレス鋼に匹敵する電位が得ら

5) 三浦一真，小林泰則，内藤隆之，“窒素吸収れ，処理前に比べ，大幅な耐食性の向上

素ステンレス鋼の開発”， 新潟県工業技術総が期待できる。

合研究所研究報告書，No.38，2009，p.39-44．

（3） Fe-13Cr は窒素吸収処理を行うことで，マ6) 三浦一真，“窒素含有ニッケルフリーステン

ルテンサイト中に N が固溶することで通レス鋼の実用化研究”， 新潟県工業技術総合

常の焼入れに比べ硬くなるものと考える。

研究所研究報告書，No.39，2010，p.33-40．

通常の焼入れ材と同等以上の耐食性を示

7）Yunoshin IMAI, Tsuyoshi MASUMOTO and

すのは窒化物等の化合物を形成しないた

Keikichi MAEDA, “Structural Diagrams andめと考える。なお，耐食性は含まれる N

Phase Reactions of Fe-Cr-N Ternary System”,

量と相関があり，更なる耐食性の向上を

Science reports of the Research Institutes,

目指して研究を継続する。

Tohoku University. Ser. A, Physics, chemistry（4）Fe-16Cr で得られた窒素吸収層は 20Cr を

and metallurgy，19，1967，p.35-49.

超える高 Cr 系ステンレス鋼の窒素吸収処

8）遅沢浩一郎，小林裕，“窒素鋼の耐食特性－理で得られるオーステナイトとは異なる

特にステンレス鋼に関して－”，窒素が拓く組織である。今後，Fe-16Cr の窒素吸収処鋼の新しい展開とその利用（190 回西山記念

理プロセスの研究を継続し，Fe-16Cr の耐講座），2006，p.73-91．

食性改善を目的に板材の開発を行う。

9）馬場晴雄，片田康行，木村秀夫，“オーステ
ナイト系ステンレス鋼のすきま腐食と再不

参考文献
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)情報技術センター主
催講演資料，2007，p.8-21．
2）三浦一真，“ニッケルフリーステンレス鋼の特性と開発動向”，プレス技術，Vol.45，
No.15，2007，p.37-41．
3）三浦一真，岡田英樹，田辺寛，大澤康暁，
安藤俊幸，渡辺光雄，“Ni フリーステンレ

動態化に及ぼす窒素の影響”，日本金属学会
誌，Vol.71，No.7，2007，p.570-577．
10) 八代仁，“窒素鋼の耐食性に関する課題と今後の指針”，CAMP-ISIJ，Vol.22，2009，
p.1130-1133．
11)Hajime MITSUI and Shinsuke KURIHANA，“Solution Nitriding Treatment of Fe-Cr-Alloys
under Pressurized Nitrogen Gas ”， ISIJ International，Vol.47，2007，p.479-485．

研究論文

ICT を活用した遠隔技能伝承アシストシステムに関する研究開発（第 2 報）
五十嵐
大野

晃* 中部

宏***

昇*

阿部

淑人**

和也*

山本

正信****

江口

Research and Development of Remote Technical Skill Succession Support System with ICT IIIKARASHI Akira*, NAKABE Noboru* ,ABE Yoshito**,OHNO Hiroshi***, EGUCHI Kazuya* and YAMAMOTO Masanobu****抄録

新潟県内の中小製造業における研磨作業や刃付け作業は，作業者の経験と勘に頼るところが多く，技能の伝承が円滑に進んでいない現状がある。本研究では，ICT（情報通信技術）を用いて，熟練作業者の作業を数値化することで可視化し，初心者にもわかりやすい表示をすることにより，技能の伝承を円滑に進めるシステムの開発を行った。さらに作業現場で得られる作業計測データを，無線LAN 等のネットワーク経由で送信することで，遠隔地においても，作業現場と同様の情報を得られるようにし，遠隔地でも円滑に技能伝承できるシステムの開発を行い，現場作業者から好評を得た。

1. 緒

言

年度は，全体システムの確立を目指した。

本研究では，ICT を活用し熟練技能者（以下，熟練者）が持つ技能を，無線を介してセンシン

2． 研究概要

グして可視化し，これを利用して技能を円滑に

2.1

初心者に伝える伝承アシストを開発する。対象る研究開発（熟練作業の評価基準も含む）

は金属製品の研磨作業と作業工具の刃付け作業

2.1.1とする。金属製品の光沢や作業工具の刃先の形

金属製品を研磨した面の光沢測定に関す概要

研究計画では，金属製品の研磨部品について，

状をわかりやすく表示し，熟練者しかできない

JIS Z8741 に準拠した光沢度計による光沢測定

動きや力の入れ方を抽出して可視化する。さら法に対して新規に考案した平行光源と光線空間に得られたデータをネットワーク経由で遠隔地カメラによる光沢分布特性測定法によって計測へ伝送することで，遠隔技能伝承アシストシス

時間の短縮化と測定密度の向上を目指した。

テムを実現する。これにより，技能伝承に要する時間を従来の 1/10 に短縮することを目指す。
以上をもって，熟練技能の次世代への伝承と地
場産業のさらなる発展に貢献する

1)2)3)4)。

本研究は平成 22～23 年度の事業であり，今*研究開発センター**

下越技術支援センター

***

企画管理室

****

新潟大学工学部情報工学科

2.1.2

提案システムの概要

提案システムは既存の光沢測定規格との互換性（測定値の一致など）を考慮した上で，非接触測定機能を実現することとイメージング機能
つまり空間分布特性取得機能を付与することを目指して開発した。カメラには撮像素子として2,560×1,920 = 4,915,200 画素の CMOS イメージセンサが搭載され，その受光面に約 6,000 個の

図1

結像光路

マイクロレンズがハニカム状に配置されたレンズアレイを搭載している。このマイクロレンズ

図2

熟練者の研磨結果

図3

初心者の研磨結果

毎に各微小部分（以下セルと言う）の光線方向と光線強度が約 530 画素（半径 13 画素の円状）に分離して取得される。図 1 に結像光路の模式図を示す，a 点の鏡像が中央の主レンズを介して b 点に結像する様子を示している。通常のカ
メラでは b 点を含む結像面に撮像素子を搭載するが，ここにマイクロレンズアレイが搭載されているため後方に再度光線を配光し C1～Cn の多画素として撮像する。
測定手順としては，まず照明系，受光系をセッティングし，校正基準となるミラー光沢基準板を撮像して基準値として保存する。次に測定
対象を撮像して基準値（20°グロス値が 1,856
であり，光沢度は反射率にすると 92.8％）で

表１

熟練者と初心者の光沢計測結果
平均

標準偏差

今年度結果

56.02

1.0966

92.8％を乗算すると求める反射率が得られる。

昨年度結果

56.07

0.2300

但し，測定単位は画素そのものではなく，約

今年度結果

57.96

1.5271

昨年度結果

56.57

0.8400

除算して照明ムラや感度ムラなどの影響を除外
す る 。 基 準 値 が 92.8 ％ で あ る た め 除 算 後 に6,000 個のセル単位である。

熟練者
初心者

各セル単位には様々な光線方向からの輝度が約 530 画素に渡って分布しているため，ここから先ほど述べたようにセル単位の計算を行ったら平均値，標準偏差，最大値，最小値を算出す

結果を図 2 と図 3 にそれぞれ示す。また，熟練ることとした。

者，初心者の今年度と昨年度の反射率結果を表1 に示す。今年度と昨年度の結果を比較すると，

2.1.3

実験結果

熟練者も初心者も平均値は概ね一致したことが昨年度評価した熟練者と初心者の研磨サンプ

分かる。また，図の右部分にカラーバーを示し

ルを同様に撮像し，拡張ダイナミックレンジ処

各セル位置の色が鏡面反射率を表している。ま理

5)と，校正処理を行い，その単純濃淡画像かたカラーバーの左部には頻度分布を示している。

熟練者のほうが狭く尖った分布であり一様な研リがけをして刃の切れ味を整える刃付け作業を磨結果となっていることが分かる。

行う。これらの技能伝承を支援するために，刃先の三次元形状を高速かつ高精度に測定して表2.1.4

示するシステム 6)を開発した。また，熟練者と考察提案した光沢度測定システムにより，小面積

初心者では刃先の形状がどう違うか調べ，熟練

かつ平坦板に限られるものの 1 回の撮像で 3 分度を数値で表し，技能の習熟度を把握できるよ

以内に 4,000 サンプル以上の反射率分布を測定うにした。

できるようになった。現時点では 1 回の撮像面
積が 30mm×30mm 程度であるため大面積に適用

2.2.2

測定システムの構成

するには移動機構が必要である。また光沢度計と異なり非接触測定であるため将来的には大面積や造形物への適用にも可能性がある。
2.2

作業工具の刃先の三次元形状測定に関す

る研究開発
2.2.1

概要

ニッパの製造工程では，最後に熟練者がヤス

(a)
刃付け前
(a)刃付け前

図4開発したシステムでの三次元形状測定(b)熟練技能者の刃付け後(c)初心者の刃付け後
図5

三次元形状測定例

図6

ニッパの三次元形状

開発したシステムでニッパの刃の三次元形状

表2を測定している様子を図 4 に示す。1 軸方向に熟練度の計算結果

サンプル番号

移動する電動シリンダー（IAI 製 ERC2）の上にニッパを設置し，少しずつ移動させながらその形状を高精度二次元変位センサ（キーエンス

初心者

製 LJ-G015K）で測定する。パーソナルコンピ
ュータにその結果を表示し，測定に要する時間
は約 20 秒である。電動シリンダーを制御し，変位センサからの信号を取り込んで刃先の三次中級者

元形状を表示するプログラムを C 言語で作成した。三次元形状測定の結果例を図 5 に示す。

上級者
（熟練者）

2.2.3

熟練度の評価基準

熟練度の
評価基準

1

12.39

2

16.38

3

15.57

4

7.60

5

8.53

6

5.45

7

4.13

8

4.28

9

4.25

刃付け作業前と熟練者が刃付けした後および初心者が刃付けした後の，ニッパの表側の刃先形状は均一となり，作業者の熟練度は高いと言の三次元形状の測定結果を図 6 に示す。図からえる。

わかるとおり，刃付け前は左右の刃に段差があるが，刃付け後はこの段差がなくなり，左右の2.2.4

熟練度の測定結果

刃の接するところが少し下がり鋭くなっている

初心者，中級者，上級者（熟練者）がニッパ

ことがわかる。また，その下がり方も熟練者はの刃付け作業をした後の，刃の三次元形状の左刃全体で均一になっているが，初心者はばらつ

右の刃が接する部分を比較すると，刃の形状はきがある。まさにこの部分が刃付け作業で作業初心者ほどばらつきがあり，上級者ほど均一に者がヤスリをかける部分であり，この刃先の下なっていることがわかる。また，中級者は形状がり方の均一さは熟練度により差が生じる。そが似ているもののくぼみの大きさが場所によっのため，左右の刃が接する箇所の刃の形状の均て異なり，くぼみも大きい。一方，上級者はく

一さを技能の熟練度の評価基準とする。この値

ぼみは小さく均一である。
式（2）から計算した熟練度を表 2 に示す。

が小さいほど熟練度は高い。
具体的な熟練度の計算方法を以下に示す。測初心者，中級者，上級者とも，3 丁ずつ測定し定した刃先の三次元形状において，N 個の波形た。技能が高いほど，左右の刃が接する部分のの平均を式（1）で求め，三次元形状が均一で，平均波形からの差分は小1 N
f  x    f i ( x)N i 1

さくなった。中級者が刃付けをしたサンプル 6(1)

は 5.45 と熟練度が高く，上級者に近い結果となった。

各部の波形が平均波形からどれだけ異なっているか，左右の刃が接する前後 0.2mm の範囲の合2.3

計 d を（2）式から計算する。

のかけ方の測定に関する研究開発－マーカ式モNーションキャプチャld    f i x   f x 

研磨と刃付け作業における人の動きと力(2)

i 1 l

この値が小さいほど，左右の刃の接する部分の2.3.1

研磨作業システムの構成変更

バフ研磨作業における工作物（ワ―ク）の動
かし方と力加減（力覚）をモニターする装置に

図7

研磨作業における遠隔技能伝承支援システム

ついてソフトウエアの改良を行い，前年度の課7)基準となると考えられた 。

題であるデータ取得時間を短縮し，結果として
1 秒当たり 30 フレームの計測，およびリアル

2.3.3

遠隔技能伝承支援システムの開発

タイムでのワーク位置・姿勢，力覚，研磨推定

自習も可能な技能継承支援システムの開発を

量の結果表示を可能とした。加えて，バフ研磨

考慮すると，前節で示した評価基準パラメータ作業における遠隔技能伝承支援システムとして，を直接数値データやグラフにより表示しても研これらの情報を無線 LAN によって，ネットワ

修生や指導者に直感的に情報が伝わるとは言いークカメラを用いた作業時の動画像伝送と合わ難く，自らの作業状態を把握するためにはよりせて遠隔地のパソコンに伝送するシステムを構

直感的な教示方法が求められる。昨年度におい築した。図 7 に構築した研磨技能伝承支援シスて提案した研磨量推定値の分布は，仕上がりのテムを示した。

良否がワークの各領域を如何に均等に，かつ均一の力でバフに接触させるかに起因するとの仮2.3.2

熟練作業の評価基準

説を基に，モーションキャプチャで測定したバ熟練者と初心者による平板の研磨作業を比較

フに対するワークの位置からワーク－バフの接することにより，両者の技能の特徴を調べた。

触領域を求め，さらにその際にワークに作用す

両者のワークの動かし方のパターンが周期的でる力を考慮することによって，作業中におけるあることに着目し，周期毎のワークへの作用荷

ワーク各領域の研磨量を推定するものである。

重やバフに対するワークの姿勢の変動を評価し例えば，熟練度の評価基準とした押し付け荷重た。その結果，作用荷重の垂直方向分力であるやワーク姿勢の変動は，ワーク全体における研ワーク押し付け荷重の大きさやその 1 周期内に磨量推定値の不均質な分布の要因となり，またおける変動，およびバフ研磨面に対するワーク

過大な押し付け荷重は研磨量推定値の増加としの傾きの変動が共に熟練者が初心者に比べて大て表されることから，研磨量推定値分布は評価幅に少ないことが確認され。そのため，この場

基準を反映しうると判断される。かつ，研磨量合の押し付け荷重およびその変動や，バフに対推定値分布は画像情報として認識され，さらにするワークの姿勢の変動の大小が熟練度の評価

は分布の色や均一度といった単純な情報で作業図8

作業計測画面の一例

状態を把握できることから，初心者や熟練者に査では，銅線を試し切りし，切れ味により刃の対し直感的に理解を促すものであり，教示情報

スキマやかぶり具合を調べる。これらの検査でとして有効であると考えられる。以上のことか

刃の不具合が見つかれば，砥石により刃の修正

ら，先に示した作業計測システムにおいても計を行う。このとき，刃に対する砥石の当て具合，

測中において研磨量推定値分布（瞬間値およびこすり具合が重要である。これらの作業単位を

積算値のいずれか）をリアルタイムに計算し，繰り返しながら，初心者は 2～3 分，熟練者な

図 8 に示すようにワークの姿勢や力覚情報と併ら約 1 分で刃付け作業を終える。

せてコンピュータ画面上に表示できるようにし
た。

2.4.2

手のモーションキャプチャ

改良した作業計測システムにより研磨加工のニッパの製作工程のなかで，刃付け作業にお現場で実際に作業測定を行い，作業者から意見ける手・指の動きを測定することにした。人間を伺ったところ，熟練者・初心者とも自分の力の動作を測定し，コンピュータグラフィックス

加減が適切であるか，また，均等にワークを研により再現するシステムはモーションキャプチ

磨できているかを容易に理解できるとの評価をャと呼ばれている。身体の腕や脚の動きを測定得た。

するモーションキャプチャ 8)は多く見られるが，今回は手・指の動きを測定するモーションキャ

2.4

研磨と刃付け作業における人の動きと力のかけ方の測定に関する研究開発－マーカ無し
モーションキャプチャ
2.4.1

熟練手作業

プチャ 9)を開発することとした。
2.4.2.1

作業環境

作業者は立位で作業机に向かう。作業机上には，万力，砥石，ヤスリ，金床，ハンマー等のマイクロニッパの製造工程における熟練者の工具が置かれている。作業机は上方から十分な手作業である，刃付け作業に注目した。刃付け

明るさの蛍光灯が照射されている。また，前方作業は最も熟練者の作業が必要な工程である。

にも蛍光灯が置かれ，目視検査に利用される。

この工程は，円滑調整，目視検査，切れ味検査

作業者は軍手を付けて作業を行う。両手の作業

および刃の修正という 4 つの作業単位の組み合

空間は約 50 センチ立方メートルである。

わせから構成されている。円滑調整では，ニッ

手・指の動きを測定するモーションキャプチ

パの開閉がスムーズに行えるよう，左右のアーャとして，データグローブが市販されているが，ムを留めているリベットをハンマーで叩いて調特殊なセンサやデバイスを装着することは，微整する。目視検査では，ニッパを閉じたとき，妙な熟練作業に過剰な負担を負わせる恐れがあ

二つの刃の一致・不一致を判定する。切れ味検るため，ビデオカメラによる非接触測定を試みることにした。

の蛍光灯に加え，天井に近い位置からハロゲン

指の動きを三次元的に測定するためには，複ランプを使って作業机を照射している。

数の視点に配置されたビデオ映像が必要となる。
特に，ワークや工具，他方の手により手・指が2.4.2.2

多視点カメラシステム

隠されることもある。そのため，出来るだけ多高速度 IEEE1394 ビデオカメラ（Flea3，Pont

くのビデオカメラを配置するのが良いが，照明Gray）8 台をパーソナルコンピュータ（Win-器具の配置も重要であり，設置台数や位置も制

dows 7，64bit，Intel Core i7）に 4 枚の PC 拡張

限される。

ボードを介して映像を入力している。秒間 120

熟練者は初心者に比べて約 2 倍の作業量をこフレームの画像が 8 台のカメラから撮られる。

なす。そのため，手や指の動きはかなり速い。

画像はカラーでサイズは 640×480 画素 256 階調

ビデオ映像から手・指を確実に追跡するためにである。情報量が非常に多くなるため，動画をはフレーム間の動きが小さい方が良い。通常のメモリに一時的に蓄積し，HDD に転送した後，ビデオ映像は秒間 30 フレームであるが，このオフラインで動画像の解析を行うこととした。

撮影速度ではフレーム間でかなりの大きさの手パーソナルコンピュータには 64GB のメモリをの動きが見られた。そこで，秒間 120 フレーム

搭載している。メモリには RAW 画像で保存さが撮影可能なビデオカメラを購入し，使用するれるため，約 20,000 フレームの画像が保存可ことにした。

能である。これは約 3 分の動画像が保存可能で撮影のフレームレートが高くなると，フリッあり，熟練者の作業時間が約 1 分，初心者の作カーが問題となる。そこで，この問題を回避す

業時間が約 2 分であるので，両者の実演を 1 度るために，照明を全て高周波点灯（インバータに録画可能である。

点灯）とした。
図 9 は，刃付け作業を行っている作業環境の

2.4.3

手のモデルベーストラッキング全景である。画面中央からやや右寄りに熟練作

身体の多関節物体の動作解析は，身体の三次業者が後ろ向きに立って作業を行っている。カ

元多関節モデルを画像に照合させることが一般

メラは，正面に 1 台，ステンレスパイプ枠に取的である。ここでは，手の多関節モデルを多視り付けられた 2 台のカメラが上方向から撮影し点画像に照合させることにより，手の三次元姿ている。作業者の左手には 3 台，右手には 2 台勢を得る。刃付け作業では，背景が作業者の衣のカメラが三脚に載せられて配置されている。

服であり，工具が乱雑に置かれた作業机であり，作業者前方に下にスキマ検査用の蛍光灯，上方

さらにその背景自体も変動する。手が工具やワークを握るとき指先が隠されることも多い。これらの影響で，これまでの画像認識手法による
手・指の自動認識は難しいため，画像上の指の位置を教示することにした。
多視点からの画像上でそれぞれの指の位置が得られたら，手・指の三次元姿勢が決定できる。
画像フレームの順番に三次元姿勢が得られれば手・指の動作を追跡したことになる。ここで，動画像解析ではキーフレームで身体の三次元姿勢を与えることが出来れば，キーフレーム間は

図9

作業環境の様子

比較的容易に自動追跡が可能であるため，本研

図 11
2.4.5

距離画像による動きの追跡結果

リアルタイムトラッキング

より高速なモーションキャプチャを実現するために，距離画像データを解析して動作を計測した。距離画像を取得には，距離画像センサ
Kinect（日本マイクロソフト（株））を使用したが，解像度が 640×480 ピクセルで距離分解能も数ミリメートルと高性能である。また，人体，胴，腕，脚の動きを計測する機能もあるが，
図 10

手の動作の追跡結果

今回は研磨用の金属製平板の動きを計測するプ
ログラムを作成した。動きの追跡結果の一例を

究では，この手法を手の動作解析に使用する。

図 11 に示す。隠れがない理想的な状態での計すなわち，キーフレームで指の姿勢を教示しキ測であるが，毎秒約 10 フレームの計測を行う

ーフレーム間は自動追跡を行うことにした。

ことができた。さらに高速な計測を行うためには，マルチコア CPU の PC や GPU による並列

2.4.4

追跡結果

処理が必要になる。

熟練者の刃付け作業を追跡した結果を図 10に示す。刃の修正を行っている。全部で 460 フ
レームのうちの 1 コマである。右手のモデルが赤いワイヤーフレームで表示されている。

2.5

まとめ

以上，各要素技術についての成果を述べた。
各要素技術については，おおむねほぼ目標が達

モデルが全てのカメラからの手の画像と一致成できた。研究開始当初は，これらの各要素技

しているので，手の姿勢は三次元的に正確に得術をまとめて遠隔技能伝承システムを構築する

られている。このモデルは掌を最上位の部位とことを想定していた。しかし，研究を進めていする多関節構造である。掌から指先に至るリン

くなかで，本研究において作業対象とした，研ク構造では，関節の開き角度によって手の姿勢

磨作業に対して，最適な要素技術を取捨選択しが，また，その時間変化により手の運動が定量て組み合わせることで，システムを構築するこ的に記述されている。

とが適切であるとの判断にいたった。そのため，
上述の 2.3 で述べたシステムを構築することで，遠隔技能伝承システムとした。また，これを用いた実証試験を行った結果，熟練者，初心者のーが行える見通しが立った。

いずれも当該作業に関わる方々から「作業がわなお，本研究は，平成 23 年度総務省戦略的

かりやすく表現されている」と好評を得た。

情報通信研究開発推進制度（SCOPE）の委託

このように，技能の伝承に必要な情報を可視を受けて行った。

化し，客観的な表現を加え，かつ，ICT を適用することで，遠隔地においてもほぼリアルタイ

参考文献

ムで，同様の画面を確認できるようにすること

1) 五十嵐，大野，他，“新潟の匠の技を継承しが可能となった。これをもって，技能伝承の期発展させるための計測と制御に関する研究調

間短縮を想定しているが，実際の期間計測には，査”，工業技術研究報告書，37，2008，

まだ時間がかかるため，具体的な短縮度合いのp.24-26.

確認は今後の課題としたい。

2) 五十嵐，大野，他，“匠の技を継承し発展させる技能伝承支援システムの開発”，工業技

3．結言(1)輝度分布画像から局所平均反射率分布，局術研究報告書，38，2009，p.62-66.
3) 五十嵐，今泉，他，“匠の技を継承し発展さ

所拡散率分布，光沢方向分布を算出する方

せる技能伝承支援システムの開発（第 2法を考案し，従来の方式に比べて 10 分の 1報）”，工業技術研究報告書，39，2010，

以下の測定時間で，より多彩な情報を精細

p.75-79.

に取得できることが可能となった。
(2)作業工具のニッパの製造工程において，刃先の三次元形状を計測解析し，その熟練度を数値化した。
(3)バフ研磨作業における遠隔技能伝承支援シ

4) 五十嵐，今泉，他，“ICT を活用した遠隔技
能伝承アシストシステムに関する研究開発”，
工業技術研究報告書，40，2011，p.38-40.
5) 阿部，“露出ブラケット画像融合による拡張
ダイナミックレンジ画像の生成”，電子情報

ステムとして，これらの情報を無線 LAN に

通信学会信号処理シンポジウム，2011，

よって，ネットワークカメラを用いた作業

p274-278.

時の動画像伝送と合わせて遠隔地の PC に伝送するシステムを構築した。
(4)刃付け作業において多数カメラの同時撮影で行ったマーカー無しモーションキャプチ6) 大野，五十嵐，“レーザ変位センサを利用した刃付け作業の技能伝承支援システムの開発”，ビジョン技術の実利用ワークショップ，
2011，p163-164.

ャーでは，技能伝承に必要な手作業に絞っ

7) 中部，五十嵐，“バフ研磨作業における技能

た解析を行い，8 台のビデオカメラから秒

伝承支援システムに関する研究”，日本機械

間 120 フレームの高速度画像入力を達成し学会 SHD2011，2011，p476-480.

た。
(5)研磨作業において，距離画像センサを用い

8) 佐藤，山本，他，“多視点カメラモーション
キャプチャによる熟練技能センシング”，てマーカー無しモーションキャプチャーを2011 年電子情報通信学会総合大会， 2011，

行い，1 秒当たり 10 フレームのモーション

p.179.

キャプチャーが可能となった。マルチ CPU9) 大澤，山本，“多視点高速度カメラによる熟のコンピュータで並列処理を行えば，1 秒

練手作業のモーションキャプチャ”，電子情

当たり 20 フレームのモーションキャプチャ

報通信学会総合大会，2012，p167.

研究論文

インコネル 718 に対するボールエンドミル加工の切削シミュレーション（第２報）
須貝裕之*

CAE Analysis about Cutting of Inconel718 by Ball-nosed endmill (2nd report)
SUGAI Hiroyuki*

抄録

市販の切削シミュレーションソフトウエアを用いて，ボールエンドミルによる Ni 基超耐熱合金インコネル 718 の高速切削加工を解析した。既報 1)ではソフトウエアの標準条件で解析を行い，切削シ
ミュレーションの基本的な解析特性について検証した。本報では，実際に切削実験を行っている市販
ボールエンドミル工具を対象として切削シミュレーションを行い，その結果について検討した。併せて，実験において切削速度の増加に対して切削抵抗が低下する切削条件を解析し，実験と同じ現象が発現するか検証した。それぞれの検討結果をまとめると，ボールエンドミル工具によるインコネル
718 の切削については，切削速度の増加に伴って工具刃先の温度分布が高温になるとともに，熱の拡
散時間が短くなるため高温領域が狭まってゆくことを確認した。また，切削速度の増加に対する切削抵抗減少については，わずかな切削抵抗減少は認められたものの，実験と同じ現象を完全に再現するまでには至らなかった。

1.

緒

言

の検証と従来の実験結果に対する解析結果の比

従来，切削条件や工具形状を検討するため，

較，ボールエンドミルとスクエアエンドミルの切削中の工具などが受ける応力や温度を測定す

切削特性の違いについて調べた。本報では，実る方法が数多く試みられてきた。しかし，切削際の切削に近い条件におけるボールエンドミル

現象は工具刃先の微細領域において温度やひずによるインコネル 718 の高速切削を解析し，切みが極めて短時間で急激に変化する現象であり，削現象の分析や最適加工条件等の導出に利用可

これを詳細に測定することは現時点においても能かを検証する。

容易ではない。一方，現実の物理現象をコンピ
ュータにより計算する CAE（Computer Aided

2.

解析ソフトウエア

Engineering）は，1950 年頃の航空機設計のた解析にはアメリカ THIRD WAVE SYSTEMS

めの構造解析を出発点として，その後のコンピ社が開発した金属切削用有限要素法プログラム

ュータのめざましい計算能力向上とともに，そAdvantEdge を使用した。AdvantEdge は切削シの解析領域を広げてきた。近年では，切削のよミュレーション専用のソフトウエアであり，うな極めて非線形性が強い現象に対しても解析

様々な切削現象を計算できる。図 1 にソフトウが可能な動的陽解法による CAE ソフトウエア

エアの画面を示す。このソフトウエアは，汎用が登場している。

の CAE ソフトウエアと異なり，解析者が解析

1)

モデルの要素分割や境界条件の設定を意識する

既報

ではソフトウエアの基本的な解析特性* 研究開発センター

ことなく計算ができるよう配慮されている。

市販のボールエンドミル工具によるインコネル
718 の切削シミュレーションを行った。図 2 に
解析における工具の形状を示す。工具の仕様と切削条件を表 1，表 2 にそれぞれ示す。既報 1)
で行った標準条件工具による切削と比較をする
ため，主軸回転速度を同じにしてシミュレーシ
ョンを行った。この条件では，切り込みと工具
図1

ソフトウエアのメイン画面の直径，刃数が異なる以外は，ほぼ同じ切削条件となっている。

その一方，材料特性に関しては，具体的にど

図 3 に主軸回転速度 20000min-1 の場合の計算のような値が定義されているかは非公開であり，結果を示す。工具の回転に伴い切りくずが飛散

使用者が直接確認することはできない仕様となする様子が再現されている。図 4 に切削時の最っている。

高温度と切削抵抗の時間変化の計算結果を主軸
回転速度毎に示す。切削中の最高温度は一刃毎

3.

解析結果

の切削に伴って上下する。最高温度は主軸回転

3.1

市販ボールエンドミル工具によるインコ速度の増加に伴って 5000min-1 の 1000℃から増加して行くが，20000min-1 で 1200℃に達した

ネル 718 の切削
ここでは，本研究の切削実験で使用している

表1

後は，主軸回転速度が増加してもほとんど上昇

図2

市販ボールエンドミルの解析モデル形状

工具の仕様

表2

切削条件
前回の報告

本解析

前回の報告

本解析

直径

8 mm

10 mm

被削材

インコネル 718

刃数

2

3

初期温度

20 ℃

ねじれ角

20°

30°

主軸回転速度

5000, 10000, 20000, 40000
min-1

一刃当たりの送り
切込み

軸方向
半径方向

0.15 mm/tooth
5 mm

1 mm
2 mm

切削方式

下向き削り

冷却

乾式切削

しない。一方，切削中の最高温度が最も低くなは，主軸回転速度が低いときには値の振幅が極るときの値は，主軸回転速度の上昇に伴ってめて大きく正確な値を求めることは困難である-1

徐々に増加し，20000min を超えても頭打ちのものの，主軸回転速度の上昇に伴って低下する

傾向は顕著には見られない。切削抵抗に関して

傾向は明確には見られない。

(a)工具，切りくず，被削材を表示
図3(a) 5000 min -1(c) 20000 min -1
図4(b)工具非表示，切りくずと被削材のみ表示

計算結果の一例（切削時の温度分布）(b) 10000 min -1(d) 40000 min -1
切削時の最高温度と動力の時間変化

図 5 に切削中に工具の刃先温度が最も高くな

主軸回転速度の増加により一刃が切削を行うった瞬間（切削開始から 864 °回転）の温度

時間は短くなる。これに対して，一刃が切削を分布を主軸回転速度毎に示す。主軸回転速度の行う際に発生する発熱量が同じだとすれば，熱増加に伴って刃先の最高温度が増加している。

が拡散する時間が短くなる分だけ最高温度は増-1-1

主 軸 回 転 速 度 が 5000 min ， 10000 min ，加し，その領域は狭くなる。前述の切削時の最20000 min-1，そして 40000 min-1 に増加するに

高温度と動力の時間変化において，切削中に最従 っ て ， 最 高 温 度 も 約 1000 ℃ ， 1100 ℃ ，

高温度が最も低くなるときの値は，主軸速度の1200℃そして，1200℃を超える値まで増加し増加に伴って徐々に増加すると述べた。これにている。一方，主軸回転速度の増加に伴い，工関しても主軸回転速度が速くなるほど，切削を具刃先の高温領域は狭まってゆく。このように終えた切れ刃（図 5 各図の左下の刃先）の温度

主軸回転速度の増加に伴って最高温度が増加し，が高くなっていることから明らかなように，切高温領域が狭くなる原因としては以下が考えら削を終えた刃先が冷却される時間が短くなるたれる。

めこのような現象を生じていると考えられる。

(a) 5000 min -1(b) 10000 min -1(c) 20000 min -1(d) 40000 min-1
図5

工具の刃先温度分布

3.2

切削速度の増加に対する切削抵抗減少

レーションソフトウエアには同種の材料が登録

高速切削の特徴の一つに，切削速度の増加にされていないため，比較的近いと思われる伴う切削抵抗の減少がある。既報

1)

はソフトウ

SKD61（44HRC）を用いた。それ以外の工具

エア標準の工具形状と切削条件でインコネル

形状や切削条件は可能な限り実験に合わせた。

718 の切削シミュレーションを行い，シミュレ

計算結果を図 6 に，また実験とシミュレーシーションにおいても主軸回転速度の上昇に伴っョンによって得られた切削抵抗と主軸回転速度て切削抵抗が減少することを確認した。しかし，の関係を図 7 に示す。図 7 より実験条件と同じ

既報の切削条件は，実際の切削条件と比較して条件で行ったシミュレーションでは，各分力の切り込みや主軸回転速度が大きく異なっている

大小関係は（表 3）。ここでは，実際の切削条件と同じ条

主分力＞送り分力＞軸方向分力

件でシミュレーションを行い，切削速度の上昇に伴う切削抵抗の減少が再現されるか調べた。

となり、実験と同じ傾向を示しているものの，

なお，インコネル 718 を切削する今回の研究に

主軸回転速度の上昇に伴う切削抵抗低下の現象

おいては，主軸速度と切削抵抗の関係を調べたは再現されていない。また切削抵抗の絶対値も詳細なデータがないため，嶽岡がボールエンド

シミュレーションの方が 2～3 倍程度大きな値ミルを用いてプリハードン鋼を切削した実験結となっている。前回の報告における大きな切り果

2)をもとに，これをシミュレーションにより込み量と高い主軸回転速度では，切削抵抗低下

計算して比較した。表 4，表 5 に工具の仕様との現象がシミュレーションにおいて確認されて切削条件を示す。実験に使用した被削材はいるにもかかわらず，今回の条件では確認され(株)日立金属製プラスチック金型用プリハーなかった。このことから，切削シミュレーショ

ドン鋼 HPM1(41HRC)であるが，切削シミュ

ンソフトウエアの計算アルゴリズムがボールエ

表3

切削条件の違い

前回報告のシミュレーションにおけ

実際の切削条件

る切削条件
工具
主軸回転速度

ボールエンドミル

ボールエンドミル

材種 超硬，直径 8 mm, 2 枚刃

材種 超硬，直径 6 mm, 3 枚刃

5000～40000 min

一刃当たりの送り-12420～14600 min-1

0.15 mm/tooth

0.05～0.18 mm/tooth

軸方向切込み5 mm

0.3 mm

半径方向切込み

2 mm

0.5～0.8 mm

表4
工具

工具の仕様

表5

切削条件

ﾎﾞｰﾙｴﾝﾄﾞﾐﾙ

被削材

SKD61(HRC44)

材種

初期温度

20 ℃

主軸回転速度

5000, 10000, 20000, 30000, 45000 min-1

超硬

直径

2 mm

刃数

2

一刃当たりの送り

0.1 mm/tooth

すくい角

5°

切込み

軸方向

0.5 mm

ねじれ角

20°

半径方向

0.5 mm

切削方式

下向き削り

冷却

乾式切削

図 6 シミュレーションモデルと切削時の温度分布例
100

180

Principal force

90

160

Feed force

80

Thrust force

140
120

Cutting force N

Cutting force N

70
60
50
40

100
80
60

30

40

20
10

20

0

0

Principal force
Feed force
Thrust force

0

10000

20000

30000

40000

50000

0

10000

(a) 実験

20000

30000

40000

50000

Spindle speed min-1

Spindle speed min-1(b) シミュレーション

図 7 実験とシミュレーションにおける主軸回転速度と切削抵抗の違い
ンドミルを用いた低切り込み，高送りの高速切間が短くなるため，高温領域が狭まって削に対応していないことが原因の一つと考えらゆくことを確認した。

れる。従って，現状では小径ボールエンドミル(2) 現状の切削シミュレーションは，本研究を用いた高速切削に対して，実現象を定量的にで行っている小径ボールエンドミルによ再現しているとは言い難い。ただし，工具形状

る低切り込み高送りの高速切削を完全にを変更した場合の効果など定性的な評価を行う

再現できるまでには至っていない。しか場合や，切削時の刃先の温度変化等実測が困難

しソフトウエア開発元ではこの原因を検な評価を行うにあたってはその有効性を発揮で討中であり，将来的には改善されることきる機会も十分にある。

が期待される。

4.

結

言

参考文献

切削シミュレーションソフトウエアによって

1) 須貝裕之，“インコネル 718 に対するボー

インコネル 718 の切削を解析した結果を下記

ルエンドミル加工の切削シミュレーションにまとめる。

（第 1 報）” ，新潟県工業技術総合研究所(1) 市販の工具を対象として主軸回転速度を

研究報告書 No.40 平成 22 年度，2010，p8.

変化させて切削シミュレーションを行い，

2) 嶽岡悦雄，“高速空気静圧主軸による高硬切削速度の上昇に伴って工具刃先の温度

度材のエンドミル加工に関する研究” ，東分布が高温になるとともに，熱の拡散時

京大学博士課程学位論文，1998，p75.

研究論文

木材の新たな利用分野を開拓するためのプレス加工技術の開発
内山雅彦*

Development of a Press Processing Technology for New Applictaions of Wood
UCHIYAMA Masahiko *抄録

高い成形性と加工時間の短縮化を併せ持った木材の塑性加工法を開発するために，アクリル系樹脂と木材との複合体である含浸型 WPC を使用し，含浸された樹脂の熱可塑性を利用した加熱成形技術の研究を行った。成形方法は加熱パンチによる 3 点曲げ法と，木材では例の少ないカール加工法で行ない，特にカール加工において小径曲げ加工への有用性が確認できた。また，この条件をもとに，実用化を見据えたカール曲げ加工装置を試作し製品レベルでの試験を行った結果，高い成形性と加工時間の短縮化などが確認できた一方で，実用化に対するいくつかの問題が明らかになった。
本研究では，木材の塑性加工をより発展させ，

1．緒言
金属やプラスチックの加工現場で一般的に使加工現場での実用化を図るために，木材と熱可用されているプレス成形などの塑性加工技術は，

塑性樹脂の複合体である含浸型 WPC（Wood

木材加工を行う技術者にとっては非常に魅力的

Plastic Combination）を使用し，含浸樹脂の熱可な加工技術である。昨今，エコ材料の代表とし塑性を利用して軟化，冷却時間の短縮化を図り，て認知されている木材ではあるが，切削加工が

さらに木材には実績の少ないカール加工法など容易な材料の特性から加工方法は鋸や鉋に代表を試みることで，小半径の曲げと短時間加工法

される切削法が中心であり，加工現場では多くの開発を目指すこととした。また，この手法をの端材や切削屑などの無駄が生じているのが現用いた WPC の曲げ加工装置を試作して，実用状である。木材の塑性加工が進まない原因とし化を見据えた成形試験を行ったので報告する。

ては大きく 2 つの問題がある。一つ目は，木材

なお，この研究は平成 22～23 年にかけて，新の成形性を良くするための軟化と，形状を維持

潟県創造的研究推進費により実施したものであさせるための固定化に時間がかかることである。

る。

二つ目は，木材は延性が小さいため，トーネッ
ト法のように，外周の延びを抑え内側を圧縮さ

2．試験方法せることで曲げ加工を行なう必要があることで。この方法では，木材の引張側に帯金を2.1 試験に使用した WPC 材料試験に用いた樹種はスギ，イタヤカエデ，オ

沿わせ，中立軸を内側に移行させるなどの処置

ニグルミ，ブナであり，新潟県魚沼市近郊のもが必要なため手作業が中心となり，大量生産にのを使用した。WPC 処理については，(有)貫木は向かない。木材の曲げ加工は非常に魅力的な産業に処理を依頼し，含浸樹脂はアクリル系モ

技術ではあるが，これらの問題により現場ではノマーを選定した。含浸条件を同一にした結果，手軽に使える技術となっていない。

ポリマー含量 2）は重量比でスギが 142%，イタある1）* 下越技術支援センター

ヤカエデが 66%，オニグルミが 70%，ブナが 50%
となった。

2.2

に到達した時間は，加熱パンチ温度 230℃では軟化温度の設定

セイコーインスツルメンツ（株）社製熱機械

約 50sec，200℃では約 70sec，180℃では約 90sec

測定装置 TMA/SS6000 を用いて WPC のガラスとなったが，230℃ではパンチ接触部分が焦げ転移点を求めたところ，110℃付近で著しく強度るため，以降で説明する成形試験には最も早くの低下が見られたため，軟化温度はこの温度を温度を上げることができた 200℃の加熱条件を目安とした。

用いて試験を行った。

次に WPC 試験片の裏面への温度の伝わり方の測定方法を図 1 に示す。試験は，3 点曲げ法

2.3

加熱パンチによる曲げ試験

により，4mm幅の角型パンチを加熱したものを，

半径 R=6～12.5mm(以下 R6～12.5mm と表示

1.5mm（T）のイタヤカエデ WPC 試験片に接触する)の加熱パンチを使用して，3 点曲げによるさせ，裏面の温度上昇を測定した。結果を図 2

WPC の曲げ試験を行った。WPC は 15mm(W)に示す。裏面温度が軟化温度の目安となる 110℃

×1.5mm（T）の大きさのものを使用し，割れを防ぐため試験片の下側に 0.1mm（T）のステンレス板を 10 枚重ねて，パンチに対向しながら密着して加圧できるように工夫した。下部の支点は R15 で，クリアランスは 1mm とした。曲げ加熱パンチ

試験の条件は，200℃で加熱したパンチを 10Nの荷重で押しながら 70sec 予備加熱した後，精密万能材料試験機（（株）島津製作所製

WPC

AG-100KNG-M）により 10mm/min のスピードで試験を行った。
2.4

カール加工ジグを用いた曲げ試験

カール加工は，試験片を押し込む抵抗により絶えず試験片に圧縮応力が加わり，この応力をクリアランス量や試験速度の変化により調整す
図1

裏面への温度の伝わり方の測定ることで，曲げ加工の際に内側部分の圧縮変形

裏面温度（℃）を起こし易くする特徴がある。また，カール加140

工処理ではジグのクリアランスが小さくなるこ

120とから熱以外の軟化条件を行うことが難しく，

100

さらに，押し込み抵抗に試験片が耐えなければならないことから，曲げ加工直前まではある程

80
230℃
60

WPC は加熱により軟化することが可能で，通常180℃の木材よりも高い強度を有していることから，

40

20度の材料強度が維持できていることが好ましい。

200℃

この条件に適している材料として期待した材料

0
10

60

110

160

加熱時間（sec）

図2

裏面の温度測定結果である。試験片には 1.5mm と 3.0mm（T）のオ
ニグルミとイタヤカエデの WPC を使用した。
図 3 にカール加工用ジグによる試験状況を示す。

表1

曲げ試験の結果(a)無処理材

WPC

加熱パンチ

R6

R7

R8

R9

R12.5

スギ

☓

☓

☓

☓

☓

ブナ

☓

☓

☓

☓

☓

イタヤカエデ

☓

△

○

△

◎

オニグルミ

☓

☓

☓

☓

☓

(b)WPC
図3

カール加工ジグによる実験状況

R6

R7

R8

R9

R12.5

1.5mm（T）の試験片は R3～7 の曲率で，3.0mm

スギ

☓

○

☓

○

◎

（T）の試験片では R9～10 の曲率で試験を行っ

ブナ

☓

☓

△

○

△

イタヤカエデ

☓

☓

☓

△

◎

オニグルミ

△

○

◎

◎

◎

た。試験速度は 30～100mm/min とし，ジグと試験体のクリアランスは 0～0.3mm で行った。
2.5

温度および湿度に対する安定性

加熱パンチを用いた 3 点曲げにより R12.5 で成形したイタヤカエデ WPC と，蒸煮処理により軟化させ，同曲率で成形したイタヤカエデの験の結果，無処理材で成形できたのはイタヤカ
エデのみとなり，加熱軟化による成形性が突出して良い結果となった。WPC 処理したものでは，
オニグルミが R6 まで成形可能となり，相対的に無処理材を，20℃-40%RH で 24h 養生した試験は WPC の方が無処理材よりも成形性が良いが，片を用いて，温度と湿度による形状の安定性に

イタヤカエデのみこの結果が逆転した。

ついての評価を行った。温度条件は 40℃，60℃，
80℃の順に温度を上昇させ，それぞれの環境で2h 処理した。また，湿度条件は，養生した試験
片を 20℃-90%RH に 5h，次に 20℃-40%RH に
17h で処理することを 1 サイクルとして，これを 2 サイクル繰り返した。温湿度試験は楠本化成（株）製 恒温恒湿槽 HIFLEX FX714P を使

3.2

カール加工ジグを用いた曲げ試験

試料にはオニグルミとイタヤカエデの WPC処
理材を使用した。試験の評価は成形性を目視で判断し，割れが生じなかったものを 3 ポイント,
修正可能な割れのものを 2 ポイント，それ以外の割れを 1 ポイントとして，3 試料の平均が 2 ポ
イント以上となったものを合格とした。

用した。成形状態の安定性の評価は，オリンパ

試験結果を図 4 に示す。カール加工の特徴とし

ス光学工業（株）製の工具顕微鏡

STM5-LMて，クリアランスを小さくすると押し込み力がにより，試験片の開き角度を読み取り評価した。

上昇し，成形性も上がる傾向があった。また，表記していないが，試験速度を上げると押し込

3．結果と考察

み力が上昇した。グラフはそれぞれの試料で合3.1

格ラインに達した最も小さな曲率で，その中で加熱パンチによる曲げ試験

加熱パンチによる曲げ試験の結果を表 1 に示

最も早い速度で成形できた時のものを抜粋した。

す。試験片は各 3 試料として，ひび割れなどの1.5mm（T）の試験体では，オニグルミが R3 の欠損がまったく生じないものを目視で判断して曲率で 100mm/min の速度で可能となり，評価ポ合格とした。 全て合格したものは◎，2 試料はイント 3 となり高い成形性を示した。イタヤカ○，1 試料は△，すべて失敗は×で表わした。 試

エデは 0.1mm のクリアランスで R7 までが合格

ラインとなり，試験速度 50mm/min まで可能であ
オニグルミ Ｒ３ 100mm/min
8

ったが，クリアランスを 0 にすると押し込み部

3

合格ライン

かった。3.0mm（T）の試験片では，オニグルミ

2
成型性

押し込み力（Ｎ）

分で試験片が座屈し，これ以上の試験はできな
6

4
1

2

押し込み力

0

ルミの試験体を示す。

0
0.1

0.2

0.3

内側に圧縮に伴うシワがあり，外周の延びをクリアランス（mm）(a)オニグルミ WPC

評価ポイント 3 で，1.5mm（T）と同じく割れずに良い成形性を示した。図 5 に試験後のオニグ

成型性
0が，R10 で試験速度 100mm/min まで可能であり，抑えながら成形されているのがよくわかる。イ1.5mm（T）

イタヤカエデ Ｒ７ 50mm/min
8

3

合格ライン

2

成型性

押し込み力（Ｎ）

6

4

座屈
1

2

圧縮に伴うシワ

押し込み力

成型性
0

0
0

0.1

0.2

0.3

クリアランス(mm)(b)イタヤカエデ WPC

1.5mm（T）

図5）
オニグルミ Ｒ１０ 100mm/min
押し込み力（Ｎ）

20

3

カール加工試験片（オニグルミ）

タヤカエデも R10 の曲率で成形可能となったが，評価ポイントは 2.3 で，成形性はオニグルミより

合格ライン

10
1

押し込み力

5

低かった。以上のように，カール加工試験につ

2
成型性

15

いては，オニグルミの WPC が非常に高い成形性を示すこととなった。

成型性

0

3.3

0
0

0.1

0.2

0.3

図 6 に評価に用いた試験片を示す。まったく

クリアランス（mm）(c)オニグルミ WPC

戻りの無いものは 0°となり，戻りの発生に伴い3.0mm（T）

開き角度が増加する。この変化を読み取ること）で安定性を評価した。温度に対する安定性の結

イタヤカエデ Ｒ１０ 100mm/min
3

果を図 7 に，湿度に対する安定性の結果を図 8に示す。養生後に若干の回復が見られるのは，

合格ライン
2

成型性

押し込み力（Ｎ）

2015

温度および湿度に対する安定性10

養生時は試料を曲げた状態で固定金具に取り付

1
押し込み力

5

成型性
0

R12.5

0
0

0.1

0.2

0.3

クリアランス（mm）(d)イタヤカエデ WPC
図43.0mm（T））
カール加工試験の結果

図6

試験片と開き角度

4．実用化に向けた加工装置の試作

30
無処理材

開き角度(°)

25

ＷＰＣ

以上の結果をもとに，実用化を図るための加工装置を試作した。図 9 に加工装置の外観を示20す。加工装置はカール曲げを行うための加熱金

15

型と成形物を取り出すためのノックアウトから構成されており，精密万能材料試験機により材10

料を押し込む仕組みになっている。金型温度を5200℃にセットし，3.0mm（T）の WPC 処理した

0
養生後

40

60

80

温度(℃)

図7
90

養生

90%

温度に対する安定性
40%

90%

40%

90%

ノックアウト8070

開き角度(°)

60

無処理材
ＷＰＣ

50

加熱金型

40
30
20
10
0
10

30

50

70

時間 (h)

図8

湿度に対する安定性

けていたが，試験時に金具から外すと同時に残留する応力により徐々に復元し，この戻りが初期条件時に付加されたものと推察される。養生後の戻りは無処理材の方が大きく，特に湿度に対する試験では，開始当初に 75°付近まで回復した。試験はこの状態から行うこととした。
温度による試験では無処理材，WPC ともに 80℃までは安定状態を維持していた。一方，湿度に対しては，乾湿繰り返しにより徐々に復元する傾向が確認され，無処理材の方が WPC に比べて戻りが大きかった。湿度に対する戻りは 3 サイ

図9

加工装置外観オニグルミ材を使用して，クリアランス 0mm，試験速度 100mm/min で成形試験を実施したところ，図 10 のような曲げ加工が可能となり，セッ
ティングの容易さ，早い加工速度など，従来の木材曲げ加工には無い新規性のある加工であることが実感できた。その一方で，スケールアップによるジグの熱変形や，成形距離の増加に伴
なう押し込み抵抗の増加が原因となる材料の座

クル以降も続くものと思われ，製品化に際しては湿度や水の浸入を防ぐための塗装や戻りを防ぐための金具固定などの対策が必要だと考えて
いる。
図 10

曲げ加工試作品

屈などの問題も生じており，実用化に際しては(3)成形後の安定性を調べたところ，温度変化にまだいくつかの課題を解決しなければならない。

対する高い安定性が確認できたが，湿度によ

今後は企業との共同研究により問題の解決とる乾湿繰り返しでは，徐々に復元することが実用化技術の構築を図りたい。また，一連の曲わかった。製品化に際しては何らかの防湿対げ加工技術については，特許出願済みである。
5．結言(1) アクリル系樹脂との複合体である WPC を利用して，加熱パンチによる 3 点曲げ加工を行った結果，1.5mm（T）のオニグルミが R6の曲率まで加工が可能となり，無処理材に対して高い成形性が認められた。
(2)加熱ジグによる WPC のカール加工を行った
ところ，3 点曲げ成形法より小さな曲率まで加工が可能で，1.5mm（T）の材料では，オ

策を施す必要がある。
(4)カール曲げ加工装置の試作を行い成形試験を行った結果，加工時間の短縮化や成形性の良さ，短時間セッティングなど，実用化に向けて有望な特徴がみられたが，一方では，ジグの熱変形，押し込み抵抗による材料の座屈など，改善しなければならない問題も明らかになった。
(5)これら一連の曲げ加工技術において特許の出願を行った。

ニグルミで R3 まで，3.0mm（T）の材料では，オニグルミとイタヤカエデが R10 までの曲率成形が可能だった。

参考文献
1) カール・マンク，“トーネット曲木家具”，
鹿島出版，1985，p47.
2) 今村博之ほか（編集），“木材利用の化学”，
共立出版，1983，p257.

Ⅱ

ノート

ノート

超微細成形技術によるシート型微小針アレイの開発（第 2 報）山田 敏浩*

斎藤 博** 坂井 修* 樋口 智* 菅野 明宏*

Development of Hollow Microneedle Array by using Ultra Fine Injection Molding Ⅱ
YAMADA Toshihiro*, SAITO Hiroshi**, SAKAI Osamu*,HIGUCHI Satoru*and KANNO Akihiro*

1. 緒

言

医療機器産業では，患者の肉体的・精神的負担

熱酸化膜

フォトレジストの軽減等の観点から，注射針を使用した時の痛みや皮膚ダメージ等の軽減が求められている。

Siウェ-ハ本研究では，プラスチック成形技術を高度

レジストパターニング

化した超微細樹脂成形技術を用いて，無痛・ドライエッチング装置
MEMS プロセス

低侵襲のシート型中空微小針アレイを開発する。
微小針の数は 1 シートあたり 10～20 個を想定
酸化膜エッチング

しており，成形金型の作製には，多数の微細形状を一括して形成できる MEMS プロセスと超精密切削加工を用いる。

ドライエッチング

本報では MEMS 加工による微細突起形成，

超精密加工機微小針の刺通性評価，およびシリコンの超精
密切削加工について検討を行った結果につい

ドリル

超精密加工

て報告する。
2.

機械加工（穴あけ）→シリコンマスター型

微小針アレイ成形型作製プロセス

成形型の作製プロセスを図 1 に示す。まず，
フォトリソグラフィとドライエッチングから

ニッケル電鋳→精密成形金型

なる MEMS プロセスによりシリコンウェー

図 1 微小針アレイ成形型の作製プロセス

ハ上にアレイ状に配列した微小突起を作製する。つぎに，薬液が通過する穴を超精密切削

3.

ドライエッチングによる微小突起の形成加工機で高精度に加工する。その後，作製さ本報では，シリコンのマスター型を，垂直れた形状をマスター型として，これにニッケ壁を形成する Bosch プロセスとサイドエッチ

ル電鋳を行い，形状を転写し，成形型とする。

ングを利用するテーパーエッチングを用いて形成する。今年度の突起の高さの目標は*研究開発センター**

下越技術支援センター

500μm とした。

3.1

Bosch プロセス

Bosch プロセスでは SF6 ガスによるエッチ
ングと C4F 8 ガスによる側壁保護を繰り返す
ことにより垂直壁を形成する。加工例を図 2
に示す。
3.2

図 5 微小突起加工例①

テーパーエッチング

テーパーエッチングは，サイドエッチングを活用したプロセスである。図 3 に円形マスクを用いてテーパーエッチングを行ったものを示す。エッチングガス中に含まれる酸素量は，(a)，(b)，(c)，(d)の順に多い。酸素量により側面の傾斜を変えることができる。
図 6 微小突起加工例②3.3

微小突起の形成

垂直壁を形成するプロセスである Bosch プ

ロセスとサイドエッチングを活用したプロセスであるテーパーエッチングを併用すること
で，目的とする針高さ 500μm の突起形状を形成できるか検討した。
プロセスの概要を図 4 に示す。手順は次のとおりである。

図 2 Bosch プロセス加工例①熱酸化膜をパターニング②テーパーエッチングでテーパー形状を形成③Bosch プロセスで垂直壁を形成④テーパーエッチングでサイドエッチング

熱酸化膜パターン④の後，③と④を繰り返し行うことでテー(a)パー形状を形成する。

(b)

図 5，図 6 に加工例を時系列に並べて示す。
傾斜角はテーパーエッチングの酸素流量と加工時間で調節 可能である。図 6 の針高さは500μm である。
(c)(d)
図 3 テーパーエッチング加工例

4.

シリコンへの微細穴加工
成形する微小針には中空穴が設けられるた

熱酸化膜

め，マスター型の製作時，シリコンに高精度な穴加工をする必要がある。ここでは，ダイ

Siウェーハ①熱酸化膜 ②テーパー
パターニング エッチング③Bosch
プロセス

④テーパー
エッチング

図 4 微小突起形成テーパーエッチング

ヤモンドドリルによる微小穴加工と超硬ドリルを用いた超音波援用微小穴加工について検
討した。

4.1

ダイヤモンドドリルによる微細穴加工

表 2 超音波加工条件

超精密加工機を用いて，φ30μm の単結晶ダ

被削材
単結晶シリコン
超硬合金ドリル（Φ0.1mm）
工具
振動周波数（kHz）
31.84
振動振幅（μm）
1
60,000
主軸回転数（min-1）
穴深さ（mm）
0.7
ステップ量（mm）
0.01
クーラント
エアー

イ ヤ モ ン ド ド リ ル に よ る シリコンへの穴加工について検討した。使用したダイヤモンドドリ
ルを図 7 に示す。表 1 の加工条件によりシリコンで作製した突起の上面に穴加工を行ったものを図 8 に示す。脆性破壊は生じず，真円度も良好であった。
4.2

超硬ドリルによる超音波援用微小穴加工
ダイヤモンドドリルと比べてコスト面で有利な(a)超音波加工

超硬合金ドリルを用いて，超音波援用切削加工に(b)慣用加工

図 10 工具先端摩耗ついて検討した。
超音波発生ユニットを図 9 に示す。振動子
は工具軸方向のみ振動する軸振動子を用いた。
表 1 微小穴加工条件
被削材
工具

単結晶シリコン
単結晶ダイヤモンドドリル（Φ30μｍ）
60,000
主軸回転数（min-1）
送り速度（mm/min）
0.03
ステップ量（mm）
0.0005クーラント
放電加工用油を間欠供給(a)超音波加工(b)慣用加工

図 11 加工後の微細穴加工装置は NC フライス盤を使用した。加工
条件を表 2 に示す。実験は送り速度のみを変

100μm

160μm

化させ実施した。
送り速度 10mm/min における加工後の工具先端の様子を図 10 に，穴の様子を図 11 に示
10μmす。工具先端の磨耗量は，実験を行った送り速 度 で は い ず れ も 慣 用 加 工 に 対 し 優 位性は

図 7 ダイヤモンドドリル

認められなかった。

50μm

5.

刺通特性評価

成形した針の刺通特性について検討した。針を図8

弾性体に押し込み，針がその弾性体を穿刺するとシリコン突起上面への穴加工きの様子を図 12 に示す。まず，針の押込み始めに
工 具
振動振幅測定用は，針には弾性変形抵抗だけが加わる。その後，
超音波
振動子

針を押込み続けると，弾性変形が限界に達して弾性体が引き裂かれて穿刺が生ずる。このときに荷静電容量型

重曲線は屈曲し，その屈曲点における荷重が穿刺変位計荷重である。微小針における刺通特性を評価する

図 9 超音波発生ユニット

ためには，この屈曲点の荷重を測定する必要があ弾性変形抵抗

0.80
摩擦抵抗

0.70
金属針φ 90

針にかかる荷重

引裂き抵抗

荷重 [N]

0.60
0.50
0.40
0.30
針先端の位置

図 12 刺通特性曲線のイメージ図

金属針φ 800.20

PP針(No.1)

0.10
0.00
0

100

200

300

400

500

600

押込み量 [μ m]

図 14 荷重測定結果

6. 結(a)PP 製試作針先端外径 90μm(b)金属針先端外径 90μm

図 13 試作針

言

シート状の微小針アレイを開発するため，
ドライエッチングと超精密切削加工によるシ
リコンマスター型の作製等について検討を行る。ここでは，昨年度に構築した高感度荷重測定った。得られた結果は以下のとおり。

システムを用いて，本開発で試作した微小針のシ(1)シリコンウェーハ上にドライエッチング

リコンゴムに対する押込み荷重測定を実施した。

により高さ500μmの微小突起を一括作製

また同様に，金属製の針による押込み荷重試験もした。

実施して比較することで，本開発の針における刺通特性の考察を行った。
ポリプロピレン（以下 PP）製試作針と金属製針(2)微小突起上面に，単結晶ダイヤモンド工具による超精密加工を実施し，穴径30μmを達成した。

を図 13 に示す。これらについて，シリコンゴムへ(3)汎用工作機械と超硬合金工具による微細の押込み荷重測定を行った結果を図 14 に示す。押

穴加工について，超音波援用加工を試み

込み量と荷重はほぼ同様の傾向が得られた。すな

たが最適条件の把握までには至らなかっ

わち，針先端部の形状が刺通特性に大きく影響をた。今後は早急な最適条件の把握が課題及ぼすことがあらためて確認できた。金属製針でである。

は，押込み量が約 380～500μm において，最初の(4)PP 製試作針と金属製針についてシリコンゴ

荷重屈曲点が現れていることから，本形状の針にムへの押込み荷重測定を行った結果，押込み

おいて穿刺を生じさせるには，それ以上の針長さ

量と荷重はほぼ同様の傾向が得られた。針先が必要であると考えられる。また，金属製の針を端部の形状が刺通特性に大きく影響を及ぼす

シリコンゴムへ押込んだ場合に，最初の屈曲点がことを確認した。

生じる最小荷重が約 0.34N であることから，本開発品の先端形状で長い PP 製針を用いた場合におなお，本研究は，平成 23 年度戦略的基盤技

いても同程度以上の刺通力が生じるものと推察で術高度化支援事業の成果の一部であり，経済産きる。

業省の委託を受けて行ったものである。

ノート

未利用低温排熱利用の発電システムの技術開発
須貝

裕之*

本田

崇*

淑人**

阿部

朋之*

坂井

Development of Power Generation System using Untapped Low Temperature Heat Source
SUGAI Hiroyuki*, HONDA Takashi* , ABE Yoshito** and SAKAI Tomoyuki*

1. 緒

言

工業技術総合研究所では平成 21，22 年度に後の熱気を効率的に回収し，後述する熱輸送装
置の作動流体との間で熱交換を行う

工場排熱を再利用するエネルギーシステムの開発を目指して，「排熱利用研究会」を立ち上げ

2.2

熱輸送装置

活動を行ってきた。その成果として，県内に多熱輸送装置は，集熱装置によって集められた数立地する米菓メーカにおいて，米菓を製造す

熱を効率よく，後述するスターリングエンジン

るために使用される運行釜からの排熱を電気エに伝える機能を果たす。具体的には，ヒートパ

ネルギーに変換する装置を開発するテーマが，イプの一種であるサーモサイフォンによりこれ(財)にいがた産業創造機構が募集する市場開を実現する。ヒートパイプ（サーモサイフォ

拓技術構築事業に「未利用低温排熱利用の発電

ン）は，真空容器内に水などの作動流体を封じシステムの技術開発」として採択され，平成込めた伝熱装置である。一端を加熱することに23 年 1 月から平成 25 年 12 月の 3 年間にわたより，内部の作動流体が蒸発して移動し，冷却って研究開発を行うこととなった。

側で凝固して液体に戻る。液体の蒸発・凝縮にこの研究は排熱利用研究会の参加企業を中心

伴う潜熱は極めて大きいため，エネルギー必要として，関連企業，新潟大学，県農業総合研究とせずに大きな熱輸送が可能となる。その性能

所食品研究センター，そして工業技術総合研究

は，金属材料の中で熱伝導率が良い純銅と比較所が共同研究体を形成して行う。本報告では，しても 100 倍以上になる。

この研究全体の概要と工業技術総合研究所が担当するコンピューターシミュレーションを利用した開発支援について紹介する。
2.

2.3

スターリングエンジン

本システムの中核がスターリングエンジンで発電システムの概要と開発担当
本研究で開発する発電システムの概略を図 1に示す。システムは「集熱装置」，「熱輸送装置」，「スターリングエンジン」そして「蓄電・制御装置」の４つの要素から構成される。
それぞれについて以下に説明する。
2.1

集熱装置

集熱装置は，運行釜から排熱される 200℃前*

研究開発センター** 下越技術支援センター

図1

発電システムの概要

ある。スターリングエンジンは，高温と低温の

今年度は試験用の小型発電システムを開発し，温度差を利用してエンジン内部の作動気体を膨次年度に実用機の開発，そして最終年度には実張・収縮させてピストンを動かす。これにより用機の耐久性やコストダウンなどの検討を行っ

高温の排熱を吸収して運動エネルギーに変換すた後，商品化を目指す。

ることが可能となる。
3.
2.4

CAE による開発支援
工 業 技 術 総 合 研 究 所 で は CAE （ Computer

蓄電・制御装置

スターリングエンジンにより得られた動力で

Aidded Engineering：コンピューターシミュレ

発電機を回すことにより，運動エネルギーを電ーションによる設計開発支援）により集熱装置

気エネルギーに変換することができる。得られと熱輸送装置の開発を支援している。今回対象

た電気エネルギーは周波数や電圧変動の関係でとする現象は，熱を伴う流れであることから，

直接系統電力に戻せないので，蓄電・制御装置

シミュレーションにはソフトウエアクレイドル

により系統電力に戻すことが可能な安定した電社の熱流体解析ソフトウエア SCRYU/Tetra を力に変換する。

使用した。以下に解析結果の一例を紹介する。

４つの要素それぞれの開発分担を表 1 に示す。
事業の統括は吉田商工会（燕市）が行う。集熱

3.1

集熱装置のシミュレーション装置と熱輸送装置は，サーモ技研（燕市）とセ

図 2 に集熱装置として検討しているコルゲー

キサーマル（燕市）が製作を行う。新潟大学はトフィンチューブとこれを運行釜に取り付けてサーモサイフォンの基礎的な特性を調査し開発

熱交換を行った際の温度分布の解析結果を示す。

に活かすための研究を行う。工業技術総合研究

コルゲートフィンチューブは銅管の周りに熱伝所は，コンピューターシミュレーションにより達を高めるためのフィンを螺旋状に取り付けた装置の開発を支援する。食品研究センターは運行釜による実験や米菓の焼き加減に与える影響を評価する。スターリングエンジンは，サーモ技研，ツインバード工業（燕市），セキサーマ
ル，共和工業（三条市）が開発を行う。蓄電装
置はサーモ技研と工技総研が開発する。

表1

開発の役割分担

総括

吉田商工会

集熱装置

基礎実験

新潟大学

熱輸送装置

CAE

工技総研

装置製作

サーモ技研

(a) 集熱装置用コルゲートフィンチューブ

セキサーマルスターリン

集熱実験

食品研究ｾﾝﾀｰ

装置製作

サーモ技研

グエンジン

ﾂｲﾝﾊﾞｰﾄﾞ工業
セキサーマル
共和工業

蓄電装置

装置製作

サーモ技研
工技総研

(b) 解析結果（チューブ周りの温度分布）
図2

集熱装置の概要と解析結果

凝縮器

作動流体：水

凝縮

蒸発器

図4

小型スターリング発電システム

加熱(a) サーモサイフォンの模式図
構造が性能に大きな影響を与える。
そこで新潟大学において，実験用サーモサイ
フォンによりサーモサイフォンの基礎的な特性評価を行い，工業技術総合研究所は大学と連携してサーモサイフォンをコンピューター上で再現し，装置の構造最適化や実際に装置を作る前の機能検証を行うことにより，装置開発を支援している。
(b) 解析結果
（サーモサイフォン内の温度分布）
図3

サーモサイフォンの概要と解析結果

3.3

開発した小型スターリング発電システム

図 4 に開発中の小型スターリング発電システ
ムの外観を示す。スターリングエンジンはテス伝熱管である。解析では，集熱効率を高めるた

ト用の電気ヒーターの熱をサーモサイフォンにめコルゲートフィンチューブの周りに取り付けより取り込んで運転することに成功している。

る風導板形状の最適化やそれによる集熱能力の

現在は各システムの動作確認と性能検証，そし予測を行い，効果が期待できるものについてはて大型化に向けての問題点の抽出と対策を検討

実際に試作し検証を行っている。

中である。

3.2

4. 結

サーモサイフォンのシミュレーション

図 3 に熱輸送装置として検討しているサーモ
サイフォンの模式図とこれをもとにした解析結果を示す。サーモサイフォンでは図 3(a)の蒸発器（集熱装置に接続）で加熱により蒸発した水が水蒸気となって凝縮器（スターリングエンジ
ン加熱部に接続）に移動し，そこで冷却されて凝縮することにより熱を伝える。このため，封入される水の量や蒸発器や凝縮器の寸法，内部

言

産学官共同で行う未利用低温排熱利用の発電システムの技術開発に対して，コンピュータシ
ミュレーションによる開発支援を行い以下の成果を得た。
(1) 集熱装置の開発に対して形状の最適化や集熱能力の予測を行い開発を支援した。
(2) 熱移送装置の開発に対して装置の構造最適化や機能検証を行い装置の開発を支援した。

ノート

省エネ型植物工場に向けた基盤技術の開発
高橋 靖* 岡田 英樹*

Development of Fundamental Technologies for an Energy Conservation Plant Factory
TAKAHASHI Yasushi* and OKADA Hideki*

1. 緒

言

て現在最も多用されている安価な蛍光灯に様々な光

植物工場は，土を使用し天候に左右されていた従来の農業と異なり，土を離れた養液栽培を基本とし質変換資材を組み合わせて光質のみを変化させた際のレタスの生育の違いについて検討した。

環境を高度に制御する農作物の生産システムである。
①季節，天候に左右されずに安定供給（納期，数量，

2. 試験

品質，価格）が可能である，②地域や土地を選ばな

2.1 供試材

い，③単位面積あたりの生産性が高い，④養水分制

レタスの種子 2 種類（大創産業，‘チマサンチュ’，

御による食味の向上が期待でき，農薬，重金属，微‘サニーレタス’）を充分吸水させたウレタンスポン

生物などによる汚染が少ない，⑤労働が平準化できジ（大きさ一辺 30mm の立方体）に播種し，透明の作業環境が快適である，などの利点を有することか

プラスチックデシケーター内にて気温 18℃，太陽光ら近年注目を集めている。

源下で45日間，発芽，育苗したものを試験に供した。

しかし，その反面，①設置コスト・運営コストが高い，②経済栽培可能な品目が少ない，③厳密な環境制御が難しい，④技術面・経営面の課題に対応で
1）

2.2 方法15cm 間隔に直径 30mm の穴を 6 カ所開けた発泡ス

きる人材の育成，など多くの課題を抱えている 。

チ ロ ー ル 製 の 定 植 パ ネ ル （ 大 き さ

このうち最も大きな課題である設置コスト・運営コ

450mm×330mm×t30mm）に供試材（前述の苗）を定ストの削減には，安価に普及できる省エネ型植物工

植した後，気温 15℃，湿度 50%RH（ただし，気温，場技術の開発が不可欠であると思われる。植物工場

湿度は成り行き），光源に蛍光灯（18W×4 本／定植のうち，太陽光を全く利用しないものを完全人工光

パネル 1 枚当たり）を使用し，日長 14 時間，湛液方型植物工場といい，栽培期間の短いレタスなどの葉式による水耕栽培を実施した。なお，培養液は大塚

菜類が商用生産されている。この形式では，照明にハウス肥料 A 処方の 1 倍濃度（EC1.4dSm-1，pH4.2），

かかるコストが運営コストの約1／3と大きな割合を

液量 4L とし，定植から 2 週間後に培養液を全量交換占めることから，効率的な照明方法が色々と検討さし，4 週間後に収穫した。

れており，植物の光合成に有効な波長成分を有する
LED も利用されてきている 2）3）が，現時点では高価であるため，多くの導入には至っていない。
本研究では，完全人工光型植物工場の光源とし

2.3 試験区
光源に蛍光灯（18W，3 波長型昼光色，日立アプライアンス製 FL20SS･EXDX）と植物育成用蛍光灯（18W，スドー製トロピカルレッド S-3920）を使用* 下越技術支援センター

し，さらに光質変換資材として蛍光パネル

3. 結果および考察

表 1 試験区の設定
試験

光源

区

光源からパネル

3.1 光源の発光スペクトルまでの距離（mm）

光源の発光スペクトルを図 1 に示す。試験区 2，3は光質変換資材の効果により試験区 1 に比べ，4001

蛍光灯

150.0±0.02

蛍光灯＋蛍光パネル

150.0－19.5

3蛍光灯＋ピンクシート

150.0－13.5

4植物育成用蛍光灯

150.0－58.0（厚さ 2mm，サクラ樹脂製アクリル集光パネル，蛍光ピンク）とピンクシート（厚さ 0.09mm，光変換光合成促進農法）を使用し，試験はこれらを組み合わせた表 1 に示す 4 試験区で実施した。なお，すべての試験区で定植パネル上面中心部における光量子束密度を約 230μmolm-2sec-1 となるように，試験区ごとに光源から定植パネル上面までの距離を設定した。

～600nm の青色緑色成分を減じ 600～700nm 赤色成分をわずかに増加させていることがわかった。
また，
試験区 4 は 660nm にピーク波長を持つ全体的になだ
らかなスペクトルであった。
3.2 収量および外観各試験区における生体重と茎径，葉数を表 2 に示す。
‘チマサンチュ’は，試験区 2 の生体重，茎径が大きく，試験区 3 の葉数が他に比べて多かった。
‘サ
ニーレタス’は，試験区 3 の生体重が他に比べて大きかった。外観を図 2 に示す。

1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

2.4 評価
2.4.1 光源の発光スペクトル
光源および光質変換資材を介した光源の発光スペを用い暗室内において測定した。光源から 150mm の位置に受光器を設置し，測定波長 400～800nm，波長

Correct

クトルを，発光分光測色機（大塚電子製 MCPD-100）

間隔 1nm，測定時間 50msec の条件により，各波長におけるエネルギー補正出力を測定した。
2.4.2 収量および外観

試験区1
試験区2
試験区3
試験区4

400

定植パネルの中心部に植えた‘チマサンチュ’
，
‘サ

500

600

700

800

wavelength （nm）

ニーレタス’の各 1 株について，生体重（地上部新図 1 光源の発光スペクトル

鮮重量），茎径，および葉数を測定した。
また，外観を上部より撮影した。

表 2 収量2.4.3 成分

試

収穫したレタスの成分を赤外分光分析により調べ験た。赤外分光光度計（パーキンエルマージャパン製

区

生体

茎径

重

(mm)

サニーレタス

葉数(gFW)

SpectrumOne）を使用し，ATR 法，測定波数 4000～
650cm-1，積算回数 16 回の条件にて測定した。

チマサンチュ

生体

茎径

重

(mm)

葉数

(gFW)

1

17.8

6.5

11

16.1

7.4

5

2

37.6

7.3

13

17.7

6.4

8

3

16.9

5.7

29

23.0

7.0

8

4

10.2

4.8

10

14.2

7.4

8

Absorbance

上：葉の先端下：葉丙

Wavenumber（cm-1）
試験区 1
図 3 IR スペクトルの測定部位による違い
3.3 成分
図 3 に試験区 1 の‘サニーレタス’の葉の先端，
葉丙の IR スペクトルを示す。糖類（グルコース，フルクトース），有機酸塩，硝酸塩，アンモニウム塩などが検出された。また，測定部位による組成の違いが確認され，代謝の様子を知る手段として有効であ
試験区 2

ることがわかった。各試験区の違いを論じるには、
さらにサンプリング方法や測定条件について検討する必要があることがわかった。
4. 結言（1） 光源の光質を変化させることで，レタスの収量，形態，および成分に違いが現れる可能性が確認された。
（2） 成分は測定部位による違いが大きいことがわかった。このためサンプリング方法や測定条
試験区 3件などの測定方法を確立し，成分の組成比や分布の違い等を明らかにする必要がある。
参考文献
1） 農林水産省ホームページ，“植物工場の普及と拡大に向けて”，http://www.maff.go.jp/j/seisan/ryutu/plant_factory/index.html ，2012 年 3月 30 日閲覧.
2） 高辻正基，森康浩，LED 植物工場，日刊工業新試験区 4（上：チマサンチュ，下：サニーレタス）

聞社，2011，p116-129．
3） 後藤英司，“高品質な作物生産のための光環境制御技術”，施設と園芸，（社）日本施設園芸

図 2 外観協会，144 号，2009，p10-15．

ノート

セルロース材料を効率よく熱分解する
触媒組成の探索
笠原

勝次*

亮*

渡邉

Screening of Catalyst Composition for the Catalytic Pyrolysis of Cellulosic Materials
KASAHARA Katsuji * and WATANABE Ryo*
1.

緒

言

原料となるバイオマスは基準となるセルロー

セルロースを含むバイオマスから，ガソリン

ス材料として，純セルロースとみなすことのでや軽油など，主要な化石燃料を代替できる液体

きる紙の中でも清浄な分析用濾紙を，また，新燃料を製造する技術の開発を目的として，バイ潟県に特有な未利用バイオマス資源として籾殻

オマスの急速熱分解法に接触法を組み合わせたをそれぞれ用いた。

技法の文献調査と使用する触媒の機能評価の手法を確立するための予備実験を行った。

2.

実

急速熱分解は液体燃料を得る場合，バイオマ

2.1

材料と装置

スを急速に 500~700℃程度まで加熱して熱分解

2.1.1

した後，急激に室温付近まで冷却することで，狭い温度範囲で短時間にバイオマスを熱分解し1)

験
セルロース材料

セルロースの純物質として，市販の分析濾紙（東洋濾紙（株）社製 ADVANTEC 定量濾紙て，液化する技術である。 この手法では，温5A）を細断して用いた。また，新潟県特有の度と，高温中への滞留時間のみで生成物の組成

セルロース材料として，県内産うるち米の籾殻が制御され，短時間で反応が完了するため，熱を濾紙と同様に細断して用いた。

分解生成物の縮合のような副次的な反応を抑制することができる。 1)

2.1.2

触媒

一方，触媒を用いる接触法では触媒の種類が触媒として，試薬塩化亜鉛（和光純薬工業

決まれば，バイオマスとの反応生成物は，ほぼ（株）社製試薬特級）および試薬硫酸銅(II)5

限定されるので，反応の制御という点では容易

水和物（和光純薬工業（株）社製試薬特級）をである上，反応温度の抑制が可能となるが，固それぞれ純水に溶解して水溶液として用いた。

体であるバイオマスに用いる触媒は十分な接触

触媒水溶液はそれぞれマイクロシリンジで秤量機会を確保するためには，液体，または気体にして試料カップに注入した。できるだけ水の投限定され，使用できるものが限られる。

入量を減らし，触媒量を大きくしたかったので，本研究では，急速熱分解に接触法を組み合わ

高濃度のものを使うために，飽和溶液に近い濃せ，急速熱分解よりも低い温度でのバイオマス度としたが，操作中に析出してシリンジを詰まからの液体燃料の生成を目指した。

らせない程度の濃度として，塩化亜鉛 20g，硫

また，触媒として，文献調査の結果から，もっともセルロースの分解効率が高いものとして，
塩化亜鉛

2),3)

酸銅(II)5 水和物 5g をそれぞれ 50ml の純水に溶解して用いた。

を，比較対象として，セルロース

炭化物の気中ガス化で銅の塩類が用いられる 4)ことから研究室にあったものの中から硫酸銅をそれぞれ水溶液で用いた。
* 下越技術支援センター

2.1.3

装置

熱分解，および生成物の分析，評価は熱分解
ガスクロマトグラフ質量分析システム（pyGC/MS;日本電子（株）社製 JMS-AMII50 型）を用いて，熱分解反応をシステムの熱分解炉

水
二酸化炭素

（フロンティア・ラボ（株）社製ダブルショッ

フルフラールトパイロライザーPY-2010D）内で行い，発生ガスを生成物の分離，回収を行わずに，そのま
ま GC/MS へ導入して分析を行った。
2.2

濾紙（セルロース）の熱分解

ピ
ー
ク
相
対
強
度

濾紙は特に乾燥，精製等の前処理をせずに用いた。濾紙を約 0.3mg の大きさに細断し，これをパイロライザー用試料カップに入れ，パイ
時間（分：秒）ロライザーに投入した。熱分解温度は 700℃とした。熱分解生成物はガス化し，発生ガスはそ(a) 濾紙のみのまま，分離・回収せずに直接 GC/MS へ導入

水して分析した。
2.3

籾殻の熱分解濾紙と同様に，パイロライザーに投入し，700℃で熱分解を行った。発生ガスは，前項の濾紙の熱分解と同様に分析した。
2.4

フルフラール

二酸化炭素

ピ
ー
ク
相
対
強
度

触媒添加した試料の熱分解

試料は濾紙，または籾殻を前述と同様にパイ

時間（分：秒）ロライザー用試料カップへ入れ，さらに，触媒(b) 塩化亜鉛を添加した濾紙として，塩化亜鉛，または硫酸銅の水溶液 5μℓをパイロライザー用試料カップ中の試料の濾紙，および籾殻にしみこませて，そのままパイ

図1

ロライザーに投入し，前項の濾紙だけ，およびラム（フルフラールのピーク周辺部分のみ拡籾殻だけの場合と同様に発生ガスを分析した。

大）

3.

結

果

3.1

濾紙（セルロース）の熱分解

二酸化炭素や水等の他，セルロースの構成単位であるグルコース由来のレボグルコサンやグ
ルコース，グルコフラノース等の糖類や脱水糖類，各種アルコールやアルデヒド類を確認した。
クロマトグラムの各ピークは質量スペクトルから物質を同定した。
3.2

籾殻の熱分解リグニン由来のグアヤコールやシリンゴール，
バニリンなどの多数のフェノール類のピークを確認した。
セルロース由来のレボグルコサンのピークはリ

濾紙（セルロース）の熱分解クロマトグ

グニン由来の多数のフェノール類のピークに重なってしまい，識別できなかった。
3.3

触媒添加による熱分解

3.3.1

濾紙（セルロース）に塩化亜鉛添加

塩化亜鉛を添加した系ではフルフラールの生成が増大した。濾紙のみ熱分解したものは痕跡程度のピークしか見られなかった（図 1(a)）が，塩化亜鉛を添加して熱分解したものは，小さいが鋭いピークが確認できる（図 1(b)）。
3.3.2

濾紙（セルロース）に硫酸銅添加

硫酸銅水溶液をしみこませた濾紙の熱分解ク
ロマトグラムで，15 分以降に小さいが鋭いピークが 3～5 本重なった形のピークを 5 個ほどるものではなく，セルロースの分解生成物確認した。質量スペクトルから，鎖状の炭化水から二次的または三次的に炭化水素を生成素であることが確認できた。

するものと思われるが，塩化亜鉛はセルロースの分解反応そのものに寄与すると思わ

3.3.3

籾殻に塩化亜鉛添加

濾紙と同様に，塩化亜鉛を添加した系ではフルフラールの生成が増大した。

れる。
(6) 塩化亜鉛のほか，リン酸やホウ酸等にもセルロースの熱分解を促進する能力がある 3)
ようなので，これらについても検討する必

3.3.4

籾殻に硫酸銅添加要がある。

濾紙で炭化水素と思われるピークが確認された位置には，リグニン由来の生成物のピークが参考文献あるため，クロマトグラムからは濾紙で確認で

1) A.V.Bridgwater, “Fast Pyrolysis of Biomass

きたような炭化水素の生成は確認できなかった。

for Energy and Fuels,” Thermochemical Conversion of Biomass to Liqued Fuels and Chem-

4.

結

言

(1) 籾殻を原料に用いるには，共存するリグニンの処理が課題となる。

icals, M. Crocker ed., RSC Publishing, 2010,p.146-p.191.
2) Xi-feng Zhu, and Qiang Lu, “Production of(2) セルロースをそのまま熱分解すると，レボ

Chemicals from Selective Fast Pyrolysis of

グルコサンや種々の糖，アルコール，アルBiomass,” Biomass, M. Momba and F. Bux

デヒド類が生ずる。

eds., Scyo, 2010, p.147-p.164.

(3) 塩化亜鉛を触媒として使用すると，生成物は，ほぼフルフラールのみとなる。
(4) 塩化亜鉛を用いない場合でも，痕跡量程度のフルフラールを生成していることは確認できるが，塩化亜鉛を用いることで，鋭い

3) C. Branca, C. Di Blasi, and A. Galgano, “Catalyst Screening for the Production of Furfuralfrom Corncob Pyrolysis,” Energy and Fuels,
Vol. 26, Issue 3, 2012, p.1520-p.1530.
4) T. G. Devi, M.P. Kannan, and G. N. Richards,

ピークが確認できるほどに生成量が増大す“Copper Catalysis in the air gasification of cel-る。

lulosic chars,” Fuel, Vol. 69,Issue 11, 1990,(5) 硫酸銅の効果はセルロースの分解に寄与す

p.1440-p.1447.

ノート

樹脂の熱特性分析の基礎技術確立
永井

直人*

英樹*

岡田

Study on the Structure Changes of Resins under Thermal Treatment
NAGAI Naoto* and OKADA Hideki*

1.

緒

言

い表面側を（株）パーキンエルマー製FT-IR

熱特性分析（示差熱分析Differential Thermal

Spectrum One の全反射吸収測定（ATR）ユニッ

Analysis: DTAなど）は樹脂の融解やガラス転移,

トにて分析した。赤外ATR測定はゲルマニウム

結晶化などによる吸熱・発熱プロセスを解析す

プリズム入射角45°を用いた。サンプルの加熱るものである。しかしながら，このようなプロは昇温速度10℃毎分で行い，設定温度に到達後

セス下で分子がどのような構造変化を起こして直ちに降温させた。実際は，設定温度よりややいるかについては現在でも不明のところが多い。

オーバーシュート傾向がありモニター上では数樹脂の熱劣化においても，どの程度の温度に

度高めの温度まで到達していた。

さらされたかを外観上から判断するのは難しく，
そのデータベースの報告も乏しいのが現状である。

2.2

評価サンプル

データベース化を目的としているため，でき本研究においては第1ステップとして，DTA

るだけ多くの種類の樹脂を評価することとした。

装置による加熱プロセスで樹脂の化学構造が変評価サンプルは低密度ポリエチレン（LDPE），

化していく様子を赤外分光分析（FT-IR）で把高密度ポリエチレン（HDPE），超高分子量ポ

握しデータベース化することを目的とする。こリエチレン（UHMPE），ポリエチレンテレフ

れによって，成形工程管理やトラブル解析に役

タレート（PET），ナイロン6（PA6），ポリメ

立つものと考えられる。

チルメタクリレート（PMMA），ポリプロピレ
ン（PP），ポリスチレン（PS），ポリカーボネ

2.
2.1

評価方法

ート（PC），ポリアリレート，アクリロニトリ

評価方法

ル-スチレン-ブタジエン共重合体（ABS）の11

評価方法は，まずDTA装置で試料の加熱を重種類のDTA測定と赤外分光測定を行った。

量減少が起こり始める温度まで行ってDTA曲線を取得し，ガラス転移・結晶化などの特徴的な
9.85

プロファイル前後で設定温度を決める。さらに，た後，室温まで放冷し，取り出した切片表面を

9.80

Weight (mg)

サンプル切片をそれぞれの設定温度まで加熱し

9.75
9.70

赤外分光分析によって化学構造情報を取得する

9.65
15

本研究に使用したDTA装置は天秤機能があり重量減少を同時にモニターできる（株）リガク
製TG-DTA Thermo plus TG8120を用いた。サンHeat Flow (V)

こととした。

105050

プルは樹脂片からmgオーダーを採取しDTA装置

100

150

200

250

300

350

Temperature (℃)の皿に入れ，加熱・放冷後，皿と密着していな* 下越技術支援センター

図1

ナイロン 6 の熱重量変化（上）とDTA 曲線（下）

0.4

0.4

350℃

0.3
300℃

0.2

300℃

-log(I/I0)-log(I/I0)

0.3

350℃

250℃
220℃

0.2

250℃
220℃

0.1

194℃
194℃

0.1
100℃

100℃
0.0

R.T.

4000

R.T.
3500

3000

2500

2000

Wavenumber (cm

図2

-1

1500

0.0
2000

1000

1600

1400

Wavenumber (cmナイロン 6 の処理温度による赤外

図3

吸収スペクトルの変化（4000-700cm-1）
3.

1800

)

1200
-1

1000

800

)

ナイロン 6 の処理温度による赤外吸収スペクトルの変化（2000-700cm-1）

評価結果

から始まっており，急激な劣化は300℃以降に紙面の都合上，上記のすべてのサンプルのデ起こることが分かる。また，1550cm-1付近のアータを示すことはできないので，本報告ではナミドのNH変角振動のピークは伸縮振動と同様

イロン6のみの結果を示すこととした。図1には220℃付近でその幅が細くなっており，この領

TG-DTAにて測定した重量減少とDTA曲線を温域のスペクトルからも結晶化の進行が観察され度に対してプロットした結果を示した。

る。また，1500-1100cm-1付近の微細な吸収に関

重量は加熱と共に徐々に減少していくことがしても温度上昇とともに変化していることが観分かる。DTA曲線における220℃付近の挙動は察され，化学構造解析に利用することができる。

融解による吸熱ピークである。220℃付近の融これらのデータによって，たとえば劣化品・解による重量減少の後に300℃以降の分解によ

トラブル品が発生した場合に，どの程度の温度ると思われる重量減少の２段階の変化が認めら環境にあったかが推定できる。また，混入異物れる。

がどのような樹脂の劣化物なのかどうかなどのDTA曲線から加熱後の赤外測定はそれぞれ判断などにも用いることができると考えられる。

100℃，194℃，220℃，250℃，300℃，350℃でこれらのスペクトル変化から熱劣化のメカニズ行い，その測定結果を図2に示した。300℃まで

ムを考察することも可能である。

の加熱の間ではポリアミドのシグナルが明瞭に認められているが，350℃のスペクトルではピ

4.

結

言

ーク幅が大きくなっており，劣化が急激に進行（1） 樹脂の熱劣化にいたるまでの発熱・吸熱-1

していることが分かる。また，220℃で3300cm

プロファイルを測定し，その変化に対応

付近のアミドのNH伸縮振動の幅が細くなってする赤外スペクトルを取得し，データベ

おり，この温度近傍で結晶化が起こっていることが分かる。

ース化を試みた。
（2） 取得されたデータをもとに成形品などの図3には2000cm-1以下の拡大した赤外スペクト-1

トラブルについてどのような温度環境にルを示した。これより1720cm 付近の酸化物とあったか，あるいは，異物についてどの思われるピークが250℃付近から見えているこような樹脂劣化物かを推定するために有とが分かる。すなわち，酸化劣化は250℃付近

効な情報を提供できるものと考えられる。

ノート

カプセル化技術を応用した新しいスペック染色法の開発
小林

泰則*

小海

茂美*

佐藤

清治*

Development of New Speck Dyeing Method Applied by Capsulating Technique
KOBAYASHI Yasunori*, KOKAI Shigemi* and SATO Seiji*

1.

緒

セルの小型化および染色部の濃色化について検言

スペック染色は新潟県で行われている糸の斑

討した結果について報告する。基本的な試験方

染め手法である。糸に部分的な色の濃淡をつけ法は既報 5） と同様であるため省略するが，ノることで色彩表現力を高める手法であり，一般

ズル径をより細くして，原料液の染料濃度を上的には直接染料を用いて主に織物用綿糸に行わげて液の送り速度を調整したところ，カプセルれている。

粒径をより小さくすることができた。昨年度の当研究所ではこれまで，スペック染色の高度手法で染色した糸と今年度改良した手法で染め化について，反応染料による羊毛および絹へのた糸の比較を図 1 に示す。図 1 からわかるよう

1）

染色

，多色化

2）

，チーズ染色機による染色

3），酸性染料の適用

用

4），カプセル化技術の適に，昨年度の手法で染色した糸と比べると，今年度改良した手法で染色した糸は染色部と無染

5）色の部分のコントラストがよりはっきりと出て本報では昨年度検討したカプセル化技術の適おり，染色されている部分の一つ一つの面積が等について検討してきている。

用についてさらなる高度化を目指し，下記の内小さくなるという結果が得られた。

容について検討を行った結果について報告する。
①

直接染料によるカプセルスペック染色法の改良（染料カプセルの小型化，染料カ

（a）

（b）

プセルの濃色化）②

反応染料によるカプセルスペック染色③

反応染料を用いたカプセルスペック染色による製品試作④

カプセル化した還元剤を用いて糸を斑状に脱色する手法（カプセルスペック抜染
法）の開発

2.

試験方法および結果

2.1

直接染料によるカプセル化スペック染色法の改良
本項では昨年度実施したカプセル化した直接

図1

カプセル径の小径化および濃色化（a）改良前，（b）改良後

染料による綿糸のスペック染色について，カプ
2.2* 素材応用技術支援センター

反応染料によるカプセルスペック染色

本項では反応染料を用いたカプセルスペック
染色について検討した結果について報告する。

まず直接染料と同等の方法で反応染料によるカプセルスペック染色が可能かどうか検討した。
ここで，反応染料を用いた染色では直接染料による染色と異なり，染料の他にアルカリや無機塩等の染料助剤が必要となるため，それらの助剤を染色プロセスのどの段階でどのようなやり方で投入するかが問題となる。
そこで，反応染料の種類（銘柄），助剤の種
類や量，添加方法等について様々な条件を検討した。その結果，反応染料による染色では直接染料と比較するとスペック部分を濃色に染めることが難しく，糸全体が薄く染色されてしまって染色部と非染色部のコントラストを高くすることが難しいことが明らかとなった。その中で図3も比較的良好と思われる処理条件によって染色

染色糸による製品試作

反応染料を用いたカプセルスペック

した糸の外観を図 2 に示す。
2.4

カプセル化した還元剤を用いて糸をスペック状に脱色する手法の開発
本項ではカプセル化法を抜染に応用した結果について報告する。具体的には，還元剤を内包したカプセルを作製し，それを用いて染色された糸をスペック状に抜染することを検討した。
その結果を図4 に示す。図 4 に示すように，適
(a)
（a）

図 2

（b）

（c）

反応染料を用いたカプセルスペック

染色結果（2 例）
2.3

カプセルスペック染色による製品試作

上記手法にて染色した綿糸を用いて株式会社
カワノ（五泉市）に編成を依託して製品試作を行った。試作物は婦人物春夏セータとした。それを図 3 に示す。前項で述べた通り，反応染料

図 4によるカプセルスペック染色では濃色に染める果ことが難しかったため，全体として淡い色調とほとんど抜染されなかった例，（c）スペなった。

ック状に抜染された例

還元剤のカプセル化による抜染結（a）糸全体が抜染された例，（b）

切な処理液組成および処理プロセスにより還元

参考文献

剤のカプセル化によるスペック状抜染が可能で

1）菊地孝之ほか，“商品の企画提案力を増大すあることが示された。

るための「モノ作り」に関する研究”，新潟
県工業技術総合研究所

3． 結

言

以上をまとめると，以下のようになる。

工業技術研究報告書，No.29，2000，p105.
2）古畑雅弘ほか，“繊維素材の複合化に関する（1）直接染料によるカプセルスペック染色法研究”，新潟県工業技術総合研究所

を改良し，よりスペックが小さい，より術研究報告書，No.31，2002，p113.

高コントラストなスペック染色を実現した。
（2）反応染料によるカプセルスペック染色について検討し，スペック染色が可能な処理プロセス条件を探索した。
（3）反応染料を用いたカプセルスペック染色による製品試作を実施した。

工業技3）武内雅敏ほか，“自動小口染色システムの実用化試験”，新潟県工業技術総合研究所
業技術研究報告書，No.33，2004，p78.
4）毛利敦雄ほか，“化学加工による編織素材の開発”，新潟県工業技術総合研究所

工業技

術研究報告書，No.34，2005，p86.
5）渋谷恵太ほか，“スペック染色技術の継承お（4）カプセル化した還元剤によるスペック抜

よび改良”，新潟県工業技術総合研究所

染法について検討した結果，実用化の可業技術研究報告書，No.40，2011，p35.

能性を示すことができた。

工

工

ノート

LED 光源の演色性評価
阿部 淑人*

星野 公明*

須田 孝義*

橋詰 史則* 石井 啓貴*

An Evaluation of Color Rendering Property of Light Emitting Diode Base Illuminations
ABE Yoshito*, HOSHINO Kimiaki*, SUDA Takayoshi*, HASHIZUME Fuminori* and ISHII Hirotaka*

1.

緒

言

環境保護への意識が高まり，また電力供給の不安定が心配される中，LED 照明が本格的に普及するようになってきた。電力効率の点では1W あたり 60lm（ルーメン）から 150lm 程度と高効率であることや長寿命であることから，置き換え需要を狙って大手電機メーカーの他に異業種も参入して極めて多種の照明器具が発売されている。しかしながら，従来の白熱灯や蛍光灯と比べて発光スペクトルが異なるため，色合いが違って見えるという現象が発生する。どれ

図 1 等色関数

くらい色合いを忠実に再現できるかの指標を演色性と呼び，JIS Z8726 に測定方法が示されている。下越技術支援センターでは近年，照明器具の照度や発光スペクトルの測定などの技術支援が増えているため，LED 光源を始めとした複数の光源についての演色性の評価を実施した。その概要を報告する。
以降の章では，ヒトの色覚および演色性評価の規格といくつかの照明具の演色性評価結果について述べる。
2.

演色性評価について

2.1

ヒトの色覚

図 2 標準光源の発光スペクトル

演色性は，光源スペクトルが物体の色の見え方に及ぼす影響の尺度である。物体の色は光源

波長域で高い感度を有している。図 1 には 2°

スペクトルと物体の反射・透過スペクトルとヒ

視野の等色関数を示す。長波長側(600nm)付近にトの視覚の分光感度（等色関数）をかけ合わせ

高い感度を有する x，中波長域(550nm)付近に高た結果として認識される。ヒトの錐体細胞がい感度を有する y，短波長側(450nm)付近に高いLMS の 3 種 あ り ， そ れ ぞ れ が 異 な る感度をもつ z の 3 値の特性からなっている。

*

下越技術支援センター

2.2

演色性評価の規格

関数の分光分布から 3 値刺激値 XYZ と1)

JIS Z8720 には「測色用標準イルミナント（標準の光）及び標準光源」として標準光源 A，標CIE1960UCS 色度 u,v を求める。
(6) 試料光源の色度座標と試験色の色度座標

準光源 D65，補助光源 D50，補助光源 D55，補助光源 D75，補助光源 C の相対分光分布が示さに対応する色順応の補正を行う。
(7) CIE1960UCS 色度 u,v から CIE1964WUV 表

れている。この発光スペクトルを図 2 に示す。
2)

また，JIS Z8724 には「色の測定方法 ― 光源

色系に色変換する。
(8) 試験色毎に，WUV 空間上のユークリッド

色 」 と し て 光 源 色 の 測 定 方 法 が 示 さ れ ， JIS
3)

Z8725 には「光源の分布温度及び色温度・相関距離となる色差ΔEi を算出する。
(9) 各試験色に対する特殊演色評価数 Ri を

色温度の測定方法」として光源の相関色温度測4)定方法が示されている。そして，JIS Z8726 にRi=100-ΔEi として求める。
(10) 平均演色評価数を特殊演色評価数 R1～R8

は「光源の演色性評価方法」として本研究で評の算術平均で Ra=1/8

ΣRi として求める。

価する色再現の鮮やかさの測定方法が示されている。本研究ではこれらの規格に基づいて照明具に用いられる複数光源の演色性を評価した。

2.3

演色性評価結果

ここでは，(a)RGB 三波長形 LED,(b)黄色蛍

光源の演色性評価の手順は，所定の反射率特光 LED，(c)高演色性蛍光灯，(d)寒白色蛍光灯，性を有する試験色 （図 3 に試験色№1～№8 お(e)白熱灯を比較評価した。図 4 に各照明灯の発

よび№9～№15 の外観を示す）を試験光源と，

光スペクトルを示す。三波長形の LED 電球は比較対照の基準光源でそれぞれ測色した場合に450nm,520nm,630nm がピーク波長であった。黄

色差がどうなるかを数値計算して算出すると定色蛍光 LED は 445nm の青色発光ダイオードにめられている。そのため必要な測定は光源の相520nm～550nm 付近の黄色蛍光体を組み合わせ

対分光分布であり，そこから相関色温度を求め，たものである。この他に比較として高演色性とその後に対応する色温度の基準光源スペクトル

寒白色の蛍光灯，更に白熱灯を比較対象とした。

を算出する。最終的に，同じ試験色を 2 つの光源を用いてそれぞれ測色した場合の色差を算出することで演色性が評価される。以下順を追って説明する。
(1) JIS Z8724 に従い，モノクロメータ式かポリクロメータ式の分光光度計/分光輝度計を

図 3 試験色の外観

用いて試料光源の測光を行う。演色性の評
価のためには，380nm から 780nm まで 5nm
間隔の相対分光分布が必要である。
(2) JIS Z8725 に従い，試料光源の相関色温度を求める。
(3) JIS Z8720 に基づいて，基準光源の相対分光分布を求める。
(4) 光源の分光分布と等色関数の積和から，光源色の 3 値刺激値 XYZ と CIE1960UCS 色
度 u,v を求める。
(5) 試験色の分光分布と光源の分光分布，等色

図 4 試験光源の発光スペクトルこのスペクトルから前述の手順に従って色度，三波長形 LED 光源はスペクトルが輝線に近相関色温度を算出した後に，対照の基準光源をいため平均演色評価数が 49.9 と低い値に過ぎず，

決定して各試験色の色差を評価した結果を表 1

黄色蛍光 LED も 68.0 に留まった。一般に， Raに示す。なお，発光スペクトルの測定にはポリが 80 未満のランプは，仕事や長期間の滞在にはクロメータ式の発光分光輝度計（大塚電子製

不適切とされているため使用が限定的になると

MCPD100）を使用した。

想定される。演色性を改善した物も出回ってい色度：x, y

るため，LED 光源を導入する際には全光束(lm)

相関色温度：CCTや効率(lm/W)の他に演色評価数(Ra)にも注意し基準光源(STD)：CIE Daylight(DXX) orて Ra の高いものを導入する必要がある。

Plank Radiation(PXX)

蛍光灯については，高演色性型と寒白色の二平均演色評価数：Ra

種類で評価数に大きな差が見られた。LED でも

特殊演色評価数：R1 ～R15

同様であるが平均評価数の低い照明では，特にR8 と R9 の評価数が悪い傾向にある。R8 はマン

表1

演色性評価結果

セル表色系で 10P6/8 と表される紫色で，R9 は4.5R4/13 と表される彩度の高い赤色である。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

x

0.303

0.332

0.329

0.406

0.495

白熱灯は理想的なプランク放射と近いスペク

y

0.331

0.367

0.365

0.425

0.422

トルになるため，極めて高い演色性評価数を示

CCT

7030

5560

5650

3740

2360

した。

STD

D70

D56

D57

P37

P24

この評価方法の特徴として，試験光源の相関

Ra

49.9

68.0

86.5

56.0

97.4

色温度により対応する基準光源の色温度を合わ

R1

42.1

63.2

82.5

44.6

97.1

せて評価を行うことから，色温度の異なるもの

R2

90.1

71.6

88.4

70.1

97.5

同士で演色性を比較する場合には判断に注意が

R3

53.6

79.1

92.6

90.8

98.3

R4

32.1

68.8

85.4

45.8

97.0

R5

56.6

65.0

83.8

46.4

96.5

R6

84.9

62.6

84.9

57.2

96.3

R7

51.0

80.2

93.9

72.6

99.0

R8

-10.9

53.9

80.8

20.2

97.6

R9

-166.3

-48.4

40.1

-116.7

93.9

R10

81.5

34.1

72.7

32.2

94.7

R11

18.6

64.8

81.4

31.0

96.0

R12

81.6

36.0

78.9

32.4

92.2

R13

55.5

64.0

83.7

49.6

96.8

R14

70.8

88.3

95.7

94.0

99.0

R15

24.2

54.9

78.9

32.9

96.8

必要である。
3.

結言(1) 近年普及が始まった LED 光源について演
色性の評価を行った。
(2) 試験に用いた LED 光源は，比較した蛍光灯
や白熱灯に比べて演色性が劣ることが分かった。今後は演色性の優れた製品の開発が期待される。
参考文献
1)

JIS Z 8720:2000 測色用標準イルミナント（標準の光）及び標準光源

2)

JIS Z 8724:1997 色の測定方法 ― 光源色

3)

JIS Z 8725:1999 光源の分布温度及び色温
度・相関色温度の測定方法

4)

JIS Z 8726:1990 光源の演色性評価方法

ノート

光沢部材・非光沢部材の反射率角度依存性評価
阿部 淑人*

星野 公明*

須田 孝義*

橋詰 史則* 石井 啓貴*

An Evaluation of Angular Dependence of Reflection in Glossy and Matte Materials
ABE Yoshito*, HOSHINO Kimiaki*, SUDA Takayoshi*, HASHIZUME Fuminori* and ISHII Hirotaka*

1.

緒

言

様々な機能性表面部材の反射率特性を測定す
る要求に応えるために，変角測定ユニットを装着した分光光度計を導入した。典型的な鏡面反射特性を有する金属の研磨板と，理想的な拡散反射特性と白色性を有する Spectralon®（フッ素
樹脂の粉末加熱成形品。米国 Labsphere 社の登録商標）について，反射率の角度依存性を評価したので報告する。また，ガラスの反射率から
ブリュースター角を求めて屈折率を測定したので併せて報告する。
2.

変角反射率測定の方法と結果

2.1

反射率の角度分布

図 1 SUS 板の反射率特性

変角反射率測定ユニットではベースライン測定のためにまず，直進入射光量を測定しておいてその値を 100%とする。その後ゴニオステー
ジを回転して試料面への入射角を 45°にし，受光角を変更しながら反射率を測定した。なお，光源の波長を 555nm とし，偏光子を 45°（N偏光）とした。
SUS 板の測定結果と Spectralon®の測定結果をそれぞれ図 1 と図 2 に示す。反射率の分布関数であるため縦軸横軸は任意係数である。SUS
板の研磨品では，実線で示したように反射角45°の近傍で強い鏡面反射があり，それ以外の

図 2 Spectralon®の反射率特性

角度では急激に反射率が低下することがわかる。
一方非研磨品では，破線で示したように研磨品

比較的広い角度に渡って反射率を維持しているの鏡面反射に比べて低い反射率ではあるが，ことがわかる。マクロに見れば拡散反射と近い*

下越技術支援センター特性であるが，ミクロに見ると粗面の様々な方向への正反射の分布であると思われる。

図3

反射率の入射角度依存性

図4

ガラスの反射率角度依存性

Spectralon®では 45°から入射した光が実線定のためにまず，偏光子を P 偏光に設定し，直で示したように概ね等方的に反射している。破

進入射光量を測定しておいてその値を 100%と線で示した理想的なランベルト反射の反射率とする。その後ゴニオステージを回転して，試料比べてみると極めてよい拡散反射特性を示して面への入射角と出射角をそれぞれ 10°から 5°刻

いることがわかる。

みに 65°まで測定する。極小値を示す付近を再度より詳細に角度を変化して測定する。

2.2

反射率の角度依存性による屈折率測定

なお，光源の波長を 555nm とした。測定結果

物質に固有の屈折率によって反射率の入射角を図 4 に示す。横軸に入射・反射角度，縦軸に度依存性が発生する。図 3 にはフレネルの式に反射率を対数軸間隔で示した。黒丸が実測値でよって算出した屈折率 1.567 のガラスの反射率

細線が多項式近似曲線である。黒破線はガラス

角度依存特性を示している。横軸は入射角で，の屈折率を変化して極小値が近似曲線に一番近縦軸は正反射率を表している。0°入射は法線方

かった屈折率 1.55 の場合の理想反射率を示して向からの入射を表し，入射角度が増えるほど反いる。実際の物質では，内面での散乱後の反射射率が増加することがわかる。実線は無偏光（Nなどの現象もあるため，理想的な反射率とは異偏光）を表し，破線は S 偏光，一点鎖線は P 偏なると考えられる。

光を表している。この図を見るとわかるように，
P 偏光では一旦反射率が減少して 0 になったあ

3.

とに再び増加している。この反射率が 0 となる(1) 分光光度計とゴニオステージを用いて鏡面角度をブリュースター角といい，ブリュースタ

反射・拡散反射の特性を測定した。金属のー角を測定することにより逆に屈折率を推定す

鏡面反射が表面の研磨具合により異なり拡ることができる。

散度に差が出ることがわかる。

変角反射率測定ユニットではベースライン測結言(2) P 偏光の反射率角度依存性を測定すること
で，ガラス等の屈折率を推定した。

ノート

メッキ皮膜の作成と評価
渡邉

亮*

内藤

隆之 *

Coating and Analysis of Trivalent Chromate Treatment on Zinc plating
WATANABE Ryo* and NAITO Takayuki*

1. 緒

言

2.1.3 亜鉛メッキ浴

防錆技術の重要な技術の１つとしてメッキ技

亜鉛メッキ浴1 lは700 mlの純水に苛性ソーダ85 g術がある。金属加工業が盛んな新潟県において主及び日本表面化学（株）製D-305®，9000A®，9000BS®

要な防錆技術となっており，自動車部品，機械部をそれぞれ59 ml，12 ml，1 mlを混合して調製した。

品，建築資材など用途に合わせて様々なメッキ処理が行われている。とりわけ亜鉛メッキは一般的に広く用いられている。
耐食性向上のために亜鉛メッキ上にクロメート

2.1.4 ３価クロメート処理液
クロメート処理液として以下の4種類を調製した。
調製濃度はそれぞれメーカー推奨濃度域1-4)の中央処理が行われる。現在，クロメート処理液は環境値になるように調製。

対策から 6 価から 3 価へ移行しつつある。一般的

・処理液①―純水に日本表面化学（株）製のトライに 3 価のクロメートは 6 価のクロメートに比べ浴

ナTR-160A®と硝酸を75 ml/l，1 ml/lの濃度になる

液管理や仕上がり時の外観の均一性が難しいといよう加え，硝酸でpHが2.0になるよう調製した。

われている。
製造工程確認のために 3 価クロメート処理を実際に市販液を用いて行い，メッキ皮膜中に含まれる元素について分析とメッキ皮膜の耐食性評価を行った。

・処理液②―純水に日本表面化学（株）製の5T090A®
を50ml/lの濃度になるよう加え，硝酸でpHが2.0になるように調製した。
・処理液③―純水に日本表面化学（株）製のトライ
ナーTR-173A®とトライナーTR-173B®を150 ml/l，5ml/lの濃度になるよう加え，硝酸でpHが2.0にな

2. メッキ皮膜の作成
2.1 材料
2.1.1 試薬
pH調製，酸洗浄で使用した酸・塩基は以下の試薬を用いた。

るように調製した。
・処理液④―純水に日本表面化学（株）製のトライ
ナーTR-175S®とトライナーTR-175R®を100 ml/l，50 ml/lの濃度になるよう加え，硝酸でpHが2.0になるように調製した。

・硝酸（特級，和光純薬工業（株）製）
・苛性ソーダ（特級，和光純薬工業（株）製）

2.2 メッキ皮膜作成工程
メッキ皮膜作成の工程を表1に示す。メーカー推

2.1.2 基材
メッキ皮膜を作成する試験片として汎用鉄板を用いた。
* 下越技術支援センター

奨の方法では処理液③，④においてクロメート処理
時間15秒は短いが他の処理液との処理時間を合わせるため，この処理時間に決定した。

表１ メッキ皮膜作成工程
処理時間①

酸洗浄（室温）数秒②

水洗（室温）

数秒③

水洗（室温）

数秒④

アルカリ中和（室温）

数秒

⑤

亜鉛メッキ

25分

⑥

水洗（室温）

数秒⑦

水洗（室温）

数秒⑧

硝酸浸漬（室温）

数秒⑨

水洗（室温）

数秒⑩

クロメート処理（25℃）

15秒⑪

水洗（室温）

40秒⑫

水洗（室温）*

15秒⑬

乾燥（60℃）

数分＊処理液①を使用した処理の時は湯洗（55℃）
3. メッキ皮膜の評価

④

1500

強度 / cps

作業内容(温度)

処理液①
処理液②
処理液③
処理液④

③
1000

① ②

500
0

62

66

70

74
分光結晶位置 / nm(a) 酸素のピーク周辺部のみ拡大

40

強度 / cps

順序

30

処理液①
処理液②
処理液③
処理液④

20

10
0

3.1 EPMAによる表面の分析

225

EPMA；日本電子（株）製JXA-8100を用いて分析

230

を行った。

235

①②

③④

分光結晶位置 / nm

3.2 塩水噴霧試験

スガ試験機（株）製STP-90V2で塩水を24時間(b) ケイ素のピーク周辺部のみ拡大

噴霧した。
200

4. 結果

EPMAによるクロメート皮膜の測定結果を図１に示す。

処理液④で処理した試験片から他の処理液で強度 / cps

4.1 EPMAによる表面分析の結果

②③ ④
①

150
100

処理液①
処理液②
処理液③
処理液④

50

処理した試験片より強い酸素由来のシグナルが確認できた（図１(a)）
。これは，耐食性向上のために処理液に加えてあるシリカにより（図１

0
68

73

(b)）
，より強く酸素由来のシグナルが出たと考えられる。

分光結晶位置 / nm

78

また，処理液①で処理した試験片は他の処理(c) クロムのピーク周辺部のみ拡大した試験片より若干クロム由来のシグナルが弱図 1 EPMA によるクロメート皮膜の分析結果かった（図１(c)）
。

表２ 塩水噴試験結果

水噴霧処理が必要であることが分かった。

処理液

処理液

処理液

処理液

これは塩水噴霧試験の結果とEPMAによるク

①

②

③

④

ロメート皮膜中のクロムの量と相関関係がある

1/11

○

○

○

○

と考えることができる。皮膜中のクロムの量が少

1/18

○

○

○

○

1/25

○

○

○

○

2/1

○

○

○

○

2/8*

△

○

○

○

2/15

△

○

○

○

2/23

×

○

○

○

2/29

×

○

○

○

処理日

○：錆の発生なし，△：白錆発生，×：赤錆発生*：処理液④で処理した試験片は2/9作成
4.2 塩水噴霧試験の結果
試験片に塩水噴霧処理を24時間した結果を表2にないために塩水噴霧試験で処理液①で処理した試験片のみ錆が生じたことの説明がつく。
5. 結
(1)

言

耐食性向上のため処理液④にはシリカが含(1) 有していることが分かった。
(2)

処理液②～④で処理した試験片は塩水噴霧(1) 試験に 24 時間以上耐えることが分かった。
(3)

皮膜中のクロム含有量と耐食性には相関関(1) 係があるとが確認できた。
参考文献
1) ジャスコ トライナーTR-160，日本表面化学（株）示す。処理液①でクロメート処理を行った試験片に

2) ジャスコ 5T090，日本表面化学（株）

錆が発生した。処理液②～④で処理した試験片には

3) ジャスコ トライナーTR-173，日本表面化学（株）

錆が発生しなかった。今回の処理の中では処理液①4) ジャスコ トライナーTR-175S,R，日本表面化学を用いたものが一番耐食性が劣ることが分かった。

4) （株）

処理液①以外の耐食性の評価には24時間以上の塩ノート

ヘキサンを用いたクロメート廃液中の油分抽出法
渡邉 亮* 内藤 隆之*

Quantification of n-Hexane Soluble Matter Extracted from Waste Water of Electroplated Coatings of Chromium
WATANABE Ryo* and NAITO Takayuki*

1. 緒

言

た。

県内のめっき専業者において，クロムメッキ廃液へアルカリ脱脂廃液を誤って混ぜた廃液（以下，

2.2 もみ殻活性炭による混合メッキ廃液中の油分混合メッキ廃液）に還元剤が添加されたまま，そ吸着操作の後処理されずに長期間放置されていたため，こ200 ml ビーカーに2. 1で処理したろ液（もみ殻活の混合メッキ廃液中に分散していた油分が一部性炭を入れない空試験の場合は100 ml，もみ殻活性固化浮上し，液面を部分的に覆っている状況に炭を入れた本試験の場合は200 ml）と，もみ殻活性あった。

炭を入れ，3時間撹拌した後，ろ過（ろ紙5Bを使用，

当該めっき専業者では，混合メッキ廃液中の油分除去について一般的なフィルターの利用を検討

以下同じ）を行い，各ろ液を一晩静置した。操作条件を表1に示す。

したが，硫酸とクロム酸を豊富に含むため使用できなかった。
（実際にこの液が付着したフィルター

2.3 ヘキサン抽出操作

素材は著しく劣化した。
）そこで耐薬品性を考慮し本操作は混合メッキ廃液からn-ヘキサン（特級，て，活性炭の利用による油分除去について検討す

和光純薬工業（株）製）で抽出できた成分を評価することを提案した。

るために行った。主な抽出分は揮散しにくい鉱物油

本研究では，活性炭として油分吸着用に販売さ®

及び油脂等であるが，その他の物質も含まれる。操れている進展工業株式会社製オイルワイパー （以作手順は以下のとおり。また，操作条件を表1に示下もみ殻活性炭と略す）に着目した。混合メッキす。

廃液にもみ殻活性炭を適宜添加して，JIS K0102

1）2. 2の各ろ液を分取し（もみ殻活性炭を投入しな

1)の 24 ヘキサン抽出物質 に準拠した抽出操作を行かった空試験液からは20 ml，もみ殻活性炭を投い，油分除去効果を比較した。

入した液からは50 ml），分液ロート（以下，分液
ロート①）に加え，メチルオレンジを指示薬とし

2. 実施方法
2.1 前処理操作て，液が赤みがかるまで塩酸を加えた。
2）ヘキサン20 ml分液ロート①に加えて，激しく振実験で使用した混合メッキ廃液は，細粒状の固った後に静置させて，液を水層とヘキサン層に分形油分が採水中に浮遊（混在）しており，これが離させた。水層をビーカーに，ヘキサン層を別の以降の抽出操作で誤差の原因となる。そこで，ガ分液ロート（以下，分析ロート②）に分けた。

ラスろ過器(1G3)を用いて，採水中から細粒状の固3）ビーカーに受けた水層を分液ロート①に戻し，形油分を除去し，ろ液をねじ付き褐色瓶に保存しヘキサン20 mlを加えて激しく振った後に静置さ* 下越技術支援センター

せて，液を水層とヘキサン層に分離させた。水層

表1 抽出操作条件
もみ殻活性炭混合メッキ廃液

もみ殻活性炭油分吸着操作後のヘキサン抽出

濃度(g / l)

使用液量(l)

使用重量(g)

操作で使用した廃液量(ml)

0

0.1

0

20

2.5

0.2

0.5

50

5.0

0.2

1

50

は捨て，ヘキサン層は分液ロート②に合わせ，ヘ
キサン20 mlを分液ロート①に加えて激しく振った後に，分液ロート②に合わせた。
4）分液ロート②に純水を入れて洗浄した。洗浄は数回繰り返し，最後に分液ロート②の中にヘキサ

ここに，
X ：油分除去率(%)

ン層だけ残した。なお，洗浄とは水を入れて激し：本試験の平均油分抽出量(mg/l)

く分液ロートを振った後に静置させて，液を水層：もみ殻活性炭を投入しなかった空試とヘキサン層に分離させ，ヘキサン層だけ残し，

験の平均油分抽出量(mg/l)

水層の水は捨てる操作のこと。
5）分液ロート②の中に無水硫酸ナトリウム5 gを加3. 結果および考察

えてヘキサン層中の残留水分を除去した。

分析結果を表 2 に，もみ殻活性炭濃度と平均油6）あらかじめ秤量ビンの空重量(Wb)を測定してお分抽出量及び油分吸着量との関係を図 1 に示す。

き，その秤量ビンに分液ロート②の脱水ろ過したもみ殻活性炭の濃度と平均油分抽出量は比例し，ヘキサン層をろ過を通して移し（無水硫酸ナトリ

混合メッキ廃液中に分散されている油分が除かれウムが混入しないように注意），秤量ビンを汚染ていく傾向が確認できた。さらに，油分除去率でさせない様に処置したホットプレート上で加熱は，もみ殻活性炭濃度が 5.0 g/l のとき 9 割程度に（80℃前後）してヘキサンを揮散除去した。

達する結果が得られ，もみ殻活性炭による混合メ

7）この秤量ビンを80℃に保持した恒温槽に30分間入れて乾燥した。
8）この秤量ビンをデシケーターに入れて冷却後，重量(Wa)を測定した。
油分抽出量(C)及び油分除去率(X)は，以下の式(1)及び式(2)により求めた。

ッキ廃液中の油分除去の有効性が示された。
以上のことからもみ殻活性炭を使用してメッキ液から油分の除去ができ，その後の混合メッキ廃液の処理が通常の操作で可能であると考えられる。
さて，今回の測定によって，混合メッキ廃液中に分散した油分量が16.0 mg/l（空試験値）であることを確認でき，大半が固化浮上油として液面にあることがわかった。今後の廃液処理における油分除去では固化浮上油のろ過に止め，廃液中に分散した油分

ここに，の除去について，その実施の有無を検討する余地は

C ：油分抽出量(mg/l)
Wa：ヘキサン揮散後の重量(mg)
Wb：秤量ビンの空重量(mg)V ：1回の抽出操作に使用した混合メッキ
廃液の液量(l)あるものと考えられる。

表2 分析結果

油分抽出量 C (mg / l)

もみ殻活性炭

油分除去率

標準偏差

X (%)

濃度(g / l)

1

2

3

平均

0

13.5

22.0

12.5

16.0

5.2

0

2.5

9.2

9.8

12.2

10.4

1.6

35

5.0

1.2

2.4

1.8

1.8

0.6

89

4. 結

言

(2) 混合メッキ廃液からの油分除去率は、もみ殻

混合メッキ廃液にもみ殻活性炭を添加して，JIS(2) 活性炭の添加濃度が 5.0 g / l のとき 9 割程度

K0102 の24ヘキサン抽出物質に準拠した抽出操作(2) となった。

を行って，混合メッキ廃液中に分散した油分の除去効果を比較した結果，以下のことが確認できた。

参考文献(1) 混合メッキ廃液からの平均油分抽出量は、も

1) 財団法人 日本規格協会，工場排水試験方法(1) み殻活性炭の添加濃度と比例関係にあった。

1) JIS K0102，2008，p.58-64.

25100
平均油分抽出量
90
油分除去率

20

80

15

60
50

10

40
30

5

20
10

0

0
0

2.5

5

もみ殻活性炭濃度 (g / l)
図 1 平均油分抽出量の変化と油分除去率の変化

油分除去率 X (%)

平均油分抽出量 C (mg / l)

70

ノート

ねじ締結体の振動試験
斎藤

雄治*

長谷川

直樹*

Fastener Vibration Test
SAITO Yuji* and HASEGAWA Naoki*

1.

緒

言

ねじ締結は，部品同士の結合に広く用いられている。ねじ締結によって，ボルトには引張力が，被締結物には圧縮力がそれぞれ働く。これ
ら引張力や圧縮力を締め付け力と呼ぶことにする。外力に対して締め付け力が十分な場合は，外力が作用してもねじが緩んだり容易に疲労破壊したりすることはない。しかし，ねじの締め付けが不十分であったり，激しい衝撃などの過図1

大な外力が作用すると，締め付け力が低下してねじ締結体の試験の概要 3)4)

ねじが緩みやすくなる。ねじが緩んだ状態で機械や設備を使い続けると，ねじが外れたりボル
トが折損

1)

して事故につながる恐れがある。このため，適正な締め付け力の管理やダブルナッ
トなどの緩み止めの使用

2)

本研究では，上記の振動試験を行うための試
験ジグを試作し，それを振動試験機に取り付けて規定の条件で加振できるか検討を行った。

といった必要な対策がとられている。
ねじの緩みに対しては，ねじ締結体に衝撃力

2.

ねじ締結体の振動試験の規格

2.1

NASM1312-74)

を繰返し加える振動試験 3)～5)がある。この試験

任意の締結体に対して，振動条件下におけるの概要を図 1 に示す。図 1 において，試験ジグ

寿命の決定や締結方法の選定等を行うための振本体にあけた長穴内でねじ締結体が自由に上下動試験が以下のように規定されている。

動するようになっている。試験ジグの本体を加・加振条件：振幅 0.450 ±0.015inp-p（11.4±

振機に取り付けて規定の振動を加えると，ねじ0.4mmp-p），振動数 1750～1800cpm（29.2～

締結体がこの長穴の上下端に繰返し激しく衝突30Hz）する構造になっている。
これまで，上記の振動試験は当研究所で実施・試験ジグ：図 1 に示すカラー，ワッシャ，およ び 試 験 ジ グ 本 体 の 長 穴 の 寸 法 （ 0.19 ～していなかったが，加振条件を調べたところ，

0.625in ねじの各サイズに対して規定）

当研究所の振動試験機で加振できる可能性があ

なお，試験の前処理や試験後の評価の方法等

ることがわかった。

については，別途，製品仕様書などで定めることとしている。

* 中越技術支援センター

2.2

NAS33505)

800°F（427℃）まで使用する高品質のセル
フロックナットの仕様が規定されている。この規格の中で，セルフロックナットの振動試験（サイズは 0.19～0.625in ねじが対象）について，主に以下のことが規定されている。
・試験の前処理：試験ジグへのセルフロックナ
ットの取り付け条件，高温での焼成条件など
・試験後の評価：ねじの緩みの有無，破損の有無図2

なお，試験条件については，NASM1312-7 を参照している。
3.

試験ジグの試作および動作確認

3.1

試験ジグ

2 章の振動試験の規格で，市販の M6 ねじの振動試験を行うための試験ジグを製作した。こ

振動試験機に取り付けた試験ジグ

なお，加振中，ねじ締結体が試験ジグ本体の長穴の上下端に激しく衝突するため，その際の衝撃力を加速度ピックアップが検出して試験機が停止することがあったため，加速度ピックア
ップは試験ジグから離して取り付けた。

こで，2 章の規格はインチねじに対するものであるため，本研究では，M6 ねじに最も寸法が近い 1/4in ねじ用の試験ジグを製作し，これをM6 ねじ用の試験ジグとした。
3.2

動作確認

3.1 節の M6 ねじ用の試験ジグに，市販の M6
ねじのボルトとナットを取り付け，試験ジグを
振動試験機（IMV 社製，VS-1031-200）に図 2のように取り付けた。ナットについては，試験中に緩まないようダブルナットにして取り付けた。なお，セルフロックナットの試験ではない
ため，NAS3350 で規定されている前処理は行っていない。
動作確認は，NASM1312-7 で規定されている
振幅 11.4mmp-p，振動数 30Hz の加振条件で行った。M6 ねじ用の試験ジグと，企業が製作した M10 ねじ用の試験ジグ（NASM1312-7 に規定されている 7/16in ねじ用の試験ジグと同寸法とした）について，この条件で加振できることを確認した。

4.

結言(1) 本研究で試作した M6 ねじ用の試験ジグと企業が製作した M10 ねじ用の試験ジグについて，当研究所の振動試験機に取り付けて，NASM1312-7 の条件で加振できることを確認した。
(2) 本研究で検証していない M10 ねじを超える試験ジグについては，加振できるか事前に検証が必要である。
参考文献
1) 例えば，藤木榮, “100 事例でわかる機械部品の疲労破壊・破断面の見方”, 日刊工業新聞
社, 2003 年 , p70-71.
2) 井上紀明, “機械の損傷・破壊の原因と対策”,
森北出版, 2006 年, p137-138.
3) 林雅彦, “事例 4 最近のゆるみ止めナットと適用のポイント”,機械設計, 第 50 巻, 1 号,
2006 年, p48.
4) NASM1312-7 (1997).
5) NAS3350 (1963).

Ⅲ

調査・報告

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，①ものづくり技術連携活性化事業，②新エネルギ
ー産業形成事業，③夢プロジェクト調査研究事業にもとづく研究会を,平成 23
年度１１テーマ実施しました。
研究会では，将来性の見込める有望な産業あるいは成長産業への参入を促進するという視点から対象産業分野の概況調査，市場ニーズや企業ニーズ等の調査、併せて小規模な研究も行いました。中でも，新エネルギーでは太陽光発電，ＥＶ（電気自動車），小水力発電に絞って，また，夢プロジェクト調査研究では航空宇宙と植物工場を中心に調査を行いました。一方，ものづくり技術連携活性化事業においては，新規研究テーマ提案を目的とするもの，セミナーや勉強会を主体とするものに分けて活動いたしました。
研究会へは多くの参加者があり，総じて好評を得ました。その内容について
は今年３月に行いました「ものづくりイノベーションフォーラム」（ハイブ長岡）でも報告し，紙面やマスコミ情報では得られないことも情報提供することができました。一方，国等競争的資金へテーマ提案し，その一部は採択に至るなど，次の事業につながる取組みもありました。
以上のような活動をここにまとめて報告いたします。

平成２３年度工業技術総合研究所

研究会①ものづくり技術連携活性化事業
・質感エンジニアリング ・表面技術
・天然素材活用・高信頼制御技術

・ＣＦＲＰ
・素形材

②新エネルギー産業群形成事業
・太陽光発電・ＥＶ（電気自動車）

・小水力発電③夢プロジェクト調査研究事業
・植物工場
・航空宇宙

調査・報告植物工場研究会報告
三村

和弘*

野中

敏***

磯部

錦平*

矢内

悦郎**

内山

雅彦*

高橋

靖*

Report of Market and Technology Trends for Plant Factory
MIMURA Kazuhiro *，NONAKA Satoshi***， ISOBE Kohei*， YANAI Etsurou**，
UCHIYAMA Masahiko*and TAKAHASHI Yasushi*

1.

緒

言

近年，日本の農業問題がクローズアップされ

3.

研究会活動

3.1

植物工場セミナーている理由として，海外からの安価な農産物の勉強会は，有識者を招き植物工場の最新技術

輸入，食糧自給率の低下，農家人口の減少や高動向の情報提供セミナーを計 4 回行い，県外の齢化が上げられる。そこで昨今，安全・安心な新エネルギー利用の植物工場見学や養液栽培実

農産物の周年供給を可能とする植物工場が注目習も行った。下記に演題と講師及び工場見学先

されている。

等を記す。植物工場勉強会を図 1，見学先で実本研究会は，昨年の｢排熱利用研究会｣より際に栽培を行っていたユニット型植物工場を図提言された新エネルギーを利用した植物工場の2 に示す。

可能性について調査研究し，植物工場設備に関

第 1 回：平成 23 年 6 月 1 日

し技術開発を行うことを目的とする。

「植物工場調査報告（１）」
三村

2.

研究会の体制

2.1

会員について植物工場に関してセミナーを実施して啓蒙普及を図り，その後，セミナー参加者を中心にコンソーシアムへの参加を募った。コンソーシア
ムでは，検討会議により技術課題を見つけ出し，県や国の競争的資金の獲得を目指した。その結和弘（下越技術支援センター）「植物工場調査報告（２）」高橋靖（下越技術支援センター）

第 2 回：平成 23 年 7 月 28 日
「まるっきり畑違いからアグリビジネスへ」
五唐

秀昭氏（（株）みらくるグリーン）「植物工場の推進と支援策について」堀川

昌昭氏（農林水産省生産局）

果，会員は計 52 名（企業 23 社，1 大学，3 団体）となり，参加企業の業種は，食品関連，電機関連，建設関連，設備関連等の多岐の業種に
わたった。
2.2

運営体制

実施にあたっては，下越技術支援センターが主体となり，（財）にいがた産業創造機構と連携しながら研究会活動を運営した。
*

下越技術支援センター**

県央技術支援センター加茂センター*** 工業技術総合研究所

図1

植物工場勉強会

図2

ユニット型植物工場

第 3 回：平成 23 年 9 月 30 日･「点滴灌水や養液栽培における給液管理に

図3

植物工場栽培ミナーを聴講するとともに，県内外の企業を訪問し，展示会等にも参加して技術調査を行った。

ついて」

下記に主な調査先を記す。また，図 3 に訪問先

田川での植物工場の栽培風景を示す。

不二夫氏（ネタフィムジャパン（株））
第 4 回：平成 23 年 11 月 18 日･「植物工場における LED 照明の可能性と実①セミナー・学会等･NPO 法人植物工場勉強会･日本生物環境工学会

用例のご紹介」･養液栽培研究会

荒･富山大学夏期セミナー

博則氏（昭和電工（株））

工場見学：平成 23 年 9 月 15 日～16 日
・小水力発電利用の植物工場（都留市）
・太陽光発電利用の植物工場（エスペック（株））
養液栽培実習：平成 24 年 3 月 9 日･「養液栽培における培養液管理」
和田光生氏（大阪府立大学大学院）･｢植物工場による薬用植物｣･｢LED システムによる植物工場｣②企業訪問等
・植物工場運営（株）創カム（有）グリーンズプラント巻（有）松代ハイテクファーム
・小型植物工場

3.2

コンソーシアム活動

コンソーシアム全体会議は，計 6 回実施し，サンアロー（株）（株）電通ワークス

技術課題を討論するだけでなく，各会員企業の（株）ワイ・エス・シー

自社 PR や得意技術等を発表し，意見交換を行（株）ｉｆＤった。また，（財）にいがた産業創造機構の市・植物工場研究

場開拓技術構築事業に応募するための検討会議

産業技術総合研究所北海道センターも行った。

青森県産業技術センター
③展示会等

4.

最新技術調査等
最新技術や動向を入手するため，NPO 法人

植物工場勉強会主催のセミナーや各種の技術セ・国際農業資材展 EXPO
・アグリイノベーション
・アグリビジネス創出フェア

5.

植物工場の委託調査事業

題を克服するためのテーマである。

5.1

調査委託の概要

内容に関しては，新エネルギー分野での研究開委託事業として「植物工場事業参入への可能発であり，植物工場で使用するエネルギーの効性調査」（委託先：（財）新潟経済社会リサー

率化・省エネ化を目指し，最終的にエネルギー

チセンター）を実施し，植物工場の市場性や新ゼロ化を実現するものである。

潟県で採算のとれる植物工場野菜の作物調査等を行った。その結果，再生エネルギーを利用す

7.

結

言

る方法やユニット型植物工場の多様な活用法が（1）植物工場セミナーを実施し，植物工場の示され，栽培可能性のある作物として，薬用植啓蒙普及を図った。植物工場事業に関し物やハーブ類の他に新潟ブランドや新ブランドて，セミナー参加者を対象にし，参加企の作物が有望であることが明らかになった。

業の業種や事業参入への障壁を調査した
結果，本来の農業よりは，製造業や建設

5.2

植物工場事業の方向性

植物工場事業への参入にあたって，コスト削業などの異業種分野からの参加が多いこと，採算性や販路開拓が事業参入への妨減や販路開拓は当然であるが，その他に人材育げであることが明らかになった。

成のシステムや専門コンサルタントの必要性が（2）最新調査や調査委託により，現在の最新示された。

技術を把握し，研究会で内容を報告した。
また，事業参入にあたって，人材育成や

6.

研究会での提案

コンサルタントの必要性が明らかになっ

6.1

市場開拓技術構築事業への応募た。

コンソーシアム会議で議論をする中で，市場（3）コンソーシアム結成が実現し，県内企業

開拓技術構築事業 1)に応募することが決まり，の得意技術を用いて技術課題を克服する

応募に関して，最終的に 6 社が参加企業として，ための研究テーマが提案された。今年度

2 社が協力企業として新たにコンソーシアムをは，残念ながら採択に至らなかったが，結成した。また，中核機関は新潟大学とし，新来年度も継続して，コンソーシアムで検潟県農業総合研究所食品研究センターと当所も討会議を開催する予定である。

参加した。
参考文献
6.2

提案テーマ

検討会議で提案されたテーマは，「植物工場1）（財）にいがた産業創造機構 HP（2012 年 3月 27 日閲覧），の 新 エ ネ 活 用 に よ る ZEB 化 （ エ ネ ル ギ ー ゼ

http://www.nico.or.jp/modules/list/ロ）」であり，各企業が得意技術を駆使し，課sijoukaitakugijutsu.html

調査・報告航空宇宙分野調査報告
相田

収平*

三浦

一真*

石川

淳**

須藤

貴裕*

Report of Market and Technology Trends of Aerospace Industries
AIDA Shuhei* ，MIURA Kazuma*，ISHIKAWA Atsushi** and SUTOH Takahiro*

1.

緒

言

中国やインドといった新興国の旺盛な経済活

2000

高く，今後 20 年の全世界での民間航空機需要

1600

は約 31,000 機と予測されている。一方，日本
においても三菱リージョナルジェット機 MRJの初飛行が 2012 年に予定されており，2020 年
代には現在の約 3 倍となる 3 兆円超に成長すると予測されている有望な産業分野である。
新潟県では，県内産業の高付加価値化を推進する目的で，平成 23 年度夢プロジェクト調査

（億ドル）

1800
1400

売上高

動や生活水準の向上を背景とした航空機需要は

800

アメリカ

1200
1000

フランス
イギリス

カナダ

ドイツ

600

日本

400

200
0
1998

2000

2002

2004

2006

2008

2010

暦 年

図1

世界の航空宇宙産業売上高

研究事業として，「航空宇宙」分野に関する市

SJAC「平成 23 年版世界の航空宇宙工業」より作成

場や技術の先進情報を集め，この分野への企業

日本は約 150 億ドルであり，アメリカの 1/13の参入可能性について調査を行い，セミナーや程度の規模である。

研究会活動を通じてこれら最新情報の提供を行った。

今後約 20 年間の航空旅客の需要予測は，世界全体で年平均約 5.1%の伸びが見込まれてい本報告では，世界および日本の航空宇宙産業

る。これに対応する民間航空機材の需要はの技術と市場の両面において俯瞰した。また，

2029 年までに 31,000 機，年換算で約 1,300 機

複数の新機種開発が計画されており，市場へのの新規需要があると予測しており，大きな伸び参入に良いタイミングである航空機エンジン分が期待できる。航空機を，航空機機体，航空機

野について，市場と技術動向，ならびに県内企

エンジン，装備品と大別した場合，各分野とも業の参入可能性と課題の抽出を行った。

欧米の大手メーカーの寡占状態である。機体では，ボーイングとエアバスで市場の 67%を占2.

世界および日本の航空宇宙産業

めている。エンジンでは，GE，Platt&Whitney，

2.1

世界の航空宇宙産業

Rolls-Royce の 3 社で市場の 7 割程度を占めて世界の主要な航空宇宙産業の売上高（暦年）いる。シートや油圧システム，降着装置といっを図 1 に示す。主要 6 ヶ国の 2009 年の売上高た装備品では，欧米の 1 社ないし 2 社で市場のは約 3,600 億ドルであり，その約 5 割にあたる

90%以上を占めているものもあり，特に装備品

1,800 億ドルをアメリカが占めている。一方，における寡占化が顕著である。

*

研究開発センター**

下越技術支援センター

しかし近年では，エアラインからの運航経費削減の強い要求による機体の軽量化，双発広胴機が主流となっていることによるエンジンの推発に参加して以来，GE，Platt&Whitney，Rolls-

力増大と燃焼の効率化など，各航空機メーカー，

Royce 各社のエンジンに積極的に参加し，一定

エンジンメーカーが 1 社で開発費とリスクを負の存在感を示している。V2500 ではファン部分担することは非常に困難な状況となってきた。

が 主 な 担 当 で あ っ た が ， GE90 ， PW6000 ，

これを背景として今日では，航空宇宙分野におTrent シリーズでは，圧縮機，燃焼器，タービ

ける国際共同開発が一般的となっている。

ン部へと担当部位が広がるなどして，現在ではエンジンのほぼ全域に日本のメーカーが参加し

2.2

日本の航空機産業ている。

日本の航空機産業生産額を図 2 に示す。1980

装備品は電源システム，降着装置，油圧・空年頃から概ね順調な増加を示し，2008 年度に

圧システム，シートなど多岐にわたっているが，は過去最高の 1 兆 3,000 億円に上っている。こ

生産額は 1,000 億円弱にとどまっている。

の背景として，特に民間航空機の国際共同開発

日本の航空機産業において中部地域が占めるが挙げられる。国内のメーカーは高い設計・製割合は多い。中部地域には日本の主要機体メー

造技術を武器に数多くの国際共同開発プロジェカーである三菱重工業（株），川崎重工業

クトに参加している。

（株），富士重工業（株）の工場が立地し，その協力企業も集積していることから，国内航空

14,000
機体
エンジン

12,000機産業生産額の約 50%を占めている。特に機B777 就航,GE90 承認

装備品

（億円）
生産額

体部品に関しては 70%以上と，他地域を大き全体

10,000V2500 承認

8,000

Trent1000 承認

B767 就航

く引き離している。機体部品は比較的大型な部

6,000

品が多く，輸送コストが嵩むことなどが影響し4,000ているものと考えられる。
一方，航空機エンジンの分野では，機体分野

2,000のような特定の地域への集中は見受けられない。

0
1976

1980

1984

1988

1992

1996

2000

2004

2008

年度

図2

日本の航空機産業売上高

SJAC「航空宇宙産業データベース」平成 23 年 6 月より作成

例えば，（株）IHI は，エンジン用シャフトを広島県呉市の工場で生産し，コンプレッサブレードなどは福島県相馬市の工場や長野県辰野町にある関連会社で生産するなど，各地に分散し機体は最も生産額が大きく，約 6,000 億円強ている。エンジン部品は機体部品に比べて小型である。特にボーイング機において三菱重工業

な部品が多いことから，輸送コストはそれほど（株），川崎重工業（株），富士重工業（株）

負担にならず，必ずしも特定の地域に集中するなどがプログラムパートナーとして参加してお必要はないと考えられる。こうした点から，航り，B767 では胴体構造が中心で 15%の分担比

空機エンジン分野は，発注側企業が立地してい率であった。最新の B787 では構想設計段階かない地域の企業でも受注できる可能性が十分にら参加し，CFRP 製主翼など難度の高い部分をあると考えられる。

担当し，分担比率は 35%まで高まっている。
その他エアバス機ではシュラウドボックス（主3.

翼付根後縁部分）や貨物扉などのサプライヤー

新規参入可能性として参加している。

航空機エンジン分野における技術動向と航空機エンジン分野では，エンジンの推力増

一方，航空機エンジンも 4,000 億円弱の規模

大と燃焼の効率化といった要求に応えるために，である。V2500 エンジンで本格的な国際共同開

様々な技術開発が行われている。図 3 に一例として示すが，ファンブレードへの CFRP の採用
やタービンブレードへの TiAl（チタンアルミ
金属間化合物）などの軽量耐熱材料の採用による 軽 量 化 の 他 ， CMC （ セ ラ ミ ッ ク 基 複 合 材料）製ミキサーノズルの試作開発など，燃焼温度の高温化のための新材料開発などが挙げられる。これら新しい耐熱材料は，そのほとんどが難加工材料であるため，材料開発と同時に，効率的な加工技術の開発が求められている。
もともと新潟県内の産業としては，機械・金図4属が盛んであり，機械加工や金型加工企業では，新潟県内企業へのヒアリング結果

一般財団法人機械振興協会経済研究所の調査結果

加工技術が高く評価されている企業も多い。この点から，その加工技術を活用して航空機分野

められている。

への展開が考えられる。

したがって，航空機産業への参入を目指すにあたっては，難削材の加工技術をさらに高める
技術開発に加えて，品質管理と一貫生産体制を

CFRP

チタン

整備した航空機エンジンクラスターを構築することが重要と考えられる。
4.
TiAl
Ni-base結言（1）2029 年までの民間航空機の需要は 31,000
機，1,300 機／年の新規需要があり，大きな伸びが期待できる。

TiAl 製タービンブレード
CFRP 製ファンブレード

図3

エンジン部品の軽量化例（2）航空機の機体やエンジン，装備品の各分
野で欧米のメーカーの寡占状態であるが，近年では国際共同開発が一般的となり，高い設計・製造技術を持つ日本のメーカーが機体やエンジンの分野で数多くの国

図 4 に新潟県内企業 9 社へのヒアリング調査
結果を 7 項目の指標で評価した結果を示す。こ際共同開発プロジェクトに参加している。
（3）航空機エンジン分野は機体に比べて国内れによると，新潟県内の企業は，航空機エンジの特定地域への集中が見られない。また，

ンに多用される難削材の加工技術は高いものの，

エンジン部品は新しい耐熱材料などが開

航空機部品加工に必要な品質管理体制を整える

発・実用化されているなかで，これに対ことが課題であることが明らかとなった。

応した効率的な加工技術の開発が求めら

JIS Q 9100 取得等の品質管理体制の確立にはれており，高い加工技術を有する新潟県費用がかかるため，行政などの支援によって企

内企業の特質を活かすことができる。

業の費用負担の緩和をすることが新規参入の契（4）技術開発に加え，品質管理と一貫生産体機になる。また，発注サイドである大手重工メ制を整備した航空機エンジンクラスター

ーカーのニーズとして，機械加工のみならず熱を構築することが市場への参入戦略とし処理や表面処理などの一貫生産体制の構築も求て重要と考えられる。

調査・報告太陽光発電研究会報告石井啓貴***大野

宏**

坂井

朋之*

裕之*

須貝

星野

公明***

江口

和也*

A Report on Market and Technology Trend of Photovoltaic Power Generation
ISHII Hirotaka ***，OHNO Hiroshi**，SAKAI Tomoyuki*，SUGAI Hiroyuki*，
KIMIAKI Hoshino*** and KAZUYA Eguchi*

1.

緒

言

CO2 を排出削減するため，再生可能エネルギ
ー導入が積極的に進められている。中でも太陽絞って調査を行うこととし，講演会の参加者を募り，講演会を開催するとともに，関連技術・企業調査を実施することとした。

光発電は，国の補助金制度が復活し，平成 22
年度から発電余剰分の固定価格買取（フィー

2.

活動概要

ド・イン・タリフ＝FIT）制度が始まり，急速

2.1

研究会の開催に需要が増えている。また，平成 23 年 3 月に県内企業（電子機械製造業，施工業，電気工

発生した東日本大震災や原子力発電所事故，こ事業）や自治体関係者を対象に会員を募集し，れに伴う計画停電といった電力供給体制の不安

2 回の研究講演会を実施した。また，当所主催

は，太陽光発電といった再生可能エネルギーへのものづくりイノベーションフォーラムにおいの注目を集める結果となっている。

て活動報告を行った。

このような背景の中，新潟県は平成 21 年度
から新エネルギー産業群形成事業として太陽光発電研究会を開催し，太陽光発電に関する講演

・第 1 回（7 月 28 日）「太陽電池の電子特性の基礎」
有限会社吉富電気 代表取締役

吉富政宣

氏

などにより情報提供を行い，県内企業の太陽光

太陽光発電システムの設計には，システム各発電市場への参入および企業間連携推進を支援

構成要素技術の全般をまず概観し理解する「どした。また，県内外の先進企業の状況を調査し，んぶり勘定」的視点が重要である。施工現場に県が取り組むべき課題について検討した。

おける診断計測における「三種の神器」として，これまでの研究会の調査結果から，①太陽光ラインチェッカ，赤外線カメラ，I-V カーブ測発電システムはメンテナンスフリーと言われて定機がある。太陽光発電システムの不具合発見

いるためユーザーの保守点検に関する意識は低の課題について，現状は事後対策に留まっておく，最近，故障や不具合発見能力が低いことにり未然防止策をまとめることが必須であることよる弊害が報告されていること，②低い確率でや，アレイを見るためには，三種の神器（ライはあるが実際に故障は発生しており，保守点検

ンチェッカ，赤外線カメラ，I-V カーブトレーのニーズが高まっていることが分かった。このサ）の準備，解析技術の習得，絶縁抵抗計とい調査結果を踏まえ，今年度は「太陽光発電の保った基礎的計測器が必要であること，今後の課守点検，メンテナンス，検査技術」にテーマを題としてアレイ以外の検査法の確立，解析の統*研究開発センター

**

企画管理室

***

下越技術支援センター

合環境などの整備が重要である。
また，太陽光発電システムの新設普及，運転保守の健全化に向けて，未然防止に向けた基本的な取り組みを推進し，システム技術者を育成

したり，維持管理の観点を持つために，メンテと，横浜市の企業を中心とした企業と研究機関，

ナンス方法の技術開発やシステムを長期にわた

横浜市の協力を得て，「横浜スマートコミュニり保持できるための社会的制度の整備を進めるティ」が設立された。会員企業が技術的な要素ことが重要であるとしている。

を持ち寄り，各自課題解決に取り組む自主自律

・第 2 回（平成 24 年 2 月 3 日）

的な運営を行っているのが特徴である。植物細「太陽光発電の設置からメンテナンスに有効な胞が持つエネルギーの生成，蓄積，制御の仕組

計測技術」

みを参考に，スマートハウスで必要なエネルギ

新栄電子計測器株式会社
光山

亮

営業技術部

氏

ーシステムのコンセプト構築を考え，実際にエネルギーシステムを考案し，福岡スマートハウ

太陽光発電で使用される測定器は，日射計やスコンソーシアムでミニハウスを構築して評価

温度計，日影測定器，I-V 測定器，絶縁計，赤することが特徴である。スマートハウスのビジ

外線サーモグラフィ，テスターなどである。太ョン作りから，モデル作成，検証，実証まで一陽光発電システムの故障と劣化の原因は，太陽貫した流れを行うとしている。

電池モジュールの不良（経年劣化や内部電極不・ものづくりイノベーションフォーラム

良，インターコネクト不良），パワーコンディ（平成 24 年 3 月 6 日）

ショナ不良（経年劣化による変換効率低下），「太陽光発電研究会調査報告」

施工・設置不良（配線ミス，接続ミス）などで太陽光発電に関連する県内企業について調査ある。太陽光発電システムのメンテナンス方法した。当研究所の太陽光発電研究会の 3 年間のは，JEMA（一般財団法人日本電機工業界）の活動を報告した。太陽光発電全般に関する課題

規格に規定されており，主な項目は，太陽電池や，雪国ならではの課題について報告した。パアレイ（目視検査，絶縁抵抗），接続箱（目視

ネル製造工程への県内企業の新規参入は難しい

検査，太陽電池，端子間絶縁抵抗）P/C（出力が，普及が進むにつれて保守管理の重要性が高端子間絶縁抵抗），その他目視などである。

まっており，簡単に現場で使える検査装置や検太陽光発電システムのメンテナンスにおいて査方法に関するニーズが高まる。

は，①I-V 特性測定によりパネルが正しく施工「太陽光，風力，水力等自然エネルギー発電用されているかを確認すること，②施工データをコントローラ制御技術」

蓄積することで施工技術を蓄積すること，③定エフテック株式会社

期的な測定でパネル顧客へ継続した信頼を得る

渡辺ことが肝要である。

諭

代表取締役

氏

太陽光や風力など自然エネルギー発電用コン「横浜スマートコミュニティの概要と取組」

トローラを製造販売しており，蓄電池を組み合株式会社 PALTEK

わせた独立電源に対応している。気象データのスマートグリッド事業部

統括部長／横浜スマートコミュニティ事務局長

観測や通信などの周辺技術も有している。これ

前川まで開発に取り組んだ事例，機器選定や設計上

大介

氏

2010 年 6 月に，自律的な電力供給システムのの注意点について紹介した。

構築を目指し，福岡スマートハウスコンソーシ
アムが発足した。福岡市内に煉瓦ハウスを建築

2.2

県内企業の現状調査

し，太陽電池，風車，蓄電用 Li 電池を設置，各

新潟県内の太陽光発電システムの施工業者や種実証実験を行うものである。福岡スマートハ

電気工事業者を訪問し，現状や課題，今後の取ウスコンソーシアムの活動を受け，2011 年 6 月，組などを調査した。

福岡スマートハウスコンソーシアムの参加企業

クレームは第一に施工業者に来るため，引渡の際には，ユーザーにしっかりとした情報提供調査した。開発中の不具合箇所特定技術は大きを行うことが重要である。太陽光発電自体に興く 2 種類あり，一つ目は TDR 法のようにセル味を持たれるお客様も多く，問い合わせも増え

ネットワーク端に信号を注入し反射波から不具ているとのことである。

合箇所を特定する技術，二つ目はモジュール毎

施工業者として太陽光発電システムの保守点に電圧，電流値のモニタリング端末を設置し，検の重要性について十分認識しているが，施工

直流電力線通信によりデータをサーバに集約す

実績をあげることが，まず先であると考えている技術であるが，課題として以下の点が上げらると思われる。

れる。
（1）信号注入方式は，パネル特性の個体差や

2.3

新潟県の大規模太陽光発電所調査

不均一下などでは，特定が困難である。

県内の公設の大きな太陽光発電システムとしモニタリング端末は，既設システムへのて，新潟東部太陽光発電所の調査を行った。特実装に難点がある。

徴として，複数のパネル架台を採用している。

（2）主にメガソーラーへの運用が想定されて一つ目は，可動式架台で，夏季 20 度・冬期 40

おり，民生用システムへの展開には，時度に手動で可動させる。可変機構はエアシリン間を要すると思われる。

ダを採用し，エアシリンダ用コンプレッサを備（3）パネル設置時のデータから時系列のデーえている。二つ目は追尾式架台設備で，1 軸，2タ蓄積や高度なデータ解析を含めた統計処

軸式の 2 式が配置されている。

理技術との連携が重要である。

また積雪地域に適した設計を採用したり，落雪を考慮して架台高さを 1.8m に設計している。

3.

太陽光発電研究会の取組

設計荷重は，3000MPa とし，積雪 1.3m に耐え

3.1

太陽光発電システムの検査・保守点検事られるように設計されている。台風対策として，業に関するアンケート調査

風量が高い際に，パネル接地面を水平に制御し太陽光発電施工業者，電気工事業者の保守点ている。また雷対策として，大地にメッシュ状検や故障診断への取組状況やビジネス展開の意

設置線を敷設している。

向について調査するためアンケート調査を実施した。調査票を送付し，17 社より回答を得た。

2.4

太陽光パネル診断装置企業・研究機関の調査
太陽光パネル診断装置を開発・販売している

今回のアンケートの回答結果から，太陽光発電システムの施工や電気工事業者の約 3 割は，システムユーザー側から何らかのシステム故メーカーを訪問し，診断装置の現状について調障・クレームが寄せられていることが分かった。

査を行った。太陽光発電システムの電気的性能

また，実際に利用されている太陽光発電システ

測定の手法として，一般的に I-V カーブ計測にムの故障診断方法・診断装置に対する回答は，より，各種特性値などの評価が行われるが，接「絶縁抵抗計」が 50％と最も高く，以下「赤外続箱のアレイ接続端において計測されるため，

線カメラ」（22％），「太陽電池アレイテスタ」

不具合が生じたアレイ中のモジュールやセルを（14％）という回答であった。メーカー指定に特定することは困難である。ゆえに不具合箇所

よる定期点検項目で絶縁抵抗測定が上げられてを特定できる技術が確立されることは極めて有いるためであるが，その他に太陽電池の性能特用であると思われる。

性を検査するうえで重要となる I-V 特性を計測

現在，各研究機関で研究・開発されている太陽光発電システム不具合箇所特定技術についてできる診断機器の普及がまだ進んでいないことが分かった。

3.2

パネルメーカーと県内金具企業との連携

3.4

競争的研究課題への提案

太陽光パネル施工実績が多く，また大手太陽

新潟県は，平成 23 年度から東北電力と共同

光パネルメーカーからも研究を依頼される県外

でにいがたスマートコミュニティ実証事業（モの優良施工業者と，県内における太陽光パネル

デル構築）を開始した。これは，電力網が比較

取り付け金具メーカーと意見交換を行った。

的小さく閉じている粟島に再生可能エネルギー

太陽光パネルを施工する側から見ると，金具である太陽光発電を設置し，災害に強いスマー

メーカーは金具という部品だけを出荷したがる

トコミュニティを構築するものである。この事ように見える。一方，施工側では多様な屋根の業と並行し，スマートグリッド関連の県内製造

種類やそれに対応した金具形状，施工方法，そ業を支援しようと，産学官が連携してコンソーして耐食性のことなど様々な情報を知りたいの

シアムを形成し，財団法人にいがた産業創造機

だが，これらを提供してくれる金具メーカーは構の市場開拓技術構築事業に提案した。課題名

ほとんどない。施工業者に対して太陽光パネル

は，「自律分散型スマートハウス用グリーン

取り付け金具に関する情報を提供するような仕デバイスの開発」で，家庭でのエネルギーを有組み，金具の製造技術や耐食性などの付加価値

効活用するための各種デバイスを開発するもの

技術を，同業や異業種，施工業者など広範囲にである。

広げること，各種情報提供を行うなど手厚いサービスが求められていることが分かった。

4.

結

言

（1）講演会を通じて，参加企業において検査
新潟県太陽光発電技術マップの整理技術などの理解を深めることができた。

太陽光発電研究会では平成 21 年度から 3 カ

参加企業が，故障の具体的な事例や不具年，太陽光関連企業の調査を行ってきた。最終合症状，診断方法の実際について大きな

年度の今年度はその総括として，新潟県内の太関心を持たれていることが分かった。

3.3

陽光関連企業や得意技術を整理し技術マップを（2）太陽光発電の保守点検に関するアンケー

作成した。新潟県内には太陽電池パネルの製造

ト調査の結果から，施工や電気工事業者を行っている企業は無いが，半導体製造によりの約 3 割でシステムユーザー側から故培われたシリコンインゴット鋳造技術・加工技

障・クレーム対応の経験があること，ま術，薄膜製造技術，ウェハ搬送技術，検査技術，

た，今後の事業取組について太陽光パネ

電子部品製造により培われた導電性材技術，電ルユーザーへのアフターケアを重視して極塗布技術，及び，その他の周辺技術により太いることが分かった。さらに，県内の施陽電池パネルの製造に関連した企業が多く存在

工関連企業の調査からは，パネルメーカ

することが分かった。また，電力制御装置関連ーによる保守点検制度の充実など，保守で，充放電コントローラを開発して大手太陽光

点検環境の醸成を望む声があった。

パネルメーカーに多数納品している企業が存在（3）太陽光発電システムの検査技術に関するする。さらに，金属加工を得意としている企業

計測器メーカーや研究機関などの調査をが県央地区に多く集積しており，屋根用の金具行った。検査装置の利用には，技術的ななどを製造していた企業が，太陽光パネル用の知識の習熟が必要であり，とりわけ民生取り付け金具・架台に進出している。強度や耐部門では普及に時間がかかること，個別

食性はもちろんのこと，屋根に穴を開けない，

故障箇所診断技術は，現在各機関で研究設置が簡単，各メーカーにも対応など，各社でが進んでいるが，実用にはまだ課題が多工夫をこらした製品を製造している。

いことが分かった。

調査・報告EV 技術研究会報告
五十嵐

晃*

須貝

裕之*

中川

菅野

明宏*

江口

和也*

昌幸*

Report of Collegium for EV Related Technology
IKARASHI Akira*， SUGAI Hiroyuki*，NAKAGAWA Masayuki*,
KANNO Akihiro**and EGUCHI Kazuya*

1.

緒

言

EV 技術研究会を始めて 3 年になる。当該事
業を開始した平成 21 年度から，この 3 年の間においても，様々な出来事があり，EV など新エネルギーを巡る環境も大きく変化した。本事
業開始当初から，地球温暖化対策および石油資源の枯渇による原油価格の不安定性を背景として，自動車の脱石油化が叫ばれていたが，昨年
3 月に発生した東日本大震災を契機に，新エネ
ルギーおよび再生可能エネルギーへの関心はさらに高まっている。そこで，動く電池としての図1

開催セミナーの様子

EV にも注目が集まっている。そこで，本調査

ンフォーラム」というイベントに際し，EV・ス

では，自動車としての EV はもちろんであるが，マートグリッド分科会として参加した。そこでスマートグリッドやスマートハウスについても，は，県内企業および県内へ進出している企業，調査を行い，競争的資金獲得への動きを進めな団体から，各機関で行ってきた，EV 関連事業

がら，それらへの参入可能性についても検討をの説明を行っていただいた後，全体の質疑応答加えた。

を含め，ミニディスカッションを行った。総じて今回のテーマへの関心は高く，活発な質疑応

2.

EV 関連技術セミナー

答が行われた。特に（株）東芝の発表に対して

県内製造業が今後 EV 関連産業へ参入するには，県内進出企業ということもあり，多くの質あたり必要とされる，EV 関連技術の動向，関問があった。（株）東芝からは，新型 Li イオン

連産業構造の状況等の情報提供を目的として，電池の製造工程についての説明や，電池ケース

EV 関連技術セミナーを開催した（図 1）。合計の製造工程についての説明があった。

2 回のセミナー参加人数は，のべ 65 名であった。

さらに EV は，一般に関心の高い技術分野で群馬県におけるミニ EV 開発の動きや，静岡県もあるため，県としての動きを普及啓発する意

における，従来自動車部品企業の危機感から来義もあることから外部からの講演依頼にも対応る積極的な取組みが紹介された。

し，積極的な情報提供につとめた。

一方，3 月には，「ものづくりイノベーショ*

研究開発センター

3.

調査活動

3.1

参入を図る方法が考えられる。

県外における動向調査

EV に関連した技術動向および市場動向の把

4.2

技術的課題

握を目的として，展示会等の調査を行った。展EV は，要素技術としては，電気（駆動系）

示会の調査では，EV とスマートグリッドの展と機械（主に筐体系）の統合技術である。また，

示会を併催する状況が見受けられた。今後 EV

そのうちの電気も，電池とモータ，およびそれは，単なる従来の自動車の置き換えのみならず，らを制御する制御技術で構成される。ここで扱

家庭用の蓄電デバイスとしての機能も求められう電力の大きさは，数十 kW と大きなものであていくことがうかがえた。

り，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶また，当所で開催するセミナーやイベントの縁型ゲートバイポーラトランジスタ）や IPM

講師依頼のために，各講師を訪問し，状況確認（Intelligent Power Module：インテリジェントを行った。

パワーモジュール）などの専用の電力デバイスを扱う必要があり，各ディスクリート部品によ3.2

県内企業の動き

県内の EV 関連技術動向の把握を目的として，り，電子回路を設計，製作する必要がある。また，それらのデバイスを制御するには，マイク

最新状況の調査を行った。主に，EV 自体の開ロコンピュータ（以下マイコン）などディジタ

発を進めているところは，技術開発というより

ル回路の設計，製作が必要で，かつ，マイコン

は，まだ町おこしというイメージが強い印象での制御用に，プログラム（いわゆる組込みソフあった。一方，EV 関連技術開発への取り組み

ト）を組む必要がある。一方，機械では，主にでは，モータ制御技術を応用し，自社製品の高筐体となるが，省エネのために，各部分におけ

付加価値化を実現している企業もあった。

る軽量化が必要となる。また，エンジンがなくなることで，大きな熱源が消失するため，従来，

4.

課題とその対応

4.1

対象市場の特性上の課題

耐熱が必要とされた部分の性能が緩和されるた
め，金属が必要であった部分に樹脂を採用する

EV は電気で動く自動車であるため，まず従可能性も出てきている。また，センサやアクチ

来の自動車メーカが開発製造を進めている。従ュエーターの接続に，機械的な接続ではなく，って，一義的には，従来の自動車製造ピラミッ

電気的な接続で対応するために，筐体のデザイ

ド構造の踏襲が考えられる。一方，EV の要素

ンや設計，また，各装置の配置のデザイン等のデバイスを考えると，電池やモータ，制御基板，

自由度が飛躍的に上がることが考えられる。

となり，これら単体では，重電メーカの独壇場

このような技術的な状況を考慮して，自社とである。さらに，EV 単独の開発だけでなく，して手掛けるきっかけを見つけることが必要でカーシェアリングや，レンタカー，充電ステーある。

ション，スマートハウス，スマートグリッド等，
EV を取り巻く周辺市場も広がっている。

4.3

地域特性に伴う課題

このような課題に対しては，今まで自社が関新潟県内には，従来から自動車の組立メーカ

わってきた業界を足がかりに情報を得ながら，は存在していないという課題がある。これはも参入を図っていく方法が考えられる。また，あちろん EV についても同様である。そのため，らためて自社技術，自社製品を見直し，それら

自動車関連産業における，ティア１（一次下請が EV 関連市場もしくは，スマートグリッド関け）は，新潟県内には，限られた存在しかなく，連市場等のどこに適用できるのかを見極めて，

ティア 2～3 以降の企業が主であり，EV 化への動きへの対応速度やタイミングも，市場動向とるものである。

リアルタイムに連動しているように見えない。

技術蓄積手順としては，単に座学のような，むしろ，今後，少し遅れて，県内企業が EV 化

教科書を始めから読み進めていくやり方ではなへの対応を実際には迫られるように思っている。

く，開発着手当初から，最終製品のイメージをそれから考えると，今のうちに，自社の EV 化

持って臨むことが重要である。その最終製品をへの方針を検討しておく必要はあると考えられ実現するには，それを構成要素に分解する。する。このように課題と思われる面を逆にメリッると，これらに分解されるので，今度はさらにトと捉え，今から充分検討しておくことは重要

それをもっと細かく分解する。といった具合でである。

ある。そのようにして，行うべき項目を洗い出し，それらを着実にものにしていくことで，結5.

工技総研の取り組み

果として，最終製品に最短でたどり着く方法でEV およびその関連技術について調査してきあると考えられる。このやり方を採用すれば，

たが，モータおよび電池そのものの開発は，投最短時間で最終製品完成に近づくだけでなく，資額も大きく，現在までの技術蓄積，経験が大途中の技術習得内容も，最終製品に必要なもの

きく影響することがわかった。そのため，中小だけをトレースでき，効率も高くなると考えら企業が簡単に参入することはできない。一方，れる。

モータや電池のいずれにも必要で，かつ重要な次年度以降，このような手順で，電力変換技位置を占める，電力変換技術およびそれらを制術等基盤技術の蓄積を当所でも図ることが必要

御するための制御技術について，技術蓄積を図になると考えている。

ることは有効であり，当該技術の用途を限定することで，新規参入が比較的容易にできると考

6.

結

言

えられる。

(1)EV 関連市場は，非常に幅広い技術分野で成

そこで，次年度以降は，当所においても，こり立っているため，従来の自社技術を再度見れら電力変換技術，および制御技術を実例を通極め，経験や今までに得ている知識等を踏まじて，蓄積していくことが有効であると考えてえて，参入しやすい分野から入っていく方法

いる。当該技術のように基礎的な技術であるが，が有効である。

それだけに様々な用途に適用可能な技術は，習(2)電力変換技術およびそれを制御する制御技術

得までに時間がかかるため，成果が見えづらい。

という基盤技術について，時間をかけ，対象

しかし，一度手に入れてしまえば，それから先とする製品を当初からイメージしながら，製は，様々な分野への応用が効くと考えられる。

品開発と技術蓄積を並行して進めることは，

この分野の技術を総合して蓄積することは，効率的であり，今後の技術応用展開を考えて非常に手間や時間がかかることではあるが，その分，手にできた後の将来性は非常に期待できも，非常に有効な手法である。

調査・報告小水力発電研究会報告
諸橋

春夫*

星野

公明*

渡邉

亮*

明歩谷

英樹**

Market and Technology Trends of Small Hydropower Generation
MOROHASHI Haruo *，HOSHINO Kimiaki*，WATANABE Ryo*and MYOBUDANI Hideki**

1.

緒

言

持続可能な循環型社会の構築や地球温暖化対

2.

研究会活動

2.1

セミナーの開催策として二酸化炭素削減を行うことは，地球の県内企業，自治体，土地改良区等の小水力発

未来のためには必須の課題となっており，この電担当者向けにセミナーを 3 回実施し（図 1），

課題に向けた取り組みとして，小水力発電をは

小水力発電の現状や課題について情報提供を行じめとした再生可能エネルギー導入による対策

った。第 3 回のセミナーにおいては講演の他にの重要性は，ますます高まっている。また，再可搬式水車発電機の実演も行った。

生可能エネルギーは，高騰する化石燃料，二酸・第 1 回化炭素排出課題のある火力発電，安全性が疑問「新潟県小水力発電導入の可能性調査につい視される原子力発電の代替として，さらには地て」域分散型エネルギーとしても重要な位置づけに

東京発電株式会社ある。再生可能エネルギーの中でも小水力発電

営業グループは，水資源が豊富な新潟県（包蔵水力は全国 4「小水力発電の今後の展開と産業振興」

位）において発電できる地点が多く，気象変化

茨城大学

7月8日

水力事業部

マネージャー

農学部教授

マイクロ水力富澤晃氏

小林久氏

に対しても比較的安定して発電できることから，貴重な新潟県産エネルギーになると考えられる。
以上のことから，小水力発電の導入は非常に意義のあることであり，将来的には小水力発電機に関わる市場は，成長が見込めるのではないかと考えられる。しかし，現時点では，まだ発電コストが高く，その市場も未開拓な状況であるため，発電コスト低減に向けた技術開発が，重要な課題となっている。
このような背景の中，本研究会では小水力発電に関する講演会の開催により県内企業に情報

図1

第 1 回小水力発電セミナー

提供を行い，県内外の各種調査を基に県内企業

・第 2 回の小水力発電市場参入可能性の検討および各機「エコ水車の開発と普及」

関の連携推進支援を行うことを目的として活動

信州大学

を行った。

「小水力発電における電力の利用について」*

下越技術支援センター

**

企画管理室

8 月 26 日
教授

新潟工科大学

池田敏彦氏
准教授

佐藤栄一氏

・第 3 回

10 月 7 日「エコ水車の研究開発」
信州大学

准教授

飯尾昭一郎氏「エコ水車の開発経緯」
新潟ウオシントン株式会社
サービスセンター
技術担当課長サービス技術チーム

金子正美氏「下掛け水車方式による小水力発電技術」
株式会社本間組

土木事業本部

技術開発研究室

担当課長

表1

水力発電の出力分類

分類

出力

大水力

100,000kW 以上

中水力

10,000kW～100,000kW

小水力

1,000kW～10,000kW

ミニ水力

100kW～1,000kW

マイクロ水力100kW 以下

技術部
流量 1m3/s 未満の水力発電設備（ダムを伴うも岩田秀樹氏のは除く）は，一般用電気工作物，それ以外は＜可搬式水車発電機の実演＞
信州大学で開発した可搬式水車発電機（図

事業用電気工作物と区分されている。事業用電2）を水道水を用いて発電させ 100 個の LED ラ

気工作物は，電気事業法により保安等の規制がンプを点灯させた。

あり，工事計画の届出，主任技術者の選任と届出，保安規程の制定と届出が必要となる。
また，「新エネルギー利用等の促進に関する特別措置法施行令の一部を改正する政令」（平成 20 年 4 月 1 日施行）において新エネルギー利
用等に，「未利用水力を利用する水力発電」が追加され，かんがい，利水，砂防その他の発電以外の用途に供される工作物に設置される出力
1,000kW 以下の発電は，新エネルギー利用等に該当することとなった。さらに，「電気事業者
による新エネルギー等の利用に関する特別措置図2

法」（平成 15 年 4 月 1 日施行，通称 RPS 法）

可搬式水車発電機の対象にもなっている。
2.2

小水力発電の現状調査

水力発電は，二酸化炭素を排出しないクリー

2.2.2

発電方式

ンな再生可能エネルギーであり，電力の安定供100kW 以下のマイクロ水力発電は，既存施設給の確保，地球温暖化問題への対応などの観点を利用し，簡易な発電設備を設置することによから，重要な自然エネルギーである。本研究会

り水力エネルギーを回収する場合が多く，流れでは，小水力発電の現状および県内企業動向，込み式での発電方式が一般的である。水利用か先進事例について調査を行った。

ら分類される発電方式として，河川水利用，農業用水利用，湧水利用，上水道利用，下水道利2.2.1

用などがある。上水道を利用する発電は，原水

小水力発電の出力規模

水力発電の発電出力規模による分類は明確に規定されていないが，NEDO のガイドブック

1)

では表 1 に示すように分類されている。

取水箇所から浄水場，または浄水場から配水場までの間で得られる落差を利用する方式である。
これらの送水過程では，通常，管路末端部にお電気事業法においては，水力発電設備は電気

いて保有する水圧を減圧するための減圧用バル工作物とされ，電圧 600V 以下，20kW 未満で，ブ等が設置されており，この減圧される水圧を水力発電に有効利用することができる。

業数社で構成されたグループが開発した増速機のいらない低速回転対応発電機は，メンテナン

2.2.3

小水力発電の特徴

ス費用や製造コストの低減を可能にする方向性

小水力発電は，運転中に窒素酸化物や硫黄酸が示されていると思われる。

化物を排出せず，発電設備建設なども含めたトータルの二酸化炭素排出量も極めて少ないクリーンエネルギーである。また，小規模であるた

3.

課題と対応
本研究会のセミナーに参加または調査した県

め，発電設備を設置する際の地形改変が小さく，

内企業は，そのほとんどが 1kW 以下の発電規

使用水量も少ないことから，河川水質や周辺生模を対象として考えていることから，1kW 以下

態系に及ぼす影響が小さく，自然にやさしいと

クラス小水力発電機に関する課題を検討した。

言える。さらに太陽光発電や風力発電等の他の検討の結果，①最適水車が開発途上，②製造コ

自然エネルギーに比較して電力供給の安定性にストが高い，③市場が未開拓，④発電を妨げる

優れている。その他に小水力発電は，既存の農ゴミの除去，⑤法律の規制，などが課題として

業用水利施設や上水道施設等の利用が可能であ考えられる。

り，また，比較的簡易な設備であることから短期間での建設が可能であるなどの特徴がある。

3.1

技術的課題への対応

水力発電の水車には，下掛け水車，クロスフ
2.2.4

小水力発電の市場

ロー水車，フランシス水車など多くあり，それ国内の小水力発電の市場規模は，10 億円程度

らは使用流量と落差から選定される。しかし，と言われており，年間数カ所の小水力発電所が1kW 以下クラス（例えば，落差：1m，使用流2)建設されているにすぎない 。また，100kW 以

量：0.1m3/s 以下）に対応する水車は一般的には下のマイクロ水力発電については，正確な統計ない。このような現状の中，調査した数少ないを取っているところは見当たらなかったが，現開発事例では，コンパクトな水車であるととも時点では未開拓であると言える。

に水車の羽根に水を効率よく当てるためのノズ
ルや集水板を使用するという特徴が見られた。

2.2.5

県内企業の現状調査

県内企業調査では，小水力発電に関して製造販売まで取り組んでいる企業は数社であった。

小水力発電の場合，多種多様なケースがあるので，このような水を当てる技術を含めた水車設計をする必要があると思われる。

また，発電機を検討中・開発中の企業を含めて

また，小水力発電機は，大手メーカーから一もそのほとんどが，対象としている発電クラス

部規格品が販売されている例があるが，ほとんは 1kW 以下であった。

どの場合オーダーメイドで製造されており，これが高コストの要因となっている。従って標準

2.2.6

県内外の小水力発電先進事例

仕様化，簡素化は重要であり，発電コスト低減実証試験で発電した電気の利用として，照明のためのメンテナンス省略に関わる開発も必要

やイルミネーションの他に衛星電話の充電，電である。調査事例の中には，低回転で発電でき

気自動車充電設備への供給，鳥獣防除用電気柵

る発電機があり，これは水力発電において通常などへの活用事例を調査した。また，1kW 以下

必要な増速機が無いため増速機用のベルト交換の小水力発電に関する研究事例は，まだまだ少が不要であり，さらに防水機能が付加できるもない状況であるが，信州大学と新潟工科大学でのであった。

先進的な取り組みがなされており，両大学と企3.2

その他の課題への対応

4.

結

言

1kW 以下小水力発電の市場は，現時点では未（1）本研究会では小水力発電に関する講演に開拓であると言える。この市場開拓の方向性とより県内企業に情報提供を行い，県内外

しては，発電した電気の利用例を増やしていくの各種調査を基に県内企業の小水力発電

ことが重要であると考えられる。例えば，電気市場参入可能性の検討を目的として活動の通っていない無電地帯での利用（山小屋，バを行った。

イオトイレ，河川等の監視カメラなど），農業（2）1kW 以下クラス小水力発電機に関する課での利用（鳥獣防除用電気柵，ハウス栽培用電題を検討した結果，①最適水車が開発途源など）などに有効性があると思われる。

上，②製造コストが高い，③市場が未開

河川に流れるゴミなどは発電機を止めてしま

拓，④発電を妨げるゴミの除去，⑤法律

うため，ゴミ除去は重大な問題である。これにの規制，などが課題として考えられた。

対してスクリーン，電動除塵機などを設置して（3）小水力発電に関わる開発は，水車や発電

ゴミ除去，処理を行っている例もあるが，各地機の他に水を水車の羽根に効率よく当て点においてその状況は多種多様である。従ってる工夫等も必要である。また，地域の実発電機設置場所周辺の地域住民の方々の協力が情にあった開発が必要であるため，産学不可欠であると考えられる。

官以外に地域との連携が不可欠である。

法律の規制に関しては，手続きの煩雑さなどに影響しているが，この煩雑さの難易度は，河川の種別等により全く異なるので，計画地点の河川の種別を知っておくことが重要である。
また，小水力発電に関する開発は，地域にあ

参考文献1）NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構），マイクロ水力発電導入ガイド
ブック，2003，p13．

る資源，社会システムを活かし，地域の実情に

2）後藤眞宏, 上坂博亨, 小林久，“南ドイツあった開発を地域が主体的に解決していくこと

における小水力発電の調査報告とわが国が重要であるため，産学官以外に地域との連携の農村地域の小水力発電の今後の展望”，が不可欠であり，当研究所が個別の問題に対し農工研技法，210，2009，p173．

技術指導を行うことは有効な支援になると考えられる。

調査・報告質感エンジニアリング研究会報告阿部 淑人*

中部

昇** 橋詰 史則*

A Report of Market and Technology Trends of Texture Engineering Products
ABE Yoshito*, NAKABE Noboru **

1.

緒

言

and

HASHIZUME Fuminori*

ーカーの課題解決に関する話題について取り組

本研究調査では製品や部材の付加価値向上にんでいる。機構部品の強度に関して目標値と許資するため，(i)機能性や信頼性あるいは価格，

容誤差範囲があるように，意匠性や質感にも目

短納期などの産業価値以外の感性価値のうち特標値と許容誤差範囲が存在し，所定の意匠性やに質感をどのようにして向上すればよいか，(ii)質感を得るための製造パラメータの管理・制御

目標とする質感表現を実現するためにどう設計が不可欠である。まずは，製造した結果としてし，(iii)どう製造すればよいか，(iv)どう検査すの質感についての計測やデジタル表現の実現をればよいかという問題を設定し，昨年までの感目指し，続いて原因となる製造条件へのフィー性工学研究会の調査に引き続き，技術調査と事ドバックの実現を目指す。

例研究そして技術啓蒙を行った。

質感を有する製品の製造における現在の状況

性能・信頼性・価格による差別化が困難となは，新潟県内企業に限ったことではなく多くのってきた現在では意匠性，質感などの感性価値国内企業では以下のような状況であると言われの向上が製品や部材などの付加価値の向上につている。例えば機構部品の設計製造において，ながるひとつの切り口であると考えられる。し現在では CAD や CAM などのシステムが普及し

かし，デザイナーやユーザーが好ましいとする

正確なデータで構造が表現できるために寸法や意匠や質感を的確に示し，製造者とその双方が形状の情報交換で間違いの入る余地は少ない。

正しく理解し合うことは困難である。そして製ところが従来はモックアップ（試作見本品）や造業者がそれを製品や部材として実体化するこ

三面図だけを渡されて同じように作ってくれととができなければ付加価値向上には繋がらない。

いう話が横行していた。官能評価に重きが置か

正確に質感を伝え合える情報が必要であり，それてきた質感製品について日本においては現在の情報に基づいて製造条件を導き出し製造するもそれと同じ状況が続いてこのままでは世界に仕組みや，出来上がった製品の質感を測定する

遅れをとってしまうという危惧がある。例えば仕組みが必要である。

DIN6175-2，ASTM E2194 などの客観的なデータ

この研究会では，どういうデザインの商品がで質感を表現すれば機構部品と同様に数値で設

売れるかとか今年の流行色は何かというデザイ

計値の情報交換ができるが，多くの場合にはそナーやユーザーが関与する嗜好の話題には積極れには至っていない。外観の設計製造にも機構的には取り組まず，指定された高意匠性あるいの設計製造と同じように数値管理が出来る状況

は高質感の製品や部材を設計，製造する際のメをつくりたいというのが本研究会の趣旨である。
以降の章では，動向調査の結果と関連技術の*下越技術支援センター**

研究開発センター

概要について述べた後，全体をまとめる。

2.

調査と検討の結果

2.2

計測に基づく質感マネジメントと質感シ

2.1

県内企業の動向・意向

ミュレーション技術による課題解決

主にセミナーに参加した企業や関心のありそ

機構の設計製造において三次元形状の寸法

うな企業に質問して，色彩・光沢・質感等に関や荷重，速度という共通尺度が必要なように，するアピアランス性能に関わる設計課題・製造

質感の設計製造においては質感を表現する共通課題等についての調査を行った。その結果の概尺度が必要である。客観的な共通尺度が無いま要を記す。

まに主観尺度のみに頼ってきたことによりコミ(1) 加飾技術については，セミナーに参加した

ュニケーションの齟齬が発生したり，計測制御

22 社 36 名のうちからは自社製品に取り入が属人的になるという問題を引き起こしていた

れたいという希望を持つ意見も数名あったと考えられる。従って当研究会としては客観的が，大方は手法の一覧を再確認したに留まな共通尺度による質感マネジメントを想定し，っている模様であった。セットメーカーでその尺度の計測技術，表現シミュレーション技

あれば外部委託で試作・製作することがで術に基づくワークフロー改革を目指している。

き，表面修飾のバリエーションを増やすこ

メリットは以下のとおりである。

とにつながるが，処理業者は自社保有技術

・ 具体的な客観尺度によりコミュニケーショにするかどうかの判断には，設備導入などの障壁が高くすぐにどうこうという話にはなりにくいためと考えられる。
(2) 分光分析技術・質感計測技術については，
セミナーに参加した 8 社 12 名のうち大半は消化不良のようであり，内容を理解して製ンギャップが解消する。
・ デジタル化した尺度により質感表現のコン
ピュータシミュレーションが可能になる。
・ 実体の数値管理が可能になる。
・ 制御条件と測定データの関連付けにより品質管理を機械化できる。

品開発や製造管理に利用するという意識を・ 生成したデジタルデータを企画・開発・製持っていた人は 3 名に留まった。まだまだ造・品質管理・販売の多部門で利用できる。

色彩や質感といった要素は定量的に捉える

一方，デメリットは以下のとおりである。

ことが十分に浸透せず官能に頼っているこ・ 客観評価のための測定器の導入が必要であとが原因であると考えられる。必ずしも新潟県内企業のレベルが全国レベルと比較しる。
・ 既存のワークフローと異なるために心理的て低いということではなく日本全体の傾向

障壁が伴う。

と考えられる。つまりは先導できる可能性

質感計測については，本年度導入した多角度が有るということである。

分光測色計 BYK MAC により測色した 6 角度測(3) 質感表現シミュレーション技術について，

色値を質感尺度として用いそれらから得られるセミナーに参加した 11 社 16 名のうち既に

総合色差を質感誤差として用いることとする。

同様の技術を導入したりこれから導入しよドイツでは，メタリックカラー等の測色基準とうとしている企業はコンピュータシミュレ

して工業規格 DIN6175-2 により 3 角度ないし 5ーションを試作替わりやコミュニケーショ

角度での総合色差ΔEDIN が定義されている。

ンツールなどさまざまな用途に利用可能とまた材料系の国際工業規格 ASTM E2194 では 3

いう理解を得ているが，まだその他企業で角度ないし 6 角度での色差を定義している。

は十分に価値を理解していないと考えられ

質感シミュレーション技術については，従来る。今後事例研究の成果を紹介して普及啓

質感のコミュニケーションに用いられた現物見発を図ることとしたい。

本と官能表現に替えて，デジタルモックアップ（パソコン上の画像表現）を用いられるように一部解決する準備が出来た。質感データのするための技術である。具体的には写実的な取得を行う多角度分光測色計と質感表現シ

3DCG をモックアップやプロトタイプの代わり

ミュレーションを行う質感測定ベースのリとする。表現のための質感マテリアルデータは

アルタイムレンダリングソフトウェアおよ測定ベースとすることで定量性を維持する。当び質感マテリアルサンプルセット（データ

研究会ではこのため，Autodesk 社のリアルタイ

セット）の 3 つで，外観のデジタルプロト

ムレンダリングソフト Showcase と，グラップス

タイピング化，品質管理のデジタル化など

社のリアルタイムレンダリングソフト nStyler，を含めた質感マネジメントワークフローのNext Limit 社 の 写 実 的 レ ン ダ リ ン グ ソ フ ト

改革を推進したい。

Maxwell Render を導入してその得失を評価して(4) 研究会としての活動は今年度で終了し次年いる。質感マテリアルデータの取得については

度以降は，最終製品メーカーにおけるアピ

前述のとおり BYK MAC と Office Color Science

アランス実現に関するリアルタイムレンダ

社のデータ解析ソフト CI/Navigator を用いる。

リング技術の効果について事例研究を行ったり，部材メーカー・表面処理メーカーへ

3.

結

言

の対応として，当該技術を活用できるよう県内企業が抱える問題とその解決のためになマテリアルデータ生成技術（＝質感デー

本研究会で検討した活動方針に関して以下に記

タ取得評価技術）の開発や品質管理への適す。

用などについても取り組む予定である。

(1) 最終製品メーカーなどでの設計段階では，(5) リアルな CG 生成に必要なデータは，(a)物

ユーザーやデザイナーが要求する外観・質

体（製品）を配置する背景のパノラマハイ

感・高級感をどのような材料や加工方法でダイナミックレンジ画像及びパノラマ距離

実現するかという問題に対してコスト，納画像，(b)物体（製品）の形状モデルデータ，期など多くの制約がある。設計試作品をで(c)物体（製品）の質感マテリアルデータできる限り排除して外観をデジタルプロトタある。(a)については，本格的な撮像装置がイピングできれば多くのメリットがあるが，数千万円の価格帯であり現状では入手が困導入している企業は数少ない。

難であることから，簡易的に取得する装置(2) 部材メーカーや表面処理メーカーでは，最を考案しこれから性能を検証する予定にし

終製品メーカーからの要求を社有の技術・ている。(b)に関しては，3D CAD データが設備でどの様に対応できるかという問題に有るような製品であればデータ変換のみで対してコスト，納期など多くの制約がある。

概ね対応可能な見込みであり，CAD データ

質感の定量化ができていない現状では最終がない製品については簡易レーザースキャ

製品メーカーとのコミュニケーションギャ

ナでの形状モデリングの性能評価を開始しップの発生や品質管理の不安定などいくつた。(c)に関しては，色彩および多角度反射

かの課題がある。

率については測定器を導入済みであるが，(3) 現在までに工技総研では，多角度分光測色

表面の凹凸データや光輝分布の取得につい計やリアルタイムレンダリングソフトウェては，今後着手し測定装置の開発により解アなど質感エンジニアリングの課題事例を決を図らなければならない。

調査・報告
う
林

成実*

三浦

表面技術研究会報告
一真*

中川

昌幸*

永井

直人**

笠原

勝次**

岡田

英樹**

櫻井

貴文**

Report of the Surface Finishing Study GroupHAYASHI Narumi*， MIURA Kazuma*， NAKAGAWA Masayuki*， NAGAI Naoto**，KASAHARA Katsuji**，OKADA Hideki**and SAKURAI Takafumi**
1. 緒言

めっき，化成処理，研磨，洗浄，熱処理，塗

2.

活動概要

2.1

市場・技術動向調査

装など様々な表面処理企業はもとより，金属，表面技術関連の展示会視察や最新の技術・研

プラスチック，セラミック，天然素材製品から究セミナー，会議等に参加し情報収集を行った。

自動車や工作機械，電子デバイスなど，ありと

また今年度の研究案件および来年度の競争的資

あらゆる工業製品が表面処理工程を経て最終製金獲得に向けた，各種学会や大学への調査，国品化されており，表面技術は「ものづくり」に等補助事業実施機関での事業調査も実施した。

関連する基盤技術となっている。1)
基盤技術である表面技術は，ニーズの多様化，

表面技術分野においては，金属や樹脂の表面改質技術による新機能性付与や，極表面・界面

環境問題，安全性など「ものづくり」を行う上評価技術に関連した研究情報や製品が注目されで必要不可欠である。産業グローバル化に伴うていた。特に新エネルギー分野に欠かすことの

海外製品との性能・価格競争も激化しており，できないリチウムイオン電池や燃料電池，二次

いかに品質の高い製品を安定して製造していく

電池等にかかわるナノ・材料の開発事例が多かかが鍵となっている。

った。表面の機能性付与については，高摺動性，

当研究所では，研究事業の一つとして「もの高耐食性，平滑性等のニーズが高い傾向を示し

づくり技術連携活性化事業」を実施している。

た。評価技術については極表面・薄膜の性能評

この事業は市場や企業のニーズにマッチした価手法および装置の需要が多かった。

「売れるものづくり」を目標とし，共同研究や競争的資金への研究テーマを提案するために，

2.2

県内外企業調査

分野別研究会の開催や市場ニーズ・技術動向調

企業の現状及び課題におけるニーズならびに査研究を実施している。本研究会は，その調査

当研究所のシーズや技術への関心等を調査した。

研究事業のひとつであり，課題提案型研究会と市場の動きと同様に，高摺動性，高耐食性，高して，各種材料や製品への表面改質による機能

強度，低コスト化等様々な機能を複合化した表性付与ニーズおよび要素技術に関する調査研究

面処理手法のニーズが高かった。また当研究所を実施し，開発テーマを提案することを目的との支援体制へは，客観的に極表面性能を評価解している。活動内容は，市場・技術動向調査，

析するためのニーズが高く，FE-SEM や FE-

県内外企業調査，要素技術研究，セミナー開催

EPMA，FIB といった高度表面観察分析装置やである。

ナノインデンターなどの表面強度測定装置の導入を希望する企業が多かった。セミナーにおけ*研究開発センター**

下越技術支援センター

る調査では，研究テーマ提案に繋がる情報を得た。

「新技術 MSE 試験法で薄膜の強さをナノレベ
ルで評価」
講師：松原

亨

氏

（株式会社パルメソ代表取締役）

・最近のもの作りでは硬質や軟質のコーテング技術が開発され実用化されているが，その進化に従い“硬すぎて測れない”，“柔らかすぎて測れない”，“薄すぎて測れない”，“多層膜の個別強さが測れない”等の問題点がクローズ
図1

セミナーの様子

アップしている。MSE 試験法は超微粒子のウェットブラストと超精密形状計測を組み合わ

2.3

せてこれらの課題を解決した世界初の薄膜強セミナー活動研究会参画企業および新潟県内の表面技術関度評価法である。サブミクロンの薄膜でもナ

連企業，分析評価関連企業等に関わる技術者をノメートルレベルで表面から基材まで連続し対象として，「表面技術による機能性付与」をて強さを計測可能であり，硬さの評価とは違

テーマに，当研究所における表面技術に関するった尺度の指標が得られ従来にない表面の姿

シーズ提供および最新表面技術動向提供を目的

を浮き彫りに出来る。本講演では，新潟発のとし，表面技術セミナーを以下のとおり 2 回開MSE 技術を計測の成り立ちから実際の計測例

催した（図 1）。

までを詳しく紹介した。

第1回

12 月 12 日（月）2.4

総研での取組み研究課題の創出については，当研究所シーズ[講演]「高度ものづくりのためのトライボロジーの基を基に研究会において企業ニーズに基づいた要

礎と応用－表面テクスチャリングによる摩素技術研究を実施し，参画企業および出口企業

擦・摩耗の制御とその産業応用」との提案会議および情報収集を行い，研究課題

講師：足立幸志創出を図った。その結果，国の補助事業である（東北大学大学院

氏
教授）

競争的資金研究を 3 件獲得することができた。

・機械システムの信頼性と機能限界は，多くのこれらの競争的資金を獲得するためには，当研

場合，稼動部の特性に支配されている。それ究所におけるシーズは勿論，論文・学会発表やゆえ，稼動部の特性である摩擦と摩耗の制御

特許出願の実績は非常に重要視されるため，今は，信頼性・耐久性に優れた機械システムや後も要素技術研究を継続し，実績を上げていく

より高機能な機械システムを可能にする。本必要がある。また研究課題の提案については，

講演では，摩擦摩耗の本質，表面テクスチャ調査活動および各種情報，要素技術研究，企業を中心とした摩擦摩耗の最新制御技術およびニーズを元に 2 件，国の補助事業である競争的

摩擦摩耗の制御により実現され得る高機能機

資金研究へ提案する。また各企業の開発課題に

械システムの世界を具体的な事例を交えて紹

ついては，さらに検討を重ね，今後，共同研究介した。

等で対応していく方針である。

第2回
[講演]

3 月 9 日（金）

3. 結

言

(1) 表面技術研究会では，課題提案型研究会として，各種材料や製品への表面改質による究所における表面技術に関するシーズ提供

機能性付与ニーズおよび要素技術に関するおよび最新表面技術情報提供を行い，当研調査研究を実施し，開発テーマを提案する

究所シーズと企業ニーズとのマッチングおことを目的に実施した。活動内容は市場・よび新たな研究テーマ案件調査を実施した。

技術動向調査，県内外企業ニーズ調査，要素技術研究，セミナー開催である。
(2) 市場・技術動向調査では，表面技術分野に(5) 当研究所シーズを元に研究会において企業ニーズに基づいた要素技術研究を実施し，参画企業および出口企業との提案会議およ

おいて，金属や樹脂の表面改質技術によるび情報収集を行い，研究課題創出を図った。

新機能性付与や，極表面・界面評価技術に

その結果，国の補助事業である競争的資金関連した研究情報や製品が注目されていた。

研究を 3 件獲得することができた。これら

特に新エネルギー分野に欠かすことのできの競争的資金を獲得するためには，当研究ないリチウムイオン電池や燃料電池，二次所におけるシーズは勿論，論文・学会発表

電池等にかかわるナノ・材料の開発事例がや特許出願の実績は非常に重要視されるた多かった。表面の機能性付与については，

め，今後も要素技術研究を継続し，実績を高摺動性，高耐食性，平滑性等のニーズが上げていく必要がある。来年度は開発課題高い傾向を示した。評価技術については極を 2 件提案する。

表面・薄膜の性能評価手法および装置の需要が多かった。

(6) 表面技術研究会は企業ニーズとマッチング
した開発テーマを提案可能であることから，(3) 県内外企業調査では，市場の動きと同様に，来年度においても引き続き研究会を継続す

高摺動性，高耐食性，高強度，低コスト化

る予定である。課題提案型研究会として，等様々な機能を複合化した表面処理手法の各種材料や製品への表面改質による機能性ニーズが高かった。また当研究所の支援体

付与ニーズおよび要素技術に関する調査研

制へは，客観的に極表面性能を評価解析す究を実施し，開発テーマを提案することをる た め の ニ ー ズ が 高 く ，FE-SEM や FE-

目的に運営していく方針である。

EPMA，FIB といった高度表面観察分析装
置やナノインデンターなどの表面強度測定

参考文献

装置の導入を希望する企業が多かった。

1) 栗原泰弘，“表面処理技術の発展を期待し(4) セミナーについては，今年度は「表面技術による機能性付与」をテーマとして，当研て”，表面技術，61 巻，2 号，2010，p112115.

調査・報告CFRP 研究会報告
古畑 雅弘* 小海 茂美* 吉田 正樹** 橋詰 史則**
Report of Market and Technology Trends of Carbon Fiber Reinforced Plastics
FURUHATA Masahiro*，KOKAI Shigemi*，YOSHIDA Masaki**and HASHIZUME Fuminori**

1. 緒

言

炭素繊維複合材料（以下 CFRP と略す）は，「軽くて強い」特徴から，次世代の先端材料として注目されている。航空・宇宙分野やスポーツ分野が市場を形成してきたが，近年では，環境や安全性に対する関心の高まりから風力発電用ブレード，
圧力容器，土木建築等一般産業用途において需要が増加してきている 1)。将来的には量産型の自動車への適用も期待されている 2)。
こうした中で CFRP の先行企業では，既に高度

図 1 技術セミナーの様子な技術を有して比較的大きな市場に参入している
事例３)もあるが，多くの企業では，この材料が新り，毎回概ね好評であった（図 1）。

しいが故に，素材の特徴や製造方法について十分

第 1 回 平成 23 年 7 月 20 日に把握しておらず，技術的にも多くの課題を抱え「連続繊維熱可塑性材料の 60 秒成形とハイブリているのが現状である。

ッド（射出）成形」

本研究会では， CFRP の普及啓蒙を図るとともサンワトレーディング（株） 馬場俊一氏に研究開発や事業化の推進を目的として，セミナ

第 2 回 平成 23 年 9 月 28 日

ーの開催，技術動向調査，県内外企業調査，企業「CFRP の切削加工と難削材加工技術について」

ニーズに基づく連携体の構築等について調査を行

オーエスジー（株） 小柳津貴司氏った。また商品開発に関心を持っている企業を対

第 3 回 平成 23 年 12 月 15 日

象に各種成形試験を行い，取り組みの「きっかけ「CFRP の市場・技術動向と今後の展望」

づくり」を行った。

東京大学工学研究科 鵜沢潔氏
「CFRP の一般産業用途への展開事例」

2. 活動概要
2.1 技術セミナーの開催

SGL カーボンジャパン（株） 川添心氏
第 4 回 平成 24 年 1 月 27 日 ~ 28 日

CFRP の技術動向や用途探索に関する情報提供

東レ（株）オートモーティブセンター視察を目的として，協同組合三条工業会と共催でセミオートモーティブセンター 山口晃司氏

ナーを 4 回開催した。参加者は延べ 155 名にのぼ
2.2 専門家による現地技術相談*

素材応用技術支援センター** 下越技術支援センター

熱可塑性 CFRP の成形試作加工を行っているサ
ンワトレーディング（株）馬場俊一氏と企業へ出向き，技術的課題について議論した。今年度は 4た。今後も研究会を通して当研究所が主体となっ社訪問し，熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の特徴，て支援していく必要があると考えている。また用用途開発，成形技術等に関してアドバイスを受け，

途開発では，当初は大きな市場をターゲットにす大変参考になったようである。

るのではなく，ニッチ分野を開拓し，技術蓄積を図ることが必要である。研究会には繊維や機械金2.3 市場動向調査
CFRP 関連の展示会視察や技術セミナー等に参加し情報収集を行った。
CFRP の市場は航空・宇宙分野や風力発電用ブ属業など多種多様な業種や，比較的市場に近い生活関連用品メーカーや作業工具メーカー等も参加しており，こうした企業と交流を密にして用途開発を進めて行くことも重要であると考えられる。

レードを中心に需要が増加しているが，展示会等
では自転車や生活雑貨，パイプなどの商品も多く展示されており，比較的容易な分野から参入しようとする状況がみられた。

2.6 当研究所での取り組み
企業から要望のあった案件について，次年度の競争的資金の申請に向けて定期的に検討会を行っ

また成形技術については，自動車分野をはじめた。また商品開発に当たり，いろいろな成形方法

CFRP の市場を拡大していくためには，成形サイについて紹介依頼があったことから，企業を対象

クルの短縮化・生産性の向上が不可欠となっておにハンドレイアップやシートワインディング等のり，従来のオートクレーブ法一辺倒から用途に適デモを行いながら，材料の紹介や成形方法についした成形方法の研究開発が盛んに行われている。

て指導を行った。こうした工程を経験することで近年では，生産性の高い RTM（Resin Transfer

具体的な課題も見えてきている。

Molding）成形が普及してきており，速硬性エポキ
シ樹脂の開発や熱可塑性樹脂による成形技術の開発も行われている。

2.7 パイプの成形試験
パイプの成形方法として，フィラメントワイン
ディングとプリプレグを用いたシートワインディ

2.4 県内企業調査
県内の CFRP 関連技術動向の把握を目的として，ングについて試験を行った。成形を行うに当たり，
図 2 に示す巻き取り機を試作し，これに型（マン製造業を中心に 11 社へ訪問し聞き取り調査を行ドレル）を取り付けて行った。以降にシートワイ

った。既に成形技術の開発に取り組んでいる企業

ンディングについて紹介する。

や，実際に試作開発を行っている企業，これから

今回は，外径 30mm の SUS 材と 26mm の Mg

取り組み始める企業など様々で，抱えている課題

材の 2 種類の型，プリプレグは三菱レイヨン（株）

も多様であった。

製カーボンプリプレグ TR3110-381GMX（平織）を使用した。成形は型の軸方向に平行にプリプレ

2.5 課題とその対応
県内においては，CFRP の認知度は未だ低い状

グを 4ply 積層したもの，バイアスで 4ply 積層したもの，平行とバイアスを交互に各 2ply 積層した況であるが，県央地域を中心に成形技術や商品開発への関心が高まっている。特に機械金属業では，
既存設備やプレス加工技術を応用した熱可塑性
CFRP の開発に関心を持つ企業が現れてきている。
しかし実際に取り組み始めると，材料の入手方法
や成形技術についての基礎知識が十分でないことから，試行錯誤の連続で開発が進まず，その一方で材料費などコスト面での負担が大きくなってい図 2 巻き取り機

い結果となった。今後は UD プリプレグ（炭素繊維を一方向に引き揃えたプリプレグ）による試験も行っていく予定である。
3. 結
図 3 試作したパイプ

言（1）協同組合三条工業会と共催でセミナーを 4回開催し，延べ 155 名の参加をいただいた。

ものと合わせて 3 種類作成した。最初に，型に離毎回関心が高く，好評であった。また研究会

型剤を塗布し軽く拭き取った後，プリプレグの端

参加企業は 49 社 67 名となり，件数は少ないをタッキングレジンでパイプに熱融着させ，パイが会員企業が連携して試作開発を始める動プを低速で回転させてプリプレグを積層した。そきも出てきている。

の上からラッピングテープを巻いて 130℃～（2）CFRP の市場は航空機や風力発電用ブレード

150℃の環境下で 1 時間放置し硬化させた。 徐冷を中心に需要が増加してきているが，市場を後，型を取り外して成形品を得た。図 3 に成形品拡大していくためには成形サイクルの短縮

外観を示す。また 3 点曲げ測定による評価を行っ化が大きな課題となっている。この解決策とた。

して RTM 法や熱可塑性樹脂を活用した成形

型は SUS 材と Mg 材を使用したが，熱膨張率技術の開発が盛んに行われている。

の大きい Mg 材の方が硬化時にパイプが膨張し内（3）県内では機械金属業を中心に，既存設備やプ

圧が高くなると共に，試料を取り出す時も型が収

レス加工技術を応用した熱可塑性 CFRP の縮し取り出しやすいことがわかった。またタッキ開発や商品開発への関心が高まっている。実ングレジンを大量に使用すると，表面に溶出し凹際に取り組みを始めた企業も現れているが，凸の大きい面となった。3 点曲げ測定結果を図 4

CFRP の基礎知識が十分でなく，試行錯誤でに示すが，型の軸方向に平行にプリプレグを積層行っている状況であった。

した成形品の強度が最も高く，バイアスが最も低（4）次年度も引き続き情報提供や技術支援を通して企業ニーズを把握し，技術開発や商品化に向けた支援を行っていきたい。
参考文献
1）前田 豊,“炭素繊維の最先端技術”，シーエム
シー出版，2007，p159-253．
2）井塚 淑夫,“炭素繊維 複合化時代への挑戦”，
繊維社，2012，p117-128．
3）日刊工業新聞，“チャレンヂが試作車”，日刊

図 4 荷重-変位曲線

工業新聞社，2011 年 12 月 26 日付け ．

調査・報告天然素材活用研究会報告
浦井

和彦＊

林

成実＊＊

内山

雅彦＊＊＊

A Study on Practicable Use of Natural Materials
URAI Kazuhiko* ， HAYASHI Narumi**and UCHIYAMA Masahiko***

1.

緒

言

2.1

技術講習会の開催

本研究会は，天然素材である木材または木関連業界の技術の高度化と技術者育成を目的

質材料を利活用した本県木製品製造業を対象とした 2 回の技術講習会を開催した。また，参に， 技術の高度化，企業ニーズの把握，企業加者を対象としたアンケート調査を実施し企業ニーズに基づく研究会の構築，木材の利活用

ニーズの把握に努めた。参加者は延べ 95 名にに関する最新技術動向の調査を目的に活動し，のぼり，好評であった。

3 年目を迎えた。
本年度の活動は，工業材料としての木材利

2.1.1

木材乾燥技術講習会用を図る上で必要な木質材料の利活用に関す

第 1 回目となる講習会では，木材の品質管る最新技術動向について，引き続き調査し，理に必要な木材の乾燥技術， 特に 針葉樹で利用技術の中から，「サーモウッド

ある杉や赤松，カラマツ類の乾燥に有効な「高（ ThermoWood ： 加 熱 処 理 木 材 ） 」 お よ び ，温セット」に関する技術等および最新木材乾燥「 WPC （ 木 材 プ ラ ス チ ッ ク 複 合 材 ： wood-

装置に関する講演を開催した（図 1）。

polymer composite）」の 2 テーマについて，研・開催日：平成 23 年 11 月 18 日

究テーマ提案に向けて，要素技術研究を実施・参加人数した。また，昨年度に引き続き，関連業界の・講演

技術の高度化と技術者育成を目的とした 2 回の技術講習会を開催したので，ここに報告する。

42 名

1「木材乾燥の基礎と針葉樹の人工乾燥」
講師：吉田 孝久氏

（長野県林業総合センター
2.

活動概要

2「最新の木材乾燥装置」

本研究会の主な活動は，以下に示す。

講師：鈴木 衛(1)技術講習会の開催（株式会社エノ産業

氏
木材乾燥開発室長）(2)木質材料の利活用に関する技術動向調査(3) サーモウッドの製造，性能に関する研究(4) WPC 薄板の低コストな製造方法に関する研究(5)共同研究等研究テーマ提案に向けた活動*

上越技術支援センター**

研究開発センター***

下越技術支援センター

木材部長）

図1

講習会の様子2.1.2

木材利用促進講習会

表1

第 2 回目の講習会では，木材の利活用に関GOOD DESIGN EXPO 2011
ジャパンホームショー2011
国際エクステリア展
江間忠研究助成プロジェクト発表会
第 19 回 塗装工学分科会
第 4 回 名古屋国際木工機械展
第 5 回 木質科学分科会
第 62 回 日本木材学会

する最新の話題および木材利用を促す補助制度に関する講演を開催した。
・開催日：平成 23 年 12 月 13 日
・参加人数

53 名

・講演
1「地球環境を支える木材利用」
講師：井上 雅文
（東京大学

氏

准教授）

2.2

2「新潟県における県産材利用の推進」
講師：栃原 邦匡

主な調査先

展示会名称・調査先氏（新潟県農林水産部林政課

木質材料の利活用に関する技術動向調査

本研究会がターゲットとしている木材・木質
材料の利活用に関する業界動向，技術動向，製主任）

品トレンド情報を把握するために，各業界団体が主催する学会や講習会，展示会へ参加した。

2.1.3

アンケート調査結果

講習会参加者を対象としたアンケート調査では，参加者の 78%から回答を得た。その内の約 8 割の参加者から参考になったとの回答を得

主な調査先を表 1 に示す。調査では，「工業材料としての木材利用」を調査テーマとして，学会を通した最新技術の情報入手に努めた。
学会や展示会を通し，サーモウッドや WPCた。

についての情報収集に努め，有効な情報を入手(1) 木材乾燥技術講習会

することができた。

・回収率 76%
・主な意見：講演内容が，すぐに役立つ知識で2.3あり，木材の狂いや発生メカニズムが理解でき

2.3.1

参考になった。また，木材乾燥の基本を教えて

サーモウッドの製造，性能に関する研究
サーモウッド

公共建築物における木材利用促進法が制定さいただき，わかりやすかったなど。

れたことから，外壁材やエクステリア材として(2) 木材利用促進講習会の利用に適した材料として，サーモウッドが着・回収率 74%

目されはじめている。

・主な意見：地球温暖化防止策の一つが，木材

木材は，自然環境の下に曝されると，表面か利用であることがわかり，当社の取り組みは間

ら劣化しはじめる。表面の割れ，変色，変形な違いでは無かったことが聞けたので，タイムリ

どの現象を起こし，これに，腐朽菌による腐れーな講演でした。

やシロアリなどの害虫による食害などで，急激に劣化する。この欠点を克服するための技術が，2.1.4

講習会開催の課題

加熱処理木材であるサーモウッドである。無垢昨年度に比べ ， アンケート回収率が低くなの木材を，高温で熱処理し，木材に，耐久性，ったことや ， 意見を賜る理由欄への回答記入

耐腐朽性，寸法安定性を付与するものである。

が激減した事があげられる。また ， 講習会の開催情報経路を聞いたところ ， 受講者の大半

2.3.2

サーモウッドの試作，評価試験

は，支援センターからの案内によるものとの回

新潟県産杉材を試験材として，熱処理釜を用答であったことから，開催情報の周知を，如何い，サーモウッドを試作し，イエシロアリによに行うかが課題となった。

る食害試験を実施した（図 2）。

延べ 95 名の方が参加し，好評を得た。
(2)講習会参加者を対象としたアンケート調査
では，参加者の 78%から回答を得た。その内の約 8 割の参加者から参考になったとの回答を得た。
(3)技術動向調査では，タイムリーな情報が入手出来た。木材・建材の新製品情報入手は
図2

食害試験の様子

ジャパンホームショーや国際エクステリア
展が，無垢の改質木材に関する情報が入り試作したサーモウッドは，シロアリに食害さやすい。また，木材利活用に関する最先端

れ，良好な結果は得られなかった。今後，処理の技術情報を入手するには，学会の参加が条件を変えたサーモウッドを試作し，評価試験必要であることを認識した。

を継続し実施する予定である。

(4)技術動向調査の中から，工業材料としての木材利用をはかるための研究テーマ案件と2.4 ＷＰＣ薄板の低コストな製造方法に関すして，木材の加熱処理による「サーモウッ

る研究
現在，創造的研究推進費の事業として実施しド」，「WPC 薄板」の製造方法について，ている，「木材の新たな利用分野を開拓するた(5)木材の加熱処理技術(サーモウッド)は，新潟

めのプレス加工技術の開発」の中で， WPC 材

県産杉材の利用方法の一つとして，有効な（板厚 3mm 以下）の曲げ加工が可能になった。

技術と思われる。我が国における，新築の

しかし、この研究成果を事業化するには，材

木造住宅着工件数は，年間，約 38 万棟であ料のコスト高が課題となっている。
この課題を克服するために，WPC 薄板の低コストな製造法に関する要素技術研究を実施し的を絞り，要素技術研究を行った。

る。木材に薬剤を注入すること無く，防蟻，
防腐が可能であれば，住宅環境における人に優しい技術となり得る。

た。WPC は，木材に熱可塑性樹脂を注入し重(6) WPC のカール曲げ加工が可能になることで合反応させ，硬化させるが， 注入薬剤が重合

WPC を利用した新製品開発が可能となる。

反応時，揮発しやすいので，薄板 WPC の製造

しかし，現時点でのカール曲げ加工に用いは困難である。これを解決するために，揮発性る WPC 材の供給方法では，高コストとなの少ないオリゴマーを注入する実験を開始した。

り現時点では，製品化されても競争力がな
いので，これを可能にするには，低コスト

2.5

共同研究等研究テーマ提案に向けた活動による WPC 薄板の製造が必要不可欠であ企業との共同研究を次年度に提案する方向でる の で ， こ れ を 可 能 に する こ と に よ り ，

活動している。

WPC を利用した製品開発が可能となる。想定している具体的な製品としては，携帯端

3.

結

言

(1)天然素材の利活用に関連する業界の技術の高度化を目的とした講習会を 2 回開催した。

末機などのカバーやステーショナリーの分
野での展開が期待できると思われる。

調査・報告素形材研究会報告
伊関
土田

陽一郎*

宮口

孝司*

皆川

要*

宮口

知宏*

矢内

悦郎*

佐藤

亨*

堀

弘明*
祐爾*

Report of Collegium for Materials Process Technology
ISEKI Yoichiro*，MIYAGUCHI Takashi*，MINAGAWA Kaname*，MIYAGUCHI Hiroaki*，
TUCHIDA Tomohiro*，YANAI Etsurou*，SATO Toru* and HORI Yuuji*

1.

緒

言

おいて重要な位置を占めているといえる。

鍛造は，金属材料に力を加えて形を変える

今年度は昨年度に引き続きこの鍛造技術を中（造る）とともに金属組織を緻密均一化する

心に取り上げ，熱処理技術も含めた形で「素形（鍛える）加工法であり，自動車や建設機械，

材研究会」として，鍛造技術と熱処理技術をキ

産業機械から包丁やはさみ等身近な刃物まで多ーワードにセミナー開催や専門家による技術相

くの工業製品に適用され，ものづくりには欠く談などの事業を行った。

ことのできない基盤技術の一つとなっている。
古くから利用されており基本的には成熟した

2.

技術ではあるものの，品質・コストに対する要

2.1

活動概要
技術セミナー

求はますます厳しくなっていることから，技術今年度は，昨年度のセミナー参加者へのアンや技能の向上に対する積極的な取り組みが求めケート結果を元に希望の多かったテーマを選定られている。

し，2 回の鍛造技術セミナーを開催した。加え新潟県は県央地域を中心として鍛造加工を行う企業が集積しており，鍛造業の全国組織であて，昨年度と同様熱処理に関するセミナーを 1回開催した。

る社団法人日本鍛造協会には新潟県内 28 社が毎回 20～50 名程，延べ約 100 名の参加者が加盟している。これは大阪府（29 社）に次ぐあり，いずれの回も概ね好評であり，各回のア

規模で愛知県（26 社）よりも多い。この 3 府

ンケートでセミナー等今後の活動に関する意向

県で協会加盟社の半数を占めており，新潟県は調査を行った。

全国でも有数の鍛造加工集積地といえる。
鍛造と共にものづくりには欠くことのできな
い金属熱処理についても，東日本の熱処理業者の団体である東部金属熱処理工業組合の加盟
81 社中 10 社が新潟県内に事業所を持ち，神奈
川，東京に次ぐ数となっている。さらに組合非加盟の企業や専業ではなく社内で製造工程の一部門として熱処理を持つところも多く，県内の熱処理に関係する企業は相当数に上る。
このように鍛造や熱処理は新潟県の製造業に* 県央技術支援センター

図1

セミナー風景●鍛造技術セミナー
第 1 回 （11 月 25 日）「鍛造業の海外事情」
講師：鈴木 太 氏（（社）日本鍛造協会）
第 2 回 （1 月 27 日）「鍛造業における品質管理」
講師：進士 文雄 氏
（日本大学生産工学部）

勉強の場が求められている。
そのため，中央や地域の関連団体との連携による方法も含め，セミナー等各種情報・知識習得の機会の設定に務めることが必要。
また，ハンマー鍛造に関しては全国的に見ても集積している地域であることから，その特徴を積極的に PR したり，地域全体での人材育成を行うといった取り組みが求められる。
（2）さらなる技術支援
鉄系ほどの仕事量は見込めないものの，耐熱●熱処理技術セミナー （1 月 17 日）「金型を高機能化するための合金やマグネシウムなど鉄系以外の材料の鍛造

表面処理の選び方」

技術の開発あるいは医療，航空機といった新た宣弘氏な分野への展開や鍛造を応用した技術開発など（仁平技術士事務所）を模索する動きも見られるようになってきた。

講師：仁平

これらに対し，工業技術総合研究所としては
2.2

専門家による現地技術相談

熱処理技術の専門家と共に企業へ出向き，現場で技術的な課題について議論した。
今年度は 2 回計 4 社を訪問，各社の課題に対共同研究や受託研究（ミニ共同研究）あるいは日常の相談業務等支援制度を有効に活用して，企業ニーズに即した技術開発・支援を行っていくことが求められる。

し意見交換を行った。各社とも温度測定や歪み

また，素形材技術の方向性を検討する上で参発生への対処，受入れ時の注意点など日頃抱え考となるような情報を収集し，セミナーや相談ている様々な問題点について，講師の豊富な実を通じて企業に提供していくことも必要。

務経験に基づいたアドバイスを得られ好評であ
った。
第1回

4.
1 月 17 日

講師：仁平宣弘 氏（仁平技術士事務所）
第2回

3 月 13 日

講師：山方三郎 氏（山方技術士事務所）

結言昨年度に引き続き鍛造技術を中心として，セミナー開催に主力をおいた形で次のような研究会事業を行った。
（1） 鍛造技術および熱処理技術についてセミナーを計 3 回開催。毎回 20～50 名程，

3.

課題とその対応，総研の取り組み
これらの活動を通して得られた意見・情報を

延べ 100 名程の参加者があり，内容的にも良好な評価を得た。

もとに，地域の鍛造技術における課題とそれに（2） 企業の現場で外部専門家から直にアドバ対する今後の工業技術総合研究所での取り組み

イスを受ける技術相談を実施。各企業がについて検討した。

抱える問題点について，個々具体的な議（1）知識習得の機会設定論を行い有益なアドバイスを得た。

最新技術情報の収集や若手従業者育成の要望
は強く，セミナーなど地元で気軽に参加できる（3） これらを踏まえ，工業技術総合研究所としての取り組みを検討した。

調査・報告ナノテク機器利用技術講習会
坂井

修*

山田

敏浩*

菅野

明宏*

樋口

智*

Practice on Device Production with Nanotechnology Equipments
SAKAI Osamu*, YAMADA Toshihiro*, KANNO Akihiro* and HIGUCHI Satoru*

1.

緒

言

電子機器，光通信，医療機器の小型化に伴い，微細形状を付与した高機能部品や超精密加工部
品の利用拡大が進んでいる。これらに対応しうる技術に，ナノテクノロジー（物質をナノメー
トル[1nm=10-9m]領域で自在に制御する技術）

イメージがあり，国の重点支援技術領域に指定されるな

図1

水晶振動子

ど製品の高付加価値化を実現する技術として期待されている。しかしながら，本県の主要な製造業である一般機械，精密機械等既存企業の取イメージ

組みは，先端産業であるがゆえの技術習得や導入の難しさ（機器が高額）のため，進んでいな
0.5mm

いのが現状である。そこで，既存産業へのナノテクノロジー技術の導入，普及を図るため，
NICOナノテク研究センター機器を利用した技

図2

マイクロレンズアレイ金型術講習会を実施した。
なお，本技術講習会は NPO 法人 長岡産業活性化協会（NAZE）の平成 23 年度産業基盤形
成支援事業の一部である。

2.1 MEMS 研修
MEMS 加工技術は，半導体リソグラフィー
技術等を用いて，シリコンなどの表面に微細な

2.

講習会の概要MEMS製品の加工技術および超精密加工技術，

形状を形成する技術である。本技術講習会では，作成したテキストを使用してMEMS加工に関す評価技術を対象として技術講習会を実施した。

る講演（「MEMS加工技術の基礎知識＋α～

実習テーマとして次の2 つを設けた。

シリコンから水晶デバイスの応用まで～」新a) MEMS 装置を使用した水晶振動子（図1）*

潟大学工学部

安部 隆 氏）の後，水晶振動子の試作・評価（MEMS 研修と記す）を題材に，スパッタ成膜装置やドライエッチンb) 超精密加工機を使用したマイクロレンズ

グ装置を使用して試作・評価技術について実習

アレイ金型（図2）の試作・評価（超精密した。図3にスパッタ成膜装置，図4にドライ研修と記す）

エッチング装置の外観を示す。

研究開発センター

2.2

超精密研修

3.

超精密加工は，デジタルカメラや光学メモリ

講習会の実施方法

3.1

実施概要

のレンズ，液晶導光板などの光学部品やバイオ講習会の概要を以下に示す。

チップの加工等で不可欠というべき技術となっ《MEMS 研修》ている。本講習会では，作成したテキストおよ

実施日時：

び副読本 1)に基づき超精密加工の基礎に関する

平成 23 年 10 月 18 日，19 日もしくは 20 日講義を行い，その後，超精密加工機を使用した

実施会場：レーザー･ナノテク研究室
NICO ナノテク研究センター

マイクロレンズアレイ金型の試作および非接触

参加者数：5 名

三次元測定機による評価技術について実習した。
図5に超精密加工機，図6に非接触三次元測定《超精密研修》

機の外観を示す。

実施日時：

加工機はファナック（株）の超精密ナノ加工
機 ROBONANO α-0iAを使用した。当該加工機

平成 23 年 10 月 26 日，27 日もしくは 28 日

は，静圧空気軸受けを搭載する5軸加工機で，実施会場：レーザー･ナノテク研究室
NICO ナノテク研究センター

直 線 軸 （ X,Y,Z ） の 分 解 能 は 1nm ， 回 転 軸

参加者数：6 名（募集定員）（B,C）の分解能は1/100,000度である。
測定機は三鷹光器（株）の非接触三次元測定
装置 NH-3SPを使用した。当該測定機のオートフォーカス機構部の分解能は1nmである。

3.2

タイムテーブル

各研修のタイムテーブルを図 7，図 8 に示す。
＜1 日目＞
10:00～講演～「MEMS 加工技術の基礎知識＋α」

12:00
13:00

新潟大学工学部

安部 隆 氏～実習～
・レジスト塗布

図3

スパッタ

図4

ドライ
エッチング装置

成膜装置

・露光，現像，スパッタ
17:00

・ウェットエッチング＜2 日目＞
10:00～実習～・レジスト塗布・露光，現像，ドライエッチング

12:00
13:00
～実習～
図5

・形状測定

超精密ナノ加工機
図6

非接触

17:00

・測定・評価三次元測定機図7

MEMS 研修＜1 日目＞
10:00～講義～
・超精密加工の基礎

12:00
13:00

～実習～

【座

学】

【測

定】

【ドライエッチング】

・ミーリングユニット概要説明
・平面加工用工具取り付け
17:00

・平面加工

＜2 日目＞
10:00～実習～
・工具取り付け・工具位置合わせ

13:00

～実習～

5.

・マイクロレンズアレイ加工
・非接触三次元測定機説明、測定
17:00

・走査型プローブ顕微鏡説明、測定
図8

超精密研修

価】

＜MEMS 研修時の様子＞

・動バランス修正
12:00

【評

結

言

（1）講習会終了後，受講者を対象にアンケー
ト調査を行った。
概略としては，実際に機械に多く触れることができよかった，流れや工程が分かりやすく，ナノテクノロジーを身近に感じることができた等，肯定的な意見があった一方で，研修日数や研修回数を増や

4.

研修風景
研修風景を以下に示す。

して欲しい，もっと PR するべきなどの指摘・要望も寄せられた。
（2）超精密加工や MEMS 加工という比較的新しい技術分野について受講者の知識や認識に差異があるため対応が難しい面もあるが，今回参加いただいた企業のフォローアップや，今後同様の講習会を開催し【座学】【ユニット取付け】ていく中で県内企業のニーズを把握し，講習内容の改善を進めていきたい。
参考文献
1) 竹内芳美，“超精密マイクロ切削加工”，
日刊工業新聞社，2008【加工】【測定・評価】＜超精密研修時の様子＞

調査・報告上信越公設研ネット環境対応技術分野交流会報告～環境負荷とコストの低減を目指す MFCA のすすめ～
大野

宏*

明歩谷

英樹*

Report on Technological Field Exchange Association for Environmental Issues of Jo-Shin-Etsu Prefectures
OHNO Hiroshi* and MYOBUDANI Hideki*

1.

緒

言

過程で発生する廃棄物等は経済価値をゼロとす

マテリアルフローコスト会計（Material Flow

る。一方，MFCA 導入後は，原材料費 1,000 円

Cost Accounting，以下 MFCA と略す）は，製造（120kg）に加工費・処理費 500 円をかけ，工程の環境負荷低減とコスト低減の両立を同時

99kg の製品ができたすると，その差 21kg が廃1)に実現するための会計手法である 。これは，棄物となる。正の製品と負の製品を金額に換算

企業の生産工程において投入された資源（原材

すると，それぞれ次のとおりになる。

料・設備・エネルギー・人員配備など）が最終（正の製品）1,280＝(1,000＋500)×99/120

的にどのようになったかを数値化「見える化」（負の製品）する手法で，経営管理の面からも注目されていこの結果，投入した原材料の 17％が負の製品る。

となり，廃棄物の生産に原材料費やエネルギー

262＝(1,000＋500)×21/120

群馬県，長野県，新潟県の工業系公設試験研を使って一生懸命作っている状況が明らかにな究機関と（独）産業技術総合研究所は，6 年前る。また，MFCA では生産プロセスの中までに「上信越公設研ネット」を立ち上げ技術的な目を向けるので，どこでロスが発生するか明確交流をすすめているが，その中の環境対応技術になり，図 1 の場合，工程 1 でより多くの廃棄分野交流会で MFCA の啓蒙普及に取り組んでい物が製造されているため，工程 1 が最初の改善る。ここではその活動について報告する。

対象となる。
これまで負の製品は正の製品を作るための必2.

マテリアルフローコスト会計の概要
MFCA は，資源効率と経済効率の両立を図ることを目的とした環境管理会計の一手法で，要悪とされ，損品以外の負の製品はロスと認識されないことが多かったが，MFCA ではこれをロスとして改善の対象にする。

投入したマテリアル（原材料）の流れを追いかけて最終製品になった「正の製品」と最終製品

3.

活動概要

にならなかった「負の製品」に分けてコストを

3.1

講演会の開催把握する手法である。

*

MFCA を普及するため，県内企業を対象に，MFCA の導入効果について図 1 にそって説明

講演会を開催した。いち早く MFCA を導入してする。MFCA 導入前は，製品を 99 個製造し損効果を上げ，コンサルティングを業務にしてい品が 1 個とすると損品率は 1％で，改善の余地

企業の方から MFCA の概要を，また，経済産業

が小さく改善ポイントが見つけにくい。また製省の委託事業 2)に参加し，実際に MFCA を導入

品の原価はかかったすべての合計となり，製造して実績を上げている企業の方から事例を，そ企画管理室

れぞれ講演していただいた。講演会の概要を表

表1
開催日

10/6

講演会の概要表2

演題と講師

参加企業の概要

所在地（県）「マテリアルフローコスト会計入門」
キヤノン IT ソリューションズ株式会社
ソリューション事業本部
システムアナリスト/システム監査技術者
佐藤洋氏「マテリアルフローコスト会計のすすめ～
事例事業を経験して」
サンデン株式会社 環境推進本部 渡辺一
重氏

業種

群馬県

住宅建材製造業
ダイカスト業

長野県

めっき業
電子基板製造業

新潟県

印刷業

り組みとして，最初に参加者全員が講習会に参加し，その後 2 回ずつコンサルタントから企業1 に示す。

の現場で指導を受け，最後に公開形式の発表会
でそれぞれの企業担当者が成果を発表した。

3.2

普及促進事業

経済産業省関東経済産業局が上信越公設研ネ

3.2.1

講習会

ットの活動に賛同し，群馬県，長野県，新潟県

群馬県，長野県，新潟県の参加企業と，これの企業に対し MFCA の導入を支援する普及促

ら企業を支援する公設試験研究機関の担当者が進事業を実施することになった。群馬県と長野一堂に会し，指導を担当する株式会社フューチ

県から各 2 社，新潟県から 1 社が参加し，これャーマネジメントアンドイノベーションコンサ

らの企業はコンサルタントから指導を受けた。

ルティングから MFCA の概要を聞いた。また，参加した企業の概要を表 2 に示す。具体的な取各企業ごとに分かれて投入する各種マテリアル

MFCA 導入前
製品原価や損品率の結果をみても、コストダウンの改善点がわからない。
原材料費

1,000 円（120kg）
加工費･処理費 500 円
計

生産プロセス製品 99 個損品 1 個損品率 1％
改善余地小1,500 円

製品原価
1500 円

MFCA 導入後生産プロセスの中をみるので、コストダウンの改善ポイントが見つけやすい.。
原材料費

1,000 円（120kg）
加工費･処理費 500 円
計

1,500 円生産プロセス
工程 1

工程 2

廃棄物 1
（15kg）

廃棄物 2
（6kg）

負の製品
262 円（21kg）
図1

MFCA 導入の効果

正の製品
1,238 円
（99kg）
262 円かけて廃棄物生産
地小負の製品 17％
改善余地大

どこでロス
が発生する
かわかる

の流れを解析し，どのマテリアルを対象にする工程内でリサイクルしているためロスとは感じか検討した。

ていなかったが，実は負の製品になっており，

新潟県からは MFCA に関心を持っていた印

また，熱エネルギーの損失が大きく改善の必要

刷メーカが参加した。主なマテリアルは紙とイ性を感じた，との発表があった。めっきメーカ

ンクである。紙は原材料の中で占める割合が非は，熱エネルギー等をこれまで測定していなか

常に高いため，その流れを把握しているが，イったが，公設試験研究機関の職員の協力で測定

ンクはきちんと把握していない。ただ，紙にかし見える化され，損失の大きさを実感し，現場かるコストが非常に高く，途中で廃棄する量も作業者にも数字で説得できるようになった。電多いので，今回は紙の流れを追跡することにし子基板メーカは，電気料金を固定費と考えていた。

たが，一部は負の製品となり削減の対象であることを知り，また，投入したはんだの多くが廃

3.2.2

現地指導

コンサルタントが 2 回企業を訪問し現地で指棄されており，はんだ槽の改良に取り組んでいる。

導した。1 回目は，コンサルタント，公設試験

一般的に MFCA では，コンサルタントから研究機関職員および企業担当者が製造現場を見

4～5 回の現地指導を受けないと改善までたどて回り，どの製造ラインを対象にするか決定しりつけない。今回は予算の関係で 3 回しかできた。また，どのようにして紙の流れのデータをなかったが，参加した全社で MFCA の導入に取るか指導を受け，投入された紙のうちどれだ

より新たな気づきがあり，企業が主体となってけ正の製品と負の製品になるか，次回まで企業

本格的な改善に取り組んでいく予定である。

担当者がデータを把握することとした。2 回目は取得したデータを解析し，データの取得漏れ

4.

がないか確認した。企業担当者が当初予想した（1） MFCA の啓蒙普及のための講演会を開催

より多くの負の製品が明確にされ，廃棄物を減らす方法を検討した。

結言し，多くの企業から参加していただいた。
（2）コンサルタントから MFCA の指導を受けながら，県内企業への導入を支援し，当

3.2.3

成果発表会

新潟県から参加した印刷メーカでは，投入さ初予想したより多くの負の製品が明確になった。

れた紙のうち，どの部分が正の製品と負の製品（3） 今後も上信越公設研ネットで MFCA のになるか報告があった。また，改めて紙の流れ

啓蒙普及に取り組んでいく。

を実測するなかで，①印刷機の調整に使ってよ
い資材の量について，指示があいまいであった，

参考文献②紙の測定を行っているが，担当者によって微

1）安城泰雄，下垣彰，“図説 MFCA（マテリ

妙に異なっていた，③調整等での余分に印刷す

アルフローコスト会計）－マテリアル・エる「あまり製品」が予想以上に多い，が明確に

ネルギーのロスを見える化する ISO14051”，

なり，すぐにでも改善できるとの発表があった。

JIPM ソリューション，2011，p20．

住宅建材メーカからは，仕事全体が数値化され2）http://jemaisc.com/flow/mfca/「社団法人産業

るため，どこにロスがあるか理解しやすく効果

環境管理協会ホームページ」，平成 20 年度

的な改善に取り組めると報告があった。ダイカ

経済産業省委託事業サプライチェーン省資ストメーカからは，不良品はリターン材として源化連携促進事業，2012 年 3 月 26 日閲覧