工 業 技 術 研 究 報 告 書
Report of the Industrial Research Institute of Niigata Prefecture No.37 2008

No.37

2008

新潟県工業技術総合研究所
Industrial Research〒950-0915
1-11-1

Abumi-nishi,

Institute of

Niigata

Prefecture

新潟県新潟市中央区鐙西 1-11-1

Chuo Ward, Niigata City, Niigata 950-0915, Japan

目
Ⅰ

次

創造的研究
1．［研究論文］食品産業支援の化学チップ開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3Ⅱ

政策型受託研究1．
［研究論文］フェライト系ステンレス鋼の温間絞り加工技術・・・・・・・・・・・・ 11（誘導加熱用鍋釜の軽量化に関する要素技術開発研究）
2．［技術レター］プラスチック製機能部品のナノレベル成型技術に関する調査研究・・18
3．［技術レター］次世代工作機械に求められる高度要素技術に関する研究調査・・・・21
4．［技術レター］新潟の匠の技を継承し発展させるための計測と制御に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・24
5．［技術レター］機能性材料の製造技術と用途開発に関する研究調査～吸着・脱離・触媒作用を有する新材料の活用～・・・・・・・27
6．［技術レター］産業用インテリジェントロボット制御技術に関する調査研究・・・・31
7．［技術レター］先端加工技術に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・・36
8．［技術レター］表面高機能化技術に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・42

Ⅲ

競争型受託研究1．［研究論文］温間対向圧力プレス成形技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・49
2．［研究論文］ステンレス鋼の温間再絞り加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・56
3．［研究論文］マグネシウム合金パイプ材の曲げ加工技術の開発・・・・・・・・・・63
4．［研究論文］金型均熱化技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・68
5．［研究論文］Mg 合金の実用的な表面処理技術の開発および評価（第 1 報）・・・・・76
6．［研究論文］介護予防のための筋力向上トレーニングロボットシステムの研究開発・83
7．［技術レター］金属ペーストを用いたカーボンナノチューブの生成・・・・・・・・89

Ⅳ

共同研究
1．［技術レター］ナノ加工の精密バリ取りに関する研究・・・・・・・・・・・・・・95

Ⅴ

実用研究・小規模研究・ミニ共同研究
1．［技術レター］X 線回折によるオーステナイト系ステンレス鋼の表面加工層の評価方法に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・101
2．
［技術レター］CAE の効率的活用に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・104
3．［技術レター］非導電物の表面形状評価に関する研究・・・・・・・・・・・・・ 107
4．［技術レター］パソコンを用いた計測制御の一例・・・・・・・・・・・・・・・ 110
5．［技術レター］ユトラスエース®を使用するグリーストラップ油塊分解装置の開発・113
6．［技術レター］ICP 分析の高精度化に関する研究（マトリックス元素の影響）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 115
7．［技術レター］ユニフォーム上の汚れ発生メカニズムに関する研究・・・・・・・ 117
8．［技術レター］染色堅ろう度試験における計器による判定の適用の研究・・・・・ 120
9．［技術レター］ポリエステル／ポリプロピレン二重構造編地の機能性評価・・・・ 123

創

造

的

－1－

研

究

－2－

研究論文

食品産業支援の化学チップ開発
永井

直人*

笠原

勝次*

佐藤

健**

On-plate chromatographic spectroscopy using Marangoni and/or Poiseuille flow
NAGAI Naoto*, KASAHARA Katsuji* and SATO Takeshi**

抄録

数 cm 程度の大きさのプレート上にカバーグラスを傾斜をつけて配置し，その隙間に溶媒や溶液を導入して流れを形成して試料の組成物をプレート上に分離・展開する方法を開発した。流れはプレー
トの異なった場所に異なった表面張力の物質を吸着させる。その吸着物質を赤外分光やラマン分光などのマイクロプローブを利用して組成や化学構造の変化を議論できる。

1．緒言

近年，「食の安全・安心」の観点から食品中に混入する異物や残留農薬，産地や表示偽装などが問題となっている。新潟県は米や清酒などの特産品が多数存在し，食品製造業も多くあることから本問題で大きな影響を受ける可能性が高い。しかし，一般に加工食品は多種類の組成物で構成されており，その問題の原因を明らかにするための分析は容易ではない。
材料の構成物を分離分析する手法としてはク
ロマトグラフィーの手法を使ったものが多く 1)，
分離のための前処理で時間がかかる場合が多い
うえ，同一の物質に関して主構成物質から不純

図1

新しい化学チップ分離法の配置図術を要するためコストがかかる問題があった。

物まで分析するには多大な時間を要する。最近

本研究では食品分析のために低コストで主構はμ-TAS(Total Analysis System)，や Lab-on Chip

成物から微量不純物まで多様な分析に適用可能と呼ばれる手法によって小さいチップ上で血液な革新的チップ開発を目指している。

やタンパク質や DNA 解析を行うシステムが考

今年度は基礎的な原理の確立を行ったので，案されている 2)。これらは一般に集積化技術を

それに関して報告する。

利用して多くの種類の分子をチップ上に植えつけたり，微細な流路を作ってチップ上で反応を

2．実験および考察起こさせたりするものである。検出は蛍光色素を使い目的物質を効率良く検出するのが主流で2.1 実験的背景
シリコンウェハに金をスパッタリングし，あり，これらの方法は微細加工技術や集積化技

3cm×10cm ほどの長方形に切断したものを基* 下越技術支援センター

板とし，基板上に 1mmφ程度の大きさで試料**を固定する。そこに図 1 に示したようにカバー

研究開発センター－3－

とが見出された。例えば，図 4 は水 100cc に「イソジン」と「モンダミン」をそれぞれ 2 滴
加え，よく攪拌した液をこの薄膜ポンプで駆動させ現れたしみを顕微赤外分光で分析した結果である。図 3 で表記した Line-βと Line-δの位置
図2にはイソジンの成分のポリビニルピロリドンが液の挿入と気化の様子現れているが，Line-γに近づくにつれてモンダグラスを傾斜をつけてのせるシステムを考案しミンの主成分であるグリセリンも混ざって現れた。カバーグラスの厚さは約 0.15mm である。

ていることがわかる。分離が不十分のところも

その傾斜のあるカバーグラスと基板の間の隙間あるが分光分析は差スペクトルを計算できるメに溶媒が導入されると液は毛管現象によって固リットがあり，混合領域が現れても計算で分離定されギャップから漏れない。液を挿入するたを進めることが可能であることから，本手法をめには接触角測定装置を改造してシリンジ先端

我々の目指す食品分析に利用することを考えた

から液を最大ギャップの位置に滴下するシステ

5)。

ムを構築した。こうすると表面張力の異方性にしかしながら，本現象に関してはこれまで報よって液がカバーグラス下に連続的に導入され，告がなく，現象の解明が今後の分離向上を目指

試料が溶媒に浸されるようにカバーグラス直下

すうえで重要である。

を満たすことができる。この様子を図 2 に示し
っくりと最大ギャップから最小ギャップの方向

2.2 実験
現象を理解するために用いた溶液はエタノーに向かって移動する。これは表面張力の異方性

ル 100ml，ステアリン酸 4.2mg，ドデシル硫酸

によってその方向に力が働くとともに 3)，最小ナトリウム 3.7mg，グリセリン 4.5mg である。

ギャップのラインからの溶媒の気化が大きいこ

以下この溶液を「溶液 A」と呼ぶことにする。

とによると考えられる 4)。以下これを液を水平これを薄膜ポンプで導入して基板上に残る成分

方向に駆動させる系であることから「薄膜ポンを分析した。なお，本現象で溶質成分が現れるプ」と呼ぶことにする。この操作の後，溶媒のことは吸着であると予想されることから，それ気化を待ってからカバーグラスをはずすと図 3

ぞれの物質の表面張力を調べるとグリセリンでに示したような最大ギャップ以外のカバーグラ

0.063N/m3)，ドデシル硫酸ナトリウムでスの周囲に沿ったしみが形成される。このしみ0.050N/m6)，ステアリン酸で 0.033N/m7)であった。液が満たされた後，放置しておくと液はゆを分析すると試料の構成物が分離されているこ

図4
図3

液の気化後に形成されるしみ「イソジン」と「モンダミン」で形成されるしみの赤外分析の分布－4－た。溶解度の違いによる析出である可能性も考えられるのであるが，水への溶解度が極めて高いグルコースをわずかに水に溶かし薄膜ポンプで本実験を行うと，Line-β，Line-γ，Line-δのそれぞれにしみが現れた。本現象が析出だとしたら，溶解度の高い物質の場合は Line-γのみにしか現れないと予想されるが，このような実験事実からしみが現れる主な効果は吸着によるものであると考えられる。なお，応用としては市販のサプリメントである「ブルーベリーエキ

図6「溶液 A」の分離実験結果 2ス」の組成物を調べた。これは色素が入っているため，流体の流れを観察するためにも利用す果を示した。この場合は長さが長かったためかることができる。

Line-γ上にはあまりしみが残らなかったが，Line-β上に残ったしみは顕微鏡で観察しても明

2.3

結果と考察

らかに異なるものであることが分かる。a の部

図 5 には溶液 A を 18mm 角のシリコーンコ

位ではステアリン酸が，b の部位ではドデシルートカバーグラス（シリコーンコートの場合は硫酸ナトリウムが，c の部位ではグリセリンが液の流動速度が遅くなる）で薄膜ポンプを駆動認められた。図 5 の実験では分離は不十分ではした場合にできるしみの顕微鏡画像と赤外スペあったが，Line-β上での並び方が（ギャップ厚クトルを示した。a の部位ではステアリン酸のさの大きい方向から）表面張力の小さい物質かみが検出されている。b の部位ではステアリン

ら大きい物質になっているという図 6 の結果と酸とドデシル硫酸ナトリウムとグリセリンが認ほぼ合致している。一方，Line-γではギャップめられる。c ではグリセリン比率が高くなって厚さの大きい方向から小さい方向へむしろ逆でいる。一方，Line-γ上では d の位置でほとんど表面張力の大きい物質から小さい物質へと並んグリセリンであるのに対して e の位置ではステでいるように思われる。

アリン酸も混ざってくる傾向が認められる。な

物質の物理吸着は Defay によって示されるよ

お，Line-βと等価な Line-δの結果は省略した。

うに図 7 の吸着核を考えると、臨界核形成の表

図 6 は 22mm×54mm の長さの長いシリコー

面エネルギーをΔFg として以下の式によって与ンコートでないカバーグラスを用いた場合の結えられる 8)。

なお，ここで J は吸着核形成割合で，c11 は単位体積あたりの核種の分子密度、w は単位時間，単位面積当たりのエンブリオ（核になる前の初期段階）との衝突分子数，v1 は核形成する
種類の分子当たりの体積，s は形状因子，k はボルツマン定数で、T は温度である。なお，図図5中のσαγは相αとγの界面張力であり，rαγは相αと「溶液 A」の分離実験結果 1

－5－

図7

図8

吸着核の模式図

ブルーベリーエキスの流動

γの間の核によって作られる局面の曲率半径で（溶質濃度の低い方）へ，温度の高い方から低ある。また，φは接触角である。今の系ではαい方へ界面流動が発生する現象である。したがは溶液で，βは基板，γは核である。以上のようって，拡散した物質が Line-α（図１参照）にに物質の吸着はそれぞれの吸着核の界面張力と接するとその点で界面張力が低くなり，その周接触角に依存することがわかる。

辺での界面張力が高いため，物質は Line-α→

しかし，カバーグラスのエッジに沿って吸着

Line-β（Line-δ）→Line-γと流動していくことが起こる理由が理解できない。そこで，色素のになる。したがって，拡散物質はどんどん界面入ったブルーベリーエキスを用いて流動過程を領域に流れ込んで移動していってしまうことに追跡した。結果を図 8 に示した。A は中央にサなる。さらに，Line-γでは溶媒の気化が激しい

ンプルを置いてカバーグラスをかけ溶媒のエタので，潜熱を奪われて Line-γ上で最も温度がノールを導入した直後の画像である。右側がギ下がり，結局マランゴニ効果を増幅させること

ャップ厚さの最も大きい領域で，左側が最も小になる。これがカバーグラス周辺にしみを作る

さい領域である。液は右から左にかけて押されための駆動力であると考えられる。なお，界面ていく。B→C→D となるにつれて溶媒中に拡かく乱が発生するまでの試料からの拡散成分が散した色素が押されていく様子が観察される。

逆流していく初期の駆動力は Line-α上で少ししかし，液面が E のサンプルを通りすぎる位

発生している溶媒の気化による温度勾配ゆらぎ

置くらいから横方向への拡散も大きくなり最終であろうと思われる。バルク流体中での温度勾的には平均化されて Line-γの方へ押されてい配は物質勾配を誘起し，物質勾配がさらに温度

くことが分かる。ここで，特徴的なのは C の位

勾配を誘起することが知られている 11)。

置での現象で，液面が試料から 1-2mm 程度ま以上の事実と吸着種の部位の違いをル・シャ

で近づいてくると，右から左ではなくて左からトリエの原理から考察してみる 12)。マランゴ

右への逆流現象が観察されることである。このニ流は表面張力勾配および温度勾配によって発様子を拡大した画像を H に示してある。赤い生している非平衡流であると考えられる。した色素が先端を細くして液面に接触するのが観察

がって，系は表面張力勾配や温度勾配をなくすされる。液面に接触するとかなり速い動きで色ことで非平衡流を緩和する方向に変化していく

素成分が液と大気の境界領域をカバーガラスのはずである。すなわち，Line-αに近い Line-β

周囲に沿いながら流動していく。これは「界面領域では表面張力の小さい物質を基板に吸着さかく乱」という現象で，液／大気の界面を不純せることによって溶液の表面張力を大きくし，物成分がマランゴニ流によって移動することをLine-γに近い Line-β領域では表面張力の大きい

9,10)。マランゴニ流は物質の界面張物質を基板に吸着させることで溶液の表面張力

力勾配や温度勾配が界面で存在すると，界面張を小さくしてマランゴニ流を緩和させると考え力の低い方（溶質濃度の高い方）から高い方られる。ル・シャトリエの原理によって表面張

示している

－6－

分離を行った結果を示した。Line-β上に現れる組成物を顕微鏡で観察した結果が上の画像である。明らかに，部位によって異なった成分が現れているのが見えている。それぞれの成分をラマン分光および赤外分光によって分析した結果を図下に示している。下の左がラマン分析の結果で，右が赤外分析の結果である。赤外分析の結果から油脂成分のトリグリ
図9

セリドが認められる。そのトリグリセリドもブルーベリーエキスの分離分析結果

不飽和結合の多い植物性油脂と不飽和結合の力の異なる物質が異なる位置に吸着して分離す少ない動物性油脂の 2 種類存在していることることができていると考えられる。

が分かる。また，紫色の部分からはグリセリ

Line-γ上ではカバーグラスと基板の間の液がンとアントシアニンが検出された。一方，ラ毛管現象の中で押されていく最終段階で形成さマン分光分析からは黄色部分からカロテノイ

れるしみである。すなわちカバーグラスおよびドが検出され紫色の部分からはアントシアニ

基板の抵抗を受けながら流動していくポワズインが検出された。以上より，本手法によって

ユ流である。しかし，ギャップ厚が次第に狭く

ブルーベリーエキスの主要構成物はほとんどなっていくため表面張力の大きい物質ではそこ検出することができていることがわかる。

を通過していくための抵抗が大きくなり通過しにくくなる。一方，表面張力の小さい物質はギ

3．結言ャップ厚さが小さくても通り抜けることが可能

食品分析に応用するための全く新しい分離分である。したがって，Line-γ上ではギャップ厚析法を開発した。それはマランゴニ流とポワズの大きい方からグリセリンのような表面張力のイユ流による自己組織化現象を利用するものである。これによって，数 cm 角のチップ上で分大きい物質が現れ、ギャップ厚が小さい領域で離を行い，多様な分析が可能になると考えられステアリン酸のような小さい物質が現れるのだる。

と考えられる。以上より，Line-β（Line-δ）で並ぶ物質と Line-γ上での物質の並び方は本質

参考文献的に異なる流動現象が起源であり，マランゴニ

1) J. C. Giddings, Dynamic of Chromatography

流とポワズイユ流が連続して起こる Line-γ上Part1 Principles and Theory, Marcel Dekker,

では分離成分のミキシングも再び起こる可能性

New York, 1965.

があると考えられる。しかしながら，これらの2) M. A. Northrup, K. F. Jensen and D. J. Harri-

流動現象を利用することで，チップ上で簡便に

son eds., Micro Total Analysis System 2003,

分離を起こさせることができる。

Transducers Research Foundation (2003).
3) P. G. de Gennes, F. Brochard-Wyart, D. Quere,

2.4

応用

Capillarity and Wetting Phenomena Drops,

以上のメカニズムを用いて今後多くの試料

Bubbles, Pearls, Waves, Springer, New York,の分析に適用してみる予定であるが，ここで2004.

は先に述べた「ブルーベリーエキス」を分析

4) D. Khrustalev and A. Faghi, “Fluid Flow Ef-

した例を紹介する。

fects in Evaporation From Liquid Vapor Me-

図 9 には本手法にてブルーベルーエキスのniscus”,J.Heat Transfer, 118 ,1996, 725.

－7－the Marangoni Effect”, AlChE J. 5 ,1959,

5) 特願 2008-40595「試料成分の分離方法及び

514.

分析方法」
6) K. J. Mysels, Langmuir, 2 ,1986, 423.

10) Y. Nakaike, Y. Tadeumi, T. Sato, and K. Fu-

jinawa, “An optical study of interfacial tur-7) Catalogue from Mitsubishi-kagaku

Foods corporation,bulence in a liquid-liquid system”, Int. J.

http://mfc.co.jp/english/s1570.htm

Heat Mass Transfer, 14 ,1971, 1951.

8) R. Defay, I. Prigogine, with the collaboration

11) L.Landau and E.Lifshitz,

Fluid Michanicsndof A. Bellemans, Surface Tension and Ad-

2 edition, Butterworth-Heinemann, Oxford,

sorption, Longmans, London, 1966.

1987.
12) I. Prigogine and R. Defay, Chemical Ther-

9) C.V.Sternling and L.E.Scriven, ”Interfacial

Turbulence:Hydrodynamic

Instability

modynamics,Longmans,London,1954.

and

－8－

政

策

型

受

－9－

託

研

究

－10－

研究論文

フェライト系ステンレス鋼の温間絞り加工技術（誘導加熱用鍋釜の軽量化に関する要素技術開発研究）山崎 栄一＊，杉井 伸吾*，田村 信*，白川 正登*
Warm Press Forming of Ferritic Stainless Steels
YAMAZAKI Eiichi ，SUGII Shingo，TAMURA Makoto and SHIRAKAWA Masato

抄録

耐食性に富む高 Cr フェライト系ステンレス鋼のプレス加工技術開発に取り組み，素材の機械的性質の温度依存性を調べるとともに温間絞り加工の適応を試み，成形性が向上することを示した。加えて，摩擦試
験により温間絞り加工に適した金型材料や潤滑剤を調べた結果，金型材料に関係なくプレコートタイプの潤滑剤が PTFE シートと同程度の良好な摩擦係数を示した。

1. 緒

言

により成形限界の向上，および加工誘起マルテン

IH 調理機器用素材として電磁誘導性に優れてサイト変態を抑制する効果が知られており 2)，当いるフェライト系ステンレス鋼は，若干耐食性が

県燕・三条地域では広く普及している。そこで，劣るため多くの場合，クラッド鋼として利用され先述のフェライト系ステンレス鋼 4 種について，ている。一方，最近では各鉄鋼メーカともオース

機械的性質の温度依存性を調べるとともに，温間

テナイト系ステンレス鋼に匹敵する耐食性を有す

絞り加工試験を行い，SUS430（代表的なフェライ

1)

る高 Cr フェライト系ステンレス鋼を開発 しておト系ステンレス鋼），SUS304（代表的なオーステ

り，一気に課題が解決される可能性が出てきた。

ナイトステンレス鋼）と比較しながら成形性につ

時期同じくして，ニッケル高騰によりオーステ

いて調べた。

ナイト系ステンレス鋼代替材としてフェライト系
ステンレス鋼への期待が高まっている中，市場性，

2.1 試験方法

流通性のある高 Cr フェライト系ステンレス鋼

供試材の化学成分を表 1 に示す。なお，比較材（16Cr-Ti，19Cr，19Cr-2Mo，21Cr）について，温として SUS430，SUS304 を用いた。表 2 に JIS G

間絞り加工を中心にプレス加工技術の開発を行い，0551 に準じて測定したフェライト結晶粒の粒度

成形性向上とともに摩擦係数という観点から良好を示す。粒度番号が大きくなるほど，微細な結晶な金型材料，潤滑剤について調べたので報告する。

粒となる。図 1 に，例として 16Cr-Ti（結晶粒度9.2）と 19Cr-2Mo（結晶粒度 7.0）の金属組織を示

2. 温間絞り加工の適用と効果す。

オーステナイト系ステンレス鋼では，絞り加工

引張試験は，素材圧延方向に JIS Z 2201 によるの際に加熱しながら成形を行う「温間絞り加工」

13B 号試験片を採取し，精密万能試験機（島津製* 研究開発センター－11－

表 1 供試材の化学成分（mass%）

材 種

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Cu

Ti

Nb

N

16Cr-Ti

0.002

0.03

0.06

0.015

0.003

0.09

15.99

0.02

<0.01

0.16

-

0.008

19Cr

0.013

0.52

0.14

0.022

<0.001

0.28

18.95

0.03

0.44

0.10

0.39

0.013

19Cr-2Mo

0.004

0.17

0.13

0.029

<0.001

0.11

18.98

1.84

0.02

0.10

0.18

0.012

21Cr

0.009

0.17

0.23

0.027

0.002

0.26

20.38

0.04

0.42

0.28

-

0.008

表 2 供試材と結晶粒度
材種

結晶粒度

16Cr-Ti

9.2

19Cr

9.0

19Cr-2Mo

7.0

21Cr

9.0

16Cr-Ti（結晶粒度 9.2）

19Cr-2Mo（結晶粒度 7.0）

100μm

100μm

図 1 供試材の金属組織

作所製 AG-250KNI）により行った。試験条件は

表 3 円筒絞り金型

初期クロスヘッド速度を 5mm/min とし，ひずみ

金型材質

5%以降は 10mm/min とした。試験温度は常温，

ﾊﾟﾝﾁ径，肩 r40mm，3.8mm

100℃，150℃で行った。

ﾀﾞｲｽ径，肩 r42.1mm，3mm

SKD11（硬質ｸﾛﾑﾒｯｷ処理）

深絞り成形性の評価は，円筒深絞り試験にて行った。金型温度を常温～150℃に変化させ，絞り比（DR：drawing ratio）を 0.1 刻みに変化させ，破断の有無をもって限界絞り比（LDR：limit drawing
ratio を求めた（図 2）。円筒深絞り試験用金型のサ

パンチ

イズを表 3 に示す。また，深絞り試験の潤滑剤と板押え

して PTFE シート（厚さ 0.05mm）を用いた。なお

ダイス

被加工材

ヒータ板

絞り試験にはアミノ製塑性加工万能試験機（イン断熱板

ナー1274kN，アウター686kN）を使用した。
張出し性の評価は JIS Z 2247 エリクセン試験方法に準じて行い，パンチ側のみ潤滑剤として PTFE

図 2 温間絞り金型の概要

シート（厚さ 0.05mm）を用い，試験温度を常温，
100℃，150℃とした。
（図 3）
パンチ

被加工材

2.2 試験結果
図 4 に引張試験より測定した各種板素材の圧延方向の機械的性質を示す。引張強さおよび 0.2%耐力は，試験温度が高いほど低くなる傾向を示し，
引張強さは 150℃で常温に対して 10～12%程度，耐力は 15～21%程度低下する。n 値（※1）は試験温

図 3 エリクセン試験金型の概要－12－度が高いほど高くなる。r 値（※2）について温度依

きな値を示した。材料別には 21Cr，19Cr および存性はみられないものの，従来のフェライト系ス

19Cr-2Mo の引張強さ，0.2%耐力，破断伸びは同等

テンレス鋼 SUS430（r 値：約 1.0）に比べると大であるのに対して，16Cr-Ti はそれらと比較して強上段左：引張強さ 上段右： 0.2%耐力
中段左：破断伸び 中段右：r 値
下段左：n 値
図 4 各種ステンレス鋼における機械的性
質の温度依存性※1

n 値：（加工硬化指数） 真応力 σA と対数伸び e との関係を σA＝Cen で近似したときの n の値。
一般的には，n 値が大きいほど張出し成形性が良好とされている。

※2

r 値（ランクフォード値） 単軸引張変形を与えたときの板厚ひずみ（εt）に対する板幅ひずみ（εw）の比。一般的には，r 値が大きいほど深絞り成形性が良好とされている。

－13－

度が低く，破断伸びおよび n 値が大きく延性の高るなどの効果も期待できる。

い材料である。

金属材料の張出し性の指標であるエリクセン試

図 5 に各鋼種の常温成形，およびダイス温度

験の結果を図 8 に示す。フェライト系ステンレス

100℃，パンチ温度 0℃の温間絞り加工における深

鋼 4 種はエリクセン値に大きな差が無く，張出し

絞り成形性を示す。フェライト系 4 鋼種は常温に性は同等と思われる。また SUS430 よりも大きくおける限界絞り比は 2.2 であり，成形性に相違は

SUS304 には劣る結果を示した。フェライト系ス

認められないが，SUS430，SUS304 に対して高い

テンレス鋼は SUS304 に比べ一般的に n 値が小さ

成形性を示した。温間絞りの効果は各鋼種に認めく，破断伸びが小さいためである。温間での試験

られ，とくに 19Cr の限界絞り比については常温のにおいてエリクセン値の向上は認められなかった。

LDR2.2 に対して，100℃では LDR2.6 と向上する。

一方，各種フェライト系ステンレス鋼を用いて

図 6 に，一例として 21Cr の成形品外観を示す。

絞り加工や張出し成形を行った場合，SUS304 に

図 7 に絞り荷重-ストローク線図を示す。常温成

比べ表面状態が悪く（リジング，肌荒れの発生）形に比べ温間絞りでは絞り加工に要する荷重が減なり，素材および加工技術からの改善策を考える

少し，成形性向上に加え，金型への負担を軽減す必要がある。

図 7 荷重-ストローク線図

図 5 各鋼種の温間円筒深絞り成形性

DR2.2

DR2.4

常温成形

温間絞り

図 6 円筒深絞り成形品外観（21Cr の例）
図 6

図 8 各鋼種のエリクセン試験結果

円筒深絞り成形品外観－14－

3. 温間絞り加工用潤滑剤と金型材料である。

フェライト系ステンレス鋼の温間絞り加工に適試験に供した潤滑剤は，いずれも日本工作油㈱した潤滑剤や金型材料について調べるため，潤滑製で，油性 1 種類，水溶性のプレコートタイプ 3剤と金型材料の各種組み合わせによる摩擦係数の種類とした。それぞれの特徴を表 4 に示す。また，測定を行った。

温間絞り加工時における比較潤滑剤として PTFE
シート（厚さ 0.05mm）を用いた。
測 定 の 結 果 を 図 10 に 示 す 。 油 性 の3.1 潤滑剤と摩擦係数
フェライト系ステンレス鋼のうち，19Cr 材に対G-755BM+G-6030M は，常温，100℃（温間絞り加して潤滑剤を変えて，摩擦係数を測定した。測定工時）ともバラツキが少なく安定しているものの，方法は，図 9 に示すように平板状の試料に潤滑剤

摩擦係数はプレコートタイプに比べて高い値を示を塗布した後，上下金型により一定の荷重で挟み，した。プレコートタイプでは，G-2576W が常温，引き抜く際の挟む力と摩擦力の関係から摩擦係数

100℃（温間絞り加工時）ともに安定して低い値をを求めた。この際，金型の一方は平面，もう一方

示し，PTFE シートと同等のレベルである。

は円筒面とし，線接触に近い状態で試験する構造

G-2578T については 100℃（温間絞り加工時）でである。また，金型をヒータにより加熱し，温間PTFE シートと同程度であるが，常温での値が大加工時の特性を調べることができる。用いた金型

きく，しかもバラツキも見られることから塗布と材料はダイス鋼に TiC コーティングを施したもの

乾燥状態の管理に注意が必要と考えられる。

摩擦係数μ=F/N
試験荷重Ｎ
摩擦力Ｆ

被加工材

19Cr（0.8t×12.5w）

金SKD11＋TiCｺｰﾃｨﾝｸﾞ
R15／平面

型

試験温度

常温 ，

試験荷重

100 kgf

試験速度

2.5 mm/sec

100℃

図 9 摩擦係数測定方法と試験条件

表 4 試験した潤滑剤の特徴
名 称

種 別

G-755BM+G-6030M（比率１：１）

油性

特 徴
G-755BMは高粘度の塩素系プレス工作油。キズ抑制および耐焼付き性に優れ，ステンレスのしごき加工に適する。
G-6030Mは低粘度の塩素系プレス工作油。G-755BMの希釈油として使用される他，単体ではSUSバネ材の薄板順送加工等に使用される。

G-2578T

水溶性プレコート チタン1種，2種用冷・温間絞り用。加工後，水洗で容易に除去可能。

X-2460水溶性プレコートステンレス，チタン，マグネシウム用。ステンレスおよびチタンの温間加工，冷間加工に適応。マグネシウムの温間加工に使用可能。

G-2576W

水溶性プレコートステンレスおよびチタンの温間，冷間での絞り加工に適応。加工後，水洗で容易に
除去可能。

－15－

0.20

3.2 金型材料と摩擦係数

RT
100℃

潤滑剤と同様に，金型材についても 19Cr 材を対象として，摩擦係数を測定した。供した金型材は0.15

SKD11+TiC ｺｰﾃｨﾝｸﾞ，窒化粉末高速度鋼（KHA），
摩擦係数

銅 基 合 金 （ HZ ） の 3 種 で あ る 。 KHA 材 はSKD11+TiC ｺｰﾃｨﾝｸﾞに比べ高硬度で耐久性があるとされ，逆に，HZ 材は硬度，
耐久性は低いものの，

0.10

表面の焼付きやキズが付きにくいことを特徴とす
る金型材料である。摩擦試験は，常温で行い，潤滑剤は前項の試験結果から比較的安定していた油

0.05

性の G-755BM+G-6030M とプレコートタイプのG-2576W を用いた。試験条件を表 5 に示す。
測定した摩擦係数の結果を図 11 に示す。金型材

0.00

を変えても潤滑剤が同じ場合には，摩擦係数はほG-755BM+
G-6030M

ぼ同等であり，金型材による摩擦係数の変化はみ

G-2578T

X-2460G-2576W

潤滑剤

られない。また，3 種の金型材に対して，プレコートタイプ G-2576W が，良好な値を示した。

図 10 各種潤滑剤の摩擦係数

3.3 摩擦係数と成形性

表 5 金型材評価試験条件

つぎに，測定した摩擦係数と実際の成形性の関

被加工材

19Cr材（t0.8mm×w12.5mm）

・SKD11+TiCｺｰﾃｨﾝｸﾞ
金型材料
・KAH（窒化粉末ﾊｲｽ）（R15／平面）・HZ（銅基合金）係について調べた。図 12 に，角筒絞り試験（角筒パンチサイズ：50×50，被加工材：19Cr 材）を題
材に，摩擦係数と成形性の関係を示す。用いた潤潤滑剤

・G-755BM + G-6030M
・G-2576W

滑剤は，油性潤滑剤 G-755BM+G-6030M，プレコ

試験温度

常温

試験荷重

約 100 kgf

試験速度

約 2.5 mm/sec

ート潤滑剤 G-2576W および PTFE シート（厚さ0.05mm）である。図中，たて軸の限界周長比（円形ブランク周長／角筒パンチの周長）は角筒絞り

0.20の成形性を表す指標であり，円筒絞り試験の限界

SKD11+TiC
KHA
HZ

絞り比に相応する値である。
0.15

きい G-755BM+G-6030M は，限界周長比が低く，成形性に乏しい。しかしながら，G-2576W や PTFE
シートの場合には，摩擦係数が小さく，しかも良好な成形性を示すことから，摩擦係数の大小と成摩擦係数

G-2576W や PTFE シートに比べ摩擦係数が大

0.10

0.05

形性には強い関係があることがわかる。
また，フェライト系ステンレス鋼の利用が盛ん

0.00になる中，型接触による凝着，表面のキズ対策が

G-755BM+
G-6030M

産業界において重要な課題であり，これら解決に向けた潤滑剤や金型材，表面処理等に関する研究

G-2576W
潤滑剤

図 11 各種金型材の摩擦係数が今後必要と考える。

－16－

PTFE

4. 結

言

2.6

高 Cr フェライト系ステンレス鋼（16Cr-Ti，
19Cr，

0.20
100℃
150℃
摩擦係数 （100℃における）

19Cr-2Mo，21Cr）の成形性，および温間絞り加工に適用できる潤滑剤と金型材料について調べ，つ2.4

ぎの結果を得た。

0.15

ス鋼 SUS430 や SUS304 より優れている。加えて，温間絞り加工の適用により，成形性向上が可能である。
(2)張出し成形性は，SUS430 よりも優れている
ものの，SUS304 には及ばず，温間絞り加工を

2.2

0.10

2.0

0.05

1.8

0.00

適用しても成形性向上は困難である。
(3)潤滑剤において，水溶性プレコートタイプ潤
滑剤の中には，PTFE シートと同等の潤滑性を示すものがある。

G-755BM+
G-6030M(4)摩擦係数は，金型材料によらず潤滑剤の影響を強く受け，
本研究において金型材料は成形限界に大きく影響しないものと考える。

G-2576W

PTFE

潤滑剤

図 12 摩擦係数と成形性

参考文献
1)

2)

野原清彦，“ステンレス鋼薄板の原価低減への取組みとプレス加工技術”，プレス技術，45，
15，2007，p.18-31－17－渡部豈臣，“ステンレス鋼板の温間絞り加工法”，塑性と加工，33，375，1992，p.396-403

摩擦係数

限界周長比

(1)常温での深絞り成形性は，代表的なステンレ

技術レター

プラスチック製機能部品のナノレベル成形技術
に関する調査研究
佐藤

健*

宮口

孝司*

斎藤

博*

Study on Fine Molding Technology of Functional Components made of Thermoplastic Resin
SATO Takeshi*, MIYAGUCHI Takashi* and SAITO Hiroshi*
1．緒言

電子機器，光通信，医療機器などのさまざまな分野でエンジニアリングプラスチック（エンプラ）の成形部品が多用されている。携帯電話の例などでもわかるように，製品の小型化，高機能化は年々進展し，これらに使用されるエン
図1

プラ成形部品にも微細な形状や複雑な形状が付

液晶用バックライトの基本構造

与され，より機能性を高めたかたちで利用拡大が進んでいる。
これらの部品には，微細形状を付与した金型加工技術，その形状を樹脂に成形する技術が必要であり，当研究所においても，昨年度までに，シリコン基板上に成膜や微細形状を形成してデバイスを作製する MEMS 技術，ナノレベル形

図2

状を樹脂に転写するナノインプリント技術につ

導光板断面の例

いて調査，研究を行ってきた 1),2)。
本技術レターでは，主にこの試作実験の内容

このような背景から，本研究では，について報告する。
①

高機能エンプラ部品の応用製品調査②

微細形状付与金型の製造技術調査

2. 液晶バックライト用導光板の試作③

製造技術に関する試作実験

2.1

導光板の概要導光板とは，液晶ディスプレー用バックライなどの項目についてさらに調査を進めた。そのトを構成する部品の一つである。

結果，射出成形の分野においても，樹脂に微細

図 1 は，サイドライト方式のバックライトの形状を付与する必要性が高まっていることがわ

基本構造である。導光板は，サイドにある光源かった。

から入射した光を観察方向に面発光させる役目

本調査研究では，従来の機械加工では作製困を担っている。このため，光線を 90°に偏角す

難な微細形状を有している，液晶バックライト

ること，さらに輝度や面内均一性を高めるため用導光板について，MEMS 技術を利用した金型に，表面に図 2 に示すような突起や窪みなどをマスターの作製と，これをもとにした電鋳スタ
ンパの作製を行い，さらに射出成形実験を行っ

形成してある。
この微細形状は，主にスクリーン印刷や金型た。

を用いた成形によって形成されているが，印刷*研究開発センター
レーザー・ナノテク研究室

用スクリーン版や機械加工では，微細さに限界
がある。

－18－

その一方で，MEMS 技術を利用したシリコンの加工プロセスでは，μm 以下オーダーの形状であっても容易に形成でき，非常に多くの数であっても所望の位置に配置できるという利点があるため，試作を検討することにした。
図5

突起形状（等方性）

2.2 微細突起の形成と射出成形
シリコン基板表面に底面φ50μm，高さ 30
μm の円錐形状を目標に，微細な突起の形成を検討した。
4 インチシリコンウェーハに東京応化製フォ
トレジスト OFPR800 を厚さ 2μm で塗布し，フ

図6ォトマスクを用いて，対角長さ 3 インチのエリ

成形品外観

ア に φ 65μm の 円 形 マ ス ク を ， ピ ッ チ 90 ～250μm で，エリア内で密度の濃淡があるように形成した。これを住友精密製ドライエッチン
グ装置 MUC21 を使用し，SF6，C4F8，O2 のガスをチャンバー内に導入してエッチングを行った。ここで 3 種類のガスを用いたのは，等方性(a)

エッチングのガスである SF6，O2 を用いた場合

突起全体
図7

(b)

突起の拡大写真

成形した突起形状に比べ，突起の斜面に直線的なテーパを施し，より円錐に近い形状を作製するためである。

図 3(a)に加工したシリコンウェーハ，(b)にこれをマスターとして，電鋳により作製した厚さ 0.5mm のニッケルスタンパを示す。基板中央部の四角のエリアが微細形状を形成してある領域で，(a)は凸状，(b)は凹状である。
図 4(a)，(b)は，SF6，C4F8，O2 ガスでシリコンに形成した突起を倍率を変えて観察したものであり，図 5 に示した等方性エッチングで形成(a)

Si ウェーハ図3(b)

Ni スタンパ

試作した基板した突起に比べ，斜面の傾斜部が丸みを帯びていないことがわかる。
図 3(b)のスタンパを用いて，（株）ニイガタ
マシンテクノの協力を得て射出成形を行った。
成形装置には，当社製 MD50XHP-AP を使用し，成形樹脂には，ポリカーボネート（出光興産製
タフロン LC1500）を用いた。
図 6 は，成形した厚さ 0.4mm の 3 インチ導

(a)

突起全体

図4

(b)

突起の拡大写真

突起形状（テーパエッチング）

光板であり，図 7(a)，(b)はこの導光板に成形された突起の形状を倍率を変えて SEM で観察したものである。スタンパの凹部は，図 4(b)の－19－

図 8 に示すように先端部が平坦な形状 A，先鋭な形状 B について，シミュレーションソフトZEMAX を使用して計算した。この突起を図 9に示すように，□5mm×5mm のエリアの中に250μm ピッチで配置し，端部中央から点光源で光を入射した場合の面方向の放射照度密度を示した。
図 10 に示すように，光源からの出射した光
図8

突起の形状

が突起によって散乱された結果生じる放射照度分布には、大きな差異が認められなかった。シミュレーション結果からは，先端部のとがりの有無は，輝度に対して大きな影響はないといえ
る。
3．結

言

(1) ドライエッチングによりシリコンウェーハ
を加工し，微細な円錐形状を形成すること図9ができた。このシリコンウェーハをマスタ

突起の配置ーとして，電鋳により射出成形用スタンパを作製した。
(2) 上記のスタンパを用いて射出成形を行い，対角 3 インチの液晶バックライト用導光板を試作した。マスターでは先端の尖った形状を作製したが，射出成形では，先端の部
図 10分への樹脂の充填が困難で，丸みを帯びた

放射照度分布形状となった。
形状が転写されているため，最深部が非常に狭(3) ZEMAX を用いたシミュレーションにより，導光板に形成した突起の先端部の尖りの有くなっている。このため，樹脂の入り込みが困

無は輝度への影響が少ないことがわかった。

難であり，突起の先端が丸みを帯びた形状となった。
2.3

光学特性のシミュレーション

参考文献
1) 佐藤健，宮口孝司，坂井朋之，“MEMS プ
ロセス技術の開発研究（第 3 報）”，工業

前項で作製した突起形状の光学特性のシミュ
レーションを行った。

技術研究報告書，36，2007，p.3-9

射出成形実験の結果では，スタンパ最深部へ

2) 山田昭博他，“ナノ材料と成形プロセスにの樹脂の入り込みが不十分であったので，突起関する調査研究”，工業技術研究報告書，先端部の形状が光学特性に影響を与えるか否か

36，2007，p.96-98

を調べることが目的である。

－20－

技術レター

次世代工作機械に求められる高度要素技術に関する研究調査
石川

淳*

相田

収平*

木嶋

祐太* 樋口

智**

本田

崇**

片山

聡***

弘明****

宮口

須藤

貴裕**

A Survey Report of Advanced Mechanical Components Technology for Next Generation Machine Tool
ISHIKAWA Atsushi*, AIDA Shuhei* , KIJIMA Yuta* , HIGUCHI Satoru **,SUTOH Takahiro** ,1.

緒

HONDA Takashi** , KATAYAMA Satoshi*** and言

MIYAGUCHI Hiroaki****

こともあり，多軸加工・複合加工技術について製造業における国際競争が高まる中，日本のの必要性を感じているメーカもある。

工作機械業界においては高速，超精密，多軸・工作機械を使用する側である，機械加工メー

複合といった高付加価値をもたらすための新たカを対象に，課題となる加工技術について調査

な要素技術を取り入れた，次世代型ともいうべをおこなった結果，高速切削，高硬度材切削，き工作機械の開発が活発におこなわれている。

難削材切削，無人加工，5 軸加工，鏡面切削な本研究調査では，新潟県における，こうしたどが回答として目立った。

次世代工作機械の研究開発推進を目的として，

高硬度材切削については，工具メーカから最

県内メーカの競争力を強化維持する上で必要と近 cBN 工具が盛んに製品化されてきているこなる要素技術や生産技術について調査をおこなともあり，これまで困難であった 60HRC 以上った。

の鋼材加工に対しての可能性が出てきたことも多数の回答があった背景にある。

2. 研究調査の内容
2.1

無人加工については段取り替えレスという観点から 5 軸加工につながるところもある。こ

県内関連企業の調査

概して大型工作機械を特徴とする県内工作の 5 軸加工については，すでに取り組んでいる機械メーカにおいては，高精度化に対する発熱企業もあるが，一般的にはこれからの加工技術

対策と機上ワーク計測を課題のひとつとして掲であり，加工の高精度化，高能率化などにおいげるメーカが多い。熱対策については工作機械て有効な手段となる可能性があり，県内企業にの永遠の課題であり，現状，熱電対に代わる適おいても興味が高まっているものと考える。

当なセンサが存在しないことから，熱変位を相鏡面切削については，現状切削において達成

殺するような構造設計技術やこれまでの経験的可能な面粗さは 0.3～0.5μmRz といわれており，な設計を補完するためのシミュレーション技術

人間の目で識別不可能となる面粗さ 0.1μmRz 以の活用が必要であると考える。

下を実現するには加工機械や工具，加工条件な

また，航空宇宙産業の進展が見込まれている

ど解決すべき課題は多い。特に要求の厳しい金型加工において，みがきレスというのは現実的*

下越技術支援センター

でなく，むしろ面粗度のばらつきを押さえ，み**研究開発センター

がき工程の負荷を低減するための切削実現に向***中越技術支援センター

けた取り組みが現実的であろう。

****

上越技術支援センター

－21－

2.2

5 軸加工・複合加工について

2.3.2

加工試験内容と結果

県内企業調査などから，本研究調査事業にお試験に使用した機器を表 1 に，加工の状態とける対象技術のひとつとして，「5 軸・複合加工

加工パラメータを図 1 に示す。また，試験条件

技術」に着目した。

を表 2 に示す。工具の送り量，切り込み量，回5 軸加工は一般的な 3 軸加工に回転 2 軸を付加して切削加工をおこなう技術であり，複合加転数を一定とし，そのほかの加工パラメータの違いによる加工面粗さの比較を行った。

工は旋削機能にミリング，ドリリング機能を付

図 2 に白色光干渉顕微鏡（日本 VEECO 製

加して加工をおこなう技術である。いずれもワ

wyko NT3300）により測定した（測定エリア

ンチャックで加工を完了させることで，大幅な0.9mm×1.2mm）加工面状態を示す。いずれの工程短縮と省スペース化をはじめ，段取り替え

条件においても工具 1 刃ごとのツールマークが数や治具数の大幅削減が可能となり，高能率加確認できる。

工が実現できるほか，従来困難であった複雑形

ボールエンドミルを用いた場合の工具角度

状部品も高精度に加工できる，工具干渉を適切による加工面の違いを条件 1 と 2 で比較した。

に回避できる，工具寿命を延長できるなど多く

条件 1 では，ワークに対して工具が面直となるのメリットがあげられている。

ため，工具の切削速度がゼロとなる中心刃近傍

本報では，複合加工に関して，旋削とミリンを使用して切削している。一方，条件 2 ではワグを組み合わせたターンミリング加工についてークに対して工具を傾けて加工しているため，簡易な試験加工システムを構築し，切削加工試

ある一定の切削速度で加工している。面内最大

験をおこなった結果について報告する。

高さ粗さ Rt について，条件 1 では Rt=24.39μm，
条件 2 では Rt=7.79μm であり，工具をワークに

2.3
2.3.1

ターンミリング加工試験

対して傾けた加工の方が良好な加工面粗さが得

ターンミリングについてられることがわかる。

一般的なバイト工具による旋削加工では，切スクエアエンドミルを用いた場合の工具角屑は連続型となり，これが被削材や工具に絡ま度の影響については，条件 3 では Rt=12.67μm，り，加工面品位の低下をまねくことから，旋削

条件 4 では Rt=58.48μm となり，工具をワーク加工において切り屑処理は重要な課題である。

に対して面直な姿勢で加工した方が加工面粗さ

一方，バイトの代わりにエンドミルなどの回転を向上できることがわかる。

工具を用いると，切り屑が細かく分断され，さ工具とワークの軸芯オフセットの影響につらにエアブローなどを併用することにより，切いて調べた条件 3 と条件 5 の比較では，

り屑処理が格段に向上することは容易に想像でRt=12.67μm（条件 3），11.36μm（条件 5）となきる。また，加工系に熱が蓄積しにくいことかり，スクエアエンドミルを用いてワークに対し

ら，航空機部品に用いられるチタン，インコネて面直な姿勢とした場合，工具の軸芯をワーク

ルなどの耐熱性難削材の加工に適用できる可能の軸芯からオフセットした方が加工面粗さが良性も考えられる。

好になることがわかる。

本研究調査では，NC 汎用旋盤に市販の高速ワークの回転数による影響を調べた条件 5 とスピンドルを取り付け，回転工具を用いた旋削

条件 6 について比較する。この加工法によるワ加工の試験を行い，加工条件による加工面粗さ

ークの回転速度の違いは正面フライス加工におの比較を行った。

ける工具 1 刃あたりの送り量の違いと等価であり，加工面粗さに多大な影響をおよぼすと考えられる。条件 5 および条件 6 の加工では 1 刃あ

－22－

表1

使用機器

表2

大日金属工業株式会社製 DL-53

旋盤

1
2
3
4
5
6

主軸回転数 16～1600min

株式会社ナカニシ製 NR-3060S+EM-3060
高速スピンドル

最大出力 350W
最大主軸回転数 60,000min

被削材

図1

ワーク回転数
min-1

条件

-1

200

送り量
mm/rev

0.2

16

加工条件

切込量 工具回転数 軸芯オフセット 工具角度
工 具
mm
min-1
mm
deg
－
90
ボールエンドミル（2枚刃R3超硬）
105
0
90
0.25
50000
105
スクエアエンドミル（2枚刃φ6ハイス）
90
-3
90

-1

アルミニウム合金 A5052 φ30mm 丸棒

加工の状態と加工パラメータ

図2

たりの送り量はそれぞれ 1.89×10-4mm/tooth，-5

1.51×10 mm/tooth であり約 10 倍程度異なる。

3. 結
(1)

加工面粗さを比較した場合，Rt=11.36μm（条言

県内関連企業の調査ならびに産業界の動向などから，5 軸・複合加工技術を中心に研究調件 5），6.11μm（条件 6）となり，条件 6 において大幅に向上していることが確認できる。この加工面の状態査をおこなった。
(2)5 軸・複合加工に関して，県内企業において結果から，さらに高速なスピンドルを用いれば，は，概して一歩遅れている感があるものの，加ワークの回転数が比較的高速なままでも，条件

工機械，加工技術そのものが，いまだ未成熟

6 と同様な加工面粗さが得られると考えられる。

かつ付加価値技術としての可能性を大きく秘めていると判断し，本県工作機械関連技術の高度化を担うものとして，人材育成を含めた技
術蓄積が急務であると考える。

－23－

技術レター

新潟の匠の技を継承し発展させるための計測と制御に関する調査研究
五十嵐

晃*

大野

今泉

宏**

祥子*

中部

松本

昇** 丸山好勝****

英樹***

石井

中川

昌幸*

啓貴*****A Research of Measuerment and Control Technology for Inheritance and Development of The Uniqu Skills in
Niigata Prefecture
IKARASHI Akira*, OHNO Hiroshi** , NAKABE Noboru** , MARUYAMA Hideki **,NAKAGAWA Masayuki* , IMAIZUMI Syouko* , MATSUMOTO Yoshikatsu*** and ISHII Hirotaka****1．緒言
団塊世代の大量退職の影響により、今まで熟に調査を行った。おもに、熱間鍛造と研磨工程練作業者に蓄積されていた製造工程におけるノについての調査を行い、いずれも作業者の経験

ウハウの継承が企業の大きな課題となっている。

と勘が重要な工程で、客観的な数値化が難しい

そこで本研究では、県内中小企業の作業現場という印象であった。後継者への技能継承の取における熟練技能に着目し、最新の計測・制御

り組みは、主として作業者から作業者への OJT技術を利用して、これらの技能を短期間かつ高を通じて行われていた。

県内では、県央地区の金属製品製造業を中心度に継承可能か調査を行った。また、県内企業の作業現場の現状調査し、最新技術の技能継承

2.3

県外企業の調査内容

県外では、自動化が進んでいる先進大手企業への適用に関する検討実験を行った。

についての現状調査を行った。当該企業におけ
2．調査研究の内容

る自動化の目的は、作業の数値化による品質の2.1 概要本研究では、新潟県内のうち県央地区の製造安定であり、一般的な省力化だけではない。ま

業を中心に、熟練作業および工程の自動化の現あり、高額な自動製造システムに設備投資する状調査を行った。また自動化・省力化の先進企ことが可能である。一方、熟練作業者の技能等業として県外の企業についての調査も行った。

のノウハウは、改善提案活動を通じて共有されさらに、計測や制御関連の技術動向調査についている。

た、扱うロットが大きいことから償却が可能でても行い、作業計測と加工品の計測・評価について、実際に計測装置を導入し、それらの作業

2.4

現場への適用可能性について検討した。

2.4.1

試験研究の内容と結果
概要

熟練作業者および初心者の違いによって、作県内企業の調査内容

業に違いが見出せるかを確認するために、金属* 下越技術支援センターの研磨作業工程を対象として、(1)研磨作業の**研究開発センター

計測および（2）研磨加工品の計測を行った。

***

レーザーナノテク研究室****

素材応用技術支援センター

*****

企画管理室

2.2

2.4.2

研磨作業の計測

バフ研磨作業における技能伝承に関して、ワ－24－

ーク（加工する部品）の位置や姿勢、ワークにの差を示し、右側が分散を示している。これら作用する荷重を測定するシステムを試作し、熟から、熟練者と初心者では、熟練者の方が、最練作業者と初心者の技術差異の抽出可能性につ大値と最小値の差についても、分散についても、いて検討を行った。

小さい傾向となり、ばらつきの少ない安定した作業を行っていると推定できる。

2.4.2.1

以上の結果から、本システムにより、熟練作

試作システム業者と初心者の作業の差異抽出の可能性を確認試作したシステムにより、①ワークの位置できた。

や姿勢、②作用する荷重、を測定した。
①は図 1 に示すように、モーションキャプチ

2.4.3

ャ ー シ ス テ ム （ NaturalPoint 社 製 OptiTrack

研磨加工品の計測

前節で計測した作業の結果、研磨されたワークについて、表面の計測を行った。

FLEX:V100）を用いた。
②は図 2 に示すように、ワーク台に対し2.4.3.1て、3 つの 3 軸小型力覚センサ（（株）テック

加工品の光沢度測定

光沢度計（日本電色工業（株）製 PG-1M）を

技販製 USL06-5H-100N）を用いた。

用いて、熟練作業者および初心者が研磨した合計 12 枚の SUS 板を測定した。測定角度は、20

2.4.2.2 測定条件
被験者は熟練作業者と初心者とし、ワーク台

度とした。

に取り付けたステンレス製平板（100×200mm、測定結果を図 4 に示す。各ワークについて、
10 カ所の測定を行ったため、それらの平均値と厚さ 2mm）を研磨した際の、X、Y、Z の 3 方

ばらつきを示した。これより、平均鏡面光沢は、向について、ワークの位置・姿勢（Rx、Ry、熟練者ほど大きくなり、光沢のばらつきは、熟Rz）とワークへの作用荷重（Fx、Fy、Fz）を練者ほど小さいことがわかった。

同時に測定した。
2.4.2.3

2.4.3.2 加工品の表面粗さ測定
前節の図 4 に示した熟練作業者、中間者，初

測定結果

測定結果の代表値として、ワークへの作用荷

心者による研磨面の光沢度比較のデータのうち、

重と姿勢のばらつきの結果を図 3 に示す。

光沢度が最大であった熟練作業者による No.2、

図中(a)、(b)とも左側のグラフが最大値と最小値

中間者による No.3、熟練作業者だが、光沢度が中間者や初心者と同程度であった No.1、そモーシ ョンキャプチャー
カメラ

して初心者で No.1 と同程度の光沢度であった

バフ

Z

熟練作業者

Y

最大－最小値の差(N)X
X

測定空間座標系
ビデオカメラ

図1

モーションキャプチャーシステム

初心者

30

7
6
5
4
3
2
1
0

25
20

分散

Z
Y

15
10
5
0

Fx

Fy

Fz

Fx

Fy

Fz

Rx

Ry

Rz

(a)作用荷重xy
ワー ク台(天板)

2

14
12
10
8
6
4
2
0

1.5

分散

最大－最小値の差(deg.)

ワー ク座標系
z

ワー ク

0

Rx

３ 軸力覚センサ
ビ デ オマーカーワー ク台(ベー ス)

図2

ワーク台（左）と力覚センサ（右）

1

0.5

Ry

Rz

(b)姿勢
図3

－25－

ワークの作用荷重と姿勢データ

No.4 の 4 つの供試材について、表面形状の評

ミツトヨ製コントレーサ CV-648 特別仕様）価を行った。まず、各供試材において、粗さ計で測定した形状結果を示す。

（Veeco 社製 Wyko NT3300）により、表面粗

この形状測定で得られたプロファイルを考慮

さを測定した。代表として Ra（算術平均粗に入れて求めた Ry（最大高さ）を図 7 に示す。

さ）の結果を図 5 に示す。

この結果より、熟練度が高くなるほど、表面の光沢度の高い供試材ほど Ra が小さく、表面
粗さは小さかった。光沢度では No.2 と 3、No.

うねり成分が小さくなり、全体的により平滑な面に仕上げられていると考えられる。

１と 4 ではほぼ同じ程度の値となったが、表面粗さにおいても同様の傾向であった。結果とし

3．結て、表面粗さは光沢度と相関が見られたが、作(1) 県内企業の製造工程は作業者の経験や勘に言よる作業が多く、客観的な数値化は難しい。

業熟練度との相関は見られなかった。

(2) 県外大手企業では品質安定のための自動化
2.4.3.3 加工品の表面形状測定
感覚的な製品の光沢感はさらに広範囲な形状が進んでいる。
(3) 作業現場計測の結果、熟練作業者と初心者の違いを確認することができた。

の影響があると考えられる。そこで、そのような広範囲な表面形状の評価として、研磨による表面のうねり成分の評価を行った。供試材は前節と同様とした。図 6 に、形状測定機（（株）

No2

1200

-19.8

No1

1000

No4

-19.9

800

No.3

No.4

No.2

No.1

z(mm)

-20

600

-20.1
-20.2

400
■ 熟練作業者

◆ 中間者

-20.3

● 初心者

200
最大値
平均値
最小値

0

-20.4

← ◆ 基準面

図4

0

20

40

60

80

100

x(mm)

20 度鏡面光沢度の比較

図6

80

12

70

10

各供試材の形状測定結果

60

8

50

Ry［μm]Ra(nm)

20度鏡面光沢度

No3

40
30
20

6
4
2

10
0
No.1

No.2

No.3

0

No.4

No.1

試料番号

図5

図7

各供試材の算術平均粗さ Ra(nm)

－26－

No.2
No.3
試料番号

No.4

形状を考慮した最大高さ Ry(nm)120

技術レター

機能性材料の製造技術と用途開発に関する研究調査～吸着・脱離・触媒作用を有する新材料の活用～
阿部 淑人*, 桂沢 豊**, 永井 直人**, 林 成実**,
内藤 隆之**, 笠原 勝次**, 山田 昭博*, 森田 渉***A Survey Report of Manufacturing and Industrial Applications of Functional Materials
ABE Yoshito*,

KATSURAZAWA Yutaka**,

NAITOH Takayuki**,1.

緒

KASAHARA Katsuji**,

言

NAGAI Naoto**,

HAYASHI Narumi**,YAMADA Akihiro*, and MORITA Wataru***

俯瞰について述べた後，全体をまとめる。

本研究調査では材料表面の微細構造等が深く関与する機能性材料の製造技術と加工技術，応2. 調査結果

用技術に関して調査を行った。機能性材料とは主

2.1 県内企業の動向・意向に熱・光・化学・電気・力学などの機能を有している県内企業へ赴いての意見聴取や技術講演会開材料である。その中でも物質選択性材料は，特定催時のアンケートなどを行って，合計 47 社から意の物質を選択的にろ過したり反応させたりする機能向を調査した結果を記す。なお，複数の項目に対を有する材料のことである。例えば分子インプリント

して重複回答を含んでいる。またいずれの統計も高分子材料では，目的とする物質(ビスフェノール

母集団となる企業別の業種は，めっき等表面処理

A など)を高分子合成時に混入させることで，選択関係 18 社，電機機械金属関係 18 社，化学材料関的にビスフェノール A のみを捕まえることのできる係 5 社，その他 6 社である。

材料となる。機能性材料の例としては，生体にも多まず関心のある材料機能についての割合を示

く存在する燐灰石(HAp)などの成分を既存の担体す。最も多いのが耐食性で 42%，次いで，抗菌・抗(金属，セラミック，樹脂，繊維，ガラスなど)表層に

黴，接着，環境浄化，撥水・親水，触媒・吸着・脱塗工することで抗菌性や防汚性などの物質選択性

離，トライボロジー・潤滑，発色・退色，硬化，RoHS

機能を与えることが期待できる。さらには担体の材についてそれぞれ 15%ないし 20%である。次に，料と構造を選択する事によって浄化や精製，改質

興味のある表面処理技術についての割合を示す。

などの様々な用途にも応用が可能であると考えら

乾式で約 35%，湿式で約 30%，次いで熱処理およれている。また機構材料・構造材料としてよく用い

び陽極酸化で約 20%の企業が興味を示している。

られる金属材料においても，機械的強度・軽量性

MEMS や自己組織化，溶射，ナノインプリントにつなどの基本的性質と併せて，耐食性，熱伝導率，

いても 10 数%程度の企業が興味を示している。ま潤滑性，硬度などの機能性を持たせることでより高た，興味のある適用業種についての割合を示す。

い付加価値を得ている例が多々ある。

機械関連で 32%，半導体関連で 25%，自動車関以降の章では，動向調査の結果と関連技術の連で 20%，家電関連と医歯薬関連でそれぞれ 17%，
光学関連で 13%，土木建設関連で 9%の企業が関*研究開発センター**

下越技術支援センター

***

企画管理室

心を示している。
処理業者，ユーザー企業ともに乾式処理に関－27－

する期待は高いことがわかったが，湿式処理に競争力が弱いと言われてきたが，近年その影響力

比して装置の導入や維持管理に関してのコスト，が高まりつつあり，特に化学・バイオ分野や創薬分運用技術などの点がネックになっているという野などではその傾向が顕著である。材料開発など声も多い。機械メーカーでは，半導体やディスが先端研究により大きなブレークスルーを達成できプレイなど電子産業の製造装置がクリーンルー

る可能性が高いことを表している。

ム内での運用になることから，防塵・固体潤滑文部科学省では，科学技術の振興の成果を社の性能向上が強く求められていることがうかが会に還元することが重要であるとして産学官連携

われた。また，いずれの企業においても，昨今システムなどの施策を講じている 5)。共同研究の数の環境規制によって脱クロム，脱塩素，脱鉛なは平成 17 年度に国公私立大学全体で 1 万 3 千件

どの材料難に瀕しており，逆手にとれば材料業に達し，研究総額は 323 億円であった。今後も科者，処理業者にとっては新たな市場開拓の好機

学と産業の融合による競争力強化は国家レベルでにもなる変革期であることを痛感した。

の課題であり，様々な施策が講じられると思われる。

これまで主に材料科学荻的機能性向上(潤滑，硬度など)のための表面処理が広く行われてきたが，特許庁の報告 6)によると，第 3 期科学技術基本

新たに抗菌・抗黴や環境浄化，触媒などの機能性計画で指定された重点推進分野の一つであるナノに着目した材料・製法について，興味を示す企業

テク・材料について，2005 年度の公開公表件数をは数社あったものの具体的に事業化に向けて取り

日米欧で比較すると約 4 万対約 3 万対約 2 万と日組むところまでに至っている企業は少なかった。

本が突出している。国内では 2002 年から 2006 年の 5 カ年間で毎年 1000 件程度ずつ増加する傾向

2.2 国の産業政策などにあり，引き続き情報通信分野についで活性の高国際競争が激しい現状で製造業の競争力強化

い分野であることがわかる。このような状況の中，国のためには，積極的な技術開発投資および設備は知的財産戦略本部を組織して知的財産推進計

投資あるいは経営資源の集中などが不可欠である

画 2007 を策定し，国際競争力の強化や地域中小として，研究開発促進税制の導入や減価償却税制

企業の支援，大学等における知財の創造と産学連の見直し，産業活力再生特別措置法，産業技術携の推進に向けた取り組みを行っている。

力強化法の改正などが 2003 年度から 2007 年度に一方，資源エネルギー庁では，西暦 2050 年をかけて行われた 1)。この効果が明らかになるには，視野に入れた Cool Earth 計画 7)において種々のエ

暫くの時間を要するとみられる。

ネルギー資源開発・省エネ開発と併せて革新的材

また国全体としては景気回復基調にある反面，料・製造・加工技術の開発・導入・普及を上げてお地方格差や企業間格差が進行している中で，従来りさまざまなイノベーションに係る材料開発の重要のような公共事業投資によるテコ入れが不可能な度を伺い知ることができる。地球温暖化および環境

地方経済の活性化が必要であるとして，中小企業悪化への対処は地球レベルでの恒常的かつ抜本

地域資源活用促進法を施行し地域産業発展の核的な対策が必要であり，経済効率を多少犠牲にしとなる事業創出を今後 5 年間で 1000 件行うことをてでも対応しなければならない重要課題である。

目標に挙げている 2)-4)。これらの施策を活用しながらいかにして地域産業の競争力強化につなげてい3. 関連技術の俯瞰

くかが我々にとっての今後の課題となる。
これまで日本では，大学や研究所で行われた科学的な研究が企業におけるイノベーションに与える

本節では表面材料・機能性材料および表面処
理手法に関して比較的多用されるものを一覧表にまとめる。

影響があまり高くなくサイエンス型イノベーションの－28－

3.1 表面材料・機能性材料の例

ど湿式技術を用いている事業所が大半で，

表面材料・機能性材料の一例をあげると，表 1 のCVD・PVD などの乾式技術を用いている事業

ような材料の機能が利用されている。一般的に粉所は少ない。今後も当面この傾向は大きく変末あるいは薄膜で，構造体の表面や界面に存在しわるとは考えにくい。

てその機能を発揮する。また担体材料中に分散し(3)

表面硬化・固体潤滑などに関しても，国内市たり担体材料表面に製膜したりした複合材料も多場で近年普及しつつある DLC などの乾式技種開発されており，その機能は，光学反射防止，術に対して，ダイヤモンドめっきなどの湿式技

反射，帯電防止，制電，耐熱，赤外線遮断，紫外術の方が県内においては定着の可能性が高線遮断，対候，電磁遮蔽，放射線遮蔽，耐傷，耐いと考えられる。

水，撥水，防湿，吸湿，耐油，撥油，濡れ性改善，(4)

種々の材料のいずれの機能性を利用するに

接着性，ガスバリア，抗菌，抗黴，消臭，防臭，防しても，従来から長きにわたって広範囲に多虫，防汚，親水，生分解，水溶，難溶，硬化，軟化，用されてきた Pb, Cr, Cd などの環境汚染物質

衝撃吸収，光沢，非光沢，感触，表面改質，蓄熱，を排除しようという規制が強まっているため代遮熱，放熱，耐熱，熱収縮，導電，耐電，絶縁，難替材料への転換が急務であり，そこに新市場

燃，磁性，消泡，分散，防食，防錆，耐摩耗，吸音，

開拓の余地も推進力もあることが分かった。

遮音など多種多様に及んでいる 8)9)。
参考文献
3.2 コーティング技術・表面処理の例

1) 2007年版ものづくり白書（ものづくり基盤技術振表面修飾手法としては様々な手法が存在するが，

興基本法第8条に基づく年次報告），経済産業

表 2 に示したような手法が工業的によく使われる。

省，平成19年5月

化学的な手法から物理的な手法，電気化学的な

2)

手法，光化学的な手法など多様である。一般的に技術戦略マップ2007，経済産業省，平成19年4月

は，構造材料・担体材料に表面材料・機能性材料

3)を塗布したり分散したりすることで新たな機能を発

平成19年版通商白書，経済産業省，平成19年
7月現させる。一方，切削や研削などの除去操作によ4)って表面に微細構造を形成し新たな機能を発現さ中小企業白書2007年版，中小企業庁，平成19年4月

せることもできる 10)11)。

5)

平成19年版科学技術白書，文部科学省，平成
19年6月

4. 結

言

6)

本研究調査では，機能性材料の創成と応用に19年7月

関する産業活性化について，国内企業の動向や

7)

県内企業の意向を調査するとともに，関連する技
8)

当初多いと目論んでいた，吸着・脱離・触媒
9)後事業化を考えている企業は現時点で少なく，(2)

2006年ハイブリッドマテリアルの現状と将来展
望，富士キメラ総研，平成18年10月

10) 諸貫信行編，微細加工と表面機能，リアライズ，

産業における，技術高度化に活路を見いだ
す意向であることがわかった。

機能性材料総覧2006，加工技術研究会，平成18年1月などの機能性材料の製造に関与するか，今従来から関連する企業が多い湿式表面処理

Cool Earth ― エネルギー革新技術計画，資源エネルギー庁，平成20年3月

術分野の講演会を開催し，啓蒙を行った。
(1)

特許行政年次報告書2007年版，特許庁，平成

平成19年5月
11） 2007年版高機能コーティングの現状と将来展
望，富士キメラ総研，平成19年5月

県内の表面処理関連企業としては，めっきな

－29－

表1

表面材料・機能性材料の例

材料

表2

表面処理手法の例

手法

機能例
CVD

特徴

二酸化チタン

光触媒，超親水

金属酸化物の化合反応を利用した気相コ酸化亜鉛(亜鉛華)

圧電，透明電極，顔料

二酸化マンガン

酸化剤，触媒

アルミナ

耐蝕，脱水，吸着，乾燥

ハイドロキシアパタイト

吸着，骨誘導イオン

ベントナイト化粧品，保湿，増粘

プレーティング

ゼオライト

吸着，NOx 分解

スパッタ

タルク

磁器材料，樹脂添加

カオリナイト

医薬，化粧品，食品添加LIGA

X 線リソグラフィによる電鋳ポーラスシリカ，粉末シリカ

吸着，(耐水，ガスバリア)

FIB

集束イオンビームで成膜，剥膜

金

導通，宝飾

イオンミリング

表面研磨と粗化

銀，銅

抗菌，感光，導通，宝飾

電子ビーム

重合・結合・切断

白金，パラジウム

宝飾，触媒

マイクロ放電加工

放電加熱で溶融・蒸発し除去

窒化ホウ素

固体潤滑

レーザー加工レーザー加熱で溶融・蒸発し除去

窒化チタン

耐摩耗，装飾溶射

熱して軟化した材料を吹付コーティング

窒化アルミ

高熱伝道，低熱膨張，絶縁

ゾルゲル

ゾル加水分解重合して得たゲルを加熱してDLC

低摩擦，硬化，低摩耗

ーティング
PVD

気化した材料を物理的に衝突させる気相コーティング
真空蒸着とプラズマの複合技術

高速に原子やイオンを衝突させて飛び出した固体原子を表面にコーティング

酸化物を取得ナノインプリント

ナノサイズに加工した原板を型押しして形
状を転写

フォトリソ

フォトレジストを用いてエッチングとプレーテ
ィングをパターンニング

めっき

液中で金属薄膜を生成

エッチング

気中あるいは液中で材料を熔解除去

固体分散・液体

粒子を凝集状態から分散状態に変化させる

分散
蒸着

金属を気化させたのち表面に成膜

電鋳

電解液中で電気的に行う鋳造

塗布

機械的に液滴を塗る処理

粉末冶金

粉末金属を焼結して造形

陽極酸化

電解液内の陽極側で電圧印加し成膜－30－

技術レター

産業用インテリジェントロボット制御技術に関する
調査研究
大野

宏*

木嶋

祐太**

石川

淳**

和弘***

三村

小林

和仁****A Survey of Motion Control Technology for Industrial Robots
OHNO Hiroshi*, KIJIMA Yuuta**, ISHIKAWA Atsushi, MIMURA Kazuhiro***, KOBAYASHI Kazuhito****,

1. 緒
言
近年産業用ロボットやサービスロボットでは

2.2
2.2.1

技術動向
計測技術

状況に応じたインテリジェントな制御が求めら

非接触で対象の形状等を計測する代表的な手れている。これらの要求を満たすためには，作法であるレーザ やカメラを使う方法を中心に調業の対象を正確に計測する技術や高速かつ高精査した。

度の制御技術が必要となる。

レーザは，測定する対象の材質によりレーザ

本調査研究では，ロボットをインテリジェン

光が反射しない場合は表面に反射剤を塗る必要トに制御するための計測・制御の最新技術動向があり，逆に反射が強すぎて計測できないものと，制御を実現するための組み込み技術についもある。近年，受光素子が改良され，反射の弱て調査した。また，県内の工作機械，産業用機

いレーザ光から強いレーザ光まで広いレンジを械，およびロボットに関連する企業の現状を調扱えるようになり，計測できる対象が広がった。

査し，これら企業への計測・制御技術の応用可

ただ，レーザをスキャンさせる必要があり，機能性を検討した。

構が複雑になり計測に時間がかかるという欠点
がある。

2.

調査研究の内容

2.1

概要

カメラは広範囲の対象を瞬時に撮像することができるという特徴がある。カメラには CCD

ロボットをインテリジェントに動作させるた（Charge Coupled Device）型と CMOS（Com-めの計測・制御技術と，これらを実現するため

plementary Metal-Oxide Semiconductor）型があの組み込み技術の最新動向について調査した。

り，携帯電話やデジタルカメラの市場拡大によまた，計測・制御と組み込み技術に関連する県

り高解像度で低価格になっている。カメラから

内企業の現状を調査した。さらに，制御技術に

綺麗な画像を得るためには照明が重要となるが，関する技術講演会を 3 回開催した。

近年，白色 LED が製品化され小型高輝度で色々な方向から光を当てることが可能となり，
これまで難しかった対象も画像処理で扱えるよ*研究開発センター**

下越技術支援センター***

素材応用技術支援センター

****

企画管理室

うになった。複数のカメラを利用すれば 3 次元
形状計測も可能であるが，測定精度が悪く処理時間もかかり苦手としている。そのため，特定の部品のみを対象とする場合は，あらゆる角度－31－

から撮像した 2 次元画像から位置や姿勢といっ用されている。リニアモータより高加速度が実た 3 次元情報を推定する研究が行われている

現できるため，工作機械への利用も期待されて

1)

。

いる。

広範囲の 3 次元情報を瞬時に取得する新しいタイプのセンサも開発されている 2) ,3) 。これは，

2.2.3

組み込み技術光の反射時間からある一定の範囲の 3 次元デー

工作機械や産業用機械の制御にはコンピュー

タを短時間で取得するものである。画素数は約タが使用されている。これらの制御装置は組み

4 万，距離分解能は数 mm，価格もカメラに比込み技術と呼ばれ，機能が特定されており，高べて高価であるが，新しいタイプのセンサとしい信頼性が要求される。組み込み技術のハードて利用範囲の拡大が予想される。

ウェアとソフトウェアについて調査した。

(独)産業技術総合研究所は，フェムト秒レー

マイコンは誕生してから 40 年近くが経過しザを利用した瞬時 3 次元形状計測技術を開発し飛躍的に進歩を遂げた。低機能のものから高機

4)た 。 パルス内で時間とともに連続的に色が変能のものまでいろいろあるが，高速化に対応す化する光パルス（チャープ光パルス）を対象にるため複数のマイコンに仕事を分散させ，全体照射し，反射光を超高速シャッターで切り出すの処理速度を高めるという技術開発が近年盛んと，その瞬間にパルスの飛行する位置に応じたである。

色の光が得られる。さらに，2 次元イメージン

DSP（Digital Signal Processor）10) はデジタル

グを組み合わせると，奥行き形状に応じた色の信号処理に特化したプロセッサで，特に積和演分布を持つ 2 次元の色画像が得られる。

算を高速に行うことができる。デジタル家電の普及により DSP の市場も拡大している。年々高2.2.2

速化と低消費電力化が進み，映像処理を対象に制御技術

モータ制御では PID 制御が古くから使われてしたより高機能の製品化が行われている。

5)

いるが，最近ではロバスト制御 が普及しつつ

FPGA（Field Programmable Gate Array）は，ある。半導体製造用の超精密位置決め装置ではユーザが独自の論理回路を書き込むことのできテーブルの除震のため，加速度センサで震動をるゲートアレイの一種である。専用チップより検知しフィードバック制御する方法がある。た

動作速度は遅いが，プログラムの書き換えが可だし，加速度センサは高価のため外乱オブザー

能なため開発に要する時間を短縮でき価格も安

バを適用し，センサなしで同等の除震を実現しい。多量のデータを扱う画像処理の分野を中心6)ている 。また，外乱オブザーバを利用してモに普及が進んでいるが，処理速度はプログラム

ータの電流値と角速度からトルクを推定し，セに依存するため，使いこなすまでには時間がかンサなしで力を制御する産業用機械の開発の取

かる。

7)

り組みがある 。

PSoC（Programmable System-on-Chip）はサイ

機械のテーブルやステージ等の駆動機構としプレス社が開発した新しいタイプの IC チップてボールねじとリニアモータがある。リニアモ

で，従来はマイコンの周辺回路であったアナロ

ータの方が高精度の制御ができるものの，冷却グ回路とデジタル回路を全て組み込みワンチッ

装置が必要で価格も高いという欠点があり，ボプにしたものである。コンパレータやフィルタ

8)ールねじも改良が進んでおり普及率は高い 。

といったアナログ回路の特性をプログラムで変一方，リニアモータの欠点を改良し冷却装置が更できる。利用できる周波数が低いという制限不要で，より高速に動作するトンネルアクチュがあるものの，電子回路を非常に小型化できる

エータが開発され9)，超精密位置決め装置に利という特徴がある。

－32－

リアルタイム OS（Operating System）は，各

ァナック(株)の NC（Numerical Control）を使

種処理をリアルタイムに実行するための機能を用している企業がほとんどである。そのため，実装した OS のことである。産業用機械を制御

NC の能力に制約されることも多く，計測と制するコンピュータでは，処理時間が一定の範囲

御技術で独自性を発揮できない。例えば，熱を内にあることを要求されるため，必要な処理時

精度よく計測してより高精度な補正を行いたい

間の予測を行なう機能や，複数の処理要求が同という要望があっても，使用している NC が熱時に発生した場合でも目的の時間内に終了させ

電対しか対応していなければ困難である。

るための機構を備えている。組み込みシステムの代表的なリアルタイム OS に ITRON 11) があ

2.3.3

り，コンパクトで性能が良く使いやすい。

産業用機械

長岡市を中心に半導体や薄型パネル等の製造

これらのプログラムは C 言語で開発するのがに使用する装置を開発している産業用機械メー

一般的であるが，慣れるまでに時間がかかる。

カが多くある。これら装置の制御に PLC（Pro-

そのため，MATLAB/Simlink（MathWork 社）や

grammable Logic Controller）を使っている企業

LabVIEW（NATIONAL INSTURUMENTS 社）

が多い。PLC はラダーと呼ばれる比較的簡単

といったグラフィカルにプログラムできる環境な方法でプログラムができるため，軽微な変更があり，より簡単に組み込みシステムの開発にはユーザ側でも可能である。ただ，プログラム

取り組めるようになった。

の中味を知られてしまうという欠点があるため，組み込み技術の開発ではそれを担う人材が必組み込みシステムを開発し制御部をブラックボ

要となるため，各地域では技術者研修に力を入ックス化している企業もみられる。マイコンを

れている

12)

。宮城県産業技術総合センターは利用した組み込みシステムは，価格も安く小型

10 年ほど前から組み込みリアルタイム OS の開化できるため競争力を高めることができる。

発に取り組み，県内企業向けの研修を行っている。その成果として県内企業から組み込みを利

2.3.4

ロボット

用した製品が出ている。また，(財)にいがた産

ロボットに関連する製品を開発している県内

業創造機構は県内企業のニーズをふまえて 2 年

企業は少なく，セル生産用向けの小型産業用ロ

前から組み込み研修を開始した。その他として，

ボットを開発している企業，教育用のロボット

自動車産業の盛んな中京地区，半導体関連産業を開発している企業，土木作業等の特殊なロボがある九州地区で人材育成の取り組みがある。

ットを受託開発している企業がある。また，製造ラインに産業用ロボットの利用を検討してい

2.3
2.3.1

県内企業の動向概要

る企業がいくつかあり，プログラム変更で多品
種少量生産に対応できるよう導入を進めている。

約 30 社におよぶ県内企業を調査した。調査
内容は，自社で開発している製品の計測技術と2.4制御技術の状況，現在の課題，および今後の開発方針などである。

技術セミナーの開催

県内企業を対象に制御技術に関するセミナーを開催した。開催したセミナーの一覧を表1に示す。参加者数は3回のセミナーで110余名に至

2.3.2

工作機械

った。また，これ以外にも「先端加工技術に関

県内には多数の工作機械メーカと加工メーカ

する調査研究」と合同でセミナーを開催し，ヤがある。工作機械メーカは大型機械など特徴のマザキマザック(株)の木方氏から工作機械のある機械を開発しているが，制御に関してはフNCについての講演をいただいた。各回とも活

－33－

表1

技術セミナー一覧

No

セミナーと講師

日1

匠の技を実現する制御技術セミナー
・新潟工科大学 中嶋新一
・地域基板技術継承プラザ 相川克壽

2007/9/28 13:00～16:50

40

2

モーション制御技術セミナー
・横河電機（株） 貝瀬季幸
・（株）テクノ 山中守

2007/12/19 13:30～16:50

34

3

モーションコントロール技術セミナー
・長岡技術科学大学 大石潔

2008/3/4 15:00～16:40

26

表2

計測

制御

組み
込み

△普通

技術項目
センサ
画像処理
産業用ロボット
位置決め
ロバスト制御
高速制御
NC
FPGA
DSP
マイコン

参加人数

術力が必要であり，県内にも数社見られる。こ

県内での先進技術の有無

（○高い

時

れらを組み込み，高性能な製品を開発している×低い）

新潟県の技術水準
×
△
×
△
△
×
×
○
△
△

企業もある。
3.2

提案

県内の工作機械メーカの多くは，ファナック(株)の NC を組み付けており，制御技術に関して特徴のある工作機械を開発していない。一方，オープン MC（Motion Controller）を提唱する制御装置がある。これは，汎用の NC とは異なり，緻密なモーション制御をユーザが作り込むことができるため，制御技術で独自性を発揮できる。
また，基本ソフトウェアとハードウェアが製品発な質疑応答があり，制御技術に対する関心の化されているため，ハードウェア開発のリスク

高さがうかがえた。

がない。このオープン MC を利用し，ワークの回転テーブルと刃物台を高速同期させて制御し，

3.

新事業創出可能性

非円形状のワークを高速に加工する複合加工機

3.1

県内の先進技術の有無の開発を検討している。このような制御装置を今回調査した技術項目の県内における先進技

使えばより細かな熱補正ができる工作機械等，術の有無を表 2 に示す。県内には多数の工作機

インテリジェントでかつ独自性を持つ機械を開械メーカがあるが，制御装置に関してはファナ発できる。モータ制御やセンサを組み込んでのック(株)の NC を購入して組み付けている企業

インテリジェントな制御は工作機械だけでなく，がほとんどで，独自性を発揮できないという課

産業用機械にも役立つ。

題がある。産業用機械メーカの中には，高精度産業用機械は，一部でマイコンを利用した制の位置決め技術，ロバストな力制御，他にはな御基板を自社開発し組み込んでいる企業もある

い低コストな小型産業用ロボットを開発していが，多くの企業は PLC を利用している。PLC もる企業がある。組み込みシステムに関しては，

改良され小型低価格化が進んでいるものの，マFPGA や DSP は海外のメーカが開発しているが，イコン等を利用した組み込みシステムにくらべ

これをプログラムし使いこなすためには高い技て装置が大きく価格も高い。組み込み技術を利－34－用するためには開発を行う人材が必要になるた品開発には重要である。

め，初期コストは高いものの一度開発すれば継続して利用でき，競争力を高められる。

参考文献

最近，画像処理を使った検査装置の開発に取

1) 玉木徹他，“画像列の遷移行列のブロック

り組んでいる企業が多く見られる。人による目対角化による部分空間を用いた物体の姿勢

視検査は疲労により基準が変動する等の理由か推定”，第 10 回画像の認識・理解シンポジ

ら，自動化の要求は以前から高かったが，カメウム, 2007，p558.

ラやコンピュータ等，画像処理に必要な機器の2) 吉沢徹，“最新光三次元計測”，朝倉書店，

性能が飛躍的に向上したこと，プログラムの開発ツールがグラフィカルになり取り組みやすく

2006，p106-113.
3) 株式会社日本クラビス,“製品案内3 次元

なったことが，その要因になっている。ただ，

距離測定ミニチュアカメラ”, http://www.j-

綺麗な画像を得るための照明のノウハウが必要

clavis.co.jp/Mesa-sr3000/index.html,

であり，小さな傷の有無を検査するためには高（平成 20 年 3 月 6 日閲覧）

解像度の画像データを高速に処理する必要があ4) 平尾一之他，“フェムト秒テクノロジー”，
化学同人，2006，p173-177.

る。そのため，これら企業の取り組みを製品化につなげるためには，FPGA やソフトウェアに

5) 社団法人精密工学会

超精密位置決め専門

よる並列処理などの高速処理技術の開発を行う委員会，“次世代精密位置決め技術”，フ必要がある。

ジ・テクノシステム，2000，p475.
6) 大塚二郎，“ナノテクノロジーと超精密位置決め技術”，工業調査会，2005，p117.

4. 結言(1) 計測・制御技術を調査した結果，一定の範7) 本田昭他，“新しいサーボ制御の基礎と実囲の 3 次元情報が瞬時に得られる新しいセ用化技術”, トリケップス, 2003，p167-

ンサや，リニアモータの欠点を解消したト

172.

ンネルアクチュエータが開発され，改良が8) 株式会社オプトロニクス社，“ポジショニ

進められている。
(2)

県内工作機械メーカのほとんどが既製品のング EXPO2007 特別セミナー資料”，2007
9) 株式会社日立製作所,“製品案内トンネル

NC を使用しており，制御技術での独自性

アクチュエータ”, http://www.hitachi.co.

を出していない。ただ，制御技術開発の要

jp/New/cnews/month/2004/04/0409.html,

求はあり，高速で高精度の制御技術の研究（平成 20 年 3 月 6 日閲覧）開発を行う必要がある。

10) 日本テキサス・インスツルメンツ株式会社，(3) 産業用機械メーカでも既製品の PLC を使用しているが，一部の企業では組み込み技術“DSP 講座資料”，2008
11) 藤倉俊幸，“リアルタイム／マルチタスク

で制御装置を自社で設計している。また，システムの徹底研究”，CQ 出版社，2003，

自動機の開発から始め，自社製品の開発に

p133-154.

成功し成長している企業も多くある。

12) 翔泳社編集部，“組込みソフトウェアレポ(4) 組み込みシステムを開発している企業は，ー2006”，翔泳社，2005，p131-163.

(財)にいがた産業創造機構の組み込み研修を上手に活用している。組み込みに使われる技術は進歩が激しいため，最新のチップを使いこなす人材の育成が競争力のある製－35－

技術レター

先端加工技術に関する調査研究須藤

貴裕*，田村信*，山田敏浩**，石井啓貴***，宮口孝司****A Research of Advanced Machining Technology
SUTOH Takahiro *, TAMURA Makoto*,YAMADA Toshihiro**, ISHII Hirotaka ***and MIYAGUCHI Takashi****

1.

緒

言

いる。

近年，機械加工は短納期化や加工物の複雑形

送り軸にリニアモータを搭載した工作機械の状化の要求により，さらなる高速・高効率・高例を図 11)に示す。（株）松浦機械製作所製で早精度加工が求められている。これら要求を満た

送り 90m/min，最大加速度 1.5G を実現している。

すためには，主軸の高速高剛性化，テーブルの

また，要素部品としても，ファナック（株）

高速移動，精密位置決めなどのほか，ワンチャ

製で最高速度 240m/min，最高加速度 30G を実ック加工を実現する多軸化や複合化が必要とな現しているリニアモータがあるなど，超高速送る。

り機構としての利用が期待できる。各社リニア

本調査研究では，高速主軸やリニアモータのモータのスペックを表 12)，3)，4)，5)，6)，7)，8)に示す。

搭載といった工作機械関連の技術動向について

主軸については，ドイツやスイスといった海調査したほか，県内企業における多軸加工機お外メーカーで高速なものが多く，毎分 10 万回転

よび複合加工機などの導入状況について調査しを超えるものでも転がり軸受のものが主流となた。また，先端の切削技術として航空機分野なっている。ドイツの GMN 社では小径ではあるどで使用されるチタン合金や超耐熱合金，複合が，毎分 25 万回転にもおよぶ超高速主軸を開発

材料などの難削材の加工技術動向についても調している。また，主に切削に使用される比較的査した。

軸径の太いものでも毎分 10 万回転を超える転がり軸受けの高速主軸が開発されており，現在

2.

調査内容

よりも一歩進んだ超高速切削技術開発が期待で

2.1

工作機械関連の技術動向

きる。

おもに展示会・セミナーなどを中心に調査を行った。工作機械メーカーは国内外を問わず多軸化・複合化が進んでいる。高速主軸やリニアモータを搭載した多軸加工機，ダイレクトドラ
イブ方式の旋回テーブルを搭載しターニング機
能を付加したマシニングセンタも実用化されており，高速・高効率・高精度加工が注目されて*研究開発センター**

中越技術支援センター

***

企画管理室

****

図1

研究開発センター

リニアモータ搭載の工作機械例 1）（（株）松浦機械製作所製

レーザーナノテク研究室

－36－

LX-1）

表1

各社リニアモータスペック一覧 2)，3)，4)，5)，6)，7)，8)

メーカーおよびシリーズ名
最大加速度
最高速度
FANUC LINEAR MOTER LiSシリーズ
30G
4m/s（240m/min）
ジイエムシーヒルストン シャフトモータ
20G
6.3m/s（378m/min）
安川電機 Σ-trac-MAGシリーズ
20G
3m/s（180m/min）
THK リニアモータアクチュエーター RDM-MINI
9G
5m/s（300m/min）
テクノハンズ SGLシリーズ
8G
5m/s（300m/min）
YAMAHA MFタイプ
3G
2.5m/s（150m/min）
テクノハンズ 薄型VCM型Xステージ―
１4m/s（840m/min）
2.2

多軸・複合加工における CAM 技術動向

表2

多軸・複合加工機は従来の 3 軸加工と比較し航空機の構造部材構成割合 12)

構成割合
ボーイング787 ボーイング777
複合材（CFRPなど）
50%
11%
アルミニウム合金
20%
70%
チタン合金
15%
7%
鋼
10%
11%
1%
その他
5%
材料名

高度な技術を必要とする。そのひとつで最も重要な技術要素に CAM がある。3 軸加工における CAM では，主軸回転数，送り速度，切り込
み量などのパラメータを設定すれば，比較的簡
単にツールパスが作成できる。また，3 軸加工
では通常，工具およびホルダとワークの干渉チ具があげられる。超硬工具による旋削加工では

ェックを行えばよい。

従来切削速度は 30m/min 程度であったが，セラ

しかし，多軸・複合加工の場合では，3 軸加

ミック製工具の KENNAMETAL 製 KY1540 では

工のパラメータに加えて工具姿勢の設定など多切削速度 300m/min にも及ぶ高速加工が推奨切

くのパラメータを設定する必要があるほか，旋削条件 9)に含まれている。またエンドミルなど

回軸を有するため，形状によっては旋回軸が思を使用したミリング加工では，1220m/min まで

わぬ方向に急旋回することもあり，マシンとワ

推奨切削条件 10)になっているなど工具の発展はークなどの干渉チェックも厳密に行う必要があ

目覚ましいものがある。一方，加工方法に目をる。近年，CAM 上でも干渉チェックを行える

向けると旋削加工において，ロータリ切削加工

ようになったほか，干渉チェックを主な目的となどの技術が研究 11)されており，超硬工具によしたシミュレーションソフトも数多く市販される旋削加工でも切削速度 500m/min でのドライており，精度良く干渉チェックが行えるように加工の事例が報告されている。

なってきた。しかし，シミュレーションで干渉

そのほか切削加工技術の動向が注目されていすることがわかったとしても，干渉せず，かつ，る難削材では，航空機分野への適用が急速に進取り残しのないツールパスに修正するのはんでいる炭素繊維強化エポキシ樹脂（以下，CAM ユーザーの技量によるところが大きく，

CFRP という）などの複合材料がある。表 2 にノウハウが必要な部分となる。

ボーイング 787 および 777 の構造材料の構成割
合 12)を示す。現状では，切削技術が確立されて2.3

難削材加工の技術動向

おらず，穴あけ加工などの比較的単純な加工に代表的な難削材であるインコネルの切削加工

留まっており，切削加工技術の開発が求められにおいては，従来，切削速度を極めて低速にしている。その一例として，超音波振動切削によて加工するのが一般的であったが，近年切削工る高精度穴あけ加工 13)などが試みられている。

具が進歩し，高切削速度でも切削加工が行える

切削初期は比較的切削可能であるが，切削が進ようになってきた。その一例にセラミック製工

むにつれ被削材に毛羽立ちが発生し，加工面性－37－

状が悪化する。これは，CFRP を構成する炭素2.5

技術セミナー

繊維とエポキシ樹脂の熱伝導率の違いに起因し主に県内企業を対象とした技術セミナーを開ていると考えられる。つまり，摩擦により発生催した。セミナー時の写真を図2に，開催したセした熱が熱伝導率の良い炭素繊維に沿って伝わミナーの一覧を表3に示す。参加者数は2回のセり，周辺のエポキシ樹脂が脆化して剥離し，毛ミナーで130余名にのぼり，先端の切削加工技術

羽立ちが発生する。超音波振動切削では瞬時にに対する県内企業の関心の高さがうかがえる。

切削，離れを繰り返し摩擦熱の発生を抑制する

図3にセミナー時のアンケート結果を示す。

ことを目的としている。
2.4

新潟県内企業の動向

近年，県内の企業においても数多くの企業で多軸加工機の導入が進んできており，全国的にみてもハイレベルな多軸加工を行っている企業もある。
高度な多軸・複合加工を行っている企業では
航空宇宙医療産業など分野の加工を行っている場合が多い。航空宇宙医療産業分野では多軸・

図2

複合加工はもちろんのこと，難削材であるチタ

技術セミナーの様子

ン合金やインコネルなどの耐熱合金が多用されており，そうした難削材加工においても高度な加工技術蓄積がある。CAD/CAM ソフトについても数種類のソフトを所有しており，客先から提供される様々な CAD 形式に対応するほか，それぞれの特徴を生かし使い分けしている。また，シミュレーションソフトで十分に干渉チェックを行い加工しているほか，加工物の加工精度予測なども行っている。
こうした企業では他社との差別化のために，加工時間の短縮などさらなる高効率切削加工技術の開発が求められているほか，CFRP などの

図3

アンケート結果複合材料においても，前述のとおり航空部品などで加工ニーズがあり，切削加工技術の開発が求められている。
また，その他の企業でも多軸加工機をすでに

3.

新事業創出の可能性

3.1

新潟県内の先進技術の有無

導入し，これからノウハウを蓄積して多軸加工

県内における先進技術の有無を表4に示す。表に取り組もうとする企業も数多く見受けられる。

中の県内レベルとは全国技術レベルと県内技術

このような企業が技術者を育成しノウハウをレベルを比較した場合の優劣を示した。リニア

蓄積することで，多くの県内企業で多軸・複合モータや複合材料加工を除いた分野では県内に加工技術が習得されれば，県内加工業の高付加先進企業が存在し，ボールネジ、スライド部品価値化が期待できる。

や高硬度材加工においては，県内技術レベルも

－38－

表3
No
1

2

開催したセミナー
日

技術セミナーおよび講師
cBN加工の実体験と先進技術セミナー
・（独）理化学研究所 安斎 正博氏
・（株）松岡技術研究所 松岡 甫篁氏
・住友電工ハードメタル（株）上坂 伸哉氏
5軸加工と複合加工技術セミナー
・日本ディエムジー（株）細田 陽一郎氏
・ヤマザキマザック（株）山本 博雅氏
・ヤマザキマザック（株）木方 一博氏

表4

時

参加者数

H19.9.14 13時～17時

約65名

H20.1.31 13時30分～17時

約70名したもので複雑な形状加工において，工具姿勢

県内における先進技術の有無を面直に保って加工する。加工面に対して常に技 術 項 目
県内レベル
ボールネジ，スライド部品○
要素部品
リニアモータ×
主 軸△
多軸・複合加工×技術
高速加工△
CAD/CAM
×
加工
チタン合金
△
耐熱合金
×
材料
高硬度材
○
複合材料
×

工具姿勢が一定となるため，均一な加工面が創成でき磨き工程の短縮が期待できるほか，表面に圧縮残留応力を付与することで金型寿命の向上などが期待できる。また，チタン合金やインコネルなどの耐熱合金にN-MACH加工を適用することで，高効率な切削加工が期待できる。さらに，N-MACH加工は高速エアスピンドルを用

全国レベルに達していると思われる。しかし，いており瞬時に材料を切削するという特徴を有

そのほかの分野については，全国レベルと比較することから，摩擦熱発生の低減が期待できる。

して決して高いレベルとは言えない。県内企業

さらに，超低温気体ブローと組み合わせることが他県やアジア諸国をはじめとする諸外国とのにより課題となっているCFRPなどの複合材の差別化を計るためには，多軸・複合加工や難削

切削加工技術開発も期待できる。このN-MACH

材加工，高度CAD/CAM技術を習得し，航空機や加工を5軸加工に応用するためには，送り速度の医療産業などの高付加価値加工分野へ進出する

高速化技術開発が必要となるほか，CAMや加工ほか，高効率・高精度・高品位なものづくりを

シミュレーション技術の向上が鍵を握る。

行う必要がある。
3.2.2
3.2

提

超高速非円形加工機の開発

図5は複合加工機の割り出し加工などで加工案

前述のとおり，県内企業が他県やアジア諸国

され，通常長時間におよぶ切削加工が必要とさをはじめとする諸外国との差別化を計るためにれる非円形状のワークを短時間に切削する加工は，技術者を育成し，多軸・複合加工技術や難機である。刃物台をリニアモータにより瞬時に削材などの高精度・高効率加工技術の向上と加速および減速し，ワークの回転角と刃物台をCAD/CAM技術の向上が必要である。そうした観

超高速同期制御することで大幅な加工時間短縮

点から難削材や複雑形状に対応する多軸・複合など超高効率な非円形状加工を実現する。また，加工技術の開発を提案する。具体的な提案内容

通常旋削加工で使用されるバイトの代わりに高を図4および図5に示す。

速スピンドルを使用することで，旋削加工で問題となる切りくず処理や工具寿命の向上が期待

3.2.1

できる。この加工機を実現するためには，オー

超高速5軸加工技術の開発

図4は新潟県工業技術総合研究所が開発したプンモーションコントローラなどによる超高速切削加工技術（N-MACH加工）を5軸加工に応用

同期制御技術の開発が必要となるほか，刃物台－39－

が瞬時に加速および減速するため，加速および機械への適用はもとより，産業機械分野への技

減速時のイナーシャキャンセル機構の開発も必術の応用が期待できる。

要となる。こうした超高速同期制御技術は工作

開発要素○送りの高速化； 送り機構・制御、CAM○加工条件の確立 ； 工具、CAM

複雑形状の面直切削！
低切り込み・高送り！
期待される効果○高品位な加工面（均一粗さ、圧縮残留応力付与）○難削材の高能率加工

航空宇宙部品、金型、医療部品など

N-MACH； 新潟県工業技術が開発した切削加工技術。
エアスピンドルによる工具の高速回転(max50,000min-1）と低切り込み・高送り条件により金型の直彫り加工を実現。

図4

超高速 5 軸加工技術開発

開発要素○超高速同期制御技術の開発
オープンモーションコントローラによる技術開発○イナーシャキャンセル機構の開発○ターンミリングによる非円形加工技術の確立

高速スピンドルによるターンミリング！
非円形状ワーク
高速スピンドル

超高速非円形加工機の実現
航空宇宙部品、発電部品などの非円形状の超高効率加工
ワーク回転角制御
波及効果
制御技術を産業機械へ応用

オープンM C による超高速同期制御

図5

超高速非円形加工機の開発－40－

リニア モ ータによる高加減速制御目標最大加速度 15G

5．結

言

(1) 工作機械関連の技術動向を調査した結果，

ジ，

リニアモータ駆動やダイレクトドライブ

http://www.e-mechatronics.com/support/catalog

方式の旋回テーブルを搭載しターニング/servo/kajps80000026c_3_0/data/kajps8000002

機能を付加したマシニングセンタなど，多6c_3_0-08.pdf，（平成20年3月10日閲覧）

軸・複合・高速・高効率加工が注目されて

5)

THK株式会社，“製品情報アクチュエー

タ・ユニット”，THK株式会社ホームページ，

いる。
(2) リニアモータでは現在，最高速度 240m/min，

http://www.thk.com/jp/products/class/linearactu

最高加速度 30G のものが実用化されていator/index.html，（平成20年3月10日閲覧）

るなど，工作機械の超高速送り機構として

6)

テクノハンズ株式会社，
“製品案内

リニア

モータ”，テクノハンズ株式会社ホームペーの利用が期待できる。

ジ，(3) 多軸・複合加工においては CAD/CAM や加工シミュレーション技術が重要な要素とhttp://www.technohands.co.jp/products/lm-stag

なっており，ノウハウの蓄積が必要である。

e.html，（平成20年3月10日閲覧）(4) 難削材加工では工具の進歩により，インコ

7)

ヤマハ発動機株式会社，
“製品一覧

産業用

ネルなどの耐熱合金でも高速加工が可能ロボット”，ヤマハ発動機株式会社ホームペとなってきた。また，CFRP などの複合材

ージ，

料の切削加工技術開発が注目されている。

http://www.yamaha-motor.co.jp/product/robot/p(5) 県内企業においては，多軸・複合加工機のhaser/feature_mf/index.html

導入が進みつつあるが，一部の企業を除い

8)

テクノハンズ株式会社，
“製品案内

ボイス

ては，今後技術者の育成などノウハウ蓄積

コイルモータ”，テクノハンズ株式会社ホーが必要である。

ムページ，
http://www.technohands.co.jp/products/vcm-x-t
hin.html，（平成20年3月10日閲覧）

参考文献
1)

超高速高

精度立型リニアモータマシンLX

Series”，

KMTL-High-Temp-Alloy-Turning-Guide”，p9

松浦機械製作所ホームページ，

10) KENNAMETAL，“KENNAMETALカタログ

株式会社

2)

3)

9)

http://www.matsuura.co.jp/japan/mc/lx_series.s

KMTL-High-performance-Milling-Cuttershtm，（平成20年3月10日閲覧）

FOR HIGH-TEMP ALLOYS AND

ファナック株式会社，“製品案内

STAINLESS STEELS”，p5

サーボモータ”，ファナック株式会社ホームページ，

11) 中島宏他，“複合加工旋盤におけるロータ

http://www.fanuc.co.jp/ja/product/servo/linear/i

リ工具の加工特性（第二報）”，2007 年度精ndex.html，（平成20年3月10日閲覧）

密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，

株式会社ジイエムシーヒルストン，“製品紹2007，p641-642

介

シャフトモータ”，株式会社ジイエムシ

12) 財団法人日本航空機開発協会，“平成 15 年

ーヒルストンホームページ，

度民間航空機および関連産業に関する調

http://www.ghc.co.jp/product/shaft.html，

査研究”，2004，p66
13) 柳下福蔵，“複合材料（CFRP）の穴あけ加（平成20年3月10日閲覧）
4)

KENNAMETAL，“KENNAMETALカタログ

株式会社松浦製作所，“製品紹介

株式会社安川電機，
“製品情報

リニアサー

ボドライブ”，株式会社安川電機ホームペー－41－工技術”，機械と工具 2007 年 6 月号，2007，
p24-28

技術レター

表面高機能化技術に関する調査研究山田林

昭博*，永井

成実**，坂井直人**，桂沢豊**，内藤隆之**，

朋之***，紫竹耕司***，小林泰則****

Study on advanced surface treatment
YAMADA Akihiro*, NAGAI Naoto**, KATSURAZAWA Yutaka**, NAITOU Takayuki**,
HAYASHI Narumi**, SAKAI Tomoyuki***, SHICHIKU Koji***, KOBAYASHI Yasunori****

1.

緒

言

近年，地球温暖化対策や環境負荷低減が企業る気相でのコーティングとして DLC を中心に調査した。

におけるものづくりに求められている。併せて製品の差別化・高付加価値化に伴い，表面への2.2

めっき関連の技術動向

機能性付与が求められている。例えば機械部品

本調査研究では，めっきの中でも湿式での処において，摺動面の低摩擦化は負荷の低減につ理を対象とした。近年のめっきには微細化，精ながりエネルギー消費量が削減できる。このよ

密化，高機能化が求められている。例えば半導うな機能を付与するためには，既存の処理技術

体やエレクトロニクス関連では，はんだ付け性，に新たな物質を加える，処理条件を変更する，

電気抵抗，磁気特性，耐摩耗性など多くの機能

新しい処理技術を利用する等が必要となる。

を持たせるために利用されている。自動車など

本調査研究では，表面処理技術として液相ででは耐食性向上に加え，プラスチック上へめっのコーティングとしてめっきを，気相でのコーきを行うことにより金属感を与えて高級感を出ティングとしてダイヤモンドライクカーボン

す，耐衝撃性，耐候性などの機械的特性を向上（DLC）を中心として技術動向を調査し，県内させて軽量化を図ることなどに利用されており，企業における新事業創出の可能性について検討

近年の注目も高い。微細加工の分野では，ディした。

スク成形やマイクロからナノサイズの微細金型などにニッケルの精密電鋳が多く利用されてい2.

調査研究の内容

2.1

概要

る。
プラスチック上へのめっきでは，密着性を向表面処理手法としては，主に液相，気相，そ上させるためにプラスチック表面に微細な凹凸の他に大きく分けられる。新潟県においては液を付ける必要があり，前処理として 6 価クロム

相処理，特にめっき処理が金属表面処理としてであるクロム酸を用いたエッチングが必要とな多く行われている。そこで，めっき技術の高度る。後述するが，環境規制への対応が必要とな化の可能性を調査した。また近年注目されていっており，有害物質として規制のある 6 価クロ*

研究開発センター**

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

ムを使わない処理方法が求められる。前処理法
として，硝酸系や過マンガン酸を用いたエッチング処理や，TiO2+UV を用いたオゾン処理など
1)に加え，日立マクセルでは超臨界 CO2 を用いた技術開発を行っている。超臨界を用いためっ－42－

き技術としては，超臨界の浸透力を利用してプれた。4) DLC の特性を示す既存の三相図を図１

ラスチック表面にパラジウム触媒を浸透させ，

5)

これを核にしためっき処理を行っている。 2)まsp3 結合）と水素の含有量によりグループに分けた樹脂成型時のノズル先端部に触媒を充填した

られ，100% sp3 構造となればダイヤモンドとな

後射出成形することで，成型品の表面にパラジ

り，100% sp2 構造となればグラファイト構造をウム触媒が分散し，その触媒を元にめっきがで取る。DLC においては密度が高くなったり水素きる技術開発も行われている。

濃度が低くなると硬度を増し，sp2 の存在比が多に示す。DLC は炭素の結合様式（sp2 もしくはめっき被膜中への複合めっきに関しても硬さ

くなると摩擦係数および摩耗量が減少する，とや潤滑性などを向上させるために，アルミナやいう相関が見られている。DLC の成膜方法によ

酸化ケイ素，テフロン粒子を加える技術開発や，っても大まかに分けられ，PVD では水素の少な

ホウ素などを添加するめっき処理も進められて

い高密度型が多く，CVD では低密度のものが多いる。

い傾向が認められた。4)

めっき業界を取り巻く環境としては，各種環

DLC コーティングとしてはハードディスク

境規制への対応が要求されている。規制の始まメディアやヘッド，工具，湯水混合栓や赤外線った WEEE & RoHS，ELV，そして REACH 規則

バーコードリーダーの窓材，そして暖かい飲料が交付され，規制への対応が必要とされている。

用ペットボトル内面へガスバリヤ膜として利用

これらの規制では，6 価クロム，鉛，カドミウ

されている。炭素質であることから，生体適合

ム含有量の低減が要求されており，代替技術開性があり，インプラント材料としても開発が進発が進められている。また REACH 規則では構められている。またゴムのような柔らかい素材

成物質の届け出が必要とされる。廃液処理技術

へのコーティング技術も開発され，素材の変形としては各社ともしっかりとした取り組みを進にも追従できるようにしわを入れた被膜やマイめているが，亜鉛の処理規制が厳しくなるなど

クロクラックを入れた被膜，そしてコーティン

めっき処理業者に対する金銭的負荷は高まるこ

グ時にメッシュによるマスクを用いることでとが予想される。

DLC を島状に存在させるセグメント DLC 技術も開発されている。 6)これらは炭素膜自体が高2.3

気相コーティング関連の技術動向

気相コーティングとしては PVD および CVDによる成膜を調査し，中でも近年高い伸びを示

硬度であり，素材の変形に追従できないことを避ける，または被膜の割れ，剥離を避けるためである。
DLC を成膜するメーカーとしては国内に 30

しているダイヤモンドライクカーボン（DLC）
を中心として調査を行った。
ドライコーティング自体は年率 10%の伸びを示しており，中でも DLC は同 20%の伸びである。2006 年の 63 億円から 2010 年には 80 億円
規模の市場になるとも予測されている。3)2006 年度に（独）新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の補助金を受けて国内メーカーや大学，公設試等より提供されている
DLC に関して様々な特性から評価し，DLC の特性をグループ化する事業が長岡技術科学大学
物質・材料系の斉藤教授がトップとなり進めら

図１

－43－

DLC の三相図 5)

社程度あり，主として受託成膜加工を行い，一より分子吸着を生じる交互積層膜を形成する交部では成膜した製品を製造している。膜の特性

互吸着法があり，鮮度保持用シートや吸着剤，などに関しては各社各様である。用途によってメガネ用の反射防止膜などへのコーティングがは被膜の密着性が問題となるが，中間層として簡単にできるものである。連続装置として(株)Si や Cr などの層を入れる，DLC 自身に金属を三菱マテリアルテクノが開発している 9)ドーピングするなどにより改良を加えている。
さらに DLC の複層化技術 7,8)も進んできている。

3.

新事業創出の可能性
長岡技術科学大学の松原准教授は複合めっき

2.4

その他表面処理技術動向

塗装およびナノインプリント技術を中心として調査を行った。

として粒径数 nm のナノダイヤモンドをめっき
被膜中に分散させたナノダイヤモンド複合めっき技術を有している 10,11)。ダイヤモンド粒子を塗装としては環境への配慮から，これまで用

めっき被膜中に混入させることで，高硬度およ

いられている溶剤である有機溶媒から環境に優び低摩擦・高摺動性の被膜を得ることが可能としい水系溶媒への移行が進んで来た。加えて静なる。これまでは数％程度しか混入させること

電塗装やコールドスプレー技術も利用されてきのできなかったナノダイヤモンド粒子混入率を，た。静電塗装とは高圧の直流電気を利用し，被最大 14％まで高めることが可能となった。数 10

塗物をプラス，霧化した塗料粒子をマイナスにnm サイズのダイヤモンド粒子を分散させため帯電させて噴霧するものである。コールドスプ

っき被膜開発は他社でも進められているが，サレーは，材料粉末を高温・高速の流れにして被イズの小さいダイヤモンド粒子とすることで摺塗物の表面に吹き付けて堆積・コーティングを

動相手への攻撃性を減らす効果も期待できる。

行なう熔射法の一つであり，温度が材料の融一方，自動車における CO2 ガス発生削減への要点・軟化点以下の低い温度であることと，流れ望から，摺動面への低摩擦化，高摺動性が要求の速度が音速から超音速と高いという特徴を有されている。当技術を用いた製品開発により，している。そのため材料粉末は固体の状態のま環境にも優しい製品開発が可能となると期待さ

ま溶けることなく皮膜になり，酸化や熱によるれる。

変質が少ない。
塗装に関しては，耐食性，耐候性などの評価

4．結手法が実際の製品を反映していないことが問題(1)

言

めっき関連の技術動向を調査した結果，プとなっており，複合サイクル試験などによる評

ラスチック上へのめっき技術，複合めっき価を検討する必要がある。

技術，無電解めっき技術，Ni などの電鋳技術，および鉄めっき技術が注目されている。

ナノインプリントは半導体製造工程などを利用してナノレベルの型を作り，転写することで(2)めっき処理としては各種環境規制への対製品を作る技術である。導光板や拡散板，半導応が必要であるが，新たな機能を有するめ

体加工，意匠性表面などへの応用を目指して検っき被膜開発など需要は高い。

討が進められている。現状の加工技術としては(3)

ダイヤモンドライクカーボン（DLC）市場
は高い伸びを示し，用途も広がっているが，数 10 nm レベルである。

密着性を高める，割れなどを防ぐ技術開発

その他興味深い表面処理としては，ラングミが必要である。

ューア・ブロジェット膜（LB 膜）を応用した形で，カチオン材料およびアニオン材料を含む溶液中へ交互に浸漬するのみで静電相互作用に

－44－

参考文献

7)

1) 表面技術協会
2)

秋期セミナーテキスト.

長谷川祐史，作道訓之，ニューダイヤモンド，

日立マクセルHP

76，2005，p. 28.

http://www.maxell.co.jp/jpn/news/2007/news070

8)926.html.
3)

富士キメラ総研

5)

H18年度

317-318, 2006, p. 385.

2007年版高機能コーティ

NEDO成果報告書

DLC の特性9)

特開2001-062286.

10)

松原浩，
“無電解ニッケルめっき膜中へのナとその測定・評価技術の標準化に関する調査.

ノダイヤモンド粒子の共析”，表面技術，第A. C. Ferrari and J. Robertson. Physical Review

57巻，第7号，2006，p. 484..

B, 61, 2000, p. 14095.
6)

W. J. Yang, T. Sekino, J.-W. Yoon, K. B. Shim,
K. Niihara and K. H. Auh: Key Eng. Mater.,

ングの現状と将来展望.
4)

粟津 薫，安井治之，池永訓昭，川畠丈志，

11)

工業調査会， 図解最先端表面処理技術のY. Aoki and N. Ohtake: Tribology Internationalすべて

37, 2004, p. 941.

p. 182.

－45－“ナノ粒子を利用した分散めっき”

－46－

競

争

型

受

－47－

託

研

究

－48－

研究論文

温間対向圧力プレス成形技術の開発
白川 正登* 杉井 伸吾* 田村

信* 本田 崇*Development of Warm Press Forming Technologies with Counter Pressure
SHIRAKAWA Masato*,

SUGII Shingo*, TAMURA Makoto*抄

and HONDA Takashi*録

温間成形によりプレス成形性が向上するマグネシウム合金板のプレス成形に対して，フッ素ゴム粒
体を対向圧力媒体として用いた温間対向圧力成形の適用を試みた。その結果，円筒深絞り成形における成形限界および成形精度の向上に効果があることがわかった。また，圧力媒体として用いるゴム粒体の性能について評価を行い，柔らかいゴムを用い，ゴム表面に潤滑を施すことにより，圧力分布状
態の均一化が可能となった。

1．緒言間での対向圧力成形との成形限界および成形品

軽量化，リサイクル性の観点から注目されての精度を比較した。また，ゴム粒体の硬さ，形いるマグネシウム合金は，およそ 200℃以上の状，大きさ，潤滑条件を変えて，対向圧力の分

温間加工により大幅に成形性が向上する

1)。一布状態について評価を行った。

方，複雑な形状のプレス成形を高効率に行う成形法として，ゴムや液体を用いてパンチに対向

2．温間対向圧力成形法

する圧力を加えてプレス成形を行う対向圧力成

本研究で提案する温間対向圧力成形法は，図形法があり，金型コストの低減や成形限界の向1 の模式図に示すように，温度制御されたダイ上などの効果が報告されている 2),3)。マグネシウ

スとしわ抑えによりフランジ部を加熱されたブム合金やアルミニウム合金といった温間成形にランクに対し，パンチに対抗する圧力を付加しよりプレス成形性が向上する材料に対して，温ながら加工を行う成形法である。温間成形と対間で対向圧力成形法を適用することにより，さらなる成形性の向上や複雑形状の成形が期待されている 4),5)。温間での対向圧力媒体として，油等の液体を用いることも可能であるが，油煙や高温の油の取り扱いといった作業性の改善や安全対策などの課題を抱えている。
本研究では，マグネシウム合金圧延板の円筒
深絞り成形において，対向圧力を加える媒体にフッ素ゴム粒体を採用し，通常の温間成形と温* 研究開発センター

図 1 温間対向圧力成形模式図－49－

表 1 金型および成形条件
インナ
アウタ
金型形状・寸法パンチ

φ40mm 肩半径 3.8mm

ダイス

φ42.1mm 肩半径 3mm

金型材質

SKD11 硬質クロムメッキ

成形温度（℃）（ダイス，しわ抑え温度）

200，225，250

パンチ温度（℃）

45

しわ抑え荷重（kN）

25 ～ 80（しわの発生状況により設定）

パンチ
ダイス
棒状ヒータ

絞り速度（mm/sec）

4

潤滑ブランク上下面PTFE シート（0.05mm）

対向圧力付加領域

※１

絞り深さ

断熱板

背圧ドーム

対向圧力（MPa）※２0（付加しない），4.4，10.0，19.0

ゴム粒

背圧ピストン

恒温水

しわ抑え

熱電対
ヒータ板

成形性評価

8mm 以上

限界絞り比（LDR）※１※２
付加荷重（N）（ダイクッション荷重）

対向圧力＝ダイクッション

背圧ピストン断面積（mm2）

図 2 温間対向圧力深絞り成形用金型

えられる構造とした。また，ダイス，しわ抑えは，表面近傍に熱電対を取り付け，ヒータ板に組み込まれた棒状ヒータにより加熱し温度制御を行った。パンチは，温度調節された水で循環冷却できる構造とした。
図 3 圧力媒体（ゴム粒体）外観

対向圧力を加える圧力媒体には，約 250℃までの耐熱性があるフッ素ゴム（硬さ A70）を選定し，金型ドーム内への均一な充填を図るため

向圧力成形の複合化を図り，さらなる成形性の球形φ6mm の粒体とした。フッ素ゴム表面はジ向上と通常のプレス成形では成形困難な複雑形

メチルシリコーンオイル（信越シリコーン製状の成形を目的としている。

KF-968-100CS）により潤滑した。図 3 に使用したゴムの外観を示す。
成形に用いた金型および成形条件を表 1 に示

3．温間対向圧力円筒深絞り成形
3.1 実験方法

す。対向圧力付加時は背圧ドーム内にフッ素ゴ

成形には，複動型油圧プレス（アミノ製 イン

ムを充填して成形を行い，通常の温間成形はフ

ナ能力 1274kN，アウタ能力 686kN，ダイクッ

ッ素ゴムと背圧ピストンを除いた状態で行った。

ション能力 490kN）を用いた。装置および金型

絞り比を 0.1 ずつ変化させ，各条件での限界絞構造の概要を図 2 に示す。対向圧力付加のためり比（LDR）を求めた。対向圧力成形は，パン

金型下部中央に背圧ピストンを設け，パンチのチがブランクに接触した後 8mm 成形が進んだ

変位に伴ってプレスのダイクション力を制御すところでパンチ動作を停止し，対向圧力を付加ることによりピストンを上下し，圧力媒体であして所定の圧力に達した時点から再び成形を進るゴム粒体を介してパンチに対向する圧力を加める工程とした。

－50－

3.2 供試材

るが，試験温度の上昇とともに低下し，200℃で供試材には，市販の板厚 0.8mm，AZ31B マグ

は 91MPa と 1/3 以下に，250℃では 62MPa と 1/4

ネシウム合金を用いた。表 2 に化学組成を，図以下に低下する。一方，破断伸びについては室

4 に金属組織観察写真を示す。硬さは，63HV で温で 30%程度であるが，225℃までは温度の上あった。また，供試材の特性を調べるため，板昇とともに増加する傾向を示し，100%を超える

材の圧延方向に JIS Z 2201 による 13B 号試験片伸びが得られるようになるが，250℃ではやや低（ 平 行 部 12.5mm × 長 さ 60mm

下する。

標点距離

50mm）を採取し，室温から 250℃の温度範囲で引張試験を行った。試験には，精密万能試験機

3.3 実験結果および考察（島津製作所製 AG-250KNI）を用い，試験速3.3.1 対向圧力と限界絞り比

度 5mm/min とした。供試材圧延方向の引張特性

対向圧力を付加しない場合および 4.4，10，を図 5 に示す。引張強さは室温で 290MPa であ

19MPa の各対向圧力を付加した場合での LDRを図 6 に示す。成形温度は 225℃とした。通常の温間成形において 3.4 であった LDR は，本実

表 2 供試材の化学組成
化学成分 ／ mass％

(
Al

Zn

Mn

Fe

Si

2.87

0.95

0.38

0.003

0.014

Cu

Ni

Ca

0.001 <0.001 <0.001)

験で付加した対向圧力の値が大きいほど向上し，

Mg

対向圧力 19MPa で LDR 3.9 と最も高い成形限界bal.

を示した。対向圧力が高いほど素材がパンチに押し付けられることによって生じる摩擦支持力が増大し，この摩擦支持力が成形力の一部を負うことで，素材への負担を軽減し破断が抑制されたものと考える。また，対向圧力により素材がパンチに押し付けられることで，素材のパン
チによる冷却が促進される。その結果，成形中のパンチ肩部および側壁部の強度が高くなり，10µm

破断の抑制に寄与している可能性がある。
図 4 供試材の金属組織
2.4.2 成形温度と限界絞り比

300

120

250

100

200

引張強さ

80

150

0.2%耐力

60

破断伸び

100

40

50

20

0

間対向圧力成形において，ダイス温度を 200，
225，250℃とした各条件における LDR を図 7

0

0

50

100

150

200

250

4.2

4.0

限界絞り比 LDR

140

破断伸び （%）

引張強さ，0.2%耐力 (MPa)

通常の温間成形と対向圧力 19MPa とした温350

成形温度 225℃

3.9

3.8

3.7
3.6

3.6
3.4

3.4

3.2

300

3.0

温度 （℃）

0.0

4.4

10.0

19.0

対向圧力 （MPa）

図 5 供試材の引張特性

図 6 対向圧力と限界絞り比

－51－

4.4

圧延と直角方向通常温間成形

限界絞り比 LDR

4.2

温間対向圧力成形（対向圧力19MPa
3.9

100

板厚

4.0

4.0

3.9

3.8

圧延方向
0

3.6
3.4

3.4

3.4

底中央

3.3

3.2

図 9 成形品（0MPa）外観

3.0

200

225

250

図 10 測定位置

および測定断面

成形温度 （℃）

図 7 成形温度と対向圧力の効果
1100
絞り比 DR 3.41000

板 厚 (μ m)

φ 40

100mm

523K
250℃

成形温度 225℃●：温間成形（圧延方向断面）■：温間成形（圧延方向直角断面）○：温間対向圧力成形（圧延方向断面）□：温間対向圧力成形（圧延方向直角断面）

900
800

素材板厚

700
600

底部

側壁部

500
0

20

底中央部

DR 3.3
温 間成形

DR 4.0

40

60

80

100

測定位置 （mm）

図 11 板厚分布の対向圧力有無成形品比較

温 間対向圧力成形

図 8 成形品外観
圧延集合組織に起因する異方性があると言われているため，板厚の測定は，素材の圧延方向おに示す。いずれの温度においても，対向圧力をよび圧延方向と直角な方向のそれぞれの断面に付加した場合に通常の温間成形と比較してついて行った。図 9 に通常の温間成形による成LDR で 0.5 ポイント以上高い成形限界が得られ形品の外観と測定断面を示す。測定は，サンプた。特に，250℃の条件では，通常の温間成形でルを測定断面にて切断し，万能投影機（ニコンは 3.3 であった LDR が，温間対向圧力成形にお製 V-16E）を用いて行った。図 10 に測定位置

いては 4.0 となり，0.7 ポイント高い結果が得らの説明図を，図 11 に板厚分布の測定結果を示す。

れている。図 8 に，その外観写真を示す。いず

図中横軸の測定位置の値は，成形品底部中央かれの温度においても摩擦支持力が有効に働いてら測定位置までの経路長である。対向圧力の有いる効果と考える。

無にかかわらず，成形品底部の板厚は素材板厚とほぼ等しい値である。また，パンチ肩部に近い側壁において，成形に伴う引張変形による板

3.3.3 板厚分布
対向圧力（19MPa）を付加する場合と付加し厚減少が認められるが，対向圧力成形法では通ない場合のそれぞれについて，同一成形温度

常の温間成形に比べ，この板厚減少が抑えられ，

225℃，同一絞り比 3.4 の円筒深絞り成形を行い，板厚の均一化が図られている。対向圧力による成形品断面の板厚分布を比較した。マグネシウ

摩擦支持効果により引張による伸びが抑制されム合金圧延板の強度等機械的特性は，一般的にた結果と考える。

－52－

4．ゴム媒体の違いによる対向圧力分布の評価

表 3 圧力媒体として用いたゴム粒体

4.1 実験方法
圧力媒体として用いるゴム粒体の表面の潤滑，
形状，硬さ，大きさを変え，これらの違いによ

記

号

材

質

φ6-70

□6-70
フッ素ゴム（

□6-50
FKM

□3-50

）

形状・寸法

φ6mm 球体6mm 立方体

6mm 立方体

3mm 立方体

硬さ(JIS A)

70

70

50

50

る対向圧力の分布状態について比較評価を行った。ゴム粒体表面の潤滑効果の比較には，潤滑の比較結果を示す。図中の各プロットは，圧力剤としてジメチルシリコーンオイルを用いた。

の分布状態として比較しやすいように破線で結実験に用いたゴム粒体の種類を表 3 に示す。

んで表示した。φ6-70 のゴムを用いて，その表

圧力分布状態を評価するために製作した圧力

面への潤滑の有無による圧力分布の比較を行っ

分布測定装置の概要および圧力測定位置を図12た結果を図 14-(a)に示す。ゴム粒体表面が無潤に，その構造および試験状況の外観を図13に示す。

滑の場合には，付加した圧力が 30MPa 相当であ

この圧力分布測定装置は，成形状態を想定し，80るのに対して，パンチ上面（以下上面と表す）

×80mm断面のドームと加圧のためのピストンおでは 50MPa 程度と高い圧力となり，パンチ側面

よびドーム底面中央にパンチ（成形品）を模して（以下側面と表す）および底面では 18MPa とな配置された一辺40mmの立方体のブロックによりっているが，潤滑を行うことにより，上面が構成されている。また，各測定位置には，圧力測

40MPa 程度に低下，側面や底面では 22～23MPa

定用の受圧ピンを設け，その軸方向ひずみ量から程度に上昇し，圧力の均一化が図られている。

圧力を算出した。

これは，潤滑によりゴム粒体表面の摩擦力が低付加相当圧力（付加荷重／ドーム断面積）は下し流動性が増すことでドーム内の底部側への30MPaとし，その時の付加荷重192kNに達するま

ゴム粒の移動が促進され，均一な充填が図られでピストンにより加圧し，各測定位置の圧力の分たためと考える。また，粒形状の変形を伴った布状態を比較した。使用するゴム粒体の容積は，ゴムの空隙への侵入も容易となり，より均一ないずれの条件でも一定（2.47×10 mm ）とした。

充填に効果があったと考える。そこで，ゴム粒加圧には精密万能試験機（島津製作所製

体の形状，硬さ，大きさの違いが及ぼす影響つ

AG-250KNI）を用い，加圧速度は，ピストン押圧

いては，ゴム粒体表面を潤滑した条件で行った。

面がパンチ上面から25mmの距離に達するまでは

φ6-70 と□6-70 のゴムを用いてゴム媒体の形

53状の違いによる圧力分布を比較した結果を図50mm/min，それ以降は5mm/minとした。

14-(b)に示す。立方体形状と比較し球形状の方が粒体の流動性が向上し圧力の均一化が図られる

4.2 実験結果および考察ことを期待したが，本実験の範囲では，ゴム形

図 14 に圧力媒体の違いによる圧力分布状態

ピストン
受圧ピン
（受圧面Φ15）

ドーム
パンチ

測定位置 ①パンチ上面②パンチ側面（上）③パンチ側面（下）④底面

φ15(a)測定装置構造(b)加圧状況

図 13 測定装置外観

図 12 圧力分布測定装置概要図

－53－

50

φ 6-70-無潤滑
φ 6-70-潤滑40

圧力 （MPa）

圧力 （MPa）

50

付加相当圧力3020

φ 6-70-潤滑□6-70-潤滑

40
30
20

10

10
パンチ上面

底面

パンチ側面

パンチ上面

①

②

③

①

④

(a) ゴム表面潤滑

50

②

③

④

測定位置

測定位置

(b) 形状50□6-70-潤滑□6-50-潤滑

圧力 （MPa）

圧力 （MPa）

底面

パンチ側面

0

0

40
30
20

□6-50-潤滑□3-50-潤滑

40
30
20

10

10
パンチ上面

底面

パンチ側面

パンチ上面

底面

パンチ側面

0

0
①

②

③

①

④

②

③

④

測定位置

測定位置

(c) 硬さ(d) 大きさ図 14 圧力媒体の表面潤滑，形状，硬さ，大きさが対向圧力分布状態に及ぼす影響状の違いが圧力分布に及ぼす影響は確認されな力の均一化を図ることができた。ゴムが柔らかかった。これは，ゴムの場合にはその柔軟性かいことが粒の変形を容易にし，均一な充填に寄らゴム粒が押しつぶされて変形しながらゴム粒

与しているものと考える。

体の隙間およびコーナー部等の空隙を埋めてい□6-50 と□3-50 のゴムを用いてゴム媒体の大くために，粒形状が充填の均一化に大きく影響

きさの違いによる圧力分布を比較した結果を図しなかったためと考える。

14-(d)に示す。本実験の範囲では，大きさの違い□6-70 と□6-50 のゴムを用いてゴム媒体の硬が圧力分布に及ぼす影響は確認されなかった。

さの違いによる圧力分布を比較した結果を図

しかし，比較的単純な形状である角筒をモデル

14-(c)に示す。硬さ A 70 の場合には，付加した形状として評価を行ったが，形状が複雑化し微圧力（30MPa 相当）に対して，上面が 38MPa

細部へのゴムの侵入が必要な場合，あるいはド程度と高い圧力となり，側面および底面では 23

ームとパンチのクリアランスが小さくなった場～25MPa 程度となっている。しかし，硬さ A 50

合等には，ゴム媒体のサイズが小さい方が，圧のゴムを用いることで，上面が 31MPa 程度に低力の均一化に有利であると考えられる。その実下，側面や底面は 25～27MPa 程度に上昇し，圧際の効果の確認については，今後の課題とする。

－54－

表 4 試作品の成形条件

本実験の範囲で最も均一な圧力分布状態が得られたのは，□3-50 および□6-50 のゴム媒体を

ブランク径
絞り深さ
成形温度
パンチ温度
対向圧力
圧力媒体

用いてその表面を潤滑した条件であり，各測定位置で，付加圧力 30MPa 相当に対し，圧力差5MPa 以内の圧力分布が得られた。

φ120mm
68mm
225℃
80℃
19MPa
フッ素ゴム

φ6mm球形

硬さ A 70

5. 異形断面形状深絞り成形品の試作
温間対向圧力深絞り成形技術を利用し，対角40mm の八角形断面ねじれ形状成形品の試作を行った。ねじれ角度は 90°/50mm ，パンチ肩半径は 4mm である。素材は板厚 0.8mm の AZ31B

68mm

マグネシウム合金（3.2 節参照）を用いた。主な成形条件を表 4 に，成形品の外観を図 15 に示す。
対向圧力成形技術を温間成形に適用することにより，通常のプレス加工では成形不可能な異形品の成形が可能となった。
6. 結

図 15 八角形断面ねじれ形状成形品

言(1) 本実験の範囲では，対向圧力が高いほど成ものである。

形限界は向上し，成形温度 200 から 250℃のいずれの温度条件においても，19MPa の参考文献

対向圧力付加により限界絞り比で 0.5 ポイ

1) 相田収平ほか，“AZ31 マグネシウム合金板の深絞り成形性”，軽金属，50，9，2000，

ント以上向上する。
(2) 対向圧力付加により成形品の板厚減少を抑えることができ，板厚分布の均一化を図

p.456-461．
2) 中村和彦ほか，“対向液圧深絞り法の破断抑制機構”，塑性と加工，25，284，1984，

ることができる。
(3) ゴム媒体を用いた対向圧力成形においてp.831-838．

均一な圧力分布状態を得るためには，ゴム

3) 福田正成ほか，“ゴムを用いたプレス成形”，

表面の潤滑が有効であり，ゴムが柔らかい

塑性と加工，20，222，1979，p.566-573．

方が均一な圧力分布が得られる。また，ゴ

4) 中村和彦，“1050 アルミニウム板の温間対

ム粒体の形状は圧力分布状態に大きく影

向液圧深絞り特性”，軽金属，47，6，1997，

響しない。

p.323-328．
5) 網野廣之，“対向液圧成形の応用技術”，
プレス技術，39，9，2001，p.28-33．

なお，本研究は，平成 19 年度都市エリア産学官連携促進事業（発展型）長岡エリア「マグネシウム合金の次世代製品開発」の中で実施した

－55－

研究論文

ステンレス鋼の温間再絞り加工
田村

信* 相田

収平** 杉井伸吾* 片山聡***

Warm Redrawing of Stainless SteelTAMURA Makoto* , AIDA Shuhei**, SUGII Shingo* and KATAYAMA Satoshi***抄録

温間深絞り加工法はステンレス鋼加工の基盤技術として知られている。本研究では温間加工法を再絞り工程に適用し，多段絞りにおける工程削減を目的に温間再絞りの研究を行った。その結果，通常の再絞り率 80%に対して，55%という高い再絞り率を実現し，焼鈍工程を含めた 3 工程の工程削減効
果を示すとともに，耐食性に影響する加工誘起マルテンサイト変態量を大幅に低減できることを示した。

1．緒の抑制が期待できる。

言

SUS304 などオーステナイト系ステンレス鋼

本研究では，温間再絞り用金型の試作およびは引張強さの温度依存性が強く，0～100℃の温間再絞りの成形条件が成形性に与える影響を

比較的扱いやすい温度範囲での変化が大きい。

検討した。

また，変形に伴い加工誘起マルテンサイト変態
2．温間再絞り用金型の試作が発現するが，成形温度の上昇とともに加工誘
起マルテンサイト変態量が減少し，とくに成形再絞りには直接再絞りと逆再絞りの 2 形式が温度 90℃ではほとんど変態を起こさない。オある。本研究では直接再絞り方式を採用し，ーステナイト系ステンレス鋼はこのような性質

30°のテーパー付きダイスとした。試作したを生かした温間絞り加工法を用いることで成形金型の概要を図 1 に示す。金型のダイスおよび限界が飛躍的に向上することが知られている

1)。

しわ抑えはヒーター加熱方式，パンチは水冷却

多段絞りにおいて第 1 絞りに温間絞り加工法を適用している事例は見ダイスられるが，第 2 絞り以降の再絞りではヒーターの配置や冷却方法が困難

パンチなため利用されていない。再絞りにしわ抑え

温間絞り加工法を適用することにより，再絞り率向上による工程の削減
および加工誘起マルテンサイト変態*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

図1

－56－

再絞り金型概要

方式とした。直接再絞り金型は，パンチおよびしわ抑えが近接しており温度制御が難しい。そのため，パンチ内部中央からの噴水方式として冷却を効率的に行うように工夫し，それぞれ安定した温度制御を可能とした。なお，パンチ肩半径は 3mm，ダイス肩半径は 4mm とし，再絞り率（＝再絞りパンチ径/第１絞りパンチ径×100）は 80，70，65，60，55，50 および 45%の金型を試作した。 なお，再絞り率は数値が図2小さいほど細く深い容器が成形できることを示

機械的性質の温度依存性

し，成形難易度が高い。
3．温間再絞り成形性
3.1

供試材

供試材は SUS304（公称板厚 0.8mm）を用いた。供試材の引張試験は，圧延方向に対して
0°，45°および 90°の方向に JIS Z 2201 による 13B 号試験片を採取し，精密万能試験機（（株）島津製作所製

AG-250KNI）により実施した。試験条件は初期クロスヘッド速度を3mm/min，ひずみ 5%以降は 10mm/min とした。

図30.2%耐力の異方性

表1

第 1 絞り成形条件

材質 SKD11硬質クロムメッキ
パンチ径 60mm
金型 パンチ肩半径 3mm
ダイス径 61.8mm
ダイス肩半径 5mm
PTFEシート
潤滑（厚さ0.05mm）
しわ抑え力 110kN
成形条件
絞り速度 8mm/sec
パンチ温度 3±1℃
ダイス温度 120±2℃

また，試験温度を 20℃，100℃および 150℃で行った。
機 械 的 性 質の 温 度 依 存性 を 図 2 に 示 す 。
150℃における引張強さは 20℃に比べ約 40%減
少し，0.2%耐力は約 25%減少する。また，破断伸びは約 40%減少する。0.2%耐力の異方性を図 3 に示す。圧延方向に対して 45°方向が弱く，本研究で使用した SUS304 は異方性が認められる。
再絞り試験に用いる第１絞り成形品は，パン用い，成形性の評価に加え，加工誘起マルテン

チ径φ60mm，絞り比（＝初期ブランク径/第サイト変態量，板厚など成形品の品質を調べた。

１絞りパンチ径）2.0，2.4 および 2.6 の 3 種類

成形性は破断をおこさず成形可能な再絞り率でである。第１絞りの成形条件を表 1 に示す。な

評価した。

お成形には油圧塑性加工試験機（株式会社アミ試験条件はしわ抑え力を 10kN とし，ダイス

ノ製，インナー能力 1274kN，アウター能力

およびしわ抑えの温度を 70～200℃，パンチ温

686kN）を使用した。

度を-7～20℃とした。潤滑剤は第１絞り後の成形品内外面に水溶性プレス工作油（日本工作油

3.2

試験方法

株式会社製

再絞り試験は，試作した円筒再絞り用金型をG-2576W）を塗布した。試験装置

は油圧塑性加工試験機（株式会社不二越製，ア－57－

ウ タ ー 能 力 294kN ， ダ イ ク ッ シ ョ ン 能 力
245kN）を使用した。加工誘起マルテンサイト
変態量はフェライトスコープ（株式会社フィッシャー・インストルメンツ製

MP30E-S）を用い測定した。
3.3

試験結果

3.3.1

図4

板厚，フェライト量測定位置

図5

第 1 絞り成形品（絞り比 2.6）

図6

各サンプルの加工誘起

第 1 絞り成形後の品質

第１絞り成形品（絞り比 2.6）の板厚分布を
図 5，測定位置を図 4 に示す。パンチ頭部は板厚が減少しており，さらにパンチ肩部では局部的な板厚減少が見られる。また，供試材の機械的性質の異方性から，パンチ肩部およびフランジ付近は円周方向の板厚の差が大きい。この傾向は絞り比 2.0，絞り比 2.4 の成形品についても同様であった。
各成形品の加工誘起マルテンサイト変態量を
図 6 に示す。図中に比較対照として室温（30℃）成形した成形品の結果を示す。温間
絞りした成形品はパンチを冷却していること，また，パンチ肩部で極端な板厚減少が生じているため，パンチ肩部における加工誘起マルテン
サイト変態量は，絞り比 2.6 では約 8%，絞り
比 2.0 では約 1%測定されたが，室温成形に比べて変態量が大幅に抑制されていることが確認できる。いずれの成形品についてもパンチ肩部で増加が見られるが側壁部ではほぼ 0 を示して

マルテンサイト変態量

いる。

表2

再絞り試験結果

45%
50%
× × ×
再
55%
× × × ○ ○ ○
絞
60%
○ ○ ○
り
65%
○ ○ ○
率
70% × × × ○ ○ ○80% ○ ○ ○第1絞り 絞り比 2.0 2.4 2.6 2.0 2.4 2.6 2.0 2.4 2.6
成
30℃
120℃
200℃
形 ダイス温度30℃
80±5℃
200±5℃
条 しわ抑え温度
30℃
20±5℃
-7±1℃
件 パンチ温度－58－

図7

温間再絞り成形品外観

3.3.2

再絞り成形性高めるためにはそれらの温度を高く設定するこ

再絞り試験の結果を表 2，成形品外観を図 7とが有効である。温間絞り加工法は再絞りに効に示す。ダイスおよびしわ抑え温度 30℃では，果的に作用し，再絞り率 55%でアスペクト比

限界再絞り率は 80%であった。それに対して

3.3（＝成形高さ/（再絞りパンチ径＋板厚×

ダイスおよびしわ抑え温度を上げることで成形

2））という非常に深い成形が可能となった。

限界は向上し，ダイス温度を 120℃，しわ抑え

従来，同等の形状を得るためには，第 1 絞り

温度を 80℃とすることで限界再絞り率が 60%

を温間で行ったとしても，その後に 4 工程（焼に向上する。さらにダイスおよびしわ抑え温度

鈍 1 工程，再絞り 3 工程）を必要とした。それを 200℃，パンチ温度を-7℃とすることで，限に対して，本研究で開発した温間再絞りによる界再絞り率は 55%となった。再絞り成形性はと，再絞り工程 1 工程でその形状を得ることが成形温度条件に依存することがわかる。また，

でき，3 工程の工程削減効果がある。

本試験条件では第１絞りの絞り比には影響され
なかった。

3.3.3

再絞り後の品質

再絞りでは過大な板厚減少が生じるパンチ肩再絞り率 60%の板厚分布を図 8 に示す。再部で破断する。そのため破断しやすいパンチ肩絞り後，板厚はパンチ肩部で局部的な減少を生部の強度を高めるため，パンチ肩部の冷却が重じている。また，第１絞りで局部的に板厚減少要である。また，ダイス，しわ抑えの温度は材があったパンチ肩部は，図中に示した部位にあ料の流入抵抗に影響することから，成形限界をたるが，その部分の板厚変動は少ない。この現

図8

再絞り率 60%の板厚分布（左：絞り比 2.6

図9

右：絞り比 2.0）

再絞り率 55%の加工誘起マルテンサイト変態量（左：絞り比 2.6－59－

右：絞り比 2.0）

象は加工硬化が影響しているためと考えられ，
第 1 絞りにおけるパンチ肩部の板厚減少は再絞りの成形限界に大きな影響をおよぼさないことがわかる。
再絞り後，絞り比 2.6 では側壁部の板厚分布が大きい。第 1 絞りの絞り比 2.6 ではパンチ頭部の板厚減少が大きく，側壁部との板厚差が大きいためである。第１絞りの板厚分布が再絞り後の品質に影響を及ぼすことがわかる。
再絞り率 55%の加工誘起マルテンサイト変

図 10

焼鈍後の加工誘起マルテン
サイト変態量態量を図 9 に示す。パンチ肩部で絞り比 2.0 は5%程度，絞り比 2.6 は 7～17%であった。この

表3

ばらつきはダイス温度およびパンチ温度が安定

再絞り成形性（焼鈍後）

45% ○ × ×
50% ○ ○ ○
再
55%
絞
60%
り
65%
率
70%
80%
第1絞り 絞り比 2.0 2.4 2.6
成150℃
形 ダイス温度
150±1℃
条 しわ抑え温度-4±1℃
件 パンチ温度しないことが原因と考えられ，ヒーター配置等を見直す必要がある。また，図 9 に示したサンプル 3 では最大で 7%である。加工誘起マルテ
ンサイト変態量は置き割れと相関があり，一般
的には 10%以上が置き割れ危険領域と言われている 2)。置き割れに対しては温度条件を安定させることで，最終焼鈍を省略できる可能性が高いことがわかる。

第１絞り

3.3.4

再絞り温度低減策

第１絞り

DR2.0

（温間）

DR2.0

（温間）

これまで，温間再絞り成形性について検討し，成形温度と成形性の関係を把握することができ焼鈍た。ダイスおよびしわ抑え温度が高いほど成形性が向上し，限界再絞り率 55%を得ることがマルテンサイト変態量できる。しかし，ダイスおよびしわ抑え温度を

パンチ肩

0.74%

200℃に設定する必要があり，実用上は低温化

パンチ底部

0.5%

マルテンサイト変態量0%が望まれる。再絞りの成形温度を低減する試み
として，第 1 絞り後の加工誘起マルテンサイト

温間再絞り

変態量が成形温度と成形性に与える影響について検討した。

温間再絞り

限界再絞り率55%

限界再絞り率

45%

ダイス温度

200℃

ダイス温度

150℃

温間成形した第 1 絞り後の成形品（絞り比2.0）を焼鈍した。図 10 に焼鈍後の加工誘起マ

図 11

ルテンサイト変態量を示す。加工誘起マルテン

加工誘起マルテンサイト
変態量の影響サイト変態量は，焼鈍を施すことでほぼ 0%となる。同様に絞り比 2.4 および 2.6 の成形品を焼鈍し，再絞り試験を実施した結果を表 3 に示す。再絞り率は絞り比 2.0 では 45%，絞り比－60－

2.4 および絞り比 2.6 では 50%であった。また，
ダイスおよびしわ抑えの温度は 150℃で成形が可能である。
加工誘起マルテンサイト変態量が成形性と再絞り温度条件に与える影響を図 11 に示す。前述の絞り比 2.0 の焼鈍なしの温間絞りをした場
合では，加工誘起マルテンサイト変態量はパンチ底部で 0.5%，パンチ肩部で 0.74%であり，
限界再絞り率は 55%となり，ダイスおよびしわ抑えの温度は 200℃が必要である。それに対

図 12

高温領域利用温間絞り加工概念図

して，焼鈍を行うことで，成形限界が向上し，成形温度の低減が可能である。加工誘起マルテ

表4

ンサイト変態量が再絞り成形性と再絞り温度条

第１絞り成形条件

材質 SKD11硬質クロムメッキ
パンチ径 40mm
金型 パンチ肩半径 3.8mm
ダイス径 42.1mm
ダイス肩半径 3mm
PTFEシート
潤滑（厚さ0.05mm）
成形条件
しわ抑え力 50kN
絞り速度 5mm/sec

件に関連し，第 1 絞り後の加工誘起マルテンサ
イト変態量を抑制することが，再絞り温度の低減に有効であることがわかる。
温間絞り加工法は，ダイスおよびしわ抑えを加熱することにより材料の流入抵抗を低減させ，パンチ冷却によって破断しやすいパンチ肩部の強度を高くすることで成形限界を向上させる。
その温度領域は引張強さの変化の大きな 0～

表5

第１絞り成形品のパンチ肩部の加工誘起マルテンサイト変態量

100℃程度の範囲を利用している。ここで，ス
テンレス鋼 SUS304 の引張強さはそれ以上の領

ダイス温度
しわ抑え温度
パンチ温度
変態量域でも温度上昇とともに減少傾向を示す。また，
90℃以上の温度領域ではマルテンサイト変態

100℃
100℃
0℃
1.4%

220℃
220℃
80℃
0%

を起こさないことから，第 1 絞りでのマルテン
サイト変態を抑制する目的でパンチ温度を80℃，ダイスおよびしわ抑え温度を 220℃に設定し，高い温度領域の温度差を利用した絞り成4．結言形を試みた。その概念図を図 12 に示す。また，（1）温間絞り技術による工程短縮を実現する

成形条件を表 4，結果を表 5 に示す。この温度ため，温間再絞り成形試験を実施した。

領域を利用した場合，加工誘起マルテンサイト

室温での限界再絞り率 80%に対して，温変態量が最も多いと思われるパンチ肩部で 0%間再絞りでは 55%であった。この結果，であった。

焼鈍工程も含めて 3 工程の工程削減の可能性を示した。

この条件では再絞り試験を実施していないが，（2）再絞り成形後の加工誘起マルテンサイト

焼鈍を施したサンプルと同様に，成形性の向上
および再絞り温度の低減が期待できる。金型構

変態量を 10％以下に抑制することができ，造上，温度制御が難しい再絞り工程を低温化し，第 3 絞り以降も焼鈍工程を省略できる可金型構造が単純な第 1 絞りを高温化する方法は能性を示した。

実用的な方法として期待できる。

－61－

（3）再絞り金型は構造上，金型の温度制御が参考文献

難しいため，再絞り温度低減方法につい1)

渡部豈臣，“ステンレス鋼板の温間絞りて検討した。第 1 絞りの温度を従来より加工法”，塑性と加工，33，375，1992，

高くすることで焼鈍したサンプルと同等

p.396.

の加工誘起マルテンサイト変態量となる。

2)

鋸屋正喜，塑性加工学会ステンレス鋼板のプレス成形分科会資料，28，1983.

その結果再絞り工程の成形温度を低減できる可能性を示した。

－62－

研究論文

マグネシウム合金パイプ材の曲げ加工技術の開発
相田

収平*

須藤

貴裕**

山崎

栄一**

Development of High-performance Bending Technology of Magnesium Alloy Pipes
AIDA Shuhei* , SUTOH Takahiro**, and YAMAZAKI Eiichi**

抄録

マグネシウム合金パイプは，実用金属中では最軽量かつ重量に対して高剛性の中空型材といった両特長を有していることから，構造部材に適用した場合のメリットが大きく，今後の適用拡大が期待されている。本研究では，マグネシウム合金パイプの曲げ加工特性を把握するとともに，特徴的な現象である曲げ加工時の曲げ部内側での割れや座屈を抑制し，より小さな曲げ半径を可能とする
曲げ加工技術の開発を行った。その結果，プレス曲げ加工による加工温度と曲げ比（本文 2.2.1 参照），また曲げ部の偏平化や減肉等について明らかにし，構造部材に適用する場合の加工指針とすることができた。また，パイプの軸方向に引張り力を付加しながら曲げ加工を行う引張り曲げ加工技術の開発により，割れや座屈を抑制しつつ曲げ比 1.5 という小さな曲げ加工を可能とした。

1．緒言技術を開発することによって，構造用部品等へのマグネシウム合金は，実用金属としては最も軽適用拡大を図ることを目的とした。まず，プレス

い材料であるとともに，同一重量において比較し曲げ加工における曲げ加工特性を把握し，製品設た場合の比強度では，鋼やアルミニウムより優れ

計や加工時の指針とすること，および高品質かつている。また，パイプ材は中空構造であることか

小さな曲げ半径を可能とする曲げ加工技術の開発

ら重量に対して高剛性であり，軽量化やコストダを目指した。

ウンに適している。これら両方の特長により，例
えば車両用のシートフレーム部品などの構造部材

2．マグネシウム合金パイプのプレス曲げ特性に適用した場合には，強度と軽量を両立すること

2.1 供試材および引張り・圧縮特性が可能となり，大きなメリットが得られることか
1)

ら，今後の用途の拡大が期待できる 。

供試材として，外径 D0=22mm，肉厚 t0=1.0mm，および t0=1.8mm の AZ31 マグネシウム合金パイ

ところで，これらの製品の多くはパイプ材を曲プを用いた。また，曲げ特性の評価に先立って，げ加工した部品と板材をプレス成形した部品を組

供試材の引張り，および圧縮試験を行った。引張

み合わせた形態となっている。しかしながら板材試験には JIS14B 号円弧状試験片（平行部幅 8mm，の成形技術に比べて，パイプの加工技術について

標点距離 16mm）を用いた。一方，圧縮試験にはの報告は少ない2) ,3)。

供試材であるパイプを 16mm の長さに切断し，両本研究では，マグネシウム合金パイプの曲げ加端面を研磨加工したものを用いた。

工特性を把握するとともに，より高度な曲げ加工* 下越技術支援センター** 研究開発センター

図 1 に供試材の室温における応力－ひずみ曲線を示す。引張り側における耐力は約 160MPa に対して圧縮側では約 90MPa と引張り側の約 50%程

－63－

350

真応力 （Mpa）

パンチ
Rp

引張り

300

パイプ
D0=22mm
長さ300mm

250
200
150

圧縮

Wd=198

ダイス

100
50

図 2 パイププレス曲げ試験金型概略

0
0.00

0.05

0.10
0.15
対数ひずみ

0.20

加工能力 1100kN，加工速度 50SPM のクランクプ
レス機械を用いた。この場合の加工領域における

図 1 AZ31 合金パイプの応力－ひずみ曲線

平均加工速度は約 270mm/s である。また，小さ度になっており引張強さと圧縮強さの差が顕著なな加工速度領域では 1～35mm/s の範囲で速度可材料である。

変，加工能力 290kN の油圧プレス機械を用いた。
なお，曲げ加工に際してはパイプの偏平化を抑制

2.2 プレス曲げ試験

する手段として，パイプ内に平均粒径 0.5mm のマグネシウム合金パイプの曲げ加工特性を把握

鉄製ビーズを充填している。

することで，加工時，あるいは設計時の指針として供するほか，加工特性を明らかにすることによ2.2.2 試験結果って，新しい曲げ加工技術へ発展させていくこと

表 1 にクランクプレス機械によるマグネシウムを目的として曲げ試験を行った。対象とした曲げ合金パイプの曲げ加工試験結果を示す。縦項目は加工法はプレス曲げである。この加工法は生産性

曲げ比 Br，横項目には加工温度 T（℃）をパラ

や設備コストの点で優位性があり，これからの適メータとして，各肉厚のパイプについて曲げ加工用拡大が期待できる加工法である。

が可能な加工条件の領域を表している。表より，
t0=1.0mm よりも，厚肉の t0=1.8mm のパイプの方

2.2.1 試験方法

が曲げ加工性が良好であり，室温では t0=1.0mm

プレス曲げ試験は，図 2 に示すパンチとダイス

パイプの限界曲げ比 Br=3.5 であるのに対し，より構成される金型を用いて，長さ 300mm に切

t0=1.8mm パイプでは Br=2.75 までの曲げ加工が可り出したパイプの 90°曲げを行った。曲げ加工能である。また，いずれの肉厚パイプについても，性は，パイプの外径 D0 とパイプ軸中心における加工温度が上昇するにつれて曲げ加工性が向上し，曲げ半径 R0，すなわちパンチ半径 Rp にパイプ

表 1 パイプのプレス曲げ試験結果の半径分を加えた値との比で表される曲げ比 Br

R.T.

によって評価を行った。曲げ比 Br は 1.75～4.0 の範囲で 0.25 ピッチで変化させるとともに，加工温度を室温から 225℃まで変化させて曲げ試験を行い，パイプ曲げ部の割れ，および破断の有無に
よって曲げ加工の可否を判定した。
曲げ試験に用いたプレス機械として，以下の 2台の機械を使用した。大きな加工速度の領域では－64－

曲げ比 Br

曲げ比 Br = R0 / D0,
ここで R0 = Rp + D0 / 2

1.75
1.875
2
2.25
2.5
2.75
3
3.25
3.5
3.75
4

曲げ試験温度 Ｔ （℃）
100 125 150 175

200

225

t0=1.8曲げ可能領域

肉厚大→曲げ可能領域拡大

t0=1.0
曲げ可能領域t0=1.8 曲げ可能領域
t0=1.0 曲げ可能領域

225℃では両肉厚パイプについて今回の試験での

0.40

最小曲げ比 Br=1.75 の加工が可能であった。しかし，Br=2.0 を下回る小さな曲げ比では内側曲げ部

t1.8
t1.0

0.30
減肉率

に座屈による“しわ”が発生している。しわの発生具合は，肉厚の小さな t0=1.0mm のパイプにおいて顕著である。
次に，パイプの曲げ加工後の曲げ部断面形状に

0.20
0.10

ついて検討した。検討項目は，曲げ加工後の強度，0.00

および外観に影響を及ぼす，曲げ部横断面の偏平1.5

化率と曲げ部外側の肉厚の減肉率である（図 3）。
図 4 には，クランクプレス機械による曲げ加工

2

2.5
3
曲げ比 Br3.5

図 5 パイプ曲げ部横断面の減肉率

時の偏平化率を示し，図 5 には減肉率を示している。どちらについても，曲げ比 Br=2.0 を下回るようになると，特に t0=1.8mm のパイプで顕著な悪化が認められる。t0=1.0mm，Br=1.75 において

Br=1.75

0.18

t1.8
t1.0

偏平化率

は，t0=1.8mm ほど偏平化率，減肉率の急激な悪化認められないのは，内側に発生する“しわ”の影響によるものと推測される。

0.14

0.10
D0

0.06

t0

0

100
200
加工速度 （mm/s）
図 6 加工速度と偏平化率

曲げ加工
t min
D min

D max

t max

300

0.40
Br=1.75

偏平化率=(Dmax-Dmin)/D0
減肉率=(t0-tmin)/t0

0.30
減肉率

図 3 パイプ曲げ部横断面の変化模式図
0.18

t1.8
t1.0

0.20
0.10

偏平化率

t1.8

0.00

t1.0

0.14

0

100
200
加工速度 （mm/s）
図 7 加工速度と減肉率

0.10

300

また図 6，7 には，Br=1.75 における偏平化率，減肉率について加工速度を変化させた場合の傾向

0.06
1.5

2

2.5
3
曲げ比 Br3.5

図 4 パイプ曲げ部横断面の偏平化率について示す。加工速度は 10mm/s，35mm/s，および 270mm/s である。図から明らかなように，加工速度を小さくすることによって，偏平化率，－65－

減肉率のどちらについても大幅に改善できること

引張り力付加油圧シリンダ（左右両方）Aが明らかとなった。

パイプ端把持部

パイプ

曲げ型

3．パイプ引張り曲げ加工技術の開発
図 8 は t0=1.0mm パイプの曲げ加工時に発生す
る割れの形態について調べた結果である。図 1 の応力－ひずみ曲線からも明らかなように，マグネ
装置全体図

シウム合金では圧縮の耐力が引張り側の 50%程

パイプセット時 A視
引張り力付加（0～20kN）度であるため，パイプの曲げ加工時に曲げ部内側
図 9 パイプ引張り曲げ試験機で発生する圧縮応力によって割れが発生するものと考えられ，今回調査した結果では，割れ現象の全てにおいて内側で発生していた。そこで本研究

表 2 パイプ引張り曲げ試験機概略仕様

では，パイプの軸方向に引張り力を付加すること
でパイプ内側に発生する圧縮応力を低下させ，そパイプ外径（D0）×長さ（L）

れによって曲げ加工性を向上させることをねらっ

曲げ比 Br

曲げ比 Br

た，引張り曲げ加工技術の開発を試みた。
曲げ試験温度 Ｔ （℃）
R.T. 100 125 150 175
1.75
2

内側

内側

内側
内側

200

225

φ22×600 mm
1.5 1.82

2.3 2.5 2.8

曲げ角度

0～90°

軸方向引張り力

0～20 kN

3

曲げ加工速度

0～150 mm/s

パイプ内充填物

鉄製ビーズ（平均粒径0.5mm）

内側

内側が可能である。

曲げ可能領域
割れ形態調査箇所

3.2 引張り曲げ加工試験結果
図 10 には，t0=1.0mm パイプに引張り力を付加した際のパイプ曲げ部の外観を示す。また図 11には，付加引張り力と曲げ加工時の内側に発生した“しわ”の山の高さ，すなわち座屈深さとの関内側での割れ係を示している。この場合の曲げ比は，従来のプ

図 8 マグネシウム合金パイプの割れ形態

レス曲げ加工では困難とされるほど小さな曲げ比
Br=1.5 とし，引張り力を 0.98～2.94kN の範囲で3.1 パイプ引張り曲げ試験装置

変化させて曲げ加工を試みた。

図 9 に開発した引張り曲げ試験装置を示すとと図から明らかなように，付加した引張り力が小もに，表 2 には装置の概略仕様を示す。鉄製ビー

さい場合には，パイプ内側に座屈による“しわ”

ズを充填したパイプの両端を把持するとともに，の発生が認められるが，付加引張り力を大きくし，この部分を油圧シリンダによって 0～20kN の範1.96kN，および 2.45kN の引張り力では，内側の囲で引張り力を付加しながらサーボモータとボー“しわ”の発生が抑えられた良好な曲げ加工が可

ルネジによって駆動される曲げ型を前方へ移動す能となっている。また，座屈深さについても，付ることによって曲げ加工を行う。なお曲げ型には， 加引張り力の増加に対して，ほぼ直線的に小さく600W のヒーター，および熱電対を埋め込むことなっていることが確認されている。

によって室温～300℃の範囲で温度制御可能とな以上の結果より，マグネシウム合金パイプの曲っており，パイプ曲げ部を加熱しながら曲げ加工

げ加工時に，軸方向に引張り力を付加することに－66－

より，曲げ加工性の向上効果を確認することがで

4. 結

きた。

(1) マグネシウム合金パイプのプレス曲げ加工特言性について調査を行い，曲げ比と加工温度，
および加工速度等との関係を明らかにし，曲引張り力 2.45 kN

げ加工時の指針とすることができた。
引張り力 1.96 kN(2) マグネシウム合金パイプの曲げ加工時に発生する内側での“割れ”や“しわ”の発生を抑引張り力 1.47 kN

制し，曲げ加工性の向上をねらった引張り曲げ加工技術を開発し，曲げ比 1.5 の小半径曲引張り力 0.98 kN

げ加工を実現した。
曲げ比 Br ：1.5
加工温度 T：200 （℃）

参考文献
1)

図 10 付加引張り力とパイプ曲げ部

相田収平“車両用軽量シートフレームの開発”，軽金属，57，7，2007， p341-343．

2) 長谷川収，真鍋健一，西村尚 “AZ31 マグネ
シウム合金押出円管の室温におけるプレス
3

座屈深さ（ mm ）2.5

曲げによる変形挙動”，軽金属，52，7，2002，

曲げ比 Br 1.5
温 度 T 200℃
パイプ肉厚t0 1.0mm

2.36

p298-302．

2.09

23) 須貝純一，岩井匡之，本保元次郎，清水亨，

1.5

1.5

早田博，アレキサンダーマクリーン “AZ31

1

マグネシウム合金押出パイプの曲げ加工性
0.6

0.5
0
0.0

に及ぼす Mn 量の影響”， 軽金属，56，12，
0.13

0.5

1.0

1.5
2.0
引張り力（kN）

2.5

3.0

2006， p705-710．

3.5

図 11 引張り力と曲げ部座屈深さの関係

－67－

研究論文

金型均熱化技術の開発
本田

崇*

田村

信*

須藤

貴裕*

Development of Thermal Uniformity Technology for Forming Die
HONDA Takashi*, TAMURA Makoto* and SUTOH Takahiro*

抄録

温間絞り用の金型表面の均熱化を目的として，伝熱シミュレーション技術の精度向上と金型表面の均熱設計手法の確立に取り組んだ。対流，輻射による熱損失を測定し，測定結果を熱伝達係数として整理することで，シミュレーションの精度が向上することを示した。このシミュレーションにより熱損失の割合を把握した。最も大きい損失は熱伝導であり，全損失の約 50%であることを示した。
均熱設計手法では，シートヒータを用いた設計手法を開発した。実際に角筒絞り用金型をサンプルとして，設計，試作を行い，本手法の有効性を示した。

1．緒言

2．伝熱シミュレーション技術の精度向上

オーステナイト系ステンレス鋼はダイス加熱

2.1

金属表面の熱損失の把握

およびパンチ冷却を組み合わせた温間絞り加工

金型からの熱損失は，空気への対流伝熱，輻法を用いることで飛躍的に深絞り成形性が向上

射伝熱およびプレス機への熱伝導の 3 形態があ1)することが知られている 。また，マグネシウる。精度のよいシミュレーションを行うには，

ム合金は常温における絞り加工は困難であるが，これらの熱損失量の把握が必要となる。しかし，200℃以上に加熱すると変形抵抗が大きく低下

これらの把握は困難であり，特にプレス機へのすることから，フランジ部やダイス肩部を加熱

熱伝導による損失は実験から求めることは難し

2)した温間絞り加工が行われている 。

い。そこで，全熱損失に対し対流と輻射の割合

このように，熱を用いて加工を行うと，材料を把握することで，間接的に熱伝導による損失

強度の温度依存性を利用して加工性を向上させを求め，各熱損失を把握することとした。

ることができるため，金型の温度制御は非常に対流と輻射の測定の様子を図１に示す。測定重要である。しかし，金型の熱設計は経験によるところが多く，一様な温度条件を意図し設計しても，金型には温度ムラが生じてしまうため，周囲温度 T2

成形への影響が懸念される。そこで本研究では，
熱電対

金型表面の均熱化を目的とし，伝熱シミュレー

ブロック温度 T1

ション技術の解析精度向上と金型表面の均熱設

ヒータ

計手法の確立に取り組んだ。

ブロック
図1

* 研究開発センター－68－

対流・輻射の測定

サンプルには，材質 S45C，大きさ 50mm×

度が上がると大きくなることが分かる。なお，

50mm×70mm のブロックを用いた。この測定のブロックの表面はフライス仕上げで放射率は環境では，熱伝導による熱損失はほとんど発生

0.18 である。

しないため，定常状態における全供給熱量 Q は

一般に表面が平滑であれば，対流の熱伝達係

対流熱損失量 Qc と輻射熱損失量 Qr により式(1)数 αc に大きな違いはないため，本研究では表で表される。

面によらず同一と仮定する。これに対し，輻射
(1)

Q = Qc＋Qr

は表面の腐食，色等の影響を受けるため，放射また，対流と輻射熱損失については，それぞ率は表面状態により変化する。金型は部位によれ式(2),(3)のように表わすことができる。
Qc = αc(T1-T2)Aり表面状態が異なるため，正確な温度分布を予(2)測するには，表面状態ごとに放射率を把握する

αc：熱伝達係数必要がある。よって，表面状態ごとに放射率をA：表面積測定し，等価熱伝達係数 αr を求めた。測定し44Qr = σF12Fε(T1 -T2 )A(3)

た放射率を表１に，等価熱伝達係数を先ほど示

σ：ステファン・ボルツマン係数

した図 2 に示す。対流のみによる熱伝達係数とF12：形態係数

比べ，輻射により熱伝達係数が大きくなっていFε：放射率ることがわかる。

ここで，σ は輻射のエネルギーをやり取りする面の形状と面間距離から決定する係数である

2.2が，ここでは 1 と仮定した。

2.2.1

金型表面の温度分布解析
解析モデル

熱損失量は，対流については熱伝達係数，輻

測定した等価熱伝達率を用いて金型表面の温射については放射率で表わされるため，このま度分布解析を行い，実測値と比較してその有効までは熱損失量の比較が難しい。そこで，輻射

性について検討した。解析には ANSYS.Inc 製有を式(2)と同じ形で表すことで，輻射の熱損失量

限要素解析ソフト ANSYS Workbench ver.11.0 をは式(4)のように等価熱伝達係数 αr として表わす用いた。検討に用いた角筒絞り金型を図 3 に示ことができ，統一して整理することができる。
Qr = αr(T1-T2)A(4)

ここで式(3)と式(4)から等価熱伝達係数は式(5)として求めることができる。
αr = σF12Fε(T12+T22) (T1+T2)(5)

式(5)の等価熱伝達係数を用いることにより熱損失は熱伝達係数だけで整理でき，式(1)より対流と輻射を合わせた熱伝達係数 α は式(6)で表わされる。
α = αc + α r

(6)

図2

実験では Q，T1，T2 および Fε を測定し，式(3)より放射伝熱量 Qr を, 式(5)より輻射の等価

表1

熱伝達係数 αr を求めた。Qr を決定した後，対表面状態による放射率

表面の状態
鏡面
フライス面
さび面

流伝熱量 Qc，対流熱伝達係数 αc は式(1),(2)より求めた。実測した熱伝達率測定の結果を図 2に示す。熱伝達係数は温度に依存しており，温－69－

熱伝達測定結果

放射率0.08～0.13
0.18～0.25
0.52～0.60

す。金型はダイス，8 本の棒状ヒータを配置し定した。推定値を用いるにあたり，値の誤差がたヒータ板，断熱板および台座で構成されてい表面の温度分布に与える影響を検討した。解析る。金型形状の対称性から，解析モデルは金型から求めた，プレス機への伝熱量を変化させたの 1/8 とした。解析モデルを図 4 に示す。

ときの温度分布を図 5 に示す。測定位置の数字
は，上の図の番号である。各条件で求めた平均

2.2.2

温度を 0 として，平均値からの温度差を比較しプレス機への伝熱量

プレス機上に金型を載せた場合，金型の熱損た。ここで台座とプレス機の接触面では，面内失は 2.1 で検討した対流伝熱と輻射伝熱だけでで一様な熱の移動が行われていると仮定した。

なく，プレス機への熱伝導が発生するため，式

結果より，プレス機への伝熱量 Qm は表面の(6)で表される。ここで Qm はプレス機への伝熱

平均温度に影響を及ぼすものの，温度分布には量である。

影響しないことが確認できた。よって， Qm は

Q = Qc＋Qr＋Qm（6）

解析で求めた金型表面の平均温度と実測した平Q は測定した実測した供給熱量であり，Qc

均温度が一致したときの値を用いることとした。

と Qr は 2.2.1 で求めた熱伝達係数を用いて計算した結果から求めることができるが，それぞれ

2.2.3

解析結果

の熱損失量は Qm の大きさにより変わるため，

金型表面の熱画像と解析結果の比較を図 6

まず Qm を把握する必要がある。しかし，プレに示す。熱画像の測定にはアビオニクス社製

ス機への伝熱量 Qm を測定するのは困難なため，

TVS-500EX を用いた。シミュレーションにより実測した表面温度と解析結果の比較から値を推

温度分布を精度よく再現できていることが分かる。図 5 の測定点と同じ位置での，実測値と解

ダイス

13～19
～

1

200(mm)

6

断熱板

ヒータ板
(加熱部)
図3

7～12

台座

温度測定位置

角筒絞り金型

平均値

プレス機への伝熱条件と平均値からの温度差
図4

図5

解析モデル

－70－

伝熱量の変化による表面温度の分布

析結果の比較を図 7 に示す。ダイス上面を平均た，熱伝達率を温度依存で表現していることか

温度約 140℃に加熱したとき，温度の誤差をら，ダイス上面の平均温度を約 240℃にした場±1℃以内で再現できていることが分かる。ま合も±1℃で再現できている。これより本研究で用いている熱伝達率の有効性を確認できた。
2.2.4

熱損失の割合金型の温度分布を精度よく再現できたことから，そのときの金型内の熱損失の割合について検討した。熱損失の割合を図 8 に示す。全損失に対して，対流による損失は 41～45%，輻射
熱画像測定結果℃による損失は 6%，プレス機への伝熱量は 48～
52%であった。ダイスの表面温度によらず，金型表面の大部分が光沢面であることから放射率が低く，輻射による熱損失の割合が少ない。それに対してプレス機側への伝熱量は供給熱量の約 50%と極めて大きい。結果より，金型に供給するエネルギーを有効に使うためには，プレス機への熱伝導を少なくすることが最も有効で解析結果
図 6 金型表面の熱画像と解析結果の比較あることがわかった。
3.

均熱化の手法3.1

金型の温度ムラ発生原因

金型の温度が均一にならない原因として以下の要因が考えられる。
① 周囲への熱損失（対流・輻射）② プレス機への熱の移動（熱伝導）① 周囲への熱損失（対流・輻射）
金型の表面は空気への熱伝達および周囲への表面平均温度約 140℃の比較

輻射により熱を奪われる。そのため，金型の表

表面平均温度約 140℃の比較
図7

図8

伝熱量の変化による表面温度の変化－71－

金型内の熱収支の割合

面と内部には温度差が生じ，特に複数面空気とこで，締結部周辺の加熱の有効性を確認するた

接する角部からの熱損失は大きく，温度は低く

め，図 3 に示した角筒絞り金型を対象に，全面なる。

ヒータ板を用いた解析を行った。全面ヒータ板② プレス機への熱損失（熱伝導）の構造を図 9 に示す。全面ヒータ板は，外周部

温間絞り用の金型は，図 3 のようにヒータ板と穴部の周囲 10mm 以外に窪みを設け，ここに（加熱部）とプレス機の間に断熱板を採用する

シートヒータを取り付けることによりダイスのことにより，プレス機への熱の移動を減じてい上面全体に熱を供給する構造である。

る。しかし，ボルト締結部など金属同士が接す

この全面ヒータと棒状ヒータ（以下従来ヒーる部分からは熱の移動が大きく，熱損失量は大タ）を上下複層ヒータとして，表面温度の比較きくなる。そのため，締結部周辺の温度は低くを行った。解析したモデルを図 10 に，比較となる。

して行った条件を表 2 に示す。

ヒータから発生した熱は，金型内を熱伝導に解析結果を図 11 に示す。条件 2 と 3 の比較かより伝播するため，温度分布は均一になるようら，全面ヒータより従来ヒータの方が均熱化さ変化する。しかし，上記①②のような熱損失が発生すると，熱伝導による均一化より，熱損失による冷却の効果が大きくなるため，温度は均一にならない。
金型表面の温度を均熱化するには，①の対策として，周囲への熱損失の大きい箇所（角部周辺）に多くの熱を供給し，温まりやすい箇所（角部遠方）には熱を供給しないようにする必要がある。また②の対策には，締結部からの熱の逃げの影響を表面の温度分布に対して少なく
図9する必要がある。

全面ヒータ板そこで，まず締結部からの影響が少なくなる
ような金型の構造を検討し，次に熱源の最適配置を行うことで表面の均熱化を行った。
3.2

上部ヒータ位置

締結部の影響熱の移動はフーリエの法則により式(7)の形で
表される。

dT
Q
= −k
A
dx

(7)

下部ヒータ位置k：熱伝導率式(7)より，移動する熱流 Q は，熱伝導率と温図 10度差に比例して大きくなることがわかる。よっ上下複層ヒータ解析モデル
表2て，ヒータから締結部に流れる熱流を減らすに

上部ヒータ

下部ヒータ

全面ヒータ

従来ヒータ

条件 2

なし

従来ヒータ

条件 3

全面ヒータ

なし

は，表面を加熱するヒータとは別のヒータで締条件 1

結部周辺を加熱することで，周囲と締結部の温度差を少なくすることが有効と考えられる。そ

－72－

比較条件

源には任意に配置が可能なシートヒータを用い℃た。検討した手順は以下のとおりである。
① 従来ヒータ板＋全面ヒータ板による解析② 解析結果から，表面高温部直下のヒータを削除した CAD モデルの作成③ ②で作成した CAD モデルを用いた解析④ ②③の繰り返しによるシートヒータ形状
の最適化

条件 1

まず，上部ヒータ板に全面ヒータ用いて解析℃を行うことにより，金型の形状に起因する，金型表面への熱流を表面温度から把握する（①）。
その後 CAD によるモデルの修正（②）と解析（③）を行う。①と同様に，現ヒータ形状による熱流を把握し，モデル修正を行うことで，温度分布が均一となるよう形状を制御することができる（④）。修正と解析結果の例を図 12 に条件 2℃(a) 従来のヒータによる加熱

条件 3
図 11

複層ヒータ板比較解析結果ヒータれている。これより，単純に上面全体を加熱す(b) 全面ヒータ

るだけでは均熱化されないことがわかる。また，
条件 1 との比較から，従来のヒータと全面ヒータを複層化することで，より均熱化されることがわかる。これより，上下複層ヒータ構造金型
では，下部ヒータにより締結部周辺が加熱され，(c) 改良モデル

表面を加熱する上部ヒータからの熱流が締結部

変更点

へ流れにくくなり，均熱効果が得られることが確認できた。
3.3

熱源の最適配置

次に熱の供給コントロールとして熱源の配置(d) 最適化モデルを検討した。この検討については，3.2 で均熱効果を確認できた上下複層ヒータ構造とし，熱

図 12

－73－

ヒータ形状（左）と解析結果（右）示す。1 色を 0.5℃刻みで表示した。単純な修正を数回行うことで均熱化がなされることがわかる。ただし，この金型のサイズはあまり大きくないため，均熱化の効果を確認するには，大型で温度ムラが生じやすい金型が望ましい。そこ(a) 従来のヒータによる加熱で，図 13 の金型を対象として，同様の解析に
より最適形状のヒータ板を設計し，均熱化の効

ヒータ

果を確認した。解析モデルを図 14 に，ヒータ
モデルの修正と解析結果を図 15 にそれぞれ示す。1 色を 2.0℃刻みで表示した。図 12 と同様(b) 全面ヒータに，金型形状が変わっても均熱化されており，改良前の金型の温度差が大きいことから，均熱化の効果が確認できた。

ダイス

280(mm)

変更点(c) 改良モデル

400(mm)
断熱板

ヒータ板
(加熱部)

台座
(d) 最適化モデル

プレス機
図 13

大型角筒絞り用金型

ダイス

シートヒータ板

図 15

ヒータ形状（左）と解析結果（右）

A
○

断熱板

従来ヒータ板台座

図 14(a) 従来ヒータのみによる加熱

シートヒータ取り付け位置

A○

シートヒータ図 16(b) 上下複層ヒータによる加熱
図 17

均熱ヒータ板－74－

大型角筒絞り用金型

3.4 均熱化の検証
均熱化の検証を行うため，解析結果を基にシ

4．結言(1) 対流，輻射による熱損失を測定し，熱伝達

ートヒータおよびシートヒータ板を試作して加係数で整理することで，精度のよいシミュ

熱実験を行った。試作したシートヒータ板を図

レーションを可能とした。

16 に示す。シートヒータの取り付け位置は図(2) シミュレーションにより，対流，輻射，熱14 に示すとおり，ダイスと従来ヒータの間であ伝導による熱損失の割合を把握した。熱伝る。効果を比較するため、従来ヒータ板のみの導による熱損失は全損失の約 50%であるこ

加熱と，最適化された上下複層ヒータによる加とから，効率よく金型を発熱させるには，熱による金型表面の温度を熱画像にて測定した。

熱伝導による損失を抑えることが有効であ

測定結果を図 17 に示す。従来のヒータ板によることを示した。

A 部は温まっておらず，金型る加熱では，図中○(3) 均熱化手法の一つとして，シートヒータを表面に温度ムラが生じている。これに対し，上用いた設計手法を開発した。サンプルとな

A 部も周囲と同下複層ヒータによる加熱では，○る金型を対象に設計，試作を行い，本手法

様に温まっており，金型表面の温度は均熱化さの有効性を示した。

れており，本手法による均熱化を確認すること
ができた。

参考文献
1) 渡部豈臣，”塑性と加工“，33，375，1992，
p.396
2) 鎌土重晴，小原久，小島陽,”マグネシウム
合金の成形加工技術の最前線“

－75－

研究論文

Mg 合金の実用的な表面処理技術の開発および評価（第 1 報）
内藤 隆之*，磯部 錦平**，三浦 一真**，山田 昭博**，小林 泰則***
Development on the techniques for surface treatment of magnesium alloys Ⅰ
NAITO Takayuki*，ISOBE Kohei**，MIURA Kazuma**， YAMADA Akihiro** and KOBAYASHI Yasunori***

抄録

マグネシウム合金(AZ31B)の表面処理において，①フッ酸/アルカリ処理または②アルカリ+有機酸処理は前処理方法として耐孔食性の向上に有効であった。それぞれの前処理を実施した化成処理品（水蒸気を利用）は連続 86.4ks の塩水噴霧試験において腐食痕がわずかに確認される程度であり，耐食性の向上が確認
できた。

1. 緒

下，Mg(OH)2 と略）で被覆される特徴がある。

言

マグネシウム合金（以下，Mg 合金という）はMg＋2H2O→Mg2+＋2OH-＋H2↑ （1）

実用金属中最も軽量であり，比強度，電磁波シー

そこで本研究では，Mg 合金中に散在する介在

ルド性などの長所を利用した機能性材料として有物などのうち表出しているものの除去方法と水蒸望視されている。しかし，実用金属中では活性が気を利用した有害物フリーな化成処理方法（以下，高く，最も腐食しやすい材料である。そのため耐水熱処理という）について検討した。

食性を付与する表面処理方法は JIS H8651 をはじめ，最近の特許出願動向においても環境負荷低減

2. 実を目的とした有害物フリーの処理方法が種々提案

2.1 供試材されている 1)が，未だ開発途上にある。

験

実験に使用した Mg 合金は AZ31B 材（日本金属

大気中における Mg 合金の腐食形態は，粒界や㈱製）であり，化学成分を表 1 に示す。

2，3)

と考えられ

試験片は厚さ 0.8mm の板材から 25×60mm に切る。そのため現状では外装品などへの表面処理方

りだした後，アセトン中にて浸漬脱脂を行った。

介在物などを起点とする局部腐食法として塗装が不可避と考えられ，Mg 合金に対して無塗装で耐食性のある表面処理方法は実用上

2.2 実験方法

あまりないと思われる。

2.2.1 フッ酸／アルカリ処理(以下，前処理①法

一方，Mg 合金は活性が高いため(1)式に示すよという)

うに水と容易に反応して強アルカリ性を示すとと試験片をフッ酸溶液（以下，HF という）に浸漬

もに，その表面は不溶性の水酸化マグネシウム（以表 1 供試材の化学成分*** 下越技術支援センター*** 研究開発センター*** 中越技術支援センター

成分

Al

Zn

Mn

Fe

Si

Cu

Ni

Ca

JIS規格値(mass%)- H4201(1種B) -2.4-3.6

0.50-1.5

0.15-1.0≦0.005

≦0.10

≦0.05

≦0.005≦0.04

分析値(mass%)

2.87

0.95

0.38

0.003

0.014

0.001

<0.001<0.001

項目－76－

後，水酸化ナトリウム溶液（以下，Na という）
，純水
（以下，W という）に順
次浸漬して乾燥した。
2.2.2 アルカリ＋有機酸処理(以下，前処理②法という)

表 2 試験片表面から各液へ溶出した成分の分析値
成分

Mg

Al

Zn

Mn

Fe

2
HF (kg/m )

0.041

0.002

0.000

0.002

0.000

※

0.000

0.000

0.000

Na (kg/m2)

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.001

0.000

0.000

0.000

W (kg/m2)

0.001

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

NaG(kg/m2)

0.015

0.001

0.000

0.000

0.000

0.001

0.000

0.000

0.000

2

0.001

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

浴槽

GW (kg/m )

Si

Cu

Ni

Ca

※検量線作成に失敗した（bk値>std値）

試験片を水酸化ナトリ

表面から溶出した各成分の ICP 分析値(kg/m2)の結

ウムとグルコン酸ナトリウムの混合溶液（以下，果を表 2 に示す。HF では Mg(0.041kg/m2)の他にNaG という）に浸漬後，純水（以下，GW という）Al(0.002kg/m2)と Mn(0.002kg/m2)を検出した。このに浸漬して乾燥した。

ことから試験片表面では母材の溶解と同時に表出

2.2.3 水熱処理

している介在物も溶解除去されているものと考え

予め純水を入れた加圧容器に試験片を置いて，られる。また Na では Al，Mn は検出せず，W で定温乾燥器（ヤマト科学㈱製 DKN401）の中で加は Mg の溶出(0.001kg/m2)のみ検出した。

熱･加圧処理を行った。

前処理①法で処理した試験片表面をEPMA にて観察した結果を図 1 に，分析した結果を図 2 に示

2.3 評価方法

す。一般に Mg は HF との反応で不溶性 MgF2 を生

2.3.1 前処理工程における試験片からの溶出成成して，不働態膜を形成する。反射電子像では，分の分析

図 1(a)に示すように試験片表面は滑らかであるも

ICP 発光分光分析装置（サーモフィッシャーサのの，無数の食孔（φ10μm 程度の黒点）や微細

イエンティフィック㈱製 iCAP 6300 Duo View，以な白点が確認できた。AZ31B には Al-Mn 系の介在

下 ICP と略）を用いて，表 1 に示した各成分が試物があり 2)，図 1(b)に示す Mn の分布が図 1(a)の白験片表面から各液（HF，Na，W，NaG および GW）

点と一致した。これは前処理①法では試験片表面2へ溶出した量(kg/m )を求めた。

の介在物が一部残存していることを示すと考えら

2.3.2 表面分析れる。また，無数にある食孔の成因は明らかでは

X 線マイクロアナライザー（日本電子㈱製

ないが，介在物が抜け落ちたものと思われる。図

JXA-8100，以下 EPMA と略）により試験片の表面

2 に示すように HF に浸漬した試験片（図中 HF）

観察，元素分析およびマッピングを行った。光電で検出した F は，Na と W に浸漬した試験片（図子分光分析装置（日本電子㈱製 JPS-9000MC，以中 HF/Na/W）では検出できなかった。一方，O は

下 ESCA と略）により試験片表面における皮膜成著しい増加(2→22mass%)が確認できた。図 3 に HF

分の深さ分析を行った。

で処理した試験片および前処理①法（HF から W

2.3.3 塩水噴霧試験（以下，SST と略）
高←検出レベル→低塩水噴霧試験機（スガ試験機㈱製
ST-ISO-3 型）を用いて，JIS Z2371 に準拠して行った。噴霧時間は，連続 86.4ksとした。
3. 結果および考察
3.1 前処理①法(a)反射電子像(組成像)(b)X 線(MnKα)のマップ

図 1 前処理①法後の試験片表面

HF，Na，W 各液に浸漬させた試験片－77－

斑部で化学組成の相違が確認できた。かっ色部は
O×0.1
F
Al
Mn
Zn

4

分析値(mass%)

3.5
3

図 2 の HF/Na/W（前処理①法による処理表面）と同様な傾向となり，表面を一様に腐食しているものと考えられる。糸腐食部は粒界に沿って成長 2)2.5

し，かっ色部，白斑部とくらべて Cl の濃縮と考え2

られる数値の上昇が認められた。白斑部は Al，

1.5

Mn と Zn が検出されず，Mg の優先的な溶出と(1)1式のような水と Mg の反応により Mg(OH)2 の生成0.5が起こっていると考えられる。糸腐食部と白斑部

0
HF

HF/Na/W
試験片

NaG/GWは皮膜の欠陥（図 1(a)で確認される介在物や黒点状の食孔等）を起点として，皮膜と母材の電位差

図 2 各試験片の EPMA による表面分析結果

腐食により生成したものと考えられる。このこと
から皮膜の欠陥を軽減することが耐孔食性向上に<母材側>有効である。
3.2 前処理②法
NaG，GW 各法に浸漬させた試験片表面から溶

<表面側>
(a)HF

(b)HF/Na/W

図 3 各試験片表面の酸素(O)の深さ分布まで）で処理した試験片の各表面について ESCA
分析した結果を示す。ここでは試験片の表面側か

図 4 前処理①法試験片の SST 結果

ら母材側に向かって O の深さ分布を測定した。Oの分布は HF の処理試験片（図 3(a)）と比較して，

6

前処理①法（HF から W まで）の処理試験片（図

O×0.1
Al
Cl
Mn
Zn

5
分析値（mass%）

3(b)）で拡がっていることを確認できた。このことから Na と W で処理した試験片表面では、F を除去しながら主要な合金成分（Al と Zn）の溶出を抑えつつ，(1)式のような水と Mg の反応により不溶性 Mg(OH)2 が生成して全面を被覆しているも

4
3
2
1

のと考えられる。

0

図 4 に前処理①法で処理した試験片の SST 結果

かっ色部を示す。SST 後の試験片表面は全体にかっ色を呈

白斑部

糸腐食部

分析場所

し，無数の腐食斑（白斑）と糸状腐食が確認でき

図 5 SST 後の前処理①法試験片のた。図 5 にかっ色部，白斑部および糸状腐食部のEPMA による表面分析結果

EPMA 分析結果を示す。かっ色部，糸腐食部と白－78－

出した各成分の ICP 分析値(kg/m2)の結果を表 2 にの分布と一致していた。また，図 6(c)に示すよう2示す。NaG では Mg(0.015kg/m )の他に Al(0.001に Mn の分布も確認でき，前処理②法でも試験片

2kg/m )が検出し，Ｚn と Mn は検出しなかった。各

表面の介在物が一部残存していることがわかった。

元素の溶出量は相対的に前処理①法と同様な傾向

また，食孔（図 6(b)）の成因は明らかではないが，を示したことから，前処理②法でも前処理①法と材料を構成しているα固溶体と Mg-Al 化合物

同様に表面の介在物が除去されていると考えられ（Mg17Al12：β相）の電位差 3)等がグルコン酸とのる。
GW では Mg の溶出(0.001kg/m2)のみ検出した。

反応性に関与して，Mg の不均一な溶出を起こし前処理②法で処理した試験片表面のEPMA 分析ているものと思われる。また図 2 に示すように前した結果を図 6 に示す。グルコン酸は一般に金属処理②法の試験片（図中 NaG/GW）で検出した Oの酸性型洗浄剤の主剤としてアルカリ液中で使用は，前処理①法の試験片（図中 HF/Na/W）と比較されている強力なキレート剤である。図 6(a)に示

して減少していること(22→13mass%)がわかった。

すように試験片表面は無数の食孔（φ10μm 程度）

このことから前処理②法による試験片表面では，が確認でき，前処理①法（図 1(a)）とは明らかにグルコン酸による不均一な Mg の溶出を伴いなが異なっていた。この食孔は図 6(b)に示すように Oら(1)式のような Mg(OH)2 の生成により全面を被覆しているもの考えられる。
図 7 に前処理②法で処理した試験片の SST 結果を示す。SST 後の試験片表面は大きく 2 つの領域に分かれた。図 7(a)の点線より左側は全体にかっ色を呈し，微細な腐食斑（白斑）が無数確認できた領域（以下，領域 A という）であり，一方図 7(a)の点線より右側は全体に明るい灰色を呈し，腐食斑（白斑）と糸状腐食が混在した領域（以下，領(a)反射電子像(組成像)域 B という）である。領域 A（図 7(b)）のかっ色
果を図 8(a)に示す。かっ色部は図 2 の NaG/GW（前処理②法による処理表面）と同様な傾向となり，
領域Ａ

領域Ｂ

高←検出レベル→低部（点線囲み）と白斑部（矢印）の EPMA 分析結(b)X 線(O Kα)マップ
高←検出レベル→低(a)試験片全体(b)領域 A 拡大(c)領域 B 拡大(c)X 線(MnKα)マップ

図 7 前処理②法試験片の SST 結果

図 6 前処理②法後の試験片表面(矢印と点線囲みは分析場所)－79－

分析値（mass%）

試験片表面について EPMA 分析した結果を図 9(a)，

O×0.1
Al
Cl
Mn
Zn

8
7
6
5
4
3
2
1
0

(b)，図 10，および図 11(a)に示す。図 9(a)で示すよ
うに試験片表面は全体的に滑らかであるが，皮膜の欠陥としてところどころに無数の白点，数十μm 程度の陥没状剥離痕および亀裂が認められた。
また図 9(b)で示すように皮膜は 10μm 程度の緻密な構造の膜であることがわかった。図 10 で示すよA(かっ色) A(白斑)

B(灰色)

B(白斑)

うに皮膜表面では O が著しく検出されており，(1)B(糸腐)式で示したような反応により Mg(OH)2 を主体とし分析場所(a)表面各部分の分析た皮膜が厚く生成したものと考えられる。また，
高←検出レベル→低(b)領域 A 拡大部分の X 線(MnKα)ﾏｯﾌﾟ

図 9(a)で認められる白点は図 11(a)で示すように
Mn の分布と一致しており，皮膜表面で介在物の混在が確認できた。

(c)領域 B 拡大部分の X 線(MnKα)ﾏｯﾌﾟ

図 8 SST 後の前処理②法試験片のEPMA による表面分析結果
表面が一様に腐食しているものと考えられる。白(a)脱脂のみの場合
反射電子像(組成像)(b)脱脂のみの場合
二次電子像(皮膜断面)(c)前処理①法の場合
反射電子像(組成像)(d)前処理②法の場合
反射電子像(組成像)

斑部は Al，Mn と Zn が検出されず，Mg の優先的な溶出と(1)式のような水と Mg の反応によりMg(OH)2 の生成が起こっていると考えられる。このことから領域 A の腐食状態は前処理①法と同じ傾向であった。領域 B（図 8(c)）の灰色部分（点線丸囲み），白斑（矢印）および糸状腐食部分（点線四角囲み）の EPMA 分析結果を図 8(a)に示す。
灰色部分は図 2 の NaG/GW と比較して，Mn に著

図 9 水熱試験片の電子顕微鏡観察

しい変化(0.4→6.7mass%)が認められた。一方，白7

均一に腐食されていると考えられる領域 A のかっ
色部と領域 B の灰色部では，同様な傾向が認められた。このことから，2 つの領域の成因は試験片分析値(mass%)

腐食部とそれぞれ同様な傾向が認められた。図8(b)，(c)に領域 A と B について Mn の分布を示す。

O×0.1
Al
Cl
Mn
Zn

8

斑部は領域 A の白斑部と，糸状腐食部は図 5 の糸

6
5
4
3

表面に残存している介在物（腐食の起点）と O の

2

不均一な分布（図 6(b)）によると考えられる。

10水熱

3.3 水熱処理

水熱(HF)

水熱(NaG)

水熱sst(白) 水熱sst(周)試験片

前処理①または②法を行わずに水熱処理をした

図 10 水熱試験片の EPMA による表面分析結果－80－

高←検出レベル→低に Mn の分布は前処理をしない場合（図 11(a)）と比べて著しく減少していた。
図 12 に脱脂のみ行った試験片と水熱処理した
各試験片および各試験片の SST 結果を示す。SST
後の試験片表面（図 12(e)から(h)）は脱脂のみの試
験片（図 12(e)）で著しい腐食を受けたことに比べて，水熱処理した各試験片（図 12(f)，(g)，(h)）で(a)脱脂のみの場合

は試験前（図 12(b)，(c)，(d)）とほぼ同じ状態で高←検出レベル→低あり，耐食性が向上していることを確認できた。
しかし，前処理①または②法を行わずに水熱処理した試験片（図 12(b)）では腐食孔（矢印）が多数確認できた（図 12(f)）
。この腐食孔の周辺を拡大すると図 13(a)で示すように，図 7(b)と同じような白斑も確認できた。図 13(a)における白斑部（矢印）およびその周辺部（点線囲み）の EPMA 分析結果

(b)前処理①法の場合を図 10 に示す。
白斑部は Al と Zn が検出されず，
高←検出レベル→低Mg の優先的な溶出と(1)式のような水と Mg の反応により Mg(OH)2 の生成が起こっていると考えら(a)脱脂試験片(e)SST 脱脂試験片(c)前処理②法の場合
図 11 水熱試験片の X 線(MnKα)マップ
前処理①および②法を行って水熱処理をした試験片表面について EPMA 分析した結果を図9(c)，(d)，図 10，および図 11(b)，(c)に示す。図 (b)水熱試験片(脱脂のみ) (f)SST 水熱試験片(脱脂のみ)
9(c)で示すように前処理①法を行った試験片表
面は全体的に滑らかであるが，皮膜の欠陥としてところどころに数十μm 程度の陥没状剥離痕
および亀裂が認められ，図 1(a)と似た傾向であった。一方，図 9(d)で示すように前処理②法を (c)水熱試験片(前処理①) (g)SST 水熱試験片(前処理①)行った試験片表面は図 6(a)と同様に無数の食孔（φ10μm 程度）が確認でき，表面の起伏は水
熱処理後においても維持されていた。
図 10 で示すように皮膜表面では O が著しく検出されており，(1)式で示したような反応によ (d)水熱試験片(前処理②) (h)SST 水熱試験片(前処理②)
りMg(OH)2 を主体とした皮膜が厚く生成したも
図 12 水熱処理および SST 結果(矢印は腐食孔)のと考えられる。また，図 11(b)，(c)で示すよう

－81－

4. 結

言

(1) フッ酸を用いた前処理①法は Mg 合金表面の(1) 介在物（Al-Mn 化合物）除去に有効であった。
(2) 前処理②法は Mg 合金表面を浸食させるもの(1) の，フッ酸処理と同等程度に介在物の除去に(1) 有効であった。
(a)脱脂のみ(3) 水熱処理は Mg 合金の耐食性を向上させ，前(b)脱脂のみ(反射電子像)(1) 処理①および②法と組み合わせることでさら(1) に耐孔食性を改善した。
なお，本研究は文部科学省からの委託研究「都市エリア産学官連携促進事業（発展型）【長岡エリア】マグネシウム合金の次世代型製品開発：平成(c)前処理①

19 年度から 21 年度の 3 年間実施」（管理法人：（財）(d)前処理②にいがた産業創造機構）のサブテーマ「高耐食性図 13 SST 水熱試験片を有する表面処理技術の開発」の中で行った。

(矢印と点線囲みは分析場所)
れる。この白斑部は皮膜の欠陥（図 9(a)で確認される無数の白点，数十μm 程度の陥没状剥離痕お

参考文献

よび亀裂）を起点として，皮膜と母材の電位差腐

1) 特許庁平成 17 年度特許出願技術動向調査報

食により生成したものと考えられる。図 13(b)で示

告書，マグネシウム合金構造用材料の製造技した白点が白斑部とほぼ一致していた。一方，前術，処理①または②法を行ってから水熱処理した試験

http://www.jpo.go.jp/shiryou/pdf/gidou-houkoku/

片（図 12(g)，(h)）では，腐食孔（矢印）や白斑が17mani_magnesium_gokin.pdf

わずかに確認できる程度であった。拡大したもの

2) 寺脇 翼，山本 厚之，椿野 晴繁：軽金属，
57，2007，p269

を図 13(c)，(d)に示す。以上のことから，耐孔食性の向上には皮膜の欠陥（特に介在物）を軽減する

3) O.Lunder，J.E.Lein，T.Kr.Aune andK.Nisancioglu：Corrosion，45，1989，p.741

ことが有効であることがわかった。

－82－

研究論文

介護予防のための筋力向上トレーニング
ロボットシステムの研究開発
昇*

中部

須田

孝義**

菅家

章* 大野

宏*

博***

斎藤

長谷川

直樹****

真柄

賢太郎*****Development of muscle strength improvement training robot for elderly persons
NAKABE Noboru*, SUDA Takayoshi**, KANKE Akira*, OHNO Hiroshi*,
SAITOH Hiroshi*, HASEGAWA Naoki**** and MAGARA Kentarou*****抄録

高齢者を対象とした筋力向上トレーニングロボットの安全性を評価するために，人の代わりにトレーニングロボットを駆動する試験装置を開発し，負荷特性試験，電気安全性・電磁両立性試験，および連続運転試験を行った。これらの試験結果はいずれも良好であり，その後高齢者の使用が試みられるトレーニング効果の実証試験へむけて，その安全性を確認することができた。本試験装置によって，使用者に危険が及ぶことなく，かつ任意の使用状況を繰り返し再現することが可能となり，再現性の高いトレーニングロボットの安全性評価を行うことができた。

1.

緒

言

本研究は，独立行政法人新エネルギー・産業

加齢などにより体力や身体機能の低下した高技術総合開発機構(NEDO)の平成 17-19 年度事

齢者が質の高い生きがいのある社会生活を営む業「人間支援型ロボット実用化基盤技術開発」

ためには，各個人の体力や身体機能に応じた無において，高齢者を対象とした，安全かつ効果

理のない運動を続けることによって，心身とも的な運動メニューを提供できる筋力向上トレーに健康を維持，増進することが必要である。こニングロボットシステムの開発を，財団法人にれに関連して，平成 18 年度に施行された改正

いがた産業創造機構と株式会社日立製作所が受

介護保険法によって，全国に設立される介護予託したものである。試作された筋力向上トレー

防拠点で高齢者に対して筋力向上トレーニング

ニングボットを図 1 に示す。本トレーニングロなどのサービスが提供されるようになった。こボットは従来のレッグプレス，ローイング，レのような筋力向上トレーニングでは，各人の医ッグエクステンションを複合した構造を有して療情報に基づいて専門医師や理学療法士の処方による個人の身体能力に適合した適度な運動メ
ニューを提供することが不可欠である。
*

研究開発センター**

下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

レーザー・ナノテク研究室（平成 17-18 年度所属）
図1***** 研究開発センター（平成 17 年度所属）－83－

筋力向上トレーニングロボット

おり，上肢と下肢の筋力トレーニングを 1 台で装置を開発した。これを用いて負荷特性試験，行うことができる。また，トレーニング負荷を電気安全性・電磁両立性(EMC)試験，および連

従来の錘ではなくモータにより発生させること

続運転試験を行い，使用時においてトレーニン

で，それぞれの利用者に適合した負荷パターン

グロボットが所定の負荷を作用させているか，を任意に調整することが可能である。しかしそならびに制御装置の安全性が確保されているかの反面，このようなロボットと使用者が直接触について検証を行った。本報では平成 18 年度

れ合うシステムでは，故障，停電など万一の場に行った試作トレーニングロボットの安全性評合において，誤作動などにより利用者に危険が価試験について報告する。

及ばないよう安全性を確保する必要がある。
そこで新潟県工業技術総合研究所では，本ト2.

レーニングロボットの安全性評価を受託し，人トレーニングロボットの安全性を評価する際，の代わりにトレーニングロボットを動かす試験

空気圧シリンダ

レーザ変位計ロードセル

安全性評価試験装置の開発

ロボットを人の力で動かす方法は使用者に危険

足乗せ台(a)レッグプレス用評価試験装置
ハンドル
レーザ変位計ロードセル
空気圧シリンダ(b)ローイング用評価試験装置
ロータリー
アクチュエータ

ロードセル
アーム

ポテンショメータ(c)レッグエクステンション用評価試験装置
図2

安全性評価試験装置－84－

(a)ロードセル(b)レーザ変位計
図3

作用荷重およびストロークの測定が伴うばかりでなく，動作のばらつきによる試

3.

安全性評価試験

験結果の再現性への影響が懸念されることから，

本評価試験装置を用いて，試作トレーニング

人の代わりにロボットを動かす安全性評価試験

ロボットの安全性評価試験を行った。試験の結装置を開発した。本試験装置は図 2 に示すよう

果はいずれの項目とも良好であり，その後高齢に，レッグプレス，ローイング，レッグエクス

者の使用が試みられるトレーニング効果の実証

テンションに対応した 3 台とした。試験装置の試験にむけて，その安全性を確認することがで駆動源には，レッグプレス，ローイング用につきた。以下，各試験項目の概要について述べる。

い て は 空 気 圧 シ リ ン ダ （ 太 陽 鉄 工 製 10A6TC50B600-CF2-FB）を，レッグエクステンシ

3.1

負荷特性試験

ョン用については空気圧式ロータリーアクチュ

試作トレーニングロボットのレッグプレス，

エータ（太陽鉄工製 TRV2-300D90A45L-K2）

ローイング，レッグエクステンションについて，を用い，それぞれトレーニング時に使用者が力評価試験装置を用いてその負荷特性を測定した。

を作用させる足乗せ台，ハンドル，アームに冶

実験条件は表 1 に示す速度および荷重条件と具を介して接続することによって，これらを直した。ここで，速度条件は所定のストローク幅

接動かす構造とした。シリンダ，ロータリーア

を動かす際の片道の所要時間として設定した。

クチュエータはプログラマブルコントローラを
表1用いて制御し，その駆動速度はスピードコント
対象

ローラによる空気の吸排気量で，ストローク幅

負荷特性試験条件

ストローク幅は停止位置に取り付けた磁気センサの位置でそれぞれ調整を行った。接続冶具には図 3(a)に示
すロードセルを取り付け，ロボットを動かした
レッグプレス

際の作用荷重を測定できるようにした。またス

300mm

設定荷重
6kgf

速度

30kgf
60kgf

片道２秒

6kgf
18kgf
30kgf
60kgf
6kgf
30kgf

トロークの測定を行うために，レッグプレス，
ローイング用試験装置には図 3(b)に示すレーザ
変位計を，レッグエクステンション用試験装置

片道４秒

片道10秒

60kgf
ローイング

450mm

15kgf

片道２秒
片道４秒
片道10秒

レッグエクス
テンション

70°

10kgf

片道２秒
片道４秒
片道10秒

にはポテンショメータを取り付けた。これらの出力は共に A/D コンバータを介し，サンプリ
ング周波数 50Hz でパーソナルコンピュータに
記録した。

－85－

また荷重条件は，トレーニングロボットを動か

作開始に伴い速度が急激に変化する時刻，すな

す速度によらず常に設定した荷重が作用する設

わち加速度がピークを示す時刻付近において，定とした。試験装置を用いて各実験条件にてト

作用荷重は伸展時に最大値，屈曲時に最小値をレーニングロボットを動かし，そのときのストそれぞれ示し，その後は速度変化が小さくなりロークと作用荷重を測定した。試験風景を図 4

一定の荷重値を示す傾向がみられた。これらはに示す。

ローイング，レッグエクステンションにおいてレッグプレスにおける計測データの一例を図も同様の傾向を示した。本試験においては，作5 に示す。グラフはそれぞれ脚を伸ばす方向

用荷重が動作の速度や速度変化，すなわち加速（以下伸展），縮める方向（以下屈曲）にロボ

度にどの程度依存して変化するかに着目して，ットを動かした場合の作用荷重およびストロー

レッグプレス，ローイング，レッグエクステン

クの時系列変化であり，併せてストロークからションに対して，動作開始時における作用荷重算出した速度，加速度も表示した。静止から動の最大値および最小値（ピーク負荷），ならび(a)レッグプレス(b)ローイング
図4

定常負荷（伸展）

ピーク負荷（屈曲）作用荷重 (kgf)

50
40
30
20

ストローク (mm)
速度(mm/sec.)
加速度(mm/sec.2)

負荷特性試験風景

0

1

2
時間 (sec.)

3

40
30

400

400

300

300

200

200

100
0
-100
-200
-300
-400

定常負荷（屈曲）

50

20

4

ストローク (mm)
速度(mm/sec.)
加速度(mm/sec.2)

作用荷重 (kgf)

ピーク負荷（伸展）(c)レッグエクステンション01

2
時間 (sec.)

3

4

0

1

2
時間 (sec.)

3

4

100
0
-100
-200
-300

0

1

2
時間 (sec.)

3

-400

4
ストローク

(a)伸展
図5

速度

加速度

(b)屈曲

負荷特性試験測定例（レッグプレス：設定荷重 30kgf，片道 4 秒）

－86－

表2

電気安全試験，電磁両立性(EMC)試験項目

試験項目

試験概要
絶縁耐圧
電源入力部への過大電圧に対する絶縁耐圧確認
絶縁抵抗
電源入力部の絶縁能力確認
電気安全試験 漏洩電流
接触部位からの漏電(感電)の危険性確認
接地導通
フレームグラウンド(安全接地点)の有効性確認
異常信号
信号線の断線等の影響による異常動作確認
不要電界放射不要電界強度の測定
EMI試験
不要高周波伝導電圧
不要高周波伝導電圧の測定
静電気放電
人体からの静電気放電耐力
放射電界
無線局等からの放射電界耐力
ファストトランジェン
EMC
電源線，信号線へ伝導するバースト波状ノイズ耐力
トバースト
試験 イミュニ
雷サージ
電源線へ伝導する雷サージ耐力
ティ試験
無線周波数伝導電源線，信号線へ伝導する無線周波数ノイズ耐力
電力周波数磁界
電力設備からの磁界放射耐力
電圧ディップ，
入力電源の変動，瞬断，短時間停電耐力
短時間停電に，その後速度がほぼ一定状態となった際の作

4.

用荷重（定常負荷）を算出し，これらをトレー(1)高齢者を対象とした筋力向上トレーニング

ニングロボットの負荷特性として評価した。

結言

ロボットシステムの安全性を評価するために，
人の代わりにトレーニングロボットを動かす

3.2

電気安全性・電磁両立性試験

評価試験装置を開発した。

トレーニングロボットに対して，その電気安(2)本試験装置を使用することによって，使用

全性，電磁両立性(EMC)に関する性能を試験に者に危険が及ぶことなく，かつ任意の使用状

よって確認した。試験項目とその概要について

況を繰り返し再現することが可能となり，再表 2 に示す。ここで，本試験の基準となる規格

現性の高い安全性評価や長時間の連続運転試については，日本工業規格(JIS)の電磁両立性に験を行うことができた。

1)-7)。加えて，トレーニング(3)本試験装置を用いて実施した試作トレーニ

ロボットは病院等の医療機関で使用されること

ングロボットの安全性試験結果はいずれも良が想定されることから，薬事法の一般医療機器

好であり，その後高齢者の試用が試みられる関するものとしたに関連する規格も考慮した

8)-10)。

実証試験へむけて，その安全性を確認することができた。

3.3

連続運転試験

長時間の運転によってトレーニングロボット

参考文献の機構や負荷特性に異常が生じないか確認する

1)JIS C 61000-4-2

ために，本評価試験装置を用いて 24 時間，び測定技術－第 2 節:静電気放電イミュニティ

7500 回の連続運転試験を行った。試験はレッ

試験.

グプレスを対象とし，試験条件は設定荷重2)JIS C 61000-4-3

60kgf，所要時間片道 4 秒の 1 条件とした。運

び測定技術－第 3 節:放射無線周波電磁界イミ

転時間による定常負荷の変化を測定し，併せてュニティ試験.

ビデオ撮影により異常の有無を確認した。

－87－

電磁両立性－第 4 部:試験及電磁両立性－第 4 部:試験及

3)JIS C 61000-4-4

電磁両立性－第 4 部:試験及7)JIS C 61000-4-11

電磁両立性－第 4 部:試験

び測定技術－第 4 節:電気的ファストトランジ

及び測定技術－第 11 節:電圧ディップ,短時間

ェント／バーストイミュニティ試験.

停電及び電圧変化に対するイミュニティ試験.

4)JIS C 61000-4-5

電磁両立性－第 4 部:試験及8)JIS T 0601-1

び測定技術－第 5 節:サージイミュニティ試験.
5)JIS C 61000-4-6

電磁両立性－第 4 部:試験及医用電気機器－第 1 部:安全に関する一般的要求事項.
9)JIS T 0601-1-1

医用電気機器－第 1 部:安全び測定技術－第 6 節:無線周波電磁界によってに関する一般的要求事項－第 1 節:副通則－医誘導する伝導妨害に対するイミュニティ.

用電気システムの安全要求事項.

6)JIS C 61000-4-8

電磁両立性－第 4 部:試験及10)JIS T 0601-1-2

医用電気機器－第 1 部:安全び測定技術－第 8 節:電源周波数磁界イミュニ

に関する一般的要求事項－第 2 節:副通則－電ティ試験.

磁両立性－要求事項及び試験.

－88－

技術レター

金属ペーストを用いたカーボンナノチューブの生成佐藤健*

Formation of Carbon Nanotubes using Metal Paste
SATO Takeshi*
1．緒言

平成 14～15 年度に行った共同研究において，Ni 薄膜を低温焼成で形成できる有機金属ペース
ト（以下，Ni ペーストと記す）を新規に開発した 1),2)。このペーストは，Ni の有機金属塩を有機溶媒に溶解させるという簡易な手法で作製できるので低コストである。焼結は，昇温による(a)(b) Ni
焼結の状態
粒子析出

有機成分の分解により，まず図 1(a)のように Ni

図1

有機金属ペーストの焼結過程のナノ粒子が析出し，やがて融着により，(b)のように金属薄膜を形成するというメカニズムで行われる。
Ni や Fe などの遷移金属のナノ粒子は，カーボンナノチューブ（以下，CNT と記す）の成長

図2

触媒として機能することが知られている。基板

CNT の局所成長

上にこれらのナノ粒子を担持しておき，管状炉などの中で，メタンなどの原料ガスを流して反応させることにより，CNT が生成する。
開発した Ni ペーストは，焼結の過程でナノ粒子を析出するため，CNT の成長触媒としても機能することがわかった 3)。
一般に金属ナノ粒子の担持には，スパッタリ
ングや蒸着などが用いられ，このパターニングにはフォトリソグラフィー工程が必要となるので高コストであるが，このペーストを使用する

(a)

側面図

(b)

平面図

図3

金属と CNT の複合薄膜に関する解像性向上のための組成の検討や CNT
成長条件の検討を行ったので報告する。

場合は，ペースト自体が低コストであることに加え，スクリーン印刷を適用することにより，

2．ペーストの解像性向上

パターニングが容易になるという利点がある。

表 1 の条件で Ni ペーストを作製した。酢酸

これを利用して，図 2 のように，CNT を局所

ニッケル 4 水和物とテトラエチレングリコール

的に成長させることや図 3(a)，(b)のように金属からなる TEG 系は，開発した Ni ペーストの最と CNT を複合させた薄膜導体の形成などが可

も基本的な組成で，スクリーン印刷の際の塗布能になると考えられる。

性と，焼結の際の成膜状態に優れている。しか独立行政法人科学技術振興機構の平成 18 年

し，ニッケル有機塩の分解温度と溶剤の沸点が度「シーズ発掘試験」において，このペースト

それぞれ 300℃以上と高温であるため，印刷の際に必要な 70℃～100℃程度の低温における乾*研究開発センター

燥性（B ステージ化）に課題があった。
TEG-PG 系とアミン系は，より低分解温度のレーザー・ナノテク研究室－89－

塩と低沸点の溶剤を用いることにより，この低温における乾燥性を改良したペーストである。
作製した Ni ペーストを熱酸化膜付 Si 基板に
乳剤厚 10μm のスクリーン版で印刷した。パターンは，50～200μm のラインアンドスペース（以下，L/S と記す）とし，いすず製管状炉
EPKRO-14K（石英管直径 60mm）に入れた後，Ar800sccm と H2200sccm の気流下で 30 分焼結した。図 4～6 に各ペーストの成膜状態を L/Sの寸法ごとに示す。ペーストの構成材料が低沸点，低分解温度になることにより，焼結後の解図7

各温度の CNT 成長状態

像性は改善され，アミン系では 50μm の解像性が得られている。

表1

Ni ペーストの組成(a)
図8

TEG-PG 系(b) アミン系
各ペーストの CNT 成長状態

3．Ni ペーストを用いた CNT の生成
TEG 系ペーストを乳剤厚 5μm のスクリーン版で Si 基板に印刷し，各温度で CNT を成長させた状態を図 7 に示す。成長は，Ar 800sccm 気
流中で昇温させ，設定温度到達後に Ar を止め，
CH41000sccm と H2200sccm を 30 分間流した後，(a) L/S200μm (b) L/S100μm (c) L/S50μm
図4TEG 系ペーストの焼結状態

再度 Ar 気流中で自然冷却させる条件で行った。
図より，900～1000℃の温度において CNT は
比較的多く成長しており，成長温度としては，
900℃以上に昇温することが必要であることがわかった。
また，図 8 には，TEG-PG 系とアミン系ペー
ストを 1000℃で処理した状態を示した。これら(a) L/S200μm (b) L/S100μm (c) L/S50μm
図5

TEG-PG 系ペーストの焼結状態のペーストを用いた場合でも CNT は成長しており，触媒として機能することが確認できた。
4．CNT のラマン分光測定
CNT のラマン分光測定を行った。Si 基板にTEG 系ペーストを乳剤厚 5μm のスクリーン版で印刷し，管状炉で CH4800sccm と H2200sccm(a) L/S200μm (b) L/S100μm (c) L/S50μm
図6アミン系ペーストの焼結状態の気流中で 900℃15 分の焼成をした。その結果を図 9 に示す。
低波数側に RBM のピークが現れていること－90－成した CNT には欠陥が多いことが示唆されるが，下地の Ni ペーストの未反応成分を検出していることも推測される。そこで，図 10 のよ
うに Si に溝を形成し，その上に CNT をブリッジ状に形成してラマン分光測定を行った。その結果，図 11 のように D バンドのピークは大き
図9

CNT のラマン分光測定

く減少し，結晶性を示す G バンドピークの方が高くなった。
5．複合導体薄膜の形成
TEG 系ペースト 1 に対して溶剤 0.7 を加えて希釈したものを，乳剤厚 5μm のスクリーン版
で SiO2 膜付 Si 基板に印刷した。CH4800sccm とH2200sccm の気流中で 900℃15 分の焼成をした(a)

Si に形成した溝

図 10

(b)

CNT 成長溝上にブリッジ状に形成した CNT

結果を図 12 に示す。
溶剤を加えたことにより，Ni 含有率が小さくなるため，高温状態では，膜状に維持されずに線切れを起こしている。印刷パターンの端部は，塗膜がさらに薄くなるので線切れの度合いが大きい。生成した CNT は，いずれの部位であっても線切れした Ni 間を連結するように成長し，
図 3 で示したような形態を作製できた。
6．結

図 11

ブリッジ状 CNT のラマン分光測定

言(1) 開発した Ni ペーストの組成成分である Ni
有機塩と有機溶媒について，それぞれの分
解温度を低下させることによって，成膜の解像性を向上させることができた。
(2) Ni ペーストは，CNT の成長触媒として機能することを確認した。
(3) Ni ペーストを用いて，金属 Ni と CNT の複(a)

塗布面中央部
図 12(b)

合薄膜を形成した。

塗布面端部

Ni 粒子間の CNT 成長
参考文献

から，生成した CNT には単層 CNT が含まれて

1) 吉井，鈴木，他，“有機金属の積層コンデンサーへの応用研究”，工業技術研究報告いることがわかった。図中の G バンドは結晶質

書，32，2003，p.42-46の炭素の存在を示すピークで，CNT やグラファ
イトに対して現れる。D バンドは，グラファイ

2) 吉井，鈴木，他，“有機金属の積層コンデ

ト面内の乱れや欠陥に起因するため，アモルフ

ンサーへの応用研究（第 2 報）”，工業技ァスカーボンや格子欠陥を多く持った CNT の術研究報告書，33，2004，p.23-27

存在を示す。G/D 比が大きいほど結晶性や純度

3) 新潟県，他，“カーボンナノチューブの製の高いことを示すので，このグラフからは，生造方法”，特開 2007-91530

－91－

－92－

共

同

研

－93－

究

－94－

技術レター

ナノ加工の精密バリ取りに関する研究
樋口

智*

杉井

伸吾**

田村

信**

博*

斉藤

小方

雅淑***

佐田

俊彦***

A Study on Precision Deburring by Wet Blast Technology
HIGUCHI Satoru*, SUGII Shingo**, TAMURA Makoto**, SAITO Hiroshi*, OGATA Masayoshi*** andSADA Toshihiko***

1．緒言

切削，研削，放電，レーザー等によるナノ加工の研究，開発事例が数多く発表され，一部実用化されている。しかし，本格実用化においては問題が山積しており，広く普及しているとは言えない現状にある。その原因の一つに加工時に発生するバリの除去技術が確立されていない
ことが挙げられる。
一方，固体粒子と水を混合して高速噴射し，対象物の表面を加工するウェットブラスト加工
では，粒子を従来よりも微細にすることによって，より精密な表面加工やバリ取りが実現でき
図1

る可能性がある。

ウェットブラスト概要 2)

そこで，超精密切削加工後に発生する微細なバリに対し，ウェットブラスト処理を用いて除概要を図 1 に示す。

去する検討を行った。
2．ウェットブラスト処理

3．実験方法
ここでは Ni-P めっきに対し，切削加工によりウェットブラスト処理とは，粒子（以下「メ微細なピラミッド形状を加工し，ウェットブラ

ディア」という）と液体（主に水）とを混ぜ合スト処理を行う前後の微細バリの変化を観察しわせ均一にしたスラリーを専用の噴射ノズルかた。

ら圧縮空気を利用して高速に噴射し，対象物表面を加工する表面処理技術の一つである 1)。加3.1

工と同時にスラリーが削った粉や取り除かれた
汚れ，さらにはメディアそのものを洗い流せるといった特徴がある。ウェットブラスト工法の*研究開発センター

メディア(a)アルミナ#10000

平均粒径0.8μm(b)アルミナ#30000

平均粒径0.3μm

各メディアの走査型電子顕微鏡（SEM）像を図2に示す。

レーザー・ナノテク研究室

3.2 被加工材
ステンレス系快削鋼 RAMAX-S**

研究開発センター（18×18×10mm）表面に 100μm の Ni-P めっきを***マコー株式会社－95－

施し，その上面（18×18mm 面）めっき層をファ
純水洗浄

ナック（株）製，超精密 5 軸ナノ加工機
ROBONANOα-0iA のミーリング加工ユニットを

40℃温水
超音波洗浄

用いて先端角 90°の V 溝を 5 本加工し，さらに，
これに直交するように同様の V 溝を 5 本加工した。5 本の V 溝のピッチは 5μm，10μm，50μm

純水洗浄の 3 種類とし，溝加工終了後に熱処理を施したものを用いた。また，評価は同一ピッチの V 溝

エアブローが交差し，ピラミッド形状を呈した部位で行っ
た。

図3

洗浄工程

6 回処理を行っても除去できないバリがわずかに見られ，さらには加工形状の稜線部分にダレが見られる。溝ピッチ 50μm では 1 回のブラスト処理によりバリが除去され，残っているバリ

1μm

1μm
(a)

(b)

#10000図2は確認できない。

1μm

1μm#30000メディア#30000 を用いたブラスト処理前後の写真を各溝ピッチごとに図 7～9 に示す。溝

研磨剤 SEM 像

ピッチ 5μm，10μm ではブラスト処理によって3.3

で大きなバリは除去できるものの，根本近傍のブラスト処理条件

ブラスト処理条件を表 1 に示す。なおブラス

バリは除去できていない。また，加工形状の稜ト処理は同一部位に 6 回まで行なっている。

線部分のダレは#10000 に比べて少ない。溝ピッチ 50μm では#10000 と同様に 1 回のブラスト

ブラスト処理条件

処理によりバリが除去され，残っているバリは

エアー圧

スラリー圧

処理速度

確認できない。

（MPa）

（MPa）

（mm/sec）

0.2

0.18

10

表1

5．結

言

(1) 水とアルミナ粒子を用いたウエットブラス
ト処理により超精密切削加工品の微細バリ除去が可能である。

3.4

洗浄(2)ブラスト処理 1 回でバリ処理効果が現れ，洗浄工程を図 3 に示す。なお洗浄はブラスト

回数を増やしてもその効果は限定的であっ処理のたびに行なっている。
4.

た。
(3)#10000 の粒子では #30000 に比べブラスト処実験結果

理によって加工形状稜線部に発生するダレ

メディア#10000 を用いたブラスト処理前と 1が多い。また，処理回数を増やすことでダ回および 6 回処理後の SEM 観察写真を，各溝
ピッチについて図 4～6 に示す。溝ピッチ 5μm，10μm では，1 回の処理で大きなバリが除去さ

レが増大する。
(4)バリ除去能力と稜線部の形状確保は相反す

れているものの，バリ根元近傍は取れていない。

－96－

る。

(5)超精密切削加工品へのウェットブラスト処
理条件を決定するための基礎的なデータが参考文献
1)諏訪誠，実用湿式・乾式ブラストとその応用，日刊工業新聞社，1974，p.6-8.

得られた。

2)マコー株式会社 ホームページ
http://www.macoho.co.jp/r_technology/index.html

バリ3μm(a)処理前図4(b)1 回処理後#10000 溝ピッチ 5μm(c)6 回処理後

バリ

バリ

6μm
(a)処理前(c)6 回処理後

図5(b)1 回処理後#10000 溝ピッチ 10μm(b)1 回処理後#10000 溝ピッチ 50μm(c)6 回処理後

図630μm(a)処理前－97－

3μm(a)処理前(c)6 回処理後

図7(b)1 回処理後#30000 溝ピッチ 5μm(c)6 回処理後

図8(b)1 回処理後#30000 溝ピッチ 10μm(b)1 回処理後#30000 溝ピッチ 50μm(c)6 回処理後

図96μm(a)処理前30μm(a)処理前

－98－

実

用

小

規

ミ

ニ

研
模

共

－99－

同

究
研

究

研

究

－100－

技術レター

X 線回折によるオーステナイト系ステンレス鋼の表面加工層の評価方法に関する研究中川昌幸*

Study on the evaluation technique for a processed surface of austenitic stainless steel by XRD profile analysis.
NAKAGAWA Masayuki*

1.

緒言

ブラストをはじめとするピーニングプロセス
は，材料表面への冷間加工プロセスであり，疲以降，各供試材の区別には，上記行頭の（）内の記号を用いる。

労強度，耐摩耗性向上に有効な硬度上昇，圧縮
残留応力付与の効果をもたらす。一方，焼き鈍2.2

各供試材表面の初期状態についてしなどの加熱により，材料内部に存在する残留

図 1 に各供試材表面の圧縮残留応力（初期

応力やひずみは，回復により低減あるいは除去応力），Ｘ線回折ピークの半価幅値を示す。

される。冷間加工後に接合などの熱プロセスがAnneal は旋盤加工後に残留応力を除去するた

存在する場合，加熱温度や時間により，冷間加めに加熱を行ったもので，Lathe における圧縮工で付与された圧縮残留応力や加工硬化が回復

残留応力，半価幅値が低下しており，無ひずみにより消失していく挙動を把握することが重要に近い状態であると考えられる。Anneal にさになる。本研究では，代表的なオーステナイトらにブラスト，ウォータジェット処理を施した系ステンレス鋼におけるこの回復挙動を X 線

B.P.，W.J.P.では，圧縮残留応力が付与されて回折装置により評価する方法を検討した。

いる。特に固体ショットの衝突プロセスである
ブラストにより，B.P.には大きな圧縮残留応力

2.

実験方法

が付与され，半価幅値は増大したことから，よ

2.1

供試材

り激しい塑性変形が導入されたことが分かる。

供試材には，オーステナイト系ステンレス鋼である SUS304 を用い，形状はφ12mm×h5mmの円柱形状とした。φ12 の表面に対し，異なる表面加工層を得るため，以下の 4 パターンの処理を施し，供試材とした。
・(Lathe)旋盤加工のみ
・(Anneal)旋盤加工，焼き鈍し(1000℃1Hr)
・(B.P.)旋盤加工，焼き鈍し(1000℃1Hr)，ブラ
ストピーニング・(W.J.P.)旋盤加工，焼き鈍し(1000℃1Hr)，ウォータジェットピーニング
図1* 下越技術支援センター

X 線残留応力と回折ピークの半価幅値（各供試材の初期状態）－101－一方，W.J.P.は圧縮残留応力が増大しているが，や統計的なばらつきを含んだ回折ピーク位置か

その値は B.P.よりも小さく，半価幅値は

ら応力値を算出するため，特に回復挙動によりAnneal からわずかに増加しただけであった。

残留応力が低下した状態では応力分布の影響をこれは，ウォータジェットによる加工がブラス受けやすく，個々の回折ピーク位置の精度が低トに比べ，表面に与えるダメージを抑えて圧縮下するため，測定時間を長くするなどの対策が残留応力を付与できる特徴を持っていることを要求される。そこで，本研究ではより短時間で示している。

簡便に回復挙動を評価するため，X 線回折ピー
クの半価幅値に着目した。

回復挙動評価のための焼き鈍し条件

半価幅値は，結晶粒の大きさと微視的ひずみ

各供試材に対し，加熱処理による回復挙動のの均一性と相関があるパラメータである 2)。回

2.3

評価を行うため，加熱温度を 300℃～600℃ま

折ピークの広がりは格子面間隔の統計的な分布で 50℃毎の水準で，保持時間を 30，120，480，

により生ずるため，正規分布となる。一般に，

1920，7680， 30720min という 4 倍毎として焼焼き鈍し材が冷間加工を受けることにより，半き鈍しを行った。

価幅が広がることが知られている。これは，結晶粒の破壊による結晶子サイズの微細化と，微2.4

視的な不均一ひずみ分布が生じたためである。

X 線回折測定条件
1)

残留応力測定は，X 線応力測定法標準 に準この状態から再結晶温度以上に加熱した場合，

拠し，γFe(220)の V- Kαによる回折ピークを結晶粒成長による回折に預かる結晶数の減少，2測定した。残留応力の算出には，sin ψ法(ψ0

回復による微視的な不均一ひずみ分布の減少に一定法)を用い，半価幅の中点を回折ピーク位

より，半価幅が小さくなる。本研究において初置とした。半価幅値は各ψ0 角における回折プ期状態からの焼き鈍しは 600℃以下であり，半ロファイルより求めた平均値とした。

価幅値の減少は即ち微視ひずみの回復によるひずみ開放の挙動と見なすことができると考えた。

3．結果と考察

図 3～6 に各供試材の焼き鈍し時間による回折

3.1

ピークの半価幅値の変化を示す。Lathe， B.P.，

X 線残留応力と半価幅値評価

図 2 に焼き鈍し時間による残留応力の変化の一例として W.J.P.の結果を示す。500℃以上の

W.J.P.各供試材で，導入された半価幅の広がり
が，熱処理により減少していく挙動を見て取る

条件では，焼き鈍し時間の増大に伴い，付与された圧縮残留応力が開放されていく様子が見て取れるが，例えば 400℃，450℃の条件では，焼き鈍し時間が数百℃から 1000℃程度において，圧縮残留応力が増大するなど，回復の進行との相関を評価できないデータとなった。この傾向は，その他の供試材においても同様に見られた。また，Anneal においては，加工を受けていないにもかかわらず，測定された残留応力値は 0～－100MPa 程度のばらつきを示したた
め，無ひずみ状態の残留応力値＝0MPa として
図2

評価することができなかった。通常の sin2ψ法

焼き鈍し時間による残留応力の変化の一例

では，一様な平面応力状態を仮定していること－102－(W.J.P.)図3

図5

焼き鈍し時間による半価幅値の変化(B.P.)(Lathe)

図4

焼き鈍し時間による半価幅値の変化

焼き鈍し時間による半価幅値の変化

図6(Anneal)

焼き鈍し時間による半価幅値の変化(W.J.P.)ことができる。Lathe，W.J.P.では，450℃以上、きが大きくなり，回復挙動の評価が難しかっ

B.P.では 350℃以上の条件で半価幅が減少してた。

いる。各処理により導入された微視ひずみが回(2)半価幅値による評価では，測定値のばらつ

復により開放されたためであると考えられる。

きは小さく，回復により半価幅値が減少してまた，応力測定値と比べて，測定値のばらつき

いく挙動を評価できた。測定時間も短く，簡が小さく，同じ測定時間で結果が得られること

便で有効な方法であると考える。

から，非常に有効な評価方法である。

4．結

言

参考文献
1) 日本材料学会編，“X 線残留応力測定法標準”，1997，p.1-13, p46-48.

X 線回折による表面加工層の回復挙動の評価
を残留応力測定と半価幅評価で行った。得られ

2) カ リティ，“ X 線回折要 論”，アグ ネ，た結果は以下のようにまとめられる。

1691，p265-271.

(1)残留応力値による評価では，回復によって応力値が低下すると相対的に測定値のばらつ－103－

技術レター

CAE の効率的活用に関する研究
片山

聡* 須貝

裕之*

Research on efficient use of CAE
KATAYAMA Satoshi* and SUGAI Hiroyuki*

1．緒

言

表1

FEM（有限要素法解析）を中心とした CAE

H19 年度 CAE 関連実績

解析分野
線形構造解析
非線形構造解析
振動解析
伝熱解析（Computer Aided Engineering）技術は、近年のミッドレンジ 3 次元 CAD の急速な普及に伴い県内企業においても導入が進んでいる。しかし
CAE 技術の効率的活用には、条件設定や材料

ミニ共同研究
3
3
0
1

相談
6
3
2
3

特性の把握など経験を要することが多い。そのけではなく、LS-DYNA を用いた破壊解析の相ため中越地域では『長岡モノづくりアカデミ

談が 2 件含まれている。また今年度実施したミー』（長岡技術科学大学、長岡工業高等専門学

ニ共同研究のうち、設計の初期段階にて実施さ

校、NICO 共催）の中で CAE 講座を設けるなれたものは 2 件。ほか 5 件は製品完成後に設計ど、技術者の CAE 教育にも力を入れている。

や加工法案の正当性を確認する目的で解析を実当センターでは H19 年度に CAE に関する 7施した案件であった。

件の企業等技術課題解決型受託研究（ミニ共同研究）を実施したほか、長岡モノづくりアカデ

2.2

CAE 研究会および講習会

前述のとおり、主に長岡モノづくりアカデミ

ミー受講者をフォローアップする目的で CAE研究会を設立した。これらの活動を通じて得らー受講者を対象に CAE 研究会を設立した。参れた成果と、情報共有化を柱とした CAE 技術

加者の要望より各解析分野についてセミナーをの効率的活用方法について紹介する。

実施するとともに、CAE 技術利用について意見を交換した。CAE 研究会の活動内容を表 2

2．CAE 技術支援、普及に関する取組みに示す。また 11～12 月には上越地区にて CAE

2.1 ミニ共同研究および技術相談
表 1 に H19 年度に当センターが実施したミ技術セミナー（主催：上越商工会議所、上越技ニ共同研究（CAE 関連）と技術相談実績（ミこれらの活動を通じて講習会スライドや学習術研究会）を 4 回実施した。

ニ共同研究へ発展したものを除く）を示す。線
形構造解析については CAE 関連装置を所有し表2ていない企業からの問い合わせ・依頼が多く、
第1回
第2回
第3回
第4回
第5回
第6回
第7回

非線形構造解析については CAE 関連装置を所有しているものの自社内で対応できないことから相談・依頼を受けることが多かった。なお、
非線形構造解析の中には ANSYS による解析だ*

中越技術支援センター－104－

CAE 研究会の活動内容

内容
基調講演（長岡技大 田辺教授）
進め方に関する検討会
静解析、品質工学セミナー
LS-DYNA セミナー
振動解析セミナー
非線形解析セミナー
これまでのセミナーのまとめ用データなどの整備により CAE 技術者育成へきるようにした。

の支援体制を強化することができた。

従来は接触モデルの検討など、複数条件にて計算を実施していたが、過去の事例が参照でき

3．CAE 技術の効率活用

るようになったことでモデル検証の時間を 1/2

3.1 当研究所の CAE 支援体制について
当研究所ではメインサーバを下越技術支援セ～1/4 程度短縮することが可能となった。今後ンターに置き、県央・中越・上越支援センター

代表的な入力データをマクロ化するなど効率化とはネットワークを経由して ANSYS 等のライを進めたい。

は複数の条件ファイルを自動作成できるよう、センスを共有している。そのため、どの支援センターにおいても CAE 技術に関する支援を行

3.3

うことができるが、その一方で各センターにて共有化された情報の例

共有された情報の例として、LS-DYNA にお実施した解析事例を共有することが難しい状態

ける材料定数同定について紹介する。

にあった。

LS-DYNA の特徴の一つとして、破壊モデル

ミニ共同研究や技術相談に対して迅速に対応を有していることが挙げられる。破壊挙動はするためには、過去の解析事例より材料特性や*MAT_ADD_EROSION を用いて材料モデルに境界条件を参照することが必須である。そこで、破壊判定基準（最大主応力など）を付与する方

これらの情報を共有する手法について検討した。

法のほか、*MAT_PLASTIC_KINEMATIC のよ
うに破壊判定基準を有す材料モデルを用いるこ

3.2

解析事例の共有化について

解析結果ファイルは大きいもので数 GB に達することもあり、数多くの結果を端末に保存しとで表現できる。本研究ではこれらの特性を把握するため、鋳物（FC）の曲げ破壊試験を実施し、LS-DYNA による計算結果と比較した。

ておくことは難しい。また一連の解析が終了す
ると、結果を多角的に検討する機会はほとんどなくなる。そのためミニ共同研究の場合は報告

曲げ破壊試験の概要を図 1 に示す。試験には（株）島津製作所製万能材料試験機を用いた。
曲げ支点間距離は 450mm、その中央部をポン

書を、技術相談の場合は ANSYS Workbench のチにより押し込んでいく。このときのポンチ荷レポート機能を用いて結果を PDF 化し、メイ

重とストロークの関係を記録し、LS-DYNA にンサーバへ保存することとした。

よる計算結果と比較した。

過去の解析事例を比較すると、表 3 に示した項目について担当者による差異が生じているこ

LS-DYNA ではポンチ、支点とも剛体として設定し、それぞれ表面のみモデリングした。材とが分かった。これら解析条件については定型
書式により整理し、少ないキーワードで検索できるようにした。なお ANSYS は入力データをポンチ

テキスト保存しているため、複雑な条件設定を行った事例についてはこれを添付し、再利用で
表3
解析分野
構造解析
伝熱解析

差異のみられた計算条件の例
条件
材料定数（降伏応力、n 値）
接触モデル（定式、剛性）
幾何非線形
熱伝達係数
接触熱抵抗

支点
図1

－105－

曲げ破壊試験概要図

表4
1

材料モデル
*MAT_PLASTIC_KINEMATIC*MAT_ADD_EROSION

2*MAT_PLASTIC_KINEMATIC

3*MAT_PLASTICITY_COMPRESSION_TENSION

荷重 （ kN）

条件

15

計算条件

10
実験値
条件1
条件2
条件3

5
0

料モデルは表 4 に示す 3 パターンとし、ヤング率、ポアソン比はすべての材料モデルで同一の値を用いた。

0

2

4

6
8
変位 (mm)10

図2

曲げ破壊試験と計算値の比較

12

破壊判定は条件 1 では最大主応力、条件 2 お

このような材料情報を共有せずに解析を進めよび 3 では塑性ひずみにて行うよう設定した。

る場合、同様の予備解析を実施する必要がある。

また条件 3 では引張方向と圧縮方向の降伏応力

しかし情報を共有することでそれを省略できるおよび加工硬化係数を異なるものとし、引張荷ほか、材料定数を決定した経過も併せて共有化

重により破壊するよう材料モデルを調整した。

することで解析技術の向上にも繋がる。

これは圧縮荷重に対して強い鋳物の特性をモデル化したものである。
曲げ破壊試験と計算結果の比較を図 2 に示す。

4．結言(1) ミニ共同研究、技術相談に対し迅速に対応

LS-DYNA による計算では降伏後の挙動に差ができるよう、解析事例および条件設定を共生じていることが分かる。条件 3 において特に有化する手法について検討した。その結果、実験値と近い傾向を示していることから、鋳物PDF による報告書のインデックス化、入力については引張および圧縮方向の特性をそれぞファイルの共有化などにより、モデルの検れ設定することが重要であることが分かる。ま証時間を 1/2～1/4 程度に短縮することがでた鋳物など脆性材料を扱う場合、塑性変形は微きた。

小となるため無視することが多いが、破壊まで(2) LS-DYNA における鋳物の破壊モデルにつ計算する場合には降伏応力および加工硬化係数

いて検討した。引張、圧縮方向それぞれでに現実に近い値を設定する必要があることが分特性を設定した材料モデルにて実験値に近かる。

い計算結果を得ることができた。

－106－

技術レター

非導電物の表面形状評価に関する研究
馬場

大輔*

宮口

弘明*

皆川

森夫*

A research on surface shape evaluation of non-conductor
BABA Daisuke*, MIYAGUCHI Hiroaki* and MINAGAWA Morio*

1．緒言

本研究では当所設備のレーザ顕微鏡（キーエ

各種材料の表面を微細に観察する場合，表面

ンス社製 VK-9500，主な仕様は表 1 参照，以粗さ計，光学顕微鏡，走査型電子顕微鏡(SEM)

下「顕微鏡」という）を使用して，非導電性で等の設備を使用する場合が多いが，これらの方無色透明である，合成石英レンズ，PDMS（ポ法にはそれぞれ，触針が接触して表面に傷がつ

リジメチルシロキサン）の表面形状を評価した。

く可能性がありまた触針形状の影響を受ける，
焦点深度が浅いため観察視野範囲全体に焦点を2．合成石英レンズの形状測定

合わせることが難しく無色透明な材料の観察が市販されている外径φ3 の合成石英平凹レン困難である，試料が帯電するため導電性を有しズを顕微鏡で観察し，断面形状を測定した。レ

ない試料では金属蒸着等の前処理をしないと観ンズの直径を一画面に表示するため，顕微鏡用

察が難しい，等の短所がある。

画像連結ソフトウェアで画像を 5 枚連結した超深度画像（画像全体で焦点が合った状態の画

レーザ顕微鏡は試料にレーザ光を照射して反像）を図 1 に示す。また，凹面の断面形状を顕

射受光量を測定するものであり，レーザ光をス

微鏡用形状解析ソフトウェア（以下，「顕微鏡キャンすることにより各測定点の反射光の強さ用ソフト」という）にて表示したものを図 2 にを計測し，そのデータを集めて観察画像を得る。

示す。凹面の最高部と底部の高さの差は 240μｍ

この方法では非接触で観察視野全体に焦点が合という結果となり，この全面にわたって鮮明なった画像を得ることができ，また特別な前処理画像が得られた。
ある観察画面における超深度画像や高さのデなしにそのまま観察可能である。

ータは顕微鏡用ソフト独自のファイル形式で保表1

レーザ顕微鏡の主な仕様

対物レンズ倍率

観察測定範囲[μｍ]10倍，20倍，50倍，150倍
高さ測定は20倍以上の倍率で可能
横675×縦506（対物レンズ倍率20倍
のとき）

図1

合成石英レンズの超深度画像（点線は画像を連結した部分）

7mm
0.01μｍ

高さ測定

測定範囲
表示分解能

表示分解能

1024画素×768画素* 上越技術支援センター

図2

－107－

合成石英レンズの断面形状

表2

図 3，図 5 の構成①

顕微鏡用ソフトのファイルから得られた3次元画像（スケールは上下左右前後とも等倍）。
② ①と同じ高さデータをCSVファイルで保存しProAna3Dを使用してファイルを開いて得られた3次元画像。
③ 顕微鏡用ソフトのファイルから得られた超深度画像。
④ ③と同じ超深度画像データをCSVファ
イルで保存しProAna3Dを使用してファイルを開いて得られた超深度画像。

左

写真[単位 mm]

右凸面寸法[単位 μm]

図4観察した PDMS 凸面スタンプ

図5

PDMS スタンプの観察結果①②の 3 次元画像は同視点からのもの。

図3

合成石英ガラスの観察結果－108－存できるが，そのほかに超深度画像データと高さデータそれぞれについて CSV ファイル形式

4．結言(1)レンズ外径φ3 の合成石英平凹レンズの凹で保存することもできる。この CSV ファイル

面部形状をレーザ顕微鏡にて評価することのデータを可視化できる，無償にて入手可能な

ができた。

1)

ソフトウェアに ProAna3D がある 。図 3 は図(2)PDMS 製凸面スタンプを前処理なしで観察1 中の太線で囲った観察画面から得られた画像

し，仕様とほぼ同じ形状を計測できた。

である（各画像については表 2 参照）。①と②(3)表面形状粗さ解析ソフトウェア ProAna3Dの画像，③と④の画像はよく一致しており，超を使用すれば顕微鏡で得られた情報を一般

深度画像データと高さデータそれぞれについて的な PC で十分に再現が可能となる。このCSV ファイル形式で保存すれば，ソフトウェ

ソフトウェアで 3 次元画像，超深度画像のア ProAna3D を使用することにより，顕微鏡でCSV ファイルを可視化できた。

得られた情報を一般的な PC で十分に再現が可
謝

能となる。

辞
ProAna3D についての問合せに迅速丁寧な御対応をいただいた岩手大学工学部・内舘道正助

3．PDMS の形状測定

教に深く感謝いたします。

PDMS はシリコーンゴムの一種で，マイクロ流体チップなどに利用される無色透明で電気絶縁性が高い材料である 2)。市販されている

参考文献

PDMS 製標準品マイクロ流体チップ凸面スタン

1)内舘道正，“表面形状・粗さ解析ソフト

プ（フルイドウェアテクノロジー製 N1-1-100，

ProAna3D”，http://www13.plala.or.jp/Uchi/

図 4）の観察結果を図 5 に示す。高さデータを

progprog01.html（参照 2008-03-27）．

基にした 3 次元画像（図 5①）を見ると図 4 の2)工藤寛之，加沢エリト，渡邊耕士，“マイ凸面とよく一致している。この観察画面についクロ流体チップの低コスト製造技術の開発”，ても前節と同様に ProAna3D による画像と比較

東京都立産業技術研究所平成 16 年度研究発したところ同じように可視化できていると考え

表会要旨集，2004，p4-6．

られる。

－109－

技術レター

パソコンを用いた計測制御の一例
三村和弘*

Ａ Example of Measurement Control that uses Personal Computer
MIMURA Kazuhiro*

1．緒

言

パソコンを用いて各種センサの信号を取得し，測定値をハードディスク(HDD)に保存したり，複数の信号を数値演算できれば，パソコンを作業現場や他所に運んで，測定を行うだけでなく演算結果も知ることができる。さらに，複数のパソコンでネットワークを組めば，遠隔地に居ながらリアルタイムで測定を観察ことも可能である。

図1

そこで今回，計測制御技術セミナー(平成 20

温度計の回路図

年.1 月～2 月)の開催にあたり計測システムをし，ASM ファイルを作成後に HEX ファイルにを開発したので紹介する。

変換した。そして，PIC プログラマを用いて，マイコンに書き込んだ。

2．温度計の製作
2.1 ブレッドボードを用いた温度計
セミナー受講者の経験年数や職種が様々なの

2.4

温度計とパソコンの通信を行うために，計測で，電子部品をユニバーサル基板に半田付けす

制御ソフト LabVIEW8.2(日本 NI 社)を用いてる方法ではなく，容易に回路が組めて，配線の通信プログラムを作成した。このソフトは，ソ

間違いをしてもすぐに元の状態に戻せることがースコードをブロックダイアグラムと呼ばれるできるブレッドボードを用いて温度計を製作しもので作成し，それと連動するフロントパネル

た。
2.2

パソコン側のプログラム作成を構築する。そして、パソコン画面上で操作を行う。この通信プログラムを図 2 に示す。

温度計の回路

温度計の回路図 1）を図 1 に示す。この回路は，大別すると電源部，マイコン部，センサ部，
シリアル(RS232C)通信部の 4 部分であり，部で測定し，パソコンで数値計算処理を行えれば，る。

身近なパソコンがデータロガーの役割を果たす。
今回選んだ DMM は MAS-345 (MASTECH 社)

PIC マイコンへの書き込みプログラムの作成では， MPLAB IDE を入手*

アナログ値で出力されるセンサの信号を
RS232C 付属の DMM(デジタルマルチメータ)

品などは簡単に入手できるもので構成されてい2.3

3．DMM(デジタルマルチメータ)との通信であり，電流・電圧・容量などの汎用的な測定

素材応用技術支援センター

－110－

図2

図4

フロントパネル

図5

ブロックダイアグラム

温度計の通信プログラムの他に付属の K 型熱電対で温度測定やトラン
ジスタの増幅率も測定ができる。
ここでも LabVIEW を用いてプログラムを作成したが，ソフトに付属のサンプルプログラム
を部分的に改変するだけで簡単に作成できた。
4．計測システム
4.1

計測システムの概要

前述のブレッドボード温度計と DMM を同時ば，測定結果を有効に活用できる。

にパソコンに接続して簡易な計測システムを構

さらに，今後，測定器が増えても同様な方法

築し，各々のプログラムを一つにまとめて新しでシステムをスケールアップすることが簡単にいプログラムを作成した。この温度計と DMM行える。

を図 3 に示す。また，パソコン上で構築したフ
ロントパネルとブロックダイヤグラムを図 4 と5．USB 接続への適用

図 5 に示す。

5.1

USB 接続の実現

昨今のパソコンは，USB 端子のみでシリア
4.2

ル (RS232C)端子が付属してない機種も多く，

計測システムの可能性

今回の製作は，単に温度計と DMM を組み合パソコンと測定器を直接に接続することが困難

わせた計測システムであるが，DMM の測定パになってきている。しかし，測定器側に USB

ラメータが多いので機械設備や実験開発装置に端子を設けることができれば，パソコンの機種組み込めば，各種の測定が実現できる。また，得られた測定値を演算したりグラフなどに表せを考慮しなくてもよい。そこで，今まで
RS232C 用として作成したプログラムを継承することを目的にし，前述の温度計を使ってUSB 接続を可能とする方法を実現した。
5.2

USB－シリアル変換器

USB-シリアル変換器の IC として，FT232RL(FTDI 社)を用いた。これは，外付け部品が少なく電源が USB より供給されて，標準の COMポートとしてアクセスできる。さらに，ドライ
図3作成した温度計と DMM

バが FTDI 社から無償で入手できて取り扱いが－111－

続する。同様にして，FT232RL からの送信デー
タも ADM3202 を 2 回通過させて PIC マイコン
へデータを送る。こうすることで、レベル変換
IC が 1 個だけで，今までの測定プログラムを改変することなく通信ができた。この接続を図 6に示し、実際のブレッドボード上の配線を図 7に示す。
図7ブレッドボード上での配線

6．結

簡単であることから，この IC を採用した。そ言(1)温度計と DMM を組み合わせることで，簡こで，この IC をコアにして他に必要なディス易型の計測システムを開発した。

クリート部品が実装してある変換モジュール(2)パソコンで USB 接続を行う場合に，RS232C(秋月電子通商)を用いて開発を行った。

接続用プログラムを活用できる方法を実現した。

5.3

温度計との通信方法(3) 計測制御技術セミナーの実習において，受前述の温度計とパソコン間は，通信において講者が同様な計測システムを構築し，オリジ

は TXD と RXD の 2 線だけであり，ADM3202

ナルプログラムを作成した。

の変換用インバータは 4 つのうち 2 つしか使用していない。そこで，残りの 2 つも使って通信を実現した。最初に，PIC マイコンからの送信
データを ADM3202 の 10 番ピンにつなげて７番

参考文献
1) 落合正弘，“簡易温度計の製作”，トラン

ピンから出力し，それを 13 番ピンに戻し，さらに，12 番ピンから出力させて FT232RL に接－112－

ジスタ技術，3，2006，P255-260

技術レター

ユトラスエースⓇを使用するグリーストラップ
油塊分解装置の開発
須藤 貴裕* 笠原勝次** 永井 直人**
Development of Instrument for elimination of grease cluster in grease-trap
SUTOH Takahiro* , KASAHARA Katsuji**and NAGAI Naoto**

1．緒

生成したオゾンを含む空気は，塩化ビニル製のパ言

オゾン吹込み式グリーストラップ改善装置を備

イプで第二槽に 2 箇所，第三槽に 1 箇所の 3 点にえたグリーストラップにおいて，ラード状の固形

分岐されて，水槽底部から散気管を通して吹き込

食用油を処理しようとすると油塊が生成してグリまれている。第一槽，第二槽に油塊が生成し，頻ーストラップの性能，およびメンテナンス性が著

繁にメンテナンスを要する。

しく損なわれる。これを改善する目的で，ユトラ
スエースⓇα（三菱ガス化学製）をグリーストラッ

3．廃水処理工程の検討

プ内に供給し，その油脂吸着作用により廃水を浄グリーストラップは図 1 に示した構造で既に数化し，極力メンテナンスフリーとなるような装置

多く納入されている。そのため，廃水処理工程はを検討および試作を行った。

既に納入されたグリーストラップにおいても設備そのものを交換することなく，適用できる方式で検討した。図 2 に検討した廃水処理工程を示す。

2．グリーストラップの現状把握
既存のグリーストラップの構造は図１に示すと油吸着作用のある粉体（三菱ガス化学製ユトラス

おり，食材片を除去するステンレス製の金網を備を粉体供給装置によりグリーストラッ
エースⓇα）

える第一槽と，油水の分離のために廃液を貯留す

プ内に供給し，廃水循環部において廃水と供給しる第二槽，油と分離した廃水を貯留し，沈降性のた粉体を攪拌および混合する。攪拌および混合にごみなどを除去する第三槽からなる。

より分解された廃水は廃水放流部より下水へ放流

オゾン吹き込み装置は，床上に設置されており，される。なお，廃水循環部と廃水放流部はエアー
リフトを用いた揚水構造とし，放流部には油脂吸着作用による生成物を捕集する網を設けた。

図 1 既存グリーストラップ構造
図 2 検討した廃水処理工程＊研究開発センター＊＊下越技術支援センター

－113－

(a)

粉体供給装置

(b)
ケーシング

制御盤

回転テーブル

グリーストラップ
搬送用エアーコンプレッサー

粉体排出管

搬送エアー

粉体吹出口

モーター

図 5 試作装置を適用したグリーストラップの図 3 粉体供給装置(a)上斜視図，(b)下斜視図

全体構成

4．粉体供給装置の検討

6．検検討した廃水処理工程では，グリーストラップ証

図 5 に試作装置を適用したグリーストラップの内に粉体（ユトラスエース α）を定期自動供給す全体構成，図 6(a)に試作装置適用前，図 6(b)に試る粉体供給装置が必要となるが，通常用いられる作装置適用後のグリーストラップの状態を示す。

ロータリーバルブなどは非常に高価であるため，検証は既存グリーストラップをそのまま利用した

簡易で安価な粉体供給装置の検討が必要となった。

ため，エアーリフトによる攪拌部，放流部および検討した粉体供給装置のカットモデルを図 3 に示

生成物捕集用網は設けなかった。図に示したとおす。粉体供給装置はケーシング内の粉体が回転テり試作装置適用前は廃水がかなり白濁しているがーブルに開いた排出孔より粉体排出管に排出され，適用後では廃水の白濁が改善しており，はっきり

排出管に貯まった粉体はある時間ごとにエアー搬とした違いが確認できた。また，エアーリフトに送され，グリーストラップ内に供給される構造とよる攪拌部を設けなくとも，十分な効果が得られした。回転テーブルの回転速度と搬送エアーを供ることが確認できた。

Ⓡ

給するタイミングを変更することで，時間当たりの粉体供給量を制御できる。

7．結言(1) 廃水処理工程の検討により，既存のグリース
5．粉体供給装置の簡便化および試作

トラップと比較してメンテナンス頻度を抑え前述のとおり検討した粉体供給装置をメンテナたグリーストラップの試作が可能であった。

ンス等のランニングコストを低減するため，さら(2) 粉体供給装置の検討により，通常用いられるに簡便な構造を検討し試作した。試作した粉体供

市販のロータリーバルブなどと比較し，安価給装置の写真を図 4 に示す。回転テーブル方式かな粉体供給装置の製作が可能であった。

ら簡易なロータリーバルブ方式に変更し，ロータ(3) エアーリフトによる攪拌部を設けなくとも十リーバルブが回転する間隔を制御することで時間あたりの粉体供給量を制御する。
(a)

分な効果が確認できた。
(4) 処理廃水の油含有量に対応した，最適な粉体供給量を検討する必要がある。

(b)

ホッパー

(a)

(b)

駆動モータ
試作したロータリバルブ

図 4 試作した粉体供給装置(a)全体，(b)ロータリーバルブ部

図 6 試作装置を適用した効果の検証(a)適用前，(b)適用後－114－

技術レター

ICP 分析の高精度化に関する研究(マトリックス元素の影響)

Study（Influence

on
of

a

皆川

森夫*

五十嵐

high

accuracyinmatrixelement

MINAGAWA Morio* and

1．

緒

宏*

ICP
on

spectrometry

analyticalquantities）

IKARASHI Hiroshi*

図 1 にその流れを示す。硫酸，りん酸，硝酸

言

ICP 分析(誘導結合プラズマ発光分光分析)は，

は試薬特級を用い，3 試料調製した。

鉄鋼の分析で一般に使われる分析方法である。
しかし ICP 分析には干渉の問題があり，それ

3．検量線の作成を緩和させる一つの方法に，マトリックスマッ

前項 2.3 で調製した溶液の Cr，Ni，Mo，Fe

チング(検量線試料に分析試料と同レベルのマの濃度を概算すると Cr 18ppm，Ni 9ppm，

トリックス元素を添加すること)がある。

Mo0.5ppm，Fe 70ppm となる。

今回，濃度既知であるステンレス鋼標準試料を対象に，マトリックス成分が測定値に及ぼす影響について検討した。

分析試料約 0.1g を秤量

2．

実験方法

(1+4)硫酸 40ml

2.1

分析試料と対象元素

りん酸 5ml

・分析試料：ステンレス鋼標準試料
加熱(300℃)・分解(日本鉄鋼認証標準物質 JSS651－12)
・分析対象元素と表示化学成分は表 1 のとおり
である。
2.2

放冷
硝酸 3ml

使用機器

・プラズマ発光分光分析装置 Vista－MPX

再加熱(300℃)

ST アキシャル仕様（セイコーインスツルメンツ㈱製）
2.3

試料の調製

純水で 100ml に定容(Mo 分析用溶液)

試料は JIS G 1217 鉄及び鋼－クロム定量方法「5.5.1 試料溶液の調製」を参考に調製した。
表1

10 倍希釈(Cr，Ni 分析用溶液)

標準試料の表示化学成分(%)
Cr

18.26

Ni

9.03

Mo

0.054

図1

* 上越技術支援センター－115－

試料の調製方法

これらの元素の濃度を考慮し，検量線に用い

表5

る 2 点の濃度を表 2 のように決めた。

Mo の定量値(%)

検量線 A (Fe なし)

検量線を作成するための各元素は，分析用金

検量線 B (Fe あり)

波長

属標準液を使用した。なお，Fe 成分を入れない(nm)202.032203.846204.598

202.032203.846204.598

①

0.062

0.061

0.062

0.062

0.061

0.061

②

0.060

0.059

0.061

0.059

0.060

0.060

③

0.060

0.059

0.060

0.060

0.060

0.059

ものを検量線 A とし，Fe 成分を入れたものを検量線 B とした。

試料

また標準液を調製する際，試料溶液と同様に酸レベルを合わせるために，硝酸 5ml を添加し，100ml に定容した。

表2作成した検量線の種類と濃度

検量線 A (Fe なし)

検量線 B (Fe あり)

①

①/10

①

①/10

元素

(ppm)

(ppm)

(ppm)

(ppm)

Fe

－

－

100

10

Cr

20

2

20

2

Ni

10

1

10

1

Mo

5

0.5

5

0.5

表3

表6

表示化学成分

(%)

Cr の定量値(%)

検量線 A (Fe なし)

検量線 B (Fe あり)

波長206.158

205.560

206.158

検量線 B(Fe なし)(Fe あり)

差(※)

分散

分析値

差(※)

分散

(%)

(%)

2

(% )

(%)

(%)

(%2)

分析値

18.26

18.21

0.05

0.01

18.20

0.06

0.03

Ni

9.03

9.03

0.00

0.00

9.12

0.09

0.01

Mo

0.054

0.060

0.006

0.000

0.060

0.006

0.000

(※) 差=｜分析値－表示化学成分｜

4.
205.560

検量線 A

Cr

定量操作と結果(nm)205.560

分析結果

Cr，Ni，Mo について，各元素それぞれ 3 本

267.716の波長の異なる発光スペクトル線によって定量試料した。またその際，各元素の発光スペクトル線

①

18.09

18.09

18.14

18.00

17.92

18.01

②

18.12

18.12

18.22

18.37

18.39

18.16

③

18.34

18.34

18.42

18.29

18.33

18.29

が分光干渉を受けていないことを確認した。定量結果を表 3，4，5 に示した。
5.

分析結果
前章 4.で得られた 3 試料 9 個の定量値を平均

表4

し，分析値とした。各元素の標準試料の表示化

Ni の定量値(%)

検量線 A (Fe なし)

検量線 B (Fe あり)

学成分と検量線 A，B より得られた分析値，その差および分散を表 6 に示した。

波長(nm)216.555

221.648231.604

216.555

221.648231.604

6.

結言Fe マトリックスの有無によって，分析値，分試料

散には差が見られなかった。従って，実際の分

①

8.98

8.99

8.95

9.00

8.99

8.99

②

8.99

9.04

8.99

9.23

9.24

9.24

③

9.13

9.16

9.08

9.09

9.13

9.13

析にあたっては，Fe の影響を考慮しなくてよい
ことがわかった。

－116－

技術レター

ユニフォーム上の汚れ発生メカニズムに関する研究
明歩谷

英樹*

Research on Dirt Generation Mechanism on Uniform
MYOUBUDANI Hideki*
1．緒言
野球用ユニフォーム分野において、汚れ対策（防汚）は、選手が練習後ユニフォームを各自家に持ち帰り、毎日のように洗濯をしているが、その汚れは落ちにくく、洗濯機メーカーや洗剤メーカー、素材メーカーなどが苦慮しているところである 1)。これらの汚れは繊維と繊維の間に入り込んだものであり、落とすことが不可能であるとまで言われている。
当研究では、野球用ユニフォームに付着する汚れについて、汚れの付着状況や汚れ物質を把図1

着用ズボン(試料 1)

図2

洗濯後ズボン(試料 2)握することで、その発生メカニズムを明確化す
ることを目的とした。
2．調査研究2.1

ユニフォーム上での汚れの状況把握

高校野球部員が長年着用し、スライディングなどにより付着した汚れの状況を、電子顕微鏡
観察や顕微鏡観察などを行い調査した。
2.1.1

試料

試料 1：野球部員が着用したズボン
ズボンの洗濯は JIS

L

0217

番号 103 によを用いて、拡大観察を行った。

り 1 回洗濯処理を行った。洗濯用合成洗剤は「ライオン（株）製スーパートップ」を用いた。
また、洗濯後の乾燥はつり干しにて実施。

2.1.3

試験結果

洗濯前後の拡大比較写真を図 1、図 2 に示す。

試料の素材情報を以下に示す。
素材：ポリエステルフィラメント加工糸

着用ズボンである試料 1 の電子顕微鏡表面写(150 デニール/48 フィラメント/-)
編み組織：天竺

真を見ると繊維と繊維の間にグランドの土と思われる粒状物質が多く確認できる。その粒状物
質は洗濯後（試料 2）の電子顕微鏡観察では大

2.1.2

試験方法

日本電子社製部分が脱落し、繊維の隙間に入り込んでいたほ
走査型電子顕微鏡 JED-2200* 素材応用技術支援センター

とんどの土が洗濯で落ちていることがわかった。
また、洗濯後試料のフィラメント（繊維 1 本）

－117－

自体に注目するとフィラメント表面が凸凹にな

2.3.1

試料

以下に示す試料を採取したが、各試料に付着るなど変形が見られ、フィラメントへの物理的した汚れの程度にはムラがあった。

な損傷があることがわかった。

試料 2：着用後ズボンを洗濯処理した試料
2.2

（標準品）

汚れ付着物質の分析

試料 4：A 社防汚加工ズボン（未使用品）

ユニフォームに付着している汚れ物質にどの

試料 5：A 社防汚加工ズボンを着用後洗濯処

ような元素が含まれているのか定性分析を行っ

理した試料

た。
2.2.1

2.3.2

試料

試料を 1cm～2cm 角に切って、約 2gf になる

試料 1：野球部員が着用したズボンように試料を切り出す。その試料をフラスコに試料 2：試料 1 を洗濯処理したズボン

入れ特級メタクレゾール 120ml を加え 80～90℃

試料 3：ズボンから取り出した泥に加熱し、ポリエステルを溶解する。予め計量

試料 4：A 社防汚加工ズボン（未使用品）
2.2.2

しておいたろ紙（1 号180mm 径）で溶解液をろ過し、溶剤を揮散させ乾燥後、汚れを含むろ分析方法

紙重量を秤量する。汚れ付着率 S（%）は以下

日本電子製走査型電子顕微鏡 JED-2200 のエ
ネルギー分散形 X 線分析装置を用いて、分析をの式によって求めた。

行った。
S
2.2.3

試験方法

＝

（

r1

－

r2

）／

ｍ

×100

分析結果
S：汚れ付着率（%）

表 1 には各試料毎に検出された元素をまとめ

r1：ろ過前のろ紙重量（gf）て示す。

r2：ろ過後のろ紙重量（gf）

分析結果から、洗濯前後で検出元素が同じで

m：試料重量（gf）あることから考えて、電子顕微鏡による拡大観察で確認できなかったが、微少な泥の成分が洗

2.3.3

試験結果

濯後にもフィラメント表面に留まっていると考

各試料の付着率を表 2 に示す。

えられる。

洗濯を行った後のズボンにも、ズボンの重量に対して約 10％の汚れが付着していることが2.3

汚れ付着量試験わかった。

洗濯後のユニフォームにどのぐらいの汚れが残存しているのか、汚れの定量試験を行った。

2.4
JIS

表1

分析結果
検出元素

試料 1

再現試験用の汚れ付着方法の検討
L

1919:2006 繊維製品の防汚性試験方法に準拠し、スライディングなどによる過酷な汚れを、再現できるか検証を行った。

炭素、酸素、鉄、アルミニウム、

表2

汚れ付着率

ケイ素
試料 2
試料 3

汚れ付着率(％)

炭素、酸素、鉄、アルミニウム、ケイ素

試料 2:標準品

炭素、酸素、鉄、アルミニウム、

試料 4:防汚加工品(未使用品)

ケイ素、カルシウム
試料 4

炭素、酸素

試料 5:防汚加工品

－118－

10.1
2.8
12.9

2.4.1

試料表3

防汚試験結果（株）ハニーインターナショナルワープ事業

たて編み地

部製たて編み地を使用した。

汚れにくさ試験付いた汚れの落ちやすさ

2.4.2
JIS

試験方法
L

試験

2級
4級

1919:2006 繊維製品の防汚性試験方法

A 法（ICI 形ピリング試験機を用いる方法）

よってユニフォームの防汚性能を評価するため

A-2 法（密閉形樹脂製袋を用いる方法）に準拠には、汚れ物質の繊維間への入り込みの他に摩して行った。

擦熱という要因も考慮する必要があると思われ

粉体汚染物質：高松油脂(株)製泥汚れ試験用人る。

工土

また、グランド用の黒土混合土などを調べていくと今回使用した粉体汚染物質のような無機

汚れにくさ試験：粉体汚染物質を袋に入れた後、物質の他に有機物質が含まれることが示されて10cm×10cm の試験片を 1 枚入れ、エアポンプ

いる 2)。この有機物質にはフルボ酸やフミン酸

で袋いっぱいに空気を封入する。これをピリンという物質があり、これら有機物質が繊維の着グ試験機に入れ、毎分 60 回転±2 回転で 60 分

色の原因物質となっている可能性も考えられる。
従って、再現試験を行うに当たり、汚染物質間操作する。操作後、試験片の四隅を持ち変えて、試験片の中央部を 5 回指で弾き、余分な汚に有機物質の導入も重要である。

れを取った後、汚染用グレースケールを用いて
3．結

判定する。
付いた汚れの落ちやすさ試験：上記汚れにくさ
試験で汚れを付着させた試験片を JIS(1) 野球用ユニフォームの汚れを調査した結果、汚れには炭素、アルミニウム、鉄、ケイ素

L0217 の付表 1 の番号 103 に規定の方法にて洗濯を行い、乾燥させた後、汚染用グレースケーの元素が含まれることがわかった。
(2) 洗濯後にて除去できない汚れは、フィラメ
ント内部にまで入り込んでいる可能性を示

ルを用いて判定する。
2.4.3

試験結果

言

した。
(3)野球用ユニフォームの汚れを再現するためには、摩擦熱や適切な汚染物質の選定を考各試験結果を表 3 に示す。洗濯後の試料を観慮する必要がある。

察すると、実際のスライディングによって付着した汚れとは大きく異なり、粉体汚染物質を振りかけるような今回の JIS の試験方法では、再参考文献現できていないように思われる。この結果から

1) 金澤，角田，“実際系での洗浄の技術と科考慮すると、スライディングなどによって付着学”，繊維と工業，vol.61，No.9，2005，

する汚れは、電子顕微鏡でフィラメントが変形

p240-244.

したような摩擦熱等によって汚れがフィラメン

2) 渡辺他，“腐食物質分析ハンドブック”，

ト内部にまで入り込んでいると考えられる。

三景社，p14-17.

－119－

技術レター

染色堅ろう度試験における計器による判定の適用の研究
橋詰 史則＊，渋谷 恵太＊
A Study about the Application of Instrumental Determination of Colour Fastness
HASHIZUME Fuminori＊, SHIBUYA Keita＊

1. 緒

言

繊維の染色堅ろう度試験における計器判定の適用については，JIS L0809:2001「計器による変退色
及び汚染の判定方法」として制定されており，正式な方法として認められているが，実際は目視によるグレースケールとの比較判定が一般的である。
本研究では染色堅ろう度試験において，過去の試験結果との整合性確認や蓄積データによる堅ろう度予測，目視判定では不可避な試験者の癖や体調の影響の減少に役立てるため，計器判定を実際

図 1 目視判定用グレースケールに行って目視判定の結果と比較し，繊維特有の安定した判定を妨げる要因がどの程度影響を及ぼす

2.2 試験試料
今回の研究での試験試料は，今年度 10 月から 3かについて分析を行った。

月まで依頼試験で行った染色堅ろう度試験の試料
2. 染色堅ろう度試験を対象とした。目視判定の際に使用する JIS 染色2.1 試験の分類と測色対象試料

堅ろう度試験用汚染用グレースケールと変退色用

染色堅ろう度試験は，変退色と汚染の大きく二つに分類できる。変退色においては，提出試料自グレースケール（図 1）の各等級見本部分も計器判定結果と比較するため計器測色を行った。

体が試験前と試験後でどれだけ色の変化があったかをみる。よって計器判定のため，試験前試料と3. 計器による測色と判定

試験後試料の両方の計器測色を行う。

3.1 使用機器汚染に分類される試験の判定においては，提出

本研究で使用した測色機器は(株)島精機製作所

試料から溶出した染料などが別の試験用添付白布製デザイン CAD システムに付属の測色計「i1」（エをどれだけ汚染したかをみる。計器判定のため，ックスライト(株)製）を使用した。測色測定径は試験前の白布と汚染された部分の両方の計器測色

直径 5mm，Lab 表色系の測色値を求める。

を行う。
試験結果は，色の変化や汚染が全く無い場合の3.2 計算式
測定した測色値と，JIS L0809:2001「計器による5 級を最も高い判定とし，最も低い 1 級までの 9段階で判定する。

変退色及び汚染の判定方法」に規定された白布汚染評価式と変退色評価式により等級対応値を求め＊素材応用技術支援センター

た。その値から 1 級から 5 級までの計器判定結果－120－

等級対応値

計器判定結果5.5
4.679888
4.064197
3.69172
3.324108
2.811835
2.336691
1.782146
1.364398

ｸﾞﾚｰｽｹｰﾙ

変退色

5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1

等級対応値

5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1

6
5
4
3
2

計器判定結果5.5
5.092111
4.485453
4.196475
3.861896
3.361733
2.755839
2.096939
1.299767

汚染

5
5
4
4
3.5
3
2.5
2
1

6
5
等級対応値

5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1

等級対応値

ｸﾞﾚｰｽｹｰﾙ

4
3
2
1

1

0

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

変退色グレースケール(級）

汚染グレースケール(級）

図 2 グレースケールの計器判定結果を導いた。これらの計算式を用いて，表計算ソフ

4.2 変退色

ト EXCEL で測色値を入力することにより判定結

変退色に分類される堅ろう度試験の結果につい果が求められるワークシートを作成し，計器判定て，同じ試料を判定した際の目視判定と計器判定

結果を蓄積していった。

の結果の差について分析した。図 3（a）に計器判
定結果と目視判定結果の差の分布を示す。若干計

4 比較結果器判定結果が厳しく出る傾向にあるが，同じ判定

4.1 グレースケールとなった結果が最も多い。変退色は提出試料自体従来行っている目視判定では各グレースケール

を測色するので，測色結果は試料の表面性状や柄の等級見本が判定の基準となっている。各見本部の入り方に大きく影響される。そのため計器判定

分を測色し，その測色値と評価式から導いた等級にもばらつきが生じていると思われる。

対応値および計器判定結果が等級見本の等級と整合しているかをまず確認した（図 2）。

4.3 汚染変退色における等級対応値は少し高い値が出て汚染に分類される堅ろう度試験の結果について，いるが，計器判定結果としてはグレースケール等

図 3（b）に計器判定結果と目視判定結果の差の分級と合致した値となっている。

布を示す。0.5 級ぶん計器判定が甘い結果が多く出汚染においての等級対応値はより高い値となって出てくる傾向が強く，計器判定結果も 0.5 級高ているが，図 2 で説明したグレースケールの計器判定結果の傾向が影響しているのがわかる。

い判定となる部分があった。よって実際の試験試

汚染に分類される堅ろう度試験は，測色する試料の計器判定の際も同様の傾向（目視判定より甘料は試験用白布のため表面性状は一定であるが，い判定が多くなること）が現れることを想定しな

特に摩擦堅ろう度試験の際に提出試料の柄の配置

がら結果を分析していく必要があることがわかっなどにより，白布が強く汚染される部分とそうでた。

ない部分に分かれる場合がある。結果事例を図 5
計器判定：変退色 目視判定との差

計器判定：汚染 目視判定との差

試料数：43

14
12
試料数

試料数

10
8
6
4
2
0
1

2

3

4
5
等級差(級）

6

7

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-1

8

(a)変退色

-0.5

0

0.5
1
1.5
等級差(級）(b)汚染

図 3 計器判定値から目視判定値を引いた値の分布－121－

試料数：177

2

2.5

3

整理番号
受付日
番号
事業所名
試料名
試験方法
試料性状
試験担当者

試験方法
種類
試験布
方向
目視判定
機械判定
測色ﾃﾞｰﾀ
ΔＥ**
１回目
２回目
３回目
ＡＶ

図 5 摩擦堅ろう度試験結果事例

備考

添付白布綿測色：3回平均値
L*：92.22333
a*：-0.18333
b*：1.103333

あやめ染絞り染
摩擦
和装織物
橋詰

摩擦
乾燥
綿
たて
4-5
5
5.055238
0.140544
Ｌ＊
ａ＊
ｂ＊
89.92
0.11
90.18
0
90.48
-0.04
90.1933 0.02333

試験方法
種類
試験布
方向
目視判定
機械判定
測色ﾃﾞｰﾀΔＥ**

1.8 １回目
1.7 ２回目
1.6 ３回目
1.7 ＡＶ

摩擦
摩擦
摩擦
試験方法
試験方法
乾燥
湿潤
湿潤
種類
種類
綿
綿
綿
試験布
試験布
よこ
たて
よこ
方向
方向
4
3
3
目視判定
目視判定
5
4
3-4
機械判定
機械判定
5.0652274.217291
3.808541
測色ﾃﾞｰﾀ
測色ﾃﾞｰﾀ0.106212
0.402878
0.488177
ΔＥ**
ΔＥ**
Ｌ＊
ａ＊
ｂ＊
Ｌ＊
ａ＊
ｂ＊
Ｌ＊
ａ＊
ｂ＊
85.82
0.35
1.84 １回目
84.39
0.73
0.31 １回目
81.07
1.26
-0.05
88.62
0.06
1.91 ２回目
86.42
0.54
0.56 ２回目
82.52
1.1
0.14
88.66
0.14
2.05 ３回目
82.05
0.94
0.08 ３回目
82.43
0.87
-0.06
87.7 0.18333 1.93333 ＡＶ
84.2867 0.73667 0.31667 ＡＶ
82.0067 1.07667
0.01

図 6 判定試料整理シートに示す。2 から 2.5 級ぶんの差が出ている結果があるが，これらは摩擦堅ろう度試験で強く汚染され34 提出試料20/03/19499

5. 実際の試験への活用た箇所が測色機器で測定される面積より小さい範以上の結果から，提出試料が無地で性状の一定囲で現れたため，計器測色の時点で測色値に誤差のものや汚染が均一に現れたものは，計器判定はが生じ，計器判定結果にも影響したものである。

実際の試験にも整合性確認などに活用できる場合

こうした試験結果が現れた場合は，判定は目視のがあるが，試料によっては目視判定の補完にとど

結果を重視する必要があることがわかった。

めておくのが望ましい場合もあることがわかった。
図 6 に本研究で作成した整理シートを示す。試4.4 ばらつきの確認

験後の試料を添付し，測色値や判定結果と共に記

各判定結果の差の値における平均と標準偏差を録し蓄積していくことにより，整合性確認や結果

求め，ばらつきの度合いを確認した。試料の種類予測を行いやすくした。今後行われる試験についや試験方法別に更に分類して傾向を探った。表 1ても，結果の整理の継続は有意義であると考える。

に分類別の結果を示す。
変退色において，試験試料が織物とニットでは

6. 結

言

ばらつきにそれほど大きな差は見られない。特徴（1）計器測色値と JIS 規定の計算式から計器判定

的性状に含むものは表面に大きな凹凸を表すもの

結果を導く計算シートを作成し，実際に計器や毛羽の多い糸や光沢糸を使用したものなどであ判定を並行して行った。判定試料整理シート

るが，やはりばらつきは大きくなっている。

と併せ，試験結果データを蓄積した。

汚染については全体にばらつきは変退色より小（2）計器判定結果と目視判定結果との整合性につさいことがわかるが，前述した理由から摩擦堅ろう度試験の判定結果はそれ以外に比べばらつきはいて把握した。
（3）変退色と汚染に分類した際の両判定結果の傾大きい。

向を把握した。
（4）試料性状や汚染状態が計器測色や判定結果に影響することを確認し，計器判定が活用でき

表 1 計器判定値から目視判定値を引る条件を把握した。

いた値の平均と標準偏差グレースケール
種別
変退色
汚染
平均
0.284
0.628
標準偏差
0.118
0.175
変退色
平均
標準偏差

全変退色 織物
ニット
特徴的性状
0.024
0.078
-0.021-0.490
0.625
0.598
0.674
1.334

汚染
種別
平均
標準偏差

全汚染
摩擦除く 摩擦
0.721
0.729
0.713
0.444
0.346
0.536

－122－

技術レター

ポリエステル／ポリプロピレン二層構造編地の機能性評価
古畑 雅弘＊，橋詰 史則＊
The Evaluation about Function of Polyester / Polypropylene Layer Knitting Fabric
FURUHATA Masahiro＊ and HASHIZUME Fuminori＊

1. 緒

言

2.2 性能評価試験

快適性に対する意識の高まりから，吸水速乾性評価試験として，接触冷温感試験(q-max)，拡散

素材や軽量保温性素材，ベトツキ感を軽減した素乾燥性試験，摩擦抵抗力試験（ベトツキ感）を実材など様々な機能性素材を用いたインナー，スポ

施した。

1)

ーツウェアが開発されている 。しかしながら機能性評価法については，JIS 等で規格化されている

2.2.1 接触冷温感試験（q-max）

試験も少なく，メーカー独自の基準を定めて評価

濡れたときの冷え感を評価するために，保温性２）しているところも多い 。

試験機（カトーテック（株）製 THERMO LABO

本研究では，生地の表側にポリエステル，裏側Ⅱ）により，乾燥した状態と濡れた状態の接触冷にポリプロピレンを使用した二層構造編地による

温感 q-max を測定した。これは，熱を蓄えた純銅「汗をかいても快適な素材」の開発を目的に，各板が試料表面に接触した直後に，蓄えられた熱量

種試験方法について調査，検討したので報告する。

が低温側の試料物体に移動する熱量のピーク値である。ここでは，水分率を 5%，30%，70%で測定

2. 試験方法した。

2.1 編地の作成
横編機（18 ゲージ）を使用し，表 1 のとおり

2.2.2 拡散乾燥性試験

PET/PP および比較試料として4 種類の二層構造編

乾燥性の評価法として，図 1 のとおり，アクリ

地を作成した。その後，編地を界面活性剤（ノイル板上に蒸留水を 0.2g 滴下し，その上に試料を置

ゲン EA-20）にて 30 分間ソーピング後，平干ししき，このセット重量を経時的に測定し，下記によたものを試料とした。

り蒸散率を求めた。
蒸散率(%)＝（セットの重量減少／滴下した水

表１ 試料
素 材
表 地
裏 地
ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ 75d 2P① ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ 75d 2P② ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ AHY 150d 1P ﾎﾟﾘﾌﾟﾛﾋﾟﾚﾝ 75d 2P

表記
方法
PP
PET/PP③ ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ AHY 150d 1P ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ AHY 150d 1P④ 綿（ソフィ） 60/2 2P 綿（ソフィ） 60/2 2PPET⑤ ウール 2/60 1PW

ウール 2/60 1Pの量）×100

C

図 1 拡散乾燥性試験＊

素材応用技術支援センター－123－2.2.3 摩擦抵抗力試験（ベトツキ感）

3.2 拡散乾燥性試験

生地は濡れると肌に吸い付くようにベトツキ感

蒸散率の経時変化を図 4 に示す。乾燥までの時が増大する。このベトツキ感の評価法については

間は，
PET/PP が 50 分と早く，
PP が最も遅かった。

規格化されておらず独自の方法を検討した。図 2

これは，疎水性である PP のみでは編地への吸水がのとおり，幅 50mm，長さ 200mm の短冊状の編地

進まず乾燥までの時間を費やすが，PET との二層の一方に 10gf の荷重をかけて，外周をテフロンシ

構造編地にすることにより，毛細管現象により PPートで覆った金属ローラーに接触させ，乾燥した側からより親水性のある PET 側に拡散が進んだた状態と濡れた状態での摩擦抵抗力を 2 分間測定しめと考えられる。

た。なおローラーの回転数は約 20rpm とした。
3.3 摩擦抵抗力試験
3. 試験結果

図 5 に PET/PP の乾燥，湿れた状態における摩3.1 接触冷温感試験

擦抵抗力を示すが，湿れた状態での摩擦抵抗力は結果を図 3 に示すが，q-max は乾燥した状態で乾燥した状態の約 2 倍ベトツクことがわかった。

は，PP および PET/PP が大きかった。一般に q-max

また図 6 に素材による違いを示すが，C が著しくが大きいほど冷たく，小さいほど温かく感じる度

ベトツキ，それ以外の素材ではあまり大きな差は合いが強いといえるが，クールビズ対応素材の基見られなかった。

2

準は，0.10W/cm 以上（銅板と試料の温度差 10℃
3)

しかしながら，3.2 拡散乾燥性試験の結果を考慮のとき）で冷感を感じるといわれており ，PP 素

すると，PET/PP は乾燥が最も早く，ベトツキ感の材は冷感を感じやすい素材であるといえる。また低減には有効であると考えられる。

濡れた状態では，すべての素材で水分率の増加に
100

伴い q-max が増加するが，PET/PP の増加率が最も80

緩やかで小さく，他の素材に比べて皮膚に触れた蒸散率(%)

ときの冷え感が改善されることがわかった。

60

40

ＰＰ
ＰＥＴ
W

20

ＰＥＴ／ＰＰ
C

0
0

30

60

90

120

時間（min）

図 4 蒸散率0.10

図 2 摩擦抵抗力試験
抵抗力（N)

0.08

q-max（W/cm2)

0.20

0.15

0.06
0.04
0.02

dry

0.10

wet

0.00
PP
PET
W

0.05

0

PET/PPC

1
時間（min)

0.00
0

20

40
水分率(%)

60

図 5 PET/PP の摩擦抵抗力80

図 3 接触冷温感 q-max

－124－

2

抵抗力（N)

0.7

与することができることから，産業資材分野

0.6等への展開も可能と考えられる。

0.5
PP
PET
W

0.4
0.3

（4）機能性評価法について，JIS 以外の試験方法を

PET/PPC

把握することができた。
また規格化されていな

0.2

い摩擦抵抗力試験についても，独自の測定方法

0.1

を見いだすことができた。
今後は測定条件の最0
0

1
時間（min)適化を図っていきたい。

2

図 6 素材による摩擦抵抗力（wet）

参考文献
1）安井 聡，“次世代型自己調節機能素材「MRT

4. 結

ファイバー」”，繊維機械学会誌，Vol.60，No.8，

言（1）PET/PP 二層構造編地は q-max，蒸散率で優れているが，摩擦抵抗力試験では比較素材との明2007，p40-42.
2）原田 隆司，“「快適性」に関する基礎知識と「快適性」素材のねらい，技術，評価法（その確な優位性は認められなかった。

2）”，繊維製品消費科学，Vol.48，No.9，2007，（2）試験結果を総合的に考えると，PET/PP 二重構
造編地は，快適性に優れた夏物衣料素材として有効であると考えられた。

p25-36.
3）久次米 正弘，
“クールビズ対応素材の性能評
価”，繊維機械学会誌，Vol.60，No.3，2007，（3）PET/PP 二重構造編地にすることにより，本来疎水性である PP に吸水乾燥性等の機能性を付

p37-41.

－125－