ISSN 1349-2608

No.18(2021)

栃木県元気ニコニコ室長

とちまるくん

令和２（2020）年度

研

究

報

告

Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture― 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

目
Ⅰ

次

重点共同研究（実施：３テーマ）
切削工具摩耗状態判断手法の開発(航空宇宙分野) ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

1

生分解性プラスチックの高性能化と射出成形特性の向上(環境分野) ・・・・・・・・・・

6

海外展開に向けた県産イチゴ製品の色調劣化抑制技術の開発(フードバレーとちぎ) ・・・ 12Ⅱ共同研究（実施：２テーマ）
バレル工具の傾斜角度が仕上げ面粗さと工具寿命に及ぼす影響 ・・・・・・・・・・・・ 19
シミュレーション技術を活用した軽量化設計による高付加価値製品の開発 ・・・・・・・ 24

Ⅲ

受託研究（実施：２テーマ）
動物骨のフッ素アパタイトへの資源化 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 29
非公開：１テーマ

Ⅳ

重点研究（実施：１テーマ）
ものづくり現場における AI 活用に向けた分析・解析ツールの開発 ・・・・・・・・・・・ 35

－i－
－ⅰ－

Ⅴ

経常研究（実施：５テーマ）
デザイン資料を解析・活用した図案調整とテキスタイル試作 ・・・・・・・・・・・・・ 43
DSC を用いた非晶性樹脂成形品の残留応力評価に関する研究 ・・・・・・・・・・・・・

47

リバースエンジニアリングのための CAD データ作成に関する研究 ・・・・・・・・・・・ 52
引き揃え糸を使用した紬織物製品の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 55
白化粧の品質に及ぼす化粧掛け条件の影響 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 61

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います。
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
Detection of Tool Wear in End Milling by Machine Learning through Acoustic
Emission and Acceleration ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
1
Improvement of Physical Characteristics and Injection Molding Property
of Biodegradable Plastic ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
6
Development of Technology to Suppress Color Deterioration of Strawberry
Products Produced in Tochigi Prefecture for Overseas Expansion ・・ 12Ⅱ

Cooperative Research
Effect of Lead Angle of Barrel Tool on Finished Surface Roughness
and Tool Life ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
Development of Products with High Additional Value by Lightweight
Design Utilizing Simulation Technology ・・・・・・・・・・

Ⅲ

24

Contract Research
Recycling of Animal Bones to Fluoroapatite ・・・・・・・・・・・・

Ⅳ

19

29

Selected Research
Development of Analysis Equipment using Machine Learning for
Manufacturing SMEs ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

－iii－
－ⅲ－

35

Ⅴ

Ordinary Research
Design Adjustment and Textile Trial Production by Analyzing andUtilizing Design Materials ・・・・・・・・・・・・・・・・・・
Residual Stress Evaluation of Amorphous Resin Products Using DSC ・・・
Study on the CAD Data Creation for Reverse Engineering ・・・・・・・・
Development of Tsumugi Textile Products with Some Yarns Together ・・・
Effect of Engobe Condition on Quality of White Slip Coat ・・・・・・・

－iv－
－ⅳ－

43
47
52
55
61

Ⅰ 重点共同研究
Selected Cooperative Research栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

重点共同研究（航空宇宙分野）

切削工具摩耗状態判断手法の開発
稲澤勝史*

近藤 弘康*
松本 義則**

曽田 将来*

清水 暁*

アサイ**

松本 知之**松本

島田 智*

Detection of Tool Wear in End Milling by Machine Learning
through Acoustic Emission and Acceleration
INAZAWA Katsufumi，KONDO Hiroyasu，SOTA Masaki，SHIMIZU Akira，SHIMADA Satoshi，
MATSUMOTO Yoshinori，MATSUMOTO Asai and MATSUMOTO Tomoyuki
本研究では，安価なセンサを用いて工具の摩耗状態を把握するため，AE センサ及び加速度センサを用いたデータ取得ユニットを試作し，切削時の各センサの信号から工具の摩耗状態を判断する手法を開発した。切削力と各センサの信号との関係性を調査した結果，AE と加速度は切削力と比例関係を示し，工具が終期摩耗に移行する様子を捉えられることを明らかにした。加えて，AE 信号と加速度信号を用いた機械学習により，摩耗状態レベルを推定し，その有用性について検討した。
Key words: 工具摩耗，切削力，AE センサ，加速度センサ，機械学習

１

はじめに

定し，切削状態の把握可能なユニットを試作した。さら航空機部品の製造において切削加工のコスト削減がに取得した切削状態を示すデータの解析により，摩耗状

求められている。しかしながら，最終製品の安全性確保

態を判断する手法について検討し，工具交換のタイミンの観点から，品質の担保は必須であるため，安易な低コグの改善を図ることとした。

スト化を行うことができない。
製品の製造プロセスに目を向けると，例えば切削加工

２では，生産能率を維持するため，インプロセスでの工具

２．１

研究の方法

センサの選定及びデータ取得ユニットの開発

摩耗状態の把握は行われず，十分な余裕をもって工具の切削工具においては，摩耗の進行とともに切削力も増交換を行っている。加工に用いられるエンドミルの摩耗

大することが知られている 1)。これより，切削力の推移

進行については，次の 3 段階に分類できる。まず，①使により摩耗状態を把握することは可能である。しかしな用開始直後の切れ刃先端が急速に摩耗する初期摩耗状

がら，切削力を測定する動力計は非常に高価であり，ま態，さらに，②切削距離の増加に対して 1 次関数的に摩た被加工物の形状に制限を受けるため，本研究では動力耗が進行する定常摩耗状態，その後，③急速に摩耗が進計の代替となりうる安価なセンサを用いてデータ取得

行し，切削加工面の品質を低下させる終期摩耗状態の 3

ユニットを開発することとした。

段階である。現状の航空機業界においては，加工物の品先行研究では，AE センサを用いて工具欠損を感知でき質を担保するため，工具の交換は一定の加工アイテム数

ること 1),2)や，切削時の切削抵抗と加速度センサから得または使用時間に達した時点（定常摩耗状態の中期に相られる信号には関係性があること 3)が示されている。こ当）と定めており，工具コストの増大を招いている。これより，本研究では AE センサ及び加速度センサに着目のため，切削工具を終期摩耗状態に移行する直前まで使し，切削動力計を併用することで切削抵抗と各センサの用できるようにすることで，工具コストの低減を行うこ信号との関係性について検討することとした。

とが可能である。それには切削工具の摩耗の進行ととも

以上から，図１に示すデータ取得ユニットを試作しに変化する切削状態を正確に把握し，工具の摩耗状態をた。センサの接触具合により感度が変化すると想定され判断することが必須となる。

たため，センサ用被削材に直接 AE センサ（エヌエフ回

そこで本研究では，切削状態を監視可能なセンサを選路設計ブロック*

栃木県産業技術センター

ラー**

株式会社マツモトセイコー

機械電子技術部－1－

AE-901S）及び加速度センサ（日本キスType 8776A50）を取り付けられる構造とした。

栃木県産業技術センター

２．２

研究報告

№18(2021）

加工実験

表１

試作したデータ取得ユニットの性能を評価するため，切削速度 Vc

50, 200 m/min

１刃送り fz

0.1 mm/tooth

軸方向切込み深さ ae

3 mm

半径方向切込み深さ ap

0.1mm

切削液

無，有

図２のとおり，データ取得ユニットをマシニングセンタに取り付けて加工実験を行った。ユニットを評価するため，AE センサ及び加速度センサから得られる信号と切削力の関係を調べることとし，切削抵抗測定装置（日本キ
スラー

加工条件

9265B）の上にデータ取得ユニットを取り付け，

表 1 に示す条件を用いて切削実験を行った。ここで，実験については機差の影響も検討するため，2 つの異なる加工機を用いた。それぞれ，加工機 1，加工機 2 と呼称する。
加工は，超硬母材のノンコーティング 2 枚刃 φ6 mmのスクエアエンドミルを用い，被削材である Ti-6Al-4V
に対して側面切削を行った。エンドミルは，切れ刃の振れにより切込み深さが変化しないよう，2 枚の切れ刃の
うち 1 枚をグラインダで削り 1 枚刃とした。実験の手順としては，工具が終期摩耗に至るまで摩耗を促進させ，その間に所定の切削距離ごとに USB カメラによる工具
図３

観察（図３）及びデータ取得ユニット被削材の切削加工

USB カメラを用いた工具観察を行い，切削距離に対する工具摩耗状態と各種センサからのデータを取得した。ここで，切削力の評価は，AE との比較に際しては切削抵抗測定装置から得られた信号のうち XY 方向の合成成分の実効値を用い，加速度との比較に際しては，本研究では加速度は y 方向の振動成分に着目していることから，y 成分のピーク平均値を用いた。また AE の評価には，サンプリング周波数を 1 MHzとして取得した AE 信号をウェーブレット変換し，変換後の波形の実効値を用いた（以後，AE 値と呼ぶ）。さらに，加速度の評価には，サンプリング周波数を 51,200Hzとして取得した加速度センサからの信号をフーリエ変換し，1,850Hz のローパスフィルタ処理を施した後，逆フーリエ変換することで得られた波形のうち一定区間

図１

データ取得ユニットの最大値ピーク平均を用いた（以後，加速度値と呼ぶ）。
３
３．１

結果及び考察データ取得ユニットの評価結果

加工機 1 を用い取得した切削距離に対する切削力と AE
値の関係を図４に示す。同図より，切削距離が長くなると，切削力が大きくなることがわかる。また，切削距離が 110 m を超えると切削距離に対する切削力の増分が大きくなる様子が見られる。USB カメラを用いた刃先観察結果より，切削距離が 110 m を超えると摩耗が一気に進展していく様子が確認できたことから，切削力により工具が終期摩耗に移行する状況が捉えられることが確認できた。これを踏まえて AE 値に着目すると，AE 値も切
削距離が長くなると値が大きくなり，その挙動は切削力
図２

加工時の構成によく一致していることがわかる。また，同時に取得し－2－

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

た加速度値についても，切削距離と切削力との関係を図５に示す。加速度値においても，距離に対する切削力の推移とよく一致しており，切削距離が 110 m 以降では大きく変化する様子も確認できた。
以上のことから，AE 値及び加速度値を用いることで，切削力の代替として，工具摩耗の状態を把握できると考えられる。
また，同条件における 3 回の繰り返し試験を行った結果を図６，７に示す。各試験において，切削力と AE 値
及び切削力と加速度値は同様の傾向を示しており，デー
タ取得ユニットを用いて再現性のあるデータが取得できることがわかる。しかしながら，各試験における終期
摩耗に移行する切削距離が異なっていることもわかる。
図６

これは，工具のバラツキや偶発的な刃の損傷によるもの

繰り返し試験結果（切削力と AE 値の推移）と考えられ，切削距離を指標とした工具管理にはこれらの現象を踏まえ，高い安全率が必要と推察できる。一方

図７
図４繰り返し試験結果（切削力と加速度値の推移）

切削距離に対する切削力と AE 値の推移
で，図中の点線のとおり終期摩耗に移行する際の切削力は同程度の値を示しており，AE 値や加速度値を用いることで，終期摩耗の直前まで工具を使用できると考えられる。
以上のことから，本研究で開発したデータ取得ユニッ
トは，切削抵抗測定装置と同等の傾向を示し，再現性の高いデータを取得できることが確認できた。
３．２

加工条件及び機差が各種データに及ぼす影響

表 1 の各実験条件において取得した各センサの値のうち，切削力と AE 値の関係を図８に，切削力と加速度値の関係を図９に示す。ここで，切削速度 Vc は摩耗試験
時の切削速度であり，データ取得ユニット被削材の加工に際しては切削速度を 200 m/min としてデータを取得した。
図５

切削距離に対する切削力と加速度値の推移－3－栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

図８より，切削力と AE 値の関係は比例関係にあり，加講じることで同様の結果が得られると考えている。

工条件によらず一定の傾きを示すことがわかる。特に，

図 ９よ り， 切削力 と加 速度値 の関 係は 比例関 係にあ

切削速度 200 m/min，切削液無の条件においては，機差り，傾きは加工機ごとに分かれていることがわかる。この影響を受けずに傾きが一致している様子が見られる。

のことから，加速度値の傾きは機械剛性に影響を受ける

AE 信号は，材料の変形・変態，き裂・割れ，接触・衝撃，

ことが考えられる。一方で，同一加工機を用いた場合に4)

摩擦・摩耗などにより発生するため ，材料の破壊現象

は，摩耗試験時の加工条件が異なっても，切削力と加速などを直接捉えていると考えられる。よって，機差の影度の傾きは一定であることがわかった。

響なく，同じ加工条件においては同一の傾きを示したも

以上より，AE 値では機差の影響なく切削力と高い関係のと考える。一方で，加工機 2 においては，点線囲いで性を示し，加速度値では加工機ごとに傾きは変化する

示すとおり，切削液有の条件の一部で線形から外れる結が，加工条件によらず切削力と高い関係性を示すことが果が得られた。これは切削液を用いた場合に AE の信号

明らかとなった。

に異常な乱れが生じてしまい，この際の AE 値は異常値３．３を示したことに起因したと考える。しかしながら，加工

３．３．１

工具摩耗診断手法
摩耗診断マップの活用

機 1 では切削液を用いた場合も切削力と AE 値は線形性

前述したとおり，データ取得ユニットから得られた各を示しており，加工機 2 においても切削液下の AE 測定

センサの値は切削力と比例関係を示し，かつ同じ条件にについて，データ取得ユニットの防水など適切な対策をおいては同程度の切削力で終期摩耗に移行することがわかっている。このため，しきい値による摩耗度診断が3

Vc200(無)@加工機1-1回目
No.25
Vc200(無)@加工機1-2回目
No.26
Vc200(無)@加工機1-3回目
No.27
Vc200(有)@加工機1-1回目
No.28
Vc200(有)@加工機1-2回目
No.29
Vc200(有)@加工機2-1回目
No.42
Vc200(有)@加工機2-2回目
No.44
Vc200(無)@加工機2-1回目
No.45
Vc50(有)@加工機2-1回目
No.46

2.5

AEWavelet

2
1.5

可能であると考えられる。
例として表 1 に示した加工条件のうち，切削速度 200
m/min，切削液無で行った加工実験を取り上げる。加工時に得られた AE 値と加速度値の関係から，終期摩耗に移行する点の AE 値及び加速度値をしきい値として設定することで，図 10 に示す摩耗診断マップを作成した。同1

図の左下の領域は，工具が終期摩耗に入る前であることを示しており，それ以外の斜線部は，工具が損傷してい0.5る恐れがあることを示している。摩耗診断マップを用い
0
0

0.5
50

ることで，加工時の切削力を測定することなく，データ

1
100

取得ユニットから得られるデータを用いて，工具の使用

Fxy_rms, N

図８

可否の判断が可能となる。

各加工条件における切削力と AE 値の関係
(有)(無)は切削液の有無を示す

2

Vc200（Dry）＠産技セ-1
Vc200(無)@加工機1-1回目
Vc200(無)@加工機1-2回目
Vc200（Dry）＠産技セ-2
Vc200(無)@加工機1-3回目
Vc200（Dry）＠産技セ-3
Vc200(有)@加工機1-1回目
Vc200（Wet）＠産技セ-1
Vc200(有)@加工機1-2回目
Vc200（Wet）＠産技セ-2
Vc200(有)@加工機2-1回目
Vc200（Wet）＠ﾏﾂﾓﾄｾｲｺｰ-1
Vc200(有)@加工機2-2回目
Vc200（Wet）＠ﾏﾂﾓﾄｾｲｺｰ-2
Vc200(無)@加工機2-1回目
Vc200（Dry）＠ﾏﾂﾓﾄｾｲｺｰ
Vc50(有)@加工機2-1回目
Vc50（Wet）＠ﾏﾂﾓﾄｾｲｺｰ

加速度, G

1.6
1.2
0.8
0.4
0
0

図９

1
100

2
200
Fy_peak, N

3
300

図 10

各加工条件における切削力と加速度値の関係－4－

摩耗診断マップ栃木県産業技術センター

３．３．２

機械学習を用いた摩耗レベル検知

研究報告№18(2021）

移をみることで摩耗の進行を予測可能と考えられる。図機械学習を用いた工具摩耗の検知については，外乱推11(a)は，工具が終期摩耗に移行する点における AE 値を定理論に基づき，得られた切削力と切削トルクから特徴

１として正規化し，その値に対して AE 信号及び加速度量を抽出し，機械学習により，クラスタリングと工具摩信号から求めた推定切削力が一致するような教師デー

5)

耗を分類検知するといった方法など ，様々な手法が検タを作成して適用したものである。つまり，1 を限界値

討されている段階である。

として，現在の摩耗の度合いを示した図となっている。

本研究では，勾配ブースティング決定木により，AE 信

図 11(a)より，真値と推定値がよく一致していること

号と加速度信号から工具の摩耗レベルを推定した。そのがわかる。ここで得られた教師データを同条件の加工に一例を図 11 に示す。前述したとおり，切削距離に対し適用した結果を図 11(b)に示す。これより，推定値が真て切削力と AE 値は同様の挙動を見せるため，AE 値の推値と非常に近い値となっていることがわかる。また，摩耗レベルは 20 m で 1 を超えていることから，真値と比

2
推定値

摩耗レベル

1.6

較して 10 m の誤差を生じていることがわかる。図 11(c)真値に切削液条件を変えた場合に先の教師データを適用した結果を示す。同図においても，真値と推定値が近い値1.2となっており，摩耗レベルは真値と同じく切削距離が 60

0.8m で 1 を超えていることがわかる。

0.4

切削速度 Vc
切削液

0
0

(a)

50

以上の結果より，データ取得ユニットと機械学習を組

200m/min無100
切削距離, m

み合わせることで，加工条件が異なった際も誤差の少な
い摩耗レベルを検知できる可能性が見出せたと考える。

150

Vc200 m/min，切削液無（1 回目）

４

おわりに

本研究では，安価なセンサを用いて工具の摩耗状態を把握するため，AE センサ及び加速度センサを用いたデー

2
推定値

摩耗レベル

1.6

タ取得ユニットを開発し，切削時の各センサのデータか

真値

ら摩耗状態を判断する手法について検討することで，以下の知見を得た。

1.2（1）データ取得ユニットを用いて得られた AE 値及び0.8

加速度値は切削力と比例関係を示し，高い再現性

0.4

切削速度 Vc
切削液

0
0

(b)

20

40
切削距離, mを実現した。

200m/min無60（2）AE 値及び加速度値を用いて，工具が終期摩耗に移行する様子が確認できた。

80（3）摩耗診断マップ及び機械学習を用いることで，工Vc200 m/min，切削液無（2 回目）

具の摩耗状態を把握することができ，工具交換タ
イミングの改善に寄与できる。

2
推定値

摩耗レベル

1.6

参考文献

真値

1) 古賀 俊彦ほか： "トライボロジスト "，63（7），487498,（2018）

1.2

2) 中川 純一ほか："電気製鋼:大同特殊鋼技報 "，87（ 1），

0.8

5-12,（2016）

0.4
0
0

20

(c)
図 11

切削速度 Vc
切削液

200m/min有40
切削距離, m603) 稲崎 一郎： "日本機械学会論文集 C 編 "，51（466)，
1163-1169,（1985）
4) 長谷 亜蘭："精密工学会誌 "，78（ 10)，856-861,（ 2012)805) 粕谷 勇太ほか："第 26 回精密工学会学生会員卒業研
究発表講演会論文集 "，13-14,（2019）

Vc200 m/min，切削液有

機械学習を用いた工具摩耗レベル推定－5－栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

重点共同研究（環境分野）

生分解性プラスチックの高性能化と射出成形特性の向上
大森
太田

和宏*

好和***

松本 健一*

小林 愛雲**

池添 亮***

小橋川 浩***

谷越 健太***

舩山

智信****

Improvement of Physical Characteristics and Injection Molding Property of
Biodegradable Plastic
OMORI Kazuhiro, MATSUMOTO Kenichi, KOBAYASHI Azumi, IKEZOE Makoto,OTA Yoshikazu, KOBASHIKAWA Hiroshi, TANIKOSHI Kenta and FUNAYAMA Tomonobu
板状形態を維持した微粉砕タルクを添加したポリ乳酸について，ポリ乳酸の結晶化に及ぼすタルク粒子径の核剤効果，射出成形特性，材料物性を検討した。示差熱分析において，タルクを添加したポリ乳酸では，
冷却過程で明確な結晶化由来の発熱ピークが確認され，タルクの平均粒子径が小さく，タルク濃度が高い程，
ピークトップは高温側にシフトした。等温結晶化では，タルクの平均粒子径が小さく，タルク濃度が高い程，ポリ乳酸の結晶化度は高くなった。射出成形においては，金型温度は高い程，冷却時間が短縮でき，金型温度 75℃～90℃では，300 秒以内で成形品の取り出しが可能であった。荷重たわみ温度はタルク濃度が高い程，高くなる傾向があり，平均粒子径の影響は見られなかった。衝撃強さは，タルク濃度が低く，平均粒子径が大きい方が高かった。
Key words: ポリ乳酸，タルク，ビーズミル，結晶化，射出成形

１

はじめに

高める必要があり，水媒体の汎用金型温調器を用いた耐近年のマイクロプラスチック等の環境問題を受け，使熱成形品の成形は困難である。加えて，PLA は耐衝撃性

い捨てプラスチック成形品の削減が世界的に進められが低いことが課題となっており，射出成形用途での利用

1）。日本においても「プラスチック資源循環戦略」

は少ない。石油由来プラスチックの代替として PLA を利が策定され，使い捨てプラスチックの削減やリサイク

用するには，一般企業が有する汎用設備で射出成形でき

ル・石油由来プラスチックの生分解性プラスチックを含ることが必要であり，耐熱性・耐衝撃性・成形性の改善

むバイオマスプラスチックへの切り替えを基本原則とが求められる。

ている2）。特に生分解性プラスチックにおいては，そPLA の結晶化度を高めるため，PLA に結晶核剤を添加の機能を活用し，適切な導入支援により利用障壁を引きした材料が研究・開発されている。PLA の結晶核剤とし下げることが重点戦略として挙げられている。さらに，ては，タルクやモンモリロナイト，脂肪酸アミド，亜鉛「バイオプラスチック導入ロードマップ」が策定され，化合物等が知られている 4） が，環境問題を考慮すると，2030 年までにバイオプラスチックを約 200 万トン導入

天然物である無機フィラーが適しており，特にタルクは

している

3）

。この様な社会的背景か板状形態のため，単位粒子数当りの表面積が大きく，優ら，今後の生分解性プラスチックをはじめとするバイオれた結晶核剤である。射出成形工程において，低い金型

プラスチックの利用は増えることが予想される。

温度で結晶化度を高めるには，タルクの結晶核剤効果をすることを目標としている

現在，生分解性プラスチックの中で，ポリ乳酸（PLA）

より高める必要があると考えられるが，タルクを粉砕しが最も普及しており，農業用フィルムや包装，レジ袋等て単位体積当たりの表面積を増加させることでその効に利用されている。一方，PLA は耐熱性を高めるために，果が向上することが期待される。他方，樹脂の耐衝撃性

射出成形時に金型温度を 100～110℃にして結晶化度をは，適した粒径・形状の無機フィラーを添加することで向上するが，高濃度での無機フィラーの添加は脆化を促*
栃木県産業技術センター 材料技術部**
栃木県産業技術センター 県南技術支援センター*** 株式会社サカエ工業**** アシザワ・ファインテック株式会社

進させ，衝撃強さは低下する。また，樹脂に無機フィラ
ーを添加すると，添加量や平均粒子径，粒子形状によっては，射出成形性は悪くなることがある。

－6－栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

そこで本研究では，板状形態のまま微粉化したタルク

混練し，水冷後，ペレタイジングしマスターバッチを作を作製し，PLA の結晶核剤としての効果を検討する。ま製した。マスターバッチのタルク濃度は，PLA/1μm はた，耐熱性・耐衝撃性の改善及び汎用設備での成形を可

30wt％，PLA/0.47μm は 5wt％とした。

能とするため，タルク添加 PLA を調製し，その射出成形

２．４

PLA/タルク試料の射出成形特性について検討する。これにより，耐熱性・耐衝撃性

PLA/タルクマスターバッチを用い，射出成形により各を改善した高性能 PLA を作製するとともに，汎用設備でタルク濃度の試験片を成形した。材料は 80 ℃で 5 時間成形できる材料・成形条件を明らかにする。

乾燥後，射出成形した。射出成形機（日精樹脂工業㈱NEX
80Ⅳ-9EG）を用い，シリンダ温度は 190℃，金型温度は

２
２．１

研究の方法

固定側のミラープレートに設置した熱電対により計測

タルクの粉砕し，70～90℃に調整した。

タルクは，日本タルク㈱SG-2000（平均粒子径 d 50＝1μ

また，PLA/1μm（タルク濃度 5wt％又は 10wt％）の流m）を用いた。タルクの粉砕はビーズミルを用いた湿式

動性評価のため，射出成形機（東洋機械金属㈱SI180-6

粉砕により行い，溶媒にはエタノールを用いた。

又は日精樹脂工業㈱NEX 80Ⅳ-9EG）を用い，シリンダ温粉砕タルクの平均粒子径は，粒度分布計（マイクロト度 190℃でスマイルスプーン（株式会社サカエ工業製品）

ラック・ベル㈱MT-3000）により求めた。粉砕タルクの形

又はダンベル試験片を射出成形した。

状は走査型電子顕微鏡（日本電子㈱JSM-7400F）で観察

２．５

し，結晶構造は X 線回折（理学電機㈱RINT2550H）分析

物性試験

荷重たわみ温度は，JIS K7191-2 B 法により，荷重たにより評価した。

わみ温度試験機（㈱安田精機製作所 No.148-HD-3）を用

２．２

いて評価した。また、シャルピー衝撃強さは，JIS K7111-

タルクの結晶核剤効果の検討

２．２．１

ポリ乳酸／タルク混合試料の作製

1：2012 により，衝撃試験機（㈱東洋精機製作所 IT）を

PLA（ユニチカ㈱テラマック TE-2000）40 ㎎をクロロホ用いて評価した。ハンマーは，2.0J を用いた。

ルム（関東化学㈱）4ml に溶解し，市販のタルク又は粉砕タルクを PLA に対し 0～30wt%で加え，室温下で攪拌３しながら乾燥させることで PLA/タルク混合試料を作製

３．１

結果及び考察タルクの粉砕した。市販のタルクは，竹原化学工業㈱TT タルク（d 50＝

タルクは化学式 Mg 3Si 4O 10(OH) 2 で表される層状鉱物で10μm），SG-2000（d 50＝1μm），日本タルク㈱ナノエー

あり，板状形態を有する。その劈開面は疎水性であり，ス D600（d 50＝0.6μm）を用いた。粉砕タルク（d 50＝0.47

PLA に対して高い結晶核剤効果を有することが知られてμm）は，エタノール分散液を直接 PLA/クロロホルム溶いる。そのため，板状形態を維持したまま，疎水面の表液中に添加した。以下，各試料を PLA/d 50 と記載する。

面積を増加させることが結晶核剤効果の増大につなが２．２．２

ることが予想される。そこで，ビーズミルを用いて，タ

熱分析

PLA の結晶化の評価は，示差熱分析装置（DSC，セイコ

ルクの板状形態を保ったまま粉砕することを試みた。図

ーインスツルメンツ㈱DSC6220）を用いて行った。冷却過

１に，SG-2000 を湿式粉砕した際の粉砕時間と粒度分布程での結晶化実験では，試料を 200℃で 5 分間保持したの関係を示す。粉砕時間の経過とともに平均粒子径は小後，-10℃/min で 90℃まで冷却する条件で DSC 測定を行

さくなり，原料の平均粒子径が 1μm であったのに対し，った。等温結晶化実験では，DSC 用アルミパンに試料を導入し，200℃に加熱したホットプレート上で 5 分間保持した後，90℃に加熱したホットプレートに移して急冷し，30 秒間保持した。その試料を，40℃から 10℃/min
で昇温測定を行った。全ての測定で，試料量は約 4mg とした。
２．３

PLA／タルクマスターバッチの作製

２．３．１

PLA／タルクの混練

PLA 及びタルク（d 50＝1μm 及び d 50＝0.47μm）を，ス
ーパーミキサー又はタンブラーを用いてドライブレン
ドし，二軸押出機（東芝機械㈱TEM-26SX）を用いて，シリンダ温度 190℃，スクリュー回転速度 350～370rpm で

図１

－7－

タルクの湿式粉砕時間と平均粒子径の関係

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

図３

粉砕前後のタルクの X 線回折パターン；(a)粉砕前，(b)120 分粉砕後

図２

粉砕前後のタルクの電子顕微鏡像；(a)粉砕前，(b)120 分粉砕後

粉砕時間 30 分で 0.64μm，60 分で 0.58μm，120 分間で0.47μm となった。粉砕前後のタルクの SEM 像を図２に示すが，粉砕後も板状形態となっていることがわかる。
また，図３に粉砕前後のタルクの X 線回折パターンを示すが，粉砕前後でピークに変化はなく，粉砕後もタルクの結晶構造を保っていることがわかった。
３．２

PLA に対するタルクの結晶核剤効果

３．２．１

冷却過程での結晶化

図４に，各平均粒子径のタルクを 10wt％添加した PLA

図４

PLA/タルクの DSC 曲線；の，冷却過程で測定した DSC 曲線を示す。ブランク試料(a)ブランク，(b)PLA/10μm，(c)PLA/1μm，では，約 95℃付近にブロードなピークが現れているのに(d)PLA/0.6μm，(e)PLA/0.47μm

対し，タルクを添加した PLA では，110℃付近に明瞭なピークが現れ，タルクの添加により結晶化が促進したと

３．２．２

等温結晶化

考えられる。タルク濃度 10wt％では，結晶化開始温度

実際の射出成形で，溶融樹脂がシリンダから金型に射は，タルクの平均粒子径に関わらず一定であったが，ピ出される際に受ける急冷は DSC 測定では再現ができなークトップ及び結晶化終了温度は，タルク平均粒子径がい。そこで，試料を 200℃に加熱したホットプレート上

小さい程高温側にシフトした。タルクの平均粒子径が小で 5 分間保持し溶融させた後，90℃に加熱したホットプ

さくなるにつれて結晶核となる表面積が増大し，結晶化

レートに移して 30 秒間保持し，昇温により DSC 測定をを促進したことが示唆される。

行った。図５(a)及び(b)に，PLA/10μm と PLA/0.6μm の－8－栃木県産業技術センター

タルク濃度に対する結晶化熱量及び融解熱量をプロッ

３．３

トしたグラフを示す。結晶化熱量は，タルク濃度が増え

３．３．１

研究報告

№18(2021）

PLA／タルクの射出成形
PLA／タルクの射出成形における結晶化ていくにつれて小さくなり，20wt％以上ではほとんど変PLA の結晶化速度は，100～110℃で最大になることが化がなかった。タルクの平均粒子径が小さい方が，結晶知られているが，本研究では，水媒体の金型温調器を用化熱量は低い結果となった。融解熱量は，タルクの平均いた場合での射出成形を可能とすることを目的として粒子径が小さい方が高く，タルク濃度が多くなるにつれいるため，金型温度は 90℃以下となる。そこで，90℃以て増加した。図５(c)は，融解熱量と結晶化熱量の差を，下の金型温度での射出成形の可否について調査するた

タルク濃度に対してプロットしたグラフであるが，これめ，JIS K7139 のダンベル試験片（Z ランナー）を，金が急冷処理での結晶化度と相関があると考えられる。こ型温度を変えて射出成形した。PLA/1μm（5wt％）の射出

れは，タルクの平均粒子径が小さい程高くなり，タルク

成形の結果を図６に示す。金型温度が低下するに従い，濃度の増加とともに高くなった。以上より，射出成形に成形品の取り出し可能な冷却時間は長くなり，金型温度

おける急冷下での結晶化は，タルクの平均粒子径が小さ

90℃では冷却時間が 50 秒で取り出し可能であったのにい方が進みやすいことが示唆された。

対し，85℃では 90 秒，80℃では 180 秒であった。金型
温度 75℃では冷却時間 300 秒でも成形品が変形することがあった。金型温度 70℃では冷却時間 300 秒でも成形品が固化せず，Z 型スプルーロックピン部が変形し金型可動側に成形品が残らず，固定側に張り付くトラブルが起こった。
各金型温度で成形した射出成形品を DSC 測定した結果を図７に示す。金型温度 75℃～90℃で成形した成形品
では、結晶化由来の発熱ピークが確認されなかったのに
対し，金型温度 70℃，冷却時間 300 秒の成形品では，発熱ピークが確認された。金型温度 70℃では，PLA の結晶化が十分に進んでいなかったことが明らかになった。
３．３．２

PLA／タルクの流動性

JIS K7139 のダンベル試験片は，ゲートが厚さ 3mm，
幅 20mm のフィルムゲートであり，一般的ではない。そこで，一般製品を射出成形し，樹脂充填の可否について検討した。株式会社サカエ工業のスマイルスプーンを，

図５

各タルク濃度と熱量の関係；(a)結晶化熱量，(b)融解熱量，

図６(c)融解熱量と結晶化熱量の差－9－PLA/1μm(5wt%)の各金型温度における成形可否

栃木県産業技術センター

図７

研究報告

№18(2021）

各金型温度及び冷却時間で成形した成形品の DSC

図９

ダンベル試験片のショートショットの写真；

曲線；(a)70℃，300 秒，(b)75℃，300 秒，(a)30mm/s，(b)1mm/s(c)80℃，180 秒，(d)90℃，90 秒
荷重たわみ温度は，タルク濃度が高くなるにつれて高く
シリンダ温度 190℃，金型温調器 23℃で射出成形した結なる傾向があった。タルク濃度が高くなると，弾性率が果を図８に示す。ゲートはピンゲートで，肉厚は薄肉部高くなるため，荷重たわみ温度が高くなったと考えられで約 1mm，厚肉部で約 6mm と複雑な形状をしているが，る。また，PLA/0.47μm では，射出成形時の冷却時間が末端まで樹脂充填でき，流動性は良好と言える。

長い方が，荷重たわみ温度が高くなる傾向があった。タ

一方，PLA／タルクの流動状態に特異な状態が確認さ

ルクの平均粒子径の違いで，荷重たわみ温度の明確な傾れた。図９に，ダンベル試験片のショートショット末端向は見られなかった。

の形状を示す。通常，射出成形時の溶融樹脂はファウン

３．４．２

シャルピー衝撃試験

テンフローと呼ばれる流動をすることが知られている

図 11 に，各タルク濃度におけるシャルピー衝撃強さ

が，射出速度 30mm/s では，ショートショットの末端がのグラフを示す。シャルピー衝撃強さは，タルク濃度が中空になった。射出速度 1mm/s では，ファウンテンフロ

高くなるにつれて低下した。また，タルク粒径が大きい

ーによる末端形状となった。射出速度によっては，正常方が，シャルピー衝撃強さが高かった。このことは，タなファウンテンフローとならないことがわかった。

ルクが応力集中点となり，衝撃強さが低下したと考えら

３．４

れる。PP/タルクの系では，タルクの微粒子化により衝PLA／タルクの物性

３．４．１

撃強さが大きく向上することが知られているが 5)，PLA/

荷重たわみ温度

タルクでは逆に低下することが明らかになった。

PLA/1μm 及び PLA/0.47μm の荷重たわみ温度試験結果をタルク濃度でプロットしたグラフを図 10 に示す。

図８

図 10

一般射出成形品（スマイルスプーン）の写真

PLA/タルクのタルク濃度と荷重たわみ温度の関係－ 10 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

微粉砕することができた。
（2）PLA/タルク試料の DSC 測定では，タルクの平均粒子径が小さい程，結晶化ピークのピークトップが高温側にシフトし，結晶核剤効果が高いことが明らかになった。
（3） PLA/タルクの射出成形では，金型温度が高い程，短い冷却時間で PLA を結晶化させ，成形品の取り出しが可能であった。
（4）荷重たわみ温度は，タルク濃度が高いほど高い値となった。PLA/0.47μm では，射出成形の冷却時間が長い方が，荷重たわみ温度が高くなった。
（5）シャルピー衝撃強さは，タルク濃度が低いほど高い値となった。また，PLA/1μm の方が，PLA/0.47
図 11

PLA/タルクのシャルピー衝撃強さ
４μm よりもシャルピー衝撃強さが高くなった。

おわりに

参考文献

水媒体の金型温調器を用いた場合でも耐熱ポリ乳酸1) 山川

肇： "廃棄物資源循環学会誌 "，29（4），294，（2018）

を射出成形可能とする目的で，タルクを粉砕し，PLA と混合し結晶核剤について調査した。また，PLA／タルク

2）環境省： "プラスチック資源循環戦略 "の射出成形特性及び物性について評価した。その結果，

3) 環境省： "バイオプラスチック導入ロードマップ "以下の知見を得た。

4) 坪井智也，吉野太基，森雅弘： "成形加工 "，24（10），612，（2012）（1）ビーズミルにより，エタノール中で湿式粉砕する

5) 野村学： "高分子"，55（11），878，（2006）

ことで，タルクの板状形状・結晶構造を保ったまま－ 11 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

重点共同研究（フードバレーとちぎ）

海外展開に向けた県産イチゴ製品の色調劣化抑制技術の開発
星 佳宏*

阿久津

知宏*

金井

悠輔*

齋藤

高宏 **

原

百合子 ***Development of Technology to Suppress Color Deterioration of Strawberry Products
Produced in Tochigi Prefecture for Overseas Expansion
HOSHI Yoshihiro, AKUTSU Tomohiro, KANAI Yusuke, SAITO Takahiro and HARA Yuriko
海外展開に向けた県産イチゴ製品の長期間の色調保持技術の開発のため，イチゴ原料の冷凍保存条件，
冷蔵中のイチゴペースト及びイチゴリキュールの色調劣化抑制条件について検討を行った。その結果，イ
チゴ原料冷凍保存において糖やクエン酸添加によって色調劣化が抑制可能であること，冷蔵中のイチゴペースト及びイチゴリキュールにおいてカテキンやプロアントシアニジンがイチゴ色素カリステフィンを保持する効果があることが分かった。また，共同研究企業にてカテキンやプロアントシアニジンを添加したイチゴジャム及びイチゴリキュールの試作を行った。
Key Words : イチゴ,カリステフィン,ジャム,リキュール，カテキン，プロアントシアニジン

１

はじめに

２

栃木県は，52 年連続イチゴ生果の生産量全国一位であ

２．１

り，ジャム・菓子・ジェラート等様々なイチゴ加工品が

研究の方法

原料・試薬

イチゴは，令和 2 年栃木県産とちおとめを供試した。

製造されている。また，販路を海外に求める企業も増加

添加試薬は全て食品添加用を用いた。

している。

２．２

測定・評価方法

イチゴの赤色は，カリステフィンを主成分とするアン

カリステフィンは阿久津らの方法 5)に従い，分光光度

トシアニン色素によるものであるが，アントシアニンは計（UV-2450：（株）島津製作所）を用いて測定した。

不安定な物質でイチゴ加工品は短期間で退色しやすい。

色調測定は，分光測色計（CM-5：コニカミノルタジャ

アントシアニンの退色防止には低ｐH，高糖度，低温保パン(株)）を用い，光源は D65，表色系は L*a*b*を用い

，カテキン

2）

やプロアントシアニジて，赤みを表す a*と黄色みを表す b*により評価した。

（以下 PA）等のポリフェノールの利用により，アン味の評価は味覚センサー（TS-5000Z：(株)インテリジ

存が有効でありン

1）3）

トシアニン色素を安定化させ退色を抑制したという報告ェントセンサーテクノロジー）を用いて行った。

がある。

香気成分分析は揮発性成分解析システム（Agilent

また，当センターでは平成 23 年度フードバレー重点共同研究

4）5977B：アジレント・テクノロジー（株））を用いてダにおいて，シクロデキストリン及びミョウバン

イナミックヘッドスペース-ガスクロマトグラフ質量分
析(GC/MS)法 6)により行った。

を用いてイチゴ色素であるカリステフィンを安定化させポリフェノール量測定は，フォーリン-チオカルト

ることでイチゴペーストの色調劣化を抑制する技術の開発に取り組んだが，色調がオレンジ色に近くなり，味に法 7) により，没食子酸相当量として算出した。

影響があるという課題が残されていた。

２．３

保存条件の検討

２．３．１

そこで本研究では，クエン酸や糖の添加による加工用

イチゴ原料の冷凍保存条件の検討

イチゴ原料の冷凍保存条件の検討，カテキン及び PA の

イチゴ原料冷凍保存時の色調劣化抑制に最適な試薬添添加によるカリステフィンを保持する色調劣化抑制技術

加条件を検討するため，破砕機・搾汁機によりペーストの開発を目指した。また，カ テキンや PA を用いたジャにした県産とちおとめに対して，クエン酸添加割合 4 区

ムやリキュールの試作を併せて行った。

分，さらに糖の種類及び添加割合を変えた表１の計 32*

試験区を設定し，90 日間の冷凍保存試験（－30℃）を行

栃木県産業技術センター** 斎藤商事*** 株式会社

食品技術部

った。

株式会社
栃木リキュール－ 12 －

栃木県産業技術センター

２．３．２

イチゴペーストの色調劣化抑制条件の検討

表１

冷蔵中のイチゴペーストの色調劣化抑制条件の検討の○クエン酸ため，クエン酸添加割合 4 区分，さらにカテキン，PA の

4 区分

研究報告

№18(2021）

イチゴ原料冷凍保存試験区①無添加－②スクロース15 ％③スクロース30 ％①0％（無添加）④スクロース60 ％イチゴペーストは，破砕機・搾汁機によりペーストに②0.25％⑤フルクトース

30 ％

した県産とちおとめに対して，試薬（クエン酸，カテキ③0.5％⑥グルコース

30 ％ン，PA）添加後，密封して 98℃以上 5 分間加熱処理し，④1.0％⑦マルトース30 ％⑧ソルビトール

30 ％

添加割合を変えた表２の計 28 試験区を設定し，10℃遮光条件下で 90 日間の保存試験を行った。

氷水中で急冷し作製した。
２．３．３

イチゴリキュールの色調劣化抑制条件の検

クエン酸 4 区分×8 糖添加区

計 32 試験区

討
冷蔵中のイチゴリキュールの色調劣化抑制条件の検討

表２のため，糖 2 区分（糖添加，糖無添加），さらにカテキ
ン，PA，クエン酸の添加割合を変えた表３の計 20 試験区

○クエン酸

①無添加

－

4 区分

②カテキン

500 ppm③カテキン

1000 ppm④カテキン

2000 ppm⑤PA

500 ppm⑥PA

1000 ppm⑦PA

2000 ppmを設定し，10℃遮光条件下で 90 日間の保存試験を行った。

①0％（無添加）イチゴリキュールの糖添加試験区は，ホワイトリカー②0.25％（35％）5Ｌに冷凍イチゴ 2.5ｋg，スクロース 1.8ｋg を③0.5％

加え，2 日浸漬後にイチゴをろ別したベースリキュール

イチゴペースト試験区④1.0％に対して，試薬（クエン酸，カテキン，PA）を添加し作

クエン酸 4 区分×7 試薬添加区製した。また，対照区としてスクロース無添加で作製し計 28 試験区

たベースリキュールを用いた糖無添加区も設定した。
表３

なお，全ての保存試験において，無添加（0 日目）の数値をブランクとした。
２．４ 試作

イチゴリキュール試験区

○糖添加

①無添加

－

2 区分

②カテキン

500 ppm③カテキン

1000 ppm④カテキン

2000 ppm⑤PA

500 ppm⑥PA

1000 ppm

イ チ ゴペ ース トや イチ ゴリキ ュ ール の 色調劣化抑制
条件の検討結果を参考にし，カテキンや PA を用いて，①糖添加

斎藤商事㈱でイチゴジ ャム，㈱ 栃木リキュー ルにお い②糖無添加てイチゴリキュールを試作した。
イチゴジャムの試作はジャム製造工程の殺菌工程直前⑦PA

2000 ppmにカテキン（2000ppm），PA(1000ppm)となるように添加⑧クエン酸

0.25 %

して試作を行った。

⑨クエン酸

0.5 %

⑩クエン酸

1.0 %

イチゴリキュールの試作は商品製造直後のイチゴリキ
ュールにカテキン（500ppm），PA（500ppm）となるよう

糖 2 区分×10 試薬添加区

計 20 試験区に添加して行った。
これらの試作品の評価は，食品技術部員 5 人での官能評価，味覚センサー測定，香気成分分析，ポリフェノー
ル量測定により行った。
３
３．１

結果及び考察

保存条件の検討

３．１．１

イチゴ原料の冷凍保存条件の検討

クエン酸添加割合（0％，1％）の糖添加直後（0 日）の色調測定結果（a*，b*）を図１に示す。クエン酸添加
直後に色調変化が見られ，クエン酸添加割合が高くなる

図１

につれて a*，b*が高くなり，赤みと黄色みが増した。

－ 13 －

冷凍保存試験の色調測定結果（0 日）栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

カリステフィンはｐH を下げることにより a*，b*が高イチゴペーストでは 56 日（8 週間）経過でほとんどの。試験区のｐH はクエン試験区が残存率 50％を下回ったが，クエン酸無添加のカ

くなることが報告されている

8)

酸 0％試験区が 3.7 付近，クエン酸 1.0％試験区が 3.0

テキン試験区，PA 試験区は残存率 50％以上となった。

付近であったことから，クエン酸添加による色調変化はまた，クエン酸添加割合が高くなるにつれ残存率が低

ｐH 低下による影響と考えられた。

くなった。カテキン，PA は添加割合が高くなるにつれて続いて，各試験区 0 日を対照としたクエン酸試験区（無残存率が高くなる傾向であった。

添加，0.5％)の 90 日保存後の色調変化（Δa*，Δb*）を

この結果からカテキン，PA 添加はイチゴペーストのカ

図２，３に示す。

リステフィン保持に効果があることが明らかになった。

冷凍保存中で a*，b*は低くなる傾向であり，クエン酸
添加割合が高いほど，色調変化は小さかった。特にクエン酸を 0.5％以上添加するとΔa*，Δb*が小さくなり，
冷凍時にクエン酸添加が有効と考えられた。また，糖類添加によっても保存中のΔa*，Δb*が小さくなり，色調劣化が抑制できた。
以上の結果より，イチゴ原料冷凍保存中の色調変化抑制には酸添加によるｐH 低下，糖添加は効果があると考
えられた。

図４

イチゴペーストのカリステフィン残存率

次に，各試験区 0 日を対照とした 90 日後のクエン酸試
験区（無添加，１％)の色調変化（Δa*，Δb*）を図５に示す。イチゴペーストの冷蔵保存ではクエン酸添加割合が高いほど色調変化が大きかった。色調変化は，無添加
区＞カテキン区＞PA 区の順であり，試薬添加により色調劣化抑制効果があった。
図２

冷凍保存試験のクエン酸無添加試験区の色調変化（90 日後）

図３

冷凍保存試験のクエン酸 0.5％試験区の

図５

色調変化（90 日後）

各試験区 0 日を対照としたイチゴペーストの色調変化（90 日後）

３．１．２ イチゴペーストの色調劣化抑制条件の検討
イチゴペーストについて，カテキン及び PA 添加による

さらに，ブランクを対照とした各試験区の 90 日後の色カリステフィン保持の効果を評価するため，90 日保存後

調変化（Δa*，Δb*）の測定結果を図６に示す。

のカリステフィン残存率測定と色調測定を行った。

クエン酸添加割合が高いほどクエン酸添加直後から保存試験中の各試験区 0 日のカリステフィン量を 100

a*が高くなるため，クエン酸 1.0％試験区の色調がブラ％としたカリステフィン残存率を図４に示す。

ンクの色調に最も近くなった。
－ 14 －

栃木県産業技術センター

図７

研究報告

№18(2021）

イチゴリキュール（糖無添加）のカリステフィン
残存率

図６

ブランクを対照としたイチゴペーストの色調変化（90 日後）

このブランクを対照とした色調変化とカリステフィン
残存率の結果を比べると， クエン酸添加割合が高いほどイチゴペースト中のカリステフィン量は減少しているものの a*は高くなっている。
このことから，イチゴペーストの色調への影響はカリ
ステフィン量減少による a*の低下よりもｐH 低下によるa*の増加の寄与のほうが大きいと推察された。
３．１．３ イチゴリキュールの色調劣化抑制条件の検討

図８

イチゴリキュールについて，カテキン及び PA 添加によイチゴリキュール（糖添加）のカリステフィン
残存率るカリステフィン保持の効果を評価するため，90 日保存
後のカリステフィン残存率測定と色調測定を行った。
保存試験の各試験区 0 日のカリステフィン量を 100％としたカリステフィン残存率を図７，８に示す。
糖の添加の影響については，糖添加区が糖無添加区よりも高い残存率を示した。また，90 日後のカテキン試験区，PA 試験区ともに残存率 50％以上であった。さらにイチゴリキュールにおいてもイチゴペースト同様にクエン酸添加割合が高くなるにつれて残存率が低くなった。
これらの結果からイチゴリキュールについてもカテキン，PA 添加がカリステフィン保持の効果があることが明らかになった。また糖添加もカリステフィン保持の効果が示された。
次に，各糖添加試験区の 0 日を対照とした 90 日間の色調変化測定結果を図９に示す。イチゴリキュールの冷蔵保存での色調変化については，糖の有無で色調変化の傾向は変わらず，a*はすべての試験区で減少したが，b*は無添加区，カテキン試験区，PA 試験区では増加し，クエ

図９

ン酸試験区は減少した。

各試験区 0 日を対照としたイチゴリキュール（糖添加）の色調変化（90 日後）

色調変化は，クエン酸試験区が最も大きく，PA 試験区
は最も色調変化が小さかった。

－ 15 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

PA 試験区はΔa*が小さくなり色調劣化抑制効果があえられる。香りについても試験区ごとの違いはないといった。カテキン試験区は無添加区に比べΔb*は小さかっう評価であった。

たが，Δa*は大きく色調劣化効果があまり見られなかった。
さらに，ブランクを対照とした糖添加試験区の 90 日間の色調変化を図 10 に示す。
クエン酸試験区は保存中に a*，b*が低くなるが，クエン酸添加直後に既に a*，b*が高くなっているため，最終的に 90 日間後の色調はクエン酸試験区が最もブランクに近い色調となった。

図 11

イチゴジャムの味覚センサー測定結果（無添加対照）

図 10

ブランクを対照としたイチゴリキュール（糖添加）の色調変化（90 日後）

色調測定結果とカリステフィン残存率測定結果を比べると，クエン酸添加割合が高いほどイチゴリキュール中のカリステフィン量は減少しているものの，クエン酸試
験区の色調（90 日後）はいずれの試験区でもブランクの図 12

色調と近かった。

イチゴリキュールの味覚センサー測定結果（無添加対照）

このことから，リキュールのクエン酸試験区について
もカリステフィン量減少による a*の低下よりもｐH 低下

イチゴジャム試作品のポリフェノール量測定結果を図による a*の増加の寄与のほうが大きいと推察された。

13 に，イチゴリキュール試作品のポリフェノール量測定

３．２ カテキンや PA を用いた試作

結果を図 14 に示す。

イチゴジャム試作品の味覚センサー測定結果を図 11

イチゴジャム試作品，イチゴリキュール試作品ともにに，イチゴリキュール試作品の味覚センサー測定結果をカテキン添加区や PA 添加区は無添加区に比べてポリフ

図 12 に示す。

ェノール量が多かった。

味覚センサー測定ではどちらもカテキン添加により対照（無添加）に比べて渋味刺激（渋味先味）と渋味（渋味後味）が高くなった。
香気成分分析では，イチゴジャム，イチゴリキュールのすべての試験区でネロリドール（甘い香り），リナロール（スズランの香り），メシフラン（イチゴ特有の香り）等のイチゴに特徴的な成分が検出されたが，無添加，カテキン添加，PA 添加で検出成分の差はなかった。
官能評価結果は，味についてはカテキン試験区でも苦
みや渋みの有無は感じられないという評価であった。今回のリキュールやジャム試作品は甘味が強いためかと考

図 13－ 16 －

イチゴジャムのポリフェノール量栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

センサーのデータからはカテキン添加区の渋味増加が確認されたものの，官能評価においては甘味等
によりマスキング可能であることが分かった。
カテキン，プロアントシアニジン，クエン酸の添加は
イチゴ加工品の色調抑制に効果があることが分かった
が，添加量によっては，商品に味や色が付加されるため添加量と色調や味のバランスを考慮する必要がある。
図 14

イチゴリキュールのポリフェノール量

今後，今回の研究で得られた知見を活かし，県産イチゴを用いた加工食品のさらなる高付加価値化や高機能化を図りたい。

４

おわりにイチゴ原料の冷凍保存条件，冷蔵中のイチゴペースト

参考文献

及びイチゴリキュールの色調劣化抑制条件について検討

1) 中林敏郎: "日本食品工業学会誌"，24，530-538,(1977)

し，試作を行った。その結果，下記のことが明らかにな

2) 北條雅也ら: "奈良県農業研究開発センター研究報告"，
51，9-19,（2020）

った。
（1）酸添加によるｐH の低下と糖添加はイチゴ原料冷

3) 有賀敏明ら: "日本農芸化学会誌",74，1-8,（2000）

凍保存中の色調変化抑制に効果があった。

4) 伊藤和子ら: "栃木県産業技術センター研究報告"，
9，11-16,（2012）（2）カテキンやプロアントシアニジンの添加はイチゴ

5) 阿久津智美ら: "栃木県産業技術センター研究報告"，

ペーストやイチゴリキュールにおいて，イチゴ色素

7，75-79,（2010）

カリステフィンの保持に効果があった。

6) 落合伸夫： "化学と生物"，55，644-650,（2017）（3）イチゴペーストやイチゴリキュールの色調につい

7) 食品機能性評価支援センター 技術普及資料等検討委ては，カリステフィン量減少による a*の低下よりもｐH 低下による a*の増加の寄与のほうが大きい

員会編： "食品機能性評価マニュアル集第Ⅲ集"，1-7，と推察された。

(2009)
8) 壺阪美智子ら: "甲子園短期大学紀要"，10，3-16,（4）カテキンや PA 添加によりポリフェノール量が多い
イチゴペーストやイチゴリキュールが試作できた。
添加の影響は，香りには特に見られなかった。味覚－ 17 －（1991）

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

研究報告№18(2021）

共同研究

バレル工具の傾斜角度が仕上げ面粗さと工具寿命に及ぼす影響
五月女

英平*

近藤 弘康*

伊藤健**

Effect of Lead Angle of Barrel Tool on Finished Surface Roughness and Tool Life
SOTOME Hidehira, KONDO Hiroyasu and ITO Ken
近年，航空機部品の加工現場では，タービンブレード等の曲面形状の同時 5 軸加工にバレル工具が使われるようになってきた。本研究では，5 軸マシニングセンタとバレル工具を活用し，工具傾斜角度（リード角）
が表面粗さ及び工具寿命に及ぼす影響について検討した。その結果，バレル工具のリード角を大きくすることで，工具への負荷を小さくすることができた。さらに，工具のリード角を 20°以下で使用すればリード角 0°と同等の表面粗さを得られ，工具のリード角を 10°以上にすることで工具寿命を伸ばせることがわかった。試作品の加工では，リード角を設定して切削速度を上げ，仕上げ加工時間を短縮することができ，製品として求められる表面粗さ及び形状精度の要求基準を満たすことができた。
Key words: 切削加工，バレル工具，析出硬化系ステンレス鋼，工具摩耗

１

はじめに

い，工具は刃先交換式の 2 枚刃のバレル工具(三菱日立

近年，航空機部品の加工現場では，タービンブレード

ツール ZDHW200-T43R2-50)とした。なお，回転時の振れ等の曲面形状の同時 5 軸加工にバレル工具が使われるによる形状誤差の影響をなくすために，湿式ベルト研磨

ようになってきた。バレル工具は，工具径よりも側面刃

機で１枚刃処理を行った。加工機及び工具の仕様を表１の曲率半径が大きいため，同じカスプ高さ（理論表面粗及び表２に示す。チルト角は，-52.49°(切削点：側面刃さ）であれば，ボールエンドミルに比べて大きなピック先端付近)及び-55.93°(切削点：側面刃中央付近)の 2 水フィード（加工間隔）で加工でき，加工時間を短縮する

準，リード角は 0°～30°の 4 水準に設定した。実験のことが可能である。

外観を図２，工具傾斜角度変更試験の実験条件を表３に昨年度は，バレル工具による高効率仕上げ加工技術の示す。本実験で使用した工具は，切削点で工具径が変わ開発について研究を行い，加工条件の検討，工具寿命等ることから，加工位置での切削速度が一定になるように

1)について報告 した。その結果，切削点の違いにより表

回転数を変更した。切削抵抗の測定は圧電式三成分動力

面粗さが変化し，切削点が工具の側面刃の先端付近にな計（日本キスラー㈱ 9257B）を用いた。ツールパスの作

ると表面粗さが大きくなる傾向が見られた。

成は CAD/CAM(hyperMILL

本研究では，5 軸マシニングセンタとバレル工具を活OPENMIND)を使用し，加工面の面に沿って工具の接触位置が常に一定となる加工(タン用し，工具傾斜角度（リード角）が表面粗さ及び工具寿

ジェント加工)で，パスを作成した。

命に及ぼす影響について検討し，リード角を設定した高効率切削加工技術の獲得を目的とする。
２
２．１

0°

研究の方法

－

30°
＋

工具傾斜角度変更試験

リード角 が切削抵抗及び表面粗さに 与える影響を検討した。5 軸加工におけるリード角を図１に示す。被削材は 20mm×90mm×20mm の析出硬化系ステンレス鋼 15-

工具移動方向5PH 及びプリハードン鋼 HPM-MAGIC とした。切削加工実
験には 5 軸マシニングセンタ(DMG 森精機*

栃木県産業技術センター

DMF180)を用

被削材

機械電子技術部

図１** 株式会社栃澤金型製作所－ 19 －

リード角について栃木県産業技術センター

表１

研究報告

№18(2021）

5 軸マシニングセンタの主な仕様

型式

DMG 森精機

軸構成

同時 5 軸加工面の 表面粗さの測定は，触針式 表面粗さ測定機（東京精密 SURFCOM NEX031）を用い，測定箇所を変え

DMF180て 3 回測定し，その平均を測定値とした。
２．２(X 軸，Y 軸，Z 軸，B 軸，C 軸)

工具摩耗試験

リ ード 角の 違いに よる 工具寿 命及 び異 常摩耗 の有無

-1

最高回転数

15,000min

最大切削送り速度

40m/minを観察するため，工具摩耗試験を行った。リード角は切削液吐出圧

スピンドルスルー4MPa0°, 10°，20°の 3 水準に設定した。実験の外観を図

バレル工具の仕様３に示す。5 軸マシニングセンタとバレル工具を用いて，

表２

形状等

テーパーバレル

加 工 機 内 に 被 削 材 ( 析 出 硬 化 系 ス テ ン レ ス 鋼 15-5PH

側面 R50，先端 R2250mm×125mm×90mm)を配置し，一定距離加工後，工具刃三菱日立ツール

先を USB マイクロスコープにより撮影した。逃げ面摩ZDHW200-T43R2-50

耗量は，2 枚刃の逃げ面摩耗量の平均値とした。実験条
件を表４に示す。

工具径[mm]

20

刃数

2枚

材質

超硬

コーティング

PN215

USB カメラ

動力計
座標（a）刃先観察工具移動方向図２

実験外観（リード角 30°）

表３ 工具傾斜角度変更試験の実験条件
被削材

15-5PH

HPM-MAGIC〇切削速度 250[m/min]

工具移動方向-52.49 (8650，1384)
チルト角 [°]-55.93 (6360，1011)-1(回転数[min ]，〇切削速度 160[m/min]

送り速度-52.49 (5536，886)[mm/min])-55.93 (4042，647)（b）摩耗試験
図３※1 刃あたりの送り量

表４0.16[mm/tooth]
リード角

2.0

1.0

ピックフィード(リード角 0°(リード角 0°[mm]

理論表面粗さ理論表面粗さ10μm)

2.5μm)

切込み[mm]0.2

切削液

水溶性切削液工具突き出し長さ[mm]
削りの向き

工具摩耗試験の実験条件

被削材

0°,10°,20°,30°

15-5PH

チルト角 [°]-1

100（L/D=5）
下向き削り(ダウンカット)－ 20 －

工具摩耗試験外観-52.49 (8650，2768)(回転数[min ]，※1 刃あたりの送り量

送り速度[mm/min])0.16[mm/tooth]

リード角0°,10°,20°

ピックフィード[mm]2.0

切込み[mm]0.2

切削液

水溶性切削液工具突き出し長さ[mm]100（L/D=5）削りの向き

下向き削り(ダウンカット)

栃木県産業技術センター

２．３

試作品による加工実験№18(2021）

表面粗さ測定方向

工具移動方向

5 軸マシニングセンタとバレル工具を用いて製品を切研究報告

削加工した時の加工面品質を評価するため，自由曲面を有する航空機部品を想定した試作品の切削加工実験を行った。被削材は製品と同じ析出硬化系ステンレス鋼

図４

試験片

15-5PH とし，切削加工実験には 5 軸マシニングセンタ（牧野フライスFX

a61nx-5E）を用いた。ツールパスにつFZ
切削抵抗[N]いては，タンジェント加工で加工面の面沿いに加工する
ように CAD/CAM を使用して作成した。チルト角について
は，工具寿命を考慮して加工パス毎に切削点が変わるよう に -52.49°か ら -59.24°ま で の 範 囲 で 角 度 を 変 更 さFYせた。
加工面の表面粗さは，触針式表面粗さ測定機（テーラーホブソン

PGI840）で測定した。形状誤差については，

三次元座標測定機（ミツトヨ

秒［s］

(a)

Bright Apex）で形状を

リード角 0°

測定し，加工面の削り残しが正の値を＋とし，狙い値からの最大差で評価した。

FX

３
３．１

切削抵抗[N]

FZ
結果及び考察

切削抵抗

図４に，工具傾斜角度変更試験で使用した試験片を示FYす。図５に，切削抵抗の比較結果を示す。リード角が大きくなると工具移動方向と工具の回転方向の関係が変化するため，X 方向（工具移動方向）の切削抵抗 Fx の最秒［s］

大値が小さくなり，Y 方向の切削抵抗 Fy の最小値が小(b)さくなった。Z 方向の切削抵抗 Fz の最大値は，リード角

図５の変化による大きな差異は見られなかった。

リード角 30°

切削抵抗の比較（15-5PH）（切削速度 250m/min，チルト角-52.49°）

リード角による工具への負荷の違いを比較するため，切削抵抗（合力）の積算値 = ∫ ( )切削抵抗 Fz の最大値が同等の波形について，切削抵抗

合力： ( )=の積算値の計算を行った（式１）。比較結果を図６に示

切削抵抗の積算値[N・s]す。リード角を大きくすると，切削抵抗の積算値が小さ
くなり，工具への負荷が小さくなることがわかった。一
方，切削速度の違いによる影響は見られなかった。
３．２

表面粗さ

工具傾斜角度変更試験の試験片について，触針式表
面粗さ測定機を用い，工具移動方向に対して直角方向の表面粗さを測定し，カスプ高さで評価した。カスプ

0

高さとリード角の関係を図７及び図８に示す。図７の
図６

15-5PH の加工では，リード角 10°でカスプ高さが小さ

+

・・・式１

+

10
20
リード角［°］30

切削抵抗の積算値とリード角の関係（15-5PH，チルト角-52.49°）

くなる傾向が見られ，チルト角-52.49°(側面刃先端付近)のリード角 30°で 12.5μm を超えた。図８(a)のHPM-MAGIC のチルト角-52.49°での加工では，リード角

理由として工具の振れや工具の刃の表面の凹凸が影響による影響は見られなかった。一方，図８(b)のチルトしているという報告 2) があり，本実験でも同様の傾向

角 -55.93°(側面刃中央付近)において，リード角 10°が見られた。また，リード角を大きくすると加工面の曲から 20°でカスプ高さが小さくなる傾向が見られた。

率半径が小さくなるため，リード角 30°以上ではカスプ理論表面粗さよりも加工面のカスプ高さが大きくなる

高さが大きくなっている。したがって，リード角を 20°－ 21 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

３．３

工具摩耗試験

カスプ高さ[μm]

逃げ面の観察結果を図９及び図 10 に示す。図９(a)のリード角 0°切削距離 300m において，工具のすくい面に剥離が生じ始めた。図 10(b)のリード角 10°切削
距離 450m において工具のすくい面に剥離が生じていたが，図 10(c)のリード角 20°ではすくい面の剥離が確認できなかった。リード角を大きくすると，加工時の01020リード角［°］(a)30

切削抵抗が小さくなり，工具への負荷が小さくなるこ

チルト角-52.49°(側面刃先端付近)とで，すくい面の損傷を抑えられたと考えられる。

カスプ高さ[μm]次に工具の逃げ面摩耗量と切削距離の関係を図 11 に示す。摩耗試験開始から切削距離 75m まで，逃げ面摩耗量が急増する初期摩耗が進行した。その後，摩耗量がほぼ一定の割合で増加する定常摩耗を示した。リー
ド角 0°に比べ，リード角 10°及び 20°の逃げ面摩耗
量は小さかった。リード角を 10°以上にすることで，
01020
リード角［°］

工具寿命が伸びることがわかった。

30

チルト角-55.93°(側面刃中央付近)

図７

カスプ高さとリード角の関係(15-5PH))

カスプ高さ[μm](b)(a)リード角 0°(b)リード角 10°

図９ 切削距離0300m の逃げ面観察結果

30

チルト角-52.49°(側面刃先端付近)

カスプ高さ[μm]

(a)

10
20
リード角［°］(a)リード角 0°(b)リード角 10°

図 10 切削距離
1020リード角［°］(c)リード角 20°450m の逃げ面観察結果

30

チルト角-55.93°(側面刃中央付近)

逃げ面摩耗量[μm]0(b)(c)リード角 20°

図８ カスプ高さとリード角の関係(HPM-MAGIC)
以下で使用すれば，加工面の曲率半径が変化する影響を小さくできることがわかった。一方，切削速度によるカスプ高さの優位な差異は見られなかった。

切削距離［m］

図 11－ 22 －

逃げ面摩耗量と切削距離

栃木県産業技術センター

３．４

試作品による加工実験

４

研究報告

№18(2021）

おわりに航空機部品の形状を想定し，自由曲面の切削加工実バレル工具の傾斜角度による表面粗さ及び工具寿命験を行った。一般的に，加工時間を短縮するために切に及ぼす影響について検討した結果，次の結論を得た。

削速度を上げると工具寿命が短くなってしまう。リー（1）切削抵抗を測定した結果，工具のリード角を大きド角を設定することで工具寿命を伸ばせるため，リーくすることで，工具への負荷を小さくできること

ド角 0°での加工条件よりも切削速度を大きくし，切削がわかった。

加工時間を短縮できた。加工面の外観を図 12，デジタ（2）工具のリード角が表面粗さに与える影響を検討しル顕微鏡による加工面の観察結果を図 13 に示す。加工た結果，工具のリード角を 20°以下で使用すれば，面を評価した結果，製品として求められる表面粗さ及加工面の曲率半径が変化する影響を小さくできる

び形状精度の要求基準を満たすことができた。

ことがわかった。
（3）工具摩耗試験を行った結果，工具のリード角を10°以上にすることで，工具寿命を伸ばすことができた。
（4）試作品による加工実験を行い，リード角を設定して切削速度を上げ，仕上げ加工時間を短縮できた。
加工面を評価した結果，製品として求められる表面粗さ及び形状精度の要求基準を満たすことがで

(a)側面
図 12

(b)加工面
試作品の外観きた。
参考文献
1) 五月女英平 ， 近藤弘康，伊藤健： "栃木県産業技術センター研究報告 "，17，1-6,（2020）2) 越井 亮一，笹原 博之，遠藤 健： "第 25 回精密工学会 学生会員卒業研究発表講演会論文集 "， (2018)，
102-102

500μm

図 13

加工面の観察結果－ 23 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

共同研究

シミュレーション技術を活用した軽量化設計による高付加価値製品の開発
髙岩徳寿*

内藤 恭平*

松永 成晃**Development of Products with High Additional Value by Lightweight Design Utilizing
Simulation Technology
TAKAIWA Norihisa, NAITO Kyohei and MATSUNAGA Shigeaki
近年，シミュレーション技術を活用した構造最適化により，剛性を保持したままで，軽量化を達成できる
製品形状の設計が可能となっている。本研究では，医療用プライヤーを例にトポロジー最適化及び形状最適化技術を用いることで，現行品と同等程度の剛性を持ち軽量化したサンプルの作製を試み，構造最適化技術を活用した高付加価値製品の開発が可能か検討した。その結果，従来の機械加工で作製可能な形状を導き出すことができ，作製した軽量化試作品が実使用に耐えうることが分かった。
Key words:

１

シミュレーション，軽量化，高付加価値，3D プリンタ，金属積層造形

はじめに

近年，シミュレーション技術の発展により，構造最適化を活用したものづくりが注目されている。構造最適化とは，体積や質量などにいくつかの制約を与えた状態で，目的の性能を最大限発揮できるような形状構
造を数学的に求める方法である 1)。構造最適化技術を活用することにより，剛性を保持したまま軽量化した

図１

最適化実施形状設計が可能となるため，環境負荷低減や燃費向上への要求が厳しい自動車・航空機業界等において活用に向
2),3)

Simulation）を用いて構造解析を実施し，現行品にかか。また，当該技術

るミーゼス応力を確認した。構造解析を実施するにあたは，機械的な構造のみならず熱，流体，電磁気分野でり，プライヤーの材質は焼き入れ焼き戻し後の SUS420J2も活用可能であり，機械産業を中心に様々な産業で広（JIS G4303）とし，持ち手部分に 200N の力がかかってけた研究が盛んに行われている4)

く利用されることが期待されている 。

いるものとした。

本研究では，医療機器分野に用いられるプライヤー

最適化については以下の 3 パターンを実施することとを例に取り，構造最適化を適用することで既存品に比した。

べて十分な剛性を持ったまま軽量化した試作品を作製①現行形状のトポロジー最適化

し，新たな付加価値を創出できるか検討した。

②新規持ち手形状のトポロジー最適化③持ち手裏面の削除領域の寸法最適化

２
２．１

研究の方法

トポロジー最適化及び持ち手裏面の削除領域の寸法

軽量化設計の提案・検討

最 適 化 に つ い て は ， 解 析 ソ フ ト （ Dassault Systèmes

本 研究 で構 造最適 化を 実施す るプ ライ ヤーの 現行形

SOLIDWORKS Simulation）を用いて実施した。トポロジ状を図１に示す。今回は製品展開を考慮して，先端部及ー最適化のゴールは，解析後の形状においてプライヤー

び軸部について加工前の形状とした。まず，図１の形状にかかるミーゼス応力が現行品以下となり，かつ最も軽を CAD ソフト（Dassault Systèmes

SOLIDWORKS）によ

量になるものとした。このとき，トポロジー最適化によって 3D モデリングした。次に，作成した 3D モデルにつって形状が崩れないように，先端部，軸部，持ち手部はいて，解析ソフト（Dassault Systèmes

形状が変更されないように制限をかけた。

*

栃木県産業技術センター**

株式会社シオダ

SOLIDWORKS

２．２

機械電子技術部

製造に向けた軽量化モデルの再設計

トポロジー最適化により得られた解析メッシュから－ 24 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

ポリゴンを出力する際に，解析メッシュの粗さ等の影響により若干形状が変化するため，リバースエンジニアリ
ングソフト（3DSystems

GeomagicDesignX）を用いてポリゴンを修正するとともにソリッド化した。その後，構造解析を実施し軽量化後の各形状にかかるミーゼス応力を算出した。
２．３

3D プリンタによる試作

図３②における最適化実施前形状

構造最適化により得られた形状について，図２に示す
金属 3D プリンタ（ソディック

OPM250L）を用いて試作した。材質はマルエージング鋼とし，レーザ焼結条件は，
レーザスポット径 0.2mm，レーザ出力 420W，走査速度1400mm/s，走査ピッチ 0.08mm，積層厚さ 0.04mm とした。
造形後はマシニングセンタ等により軸部，先端部を加工し，刃先に超硬のチップを取り付け，ワイヤ等を切るカッティングプライヤーを作製した。作製した試作品について，外観や強度及び機能性を検証した。

図４
表１

図２

金属 3D プリンタ

（ソディック

裏面削除領域の形状
裏面削除形状の検討範囲

切り込み深さ抜け開始(mm)

位置(mm)

1～4

2～30

5～60

(0.5mm 刻み)(2mm 刻み)(5°刻み)

抜け角度(°)

上記の条件で，トポロジー最適化及び寸法最適化を実

OPM250L）

施した結果を図５に示す。また，③の最適化結果より導き出された各パラメータの数値を表２に示す。①の形状

２．４

現行の加工法での試作品作製

は③と同様に裏面が削除されている体積が大きいが，③現行の生産設備で加工可能であるかを確認するため，には無い側面の穴が形成されていることが分かる。②に量産品のプライヤーをマシニングセンタ等による加工

ついては，①や③の形状とは全く異なる新規の形状が作機を用いて最適化形状になるよう加工し，刃先に超硬の成されていることが分かった。

チップを取り付け，カッティングプライヤーを作製した。作製した試作品について，外観，強度，機能性及び耐食性を評価した。
３
３．１

結果及び考察軽量化設計の提案・検討（ａ）①現行形状のトポロジー最適化

２．１で示した 3 パターンの最適化について，①と③は図１に示す形状を基に実施した。②については，これまでにない形状の提案をするために，図３に示すような持ち手に余肉を付けた状態でトポロジー最適化を実施した。③の持ち手裏面の削除領域については，図４に示すように裏面を半円状に削除する形状で検討した。削除
領域の形状は切り込みの深さ，抜け開始位置，抜け角度（ｂ）②新規持ち手形状のトポロジー最適化の 3 つのパラメータで定義し，表１の数値範囲で全 1260

図５

パターンすべてを構造解析して最適寸法を導き出した。

－ 25 －①及び②の最適化後のメッシュ形状

栃木県産業技術センター

表２

研究報告

№18(2021）③裏面削除形状の最適化結果

切り込み深さ抜け開始(mm)

位置(mm)

3

16

いては洗浄・滅菌がしづらい形状であり，実用上において医療用途では不適切であることが分かった。また，量抜け角度(°)

産を見据えた場合に，①と②の形状では鍛造やマシニン
グセンタによる機械加工等の現行の加工法では加工し20

づらい形状であり，生産性が劣ることが分かった。そのため，3D プリンタによる試作及び現行の加工法での試作

３．２については，③の形状で実施することとした。

製造に向けた軽量化モデルの再設計

３．３

３．１にて導き出した各最適化形状について，メッシ

3D プリンタによる試作ュ修正及びソリッド化を実施し，構造解析により導き出③の形状を基に 3D プリンタで造形した試作品を図７

された各形状にかかるミーゼス応力を図６に，各形状でに示す。また，後加工及び組立後の試作品を図８に示す。

の質量と最大ミーゼス応力の値を表３に示す。3 パター

組立後の 3D プリンタ試作品について，外観，強度，機ンとも最大ミーゼス応力が現行品より小さく，かつ軽量能性を評価した。外観については図８のとおり，後加工化が可能であることが分かった。

によって平滑になっており，キズ・バリ等も見られず問
題ないことが分かった。強度については，図９に示すよ

ただし，導き出した最適化形状について，①と②につうにステンレスワイヤー（直径 0.5mm を 2 回，直径 0.2mm
及び撚線 0.25mm を 5 回）及びラバーチェーン（5 回）を切断し，刃先に欠けが無いことを確認した。機能性については，ジョイント部のがたつき，開閉のスムーズさ，カットしたワイヤの飛び方を評価し，いずれも問題が無いことが分かった。以上より，3D プリンタで作製した試作品は，形状や意匠性及び機能性等を評価するという目的において，十分に活用可能なことが分かった。

（ａ）①現行形状のトポロジー最適化（ｂ）②新規持ち手形状のトポロジー最適化
図７

3D プリンタで造形した試作品（ｃ）③持ち手裏面の削除領域の最適化
図６

各形状でのミーゼス応力の分布

表３

各形状での最大ミーゼス応力の値
質量（g）

図８

後加工及び組立後の 3D プリンタ試作品

最大ミーゼス
応力（MPa）

現行

54.84

407.7

①

48.00

401.4

②

51.23

350.0

③

47.87

395.7

図９

－ 26 －

強度試験の様子栃木県産業技術センター

３．４

研究報告

№18(2021）（2） 3 パターンの軽量化形状の質量は現行品より軽く

現行の加工法での試作品作製

量産品を③の形状に機械加工し作製した軽量化試作なっており，構造解析により最大ミーゼス応力は品を図 10 に示す（以下，量産試作品とする）。量産試

現行品より小さくなっていることが分かった。

作品も 3D プリンタの試作品と同様に外観，強度，機能（3）トポロジー最適化により導き出した軽量化形状は，性を評価し，問題が無いことを確認した。また，量産試

医療用途としての実用性及び従来の機械加工によ

作品については，通常の量産品と同様に洗浄滅菌処理にる生産性に難があることが分かった。

よる耐食性も評価した。洗浄工程はジェットウォッシャ（4）3D プリンタで作製した軽量化試作品は，外観，強ーを用いて 93℃の強アルカリで 111 分，滅菌工程はオ

度，機能性に問題が無く，形状や意匠性及び機能性ートクレーブ装置を用いて 132℃で 30 分間実施した。

を評価する事が可能であることが分かった。

洗浄滅菌後に外観検査を実施し，錆の発生は無く軽量化（5）量産品を機械加工し作製した軽量化試作品は，外形状への変更が耐食性に悪影響を及ぼすことが無いこ

観，強度，機能性，耐食性に問題が無く，実使用にとを確認した。

耐えうることが分かった。
参考文献
1) 西脇眞二： "精密工学会誌 "，vol.86 No.1，4-7,（ 2020）
2) 岩野吉宏，YuqingZhou,田仲正明，和田敦，吉川勝治，
川本敦史，野村壮史： "自動車技術会論文集 "，vol.52
No.1，51-57,（2021）
3) 相澤淳平，風間武，神戸博之，羽生田豪太： "長野

図 10

県工技センター研報 "，No.14，M22-M26,（2019）

量産品の裏面加工品

4) 西脇眞二： "精密工学会誌 "，vol.86 No.6，391-394，
４(2020)

おわりにシミュレーション技術を活用し歯科用プライヤーの軽量化を実施し次の結論が得られた。
（1）トポロジー最適化及び寸法最適化を活用し，3 パターンの軽量化形状を作成した。

－ 27 －

Ⅲ 受託研究
Contract Research栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

受託研究

動物骨のフッ素アパタイトへの資源化
山畑雅之*

永島 彩乃*

Recycling of Animal Bones to Fluoroapatite
YAMAHATA Masayuki and NAGASHIMA Ayano
食品製造時に排出される動物骨(骨粉)由来水酸アパタイト(骨 HAp)からフッ素アパタイト(FAp)を作製するために，骨粉の加熱処理による有機物除去条件，骨 HAp とフッ化カルシウム(CaF2)の混合粉砕条件(粉砕時間)，粉砕試料の焼成条件(焼成温度・時間)を検討した。その結果，300℃・2 時間の予備灰化と 800℃・1 時
間の灰化処理で，骨粉から有機物を除去できた。また，ボールミルによる混合粉砕と 900℃・10 分間以上の焼成で，F 置換率 70%を超える FAp を作製することができた。作製した FAp は，塩酸水溶液(pH3)に対して骨HAp よりも高い耐酸性を有していた。
Key words:

１

動物骨，水酸アパタイト，フッ素アパタイト，混合粉砕

はじめに

２
２ ．１

食品製造時に排出される動物骨は，乾燥後に粉砕され

研究の方法

試料

て家畜用飼料や農業用肥料としてリサイクルされてい試料は，食品製造時に排出される鶏・豚骨を乾燥後にる。近年，石灰石等の無機肥料への代替や農家の減少に粉砕して得た鶏豚混合蒸製骨粉(㈱ジャパンエコロジー

よる肥料消費量の減少により，動物骨由来肥料の需要減

シンキング)を用いた。また，フッ素原料には，CaF 2(富少が進むと予測されている。動物骨がリサイクルされな士フイルム和光純薬㈱)を用いた。

い場合，産業廃棄物として処理する必要があるため，動２．２

骨粉の有機物除去

骨粉中の有機物の除去は，加熱処理により行った。加

物骨の新用途開発が求められている。
動物骨は，水酸アパタイト(HAp：Ca 10(PO 4) 6(OH) 2)とタ

熱は，電気マッフル炉(㈱東洋製作所 FUW232PA)を用い

ンパク質等有機物から構成されている。HAp は，生体親て大気雰囲気下で行った。加熱処理後の骨粉の化学構造

和性，イオン交換性，吸着性等の多様な特性を有しておは，フーリエ変換赤外 分光光度計 (FT-IR，日本分光㈱り，人工骨等の生体材料，重金属イオン吸着材料，カラ

FT/IR-4600)により評価した。また，骨粉の熱特性を熱重ムクロマトグラフィー用充填剤など機能性材料として量示差熱分析装置(TG-DTA，㈱マック・サイエンス TG-

使用されている1）。しかし，HAp は耐酸性が低いため，酸性環境で使用するには耐久性に問題がある。HAp の水

DTA2000S)により評価した。
２．３

FAp の作製

酸 基 を フ ッ 素 (F)で 置 換 し た フ ッ 素 ア パ タ イ ト (FAp：

FAp 作製方法を図１に示す。FAp は，骨 HAp と CaF2 を

Ca 10(PO 4) 6F 2)は，HAp と類似した特性を有し，HAp よりも混合粉砕後，焼成することにより作製した。混合粉砕は，耐酸性に優れているため，HAp の代替物として期待され

PP 製容器(250ml)にアルミナボール(φ10mm)100 個，骨ている 2）。FAp は，試薬からの合成の報告はみられるもHAp2.0g(2mmol)，CaF 20.3g(4mmol)を加え ，ボ ールミルのの，動物骨由来 HAp(骨 HAp)を原料とし，FAp を作製し(㈱伊藤製作所 PSL-1M)を用いて行った。混合粉砕後，た事例はほとんどない。

純水を用いて試料とボールをふるい分けすることで試

そこで本研究では，骨 HAp から FAp 作製条件の確立を料を回収し，乾燥機(110℃)で 2 日間乾燥させて粉砕試目的とし，食品製造後の動物骨を乾燥後に粉砕して得た料を得た。さらに，粉砕試料を電気マッフル炉を用いて骨粉を原料に用いて，骨粉中の有機物除去条件，骨 HAp

大気雰囲気下で焼成し，FAp を得た。

とフッ化カルシウム(CaF 2)の混合粉砕条件(粉砕時間)，

２．４

及び粉砕試料の焼成条件(焼成温度・時間)を検討した。

粉砕試料の評価

粉砕試料の粒子径測定は，レーザー回折式粒度分布測

また，得られた FAp の耐酸性を評価した。

定装置(㈱堀場製作所 LA-960V2)を用いた。元素マッピ*

ングは，走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型 X 線分析

栃木県産業技術センター

材料技術部－ 29 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

た。また，約 600℃で重量減少の勾配が緩やかになった。
DTA 曲線から 338℃と 445℃をピークトップとする発熱ピークが確認されたことから，重量減少の原因は，骨粉中の有機物の燃焼によるものであると考えられる。
この結果を踏まえ，有機物を炭化するための予備灰化条件を検討した。200℃，250℃，300℃の各温度で 2 時
間加熱処理した後の骨粉の FT-IR スペクトルを図３に示す。

図１

FAp 作製方法フローチャート

装置(SEM-EDS，日本電子㈱ JSM-6010PLUS/LA)を用いた。
２．５

FAp の評価

FAp の結晶構造評価と格子定数の測定は，X 線回折装置（XRD，理学電機㈱ RINT2550H）を用いて行った。また，FAp の F 置換率は，骨 HAp のフッ素化(F 化)に伴う格子定数の変化から算出した 3） 。
２．６

図３

加熱処理後の骨粉の FT-IR スペクトルFAp の耐酸性評価

骨 HAp 及び FAp0.5g に，塩酸水溶液(pH3)50ml を加え

300℃・2 時間の加熱処理で有機物由来の C-H 結合とアて，24 時間浸漬した。浸漬後，各試料をろ紙でろ過した。

ミド結合のピークの消失がみられた。また，250℃・4 時

ろ液中のリン(P)濃度を高周波誘導結合プラズマ発光分

間と 300℃・1 時間の加熱処理も検討したところ，C-H 結光分析装置(㈱島津製作所 ICPS-8100CL)で測定し，試料合とアミド結合の存在が認められたことから，本条件がからの P 溶出量を算出した。また，耐酸性試験前後の FAp

予備灰化に適していると考えられる。

の結晶構造を XRD により評価した。

次に，予備灰化試料の炭化物をガス化して除去するための灰化条件を検討した。灰化条件の検討は，温度と時

３３．１

結果及び考察間を変えて強熱減量を評価することで行った。骨粉の灰

骨粉の加熱処理による有機物除去

化条件と重量減少率を表１に示す。炭素の燃焼開始温度

骨粉の熱特性を調べるために TG-DTA を測定した。結である 600℃で 5 時間加熱処理後の試料を 800℃・1 時

果を図２に示す。

間加熱処理した場合(No.2)の重量減少率は 2.7%であり，TG 曲線における重量減少開始温度は約 300℃であっ

600℃加熱処理では，炭化物が残留していることが示唆された。さらに 1000℃で 1 時間加熱処理した場合(No.3)の重量減少率は 0.2%であり，重量減少はほとんど起こらなかった。このことから，灰化温度は 800℃が適していると考えられる。

図２

骨粉の TG-DTA 曲線

表１

骨粉の灰化条件と重量減少率

No

加熱処理条件※(％)

1

600℃・5 時間加熱処理

45.3

2

No.1 試料を 800℃・1 時間加熱処理

2.7

3No.2 試料を 1000℃・1 時間加熱処理

0.2※予備灰化(300℃・2 時間)後に処理－ 30 －

重量減少率

栃木県産業技術センター

そこで，灰化温度 800℃における処理条件と重量減少

３．２．２

研究報告

№18(2021）

粉砕試料の評価率を検討した。結果を表２に示す。800℃・1 時間加熱処

混合粉砕による粒子径の変化を調べるために，原料と理後の試料を，さらに 800℃・1 時間加熱した場合(No.2)

粉砕試料の粒子径を測定した。分散媒には 0.2%ヘキサメの重量減少率は 0.01%であり，1 時間の加熱処理で炭化

タリン酸ナトリウム水溶液を用いた。なお，粒子径分布物を除去できることが分かった。

の計算には体積基準を採用し，骨 HAp の屈折率は 1.630，
CaF2 の屈折率は 1.430 とした。結果を表３に示す。混合表２

粉砕前後において，粒子径に大きな変化は確認されなか灰化温度 800℃における処理条件と重量減少率

った。

重量減少率

No

加熱処理条件1※

800℃・1 時間加熱処理

46.1

2

No.1 試料を 800℃・1 時間加熱処理

0.01

(％)

※予備灰化(300℃・2 時間)後に処理
以上の結果から，骨粉から有機物を除去するには300℃・2 時間の予備灰化と 800℃・1 時間の灰化処理が適していると考えられる。
３．２

FAp 作製条件の検討

３．２．１

骨 HAp と CaF 2 の混合粉砕条件の検討

骨 HAp と CaF 2 を 3，6，12 時間混合粉砕を行った後，
図５ 粉砕時間と F 置換率の関係(900℃・1 時間焼成)

900℃で 1 時間焼成した。3 時間混合粉砕試料から得た生成物の XRD パターンを図４に示す。XRD パターンから，
FAp が生成していることが確認された。また，副生成物

表３で あ る 酸 化 カ ル シ ウ ム (CaO)の 回 折 ピ ー ク も 検 出 さ れ

試料名
骨 HAp(原料)CaF 2(原料)粉砕 0 時間試料(骨 HAp＋CaF 2)
粉砕試料(3 時間)
粉砕試料(6 時間)
粉砕試料(12 時間)

た。

原料及び粉砕試料の粒子径
メジアン径(µm)
0.13
10.1
0.15
0.13
0.13
0.12

900℃焼成前の混合試料と粉砕試料中の骨 HAp と CaF 2の分布を調べるために，P(骨 HAp 由来)と F(CaF 2 由来)の元素マッピングを SEM-EDS で行った。結果を図６に示す。P と F の分布から，混合試料中の骨 HAp と CaF2 は不均一に分布しており，骨 HAp 表面に CaF 2 の分布が少な
図４

生成物の XRD パターン

いことが確認された。一方，粉砕試料では，微細化された CaF 2 が均一に分布しており，骨 HAp 表面が CaF 2 で覆

3，6，12 時間混合粉砕を行い，900℃で 1 時間焼成しわれていることが確認された。また，骨 HAp 粒子の大きた試料の F 置換率を算出した。粉砕時間と F 置換率の関さに混合試料と粉砕試料で違いが見られないことから，係を図５に示す。なお，アルミナボールを加えず 1 時間

混合粉砕では CaF 2 が選択的に粉砕されていることが示

混合撹拌した後，焼成した試料を粉砕 0 時間試料(混合唆された。この CaF2 の微細化が F 置換率の増大に寄与

試料)とした。粉砕試料からは F 置換率 70%以上の FAp がしていると考えられる。また，骨 HAp は，粉砕時間の増得られた。しかしながら，粉砕時間の増大による F 置換

大によってもほとんど変化がなく，このことが粉砕時間率の増大は認められず，このことから，混合粉砕は短時によらず F 置換率がほぼ一定の値となった理由である

間で効果があることが示唆された。

と考えられる。

－ 31 －

栃木県産業技術センター

３．２．３

研究報告

№18(2021）

混合粉砕が骨 HAp の F 化に及ぼす影響

３．２．３．１

焼成時間の検討

混合粉砕が骨 HAp の F 化に及ぼす影響を調べるために，混合試料と粉砕試料の反応性を比較した。混合試料及び粉砕試料の焼成時間と F 置換率の関係を図７に示す。なお，各試料を昇温速度 10℃/min で加熱し，900℃
到達後徐冷した試料を焼成 0 時間試料とした。
混合試料と粉砕試料の F 化は，焼成時間 10 分でほぼ終了した。FAp の F 置換率は，混合試料よりも粉砕試料の方が高くなる傾向がみられた。また，混合試料は F 置
図７

換率のばらつきが大きくなり，粉砕試料は F 置換率のば

混合試料及び粉砕試料の焼成時間と F 置換率の関係(焼成温度 900℃)

らつきが小さくなった。SEM-EDS の結果(図６)より，混合試料中の骨 HAp と CaF 2 は不均一に分布しているため，
F 置換率が低くばらつきは大きくなり，粉砕試料では３．２．３．２

焼成温度の検討

CaF 2 が骨 HAp 表面に均一に分布しているため，F 置換率

3 時間混合粉砕を行った粉砕試料について，所定温度が高くばらつきも小さくなったと考えられる。以上のこで１時間焼成して作製した FAp の F 置換率を算出した。

とから，混合粉砕は原料の微細化のほかに，F 置換率の焼成温度と F 置換率の関係を図８に示す。焼成温度再現性向上に効果があることが示唆された。なお，今回900℃で F 置換率 70%を超える FAp が得られた。このこの条件では，F 置換率 100%の FAp を作製することはできとから，焼成温度は 900℃が適していることが示唆されなかった。門間ら

4）の報告によると，反応で生成した FAp

た。

が試料表面をち密に被覆することで，それ以降の反応が妨げられると考えられている。このことから，F 置換率
が 100%にならない理由は，反応初期に骨 HAp 表面で F 化反応が進行し FAp 層が形成されることで，それ以降の反応が FAp 層に妨げられているためと推察される。
SEM 像

試料

P

F

混合試料

図８
３．３

粉砕試料の焼成温度と F 置換率の関係

FAp の耐酸性評価

表４に骨 HAp と FAp(F 置換率 77%)からの P 溶出量を粉砕試料示す。骨 HAp からの P 溶出量は 0.75wt%であるのに対し，
FAp からの P 溶出量は 0.004wt%未満であった。このことから，骨 HAp の F 化によって酸に対する耐久性が向上したと考えられる。
表４
図６

SEM-EDS による元素マッピング結果

骨 HAp と FAp の P 溶出量
試料名
骨 HAp
FAp

P 溶出量(wt%) ※0.75
0.004 未満

※試料の単位質量あたりの P 溶出量－ 32 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

図９に耐酸性試験前後の FAp の XRD パターンを示す。

（1）300℃・2 時間の予備灰化後，800℃・1 時間の灰化

耐酸性試験前後で FAp の XRD パターンに変化は確認でき処理で骨粉中の有機物を取り除くことができた。

ないため，結晶構造は変化していないと考えられる。以（2）ボールミルを用いた骨 HAp と CaF 2 の混合粉砕ではCaF2 が選択的に粉砕されていた。

上のことから，作製した FAp は骨 HAp よりも高い耐酸性（3）骨 HAp の F 化において，粉砕時間の影響は確認でを有していることが確認できた。

きず，混合粉砕は短時間で効果があった。
（4）混合粉砕は，CaF 2 の微細化と F 置換率の再現性向
上に効果があった。
（5）粉砕試料を 900℃で 10 分間以上焼成することで F
置換率 70％を超える FAp が得られた。
（6）作製した FAp は，塩酸水溶液(pH3)に対して骨 HApよりも高い耐酸性を有していた。
参考文献
1) 青木 秀希，矢嶋 龍彦，小山 利幸： "表面技術 "，
58，744-750,（2007）
図９2) 小林伸太郎： "ハロゲン置換方法およびハロゲンア

耐酸性試験前後の FAp の XRD パターン

パ タ イ ト " ， ペ ン タ ッ ク ス 株 式 会 社 ， 特 開 2004４

331439,（2004）

おわりに動物骨(骨粉)由来 HAp から FAp を作製するために，骨3) 南澤宏瑚： "超音波照射を用いて合成した超微細水

粉の加熱処理による有機物除去条件，骨 HAp と CaF 2 の酸アパタイトの材料化学的研究 "，日本大学博士論

混合粉砕条件(粉砕時間)，粉砕試料の焼成条件(焼成温文,（2020）4) 門間英毅，上野精一： "石膏と石灰 "，163，226-232，度・時間)の検討を行った。また，作製した FAp の耐酸（1979）

性評価を行い，以下の知見を得た。

－ 33 －

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

研究報告№18(2021）

重点研究

ものづくり現場における AI 活用に向けた分析・解析ツールの開発
島田

智＊

清水 暁＊

八木澤

秀人＊

石川 信幸＊Development of Analysis Equipment using Machine Learning for Manufacturing SMEs
SHIMADA Satoshi, SHIMIZU Akira, YAGISAWA Hideto and ISHIKAWA Nobuyuki
昨年度までに開発した IoT 稼働状況監視システムの機能を拡張し，ホコリや振動といった，ものづくり現場で継続して監視する必要のあるデータの見える化に対応した。また，機械学習を用いた作業分析や，製品の外観，振動の異常を判定するための解析ツールを構築した。さらに，web アプリケーションとしてブラウ
ザ上で稼働する IoT 稼働状況監視システムから，随時解析結果を確認できるようサーバ側プログラムを実装
し，構築したシステムが問題なく稼働することを確認した。
Key words: IoT，可視化，センシング，遠隔監視

１

はじめに

２

近年，気象情報等を用いた電力需要や，商品・在庫管

２．１

理をはじめ，自動車の自動運転，インフラの維持管理，研究の方法

IoT 稼働状況監視システムの拡充

２．１．１

IoT 稼働状況監視システムの概要

限られたリソースの最適配置，医療における画像診断

センターでは，平成 30 年度から，Raspberry Pi や等，様々な分野で AI の利活用が研究されている。特にmicro:bit ， ESP32 等 の デ バ イ ス ， Bluetooth Low

IoT 関連技術が発展し，安価で高機能なデバイスが普及

Energy(BLE)や TCP/IP 等のプロトコルを用いて，情報収するようになり，様々なデータを瞬時に，大量に集めら集を行う IoT 稼働状況監視システムの開発を行ってきたれるようになったことで，そのデータの処理に AI は不1),2)

可欠なものとなりつつある。

電圧，電流等，様々な物理量と，これらの情報から推定。この中では，IP カメラ等の画像や温湿度，気圧，ものづくりの現場においても，設計，工程管理，外観される稼働状況の表示に対応した。また，ものづくり現

検査や設備の予知保全等，各社から AI 活用のメリット

場での使用を考慮し，ネットワーク接続環境が整備されをうたう様々な製品が投入されており，大企業を中心にていない状況でも，データの取得，表示が行えるよう，活用が広がりつつある。

データの収集，蓄積，表示に係る全てを Raspberry Pi
一つにまとめ，システムを運用してきた。このシステム

一方，ものづくり中小企業が抱える課題は，材料，製の構成図を（図１）に示す。

品，顧客により多種多様であり，製品サイクルの短寿命化や小ロット化により，IoT や AI を活用した効果の大きいシステムを一度構築すれば，それを長期間に渡って使い続け，生産性，競争力を維持できるという状況にない。
課題に合わせたモデルの選択や構築，出力結果の加工・処理方法の変更等を絶えず行っていく必要がある。
そこで，本研究では，県内ものづくり企業からの AI
利活用に関する相談に素早く対応するため，昨年度までに構築した，IoT 稼働状況監視システムを拡張するとともに，様々なニーズを想定しつつ，現場で簡単に試せる
AI を用いた分析・解析ツールを構築した。

＊

栃木県産業技術センター

図１

機械電子技術部－ 35 －

IoT 稼働状況監視システム構成図栃木県産業技術センター

２．１．２

研究報告

№18(2021）

データ取得・可視化対象の拡張について，モデルを動作させ，結果を IoT 稼働状況監視

生産現場において，製品の品質を管理，安定させるたシステムと連携し，可視化させることに取り組んだ。
２．２．２

めには，温湿度や電圧，電流値の他に，作業環境のホコ画像を用いた良否判定

リ，装置から生じる音振動等を継続的にセンシングし，

ものづくりの現場において，生産にかかる作業の多く随時監視する必要がある。そこで，IoT 稼働状況監視シ

は機械化，自動化が進められており，生産ラインに寸法

ステムの機能を拡張するため，本研究では，これらのデ測定等の検査装置を導入している企業も多い。一方，寸ータ取得と保管，見える化の手法について仕様の検討と法に現れない外観の検査には，多くの時間と人員，コス実装を行った。

トが割かれている。しかし，ヒトの目に頼った検査には

２．１．３

コストや時間に加えて，見落としや個人，体調等によるユーザインタフェイスの拡張

試験品質のバラつきといった問題がある。

IoT 稼 働 状 況 監 視 シ ス テ ム の グ ラ フ の 表 示 に は
chart.js 3)を用いているが，テキストで書かれた設定フ

そこで MVTec Software GmbH 社が公開している不良品

ァイル（表１）を編集することで，表示するデータの選検知用のデータセット「MVTecAD 8)」に含まれる 15 種類

択や，表示方法の変更が可能である。しかし，センサのの対象物（図２）についての，良品，不良品の画像を用追加や変更等により，表示方法を変更する際，システム

いて，各種良否判定モデルの評価を行うと共に，実際のの運用に不慣れなユーザには，この編集は困難である。

外観検査を想定し，ベルトコンベア上を流れるフェライ

そこで，グラフ表示方法を web 上から円滑に変更できる

トコア（図３）の外観良否判定の試験をした。なお，良よう GUI を整備した。

否判定の目標値は，モデルの汎用性を重視し，15+1 種類，

表１

全ての対象物で AUC0.9 以上とした。

グラフ設定ファイル[chart0]
title=温度グラフ
height=480
term_select=2
data1=020100,冷蔵庫上,255,0,128,1,1,1,1
data2=010000,zero_w,255,0,255,0,1,1,1
data3=000300,bit 屋外,0,128,255,1,1,1,1
data4=020000,屋外,255,0,0,1,2,1,1
data5=000200,esp32,194,94,0,1,2,1,1
data6=000100,廊下,0,255,0,1,1,1,1
data7=030100,研究員室,174,0,255,0,0,1,1
data8=060000,機械精密,255,128,0,0,1,1,1
1 つのグラフに 8 つまでデータを記載でき，カンマ区切りで，対象データ（6 桁），表示名，描画色 R，G，B，透過度，太さ，
表示軸，グラフ種類（棒グラフか折れ線か）を意味している。

２．２

図２

MVTecAD の画像例

現場で試せる AI ツールの開発

２．２．１

AI ツール開発の必要性

昨今，Deep Leaning に関しては，特に画像処理の分
野で目覚ましい発展を遂げてきており，物体検出のYolo 4),5),6)や，姿勢推定の OpenPose 7)等，様々な目的で，モデルが開発，公開されている。また，単にサンプルコ
ードを動かす場合であれば，クラウド上の実行環境で，ボタンを押すのみで動作確認できるモデルも多くなってきている。

正常

図３

汚れ

変形

裏返し

試験に用いたフェライトコアの画像（例）

正常品と，意図的に汚れ，変形，裏返し等の異常を加え，不良品に見立てたフェライトコアをベルトコンベアで流し，ビデオ撮影した。その後，フェライトコア画像で再学習させた Yolo v5 で切り抜き，正常品画像（215 枚）と不良品としての画像である，汚れ（71 枚），変形（6 枚），裏返し（24 枚）に分類した。

しかし，中小企業が抱える個別課題の解決には，これらの用意されたモデルを単に動かすだけではなく，デー
タを継続して大量に取得し，使用するモデルの入力に合わせて変換，モデルの再学習，ニーズに合わせた出力結果の加工や編集を行う必要がある。

２．２．３

そこで企業個別の具体的ニーズに即応するため，セン振動からの異常検知

ターでは製品の外観検査を想定した良否判定，加速度セ生産現場において熟練技能者は，装置の致命的な損ンサから得られる振動からの異常検知，及び行動の解析

傷，製品の異常が発生するより前に，温度やにおい，煙，－ 36 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

音や振動等，五感を最大限に活用して，設備の異常を検知している場合がある。こうしたノウハウのシステム化
が，様々な分野で進められている。安価な加速度取得モジュールと組み合わせ，簡単な方法で異常を検出する手法の開発を行った。
２．２．４

作業員の行動解析

IoT の活用により，設備やセンサからデータを取得，蓄積して見える化し，稼働状況の把握や，異常の検知等を行うことは可能である。一方，設備が停止した際，その原因を突き止めるには，設備側がこれに該当する情報

図４

作成した環境情報取得モジュール

図５

機械精密測定室内の温湿度と粒子数をアウトプットしない限り，作業員からの作業日報に頼らざるを得ない。また，作業員がどんな作業に，どれだ
けの時間を要したかを把握するにも，作業日報や作業の録画結果を人が解析する手法が一般的だが，日常的に，継続的に，低遅延でこれを把握するのは困難である。
そこで，カメラ画像を Openpose 等のモデルを用いて解析し，作業の可視化を行うと共に，これにより得られたデータから，カメラに映った作業員の行動履歴を作成
するシステムを開発した。
３
３．１

結果及び考察IoT 稼働状況監視システムの拡充

３．１．１

データ取得・可視化対象の拡張

今回，産業技術センター内で環境を継続して監視する
対象は，寸法測定結果に影響を及ぼすことから常に温湿度を一定に保ち，フィルタで微粒子を取り除いている機械精密測定室とした。
ここに，Wi-Fi と Bluetooth の双方に対応する演算・通信モジュール（Atom lite）に，ダストセンサモジュー ル （ PPD42NS ） と ， 温 湿 度 気 圧 セ ン サ モ ジ ュ ー ル（bme280）を接続し，作製したモジュール（図４）を用いて，毎分粒子数と温湿度を取得した。なお，IoT 稼働

能の劣化をいち早く捉えることができると考えられる。

状況監視システムが稼働する Raspberry Pi は別室にあ

一方，音・振動の監視については，多くのものづくりるため，センター内の LAN を経由し，データの収集を行企業で使用されており，その稼働状況，負荷の監視や予った。8 月 1 日と 10 月 1 日から 7 日間収集したデータを知保全にニーズがあると思われるコンプレッサとした。

図５に示す。なお，この装置を用いて，この期間を含め，振動取得のため，Wi-Fi と Bluetooth に加え，加速度

設置した 5 月から測定室改修のため取り外した 11 月まセンサ（MPU6886）も内蔵する Atom matrix を用いて，で，モジュールには手を加えることなく，安定してデー

Raspberry Pi 側からの要求に応じて，一定時間の加速度タの収集を続けることができた。

を取得・送信するモジュールを作製した（図６左）。こ

この結果から，8 月に比して 10 月は，測定室の改修のモジュールを振動試験機で，周波数を 1-400Hz の間でを前に特に湿度のコントロールに異常をきたしており，変化させてデータを収集し，FFT にかけた結果を図７に人の出入りが無い状態では 8 月には 52.5±0.5％の範囲示す。
しかし，結果的に，ここで作製したモジュールをそで推移していたものが，48±3％程度まで悪化していたのままコンプレッサに取り付けることはできなかった。

ことが分かる。
機械精密測定室はその後，改修工事を行ったが，今後コンプレッサの設置場所は，AC 電源を取ることが困難も継続してデータを収集，監視することで，環境制御機

なだけでなく，コンクリートと金属製の扉に囲まれた－ 37 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

中では，無線 LAN や Bluetooth，4G による通信も困難であり，通信によるデータの継続取得はできないと判断した。これは導入を検討する企業においても起こりうる課題であり，今回はデータを micro SDXC に取り貯めるモジュールを m5Stack GRAY（図６右）を用いて開発し，解決した。加速度データは，10 秒毎に，3 軸分
を 1ksps（1 ㎲毎）で 5120 点（約 5 秒）取得した。このうち Z 軸（装置の上下方向）について 128 点シフト
しながら 512 点毎に FFT をかけ，取得した周波数解析
結果を図８に示す。
この結果から，このコンプレッサは,データを取り始めて 20 分後頃から，2～3 分程度のサイクルで間欠運転
図８を行っており,運転時の振動は 100Hz 付近に強いピーク

コンプレッサの振動解析結果が見られることが分かる。
にどのデータが格納されているのかを把握することがこうしたデータを長期間にわたり収集，比較するこ難しくなる。

とで，普段との違いを見つけ，高度なノウハウが無くても，異常を早期に検知できる可能性がある。また，

そこでまず，データベースにどの組み合わせのアドレ

別に記載する統計処理や機械学習と組み合わせることスにデータが存在しているかを確認し，リスト化するス

で，異常の検知を自動化することもできると考えられクリプトを作成した。次に，このリストを基に，データる。

が格納されているアドレスのみを階層的に選択できるプログラムを作成した。これにより，データ選択をユー
ザが簡単に行えると共に，アドレスの選択ミスを避けることができる。
また，データ毎の表示方法（色，ラインの太さ，透過度，軸），表示する順番等もボタンやセレクトボックス
から選ぶことができるようにすることで，設定ファイルを直接編集することなく，表示内容を変えることができるようにした。作成した設定画面を図９に示す。

(a)通信型（左）と(b)蓄積型（右）図６作製した振動取得モジュール

図７

図９

モジュールの性能評価
３．２

３．１．２

現場で試せる AI ツールの開発

３．２．１

ユーザインタフェイスの拡張

グラフ設定画面

画像を用いた良否判定

データの蓄積には，複数の Raspberry Pi からデータ

製造業の外観検査では，良品の数に比して，不良品のを収集することを想定し，Raspberry Pi 毎に割り当て数が非常に少ない。このため，良品，不良品にラベル付

る GW_No，それに繋がる BLE 等のデバイス毎に割り当てけを行い，単純な教師ありの分類問題として解くことはる Dev_No，それぞれのデバイスが有するセンサ毎に割困難である。こうしたデータから良否判定を行う手法とり当てることを想定した Ch_No の 3 つの整数を用いてして，自己符号機（auto encoder）を用いて正常品の特いる。しかし，センサデバイスの数が増えると，何処徴を学習し，試験品の画像がうまく decode できるかを－ 38 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

評価する手法や，正常品の画像に意図的に欠陥を加えラメータが存在しないにも関わらず，多くの対象物にお（図 10 右），正常品との距離を大きくするよう学習をいて有効性が確認されたことに加え，モデルの再学習が進める手法等がある。

不要であり，既存モデルを用いて良品の特徴量を抽出するだけで済むことから，計算量が極めて小さく，
Raspberry Pi のような GPU を搭載しないマイコンにも実装が可能である。今後，企業からの画像良否判定のニーズについては，まずこの手法を試すことが考えられる。
３．２．２

振動からの異常検知

短期間で異常検出の確認を行うため，対象を NAS（ネ図 10

正常品画像から不良画像を作り出した例

ットワーク接続型ストレージ）として実験を行った。通

ランダムラインを正常品に加え，意図的に不良品画像を生成している。位置や色をランダムに変えることで，様々な不良に対応しようとしたもの。

信型のセンサを NAS にセンサ背面にねじ止めした磁石で取り付け，5 秒間の加速度データ取得を 5 分毎に行い，取得したデータを FFT で処理した結果を図 12 に示す。
この結果を見ると，120Hz 付近にピークが見られ，内蔵

実際にこれらの手法を試してみると，対象物によってされているのが 7200rpm の HDD であることが分かる。

得意不得意があり，異常画像の作りこみを行えば，AUC0.9 以上を達成できるものもあるが，同一の手法により，すべての対象で AUC 0.9 以上を達成することはできなかった。
こうした中，画像分類の分野で高い成績を示す
EfficientNet を使って，正常品画像の特徴を抽出し，試験対象物の画像を入力した際の特徴との距離から，良否判定を行う手法が MVTecAD において AUC 0.95 以上の高い性能を発揮することが発表された 9)。そこで，この手法を用いて，正常品画像を特徴抽出用 128 枚とテスト用
87 枚に分け，特徴抽出後に，不良品を混ぜた画像で正常品との距離を計算した。結果を図 11 に示す。

図 12

この結果から，横軸の距離の閾値を適切に設定するこNAS の振動を可視化した結果とで，異常の有無を正確に分離できる（AUC=1.0）だけ
この状態で主成分分析を行い，固有ベクトルを求めでなく，異常の種類についても分離に成功していることた。その後，この状態から，NAS の上部に置かれたバッが分かる。

クアップ用 HDD を下ろしたり，測定中に HDD 周辺に衝撃

この手法は，特徴を抽出するモデルのサイズ以外のパを与えたり，逆にセンサを抑え込んだ際のデータを作成
し，第二成分までをプロットしたものを図 13 に，横軸に時間を取り，原点からの距離を縦軸に取ったものを図14 に示す。この結果，異常を与えたデータ群を正確に切り分けできた一方，バックアップ用 HDD を下す前と戻した後でも振動が変化し，見た目で場所を戻しても，完全には戻らなかったことが分かる。
今回は極めて簡易な方法で切り分けを行うことができたが，より複雑な判定を要する場合，外観検査同様，
FFT の結果を画像として，画像の異常判定手法を使う方法も考えられる。
図 11

３．２．３

EfficientNet を用いた良否判定結果

左から順に正常品，汚れ，変形，裏返しがクラスタを形成している。

作業員の行動解析

行動可視化のため，作業の映像を収めた動画ファイル
から，Openpose を用いて関節座標を割り出し，その軌跡から，作業の分析を行うツールを開発した。このツール－ 39 －

栃木県産業技術センター

図 13

研究報告

№18(2021）

振動データの主成分分析結果

図 15

図 14

行動解析ツール画面

原点からの距離の画面を図 15 に示す。このツールを用いることで，実際の映像を見ることなく，どんな作業をどのくらいの時間で行っているかを把握することができる。また，こうした座標の情報を基に，今後作業の自動クラスタリング

図 16

推論結果可視化のシステム構成に繋げられる可能性もある。
また，足の関節位置を用いることで，人の歩いた軌跡を記録することもでき，作業員がどんな作業を行っていたのかを知る手がかりとすることができる。しかし，この手法で移動の軌跡を把握するためには，Openpose が返すのが，二次元画像上の座標であるため，座標を変換する必要がある。また，足元まで映っている映像である必要があり，固定したカメラで，周りに視界を遮る障害物の無い場所での使用に限られるといった問題がある。
３．２．４

推論結果の見える化

Yolo や Openpose 等を用いて作成した推論結果を，こ図 17

推論結果の表示

3 台のカメラ画像を GPU 搭載マシンに集めて YOLO で物体認識を行い，結果をブラウザで表示している。

れまで作成した IoT 稼働状況監視システムで表示するため，python の bottle フレームワークを用いて，Motion
JPEG に変換するプログラムを作成した。システムの構成

４を図 16 に示す。この構成であれば，複数のカメラ画像

おわりにM5stack と Atom matrix，Atom lite，ダストセンサ等

を一つの GPU マシンで処理したり，負荷を分散するためを用いて，IoT 稼働状況監視システムの機能を拡張し，にエッジで処理したり，様々な構成を取ることができ振動やダスト等の見える化に対応した。また，作成したる。ブラウザに複数の推論結果をまとめて表示した結果

センサモジュールで取得した振動を分析し，異常度の判を図 17 に示す。

定をプログラムや，mvtec AD 及び独自のデータセットを用いた画像による製品の良・不良判別プログラム，作業－ 40 －

栃木県産業技術センターの可視化のツールを実装し，併せてこれらの推論結果を

5) Joseph

Redmon,Ali

研究報告

Farhadi,№18(2021）"YOLOv3:

An

Incremental Improvement " 2018.

IoT 稼働状況監視システムで可視化を行った。

https://arxiv.org/abs/1804.02767

今後は，システムの安定性を高め，ユーザインタフェ

6) ultralytics "Yolo v5 "イスの改良を行いながら，県内企業からの IoT・AI の利

https://github.com/ultralytics/yolov5

活用に関する相談に活用していく。

7) Zhe Cao, Gines Hidalgo, Tomas Simon, Shih-En Wei,
参考文献

Yaser Sheikh, "OpenPose: Realtime Multi-Person

1) 八木澤秀人ら： "所内設備の IoT 化に関する研究 "2D Pose Estimation using Part Affinity Fields "栃木県産業技術センター研究収録，58-61,（2018）2016.

2) 八木澤秀人ら： "AI 導入に向けたデータ収集シス

https://arxiv.org/abs/1611.08050

テムプロトタイプの開発 "栃木県産業技術センター

8) MVTec Software GmbH, "MVTEC AD "研究収録，27-30,（2019）https://www.mvtec.com/company/research/datase

3) "Chart.js " https://www.chartjs.org/

ts/mvtec-ad/.

4) Joseph Redmon, Santosh Divvala, Ross Girshick,9) Oliver Rippel, Patrick Mertens, Dorit Merhof,

Ali Farhadi, "Look Once: Unified, Real-Time
Object Detection ", 2016.

"Modeling the Distribution of Normal Data in
Pre-Trained Deep Features for Anomaly Detection "https://arxiv.org/abs/1506.02640

2020.
https://arxiv.org/abs/2005.14140.

－ 41 －

Ⅴ 経常研究
Ordinary Research栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

経常研究

デザイン資料を解析・活用した図案調整とテキスタイル試作
佐瀬 文彦*

吉葉 光雄*

磯田 政夫*

Design Adjustment and Textile Trial Production by Analyzing and Utilizing Design
Materials
SASE Fumihiko, YOSHIBA Mitsuo and ISODA Masao
銘仙等に使用する図案の参考として，収集されたデザイン資料の活用促進を図るため，改めて資料の解析や整理を行った。さらに，これらの資料をテキスタイルデザインとして使用可能とするため，前処理や編集処理の手順などを試行し、デザイン資料利活用者向けのマニュアルを作成した。また，選抜して調整した図案を使用して広幅の解し織の生地を製織し，テキスタイル（洋装品）を試作し，地域内での一貫生産の先導事例とした。
Key words: 解し織，図案調整，試作

１

資料の中にはレトロモダンなものから現代にも通用

はじめに大正から昭和初期にかけて流行した銘仙（着物）は，するような図案も含まれている。センターでは，歴史的華やかな色使いと絣による独特な模様が特徴で，足利地にも実用的にも価値があると考えられる図案や生地サ域でも主に解し織の技法による銘仙が，第二次大戦頃まンプルをデジタル化すると共に，平成 27 年度に地域ので盛んに生産されていた。しかし，その後の洋装の普及

繊維関連企業による活用を促進するための研究会を組などにより生産量は減少，これに伴い関連する企業数の織して活動してきた。しかし，デジタル化されていると減少や業態の変化，技術者の高齢化等により，現在地域

は言え，製品に使用できるデザイン案を得るためには，内で安定的に解し織を一貫生産することは困難になっ

デザインデータのノイズ除去や色まとめなどの前処理ている。一方で，銘仙の絣模様が与えるレトロモダンなの後，再配置やリピート（生地全体の中で境目が目立た

印象は，現在国内外を問わず高い評価を得ており，県内ないように連続させる処理），色の変更・調整などが必の繊維関連企業群では，洋装に対応するための銘仙（生要である。さらにアレンジ（複数の柄を組み合わせるこ地）の広幅化への取組や，これを含む繊維関連製品のブと，デザインを描き加えるなどにより原図と異なる新たランド化に向けた PR 活動により，海外などから一定のなデザインを創ること）によって独自性が付与され，デ評価を得ているものもある。

ザインの利活用の可能性がさらに広がるが，元の図案をこのような背景のもと，これまで繊維技術支援センタ

示すのみではデザインの可能性を企業に伝えきれない。

ー（以下センター）では，解し織に関して洋装に対応す

そこで，この 2 つの課題について，センターが主体とるための広幅化や，捺染業を中心とした一貫生産によるなって広幅化した解し織による銘仙の試作に取り組み，

短納期化及びコストダウンを図る効率的生産体制の確昔のようにデザインから仮織，捺染，本織までの工程の立を目指し，共同研究等による支援に取り組んできた。

殆どについて，地域内での再構築（特に仮織工程の内製

しかし，新たな織物や工程の導入について企業が取り組化）促進と，繊維関連企業における解し織の試作開発及む際には，参考となる事例を示すなどして導入障壁を低びデザイン資料の利活用促進の一助とする。

くする必要がある。また，センターには創設時に併合さ２れた「栃木県図案調整所」からのデザイン資料（足利銘２．１

仙が隆盛であった頃のデザインを含む主にテキスタイ

研究の方法

デザイン資料解析

ル向けのデザイン）が保管されており，初代図案調整所

デジタル化されたデザイン資料は，元の簿冊に振ら長である近藤徳太郎（足利工業高等学校初代校長）らは，れた管理番号をフォルダ名，簿冊のページ数をファイ

地域の織物業者等に対して図案を提供・調整（元図を参ル名として管理している。デザイン資料の利用者は，考にするなどして書き直すこと）したとされている*

栃木県産業技術センター

1),2)

。

繊維技術支援センター－ 43 －

このフォルダを順番に開き，閲覧することでファイル

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）を選出していく。しかし，簿冊の中には柄の性格別に

表１

各工程における使用装置概要

まとまっているものもあるが，どの簿冊にどのような図案調整 コンピュータグラフィックス〔ﾄﾖｼﾏﾋﾞｼﾞﾈｽｼｽﾃﾑ製〕
整 経 サンプル整経機（NAS-7型）〔ｽｽﾞｷﾜｰﾊﾟｰ製〕
仮 織 試製仮織用織機〔平成30年度共同研究成果品〕
本 織〃

性格の柄が収納されているかは不明なため，柄を見な
がら検索するためには全てのフォルダを一通り見渡す必要がある。
そこで，デザイン資料全体を改めて解析し，柄の性格（雰囲気）毎に適宜フォルダ名を設定して再分配す

２．４

ることで，利用者の検索効率の向上を図った。
２．２

テキスタイル試作

２．３で得られた生地を使用した洋装品の試作を行っ

図案調整

た。

収集されたデザイン資料の図案を基に，目的に応じて３使用するデザインに作り直す行為を図案調整という。
３．１「栃木県図案調整所」では，技術者が元の図案を見なが結果及び考察デザイン資料の解析

ら，依頼者の要望に合わせて，手書きで新たなデザイン

デザイン資料のうち，製織用データとして利用できる

画を描いていたが，本研究では，図面や生地からデジタ可能性が高いと思われる約 4500 点（112 フォルダ）のデ

ル化したデザイン資料に対し，ＰＣ（ソフト）を用いて，ザインを解析した結果，検索を想定した柄の性格・種類

大まかに以下の 2 つのプロセスを経ることが図案調整と別に新たな名称のフォルダを設定し，ファイルの再分配なる。

を行った。なお，ファイル名にはフォルダ番号も付いて①

データは手書き，或いは生地からの撮影データでいるため，元に戻すことも可能である。また，解析の過あるため，まず画像の色むらや汚れ，欠損やゆが程で特に大柄のデザインを中心に，主要な柄部分のみをみ等を修正してデータを整える。

取り出してその柄名称をファイル名に付けることが，検①の結果を基に変形，切り抜き，合成などのソフ

索や効率的な利活用の一助となると考え，新たに「抽出トの機能を駆使して新たなデザインを作成する。

柄」として 1 フォルダ追加し，ここに他のフォルダ内の②

デザイン資料の利用者は，利用目的やＰＣ（ソフト）ファイルから特徴的な大柄部分のみ約 300 枚を切り出しに関するスキルも様々であり，利用の際には相談・指導て収めた。概要を図２に，新たなフォルダ名を表２に示等により支援しているものの，目的やスキルに応じたガす。

イドのようなものが有れば，利用者の利便性を高めることができる。また，指導者側にも，段階的な指導を行う
際の目安となる。
そこで，これまでの研究等で確立した図案調整手順を再検証し，段階的な指導に資するパターンを見いだし，マニュアル化した。
２．３

製織

これまでの研究成果を基に，図案調整（デザイン）か

112 ﾌｫﾙﾀﾞ

図２らテキスタイル（試作品）製作までを一貫して行い，仮フォルダ構成の再構築

織を含む地域内での一貫生産の可能性を模索するため，
表２２．２までの過程で得る調整後のデザインを使用して，解し織により生地の製織を行った。全体の工程概要を図
１，各工程での使用装置の概要を表１に示す。
なお，捺染及び試作品の製作は外注とした。

新たなフォルダ名

縞格子柄
大柄
リピート柄
地紋小紋
無地・不完全単純な縞（たて・よこ）及び格子
地柄の中に大きな柄が配置されている
大きめの柄が全体に繰り返している
細かい柄が全体に繰り返している
無地及び柄の一部分

抽出柄

上記フォルダ内のファイルから単独柄部分を切り出したもの

３．２

図案調整

これまで蓄積した図案調整の手順をモジュール（小さくまとめた工程）として分類し，利用者のスキルに応じ
図１て，3 段階（初心者用，中級者用，上級者用）に設定し

工程概要－ 44 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）て，手順例をマニュアル化した。初心者用はデジタル画を企画する場合の一案として，海外でもいわゆる和柄が像編集未経験者等に，基本操作を一通り指導する場合を見直されている中で，比較的大きな柄で和柄とわかりや想定したものである。中級者用は，調整経験者がデザイ

すいものを，複数選抜することとした。また解し織は一ン資料を活用する際に 2 画像で 1 デザインとなっている

般的に経絣であることから，試験的に，絣の方向に合わものを扱う方法について指導する場合，上級者用は多くせて縦方向に流れの感じられるもの，多方向性のものをの元図を選んで複合させて合成する場合を想定したも組み合わせ，性質の異なる柄を組み合わせることで，製のである。これにより利用者は段階的に調整方法を習得

織後の印象に違いが生まれるように設計した。ストーリできる。例示として初心者用の手順概要を図３に示す。

ー性としては，模様銘仙の流行にまつわる話を採用した。銘仙には元々縞や無地に近いような柄が多かった
が，華やかな模様銘仙が生まれるきっかけは，乃木希典（当時学習院院長）により，学習院の女学生の服装規範に銘仙程度という例示がされたことからとされ 4),5)，その後当時の活動的な女性の象徴的衣装にもなった。そこ
で模様銘仙のルーツに戻るというストーリーに設定した。なお，色については JAFCA〔(一社)日本流行色協会〕
による 2021 春夏レディースウェアのトレンドカラー 6)

図３３．３を参考として，高彩度色（赤，黄，青，緑，黒，紫に近初心者用手順概要

い彩度の高いグループ）から柄と併せて赤，青，紫系の製織色を選択した。

捺染前の工程である整経と仮織を行った。整経時の条

これらのコンセプトを基に選んだデザイン資料（計 10件を表３，仮織時の規格を表４に，機上での仮織の状態

枚）と図案調整の概要を図５，調整等を行った結果完成を図４に示す。
表３

素 材
繊 度
密 度
総本数
整経長

整経条件

絹紡糸
2/120〔約150ｄ〕
32本/cm（幅120cm）
3,840本21ｍ

表４した経糸捺染用のデザインを図６に示す。

仮織の規格

筬 16羽/cm（２本入）
緯糸 ﾎﾟﾘｴﾁﾚﾝ（約65ｄ）
密度 約５本/尺※経糸の規格は整経条件と同じ仮織の緯密度は先の共同
研究 3)の結果から約 5 本/尺程度とした。広幅でこのような規格での仮織は通常の力織機では困難であり，広幅の解し織を生産する際には，仮織用に設計した力織機の導入が望ましい。なお，

図４

仮織の様子

図４の点線部分が緯糸で，経糸が乱れない程度に粗くかつ，経糸捺染時及び本織時に仕上がりや作業性に影響を与えない程度に密に打ち込んだ。
また，今回最終製品の試作を行うにあたり，次のとおりコンセプトを設定した。
①

国内外で評価を受けているとされるレトロモダンなデザイン（和柄）②

ストーリー性③

和装の要素を取り入れた洋装品

図５

選抜図案及び図案調整の概要

経糸への柄付けはスクリーン捺染で行うため，使用色

コンセプトの基本として，洋装に適する広幅の解し織分の版が必要となるが，今回は色数を 3 色として図案を－ 45 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

残すため，伊達襟や右前の合わせを採用した。試作品を
図 10 に示す。

約 120cm（生地幅相当）

図６

経糸捺染用のデザイン

調整し，これを基にした

図９

デザイン画

3 枚の版（田辺スクリン型

図 10

４

工業（株）製）を使用し，仮

試作品

おわりに

平成 26 年度に図案（デザイン資料の基となったもの）

織した経糸に捺染した。捺

の調査研究からスタートし，広幅化した解し織の仮織に染後の経糸の様子を図７に関する研究等を経て，地域で困難となった解し織の一貫示す。スクリーン捺染は，生産について，「栃木県図案調整所」を併合して「栃木

広幅の解し織の開発経験の県工業試験場」としてスタートしたセンターの歴史等をある企業に委託し，解し織踏まえ，本研究ではその集大成として，近年の解し織のに適した版や経糸の乱れや製造工程を再構築する先導的取組を行った。

染料の裏通りが均一な，捺

その結果経糸捺染や試作品製作は外部に委託したが，染結果が得られた。
次に，捺染を行った経糸センターを主体に足利市内での一貫生産を達成した。実図７

捺染直後の経糸用化の際には品質面や生産性に改善の余地を残すが，一を，約 2 時間のスチーミングにより染料を定着させた後，貫生産実現の際の大きな課題となる仮織に関する技術

織機につないで仮織の糸を解しながら本織用の緯糸をや知見の蓄積が図れたことで，今後地域で解し織に関す打ち込むが，規格の関係で本織も仮織時と同じ織機を使る取組が進む際の支援や気運醸成に，本研究がその一助用して約 8ｍの解し織の生地を得た。なお，本織で使用となることを期待する。

する緯糸は経糸と同じもので，製織後に確認した緯密度

謝は約 11 本/cm だった。本織時の様子を図８に示す。

辞本研究の試作を行うにあたり，御協力・御助言をいた
だいた，田辺スクリン型工業(株)，鶴貝捺染工業(有)，(学)大貫学園に感謝の意を表します。
参考文献
1) 日下部高明： "京都、リヨン、そして足利 "，随想舎，(2001)
2) 前澤輝政："近藤徳太郎 "、中央公論事業出版、(2005)

図８3) 佐瀬文彦ら： "栃木県産業技術センター研究報告 "，本織時の織機（左）及び製織部分 ※ （右）№16，41-44，（2019）※製織時は点線部で経糸に緯糸が打ち込まれ、上から下に経4) 足利銘仙の歴史：https://orimono-densyokan.com/

糸が移動していく。矢印部分は生地になった所

３．４

テキスタイル試作

entry9.html

３．３で示したコンセプトに従い，明治～大正時代に

5) 伊勢崎銘仙アーカイブス：http://iga.justhpbs.

模様銘仙と共に女学生に流行したいわゆる行灯袴の着

jp/episode.html

物をシルエットに残した洋装品としてデザイン案を図6) 2021 年春夏 JAFCA レディスウェアカラー：https://９のとおり作成した。これを基に，型紙用のデザイン修

www.jafca.org/colortrend/ladieswear/2021SS.ht

正及びパターニング・裁断・縫製は，（学）大貫学園（足ml利コミュニティカレッジ）に委託した。着物風の印象を－ 46 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

経常研究

DSC を用いた非晶性樹脂成形品の残留応力評価に関する研究小林愛雲*

渡辺 克人*

加藤 栄*

Residual Stress Evaluation of Amorphous Resin Products Using DSC
KOBAYASHI Azumi, WATANABE Katsuto and KATO Sakae
射出成形条件（保圧，金型温度），アニール処理の有無を変えてポリカーボネート（PC）のダンベル型引張試験片を作製し，試験片の残留応力を溶剤浸漬法により測定した。また示差走査熱量計（DSC）の測定により検出されるエンタルピー緩和由来のピーク面積（ΔH）について，試験片の表面と内部の差を算出し，残留応力との関係を調査した。試験片の残留応力は，射出成形時の保圧が高いほど大きく，アニール処理により減少した。またΔH 差は保圧が高いほど大きく，アニール処理により小さくなる傾向が見られた。試験
片の残留応力が大きいほど，ΔH 差は大きくなる傾向が見られた。
Key words: ポリカーボネート，射出成形，残留応力，エンタルピー緩和，示差走査熱量計

１

はじめに

の測定によりエンタルピー緩和現象として検出できる。

樹脂製品製造業においては，高品質なものづくりが求

よって，エンタルピー緩和と残留応力の関係を明らかにめられている。高品質な樹脂成形品には，安定した寸法

できれば，操作が比較的簡単な DSC により残留応力評価

や使用中にトラブルがないことが要求されるが，樹脂成が可能になると考えられる。本研究では，DSC 測定によ形品には成形工程中に生じる残留応力が存在しており，り検出されるエンタルピー緩和と残留応力の関係につ残留応力は成形品の変形・破壊等の原因となっている。

いて調べ，DSC を用いた残留応力評価の実現可能性を検

特に，ポリカーボネート（PC）等の非晶性樹脂において証したので報告する。

は，残留応力及び溶剤（油や接着剤等）の影響により破壊が起こるソルベントクラックが大きな問題となって

２

おり，対策が求められている。成形品の残留応力低減対

２．１

研究の方法

試験片の作製策として，成形時に徐冷することや熱によるアニール処

PC ペレット（三菱エンジニアリングプラスチックス

理を施すこと等が行われているが，必要以上の熱処理は(株) ノバレックス 7025R）を箱形乾燥機（(株)松井製作

生産性低下のみならず，物性低下につながることが知ら

所製 PO-50SH-J）で 120 ℃，5 h 予備乾燥した後，射出1)れている 。以上のことから，高品質な成形品の製造，成形機（日精樹脂工業(株) 製 NEX 80Ⅳ-9EG）を用いて品質管理，成形・アニール処理条件の確立には，成形品次の条件で成形し，JIS K7139：2009 のダンベル型引張の残留応力を評価することが必要である。しかし，既存試験片タイプ A1（2 個取り：以下成形品）を得た。

の主な残留応力測定方法には，有害な有機溶剤を使用す

成形条件

ることや，成形品形状に制限があること等の課題があ(1)シリンダー温度：280℃る。そのため，測定が簡単で，成形品形状による制限が(2)射出速度：v 1=40, v 2=20 mm/min（速度切替位置：
ゲート付近）

ない残留応力測定方法の開発が求められている。

(3)保圧：130，110，70 MPa

成形品の残留応力は，成形の冷却工程や，保圧工程で(4)保圧時間：50 s

生じる体積収縮率の差によって生じる歪みが原因であ1)。したがって，成形品の体積収縮率(5)金型温度：固定側ミラープレートの熱電対によりを検出できれば，残留応力を評価できることになる。成計測し 75±1℃に調整（保圧 110MPa の形品の体積収縮率は，加熱により起こる体積緩和現象

み 75，28±1℃の 2 条件で成形）ると言われている（ガラス転移直後に起こる体積変化）により評価できる成形品を成形後直ちに 23℃，湿度 50%の恒温恒湿装置と考えられる。さらに体積緩和は，示差走査熱量計（DSC）（(株)東洋製作所製 AGX-326）に入れ，1 週間後に樹脂*

用丸のこ盤（(株)東洋精機製作所製 S）を用いてゲート

栃木県産業技術センター

県南技術支援センター－ 47 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

試験片

Cut
ゲート側

端部側

ゲート側

クラック

1 min浸漬
水洗
ゲート側
Cut

端部側

MIBK / MeOH混合溶剤

成形品
図１
表１

ゲート側
クラック有無観察

PCの残留応力測定（溶剤浸漬法）

PCの残留応力測定（溶剤浸漬法）における混合溶剤組成と検出応力

MIBK/MeOH混合割合（MIBKの割合）

検出応力
[MPa]

評価

*)

0 / 1 (0 vol%)21

1 / 7 (12.5%)

17

1 / 3 (25 %)

13

組立品やインサート品のチェックに適す。

1 / 2 (33 %)

8.3

成形品が単体での歪みチェックに適す。

1 / 1 (50 %)

3.9

歪み軽減のための成形・アニール処理条件の検討に適す。

実使用時にクラックが発生する可能性有。

*) 参考文献2)より一部抜粋

カットして試験片を作製し，残留応力測定，DSC 測定にし，200℃まで 20℃/min で再昇温（2nd run）した。

供した。

同様に昇温速度依存性を調査するため，PC ペレット

また，同様に成形した保圧 130 MPa の成形品を樹脂用

10 mg を 50℃から 200℃まで 100℃/min で昇温（1st run）

丸のこ盤を用いてゲートカットして試験片を作製した

して一定の熱履歴にした後，60℃以下まで冷却（冷却速後，箱形乾燥機で 120℃，3 h アニール処理した。アニ

度：1℃/min）し，200℃まで 2，5，10，20℃/min で再ール処理した試験片を 23℃，湿度 50%の恒温恒湿装置に昇温（2nd run）した。

入れ，1 週間後に残留応力測定，DSC 測定に供した。
２．２

試験片の DSC 測定は，示差走査熱量計（セイコーイン

試験片の残留応力測定

スツルメンツ(株)製 DSC6220）を用いて，窒素雰囲気下，残留応力測定は，溶剤浸漬法（参考：三菱エンジニア
2)

測定温度 50～250℃で行った。

）により，次のと試験片のゲート側側面（残留応力測定でクラックが発おり行った。4-メチル-2-ペンタノン（メチルイソブチ

生した箇所）の表面から約 1 mm カットしてサンプル（外）ルケトン：MIBK）（関東化学(株)）とメタノール（MeOH）とした。サンプル（外）を採取後，さらに試験片を約 2 mm

（関東化学(株)）の割合を変えた各種混合溶剤 400 ml

カットし，金型近傍の層（スキン層）1 mm を除去してサ（MIBK/MeOH（検出応力[MPa]）=0/1（21），1/7（17），ンプル（内）とした（図 2）。得られたサンプル（外），1/3（13），1/2（8.3），1/1（3.9）；液温：23℃）にサンプル（内）10 mg について DSC 測定を行い，エンタ

試験片をゲート側から浸漬した。1 min 後，試験片を溶ルピー緩和由来のピーク面積（ΔH）を解析し，次式（1）剤から取り出して水洗した後，目視によりクラック発生によりΔH 差を算出した。

の有無を確認した（図１，表１）。試験は 1 種類の試験

ΔH 差=|ΔH 外 -ΔH 内 |片につき 5 回以上行った。
２．３

（1）

1 mm

DSC 測定サンプル（外）DSC 測定条件の検討は，示差走査熱量計（(株)日立ハ

2 mm

イテクサイエンス製 DSC7020）を用いて，窒素雰囲気下で行った。
エンタル ピー緩和由来ピークの冷却 速度依存性を調

スキン層除去⇒サンプル（内）査するため，PC ペレット 10 mg を 50℃から 200℃まで
100℃/min で昇温（1st run）して一定の熱履歴にした後，60℃以下まで冷却（冷却速度：急冷，10℃/min，1℃/min）－ 48 －

試験片（ゲート側）

DSC [mW]

リングプラスチックス(株)技術資料

ΔH

100 120 140 160 180 200
温度 [℃]

図２ 試験片のDSC測定栃木県産業技術センター

３№18(2021）

結果及び考察725℃）であり，昇温速度が 20℃/min より大きい場合，

エンタルピー緩和の冷却・昇温速度依存性

データの再現性が得られないと予想される。よって成形エンタルピー緩和由来ピークの冷却速度依存性を図

品のΔH を感度，精度良く算出するため，昇温速度を 20℃

３．１３に示す。冷却速度が大きくなるにつれて，エンタルピ/min とし，以降の DSC 測定を行った。

ー緩和由来ピークは小さくなった。樹脂のエンタルピー

３．２

緩和由来ピークは，ガラス転移温度（PC では 130～155
℃

研究報告

3）

試験片の残留応力

残留応力測定（溶剤浸漬法）の結果を表２に示す。保

）を通過する際の冷却速度が大きいほど，小さくな

圧が高いほど，試験片の残留応力は大きくなった。これ

4)ることが知られており ，本測定においても同様の結果

は成形品の表面が急冷されるのに対し，保圧が高いほどが得られた。

内部に多くの溶融樹脂が入り，表面と内部の密度差，すエンタルピー緩和由来ピークの昇温速度依存性を図

なわち体積収縮率の差が大きくなったためと考えられ４に示す。2nd run の昇温速度が大きくなるにつれて，る。またアニール処理により，成形品の残留応力は減少

エンタルピー緩和由来ピークは大きくなった。

することが確認された。

PC の射出成形における一般的なシリンダー温度は 260

成形時の金型温度が高いと，発生した歪みを型内で緩2)～320℃，金型温度は 70～120℃であることから ，成形和できるため，残留応力は小さくなることが知られてい品の冷却速度は大きく，図３からエンタルピー緩和由来

る 1)。しかし本測定において，金型温度の違いによる試

ピークは小さいと推測される。また，本測定で使用した

験片の残留応力の差は見られなかった。これは 75℃も

DSC の温度追従制御範囲は 0.01～20℃/min（室温～28℃も PC のガラス転移温度より十分低いため，発生す
る歪みに大きな差が得られなかったことによると考えられる。
なお本測定において，クラックはゲート側の側面に発生する傾向が見られたことから，試験片の DSC 測定では，

DSC [mW]

急冷

ゲート側側面をサンプリング箇所とした。
３．３

10℃/min

試験片の DSC 測定

試験片のΔH 差と保圧の関係を図５に，アニール処理

1℃/minの関係を図６に，金型温度の関係を図７に示す。ΔH 差
は保圧が高いほど大きく，アニール処理により小さくなる傾向が見られた。またΔH 差には，金型温度の違いによる明らかな差は見られなかった。

100
図３

120

140
160
温度 [℃]

180200

同条件で作製した試験片において，ΔH 差のばらつきが見られた。射出成形においては，同条件で成形しても，PCのエンタルピー緩和の冷却速度依存性

ショット毎に溶融樹脂温度や射出圧力等が若干異なる
ことから，僅かではあるが成形品の品質にばらつきがあ

2℃/minると考えられる。特に，今回は残留応力を発生させるた
めに保圧時間を 50 s にする等，過酷な条件で成形を行DSC [mW]

5℃/minったため，成形品の品質により大きなばらつきがあったと推察される。実際に，保圧 70 MPa におけるクッショ

10℃/min表２

PC試験片の残留応力測定結果

試験片の作製条件

20℃/min

保圧 金型温度 アニール
[MPa]
[℃]
処理
130

100
図４

120

140
160
温度 [℃]

180

200

110
70

75

130

PCのエンタルピー緩和の昇温速度依存性

110

無検出応力 [MPa]
21

17

13

△

◎

×

〇
×

有
28

無

8.3

3.9

〇
△

×

〇

◎：大きなクラック有 ○：クラック有 △：微小クラック有 ×：クラック無－ 49 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

ン量に着目すると，本研究の成形品の標準的な保圧時間

ΔH が小さいため，読み取り誤差が大きいこともΔH 差

10 s で成形した際のばらつきが 0.09 mm であるのに対のばらつきの原因と推察される。したがって成形条件をし，50 s では 0.29 mm であり，ショット毎のばらつきが再検討して成形品のばらつきを低減すること，加えて大きくなる傾向が見られた。また今回作製した試験片はDSC の測定数を増やすことにより，精確さを向上することが必要と考えられる。

0.12

３．４

ΔH差 [mJ/mg]

0.1

エンタルピー緩和と残留応力の関係

試験片の残留応力（表２）とΔH 差（図５～７）の関係をまとめたものを図８に示す。ばらつきは大きいが，0.08

残留応力が大きいほど，ΔH 差は大きくなる傾向が見ら0.06

れた。よって，ΔH 差の精確性を向上することで，DSCを用いた残留応力評価は可能と期待される。

0.04

0.12

0.02

0.1
0

図５

20 40 60 80 100 120 140
保圧 [MPa]

ΔH差 [mJ/mg]

0PC試験片の保圧とΔH差の関係

0.12

0.06
0.04
0.02

0.1
ΔH差 [mJ/mg]

0.08

0

0.08
0.06

図８

6 8 10 12 14 16 18 20
検出応力 [MPa]PC試験片の残留応力とΔH差の関係

おわりに

示差走査熱量計（DSC）を用いた残留応力評価の実現

有無可能性を検証するため，射出成形条件（保圧，金型温度），

アニール処理の有無

アニール処理の有無を変えてポリカーボネート（PC）のPC試験片（保圧：130 MPa）のアニール処理とΔH差の関係ダンベル型引張試験片を作製し，試験片の残留応力と，DSC 測定により検出されるエンタルピー緩和由来ピーク
面積（ΔH）の表面と内部の差について関係を調査した。

0.12

その結果，以下の知見を得た。

0.1
ΔH差 [mJ/mg]

4

４

0

（1）DSC 測定における冷却速度が小さくなるほど，また昇温速度が大きくなるほど，PC ペレットのエン

0.08

タルピー緩和由来ピークは大きくなった。

0.06（2）試験片の残留応力は，保圧が高いほど大きく，またアニール処理により減少した。金型温度の違い

0.04による試験片の残留応力の差は見られなかった。
（3）ΔH 差は保圧が高いほど大きく，アニール処理に

0.02
0

図７

2

0.04
0.02

図６

0

より小さくなる傾向が見られた。またΔH 差には，

0

20

40
60
金型温度 [℃]80

金 型温 度の 違いに よる 明らか な差 は見 られな か

100

った。
（4）試験片の残留応力が大きいほど，ΔH 差は大きく

PC試験片（保圧：110 MPa）の金型温度とΔH差の関係なる傾向が見られた。

－ 50 －

栃木県産業技術センター

謝

研究報告

№18(2021）

3) 三菱エンジニアリングプラスチックス(株)： "技術辞

本事業で用いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の資料

ユーピロン／ノバレックス－物性編－ "，A-3，

55,（2009)

補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意

4) (株)日立ハイテクサイエンス： "熱分析スクール "，を表する。

43-44,（2016）参考文献
1) 本間精一： "プラスチック製品の強度設計とトラブ

本研究は，公益財団法人 JKA

ル対策 "，エヌ・ティー・エス,（2018)

補助事業により整備した機器

2) 三菱エンジニアリングプラスチックス(株)： "技術資料

ユーピロン／ノバレックス－成形編－ "，A-2，

18-21,（2010）－ 51 －

を活用して実施しました。

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

経常研究

リバースエンジニアリングのための CAD データ作成に関する研究
植竹 大輔*

阿部 雅*

Study on the CAD Data Creation for Reverse Engineering
UETAKE Daisuke and ABE Masashi
図面や三次元 CAD データが存在しない現物の見本品のみからの金型を製作する場合，リバースエンジニ
アリングとして三次元デジタイザなどを用いて見本品の形状を計測し，加工のための図面や三次元 CAD データを作成する。しかし，三次元デジタイザから得られるデータは面数が多すぎるため，そのまま用いることができず，熟練の作業者が時間を掛け面の張り直しを行い，加工に適した三次元 CAD データへと修正する必要があり，コスト増の原因の一つとなっている。本研究では，人手による面の張り直し作業の省力化のために，三次元デジタイザと三次元座標測定機による計測データを活用することで，元の形状を維持したままポリゴン削減を行い，加工に適した三次元 CAD データ作成プログラムを開発した。その結果，QEM
法によるポリゴン削減を行った場合と比較して，CAM により出力した加工データによるシミュレーション
において，大きく加工時間を削減できることが分かった。
Key Words : 三次元デジタイザ，三次元 CAD データ，三次元座標測定機

１

はじめに

２

金型製造現場において，図面や三次元 CAD データが存

２．１

研究の方法

測定モデルの検討と作成在しない現物の見本品のみから金型を製作する場合は，基準とする測定モデルについて，測定や加工，適用

リバースエンジニアリングとして，三次元デジタイザなするアルゴリズムなどの視点から最適な材質・形状をどを用いて見本品を計測し，図面や三次元 CAD データを検討し，その三次元 CAD データを作成した。その後マ作成することになる。

シニングセンタで加工を行い，測定モデルを作製し具体的には，三次元デジタイザを用いて見本品の三次た。

元 CAD データを作成し，そのデータを基に CAM で作成し一般的なポリゴン削減アルゴリズムである QEM 法を適た加工プログラムにより，NC 加工機で金型作製を行うこ用することを前提に，QEM 法が不利に働く自由曲面や狭とになる。しかし，得られた三次元 CAD データを，そのまる形状を持つ三次元形状を CAD で設計した。CAD は

まま CAM を通し NC 加工機に掛けてしまうと，面数が過FreeCAD を用いた。

剰となり，加工時間の増加や仕上がり形状の悪化による

また，サイズは縦 100mm×横 100mm，材質はケミカル

品質の低下，場合によっては CAM からの出力ができなくウッドとし，マシニングセンタ（オークマ㈱MB-56VA）をなる等の問題を引き起こすことが多い。そのため，得ら用いて加工を行った。作製した測定モデルを図１に示れた三次元 CAD データを，NC 加工機に用いることがです。

きる程度にデータの品質を向上させるため，熟練 CAD 技

２．２

術者が 2，3 日費やしながら手直しをしている現状があ測る。

三次元デジタイザと三次元座標測定機による計作製した測定モデルについて三次元デジタイザ（GOM

そこで，本研究では，加工に適したデータ作成の自動社 ATOSⅢ Triple Scan）で形状を計測し，三次元 CAD デ化を実現するため，三次元デジタイザと三次元座標測定ータとして取得した（図２）。

機から得られる計測データを用い，それぞれのデータのまた，補正データとして用いるため，三次元座標測特徴を生かすことで，三次元デジタイザから得られる三定機（㈱ミツトヨ製 LEGEX776）で輪郭形状を計測し次元形状データを実際の加工に適した三次元 CAD データ

た。測定ピッチは 0.2mm，倣い速度は 8mm/s とし，計測に変換するソフトウェアを開発した。

困難な箇所を除き 5mm 間隔のメッシュ状に倣い測定を*行った。得られたデータを図３に示す。

栃木県産業技術センター

県南技術支援センター－ 52 －

栃木県産業技術センター

図１

研究報告

№18(2021）

測定モデル
図４
２．３．１

開発したソフトウェアの実行画面
QEM 法

ポリゴンモデルの簡略化に使われる手法のうち，最も一般的なものとして QEM（Quadric Error Metrics）法が挙げられる。
QEM は，2 つの頂点を縮約することで頂点数を減らしていくアルゴリズムである。縮約する両頂点の隣接面群との距離の二乗和が最小になる位置を縮約した頂点と図２するものである。

三次元デジタイザで取得した形状

今回実装した QEM 法は，すべての頂点を調べ，最も距離の小さい 2 点を上述の方法で縮約し，指定された面数になるまで繰り返すものとした。
２．３．２

本研究での最適化手法

本研究では，三次元デジタイザとは別に三次元座標測定機で計測したデータを用いることにより，モデルの形状を保ったまま面数を削減するアルゴリズムを考案した。
具体的な方法を以下に記す。QEM 法と同様に縮約する
2 点を決め，三次元座標測定機で計測したデータの中で
図３

これら 2 点と距離が最も近い（距離の 2 乗和が小さい）

三次元座標測定機による計測データ

点の座標値を基準座標値とする。基準座標値からの距離２．３の二乗和が近傍面群において最も変化量が小さくなる

最適化アルゴリズムの検討とソフトウェアの点を新しい頂点として縮約する。なお，今回の実装にお開発

いては，三次元座標測定機の球状スタイラスで測定する

三次元デジタイザから出力される三次元形状と三次ことが困難な凹角等の形状を除いて実施することとし

元座標測定機から出力される測定データ（測定点がテキた。

ストで記載されたもの）を読み込み 1)，最適化を施し三２．４

次元 CAD データで出力するプログラムを作成した。開発

最適化した三次元 CAD データの検証

三次元デジタイザで得られたデータ（面数 149,954）

環境は Mingw64 の C++，ライブラリは SDL と OpenGL 2)をに対して，QEM 法と本研究での最適化手法をそれぞれ用用いた。

いて、面数の縮約を行った。測定モデルの面数（1,486）

プログラム実行時には，画面に読み込んだ STL ファイと同程度とするため，縮約後の面数は 1,500 とした。そルの形状と三次元座標測定機の測定データが図４のとれぞれの方法で得られた結果を比較した。

おり表示される。これらは重なっていると見えづらくなるため，三次元座標測定機の測定データを上方にオフセットして表示することとした。

－ 53 －

栃木県産業技術センター

研究報告

３
３．１

№18(2021）

結果及び考察QEM 法で得 られたデータは元の形 を保てていないた

形状の比較

め，単純な比較とはならないが，QEM 法を用いたデータ

QEM 法を適用し，1,500 まで面数削減を行った形状をでの加工時間 11 時間 48 分に対し，本研究での最適化を

図５に示す。図５から，明らかに面数削減前の元の形用いたデータでの加工時間は 5 時間 33 分と半分以下で，状を保持できていないことがわかる。

大幅な加工時間の削減が期待できる。

また，本研究での最適化手法により 1,500 まで面数

一方で，人の手により張り直しを行ったデータとの比削減を行った形状を図６に示す。こちらは形状を保っ較のため，測定モデルの設計データを同条件での加工シており，すべての頂点において，元になった三次元デミュレータを適用したところ，加工時間は 3 時間 25 分

ジタイザの形状から 50μm 以下に収まっていることがと最適化手法よりさらに半分近くまで短くなった。本研確認できた。

究の手法は，人手で作成した CAD データには品質が及ばず，実際の現場で省力化として加工を行うためには，更に最適化の性能を高める必要がある。
４

おわりに三次元デジタイザで計測したデータを，人の手を介さずに加工に適するデータとして最適化する手法を提案
し，以下の結論を得た。
（1）ポリゴン削減後の形状維持については，提案手法を用いた場合，QEM 法を用いた場合と比べ目視で分かるほど優れていた。
図５

QEM 法による面数削減後の形状（2）提案手法を用いた場合，QEM 法を用いた場合と比
べ，加工シミュレータにより計算した加工時間は大幅に短かった。
謝

辞

本事業で用いた測定機の一部は公益財団法人 JKA の補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意
を表する。
参考文献
1) 鳥谷浩志

他： "三次元 CAD の基礎と応用 "，共立出版，（1991）
図６2) デーブシュライナー 他： "OpenGL プログラミング

本研究での最適化手法による面数削減後の形状ガイド原著第５版 "，ピアソンエデュケーション，（2006）

ただし，これは測定モデルが 100mm×100mm の場合の数値であり，これは対象物が大きくなれば，誤差も大きくなることが想定される。実際に現場で用いるためには

本研究は，公益財団法人 JKA 補

現時点では対象サイズに留意が必要である。
３．２

助事業により整備した機器をCAM およびシミュレータによる比較

活用して実施しました。

本研究の目標である，人の手による面の張り直しを要しない加工を実現するため，CAM により加工データを作成し，シミュレータで加工時間の比較を行った。
FUSION360 の CAM と加工シミュレータを用い，条件はア
ルミ加工の粗加工で，同じエンドミルを用いて同一条件
で自動パスを作成させ，シミュレータで想定加工時間を算出させた。

－ 54 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

経常研究

引き揃え糸を使用した紬織物製品の開発
石井

優利奈*

太田 仁美*Development of Tsumugi Textile Products with Some Yarns Together
ISHII Yurina and OTA Hitomi
本研究では，繊度や強度が均一でないために反物に使用できない手つむぎ糸を複数本引き揃えることで改善して結城紬製品に活用するため，地機による製織において経糸・緯糸に引き揃え糸を使用した場合の適切な糸の繊度や密度の条件を検討した。糸の繊度や密度の条件が異なる 48 種類の布地サンプルを製織し，各製織条件における布地の状態を評価することで，経糸と緯糸が表面に出る割合を同程度にする条件を見い出した。さらに、求めた製織条件を反映させて，3 種類の布地を製織し，小物製品を試作した。
Key words: 結城紬，手つむぎ糸，引き揃え糸

１ はじめに

２ 研究の方法

結城紬は真綿から手でつむぐことにより作られる「手つ２．１ 布地サンプルの製織むぎ糸」を原料として生産される。産地では生産者の高齢

２．１．１ 単糸及び 2～3 本程度(420D 以下)の引き揃え化等の理由により糸つむぎ従事者が減少しており，手つむ

糸による模様織りの製織

ぎ糸が不足している。手つむぎ糸不足の解消を図るため，

本研究における「模様織り」とは，色糸の並べ方を変え県や市をはじめ結城紬関連組合では後継者の育成に取り組ることにより模様をつくる織り方のことである。まず，模んでいるが，製品として使用できる糸つむぎの技術の習得

様織りの製織条件を整理するため，下記 2 条件で千鳥格子には長期間を要する。そのため，技術の習得過程で製作さと網代柄（4 くずし）の 2 種類を製織した。

れた糸は繊度や強度が均一でない糸もあり，反物としては(1) 通常の着尺とほぼ同じ密度で単糸(115D～210D)を使使用できず在庫として抱えるケースが多い。原料としてい用。［サンプル No.1，No.3］

る真綿の価格も高騰しており，産地組合や生産者への費用(2) 筬密度を通常の着尺より 2 倍ほど粗くし，115D～210D

負担が大きい。

の単糸を 2～3 本の引き揃え糸にして使用。［サンプ本研究では反物に使用できない手つむぎ糸を活用した製ル No.2，No.4 ］

品を作ることを目的とし，地機での製織条件を検討した。

サンプル No.1～4 の製織条件を表１に示す。製織したそ

具体的には，繊度や強度が不均一な糸を製織できる状態にれぞれのサンプルについて，経糸密度と緯糸密度を計測し，するため，複数の糸を引き揃えた糸にして製織に使用し経糸密度に対する緯糸密度の割合を算出した。この結果よた。最終的には地機で製織可能な平織組織でできる模様織

り模様織りの製織条件を整理し，次に行う布地サンプルのりを生かした布地を製織し，経糸・緯糸に引き揃え糸を使選定や評価の基準とした。

用した場合の適切な糸の繊度や織密度を検討した。さらに求めた製織条件を反映させて 3 種類の布地を製織し，小物

表１ No.1～4 の製織条件
No.1

製品を試作した。

No.2

製織した模様当センターでは経糸・緯糸に引き揃え糸を使用した帯等

No.3

千鳥格子

No.4

網代柄（4くずし模様）

経糸 平均繊度(D)

183

366

206

経糸 引き揃え数（本）

-

2

-

2

の蓄積は少ない。そこで今回は糸の繊度・密度の条件を変緯糸 平均繊度(D)

115

345

210

420

えて複数の布地サンプルの製織及び評価を行い，条件と模緯糸 引き揃え数（本）

-

3

-

2

筬密度（羽/寸）

58

30

58

30

の試作は行っていたが，糸の繊度や密度についてのデータ様の関係をまとめた。

1羽あたりの引込数（本）2

整経長(cm)90

通し幅(cm)

10（長さの基準は鯨尺 1 寸＝約 3.78cm）* 栃木県産業技術センター紬織物技術支援センター－ 55 －

412

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

２．１．２ 繊度の高い引き揃え糸（10170D～565D 程度の模様織りに使用できる条件のサンプルを選定するため，糸）を使用した布地サンプル製織

算出した密度の割合が適当な数値となった 6 つのサンプル

サンプル No.1～4 よりも繊度の高い引き揃え糸を使用しについては，布地の表面に現れる経糸面積の割合を算出し，た布地サンプルを製織するため，使用する筬密度，経糸・各布地サンプルを比較，評価した。経糸面積の割合は，デ

緯糸繊度について基準とする条件を設定した。

ジタルマイクロスコープ（HIROX）で撮影した画像を，Adobe筬は通常の結城紬着尺の製織に使用するものより密度がPhotoshop において全体のピクセル数に占める経糸のピク

粗い 3 種類（表２）を選定した。糸の繊度は，基準となるセル数を計測し算出した。

サンプルを作製し，サンプルの繊度に合わせて糸の引き揃

２．２ 小物用布地の製織え数を調整した。作製した糸サンプルを図１に示す。糸サ

布地サンプルの製織で求めた製織条件を反映し，小物製

ンプルには単糸の状態で平均繊度 113D の手つむぎ糸を使品を試作するための布地を地機により 3 種類製織した。使用し，5 本から 90 本までの 14 種類を作製した。

用した手つむぎ糸の綛ごとの長さと繊度を表３に示す。
表３ 小物用布地に使用した手つむぎ糸
No.

長さ

緯度

布地

(m)
(D)
番号
1 2125106 ③

5 本（左）～35 本（右）までの引き揃え糸

No.

長さ

緯度

布地

(m)
(D)
番号
11
858
231 ③

No.

長さ

緯度

布地

(m)
(D)
番号
21
578
148 ③

2

1521

130 ②

12

984

174 ③

22

936

163 ②

3

1384

150 ②

13

1278

162 ②

23

1573

137 ②

4

1852

83 ③

14

369

146 ②

24

923

126 ③

5

2314

93 ②

15

364

123 ③

25

1391

172 ①

6

1514

137 ①

16

195

92 ②

26

1504

180 ①

7

1833

128 ③

17

377

95 ②

27

431

180 ③

8

1855

121 ③

18

494

219 ③

28

1504

161 ③

9

2223

130 ②

19

422

171 ②

29

854

161 ②

10

1748

134 ①

20

1604

90 ②

30

3056

121 ③

31

613

205 ③

40 本（左）～90 本（右）までの引き揃え糸

小物用の布地には，当センター主催の糸つむぎ講習会で

図１ 糸サンプル

受講者が製作した手つむぎ糸及び小山市が主催の糸つむぎ講習会で，受講者が小山市産繭から製作した手つむぎ糸をこの糸サンプルを使用し，選定した 3 種類の筬それぞれ使用した。手つむぎ糸は，糸のつむぎ手，おおよその繊度に引き揃え糸を通して，引っ掛かりがなく通る糸の繊度を，ごとに分け，ボッチ揚げ（管巻き・綛揚げ）を行った。

各筬を使用した製織における経糸の最高繊度として設定し小物用布地の製織条件（筬密度，１羽あたりの引込数，た。使用した筬の密度と各筬に対する最高繊度を表２に示

整経長，通し幅）を表４に示す。

す。
表４ 小物用布地の製織条件
表２ 筬の密度と最高繊度
筬の密度（羽/寸）

最高繊度(D)302260

19(５羽/cm)

4520

11(３羽/cm)

10170

①千鳥格子

②くずし

③白×ベージュ筬密度（羽/寸）3030

19(5羽/cm)

1羽あたりの引込数（本）

2

1

1

整経長(cm)

200

200

200

通し幅(cm)

38

34

40

布地サンプルは上記で設定した条件を基準に製織条件

織物設計については 4DboxPLANS（トヨシマビジネスシス（筬の密度，1 羽当たりの経糸引込本数，及び経糸・緯糸テム）を使用し，製織した布地サンプルの糸繊度や織密度繊度）を変えて，計 44 種類のサンプルを製作した。サンプのデータを入力して小物用布地のシミュレーションを行っル No.1～4 と同様に，サンプルはすべて整経長 90cm，通した。シミュレーション結果と布地サンプルを参考に，糸の幅 10cm で整経した。

引き揃え本数・必要糸長を計算し，手つむぎ糸を小物用布

それぞれのサンプルについて経糸密度と緯糸密度を計測

地 3 種類にそれぞれ振り分けた。

し，経糸密度に対する緯糸密度の割合を算出した。サンプ

3 種類の布地について，経糸密度と緯糸密度を計測し，ル No. 1～4 の製織結果を参考に，製織条件や布地を評価

シミュレーションで設定した密度と比較し評価を行った。

した。

また，製織した布地を使用し小物製品を試作した。

－ 56 －

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研究報告№18(2021）

３ 結果及び考察
３．１ 布地サンプルの評価
３．１．１ 単糸及び 2～3 本程度(420D 以下)の引き揃え
糸による布地サンプルの評価製織した No.1～4 の布地サンプルを図２に示す。また，計測した各サンプルの織密度と算出した経緯の割合を表５に示す。

上：従来通り打ち込み，柄がつぶれた部分
下：打ち込む力を弱くした部分
図３ 打ち込みの力加減と緯糸密度

1cm

No.1～4 の製織結果より，模様織りで 1 パターンの経緯

1cm

No.1

比を同率に近づけるためには，布表面に現れる経糸の面積No.2と緯糸の面積を同程度にする必要があると分かった。地機の製織においてこの条件を達成するため，下記 2 つの条件を整理し，サンプルの選定や評価の基準とした。
(1) 経糸の密度（使用する筬等によって決まる）と緯糸の
1cm

1cm

密度（同寸間の打ち込み本数）が近い数値であること。
（ただし，(2)の条件を考慮する必要があり，経糸・緯

No.3

No.4

糸の繊度によっては同数にならない場合がある。）

図２ 布地サンプル(2) 一定の強さで緯糸を打ち込むことができること。（地機は地の締まった布地の製織に向いているため，均等表５ No.1～4 の織密度と割合
No. ①経糸密度（本/寸） ②緯糸密度（本/寸）な織目を作るには，地機織りの杼を使用した打ち込み②/①*100（％）

強さでつぶれない程度の糸の繊度にする必要がある。）

1

144

120

83.3

３．１．２ 繊度の高い引き揃え糸（10170D～565D 程度の

2

68

52

76.5

糸）を使用した布地サンプルの評価

3

144

86

59.7

4

70

62

88.6

３．１．２．１ 各布地サンプルの織密度
各布地サンプルの製織条件（筬の密度，1 羽当たりの経製織したサンプルのうち No.1 と No.4 は経糸密度に対し

糸引込本数及び経糸・緯糸繊度）と製織結果（経糸・緯糸て緯糸密度の割合が 80％以上であり見た目も良好であっ

密度及びその割合）を表６に示す。

た。No.1 は通常の結城紬着尺と同程度の筬密度と経糸繊度最終的に製作する布地は模様織りに対応できる条件にすの条件で製織しており，経糸繊度に比較して低い繊度の緯るため，見た目の経糸と緯糸の表面に出る色の割合が同程

糸を使用していた。一方 No.4 の製織では，筬密度を通常の度のものについて選定することにした。そこで，まず製織

着尺より 2 倍ほど粗くし，引き揃え糸を使用していたが，した布地サンプルを経糸密度（本/寸）に対する緯糸密度（本この場合は経糸と緯糸は同程度の繊度であった。

/寸）の割合で比較した。No.5～48 の製織では，経糸に濃色

上記のことから，No.1 と No.4 をこの後行う繊度の高いの糸，緯糸に淡色の糸を使用している。

引き揃え糸を使用した布地サンプルの選定や評価の基準に

布地サンプルの一部を抜粋して図４に示す。今回製織しした。

た布地サンプルのうち，最も割合が低かった（26.3％）No.37

No.2 は経糸密度に対する緯糸密度の割合が 80％に近いでは，経糸が緯糸をほぼ覆い隠し，緯糸の色がほとんど見値であったが，経緯比が同程度になるよう緯糸を織り込む

えなくなった。割合が最も高かった（541.2％）No.41 では

際に打ち込みを弱くしていた。打ち込む強さを調整する（弱経糸は全く見えず，緯糸で経糸が覆い隠された。

くする）と，製織個所によって緯糸密度のばらつきが生じやすくなった。図３に示すように，打ち込む強さを調整しない場合には，おおよそ倍の緯糸密度になることがわかった。経糸繊度に比較して緯糸繊度が低いと考えられ，緯糸密度が高くなると布地表面に占める緯糸の面積が多くなり，千鳥格子柄がつぶれている様子がわかる。

－ 57 －

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研究報告№18(2021）

表６ No.5～48 の製織条件と製織結果
No.

使用した筬
の密度

1羽

経糸

経糸

引込数

1種類目

2種類目

緯糸
繊度(D)

①経糸

②緯糸

密度

密度

②/①*100
（％）

（本）

繊度(D)

繊度(D)

（本/寸）

（本/寸）

5

3羽/cm

1

10197

-

2160

14

20

142.9

7

3羽/cm

1

10197

-

10192

12

10

83.3

-

4560

6
8
9

10

3羽/cm
5羽/cm
5羽/cm

5羽/cm

1
1
1

1

10197

-

4532

-

4532

-

4532

11

30羽/寸

1

2260

-

13

30羽/寸

1

2260

12
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40

30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
3羽/cm
5羽/cm
5羽/cm
5羽/cm
5羽/cm
5羽/cm
5羽/cm

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1

2184

1
1
1
2
2
2
1
1
1
2
2
2
1
1
1

1

43

30羽/寸

1

44
45
46
47
48

30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸
30羽/寸

1
1

2226
2226
2226
4464
4464
4464
4452
4452
4452
2184
2184
2184
2226
2226
2226

16

50.0

2142

559

1118

1118
1118

2160

10192

32
34
32

18
24

No.38 が 40％であり，No.38 のほうが 50％に近く，かつ経68.8

糸の割合が低かった。製織した布地サンプルは，通し幅を31.3

10 ㎝に設定していたが，小物用布地の製織で通し幅が広く58.3

なると，打ち込みにかかる力が分散され緯糸密度がさらに

20

142.9

低くなることが予想される。そのため，経糸の割合が高い

10

71.4

No.11 の条件よりも No.38 の条件のほうが幅の広い布地の50.0

製織に適していると考えられる。
３．１．２．３ 経糸・緯糸が異なる繊度の場合の評価

2142

10192

32

10

2142

4560

-

32

22

10192

32

10

2160
4560

10192

-

4560

-

2160

10192
2160
4560

-

10192

-

4560

-

2160

10192
2160
4560

-

10192

-

4560

-

2160

-

10192

-

1127

-

4598

-

34
26
24
24
14
14
14
26
24
24

14
18
14
10
14
18
12
8

70.6
31.3
41.2
69.2
41.7

100.0
69.2
33.3

14

20

142.9

12

10

83.3

次に，経糸と緯糸に異なる繊度の糸を混ぜて挿入した場

30.0

合の布地サンプルを評価した。No.41～44 のサンプルの写

114.3

真を図６に示す。

12
40
40
38
21
20
20

14
16
12
10
24
16
10

116.7
40.0
26.3
80.0
50.0

558

34

184

541.2

2200

34

62

182.4

34

156

458.8

34

38

111.8

558

-

1127

-

4598

-

14

2200

-

32

70.6

43.8

24

4560

2200

図５ 布地サンプル（経糸・緯糸が同繊度）

56.3

画像全体に占める経糸面積の割合は，No.11 が 65％，

34

2142

No.38

31.3

10

2200

-

1
1

32

559
1118

1

4560

4560

No.11

50.0

1113

-

1

80.0

33.3

559
559

10

10

2142

2184

20

90.9

30

459

2

2

10192

16

10192

2142

459

20

20

-

-

459

2184

30羽/寸
30羽/寸

1071

22

81.3

1113

1071

2160

1cm

1cm

114.3

26

2226
1071

16

32

1113

2226

14

2160

2226

2

41
42

2260

4560

34
34

34
34

152
32

104
20

447.1
94.1

305.9

1cm

1cm

58.8

（長さの基準は鯨尺 1 寸＝約 3.78cm）
No.41

1cm
No.37

1cm

No.42

1cm

1cm

No.41

No.43

図４ 布地サンプル（経糸・緯糸密度の割合が不均一）

No.44

図６ 布地サンプル（経糸繊度が同じで，緯糸繊度が異なる）

３．１．２．２ 経糸・緯糸が同繊度の場合の評価
まず，No.1～4 の製織結果を参考に，経糸と緯糸を同繊度前述したように，No.41 では経糸が緯糸に覆い隠されほで製織した布地サンプルを評価した。経糸密度に対する緯とんど見えない状態だった。同様の経糸の繊度・密度の条

糸密度の割合が 80～120％の布地は 14 パターンあり，この件で緯糸の繊度を変えた場合，緯糸の繊度を高くすること

うち，経糸と緯糸が同繊度のものは 5 パターンあった。最で経糸が布表面に現れるようになった。No.42 も No.41 とも割合が 100％に近いサンプルは No.38 であった。

同様に経糸がほとんど覆い隠されたが，No.43 では経糸がNo.11 は No.38 と同程度の繊度の経糸・緯糸を使用して完全に隠されることはなく，No.44 では経糸がはっきりとおり，密度の割合も 100％に近かったため，No.11 と No.38

表面に現れた。

について，布表面に現れる経糸面積を比較した。No.11 と最後に，低い繊度の経糸に高い繊度の経糸を等間隔に混No.38 のサンプルを図５に示す。

ぜて挿入し製織した場合について，No.11，No.20，No.17，
No.43，No.47 の 5 つのサンプルを図７に示す。

－ 58 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

No.11 は，経糸繊度を 2260D のみで構成しており，No.43，
No.47，は No.11 より低い繊度の経糸のみを使用した。No.20，
No.17，では，No.11 の経糸 2 本と No.43，No.47 で使用した低い繊度の経糸 8 本を交互に混ぜて挿入した。5 つのサンプルの緯糸はすべて同程度の繊度（No.11 のみ 2160D，他
小物用布地①

すべて 2200D）を使用した。No.43，No.47 は No.11 に比較

小物用布地②

小物用布地③図８ 小物用布地のシミュレーション画像

して緯糸密度が高くなったが，No.20，No.17 は，No.11 の値と大きな差はなく，緯糸密度は経糸繊度の高いほうの密表７ 小物用布地① 糸繊度度に影響された値になった。繊度の違う糸を経糸に挿入した No.20，No.17 の場合でも布地には隙間ができず，地機用経糸の杼を用いた製織でも一定の強さで打ち込み製織すること

ベージュ

ピンク

2

2

3

引き揃え数（本）ができた。

糸1本の繊度（D)172

合計繊度（D)

No.11，No.17，No.20 について，布表面に現れる経糸

緯糸

ピンク

180

344

ベージュ
3

134

360

137

402

411

面積を比較した。No.17，No.20 では繊度の低い経糸が多く
表８ 小物用布地② 糸繊度なる分，布表面に現れる経糸の面積の割合が少なくなり，
3 つサンプルの中では No.17 が最も 50％に近い値になった。

経糸白（太） 白（細）1cm

引き揃え数（本）153

糸1本の繊度（D)

150

150

合計繊度（D)

2250

450

水色

水色

グレー

グレー

（太）
16

（細）
3

（太）
17

（細）
3

130(×10) 130(×1) 130(×16)
162(×6) 162(×2) 171(×1)
2272

454

130(×1)146(×1)171(×1)

2251

447

緯糸

No.11（経糸：2260D のみ)
引き揃え数（本）28

糸1本の繊度（D)163

合計繊度（D)

1cm

水色

水色

3

（太）
24

（細）
8

483

2160

1096

白（太） 白（細）
161

4564

90

グレー
12

137

93

1116

1cm
表９ 小物用布地③ 糸繊度
経糸No.20（経糸：459D と 2142D) No.43（経糸：559D のみ）
引き揃え数（本）
糸1本の繊度（D)

1cm

1cm

合計繊度（D)

白

ピンク

水色

緑

ベージュ

17

18

10

11

15

123

219

205

148

2214

2190

2255

2220

161(×4)121(×13)2217

緯糸No.17（経糸：1130D と 2142D）No.47（経糸：1118D のみ）
図７ 布地サンプル（緯糸繊度が同じで，経糸繊度が異なる）引き揃え数（本）
糸1本の繊度（D)

白

ベージュ

色糸

16

15

3

174(×7)126(×2)128(×8)173(×1)2242

425

106(×10)126(×2)231(×4)繊度（D)

３．２ 小物用布地の製織
３．２．１ 小物用布地 3 種類の製織・試作
布地サンプルの製織結果より条件を反映させ，図８に示すような 3 種類の小物用布地のシミュレーションを行った。また，このシミュレーション結果と布地サンプルを参考に設定した糸繊度の条件を表７～９に示す。
製織した小物用布地の写真を図９に，製織した布地を使用して試作したハンドバッグを図 10 に示す。

－ 59 －

2236

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研究報告№18(2021）②では緯糸密度は設定値より低くなった。緯糸におおよそ 3 種類の繊度を使用しているため，測定した箇所によって値にばらつきがあったが，図 11 に示すように，シミュレ
ーションした画像と布地の 1 パターンの大きさを比較すると製織した布地のほうが経方向に長く，シミュレーション
小物用布地①

小物用布地②

小物用布地③で設定した値より緯糸密度が低いことが確認できた。

図９ 製織した 3 種類の布地③では参考とした布地サンプル No.38 に使用した緯糸に加えて，低い繊度の緯糸も織り込まれているが，緯糸密度
は設定値より低くなった。②③の緯糸密度が低くなったのは，布地サンプルの製織結果で予想したように，布地サン
プルに比較して通し幅が 3 倍ほど広くなったことが一因と考えられた。

図 10 試作したハンドバッグ
３．２．２ 小物用布地の評価製織した 3 種類の布地の経糸・緯糸密度のシミュレーシ
ョンで設定した値と織り上がった布地の 3 か所の平均密度

図 11 小物用布地②のシミュレーション画像（左）と製を表 10，表 11 に示す。

織した布地（右）の比較

経糸密度については①②③はいずれも設定値と大きな差はなく，計画したとおりに製織することができた。

４ おわりに

緯糸密度について設定値と比較すると，①は設定値より引き揃え糸を経糸及び緯糸として使用した場合の地機で高い値になり，②③は設定値より低い値になった。製織しの製織について，糸の繊度や密度等，製織における各条件

た布地の緯糸密度と経糸密度を比較すると，どれも値に大を比較し，傾向を把握してデータを蓄積することができた。

きな差はなく，③は同じ値になった。

また，引き揃え糸のサンプル及び布地サンプルを製作した①では布地サンプル No.4 を参考にシミュレーションのことで，4DboxPLANS（トヨシマビジネスシステム）に糸デ条件を設定し，経糸と緯糸に同程度の繊度の糸を使用した

ータ・密度等の入力ができ，手つむぎ糸を引き揃え糸としが，No.4 より低い繊度の緯糸を使用したため密度が高くなて使用し，地機で製織する場合においてのより正確なシミった。経糸密度と比較した場合，値にほとんど差はなく，

ュレーションが可能になった。

当初の目的どおり 1 パターンの縦横比が同程度の布地を製

今回は経糸と緯糸の布表面に現れる面積が同程度になる織することができた。

布地の製織を目的として評価を行ったが，経糸もしくは緯糸のどちらかの面積が高い場合の布地についても，今回と表 10 経糸密度の比較（本/inch）

は異なるデザインでの製織が考えられるため，製織条件に小物用布地番号①4Dbox②織り上がり

①－②

①

45.00

44.12

0.88

②

21.00

21.39

0.39

③

15.00

14.71

-0.29

ついて引き続き検討していきたい。

表 11 緯糸密度の比較（本/inch）
小物用布地番号①4Dbox②織り上がり

①－②

①

40.00

45.01

5.01

②

23.09

20.50

-2.59

③

18.89

14.71

-4.18

(１inch=2.54cm)－ 60 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

経常研究（ゴシック １２ポイント）（１行あける ９ポイント）

白化粧の品質に及ぼす化粧掛け条件の影響（１行あける ９ポイント）

山ノ井 翼*

大和 弘之*

塚本 準一*（１行あける ９ポイント）

Effect of Engobe Condition on Quality of White Slip CoatYAMANOI Tsubasa，YAMATO Hiroyuki and TSUKAMOTO Junichi（１行あける ９ポイント）
化粧掛けは器の代表的な加飾技法の一つであり，素朴で生地の質感が活かされた，市場でも人気のあるデザインの一つである。しかし，白化粧の質感を高めるために化粧泥の濃度を高くすると，生地と化粧泥の収縮率の違いなどにより剥離やヒビが発生する事例があり，製陶事業者からは，白化粧の質感を保ちつつ実用的な濃度範囲を把握し，剥離やヒビを生じさせない白化粧掛け条件の確立が求められている。本研
究では，化粧泥の濃度や焼成温度等の条件が，剥離やヒビなど器への白化粧の品質に及ぼす影響について調べるとともに，白化粧の急激な熱変化に対する耐性を確認した。その結果，化粧泥濃度については濃度が濃くなると剥離，ヒビ等の発生が認められ，実用的な濃度範囲をボーメ度を指標として数値化し，良好
な化粧掛け条件を明らかにした。また，白化粧の熱衝撃特性を評価し一般的な食器としての使用には問題ないことを示した。
Key words：化粧掛け，白化粧，化粧泥濃度，ボーメ度，熱衝撃特性（１行あける ９ポイント）
１

はじめに

２

化粧掛けは器の代表的な加飾技法の一つである。主な

２．１

研究の方法

各種条件による白化粧の外観評価

手法は粉引き（こひき）や刷毛目（はけめ）であり，益本研究で用いる粘土は，益子水簸土及び益子赤土（い子焼においては，下地に鉄分の多い赤土等を用い，そのずれも益子焼協同組合が製造）の 2 種類とした。化粧掛

上に白化粧をする場合が多い。化粧掛けで加飾された器けする試験体は，高さ 80mm×横幅 50mm×厚さ 5mm で先は，素朴で生地の質感が活かされた，市場でも人気のあ

端を器のフチを模した形状とし，石膏型を用いて成形しるデザインの一つである。しかし，白化粧の質感を高めた。この試験体を同じく石膏型で成形した土台に立て,るために化粧泥の濃度を高くすると，生地と化粧泥の収浸し掛けで化粧掛けを行った。化粧泥は，組合白泥（益縮率の違いにより剥離やヒビが発生する事例があり，各

子焼協同組合が製造）及び蛙目粘土泥（蛙目粘土をポッ

製陶事業者は，経験に基づいて新商品開発を行う等，対トミルで 3 時間調製）を用い，「薄い」「普通」「濃い」

応に苦慮している。そのため、当該業者からは，白化粧「特濃」と 4 種類の濃度の化粧泥となるようそれぞれ水の質感を保ちつつ実用的な濃度範囲を把握し，剥離やヒ分量を調整した。これらの濃度はボーメ比重計により比ビを生じさせない白化粧掛け条件の確立が求められて重（ボーメ度）を測定した。ただし，特濃は比重が測定いる。

不能であったため，一般的なロクロ成形における「手泥」

そこで，本研究では県内陶磁器業界でよく使用されて相当の濃度とした。本焼成条件は，益子焼で最も多く用いる 2 種類の粘土（益子水簸土及び益子赤土）で製作しいられる条件である 1280℃還元焼成及び，本焼成温度のた陶器への化粧掛けについて，化粧泥の濃度や焼成温度影響を調べるため 1280℃と 1200℃（共に酸化焼成）の等の条件が，剥離やヒビなど器への白化粧の品質に及ぼ3 条件とした。作製した試験体は，自然乾燥後，素焼後，す影響を調べるとともに，白化粧の急激な熱変化に対す

本焼成後に目視による外観評価を行い，剥離やヒビの有る耐性について検討した。具体的には，試験体による白無を確認した。表１に化粧掛け条件を，図１に試験体作

化粧の外観評価，熱衝撃特性評価を行った。

製及び評価手順を示す。
また，この試験体における生地及び化粧泥の収縮率を測定した。成形した生地及び化粧掛けした生地に 30mm
幅の痕を付け，素焼後の寸法変化を計測し収縮率とした。

*

なお，試験体は，素焼及び酸化焼成を超高速昇温電気

栃木県産業技術センター窯業技術支援センター－ 61 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

炉（㈱モトヤマ SC-2035D）で，還元焼成をガス窯（0.2３㎥，㈲益子窯炉）で行った。

３．１

結果及び考察各種条件による白化粧の外観評価

表２に化粧掛けした試験体の焼成結果を，図３に本焼表１

化粧掛け条件成後の試験体を示す。化粧掛け条件により，素焼後に剥離やヒビの発生が認められた。これらは本焼成後も剥離やヒビの状態に変化は見られなかった。組合白泥では化粧泥濃度が「特濃」において 1280℃酸化焼成の条件のみヒビが発生し，他の焼成条件ではヒビが発生しなかったが，「特濃」は濃度が高く化粧掛け時における作業条件の制御が困難であったことが要因の一つとして考えられる。組合白泥の配合の詳細は公開されていないが，陶石やカオリン等を主原料として一般的に安定した品質の化粧泥として作られていることが想定されるため，実用的な濃度においては剥離やヒビが発生しなかったと考えられる。
表２
生地

化粧泥

試験体の焼成結果

濃度（ボーメ度）

本焼成条件 外観（本焼成後）薄い（35）
普通（55）

1280℃○

濃い（70）

酸化

○

特濃（－）

×

薄い（35）○

組合

普通（55）

1280℃

○

白泥

濃い（70）

還元

○

特濃（－）

２．２

試験体製作手順及び評価手順

1200℃

○

濃い（70）

酸化

○

特濃（－）

水簸土

薄い（35）

熱衝撃特性評価

本焼成後の各試験体について，JIS S2400 の試験方法に基づく熱衝撃試験を行った。主に一般的な食器での評○

普通（55）
益子○○

普通（55）

1280℃

○

ヒビ化粧

濃い（70）

酸化

×

ヒビ

特濃（－）

×

剥離

薄い（35）○

蛙目

普通（55）

1280℃

○

ヒビ化粧

粘土泥

濃い（70）

還元

×

ヒビ

特濃（－）

×

剥離

薄い（35）○

価に用いられる試験温度差（120～128℃：天火用（200℃以下））で行った。図２に試験手順を示す。

普通（55）

1200℃

○

ヒビ化粧

濃い（70）

酸化

×

ヒビ

特濃（－）

×

剥離

薄い（35）○

普通（55）

1280℃○

濃い（70）

酸化

○

特濃（－）

×

薄い（35）○

組合

普通（55）

1280℃

○

白泥

濃い（70）

還元

○

特濃（－）

熱衝撃試験手順

1200℃○

濃い（70）

酸化○○薄い（35）○

普通（55）

1280℃

○

ヒビ化粧

濃い（70）

酸化

×

ヒビ

特濃（－）

×

剥離

薄い（35）○

蛙目

普通（55）

1280℃

○

ヒビ化粧

粘土泥

濃い（70）

還元

×

ヒビ

特濃（－）

×

剥離

薄い（35）○

普通（55）

1200℃

○

ヒビ化粧

濃い（70）

酸化

×

ヒビ

×

剥離

特濃（－）

－ 62 －○

普通（55）
特濃（－）

益子赤土

ヒビ

○

薄い（35）

図２

ヒビ○

薄い（35）

図１

状態○

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研究報告№18(2021）

ビ化粧」となった。蛙目粘土泥は粘土単体の化粧泥であるため，安定性が低く組合白泥と比べて剥離やヒビが発生しやすい結果となったと考えられるが，蛙目粘土泥は「ヒビ化粧」の質感が特徴であることから，他原料を加えて安定化を図ることは行わずに，実用的な濃度範囲で用いることが適切であると考えられる。
また，形状的に試験体先端のフチ内側部に化粧泥が濃く掛かり，ヒビが発生しやすくなったことから，実際の器に化粧掛けする際は，その点を考慮した化粧泥の濃度調整が必要である。
次に，生地と化粧泥について素焼での収縮率を測定した結果を表３に示す。益子水簸土が 5.8%，益子赤土が6.2%と な り ， 化 粧 泥 は 濃 度 に よ り 組 合 白 泥 が 4.1%～
5.0%，蛙目粘土泥が 4.0%～5.1%の値となったが，剥離やヒビが発生する濃度と収縮率との間に相関関係は見られなかった。一般的に，吸水の大きい原料を多く含むほど収縮率は大きくなり，乾燥・焼成時の変形が大きくなるため，生地と化粧泥の収縮率の差が大きいと，両者の変形量の差によりヒビや剥離が発生する。ただし，化粧泥の濃度が濃いと化粧泥の層が厚くなり，収縮率に関わらず乾燥・焼成時の変形が大きくなるため，ヒビや剥離が発生しやすいとされていることから 1)，今回の化粧泥
濃度が「濃い」及び「特濃」の試料に関する結果においても，乾燥・焼成時の変形が要因であると考えられる。
表３
生地

化粧泥

生地及び化粧泥の収縮率

濃度（ボーメ度） 収縮率［%］ 生地のみとの差［%］
5.8

ー

薄い（35）

4.7

1.1

組合

普通（55）

5.0

0.8

白泥

濃い（70）

5.0

0.8

特濃（－）

4.2

1.6

薄い（35）

4.0

1.8

蛙目

普通（55）

4.2

1.6

粘土泥

濃い（70）

4.5

1.3

特濃（－）

4.5

1.3

生地のみ

益子
水簸土

生地のみ

6.2

ー

薄い（35）

4.7

1.5

組合

普通（55）

4.6

1.6

白泥

濃い（70）

4.7

1.5

特濃（－）

4.2

2.0

薄い（35）

4.8

1.4

蛙目

普通（55）

4.5

1.7

粘土泥

濃い（70）

5.1

1.1

特濃（－）

4.2

2.0

益子赤土

図３

本焼成後の試験体（益子赤土、1280℃、還元焼成）

３．２

熱衝撃特性評価

２．２に示した方法にて，熱衝撃試験を行った結果，一方，蛙目粘土泥では化粧泥濃度が「普通」，「濃い」
でヒビが，「特濃」で剥離が発生したが，「普通」での全ての試験体において試験の前後でヒビ等の外観の変化は認められなかった。

ヒビは，薄いヒビを敢えて見せる蛙目粘土泥特有の「ヒただし，本研究で実施した試験条件は JIS 規格の中で－ 63 －

栃木県産業技術センター

研究報告№18(2021）

最も緩い条件であり，また試験温度差が 200℃を超える

参考文献と，その後の曲げ強度が低下することが報告されている

1) https://www.aitohko.com/manual/toki/t21.html
2) 西川孝ら： "三重県工業研究所研究報告 No.37 "，96-2)

ことから ，より厳しい条件で検証していくことも必要

99, (2013)

であると考えられる。
４

おわりに白化粧の品質に及ぼす化粧掛け条件について，生地，
化粧泥，化粧泥濃度，本焼成条件を変えた試験体を作製して検討した。その結果，生地，本焼成条件は影響が認められなかった。化粧泥濃度については濃度が濃くなると剥離，ヒビ等の発生が認められ，実用的な濃度範囲を
ボーメ度を指標として数値化し，良好な化粧掛け条件を明らかにすることができた。また，白化粧の熱衝撃特性について，一般的な食器としての使用には問題ないことが示された。

－ 64 －

令和２（2020）年度

栃木県産業技術センター研究報告
第１８号
Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
No.18 (2021)
発

行

発行所
〒321-3226

令和３（2021）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
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