工 業 技 術 研 究 報 告 書
Report of the Industrial Research Institute of NIIGATA Prefecture No.48 2018

No.48 平成 30 年度

新潟県工業技術総合研究所
Industrial

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

令和元年 6 月

⽬

Ⅰ

次

研究論文
１．テニスラケットの打撃シミュレーションに関する研究・・・・・・・・・・・・・ 3
２．超微細構造部品製造技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 8
３．航空機用 Ni 基耐熱合金製リング部品のニアネットシェイプ加工技術の開発・・・ 14
４．太陽熱を利用した熱音響冷凍機による雪室冷却装置の開発・・・・・・・・・・・22～太陽熱集熱装置の評価と雪室の熱解析～
５．ステンレス鋼の表面分析に関するシーズ育成研究・・・・・・・・・・・・・・・ 29

Ⅱノート
１．高圧クーラントを援用した析出硬化系ステンレス鋼の中ぐり加工・・・・・・・・ 35
２．非接触三次元測定の形状測定精度評価に関する研究・・・・・・・・・・・・・・ 39
３．アルミナ粉を分散させたエラストマーの機械的特性・・・・・・・・・・・・・・ 43
４．各種鋼材の EBSD による金属組織観察 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・47
５．ディープラーニングを用いた画像認識・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 51
６．工場の IoT 化に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 55
７．繊維技術を活用した加飾加工技術の県内製品への適用に関する研究・・・・・・・ 59
８．モンゴル産カシミヤ原料の機能性評価に関する研究・・・・・・・・・・・・・・ 62
９．米菓生地の熱膨張の測定方法に関する実験的研究・・・・・・・・・ ・・・・・ 65
10．ゴムの熱劣化について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 68
11．引張試験における試験速度と引張強さの関係・・・・・・・・・・・・・・・・・ 71
12．ピクリン酸を使わない腐食液による旧オーステナイト結晶粒の観察・・・・・・・ 73
13．ステンレス鋼の鋭敏化組織の観察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 77
14．半導体パッケージ基板配線狭ピッチ化等に関する研究開発（第２報）・・・・・・ 81
15．セルロースナノファイバー（CNF）を利用した表面コーティング剤の開発・・・・ 84
16．ステンレス鋼の新規窒素吸収処理技術の研究・・・・・・・・・・・・・・・・・ 87
17．GC-MS によるオフフレーバー分析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 90

Ⅲ

調査・報告
１．ナノ分散系の製造・評価技術に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・95
２．微細構造分析による結晶材料の高機能化に関する調査研究・・・・・・・・・・・99
３．硬脆性材料のドライエッチングに関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・103
４．ファインバブルに関する調査研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・106
５．農業への ICT 利用とデータ分析に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・109
６．3D プリント技術とその市場に関する調査研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・113
７．インダストリアル IoT の活用に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・116※ 平成 30 年度に実施した研究 128 テーマのうち、研究成果を公表できるものを報告しています。

Ⅰ

研究論文

－1－

研究論文テニスラケットの打撃シミュレーションに関する研究
裕之 *

片山

聡 **

英之 ***

宇野寿一 ***

須貝
吉川

村木
池永

智彦 *

阿部

昌弘 ***

淑人 *

米山

亘 ***

Study of Ball Hitting Simulation of Tennis Racket
SUGAI Hiroyuki *，KATAYAMA Satoshi **，MURAKI Tomohiko *，ABE Yoshito*
YOSHIKAWA Hideyuki ***，UNO Toshikazu ***，IKENAGA Masahiro *** and YONEYAMA Wataru ***抄録

テニスラケット開発の迅速・高度化を図るため，従来試打により行われていたラケットによるボールの打撃試験をコンピューターシミュレーションにより計算するシステムを開発した。研究では炭素繊維シートの積層により成形されるラケットフレーム，初期張力をもった編み合わせで構成されるストリング，ゴムによる弾性や減衰特性をもつボール，そしてスイング軌跡の解析モデル化の方法について検討した。最後に各解析モデルを統合し，打撃シミュレーションを行った。

1. 緒
言
テニスラケットには回転の強いボールを打つ

してスイング軌跡のモデル化について検討し，性能や広いスイートエリア，テニス肘を低減さについて報告する。

最後にそれらを統合した打撃シミュレーション

せる高減衰能など，様々なレベルや年代のユー
ザーによって異なる多様な特性が求められてい2.

打撃シミュレーション

る。これに対する開発の方法として，ラケット

ここでは本研究で検討した各種の解析モデルの試作と試打による評価が行われてきた。しかと，それらを統合した打撃シミュレーションにしこの方法だけでは時間的・技術的制約があり，

つ い て 説 明 す る 。 な お ， 解 析 に は Livermore

多様で高性能な製品を迅速に開発するのには限Software Technology Corporation製の動的陽解法有界がある。そこで CAE（Computer Aided Engi-

限要素法ソフトウエアLS-DYNAを使用した。

neering ）による打撃シミュレーションシステ
ムを構築する。これにより試作・試打の低減を図ると共に，打撃状況分析能力の高度化を実現
し，高性能なラケット開発を目指す。

2.1

ストリング

図1にラケット打撃面とフレームのCADモデルを示す。ラケットの打撃面は縦横に編まれた

既報 1)ではマルチスケールシミュレーション

ストリングで構成されている。ストリングは張により，CFRP（炭素繊維強化プラスチック）

力をかけて張られており，これがラケットの特製テニスラケットフレームに対する構造シミュ性に大きな影響を与えることが知られている。

レーション技術を確立した。本報では打撃シミ

また，この張力によりフレームのストリング支ュレーションに必要なストリング，ボール，そ

持部は内側に向かって引張を受けて変形し，応***力が生じている。従って打撃解析では，最初に研究開発センター
中越技術支援センター*** ヨネックス株式会社

このような状態のフレームとストリングを計算しておく必要がある。

－3－

そこで実際のラケットのストリング張力を測か一方のストリングの張力を増加させると，楕定した。図 2 及び図 3 に測定結果を示す。測定

円形状のフレームは張力が増加した方向に収縮にはストリングテンションメータ（TOURNA

して張力の増加分を吸収する一方で，直角方向

製 STRINGMETER）を使用し,すべてのストリには伸張するため，反対側ストリングの張力まング交点における張力を調べた。なお，本研究で増加させてしまう。

ではラケット長手方向のストリングを縦ストリ

そこで本研究では，最初に目標とする張力にング，それに直交するストリングを横ストリン

よるフレーム単体の変形・応力状態のみを計算グと呼ぶ。測定の結果，フレームの端から端にし，次にストリング単体の編み込み計算のみを張られたストリングはどの部分においてもほぼ行い，最後にストリング張力を目標の値に変更

同じ張力であったため，各ストリングごとの平することによって解析モデルを作製する方法を均値として結果をまとめている。測定したラケ考案した。この方法により，いかなるストリン

ットでは，縦ストリングは平均 171N（38.5 ポ

グ張力を持ったラケットの解析モデルも作製すンド），横ストリングは平均 139N（31.3 ポン

ることができる。図 4 にこの方法で先の測定結ド）で縦と横が異なっており，さらに同じ方向果を再現した解析モデルを示す。フレームの応のストリングでも場所により値が異なっていた。

力状態とストリング張力の釣り合いがとれてお

次にこのような状態を解析モデルで再現する

り，測定結果とほぼ同じ状態が再現できている。

方法について検討した。このモデル化の要点は「張力が作用した状態で編み込まれているスト
リングの変形状態」と「張力により変形したフレームの応力状態」を同時に計算することである。しかし，この二つは相互に影響を及ぼすた
め計算は容易ではない。すなわち，縦横どちら

図3
図1

横ストリングの張力測定結果

ラケット打撃面の CAD モデル
応力 MPa
300
150
0
張力 N
200
150

図2

縦ストリングの測定結果

図4

－4－

100
測定結果を再現した解析モデル

2.2

ボール

前述の試験結果をもとに，基礎的なボールモ

テニスボールは 1.8 気圧前後の気体を厚さ数デルを作製した。次に，実際にボールをコンク

mm の中空ゴム球に封じ込め，表面をフェルト

リート壁面に衝突させ，その変形挙動をハイスで覆った構造となっている。これを解析モデル

ピードカメラで詳細に測定した。その結果の一化する際の要点として，下記２点を考慮した。

例を図 8 に示す。ボールは衝突時に大きく変形ゴム材料の特性

し，跳ね返る過程でも変形を回復させるためのゴム材料は金属等と比較して極めて大きな伸振動を減衰させながら飛行しているのがわかる。

びを有する超弾性材料であり，さらに打撃シミ

この時の変形挙動と同条件における解析をもュレーションにおいては減衰も無視できない

2)。

とに，高速度域での減衰性の合わせ込みを行っそこで解析に用いるこれらの材料特性を決定すた。完成したボールモデルによる壁面衝突速度るため，試験片による引張試験（図 5）と圧縮と反発係数の実験との比較を図 9 に示す。なお，

したボールの応力緩和試験（図 6）を行い，そ反発係数は衝突後の速度を衝突前の速度で割っ

れぞれの材料特性を決定した。

たものである。実験とほぼ同等な解析結果が得

空気圧の取り扱いられている。衝突速度の増加に伴い反発係数がボール内部の空気圧は状態方程式の近似式に減少するのは，ボールの変形が大きくなること

従って変化するものと仮定し，図 7 に示すボーにより，ボールの運動エネルギーのうち減衰にルの圧縮試験を行い，その係数を決定した。

よって消費される割合が増加するためである。

5
0
0

2
ひずみ
図5

4

(a) 0.0 ms(b) 0.5 ms(c) 2.5 ms(d) 4.0 ms

ゴム材料の引張試験

図8

図6

ボールの応力緩和試験

ボールの衝突状態
実 験
実験（近似曲線）シミュレーション

0.7
反発係数

応力 MPa

10

0.6

0.5

50

100
衝突速度

図7

図9

ボールの圧縮試験

－5－

150
km/h

衝突速度と反発係数

2.3

スイング軌跡の測定

2.4

より実際の打撃に近いシミュレーションを行

全てを統合した打撃シミュレーション

これまで検討した解析モデルを全て統合して，うため，ラケットを単純に直線運動や円運動さ打撃シミュレーションを行った。図 11 に解析せるだけではなく，実測したプレーヤーのスイモデルを示す。ストリングの張力は先の測定結ングに基づいて動かす方法について検討した。

果に合わせて縦横それぞれ 171N（38.5 ポン

本研究では複数台のカメラ使用したモーションド），139N（31.3 ポンド）とし，フレームはキャプチャーによる測定装置を使用した。測定

それに対応した変形・応力状態となっている。

ではラケットのグリップ部分三箇所にマーカー

なお，解析では計算時間を短縮するため，スイを取り付け，スイング中の位置を 0.5 ms 単位

ング開始から打撃直前までの過程を省略し，打で測定した。表 1 に測定結果の一例を示す。マ

撃直前から計算を始めている。このため，解析ーカー中心位置に相当する測定点１～３につい開始時にラケットに初速度を定義している。テて，空間上の座標が得られている。この結果をニスロボットによる打撃実験ではボールを下かもとにしてラケットのグリップ中心位置の並進ら真上に打ち上げた後，その軌道の頂点付近で３方向と回転３軸，合わせて６自由度を求める。

打撃を行う。一般的にボールの衝突時間は数

次に，測定誤差による急激な加速度成分を除く

ms であるため，この間のボールの移動は極めためスムージング処理を施した後，解析に使用て小さい。そこでボールは静止状態とした。図した（図 10）。

12 にボール無しでラケットをスイングさせた際の軌跡を示す。

X座標
m0.00000.00050.00100.00150.00200.00250.00290.00340.00380.00430.00470.00510.00560.00600.00640.00680.00720 0076

0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
85

測定点１
Y座標
m
0.00000.00440.00920.01400.01880.02360.02850.03330.0381
0.04300.04780.05270.0576
0.06250.06750.07240.07740 0823

マーカー測定結果

Z座標m0.00000.00020.00050.00080.00110.00150.00190.00230.00280.00330.00380.00440.00500.00570.00640.00720.00800 0089X座標m0.00000.00060.00120.00180.00240.00290.00350.00400.00460.00510.00560.00610.00660.00710.00750.00790.00840 0088

測定点２
Y座標m0.00000.00450.00920.01380.01840.02310.02780.03250.03720.04200.04680.0517
0.0565
0.06140.06630.07120.07610 0810

･
･
･

表1
時間
ms

Z座標
m
0.00000.00020.00040.00070.00100.00130.00170.00210.00250.00300.00350.00400.00460.00530.00600.00670.0075
0 0084

X座標m0.0000-0.0001-0.0004-0.0006-0.0009-0.0012-0.0015-0.0017-0.0020-0.0022-0.0025-0.0027-0.0031-0.0035-0.0039-0.0041-0.0043-0 0046

測定点３
Y座標m0.00000.00350.00650.00960.01260.01570.01860.02180.02490.02820.03140.03450.03740.04040.04350.04680.0501
0 0533

Z座標m0.00000.00060.00210.00360.00510.00660.00810.00940.01080.01210.01350.01490.01630.01780.01910.02060.02200 0234

グリップ：スイング軌跡により移動
フレーム：初期応力、初速度

ボール：静止状態

1.0

図 11

打撃シミュレーションモデル

0.0
X並進
Y並進
Z並進
X回転
Y回転
Z回転

並進

m ／ 回転

rad

ストリング：初期張力

-1.0
0

図 10

25
時間 ms

50

グリップ中心６自由度の時間変化

図 12

－6－

ラケットのスイング軌跡

接触力

N

1000

図 13

500

打撃時のラケットとボールの挙動
0
0
図 15

10
20
時間 ms
ストリングとボール接触力の時間変化

240

張力

N

縦ストリング170
横ストリング

1000
図 14

打撃時の状態（拡大）

図 16

10
時間 ms
ストリング張力の時間変化

20

2.5 打撃シミュレーション結果
図 13 に打撃時のラケットとボールの挙動を（1）指定した張力が作用した状態で編み上げ示す。衝突により，ボールとストリングが大きられたストリングと，それによる変形・く変形すると共に，図ではわかりにくいが，フ応力が生じているフレームの解析モデル

レームにもゆがみが生じている。また，ボールを作製する方法を開発した。

3.

結

言

はストリングから離れた後も，壁面への衝突試（2）超弾性や減衰そして空気圧による特性を

験の時と同様に，伸縮・減衰をしながら飛行し考慮したボールモデルを開発し，実現象ている。図 14 に打撃時のフレームやボールのと近い挙動が計算できることを確認した。

応力，ストリングの張力を拡大して示す。ボー（3）スイング軌跡をモーションキャプチャー

ルと接触して伸張した縦ストリングの色が濃くにより測定し，打撃シミュレーション用

なり張力が増加しているのがわかる。図 15 にのデータとする方法を確立した。

ストリングとボールの接触力の時間変化を，図（4）全ての要素を統合した打撃解析シミュレ

16 にストリング張力の時間変化を示す。ボーーションを開発した。

ルとの接触中にストリングの張力が増加しているのがわかる。また，計算によって得られたこ

参考文献

れらのデータをもとにラケットやボールに加え

1）片山ら，“CAE 技術を用いた高性能テニスられた力学的エネルギーを計算することもでき

ラケットの開発”，工業技術研究報告書，る。以上，本研究で開発した打撃シミュレーシ

No.47，2017，pp.3-8

ョンは，応力や張力の分布や時刻歴データなど

2）鮑ら，“ストリングス間隔･張力･粘性によるボーラケット開発に必要な様々なデータを計算する

ルの反発挙動への影響”，Journal of Txtile En-

ことができる。

gineering，Vol.56，No.1(2010)，pp.1-8－7－研究論文

超微細構造部品製造技術の開発
小林 泰則* 丸山 英樹* 山田 敏浩* 宮口 孝司* 佐藤 健** 阿部 淑人**
安井 忠*** 橘 純*** 山崎 貴弘*** 平井 政夫*** 小林 一則***
Development of Manufacturing Technology for Ultrafine Components
KOBAYASHI Yasunori*，MARUYAMA Hideki*，YAMADA Toshihiro*，MIYAGUCHI Takashi*,
SATOU Takeshi**，ABE Yoshito**，YASUI Tadashi***，TACHIBANA Jun***，
YAMAZAKI Takahiro***，HIRAI Masao***and KOBAYASHI Kazunori***抄  録SiO2 で構成される幅 0.3µm，高さ 3µm の柱状構造を作製する技術の開発について検討した。今回はリフトオフ法によるマスク作製，CF4 および CHF3 ガスを用いたドライエッチングによる構造作製を行った。その結果，上記目標を達成する条件を見出した。また，従来の作製法と比べてテーパー角が改善することも確認した。

程を比較したものを図 1 に示す。

 緒  言SiO2 で構成される幅 0.3µm，高さ 3µm の柱状

従来の製造工程ではドライエッチング用マス構造を作製する技術の開発について検討した。

ク材に Cr を用いてウェットエッチングにより作

上記課題についてはこれまでに幅 1µm，高さ製しているが，今回検討した工程ではマスクを3µm，テーパー角 14°程度の柱状構造を作製す

リフトオフ法により作製し，マスク材についてる技術を確立しているが，本研究では柱幅およも複数検討することにした。ウェットエッチン

びテーパー角の減少，製造時の柱形状ばらつき

グ法ではエッチングの終点の判断が難しいための軽減を目指し，リフトオフ法の導入，マスク

マスクの形状がばらつき，これがドライエッチ

材料の変更，ドライエッチング条件の検討およングにより形成される柱形状がばらつく原因のびドライエッチング装置の変更による形状改善

主要因と考えた。また，ウェットエッチング液の可能性を検討した結果について報告する。

の周りこみが柱のテーパー角の増大に繋がっているものとも思われた。そのため，リフトオフ

 実験方法

法の導入により，それらマスク形状に起因する 従来工程と検討工程の比較

問題の改善が図れるものと考えた。

従来の製造工程と本研究にて検討した製造工*

また，これまではドライエッチングガスとして C4F8 を用いていたが，これを CF4 もしくは CHF3

研究開発センター
レーザー・ナノテク研究室** 研究開発センターに変更することによりドライエッチング時の保護層形成が軽減できるため，柱形状の改善が図れるものと考え，同時にガス種以外のエッチン*** シンコー株式会社－8－図  従来工程と開発工程

装置名

表  研究に用いた主要装置
メーカー
機種

スパッタリング装置

芝浦メカトロニクス（株）

電子線描画装置（株）日立ハイテクノロジーズ S4300SE（電子線描画部：（株）東京テ （ 電 子 線 描 画 部 ： Beam
クノロジー）Draw）

CFS-4EP-LL（i-Miller）

ICP-A

ドライエッチング装置 A社

表  最良形状が得られた試験条件
レジスト種
Allresist社製SCAR62
レジスト膜厚
280nm
マスク材
Ni
スパッタ膜厚500nm
CF4 : 80sccm
ドライエッチング条件 coilHF:1600W、platenHF:200W
圧力0.53Pa、プロセス時間12min

グ因子が柱形状に与える影響についても検討して求めたものである。

た。
なお，各検討における実験条件の詳細は実験結果の項目で述べることとした。本研究で用い 実験結果 試験条件の基礎的検討

た機器のうちの主要なものを表 1 に示しておく。

レジストの種類，レジスト膜厚，スパッタ膜

また，後述する柱形状の寸法測定結果は断面方厚などの実験因子を変えてより良い形状が得ら

向から撮影した電子顕微鏡像に対し，表示されれる条件を探索した。その結果見つかった最良ているスケール表示を基準に定規により測定し条件を表 2 に，この条件により得られた形状の－9－

0.7µm
0.2µm

6.7°

12.9°

3.5µm

4.1µm

2.5µm

1.1µm

図  開発工程の最良条件で作成した形状

図  従来工程により作製した形状

表  検討した実験因子の一覧
coil出力/
SF6
O2
Ar
反応ガス
下部電極 プロセス
圧力
ライン幅
条件 反応
流量
platen出力
時間
流量
チラー温度
流量
流量
（Pa）
（µm）
番号 ガス種（sccm） （sccm） （sccm） （sccm）
（min）
（℃）
（W）

1

CF4

40

20

20

20

1000/80

1.2

10

6

0.6

2

CF4

40

20

20

0

2500/200

0.5

40

6

0.8

3

CF4

0

0

0

20

1000/80

1.2

40

6

0.8

4

CF4

40

0

0

20

2500/200

0.5

10

10

0.6

5

CF4

0

20

0

0

1000/80

0.5

10

10

0.8

6

CF4

0

0

20

0

2500/200

1.2

40

10

0.6

7

CHF3

0

0

20

20

2500/200

0.5

10

6

0.8

8

CHF3

0

20

0

0

2500/200

1.2

10

6

0.6

9

CHF3

40

0

0

0

1000/80

0.5

40

6

0.6

10

CHF3

0

20

20

20

1000/80

0.5

40

10

0.6

11

CHF3

40

0

20

0

1000/80

1.2

10

10

0.8

12

CHF3

40

20

0

20

2500/200

1.2

40

10

0.8

電子顕微鏡像を図 2 に示す。また，従来工程に返し数（n 数）は 1 とした。マスクはリフトオフ

より製造された形状の電子顕微鏡像を図 3 に示法により Allresist 社製 CSAR62 レジスト（レジす。これらの結果から，リフトオフ法および新スト膜厚 200nm）を用いて Ni を厚さ 150nm スパ

規エッチングガスの導入により柱幅の減少およ

ッタして作製した。

び柱テーパー角の改善が実現できることが確認検討した実験因子および得られた柱形状の寸できた。

法測定結果の一覧をそれぞれ表 3 および表 4 に，

得られた柱形状のうち高さが 3µm を超えたものの電子顕微鏡像を図 4 および図 5 に示す。なお， ドライエッチング条件の検討
ドライエッチング条件が作製される構造の形

表 3 中のライン幅は，電子線描画の際に描くパ状に与える影響を網羅的に調査するために実験

ターンの幅を示している。また，柱のテーパー

計画法 を活用した検討を行った。 具体的には角を特性値として分散分析を行った結果を表 5

L12 混合型直交表を用いて，9 種類のエッチング

に示す。

1)

因子と 1 種のマスク作製因子について 10 因子 2

表 5 の結果から coil/platen 出力，SF6 流量，反水準の実験計画を立てて検討した。実験の繰り

応ガス流量，反応ガス種は他の因子と比較して－ 10 －

F0 の値が非常に大きいため，テーパー角に与え

出力は 2500W/200W よりも 1000W/80W の方が，る影響が他の因子よりも非常に大きいと考えら

反応ガス流量は 0sccm より 40 sccm の方が，SF6れた。また，表 6 に今回検討した各水準値にお流量は 0 sccm より 20 sccm の方がテーパー角がけるテーパー角の推定値を示す。表 6 から反応小さくなることが分かった。

ガスとしては CHF3 よりは CF4 の方が，coil/platen
表  柱形状の寸法測定結果
条件番号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

下端幅
（µm）
0.55
0.89
0.85
1.04
0.85
0.52
0.85
0.87
0.71
0.65
0.88
1.29

上端幅
（µm）
0.51
0.63
0.84
0.21
0.71
0.48
0.82
0.42
0.58
0.49
0.71
0.52

図  条件番号  の条件で作製された構造

高さ
（µm）
0.64
2.09
0.05
3.66
1.31
0.18
0.12
1.87
0.81
0.97
1.01
3.51

テーパー角

（°）
1.6
3.7
5.7
6.5
3.0
6.5
8.1
6.8
4.6
4.8
4.8
6.3

図  条件番号  の条件で作製された構造

表  分散分析結果
変動因
平方和 自由度 平均平方 F0
5.748
1
5.748
15.8
反応ガス種
4.692
1
4.692
12.9
反応ガス流量SF6ガス流量
8.367
1
8.367
23.1
O2流量
0.941
1
0.941
2.6
Arガス流量
1.137
1
1.137
3.1
coil/platen出力
14.8571
14.857 40.9
0.088
1
0.088
0.2
圧力
1
0.037
0.1
下部電極チラー温度 0.037
0.127
1
0.127
0.3
プロセス時間
0.055
1
0.055
0.2
ライン幅
0.363
1
0.363
誤差
36.41211
総－ 11 －なお，これらの装置は前述の ICP-A と比較して ドライエッチング装置による違い
他のドライエッチング装置を用いた形状製作

SiO2 のエッチングに適した装置仕様のものであについても検討した。上で述べた装置の他に放る。その結果得られた柱形状の電子顕微鏡写真

電形式に誘導結合方式（Inductively Coupledの一覧を図 6 に示す。なお，これらの試料は前Plasma）を採用したドライエッチング装置（以述の従来工程によって，エッチング条件とスパ後この装置を ICP-B と呼称する）および磁気中ッタ膜厚を除いて同一の条件で作られたもので性線プラズマ（Neutral Loop Discharge）を採用しある。エッチング条件は各装置の推奨標準条件

たドライエッチング装置（以後この装置を NLDとし，スパッタ膜厚は想定されるエッチング選と呼称する）を用いた場合について報告する。

択比を考慮して ICP-Aと ICP-B については 120nm，

表  各水準値におけるテーパー角の推定値
左記水準値における水準値 テーパー角の推定値
（°）
CF4
4.5

変動因

反応ガス種
反応ガス流量0（sccm）
SF6流量（sccm）
0
O2流量（sccm）
0
Ar流量（sccm）
0
coil/platen出力（W） 1000/80
圧力（Pa）
0.5
下部電極チラー10
温度（℃）
プロセス時間（min）
6
ライン幅（µm）
0.6

ICP-A

左記水準値における水準値 テーパー角の推定値
（°）
CHF3
5.9

5.8

40

4.6

6.0
5.5
4.9
4.1
5.1

20
20
20
2500/200
1.2

4.4
4.9
5.5
6.3
5.3

5.1

40

5.2

5.1
5.1

10
0.8

5.3
5.3

ドライエッチング装置機種
ICP-B

NLD

0.9

ライン
幅
（µm）

1.1

図  各エッチング装置により作製された柱形状の電子顕微鏡像の一覧

－ 12 －

NLD については 200nm とした。また，図中のICP-A のライン幅 0.9µm の写真は図 3 と同一の減少が実現できた。
（2） 実験計画法に基づく検討により，柱テーパ

ものである。

ー角に影響を与える可能性が高いドライエ

ICP-A と ICP-B の結果は柱側壁や平面部の平ッチング条件の制御因子として coil/platen

坦さに差異が見られるものの，基本的な柱形状

出力，SF6 流量，反応ガス流量，反応ガスの傾向は似ているが，NLD のものは柱の底面部種が挙げられることが示された。

に溝のようなものが形成されるなど形状が大き（3） ドライエッチング装置の違いにより，形成

く異なっている。これは，ICP-A と ICP-B はどされる柱形状の傾向が異なることが示され，

ちらも放電形式が ICP 方式であることから，放特に放電形式の違いにより得られる柱形状

電形式の違いによるものである可能性が考えらが大きく異なる可能性が示された。

れる。
参考文献
1）鷲尾泰俊，「実験計画法入門」，日本規格 結  言（1） リフトオフ法および新規エッチングガスの導入により柱幅の減少およびテーパー角の－ 13 －

協会，1997．

研究論文

航空機用 Ni 基耐熱合金製リング部品のニアネットシェイプ加工技術の開発

本田 崇* 大川原 真* 田辺 寛** 須貝 裕之*** 三村 和弘*** 相田 収平****阿部 和昭***** 神田 恭***** 藤岡 智裕***** 髙橋 直之*****
Study of Near Net Manufacturing Technology for Aircraft Ring Parts of Ni-based Heat-resistant Alloy
HONDA Takashi*，OKAWARA Makoto*，TANABE Hiroshi**，SUGAI Hiroyuki***，
MIMURA Kazuhiro***，AIDA Shuhei****，ABE Kazuaki*****，KANDA Takashi***** FUJIOKA Tomohiro *****，and TAKAHASHI Naoyuki*****抄  録航空機向け Ni 基合金製リング部品を対象に，熱間リングローリング成形技術の開発を行った。開発にあたり，Ni 基合金の一つである Alloy718 の高温材料特性を把握するとともに，効率的に検討可能なシミュレーション技術を開発して，割れや加工荷重といった課題の解決に取り組んだ。その結果，外径 451mm，高さ 105mm の大型リング部品の成形を実現することができた。
 緒  言 リングローリング概要

航空機エンジン部品には，Alloy718 のようなリングローリングの工程例を図に示す。リ

Ni 基の耐熱合金が使われている。これらの材料

ングローリングは，大きく分けてつの工程からは，高温強度に優れている反面，加工荷重が高成り立っている。前半は丸棒の切断材から型鍛く，また加工発熱による内部欠陥が発生しやす造でドーナツ形状の中間素材を作る荒地成形，

1)。また，素材の後半は素材の穴に差し込んだマンドレル軸と回価格が高価であることから，材料ロスの少ない

転する主ロールによる圧縮で径を拡張する圧延成形技術の開発が課題であった。

工程である。リングロール圧延は局所的に少しいため塑性加工が困難である

本研究では，航空機エンジンの LP タービン

ずつ加工を行うことから，加工荷重を抑えるこで用いられるラビリンスシールを対象に，とができるとともに，加工精度が高いといった

Alloy718 の熱間リングローリング成形技術の開特徴がある2)。したがって，Ni基合金の加工上発に取り組んだ。目標とする製品のサイズは，の課題である，大きな変形抵抗と割れの発生に

外径 451mm，高さ 105mm の大型リングである。

対して，有効な加工法と考えられる。

実施した Alloy718 の高温材料特性の把握および

複雑な加工現象を把握可能なシミュレーション

 高温材料特性の把握

技術の開発について報告する。

 高温引張試験
精度の高いシミュレーションによる検討を行*

下越技術支援センター

うためには，詳細な材料モデルの構築が重要と**

県央技術支援センターなる。そこで，Alloy718 の高温材料特性を把握***

研究開発センター****する目的で，引張試験を実施した。特に，熱間素材応用技術支援センター*****

タンレイ工業株式会社の温度領域においては，温度およびひずみ速度が変形抵抗に大きな影響を与える 3)。そこで，本－ 14 －


図  リングローリング工程例
研究では 800～1200℃までの温度範囲にて ，ひずみ速度の影響の考慮が必要となる。よって，0.0006～0.139s のひずみ速度の条件で引張試験

本研究では，高温圧縮試験の再現シミュレーシを実施して，これらの影響を把握した。結果のョンの実施により，前節で構築した材料モデル

例として，ひずみ速度 0.0006 s における材料のの精度検証を行った。シミュレーションには

降伏応力の変化を図 2 に示す。Alloy718 は，温ANSYS Inc.製 ANSYS-dyna 19.0 を用いた。

-1-1

度によって変形抵抗が大きく変化するとともに，

図 3 に試験機のクロスヘッド変位に対する荷1000℃以上の温度領域では変形抵抗が小さいこ

重の比較結果を示す。この結果から，全ての設とが確認できる。得られた結果をもとに，温度定した温度において試験中の圧縮荷重はよく一とひずみ速度の影響を考慮できる材料モデルを致していることがわかる。さらに圧縮試験速度構築した。
 高温圧縮試験と再現シミュレーション
圧縮試験は，引張試験に比べて大きなひずみを与えられる。その一方で，試験体内のひずみは一様ではなく，また試験機のクロスヘッド変位の速度を一定としても，ひずみ速度は大きく変化するといった特徴がある。そのため，圧縮試験をシミュレーションで再現するには，実際
のリングロールと同様に，大変形への対応と，

図  クロスヘッド変位荷重の比較（低速）


図  $OOR\ 降伏応力図  クロスヘッド変位荷重の比較（高速）

－ 15 －

を 50 倍にした試験の比較結果を図 4 に示す。

ある。そこで本研究では，成形する素材だけで試験速度を速くしても，全ての設定温度にてなく，素材と接触する治工具をソリッド要素と圧縮荷重はよく一致している。以上の検討によしてモデル化し，成形と同時に治工具との熱のり，作成した材料モデルは幅広い温度，ひずみ

授受や物体内の熱伝導を考慮した熱-構造連成解

速度の範囲にて良好に Alloy718 の変形抵抗を再析を実施した。

現できることが確認できた。

荒地成形の例として，据え込み工程シミュレ
ーションモデルを図 6 に示す。荒地成形では，

 荒地成形

素材・治工具ともに軸対称であることから，任 荒地成形概要

意断面を 2 次元モデルとして計算した。

図 1 で示したとおり，丸棒の切断材は，据え素材の変形抵抗については 3 章で構築した材

込み，型込め，打抜きの工程を経てドーナツ形料モデルを用いた。熱的特性については，温度状へと成形される。変形抵抗が大きく，加工発依存性について詳細に測定されている Pottlacher,

熱も大きい素材を成形する場合，型込め工程をet.al の結果を参考とした 4)。比熱 C(J/(kg・K))，

分割することで，加工荷重と温度上昇の抑制対

熱伝導率λ(W/(m・K))を式(1)，(2)にそれぞれ示策が行われる。

す。

従来の成形案により成形した外径 261mm 用のAlloy718 荒地成形サンプルを図 5 に示す。成形にあたり，2 工程での型込めを実施したが，加工発熱が大きく割れが発生した。このことから，
Alloy718 の大型リングの荒地成形には，工程分割以外の対策の検討が必要であることがわかる。

 プレスモーション
本研究では，クランクプレスを用いて荒地成 シミュレーション技術の開発

形を行っている。クランクプレスでは，スライ 計算モデル
荒地成形の課題である割れの解決には，成形ドの位置によって加工速度が変化する。熱間の中の温度変化の把握と昇温の抑制対策が必要で荒地成形では，熱の移動や変形抵抗は加工速度の影響を受けるため，実測したクランクモーシ
ョンを再現して計算を行った。据え込み工程開始前と終了時の温度分布の変化を図 7 に示す。
成形開始時に素材の温度は，ほぼ均一であったが，成形中に治工具への熱接触や周囲環境へ図  据え込み工程シミュレーションモデル

図  従来の成形案による外径 PP 用荒地素材

－ 16 －

発生位置とよく一致していることから，計算結果は実際の状況を精度よく再現していると考えられる。本研究では，このシミュレーション技術を活用して，加工発熱の抑制案を検討し，成形試験用の治工具を作製した。
 成形試験
 荒地の成形試験には住友重機械工業（株）製
D 成形前    

E 成形後

6,300tf クランクプレスを用いた。荒地成形の様子を図 9 に示す。
外径 451mm，高さ 105mm の大型リング部品の図  据え込み工程における温度分布の変化

成形にあたり，荒地の素材には，直径 150mm，の散逸，また加工発熱による温度変化が起こり，高さ 230mm，重さ 33.5kg の丸棒切断材を用いた。

温度差が生じている。この結果を引き継いで型シミュレーションにて検討した案による荒地素込め成形したときの計算結果を図 8 に示す。

材を図 10 に示す。

成形中のパンチ肩部の素材には，加工発熱に

 成形試験の結果，内径部に欠陥のない良好なよる大きな昇温と変形による大きな引張応力が荒地が成形でき，検討案の割れの抑制効果が確同時に生じている。これは実成形における割れ認できた。また，この方案を他のサイズの荒地成形へ適用することで，外径 191～451mm の製品に対応する荒地成形が可能となった。



D 温度分布図  荒地成形の様子
E ストローク方向の応力分布図  検討案による外径 PP 用荒地素材

図  型込め成形計算結果

－ 17 －

 圧延成形 シミュレーション技術の開発

 圧延成形概要

 計算モデルの構築

リングロール圧延機のイメージ図を図 11 に示圧延での課題解決には，成形中の素材の変形す。装置は図 1 で示したマンドレル軸と主ロー挙動を把握するとともに，温度変化の把握が必

ル以外にも，ガイドロール，アキシャルロール

要である。ただし，前述のとおり，製品形状はといった多くの治工具によって成形が行われる。

シンプルな矩形の断面のリングながら，複雑なまた，目標とする製品径や圧延中の径の変化に装置による逐次成形であり，現象の把握は困難

応じてガイドロールの接触位置が変更できるよである。

う，多くのリンク機構が組み込まれており，非常に複雑な装置である。

そこで本研究では，実際の圧延機の動きを再現できるようモデル化しつつ，荒地成形と同様，

従来の成形条件における圧延サンプルを図 12

素材と接触する治工具すべてをソリッド要素とに示す。このように，内部で過加熱が生じるとした熱-構造連成解析を実施し，成形中の変形とモミ割れと呼ばれる欠陥が発生する。その一方

ともに温度変化についても計算を行った。図 13

で，成形中に素材の温度が低下すると変形抵抗に圧延の計算モデルを示す。

が大きくなり，加工できなくなるといった課題がある。

 リメッシュ技術の開発
有限要素法による計算では，変形に伴う要素のゆがみが問題となる。リングロール圧延のような大変形に対して継続して計算を行うには，要素のゆがみを解消するリメッシュが必要である。ただし，一般的なソフトウェアに実装されているのは 4 面体によるリメッシュであり，計算精度が 6 面体の要素に比べ低く，また要素内の応力やひずみの分布はマッピングされない。


そのため，リメッシュにより計算精度が低くな

図  リングロール圧延機イメージ

るといった課題がある。そこで，本研究では，



応力やひずみの分布を高精度に再現可能な 6 面
体要素を用いたリメッシュ技術の開発を行った。
有限要素法では，節点でのみ変形・応力・ひずみなどの物理量が計算される。そのため，要素内部の物理量については，節点の物理量をも
図  従来の成形条件における圧延サンプル－ 18 －図  圧延の計算モデル

とに形状関数と呼ばれる関数で内挿される。形

ッピングされていることが確認できる。

状関数は，要素の形状に依らずに，ξ-η座標系

開発したリメッシュ手法により，リメッシュ

へ正規化された要素座標系にて同一の形で与え前の状態を引き継ぎつつ，良好な要素形状にてられる。図 14 に要素の正規化のイメージと形状計算を継続できたことから，この開発技術を用関数を示す 5)。本研究では，6 面体でリメッシュ

いて，圧延工程全体のシミュレーションの精度

した新しい節点の物理量のマッピングにおいて，の確認を行った。実際の圧延試験から得られた

有限要素法の処理と同様に，形状関数による内圧延荷重とシミュレーションから得られた圧延挿で求めた。具体的な手順は下記のとおりであ荷重の比較を図 16 に示す。

る。
①新規の節点を内包するリメッシュ前の要素（旧要素）を検索する。
②内包する旧要素の正規座標系において，新規節点のξ-η座標を求める。
③正規座標系での新規節点の位置と形状関数から，旧要素での各節点の物理量をもとに，新規の節点の物理量を計算する。
D 素材全体開発したリメッシュ技術による，要素形状の修正と物理量のマッピングについて，任意断面の位置（白枠部）を例として図 15 に示す。リメ
ッシュ前の断面では，圧延で大きな変形が生じるコーナー部に大きくゆがんだ要素がみられる
が，リメッシュにより良好な要素形状へと修正されている。また，温度・塑性ひずみの分布はリメッシュ前後でほぼ一致しており，良好にマ

E リメッシュ前後の温度分布図  要素の正規化のイメージと形状関数

F リメッシュ直前の塑性ひずみ分布
図  要素形状の修正と物理量のマッピング－ 19 －

波探傷検査により内部を確認したところ，いず
れも欠陥はなく良好な品質であることを確認できた（図 20）。
図 実成形と計算の圧延荷重の比較
計算結果は，実験結果の最大荷重値および圧延荷重の推移ともに良く一致しており，構築した計算モデルと開発したリメッシュ手法によって，高い精度で実成形を再現できることが確認できた。よって，このシミュレーション技術を活用して，予熱温度・圧延速度などの成形条件

図  成形中の素材外表面温度，
圧延荷重，径の変化


の検討を行い，成形試験を実施した。
 成形試験
圧延試験の様子を図 17 に，成形中の素材外表
面温度，圧延荷重および径の変化を図 18 に示す。
径の拡大が始まる約 6 秒からの素材温度の変化は少なく，装置の過負荷となる変形抵抗の増加を避け，圧延荷重を均一に制御することができた。その結果，良好な圧延が可能となり，外径値は滑らかに拡大していることが確認できる。
図 19 に成形品の外観を示す。成形品は真円度
で 1mm 以内と良好な形状である。また，成形品図  成形品外観

を旋削加工後，浸透探傷検査にて表面を，超音図 圧延試験の様子

図  旋削加工品の外観

－ 20 －

術を開発した。
（3） Alloy718の成形の課題である割れと加工荷重の抑制に取り組み，リングローリン
グにて外径451mm，高さ105mmの大型リング部品を形状精度よく，良好な品質で成形できた。

図  本研究の成果品


参考文献
1）青木 宙也，上野 友典，大野 丈博，“718 合 本研究の取り組みにより，最終的に外径 192

金の溶体化処理による金属組織制御”，日立～451mm までのリングローリングが可能となっ金属技報， Vol. 32，2016，p26
2）中溝利尚，“特精鍛での熱間縦型リングロー

た。本研究の成果品を図 21 に示す。

リングの紹介”，Sanyo Technical Report，Vol.11
No.1，2004，pp.70-71.

なお，本研究は経済産業省より，戦略的基盤
技術高度化支援事業にて採択され，平成 28 年度

3）日本塑性加工学会編，“わかりやすい鍛造加から 30 年度に実施したものである。

工”，日刊工業新聞社，2005，pp.14-17.
 池庄司敏孝，京極秀樹，米原牧子，荒木正浩，

 結  言

中村和也，“SLM造形過程におけるレーザ照（1）高温引張試験と圧縮試験により，Alloy718

射部近傍の粉体層溶融凝固を考慮した過渡伝の高温材料特性を把握して，高精度な材

熱数値解析”，近畿大学次世代基盤技術研究

料モデルを構築した。

所報告， Vol.7，2016，pp.89-94.

（2）リングローリング成形における，荒地成 三好俊郎，“有限要素法改訂版”，培風館，形および圧延工程のシミュレーション技－ 21 －

1998，pp.179-181.

研究論文

太陽熱を利用した熱音響冷凍機による雪室冷却装置の開発～太陽熱集熱装置の評価と雪室の熱解析～
村木 智彦* 佐藤 健* 三村 和弘* 須貝 裕之* 本多 章作**
Development of a Yukimuro Cooling Unit Using a Thermoacoustic Refrigerator Driven by Solar Heat
~Evaluation of a Heat Circulation System with Solar Collectors and Thermal Simulation of a Yukimuro~
MURAKI Tomohiko*, SATO Takeshi*, MIMURA Kazuhiro*, SUGAI Hiroyuki* and HONDA Shosaku**抄  録本県や豪雪地域では雪を雪室に保存し，夏季の冷房に用いるほか，野菜や米などの冷蔵庫としても使用する。雪室を使った雪冷房装置は，運用コストは安価であるが導入コストが高い。そこで再生可
能エネルギーである太陽熱から冷熱を作り出し，それを雪室に供給すれば雪室を減容でき，導入コス
ト削減が期待できる 1)。工業技術総合研究所では，学校法人東海大学，新潟機器株式会社とともに，太陽熱を集熱して熱音響冷凍機 1),2)に入熱する太陽熱集熱装置と，その熱を冷熱に変換して雪室に供給する熱音響冷凍機を試作した。本報では，当所で担当した太陽熱集熱装置の製作と評価，冷熱の供給によって減容した雪室の冷房性能に関するコンピューターシミュレーションについて述べる。

上に保持されている必要があり，さらに 2kW 以

 緒  言太陽エネルギーを熱に変換して，これを収集

上の熱を供給する必要がある。

する機器を太陽熱集熱器（以下，集熱器）と呼これらの仕様をもとに本報では，製作した太び，これを利用して加熱した熱媒を熱音響冷凍

陽熱集熱装置による実証実験を行い，太陽熱に機に入熱する装置を太陽熱集熱装置と呼ぶ。

よる熱音響冷凍機の駆動が可能かを検証した。

3)

では，評価用（基礎データ集収用の小一方，熱音響冷凍機から作り出した冷熱を雪規模）太陽熱集熱装置を製作して実験を行い，室に供給することで，雪室内の雪塊の融解を抑

熱媒温度は目標とした 210°C 以上に加熱できる

制でき，雪室の小型化が期待できる。今後，熱ことを確認した。

音響冷凍機から冷凍出力 1kW が得られると仮定

既報

本報では，熱音響冷凍機の駆動に必要な熱量し，事前検討として熱収支計算を行ったところ，を供給するための太陽熱集熱装置を設計・製作

雪冷熱エネルギー住宅建築のためのガイドライした。なお，これを組み合わせる予定の熱音響

ン（以下，ガイドラインと呼ぶ）  記載の雪室

冷凍機の開発は東海大学が担当し，200°C 以下（容積 81.5m3）に対して，46％容積を削減したの入熱温度で-20°C の冷熱発生を目標としてい小型の雪室（容積 44m3）が実現できる可能性がる。この冷凍機は必要入熱量 2kW という仕様で示された。

あるため，太陽熱集熱装置により，加熱された

そこで，これをより詳細に確認するため，小熱媒は，熱音響冷凍機に流入する際に 200°C 以型の雪室を設計し，これに熱音響冷凍機の冷凍* 研究開発センター

出力 1kW が得られると仮定したモデルにて，夏** 下越技術支援センター－ 22 －

季の冷房需要に対応できるかを熱流体シミュレ 測定項目

ーションによって検証した。

試験装置では，日射量，集熱器とラジエータ

なお，本研究は，国立研究開発法人新エネルの入口・出口の熱媒温度を測定し，熱媒温度差

ギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託と流量から集熱器の集熱量とラジエータの放熱による「太陽熱を利用した熱音響冷凍機による量を計算した。

雪室冷却装置の開発（平成 27～30 年度）」の一

測定は，平成 30 年 7 月から 9 月にかけて実施した。図 2(a)～(d)に平成 30 年 8 月 23 日の測定

環で実施したものである。

例を示す。この測定における熱媒流量は 5L/min 太陽熱集熱装置の製作と評価 太陽熱集熱装置の概要
製作した太陽熱集熱装置の外観を図 1 に示す。
（株）寺田鉄工所製集熱器 CPC1518（集熱面積3m2 ）1 台と日本熱源システム（株）製集熱器
V300-30（集熱面積 3.25m2 ）3 台を連結して 4台とし，既報 3)より集熱器は 1 台あたり約 1kWの集熱量で，熱損失は約 40％であったことから，D  日射量

約 4kW の集熱量を確保することで，熱音響冷凍機に 2kW 以上を入熱することを見込んだ。
配管各部に流量計，温度計を装着し，熱媒の測定を行った。集熱器の受光面は南向きとして，地面に対して 30°傾斜させた。配管と各機器には放熱の抑制のため，ロックウールによる保温処理と外装処理を施した。熱媒には，NeoSK-OIL
L400 高引火点品（総研テクニックス（株）製）

E  集熱器の熱媒温度を使用した。
本報では，熱音響冷凍機の代替としてラジエータを装着した。ラジエータの放熱量は，冷却ファンの駆動周波数（5Hz～50Hz で可変）により，熱音響冷凍機の必要入熱量 2kW を超えるよ
うに調整した。
F  ラジエータの熱媒温度
ラジエータ
集熱器G  太陽熱集熱量とラジエータ放熱量

図  測定例

図  太陽熱集熱装置の外観

－ 23 －である。
図 2(a)に日射量を示す。この日は 11 時頃に日射量がピークとなった。図 2(b)は集熱器入口，
出口の熱媒温度である。熱媒は集熱器入口側から流入し，集熱器を介することで加熱され，集熱器出口側から流出する。ここで，ラジエータの冷却ファンの駆動周波数は 50Hz で，冷却ファンの動作時刻は起動が 8:40，停止は 15:00 である。集熱器出口側の熱媒温度は，この動作時

D  集熱器

刻において一時的に変動するが，日射量に応じて変化することがわかる。図 2(c)にラジエータ
入口，出口の熱媒温度を示す。熱媒は集熱器出口側から配管を介して，ラジエータ入口側に流入する。流入した熱媒はラジエータによって冷やされるため，ラジエータ出口側の熱媒温度が低下している。図 2(d)は集熱器の集熱量とラジエータの放熱量である。冷却ファンの駆動によE  ラジエータ

って放熱量は増加するとともに，集熱器の集熱図  各流量における熱媒温度

量も増加している。
 熱媒温度
前述の条件に基づき，7 月～9 月の間で実験を行った。その結果を説明する。熱媒流量 3，5，
7L/min のときの集熱器およびラジエータ入口，
出口の熱媒温度を図 3 に示す。各温度は，正午
付近 30 分間の平均値である。図 3(a)は，集熱器
入口，出口の熱媒温度である。ここでは集熱器 4

図  集熱量と放熱量

台を一体として扱っており，入口，出口とはそれぞれ最上流側の集熱器の入口，最下流側の集た。各熱媒流量条件でラジエータの放熱量は熱器の出口である。流量の増加に伴って出口温2.3kW 程度であり，熱音響冷凍機の設計入熱量

度は低下するものの，全ての流量条件で 210°C

2kW を超えている。したがって，この日照条件を超えた。図 3(b)は，ラジエータの熱媒温度で下であれば，太陽熱による熱音響冷凍機の駆動あり，入口と出口の平均温度が，熱音響冷凍機は可能と考えられる。

への供給温度に相当すると仮定すると，全ての流量条件で熱媒は目標である熱音響冷凍機の駆 集熱量と集熱効率
図 4 から，集熱器 4 台分の集熱量は，平均 3.5kW

動温度 200°C を超えている。
上記の温度データから，集熱器の集熱量，ラであり，これを日射量で除して求めた集熱効率

ジエータの放熱量を計算した結果を図 4 に示す。

は，平均 0.29 であった。既報 3)では，集熱器 1

参考のため，測定時の日射量を併記し，各測定台あたりの集熱量が 1.1～1.2kW，集熱効率が 0.34

における日照条件がほぼ同等であることを示し～0.36 だったので，4 台の連結で集熱量，集熱効－ 24 －

率ともに低下している。
ここで，集熱効率が低下した理由について検討した。JIS A4112:2011（太陽熱集熱装置）により集熱効率 η は，式(1)で定義される。

ここで，a0 は定数，a1 と a2 は熱損失係数，Tw は

図  ラジエータと配管の放熱割合

熱媒体平均温度，Ta は外気温，I は日射量である。
式(1)から集熱器内の熱媒と外気の温度差の増加

雪室壁面に伴い，熱損失が増加し集熱効率は小さくなる。

雪塊

集熱器を連結した場合，入口側の集熱器は，単体と同等の集熱効率を示すと考えられるが，出口側の集熱器に近づくほど内部の熱媒温度が高コンクリート温になるため，外気温との差が大きくなり，集（㼍）初期状態（㻠㻛㻝）熱器から外気への放熱が増大する。このため，
冷熱

集熱量，集熱効率ともに単体の評価に比べて低侵入熱下したと考えられる。
 配管の熱損失
図 5 に集熱量に対する配管とラジエータの放（㼎）冷房不要期間（㻠㻛㻝～㻢㻛㻟㻜）

熱割合を示した。ここでいう配管とは，集熱器
出口からラジエータ入口までと，ラジエータ出
暖気

口から集熱器入口までの熱媒経路であり，循環

冷熱

侵入熱

ポンプや膨張タンクなどの付属機器も含む。各条件の値を平均すると，熱音響冷凍機の駆動への寄与は 67%であり，配管からの熱損失は 33%

冷気

であった。

（㼏）冷房運転期間（㻣㻛㻝～㻥㻛㻟㻜） 熱流体シミュレーション 解析概要
ここでは，小型の雪室を設計し，これに熱音
響冷凍機の冷凍出力 1kW が得られると仮定したモデルを用いて，4 月 1 日に雪室内に充填した雪（㼐）冷房終了時（㻝㻜㻛㻝）

塊が，冷房運転の終了する 10 月 1 日まで残存す

図  熱移動の状態図

るかを，熱流体コンピューターシミュレーショ
ある一方で，熱音響冷凍機から 1kW の冷熱が日ンにより検討した。
図 6 に各期間の熱移動の状態図を示す。図 6(a)射量に応じた時間供給される。図 6(c)は 7 月 1は雪室内に雪塊を充填した 4 月 1 日の様子であ日～9 月 30 日の状態図で，この期間に雪室による。図 6(b)は 4 月 1 日～6 月 30 日までの状態でる冷房を使用する。この期間では上記の侵入熱ある。外気温度に応じて雪室外壁から侵入熱がと冷熱に加え，冷房のために，居室から流入し－ 25 －

た暖気が雪塊との熱交換により冷気となって居室に戻る。居室の構成と冷房に使われる熱量はガイドライン 4)に準じた。図 6(d)は 10 月 1 日の雪室の様子である。
シミュレーションにより，1 か月ごとに雪室内の温度と空気の流れを解析し，雪塊の消費に使われる熱量（消費冷熱量）を計算した。これをもとに雪塊高さの減少量を計算して，4 月 1 日から 10 月 1 日までの推移を求めた。
 解析モデル
図 7 に解析モデルを示す。解析にはソフトウ

図  解析モデル

エアクレイドル製の熱流体解析ソフトウエア

SCRYU/Tetra ver13 を使用した。表 1 に解析に使用した物性値および表 2 に雪室や雪塊の計算

 解析方法
表 3 に解析で使用した月ごとの外気温度，居条件を示す。

室からの暖気温度，冷房風量を示す。雪室の壁



面温度は外気温度とし，気象庁データベースに

表  物性値
密度(kg/m )

1.206

比熱(kJ/kg･K)

1.007

熱伝導率(W/m･K)

2.56×10

粘性(Pa･S)

1.83×10-5

7 月～9 月は，冷房運転を行う期間であるので，融解熱(kJ/kg)

335

雪室内の空気の流れと温度分布を計算し，暖気

密度(kg/m3)

25

温度と冷気温度の差から冷房出力を求める。表 3

3

空気

雪塊

内側
比熱(kJ/kg･K)
断熱材
熱伝導率(W/m･K)
密度(kg/m3)

外側
比熱(kJ/kg･K)
断熱材
熱伝導率(W/m･K)
密度(kg/m3)

コンク
比熱(kJ/kg･K)
リート
熱伝導率(W/m･K)
密度(kg/m3)

短絡
比熱(kJ/kg･K)
防止板
熱伝導率(W/m･K)

雪塊

容積(m3)
密度(t/m3)
容積(m3)
温度(℃)

度分布と侵入熱を求めた。

に示す冷房運転時の居室から流入した暖気温度

2.20×10-2は外気温度に等しいと仮定し，風量は上村らの25設定した風量 5)を参考にした。冷房運転によって

0.890
2.80×10-2
2000
0.880
1.2
7850
0.442
80.3

居室に供給される冷熱量は，ガイドライン 4)記載のモデル住宅が 1 シーズンに必要とする総冷熱量を月ごとに配分した値とした（表 4）。月ごとの配分方法は，上村らの 2007 年と 2008 年の冷
房冷熱量 5)の月別比率を参考に設定した。これと先の冷房出力の結果と併せて 1 か月間の冷房運
転あり・なしの時間の割合を計算し，それぞれの侵入熱を求めた。
表 5 に熱音響冷凍機から得られる冷熱量の推表  計算条件
雪室

べた解析モデルより，各月について雪室内の温
-3

1.130




よる新潟市の月毎の平均気温を用いた。先に述

44.0
0.55
39.6
0

定値を示す。日照時間は，気象庁データベース
による新潟市の月毎の平均日射量を用いた。熱音響冷凍機を駆動できる日射量（有効日射量）
は，本報の実験結果では 580W/m2 以上であり，－ 26 －

月
4月
5月
6月
7月
8月
9月

表4

って図 8 と比較して温度分布は均一となり，その分雪塊表面部の温度勾配は大きくなるので雪塊の融解が増加する。また，解析から求めた 7
月～9 月の冷房運転稼働時間の割合は，それぞれ 17.1%，83.5%，3.7%だった。
雪塊の消費冷熱量と雪塊高さの推移を図 10 に示す。冷房運転期間が終了する 10 月 1 日の時点

7月

217

8月

1086

9月

35

で雪塊の高さは 0.2m 残っており，熱音響冷凍機

総冷熱量
(kWh)

(kWh)

表5

る。雪室内を空気が流れるため，撹拌作用によ

月ごとの冷熱量

冷熱量

月と小型雪室を組み合わせたシステムが夏季の冷房装置として成り立つことを示している。

1338

熱音響冷凍機の冷熱量の推定値

日照時間

有効日照時間

冷熱量

(h/月)

(h/月)

(kWh)

4月

169.80

84.90

84.90

5月

202.10101.05101.056月

168.50

84.25

84.25

7月

160.10

80.05

80.05

8月

211.10105.55105.559月

162.80

81.40

81.40

月

て流れ，排水ピットを通って冷気口から流出す

表 3 解析パラメータ
外気温度
暖気温度
冷房風量
(°C)
(°C)
(m3/h)
11.5
16.5
20.7
24.5
24.5
336
26.6
26.6
336
22.5
22.5
336

この有効日射量を満足する有効日照時間は日照

図8

冷房運転なしの雪室内の温度分布

時間の 50%であった。これをもとに冷熱量は，1kW の定出力が有効日照時間分だけ供給されるものとした。上記の方法により解析を行い，雪塊高さの推移を計算した。
3.4

解析結果

図 8 に冷房運転なしの雪室内の温度分布を排水ピットに沿った中央断面で月ごとに示す。雪
室内の空気の温度は，4 月であれば，状態図内の破線で囲われた領域である。以降，外壁温度の上昇に伴って，雪室内の温度が上昇し，雪塊が減少していく。
図 9 に冷房運転時（7 月～9 月）の雪室内の温度分布と空気の流れを示す。暖気は雪塊に沿っ－ 27 －

図9

冷房運転時の雪室内の温度分布と空気の流れ

（4）小型の雪室（容積44m3）を設計し，冷凍
出力1kWの熱音響冷凍機を接続した場合について熱流体シミュレーションを行い，10月1日まで雪塊が残り，夏季の冷房として成り立つことを示した。
参考文献
1）大野宏ほか，“熱音響機関に関する調査研究”，
工業技術研究報告書，45，2015，pp.101-103.
図 10

消費冷熱量と雪塊高さ

2）http://www.ed.u-tokai.ac.jp/thermoacoustic/
research1.html，東海大学工学部動力機械工学

4.

結

言

科長谷川研究室HP，2019年3月30日（1）熱音響冷凍機の代替としてラジエータを

3）三村和弘ほか，“太陽熱を利用した熱音響冷接続し，集熱器4台を連結した太陽熱集熱凍機による雪室冷却装置の開発～太陽熱集熱装置を製作し，太陽熱で熱媒を目標の装置の製作と評価～”，工業技術研究報告書，

210°C以上に加熱できることを実証した。

47，2017，pp.9-12.

（2）熱音響冷凍機の駆動条件である200°C 2kW

4）新潟県，“雪冷熱エネルギー住宅建築のため以上の入熱を実証し，太陽熱による熱音のガイドライン”，平成21年3月.
5) 上村靖司ほか，“雪室をビルトインした住宅

響冷凍機の駆動可能性を示した。
（3）太陽熱集熱装置の集熱量に対する配管の熱損失割合は33%であった。

における空気循環冷房の性能”，空気調和・衛生工学会論文集，No.163，2010，pp.19-27.

－ 28 －

研究論文

ステンレス鋼の表面分析に関するシーズ育成研究内藤隆之*

Surface Analysis on Passivation film of Stainless SteelNAITO Takayuki*

抄録

汎用ステンレス鋼などに酸洗，電解研磨及び不動態化の表面処理を行い，塩酸及び硫酸の各水溶液への浸漬試験の結果，耐溶出性が向上していた。また，XPSによる表面分析を行って，Ni，Cuの各成分の挙動を調べた。
1．

緒

言

った。また，各種表面処理を施した試料の耐酸工業製品における表面分析は，当県において性を調べるため，塩酸及び硫酸の各水溶液によも需要件数の高い項目となっており，日々の依る浸漬試験を行った。

頼試験や機器貸付などで頻繁に利用されている。
表面分析の手法の中で特に XPS は，数 nm の2．

実

厚みにおける元素成分の分析を得意とし，製品

2.1

供試材，表面処理及び浸漬試験

験

供試材として，SUS304J1 相当，厚さ 0.8mm

表面の不良原因究明に役立っている。
ステンレス鋼は錆びにくい材料として工業製の板材（試料 1），及び SUS316L 相当，厚さ品ではお馴染みであり，用途に応じて電解研磨

1.0mm の板材（試料 2）を用いた。供試材の化や不動態化等の表面処理も行われている。ステ

学成分を表 1 に示す。
表面処理は「酸洗」，「酸洗後に不動態化」，

ンレス鋼の耐食性は，その表面に形成された厚さ数 nm とされる不動態膜の働きによるもので「電解研磨」，及び「電解研磨後に不動態化」

あるが，各種表面処理方法により，その状態がの 4 種類とし，「未処理」を含めた 5 種類の試

変化し，耐食性にも影響を与えるものと考えら

表2

れる。

処理

時間

本研究では，各種表面処理方法がステンレス
酸洗

鋼の不動態膜に及ぼす影響を把握するため，燕三条地域で流通している汎用ステンレス鋼など

電解研磨に酸洗，電解研磨及び不動態化の表面処理を施
不動態化した試料について，XPS による表面分析を行
表1
試料

成分

表面処理条件

処理液組成(%)

温度(℃) 時間(min)

フッ化水素酸

2

硝酸

12

リン酸

80

硫酸

20

硝酸

30

電圧(V)

30

10

－

60

5

5

室温

720

－

供試材の化学成分（単位 mass%）

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Cu

試料1

0.023

1.51

2.01

0.031

0.003

6.93

16.2

0.16

1.85

試料2

0.016

0.66

1.27

0.029

0.001

11.8

17.2

2.04

0.10

* 県央技術支援センター－ 29 －

料を作製して試験を行った。表面処理の条件を表 2 に示す。表面処理は（有）広一化学工業

3．
3.1

結果と考察
浸漬試験

各浸漬液について浸漬試験前後の重量差から（燕市）に委託した。
浸漬試験は各表面処理試料と未処理試料の耐算出した溶出減量率(%)を図 1 に示す。塩酸浸

酸性を比較するために行った。供試材(10mm×

漬試験では表面処理による溶出減量率への影響

50mm)を塩酸 9%及び硫酸 48%の各水溶液に室はみられないものの，硫酸浸漬試験では表面処

温下でそれぞれ約 10 日間浸漬し，浸漬前後の理による溶出減量率の低減がみられた。
なお，塩酸の浸漬試料は，総じて試料 2 の方

重量変化から溶出減量率を算出した。

が褐色を呈し，浸漬液も青緑色に着色した。試2.2

料 1 では，未処理試料の浸漬液が緑色となった。

分析装置

XPS 装置は K-Alpha（サーモフィッシャーサ

一方，硫酸の浸漬試料では，試料 1 が未処理試

イエンティフィック（株）製）を用い，試料の料と酸洗試料の浸漬液に，試料 2 が未処理試料，

定性分析と Cr2p の分析，更にアルゴンイオン

酸洗試料と酸洗後不動態化試料の浸漬液に，そエッチングによる深さ分析を行った。定性分析，

れぞれ着色が見られた。

Cr2p の分析及びエッチングについての条件を

本実験の結果から，硫酸浸漬試験において，

表 3 に示す。なお，エッチングは 4 回行い，そ

各種表面処理による耐溶出性の向上に効果が確の都度，定性分析と Cr の状態分析を行った。

認できた。ただし，今回の浸漬試験結果は，そのまま耐食性の評価に置き換えることはできず，

表 3 XPS 分析条件(a)定性分析

複合サイクル試験との比較検討が必要となる。

Source Gun TypeAl K Alpha

Spot Size（µｍ）

400
Start

-10.000End1350.000

Energy Step Size（eV）

5

Dwell Time（ms）

10(b)Cr2p の分析条件
Source Gun TypeAl K Alpha

Spot Size（µｍ）

400
Start

568.000End

594.000

Energy Step Size（eV）

0.100

Pass Energy（eV）

50.000

Number of

Scan

10

Dwell Time（ms）

50(C)エッチング条件
Ion Energy(eV）200

Raster Size

Auto

Current

Low

Etch Time(s)試料1①60②120③120④300

試料2①60②240③600④600

溶出減量率(%)

200.000

Scan

Binding Energy（eV）

酸洗後不動態化

1.000

Pass Energy（eV）
Number of

酸洗

60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0

電解研磨
電解研磨後不動態化

試料1

試料2

(a)塩酸浸漬試験

溶出減量率(%)

Binding Energy（eV）

未処理

60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
試料1

試料2

(b)硫酸浸漬試験

図1－ 30 －

浸漬試験による溶出減量

こうしたた効果について，各種表面
面処理との関関係

Ni･Cu(atom%)を向上させる効果があるととされているる 1)。
耐食性を

Ni･Cu(atom%)はを安定化させせ，る効果，Ni と Mo は不動態膜をO･Fe･Cr(atom%)に対する耐食食性を向上ささせ
Cu は塩 酸，硫酸等にO･Fe･Cr(atom%)

また，ステンレス鋼を構成するる元素のうち
ち，を含めてて検討が必要となる。
3.2

エッチング時 間(s)(a) 未処理
理

面分析
表面

け避ける
るため，図 2(a)の2
O の挙挙動を参考ににして，試料料 1 を 180s，試料 2 を 300s とした。

Ni･Cu(atom%)ッチング
グ時間は，試
試料表面の汚染染層をできるるだ

Ni･Cu(atom%)O･Fe･Cr(atom%)

れた成分
分と，その簡易定量値を表
表 4 に示す。 エO･Fe･Cr(atom%)

供試材
材（未処理）について定性性分析で検出出さエッチ
チング時間(s))と化学成分
分値(atom%)のの関係を図 2 に示す。表
表示成分は O，Fe，Ni，O
Cr（以下，「×点」と記載する。）を想定し， 各理の影響を比較したほか，耐食性を向向上
表面処理

Ni･Cu(atom%)が交差するエエッチング時時間
O と Fee の成分値がO･Fe･Cr(atom%)する指標としして
ここで，不動態膜の厚さを評価す

O･Fe･Cr(atom%)のほか，試料 1 は Cu，試料C
2 は Mo としたた。

Ni･Cu(atom%)

エッチング時間間(s)(b) 酸洗するとさされる元素（試料 1 は Nii と Cu，試料
料2は Ni と Mo）の化学
学成分値と×
×点の関係をを調

成分値ににピークが確確認できた。ここのピーク値
値はNi･Cu(atom%)理」以外で×点付近に Nii と Cu の化
化学「未処理

O･Fe･Cr(atom%)ている。またた，
解研磨」の順で×点が短くなって

O･Fe･Cr(atom%)

未処理」，「酸洗」， 「電試料 1 では，「未Ni･Cu(atom%)

エッチング時間間(s)(cc) 酸洗後不動態態化

べた。

「酸洗」よりも「電電解研磨」の方方が大きく， い不動態化処理理によりピーク
ク値が増加す
する
ずれも不

試料

成分

C1s

O1s

Si2ｐ

Cr2p

F1ss

試料1

3.69

58.09

－

12.26

3.566

試料2

9.52

60.77

13.44

6.66

－

Fe2p

Mn2p

Ni2p

Cu2p

Mo3dd

試料1

18.82

－

1.16

2.43

－

試料2

6.39

2.09

0.71

－

0.411

試料

成分

Ni･Cu(atom%)

表 4 供試材の分分析結果(単位位 atom%)O･Fe･Cr(atom%)

かったため， 「未処理」 と時間 1500 秒が短か

O･Fe･Cr(atom%)

一方，試料 2 では，設定した最最大エッチンング

Ni･Cu(atom%)

エッチング時間間(s)(d) 電解研磨

傾向がみ
みられた。

エッチング時間間(e) 電解研磨後不動電動態化

図 2 エッチング時間と化
化学成分値のの関係（左：試料 1，右 ：試料 2）（▲O ■Fe ●Cr ○NNi △Cu □Mo）

－ 31 －

「酸洗」で×点が確認できなかったほか，「酸洗後不動態化」と「電解研磨」で×点付近に存在を想定した Ni と Mo の化学成分値ピークが

(電不)
(電)

確認できなかった。なお，「電解研磨後不動態(酸不)化」では他の試料に比べて×点が特に短く，×(酸)点付近において Ni の化学成分値にピークを確(未)認できた。Mo の化学成分値は×点に向けて増

589
584
579
574
結合エネルギー(eV)

加し，その後ほぼ一定となっていた。
試料 1 と試料 2 のエッチング時間を比較する

569(a)試料 1（エッチング時間：180s）と，試料 2 の方が×点に達する時間が長くなっており，この×点を不動態膜と素地との境界と仮定した場合，「電解研磨後不動態化」を除き(電不)表面処理の有無に関係なく試料 2 の不動態膜の

(電)
(酸不)

方が試料 1 の不動態膜よりも厚いと考えられる。

(酸)

ここで，試料 1 の「酸洗」と「酸洗後不動態(未)化」，「電解研磨」と「電解研磨後不動態化」
を比較すると，不動態化により×点はほとんど

589
584
579
574
569
結合エネルギー(eV)(b)試料 2（エッチング時間：300s）

変化しない傾向であることがわかる。
一方，試料 2 では「酸洗」と「酸洗後不動態

図3

Cr2p の XPS スペクトル化」では×点はほとんど変化しなかったが，(未)未処理,(酸)酸洗,(酸不)酸洗･不動態化,「電解研磨」に比べ「電解研磨後不動態化」の(電)電解研磨,(電不)電解研磨･不動態化

×点は短くなっていた。この原因については今後の検討課題である。

4．

また，Cr の化学成分値は表面から×点に向結言（1）「未処理」を除き，全ての表面処理で試けて増加し，それ以降はほぼ一定となる傾向だ

料 2 より試料 1 の溶出減量率が低かった。

が，「酸洗」と「酸洗後不動態化」では，より（2）試料 1 において，不動態膜と素地の境界表面に近い時点から一定になるように見える。

と想定する深さで Ni と Cu の化学成分値

最後に，各表面処理において Cr の酸化状態にピークが確認でき，その値は酸洗，酸を把握するため，Cr2p 電子軌道の XPS スペク

洗後不動態化，電解研磨，電解研磨後不トルを比較した。エッチング時間は，表 4 の分

動態化の順で大きくなる傾向がみられた。

析と同じく，試料 1 を 180s，試料 2 を 300s とした。結果を図 3 に示す。ここで，図中の●印（3）試料 1 において，不動態膜の厚さに対応すると想定する値が未処理，酸洗，電解は Cr の酸化物成分，▼印は Cr の金属成分に対応する。
試料 1 は「未処理」，「酸洗」，「電解研磨」

研磨の順で減少する傾向がみられた。
（4）不動態膜中の Cr の成分値は，各表面処理
で金属成分と酸化物成分の割合が異なっの順番で，Cr 酸化物成分の検出ピークが減少ていた。

していくことが確認できる。一方，試料 2 は「酸洗」と「酸洗後不動態化」で「未処理」よ参考文献

りも Cr 酸化物成分が大きくなっているが，こ

1）日刊工業新聞社，ステンレス鋼便覧，
1970，p.356-3の理由については，今後の検討課題である。

－ 32 －

Ⅱ

ノート－ 33 －

ノート

高圧クーラントを援用した
析出硬化系ステンレス鋼の中ぐり加工
田村 信* 須藤 貴裕* 石川 淳*
Boring of Precipitation Hardened Stainless Steel with High Pressure Coolant
TAMURA Makoto*，SUTOH Takahiro* and ISHIKAWA Atsushi*

 緒  言 中ぐり加工試験方法

析出硬化系ステンレス鋼は，耐食性，耐摩耗

表 2 に加工条件，図 1 に試験方法を示す。切性，高強度が要求される航空機材料などに広く削速度については，高圧クーラントの効果を期使われている。しかし，切削加工においては高待して，工具カタログ等 1)での推奨値を参考に

硬度，高靭性，低熱伝導率などの材料特性から

高速度条件とした。中ぐり加工は，被削材にあ切削速度が上げられず，かつ工具寿命が短いという問題がある。
中ぐり加工は，すでにあけられている穴の直径拡大や仕上げを目的に，中ぐりバイトを用い

らかじめドリルにて直径 20mm の下穴をあけておき，中ぐりバイトを用いて所定の切込み量 apを与えて，穴を繰り広げることを行う。一定量て穴の内面を切削することをいい，さまざまな加工後に目視による切屑排出状態の観察と工具

部品加工に適用されている。しかし，切屑の排チップ逃げ面摩耗量測定，さらに加工面の表面

出空間が限られることから，穴内部に切屑がたの粗さ測定を行った。

まりやすく，また中ぐりバイトに絡みつくことも多く，刃先の冷却不足や嚙み込みなどによ表  旋削装置と中ぐりバイトの仕様         り，工具寿命や加工面品位が問題となることが多い。  
そこで，析出硬化系ステンレス鋼の代表鋼種である SUS630 の旋盤による中ぐり加工につい旋削装置
NC旋盤型式滝澤鉄工所TCN-213J

最大加工径/長さ (mm)㻟㻣㻜㻛㻟㻜㻝

㻙㻝

100～5000

主軸回転速度 (min 㻕て，高圧クーラントを援用することで，工具の軸移動量X/Z (mm)

長寿命化や加工面品位の向上，さらに加工の高送り速度X/Z (mm/min)

能率化が可能となるか検証した。

ｸｰﾗﾝﾄ最大吐出圧力 (MPa)㻞㻝㻜㻛㻟㻣㻜
0～20/0～24㻝㻡

ｸｰﾗﾝﾄ最大吐出量 (L/min)

ｸｰﾗﾝﾄﾀｲﾌﾟ

 試験方法

㻟㻡
ｴﾏﾙｼｮﾝ10倍希釈

中ぐりバイト 旋削装置

ｼｬﾝｸ直径/突出長さ (mm)

中ぐり加工試験に用いた旋削装置と中ぐりバ

工具ﾁｯﾌﾟ

㻝㻢㻛㻠㻤
ﾀﾝｶﾞﾛｲCPMT090304-PS

イトの仕様を表 1 に示す。NC 旋盤には標準クーラントに加えて，最大吐出圧力 15MPa の高圧ク

表 㻞 加工条件              ーラントを付属する。クーラントは鋼製バイト

切削速度V (m/min)

シャンクの内部を通り，工具チップすくい面側

送りf (mm/rev)

0.1,

0.2

切込み量ap (mm)

0.5,

1.0

ｸｰﾗﾝﾄ圧力 (MPa)0.1(標準）
3～15(高圧)から加工点に向けて供給される。

* 研究開発センター

被削材－ 35 －



析出硬化系ステンレス鋼SUS630（直径60mm×長さ120mm，42HRC）表 㻟 切屑排出性の評価結果           
標準ｸｰﾗﾝﾄ03D

高圧ｸｰﾗﾝﾄ
03DDS PPDS PPIPPUHY










不良
$

不良
%

良

良



不良
$

良

良

良

評価：不良 $
連続的な切屑による絡みつき

図  試験方法                   
評価：不良 % 㻌

分断切屑の穴内部残留と嚙み込み㻌

 試験結果 切屑排出性の比較
標準クーラントと高圧クーラント（15MPa）
供給での切屑排出性を比較するために，送り fと切込み量 ap を変えた加工条件において，中ぐ
り加工を 1 段行い，加工後の状態を観察評価し評価：良㻌
切屑の分断と排出㻌た結果を表 3 と図 2 に示す。標準クーラント供給における ap=0.5mm の条件では，連続的な切屑がバイトに絡み，f=0.1mm/rev-ap=1.0mm の条
件では，切屑はほぼ分断しているが穴内部に残ったものが嚙み込みを生じている状態であった。

図  切屑排出の状態            

一方，15MPa の高圧クーラント供給では，いずれの加工条件においても良好で，切屑が分断し 工具寿命と加工表面粗さの比較

外部に排出されていた。

前述の切屑排出性の評価において，標準クー使用した工具チップに付随するブレーカによ

ラントでも良好な結果であった加工条件

る切屑分断の効果もあるが，高圧クーラントを（f=0.2mm/rev-ap=1.0mm）について，工具寿命供給することにより，良好に切屑が分断し外部試験を行い，工具寿命に対する高圧クーラントに排出される加工条件の範囲が広がることが，供給の効果があるか確認した。寿命試験は加工

この結果からいえる。

の進行に伴う工具チップの逃げ面摩耗幅を測定－ 36 －

することにより行った。切削距離と最大逃げ面
摩耗幅の測定値をプロットしたグラフを図 3 に，
1 段加工後（切削距離 15.6m）の工具チップの外観写真を図 4 に示す。標準クーラントに対して表面粗さ 5D µP 

15MPa の高圧クーラントを供給することで，工具チップ逃げ面の摩耗幅は小さくなる傾向を示
し，最大逃げ面摩耗幅 0.2mm を工具寿命判定基
準とすると，工具寿命までの切削距離は標準クーラントの 15m に対し，15MPa の高圧クーラン
ト供給では 90m となり，約 6 倍も延伸することがわかる。チップの摩耗形態に大きな違いはないが，高圧クーラント供給により，刃先の冷却や潤滑が効果的に行われたものと推測する。

切削距離 (m)㻌

図 㻡 加工面の表面粗さ            
最大逃げ面摩耗幅 PP 

ここで，工具寿命試験に伴う加工面の表面粗さ測定値をプロットしたグラフを図 5 に示す。
標準クーラントと 15MPa の高圧クーラント供給の場合について，それぞれ加工穴の入口から10mm と 40mm（穴底近傍）の位置における加工
面の表面粗さ測定を行った。クーラント間の比
較では，15MPa の高圧クーラント供給の方が良
好な粗さであるが，ともに切屑が良好に排出さ
切削距離 (m)㻌

れる条件であることから，顕著な差はない。ま図  工具寿命の比較        た，工具チップ逃げ面摩耗の進行との相関はな          
く，工具寿命に至るまで表面粗さの値は安定している。
 高圧クーラント圧力と工具寿命
前節において，高圧クーラント供給による工具寿命の延伸効果について示したが，さらに工具寿命に対して高圧クーラントの圧力が影響するか確認した。f=0.1mm/rev-ap=1.0mm の加工条件について，高圧クーラントの圧力を変えて工具寿命試験を行った。試験の結果を図 6 に示す。
高圧クーラント圧力 3～9MPa の範囲においては，
圧力が高いほど工具の逃げ面摩耗幅は小さく，工具寿命は良好となる。しかし圧力が最大の
図 㻠 工具チップの外観㻔切削距離 㻝㻡㻚㻢㼙㻕    15MPa  となると工具逃げ面摩耗幅が大きくなり，           － 37 －

工具寿命が悪化した。高圧クーラントの供給にじることも考えられるため，工具チップ逃げ面に小型加速度センサーを取り付け，高圧クーラ
ントを供給した時に発生する振動を測定した。
測定結果を図 7 に示す。高圧クーラント圧力
3MPa 時の測定加速度振幅を基準とした各圧力

振動加速度振幅比

より，工具中ぐりバイトに過度の振動変位が生時の加速度振幅比をグラフにプロットした。高圧クーラント圧力の増加に伴い加速度振幅比も増加し，圧力 15MPa においては，3MPa 時に対高圧クーラント圧力 (MPa) 㻌

して約 25 倍の加速度振幅が生じている。中ぐり
バイトの剛性との兼ね合いとなるが，過大な圧図 㻣 クーラント圧力と工具振動          

力のクーラント供給により生じる振動が工具寿
命を低下させる要因となることも考えられる。

 結  言（1）析出硬化系ステンレス鋼 SUS630 の中ぐ
り加工について，高圧クーラントを援用することで，切屑分断と排出が良好

最大逃げ面摩耗幅 PP となる加工条件の範囲が広がることを明らかにした。
（2）切削速度 V=150m/min において，高圧クーラントを援用することで工具寿命が大幅に延伸し，加工の高能率化が可能となることをを明らかにした。
（3）高圧クーラントの圧力が高いほど工具寿命が延伸する傾向にあるが，工具バイトに生じる振動が大きくなり，最適なクーラント圧力が存在することを示した。

切削距離 (m)㻌

参考文献
1）例えば，切削工具カタログ，株式会社タ図 㻢 クーラント圧力と工具寿命                   
ンガロイ，（2013-2014），p.2-6－ 38 －

ノート

非接触三次元測定の形状測定精度評価に関する研究永井 智裕* 本田 崇*
A Study on Evaluation of Shape Measurement Accuracy of Non-contact 3D Measurement
NAGAI Tomohiro* and HONDA Takashi*

 緒  言 測定対象の説明

製品の三次元形状を正確に測定することは，異なる機器にて非接触の測定を行うにあたり，品質保証の観点からとても重要なファクターで測定対象の検討を行った。3D スキャナは LEDある。近年，接触式の三次元測定機に代表され光を測定対象物へ照射して，表面形状をカメラる特定の点間距離の寸法測定だけではなく，製でスキャンする。そのため，光を反射しない黒品表面の 3D 形状全体を非接触にて測定し，評色，透明な物体，光沢もしくは鏡面状の表面を価（品質保証）するニーズは増している。

もつ物体へマッピングできず，スキャンするこ

ここで，非接触式測定機には 3D スキャナやとができない。一方 X 線 CT 装置は，X 線の物

X 線 CT 装置のような測定原理の異なるものが質を透過する性質を利用して測定する機器であ多数存在するが，それらを取りまとめた規格とる。X 線は試料を透過する際に一部が吸収され，いうものは現時点で存在していない。例えば，

密度が大きく，また厚い物体ほど，透過する X

X 線 CT 装置については，VDI/VDE2630 といっ

線強度が低くなる。そのため，大きな密度の物

たドイツ規格に準拠した精度保証をうたってい体の場合，測定できる形状に制限がある。

るが，この規格はあくまでも 2 点間の距離につ本研究では，測定に適する測定対象として，いて評価した値である。また，3D スキャナに

X 線の透過性がよく，また表面の色調がマッピ

ついてはメーカー公称値の公開のみであり，参ングしやすいセラミック製のジグを検討した。

照規格や測定方法が不明確である。そこで本研作製した，平面間距離（以下，段差ジグ），穴

究では，非接触三次元測定の測定精度および機間距離（以下，穴ジグ），および球間距離（以器による差異について評価を行った。

下，球ジグ）の 3 つの測定用ジグを図 1 に示す。



D 段差ジグ         E 穴ジグ           
図  測定用ジグ

* 下越技術支援センター－ 39 －

F 球ジグ

段差ジグは，段差となる平面間の距離が向き・設定にて 5 回繰り返し実施した。

10mm となるよう作製した。穴ジグについては，
直径 20mm と 15mm の 2 つの穴について，穴間

3.2

X 線 CT 装置設定の距離が 22.5mm となるよう作成した。球ジグ

X 線 CT 装置では，線源より測定対象に X 線に つ い て は ， 直 径 が そ れ ぞ れ 19.05mmを照射し，ディテクタにて二次元の X 線透視画

（ 3/4in. ） ， 15.875mm （ 5/8in. ） ， 12.7mm

像を取得する。測定対象を 360 度回転させなが（1/2in.）の球を，配置する台座の穴間の距離

ら全周方向に対して像を連続して撮影し，そのが 30.3mm となるよう作製した。

データから三次元モデルを再構築することで，非破壊での内部観察や寸法測定が可能である。

3

非接触測定の設定測定にあたっては，観察対象を X 線源に近づ

3.1

3D スキャナ設定

けることで像を拡大でき，解像度の高い画像を

前述のとおり，3D スキャナではカメラで読取得できることから，測定用ジグはできるだけみ取ったマッピングの情報から，表面形状を測線源に近い配置とした。また，X 線の出力強度定する。したがって，1 回のスキャンで形状全等，条件による変化を考慮し，すべての測定ジ体を測定できず，全体の測定には様々な向きかグに対して同じ撮像条件にて測定した。測定回

ら複数回の測定を行い，その結果を合成する必数については，3D スキャナと同様，5 回繰り返要がある。ただし，重ね合わせの処理の際，合し測定を実施した。撮像条件を表 1 に示す。

成誤差が生じてしまうため，メーカーが公表す測定には Nikon Metrology .inc 製計測用 X 線る精度はワンショット（1 回のスキャン）でのCT システム MCT225 を用いた。図 3 に使用し精度となる。そこで本研究においてもメーカー

た X 線 CT 装置の外観を示す。本装置の測定精の測定に準じて，装置でうたわれる精度（60μm）

度は，9+L/50μm（L：測定長さ）である。

との比較はワンショットでの測定で行った。測定には 3D systems .inc 製 Geomagic Capture を用表1いた。図 2 に使用した 3D スキャナの外観を示す。
評価は，測定した点群データをもとに，それぞれ所定の形状となるよう最小二乗法にて近似して求めた。よって，なるべく多くの測定点から形状が作成できるよう，測定にあたっては，

X 線 CT 装置撮像条件

項目

設定値

項目

設定値

管電圧

220kV

フィルター

Cu 1.0mm

管電流

120μA

撮影枚数

1,800枚露光時間

1,000msec

フレーム数

1枚

もっとも解像度の高い設定とした。測定は同じ

図2

3D スキャナ外観図3－ 40 －

X 線 CT 装置外観

4

測定結果

4.1

4.3

三次元測定機による検証

形状の評価

距離の評価にあたり，穴ジグと球ジグについ作成した各種ジグによる非接触式三次元測定て，測定中心となる穴と球の形状評価を実施し機の精度評価を進めるにあたり，まず精度の高た。図 4 に形状の測定結果のまとめを示す。

い接触式の三次元測定機にてジグを計測し，評

3D スキャナについては，三次元測定機の測価を行った。測定は，10 回繰り返し実施した。

定結果との差は大きいものの，球の直径が小さ

測定には Carl Zeiss 製 UPMC 550 CARAT を用いい場合を除けば，うたわれた精度内であった。

た。本装置の測定精度は U3=0.8+L/600μm（L：これは，ワンショットで取得できる測定点数に測定長さ）である。

対して測定対象のサイズが小さい場合，最小二測定結果を表 2 に示す。結果より，標準偏差乗法で近似できる十分なデータ量が得られなが小さく，再現性の高いデータが取得できていかったためと考えられる。よって，球形状につることがわかる。よって，本データから得られ

いては，直径が 3/4in.以上でなければ，装置でた平均値を真値と仮定して，測定評価用の基準

うたわれている測定精度内の結果が得られない値とした。

ことがわかった。
X 線 CT 装置については，どの形状測定にお4.2

非接触測定結果

いても，三次元測定機との測定結果との差異はそれぞれの機器による測定結果を表 3，4 に

小さく，ばらつきも非常に小さいことが確認でそれぞれ示す。次節以降，この結果をもとに三きた。また，これらの値は，装置でうたわれて次元測定機の平均値との比較を行い，平均値のいる測定精度内であった。

差異および最大値と最小値で整理した。

表2

三次元測定機による測定結果

穴ジグ

段差ジグ

球ジグ

計測項目

段差
10mm

穴直径
20mm

穴直径
15mm

穴間距離
22.5mm

球直径
3/4in.

球直径5/8in.

球直径
1/2in.

球間距離 球間距離 球間距離
3/4⇔5/8
5/8⇔1/2
1/2⇔3/4

平均値(mm)10.00219.99914.99822.50019.05215.87812.70730.34430.26730.580

標準偏差(mm)

0.00006

0.00005

0.00006

0.000150.00009

0.000120.000100.00009

0.000110.00007

表3

3D スキャナによる測定結果

穴ジグ

段差ジグ

球ジグ

計測項目

段差
10mm

穴直径
20mm

穴直径
15mm

穴間距離
22.5mm

球直径
3/4in.

球直径5/8in.

球直径
1/2in.

球間距離 球間距離 球間距離
3/4⇔5/8
5/8⇔1/2
1/2⇔3/4

平均値(mm)10.00819.98315.01122.49619.07215.87812.70630.35130.26430.554

標準偏差(mm)0.00127

0.00250

0.006480.001430.01386

0.05627

0.046360.020200.002850.00908

表4

X 線 CT 装置による測定結果

穴ジグ

段差ジグ

球ジグ

計測項目

段差
10mm

穴直径
20mm

穴直径
15mm

穴間距離
22.5mm

球直径
3/4in.

球直径5/8in.

球直径
1/2in.

球間距離 球間距離 球間距離
3/4⇔5/8
5/8⇔1/2
1/2⇔3/4

平均値(mm)10.00620.00114.99922.50219.05115.87612.70530.34630.27030.583

標準偏差(mm)

0.000300.000410.000220.000290.000270.000210.000170.000380.000450.00027－ 41 －

 距離の評価 考察

形状測定の結果から算出された 2 点間距離の

3D スキャナについては，形状・距離はうた

測定結果について，図 5 に示す。

われた精度内であることがわかった。ただし，

3D スキャナについては，段差と穴間距離に球形状についてはある程度対象となる形状が大おいて，三次元測定機の測定結果との差異が小きい必要があり，本研究では 3/4in.以上の場合，

さく，ばらつきも小さかった。これらの値は，精度内の結果となった。よって，対象の制限は装置でうたわれている測定精度より非常によいあるものの，利点として，ワンショットによる結果であった。ただし，形状の評価が十分でき測定であることから，短時間で簡易的な評価がていない球間の距離については，測定対象によできることが挙げられる。評価の際には，本研

るばらつきが大きく，また三次元測定機の平均究で実施したように，5 回程度繰り返し測定を値と差異が小さい対象でも，ばらつきの大きな行い，ばらつきを確認することで，測定結果が結果もあった。

妥当であるか判断できると考えられる。

形状の評価と同様，X 線 CT 装置はすべてのX 線 CT 装置については，うたわれている 2

条件における距離の測定において，三次元測定

点間距離の精度にかぎらず，表面形状について機の測定結果との差異が小さく，ばらつきも小もその精度内で測定できていることが確認でき

さいことが確認できた。これらの値は，装置でた。よって，2 点間距離の測定だけでなく，形

うたわれている測定精度内の値であった。

状の評価についても活用できることがわかった。
 結  言（1）非接触三次元測定の測定精度評価のため，セラミック製の測定用ジグを作製し，三次元測定機，3D スキャナ，X 線 CT 装置
による測定を行い，三次元測定機での測定結果に対して，それぞれの測定差異を確認した。
（2）3D スキャナについては，測定対象の制限はあるが，装置がうたう精度内にて， 1ショットで簡便に測定ができることが確

図  測定結果（形状測定）

認できた。特に，球形状については，直径 3/4in.以上の大きさが必要という結果となった。
（3）X 線 CT 装置については，装置が保証する
2 点間距離の測定精度だけではなく，表面形状測定についても高い精度で測定できることが確認できた。
（4）3D スキャナ，X 線 CT 装置，どちらの装置も得意・不得意があるため，用途に応じての使い分けが必要である。


図  測定結果（ 点間距離）

－ 42 －

ノート

アルミナ粉を分散させたエラストマーの機械的特性
石井 治彦* 本田 崇* 大川原 真* 永井 智裕*
Study of the mechanical properties of elastomer with alumina powder
ISHII Haruhiko*，HONDA Takashi*, OKAWARA Makoto* and NAGAI Tomohiro*

 緒  言

①シリコーンゴムの主剤とアルミナ粒子を指定の柔軟性や粘弾性特性を持つエラストマー材料は，自動車を始めとする工業分野や医療分野などに幅広く用いられている

1-3)。そして，企業，大学や公割合で手混和する。
②ミキサーの自転公転モードで 20 分間撹拌する。
③硬化剤を指定の割合で追加し，さらに 10 分間撹

設試など多くの機関で，材料改質を目的に，エラストマーに粒子状もしくは針状のフィラーを分散拌する。
④脱泡のため公転モードで 10 分間撹拌する。

2-4)

。一例

作製した分散液を，80℃の恒温槽で一晩静置しとして，緩衝材として用いる場合，エラストマーて加熱硬化させ，35mm×250mm×4mm の板状のは圧縮の荷重を受けるため，圧縮強度や応力緩和，サンプルを作製した。この板状サンプルから円形

クリープ特性などが評価項目となる。このような抜型を用いて，直径 3.5mm，厚さ 4mm の試験片特性の評価にあたって，一般的な応力緩和の測定を作製した。

させる多くの取り組みが進められている

5)

方法が日本工業規格（JIS） に規定されている。
一方，フィラーの有無や試験片の形状等により，

 試験方法

規格に則さない試験片も多く，試験方法や条件を 試験機は（株）島津製作所製万能材料試験機

都度調整する必要がある。そこで本研究では，フAG-250kN を用い，ロードセルは 1kN の容量としィラーを分散させたエラストマーサンプルの圧縮た。試験機付属の圧縮円盤を上下に取り付け，試

特性評価方法の検討を目的に調査を行った。

験機のクロスヘッドの稼働により試験片に圧縮変位を加えた。試験の模式図を図 1 に示す。試験は，
予荷重 0.2N を負荷した状態から，変位を 1mm 与

 供試材料
本研究の供試材として，分散媒であるエラスト

えた後に，30 秒停止させた。クロスヘッド変位速マーには信越化学工業（株）製 2 液硬化型シリコ度（以降，試験速度）は，1mm/min，10mm/min，ーンゴム（KE-106，密度 1.02g/cm ）を，フィラー

100mm/min とした。

3には昭和電工（株）製のアルミナ粒子（AL-160SG-3，
中心径 0.52µm，真密度 3.92g/cm3）を用いた。ア

クロスヘッドルミナ粒子の分散割合については 5.6，19.1，

ロードセル

31.4vol%に加えシリコーンゴムのみの計 4 種のサンプルを作製した。アルミナ粒子の分散手順を以下に示す。なお撹拌には，（株）シンキー製自転公

圧縮円盤

h0

転ミキサーAR-100 を用いた。
圧縮円盤* 下越技術支援センター

試験片

d0

図  試験の模式図

－ 43 －

x

4. 試験結果

緩和過程における時間と公称応力の推移の一例

試験結果の一例を図 2 に示す。クロスヘッド位を図 5 に示す。応力緩和の度合いを評価するため，

置を固定後，時間の経過により応力が減少するこ

応力が急激に減少する領域（0.5～1 秒）と，緩やとがわかる。クロスヘッドが変位している過程を

かな減少を示す領域（28～29 秒）をそれぞれ一次

圧縮過程，クロスヘッド位置を固定した後荷重が近似し，2 直線の交点を見かけ上の緩和時間 T，低下する過程を緩和過程と呼称する。

緩和応力 σT とした。緩和時間が小さいほど短時間

圧縮過程における変位および荷重から算出したで急激な緩和であること，また緩和応力と最大応

公称ひずみ εt と公称応力 σt の一例を図 3 に示す。

力との差が大きいほど応力緩和が大きいことをそ

図 3 から，ひずみの小さい範囲で応力が比較的れぞれ示している。

直線的に増加することがわかった。よって，圧縮

まず，試験速度が緩和時間に与える影響につい過程の変形抵抗および速度依存性を把握するため，て確認した（図 6）。アルミナ粒子の分散割合によ

本研究では 0.1≦ε≦0.2 の範囲の応力勾配からヤり，試験速度が緩和時間に与える影響は大きく変ング率 E を求め，評価を行った。

化しており，分散割合が小さいほど速度依存性はヤング率をアルミナ粒子の分散割合で整理した大きいことがわかった。

結果を図 4 に示す。分散割合の増加により，ヤング率の上昇，すなわち材料の剛性が大きくなる傾向がわかる。一方で，試験速度による影響は小さ35いことから，本研究で用いた圧縮条件では，今回そこで，図 2 で示された応力緩和過程における応力値の変化とその緩和時間に着目して，材料の速ヤング率 [MPa]

用いた材料の速度依存性を把握することは難しい。

1mm/minクロスヘッド変位速度301mm/min
10mm/min25

10mm/min
100mm/min

20100mm/min

15
10
5
0

度依存性の把握を試みた。

0

5

10

15

20

25

30

35

アルミナの体積分率 [vol%]圧縮過程

図 4 ヤング率

緩和過程

100
クロスヘッド変位

1.0

40

0.4

20

0.2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1.30
1.25
1.20

0

1.15

時間 [s]

5

10

15

20

25

30

図 5 緩和過程

1.6

10
アルミナの分散割合

1.4

0%
0%

8

1.2
緩和時間 [s]公称応力 [MPa](T, σT)0

時間 [s]

図 2 試験結果の一例

1.0
0.8
0.6
0.4

⊿σ

⊿ε

0.05

0.10

0.15

0.20

19.1%
19.1%

31.4%
31.4%

6
4

0

0.00

5.6%
5.6%

2

0.2
0.0

σmax

1.35

公称応力 [MPa]

60

試験力

0.6

0.0

1.40

80

0.8

試験力 [N]

クロスヘッド変位 [mm]

1.2

0.25

0.1

1

10

100

クロスヘッド変位速度 [mm/min]

0.30

ひずみ

図 6 緩和時間

図 3 圧縮過程－ 44 －

1000

次に，試験速度が応力緩和に与える影響について確認した。ここで，応力の低下を量ではなく割

剛性は高まるものの，急激に応力緩和することがわかった。

合にて評価できるよう，
緩和応力 σT，最大応力 σmax

以上の結果をもとに，フィラーであるアルミナを用いて式(1)のように応力緩和率を算出して評粒子の有無や配合量に依らず，エラストマーの応価した。

力緩和の傾向を表せる構成式の検討を行った。検討した構成式を式(2)に示す。ここでの A は，任意・・・(1)

定数である。

試験速度と応力緩和率の関係を図 7 に示す。こ・・・(2)の結果から，応力緩和率も試験速度の影響を受けることがわかる。また，アルミナ粒子の分散割合

図 8 の破線で表した式(2)の構成式には，一部曲が増加することにより，応力緩和率は上昇するこ線上にプロットされない値も見られるものの，全とがわかる。

体的に実測値の傾向を示していることがわかる。

これらの結果から，緩和時間および応力緩和率

このことから，検討した式(2)によって，サンプル

ともに試験速度の影響が大きいことが確認できた。

の緩和時間と応力緩和の関係を概ね表現できていそこで，緩和時間と応力緩和率の双方から速度依るとともに，これらの間に指数関数的な関係があ

存性を評価するため，緩和時間と応力緩和率の関ることが推察できた。

係から考察を行った。

本研究で得られた知見に加え，他の測定方法に緩和時間と応力緩和率の関係を図 8 に示す。アよる結果との比較など，さらに詳細な検討を進め

ルミナ粒子が分散されていない試験片は，試験速ることで，フィラーが分散されたエラストマーの度により，緩和時間が大きく変化するのに対して，機械的特性についての詳細な評価につながるもの

応力緩和率の変化は小さい。一方，アルミナ粒子と考えられる。

の分散割合を増加させるにつれて，緩和時間の変化は小さくなり，応力緩和率の変化は大きくなる

5. 結

言

本研究では，フィラーを分散させたエラストマにアルミナ粒子を分散させることにより，材料のーサンプル圧縮特性評価方法の検討を目的に，シ

応力緩和率 [%]

傾向が見られる。このことから，シリコーンゴム

25%

リコーンゴム中のアルミナ粒子の分散割合と圧縮20%

速度を変化させた試験を行い，以下の結果が得ら

15%

れた。

10%

（1）圧縮試験により，ヤング率がアルミナ粒子のアルミナの分散割合

0%

5.6%

19.1%
19.1%

31.4%
31.4%

0%

5%

5.6%

分散割合により変化することを確認できた。

0%
0.1

1

10

100

1000

（2）応力緩和の測定により，応力緩和割合と緩和

クロスヘッド変位速度 [mm/min]

時間の関係を把握した。

図 7 試験速度と応力緩和率の関係
25%

クロスヘッド変位速度 [mm / min]1

応力緩和率 [%]

20%

10

参考文献

100

0
アルミナの
分散割合
[%]

15%

1）福森健三，“自動車用エラストマー部品”，日本

5.6
19.1

ゴム協会誌，68(6)，1995，pp357-367．

31.4

10%

2）西脇剛史ほか，“スポーツシューズの要求機能

5%( A=0.37， R2=0.49 )と使用素材”，繊維学会誌，65(5)，2009，

0%
0

2

4

6

緩和時間 [s]図 8 緩和時間と応力緩和率

pp150-153．

83）藤本邦彦ほか，”粒子複合加硫物の粒子分散構
造と弾性及び破壊特性に関する研究”，日本ゴ－ 45 －

5）日本工業規格，“JIS K6263 加硫ゴム及び熱可塑ム協会誌，61(4)，1988，pp284-294

4）日笠茂樹ほか，“PP/エラストマー/フィラー複合性ゴム－応力緩和の求め方”，日本規格協会，
2017，pp1233-1248．

材料の力学特性に関するエラストマーおよびフィラーの影響”，高分子論文集，67（11），2010，

6）村上謙吉，“レオロジー基礎論”，産業図書，
1991，pp75-80．

pp615-625．

－ 46 －

ノート

各種鋼材の EBSD による金属組織観察斎藤雄治*

Observation of the Metal structures of Steels using Electron Back Scattered Diffraction Pattern
SAITO Yuji*

1. 緒

言

表 1 熱処理条件

破損した金属製品の原因などを調べる際，顕

試験片

焼入れ

焼戻し

820℃，900℃の微鏡を使って金属組織観察を行うことがある。
SUJ2

金属組織観察においては，金属組織の種類や大各温度に 10 分

180℃で 1 時

きさ，介在物の種類や分布などを識別すること

保持後に油冷で，鋳造，鍛造，熱処理の熱履歴や素材の良否

830℃，920℃のSKS3などの判断が可能となる。

各温度に 20 分

間保持後に空冷

保持後に油冷ここで，介在物や組織の判別については，経験，類推，資料との比較等により行っている場

表 2 残留オーステナイトの定量条件

合が多いと思われる。

測定する相昨年，工業技術総合研究所にEBSD（電子線
後方散乱回折：Electron Back Scattered Diffraction Pattern）を備えた走査電子顕微鏡が導入さ

α相

γ相

管球

Cr

Kβ フィルタV

管電圧，kVれた。これを使うことにより，従来では困難で

30

管電流，mA10あった高倍率における金属組織や介在物の解析

コリメータ，mm

2×2が可能となる。

回折面

本研究では，焼入れ後に低温焼戻しした鋼材

ψ 角，deg

SUJ2とSKS3について，マルテンサイト，セメ

2θ 角，deg

ンタイト，残留オーステナイトの金属顕微鏡に

ステップ角，deg

よる観察を行った。さらに，走査電子顕微鏡にプリセットタイム， s

よる観察およびEBSD解析を行った。

(211)

(220)
0

142~170

125~133

0.05
60 または
120

240

ステナイトの定量を行った。次に，その断面を

2. 実験条件
軸受鋼 SUJ2（直径 26mm，厚さ 5mm）および鏡面研磨および腐食して金属顕微鏡（オリンパ

工具鋼 SKS3（19×19×20mm）を試験片とした。

ス光学工業(株)製 金属顕微鏡 BX-60M-53MB）

これらの試験片について表 1 に示す焼入れ，焼による金属組織観察を行った。その後，再び鏡戻しの熱処理を行った。

面研磨（仕上げは 0.05μm コロイダルシリカ）お

熱処理後，試験片の断面について X 線応力測

よび軽度の腐食を行い，走査電子顕微鏡（(株)定装置（(株)リガク製 X 線応力測定装置 PSPC-

日本電子製 ショットキー電界放出形走査電子顕MSF-3M）を用いて表 2 に示す条件で残留オー

微鏡 JSM-7800F Prime）による金属組織の観察
および EBSD 解析を行った。EBSD 解析は表 3* 中越技術支援センターの金属組織および炭化物について行った。観察－ 47 －

表  (%6' 解析を行った金属組織・炭化物
金属組織・炭化物

図 3，4 の記号

マルテンサイトFe

セメンタイトFc3C

残留オーステナイト

Fe-FCC

表  残留オーステナイトの定量結果
試験片

SUJ2





表  金属組織の観察に用いた腐食液
試験片

観察の種類

SKS3

腐食液
硝酸－アルコール

金属顕微鏡
SUJ2

，℃

残留オーステナイトの定量値とその 95％
信頼限界，質量%8206.3±1.2900

22.1±1.1830

8.3±0.8920

19.8±0.7溶液（硝酸 5ml，900℃で焼入れした金属組織である。焼入温度がエチルアルコール

高くなると，炭化物が少なくなり，素地組織

100ml）(株)山本科学工具（焼戻しマルテンサイト）が粗くなることが分

研究社製 AGS

かる。また，（a），（b）ともに旧オーステナ

金属顕微鏡

硝酸－アルコール

イト結晶粒界付近が白っぽく見えていることが

電子顕微鏡

溶液

分かる。

電子顕微鏡
SKS3

焼入温度

図 2 は SKS3 の結果で，（a）は 830℃，（b）
観察に用いた腐食液を表 4 に示す。

は 920℃で焼入れした金属組織 である。図 1（b）と図 2（b）を比較すると，焼入温度が 実験結果

20℃しか違わないにも関わらず，SKS3 は SUJ2

表 5 に，残留オーステナイトの定量結果を示に比べて素地組織の粗さや残留オーステナイト

す。表には前報で提案した方法で求めた残留オの見え方が顕著になっている。しかし，表 5 にーステナイトの定量値の 95％信頼限界を示した。

示したとおり，これらの試験片の残留オーステ

いずれの試験片も焼入温度が高くなると残留オ

ナイトの定量値は SUJ2 が SKS3 に比べてやや多ーステナイトが多くなることが分かる。

くなっている。このことから，SUJ2 は SKS3 に

図 1 と図 2 に金属顕微鏡による金属組織観察

比べて残留オーステナイトが現出しにくいと考の結果を示した。

えられる。

図 1 は SUJ2 の結果で，(a)は 820℃，(b)は









（D）焼入温度 ℃              （E）焼入温度 ℃
図  熱処理後の 68- 試験片の金属組織

－ 48 －












（D）焼入温度 ℃              （E）焼入温度 ℃
図  熱処理後の 6.6 試験片の金属組織













（D）走査電子顕微鏡                 （E）(%6'図  熱処理後の 68- 試験片の走査電子顕微鏡による金属組織の観察および (%6' 解析の結果（焼入れ ℃）












（D）走査電子顕微鏡                 （E）(%6'図  熱処理後の 6.6 試験片の走査電子顕微鏡による金属組織の観察および (%6' 解析の結果（焼入れ ℃）
－ 49 －

図 3 と図 4 に走査電子顕微鏡による金属組織

図 4 は焼入温度 920℃の SKS3 の結果である。

観察の結果と EBSD による金属組織の解析結果

図 3（b）と同様に微細なセメンタイトが見られを示す。各図において，（a）は走査電子顕微鏡ることが図 4（b）から分かる。

で観察した金属組織，（b）は（a）の箇所を



EBSD で解析した結果である。ここでは，SUJ2

 結  言と SKS3 のいずれも焼入温度が高い方の結果のみを示している。

EBSD を用いることにより，マルテンサイト，
セメンタイト，残留オーステナイトの金属組織

図 3 は焼入温度 900℃の SUJ2 の結果である。

を識別することができた。また，金属顕微鏡で図の（a）と（b）を見比べると，（a）で粒状には識別できない細かい炭化物を観察することが見える部位はセメンタイトであることや，残留できた。

オーステナイトがマルテンサイトの間に多く見

られることが（b）から分かる。さらに，図 2

参考文献（b）の金属組織写真や図 3（a）の電子顕微鏡

1）斎藤雄治，“X 線回折による残留オーステナ

画像では認められない微細なセメンタイトがイト定量値のばらつきに関する研究”，工業（b）では見ることができる。

技術総合研究報告書，47，2018，pp.29-35．

－ 50 －

ノート

ディープラーニングを用いた画像認識福嶋 祐一* 石澤 賢太* 大野 宏 *Image recognition using deep learning
FUKUSHIMA Yuichi* ，ISHIZAWA Kenta * and OHNO Hiroshi*

研究成果が報告され始めた。

 緒  言
近年，人工知能の一分野であるディープラー

この頃から徐々に，研究用に開発されたディニングが注目を集めており，産業利用が盛んに

ープラーニングのツールが無償で公開されるよなっている。特に，画像認識分野では従来技術うになった。それまでは，研究者が一からプロよりも高い認識精度を得られることもあり，実グラムをする必要があったが，これらのツール用化が進んでいる。県内企業からのニーズも高を誰でも使えるようになり，研究開発に取り組

く，注目されている技術分野である。

みやすくなった。代表的なツールを表1に示す。

 自社製品や装置にディープラーニングを組み今回はC++で開発され処理速度が速く，高精度

込む場合，無償で公開されているツールを利用の認識を期待できるCaffeとYOLOを使用した。

することで，その導入費用を抑えることができる。しかし，最近，多くのツールが公開され，

 &DIIH

どのツールを使用すべきかを判断しにくいのが Caffe3)は，カルフォルニア大学バークレー校

現状である。

で開発されたツールである。画像認識分野でデ本研究では，タイヤに記載されているメーカィープラーニングが注目され始めた頃から広く名とタイヤサイズの認識を題材とし，無償で公使われているが，近年は後発のツールに押され開されているツールである Caffe と YOLO を用

利用者は減っている。

いて認識を試みた。また，認識率を上げるため特徴としては，学習とテストが簡単で，高速ディープラーニングの学習用データを工夫した。

かつ高い精度で画像認識が可能なことである。

 ディープラーニングのツール

表 ディープラーニングツール（無償）

 ディープラーニングとツールの概要

ツール名

言語

開発元

Caffe

C++
Pythonカルフォルニア大学

しており，1943年にMcCullochとPittsが単一の神

Chainer

PythonPreferred Networks

経細胞の動作を計算機上でモデル化したところ

TensorFlow

Python(C++)

GoogleKeras

Python(C++)

GooglePytorchPythonFacebook

YOLO

C++

J. Radmon氏

Neural Network
Console―SONY ディープラーニングの基となるニューラルネ
ットワークは，生物の脳神経網を模した構造をから始まった。 1)1998年には，誤差逆伝搬法による学習を取り入れた畳み込みニューラルネッ
トワーク（CNN：Convolutional Neural Network）がLeCunらによって提案された。2)その後もアルゴリズムが改良され，2011年頃から有用な*  中越技術支援センター－ 51 －

また，インターネット上に多数の参考事例が公開されており情報を得やすい。ただし，CaffeではCNNで画像を認識するため，1枚の画像で認識できる対象は1つだけである。そのため，画像中に複数の対象物がある場合，画像処理を行い複数の対象物をそれぞれ1枚の画像に切り分ける
前処理が必要になる。









図学習に必要なテキストファイル例 <2/2

YOLO（You Only Look Once）4)は，一般物体検出と呼ばれる手法で，物体の認識と同時にその物体が位置している領域も同時に検出することが可能である。さらに，Caffeとは異なり，1 枚の画像に複数の対象物が存在しても，その領域と対象物の認識が可能である。YOLOは，一般
物体検出の手法の中でも高速な処理が可能であり，開発者が改良を加え認識精度も高くなっている。
一般物体検出では，物体が位置している領域

図試作した装置の外観を検出するために，認識対象物の学習用画像に

加えて，画像の中でその対象物がどこに位置しているかという領域の情報も必要になる。図1に学習時に必要なクラス名と領域を記載したテ
キストファイル例を示す。左からクラス番号，
対象の中心位置の座標，対象の領域の大きさを示す。座標，大きさとも画像サイズを1とした時の値を示す。
図 タイヤの凹凸の画像化

 画像の取得
 タイヤの文字はタイヤ表面の凹凸で表されているため，3次元センサ（ラインレーザとカメラ）で表面形状を取得し画像化した。試作した装置の外観を図2に示す。ターンテーブル上に模型のタイヤを載せ，ラインレーザをタイヤに当て斜めに設置したカメラで画像を取得する。タイヤを回転させながら連続して画像を取り込み，その稜線を明るさに変換して画像化したものを図3に示す。タイヤの表面は曲面になっているた

め地の色が場所により変わる。この影響を除去
する動的2値化を利用してして得た2値画像のう－ 52 －

 図値画像（タイヤサイズ）

に示す。学習用にはchars74kの中でタイヤデー
タに近いものを100個選び，若干サイズを拡大
縮小し，タイヤの文字は前後に傾いているので，傾けた画像を作成し，画像を水増しさせた。
作成した画像のうち，半分を学習用に，残りの半分をテスト用の画像として使用した。メーカ
図値画像（メーカ名）

名とタイヤサイズでは文字の形状が異なるため，学習とテスト用のネットワークモデルを別々に作成した。
 ディープラーニングの学習・テスト用の画像
データは，カメラで実際の画像を撮像して使う方法が一般的であるが，この作業は大変で時間がかかる。今回は，chars74kというデータセッ（D）FKDUVN の文字トを利用し，これらをタイヤ文字に近い形状にプログラムで変形させて使用し，省力化をはかった。
 &DIIH

（E）縁を凸状にした文字

Caffeで認識するためには，学習とテスト用の図 学習とテストに使用したデータ例

画像ファイル，学習とテストそれぞれの画像フ
ァイル名とクラス名を記載したファイル，CNN

ち，タイヤサイズを図4に，メーカ名を図5に示のネットワーク構造を記載したファイル，学習す。この画像をディープラーニングを使って認回数や学習率などを記載したファイルを用意す識する。なお，本装置はカメラのレンズの倍率る。タイヤサイズ用の画像には0～9の数字の他を変えることで，タイヤの微小の凹凸も測定可に，「/」，「R」，「Z」の13種類の画像を用能である。

意した。また，メーカ名の学習用画像には，26個のアルファベットの大文字を使用した。

 学習と認識

ネットワークは，手書き文字認識用のLenetデータの準備

を改良して使用した。これは，畳み込み層，プ タイヤサイズとメーカ名を認識するために，ーリング層，全結合層が各2層ずつと比較的小規

chars74k5)というデータセットを利用した。これ

模にもかかわらず高い認識率が得られるネット

は，0～9，A～Z，a～zの62クラスからなるデーワークで，入力画像サイズは28×28と小さい。

タセットで，1つの画像に1つの文字が書かれてここでは128×128の画像を入力しているため，

おり，様々なフォントと手書き文字が用意され畳み込み層のサイズを大きくした。学習用画像ている。メーカ名の文字は，図5に示すとおり，に各クラス1000枚，テスト用画像に各クラス1000

文字の縁が凸状になっているためchars74kの文枚を用意した。これらの画像を使って学習を行

字と異なる。そのため，画像処理ライブラリ

い，定期的にテスト用画像で認識率を計算し，OpenCVを使い，chars74kの文字を変形させて，95％を目途に学習を繰り返した。

縁が凸状になる文字を作成した。chars74kの文

この学習済みのモデルを使い，認識した結果

字を使い学習とテストに使用したデータ例を図6を図7に示す。模型タイヤの画像を取得し，2値－ 53 －

図  &DIIH によるタイヤサイズの認識結果
 結  言（1）ラインレーザとカメラを使いタイヤ文字を画像化するセンサを試作した。
（2）ディープラーニングツールCaffeとYOLOを使い，タイヤサイズとメーカ名を認識

図<2/2によるメーカ名の認識させた。Caffeでは良い結果が得られた。

化とラベリングを行い1文字ずつ切り出してCaffe（3）既存のデータセットを元に画像処理ライで認識させた。文字の上の四角形に認識結果をブラリを使って実際のタイヤ文字に近い表示したが，正しい結果が得られた。

データを作成し，学習と認識を行った。


参考文献

 <2/2
学習とテスト用にはCaffeと同じ画像を利用し

1）W. S. McCulloch and W. Pitts, “A logical calculus

た。画像サイズは416×416とし，1枚の画像に9of the ideas immanent in nervous activity”, Bul-

個の文字を入れ，これに合わせて先の図1に示す

letin of Mathematical Biophysics, Vol.5, No.4,

ようなテキストファイルを作成した。Caffeと同1943, pp.115-133

様に，学習用画像に各クラス1000枚，テスト用

2）Y. LeCun, et.al, “Gradient-based Learning Ap-

画像に各クラス1000枚を用意した。これらの画

plied to Document Recongnition”, Proceedings of

像を使って学習を行い，テスト用画像の認識率

the IEEE”, Vol.86, No.11, 1998, pp.2278-2324
3）Y. Jia, et.al, “Caffe: Convolutional architectureが95％を超えるまで学習を繰り返した。
メーカ名を認識した結果を図8に示す。文字for fast feature embedding”, Proceedings of theと文字の間隔が狭いせいか，2つの文字を1つの22nd ACM international conference on Multi-

文字として認識してしまい，正しい認識が出来

media, 2014, pp.675-678なかった。ただ，文字のある領域は四角形で正4）J. Redmon, et.al, “You only look once: Unified,

しく切り出されていたので，YOLOで切り出し

real-time object detection”, The IEEE Confer-を行いCaffeで認識するという方法も有効と思わ

ence

れる。

Recongnition (CVPR), 2016, pp.779-788

onComputer

VisionandPattern

今回は模型のタイヤを対象にしたため，多数

5 ）T. E. de Campos, et.al, “Character recognition inのサンプルで検証を行うことができなかった。

netural images”, Proceedings of the Interna-

実際には，より多くのデータで高い認識率が得

tional Conference on Computer Vision Theory

られるか検証を行う必要がある。

and Applications (VISAPP), 2009

－ 54 －

ノート

工場の IoT 化に関する研究
松本

好勝*

近

正道*

浦井

和彦 *

Study on introduction of IoT in a factory
MATSUMOTO Yoshikatsu* ，CHIKA Masamichi * and URAI Kazuhiko *1. 緒言
産業分野向け IoT としては，かねてよりイン

2.

シーケンス制御の概要

2.1

リレー及びPLCの概要

ダストリー4.0，現在では IIoT（Industrial Internetof Things）の用語が使われ始めるなど，IoT に

リレーは継電器と呼ばれ，工場内の機器制御において広く用いられている。

対する生産現場からの期待は高い。

これを利用すると，電流により自動的にスイ

IoT の第一歩である「見える化」の段階におッチが切り替わる回路を作ることができ，これいては，センサ等で機械のセンシングを行う必らの組み合わせによって複雑な制御を行うこと

要があるが，生産現場においては AC200V 等のができる。

高電圧が使用されており，このような環境で使一方で，電源とリレー，制御対象を配線しな用される機器として，従来より主にリレーを用くてはならず，制御方法が変更された際には再いたシーケンス回路，さらにはマイクロプロセ

度配線し直す必要が出てくる。これをコンピュ

ッサを内蔵した PLC が使われてきた。

ータを用いることで制御部分の配線を不要にしこれらの制御系は DC24V 等の電圧を用いてたものがPLC(Programmable Logic Controller)で動作することで，生産現場においても高い信頼ある。制御動作が変更になってもプログラムを性を確保している。更に PLC は小型コンピュー変更すれば良く，配線の手間を省くことができタであることから，IIoT の環境に発展させるこる。そのため，現在は生産現場の制御においてとも可能である。

広く用いられている。

一方で，近年においては，小型コンピュータの選択肢として，Raspberry Pi のようなシングル
ボードコンピュータが登場している。これらは数千円の安価でプログラミングも比較的容易であることから，様々な分野で活用されてきている。
そこで本研究では安価な IoT のツールを本格的な生産現場において試験的に導入する可能性を探るため，Raspberry Pi を用いた FA 環境構築の可能性を探った。
*

上越技術支援センター

図1－ 55 －PLC とアナログ入出力ユニット

通常はDC24V等の入出力端子を備えているものであるが，オプションでDC5V等のアナログ入出力端子を追加することも可能である。図1
はPLC（左側）にアナログ入出力ユニット（右側）を追加したものである。
PLCのプログラミングには主にラダー図が用いられている。これはリレーを使用して電気的に回路を組む場合の回路図を簡略化させたもの
である。
2.2

図3

Raspberry Piの概要

光センサ検出部

Raspberry Piはシングルボードコンピュータの一種で近年その用途が拡大してきている。特徴

図2は今回の回路構成である。①はRaspberry Pi

はGPIOと呼ばれる入出力端子を備えており，

本体，②は入出力回路部分である。③がリレー

LinuxベースのOSであるRaspbianと開発環境を用でDC24Vで動作する。④は光センサの本体（アいたプログラミングが可能なことである。プロンプ）であり，DC24Vで動作する。出力はDC24V

グラミングにはPythonを使用することができ，の論理出力とDC1~5Vのアナログ出力を有して初心者でもプログラミングが容易である。

おり，DC24Vの論理出力は本体にあらかじめ設
定したしきい値を基準にして出力される。⑤は3

DC24V電源である。③～⑤は通常，図1のPLC

Raspberry Piの生産現場への活用検討

3.1

テスト環境の構成とアナログ入出力ユニットに接続して用いられ

Raspberry Pi のGPIOの入出力に用いられる電圧はDC3.3Vであるが，生産現場においては前述

ることが多いが，今回はそれらを①のRaspberry
Piと②の回路で置き換えている。

したようにそれよりも高いDC24V等の電圧で，

図3は光センサの検出部を拡大したものであリレーやPLCを用いた制御が行われている。

る。一方が投光部，もう一方は受光部であり，そこでRaspberry Piの手軽さを生かししつつ，両者の間に物体が入り込むと光量が変化するの生産現場における試験的導入の可能性を探るたを利用することで，非接触での変位測定に用い

め，Raspberry Pi のGPIOを通じ，DC24V動作のることができる。

FA向けセンサや機器を動作させるテストを行っ
3.2

た。

回路の構成

前述したように図1のPLCや図2の③～⑤は①

DC24Vで動作するのに対し，Raspberry PiのGPIO
はDC3.3Vであるため，そのまま接続することはできない。
実はPLC自体も元々は小型コンピュータであ③

るため，それ自体の動作電圧は低いが，入出力部分にDC24Vに対応させるための回路が入って②④ ⑤いる。Raspberry PiのGPIOで動作させるためには，それと同様の回路を②の回路上に置く必要
がある。

図2

回路構成

－ 56 －

る。これを実行すると，図3の光センサの検出部の中間を物体で遮って図2の④のセンサ本体側で設定したしきい値を下回った場合に③のリレーの接点を切り替える動作が実行される。

import RPi.GPIO as GPIO
from time import sleep
図4

入力回路
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(25, GPIO.OUT)
GPIO.setup(22, GPIO.IN)
try:while True:
if GPIO.input(22) == GPIO.HIGH:
GPIO.output(25, GPIO.HIGH)
else:
GPIO.output(25, GPIO.LOW)
sleep(0.01)
except KeyboardInterrupt:
pass

図5

出力回路
GPIO.cleanup()

図 4 は入力側の回路である。V+と VOUT は④の光センサの 24V 論理出力である。これをフォ
なお図 2 の④のセンサには DC1~5V のアナロ

トカプラを介して接続することで，異なる電圧間での ON/OFF 動作を行っている。

グ出力が備わっているが，それを利用する場合同様に出力回路を図 5 に示す。今回の出力には MCP3208 等の AD コンバータにその入力を繋は図 2 の③のリレーを配置して，接点の切り替

げば，今度はプログラム内部のしきい値によっ

え動作を行っている。これで Raspberry Pi の 3.3Vて，同様に③のリレーの接点を切り替える動作の GPIO から AC200V 等の外部回路の電源ををさせることが可能になる。これについても実ON/OFF させることが出来る。入出力いずれの際に回路を構成し，プログラム内部でしきい値

側も絶縁されているため，生産現場の高電圧のを設定し，動作することを確認した。
このように，Raspberry Pi を用いて，本格的な環境下でも安定した動作が可能になると考えら

FA 向けのセンサや機器を利用することができた。

れる。

実際の FA 環境における実績は PLC 等が大き3.3

プログラムと動作確認

く上回っているが，テスト的に導入するのであこのようにして組んだ回路を動作させるにはれば，コスト面やプログラミングの入りやすさ

例えば次のようにPythonでプログラムを記述す－ 57 －

の面から，このような方法も検討する価値があする価値があると考えられる。

ると考えられる。

（3）生産設備に設置することで，IoT環境構築の基盤とすることができる。

4.

結

言

（1）Raspberry Piを用いて，生産現場に使われる各種機器を動作させることができた。

参考文献
1）金丸 隆志，“カラー図解 最新 Raspberry Pi（2）テスト的に導入する場合，コスト面やプログラミングの入りやすさの面から検討－ 58 －

で学ぶ電子工作

作って動かしてしくみがわ

かる”，講談社，2016 ，pp.80-128

ノート

繊維技術を活用した加飾加工技術の県内製品への適用に関する研究
橋詰 史則* 古畑 雅弘* 明歩谷 英樹 * 佐藤 清治 *Study on Application of Decorative Processing Using Textile Technology
to Products in Niigata Prefecture
HASHIZUME Fuminori* ，FURUHATA Masahiro *，MYOUBUDANI Hideki *and SATOU Seiji *温湿度条件・時間

 緒  言

50℃95%RH
15.5h50

製品表面に高い質感を付与する加飾技術につ

40

0.5h

30

温度（℃）

いて，昨年度までの 2 年間で調査研究を行った
1）。本研究ではその成果を踏まえ，県内企業が

20

1h

10

0

1h

-10 0

製造する実製品への加飾技術の適用を目標に，-20試験や試作，企業支援を実施した。

23℃50%RH
3h

2

4

6

8

10 12 14 16 18 20 22 24
時間（h）

-20℃
3h

図  促進耐候性試験条件
 テキスタイルと金属の熱圧着接合の評価 促進耐候性試験
ホットメルトシートを使用して金属平板にテ
図  促進耐候性試験試料設置状況

キスタイルを熱圧着接合した後，プレス成形により形状付与する手法について，昨年度までの

 促進耐候性試験試料設置状況を図 2 に示す。

調査研究で試作を行ってきた。本研究では促進剥離の進行の有無を目視により確認した。プレ

耐候性試験により，金属とテキスタイルの接合

ス成形により，表面テキスタイルに最も強くひ耐久性を確認した。

ずみが加わっている（残っている）角部を起点試験に供した角筒プレス試料における熱圧着として剥離が進行した試料があるのが確認された。図 3 に剥離が進行した試料の試験前後の比接合の条件を表1に示す。
この試料に，24時間を1サイクルとして10サ

較画像を示す。ホットメルトシートの種類によ

イクル（10日間）の促進耐候性試験を行った。

り剥離の度合いが異なり，ウルトラスエード DP

試験条件は JIS K5600-7-4:1999 塗料一般試験方の場合は東海サーモ製の 2 種が剥離の発生がほ法 塗膜の長期耐久性 耐湿潤冷熱繰返し性 を参ぼ無く，良い結果となった。綿綾織生地の場合考に設定した（図1参照）。
表  角筒プレス試料用熱圧着接合条件
項目
金属
テキスタイル

ホットメルトシート

使用材料
ステンレス鋼SUS304 t0.5mm
ウルトラスエードDP
綿綾織生地
フジケミトレーディングM2
フジケミトレーディングG-55
日東シンコーFB-ML80
東海サーモ199-D22
東海サーモ1G8-D30

プレス条件等
脱脂のみ#180ペーパー研磨･脱脂

122℃･0.184MPa･1min
127℃･0.184MPa･1min
170℃･0.184MPa･1min
125℃･0.184MPa･1min
120℃･0.184MPa･1min

試験前       試験後図  剥離が進行した試料* 素材応用技術支援センター－ 59 －

図  剥離試験結果
は 5 種とも剥離が進行する結果となった。なお

一，促進耐候性試験条件は図 1 と同一である。

アンカー効果を期待してステンレス表面にペー 結果を図 4 に示す。上 2 段はステンレス，下パー研磨を施した試料についても，剥離の抑制

2 段が銅，各列がホットメルトシートの種類別

効果は確認できなかった。

の結果である。
 太枠で囲った金属とホットメルトシートの組 剥離試験

合せ条件が比較的良好であり，また促進耐候性

JIS K6854-2:1999 接着剤-はく離接着強さ試験

試験実施後の方が良い結果となる傾向が見られ方法-第 2 部:180 度はく離 を参考とした剥離試た。これは高温環境下への繰返し長時間設置に験を行い，接着強さを比較した。試料作製条件

より，接合面の密着が促進されたためと考えらを表 2 に示す。熱圧着接合時の条件は表 1 と同れるが，試料作製の際の熱圧着接合時の加圧力などのばらつきの要因も否定できない。
 なおテキスタイル種類別では，促進耐候性試

表  剥離試験試料作製条件
項目
金属
表面処理
テキスタイル

ホットメルト
シート

促進耐候性試験

使用材料･条件等
ステンレス鋼平板 各条件3枚計120枚
銅平板 各条件2枚計80枚
脱脂のみ#180ペーパー研磨･脱脂
ウルトラスエードDP
綿綾織生地
フジケミトレーディングM2
フジケミトレーディングG-55
日東シンコーFB-ML80
東海サーモ199-D22
東海サーモ1G8-D30
実施
未実施

験同様，ウルトラスエード DP に比べて綿綾織
生地の接着強さが低い結果となった。またペー
パー研磨の効果の有無については，明確な傾向
は見出すことはできなかった。
 テキスタイルとアクリルの一体化加工 県内繊維企業製造生地による織鼈甲試作
 昨年度に続き，京都樹脂（株）に県内繊維企
業製造生地 3 社 3 点でのアクリル一体化加工パ
ネル「織鼈甲」の試作を依頼した。図 5 に完成－ 60 －  織鼈甲サンプル    元生地図  試作レバー外観

図  織鼈甲サンプルと元生地
サンプルの一部を元生地とともに示す。

①ゲレンデ整備車の 3D プリンタ製操作レバー

 いずれのサンプルも元生地と比べ，透明感や表面への TOM 工法適用について，試作レバー

色彩の深みが加わる美しい仕上がりとなった。

の実装テストに同行の他，耐久性評価や改善策

サンプルピースを生地協力企業に提供し，活用などについて技術支援を行った。図 6 に試作レ

方法について意見交換を行った。織鼈甲の製作

バー外観を示す。

コストが高価であること，耐久性と引き換えに②宝飾品用化粧箱表面へのフロッキー（静電植

見た目以外の柔らかさや温かさといった生地の毛）加工について，施工企業を紹介すると共に，風合いが消失することなどの点を考慮して活用試作について支援を行った。

方法を探索していく必要がある。

③鎚起銅器製品へのスエード生地熱圧着接合の試作支援を行った。

 織鼈甲サンプルの促進耐候性試験
織鼈甲サンプルに対しても，2.1 促進耐候性試

 結  言験で述べた試験を実施した。昨年度試作分のサ（1）テキスタイルと金属の熱圧着接合について

ンプルピースを試料とした。試験後試料を目視

耐久性や強度に関する試験を行い，概ね適確認したところ，変形は無かったものの，端部周辺の封入された生地が白く変色する（元生地に近い色合いに戻る）状態となっていた。このした接合条件を見出した。
（2）テキスタイルとアクリルの一体化加工試作を行い，活用方法について検討した。耐久現象は特に厚地の生地に顕著であった。温湿度変化の影響により，端部に露出した生地素材部性試験から使用時の注意点を見出した。

分から樹脂成分が揮発したためと思われる。実（3）県内企業が取り組む加飾技術適用について支援を行った。

使用の際は，切断後の端部に封止加工をするな
どの対策が必要である。

参考文献
 県内企業実製品適用支援

1）橋詰史則ほか，“繊維技術を活用した加飾技

 その他，県内企業が取り組む加飾技術適用へ術に関する調査研究”，工業技術研究報告書，

以下の支援を行った。今後も支援を継続する予No.47，2018，pp.114-117.

定である。

－ 61 －

ノート

モンゴル産カシミヤ原料の機能性評価に関する研究
明歩谷 英樹* 古畑 雅弘* 橋詰 史則 * 佐藤 清治 * 
Study on the functionality of the Mongolia cashmere knit
MYOUBUDANI Hideki* ，FURUHATA Masahiro *，HASHIZUME Fuminori * and SATOU Seiji*

ような機能性素材の開発を進めていた。

 緒  言
見附商工会が昨年度開発したモンゴル産原料カシミヤ（図  参照）とその混紡品を用いたニ 開発素材

ット製品（以下「開発素材」）について，今後 モンゴル産原料カシミヤを含む素材の開発に市場へ投入していくに当たり，その製品がどのような特徴を持っているのかを把握し，強みをPR していくことは市場獲得のために有効な手段となる。現在のところ，開発素材について担当

ついて，吸水発熱性能が発現することを期待して，以下に示す 2 種類の紡績品を試作した。
①シルクカシミヤ通常紡績品：シルクとカシミ

者やバイヤーからの感覚的な良い評価は得られヤを一般的な紡糸により製品化したもの（図 2ているが，機能性を数値で示すことができれば，

参照）。その糸構造は若干の撚りトルクを持つ。

カタログや POP での PR に活用できることはも②シルクカシミヤ特殊紡績品：シルクとカシミとより，次の開発へのマイルストーンとするこ

ヤを綿糸とともに結束紡糸することで，撚りトとが可能となる。本研究では，開発素材の吸湿ルクを低減させたもの（図 3 参照）。

発熱や保温性，洗濯による寸法変化率などの機上記に示す紡績糸を用いて編み立てた開発素能性を評価し，他の素材と比較検討したので，材と比較素材を試験試料とした（表 1 参照）。

その結果を報告する。
 モンゴル産原料カシミヤについて 見附商工会の取り組み
新潟県とモンゴルのフブスグル県は経済連携協定を締結し，相互交流を行っている。見附商
工会ではこの連携を活用してモンゴル産カシミ

シルク

ヤを輸入し，価格競争力を向上させた素材開発

カシミヤ

を行いニット企業へ提案している。昨年度，カシミヤと綿やシルクとの混紡により次項で示す

図  通常紡績品

シルク
図  モンゴル産原料カシミヤ

カシミヤ
綿

* 素材応用技術支援センター
図  特殊紡績品

－ 62 －

開発素材 1
開発素材 2

開発素材 3

開発素材 4
比較素材 1（市販品）

比較素材 2（市販品）
比較素材 3（市販品）

表  試験試料
素材（混率）
通常紡績糸を天竺編み：
シルク／カシミヤ（70／30）
特殊紡績糸を天竺編み：
綿／シルク／カシミヤ（50／35／15）特殊紡績糸を天竺編み：
綿／超長綿／カシミヤ（50／35／15）通常紡績糸を天竺編み地：
カシミヤ（100）
吸水発熱 T シャツ地：
レーヨン／ポリエステル／アク
リル／ポリウレタン（34／33／
28／5）
T シャツ地：綿（100）
天竺編み地：
ウール（100）図  吸水発熱性試験結果

 吸水発熱性
吸水発熱性の評価については，一般財団法人
ボーケン品質評価機構が規定するボーケン規格
BQE A035）を参考に，比較試験を実施した結果を図 5 に示す。この試験方法は，試料を 20℃，
40％RH の環境に保持した後，温度一定で 90％
RHに加湿した時の試料の温度変化を測定する。



 市場で評価されている吸水発熱素材を使った

 機能性評価

T シャツ（比較素材 1）が吸水により 1.4℃上昇

モンゴル産原料カシミヤの優位性を評価する

するのに対し，開発素材はそれよりも大きな温ために，開発素材と比較素材の各種機能性の比度上昇を示し，発熱性能が高いことが分かった。

較試験を行った。
 洗濯による寸法変化

 保温性 一般的に獣毛系素材のニット製品は，洗濯にカシミヤは一般的に秋冬素材であることから，

よって大きな寸法変化が発生することから，家保温性は重要な機能である。当所保有のカトー

庭用洗濯は控えるよう言われている。この項でテック（株）製の精密迅速熱物性測定装置 サー

は，開発素材等について 20 回までの洗濯によるモラボⅡ型による保温性測定（ドライコンタク

寸法変化率を測定した。試験結果を図 6 に示す。

ト法）を実施し，その試験結果を図 4 に示す。

開発素材 4（カシミヤ 100％のニット製品）

暖かい肌着として認知されている比較素材 1に注目すると，洗濯回数が増加するほどウエー

及び綿の比較素材 2，開発素材を比較した。開ル方向，コース方向ともに 25％以上収縮するこ

発素材のシルクとカシミヤの組み合わせが，吸とがわかる。

水発熱素材や綿の T シャツ地より保温性があることが分かった。

図  保温性試験結果



図  洗濯による寸法変化率

－ 63 －

表  風合い測定結果
比較素材 3
開発素材 1
開発素材 3
洗濯前

洗濯後

コシ
-0.75
-2.32
-1.30

ヌメリ
7.41
7.45
6.99

フクラミ
9.05
7.69
6.86


を示した。以上のように風合い測定において，

図  洗濯前後の製品の様子

それぞれの特徴を評価することができた。
一方，開発素材 2 であるシルクカシミヤは 10％程度にとどまって寸法変化率が小さい。

 結  言

また，実際に開発素材 4 を用いたカシミヤ（1）モンゴル産原料カシミヤを活用した開発

100％のプルオーバーを洗濯した写真を図 7 に示

素材のニット製品について，各種機能性す。非常に大きく収縮し，大人用であった製品を評価した。吸水発熱性や保温性についがベビー用のサイズに縮まったように見える。

ては，市販されている吸水発熱素材より

このことから，あらためて家庭での洗濯の際は，も良い値を示した。

製品の洗濯表示の指示に従って処理することの（2）獣毛系ニット素材で知られている洗濯に重要性を再認識できた。

よる寸法変化を数値で示すことができた。
カシミヤ100% 生地は，洗濯を行った場合

 風合い測定

ウエール方向，コース方向ともに25％以 カシミヤはその柔らかさからくる，良い風合上も収縮することが分かった。一方，開いが高く評価されている。そこでカトーテック

発素材（シルクカシミヤ）では，20回洗（株）製風合い試験機 KES シリーズによる機械

濯でも寸法変化を抑えることができるこ

的評価を行った。一例として比較素材 3（ウーとを示した。

ル）と比較した結果を表 2 に示す。

（3）風合い試験機を用いて，カシミヤ素材の 比較素材であるウール 100%と比べ，カシミ

風合い値を評価し，それぞれの特徴を評

ヤを含む開発素材はコシが弱いことがわかる。

価することができた。

また，カシミヤの特徴であるヌメリについては，
全試料ともほぼ変わらない値を示した。フクラ

参考文献

ミについては，ウールがコシの強さに起因する

1）https://www.boken.or.jp/service/clothing/

大きな値を示すのに対し，開発素材は小さな値

functionality/moisture_exothermic.html











－ 64 －

ノート

米菓生地の熱膨張の測定方法に関する実験的研究
石井 治彦* 河原 崇史* 細野 良太** 知野 秀次** 高橋 誠**
Study on the measuring method for thermal expansion of a rice cracker using TMAISHII Haruhiko*，KAWAHARA Takashi*，HOSONO Ryota**，CHINO Shuji**，and TAKAHASHI Makoto**

1. 緒

言

張の開始温度や最大膨張量などをより詳細に評価で米菓はもち米を原料とするあられ・おかきと，うきると考えられる。

るち米（＝白米）を原料とするせんべいの 2 種類があり，どちらも広く食される菓子である。米菓は一2. 供試材料

度ふかした米粉を練った後に伸ばし，四角または円米菓生地（せんべい生地）は新潟県農業総合研究

形に切り出した生地を乾燥後，加熱することででき所食品研究センターにて以下の方法で製造され，提あがる。米菓生地は，主原料の米粉に加え，水や澱供された。うるち米（新潟県産コシヒカリ）を洗米

粉などの食品素材などが混ざったものであり，非常後一晩水に浸漬した後，細かくしたものを原料としに複雑な組成である。米菓の膨張は，米菓品質に大た。それに水を加えて練り，蒸した後伸ばし，円形

きく影響する重要な要素であることから，米菓生地の型で抜き取り米菓生地を作製した。この生地をの膨張に関する研究は，新潟県農業総合研究所食品

80℃程度の温度で 2 段階乾燥させたものを試料とし研究センターをはじめとした公設試験研究機関や，た。
乾燥後の試料は直径約45mm，
厚さ2mm である。

大学，メーカと，様々な立場で進められている。生

この試料の，厚みのばらつきと表面の凹凸が少ない

地や米の品種と生地の膨張性の関係については，加中心部から，ディスクカッターを用いて約 10mm 角

1)

熱後のサンプルの比容積 や，加熱による寸法変化に切り出した後，切断面を研磨紙#1000 で軽く研磨

2)し面取りしたものを試験片として用いた。

で評価した研究例，生地を加熱した際の熱特性の変3)化を示差走査熱量計で測定した例 や，メスシリン

米菓生地から切り出すことにより米菓の内部構造

ダ中の米粉パン生地の膨張過程を連続的に評価したが外気にさらされる点が，本来の米菓を加熱する工4)

例 などがみられるが，米菓の熱膨張を理化学機器

程とは異なるが，本研究では米菓生地の熱膨張を連で直接測定した事例は確認できない。また，一般的続的に測定する方法の検討を目的としたため，切りに材料の熱膨張は熱機械分析装置（以降，TMA）に出した米菓を試験片として扱った。

より測定されるが，単調に膨張する材料の膨張率の測定 5)にすぎず，米菓のように急激な膨張を示す材料を評価した例はみられない。

3. 試験装置および方法
試験には熱機械分析装置（TMA/SS6000，セイコー

このような背景から，本研究では新潟県農業総合

インスツルメンツ(株)）を用いた。図 1 に装置の概略

研究所食品研究センターと協力し，TMA を用いた米図を示す。石英ガラス製の試料管底部に置かれたプ

菓の熱膨張を測定する方法について検討を行った。

レート上に試験片を置き，φ3mm の圧縮プローブで

TMA で素材の熱膨張を直接測定することにより，膨上方から 10g の荷重を加えた。その状態で，昇温速* 下越技術支援センター

度 20℃毎分で室温から 200℃まで試験を実施した。

** 新潟県農業総合研究所 食品研究センター

試料管内の熱電対で得られる温度を試験片の表面温－ 65 －

サンプル

φ3

2.5

熱電対
熱ひずみ [-]

2.0

荷重負荷

1.5
1.0
0.5
0.0

50

100

150

200

温度 [℃]

図 3 試験結果
下プレート、圧縮プローブ：石英ガラス

図 1 装置概略図6.E-03①

熱ひずみ [-]

4.E-03
2.E-03②

0.E+00-2.E-03-4.E-03-6.E-03

③
50

70

90

110

130

150

温度 [℃]

図 2 試験片外観の一例（左：試験前，右：試験後）

図 4 膨張開始部として，試験片高さとともに試験開始から 0.1 秒ご

図 3 は同じ生地から採取した試験片で 3 回試験をとに記録した。なお評価は試料管や圧縮プローブの行った結果である。圧縮荷重を最適化することで概熱膨張を補正して行った。

ね再現性が得られた。
図 3 のひずみが急激に増加する，すなわち膨張が開始する領域の拡大図を図 4 に示す。同じ生地から

4. 試験結果
試験前後の試験片の外観の一例を図 2 に示す。試

採取した試験片であっても，膨張の過程は大きく異験前の試験片表面はなめらかであるが，試験後は表なることがわかる。①や②のように概ね単調に増加

面に大きな亀裂が何本も発生していた。これは加熱する試験片もあれば，③のように一度マイナスに変により試験片が三次元的に膨張していったときに，位した後，急激な膨張を示す場合もあった。また，

ある時点で試験片表面が面内の膨張に耐えられず，

ひずみが急激に増加し始める温度は，数十度程度の亀裂に至ったと推察される。

ばらつきが見られた。ひずみが増加する直前の挙動

次に，米菓生地の熱ひずみ εt と温度の関係を図 3に関しては，マイナス変位は生地の軟化によるものに示す。ここで t℃時点の熱ひずみ εt は，試験前の試と考えられ，厚み方向の温度分布などにより非常に験片高さh0 と t℃における試験片高さht を用いて式1

複雑な状態になっているためであると考えられる。
図 3 の単調なひずみの増加を示す領域として，熱から算出した。

ひずみ 0.5 から 0.8 までの推移を図 5 に示す。この領・・・(1)

域においては 3 回の試験とも概ね線形な膨張を示している。この結果を最小二乗法により一次式で近似－ 66 －

さい点が非常に興味深い。米菓生地から試験片を切0.9

り出すことにより米菓の内部構造が外気にさらされ熱ひずみ [-]

0.8

る点が，本来の米菓を加熱する工程とは異なるもの

0.7の，米菓生地の膨張を連続的に測定でき，見かけの0.6

膨張率や膨張が開始する温度，最大熱ひずみなどを

0.5
0.4

算出できることがわかった。このことから，本研究
155

160

165

170

で検証した方法は，米菓生地の膨張過程を評価する

温度 [℃]

ための有用な測定方法のひとつと考えられる。

図 5 膨張安定部

5. 結

2.0

本研究では米菓生地の熱特性を評価するため，米熱ひずみ [-]

1.9

菓から切り出した試験片を，熱機械分析装置を用い1.8て測定することで以下の結果が得られた。

1.7（1）急激な膨張を示す米菓に対して，連続的に膨

1.6
1.5

言

張を測定できる条件を確立した。
120

140

160

180

200

（2）米菓の厚み方向の増加を熱ひずみとして指標

220

化することで，膨張の開始温度や最大膨張を

温度 [℃]

示す温度などを定量化できることを明らかに

図 6 最大膨張部

した。
し，その傾きを見かけの膨張率として算出したとこ
ろ，膨張率は小さいほうから 7.73×10-2，8.78×10-2，
-2

参考文献

今後更なる検討が必要であ
9.54×10 [1/℃]であった。

1） 吉井洋一ら，“うるち米の理化学的性質と米菓るが，算出された膨張率は米菓の持つ膨張性を表すの膨化性”，日本食品工業学会誌，41(11)，1994，

指標のひとつになりうると考えられる。

pp747-754．

図 3 で最大ひずみを示す領域を拡大して図 6 に示

2） 山田博治ら，“新形質米の米菓加工特性”，日本す。3 回の試験とも熱ひずみの最大値を示した後，食品工業学会誌，40(4)，1993，pp278-286．

熱ひずみが小さくなる挙動を示している。これは最3） 渡辺紀之ら，“熱分析法による米菓製造工程解

大熱ひずみを示したときに，亀裂の形成により試験

析”，日本食品科学工学会誌，46(2)，1999，

片内部の水分がすべて蒸発したことなどが要因とし

pp51-58．

て考えられるが，明確にはなっておらず，更なる検4） 山口智子，“グルテンフリー米粉パンの生地の討が必要である。また，図 4 で示したように同じ生

膨化と食味に対する電界水の影響”，新潟大学

地から採取した試験片であっても，急激に膨張が起

教育学部研究紀要，9(1)，2016，pp113-123．

きる温度が数十度程度ばらついているのに対して，

5） 日本熱物性学会編，“新編熱物性ハンドブッ

最大熱ひずみを示す温度のばらつきは数度程度と小－ 67 －

ク”，2008，pp341-344．

ノート

ゴムの熱劣化について佐藤 亨 *
Investigation on thermal deterioration of rubber
SATO Toru *分光分析装置 Nicolet iS50である。測定方法は

 緒  言
最近の支援センターの技術相談としてパッキ

Geクリスタル使用した一回反射ATR法である。

ンの劣化などのゴムに関連したものが見受けら

試料の加熱条件はそれぞれ以下のとおりであり，れるようになっている。実際に使用されている

下記の温度まで昇温速度10℃／分で加熱し5分

ゴム部品は熱などによる劣化により，通常のデー間保持したあと，室温まで戻した試料を分析試

タベースとは合致しないものも多い。そこで，料とした。

ここではゴム（天然ゴム：NR，ニトリルゴム：

NR：100，175，230，280，310，330℃

NBR）の熱による劣化を熱分析および赤外分光

NBR：150，200，230，270，300，340℃

分析により確認し，そのデータ蓄積を行った。
 結果および考察 実験 熱分析 試料

NRおよびNBRの熱分析の結果をそれぞれ図1，

試料としては市販品の天然ゴム（NR）および2に示す。図1のNRのDTA曲線では315℃付近か

ニトリルゴム（NBR）を用いた。添加剤などのら吸熱反応が起きているのが確認でき，それと詳細は不明である。

ともに重量の減少がみられる。このことから熱分解が起きているのではないかと考えられる。

 熱分析

一方，図2のNBRのDTA曲線では370℃付近で試料の熱による変化を確認するために示差熱

発熱ピークが確認でき，それに伴って重量の減

天秤による熱分析を行った。使用した装置は理少がみられる。このことから酸化分解が起きて

学電機工業（株）製 差動型示差熱天秤 Ther-

いる可能性が考えられる。
以上の点を踏まえて，

moPlus2 TG8120である。測定温度範囲は室温か

NR，NBRともに300℃を超える付近まで段階的

ら600℃，昇温速度は10℃／分である。
 赤外分光分析
加熱による試料の構造の変化を確認するために，室温および加熱した試料の赤外分光分析を行った。使用した装置はサーモフィッシャーサ
イエンティフィック（株）製 フーリエ変換赤外*  県央技術支援センター
図  15 の 7*'7$ 曲線－ 68 －

図  15 の赤外スペクトル（拡大図）

図  1%5 の 7*'7$ 曲線

920～800 cm-1を拡大して表示した赤外スペクトに温度を変化させ，赤外分光分析を行うこととルを示した。この図から温度上昇に伴い837cm-1した。

のピークが減少し，887cm-1のピークが大きくなっているのがわかる。この変化は特に330℃に 赤外分光分析

おいて顕著に現れている。837cm-1のピークは三 天然ゴムについて

置換基を有する二重結合のCH面外変角振動でNRの赤外分光分析の結果を図3に示す。NRのあり，887cm-1のピークは末端オレフィンのCH

特徴的なピークは1449 cm-1のCH3変角振動およ面外変角振動によるものと考えられる。天然ゴ

びCH2対称面内変角振動，1376 cm のCH3対称変

ムでは300℃以上に加熱するとイソプレン、テ-1-1

角振動，837cm のC=CH-面外変角振動である。

ルペン、セキステルペン、ジテルペンなどにラ一方，1077 cm-1のピークは無機充填剤であるシンダムに分解することが知られており1），赤外

リカ（SiO2）の吸収によるものと推測される。

分光分析での結果も温度が上昇するにつれ天然-1

また，1750～1550cm のブロードなピークは天ゴムの分解が進んでいることを示していると思

然ゴムに含まれるタンパク質によるものと考えわれる。実際のゴムの変化は175℃まではゴムられる。

としての原形を保っているが，230℃以上にな加熱による変化に注目してみると，全体を通ると粘つく状態になり，それ以上の温度では粘しては1750～1550cm-1のブロードなピークの変つきが増加するとともに黒い炭の状態になって化が顕著であるが，これは前述のとおりおそら

おり，実物の状態とも合致している。

くタンパク質のピークである。そこで，図4に ニトリルゴムについて
図5にNBRの赤外スペクトルを示す。NBRの特徴的なピークは2237 cm-1のCN伸縮振動および969 cm-1のトランス型の－CH=CH－面外変角振動である。また，1428，1017cm-1のピークは無機充填剤の吸収によるものと考えられ、それぞ
れ炭酸カルシウム（CaCO3）およびタルク（
Mg3Si4O10(OH)2）のものと推測される。なお，用いた試料の表面にはアクリルに起因するもの
図  15 の赤外スペクトル

と考えられるピークが確認でき，粘着剤などの付着の可能性が考えられた。今回はNBRの熱に－ 69 －

図  1%5 の赤外スペクトル

図  1%5 の赤外スペクトル（拡大図）

よる変化をみるのが目的であるため，この影響 結  言が少ない断面において赤外分光分析を行うこと（1）NRについては熱による分解，NBRについとした。加熱による変化に注目すると，969 cm-1ては酸化が確認できた。今後，このデーの－CH=CH－面外変角振動によるピークが温度タを依頼試験等の技術相談の資料としての上昇とともに減少しているのがわかる。また活用する。

図6に1800～1600 cm-1の拡大図を示した。この（2）今回はNRおよびNBRのみであったが，よ図から温度上昇とともに1717 cm-1付近にピーク

り多くのデータの蓄積が必要と考えられが生じているのがわかる。このピークはカルボるため，今後，他のゴムに関してもデーニル基によるものと考えられる。以上のことか

タの収集を行う。

ら，温度の上昇に伴い主鎖開裂とともに酸化によりカルボニル基が生じたと考えられる。

参考文献
1）箕浦有二，“耐熱性ゴム”，日本ゴム協会誌，47巻，7号，1974，pp.433-445

－ 70 －

ノート

引張試験における試験速度と引張強さの関係
斎藤 雄治*Influence of the Testing Speed exerted on the Tensile Strength
SAITO Yuji*ェライトスコープ MP3C で測定した。

 緒  言
鉄 鋼 材 料 な ど の 引 張 試 験 に お い て は ， JIS
Z2241などで試験速度が規定されている。この 実験結果

理由は，試験速度が変わると耐力や引張強さな 表 1 に，種々のクロスヘッド変位速度 Vc に対どの試験結果が変わってくるためである。

する SPCC 試験片の試験結果を示した。Vc の増本研究では，試験速度を変えたとき試験結果

加に伴い，引張強さ Rm はわずかに増加し，破断がどの程度変わるかを調べるため，冷間圧延鋼

時全伸び At はわずかに減少している一方で，耐板とオーステナイト系およびフェライト系のス

力 Rp0.2 は比較的顕著に増加していることが分か

テンレス鋼板について試験速度を変えて引張試る。

験を行った。

 表 2 に，種々のクロスヘッド変位速度 Vc に対

する SUS304 試験片の試験結果を示した。Vc の増加に伴い，耐力 Rp0.2 はわずかに増加し，引張 実験条件
公称板厚 0.8mm の市販の冷間圧延鋼板 SPCC，

強さ Rm はわずかに減少している一方で，破断時オーステナイト系ステンレス鋼板 SUS304 およ

全伸び At と加工誘起マルテンサイト量は大きく

びフェライト系ステンレス鋼板 SUS430 から引減少していることが分かる。このことから，Vc

張試験片（JIS Z2241 13B）を作製した。試験片が大きいと加工誘起マルテンサイト変態がさほの長手方向は圧延方向にとった。

ど進行せずに破断するため，引張強さや伸びが引張試験には，インストロンジャパンカンパ

小さくなると考えられる。

ニィリミテッド製 万能材料試験機 5582 および 表 3 に，種々のクロスヘッド変位速度 Vc に対ビデオ伸び計（レンズ f25，画角 100mm，照明

する SUS430 試験片の耐力，引張強さ，破断時

アレイ 500mm）を用いた。引張試験は各材料の全伸びの試験結果を示した。SPCC と同様に，試験片に対して，種々の試験速度（クロスヘッVc の増加に伴い，引張強さ Rm はわずかに増加し，ド変位速度 Vc）について行った。クロスヘッド

破断時全伸び At はわずかに減少している一方で，変位速度 Vc は 2～200mm/min の範囲にとった。

耐力 Rp0.2 は比較的顕著に増加していることが分引張試験の結果から耐力 Rp0.2，引張強さ Rm，破かる。

断時全伸び At を求めた。試験中の試験室の温度は 15～20℃であった。

なお，すべての実験結果および SUS316 などのオーステナイト系ステンレス鋼の結果につい

SUS304 の試験片については，引張試験後，試
験片の破断位置付近の加工誘起マルテンサイトては，当研究所のホームページに掲載している
1～4）

量を(株)フィッシャー・インストルメンツ製 フ* 中越技術支援センター－ 71 －。

表  種々のクロスヘッド変位速度に対する 63&& 試験片の引張試験の結果
クロスヘッド変位速度

耐力

引張強さ

破断時全伸びVc（mm/min）

Rp0.2（MPa）

Rm（MPa）

At（%）

2

188

327

41

4

192

330

42

10

208

334

40

100

219

341

38

200

231

345

39


表  種々のクロスヘッド変位速度に対する 686 試験片の引張試験の結果
クロスヘッド変位速度

耐力

引張強さ

破断時全伸び

加工誘起マルテVc（mm/min）

Rp0.2（MPa）

Rm（MPa）

At（%）

ンサイト量（%）

2

324

731

75

29

4

328

724

72

26

10

340

706

59

15

100

341

669

52

6

200

343

667

51

5


表  種々のクロスヘッド変位速度に対する 686 試験片の引張試験の結果
クロスヘッド変位速度

耐力

引張強さ

破断時全伸びVc（mm/min）

Rp0.2（MPa）

Rm（MPa）

At（%）

2

304

517

28

4

351

520

28

10

315

524

28

40

347

530

27

100

366

534

26

200

364

542

25


2）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin24.

 結  言

html，引張強さと試験速度（SUS304 材），（1）すべての試験片に対して，クロスヘッド変位速度の増加に伴い，耐力は増加し，破断「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，

時全伸びは減少する傾向をとった。

2019 年 2 月 19 日．

（2）クロスヘッド変位速度の増加に伴い，

3）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H30/30kin1.h

SPCC と SUS430 の引張強さは増加したが，tml，引張強さと試験速度（SUS430 材），

SUS304 の引張強さは減少した。

「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，
2019 年 2 月 19 日．

4）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H30/30kin2.h

参考文献
1）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H29/29kin22.

tml，オーステナイト系ステンレス鋼の引張html，引張強さと試験速度（SPCC 材），

強さと試験速度，「新潟県工業技術総合研究「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，

所ホームページ」，2019 年 2 月 19 日．

2019 年 2 月 19 日．

－ 72 －

ノート

ピクリン酸を使わない腐食液による
旧オーステナイト結晶粒の観察斎藤雄治*

Observation of the Prior Austenite Grain Boundaries of Steels
Using Etchant except the Picric Acid Saturated Aqueous
SAITO Yuji*

1. 緒②(株)山本科学工具研究社製 AGS（40～50℃で

言

焼入れ焼戻した炭素鋼や低合金鋼の旧オース
テナイト結晶粒界の観察を行う際，ピクリン酸

10～20 分間浸漬）③硫酸－アルコール溶液（配合：硫酸 3ml，エ飽和水溶液をベースにした腐食液がよく使われチルアルコール 100ml）

る。しかし，ピクリン酸は爆発性の可燃物であを用いた。ここで，上記②はピクリン酸飽和水るなどの理由により，ピクリン酸を使わない腐溶液を含む腐食液で，①と③はピクリン酸を含食液で旧オーステナイト結晶粒界を観察したい

まない腐食液である。

という相談が当センターに時々寄せられる。

実験装置には，ヤマト科学(株) 電気マッフル

本研究では，炭素鋼S45Cと低合金鋼SCM435
について，ピクリン酸飽和水溶液をベースにし炉 F0410，オリンパス光学工業(株) 金属顕微鏡
BX-60M-53MB 型を用いた。

た腐食液とピクリン酸を含まない腐食液で旧オーステナイト結晶粒界の現出を試みた。

3. 実験結果
図 1 に，腐食液①で現出した S45C と SCM435

2. 実験条件の金属組織を示す。腐食液①は炭素鋼や低合金試験片には，機械構造用炭素鋼 S45C（直径鋼の金属組織の現出によく用いられているもの

20mm × 長 さ 20mm ） ， 機 械 構 造 用 合 金 鋼である。図 1 において，焼入れのみではマルテ

SCM435（直径 20mm×長さ 20mm）を用いた。

ンサイトとベイナイトが見られ，200℃焼戻しとこれらの試験片について次に示す焼入れ，焼戻

600℃焼戻しでは焼戻しマルテンサイトが見られしの熱処理を行った。

る。また，600℃で焼戻した SCM435 について

焼入れ…850℃に 10 分保持後水冷（S45C）

は，さほど明瞭ではないが旧オーステナイト結または油冷（SCM435）

晶粒界が見られる。

焼戻し…なし（焼入れのみ）

図 2 に，腐食液②で現出した試験片の金属組

200℃に 1 時間保持空冷織を示す。腐食液②は旧オーステナイト結晶粒

600℃に 1 時間保持水冷

界現出専用の腐食液である。いずれの試料につ熱処理後，試験片の断面を鏡面研磨して金属組

いても旧オーステナイト結晶粒界を明瞭に現出

織観察を行った。腐食液にはしていることが図 2 から分かる。

①硝酸－アルコール溶液（配合：硝酸 5ml，エチルアルコール 100ml）* 中越技術支援センター

図 3 に，腐食液③で現出した S45C と SCM435の金属組織を示す。S45C は焼入れのみと 600℃
焼戻しにおいて，SCM435 は 600℃焼戻しにお－ 73 －

いて，腐食液②ほど明瞭ではないが旧オーステ

なお，すべての実験結果については当研究所のホームページに掲載している 1）。

ナイト結晶粒界が見られる。

100m

100m

100m

100m

100m

100m

図 1 腐食液①による S45C と SCM435 の金属組織－ 74 －

図 2 腐食液②による S45C と SCM435 の金属組織－ 75 －

図 3 腐食液③による S45C と SCM435 の金属組織
4. 結

言

参考文献

硝酸－アルコール溶液と硫酸－アルコール溶

1）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/H30/30kin4.h

液により熱処理した鋼材 S45C と SCM435 の旧

tml，ピクリン酸を使わない腐食液による旧

オーステナイト結晶粒界の現出を試みたが，オーステナイト結晶粒の観察，「新潟県工業

AGS ほど明瞭に現出しなかった。

技術総合研究所ホームページ」，2019 年 2
月 19 日．

－ 76 －

ノート

ステンレス鋼の鋭敏化組織の観察斎藤 雄治*Metal Structure Observation of Sensitised Stainless Steels
SAITO Yuji*

 緒  言

表  試験片の熱処理

SUS304などのオーステナイト系ステンレス

試験片

鋭敏化（700℃で 2 時間保持後に鋼を600～800℃の温度に加熱して徐冷すると，結晶粒界に沿ってクロム炭化物が析出して粒界

SUS304付近の耐食性が低下する鋭敏化という状態にな

固溶化（1050℃で 10 分保持後に鋭敏化（1100℃で 10 分保持後に鋭敏化については，1000℃以上の高温に加熱
SUS430後空冷程度の速度で冷却したフェライト系ステ
ンレス鋼や，焼入れ時の冷却速度が小さかった

水冷または空冷または炉冷）焼鈍し（850℃で 40 分保持後に炉
冷）

マルテンサイト系ステンレス鋼にも生じること
本研究では，オーステナイト系，フェライト

空冷）
水冷）

る。鋭敏化すると粒界腐食が生じやすくなる。

が分かっている1）2）。

熱処理

焼入れ（1050℃で 25 分保持後にSUS420J2

空冷または油冷）
焼戻し（180℃で 1 時間保持後に空冷）系およびマルテンサイト系のステンレス鋼を熱処理して鋭敏化させたときの金属組織を観察した。

酸 1g，エチルアルコール 80ml）を用いた。

 実験装置には，ヤマト科学(株)製 電気マッフ 実験条件

ル炉 F0410，オリンパス光学工業(株)製 金属顕試験片には，オーステナイト系は冷間圧延ス

微鏡 BX-60M-53MB 型および(株)ニコンインス

テンレス鋼板 SUS304（20×100×板厚 1mm），

テック製 倒立型金属顕微鏡 TME300U-NR を用

フェライト系は冷間圧延ステンレス鋼板

いた。

SUS430（20×100×板厚 1mm），マルテンサイ
ト系はステンレス棒鋼 SUS420J2（直径 19×長

 実験結果

さ 20mm）を用いた。これら試験片に対して表図 1 に熱処理前の試験片の金属組織を示す。

1 の熱処理を行った。熱処理後，試験片の表面

図 1 において，（a）SUS304 はオーステナイト（ SUS304 お よ び SUS430 ） ま た は 断 面

組織，（b）SUS430 と（c）SUS420J2 はフェラ

（SUS420J2）を鏡面研磨して金属組織観察を行イト基地に球状のクロム炭化物が分散した組織った。腐食液は，SUS304 はしゅう酸水溶液（配である。

合：しゅう酸 10g，蒸留水 100ml）による電解図 2 に鋭敏化後の SUS304 試験片の金属組織

腐食，SUS430 と SUS420J2 は塩酸－ピクリン酸を示す。図 2 において，オーステナイト結晶の―アルコール溶液（配合：HCl10ml，ピクリン

粒界が明瞭に見られるため鋭敏化していることが分かる。

* 中越技術支援センター

図 3 は図 2 を固溶化した金属組織である。図－ 77 －





















































（D） 686 試験片

図  鋭敏化後の 686 試験片の金属組織















































（E） 686 試験片

図  鋭敏化後に固溶化した 686 試験片の
金属組織





空冷，（c）は炉冷の結果である。いずれの金属



組織も熱処理前の図 1（b）に比べて結晶粒界が

よく見えるため，鋭敏化していることが分かる。



また，図 4（a）と（b）の水冷と空冷については場所によらず一様に鋭敏化していることや，

水冷より空冷の方が鋭敏化していることが分かる。それに対して図 4（c）の炉冷については場

所により鋭敏化の程度が異なっており，鋭敏化

している部位には図 4（a），（b）には見られない網状や層状の炭化物が見られる。

（F） 686- 試験片

図 5 に鋭敏化後に焼鈍しした SUS430 試験片

図  熱処理前の金属組織

の金属組織を示す。図 5 において，図 5（a）は2 で見られた鋭敏化が消失していることが分か

図 4（a），図 5（b）は図 4（b），図 5（c）はる。

図 4（c）をそれぞれ焼鈍しした結果である。焼 図 4 に鋭敏化後の SUS430 試験片の金属組織鈍しにより，図 5（a）と図 5（b）の鋭敏化はかを示す。図 4 において，（a）は水冷，（b）はなり低減している一方で，図 5（c）では図 4－ 78 －

（c）に見られた網状や層状の炭化物が残ってい金属組織を示す。図 6 において，（a）は焼入れ

ることが分かる。

時に油冷，（b）は焼入れ時に空冷した結果であ

図 6 に焼入れ焼戻し後の SUS420J2 試験片のる。図 6 より，基地組織は焼戻しマルテンサイ















































（D） 00℃で  分保持後に水冷

（D） 図 （D）を焼鈍し

















































（E） 00℃で  分保持後に空冷（E） 図 （E）を焼鈍し

















































（F） 00℃で  分保持後に炉冷（F） 図 （F）を焼鈍し

図  鋭敏化した 686 試験片の金属組織

図  鋭敏化後に焼鈍しした 686 試験片の金属組織－ 79 －

トで同じであるが，空冷では油冷には見られな 結  言
熱処理によって，市販のステンレス鋼板

い旧オーステナイト結晶粒界が見られることが

SUS304 ， SUS430 お よ び ス テ ン レ ス 棒 鋼

分かる。
なお，本報告書の実験結果については当研究所のホームページに掲載している 3）～5）。

SUS420J2 が鋭敏化することを確認した。また，鋭敏化の消失や低減に対しては，SUS304 は固溶化，SUS430 は焼鈍し，SUS420J2 は油冷の焼入れが有効であることを確認した。




参考文献



1）板倉邦輔ほか，マルテンサイト系ステンレス

鋼における焼入れ途中での炭化物析出，熱処

理，35-1，1995，pp.36-41．

2）田中良平編，JIS 使い方シリーズ ステンレス



鋼の選び方・使い方［改訂版］，2010，pp.1



04-105，（財）日本規格協会．
3）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/ H29/29kin20.



html，ステンレス鋼 SUS304 と SUS430 の異（D）油冷

常組織，「新潟県工業技術総合研究所ホームページ」，2019 年 2 月 15 日．

4）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/ H30/30kin5.

html，マルテンサイト系ステンレス鋼 SUS42

0J2 の旧オーステナイト結晶粒界への炭化物



の析出について，「新潟県工業技術総合研究

所ホームページ」，2019 年 2 月 15 日．

5）http://www.iri.pref.niigata.jp/topics/ H30/30kin6.

html，フェライト系ステンレス鋼 SUS430 の

鋭敏化について，「新潟県工業技術総合研究

所ホームページ」，2019 年 2 月 15 日．

（E）空冷
図  焼入れ焼戻しした 686- 試験片の金属組織－ 80 －

ノート

半導体パッケージ基板配線狭ピッチ化等に関する研究開発（第2報）
山田 敏浩*  丸山 英樹* 小林 泰則*  松本 好勝**  宮口 孝司*
小松 裕司***  古川 伊織***  横山 智之***  下石坂 望***A Study of Narrow Pitch Wiring on a Semiconductor Package Substrateand Related Technologies, 2nd Report
YAMADA Toshihiro * ，MARUYAMA Hideki*，KOBAYASHI Yasunori*，
MATSUMOTO Yoshikatsu**，MIYAGUCHI Takashi*，KOMATSU Hiroshi***，FURUKAWA Iori***，YOKOYAMA Tomoyuki***and SHIMOISHIZAKA Nozomi*** 緒  言半導体チップの配線ルール微細化により，チップサイズの小型化が進んでいる。一方で，チップを実装する半導体パッケージ基板（以下，基板と呼ぶ）は，現状，バンプピッチの微細化に限界があるため，チップサイズと同じ割合で基板面積を小型化することが難しくなってきている。



図 1 は ， 半 導 体 の 配 線 ル ー ル が 24nm か ら

図 配線ルール・パンプピッチと基板面積12nmになった場合の基板面積を比較したものである。バンプピッチが40μmでは，チップの前報では1プロセス目となるマスターモール

実装面積が削減されてもチップと同等の割合でドの作製について報告したが，本報では作製し基板面積を縮小することができない。チップのたマスターモールドを用いたペースト転写につ

実装面積の削減率と同程度に基板面積を縮小す

いて報告する。

るためにはバンプピッチを10μm程度に狭ピッ プロセスフロー

チ化する必要がある。
本研究では，グレイスケールリソグラフィーとプロセスフローを図2に示す。

インプリント技術を利用して基板配線を狭ピッ① マスターモールド作製

チ化する技術の開発を目指した。パンプピッチ② レプリカモールド作製の目標は10μm，パンプ高さの目標は10μmであ③ 導電ペースト充填る。

④ 導電ペースト転写
以上の各プロセスで導電ペーストを用いた狭*

研究開発センター

ピッチ配線を形成した。マスターモールドはグ

レーザー・ナノテク研究室

レイスケールリソグラフィー技術を用いて作製**

上越技術支援センター***し，レプリカモールドはマスターモールドの形

コネクテックジャパン株式会社－ 81 －            

図 転写した導電ペーストの電子顕微鏡像

図 プロセスフロー          

図 'DLV\&KDLQ7(*基板配線

図 転写した導電ペーストの  レーザー顕微鏡像（'表示）

状を反転して作製した。導電ペースト充填では，
レプリカモールドの窪みに導電ペーストを充填した後，不要なペーストの掻き取りを行った。
転写はPET基板上に行った。
 配線パターン（D）測定位置

本研究で用いたDaisy-Chain TEG（Test Element Group ） 基 板 配 線 を 図 3 に 示 す 。 DaisyChain TEG基板配線は，バンプ部分をTEGチップで接続することで，多くの接続点を持った
チェーンパターンを形成するもので，それを用いて実装基板の信頼性評価を行うことができる。

（E）測定断面  の形状 'DLV\&KDLQ7(*基板配線の形状観察
導電ペーストの転写で作製した Daisy-Chain
TEG 基板配線を，電子顕微鏡とレーザー顕微鏡を用いて観察した。電子顕微鏡は（株）日立
ハイテクノロジーズ製S-4300SE，レーザー顕微鏡はオリンパス（株）製3D測定レーザー顕
微鏡OLS4100-SATである。

（F）測定断面  の形状図  転写した導電ペーストの  レーザー顕微鏡像（' 表示）－ 82 －

図4に電子顕微鏡像，図5に3D表示したレー 結  言ザー顕微鏡像を示す。

（1）グレイスケールリソグラフィーとインプ

図6は，2D表示したレーザー顕微鏡像である。

リント技術を利用したプロセスを用いてである。図6（a）に示した測定断面1の断面形

導電ペーストの基板配線を作製する技術

状が図6（b），測定断面2の断面形状が図6を確立した。

（c）である。バンプピッチは約10μm，パンプ（2）導電ペーストでバンプピッチが10μm ，の 高 さ は 約 10μm ， ラ イ ン の 高 さ は 約 3μm でバンプ高さ10μm の Daisy-Chain TEG 基あった。

板配線を作製した。

－ 83 －

ノート

セルロースナノファイバー（CNF）を利用した
表面コーティング剤の開発
岡田 英樹* 阿部 淑人* 笠原 勝次* 小林 豊** 田辺 寛*** 田中 亙**** 林 成実*****
中俣 恵一****** 田村 篤****** 根本 純司****** 田中 光次******
込山 英秋****** 谷藤 渓詩****** 福島 彰太******Development of Coating Agents Using Cellulose Nanofiber
OKADA Hideki*，ABE Yoshito*，KASAHARA Katsuji*，KOBAYASHI Yutaka**，TANABE Hiroshi***，TANAKA Toru****，HAYASHI Narumi*****，NAKAMATA Keiichi******，TAMURA Atsushi******，NEMOTO Junji******，TANAKA Koji******，KOMIYAMA Hideaki******，TANIFUJI Keishi******and FUKUSHIMA Syota******

実施した CNF 繊維長解析について報告する。

 緒  言
セルロースナノファイバー（Cellulose Nano F
iber: 以下 CNF）は，植物由来の新材料として製 実験方法

造技術の開発が進む一方，用途開発はまだ発展 &1)の調整方法と粘度測定

途上の段階にある。CNF は木や紙との相性が極

増幸産業（株）の石臼式摩砕機スーパーマス

めて良いため，CNF に機能を付与することによコロイダーを用いて，広葉樹パルプのCNFを作って木や紙の表面にも様々な機能を付与するこ製した。解繊パス回数が1，3，5，7回のものをとができる。また，CNF は分散安定性が非常に試験に供した。

高い。

粘度µの測定は，B型粘度計（東京計器（株）

そこで本研究では，これら CNF の持つ特性を活かし，木製品や紙製品に適用するコーティン製）を用いて，温度20℃，回転数60 rpmで実施した。

グ剤を開発し，その用途拡大を図ることを目的とした。特に木製品では，昨年度実施した調査 繊維長解析1)で桐箪笥には防水性・防汚性が求められ

CNFの繊維長解析には，ナノ粒子径分布測定ていることが明らかになっており，撥水性・防装置（SALD-7500nano：（株）島津製作所製）

汚性を付与した CNFコーティング剤を開発した。

を用いた。測定条件は表のとおり。散乱強度の

さらに，CNF の用途拡大を目指し，上記以外に最大値が40～60%の間に収まるようにCNFの濃

CNFの特性を活用できる製品開発についても検度を調整し，散乱強度・吸光度が安定するまで討した。

循環させた。

研究

ここでは，撥水防汚コーティング剤の開発で* 研究開発センター** 下越技術支援センター*** 県央技術支援センター

この方式による繊維状粒子の解析の場合，繊維状粒子の短径が分布下限に，長径が分布上限にほぼ相当するような比較的広い分布となるとされている 2)。したがって，長径と短径の平均**** 県央技術支援センター加茂センターがピークとして検出されることになるが，本方***** 中越技術支援センター式による測定だけでは長径と短径の分布を切り****** 北越コーポレーション株式会社

分けて測定することはできない。サンプルによ－ 84 －

 &1)繊維長解析結果

表 測定条件
測定ユニット
多機能サンプラ 06
超音波
加振
ポンプスピード

平均回数

屈折率
L
分布基準
体積基準

図2に解繊パス回数を変えたときの粒度分布の解析結果を示す。解繊パス回数が増えると100μm以上の粒子が減少していき，相対粒子量q 3のピーク位置が左にシフトしていくことが分かった。

っては得られた粒子径分布と繊維状粒子の長径

図3に解繊パス回数を変えたときのメディアの分布と一致することも実際は起こり得る。今ン径，モード径を示す。メディアン径は累積粒回の測定においては島津製作所（株）の洲本氏

子量Q3が50%のときのDpであり，モード径はq3のご指導から，繊維長と粒子径Dpが一致するもが最も大きいときのDpである。メディアン径とのとした。

モード径は，分布が左右対称であれば同じ値となる。解繊パス回数が少ないと，メディアン径

 実験結果と考察

とモード径は近い値を示すが，解繊パス回数が 粘度測定結果

増えると，メディアン径に比べてモード径は大

図1に解繊パス回数を変えたときの粘度μの変きくなっていった。これは，分布が左右対称か化を示す。解繊パス回数が1回から3回ではμのら非対称になり，Dpが小さいものの割合が増加

上昇はみられず，3回から7回まではμが高くな

していることを示している。

った。

図  解繊パス回数を変えたときの µ の変化図  解繊パス回数を変えたときの
メディアン径とモード径

図  解繊パス回数を変えたときの粒度分布－ 85 －

 粘度と繊維長の関係謝  辞

図4にμとメディアン径・モード径との関係を

ナノ粒子径分布測定装置によるCNFの繊維長示す。どちらもμとの相関関係は見られなかっの解析に関して多大なご指導を頂きました株式

た。

会社島津製作所の洲本高志氏に感謝いたします。

図5にDpが6.75μmのときのq3とμの関係を示す。
q3とμには正の相関関係があることがわかった。

参考文献

したがって，比較的繊維長が短いものがµに影

1）田辺寛ら，“ナノセルロースに関する調査研究”，工業技術研究報告書，No. 47，2017，

響するものと考えられる。

pp. 125-127．
2）https://www.an.shimadzu.co.jp/powder/lecture/pr 結  言（1）繊維長と粘度の相関関係について明らかにし，撥水・防汚コーティングの開発に

actice/p01/lesson27.htm，“針状・繊維状粒子の測定”，2019年3月8日

活用した。

図  µ とメディアン径・モード径との関係

－ 86 －図  T 'S μP と µ の関係ノート               ステンレス鋼の新規窒素吸収処理技術の研究
三浦 一真* 中津山 國雄** 
Study on New Nitrogen Absorption Treatment Technology of Stainless Steels
MIURA Kazuma* and NAKATSUYAMA Kunio ** 緒  言
我々はステンレス鋼の特性を改善するための

表１ 窒素吸収処理に用いた素材の化学成分

添加元素として，カーボン(C)，ニッケル(Ni)，マンガン(Mn)と同じ強力なオーステナイト安定化元素である窒素(N)に注目し，高Cr系ステン
レス鋼を中心に各種ステンレス鋼を窒素ガス雰
囲気で熱処理してステンレス鋼中に窒素を固溶

素材の化学組成を表 1 に示す。
窒素吸収処理は（株）中津山熱処理所有の真させるプロセス（固相窒素吸収処理，以後，窒素吸収処理と表記）の研究を行っている

1),2)

空熱処理炉で行った。この炉は窒素吸収処理に。

ステンレス鋼の添加元素に広く用いられる希関する研究開発専用炉であり，炉本体を改良し少金属と異なり，気体である窒素(N)は資源的て 0.2MPa（2 気圧）までのガス加圧を可能と制約がなく安定供給可能である。窒素が添加さした。
処理は，脱脂・洗浄したサンプルを炉内に設れたステンレス鋼は耐食性に優れた性質を有することが報告されている

3),4)。ところが，窒素吸5)

収処理は1000～1200℃の高温域で行われ ，窒置し，真空排気後，加熱を開始，処理温度到達
後，窒素ガスを導入し，0.2MPa の加圧窒素雰

素吸収に長時間を有するため，量産性が低く，囲気で所定時間の処理を行った後，窒素ガスで設備部材の寿命が短く，設備のメンテナンスにサンプルを急冷し，室温でサンプルを取り出す

多額のコストを要している。 

要領で行った。窒素吸収処理温度はオーステナ

本研究は窒素吸収処理時間の短縮による生産性向上と設備メンテナンス間隔を伸ばす効果に

イト安定化領域内の 1200℃とし，処理時間は0.17h から最長 8h まで行っている。

よる処理コストの低減や金属組織の安定化を目
的に，真空・窒素ガス置換及び炉内圧力－温度 窒素吸収処理材の解析制御並びに急冷技術を有する真空熱処理技術に処理サンプルの金属組織断面観察を行い，オ新たに，窒素ガス加圧加熱による窒素吸収技術

ーステナイトに変態した相の厚さを測定し，処の研究を行った。

理時間との関係を求めた。一部のサンプルについて，マイクロビッカース硬さ測定，蛍光 X

 実験方法

線（検量線法）による窒素の組成分析，走査型 新規窒素吸収処理

電子顕微鏡による組織観察を行った。

窒素吸収処理に用いた素材は高 Cr フェライト

 耐食性の評価は 4h 処理したサンプルについ系の Fe-22Cr-1Mo（SUS445J1 相当）で，大きて，ステンレス鋼の耐孔食性評価試験である

さが 30mm×30mm，厚さ 1.5mm の板材である。

JIS G0577 に準拠した孔食電位測定試験， JIS*

素材応用技術支援センター** 株式会社中津山熱処理

G0578 準拠の塩化第二鉄腐食試験（試験温度50℃）を実施した。また，全面腐食を評価す－ 87 －

図  窒素吸収処理後の金属組織断面観察結果

図 処理時間とオーステナイト相厚さ

（処理温度 1200℃，時間 4h）との関係（炉内圧力 0.2MPa）




る 5% H2SO4 溶液の JIS G0579 準拠のアノー
ド分極特性試験を行った。
果を示す。処理条件はいずれも 1200℃，4h で，比較のために一部 0.1MPa のデータを含む。
図 1 の(b)の炉内圧力 0.2MPa で 4h 処理を行った場合では，混合相はオーステナイトが主体となっているが，フェライト相を少しでも含む場合はオーステナイト相から除外している。
グラフから処理時間 4h の場合，炉内窒素ガス(a)は炉内窒素ガス圧力を大気圧の 0.1MPa，(b)

圧力を 0.1MPa（図中の■）から 0.2MPa に加圧（処理温度 ℃、時間 K）．結果と考察
図 1 に窒素吸収処理後の金属組織断面観察結は 0.2MPa に加圧して処理を行った結果を示す。 することで，上矢印に示すようにオーステナイ
1200℃で窒素吸収処理を行うと，表面から窒ト相が厚くなり，オーステナイト化が促進され素が吸収され，金属組織はフェライト相からオる。また，左矢印に示すように，0.2MPa の 2h

ーステナイト相に相変態していく。写真の白色弱の処理が 0.1MPa の 4h 処理に相当する。した部が相変態したオーステナイト相であり，黒色がって，0.1MPa と同じ金属組織であれば，処理部が未変態のフェライト相である。ガス圧力が時間が 50%以上短縮できることから，生産性の0.1MPa の場合は表面から 0.4mm ずつ，合計で向上により処理コストが低減できる。なお，時0.8mm がオーステナイト相に変態している。一間短縮よりも炉の耐久性を優先する場合はオー方，中心付近の 0.7mm の領域はフェライト相がステナイト安定領域内の範囲で 1200℃より温度多く残り，オーステナイト相が散見される混合を下げての処理は可能と考える。

相となっている。炉内圧力を 0.2MPa に加圧しガス圧力を 0.2MPa に上げて処理した場合のて処理を行った場合，フェライト相は著しく減耐食性を確認する目的で，1200℃・4h で窒素吸少した。オーステナイト相が厚くなり，フェラ

収処理したサンプル（板材）について，耐局部

イト相は中央付近の 0.2mm にわずかに残ってい腐食を評価する孔食電位の測定（A 法:1mol/L

るだけとなり，窒素ガス加圧によってオーステ

塩化ナトリウム溶液）と塩化第二鉄腐食試験，ナイト化が促進されることが明らかになった。

耐全面腐食性を評価する強酸性雰囲気のアノー

硬さと窒素含有率は 0.1MPa 処理で 325HV・

ド分極試験を実施した。試験結果の一例として，

1.02％，0.2MPa 処理では 320HV・1.13％であり，

図 3 に孔食電位試験結果を示す。比較のために，

従来の結果を踏襲している 。

同一条件にて行った SUS316L 材の結果を合わ

 窒素吸収処理時間とオーステナイト相厚させて示した。図の縦軸に腐食の指標である電流との関係を表すグラフを図 2 に示す。なお，
この場合のオーステナイト相はフェライト相を含まない完全オーステナイト相をいう。また，図 2 は炉内圧力 0.2MPa の結果であるが，密度を，横軸に電位を示す。SUS316L では，電1)

位 0.3V 付近で孔食を示す電流値の急激な立ち上がりが見られたが，0.2MPa 窒素処理材（図中点線）では電流値の急激な立ち上がりは見られ－ 88 －

ず孔食は確認されなかった。また，－0.3~1.1Vの電位域でアノード分極試験を行い，窒素処理
材と SUS316L の電流値を測定したところ，窒素処理材の電流値が SUS316L 材の電流値を下回ったことを確認している。いずれの場合も大気圧の 0.1MPa 処理で得られる結果と同等であった 5)。さらに，苛酷な条件である塩化第二鉄
腐食試験(50℃)を実施したところ，腐食減量は0.75g／m2×h となり，これについても 0.1MPa の結果に一致しており，ガス圧力による違いは見られなかった。塩化第二鉄溶液による浸漬試験
では，窒素含有ステンレス鋼は腐食される。こ図  孔食電位試験結果

れは図 4 の電子顕微鏡による金属組織観察結果に示す様に，窒素吸収処理後にステンレス鋼中に微量に添加されたアルミニウム(Al)やチタン(Ti)が窒素と反応して形成される棒状の AlNや角形状の TiN と思われる数 µm の大きさの窒化物が起点になり腐食が進行するためである 6)。 
現時点では，加圧による窒化物形成挙動については 0.1MPa と変わらないと考えているが，より詳細な調査が必要と考える。合わせて，腐食環境の厳しい塩化第二鉄腐食試験における窒図  電子顕微鏡による金属組織観察結果

素含有ステンレス鋼の腐食挙動について，今後参考文献

研究を行う予定である。

1） 三浦一真，“窒素含有ニッケルフリーステン
．結 言

レス鋼の実用化研究”， 工業技術研究報告（1）Fe-22Cr-1Mo（SUS445J1 相当）の窒素吸書，No.39，2010，pp.33-40．

収処理について，炉内窒素ガス圧力を

2） 三浦一真，林成実，“窒素含有汎用クロム系

0.1MPa（1 気圧）から 0.2MPa（2 気圧）

ステンレス鋼の実用化研究”， 工業技術研にすることで，オーステナイト相への相究報告書，No.41，2012，pp.14-21．

変態が速くなり，同じオーステナイト厚

3）馬場晴雄，片田康行，木村秀夫，“オースさを得るのに必要な処理時間が 50%以上

テナイト系ステンレス鋼のすきま腐食と再短縮された。処理後の硬さ，窒素含有率

不動態化に及ぼす窒素の影響”，日本金属

は 0.1MPa 処理の場合と同等である。

学会誌，Vol.71，No.7，2007，pp.570-577．

（2）0.2MPa で窒素吸収処理したステンレス鋼）三浦一真，“ニッケルフリーステンレス鋼の耐食性は 0.1MPa の場合と同等であるこの特性と開発動向”，プレス技術，Vol.45，
No.15，2007，pp.37-41．

とを腐食試験で確認した。

5）三浦一真，“窒素含有ステンレス鋼”，金属，Vol.86，No.9，2016，pp.47-53．

本研究は（株）中津山熱処理が実施した平成

6）三浦一真，林成実，中川昌幸，岡田英樹，

29 年度補正ものづくり補助金事業（事業計画
名：「加圧・加熱・冷却機構を具備した真空熱

中津山國雄，“窒素含有ステンレス鋼の耐処理炉によるステンレス鋼製品の付加価値創

孔食性に及ぼす微量元素の影響”，日本金成」）の一環として実施したことを付記する。

属学会誌，Vol.79，No.7，2015，pp.376-383．

－ 89 －

ノート

GC-MS によるオフフレーバー分析
天城

裕子*

渋谷

恵太*

山下

亮*

Analysis of Off-flavour Compounds using GC-MS
AMAKI Yuko*, SHIBUYA Keita* and YAMASHITA Ryo*1．

緒

図 1 に scan モードでのトータルイオンクロ

言

昨年度導入したガスクロマトグラフ－四重極

マトグラム（TIC）を示す。ピーク強度には大飛行時間型質量分析計（GC-Q-TOF/MS）で適

きくばらつきがみられ，ピークが確認不可のサ用可能な試験としてオフフレーバー（異臭）成ンプルがいくつかみられた。感度が悪い，また分の分析がある。臭気成分は一般的に閾値が低は検出しないサンプルは水酸基やカルボニルなく，また通常のサンプルでは臭気と無関係な物

どの極性基の構造を持つものが多く，カラムへ質も多量に検出されることが多く，これらが臭の吸着性が高いなどの要因が考えられるが詳細

気成分の分析を困難にしている。本研究では臭は不明である。

気成分の測定方法についての検討を行った。
2．

表2

測定条件

林純薬工業（株）製の異臭学習用の異臭物質

No.

のプロピレングリコール溶液のキットをサンプ

サンプル概要と RT
RT

物質名

臭いの特徴

1

グアヤコール

薬品臭8.47

ルとし，ヘッドスペース法による測定を行った。

2ジメチルジスルフィド

野菜の腐敗臭3.15

測定条件は表 1 のとおり。

3

ナ フ タ レ ン

防虫剤臭

9.97

4

2-メチルイソボルネオロール

かび臭，墨汁臭N.D.

5

トリメチルアミン

魚の腐敗臭

1.48
11.78

2.1

結果

/min

EIC

○

○

表 2 に各サンプルの概要と今回の条件におけ

6

2.4-デカジエナール

油の酸化臭

るピーク検出までの保持時間（RT）を示した。

7

ト

ン

溶剤臭

3.43

8

2.4.6-トリクロロアニソール

かび臭

12.03

○

9

n - 吉 草 酸

不快臭

2.00

○

10

2.6-ジクロロフェノール

消毒臭，塩素臭N.D.

114-メチル-3-ヘキセン酸

雑巾様臭

N.D.

12

メチルエチルケトン

溶剤臭，塩素臭

4.19

表1
装置

HS

GC

MS
MS/MS

測定条件

Agilent 7250
GC/Q-TOF
サンプル採取量10μL
バイアル加熱条件 40℃ 30min
0.5min
導入時間
HP-5
カラム
注入法
スプリット 1:100
注入口温度
200℃
40℃(3min)
昇温条件-10℃/min-250℃
EI 70eV
イオン化法
イオン源温度
250℃
インターフェース温度 280℃
m/z
29-400（scan モード）
コリジョンエネルギー 10eV

ル

エ

13

2.4.6-トリブロモアニソール

かび臭

15.62

14

2-トリデカノン

樹脂様臭

14.04

15

1-オクテン-3-オン

金属臭，鉄臭6.61

16n-ヘキサナール

青臭，紙臭

3.83

17

n-ヘプタナール

青臭，紙臭

5.37

18

n

古漬臭，腐敗臭3.84

19

酢 酸 エ チ ル

果実臭，シンナー臭

1.98

20

* 下越技術支援センター－ 90 －-

酪酸

プロピレングリコール

無臭（1-19 の溶媒）

3.11

○

○

19

20 7 16
14
17

13
3
12

図 1 TIC
2.2

6(ピーク番号は表 2 と対応)

微小ピークの検出.

表 2 中で EIC 項にマークのあるサンプルは，対象物質特有の m/z の抽出イオンカレントクロ

a: TICマトグラム（EIC）によるピークの確認を行った。例として No.8 のトリクロロアニソール（TCA）のデータを図 2 および図 3 に示す。図2a の EIC である図 2b では、TCA のピークが確認できる（TCA のモノアイソトピック質量b:EIC(scan モード)

m/z=210 での抽出）。しかし MS スペクトルは，
図 3d のようにカラムブリードなどのノイズがc:EIC

多数検出される。そこで，S/N の改善のためプ(MS/MS モード)

リカーサ―イオン m/z=210 とした MS/MS モー
ドによる測定を行った。プロダクトイオンの図 2 TCA スペクトルEIC およびプロダクトイオンスペクトルは図2c, 3e のとおり。scan モードと比較してノイズ軽減がみられた。
3．

結

d:b の MS スペクトル言

臭気物質の種類により検出感度に大きな差がみられた。実際の異臭分析では，臭気成分以外

e:c のプロダクトイオンスペクトルの夾雑物のピークが多数検出されるため，臭いの種類からある程度物質名を絞り込む作業が必須と思われる。また，今回は微極性カラムによるサンプルループモードのみでの検証を行ったが，より高感度測定のためにはカラムの変更や固相抽出などの前処理が必要である。

－ 91 －

図 3 TCA スペクトル

Ⅲ

調査・報告

－ 93 －

調査・報告

ナノ分散系の製造・評価技術に関する調査研究岡田 英樹* 笠原 勝次* 小林 泰則** 渋谷 恵太***
河原 崇史*** 石井 治彦*** 櫻井 貴文****Report of Processing and Evaluation Technology of Nano-scale Dispersion Systems
OKADA Hideki*，KASAHARA Katsuji*，KOBAYASHI Yasunori**，SHIBUYA Keita***，KAWAHARA Takashi***，ISHII Haruhiko *** and SAKURAI Takafumi**** 緒  言また，得られたニーズを基に予備実験を行った。

ポリマーアロイ・ポリマーコンポジット（固その結果について報告する。

固系），エマルション（液液系），サスペンシ
ョン（固液系）などの分散系は，食品，医薬品，

 活動概要

電子材料など各種産業分野において幅広く利用 技術動向調査

されている。さらなる高機能化を目指して，素 ナノ分散系の製造技術

材や分散系のスケールの微細化が進みつつあり，

ナノ分散系の製造技術として，新潟県内企業

今まで得られなかった物性，特性の発現が期待の（株）ニイガタマシンテクノが（国研）産業

されている。例えば，記憶媒体の高密度化，光技術総合研究所と共同で高せん断成形加工装置

学特性の発現，高強度化などである。しかし，を開発し，相溶化剤を使用することなく，非相分散質の大きさがナノオーダーになると，材料

溶系ポリマーアロイの相容化が可能になった1)。

同士の表面・界面の表面積が急激に増加し，今この装置は，特殊な形状のスクリューによってまでは無視できていたような粒子間相互作用な強いせん断をプラスチック材料に与えることで，どが無視できなくなり，材料の取り扱いや加工

ナノレベルまで分散，混合することが特徴であが極端に難しくなる。ナノ分散系の評価においる。更に，プラスチック材料同士だけではなく，ては，系の微細化により評価手法が限られておプラスチック材料に金属やガラス，セラミック

り，大きな課題がある。また，ナノレベルまでスといった無機材料なども分散，混合すること分散させる技術を確立することによって，ミクができる可能性がある。ただし，この装置の原

ロンオーダー分散系をナノオーダーで制御する理を開発した（国研）産業技術総合研究所の清ことが可能となり，既存の製品においてもより

水氏は，「非平衡状態下で非相溶系ポリマーア

特徴的な機能を持った材料設計が可能となる。

ロイの相溶化がなぜ起こるのかということと，そこで，本調査研究では，ナノ分散系の製造・

この方法で作製された微細構造はなぜ緩和しな評価技術に関して技術動向を調査し，新潟県内

いのか，については理論的にわかっていないた

企業や試験研究機関におけるニーズを調査した。

め，その解明が必要である」としている 2)。我々は，平成27年度から平成29年度まで（公財）* 研究開発センターにいがた産業創造機構の市場開拓技術構築事業** 研究開発センターの一環として，高せん断成形加工装置による混レーザー・ナノテク研究室*** 下越技術支援センター**** 県央技術支援センター

合や分散のメカニズムを解明し，特性向上を目指した「新材料」の開発を行った 3)。メカニズ
ムの解明には至らなかったが，高せん断成形工－ 95 －

技術によってポリマーアロイや無機フィラーの高機能化おいては，ナノ粒子が凝集して形成さ高分散化を達成した。

れる二次粒子の解砕や分散の制御、分散剤の選定が重要であると考えられる。また，シミュレ 分散系の評価技術

ーション技術の活用に関しては，製造プロセス

分散系における基本的な評価手法としては，の最適化条件の探索やスケールアップにおいて溶解性パラメータ（SP値），ハンセン溶解性パ課題がある。製品物性の予測や流動シミュレー

ラメータ（HSP値），親水親油バランス値（HLB

ションにおいては，ナノスケールの評価手法が値），表面張力，表面自由エネルギーなど基本

限られるため，製品の微細構造がどのようにふ的な性質に加えて，レオロジー，粒子径，粒子

るまっているかを知る手段として有効であると

径分布，粒子形状，ゼータ電位，濡れ・界面情

考えられる。

報，沈降試験など分散状態の評価が一般的である。工業技術総合研究所では，電界放出形電子

 工業技術総合研究所の取り組み

顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡などによる直接

ナノ分散系に関する様々なニーズのうち，デ観察やレーザー回折式粒度分布測定装置，接触

ンプンの微細化とナノ構造体の計算機シミュレ

角計などを有効に活用し，ナノ分散系の評価がーションによる物性予測についての取り組みを可能である。

報告する。

 技術動向調査 デンプンの微細化

分散系を取り扱っている，または関心を持つ 目的

可能性がある新潟県内企業への訪問や面談を行

一般に，食品の微細化は，吸収効率の向上，い，ニーズ調査を行った。全体では，10企業・

機能性成分の有効利用，食味・食感の改善，未2研究機関について調査した。以下に調査結果の利用食材の食品素材化などが期待されている。

概要について記す。また，得られたニーズを基

そこで，デンプン粒を微粉化することによってに行った実験については次項目で結果を示す。

水中での分散安定化を目指した。

食品分野においては，農林水産省の委託研究
プロジェクト「食品素材のナノスケール加工及 実験内容

び評価技術開発」が2007年から5年間取り組まデンプンとして市販されている片栗粉（馬鈴

れており，（独法）農業・食品産業技術総合研

薯デンプン）を用いて，これを水中に分散させ究機構を中心に実施された。その内容は，加工た。低粘度混錬装置（（株）ニイガタマシンテ

基盤技術の開発，物理化学的特性・加工適性な

クノ製：NLVM2-6000）を用いて加工を行った。

どの解明，実験動物などを用いた体内動態評価，加工条件は回転数が3000rpm，加工時間を10sと品質安定性の解明，評価技術の開発，新機能解

した。

4)

明と多岐に渡っている 。そういった中で，米デンプンの微細化や酒粕の高機能化といったニ 実験結果

ーズが確認された。

図1に加工前後のデンプンの顕微鏡写真を示

工業分野では，特に粒子が液体中に分散してす。加工前のものはデンプン粒が沈降して水といる固液分散系において，原料粒子のナノサイ

分離していたが，加工後のものは分散が安定し，ズ化による高機能化，製造プロセスや製品特性沈降が抑制されていた。顕微鏡写真から全体的におけるシミュレーション技術の活用についてにデンプン粒が小さくなっており，これによっニーズが確認された。原料粒子のナノ化によるて水分散液の安定性が増したものと考えられる。

－ 96 －

デンプンはハード層とソフト層が交互に繰り返

加工前

5)

した層構造をしているといわれており ，ソフト層ではく離して小さくなったものと推定される。また，はく離した層が分散安定剤として機能している可能性も考えられる。
 シミュレーションによる物性予測

50µm 目的
計算機シミュレーションによるナノ分散複合

加工後

材の物性（特に機械的性質）の予測に関する調査研究を行った。
 方法
ヤング率の予測は文献 6)に示す方法に基づいて実施した。この手法により，各材料の体積分50µm

率および分散形態（孤立分散や層状分散など）などに依存した複合材料のヤング率の推算が可図  加工前後のデンプンの顕微鏡写真能である。具体的には，複合材料内での材料の分散状態を表現した形状モデルに対し，複合材

合材中のPMMAの体積分率は0.2に固定し，分散料を構成する各材料のヤング率とポアソン比を

形態を変化させた場合のヤング率の変化につい既知として変形モードの異なる複数の仮想変形て調べた。分散形態としては球状分散と共連続試験を有限要素法による静的弾性解析により実分散，層状分散の3種類について検討した。シミ

施し，それらの結果を重回帰分析することで複ュレーションに用いた計算モデルを図2～4に示

合材料のヤング率を求めるというものである。

す。モデルはすべて立方体形状とし，球状分散

有限要素法の計算にはOCTA/MUFFIN（elastica

モデルではPMMAが球形状で規則的に並んで分5e）を用いた。重回帰分析にはMicrosoft Excel

散しているものとした。共連続分散モデルではを使用した。

PCがPMMA中にジャングルジムの骨組みのよう

対象材料はポリカーボネート（PC）中にアクな形状で分散しているものとした。層状分散モ

リル（PMMA）を分散させたものを想定し，複デルではPMMAとPCが互いに板状に分散してい図  球状分散モデル

図  共連続分散モデル

－ 97 －図  層状分散モデル

るものとし，このモデルでは方向によってヤ

表 構成材料の機械的性質

ング率が異なることが予想されるため，図のヤング率 (MPa)ポアソン比 (-)

PC

2112

0.35

PMMA

3279

0.39

縦方向（層面に垂直）と横方向（層面に平行）の2方向について解析した。
 結果

表 計算結果から求めた複合材料のヤング率

シミュレーションに用いた構成材料の機械

ヤング率 (MPa)

的性質（ヤング率とポアソン比）を表1に，計算結果から求めた複合材料のヤング率を表2に示す。
PMMAを分散させたPCのヤング率はPCの球状分散モデル2289

共連続分散モデル

2330

層状分散
モデル

ヤング率よりも上昇し，PMMAの体積分率が同じ場合でも分散状態により複合材料のヤン

垂直方向

2276

平行方向

2366

グ率に違いが現れることが確認できた。
また，PMMAが孤立状態で分散している球状

参考文献

分散モデルよりも連続的に分散している共連続

1）（株）ニイガタマシンテクノ，高せん断技術

分散モデルのほうが高いヤング率を示している

情報，http://n-mtec.com/publics/index/84/（201こともわかる。さらに，層状分散モデルでは層

9年3月15日）．

面に垂直な方向と平行な方向ではヤング率が異2）清水博，Yongjin LI，“高せん断成形加工技

なっており，層面に垂直な方向よりも層面に平術により創製した新規ナノコンポジットの構

行な方向のヤング率の方が高くなっていること

造と物性”，高分子論文集，Vol. 71，No. 3，もわかった。

2013，pp. 69-88．

これらの結果は分散形態の違いに基づく複合

3）岡田英樹ほか，”複合樹脂の特性評価と樹脂材料のヤング率の変化を良好に表現できているのナノ複合化による高機能性複合樹脂の開と思われるため，今回の検討によりシミュレー

発”，工業技術研究報告書，No. 47，2018，p

ションによる複合材料のヤング率予測の可能性

p. 58-60．
4）中嶋光敏，杉山滋，“フードナノテクノロジが示されたものと考える。

ー”，シーエムシー出版，2009．
5）藤田直子，東京農業大学先端研究シンポジウ

 結  言（1）ナノ分散系に関して，食品分野では微細

ム，”米デンプンの改変”，http://www.nodai.

化や高機能化に関するニーズがあり，工ac.jp/teacher/symposium/pdf/2008/hujita.pdf（20業分野では，評価手法の確立，シミュレ

19年3月15日）．

ーション技術の活用に関してニーズがあ6）名古屋大学土井プロジェクト高機能材料設計
プラットフォーム研究体，財団法人化学技術

る。
（2）ナノ構造体のシミュレーション技術を確戦略推進機構，”ソフトマテリアルのための立し，今後の研究テーマ提案に活用する。

統合化シミュレータOCTA適用研究事例AMU
SE”，第3章，2002．



－ 98 －

調査・報告微細構造分析による結晶材料の高機能化に関する調査研究中川 昌幸* 渋谷 恵太* 天城 裕子* 林 成実** 近 正道*** 岡田 英樹****Report of Technology Trends of Microscopic Structural Analysis of Polycrystalline Material
NAKAGAWA Masayuki*，SHIBUYA Keita*，AMAKI Yuko*，HAYASHI Narumi**，
CHIKA Masamichi*** and OKADA Hideki**** 緒  言して実施してきた。本報告ではその事例を紹介

材料内部の結晶粒内ひずみ，ナノ・マイクロする。

スケールの結晶相変態，結晶方位変化，またそれらの分布が材料全体の機能性に与える影響を )(6(0(%6' を活用した技術調査

理解し，活用することは，製品の付加価値機能 )(6(0(%6' による微細構造分析
EBSD による分析は，高分解能かつ単位時間向上に有効な手段であると考えられる。
近年，電界放出形電子銃の高性能化や検出器

当たりの検出感度を得るため，数百 nA というを含めた解析の高速化により， EBSD（電子線

大電流を流せるショットキー電界放出形電子顕

後方散乱回折法）による微細構造分析が広がり微鏡が適していると考えられる。当研究所ではを見せている。

昨年度 EDS，EBSD（オックスフォードインス
1）

トゥルメンツ（株）製）を搭載した FE-SEM

は照射された電子ビームがブラッグの条件によ（日本電子（株）製 JSM-7800F PRIME）を導り反射された回折像である。そのパターンをあ入した。図 1 に装置の外観を示す。本調査研究

る結晶構造として解析し，結晶方位を同定するではこの装置を用いて EBSD 測定を実施した。

EBSD 測定におけるいわゆる菊池パターンのが EBSD 測定である。従来の顕微鏡法では評価できなかった結晶方位マップ，結晶相マッ
プの他，結晶粒径や塑性ひずみ分布など結晶の情報を電子顕微鏡の分解能で得ることができる。
本調査研究では，地域における中小製造業が材料の高機能化を検討し，製品の高付加価値化を目指す取り組みを支援するため， FE-SEM/
EBSD を用いた微細構造評価と機能化について調査するとともに，小規模な研究テーマを設定* 下越技術支援センター** 中越技術支援センター

図  導入した )(6(0 の外観*** 上越技術支援センター**** 研究開発センター－ 99 －

 (%6' 測定事例 686- 調質組織950℃で 30min 加熱後に油冷し，200℃で 1Hr
焼き戻ししたマルテンサイト系ステンレス鋼
SUS420J2 の金属顕微鏡観察を図 2 に示す。素地はマルテンサイト，微細粒は炭化物である。
この試料を EBSD 測定した結果（逆極点マップ（IPF-Z））を図 3 に示す。結晶方位のマッ
ピングにより，10µm 程度のサイズの結晶組織

図  686- の金属顕微鏡観察

であることが分かる。図 2 の金属組織観察では，
このような境界は見られない。この測定と同じ視野における結晶方位マップに，バウンダリ解
析を重ね合わせた結果を図 4 に示す。バウンダ
リ解析では隣り合う領域の方位差の閾値を設定して境界（バウンダリ）線を引くことができる。
図 4 では，隣り合う領域の方位差 15°以上の境
界に線を引いた。
 方位差 15°以上の大傾角境界は一般的には結図  686- の逆極点マップ ,3)= 

晶粒界とみなされるが，調質によって得られた
マルテンサイト相の粒界ではなく，焼き入れにおける加熱で得られる一様なオーステナイト結晶の境界を示していると考えられる。また，この組織の素地はマルテンサイトであり，同じオーステナイト結晶粒から変態した微細なマルテ
ンサイト結晶は方位差が比較的小さいと考えられる。
 686 温間引張試験破断部

図  686- の結晶方位マップと SUS304 は常温で塑性加工するとマルテンサ

バウンダリ解析を重ね合わせた結果

イト変態を起こして硬化することはよく知られる。一方で，深絞り加工などを行う際に材料をセル（以下，ゼロソリューション）が多数見ら

100℃程度に加熱するとほとんど変態せずに塑れ，結晶粒も不明瞭となっている。これは結晶性変形する。このときの組織の状態を観察するの塑性ひずみによる転位密度の増大などによりため，常温および 100℃の環境で引張試験を行

結晶性が低下したため，菊池パターンのコント

い，破断部の近傍の材料を切り出して EBSD

ラストが不明瞭となったためである。一方，測定を行った。図 5 に(a)ブランク，(b)常温引100℃で引張破断部近傍では，多角形のオース

張 破 断 部 近 傍 ， (c)100 ℃ 引 張 破 断 部 近 傍 の

テナイト結晶粒が明瞭に見てとれる。図 6 に図EBSD 測定（逆極点マップ）の結果をそれぞれ

5（c）100℃引張破断部近傍を拡大した結果を示す。引張方向は図の左右方向である。常温引示す。図中の矢印で示すように，引張方向に対

張破断部近傍の組織は，マップに黒抜けのピク

しておよそ 30°方向に双晶が生じている。温間－ 100 －

での引張ひずみにおいては，ゼロソリューショ

 加工と熱処理による組織変化の (%6' 測ンの増加も少なく，転位密度の増大にともなう

定

塑性よりも双晶による塑性が支配的になってい 686 の加工誘起α’の逆変態γ結晶

ると考えられる。

粒の微細化
ホール・ペッチの式 2 ） で示されるように，結晶粒を微細化することにより材料を強化することができる。SUS304 において，加工によりマルテンサイト変態させた後，加熱してオース
テナイトに逆変態させることにより結晶を微細化できることが示されている 3 ）。このような手法により，材料の微細構造が変化する様子を（D）ブランクEBSD により測定した。
 実験方法
 使用した材料は市販の SUS304 焼鈍材である。
これをおよそ 4mmｘ4mmｘt8mm に切断し，万能材料試験機により常温で圧縮した。このときのマルテンサイト量はフェライトスコープによ引張方向⇔

（E）常温引張破断部近傍

り測定し，マルテンサイト体積率は 70％程度となった。その後，電気炉で 650℃2Hr 加熱した。EBSD 測定の前処理として耐水研磨紙の#800 ， #1200 ， #2000 で 研 磨 し た 後 ， 粒 子 径
3µm のダイヤモンド懸濁液でバフ研磨を行った。最終仕上げとして平面イオンミリング加工を行い，最表層の研磨ひずみを除去した。
 実験結果

引張方向⇔（F）℃引張破断部近図  逆極点マップ（,3)=）
傍

試料を万能材料試験機により常温で圧縮し，マルテンサイト変態させたのち測定した結晶相マップを図 7 に示す。加工によって結晶が大き
く乱れ，ゼロソリューションの面積が非常に大きくなっている。そして一部は微細なマルテン
サイト結晶になっており，オーステナイト相はほとんど見られない。その状態から 650℃で
2Hr 加熱したのち測定した結晶相マップを図 8に示す。マルテンサイトは一部残留しているが，逆変態したオーステナイト結晶が得られており，

引張方向⇔

結晶粒径は 1µm 以下の微細な結晶粒から大きくても 2µm 程度以下の微細組織となった。

図  図 （F）の拡大

－ 101 －

顕微鏡の分解能で結晶方位，結晶サイズ，
結晶相の解析が可能となった。
（2）SUS304 の引張破断部付近の微細結晶構造の変化について EBSD 測定を行った。
100℃の温間引張破断部近傍の組織は、常温での引張破断部近傍とは異なる特徴的オーステナイト

マルテンサイト

な双晶変形が見られた。
（3）SUS304 を加工によりマルテンサイト変図  室温圧縮後の結晶相マップ

態させ，加熱することにより 2µm 程度以下の微細なオーステナイトに逆変態させたときの結晶相，結晶サイズを EBSD により評価することができた。
参考文献
1）大槻，“帰ってきた「菊池パターン」”日オーステナイト本物理学会誌No.30 1975 pp. 321-329.

マルテンサイト2）門間，“改訂第 4 版鉄鋼材料学”，実教出図  ℃+U 加熱後の結晶相マップ

版（株），1985，pp.87-88，.
3） 加藤，鳥阪，“単相ステンレス鋼 SUS304

 結  言（1）導入された FE-SEM/EDS，EBSD を用いにおけるα’→γ逆変態をともなう再結晶て，微細構造の評価技術について調査を

お よ び 高 温 変 形 挙 動 ” 鉄 と 鋼 ， Vol.80 ，行った。EBSD を用いることにより，電子No.3，1994，pp.67-71.













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
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

－ 102 －

調査･報告

硬脆性材料のドライエッチングに関する調査研究丸山 英樹* 山田 敏浩 * 小林 泰則 * 宮口 孝司*
Report of Market and Technology Trends of Dry Etching of Brittle Materials
MARUYAMA Hideki*, YAMADA Toshihiro*, KOBAYASHI Yasunori* and MIYAGUCHI Takashi*
加者は10企業，2団体，計22名であった。

 緒  言
近年，ガラスやセラミックなどの硬脆性材料

開催日：平成 30 年 11 月 21 日（水）

の用途が広がっている。水晶も硬脆性材料の一

会場：中越技術支援センター研修会議室

つであり，電子産業界ではシリコンと共に広く（講演 1）「プラズマドライプロセスの利用されている。水晶の代表的な用途は水晶振加工とその応用技術」

動子などの発振デバイスで，正確な信号のやり

立山マシン（株）事業推進室 人母 岳 氏

取りを行う電子機器には必要不可欠なものであ概要 MEMS 市場の拡大とプラズマエッチン

る。一方で電子機器は年々高速化し，水晶振動

グ装置の原理説明，同社が開発した圧電材料や子の発振周波数はより高くなり，正確さが要求

プラスチック用ドライエッチング装置の加工事されている。このため水晶振動子内部の水晶の例の紹介

素板（ブランク）を薄くすることが要求され，（講演 2）「IoT と微細加工技術の応用」

機械加工では困難な薄さとなりつつある。業界（株）エリオニクス 営業部清野 悠太氏

では水晶ブランクの周囲を厚く，中央部を薄く

概要 IoTの様々な事例や必要となるセンサー

加工した逆メサ形状を採用することが増えていの紹介，同社が供給するICPイオンエッチングる。逆メサ形状は従来の機械加工で作ることが装置，電子線描画装置などの紹介

難しく，ドライエッチングやウエットエッチン
グで製作していると考えられる。本研究では逆メサ形状を加工する方法の一つとして水晶のド

聴講者のアンケート結果では金型への応用ができないか興味がある等の意見があった。


ライエッチング加工に関する調査研究を行い，

 調査

県内企業に技術提供を行った。

 技術動向調査
電子部品業界では，2019年にも始まる次世

 活動概要 セミナーの開催
実際に水晶などの硬脆性材料のドライエッチ
ング装置を製作している企業から講師を招いてセミナーを開催し，県内企業に技術動向などの情報提供を行った。講演テーマ及び講演者は以下のとおりで，講演会の様子を図1に示す。参*  研究開発センター

図  講演会の様子

レーザー・ナノテク研究室－ 103 －

代通信規格5Gの実現に向けて活発な動きが見られる。発振デバイスでは水晶を使わない



MEMS発振器が精度を高め，存在感を高めている。水晶デバイスはMEMS発信器に対抗し小型

化，高精度化，低コスト化が要求されている。







 県内企業調査



新潟県内では水晶ブランクを自社で加工する



中小企業が複数あったが，その数は減少傾向にある。年々厳しくなっている水晶の加工には設

備投資が必要だが，既存設備で対応できる範囲



の製品だけにするか，外注加工で対応している



企業もあった。また水晶ブランクを逆メサ形状

で薄くする要求を受け，対応できずに今後の製

1.5mm㻌

1mm㻌

φ0.6mm または 0.7mm㻌

20μm㻌
60μm㻌

造方法を模索している企業もあった。
図  目標とした水晶ブランク形状

 工業技術総合研究所の取り組み 水晶ブランクの加工について

グ装置を利用して水晶のドライエッチング実験

 水晶の逆メサ形状加工のためにフォトリソグ

を行った。
エッチング条件について検討を重ねた結果，

ラフィによりマスクを作製した。水晶をドライ
エッチングする為にはマスクに高い耐久性が必

水晶を20μm以上加工することが出来た。

要で，1.2μmのニッケルの金属マスクをリフト

加工した水晶は下越技術支援センターの白色

オフ法により形成した。また加工形状は県内企

光干渉式非接触表面性状測定機Ametek Tarysurf

業と打ち合わせ，図2に示す形状を作製するこCCI を用いて測定し，エッチングレート，エッととし，水晶をドライエッチングで20μm加工

チング面の表面粗さを測定した。また他機関のすることを目標とした。

保有するドライエッチング装置でも同様の実験

を行った。各機関で加工したウェハーの測定結 水晶のドライエッチング実験

果を表1に示す。表のエッチング所要時間は各

公財 にいがた産業創造機構（NICO）のナ

装置の連続運転を考慮したもので冷却時間を

ノテク研究センターが保有するドライエッチン

含む。NICOの装置はメーカー指定のクリーニ






表１ 各機関のドライエッチングの結果




保有機関


NICO



機関A

機関B

装置の方式


ICP



CCP

ICP


エッチングガス

エッチングﾚート (μm/min)

表面粗さRa（nm）

20μmエッチング所要時間(min)

誘導結合放電方式  容量結合型誘導方式
CF4,Ar,O2



SF6,Ar

誘導結合放電方式
CHF3
CF4

0.10



0.17

0.29

0.30

5

11

1

150

84

82

3
400




－ 104 －

ング時間も含む。

クをつけずに直径φ14mmの水晶ウェハーの全

面をドライエッチングし，再度測定を行った。

 ダイシング装置による切断実験

この結果，全面エッチングを行った水晶ではドライエッチングした水晶ウェハーは熱可塑

発振周波数34.75MHz で30dB以上の振幅が得ら性樹脂を用いてシリコンウェハーに接着し，ナれ，企業から使用できるレベルであるとの評価

ノテクセンターのダイシング装置 東京精密を得た。（株）製 A-WD-110A によって水晶部を切断した。

これによりドライエッチング加工した水晶自体に問題が無いことを確認した。作製した水晶

切断後，溶剤で熱可塑性樹脂を溶かしシリコ

ブランクの発振の振幅が小さい原因は，主に振ンウェハーから分離，回収した。切断後の水晶動する面が小さい為と考えられるが，実用化す

ブランクを図  に示す。

るためにはスプリアス発生の原因について調査

し，形状や加工条件などの検討が必要である。

 水晶ブランクの評価

作製した水晶ブランクを県内企業の協力によ 結  言り測定した。測定の結果，いずれの水晶ブラン（1）にいがた産業創造機構ナノテク研究セン

クの波形も振幅が小さく，スプリアスと呼ばれターのドライエッチング装置を用いて水る目的周波数以外の発振 が見られた。ドライ

晶のドライエッチング加工条件を検討し，エッチング加工自体か，あるいは作製した逆メ目標とした深さ20μmの加工を行った。

サ形状に問題があると考えられる。そこでマス

また水晶ウェハーから切り出して水晶ブ

ランク形状を作製した。

（2）他機関の設備でも水晶のドライエッチン



グ加工を行い，装置による特性の違いや



生産性の違いを把握した。

（3）全面をドライエッチングした水晶ウェ

ハーでは，良好な発振を確認した。しか

し逆メサ形状の水晶ブランクは振幅が小さく，スプリアスが見られた。

1mm

図  切断した水晶ブランク



参考文献



1）勝亦徹松本健 “水晶振動子の外形加工の研究”工業技術巻SS














－ 105 －

調査・報告ファインバブルに関する調査研究
内藤

隆之*

星野

公明**

中川

昌幸***

天城

裕子***

亮***

山下

桑原

理絵****

Report of Market and Technology Trend of Fine-buble Technology
NAITO Takayuki*, HOSHINO Kimiaki** , NAKAGAWA Masayuki*** , AMAKI Yuko*** ,YAMASHITA Ryo*** and KUWAHARA Rie****

1.

緒

言

2.

ファインバブルとは，直径 100μm 以下の気活動概要

泡を総称した呼称である。さらに直径 1μm を

2.1 講習会の開催
ファインバブルの利用技術に関する講習会を境として大きい気泡をマイクロバブルと呼び，開催した。講習会の様子を図 1 に，内容を以下

小さい気泡をウルトラファインバブルと呼んでに示す。講演終了後，ファインバブル発生装置区別する。平成 29 年 6 月にファインバブルにの実演を行った。

関する規格が発行され，これまでに 4 規格の発

開催日：平成 30 年 12 月 14 日（金）行がなされてきた 1)。

参加者：18 社 24 名

またファインバブルは，水中への易溶性のほか，水中で浮遊する気泡（特にウルトラファイ
ンバブル）の存在による効果

2)

内①ファインバブル水による工業洗浄等の事例紹介に特徴があるとされている。しかし，この浮遊する気泡の計測

容：②ウルトラファインバブル水のビルメンテナ
ンスと入浴利用における活用事例（粒度分析）は困難であり，今日まで確立された粒度分析方法がなく，ISO 化に向けていくつ

講

かの方法が検討されている状況である。

①大生工業(株)FB 事業部課長・加藤 克紀 氏

昨年度は，ファインバブル発生装置を購入し，師：②(株)金星 前橋事業所所長代理・飯田 浩 氏

ファインバブル径計測装置の使用事例や，主にウルトラファインバブルによる測定データの蓄

聴講者の関心がとても高く，質疑も活発であった。機械加工や工業洗浄におけるファインバ積を実施してきた。
今年度は，マイクロバブルを優先的に発生さブルの期待感は大いに感じられた。一方，ファせる装置を導入し，ウルトラファインバブルとインバブル技術は万能ではなく，使用条件の検の比較事例として，アルミ材の研磨試験を行っ討が今後の課題であることもわかった。

て加工効果について確認した。また，ファイン
バブル技術の普及を意図して，官学連携による研究会を組織したので，その活動概要を報告する。
*

県央技術支援センター**

研究開発センター***

下越技術支援センター****

中越技術支援センター

図1－ 106 －

講習会の様子 技術動向調査 工業技術総合研究所の取り組み ファインバブル径計測装置

本調査研究で導入したファインバブル発生装

当初から課題とされてきたファインバブル径

置 2 機種を用いて，シンプルな加工事例として計測における気泡と非気泡粒子（介在粒子）と耐水研磨紙による Al 研磨におけるファインバを区別する問題は，現時点で共振式質量測定法

ブル水の効果を確認した。

のみが対応できる方法である。ただし，測定前（試 料）φ10mm の純 Alの試料調製方法について課題が多く，実用化に（研磨紙）#220

はまだ程遠い状況である。現状の対策について（研磨機）IS-POLISHER ISPP-1000

は，ファインバブルを含ませる前後での計測結果を比較する方法などが有力とされているもの（ 株 池上精機製）（ファインバブル発生装置）の，ISO 化に向けて検討中である。

・HELIX NOZZLE TH-03（大生工業 株 製）

・GaLF FZ1N-07（IDEC 株 製）

 ファインバブルの利用技術
 国内外を問わず農業，水処理，洗浄の各分野について利用事例が先行しているものの，学術（実験条件）表 1 のとおり
ファインバブル発生装置により水槽内にバブルを発生させ，その水槽に研磨機の水供給装置の的な解明が不十分な状況であり，経験的な事例

吸込み口を入れてバブル水を研磨機に導入した。

の蓄積に傾倒している状況に課題がある。

大生工業（株）のバブル水は 10 数 μm～100µm

FBIA 等の関係団体が主導するシンポジウム等程度までの径分布を持ち，26～40µｍ程度の発での情報収集は今後とも必要である。

生頻度が高い。一方，IDEC（株）のバブル水は 6'*V との関わり

の様子を図 3 に示す。 

0.05µm~0.2µm 程度までの径分布を持つ。実験
SDGs とは 2015 年 9 月の国連サミットで採
表  実験条件

択された 17 の国際目標（図 23） ）であり，2030 年を年限として「誰一人取り残さない」
持続可能で多様性と包摂性のある社会の実現を目指している。
ファインバブル技術は SDGs が掲げる 17 の目標の中で 9 の目標に関与できる可能性がある

とされ，図 2 において，太枠の目標がファイン

4)

バブル技術の関与できる分野とされている 。

荷重負荷おもり J 

研磨板回転速度 USP 

水供給頻度PD[

試料スイング

なし

耐水研磨紙



荷重負荷おもり








水供給装置
試料ホルダ





研磨板



図 6'*V の  の目標
図  実験の様子

（太枠がファインバブル技術の目標）

－ 107 －



第一回：平成 30 年 7 月 12 日（木）






水道水
,'(&
大生工業



重量変化 J   演題「ファインバブルの可能性」
   講師 新潟大学 助教 牛田 晃臣 氏
第二回：平成 30 年 9 月 21 日（金）   新潟大学 牛田研究室見学
第三回：平成 30 年 12 月 14 日（金）   ファインバブル技術講習会
   ※新潟県工業技術総合研究所主催の







講習会に共催で参加
第四回：平成 31 年 3 月 7 日（木）








加工時間 VHF    燕三条地場産業振興センターにてファインバブル水による洗浄実験

図  加工時間と重量変化 結  言（実験結果）

（1）県内企業ではファインバブル技術につい研磨条件を一定とし，試料の重量減少を比較て機械加工や洗浄への利用に高い関心を示することにより水道水と IDEC（株），大生工

すものの，機構解明が不十分なため評価で業（株）の発生装置によるバブル水を用いたと

きず、普及するまでには至っていない。

きの加工性を比較した。図 4 に加工（研磨）時間と重量変化の関係を示す。どちらのバブル水（2）ファインバブル径計測では，気泡と非気泡粒子（介在粒子）との区別が課題であり，も水道水より重量減少量が大きかった。

共振式質量測定法が気泡と介在粒子を区別

また，加工時間が増加するにつれて重量減少率（直線の傾き）は徐々に小さくなっていた。

できる唯一の測定法となっている。

これは耐水研磨紙の研磨砥粒の脱落や切粉によ（3）ファインバブル水による Al の研磨実験をる耐水研磨紙の目詰まりによるものが主な原因

通して加工特性の一端を確認できた。素材と考えられる。研磨におけるバブル水の効果は毎に最適な研磨条件の把握が必要と考えら

研磨紙表面における被研磨試料の目詰まり除去

れ，個別に検討する必要がある。

により，砥粒の切れ刃がより持続するためであると推測される。目詰まり除去効果の検討（被（4）ファインバブル技術は国連主導の SDGsが掲げる 17 の目標の中で，9 の目標に関研磨試料を変える等）は今後の課題である。

与できる可能性があるとされている。

  新潟大学，燕三条地場産業振興センター

 県内支援機関等との連携構築

と連携してファインバブル水による洗浄技

ファインバブルの用途開発や利用普及等を推術に関する研究会を四回開催した。

進するため，新潟大学と燕三条地場産業振興センターとの連携によりファインバブル技術に関する研究会を立ち上げ，活動目標を『ファインバブル水による洗浄技術』として，その中で講演等を実施しながらファインバブルに関する知見を深め，技術開発テーマを検討していくこととした。なお，当該研究会には県内企業 15 社が参加している。今年度の活動実績は以下のとおり。なお，当該研究会は次年度も継続する予定であり，引き続き連携していく。

参考文献
1) https://www.iso.org/standard/
68187.html?browse=tc
2) 矢部彰ほか，“ナノバブルによる固体微粒子
汚れの洗浄”，伝熱，43，183，2004，
pp.16-18.
3) https://miraimedia.asahi.com/sdgs-description/4) https://www.iso.org/committee/4856666.html－ 108 －

調査・報告

農業への ICT 利用とデータ分析に関する調査研究大川原 真* 五十嵐 晃* 菅家 章** 松本 好勝***
Report of Market and Technology Trends of Information Communication Technology and Data Analysis
in Agriculture
OKAWARA Makoto*， IKARASHI Akira *，KANKE Akira ** and MATSUMOTO Yoshikatsu***

造プラン」 2) において，暮らせる・稼げる 21

 緒  言
農林水産省は農業技術の基本方針（平成 301)

世紀型農林水産業の実現に向け，規模拡大や生年改訂） において，「農業分野の生産・流通

産コストの低減，多角化・複合化などによる経システムの高度化に関して，高齢化や労働力不営基盤の強化と県産農産物の付加価値向上を進足が進む中で，担い手の一層の規模拡大，農業めることにより，本県農業を発展させるべく，生産の省力化，低コスト化などを実現するため

今後の農業分野への支援強化とその発展に大きには，先端技術の導入により生産・流通システな期待を寄せている。

ムの高度化を図ることが重要であり，スマート我々は IoT，AI 技術などの農業分野への応用

農 業 （ ロボ ット 技 術や ICT( 情 報 通 信 技 術：

に関する調査研究を平成 27 年度から始め，今Information and Communication Technology)を活

年度は，ICT 技術について学会や展示会などを用した超省力生産，高品質生産を実現する新た調査し，さらに県内企業の農業 ICT への取りな農業）の導入や次世代施設園芸（高度環境制

組み状況について調査した。また，農業現場に御技術，地域エネルギー活用技術・省エネルギ

おける具体的なニーズを把握するため，新潟県

ー化技術，雇用型生産管理技術の全てに取り組

農業総合研究所と連携して計測制御装置を開発

み，高い生産性を実現する施設園芸）の取組拡し，それらを用いて実際に園芸施設でデータを大等を推進する」と述べている。

計測した。また，得られたデータを分析しなが特にスマート農業の推進に向けては，将来像（目指す姿）の中で，作物の能力を最大限に発ら栽培パラメータの制御に関する実証試験を試みた。

揮するために「センシング技術や過去のデータ

加えて，新潟県農業総合研究所から新潟県創を活用したきめ細やかな栽培（精密農業）によ造的研究推進費事業（平成 30 年度）へ農業分

り，従来にない多収・高品質生産を実現」，誰野への ICT 活用に関する開発案件を提案し，もが取り組みやすい農業を実現するために「農本事業と連携して活動するとともに，外部の競機の運転アシスト装置，栽培ノウハウのデータ

争的資金事業への提案についても検討した。

化などにより，経験の少ない労働者でも対処可
能な環境を実現」が重要であるとしている。

 活動概要

新潟県は，新潟県総合計画「にいがた未来創 セミナーの開催
平成 30 年 6 月に，「農業分野への ICT 技術* 下越技術支援センター

導入セミナー」を開催した。参加人数は 22 名** 研究開発センターであった。

*** 上越技術支援センター－ 109 －

本セミナーでは，新潟大学のビッグデータア

で保有する品質管理・検査に関するノウハウやクティベーション研究センター長である山﨑達

機器製作面での得意分野を活かし，新たな収益也教授から，ICT の利活用や農業分野への ICT源となる事業を農業分野にみいだそうと模索しの導入事例などについてご講演いただいた。講ている状況であった。

演後のアンケート結果では，詳細な情報が知りたいなど，ICT の今後の応用に対する期待が大 課題とその対応

きく，非常に好評であった。

 市場参入時の課題とその対応
調査の結果，農業分野の参入には大きく 3 つ 調査活動の障壁がみられた。一つ目は，ユーザである農 技術動向および市場動向家の大半が小規模で，導入システムに対し大き農業情報学会においては，農業現場におけるなコストがかけられないこと，二つ目は，農業

センシングの統一規格として提案されているユ者の高齢化により，扱い方が複雑なシステムは

ビキタス環境制御システム 3)（Ubiquitous Envi-

受け入れられないこと，三つ目として，個々のronment Control System，以下 UECS と記述す農家が有益と考えるデータの内容や制御のためる）の低コスト化，温度管理の簡略化手法，排のしきい値がそれぞれ異なるという点もシステ

液量や生育情報の収集に関して，イチゴ栽培へム供給側にとって大きな障壁となる。

の導入事例など，多く研究機関から発表があり，

上記課題への対応として，一つ目については，

システム開発が着実に行われている状況にある。

国や県の補助金を投入する方法などでシステム

県内においては，農業機械メーカによる最先の開発費を抑え，農家自体の出費を抑える方法

端技術フェアにて ICT を活用した農業機械のが考えられる。

自動運転化や，新潟市のニューフードバレー特二つ目については，細かなニーズを満たしな区における ICT 技術を活用した農業の活性化

がらも，使い勝手は向上させる必要がある。使に関する取り組みなどの動きがみられた。

い勝手の向上として，今年度，本事業ではセン

県外の展示会を調査したところ，ICT 利活用

サネットワークシステム全体を網羅する無線に関するセンシング機器などハードウェアの開LAN システムを製作し，その有効性を確認し発はもとより，分析・制御・フィードバックなた。これにより，様々な農家の様々な状況にフどのソフト開発も活発に行われており，開発のレキシブルに対応可能なセンシングネットワー

ターゲットも生産現場の高効率化だけでなく，

クシステムが構築でき，使い勝手の向上に寄与

流通・消費を含むフードチェーン全体の最適化できるものと思われる。
三つ目については，現在進めている農業総合を見据えたものになっている。
国の動向として，内閣府の SIP（戦略的イノ研究所との共同の取り組みを通じて，詳細なニベーション創造プログラム）で開発を進めていーズを吸い上げることはもちろん，それらのニる農業データ連携基盤（通称：WAGRI） の構

ーズを踏まえてシステムをある程度汎用化させ築があり，これは多様なシステム開発がなされることで，制御パラメータなどに関して共通項ている農業 ICT 関連サービスやデータの統一を見出せるのではないかと考えられる。

4)

性を図り，農業者への新たなサービス等に生か 技術的課題と対策す事を目指しているものである。

農業への ICT 導入に必要とされるシステムを 県内企業の動向
県内の製造業に関して，農業分野への参入を構成する機器開発に関しては，各要素技術に分検討している企業を調査した。いずれも，自社解すれば既存技術や既存製品の組み合わせで対－ 110 －

応が可能である。しかしながら，各機器を含め 実証試験

たシステムの低コスト化および耐久性の向上が実証試験で用いたシステムのブロック図を図課題となる。これらの課題は，各種センサにつ

1 に示す。この装置は土壌の水分量，温湿度やいて特に重要な課題であり，センサなど電子デ日射量を計測するとともに，必要に応じてポン

バイスの低コスト化は，扱う数量の多寡はもとプ動作を制御することが可能な構成となっていより，技術開発動向や市場の需給状況などにもる。ポンプ制御については，定時までに積算し影響を受けることから，関連する技術分野の技

た日射量に応じて決定した時間で制御するもの，

術動向などについて，今後も注視すべきと考え

Raspberry Pi からの命令で動作させるもの，タている。

イマーによって動作させるものがある。
図 2 に取得したデータの 4 日間の推移を示す。

 工業技術総合研究所の取り組み

縦軸は日射計値（日射量），水分計電圧値（土 試作した計測装置

中の水分含有量），および日射量から決定した

試作した計測装置は，Raspberry Pi 財団製のポンプ動作時間である。日射量の変化（環境デRaspberry Pi と呼ばれる組込み Linux ワンボーータ）に対応してポンプ動作時間，すなわち給ドマイコンを基本とし，イントラネットなどの水量（栽培パラメータ）を変更することで，土LAN の構成ばかりでなく，スタンドアローン

中の水分含有量を制御できることを確認した。

でも使用可能な装置とした。今年度は屋外用
5GHz 無線 LAN システムの実証試験も試みた。

 研究テーマの提案

また，計測に加えて制御も可能なシステムとし本調査研究事業で求められる成果に，競争ており，エッジコンピューティングに関する検的資金への応募がある。研究テーマの提案に討も試みた。キュウリ栽培において測定した環

ついては，平成 30年度当初に新潟県農業総境データをもとに栽培パラメータを制御した事

合研究所から新潟県創造的研究推進費事業へ例について以下に述べる。

図  システムのブロック図－ 111 －

図  取得したデータの  日間の推移『園芸導入でガッチリ！ICT を活用した「簡（4）研究テーマの提案については，農林水産

単ラクラク水耕栽培システム」の開発』を提省をメインに，当該技術がIoT関連技術

案し採択され，平成 31 年度まで事業継続予であることも踏まえ，総務省，文部科学定である。

省，経済産業省等が申請先として考えら

今後，開発を進めているシステムを普及される。

せるためには量産品質の保証や上市した場合のアフターフォローも含めた各課題を解決す

参考文献

る必要があるため，農林水産省をメインに，

1）http://www.maff.go.jp/j/kanbo/kihyo03/gityo/g_k

当該技術が IoT 関連技術であることも踏まえ，

ihon_sisin/attach/pdf/sisin30-9.pdf，農業技術総務省，文部科学省，経済産業省等が申請先の基本方針（平成 30 年改定），「農林として考えられる。

水産省ホームページ」，平成 30 年 3 月．
2）http://www.pref.niigata.lg.jp/seisaku/13568855

 結  言

76015.html，新潟県総合計画にいがた未（1）農業分野においても，様々な場面でICT

来創造プラン，「新潟県ホームページ」，
平成 30 年 1 月 19 日．

利用が活発化している。
（2）UECS や農業データ連携基盤は，各社各

3）https://uecs.jp/，「ユビキタス環境制御シ様のアプローチを統一し利用しやすい情

ステム（Ubiquitous Environment Control

報基盤となり得る。

System）ホームページ」，平成 31 年 3 月（3）試作した計測システムを用いてデータ計測を継続しながら，今後もデータ分析と13 日．
4）https://wagri.net/，「農業データ連携基盤

栽培パラメータ制御について検討を試み，協議会ホームページ」，平成 31 年 3 月 13

有用な栽培システムの開発につなげたい。

日．

－ 112 －

調査・報告3D プリント技術とその市場に関する調査研究馬場 大輔* 三村 和弘** 須貝 裕之**遠藤 桂一郎**  橋詰 史則***
A Report of Manufacturing Technology Using Three-dimentional PrinterBABA Daisuke*, MIMURA Kazuhiro**, SUGAI Hiroyuki**,
ENDO Keiichiro** and HASHIZUME Fuminori***

 緒  言
3D プリンタによる積層造形技術はアディティブマニュファクチャリング（Additive Manufacturing，AM）技術の一分野である。現在，
3D プリンタを用いた AM 技術は当初の試作やジグ，金型などの製造目的から，製品製造への適用に移行中の時期といえる。これまで，平成
26 年度には「3D アプリケーション研究会」，
平成 27 年度から 29 年度までは「デジタルものづくりフォーラム」として調査研究活動を行図  講演会の様子ってきたところであるが 1-4)，本年度は「3D プ
リンタ研究会」として，3D プリンタの現状および動向，活用事例についての講演会実施，装適化等の製品設計のポイント等を中心とした内置メーカやサービスビューローと呼ばれる 3D

容の講演を行った（図 1）。さらに，金属 3D

造形出力サービスを行う企業への訪問，展示

プリンタで造形された造形物の展示を行いなが会・講習会への参加等の調査研究活動を行った。

ら質疑応答を行い理解を深めた。その後に造形
サンプル（図 2）について，現物を手に取り質疑応答を行った。参加者は 32 名であった。

 講演会開催概要
県内企業に 3D プリンタの現状を知ってもらい，活用を促進するために，公益財団法人にいがた産業創造機構の先進的金型研究会と共催で講演会を開催した。最初に今年度の本研究会に関して目的と取り組み方を説明した後に，金属 3D プリンタによる金型造形の事例，および
金属 3D プリンタの最新動向，トポロジーの最* 下越技術支援センター** 研究開発センター*** 素材応用技術支援センター

図  造形サンプル－ 113 －

開催日：平成 30 年 12 月 4 日（火）Fused Decomposition Molding）を金属材料に適「3D プリンタ研究会」の趣旨説明と取り組用して造形するような，新しい方式が開発されみについててきている。今後，さらに用途開発や新材料の大輔

研究により新しい方式の 3D プリンタが開発さ「産業用 3D プリンタによる金型事例およびれると思われる。金属 3D プリンタの方式とし下越技術支援センター

馬場ては，7 つの方式のうち，粉末床溶融方式

最新動向」
EOS Electro Optical Systems Japan 株式会社
高畠

一馬

（PBF，Powder Bed Fusion）とレーザメタルデ
氏

ポジション方式（LMD， Laser Metal Deposi-tion ）が多くのメーカから販売されている。
3． 調査内容

PBF 方式は，金属粉末を薄く均等に敷きつめた

3.1

ところにレーザや電子ビームを照射して，選択

市場動向

産業用 3D プリンタの市場は主に海外メーカ

的に溶融もしくは焼結することで 1 層を造形しが牽引している。海外，特に欧州や米国で販売て積層する方法である。また，LMD 方式は金が好調な要因として，航空宇宙や医療の市場，

属のワイヤーや粉末等の材料とシールドガスを

特に航空宇宙分野の市場が伸びていることが挙供給しつつ，レーザーを集中させることによっげられる。市場規模は拡大を続けており，全世て熱の発生位置を制御し，選択的に溶融・結合界での産業用プリンタの売り上げ額は伸びていすることで肉盛溶接のように積層造形していく

る。一方，国内の産業用 3D プリンタの用途は方式である。両者を比較すると，一般に形状精金型製作が主であり，市場は小規模となってい

度は PBF 方式の方が高いが，造形速度は LMDる。また，メーカとは別にサービスビューロー

方式の方が高速であるという特徴がある。また，と呼ばれる 3D 造形出力サービスを行っている

LMD 方式は PBF 方式のように造形後の金属粉企業が増えてきている。主な形態としては，複末除去が不要で，後処理の手間を省ける点も大数の会社が連携して立ち上げた，サービスビュ

きな特徴である。

ーローが事業の中心である企業と，自社内で新また最近，注目されている方式として，一般規事業として受託造形事業を展開している企業

用樹脂材料 3D プリンタで多く利用されているとがあり，現在は各サービスビューローが受託

熱溶解積層法を金属材料に適用した金属 3D プ

造形事業の浸透に力を入れている段階と考えら

リンタシステムが挙げられる。FDM 方式によれる。

る造形は，造形材料を細線状にする必要がある
ため，従来は主に樹脂材料で適用されてきたが，

3.2
3.2.1

2017 年頃から金属材料を用いて造形物製作を技術動向
金属３Ｄプリンタの現状行うシステムが開発されてきている。このシスAM 技術は，ASTM（American Society for

テムでは，まず造形材料として使用するロッド

Testing Materials International，米国試験・材料（金属粉末にバインダ（樹脂材料）を混ぜ合わ協会）により 7 つのカテゴリーに分類されていせ，細棒状に成形したもの）から造形を行い，る。しかし，レーザによる粉末床溶融方式

その後バインダ除去，高温焼結を経て高密度の（PBF，Powder Bed Fusion）による積層造形と金属製品に仕上げる。造形可能サイズは LMD

切削加工とを組み合わせた方式のように，基本

方式や PBF 方式と比較して小さいが，金属粉の 7 方式をベースにした新しい方式の 3D プリ

末を取り扱う必要がないため、防塵服を着用すンタも開発されている。また、これまで樹脂材る必要性や防塵対策を施した部屋を用意する必料で多く適用されてきた熱溶融積層法（FDM，－ 114 －

要がなく，通常のオフィスで普段着のままで金 各県公設試の３Ｄプリンタ利用状況
産業技術連携推進会議の 3D ものづくり特別

属積層造形物を製作できるメリットがある。

分科会及び国立研究開発法人産業技術総合研究
所 3D3 プロジェクトに参画し，各県公設試の 金属３Ｄプリンタの特徴と課題
金属 3D プリンタによる造形の特徴として，

3D プリンタの導入利用状況を調査した。

従来の金型加工では難しいとされてきた，複雑
形状製作，軽量化，材料コスト削減，部品の一．結  言体化の実現等，機械設計の自由度を拡大して新（1）3D プリンタの市場や技術動向は，試作だ機能を実現しやすくできることが挙げられる。

けでなく量産化および大型化に向かって

特に，欧米において航空宇宙分野の部品で大きおり，今後，技術開発が進み市場の拡大な成果を上げている。国内では主に金型製作用はしばらく続くと思われる。

途に適用されており，切削加工と PBF 方式等（2）産業用途として 3D プリンタを活用するの積層造形とを組み合わせた複合加工機が用い際には，造形データの取得方法，モデリ

られている場合が多い。課題としては，粉末材

ング，造形方法，造形後の後処理，造形料のコストが高い，造形時の残留応力などによ物の耐久性などを複合的に検討する必要

る反りや変形が発生する，装置メンテナンスががある。

煩雑である，といった点がが挙げられる。造形
時の反り変形の発生については，PBF，LMD

参考文献

方式で積層造形シミュレーションソフトウェア

1） 阿部 淑人他，“3 次元データの工業利用の開発，アップデートが進められており，造形に関する調査研究”，工業技術研究報告書，前にサポート材の配置，ベース温度等を検討す

44，2015，pp.78-81．

ることで反りや変形を予防することが可能にな

2） 中部 昇他，“3 次元ものづくり製造技術とその市場に関する調査研究”，工業技術ってきている。

研究報告書，45，2016，pp.98-100．
3） 中部 昇他，“3 次元ものづくり製造技術 県内企業の動向
県内では，3D プリンタを活用している企業とその市場に関する調査研究（第 2 報）”，はあるが，量産は一部でしか実現されていない。

工業技術研究報告書，46，2017，pp.82-84．

現在，3D プリンタに関連した相談の多くは樹

4） 三村 和弘他，“3 次元ものづくり製造技

脂材料の造形に関するもので，中でも，製作し術とその市場に関する調査研究 第 3 報)”

た造形物を容易に変形可能であることが必要と

工業技術研究報告書，47，2018，pp.111-

いう内容の割合が多いことが特徴となっている。

113．

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－ 115 －

調査・報告インダストリアル IoT の活用に関する調査研究星野 公明* 白川 正登** 櫻井 貴文*** 石澤 賢太****福嶋 祐一**** 松本 好勝***** 明歩谷 英樹******
Research report on utilization of IoT in manufacturing industry
HOSHINO Kimiaki*，SHIRAKAWA Masato**，SAKURAI Takafumi***，ISHIZAWA Kenta****FUKUSHIMA Yuichi****，MATSUMOTO Yoshikatsu***** and MYOBUDANI Hideki******

 調査概要

 緒  言
国は「第 5 期科学技術基本計画」（2016 年 1 ,R7 活用のメリット

月 22 日閣議決定）において我が国が目指すべ

生産性向上を図るツールとして IoT の活用がき未来社会の姿として「Society 5.0」 を提唱

注目されており，IoT を導入することにより段し，この実現のため「Connected Industries」

階的に以下の効果が期待されている。

1)

2)を推進している。人，機械，技術等のつながり①見える化～現場で何が起きているのかを見によって，新たな付加価値の創出や社会課題の解決をもたらし，産業競争力の強化，国民生活

える化し改善につなげる②改善・全体管理～見えた状況をもとに全体の向上，国民経済の健全な発展を目指すものである。我が国における大きな社会課題は，少子的な管理や改善を行う③付加価値創出～新たな価値創出に活用する，

高齢化の進行による人口減少である。生産年齢

ビジネスモデルを創出する

人口が減少する中，製造業の人材不足は深刻な

IoT を見える化ツールとして使用するだけで問題であり，製造業の生産性向上は喫緊の課題なく，ビッグデータ，AI，ロボットと連携してとなっている。

活用することにより，製造業の生産性向上を図るため，第 4 次生産○大量生産・画一的サービス提供から個々に革命の進展に伴う IoT，ビッグデータ，AI，ロ

カスタマイズされた生産・サービスの提供

ボット技術の活用が期待されている。しかし，○既存する資源・資産の効率的な活用

県内製造業への導入の進み具合は企業間で差が○人間が行っていた労働の補助・代替

大きく，当所への相談も多い。

など，新たな付加価値創出が可能となる。現在

我々は，県内製造業の IoT 導入状況，大学等

は「Society 5.0」の実現に向けたビジネスの転における IoT の技術シーズ，各県公設試の取組換期であり，中小企業であっても大きなビジネ

み等の調査を行い，今後当研究所が行う IoT 導

スチャンスを獲得する機会であると言える。

入支援方法について検討した。
 地方版 ,R7 推進ラボ
* 研究開発センター

経済産業省と IoT 推進ラボは，地域の IoT ビ** 下越技術支援センター

ジネス創出を支援するため，各地域の特性，課*** 県央技術支援センター

題に合わせた IoT ビジネスの創出を推進する地**** 中越技術支援センター

域の取組を「地方版 IoT 推進ラボ」 3)として選***** 上越技術支援センター

定している。

****** 素材応用技術支援センター

現在（H31.3）の地域ラボ数は 93 地域で，新－ 116 －

潟県では，新潟県，長岡市，柏崎市の取組みが④IoT 活用事例エリア
具体的な IoT 活用事例を実機等により紹介選定されている。
長岡市では，産学官金の連携によるオープン⑤都産技研連携エリア

イノベーションで AI・IoT・ロボットなど新し支援企業などの成果を紹介

い技術の活用により課題解決に取り組む「長岡

この他にも「公募型共同研究」「東京都 IoT

IoT イノベーションハブ」を立ち上げている。

研究会」「人材育成」なども実施し，中小企業の IoT 化を支援している。

 各県公設試の取組み
AI・IoT に関する先進的な取り組みを行って 茨城県産業技術イノベーションセンター
茨城県では，中小企業における IoT を活用しいる公設試について，訪問調査を行った。
各県におおむね共通していることは，「開発た生産技術の高度化や，新製品・新サービスのラボ」や「支援サイト」といった場を設定し，創出による競争力強化を支援することを目的と

AI・IoT・ロボット等の機器を活用した研究開して「中小企業 IoT 等自動化技術導入促進事

発や技術支援を行っていることと，普及の仕組業」を実施している。

みとして「研究会」等を立ち上げ，企業の IoT

平成 28 年度に「IoT・ロボット研究会」を設化を推進していることである。

立（現在の会員数は 108 社）し，参加企業の共 東京都立産業技術研究センター

通課題について 10 個の WG を作って共同開発

東京都は平成 30 年 10 月 15 日に IoT 支援サイに取り組んでいる。ロボット応用 WG では，3D

ト（図 1）を開設した。中小企業の既存・新規プリンタでワークに応じたハンドを製作してラ事業での IoT 化促進を目指し，実機展示とテスンダムピッキングの実証実験を行ったり，双腕ト環境の提供により IoT に関する知識と技術のロボットを使った CD のケース封入作業を行っ習得を支援する。以下のエリアで構成されていたりしている。IoT ツール開発 WG では，電力る。

の見える化モジュールや，Raspberry Pi を用いたセンシングデータ収集システムを開発し，製①スマート東京エリア
様々な IoT 活用事例を映像等により紹介

造現場での実証試験を実施している。
平成 29 年度には地方創生拠点整備交付金事②IoT 基本技術習得エリア
IoT の仕組みを実機やパネルにより習得

業で「IoT／食品棟」を整備し，併せて，平成
28 年度導入した「模擬スマート工場（図 2）」③IoT 体験・テストエリア
クラウドシステム構築のテスト環境を提供

も IoT／食品棟の中へ移設した。

図  模擬スマート工場

図  東京都 ,R7 支援サイト

－ 117 －

 岐阜県情報技術研究所

ドウェアやソフトウェアの基本知識の習得が必岐阜県情報技術研究所では，先進 IoT 活用事要である。

例を紹介する講演会の開催のほか，企業との共同研究等による事例の創出や，IoT 構築研修や 県内企業の動向

MZ Platform4)（産業技術総合研究所（以下「産県内の製造業で IoT の導入活用が進んでいる総研」と言う）が開発したプログラミング知識

2 社の訪問調査を行った。

が無くてもアプリケーション開発が可能なツー①A 社（金型製造）ル）の講習会などの事業を実施している。

・1980 年代に CAD を導入し，金型の生産性向「射出成形スマート金型の開発」では，企業上に取組むと共同で射出成形金型に，圧力・温度・振動等

・「生産性を 10 倍改善する」という目標を定のセンサを取り付けることでインテリジェント

め，1990 年代から実績の人手入力を実施

な金型を実現した。金型の状態を時系列で見え・2005 年頃から，加工機械にセンサを取り付る化することで，成形の良否判断を金型のデーけ，自動で稼働データを取得
・現在では，全ての金型の部品が DB 化されてタ処理装置で実現した。
この他にも，スーパーなどの買い物客の動線

おり，生産管理ソフト，データ収集ソフトとを把握する「スマートカートの開発」や，距離連携することにより，受注から納品に至る全画像センサ（Kinect V2）を用いた「人の作業てのデータが社内で情報共有されている分析技術の開発」などの研究開発を実施した。

②B 社（精密機械部品製造）
・「止まらない工場」を目指して，壊れない， ,R7 の技術シーズ

壊れる前に知らせる，壊れてもすぐ直せるよ 産業技術総合研究所

うな生産システムを構築。ロボットなども活用しながら工場は 24 時間稼働

産業技術総合研究所製造機械研究部門では，
IoT システムの導入を行うツールとして「スマ・NC 工作機械の制御装置からパトライトの信ート製造ツールキット」（図 3）の開発を進め号を取得して稼働状況を把握。機械停止時は，ている。これは，MZ Platform と，Raspberry Pi，

自作の入力装置で停止原因を入力

センサ，無線 LAN といったデータ収集を行う

・ワークの脱着と加工後の寸法の測定をロボッ

ハードウェアとを組み合わせたものである。各

トで行い，加工機械へフィードバックするこ県公設試と連携した講習会の実施により，企業とにより高い加工精度を維持への導入支援を行っている事例も出てきている。

・組立工程は，作業指示書のバーコードを読み

DIY 的な IoT ツールとして導入コストを抑える取ることで把握。製造の進捗状況はディスプことができるが，企業で活用するためにはハーレイに表示し，全社員が進捗状況を共有
 課題とその対応
 県内企業における ,R7 導入の課題
今年度設置した AI・IoT 相談窓口への相談内
容や，講習会実施のアンケート調査結果等から，
IoT の導入が進まない理由は以下の 3 点に集約される。
・IoT の導入方法，導入効果がわからない
・IoT 化を進める IT に詳しい人材がいない

図  スマート製造ツールキット－ 118 －

IoT ツールとして導入コストを抑えることがで・IoT 化の投資効果が判断ができない
すなわち，企業の希望としては自社で IoT 導

きる。これを自ら自社の生産システムに導入す入を進めたいが，IT に詳しい人材がいないたることで，システムの構築に必要なハードウェ

めに難しい。また，開発を IT ベンダーに委託

ア，ソフトウェアの基本的な知識も習得するこした場合，その投資効果が判断ができないためとが可能となる。

進んでいない，という状況がうかがえる。

次年度の取組みとして，この「スマート製造

IoT の導入が進んでいない企業と進んでいる

ツールキット」の普及を通して，ものづくり企

企業とを比べると，IoT 導入活用の成功のカギ

業における IoT 導入の推進と，IT スキルの向として以下の 3 点が示唆される。

上を図りたいと考えている。

①全社員の作業改善の気運を醸成すること
IoT 導入が目的となってしまいがちだが，

 結  言

目的は生産性向上であり，IoT は目的達成の（1）IoTを活用することで，段階的に①見えための道具である。常に現場の作業改善を行る化，②改善・全体管理，③付加価値創うという気運が全社員で醸成されており，生出の効果が期待されている。中小企業で産性向上の取組みが結果として IoT の導入活

あっても大きなビジネスチャンスを獲得用につながっている。

する機会である。

②先ずは導入し，検証と改善を継続すること（2）IoT導入の進んでいる企業は，作業改善

IoT の活用は最初から上手くいかないことの気運が醸成されており，IoTを生産性の方が多い。先ずは導入してその効果を検証

向上のツールとして活用し，ITに詳しいし，その結果を改善につなげる，これを繰り人材を中心として進められている。

返し継続することが大切であるといえる。

（3）IoT導入の進んでいない企業は，ITに詳③IT スキルを持った社員を育成することしい人材がいないことが要因である。今

IoT 活用が上手くいっている企業は，IT に後，ものづくり企業においても，ITスキ

詳しい人材が社内に存在しており，作業改善

ルを習得することが必要かつ重要である。

方法として IoT 活用の提案につなげることが（4）産総研「スマート製造ツールキット」は，できる。また，自社内でプログラム開発可能

DIY的なIoTツールとして安価に導入できであれば，コストを抑えて IoT システムの構る。今後「スマート製造ツールキット」

築が可能となる。

の普及により，ものづくり企業のIoT化の推進と，IT人材の育成を図る。

 工業技術総合研究所の対応
「Connected Industries」を実現するためには，
今後，ものづくり企業においても，IT スキル

参考文献
1）https://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/index.htmlを習得することが必要かつ重要と言える。その「内閣府 Society5.0 ホームページ」

ため，当研究所での対応は，企業の IoT 導入を

2）http://www.meti.go.jp/policy/mono_info_

図りながら IT スキルの向上を支援することでservice/connected_industries/index.htmlある。その際，導入する IoT ツールは，できる「Connected Industries ホームページ」

だけ簡単で，コストをかけずに構築できるツー3）https://local-iot-lab.ipa.go.jp/「地方版 IoT 推進ラボ ホームページ」

ルであることが望ましい。
我々が注目した技術シーズは，産総研の「ス4)https://ssl.monozukuri.org/mzplatform/

マート製造ツールキット」である。DIY 的な－ 119 －

「MZ プラットフォームユーザー会」

工 業 技 術 研 究 報 告 書№48

平成30年度令和元年6月発行

編集発行人

新 潟 県 工 業 技 術 総 合 研 究 所

所〒950-0915

在地

新潟市中央区鐙西1丁目11番1号
TEL
印

刷

所

株式会社

025－247－1301

サンバーストにいがた
TEL025－231－0077