Ⅲ

調査・報告１．3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究（第 2 報）・・・・・・・82
２．センシング技術の農業分野への応用に関する調査研究（第 2 報）・・・・・・・・85
３．ソフトマテリアルの利活用に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・88
４．ジオポリマーに関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91
５．ドローンを活用した 3D 計測技術に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・ 95
６．テキスタイルと異種材料の接合による加飾加工に関する調査研究・・・・・・・・ 99
７．ファインバブルに関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・102※ 平成 28 年度に実施した研究 119 テーマのうち、研究成果を公表できるものを報告しています。

Ⅰ

研究論文

−1−

研究論文

伝統的工芸品の世界販売戦略を支援するためのバーチャルショウケースの研究開発（第 2 報）
阿部

淑人*

大野

宏**

長谷川

直樹***

中部

昇**

木嶋

祐太****Development of Virtual Showcase for Worldwide Promotion of Traditional Handicrafts, 2nd. Ed.
ABE Yoshito*，OHNO Hiroshi**，HASEGAWA Naoki***，NAKABE Noboru** and KIJIMA Yuta****
抄録

伝統的工芸品の販売を支援するために質感を高品位に再現できるバーチャルショウケースの開発を行っている。企画から設計・製造の流れを改善するための取り組みとしてデジタルプロトタイピン
グ技術の開発に取り組んだ成果を活用して，より一層写実的なコンピュータグラフィクス（CG）を簡便に生成し容易に観察できるシステムを構築することとした。 平成 27 年に総務省の戦略的情報通信研究開発推進事業（通称 SCOPE）の採択を受け，3 ヵ年の研究開発計画の 2 年目としてシステム試作と検証などを実施した。主に，全体概要および個々の技術要素と今年度の研究成果について報告する。

1.

緒

こにいても手元のスマートフォンや PC，TV に言

新潟県の伝統的工芸品は，村上木彫り堆朱や標準装備されている Web ブラウザなどから自新潟漆器，燕鎚起銅器など 13 地域で 16 品目が由に製品画像が見られ，製品を高い質感再現性

経済産業大臣の指定を受けている。品目数は，

で疑似展示できるバーチャルショウケースの実

全国で第 2 位であるものの，生活スタイルの変現を目的とする。サーバにデジタルコンテンツ化や人口減少などにより需要は減少傾向にある。

としてのバーチャル製品を全数揃えることで，また，一方では後継職人の確保や早期育成とい各提携ショップ内に当該商品の在庫がなくても，う人材面の経営課題もある。

顧客や売主は正確なアピアランスを把握するこ

国内市場の縮小に抗する策として，広く海外とができる。また，この延長線上には，ユーザに販路を拡大することが急務となっている。世が直接ウェブサイト上で製品ページを見て購入

界各地に製品フルラインナップの伝統的工芸品

できる電子商取引（EC）の為のオンラインカタ

ショウルームを設置することは，コストの増大

ログや，さらにはオンラインカスタマイズ（ユや輸送あるいは在庫の確保など様々な困難が伴ーザ自らウェブサイト上で形状や模様などを自う。その解決には，コンピュータグラフィクス

在にアレンジして発注）やデジタル試作などへ（CG）によるバーチャルショウケースを構築すの発展形が期待できる。また，製造業者は単品ることが効果的であると考えた。

生産のデジタルアーカイブとして記録を残すこ

本研究開発は，伝統的工芸品を，いつでもどとができ，品目管理や若手職人への育成指導などにも活用できる。

*

素材応用技術支援センター**

研究開発センター

創造的研究事業で取り組んだ「質感の測定技***

下越技術支援センター

術・表現技術の研究」1) 2)の成果をベースとして，

****

企画管理室

コンテンツの生成にかかる技術と，鑑賞・操作

前記の目的に対して，H23～H24 年度に県の−3−にかかる技術について研究開発 3)を行っている。
本研究を開発要素ごとに整理すると，(A) 写実的 CG4)に必要なテクスチャマッピングのためのマップデータの分析・合成を行う「テクスチャツール」(B) CG の写実性を高めるための背景画像モデ
ルを取得する「バックグラウンドツール」(C) Web で高い操作性を備えて写実的表示でき(a) 元画像

るようにする「ディスプレイツール」(D) 汎用のフラットパネルディスプレイ表示に替えて，より臨場感や拡張現実感・没入感が高く表示できる「プレゼンスツール」の 4 つになる。(A)と(B)はコンテンツとなる CGの素材生成にかかる技術で，(C)と(D)はユーザ
がディスプレイで CG を鑑賞する際の表現力と(b) 形態分布図

操作性にかかる技術である。これらを開発し，システム全体として研究完了後に実環境下で試験運用できることを目標としている。
2.

研究開発内容前記の 4 つのツールについて列記する。

2.1

テクスチャツール

テクスチャツールは，伝統的工芸品を CG で(c) 方位分布図再現する際に必要な色彩・模様データ（テクス

図1

テクスチャのパターン分析

チャマップ）を生成するためのサブシステムで（左側）チューリング・パターン（右側）漆塗り磯草模様ある。
開発目標は，実製品同様の模様を施したテス
トピースを専用の撮像装置で実写し，それを計

基本模様素とのマッチング分類を行い，それら算機に取り込んで解析することで，自動的にが連続変化する様子の追跡を行なった。図 1 にCG で使用するテクスチャマップ（色彩マッは例として 2 つのパターンを分析した結果を示

プ・光沢マップ・法線マップ）を生成できるシしている。(a)が元画像である。(b)が画素ごとに，ステムを構築することである。なお，CG 合成

線状か点状か，そしてスケールの大きさがどうに必要な形状データ（3D データ）については，

かの分布を示している。(c)は異方性を分析した

光学式の 3 次元スキャナなどによって製品その方位の分布を色相で示している。この分析によものから取得するか，3 次元 CAD ソフトウェアって 2 値画像に限らず濃淡画像においても部分または CG の 3 次元モデリングソフトウェアで的な模様素の性状を推測することができるよう造形することとした。

になった。この分析には 1024×1024 画素のパタ

テクスチャの分析に関して，テクスチャを 2ーンに対して 20 分以上を要しているため高速値化してその部分形状（模様素）を 2048 種類の化が必要である。また分析結果を元に GLSL と−4−呼ばれる CG 用記述言語 5)でパターン発生することに改めたため，その部分を現在追加開発 6)
している。
2.2

バックグラウンドツール

バックグラウンドツールは，CG による製品
画像を実写空間にバーチャル配置するための全周画像取得を目的としたサブシステムである。
大衆に向けて配給上映される商業映画やコマー
シャルフィルムにおいても CG によるバーチャ
ル・エフェクツ（VFX）の利用は枚挙に暇がな
図2

く，外周など背景画像についてはイメージベー

PocketScan3D 外観

ストライティング（IBL）やイメージベースト
レンダリング（IBR）という技術を利用して実写画像と融合されている。大規模な映像プロダ
クションでは数百万円～数千万円程度のパノラ
マカメラ（例えば PanoScan®や SceneCam®，iStar®など）を用いて周囲の背景画像を取得しているが，これらは極めて高額な装置であるため，本研究では，より安価な装置で撮像できる
図3

ことと，室内などの近景を対象にするため距離

PocketScan3D で取得した点群

データの同時取得をめざした。
図 2 と図 3 には導入したランダムドットアク
ティブステレオ方式 3D スキャナ（Mantis Vision
製 PocketScan3D）の外観と，それによって取得した点群データ（位置情報と色情報を持った複数の点群）の例を示す。これにより図 4 の室内
テーブルを，キャリブレーション済みの近距離
周囲環境画像を取得した結果が図 5 である。現在点群データを面情報に展開して画像情報を貼図4

り付けることを行っているので，その結果を元室内テーブルの外観にパノラマステレオカメラ画像のキャリブレー
ションを行う予定である。点群の距離精度は±0.2%程度であり，点群密度は 360°(水平)×180°(垂直)に対しておよそ 12000 点×3000 点
程度で 1 分以内に取得できる。パノラマカメラと当該スキャナを組み合わせた外周撮像デバイ
図5

スを次年度に開発する予定である。

室内テーブルから取得した点群

HDR 画像および光沢画像の取得についてはで実現するように設計を行っている。パノラマ

パノラマカメラとアクティブ光源の組み合わせ

カメラの解像度についても，これまで使用して−5−

いた Ricoh 製 Theta S（解像度 5000×2500）では不足するため，複数撮像からの超解像処理を実装している。
2.3

ディスプレイツール

ディスプレイツールは，あらかじめ用意した製品の形状データおよびテクスチャデータと，
外周データを元に写実的 CG を簡便な操作で見られるようにするシステムである。一般的な PC(a) Unity によるレンダリング

やスマートフォン，ゲームコンソールなどのWeb ブラウザに表示できるように開発を進めている。ゲームエンジンと呼ばれるソフトウェア
開発ツールを用いて，リアルタイムに写実的なCG を表示し製品やテクスチャの変更あるいは視点の移動などができるサブシステムのプロト
タイプソフトウェアを制作した。当研究所内のLAN 環境下に用意した既設のウェブサーバに，
ゲームエンジンで制作したアプリケーションソ
フトウェアと，製品の形状データ・テクスチャ
データを格納し，LAN 経由で別の PC からウェ(b) Stingray によるレンダリング

ブ・ブラウザで製品の CG を表示し，着せ替え

図7

ゲームエンジンによるレンダリング品質の差や視点移動などの操作ができるようにした。昨年度からの進展は，開発に使用するゲームエン
ジンを Unity から Autodesk Stingray へ変更した

2.4

プレゼンスツール

ことと，WebGL への対応である。これにより図プレゼンスツールは，通常のパネルディスプ

6 に示したように，対応ブラウザであれば特殊レイ表示に対し，より写実性を高めたり没入感

なプラグインが無くても表示可能となった。

を高めたりするためにプロジェクションマッピ

図 7 にはレンダリング品質の差を図示した。
Stingray の方が一層写実的なレンダリング結果

ングやヘッドマウントディスプレイを活用する
表示システムである。
プレゼンスツールの今年度の研究内容としてとなった。

は，昨年度のバーチャルリアリティ（VR）表示に替えてアーギュメンテッドリアリティ（AR）
表示（実画像にリアルタイムに CG を描画する）を検討したことである。図 8 にヘッドマウント
ディスプレイ（HMD）とステレオカメラのコン
ポジットデバイスを示す。実際のステレオ視差と同等のコンフィギュレーションとなるため
AR 表示の違和感が少ないことが好印象であっ
図6

WebGL への対応た。図 9 には当該デバイスで撮像した実際の周辺画像に CG の急須を描画している様子を示し−6−ている。描画位置の指定には AR 表示でよく利を行う「テクスチャツール」

用されるマーカー（所定パターンを描画した小(B) CG の写実性を高めるため背景画像モ片）を利用した。手に急須やカップ類などを持デルを取得する「バックグラウンドツ

つことをシミュレーションできるほか，実像とール」

重ねるためにバックグラウンドツールの援用を(C) ウェブ経由で高い操作性を備えて写必要としない。ジェスチャー操作の検討など，

実的表示できるようにする「ディスプ

ユーザビリティに関して今後は開発を行う予定

レイツール」(D) 汎用のパネルディスプレイ表示に代である。

えて，より臨場感や拡張現実感・没入
感が高く表示できる「プレゼンスツール」(3)

2 年目は，過去の研究 1) 2)3)の成果と課題をもとに主に継続的開発と改善を行なった。

(4)

次年度は，研究開発の最終年度として成果をまとめて実用化に近づける予定である。

なお，本研究は，総務省から戦略的情報通信研究開発推進事業（SCOPE）平成 27 年度地域
ICT 振興型研究開発課題（課題番号 1654467）
として委託を受けたものである。
図8

HMD とステレオカメラのコンポジット
参考文献
1）阿部，中部，橋詰，“質感の測定技術・表現技術の研究 ”，工業技術研究報告書，No.42，
2013，pp．68-71．
2）阿部，中部，橋詰，“質感の測定技術・表現技術の研究 （第 2 報）”，工業技術研究報告書，No.43，2014，pp.19-25．
3）阿部，大野，長谷川，中部，木嶋，“伝統的工芸品の世界販売戦略を支援するためのバ
図9

3.

結

AR 表示例ーチャルショウケースの研究開発”，工業技

言術研究報告書，No.45，2016，pp.11-16．

(1) 伝統的工芸品を始めとする質感が重要な製

4）M. Phar and G. Humphreys, Physically Based

品のバーチャルショウケースを構築するた

Rendering, Second Edition，Morgan Kaufmann，めの技術開発を行った。

MA，2010．

(2)

3 カ年の研究計画で，以下の 4 つのパート

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

について研究開発を行なっている。
(A) 写実的コンピュータグラフィックス

6）阿部淑人，“2 画像の類型とその連続変化”，（CG）に必要なテクスチャマッピン

映像メディア処理シンポジウム 2016 予稿集，

グのためのマップデータの分析・合成

2016，pp.106-107．

−7−

研究論文

複数工程における
高精度シミュレーションに関するシーズ育成研究本田 崇* 白川正登*

智裕* 石井永井

治彦*

Basic study on highly accurate Simulation of multistep deforming processes.
HONDA Takashi*，SHIRAKAWA Masato*，NAGAI Tomohiro and ISHII Haruhiko*
抄録

成形シミュレーションの評価，解析の高度化を目的に，大変形する素材に対してメタルフローの解
析手法の開発を行った。アルミニウムを素材とする冷間鍛造や軸受鋼を素材とする熱間鍛造に対して，高精度な成形シミュレーションを検討後，開発したメタルフロー解析を実施して，良好な評価が可能であることを確認した。
1.

緒

言

ため，同一節点の追跡は継続できないといった

近年，製品の高付加価値化に伴い，小ロット，

別の課題が生じる。

複雑形状，難加工材を素材とする製品への塑性

そこで本研究では，軸対称であらわせる基本

加工の適用が広がっている。このような従来と的な 2 次元モデルの変形を対象に，FEM のリメ

異なる製品に対して，有限要素法（以下 FEM）

ッシュにより失われる材料の流れの情報を補完に代表されるシミュレーションを活用した効率するメタルフローの解析手法を開発した。

的な成形条件の検討が行われている。FEM は，計算対象を要素と呼ばれる単純な形状の集合で2.

メタルフロー解析技術の開発

表現することで，複雑な形状でも変形，応力，

2.1

処理の流れ

ひずみなどの物理量を計算することが可能な近似手法である。

リメッシュにより節点位置は再構築されるため，メタルフローの評価には成形シミュレーシ

成形シミュレーションでは，要素の頂点である節点の軌跡から，材料の変形の流れ（メタルョンの節点とは別の評価点を設定する必要があ
る。

フロー）の評価が可能である。ただし，複数の本研究では，成形シミュレーションとメタル工程からなる複雑な加工では，要素の形状が大フロー解析を同時に行わず，成形シミュレーシ

きく崩れ，計算を継続できなくなる。これに対塑性ひずみ

して，変形したモデルの外形，応力，ひずみなどの物理量を再構築した新たなモデルへ再マッ
ピング（リメッシュ）することで，要素の崩壊を回避することが多い（図 1）。ただし，リメッ
シュにより大きな変形に対して計算を継続することが可能となるが，節点位置も再構築される*

下越技術支援センター

図1

−8−

FEM のリメッシュの例

ョンの結果を用いて，メタルフロー解析用に設

どの物理量が計算される。そのため，要素内部

けた評価点の移動を計算させる手法を検討した。

の物理量については，節点の物理量をもとに形

これにより，評価点の位置には制約がなく，成状関数と呼ばれる関数で近似して求められる。

形シミュレーションの節点とメタルフロー解析

さらに，要素の形状に依らず，また変形の前後の評価点は全く異なる位置でもよい。

であっても同じ形状関数で処理できるよう，要本研究におけるメタルフロー解析の流れを図2 に示す。メタルフローの解析を行うにあたり，

素はξ-η座標系へ正規化される。図 3 に要素の正規化のイメージと形状関数を示す 1)。

事前に成形シミュレーションを実施して，素材

本研究では，FEM と同様に，ξ-η 座標系への変形を把握しておく。メタルフローの解析での正規化と形状関数を活用した評価点の計算方

は，まず，設定した評価点と成形シミュレーシ法を検討する。まず，それぞれの評価点を内包ョンモデルの位置の関連付けを行う。次に，リする要素を ξ-η 座標系へ正規化して，評価点

メッシュを行う間のモデルの変形に評価点を追の位置（ξ, η）を求める。ここで，もとの X-Y跡させる。評価点の追跡にあたっては，評価点座標系では，要素の変形に伴い評価点の位置はを内包する成形シミュレーションモデルの要素変化する。一方，正規化された ξ-η 座標系にの変形に伴い評価点の位置を計算する。新たなおける節点の座標は常に（±1, ±1）であり，シミュレーションモデルの要素が構築されるリ

評価点の位置（ξ, η）も変化しない。したがメッシュ時には，リメッシュまでの変形に伴いって，内包する要素における評価点の位置（ξ,移動した評価点と，再度位置の関連付けを行う。

η），変形後の節点の位置および形状関数によっこのように，成形シミュレーションモデルとて，変形後の評価点の移動を求めることができの関連付けと追跡を繰り返し行うことで，成形る。
評価点を個別の点ではなく，実際の素材のメシミュレーションの結果に対して任意の位置に

タルフローのようなラインとすることで，実成設定した評価点の計算が可能となる。

形における鍛流線の活用のように，材料の流れ
2.2の評価が可能となる。本研究では，形状に合わ

評価点の計算手法の検討

FEM では，節点でのみ変形，応力，ひずみな

図2

図3

メタルフロー解析の流れ−9−

要素の正規化のイメージせた任意のラインの数を設定できるとともに，た。また，それぞれの工程の潤滑条件について異なる向きの補助ラインを設定できるようにしは，据え込み工程では無潤滑，後方押し出し工

た（図 4）。これにより，例えば実際の素材と同程では良好な離型を実現するため日本工作油

じ向きのメタルフローとこれと直行する補助ラ（株）製 AB-3005W を用いた。

インによる格子形状の解析も可能であり，実成
形では観測できない詳細な流れの評価を行うことができる。
本研究では，成形シミュレーションおよびメ
タルフロー解析のソフトウェアとしてサイバネット（株）製 ANSYS LS-DYNA17.2 を用いた。
ANSYS LS-DYNA は Fortran をベースとした独自 の 開 発 用 言 語 （ ANSYS Parametric Design
Language）を備えており，結果の ASCII 出力，
データの処理が可能である。この言語を用いて(a) 径方向 20 本
図4(b) 径方向 30 本
高さ方向補助 10 本
評価点を結んだ評価ラインの例

メタルフロー解析技術の開発を行った。
3.

冷間鍛造への適用

3.1

A1070 の冷間鍛造による成形試験

メタルフロー解析の対象として，アルミニウ
ム Al070 を素材とした基礎的な成形試験を実施した。メタルフロー解析に先立ち，まず，この(a)据え込み工程

成形試験を再現できる高精度な成形シミュレー

図5(b)後方押出工程

成形試験の工程図

ションを検討した。次に，得られた結果に対して，開発したメタルフロープログラムを適用して，実成形サンプルから得た鍛流線との比較を行い，流れの再現を確認した。
実施した成形試験の工程図を図 5 に示す。成形試験は据え込みと後方押し出しの 2 工程とした。据え込み工程ついては，下型にロードセルを組み込んで成形荷重の測定を行った。後方押し出し工程では，金型の構造上，下型にロードセルを組み込むことができない。そこで，パン

図6

後方押し出し工程の成形の様子

チストレート部にひずみゲージを貼り，測定したひずみから成形荷重を求めた。ひずみと荷重の関係については（株）島津製作所製万能試験機 UH-F500kNC を用いて確認した。後方押し出し工程における成形の様子を図 6 に示す。
成形に用いた素材と成形後の形状を図 7(a)～(c)にそれぞれ示す。素材は直径φ26.14mm，高(a)素材

さ 25.3mm の押し出し素材の旋削加工品を用い

図7− 10 −(b)据え込み(c)後方押出成形に用いた素材と成形後の形状

3.2

成形シミュレーション実施した成形試験に対して，成形荷重および成形品の形状を再現可能なシミュレーションの検討を行った。精度の高い計算結果を得るには，素材の材料特性である応力-ひずみ曲線と金型と素材間の摩擦の設定が重要となる。ここで，形状については摩擦，成形荷重については材料
特性の設定から受ける影響が大きい。そこで，
まず摩擦係数を検討して形状の合わせこみを行
図8

い，次に材料特性の検討により成形荷重の合わ

A1070 の応力-ひずみ曲線

せこみを行った。
成形に関わる材料特性として，材料の応力-

表1

据え込み工程における主な寸法の比較

ひずみ曲線は引張試験の結果をもとに作成され

比較項目

実成形

計算結果

ることが多い。ただし，本研究のような複数の高さ(mm)

14.4

14.4

工程からなる鍛造では 200%以上の変形が発生

最大径(mm)

35.6

35.5

するのに対して，金属の引張試験は数十%程度

端面の径(mm)

32.5

32.4

の伸びで破断するため，全ての加工範囲の結果を得ることができない。よって，引張試験の破断以降については試験結果の外挿が行われるが，どのような外挿方法が適切であるか検討が必要である。本研究では，変形抵抗を n 値で表した
最も一般的な式である n 乗硬化則とアルミニウ
ムの再現性が高いといわれる Voce の式の 2 つを比較した 2)。本研究で用いた A1070 の応力-ひずみ曲線を図 8 に示す。
据え込み工程における主な寸法の比較を表 1に，後方押出工程の成形品とシミュレーション
結果の比較を図 9 にそれぞれ示す。成形品の形状は，3D Systems,Inc.製非接触型 3D スキャナー
Geomagic Capture にて測定した。据え込み工程，
後方押出工程の摩擦係数はそれぞれ 0.2，0.075とした。両工程ともに，実形状を非常によく再現でき，良好な結果を得た。

図9

据え込み，後方押出工程における成形荷重の後方押出工程の成形品とシミュレーション結果の比較

比較を図 10 にそれぞれ示す。Voce の式を適用する場合，いずれの工程の成形荷重も良好に再

ルミニウムの特性を良好に再現できたものと考現できた。一方，n 乗硬化則を適用した場合にえられる。

は，後方押出工程の荷重が過大になってしまう。

以上の検討より，材料設定の重要性を確認す

Voce の式は，変形抵抗の飽和応力を定義できる

るとともに，前節の成形試験をシミュレーショ

ことが特徴であり，変形抵抗が頭打ちになるア

ンで良好に再現できた。

− 11 −

3.3

メタルフロー解析

成形シミュレーションの結果をもとに，高さ方向に 10 本，径方向に 30 本のラインを設定してメタルフローの追跡解析を行った。成形中のメタルフローの変化を図 11 に示す。成形シミュ
レーションのリメッシュのタイミングで出力したすべての形状でメタルフローが観察できることから，成形の途中についても評価することができる。また，解析をとおして，それぞれの評
価点は一貫した固有の番号で識別されるため，成形後の評価点から元の素材の位置の検索など，
実製品の鍛流線観察では困難な評価が可能である。

(a)据え込み工程(a)据え込み工程(b)後方押出工程(b)後方押出工程
図 10

図 11

成形荷重の比較− 12 −

メタルフローの変化

図 12 に解析結果と成形試験サンプルとの比較を示す。成形試験サンプルは，切断，研磨後，わかる。また，補助線を活用することで，さらに流れの変化が確認しやすくなっている。

40℃の 10%水酸化ナトリウム水溶液で約 40 分

以上の検討により，開発したメタルフロー解

エッチングを行った。据え込み工程におけるメ析を精度のよいシミュレーション結果に適用す

タルフローの広がりや後方押出工程におけるパることで，良好なメタルフローの再現ができる

ンチで圧下される材料の粗密などの特徴の一致ことを確認できた。

から，材料の流れを良好に再現していることが

実成形形状

解析結果
(a)据え込み工程

実成形形状

解析結果
(b)後方押出工程

図 12

解析結果と成形試験サンプルとの比較− 13 −

4.

SUJ2 の熱間鍛造への適用

美坂の式を用いた結果では，成形荷重に大きな

4.1

成形シミュレーション

ずれがみられる。一方，フィッティング後の結次に，実際の製品の工程の一部を対象に，成形シミュレーションおよびメタルフロー解析の果はよく一致しており，推定された材料特性は妥当と考える。

適用を試みた。素材は軸受鋼 SUJ2，形状は 3形状の比較を表 3，4 に示す。摩擦係数を 0.75

章の成形試験と相似形で，直径φ64.8mm とおと設定することで，据え込み工程における胴部

よそ 2.5 倍のサイズである。成形に用いた素材

最大径，上下端面の径の一致および後方押出工と成形後の形状をそれぞれ図 13 に示す。

程の形状を良好に再現できた。

本章で扱うサンプルは，成形温度が 1180℃と高く，また成形のひずみ速度は 6/sec と非常に以上のとおり，前節の成形試験を精度よくシ
ミュレーションできることを示した。

速い。成形温度が高い場合，温度，成形速度が材料特性に与える影響は大きくなるが，このような条件では材料特性の取得が難しく，シミュ
レーションにあたってデータがない場合もある。
ここで，炭素鋼では，圧延での荷重の推定のため多くの研究が行われており，温度，成形速度，含有炭素量をもとに材料の変形抵抗を見積
もる実験式が提案されている 3)。本研究では，
実験式の一つである美坂の式による推定を検討した。ただし，美坂の式は適用できるひずみ速度，温度，ひずみの範囲が指定されており，本章で扱うサンプルの成形条件はこの範囲から外れている。また，SUJ2 は軸受鋼であり，推定し

図 14

SUJ2 の応力-ひずみ曲線

た特性にずれが生じることが予測される。そこ
で，本研究では美坂の式により推定された材料

表2

成形荷重の比較(kN)

特性をベースに，成形試験から得られた成形荷

工程名

実成形

美坂の式

フィット後

重と成形シミュレーションの成形荷重が一致す

据え込み

441

868

436

後方押出

833

1449

838

るよう応力-ひずみ曲線のカーブフィッティン
グを行い，適切な材料特性の設定を検討した。
また，摩擦については 3 章と同様に，ワークの表3

変形形状からの推定を行った。

据え込み工程成形後の形状の比較

比較項目

実成形

計算結果

高さ(mm)

35.0

35.0

最大径(mm)

94.0

93.4

端面の径(mm)

81.1

82.1

本研究で用いた SUJ2 の応力-ひずみ曲線を図
14 に，成形荷重の比較を表 2 にそれぞれ示す。

表4

後方押出工程成形後の形状の比較

比較項目

実成形

計算結果

(c)後方押出高さ(mm)

41.2

41.6

図 13 成形に用いた素材と成形後の形状

最大径(mm)

95.4

94.9

(a)素材

(b)据え込み− 14 −

4.2

3 章の A1070 と同様に，精度のよい成形シミュ

メタルフロー追跡解析

成形シミュレーションの結果をもとに，メタレーションの結果を用いたメタルフロー解析に

ルフロー解析を行った。図 15 に成形試験サンプ

より，材料の流れを非常によく再現できること

ルとの比較を示す。成形試験サンプルについてがわかった。また，3 章との比較から，成形形

は，切断，研磨後，70℃の 50%塩酸で約 40 分状が相似形であっても材料特性および摩擦の違エッチングを行った。

いにより材料の流れに差が生じるが，この差に成形品と解析の結果から，材料の流れは非常

ついても精度よく解析可能なことを示した。

によく一致していることがわかる。したがって，

実成形形状

解析結果
(a)据え込み工程

実成形形状

解析結果

図 15 解析結果と成形試験サンプルの比較− 15 −

5.

応用例

るシミュレーションを実施して，その結果にメ

3，4 章の検討から，材料特性および摩擦の適

タルフロー解析を行った 4)。図 16 に成形シミュ

切な設定により，成形シミュレーションによるレーション結果と得られたメタルフローを示す。

良好な成形試験の再現を確認した。また，その次に，単一の工程ではあるが変形が大きい閉

計算結果を用いたメタルフロー解析の再現精度

塞鍛造に対しての適用を行った 5)。図 17 に胴部が高いことも確認した。そこで，より実際の製中央部にフランジを有する製品への適用例を示

品形状に近い成形に対して，メタルフロー解析

す。

の適用を行った。材料の設定については SUJ2の特性を用い，摩擦係数は 0.05 とした。

いずれの結果も，メタルフロー解析により，材料の流れの粗密分布を良好に示すことができ

まず，フランジ付シャフトを 2 工程で成形す

た。

1 工程目

2 工程目
(a)成形シミュレーション(b)メタルフロー解析
図 16 フランジ付シャフトへの適用− 16 −

(a)成形シミュレーション(b)メタルフロー解析
図 17 胴部中央部にフランジを有する製品への適用
6.

結

言

参考文献

（1）A1070 および SUJ2 を素材とした成形に対

1）三好俊郎，"有限要素法改訂版"，培風館，
No.298，1998，pp.179-181.

して，適切な摩擦係数，材料特性を設定することで，形状および成形荷重を精度よく

2）名古屋市工業研究所，"月刊名工研 No.762",
2015, p.3.

シミュレーションで再現できることを示

3）日本塑性加工学会編，"わかりやすい鍛造加した。
（2） リメッシュを伴う大変形のシミュレーシ

工"，日刊工業新聞社，2005，pp.16-17.

ョン結果をもとに，メタルフローを解析可4）日本塑性加工学会編，"わかりやすい鍛造加

能なプログラムを開発した。成形後の評価

工"，日刊工業新聞社，2005，pp.49-50.

点がどこからきた材料であるかといった，

5）日本塑性加工学会編，"わかりやすい鍛造加実製品ではできない評価が可能である。
（3） 精度の良い成形シミュレーション結果にメタルフロー解析を実施することで，材料の流れも良好に再現できた。

− 17 −

工"，日刊工業新聞社，2005，p.113.

研究論文

X 線応力測定における応力値のばらつきに関する研究
斎藤

雄治*

吉田

正樹*

田辺

寛*

Deviation of Stress Values in X-Ray Stress Measurement
SAITO Yuji*，YOSHIDA Masaki* and TANABE Hiroshi*

抄録

X 線応力測定において，回折線ピーク位置や応力値などの測定値は X 線強度固有の統計変動によってばらつきを生じる。これら測定値のばらつきの大きさを表す標準偏差については，一回の測定か
ら解析的に求める理論が提案されているが，市販の X 線応力測定装置には組み込まれていない。このため本研究では，まず，27 年度導入した X 線応力測定装置に上記の理論が適用できることを実験により確認した。次に，上記の理論を用いて一回の測定から求めた応力値の標準偏差と，100 回繰り返し測定した応力値の標準偏差がほぼ一致することを確認した。さらに，導入した装置に上記の理論を組み込み，ステンレス鋼や耐熱合金などの応力定数を測定した。
緒言
材料を機械加工や熱処理することによって生きを生じる。この統計変動は X 線による測定値

じる残留応力は，加工後の製品の寸法精度，静測定値の信頼性を高めるには，X 線強度固有の的および疲労強度，耐食性などに大きい影響を統計変動によって生じる測定値のばらつきの大及ぼす。このため，熱処理による残留応力の除きさを表す標準偏差を求めて，測定値の再現性

去や，疲労強度を高めるためのショットピーニを検討することが重要となる。ここで，これらングや高周波焼入れなどを行い，積極的に製品の標準偏差を一回の測定から統計学の理論を用

表面に圧縮の残留応力を生じさせることなどがいて解析的に求める方法が提案されているが 1)，行われている。残留応力を精度よく測定するこ2)とは，外力によって生じる応力測定に比べて難

いない。

1.

においては避けられないものである。このため，，市販の X 線応力測定装置には組み込まれてしい場合が多く，いまだに多くの問題が残されここで，この方法を適用するには，X 線応力測定装置で計測した X 線計数値のばらつきの大ている。
X 線の回折現象を利用した X 線応力測定法は，結晶材料表面の局所の応力を非破壊的に測定できさが，理論式に従っていることを確認する必要がある。

きる。この測定法で測定しているのは，X 線が本研究では，当研究所が 27 年度に導入した回折する結晶の体積中の平均的な応力である。

X 線応力測定装置（(株)リガク製 X 線応力測定

この測定法は，外力によって生じた応力も測定

装置 PSPC-MSF-3M）について，X 線計数値のできるが，主な用途は残留応力測定である。

ばらつきの大きさが理論式に従うことを確認しこの測定法では，試料に X 線を照射した際，た。さらに，上記の理論により一回の測定から回折してくる X 線の強度を計測して回折線の位

求めた応力値の標準偏差と，繰り返し測定した置や応力値などを測定しているが，これらの測

応力値の標準偏差を比較し，両者がほぼ一致す

定値は X 線強度固有の統計変動によってばらつることを確認した。また，導入した装置にこの*県央技術支援センター

測定理論を適用して，ステンレス鋼や耐熱合金− 18 −

などの応力定数を測定した。
2

p
yi

'

2
p

応力値の信頼限界

2.1

t 分布の式による応力値の信頼限界

X 線応力測定法によって測定される応力値は，
主に X 線計数値固有の統計変動によってばらつく。我が国では，X 線法によって測定された応
力値の信頼区間は，直線回帰における t 分布の式を用いて求められている。
t 分布の式から求めた応力値 S の信頼区間を
3)±ΔS とすると，ΔS は次式で求まる 。

S

K t ( , n 2)

{ p i ( Mu i(n 2) (u i22yi································· (3)ただし，Σ’は i＝1 から m までの和をとることを表す。式(3)の p にピーク位置を求める式を代入すれば，X 線強度の統計変動によるピーク位
置の標準偏差σ p が一回の測定から求まる。そのためには，y の分散σ y2 を求める必要がある。
なお，ガウス曲線法 5)，放物線法 6)，半価幅
法 7)，重心法 8)について，ピーク位置および X
線計数値の統計変動による標準偏差を求める式が提案されている。

N )}2···(1)U )2

次に，応力値の標準偏差を求める。応力値 S

ここに，t(α,n－2)は自由度(n－2)の t 分布の信頼水準 100α%点，K は応力定数，pi はピーク位置の測定値，n は pi の個数，ui＝sin2ψi，M と N

は次式から求まる。
S K ai pi ·········································· (4)ここに，ai は

ai

は最小自乗法によって得られた sin2ψ線図の傾
きと切片，U＝Σui／n，Σは i＝1 から n までの

n

nu i
u i2

ui
··························· (5)( ui ) 2である

和をとることを表す。

応力値のばらつきの大きさを表す標準偏差σSは，各 p i(i＝1～n)が統計的に互いに独立である

2.2

ピーク位置と応力値の標準偏差の求め方

ので，誤差伝播の法則を用いれば応力測定値のばらつきの大きさを表す標準偏2
S

差は，ばらつきの主な原因である X 線計数値の統計変動から解析的に求めることができる 1)。
回折 X 線計数値の変動（ばらつき）の主な

K2

ai2

2
pi

···································· (6)となる。応力値の 95%信頼区間は±1.96σS で求められる。

原因は，時間的にランダムな X 線計数値固有の統計変動である。この X 線計数値固有の統3

計変動による X 線計数値 y の母分散σy2 と母平

3.1

面が平面になるように押し固めたものを試料とが知られている 4)。
y

実験方法

用いた材料は，純鉄の粉末である。これを表均 y との間には，理論上次式が成り立つこと

2y

X 線計数値の統計変動した。この試料について，表 1 の測定条件で··············································(2)100 回連続して X 線計数値 y を測定し，その標X 線計数値の実測値 y と y の母分散σy2 の間には式(2)が成り立つ。回折線の位置を表すピー
ク位置 p は，m 個の統計学的に独立な確率変数
y1 ，y2 ，・・・，ym の関数である。このため，統計学の理論である誤差伝播の法則 2)を用いる
ことにより，X 線強度の統計変動によって生ずるピーク位置 p の分散σp2 は次式で求められる。

本平均値 Y，標本分散 sy2，標本標準偏差 sy お
よび相対誤差 sy/Y を求めた。
3.2

実験結果および考察

図 1～図 3 に，y の標本平均値 Y に対する標
本分散 sy2，標本標準偏差 sy，相対誤差 sy/Y の変化をそれぞれ示した。X 線応力測定に用いる− 19 −

表1
管球

X 線計数値の統計変動の測定条件

管電圧，kV30

管電流，mA

10

コリメータ，mm

2×2

ψ 角，deg02θ 角，deg

142～170

ステップ角，deg

0.05

プリセットタイム，s

1，5，10，50，100

10

4

10

3

10

2

図1

ため， Y≒y とおける。このことから，図 1～

sy＝y0.5················································(8)sy/y=y-0.5 ·············································(9)が成り立つ。
また 100 個の測定値 y から求めた標本分散
sy は，標本数が 100 と多いため，y の母分散 y22にほぼ等しいと考えられる。したがって，式(7)～(9)より次式が得られる。

410
X線計測値の標準偏差 sy , counts

sy2＝y··················································(7)···············································(11)y/y= y············································(12)

10

3

4

10

10

5

X 線計測値の分散とその平均値

Fe powder
CrKα線

3

10

sy = Y

0.5

2

10

10
1

2
y ＝y ················································· (10)0.52

X線計測値の平均値 Y, counts

対誤差 sy／Y は 0.01 以下（1％以下）と小さい
図 3 より1010る。図 3 より，この範囲の X 線計数値 y の相

-0.5

sy2 = Y10

X 線計数値はおおむね 5×103～105 の範囲であy＝yFe powder
CrKα線

2

V

X線計測値の分散 sy , counts

Kβ フィルタ

5

2

Cr

10

10

2

10

3

10

4

5

10

10

X線計測値の平均値 Y, counts

図2

X 線計測値の標準偏差とその平均値

式(10)～(12)より，X 線計数値の標準偏差 y はy で表せることが分かる。また，式(12)より，カウント数を 2 倍すな
わちプリセットタイムを 2 倍にすれば，相対誤差（変動係数）は 1／ 2 倍に小さくなることが分かる。
式(10)は理論式(2)と同じであるため，導入した装置で計測した X 線計数値は，理論どおりの統計変動を示す。
4

X 線応力値の統計変動

4.1

X線計測値の相対誤差 sy / Y , counts

その X 線強度の平方根

1Fe powder
CrKα線

10

-1

10

-2

10

-3

10

実験方法

用いた材料は，機械構造用炭素鋼 S45C である。この材料を 40×40×120mm の大きさに切− 20 −

図3

2

sy /Y = Y

3

-0.5

4

10
10
10
10
X線計測値の平均値 Y, counts

X 線計測値の相対誤差とその平均値

5X 線応力値の統計変動の測定条件

Kβ フィルタ

V

回折面

(211)

管電圧，kV30

管電流，mA

10

コリメータ，mm

2×2

sin ψ

0～0.6 まで 0.1 おき

2θ 角，deg

142～1702

ステップ角，deg

0.2

プリセットタイム，s30

ピーク位置決定法

ガウス曲線法バックグラウンド補正

あり

LPA 因子補正あり

応力定数，MPa/deg-318

信頼区間，%

95

S45C (211)
CrKα線

-300

Cr

平均値

-350

応力値 S, MPa

表2
管球

-400
-450
測定値の95％信頼区間
-500
0

図 4

20

100

同一条件による応力測定結果（信頼区間
は X 線強度固有の統計変動による）さらに，40×120mm の面の表面を紙やすりでて試験片とした。
X 線による残留応力測定は，試験片の長手方
向に表 2 の測定条件で行った。応力値は，同一

平均値

-350

応力値 S , MPa

研磨後，電解研磨で約 70μm 表面層を除去し

S45C (211)
CrKα線

-300

り出した後，860℃に 60 分保持して水冷した。

-400
-450

条件でψ0 一定法を用いて 100 回繰り返し測定

測定値の95％信頼区間した。回折線強度はバックグラウンドと LPA-500

因子によって補正し，回折線ピーク位置は補正

0

した回折線強度の 80%以上のデータを用いて，20

値より得た標準偏差と、ピーク位置の分散から

図 5

60

80

100

同一条件による応力測定結果（信頼区間は t 分布による）式(6)を用いて求まる標準偏差，信頼限界および t 分布の式(1)から求めた信頼限界を比較した。

40

測定回数, times

ガウス曲線法 5)により決定した。100 個の応力

4.2

40
60
80
測定回数, times

大きさをよく表していることが分かる。
図 5 には，t 分布の式(1)によって求めた応力

実験結果および考察

図 4 に、100 回測定した結果を示す。図に示したエラーバーは，参考文献 1)の理論によって求めた応力値の 95%信頼区間を示す。エラー
バーの中に 100 回測定した平均値がほぼ含まれていることが分かる。さらに，図より 100 回の測定値の 95%信頼区間とエラーバーの幅がほぼ一致していることから，1 回の測定で得られる信頼区間は 100 回測定したときのばらつきの値の 95%信頼区間をエラーバーに示した。測定値のばらつきの大きさに比べて，各測定値のエラーバーの大きさは 2 倍以上大きくなっており，測定値のばらつきを正しく表していないことが分かる。
なお，これらのデータについては，当研究所のホームページにも掲載している 9）。
5− 21 −

応力定数の測定た梁の曲げ応力から求めた。測定の様子を図 6に示す。 各負荷応力に対して，回折線ピーク
位置を 6 点測定して sin2ψ線図にプロットし，
これらの点に最小自乗法を用いて当てはめた直線の勾配 M を求めた。回折線ピーク位置は，
並傾法のψ0 一定法またはψ0 揺動法によって表
3 の条件で測定した。回折線強度はバックグラ
ウンドと LPA 因子によって補正した。回折線
図6

ピーク位置は，補正した回折線強度の 70%以応力定数の測定の様子

上（Ti-6Al-4V）または 80%以上（Ti-6Al-4V 以外）のデータを用いて，ガウス曲線法 5)により

X 線による応力定数の測定条件決定した。また，X 線計数値固有の統計変動に

S50C
測定材料

SUS630IN718

よって生じる測定値のばらつきの大きさを表す

Ti6Al4V

95%信頼区間 1)，2)を求めた。

15-5PH
管球

Cr

V

Cu

Kβ フィルタ

V

Ti

Ni

回折面

(211)

(220)

(213)

管電圧，kA30

管電流，mA

10

コリメータ，mmsin2ψ

S50C，15-5PH，IN718，Ti6Al4V の各試験片についても同様な結果が得られている。すべての試験片のデータについては，当研究所のホーム

2×2

ページに掲載している 10）。

0～0.6 まで 0.1 おき

ステップ角，
deg
プリセットタイ
ム，s
揺動角，deg
5.1

5.2 実験結果および考察
ここでは，SUS630 の試験片の結果を示すが，

図 7 に は ， 負 荷 前 の ψ =0 deg に 対 す る

0.15

0.2

30

50

600

回折線の最大強度の 80%以上の各点がガウス

0

±2

0

曲線でよく近似されていることが分かる。

SUS630 試験片の回折線プロファイルとそれを近似したガウス曲線を示した。これらの図から，実験方法用いた材料は，機械構造用炭素鋼 S50C，析
出硬化系ステンレス鋼 SUS630 および 15-5PH鋼，ニッケル基合金 IN718 およびチタン合金
Ti-6Al-4V で あ る 。 こ れ ら の 材 料 か ら ， 幅
15mm，長さ 80mm，厚さ 5mm の試験片を切り出した。
これらの試験片に四点曲げ負荷装置（支点間距離：内側 30mm，外側 60mm）で長手方向に補正された回折X線強度, counts

表3

単軸応力τを加えながら，応力測定方向を長手置に取り付けたロードセルの試験力から計算し− 22 −SUS630 (211)
CrKα線

15000
10000
5000
0
140

150

160

170

回折角2θ, deg

方向にとって，試験片の中央部の回折線ピーク
位置を X 線で測定した。負荷応力τは負荷装

20000

図7

回折線プロファイルのガウス曲線近似

156.0

図 8 は，SUS630 試験片に四点曲げ負荷装置

SUS630 (211)CrKα線

で種々の負荷応力τを加えたときの sin2ψ 線て 6 点の回折線ピーク位置に最小自乗法を用いて当てはめた直線を示した。負荷応力τによって回折線ピーク位置や sin ψ 線図の直線が変2化していることが分かる。また，図の sin2ψ

-241
-181
-120
-60
0

155.8

ピーク位置, deg

図である。これらの図には，各負荷応力に対し

負荷応力
τ, MPa

155.6
155.4

線図上の回折線ピーク位置は直線に乗っていな
いが，この要因としては深さ方向の応力勾配や95% 信頼区間の最大155.2

弾性異方性などが考えられる。

0

0.2

0.4
2

図 9 は，図 8 の sin ψ 線図の直線の勾配 M
2

0.6

0.8

sin ψ

を負荷応力τに対してプロットしたものである。

図8

種々の負荷応力τに対する sin2ψ線図

sin ψ 線図上の回折線ピーク位置が直線に乗ら20.8

なくても，sin2ψ 線図の勾配 M は負荷応力τ
sin ψ 線図の勾配 M , deg

に対して比例して変化することが分かる。本研
究では，この直線の勾配の逆数を応力定数 Kとして求めた。
図 10 は，図 8 の sin2ψ 線図の直線の切片 Nを負荷応力τに対してプロットしたものである。

2

図 9 に示した勾配 M と同様に切片 N も負荷応
力τに対して比例して変化することが分かる。
表 4 には，図 9 の直線の勾配から求めた応力

SUS630 (211)
CrKα線

0.6
0.4
0.2
95% 信頼区間0

定数 K の実測値を示した。材料の応力定数に0-50

ついては結晶粒の大きさや配向性によって変わることが知られている。このため，より正確に

-100

-150

-200

-250

負荷応力τ, MPa

図9残留応力を評価したい場合は，ここで紹介した

sin2ψ線図の勾配 M の負荷応力τに対する変化

ような応力定数の実測が有効と考える。

応力定数 K の 95%信頼限界（MPa/deg）

試験片

実測値

S50C

-337±19

SUS630-359±22

15-5PH-361±18IN718-370±42

Ti-6Al-4V-295±162

表4

sin ψ 線図の切片 N , deg

155.6

SUS630 (211)
CrKα線

155.5
155.4
155.3
95% 信頼区間
155.2
0

-50

-100

-150

-200

-250

負荷応力τ, MPa

図 10

2

sin ψ線図の切片 N の負荷応力τに対する変化− 23 −

6.

結4）三浦功・菅浩一・俣野恒夫，放射線計測学，

言（1）PSPC 型 X 線応力測定装置で測定した X

1970，pp.325-328，裳華房．

線計数値 y と y の分散 sy との関係を調5）Kurita，M. ，“A Statistical Analysis of X-ray

べた結果，式(2)が成り立つことを確認しStress Measurement by the Gaussian Curve-

た。

Fitting Method” ，Journal of Testing and Eval-2（2）プリセットタイムを 2 倍にとれば，相対誤差（変動係数）は 1/

2 倍に小さくな

uation，Vol.9，No.5，1983，pp.285-291．
6）Kurita，M. ，“Statistical Study on Improvement in Precisuin in X-Ray Stress Measurement

る。
（3）従来法から求めた応力値の 95%信頼区間

by FiXed Time Method (Standard Deviation of

は，実際に 100 個の測定値から得られたStress due to Statistical Fluctuations in Dif-

信頼区間よりも 2 倍以上大きい値となっfracted Intensities)” ，Bulletin of the JSME，た。

Vol.21，No.156，1978，pp.955-962．

（4）X 線強度の統計変動による応力値の一回7 ） Kurita ， M. ， “Statistical Analysis of X-rayの測定から求めた応力値の標準偏差は，Residual Stress Measurement Using the Half-

100 回繰り返し測定した応力値の標準偏Width Method” ，Journal of Testing and Eval-

差と一致した。

uation，Vol.10，No.2，1982，pp.38-46．
8）栗田政則，天野順，坂本勲，重心法による参考文献

X 線応力測定に関する統計学的解析，材料，

1 ） Kurita ， M. ， "Confidence Limits of Stress

第 31 巻，345 号，1982，pp.609-615．

Values Measured by X-Ray Diffraction" ，9）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H28/28kin2.

Journal of Testing and Evaluation ， Vol.11 ，html，X 線応力測定における応力値のばらNo.2，1983，pp.143-149．

つきについて，「新潟県工業技術総合研究

2）栗田政則，定時計数法による X 線応力測定所ホームページ」，2017 年 3 月 8 日．

における応力定数および弾性定数の統計学

10）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H28/28kin

的解析，日本機械学会論文集，55 巻，511

5.html，X 線応力測定における応力定数の測号，1989，pp.590-597．

定，「新潟県工業技術総合研究所ホームペ

3）日本材料学会 X 線材料強度部門委員会，X
線応力測定法標準，1997，pp.1-6．

− 24 −

ージ」，2017 年 3 月 8 日．

研究論文

人工光リーフレタス栽培における
遠赤色光照射方法の違いが生育と品質に及ぼす影響
竜太*

種村

白川

正登*

馬場

大輔*

永井

智裕*

石井

治彦*

Effects of irradiation method of far red LED on growth and quality of lettuce
TANEMURA Ryota*， SHIRAKAWA Masato*， BABA Daisuke*，
NAGAI Tomohiro* and ISHII Haruhiko*抄録

完全人工光リーフレタス栽培における最適光環境条件を明らかにするため，遠赤色光の照射方法が生育と品質に及ぼす影響について検討した。遠赤色光の照射は，葉の縦伸長を促進し，地上部生体重を増大させ，その生育促進効果は EOD 処理のような比較的短時間の照射でも得られることを明らか
にした。
1.

緒

了）後（End Of day：EOD）の短時間照射によ言

光・温度・湿度・CO2 濃度などの環境条件をり生育が促進されるとの報告もある 9 )。しかし，植物に最適な条件で制御することが可能な完全人工光レタス栽培における遠赤色光の EOD 照

人工光植物工場（植物工場）は，植物本来の生射の影響については明らかにされていない。そ産能力を最大限に生かすことが可能である。しこで，本研究では，完全人工光リーフレタス栽

かし，植物工場に関する技術は発展途上であり，培における遠赤色光の照射方法の違いが生育と施設・装置の設置コストや空調・光照射にかか品質に及ぼす影響について検討した。

る生産コストが高いことが課題となっている。
これまで，植物工場用の光源には蛍光灯が主2.

材料および方法に使用されてきたが，近年は消費電力が少ない

2.1

光環境条件

ため生産コストの低減が期待できる LED に移光 源 は 色 温 度 4200K の 白 色 ， ピ ー ク 波 長行している。LED は組み合わせによって植物

660nm の赤色， 740nm の遠赤色が組み込まれ，に最適な光質を作ることが可能であることから，別々に調光可能なパネル式 LED（オリンピア

当初はクロロフィルの光吸収スペクトルのピー

照明(株)）を使用した。発芽後は，明期 16 時

ク波長である赤色や青色 LED を用いて様々な間，暗 期 8 時間 ，光 合 成有効 光量 子束 密度

1,2)。その後は一般家庭・（PPFD）を 200µmol・m-2・s-1（白色 150＋赤店舗への普及により価格が低下傾向にある白色色 50）とした。試験区は遠赤色光を照射しなLED を用いた研究も進んでいる 3，4 )。さらに

い対照区，光量子束密度（PFD）8µmol・m-2・

近年は光合成有効放射の波長領域から外れる遠s-1 の遠赤色光を定植時から明期に照射した明

赤色光についての研究も進んでおり，生育促進

期区，定植時から明期終了後の 4 時間照射した試験が行われてきた。遠赤色光についてEOD 全期区，収穫 2 週間前から明期終了後の 4は，施設栽培のホウレンソウで日没（明期終時間照射した EOD 後期区を設けた。図 1 に各効果が報告されている

5~8)

試験区の分光特性を示した。
*

下越技術支援センター− 25 −

100

光強度(指数値)

した葉などを取り除いた可食部の重量）の生体

遠赤色光照射区
対照区

120

重・全葉数・生葉数（黄化した葉などを取り除
いた葉数）・最大葉長の測定を行った。葉を 180枚ずつ分解してカメラで撮影し、画像処理ソフ

60

トを用いて葉面積を算出した。生育調査終了後
は-40℃で凍結したのちに凍結乾燥および粉砕

40

し，80%熱エタノール抽出を行い，硝酸イオン20

含有量を Cataldo 法により測定した。

0

360

460

560

660

760

3.

波長（nm）

図1

結果および考察

遠赤色光照射による障害発生は認められなか分光特性った。地上部重や調整葉重は対照区と比較して（最大強度を 100 とした指数）

明期区では約 20%，EOD 全期区では約 30%重くなったが，EOD 後期区では対照区と有意な2.2差は認められなかった（表 1，図 2）。明期区

栽培方法

試験は室温 20±1℃，相対湿度 70±5%の室における生長促進効果については，光源の赤白内で行った。品種は‘ハンサムグリーン’（横比や，PPFD が異なるものの前報 9 )とほぼ同程

浜植木）を供試した。8 月 4 日にウレタンキュ度であった。植物工場で生産された市販レタスーブ（2.5cm×2.5cm3.0cm）に播種し，8 月 19を参考に，80g を出荷規格と想定した場合，遠日にプラスチックコンテナ（W390× D540×

赤色光照射により栽培期間を 2～3 日程度短縮

H90mm）に 8 株ずつ定植し，湛液式水耕栽培（培養液量：7L）により試験を行った。培養
液は OAT-A 処方を用い，植物の吸水による減水分を随時水道水で補充し，2～3 日ごとに肥料を追加して電気伝導率（EC）を発芽から定対照区

植 ま で は 0.7 ～ 0.8dS ・ m-1 ， 定 植 後 は 1.4 ～1.5dS・m-1 に調整した。定植後は培養液の循環や更新は行わず，栽培終了まで通気処理を行った。
EOD全期区

明期区

2.3

調査方法

図2

9 月 13 日に収穫し，地上部と調整葉（黄化
表1
処理方法
対照区
明期区
EOD全期区
EOD後期区

調整後の状況

遠赤色光が生育に及ぼす影響

地上部重

調整葉重

（g/株）

（g/株）

（㎝）

z

67.2 c79.7 ab87.0 a73.8 bc

15.8 c18.0 b
19.0 a17.8 b70.6 c84.2 ab90.5 a77.7 bc

EOD後期区

最大葉長

全葉数

生葉数

葉面積

地上部乾物重

（枚/株）

（枚/株）

2

（cm /株）（g/株）

14.8 b
16.6 a15.3 b
15.3 b

10.5 b
12.3 a11.0 b
10.8 b578.1 c721.0 a745.9 a634.0 b

2.8 a
3.2 a
3.4 a
2.9 a

z：同一アルファベット間は，Tukey法により5％水準で有意差なし− 26 −

することが可能と考えられる。

進効果についてはレタス，コマツナ，チンゲン

最大葉長は，遠赤色光照射により長くなり，

サイなどで報告されている 5 ~ 8 )。本試験におい対照区では 15.8cm であったのに対し，明期区ても定植時から収穫期まで遠赤色光を照射する

では 18.0cm，EOD 全期区では 19.0cm，EOD

ことにより生体重が増加していた。EOD 全期

後期区では 17.8cm であった（表 1，図 3）。葉区では，対照区と比較して生葉数に差がなく葉の形態は遠赤色光の照射によって大きく変化し，面積が増加していたことから，1 枚の葉が大き縦横の伸長が均等に促進されるのではなく，主くなることによって生体重が増加し，明期区でに中肋部の伸長が促進されることによって葉長は対照区と比較して生葉数が多く葉 1 枚当たりが長くなった（図 3）。全葉数及び生葉数は明の葉面積に差がなかったことから葉数が増加す

期区では他の試験区と比較して多かった（表ることによって生体重が増加していたと考えら1）。葉面積は，遠赤色の照射によって大きくれる。

なる傾向がみられ，対照区が 578.1cm であっ遠赤色光の照射による伸長促進効果は赤色光たのに対し，明期区では 721.0cm ，EOD 全期と遠赤色光の比率の変化によってフィトクロム

区では 745.9cm ，EOD 後期区では 634.0cm で光平衡が変化し，茎や葉脈の伸長速度が増大すあった（表 1）。

るために茎長，節間長，葉面積が増加すること

2

2

2

2

遠赤色の照射により節間が長くなる傾向がみによる 10 )。遠赤色光の光合成への寄与は無視られたが，品質の上では問題ないレベルであっできると考えられるため，生体重の増加は遠赤た（図 4）。遠赤色光の付加照射による生長促

色光自体が光合成を促進するのではなく，茎長や葉脈の伸長が促進されるために植物が光源へ近づくことによって，より強い光を受光できることや，葉の相互遮蔽が減少するために受光葉面積が増大することなどにより受光量が増加し，光合成量が増加したためと考えられる 10 )。リーフレタスは，品種によって葉の形態は大きく異なり，バリエーションも豊富なため，遠赤色

対照区

EOD全期区

明期区

EOD後期区

光の照射による生育促進効果には品種間差が大
きい 7 )，そのため，遠赤色光による生育促進効
果については品種ごとに検証する必要がある。

図3

最大葉の状況

調整葉の硝酸イオン含量は，前報 8)では遠赤色光の照射により高くなったが，本試験では差がなかった（図 5）。根から吸収された硝酸イオンは硝酸還元酵素（NR）により亜硝酸イオ
ンへ，亜硝酸還元酵素（NiR）によりアンモニ
アへ還元されるが，窒素の栄養条件が十分な場
合，遠赤色光を照射して赤色光と遠赤色光の比率を変化させても NR 活性は変化しない 11 )。
前報では試験区の光量子束密度を揃えるために

対照区

明期区

EOD全期区

EOD後期区

遠赤色光を照射した試験区では PPFD が低くなっていたのに対し，本試験では遠赤色光を付与

図4

抽苔の状況

しているために各試験区の PPFD は変わらなか− 27 −

硝酸イオン含量（mg/100gFW）

400

a

a

a

青色発光ダイオードの光混合条件の検討”，a

植物環境工学，27（1），2015，pp.24-32．

3003）白井花菜，梶川幸治，野末はつみ，五味正男，野 末雅 之， “分光 分 布の異 なる 白色

200

LED の植物育成効果”，日本生物環境工学100

会 2016 年 大 会

講 演 論 文 要 旨 ， 2016 ，pp.40-41．

0

対照区

図5

明期区

EOD全期区 EOD後期区

4）種村竜太，内山雅彦，三村和弘，小林豊，調整用の硝酸イオン含量“光質の違いがリーフレタスの生育・品質

同一アルファベット間は，Tukey 法により 5％水準でに及ぼす影響”，新潟工技総研研報，43，

有意差なし

2014，pp.35-37．

ったために前報と異なる傾向を示したと考えら

5）野末はつみ，野末雅之，“遠赤色光が光合
成活性および生育に及ぼす影響について”，れる。

日本生物環境工学会 2014 年大会

以上のことから，人工光リーフレタス栽培に

講演論文

要旨，2014，pp.52-53．

おいて遠赤色光の照射は，葉の縦伸長を促進し，地上部重を増大させる効果があり，その効果は

6）宮嵜航，吉田英生，福田直也，“LED を使EOD 照射のように比較的短い照射時間でも得用した連続照明条件下における光質中の遠られることが確認された。しかし，リーフレタ

赤色光がリーフレタスの形態形成ならびにスは葉の形態や葉色のバリエーションが豊富で，成長に及ぼす影響”，園芸学研究，14（別遠赤色光に対する生育反応には品種間差が大き2），2015，pp.214．

いと思われるため，品種ごとに検証する必要が7）村上克介，洞口公俊，森田政明，相賀一郎，“遠赤色光（FR）付加照射によって生じるあると考えられる。

レタス 生育の 促進 ”，生 物環境 調節， 30
4.

結（1），1992，pp.23-28．

言（1）人工光リーフレタス栽培において遠赤色8）種村竜太，大川原真，石井治彦，木嶋祐太，

光の照射は，葉の縦伸長を促進し，地上“人工光リーフレタス栽培における遠赤色

部生体重を増大させる効果がある。

光が生育・品質に及ぼす影響”，新潟工技総研研報，45，2016，pp.32-36．

（2）EOD 照射のような短時間処理でも生育促

9）成松次郎，“ホウレンソウの補光栽培に関進効果が認められる。

する研究”，神奈川農総研報，1996，137，（3）硝酸イオン濃度などの品質に差は見られpp.17-23．

ない。

10）村上克介，洞口公俊，柴田治男，森田政
参考文献

明，相賀一郎，“植物栽培用人工光源の開1）松本拓也，伊藤博通，白居祐希，白石斉聖，

発に関する考察”，生物環境調節，30（4），1992，pp.135-141．

宇野雄一，“光質がレタス生長と野菜中硝酸イオン濃度に及ぼす影響”，植物環境工11）壇和弘，大和陽一，今田成雄，“光強度および赤色光/遠赤色光の違いがコマツナの学，22（3），2010，pp.140-147．
2）大嶋泰平，大橋敬子，大野英一，渡邊博之，

硝酸イオン濃度および硝酸還元酵素活性に“レッドリーフレタス生産に適した赤色と及ぼす影響”，園学雑，4 巻，3 号，2005，
pp323-328．

− 28 −

研究論文

人工光リーフレタス栽培における培養液組成が生育と養分吸収に及ぼす影響
種村

竜太*

白川

正登*

馬場

大輔*

永井

智裕*

石井

治彦*

Effects of Nutrient Composition on growth and nutrient uptake of leaf lettuce
TANEMURA Ryota*，SHIRAKAWA Masato*，BABA Daisuke*，NAGAI Tomohiro* and ISHII Haruhiko*抄録

完全人工光リーフレタス栽培における最適培養液条件を明らかにするため，培養液の K・Ca 濃度
や Mg 濃度が生育と養分吸収に及ぼす影響について検討した。培養液の K 濃度を高め，Ca 濃度を下げることによって生産性を高めるだけでなく培養液の成分バランスの乱れを抑えることが可能である
ことを明らかとした。また，培養液 Mg 濃度は 0.5～1.0me が適していると思われた。
1.

緒

言

の組成が乱れてくる。実際にレタス栽培におい植物に最適な環境条件を人工的に制御するこては，市販の養液栽培用肥料を用いて EC 制御とが可能で，地域や季節を選ばず世界中どこでを行うと，K が減少し，Ca・Mg・S が蓄積すも周年生産が可能な完全人工光植物工場（植物ることが報告されている 2 )。植物工場で生産さ工場）は，レタスを中心に増加傾向にある。植れるレタスの播種から収穫まで期間は 40 日程

物工場では土耕栽培ではなく，土を使わない養度と短いため，培養液組成の乱れは生育の停滞

液栽培が導入されている。養液栽培は土に代わや生理障害の発生を引き起こすことになる。
そこで，本研究では，人工光リーフレタス栽

る固形培地を使用する固形培地耕と，固形培地を使用しない水耕とに大別される

1)

。レタスな

どの葉菜類では水耕栽培が主流であり，DFT培における培養液の K・Ca 濃度や Mg 濃度が生育と養分吸収に及ぼす影響について検討した。

（湛液型循環式水耕，Deep Flow Technique）やNFT（薄膜水耕，Nutrient Film Technique）を採2.

材料および方法

用してるケースが多い。

2.1

栽培方法

DFT や NFT において，現状では培養液中の試験は室温 20±1℃，相対湿度 70±5%の室個々のイオン濃度・組成の制御はされておらず，内で行った。品種は‘ハンサムグリーン’（横植物が吸収したことによる培養液の減少分を補浜植木）を供試した。11 月 20 日にウレタンキ

水し，電気伝導率（EC）の数値が設定レベル

ューブ（2.5cm×2.5cm×3.0cm）に播種し，発以下になると濃厚肥料液が添加されるシステム

芽後は OAT－A 処方 1/4 濃度（EC 0.7dS/m）のが多く採用されている。しかし，EC は，あく培養液により育苗した。12 月 8 日にプラスチまでも溶解している肥料成分の総量を示す数値

ックコンテナ（W390×D540×H90mm）に 8 株であり，個々の成分濃度を把握することはできずつ定植し，湛液式水耕栽培（培養液量：ない，使用する培養液の組成と栽培する植物の7L ） に よ り 原 水 に 水 道 水 （ Ca 9.3ppm ， Mg

養分吸収特性が合致していないと徐々に培養液

2.6ppm）を用いて試験を行った。植物の吸水による減水分を随時水道水で補充し，2～3 日*

下越技術支援センター− 29 −

ごとに肥料を追加して EC を 1.4dS/m に調整し

図 1 に蛍光灯および白色 LED の分光特性を示た。定植後は培養液の循環や更新は行わず，栽した。

培終了まで通気処理を行った。

発芽から定植までの光強度（光合成有効光量
子束密度：PPFD）は 200µmol・m-2・s-1 とし，

2.2

明期は 16 時間とした。定植後は明期を 16 時間

定植後の培養液組成

2.2.1とし，PPFD は試験 1 では 200µmol・m-2・s-1，

培養液 K・Ca 濃度の検討（試験 1）

N 10me，P 1me，Mg 1me とし，K・Ca 濃度

試験 2 では 180µmol・m-2・s-1 とした。

を K 8me・Ca 1me（K8Ca1 区），K 7me・Ca
2me（ K7Ca2 区 ）， K 6me・ Ca 3me（ K6Ca3

2.4

調査方法

区）とした 3 試験区と，OAT-A 処方 1/2 濃度

12 月 29 日に収穫し，地上部の調整葉（黄化（N 9.3me，P 0.8me，K 4.6me，Ca 4.1me，Mg

した葉などを取り除いた可食部の重量）の生体

1.5me）で管理した対照区を設けた。対照区を重を測定した。その後は 65℃で乾燥したのち除く 3 試験区の微量成分は OAT-B 処方 1/2 濃に粉砕し，ケルダール分解を行い，イオンクロ度に準じた。K・Ca 濃度は硝酸 K と硝酸 Ca を

マトグラフィーにより成分分析を行った。また，用いて調整した。

定植時と収穫時の培養液成分の分析を行った。

2.2.2

培養液 Mg 濃度の検討（試験 2）3.

結果および考察

N 10me，P 1me，K 7me，Ca 2me とし，Mg

3.1

試験 1

濃度を 0me，0.5me，1.0me，1.5me とした 4 試

植物工場でのリーフレタス栽培では Ca 欠乏

験区を設けた。Mg 濃度は硫酸 Mg を用いて調に起因するといわれるチップバーンの発生が問整した。微量成分は OAT-B 処方 1/2 濃度に準題となるが，すべての試験区で発生しなかった

じた。

（図 2）。地上部の古葉や黄化葉を除去した調整重は K8Ca1 区で対照区と比較して重く，

2.3

K7Ca2 区と K6Ca3 区では対照区と同等であっ光環境条件

育苗時の光源には昼白色の Hf 蛍光灯（パナた（図 3）。ホウレンソウでは，養液栽培だけ

ソニック(株)，FHF32EX-N-H）を用いた。定植

でなく土耕栽培においても K 供給量を増やす

以降は白色 LED（シャープ新潟電子工業(株)，ことによって生育が促進すると報告されているピーク波長 605nm，色温度 3000K）を用いた。

3～ 5 )。品目は異なるものの，本試験結果はこれらの報告と一致している。

光強度(最大強度を100とした指数値)

120

蛍光灯

3000K

560
660
波長（nm）

760

100
80
60
40
20
0
360

460

図1

分光特性

図2

− 30 −

調整後の状況（試験 1）

葉の K 含有量は対照区と比較して K8Ca1 区，

に対して他の 3 試験区 0.13～0.50 と低く，拮抗

K7Ca2 区，K6Ca3 区で多くなったが（図 4），

作用により吸収量が低下する可能性があったに

Ca 含有量に差はなかった（図 5）。K と Ca のもかかわらず，差がなかった要因の一つとして間には拮抗作用があり，K が多すぎると Ca のリーフレタスの Ca 要求量が小さいためと考え吸収が抑制されることがある 6, 7 )。今回の試験られる。

で吸収した Ca 量は K の 10～14%であった。培対照区では栽培終了時の培養液 K および Ca

養液の K に対して Ca の比率は，対照区の 0.89

濃度が定植時の 36%，139%となっていたのに対し，K8Ca1 区では定植時と栽培終了時で差

100

a

aｂ

ｂ

ｂ

はほとんどなかった（図 6，7）。
以上のことから，一般的な養液栽培用配合肥

調整重（g/株）

80

料の培養液組成と比較して K を高め，Ca を下60げることにより生産性を高めるだけでなく培養
40

液の成分バランスの崩れを抑えることが可能と20考えられる。

0対照区

図3

K 8 Ca 1区 K 7 Ca 2区 K 6 Ca 3区

調整葉の生体重（試験 1）

3.2

試験 2

Mg0 区においても Mg 欠乏に起因する生理障

同一アルファベット間は，Tukey 法により 5％水

害は発生せず，健全な生育を示した。調整重に準で有意差なし

培養液 Mg 濃度による差はなかった（図 8）。
葉の Mg 含有量は Mg0 区では少なかったが，
a

a

a

250

Mg0.5～1.5 区での試験区ごとの統計的な差は

ｂ
200

120

150
100
50
0
対照区

K 8 Ca 1区

K 7 Ca 2区

K 6 Ca 3区

K 濃度（指数値）

K 含有量（mg/株）

300

100
80
60
40
20

図4

調整葉の K 含量（試験 1）0
対照区

同一アルファベット間は，Tukey 法により 5％水

図6準で有意差なしaaa

K 6 Ca 3区

収穫終了時の培養液 K 濃度

160

Ca 濃度（指数値）

Ca 含有量（mg/株）

a

20
10
0
対照区

図5

K 7 Ca 2区（試験 1：定植時を 100 とした指数値）

40
30

K 8 Ca 1区

K 8 Ca 1区

K 7 Ca 2区

140
120
100
80
60
40
20

K 6 Ca 3区

0

調整葉の Ca 含量（試験 1）

対照区

同一アルファベット間は，Tukey 法により 5％水

図7準で有意差なし

K 8 Ca 1区

K 7 Ca 2区

K 6 Ca 3区

収穫終了時の培養液 Ca 濃度（試験 1：定植時を 100 とした指数値）− 31 −

なかった（図 9）。レタスでは，N・P・K の吸1.0me とすることによって，生育を維持した状

収速度は高濃度から 1me 程度の低濃度にわた態で培養液 Mg 濃度の変動を押さえることが可

る広い範囲で培養液濃度に直接的に影響されな能であると考えられる。

8 )い。培養液 Mg 濃度が 0.5～1.5me の範囲でMg の含有量に差がなかったことから，Mg の4.

吸収についても N・P・K と同様に培養液 Mg（1）一般的な養液栽培用配合肥料の培養液組濃度に影響されないと考えられる。収穫時の培成と比較して K を高め，Ca を下げること

養液 Mg 濃度は、定植時と比較して Mg0.5 区でにより，生産性を高めるだけでなく培養は 60% と 低 下 し た の に 対 し ， Mg1.0 区 で は液の成分バランスの崩れを抑えることが123%，Mg1.5 区では 130%で上昇する傾向を示可能。

した（図 10）。

とによって，生育を維持した状態で培養
液 Mg 濃度の変動を抑えることが可能。

100
80

調整重（g/株）

言（2）培養液の Mg 濃度を 0.5～1.0me とするこ以上のことから，培養液の Mg 濃度は 0.5～

a

a

a

a

参考文献

60

1）日本施設園芸協会，日本養液栽培研究会，

40“養液栽培のすべて”，2012，pp.16-19．

202）種村竜太，内山雅彦，三村和弘，小林豊，

0

Mg 0区

図8

Mg 0.5区

Mg 1.0区“光質の違いがリーフレタスの生育・品質

Mg 1.5区

調整葉の生体重（試験 2）に及ぼす影響”，新潟工技総研研報，43，

同一アルファベット間は，Tukey 法により 5％水
準で有意差なし

誠文堂新光社，1971，pp.7-29．
4）中村武次郎，“葉菜類の生育と硝酸態窒素

b

6

Ⅱ

養分吸収”，野菜の栄養生理と施肥技術 2，

a

a

a

8

2014，pp.35-37．
3）位田藤久太郎，“根の生理と土壌管理

10

Mg含有量（mg/株）

結4含有量”，農耕と園芸，58，1983，pp.587-

2

588．

0
Mg 0区

図9

Mg 0.5区

Mg 1.0区

Mg 1.5区

5）王秀峰，伊東正，“水耕ホウレンソウの生育，収量，葉中 NO3 含量に及ぼす培養液の調整葉の Mg 含量（試験 2）

同一アルファベット間は，Tukey 法により 5％水

硝酸態窒素制限とカリウム増与の影響”，

準で有意差なし

園学雑，67（1），1998，pp.74-80．

140

123

131

6）田口亮平，“植物生理学大要”，養賢堂，1995，pp.141-145．

Mg 濃度（指数値）

1207）高橋英一，吉野実，前田正男，“原色

100
80

作

物の要素欠乏・過剰症”，農文協，2000，

60

60

pp.108-132．

40208）丸尾達，篠原温，岩田正利，伊東正，“水

0

0
Mg 0区

図 10

Mg 0.5区

Mg 1.0区

耕レタスの無機成分吸収に及ぼす培養液濃Mg 1.5区

度 の 影 響 ” ， 園 学 雑 ， 71 （ 5 ） ， 2002 ，

収穫終了時の培養液 Mg 濃度

pp.675-682．

（試験 2：定植時を 100 とした指数値）− 32 −

Ⅱ

ノート− 33 −

ノート

太陽光発電システムに及ぼす風荷重と低減方法の研究
須貝
吉川

裕之*
啓二

***

片山

聡**

相田

収平**

入澤

***

岩名

紘司***

勉

Study on Wind Force of Photovoltaic Panel and its Reduction Method
SUGAI Hiroyuki*，KATAYAMA Satoshi**，AIDA Shuhei**
YOSHIKAWA Keiji***，IRISAWA Tsutomu*** and IWANA Kouji***

1.

緒

2.2

言

流体解析

自然エネルギーの普及に伴い，工場や倉庫な解析に使用したソフトウエアはソフトウエア

どの金属製折板屋根に太陽光パネルを設置する

クレイドル社製の汎用熱流体解析ソフトウエア

事例が増えている。太陽光パネルを設置する際

SCRYU/Tetra version12 である。解析は地表面の設計指針として JIS C 8955-2011「太陽電池

粗度Ⅲ，基準風速 38 m/s の風速条件におけるアレイ用支持物設計標準」があるが，現行の規定常解析を行った。乱流モデルと解析手法は一

格は折板屋根を想定してはいないため，パネル

般的な k-εと RANS を使用した。建屋に対すや屋根に作用する風荷重や設計基準が不明確でる風向を 15°刻みで変化させて計算を行い，各安全性の確保や最適な設計提案が困難である。

方向ごとの風荷重を調べた。解析モデルの要素

そこで本研究では，折板屋根上に設置された数と節点数はそれぞれ約 1500 万要素，400 万

太陽光パネルに作用する風荷重について検討し節点である。

た。具体的には，コンピューターによる風の流れのシミュレーション（以下，流体解析）と縮小模型による風洞実験を組み合わせて研究を行い，パネルに作用する風荷重についての詳細な
15 m

検討を行った。
2.

流体解析

2.1

基準モデル形状解析方法

屋根に設置された太陽光パネルに作用する風

図1

基準モデル形状

荷重は建物の形状に影響を受ける。そこで本研
究では類似の研究事例 1)を参考にして，基準とする建物形状を決定した（図 1）。建屋の高さ
を平均的な値である 15 m とし，縦・横・高さの比が 2:2:1 となるよう縦と横の寸法を決めた。
また屋根の勾配は 5/100（約 2.85°）とした。
*

中越技術支援センター**

研究開発センター***株式会社 サカタ製作所

負圧領域
風の向き
図 2 表面の圧力分布計算結果− 35 −

風圧係数

図3

風洞実験用模型
図4

2.3

解析結果

図 2 に解析結果の一例を示す。計算した風向は建屋の正面から風が吹いた場合で，その時の建屋表面と，風の方向に平行な断面における空間上の圧力分布を示している。建屋の正面に高い圧力が発生するのに対して，風上側の屋根面や壁面は負圧となっている。
3.

風洞実験

3.1

実験装置と模型4.

風圧係数分布の計算結果

実機による風荷重の測定
本研究では流体解析により風荷重低減のための様々な検討を行った。しかし，自然界の風は多様であり，流体解析や風洞実験などの限られた条件下における結果のみをもって最終的な判断を下すのは危険である。そこで折板屋根をもつ実際の建屋に太陽光パネルと風圧測定装置を取り付け，実機による風荷重の測定を行った。
今後は実測されたデータと解析結果を組み合わ

流体解析の計算精度を確認するため，縮小模型による風洞実験を行った。実験には新潟工科

せて，折板屋根に適した太陽光パネル設置方法
について検討を行う予定である。

大学の大型境界層型風洞実験装置を使用した。
実験に使用する模型は，基準モデルを風洞に合

5.

結

言

わせて 1/150 に縮小し，3D プリンターにより（1）流体解析により折板屋根上に取り付けら作成した（図 3）。パネル上に等間隔に並んだれた太陽光パネルに作用する風荷重とそ

黒点は風圧測定用の穴である。実験は解析とほの特性を調べた。

ぼ同じ地表面粗度Ⅲの風速条件で行い，角度（2）縮小模型による風洞実験を実施し，風圧

5°刻みで全周からの風圧を測定し，風速を無次係数の測定結果を流体解析の計算結果と元化した係数である風圧係数を求めた。

比較したところ，ほぼ同じ値が得られ，
流体解析の精度が確認できた。

3.2 流体解析との結果比較
図 4 に建屋正面から風が吹いた場合の流体解（3）実際の建屋に太陽光パネルと風圧測定装置を取り付け，自然界の風における実測を行った。

析による建屋各面の風圧係数の計算結果を示す。
風洞実験ではこのように詳細な圧力分布を測定することはできないが，各風圧測定点における

参考文献

実験結果を比較したところ，両者はほぼ同じ値

1）染川ほか，“陸屋根に平行に設置された太となっていた。また，本計算結果を類似形状の陽電池パネルの風力係数”，第 23 回 風工

建屋の風圧係数分布に関する研究結果

2)

学シンポジウム，2014，pp.271-272.

と比較したところ，ほぼ同じ分布となっており，流体

2）日本建築学会，“建築物の耐風設計のための流体計算ガイドブック”，2005.

解析の計算精度が確認された。

− 36 −

ノート

炭素化繊維による電磁波シールド材の開発
雅弘*

古畑

河原

崇史*

渋谷
中津山

恵太*

桑原

國雄*****

理絵**

細貝

勝次***

笠原

石澤

賢太****

一也*****Development of Radio Wave Shield Material by Carbon of Fibers
FURUHATA Masahiro*，KAWAHARA Takashi*，SHIBUYA Keita*，
KUWAHARA Rie**，KASAHARA Katsuji*** ，ISHIZAWA Kenta**** ，NAKATSUYAMA Kunio***** and HOSOKAI Kazuya*****

1.

緒

言

携帯電話，スマートフォンなどに代表される

2.

試験方法

2.1

試料の作製

電子機器の高性能化が進む一方で，発生する電真空炉を用いて綿，絹およびレーヨン（キュ磁波による他の情報機器への干渉，電子機器のプラ）の織物，不織布を不活性雰囲気中で，誤動作などが問題となっている

1)。また，近年

自動車分野では，電気自動車，ハイブリッド車

700℃～1300℃の範囲で 100℃毎に炭素化した試料を作製した。

の普及が進み，これらの電動モーターなどから発生する電磁波の対策も大きな問題となってい2.2

電磁波シールド性測定

る。この対応策として，一般的に金属を用いた同軸管法（キーコム(株)製 S-39D）により測電磁波シールド材が使用されているが，軽量化，定を行った。これは図 1 に示すように，同軸管低コスト化などの需要から金属の代替となる新にドーナツ状の試料を挿入し，ネットワークア

たなシールド材が求められている。

ナライザ HP8753E を使用して反射特性と透過特本研究では，県内地場産業の一つである繊維性を測定する方法である。試料は外径 φ47mm，技術を活用し，綿，絹などの汎用繊維からなる

内径 φ5mm で抜型により作製した。なお試料は織物などを炭素化し，金属に代わる軽量でフレ脆く，装着時に破れるのを防ぐために，試料のキシブル性に優れた電磁波シールド材の開発を片面に発泡材を重ねて測定を行った。測定周波行った。また，試作したシールド材の電磁波シ数範囲は 45MHz～3GHz である。

ールド性を評価するとともに，試料の開口率や厚さなど各種条件との相関性について検討を行った。
*

素材応用技術支援センター**

中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*****

株式会社中津山熱処理

図1− 37 −

同軸管法

2.3

0

開口率の測定絹添付白布

2.1 GHzにおけるSE (dB)（株）キーエンス製デジタルマイクロスコー
プ VHX-2000 を使用して透過光により 100 倍で観察した。観察面積中の空隙部の割合を開口率として，5 回の平均値を求めた。

絹五泉

-10

絹不織布
キュプラ添付白布-20

キュプラAK

-30

レーヨン
綿添付白布

-40

綿平織
綿綾織

2.4

-50

表面抵抗の測定0

三菱化学（株）製抵抗 率計ロレスタ MCP-

図3

T360 を使用して 4 端針法により測定した。
3.3
2.5

厚さ測定

5

10
15
表面抵抗 (Ω/☐)

20

表面抵抗と電磁波シールド性

表面抵抗

一般的に電磁波シールド性は導電性が影響し（株）東洋精機製作所製厚さ計 TYPE CM-10
により 3 回の平均値を求めた。

ているといわれている。そこで導電性に及ぼす処理温度の影響について検討した。処理温度が800℃ 以 下 で は ， 表 面 抵 抗 は い ず れ の 試 料 も

3.

試験結果

100Ω/☐以上の高い値を示したが，900℃以上で3.1

電磁波シールド性

表面抵抗は急激に減少し，1100℃以上ではほぼ絹織物を炭素化した試料の測定結果を図 2 に一定の値となった。図 3 に 1300℃で処理したす示す。700℃で炭素化した試料は電磁波シール

べての試料の表面抵抗と携帯電話の周波数帯

ド性（SE）は見られなかったが，処理温度が上2.1GHz のシールド性を示した。表面抵抗と電磁昇するにつれてシールド性は高くなり，1300℃

波シールド性に高い相関があった。

で最も高い性能を示した。素材別では絹が最も高く 1300℃で約 38dB であった。

3.4

厚さ

電磁波シールド性に及ぼす厚さの影響を検討
3.2

開口率

するため，1300℃で処理したすべての試料の厚いずれの素材も処理温度による開口形状に大さと 2.1GHz のシールド性について検討したが，きな変化は見られなかった。開口率が小さいと厚さと電磁波シールド性に相関はみられなかっ電磁波シールド性は高く，開口率が大きいと電た。

磁波シールド性は低かった。また絹，綿では開口率と電磁波シールド性に相関がみられた。
0

4.

結

言

(1)

炭素化した織物は，25dB～38dB の電磁波シールド性があり，シールド材として活用

SE (dB)-10

可能であることがわかった。
(2) 電磁波シールド性と開口率および表面抵抗-20に相関があることがわかった。

-30
-40

参考文献

-50
10

100
700℃
1100℃

図2

1000
周波数 (MHz)
800℃
1200℃

900℃
1300℃

10000

1) 技術情報協会：“電磁波シールドのメカニ

1000℃

ズムと材料選定，評価技術”，電磁波吸収・シールド材料の設計，評価技術と最新

電磁波シールド性（絹）ノイ対策，2016，p.167.

− 38 −

ノート

高圧クーラントを援用した
析出硬化系ステンレス鋼の深穴加工
田村

信* 石川

淳*

須藤

貴裕* 相田収平*

Deep Drilling of Precipitation Hardening Stainless Steel with High Pressure Coolant
TAMURA Makoto*，ISHIKAWA Atsushi*，SUTOH Takahiro* and AIDA Shuhei*

1.

緒

言

高強度が要求される航空機材料などとして広く

各産業分野において，部品の精密化・高機能

使われている。本研究では，その代表鋼種であ化がますます進んでおり，それに伴い小径・深る SUS630 の中実丸棒（直径 10mm，長さ 105

穴加工のニーズが高まっている。穴加工の方法mm）を使用した。なお，供試材は，固溶化熱としては，ドリル加工，放電加工，レーザ加工

処理後（1038℃/AC），析出硬化熱処理（482℃などがあるが，加工の汎用性，能率，コストな/AC，H900）を施し，硬さは 44HRC である。

どの面からドリル加工への要求が高い。しかし，
直径の 10～20 倍以上の深穴加工は，通常のド2.2

リル加工では，加工点の冷却や切り屑排出のた

深穴加工試験方法

加工試験に用いた旋削装置の仕様を表 1 に示めにステップ工程が必要となり，加工能率が低
表 1 旋削装置仕様

下する。そこで近年，深穴を高能率にドリル加(株)滝澤鉄工所
TCN-213J工する方法として，ドリルの内部に設けた穴かN

メーカー 型番

ら刃先にクーラントを吐出する内部給油型ドリC

最大加工径/長さ(mm)ルの利用が進んでいる。内部給油ドリルを用い旋た加工では，刃先の冷却性が向上することに加え，加工穴からの切り屑排出性が向上することなる。
本研究では深穴加工の高能率化や低コスト化

高圧クーラン
トユニット

で，ノンステップで安定した深穴加工が可能と盤を目的として，航空機部品などで使用される析

370 / 301

-1

主軸回転速度(min )100～5000

軸移動量 X/Z(mm)210 / 370

切削送り速度X/Z(m/min)

0～20 / 0～24

メーカー 型番

小倉クラッチ(株)OJ150BB37-BF

最大吐出圧力(MPa)15

最大吐出量(L/min)

35

出硬化系ステンレス鋼に対する直径 4mm，深さ100mm（L/D25）の深穴加工を対象に，内部給表 2 深穴加工条件

油型ドリルに高圧クーラントを援用した深穴加工技術について，その有効性を検証した。
2.

試験方法

2.1

供試材

工
具

析出硬化系ステンレス鋼は耐食性，耐摩耗性，*研究開発センター− 39 −

切
削条
件

メーカー 型番

三菱マテリアル㈱MVS0400X25S040

直径(mm)

4

溝長(mm)

100.7

先端角度(°)

140

切削速度 V(m/min)

60

クーラント圧(MPa)

0.1 (通常圧)
1.5，7 (高圧)送り f(mm/rev)

0.08，0.24

クーラント

エマルジョン 10 倍希釈す。また本研究における深穴加工条件を表 2 による除去加工となっており，スラスト方向に大示す。クーラント圧は 0.1MPa，1.5MPa，7MPa

きな圧力が加わることに加え，高温になるための 3 水準，送りは 2 水準として，高圧クーランに損傷しやすいが，高圧クーラントによる冷却トの有効性を検証した。加工試験は同一条件にによりチゼルエッジ頂部のコーティングの剥離て 20 穴の加工を行い，加工後のドリルの状態を抑制できたものと考えられる。

や加工穴の表面性状，また切り屑形状について

これらの結果から高圧クーラントを援用する評価した。加工試験では直径 4mm，深さ 8mm

ことにより高能率な加工が可能になることを確のガイド穴を加工した後，深穴加工を実施した。

認した。

加工形状を図 1 に，深穴加工の様子を図 2 示す。
3.2
3.

試験結果

3.1

高圧クーラントの優位性

品質評価

穴内面の表面粗さについて，加工した 20 穴のうち 1 穴目，5 穴目，10 穴目，15 穴目および

表 3 に加工試験結果を示す。送りf0.08mm/rev の場合，いずれのクーラント圧においてもドリルは折損せず 20 穴の加工が可能であった。これに対し f0.24mm/rev の場合，高圧クーラントを援用した加工条件（1.5MPa，
7MPa）では 20 穴の加工が可能であったが，通常のクーラント圧 0.1MPa では 1 穴目でドリルが折損した。

図1

加工形状

用した 7MPa の切り屑は，長さ 2mm 程度に分断

図2

加工の様子

されており，排出性の良い形態をしている。こ表3

加工試験結果図 3 に切り屑の代表的な形態を示す。通常のクーラント圧 0.1MPa の切り屑はジグザグ形を呈している。これは円錐らせん形になるべきものが，ドリル溝や穴内面の拘束を受けて流出が妨げられ排出しきれずに座屈を起こして折りた
たまれたもので，詰まりの原因になりやすい形
態 1)である。それに対し，高圧クーラントを援のことから高圧クーラントを援用することによクーラント圧

送り

0.1MPa1.5MPa7.0MPa0.24mm/rev

☓(1)

○

○

0.08mm/rev

○

○

○

り切り屑が分断され，切り屑排出性が高まり，ドリル折損の抑制に有効であることを確認した。
さらに，加工試験後のドリルの状態を図 4 に示す。切れ刃にはいずれの条件においてもコー※加工穴数:20(○:20 穴加工完了，☓:折損，折損時穴数)

ティングの剥離が観察された。一方，チゼルエ
ッジには f0.08mm/rev，クーラント圧 0.1MPa に
おいて頂部に大きな面積の剥離が観察されるが，他の条件においては頂部周辺に剥離が観察されるものの，頂部の剥離は観察されなかった。加

f0.08mm/rev_0.1MPa

工中のチゼルエッジでは，被削材の塑性変形に

図3− 40 −

f0.08mm/rev_7MPa

代表的な切り屑形態

図420 穴加工後のドリル摩耗の状況

20 穴目を抽出して測定した。図 5 に測定した 5穴の平均値とばらつきを示す。また，図 6 には光学顕微鏡による穴内面の観察写真を示す。いずれの加工条件においても算術平均粗さ Ra が1.0µm 未満の良好な面性状が得られている。しかし，クーラント圧や送りが高いほど表面粗さが悪くなる傾向がある。観察写真からも穴内面には回転方向の傷が観察され，表面粗さ測定結果と同様にクーラント圧が高く，送りが高いほど顕著に観察される。
この原因のひとつとして，クーラント圧が低いときは切り屑がドリル溝に沿って緩やかに押し出されるが，クーラント圧が高くなると分断

図5

表面粗さ測定結果（5 穴の平均値とばらつき）された切り屑が強制的に速い速度で噴出するため，加工穴内面に擦過痕がついたものと考えられる。
本加工試験では，クーラント圧が高いほど加工面品位が悪化したが，切り屑の流出を滑らかにするようなドリル溝形状や切り屑の大きさをコントロールする切れ刃形状などを検討することで加工面品位を改善できる可能性がある。
4.

結

言

(1) 内部給油型ドリルを用いた SUS630 の深穴加工において，高圧クーラントを援用する− 41 −

図6

穴内面の観察写真

ことにより切り屑排出性が高まる。さらに，

滑らかにするようなドリル形状の検討が必

チゼルエッジの摩耗が抑制される効果があ要である。

ることから，高能率化が可能である。
(2) 内部給油型ドリルを用いた SUS630 の深穴加工において，高圧クーラントを援用する

参考文献

1) 切削工具，三菱マテリアル（株），

場合に加工穴内面の表面粗さが悪化する傾向を示すことから，今後，切り屑の流出を− 42 −（2013-2014），p.Q026.

ノート

白色 LED の光質の違いが葉菜類の生育に及ぼす影響
竜太*

種村

白川

正登*

馬場

大輔*

永井

智裕*

石井

治彦*

Effect of spectral quality of white LED on growth of leaf vegetables
TANEMURA Ryota*， SHIRAKAWA Masato*， BABA Daisuke*，
NAGAI Tomohiro* and ISHII Haruhiko*
1.

緒

言

ぼす影響について検討した。

完全人工光植物工場で生産された野菜は，無農薬で，洗浄せずにそのまま食べられる，日持2.

材料および方法

ちする，えぐみや苦みが少なく食べやすいなど

2.1

光環境条件

，消費者や食品加工業

育苗時は，光源に昼白色の Hf 蛍光灯（パナ

者へ浸透している。しかし，植物工場では設備

ソニック(株)，FHF32EX-N-H）を使用し，明期

コストや生産コストが高く，照明などの設備コ

16 時 間 ， 光 合 成 光 量 子 束 密 度 （ PPFD ）ストや電力コストの低減や生産性の向上が求め

200µmol・m-2・s-1，で管理した。定植後はシャられている。

ープ新潟電子工業（株）の 23w 直管型白色の特徴があることから

1)

これまで，植物工場用の光源には蛍光灯が主

LED の 3000K 従来品（3K 従来区），3000K 高に使用されてきたが，近年，消費電力が少ない

演色品（3K 高演色区），4000K 従来品（4K 従ため生産コストの低減が期待できる LED の導来区），4000K 高演色品（43K 高演色区）を用入が進んでいる。LED の導入当初は，クロロ

いて 16 時間明期で管理した。幅 60cm の栽培

フィルの光吸収スペクトルのピーク波長である装置に白色 LED を 3 本設置し，LED の下面か赤色や青色 LED を用いて様々な試験が行われら定植パネル上までの距離は 25cm とした。まてきた 2 ~ 4 )。その後は一般家庭・店舗への普及

た，LED 裏面全体と，装置側面の上から 15cm

により価格が低下傾向にある白色 LED を用いに反射材としてタイベック 700AG（丸和バイた研究も進んでいる

5, 6 )。白色 LED は，需要オケミカル(株)）を展張した。

が多いために発光効率の向上が年々進んでいる。
また，白色 LED 単一素子での制御のため，赤

2.2

栽培方法

青 LED を使用したケースと比較して光源や制品種は，レタスは‘ハンサムグリーン’（横御システムの低コスト化が可能となる。白色浜植木）と‘グリーンジャケット’（タキイ種

LED については，光質を色温度で表記してい苗），ミズナは‘京しぐれ’（タキイ種苗），るケースが多く，3000K，5000K，6500K でレ

コマツナは‘わかな小松菜’（中原採種場）をタスの生育を比較すると 3000K で優れると報供試した。ウレタンキューブ（2.5cm×2.5cm×，白色 LED の分光特性は色3.0cm）に播種し，発芽後は OAT-A 処方 1/4 濃

告されているが6 )度（EC 0.7dS/m）の培養液により育苗した。播温度だけでなく演色性によっても異なる。
そこで，本研究では，白色 LED を用いた人

種 14 日後に各 LED が設置してある湛液式水耕工光葉菜類栽培における光質の違いが生育に及栽培装置に定植した。裁植密度は，水耕栽培用*パネル（W59cm×L88cm）にレタスは 32 株，

下越技術支援センター− 43 −

ミズナとコマツナは 64 株とした。定植後は植くなる傾向を示した（図 1）。

物の吸水による減水分を随時水道水で補充し，各 LED の ピ ー ク 波 長 は ， 4K 従 来 区 で は

2～3 日ごとに EC を 1.4dS/m に調整した。いず458nm，4K 高演色区では 459nm で青色域であれの品目ともに定植時に新たな培養液を作製し，ったのに対し，3K 従来区では 605nm，3K 高演

収穫までは更新しなかった。‘ハンサムグリー

色区では 620nm で赤色域であった（図 2）。

ン’は播種後 40 日，‘グリーンジャケット’

4K 従来区，4K 高演色区では赤色域におけるピは 37 日，‘京みぞれ’は 26 日，‘わかな小松

ーク波長は 610nm で違いがなかった（図 2）。

菜’は 30 日で収穫した。収穫した地上部は黄3000K，4000K ともに従来品と高演色品で全体

化葉などを取り除いて可食部だけに調整し，重に占める 400nm から 500nm までの青色域の比量と最大葉長を測定した。

率に差はなかったが，高演色品の方が 500nm
から 600nm までの緑・黄色・橙色の領域の比3.

結果および考察率が減少し，610nm より長波長側の赤色域の比定植面 64 地点の光強度（µmol・m ・s ）の-2-1

率が高くなっていた（図 2）。

平均値は，3K 従来区で 221.7，3K 高演色区でレタスの調整重は，2 品種’ともに 4000K と202.3 ， 4K 従 来 区 で 221.7 ， 4K 高 演 色 区 で比較して 3000K で優れていたが，従来品と高213.3 であり，従来区と比較して高演色区で低演色品での差は見られなかった（図 3）。最大
葉長は，2 品種ともに 4000K と比較して 3000K
で，従来区と比較して高演色区で長くなる傾向

200を示した（図 4）。

150

ミズナの調整重は，4000K と比較して 3000K

100で，高演色区と比較して従来区で重くなる傾向

50を示した（図 3）。最大葉長は，4000K と比較
して 3000K で若干長くなる傾向を示したが，0

演色性による違いは見られなかった（図 4）。

3K従来区 3K高演色区 4K従来区 4K高演色区

図1

各試験区の光強度

コマツナの調整重は，色温度による違いはレ
120

3K従来品

100

光強度(指数値)

光強度(指数値)

120

80
60
40
20
0

3K高演色

100
80
60
40
20
0

360 410 460 510 560 610 660 710 760

360 410 460 510 560 610 660 710 760

波長（nm）

波長（nm）

120

4K従来品

100
80
60
40
20

光強度(指数値)

120
光強度(指数値)

PPFD（μmol・m-2・s-1）

250

4K高演色

100
80
60
40
20

0
360 410 460 510 560 610 660 710 760
波長（nm）

図2

0
360

410

460

510

560

白色 LED の分光特性（最大強度を 100 とした指数値）− 44 −

610

波長（nm）

660

710

760

‘グリーンジャケット’‘ハンサムグリーン’‘京しぐれ’‘わかな小松菜’

4K高演色区

4K高演色区

4K高演色区

4K高演色区

4K従来区

4K従来区

4K従来区

4K従来区

3K高演色区

3K高演色区

3K高演色区

3K高演色区

3K従来区

3K従来区

3K従来区

3K従来区

0

20

40

60

0

80

20

40

60

80

0

調整重（g）

調整重（g）

図30

10 15 20 25 30‘京しぐれ’‘わかな小松菜’

4K高演色区

4K高演色区

4K高演色区

4K従来区

4K従来区

4K従来区

4K従来区

3K高演色区

3K高演色区

3K高演色区

3K高演色区

3K従来区

3K従来区

3K従来区

3K従来区

5

10

15

20

25

0

5

10 15 20 25 30

0

5 10 15 20 25 30 35
最大葉長（cm）

最大葉長（cm）

最大葉長（cm）

図4

10 15 20 25 30

光質の違いが調整重に及ぼす影響

4K高演色区0

5

調整重（g）

調整重（g）‘グリーンジャケット’‘ハンサムグリーン’

5

0

5

10 15 20 25 30
最大葉長（cm）

光質の違いが最大葉長に及ぼす影響

タ ス や ミ ズ ナ と 同 様 に 4000K と 比 較 し て

2）庄司和博，後藤英司，橋田慎之介，後藤文

3000K で優れていたが，演色性による傾向は 2之，吉原利一，“赤色光と青色光がレッド

品目とは異なり，従来区と比較して高演色区でリーフレタスのアントシアニン蓄積と生合優れていた（図 3）。最大葉長は， 4000K と比成遺伝子の発現に及ぼす影響”，植物環境

較して 3000K で，従来区と比較して高演色区

工学，22（2），2010，pp.107-113．

で長くなる傾向を示した（図 4）。

3）松本拓也，伊藤博通，白居祐希，白石斉聖，

以上のことから，完全人工光による葉菜類の宇野雄一，“光質がレタス生長と野菜中硝栽培において，演色性に対する生育応答は品目

酸イオン濃度に及ぼす影響”，植物環境工によって異なると考えられる。色温度について

学，22（3），2010，pp.140-147．

は 3000K と 4000K で比較すると赤色域にピー

4）大嶋泰平，大橋敬子，大野英一，渡邊博之，

ク波長のある 3000K が優れると考えられる。

“レッドリーフレタス生産に適した赤色と青色発光ダイオードの光混合条件の検討”，

4.

結

言

植物環境工学，27（1），2015，pp.24-32．

（1）レタス，ミズナ，コマツナの生育を LED

5）白井花菜，梶川幸治，野末はつみ，五味正の色温度で比較すると 4000K と比較して男，野 末雅 之， “分光 分 布の異 なる 白色

3000K で優れる。

LED の植物育成効果”，日本生物環境工学会 2016 年 大 会（2）演色性に対する生育応答は品目によって講 演 論 文 要 旨 ， 2016 ，pp.40-41．

異なり，コマツナでは演色性の高い光源

6）種村竜太，内山雅彦，三村和弘，小林豊，

で生育が優れる。

“光質の違いがリーフレタスの生育・品質
参考文献に及ぼす影響”，新潟工技総研研報，43，

1）高辻正基，“完全人工光植物工場の現状”，

2014，pp.35-37．

植物環境工学，22（1），2010，pp.2-7．

− 45 −

ノート

次世代型二次電池の集電体孔加工におけるインライン化を可能にするレーザ量産加工機の開発－ 抵抗値試験による孔加工集電箔の評価 －
成実***

林

中部

昇*

櫻井

貴文*

長谷川

直樹**

本多

章作**

中川

昌幸**

佐藤

健*

Development of In-line Laser Processing Machine for Micropored Current Collector Foil.
- Evaluation of Electric Resistance of Punching Foil HAYASHI Narumi***， NAKABE Noboru*，SAKURAI Takafumi*，HASEGAWA Naoki**，
HONDA Syosaku**，NAKAGAWA Masayuki** and SATO Takeshi*

1.

緒

言

ため，電気抵抗値評価試験を実施した結果を報

リチウムイオンキャパシタ（LIC）は，リチ告する。

ウムイオンバッテリー（LIB）の負極と電気二重層キャパシタ（EDLC）の正極をハイブリッ2.

電気抵抗値評価試験

ド化した新しい大容量蓄電デバイスであり，負一般に，蓄電デバイスにおける抵抗値評価に

極材にリチウムをドーピングするため集電体にはインピーダンス測定を行うが，簡易的な試験

孔加工が施されている。現行の集電体用金属箔

方法として抵抗値評価試験を実施した。評価サ（Cu，Al）は，直径100～300μmの貫通孔がロンプルの構成を図 1 に示す。1 枚の孔加工集電ールプレスやエッチングにより加工されている体の両側を紙系セパレータおよび金属リチウムが，高性能化するためには直径100μm以下の孔で挟み，2032 型コインセルに組み上げた。セ

加工が必要 1)である。また需要拡大に伴い，よル内を電解液で満たし，リチウムイオンリッチ

り生産能力を高め，孔径や配置などのパターン
変更にも対応できる製造方法の確立が必要である。
そこで本研究では，LIC集電体の孔加工をインラインで高速に加工を行うことができるレーザ高速多孔加工機の開発を行うとともに，開発

図1

抵抗値評価サンプル構成

したレーザ加工技術により，孔径，開口率のパラメータを検討するためLICをアッセンブリして性能試験を行ない，高性能な新規集電体を製造する加工条件の確立を図った。
本報告では，孔加工集電箔の孔径および開口率の違いによるプレドープへの影響を確認する

表1

抵抗値評価試験条件

集電箔
孔径
開口率
使用枚数
正極・負極(φ15mm)
孔加工集電体セパレータ(φ16mm)*

研究開発センター**

下越技術支援センター

電解液

***

中越技術支援センター

サンプル数− 46 −

圧延銅箔 t 10μm
4,8,17,30,40,50,100 μm
1, 5, 10%
1枚
金属リチウム紙系セパレータ
1M LiPF6(EC:DMC 1:1 vol%)
n=5

図2

孔加工集電箔サンプルの SEM 表面観察写真な状態にした。この構成により，集電体以外の抵抗を低減することができると考えられる。孔加工集電体の孔径，開口率をパラメータとした試験条件を表 1 に示す。孔径は 4～100µm の 7
条件，開口率は 1～10%の 3 条件とし，各条件についてサンプル数は 5 試料とした。孔加工集
電箔サンプルの SEM 表面観察写真を図 2 に示す。抵抗値測定は，日置電機（株）製バッテリ
ハイテスタ BT3562 を用い，測定ソース周波数1kHz で行った。
3.

図3

孔径，開口率の違いによる抵抗値の傾向

4.

結孔径に対する抵抗値の変化

言

各開口率における，孔径に対する抵抗値の変（1）電気抵抗値評価試験の結果，孔径 8µm化を図 3 に示す。孔径 4～100µm の場合開口率

以下，開口率 5%以上の微細孔加工を行5%と 10%では同程度の抵抗値を示し，孔径うことで低抵抗値を得ることができる。

4µm，開口率 1%と孔径 50µm，開口率 10%の（2）本研究で実施した電気抵抗値評価試験はサンプルにおいては，ほぼ同じ抵抗値を示した。

電池性能を簡易的に評価する手段として集電箔のない（ブランク）時の抵抗値は約 20

有効な試験である。

Ωであることから，孔径 8µm 以下，開口率 5%

なお，本研究は，平成 26～28 年度経済産業

以上で微細孔加工を行うことで，ほぼブランク

省戦略的基盤技術高度化支援事業で実施したに近い低抵抗値を得ることができた。また，こものである。

れらの結果は本事業で実施したプレドープ試験においても同様な傾向が得られており，本評価

参考文献

方法は電池性能を簡易的に評価するうえで有効1 ） 富 士 重 工 業 ， 蓄 電 デバ イ ス ， 特 開 2011-

であると考えられる。

210995．

− 47 −

ノート

次世代型二次電池の集電体孔加工におけるインライン化を可能にするレーザ量産加工機の開発－たわみ修正機構の開発－
中川

昌幸*

中部

昇**

櫻井

貴文**

長谷川

直樹*

本多

章作*

林

成実***

佐藤

健**

Development of In-line Laser Processing Machine for Micropored Current Collector Foil.
-Development of the Equipment for Leveling Deformed Metal Foil.NAKAGAWA Masayuki*, NAKABE Noboru**, SAKURAI Takafumi**, HASEGAWA Naoki*,
HONDA Syosaku*, HAYASHI Narumi*** and SATO Takeshi**

1.

緒

言

リチウムイオンキャパシタ（以下 LIC）の電のような微細孔を一定の開口率で加工する場合，極の集電体において正極には Al，負極には Cu

孔径が小さいほど加工孔数は多くなり，レーザの孔開き箔が用いられる。これは，LIC の負極

ー加工においてはショット数が多くなるため，に Li イオンをドープさせる際に，孔開き電極

単位面積あたりの加工速度が遅くなる。加工速を用いることで，積層された電極とセパレータ

度を上げるためには，貫通孔加工における 1 シ

間を Li イオンが通過する経路を持たせ，効率

ョットのレーザーエネルギーを上げ，レーザー

的に Li イオンドープを行うためである。また，

ショット数を減らす必要がある。しかし、これ

2 次的な効果として，電解液，電極の局所的なは短パルスレーザーの利点であるアブレーショ分布を緩和し，局所劣化を抑制する効果が期待

ン加工から熱加工に遷移する方向となり，加工される。この集電箔の孔加工は，主にエッチンによる熱により，厚み 10µm 程度の金属箔はシ

グにより行われるが，通常 100µm 以上の孔径

ワ，たわみが顕著となる。そこで，本研究ではとなる。一方で，この孔径が小さいほど Li イ

シワ，たわみが生じた金属箔を平坦化すること

オンドープの効率が良く，10µm 以下で最大値を目的に，コイル材の矯正加工に用いられるレ

1)

がされている。また，著者

ベラー加工を参考にし，より細かい櫛形形状のらは、コインセルにおいて孔径 5µm～20µm の噛み合わせの間に金属箔を通すことによって平同一開口率の集電箔を用いて抵抗値試験を行っ坦化させる方法を発案し，ロールトゥロールでた結果，最も孔径の小さい 5µm における抵抗加工する装置に組み込み，実証実験を行った。

をとるという報告

値が最も低くなり，従来の孔開きエッチング箔
よりもさらに小さい孔加工を行うことで，高性

2．

加工ラインにおけるたわみ修正能化できる可能性を示した。このような孔加工

集電箔のレーザー微細孔加工装置において，は現段階において，短パルスレーザー加工以外

たわみ修正機構を図 1 の位置へ組み込んだ。金に量産可能な方法は見当たらない。しかし，こ属箔をコイル材から送り出し，位置決めなどを行ってレーザー加工部により高速微細孔加工を*下越技術支援センター

行い，その後，加工熱によるたわみをたわみ修**

研究開発センター

正部で平坦化する。

***

中越技術支援センター− 48 −

3.

たわみ修正検討結果

一例を図 3 に示す。(a)がレーザー加工後のた3.1

たわみ修正実験

わみ修正前，(b）がたわみ修正後の状態である。

本研究で扱う金属箔は，厚みが 10µm 程度と非常に薄いため，レベラーで用いるローラーの3.2開発装置への展開

噛み合わせではなく，微小な櫛形形状の噛み合

本研究のたわみ修正機構を，開発したレーザ

わせとした。そしてこの櫛形形状表面に摺動性ー微細孔加工装置に設置し，たわみ修正加工をを持たせるため超音波振動を適用した。図 2 に行った。その様子を図 4 に示す。レーザー加工

たわみ修正基礎実験の模式図を示す。箔を上下後に生じたシワ，たわみは，たわみ修正機構をから挟み込むようにして櫛形形状を噛み合わせ，通過する際に平坦化されることが確認された。

ワーク送りの摩擦抵抗を低減するため，上側の櫛形を超音波により共振させた。テスト加工の図1

図4開発したレーザー微細孔加工装置
4.

開発装置におけるたわみ修正加工

結言（1）集電箔のレーザー微細孔加工により，加工熱で生ずるシワ，たわみを修正する方法として，超音波により摺動性を持たせた櫛形の噛み合わせの間に金属箔を通し，連続的に繰り返し屈曲変形を加えることでひずみ
図2を均一化し平坦化する方法を提案した。

たわみ修正実験の模式図（2）たわみ修正機構を，レーザー微細孔加工装
置に組み込み，レーザー加工によるシワ，
たわみが生じた銅箔に対して処理を行い，平坦化効果を確認した。
（3）提案したたわみ修正方法は，「金属箔シー
トの加工装置と加工方法」として特許出願を行った。（特願 2016-160676 号）(a)修正前

なお，本研究は，平成 26～28 年度経済産業
省戦略的基盤技術高度化支援事業で実施したも
のである。
参考文献
(b)修正後図31) 富 士 重 工 業 ， 蓄 電 デ バ イ ス ， 特 開 2011210995．

たわみ修正加工の例− 49 −

ノート

超音波を利用した連続屈曲加工による Si 系次世代 LIB 集電箔
用ステンレス鋼の疲労強度向上処理法の開発
中川

昌幸*

森田

渉*

林

成実**

Improvement of Fatigue Strength of Work Hardened Austenitic Steinless Foil Achived with Repeated Fully
Reversed Bending and Ultrasonic Reducing Friction.
NAKAGAWA Masayuki*， MORITA Wataru* and HAYASHI Narumi**

1.

緒

言

リチウムイオン電池（以下 LIB）において，い。本研究では，加工によるひずみ緩和法とし活物質と金属箔（集電体）を組み合わせた負極て，矯正加工のひとつであるレベラー加工のよが用いられる。次世代型 LIB 負極材料として

うに，細かい櫛形形状の噛み合わせの間に期待される Si 系材料は従来の黒鉛系電極材よSUS 箔を通し，繰り返し連続屈曲させる方法

りも高容量化が可能だが，リチウムイオンを吸を試みた。

蔵する充電時には体積膨張が大きく，集電体材
料には機械的強度が要求される。このような機

2.

供試材および実験方法

械的性質の他，耐食性，コストなど要求を満た

供試材は SUS304 の板厚 0.1mm 圧延板を用す集電体材料としてオーステナイトステンレスいた。図 1 に実験装置の概略を示す。シート状

SUS304 箔が検討されている。

のサンプルをロールで送り，櫛形の噛み合わせ

SUS304 の圧延箔は，0.1mm 程度以下の厚みの間を通る際に材料は連続的に繰り返し曲げ加に薄肉化すると加工硬化が顕著となり，引張強工を受ける。噛み合わせとワーク間の摩擦低減

さ 1000MPa 以上，HV450 程度まで機械的性質のために，一方の櫛形を 19.5kHz の超音波によが向上する。一方，伸びが数%と延性が著しくり共振させた。

低下するため，疲労起点が生じやすいと考えら

この加工による機械的性質の変化について引れる。ひずみ緩和のためには，焼きなましを用張試験を行った。また，引張疲労試験により，いる方法が一般的だが，伸びは大きく改善する

疲労特性改善について評価した。さらに疲労試

反面，加工硬化による強度や硬さが損なわれる

験の破断部亀裂付近の電子後方散乱回折法にようえ，製造コスト高となる。

る解析を行い，微視組織の変化を調べた。

過去の研究

1)，2)

で t0.1mm の SUS304 圧延板の表面に超音波キャビテーションピーニング処
理を行うと微小エリアのひずみ緩和により表面の硬さがわずかに低下し，結果として疲労特性が改善した。しかし，表面ピーニングでは表面のダメージも同時に起こり，薄い箔には適さな*

下越技術支援センター**

中越技術支援センター

図1− 50 −

実験装置の概略

(a) SEM（BEI）
図2(b) EBSD(IPF MAP)

図4

亀裂周辺の SEM 観察，EBSD 解析結

言

引張試験結果4.

（1） 厚さ 0.1mm の SUS304 圧延板に連続屈曲加工を行うことにより，引張試験における伸びの向上，硬さの低下が確認され，圧延により導入された局所ひずみが緩和されたと考えられる。
（2）引張疲労試験において，未処理では 3×
105 回で破断した最大応力 650MPa の条
件で，連続屈曲加工を行うことにより，
107 回まで破断せず，疲労特性改善の効
図3

果が認められた。

引張疲労試験結果（3）連続屈曲加工後の疲労試験で破断した破3.

断面近傍の亀裂付近を EBSD 解析したと結果と考察
図 2 に連続屈曲加工前後の引張試験の結果をころ，サブストラクチャー形成が確認さ示す。加工により引張強さは 1%程度低下した

れた。これが亀裂周辺のひずみ緩和に寄が，伸びは 1.5～2 倍に向上し，延性回復の傾与しているのではないかと考えられる。

向が確認された。図 3 に引張疲労試験の結果を示す。加えた応力波形は 37.5MPa～最大応力のなお，本研究は，H28 年度科学技術振興機構

正弦波とし，未破断の場合は 10 回で終了した。

JST マッチングプランナープログラム（企業ニ

最大応力 650MPa のとき，未処理では 3×105 回

ーズ解決試験)事業の一環として行われたもので破断したが連続屈曲加工により 10 回まで破

である。

7

7

断しなかった。加工を行ったサンプルにおいて最大応力 700MPa の条件で 6×104 回で破断し参考文献

た 破 断 面 近 傍 の 亀 裂 周 辺 を SEM 観 察 し ，

1) 小平, 中川ほか，“オーステナイト系ステ

EBSD 解析を行った。その結果を図 4 (a)SEM

ンレス鋼 薄板に対する超音波キャビテーシ

（BEI），(b)EBSD(IPF MAP)にそれぞれ示す。

ョンピーニング”，日本金属学会講演大会

破断部付近には結晶粒サイズより微細な粒子が概要， 2011.

多数みられ，サブストラクチャー形成が確認で

2) 中川，林，“超音波キャビテーション処理

きる。疲労試験時に亀裂周辺に生じたこのようにより形成される表面加工層の評価法に関な構造によりひずみ緩和が行われたのではないする研究”工業技術研究報告書，No.42，

かと考えられる。

2013，pp.79-82.

− 51 −

ノート

位相補償が可能な簡易ロックインアンプの試作
宮口

孝司*

天城

和哉*

A Prototype of Simple Lock-In Amplifier with Phase Compensation
MIYAGUCHI Takashi* and AMAKI Kazuya*

1.

緒

言

マイクロキャピラリー電気泳動装置は，微細加工を応用したマイクロ化学チップの一種であり，これまで複雑で手間のかかっていた化学分析を安価かつ短時間に行うことができる。この装置を養液分析装置に適用することを目的に研図1

究を進めてきた 1)。
養液分析装置では，雑音に埋もれた微弱な信2.

号を増幅して検出する必要があることからロックインアンプ

2)

試作したロックインアンプのブロック図

ロックアンプの構成
図１に試作したロックインアンプのブロック

図を，図 2 に回路図を示す。以下の各項で，図を試作した。試作したロックイ

1 の各要素の働きを図 2 と併せて説明する。

ンアンプは，広い周波数に渡って位相補償可能であるうえに，微弱な信号を扱う幅広い測定用途に適応が可能である。

2.1

参照信号発生

参照信号発生器で発生した三角波は，検出電極の励起と乗算器への参照信号として使用する。
220
2.2k
22k
220k
2.2M

900k

ローパスフィルタ
SW

7

電流電圧変換OPA627

3

6

0.1u

+15V

1.0M

10k

OPA627

3

6

2
+15V

記録装置へ

0.1u

100k

0.1u
0.01u

-15V
+15V

-15V

0.1u

2SC1815検出電極から

0.1u

4

2

0.1u

2SC1815

20
19
18
17
16
15
14
13
12
11

CH_ACH_BCH_B+
RinB
Ra
Rf
Rb
Vout
comp
+V

7

-15V

RinA
ch_A+
diff_off_adj
diff_off_adj
cm_off_adj
cm_off_adj
cs_b/inv_A
-V
sel_B
AD630
sel_A

4

0.1u

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

0.01u
0.1u
0.33u
1.0u
2.2u

乗算
+15V

Inh

図2

レーザー・ナノテク研究室− 52 −

1
10
15

PCP
SFout
ZOUT
U

220k
2.2u

VDD
CD4046BE

1k

位相補償

9

VCOin

R1
R2

8

5

C1
C2

4
2
13

FOUT
PC1
PC2

0.1u

10k
-15V

Refin
Sigin

VSS

DPDT SWITCH

6
7
11
12

22k

4
-15V

10k

100p

6

2

-15V

10k

7

20ｋ

3

参照信号

14
3

LM7171

510k

10k

+15V
+15V

* 研究開発センター

16

+15V

試作したロックインアンプの回路図

実験では，ファンクションジェネレータ

感度検出が実現しないため，位相補償回路で位

AD8624A（(株)エー・アンド・デイ）を使用し相を揃える必要がある。位相補償回路についてた。励起電極によって励起され，検出電極からは後述する。

くる電流信号は，励起電極と検出電極間で形成されるコンデンサによって位相が 90°進む。

2.4

ローパスフィルタ

その後，ローパスフィルタによって検出電極
2.2

電流電圧変換からの信号を直流成分に変換する。コンデンサ

図 2 の中で，電流電圧変換はオペアンプ
OPA627（Burr Brown）で行われる。検出電極かを切り替えることによってカットオフ周波数を変えることができる。

らきた信号はここで電圧に変換される。

次段のオペアンプ OPA627 はフィルタを通っ

OPA627 は低ノイズオペアンプであり，数 µA

た信号の正帰還増幅回路である。端子 2，6 間の微弱な電流を数 V の電圧に変換する。増幅率のスイッチを閉じると増幅を行わない。

は端子 2 と 6 の間で選択される抵抗値によって決 ま る 。 2 つ の ト ラ ン ジ ス タ 2SC1815 は

2.5

OPA627 に対する保護である。この要素では，電圧の位相が少し遅れる。

位相補償

ロックインアンプの感度を最大化させるために位相補償を付加した。この位相補償は，広い周波数に渡って位相を移すことが可能であるう

2.3

乗算

え，少ない部品点数で構成される。

ロックインアンプの乗算には AD630（Analog

位相補償は信号立ち上がり位相の調整回路とDevices）を使用した。検出電極からの信号と参信号立ち上がりを用いた矩形波発生回路からな

照信号を乗算する。この要素によって，参照信る。位相の調整回路は，参照信号発生器で発生号と同期する成分のみが高感度で検出される。

させた三角波の参照信号と可変抵抗で設定した

このとき検出電極からきた信号は，検出電極の電圧をオペアンプで比較することによって立ちコンデンサとオペアンプによって位相が進めら上がり位相を移す。矩形波発生回路で立ち上がれているが，参照信号と検出電極からの信号とりに同期したデューティー比 50%の矩形波を発の位相関係は不定であり，そのままでは位相同生させることで位相が移される。

期しない。位相がずれた状態で乗算しても，高図 2 中の CD4046BE（Texas Instruments）は

位相
利得

図3

パッシブラグリードフィルタのボーデ線図− 53 −

PLL（位相同期回路：Phase Locked Loop）IC であり，信号の立ち上がりに同期した矩形信号を発生させる。
CD4046BE の端子 13 と端子 9 間にはループフ
ィルタが接続される。ループフィルタは PLL の発振を安定させるために重要である。ループフ
ィルタは，位相差に比例する周期信号にローパ
図4

スフィルタをかけ，電圧に比例した周波数を発生させる端子 9 に安定した直流電圧を供給する

ローパスフィルタをかける前の
ロックインアンプの出力波形役目を果たす。位相差に関連する端子 13 は参

高さは揃わないが，図 4 の波形は連続する 2 つ

照信号に相当する周期で変動する。通常ローパの山の高さが揃い，あたかも１つの波形の様に

スフィルタは位相遅れを生じるが，位相遅れを，見えることから位相補償が正常に行こなわれて引き込み周波数で少なくするパッシブラグリー

いることが確認できる。

ドフィルタを用いることで，位相余裕を生み出し，引き込み特性を改善させることができる 3)。

4.

結

言

図 3 は今回設計したパッシブラグリードフィ(1) 施設園芸栽培における養液管理に適用が可

ルタのボーデ線図である。fm は位相遅れが極小

能な養液成分分析装置を試作するため，ロに な る 周波 数 であ る 。回路 シ ミ ュレ ー タ LT

ックインアンプを試作した。

Spice のシミュレーションに基づいて素子を選(2) 試作したロックインアンプに広い範囲に渡択した。

って位相補償可能な回路を付加した。
(3) 試作したロックアンプは 350kHz で位相補償

3.

結

果

が可能であることを確認した。

図 4 にローパスフィルタをかける前のロックインアンプの出力波形を示す。測定は 350kHz

参考文献の三角波を 2pF のコンデンサに通して入力側の1）宮口，佐藤， 齋藤，天城，“イオン濃度分

OPA627 の端子 2 に入力した信号を AD630 の端析装置”，特開 2016-148624．

子 13 を通してオシロスコープで観察した画像

2 ） S. K. Sengupta, et.al, “A Simple Law-Costである。参照信号はコンデンサに印加した

Lock-In Amplifier for the Laboratory”, Journal

350kHz の三角波を用いた。このとき，図 2 のof Chemical Education, Vol. 82, No. 9, 2005,

20kΩ の可変抵抗と DPDT Switch を用いて位相pp. 1399-1401.
3）遠坂俊昭，PLL 回路の設計と応用，CQ 出版の調整を行った。
参照信号と入力信号の位相が揃っていない場
合，乗算された波形のうち連続する 2 つの山の− 54 −(株)，2003．

ノート

微細 3D 造形に関する研究
山田

敏浩*

宮口

孝司*

樋口

智*

天城

和哉*

Study on Fabrication of Microstructures
YAMADA Toshihiro* ，MIYAGUCHI Takashi*，HIGUCHI Satoru* and AMAKI Kazuya*

1.

緒

ことで曲率半径を大きくすることができる。

言

石英ガラス製の光学部品は，光学機器，ディスプレイ装置など様々な分野に用いられており，

2.2

機器の高性能化に伴いレンズについても微細化，

成

インプリント法によるレンズパターン形

高精度化が求められている。石英ガラスは，型

紫外線硬化樹脂 PAK01（東洋合成工業(株)）による成形も行われるが，成形温度が 1000℃

を用いてレンズ形状を作製した。作製工程を図を超えるため，成形型には耐熱性の高い難加工2 に示す。

材料を用いる必要があり，型加工は容易ではない。
本研究では，フォトリソグラフィー技術を用いたリフロー法と，型を用いたインプリント法
により，レンズ形状の樹脂を石英ガラス上に形成し，その後，ドライエッチングを行い，石英ガラス製のレンズを作製する方法について検討したので，その結果について報告する。
2.

図1

リフロー法の工程

実験

2.1 リフロー法によるレンズパターン形成
フォトレジスト OFPR8600LB（東京応化工業(株)）を用いてレンズ形状を作製した。作製
工程を図 1 に示す。
石英ガラスにスピンコーターを用いてレジス
トを塗布し，次にフォトマスクを用いてレジス
トを円盤状にパターニングを行った。その後曲率半径に応じた処理を加えた後，210℃に設定

図2

したホットプレート上で 5min 加熱した。

インプリント法の工程

レンズ形状は球面とした。曲率半径の調整は，レジストの膜厚調整により行った。膜厚を厚くすることで曲率半径を小さく，膜厚を薄くする*研究開発センター
レーザー・ナノテク研究室

図3− 55 −

ドライエッチングによるレンズ形状の作製

石英ガラスにスピンコーターを用いて樹脂を塗布し，次にインプリント装置によりインプリントを行った後，紫外線を照射し，レジストを硬化させた。
インプリント型は，リフロー法により，レジストで作製したレンズパターンを Ni 電鋳により転写して作製した。
2.3

ドライエッチングによるレンズ形状の作

製

図4

リフロー法で作製したレンズパターン

図5

リフロー法で作製したレンズパターン

リフロー法により OFPR8600LB で作製したレンズパターンにドライエッチングを行い，石英ガラスをレンズ形状に加工した。工程を図 3に示す。
ドライエッチングには住友精密工業（株）製Multiplex ASE-HR を使用した。
3.

結果

3.1

リフロー法によるレンズパターン形成の断面形状

リフロー法でレジストを用いて作製したレン
ズパターンの写真を図 4 に，断面形状を図 5 に示す。欠陥のほとんどない表面が得られており，断面についても円へのフィッティングは良好であった。
レンズパターンの曲率半径については，レジ
スト塗布時のスピンコーターの回転数を調整し，膜厚を変えることにより，設定した値とすることができた。
図 6 電鋳型
3.2

インプリント法によるレンズパターン形

成
インプリントに用いた電鋳型の写真を図 6 に，レジストで作製したレンズパターンの写真を図7 に示す。電鋳型の断面形状が図 8，作製したレンズパターンの断面形状が図 9 である。電鋳型に対して良好な転写性が得られた。

図 7 インプリント法で作製したレンズパターン− 56 −

図 11 ドライエッチングで作製した

図 8 電鋳型の断面形状

レンズパターンの断面形状
3.3

ドライエッチングによるレンズ形状の作

製
ドライエッチングで作製した石英製レンズパ
ターンの写真を図 10 に，ドライエッチング前後の断面形状を図 11 に示す。
レジストと石英ガラスではエッチングレートが異なるため，レンズ部分の高さが 9%程度減
図 9 インプリント法で作製した少した。

レンズパターンの断面形状

ドライエッチング前の形状に補正を加えることで，設定したレンズ形状を得ることができる。
4.

結

言

（1） リフロー法による球面のレンズ形状作製
条件を把握した。
（2） ドライエッチングによるレンズ形状の作製については，レジストと石英ガラスのエッチングレートの違いにより，レンズ部の高さが 9%程度減少した。
図 10 ドライエッチングで作製したレンズパターン

参考文献
1） 佐藤健，宮口孝司，“簡易なグレースケー
ルマスクを使用したリフロー法によるマイクロレンズアレイの作製”，工業技術研究
報告書，No.45，2015，pp.64-67．

− 57 −

ノート

920MHz 無線モジュール無線性能評価
石澤

賢太*

牧野

斉*

須田

孝義*

Evaluation of RF Performance of 920MHz Wireless Module
ISHIZAWA Kenta*，MAKINO Hitoshi* and SUDA Takayoshi*

1.

緒

700MHz ～ 950MHz の 電 圧 定 在 波 比 （ Voltage

言

無 線 周 波 数 920 MHz 帯 （ 915MHz ～928MHz） を 用 い る 無 線 通 信 シ ス テ ム は Wi-

Standing Wave Ratio : VSWR）と反射損失を測定した。

SUN （Wireless Smart Utility Network）と称され，2.4GHz 帯を用いる Wi-Fi や ZigBee と比較

2.2

して，通信エリアが広く，障害物や外乱の影響

アンテナインピーダンス

ベクトルネットワークアナライザを使用して，を受けにくいというメリットがあり，2013 年

スミスチャートにより周波数範囲 700MHz～

頃から脚光を浴びている。

950MHz のアンテナインピーダンスの挙動を測

本評価では，Wi-SUN 用無線モジュールとセ定した。

ラミックチップアンテナ素子（CCA 素子）を実装した試作プリント基板について無線性能を

2.3

アンテナ利得調べたので，概要を紹介する。また，設計にお図 2（a）および（b） に示すアンテナ利得のける改善点の考察について併せて報告する。

測定系を電波暗室内に構築し，置換法によりアンテナ利得を測定した。アンテナと被測定物

2.

（Device Under Test ： DUT）間の距離は 3m と評価項目および方法
図 1 に示すプリント基板について，次に示すした。図 3 にアンテナ利得評価の様子を示す。

測定を実施した。

（a）置換アンテナからの受信電力測定（a）アンテナ実装面
図1
2.1

（b）背面

プリント基板

電圧定在波比と反射損失

ベクトルネットワークアナライザ（Hewlett
Packard 社製 8753E） を使用して，周波数範囲（b）DUT からの受信電力測定*

図2

下越技術支援センター− 58 −

アンテナ利得の測定系

10
9
8
VSWR

7
6
5
4
3
2
1

700

750

800
850
周波数 [MHz]

図5
図3

900

950

900

950

VSWR

アンテナ利得評価の様子

生器（Signal Generator：SG）から，アンテナ利得が既知の置換アンテナに対し所定の周波数で基準信号を入力する。この時の受信電力 P1 をスペクトラムアナライザで測定した。続いて，
置換アンテナを図 2 （b）のように DUT に置換
し，図 2（a）と同条件で基準信号を入力する。

反射損失 [dB]

置換法は，まず図 2 （a）のように，信号発

0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15

指向性が最大となる角度に回転台を合わせた時の受信電力 P2 を測定した。アンテナ利得は，

700

750

800
850
周波数 [MHz]

図6

反射損失

P1 と P2 の差から求めた。なお，SG と DUT 間の同軸ケーブルには，外導体を流れる不平衡電3.

評価結果および考察流の影響を低減させるため，フェライトコアを

3.1

VSWR と反射損失装着した。

図 5 に VSWR，図 6 に反射損失の評価結果を示す。Wi-SUN の周波数帯域である 915MHz

2.4

アンテナ放射パターン～928MHz において，VSWR は 1.7 以下で反射

図 2（b）の測定系でアンテナ放射パターンの損失は-11dB 以下であり，おおむね実用上問題測定を行った。SG から所定の周波数で DUT にのないことが確認できた。ただし，プリント基

基準信号を入力し，回転台を 360 °回転させ，板が製品の筐体に組み入れられることを想定す

スペクトラムアナライザで受信電力を測定した。

ると，近接する筐体や金属部品によって，Wi-

図 4 のように座標系を定義し，X-Z 面，Y-Z 面，

SUN 信号の波長短縮および高周波結合の影響

X-Y 面の 3 面について基準アンテナの水平およに留意する必要がある。

び垂直偏波を切り換えて測定した。
3.2

アンテナインピーダンス

図 7 にアンテナインピーダンスの評価結果をス ミ ス チ ャ ー ト で 示 す 。 周 波 数 915MHz ～928MHz において，アンテナインピーダンスの軌跡は実軸近傍にあり実用上問題のないことが確認できたが，前項同様に製品の筐体に組み入
図4

座標系の定義れられる際の影響には留意が必要である。

− 59 −

図7
3.3

アンテナインピーダンス
図8

アンテナ利得アンテナ利得の評価結果は，周波数 915MHz

アンテナ放射パターン（周波数 915MHz, X-Z 面の例）

～928MHz において最大でも-5.5dBi であった。
CCA 素子のデータシート 1)に示されている平均

4.

値は 1.73dBi である。これと評価結果は 7 dB 以

（1）920MHz 無線モジュールについて VSWR，

結言

上差があることから，アンテナを実装している

反射損失，アンテナインピーダンス，ア

プリント基板の配線設計に不備があると考えらンテナ利得および，アンテナ放射パターれる。改善すべき事項として，プリント基板のンの無線性能評価を実施した。

配線設計において CCA 素子と基準グラウンド
面までの距離および，CCA 素子への入力パター（2）評価結果から，設計における無線性能のンの配線形状の最適化が挙げられる。このこと

改善方法について言及することができた。

により CCA 素子が，より効率よく動作すると考えられる。

参考文献
1）Vishay Intertechnology, Inc., “Surface Mount

3.4

Ceramic Chip Antennas for 915 MHz”,

アンテナ放射パターン

図 8 にアンテナ放射パターンの評価結果の例

VJ5301M915MXBSR data sheet,Docu-

として，周波数 915MHz における X-Z 面の評価

ment Number:45207 Rev.28-Mar-12 (2012),

結果を示す。CCA 素子のデータシートに記載さpp. 1-2.

れている放射パターンと合致していた。

− 60 −

ノート

析出硬化型合金鍛造品の内部割れ発生に関する研究
諸橋

春夫* 栁

和彦*

本田

崇*

藤岡

智裕**

Study on Internal Crack Formation of Precipitation Hardening Alloy Forgings.
MOROHASHI Haruo*，YANAGI Kazuhiko*，HONDA Takashi* and FUJIOKA Tomohiro**
1.

緒

鍛造工程時に析出した炭化物が固溶する 985℃

言

析出硬化型合金である SUH660（A286）は，時効処理により γ’相（Ni3（Al，Ti））が析出し，とし，時効処理は高強度が得られる 720℃である。

高温強度が著しく向上する耐熱鋼である。耐熱材料の中では比較的安価であり，700℃程度までの高温強度に優れているため，航空機，ガスタ
ービンなど多様な分野に用いられており，また，
常温での強度も高く，主要な用途として新幹線などの車両モーター用保持環などもある。
タンレイ工業（株）では，SUH660 材の熱間リングローリング加工（以下リング鍛造）を行っているが，この加工で作製した鍛造品を超音
波探傷検査したところ，内部割れが確認されるケースがあった。
そこで本研究では，内部割れが確認された鍛造品内部の観察および成分分析を行うとともに，空冷時の伝熱と成形時のシミュレーションにより割れ発生の原因を検討した。
2.

リング鍛造
本研究では，SUH660 の丸棒を素材とするリング鍛造品を対象とした。リング鍛造の工程は，荒地成形，空冷後の再加熱，リングローリング，
熱処理である。その概要を図 1 に示す。なお，
荒地成形前の予熱温度は 1080℃，空冷後の再加熱温度は，1100℃である。
また，熱処理は固溶化処理，時効処理を行っている。その条件を図 2 に示す。固溶化処理は，
図1*

下越技術支援センター**

タンレイ工業株式会社− 61 −

リング鍛造の工程

図2

熱処理条件

3.

研究内容および結果

3.1

鍛造品内部の観察および分析

前述の加工条件で得られたリング鍛造品に関して超音波探傷検査を行った結果，リングの幅の中央部にて内部欠陥が検出された。そこで，
内部欠陥が検出された鍛造品について，幅およ

図4

二次電子像（正常部）

図5

二次電子像（異常部 1）

図6

二次電子像（異常部 2）

び厚さ方向の中央部を異常部，幅の端部かつ厚さ方向の中央部を正常部として切り出し，これらを分析サンプルとした（図 3）。
この分析サンプルについて，日本電子（株）
製 X 線マイクロアナライザーJXA-8100 を用いて，走査型電子顕微鏡（SEM）観察および析出
物の定性分析を行った。
正常部の SEM 観察結果を図 4 に，異常部のSEM 観察結果を図 5，6 に示す。正常部では割れは確認されなかったが，異常部では内部割れが観察できた。析出物は，正常部と異常部のどちらにも存在していたが，割れ部に析出物が存在している箇所も観察できた（図 6）。
また，図 7 に示されている析出物について X
線マイクロアナライザーによる定性分析を行った。その半定量結果を表 1 に示す。この結果か
ら構成元素の主成分は C，Ti であり，その存
厚さ

幅

図3

分析サンプル採取位置− 62 −

ションを実施してワークの温度の変化を調べた。
シミュレーションには，サイバネット（株）製
ANSYS Workbench16.2 を用いた。
シミュレーションモデルを図 8 に示す。空冷時の状況を模擬して，ワークを載せる SUS310
製パレットとパレットが設置されるコンクリー
トの床をモデル化した。形状の対称性からワー
クを 1/4 とした。また，ワークの配置の対称性から，パレットのサイズを決定した。
ワーク，パレットについては，温度の変化が大きいため，温度依存性を考慮して熱伝導率，比熱を設定した 1)。図 9，10 にそれぞれの特性
図7を示す。コンクリートについては，温度の変化

二次電子像（析出物）

が小さいことから，熱伝導率，比熱を一定値と表1

Element

した。熱的特性を表 2 に示す。

析出物の半定量結果

Mass(%)

Atom(%)

C

18.1

48.0

ーク内部の温度は均一と仮定して初期値を与え，

Ti

73.7

49.0

計算を行った。

Cr

0.3

0.2

Fe

0.6

0.3

Nb

2.2

0.8

Mo

5.1

1.7

Total

100.0

100.0

計算の条件を表 3 に示す 2)。荒地成形後のワ

ワーク

パレット

在比率が約 1：1 であることが分かった。以上のことから，析出物の主成分は TiC であると判断

コンクリート

される。
3.2

図8

空冷時の温度の評価

伝熱シミュレーションモデル

3.1 節の SEM 観察の結果，サンプルには大きな析出物があり，また析出物の周りには空隙が確認できた。空隙は圧延時の変形により生じたものであるから，析出物はリングローリング工程前に析出したものと考えられる。リングロー
リング工程前にワークが高温となるのは，荒地
成形後の空冷と圧延前の再加熱である。特に荒地成形後のワークは厚いため，素材内に発生する温度分布と温度変化は，析出物の生成に影響を与える可能性がある。
そこで，この空冷を模擬した伝熱シミュレー− 63 −

図9

熱伝導率

を通過する間，ワーク内には常に温度分布が発生しており，幅中央部の温度は上下端面より50℃以上高い。これは，中央部ほど時効処理通過時間が長いといえる。再加熱時には中の温度は温まりにくいことから，この場合にも時効処
理温度を通過する時間が長くなる。よって，空冷，再加熱ともに，中央部の析出物が成長しやすい状態にあると考えられる。
図 10
表2

比熱

熱的特性

熱伝導率

比熱

密度

(W/（m・K）)(J/(kg・K))(kg/m3 )SUH660

温度依存

温度依存

7940

SUS310S

温度依存

温度依存

7820

コンクリート

1

880

2000

材料名

表3

計算条件

設定条件

初期温度（℃）

冷却条件

設定値
ワーク

1200

パレット

22

コンクリート22

熱伝達係数（W/m2）

10

周囲温度（℃）

22

放射率

0.7

図 11

ワークの温度履歴

ワーク内の最高および最低温度の点における時間履歴を図 11 に，また約 550 秒，1450 秒における温度分布を図 12(a)(b)に示す。ワークの(a)タイミング①（約 550 秒）

熱容量は大きく，1400 秒以上の間，680℃以上の温度が保たれていることが確認できた。ここ
で，析出物による強度の上昇の効果を十分に得るには，時効処理のように 20hr 程度の保持時間が必要である。ただし，加熱初期には急激に硬さが上がることから，空冷と再加熱における時
効処理温度を通過する時間において析出がおこっている可能性は十分あると考えられる 3)。
次に，温度分布に着目すると，時効処理温度(b)タイミング②（1450 秒）
図 12− 64 −

ワークの温度分布

3.3

成形時の応力の評価

につれ引張応力は小さくなっている。よって，

3.1 節の観察の結果，正常部，異常部ともに析出物が確認された。ただし，異常部の析出物

圧延を繰り返すことで，異常部には圧縮と引張が繰り返されることが確認できた。

の周りのみ空隙が発生しており，この空隙が欠陥につながると考えられる。そこで，リング鍛造を模擬した成形シミュレーションを実施して，加工時に発生する応力分布を調べた。
成形シミュレーションモデルを図 13 に示す。
圧延時の各治工具は変形の生じない剛体とした。
また，SUH660 の高温材料特性は不明であることから，SUS304 の高温特性で代替した。材料
特性が異なるため，SUH660 の応力値は計算できないものの，材料が変わっても応力分布の傾(a)観察のタイミング

向は十分把握できると考えられる。
ここで，圧延で発生する応力の向きに着目す
ると，拡大される周方向に最も大きな主応力が発生する。また，ワークは回転しながら部分的に圧延される。よって，本研究では，ワークの特定の断面を観察面として，圧延前後のタイミングにて最大主応力の評価を行った。観察のタイミングを図 14(a)に，それぞれのタイミングで(b)主ロール軸通過前観察面に生じる最大主応力を図 14(b)～(d)に示す。
ワークの位置によって応力分布は変化しており，圧延直前のタイミングで異常部に大きな引張応力が発生している。一方，圧延時，主ロー
ル軸通過後には，異常部に引張応力は発生していない。また，図 14(b)より，主ロール通過前に発生する引張応力については，位置によって差があり，異常部が最も大きく，正常部に近づく(c)圧延時(d)主ロール軸通過後
図 13

図 14

成形シミュレーションモデル

− 65 −

観察面に生じる最大主応力

4.

考

察

部割れが発生しなくなり，温度管理の重要性をSEM 観察，分析およびシミュレーションの結確認することができた。

果から，割れの原因を考察した。
成形シミュレーションの結果から，リングロ

5.

結

言

ーリング工程において，図 3 の異常部は正常部（1） SUH660 のサンプルついて，SEM 観察をに比べて大きな引張応力が繰り返し発生するこ

行った結果，正常部，異常部ともに析出物とがわかった。ただし，異常部の SEM 観察かが観察された。X 線マイクロアナライザー

ら，20μm 以上の析出物の周辺に空隙が確認さによる定性分析を行った結果，析出物の主れており（図 6，7），割れは母材の破断ではな

成分は TiC と考えられる。

く，この空隙が起点と考えられる。よって，割（2）正常部と異常部を比較すると，異常部の析

れは加工時に発生する引張応力だけでなく，大出物の方が大きく，また大きな析出物の周

きな析出物があることが発生原因と考えられる。

囲に空隙も観察された。この空隙が割れの起点と考えられる。

また，伝熱シミュレーションの結果から，時
効処理温度を通過する際，ワークの異常部は正（3） 伝熱シミュレーションの結果，異常部は常部より 50℃以上高く，通過時間も長いことが正常部に比べて空冷時の温度が高く，時効わかった。再加熱時にも同様に，通過時間が長

処理温度を通過する時間も長いことから，いことが想定される。このことから，荒地成形

析出物が成長しやすい状態と考えられる。

工程後の空冷および再加熱時において，異常部（4）成形シミュレーションの結果，異常部は正では析出物（TiC）が成長しやすい状態であり，常部に比べて繰り返し大きな引張応力が大きな析出物が発生する原因と考えられる。

発生していることが確認できた。

上記の考察に基づく内部割れの対策には，加（5）割れ発生の考察に基づき，析出物が成長し工中に発生する引張応力の低減，また，析出物ないよう工程を検討した結果，割れを防止の大きさを小さくすることが挙げられる。ただすることができた。

し，径を拡大するリングローリング圧延の加工の様式から，加工中周方向に引張応力を発生さ

参考文献

せなくすることは困難である。したがって，リ

1）岸正彦，"有限要素法実践ハンドブック"，森
北出版（株），2006，pp.253-255.

ング鍛造の割れの対策では，析出物の大きさの抑制が重要であると考えられる。そこで，析出

2）J.P.ホールマン，"伝熱工学<上>" ，1987， p.13.

物が成長すると考えられる空冷をやめ，加工後

3） ナ ス 鋼 帯 （ 株 ） HP，"特 色 製 品 NAS660",の高温状態を活用して再加熱時間も最小限にな

http://www.nas-kotai.co.jp/leaflet/660.html

るよう工程の改善を検討した。改善の結果，内2017 年 3 月 30 日閲覧.

− 66 −

ノート

エアロゾルデポジション法によるアルミナ膜の作製
渡邉

亮*

近

正道*

内藤

隆之*

白川

正登*

治彦*

石井

貴司**

幸田

Fabrication of Al2O3 Film Using Aerosol Deposition Method
WATANABE Ryo*， CHIKA Masamichi*， NAITO Takayuki*， SHIRAKAWA Masato*，
ISHII Haruhiko* and KODA Takashi**

1.

緒

言

エアロゾルデポジション法（以下 AD 法）は乾燥した微粉末をガスと混合してエアロゾル化
し，常温で基材に高速で衝突させ，緻密で高密
着な膜を形成する技術である。微粉末と基材の組み合わせは，微粉末側は金属またはセラミッ
クス，基材側は金属，セラミックス，ガラス，
プラスチックなどで，様々な組み合わせが適用可能である 1)。
AD 法は溶射技術などの従来のコーティング
技術の課題を克服する可能性があるため，新た

図1

装置概略図

表1

成膜条件

な表面処理技術として県内企業への導入が見込まれる。そのため，（国研）産業技術総合研究

成膜温度

室温

搬送ガス種

N2

ノズル孔形状（mm×mm）

10×0.8

基材―ノズル間の距離（mm）

10

ノズル掃引速度（m/s）

4

所から技術指導を受け，AD 法装置を導入し，基礎的な実験を開始した。
2.

成膜実験
図 1 に示すような AD 法装置を用いて，乾燥

10×10

2

成膜面積（mm ）処理したアルミナ粉末を金属基材の表面に成膜した。成膜実験は表 1 の条件で，再現性を確認
表2するため，異なる日時で 2 回行った。

評価に使用した機器

機器名3.

（株）フィッシャー・イ

結果及び考察成膜したサンプルについて表 2 に示す機器で硬さ，表面粗さおよび膜厚を評価した。評価結果を表 3 に示す。成膜実験の 1 回目，2 回目ともに金属基材上にアルミナの成膜を成膜すること

ンスツルメンツ製ピコデ

下越技術支援センター

**

企画管理室

硬さ HM）（株）東京精密製粗さ測

表面粗さ(算術平定器サーフコム 5000DX

均粗さ Ra)，膜厚

表3− 67 −

硬さ（マルテンス

ンターHM500

ができた。

*

評価項目

評価結果

試験片

HM（GPa）

Ra（µm）

膜厚（µm）

1 回目

5.1

0.09

15

2 回目

6.8

0.1

9

ただし，2 回の実験で膜の硬さや膜厚が大きく異なっていた。成膜終了後，ノズルを装置か

4．結言(1) （国研）産業技術総合研究所から AD 法装置を導入した。

ら取りはずして，噴射口（ノズル孔）内壁へア
ルミナ粉末の付着について確認したが，ノズル(2) AD 法によるアルミナの成膜実験を行い，孔が閉塞するほどの付着は確認できなかった。

金属基材上にアルミナ膜を成膜した。

状況から，成膜実験中の噴射口閉塞による成膜の中断は考えがたく，ばらつきの原因として，アルミナ粉末の乾燥処理が十分でなかったこと

参考文献
1) 明渡 純，エアロゾルデポジション法の基礎から応用まで-常温衝撃固化現象による新規が考えられる。
今後，原料のアルミナ粉末の乾燥処理を安定的に行う仕組みを構築し，実験を行う予定である。

− 68 −

セラミックスコーティング技術のすべて-，
2008，pp.1-5．

ノート

テキスタイルを活用した膜材料の開発に関するシーズ育成研究
河原

崇史*

古畑

雅弘*

桑原

理絵**

Research and Development of Membrane Materials Using Textiles
KAWAHARA Takashi*，FURUHATA Masahiro* and KUWAHARA Rie**

1.

緒

言

度条件で焼成し，炭素化試料とした。
また，比較対象としてゴアテックス®を用いた。

世界的な人口増加や経済発展に伴い，水の需要が高まっている。しかし，地球上で人間が使用できる水は限られており，水の確保は重要な

2.2

撥水性評価

各試料表面の水に対する接触角を測定するこ課題である。世界の水ビジネスの市場規模は，上水，下水，産業用水・排水などに関する施設とで，撥水性について評価した。

整備，部材供給などのハード面から事業運営な

試験装置：協和界面科学（株）CA-S ミクロⅡ型

どのソフト面を含めると，およそ 57 兆円（2013年）と言われており 1)，今後も大きく成長するこ

2.3

透湿性評価

各試料を JIS L 1099 繊維製品の透湿度試験方とが見込まれている。
水処理に使用する膜には，精密ろ過膜，限外ろ過膜，ナノろ過膜，逆浸透膜といった分離対

A-1 法（塩化カルシウム法）に基づいて試験

法を行い，透湿性について評価した。

象物のサイズや種類によって様々なものが使い分けられている。また，活性炭やイオン交換膜

3.

試験結果

など特異的に分離するものもあり，用途に応じ

3.1

撥水性評価

各試料の結果を表 1 に示す。絹の接触角は，て様々な膜が開発されている。
そこで本研究では，平成 27 年度のものづくり

炭素化処理温度 700°C の試料で 111°であったが，技術連携活性化事業「炭素化繊維利用に関する

炭素化処理温度が高くなるにつれて大きくなり調査研究」 で研究を行った炭素化繊維について，

1300°C で 134°であった。一方，綿は炭素化処理

水処理膜に必要な基本的性能である撥水性およ

温度に関わらず，140°前後であった。このことか

び透湿性の観点から検討した。

ら，綿は炭素化処理温度が 700°C でも表面が十2)分に疎水性を示すのに対し，絹は 1000°C 以上の
2.

試験方法

高温にしないと表面が十分に疎水性にならない

2.1

試料作製

ことがわかった。この違いは，繊維表面の凹凸研究に使用した繊維は絹と綿で，JIS L 0803 染
色堅ろう度試験用添付白布に規定の添付白布を形状の違いや，表面に残存している官能基量の違いなどの理由によるものと考えられる。
また，ゴアテックス®の接触角は 140°であった用いた。試料は 700°C，1000°C，1300°C の各温*

素材応用技術支援センター

ことから炭素化した各試料はゴアテックス ® と**中越技術支援センター

同程度の撥水性を有することがわかった。

− 69 −

表1

綿

透湿性評価

接触角（°）

各試料の結果を表 2 に示す。各試料ともに，未焼成-

炭素化していない試料と炭素化した試料で透湿

炭素化温度 700°C

111

度は 500～600g/m2･h でほぼ同じであった。一方，炭素化温度 1000°C

122

ゴアテックス®の透湿度は 195g/m2･h であった。

炭素化温度 1300°C

134

これらのことから，炭素化した絹，綿はともに未焼成-

高い透湿性を有することがわかった。

炭素化温度 700°C

139

炭素化温度 1000°C

142

炭素化温度 1300°C

142

ゴアテックス®

140

試料名

絹

3.2

各試料の接触角4.

結言（1） 1300°C で焼成した炭素化繊維は，ゴアテックス®と同程度の高い撥水性を示すことが明らかになった。
（2） 炭素化繊維は，炭素化前の繊維と同程度の

表2
試料名
絹
綿

透湿性を有しており，ゴアテックス®に比各試料の透湿度
透湿度（g/m2･h）

べて高い透湿性を示すことが明らかにな

未焼成

498

炭素化温度 1300°C

505

未焼成

539

参考文献

炭素化温度 1300°C

6041）経済産業省「平成 26 年度インフラシステム

ゴアテックス®

195

輸出促進調査等事業（水ビジネス市場に関すった。

る動向調査）報告書」．
2）古畑雅弘ほか，“炭素化繊維利用に関する調査研究”，工業技術研究報告書，No.45，2016，
pp. 104-106．

− 70 −

ノート

旧オーステナイト結晶粒界の現出について
斎藤

雄治*

Revealing Prior Austenitic Grain Boundaries
SAITO Yuji*

1.

緒

いて，腐食液には次の三種類を用いた。

言

破損した鋼製の機械部品の破損原因を調べる①硝酸アルコール溶液
HNO3 3ml，エチルアルコール 97ml

際，破損品と正常品の金属組織や硬さを比較することがある。このとき，硬さや金属組織がほ②市販の腐食液

ぼ同じでも，旧オーステナイト結晶粒の大きさ（株）山本科学工具研究社製 AGS エッチンが異なっている場合がある。

グ液

一般に，旧オーステナイト結晶粒が大きいと③ピクリン酸の飽和水溶液ベースの腐食液 2）

靭性が低下する 1）。このため，正常品より破損

ピクリン酸 2g，界面活性剤（台所洗剤） 5g，品の旧オーステナイト結晶粒が大きい場合，破塩化ナトリウム 0.15g，硫酸 0.07g，損品の靭性が低下していた可能性がある。また，

蒸留水 100ml

高い安全性が要求される機械部品等に対して靭※②と③は 50℃に加熱した状態で 10 分浸漬後，性の低下は致命的であるので，このような部品

水酸化ナトリウム水溶液で中和の旧オーステナイト結晶粒の観察は有用である。
本研究では，市販の AGS エッチャントと文

3.

実験結果
図 1 に，焼戻しなしの結果を示す。腐食液①

献に掲載されている腐食液を使って，旧オースではマルテンサイトが見える。一方，腐食液②

テナイト結晶粒の現出を試みた。

と③では旧オーステナイト結晶粒界が見える。
2.

実験条件
試験片には，S45C（直径 20×長さ 20mm）

腐食液②と③の結果を比較すると，腐食液②の方が結晶粒界をより選択的に腐食している。

を用いた。この試験片に対して，焼入れ

図 2 に，300℃で 1 時間焼戻しの結果を示す。

（850℃に 10 分保持してから水冷）および焼戻腐食液①では焼戻しマルテンサイトが見えるが，し（なし，300℃で 1 時間，600℃で 1 時間のい腐食液②と③では図 1 の結果と同様に結晶粒界

ずれか）の熱処理を行った。

が見える。

熱処理後の試験片を長さが半分となる位置で

図 3 に，600℃で 1 時間焼戻しの結果を示す。

切断し，その断面を鏡面研磨して金属組織を金腐食液①では焼戻しマルテンサイトが見えるが，属顕微鏡で観察した。

図 2 の焼戻しマルテンサイトに比べて組織が細実験装置には（株）東洋製作所製 電気マッかい。一方，腐食液②と③では結晶粒界が見え

フル炉 KM-420 および（株）ニコンインステッ

るが基地も腐食しているため，図 1 や図 2 の結ク製 倒立型金属顕微鏡 TME3000U-NR 型を用果に比べて結晶粒界が不明瞭である。この場合，腐食とわずかなバフ研磨を繰り返し行うことで，*

県央技術支援センター

結晶粒界が明瞭になると考えられる。

− 71 −

腐食液①

腐食液②
図1

腐食液①

焼戻しなしの金属組織

腐食液②
図2

腐食液①

腐食液③

300℃焼戻しの金属組織

腐食液②
図3

3）

腐食液③

600℃焼戻しの金属組織

なお，本報告書の実験結果については当研究所のホームページに掲載している

腐食液③

参考文献
1）（社）日本熱処理技術協会編著，入門・金。

属材料の組織と性質，2004，p.126，（株）
4.

結

言

大河出版．

（1）炭素鋼 S45C を市販の腐食液およびピク

2）材料技術教育研究会編，金属組織の現出とリン酸の飽和水溶液ベースの腐食液で腐試料作製の基本，2016，p.89，（株）大河

食して，旧オーステナイト結晶粒界を観

出版．
3）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H28/28kin4.

察できた。
（2）焼戻し温度を高くすると，旧オーステナ
イト結晶粒が不明瞭になる傾向があった。

html，旧オーステナイト結晶粒界の現出について，「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，2017 年 1 月 27 日．

− 72 −

ノート

表面増強ラマン散乱を利用した分析手法の開発
天城 裕子*
Analysis Method using Surface Enhanced Raman Scattering
AMAKI Yuko*
1. 緒

言

2.1.1 試験方法

ラマン分光法は，対象が幅広く，測定が簡便で鉄キレート溶液（鉄イオン濃度0.5ppm）と各種得られる情報も多いため，近年普及の進んでいる

ナノコロイド溶液を混合し，ラマン測定を行った

分析手法の一つである。しかし検出感度は高くな（日本分光(株)製NRS-3000，励起波長532nm，

く，さらに工業製品が対象の場合，不純物などか

12mW）。鉄イオンは関東化学（株）の化学分析用

らの蛍光妨害によりデータ取得不可の場合も多標準液を希釈して用いた。キレート剤は，4-（2-いという欠点がある。

ピリジルアゾ）レソルシノール（以下PAR，同人

一方，金・銀などの貴金属ナノ粒子と吸着した科学研究所製） 0.1g/l溶液とした。

分子は、励起光が照射されるとラマン検出感度が大幅に増強される表面増強ラマン散乱（Surface
Enhanced Raman Scattering，以下 SERS）を起こす
ことが知られている。この SERS には蛍光妨害の50nm低減効果もあるとされている。しかし，現状の応用分野は生化学関連中心と限定的なものにとどまっている。

55×8
10nm
8×3nm

本研究ではこの現象を簡易な手法で利用することを目的とし，（1）ナノコロイド溶液の添加，添加なし（2）ナノ構造をもつ SERS 基板の試作，（3） サ
ンプルへの金コーティングによる SERS 効果の

図 1 Fe-PAR スペクトル（金ナノコロイド添加）

検証，について報告する。
2. 試験方法および結果

30nm

2.1 ナノコロイド溶液添加による SERS 効果
ラマン分光法は溶液成分については通常，検出に 100ppm 程度の濃度を要するが，金属イオンについては球状金ナノコロイドの添加により 1ppm

50nm
20nm

以下程度まで検出可能である 1）， 2）。本項では素材・形状の異なるナノ粒子における SERS 効果に添加なし

ついて，鉄イオンを用いて検証した。
図 2 Fe-PAR スペクトル（銀ナノプレート添加）* 中越技術支援センター− 73 −

球状金ナノコロイドは sigma-aldrich 製 10nm，50nm を用いた。素材・形状違いとして銀ナノプ

2.2 SERS 基板試作
2.2.1 試験方法

レートと金ナノロッド（大日本塗料(株)製）で比シリコンウェハー上への金コートによる SERS

較を行った。銀ナノプレートは 20， 30， 50nm基板の試作を行った。SEM 用コーター（サンユの 3 種類 （いずれも厚さ約 8nm），金ナノロッー電子(株)製 SC-701）で 2 分間の金コーティング

ドは 8×3nm と 55×8nm の 2 種類を用いた。

後，大気雰囲気下で 1 時間加熱し基板を作成した。
成膜レートは分光光度計（(株)島津製作所製
UV-2500PC）の反射率測定により評価した。成膜2.1.2 結果と考察
図 1，2 に Fe-PAR のスペクトルを示す。図 1は各種金ナノ粒子，図 2 は銀ナノプレート添加後

レートは 11~12nm/min であり，2 分後の初期膜厚は 20-25nm 程度と推測される。

である。金・銀ナノコロイド添加後にスペクトル
強度の増加がみられた。増幅されたのは主にキレ(a)ート外殻の PAR のベンゼン環，ピリジン環の振動モードに帰属される 3）部分である。また，球は 50nm，ナノロッドは長軸 55nm，プレートは(b)

30-50nm サイズで増幅効果が高く，素材・形状を問わず 50nm 程度のサイズを持つナノ粒子でSERS 効果が得られやすいと思われる。

図 4 シスチンスペクトル（a:金あり、b：金なし）

RT

100℃

0.5μ

0.5μ

200℃

400℃

0.5μ

図 3 金コーティング SEM 像（ｘ40000）− 74 −

0.5μ

SEM 用コーターでコーティングを行い試験サン

2.2.2 結果と考察
図 3 に SEM 画 像 を 示 す （ 日 本 電 子 ( 株 )プルとした。

JSM-IT300LA，10kV）。成膜直後は微細構造が確認できないが，100，200℃加熱後では数十 nm 程2.3.2 金コーティング条件の検討

度の海島構造となる。

金ナノ粒子はプラズモンによる赤色の発色を

コーティングによる SERS 効果の確認のため，示すことより，分光光度計での UV-Vis スペクト

100℃処理後のウェハーにシスチン溶液を塗布しルによる評価を行った。図 5 にスライドグラス上たところ，シスチンのアミド基由来のピークの増にコーティング直後と 7 日後のデータを示す。

強がみられた（図 4 点線部）
。金ナノ構造がシス10-20 秒のコーティングで 500-600nm の領域に金チンの NH 部分に選択的に吸着し，SERS 効果をプラズモン由来の吸光ピークが確認できる。また，発現していると考えられる。なお，コーティング

時間経過後に発色が明瞭になる傾向がみられたの密着性はよくないため，基板としての利用には（不純物の影響などが考えられるが詳細は不明）。

ウェハーへの何らかの処理が必要である。

評価用サンプルの処理条件は 20 秒コーティング
後，数日経過したものとした。

2.3 金コーティングによる SERS 効果
サンプルへの直接金コーティングによる SERS

2.3.3 結果と考察

効果を検証した。検出感度があまり問題とならな

ゴム 2 種については全体的に蛍光が低減した

い固体サンプルへの適用となるため，感度増幅よが，ラマンピークの確認はできなかった。爪につりも蛍光妨害低減の効果を主体に検証した。

い て は 蛍 光 妨 害 の 低 減 お よ び 1650cm-1 ，。
1440cm-1 付近のピークが確認できた（図 6）2.3.1 試験方法
サンプルは，蛍光妨害の強いゴム（天然ゴム，
シリコンゴムの 2 種）とタンパク（爪）とした。

(a)

0.16

Abs.

0.12

0.08

(b)

0.04

0.00

400

500
600
Wavelength/nm

700

800

10s-7日20s-7日30s-7日

10s-0日20s-0日30s-0日図 5 金コーティング UV-Vis スペクトル− 75 −

図 6 爪のラマンスペクトル(a: コーティング前、b: コーティング後)

3. 結

言

の応用に関する調査研究"， 工業技術研究報告（1）ナノコロイド溶液の添加では，金・銀とも50nm 付近のサイズがもっとも SERS 効果を書，45，2016，pp.107-110.
2）天城裕子，“表面増強ラマン分光（SERS）法

発現した。

による遷移金属イオンの高感度分析”， 日本分
析化学会第 29 回新潟地区部会研究発表会，（2）アミドやピリジンなどの NH 構造の部分で

p.12.

SERS 効果による増幅が顕著であった。
（3）一部のサンプルで金コーティングにより蛍

3）N. Leopold et al. "Raman spectroscopic and
DFT theoretical study of 4-（2-pyridylazo）

光妨害の低減がみられた。

resorcinol and its complexes with zinc （II）
参考文献

and copper （ II ） "Journal of Molecular

1）宮口孝司他，"精密微細加工技術の分析分野へ

Structure 919 （1），2009，pp.94-99.

− 76 −

ノート

モンゴル産原料カシミア糸の物性評価及び性状把握
渋谷

恵太*

古畑

雅弘*

橋詰

史則*

Evaluation of Properties and Characterization of Cashmere Yarn Using Mongolian Raw Materials
SHIBUYA Keita*， FURUHATA Masahiro* and HASHIZUME Fuminori*

1.

緒

言

県の支援により見附商工会が導入を進めているモンゴル産カシミアを原料とする紡績糸について，各種試験の実施により物性の評価を行い，その性状，特徴を把握した。
2.

試験試料

（a）

カシミア糸 3 種類（図 1(a)左より，モンゴル

カシミア糸
図1

産原料ベージュ色，同茶色，中国産原料。全て

（b）

ウール糸

試験試料

2/24 番手）およびウール糸 1 種類（図 1(b)。
ア糸 2 種類（モンゴル産原料ベージュ色，中国

2/20 番手）を試験試料とした。

産原料）およびウール糸について，以下の条件
2.1

で糸を編成した。作製した編地を使用し，以降糸の強伸度特性

カシミア糸 3 種類に対し，JIS L 1095:2010 一の試験を行った。

般紡績糸試験方法 9.5 単糸引張強さ及び伸び率試験装置：（株）島精機製作所製

9.5.1 JIS 法 a） 標準時 に準じた以下の試験条件

自動編み機

SWG041

組織：天竺

により強伸度を測定した。

工程：編立て，ノニオン系界面活性剤に使用機器：ツェルベガーウスター製
自動強伸度試験器

よる洗い，すすぎ，乾燥（縮絨なウスターテンソラピッド UTR3

どの整理加工は行わない）

つかみ間隔：25cm2.2.1

引張速度：25cm/min

保温度試験

室温＋10℃に加熱した測定部を室温の試料に

初荷重：0.102N

接触させ，最大熱吸収速度（q-max）を測定し試験回数：100 回（結果は平均値）た。測定は編地を四つ折りにして，組織の裏地
2.2*側（人体に接触する側）に対して行った。なお，編地の性能評価

試験体として編地が必要であるため，カシミ

q-max は接触冷温感を表す指標値であり，数字

素材応用技術支援センター

が小さいほど瞬間的な熱の逃げが少なく温かい− 77 −

ことを意味する。

表1

試験装置：カトーテック（株）製

モンゴル

色

KES-F7

ベージュ

－
－

3.68

3.50

3.19

14.0

15.1

11.5

－

0.050

－

0.051

0.052

0.68

－

0.60

1.2

2

風合い試験

－

－

伸び率(%)
q-max(W/cm )曲げかたさ(B値)

試験回数：5 回（結果は平均値）

茶

ウール
中国

引張強さ(N)

試験環境：20℃，65%RH

2.2.2

カシミア

繊維種
原料産地

精密迅速熱物性測定装置

試験結果

めに単純に比較できないが，カシミア糸の編地

編地の屈曲する時のかたさを風合計量測定装置により測定した。

はウール糸編地よりも同等以上に柔らかい風合
いであることがわかった。

試験装置：カトーテック（株）製
風合計量測定装置
純曲げ特性

4.

KES-FB2

結言（1）モンゴル産原料カシミア糸は中国産原料

試験環境：20℃，65%RH

糸及びウール糸との比較において，それ試験回数：1 回

ら以上の物性，風合い性能を有していることが確認できた。

3.

試験結果

（2）実際の商品開発では，編成後の製品に縮試験結果を表 1 に示す。モンゴル産原料カシ

絨処理などの整理加工を行った状態におミア糸は中国産原料カシミア糸に比べ強度，伸ける風合いが重要となる。これについて

度ともに大きく，また，編地の保温性もわずか

は今後整理加工条件と風合いについてのだが優れていた。風合いは糸の番手が異なるた

データ収集による関係確立が望まれる。

− 78 −

Ⅲ

調査・報告− 79 −

工業技術総合研究所

研究会活動報告

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

研究会活動は，主として「ものづくり技術連携活性化事業」によって実施した。対象とする市場や技術の動向を調査し，会員企業へ情報提供を行うとともに，県内企業による研究開発の可能性を模索するため，平成 28 年度は，継続を含め以下の７テーマについて研究会を立ち上げて実施した。

1. 3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究（継続）2. センシング技術の農業分野への応用に関する調査研究（継続）3. ソフトマテリアルの利活用に関する調査研究
4. ジオポリマーに関する調査研究
5. ドローンを活用した３D 計測技術に関する調査研究
6. テキスタイルと異種材料の接合による加飾加工に関する調査研究
7. ファインバブルに関する調査研究

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

− 81 −

調査・報告3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究（第 2 報）
中部

昇*

橋詰

片山
史則

****

聡*

大輔**

馬場

渋谷

恵太

****

天城

裕子***
淑人****

阿部

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

1. 緒

言

2.1

製造現場における 3D プリンタなどを活用し「金属におけるアディティブマニュファ

クチャリング技術」講演会

た試作の迅速化はある程度普及し，今後は金属

金属 AM 装置（3D プリンタ）を製造，販売す

付加製造（アディティブマニュファクチャリン

る 2 社を招き，各社の装置の特色と適用事例なグ，AM）装置の普及と共に製品製造への適用どについて紹介した。内容は以下のとおり。

が期待されている。これに伴い，3D スキャナや(1)「3D プリンタによる金属造形技術」

3D-CAD，CAE の活用など，入力，編集・設計，（スリーディー・システムズ・ジャパン

出力といった 3D データによるものづくりのワ

春日ークフロー改善が求められている。そこで，3D

同社の粉末焼結積層方式（SLS）3D プリ

データの入力や編集・データ交換に関する運用技術の普及と，これらの技術を応用したものづ

ンタの特色と適用例を紹介した。
(2)「金属 3D プリンタ技術の現状と金型への適くりの効率化や設計技術に関する研究課題の抽出を目的として，前年度から継続

1)

寿利氏）

用」

（松浦機械製作所緑川哲史氏）

SLS 方式の積層造形と切削加工を同時に行して調査研うハイブリッド式金属 3D プリンタの概要と究活動を行った。

金型製造への適用例について紹介した。
2.

講習会開催概要
金属 3D プリンタの現状，および 3D 設計に関連するコンピュータシミュレーション技術につ

2.2「プレス加工におけるシミュレーション技術」講演会いて，（一社）日本塑性加工学会 北関東・信越

3D データの活用と密接な関係にあるシミュレ

支部，ならびに（公財）にいがた産業創造機構

ーション技術について，特にプレス加工に着目

先進的金型研究会との共催で，以下のとおり講してその現状と活用事例を紹介した。内容は以演会を実施した。

下のとおり。
(1)「プレス成形シミュレーションの活用方法」（研究開発センター

本研究所におけるプレス成形シミュレー* 研究開発センター** 下越技術支援センター***

中越技術支援センター****

素材応用技術支援センター

片山主任研究員）

ション事例を紹介するとともに，計算の際に必要となるデータについて説明した。

− 82 −

(2)「決め押し加工シミュレーション技術の開発」

一方，造形材料についても樹脂（FDM，SLA）
を中心にして多様化が進んでおり，将来的には（研究開発センター

櫻井主任研究員）

LS-DYNA のシェル要素とリスタート機能

造形方式に依存せず同様な材料での造形が可能になっていくものと予想される。

を用いた決め押し加工のシミュレーション技術の有効性や課題について報告した。

3.2(3)「プレス成形シミュレーションにおける 1 ス
テップ解析と板鍛造解析の活用事例」
（JSOL

浜田

AM 製造を考慮した設計技術動向

AM 装置の普及により従来の製造工程では不可能であった構造の製品を製造できるようにな

知己氏）

り，例えば内部構造による軽量化設計など，製プレス成形シミュレーションの初期検討品の設計技術自体についても従来と異なる発想段階などで活用される 1 ステップ解析（逆解や方法論が求められている。AM での製造を考析）と，板鍛造の解析事例を紹介した。

慮した設計技術として，近年再評価されている
技術に位相（トポロジー）最適化が挙げられる。

3.

調査・研究内容

これは図 1 に示すように，設計者が与えた初期

3.1

AM 技術動向

形状と境界条件に対して，CAE ソフトウエアがAM 技術は，従来の切削，研削などの除去加

自動的に応力状態を基に不要部分を肉抜きする

工，プレスなどの塑性加工に対する第 3 の加工手法である。図 2 に 3 次元構造体における解析法として国際標準化が進められている。造形方

例を示す。同図(a) の中実構造体に対して境界式はほぼ確立されており，現状最も問題となっ条件を与え，所定の強度を維持しながら軽量化ている造形速度の向上と材料の多様化が今後のを図り，同図(b)に示す形状を得たものである。

技術開発のポイントとなる。

本技術の歴史は古く，理論的には 1980 年代後半

樹脂 3D プリンタでは普及に大きく貢献したから提唱されたものであるが，特にこのような溶融物堆積方式（FDM）の個人向けデスクトッ

3 次元構造体においては従来工程では製造する

ププリンタが既にほぼ淘汰され，今後は産業用ことができず，近年の AM の普及に伴って特に途として，エンプラなど材料の多様化に対応可

自動車業界で注目されるようになり，CAE ソフ

能な高温度ノズルの装備と造形サイズの大型化

トウエアへの導入も進んでいる。ただし，位相が進む。

最適化技術では境界条件の変更はできず，例え

産業用機で主流の液槽光重合方式（SLA）やば図 1 では固定穴の位置や穴数などの最適値を

粉末焼結積層方式（SLS）に対し，結合剤噴射

求めることはできない。そこで将来的には，仕（BJ）方式，材料噴射（MJ）方式といったイン様決定に適する寸法最適化技術と融合させた設クジェット方式の普及が進んでいる。同方式は計技術が求められるものと思われる。

HP など 2D プリンタで実績のある複数企業の参入が発表されており，ノズル数を増やすことで簡便に造形速度の向上が可能なことから大きく普及することが予想される。
金属 AM 装置は SLS を中心に製造台数が増加しており，特に欧州では普及期に入ったといえる状態である。そのため，生産現場への導入を想定した，熱処理や後加工を組み合わせた製造
図1

ラインとしての技術開発が進んでいる。

− 83 −

位相（トポロジー）最適化

限定されると推察される。前者については，内部構造の付加，あるいは中空化や複数部品の一体化による軽量化など，先に示した位相最適化
技術をはじめ AM の特性を生かした構造設計技術の開発が研究課題として挙げられるものと思われる。

(a)初期形状

一方後者は，個別対応（カスタマイズ）品として，AM 装置の利点を得やすい例として以前から注目され，歯科分野では小型 3D スキャナを用いた歯科用光学印象採得や AM 装置による義歯製造など実用化したものもある。他にも，
図2(b)最適化結果

義肢・装具など，人体形状の型取りで形状デー

位相最適化の解析例

タを得ていた工程を 3D スキャナで置き換え，
CAD で形状設計を実施することが汎用装置で可

3.3

県内企業の動向

能となってきている。しかしながら形状計測は

3D プリンタについては多くの企業が試作，開簡便でも，設計を汎用 CAD で 1 から手作業で行発評価やジグ製造目的で活用しており，また，

うことになれば効率化とはいえず，今後それぞ

3D プリンタを保有しない企業からの試作，少量れの業種，工程に適合した自動化などの専用設生産についての相談も引き続き多い。また，平計システムの構築が，医療機器のみならず個別

成 27 年度に公益財団法人 JKA の補助による「3対応品設計におけるワークフロー改善のキーワ

次元デジタルものづくり技術高度化のための人ードになると思われる。

材育成事業」で実施した，3D スキャナによる形
状入力と 3D データ化についても引き続き多く4.

の企業から関心を集め，機器利用を前提とした(1) 金属 AM 装置による製品製造は，ここ数年間，人材育成を実施することができた。

結言

従来工程では製造が困難な高付加価値，高価格製品に限定される。

3.4(2) 今後の研究課題として，AM 装置による製品市場参入時の課題とその対応

金属 3D プリンタの普及に伴い，製品製造へ製造を考慮した構造設計技術や，個別対応の適用について期待が高まっているが，製造に品におけるそれぞれの工程に適合した自動長時間を要し，ワイヤカットによる造形物の取設計技術が求められる。

出しに始まり熱処理や研磨などの後工程が必須であることに加えて，材料コストがいまだ高額

参考文献

であることから，少なくともここ数年は従来工

1) 中部

昇他，“3 次元ものづくり製造技術とそ程では製造が困難な高付加価値，高価格製品，の市場に関する調査研究”，工業技術研究報

すなわち航空・宇宙分野や医療分野などに

告書，45，2016，pp.98-100.

− 84 −

調査・報告センシング技術の農業分野への応用に関する調査研究（第 2 報）
種村

竜太*

小林

豊**

章***

菅家

木嶋

祐太****

Report of Market and Technology Trends of Sensing Technology in Agriculture
TANEMURA Ryouta*， KOBAYASHI Yutaka**， KANKE Akira*** and KIJIMA Yuta****1.

緒（2）アグリ・インフォマティクスの活用

言

国は農業を成長産業と位置づけ，稲作経営体～暗黙知から形式知への転換等～
NEC ソリューションイノベータ（株）

への園芸導入や次世代施設園芸の導入を推進し（3）養液土耕 ICT システムの紹介ており，農業の高度化に向けたシステム・機器・資材の開発が求められている。特に，園芸～匠の技を普遍的な技術に転換～

生産の作業管理は生産者の経験やカンに基づい（株）ルートレック・ネットワークスていることが多く，若手や異業種からの新規参（4）水田農業における ICT 利用の実例紹介

入では高い生産技術を持つまでに時間がかかる。

～アグリノートと PaddyWatch～

そのため，技術のデータ化を図るとともに気象ウォーターセル（株）

情報や生体情報に基づいた自動制御装置の開発

農家数の減少・寡占化に伴う大規模化，生産が求められている。

者の高齢化による技術伝承問題など国内農業の

そこで，本調査研究では工業分野で普及して課題解消のため農林水産省が「スマート農業」

いるセンシング・画像処理技術を農業分野へ応として検討を進めるなど，ICT 技術への期待は用し，自動制御装置開発に向けた技術課題とそ大きくなっており，質疑が活発に行われ，参加の対策についての調査を行った。

者の関心の高さがうかがわれた。また，現状では太平洋側での導入が多く，冬季の栽培が難し

2.

活動概要

いことなどから新潟県や東北地方の日本海側で研修会の開催は導入事例が少ないことが明らかになり，今後

2.1

農業総合研究所と共催で平成 28 年 11 月 11日に「農業分野における ICT 推進研修会」をの県内への普及推進が必要であることが確認された。

開催し，参加人数は 60 名であった。講演内容
は以下のとおり。
（1）新潟県農業における ICT 利活用の実態

2.2

市場や研究動向

2.2.1と今後の展望について

環境情報のセンシング

温度・湿度・照度などの環境情報を遠隔から

新潟県農業総合研究所

リアルタイムでモニタリングできるクラウド型*

下越技術支援センター

サービスが既に始まっている。土壌水分や電気**

中越技術支援センター

伝導率センサなどを取り付けられる製品もある。

***

研究開発センター

製品の内容は，センサで測定を行う「子器」と，

****

企画管理室

そのデータを集約しインターネットサーバに送− 85 −

信する「親器」，サーバ上のデータを PC・ス

2.2.4

県内企業の動きと市場参入時の課題

マートフォンで確認・管理するための「ウェブ

革新的農業実践特区である新潟市において，サービス」で構成されているケースが多い。

NTT 東日本新潟支店と新潟クボタが切り花栽
培での農業 ICT ソリューションのトライアル

2.2.2

生体情報のセンシングを実施している。ほ場にバッテリーレスのセン

2 次元の RGB データに距離データ（Depth）

サを設置し，温度・湿度・日射量といった環境を加えた 2.5 次元データを得ることが可能な，情報を自動的に収集し，分析しながら施設栽培

高機能で低価格な RGBD カメラの「Kinect」がでの新たな知見獲得を目指している。

発売された 2010 年以降，自動車分野や医療分

また，弊所で開催したセミナーのアンケート

野など各種産業分野で利用が進んでいる。農業や情報提供の活動で企業調査をしたところ，生分野においても草高や葉面積を非破壊で計測す

体情報センシングや，制御装置の開発に関心が

1，2 )。また，超音波距離セ

みられる一方で，現状のモニタリングシステム

ンサを用いた茎伸長簡易計測システムの開発がについては，取得したデータを生産者が十分にる研究がされている
行われている３)。

活用できない現状が明らかとなった。

ディープラーニングの技術動向

3.

工業技術総合研究所の取り組み

農業におけるセンシングは自然条件下で行わ

3.1

センシング装置の試作

2.2.3

れるため，撮影時間，天候，ゴミや虫の異物混環境情報としては温度・湿度・照度・CO2 濃

入など，様々な状況に対応しなければならない。

度・土壌水分などのデータを，生体情報として人間であれば撮影時の状況を考慮して画像デー

は茎径・葉面積・葉面電位などのデータを収集

タから生育状況を判断できるが，同レベルの判するセンシング装置を試作し，データの活用方

断をコンピュータの条件分岐でプログラムする法について検討した。茎径と葉面積はカメラ画

ときは，状況に対応する膨大な条件プログラム

像を OpenCV で画像処理し，解析した。

が必要になる。また，プログラムされていない

試作した装置はイントラネットやインター条件では，コンピュータは判断できない。そこ

ネットへ接続でき，他のセンシング装置や PC

で人工知能技術にも応用され，普及が進んでいと計測データの情報共有ができる。また，各装るディープラーニングの利用について調査した。

置へ計測データを保存する仕様にしたので，調査の結果，ディープラーニングを農業分野

LAN 環境が整備されていない「ほ場」においへ応用するためには，農業分野に特化したシスてもセンシング装置を利用できる。特別なソフテムの研究開発が必要となることがわかった。

トウェアを PC へインストールしなくても撮影

ディープラーニングを利用するためには多くの結果と計測結果を確認できるよう，ブラウザでデータを収集しなければならないが，データ収表示可能にしたので，センシング装置と PC を集には多くの労力と時間が必要である。それら

直接 LAN 接続することで，ほ場においても撮を抑えるためには既存の学習データの活用や，影結果の確認や計測データの確認ができる。

農業分野以外で蓄積されたディープラーニング
に関する技術の流用が考えられる。多くのデー

3.2

イチゴ栽培における植物体センシング

タ収集という部分では，本研究で様々なセンサ

ワンボードマイコン「Raspberry Pi 2 Modelを利用し，センシングを試みたことから，ディB」と専用カメラモジュールからなるセンシン

ープラーニングに関する技術支援に役立つもの

グ装置をイチゴ栽培施設に設置して鉛直方向かと考えられる。

らセンシングした。画像処理を行うことにより− 86 −

図1

画像処理による群落葉の抽出

試作治具

受光葉面積を算出でき（図 1），生育に伴う葉面積の増加や葉かき作業による葉面積の減少を
図2

とらえることができた。収量や果実品質データ

試作治具を用いた撮影風景と合わせて解析することによって，高品質生産

トほ場で様々なセンサのデータ収集，④トマトに向けた生育モデルの構築が可能と思われる。

の茎径センサ，⑤葉面電位センサ）。

3.3

4.

マイクロスコープによる茎径センシング

結言昨年度，実験室レベルでは USB マイクロス（1）「農業分野における ICT 推進研修会」を

コープを用いてトマトの茎径をセンシングでき開催した。農業分野における ICT 活用

ることを報告した。今年度は実際にトマトほ場は期待される技術であり，幅広い業種

での実験を繰り返しながら茎径センサの改良をの企業から多くの方に参加いただいた。

試みた。まず，トマトの茎付近に USB マイク（2） 温湿度や日射量など環境情報については

ロスコープを設置し，茎を撮影した。撮影したクラウド型サービスを多くの企業が展

画像には，トマトの茎以外にも枯れ枝，薬剤の開している。一方，生体情報のセンシ

しみなどが撮影されている。これらは茎径の算ングについては開発途上である。

出に影響を与える。そこで茎以外の物が写らな（3）「Raspberry Pi」と Web カメラやマイク

いようにするための治具を 3D プリンタで試作

ロスコープを用いることにより，群落した。治具は USB マイクロスコープの取付口

葉面積や茎径などの生体情報のモニタと茎の背景板で構成されており， 枯れ枝や薬リングが可能であることがわかった。

剤などが背景板につかないよう，背景板をコの（4）研究事例を工業技術総合研究所のホーム

字状にするなどの改良を加えた（図 2）。作成

ページに技術トピックとして掲載した。

した茎径センサを用いて茎径の測定を試みた結果，生長に伴い茎径が増加している様子が確認

参考文献できた。マイクロスコープから茎までの距離に

1) 大山暁男ら，“トマト分離集団を用いた草よるが，約 0.03mm の分解能で測定が可能であ

高と葉面積の非破壊測定の制度評価”，園った。植物の水分状態によって茎径が変化する

芸学研究，16（別 1），2017，p.328.

ことから，今後は茎径を指標とした自動水分制2) 浜本浩ら，“Kinect for Windows の深度情報御装置を試作し，栽培実証をする予定である。

から作物の受光体勢を評価する”，園芸学
研究，13（別 2），2014，p.223.

3.43) 羽藤堅治ら，“生体情報と環境情報のため

ホームページでの研究事例紹介

本研究調査の 5 事例を弊所のホームページでのデータベースシステム構築”，日本生物紹介した（①カメラによる植物の認識，②小型環境工学会 2016 年大会

コンピュータを用いた生育情報の収集，③トマ

2016，pp.232-233．

− 87 −

講演論文要旨，調査・報告ソフトマテリアルの利活用に関する調査研究石井 治彦* 中部 昇** 岡田 英樹** 櫻井 貴文**
毛利 敦雄*** 小林 泰則*** 林 成実****Report of Market and Technology Trends of Soft Matter
ISHII Haruhiko*，NAKABE Noboru**，OKADA Hidek**，SAKURAI Takafum**
MOURI Atsuo***，KOBAYASHI Yasunor*** and HAYASHI Narum****

1. 緒

言

微細にほぐすことで作製できるが，作製法は水撃な

ソフトマテリアルの一種であるゲルやゴム，エラ

どの機械的作用によるものと，触媒を使用して化学ストマーのような柔軟な素材は，プラスチックとは的操作を伴うものの 2 種類がある。前者の太さはお異なる柔軟性や質感が付与できるため，自動車など

おむね数 nm～数 10nm に対して，後者の太さはおおの工業分野を始めとして，医療分野などにも幅広く

むね 10nm 以下である 1）。

用いられている。ソフトマテリアルの開発においてこのような CNF を製品へ応用する取り組みにつは，用途に応じた特性調節が必要なことから，素材

いて，2 件の講演をいただいた。講演には企業から自体の開発にとどまらず，フィラー混練などによる

30 社 45 名の参加があった。概要は以下のとおり。

機能付加が進められている。マトリックス材を補強
セルロースナノファイバー講演会するフィラーについても，さまざまな材料が模索されているが，近年セルロースナノファイバー（CNF）（平成 28 年 9 月 29 日，県央技術支援センター）

が注目を集め，企業や大学，公設試など様々な機関
講演 1）県内の取り組み

が取り組んでいる。
そこで，本調査研究では，ソフトマテリアルを利「セルロースナノファイバーのエアフィルタへの応活用するにあたっての技術動向調査，県内企業のニ用」

ーズ・シーズ調査，そして抽出された技術課題とそ（北越紀州製紙（株）研究所 根本純司氏）
メンブレンフィルタやガラス繊維不織布のサブミの対策についての調査を行った。また，県内企業へ

クロンから数ミクロンオーダーの空孔に，CNF の微の情報提供の場として講演会を開催した。

細なクモの巣構造を作製する研究について紹介した。
2. 活動概要

化学処理で作製された CNF を分散した水溶液にク

2.1 講演会開催

モの巣構造の足場となるフィルタを浸漬させ，加熱

新素材フィラーのひとつとして注目されている，

乾燥させることで空孔内にさらに微細な CNF のク

CNF に関する講演会を実施した。CNF は植物繊維をモの巣構造が作製でき，従来に比べ高性能なフィル
タになりうる評価結果が得られた。この技術を応用* 下越技術支援センター

し，製品開発に向け取り組み中である旨の紹介があ** 研究開発センター

った。

*** 県央技術支援センター**** 中越技術支援センター

講演 2）県外の取り組み− 88 −

「セルロースナノファイバーの様々な熱可塑性プラ
スチックへの複合事例紹介」（（地独）京都市産業技術研究所 研究副主幹 仙波健氏）
熱可塑性プラスチックの補強を目的とした，様々なプラスチックへの CNF の混練と，強度評価の事例紹介。CNF がプラスチックに混ざりやすいように，その構造の一部を疎水化しプラスチックへの混練性向上を図った。これにより，従来は 240℃付近で熱分解していたプラスチックと CNF の複合材で 50℃

図 1 ゲル強度試験装置概略図

たパルプをプラスチックとともに 2 軸混練機に投入
押し込み荷重 [mN]

することで CNF 複合材料を作製する，非常に簡便なプロセスの開発についても紹介があった。
2.2 県内企業の動き
県内企業からソフトマテリアルに対するニーズに

50

2

40

1

30

0

20

-1

10

-2

0

-3

-10
-20

ついて聞き取りを行った。当所に対するニーズには大別して「新材料に関する情報提供」と「製品や開

-4
荷重

0

5

10
時間 [s]

プローブ先端の位置

15

20

-5

プローブ先端の位置 [mm]（ゲル表面が基準）程度の耐熱性向上が見られた。また，化学変性させ

図 2 ゲル強度試験の一例

発品の評価方法の検討と実施」の 2 つがあった。前者は，CNF を分散したプラスチック材料の機能付加
及び疲労特性について，木材表面への塗工による効め，その後一様に上昇した。試料表面から 4mm 押し果などに関心が寄せられた。後者は，ゲルの強度，込まれた時点で最大荷重を示した。この後プローブ

エラストマー製品の特性評価について要望が寄せらを上方に移動，その際荷重は急激に低下し，試料はれた。

プローブが引き抜かれる方向に移動を始めた。試料
表面位置（18 秒の時点）では，荷重がわずかに負の2.3 ゲル強度試験

値を示した。以上の試験により，プローブのゲル表

水溶性ゲルの硬さ評価について県内企業から要望があり，当所の設備を利用して実施した。なお，試面への付着，押込み，ゲル表面から脱離する一連の挙動を評価できることがわかった。

験に際しては，JIS K6503 にかわ及びゼラチンにおける 5.4 ゼリー強度 を参考とした。
2）

本来，ゲルの特性を評価するに当たっては，変形
速度やひずみによる影響などに加え，熱分析などを試験装置を図 1 に示す。試験は，試料表面に対し組み合わせた評価が望ましいが，ゲル製品の硬さをて垂直にプローブを押し込んだ後に引き抜く過程の簡易的に比較する場合は，押込力の最大値やプロー

中で，プローブに加わる荷重の変化を測定した。プブからの脱離力で比較することも可能と考えられる。

ローブの押し込み速度及び引き抜き速度は 0.5mm/sとし，押し込み深さは試料表面から 4mm とした。

2.4 エラストマーの強度試験

測定例を図 2 に示す。横軸はデータ採取開始を 0

エラストマーやゴムの強度評価については，JISとする時間，縦軸は荷重変化と，プローブ先端の位K6254 加硫ゴム及び熱可塑性ゴム －応力－ひずみ

置変化である。試験開始から約 2 秒後にプローブが特性の求め方 で定められた強度試験片の寸法が製試料に接触する。その後，荷重は不規則に変動を始品に比べて大きく，試験片が十分に確保できない場− 89 −

表 1 圧縮過程及び緩和過程の試験条件合がある。そこで，エラストマー製品から，規格外の試験片を取り出して特性を評価する方法について検討を行った。一般的に，エラストマーは変形速度に応じて異なる力学挙動を示すことが知られており，

圧縮過程

mm/s

最大圧縮荷重

N

0.01

0.1
490

490N に至った変位を 5 分間維持する

緩和過程

詳細な評価には周波数特性や温度特性などを組み合

試験速度

試験温度

℃

22±1

わせることが求められるが，今回は圧縮条件下で使600用される製品を想定したため，定速圧縮試験及び緩

緩和過程

圧縮過程
500

和試験により特性評価を試みた。
8mm ポンチで円柱形に打ち抜いた試料を試験に供

400

荷重 [N]

厚み 4mm の熱可塑性エラストマーシートから，φ

300
200

した。

100

試験は，万能材料試験機（（株）島津製作所製，

0AG-250kNI）を用いて圧縮円盤で試料を挟み，圧縮過程と緩和過程における荷重変化を測定した。試験

0

0.2

0.4

0.1mm/s

0.1mm/s

0.01mm/s

0.01mm/s

0.6 0.8 1
押込量 [mm]

1.2

1.4 0.1

1
10
100
静止時間（対数表示） [sec]1000

図 3 エラストマーの圧縮及び緩和過程の一例

条件は表 1 のとおり。圧縮円盤の動作速度を 0.01 と0.1mm/s とし，最大圧縮荷重 490N まで圧縮した後，本調査研究の過程で，大学，企業との協力関係を

5 分間隙間を固定し，荷重の緩和を測定した。
圧縮及び荷重緩和過程を図 3 に示す。圧縮過程に築いたが，競争的資金への応募や製品開発には至ら

ついては，0.01，0.1mm/s ともに押込量 0.6mm 付近なかった。今後は個々の事案への個別対応を行う予までほぼ同じ曲線を示した。
その後，
徐々に 0.01mm/s

定である。

が下側に位置する形で推移し，490N に至る圧縮量は0.08mm 程度の違いが見られた。試験前のエラストマ
ーシートの厚みの面分布を測ったところ 0.02mm 未

3. 結

言

（1）新素材のひとつである CNF に関する講演会を実施し，企業から 45 名の参加があった。

満の厚み分布あり，変形速度により圧縮挙動が変化（2）ソフトマテリアルに関して県内企業に聞き取りしたと考えられる。
次に緩和過程について，5 分間のうちに荷重の緩調査を行ったところ，「新材料に関する情報提和を示した。それぞれの緩和挙動については，0.1～

供」と「製品や開発品の評価方法」についての

10 秒の傾きに着目すると，0.1mm/s の方が 0.01mm/s

ニーズが得られた。

より傾きが大きい。また 10 秒以降では，両者の傾き（3）ニーズのひとつである製品評価方法について，に大きな差は見られない。このことから，今回試験

ゲル強度評価及びエラストマーの特性評価をした熱可塑性エラストマーは，圧縮速度を変化させ，行った。この試験方法を持って，大学，企業と10 秒までの傾きを比較することで，特性評価につなの協力関係を構築した。

がることが示された。このような試験方法で，製品の用途によってはエラストマーの速度依存性や荷重

参考文献の緩和挙動を評価できることがわかった。

1）ナノセルロースフォーラム編，“図解よくわかる
ナノセルロース”，日刊工業新聞社．
2）日本規格協会，“JIS K6503 にかわ及びゼラチン” ．

− 90 −

調査・報告ジオポリマーに関する調査研究
渡邉

亮*

栁

和彦*

森田

渉*

毛利

敦雄**

岡田

英樹***

Report of Market and Technology Trends of Geopolymer Technology
WATANABE Ryo*， YANAGI Kazuhiko*， MORITA Wataru*， MOURI Atsuo** and HIDEKI Okada***

1.

緒

言

メタカオリンやフライアッシュなどのアルミ
ナシリカ粉末とアルカリ性溶液との反応により生成する非晶質のアルミノケイ酸塩硬化体をDavidovits が「ジオポリマー」と呼称した 1)。このジオポリマーとは通常のセメントと同程度の機械的強度を持ち，かつ優れた耐酸性を持つ。
そして，フライアッシュなどの産業副産物を原料に利用できるため CO2 排出を抑制できる低環
境負荷な構造材料として検討されている。ま図 1 セミナーの様子

た，ゼオライトに類似した構造を持ち，イオン交換能があるとともに，細孔を持つため吸着材に示す。アンケート調査の結果では，コンクリ

としても注目されている。

ート材料に望む性能として，耐酸性，耐塩害，そこで，本調査研究では，これら様々な特徴

耐凍害性などの項目で要望が挙がっていた。セを持つジオポリマーについてコンクリート二次

ミナー概要は以下のとおり。

製品への適用や新規機能性材料の開発の可能性

・「ジオポリマー研究会」セミナー（平成 29 年を探るため，セミナーを開催するとともにアン

1 月 26 日，会場：新潟県工業技術総合研究所講

ケートによる聞き取り調査を行い，技術動向の堂）

調査，県内企業と大学・高専への訪問調査，さ講演 1：「ジオポリマー硬化体：基礎から応用

らには，種々の試験によりジオポリマーの特性まで」（(公財)鉄道総合技術研究所材料技術研把握を行った。

究部コンクリート材料研究室

上席研究員 GL

上原元樹氏）
2.

活動概要

2.1

セミナー開催様々な配合・養生条件のもとジオポリマー硬化体を作製し，機械的強度や乾燥収縮率，塩化ジオポリマーに関してその基礎から応用事例

物イオンの浸透性，細孔分布などを調べ，鉄道についてセミナーを開催し，企業などから 29 名

部材のまくらぎへの適用を行っていた。また，の参加があった。セミナー開催時の様子を図 1

ジオポリマー硬化体の配合方法の統一的記述方*

下越技術支援センター

法の提案，新たな作製方法の提案，補修材への**

県央技術支援センター

適用，壁材・床材の開発，重金属吸着材の例な***

研究開発センター

ど多岐にわたる応用を紹介いただいた。さらに，− 91 −

ジオポリマーの配合領域ごとに適した目的製品

2.3の例示があった。

2.3.1

大学・高専及び県内企業への訪問調査
大学・高専への訪問調査

講演 2:「三重県工業研究所におけるジオポリマ

ジオポリマーのコンクリート二次製品への適ー技術に関する取り組み＜ポーラスコンクリー

用に関して大学・高専に対し訪問調査を行った。

トに関する話題を中心に＞」（三重県工業研究

ジオポリマーコンクリートはセメントコンク

所ものづくり研究課

主幹研究員

前川明弘氏）

リートに比べ費用が 1.5~2 倍程度と試算されてポーラスコンクリ―トの利用目的やその製造いるため，低環境負荷材料という特徴だけではに必要な材料特性について基礎的なところから

セメントコンクリートの代替は困難である。た説明いただき，作製したポーラスコンクリート

だ，セメントコンクリート材料は技術的に成熟漁礁の設置の様子の紹介があった。その後，セした材料であるが，耐酸性に関してはいまだ大メントをジオポリマーに置き換えたジオポリマ

きな弱点として存在している。そのため，耐酸ーポーラスコンクリートの具体的な開発方法に性を必要とする部分にジオポリマーの適用可能

ついて講演いただいた。

性があることがわかった。

2.2

2.3.2

技術動向の調査

県内企業への訪問調査（公財）日本コンクリート工学会がジオポリジオポリマーのコンクリート二次製品への適マーに関する「建設分野へのジオポリマー技術用の可能性を探るためにコンクリート二次製品の適用に関する研究委員会」を立ち上げた。そ製造企業を訪問した。

の目的は技術に関する国内外の既往の知見をと

下水道施設のコンクリート二次製品においてりまとめてジオポリマーの体系と期待できる品

耐酸性に課題があり，各社，ジオポリマーの持質を示すことなどが上げられている。その研究

つ耐酸性には興味があるようだった。加えて，委員会が開催する「建設分野におけるジオポリ

プレミックスされた状態で供給され，設備投資

マー技術の現状と課題」に関するシンポジウムを伴わないような材料や，耐塩害性や耐凍害性に参加し技術動向の調査を行った。

に優れた材料が望まれていた。

豪州では空港舗装をジオポリマーの現場打設で実施し，大分の酸性温泉地ではジオポリマー

コンクリート二次製品以外への適用を探るた
めに環境保全資材製造企業を訪問した。

製の道路縁石で施工が行われたことが紹介され，産業副産物を高付加価値製品にする技術にニ

ジオポリマーが利用され始めていることがわかーズがあり，産業副産物から骨材や吸着材などった。ジオポリマーコンクリートの環境影響ににする技術の一つとしてジオポリマー技術を適関する定量的考察，乾燥収縮による体積変化を用する可能性があることがわかった。

抑制するための添加剤の開発や化学的浸食抵抗に関する報告などがあった。ジオポリマーの標

2.4

工業技術総合研究所の取り組み

準配合例示を目指し活動している研究委員会か

ジオポリマー硬化体がセメント系硬化体と同ら標準配合が例示されれば，コンクリート二次程度の機械的強度を持つのかを調べるため，ジ製品へジオポリマーの適用が容易になると思わ

オポリマーモルタル試験体を調製し，圧縮強度れる。ただ，フライアッシュや高炉スラグは排試験を行った。また，ガス吸着材としての可能

出場所や季節により組成が異なるため，地域ご性を検討するため，ジオポリマーによる粉体試とのローカル配合を考えるのが良いとの意見が料を調製し，硫化水素吸着試験を行った。

あった。

− 92 −

表1

ジオポリマーモルタル試験体の配合条件

試料名

単位量（g/L）
水酸化ナトリウム水溶液
水ガラス
203
174

フライアッシュ750

ジオポリマーモルタル試験体

表2

細骨材
1056

使用した材料

材料名

種類（密度）

既存の研究結果を参考に 2)，表 1 の配合条件

フライアッシュ2 種相当（2.26g/cm3）

及び表 2 の材料で試験体を作製した。試験体の水ガラス

1 号相当（1.67g/cm3）

水酸化ナトリウム水溶液

5mol/L（1.19g/cm3）

細骨材

標準砂（2.64g/cm3）

2.4.1

圧縮強度試験

作製方法は以下のとおり。
①

水ガラスと水酸化ナトリウム水溶液を混合しバケツに投入した。
フライアッシュを投入し，ハンドミキサー
で 30 秒間練り混ぜた。

③

細骨材を投入し，ハンドミキサーで 90 秒間練り混ぜた。

④

紙製型枠（φ50×100mm）に二層打ち込み
し，振とう器で固締めした。

⑤

型枠上面を養生フィルムとビニールテープ

60
圧縮強度（N/mm2）

②

50
40
30
20

セメントモルタルの10

一般的な圧縮強度（28 日）

0で封緘，初め 6 時間は 80℃，その後養生開始後 48 時間まで室温で養生した。
⑥

0510 15 20 25 30 35
材齢（日）脱枠を行い，圧縮強度試験前に圧縮面に対

図2

圧縮強度試験

し研磨を行った。
圧縮強度試験の結果を図 2 に示す。材齢 3 日
で圧縮強度が 30N/mm2 に達し，材齢 28 日ではルタルの材齢 28 日における圧縮強度の範囲と比較して、同程度の圧縮強度が出ていることがわ
かる。
2.4.2

硫化水素吸着試験

表 3 の配合及び養生条件で混合作製し，粉砕して調製した試料について硫化水素吸着試験を行った。使用したフライアッシュ，水ガラス，

1000
硫化水素濃度（ppm）

45N/mm2 に達した。図中に付記したセメントモ

blank

100

活性炭
GP-RT
GP-80

10
1
0.1
0.01

0 10 20 30 40 50 60 70 80
経過時間（h）

水酸化ナトリウム水溶液は表 2 と同じものである。対照試料として一般的な吸着材である活性表3
硫化水素吸着試料
GP-RT
GP-80

図3

硫化水素吸着試験

硫化水素吸着試験試料の配合及び養生条件

フライアッシュ（g）

水ガラス（g）

水酸化ナトリウム水溶液（g）

124
124

34
34

29
29

− 93 −

養生条件
室温80℃で 24 時間封緘

炭を用いた。テドラーバッグに各種試料 0.5g をニーズがあり，その一つとしてジオポリマ

入れ，硫化水素濃度 900ppm のガスを 4L 導入し，

ー技術の適用可能性があることが分かった。

所定の時間ごとに硫化水素用ガス検知管を用い(4) 圧縮強度試験においてジオポリマーモルタてテドラーバッグ内の硫化水素濃度を測定した。

ルは通常のセメントを用いたモルタルと同

硫化水素濃度の経時変化を図 3 に示す。活性程度の強度を示した。また，硫化水素吸着

炭と比べ，ジオポリマーは硫化水素をよく吸着試験において，ジオポリマーが硫化水素にすることが分かった。今回の条件では特に室温対して優れた吸着能がある可能性が示唆さ

下で養生したもので硫化水素吸着能が優れてい

れた。

た。
参考文献
3.

結

1)

言

& Applications 4th edition,2015, pp. 11-14.

(1) ジオポリマーについて基礎から応用に関するセミナーを開催し，企業などから 29 名のJoseph Davidovits，GEOPOLYMER Chemistry2)

前川明弘，“ジオポリマーコンクリートの乾燥収縮特性に関する基礎的研究”，参加があった。
(2) 下水道施設のコンクリート二次製品におい「建設分野におけるジオポリマー技術の現て耐酸材料のニーズがあり，ジオポリマー

状と課題」に関するシンポジウム，2016，の適用可能性があることがわかった。

pp. 75-80.

(3) 産業副産物を高付加価値製品にする技術に− 94 −

調査・報告ドローンを活用した 3D 計測技術に関する調査研究
高橋

靖*
馬場

好勝*

松本
大輔

**

大野

浦井
宏

和彦*

***

A Report of Measurement technology for Three-dimentional Shape Data by Utilizing Drone
TAKAHASHI Yasushi*，MATSUMOTO Yoshikatsu*，URAI Kazuhiko*，
BABA Daisuke** and OHNO Hiroshi***

1.

緒

言

近年，進歩が著しい無人航空機ドローンを活

2.

活動概要

2.1

セミナーの開催

用した 3D 形状計測技術については，地形測量，

ドローンの活用方法における最新技術，およ自然災害調査，建築物・構造物の検査・点検なびドローンを活用した三次元計測技術を県内企

どの用途で開発が進められている。

業へ情報提供するため，セミナーを 2 回開催し一方で県内には，鉄道車輛，船舶，建設機械，

た。内容を以下に示す。

化学プラントなど，比較的大きな製品の製造に携わる企業が存在している。これらの大型製品

第 1 回ドローン計測研究会

がその性能を期待どおりに発揮するためには，

開催日： 平成 28 年 8 月 9 日（火）寸法，形状，幾何公差など，作られた製品の計

会場：上越テクノスクール

測とその精度管理が重要となる。

人材開発センター実習場，および体育館

しかしながら現状では，大型の製品や部品の参加者：61 社，105 名

寸法測定は，生産者が独自で設備投資を行う場

演題 1：「UAV 利活用に必要な考え方」

合，高価なものとなり，大きな負担となってし

講師：国立大学法人岐阜大学

工学部付属イン

まうことに加え，測定自体も対象物が大きくな

フラマネジメント技術研究センター

るほど困難となる。高価な測定機を導入し，計教授

沢田 和秀 氏

測を行っている企業も存在しているが，一般的

内容：ドローンを用いた空中写真測量を土砂災には上記の理由から精度の高い計測を実施でき

害・落石対策に活用する事例を交えながら説ない企業は多い。

明。ドローンは空中写真撮影・測量の分野に

そこで本調査研究では，このような問題を解おいて大変有効なツールである一方，運用目決するため，ドローンを活用した 3D 形状計測

的を明確にすること，および運用方法の適性技術について，現状の 3D 計測技術で実現できを事前に検討することの重要性を解説している精度の確認や技術課題の把握を行い，企業ニ

ただいた。

ーズに整合した研究テーマの提案を探索するこ

演題 2：「ドローンの基礎と現状～ロボット産とを目的に，調査研究を行った。
* 上越技術支援センター** 下越技術支援センター***

研究開発センター

業の展望」
講師：金井度量衡（株）
画開発部部長

執行役員 UAV 企

吉田 雄一氏

内容：ドローンは空中写真撮影・測量のほか，− 95 −

様々な分野において大変有効なツールである

対象企業：輸送機械製造業，一般機械製造業，

一方，システムとして脆弱なために運用する

金属製品製造業調査結果：対象企業では，アーム式 3D 測定

上でのトラブルやリスクがあり，法令，規則の遵守が求められる点などを啓発していただ

機や大型三次元測定機などを利用している。

いた。
2.2.2
第 2 回ドローン計測研究会

調査

開催日：平成 29 年 2 月 7 日（火）会場：上越テクノスクール

プラントの現物合わせに関するニーズ

対象用途：現物合わせ時の現場計測，配管プ

人材開発センター

ラント，コンクリートブロックなどのボル

実習場

トや取付穴の位置計測

参加者：34 社，51 名

対象企業：プラント設計メーカー

演題 1：「デジタル写真測量の基礎から応用」

調査結果：地上型 3D レーザースキャナーを

講師：ジオアカデミーコンサルタント

用いた計測方法が実用化されており，ドロ田中 邦一 氏ーン計測が必要とされない。

内容：デジタルカメラで撮影した画像から，撮影位置を再現し，3D 計測をする原理と，そ2.2.3

れに使われる主要なソフト，応用分野などに対象用途：風力発電，水力発電，火力発電，

ついて解説していただいた。

太陽光発電などの現場点検やメンテナンス，

演題 2：「ドローン計測研究会の調査報告 」
講師：上越技術支援センター

現場点検補修に関するニーズ調査

補修に必要な部品の寸法測定

高橋 靖

対象企業：エネルギー機器関連メーカー，メ

内容：市販のデジタルカメラと SfM（Structure

ンテナンスメーカー

from Motion）ソフトを用いた 3D 計測の事例

調査結果：既にいろいろな企業によりドローなどを紹介するとともに，研究会の活動内容

ンを用いた点検サービス技術の開発が進めについて説明した。

られている。検査方法が規格に定められている場合には，開発した検査技術が採用さ

2.2

ニーズ調査

れないことも想定される。

ドローンを活用した 3D 形状計測に関する県
内企業ニーズを把握するために，企業訪問によ2.2.4

アンケート結果

る聞き取り調査を実施した。調査では，①大型

2 回実施したセミナーでは，建設業が参加者

製品測定，②プラントの現物合わせ，③現場点の 7 割以上を占め，測量における精度確保を具検補修，の 3 つのニーズを想定し，該当する企

体的にどのように行えば良いか，ドローンによ

業への訪問調査を実施した。また，セミナー開る飛行方法や撮影条件，解析方法などの課題が催時にアンケートを実施した。以下に，ニーズ挙げられていた。一方，製造業の参加は 1 割と調査，アンケート結果の内容を示す。

少なく，具体的なニーズはみられず，大型製品

2.2.1

測定に関する具体的な技術提案が必要であるよ

大型製品測定に関するニーズ調査

対象用途：船舶，鉄道車輛，建設機械などハうに感じられた。

ンディスキャナーでは計測困難なメートル
サイズの大型製品，構造物の 3D 形状測定，

2.3

主要寸法測定など

技術動向調査

ドローンを計測装置のプラットフォームとして用いる場合，搭載するセンサには，①小型・− 96 −

軽量，② 高速計測，高速処理，③安価である

飛行速度：1m/sec

ことが求められる。そのため，現時点では，レ

測定対象：小型自動車（日産 AD バン，長さーザースキャンとデジタル写真測量による 3D

4.4m，幅 1.7m，高さ 1.5m）

形状取得技術が実用化されているのみである。

撮影枚数：30 枚程度

以下にその特徴を述べる。

天候：晴れ

2.3.1

レーザースキャン

レーザー光をパルス照射し，測定対象から反3.1.2

空撮画像から 3D 形状の構築

射するレーザー光との時間差より距離を求め

使用ソフト：AgiSoft Photoscan Std（TOF 方式，位相差方式），GNSS/IMU から試験方法：SfM ソフトによる 3D 形状の構築得られるセンサの位置・姿勢情報をもとに絶対試験結果：図 1 に示す。透明のガラスの部分

座標を求め，点群データを収集する。ドローンを中心に，細部の形状が構築できていない。

向けに小型軽量のレーザースキャナーが販売さ

概ね 3D 形状を構築できることはわかった

れているが，数千万円と非常に高価である。

が，まずはドローンに搭載する前の段階の
写真測量技術について，更にノウハウを蓄

2.3.2

デジタル写真測量

積する必要があると考えられる。

ドローンによる空中写真を SfM ソフトにより処理する方法。SfM は重複した連続画像から，特徴点を自動抽出，ステレオマッチング，標定を行い，特徴点の相対座標を求め，別に求めた基準点により絶対座標を得る 1)。デジタルカメ
ラは一眼レフカメラが多く使用され，数万円から数十万円と比較的安価である。SfM ソフトは，
100 万円くらいからフリーのものまで様々あり，その種類やグレードにより，性能，精度に違いがみられる 2)。

図1

3.

工業技術総合研究所の取り組み

3.2

3.1

予備試験

3.2.1

3D 形状の構築結果

ドローンを活用した 3D 計測技術の課題
ドローンの飛行制限

デジタル写真測量，SfM ソフトによる 3D 計

現在，日本国内ではドローン飛行の安全運用

測について検討するため，ドローンによる空中を確保するため，様々な法律や条例などで規制

写真撮影から，SfM ソフトによる 3D 形状の構がかけられている。航空法に抵触する場合には，築までを検討した。

国土交通大臣の許可を得る必要がある。そのた

3.1.1

め，屋外で飛行する空域，飛行の方法について

ドローンによる空中写真撮影

試験機器：DJI Phantom4pro+

は注意が必要である。また，航空法に抵触しな試験方法：Point of interest により定点旋回飛い空域や飛行方法であっても，私有地で飛ばす行しながら静止画像を任意に撮影した。

場合には，その管理者への許可を得る必要があ

飛行高度：＞5m

る。有料のドローンフィールドや屋内飛行であ

旋回半径：＞5m

れば特に問題はない。

− 97 −

3.2.2GPS に代わる屋内測位技術

あらかじめその絶対座標を求めた対空標識の設

ドローンを屋内や構造物の下を飛行させる場

置，測定対象物へのマーカーの貼付，あるいは合は，GPS の電波が及ばないため，これに代一緒に撮影する基準尺の設置が必要になる。そわる方法でドローンの位置を測定し認識させる

れらの基準設定方法が測定精度に大きく影響を必要がある。この課題への対策としては，与えるとされ，検討が必要である。

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）
や IMES（Indoor MEssaging System） ，iGPS

4.

（indoor GPS）などの技術が既に開発されてお(1) 2 回のセミナーを開催し，延べ 95 社 156 名

3)

結

言

，これらの実装が必要となると思われる。

の参加があり好評を得た。参加者は建設業

なお，市販のドローンでも，CCD カメラや赤が 7 割以上を占め非常に関心が高いことが外線センサ，超音波センサなどを搭載して安定わかった。一方で製造業は 1 割程度と関心飛行させるといった測位によらない方法での制が低かった。

り

御技術の進展がみられるため，これらの内蔵さ(2) ニーズ調査では，①大型製品測定，②プラントの現物合わせ，③現場点検補修，の 3れた機能を利用する方法も考えられる。

つを想定し調査を実施したが，研究テーマ
3.2.3

測定対象の適応性の検討

提案につながるような有力なニーズは見つ

デジタル写真測量では，いかにピンボケのなからなかった。また，測定レンジや測定精い写真を撮影するか，また，背景，照明をどの度は，対象により大きく異なること，既存ように設定するかなどの写真撮影技術に関する技術と競合があることもわかった。

ノウハウが必要とされる。また，レーザースキ(3) SfM ソフトによる 3D 形状の構築を試みた

ャンでは，透明体や，反射率の低い黒色の対象

が，細部の形状が再現できず，更にノウハ

物など，データ取得の不得意な対象物の表面がウを蓄積する必要があると考えられる。

あり，表面テクスチャーの影響を除去する表面処理方法や適応対策についての検討が必要であ

参考文献

る。

1) 日本写真測量学会，三次元画像計測の基礎
バンドル調整の理論と実践，2016．

3.2.4

2) 近津博文他，UAV 写真測量における三次

SfM ソフトの検討

3D 計測に SfM を用いる場合，その精度を向元モデリングソフトウェアの性能評価，写上させるため，撮影枚数，オーバーラップ，サ真 測 量 と リ モ ー ト セ ン シ ン グ ，vol.55，

イドラップ，ソフトウェアの種類や処理条件のno.2，2016，pp.117-127．
3) 小特集「Indoor 3D～屋内マッピング・屋内検討が必要である。

測位・屋内ナビゲーションの最新研究」，
3.2.5

写真測量とリモートセンシング，vol.55，

基準設定方法の検討

デジタル写真測量による 3D 計測においては，− 98 −

no.4，2016，pp.232-253．

調査・報告テキスタイルと異種材料の接合による加飾加工に関する調査研究
橋詰

史則*

古畑

雅弘*

渋谷

恵太*

山田

敏浩**

田辺

寛***

河原

崇史*

Report of Market and Technology Trends of Decorative Processing
by Joining Textile and Dissimilar Materials
HASHIZUME Fuminori*，FURUHATA Masahiro*，SHIBUYA Keita*，KAWAHARA Takashi*，
YAMADA Toshihiro** and TANABE Hiroshi***
1.

緒

言

自動車内装部品や携帯情報端末をはじめとした生活用品分野において，製品表面に高い質感を付与する加飾技術が幅広く用いられている。
加えて近年は視覚的外観の向上にとどまらず，
触感の心地良さを伴う加飾技術の向上が求められている。そこで織物，ニット，不織布などのテキスタイルを表面へ接合することにより機能

図1

講演会の様子性や高い質感を付与する加飾技術について調査

開催日：平成 28 年 12 月 8 日や実験を行い，新しい加飾技術やそれを活用し演題：「ものづくりの付加価値を高めるプラス

た新商品の開発に結び付けることを目的としたチック加飾技術の最新動向」

調査研究を行った。

講師：秋元技術士事務所

所長

秋元英郎氏

概要：プラスチック成形品は通常の一次成形品
2.

活動概要

のままでは安っぽく，冷たい感じがしてしまう。

2.1

研究会の開催

そこで金属の光沢感や皮革のシボ感など，高級生活用品や自動車部品などにおいて幅広く使感のある他の素材の質感を追求し，樹脂の特徴

用されているプラスチック成形品における加飾を活かして品格を良くするプラスチック加飾技

技術の現状や市場動向について講演会を開催し，術が使われている。これは金型内で行うものと36 名の参加を得た。図 1 に講演会の様子を示す。

金型外で行うものの二種類に大別される。さら

加飾加工技術研究会の事業紹介も併せて行った。

にそれぞれ塗る，貼る，転写する，という手法

アンケート調査では，講演内容には「非常に参で分類することができ，目的や長短に応じて使考になった」「参考になった」の回答が 9 割をい分けられている。加えて最近では大容量デジ

超え好評であった。講演内容は以下のとおり。

タルデータの取り扱いが可能になったことから，*

素材応用技術支援センター**

研究開発センター
レーザー・ナノテク研究室***

県央技術支援センター

金型に直接シボやテクスチャの形状を切削加工する技術が注目され始めてきている。今後も高級感の演出のため，環境に配慮した手法で高付加価値を得る加飾技術の進歩が予想される。

− 99 −

2.2

技術動向

プラスチックの通常成形品は，表面の外観品
質や質感，耐光性や表面硬度が不足しており，
現在は塗装，メッキといったウェット加飾が一
般的に行われている。しかし，自動車生産時のCO2 排出量において塗装工程の占める割合が大
きく，VOC と合わせ排出削減が課題となっている。 1）

そこで上記手法を用いないドライ加飾
図2

手法が注目されてきている。

布施真空 TOM 工法サンプル

1 点目は NSD（ノンスキンデコレーション）

布施真空 TOM 工法をはじめとして各社が手法と呼ばれる表面層を付与しない加飾である。高を提案しているとともに，多様な被覆用フィル

外観原着樹脂を使用して塗装に近い発色やメタム素材が開発されている。図 2 に TOM 工法サン

リック感を得る手法や，大容量デジタルデータ

プルを示す。自動車部品に多く使われており，により金型表面にシボなどを切削加工し，射出接着，塗装，印刷が困難な素材であるポリプロ

成形により微細な表面凹凸を得る手法がある。

ピレンを対象とした接着資材や加飾シートも各

2 点目はフィルム貼合や転写などにより表面社から提案されている。天然木を使用したフィ層を付与する加飾であり，意匠表現性や機能付

ルム素材や本漆を用いた塗料，本物同等の質感

与性に優れる。先に目的形状に賦形した成形品を備えたスエード材などもあり，本物感の追求

を装置内に設置し，真空成形技術を応用して真は継続するものと考えられる。

空圧および大気圧・圧縮圧によりフィルムを成

スポーツ用品分野では，防汚性，抗菌性とい

形品に被覆または転写する「TOM 工法」が代表った清潔感の維持，滑り止めや美観といった機的なものである。逆テーパー形状や端末巻込み

能性の付与や，クッション性や視認性といったも可能であるが，フィルム被覆のみ加工後のト安全性向上のための表面質感の付与がなされてリミングが必要である。多種多様な加飾フィルいる。

ムがあり 270 社以上がフィルム製造に参入して介護福祉用品分野では，介護現場でのロボットスーツにおいて，安心感を与える外観やソフいると言われている。
3 点目は塗装の高度化である。インクジェッ
ト塗装は UV 硬化型高粘度インク吐出により絵トな表面質感について適用の可能性があることが分かった。

柄と表面凹凸形状の付与が可能である。金型内

県内企業の訪問調査ではテキスタイルを用いで塗装を行う IMP（インモールド塗装）では，た加飾技術のニーズについて調査したところ，

金型内で樹脂射出成形後，型をわずかに開いて

各企業製品の内外装においてテキスタイル接合

塗料を注入し再度型締めし塗料を硬化させる。

による加飾適用の可能性があることが分かった。

金型表面形状の転写性に優れ，鏡面やシボの塗実際の製品への適用を目指して引き続き連携し膜面を得ることができる。タレやゴミの付着がて取り組んでいく。

無くミリ単位の厚い塗膜を得ることも可能で環3.

境負荷も少ない。

工業技術総合研究所の取り組み
テキスタイルと異種材料の接合に関して，手2.3

法や素材の組み合わせによる接合可否や状態を市場動向，県内企業の動向

各展示会視察により市場動向を調査した。

確認するため，2 手法による試作を行った結果

フィルム被覆・転写による加飾技術関連ではを報告する。

− 100 −

3.1

金属との熱圧着，プレス形状付与

純アルミニウム，A5052，SUS304 の板材に対して 4 社 5 種の熱圧着シートを使用して，綿，ナイロン，スエード調，合成皮革の生地をホットプレス機により圧力をかけながらシート溶融
温度まで加熱し接合した。その後，球頭および角筒プレス金型によりプレスを行った。実製品
図4を想定した際の外装にあたる凸面側，内装となる凹面側の両方にテキスタイル面が来るように

インモールド射出成形サンプルを調べた。図 4 に射出成形サンプルを示す。

実施した。図 3 に角筒プレスサンプルを示す。

その結果，被接合材料と樹脂の組合せによっその結果，繊維の強度が高く伸縮性がほとんて接合強度に差が出ること，型締め力や射出圧

ど無いナイロン生地や，厚みがある生地以外はにより風合いの潰れや樹脂流れ方向に生地うね

破れやシワ，剥離が無くおおむね良好に形状付りが発生するなどの課題があることがわかった。

与することができた。
本手法においては熱圧着接合後に必要寸法や

4.

結

言

形状にトリミングしてプレスするため，金属が（1）プラスチック加飾技術に関するセミナー

露出した端面となることと，端部からテキスタを開催した。県内企業 36 名の参加者に対

イルのほつれが発生する恐れがあることから，し，加飾技術の概要や最新動向について

覆う，隠すなどの仕上げ方法の研究が必要であ情報提供を行った。

る。また県内企業などの意見として表面テキス（2）見本市視察やセミナー参加により，技術

タイルの耐久性や防汚性，防水性の向上が挙げ

動向や市場動向を調査した。また，県内られており，その改善方法の研究も課題である。

企業への訪問調査により，テキスタイル
接合による加飾の製品への適用の可能性

3.2

インモールド射出成形による接合があることがわかった。

県内の射出成形企業の協力を得てテスト用金（3）テキスタイルと金属を熱圧着シートで接型と射出成形機を借用し試作を実施した。テキ合しプレスにより形状付与する試作につスタイル，アルミニウム板，硬質繊維ボードないて，良好な結果を得ることができた。

どの計 8 種類の被接合材料を金型内に設置し，本手法の製品適用に向けた企業との連携

ポリプロピレン，ABS，熱可塑性エラストマー

や端面処理方法の研究を継続する。

の 3 種類の樹脂を射出成形し接合の可否や状態（4）インモールド射出成形によるテキスタイ
ルと樹脂の接合では，接合強度や風合いの潰れなどが課題であることがわかった。
参考文献
1）https://www.toyota.co.jp/jpn/sustainability/environment/challenge2050/6challenges/pdf/presentation_3.pdf，工場 CO2 ゼロチャレンジ，「トヨタ自動車ホームページ」，平成 29 年
4 月 12 日.

図3

SUS 角筒プレスサンプル− 101 −

調査・報告ファインバブルに関する調査研究
内藤

隆之*

星野

公明**

天城

裕子***

Report of Market and Technology Trend of Fine-buble Technology
NAITO Takayuki*，HOSHINO Kimiaki** and AMAKI Yuko***

1.

緒

言

2.

ファインバブルとは，直径 100μm 以下の気泡

活動概要

2.1

講習会の開催を総称した呼称である。さらに直径 1μm を境と県内企業などのファインバブルに対する関心して大きい気泡をマイクロバブルと呼び，小さ度を計る目的で講習会を開催した。講習会の様

い気泡をウルトラファインバブルと呼んで区別

子を図 1 に，内容を以下に示す。

する。なお，ウルトラファインバブルの呼称については，既にナノバブルやマイクロナノバブ

開催日：平成 29 年 3 月 10 日（金）ルとの呼称が定着しているものの，今後ファイ

参加者：16 社 19 名

ンバブルの定義について ISO 化が実施される見通しであり 1)，ウルトラファインバブルの呼称

講演：「ファインバブルの計測技術」

が徐々に浸透していくものと考えられる。
またファインバブルは，水中への易溶性のほ「ファインバブルの応用と国際標準化の動向」

か，水中で浮遊する気泡（特にウルトラファイ

講ンバブル）の存在による効果に特徴があるとさ（株）島津製作所

れている

2)。しかし，この浮遊する気泡の計測（粒度分析）は困難であり，今日まで確立され師：

分析計測事業部

試験機ビジネスユニット

プロダクトマネージャー

島岡

治夫

氏

た粒度分析方法がなく，ISO 化に向けていくつ参加者はファインバブルに関心のある方々でかの方法が検討されている状況である。
そのような状況の中，『NIIGATA 開県プロジあり，本講習会を大変好意的に受け止めていたェクト』における「新潟清酒ブランド構築」にだけた。また，研究会の設立に関する期待も高向けた取り組みとして，新潟清酒へのファイン

いことがわかった。

バブル活用を検討するため，ファインバブル径計測装置を導入することとした。
そこで，本調査研究では，ファインバブルの粒度分析装置について市場動向を調べ，粒度分析における現状と課題を報告する。また，ファインバブル技術に関する特許出願動向についても報告する。
*

下越技術支援センター

**

企画管理室

***

中越技術支援センター

図1− 102 −

講習会の様子2.2

出願件数は 2004 年から急激に上昇したことが技術動向調査2.2.1

ファインバブル計測装置わかった。また，出願人の国籍について，日本

バブル計測に関して，関係する産官学の参加した団体（（一財）ファインバブル産業界：
FBIA）が平成 24 年に設立されており，ここで計測方法の国際標準化と認証制度などの研究・検討が行われている。

国と外国で比較すると，1,046 件のうち日本国
946 件，外国 100 件であった。
次に用途別の出願割合について，国別（日本
国と外国）で調べた結果を図 3 に示す。日本国

ファインバブル径計測装置には，レーザー回では発生装置と水処理（排水処理など）で 6 割

折･散乱法，動的光散乱法，粒子軌跡解析法，を占めていることがわかった。一方，外国から電気的検知帯法などを利用した計測装置がある。

の出願傾向では医療装置関連（主に超音波画像

FBIA では，ファインバブルの効果を検証する装置および像映剤に含ませて利用）に 7 割を占ため，気泡径（nm,μm）と個数濃度（個/ml）のめていることがわかり，付加価値の高い医療部

測定を必須としている。

門に特化している特徴を認識できた。

これまで測定試験の実施を製品評価技術基盤機構（NITE）に委託し，粒子軌跡解析法による測定方法案を先行して作成している。
ファインバブル径の濃度測定ができる方式は，

2.3

工業技術総合研究所の取り組み

装置導入において，機種を選択する経緯を整理すると，以下のようになる。

レーザー回折･散乱法と粒子軌跡解析法である。

・主な計測方法は，レーザー回折・散乱方式，

また，1μm 未満の気泡測定は静置状態での計測

動的光散乱方式，粒子軌跡解析方式がある。

となる。一方，1μm 以上の気泡測定は静置状態

・気泡径の測定条件には 2 とおりがあり，計測では浮上するために通水させながらの計測となするファインバブル水を測定容器内に静置する。

る場合と，測定容器中を通水させる場合があ
る。

2.2.2

特許出願

・レーザー回折･散乱方式は静置でも通水でもファインバブル技術に関する特許出願のうち「マイクロバブル」，「ナノバブル」で検索し測定ができる。
・動的光散乱方式と粒子軌跡解析方式は静置でた 1,046 件について，①出願日、②用途の 2 項目を調べた。出願件数の推移を図 2 に示す。

のみ測定ができる。
・気泡径 1μm を境にして計測の可否があり，

(件数)

(年)

図2

ファインバブルの特許出願推移− 103 −

(a)日本国からの用途別の出願割合
図3(b)外国からの用途別の出願割合

ファインバブルの用途別の出願割

1μm 以上の気泡（マイクロバブル）は液中を（2）ファインバブル径計測では，粒径分布測浮上するため，通水でのみ測定ができる。

定において各粒径範囲毎の濃度測定（個・動的光散乱方式と粒子軌跡解析方式は 1μm 未
満の気泡（ウルトラファインバブル）のみ測

数/ml）が重視されている。
（3）特許出願動向では 2004 年から急激に出願定ができる。

件数の増加が見られ，発生装置と水処理

このことを踏まえて，計測範囲が広く，多様関連で全体の 6 割程度を占めていた。

な要望に応え得るレーザー回折･散乱方式の装（4）醸造試験場と連携し，酒造りにおいてフ置を導入した（図 4）。
2.4ァインバブル技術の適用を検討する。

県の取り組み参考文献『NIIGATA 開県プロジェクト』における「新1) 日刊工業新聞，“ファインバブル ISO 化”，
平成 29 年 2 月 16 日.

潟清酒ブランド構築」に向けた取組みとして，
新潟清酒へのファインバブル活用を検討するた

2) 矢部彰ほか，“ナノバブルによる固体微粒子

め，次年度から醸造試験場と連携し，酒造りに汚れの洗浄”，伝熱，43，183，2004，pp.16-

おけるファインバブル技術の適用を検討する。

18.

3.

結

言

（1）『NIIGATA 開県プロジェクト』における「新潟清酒ブランド構築」に向けた取り組
みとして，新潟清酒へのファインバブル活用を検討することし，当該プロジェクトでの県産品等認知度向上機器整備費によりファインバブル径計測装置（レーザー回折・散乱方式）を導入した。

図4− 104 −

ファインバブル径計測装置

工 業 技 術 研 究 報 告 書№46

平成28年度

平成29年6月

発行

編集発行人

新 潟 県 工 業 技 術 総 合 研 究 所

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