ISSN 1349-2608
平 成 二 十 八 年 度

No.14(2017)栃木県元気ニコニコ室長

とちまるくん

平成２８年度研 究 報 告Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
研
究報
告— 発信します

明日を拓く

確かな技術 —

栃木県産業技術センター

栃木県産業技術センター

目
Ⅰ

次

重点共同研究（実施：４テーマ）



人工骨頭の高精度切削加工(医療分野)

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1



ヒートポンプを核とした複数の熱源を有効に利用するシステムの開発(環境分野)



化学反応を促進する加熱粉砕装置の開発(環境分野)



大麦のダイレクトＧｅｌ転換による・・・・・5・・・・・・・・・・・・・・・・・10

高付加価値加工技術の開発（第２報）(フードバレーとちぎ)・・・・・・・13

Ⅱ共同研究（実施：１７テーマ）

専用パンチを用いない薄肉大型アルミダイカスト部品の塑性流動結合技術の開発

・・・・19

シーケンサによるリレー制御型特殊印刷装置の高度化技術の構築



作業性向上を目的とした防振用具の開発（第２報）

・・・・・・・・・・・・・・・・・23



リチウムイオン電池（ＬＩＢ）用新規電極材料の開発

・・・・・・・・・・・・・・・・26



歯切工具の高性能化を目指したドライコーティング技術の開発



凍結鋳型を用いた大型薄肉鋳物製造のための造型・鋳造技術の開発



香りを保持した県産果実ピューレの開発

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・38



県産麦芽を用いた麦汁製造技術の確立

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・42

トーションレースによるロープの開発

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・44



酸性染料の還元抜染性に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・48



建染染料を用いた染色技術の開発

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・53



CFRTP 加工品の物性と繊維状態に関する研究結城紬染色生地見本帳の作成と新製品開発（第３報）

・・・・・・・・・・・21

・・・・・・・・・・・・29
・・・・・・・・・・34

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・57
・・・・・・・・・・・・・・・・62
非公開：４テーマ

Ⅲ

受託研究（実施：４テーマ）
非公開：４テーマ

－i－

−i−

Ⅳ

重点研究（実施：５テーマ）
液中レーザ局所改質法の開発とそれを用いた



医療用ステンレス鋼の摩擦摩耗特性の向上（第２報）


高能率高品位加工を可能とする ELID 研削用弾性砥石の開発



油水分離フィルターの開発

「小豆」「いんげんまめ」の高ポリアミン品種の探索と・・・・・・67

・・・・・・・・・・・・・・73

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・77

ポリアミンを強化した「小豆麹」「いんげんまめ麹」の開発

・・・80

プレス加工における面内引張応力援用による小径穴抜き加工に関する研究（第３報） ・・・84

Ⅴ

経常研究（実施：５テーマ）

ハイドロゲルサイズ及び土壌混合条件がいちご苗の生育に及ぼす影響の検討



窒素添加による高強度球状黒鉛鋳鉄の開発



新品種ニラ栃木５号の栽培技術の開発（第２報）



県内醸造食品から分離した乳酸菌の生酛系清酒への利用に向けた特性把握



陶磁器用廃石膏型の有効利用（第１報）

・・・・・・87

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・91
・・・・・・・・・・・・・・・・・・95
・・・・・・・99

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・102

本研究報告における研究区分については、次により分類したものとなっております。
Ⅰ

重点共同研究：県の重点振興産業分野(自動車、航空宇宙、医療機器、光、環境産業)及びフードバレーとちぎプロジェクトの食品産業分野において、企業、大学などと課題を分担して重点的に行うもの。

Ⅱ

共 同 研 究 ：企業、大学などと課題を分担して行うもの。

Ⅲ

受 託 研 究 ：企業や団体などからの委託を受けて行うもの。

Ⅳ

重 点 研 究 ：県内産業の振興のため県が単独で特に重点的に行うもの。

Ⅴ

経 常 研 究 ：上記以外にて実施したもの。

また、知的財産権の保護等の観点から、非公開となっている研究テーマがございますので、御了承
ください。

－ii－

− ii −

Contents
Ⅰ

Selected Cooperative Research High Precision Machining of Metal Femoral Headfor Artificial Hip Joint ・・・・・・・・・・・・・・・・1
 Development of a System
to Enable Multiple Heat Source Using a Heat Pump
・・・・5
 Development of Heating Bead Millfor Acceleration of the Hydrothermal Reaction
・・・・・10
 Development of High-Value-Added Processing Technology using Direct Gel
Conversion of Two-Rowed Barley(2nd Report)
・・・・・・13Ⅱ

Cooperative Research Development of Metal Flow Joining Methodfor Large Thin-walled Aluminium Die-casting
Components without Any Specialized Punch
・・・・・・・19
 Construction of Advanced Technology of Relay Control
Type Special Printing Device by Sequencer
・・・・・・・21
 Development of Antivibration Gloves with High Workability(2nd Report) ・23
 Development of Anode Materials for Lithium-Ion Batteries (LIB)
・・・・26
 Development of Arc Ion Plated Hard Coatingsfor High-Performance Hob-cutter
・・・・・・・・・・・・29
 Development of Frozen Mold Casting Process
for Large Thin-Wall Cast Iron・・・・・・・・・・・・・34
 Development of Fragrance-preserved Purees
using Fruits from Tochigi Prefecture ・・・・・・・・・・38
 Establishment of Wort Manufacturing Technology
by Using Malt Produced in Tochigi
・・・・・・・・・・・42
 Development of the Torchon Lace Rope
・・・・・・・・・・・・・・・・・44
 Study on Reduction Dischargeability of Acid Dyes
・・・・・・・・・・・48
 Development of Dyeing Technique using Vat Dyes
・・・・・・・・・・・・53
 Study on Mechanical Property and Fabric Texture of CFRTP Artifacts
・・57 Making Sample Books of Yuki-tsumugi Fabrics with Various Colors,
and New Product Development (3rd Report) ・・・・・・・・62

Ⅲ

Contract Research－iii－− iii −

Ⅳ

Selected Research Improvement of Tribology Characteristic of Stainless Steelby Laser-Induced Locally Treatment
in Wet Condition (2nd Report)
・・・・・・・・・・・・・67
 Effect of Binding Material and Hardness of Grinding Wheel
for ELID Technique on Grinding Properties
・・・・・・・73
 Development of Hydrophilic Filter for Oil-Water Separation
・・・・・・77
 Resarch of Varities of Red Beans and Kidney Beans
Having High Polyamine Contents, and Developmentof Their Koji Enhanced Polyamine
・・・・・・・・・・・80
 High Aspect Ratio Punching Under In-plane Tension (3rd Report)
・・・・84Ⅴ

Ordinary Research Effects of Size and Amount of Hydrogel Mixed with Soilon Growth of Strawberry Seedlings
・・・・・・・・・・・87
 Development of High Tension Ductile Cast Iron by Nitrogen Addition
・・91
 Development of Cultivation Techniquefor New Chinese Chive Breed (2nd Report) ・・・・・・・・95
 Study on Lactic Acid Bacteria Isolated
from Fermented Foods for Kimoto Sake ・・・・・・・・・・99
 Effective Utilization of Waste Plaster Mold (1st Report) ・・・・・・・102－iv－− iv −

Ⅰ 重点共同研究

Selected Cooperative Research空白栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点共同研究（医療分野）

人工骨頭の高精度切削加工
中野 佑一*

田村 昌一*

江面

篤志*

花輪

潤**

金子

晴彦**

裕**

大島

High Precision Machining of Metal Femoral Head for Artificial Hip Joint
Yuichi NAKANO, Shoichi TAMURA, Atsushi EZURA, Jun HANAWA, Haruhiko KANEKO
and Yutaka OHSHIMA

人工股関節の骨頭は，難削材のコバルト・クロム合金を高精度な超半球形状に切削加工しなくてはならない。本研
究では，コバルト・クロム合金の旋削試験を行い，切削速度の影響を調べた。切削速度が 60 m/min のとき切削力が安定し，良好な加工面が得られた。次に，超半球形状を高精度に切削するために，被削材回転軸と切削工具回転軸を傾けて球面形状を創生する“カーブジェネレータ方式”を用いた切削加工法を適用した。被削材に対する切れ刃の軌跡が，変化するため，球の赤道付近では，菱形の凹凸のある仕上げ面が形成された。本研究では，カーブジェネレータ方式の切削によって，真円度 3 µm，表面粗さが 0.4 µm の超半球形状が創生できた。
Key Words: 旋削，コバルト・クロム合金，カーブジェネレータ，表面粗さ，真円度，超半球形状

１ はじめにている。しかし，我々が調査した範囲では，切削加工による球

近年，医療用インプラントへの置換術数が増加し，それらの形状創生にカーブジェネレータ方式を適用した報告は見受けら

インプラント部品の生産も増加している。その中で，耐久性とれない。

摺動性が求められる人工股関節の人工骨頭部は，高強度で生体適合性の良いコバルト・クロム合金が多用される。

本研究では，超半球形状を有するコバルト・クロム合金製の人工股関節骨頭部の高精度・高品位加工に対して，カーブジェ

通常，超半球形状の人工骨頭の製造は，旋盤による切削加工

ネレータ方式による切削加工の適用可能性について調べた。まにより形状を創生した後，研磨による仕上げ加工が行われる。

ず，コバルト・クロム合金の基礎切削特性を調べるために，旋切削による人工骨頭の仕上げ面粗さや形状精度は，研磨加工時

削試験によって切削条件を検討した。次に，旋削試験結果に基間だけでなく，術後の関節の摺動性や長寿命化に影響を及ぼす

づき，カーブジェネレータ方式の切削によって超半球形状の創ため，高品質な表面性状と高い形状精度を切削によって得るこ生を試みた。

とが重要である。しかし高強度なコバルト・クロム合金は，高２ 研究の方法

い切削負荷がかかり，高精度な形状や高品質な表面性状を得る
２．１ 旋削試験ことが難しい。
これまで，コバルト・クロム合金のエンドミル切削や，旋削

まず，後述するカーブジェネレータ方式の切削によるコバルなどの切削特性や工具摩耗特性についての研究が行われている。

ト・クロム合金の切削条件を選定するために，図 1 に示す NC

大石ら 1)は，エンドミルを用いてコバルト・クロム合金を側面

旋盤（OKUMA LS30-N）を用いて旋削加工試験を行い，切削

切削し，炭素鋼よりも切削力が大きく，加工中の振動や加工誤特性を調べた。切削中の力は加工精度に大きく影響を及ぼすた差が大きくなることを示した。高木ら 2)は，コバルト・クロム
合金のエンドミルの側面切削を行い，アップカットの場合，切切削動力計

削力が小さく，高精度加工に適していることを示した。新谷ら3)は，cBN 工具を用いてコバルト・クロム合金を高速旋削し，切削速度が 10 m/s のとき，工具摩耗と仕上げ面粗さが良いことを示した。しかし骨頭等の球形状の高精度，高品位な切削に対する取組はほとんど報告されていない。

被削材

球形状を高精度に創生する技術として，カーブジェネレータ
方式による加工法がある。すでに，球面レンズの研磨で実用化され 4)，人工股関節のカップ内面研削への適用の研究 5)も行われ＊

栃木県産業技術センター 機械電子技術部＊＊(株)スズキプレシオン−1−

図 1 旋削試験

切削工具

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

表 1 旋削工具
母材材質
超硬
被膜材質
①無，②DLC，③TiAlN
ノーズ半径
上すくい角
横すくい角
前逃げ角
横逃げ角
前切れ刃角
横切れ刃角

0.8 mm
5°
0°
6°
10 °
45 °
45 °

図 2 カーブジェネレータ方式
項目
切削速度
送り速度
半径方向切込み
切削液

表 2 旋削条件
設定値
30, 60, 90 m/min
0.1 mm/rev.
0.5 mm
水溶性

め，旋削中の切削工具に負荷される力を圧電型切削動力計（KISTLER 9265B）で測定した。表 1 に旋削に用いた超硬ス
ローアウェイチップの仕様及びツールホルダに取り付けたときの形状値を示す。また旋削試験の条件を表 2 に示す。ここでは，切削速度と工具被膜が切削力と仕上げ面に及ぼす影響を調べるため，被削材半径方向切込は 0.5 mm，工具送り速度は 0.1
図 3 カーブジェネレータ方式の切削試験

mm/rev.一定とし，切削速度 30，60，90 m/min とした。また，
工具被膜については，被膜無しと，
摩擦係数の小さい DLC 被膜，合金の超半球形状を切削によって創生した。本実験では，図 3

一般的に広く用いられている TiAlN 被膜を比較した。

に示す三軸マシニングセンタ（YASDA YBM640 Ver. 3）を用
２．２ カーブジェネレータ方式切削

いて切削試験を行った。切れ刃の回転半径が調整可能な外径ボ２．２．１ カーブジェネレータ方式による超半球形状の創生ーリング用の工具を工具回転軸に取り付け，被削材はテーブル

カーブジェネレータ方式を用いた機械加工によって超半球形上に設置したステッピングモータ駆動の傾斜回転装置に固定し状を創生する方法を図 2 に示す。最終的に創生される球の中心た。切れ刃はノーズ半径が 0.4 mm の超硬スローアウェイチッを原点とし，工具回転軸(Z 軸)は，原点を通過し，被削材回転軸プを用いた。カーブジェネレータ方式による切削は，2 つの回に対して角度 θ 傾いている。工具回転軸周りに半径 rP の位置に転軸をアライメントしなくてはならない。そのためタッチトリ

切れ刃点 P が配置される。超半球形状を創生するためには，以ガ式プローブ（RENISHOW OMP60）を用いて被削材をオン

下の式を満たすように rP 及び，切れ刃点 P の原点からの Z 軸方

マシンで測定し，2 つの回転軸の相対的な位置関係を求めた。

向の高さ h を決定する。

球形状創生後の表面性状と形状は，非接触表面粗さ測定機（Taylor Hobson CCI-MP）と三次元座標測定機（MITUTOYOrP = R sin θ(1)
LEGEX9106）を用いて評価した。

rph=

３ 結果及び考察

(2)

tanθ

３．１ 旋削試験における切削特性

ただし，通常の切れ刃はノーズ半径が存在するため，切れ刃点
P の決定は，ノーズ半径の中心から創生される球の中心に向かって半径補正が必要となる。以上のとおり，カーブジェネレー
タ方式の切削では，二軸の回転のみで球形状を創生するため，旋削等を用いた球形状の創生に比べて，座標指令による数値誤差や物理的な駆動誤差を排除することができる。

図4に，半径方向切込0.5 mm，送り速度0.1 mm/rev．
，切削速度30，60，90 m/minにおける，定常切削中の合成切削力の平均値を示す。同図には，定常切削中の力変動を評価するため、合成切削力の標準偏差も示した。被膜の有無に依らず，切削速度が60 m/minのときに，切削力が小さくなり，切削速度90m/minの場合，切削力が切削速度60 m/minよりも大きくなるこ

２．２．２ カーブジェネレータ方式による切削試験
前述のカーブジェネレータ方式に基づき，コバルト・クロムとがわかる。詳細な調査が必要であるが，切削速度が大きくな−2−栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

300
合成切削力

標準偏差

合成切削力 N
標準偏差 N

250
200
150
100
50
0

TiAlN
DLC
DLC
DLC
TiAlN
被膜無 被膜無 被膜無TiAlN(30m/min) (60m/min) (90m/min) (30m/min) (60m/min) (90m/min) (30m/min) (60m/min) (90m/min)

図 4 各切削速度及び被膜における合成切削力と標準偏差(a) カーブジェネレータ方式の切削による超半球形状創生(a) 30 m/min(b) 60 m/min(b) 赤道の面性状

切削方向

工具送り方向(c) 90 m/min
図 5 切削速度が仕上げ面に及ぼす影響（被膜無し工具）
ると，切削温度が高くなり，切りくずとすくい面の摩擦力が増加したと考えられる。切削速度が30 m/minの場合，切削力が60m/minよりも大きくなり，さらに標準偏差が大きく，切削力の変動が大きくなる。次に被膜に着目すると，TiAlN被膜の工具(c) 極の面性状に比べて，被膜無しとDLC被膜の工具の切削力が小さい。
また，

図 6 カーブジェネレータ方式の切削による超半球形状創生（工具 720 rpm，被削材 2.6 rpm）

被膜無しの標準偏差は，DLCやTiAlN被膜に比べて小さく，切削力変動が小さいことがわかる。
図5は被膜無しの工具による仕上げ面を顕微鏡で観察したものである。切削速度30 m/minでは，びびり痕が観察され，加工面性状が悪い。これにより，びびり振動の発生による切込量の変動が前述の切削力変動を引き起こしたと推察される。一方，切削速度60と90 m/minの場合に，良好な仕上げ面が得られる。
また被膜した工具を用いた場合も，同様の仕上げ面が得られた
ことを確認している。以上のことから，被膜した工具は，被膜無しの工具に比べ，切削力および仕上げ面性状において優位性が見られなかった。加工精度と工具コストの観点から，切削速度を60 m/min程度に設定し，被膜無しの超硬工具で旋削することが望ましい。

３．２ カーブジェネレータ方式による超半球形状
傾き角 60 °，主軸回転数 720 rpm，被削材回転数 2.6 rpm，
工具回転軸周りの切れ刃回転半径 11.475 mm でコバルト・クロ
ム合金をカーブジェネレータ方式で切削した。
加工は被削材が 1回転したところで終了させ，そのときに創生された超半球形状を図 6 に示す。同図(a)からカーブジェネレータ方式の切削によって，外観上は超半球形状が創生されていることがわかる。同図(b)と(c)は，球形状の赤道と極点すなわち球頂点付近の加工面の高さ変化を非接触表面粗さ測定機で測定したものである。ただし球面形状をフィルタ除去している。図 2 に示した座標系において，切れ刃は Y 軸の正側と負側で，被削材を異なる方向に切削する。そのため赤道付近の仕上げ面は，菱形模様凸形が形成される。一方，極点付近は被削材の回転半径が小さく，工具−3−栃木県産業技術センター

研究報告

13.4

極

No.14（2017）

４ おわりに切削によるコバルト・クロム合金の超半球形状創生に対して，

13.38

旋削実験とカーブジェネレータ方式の切削の適用を試み，次の

13.34

結論を得た。

半径 mm

13.36

(1) コバルト・クロム合金を超硬工具で旋削する場合，切削速

13.32
赤道

13.3

度が 60 m/min のときに切削力の平均と変動が小さくなる。
(2) カーブジェネレータ方式では，被削材に対する切れ刃の軌

カーブジェネレータ方式切削
旋削跡が被削材回転中に交差するため，赤道周囲は仕上げ面に微細な菱形の凸形状が形成される。
(3) 二軸の回転によって球形状が創生されるため，工作機械の駆動による加工誤差が排除でき、剛性の高い工作機械に本

図 7 超半球形状（工具 837 rpm，被削材 0.992 rpm）

方式を適用すると，表面粗さと真円度が向上する。
謝

一回転あたりの送りが小さいため，仕上げ面が良好となる。し辞

本事業で用いた機器の一部は公益財団法人ＪＫＡの補助事業

かし、傾斜回転装置の被削材半径方向の剛性が低かったため，によるものであり，競輪マークを記して謝意を表する。

真円度のばらつきが確認された。
そこで，真円度を改善するために，回転 2 軸と工具傾き軸を有する高剛性の NC 複合旋盤（OKUMA MULTUS B300–W）

参考文献

を用いて，前述の実験と同じ切削工具で，超半球形状をカーブ

1) 大石敦彦, 和合健 : 岩手県工業技術センター研究報告, 14,

ジェネレータ方式の切削を行った。図 7 は，主軸回転数 837 rpm，

88-92 (2007)

被削材回転数 0.992 rpm，工具回転軸周りの切れ刃回転半径2) 高木理瑛, 松村隆 : 精密工学会学術講演会講演論文集, 2015

23.040 mm，被削材回転軸の傾き 60 °，被削材を 10 回転した

年度精密工学会秋季大会, 公益社団法人 精密工学会,

ときの，形状を示す。画一的な比較ではないが，同図に旋削試

159-160(2015)

験で使用した NC 旋盤で，ノーズ半径が 0.4 mm の超硬スロー3) 新谷一博, 河野達也 : 精密工学会学術講演会講演論文集,

アウェイチップ，送り速度が 0.1 mm/rev.で，直径 26.7 mm の2010 年度精密工学会秋季大会, 公益社団法人 精密工学会,

超半球を創生した形状を示す。また，赤道付近の算術平均表面205-206 (2010)

粗さと真円度はカーブジェネレータ方式の切削では，0.33 µm4) 西塚公次, 新井章生 : 精密工学会誌, 72.1, 17-20 (2006)と 2.4 µm，旋削の場合，0.88 µm と 35.7 µm であった。以上の

5) 江面篤志, 稲澤勝史, 上原嘉宏, 大森整, 水谷正義 : 精密工

ことから，高剛性な工作機械でカーブジェネレータ方式の切削学会学術講演会講演論文集 2013 年度精密工学会秋季大会,を行うと，高精度な超半球形状が高品位な表面性状で創生可能

公益社団法人 精密工学会, 735-736 (2013)であることが示された.
本研究は，公益財団法人 JKA 補助事業により整備した機器を活用して実施しました。

−4−栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点共同研究（環境分野）

ヒートポンプを核とした複数の熱源を有効に利用するシステムの開発
清水 暁*

上野 貴明*

坂本 憲弘*

益子 暁弐**

益子 進**Development of a System to Enable Multiple Heat Source Using a Heat Pump

Akira SHIMIZU, Takaaki UENO, Norihiro SAKAMOTO, Akiji MASHIKO and Susumu MASHIKO
汎用ヒートポンプを核とし,温冷水の経路を制御することで未利用熱を有効活用するためのシステ
ムを開発し,システムの検証を行った。本システムは,温度センサのデータから電磁弁の切り替えを行うとともに,温度データと電磁弁の開閉情報をサーバーに蓄積し,Webにより閲覧することができる。
また,このシステムのアプリケーションとして保冷庫を想定し,温度を調節する調温装置を開発し,検証試験を行い,設定どおりに温度が制御可能であることを確認した。
Key Words : ヒ ー ト ポ ン プ ,未 利 用 熱 ,見 え る 化 ,省 エ ネ ル ギ ー１

はじ め に
1)

小型・高機能・低コストであり,取り扱いも比較的容易でエネルギー白書 2016 によると,世界のエネルギー消費量あることから注目されており,これらのデバイスを用いるこ

は,年平均 2.6%で増加しており,2014 年には石油換算で 129とで,試作品開発を安価かつスムーズに行うことが可能とな億トンに達している。日本では,省エネ化が他国と比較してると考えられる。本研究では,これらのデバイスを活用し,進んでいるが,エネルギーの自給率が低いことや東日本大震

未利用熱エネルギーシステムの試作開発を行ったので報告

災後のエネルギー政策の変更等の理由から一層の省エネルする。

ギー化が必要となっている。
本研究の共同研究者である,クラフトワーク㈱は,主業務として地中熱ヒートポンプ等の施工を行っており,住宅や中２ 研究の方法
２．１

温冷水制御システムの概要

規模施設等の施工実績がある。およそ 20 年の経験の中で,

図 1 に温冷水制御システムの概要を示す。従来のシ

多くの熱エネルギーが未利用のまま捨てられていると感じ

ス テ ム で は ,ヒ ー ト ポ ン プ の サ イ ク ル を 制 御 し て 温ており,省エネ化を進めるためにはこれらを有効に活用する

熱・冷熱をつくるため,外部温度等によりヒートポンことが必要であると考えている。

プの効率が下がる場合があった。本システムではヒー

未利用熱エネルギーの有効活用のためには,施工現場毎にトポンプは一定の条件で動かし,用途に応じて電磁弁適した設計を行い,機器の選定や既存設備の有効活用等を考により温冷水の流れを変える。これによりヒートポン

慮する必要がある。しかしながら,複数の熱源と連携し高効プを高効率に稼働させることができる。

率なシステムとして稼働させるためには特注のヒートポン

本研究で試作するシステムを図 2 に示す。本シスプが必要でありコストや汎用性の面で課題がある。これら

テムは,貯留水から得られる冷熱とヒートポンプでつの課題を解決するため, クラフトワーク㈱は,システムの制

くった温冷熱を組み合わせ,温度センサ T1～T4 の出力御をヒートポンプではなく温冷水の経路の変更により行うに応じて電磁弁 M1-1,M1-2,M2-1,M2-2 の開閉を制御す方法について実証実験を行っている。実証中のシステムは,る。また,冷熱のアプリケーションとして保冷庫を設

サーモスタットにより電磁弁の ON/OFF 制御を行っているが,置した場合を想定しており,比例弁により保冷庫の温システムの性能を向上させるためには,様々な温度条件に応

度調節を行う。

じ,電磁弁の開閉パターンを制御する必要がある。また,シこのシステムを稼働させるためには,図 3 に示すよ

ステムの効率を精度良く計測するためにはリアルタイムでうに,温度センサの出力から,電磁弁バルブの開閉を制弁の状態や温冷水の温度を把握する,システムの“見える御する温冷水制御盤と,保冷庫の温度を一定に保つ調化”が必要となるが,このシステムを試作するためには,試温装置とシステムの稼働状態をモニターするためのサ

作のコストや人材等の面で課題があった。

ーバーが必要となる。そこで,本研究ではこれらの装一方で, Raspberry Pi2)や Arduino3)等の電子デバイスが* 栃木県産業技術センター 機械電子技術部** クラフトワーク株式会社

置を試作する。制御装置から送信されるデータは 10
秒毎に 100 バイト程度と少ないため無線 LAN ではな−5−栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

く,920MHz 帯の無線通信でサーバーに送信することと用いた。データログの時刻情報は,USB メモリコント

した。また,サーバーに蓄積されたデータは LAN を経

ロールモジュールのリアルタイムクロックから取得す

由し Web 画面で閲覧可能とする。サーバー非稼働時をることとした。

想定し,温度センサのデータ,電磁弁の開閉状態のデー
タは,制御盤に付属の USB メモリにも蓄積される仕様
とした。

図1

図4

クラフトワークシステム概要
２．３

温冷水制御盤概要

調温装置

調温装置の概要を図 5 に示す。なお,この装置は,制御点④の温度を一定とするため,流入水①と戻り水②の混合を制御するための装置である。比例弁の開度をα,入力温度を T H ,T L 出力温度を T o とすると,以下の関係が成り立つ。
T o = α×T H + (1-α)×T L
図2

温冷水制御システム 概要

入力温度 T H , T L が微小量ΔT H , ΔT L だけ変化した場
合,出力をΔTo 変化させるのに必要なΔαは以下のように表すことができる。
Δα = (ΔTo - αΔTH – (1-α)ΔTL)/(TH - TL)
設定温度 T set に制御するために必要な弁開度変化は,以下の式で表される。

Δα = (Tset - To - αΔTH – (1-α)ΔTL)/(TH - TL)

次に配管を流れる水の温度について考察する。配管を流れる水の温度を T w ,配管の温度を T f とし,ラプラス変換したものをそれぞれ L[T w ],L[T f]とする。配図3

本研究で試作するシステム

管の伝達関数を H(s)とすると,以下の式が成り立つ。
L[T f ] = H(s)・L[T w ] = K/(T 0 ・s + 1)・L[T w ]２．２

温冷水制御盤

ここで K,T 0 は配管の材質等で決まる定数である。

本研究で試作した温冷水制御盤の概要を図 4 に示す。
この温冷水制御盤は,温度センサのデータ取得,電磁弁

温冷水の熱が配管に伝わるまでの遅れを補正するため,配管温度に H -1(s)を作用させる。

バルブの開閉の制御を担うマイコンと無線通信,USB

試作する調温装置の概要を図 6 に示す。温度セン

メモリ,パソコンとの通信を担うマイコンから構成さ

サの 出力 を用い,マイコン (Arduino Mega2560)で弁開れている。

度 を 計 算 す る 。 弁 開 度 の 指 示 値 は I2C 通 信 に よ り

温度センサ,電磁弁制御用リレー,USB メモリコント

DAC(DAC7571 Texas Instruments 社)に送られ,電圧にロールモジュールとマイコンは I2C で通信している。

変換される。DAC の出力はカレントループ IC (XTR115

また,マイコン間は SPI により通信を行っている。な

Texas Instruments 社)により 4mA～20mA の電流に変お,マイコンには PIC(Microchip Technology 社製)を換され,比例制御弁に入力される。比例制御弁とカレ−6−栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

ントループ回路の間には過電圧防護回路を設け,外来サージから回路を保護している。比例制御弁の入力抵
抗は 170Ω程度であり,20mA の電流が流れると電圧降
下は 3.4V となる。また,過電圧防護回路の電圧降下も考慮すると,全体で 4～5V の電圧降下が見込まれるため,絶縁型 DCDC コンバータにより昇圧し,カレントル
ープ回路,DAC,アイソレータの電源として利用する。

３．１

図7

サーバー概要３

結果および考察

実証実験

実証実験は,宇都宮市が大谷石採取場跡地に設置し図5た実証実験場で行った。この施設は,採石場跡地に貯床冷暖房制御装置概要

留した水の冷熱(図8)を有効活用することを目的としたものである。図9に制御対象となる温冷水制御シス
テムと保冷庫を示す。

図6２．４比例弁制御装置概要
図8

サーバー

採石場跡地 立坑各制御装置から送られてくるデータはサーバーに蓄積され,Web 上で閲覧される。Web 画面は,温度とリレー
開閉状態の時系列グラフと現時点の数値データを表示する。
サーバープログラムの概要を図 7 に示す。サーバー
上では,制御装置から 10 秒毎に送られてくるデータを受信し,データを整形・保存するプログラムが常駐してい図9る。また,保存されたログファイルからグラフ作成を行

実証実験場

うプログラム（graph_mf.py）ならびに HTML ファイルの作成を行うプログラム（HTML_mf.py）が定期的に実３．２

温冷水制御実験

図10(a)に試作した温冷水制御盤を示す。また,図行される。作成された HTML ファイルやグラフ画像を10(b)にシステム監視用のWeb画面を示す。本研究で試Web サーバーアプリケーションが参照する。
本研究では, サーバーとして Raspberry pi3 を用いた。

作した温冷水制御盤は,5個の温度センサのデータ取得

各プログラムは Python で作成し,Web サーバーとして,と,5個の電磁弁の制御を行うことができる。温度デー

小型の Web アプリケーション・フレームワークの Flask

タとリレーの開閉状態の現在値の表示とグラフによるを用いた。また,詳細にデータ解析を行うことを想定し,推移をWeb上で閲覧することができる。
システム動作の試験として,温熱タンクからの水温

samba により Windows パソコンとファイルの授受が行なえる仕様とした。

(T3)を11℃に,冷熱タンクの水温(T4)を3.5℃にする実験を行った。電磁弁開閉は表1の条件で行った。例として,図11に電磁弁M1-1,M1-2がOFF,電磁弁M2-1,M2-2−7−栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

がONの場合,図12に電磁弁M1-1,M1-2がOFF,電磁弁M21,M2-2がOFFの場合を示す。図中の赤線部は温冷水のT1-T4温度
温度条件有効経路を示している。実験として,4つの電磁弁を全て

30
14

25

温度 [℃]

OFFにした状態を5分程度保ったのち,表1の条件を有効にした場合の温度変化を調べた。図13にT1からT4の温

10

20

8

15
6

10

度変化を示す。測定中,常にT2>T1であるため,排熱は

リレー状態

12

T1
T2
T3

4

T4

M1-1,M1-2:閉

5

2

貯留水で行っている。T1(貯留水温度)は一定であるのリレー

M2-1,M2-2:開000に対し,T3,T4は変化していることがわかる。T3は10.1

500

1000

1500

2000

2500

3000

Time[s]

図13 システム動作検証℃,T4は3.8℃となり,ほぼ所望の温度を得ることができた。
３．３

調温装置の試作

図14(a),(b)に試作した調温装置を示す。この調温装置は,最大6個の温度センサのデータの取得とそれらに基づく電流出力を行うことができる。また,920MHz帯の無線通信により温度データ,出力電流のデータをサーバーに転送可能な仕様となっている。
試作した電流ループ回路の特性を図15に示す。電流ループ回路は,Arduinoシールドとして設計している。
マイコンからの信号に対応し,4mA～20mAの電流が線形に出力されることがわかる。電流ループ回路から送ら
図10(a)

温冷水制御盤(b)Web画面

れた4mA～20mAの電流信号により比例弁を制御するが,電流信号と比例弁開度の関係は非線形となるため補正

表1 電磁弁開閉条件を行う必要がある。そのため,マイコンの出力を変化ON条件させたときの流量の変化を調べた。図16に電流出力とM1-1,M1-2 T1>T2

比例弁開度の関係を示す。流量の測定にはFD-Q32(キM2-1,M2-2 T4<T3 かつ 0℃<T4<5℃

ーエンス製)を用いた。弁開度が0～50%の場合は,下に凸な2次関数で近似し,50～100%の場合は上に凸な2次関数で近似することでマイコンの出力に補正を行った。
本研究で設置した実証設備では,温度をステップ状に変化させることが難しいため,比例弁の開度をステップ状に変化させたときの出口温度変化から配管の伝達関数を推定した。比例弁を0%から50%まで変化させたときの温度変化を図17に示す。配管温度は,およそ8℃から 8.5℃に変化しており,時定数T 0 は20sであった。
次に,初期温度が8.5℃の配管温度を7℃に設定し

図11 電磁弁開閉パターン1(M1:OFF M2:ON),100秒経過後,7.5℃に設定する実験を行った。図18に示すように所望の動作が実現できたことを確認した。
ひずみゲージ

図14(a) 調温装置基板
図12 電磁弁開閉パターン2(M1:OFF M2:OFF)−8−

加速度センサ(b)装置外観栃木県産業技術センター

４

出力電流 [mA]

電流ループ回路出力

研究報告

No.14（2017）

おわりに

25

複数の熱源を有効活用するために温・冷水の流れ20を制御するために温度センサーの情報に基づき電磁弁

15の開閉を制御するとともにデータを Web により遠隔監

10視するシステムを作成し,実証試験を行った。また,温熱・冷熱の利用として保冷庫の温度制御を行うための

5
0
0

1000

2000

3000

4000

I2C 出力(0-4096)

調温装置を開発した。今回の実験は,冬季に実施したため,システムの検証を主な目的としている。今後は,

図15 電流ループ回路出力

通年で装置を稼働し,エネルギー効率の評価を行う予定である。

弁開度[%]

比例弁開度とマイコン出力の関係
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

参考文献
1) 経済産業省資源エネルギー庁：「平成 27 年度エネル
ギーに関する年次報告」(2016)2) ラズベリーパイ財団 HP https://www.raspberrypi.
0

1000

2000

3000

org/

4000

マイコン出力3) Arduino HP https://www.arduino.cc/

図16 比例弁開度とマイコン出力の関係

温度 [℃]

比例弁開度0%→50%
8.6
8.5
8.4
8.3
8.2
8.1
8
7.9
7.8
7.7
0

20

40

60

80

100

Time [sec]図17 比例弁を変化させたときの水温の変化
温度制御実験
9

制御点温度 [℃]

8.5
8
7.5
7
6.5
6
0

50

100

150

200

時間 [s]

図18 温度制御実験−9−栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点共同研究（環境分野）

化学反応を促進する加熱粉砕装置の開発
松本 泰治* 金田 健* 石川 剛** 石井 利博** 三橋 保洋** 萩原 直樹**

Development of Heating Bead Mill for Acceleration of the Hydrothermal Reaction
Taiji MATSUMOTO, Takeshi KANEDA, Tsuyoshi ISHIKAWA, Toshihiro ISHII,
Yasuhiro MITSUHASHI and Naoki HAGIWARA
無機化合物の合成における固体-液体間の化学反応を促進するため，湿式ビーズミルに加熱機構を付加した加熱粉砕装置を開発した。この装置を用いて，二水石膏とリン酸水素二アンモニウム溶液との反応によるハイ
ドロキシアパタイトの合成時間も，加熱粉砕装置を用いると 1/2 に短縮された。
Key words: ビーズミル， 石膏，ハイドロキシアパタイト

１

はじめに

無機化合物の合成，特にイオン結合性結晶の合成には，主に２種類の溶液原料の混合による沈殿反応（液－液反応）と，固体原料と溶液原料との溶解析出反応（固－液反応）が用いられている。液－液反応は，反応性が高く，低温かつ短時間で反応するが，溶媒量が多くなり
単位容量当たりの生成物の収量が少ない短所がある。
一方，固－液反応は，溶媒量が少ないため液－液反応と比較して単位容量当たりの製造量が多い反面，固体の
図１

反応性が溶液と比較して低いため，反応時間が長く，かつ高い反応温度が必要となり，多くのエネルギーを消費する課題がある。そのため，固体原料からより短時間に

２．２

加熱粉砕装置の概念図

石膏からのハイドロキシアパタイトの合成

石膏（原料 GP）は，試薬の硫酸カルシウム二水和物（二かつ低エネルギーで無機化合物を合成可能な方法・装置

水石膏）（CaSO4・2H2O）（関東化学：特級）を用いた。

が求められている。

原料 GP を，乾式ビーズミルを用いて粗粉砕した（粉砕

そこで，本研究では湿式ビーズミルに加熱機構を付加
し，固体原料を粉砕によって反応性を高めつつ，同時に加熱により化学反応を行う加熱粉砕装置を開発した。さGP）。
石膏からのハイドロキシアパタイト合成は，次のように 行 っ た 。 0.5mol ・ dm-3 リ ン 酸 水 素 二 ア ン モ ニ ウ ム

らに，この加熱粉砕装置を用いて，モデル反応として石((NH4)2HPO4)水溶液に粉砕 GP を 5mass%になるよう加え膏からのアパタイトの合成に対する反応の促進性を検て調製したスラリーを調製した。このスラリー約 800ｇ討した。

とφ0.5mm ジルコニアビーズ 455ｇ（充填率 70%）を，加熱粉砕装置に投入し，スラリー温度 60℃，ビーズの周速
２

２．１

研究の方法

（回転速度），6m/s で循環運転した。

加熱粉砕装置の開発

比較のため原料 GP で調製したスラリー20ml をふっ素

加熱粉砕装置のシステム構成と作製した装置の概念

樹脂製ボトルに入れ，恒温槽中 60℃で反応させた。反応

図を図１に示す。スラリー循環型湿式ビーズミルのミル

中，ボトルを 15rpm で縦回転することでスラリーを攪拌

粉砕部と外部タンクを二重ジャケット構造とし，熱媒流したが，粉砕効果は加えなかった。

体を循環する加熱機構を付加した。
*

栃木県産業技術センター

材料技術部

**

アシザワ・ファインテック株式会社

所定時間反応後，スラリーを孔径 0.1μm のメンブラ
ンフィルターを用いてろ過，洗浄し，生成物を得た。得られた生成物は，その結晶構造を X 線回折装置(XRD)(リ
ガ ク 製 RINT2550) で 調 べ ， 形 態 は 走 査 型 電 子 顕 微 鏡− 10 −

栃木県産業技術センター(SEM)(日本電子製 JSM-6010PLUS/LA)を用いて観察した。

研究報告

No.14（2017）

料は，原料 GP の石膏結晶の形骸を保っている。この形
骸粒子は，図４（ｃ）の SEM 像から数百 nm の微細な板３３．１

結果及び考察状粒子の凝集体であることが分かる。石膏からの HAp の加熱粉砕装置

本研究で作製した加熱粉砕装置は，温水循環器を用いapatitegypsumて二重ジャケットに温水を循環することで 80℃の反応
取り付け行った。さらに，ミル出口にも温度センサを取り付け温度モニター可能とした。
なお，ビーズミル本体は密閉構造とすることで，0.2MPa までの耐圧性を示した。水蒸気圧 0.2MPa は，
120℃の水蒸気の自己圧に相当することから，この密閉型ビーズミルは 120℃までの加熱粉砕運転が可能であ180minIntensity, I / a.u.

を可能とした。温度制御は，ミル投入口に温度センサを120min

60min

30min
× 1/20gypsumる。
３．２

10

石膏からのハイドロキシアパタイトの合成

20

30

40

50

60

Diffraction Angle, 2θ / ゜ (Cu-Kα)

原料 GP の 1ｇに 0.5M のリン酸水素二アンモニウム（(NH4)2HPO4 ）溶液 20ml を加え 5mass%スラリーとして，

図３

加熱粉砕装置を用いた粉砕 GP のリン酸水素

二アンモニウム処理による生成物のＸ線回折図

60℃で反応を行った。その生成物の X 線回折図を図２にスラリー濃度：5mass％，温度：60°示す。反応時間 30min でハイドロキシアパタイト（HAp）

ビーズ周速：6m/sが生成するが，わずかに石膏が残存し，反応終了するま
でに 60min を要した。
apatitegypsumIntensity, I / a.u.

180min120min

60min

30min
× 1/2010

gypsum

20

30

40

50

60

Diffraction Angle, 2θ / ゜ (Cu-Kα)

図２

原料 GP のリン酸水素二アンモニウム処理による生成物のＸ線回折図
スラリー濃度：5mass%，温度：60°，粉砕なし
加熱粉砕装置を用いて，粉砕 GP5mass%スラリーをミルの周速 6m/s にて粉砕と加熱を同時に行った試料の生成物の X 線回折図を図３に示す。30min で原料の石膏が消滅し，HAp の生成が終了していることが分かる。
原料 GP の 5mass%スラリー，粉砕なし，反応時間 180minの生成物（図２の 180min 試料）と，粉砕 GP の 5mass%
スラリー，加熱粉砕，反応時間 180min の生成物（図３の 180min 試料）の SEM 像を図４に示す。図４には，原料 GP の SEM 像を併せて示した。原料 GP から得られた試− 11 −

図４

二水石膏のリン酸水素二アンモニウム処理による生成物の SEM 像a)原料 GP（未処理），ｂ,c) 原料 GP（粉砕なし）d,e) 粉砕 GP（ビーズ周速；10m/s）
スラリー濃度：5mass％，温度：60°

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

生成過程は，次式で表される 1)。

かつ球状化するため，均一な粒径と形態になると考えら

10CaSO4･2H2 O+6(NH4)2HPO4れる。

→Ca10(PO4)6(OH)2+6(NH4)2SO4 +4H2SO4＋18H2O
この反応は，リン酸水素二アンモニウム（(NH4)2 HPO4）
2+

４

おわりに

3-

既存の湿式ビーズに，加熱機構の付加した加熱粉砕装とのが残存する石膏の表面で HAp が結晶核生成する。HAp

置を作製した。また，ビーズミル本体については，100℃

溶液に一部石膏が溶解し，生成した Ca イオンと PO42+生成に伴い溶液中の Ca が減少するが，本研究の反応組

以上の反応を可能とする耐圧構造（0.2MPa）を実現した。

成は上の反応式の５倍量のリン酸アンモニウム量を含石膏とリン酸水素二アンモニウム溶液との反応によ

むため，残存する石膏はさらに溶解する。この溶解析出

るハイドロキシアパタイト合成において，加熱粉砕装置

反応が連続的に進むことで石膏結晶の形骸を保ったまを用いることにより合成時間を 60min から 30min に短縮

ま HAp の凝集体に変換する，いわゆる物質変換が起こっできた。

ていることを示している。これに対し，粉砕 GP の加熱
粉砕反応により得られた試料は，石膏の結晶形骸はなく，数十 nm の球状結晶が凝集した状態が観察された。

参考文献

1) 古田祥知子,勝木宏昭：J.Soc.Inor.Mater.JPN, 8,

これは石膏が粉砕によって微細化するためと，生成した
HAp は数十 nm より大きく成長すると，粉砕され微細化，− 12 −

221-227, (2001).

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点共同研究（フードバレーとちぎ）

大麦のダイレクトＧｅｌ転換による高付加価値加工技術の開発（第２報）
阿久津 智美*星 佳宏*

木村 阿沙美**田村 匡嗣**

齋藤 高弘**

大美賀 みどり***

Development of High-Value-Added Processing Technology using Direct Gel Conversion of
Two-Rowed Barley(2nd Report)
Satomi AKUTSU, Yoshihiro HOSHI,Asami KIMURA, Masatsugu TAMURA,Takahiro SAITO and Midori OMIKA
ダイレクト Gel 転換技術により大麦ゲルを作製し，パン及びケーキに利用する試験を行った。食パンにおいては，２倍加水大麦ゲル 25％置換で比容積は 3.5cm3/g となり，硬さもやわらかく，保存しても硬くなりにくく，また，甘味，もちもち感，しっとり感，焼き色が強いことがわかった。この甘味はパン製造時のマルトース増加が原因と考えられた。さらに大麦ゲルパンの消化試験結果から血糖値上昇抑制効果が示唆できた。また，総菜パンや 100％大麦パン，チョコレートケーキの試作評価も行った。
Key words: 大麦，ゲル, ダイレクトＧｅｌ転換,パン ,ケーキ

１

はじめに

サチホゴールデン），精麦歩合 90%大麦粒及び大麦粉を

平成２７年度栃木県産二条大麦の収穫量は日本一で，全国の３２％，35,900t の収穫があった。

（株）大麦工房ロアより入手し用いた。
２．２

大麦ゲルの調製

大麦は水溶性及び不溶性食物繊維をバランスよく含

大麦粒に大麦重量の２倍量の水を添加し（例：大麦んでおり，水溶性食物繊維であるβ―グルカンは血糖値

粒 300g，水 600g）,約 16 時間浸漬後，炊飯器（NP-NA10やコレステロールを下げる働きがあることが知られて

象印マホービン㈱製）を用い玄米モードで炊飯した。

いる。近年この健康効果に注目が集まっており，アメリ

得ら れた 炊飯 大麦 をカ ッタ ーミ キサ ー（ Robot-Coupe

カやカナダ等では大麦のヘルスクレーム（健康強調表

Blixer5-Plus,㈱エフ・エム・アイ製）で 3000 rpm・ 3示)が認められている。このため，現在大麦の用途とし

分間せん断した後，室温まで冷却し大麦ゲルを調製してはビールや麦茶，大麦ご飯などが主であるが，様々なた。

加工品への利用がさらに進むと考えられる。

２．３

そこで大麦の用途，利用を広げるため，国立研究開発
法人

農業・食品産業技術総合研究機構で開発された高アミロース米のダイレクト Gel 転換技術
用する研究

3）

１）2)

を大麦に応

を昨年度から開始した。

米ゲル配合大麦ゲルの調製

米ゲルは，大麦ゲルの調製法と同様に，栃木県産高アミロース米（品種：モミロマン）を用いお粥モード
で炊飯し２倍加水米ゲルを作製した。米ゲル配合大麦
ゲルは，それぞれにゲルを作製した後，混合し調製し昨年度は，大麦ゲルの調製方法及び大麦ゲルの物性評た。

価を行い，これらを明らかにした。今年度はさらに大麦

２．４

パンの調製

ゲルを実際の加工に活用できないかということで，大麦パンの配合及び調製は，柴田ら 4） の方法に準じた．

ゲルを用いた製パン試験及び機能性の評価やケーキ等

すなわち，バッチあたりの穀物量を 1kg（30％置換大麦の試作試験を行ったので報告する。

ゲルでは，小麦粉（ミリオン，日清製粉）700g と大麦
粒 300g），水を穀物量に対し 65%～80%（650g～800g）

２
２．１

研究の方法

原料大麦

原料は，平成２７年度産栃木県産二条大麦（品種：*栃木県産業技術センター 食品技術部** 国立大学法人 宇都宮大学 農学部*** 株式会社 大田原ツーリズムとし，他は，砂糖 60g，食塩 20g，スキムミルク（森永乳業㈱） 20g，ショートニング（カナリアエイト，
日油㈱） 50ｇ，ドライイースト（スーパーカメリア，
日清フーズ㈱） 10g とした。なお，大麦ゲル調製時に水を添加しているので，原料混合時に添加する水の量
は，ゲル調製時に添加した水の量を差し引いた量を添加した。

− 13 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

パン生地はショートニング以外の原料を混合し，パの 消 化 (pH6.80) を 300 分 間 行 っ た 。 人 工 胃 液 はン用ミキサー（関東混合機工業製）を用いてミキシン

pepsine(SIGMA 社製，P7000)と Gastric fluid Bufferグ（Ｌ3，Ｍ1）後，ショートニングを添加し，さらにを混合し，人工膵液は pancreatine(SIGMA 社製，P7545)

ミキシング（Ｌ4，Ｍ1）し作製した。これを，27℃，と Invertase(SIGMA 社製，I4504)，amyloglucosidase，

75％RH で 90 分間一次発酵後，420g×4 に分割し，ベンIntestinal flued Buffer を混合し用いた。

チタイム 25 分とった。さらにモルダーにてワンローフ

得 ら れ た 上 澄 み 液 に Invertase/amyloglucosidase

型に成形した後パン型（１斤型）に詰め，38℃，85％

solution を加え 37℃，10 分間反応させ，その一定容にRH で発酵させた。発酵終了は生地上端高さが焼型縁とGOPOD を加え，50℃20 分間加温後，510nm の波長で吸光一致した時点とし，焼成はオーブンで 200℃20 分行っ度を測定してグルコース量を算出した。得られた結果た。

より次式により，消化率を求めた。

２．５

比容積

消化率（％）=(42×0.9×H×I×100)/(J×K)

比容積は 3D レーザ一体積計(Selnac-Win VM2100，

H：ビーカー内の液量（mL），I：吸光度（試料），J：消ASTEX 製)又は菜種法を用い測定した。

化に用いた米飯の総デンプン量（g），K：吸光度（D-２．６

Glucose standard），42：希釈倍率，0.9：グルコース

パンの硬さ測定2 cm の厚みにスライスしたパンを，テンシプレッサとデンプンの分子量から求まる変換係数
さらに Goni の式 6)を用い，平衡消化率，速度定数おー（My Boy，タケトモ電機製）を用い測定した。プランジャーは面積 10 cm3 の円盤型を用い，速度 6.0 mm/s

よび推定 GI 値を求めた。

でクラムの中央部を圧縮し，圧縮率 25％の時の応力をC = C 1 − e C：時間 t における消化率，C ∞：平衡消化率，ｋ：消パンの硬さとした。
２．７化の速度定数，ｔ：経過時間 e:ネイピア数（自然対数

水分測定

ハロゲン水分計（MB45，Ohaus 製）を用い測定した。
２．８

の底）

測色

分光測色計（コニカミノルタ㈱, CM-2600d）を用い，

３

パンのクラスト（上部）及びクラムについて表面色を

３．１

測定した。

３．１．１

２．９

官能評価

結果及び考察大麦ゲルによる製パン
ゲル作製時の加水量と製パン

原料大麦に対し２倍量及び３倍量の水を加え大麦食品の専門家及び学生パネルにより，二点識別法又ゲルを作製した後，小麦の 30％を大麦に置換し製パン

は評点法で評価した。また，食品製造関係者による自した時の比容積等の結果を表１に示す。比容積や硬さ

由記述式アンケートも行った。

の値は差が見られなかった。製造時，３倍加水ゲルは２．１０

粘度が低く扱いにくく，また，水分が多いため，配合

糖分析

試料を粉砕後 80％エタノールで抽出し，フルクトー

量を増やすとパン作製時の水分がゲルからの持ち込

ス，グルコース，スクロース，マルトースについて液

みのみとなり加水できず，生地温度を調整しにくかっ体クロマトグラフ（Prominence 島津製）を用い測定した。よって，作業性の点から２倍加水ゲルを製パンにた。測定条件は，カラム：Asahipak NH2P-50E(4.6mm i.d用いることとした。

×250mm)，移動相：アセトニトリル：水（７５：２５），３．１．２

流速：１ml/min，カラム温度：３０℃，検出器：示差の影響

屈折計とした。
２．１１

大麦ゲルの添加量（置換率）の製パンへ

２倍加水大麦ゲルの添加量（置換率）を変化させパ

βーグルカン，難消化性デンプン，総デン

ンを試作し，比容積・硬さ等の測定を行った結果を図

プン量の測定Megazyme

社 製

BETA-GLUCAN

assay

kit

及 び

表１

Resistant starch assay kit (K-RSTAR)を用い測定し

処理区

た。
２．１２

2 倍加水及び 3 倍加水大麦ゲルパンの比容積等

消化試験

２倍加水大麦ゲル

人工消化試験は，田村ら 5） の方法に従い行った。ビ

30%置換パンーカー内に総デンプン量が 4％になるように試料に水３倍加水大麦ゲルを加え，37℃で胃の消化(pH1.20)30 分間，続けて小腸30%置換パン− 14 −

加水率

比容積

硬さ

(%)

3

(cm /g)(N/m2)

72.0

3.2

3.2×103

90.0

3.1

3.2×103栃木県産業技術センター

図２
図１

研究報告

No.14（2017）

パンの経過日数と硬さ

大麦ゲルの添加量とパンの比容積，硬さ
表３

大麦ゲル 30％置換パンと大麦粉 30％置換パンの官能評価 （二点識別法,n=12,強いほうを選択）
大麦粉 30%

大麦ｹﾞﾙ 30%

置換パン

置換パン

1．甘味

0

12

***

2．穀物臭

3

9

-

3．もちもち感1

11**

4．しっとり感

1

11

**

5．弾力性

4

8

-

6．やわらかさ

9

3

-

7．焼き色

0

12

***

評価項目

**
写真１

危険率１％で有意，***

大麦ゲルパン等の外観
３．１．３

表２

危険率 0.1％で有意

大麦粉及び大麦ゲル 20%置換パンの表面色

大麦ゲルパンの保存と硬さ

大麦ゲル 20％置換パンを常温保存し，1 日目と３日

試料名

L*

a*

b*

大麦粉 20%置換パン ｸﾗﾑ

71.1

-0.3

10.2

大麦粉 20%置換パン ｸﾗｽﾄ

59.6

14.7

35.8

大麦ゲル 20%置換パン ｸﾗﾑ

70.1

0.0

11.0

大麦ゲル 20%置換パン ｸﾗｽﾄ

49.9

17.4

34.3

目の硬さを測定した結果を図２に示す。大麦ゲルパン
は小麦 パンと 比べ保 存によ る硬さ の変化 が少な か った。この時の水分も測定したところ大麦パンでは小麦パンと比べ水分の変化が少なかった。大麦は水分の保持が強いといわれているが，大麦ゲルパンにおいても同様の 傾向で ，水分 を保持 してい るため 乾燥し に く
く，硬さも保持されていると考えられた。

１に，その時の外観を写真１に示す。大麦ゲル 25％置

換で比容積が約 3.5cm3/g となり，それ以下の配合では

３．１．４

大麦ゲルパンの官能評価

大麦ゲル 30%置換パンと大麦粉 30%置換パンについより高い値となった。また，30％置換でも 3.0cm3/g をての官能評価（二点識別法）結果を表３に示す。甘味，もちもち感，しっとり感，焼き色が大麦ゲルパンで強超え，硬さも十分やわらかいものができた。

く，有意差があった。穀物臭に関しては，あらかじめ

表２に大麦ゲル及び大麦粉 20%置換パンの表面色をそのにおいについて，パネル間で一致させておらず，示す。大麦ゲルパンはクラストの a*値が高く，大麦粉

パネルにより，穀物臭の認識が異なっていた。

添加パンに比べ焼き色が付きやすかった。

− 15 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

３．１．５

大麦ゲルパンの糖官能評価で差があった甘味について，その成分を確認するため，糖分析を行った。大麦ゲル 30％及び大麦
粉 30％置換パンの糖含量を図３に示す。大麦ゲル 30%
置換パンは，大麦粉 30%置換パンと比べ，マルトースの量が多かった。このため，甘味を強く感じ，また焼き色も強くなったと考えられた。さらに原料大麦粒及び大麦ゲル中の糖含量について調べた。図４に大麦ゲ
ルパン 1 斤あたりに添加した原料中の糖含有量を示す。原料の大麦粒から大麦ゲルを作製した際にもわずかながら増加しているが，製パン時に他の材料を配合
図３したことを考慮しても増加しており，生地発酵時に増大麦ゲル 30％及び大麦粉 30％置換パンの糖含量加しているものと考えられた。
３．２

高アミロース米配合大麦ゲルによる製パン

図５に高アミロース米配合大麦ゲルパンの比容積，
硬さを，写真２に外観を示す。大麦ゲル 30％と米ゲル10％を配合し作製したパンは，大麦ゲル 30％置換 と40％置換パンの間の比容積と硬さであった。トータル
で同じゲル配合量の場合は，米ゲルを添加することにより膨らみはよくなった。また，米ゲルの添加によりクラムの色が L*,a*値とも低くなり，明るく赤色の度合いが減った。これより米ゲルの配合により物性等の改変ができることが示唆された。
３．３

大麦ゲルパン等の機能性成分等評価

３．３．１

大麦ゲルパンのβ―グルカン等

表４に大麦ゲル 30%置換パン等の βーグルカン含量,
表５に大麦ゲル 30%置換パン等の難消化性デンプン，
非難消化性デンプン，総デンプン量を示す。大麦ゲル
図４

大麦ゲルパン 1 斤あたりに添加した原料中の30%置換パンのβ-グルカン量は 0.83wt%と比較的高く，

糖含有量

大麦粉と比べても高いため，ゲル化による損失はないのではないかと考えられた。また，小麦粉パンと図５ 高アミロース米配合大麦ゲルパンの比容積,
写真２ 高アミロース米配合大麦ゲルパンの外観

硬さ− 16 −

栃木県産業技術センター

比較すると，大麦ゲル・大麦粉パンとも難消化性デン表６プンがやや高く，非難消化性デンプンは低く，総デン

３．３．２

大麦ゲル 30%置換パンの推定 GI 値等
速度定数

推定

率(%)

（×10⁵*min⁻¹）

GI 値

大麦ｹﾞﾙ 30%置換パン

73.0

3.4

99.4

大麦粉パン （参考品）

88.8

1.8

100.0

小麦粉パン （参考品）

140.5

1.1

118.3

試料名

かであることが示唆された。
大麦ゲルパンの消化試験

表６に大麦ゲル 30%置換パンの推定 GI 値等を示す。

No.14（2017）

平衡消化

プン量は低かった。小麦パンよりも大麦パンのでんぷ
ん量が少ないことから，摂取後の血糖値の上昇が緩や

研究報告

大麦ゲル 30%置換パンは，小麦粉パンと比べ平衡消化率，推定 GI 値が低かった。これより，大麦ゲルパンは
小麦パンと比べ，加水分解と吸収がより遅く，グルコースの血中への放出が少なく，摂取後の血糖値の上昇が遅いことが示唆された。
３．４

大麦ゲルによる試作

３．４．１

大麦ゲル総菜パン等の試作

大麦ゲルを用いて（14%置換）ゴマ入りパン及び総菜
パン（ジャガイモ入りマヨネーズパン）の試作を行っ

写真３た。外観を写真３，４に示す。アンケートでは，しっゴマ入り大麦ゲルパンとりとした食感で，特に総菜パンの評価がよかった。
３．４．２

大麦１００％パンの試作

大麦ゲル，大麦粉，こめこアップ（ユニッテクフーズ）を用いて，小麦粉を用いない大麦 100％パンを試作した。写真５に外観を示す。硬さが硬い（4.0×104 N/m2）

ため，食感等の検討がさらに必要と考えられた。
３．４．３

大麦ゲル入りチョコレートケーキの試作

大麦ゲルを用いチョコレートケーキ（大麦ゲル 27％
添加(全原料中)）を試作した。外観を写真６に示す。
５点評点法で官能評価を行ったところ，チョコ味の平
均値が食感 3.3 風味 4.1 外観 3.6(n=19)と評価が高かっ

写真４

ジャガイモ入りマヨネーズパン

た。アンケートでのケーキの特徴についての回答は，表
面サクサク，中がしっとり，ねっとり，風味良い等が挙げられていた。
表４

大麦ゲル 30%置換パン等の βーグルカン含量
試料名表５

β-グルカン量（wt%)

大麦ｹﾞﾙ 30%置換パン

0.83±0.02

大麦粉 30%置換パン

0.74±0.03

小麦粉ﾊﾟﾝ

0.15±0.02

写真５

大麦ゲルを使った大麦１００％パン

写真６

大麦ゲル入りチョコレートケーキ

大麦ゲル 30%置換パン等の難消化性ﾃﾞﾝﾌﾟﾝ（RS)，
非難消化性ﾃﾞﾝﾌﾟﾝ（NRS)，総ﾃﾞﾝﾌﾟﾝ量（TS）
試料名

RS(%)

(n=4)

NRS(%)

TS(%)

大麦ｹﾞﾙ 30%置換パン 0.53±0.08 62.4±0.5

62.9±0.5

大麦粉 30%置換パン 0.53±0.08 63.2±2.1

63.7±2.2

小麦粉パン

66.2±2.6

0.40±0.01 65.8±2.6− 17 −

栃木県産業技術センター

研究報告

４

No.14（2017）

おわりにえられ，大麦ゲルの特徴を活かした製品に向け，試作検

大麦ゲルのパンへの利用を中心に試験を行ったとこ

討がさらに必要と考えられた。

3ろ，2 倍大麦ゲル 25％置換で，比容積は 3.5cm / g とな
り，30％置換でも 3.0cm3 /g を超え，硬さも十分やわら謝かいことがわかった。大麦ゲルパンの特徴としては，小辞

ゲル及び製パン試験についてご指導いただきました

麦粉パンと比べ保存しても水分の変化が少なく，硬くな（国研）農研機構

りにくいこと，さらに大麦粉と比較すると，官能的に甘に感謝いたします。

杉山純一氏，並びに

奥西智哉氏

味，もちもち感，しっとり感，焼き色が強いことがわかった。また，この甘味はパン製造時にマルトースが増加することが原因と考えられた。

参考文献
1) 柴 田 真 理 朗 , 杉 山 純 一 , 藤 田 か お り , 蔦

また，大麦ゲルに高アミロース米を配合し製パンした

吉村正俊, 粉川美踏, 荒木徹也： "日本食品科学工ところ，トータルで同じゲル配合量の場合は，米ゲルの添加でより膨らみがよくなることが明らかとなり，米ゲ学会誌"，59(5), 220-224,（2012）2) 松 山 信 悟 ， 柴 田 真 理 朗 , 杉 山 純 一 , 藤 田 か お り ,ル配合により物性の改変ができることが示唆された。

蔦

試作した大麦ゲルパンの健康機能性分等については，

瑞樹,

吉村正俊,粉川美踏, 平野由香里,荒木徹也，鍋谷浩志： "日本食品科学工学会誌", 61(3),β―グルカン含量が高く，消化試験から，血糖値上昇抑制効果が示唆できた。

瑞樹,

127-133,（2014）3)福嶋瞬, 渡邊恒夫, 杉山純一,

蔦

瑞樹,："栃木

この大麦ゲル食パンの試験結果をもとに，総菜パンや

県産業技術センター研究報告", 13, 36-38, (2016)

100％大麦パンを試作した。小麦粉に対し大麦ゲル配合

4) 柴田真理朗, 杉山純一, 藤田かおり, 平野由香里,

量が比較的高くない場合は問題とならないが，大麦１０蔦

０％パンについてはさらに検討が必要であった。

食品科学工学会誌", 62(4), 212-218,（2015）

さらに，パン以外に大麦ゲルを用いたチョコレートケ

粉川美踏, 吉村正俊,荒木徹也： "日本

5) Tamura ,M.,Singh,J.,Kaur,L.,Ogawa,Y. ： " Food
Chemistry",191,91-97,(2016).

ーキを試作したが，官能評価で高い評価を得ることができ，完成度は高いものと考えられた。

瑞樹,

6) Goni,L.,Garcia-Alonso,A.,Saura-O-Calixto,F.: "Nutrition

パンやケーキ以外にも様々なものに応用できると考− 18 −

Research",17(3),427-437,(1997).

Ⅱ 共同研究Cooperative Research空白栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

専用パンチを用いない薄肉大型アルミダイカスト部品の塑性流動結合技術の開発
研究開発期間平成 26 年度〜平成 28 年度

分

接合・実装

野

研究開発の概要及び成果

川下の抱える課題及びニーズ
軽量化／低コスト化

高度化目標
高強度化・軽量化／低コスト化

研究開発の背景及び経緯
自動車部品には異種金属材料が多用されているが、その結合方法は、ボルト締結もしくは、圧入、焼きバメが主体である。しかし、ボルトによる結合では、部品点数や質量が増加するとともに、加工・組立のコストがかかるという問題がある。また、圧入や焼きバメは、軟質部材に作用す
る引張応力が大きく、延性が不足して破損しやすいため接合強度を大きくとることができない。アルミダイカスト部
品では、鋳ぐるみという方法もあるが、部品をダイカスト
鋳造の度にセットしなければならないため、生産性が悪い
上、位置決めをすることも難しく、高精度が要求される製品には、後工程で加工を施すことになる。そのため、異種金属部品の結合において、軽量かつ低コストで結合が可能
な塑性流動結合法の研究開発が急務である。
本研究開発は塑性流動結合法を更に発展させ、技術の応用拡大を図るものである。これまでの塑性流動結合法で使用していたリング状の専用パンチを用いることなく、鋼の軸状部品とアルミダイカストの穴部品を塑性流動結合する技術を開発する。図１に本研究のパンチを用いない塑性流
動結合の基本的な方法を示す。段付き加工を施した軟質材の穴部品に、段付き加工した硬質材の軸部品を挿入し、軸を加圧して軸の段部で軟質材の穴の段部を圧縮変形させ、半径方向内側に塑性流動した軟質材で軸の先端を高い圧力で締付けて結合する。この技術が開発できれば、部品点数、質量の低減のみではなく、より複雑形状の製品の結合、さらに高強度化、部品加工コスト、結合コストの削減など多くの課題の解決が期待できる。
（軟質材の穴径と挿入する
硬質材の軸とは隙間バメで良いため、組付け性が容易であ
る。
）

図１

事業化の最初の対象製品は、アルミダイカストADC14製のドラムと鉄鋼(SCM420)部品であるインナーを結合する自動車用AT部品（ダイレクトクラッチ用ドラム）である。
現状の加工法は、スチール製インナーの管部をアルミダイカストADC14製のハウジング内径部に圧入した後に、寸法が変化する部分（☆印部）を仕上げ切削するが、結合強度を確保するために圧入長さが長くなるため、圧入力も大きくなる。加えて、圧入部の嵌め合いのために圧入部品にも高精度加工が要求されるため加工コストも高くなっている。一方、開発する塑性流動結合（図２）では、拡大図に示すように、ADC14製ドラムに高面圧を発生させて結合するため、高い結合強度が得られる。また嵌め合い条件の緩和による圧入部品の要求加工精度緩和や、圧入工程の効率向上、さらに圧入後の寸法変化の抑制による後加工工程の削減が可能となり、加工コストの大幅低減が実現できる。

図２

実製品サイズ試験型にて、塑性流動結合試験を実施した
結果、結合荷重30kN程度でアルミダイカスト製ドラムの亀裂、破損が発生した。
原因究明のために、FEMシミュレーションを行い（図３）、結合時の支持部とアルミダイカスト製ドラムの寸法公差の見直しを行った。

図３

塑性流動結合法の概要

30

事業化の最初の対象製品

アルミダイカスト製ドラム亀裂・破壊のシミュレーション解析結果

関東経済産業局 戦略的基盤技術高度化支援事業
研究開発成果事例集（平成 26 年度～平成 27 年度採択事業）から抜粋− 19 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

26年度採択
補助事業

結合強度向上を目的に、スチール製インナーの結合溝の形状を図４のように設定した。

45
40
35
30
25
20
15
10
5
0

実製品モデル 拘束プレート有り
段差幅0.75mm,結合荷重268.7kN

39.02kN

50

実製品モデル 軸戻し荷重 - 結合荷重線図

40

溝無し
目標値

目標値：30kN

9.06kN30
20

目標値：30kN
段差幅0.75mm

10
0

2

4

6

8

ス ト ローク(mm)

結合強度向上を図る
ため、インナーに結合溝を追加し、金型に外径拘束を追加した

段差幅1.0mm

溝有り

軸戻し荷重(kN)

軸戻し荷重(kN)

軸戻し耐荷重の実験結果

10

0

目標値
段差幅0.75mm
段差幅1.0mm

200

250

300

350

軸戻し耐荷重は目標値30kNに対して、39kNと目標値をクリア。

400

結合荷重(kN)

トルク強度の実験結果
実製品モデル トルク強度試験段差幅1.0mm,
インナー回転トルク：
269.1Nm

入力トルク（Nm)

400
300

100Nm毎に荷重入力

200

トルク強度は結合溝無しで、目標値100Nmを確保。

目標値：100Nm

100
0

0

1

2

図６

3

4

回転角(°)

接
合
・
実
装

5

結合溝有り品の軸戻し耐荷重実験結果

更に、塑性流動結合品の強度、信頼性保証技術を確立させるため、超音波による検査技術を開発した（図７）。
図４スチール製インナーの結合溝の形状

インナー

電動Ｚ軸
テーブル

スチール製インナーに結合溝を用いた場合のFEMシミュ
レーションを行った結果、目標の30kN以上の軸戻し耐荷重を達成できる見込みとなった（図５）。

SCM420探触子（発振・受振）

結合面
入射波

リニア
エンコーダ
探触子

A

反射波

アウター
ADC14

A部詳細

結合面

スチール製インナーに結合溝を追加し、アルミダイカス
ト製ドラムの外径を拘束したもので結合を行い、軸戻し耐荷重を測定した結果、目標値の30kN以上に対して、39kNと目標値を達成することができた。トルク強度については、
結合溝無し品で、目標値100Nmを達成している（図６）。

手動ＸＹ
テーブル

超音波画像

図７

開発された製品・技術のスペック

1.3G, 0.75mm

100

超音波による軸戻し耐荷重予測

荷重 [kN]

1.3G, 1.0mm

自動車用ATの塑性流動結合ダイレクトクラッチ用ドラ

1.5G, 0.75mm

80

1.5G, 1.0mm

ム60

スチール製インナー

軸戻し
耐荷重

40

塑性流動結合20結合条件と溝内充填率
結合条件（結合応力，段差幅）

結合溝への流動状況

充填率 [%]

アルミダイカスト製ドラム

001.3GPa, W0.75mm

64.4

1.3GPa, W1.0mm

57.8

1.5GPa, W0.75mm

74.2

1.5GPa, W1.0mm

64.7

0.00010.0002

時間 [s]

軸戻し耐荷重の解析結果

軸戻し耐荷重：30kN以上
トルク強度：100Nm以上

図５

結合溝有り品のシミュレーション結果

図８

自動車ATのダイレクトクラッチ用ドラム

この研究へのお問い合わせ
事業管理機関名

国立大学法人宇都宮大学◎所在地：〒 321-8505 栃木県宇都宮市峰町 350◎担当者：学術研究部研究協力・産学連携課 産学連携係員 青木 統之◎ TEL：028-649-5019 ◎ FAX：028-649-5079 ◎ E-mail：renkei1@miya.jm.utsunomiya-u.ac.jp◎法認定事業者：京浜精密工業株式会社◎プロジェクト参画研究機関（大学、公設試等）：栃木県産業技術センター、国立大学法人宇都宮大学◎プロジェクト参画研究機関（企業）：京浜精密工業株式会社
関東経済産業局 戦略的基盤技術高度化支援事業◎主たる研究実施場所：京浜精密工業株式会社

研究開発成果事例集（平成 26 年度～平成 27 年度採択事業）から抜粋− 20 −

31

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

シーケンサによるリレー制御型特殊印刷装置の高度化技術の構築
枝野 龍之* 上野 貴明*

納口 通夫**

Construction of Advanced Technology of Relay Control Type Special Printing Device
by Sequencer
Tatsuyuki EDANO, Takaaki UENO and Michio NOUGUCHI

特殊印刷装置の転写印刷を行う既存装置のうちリレー制御主体のものに対し，リレー回路をシーケンスに置換え，ソフトウェアによる制御を主としたものとすることで，対象の変更が容易で自由度が高く，多品種少量生産でも低コスト，短納期に対応できる特殊印刷装置の構築を目指す。
Key words: シーケンサ，リレー回路，特殊印刷加工，転写印刷

１

はじめに

認するため，入力機器及び出力機器の動作状態を全て

転写印刷をはじめ，シルクスクリーン印刷，パッド

確認し，シーケンス制御による装置の動きを把握した。

印刷等の特殊印刷加工は，円高や人件費の高騰等の要因で，特殊印刷業界も他製造業と同様に中国や東南アジアなどの新興国へ業務の流出がおきていたが，ここ数年，海外に流出していた業務の国内回帰が起き始めている。しかしながらその間に，国内の同業界では，倒産･廃業などで企業数が減少している。
近年は上記の理由で，特殊印刷業務，特に文具などへの転写印刷の受注が増加傾向にあるが，その装置の制御

操作制御盤

部はリレー回路を主回路としたものが多く使用されて

図１

転写印刷装置

図２

操作制御盤内部

おり，印刷対象品（以下ワークとする）が変更になった
場合には、ハードの大幅な改造が必要となる。そのため，

２．２

多種少量印刷ニーズの低コスト，短納期で対応することが困難となっている。

シーケンサとの接続検討と制御ソフトの開発

転写装置のリレー回路をシーケンサ制御に置き換えた場合の制御機器類のうち、必要となる入力機器及び出そこで，既存の装置の制御部をリレー回路からシーケ

力機器を検討し，それらとシーケンサの入出力部との接ンサに置換え、ソフトによる制御を主としたものとする

続を行い，転写装置稼働のための制御ソフトウェアの開ことで，転写の変更が容易な自由度の高い，特殊印刷装発を行った。

置の構築を図る。

表1
２

２．１

記号
名称
① PB1 始動スイッチ

研究の方法

転写印刷装置の調査検討

生産に使用している既存の転写印刷装置の１台に対し（図１及び図２），装置の入力機器及び出力機器の洗い出しと、それらの配線接続状態を調査し，装置当初の制御図面と照らし合わせ、異なる部分の書き換えを行った。同時に転写印刷を行うための動作順序を確*

栃木県産業技術センター**

株式会社万蔵

入力機器一覧

機械電子技術部− 21 −

表２

PLC割当
X1

② PB2
③ PB3
④ FTS

停止スイッチ
箔巻寸動スイッチ
フットスイッチ

X2
X3
X4

⑤
⑥
⑦
⑧

SSW1
SSW2
SSW3
SSW4

ヒータ１スイッチ
ヒータ２スイッチ
光電センサ使用スイッチ
箔巻使用スイッチ

X10
X1１
X6
X5

⑨ PH
⑩ LS1
⑪ LS2

光電センサ
カム上側リミットスイッチ
カム下側リミットスイッチ

X7
X12
X13

出力機器一覧
名称

PLC割当① CM1 メインモータ用リレー② CM2 カムモータ用リレー

記号

Y1
Y2

③ CR3 箔巻用リレー

Y3④ PH 光電センサユニット⑤ TH1 ヒータ１ユニット

Y4
Y5⑥ TH2 ヒータ２ユニット

Y6⑦ SS32 箔巻モータ⑧ Tr 変圧器

Y7Y0栃木県産業技術センター

研究報告

３
３．１

No.14（2017）

結果及び考察転写印刷装置の調査結果

ターミナルリレー

転写印刷装置の調査による制御機器を表１，2 に示す。
表中のＰＬＣ割当に示すように、シーケンサの入力部
または出力部の端子記号の場所にそれぞれの機器を接続することとした。

（ａ）

シーケンサ

⑨

（ｂ）

（ｃ）

⑩

①

作製したシーケンサ制御盤

⑦ ⑧
②

④
図３

⑥

⑤

⑪

図５

比較用の蛍光ペン③

入力機器

印刷前のワーク(図中の番号は表１の番号で(a)(b)(c)はそれぞれ，熱ロール，転写フィルム、加圧治具である)

印刷後のワーク

図６

⑥

③

⑤
①

⑦

ークをセットした加圧治具（図３の(c)）を円弧運動で④

熱ロールに押し当て転写する仕組みである。そのため，

⑧

⑥
① ②

⑦

⑨

図６にあるワークと太さ・形状の異なる印刷は行えない。そこで，異なるワーク形状に対応できるようにする
ため、図６のように転写フィルム面に垂直方向から直線⑩

的にワークを移動して加圧転写させる機構に換え，そのストローク値をシーケンサのソフトウェアで変更する

図４

機構に改修した。（図 7）しかし，製作したアクチュエ

出力機器

ータが動作しない状態であるため，今後改善することと(図中の番号は表２の番号)

３．２

転写印刷前と後のワークする。稼働実施後は図とは別ワークに転写印刷を実施する予定である。

シーケンサとの接続と制御ソフトウェア開発

転写印刷装置と接続するためのシーケンサ制御盤(図５)を作製し，表１，２の機器と接続を行い，それらを制御するためのソフトウェア開発 を行った。また，転写印刷を実施した結果，ワークへの転写印刷を行うことができ，改造前と同様な動作ができることが確認できた。（図６に印刷前と後のワークを示す。）
使用したシーケンサは ＦＸ１Ｎ－６ ４ＭＲ（三菱 電機），ソフトウェア開発にはＧＸ－Ｄｅｖｅｌｏｐｅｒ

図７（三菱電機）を使用した。
４

加圧機構部のイメージ（左）と機構部改修写真
参考文献

おわりに

今回対象とした転写印刷装置の印刷動作は，モータで

1) 熊谷英樹： "シーケンス制御プログラム定石集 "，複数のカムを回転させ，そのうちの一つのカムによりワ− 22 −

日刊工業新聞社，2-26，（2003）

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

作業性向上を目的とした防振用具の開発（第２報）
長嶋 一晋*

枝野 龍之*

落合 武**

黒沢 良夫***

Kazuyuki NAGASHIMA, Tatsuyuki EDANO, Takeshi OCHIAI and Yoshio KUROSAWA

Development of Antivibration Gloves with High Workability(2nd Report)

振動障害の保護具として防振手袋が使用されているが，手袋の防振材が厚手なため，作業者からは指先を使った手作業が行いにくい等の作業性の悪さが指摘されている。そこで，作業性を考慮して現状よ
り防振材の厚みが薄くても，防振性能を維持する保護具の開発を目指した。
防振材の材質をウレタンとし，ウレタンシート形状の検討及びシミュレーションによる設計を行い，シート形状の異なる６種類の手袋を試作した。この手袋について振動測定・解析を行い，手袋全体の厚さ 7mm で防振性能（振動伝達率１未満）を有する手袋を開発することができた。
Key words: 振動，測定，伝達率

１

はじめに

ハンドルの振動軸は水平方向とされている。図１に示

チェーンソーや刈払機等の携帯型工具を使用する作すとおり，振動発生機（ＩＭＶ製：i250/SA5M）の振動

業者は，長期作業による振動暴露により，手指が白蝋病

方向を水平に切替え，水平加振台と結合した。製作した等の振動障害を発症する危険性がある。振動障害はひと

防振手袋評価試験冶具を水平加振台上に設置した。

たび発症してしまうと治癒は期待できず，対症療法的治療により諸症状の緩和に努める以外に有効な治療法はないとされている。
手腕に局所的な振動を与える恐れのあるチェーン
ソーや刈払機等の工具を使用しての作業には，振動障害の保護具として防振機能を備えた手袋の使用が推奨されている。しかし，市販されている防振手袋は，防振効図１

評価冶具設置状況

果を優先させたため厚手となり，作業者からは，指先を使った手作業が行いにくいことや工具等の柄が握りにくい等の作業性の悪さが指摘されている。

評価試験冶具の測定系を図２に示す。ハンドル部を振動の制御点として加速度センサ（センサ①）を設置した。

そこで本研究では，作業性を考慮して，現状より防振図中の矢印は振動方向である。手が受ける振動測定用と材の厚みが薄くても，防振性能を維持する防振用具を開して，加速度センサ（センサ②）を手のひら表面に保持発することを目的とする。

し，ハンドルを握った。手袋着用時は手袋の内部となる。
ハンドルの押付け力は，力センサ（センサ③）で測定し

２
２．１

研究の方法

ＰＣ上で確認した。

防振用具の評価方法

防振手袋における防振性能の試験・測定方法は JIS
T8114 で規定されている。評価方法は，ハンドルに振動を発生させ，手袋の着用及び非着用におけるハンドルから手への振動伝達率を求め，防振性能を判断することとなっている。
*

栃木県産業技術センター

機械電子技術部** 株式会社光和*** 帝京大学 理工学部

図２

− 23 −

素手の振動測定風景

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

ハンドルに発生させる振動は，帯域制限ランダムノイ
ズとされている。周波数帯域の異なる二つの振動スペク
トル（Ｍ及びＨ）に対して手に伝わる振動測定を行う。
図３に示すとおり，振動スペクトルＭを，振動制御装置のソフトウェア（ＩＭＶ製：K2 Sprint/RANDOM）で作成した。振動条件は，周波数 16～400Hz，加速度実効値
16.5m/s2rms，試験時間 30 秒である。

図４

手の模型（左図）と手袋のモデル化（右図）

手袋着用時，ハンドルに水平方向の振動が発生した場
合に手が受ける振動を，手袋のモデルを変えてシミュ
レーションを行った。振動応答点は，図４に示すとおり，
評価試験冶具で測定する加速度センサ（センサ②）と同様の手のひら表面とした。シミュレーションの結果から
手袋４種類の振動軽減効果を比較した。シミュレーショ
ンソフトは，MSC 製 Nastran を用いた。
２．３
図３

振動スペクトルＭの振動波形

手袋の試作

手袋内部に挿入する防振素材は，厚さ 5mm のウレタンシートを使用した。シートは同一口径で規則的に穴を打防振性能は，振動伝達率が振動スペクトルＭにおいてTRM<1，振動スペクトルＨにおいて TRＨ <0.6 を満足しな抜いた。シートに穴を開けることにより，柔軟性が出て工具使用時の作業性が向上すると考える。

ければならない。

打抜き口径を変えて試作した手袋５種類（φ4，φ5，

振動伝達率 TR は，JIS 規格を模擬し，以下の計算で

φ6，φ7，φ8）を図５に示す。シートの打抜き配列は，求めた。素手と手袋着用時の各加速度センサ測定値を次10mm 間隔で格子状とした。また，シートの打抜き配列をのとおり定義する。

交互配列に変えた手袋１種類（φ6 ジグザグ）を試作し・素手で測定時のハンドル部センサ①測定値：a1 m/s
・素手で測定時の手のひら部センサ②測定値：a2 m/s

2
2た。手袋全体の厚みは、7mm となった。

・手袋で測定時のハンドル部センサ①測定値：a3 m/s2
・手袋で測定した手のひら部センサ②測定値：a4 m/s2

上記から，振動信号に対する素手の振動伝達率 TRb＝a2/a1，手袋の振動伝達率 TRg＝a4/a3 を計算した。修正
振動伝達率 TR は，TR＝TRg/TRb とした。
２．２

シミュレーションによる防振用具の設計
図５

JIS 規格でハンドルは，直径 40mm の円形断面と規定さ打抜き口径の異なる手袋５種類（左図）と打抜き形状が交互配列の手袋１種類（右図）れている。図４に示すとおり，直径 40mm のハンドルを握る手の模型を石膏粘土で制作した。手の模型から三次

２．４

手袋のアンケート調査

手袋着用時の作業性の評価として，県内の林業に携わ

元レーザスキャナ（Gom 製：Gom core 200 5M）を用いて，る５名の方にアンケート調査を行った。調査対象の手袋

ＣＡＤデータで作成した。
ＣＡＤデータを基に，ハンドルを握る手袋のモデル化

は，図５に示す試作した６種類とした。採点は，５段階を行った。手袋の手のひら側に埋め込むウレタンシート

評価とし，良い：「５」，やや良い：「４」，普通：「３」，について，打抜き口径を変えて，４種類（no hole，φ4，

やや悪い：「２」，悪い：「１」とした。採点方法は，

φ6，φ8）の手袋をモデル化した。モデル化には，Altair

回答者がチェーンソー作業時に使用している手袋を基製 Hyper Mesh を用いた。

準の「３」として，作業性を比較していただいた。

− 24 −

栃木県産業技術センター

３
３．１

結果及び考察

３．３

試作した手袋の比較研究報告

No.14（2017）

手袋のアンケート調査

手袋着用時の作業性について，アンケート調査を行っ

手袋６種類に振動スペクトルＭ（周波数：16～400Hz）た結果を表２に示す。被験者Ａは作業時防振手袋（JISを加え，振動測定及び振動減衰特性の解析を行った結果規格準拠）を使用し，他４名は振動軽減手袋を使用してを表１に示す。

いる。各種手袋の平均から，打抜き口径が大きいほど平素手の状態での測定を３回実施した後，各種手袋を着

均点が上がる傾向がみられた。振動軽減効果があった打用し，２回ずつ測定を行った。押付け力は JIS 規格で 50

抜き口径φ4 が作業性では評価は良くなかった。打抜き±8N とされているが，50±3N の範囲内であった。修正

口径の違いにより手袋の柔軟性が変わるため，工具の握振動伝達率を平均したところ，φ8 以外は TRM<1 を満足り具合等の作業性に影響が出たと推測できる。

している。試験結果から，打抜き口径φ4 とφ6 ジグザ

表２

グの手袋が，特に振動軽減効果があると考えられる。

被験者

設備上の制約から実施しなかった。
表１
打抜き
口径
φ4
φ5
φ6
φ7
φ8
φ6

ｼﾞｸﾞｻﾞｸﾞ

３．２

試作した手袋の修正振動伝達率
修正振動伝達率TRM

測定
回数

素手①

素手②

素手③

①

0.93

0.89

0.95

②

0.91

0.85

0.92

①

0.99

0.96

1.01

②

0.96

0.97

1.00

①

0.95

0.93

0.97

②

0.92

0.90

0.94

①

0.98

0.94

1.00

②

0.94

0.89

0.96

①

1.04

0.99

1.06

②

1.00

0.96

1.02

①

0.92

0.89

0.94

②

0.91

0.86

0.92

Ａ

Ｂ

Ｃ

D

E

合計

平均

φ4

3

2

2

2

1

10

2.0

打抜き
口径

なお，振動スペクトルＨ（周波数：100～2,000Hz)は，

アンケート調査結果

φ5

3

2

2

2

2

11

2.2

平均

結果
振動伝達率
ＴＲM ＜1.0

φ6

4

3

3

2

2

14

2.8

0.91

○

φ7

4

3

3

2

3

15

3.0

0.98

○

φ8

4

4

3

3

3

17

3.4

0.94

○

ｼﾞｸﾞｻﾞｸﾞ

φ6

4

3

3

3

2

15

3.0

0.95

○

1.01

×

0.91

４

おわりに

シート形状の異なる６種類の手袋について，振動測
定，振動減衰特性の解析，シミュレーションによる設計○

及びアンケート調査を行い，次の結果を得た。

シミュレーションによる防振用具の設計(1) 振動信号Ｍの振動解析において，ウレタンシートにシミュレーションによる振動応答計算を行った結果は，打抜き加工した手袋が，条件によっては修正振動伝
達率 TRM<1 を満足することがわかった。

図６に示す。各種手袋の伝達関数は，手のひら部測定位
置付近 18 箇所の振動応答を平均している。打抜き穴な(2) 現在市販されている防振手袋の厚みが 10mm 以上なしのシートに比べて，打抜きシートは伝達関数が下がのに対して，7mm で防振性能を有する手袋を作るこり，防振性能が良くなる傾向にあることが分かる。φ6とができた。

の手袋が，特に振動軽減効果があると考えられる。

(3) アンケート調査から，作業性が手袋の柔軟性に関係していることが分かった。
(4) 今後は、手袋使用後の防振性能と外観の変化についても経過観察する予定である。
参考文献
1) 金子成彦，大熊政明： "機械力学ハンドブック"，朝倉書店，（2015 年）

図６

シミュレーションの結果− 25 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

リチウムイオン電池（ＬＩＢ）用新規電極材料の開発
竹澤 信隆*

佐伯 和彦*

松本 泰治*

関根 靖由**

奥山 杏子**

郡司 進** 仙名 保*** 小林 弘明**** 鈴木 昇****Nobutaka TAKEZAWA, Kazuhiko SAEKI, Taiji MATSUMOTO, Yasuyoshi SEKINE,
Kyoko OKUYAMA, Susumu GUNJI, Mamoru SENNA, Hiroaki KOBAYASHI and Noboru SUZUKI

Development of Anode Materials for Lithium-Ion Batteries (LIB)

リチウムイオン電池（LIB）は高性能２次電池の主流であり，モバイル機器をはじめ，自動車や航空機，家庭用蓄電池用途として幅広く利用されている。しかしながら，稼働時間や発火のリスクに課題があり，電池の大容量化や安全性の確保が急務とされている。我々は，現行の負極用電極材料（以下，負極材料）であるグラファイト系の材料と比較して，発火のリスクが極めて低い素材である酸化チタンを LIB 用負極材料として提案している。酸化チタンを負極材料として用いる場合，酸化チタンに酸素欠陥を導入することで，電池性能が向上することが報告されており，我々は，従来よりも低環境負荷かつ低コストな製造方法として，酸化チタンと炭素材料とをメカノケミ
カル反応を用いて混合粉砕する手法により，酸化チタン表面へ酸素欠陥を導入した負極材料を開発した。
Key Words:

LIB，リチウムイオン，電極材料，酸化チタン，メカノケミカル反応

１ はじめにできる。また，アーム式ボールミル（日本コークス工業㈱ 商

リチウムイオン電池（LIB）は，高性能二次電池として実用品名「アルケミ」）は，アームがボールと試料を複雑かつ均質に化が進み，電気自動車や航空機にも搭載されている。しかしな撹拌粉砕するため，メカノケミカル効果が高いながらも工場生がら，その性能は未だ市場要求を満足させるものではなく，電産レベルへのスケールアップが容易な粉砕装置である。これら

気自動車においては，500km 程度の航行距離実現に向けて，容の装置を用いたメカノケミカル反応を活用する表面処理手法は，量について現行比２倍以上の高密度化が求められている。一方，

高温や，薬品を使用した還元処理ではないため，廃液処理が不航空業界においては，電気推進化が進行しており，容量の高密要であり，省エネルギーに直結する表面処理技術として期待で度化へのニーズは，現行比５倍程度とされている。現行の LIBきる。

用負極材料はグラファイト系の材料であるが，将来的に高密度

そこで本研究では，新規電極材料として酸化チタンの中でもなキャパシタ（電解質）が実用化される際は，あわせて急速充

特に電子の受容に優れるとされる酸素欠損型酸化チタン・カー

電へ耐えうる新たな電極材料が必要となる。このような負極材

ボンコンポジット（TiO2-x:C）に着目し，その製造方法を確立

料として，化学的に安定で，発火のリスクが極めて低い酸化チすることを目的とした。具体的には，原料に一般的な素材であタン（TiO2）が候補の一つとされている。酸化チタンを負極材る酸化チタンの粉末，還元剤に炭素材料を用い，メカノケミカ

料として用いる場合，酸化チタンに酸素欠陥を導入する表面処

ル反応により，
低コストで TiO2-x:C を作製する手法を検討した。

理により，電池性能が向上することが報告1)されている。
我々は，簡便かつ環境に優しい表面処理技術として，ボールミルを基本としたメカノケミカル反応を用いる手法２）を提案している。メ

２ 研究の方法
２．１ 試料カノケミカル反応とは，固体物質の粉砕過程での摩擦，圧縮等

原料にはアナターゼ型光触媒用酸化チタン（太陽誘電：比表の機械的エネルギーにより局部的に生じる高いエネルギーを利

面積値 50m2/g）を用いた。還元剤となる炭素源として，炭化用する化学反応のことである。遊星型ボールミル（(株)セイシン

水素ポリマーであるポリプロピレン（セイシン企業 PPW-5）

企業）は，ボールミルの中でも，ポットが同時に自転公転する（以下，PP）を用いた。また，導電性を改善する添加剤として，ため，より大きな遠心力を与えることが可能であり，試料に投（以下，AB）をアセチレンブラック（比表面積値 30-35 m2/g）

入できるエネルギー量が多く，高いメカノケミカル効果が期待

用いた。

＊

２．２ 試料の調製方法

栃木県産業技術センター， ＊＊日本コークス工業(株)，＊＊＊テクノファームアクセス㈱， ＊＊＊＊宇都宮大学− 26 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

２．２．１ 混合粉砕
試料の混合粉砕は，２つの装置で実験を行った。まず，遊星型ボールミル（(株)セイシン企業：PM1200）を用いて，メ
カノケミカル反応を起こす粉砕条件を確立した。還元を引き起こすための粉砕処理として，TiO2 に対して PP を 5～15 %（特別な場合を除き mass%）とした。電極性能試験用の試料には，TiO2 に対して AB を 10 %とした。また，スケールアップが可能な生産機であるアーム式ボールミル（日本コークス工業(株)アルケミ AL-01）において，同等のメカノケミカル効果を実現する粉砕条件の確立を試みた。
２．２．２ 熱処理(°)

図１ PP と混合粉砕した試料の XRD パターン

混合粉砕した試料は，管状炉（ISUZU 製作所 EPKRO-13K）
を用いて還元ガス（水素 5 vol % /ヘリウム 95 vol %）雰囲気中で熱処理（250℃～750℃，2 時間，試料量 1.2g）を行った。また，回転式雰囲気炉（(株)奈良機械製作所：ラボキルン）においては，9g の試料について熱処理を一度に行った。
２．３ 評価調製した試料は，X 線回折装置（以下，XRD）(リガク RINT
2550H)，顕微ラマン分光装置(RENISHAW JRS – SYSTEM
1000) (Ar レーザー：515nm)により，構造を評価した。また，
分光光度計（JASCO V-670）により紫外可視光拡散反射スペク
トル（DRS）を測定した。
３ 結果及び考察
３．１ 混合粉砕条件の確立
３．１．１

図２ PP と混合粉砕した試料のラマン散乱スペクトル

メカノケミカル効果

図１に，酸化チタンへPPを5％添加し，混合粉砕した試料のXRD測定結果を示す。
1時間の粉砕処理により酸化チタン結晶の一部がアナターゼ型からルチル型へ変換し，2時間以上の粉砕処
理では，酸化チタンは全てルチル型となった。通常，酸化チタンのアナターゼ→ルチル転移には750℃以上の熱処理が必要であることから，粉砕によるメカノケミカル効果の一端が確認できた。
図２のラマン測定の結果に示すとおり，6時間の粉砕処理をした試料には，非晶質カーボンに特徴的なsp 2とsp3の構造のみが現れ，PPの構造に帰属するピークは消失した。この結果は，投図３ 混合粉砕及び熱処理試料の DRS スペクトル

入したPPはメカノケミカル反応により分解され，非晶質のカーとにより淡い黄色に着色した。一方，3時間の混合粉砕処理試料

ボンへ変化したことを示している。
また，PPとの3時間の粉砕において，PPの量を10％，15%とは，褐色に着色をした。また，混合粉砕処理した後に熱処理を増加した粉砕条件においては，残留アナターゼ量が多かった。

することで，同じ褐色であるものの，DRSスペクトルの結果か

このことは，PPは量が多いと粉砕時に緩衝材として働き，メカらは，熱処理のみよりも着色の度合いが増加した。着色は，PPノケミカル効果が弱まるためと推測される。

の分解によって生成したカーボンによると思われるが，酸化チ３．１．２

タンへの酸素欠陥生成の寄与の可能性も排除できない３）。いず

酸素欠陥の導入

図３に，250℃の還元雰囲気で熱処理した酸化チタン及び遊星

れにせよ，粉砕処理によるメカノケミカル反応が，その後の熱型ボールミルによる混合粉砕とその熱処理試料についてのDRS

還元処理の効果を促進したものと思われる。

スペクトルを示す。酸化チタンは還元雰囲気で熱処理を行うこ

３．２ 電池特性の評価− 27 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

り，単位体積当たりの放電容量をグラファイトと同程度以上にすることは可能と考えられる。
３．３ 生産機への展開
遊星型ボールミルの粉砕条件をベースとして，生産機モデルであるアーム式ボールミルに適した粉砕条件を決定（ボール
量：60%，回転速度：400rpm，粉砕時間：3時間）し，最適なボール径を検討した。ボール径を10mmφ及び5mmφとして，5％のPPと混合粉砕した試料をXRDにより測定した結果を図５(a)に示す。その結果，ボール径が5mmφの方がルチル構造への図４ 試作したリチウムイオン電池の充放電特性

変化量が大きかった。このことから，ボール１個あたりの衝撃
エネルギーの大きさよりも，ボール間の接触面積が大きい方が，(a)

メカノケミカル効果を促進することが分かった。
次に，試料投入量の違いが粉砕効果に及ぼす影響を評価した。
図５（b）に示すとおり，試料投入量の減少に伴ってアナターゼ
構造からルチル構造への変化量が増え，試料投入量が6gの時にほぼ全ての酸化チタンがルチル構造へと転移した。この結果は，3.1.1で述べた遊星ボールミルの効果と同等である。試料に加わる粉砕エネルギー量は，試料投入量に反比例して試料投入量が(°)

少ないほど増加したものと考える。なお，アーム式ボールミルによる粉砕後の試料において，図６に示すラマン測定の結果が(b)示すとおり，PPが骨格構造を残して存在している点では，酸化チタンの構造変化に伴ってPPの構造も変化した先の遊星型ボールミルと異なる。その理由に関しては，現在検討中である。
４ おわりに毒性がなく比較的安価な素材である酸化チタン粉末と炭素材料を用い，メカノケミカル反応とその後の還元焼成により，低(°)

図５ 生産機で粉砕した試料の XRD スペクトル

コストで TiO2-x:C を作製する手法を検討し，次のような成果が得られた。

(a)ボール径の違い（b）試料投入量の違い

1) メカノケミカル反応を用いて，酸化チタンの部分還元を実現する遊星型ボールミルの粉砕条件を確立した。（PP との混合
粉砕）2) 開発した電極材料は，リチウムイオン電池の負極材料として作動することが確認できた。
3) スケールアップが可能な生産機モデルであるアーム式ボールミルにおいて，遊星型ボールミルと同等のメカノケミカル効
果を得られる粉砕条件を確立できた。
謝

図６ 生産機で粉砕した試料のラマン散乱スペクトル辞

熱処理実験に際しまして、(株)奈良機械製作所様に多大なご

電池特性の評価結果を図４に示す。試作した電極材料は，繰

支援をいただきましたことに感謝申し上げます

り返しの充電放電が可能であり，リチウムイオン電池として作動することが確認できた。

参考文献

なお，本試料の放電容量は，177mAh/gであり，現行の負極材

1) Yaqi Ren, et al. , Electrochim Acta, 138 (2014), 41-47

料であるグラファイト（500mAh/g）に比べると低い値であった。

2) Mamoru Senna, et al. , J. Solid State Chem., 187 (2012), 51-57

しかしながら，放電容量を増大する試料調合条件は設計済であ3) Edgar Ventosa, et al. , Chem Sus Chem, 7 (2014), 2584-2589− 28 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

歯切工具の高性能化を目指したドライコーティング技術の開発
竹澤 信隆*

伏木 徹*

佐伯 和彦*

田村 昌一*

稲澤 勝史*

中野 佑一*

加藤 秀夫** 坂本 直紀** 杉山 裕一** 岩崎 光洋** 井上 至** 中尾 敬治*** 上野 高善*** 藤崎 光生***

Development of Arc Ion Plated Hard Coatings for High-Performance Hob-cutter

Nobutaka TAKEZAWA, Toru FUSEGI, Kazuhiko SAEKI, Shoichi TAMURA, Katsufumi INAZAWA,
Yuichi NAKANO, Hideo KATO, Naoki SAKAMOTO, Yuichi SUGIYAMA, Mitsuhiro IWAZAKI, Itaru INOUE,
Keiji NAKAO, Takayoshi UENO and Mitsuo FUJISAKI
歯切工具（ホブ）にコーティングされている機能性膜の密着性・表面性状・硬度等を向上させ，従来の 2.5 倍の切削寿命をもつ新たなコーティング技術を開発することを目的とし，AlCrN 膜をベースとして，３種類の新規
コーティング膜（α，β，γ）を試作した。このコーティング膜の表面粗さは，αは
βはRa：0.06µm，Rz:1.4µm，γはRa：0.05µm，Rz:1.2µm，Ra：0.10µm，Rz:2.0µm であり，いずれも従来の AlCrN 膜（Ra：0.15µm，Rz:2.1µm）よりも優れた表面性状であった。また，これらのコーティング膜に仕上げ工程としてラッピング処理をすることで，いずれも Ra：0.03µm，Rz:0.5µm 以下のさらに平滑な表面性状を得るに至った。ラッピング処
理後のコーティング膜については，ドロップレットの影響を受けることなく，膜本来の硬さや密着性，摩擦摩耗特性を評価できた。その結果，コーティング膜の硬さは，β（38GPa），γ（34GPa），α（30Gpa）の順に硬く，逆に密着性は，α（413mN），γ(405mN），β（379mN）の順に大きかった。また，摩擦摩耗特性はγが特に優れ，しゅう動距離が増えても 0.2 以下の低い摩擦係数を維持していた。ラッピング処理後のコーティング膜は，表面粗さが改善されたにもかかわらず，切削油に対していずれも良好なぬれ性（20°以下）を示した。
Key Words: AIP，ホブ，AlCrN 耐摩耗性，逃げ面摩耗

１ はじめにた AlCrN 膜を採用している。いずれも密着性や表面性状に課題

金属材料の加工に使用される治工具は，被削材との激しい接があり，長寿命化を実現する新しいコーティング膜の開発が期

触しゅう動環境下で使用されるため，優れた耐摩耗性が要求さ待されている。

れている。切削加工中の工具摩耗は，一般的に最表面から内部

そこで本研究では，ホブにコーティングされている機能性膜に向けて進行する。現在の工具は，最表層のみを耐摩耗性に優の密着性・表面性状・硬度等を向上させ，従来の２．５倍の切れた物質に置換するコーティングと呼ばれる手法により製造さ削寿命をもつ新たなコーティング技術の開発を最終目標としてれるものが性能及びコスト面ともに優れることから主流となり，いる。そのなかで，今年度は従来 AlCrN の膜をベース材料とし広く用いられている。また，切削性能が低下した際には，再コて３種類の新規コーティング膜を試作し，実際にホブへのコーーティングを施すことにより，新品同様の性能を発揮できるこ

ティングに必要となる課題を抽出することを目的とした。

とも大きな魅力である。
２ 研究の方法

歯車作製の専用工具である歯切工具へは，被削材の材質がハイス鋼材に代表される硬い難削材であることから，一層の高性

２．１ コーティング膜能化が求められている。現在，工具メーカによる歯切工具用コ

従来の AlCrN 膜をベースとして，耐熱性を向上させた組成をーティング膜は，いずれもアークイオンプレーティング（以下，

持つ皮膜と膜構成を変えた、α（単層膜），β（多層膜），γAIP）法で成膜された TiN 膜，あるいは耐摩耗グレードとして（積層膜）の３種のコーティング膜を試作した。特性評価用のの TiAlN 膜である。(株)アイ・シイ・エスによるホブ用コーテ

テストピース（φ50mm×4mm）は，材質を実際の工具材と成ィング膜は，同じく AIP 法を用いるものの，独自の改良を加え分構成が近い DEX40 とし，３種の膜をいずれも新規 AIP 装置（神戸製鋼）を用いて PVD コーティングにより作製した。切削＊

栃木県産業技術センター＊＊(株)アイ・シイ・エス，

性評価用のテスト工具は，歯切工具を模した形状で設計（後述）＊＊＊

大久保歯車工業(株)し，テストピースと同条件にてコーティング処理を施した。ま− 29 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

Z
X

被削材
SCM440H（硬さ290HB）

Y

切削動力計
舞ツール

逃げ面

図３ 各コーティング膜の DFM 像

すくい面（視野：100µm×100µm ,(a) α，(b) β，(c)γ,
ラッピング処理後(d) α，(e) β，(f)γ）
図１ 切削力測定

表２(a) 各コーティング膜の表面粗さ

表 1 切削条件
切削条件
120 m/min (477 rpm)
0.125 mm/tooth
8.5 mm
水溶性
ダウンカット

切削速度
送り速度
切込深さ
切削液
切削方向

に，三軸縦型マシニングセンタ（YASDA YBM640 Ver.3）の主軸にツールホルダを介して舞ツールを把持し，切削中の被削材に負荷される力を圧電型切削動力計（Kistler 9265B）で測定した。表 1 に切削条件を示す。
次に，工具逃げ面摩耗を評価するため，図２に示す直径 150
mm，長さ 300 mm の被削材に対して，表 1 の切削条件で切削し，切削距離に対する逃げ面摩耗幅をデジタル顕微鏡(Hirox
KH-8700)にて測定した。
３ 結果及び考察
３．１ コーティング膜の特性評価
３．１．１

図２ 工具摩耗試験

表面性状

た，仕上げ工程として，エアロラップ装置（日本スピードショ

図３（a）～（c）に，開発したコーティング膜のDFM像を示

ア(株)）によるラッピング処理の効果についても検討した。

す。コーティング膜の表面粗さは，表２(a)に示すとおり，いずれも従来のAlCrN膜（Ra：0.15µm，Rz:2.1µm）よりも優れた表面性状であった。表面性状は，新規AIP装置を用いることにより，

２．２ コーティング膜の特性評価
コーティング膜の表面粗さは，ハイブリッド顕微鏡(キーエンドロップレットの生成数を大幅に抑制（20%以下）することでス VN-8000)により測定した。摩擦摩耗特性は，ピンオンディ

改善されているものの，Rz値が，1.2～2.0µmと大きいことは，

スク型摩擦摩耗試験機(新東科学 HEIDON TIPE:20)により，残存しているドロップレットによるものと考えられる。ドロッ

ぬれ性は，接触角計(協和界面科学 DMS-400YS)により，硬さ

プレットは，蒸発源からイオン化が不十分なまま発生した中性

特性は，ナノインデンター(エリオニクス ENT-1100a)によりの液滴が基板に付着したものであり，いわゆる副産物である1）。

評価した。また，膜の密着性は，スクラッチ試験機(レスカ

今回，新たに導入し，調整したAIP装置には，蒸発源毎の電流をCSR-5000)で評価した。膜の構造は，X 線回折装置（以下，XRD）

独立して制御する機構や，水平磁場成分分布を制御する機構を(リガク RINT2550H)を用いて評価した。

取り入れた。これらをコーティング時に適切に設定することで，

２．３ 切削性の評価

ドロップレットの発生と，発生したドロップレットの基板へのコーティング膜種の異なる舞ツールを用い，クロム・モリブ

付着数の両方を低減し，従来のAlCrN膜と比較してドロップレッ

デン鋼（SCM440H JIS）を切削したときの，切削力と工具摩耗

トの生成数を低減出来たと考えている。γについて，Rz値がα，について調べた。ただし，図１に示す舞ツールの母材および形

βより大きかったのは，皮膜の構成およびコーティン条件の違状は，歯切り用の高速度鋼製ホブカッターの形状に基づき，同いのためと考える。

材種ですくい角 6°，逃げ角 12°，ノーズ半径 2mm とした。

また，仕上げ工程としてラッピング処理をしたコーティング

舞ツールの刃先回転半径は 40.06 mm である。同図に示すよう膜のDFM像を図３（d）～（f）に示す。図から，ラッピング処− 30 −

栃木県産業技術センター

表２(b) 各コーティング膜のラッピング処理後の表面粗さ

研究報告

No.14（2017）

コーティング膜が摩耗を受けることで常に新鮮な面がしゅう動部に出てくることで，良好な摩擦摩耗特性を示したと考える。
３．１．３

硬さ特性

理によって大半のドロップレットを除去できたことが確認でき

コーティング直後の HIT（ナノインデンター硬さ）は，γがる。表面粗さは，表２（b）に示すとおりであり，いずれもRa：

52GPa と最も硬く，次いでβの 49GPa，αの 30GPa であった。

0.03µm，Rz:0.5µm以下のさらに平滑な表面性状を得るに至った。

図５に，ラッピング処理後の硬さ試験の結果を示す。ラッピン

いずれの膜においてもくぼみが存在しており，表面粗さの原因

βが38GPaと最も硬く，次いでγの34GPa，
グ処理後のHIT は，となっている。このくぼみは，ドロップレットがコーティング

αの 30GPa と，異なる順番となった。これは，ラッピング前の膜から削りとられた際に生成したと考えられる。

コーティング膜は，表面に存在するミクロンオーダーのドロッ

３．１．２

プレットが，硬さの計測時にナノインデンター圧子に接触する

摩擦摩耗特性

図４に，摩擦摩耗試験の結果を示す。動的摩擦係数は，いずことで，押し込み力が分散し，実際よりも高い値を算出していれの膜においても 0.5 であるのに対して，ラッピング処理をすたと推察でき，ドロップレットの数が少ないαにおいては，ラることで，しゅう動開始初期（～10m）においては，低い値（0.2

ッピング前後で同じ硬さ特性を示したと考える。このことから，

以下）を示した。切削工具の摩耗は，機械的摩耗（アブレシブ，

ドロップレットの存在はナノインデンターにおける硬さ測定に疲労）と化学的摩耗（酸化，凝着，拡散など）が複合した形でおいては測定誤差を与える要因となり，ラッピング処理により進行し，機械的な摩耗の代表であるアブレシブ摩耗は，表面のドロップレットを除去することで，膜本来の硬さを評価できる

突起同士の衝突による突起の脱落，あるいは界面に存在する硬ことが分かった。

そのため，質粒子の掘り起こし作用によるものとされている 。

この結果により，βは異元素ドープにより，コーティング膜

表面粗さを改善したことで，低い摩擦係数を実現できたと考えの高硬度が実現できていることを確認できた。また，γはαとられる。

βの積層膜であることから，αとβの中間の硬さをとっている2）

また，いずれの膜においても，しゅう動距離が増えるに伴い，と考えられる。

動的摩擦係数の増加が確認された。これは，相手材やコーティ

硬さと摩耗には相関があり，アブレシブ摩耗の摩耗量 V は，ング膜に摩耗が発生し，主に接触面積が増えることで摩擦係数

一般的に，Archard らによる次式（１）に従うことが知られてが増加したためである。しかしながら，γにおいては，しゅういる 3）。
（１）

動距離が 60m 付近まで，動的摩擦係数は低い値をとった。γはV=k・ω・ｓ／H

ナノオーダーで多層膜を構成する構造をとっていることから，

ここで k は比例定数，ω，ｓ，H はそれぞれ垂直荷重，滑り
距離および硬さである。
式（１）は，耐摩耗性の向上には，硬さを向上させる必要があることを示しており，今回，市場に出ている一般的な硬質薄膜よりも極めて高硬度な膜を開発できたことで，耐摩耗性の向更上が期待できる。
３．１．４

ぬれ性

ホブを用いた切削加工は非常に高温下となるため，熱を効率良く逃がすことが課題となっており，特に切削油に対するぬれ

図４ ピンオンディスク型摩擦摩耗試験機結果

図５ ナノインデンター硬さ試験機による測定結果− 31 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

ことで応力を他の膜よりも緩和できていたと推察する。γは，αとβの多層構造をとることで，密着力においても，αとβの中間の性質を示したと考えられる。
３．２ 切削性の評価
３．２．１ 切削中のコーティング膜の摩擦特性
図７にコーティング膜αの舞ツールで，被削材を一回切削したときの切削工具に負荷される X および Y 方向分
力 F x ，Fy の変化を示す。ここで，工具の切削方向成分
FP と背分力成分 FT は次式で示される．
図６ 切削油（出光製 HS-32）に対するぬれ性試験の結果

FP = Fx sin ϕ + F y cos ϕ
FT = − Fx cos ϕ + F y sin ϕ（上段：ラッピング処理前，下段：ラッピング処理後）
表３ スクラッチ試験装置による密着性評価の結果





(３)

ただし， ϕ は切れ刃回転角であり，ここでは切れ刃食付
き時の切削力の立ち上がり，刃先の回転半径，切込深さから，幾何学的に推定した。また，本試験で用いた舞ツ性が重要視されている。図６に，各膜におけるぬれ性試験の結果を示す。今回の新規コーティング膜のベースとした AlCrN 膜
は，切削油に対する接触角は 18°であり，優れたぬれ性を示していた。
一般的に，Wenzel らによる次式（２）に従うことが知られてールは刃先が十分に鋭利であることから，刃先や逃げ面の押込み効果は十分に小さいと仮定すれば，切削力は，切りくず生成におけるせん断変形抵抗と工具すくい面上の切りくずとの摩擦抵抗となる。そのため，工具すくい
面上の動摩擦係数 µ は次式によって評価できる。

いる 4）。

µ=

ｒ=cosθ’／cosθ（２）

ここで r は粗度（= 粗面の表面積/見かけ（平坦面）の表面積,1以上），θ’は見かけの接触角，θは粗面上の接触角である。
ぬれ性がよいθ＜90°のときには，θ’＜θであり，r が大きくなるほど，θ’は小さくなる。つまり，（２）式は，表面粗さが粗くなるほど，よりぬれやすくなる性質を示す。
新規コーティング膜は，耐摩耗性を向上するためにドロップ
レットの低減を図ったことで表面粗さが改善されており，その結果，切削油へのぬれ性は，αは 33°，βは 27°，γは 24°と，表面粗さに依存してぬれ性は悪化した。しかしながら，ドロップレットを皆無にするラッピング処理後においては，αは17°，βは 18°，γは 20°と，いずれも良好なぬれ性を示した。
ラッピング処理により新たにくぼみが生成されることが確認できており，適度な凹凸が発生したことで，良好なぬれ性を示したと考えられる。

(４)

ただし，α は工具のすくい角である。
同図には，切削方向分力，背分力，摩擦係数が示され，切れ刃回転角 60°から 80°の範囲で，摩擦係数が比較的一定となっている。図８はコーティング膜の異なる工具で切削試験したときの，工具回転角 60°から 80°の範囲における平均摩擦係数を比較したものである。コーティング
膜αが，クロム・モリブデン鋼に対しての摩擦係数が小さく，すくい面の発熱低減効果が期待できる。
３．２．２

切削工具の摩耗特性

図９に切削距離に対する逃げ面の摩耗観察と摩耗幅の変化を示す。コーティング膜αの場合，切削距離 4.5m において刃先の後退が見られるが，コーティング膜の剥離や刃先欠損は確認できない。コーティング膜βの場合，
13000

３種のコーティング膜をロックウェル試験機を用いて密着性を評価すると，いずれも密着力は H1 で良好な結果であった。
表３に，スクラッチ試験装置による測定結果を示す。スクラッ
チ試験装置により，ラッピング処理後の各膜の密着力を数値化

2000

膜であったαの密着力が最も高かったことから，αは柔らかい− 32 −0
Y Y方向分力component

0

Thrust背分力-0.5
XX方向分力component

-1000
40

ナノインデンター硬さ試験の結果，３種の中で最も柔らかい

0.5

主分力
Principal

1000

した結果，密着力は，いずれも十分に高い値を示すものの，αが最も強く，次いでγ，βの順であった。

摩擦係数
Frictioncoefficient

60
80
100
Cutterrotation angle deg.
切れ刃回転角

-1120

図７ 一切れ刃あたりの切削力とすくい面上の摩擦係数

摩擦係数
Frictioncoefficient

密着性
切 削force
力 N
Cutting

３．１．５

FT + FP tan αFP − FT tan α栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

0.6

４ おわりにFriction coefficient

0.558
0.55

0.533

我々は，ホブにコーティングされている機能性膜の密着性・

0.525

表面性状・硬度等を向上させ，従来の２．５倍の切削寿命をも0.5

つ新たなコーティング技術を開発することを最終目標に掲げている。従来の歯切工具用コーティング膜（AlCrN 膜）をベース

0.45に３種の新規コーティング膜を試作し，各種物性と加工性を数
0.4
αβCoating値化して評価したところ，次のような成果が得られた。

γ

開発したコーティング膜の表面粗さは，α Ra：0.05µm，

1)
図８

コーティング膜と摩擦係数

Rz:1.2µm，βRa：0.06µm，Rz:1.4µm，γ Ra：0.10µm，Rz:2.0µm

切削距離 0.9m の時点で，コーティング膜γに比べて，逃であり，いずれも従来の AlCrN 膜（Ra：0.15µm，Rz:2.1µm）

げ面摩耗が大きく，局所の欠損も観察される。コーティン

よりも優れた表面性状であった。

グ膜γは，7 m においても一部欠損が見られるが，大きな刃先

これらのコーティング膜に仕上げ工程としてラッピング2)

後退は観察されない。図１０は切削距離に対する逃げ面摩耗幅処理をすることで，いずれも Ra：0.03µm，Rz:0.5µm 以下のの経過を示す。コーティング膜γは摩耗幅が少なく，最も長い距

さらに平滑な表面性状を得るに至った。

離を切削できたことから，工具寿命が長くなることが示された。コ

ラッピング処理後のコーティング膜については，測定にド3)ーティング膜βは，前述の硬さ値が３種膜中で最大で密着性がロップレットの影響を除去できたことで，膜本来の硬さや密最低である。そのため，切削中に膜が剥離しやすかったものと考着性を評価できた。その結果，コーティング膜の硬さは，βえられる。さらに，本実験で適用した切削速度 120m/min は、（38GPa），γ（34GPa），α（30Gpa）の順に硬く，密着工具母材である高速度鋼の適正な切削速度に比べて，大きい値性は逆に，α（413mN），γ(405mN），β（379mN）の順である。そのため，一度コーティング膜が剥離すると，剥離したに密着力が大きかった。

箇所で急速に摩耗が進行し，欠損が発生したことが考えられる。

ラッピング処理後のコーティング膜については，いずれの4)膜においても，動的摩擦係数はしゅう動開始初期（～10m）において低い値（0.2 以下）を示し，優れた摩擦特性を示した。特にγについては，動的摩擦係数はしゅう動距離が 60m
付近まで低く，極めて優れた摩擦特性を示した。

200 µm(a) コーティング膜：α 切削距離：4.5 m

ラッピング処理後のコーティング膜は，表面粗さが改善さ5)れたにも関わらず，切削油に対していずれも良好なぬれ性（20 度以下）を示した。
6)

ホブの歯形状を模した工具を用いて切削性を評価した結果，コーティング膜γは摩耗幅が少なく，最も長い距離を切

200 µm

削できたことから，工具寿命が長くなることが示された。

(b) コーティング膜：β 切削距離：0.9 m

参考文献
1) 榮 川 元 雄 ： 大 阪 府 立 産 業 技 術 総 合 研 究 所 Technical
200 µmSheet,No.04003 (2004)(c) コーティング膜：γ 切削距離：7.0 m
図９ 工具逃げ面摩耗

2) 山 本 兼 司 , 久 次 米 進 ： KOBE STEEL ENGINEERINGREPORTS, 59, No.1, (2009)3) J.F.Archard : J.Appl.Phys.,24,pp.981-988(1953)
4) 河 合 晃 : 欠陥を出さない！良い塗布膜を得るためのコント
ロール技術, サイエンス＆テクノロジー（2012）
本研究は，平成２８年度戦略的基盤技術高度化支援事業「歯切工具の高性能化を目指したドライコーティング技術の開発」
として実施した共同研究である。

図１０ 逃げ面摩耗経過曲線− 33 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

凍結鋳型を用いた大型薄肉鋳物製造のための造型・鋳造技術の開発
石川信幸* 相馬

宏之*

飯塚

一智 *

永森

久之 **

滝田

克久 **

大島

聖司 **

石塚

達也 **

Development of Frozen Mold Casting Process for Large Thin-Wall Cast Iron
Nobuyuki ISHIKAWA, Hiroyuki SOMA, Kazutomo IIZUKA, Hisayuki NAGAMORI,
Katsuhisa TAKITA, Seiji OHSHIMA and Tatsuya ISHIZUKA

試作型を用いて大型の凍結鋳型の造型条件及び鋳造条件の検討を行い，薄肉試験片の評価を行った。凍
結時間をコントロールすることで効率的な造型条件が得られた。また，薄肉の試験片の鋳造に適した鋳造
方案及び鋳造条件が得られた。金属組織は，溶湯の冷却に強い影響を受けることが分かった。
Key Words : 凍結鋳型，薄肉鋳物

１ はじめに

厚さ 1.5mm のテフロン樹脂を接着した試作型 2 を使用し

従 来 の 鋳 造 法 は，鋳 物 砂 に 粘 結 剤 と して樹 脂 等 を 使て，鋳造条件の検討を行った。

用 するため鋳 造 時 に異 臭 が発 生 し，鋳 型 から製 品 を取 り

凍結鋳型は，次のように造型を行った。日光けい砂 6 号

出 す工 程 で振 動 や粉 じんが発 生 するなどの課 題 がある。

に水分量が 5wt%になるように水を添加し，混練機で 3 分

一 方 ，凍 結 鋳 型 は粘 結 剤 に水 を用 いて凍 結 させることで混 練 した。試 作 型 に混 練 した砂 を充 填 して，庫 内 温 度 -30

鋳 型 を 作 る た め 異 臭 ・ 振 動 ・粉 じん 等 を 低 減 でき る 。さ ら℃に設定した冷凍庫で 3,6,15h 凍結した。所定の時間凍1 ) 。こ結した後，上型下型をそれぞれ抜型して凍結鋳型を取り出の よ うに ， 凍 結 鋳 型 鋳 造 法 は 環 境 負 荷 低 減 およ び 省 資した。取 り出した鋳 型 の強 度 及 び反 りや破 損 の観 察 を行 っ

源 を可 能 とする鋳 造 技 術 である。また，これまでの研 究 かた。鋳型は，上下型を合わせた後，12h 以上-30℃の冷凍ら凍 結 鋳 型 は，CO 2 鋳 型 などの従 来 の鋳 型 に比 べ流 動

庫で保持してから鋳造に供することとした。

に，鋳 物 砂 をほぼ 100％再 利 用 できるメリットがある

2)，3)。流 動 性 の良 さを生

鋳造方案は，鋳型に設けた溝にφ3 ㎜のモールドシール

かし，当 センターでは，平 成 27 年 度 に「凍 結 鋳 型 を用 いを配置することで，堰の本数 4，2，1 本の 3 種，吐かせ「なた小 型 の薄 肉 製 品 の鋳 造 技 術 の開 発 」の一 環 として小し」，「中央 1 本」，「試験片先端」の 3 種を組み合わせた鋳型 製 品 の試 作 を行 った。今 後 ，大 型 の製 品 を鋳 造 するた型を作製した。方案形状を図 2 に，モールドシールを用いめに，凍 結 鋳 型 に 適 した鋳 造 方 案 や造 型 技 術 ，鋳 造 条て方案を配置した凍結鋳型を図 3 に示す。

性 に優 れることが確 認 されている

件 の検 討 が必 要 となる。

鋳 造 は，FCD450 相 当 の球 状 黒 鉛 鋳 鉄 溶 湯 を球 状 化

そこで，本 研 究 では，200mm×200mm の 板 状 試 験

処理後 1390℃～1439℃で注湯を行った 4) 。注湯は，湯口

片 の 試 作 型 を 用 い て，汎 用 の 冷 凍 庫 を 利 用 して効 率 的

カップを使 用 した注 湯 速 度 が速 い条 件 と，湯 口 カップを使な鋳 型 造 型 条 件 及 び鋳 造 方 案 を検 討 して，大 型 の薄 肉用 しない注 湯 速 度 が遅 い条 件 で行 った。注 湯 速 度 は，注

鋳 物 の試 作 を行 った。

湯 作 業 を撮 影 した映 像 から時 間 を計 測 して，鋳 込 んだ重
量を除することで算出した。試験片の一部は，X 線透視検２

査 装 置 （エクスロン ・ インターナ ショナル㈱ 製研究の方法

方案形状の検 討は，湯道と 200mm×200mm の試験

Y.MU2000-D）で内部欠陥の観察を行った。

片 部 及 びその周 囲 に方 案 の役 割 をするモールドシールを鋳造した試験片は，200mm×200mm の試験片の面積

配 置 するための溝 を有 する試 作 型 1 を用 いて行 った(図のうち溶 湯 が充 填 された割 合 で溶 湯 充 填 率 を求 め，方 案

1)。鋳造方案を絞り込んだ後に，試作型 1 の試験片部に形 状 ，注 湯 温 度 ，注 湯 速 度 との関 係 を調 べた。凍 結 鋳 型の崩壊の有 無は，試験片中で溶湯の通過 量が最も多い湯＊栃木県産業技術センター＊＊

錦正工業株式会社

材料技術部

口直下の湯道の外観観察で行った。
金属組織は，1390℃と 1415℃で鋳造した試験片 A，B− 34 −

栃木県産業技術センター

上の，堰から 150mm の箇所を切り出し，光学顕微鏡（オリンパス㈱製 GX71）で観 察 を行 った。また，CE 値 (C%＋

３
３．１

研究報告

No.14（2017）

結果及び考察造型

1/3（Si%＋P%）で計算される，Si と P の値を C に換算して造型した鋳型を-30℃の冷凍庫で 3h，6h，15h 凍結後取扱うための値)を同一に保ったまま C 量と Si 量を変えた抜型した。凍結時間 3h の鋳型は，凍結が不十分で抜型や溶湯を，注湯温度 1408℃と 1439℃で鋳造した試験片 C，

型 合 わせに必 要 な鋳 型 の強 度 が得 られなかった。凍 結 時

D も同様の箇所の金属組織の観察を行った。

間 6h，15h の鋳型は，取扱いに十分な鋳型の強度が得ら
れ，反りも発生しなかった。凍結時間 6h で，鋳造に使用可
能 な強 度 を持 つ鋳 型 を得 られることが分 かったため，以 後の実験に使用する鋳型の凍結時間は 6h とした。上下型を合わせた後，12h 以上-30℃の冷凍庫で保持してから鋳造に供することとした。

試験片部

３．２

鋳造

堰 1 本で吐かせの無い方案により鋳造した試験片の外観を図 4 に示す。吐かせの無い方案で鋳造した試験片は，鋳型で冷やされた溶湯が試 験片内に留まる。そのため，試
験 片 先 端 部 分 の表 面 形 状 が湯 道 付 近 と異 なっていることが確認できる。図 5 に堰の本数と溶湯充填率の関係を示す。試験片は，注湯温度 1416℃～1418℃で鋳造した。堰の本 数 が少 ないほど，溶 湯 充 填 率 が上 昇 する傾 向 が得 ら

図 1 試作型１ 下型れた。図 6 に堰 2 本，1 本の鋳型について，吐かせの幅と溶 湯 充 填 率 の関 係 を示 す。試 験 片 は，注 湯 温 度 1412℃～1418℃で鋳造した。堰 2 本の鋳型は，吐かせの無いものに比べ，中央に細い吐かせを 1 本及び試験片先端全てに吐 かせを取 付 けた鋳 型 の充 填 率 が高 い傾 向 が得 られた。
しかし，図 7 に示す X 線透視により中央に 1 本吐かせを取付 けた試 験 片 は，試 験 片 の先 端 部 にガスの巻 き込 みと考

堰の本数えられる空隙が確認された。
鋳 造 した試 験 片 の湯 口 直 下 の湯 道 の外 観 観 察 結 果 を
図 8 に示す。実験条件の中で，注湯温度が高い 1437℃（溶湯通過量約 1.2kg），または，湯道の溶湯通過量の多い注湯温度 1422℃（溶湯通過量約 4kg）の条件の湯道の崩壊は発生しなかった。

吐かせの幅
図 2 方案形状

図 3 モールドシールを使用して方案を配置した凍結鋳型

図 4 鋳造した試験片− 35 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

試作型 2 を用いて凍結鋳型を造型し，注湯温度及び注
湯速度と溶湯充填率との関係を調べた結果を図 9，図 10に示 す。注 湯 温 度 ，注 湯 速 度 が上 昇 するに従 い充 填 率 も上 昇 する傾 向 が得 られた。また，注 湯 温 度 と，試 験 片 上 で湯道から 10mm 離れた箇所の肉厚との関係を図 11 に示す。注湯温度と肉厚には明らかな相関は見られなかった。

図 5 堰本数と溶湯充填率の関係

図 9 注湯温度と溶湯充填率の関係

図 6 吐かせの幅と溶湯充填率の関係

図 10 注湯速度と溶湯充填率の関係

図 7 X 線透視結果

図 11 注湯速度と肉厚の関係
溶湯通過量：約 4.0kg 注湯温度：1422℃
３．３

金属組織

金属組織は，試験片上の堰から 150mm 離れた箇所で観察を行った。各試験片の化学成分の分析結果及び注湯温度を表 1 に示す。それぞれの試験片の表層の組織写真を図 12 に示す。試験片 A は，全面にチルが発生していた。
試験片 B は，ごく微量のチルが確認されたが概ね健全な組
溶湯通過量：約 1.2kg 注湯温度：1437℃織が得られた。C 量と Si 量を変えて鋳造した試験片 C と D

図 8 湯道の外観についても，低い温度で鋳造した試験片 C は，チルが発生していた。このことから，薄 肉 鋳 物 の金 属 組 織 は冷 却 挙 動に強く影響を受けることが推測される 4) 。

− 36 −

栃木県産業技術センター

表 1 化学成分分析結果と注湯温度
C(mass%)
3.8
3.8
3.5
3.5

A
B
C
D

Si
(mass%)
2.4
2.4
3.5
3.4

注湯温度
（℃）
1390
1415
1408
1439

４

研究報告

No.14（2017）

おわりに

試 作 型 を作 製 して，大 型 の凍 結 鋳 型 の造 型 ，薄 肉 試 験片の鋳造を行った結果，以下のことが得られた。
1 大型の凍結鋳型の効率的な造型条件が得られた。
2 大型薄肉試験片の鋳造は，堰の本数を少なくするとともに，吐かせを取付けることで鋳造可能なことが分かった。
3 吐かせを取付けた鋳型を使用して注湯温度を高くすることによって，健 全 な組 織 の薄 肉 鋳 物 を鋳 造 することに成

A

功した。
謝

辞

本 研 究 を実 施 するにあたって，岩 手 大 学 工 学 部 附 属
鋳 造 技 術 研 究 セ ンタ ー 堀 江 皓 客 員 教 授 に は多 大 なる
支 援 を受 けたのでここに感 謝 の意 を表 する。
参考文献

B

1)徳 永 ら，素 形 材 Vol.47，29-34，（2006）
2)松 本 ら，鋳 造 工 学 第 80 巻 ，370-374，(2008)3)尾 村 ら，鋳 造 工 学 第 85 巻 ，663，（2013）4)鶴 谷 ら，天 田 財 団 助 成 研 究 成 果 報 告 書 Vol.25，
235-236，（2012）
本研究は，公益財団法人 JKA
補助事業により整備した機C器を活用して実施しました。

D

図 12 上型表面の金属組織− 37 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

香りを保持した県産果実ピューレの開発
悠輔*

金井

伊藤

和子*

須谷

潤**

馬田

紘樹**

Development of Fragrance-preserved Purees using Fruits from Tochigi Prefecture
Yusuke KANAI,

Kazuko ITO,

Jun SUTANI and Hiroki MADA

県産果実ピューレの高品質化に向け，栃木県産「スカイベリー」及び「巨峰」を用いて素材の香りを保持したピューレの開発を行った。加熱濃縮ピューレと比較して減圧濃縮ピューレには豊かな香気成分を保持しており，さらに減圧濃縮時の留出液をカットバックすることでより香気成分を高めることができた。
また保存試験の結果，透明容器での保存と比較してアルミ容器にて保存することで香気成分が保持されるものと推察された。
Key words: 香気成分，加熱濃縮，減圧濃縮，カットバック，保存試験

１

はじめに

２

フードバレーとちぎ推進協議会「県産品利用拡大研
究部会

２．１

研究の方法

原料

未利用素材活用研究分科会」において，県産

いちごの原料は，栃木県産「スカイベリー」（登録品

果実を用いた商品開発を検討した際に一次加工品の通種名「栃木ｉ27 号」）を用いた。ぶどうの原料は栃木

年安定供給が課題とされた。一次加工品の形態として

県産「巨峰」を用いた。また，減圧濃縮時の留出液をは，ピューレまたはフリーズドライ品が望ましいとさ

濃縮したのちにカットバックする手法の検討のため，れたが，フリーズドライ品は，小規模での処理を行う

栃木県産「とちおとめ」を用いた。

企業が県内に存在しないことや，コストがかかること

２．２

ピューレの作製から，ピューレについて検討を進めた。しかし現在製果実をフードプロセッサーにかけ，パルパーで裏漉品として提供されているピューレは濃縮が不十分で，しすることでピューレを作製した。このピューレを「濃使用する企業が必要とする濃度とするには現在の濃縮縮前ピューレ」とした。そのピューレに対してロータ

法では，香気成分の揮発や加熱臭の発生，ピューレを

リーエバポレーターを用いて減圧濃縮（加熱温度 55℃，

冷凍保管する際の香気成分の揮散などが問題となって真空度 31hPa）したものを「減圧濃縮ピューレ」としいる。昨年度，香気成分を保持し加熱臭の発生を抑えた。減圧濃縮時に発生する留出液を一定量ずつ分画採た減圧濃縮ピューレの製造方法について検討し，いち取し，各分画液について香気成分分析及び官能評価をご（とちおとめ）
・トマト・にっこり梨について試作品行い，高評価であった分画液のみを減圧濃縮ピューレ作製を行った。また，作製したピューレを冷凍保管すに戻すことをカットバックとし，本手法で作製されたる際の香気成分の揮散についても調査した。

ピューレを「カットバックピューレ」とした。

本研究では，昨年度の結果を参考にして，より多く

２．３

香気成分分析

香気成分は，伊藤らの方法 1) を参考とし以下のとおの県産果実での減圧濃縮ピューレ作製・保管方法を検り分析を行った。香気成分の吸着には Twister（ Gerstel

討したので報告する。

社製）を用いた。ピューレについては HSSE 法により香気成分の吸着を行い，ピューレ 10g×３にそれぞれ内部
標準としてノナンを添加し，40℃20 時 間吸着さ せた 。
*

栃木県産業技術センター**

タカ食品工業㈱食品技術部

分画液については SBSE 法により吸着を行い，分画液約20ml に内部標準としてノナンを添加し，吸着材を回転− 38 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

させながら室温で 1 時間吸着させた。その後，吸着材を加熱脱着装置つきガスクロマトグラフ質量分析計を用いて測定を行った。分析条件を表１に示す。
表１

香気成分分析条件

加熱脱着装置TDS：Gerstel 社製

TDS 条件20℃(1min)-60℃/min-210℃(4min)

CIS 条件-150℃(0.01min)-12℃/sec-210℃(5min)

GC/MS

GC6890N,MS5973：Agilent Technologies 社製

カラム

Inertcap pure WAX
30m,0.25mm,0.25μm：GL Sciences 社製
40℃(3min)-10℃/min-150℃20℃/min-250℃(5min)

オーブン温度
キャリアガスヘリウム 1ml/min

トランスファーライン温度

250℃

イオン源温度

230℃

イオン化モード

EI

イオン化電圧

70eV

２．４

図１

次に，スカイベリーの減圧濃縮ピューレ，カットバ
ックピューレに加え，比較対象として減圧濃縮ピュー
レと同じ濃縮倍率の加熱濃縮ピューレについて香気成保存試験

分分析を行った結果を図２に示す。減圧濃縮ピューレ

保存試験には，スカイベリー・巨峰ともにカットバには，加熱濃縮ピューレと比較すると全体的に多くのックピューレを用いた。各ピューレを透明容器（アル香気成分を保持していることが分かる。さらに，分画

ミナ蒸着）及びアルミ容器（アルミ蒸着）に入れ密封

液１をカットバックした場合，減圧濃縮ピューレと比したものを-18℃・-30℃にて保管し，1 カ月ごとに香較して果実の香り：1.2 倍，スズランの香り：1.5 倍，

気成分分析を行った。
３
３．１

スカイベリー分画液の香気成分分析結果

イチゴの香り：1.3 倍，甘い香り：1.1 倍に増加しており，カットバックによりイチゴに特徴的な香気成分を結果及び考察効果的に高めたピューレが作製可能であることが認め

スカイベリーピューレの検討られた。

スカイベリーの濃縮前ピューレを減圧濃縮した際に分画採取した留出液について香気成分分析を行った結果を図１に示す。なお，分画液１が最も初期に採取した留出液で，分画液６が最後に採取した留出液である。
この結果から，分画液１にイチゴの特徴的な香りである果実の香り（エステル類），スズランの香り（リナロール），イチゴの香り（メシフラン）甘い香り（ネロリ
ドール）等が多く含まれていることがわかる。また，中盤から後半の分画液では，ウッディーな香り（ケイ皮酸エチル）の割合が高くなることが分かった。
これらの分画液の香りについて官能評価を行った結果，分画液１に最もフルーティな香りを強く感じ，分
画液２以降はグリーンな香りが目立つ結果となった。
以上のことから，分画液１のみをカットバックすることが最適と考えられた。

図２− 39 −

スカイベリーピューレの香気成分分析結果

栃木県産業技術センター

３．２

研究報告

No.14（2017）

巨峰ピューレの検討

スカイベリーの濃縮前ピューレを減圧濃縮した際に分画採取した留出液について香気成分分析を行った結果を図３に示す。巨峰の場合，ブドウの重要な香気成分と考えられる果実の香り（エステル類），花の香り（フェネチルアルコール），グリーンな香り（ヘキサノール）が分画液１に多く含まれていた。分画液２以降は全体的に香気成分の量が少なくなる傾向となった。
これらの分画液の香りについて官能評価を行った結果，分画液１にほのかにフルーティさを感じたが，分画液２以降は全体的に香りが弱く，やや渋さが感じられた。以上のことから，巨峰においても分画液１のみをカットバックすることが最適と考えられた。
図４３．３

巨峰ピューレの香気成分分析結果

保存試験

スカイベリー及び巨峰のカットバックピューレを各条件で保存試験を実施したものについて香気成分分析を行った結果を図５に示す。
スカイベリーについては，-30℃での保管条件では，いずれの香気成分もアルミ容器で保存することで透明容器と比べて多く保持される傾向が認められたが，-18℃では同様の傾向は確認できなかった。全体的に保管条件の差による大きな影響は認められなかった。

図３

巨峰分画液の香気成分分析結果

次に，巨峰の減圧濃縮ピューレ，カットバックピューレに加え，比較対象として減圧濃縮ピューレと同じ
濃縮倍率の加熱濃縮ピューレについて香気成分分析を行った結果を図４に示す。巨峰の減圧濃縮ピューレでは，加熱濃縮と比較して果実の香りが特に多く保持されていることが確認できる。分画液１をカットバック
した場合，減圧濃縮ピューレと比較して花の香りについては変化が認められなかったものの，果実の香り：
1.5 倍，グリーンの香り：1.1 倍に増加させることができた。なお，分画液１には発酵臭につながる脂肪酸も多く検出されたが，カットバックピューレにおいては
それらの物質が極端に増加しなかった。これは，ピューレと分画液での香気成分の抽出方法の違いにより，分画液に直接吸着材を投入する SBSE 法では多くの脂肪酸が吸着する一方，ヘッドスペースに気化した成分のみ吸着する HSSE 法では，揮発性が比較的低い長鎖脂図５

肪酸は多く吸着されなかったものと考えられる。

保存期間：スカイベリー5 か月，巨峰 3 か月

− 40 −

保管ピューレの香気成分分析結果

栃木県産業技術センター

巨峰については，果実の香りの変動が大きく，-30℃

研究報告

No.14（2017）（1）加熱濃縮ピューレと比較すると，減圧濃縮ピュー

かつアルミ容器による保存条件において最も保持されレには豊かな香気成分が保持されていることがていた。アルミ容器による香気保持効果は他の香気成明らかとなった。

分でも認められた。これは，今回用いた透明容器に処（2）減圧濃縮時の留出液の一部をカットバックするこ

理されているアルミナ蒸着膜の特性として，作業中のとで，揮散した香気成分を再度ピューレに戻すこ

折り曲げ等の負荷により蒸着膜にクラックが入りガスとが可能となり，より豊かな香りを持つピューレ

バリヤー性が低下しやすいという点が挙げられ，これを作製することができた。

により透明容器において香気成分の損失につながった（3）カットバックピューレの保存試験の結果，透明容ものと推察された。

器よりアルミ容器で保管することで香気成分の保持につながるものと推察された。
４

おわりに栃木県産スカイベリー及び巨峰を用いたピューレの参考文献

減圧濃縮法及び香気成分のカットバック法を検討した。

1) 伊藤和子ほか："栃木県産業技術センター研究報告

本研究により得られた知見は以下のとおりである。

No.13"，16-19，(2016)2) 三吉和之ほか："香料 No.228", 145-151, (2005)− 41 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

県産麦芽を用いた麦汁製造技術の確立
松本 健一*

小坂 忠之*

山下 創**

Establishment of Wort Manufacturing Technology by Using Malt Produced in Tochigi
Kenichi MATSUMOTO, Tadayuki KOSAKA and Hajime YAMASHITA

県産麦芽と国外産麦芽を用いた小仕込み試験と実地試験を実施し，その醸造特性を評価した。小仕込
み試験では，県産麦芽及び国外産麦芽により作製した麦汁のアミノ酸量は国外産麦芽がやや高い結果となった。実地試験における麦汁色度は，県産麦芽を用いた試料では，一番麦汁回収後のホップ煮沸工程を経ても変化しにくいことが確認された。
Key words:麦芽，麦汁

１

はじめに

本県は全国有数のビール麦（二条大麦）生産県であり，現在県内のクラフトブルワリーから，個性的なビールが販売されている。平成２４年に栃木クラフトビール推進協議会が設立され，新商品開発の取組が活発化している。近年，原料に全ての県産品を用いたビールの商品化を目指しており，新規酵母の取得や県産ホップの特性評価を行ってきた 1）.2） 。しかしながら，現在県内ブルワ

図1

麦汁製造試験（実地）リーの多くは国外産麦芽を使用しているため，県産麦芽の特性が十分に把握できておらず，県産麦芽を用いた麦

２．３

分析方法

各種試料の糖（グルコース，スクロース，マルトース）

汁製造技術の確立に向けた取組が望まれている。
本研究では，県産麦芽の醸造特性を明らかにすること

は高速液体クロマトグラフ（㈱島津製作所;Prominenceシリーズ），アミノ酸は高速アミノ酸分析計（日本電子を目的に研究を実施したので報告する。

㈱;JLC-500V），EBC 値・総ポリフェノールは BCOJ ビー
研究の方法

ル分析法に準拠した方法で実施し，分光光度計（㈱島津

麦汁製造試験（小仕込み）

製作所;UV-1800）により分析した。アミノ酸は 16 種（Ser,２
２．１

Glu, Gly, Ala, Val, Cys, Met, Phe, Leu, Ile, Orn, His,

原材料として，麦芽 3 種類（栃木県産，オーストラ

Lys, Arg, Tyr, GABA）の合計値を示した。

リア産及びカナダ産）を用いた。蒸留水 200ml に麦芽を 20g 添加し，恒温槽にて 60℃で 2 時間保持後，30 分

３間で 76℃まで昇温したものを試料とした。
３．１
２．２

結果及び考察麦汁製造試験（小仕込み）

図 2 に麦汁製造におけるグルコース及びマルトース濃麦汁製造試験（実地）

県内ブルワリーにおいて，県産麦芽と国外産麦芽を用

度の経時変化，表 1 にアミノ酸分析の結果を示す。糖組

いて麦汁を作製した。一番麦汁及び酵母添加前の調整さ成については，県産麦芽と国外産麦芽で大きな違いは見れた麦汁を分析試料とした（図１）。

られず，アミノ酸含量については，県産麦芽が国外産麦芽よりも低い値となった。

*

栃木県産業技術センター**

栃木クラフトビール推進協議会

食品技術部− 42 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

材料の影響があるため一番麦汁時点で差が生じている

4.0
maltose, glucose[%]が，県産麦芽ではホップ煮沸工程を経ても変化はほとん
ど見られなかった。また，官能評価の結果，モルト感が3.0

控えめのすっきりした香味になりやすいことが確認さ

maltose(栃木)maltose(オーストラリア)
maltose(カナダ)
glucose(栃木)glucose(オーストラリア)
glucose(カナダ)2.0

れた。県産麦芽はすっきりした香味の淡色ビールに向いていることが示唆された。

1.0

４

おわりに

県産麦芽と国外産麦芽を用いた小仕込み試験と実地試験を実施し，その醸造特性を評価し，以下の結論を得

0
0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

た。

糖化時間[h]図2（1）県産麦芽と国外産麦芽を用いて作製した麦汁の総麦汁に含有するグルコース，マルトース

ポリフェノール及びアミノ酸量は県産麦芽がやや低い結果となった。

表1

麦汁に含有するアミノ酸（糖化 2.5 時間）（2）色度については，国外産麦芽は着色が進行するが，
県産麦芽は一番麦汁からの変化が少ないことが確

産地

アミノ酸 16 種合計[mg/ml]

栃木県(宇都宮)

0.70

オーストラリア0.74（3）県産麦芽を用いた麦汁は，モルト感が控えめのす

カナダ

0.83

っきりした香味になることが確認された。

３．２

認された。

参考文献

麦汁製造試験（実地）1) 松本他："栃木県産業技術センター研究報告 No.11"，

県産麦芽と国外産麦芽を用いて作製した麦汁成分の79-81，（2014）

分析結果を表 2 に示す。調整麦汁の②，④を比較すると，

2) 井 上 他 ： " 農 業 食 料 工 学 会 年 次 大 会 講 演 要 旨

同等程度の糖組成の麦汁を調製できていることが確認

Vol.75th"，276，（2016）

できるが，総ポリフェノール及びアミノ酸量はやや県産
麦芽が低い結果を示した。色度（EBC）については，原表2

麦汁成分分析値
グルコース
[%]

スクロース
[%]

マルトース
[%]

アミノ酸16種合計[mg/100ml]①県産麦芽 一番麦汁
②県産麦芽 調整麦汁

1.1

0.4

6.3

③国外産麦芽 一番麦汁
④国外産麦芽 調整麦汁

1.5

0.2

6.4

sample− 43 −

181.1

総ポリフェノール
[ppm]
302.6

EBC値
[-]
8.1
8.1

202.6

432.1

15.5
19.8

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

トーションレースによるロープの開発
堀江

昭次 ＊

荒山

薫＊

二渡

友四郎 ＊＊Development of the Torchon Lace Rope

Shouji HORIE,Kaoru ARAYAMA and Tomoshirou FUTAWATARI
本研 究で は， クラ イミ ング ロープを想定し，市販ロープとの比較を行 いながら，ロープ外皮について の組 織設 計， ナイ ロン 糸を 使用しての編成，物性試験を行い，その結 果からさらに撚糸加工を行って ロー プ外 皮の 編成 を行 った 。その後市販ロープの芯をパイプを使用し て外皮に挿入してロープを製作 した 。さ らに ，外 皮に 芯を 編み込んだ組織を設計して，編成を行い， 縫製加工を施してロープを製作 した 。製 作し たロ ープ につ いて，現有設備でできる範囲の物性試験を 行った。その結果，破断強度
で は目 標値 を上 回る 強度 を示 すことができ，ロープの伸びにおいても目 標値クリアを推定できる測定結果を得ることができた。
Key Words : トーションレース，クライミングロープ

はじめにを行った。市販のロープの外皮は，ナイロン６を使用

トーションレースは足利市の地場産業であり，日本しているので同じ糸を使用することとた。繊度につい

国内のトップシェアを誇っている 。トーションレース

ては，市販ロープ外皮の糸と同じ条件になるように設の主な用途としては，服飾付属レースであるが，近年

定 す る こ と と し た 。 市 販 の ロ ー プ 外 皮 は ， 24錘 の 製 紐は中国をはじめとする海外製品の攻勢により苦戦して機を使用し，2本引き揃えで編成されている。繊度は，おり，新たな用途開発が求められている。クライミン

3136.8Dである。今回購入した糸は840Dであるので，当グロープは，外皮に組紐組織を使用しており，組紐を所 所 有 の 96錘 の ト ー シ ョ ン レ ー ス 機 で 編 成 す る に は 計

応用した組織であるトーションレースでの使用を想定

算の結果，2本引き揃えで編成することとした。

できる。そこで本研究では，トーションレースを外皮

２．３

１

1)

にしたロープの開発を行うことでの新たな用途開発を目的として研究を行った。

外皮の評価試験

編成した外皮について，市販品の外皮との比較試験
を万能材料試験機により行った。試験結果から修正が必要な場合は，糸や編成条件を再考して編成を行い，

２

研究の方法

再度，比較試験を行うこととした。

トーションレースによるロープの開発のために，次２．４の方法で研究を行った。
２．１

ロープの製作

外皮への芯の挿入方法について検討後，芯を挿入しレース組織の設計てロープを製作することとした。また，設計した外皮

市販クライミングロープの組織を参考に，求められ組織を応用して芯を編み込んだ組織を設計して編成し，る物性を考慮してレース組織の設計を行うこととした。

ロ ー プ を 製 作 す る こ と と し た 。 840Dの ナ イ ロ ン 糸 を 使

特に，糸がバイアス方向に配置される組織が有効であ用するため，市販ロープの外皮及び芯に使用されていると考えられるため，基本柄の中からそのような組織る糸の繊度を参考にそれぞれの糸本数を決める必要がの選定を行った。また，使用する糸についても，市販

あ る 。 96錘 の 内 ， 64錘 を 外 皮 に ， 32錘 を 芯 に す る こ と品と同等な糸を使用することとした。

とし，計算の結果，外皮に相当するバイアス糸につい２．２ては3本/錘，芯糸については8本/錘とすることとした。

外皮の編成選定した基本柄を基にレース組織を組んで，編成プ

２．５

ログラムを作成し、それを使用してロープ外皮の編成

ロープの評価試験製作しロープについて，破断強度，伸び，衝撃荷重*

栃木県産業技術センター 繊維技術支援センターの試験が必要なため，現有設備で行うことのできる方**

二渡レース株式会社

法について検討を行い，検討した方法で評価試験を行− 44 −

栃木県産業技術センター

うこととした。

研究報告

No.14（2017）

上がりとなった。また，フィラメント糸の引き揃えで編成したため，編成中にフィラメントが解けて編成に
３

結果及び考察支障を来すことがあった。

トーションレースを使ったクライミングロープにつ

表１

編成条件

いて，組織設計から製作まで，それぞれの結果についトーションレース機：日本マイヤー SKM96/45NCての考察を行う。

巻取速度：０．６㎜/rev

３．１

糸張力：２５０ｇ

レース組織の設計

使用糸：ナイロン６

クライミングロープの外皮に求められる物性として

８４０Ｄ２本引き揃え

は，芯の保護のため，1箇所が解れても組織的にそれを補う性質が求められる。
３．１．１

市販ロープ外皮組織について

市販ロープの外皮に使用されている組織はブレード（組紐）組織である。この組織は図１及び写真１に示a)全体

すとおりバイアス方向に糸が走っている。これにより，

b)表面

写真３

1箇所が解れても他の糸が解れを締め付けてそれ以上解トーション外皮１

れが広がらない構造となっている。
さらに、編成性を上げること及び仕上がりに柔らかさを出すことを目的とし，当所のイタリー式撚糸機を使用 し て 糸 に 撚 り を 加 え ， 編 成 時 の 張 力 を 250gか ら 150gに変更して編成を行った。その時の編成条件を表２に示す。また，編成したレースを写真４に示す。引き揃
表２
図１

組織図

写真１

編成条件

トーションレース機：日本マイヤー SKM96/45NC

組織画像

巻取速度：０．６㎜/rev
３．１．２

糸張力：１５０ｇ

トーションレースによる外皮組織

使用糸：ナイロン６

解れに強いブレード組織を発展させる可能性のある

８４０Ｄ２本撚（416/m）

組織としてトーションレース基本柄の中からトーショ
ングラウンド組織を選定した。この組織は図２及び写真２に示すとおり糸が２本対になってバイアス方向に糸を走らせる組織で，糸同士の絡みが多く，より解れに対して強い性質を示すことが考えられる組織である。
写真４

この組織を基本として外皮組織の編成プログラムを作

トーション外皮２

写真５

糸ることとした。
え糸の外皮と比較して柔らかい仕上がりとなった。写真５に引き揃え糸（上）と撚った糸（下）を示す。
３．３

外皮の評価試験

万能材料試験機（50kN)(ｲﾝｽﾄﾛﾝ 5569）を使用して評価試験を行った。その結果を表３に示す。この結果か
ら，市販品と比べて強度では上回るが伸びは小さくな
表３
図２

組織図

写真２

試料名

組織画像
市

３．２

外皮評価試験結果

外皮の編成作成した編成プログラムにより外皮組織の編成を行

販

引張強さ・伸び率
品

6.7kN・115.5%

トーション外皮（引揃）

7.7kN・ 59.9%

トーション外皮（撚り）7.9kN・ 60.3%

った。編成条件を表１に示す。編成した外皮を写真３る結果となった。トーションの方がより強くなる組織に示す。高張力で編成しているため，全体的に硬い仕を編成できると考えられるが，伸びの小ささが衝撃荷− 45 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重に影響を与えることが想定される結果となった。ロ

編成条件を表４に示す。また，編成したレースを写ープの製作には撚りを加えた外皮を使用することとし真７に示す。外皮だけの編成の場合、ブッシュ（トーた。

ションレース中央部の糸引き込み口）№0を使用してい３．４ロープの製作

る た め ， レ ー ス は 約 φ 10の 筒 状 と な る が ， 芯 編 込 の 場

クライミングロープは外皮と芯で構成されるため ，2)

合は糸が太いため，ブッシュ№3となり，約φ27の筒状外皮に芯が加えられることになる。

の仕上がりとなった 3)。このレースを円形の縫製してロ

３．４．１

ープに仕上げた。できあがったロープを写真８に示す。

芯の挿入方法表４

市販ロープの芯を取り出してトーション外皮に挿入

芯編込ロープ編成条件

トーションレース機：日本マイヤーSKM96/45NC

させることとした。その方法を図３に示す。また，製

糸張力：バイアス糸150g

芯糸150g

巻取速度：0.6㎜/rev
糸：ナイロン840D①芯取り出し②パイプに装着
図３③外皮に挿入バイアス糸→3本撚
芯糸→4本撚×2

外皮挿入方法

作したレースを写真６に示す。挿入後に縫製を行い弛みを無くした。ロープの触感としては柔らかい感触となった。握っても問題の無い仕上がりとなった。しかし，後で芯を挿入する方法は製作時間を考慮すると現
実的ではなく，違った方法の構築が求められる結果と
なった。
写真７

写真６
３．４．２

芯編込レースb)拡大芯挿入ロープa)全体

芯編込ロープの製作

写真８

トーショングラウンド組織を基本として，芯に相当

芯編込ロープする糸を編み込んだ組織を設計した。その組織を図４に示す。96スピンドルのうち，64本をバイアス糸とし，３．５

ロープ評価試験

32本を芯糸とする組織である。

３．５．１

破断強度及び伸び率

当 所 所 有 の 万 能 材 料 試 験 機 （ 50kN） を 使 用 し て 試 験を行った。芯挿入ロープについては，標準で装着されている平板のグリップではチャッキング出来ず，丸棒用のグリップでは強く締めるとチャック切れを起こし,緩く締めると滑りを起こしてしまうため，測定不可となった。測定は，芯編込ロープに加工する前の芯編込
レースついて行った。
測定条件を表５に示す。目標値としてＥＮ規格で規定 さ れ て い る 12kN以 上 と し た 。 測 定 結 果 は 12.4kNと な
図４

芯編込組織

り，目標値は達成することが出来た。

− 46 −

栃木県産業技術センター

表５

編成条件及び重量

研究報告

No.14（2017）

べると衝撃の吸収性で劣っているという結果になった。

測定機：万能材料試験機（ｲﾝｽﾄﾛﾝ5565 50kN）

表６

衝撃試験結果

引張速度：200㎜/min

試

掴み間隔：200㎜

市販品ロープ

７０．５２

芯挿入ロープ

１０９．７６

芯編込ロープ

１１０．７９次に，伸び率についての測定を行った。ＥＮ規格で

料

名

衝撃荷重（N）

は，1mの長さのロープに80㎏の荷重をかけたときと5㎏の荷重をかけたときの長さの差を計り1mに対し10%以下

市販ロープは，製造過程において糸加工（オートクレとなることが規定されている。当所の現有設備で試験

ープ加工等）等を通じて糸に様々な動的性質を与えてで き る 方 法 と し て 万 能 材 料 試 験 機 の 掴 み 間 隔 が 10㎝ かおり，衝撃吸収性を高めるにはレース組織に加え，糸ら50㎝までの５段階の試料を用意し，それぞれ5㎏荷重加工も重要な要素となることがわかった。この試験に

時 と 80㎏ 荷 重 時 の 伸 び か ら 伸 び 率 を 出 し ， そ の 推 移 か

使用した市販品ロープの品質表示は衝撃荷重は7.4kNとら 1mの 試 料 長 で の 伸 び 率 を 推 定 す る こ と と し た 。 測 定なっている。試験結果から，芯挿入ロープは市販品ロ

結果を図５に示す。この結果から，同じ試料幅で試料

ー プ の 1.56倍 、 芯 編 込ロ ー プ が 1.57倍 と な り ， Ｅ Ｎ 規

長が長くなる場合の減少率が推定され，1mでは10%以下

格の試験方法を行った場合の値としては，芯挿入ローとなると考えられる。

プ が 11.5kN， 芯 編 込 ロ ー プ が 11.6kNと な る こと が 推定

25

され，衝撃荷重基準は満たしていることになる。

伸び率(％)

20

４

15

本研究では，クライミングロープを想定したロープ10の開発を行った。研究の方法としては，市販品ロープ

5
0

おわりに

と の 比 較 を 行 い ， 14種 類 あ る ト ー シ ョ ン レ ー ス の 基 本
10

20

図５
３．５．２

30

40

柄の中から適したものを選んでロープ外皮組織とする

50

試料長さ(㎝)ものであった。また，芯の挿入については，パイプを伸び率の推移使って手で挿入する方法や芯を直接編み込む方法につ衝撃試験

いて考案し，その方法でロープを製作することが出来

Ｅ Ｎ 規 格 で は ， 80㎏ の 錘 を ロ ー プ に 付 け て ， 4.8m落た。芯編込ロープについては，目標としていた破断荷

下時にロープにかかる荷重を衝撃荷重としており，12k

重12kN以上，伸び10%以下をクリアすることが出来た。

N以 下 で あ る こ と が 規 定 さ れ て い る 。 現 有 設 備 で 可 能

衝撃荷重では，規定される値を満たせる見込みとなっな 試 験 方 法 と し て ， 万 能 材 料 試 験 機 （ 50kN） を 使 用 す

たものの，市販品ロープよりも劣る結果となってしまる写真９に示す試験方法により，衝撃荷重基準を満たった。今後，レース組織及び糸加工についてさらに検している市販品ロープとの比較を行うこととした。使討していく必要があると考えられる。

4)

用する錘は2㎏で落下長さは60㎝とする。

本研究で行ったロープ開発では２種類のロープを製作したが，芯を後から挿入する方法は製作時間がかかり，実際の生産では難しいと考えられ，芯を編み込む方が作業効率を考慮すると現実的な方法と思われる。
今回の研究成果は，トーションレースが強度の点で優れたものを編成できる可能性を示したものと考える。
この成果を関係企業に対して普及し，資材分野への進出を目指せればと考えている。
参考文献

写真９

衝撃試験方法

試験結果を表６に示す。この結果から，市販品に比1)

松島四郎：トーションレース工業Ⅱ（1982）

2)

エーテルリッド：ロープカタログ2015

3)

日本マイヤー：SKMトーションレース機取扱説明書

4)

PictUIAA101-EN892DynamicRopes− 47 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

酸性染料の還元抜染性に関する研究
井田 恵司* 嶋田

和正* 田邊

雅敏**

三俣

政勝**

Study on Reduction Dischargeability of Acid Dyes

Keiji IDA，Kazumasa SHIMADA，Masatoshi TANABE and Masakatsu MITSUMATA
二酸化チオ尿素による種々酸性染料の還元抜染性を評価した。種々酸性染料で地染めしたウール生地に，抜染剤を含む抜染糊をプリントした後，熱処理を行った。この手法で，プリント部分の地染め色を脱色し白色にする「白色抜染」
及び抜染糊に差し色染料を混合し，地染め染料を脱色すると同時に別色に着色する「着色抜染」を試みた。その結果，検討した 62 銘柄の酸性染料の中で，34 銘柄の酸性染料で白色抜染が可能であることを明らかにした。一方，着色抜染に関して適用できる銘柄は，62 銘柄の酸性染料の中で 9 銘柄に留まった。
Key Words：酸性染料，白色抜染，着色抜染，二酸化チオ尿素，還元抜染

１ はじめに抜染剤は二酸化チオ尿素を使用した。

抜染は，濃色の地染め生地上に淡色をプリントする際，色が糊剤は，アルギン酸ナトリウム（スノーアルギンＭ）を使

混ざることを防止するため，淡色にプリントする部分に存在す

用し，助剤として尿素，染料溶解剤（グリエシンＡ），酸（酒る地染め染料を脱色する技法であり，シャープな柄表現が可能

石酸アンモニウム）を使用した。

であると共に，顔料プリントのように風合いが堅くならないと酸性染料は表１に示す 62 銘柄を選定した。

いうメリットがある。そのため，デザイナーの感性をそのまま白色抜染に供する試料の地染めの染色濃度は，各銘柄ともに表現したような，ビビッドなカラー，大胆かつ繊細な色使い

淡色（0.5％o.w.f)及び濃色(2％o.w.f)の２種類とした。たの高級ブランド品（ウールや絹製の婦人服・スカーフ，ネクタ

だし，染料 41 については，淡色を 1％o.w.f，濃色を 5％o.w.f

1)2)イ等）の染色に古くから用いられてきた。

しかし，地染め部とした。

分から滲みが出やすい，時間が経過すると脱色した色が復色す

地染め処方は，それぞれメーカー推奨の処方とした。４)るというデメリットがあり，品質の向上が強く求められるにつ

一方，着色抜染の際の差し色染料として用いる場合は，すべれ敬遠されるようになった技法である。

ての銘柄で 2％o.w.p とした。また，着色抜染に供する試料

近年，ますます高度な色表現が求められる中で，安全で，トの地染めは，既報 ３)と同じく赤（Kayanol Milling Red RS

ラブルの少ない抜染技術の開発が不可欠となってきたことか

125(日本化薬㈱)：0.5％），青（Supranol Cyanine 6B(バイら，筆者らは，新規な抜染剤として，容易に入手できる上に繊

エルジャパン㈱):0.3％），黄（Kayanol Yellow N5G(日本化

維や人体に対する安全性が高い薬剤の検討を行い，ウール生地

薬㈱)：0.5％），黒（Kayanol Milling Black TLR(日本化薬3)に対する新規な抜染法として報告した。 報告では，４銘柄の地㈱)：5.2％）を用いた。

染め酸性染料に対して，白色抜染が可能であることを示した。

２．２ 抜染方法

しかし，他の酸性染料に対する抜染性について評価する必要がある。

抜染剤，糊剤，水等を配合し適切な粘度に調整した抜染糊を試験用スクリーン捺染機（㈲シンワキカイ ＃ST-800E）を用いそこで本研究では，二酸化チオ尿素を用いた還元抜染法の適て，ウール生地に印捺した。（版は，1,000 メッシュを使用）

用範囲を明らかにするため，現在容易に入手できる酸性染料及表２に白色抜染糊処方を示す。

び当センターで保有する酸性染料の中から 62 銘柄を選定し，白印捺した生地は，乾燥後，ＨＴスチーマー（㈱市金工業社 ス

色抜染及び着色抜染性の検討を行ったので報告する。

チームペット）及び蒸し箱（㈱島精機製作所 SSB0708）で熱処理を行った。熱処理後は，水洗，中和処理（過酸化水素水）を

２ 研究の方法経て，ソーピング，水洗，酸通しを行った。

２．１ 試料等

着色抜染に関してもほぼ同様の手法で実施しているが，抜染
3)

ウール生地は，既報 と同じくウールモスリンを使用した。

糊に 62 銘柄の染料（差し色染料），助剤及び酸を加えている。

栃木県産業技術センター 繊維技術支援センター

表３に着色抜染糊処方を示す。

＊

＊＊

朝日染色㈱
− 48 −

栃木県産業技術センター

表１ 選定した酸性染料
染料銘柄

C.I Index

Alizarine Fast Blue RFE

研究報告No.14（2017）

LanasetBlack B

染料 41

呼称

LanasetBlue 2R

染料 42

染料 1

LanasetBlue 5G

染料 43

Aminyl Blue E-2GL

C.I.Acid Blue 40

染料 2

LanasetBlue 2RA

染料 44

Aminyl Red E-3BL

C.I.Acid Red 257

染料 3

LanasetBordeaux B

染料 45

Aminyl Yellow E-3GL

C.I.Acid Yellow 49

染料 4

LanasetBrown Ｂ

染料 46

Aminyl Yellow E-3RL

C.I.Acid Orange 67

染料 5

LanasetBrown G

染料 47

Irgalan Yellow GL 220%

染料 6

LanasetGreen B

染料 48

Kayakalan Blue Black 3BL

染料 7

LanasetGrey G

染料 49

染料 8

LanasetNavy R

染料 50

染料 9

LanasetOrange RN

染料 51

Kayakalan Bordeaux BL

C.I.Acid Red 256

Kayakalan Brilliant Blue G
Kayakalan Brown GL

C.I.Acid Brown 294

染料 10

LanasetRed 2GA

染料 52

Kayakalan Olive GL

C.I.Acid Green 75

染料 11

LanasetRed 2B

染料 53

Kayakalan Orange RL

C.I.Acid Orange 122

染料 12

Lanaset

Red G

染料 54

Kayakalan Yellow GL

C.I.Acid Yellow 161

染料 13

LanasetViolet B

染料 55

Kayakalan Grey BL 167

C.I.Acid Black 112

染料 14

LanasetYellow 2R

染料 56

Kayalax Navy B

C.I.Acid Blue 229

染料 15

LanasetYellow 4GN

染料 57

Kayalax Navy R

C.I.Acid Blue 300

染料 16

Lanyl Brilliant Blue G

C.I.Acid Blue127

染料 58

Kayalax Yellow G

C.I.Acid Yellow 207

染料 17

Lanyl Brown R

C.I.Acid Brown 28

染料 59

Lanyl Grey B

C.I.Acid Black 60

染料 60

Lanyl Orange R

C.I.Acid Orange 88

染料 61

Lanyl Yellow G extra conc

C.I.Acid Yellow 116

染料 62

Kayanol

Milling Yellow RW

C.I.Acid Orange
149

染料 18

Kayanol Blue NR

C.I.Acid Blue 129

染料 19

Kayanol Cyanine 5R

C.I.Acid Blue 113

染料 20

Kayanol Milling Blue 2RW

C.I.Acid Blue 140

染料 21

Kayanol Milling Blue BW

C.I.Acid Blue 138

染料 22

薬剤

処方１

処方２

Kayanol Milling Green GW

C.I.Acid Green 27

染料 23

抜染剤

10.0

20.0

Kayanol Milling Red 6BW

C.I.Acid Violet 97

染料 24

元糊※

47.0

41.8

C.I.Acid Blue 185

染料 25

水

43.0

38.2

合計

100.0

100.0

Kayanol Milling Yellow 5GW

C.I.Acid Yellow 127

染料 26

Kayanol Milling Green 5GW

C.I.Acid Green 28

染料 27

Kayanol Milling Red BRW

C.I.Acid Red 303

染料 28

Kayanol Milling Red BW

C.I.Acid Red 138

染料 29

薬剤

処方１

処方２

ブランク

Kayanol Milling Violet FBW

C.I.Acid Violet 48

染料 30

染料

2.0

2.0

2.0

Kayanol Milling Yellow 3GW

C.I.Acid Yellow 72

染料 31

尿素

4.0

4.0

4.0

Kayanol Milling Yellow O

C.I.Acid Yellow 38

染料 32

グリエシンＡ

2.0

2.0

2.0

抜染剤

10.0

20.0

0.0

酸

4.0

4.0

4.0

元糊※

40.7

35.5

46.0

水

37.3

32.5

42.0

合計

100.0

100.0

100.0

Kayanol Milling Turquoise
Blue 3G

Kayanol Milling Yellow 6GW
Kayanol Red 3BL

染料 33
C.I.Acid Red 254

Kayanol Red GRN

染料 34
染料 35

Kayanol Yellow N5G

C.I.Acid Yellow 110

染料 36

Kayanol Yellow N3R

C.I.Acid Orange 67

染料 37

Lanacron Blue S-DB

染料 38

Lanacron Green S-DB

染料 39

Lanacron Red S-DB

染料 40

表２ 白色抜染処方※元糊…アルギン酸ナトリウム 10％

表３ 着色抜染処方※元糊…アルギン酸ナトリウム 10％※処方２は，地染めが濃色の場合を想定したレシピであり，本研究では地染め黒に対して使用した。

− 49 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

２．３ 評価については，多くの条件で白色抜染可能と考え，「使用可能」

白色抜染及び着色抜染した生地は目視及び測色システム(コと判断した。

ニカミノルタ㈱ CM-3700d)により，抜染性の評価を行った。白色抜染性は，白色抜染部分の色と地染め前のウール生地の色を
*

*

*

*
２

*
２

*
２

*
1

*
1

*
1

*

２ 1/2

*
1，

*

一方，染料 43 は，どの条件でも色差は 30 以上であり，白色抜染が「使用不可」と分類した例である。

Ｌ ａ ｂ で表し（Ｌ ａ ｂ 及びＬ ａ ｂ ），次式で示す色5)

差式で色差を計算した。
**

２

染料を表５に示す。
*

２

ΔＥ ab=[（ΔＬ ） +（Δａ ） +（Δｂ ） ]
*

*
２

*
1，

ただしΔＬ ＝Ｌ -Ｌ

検討した 62 銘柄の酸性染料の中で，「使用可」に分類した

*

*
２

（１）

Δｂ ＝ｂ -ｂ*1

Δａ ＝ａ -ａ*２

表５ 白色抜染使用可の染料

一方，着色抜染性は，各処方で着色抜染した試料と白生地に呼称

抜染剤を含まない捺染糊でプリントした試料（ブランク）との

染料 3

モノアゾ系

染料 33

色差を（１）で示す色差式にて計算した。

染料 4

モノアゾ系

染料 34

染料 5

モノアゾ系

染料 35

色なき試験は，業界で用いられる「大丸法」を実施した。大

化学構造

染料 6

丸法は，室温で 0.05％の非イオン界面活性剤溶液に 2 時間浸漬した後，試験片を乾燥させ，色なきの程度を判定する方法である。
耐光試験は，JIS L 0842 紫外線カーボンアーク灯光に対する染色堅ろう度試験方法で評価した。

呼称

アゾ系
モノアゾ系

染料 8

アゾ系（金属錯塩）

染料 37

染料 11

アゾ系（金属錯塩）

染料 39

染料 12

アゾ系（金属錯塩）

染料 41

染料 13

アゾ系（金属錯塩）

染料 46

染料 17

染料 47

染料 18

染料 49

タバイエスペック㈱）に入れ，槽内温度 40℃，湿度 98％の条件

染料 20

ジスアゾ系

染料 50

に１週間暴露した。

染料 24

モノアゾ系

染料 51

アゾ系

染料 56

染料 25
染料 26

３．１ 種々酸性染料の白色抜染性の評価

染料 53

染料 28

染料 1～染料 62 を用いて，それぞれ濃色及び淡色に地染め

アゾ系

染料 36

さらに，耐久性試験は，抜染した試料を恒温恒湿器（PR-2ST

３ 結果及び考察

化学構造

染料 57

した生地について二酸化チオ尿素で白色抜染した。目視結果は，

染料 29

モノアゾ系

染料 59

モノアゾ系
（金属錯塩）

良い順に「○→△→×」で示した。
各染料銘柄の抜染性評価は，

染料 31

アゾ系

染料 61

アゾ系（金属錯塩）

目視及び測色計による色差測定を総合的に判断し，「使用可」
表中の「化学構造」には，文献等 6) 7)で染料構造が確認でき「条件によって使用可」「使用不可」の３種類に分類した。評たものについて記載した。ここから類推すると，白色抜染に使価の例として，表４に染料 43 及び染料 50 の結果を示す。

用可能と分類した染料銘柄は，アゾ系染料が占めると思われる。
古くから，還元抜染剤によるアゾ系染料の抜染機構としては，

表４ 酸性染料の白色抜染性評価例

呼称

染料
43

染料
50

地染め
濃度
(%)

0.5
2.0
0.5
2.0

抜染剤
濃度(%)

ウール白生地との色差(ΔE)

目
視
結
果

蒸し箱

ＨＴス
チーマ
ー

10

31.3

37.9

×

20

33.9

33.9

×

10

50.2

54.1

×

20

49.7

51.8

×

10

6.8

6.1

○

20

7.7

6.2

○

10

14.8

16.9

△

20

14

12.9

○

アゾ基である窒素間の二重結合を破壊し簡単なアミノ化合物に分解されて脱色する 8)と言われており，表５に示した銘柄も，抜染性評価

この反応機構に基づいて抜染されたと考えている。
次に，「条件によって使用可」に分類した染料を表６に示す。

×
使用不
可

表６ 条件によっては白色抜染使用可の染料○
使用可

16.9 となり，完全に抜染されていない状態となった。しかし，他の条件では，良好な白色抜染が得られている。このような例

化学構造

染料 14

アゾ系（金属錯塩）

染料 15

アゾ系（金属錯塩）

染料 16
染料 60

染料 50 については，濃色(2％)に地染めした生地に対して，抜染剤を 10％にした場合，熱処理法に関わらず色差が 14.8～

呼称

モノアゾ系（金属錯塩）

表６に示した４銘柄は，すべて，抜染剤を印捺した後の熱処理の条件が限定されるものである。具体的には，ＨＴスチーマ
ーで熱処理した際は，抜染可能と評価できるが，蒸し箱で熱処− 50 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

理した際は，抜染不十分と評価した。この点は，既報 3)のとおは，今回検討した青系酸性染料の中では，唯一「使用可能」とり，熱処理温度の僅かな差による影響であると考えている。

判断した銘柄である。ただし，「使用可能」と判断した他の８４銘柄のうち，構造が分かっている３銘柄は金属錯塩を有す銘柄と比較すると，ブランクとの発色性の違い（色差）が大き

るアゾ系染料である。金属錯塩を有するアゾ系染料は，染料にい。目視評価でも若干青色系から紺色系に色がずれていること含まれる金属がアゾ基を保護する効果を持つことが知られてが認められる。染料 23 は僅かに濃色化したが良好であった。

いる。今回の結果においても，この効果によりアゾ基の二重結合の破壊が十分に進まないことで，完全に白色抜染されなかっ

表８ 着色染料が使用可能な染料銘柄と色差たと考えている。
最後に，「白色抜染使用不可」の染料を表７に示す。
表７ 白色抜染使用不可の染料
呼称

化学構造

染料 1
染料 2

呼称

化学構造

染料 38
アントラキノン

染料 40

染料 7

染料 42

染料 9

染料 43

染料 10

アゾ系（金属錯塩）

染料 44

染料 19

アントラキノン

染料 45

染料 21

染料 48

染料 22

アントラキノン

染料 52

染料 23

アントラキノン

染料 54

染料 27

染料 55

染料 30

アントラキノン

染料 58

アントラキノン

染料 32

アゾ系

染料 62

アゾ系（金属錯塩）

表７に示した 24 銘柄の中で，化学構造が分かっているもの
を見ると，アントラキノン構造の染料が目立つ。一般的にアン
トラキノン型の染料は，還元されたロイコ化合物が緩やかに酸化することで，もとのアントラキノン型に再生することから，完全に抜染されにくいと言われる。8)アントラキノン型の染料に関しては，この説に従い十分な抜染効果が得られなかったと思われる。また，一部のアゾ系染料については，金属錯塩を有する等の理由により，アゾ基の破壊が抑制されたことによる影響であると推測できる。
３．２ 種々酸性染料の着色抜染性の評価
染料 1～染料 62 を差し色染料，二酸化チオ尿素を抜染剤とし，赤・青・黄・黒に地染めした生地の着色抜染を試みた。着色抜染性評価についても，目視及び測色計による色差測定で行った。
表８に差し色染料として使用可能であると評価した９銘柄を示す。
染料 18 は，黒に地染めした生地に対しては抜染剤濃度を20％にしても，十分な抜染効果が得られなかった。しかし，他の条件ではブランクとの発色性の違いは，色差（ΔＥ）で表すと 10 に満たず，良好な着色抜染結果であると言える。染料 19

呼称

地染め色
抜染剤濃度(%)
ブランク(抜染剤無)との色差 (ΔE)

染料
18

無
10
4.6

赤
10
8.2

青
10
6.8

黄
10
6.9

無
20
5.5

黒
20
16.1

無
0
0

染料
19

無
10
13.9

赤
10
20.4

青
10
21.6

黄
10
16.1

無
20
19.8

黒
20
21.0

無
0
0

染料
23

無
10
11.4

赤
10
13.9

青
10
13.0

黄
10
12.6

無
20
9.7

黒
20
12.9

無
0
0

染料
31

無
10
0.8

赤
10
4.7

青
10
6.6

黄
10
1.6

無
20
1.7

黒
20
21.6

無
0
0

染料
33

無
10
1.5

赤
10
3.8

青
10
5.9

黄
10
8.0

無
20
6.2

黒
20
16.4

無
0
0

染料
36

無
10
12.3

赤
10
17.3

青
10
21.0

黄
10
12.3

無
20
29.1

黒
20
37.6

無
0
0

染料
45

無
10
7.8

赤
10
7.8

青
10
6.7

黄
10
8.8

無
20
8.7

黒
20
6.5

無
0
0

染料
48

無
10
10.8

赤
10
12.3

青
10
12.7

黄
10
13.8

無
20
8.1

黒
20
9.5

無
0
0

染料
57

無
10
16.6

赤
10
16.5

青
10
21.4

黄
10
14.2

無
20
23.6

黒
20
34.7

無
0
0

染料 31，染料 33 及び染料 36 は，何れも黄色系染料であり，染料 18 の傾向と同様に，黒に地染めした場合のみ，十分な着色抜染性が得られなかった。(黄色の発色が不十分な状態)
染料 45 及び染料 48 は，すべての条件で良好な結果が得られた。染料 57 は黄色系染料で，目視においては，色差（ΔＥ）の値ほど抜染剤の有無による発色性の違いが認められなかったため，「使用可能」と判断した。
これらの９銘柄について，
染料31 及び染料36がアゾ系染料，
染料 19 及び染料 23 がアントラキノン系染料，他の５銘柄が構造不明であった。
一方，他の 53 銘柄については，差し色染料の淡色化が 34
銘柄，明らかな色ブレが 19 銘柄となった。白色抜染の結果から予想すると，特にアントラキノン系染料は，淡色化や色ブレを抑え，差し色染料として使用できる銘柄が多いと期待していたが，想定以上に糊剤に配合した抜染剤が染料にダメージを与えてしまう結果となった。

− 51 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

この点に関しては，抜染剤量の検討や差し色染料濃度の検討，討が必要である。

染料助剤の検討など，さらに詳細なデータ蓄積が必要であると考えている。

４ おわりに

３．３ 抜染生地の性能評価

二酸化チオ尿素による種々酸性染料の還元抜染性を評価した。

抜染した生地は，「大丸法」による色なき試験，耐光堅ろう

具体的には，種々酸性染料で地染めしたウール生地に，抜染剤を度試験及び耐久性試験を実施した。

含む抜染糊をプリントした後，熱処理を行った。この手法で，プ

色なき試験の様子を図１に示す。

リント部分の地染め色を脱色し白色にする「白色抜染」及び抜染糊に差し色染料を混合し，地染め染料を脱色すると同時に別色に着色する「着色抜染」を試みた。得られた抜染生地の白色抜染
性や着色抜染性について評価し，次のような結果が得られた。
1)全 62 銘柄の酸性染料を用い濃色及び淡色で地染めを行った生地について，白色抜染を試みた。その結果，半数以上の
34 銘柄の酸性染料については，二酸化チオ尿素を用いた抜染方法が適用できることが分かった。また，抜染条件が限定

図１ 大丸法色なき試験されるものの，条件によっては使用可能な銘柄が 4 銘柄であ

図１は，各条件で抜染した試料を所定濃度の非イオン界面活性剤液に浸漬している様子である。この後，乾燥を経て目視で色なきの有無を確認した。その結果，抜染剤の種類や地染め色に関わらず，全ての試料で色なきは認められなかった。
耐光堅ろう度試験では，抜染した部分に紫外線を照射することにより，地染め色の復色や黄変の発生有無を調べた。
その結果，染料 3，染料 20，染料 24，染料 29，染料 31 及び染料 34 の６銘柄について，「JIS L0842 第３露光法」の結果「３級未満」相当する変色を確認した。変色の状況は，何れも抜染部分における茶褐色化であった。
耐久性試験に関しては，規定の温湿度条件に抜染試料を入れ，抜染部分における試験前後の色の変化を色差で評価した。その結果で，色の変化が大きかった染料を表９に示す。

った。
一方で，抜染部分が白色にならず別の色相に変化する等，
二酸化チオ尿素を用いた抜染方法が適用できない染料も 24
銘柄存在した。
2)二酸化チオ尿素で白色抜染可能とした 34 銘柄について，色なき試験・耐光堅ろう度試験，耐久性試験を行った。
その結果，色なき試験は全ての銘柄で問題が見られなかっ
たものの，耐光堅ろう度試験では６銘柄，耐久性試験では８
銘柄で変色が確認された。
3) 全 62 銘柄の酸性染料を差し色染料として用いた着色抜染を試みた。 その結果，９銘柄の酸性染料が二酸化チオ尿素を用いた着色抜染に用いることができることが分かった。しかし他の 53 銘柄については，淡色化や色ブレが確認され，本研究で実施した着色抜染条件では適用が困難であることが明らかになった。

表９ 耐久性試験で変色が大きかった染料
呼称

1 週間後の色差（ΔＥ）

染料 20

6.1

本研究を実施するにあたり多大なるご指導とご助言をいただ

染料 24

7.6

きました三共生興ファッションサービス㈱ 清家 志郎様に深く

染料 29

6.7

感謝いたします。

染料 34

8.4

染料 39

5.4

染料 41

5.9

1)富原健之：加工技術，32，3，213 (1997)

染料 46

3.6

2)松井誠，星野泰造，平野紀正：加工技術，26，8，518 (1991)

染料 50

5.1

3)井田恵司，髙岩徳寿，田邊雅敏：栃木県産業技術センター研

謝

辞

参考文献

究報告，43-48，（2016）
表９に示すとおり，８銘柄について白色抜染した部分で色差4)例えば，日本化薬㈱：化薬酸性染料の諸性質について（1977）

3.6～8.4 程度の変色を示した。耐久試験の変色の状況に関して

5) 日本繊維工業教育研究会："カラーリング技術"，実教出版

も，何れも抜染部分における茶褐色化であった。

6)有機合成化学協会編："染料便覧"，丸善（1970）

該当する染料銘柄を使用する際は，抜染部分の面積を十分考慮するだけでなく，他の染料への置き換えの可否についても検7)染色ノート第 24 版，色染社（2006）8)日本繊維工業教育研究会編："色染化学１ 資材"，実教出版− 52 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

建染染料を用いた染色技術の開発
嶋田 和正* 井田 恵司* 金井敏夫**

Development of Dyeing Technique using Vat Dyes
Kazumasa SHIMADA， Keiji IDA and Toshio KANAI

建染染料はセルロース系繊維に対して他の染料よりも高い堅牢度を有しているが，酸化還元反応を利用して染色を行うため，染色工程が複雑で工程管理が難しい，染め足が速く染ムラになりやすくコストと手間がかかることから，近年では使用されることが少なくなっている。今後，生産される建染染料の色数が少なくなることが予想されため，赤紫，
青緑，黄の 3 原色の建染染料の混色により様々なカラーバリエーションを生み出すことができる染色技術について検討した。併せて，3 原色の建染染料を用いて混色した色見本を作製した。
Key Words：建染染料，ピグメント昇温法，混色

１ はじめに染色に使用した丸編生地は T シャツなどの肌着やポロシャツ

スポーツ衣料は炎天下での使用が多く，汗をかいた状態で日等の素材として用いられており，足利で編織，浸染されている。

光暴露下にあるため汗耐光堅牢度への要求が高く，医療・介護

用いた生地の概要は次のとおりである。

衣料は衛生上の観点から洗濯や漂白の回数が多いため洗濯堅牢

素材 綿 100％， 組織 平編， 目付 159g／㎠

度や塩素漂白堅牢度への要求が高い。

２．１．２ 使用染料

そのため，通常の衣料材料よりそれらの染色堅牢性の高い商品開発が必要となっている。

建染染料は不溶性の染料で，図 1 に示すようにアルカリ還元
することで水溶性のロイコ塩となり，繊維に親和性を持ち染着

建染染料はセルロース系繊維に対して他の染料部族よりも高した後に酸化され不溶性となり発色する。

い堅牢度を有しているが，酸化還元反応を利用して染色を行う
ため，染色工程が複雑で工程管理が難しい，染め足が速く染ム
ラになりやすい，染料のタイプにより染色処方が異なる等高い技術力と経験が必要とされている。
また，建染染料は値段が高く，コストと手間がかかることから，近年では使用されることが少なくなってきており，それに図 1 建染染料の染色プロセス

伴い染料メーカーにおいても生産される染料の色数が少なくな

建染染料は染料により染色温度，添加するアルカリ量や還元っている。

剤の量などの染色処方が異なり，染料のタイプにより表 1 に示

このような状況の中で，今後生産される建染染料の種類がさす 4 つの染色処方がある。

らに減ることも予想されており，赤紫，青緑，黄の 3 原色の建

表 1 建染染料の染色処方

染染料の混色によりカラーバリエーションを増やすことで対処

アルカリ 溶解度することが求められる。
そこで本研究では，染色処方の異なる建染染料を混色させ，様々なカラーバリエーションを生み出すことができる染色技術

染色温度
吸尽速度 吸尽率 中性塩 使用状況
(℃)

N法

多

小

５５～６０

速

高

不要

一般的

W法

少

大

４０～５０

遅

低

要

一般的

NS法

多

小

６０～７０

速

高

不要

限定的

K法

少

大

２０～２５

遅

低

要

限定的

アルカリが多めの 55～60℃で染色する N 法，アルカリが少について検討した。併せて，3 原色の建染染料を用いて混色染色

なくて中性塩を加え 40～50℃で染色する W 法，オレンジやピし色見本を作製した。

ンク，黒などを染める為に NS 法と K 法がある。このうち N 法
２ 研究の方法と W 法が主に使われている。N 法に適した染料は吸尽速度が高２．１ 使用生地及び染料

く染着性が強い，W 法に適した染料は吸尽速度が遅く染着性が２．１．１ 使用生地

弱いという特徴がある。

＊

栃木県産業技術センター 繊維技術支援センター

＊＊

金井染工㈱

− 53 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

足利の染色企業が使用している建染染料より均染性等と染色法タイプの染料を同時に用いた混色とするため，染料メーカー

堅牢度を考慮して次に示す赤紫，青緑，黄の 3 原色の建染染料の推奨するそれぞれのタイプの染色処方ではなく，
2 つの染色処を用いて混色した。混色に用いた赤紫，青緑，黄の 3 原色の建方の中間の染色処方を用いることとした。

染染料及び適する染色処方のタイプを次に示す。

染色温度は N 法の低めの 55℃，アルカリ及び還元剤は N 法と赤紫：Mikethren Red F3B

W法

同量とし，中性塩は W 法より少量（還元剤と同量）添加して染青緑：Indanthren Blue CLF

W法

色することで N 法と W 法の建染染料の混色を可能とした。混色

黄： Mikethren Yellow GCN N 法

染色に用いた染色処方を表 2 に示す。

２．２ 染色方法

表 2 混色染色の染色処方

２．２．１ 使用染色機（株）テクサム技研製低浴比染色用 12 色回転ポット染色試験

染料％ 染色温度
（owf）
（℃）

0.6
1.2
1.8
2.4

機 MINI-COLOUR REX－P100 を用いて染色を行った。
２．２．２ 昇温方法
建染染料の不均染原因の第一は，初期染着がきわめて強いこ

55
55
55
55

アルカリ
（cc/ℓ）

15.5
17.0
22.0
24.5

還元剤
(g/ℓ)

2.5
3.0
4.0
5.0

中性塩
（g/ℓ）

2.5
3.0
4.0
5.0

均染剤
（g/ℓ）

0.75
0.75
0.75
0.75

とであり，染ムラの大部分は染色初期に起こっている。そのため，還元速度は低温で遅く，高温では早くなるので，常温の染

なお，表中のアルカリは水酸化ナトリウム（30°BE），還元

液調整時に還元剤を添加し建染染料を分散状態（ピグメント状

剤はハイドロサルファイトナトリウム，均染剤は Uniperol Level態）で繊維に接触させ，徐々に昇温することで還元速度をコンP（金森産業（株）），中性塩は工業用無水芒硝を用いた。

トロールし，初期染着をおさえる

1）ピグメント昇温法で染色した。染色の工程図を図 2 に示す。

この表以外の染色条件として浴比は 1：20，染料分散剤として
染料の 20 倍量のスレンソルブ（田中直染料店）を用いた。
酸化工程は過ホウ酸ナトリウム 4ｇ/ℓ を用いて 60℃，10 分，
ソーピング工程はソーピング ASN（田中直染料店）3cc/ℓ を用いて 100℃，10 分で行った。
混色染色における染料濃度は 0.6％，1.2％，1.8％，2.4％（owf）の 4 段階とし，染料の使用量を一定にする同量混合２）で染色を行った。
2 色及び 3 色の混色における染料の配合の基本は 2 色の時が1:5，2:4，3:3 の組合せとし，3 色では 1：1：1，及び 3：2：1 の染料割合の組合せとした。
２．３ 染色性の評価
２．３．１ 染色堅牢度試験
染色した生地について次に示す染色堅牢度試験を行うことで

図 2 ピグメント昇温染色工程図評価した。
汗耐光試験：ATTS（繊維製品技術研究会）法

染色工場の液流染色機等では液流が多く激しいため染着工程

塩素漂白試験：JIS L 0856 強試験

で中性塩を添加することができるが，今回使用した

洗濯試験：JIS L 0844 A－2 法

MINI-COLOUR 染色機では染色ポットの回転数が最大で 60rpm

染色摩擦試験：JIS L 0856 Ⅱ型 乾湿と小さいため中性塩を染着工程時に添加すると，染料が均一に染液に拡散することが難しい。

なお，汗耐光試験は共同研究者からの要請もあり ATTS 法で行った。他の試験については JIS 試験により行った。

そのため，中性塩に接した染色布の部分が急激に染着し染ム

２．３．２ 測色ラの原因となり易い。これを防止するため常温の染液調整時に染色した生地について，測色システム（コニカミノルタ(株)

中性塩を添加することとした。

CM－3700d ）により染色性の評価を行った。測色条件は D65°，

２．２．３ 染色処方

10°視野，測定径 LAV，UV 光量 99.9％で測色した。

染色処方の異なるタイプの建染染料を用いた混色染色は染色時の繊維に吸着される速度の差が大きく，染ムラが発生しやす
く，均一に染めることは難しいと言われている。

３ 結果及び考察
３．１ 色見本の作製

そのため，本研究における染色処方は N 法タイプの染料と W− 54 −

染色した生地を用いて色見本の作製を行った。単色のみの場栃木県産業技術センター

合と併せて 1 つの染料濃度につき 25 色の計 100 色の色見本を作
染料名

2 色混色と 3 色の混色）を図 3 に示す。

M Red F3B 1.2％

なお，作製した色見本には用いた染料及び濃度，染色処方を

M Red F3B 0.6％
I Blue CLF 0.6％

記した。

I Blue CLF 1.2％

2色混色見本帳（同量混色）
染料濃度

染色条件
染 料

建染染料

I Blue CLF 0.6％
M Yellow GCN 0.6％

3色混色見本帳（同量混色）

２．４％（owf)

染料濃度 ２．４％（owf)

浴比 1：20、染色温度 55℃
NaOH（30°BE’） 17cc/ℓ
ハイドロサルファイト 3g/ℓ
芒硝 3/ℓUniperol Level P 0.75cc/ℓ

染色条件
染 料

M Yellow GCN 1.2％

浴比 1：20、染色温度 55℃
NaOH（30°BE’） 17cc/ℓ
ハイドロサルファイト 3g/ℓ
芒硝 3/ℓUniperol Level P 0.75cc/ℓ

M Yellow GCN 0.6％
M Red F3B 0.6％
M Red F3B 0.4％
I Blue CLF 0.4％
M Yellow GCN 0.4％

Mikethren Red F3B
０．８％
Indanthrene Blue CLF
０．８％
Mikethren Yellow GCN
０．８％

Mikethren Yellow GCN
２．４％

M Red F3B

I Blue CLF 2.4％
I Blue CLF 1.2％
M Yellow GCN 1.2％

Mikethren Red F3B
１．２％
Indanthrene Blue CLF
０．４％
Mikethren Yellow GCN
０．８％

Mikethren Yellow GCN
１．６％
Mikethren Red F3B
０．８％

M Yellow GCN 2.4％
M Yellow GCN 1.2％
M Red F3B 1.2％
M Red F3B 0.8％
I Blue CLF 0.8％
M Yellow GCN 0.8％

Mikethren Red F3B
０．８％
Indanthrene Blue CLF
１．２％
Mikethren Yellow GCN
０．４％

Mikethren Yellow GCN
１．２％
Mikethren Red F3B
１．２％

酸化：過ホウ酸ナトリウム4ｇ/ℓ 60℃
ソーピング：ソーピングＡＳＮ 3cc/ℓ 100℃

洗濯試験

染色摩擦試験

4

アルカリ

塩素漂白
(強)

湿

3

5

5

3-4

3-4

3

5

5

5

5

4-5

5

5

3

4-5

5

3-4

3

4-5

5

乾

4-5

5

絹汚染

3-4

5

綿汚染

3-4

5

変退色

5

5

5

5

4

3

4

4

3-4

4-5

4

3-4

3-4

3

2-3
3-4

3

5

5

5

5

3

4

5

5

5

5

4

5

4-5

4-5

4-5

4-5

3

4-5

5

5

5

5

3

3-4

4-5

3

4-5

5

5

5

5

3-4

3

3

4-5

4-5

5

5

4-5

3-4

2-3

2-3

3-4

5

4-5

5
5

5
5

4-5

4

3

5

5

5

4-5

3

5

5

3

3

4-5

5

5

5

3

3-4
3-4

３．２．２ 測色及び染色ムラ

Mikethren Red F3B
０．４％
Indanthrene Blue CLF
１．２％
Mikethren Yellow GCN
０．８％

Mikethren Yellow GCN
０．４％
Mikethren Red F3B
２．０％

汗耐光試験
酸

※ M Red F3B：Mikethren Red F3B
I Blue CLF：Indanthren Blue CLF
M Yellow GCN：Mikethren Yellow GC

Mikethren Red F3B
０．８％
Indanthrene Blue CLF
０．４％
Mikethren Yellow GCN
１．２％

Mikethren Yellow GCN
０．８％
Mikethren Red F3B
１．６％

2.4％

M Red F3B 1.2％
I Blue CLF 1.2％

Mikethren Red F3B
１．２％
Indanthrene Blue CLF
０．８％
Mikethren Yellow GCN
０．４％

Mikethren Yellow GCN
２．０％
Mikethren Red F3B
０．４％

No.14（2017）

表 3 染色堅牢度試験結果製した。作製した色見本（染料濃度 2.4％owf Yellow と Red の

建染染料

研究報告

染色した生地については全て測色し，L*a*b*表色系で表示した一覧表（表 4）を作製した。建染染料 2 色を同時に用いた混色染色の場合，染料の持つ染着性の差により染色ムラが発生する

Mikethren Red F3B
０．４％
Indanthren Blue CLF
０．８％
Mikethren Yellow GCN
１．２％

恐れがあるため，染色した時の均染性についても示した。均一に染色された場合を◎，僅かでも染ムラを生じた場合を○，若図 3 作製した色見本の例

干の染ムラを△で表した。

３．２ 染色物の評価

一般に染色時の均染性は染料の繊維への吸収速度と，吸収さ

３．２．１ 染色堅牢度試験結果

れた染料の繊維内部への移動難易に関係する。建染染料は他の染料濃度 1.2％及び 2.4％の染色布の染料単色のもの，2 色混色

部族の染料に比較して吸収速度が大きく，染ムラになり易い３）。

では 1:1 の染料組合せ，3 色混色では 1:1:1 の組合せのものにつ今回用いた染色処方では N 法の Mikethren Yellow GCN の単色染色で染料濃度 0.6％，1.2％において僅かに染ムラが発生した。

いて染色堅牢度試験を行った。

今回の 2 色の混色において，N 法の Mikethren Yellow GCN

スポーツ衣料や医療・介護分野での衣料を想定して汗耐光試
験は JIS 規格より厳しいとされる ATTS 法で行い，塩素漂白はと W 法の Indanthren Blue CLF の組合せの混色では淡色（同濃

強試験で行った。併せて洗濯試験，染色摩擦試験に対する堅牢度 0.6％owf)においては染ムラが僅かにした。中色（染料濃度度について試験を行い評価した。

1.2％owf）以上では一部で僅かに染ムラが発生したが，比較的2 色の混色では洗濯試験（変退色及び汚染），塩素漂白試験，に少なく均一に染色できた。

乾摩擦試験はいずれも 4-5 級以上と良好であった。汗耐光試験，

3 色の混色では淡色で染ムラが発生し，均一に染色することが

湿摩擦試験は 3 級～4 級となった。
元の染料の弱い方の影響を受できなかった。中色（染料濃度 1.2％owf）以上では一部で僅かけ，2 色の中間または低い方の等級となった。

に染ムラが見られたが，比較的に均一に染められた。

3 色の混色では汗耐光試験は 2-3 級または 3 級，塩素漂白試験
は 3-4 級と元の染料よりも低い結果となった。

４ おわりに染色布の染色堅牢度試験結果を表 3 に示す。

本研究では，染色処方の異なる 3 原色の建染染料を用いて混色染色し色見本を作製した。中色（染料濃度 1.2％owf）以上で− 55 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

は一部で僅かに染ムラが見られたが，比較的に均一に染められたが，染め足が速く染ムラになりやすいので注意を要する。特
に 3 色の淡色の混色ではその傾向が顕著である。
表 4 混色染色した測色結果№

使用染料

1 Red 0.6
2 Red 0.5、 Blue 0.1
3 Red 0.4、 Blue 0.2
4 Red 0.3、 Blue 0.3
5 Red 0.2、 Blue 0.4
6 Red 0.1、 Blue 0.5
7 Blue 0.6
8 Blue 0.5、 Yellow 0.1
9 Blue 0.4、 Yellow 0.2
10 Blue 0.3、 Yellow 0.3
11 Blue 0.2、 Yellow 0.4
12 Blue 0.1、 Yellow 0.5
13 Yellow 0.6
14 Yellow 0.5、 Red 0.1
15 Yellow 0.4、 Red 0.2
16 Yellow 0.3、 Red 0.3
17 Yellow 0.2、 Red 0.4
18 Yellow 0.1、 Red 0.5
19 Red 0.2、 Blue 0.2、 Yellow 0.2
20 Red 0.3、 Blue 0.2、 Yellow 0.1
21 Red 0.3、 Blue 0.1、 Yellow 0.2
22 Red 0.2、 Blue 0.3、 Yellow 0.1
23 Red 0.2、 Blue 0.1、 Yellow 0.3
24 Red 0.1、 Blue 0.3、 Yellow 0.2
25 Red 0.1、 Blue 0.2、 Yellow 0.3
26 Red 1.2
27 Red 1.0 、Blue 0.2
28 Red 0.8、 Blue 0.4
29 Red 0.6、 Blue 0.6
30 Red 0.4、 Blue 0.8
31 Red 0.2、 Blue 1.0
32 Blue 1.2
33 Blue 1.0、 Yellow 0.2
34 Blue 0.8、 Yellow 0.4
35 Blue 0.6、 Yellow 0.6
36 Blue 0.4、 Yellow 0.8
37 Blue 0.2、 Yellow 1.0
38 Yellow 1.2
39 Yellow 1.0、 Red 0.2
40 Yellow 0.8、 Red 0.4
41 Yellow 0.6、 Red 0.6
42 Yellow 0.4、 Red 0.8
43 Yellow 0.2、 Red 1.0
44 Red 0.4、 Blue 0.4、 Yellow 0.4
45 Red 0.6、 Blue 0.4、 Yellow 0.2
46 Red 0.6、 Blue 0.2、 Yellow 0.4
47 Red 0.4、 Blue 0.6、 Yellow 0.2
48 Red 0.4、 Blue 0.2、 Yellow 0.6
49 Red 0.2、 Blue 0.6、 Yellow 0.4
50 Red 0.2、 Blue 0.4、 Yellow 0.6

L*

56.08
52.87
52.13
51.71
51.94
53.33
56.56
58.33
60.7
62.99
67.14
74.94
88.24
73.91
67.57
63.72
60.88
58.21
55.78
53.22
55.31
54.07
59.24
56.31
59.31
47.15
44.05
43.07
43.86
44.72
45.8
48.53
46.09
48
51.08
56.3
61.82
85.7
66.14
58.6
55.07
52.57
49.72
46.93
44.83
47.9
45.16
50.52
48.32
51.33

a*

39.24
26.91
19.85
14.11
9.09
3.18
-4.05
-13.02-17.33-18.5-19.94-18.25
-6.21
14.18
21.6
25.61
29.84
33.94
4.87
12.82
14.09
4.34
7.92
-3.54
-4.38
42.65
27.91
21.07
14.99
9.89
4.65
-3.25
-16.02-20.13-21.97-22.01-20.79
-2.61
19.98
27.28
31.23
34.5
37.94
4.98
12.61
14.83
4.34
8.37
-5.95
-5.11

b*

-3.85
-10.74-14.76-18.02-21.26-24.01-26.83
-9.77
3.17
9.86
23.76
38.83
60.18
39.04
26.89
19.28
10.93
4.6
0.66
-6.04
4.62
-8.82
14.33
3.55
10.36
-2.43
-11.4
-15.94-20.04-22.98-25.6-29.17
-8.05
3.93
14.37
29.08
40.35
79.9
43.42
31.83
21.99
14.62
5.58
2.85
-6.16
4.32
-8.53
11.65
2.33
10.02

均染性
◎
○
◎
◎
◎
◎
◎
◎
○
○
○
○
○
◎
◎
◎
◎
◎
△
△
△
△
△
△
△
◎
◎
○
◎
◎
◎
◎
◎
◎
○
◎
○
○
◎
◎
◎
◎
◎
○
◎
○
◎
○
○
○

51 Red 1.8
52 Red 1.5、 Blue 0.3
53 Red 1.2、 Blue 0.6
54 Red 0.9、 Blue 0.9
55 Red 0.6、 Blue 1.2
56 Red 0.3、 Blue 1.5
57 Blue 1.8
58 Blue 1.5、 Yellow 0.3
59 Blue 1.2、 Yellow 0.6
60 Blue 0.9、 Yellow 0.9
61 Blue 0.6、 Yellow 1.2
62 Blue 0.3、 Yellow 1.5
63 Yellow 1.8
64 Yellow 1.5、 Red 0.3
65 Yellow 1.2、 Red 0.6
66 Yellow 0.9、 Red 0.9
67 Yellow 0.6、 Red 0.12
68 Yellow 0.3、 Red 0.15
69 Red 0.6、 Blue 0.6、 Yellow 0.6
70 Red 0.9、 Blue 0.6、 Yellow 0.3
71 Red 0.9、 Blue 0.3、 Yellow 0.6
72 Red 0.6、 Blue 0.9、 Yellow 0.3
73 Red 0.6、 Blue 0.3、 Yellow 0.9
74 Red 0.3、 Blue 0.9、 Yellow 0.6
75 Red 0.3、 Blue 0.6、 Yellow 0.9
76 Red 2.4
77 Red 2.0、 Blue 0.4
78 Red 1.6、 Blue 0.8
79 Red 1.2、 Blue 1.2
80 Red 0.8、 Blue 1.6
81 Red 0.4、 Blue 2.0
82 Blue 2.4
83 Blue 2.0、 Yellow 0.4
84 Blue 1.6、 Yellow 0.8
85 Blue 1.2、 Yellow 1.2
86 Blue 0.8、 Yellow 1.6
87 Blue 0.4、 Yellow 2.0
88 Yellow 2.4
89 Yellow 2.0、 Red 0.4
90 Yellow 1.6、 Red 0.8
91 Yellow 1.2、 Red 1.2
92 Yellow 0.8、 Red 1.6
93 Yellow 0.4、 Red 2.0
94 Red 0.8、 Blue 0.8、 Yellow 0.8
95 Red 1.2、 Blue 0.8、 Yellow 0.4
96 Red 1.2、 Blue 0.4、 Yellow 0.8
97 Red 0.8、 Blue 1.2、 Yellow 0.4
98 Red 0.8、 Blue 0.4、 Yellow 1.2
99 Red0.4、 Blue1.2、 Yellow0.8
100 Red0.4、 Blue0.8、 Yellow1.2№※ Red：Mikethren Red F3B
Blue：Indanthren Blue CLF
Yellow：Mikethren Yellow GCN
数字は染料濃度（％owf)

参考文献
1)三井ＢＡＳＦ染料株式会社：スレン染料による液流染色
2)足立達雄他："色染化学 2 加工" ，実教出版
3)日高佐吉：バット染料染色法，167（1960）− 56 −

使用染料

43.17
39.49
38.13
38.54
38.59
40.8
45.21
45.22
48.64
50.1
54.68
60.97
85.09
62.1
54.66
50.32
47.55
45.39
42.95
40.08
43.17
40.55
46.09
43.05
46.2
40.85
35.44
34.7
34.73
34.75
36.72
40.98
42.16
44.03
47.61
51.28
58.27
83.3
58.8
52.15
47.86
44.89
43.05
39.7
37.8
40.32
37.35
42.86
40.96
43.9

L*

43.5
28.95
21.82
15.84
10.92
5.01
-2.94
-15.99-20.3-21.77-22-20.51
-1.38
24.07
30.5
34.09
36.99
39.86
4.05
11.56
14.52
4.19
8.91
-6.12
-5.28
44.91
27.92
21.34
16.19
11.68
6.23
-1.99
-16.89-20.78-22.7-22.75-21.16
0.14
25.98
31.3
35.06
38.15
40.71
3.93
12.46
15.55
4.71
9.01
-6.2
-5.62

a*

-1.87
-11.41-16.02-20.1-23.01-27.08-30.09
-8.38
4.59
14.79
24.9
38.98
81.98
43.31
32.04
22.7
15.18
7.79
2.17
-5.84
5.28
-8.54
12.86
1.45
11.14
-1.24
-12.27-17.52-21.43-24.92-28.03-31.38
-7.54
3.16
14.03
25.3
39.56
84.32
44.09
31.93
23.94
16.27
6.96
3.61
-6.63
6.71
-8.4
13.55
1.11
10.75

b*

均染性
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
○
◎
◎
○
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
○
○
○
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
◎
○
◎
○
○
○
○
○

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究

CFRTP 加工品の物性と繊維状態に関する研究
大森 和宏*

山畑 雅之*

小池 宏侑*

福田 龍夫**

清水 義雄**

竹之内 孝雄**Study on Mechanical Property and Fabric Texture of CFRTP Artifacts

Kazuhiro OMORI, Masayuki YAMAHATA, Hiroyuki KOIKE, Tatsuo FUKUDA, Yoshio SHIMIZU and
Takao TAKENOUCHI
連続繊維 CFRTP を空気圧式の圧縮成形機により，不連続繊維 CFRTP を真空成形機により加工し，曲げ強さ，曲げ弾性率，シャルピー衝撃強さを評価した。連続繊維 CFRTP においては，加工時の金型温度が高い程，全ての物性値が高くなった。加工時に加える圧力が 1 MPa を超えて高くなるにつれ，物性は低下した。V 字
加工品の曲げ強さ及びシャルピー衝撃強さは，金型温度が低い場合でも高かった。コの字加工品の物性は，側面部の金型クリアランスが元の板厚未満では，金型クリアランスが狭くなるほど低下した。不連続繊維
CFRTP の物性は，加工時の金型移動（突き上げ）距離が大きく，材料温度が高いほど，低くなった。
Key words: 炭素繊維強化熱可塑性プラスチック，圧縮成形機，真空成形機，物性

１

はじめに

Vf : 20 %近年，短時間で加工が可能な炭素繊維強化熱可塑性プ
ラスチック（CFRTP）が自動車分野において注目されて

２．２

加工方法

２．２．１

連続繊維 CFRTP の加工方法

おり，今後の利用拡大が見込まれている。我々はこれま

予備加熱方法，加工方法は既報に従った 1)。連続繊維

で，CFRTP 加工法の拡大のため，空気圧式の圧縮成形機

CFRTP 材料は，加工前に 80 ℃で 15 時間乾燥させた。予を用いた連続繊維 CFRTP の加工及び真空成形機を用いた備加熱温度は，全ての実験で 280 ℃に統一した。テスト

不連続繊維 CFRTP の加工の可能性を探っており，各加工

ピース（80×10 mm）を用いた試験では金型を用いず,成1)法により，コの字加工品や箱型加工品を作製した 。一形機の熱板で加圧した。V 字及びコの字加工品は、5 層方，これらの加工法で加工した CFRTP 加工品の物性につ品を用い、図１及び既報 1) の金型で加工した。

いてはデータがなかった。CFRTP は強度が求められる部

なお，空気圧式の圧縮成形機の場合，成形機の圧力設品に使われる材料であり，新たな加工法で加工した定値で型閉じの速度が変化する。本研究では，加工品のCFRTP 加工品の物性を調査することは重要である。

寸法の関係上，成形機の圧力設定値は，テストピースをそこで本研究では，連続繊維 CFRTP の各加工条件が物性に与える影響について調査したので報告する。
２２．１

用いた試験では全て 0.4 MPa，V 字加工品の加工では 0.3
及び 0.6 MPa（材料に対して，それぞれ 0.5 及び 1 MPa

研究の方法

材料

CFRTP は以下のものを用いた。
連続繊維 CFRTP（一村産業(株)製）
マトリックス : ナイロン 6（PA6）
厚さ : 0.8 mm（4 層品）及び 1.15 mm（5 層品）
Vf : 50 ～ 55 %（3K 平織り）
不連続繊維 CFRTP（東レプラスチック精工(株)製）
マトリックス : PA6
厚さ : 1.2 mm*

栃木県産業技術センター**

株式会社シンシ

図１

県南技術支援センター

V 字加工品金型形状簡略図（単位：mm）；(a)雄型，(b)雌型− 57 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）で加圧），コの字加工品の加工では 0.5 MPa（底面に対考えられる。

して 1 MPa で加圧）とした。
２．２．２

予備加熱した連続繊維 CFRTP に対し，各金型温度で加不連続繊維 CFRTP の加工方法

圧すると，板厚にかかわらず，金型温度の上昇に伴い，

1)

加工方法は既報に従った 。不連続繊維 CFRTP 材料は，曲げ強さが直線的に上昇した（図３）。各金型温度で加加工前に 120 ℃で 15 時間以上乾燥させた。予備加熱温

圧したテストピースの表面を SEM 観察すると，金型温度

度は 208 ℃又は 220 ℃とした。箱型加工品の寸法は，の上昇に伴い,表面の炭素繊維の露出が少なくなり，金150 × 200 × 10 mm 及び 96 × 140 × 20 mm であり，

型温度 180 ℃では炭素繊維の露出はほぼなくなった（図それら加工時の金型移動（突き上げ）距離はそれぞれ 30４）。金型温度が高温であるほど，材料と金型接触時にmm 及び 50 mm とした。

マトリックス樹脂の固化を遅らせることができ，加圧に２．３よりマトリックス樹脂が含浸され，結果として物性が上

評価

全ての物性試験は，切り出し等により 80 × 10 mm の昇したものと思われる。

寸法の試験片を作製し，実施した。

ところで，図３で実施した曲げ試験では，ばらつきが3 点曲げ試験は，万能材料試験機（オートグラフ AG-M1（AG-X/R

REFRESH）（㈱島津製作所））を用いて，JIS大きい結果となった。この考察のため，5 層品の全曲げ
試験結果（n = 15）を図５に示す。加工前のテストピー

K7074 を参考に行った。試験速度は 3 mm/min，支点間距
離は 42 mm とした。
シャルピー衝撃試験は，デジタル衝撃試験機（DG-UB（㈱東洋精機製作所））を用いて，JIS K7077 を参考に行った。打撃方向はフラットワイズ,ひょう量は 7.5 Jとした。
なお，不連続繊維 CFRTP は，本方法では破壊せず，測定不可であった。
CFRTP の観察は，走査型電子顕微鏡（JSM-6510LA（日本電子㈱），以下，SEM と表記）を用いて行った。観察
図３に当たり，試料は金蒸着した。

各金型温度で加工したテストピースの曲げ強さ；(a)4 層品，(b)5 層品

３３．１

結果及び考察連続繊維 CFRTP テストピースの加熱・加圧

加工前の連続繊維 CFRTP の各物性は，5 層品では，曲げ強さが 670 MPa，曲げ弾性率が 42.7 GPa，シャルピー
衝 撃 強 さ が 54.8 kJ/m2 で あ っ た 。 一 方 ， こ の 材 料 を
280 ℃で加熱し，空冷した試験片の物性は，曲げ強さが320 MPa，曲げ弾性率が 31.6 GPa，シャルピー衝撃強さ

図４

2が 21.7 kJ/m であり，加熱前と比較し大幅に低下した。

各金型温度で加工したテストピース（5 層品）
表面の SEM 像； (a)80 ℃，(b)180 ℃

この試験片を SEM 観察すると，表面で炭素繊維の露出が確認された（図２）。予備加熱により，炭素繊維に対する樹脂の含浸が不十分な状態になり，物性が低下したと

図５

図２

各金型温度で加工したテストピース（5 層品）の曲げ強さの全結果

予備加熱後の連続繊維 CFRTP 表面の SEM 像− 58 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

型温度が高い条件で高い圧力をかけた場合,テストピー
スから マトリックス樹脂が流出していることが光学顕微鏡観察により確認された。これにより，マトリックス
樹脂不足となったことが要因ではないかと思われる。
なお，金型温度及び圧力に対する曲げ弾性率及びシャルピー衝撃強さの関係は，曲げ強さとおおむね同傾向で
あった。
３．２

V 字加工品の物性

図８に，金型温度と V 字加工品の曲げ強さの関係を示す。テストピースを用いた試験と同様，金型温度の
図６

各圧力で加工したテストピースの曲げ強さ；

上昇に伴い，曲げ強さは高くなった。一方，金型温度が低い条件であっても V 字加工品の曲げ強さは高く，(a)4 層品，(b)5 層品

圧力 1 MPa の場合，金型温度 80 ℃であっても予備加熱前の材料と同等の値であった。また，圧力 0.5 MPa の場合であっても，テストピースの試験結果と比較し，型閉じの速度が遅いにもかかわらず曲げ強さが高い結果となった。金型温度 80 ℃，圧力 1 MPa で作製した V
字加工品表面を SEM 観察すると，同条件で加熱・加圧
図７

各圧力で加工したテストピース（5 層品）表面のしたテストピースと比較して，炭素繊維の露出が少な

SEM 像； (a)0.5 MPa，(b)5 MPa（曲げ試験後，圧縮側）

くなっていた（図９）。V 字加工品の場合，型閉じ時にスの曲げ試験結果に対する標準偏差は 51 MPa であった。

材料が金型と接し加圧されるため，加圧前に金型に奪それに対し，加工後では，金型温度 80 ℃では 61 MPa，

われる熱が少なく，金型温度が低い場合であってもマ

140 ℃では 67 MPa であり，加工前と比較し大きな値とトリックス樹脂を含浸できたことが要因と考えられる。

なった。金型温度 180 ℃では 46 MPa であり，加工前と一方，V 字加工品の曲げ弾性率は，テストピースを用

ほぼ同程度であった。ここで，金型温度 180 ℃で，曲げ強さが 543 MPa（図５内，矢印で示したデータ）であったテストピースは，表面に樹脂が行き渡っていなかったのが目視で確認できており，何らかの理由で発生した成形不良と思われる。そこで，このデータを除いた場合の平均値及び標準偏差を求めると，それぞれ 693 MPa 及び
28 MPa となった。より高い金型温度で加工することにより，ばらつきが低減することがわかった。なお，曲げ弾性率及びシャルピー衝撃強さに対する標準偏差は，加工前のテストピースでは，それぞれ 1.5 GPa，8.5 kJ/m2
であったのに対し，金型温度 180 ℃で加工したテストピ

図８2ースでは，それぞれ 1.2 GPa，3.9 kJ/m であった。

各金型温度で加工した V 字加工品の曲げ強さ；(a)1 MPa，(b)0.5 MPa

金型温度 180 ℃で一定とし，各圧力で加圧したテストピースの曲げ強さは，1 MPa 程度で最大値を示し，それ以上では圧力が上がるほど低下した（図６）。低い圧力（0.5 MPa）で加圧したテストピースは，表面の炭素繊維が露出しており，圧力不足により十分にマトリックス
樹脂が含浸されなかったものと思われる（図７a）。一方，5 MPa で加圧したテストピースは，曲げ試験において，圧縮破壊が顕著に現れた（図７b）。これは炭素繊維が座屈することで起こったと思われ，マトリックス樹
脂が炭素繊維を保持できていないことが示唆される。金− 59 −

図９

金型温度 80 ℃，圧力 1 MPa で作製した V 字
加工品表面の SEM 像

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

いた試験結果と比較し，金型温度が低い条件で低くな維が座屈しており，マトリックス樹脂が炭素繊維を保った。原因は不明だが，V 字加工品の加工では，層間で持できていないと考えられる。また，コの字加工品の炭素繊維織物のずれが発生することが，何らかの影響

側面の外側は，金型クリアランスが狭くなるにつれ，を与えたのではないかと思われる。

加工応力がかかる方向に繊維が動いているのが SEM 観

３．３

察により明らかになった（図１２）。このこともコのコの字加工品の物性

図１０に，金型温度とコの字加工品の曲げ強さの関

字加工品側面の曲げ強さ，曲げ弾性率の低下の一因と係を示す。金 型 温 度 上 昇 に 対 す る 曲 げ 強 さ の 上 昇 のなっていると思われる。

傾 向 は 他 の 加 工 品 と 同 様 で あ っ た が ，金 型 温 度 が 低

３．４

不連続繊維 CFRTP の箱型加工品の物性

い 条 件 に お い て ，加 工 品 の 底面の方が側面と比較し曲加工前の不連続繊維 CFRTP の曲げ強さ及び曲げ弾性

げ強さが低かった。 コの字加工品の場合，雄型が材料率は，押出方向に対して，それぞれ 265 MPa，12.8 GPaに接した後，側面部が形成され，最後に底面部が加圧であった。この材料を真空成形機にセットし，208 ℃される。そのため，底面部の加圧が遅れてマトリック

で加熱後，空冷した場合，曲げ強さ及び曲げ弾性率は

ス樹脂の含浸が十分とならず，側面部と比べて底面それぞれ 284 MPa，14.1 GPa であった。本材料は加工部の物性が低くなったと思われる。

温度での加熱による物性低下は少ないものと思われる。

コの字加工品の側面部分の板厚は金型クリアランス

一方，箱型加工品の曲げ強さは，加熱のみを行った材料の影響を受ける。それにより，物性も変化することがと比較し，低くなった（図１３）。また，同じ形状の箱予想される。そこで，重ねる PTFE シート（厚さ 0.1 mm）

型加工品では材料温度が高いほど，同じ材料温度では金の枚数を変えることで金型クリアランスを変えてコの型移動距離（材料をクランプした位置からの金型突き上

字加工品を作製し，物性試験を行った。コの字加工品

げ距離）が大きいほど，物性は低くなった。曲げ弾性率

側面部の厚さ（金型クリアランス）と物性の関係につにおいても同傾向であった。一方，曲げ試験において，

いて，図１１に示す。コの字加工品の側面厚さが薄く

曲げ強さが低いほど，曲げ試験における破断までの変形なる（金型クリアランスが狭くなる）につれ，物性はが大きく，樹脂の特性が強くなった。

低下した。曲げ試験後の試験片では，圧縮側の炭素繊

これは，材料の炭素繊維密度の低下が原因ではない

図１２

コの字加工品（金型クリアランス 1.03 mm）
側面の外側表面の SEM 像

図１０ 各金型温度で加工したコの字加工品の曲げ強さ； (a)加工品底面，(b)加工品側面

図１３

不連続繊維 CFRTP 加工時の金型移動距離と曲げ強さの関係； (a)材料温度 208 ℃，(b)材料温度 220 ℃，加図１１

コの字加工品側面部の厚さ（金型クリアラン

工品寸法 150 × 200 × 10 mm，(c) 材料温度 220 ℃，加工品

ス）と曲げ強さの関係； (a)加工品底面，(b)加工品側面

寸法 96 × 140 × 20 mm− 60 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

かと思われる。真空成形では，軟化した材料を伸ばして(3)連続繊維 CFRTP の V 字加工品は，テストピースを変形させる。不連続繊維 CFRTP を真空成形により変形さ用いた試験と比較し，曲げ強さ，シャルピー衝撃

せようとすると，マトリックス樹脂のみが伸びて変形す強さが高く，曲げ弾性率は金型温度が低い場合低る。これにより，加工後の方が炭素繊維密度が低く，曲かった。

げ強さや曲げ弾性率が低くなったと思われる。

(4)連続繊維 CFRTP のコの字曲げ加工品の物性は，金型温度が低い場合，底面部は側面部と比較し低か

４

おわりに

った。また，金型クリアランスが加工前の板厚よ

CFRTP 加工品を各条件で加工し，物性試験を行い，以り狭い場合，金型クリアランスが狭くなるにつれ下の結果を得た。

低下した。

(1)連続繊維 CFRTP では，全ての加工において，金型(5)不連続繊維 CFRTP 加工品は，金型移動距離が大き温度が高くなるにつれ、物性値は直線的に高くなくなるほど，また材料温度が高いほど，曲げ強さった。

及び曲げ弾性率が低下した。

(2)連続繊維 CFRTP テストピースを用いた試験では，1
MPa 以上の圧力では，圧力が高くなるにつれ，物性値は低下する傾向にあった。

参考文献
1) 大 森 ら ： " 栃 木 県 産 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 書
No.13"，49-51，（2016）− 61 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

共同研究結城紬染色生地見本帳の作成と新製品開発（第３報）
吉葉

光雄*

太田

仁美*

渡辺

智 文 **

Making Sample Books of Yuki-tsumugi Fabrics with Various Colors,
and New Product Development (3rd Report)
Mitsuo YOSHIBA, Hitomi OTA and Toshinori WATANABE
結城紬の色に対する需要動向に応えるため，代表的な色彩について，経糸と緯糸で色の異なる色無地の染色生地見本帳を作成し，見本帳を活用した新製品開発を目標とした。見本帳生地は３００パタ
ーン余の組み合わせ，緯糸に彩度，明度でバリエーションを持たせた生地の測色結果の分析，製織生
地見本を基に，経緯２色にアクセントカラーを加えた生地を製織し，活用例となる小物試作品を作製した。
Key Words： 結 城 紬 ， 見 本 帳 ， 染 色 ， 流 行 色 ， シ ミ ュ レ ー シ ョ ン

１

はじめに

２

結城紬は栃木県，茨城県で生産され，地域の伝統

２．１

研究の方法

生地の製織及び見本帳の作成的な産業として現在も地機による製織が行われてい生地見本を作成する上で，糸の彩度，明度が製織る。従来は，藍をはじめとする落ち着いた色合いがした生地にどのように反映するかは，糸を染色する多かったが，近年は自分の色彩イメージに強いこだ

際 に 重 要 な ポ イ ン ト と な る 2)。 前 報 3)で 染 色 し た 経

わりを持つ消費者が増える傾向があり，結城紬以外

糸を用い，トヨシマビジネスシステム社製４ＤＢｏにも比較的明るく，表現豊かな色彩を持つ着物が多

ｘ

く見られる

1)

。こ の よ う な 市 場 の 変 化 を 受 け ，流 通・小売筋や産地を直接訪れる消費者等から結城紬生地を参照しながら新たに緯糸を染色し，引き続き生地を製織した（図１）。

の色見本の整備を求める必要性が増してきている。
本研究では顧客の需要動向に的確に対応するため，

Ｐｌａｎｓによる製織シミュレーションの結果

また，生地見本帳作成については，既報の通り見易さと作業の効率化を両立させるため，規格をＡ４

これまで代表的な色彩について色無地の生地見本帳

縦とし，経糸は枠付きの別シートとし，生地見本をを作成してきたが，今年度はそれに加え色見本の活貼付したシートと組み合わせ使用することとした。

用例として訴求性の高い配色で小物試作品の作製を
行った。

２．２

図１

製織した生地の測色と耐光堅ろう度の評価

２反目見本帳用生地の経糸
図２*

栃木県産業技術センター紬織物技術支援センター** 渡 辺 染 色 店

カーボンアーク型耐光試験機

製織した生地は，全数をミノルタ製分光測色計
CM-1000 で 測 色 を 行 い ， 基 本 デ ー タ と し て 収 集 整 理− 62 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）した。また，屋外で使用した際，経糸と緯糸が異な生地の判定を行い（図５）、結果を表１に示した。

る生地は日光で変色するが，指標となる耐光堅ろう

処 理 条 件 が 通 常 結 城 紬 に 求 め ら れ る 堅 ろ う 度（ ３ 級 ）度については，繊維技術支援センター所有のスガ試より厳しい条件であったことから，試験を行った試

験機製紫外線カーボンアーク型耐光試験機Ｕ４８Ａ

料 の う ち 58％ が ４ 級 未 満 と な っ た 。判 定 は 目 視 で 行Ｕ（図２）により，４級に相当する２０時間の照射

うが，特に経糸と緯糸が同色あるいは近似しているを行い評価した。

場合，変退色が目立ちやすい一方，色相や明度が大きく異なる組み合わせでは，変退色領域が不明瞭と

２．３

小物の生地製織と製作なる。結城紬では経糸と緯糸の色を変えることで，製織生地見本帳の活用例として，目を引きやすく

耐光堅ろう度については有利になるものと思われる。

若年層にも訴求するため，赤系と緑系でいずれも彩度 が 高 め の ２ 色 を 選 択 し 4)， メ イ ン カ ラ ー と し て 経
糸，緯糸とした。また，アクセントカラーとして製織時に埋没しない色を数色選択した。これらは製織シミュレーションソフト４－ＤｂｏｘＰｌａｎｓで無地，縞柄の作製を行い，これに基づいて実際の製織を行った。
３
３．１

結果及び考察

見本帳の作成図４

カーボンアーク照射後の試料

２ ．１ で 示 し た 条 件 を 満 た す た め に 見 本 帳 の パ ターンを検討した結果，図３の通り作成した。図３のア）には経糸のみを貼付し，生地見本に重ねて使用する。同イ）には緯糸と製織した生地を貼付している。この２枚を重ね生地見本として使用しており，
１反目

経 糸 ７ 色 ×緯 糸 ２ ３ 色

２反目

経 糸 ８ 色 ×緯 糸 ２ １ 色で合計３２９パターンの見本帳を製作した。
なお，緯糸の一部には，センターで保有する残糸を
図５

活用した。
表１
経糸
セット

耐光堅ろう度の判定

耐光試験（４級）の判定結果
経糸№

緯糸
№

1

2

3

4

5

6

7

1

4-

4-

4-

4

4-

4

4

8

4

4-

4+

4

4

4+

4

4

12

4-

4+

4+

4+

4+

4-

4+

23

4-

4+

4+

4+

4+

4+

4

1

4-

4+

4

4-

4-

4-

4-

4

2

4+

4-

4

4

4-

4-

4-

4

3

4

4-

4

4-

4-

4-

4-

4+

4

4

4-

4-

4-

4-

4-

4-

4

5

4-

4-

4-

4-

4-

4-

4-

4-

6

4-

4

4

4-

4-

4-

4-

4

紫外線カーボンアーク型耐光試験機で照射した後

7

4-

4-

4-

4-

4-

4-

4-

4-

の生地は，図４で示すように染料が変退色し，いわ

8

4

4

4

4-

4-

4-

4-

4+

Ⅰ

ア）経糸

イ）緯糸と生地
図３ウ）重ね合わせ

製織生地見本帳
Ⅱ

３．２

カーボンアーク照射による変退色

ゆる「日に焼けた」状態になる。この際，４級用ブ
ルースケールも同時に処理を行う。カーボンアーク

また，色相の変化について，照射前後の測色結果

製織色見本生地を２．２に記載した方法で処理したを表２及び図６に示した。照射前後の色差は目視に− 63 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

よる判定結果と符合した。また，Ｌａｂ表色系で縦軸にａ，横軸にｂをプロットした結果，変退色は概ねａ．ｂともに０，つまり彩度が低くなる傾向が確
認 で き た 。ま た ，試 料 № Ⅱ － ６ － ５ で は 経 糸 の 青 色 ，Ⅱ－８－４では経糸のオレンジ色の染料で染色した糸が大きく退色しており，変退色の大きい染料に対応して色相が変化したことを反映している。
表２

カーボンアーク照射後の測色結果

試料№
Ⅰ- 4-5Ⅰ-12-1Ⅱ- 1-1Ⅱ- 1-8Ⅱ- 6-5Ⅱ- 8-4

前
後
前
後
前
後
前
後
前
後
前
後

L
43.9
44.6
49.1
52.8
40.7
42.5
40.8
41.2
50.1
53.6
59.0
59.7

a

b

5.0
4.5
18.7
13.8
24.9
23.0
6.9
5.4
-17.4
-10.6
22.1
18.8

1.7
0.7
-1.6
-2.7
-2.2
-0.7
-7.4
-6.8
-20.2
-12.1
31.4
28.6

色差ΔＥ

判定

1.4

4+

6.2

4-

3.0

4-

1.7

4

11.1

4-

4.4

4-

図７

図６
３．３

小物用縞柄の設計例

カーボンアーク照射後の色相の変化
配色を応用した小物の試作

小物様生地の製織については，２－３のとおり生図８製織した小物用生地（細横縞柄）

地見本帳に使用した染料から２色とアクセントカラ
ー数色を選択した。４ＤＢＯＸ

Ｐｌａｎｓで柄の設計・検討を行い（図７），１パターンあたり３０～５０ｃｍで製織を行った（図８）。なお，実際に縞柄を製織する際は，打ち込み密度で変わる部分もあることから本数で指定した部分と，製織した長さで指定した部分を併用した。
こうして作製した縞柄の生地を用い，トートバッ
グ，手提げ，ハンドバッグ，ネクタイ，袱紗の５点を作製した（図９）。
４

おわりに結城紬生地見本帳作成を目的として種々の検討を行い，昨年度から染色，製織を行った生地を用いて− 64 −

図９

試作した小物

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

以下の通り見本帳作成や測色結果の分析，小物の試

経糸と緯糸を組み合わせた結城紬の生地見本帳は，作等を行った。

着尺だけでなく小物用の無地，縞柄の色決定の際にも活用を見込んでいる。斬新な色使いで作製した小１）効率的に作成できる見本帳の規格を決定し，合計３２９パターンからなる製織生地見本帳を作物と併せて，結城紬の新たな魅力を発信するツールとして活用していく予定である。

成した。
２）紫外線カーボンアーク型耐光試験機で耐光堅ろう度４級相当の照射を行った。目視による判定

参考文献
1) 金 子 優 ，嶋 田 和 正 ，永 田 順 子 ，佐 々 木 和 也 ，清 水

では，経糸と緯糸の色が大きく異なる場合，同裕 子 ： 栃 木 県 産 業 技 術 セ ン タ ー 報 告 ， 7， 63-65

系統の色相の組み合わせに比較して変退色が目(2010)

立ちにくい傾向が見られた。

2) 足 立 達 雄 ほ か ： 色 染 化 学 ２３）生地見本を基に，メインカラー２色を選択して
４ＤＢＯＸ

3)吉 葉 光 雄 ， 小 嶋 一 夫 ， 太 田 仁 美 ， 渡 辺 智 文 ： 栃 木

Ｐｌａｎｓで柄を作成し，小物用

県 産 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 ,No.12,49-52(2015)

生地の製織を行った。製織した生地を使用し，

4)MdN編 集 部：キ ー カ ラ ー で 探 せ る 配 色 見 本 ハ ン ド ブ

生地見本帳の活用方法の提案事例として，バッ

ッ ク ， エ ム デ ィ エ ヌ コ ー ポ レ ー シ ョ ン ， (2013)

グ等の小物を試作した。

− 65 −

Ⅳ 重点研究
Selected Research空白栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点研究

液中レーザ局所改質法の開発とそれを用いた医療用ステンレス鋼の摩擦摩耗特性の向上（第２報）
江面 篤志＊，渡部篤彦＊Improvement of Tribology Characteristic of Stainless Steelby Laser-Induced Locally Treatment in Wet Condition (2nd Report)
Atsushi EZURA and Atsuhiko WATANABE

医療用ステンレス鋼の摩擦摩耗特性向上のため，レーザを用いた新しい表面改質手法である液中レーザ局所改質法の開発を行った。Al(NO3)3 溶液に浸漬させ SUS316L 鋼に対し，レーザ照射処理を施した結果，Al 及び O 成分を含有する改質層の形成が確認された。摩擦摩耗試験の結果，デフォーカス量を 1
及び 2 mm としてレーザ照射処理を施した試験片は，未処理材と比較して摩擦係数が低減し，しゅう動特性の向上が見られた。また，摩擦摩耗試験により形成された摩耗痕を観察した結果，デフォーカス量を 1 及び 2 mm としてレーザ照射処理を施した試験片では未処理材と比較して幅の狭い摩耗痕が認めら
れ摩耗量が低減しており，耐摩耗性が向上したことがわかった。伝熱解析シミュレーションの結果，改質層が形成されるのは，鉄の固溶化温度以上に加熱された場合であることが示された。
Key words :レーザ，表面改質，微細加工，摩擦摩耗試験，オーステナイト系ステンレス鋼

１ はじめにれ深さの関係について明らかにしている。また，山口ら4)

近年，内視鏡を用いた腹腔鏡下手術では，さらなる患は，窒素雰囲気中で純Tiに対しレーザ照射による窒化処理

者の負担軽減のために体にあける孔の小径化が進んでおを行い，表面硬度が向上すること示した。しかし，これり，それに伴い，挿入する鉗子などの手術器具の細径化

らの研究事例で使用しているレーザは出力が大きく，形が進んでいる。組織の把持，切断，縫合といった作業を成される改質層の厚さは数100 µm～数 mmのオーダーで行うため，鉗子は，曲げやひねりなどの運動機能が必要あるため，細径鉗子に用いられる歯車にとっては，過大である。これらの機能を付加するため，鉗子には微小歯な処理となってしまう。

車が使用されており，そのしゅう動面には高い耐摩耗性

そこで本研究では，より局所的な表面改質法の確立をが求められている。鉗子の長寿命化のため，しゅう動面

目指す。100 µm以下の領域の表面改質には低出力レーザには各種コーティングや熱処理などの表面改質を施す必を用いる必要があるが，低出力レーザによる表面改質は，要がある。しかし，小型鉗子に用いられる微小歯車は高拡散成分の供給法が課題である。レーザによる窒化処理

精度形状が要求されるため，基材全体を対象とした表面

では，窒素ガス雰囲気が必要となり，粉末やめっきによ改質法では，要求精度を満たすことが難しい。そのため，る供給では基材表面まで十分に加熱することができない。

歯車の形状変化を最小限に留め，なおかつ表面改質処理

そのため，本研究では，拡散成分を溶液中に溶解させてが行える局所改質法が求められている。

供給する湿式法について検討した。

局所領域を対象とした表面改質には，局所加熱が行え

本研究では，細径鉗子などの医療機器に用いられるオるレーザを用いたものがある1),2)。例えば，川澄ら3)はS45C

ーステナイト系ステンレス鋼SUS316L材の表面改質を行材に対しレーザによる焼入れ処理を行い，入熱量と焼入う。オーステナイト系ステンレス鋼は，焼入れによる表面硬化及び耐摩耗性の向上が望めないため，異元素拡散*

栃木県産業技術センター 機械電子技術部

による表面改質処理が行われている。その中でもAl成分− 67 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）の拡散は多くの利点がある。熱処理を経て形成される

Al-Fe合金層は，表面硬度5)～8)や耐摩耗性9),10)の向上などの特性の付与も期待できる。

試験後は，SEM を用いて摩耗痕を観察し，各試験片の摩耗特性について検討を加えた。摩擦摩耗試験には，デフ
ォーカス量を 0，1，2 mm としてレーザ照射を施した試験

そこで，Al(NO3)3溶液に浸漬させたSUS316L材に対し，レーザ照射を行うことで，Al成分を拡散させる液中レー片のほか，比較として，純水中でレーザ照射を施した試
験片とレーザ照射を施していない試験片を用いた。

ザ局所改質法の開発を目的として基礎実験を行った11)。その結果，硝酸アルミニウム溶液に含まれるAl及びO成分を

表１ 試験片の組成(wt％)

含有する改質層が形成された。また，その改質層はデフ

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Fe

ォーカス量の増大とともに薄くなることがわかった。本

0.018

0.28

1.25

0.037

0.023

12.0

16.25

2.00

Bal.

研究では，これにより形成された改質層の摩擦摩耗特性について明らかにする。さらに，伝熱解析シミュレーシ

レーザユニットョンを用いることにより，レーザ照射時の試験片表層の対物レンズ

温度分布を求めることにより，改質層形成メカニズムの溶液浴解明を行う。

試験片

ステージ

1 mm

２ 研究の方法
２．１ 試験片とレーザ照射条件
本研究では，供試材として表１に示す組成を有するオ
図１ 実験の概略

ーステナイト系ステンレス鋼（SUS316L）を用いた。同材をφ15 mm×4 mm の形状に機械加工した後，一方の端面を SiC 研磨紙および平均粒径 9 μm および 3 μm のダイ

Laser beam

ヤモンド懸濁液を用いて研磨することにより鏡面状に仕上げた。
Specimen

このようにして準備した試験片を図１のように処理シ
ステムのステージに取り付け，10％濃度の Al(NO3)3 溶液

図２ レーザ走査パターン

1 mmに浸漬させた状態でレーザ照射を施した。低出力のパル

Focus position

図３ デフォーカス方向

ス発振ファイバーレーザユニット（YLP-1 IPG.co，波長表２ レーザ照射条件

1064 nm，パルス幅 100 ns）から照射されたレーザ光は焦Wavelength1064 nm

Pulse width

100 nsれる。このレーザユニットを超精密加工機（東洋工学

Repetition frequency

35kHz

LINIMAX）に取り付け，図２に示すようなパターンで走

Power

9W

査した。なお，この際のレーザ照射条件を表２に示す。

Defocus amount0, 1, 2, 3 mm

また，デフォーカスは，図３に示す方向に行った。

Scan rate

50 mm/min

Focal distance

30 mm

点距離 30 mm の対物レンズにより直径約 20 μm に集光さ

２．２ レーザ照射面の摩擦摩耗特性評価方法
被処理面の耐摩耗性を調べるため，往復しゅう動式摩表３ 摩擦摩耗試験条件

擦摩耗試験機を用いて表３に示す条件で摩擦摩耗試験を

Load

0.1 N

実施した。往復しゅう動方式の摩擦摩耗試験の模式図をFriction width3 mm

図４に示す。試験中には，試験機に搭載されたロードセ

Friction speed

300 mm/min

ルにより摩擦力を測定し，摩擦係数の推移を測定した。

Sliding distance

54000 mm

− 68 −

Load
Specimen

Wear track

栃木県産業技術センター
Sapphire pin

研究報告No.14（2017）

ザ照射を施すことで，しゅう動性に優れた改質面を形成

Treated area

できることがわかる。
また，摩擦摩耗試験後の摩耗痕について，SEM を用いて観察した結果を図６に示す。同図より，デフォーカス
量を 1 及び 2 mm としてレーザ照射を施した試験片に形成

図４ 摩擦摩耗試験の模式図

された摩耗痕の幅は狭く，デフォーカス量 0 mm 及び純水
中でレーザ照射を施した試験片と，未処理材に形成され２．３ 伝熱解析シミュレーション
本研究では，レーザ照射時の試験片表層の温度分布をた摩耗痕の幅が広いことがわかる。このことから，デフ求めるために有限要素法による非定常熱解析を用いた。

ォーカス量を 1 及び 2 mm としてレーザ照射を施すことで，なお，使用したプリポストは Femap，ソルバーは NX

高い耐摩耗性を有する改質面を形成できることが明らか

Nastran である。本研究ではガウス分布で表されるエネルとなった。

ギ密度を有するレーザを用いた。シミュレーションの境0.8

界条件として，レーザ照射面上に計算で求めたレーザの

0.7

0 mm

Friction coefficient

エネルギ分布に基づき各節点に配置した。この際，試験片の温度上昇に寄与するレーザエネルギ量を算出するため，本研究で用いた SUS316L 鋼のレーザに対する吸収率を求める必要がある。そこで，自記分光度計を用いることにより，本研究で用いたレーザの波長である 1064 nm

H2O

0.6
未処理材

0.5
0.4
2 mm

1 mm

0.3

の光の吸収率を求めた。また，シミュレーションで用い0.2たモデルのパラメータを表４に示す。

0.1
0
0

表４

5000
Sliding distance mm

SUS316L モデルのパラメータ

Density1064 nmSpecific heat

100 nsHeat conductivity

35kHz

Initial temperature

20℃

10000

図５ 摩擦係数の推移

３．２ デフォーカス量を 1 mm とした場合の伝熱解析シ
ミュレーション結果
伝熱解析シミュレーションにより，デフォーカス量を 1

３ 結果および考察

mm としてレーザ照射を行った場合の温度分布を求めた。

３．１ 摩擦摩耗試験結果

その結果，モデル全体で最高温度まで加熱されたのは，溶液濃度 10％，レーザ出力 9W，走査速度 50 mm/minの条件でデフォーカス量を 0，1，2 mm としてレーザ照射を施した試験片に対し，摩擦摩耗試験を実施した。摩擦レーザ照射領域の中心に配置した節点であり，その温度は，鉄の融点である 1,500℃を超える 5,430℃となっていた。また，この地点より，Z 軸の負方向にある節点の温度

摩耗試験中の摩擦係数の推移を図５に示す。なお，同図についてプロットした結果を図７に示す。同図より最表には，比較のため，純水中でレーザ照射を施した試験片層部において，最も温度が高く，表層部からの距離が増

及びレーザ照射処理を施していない試験片の摩擦摩耗試
験結果も示した。図５より，デフォーカス量を 1 及び 2 mmとしてレーザ照射を施した試験片の摩擦係数が小さく，加するとともに，指数関数的に温度は低下することがわかる。その中で表面からの距離が 26 μm の領域内において鉄の融点である 1500℃以上まで温度が上昇しているこ

デフォーカス量 0 mm 及び純水中でレーザ照射を施したとがわかる。また，表層より 31 μm においては，ステン試験片と，未処理材の摩擦係数が大きいことがわかる。
このことから，デフォーカス量を 1 及び 2 mm としてレーレス鋼の固溶化温度である 1150℃以上の温度となってい− 69 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

表層付近に Al 成分が局在していることがわかる。これはることがわかる。

レーザ照射に伴い，溶液中の Al 成分が拡散したものと考えられる。また，同図よりこの拡散領域は 3～6 μm であることもわかる。これらを併せて考えると，レーザによる熱影響はレーザ照射前の試験片表層部より 34 μm 程度の深さまで及んでいると考えられる。同図より，ステン(a) 0 mm

レス鋼内部に含まれる成分が移動・拡散可能となる固溶(b) 1 mm

化温度まで加熱されるのは，表層より 31 μm までの領域
であることが示されており，レーザによる影響部と同等の領域を示している。このことにより，液中レーザ局所改質法においては，試験片表層部は融解し，鉄の融点である 1500℃から固溶化温度（1150℃）程度まで加熱され(d) 純水(c) 2 mmる領域において，改質層が形成可能であることが示された。

(e) 未処理材
図６ 摩耗痕の SEM 観察像

3000

2500

図８ デフォーカス 1 mm とした時のレーザ照射領域

温度 ℃

2000

の形状測定結果
1500

1000

500

0
0

50

100

150

200

深さ μm
図７ デフォーカス 1 mm とした時の温度勾配

図９ デフォーカス 1 mm とした時のレーザ照射領域断面の EDX による Al 成分の分析結果

図８にレーザを照射した領域の形状測定を行った結果を示す。同図より，レーザ照射によって 28 μm 程度除去されたことがわかる。これは，レーザ照射により融点以３．３ デフォーカス量を 2 および 3 mm とした場合の伝熱解析シミュレーション結果

上に加熱され，溶液中に溶解したものと考えられる。また，同じ試験片を切断し，その断面を EDX により Al 成分の分布について分析した結果を図９に示す。同図より，

次にデフォーカス量を 2 mm としてレーザ照射を施した場合の伝熱解析シミュレーションを行い，前項と同様にレーザ照射領域の中心に配置した節点の最高温度を求− 70 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

めた。その結果，最高温度は 2146℃となり，この場合も鉄の融点を超える温度帯まで上昇していることがわかる。
図１０にレーザ照射領域の中心部での深さ方向の温度についてプロットした結果を示す。同図より，改質層が形成可能なステンレス鋼の固溶化温度まで加熱された領域
は表層より 17 μm であることがわかる。図１１にレーザ照射領域の形状測定結果を示す。また図１２に EDX によりアルミニウム成分の存在領域について分析した結果を

図１１ デフォーカス 2 mm とした時のレーザ照射領示す。両図より，改質層を含むレーザによる影響部はお域の形状測定結果

よそ 14 μm であることがわかる。これと伝熱解析シミュ
レーションにより求めた固溶化温度付近まで加熱される領域と比較するとほぼ一致していることがわかる。
また，伝熱解析シミュレーションにより，デフォーカ
ス量を 3 mm とした場合の最高温度を求めた。その結果，最高温度は 1150℃となっており，鉄の融点には達していないことが示された。デフォーカス量を 3 mm としてレー

図１２ デフォーカス 2 mm とした時のレーザ照射領

ザ照射を施した試験片のレーザ照射領域付近に Al 成分は域断面の EDX による Al 成分の分析結果検出されておらず，改質層が形成されていないことが明らかとなっている。シミュレーション解析結果と併せて４ おわりに考えると，固溶化温度を十分に上回り融点と同程度まで

本研究では，医療用オーステナイト系ステンレス鋼の加熱されなければ改質層は形成されないことを示唆して耐摩耗性向上のため，新しい表面改質法の開発を目指し，いる。

Al(NO3)3 溶液に浸漬させた SUS316L にレーザ照射を施した試験片に対し，摩擦摩耗試験を行った。また，改質層形成のメカニズムについて明らかにするため，伝熱解析

3000

シミュレーションを行い，レーザ照射時の温度分布を求2500

め，改質層形成に必要な温度分布について検討した。以
2000

温度 ℃

下に得られた知見を示す。
(1) 摩擦摩耗試験の結果，デフォーカスを 0 mm としてレ1500

ーザ照射を施した試験片は，未処理材と比較して摩

1000

擦係数および摩耗量に大きな差異は見られなかった。
500(2) デフォーカス量を 1 及び 2 mm としてレーザ照射を施した試験片は未処理材と比較して摩擦係数の低下，

0
0

50

100

150

200

深さ μm

図１０ デフォーカス 2 mm とした時の温度勾配

さらに摩耗量の低減が見られた。
(3) 伝熱解析シミュレーション解析の結果，鉄の固溶化
温度以上に加熱することで改質層が形成されることが示された。

− 71 −

栃木県産業技術センター

研究報告

謝

No.14（2017）

5)

辞本研究の遂行にあたり，慶應義塾大学
特定国立研究開発法人理化学研究所

記して深謝いたします。

2)

Technology", 174-175(2003),559.
7)

佐々木朋裕, 八高隆雄 : "鉄と鋼", 89, 12(2003),
1227.

8)

有川秀一, 宗木政一, 大久保弘, 阿部富士雄, 八高

参考文献
H.Niino and A.Yabe : "Appl. Phys. Lett.", 63,

9)W.Kai and R.T.Huang : “Oxidation of Metals”,(1993), 3527.

10) 八高隆雄, 小林重昭, 佐々木朋裕 : "鉄と鋼", 89,

田辺郁男, 山口直也, 水谷淳之介, 渡辺哲也, 板垣
薫:"日本機械学会論文集（C 編）", 69, 685(2003),
2470.

3)

and

S.Tomida and K.Nakata : "Surface and Coatings

隆雄 :
1)

H.Anterwitsch,

Society", (2006), 167.
6)

生には有益なご助言を賜りました。また，本研究は（公財）天田財団の支援を受けて実施いたしました。ここにT.Schoeberl,

J.Bruckner : "The Minerals, Matels and Materials

小茂鳥教授，

大森先生，片平先

M.Potteser,

川澄博通, 新井武二 : "精密機械", 47, 6(1981),"日本金属学会誌", 73, 9(2009), 695.

48,1-2(1997), 59.
11(2003), 1178.
11) 江面篤志， 渡部篤彦 : "栃木県産業技術センター研
究報告", 12(2016), 71

669.
4)

K.Nishio, T.Yamaguchi, H.Era, and M.Katoh : "本研究は，公益財団法人 JKA 補

Materials Transactions", 45, 5(2004), 1613

助事業により整備した機器を活用して実施しました。

− 72 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点研究

高能率高品位加工を可能とする ELID 研削用弾性砥石の開発
稲澤 勝史*

江面 篤志*

Effect of Binding Material and Hardness of Grinding Wheel for ELID Technique on Grinding
Properties
Katsufumi INAZAWA and Atsushi EZURA

プラスチックレンズ金型には高品位な仕上げ加工が求められており，一般に職人による手磨きにより行なわれている。しかし，形状精度を低下させ，熟練技術を必要とし，また加工能率が低い課題があり，自動化による鏡面仕上げ加工が期待されている。本研究では，弾性砥石を適用した ELID 研削法を提案し，ボンド材のゴム材料を選定して，砥石摩耗の低減と機械加工に適切な硬さの検討を行った。ブチルゴムを用いた砥
石では，現状用いられている NBR 砥石に比べて砥石摩耗が 35 %以上低減し，除去量の向上及び表面粗さの低減を実現した。また，デュロメータ硬さ A 91 の砥石を用いた加工では，高い除去能力と高品位加工を両立可能であることがわかった。
Key words: 弾性砥石，ELID 研削法，表面粗さ，除去能率，高品位加工

１

はじめに

ーボンド砥石を用いた熟練技能を必要としない研磨レ

プラスチックレンズ金型をはじめとする射出成形用

ス加工の実現を図る。

の金型には，成形品の離型性及び意匠性の向上，金型のこれまでの導電性ラバーボンド砥石では，ELID 時の酸

疲労強度の向上等の観点から，高品位な仕上げ加工が求化架橋反応により，砥石表面の硬化・脆化層が多く，摩められている。仕上げ加工は，一般に職人による手研磨

耗が多いことが問題となっていた 4)。このことは，砥石

加工が行なわれているが，熟練技術を必要とし，かつ形

形状の崩れに加え，脱落した砥粒により加工面性状に悪状精度の低下や加工能率が低いといった課題があり，代影響を及ぼす。一方，ボンド材のゴム組成により異なる

替加工法として，自動化がしやすい固定砥粒加工による

酸化架橋反応が生じることが推測されるが，ゴム組成の鏡面仕上げが期待されている。

適切な選択についてはこれまで報告された例はない。ま固定砥粒加工は一般には高硬度な砥石が用いられる

た，使用するゴム材の硬さにより相手形状追従性及び砥

が，金型等の複雑表面形状への追随加工は容易ではな

石摩耗の関係が異なってくると考えられるため，機械加い。これに対し，弾性変形を利用して磨き加工を行うゴ

工で用いる上では，適切な硬さを検討する必要がある。

ム砥石が実用化されているが，砥粒の保持力が弱いため

本報告では，ボンド材のゴム材料及び硬さに着目して導電性ラバーボンド砥石を試作し，金型を想定したステに研削能率が低いことが問題となっている。
炭素の微粒子であるカーボンブラックにより導電性ンレス鋼に対し ELID 研削を行なうことで，砥石の組成を 付 与 し た 導 電 性 ラ バ ー ボ ン ド 砥 石 は ， ELIDが研削特性に及ぼす影響を明らかにしたので報告する。

(ELectrolytic In-process Dressing)研削法 1)の適用により砥石表面のゴムが酸化架橋反応を起こし，適度に硬化・脆化することで，砥粒の保持力及び自生作用の向上

２
２．１

研究の方法

新しいボンド材の検討が期待できる。また同時に，砥石の導電性を確保していゴム材料は，その化学構造からジエン系ゴムと非ジエるカーボンブラックが酸素と反応して減少し砥石表面

ン系ゴムの二種類に大別できる。ジエン系ゴムは酸化なの電気抵抗が上昇することで，過度な硬化・脆化の抑制

どの化学的外部刺激に影響されやすく，一方で非ジエンが期待できる2),3)。

系ゴムは，酸化による劣化等に対する安定性に優れてい

そこで本研究では，最も高品位加工が要求されるプラる特徴を持つ 5)。これまで，導電性ラバーボンド砥石にスチックレンズ金型の仕上げ加工を想定し，導電性ラバ*

栃木県産業技術センター

機械電子技術部− 73 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

表２

定圧研削実験条件
NBR砥石，ブチル砥石

砥石
研削条件

電解条件

主軸回転数
荷重

45 N
CG-7（水道水で50倍希釈）

無負荷電圧値：30 V，最大電流値：6 A
SUS420J2（φ10 mm）

電解実験装置表１
電解条件

100 min -1 （φ100 mm）

研削液
被削材

図１

（デュロメータ硬さA 95）

電解条件

無負荷電圧値：30 V，最大電流値：6 A

電解液

弱導電性研削液

CG-7（水道水で50倍希釈）
ELID電源東洋工学(株)

ED905

砥石

図３

定寸研削実験装置

表３

定寸研削実験条件

WA1200導電性ラバーボンド砥石（ブチルゴム）
デュロメータ硬さA 87，91，95

図２

定圧研削実験装置

砥石周速度

63 m/min送り

10 mm/min

切込み

z方向に20 µm切込み、z位置固定で10往復

相手材

SUS420J2

は，スチレン・ブタジエンゴムやアクリロニトリル-ブ

た。また砥石摩耗量の測定には，図２に示すＡ－Ａ断面

タジエンゴム（以下，NBR）といったジエン系ゴムが用の形状を表面粗さ測定機（アメテック㈱ Form Talysurf

いられてきた。ジエン系のゴム結合材は ELID 研削時のPGI800）にて測定し，砥石の摩耗面積から砥石全周にお酸化架橋反応を効果的に行えると考えられ，非ジエン系

ける摩耗量を算出した。加工後の被削材の表面粗さ測定

ゴム結合材は，電解時の砥石表面の脆化反応を抑え，砥

には非接触表面性状測定機（アメテック㈱ タリサーフ

石の摩耗を低減する効果が期待できる。

CCI-MP）を用いた。

本研究では，ボンド材としてジエン系ゴムの NBR と非２．２

適切な硬さの検討

ジエン系ゴムのブチルゴムを用いることとした。これら

前述したとおり，当該砥石はカーボンブラックが含まのゴム材料を使用し， WA#1200 砥粒を含有した NBR 砥石

れているため，導電性が付与されているが，カーボンブとブチル砥石を試作した。

ラックはボンド材の硬さにも影響しており，カーボンブ

試作した砥石が ELID 研削に適用可能かを確認するた

ラックの量を変えることでボンド材の硬さを調整する

め，図１に示す装置を用い，表１の条件で電解実験を行ことができる。これにより，デュロメータ硬さ A 95，91，

った。砥石表面の酸化架橋反応の確認には，赤外分光（以87 の砥石を試作した。なお，ゴム材料にはブチルゴムを下，IR）分析装置（㈱島津製作所 IRPrestige-21）を用

用いた。

いた。

一般的に，カーボンブラックの量が少ないほど硬さをまた，図２に示す装置により，ゴム材料による ELID低減できるが，カーボンブラックの量が少ないと導電性

研削特性の変化を評価した。実験条件は，予備実験によが低下するため，ELID 研削が適用できなくなることが懸り適当な条件を導出し,表２に示すとおりとした。

念される。このため，図１の装置を用い表１の実験条件

砥石の研削能力は，被削材除去量と砥石摩耗量及び表
面粗さを測定することにより評価した。なお，被削材除にて，各砥石に対して電解実験を行い，試作した砥石にELID が適用できるかを確認した。

去量の測定は，ダイヤルゲージを用いて，被削材表面のまた，図３に示す装置により，定寸加工実験を行い，５箇所における１０分ごとの除去高さを測定し算出しボンド材の硬さが被削材の除去量と表面粗さ，砥石摩耗− 74 −

栃木県産業技術センター

80

70

70

60
C-O-C

電解後

50
透過率

透過率

60
50

C-O-C

40

40

砥石摩耗量 mm3

%

%

電解後

30

30

20

電解前

電解前

20

10
1900 1700 1500 1300 1100 900 700
波数 cm-1

1900 1700 1500 1300 1100 900 700
波数 cm-1(a) NBR 砥石
図４

50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0

(b) ブチル砥石砥石表面の赤外分光分析結果

研究報告

No.14（2017）

NBR_ELID無NBR_ELID有ブチル_ELID無ブチル_ELID有
21.6

35.2

17.0

16.9

NBR_ELID無NBR_ELID有 ブチル_ELID無 ブチル_ELID有

図６

加工後における各砥石の摩耗量

7ブチル砥石_ELID有累積除去量 mm365
4

NBR砥石_ELID有3
2

NBR砥石_ELID無

1ブチル砥石_ELID無

0
0

10

20

30

40

50

(a) NBR 砥石

時間 min

図５

定圧研削実験結果

図７(b) ブチル砥石

ELID を適用した各砥石による加工面量に及ぼす影響を検討した。実験条件は，予備実験によれた。これに対し ELID を適用した場合では，累積除去

り適当な条件を導出し,表３に示すとおりとした。なお，

量と時間の関係はおおよそ比例関係にあり，特にブチル

被削材除去量の測定は，図３に示す点線部の形状を表面

砥石は除去能率が高いことがわかる。

粗さ測定機（アメテック㈱ Form Talysurf PGI800）に摩耗量を比較するため，加工後の各砥石の摩耗量を算て測定し，得られた除去面積に被削材の幅を乗じて除去出した。図６に各砥石の摩耗量を示す。同図より，ELID量を算出した。加工後の被削材の表面粗さ測定には非接を適用したブチル砥石では，NBR 砥石に比べて 35 %以上

触表面性状測定機（アメテック㈱ タリサーフ CCI-MP）の摩耗低減を実現していることがわかる。ブチル砥石でを用いた。加えて，砥石摩耗量の測定には非接触輪郭形

は，ELID による砥石表面の脆化層の発生が抑制され，砥状測定機（三鷹光器㈱ MLP-3SP）を用い，加工前後の砥

石摩耗が減少したことに起因すると考えられる。

石径を測定し，その差分から算出した。

また，前述したように，砥石摩耗は加工面の表面性状に悪影響を及ぼす。このため，ELID を適用した NBR 砥石

３
３．１

結果及び考察及びブチル砥石を用いて加工した被削材の表面粗さを新しいボンド材の検討測定した。結果を図７に示す。同図より，NBR 砥石を用電解により砥石表面の電気抵抗値は 0.2～2 kΩからいた加工では，被削材表面に細かな傷が残っており，Ra40 MΩ以上に増加し，砥石表面の不導体化を確認した。

が 2.3 nm であるのに対し，ブチル砥石を用いた加工で電解前後の砥石表面の IR 分析結果を図４に示す。同図

は，NBR 砥石を用いた加工の様な傷は見られず，Ra が 1.2より，電解後には 1150cm-1 付近に新たなスペクトルの吸nm を実現していることがわかる。このことは，先の砥石収帯が発生したことがわかる。これは，C-O-C 逆対称伸摩耗に起因し，脱落した砥粒が加工面に傷を残したもの

2)

縮振動等によるものと考えられ ，ゴム分子同士の炭素と考えられる。一方で，ブチル砥石では摩耗及び砥粒のが分子間で酸素により架橋されたことを示している。以

脱落を抑制できたことにより，粗さの低減を実現できた

上より，試作砥石が ELID 研削に適用可能であることがと考えられる。

確認できた。

以上より，ブチル砥石を用いた加工は， NBR 砥石を用

図５に各砥石の被削材除去量の時間変化を示す。比較

いた加工より，砥石の摩耗を低減でき，高い除去能率とのため ELID 研削を適用しない場合の除去量も示した。

表面粗さの低減を実現できることがわかった。

同図より，ELID を適用しない場合は，両砥石とも 20 分

３．２

以降では急激に単位時間当たりの除去量の減少が見ら

適切な硬さの検討

電解実験前後の砥石表面の電気抵抗値を表４に示す。

− 75 −

研究報告

No.14（2017）

同表より，電解実験によって，試作した各砥石の砥石表25.0

除去量 x10-3mm3

22.3 Ra:9.7 nm

面が不導体化しており，ELID が適用できることが確認できる。
試作した砥石を用いて加工実験を行い，砥石の硬さと除去量及び表面粗さの関係を図８に示す。表面粗さにつ

除去量

20.0

Ra
15.0
11.7
10.0
7.1

Ra:2.7 nm
Ra:2.1 nm

5.0
0.0

いては，ばらつきを評価するため標準偏差σを算出し，

87

91
デュロメータ硬さ A±3σの値をエラーバーとして示した。なお，除去量の図８

定寸研削実験結果

16.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0

表面粗さRa nm

栃木県産業技術センター

95

算出には図９に示す除去面積を用いた。
図８より，硬い砥石を用いることで，多くの除去量が得られたことがわかる。一方で，硬さ 95 の砥石を用いた場合では Ra が 9.7 nm であったものに対し，硬さ 91の砥石を用いた場合では Ra が 2.7 nm となり，表面粗さが大きく低減したことがわかる。しかし，硬さ 87 の砥図９石を用いた場合では Ra が 2.1 nm となっており，硬さ 91

加工後の被削材断面形状（硬さ 95 の砥石を用いた加工後）の砥石を用いた場合に対して大きな変化はなかった。また，硬さ 95 の砥石を用いた場合は，表面粗さのばらつ

４

きが大きく，Ra が 10 nm を超える場合もあるのに対し，おわりに硬さ 91 及び硬さ 87 の砥石を用いた場合では粗さのばら

本研究では，高能率高品位加工を可能とする ELID 用

つきも少なく，Ra が 3 nm 以下を達成した。ここで，プ弾性砥石の開発を目的として，砥石のボンド材配合におラスチックレンズ金型の仕上げ加工を想定した場合，Raける新規ゴム材料の検討及び硬さの異なる砥石の作製

が 10nm 以下という精度が求められているため

6)

，手磨

きの代替加工として用いるためには，安定して Ra が 10と加工実験を通して以下の知見を得た。
(1)

nm 以下の加工が可能な砥石が適当であると考えられる。
加工前後の砥石半径より摩耗量を測定した結果，硬さブチル砥石は，NBR 砥石に比べ砥石の摩耗を低減でき，高い除去能率と高品位加工を実現できる。

(2)#1200 ラバーボンド砥石（デュロメータ硬さ A 91）

95 の砥石においては 3.9 µm の砥石摩耗が見られた。一を用いた加工では，高い除去能力と高品位加工を方，硬さ 91 及び 87 の砥石では摩耗が確認できなかった。

両立できる。

砥石の摩耗を抑えて多くの被削材を加工できる硬さ 91の砥石は，コスト低減につながるだけでなく，高い形状謝精度を達成することができるため，金型等の精密加工においては有用であると考えられる。

辞本研究の遂行にあたり，茨城大学工学部
特定国立研究開発法人理化学研究所

以上より，本実験条件において，高品位加工と高い研

研究室

伊藤先生，

大森素形材工学

大森先生，上原先生，並びにキーパー㈱の皆削能力とを両立可能な砥石は，硬さ 91 の砥石であると様には，有益な御助言・御協力を賜りました。ここにいえる。なお，高硬度砥石（メタルレジンボンド砥石）

感謝の意を表します。

で同程度の表面粗さを達成するためには，#4000 以上の砥石を用いる必要がある。このような砥石を用いるため

参考文献には切込みを 1 µm 以下にしなければならず，正確な段

1) 大森 整ほか："精密工学会誌"，79（ 4），278-286（ 2013）

取りが必須となる。これに対し，本研究にて開発した砥

2) 塚越 広光ほか："砥粒加工学会誌"，52（ 6）， 339-342

石は 20 µm 以上の切込みでも加工が可能なため，自由曲
面の加工に有利な砥石だと考えられる。
表４（2008）
3) 伊藤 伸英ほか："砥粒加工学会誌"，54（ 2）， 101-104砥石表面の電気抵抗値

デュロメータ硬さ A

電気抵抗値（2010）
4) 長谷川 勇治ほか："砥粒加工学会誌"，50（1），30-33（2006）

電解前

電解後

87

9.4 kΩ

40 MΩ以上

5) 前田 守一："日本ゴム協会誌"，51（ 8），632-640（ 1978）

91

1.6 kΩ

40 MΩ以上

6) 河合 知彦ほか："先端技術大賞論文"，19，（2005）

95

0.2 kΩ

40 MΩ以上− 76 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点研究

油水分離フィルターの開発
佐伯

和彦*

竹澤

信隆*

Development of Hydrophilic Filter for Oil-Water Separation
Kazuhiko SAEKI and Nobutaka TAKEZAWA

油水分離において，簡易な手法を用いた低コストな分離フィルターの開発を行った。本研究ではス
テンレスメッシュを親水化処理することにより，水は通過するが，油は通過しないフィルターを考案
し，油水分離を可能とした。分離特性発現の要因を調べるために，水中における油の濡れ性評価を行い，分離フィルターは油に対して濡れないことが分かった。また，分離フィルターは 20 回の分離試験
でも分離性能を維持し，耐酸性及び耐熱性を有していることが分かった。
Key Words: 油水分離，分離フィルター，アルミナ，親水化

１ はじめに油と水を分離回収する技術は，油を扱う業界で排水処理などに用いられている。油は，機械，自動車，電機電子，食品などあらゆる業界で取り扱われていることから，油水分離技術の対150 メッシュ

象は産業界全般にわたる。

300 メッシュ

写真 1 ステンレスメッシュの写真

また，油水分離技術は，河川域・海域に流出した油の分離回収にも用いられている。

250 メッシュ

100μm

２．２ 油水分離特性の評価

主な油水分離技術には，比重差を利用した静置分離や遠心分
1)～3)

油と水の分離には，メンブランフィルター用ろ過器を使用し，。しかし，静置分離は分離に長時間得られた分離フィルターを用いて分離試験を行った。予め水でかかり，遠心分離では分離装置が大きく，吸着分離では処理量

湿らせた分離フィルターに，n-ヘキサンを油相として，油と水が少なく吸着材の再利用が困難である等の課題を有する。

をそれぞれ 10ml 含む混合液を注ぎ，自然落下で分離試験を行っ

離，吸着分離等がある

そこで本研究では，これらの課題を解決するために，簡便性，た。

再利用性，耐久性を兼ね備えた油水分離の技術開発を目的とし，次に，油水分離特性発現の要因を調べるために，接触角計を親水化処理したステンレスメッシュのフィルターを用いた分離

用いて，油の水中における分離フィルターに対する濡れ性を三方式を開発した。

態系(フィルター／水／油)で評価した。このとき油相には n-ヘキサデカンを用いた。
２ 研究の方法

さらに，粘度の異なる油の分離特性について調べるために，

２．１ ステンレスメッシュの親水化処理

低粘度から高粘度の範囲の油 3 種について油水分離試験を行っステンレスメッシュは，メッシュ数の異なる 150，250 及び 300

た。
油はそれぞれ，低粘度油(n-ヘキサン)，
中粘度油(ISO VG22)，

メッシュの 3 種を用いた。用いたメッシュを写真 1 に示した。

高粘度(ISO VG100)を用いた。分離フィルターには 250 メッシュ

これらのメッシュを粒径 0.05μm のアルミナ濃度 20mass％のを用い，引き上げ速度 5mm/s で作製したフィルターを用いた。

スラリーに 10 秒間浸漬した後引上げ，スラリーをメッシュにデ以下の評価には，ことわりがなければこの条件で作製した分離ィップコートした。引上げ速度は 5mm/s 及び 30mm/s で行い，異フィルターを用いた。

なる引上げ速度により得られるフィルターのコーティングの状

２．３ 分離フィルターの再利用性・耐久性

態の違いを検討した。

分離フィルターの耐久性を調べるために，油相を n-ヘキサン

スラリーをコートした後，メッシュを 100℃で 1 時間乾燥してとし油水分離操作を 20 回まで繰り返し行った。

分離フィルターを得た。
*

栃木県産業技術センター 材料技術部

この20 回分離操作を行った分離フィルターの油に対する濡れ性を評価するために，2.2 で述べた三態系での濡れ性評価を行った。

− 77 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

耐久性の試験として，セロハンテープによる分離フィルター
表 1 油水分離における分離時間の結果のテープ剥離試験を行い，試験後の評価は外観観察及び油水分離試験を行った。
また，折り曲げ試験として，分離フィルターを 90°及び 180°

分離時間(秒)

引上げ速度
mm/s

150 ﾒｯｼｭ

250 ﾒｯｼｭ

300 ﾒｯｼｭ

30

7

12

327

5

分離不可

8

10

に折り曲げたときのアルミナ層の破損状況の観察及び油水分離特性を評価した。
耐化学薬品性として，耐酸性と耐アルカリ性について試験を行った。濃度１M の塩酸水溶液と水酸ナトリウム水溶液にそれぞ

表 2 分離フィルターの開口面積

れ，分離フィルターを 24 時間浸漬した後，外観と油水分離特性を評価した。
耐熱性については，分離フィルターを 300℃，1 時間加熱した

開口部面積(μm2)

引上げ速度
mm/s

150 ﾒｯｼｭ

250 ﾒｯｼｭ

300 ﾒｯｼｭ

30

1661

167

-

5

3028

686

259

ときの外観と油水分離特性を評価した。
３ 結果及び考察
３．１ ステンレスメッシュの親水化処理
異なる引上げ速度とメッシュ数の組み合わせによって得た分

30mm/s-250mesh

離フィルターを写真 2 に示した。同じ引上げ速度の場合では，5mm/s-250mesh

メッシュ数が大きい，つまり目開きが小さいほど１つの目の開30mm/s-150mesh

口部が小さくなった。また，同じメッシュ数の場合では，引上5mm/s-300mesh

げ速度が早い方が目の開口部は小さくなった。
引上げ速度

150メッシュ250メッシュ300メッシュ

30mm/s

図 1 分離フィルターの開口面積と分離時間
３．２ 油水分離特性の発現5mm/s

三態系(フィルター／水／油)における濡れ性を評価した結果について，分離フィルターに接触させる前，接触中及び接触後100μmの状態を写真 3 に示した。接触後の写真から分かるように，油写真 2 異なる引上げ速度とメッシュ数により得られた
分離フィルターは分離フィルターに接触しても付着することがなく，分離フィ
ルターは超撥油性を示すことが分かった。よって，油水の分離

これらの分離フィルターを用いて，n-ヘキサンを油相として分離操作を行ったときの分離時間を表 1 に示した。分離時間は

機構は，フィルターの撥油性により油がフィルターを通過できず，水のみがフィルターを通過するためと考えられる。

目の開口部が小さいほど長くなった。引上げ速度 5mm/s で親水

次に，低粘度から高粘度の 3 種の油の分離試験を行った結果化した 150 メッシュの分離フィルターでは，水，油ともフィルを写真 4 に示した。その結果，写真のとおり 3 種の油とも分離

ターを通過してしまい分離が不可能であったことから，分離可可能であった。よって，本研究による分離フィルターは低粘度能とする目の開口部の大きさには限界があることが分かった。

から高粘度の広範囲の油に対する油水分離に適用可能である。

次に，これらの分離フィルターの開口部の面積を表 2 に示し接触前た。引上げ速度 30mm/s による 300 メッシュの分離フィルターについては，目の開口部分が小さいために測定はできなかった。
また，表 1 及び表 2 から開口面積と分離時間の関係を図 1 に示した。図より開口面積が小さくなるほど分離時間が長くなる
ことがわかる。引上げ速度 30mm/s で 300 メッシュを用いたフィ
ルターについては，分離時間は 327 秒と極端に長い。その開口
面積は開口部が小さすぎて測定が不可能なほど小さいため，分
離時間が長くなったと考えられる。

− 78 −

接触中

接触後

ﾌｨﾙﾀｰ
水
油

写真 3 分離フィルターの水中における油の濡れ性の結果

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

性を持つため取扱いやすい分離フィルターといえる。
耐化学薬品性については，耐酸性試験前後ではフィルターの分離前

外観は変わらなかった。また，試験後の油水分離試験においても分離特性を有していることが分かり，耐酸性に優れた分離フィルターであることを確認できた。
一方，耐アルカリ性については，浸漬後にアルミナ層の構造部が剥離してしまい，耐アルカリ性は低いことが分かった。

分離後

以上より本研究における分離フィルターは，酸性から中性までの溶液に使用可能であることが分かった。
さらに，耐熱性については，写真 7 に示したとおり分離フィ
ルターを 300℃で加熱した後の外観に変化はなく，油水分離試験
低粘度においても分離特性を維持していることが確認できた。したが⾼粘度

写真 4 粘度の異なる油の分離試験結果って，フィルターが油で汚れた場合でも，油の汚れを加熱により除去し，再利用できる可能性が期待できる。

３．３ 分離フィルター再利用性・耐久性
分離フィルターの再利用性を検討するために，分離操作を 20
回繰り返し行った結果，最後まで分離可能であった。面積
1.13cm2 を有する分離フィルターの１回当たりの処理量(40ml)

加熱前

加熱後

写真 7 加熱前後の分離フィルター

2から，分離フィルターは処理能力として約 700ml/cm を有している。また，20 回分離試験後の分離フィルターの濡れ性の評価を三態系(フィルター／水／油)で行った結果，写真 5 のとおり，

４ おわりに

20 回分離試験を行った後も撥油性を維持していること分かった。

本研究では，ステンレスメッシュを用いて簡易な手法で分離化フィルターを作製し，油水分離特性を評価した。分離特性発現の要因を調べるために，水中における油の濡れ性評価を行った。また。再利用性・耐久性についても評価した。その結果，
以下のようなことが明らかとなった。

写真 5 20 回分離操作後の分離フィルターの水中における油の濡れ性の結果(1)分離フィルターは，フィルター／水／油の三態系において，
超撥油性を示すことから，水と油の分離が可能となる。

次に，分離フィルターのセロハンテープによる剥離試験を行(2)分離フィルターは低粘度から高粘度の広範囲な油の分離がった結果を写真6 に示した。
アルミナ層の剥離は認められない。
また，試験後の油水分離試験を行った結果，分離が可能であっ可能である。
(3)分離の繰り返し試験後においても。分離フィルターは撥油性た。

を維持している。
(4)分離フィルターは耐酸性，耐熱性，耐折り曲げ性の耐久性を有している。
参考文献
1) Zhang, W. B. et al. Superhydrophobic and superoleophilic
PVDF membranes for effective separation of water-in-oil

写真 6 分離フィルターのテープ剥離試験の結果

emulsions

さらに，折り曲げ試験を行った結果，180°折り曲げでは，開口部のアルミナ層の構造が壊れてしまう。一方，折り曲げ角度

high

flux.

Adv.

Mater.

25,

2071–2076 ,(2013).
2) Tian, D., Zhang, X., Wang, X., Zhai, J. & Jiang, L. Phys.
Chem. Chem. Phys. 13, 14606–14610 ,(2011)

90°では元の状態を保つことができた。また，油水分離試験でも分離特性を維持していた。分離フィルターはこのように柔軟with3)中山鶴夫ら, ㈱NBC メッシュテック, 特開 2010-155177− 79 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点研究「小豆」「いんげんまめ」の高ポリアミン品種の探索とポリアミンを強化した「小豆麹」「いんげんまめ麹」の開発
松本 健一*

星 佳宏*

Resarch of Varities of Red Beans and Kidney Beans Having High Polyamine Contents, andDevelopment of Their Koji Enhanced Polyamine
Kenichi MATSUMOTO and Yoshihiro HOSHI

小豆，いんげんまめについて品種別にポリアミン含量を調査し，小豆では朱鞠，いんげんまめでは福白金時がそれぞれポリアミンが高い品種であることを確認した。また，麹菌による発酵でポリアミンを強化した「小豆麹」，「いんげんまめ麹」を作製し，麹に含有するポリアミンは，スペルミジンが主要成分であり，製麹時に使用する種麹によりポリアミン含量に差が見られた。小豆・いんげんまめのいず
れも 30℃，48 時間の製麹条件でが最もポリアミンを増強することができた。得られた麹は十分な酵素活
性と遊離アミノ酸を豊富に含有していた。
Key words: ポリアミン，小豆，いんげんまめ，麹

１

はじめに

２

国内では急速な高齢化社会の到来から社会的に健康

２．１

研究の方法

原材料

寿命の延伸，QOL 向上が求められている。消費者の健康原材料として，小豆 8 種類（えりも，北の乙女，サ志向の高まりに伴い発酵食品や機能性成分に対する関ホロ，白小豆，朱鞠，丹波大納言，とよみ大納言，栃心が高く，これらのニーズに応えるため，早田らは，動木産大納言），いんげんまめ 10 種類（雪手亡，大正金物試験での老化抑制効果が報告されるポリアミン（代表時，福勝，北海金時，福白金時，大福豆，紫花豆，虎成分：プトレッシン（put），スペルミジン（spd），ス

豆，福良金時，赤豆）を用いた。種麹は，味噌用種麹 3ペルミン（spm））に着目して研究を実施している

1）。

当センターでも納豆やビールを対象にポリアミンの研究を実施しており

2）.3）

種類，清酒用種麹 2 種類を用いた。
２．２，発酵食品や豆類に多く含有す小豆麹の調製

小豆は粗粉砕し，粒径 4mm 以上のものを用いた。蒸留ることが分かっている。

水に 3 時間浸漬し，水切後，121℃・2 時間蒸煮した。放

従来，麹は清酒・味噌・醤油製造等の醸造食品原料と冷後，種麹を蒸煮豆に対して 0.05%添加した。種麹を接して用いられるのみであったが，近年では，「米麹の甘種した豆をシャーレに 100g ずつ分取し，恒温器内に静酒」や「塩麹たれ」のように消費者が気軽に利用できる

置し（25・30・37℃），製麹を開始した。18 時間後撹拌

米麹加工商品として販売が進んでいる。一方で，「小豆」（手入れ）を行い，48 時間後に小豆麹を得た。

や「いんげんまめ」のような雑豆を原料とした麹関連商

２．３

品は市場に確認されていない。

いんげんまめ麹の調製

いんげんまめを 0.5%乳酸水溶液に 18 時間浸漬し，水本研究では，雑豆の機能性成分として品種別のポリア

切後，121℃・2 時間蒸煮した。放冷後，種麹を蒸煮豆に

ミン含量を調査するとともに，麹菌による発酵でポリア

対して 0.05%添加した。種麹を接種した豆をシャーレにミンを増強した「小豆麹」，「いんげんまめ麹」の開発

200g ずつ分取し，恒温器内に静置し（25・30・37℃），を行ったので報告する。

製麹を開始した。18 時間後撹拌（手入れ）を行い，48
時間後にいんげんまめ麹を得た。

*

栃木県産業技術センター

食品技術部− 80 −

栃木県産業技術センター

２．４

ポリアミン分析

研究報告

0.4
spm

polyamine[µmol/g-raw]

試料を 1g 秤量し，5%トリクロロ酢酸水溶液を用いて抽出後，孔径 0.45µm のフィルターでろ過したものを分析試料とした。分析は，高速液体クロマトグラフ（日本分 光 ㈱ ;LC2000 シ リ ー ズ ） ， 分 離 カ ラ ム TSK gel
Polyaminepak（東ソー㈱），誘導体化試薬に o-フタルア
ルデヒドを用い，ポストカラム HPLC 法により分析した。
２．５

No.14（2017）

酵素活性分析

spd

put

0.3

0.2

0.1

試料を 10g 秤量し，0.5%NaCl を含む 10mM 酢酸緩衝液

0（pH5.0）50ml を加え，5℃で一晩抽出した。その後，ろ紙（No.5A）を用いてろ過したものを試験液とした。α図2アミラーゼ活性は α-アミラーゼ活性測定キット（キッいんげんまめ品種別のポリアミン含量

コーマン㈱）を用いて分析した。また，プロテアーゼ活性は基準みそ分析法 4） に従って分析した。
２．６

３．２

遊離アミノ酸分析

小豆麹の製麹条件について

図 3 に小豆麹の外観写真を示す。豆の周囲が麹菌由来

試料を 1g 秤量し，5%スルホサリチル酸水溶液を用いの白色の菌糸に覆われ，部分的に黄緑色の胞子が形成さて抽出後，孔径 0.45µm のフィルターでろ過したものをれる様子が観察され，小豆を麹化できていることが確認

分析試料とし，高速アミノ酸分析計（日本電子

できた。

㈱;JLC-500V）により定量した。

図 4 に 5 種類の種麹を用いて作製した小豆麹のポリア
ミン含量を示す。全ての条件においてポリアミンの増加

３３．１

結果及び考察が確認された。特に，種麹として味噌用②を用いて製麹

原材料のポリアミン含量を実施した試料では，蒸豆の 4.2 倍のポリアミンを含有

図 1 及び 2 図にそれぞれ小豆，いんげんまめのポリアした。

ミン分析の結果を示す。小豆では朱鞠，いんげんまめで次に，製麹温度を 30℃とし，種麹に味噌用②を用いて，は福白金時がポリアミンが高い品種であり，いずれもポリアミンの経時変化を追った（図 5）。製麹開始 6 時

spd が主要なポリアミンであった。以後，製麹試験はこ間までは，蒸豆からの変化はほぼ見られないが，その後，の 2 品種を用いて実施した。

put 及び spd の増加と spm の減少が確認され，spd は出

0.7
polyamine[µmol/g-raw]

spm

spd

put

麹となる製麹 48 時間で大幅に増加することが確認され0.6た。種麹種類・温度条件が含有するポリアミンに影響を0.5及ぼすことが示唆された。

0.4
0.3
0.2
0.1
0

図1

小豆品種別のポリアミン含量

図3− 81 −

小豆麹外観（味噌用②，30℃，48 時間）

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

類・温度条件が含有するポリアミンに影響を及ぼすこと

1.5
polyamine[µmol/g-dry]

25℃

30℃

37℃

が示唆された。
1.2

0.9

0.6

0.3

0
蒸豆

味噌用①

製麹温度：25, 30, 37℃
製麹時間：48時間

図4

味噌用②

味噌用③

清酒用①

清酒用②

製麹条件がポリアミン含量に及ぼす影響（小豆麹）
図6

いんげんまめ麹外観（味噌用①，30℃，48 時間）

1.5
put

spd

spm
1.5
polyamine[µmol/g-dry]

polyamine[µmol/g-dry]

25℃

1.0

0.5

37℃

1.2

0.9

0.6

0.3

0

0

0
図5

30℃

12

24
Time[h]

36

蒸豆

48

味噌用①

味噌用②

味噌用③

清酒用①

清酒用②

製麹温度：25, 30, 37℃
製麹時間：48時間

製麹時間ごとのポリアミン含量（小豆麹）

図7

製麹条件がポリアミン含量に及ぼす影響（いんげんまめ麹）

３．３

いんげんまめ麹の製麹条件について

図 6 にいんげんまめ麹の外観写真を示す。豆の周囲が

1.5
put

spd

24
Time[h]36spm

麹菌由来の白色の菌糸に覆われ，いんげんまめを麹化でpolyamine[µmol/g-dry]

きていることが観察された。
図 7 に 5 種類の種麹を用いて作製したいんげんまめ麹のポリアミン含量を示す。全ての条件でポリアミンの増加が確認された。特に，種麹として味噌用①を用いて30℃の条件下で製麹を実施した場合は，試料で蒸豆の5.6 倍のポリアミンを含有した。
次に，製麹温度 30℃とし，種麹に味噌用①を用いて，

1.0

0.5

0

ポリアミンの経時変化を追った（図 8）。製麹開始 6 時

0間までは，蒸豆からの変化はほぼ見られないが，その後，
put 及び spd の増加と spm の減少が確認され，spd は出

図8

12

48

製麹時間ごとのポリアミン含量（いんげんまめ麹）

麹となる製麹 48 時間で大幅に増加することが確認された。製麹 18 時間におけるいんげんまめ麹と小豆麹を比

３．４

麹の諸特性

較するといんげんまめ麹はポリアミンの増加が緩やか

表 1 に小豆麹，いんげんまめ麹の酵素活性，遊離アミであった。この理由として，小豆では原材料の前処理とノ酸の結果を示す。小豆，いんげんまめを原料とした麹して粗粉砕したことで，いんげんまめより表面積が大きは ， 十 分 な α -ア ミ ラ ー ゼ 活 性 及 び プ ロ テ ア ー ゼ 活 性くなったため，麹菌の生育が早期のうちに進行したため（pH6.0）を有していた。また，蒸豆よりも豊富にアミと考える。また，図 3 及び 6 より，同じ種麹用いてもポノ酸を含む麹に仕上がったことが確認された。

リアミン産生に差が生じていることが分かり，種麹種− 82 −

栃木県産業技術センター

表1

研究報告

No.14（2017）

麹の酵素活性とアミノ酸

ポリアミンが高い品種であることがわかった。

小豆麹

いんげんまめ麹（2）製麹時に使用する種麹により麹のポリアミン含量

α-アミラーゼ活性[U/g-麹 dry]

493

179

プロテアーゼ活性(pH6.0)[U/g-麹 dry]

112

44

グルタミン酸[mg/100g]

349

169

γ-アミノ酪酸[mg/100g]

22

95

オルニチン
[mg/100g]

5.8

12に差が生じることを確認した。
（3）得られた小豆麹，いんげんまめ麹はα-アミラーゼ
活性及びプロテアーゼ活性（pH6.0）とアミノ酸を豊富に含有した麹であった。
謝

本研究は，公益財団法人日本豆類協会平成 28 年度
研究助成を受け，実施しました。ここに記して謝意を
表する。
参考文献
1) 早田他： " New Food Industry "，62（2），95-103，

小豆麹：味噌用②，30℃，48 時間製麹（2014）

いんげんまめ麹：味噌用①，30℃，48 時間製麹４辞2) 古口他： "栃木県産業技術センター研究報告 No.11"，
79-81，（2014）

おわりに小豆，いんげんまめの高ポリアミン品種の探索とそれらを原料としてポリアミンを強化した小豆麹，いんげん
まめ麹を作製し，以下の結論を得た。

3) 松本他： "日本食品科学工学会大会講演集"，Vol.62，
137，（2015）4) 山本：新・みそ技術ハンドブック付基準みそ分析法，（1）小豆では朱鞠小豆，いんげんまめでは福白金時が− 83 −

全国味噌技術会，42-44，（2006）

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

重点研究

プレス加工における面内引張応力援用による小径穴抜き加工に関する研究（第３報）
阿部 雅*

植竹 大輔*

大橋 利仙**

柳田 治美***

Masashi ABE, Daisuke UETAKE, Toshinori OHASHI and Hiromi YANAGITA

High Aspect Ratio Punching Under In-plane Tension (3rd Report)

プレス加工によるアスペクト比が１を超えるような小径穴抜き加工は，摩擦力や剛性の問題から，早期にパンチが折損する可能性が高い。そこで本研究では，プレス加工機の上下運動を利用して被加工材の穴加工
位置周囲に面内引張応力を負荷し，加工時の摩擦力を低減させた状態で穴抜き加工を行うことによってパンチの長寿命化を図る。本報では開発・作製した面内引張応力負荷機構を組み込んだ金型を用いて，板厚 0.8mmの被加工材に対し，直径 0.5mm のパンチで穴抜き加工を行った。その結果，面内引張応力を負荷した状態で穴抜き加工を行った場合，負荷しない状態よりも打ち抜き荷重の低下が確認された。また，量産品の加工を想定したトライプレスを実施したところ，連続 100 回の穴抜き加工に成功した。
Key words:

１

プレス加工，小径穴抜き加工，面内引張応力

はじめに型で小径穴抜きを行い，加工時の試験力ストローク線図

プレス加工を用いて作られる製品の小型化・軽量化のから，金型挙動を確認した。また，図１のクッションプ

中で，電子機器周辺部品等では被加工材の板厚より細く

レートガイドの下に厚さ 0.5mm のシムプレートを挿入

且つ直径が 0.5mm 以下のパンチ（穴抜き用雄型）を用いし，同様の実験を行うことで面内引張応力無負荷時の荷た小径穴抜き加工のニーズがある。しかし小径穴抜き加重の変化も観察した。

工では，板厚より太いパンチによる穴抜き加工に比べ，クッションプレートガイド

パンチ側面と被加工材との間の摩擦力が増加するため，クッションプレート

パンチが座屈・摩耗しやすいことや，小径で低剛性なパ
ンチは，ダイ（穴抜き用雌型）とのクリアランス・同軸
度の狂い等によって，早期に折損しやすいことが課題となっている。
そこで本研究では，被加工材の穴加工位置周囲に穴を広げるような応力（以下，面内引張応力）を負荷させた

ダイ状態で穴抜き加工を行うことで加工時の摩擦力を低減
させ，パンチの長寿命化を図る。

図１

ばね

開発金型の下型略図

本報では，平成 27 年度の第 2 報 1)で開発・作製した
面内引張応力を被加工材へ負荷する機構を有した金型

２．２（以下，開発金型）による小径穴抜き加工を行い，加工
穴及びパンチの評価を行ったので報告する。
２
２．１

被加工材

被加工材は，表１に示す機械的性質を有する板厚0.8mm の亜鉛めっき鋼板 SECC を用いた。

研究の方法

表１

開発金型による穴抜き加工時の荷重試験

万能材料試験機（㈱島津製作所 AG-M1）により開発金*

栃木県産業技術センター

県南技術支援センター**

栃木県産業技術センター

機械電子技術部*** 栃木県産業技術センター

材料技術部− 84 −

試料名

被加工材
機械的性質

耐力

引張強さ

ヤング率

被加工材１

222MPa353MPa214GPa

被加工材２

202MPa336MPa189GPa栃木県産業技術センター

２．３

プレス実験

２．３．１

プレス機

た。ストローク 0mm 及び 1.7mm 付近の挙動が設計とわずかにずれているが，金型のがたつきやガイドとの摩擦に加工速度よるものと考えられ，修正は困難である。

加工速度は，約 20spm に設定した。パンチが被加工材に接触する瞬間の推定速度は約 30mm/sec である。
３
３．１

No.14（2017）

概ね設計通りの挙動が得られていることが確認でき

コマツ製 60 トン OBS クランクプレス機を使用した。
２．３．２

研究報告

図４はシムプレートを挿入し，面内引張応力無負荷で穴抜き加工を行った際の試験力ストローク線図である。

結果及び考察

穴抜き加工時の荷重

図２は開発金型のばね反力のみを考慮した場合の試
験力ストロークの予想線図で，図３は実際に開発金型で被加工材１に穴抜き加工を行った際の試験力ストロー

ブレーク

ク線図である。

スルー音

設計上のパンチと被加工材の接触点

設計上の
パンチが

図４

被加工材
貫通点

面内引張応力無負荷での穴抜き加工時の試験力

図３及び図４のブレークスルー音直前のピークがせ

被加工材に面内

ん断荷重 2)と考えられ，ブレークスルー時の荷重低下は，引張応力を付与

図３で約 79N，図４で約 173N となった。これは面内引張応力の負荷によりパンチと被加工材の摩擦が低減されたことによるものと推測される。このことから，パンチ

図２

ばね反力のみの試験力予想にかかる荷重の 50%以上の低減が期待できる。
３．２

連続プレス加工

プレス機を用いて被加工材２に対し，連続で 100 回の穴抜き加工を実施した。図５は 1 回目の加工穴と 100 回目の加工穴をパンチ側の真上から，図６は加工穴をダイ側から 30°傾斜させて電子顕微鏡観察した写真である。
ブレーク

図７は新品のパンチと 100 回加工後のパンチを 30°傾

スルー音

斜させて電子顕微鏡観察した写真で，図８は実体顕微鏡
により側面を観察した写真である。

図３

図５

開発金型による穴抜き加工時の試験力− 85 −

加工穴パンチ側（左：1 回目，右：100 回目）

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

このことから，被加工材の穴加工位置において，引張応力の不均一な箇所が発生していることが考えられ，パンチが被加工材をせん断していく際に起こる引張応力の開放に伴い，パンチの軌道がずれてゼロクリアランスになる箇所が現れるものと推測される。
本研究における面内引張応力は，被加工材をたわませ
図６

加工穴ダイ側（左：1 回目，右：100 回目）

ることにより負荷しているが，穴加工位置にさらに精密
かつ均一に面内引張応力を負荷することができれば，工具のさらなる長寿命化が期待できる。
４

おわりに

面内引張応 力 負荷機構を 組 み込んだ金 型 による 小径
穴抜き加工時の試験力ストローク線図から，せん断荷重
図７

パンチ先端観察（左：新品，右：100 回加工後）の低下が確認され，面内引張応力負荷の小径穴抜き加工に対する有効性が確認できた。
また，同金型により 100 枚連続小径穴抜き加工に成功
した。

2mm
図８

2mm

謝

パンチ側面観察（左：新品，右：100 回加工後）

辞本研究を遂行するにあたり，多大なる御助言御協力をいただいた㈱川崎製作所家富貴志氏並びに湯沢伍一氏，

図５では，100 回目も 1 回目とほぼ変わらない直径㈲栄精工坂本重幸氏に深く感謝します。また，本研究は0.5mm の穴が観察され，図６では，ゼロクリアランスに（公財）天田財団の支援を受けて実施いたしました。こなる箇所があるものの，1 回目と 100 回目で加工穴の状

こに記して謝意を表します。

態はほぼ変わらなかった。図７では，新品のパンチに比べると亜鉛成分の付着及び摩耗によるエッジの不明瞭

参考文献

箇所が現れており，図８では，反りが発生していること

1) 阿部雅，柳田治美，大橋利仙："栃木県産業技術センがわかる。

ター研究報告 No.13"，68-70，(2016)
2) 古閑伸裕，青木勇："プレス打抜き加工"，日刊工業新聞社，(2002)− 86 −

Ⅴ 経常研究
Ordinary Research空白栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

経常研究

ハイドロゲルサイズ及び土壌混合条件がいちご苗の生育に及ぼす影響の検討
小林 愛雲*

大和 弘之*

小島 夏実**

大橋 隆**

Effects of Size and Amount of Hydrogel Mixed with Soil on Growth of Strawberry Seedlings
Azumi KOBAYASHI, Hiroyuki YAMATO, Natsumi KOJIMA and Takashi OHASHIHEC/CMC 水溶液を EDGE で架橋することにより HEC/CMC 複合ハイドロゲルを調製した。調製したゲルを 2, 5, 10 mm 角に切断し，それぞれ 1, 5, 10 vol%の割合でいちご育苗における慣行培地に混合した。これら
培地の温度条件 40℃で 8 時間保持に続けて，25℃で 16 時間保持した時の体積変動を評価した。ゲル混合培
地の体積変動は慣行培地と同等以下であり，僅かであった。調製したゲルを 2 mm 角に切断し，1, 5, 10 vol%の割合で慣行培地に混合した。これらのゲル混合培地を用いて，いちごの育苗試験を行った。育苗試験を実施したすべての条件において，苗の活着率は 100 %であった。
Key words: ゲル，いちご，育苗，保水材，潅水省力化

１

はじめに

で報告する。

いちごの育苗においては，土壌病害の発生が課題となっている。高温多湿条件で発生する炭疽病や，高温乾燥条件で発生する萎黄病は特効性の化学農薬がなく，蔓延

２
２．１

研究の方法

ハイドロゲルの調製すると苗が全滅する恐れがある。土壌病害の発生を予防

各種ポリマーを蒸留水に溶解し，7 wt%水溶液を調製するためには，育苗培地の水分管理が重要である。水分した。調製したポリマー水溶液に所定量のエチレングリ

管理は作業者の経験に基づく 1 日 2～3 回の潅水作業に

コールジグリシジルエーテル（EGDE）（東京化成）とより行っているが，作業の負担が大きく省力化，効率化

5 M 水酸化カリウム（KOH）水溶液を加え pH=12.8 のプが求められている。

レゲル溶液を調製した。調製したプレゲル溶液を 60℃でハイドロゲル（以下ゲル）は，高分子が架橋されて三次元の網目を作り，水を吸収して膨潤したものである

1, 2)。

24 時間反応させることで各種ゲルを調製した。調製したゲルを多量の 50 wt%イソプロピルアルコール（IPA）水ゲルは自重の数十倍から数百倍の水を吸収，保持するこ

溶液に浸漬することで未反応の EGDE を除去した。IPAとができ，紙おむつの吸水体やコンタクトレンズ等とし浸漬後のゲルを多量の水道水に浸漬することで洗浄して使われている。高い保水性を有するゲルを育苗培地にた。用いたポリマーは，2-ヒドロキシエチルセルロース

混合することで培地の保水性を高め，潅水作業の省力化（HEC）（ALDRICH, average Mw=250,000），ヒドロキ

3) 。そこで平成 27 年度の研究 4) におシ プ ロ ピ ル セ ル ロ ー ス （ HPC ） （ ALDRICH, average

いてゲルを慣行培地に混合し，いちご苗生産での実用性

Mw=100,000），カルボキシメチルセルロース，ナトリを検討したところ，ゲルのサイズや混合割合等が育苗期

ウム塩（CMC）（ACROS ORGANICS, Mw=250,000, DS =間中の培地の体積減少を引き起こし，苗の生育に悪影響

0.9）またはポリビニルアルコール（PVA）（和光純薬工（活着率の低下）を及ぼすことが示唆された。そこで本業，重合度約 2,000）である。

が期待されている研究では,ゲル混合培地の体積変動を緩和するために,膨HEC/CMC 複合ゲルも前述のゲルと同様の手法で調製

潤復元の速いゲルを調製し，培地に混合するゲルのサイした。総ポリマー濃度 7 wt%となるように所定量の HEC

ズ及び混合割合を検討した。調製した体積変動の少ないと CMC（0, 1, 2, 3 wt%）を蒸留水に溶解し，水溶液を調ゲル混合培地を用いて，いちご苗の生育性を評価したの製した。調製したポリマー水溶液に EGDE（10 wt%）と*栃木県産業技術センター

材料技術部

**

栃木県農業試験場いちご研究所

所定量の 5 M KOH 水溶液を加え pH=12.8 のプレゲル溶液を調製した。調製したプレゲル溶液を 60℃で 24 時間− 87 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

反応させることで各種ゲルを調製した。調製したゲルを

月 3 日にセルトレイに充填した培地に，とちおとめ，ス

多量の 50 wt% IPA 水溶液に浸漬することで未反応のカイベリーを採苗仮植した。8 月 4 日までは，すべてのEGDE を除去した。IPA 浸漬後のゲルを多量の水道水に区において，苗の生育状況に応じて 1 日に数回スプリン

浸漬することで洗浄した。

ンクラーで潅水を行った。8 月 4 日以降は，慣行区にお２．２いて午前及び午後の 2 回，ゲル混合区（1 %区，5 %区，ハイドロゲルの膨潤復元性評価

ゲルを 10 mm 角に切断し，22℃で 2 日間乾燥した。こ

10 %区）において午前 1 回の手潅水を行った。いずれのの乾燥ゲルを蒸留水（22℃）に浸漬した。所定時間経過

区においても培地の乾燥状態によっては追加潅水を行

後，ゲルの重量（湿重量 : Wwet）を測定し，再び蒸留水った。育苗管理を 9 月 23 日まで行い，仮植 30 日後の葉に浸漬した。この操作を繰り返し行うことで，膨潤度の長及び活着率，仮植 45 日後の葉長及び枯死株率，育苗

経時変化を測定した。ゲルを送風定温乾燥機を用いて終了時の苗質（クラウン径，地上部重，地下部重，内生60℃で予備乾燥した後，105℃で 24 時間程度加熱乾燥し葉数，花芽分化指数）について調査した。

た。乾燥重量（Wdry ）を求め，次式（1）によりゲルの膨潤度 Q を算出した。
Q = Wwet / Wdry
２．３

３
（1）

３．１

結果及び考察ハイドロゲルの膨潤復元性

ハイドロゲル混合培地の体積変動評価調製した HEC ゲル（7 wt% HEC（5 wt% EGDE）），

ゲル混合培地は，いちご育苗における慣行培地（鹿沼HPC ゲル（7 wt% HPC（10 wt% EGDE）），CMC ゲル

土：くん炭＝2：1 混合培地）に，調製したゲルのサイズ（7 wt% CMC（10 wt% EGDE）），PVA ゲル（7 wt% PVA

及び混合割合を変えて調製した。ゲルのサイズは 2, 5, 10（10 wt% EGDE））及び平成 27 年度の研究で用いたゲmm 角とし，混合割合はそれぞれ 1, 5, 10 vol%とした。

ル（H27 年度ゲル：7 wt% HEC（5 wt% EGDE）ゲルを–40℃調製したゲル混合培地を，いちご育苗用 24 穴セルトレ

250

イ（容量：1 穴あたり約 175 cm3）に充填した。同様に慣行培地をセルトレイに充填した。充填した培地に潅水

200（1 穴あたり約 100 ml）し，セルトレイの淵から培地までの高さ（充填初期高さ：h0）を測定した（図 1）。測温度条件は，育苗時の環境を想定し 40℃で 8 時間の後，

7wt%HEC (5wt% EGDE)
7wt%HPC (10wt%EGDE)
7wt%CMC (10wt%EGDE)
7wt%PVA (10wt%EGDE)
H27年度ゲル150
膨潤度

定後のセルトレイを送風定温乾燥機に入れた。乾燥機の100

25℃で 16 時間とした。所定時間経過後，セルトレイを取り出し，セルトレイの淵から培地までの高さ（時間 t50における高さ：ht）を測定した後，再度乾燥機に入れた。
この操作を繰り返し行い，培地の高さ変動（体積変動）0を次式（2）により算出した。
Δh = h0－ht0（2）潅水は，体積変動評価開始時（t=0）,及び 24 時間経過後（t=24）の高さ測定前に行った。
２．４

ハイドロゲル混合培地を用いたいちご育苗試験

慣行培地に，2 mm 角に切断したゲルを 1, 5, 10 vol%
混合してゲル混合培地（1 %区，5 %区，10 %区）を調製した。ゲル混合培地及び慣行培地（0 %区（慣行区））
をいちご育苗用 24 穴セルトレイに充填した。2016 年 7
慣行培地
24穴セルトレイ
（1穴）

1

h0
ht

ゲル
時間t=0
（培地充填初期）

時間t

図2

2
3
経過時間 /h

45

10 mm角ゲル（22℃，2日間乾燥）を蒸留水に浸漬した際の膨潤度の経時変化※）H27年度ゲル：7 wt% HEC（5 wt% EGDE）ゲ
ルを-40℃で凍結処理し多孔質化したゲル

表1

調製したゲルの膨潤速さと性状

名称

組成

膨潤
速さ

性状

取り扱いの
容易さ

HECゲル

7 wt% HEC
（5 wt% EGDE）

×

柔らかい
弾力あり

◎

HPCゲル

7 wt% HPC
（10 wt% EGDE）

×

軟らかい
脆い

×

CMCゲル

7 wt% CMC
（10 wt% EGDE）

◎

硬い
脆い

×

PVAゲル

7 wt% PVA
（10 wt% EGDE）

△

形状保持
不可

×

※）膨潤速さはCMCゲルを基準に、取り扱いの容易さはHEC
ゲルを基準にして相対的に評価した

図1 ゲル混合培地の体積変動評価の模式図− 88 −

栃木県産業技術センター

7wt%HEC
6wt%HEC/1wt%CMC
5wt%HEC/2wt%CMC
4wt%HEC/3wt%CMC
H27年度ゲル30あり取り扱いが容易であった。HPC ゲルは，H27 年度ゲ
ルと同程度の膨潤速さを示したが，軟らかくて脆かった。CMC ゲルは，膨潤は速いが硬くて脆かった。PVA
ゲルは，H 27 年度ゲルの約 2 倍の膨潤速さを示したが，25
膨潤度

No.14（2017）年度ゲルと同程度の膨潤速さを示し，柔らかくて弾力が

40
35

研究報告

非常に柔らかく大気中で形状を保持できなかった。そこ

20で膨潤の速い CMC ゲルと取り扱いの容易な HEC ゲルを

15組み合わせた HEC/CMC 複合ゲルの調製を試みた。調製
10した複合ゲルの膨潤度の経時変化を図 3 に示す。CMC

5の割合が増加するにつれて，HEC/CMC ゲルの膨潤は速くなる 傾向 が 認められた。 一方 で， HEC/CMC ゲルは

0
0

1

2
3
経過時間 /h45

CMC の割合が増加するにつれて硬く脆くなり，CMC 濃
度 3 wt%で取り扱いが困難になった。調製した複合ゲル

図3 10 mm角HEC/CMCゲル（22℃，2日間乾燥）を蒸留水に浸漬した際の膨潤度の経時変化のうち H27 年度ゲルより膨潤が速く，取り扱いの容易な※）H27年度ゲル：7 wt% HEC（5 wt% EGDE）ゲ
ルを-40℃で凍結処理し多孔質化したゲル

5 wt% HEC/2 wt% CMC ゲルを以降の実験に用いた。
３．２

ハイドロゲル混合培地の体積変動で凍結処理し多孔質化したゲル）の膨潤度の経時変化を

5 wt% HEC/2 wt% CMC ゲル混合培地及び慣行培地の図 2 に示す。調製したゲルのうち，CMC ゲルの膨潤が高さ変動（体積変動）を図 4 に示す。調製したゲル混合

最も速かった。この CMC ゲルを除くその他のゲルの膨培地の体積変動は慣行培地と同等以下であり，僅かであ潤は，H27 年度ゲルとほぼ同程度であった。調製したゲった。10 mm 角ゲル混合培地は，混合割合と培地体積変ルの膨潤速さと性状を表 1 に示す。HEC ゲルは，H27動に相関が見られなかった。これは慣行培地粒子（約 2
2.0

10%
5%
1%

1.0

0.0
0

5

10

15

20

25

-1.0

-2.0

-3.0

培地の高さ変動 h0-ht /mm

培地の高さ変動 h0-ht /mm

2.0

10%
5%
1%

1.0

0.0
0

25

20

25

経過時間 t /h

2.0
10%
5%
1%

1.0

0.0
0

5

10

15

-1.0

-2.0

20

25

培地の高さ変動 h0-ht /mm

培地の高さ変動 h0-ht /mm

20（b） 5 mm角ゲル

2.0

1.0

0.0
0

5

10

15

-1.0

-2.0

-3.0

経過時間 t /h

経過時間 t /h（d） ゲルなし（慣行培地）（c） 10 mm角ゲル

図4

15

-2.0

-3.0

経過時間 t /h

10

-1.0

（a） 2 mm角ゲル

-3.0

5

5 wt% HEC / 2 wt% CMCゲル混合培地の高さ変動 （試験条件：40℃，8時間→25℃，16時間）− 89 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）mm）に比べてゲルが大きく，培地にゲルを均一に混合径，地上部重，地下部重及び内生葉数は，処理区間に大することが難しいためと考えられる。特に 10 mm 角ゲ

きな差は見られなかった。1 %区よりも 10 %区の方が育ル 1 %混合培地は，ゲルの数が 1～2 個であるため均一

苗における追加潅水の頻度は少なかった。また慣行区やではなく，測定位置によって高さが変わると推察され

1 %区よりも 10 %区の方が培地の水持ちが良い様子が観る。5 mm 角ゲル混合培地は，ゲルの混合割合が高いほ察された。このことから今回調製したゲル混合培地は，ど体積減少が大きい。また 10 mm 角ゲル 10 %混合培地

いちご育苗における潅水回数を慣行培地に比べて減らに比べて 5 mm 角ゲル 10 %混合培地のほうが体積変動はすことが可能と見込まれる。

大きい。これは 10 mm 角ゲルに比べて 5 mm 角ゲルのほうが，単位体積当たりの表面積が大きく，保水性が低い

４

おわりに

ためと推察される。2 mm 角ゲル混合培地は混合割合に

ゲル混合培地の体積減少を緩和するために膨潤復元

よる体積変動の差がほとんど見られなかった。これはゲの速いゲルを調製し，培地に混合する際のゲルのサイルが慣行培地粒子と同程度の大きさであるため，ゲルがズ，混合割合を検討した。調製したゲル混合培地を用い乾燥により収縮しても慣行培地の粒子同士が支え合うて，いちごの育苗を行った。その結果，以下の知見を得ことによって培地体積が維持されるためと考えられる。

た。

2 mm 角ゲルは，混合割合の増加に伴うゲル混合培地体（1）平成 27 年度の研究で用いたゲルよりも膨潤の速積の変動が小さく，また慣行培地への均一混合が容易で

い 5 wt% HEC/2 wt% CMC ゲルを調製できた。

あることから，検討したゲルサイズの中で最もいちご育（2）5 wt% HEC/2 wt% CMC ゲル混合培地（ゲルサイ

苗に適していると考えられる。

ズ：2, 5, 10 mm 角３．３

体積変動は慣行培地と同等以下であった。

いちご育苗試験結果

仮植 30 日後（8 月 4 日）の葉長及び活着率を表 2 に示

混合割合：1, 5, 10 vol%）の（3）5 wt% HEC/2 wt% CMC ゲル混合培地（ゲルサイす。活着率は，いずれの品種，処理区とも 100 %だった。

ズ：2 mm 角

また葉長に大きな差は見られなかった。仮植 45 日後（8苗活着率は 100 %だった。

混合割合：1, 5, 10 vol%）のいちご

月 19 日）の葉長及び枯死株率を表 3 に示す。枯死株率
は，すべての区において 0 %だった。また葉長は，いず

参考文献

れの品種とも処理区間に明確な差は認められなかった。

1）山内愛造，廣川能嗣： "高分子素材 One Point-24「機能性ゲル」"，共立出版，(1990)

育苗終了時（9 月 23 日）の苗質を表 4 に示す。クラウン2）荻野一善，長田義仁，伏見隆夫，山内愛造： "ゲル表2 仮植30日後の葉長及び活着率
供試品種

葉長（cm）
ゲル混合
割合（%） 葉柄長 葉身長 葉幅

とちおとめ

供試品種
とちおとめ

3）龍勝利，井手治，森山友幸，奥幸一郎： "福岡県農

7.4

5.9

4.4

100

1

8.9

6.6

5.2

100

5

8.6

6.9

5.1

100

4）仁平淳史，小林愛雲，大橋隆，鶴見理沙： "栃木県

10

8.5

6.2

4.7

100

0

6.7

4.9

3.6

100

産業技術センター研究報告"，13，78-80，(2016)

1

7.4

5.2

3.7

100

5

6.9

4.8

3.5

100

10

6.9

5.1

3.7

100

業総合試験場研究報告"，27，59-63，(2008)

表4

仮植45日後の葉長及び枯死株率
葉長（cm）
ゲル混合
割合（%） 葉柄長 葉身長 葉幅

枯死株率
（%）

供試品種
とちおとめ

育苗終了時の苗質

ゲル混合 クラウン径 地上部重 地下部重 内生葉数 花芽分化
割合（%）
（mm）
（g/株）
（g/株）
（枚）
指数

0

7.9

7.9

5.4

0

0

7.7

6.5

6.7

3.4

3.0

1

7.6

8.1

5.5

0

1

7.6

5.0

5.3

3.6

3.0

0

5

8.3

6.3

5.8

3.4

2.6

10

7.7

6.0

6.5

3.8

1.6

0

7.6

6.5

5.3

3.6

3.8

1

8.0

5.1

5.3

3.0

3.4

5
スカイベリー(1991)

0

スカイベリー

表3—ソフトマテリアルの基礎と応用－"，産業図書，
活着率
（%）

8.5

8.1

5.5

10

7.7

8.1

5.5

0

0

9.4

8.1

5.3

0

スカイベリー

1

9.0

7.6

4.7

0

5

9.9

7.7

4.8

0

5

8.1

6.2

4.9

3.8

2.2

10

9.8

7.9

5.0

0

10

7.6

5.3

5.0

3.4

2.2

※）花芽分化指数は0：未分化，1：肥厚期，2：分化期，3：花房分化期とした− 90 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

経常研究

窒素添加による高強度球状黒鉛鋳鉄の開発
相馬 宏之* 関口 康弘* 石川 信幸*

Development of High Tension Ductile Cast Iron by Nitrogen Addition
Hiroyuki SOMA，Yasuhiro SEKIGUCHI and Nobuyuki ISHIKAWA

球状黒鉛鋳鉄(FCD)に窒素を添加し，高強度化を図ることを目的として，窒素源である窒化ケイ素の鋳造工程中での投入時期，投入量，高温保持の影響について検討した。その結果，窒化ケイ素は，溶解中に投入し，高温にさらすことで，より高い添加効果が得られることがわかった。また，窒素の鋳鉄溶湯中への溶け込みは 0.01wt%前後に限界があり，過剰な窒化ケイ素の添加は，逆に黒鉛球状化率を低下させるなど，悪影響が出ることがわかった。
今回の添加条件では，FCD400 を基地組織とした場合，最大 15%の高強度が得られた。
Key words:球状黒鉛鋳鉄，窒素

１ はじめにレメントを添加せずに，球状黒鉛鋳鉄の強度を低強度から

自動車用部品等は，環境負荷低減などの目的で軽量化が高強度に鋳造する技術の開発を目指す。

進んでいる。そのため鋳造業では，ねずみ鋳鉄(FC)や球状２ 研究の方法

黒鉛鋳鉄(FCD)を高強度化して，鋳造品を薄肉化することにより，強度を保持しながら軽量化する対応を図っている。
球状黒鉛鋳鉄を高強度化するには，熱処理を行うか，低

２．１

試験片作製

試料は 3.5wt%C ，2.6wt% Si の FCD400 相当品を基本として，窒化ケイ素の投入時期や添加量等を変化させて鋳強度材の配合に Cu や Sn 等の合金成分を添加することで造した。それぞれの配合でφ30×200mm の FCD 用ノッ

基地組織を変化させる方法があり，熱処理はコスト高であ

クオフ形シェル鋳型，メダル状試験片金型に鋳造した。メ

るため，合金成分を添加する場合が多い。
しかし，CuやSn等の合金成分はトランプエレメントと呼ばれ，鉄からの除去が困難な元素であり，鋼材などをリサイクルする上での障害となっている。特に，鋳造時に発生する湯口や押し湯，湯道等の製品にならない部分は，回収され戻り材として再利用されているが，低強度品と高強度ダル状試験片で成分分析を行い，FCD 用ノックオフ形で鋳造した丸棒から，硬さ及び金属組織試験片を作製した。
また，接種後の溶湯からφ10×50mm の試料を石英管により取り出し，窒素分析を行った。
２．２

鋳造試験片の評価品を同一製造ラインで鋳造する事業所の場合には，トラン成分分析には固体発光分光分析装置(スペクトロ社製

プエレメントを含む戻り材を管理する必要が生じるなど，

SPECTRO-LAB)を使用した。硬さ試験にはブリネル硬さ

余分な労力が必要となっている。さらに，トランプエレメ
ントを含む戻り材の再利用先も限られることから，トラン
プエレメントを添加せずに，球状黒鉛鋳鉄を高強度化する技術が求められている。
これまでに，ねずみ鋳鉄に窒素を添加することにより，試験機(アカシ製 ABK-1)を使用して，丸棒断面の中心部を測定した。引張試験には万能材料試験機(東京衝機製造所
製 RUG500-TK21)を使用した。
また，金属組織観察は，樹脂埋込装置(ビューラー社製
SIMPLIMET3000)で試験片を樹脂に埋め込み，自動研磨装置(丸本ストルアス製テグラミン-25)で鏡面研磨を行い，高強度化に成功した事例が報告されている１）が，球状黒鉛

ナイタルで腐食し，金属顕微鏡(オリンパス製 GX-71)を用

鋳鉄での成功事例は報告されていない。しかし，本手法は，いて行った。さらに，撮影した金属組織写真を元に黒鉛球

鋳造時に窒素を添加するだけで高強度化を実現するもの

状化率を算出した。

で，球状黒鉛鋳鉄にも適用出来れば，トランプエレメント

窒素分析は酸素窒素水素同時分析装置(堀場製作所製を気にすることなく製品製造が可能となる。そこで本研究

EMGA930)を用いて行った。

では，球状黒鉛鋳鉄に窒素を添加するだけで，トランプエ* 栃木県産業技術センター 材料技術部− 91 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

３ 結果及び考察

各試験片の窒素濃度の測定結果は表２のとおりである。

３．１ 窒化ケイ素の投入時期

窒素は，窒素添加量の 1/10 程度，溶湯中に溶け込み，投窒化ケイ素(Si3N4)を窒素源として，鋳造工程中での投入入時期で違いが見られた。最も窒素濃度の高い結果は，投時期を検討した。窒化ケイ素は，1200℃から徐々に窒素入時期が球状化処理中の条件であった。

を放出し，1900℃で完全に分解する特性がある。鋳鉄の実験条件１の試験片の金属組織を図１に示す。0 は窒化

溶解時には溶湯が 1400~1600℃に達するため，窒化ケイケイ素を添加していないため，基地組織は全てフェライト

素を溶湯に添加すれば窒素を放出すると考えられる。しかである。窒化ケイ素を添加したＡ～Ｃは，基地組織にパーし，放出された窒素は溶湯に溶け込まずに大気中へ放出さライトが確認されており，窒化ケイ素の添加により金属組れる可能性もある。そのため，最適な投入時期を探るため織が変化したと考えられる。また，窒素濃度の高いＡやＢ

表１のとおりに窒化ケイ素の投入時期を変えて鋳造実験の方がＣよりもパーライトの割合が多かった。

を行い，試験片を作製した。

これらのことから，窒化ケイ素の最適な投入時期は，最なお，表中の窒素添加量は添加した窒化ケイ素が完全にも窒素濃度が高かった球状化処理中と考えた。
３．２ 窒化ケイ素の投入量

分解した場合の窒素量を記載した（以下同じ）。

窒化ケイ素の添加により，基地組織をパーライトに変え

表 1 実験条件１
窒素添加量

球状化剤添加量ることが出来たため，その効果が最大になるような添加量

wt%

wt%

を探る目的で，表３のとおりに窒化ケイ素の添加量を変え

試料名

投入時期

0

なし

なし

0.03

Ａ

溶解中

0.125

0.03

Ｂ

球状化処理中

0.125

0.03

Ｃ

接種中

0.125

0.03

て鋳造実験を行い，試験片を作製した。それらの窒素濃度の測定結果は表４のとおりである。窒素添加量が増加したにもかかわらず，窒素濃度に大きな差は見られなかった。
これは窒素が溶湯中に溶け込まずに大気中にガスなどとして排出されてしまったり，溶湯中の他の元素と反応して窒化物となり溶湯外に除去されてしまったと考えられる。

表２ 窒化ケイ素の投入時期と窒素濃度

実験条件２の試験片の金属組織を図２に示す。ＤやＢで

試料名

投入時期

窒素濃度
wt%

はフェライトとパーライトの混合組織であったが，Ｅは黒

0

なし

0.0039鉛の形状が大きく変化し，球状黒鉛鋳鉄から片状黒鉛鋳鉄

Ａ

溶解中

0.0104となっていた。窒化ケイ素を 0.10wt%以上添加しても金属Ｂ球状化処理中0.0110

組織のパーライト化の効果は増加しないどころか，黒鉛球

Ｃ

接種中

0.0078状化率を悪化させることが分かった。球状黒鉛鋳鉄は，鋳鉄に黒鉛球状化剤を添加することにより，球状化剤中のMg が溶湯中のＳと反応して MgS を生成し，これが黒鉛生成の核となり黒鉛が球状に成長していくことが知られている２）。窒化ケイ素を添加したことにより，黒鉛の形状が球状から崩れているため，添加した窒化ケイ素は黒鉛球状化反応を阻害していると考えられる。その理由としては，Ａ

窒化ケイ素が溶湯中の S よりも優先的に Mg と反応したた

溶解中添加

くくなったと考えられる。そのため，最も多く窒化ケイ素

0
窒素添加無しめ，S と反応する Mg が減り，その結果黒鉛が球状化しにを添加したＥでは黒鉛球状化剤による黒鉛の球状化が大きく阻害され片状黒鉛鋳鉄となったと考えられる。
実験条件１と２の試験片の機械的性質を表５に示す。窒素濃度が高くなれば，パーライトが増えてブリネル硬さや引張強さが向上すると予想していたが，Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅの窒素濃度はほぼ同じ値であるにもかかわらず，機械的性質

ＢＣに違いが見られ，その中ではＡが最も良好な値を示した。

球状化処理中添加

接種中添加

これは窒素濃度以外の別の要因が影響している可能性を

図１ 実験条件１の金属組織− 92 −

栃木県産業技術センター

表３ 実験条件２

研究報告

No.14（2017）

表６ 実験条件３

窒素添加量

球状化剤添加量

wt%

wt%

窒素

球状化剤

1500℃

添加量

添加量

保持時間

wt%

wt%

試料名

投入時期

Ｄ

球状化処理中

0.10

0.03

Ｂ

球状化処理中

0.125

0.03

Ｆ

溶解中

0.05

0.03

なし

Ｅ

球状化処理中

0.15

0.03

Ｇ

溶解中

0.05

0.03

4分保持

試料名

表７ 窒化ケイ素の加熱保持時間と窒素濃度

表４ 窒化ケイ素の添加量と窒素濃度
窒素添加量
wt%

窒素濃度
wt%

Ｄ

0.10

0.0116Ｂ

0.125

0.0110Ｅ

0.15

0.0104

試料名

時期

窒素
添加量
wt%

Ｆ

溶解中

0.05

なし

0.0092

Ｇ

溶解中

0.05

4分保持

0.0100

試料名

投入

1500℃

窒素濃度
wt%

保持時間

Ｂ

Ｆ

Ｇ

N 0.125wt%

N 0.05wt%

N 0.05wt%

1500℃

1500℃

保持なし

4 分保持

D
N 0.10wt%

投入時期

図３ 実験条件３の金属組織
表８ 機械的性質
Ｅ

試料
名

Ｆ

N 0.15wt%
図２ 実験条件２の金属組織

Ｇ

1500℃

窒素

ブリネル

引張

保持時間

添加量

硬さ

強さ

Wt%

HB

Mpa

伸び
%

黒鉛
球状化率
%

なし

0.050

179

416

6.8

81.3

4分保持

0.050

192

454

9.0

81.5

表５ 機械的性質
黒鉛示唆する。実験条件に着目すると，窒素添加量に違いがあ

球状化率

るもののＡの窒化ケイ素の投入時期だけが溶解中である。

%

すなわち，窒化ケイ素を添加する際に，より高温に曝した

11.5

84.5

方が，良好な機械的性質を得られるのではないかと考えた。

411

6.4

70.0

３．３ 高温保持の影響

163

372

5.2

68.7

窒化ケイ素の投入の際に長時間高温に保持する条件で

0.125

164

385

4.2

70.9

の鋳造を試みた。この際，条件２の実験で窒素添加量を増

0.100

161

365

3.2

73.9

やしても窒素濃度は変わらなかったことと，窒素添加量が

0.150

122

188

3.4

片状黒鉛

窒素

ブリネル

引張

試料名

添加量

硬さ

強さ

0

Wt%

HB

Mpa

0

147

394

Ｂ

0.125

178

Ｃ

0.125

Ｄ
Ｅ

Ａ

伸び
%

多いほど黒鉛球状化率が悪化したことから，窒素添加量が過剰であると考えられたため，窒素添加量を 0.05wt%に下げた。

− 93 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

すなわち，表６のとおりに溶解中の加熱保持時間を変化

４ おわりにさせて鋳造実験を行い，試験片を作製した。それらの窒素

球状黒鉛鋳鉄に窒化ケイ素を添加することにより以下濃度の測定結果は表７のとおりである。ＦよりもＧの窒素の結果が得られた。

濃度は向上したため，高温で保持することにより窒化ケイ(1)FCD400 に窒素源として窒化ケイ素を添加すると基地

素から窒素をより多く添加することができることが確認

組織の一部がフェライトからパーライトに変化して、できた。一方，この条件でも窒素濃度は 0.01wt%に留まっ

引張強さが最大で 15%向上した。

たため，鋳鉄溶湯中の窒素含有量はこの値付近で飽和する(2)窒化ケイ素は，溶解中に投入し，高温にさらすことで，ものと考えられる。

より高い添加効果が得られることがわかった。

実験条件３の試験片の金属組織を図３に示す。今までの
謝辞条件とほぼ同様のフェライトとパーライトの混合組織が本研究の遂行にあたり，慶應義塾大学 小茂鳥教授，得られた。
特定国立研究開発法人理化学研究所
大森先生，片平先
実験条件３の試験片の機械的性質を表８に示す。
ＦやＧ(3)窒素の鋳鉄溶湯中への溶け込みは0.01wt%前後に限界
5)
M.Potteser, T.Schoeberl, H.Anterwitsch,
and，
過剰な窒化ケイ素の添加は，逆に黒鉛球状化があり
J.Bruckner : "The Minerals, Matels and Materials
率を低下させるなど，悪影響が出ることがわかった。
Society", (2006), 167.

6)

さや引張強さ，伸びなどは良好な値を示し，高温で保持し財）天田財団の支援を受けて実施いたしました。ここにたＧは最も良い値を示した。また、窒素添加量を少なくし記して深謝いたします。
たため黒鉛球状化率もＡ~Ｅと比べ改善した。
これらのことから，窒化ケイ素の投入時期は球状化処理
参考文献
中よりも溶解中の方が適していると考えられ，さらに高温
1) H.Niino and A.Yabe : "Appl. Phys. Lett.", 63,で保持することで効果が上がることが分かった。
(1993), 3527.
2)

田辺郁男, 山口直也, 水谷淳之介, 渡辺哲也, 板垣
薫:"日本機械学会論文集（C 編）", 69, 685(2003),
2470.

3)

川澄博通, 新井武二 : "精密機械", 47, 6(1981),

S.Tomida and K.Nakata : "Surface and Coatings
Technology", 174-175(2003),559.
謝辞の窒素濃度は他の条件よりも低めであったが，ブリネル硬生には有益なご助言を賜りました。また，本研究は（公7) 本研究を実施するにあたって，岩手大学工学部堀江客員佐々木朋裕, 八高隆雄 : "鉄と鋼", 89, 12(2003),
1227.
教授には多大なる支援を受けたので，ここに感謝の意を表す
8)る。 有川秀一, 宗木政一, 大久保弘, 阿部富士雄, 八高
隆雄 : "日本金属学会誌", 73, 9(2009), 695.
9)

W.Kai and R.T.Huang : “Oxidation of Metals”,
参考文献
48,1-2(1997), 59.
1） 岡 田 千 里 : 鋳 物 第 47 巻 第 10 号 ， 鋳 造 工 学 会 ，
10) 八高隆雄, 小林重昭, 佐々木朋裕 : "鉄と鋼", 89,
p688(1975)
11(2003), 1178.
2） 五十嵐芳夫，岡田千里:鋳造工学第 70 巻第 5 号，鋳造工
11) 江面篤志， 渡部篤彦 : "栃木県産業技術センター研学会，p330(1998)
究報告", 12(2016), 71

669.
4)

K.Nishio, T.Yamaguchi, H.Era, and M.Katoh : "Materials Transactions", 45, 5(2004), 1613

本研究は，公益財団法人 JKA 補
補助事業により整備した機器を活助事業により整備した機器を活用して実施しました。
用して実施しました。

− 94 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

経常研究

新品種ニラ栃木５号の栽培技術の開発（第２報）－ ニラの加熱・乾燥等処理による成分等への影響把握 －
金井

悠輔 *

伊藤

和子 *

雄紀 **

村川

大島

一則 **

－ Evaluation of effect on ingredients of Chinese chive caused heating and drying －Yusuke KANAI, Kazuko ITO, Yuki MURAKAWA and Kazunori OSHIMA

Development of Cultivation Technique for New Chinese Chive Breed (2nd Report)

農業試験場にて開発したニラ新系統「ニラ栃木５号」について，栽培条件による収量及び含硫
成分（メチイン・アリイン）含量への影響を調査するとともに，乾燥処理による含硫成分含量及
び品質への影響を調査した。その結果，灰色低地土で栽培することでニラ収量が高まる一方で，黒ボク土で栽培することでニラ中の含硫成分含量が高まることが示唆された。また，灰色低地土で栽培する際は，硫酸マグネシウムを施用することで含硫成分含量が高まることが示唆された。
乾燥処理においては真空凍結乾燥を行うことにより，含硫成分の損失を抑え，かつニラ本来の色彩を維持した乾燥ニラを得られることが明らかとなった。
Key words:

１

ニラ，栽培技術，乾燥，メチイン，アリイン

はじめに

２
1)

栃木県は平成 27 年度ニラ生産量が 10,700t と，全

２．１

研究の方法

栽培条件

国有数のニラの生産県である。ニラには含硫成分であ平成 28 年 3 月下旬にニラ栃木５号を 128 穴セルトレ

るメチインやアリインが葉肉細胞に含まれており，ア

イに播種し，6 月下旬に 1/2000 ワグネルポットに 4 本

リイナーゼ酵素との反応によってスルフィド類に変化ずつ定植させた。その際の施肥条件を表１に示す。なする。この成分は，抗動脈硬化作用や抗ガン作用等のお，硫酸マグネシウムは，基肥（ニラグリーン 886 を

健康機能

2)-5)

を有することが報告されている。

4.5g/ポット）とともに施用した。12 月中旬に捨て刈

一方で，栃木県はニラの生産量が平成 18 年度に高りを行い，翌年 1 月中旬に収穫したものを検体とした。

知県に抜かれてから，現在まで全国 2 位が続いている。
このような背景より，平成 24 年度から県を挙げて実表１

施中の「栃木にら No.1 産地奪還運動」を支援すべく，

施肥条件
硫酸マグネシウム

土壌の種類

農業試験場においてニラ新系統「ニラ栃木５号」を育

施用量

黒ボク土

成した。ニラ栃木５号は，従来品種と比べると葉身部0g×の幅が広く，収量が多い，品質が安定している等の有灰色低地土用な特性があるが，最適な栽培技術の確立や成分等の2g
4g

把握はほとんど行われていない。
そこで，本研究では，ニラ栃木５号の栽培条件がニ

２．２

土壌中硫酸イオン濃度の測定

ラの収量及び含硫成分含量に及ぼす影響の調査を行風乾させた土壌 10g に水 50ml を加え，1 時間振とうい，最適な栽培技術の確立を目的に研究を行った。併後ろ過したものを水溶性硫酸イオン測定試料とした。

せて，本品種の加工食品への活用を想定し，収穫したまた，風乾させた土壌 2g に 0.01M 水酸化ナトリウム水

ニラの乾燥条件がニラ中の含硫成分含量に及ぼす影響

溶液 100ml を加え，1 時間振とう後ろ過したものを交や乾燥後の品質を評価し，本品種の需要拡大に向けた

換性硫酸イオン測定試料とした。分析はイオンクロマ

基礎データを得ることも目的とした。

トグラフ（IC25；DIONEX 製）で行った。

*

栃木県産業技術センター**

栃木県農業試験場

食品技術部

研究開発部

− 95 −

栃木県産業技術センター

２．３

研究報告

No.14（2017）

乾燥処理

表３

HPLC 分析条件

収穫したニラ栃木５号を洗浄し，約 4cm にカットし装置

島津製作所社製 Prominence シリーズ

し，熱風乾燥及び真空凍結乾燥を行った。なお，加熱

カラム

L-Column2 ODS(4.6×10mm，4.6×150mm）

処理品においてはカットしたニラをストマッカー用の

移動相

A:5mM

袋に入れ，真空包装後 75℃の熱水中に 1 分間浸漬させ1-ﾍﾌﾟﾀﾝｽﾙﾎﾝ酸 ﾅﾄﾘｳﾑ含 有

10mMたものを乾燥させた。各乾燥条件を表２に示す。

リ ン 酸 緩 衝 液 (pH2.5)

B:10mM リン酸緩衝液(pH2.5)：アセトニト
リ

表２
前処理

乾燥方法

非加熱

熱風乾燥

×
加熱処理

２．４

乾燥条件

真空凍結乾燥

グラジエント

ル

＝

1

：

1

0min(5%B)→ 5min(5%B)→ 15min(70%B)→

乾燥温度

25min(70%B)→25.01min(5%B)→35min(5%B)

70℃

流速

1.0ml/min

60℃

カラム温度

40℃

50℃

注入量

10μl

40℃(棚温)PDA 検出波長

220nm
３

水分率測定

乾燥後のニラを家庭 用ミルで粉砕 したものを 5g 秤

３．１

結果及び考察生育評価量，105℃に設定した恒温槽で 3 時間加熱し，放冷後に黒ボク土及び灰色低地土を用い，各条件で栽培した

重量を秤量した。1 時間ずつ加熱・放冷・秤量を繰り際の生育評価を行った結果を表４に示す。この結果，返し，恒量となった時の重量から水分率を算出した。

灰色低地土で栽培することで黒ボク土と比較して 1 株

２．５

あたり重量・葉長・葉幅が増加することが明らかとな

含硫成分分析

ニラの含硫成分として，メチイン・アリイン含量をった。したがってニラ栃木５号は灰色低地土で栽培す

高速液体クロマトグラフィー（HPLC）により分析した。

ることで収量の増加につながることが示唆された。

生鮮ニラの前処理では，細切りにしたニラ 5g，90％
表４

メタノール 20ml をホモジネートし，氷冷しながら 15
分間超音波抽出した。3,000rpm で 10 分間遠心分離し，土壌

上清 10ml を 38℃の湯浴に浸けエバポレーターで減圧乾固し，超純水 2ml で溶解させ，0.45μm フィルター

黒ボク土でろ過したものを HPLC 分析用試料とした。乾燥ニラの前処理では，家庭用ミルで粉砕した乾燥ニラ 1g に 90％
メタノール 20ml を加え，生鮮ニラと同様に超音波抽

灰色

出・遠心分離・減圧乾固を行い，超純水 5ml で溶解さ

低地土せ，0.45μm フィルターでろ過したものを HPLC 分析用試料とした。
分析条件については前報 6) を参考とし，表３に示したとおりとした。また，定量はメチイン標準品（コスモ・バイオ㈱；(+/-)-S-Methyl-L-cysteine-S-oxide），
アリイン標準品（和光純薬工業㈱；アリイン(SH)）による絶対検量線法で行った。
２．６

生育評価結果重量
茎数(g/株) (本/株)

葉長
(cm)

葉幅
(mm)

0g

66.4

23.8

30.4

7.692

2g

77.2

25.8

32.6

7.814

4g

63.2

24.8

31.8

7.674

0g

107.6

22.8

38

8.28

2g

105.2

23

38.6

9.8

4g

99.6

23.4

36.6

8.994

栽培条件による含硫成分への影響

黒ボク土及び灰色低地土を用い，各条件で栽培したニラの含硫成分含量を分析した結果を図１に示す。ニラ栃木５号は，土壌に黒ボク土を用いて栽培すること
で，灰色低地土を用いた場合と比較してメチイン含量・アリイン含量とも高まることが明らかとなった。

色彩測定

ニラの色彩は，分 光測色計（CM-5；コニカミノ ルタ製）で測定した。生鮮ニラ及び加熱処理品については
約 4cm にカットした試料，乾燥ニラについては粉砕した試料を測定に供した。

３．２

MgSO 4
施用量

土壌への硫酸マグネシウム施用による影響を調査した結果，黒ボク土での栽培においては硫酸マグネシウ
ム施用量と含硫成分含量との間に相関は見られなかった。一方，灰色低地土での栽培においては，硫酸マグ
ネシウム施用量と含硫成分含量との間に正の相関が見られた。ここで，硫酸マグネシウム施用前の各土壌中の硫酸イオン濃度を測定した結果を表５に示す。灰色− 96 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

低地土と比較して黒ボク土には硫酸イオンが豊富に含

次に，ニラ栃木５号を真空凍結乾燥させた際の品温まれていたことがわかる。このことから，施肥前から推移を図３に示す。非加熱・加熱処理品いずれの品温

多くの硫酸イオンが存在していた黒ボク土においてはも棚加熱開始から約 9 時間で棚温と平衡状態となっ硫酸マグネシウム添加による影響が小さく，含硫成分た。この時の水分率を測定した結果 7％であり，真空含量に差が生じなかったものと考察される。

凍結乾燥においても乾燥速度の目標を達成した。

図３
図１

栽培条件による含硫成分含量変化

３．４

真空凍結乾燥試験結果

乾燥ニラの含硫成分含量

各条件で熱風乾燥及び真空凍結乾燥処理を行ったニ
表５

施肥前の土壌中硫酸イオン含量
水溶性 SO 4 2(mg/100g)

交換性 SO 4 2(mg/100g)

黒ボク土

7.34

36.29

灰色低地土

4.07

10.50

土壌

３．３

ラ栃木５号について含硫成分含量を分析した結果を図４に示す。熱風乾燥により乾燥させた場合，メチイン
含量はいずれの条件においても原料と比較して 1/3 以
下にまで損失した。アリイン含量は非加熱品では原料比 1/6 以下，加熱処理品では 1/3 以下にまで損失した。
一方，真空凍結乾燥により乾燥させた場合，アリイン

乾燥試験

含量は非加熱品・加熱処理品ともに原料と比較して約

ニラ栃木５号を各条件で熱風乾燥させた際の重量変2/3 まで損失したものの，メチイン含量は原料と同程化の結果を図２に示す。乾燥温度が高いほど，また前度保持されており，含硫成分含量を保持するためには処理として加熱処理を行わない条件の方が，乾燥が早

真空凍結乾燥が有効であることが示唆された。

いという結果となった。本研究では，実用性の観点から 24 時間以内に水分率を 10％以下に乾燥させることを目標としており，この結果から非加熱品においては60℃以上，加熱処理品においては 70℃以上の乾燥条件において目標を達成することが判明した。

図２

熱風乾燥試験結果
図４− 97 −

乾燥条件による含硫成分含量変化

栃木県産業技術センター

３．５

研究報告

No.14（2017）

乾燥ニラの色彩評価（1）灰色低地土で栽培することで，黒ボク土と比較しニラ栃木５号の生鮮及び加熱処理品並びに各条件でてニラ収量の増加につながることが示唆された。

乾燥させたものについて色彩を測定した結果を表６に（2）黒ボク土で栽培することで，灰色低地土と比較し示す。熱風乾燥では，いずれの条件においても乾燥前てニラ中の含硫成分含量が高まることが明らかと比較して a*の値が＋方向に変化しており，赤色が強となった。

くなることが明らかとなった。一方，真空凍結乾燥で（3）灰色低地土で栽培する際は，硫酸マグネシウムをは，非加熱・加熱処理品ともに乾燥前と同程度の a*値

施用することで含硫成分含量が高まることが示であり，生鮮ニラの緑色が維持されることが判明した。

唆された。一方，黒ボク土での栽培では硫酸マグ
ネシウム施用による含硫成分含量の増加は確認

表６
乾燥方法
乾燥前

されなかった。
（4）ニラ栃木５号の乾燥条件として，真空凍結乾燥を

前処理

乾燥温度

L*

a*

b*

非加熱

-

40.14

-10.27

23.82

行うことで含硫成分の損失を抑え，かつ生鮮ニラ

加熱処理

-

22.70

-14.4322.86の色彩を維持した乾燥ニラを得ることができた。

70℃

54.22

-5.69

27.97

60℃

56.34

-6.56

27.78

50℃

56.79

-5.33

26.86

1) 農林水産省： "平成 27 年産野菜生産出荷統計"

70℃

52.65

-2.11

21.29

2) 安東赫，池田英男： "ニラにおける収穫前後の吸収

60℃

53.25

-3.36

21.29

50℃

47.29

0.33

22.52

3) 青葉高，伊東正： "ニラの地下部発達に及ぼ す日

59.17

-9.40

23.92

長と温度の影響（第１報）", Ｃ－光合成産 １４ 物

58.41

-11.3725.48の部位別分布と季節変化．園学要旨, 昭和 56 春,

非加熱
熱風乾燥
乾燥処理

真空凍結乾燥

色彩測定結果非加熱
加熱処理

40℃(棚温)参考文献と転流",園学雑, 75(4), 350-354,（2006）

198-199,（1981）４4) 前田安彦： "漬物学 その化学と製造技術", 幸書房,

おわりに本研究では，ニラ栃木５号の最適な栽培条件を検討すべく，土壌及び硫酸マグネシウムの施用が収量及び（2002）
5) 食品機能性の科学編集委員会： "食品機能性の科学", 株式会社産業技術サービスセンター, 267-282,

含硫成分含量に及ぼす影響を調査するとともに，ニラ
栃木５号を各条件により乾燥処理を行い，乾燥条件が含硫成分含量及び色彩に及ぼす影響を調査した。結果（2008）
6) 福嶋瞬，渡邊恒夫，佐藤隆二，青木雅子，大島一則：の要点は次のとおりである。

"栃木県産業技術センター研究報告 No.13", 88-90,（2016）− 98 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

経常研究

県内醸造食品から分離した乳酸菌の生酛系清酒への利用に向けた
特性把握
佐々木

隆浩*

國府

加奈子*

星

佳宏＊

Study on Lactic Acid Bacteria Isolated from Fermented Foods for Kimoto Sake
Takahiro SASAKI，Kanako KOU and Yoshihiro HOSHI

県内発酵食品から分離された乳酸菌について，様々な温度環境下での培養試験，アルコール耐性試験及び小仕込試験を行った。培養試験では，生酛に多く存在している菌種ではコントロールとほぼ同程度の増殖性であったが，麹エキス培地では菌株による差が大きかった。一方，生酛であまり存在が確認されていない菌種では，低温での増殖性が劣ることが明らかとなった。アルコール耐性試験では，3 株の生育が認められたが，それ以外の株は火落ち菌の可能性が低いと考えられた。小仕込試験では，生酛に多く存在している菌種では，低温の増殖性が良好で香りも良好であったが，生酛であまり存在が確認されていない菌種では，低温の増殖性や香りが劣り，酵母添加後も酒母に香りが残存していたことから，乳酸菌の特性が生成酒に影響を及ぼす可能性が示唆された。
Key Words : 乳酸菌，生酛，小仕込み

１

はじめに

乳酸菌は県内発酵食品製造企業から分離し，8 社 26 株を

現在消費者のし好の多様化から様々な種類の清酒が販用いた。前培養は，ディープフリーザーから 1 白金耳の売されている。生酛系清酒もその中の一つであり，近年乳酸菌をかきとり，MRS 培地（Difco）に懸濁し 30℃でにわかに注目されつつある。生酛とは清酒製造における

1 日間培養した。前培養後，生理食塩水で 2 回洗浄し，酒母の伝統的な育成方法であり，現在主流の速醸と比べ試験培地に 1％添加した。培養試験の培地は MRS 培地とて手間や労力を要する。速醸は製造初期に乳酸を添加し麹エキス培地（Be 10）を用い，培養時間は培養温度が製造するが，生酛は乳酸を添加せず乳酸菌を誘導するこ5,10℃の場合は 24,48,120,192 時間，30,35℃の場合は 24,48とで酸度の上昇を図り酒母を育成する。生酛は独特な香時間とした。分析は pH と OD660 を測定することによりりや厚みのある味が特徴だが，環境中の硝酸還元菌や乳行った。また，10％エタノールを含んだ MRS 培地及び酸菌を誘導させるため，微生物学的知識や経験が不可欠

麹エキス培地（Be10）に培養液 1％を添加し，30℃で MRSであり，生酛の製造はハードルが高い。一方，当県では培地の場合は 24 時間，麹エキス培地の場合は 48 時間培

約半数の清酒製造企業にて生酛系清酒の製造に取り組ん

養し，OD660 の測定によりアルコール耐性試験を行っでいる。また，県清酒鑑評会においても生酛系清酒の部

た。いずれの試験についても，(株)秋田今野商店の L. sakeiが設置され，今後さらなる酒質向上が望まれている。しと L. mensenteroides を対照株として用いた。

かし，生酛系清酒の主役である乳酸菌については，菌種

２．２

小仕込試験

や特性について不明な点が多い状況である。そこで本研

培養試験と同様に生理食塩水で洗浄後，麹エキス培地

究では，県内発酵食品製造企業から分離した乳酸菌につ（Be 10）に 1％添加し，30℃で 1 日間培養し試験に供しいて，生酛への活用を想定した各種試験により菌の特性た。小仕込試験の仕込み配合を表２に示す。原料米は精把握を行ったので報告する。

米歩合 60％のα米と乾燥麹（ともに徳島製麹(株)）を用いた。小仕込試験は低温仕込（仕込温度 6℃）と高温仕

２
２．１

研究の方法

込（仕込温度 60℃）を行い，低温仕込は水麹に培養液を培養試験添加し，2 日間静置後，1 日 1℃ずつ室温を昇温させ 15培養試験と小仕込試験に供した乳酸菌を表１に示す。

*

栃木県産業技術センター℃まで昇温させた。高温仕込は高温糖化酛を製造し，30

食品技術部− 99 −

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）℃で培養液を添加し 30℃を保持した。分析は低温仕込にる L. sakei や L. mensenteroides１） は，各温度環境下でついては，10℃（仕込後 7 日目）,15℃（仕込後 12 日目）

コントロールと比較しほぼ同程度の増殖性であったが，で，高温仕込については，30℃を 24 時間保持後に pH と麹エキス培地では菌株によって増殖性が大きく，同一菌

滴定酸度により行い，官能評価も行った。なお，低温仕種でも菌株による増殖性が異なることが明らかとなっ込及び高温仕込の際の Be は 13.2 で酸度は 0.2 であった。

た。また，生酛であまり存在が確認されていなかった菌

表１

乳酸菌

No.
1

乳酸菌リストにおいては，特に低温での増殖性がコントロールと比較して劣ることが明らかとなった。また，MRS 培地では分離企業増殖性が低いが，麹エキス培地では増殖性が高い菌種がL. sakei

散見され，特に桿菌で顕著であった。これはコントロー

A2

P. pentosaceus

3

L. sakeiB

ル株が MRS 培地で高い増殖性を有していることと，麹4L. sakeiC

エキスという特殊な栄養成分中で特異的に増殖する菌株

5L. sakei

Dが多いと考えられた。アルコール耐性試験を表４に示す。

6

P. pentosaceus

E

MRS 培地と麹エキス培地の両方において，W. koreensis,

7

L. sakei

F

育が認められたが，それ以外の乳酸菌については生育が

8

L. mensenteroides

G

認められず，火落ち菌の可能性は低いと考えられた。

9

W. Cibaria

10

W. koreensis

11

W. koreensis

12

L. sakei

13

L. garlicum or L. lactis

14

L. curvatus

15

L. mensenteroides

16

L. citreum17

L. sakei

18

L. mensenteroides

19

L. sakei

20

L. citreum

21

L. lactis

L. mensenteroides, P. pentosaceus それぞれ 1 株ずつ生

表３

培養試験

A

C

D

E

◎

増殖性がとても高い（control 比 2 以上）○

増殖性が高い（control 比 1.2 以上）

22

L. mensenteroides

無印

ほぼ同程度

(control 比 0.8-1.2)

23

L. plantarum×

増殖性が低い(control 比 0.8 以下）

24

E. faecium or E. durans※株によって差が大きい

25

L. mensenteroides

26

L. sakei

27

L. sakei (control)

(株)秋田

28

L. mensenteroides (control)

今野商店

表２

表４

H

仕込配合

仕込

掛米（g）

麹米（g）

汲水（ml）

低温

70

30

100

高温

35

15

72

３

結果及び考察

３．１

アルコール耐性試験

培養試験

培養試験の結果を表３に示す。生酛に多く存在してい− 100 −+：positive,－：negative栃木県産業技術センター

３．２

小仕込試験

表６

研究報告

No.14（2017）

小仕込試験における同一菌種の特性の違い

小仕込試験における乳酸菌種及び分離企業毎の結果をそれぞれ表５，６に示す。低温仕込については，一般的に生酛に多く存在している L. sakei や L. mensenteroides
は，生酛初期の極低温においてもコントロール株と比較し増殖が良好であり，香りの評価も概ね良好であった。
また，L. citreum や L. garlicum or L. lactis などの生酛であまり存在が確認されていない菌においても低温での増殖が良好であり，生酛への活用の可能性が示唆された。
高温仕込については，L. citreum と L. mensenteroidesの増殖が良好であり，これらは低温仕込と同様の傾向であったことから，これらの菌種は酒母の環境下で増殖が良好であることが示された。また，一般的に生酛であまり確認されていない菌については，低温での増殖性が劣り，香りについても酸臭や漬物臭，つわり香が認められるなど，生酛という特殊な環境により優良な乳酸菌の選抜がなされていることを再確認した。なお，アルコール耐性試験で増殖が認められた株については，増殖性はコ○

control 比 1.2 以上

無印

control 比 0.8-1.2

×control 比 0.8 以下

ントロールと比較しほぼ同程度であったが，香りはつわり香や強い酪酸臭が認められ，生酛には適さないと考え

４

おわりに

られた。同一菌種における特性の違いについては，菌株

県内発酵食品から分離された乳酸菌について，培養試により温度環境の増殖性や香りの質について大きな差が験，アルコール耐性試験及び小仕込試験を行った。培養見られた。増殖性については，試験に供した多くの株は試験では，生酛に多く存在している菌種ではコントロー

コントロールに比べ低温下での増殖性に優れており，生ルとほぼ同程度の増殖性であったが，麹エキス培地では酛の製造に適していることが明らかになった。また，大菌株による差が大きかった。一方，生酛であまり存在が半の株では高温での増殖性も優れており，高温の仕込に確認されていない菌種では，低温での増殖性が劣ることも活用可 能であると 考えられた。香りについては， L.

が明らかとなった。アルコール耐性試験では，3 株の生

sakei ではすっきりとしたマイルドな乳酸臭が感じられ育が認められたが，それ以外の株は火落ち菌の可能性がた株が多かったが，一部強い酸臭の株が確認された。L.

低いと考えられた。小仕込試験では，生酛に多く存在しmensenteroides では，やや酪酸を感じる株が散見されたている菌種では，低温の増殖性が良好で香りも良好であが，一部強い酪酸臭の株が確認された。また，これらのったが，生酛であまり存在が確認されていない菌種では，酒母に県酵母である T-ND を添加し発酵させたところ，

低温の増殖性や香りが劣り，酵母添加後の酒母に香りが乳酸菌由来の香りが残存しており，生成酒の品質につい残存していたことから，乳酸菌の特性が生成酒に影響をても乳酸菌株の特性が影響する可能性が示唆された。

及ぼす可能性が示唆された。今後は，これらの基礎デー
タを基に県内生酛清酒の品質向上を図っていく予定であ

表５

小仕込試験における乳酸菌種の特性る。
参考文献
1) 石川ら："増補改訂
造協会,(1999)− 101 −

清酒製造技術",財団法人日本醸

栃木県産業技術センター

研究報告No.14（2017）

経常研究

陶磁器用廃石膏型の有効利用（第１報）
興野 雄亮*

山ノ井 翼*

Yusuke KYOUNO and Tsubasa YAMANOI

Effective Utilization of Waste Plaster Mold (1st Report)

石膏型は陶磁器の成形において昔から幅広く用いられている。しかし，その耐久性には限りがあり使用済
み石膏型は多くが産業廃棄物として廃棄されている。特に益子焼業界においては，リサイクルは見られず，その技術開発が望まれている。
そこで，本研究では陶磁器用廃石膏型を有効利用する技術の開発を行い，廃石膏型から再生石膏型を作製することに成功した。
Key words: 有効利用，再生，石膏，石膏型

１

はじめに

要がある。廃石膏粉末 10g を送風定温乾燥器（東京理科

石膏型は陶磁器の成形において昔から幅広く用いら

機器 EYELA WFO-1200）を用い，焼成温度条件を 80℃，れている。しかし，使用につれ型の消耗による形状変化

90℃，100℃，110℃，120℃と変化させて焼成し最適焼や寸法精度の低下が起こり，耐久性には限りがある。こ

成条件を求めた。焼成条件の評価は，重量法およびＸ線のような使用済み石膏型は焼石膏やセメント原料等で回折装置（リガク RINT2550）による定性分析により行の再利用 1)もあるが，多くが産業廃棄物として廃棄されった。

ている現状にある。特に益子焼業界においては，ほとん

また，ここで得られた最適条件で次項以降の検討に使ど再利用される事例は見られず，有効利用方法の開発が用する再生石膏粉末を作製した。

望まれている。

２．３

そこで，本研究では陶磁器用廃石膏型について調査検討し，廃石膏型から再生石膏型を作製した。

市販石膏粉末との調合とテストピース作製

再生石膏粉末と市販石膏粉末（吉野石膏 特級）それぞれの混水量を JIS R 9112(1978)に準じて測定した。その結果から任意の調合割合における石膏粉の混水量を

２
２．１

研究の方法

算出し，その結果を用いて，表１に示す割合で石膏粉を廃石膏型の粉砕

調合した再生石膏テストピースを作製した。テストピー

再生石膏粉末を調製するためには，まず廃石膏型を粉ス設計寸法を図１に示す。

砕して廃石膏粉末とする必要がある。ハンマーによる手作業粉砕，ボールミルによる乾式粉砕および湿式粉砕，

表１

スタンプミルによる乾式粉砕，ジョウクラッシャーによ

№

1

2

3

4

5

る乾式粉砕をそれぞれ試験検討した結果，ジョウクラッ

再生石膏粉末

0

25

50

75

100

シャーによる粗粉砕後，ボールミルによる湿式微粉砕を

市販石膏

100

75

50

25

0

再生石膏テストピースの調合割合

併用する方法を採用することとした。

単位：％

この方法を用いて，次項以降の検討に使用する廃石膏
粉末を作製した。なお廃石膏粉末はスラリーの状態で得られるため，結晶構造を損なわないとされる 40℃以下の条件下で乾燥させた。
２．２

15m

80m

廃石膏粉末の焼成

廃石膏粉末は主成分が二水石膏であるため，そのまま

80m

では混水させても硬化しない。焼成して焼石膏とする必*

栃木県産業技術センター

窯業技術支援センター

図１− 102 −

テストピースの設計寸法

栃木県産業技術センター

また，テストピースは３点曲げ強度と全吸水率を測定

混水量(%)＝

し，その物性を評価した。３点曲げ試験は曲げ試験機（前研究報告×（再生石膏粉末量(%)）


No.14（2017）

・・（式１）

川試験製作所 MAG-1-PB）を用い，スパン 60mm，ドライ

表２

ブスピード 2.5mm/min の条件で実施した。全吸水率測定

石膏の種類

混水量（％）

は JIS A 6901 に準じて実施した。

再生石膏粉末134

市販石膏粉末54３３．１

石膏粉末の混水量

結果及び考察廃石膏粉末の焼成式１を基に，再生石膏テストピース５種を成形した。

廃石膏粉末の乾式焼成の重量分析結果を図２に示す。

再生石膏テストピースの３点曲げ試験結果を図４に示

この結果は，100℃で乾式焼成すると半水石膏までで脱す。再生石膏の割合が増加するに従い曲げ強度が低下す

水反応が完了し，48 時間焼成を続けても無水石膏まではる傾向がみられた。

脱水反応が進行しないことを示している。

図４
図２

再生石膏テストピースの３点曲げ試験結果

廃石膏粉末の焼成時の重量分析結果
再生石膏テストピースの全吸水率試験結果を図５に

また，Ｘ線回折装置による定性分析の結果を図３に示示す。再生石膏の割合が増加するに従い全吸水率が上昇

す。廃石膏粉末を 100℃で 48 時間焼成したものからは半する傾向がみられる。吸水量は大きいほど陶磁器用石膏

水石膏または無水石膏の回折パターンが定性されたが，型としては有利といえる。強度低下が許容できる範囲で二水石膏の回折パターンは定性されなかった。この結果

あれば，再生石膏を多く利用できる結果となった。

は，100℃で 48 時間焼成すると，二水石膏はすべて脱水

Intensity/a.u.

されることを示している。

図５

再生石膏テストピースの全吸水率試験結果
４

図３

廃石膏粉末のＸ線回折パターン

おわりに本研究では，陶磁器用廃石膏型を有効利用する技術の開発を行い，廃石膏型から再生石膏型を作製した。

３．２

市販石膏粉末との調合とテストピース作製

次年度はこの結果をもとに(1)再生石膏の繰り返し利再生石膏粉末と市販石膏粉末の混水量を表２に示す。

用回数の検証(2)再生石膏型を用いた成形品等の試作を

再生石膏粉末は，市販石膏粉末よりも混水量が大きくな行う予定である。

っている。混水量が多いと石膏型内に水泡ができ，型の強度が下がり吸水率が上がるとされる。

参考文献

表２の結果を基に，再生石膏混水量と市販石膏混水量

1)永 石 雅 基 ： " 長 崎 県 窯 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 " ，が互いに独立であると仮定することで，式１を得た。

40-42（2011）− 103 −

平成２８年度

栃木県産業技術センター研究報告
第１４号
Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
No.14 (2017)
発

行

発行所
〒321-3226

平成 29 年 8 月
栃木県産業技術センター
栃木県宇都宮市ゆいの杜 1-5-20
ＴＥＬ（028）670-3391
ＦＡＸ（028）667-9430

ISSN 1349-2608
平 成 二 十 八 年 度

No.14(2017)栃木県元気ニコニコ室長

とちまるくん

平成２８年度研 究 報 告Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
研
究報
告— 発信します

明日を拓く

確かな技術 —

栃木県産業技術センター

栃木県産業技術センター