ISSN 1349-2608

No.19(2022)

栃木県元気ニコニコ室長

とちまるくん

令和３（2021）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）
難削材のエンドミル加工への MQL の適用(航空宇宙分野) ・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
射出成形におけるランナーの工程内リサイクルに関する研究(自動車分野) ・・・・・・・・ 6「夢ささら」の原料米特性に関する研究(フードバレーとちぎ) ・・・・・・・・・・・・ 11Ⅱ共同研究（実施：１テーマ）
米菓の食感改質技術に関する研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 15Ⅲ

受託研究（実施：10 テーマ）
県産トウガラシのおいしさの見える化に向けた前処理法・測定条件の確立 ・・・・・・・ 19
二軸オープンロール機を用いて作製したセルロースナノファイバーマスターバッチの性能評価 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24
非公開：８テーマ

Ⅳ

重点研究（実施：２テーマ）
金属 3D プリンタ造形品の構造部材適用に向けた耐久性、信頼性に関する研究

・・・・・

31

超高分子量ポリエチレン配向フィルムの積層成形による高弾性率プラスチック成形体作製技術の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 35

－i－

Ⅴ

経常研究（実施：９テーマ）
加速度センサを用いた工具摩耗推定方法の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

39

測定手法の違いによる円筒内形状測定結果への影響・・・・・・・・・・・・・・・・

45

データ収集・解析システムの機能拡張 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

51

スマートグラスを用いた作業支援検証に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・

57

生姜辛味成分の簡易分析法の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

62

解し織のデザインと絣の効果に関する研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

66

切削条件が透明アクリル樹脂の透明度に及ぼす影響

・・・・・・・・・・・・・・・・

70

つづれ織り技法による紬織物製品の開発 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

74

陶器成形用石膏型製作の高精度化に関する研究 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・

79

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：戦略３産業（自動車、航空宇宙、医療福祉機器産業）、未来３技術（AI・IoT・
ロボット、光学、環境・新素材技術）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－

Contents
Ⅰ

Selected Cooperative Research
Application of Minimum Quantity Lubrication to End Milling ofDifficult-to-Cut Materials ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
Study on In-Process Recycling of Runner in Injection Molding・・・・・・ 6
Research on the Characteristics of Rice "Yumesasara" for Sake Brewing Developedby Tochigi Prefecture ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11Ⅱ

Cooperative Research
Research on Texture Modification Technology for Rice Crackers ・・・・・ 15

Ⅲ

Contract Research
Establishment of the Pretreatment Method and the Measurement Condition
for Visualization of the Taste of Capsicum Annum from Tochigi
Prefecture ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
19
Evaluation of Cellulose Nanofiber/Polypropylene Master Batches Compounded using
Open Roll Continuous Kneader ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24Ⅳ

Selected Research
Study on Durability and Reliability for Application to Structural Members ofMetal 3D Printer ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31
Development of High Elastic Modulus Plastic by Lamination Molding of Ultra-High
Molecular Weight of Polyethylene Drawn Film ・・・・・・・・・・・・・・ 35

－iii－

Ⅴ

Ordinary Research
Development of in-Process Tool Wear Monitoring Method by using
Accelerometer ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 39
Effect of Differences in Measurement Methods on Results of Measuring the Shapeof the Inside of a Cylinder ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 45
Enhancements in the Data Collection / Analysis System ・・・・・・・・・ 51
Verification of Support by Smart Glasses ・・・・・・・・・・・・・・・ 57
Development of Simplified Analysis Method for Pungent Components
in Ginger ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 62
Research on HOGUSHI-ORI Design and the Effect of KASURI ・・・・・・・・ 66
Effect of Cutting Conditions on the Transparency of Transparent Acrylic
Resin ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 70
Development of Tsumugi Textile Products by Tapestry Weaving ・・・・・・ 74
Fabrication of Gypsum Molds for Making Precision Pottery ・・・・・・・

－iv－

79

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.19 (2022)

重点共同研究（航空宇宙分野）

難削材のエンドミル加工への MQL の適用
近藤 弘康*

稲澤 勝史*

髙野 直史**小嶋広光**

曽田 将来*
小松弘樹**

Application of Minimum Quantity Lubrication
to End Milling of Difficult-to-Cut Materials
KONDO Hiroyasu，INAZAWA Katsufumi，SOTA Masaki，
TAKANO Naofumi，KOJIMA Hiromitsu and KOMATSU Hiroki
本研究では，MQL を用いてチタン合金のエンドミル加工における工具の長寿命化を実現するため，エンド
ミルとノズルの距離や切削方向に対するノズルの方向が工具寿命に及ぼす影響を調査した。その結果，一定以上ノズル距離が長くなるとオイルミストの効果が損なわれ急激に摩耗が進行することや，刃先が被削材から離脱してからオイルミストが作用するまでの時間が長いノズル方向ではオイルミストの効果が低減する
ことが明らかになった。そして，航空機部品の実加工を想定した加工モデルに対して MQL の適用を行った結果，加工機の差異に関係なく高圧クーラントに比べ 10 倍以上の長寿命を実現した。
Key words: MQL，エンドミル加工，チタン合金，工具摩耗，航空機部品

１

はじめに

企業における難削材への MQL の適用は一部の加工に留ボーイング 787，エアバス 350 等の新型航空機では，まっている。

CFRP の利用増に伴い，熱膨張率や電蝕の問題から CFRP

そこで本研究では，MQL におけるエンドミルとノズルと接する金属部材にチタン合金が多用されている。

の距離（以下，ノズル距離）や切削方向に対するノズル

チ タン 合金 やステ ンレ ス鋼な どに 代表 される 難削材の方向（以下，ノズル方向）が工具寿命に与える影響を

は熱伝導率が小さく，刃先温度が高温になる等の要因の実験的に明らかにすることで，MQL を現場に適用する方ため，工具寿命が著しく短く，部品製造コストにおける法を検討し，チタン合金のエンドミル加工における工具

工具費の割合が高くなっており，工具の長寿命化によるの長寿命化を目指した。

コスト低減が求められている。
航空機部品サプライヤが難削材の切削加工を行う際，

２

切りくず排出や冷却を目的として高圧クーラントを用

２．１

研究の方法

ノズル距離と油付着量いた加工が行われているが，更なる工具の長寿命化のたエンドミル加工に外部給油方式の MQL を適用する場

め，微量の切削油剤を圧縮空気とともにオイルミストと合，加工機の主軸にノズルを設置し，エンドミルから一して供給する MQL（Minimal Quantity Lubrication）加定程度離れた位置からオイルミストを供給する方法が工が着目されている。これまで MQL の作用メカニズムや想定される。

難削材に対する適用例が報告され，チタン合金を対象とその場合，オイルミストの効果を得るためにはノズルしたエンドミル加工において，MQL 加工が水溶性油剤に距離を可能な限り近づけることが望ましいが，ノズル距

よる湿式加工よりも長寿命である結果

1)が得られてお離が短くなると部品へのノズルの干渉や自動工具交換

り，有効性が期待できる。

装置(ATC)を用いた際の衝突が懸念される。そこで，ノズ

しかしながら，高圧クーラントと MQL を比較した報告

ル距離を変えた際の油の付着量を把握するため，ろ紙とや，オイルミストノズル（以下，ノズル）の設置条件と精密はかりを用いた油付着量計測を実施した。

工具寿命の関係を調査した報告は少なく，MQL 導入効果

オイルミスト装置(フジ BC 技研 Bluebe Model FK)をや現場における段取り方法が不明であるため，県内中小用いて，圧縮空気流量 100L/min，エアー圧力 0.6MPa，*

栃木県産業技術センター

供給油量 30mL/h の条件で，ノズル距離を 10mm から 150mm**

東都工業株式会社

機械電子技術部まで 20mm 間隔で変え，φ6mm のろ紙に 3 秒間オイルミ- 1 -栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

ストを吐出させた際のろ紙の重量変化を測定した。
なお，ろ紙はアドバンテック東洋 定量ろ紙 No.5C，精密はかりはメトラー・トレド AT400 を用いた。
２．２

ノズル設置条件と工具寿命

部品のエンドミル加工を行う際，部品形状に伴って様々な方向から切削を行う必要があるため，外部給油方式の MQL を適用する場合，加工パスに応じてオイルミス

30°

トの供給方向が変化することが考えられる。
そのため，ノズル距離及びノズル方向を変えた際の工具寿命を把握するため，5 軸マシニングセンタ（DMG 森

図２

ノズル角度

精機 DMF180）を用いて，64 チタン圧延材（AMS4911）の摩耗試験を実施し，摩耗幅と切削力を評価した。
工具・切削条件については航空機部品の中仕上げ加工

主軸・ノズル

摩耗試験
被削材を想定して表１のとおりとし，MQL のノズル距離は 50mm，90mm，120mm，150mm の 4 条件で試験を行った。ノズル方USBカメラ向は図１のとおり，エンドミルの進行方向に対して前方か ら オ イ ル ミ ス ト を 当 て る 方 向 を 0°と し て ， 0°，180°，270°の 3 条件で試験を行った。

切削抵抗
測定装置

また，ノズル角度は図２のとおり 30°とし，前項と同様に圧縮空気流量 100L/min，エアー圧力 0.6MPa，供給
図３

油量 30mL/h の条件で，オイルミストを供給した。

切削力は切削抵抗測定装置（日本キスラー

なお，摩耗幅はマシニングセンタ内に固定したカメラ

３に示す。

工具・切削条件

径
形状
工具
コーティング
母材
刃数
切削速度
１刃切込み
切削条件 軸方向切込み
半径方向切込み
給油方法

9257B）を用いて測定した。加工機上における摩耗試験時の構成を図を用い，各切削距離の刃先の定点観察像から算出した。
表１

摩耗試験時の構成

２．３

10mm
ラジアスエンドミル(R1.0)
TiAlN
超硬
２枚刃
100mm/min
0.1mm/tooth
3.0mm
1.0mm
MQL，高圧クーラント

MQL の現場適用方法の検討

航空機部品の実加工を想定し，図４に示す加工モデルに対して，高圧クーラントよりも長寿命が期待できるノズル設置条件（ノズル距離・ノズル方向）について検討
を行った。

① 0°

切削方向
（点線）

③ 270°

被削材

エンドミル② 180°
図１

図４

ノズル方向

MQL 適用対象の加工モデル（上：被削材，下：加工モデル）- 2 -栃木県産業技術センター

２．４

研究報告

No.19 (2022)

実証試験
70

前項で検討したノズル設置条件の MQL 加工の効果を確

60

油付着量[mg/min]

認するため，マシニングセンタを用いて，図４の加工モ
デルを多数個切削し，摩耗幅の測定を行った。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（DMG 森精機 DMF180，牧野フライス a61nx）をBluebe Model FK

50
40
30
20
10

用いた。それぞれ，加工機 1，加工機 2 と呼称する。

0

加工パスについては，図５のとおり輪郭加工のオフセ

0

20

40

ットを 20 回行うとともに，軸方向切込み 3mm を 6 段行
図６うことで，側面切削の中仕上げ加工を繰り返し行うパス60
80 100 120
ノズル距離[mm]

140

160

ノズル距離と油付着量の関係を用いた。なお，切削長については，加工モデル 1 個にことに伴い，単位面積あたりの油量が低下したものと考つき 20.2m の長さとなる。

えられる。
以上のことから，ノズル方向 10mm・30mm に比べて油付着量が低下する 50mm 以降を工具寿命の調査対象とした。
３．２

ノズル設置条件と工具寿命

ノズル方向 180°における切削距離に対するノズル距
離と摩耗幅の関係を図７，ノズル距離と切削力の関係を
図８に示す。ノズル距離 50mm・90mm は切削長 10m 以降，摩耗の進行が抑制され，高圧クーラントに比べて摩耗幅が小さい傾向を示した一方，120mm・150mm は早期に摩耗が進行し，試験継続が困難になった。この結果から，オ
イルミストの効果が得られる場合は摩耗進行を大幅に抑制するものの，一定以上ノズル距離が長くなると，オ
切削長17.4m
で試験中止

100

切削長54mで試験中止

摩耗幅[μm]

80

図５

60
40
MQL ノズル距離50mm
MQL ノズル距離90mm
MQL ノズル距離120mm
MQL ノズル距離150mm
高圧クーラント20

実証試験加工パス 1 段目

（上：全体，下：拡大）00

また，被削材は 64 チタン圧延材（AMS4911）とし，工図７

具・切削条件については表１のとおりとし，ノズル距離600

条件・手法を用いた。

500

切削力[N]

ト供給条件及び摩耗幅の算出については２．２と同様の

３．１

40

60
80
100
120
切削距離[m]
ノズル距離と摩耗幅（ノズル方向 180°）700

は 50mm，ノズル角度は 30°とした。なお，オイルミス

３20

結果及び考察ノズル距離と油付着量

切削長17.4m
で試験中止

400
300
200

ノズル距離と油付着量の関係を図６に示す。ノズル距100

離 10mm と 30mm では殆ど付着量は変わらない一方，50mm

0

MQL ノズル距離50mm
MQL ノズル距離90mm
MQL ノズル距離120mm
MQL ノズル距離150mm
高圧クーラント0以降は大きく低下する結果となった。これは，ノズル距
離が遠くなるにつれて，オイルミストが円錐状に広がる

図８
- 3 -

刃の欠損が大きく切削長54mの切削力
は取得せず

20

40
60
80
100
120
切削距離[m]
ノズル距離と切削力（ノズル方向 180°）

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

イルミストの効果が損なわれ，急激に摩耗が進行するこ100とが伺える。

80

次に，ノズル方向 180°にてオイルミストの効果が得

摩耗幅[μm]られたノズル距離 50mm と 90mm において，ノズル方向を比較した結果を図９～12 に示す。ノズル距離 50mm の場
合，すべての方向で切削長 10m 以降摩耗の進行が抑制され高圧クーラントに比べ摩耗幅が小さい傾向を示した。

60
40
20

MQL ノズル距離90mm ①0°方向
MQL ノズル距離90mm ②180°方向
MQL ノズル距離90mm ③270°方向
高圧クーラント

一方，ノズル距離 90mm の場合，ノズル方向 180°，270°0は摩耗の進行が抑制されたが，0°は早期に摩耗が進行

0する結果となった。
笹原らは，刃先が被削材から離脱した直後の位置で圧

図 11

縮空気を噴射すると，切削で生じた凝着物が温度低下に

800

20

40

60
80
100
120
切削距離[m]
ノズル方向と摩耗幅（ノズル距離 90mm）

2)より固着する前に除去が可能であると推測しており ，

600

切削力[N]

今回の試験において，刃先が被削材から離脱した後，オ
イルミストが作用するまでの時間が長いノズル方向 0°400では，凝着物を除去しきれず，工具と切りくず，被削材
間に凝着物がかみ込み，摩耗を促進した可能性が考えら

200

れる。
なお，ノズル距離 50mm においてノズル方向 0°で摩0耗の進行が抑制されている点については，90mm に比べて0

ノズル距離が近くなることで，単位面積あたりの油供給

図 12

量が多く，かつエアー流速が大きいため，刃先の温度が一定程度低下し，効果的に凝着物を除去できたものと考

３．３

えられる。

40

60
80
100
120
切削距離[m]
ノズル方向と切削力（ノズル距離 90mm）

MQL の現場適用方法の検討

図４に示す加工モデルに対して MQL を適用する場合，考えられる。このモデルをすべてダウンカットで加工を行い，ノズル 1 本でオイルミストを供給する場合，図 1380

摩耗幅[μm]20

モデルの立壁によりオイルミストが遮られる可能性が100のとおりモデルの左側にノズルを設置することで，立壁60にオイルミストが遮られることなく，概ね図１の 0°，40180°，270°の 3 方向で加工が可能と考えられる。
また３．２の結果から，ノズル距離を 50mm にするこ

MQL ノズル距離50mm ①0°方向
MQL ノズル距離50mm ②180°方向
MQL ノズル距離50mm ③270°方向
高圧クーラント

2000
図９MQL ノズル距離90mm ①0°方向
MQL ノズル距離90mm ②180°方向
MQL ノズル距離90mm ③270°方向
高圧クーラント

20とで，従来手法である高圧クーラントよりも大幅に寿命を延ばすことが期待できる。

40

60
80
100
120
切削距離[m]
ノズル方向と摩耗幅（ノズル距離 50mm）

オイルミスト供給方向

700

工具進行方向600

エンドミル

切削力[N]

500
270°

180°

400

R部は
180～270°

300
200

MQL ノズル距離50mm ①0°方向
MQL ノズル距離50mm ②180°方向
MQL ノズル距離50mm ③270°方向
高圧クーラント

100
0
0

図 10

20

R部は
270～360°

0°

40

60
80
100
120
切削距離[m]
ノズル方向と切削力（ノズル距離 50mm）

270°

図 13

- 4 -

工具進行方向とノズル方向栃木県産業技術センター

３．４

実証試験

表２

加工機 1・2 を用い取得した切削距離に対する摩耗幅

研究報告

推定工具寿命給油方法の推移を図 14 に示す。どちらの加工機においても MQL
は摩耗の進行が緩やかであり，高圧クーラントに比べて高圧クーラント

摩耗幅が小さいことが伺える。

加工機1切削したモデルの個数と摩耗幅の関係に着目すると，
高圧クーラントは加工機 1 では 3 個（切削長 60.6m），

MQL ノズル距離50mm
高圧クーラント加工機 2 では 1.5 個（30.3m）で摩耗幅が 50µm を超えて加工機2いるものの，MQL は加工機 1・2 ともに 8 個（切削長 161.6m）

No.19 (2022)

MQL ノズル距離50mm

推定工具
寿命[m]
58.5
871.0
(14.9倍)
31.2
452.9(14.5倍)において摩耗幅は 40µm 以下に留まっている。
４

ここで，工具の摩耗幅が 50µm を超えた場合，摩耗がおわりに急激に進行することがわかる。これより，各条件の摩耗

本研究では，MQL を用いてチタン合金のエンドミル加幅の直線部データから近似直線を作成し，近似直線が工における工具の長寿命化を実現するため，エンドミル

50µm を超えた切削長を推定工具寿命とした。その結果，とノズルの距離や切削方向に対するノズルの方向が工推定工具寿命は表２のとおりとなり，加工機の差異に関

具寿命に与える影響を調査し，航空機部品の実加工を想係なく高圧クーラントに比べ 10 倍以上の長寿命を実現

定した加工モデルに対してノズル設置条件を検討するした。

ことで，以下の知見を得た。
（1）一定以上ノズル距離が長くなると，オイルミスト←40.4mは146µm

摩耗幅[μm]80
60←80.8mは182µmの効果が損なわれ，急激に摩耗が進行する。
（2）刃先が被削材から離脱してからオイルミストが作

y = 0.6934x + 28.333

y = 0.4735x + 22.297

用するまでの時間が長いノズル方向では，オイル
50µm

ミスト効果が低減する。

y = 0.0416x + 31.161

40（3）航空機部品の実加工を想定した加工モデルに対して MQL の適用を行った結果，加工機の差異に関係

y = 0.0262x + 27.179

20

加工機１（高圧クーラント）
加工機１（MQL ノズル距離50mm）
加工機２（高圧クーラント）
加工機２（MQL ノズル距離50mm）

0
0

20

40
図 14

60

なく高圧クーラントに比べ 10 倍以上の長寿命を実現した。

80 100 120 140 160 180
切削長[m]

参考文献

実証試験結果1) 藤原順介ほか： "日本機械学会論文集 "，82（835），
pp.15-00556,（2016）2) 笹原弘之ほか："精密工学会誌 "，66（1），pp.80-84,（2000）- 5 -栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

重点共同研究（自動車分野）

射出成形におけるランナーの工程内リサイクルに関する研究
大森 和宏*
池添

男澤 嶺*
亮***

益子

太田 好和***

朱音*

渡辺 克人**

小橋川 浩***

八丁

谷越

佳功**

健太***

Study on In-Process Recycling of Runner in Injection Molding
OMORI Kazuhiro, OTOKOZAWA Ryo, MASHIKO Akane, WATANABE Katsuto, HATCHO Yoshinaru,
IKEZOE Makoto, OTA Yoshikazu, KOBASHIKAWA Hiroshi and TANIKOSHI Kenta
様々な射出成形条件で成形したランナーから圧縮成形により作製した試験片を用いて引張試験を行い，射出成形条件におけるランナーの劣化要因を調査した。バージン材とランナーを比較すると，ランナーでは引張ひずみの低下が起こり，シリンダ温度が低く，射出速度が速いほどひずみの低下が顕著に現れた。保圧，
金型温度は影響がなかった。低温・高速及び高温・低速の射出成形条件で作製したランナーを，リサイク
ル率 50%で射出成形した場合，バージン材と比較し，引張強さは同等であったが，シャルピー衝撃強さ
及び引張弾性率は若干増加した。
Key words: 射出成形，ランナー，リサイクル

１

はじめに

が重要である。一方，ランナーの工程内リサイクルに関

近年の環境問題やプラスチック材料価格の高騰によする先行研究はあるものの，物理劣化に着目して行われり，プラスチックのマテリアルリサイクルの重要性が高た研究事例は少なく 3)-5），ランナーの物理劣化を評価しまっている。プラスチック成形の主流である射出成形でたデータや，リサイクル射出成形の適切な条件等に関すは，生産時に金型の流路内で樹脂が固化されてできたラる情報が求められている。

ンナーが排出されることから，粉砕したランナーを一定

そこで本研究では，各射出成形条件で成形したランナ

量バージン材と混合して製品を製造する工程内リサイ

ーの劣化状況を調べ，ランナーの劣化要因を明らかにす

クルが行われている。しかし，一度成形工程を経たラン

る。また,ランナーの射出成形工程内リサイクルを行い，ナーは，熱や流れの影響により劣化していると言われて射出成形条件の物性に対する影響を検討したので報告

おり，成形不良や破壊等のトラブルが発生することがあする。

るため，一般的にランナー粉砕材のリサイクル率は30wt%が上限とされていることが多い。

２

成形工程におけるプラスチックの劣化要因としては，

２．１

研究の方法

ランナーの劣化評価

熱等の影響による分子鎖切断や酸化による化学劣化がランナー粉砕材は，ポリプロピレン（PP）バージン材主流とされてきたが，近年の研究で，成形に伴うせん断（サンアロマー㈱製 PM600A）を用いて表１の成形条件で等による内部構造変化等による物理劣化要因の影響が射出成形（ダンベル試験片：日精樹脂工業㈱製 NEX 80IV-

大きいことが報告された 1)。射出成形工程では，金型内9EG，製品：東洋機械金属㈱製 Si-180-6S）した後，成形を流れる溶融樹脂の，厚さ方向における流速分布により品を除去し，プラスチックカッティングミル（大阪ケミ

2)

せん断応力が生じていることが知られており ，ランナ

カル㈱製）を用いてスプルーごと粉砕することで作製しーはこの影響を受け劣化していると考えられる。ランナ

た。また，比較のため，ペレットを直接粉砕し，バージーの射出成形工程内リサイクルにおける高品質化やリン粉砕材を作製した。

サイクル率向上のためには，各射出成形条件でのランナ

各粉砕材は，ミニテストプレス（㈱東洋精機製作所製）

ーの劣化状況の把握や，リサイクル成形品の物性の調査を用いて 180℃で 5 分間溶融させ，90℃～120℃に加熱*

栃木県産業技術センター

した熱板で挟んで 5 分間保持し等温結晶化させた後，室材料技術部

温まで空冷し，100mm×100mm×t0.5mm のシートとした。

** 県南技術支援センター*** 株式会社サカエ工業

そのシートから，試験片打抜機（高分子計器㈱製）を用- 6 -栃木県産業技術センター

表１ ランナー成形条件
シリンダ
射出速度
温度（℃）
（mm/sec）
190
10
210
10
230
10
210
100
210
1
210
10
210
10
230
5～20

保圧
（MPa）
17
17
17
17
17
36
17
78

金型温度
（℃）
40
40
40
40
40
40
80
制御なし

表２ 一次射出成形条件
シリンダ
射出速度
温度（℃）
（mm/sec）
230
5
190
100

保圧
（MPa）
17
17

金型温度
（℃）
40
40

No

成形品

1
2
3
4
5
6
7
8

ダンベル
ダンベル
ダンベル
ダンベル
ダンベル
ダンベル
ダンベル
製品

No

成形品

9
10

ダンベル
ダンベル

No

ランナー粉砕材
の成形条件
No.9
No.10
No.10
No.10
No.10
No.10

11
12
13
14
15
16

研究報告

表３ 二次射出成形条件
シリンダ
射出速度
温度（℃）
（mm/sec）
230
5
190
100
230
5
230
5
230
5
230
5

背圧
（MPa）
9
9
9
18
4.5
9

No.19 (2022)

クッション
量（mm）
3
5
48
7
3
3

いて小型ダンベル試験片を作製し，万能材料試験機（㈱島津製作所製 AG-50KNI M2）を用いて，試験速度 10mm/min
で引張試験を行った。
２．２

ランナーの工程内リサイクル

PP バージン材（サンアロマー㈱製 PM600A）を用いて表２の成形条件でダンベル試験片を一次射出成形した後，成形品を除去し，粉砕機（日水化工㈱製 SA-24）を用いてスプルーごとランナーを粉砕し，バージン材と重量比１：１で混合後，表３の成形条件で二次射出成形を行った。得られたランナーについては再度粉砕し，二次射出成形条件と同じ条件で三次射出成形を行った。

図１

各射出成形で得られたダンベル試験片を用いて，引張各等温結晶化温度で作製したバージン試験片の引張試験結果；(a)120℃，(b)110℃．

試験及びシャルピー衝撃試験を行った。引張試験は，万能材料試験機（㈱島津製作所製 AG-M1）を用い，引張弾

等温結晶化温度について検討した。図１に 110℃及び性 率 は 試 験 速 度 0.5mm/min で ， 引 張 強 さ は 試 験 速 度

120℃で等温結晶化して作製したシートの引張試験結果

10mm/min で測定した。シャルピー衝撃強さは，衝撃試験を示す。等温結晶化温度 110℃で成形した試験片では，機（㈱東洋精機製作所製 IT）で，ひょう量 2J のハンマ

降伏後大きく伸びたのに対し，120℃以上で成形した試ーを用いて測定した。結晶構造評価は，X 線回折装置（㈱験片では低ひずみで破断した。先行研究において，リサ

リガク製 RINT RAPID）を用いて，透過法で測定を行っイクル材の物理劣化現象として伸びの低下が確認された。

ていることから 6) ，以降の実験では等温結晶化温度を110℃とした。
３

３．１

結果及び考察

図２に，バージン材とランナー（成形条件：No.2）のランナーの劣化評価

引張試験結果を示す。既報の結果と同様に，バージン材

ランナーの劣化評価を行うため，バージン材を用いてと比較し，ランナーは試験片の伸びが著しく低下した。

- 7 -栃木県産業技術センター

図２

研究報告

No.19 (2022)

バージン材(a)及びランナー粉砕材(b)から作製した試験片の引張試験結果．

図４(a)ランナー部位と引張破断呼びひずみの関係
及び(b)ランナーの写真ている。ランナー成形時のシリンダ温度が低いほど，また射出速度が速いほど，試験片の伸びが低下する傾向が見られた。シリンダ温度が低く，射出速度が速いほど，ランナーが受けるせん断応力が高くなり，劣化が進んだと考えられる。なお，保圧及び金型温度の影響は，本研究の範囲内では見られなかった。
また，ランナーの劣化状況の詳細な影響を検討するため，No.8（表１）のランナーを各部位ごとに分割し，引張試験を行った。結果を図４に示す。ここで，図４(b)の「C」がスプルー，「A」の先端がゲートであり,射出された溶融樹脂は C→B→A の順に流れている。評価したランナーの中では，「B」の引張破断呼びひずみが明らかに低図３

各成形条件と引張破断呼びひずみの関係；

く，「A」は高いものが多かった。図３の実験で得られた(a)シリンダ温度（射出速度：10mm/min），

結果から考察すると，「B」は直線部分であり溶融樹脂が(b)射出速度（シリンダ温度：210℃）．

流れやすいため射出速度の影響を受けやすかったのに対し，「A」はゲートが狭いために溶融樹脂が滞留し，射以上より，この圧縮成形・等温結晶化条件でランナーの出速度の影響を受けにくかったことが考えられる。この物理劣化を評価することが可能であることが示された。

結果から，ランナーの形状や部位により劣化状況が異な

各成形条件と引張破断呼びひずみの関係のグラフをることが明らかになった。加えて，射出成形品は厚さ方

図３に示す。本結果は，引張破断呼びひずみのばらつき

向にスキン層，せん断層，コア層が形成されていることが大きかったため，n=10 で試験を行った全結果を図示し- 8 -栃木県産業技術センター

研究報告が知られており，各層が受けるせん断応力が異なることとに劣化状況が異なることが示された。

から劣化状況は厚さ方向で異なることが推察される。図３．２

No.19 (2022)

ランナーの工程内リサイクル

３や図４の結果でばらつきが大きかった原因は，ランナ

表２及び表３の条件で成形した一次成形品（バージー部位や厚さ方向で劣化状況が異なることによるのでン）及び二次（リサイクル 1 回目）・三次（リサイクルはないかと考えている。

２回目）成形品の試験片の各物性を図５に示す。バージ

以上より，射出成形におけるランナーの劣化要因は，ン材から成形した No.9、No.10 を比較すると、全ての物

シリンダ温度と射出速度であることが明らかになった。

性値で No.10 の方が高くなった。No.9 及び No.10 の試

また，ランナー形状にも影響があり，ランナーの部位ご

験片の二次元 X 線回折像を図６に示す。両者とも，アー
ク状の回折像が見られるが，No.10 は赤道方向の回折ス
ポットが若干濃く現れている。No.10 はシリンダ温度が低く，射出速度が速い射出成形条件であったため高いせん断応力を受け，No.9 と比較し高度に分子配向した結果
物性が高くなったと考えられる。
No.9、No.10 のランナー粉砕材をそれぞれ同条件でリサイ クルした試 験片（ No.11， No.12） は，バージ ン材（No.9，No.10）と比較して，引張強さは変わらなかったが，弾性率及びシャルピー衝撃強さが高くなった。また，

図６

一次成形品（バージン）の二次元 X 線回折像；(a)No.9，(b)No.10，矢印は樹脂の流れ方向を示す．

図５

一次成形品（バージン）及び二次・三次成形品

図７

一次成形品（バージン）及び二次成形品（リサ（リサイクル）の試験片の物性；

イクル 1 回目）試験片の X 線回折パターン．データ(a)引張強さ，(b)引張弾性率，(c)シャルピー衝撃強さ．

は，二次元 X 線回折像を一次元に圧縮；

成形条件：■No.9・No.11，●No.10，No.12，▲No.16．

(a)No.9，(b)No.11.

- 9 -栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

No.10 のランナー粉砕材を，No.9 の成形条件で射出成形

４

おわりに

した場合（No.16），No.11 とほぼ同等の物性値となった。

様々な射出成形条件で作製したランナーから圧縮成形

結果は記載していないが，背圧（No.14～16），クッショ

により作製した試験片を用いて引張試験を行い，射出成形

ン量（No.13，No.16）の違いによる明確な影響は見られ条件におけるランナーの劣化要因を推定した。また，低なかった。以上の結果は，リサイクル率 50%の成形品の温・高速及び高温・低速の射出成形条件で作製したラン

物性は，バージン材を射出成形した際に起こるランナー

ナーを，リサイクル率 50%で射出成形し，物性評価し，の劣化の影響よりも，リサイクル材を射出成形した際の以下の知見を得た。

シリンダ温度・射出速度の影響を強く受けることを示し（1）バージン材と比較し，ランナーのリサイクル材はていると考えられる。

引張破断伸びが低下し，射出成形時のシリンダ温バージン・リサイクル成形品の比較のため，各試料の度が低いほど，また射出速度が速いほど，引張破断

X 線回折パターンを確認すると，No.9（図７(a)）と比較

伸びの低下が顕著であった。

し No.11（図７(b)），13～No.16 の方がβ晶由来のピー（2）ランナーの部位ごとに引張破断伸びの低下が異な

クが小さくなっていた（図７(a)，(b)の破線）が，他のることが明らかになった。

ピーク強度に大きな違いはなく，この結果だけではシャ（3）リサイクル率 50%のリサイクル成形品の引張強さ

ルピー衝撃強さと引張弾性率の両方が上昇したことはは，バージン材とほぼ変わらなかった。シャルピー

説明できない。他方，成形履歴を受けた材料ではメソ構

衝撃強さ及び引張弾性率は，バージン材と比較し，造に変化が現れるとの報告があり

1), 5), 7)，本研究にお若干上昇した。

いても長周期的な構造の変化がバージン・リサイクルの物性変化の原因なのではないかと推察している。

参考文献
1) 八尾滋，パントンパチヤ： "高分子 "，69（11），575，

ランナーは一次射出成形によりせん断応力を受け物
理劣化していることが本研究結果で示されているが，射（2020）
2) 瀬戸雅宏，田中克，佐藤和人，山部昌："成形加工 "，出成形したリサイクル成形品で物性低下がなかった原因は，射出成形工程では溶融樹脂が金型内で急冷される

14（10），671，（2002）

ためと考えられる 6)。一般的な PP の射出成形条件から

3) 飯島義彦，小松崎和久，安藤亮，飯村修志，石渡恭は外れるが，金型温度が 110℃近くであるならば，図２之，小島均： "茨城県工業技術センター研究報告 "，で示したとおり物性値に影響が出る可能性がある。図１（43），（2014）の実験を別のグレードの PP バージン材で行った場合，

4) 安藤亮，飯島義彦，千葉顕一郎，飯村修志： "茨城

本研究で用いた PM600A よりも低い等温結晶化温度で伸県工業技術センター研究報告 "，（44），（2015）

びの低下が見られており，また図２と同様のランナー劣5) 安藤亮，谷萩雄一郎，千葉顕一郎，飯村修志： "茨化が確認されている。ランナーのリサイクルを行う場合

城県工業技術センター研究報告 "，（45），（2016）

は，材料の種類やグレード，金型ごとにリサイクル成形

6) 冨永亜矢，関口博史，中野涼子，八尾滋，高取永一："高分子論文集 "，70（12），712，（2013）

品の品質確認が必要になると思われる。

7) 冨永亜矢，関口博史，中野涼子，八尾滋，高取永一："高分子論文集 "，74（3），225，（2017）- 10 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

重点共同研究（フードバレーとちぎ）「夢ささら」の原料米特性に関する研究
筒井 達也*

佐々木 隆浩*斎藤 綾子**

Research on the Characteristics of Rice "Yumesasara" for Sake Brewing Developedby Tochigi Prefecture
TSUTSUI Tatsuya, SASAKI Takahiro and SAITO Ayako「夢ささら」の原料米特性を把握するため酒米分析や小仕込み試験を行った。
「夢ささら」は「山田錦」よりも粗蛋白質が高く，消化性試験ではアミノ酸度も高かった。製成酒は酢酸イソアミルの濃度が高く，官能評価では旨味や酸味が特徴的であり，味覚センサーによる分析でも旨味値が高かった。アミノ酸分析ではグルタミン酸やアスパラギン酸といった旨味系アミノ酸やバリンやロイシンと言った分岐鎖アミノ酸の割合が高かった。低精白ほど旨味が強く，酢酸イソアミルが高い傾向が見られ，「夢ささら」の特徴が出やすいことが分かった。
Key words: 酒米，夢ささら，酒米分析，小仕込み試験

１ はじめに２．２ 原料米の分析「夢ささら」は本県オリジナルの酒造好適米として平成

原料米の分析は国税庁所定分析法 2)及び酒造用原料米全30 年 2 月に出願公表された。これを用いた清酒は，全国新国統一分析法 3) によった。粗蛋白は住化分析センター

酒鑑評会での金賞や IWC でメダルを獲得するなど国内外の

SUMIGRAPH を用いて燃焼法（改良デュマ法）により分析をコンテストで一定の評価を受け，今後の需要拡大が期待さ行った。

れる品種である。

２．３ 精米試験

一方で，本県清酒の平均精米歩合は 67%と米の旨味を特

精米歩合の違いによる形状，成分，醸造特性への影響を徴とする純米系統が多い特徴があり，多くの蔵元からは「夢明らかにするため，県内酒造場にて精米試料を調製した。

ささら」をレギュラー純米酒などの各社の主力商品にも利醸造用精米機は NF-26（新中野工業株式会社）を使用した。

用したいとの要望が高まっている。

試料は各歩留まり時（精米歩合 85[%]，70[%]，55[%]）に「夢ささら」は吟醸酒向きの酒造好適米として開発され採取した。

たが，これまでの研究から「山田錦」と比べるとアミノ酸度が高い傾向が見られる

２．４ 小仕込試験

1)。この特徴は原料米蛋白質の消令和 2 年度産「夢ささら」，「山田錦」，「五百万石」

化産物によるものと推察される。

について総米 150g の小仕込み試験を行った。仕込み配合

そこで本研究では，「夢ささら」の精米歩合毎の蛋白質を表１に示す。麹米は種麹にかおりを使用し，同一の精米や脂質の含有量を，「山田錦」，「五百万石」と比較し，歩合で製麹をしたものを使用した。仕込みは酵母仕込み（酵酒質設計に有用なデータを得ることを目的とし検討を行っ

母：協会 901）の 3 段仕込みで踊りは 2 日間とした。発酵たので報告する。

温度は 15℃一定とし留仕込後，経時的に重量を計量し積算
減少量 50g 前後に到達，もしくは発酵力の低下が生じた時
２ 研究の方法に遠心分離により上槽を行い製成酒を得た。

２．１ 原料米

２．５ 製成酒の分析

分析には令和 2 年度，令和 3 年度に生産された栃木県産製成酒の一般成分は国税庁所定分析法 2)に従い行った。

「夢ささら」，「五百万石」及び兵庫県産「山田錦」の玄

香気成分の定量はガスクロマトグラフ（島津製作所 GC-

米と精米歩合 85％，70%，55%の白米を使用した。発酵試験

2010 plus）を用いてヘッドスペース法 4)により分析した。

には令和 2 年産精米歩合 85%，70%，55％の麹米，掛米を使

アミノ酸は高速アミノ酸分析計（日本電子 JLC-500V）によ用した。

り分析した。

*

栃木県産業技術センター 食品技術部** 栃木県酒造組合- 11 -

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

２．６ 官能評価

分析結果 (R2 年度産,R3 年度産の平均値)を示した。「夢さ製成酒の官能評価は当センター職員 4 名で 5 点法（1：優さら」の玄米千粒重は 25.7g と「山田錦」（27.1g）より低⇔5：劣）により行った。各精米歩合ごとに五百万石を基準

く小粒であった。精米歩合 55%での砕米率は 3.5%と「山田（3.0 点）とした。

錦」（7.4%）,「五百万石」（6.1%）より低かった。吸水率

２．７ 味覚センサー

は「山田錦」より低く「五百万石」よりやや高かった。消味覚センサー分析にはインテリジェントセンサーテクノ

化性 Brix,ホルモール窒素及び粗蛋白質は「山田錦」と「五ロジー社製 S-5000Z を用いた。センサーには食品用 5 種(旨百万石」の中間的な値であった。粗脂肪については品種間

味 AAE,塩味 CT0,酸味 CA0,苦味 C00,渋味 AE1)を用いた。評差は見られないものの，精米歩合が高いほど低くなった。

価項目は, 先味 (口に入れた瞬間の味わい)の ｢旨味｣,カリウムは山田錦より高く五百万石並であった。このよう｢塩味｣, ｢酸味｣, ｢苦味雑味｣, ｢渋味刺激｣の合計 5 項目にに「夢ささら」は，粒はやや小さいものの精米特性に優れ，ついて評価した。測定は同一試料に対して 4 回行い,最初

蛋白質含量がやや高いことからホルモール窒素が高い特徴の 1 回目を除いた 3 回分の平均を各試料のセンサー測定値があった。

とした。データ解析用に,分析試料とは別にコントロール試

３．２ 小仕込試験料（蒸留水）を調製し, 測定ごとにコントロール試料を第発酵経過を図１に示す。酵母は協会 901 号を使用した。

1 サンプルに置いて測定を行った。補正処理は,センサーのもろみ経過は山田錦や五百万石と類似した経過を示した。

ドリフト (センサー出力の変動) を加味して,得られたコ

また，低精白ほど発酵が進む傾向がみられた。

ントロール試料の出力値を基準に各試料の出力値の差分を
炭酸ガス減少量(g)求める方法(補間差分) で補正した。

表１ 小仕込試験配合
添

仲

留

計

総米(g)

30

50

70

150

掛米(g)

20

40

60

120

麹米(g)

10

10

10

30

汲水(mL)

45

55

110

210

40
20
0
0

3

6

9

12

15

日数
85%夢ささら70%夢ささら70%山田錦70%五百万石55%夢ささら図１ 発酵経過

３ 結果及び考察

３．３ 製成酒の成分分析

３．１ 原料米の分析

製成酒の成分分析結果を表３に示す。「夢ささら」のア

表２に「夢ささら」，「五百万石」，「山田錦」の原料米

表２ 原料米分析結果
品種

精米
歩合
(%)

千粒
重
(g)

真精米
歩合
(%)

無効精
米歩合
(%)

砕米率
(%)

吸水率
(%)

消化性
Brix
F-N
(%)
(ml)

-

-

粗脂肪
(%)

カリ
ウム
(ppm)

6.8

3.1

1890

夢ささら

100

25.7

100.0

0.0

0.4

夢ささら

85

22.0

85.7

0.7

0.6

29.1

9.5

1.02

5.0

1.1

593

夢ささら

70

18.9

73.8

3.8

2.2

30.8

10.3

0.98

4.1

0.6

403

夢ささら

55

15.2

59.1

4.1

3.5

31.9

10.9

0.90

3.5

0.5

397

山田錦

100

27.1

100.0

0.0

0.3

6.3

3.2

1761

山田錦

85

22.6

85.5

0.5

1.3

30.1

9.8

0.93

4.6

1.1

433

山田錦

70

19.4

71.7

1.7

2.3

32.9

10.8

0.88

3.8

0.7

308

山田錦

55

15.6

57.7

2.7

7.4

34.7

11.2

0.85

3.3

0.6

322

五百万石

100

25.5

100.0

0.0

0.5

6.9

3.9

2322

五百万石

85

21.5

85.2

0.2

1.5

28.6

8.4

1.07

5.5

1.1

669

五百万石

70

18.6

72.8

2.8

2.2

30.3

9.8

1.00

4.6

0.7

390

五百万石

55

14.8

58.1

3.1

6.1

31.1

10.5

0.98

4.0

0.6

374

- 12 -

-

-

粗蛋
白質
(%)

-

-

-

-

-

栃木県産業技術センター

ミノ酸度は各精米歩合において「山田錦」より高く「五百研究報告No.19 (2022)

３．４ 官能評価

万石」よりやや低かった。精米歩合が低いほどアミノ酸度

製成酒の官能評価を表４に示す。「夢ささら」の製成酒が高かった。「夢ささら」は酢酸イソアミルの濃度が「山はバナナ様の香りが高く旨味や酸味が特徴的であり，精米田錦」や「五百万石」よりも高くなった。「夢ささら」の歩合が低いほどその特徴は顕著であった。「山田錦」のフイソアミルアルコールの濃度は「山田錦」よりやや高く,「五クラミと「五百万石」との軽さを併せもつタイプの酒質で百万石」と同等であった。このように「夢ささら」によるあった。精米歩合が低いと発酵が旺盛なことに由来するア

清酒はイソアミルアルコールの濃度が高く，その結果イソ

ルデヒド感や，アミノ酸度が高いことによる苦渋などの欠

アミルアルコールを基質とする酢酸イソアミルが高くなる点も見られた。

ことが示唆された。

３．５ 味覚センサー

製成酒のアミノ酸組成をみてみると，「夢ささら」は「山製成酒の味覚センサー分析結果を表５と図２に示す。旨田錦」と比べると旨味系アミノ酸であるアスパラギン酸や味と酸味で差が見られた。「夢ささら」は「山田錦」と比グルタミン酸が高く，甘味系アミノ酸であるアラニンが低

べると旨味値が高い傾向があり，この傾向は低精白ほど顕かった。アルギニンは品種間差は見られなかったが，精米著であった。酸味値は「山田錦」よりもやや高く、低い精歩合が高いほど割合が高くなる傾向があった。また，イソ

米歩合ほど低い傾向があった。品種間差よりは精米歩合のアミルアルコールの前駆体となる分岐鎖アミノ酸が多かっ違いによる影響が大きかった。官能評価でも旨味や酸味がた。

特徴的であったが，味覚センサーによる分析でもこの傾向が見られた。

表３ 製成酒の成分分析結果
精米
品種

歩合
(%)

酸度
(ml)

ｱﾐﾉ

日本

酸度

酒度

(ml)

ｱﾙ

酢酸

ｲｿｱﾐﾙ

ｺｰﾙ

ｲｿｱﾐﾙ

ｱﾙｺｰﾙ

(%)

(ppm)

(ppm)

アミノ酸割合(%)
Asp

Glu

Ala

分岐鎖

Arg
Val

Ile

Leu

夢ささら

85

2.2

1.40

14.7

17.1

10.6

225

2.4

7.5

15.5

12.6

4.3

2.5

5.9

夢ささら

70

2.3

1.30

10.0

16.3

6.5

177

2.2

7.3

17.4

13.5

4.8

3.0

6.7

夢ささら

55

2.4

1.20

2.5

15.1

6.3

143

2.1

6.8

19.8

15.0

5.6

3.1

7.2

山田錦

85

2.1

1.30

15.3

17.3

9.5

221

2.1

7.1

16.5

11.8

3.9

2.5

5.5

山田錦

70

2.2

1.20

10.4

16.6

6.1

160

1.9

6.8

18.4

14.5

4.4

2.9

6.5

山田錦

55

2.3

1.05

5.5

15.8

4.6

135

1.6

6.1

21.1

14.7

5.5

3.0

6.9

五百万石

85

2.2

1.55

15.5

17.1

9.7

220

2.2

7.8

16.2

12.3

4.1

2.4

5.5

五百万石

70

2.3

1.50

11.0

16.4

6.2

163

2.1

7.2

18.7

13.9

4.5

2.7

5.9

五百万石

55

2.4

1.40

5.0

15.6

5.8

143

1.9

7.1

20.6

15.0

5.0

3.0

7.0

Asp:アスパラギン酸,Glu:グルタミン酸,Ala:アラニン,Arg:アルギニン,Val:バリン,Ile:イソロイシン,Leu:ロイシン

表４ 製成酒の官能評価結果
品種

精米
歩合（％）

平均点数
（1:優⇔5:劣）

夢ささら

85

2.7

バナナ，ｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ，旨味，酸味，味わい，苦渋

山田錦

85

3.0

ｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ，柔らかい，酢エチ，苦渋

五百万石

85

3.0

ｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ、軽い，薄い，硬い，酸ウク，苦渋

夢ささら

70

2.7

酢イソ，酢エチ，旨味，酸味，フクラミ，苦渋

山田錦

70

2.2

酢イソ，エステル，フクラミ

五百万石

70

3.0

ｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ，酢エチ，酸臭，軽い，渋

夢ささら

55

2.8

酸味，苦，軽い，単調

山田錦

55

2.0

ソフト，フクラミ

五百万石

55

3.0

酸ウク，エグ味，軽い，渋官能評価

各精米歩合で五百万石を基準（3.0 点）とする- 13 -

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

４ おわりに2「夢ささら」について「山田錦」，「五百万石」と比較酸味検討した結果，以下の知見を得た。

1
85%夢ささら

0
塩味

苦味

-1

70%夢ささら-2（1）低い精米歩合において,「山田錦」や「五百万石」よ
りも砕米の発生は少なかった。

55%夢ささら（2）消化性 Brix は「山田錦」よりも低く「五百万石」よ70%山田錦り高かった。消化性 F-N は「山田錦」よりも高く

70%五百万石「五百万石」より低く，粗蛋白質も同様の傾向が見
られた。

旨味

渋味

（3）製成酒は，「山田錦」に比べてアミノ酸度が高く，香気成分は酢酸イソアミルが高かった。

図２ 製成酒の味覚センサー結果（レーダーチャート）（4）製成酒のアミノ酸の組成は，「山田錦」と比べてア
スパラギン酸やグルタミン酸といった旨味系アミノ酸の割合が高く，バリンやロイシンといった分岐鎖

表５ 製成酒の味覚センサー結果

アミノ酸の割合もやや高かった。

精米
歩合
（％）

酸味

苦味

渋味

旨味

塩味

夢ささら

85

-1.7

0.3

-0.1

1.7

0.1

夢ささら

70

0.6

0.2

0.0

0.5

0.1

夢ささら

55

1.9

-0.1

0.1

-1.1

0.2

山田錦

85

-2.0

-0.1

-0.1

0.8

-0.1

山田錦

70

0.1

0.2

0.1

-0.6

-0.4

山田錦

55

1.7

-0.5

-0.1

-1.3

-0.2

ノ酸の割合が高く、これらが「夢ささら」製成酒の旨味や

五百万石

85

-1.7

0.2

0.0

0.8

0.2

バナナ様の香りの高さに寄与していると推察された。

五百万石

70

-0.5

0.2

0.1

0.1

0.2

一方で，低い精米歩合ではカリウムや蛋白質といった酵

五百万石

55

1.5

-0.3

0.0

-1.0

-0.1

母の栄養分が多く発酵が急進することから，もろみの低温

品種（5）製成酒の官能評価では旨味や酸味が特徴的で，味わいある酒質であった。一方，低い精米歩合ではアルデヒド感や苦渋が見られた。
（6）製成酒の味覚センサー分析では旨味値が高く,低い精米歩合ほど顕著であった。
以上のことから，「夢ささら」の原料米特性として「山田錦」と比べると粗蛋白質が多くアミノ酸度が高い性質が分かった。アミノ酸の中でも旨味系アミノ酸や分岐鎖アミ管理や酵素力価の低い若い麹を使用するなど，発酵を抑えるようコントロールする必要があると考えられた。
参考文献
1) 筒井達也ら："令和元（2019）年度栃木県産業技術センター研究報告"，17，11-14,（2020）
2) 注解編集委員会編："第４回改正国税庁所定分 析法注解"，日本醸造協会（1993）
3) "酒造用原料米全国統一分析法"，酒米研究会（1996）
4) 吉澤淑："醸協"，68，59,（1973）- 14 -

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.19 (2022)

共同研究

米菓の食感改質技術に関する研究
金井 悠輔*

阿久津 知宏*守谷 和高**

川島律子**

峰岸 沙代子**Research on Texture Modification Technology for Rice Crackers
KANAI Yusuke, AKUTSU Tomohiro, MORIYA Kazutaka, KAWASHIMA Ritsuko and MINEGISHI Sayoko
米菓に関する消費者ニーズとして，スナック様の軽い食感を有する米菓製品が近年注目を集めていることから，本研究では，各製造工程が米菓の膨化性や食感に及ぼす影響を検討した。餅搗き回数の増加に伴い，生地中の残存米粒の破砕が進行するとともに焼成品の比容積が向上し，硬さが低減することが分かった。餅生地の水分率は，30%付近が最も大きく膨化し，これより不足または過剰な場合は，比容積及び食感は悪化した。予熱処理は膨化性の向上のためには不利である一方，膨化処理においては高出力で加熱するほど比容積が向上し，軽い食感につながることが明らかとなった。
Key words: 米菓，顕微鏡観察，膨化，比容積，テクスチャー

１

はじめに

２

米菓市場は，2013 年から生産量・消費金額ともに一進

２．１

研究の方法

餅生地の調製一退を繰り返しながらも微増している堅調な市場であ

原料は国産糯米を用い，丸彦製菓(株)が保有する各種る。直近では，新型コロナウイルスの感染拡大に伴う巣製造設備により餅生地を調製した。糯米を 8 時間浸漬後，ごもり消費により売り上げが好調なメーカーが目立つ。

圧扁，蒸練したものに対し 60～200 回の胴搗を行った。

しかし長期的には，主な購買層が高齢者である現状から

その後，練り出し，冷却固化させたものを幅 40mm×長さ脱却すべく，若年層への消費喚起など，新たな需要の掘70mm×厚み 5mm に切断し，所定の水分率まで乾燥させる

り起こしが急務となっており，各社とも付加価値の高いことで餅生地を調製した。

新商品開発に取り組んでいる。

２．２

新たな消費者ニーズとして，従来よりも食感が非常に

餅生地の残存米粒評価

ロータリーミクロトーム（ミクローム社

HM 340）に軽く，スナック感覚で食べられる米菓製品が注目を集め

より餅生地から厚さ 20µm の薄片を切り出し，光学顕微ており，県内の中小米菓メーカーにおいても同様の特徴

鏡（オリンパス(株)を持つ商品開発に取り組む事例が増えている。米菓の製した（図１）。1 試験区あたり 20 枚の薄片を切り出し，造には糯米の餅搗，冷却固化，乾燥，焼成など多くの工薄片 1 枚あたり 3 ヶ所撮像することで，1 試験区あたり

程があるが，食感の軽い米菓を安定的に製造するために計 60 枚の観察画像を得た。画像解析ソフト Image J には，各工程において米菓を最大限膨らませるための適切より，得られた画像から残存米粒を検出し，残存米粒のBX-53）により倍率 100 倍で撮像な処理を行う必要がある。しかし，製造条件と膨化性の関係性が不明確であり，詳細な製造条件の決定には現場作業員の勘と経験に頼るところが大きく，再現性・安定性に課題がある。
そこで本研究では，従来よりも食感の軽い米菓製造技術の開発を目的として，膨化度の高い米菓製造に適した
マイクロ波焼成品を対象とし，餅搗き・乾燥・焼成の各工程が餅生地の膨化性や食感に及ぼす影響の検討を行
った。

*
**

栃木県産業技術センター
丸彦製菓株式会社

食品技術部
図１- 15 -

餅生地の顕微鏡観察画像例

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)
60

面積ごとに 4 区分（区分 1：100～1,000µm 2, 区分 2：1,000
22

残存米粒の積算面積[×104μm2]～10,000µm , 区分 3：10,000～100,000µm , 区分 4：
2

100,000～1,000,000µm ）に分別して積算し，分布を評
価した。
２．３

焼成試験

バンドソーにて 15mm×15mm に切断した餅生地 12 枚を予熱処理及び膨化処理を行うことで焼成した。予熱処理
は，ガスオーブン（(株)マルゼン

MRX-097E）または業

務用電子レンジ（シャープ(株)RE-3300P）を用いて行

50

15

11

6

3

18

21

21

22

9
6

12

12

14

15

7

7

7

8

60回

100回

25

40
30

16

20
10
0

区分1

った。膨化処理は，同上の業務用電子レンジを用いることでマイクロ波焼成を行った。
２．４

図３

区分2

区分3

200回

区分4

残存米粒の評価結果

比容積測定

焼成品の膨化性評価のため，φ2mm のガラスビーズを10.0使用した菜種置換法により，焼成品の比容積を求めた。

8.0
比容積 [mL/g]

1 回の試験で焼成品 6 個の比容積を測定し，3 回繰り返した平均値を求めた。
２．５

120回 150回
餅搗き回数

テクスチャー測定

テクスチャー測定はテクスチャーアナライザー

6.0

b

b

6.7

6.9

120回 150回
餅搗き回数

200回

a

a

a

5.5

5.8

6.0

60回

100回

4.0
2.0

（Stable Micro Systems TA.XT plus100c）を用いた。

0.0

焼成品をバンドソーで厚さ 10mm に切断し，切断面から
φ6mm の円柱プローブにより圧縮速度：1mm/s，圧縮距
離：7mm の条件で圧縮試験を行った。得られた荷重デー

図４

餅搗き回数と比容積の関係

タのうち圧縮距離 1mm～7mm の範囲を解析範囲に設定し，異なるアルファベット間で有意差あり（p<0.05）。以下同じ。

この範囲における平均荷重及び平均ピーク深さを求め

水分率：25%，焼成：電子レンジ 200W 1 分→600W 2 分

た（図２）。
n=30
a

140
b

8

c

120

cd

6

d

4
2

餅搗き回数
３
３．１

結果及び考察

図５

c

80

cd

d

60
40
20
200回

150回

120回

100回

200回

150回

120回

100回

テクスチャー測定結果の解析

b

100

0
60回

0
図２

n=30
a

60回

平均荷重 [×102gf]

10160
平均ピーク深さ [gf]

12

餅搗き回数

餅搗き回数とテクスチャー評価結果

餅搗き工程が膨化性に及ぼす影響

米菓は，餅生地に含まれる水分が加熱により蒸発する

最も大きな区分 4 の残存米粒が顕著に減少し，区分 1～3

際，体積が急激に増大する力を利用することで膨化すの比較的小さな残存米粒はわずかずつ増加する傾向とる。このため，餅生地の物性は米菓の膨化性に大きく影なった。一方，全ての残存米粒面積値の総和は餅搗き回

響することが予想される。そこで，餅生地製造工程のう数の増加とともに減少した。これは，餅搗きにより大きち，特に餅生地の物性に大きく寄与すると思われる餅搗

い米粒が破砕されて小さな米粒の欠片が増え，これが繰きの回数が膨化性に及ぼす影響を検討した。

り返し行われることで残存米粒として検出されない

異なる餅搗き回数の餅生地について残存米粒の評価

100µm2 未満の米粒が増えた結果と考えられた。これらのを行った結果を図３に示す。餅搗き回数の増加に伴い，ことから，搗き回数を増やすことで残存米粒が破砕さ- 16 -

栃木県産業技術センター

れ，餅生地の均質化が進行することが明らかとなった。

３．２

研究報告

No.19 (2022)

乾燥工程が膨化性に及ぼす影響

次に，それぞれの餅生地を同一条件で焼成し，焼成品

米菓の膨化現象において，餅生地の物性と同じく重要の比容積を算出した（図４）。その結果，餅搗き回数がな要素が，餅生地に含まれる水分の蒸発である。そこで，多い餅生地ほど比容積が高くなる傾向が見られ，餅搗き

水分率の異なる餅生地を調製し，同一条件で焼成試験を

処理は膨化性の向上につながることが確認された。これ行った。焼成品の比容積測定結果を図６，テクスチャー

は，餅搗き回数を増やすことで残存米粒が破砕され，き測定結果を図７に示す。焼成品の比容積は，水分率 26.2

め細かい餅生地となるため，焼成時の蒸気を捕捉する能～32.6%の間で極大（約 8mL/g）となり，水分率がこの範力が高まった結果，より大きく膨らむものと考えられ囲外になると比容積が低下した。テクスチャー評価におた。しかし，150 回と 200 回の間では有意差がないこといても，平均荷重・平均ピーク深さともに水分率 26.2から，餅搗きによる膨化性向上には限界があるものと考～32.6%の範囲において低値となった。これらのことかえられた。

ら，餅生地の水分率が約 30%において膨化性が良く，最続いて，焼成品の食感を評価するため，テクスチャー

も軽い食感を実現する水分率であることが明らかとな

アナライザーによる圧縮試験を行った。その結果，餅搗った。低水分率で膨化性が悪い原因として，餅生地の柔

き回数の増加に伴い，平均荷重及び平均ピーク深さが大軟性が低いため蒸気を捕捉しきれないことに加え，発生幅に低下することが確認された（図５）。平均荷重は試する蒸気量が少ないことが考えられる。また，高水分率

料の全体的な硬さ，平均ピーク深さは咀嚼時の歯ざわりの場合は，多量の水分が蒸発する際に周囲の熱を気化熱感（サクサク，ガリガリ）を表す。今回の結果から，餅として吸収し，水蒸気発生の勢いが低下することが要因

搗き回数の増加により，全体的な硬さが低減し，サクサの一つと考えられた。

クとした軽い食感に近づくものと考えられた。

３．３

10.0

米菓は，一般的に予熱，膨化及び焼き色付けを一連のb8.0
比容積 [mL/g]

焼成条件が膨化性に及ぼす影響bb

流れで行う運行焼機にて焼成される。品質安定のために

baは，各処理区分の加熱出力や通過時間，ショット数など

a

を緻密に設定して焼成することが求められる。そのた
6.0

め，焼成条件が米菓の膨化性に及ぼす影響を検討した。
8.3

4.0

8.3

8.2

8.0

6.7

３．３．１

焼成前の餅生地に含まれるデンプンは，冷却固化工程

6.9において老化しているため，予熱により再び糊化させ，

2.0

柔軟性を回復させることで焼成時の膨化性が向上するものと考えられる。そこで，予熱処理が米菓の膨化性に

0.0
24.3
図６

26.2

29.3
30.5
32.6
餅生地水分率 [%]及ぼす影響を調べた。同一の餅生地をガスオーブンにて

34.7

予熱後，ただちにマイクロ波焼成を行った。予熱時の庫

餅生地水分率と比容積の関係
表１

餅搗き回数：150 回，焼成：電子レンジ 200W 1 分→600W 2 分

n=20
a

200

12
10

b

8
6

c c c c

4

a

100
50

生地温度

加熱時間

予熱なし

-

-

80℃

2 分 11 秒

90℃

4 分 12 秒

100℃

9 分 37 秒

80℃

1分9秒

90℃

1 分 41 秒

100℃

3 分 30 秒

80℃

0 分 40 秒

90℃

1分4秒

100℃

1 分 36 秒

100℃

150

b

b b

b
120℃

2
0
24.3
26.2
29.3
30.5
32.6
34.7

0

生地水分[%]

生地水分[%]

図７140℃

餅生地水分率とテクスチャー評価結果- 17 -

オーブン予熱条件一覧

庫内温度

a

24.3
26.2
29.3
30.5
32.6
34.7

平均荷重 [×102gf]

14

n=20

平均ピーク深さ [gf]16

予熱工程の検討

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)12.0c

比容積[mL/g]

10.0

c
b

a

8.0
6.0
4.0

8.8

7.8

6.8

9.6

2.0
0.0
500W
図９

600W

700W
加熱出力

800W

膨化時の加熱出力と比容積の関係

餅搗き回数:150 回，水分率:31.7%，予熱:電子レンジ 200W1 分

地投入量を減らすことで，相対的な加熱能力が高まり，
図８

予熱条件と比容積の関係

同様の膨化性向上効果が得られる可能性が考えられた。

餅搗き回数:150 回，水分率:31.7%，焼成:電子レンジ 600W2 分

４

おわりに

内温度は 100℃，120℃，140℃とし，各庫内温度にて餅従来よりも食感の軽い米菓の開発のため，餅生地製造

生地を 80℃，90℃，100℃まで加熱した。予熱条件一覧

条件及び焼成条件が米菓の膨化性に及ぼす影響を検討

を表１に，焼成品の比容積を測定した結果を図８に示した結果，以下の知見を得た。

す。庫内温度で比較すると，低温で時間をかけて加熱す（1）餅搗き回数を増やすことで，生地中の残存米粒のるより，高温で急速に加熱することで比容積が高い結果破砕が進行し，焼成品の比容積が上昇するとともとなった。一方，いずれの庫内温度においても，餅生地に，硬さが低減し軽い食感につながることが明ら

を高温に加熱するほど比容積が低下した。また，予熱をかとなった。しかし，餅搗きによる膨化性の向上

一切行わずに焼成したものと比較すると，いずれの予熱には限界があるものと考えられた。

条件も比容積が低い結果であり，今回の試験条件におい（2）餅生地の水分率は 30％付近において焼成品の比容ては，膨化性向上のためには予熱処理は不利であるとの積が最も高く，テクスチャー測定結果も低値を示結論に至った。これは，予熱により餅生地が乾燥し，焼した。これより水分が不足しても過剰でも膨化性

成時の蒸気発生量が減少してしまうことが主な要因とは悪化することが確認された。

考えられる。対策として，予熱による水分損失を見越し，（3）予熱処理を行うことで，焼成品の比容積が低下し予め餅生地水分率を高めに調整する方法が考えられた。

た。予熱を行う場合，高温で短時間の加熱とする

３．３．２

ことで比容積の低下を防ぐ結果となった。

膨化工程の検討

膨化工程における加熱出力が，米菓の膨化性に及ぼす（4）膨化処理では，高出力で加熱するほど比容積が向影響を検討するため，マイクロ波焼成時の加熱出力を上することが明らかとなった。餅生地に含まれる

500～800W の範囲で変化させ，焼成品の比容積を測定し水分を急激に蒸発させることが，米菓を大きく膨た。その結果，高出力で焼成したものほど比容積が上昇化させる重要な要素であると考えられた。

し，膨化が促進されることが明らかとなった（図９）。

米菓の膨化性は，各工程の処理条件により大きく影響

マイクロ波加熱は，食品中の水分子を振動させて温度をを受けることが明らかとなった。実際の製品製造におい上昇させるため，高出力で加熱することで餅生地中の水ては，上記の知見を踏まえつつ，各事業者の保有設備に分が急激に蒸発することが予想される。この蒸発の勢い応じた適切な製造条件を検討することが重要である。

を高めることで，焼成品をより大きく膨化させることが可能になるものと考えられた。なお，実際の製造現場に

参考文献

おいては，マイクロ波発振器（電源部）の能力や，マイ1) 斎藤昭三： "製菓辞典"，朝倉書店，390-420，（ 1981）

クロ波遮蔽材の耐久性が課題となり，大幅な加熱出力の2) 永島伸浩，川端晶子，中村道徳： "澱粉科学"，37

上昇は困難な場合が多い。その場合，時間あたりの餅生（4），243-250，（1990）- 18 -

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

研究報告No.19 (2022)

受託研究

県産トウガラシのおいしさの見える化に向けた前処理法・測定条件の確立
伊藤

和子*

石田

莉菜*

Establishment of the Pretreatment Method and the Measurement Condition for
Visualization of the Taste of Capsicum Annum from Tochigi Prefecture
ITOH Kazuko and ISHIDA Rina
県産トウガラシのおいしさを見える化するため，味覚センサー及び DHS-GC/MS を用いた味・香り測定に関する最適な前処理法・測定条件を検討した。その結果，味覚センサー測定前処理時の抽出温度は50℃，DHS-GC/MS 測定条件は DHS-MVM 法がトウガラシ分析に適していた。
確立した方法により，中国産天津三鷹を対照として県産トウガラシ 7 種（信鷹・鷹の爪・山房・望都・
益都・栃木三鷹・新三鷹）の味・香りを測定した結果，県産トウガラシは中国産に比較して苦味雑味，旨味及び旨味コクが高い傾向にあることや，香りが強く，甘く香ばしい香りの特徴を有することが明らかになった。
Key Words : トウガラシ，おいしさの見える化，味覚センサー，香気分析

１

はじめに

て粉末化したものを用いた。なお，天津三鷹は中国産

栃木県大田原市はトウガラシ収穫量日本一であり，であり，信鷹・鷹の爪・山房・望都・益都・栃木三鷹・市内の生産者・加工業者及び飲食店等で構成する「大新三鷹の 7 品種は，栃木県内の農家にて栽培したもの

田原とうがらしの郷づくり推進協議会」が，町おこしを用いた。

の一環として普及，新商品開発等に取り組んでいる。

粉末化後すぐに密閉し，速やかに DHS-GC/MS による

国産トウガラシは，外国産に比べて旨味や甘い香り

香気成分分析を実施した。その後，粉末を冷凍保存し，が強い等の特徴があるとされているが，こうした特徴

味覚センサー測定に供した。

を裏付ける十分なデータがないため，安価な外国産と２．２の品質の差が曖昧になり，市場拡大のネックになって

２．２．１

味測定
前処理

いる。このため，外国産とのおいしさ（味・香り）のコショウの前処理法に準じ，以下の方法を検討した。

違いや優位性を明らかにする必要があるが，強い辛み

トウガラシ粉末 3g を量りとり，任意の温度(90℃・50のため，ヒトの官能による評価が困難である。

℃・30℃)に調整した蒸留水 97g を加え，その温度に 10

そこで，本研究では味覚センサー及びダイナミッ

分間保持しつつ 1 分ごとに撹拌し抽出した。水冷後ろクヘッドスペース－ガスクロマトグラフ質量分析

過し，ろ液を測定用サンプル液とした。なお，旨味先(DHS-GC/MS)法を用いて，味・香り分析に最適な前味については，1/3 に希釈した味覚センサー用基準液処理法・測定条件を確立し，さらに確立した方法でにより測定用サンプルを 18 倍希釈したものを用いた。

県産トウガラシのおいしさの見える化に取り組んだ

２．２．２

ので報告する。

機器測定

２．２．１で調製した測定用サンプル液を用い，味覚センサー（㈱インテリジェントセンサーテクノロジ
２

２．１

研究の方法

ー製 TS-5000Z）で酸味・苦味雑味・渋味刺激・塩味・

トウガラシ粉末

苦味（後味）・渋味（後味）・旨味コク（後味）を測

ト ウ ガ ラ シ 粉 末は 未 焙 煎 とし ， 吉 岡 食 品 工業 (株 )に＊

栃木県産業技術センター

定した。なお，旨味先味については，上述したとおり，
希釈したものを用いて別途測定した。

食品技術部- 19 -

栃木県産業技術センター

２．３

研究報告

No.19 (2022)

香り測定のため，気温が高い時期には 30℃を保持することも香 気 成 分 測 定 は ， ト ウ ガ ラ シ 粉 末 0.2g に 蒸 留 水

難しいと考えられる。

0.1mL，内部標準として 0.05%(v/v) 1-プロパノール水

以上のことから，50℃での抽出が最適と考え

溶 液 を 10µL 加 え た も の を 測 定 試 料 と し (N=3)， DHSTenax TA を用いた。試験前処理として，各測定試料を0.4

N 2 パージして香気成分の各吸着管への吸着を行い，さ

0.2

渋味刺激

GC/MS 法 に よ り 行 い ， 吸 着 材 は Carbopack B&X 及 び

られた。
0.6

30℃
栃木三鷹

0
-2 90℃益都-0.2 0らにその吸着管を 30℃下で 50mL/分の流速で所定時間
ド ラ イ パ ー ジ を 行 い ， 加 熱 脱 着 装 置 （ Gerstel 社 製
TDU2 ） 付 DHS-GC/MS （ Agilent Technologies 社 製-0.45977B）に供した。

-0.6

2

90℃新栃木三鷹-1℃ /min 昇 温 -300℃ (3min)と し ， CIS:-50℃ (0.5min)720℃ /min 昇 温 -210℃ (20min)と し た 。 測 定 装 置 条 件

図１は，カラム:DB-WAX(30m,0.25mm,0.25µm)，オーブン温度：40℃(5min)-10℃/min 昇温-240℃(10min)，キャリ

３．２

450℃新栃木三鷹-0.8

加熱脱着装置の温度条件は，TDU:30℃(0.3min)-720

50℃
栃木三鷹

90℃栃木三鷹

30℃新栃木三鷹

苦味雑味

50℃益都

6

30℃益都

バブル：旨味

味覚センサー測定前処理法の検討結果

DHS-GC/MS による香り測定条件検討

アガス：He 1.6768mL/min，トランスファーライン温度

３．１と同様のサンプルを用いて，トウガラシの香：240℃，イオン源温度：230℃，イオン化モード：EI，

り分析に最適な DHS-GC/MS 条件を検討した。測定条件

イオン化電圧：70eV で測定を行った。得られたガスク

は表１に，結果を図２に示す。全ての測定条件においロマトグラムのピークから，Aroma Office 2D（Gerstelて，トウガラシ各品種に特有の成分がそれぞれ検出さ社製）によりにおいを有する化合物のみを抽出し，それた。そのため，品種ごとの違いを比較するには 3 条の後，多変量解析ソフト Mass Profiler Professional

件すべての分析が必要であると考えられた。よって，（Agilent Technologies 社製）を用いて，抽出した成3 条件を同時に測定可能な Multi Volatile Method

分中の再現性の高い化合物の絞り込み（CV<25）及びそ（以下，MVM）がトウガラシの特徴を把握する最適なれらのクラスター解析を行った。

条件であると考えられた。
３．３

３
３．１

結果及び考察トウガラシのおいしさの見える化

３．３．１

味測定前処理法の検討

味の見える化中国産の天津三鷹を対照とし，信鷹・鷹の爪・山

栃木三鷹・新三鷹・益都の 3 品種を用い，3 つの温房・望都・益都・栃木三鷹・新三鷹の 7 品種について度条件(90℃・50℃・30℃)で抽出前処理し味覚センサ

味覚センサーにより測定し，おいしさの見える化を行ーで測定した結果を図１に示す。90℃抽出の栃木三鷹

った結果を図３に示す。酸味はすべての品種においてを対照として測定した。90℃抽出では，他の条件と比検出されなかった。また，塩味も少なく，中国産と国較して「苦味雑味」の値が低く，応答している物質が産の違いは明確ではなかった。渋味刺激・苦味（後熱に弱い可能性が考えられた。他の味覚は抽出温度で味）・渋味（後味）は，産地よりも品種による違いのは大きな影響はみられなかったため，30℃・50℃とも方が大きかった。

に適していると考えられた。

中国産と国産による違いが大きいのは苦味雑味・旨

作業性としては，90℃を保って抽出操作をすること

味及び旨味コクであり，その 3 つの味覚について国産は難しく，値のバラつきにつながると考えられた。まトウガラシが高い傾向があるという特徴を見える化す

た，一般に普及されている恒温槽の性能は室温＋5℃ることができた。

表１
No.

捕集香気

1

トップ/ミドルノート

2

ミドル/ベースノート

3

不揮発性成分

DHS-GC/MS 測定条件

吸着剤
Carbopack

B&X

吸着条件
+

パージ条件

25℃，100mL/min，6.5min

12min ドライパージ

Tenax TA

80℃，10mL/min，6min

12min ドライパージ

Tenax TA

80℃，100mL/min，35min

ドライパージなし

Shincarbon-X- 20 -

研究報告

No.19 (2022)

図２

DHS-GC/MS 測定条件検討結果*No.は表１に対応

栃木県産業技術センター- 21 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

栃木三鷹と異なる香りであった。(**)の成分は山房，

2

望都

望都，益都に特徴的な成分群である。これらの 3 品種

山房

益都

1.5

は他の品種とは異なる甘く重い香りを有していた。

旨味コク(***)の成分は中国産の天津三鷹にのみ含まれる成分

1

0.5
天津三鷹

鷹の爪

0
-0.5
-0.5

図３

0.5

1.5

信鷹

群である。栃木三鷹と元は同じ品種であるにも関わら新三鷹

ず，官能では，天津三鷹は甘く香ばしい香りが弱く，異なる香りを有していた。よって、これら成分が県産

栃木三鷹

2.5

3.5

苦味雑味

トウガラシとの香りの違いに影響している可能性が示

4.5

唆された。

バブル：旨味４

味覚センサーによるおいしさの見える化

３．３．２

おわりに

トウガラシのおいしさの見える化に最適な前処理

香りの見える化法・測定条件を検討し，味覚センサー・DHS-GC/MS そ

トウガラシ各品種を MVM にて測定し，おいしさの見

れぞれについて方法を確立した。その結果を用いて 8

える化を行った結果を図４に示す。また，各品種に特品種のトウガラシを評価し，栃木県産トウガラシの特徴的な香気成分を表２に示す。図中の(*)で示した成徴を見える化した。

分は栃木三鷹に特徴的な成分である。官能では甘く香

これまでは，辛みにより客観的な味・香りの評価がばしい，強い香りが特徴であり，香気成分分析におい困難であったが，今回の結果により，栃木県産トウガてもバニラ・ハチミツ様の成分，香ばしさを示す成分

ラシの優位性を打ち出して発信力強化に結びつくと考が検出された。新三鷹は，栃木三鷹とおおむね近い傾えられる。

向であったが，(*)の成分は見られず，官能でもやや
表２
品種名（試料名）

栃木三鷹（*）

山房・望都・益都（**）

天津三鷹（***）

各品種に特徴的な香気成分

香 気成分

香 気の特 徴（ Character）

E-Hex-2-enol

floral, green, cortex, earthy

heptadecane

perfumemethyl vanillate

honey, vanilla, spicy, guaiacol, カ ーネ ーショ ン

2,3-pentadione

caramel, buttery, creamy, nutty, almond, diacetyl acetoin

pentadecane

green, waxy

3,5-octadien-2-one

citrus-like, fatty, fruity, mashroom

hexa-4-olide

coconut-like, tobacco, coumarinic, vanillamethionol

baked vegetables, sulfurous, meaty

pentadecanalsweet, fresh, waxy

p-xylene

medicinal

2-methyltetrahydrofuran-3-one

bread, 溶 剤

5-methylfurfuralalmond-like, coffee-like, bready, brown

4-terpineol

apple, spicy, citrus, woody

butyric acidaged cheesebeta-caryophyllene

camphor-like, spicy, clove, dry

4-methylacetophenone

hay, floral, 木 やスパ イス

2-Pentadecanone

burnt, fresh, jasmin, celery, floral, waxy

pantolactone

balsamic

Ethyl myristate

mild waxy, violet

4-Chlorophenol

消 毒臭- 22 -

図４- 23 ：栃木三鷹に特徴的な成分：山房・望都・益都に特徴的な成分：天津三鷹（中国産）に特徴的な成分

**
***

研究報告

*

DHS-GC/MS（MVM）によるおいしさの見える化

栃木県産業技術センター
No.19 (2022)

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

受託研究二軸オープンロール機を用いて作製したセルロースナノファイバーマスターバッチの性能評価
小林 愛雲*

渡辺 克人*

Evaluation of Cellulose Nanofiber/Polypropylene Master Batches Compounded using
Open Roll Continuous Kneader
KOBAYASHI Azumi and WATANABE Katsuto
二軸オープンロール機（ロール機）を用いて作製された 50 wt% セルロースナノファイバー（CNF）/ポリプロピレン（PP）マスターバッチ（MB）について，二軸混練押出機による希釈混練条件を検討して 10 wt%
CNF/PP ペレットを作製した。作製したペレット断面には，幅数 µm から数十 µm の CNF 凝集物が確認された。
ロール機温度が低いと，10 wt% CNF/PP 成形品の希釈混練条件の違いによる引張強度の差は大きく，引張，曲げ強度・弾性率は高い傾向があった。相溶化剤濃度を変えて作製された MB から作製した 10 wt% CNF/PP ペレットの CNF 凝集物－PP 界面の隙間は，相溶化剤 0 wt%では多く，50 wt%ではほとんど見られなかった。成形品の引張，曲げ強度は相溶化剤の添加で大きく向上したが，相溶化剤濃度による差は大きくなかった。
Key words: セルロースナノファイバー，マスターバッチ，混練，元素マッピング，射出成形

１

はじめに

２

植物由来の繊維であるセルロースナノファイバー

２．１（CNF）を樹脂内部に分散させた CNF 複合樹脂は，軽く２．１．１て高強度であることから，自動車，家電業界等から注目されている

1),2)

研究の方法

CNF/PP MB の希釈混練
ロール機温度の検討

委託者がロール機を用いて作製した 2 種類の 50 wt%。CNF 複合樹脂を成形する際には，通CNF/PP MB（CNF に対する相溶化剤濃度：2.5 wt%）（以常 CNF を高濃度に含有した樹脂ペレット（マスターバ

下 MB1，MB2）について次のとおり希釈混練を行った。なッチ：MB）を原料樹脂ペレットに混合し，所定濃度にお MB1 と MB2 は原料の配合は同じだが，ロール機の排出希釈して成形する。製品の適性に応じて CNF 濃度を調直前温度（非開示）が MB1 より MB2 の方が 5℃低い条件

整し，樹脂材料設計の自由度を高めるため，CNF を高濃で作製されている。

度化した MB が求められている。

MB1，2 を箱形乾燥機（(株)松井製作所製 PO-50SH-J）

委託者では，フィラーを高濃度に混練できる二軸オ

で 80 ℃，8 h 予備乾燥した後，MB1，2 と CNF を含まな

ープンロール機（以下ロール機）を用いて，CNF を高濃

い PP（以下ニート PP）ペレットをそれぞれ 1 対 4 でド度に配合したポリプロピレン（PP）MB を作製していライブレンドし，原料とした。原料を二軸混練押出機（芝る。しかし CNF/PP MB の CNF 分散性は十分でなく，ま浦機械(株)製 TEM-18DS）を用いて，原料フィーダー流量

た希釈成形品においては，CNF の複合化による強度向上

2.5 kg/h，混練温度 155（MB2 のみ），165，175，185℃，の効果が十分得られていない。そこで本研究では，高スクリュー回転数 100，300，500 rpm で希釈混練し，得濃度，高分散な CNF/PP MB の作製を目的に，委託者がられた溶融樹脂（ストランド）を水冷した後，ペレタイ

ロール機による処理条件を検討して作製した CNF/PP MB

ザーでカットしペレット化することで 10 wt% CNF/PP ペについて，県南技術支援センターが二軸混練押出機にレットを作製した。

よる希釈混練条件の検討と，希釈混練により得られた

２．１．２

ペレットの CNF 分散状態，物性評価を行ったので報告

2 段階希釈混練の検討

MB2 を①CNF 50 wt%→20 wt%→10 wt%（以下 50→20→する。

10），②CNF 50 wt%→30 wt%→10 wt%（以下 50→30→
10）の 2 条件で 2 段階希釈混練した。

*

栃木県産業技術センター

MB2 を箱形乾燥機で 80 ℃，8 h 予備乾燥した後， MB2

県南技術支援センター- 24 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)とニート PP ペレットを CNF が①20 wt%または②30 wt%

トローク 0.5 mm）で測定した。引張弾性率の測定には接になるようドライブレンドし，原料とした。原料を二軸触式伸び計（(株)島津製作所製 SSG50-10SH）を用いた。

混練押出機を用いて，原料フィーダー流量 2.5 kg/h，混

短冊形試験片の曲げ強度・弾性率は JIS K 7171：2016 に

練温度 165℃，スクリュー回転数 100 rpm で希釈混練し，より万能材料試験機（50 kN）を用いて，支点間距離 64

２．１．１と同様の方法で①20 wt%，②30 wt% CNF/PP

mm，試験速度 2 mm/min で測定した。曲げ弾性率の測定

ペ レ ッ ト を そ れ ぞ れ 作 製 し た 。 ① 20 wt% ， ② 30 wt%にはたわみ測定装置（(株)島津製作所製 3 点曲げ試験用

CNF/PP ペレットとニート PP ペレットを CNF が 10 wt%にたわみ測定装置）を用いた。

なるようドライブレンドし，前述と同じ条件で希釈混練
して 10 wt% CNF/PP ペレットを作製した。
２．１．３

３

相溶化剤濃度の検討

３．１

結果及び考察ロール機温度の検討

委託者がロール機を用いて，相溶化剤濃度を変えて作作製した 10 wt% CNF/PP ペレット（以下 CNF/PP ペレ

製した 50 wt% CNF/PP MB（CNF に対する相溶化剤濃度：ット）と試験片は，二軸混練押出機の混練温度，スクリ

0，5，10，50 wt%）（以下 MB3）について，次のとおり

ュー回転数が高いほど黄変する傾向が見られた。ニート

希釈混練を行った。

PP ペレットを二軸混練押出機で処理後，射出成形して得MB3 を箱形乾燥機で 80 ℃，8 h 予備乾燥した後，MB3た試験片は，混練温度，スクリュー回転数による黄変等とニート PP ペレットを 1 対 4 でドライブレンドし，原の変化が見られなかったことから， CNF/PP ペレット，料とした。原料を二軸混練押出機を用いて，原料フィー

試験片の黄変は，CNF が変色したことによるものと考え

ダー流量 2.5 kg/h，混練温度 165℃，スクリュー回転数られる。

100 rpm で希釈混練し，２．１．１と同様の方法で 10 wt%

MB1 を混練温度 165，175，185℃，スクリュー回転数

CNF/PP ペレットを作製した。

100 rpm で希釈混練し作製した成形品 1 の引張，曲げ試

２．２

験の結果を図１a)に，MB2 を混練温度 155，165，175，

CNF/PP ペレットの CNF 分散状態評価

10 wt% CNF/PP ペレットを液体窒素中で切断し，断面185℃，スクリュー回転数 100 rpm で希釈混練し作製しを金（Au）蒸着後，走査型電子顕微鏡：SEM（日本電子(株)た成形品 2 の結果を図１b)に示す。ニート PP と比較す

製 JSM-IT200LA）を用いて加速電圧 5 kV，照射電流（PC）

ると，成形品 1 の引張強度は変わらないものの，引張弾

30 で観察した。また SEM 付属のエネルギー分散型 X 線

性率，曲げ強度・弾性率は高くなった。また成形品 1 の分析装置を用いて，加速電圧 8 kV，PC50，デュエルタイ

引張，曲げ強度・弾性率すべてにおいて，混練温度によム 0.20 ms，スイープ回数 20 で元素マッピングした。

る有意差は見られなかった。一方，成形品 2 は，引張，

２．３

曲げ強度・弾性率すべてにおいてニート PP より高くな試験片の作製

作 製 し た 10 wt% CNF/PP ペ レ ッ ト を 箱 形 乾 燥 機 でった。また 165℃で混練し作製した成形品 2 の引張，曲80 ℃，6 h 予備乾燥した後，射出成形機（日精樹脂工業

げ強度は，他の温度で混練した成形品よりわずかに高い(株)製 NEX 80Ⅳ-9EG）を用いてシリンダー温度 180℃，

ことが明らかとなった。

射出速度 10 mm/min，保圧 23 MPa，保圧時間 21 s，金型

混練温度 165℃，スクリュー回転数 100，300，500 rpm

温度 48℃（固定側ミラープレートの熱電対により計測しで希釈混練し作製した成形品の結果を図２に示す。ニー調整）で成形し，得られた成形品をゲートカットして JIS

ト PP と比較すると，成形品 1 の引張弾性率，曲げ強度・

K7139：2009 のダンベル形引張試験片タイプ A1 を作製

弾性率は高くなった。また 100 rpm で混練し作製した成した。またダンベル形引張試験片の一部を樹脂試験片ノ形品 1 の引張強度は，300，500 rpm で混練した成形品よッチ加工機（(株)安田精機製作所製 No.189-PNCA）を用りわずかに高いことが分かった。一方，成形品 2 は，引いて加工し，短冊形試験片を作製した。ニート PP ペレ張，曲げ強度・弾性率すべてにおいてニート PP より高ットについても同様に射出成形し，試験片を作製した。

くなった。また 100 rpm で混練し作製した成形品 2 の引

以下，MB1～3 を希釈混練して作製した 10 wt% CNF/PP 成張，曲げ強度は，300，500 rpm で混練した成形品よりわ

形品をそれぞれ成形品 1～3 とする。

ずかに高いことが分かった。

２．４

試験片の物性評価

成形品 2 は成形品 1 よりも希釈混練条件の違いによる

作 製し たダ ンベル 形引 張試験 片の 引張 強度・ 弾性率

引張強度の差が大きく，また引張，曲げ強度・弾性率すは，JIS K 7161-1：2014 により万能材料試験機（50 kN）

べてにおいて高い傾向があることが分かった。これは（(株)島津製作所製 AG-50kN-XV（特型））を用いて，試MB2 の作製時におけるロール機の排出直前温度が MB1 よ験速度 v 1=0.5 mm/min，v 2=5 mm/min（速度切替位置：ス

り 5℃低いため，せん断応力が大きくなり，CNF の分散- 25 -

引張強さ [MPa]

35.0

2.4

30.0

2.4

2.1

25.0

37.4

37.3

3.0

70.0

2.4 2.5

60.0

2.0

20.0

1.5

15.0

1.0

10.0

0.5

5.0
0.0
175

2.5

2.5

3.0

62.2

2.5 2.5

2.2

50.0

2.0

40.0

1.5

30.0

1.0

20.0

0.5

10.0

0.0
165

ニートPP

62.5

61.8

57.9

0.0

185

曲げ弾性率 [GPa]

37.3

37.3

曲げ強さ [MPa]40.0No.19 (2022)

引張弾性率 [GPa]栃木県産業技術センター 研究報告

0.0
165

ニートPP

混練温度 [℃]175185

混練温度 [℃]a) 成形品 1

2.7

2.6

37.8
2.6

3.0
2.6 2.5

2.1

2.0

20.0

1.5

15.0

1.0

10.0

0.5

5.0
0.0

70.0
60.0

165

175

64.1

64.0
2.7

2.7

3.0
2.7

2.7

2.2

1.5

30.0

1.0

20.0

0.5

0.0

185

2.5
2.0

40.0

10.0

0.0
155

ニートPP

50.0

65.3

64.1

57.9

曲げ弾性率 [GPa]

25.0

37.8

曲げ強さ [MPa]引張強さ [MPa]

35.0
30.0

38.4

37.8

37.3

引張弾性率 [GPa]

40.0

0.0
155

ニートPP

混練温度 [℃]

165

175

185

混練温度 [℃]b) 成形品 2

引張強さ [MPa]

35.0

37.1
2.4

2.4

30.0

37.1

3.0

70.0

2.4 2.5

60.0

2.1

25.0

2.0

20.0

1.5

15.0

1.0

10.0

0.5

5.0
0.0
300

2.5

3.0

63.3
2.7

2.6

2.2

50.0

1.5

30.0

1.0

20.0

0.5

0.0

500

2.5
2.0

40.0

10.0

0.0
100

ニートPP

63.3

61.8

57.9

曲げ弾性率 [GPa]

37.3

37.3

曲げ強さ [MPa]40.0

混練温度の違いによる 10 wt% CNF/PP 成形品の引張，曲げ強度・弾性率

引張弾性率 [GPa]

図１

0.0
ニートPP

スクリュー回転数 [rpm]

100

300

500

スクリュー回転数 [rpm]a) 成形品 1

引張強さ [MPa]

25.0

37.8
2.7

2.6

2.1

3.0

70.0

2.5

60.0

2.0

20.0

1.5

15.0

1.0

10.0

0.5

5.0
0.0
100

300

64.8
2.7

64.7

2.2

1.5

30.0

1.0

20.0

0.5
0.0
ニートPP

スクリュー回転数 [rpm]

2.5
2.0

40.0

0.0

500

3.0
2.7

2.7

10.0

0.0
ニートPP

50.0

65.3
57.9

曲げ弾性率 [GPa]

2.7

35.0
30.0

37.9

曲げ強さ [MPa]

38.4

37.3

引張弾性率 [GPa]

40.0

100

300

500

スクリュー回転数 [rpm]b) 成形品 2
図２

スクリュー回転数の違いによる 10 wt% CNF/PP 成形品の引張，曲げ強度・弾性率性が向上したためと推察される。

たペレット断面の SEM 像は示していないが，今回検討しMB2 を 165℃，100 rpm で希釈混練し作製した CNF/PP

たすべての条件において，CNF/PP ペレット断面には，幅ペレット断面の SEM 像を図３に示す。他の条件で作製し数 µm から数十 µm の CNF 凝集物が複数確認された。CNF- 26 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

凝集物－PP 界面の一部に隙間（図３の丸で囲んだ部分）

る強度向上よりも，劣化による強度低下の影響が大きいが見られたことから，CNF と PP の密着性は不十分であためと推察される

ると考えられる。また CNF/PP ペレット断面を SEM で元以上３．１，３．２の検討から，ロール機，二軸混練

素マッピングしたところ，酸素（O）と CNF 凝集物の位押出機の条件変更のみによる大幅な物性，CNF 分散性向

置が一致することが明らかになった（図４）。酸素（O）

上は困難であり，材料の見直し（CNF の疎水化，相溶化

マッピングにより幅数 µm 以上の CNF 凝集物の分散状態

剤濃度の検討等）が必要であることが示唆された。

が評価可能と見込まれることから，本手法により各

３．３

相溶化剤濃度の検討

CNF/PP ペレット断面の酸素（O）マッピングを行った（図作製した CNF/PP ペレット断面の SEM 像を図８に示す。

５）。その結果，CNF 凝集物サイズ，分散状態において，相溶化剤 0 wt%のペレット断面には，CNF 凝集物－PP 界

MB 作製時のロール機温度，希釈混練時の混練温度，スク面の隙間が多く観察された。また CNF が抜けてできたと

リュー回転数による明らかな差は見られなかった。

みられる穴（図８の矢印部）が観察された。一方で相溶

３．２

化剤 50 wt%のペレット断面には，CNF 凝集物－PP 界面

2 段階希釈混練の検討

MB2 において，最も高い強度を示した 165℃，100 rpmの隙間がほとんど見られなかったことから，相溶化剤濃の条件で 2 段階希釈混練（以下 2 段階希釈）を検討し度を高くすることで，CNF－PP 界面の密着性が向上するた。2 段階希釈により作製した CNF/PP ペレット断面のことが確認された。なお SEM 像は示していないが，相溶SEM 観察，酸素（O）マッピング（図６）を行った。SEM

化剤 5，10 wt%のペレット断面には，図３と同程度の CNF像は示していないが，CNF/PP ペレット断面には，図３（1

凝集物－PP 界面の隙間が観察された。作製した CNF/PP

段階希釈（50→10））と同様の CNF 凝集物及び CNF 凝集

ペレット断面の酸素（O）マッピング像を図９に示す。

物－PP 界面の隙間が見られた。また図６より，1 段階希

CNF 凝集物サイズ，分散状態において，相溶化剤濃度に釈と 2 段階希釈において，CNF 凝集物サイズ，分散状態

よる明らかな差は見られなかった。

の明らかな差は見られなかった。CNF 等のセルロース繊

各成形品 3 の引張，曲げ試験の結果を図 10 に示す。

維は相溶性の良い樹脂との溶融混練時には分散（解繊）

成形品 3 の引張，曲げ強度は相溶化剤の添加で大きく向3)が進行することが知られているが ，疎水性の高い PP と上することが明らかとなった。しかし今回検討した条件の相溶性は良くないため，今回検討した原料においては

においては，相溶化剤濃度による差は大きくなかった。

希釈段数を増やしてもそれほど分散しなかったと考え

データは示していないが，ニート PP ペレットと相溶化られる。

剤をドライブレンドし，射出成形して得た試験片の引張

成形品 2 の希釈条件（段数）の違いによる引張，曲げ強さは，相溶化剤濃度が高いと低下する傾向が見られ試験の結果を図７に示す。2 段階希釈（50→20→10，50た。相溶化剤濃度を高くすると CNF－PP 界面の密着性は→30→10）の引張，曲げ強度は，1 段階希釈（50→10）

向上する一方で，PP の強度は低下するため，相溶化剤濃より低くなった。これは 2 段階希釈に伴う CNF 分散によ

度による強度差は大きくなかったと考えられる。

図３

MB2 を 165℃，100 rpm で希釈混練し作製した 10 wt% CNF/PP ペレット断面の SEM 像

50 μm

SEM

図４

炭素（C）

酸素（O）

MB2 を 165℃，100 rpm で希釈混練し作製した 10 wt% CNF/PP ペレットの元素マッピング像- 27 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

185℃，100 rpm

185℃，100 rpm

1 段階希釈（50→10）

175℃，100 rpm

175℃，100 rpm

2 段階希釈（50→20→10）

165℃，100 rpm

165℃，100 rpm

2 段階希釈（50→30→10）
50 μm

図６

希釈条件（段数）の違いによる 10 wt% CNF/PP ペレット（ペレット 2）断面の酸素（O）マッピング
像

165℃，300 rpm

40.0

38.4

37.3

引張強さ [MPa]35.0

165℃，500 rpm

165℃，500 rpm

37.8
2.7

30.0

37.6
2.6

3.0
2.6 2.5

2.1

25.0

2.0

20.0

1.5

15.0

1.0

10.0

0.5

5.0
0.0
ニートPP

50→10

50→20→1050→30→10

引張弾性率 [GPa]165℃，300 rpm

0.0

希釈条件

60.0

曲げ強さ [MPa]50 μm
155℃，100 rpm
ａ）

図５

ｂ）

10 wt% CNF/PP ペレット断面の酸素（O）

50.0

3.0

63.7
2.7

2.7

2.2

1.5
1.0

20.0

a) MB1 を希釈混練し作製したペレット

0.0

2.5
2.0

30.0
10.0

0.5
0.0
ニートPP

（ペレット 1）

63.7
2.7

40.0

マッピング像b) MB2 を希釈混練し作製したペレット

65.3
57.9

曲げ弾性率 [GPa]

70.0

50→10

50→20→1050→30→10

希釈条件

図７

希釈条件（段数）の違いによる 10 wt% CNF/PP 成
形品（成形品 2）の引張，曲げ強度・弾性率（ペレット 2）- 28 -

栃木県産業技術センター

相溶化剤 0 wt%

図８

研究報告

No.19 (2022)

相溶化剤 50 wt%

MB3 を希釈混練し作製した 10 wt% CNF/PP ペレット断面の SEM 像

50 μm
5 wt%

相溶化剤 0 wt%

31.9 2.6

引張強さ [MPa]

35.0
30.0
25.0

38.1

37.2
2.5

2.4

2.1

3.0

70.0

2.5 2.5

60.0

2.0

20.0

1.5

15.0

1.0

10.0

0.5

5.0
0.0

0.0
ニートPP

0

5

10

2.9

４

64.2
2.7

2.7

50.0

3.0
2.5
2.0

30.0

1.5

20.0

1.0

10.0

0.5

0.0

50

3.5
2.7

2.2

40.0

0.0
ニートPP

CNFに対する相溶化剤濃度 [wt%]

図 10

65.2

64.2

58.7

57.9

曲げ弾性率 [GPa]

38.1

37.3

曲げ強さ [MPa]40.0

50 wt%

MB3 を希釈混練し作製した 10 wt% CNF/PP ペレット断面の酸素（O）マッピング像

引張弾性率 [GPa]図９10 wt%

0

5

10

50

CNFに対する相溶化剤濃度 [wt%]

10 wt% CNF/PP 成形品（成形品 3）の引張，曲げ強度・弾性率

おわりに（3）MB2 を 2 段階希釈混練して作製した成形品は，1 段

高濃度，高分散な CNF/PP MB の作製を目的に，委託者

階希釈で作製した成形品と比較して，CNF 分散状態

がロール機による処理条件を検討して作製した 50 wt%

は同等であり，引張，曲げ強度は低下した。

CNF/PP MB について，二軸混練押出機による希釈混練条（4）相溶化剤濃度を変えて作製された MB3 を希釈混練件を検討し，10 wt% CNF/PP ペレットを作製した。作製し作製した 10 wt% CNF/PP ペレットの CNF 凝集物

したペレットの CNF 分散状態を SEM により，物性を射出－PP 界面の隙間は，相溶化剤 0 wt%では多く，50

成形後，引張，曲げ試験により評価し，次の知見を得た。

wt%ではほとんど見られなかった。成形品の引張，（1）10 wt% CNF/PP ペレット断面には，幅数 µm から数

曲げ強度は相溶化剤の添加で大きく向上したが，十 µm の CNF 凝集物が複数確認された。またペレッ

相溶化剤濃度による差は大きくなかった。

ト断面の元素マッピングにより，酸素（O）と CNF
凝集物の位置が一致することが明らかになった。

参考文献
1) 矢野浩之： "日本ゴム協会誌 "，85（12），376-381，（2）MB1 より低温で作製された MB2 を希釈混練し作製した成形品 2 は，成形品 1 よりも希釈混練条件の（2012）

違いによる引張強度の差が大きく，また引張，曲げ2) 矢野浩之： "工業材料 "，68（8），14-16，（2020）

強度・弾性率が高い傾向があった。

3) 仙波健： "WEB Journal"，2018.11，10-12，（2018）- 29 -

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.19 (2022)

重点研究

金属 3D プリンタ造形品の構造部材適用に向けた
耐久性・信頼性に関する研究
石川 信幸＊

髙岩

徳寿＊

柏崎

親彦＊

Study on Durability and Reliability for Application to
Structural Members of Metal 3D Printer
ISHIKAWA Nobuyuki, TAKAIWA Norihisa and KASHIWAZAKI Chikahiko
金属 3D プリンタによる造形品（金属積層造形品）は，造形時に発生する空隙等に起因し機械加工品等と比べ機械的性質が劣るとされ，疲労特性に関するデータも少ない。本研究では，3D プリンタの構造部材適用に向け，造形後に施した処理が造形品に及ぼす機械的性質及び疲労特性を評価した。時効処理無し試料と時効処理試料は，ほぼ同等の疲労限度となり溶製材の約 50％の疲労強度となることがわかった。時効処理後ショットブラストを施し表面に圧縮の残留応力を付与した試料は，未処理品に比べ疲労限度が 30％向上することが認められた。
Key Words: 3D プリンタ，金属積層造形，高サイクル疲労, マルエージング鋼

１

はじめ に

２

今日のものづくりは，多品種少量生産に移行してい２．１

研究の 方法

供 試材及び 試験片る 中 ， い か に 効 率 良 く 高 付加 価 値 の 製 品 を 製 造 す る か

供試材は，マ ルエージ ング 鋼粉末を用 いて金属 3D プ

が課題とな っている。この ような中で，3D プ リンタにリンタ（（株）ソ ディック 製・OPM-250L）によ り造形 し

よ る 造 形 品 を 治 具 や 金 型 など の 製 造 部 材 と し て だ け でた 。 造 形 条 件 は ， 髙 岩 ら の研 究 に よ っ て 断 面 の 密 度 がは な く ， 最 終 製 品 や 部 品 とし て 直 接 活 用 し て い く 取 り

99.89%と 最大 とな る条 件を 採用し た 7) 。造 形条件 を表組みが注目 されている 1),2）。

１ に 示 す 。 素 材 は ， 図 １ に示 す と お り ベ ー ス プ レ ー ト

今後は，金 属 3D プリンタ を用いた 3D デー タからのに垂直な方 向に積層 し，直 径 10mm 長さ 150mm の丸棒 を直接製造による省力化の他，部品一体化による軽量

作 製 し た 。 ま た ， 造 形 に 使用 し た マ ル エ ー ジ ン グ 鋼 の化 ・ 機 能 化 ， オ ン デ マ ン ド製 造 な ど の 特 徴 を 発 揮 で き化 学 成 分 を 表 ２ に 示 す 。 造形 し た 素 材 を 試 験 片 形 状 にる設計・製 造技術へ のアプ ローチが必 要である

2)。

機 械 加 工 し た 。 試 験 片 形 状を 図 ２ に 示 す 。 機 械 加 工 後

しかし，一般 的に金属 3D プリンタ造 形品は，鍛造部の試験片の 一部に対 し，真 空熱処理炉（（ 株）サーマル

品 や 機 械 加 工 品 と 比 べ 機 械的 性 質 が 劣 る と さ れ ， 同 時

製 ・ VC-4） を 用 い て 図 ３ に 示 す 熱 処 理 サ イ ク ル で 時 効に 疲 労 特 性 に 関 す る 情 報 も少 な い 。 こ れ は ， 造 形 時 に処 理 を 施 し た 。 す な わ ち ， 340℃4 時 間 保 持 後 480℃3

発 生 す る 内 部 の 僅 か な 空 隙等 に 起 因 し て 機 械 的 性 質 や

時 間 保 持 し そ の 後 炉 冷 し た。 時 効 処 理 後 の 試 験 片 の 一

疲 労 強 度 が 低 く な る た め で， 機 械 構 造 部 材 や 機 構 部 材

部を粒 径 1.2mm の鉄系 ショ ットをショ ットタン ブラスなど への 適用 の妨 げ とな っ てい る 3)-6) 。 し たが って，ト（新東工 業（株）製・STB-0B

金 属 3D プ リ ン タ 造 形 品 の 機 械 構 造 部 材 等 へ の 適 用 を

間 投 射 し た （ 以 下 ， シ ョ ット 処 理 ）。 な お ， 本 処 理 は ，進 め る た め に は ， 造 形 品 の機 械 的 性 質 の み な ら ず 疲 労

機 器 の 構 造 上 詳 細 な 投 射 条件 を 設 定 で き な い 。 疲 労 試

特 性 を 把 握 し 耐 久 性 ・ 信 頼性 を あ ら か じ め 検 証 し て お験 に 供 す る 試 験 片 の 名 称 と処 理 を 表 ３ に 示 す 。 以 下 ，く必要があ る。

機械加工し た試験片 を「 時 効無し」，機械加 工後時効 処

TD-2G）を用いて 3 分

そこで本研 究では，金属 3D プリンタ造形 品の造形 後理した試験 片を「 時効処 理」，時効処 理後ショ ット処 理に 施 し た 処 理 と ， 造 形 品 の機 械 的 性 質 や 疲 労 特 性 と のを 施 し た 試 験 片 を 「 時 効 ＋シ ョ ッ ト 」 と 呼 ぶ こ と と す関係を把握 し，疲労 限度に ついて調査 した。

る。

＊

栃 木県産業 技術セン ター

機械電子 技術部- 31 -

栃木県産業技術センター

表１

研究報告

No.19 (2022)

素材 造形条件

２．２

機 械的性質 と残留 応力の測定

積層厚さ（mm）

0.04

試験片平行部軸方向の表面粗さ測定は，表面粗さ測

レーザー走 査ピッチ （mm）

0.12定システム（ アメテッ ク（ 株）製・PGI840）を用いた 。

レーザース ポット径 （mm）

0.2

平行部軸方 向の表面 残留応 力の測定は ，微小 部 X 線応レーザー走 査速度（ mm/ｓ ）1000

力測定装置（ リガク（株）製・Auto420

測定は，sin Ψ 法（Cr-Kα 線,α-Fe（211））で行っ た。

87.50

表 面 粗 さ 及 び 残 留 応 力 の 測定 は ， 試 験 片 加 工 の 工 程 毎

レーザーパ ワー（W）
エネルギー 密度（J/mm 3 ）MATE）を用い た 。

2に 全 数 測 定 を 行 い そ の 変 化を 確 認 し た 。 時 効 処 理 に より 表 面 粗 さ は 変 化 し な い ため 時 効 後 の 表 面 粗 さ 測 定 は省 略 し た 。 空 隙 率 及 び 硬 さ測 定 試 料 は ， 疲 労 試 験 後 のつかみ部よ り切り出 した。試料採取位 置を図４ に示す 。
硬さは，ロッ クウェ ル硬さ 試験機（（株）アカシ製 HR522）
を 用 い て 測 定 し ， 内 部 の 空隙 率 は ， 時 効 無 し ， 時 効 処
理各 3 本を研磨し，金 属顕 微鏡（オリン パ ス（ 株 ）製 ・
図１

GX71）によ り図５に 示す試 料中央と周囲 4 か所の 5 視

素材 造形方向野を 100 倍で撮影し た画像 を 2 値化処理し，空 隙の面

C
0.01
Cr
0.02

表２

化学 成分

Si
0.04
Mo
4.99

Mn
0.03
Co
8.99

P
0.01
Ti
0.98

積比の平均 値として 求めた 。

（ wt%）
S
0.00
Fe
Bal.

Ni
17.9

図４

図２

硬さ 及び空隙 率測定 試料採取位 置

試験 片形状図５
図３

時効 処理熱処 理サイ クル

２．３

光学 顕微鏡写 真撮影 位置

疲 労試験

疲労試験 は，電磁共振 式 疲労試験機（（ 株）ツビック
表３
試料名称
時効無し
時効処理
時 効 ＋ショット

試料 名と処理

処理
造形 素材から旋 盤で試 験片 形状に機械加工
時効無し試験 片を，真空熱処 理炉で340℃4h 保持，480℃3h 保持後炉冷
時効処理後に，粒径 1.2mm の鉄系ショ
ットをショットタンブラストで 3 分間投射

ロ ー エ ル 製 ・ Vibrophore100（ 図 ６ ）） を 用 い た 。 繰 返
し数は 1.1×10 7 回 まで行 っ た。疲労試 験後の破面は，
走 査 型 電 子 顕 微 鏡 （ 日 本 電 子 （ 株 ） 製 ・ JSM-5600LV）を用いて観 察した。

- 32 -

栃木県産業技術センター

表５

研究報告

No.19 (2022)

ロッ クウェル 硬さと 断面の空隙 率測定結 果

試料名ロックウェ ル硬さ

断面の空隙 率

HRC

（％）

34～37

0.23～0.26

時効無し
時効処理

0.22～0.29
51～54

時効＋ショッ
ト

３．２

－

疲 労強度

図８に室温大気環境下における疲労試験結果を示す。
時 効 無 し 試 料 と 時 効 処 理 試料 の 間 で は 大 き な 違 い は 見られなかっ た。1.1×10 7 回 疲労限度は およそ 300MPa で

３．１

図６

疲労 試験機３

結果及 び考察

あり，溶製材 の約 50％の強 度になった 8）。応力が 400MPa
以 下 に な る と 破 断 繰 返 し 数に ば ら つ き が 見 ら れ た 。 3D
プ リ ン タ 造 形 品 の 疲 労 強 度は ， 内 部 の 空 隙 や 密 度 に 影
響 を 受 け る と の 研 究 報 告 があ り ， 時 効 処 理 に よ り 材 料

試 験片の処 理と機 械的性質表４に試験片の表面粗さと表面残留応力の測定結果を 示 す 。 時 効 ＋ シ ョ ッ ト 試料 の 表 面 粗 さ は ， 時 効 無 し
及 び 時 効 試 料 の 表 面 粗 さ と同 等 で あ っ た 。 時 効 処 理 後の試料の硬 度はHRC51～54のため，ショ ット処理 を施 して も 表 面 の 変 形 は 起 き に くく 表 面 粗 さ が 変 化 し な か っ
た も の と 考 え ら れ る 。 表 面の 残 留 応 力 は ， 時 効 無 し 試
料 が 最 も 引 張 残 留 応 力 が 大き く ， 時 効 処 理 を 施 す こ と強 度 は 向 上 し た が ， 内 在 する 空 隙 が 同 等 の た め ほ ぼ 同
一線上にな ったと推 測され る 3) 。
時 効 ＋ シ ョ ッ ト 試 料 は ， 800MPaか ら 長 寿 命 側 に 推 移
し 疲 労 限 度 は 400MPaと な り 他 の 2試 料 に 比 べ 疲 労 限 度
が 30％ 向 上 し た 。 時 効 ＋ ショ ッ ト 試 料 は ， 表 面 の 圧 縮
応 力 が 初 期 亀 裂 発 生 を 抑 制し て 長 寿 命 化 に 至 っ た と 推測される。

よ り 引 張 残 留 応 力 は 減 少 した 。 さ ら に ， 時 効 ＋ シ ョ ット 試 料 は ， シ ョ ッ ト 処 理 によ り 圧 縮 残 留 応 力 が 付 与 さ
れた。
表４
試料名
時効無し
時効処理
時効＋ショット

表面 粗さと表 面残留 応力測定結 果
表面粗さ（ μm）

表面残留応

Ra

力（MPa）

Rz

0.4～2.0

2.9～8.7

0.5～1.1

3.6～7.1

時効無し試 料の断面 光学顕 微鏡写真

135～516106～267-243～-345

表５にロックウェル硬さと断面の空隙率の測定結果を 示 す 。 時 効 処 理 に よ っ て材 料 が 強 化 さ れ た こ と が 確
認 さ れ た 。 断 面 の 空 隙 率 は， 時 効 処 理 に よ る 変 化 は な

時効処理試 料か っ た 。 図 ７ に 空 隙 率 を 測定 し た 時 効 無 し 試 料 ， 時 効

図７

処 理 試 料 の 光 学 顕 微 鏡 写 真を 示 す 。 写 真 中 の 黒 色 部 が試料内部の 空隙であ る。

- 33 -

断面 光学顕 微鏡写真

断面 の光学顕 微鏡写 真栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

4

おわりに

金 属 3D プ リ ン タ で 造 形 し た マ ル エ ー ジ ン グ 鋼 造 形
品 に 機 械 加 工 ， 時 効 処 理 ，時 効 後 シ ョ ッ ト 処 理 を 施 した 3 種の試料の疲労 試験を 行い，以下 の知見を 得た。
（1）時効無し ，時効処 理が ほぼ同一の S-N 線上 になり ，
疲労限度は およそ 300MPa で溶製材の 50％程度 になった。空隙の割 合が同程 度のため ，時効無 しと時効処理の疲労限度に差が生じなかったと考えられる。
（2）シ ョット処 理を施す こ とで，表 面に圧縮 残留応 力が付与さ れ 800MPa 以下 の 応力で長寿 命化する ことが確認さ れ，疲労 限度は およそ 400MPａ であった 。 シ ョ ッ ト 処 理 を 行 わ な い 試 料 に 比 べ 33％ 疲
労限度が向 上した。
（3）試 験片表面 に，基 地と は異なる粒 子が露出 しているような場 合，早期に破 断 に至ること がわかっ た。
謝

辞本研究を 実施する にあた り多大なる ご指導を いただ
いた宇都宮 大学大学 院
高山教授

善匡 氏に深く 感謝申 し上げます 。

上図枠内応 力振幅600MPa以 下領域の拡 大図
図８

地 域創生科学 研究科

参考文献
1) 小岩井修 二："素形材 "，Vol.61No.7，21—26，（2020）

疲労 試験結果

2) チャック ハン・タ ン："素 形材 "，Vol.61No.7，34-39，
３．３

破 壊面観察（2020）

試験後の試 料を，走査 型電 子顕微鏡（SEM）で 観察し

3) 趙研，安 田弘行，當代光 陽，上田実，竹山雅 夫，中た結果を図 ９に示す 。図８ 中で寿命が 短かった 時効無

野貴 由： "スマ ー トプ ロセ ス学 会誌 "， 第 9 巻第 4

し試料の応 力760MPa，破断 繰返し数24,000回の 試料（ ◆号，180-184，（2020）
4) 土屋詩織 ，高橋宏 治："ば ね論文集 "，第 66 号，7-12，１）の破壊 起点近傍 には， 基地組織よ りチタン が強く検出される100μm程 度の粒 子が観察さ れた（丸囲 い部）。

（2021）
5) 唐土 庄 太 郎， 増 尾 大慈 ， 矢倉 孟 ， 山本 泰 弘 ： "粉 末

9)

この粒子が 起点とな ったと 推測される 。

および粉末 冶金 "，第 61 巻第 5 号，250-254，（ 2014）6) 平 田智 丈， 木 村貴 広， 中本 貴之 ： "軽 金属 "， 第 70
巻第 4 号，128-135，（2020）7) 髙岩徳寿，荒井辰也 : "栃木県産業 技術セン ター研
究報告 "，No.16，53-57，（ 2019）8) 深澤郷平，勝又信行，古 屋雅章，寺澤 章裕，鈴木 大介，佐野正 明: "山 梨県産業 技術センタ ー研究報 告 "，第 1 号，（2018）9) 政 木清 孝， 小 林祐 次， 水野 悠太 ： "材 料 "No．10，891-897，（ 2018）
時効無し試 料

応力 760MPa
図９

破断繰返 し数24,000回

SEM観 察結果- 34 -

Vol．67

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

重点研究

超高分子量ポリエチレン配向フィルムの積層成形による高弾性率プラスチック成形体の開発
大森 和宏*

桐原 広成*

益子 朱音*Development of High Elastic Modulus Plastic by Lamination Molding of
Ultra-High Molecular Weight of Polyethylene Drawn Film
OMORI Kazuhiro, KIRIHARA Hironari and MASHIKO Akane
超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）延伸フィルムの積層成形による高弾性率自己補強プラスチック成形体製造技術の確立のため，延伸フィルム同士を融着させるための低分子量成分の添加条件，高弾性率フィルムを製造するための延伸条件及び高弾性率を保持し融着する熱プレス条件を検討した。平均分子量 200×104 の UHMWPE に対し，低分子量成分として平均分子量 50×104 のポリエチレンを 20wt%添加した
UHMWPE ゲルシートを 33 倍延伸することで，弾性率は 79GPa まで向上した。また，延伸フィルム同士を150℃，20～50MPa で融着することで，融着強度は延伸倍率によらず 2～5N/mm であった。この融着処理
で弾性率は低下するものの，弾性率 30GPa 以上の成形体を製造できることが示された。
Key words: 超高分子量ポリエチレン，延伸フィルム，分子配向，積層成形，自己補強プラスチック

１

成形体を製造できることを見出している 2)。この成形体

はじめにプラスチックは，軽量で成形性に優れる等の特徴か

は切削加工が可能であり，様々な部品への応用が期待で

ら，様々な製品において利用されているが，金属等と比きる。しかし，BSF 端材を用いた成形体では，音響振動較し強度や弾性率等が劣るため，強度等が求められる製板等に用いるには弾性率が低く，配向度を高めた成形体

品にはガラス繊維や炭素繊維で強化したプラスチックの製造が必要であった。

が使用されている。近年，更なる軽量化のため，自己のそこで本研究では，高弾性率が見込める UHMWPE のゲ

分子配向により強化された自己補強プラスチックが注

ル延伸及び溶融延伸フィルムを用いて，既存の音響振動

目されており，音響振動板やスポーツ用品，自動車部品

板よりも高い,弾性率 30GPa 以上の成形体の製造技術を等に利用されている。例えば音響振動板では，高弾性率，確立するため,フィルム同士を融着させる低分子量成分

低密度，高内部損失の特徴を有する材料が適しており，の添加条件，高弾性率フィルムを製造するための延伸条

それらの特性を満たす自己補強プラスチックが採用さ件及び高弾性率を保持し融着する熱プレス条件につい1)

れている 。特に近年，with/post コロナ社会に向けて,て検討したので報告する。

人と物や人同士の接触機会を減らした「非接触型社会」の実現のためスマートスピーカーを用いた IoT 機器等

２の音声制御が加速すると予想され,音響振動板にはさら

２．１

研究の方法

材料

なる高性能化が求められている。加えて，エコなプラス

UHMWPE シート材料は，三井化学㈱製ハイゼックスミリ

チック製品への要求が高い昨今，易リサイクル性である

オン 240S（平均分子量 200×10 4），630M（平均分子量

自己補強プラスチックの開発・用途拡大が期待されてい580×10 4 ）に，低分子量成分として 030S（平均分子量

る。

50×10 4）を 0～30wt%添加したものを用いた。酸化防止

筆者らは，超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）のバッ

剤は，川口化学工業㈱製 H-BHT を用いた。デカヒドロナ

テリーセパレータフィルム（BSF）端材を積層し，ある温

フタレン及びアセトンは，関東化学㈱製の特級グレード

度及び圧力下で圧縮成形することで，フィルムの分子配を使用した。

向を維持したまま一体化された自己補強プラスチック

２．２*

栃木県産業技術センター

UHMWPE シートの作製及び延伸

ゲル延伸用のシートは，デカヒドロナフタレンに対し

材料技術部- 35 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

10wt%の UHMWPE シート材料と 0.1wt%の H-BHT を混合し，160℃で加熱して作製したゲルを，㈱東洋精機製作所製
ミニテストプレスを用いて 160℃，6MPa で 5 分間加熱後急冷してシート状に成形し，アセトンで洗浄後，室温下で乾燥して作製した。溶融延伸用のシートは，UHMWPE シ
ート材料に対し 0.1wt％の H-BHT を加え，㈱東洋精機製
作所製ミニテストプレスを用いて 150℃，2MPa で 5 分間
加熱・圧縮し，加圧したまま徐冷して作製した。
作製した各シートは，幅 10mm の短冊状試験片とし，㈱井元製作所製恒温槽付電動一軸延伸機を用いて延伸し

図１

030S 各添加量に対する 630M 未延伸シート融着試

た。延伸温度は，シート表面に熱電対を貼り付け計測し験片の引張試験結果；た。ゲル延伸は，一回目の延伸を 115℃，100mm/min で(a)0wt%，(b)5wt%，(c)10wt%，(d)20wt%，(e)30wt%，

行い，二回目以降の延伸は 125℃，50mm/min で行った。
溶融延伸は，140～160℃で，50～150mm/min の速度で延が，20，30wt％では剥離せず，最大点を迎えた後破断し伸し，高倍率延伸の場合は同条件で繰り返し延伸した。

た。このことは，UHMWPE シート同士の融着には主に 030S

延伸倍率は，シートに付記したインマークの変位から算が寄与していることを示しており,分子量が非常に大き出した。

い 630M は分子運動性が低く，150℃の成形温度ではシー

２．３

UHMWPE 延伸フィルムの融着及び熱プレス

ト同士の界面で分子鎖同士の拡散が起こりにくかった

UHMWPE 延伸フィルムの融着強度評価用の試験片は，同のに対し，030S は比較的分子量が小さいため分子運動性

じ延伸倍率のフィルムを二枚重ね，㈱東洋精機製作所製

が高く，添加量の増大に伴いシート同士の界面で分子拡ミニテストプレスを用いて，加熱・加圧下で 5 分間保持散が起こり，融着強度が向上したのではないかと考えてした後，徐冷して作製した。未延伸試料には，溶融延伸いる。

用のシートを用いた。

また，結果は示していないが，140℃・20MPa の条件で

UHMWPE 延伸フィルムの熱プレス試料は，各延伸倍率の融着した場合，030S を 20wt％添加しても剥離することフィルムを，㈱東洋精機製作所製ミニテストプレスを用がわかった。140℃では 030S の分子運動性が低く，融着

いて，150℃，20～50MPa の条件で 5 分間保持した後，徐に寄与しなかったと考えられる。

冷して作製した。
２．４

以上より，UHMWPE フィルム同士の融着には，低分子量評価

成分の添加が有効であることが示された。このことか

融着強度及び弾性率の評価は，㈱島津製作所製万能材

ら，以降の実験では，030S の添加量は，各フィルム同士料試験機 AG-M1 を用いて行った。X 線回折像は，㈱リガが強固に融着する 20wt％とし，熱プレス温度は 150℃とク製 RINT RAPID を用いて測定した。

することとした。
３．２

３

UHMWPE シートの延伸及び延伸フィルムの弾性率

結果及び考察高弾性率成形体の製造には，材料となる UHMWPE 延伸

フィルム同士の融着に与える 030S 成分の影響

フィルムが高弾性率である必要があり，そのためには高本研究では，高度に分子配向した延伸フィルムを，倍率で延伸する必要がある。UHMWPE シートを超延伸する

UHMWPE の融点以上の条件で圧縮成形し，分子配向を維持手法としては，ゲル延伸法，溶融延伸法，膨潤延伸法，しつつフィルム同士を融着させた高弾性率成形体の作

重合パウダー延伸法等が知られている 3)。本研究では，製を目指している。本成形体は，加工や使用下においてゲル延伸法と溶融延伸法による延伸フィルムの作製を

層間剝離が起こらず，フィルム同士が強固に融着して一

試みた。

３．１

体化している必要がある。そこで，分子運動性が低い

ゲル延伸法は，UHMWPE の準希薄溶液からゲルを調整す

UHMWPE に低分子量成分として 030S を加え，融着強度をることで分子鎖の絡み合いを減少させ，超延伸するもの

高めることを試みた。図１に，630M に 030S を 0～30wt%である。240S を用いた 10wt％ゲルシートを延伸した結添加したシート同士を 150℃・20MPa の条件で融着させ果，50 倍程度まで延伸が可能であった。文献から 4)，低た試験片の引張試験結果を示す。030S の添加量が増える

濃度の希薄溶液から調整したゲルを用いれば，さらに高につれ，融着強度が高くなる傾向が見られた。また，030S延伸させることが可能であると思われる。一方，630M をの添加量が 0，5，10wt％では融着した試料が剥離した

用いた 10wt％ゲルシートでは延伸ができなかった。630M- 36 -

栃木県産業技術センター

では均一なゲルシートを調整できなかったことが原因

３．３

であると考えている。

研究報告

No.19 (2022)

延伸フィルムの融着強度

ゲル延伸フィルムを二枚重ねて 150℃，20～50MPa のUHMWPE は分子鎖の絡み合いが多い樹脂であるため，溶条件で融着した試料を用いて，融着強度を評価した。フ

融粘度が極めて高く，融点以上で延伸する溶融延伸が可ィルムの延伸倍率とフィルムの融着強度の関係を図４5)

能であり，80 倍以上延伸した事例が報告されている 。

に示す。破壊の生成状況が試料により異なり，融着強度

そこで 240S 及び 630M を用い，延伸温度 140～160℃，延のばらつきが大きいが，フィルムの延伸倍率に関わら伸速度 50～150mm/min で延伸を試みたが，本研究ではず，約 2～5N/mm 程度の融着強度となった。本試験では，630M を用いた 11 倍延伸が最大という結果となった。原

圧縮成形の加圧により定長状態でフィルムが固定され因としては，延伸機の恒温槽内の温度ムラにより，延伸ていたため，平均分子量が大きい 240S は加熱による分環境が溶融延伸可能な温度範囲を超えてしまったこと子運動が制限され，融着への寄与が少なかったことが示が考えられる。

唆される。従って，主に平均分子量が低い 030S 成分の

図２に，ゲル延伸フィルム及び溶融延伸フィルムの各

分子拡散によりフィルム同士が融着したため，延伸倍率

延伸倍率と弾性率の関係を示す。延伸方法に関わらず，に関係なく一定の融着強度であったのではないかと考延伸倍率が増加するにつれ弾性率は高くなった。11 倍延えている。

伸した溶融延伸フィルムの弾性率は 2.6GPa であったの

また，ゲル延伸フィルム同士の融着強度は，融着条件

に対し，ゲル延伸フィルムの弾性率は，20 倍延伸では（圧力）による影響も確認できなかった。これらの結果

21GPa，25 倍延伸では 40GPa，33 倍延伸では 79GPa であから，フィルム同士の融着には，20MPa 以上の圧力で十った。

分であることが示された。

図３に未延伸シート及びゲル延伸フィルムの X 線回

なお，本実験で得られた融着強度は，延伸フィルムの折像を示す。未延伸シートの X 線回折像ではデバイ環がTD 方向（延伸方向と垂直の方向）の引張強さより高い値確認でき，未配向であると言える。これに対し，ゲル延であった。このため，ゲル延伸フィルムを融着した成形

伸フィルムでは赤道上に回折スポットが確認でき，高度体は，フィルム間の融着強度が TD 方向の強度よりも高に分子配向していることが示された。以上より，高倍率で延伸されたゲル延伸フィルムは，高度に分子配向することで高弾性率となっていることが明らかになった。

図２

図３

図４

各融着条件における延伸倍率と融着強度の関係

図５

熱プレス後における延伸倍率と弾性率の関係

延伸倍率と弾性率の関係

未延伸シート(a)及びゲル延伸フィルム（×35）の X 線回折像．矢印は延伸方向を示す．

- 37 -

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

以上より，熱プレス後のゲル延伸フィルムは，分子配向の乱れは若干あるものの，分子配向を維持し，高弾性率であることが明らかになった。これらの結果より，ゲル延伸フィルムを積層し，150℃，20MPa 以上の条件で圧縮成形することで，30GPa 以上の弾性率を有する一体化した成形体を製造できることが示された。
図６

熱プレス後のゲル延伸フィルム（×35）のX 線回折像

４

おわりに

UHMWPE 延伸フィルムの積層成形による高弾性率自己く，一体化した成形体となると考えられる。

補強プラスチック成形体の製造技術の開発を試みた。

３．４

UHMWPE（ 240S） に 低 分 子 量成 分 （ 030S） を 20wt%添 加

熱プレス後の延伸フィルムの弾性率

ゲル延伸フィルムを 150℃，20～50MPa で 5 分間熱プ

し,10wt%ゲルを延伸したフィルムを用い，150℃，20～

レスした後，徐冷した試料の弾性率を測定した結果を図50MPa で圧縮成形することで, 30GPa 以上の弾性率を有５に示す。熱プレス後のゲル延伸フィルムの弾性率は熱し，フィルム同士が一体化した成形体が得られることがプレス前（図２）と比較して低下したが，25 倍延伸フィ示された。

ルムでは 16GPa，35 倍延伸フィルムでは 40GPa 程度の弾性率を維持していた。

謝

図６に 35 倍延伸フィルムの熱プレス後の X 線回折像

辞

本研究は，JST A-STEP トライアウト事業の支援を受を示す。熱プレス前（図３(c)）と比較し，熱プレス後はけて実施しました。ここに記し深謝いたします。

回折スポットが若干アーク状に広がっているのが確認され，若干分子配向の乱れが生じていると考えられる

参考文献

が，赤道上に回折スポットが確認されていることから，

1) 西美緒： "高分子"，50（2），78，（2001）

分子配向が維持されていることがわかった。UHMWPE を融2) 特許第 7005867 号

点以下で延伸した固体延伸フィルムは,定長状態で保持

3) 伊藤眞義ら： "高分子の延伸による分子配向・結晶した場合，分子鎖の絡み合い点が非常に多いことから分化メカニズムと評価方法 "，㈱R&D 支援センター，61，

子運動が抑制され，融点以上の高温下であっても配向構（2020）

6)

造が維持されることが報告されている 。一方，ゲル延4) 京谷裕子，三橋重信，井口正俊： "高分子論文集"，

伸フィルムは溶剤により絡み合いを解きほぐして延伸

42（12），849，（1985）

されており，固体延伸フィルムと比較し絡み合い点は少5) 東海林美雪，澤井大輔，金元哲夫，大浜俊生：ないことが予想される。本研究により，絡み合い点が少"繊維学会誌"，60（11），56，（2004）

ないゲル延伸フィルムにおいても，加圧し，定長状態で6) 桜井謙資，早川浩二，高橋利禎："高分子論文集"，45

保持することで，固体延伸フィルムと同様に分子配向が（2），155，（1988）

維持されることが明らかになった。

- 38 -

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.19 (2022)

経常研究

加速度センサを用いた工具摩耗推定方法の開発
阿部 雅*

近藤

弘康*

棚原

貴登*

Development of in-Process Tool Wear Monitoring Method by using Accelerometer
ABE Masashi, KONDO Hiroyasu and TANAHARA Takato
切削時の振動を加速度センサで検出し，工具の摩耗状態を把握することを目的とし，加速度センサの設置位置や切削速度を変えたとき，検出される振動にどのような影響を及ぼすか，比較・検討を行った。その結果，加速度センサをテーブルに設置すると，加工中の加速度は被削材の固定状況に影響を受け，加速度セン
サを主軸に設置すると，加工中の加速度は主軸の振動特性に影響を受けることが分かった。また，摩耗状態把握の精度を低下させる主軸回転数があるため，予め使用する加工機において振動特性を確認する必要があることが分かった。64 チタン圧延材を用いた摩耗試験を行ったところ，主軸に設置した加速度センサで，加工中の工具摩耗状態を終期摩耗へ遷移するまで把握することができた。
Key words:

１

工具摩耗，インプロセス，切削力，加速度センサ

はじめに生産現場への適用範囲を広げるためには，製品加工

航空機部品の製造において切削加工のコスト削減が中の摩耗状態をユニット加工無しに把握することが望求められている。そのため，工具は寿命限界まで使用ましい。そこで本研究では，加速度センサの設置位置することが望ましい。しかし，生産現場では仕上がりと加工中の加速度の関係性及び工具摩耗状態を把握す

面の品質を担保するため，工具の摩耗状態を把握しなるための切削条件について検討することで，安価な加いまま，十分な余裕をもって工具交換を行っている。

速度センサを用いて加工中の工具摩耗状態を把握する

切削加工に用いられる工具であるエンドミルの摩耗ための条件を明らかにしたので報告する。

状態は，以下の 3 段階に分類できる。
①加工開始直後，切れ刃先端が摩耗する初期摩耗

２②切削距離に比例して摩耗する定常摩耗

２．１③摩耗が急速に進行する終期摩耗

研究の方法

加工機

切削加工は 5 軸マシニングセンタ（DMG 森精機㈱：

終期摩耗状態に移行する直前までの工具摩耗状態を

DMF180，以下加工機という。）を用いた。

把握し，工具交換のタイミングを遅らせることができ

２．２

れば，工具の長寿命化と同様にコスト削減の効果が得

加工工具

工具の振れによって径切込み深さが変化しないよられると考えられる。

う，スクエアエンドミル（㈱MOLDINO：EPSM4060-PN）

インプロセスで摩耗状態を把握する場合は，摩耗のの 2 枚刃のうち 1 枚をグラインダで削り 1 枚刃とし，進行とともに切削力が増大することから，切削動力計

切削速度 200m/min，1 刃送り 0.1mm/tooth，軸方向切で切削力を測定する方法が用いられている。しかし，込み 3mm，径方向切込み 0.1mm，水溶性切削液下で被切削動力計は非常に高価であり，かつ被削材の大きさ

削材（NAK80 材）を切削長 30m まで加工して定常摩耗に制限があることから，生産現場で活用することは困まで予備摩耗させた後，実験に用いた。

難である。

２．３

加速度センサ及び周波数解析方法

昨年度の研究において，データ取得ユニット（以下加速度センサには電荷出力型の一軸加速度センサ

ユニットという。）を開発し，ユニットを加工した際（日本キスラー(同)：Type 8776A50）を使用した。

の振動を加速度センサで測定することにより，安価なエンドミル加工では，主軸回転に合わせて刃先が断センサでも工具の摩耗状態を把握可能であることが分続的に被削材と接触する際に発生する周波数（以下強

1)

かった 。
*

栃木県産業技術センター

制振動という。）及びその整数倍の高調波周波数の振動が生じることが知られている 2)。周波数解析方法

機械電子技術部- 39 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

は，昨年度の研究による知見から，加速度センサで取得した信号をフーリエ変換し，第 7 高調波までの周波数帯でローパスフィルタ処理を行い，さらに逆フーリエ変換した波形のうち，加工開始から 1 割と終了までの 1 割を除く，加工時間の 8 割の区間で最大値のピー
ク平均を算出し，これを加速度値とした。
２．４

加速度センサの設置位置の影響

加速度センサの設置位置と加速度の関係を明らかにするため，加工機のテーブル及び主軸に加速度センサ

図２

被削材内加工位置を設置し，加工時の振動による加速度を比較検討し
た。

２．４．２

２．４．１

テーブル設置加工機主軸設置

被削材の固定状況の影響を受けずに摩耗状態を把握

被削材と加速度センサの距離による影響を明らかに可能か確認するため，加工機主軸の X 軸正方向側に加するため，被削材の固定位置を変え，加工時の振動に

速度センサを設置（図３）し，送り方向の法線成分をよる加速度を測定することとした。被削材（NAK80）を測定した。切削条件は表１と同様，被削材の段取り及テーブル中心から被削材中心までの距離で左右に 600mm

び上面は図１，２と同様とし，加工を行った。

固定治具ごと移動し，それぞれの場所で表１に示す切削条件により加工を行った。段取りの模式図を図１に示す。加速度センサはテーブル右端に固定し，送り方向の法線成分を測定した。また，図２に示すとおり，
被削材の上面には 20mm 間隔で溝を施し，被削材内での加工位置による影響も検討した。

表１

切削条件
図３

加速度センサ主軸設置

切削速度 Vc

200 m/min

１刃送り fz

0.1 mm/tooth

送り方向

Y 軸正方向軸方向切込み ae

3 mm

昨年度の研究から，工具摩耗の進行に伴って切削力

径方向切込み ap

0.1 mmが増加すること，加工時の加速度と切削力の関係は線切削液

水溶性切削液形性があることが明らかとなった。したがって，加速削りの向き

ダウンカット度センサを用いて工具の摩耗状態を精度よく把握する

２．５

工具摩耗状態把握に適した切削条件ためには，加速度と切削力の線形性を評価する決定係
数 R2 値が１（完全なる直線）に近い値の切削条件であることが望ましいと考えられる。そこで表１に示した切削条件のうち，切削速度を 50，70，75，100，150，
200m/min，径方向切込みを 0.1，0.2，0.4，0.6mm として加工した際の加速度と切削力から，摩耗状態を精度よく把握するための切削条件について検討を行った。
２．６

工具摩耗状態把握の確認試験

加速度センサで，ユニット加工を行わずに工具摩耗状態の把握が可能かを確認するため，摩耗試験用の被削材を加工した時の加速度及びユニットを加工した時の加速度と切削力を測定し，比較した。
図１

段取り模式図（摩耗試験用の被削材は，航空機部品加工を想定して：被削材設置位置）

64 チタン圧延材（AMS4911）とし，加工工具は 2 枚刃の- 40 -

栃木県産業技術センター

うち 1 枚をグラインダで削り 1 枚刃とした新品のスク研究報告

No.19 (2022)て図５に示す。

エアエンドミル（㈱MOLDINO EPSM4060-PN）を用いて，加速度センサを主軸に設置した場合，加速度センサ

切削速度 75m/min，送り速度 0.1mm/tooth，軸方向切込と加工位置が非常に近いため，加速度センサをテーブ

み 3mm，径方向切込み 0.1mm，水溶性切削液下での片削ルに設置した時よりも得られる加速度値は大きくなっりの摩耗試験を，5 軸マシニングセンタで切削長 700mている。また，被削材がテーブルの左右にあってもほまで実施した。

ぼ同じ値を示したことから，加速度値に及ぼす被削材の固定状況の影響はテーブル設置時よりも小さいと考３

３．１

結果及び考察えられる。しかし，データのばらつきを比較すると，

加速度センサの設置位置の影響

３．１．１

テーブル設置時より主軸設置時の方が大きい（図テーブル設置６）。これは主軸や加速度センサの振動特性によって被削材をテーブルの左右において加工を行った時の切削時における強制振動（Vc200 の場合 176.9Hz）の整

被削材内加工位置ごとの加速度値を図４に示す。

数倍以外の振動が生じたことによるものと考えられる

被削材と加速度センサが遠い（被削材左側設置）場（図７）。この現象が低速域でも発生するか確認する

合，被削材内加工位置による加速度値の違いは見られため，切削速度を 70m/min に下げて再度加工を行った

なかった。

ところ，概ね強制振動（Vc70 の場合 61.9Hz）の整数倍

被削材と加速度センサが近い（被削材右側設置）場のみで振動しており（図８），加速度値のばらつきが合，遠い場合と比べて距離減衰の影響が少ないため，減少した（図９）。

遠い場合の３倍程度の加速度値となった。また，被削材内加工位置ごとの加速度値は，加速度センサに対し
4.5て遠くなるほど加速度値が高くなる傾向になった。振

4動の伝播が距離減衰のみの影響を受ける場合，加工位
加速度 [mm/s2]

3.5

置が遠くなるほど加速度値は低くなるが，固定治具及びテーブルの振動特性や密着度合いなどの固定状況による影響で，逆の傾向が生じたものと考えられる。
このことから，生産現場では多数個加工や固定治具の移動などで被削材の固定状況が常に同じとは限らなセンサ主軸_

3

被削材右側

2.5

センサ主軸_

2

被削材左側
センサテーブル_

1.5

被削材右側

1

センサテーブル_
被削材左側

0.5

いため，生産現場への適用を想定した場合，テーブル0に設置した加速度センサでの工具摩耗状態の把握は，

1

2

3

4

5

被削材内加工位置困難であると考えられる。
図５

設置位置の違いによる加速度の比較（n=4）

1.2

センサテーブル_

4.2

1.5

被削材右側

4.1

1.4

4

1.3

3.9

1.2

3.8

1.1

3.7

1

3.6

0.9

3.5

0.8

センサテーブル_

0.4

被削材左側

0.2
0
1

2

3

4

5

被削材内加工位置

図４

被削材設置位置変更時の被削材内加工位置と加速度（n=4）

3.4
3.3

センサテーブル_被削材右側_Vc200

3.2

0.6
0.5

1

３．１．２

0.7

センサ主軸_被削材右側_Vc200

2

3

4

5

被削材内加工位置

加工機主軸設置

加速度センサを主軸に設置して加工を行った際の被図６

削材内加工位置ごとの加速度値を，前項の結果と併せVc200 の加速度値のばらつき（n=4,誤差範囲±σ）- 41 -

センサテーブル_加速度 [mm/s2]

0.6

センサ主軸_加速度

0.8[mm/s2]加速度 [mm/s2]

1

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

また，径方向切込み 0.6mm で加工した際の加速度波形とその周波数解析結果を図 11～16 に示す。Vc50,70,75
では概ね強制振動の整数倍のみの振動であるが，Vc100
以上では強制振動の整数倍以外の振動が見られたことから，本研究で用いた５軸マシニングセンタにおいては，Vc100 以上は摩耗状態把握の精度を低下させる恐れがある。このことから，予め使用する加工機において切削速度を変えた際の振動特性を確認する必要があると考えられる。
図７

Vc200 の加速度波形の周波数解析結果

10（矢印は強制振動の整数倍）

98

加速度 [mm/s2]【Vc200】y = 0.0345x
R² = 0.9867

Vc50
Vc70
Vc75
Vc100
Vc150
Vc200

7
6

【Vc100】y = 0.031x
R² = 0.9941【Vc70】y = 0.0308x
R² = 0.9956

5【Vc75】y = 0.0181x
R² = 0.9998

43【Vc50】y = 0.0169x
R² = 0.9994

2
1
0
0

100

200

【Vc150】y = 0.0127x
R² = 0.914
300

切削力 [N]

図 10
図８

切削条件変更時の加速度と切削力の関係

Vc70 の加速度波形の周波数解析結果（矢印は強制振動の整数倍）

4.2

3

4.1

2.9

4

2.8

3.9

2.7

3.8

2.6

3.7

2.5

3.6

2.4

3.5

2.3

3.4

2.2

センサ主軸_被削材右側_Vc200

3.3

Vc70_加速度 [mm/s2]

Vc200_加速度 [mm/s2]

(a)

2.1

センサ主軸_被削材右側_Vc70

3.2

2
1

2

3

4

(b)

5

被削材内加工位置
図９

Vc200 と Vc70 の加速度値のばらつき(n=4,誤差範囲±σ)３．２

工具摩耗状態把握に適した切削条件

加速度センサを主軸に設置した状態で切削速度と径方向切込みを変え，加工した際の加速度と切削力を図10 に示す。
R 2 値が切削速度によって異なることから，加速度と

図 11

切削力の線形性の悪い条件が存在することがわかる。

Vc50 加工時の(a)加速度と(b)周波数解析結果（矢印は強制振動の整数倍）- 42 -

栃木県産業技術センター

(a)

(a)

(b)

(b)

図 12

Vc70 加工時の(a)加速度と(b)周波数解析結果

図 14（矢印は強制振動の整数倍）

No.19 (2022)

Vc100 加工時の(a)加速度と(b)周波数解析結果（矢印は強制振動の整数倍）

(a)

(a)

(b)

(b)

図 13

研究報告

Vc75 加工時の(a)加速度と(b)周波数解析結果

図 15（矢印は強制振動の整数倍）

Vc150 加工時の(a)加速度と(b)周波数解析結果（矢印は強制振動の整数倍）- 43 -

研究報告

No.19 (2022)

加速度 [mm/s2]

(a)

3

160

2.5

140
120

2

100

1.5

80

1

60
ユニット加工時加速度0.5

ユニット加工時切削力

0

40
20
0

0

(b)

切削力 [N]

栃木県産業技術センター

200

400

600

切削長 [m]図 18

ユニットの加速度と切削力の比較
４

おわりに

本研究では，加速度センサの設置位置と加工中の加速度の関係性を調べ，工具摩耗状態を把握するための切削条件について検討した。その結果，以下の知見が得られた。
（1）加速度センサをテーブルに設置すると，加工中
図 16

Vc200 加工時の(a)加速度と(b)周波数解析結果の振動は被削材の固定状況に影響を受ける。

（矢印は強制振動の整数倍）（2）加工機主軸に加速度センサを設置して，主軸回転数を変更したときの加速度を測定し，振動特３．３

工具摩耗状態把握の確認試験

性を確認することで，安価な加速度センサであ摩耗試験用被削材加工時とユニット加工時の加速度っても，加工中の工具摩耗状態を終期摩耗へ遷では，切削長 550m 程度までほぼ一致した挙動を示し移するまで把握することが可能である。

（図 17），ユニット加工時の加速度と切削力も，切削長 550m 程度まで挙動が一致している（図 18）。このこ

参考文献とから，ユニット加工の代わりとして，主軸に設置し1) 稲澤勝史ら: "栃木県産業技術センター研究報告 ",た加速度センサによって工具が定常摩耗から終期摩耗

18,1-5,(2021)
2) 竹山秀彦ら： "加工技術データファイル基礎編切削へ遷移する様子を把握可能であると考えられる。

3.5

2

3
1.5

2.5
2

1

1.5
1

摩耗試験用被削材加工時加速度

0.5

0.5

ユニット加工時加速度

0

0
0

200

400

ユニット加工時加速度 [mm/s2]2.54

加速度 [mm/s2]

摩耗試験用被削材加工時

加工編 "

600

切削長 [m]
図 17

摩耗試験用被削材とユニットの加速度の比較- 44 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

経常研究

測定手法の違いによる円筒内形状測定結果への影響
内藤

恭平＊

石川

信幸＊

智史＊

片岡

Effect of Differences in Measurement Methods on Results of Measuring the Shapeof the Inside of a Cylinder
NAITO Kyohei, ISHIKAWA Nobuyuki and KATAOKA Satoshi
測定手法の違いによる円筒内形状測定結果への影響を調査するため，内径及び表面性状の異なる試
験片を複数の手法で測定し，その評価と比較を行った。円筒内径の測定値は，特に測定子の大きさ及び測定物の表面性状に影響を受けており，接触式測定の結果よりも非接触式の測定結果の方が内径が大きく測定されることが分かった。測定手法による差はモルフォロジフィルタ及び表面粗さパラメー
タを用いることで補正が可能であることが分かった。
Key Words: 円筒内測定，精密測定，非接触測定，表面性状

１

はじめ に

２

昨今の機械加工技術の進歩や要求精度の向上に伴い，部 品 製 造 を 行 う 下 請 け 企 業に 対 す る 加 工 品 の 精 度 検 証

２．１

研究の 方法検 証用試験 片の作 成

２．１．１

円筒内 径の異 なる試験片の 要 求 が 多 く な っ て い る 。産 業 技 術 セ ン タ ー で は ， こ

測定内径による測定値への影響を調査するため，φ

れ ら の 要 求 を 受 け た 企 業 に対 し て 三 次 元 座 標 測 定 機 を

15 mm～φ30 mm までの 直 径 2.5 mm おきの穴 を加工 しは じ め と す る 高 精 度 測 定 機器 を 使 用 し た 測 定 支 援 を 行た標準径試 験片及び ，φ1 mm～φ14 mm までの直径 1 mm

っ て き た 。 し か し ， 加 工 部品 の 形 状 複 雑 化 が 進 み ， 直

お き の 半 円 を 加 工 し た 小 径試 験 片 を 作 製 し た 。 試 験 片

径数 mm～十数 mm 程度 の小 径深穴の測 定など， 非破壊の材料は A5052 板，板 厚は 8 mm のもの を使用し，加工で の 測 定 が 困 難 な ケ ー ス が増 加 し て い る 。 自 動 車 業 界にはワイヤ 放電加工 機を用 いた。

に お け る 車 体 軽 量 化 の た めの 部 品 の 一 体 化 な ど に よ り，

２．１．２

この傾向は 今後も続 いてい くことが予 想される

1)。

表面性 状の異 なる試験片

測 定 物 の 表 面 性 状 に よ る測 定 結 果 へ の 影 響 を 調 査 す

これらのケースに対応するため，新たに円筒内形状

る た め ， 複 数 の 加 工 手 法 によ る 穴 加 工 試 験 片 を 作 製 し

測 定 機 を 導 入 し た 。 こ の 測定 機 は ， 測 定 部 に 光 学 検 出

た 。 穴 直 径 は φ 20 mm で 統 一 し た 。 作 製 し た 試 験 片 の

器 を 有 す る 小 径 プ ロ ー ブ を挿 入 し 回 転 さ せ る こ と で 非

詳細を表１ に示す。

破 壊 で 小 径 深 穴 の 円 筒 内 形状 を 測 定 す る 事 が 可 能 で あ

表１

試験 片加工条 件る。しかし，こ のような 手法 の測定機は 前例が少 なく，

加工手法等

材質

加工条件等

従 来 の 測 定 手 法 と 比 較 し て測 定 結 果 に ど の よ う な 違 い

ワイヤ放電加工

ア ル ミ (A5052 材 )ワ イ ヤ 径 φ 0.25 mm

ドリル加工

ア ル ミ (A7150 材 )ド リ ル 径 φ 20 mm

エンドミル加工

ア ル ミ (A7150 材 )リングゲージ

鋼製

3D プ リ ン タ 造 形

マルエージング鋼があるか把 握してお く必要 がある。
本研究では，測定手法の違いによる円筒内形状測定
結 果 へ の 影 響 の 調 査 を 目 的と し て ， 円 筒 内 形 状 測 定 機
及 び 三 次 元 座 標 測 定 機 を はじ め と す る 従 来 装 置 を 使 用
して，任意に 作製した 検証 用試験片の 形状測定 を行い ，測定結果の 比較を行 った。

＊

栃 木県産業 技術セン ター

機械電子 技術部- 45 -

工 具 径 φ 10 mm,
等高線加工
購入品
(ミ ツ ト ヨ 製 )レーザ焼結

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

表２ 測定手法及び測定条件
測定手法

測定子

三次元座標測定機

φ2 mm ルビー球,

LEGEX9106

40 mm 超硬軸

測定点数等

繰返し数

32 点タッチ測定3

装置精度±(0.35+L/1000) µm
最大許容指示誤差(MPEE)

スキャン測定 2.5[deg/s],内径治具使用,
非接触輪郭形状測定機

スポット径

Rθ測定 0.1 deg ピッチ(標準径)2 µm

インデックス測定,断面測定,

MLP-3SP±(2.0+20L/1000) µm

3

最大許容指示誤差(MPEE)

5 µm ピッチ(小径)２．２

円筒内形状測定機

スポット径

プローブ回転速度 6.0 rpm

BoreInspect

15 µm～30 µm

0.00036 deg ピッチ

検 証用試験 片の測 定

３．２

1 µm～3 µm

10

測定繰り返し精度(1σ)

表 面性状の 異なる 試験片の測 定結果

本 研 究 に お け る 試 験 片 の測 定 に は ， 三 次 元 座 標 測 定

表 面 性 状 の 異 な る φ 20 mm の 試 験 片 の 表 面 粗 さ パ ラ

機 ((株 )ミ ツ ト ヨ 製 LEGEX9106),非 接 触 輪 郭 形 状 測 定

メ ー タ を 非 接 触 輪 郭 形 状 測定 機 で 測 定 し た 結 果 を 表 ３

機 ( 三 鷹 光 器 ( 株 ) 製 MLP-3SP), 円 筒 内 形 状 測 定 機に示す。

(Novacam 社 製 ,BoreInspect)を 使 用 し た 。 そ れ ぞ れ の測定機での 測定条件 を表２ に示す。

また，三次元座標測定機での直径測定値を基準とした 時 の ， 円 筒 内 形 状 測 定 機， 及 び 非 接 触 輪 郭 形 状 測 定

な お ， 円 筒 内 形 状 測 定 機は 測 定 の 際 に 基 準 器 を 必 要

機 の 直 径 測 定 値 の 差 を 表 した グ ラ フ を 図 ２ に 示 す 。 なとするため ，φ2 mm,φ4 mm,φ10 mm,φ 20 mm,φ 30 mm

お，3D プリンタ造 形試験片 に関しては，他 試験片 の結の リ ン グ ゲ ー ジ を 用 意 し ，試 験 片 径 に 最 も 近 い 直 径 の

果 と 大 き く ス ケ ー ル が 異 なっ た た め ， 軸 を 分 け て グ ラ

リングゲー ジを基準 器とし た。

フ化した。

また，測定機ごとに測定軸出しの手法が異なることに よ る 測 定 値 へ の 影 響 を 除外 す る た め ， 測 定 は 穴 深 さ

図２より，測定手法により表面性状による測定値への影響の受 け方に違 いがあ ることがわ かる。
0.01

算 し ， そ の 直 径 を 測 定 値 とし て 扱 う こ と と し た 。 計 算

0.008の 際 は ， 測 定 機 ご と に 設 定し た 繰 り 返 し 数 分 の 測 定 を0.006
設計値との差[mm]方向に 3 断面 の円測定 を行 った結果か ら円筒形 状を計行い，その 平均値を 測定値 として使用 した。
３
３．１

結果及 び考察

円 筒内径の 異なる 試験片の測 定結果

0.004
0.002
0
-0.0020510

横 軸 に 試 験 片 直 径 の 設 計値 ， 縦 軸 に 設 計 値 と 測 定 値-0.004円筒内の 差 で プ ロ ッ ト し た グ ラ フ を 図 １ に 示 す 。 φ 15 mm 以

-0.006

非接触輪郭

上 の 標 準 径 試 験 片 に お い て， 測 定 手 法 に よ る 明 確 な 傾-0.008

三次元

15

20

25

30

試験片直径(設計値)[mm]

向 の 違 い が 見 ら れ た 。 非 接触 輪 郭 形 状 測 定 機 で の 測 定
値 が 最 も 大 き く ， 次 い で 円筒 内 形 状 測 定 機 で あ り ， 三

図１

次 元 座 標 測 定 機 で の 測 定 結果 が 最 も 小 さ く な っ た 。 非

各測 定機にお ける設 計値と測定 結果の差
表３

各試 験片の表 面粗さ パラメータ

接 触 輪 郭 形 状 測 定 機 と 三 次元 座 標 測 定 機 の 直 径 測 定 値

Ra

Rz

Rv

Rc

Rsk

は，φ15 mm 以上の試 験片 で平均して 11.5 µm， 円筒 内

[µm]

[µm]

[µm]

[µm]

[-]

形状測定機 と三次元 座標測 定機は 4.3 µm の差であ った 。

ワイヤ放電加工

2.57

28.78

15.02

10.25

-0.07

また，試験片直径による傾向を見ると，円筒内形状

ドリル加工

4.79

28.92

13.42

19.83

0.22

測 定 機 に よ る 結 果 で は 大 きな 変 化 が な い の に 対 し ， 非

エンドミル加工

1.81

13.56

5.30

5.73

0.69

リングゲージ

1.17

9.98

3.27

4.34

0.75

3D プ リ ン タ

15.85

109.0

52.76

50.83

0.13

接 触 輪 郭 形 状 測 定 機 の 結 果 で は φ 15 mm 以 上 の 標 準 径
試 験 片 と 比 較 し て φ 14 mm 以 下 の 小 径 試 験 片 の 測 定 結
果が小さい 傾向にあ った。

- 46 -

栃木県産業技術センター

円筒内

0.14

0.01

非接触輪郭

0.12
0.1

0.008

0.08

0.006

0.06

0.004

図３

モル フォロジ フィル タの適用

0.04

0.002

0.02
円筒内（補正）円筒内

0
3Dプリンタ0.014
三次元座標測定機との差[mm]リングゲージ

エンドミル

ドリル

0
ワイヤ

三次元座標測定機との差[mm]0.012

三次 元座標測 定機を 基準とした 各測定機 の差

３．３

No.19 (2022)

0.16

0.014

図２

研究報告

測 定プロー ブ径を 考慮した直 径値の補 正３．１項 及び３． ２項に 示した結果 から，各 測定手
法の結果の 差は，測 定物の 表面性状及 び測定に 使用す

0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
0
-0.002るプローブ の大きさ やレー ザのスポッ ト径の影 響を受-0.004

けていると 推定した 。測定 結果が小さ くなった 三次元
座標測定機 は先端φ 2 mm(＝2,000 µm)のルビ ー球プ ロ

非接触輪郭（補正）
非接触輪郭

図４

15

17.5

20

22.5

25

27.5

30

試験片直径（設計値）[mm]

モル フォロジ フィル タを用いた 補正後の 差ーブを使用 している ため，レーザスポ ット径が 2 µm である非接触 輪郭形状 測定機 や，同じ くスポッ ト径が 15

図４のと おり，モ ルフォ ロジフィル タを使用 するこµm～30 µm 程度 である円 筒 内形状測定 機と比較 して，とによって プローブ 径によ る測定値の 差を補正 可能で表面にある 微細な幅 の谷形 状の情報が 取得でき ず，結あることが わかった 。

果として穴 直径が小 さく計 算されたと 考えられ る。

３．４

表 面性状に よる測 定値への影 響

この推定 を検証す るため ，測定プロ ーブ径の 違いに続いて， 図２に示 した表 面性状の異 なる試験 片の測よる測定値 の差を， モルフ ォロジフィ ルタによ り補正

定結果に対 して３． ３項で 求めたモル フォロジ フィルすることを 試みた。 モルフ ォロジフィ ルタは画 像の構タによる補 正を適用 した結 果を図５に 示す。

造抽出など に使用さ れる演 算

2)で， 要素界 面を拡大 ・

ワイヤ放 電加工及 びドリ ル加工試験 片はいず れの測縮小するこ とで基準 以下の 大きさの要 素を除去 する際

定 機 に よ る 結 果 も お お よ そ補 正 が で き て い る の に 対 し，などに使用 される。

エンドミル 加工試験 片とリ ングゲージ の円筒内 形状測図３に ，ワイヤ 放電加工 機で作製し たφ20 試験片 の表面形状を 非接触輪 郭形状 測定機で取 得したデ ータ

定機による 測定値は その他 の測定値と 比較する と補正が不十分で あるよう に見え る。

（図中下の 線）に対 してモ ルフォロジ フィルタ を適用

表３に示 した各試 験片の 表面性状パ ラメータ を確認

し，φ2mm 円盤 が通過し た 場合の経路 （図中上 の線）

すると，補 正がエン ドミル 加工試験片 及びリン グゲーを計算した 結果を示 す。得 られたそれ ぞれの線 の平均

ジは，他試験 片と比較 して Rsk（スキュー ネス，歪度 ）高さの差を ，プロー ブ径の 違いによる 補正値と して使が大きいこ とがわか る。

用し，三次 元座標測 定機に よる結果と の差を比 較した(図４）。

Rsk は表面性 状の山谷 の 対称性を見 る無次元 数であり，Rsk>0 であ るほど， 図 ６に示すよ うな山よ りも谷

なお，円筒 内形状測 定機の 測定結果は ，出力さ れるの領域が多 い表面で あるこ とを示して いる 3) 。３． ３

データ形式 の違いか ら今回 フィルタ処 理に使用 したソ

項で述べた 通り，円 筒内形 状測定機の モルフォ ロジフ

フトウェア では取り 扱えな いため，非 接触輪郭 形状測ィルタによ る補正値 を算出 するときは 非接触輪 郭形状

定機で取得 したデー タを円 筒内形状測 定機のス ポット

測定機の測 定結果の 平均化 データを代 用してい る。図径相当である 15 µm ピッチ で平均化し たデータ を作製

６の形状を 例にとる と，図 中の範囲を 平均化し ，破線

し，代用し た。

で示した高 さの測定 点が計 算される。 しかし， 実際の円筒内形状 測定機に よる取 得データの 場合，光 干渉法- 47 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)を測定原理 としてい るため ，高さ方向 で光の干 渉強度

３．５

レ ーザ入射 角によ る表面性状 の影響（反射強度 ）が最も 強くな る谷底の位 置を測定 点とし図１に示 した結果 のうち ，非接触輪 郭形状測 定機にて取得する と推定さ れる。 この差によ り，代用 データ

よる測定結 果が標準 試験片 (φ15 mm～ φ30 mm)では設か ら 算 出 し た 補 正 量 が 小 さく 計 算 さ れ た と 考 え ら れ る。

計値に対し て平均で +6.9 µm の差であるの に対し， 小

これによ る差を再 度補正 する為，エ ンドミル 加工及径試験片(φ 1 mm～ φ14mm)では平均し て+1.0 µm 程 度びリングゲ ージ試験 片の測 定結果に対 して，各 表面のであり，異 なる傾向 を示し ている。

山高さ Rc に対し，全高さ Rz における谷深さ Rv の比 率

円筒内形状 測定機に よる測 定結果では ，直径の 変化を か け た 値 を 補 正 値 と し て適 用 し た 結 果 を 図 ７ に 示 す。

による傾向 の差は見 られな かったこと から，こ の差は

図５に示 す結果と 比較し て，Rsk を考慮 した計算 に

試験片形状 の違いに よるも のではなく ，非接触 輪郭形

よって数値 の補正が 可能で あることが わかった 。

状測定機に よる測定 の際の レーザ入射 方向が関 係してこれらの結 果から， 特に Rsk の大きな表面 では，平いるものと 考えられ る。

均化フィル タによる データ の代用の際 に実測値 との測図８に非接 触輪郭形 状測定 機の測定手 法の概略 図を

定点差を考 慮に入れ る必要 があること がわかっ た。

示す。標準 径試験片 の測定 は，内径測 定用治具 を用い

0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0
-0.001-0.002ザは常に測 定面に対 して垂 直に入射さ れる。小 径試験

図５

片では径の 小ささか ら同様 の測定が困 難である ため，

円筒内
非接触輪郭

垂直方向か ら照射し たレー ザを走査す る断面測 定によって測定を 行ってい る。断 面測定によ る測定で は，半円の端に近 づくにつ れレー ザ入射角が 大きくな る(図よりレーザ の死角と なる谷 深さ Rv 成分の影響 が小さ

リングゲージエンドミル

ドリル９)。これによ り，端付近の 表面性状，特に 入射角度 にワイヤ

三次元座標測定機との差[mm]た回転測定（Rθ測定）によ って行って いるため，レ ー

くなると推 定した。
検証のため ，ワイヤ 放電加 工で作製し た小径試 験片のφ12 mm 半円 を断面測 定 及び回転測 定で測定 した結補 正後 の各 表面 試験片 の 三次 元座 標測 定機 との差果を図 10 に示す。回 転測定 での測定結 果の方 が 5.24 µm
大きく計算 され，最 小二乗 円に対する 偏差成分 (x200表示)を見る と，回転測 定の 結果では位 置によっ てほぼ
変化してい ないのに 対して 断面測定で は円の端 に近づ
くほど偏差 が小さく なって いる。
小径試験片 の設計値 からの 差の平均 1.0 µm に断 面測図６

Rsk の大 きな表面 の 補正

定と回転測 定の測定 値差 5.24 µm を足すと ，標準径 試
る。

0.006
0.005

円筒内・補正非接触輪郭・補正

0.004
0.003
0.002
0.001
0
-0.001

図７

リングゲージエンドミル

ドリル-0.002ワイヤ

三次元座標測定機との差[mm]験片の設計 値からの 差の平 均 6.9 µm にお およそ一 致す

図８

Rsk を考 慮した再 補 正後の差- 48 -

非接 触輪郭形 状測定 機の測定手 法概略図

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

5.46 µm とな る。この 値は ，図 10 に示したレ ーザ入 射
角の差によ る測定値 差とお およそ等し くなった 。
３．６円 筒内形状 測定機 の最大許容 指示誤差 相当値の算出
本研究に おいて使 用した 三次元座標 測定機， 及び非図９

断面 測定時の レーザ 入射角の変 化

接触輪郭形 状測定機 は，測 定装置中に 基準器を 持つ装置であるた め，測定 メーカ の定義する 最大許容 指示誤差(MPE E )の数値 が定義さ れ ている。円 筒内形状 測定機
は装置内に 基準器を 持たな いため，MPE E は定義さ れていないが， 使用する 測定機 が必要な精 度を満た すかどうかの指標 として MPE E を用 いるケース があるた め，本研究で得ら れた各測 定機で の測定結果 から，円 筒内形状測定機の MPE E 相 当値の算 出を試みた 。
図 12 に，円筒 内形状測 定 機の測定結 果を，前項ま で

図 10

φ12 mm 半円 の測定 結果（左：断面 測定で得られた 補正を適 用した うえで，三次 元座標測 定機，

右 ：回転 測定）

非接触輪郭 形状測定 機それ ぞれを基準 として整 理した
グラフを示 す。
それぞれの 測定点に は，円 筒内形状測 定機の最 大繰
り 返 し 精 度 で あ る ±3 µm の 誤 差 範 囲 を 表 示 し て い る 。
傾きとして 三次元座 標測定 機を基準と した測定 結果の近似直線の 値，繰り 返し精 度範囲を十 分内包で きる切片をそれぞ れ設定し，円 筒 内形状測定 機の MPE E 相当値
を±(7+60×L/1000)µm(L は測定直径[mm])と算 出し た 。

図 11

レーザ入 射角によ る 谷深さ Rv 成分への 影響
三次元基準
0.01

今回の試験 片におけ るレー ザ入射角に よる谷深 さ Rv±(7+60×L/1000)µm

非接触輪郭基準の影響を， 計算で求 めるこ とを試みる 。レーザ 入射角
基準直径との差[mm]がθである 際の谷深さ Rv の成分は，図 11 に 示すよ うに Rvcosθで表 すことが で きる。測定 により取 得された表面デー タへの Rv 成分 の影響は，レ ーザ入射 角θ を
-π/2 からπ/2 の範 囲で積 分した面積 の比で表 現でき

y = -3E-05x + 0.0009

0.005

0

-0.005

るのではな いかと考 えた。

y = 6E-05x - 0.0019

回転測定で は常にθ =0deg,つまり cosθ=1 であ るの-0.01

で，Rv 成分の積 分は
/

[ ]

=

/

となる。

0
/

･

/

=

/

=

･

･･･ (1)

図 1230

各装置 を基準に した 円筒内形状 測定機の 測定値
４[20
設計値[mm]

一方断面測 定では，/

10] // =･2

おわり に

内 径 寸 法 の 異 な る 試 験 片， 及 び 表 面 性 状 の 異 な る 試･･･ (2)

験 片 を 複 数 の 測 定 手 法 で 測定 ・ 比 較 し ， 以 下 の 知 見 をとなるので ，(1),(2)式よ り ，断面測 定によっ て無視 さ得た。

れる Rv 成分は

（1）三 次元座標 測定機で の 測定値と比 較して ，非接 触ｰ2

輪郭形状測 定機 ，円筒内 形 状測定機の 測定値が 大･･･ (3)

きくなる傾 向にあっ た。

(3)式で表す ことが できる。表３よりワ イヤ放電 加工試（ 2） 測 定 手 法 に よ る 結 果の 差 は ， 測 定 物 の 表 面 性 状，

験片の Rv は 15.02 µm であ るので，計 算される 成分は測定機器の プローブ 径・ス ポット径の 影響によ る- 49 -

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

ものと考え られ ，モルフ ォ ロジフィル タの使用 や参考文献

表面粗さの考慮により測定手法ごとの差の補正

1) 小倉翔吾 ，瀬戸 雅宏ら ： "成 型加工 "，33 巻 8 号 ，が可能であ った。

289-293，（2021）（3）非 接触輪郭 形状測定 機 を使用した 測定の場 合，レ2) 浅野晃： "電子情報 通 信学会 "，4 巻,2 号 113-122，

ーザ入射角によって測定値に影響が出ることが（2010）
3) 宮 下 勤 ： " 精 密 工 学 会 誌 ", 73 巻 2 号 ,201-205,

分かった。
（4）三 次元座標 測定機 ，非 接触輪郭形 状測定機 の測定
結果を基準 として ，円筒 内 形状測定機 の最大許 容
指 示 誤 差 (MPE E )相 当 値 を ± (7+60×L/1000)µm と算出した。

- 50 -（2007）

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

経常研究

データ収集・解析システムの機能拡張－ データ収集・解析システムユーザインタフェイスの拡張 －
島田 智*

八木澤

秀人*

Enhancements in the Data Collection / Analysis System
SHIMADA Satoshi and YAGISAWA Hideto
当センターがこれまでに開発してきた，データ収集・解析システムの見える化部分について，表示内
容のカスタマイズをブラウザ上から簡単にできるよう，機能の拡張を行った。また，ブラウザ上からの設定で，7 セグメント表示器やアナログメータ読み値の教師データを作成するツールや，クラウド上で推論モデルを生成するツール，推論モデルを用いて，画像から値を読み取り，データを保存するツールを作成し、実際にセンターの消費電力計やアナログメータの読み取りを行うモデルを構築，継続的に値を収集し，これらのツールの有効性を確認した。
Key words: IoT，可視化，YOLO，アノテーション

１

はじめに

せ方の変更が必要となることが想定される。

ものづくり企業を取り巻く環境は，新興国の技術革新

そこで本研究では，ユーザが自ら望んだ形にシステムに加え，コロナ禍による半導体不足や原料高騰により，のカスタマイズを行えるよう，これまでに構築したデー

生産性向上，競争力の強化が求められている。顧客満足

タ収集・解析システムの機能の拡張を行った。

度を高めるためにも，機会を捉え，リスクを回避するためにも，データに基づく素早く適切な判断が必要で，

２

IoT や AI 等の先端技術利用が不可欠である。しかし，も

２．１

研究の方法

見える化ツールの機能向上のづくり現場においては，作業日報や品質情報などのデ

これまでの研究では，データ収集・解析システムにータ収集を行っているものの，データ収集の電子化・自Raspberry Pi 4B 上の Apache で動作するオリジナルの動化や，収集したデータの活用が進んでいない企業も多

PHP 見える化プログラムを作成した。このプログラムでい。

は，ダッシュボード（図 1）（複数の情報源からデータ

そこで産業技術センターでは，平成 30 年の「所内設備の IoT 化に関する研究

1)を集め、概要をまとめて一覧表示する画面）の表示内容」から 3 年間にわたり，ものを，JSON 形式のテキストファイル（表 1）で管理していづくり現場で発生する様々なデータの利活用を目的としる。このため，希望する表示対象データを選択し，グラて，データの収集，蓄積，分析を行うためのツールを開フの種類，キャプション等の表示方法を得るには，この

2),3)

発

を行ってきた。

ファイルの編集方法，編集箇所，記載内容について，細こうしたツールを予め準備し，利活用することで，研究会でのハンズオン活動がスムーズに実施できるとともかな内容まで理解する必要があり，ユーザが容易に変更できるものではなかった。

に，相談を寄せられる多種多様な IoT，AI 利活用に関す

こうしたことから，以下の 2 つの手法により，ユーザ

る企業ニーズに素早く対処することが可能になっていが容易にデータ表示画面をカスタマイズできるよう，機る。

能の拡張を行った。

一方，研究会参加者の多くが，システム管理やプログ

２．１．１

ダッシュボード編集のための UI 拡張

ラミングの経験に乏しく，こうしたツールを企業内で使まずは，現在のデータ収集・解析システムのトップペ

い続けることを考えた場合，長期的な人材育成が不可欠ージである見える化ツールのダッシュボードを，テキスである。また、多品種少量生産を行う企業にとって，シトファイルの編集をすることなく，ブラウザ上から，ボステムを一度作り込んでも，表示するデータや，その見タンや選択リストで編集できる機能を加えた。

*

栃木県産業技術センター

機械電子技術部- 51 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

前者は後者に比べると計算量が少なく済み，高速で安定している一方，環境に応じたパラメータの設定が必要な上，明るさの変化や外光の映り込み，カメラのズレな
どの外乱には比較的弱く，うまく認識ができなくなる恐れがある。一方後者は一度外乱に強いモデルを構築すれ
ば，カメラのズレや明るさの変化にも対応できる一方，計算量，計算時間は余計にかかることになる。
これまでの研究では，物体検出モデルである YOLOv3 を用いた 7 セグメント表示器の読取りモデルを構築し，電図 1 ダッシュボード画面
表 1 パネル毎の設定内容{"title":"eCO2 濃度","text":"./dashboard.php?MODE=FULL&GW_ID=3&DEV_NO=1&CH_NO=5&BG=LG&UNIT=㏙&NumDEC=0&NumMIN=400&NumMAX=1000&COUNT=120&COLOR=255,200,200&THICKNESS=5","link":"./chartview.php#dt5","update":"100"}２．１．２

力値の読取りを行ってきた。そこで，今回は実際の企業での活用を考え，YOLOv3 よりもサイズが小さくても高い精度が出るとされる YOLOv5 を用いて，アノテーション作
業（図 2）からモデルの構築，活用までの環境構築を行った。

統合監視ツールや BI ツールの活用

もう一つが，統合監視ツールや BI ツール等，外部のツ

図2ールを活用する手法の検討である。こうしたツールの中には，FOSS（フリーソフトウェアやオープンソースソフ

アノテーション作業

画像にラベル（今回の場合は読み値）付けしていく作業

２．２．１

モデル作成環境の構築トウェア）や，機能が限定された範囲ならば無償で使う

7 セグメント表示器やアナログメータについて，様々ことのできるものが存在している。独自ツールと比較すな画像を学習させることで様々な計器に対応したモデル

ると，表示手法や連携可能なデータベース等の機能，構を作ることも可能である。一方で，対象を特定の計器に築や操作，トラブル発生時の対処方法等に関するマニュ

絞ることで，より安定した読取りを実現できる。この場

アル等の情報が豊富で，運用のハードルが低い（表合，対象物毎に，読取りのためのモデルを構築する必要2）。そこで，こうしたツールの中からいくつかを選がある。
今回作成するモデルは，画像を入力として，読み値をび，収集したデータの表示を試み，独自ツールの置き換返すもので，学習には大量の画像とその読み値を与える

えを検討した。
表2
ツール
比較項目
費

用

必要な使用スキル
導入・管理スキルセ キュ リ テ ィ ・サ ー ビ ス の 持続
カ ス タマ イ ズ

２．２

ツールの機能比較

オリジナル
見える化ツール

統合監視ツール

必要がある。画像に読み値を与えていくアノテーション
BI ツール

△

△

多くが有償

多くが有償

△
△
△

〇
〇
〇

〇
〇
〇

独自に維持していく必要

ベンダー側で対応

ベンダー側で対応

〇

△

△

〇

作業は，時間以上に苦痛を伴う作業であることから，まず，従来手法により画像と読取り結果を同時に収集するプログラムを作成することで，アノテーション作業の軽減を試みた。

細かな作り込みも可能

また，このプログラムにより得られる画像とラベルを計器読取プログラムの機能向上

教師データとして，転移学習により，画像から読み値をデータ出力が難しい加工機からデータを収集するに推定するモデルを生成するツール，構築したモデルを用

は，振動，電流，電圧，リレーやマグネットスイッチのいて，画像から値を読み取り，csv 形式のファイルや DB

開閉などをセンサで監視するほかに，装置に備付けの計にデータ保存するツールを作成した。

器の画像を用いる方法がある。特に 7 セグメント表示器

２．２．２

作成したモデルの実タスクへの適用

やアナログメータは，ヒトが目視で状態を監視するためセンターの消費電力量表示と，太陽光パネルからニッに多くの装置に付けられている。また，これらの装置のケル水素電池に充電を行う回路に取り付けたアナログ電状態を連続して記録するために，様々な製品や安価に構

圧計，電流計を用いて，実際にモデルを構築し，アノテ築する手法が開発されている。

ーションに用いた従来手法との比較を行った。

これらは大別すると，パターンマッチや輝度の差など
をベースとした手法と，物体検出アルゴリズムなどのDNN を用いた手法とに分けられる。

- 52 -

栃木県産業技術センター

３
３．１

結果及び考察No.19 (2022)

を 有 す る BI ツ ー ル で ， PostgreSQL 、 MariaDB 、 excel

見える化ツールの機能向上

３．１．１

研究報告

等、様々なデータベースが利用可能である。デスクトッ

ダッシュボード編集のための UI 拡張

プ版と携帯版のページを別に作成することが可能で，デまずはダッシュボード上のパネルダッシュボード一つ

ータ表示範囲の拡大，縮小による傾向の把握が行いやすの表示につき，対象となるデータや背景のグラフ表示のい。また，報告書を「発行」することで、出先でも確認方法について，選択式で表示，更新するプログラム（図できるが，複数ユーザでの共有には Pro 版（有償）が必

３）を PHP で作成し，加えて JavaScript を用いて，画要となる。

面表示を選択内容に合わせて変更し，設定内容を自動生

PC から LAN 内部にあるサーバのデータを参照するので成するプログラムを作成した。しかしながら，前述のとあればそこまで遅延が大きいとは言えないが，やはりリ

おり，見える化部分を自作し，機能を拡張していくこと

アルタイムでの監視に使用するには不向きと判断した。

には，課題が多い。

３．１．２．３

Grafana

Grafana は，マルチプラットフォームで動作する視覚化ツールで，PostgreSQL、MariaDB 等、様々なデータベースが利用可能である。様々なサービスの可視化に活用されており，ダッシュボードの表示内容をパネル毎に設定していき，ブラウザ上でその配置や大きさを変更する
図3作製したダッシュボード編集画面

３．１．２

統合監視ツールや BI ツールの活用ことが可能である。また，ユーザ毎にパスワードを設定し，画面毎に編集や閲覧の権限を管理することができ

そこで今回，BI ツールや統合監視ツールとして，無償る。
一度システムにインストールをしてしまえば，表示すで使用できること，導入や使用方法，導入事例についての 情 報 が 豊 富 な こ と な ど を 考 慮 し ， Google
4)

5)

Data
6)

Portal ，Microsoft Power BI Desktop ，Grafana ，るデータの選択から表示方法の変更，データのエクスポートに至るまで，全てブラウザ上で行うことができる，

Zabbix を用いて，見える化ツールの置き換え可能性の非常に強力なツールであり，見える化ツールの置き換え検討を行った。

に最も適していると考えられる。一方，通知機能も簡易

7)３．１．２．１

ながら有しているものの、単体で状態監視を行うには機Google Data Portal

Google Data Portal は，Google が提供する，基本料無料のクラウド BI ツールであり，Google BigQuery，能の不足が感じられる。
３．１．２．４

ZabbixCloud SQL，スプレッドシート等のデータが利用可能でZabbix は，世界中で使用されているネットワーク機器

ある。Google のアカウント情報を基にデータの共有，編の統合監視ツールであり，Zabbix サーバと監視対象に導集権限の割り当てなどが可能で，レポート作成機能に特入する Zabbix エージェントから構成される。Zabbix サ

化（日報、月報等の作成が得意）している。

ーバは指定した時間毎に監視対象のエージェントにデー

データ収集・解析システムのデータは，MariaDB 内にタを要求し取得する。また，WebUI を有し，ブラウザか格納されており，Google のサーバからアクセス可能な場

ら各種設定が可能で，データの可視化機能も有してい所にこの DB を配置することで，データの連携が可能である。通知の機能が豊富で，データの扱い（保存期間等）

る。

も設定できることから，長期間運用する場合に有用であ

実際にデータの表示を行ってみたところ，日報等のレポート作成には非常に有効なツールである一方，定期更る。Zabbix と Grafana を用いた場合のシステム構成図を
図 4 に，作製したダッシュボードを図 5 に示す。

新が必要なリアルタイム監視は不得手な印象がある。特また，Zabbix Agent2 を導入することで，既存システに 今 回， DB に Google 内の サ ービ スを 使わ なか っ た為

ムが受信するセンサデータを，MQTT Subscriber としてか，1 か月分の温湿度データの表示に 1 分以上要するな

受け取ることができ，Python で作成した MQTT で受け取ど，少し大きめのデータを参照しただけで，非常に大きったデータを MariaDB に保存するプログラムを用いる必な遅延が発生し，見える化ツールの置き換えには不向き

要がなくなる。

と判断した。
３．１．２．２

Microsoft Power BI Desktop

Power BI Desktop は，Microsoft が提供する無償版- 53 -

栃木県産業技術センター

図4

研究報告

No.19 (2022)

システム構成図

図6

図5
３．２

輝度差読取り位置指定 Web UI

Grafana を用いたダッシュボード

計器読取プログラムの機能向上

３．２．１

モデル作成環境の構築

今回，読取り対象とする計器は，7 セグメント表示器とアナログメータであり，転移学習のベースモデルに

図7

YOLOv5n 8) ，VGG19 9) を用いた。

ハフ変換読取り位置指定 Web UIWeb UI で設定された内容を基に，読取りを行うプログ

今回のタスクにおける教師データ作成（アノテーショ

ラム本体は，Python＋OpenCV で構築した。一定時間毎にン作業）は，画像を見て，その読み値をテキストに保存

画像を取得し，読取り結果のテキストを YOLO や VGG19 のする単純作業ではあるが，数が多くなると容易ではな

転移学習にそのまま用いることのできる形で保存する。

い。実際に作業を行ってみると，3 桁の 7 セグメント表

次に，転移学習によりモデルを構築するためのプログ

示器画像にアノテーションツール labelimg 10) を用いてララムを python で作成した。YOLO や VGG19 の転移学習

ベルを振っていく作業には 30 秒/枚程度，画像ファイル

は，全ての層の学習を行う事に比べれば低く抑えられる一覧を記載したテキストファイルにアナログメータ画像

が，計算量が多く，GPU を搭載しない通常の PC では，結に読み値をラベル付けしていく作業には 20 秒/枚程度を果を得るために多くの時間を要する。このため，GPU 搭要した。今回の場合，位置が固定なので，7 セグメント

載 PC を用意することなくモデルの作成と評価を行うた表示器の画像についても labelimg を使わず，テキストでめ，Google Colaboratory 11) を用いて転移学習を行うプ

次々に値を記載し，後で画像毎のデータに変換すること

ログラムを作成した。

で時間を短縮できるが，すべての画像を目視し，その値

なお，7 セグメント表示器やアナログメータの画像を入力する作業を計器毎に 100 枚，1000 枚と行うのは，は，上下左右が反転すると意味が変わるため，画像水増作業時間以上に苦痛を伴う。

しする際には注意が必要である。

そこで，7 セグメント表示器については，各セルと周囲との輝度差を用いて，アナログメータについては，針最後に，ブラウザ上から範囲を指定し，カメラ画像か
ら値を読み取るプログラムを作成した（図 8）。

位置をハフ変換により抽出する手法を用いて読み取るプ
ログラムを構築した。
まず，これらの手法での読取りに必要となる表示器を映すカメラのアドレス，7 セグメント表示器各桁のセルの位置，アナログメータの回転軸と上限，下限の位置，点灯を検出する輝度差などのパラメータを設定するための Web UI を，これまでと同様，PHP で構築した（図 6，
図 7）。

- 54 -

栃木県産業技術センター

図8
３．２．２

研究報告

No.19 (2022)

YOLO 位置指定 Web UI

作成したモデルの実タスクへの適用

図 10消費電力計の読取り

今回の一連のモデル作成環境を用いて，実際にセンタ上が従来手法，下が YOLOv5n モデルを用いた手法

ーの消費電力量計（7 セグメント表示器）と，アナログ

ところが，今回生成できた読取りモデルについては，

電圧計，電流計を用いて読取りモデルを作成し，モデル

外乱への強さは確認できたものの，目視による読み値との評価を行った。

モデル推論値の間に，最大で 0.1 程度の開きがあり，精度に課題が残った。

図9

昼間と夜間の電力計の見え方

電力量計は，表示が切り替わる瞬間，読み取れない表示（図 9 左端）や，本来読み取るべきでない表示となることがある。また，昼間と夜間で見え方が大きく異なり，特に夜間は輝度差での読取りに失敗が多くなる。

今回，従来手法で得た教師データを目視で修正し，読取りモデルを作成した結果，高い精度での読取りが期待できるモデルが得られたことから，実際の現場での利用を 想定し ，NVIDIA 社製の GPU 搭載 開発ボ ード Jetson

図 11

アナログメータ読取りモデルの評価

Nano 上で画像の YOLOv5n による読取り実行した。読取り
結果は MQTT Publisher として，データ収集システムの

４

おわりに

MQTT Broker に 送 信 す る 。 デ ー タ 収 集 シ ス テ ム 内 で は今回の研究で以下のことに取組み，これまでのセンサ

Zabbix Agent2 が MQTT Subscriber として，読取り結果を用いて収集するものに加え，計器類の画像からデータ

を MQTT Broker から受け取り，Zabbix server がそれをも収集し，ユーザが表示したいデータを，希望する形式

監視しデータを格納する。その後，格納されたデータで表示できる環境を構築した。

を ， Grafana を 通 じ て 可 視 化 す る 一 連 の 動 作 を 確 認 し（ 1 ）オ リジ ナル見 える 化ツ ール のダ ッシュ ボー ド表示

た。結果を図 10 に示す。

変更に必要なテキストの編集をブラウザ上から行え

図 10 上の従来手法では，夜間の読取りが上手くいかるようにすると共に，Grafana，Zabbix 等の外部ツ

ず，途切れたり，同じ値を繰り返したりしているのに対ールを用いた見える化に取り組み，プログラムレス

し，図 10 下の YOLOv5n モデルを用いた手法では，昼夜で必要に応じたデータの表示ができる環境を構築し問わず安定して読み取れている様子がうかがえる。

た。

アナログメータについては，メータの最小値を 0，最大

（ 2 ）ブ ラウ ザ上か らの 設定 で， 従来 手法を 用い てアノ

値を 1 として，ハフ変換を用いた手法により教師データ

テーションデータを作成するツール，得られたデーを作成し，データ水増しの上で転移学習を行い，モデル

タから Google Colaboratory 上で推論モデルを生を生成した。

成するツール，作成したモデルを用いて，画像から値を読み取り，csv 形式のファイルや DB にデータ保存するツールを作成した。

- 55 -

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)（ 3）こ れら のツー ルを 用い て得 られ たアノ テー ション

about/data-studio/

データから，実際にセンターの消費電力量計やアナ

5) Microsoft "Microsoft Power BI Desktop "ログメータの読み取りを行うモデルを構築，継続的

https://powerbi.microsoft.com/ja-jp/
6) Grafana Labs "Grafana "に値を収集し，その有効性を確認した。

https://grafana.com/
7) Zabbix 社 "Zabbix "参考文献
1) "所内設備の IoT 化に関する研究 " 栃木県産業技術セ

https://www.Zabbix.com/jp
8) ultralytics "Yolo v5 "ンター研究収録, pp. 58-61, 2018.
2) "AI 導入に向けたデータ収集システムプロトタイプの開発 " 栃木県産業技術センター研究収録, pp. 27-30,

https://github.com/ultralytics/yolov5
9) "Keras Documentation "2019.

https://keras.io/ja/applications

3) "ものづくり現場における AI 活用に向けた分析・解析

10) "labelimg "ツールの開発 " 栃木県産業技術センター研究収録, pp.

https://github.com/tzutalin/labelImg
11) Google "Google Colaboratory "35-41, 2020.
4) Google "Google Data Portal "https://colab.research.google.com/notebooks/w

https://marketingplatform.google.com/intl/ja/- 56 -

elcome.ipynb?hl=ja

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

経常研究

スマートグラスを用いた作業支援検証に関する研究松本

健司＊

Verification of Support by Smart Glasses
MATSUMOTO Kenji
ウェアラブル機器の一つであるスマートグラスを活用するシステムを 2 種類開発し，作業支援用途における実用性を産業技術センターの研修業務にて検証した。
開発したシステムの 1 つは，遠隔地にいるオペレータとスマートグラスを着用した作業者間で，音声・映像データの通信を可能にするものである。もう一方のシステムは，作業者が操作する機器に関する資料をス
マートグラスのディスプレイ上に表示するものである。各システムは，データ提供・AI 処理などのサーバ PCなどと組み合わせて構築した。サーバ実行環境は，システムの柔軟性などを考慮し，仮想コンテナ上に構築した。
Keywords: スマートグラス, WebRTC, AI, コンテナ仮想化

１

はじめに

２

IoT（Internet of Things）技術や ICT（Information

２．１

研究の方法

実施方法

and Communication Technology）技術が近年，急速に発システム開発は設計，試作，評価，改善のサイクルで展し，分野・経営規模を問わず多くの企業がその活用に進め，評価においては，動作テスト（単体，結合）・負関心を寄せている。

荷テスト・ユーザーテストを実施する（図１）。すべて企業が抱える経営課題は多岐にわたっており，中でもの評価項目をクリアした後，機器取扱研修の実務へ試験

新型コロナウイルス感染症対策は早急に取り組む必要的に導入し，業務に支障がないか，感染症対策として有がある大きな課題である。人と人との接触機会を極力減効であるか，の 2 点を確認した。

らす対策には ICT 技術の活用が有効であり，ICT 技術と相性が良いウェアラブル機器の利活用に関心が集まっている。
栃木県産業技術センター（以下，当センター）では感染予防の基本である消毒などの徹底やテレワークの推進などに取り組んでいるが，機器取扱研修など感染リス
クを抑えきれない業務も存在する。当該研修は，当センター保有の機器を初めて利用する来所者に対して実施

図１

する研修であり，機器の取り扱い方法のみならず専門的

２．２

開発の流れ

使用機器（スマートグラス）

内容や安全作業の心得など多くの要素を含んでいる。研本研究では ， EPSON 製 MOVERIO BT-300 1)（図２）を使

修は来所者と職員が長時間立ち会って実施しており，緊用した。当機種はメガネ型であり ，ディスプレイ越しに急事態宣言下における受付停止や関係者の体調不良に視界が確保される両眼シースルータイプである。また ，よる中止など，現状の実施方法だけではサービス維持に

コントローラには Android をベースとした OS が搭載さ課題を抱えている。

れており ， Android OS 搭載機向けアプリと同様の環境

本研究は，業務継続性向上を目指し，スマートグラス

でアプリを開発できる。

向け作業支援システムを開発，機器取扱研修業務において実際に使用し，作業支援用途における実用性を検証するものである。
＊

栃木県産業技術センター

機械電子技術部- 57 -

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

２．３．２

遠隔支援システム

２．３．２．１

システム構成遠隔支援システムは ，遠隔での作業支援を行うための支援用 PC ，支援用 PC の認証や Web アプリケーションの提供などを行うサーバ ，遠隔での作業支援を受けるためのスマートグラスから成る（図４）。スマートグラスと支援用 PC 間は ，WebRTC 2)規格による P2P 通信で映像・音声信号をやり取りする。
図２
２．３

MOVERIO

BT-300

開発内容

２．３．１

システムの概要

開発したシステムの 1 つは，遠隔地にいるオペレータとスマートグラスを着用した作業者間で，音声・映像データの通信を可能にするシステム（以下，遠隔支援システム）である（図３（a））。
もう一方のシステムは，作業者が操作する機器に関する資料を，スマートグラスのディスプレイ上に表示するシステム（以下，アシストシステム）である（図３（b））。

図４

遠隔支援システム構成

WebRTC 規格による P2P 通信を開始するためには ， 接続する機器間で接続情報を交換し ，通信経路を確立する
シグナリング処理が必要になる。WebRTC 規格ではシグナリングの方法は特に指定されていないため ，自由に実装することができる。本研究においては，エヌ・ティ・ティ・コミュニケーションズ株式会社が提供する SkyWay 3)(a) 遠隔支援システム

サービスを利用し ， シグナリング処理を実装した。
２．３．２．２

支援用 PC

支援用 PC 上で Web アプリケーションを実行するためのブラウザは Google Chrome を使用した。ブラウザからWeb サーバへログインし ， Web アプリケーションを実行する。
２．３．２．３

サーバ

サーバマシンには Raspberry Pi を使用した。再利用
性 や メ ン テ ナ ン ス 性 を 高 め る た め ， Raspberry Pi に(b) アシストシステム
図３

Docker 4)環境を導入し ，Docker 仮想コンテナ上でサーバ開発システム概要

遠隔支援システムは，来所者がスマートグラスを着の構築を行った。

用，当センター職員が支援用 PC を操作し研修を実施す

Web アプリケーションは HTML 及び JavaScript で記述
し ，スマートグラスへの発信機能 ，スマートグラスからる状況を想定している。
アシストシステムは ，研修実施後 ，利用者が研修内容の着信通知機能，映像・音声の送受信機能を実装した。

を振り返りつつ作業を行う場面を想定している。

２．３．２．４

スマートグラス用アプリ開発した Web アプリケーションはスマートグラス上でも動作するが，スマートグラスの使用に慣れていない
来所者による使用を想定し，操作をなるべく簡易にする- 58 -

栃木県産業技術センター

ため，スマートグラス用に別途アプリを開発した。

研究報告

No.19 (2022)

トを通過後，実際の研修業務で活用し，従来通りの業務

アプリ開発には Kotlin 言語を使用し，開発環境にはに支障がないか，感染症対策として有効であるか（不測Android Studio を使用した。アプリには，Web アプリケの事態における業務継続性向上に有効か）の 2 点を評価ーションと同様に，発着信機能，映像・音声送受信機能した。

を実装した。
２．３．３

アシストシステム

２．３．３．１

３

システム構成３．１

アシストシステムは，スマートグラス，スマートグラ

結果及び考察遠隔支援システム

３．１．１

開発成果

スのカメラ映像から操作中の機器を推論する AI サーバ，

遠隔支援システム利用時の各端末画面を図６に示す。

AI サーバの推論結果を基に作業に関連したデータを提図６において，左はスマートグラス着用者の視界イメー

供するデータサーバから成る（図５）。アシストシステ

ジ，右は支援者の利用パソコン画面である。

ムは，研修資料などのデータをスマートグラス着用者のスマートグラスと支援用 PC のそれぞれでアプリを実視界を妨げないよう AR 表示する。

行後，基本的には支援者側で発信操作を行うことで通信を開始する。通信開始後は，スマートグラス側視界カメ
ラの映像が常に支援者側へ送信される。また，支援者側は必要に応じて画面共有機能によるスマートグラス側との資料共有が可能である。

図５
２．３．３．２

アシストシステム構成
スマートグラス用アプリ

アプリ開発には Unity 5)を使用した。アプリには，スマ(a) 通信中

ートグラスの AR 表示，カメラ画像のサーバへの送信，構造化データの受信・再構築処理を実装した。
２．３．３．３

サーバ

サーバマシンには Jetson Xavier NX を使用した。本システムでは，AI 処理を行うサーバとデータの提供を行うデータサーバが動作している。AI 処理を行うサーバでは，カメラ画像の分類処理に TensorFlow 6)フレームワー
クを用いた。また、各サーバは Python 用ウェブアプリ

(b) 画面共有時

7)

ケ ー シ ョ ン フ レ ー ム ワ ー ク で あ る Flask を 用 い て ，

図６

WebAPI を提供している。

３．１．２

なお，遠隔支援システムと同様に，各サーバはそれぞ

遠隔支援システム利用イメージ
各種評価

３．１．２．１

れ Docker 仮想コンテナ上に構築した。また，各コンテ
ナは同一マシン上で稼働しており，複数コンテナの実行クリアした。

にあたっては Docker Compose を使用した。

３．１．２．２

２．４

実用性検証方法

２．４．１

動作テスト（単体・結合）設計仕様に基づきチェックを実施し，すべての項目を
負荷テスト

各端末でアプリを起動後，長時間の通信や特定の操作

対象業務が繰り返される状況などにおいて，不具合が発生しない

複合環境試験装置（振動試験機）の研修を対象とする。

か確認を行った。想定研修業務での稼働時間（約 2 時間）

現在，当該研修は職員が 2 人一組で業務にあたっており，

以上の長時間でも安定して通信できることを確認した。

利用者と当センター職員の接触機会が多くなっている。

３．１．２．３

２．４．２

システム評価方法

ユーザーテスト本システムの開発に携わっていない当センター職員

各システムは動作テスト・負荷テスト・ユーザーテス

を 2 人一組とし，当センター利用者（スマートグラスを- 59 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

着用し研修を受ける）と，当センター職員（支援用 PC をスマートグラス上の処理では表示と通信の負荷が大用いて研修を実施する）の役割に分け，あらかじめ設定

きかった。特に通信については負荷が大きく，AI サーバ

したテスト項目に遠隔支援システムを利用して取り組へ転送するデータ，サーバからダウンロードするデー

んでもらった。ユーザーテストは計 4 組実施し，遠隔支

タ，それぞれの容量を適切に調整する必要性がある。ま援システム動作の最終チェックとした。

た，本研究では作業中に必要なデータの更新は多い想定

参加した職員はスマートグラスの利用経験がなかっで設計したため，アプリ内部にあらかじめデータを用意たものの，おおむね各アプリをスムーズに操作でき，遠するなどの代替手段は実装しなかった。

隔支援システムにも問題は発生しなかった。
３．２

本研究においては，研修実施には遠隔支援システムのアシストシステム

３．２．１

優先度が高く，遠隔支援システムと併せての利用を想定

開発成果

するとバッテリーの持続時間が十分ではないことから，

スマートグラス着用者のデータ要求操作により，アシ以降に予定していた評価は実施しなかった。

ストシステムはカメラ画像を基に対象機器を推定し，推３．３

定結果を着用者に確認する（図７（a））。着用者の承認

実務への試験導入

開発したシステムのうち，各種評価をすべてクリアし後，スマートグラスに対象機器に関するデータのリスト

た遠隔支援システムについて評価を行った。

が表示される（図７（b））。リストから必要なデータを研修受講希望の当センター利用者（以下，受講者）に選択すると，スマートグラスのディスプレイ上に AR 表

協力いただき，受講者がスマートグラスを着用，当セン示される（図７（c））。なお，アシストシステムの AR

ター職員が別室から支援用 PC を用いて，約 1 時間の研

表示は 3 自由度であり，角度情報のみを使用している。

修を実施した。
研修後，受講者は複合環境試験装置による振動試験を問題なく実施しており，従来通りの研修効果を確認した。また，研修中の職員と受講者の接触機会は大きく減
少しており，感染症予防にも効果があると判断した。

(a) 機器認識時(b) リスト表示時

４

おわりに

スマートグラスによる作業支援を目的とした遠隔支援システム及びアシストシステムを開発し，遠隔支援シ
ステムによる研修が問題なく実施できることを確認した。なお，当センターにおいては製造工程に相当する業務が存在しないため，作業支援に最も近い業務である研修を対象に実用性の検証を行った。
本研究においては当センター内の別室間の通信であった。当然ではあるが，通信経路が確保できれば外部との通信も可能である。外部との通信が可能になれば，更なる業務継続性改善やユースケース創出につなげられ(c) データの AR 表示時
図７
３．２．２

る。

アシストシステム利用イメージ

社会全体で DX 推進の機運が高まっており，本研究に

各種評価

３．２．２．１

おいて開発した各システムのような機能は需要が高い

動作テスト（単体・結合）と思われる。また，スマートグラスのようなウェアラブ

設計仕様に基づきチェックを実施し，すべての項目を

ルデバイスの改良は日進月歩で進んでおり，扱えるデークリアした。
３．２．２．２

タも多様化している。ウェアラブルデバイスは製造業と負荷テスト親和性が高く，各社のデータ資産利用を目的とした導入

アシストシステム利用時のスマートグラス稼働時間検討も盛んになっていくと考える。今後は，MR（複合現が 1 時間程度しか確保できなかった。周囲環境にも依存実）機能を持つデバイスなどを利用したデータ資産の利するが，10 分間のシステム利用でスマートグラスのバッ活用の手法について検討していく。

テリーは約 11％程度消費した。また，発熱の問題もあり，充電しながらの動作は安定しなかった。

- 60 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

5) Unity： "https://unity.com/ "，参考文献
1) BT-300： "https://www.epson.jp/support/portal/s

Unity Technologies 社

upport_menu/bt-300.htm ", セイコーエプソン㈱6) TensorFlow: "https://www.tensorflow.org/ "，2) WebRTC： "https://webrtc.org/ "，Google 社

Google 社
7) Flask: "https://flask.palletsprojects.com/en/

3) SkyWay："https://webrtc.ecl.ntt.com/",

2.0.x/"

エヌ・ティ・ティ・コミュニケーションズ㈱4) Docker： "https://www.docker.com/ ", Docker 社- 61 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

経常研究

生姜辛味成分の簡易分析法の開発
阿久津

知宏*

金井 悠輔*Development of Simplified Analysis Method for Pungent Components in Ginger
AKUTSU Tomohiro and KANAI Yusuke
生姜の辛味は多すぎるとクレームにつながることもあるため，原料の辛味成分把握は重要である。本研究では，薄層クロマトグラフィー（TLC）法を活用し，辛味の程度をすぐに判断できる簡易分析法の検討を行った。辛味成分である 6-ジンゲロールの簡易抽出は乳鉢粉砕による抽出が最も抽出効率がよく，ばらつきが小さい方法であった。TLC 分析条件は濃縮ゾーン付の TLC プレートを使用し，スポット量を 2 μL とする条件が最適であった。確立した条件により，TLC プレート上でクレームとなる可能性がある生姜を判別することができた。
Key words: 生姜，辛味，6-ジンゲロール，TLC

１

はじめに

２

生姜の辛味成分は抗酸化作用などの機能性が知られ２．１ている一方，多すぎると辛味が増してクレームにつな

研究の方法

辛味成分の抽出２．１．１

ミル粉砕による抽出がることもあるため，原料の辛味成分把握は重要であ

フードプロセッサーにより粗粉砕した生姜をミル（三る。辛味の評価を官能評価で行う場合，基準合わせも

洋電機製，SM-KM36 型）により 1 分間粉砕し，エタノー

難しく人によるバラツキも大きい。高速液体クロマト

ルで抽出した。抽出濃度は，生姜 20 g に対して添加エ

グラフィー（HPLC）法により辛味成分である 6-ジンゲ

タノール 80 mL（1:4），20 mL（1:1），添加なしとし抽

ロールの含有量を分析できるが，機器が高価であるた

出した。

め，保有していない企業がほとんどである。さらに，

２．１．２

乳鉢粉砕による抽出

HPLC は操作が煩雑である上，結果が得られるまで時間

フードプロセッサーにより粗粉砕した生姜を乳鉢（φがかかり，現場ですぐに判断できないという問題があ

130 mm）により 5 分間粉砕し，前項同様にエタノール抽

る。

出した。

一方，HPLC 法のように高い精度の分析値は得られな

２．１．３

いものの，おおまかな比較ができる簡易分析の手法とおろし器粉砕による抽出

生姜をおろし器により粉砕し，同様にエタノール抽出して薄層クロマトグフィー（TLC）法がある。TLC 法はした。

高価な機器を必要とせず，迅速に分析することが可能

２．１．４

である。また，分析結果は呈色することにより目視で従来法による抽出フードプロセッサーにより粉砕した生姜 2 g にメタノ

容易に確認できる。

ール 25 mL を加え，氷冷下で 3 分間ホモジナイズした。

本研究では，TLC 法を活用し，辛味の程度を迅速に判

10 分間振とう抽出した後，遠心分離（10,000 rpm，10 分断できる簡易分析法の開発を行った。

間）して上澄みを得た。残留物にメタノール 25 mL を加え，同様の操作を 2 回繰り返した後すべての上澄みを合
わせ，100 mL に定容した。
２．２

TLC 法による辛味成分分析

TLC 法による 6-ジンゲロールの分析は薬用植物デー
タベースの方法 1)を参考にした。TLC 法の概略図を図 1
図１

TLC 法の概略図に示す。TLC プレートへ 6-ジンゲロール標準溶液及び試料溶液を毛細管によりスポットし，展開溶媒を約 5 cm*

栃木県産業技術センター

展開した後，TLC プレートを風乾した。これに噴霧用 4-

食品技術部- 62 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

ジメチルアミノベンズアルデヒド試液を均等に噴霧し，長さを測定して評価値とした。スケールは左端を「辛く105℃で 5 分間加熱した後，放冷した。このとき試料溶ない」とし，右端を「非常に辛い」とした。

液から得たスポットのうち，6-ジンゲロール標準と等し
い位置のスポットについて色の濃淡を確認した。

３

TLC プレートは TLC シリカゲル 60F 254（メルク製）及

３．１

結果及び考察辛味成分抽出方法の検討

び TLC シリカゲル 60F 254 濃縮ゾーン付（メルク製）の 2

従来法による 6-ジンゲロールの抽出はホモジナイザ

種類を使用した。スポット量は 10 μL，5 μL，2 μL

ー等の特別な機器を用い，煩雑な操作を伴う方法である

とした。

表１

展開溶媒はヘキサン／酢酸エチル（1:1），ヘキサン／
アセトン（3:2），ヘキサン／ジエチルエーテル（1:4）

抽出方法を使用した。

ミル
乳鉢

２．３

HPLC 法による辛味成分分析

抽出率及び相対標準偏差
従来法に対する抽出率（%）
1762

相対標準偏差
（%）
－
3.5

44

9.9

おろし器

従来法により抽出した試料液 5 mL を分取し，水で 10mL に定容し，HPLC 用分析試料とした。
簡易的な抽出方法で抽出した試料は水・メタノール混液（水：メタノール＝1：1）で希釈し，HPLC 用分析試料とした。
HPLC 条件は，装置：Nexera X2（島津製作所製），検出器：フォトダイオードアレイ検出器，検出波長：280nm，カラム：Kinetex C18 2.1 mm I.D.×50 mm（島津ジーエルシー製），カラム温度：35℃，溶離液 A：水（0.1%
ギ酸含有），溶離液 B：アセトニトリル（0.1%ギ酸含有），
グラジエント条件：溶離液 B30%→90%（5 min），90%（5min），流速：0.3 ml/min とした。
２．４

官能評価

図２

生姜は山生姜及び新生姜の 2 種類を使用した。辛味の評価は VAS（Visual Analog Scale）法（視覚的評価スケール）により， 10 cm のスケール上であてはまる位置に印をつける方法で実施し，スケールの左端から印までの

図３

添加エタノール量の違いによる TLC 分析結果（a）1:4，（b）1:1，（c）添加なし，st：6-ジンゲロール標準品（800ppm），TLC プレート：TLC シリカゲル 60F 254，展開溶媒：ヘキサン／酢酸エチル（1:1）。（a），（b）：乳鉢により粉砕した生姜を試料とした。（c）：生姜をおろし器により粉砕
し，ろ液を試料とした。（6-G：6-ジンゲロール）

2 種類の TLC プレートによる TLC 分析結果

展開溶媒：ヘキサン／酢酸エチル（1:1），st：6-ジンゲロール標準品（800ppm），Sample：1:1 抽出。

- 63 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

ため，簡易的な抽出方法を検討した。ミル，乳鉢，おろし器により生姜 20 g に対しエタノール 80 mL（1:4）で抽出した試料を HPLC により分析し，得られた分析値から従来法の分析値に対する抽出率を算出した。その結果を表 1 に示す。乳鉢はミル及びおろし器に比べ抽出率が高く，相対標準偏差が小さかった。この結果より，抽出効率がよくばらつきの小さい乳鉢による抽出が最適な簡易抽出方法であると考えられる。
３．２

辛味成分抽出濃度の検討

添加エタノール量の違いによる TLC 分析結果を図 2 に示す。生姜に対する添加エタノール量を少なくすると 6ジンゲロールの色が濃くなった。一方，エタノール無添加においても 6-ジンゲロールを確認できたが，毛細管から試料溶液の吐出を十分に行うことができなかった。よって，試料溶液を一定量スポットするためには溶媒を添加する必要があり，その割合は生姜に対して 1:1 が最適

図４

展開溶媒の違いによる TLC 分析結果

であると考えられる。

（a）ヘキサン/酢酸エチル（1:1）（b）ヘキサン/アセトン（3:2）

３．３（c）ヘキサン/ジエチルエーテル（1:4），st：6-ジンゲロール

TLC 法による辛味成分分析条件の検討

３．３．１

TLC プレートの検討

標準品（800ppm），Sample：1:1 抽出，TLC プレート：TLC シリ

2 種類の TLC プレートによる TLC 分析結果を図 3 に示

カゲル 60F 254 濃縮ゾーン付。

す。いずれの TLC プレートにおいてもスポット量を少な

表２くするほど 6-ジンゲロールの色が薄くなる傾向がみられた。TLC シリカゲル 60F 254 では， 2 μL で 6-ジンゲロー

生姜の官能評価結果

種類

ルの確認が困難になった。一方，TLC シリカゲル 60F 254 濃
山生姜
(n=4）

縮ゾーン付では 2 μL でも 6-ジンゲロールを確認することが可能であった。これは濃縮ゾーンにより成分の広がりが抑制されたためであると考えられる。この結果より，

新生姜
(n=9）

濃縮ゾーンの有効性が示唆された。作業性については，

評価値（mm)
A

23±16

B

42±25

C

79±2

A

38±26

B

67±17

C

70±24

量が少ないほどスポットが容易であった。よって，濃縮ゾーン付の TLC プレートを使用し，スポット量を 2 μL

表３生姜の HPLC 分析結果とする条件が最適であると考えられる。
３．３．２

種類

展開溶媒の検討

薬用植物データベースの方法ではヘキサン／酢酸エチ
山生姜ル（1:1）を展開溶媒としているが，酢酸エチルは劇物であるため管理が必要である。そこで，代替可能な溶媒について検討した。代替溶媒（アセトン，ジエチルエーテ

新生姜ル）を使用した TLC 分析結果を図４に示す。いずれの溶

6-ジンゲロール（ppm）
A

725

B

575

C

971

A

767

B

888

C

1320

媒においても TLC プレート上で 6-ジンゲロールを確認可能であった。特にアセトンは酢酸エチルと同等の結果であることから，代替溶媒として最適であると考えられる。
３．４

官能による辛さと成分含有量との関係

生姜の官能評価結果を表２に，HPLC 分析結果を表３に，官能による辛さと 6-ジンゲロール含有量の関係を図５に示す。図５より，官能による辛さと 6-ジンゲロール含有量の間に直線性が見られなかったため，生姜の辛さは 6ジンゲロール含有量だけではなく，繊維質等，他の要因- 64 -

図５

官能による辛さと 6-ジンゲロール含有量の関係

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)（888ppm）と，官能評価の評価値が低かった生姜のうち最も 6-ジンゲロール含有量が多かった新生姜 A（767ppm）との間に判別基準（800ppm）を設定した。6-ジ
ンゲロール含有量が 800ppm に相当するように調製した
6-ジンゲロール標準品を使用し，色の濃淡を比較することにより判別を試みた。その結果を図６に示す。いずれの生姜も 6-ジンゲロール標準品よりも濃い色であった。
この結果より，最適化した条件によりクレームになる可能性がある生姜を TLC プレート上で判別できることがわ
かった。
４

おわりに

生姜の辛味成分である 6-ジンゲロールについて，TLC
図６

クレームになる可能性がある生姜の TLC 分析結果

法を活用した簡易分析法を開発し，以下の知見を得た。

（a）山生姜 C（1:1 抽出），（b）新生姜 C（1:1 抽出），

（1）簡易抽出法は抽出効率がよくばらつきの小さい乳鉢（c）新生姜 B（1:1 抽出），st：6-ジンゲロール標準品

により粉砕し，生姜に対して 1:1 でエタノールを添加する条件が最適であった。

（800ppm），TLC プレート：TLC シリカゲル 60F 254 濃縮ゾーン（2）TLC 分析条件は濃縮ゾーン付 TLC プレートを使用し，付，展開溶媒：ヘキサン／酢酸エチル（1:1）。

2 μL をスポットする条件が最適であった。
も関係すると考えられる。しかし，官能評価の評価値が（3）（1），（2）で確立した条件によりクレームになる

高かった生姜（山生姜 C，新生姜 B，新生姜 C）は 6-ｐジ可能性がある生姜を判別することができた。

ンゲロール含有量が多い傾向にあった。よって，6-ジン

今後は本研究の活用により，県内食品メーカーにおけ

ゲロールは生姜の辛味の程度を表す指標になると考えら

る生姜辛味成分の管理精度向上が期待される。

れる。
３．５

クレームになる可能性がある生姜の判別

参考文献

辛味が強い生姜はクレームになる可能性があることか

1)" 薬 用 植 物 総 合 情 報 デ ー タ ベ ー ス "ら，官能評価の評価値が高かった生姜を TLC プレート上(http://mpdb.nibiohn.go.jp/), 国 立 研 究 開 発 法 人

で判別できるかどうかについて検討した。これらの生姜

医薬基盤・健康・栄養研究所薬用植物資源研究センタのうち最も 6-ジンゲロール含有量が少なかった新生姜 Bー (2013-)- 65 -（2022 年 2 月 17 日（検索日）

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

経常研究

解し織のデザインと絣の効果に関する研究
佐瀬

文彦*

金子 優*

磯田

政夫*

Research on HOGUSHI-ORI Design and the Effect of KASURI
SASE Fumihiko, KANEKO Masaru and ISODA Masao
銘仙に使用される技法のひとつである解し織において，本織の際，経糸相互のずれによって生じる，
絣の程度と柄の印象の変化を，製織前に予見できるようにするため，センターが所有するデザイン資料を活用し，絣による効果をシミュレーションして見本帳を作製するとともに，試織による検証を行った。
その結果，絣の効果として柄の結合，消滅，新しい柄の出現の 3 つの効果が確認できた。また，シミュレーションと実製織の相関を把握でき，シミュレーションが効率的な企画に有効な手段であることを確認した。
Key words: 解し織，絣，効果

１

はじめに

企画の段階で予め企画側と製造側が絣の効果について

大正から昭和初期にかけて流行した銘仙（着物）は，共通意識を持った上で絣の程度や柄を決定し，製造時に華やかな色使いと絣による独特な模様が特徴で，足利地意図的に絣（糸のずれ具合）の程度を制御すれば，絣の域でも主に解し織の技法による銘仙が，第二次大戦頃ま効果を最大限に活かした企画提案型の製品開発が可能

で盛んに生産されていた。しかしその後の洋装の普及なとなる。

どにより生産量は減少，これに伴い関連する企業数の減
少や業態の変化，技術者の高齢化等により，地域内で安定的に解し織を一貫生産することは困難になっていった。一方で，銘仙の絣模様が与えるレトロモダンな印象
は，現在国内外を問わず高い評価を得ており，県内の繊維関連企業群では，洋装に対応するための銘仙（生地）

図１

絣による印象の変化（シミュレーション）の広幅化への取組や，これを含む繊維関連製品のブラン

しかし，絣の程度とその効果については製織業の経験ド化に向けた PR 活動を行い，海外などから一定の評価的部分によるところが大きいため，企画側とのイメージを得ているものもある。

の共有や，初めての柄や絣の程度を正確に推し量ることこのような背景のもと，これまで繊維技術支援センタは難しい。そこで，元の図案に対して絣による効果を事ー（以下センター）では，洋装に対応するための解し織前に明らかにする手法等を示すことで，企業が効率的にの広幅化や，短納期化及びコストダウンを図るための生差別化製品の企画をする際の一助とする。

産体制の確立を目指し，共同研究等による支援に取り組
んできた。

２

企業が解し織を製造する際は，元の図案（柄）に関す

２．１

研究の方法

デザインの選択と調整ることは，企画側のデザイナーとの協議によることが多センターが保有するデザイン資料の中から 20 点を選

く，製織後に絣によって捺染した元の図案の印象が変わ

択し，テキスタイル用の柄として使用できる程度の色ってしまう場合がある（図１参照）。またデザイナーとまとめや柄の修正・補完など一連の図案調整を行った。

製造する企業側での絣の生じ方へのイメージにずれが２．２

絣のシミュレーション

あり，リテイク（やり直し）などが起こることもある。

2．1 で調整した図案に対して，テキスタイルデザイン

逆に予想以上に絣の効果が現れて高評価に至ることもソフト（4DboxPLANS〔ﾄﾖｼﾏﾋﾞｼﾞﾈｽｼﾃﾑ製〕：以下デザイ

あるが，偶発的現象に頼った生産はできない。このためンソフト）のオプション機能を使用して絣のシミュレー*

ションを行った。シミュレーションは程度により 4 段階

栃木県産業技術センター

繊維技術支援センター- 66 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

実施してそれぞれ結果をプリントして絣の見本とした。

本研究で設定したパラメーターは，サイズは最も経糸また，シミュレーションの結果から柄に対する絣の効が細い扱いとなる 1 に固定，シフト長さは 4 段階程度と果について考察した。

するため，16，32，64，90 とし，絣の方向は経に固定と

２．３

した。

試織と検証

シミュレーションに使用した柄から 4 柄程度を選び実際に解し織を試織して絣を現し，シミュレーション結果との比較検証を行った。
３
３．１

結果及び考察実行前

デザインの選択と調整

デザイン資料から，令和 2 年度の研究 1)で分類を行っ

図４

実行後

シミュレーション例（シフト量 32）

た新しい分類（図２参照）毎に，構成する柄の大きさやシミュレーションの処理により，経糸 1 本（1 ピクセ

組み合わせのうち代表的なものを計 20 柄選択した。経ル）毎に，シフト長を最大値とする乱数により経糸が垂絣を行うため縞柄（特に経縞は変化が無い）や無地に近

直方向（経糸方向）に上下にずれる（下方向の最大値は

いものは変化が比較的少ないか，或いは想定しやすいた

シフト長－1 ピクセル）。さらに平織の緯糸に相当する

め，今回は対象から除外し，リピート柄，大柄，地紋小ピクセルが市松模様に加わることで完成する（図５参紋，抽出柄から選出した。

照）。本研究では緯糸は白色の設定だがこの色は変えることができる。緯糸の挿入によって全体的な色の印象も

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

変化する。

図５

シミュレーションの処理（拡大図）

解し織での絣は柄の印象をある程度保持したままで輪郭がにじむ程度が一般的だが，これは大きく分けて①
捺染から本織までの間で行われる処理（蒸し，巻き返し，
図２

新しい分類と選出柄の例

糸つなぎや引込みなどの機拵え）の間に，経糸相互間でデザイン資料のデータは手書の絵をスキャンしたフ

偶発的に生じるずれ。②意図的に経糸相互に生じさせたルカラーであるため，捺染用の製版に使用できるようにずれ。の 2 つに起因して生じ，輪郭がにじむ程度のもの

図案調整を要する。色まとめ・輪郭修正・ゴミ取りなど

は①によるものが多く，②による場合はある程度制御さ一連の図案調整作業をデザインソフトや画像編集ソフ

れた大きなずれを付与できる。絣の手法はいくつかあるト（Photoshop Elements〔Adobe 社製〕）を使用して実ため本研究では②の方法は特定せず，製織技術者がそれ施した。

ぞれの手法で意図的にずらすことを想定している。

３．２

絣のシミュレーション

シミュレーションでは①及び②の場合も含めて大き調整後の図案についてデザインソフトの絣を使用しくずらしたいわゆる大絣を含む範囲とし，選択した 20てシミュレーションを行った。パラメーターを図３に，柄について 4 パターンのシミュレーション（柄を 90 度

処理前後の図案の状態の例を図４に示す。

回転させて横方向にしたものも含む）を行い，結果を A
4 サイズに印刷したものをまとめて見本帳（図６参照）

サイズ：経糸の細かさシフト長さ：ずらし量設定（1～100）
経/緯/経緯：絣の方向

図３を作製した。印刷の際に各ページには図案の名前にシミュレーション時のシフト量を加えた名称を印字した。
また，見本帳は表紙に元の図案のサムネイルを印刷しシミュレーションのパラメーター

たものを付けてあるため，利用者は選んだ図案から好み- 67 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)のシフト量のシミュレーション結果を見ることができ③新しい柄の出現る。逆にシミュレーション結果の方を見渡して，気に入紗綾形文様（卍繋ぎ）や小紋など，一様に線や図形ったものから元の図案とシフト量を知ることもできる。

がちりばめられたような柄は，微妙な濃淡のついた地紋のような新たな柄が出現する場合があった。また大きくかすれた結果，隣接した色が細かい線状に混ざることで混色や通常の染色では表現しにくい細かな線が出現した。

図６

見本帳

今回のシミュレーションの結果から考察した絣の効果については，経絣の一般的な効果である柄の輪郭が縦紗綾形文様（卍繋ぎ）モアレ調の柄方向ににじむようになる他に，大きく分けて①柄の結合②柄の消滅（分散）③新しい柄の出現が確認できた。

例として図 6 右上の拡大図では，赤・青・黒・白の細線が入り交
じっていた

①柄の結合
柄と柄の間の距離程度シフト（糸のずれとしては前後にシフトの約 2 倍）させると，柄が結合したように見えるようになった。

図９

新しい柄の出現例

これらについては，ある程度想像できる場合もある
が，実際のデザインの印象の変化は見本帳（シミュレー
ション結果）を見れば一目瞭然となる。企画段階での協議あるいは企業側からの提案の際にこれを用いてインスピレーションを高めることができる。また，提案の柄をシミュレーションして活用することもできる。
３．３

試織と検証

シミュレーションと実際の織物との差異を検証する

模式図

ために小幅の解し織を実際に製織した。規格等を表１に
図７

柄の結合例

示す。

②柄の消滅

表１

経絣はたて線（経縞）は効果が無いが，よこ線や小試織の規格等

経糸・緯糸

絹紡糸（2/120〔約150ｄ〕）

整経幅

38cm・1204本（密度 約32本/cm）

大きな柄と小さな柄（たて線とよこ線）が混在した場

整経長

42ｍ

合，絣によって大柄・たて線は残り，或いは強調され，

仮織条件

密度 約1本/5cm

さな柄をその縦方向の長さ程度シフトさせると，柄や線としては認識できなくなる場合がある。このため，

小柄・よこ線は消滅，或いは曖昧になった。
経糸への捺染は外注により実施したが，その他の工程はセンターで実施した。本研究では意図的にずらしを加えるためのずらし機を製作して織機に取り付けた。このため織機の間丁（けんちょう）を約 30cm 延長する改造も行った。本織時の織機改造部分を図 10 に示す。これ
により，偶発的に生じるずれに加えて 5 段階のずれを生じさせることができる。ずらしの原理を図 11 に示す。
なお，意図的にずらす手法はいくつかあり，このずらし
図８

柄の消滅例

機の原理も昔からあるものである。

- 68 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

シミュレーションは画面内で実施し，任意のサイズで
ずらし機の
製作と設置

ずらし機

印刷するため，実際の柄やシフト量（長さ）に当てはめるには画像に対するシフト量（ピクセル）や印刷時の解像度（ｄｐｉ）を加味した計算を要するが，例示の試織
では偶発的なずれは最大 5mm 程度で，この場合シミュレーションはシフト量 16 程度が適応した。また，ずらし

間丁（けんちょう）を後方に移動機を使用して意図的にずらしを増やした例で最大 13mm程度を設定したものでは，実際の織物でも概ね設定値に

間丁

偶発的なずれを加えたものが生じることと，その際シフ
図 10本織時の織機改造

ト量 64 程度の雰囲気が適応することを確認した。一方
でシミュレーションではシフト値を最大として乱数的・板の間に横棒（本研究では５本）を渡す
・ランダムに経糸を６組に分ける・ずらしたい糸を棒にかける（５組）
・予め計算したずれになる位置に棒を移動する

横棒
経糸にずらしているため，5 段階のずれを加えるずらし機では，計 6 段階の癖が出てしまい，その分雰囲気が若干異なった。
企業においては，生産する解し織での偶発的なずれ方などは規格などに応じて把握しているため見本帳利用の際にはそれに合わせるか，再シミュレーションを行えば良い。また大絣の場合には，各製織技術者の持つ技法B引き上げた経糸LCA

P

引き上げない経糸や，本研究のようなずらし機であればもっと多い段階に・横棒をＬ引き上げた時，経路 AＢCと AC との差がずれとなる
・直角三角形 ABPと CPB からずれを計算可能

することで製織すればより自然で，シミュレーションに近いものになると考えられる。
いずれにしても，実製織を行う事無く絣による柄の変化を予測したものを企画の段階から活用できれば，イメ

図 11

ずらし機の原理ージの共有による製織後のリテイクの抑制や，審美性を試織は，まずずらし機を無効にした状態で実施し，そ高めた新たなデザインの提案などが可能となることがの後ずらし機を機能させた。本研究では雰囲気を確認す示唆された。

ることが目的のため，経糸を引き上げる横棒を 5 本として，隣り合う数値が異なる 0～5 の乱数表を作成してど

４

おわりに

の経糸をどの棒にかけるか決定し，1 本づつ糸を棒にか解し織の経絣は偶発的，意図的に糸をずらすことによけていく方法を取った。従って新たにずらしを加えないって生じる昔からの表現方法だが，元の柄が変化するたものも含めて計 6 パターンの意図的なずれが，偶発的なめ容易にやり直しが効かない。こうした織物ではシミュずれに加わった。

レーションは有効な手段であることが明らかとなった。

試織とシミュレーションの例を図 12 に示す。

解し織による銘仙について，産地において地域団体商標「足利銘仙」が登録され，今後益々開発等が進むと思われる中で，企画や生産の効率化及び製品の高感性化に，本研究が一助となることを期待する。
参考文献

偶発的な絣の例

1) 佐瀬文彦ら： "栃木県産業技術センター研究報告"，

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ（ｼﾌﾄ 16）№18，43-46，（2021）

意図的な絣の例
図 12

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ（ｼﾌﾄ 64）

試織とシミュレーションの例- 69 -

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

経常研究

切削条件が透明アクリル樹脂の透明度に及ぼす影響
西宮

紹*

関口

康弘 *

岡村

弘太 *

Effect of Cutting Conditions on the Transparency of Transparent Acrylic Resin
NISHIMIYA Sho, SEKIGUCHI Yasuhiro and OKAMURA Kota
透明アクリル樹脂は切削加工の際に，加工面が曇るため，切削加工後に仕上げ加工を行っている。
加工面の曇りの軽減を図り後工程の短縮化を図るため，実験計画法により，主軸回転数・1 刃送り・
半径方向切込量の 3 因子について透明アクリル樹脂の切削条件の検討を行った。透明度の評価は特性値としてヘーズと表面粗さを用いた。
その結果，ヘーズに対して回転数による影響が最も大きかったが，工具推奨条件（5000min-1）以下
では回転数による影響は小さく，ヘーズはほぼ同じ値を示した。ヘーズと表面粗さには相関性が見られた。回転数と 1 刃送りを工具推奨条件の 5000 min-1 と 0.05 mm/tooth にそれぞれ設定し，最も影響が小さかった切り込み量を増加させた実験を行ったが，ヘーズへの影響は小さく，切り込み量を増やすことで加工速度を早くできる可能性が示唆された。
Key Words :アクリル樹脂，切削加工，ヘーズ，表面粗さ

１

はじめに

そこで本研究では，加工面の曇りの軽減を図るため，

近年，多くの工業製品において，その構造は複雑化

透明アクリル樹脂の切削条件がヘーズや表面粗さに及しており，展示会や商談の場において自社の技術や製ぼす影響や，曇りを軽減し，かつ切削時間を短縮する

品の魅力を伝えるために，製造事業者は透明アクリル

ための適切な切削条件について検討した。

樹脂を用いた可視化モデルを作製し説明に活用している。また，新製品開発における流動解析や機構動作確

２

認にも内部構造を可視化した透明アクリル樹脂モデル

２．１

研究の方法

加工機，被削材及び切削工具

加 工 機 は オ ー ク マ (株 )製 の マ シ ニ ン グ セ ン タ （ MB-が使用されている。
多くの企業では透明アクリル樹脂のモデルを作製す

56VA）を用いた。工具は兼房(株)の直径 10 ㎜ 2 枚刃超る際，加工形状や嵌合部などを精密に仕上げるため，

硬アクリルエンドミル Type2 を使用した。

切削加工を行っているが，加工面が曇るため，切削加

被削材は(株)クラレ製の透明アクリル樹脂を用い，工後に仕上げ加工として，薬品や研磨，熱処理などの試験片形状は縦 50mm，横 25mm，厚さ 5mm の短冊状に切

表面処理によって加工面を平滑にし，曇りを除去して断し，未加工の面に対して，エアブロー使用，アップいる。これら後工程は工程時間の増大や，薬品使用にカットの側面削りを行った。

よる環境負荷，製品の形状によっては研磨が困難など

２．２

実験計画法による加工条件の課題がある。切削条件を検討することによって，加切削条件のうち，主軸回転数，1 刃送り，半径方向

工面の曇りを軽減できれば，これらの課題を解決でき

切込量を因子とし，それぞれの水準を表１に示す 2 水ると考えられる。

準とした。主軸回転数及び 1 刃送り，半径方向切込量

既往研究として ABS 樹脂の切削条件による表面粗さの評価を行った報告

1)

は切削工具の推奨条件を基準に 2 割減を水準 A とし，や透明アクリル樹脂板にブラス

2 割増を水準 B とした。表１の 3 因子，2 水準を，表２

トショット加工を行い，表面形状とヘーズ及び光沢度に示す実験計画法の 2 水準型 L8 直交表に割付け，表の関係を評価した報告

2)はあるものの，切削条件がヘ３に示す切削条件を設定した。

ーズ及び表面粗さに与える影響を検討した報告は見当たらない。
* 栃木県産業技術センター 県南技術支援センター- 70 -

栃木県産業技術センター

表１
因子

＼

各因子の水準

条件

測定方法

水準Ａ

水準Ｂ

4000

6000

ヘーズと表面粗さを用いた。ヘーズの評価については，
自 記 分 光 光 度 計 (日 本 分 光 (株 )製

主軸回転数

5000

[min -1 ]No.19 (2022)

加工面の透明度への影響度の指標となる特性値には，

推奨

水準

２．３

研究報告

V-670DS)を 用 い て測定を行い，可視光域(波長 400nm～820nm)の範囲で測定を行った。

１刃送り

0.5[mm/tooth]

0.04

使 用 し た 被 削 材 の 無 加 工 状 態 で の ヘ ー ズ は 15％ で

0.06

あった。
表面粗さの評価については，表面粗さ測定器(東京精半径方向切込量

0.1

[mm]

0.08

0.12

密(株)製 SURFCOM NEX031)を用いて測定を行った。測定距離 4mm で測定を行い，算術平均粗さ(Ra)と最大高さ(Rz)で求めた。

表２
切削

３

L 8 直交表
３．１

結果及び考察ヘーズ測定

表３の条件で切削した試料のヘーズの測定結果を図

列１

列２

列３

列４

列５

列６

列７

１

Ａ

Ａ

Ａ

Ａ

Ａ

Ａ

Ａ

たものはそれぞれの平均値である。1～4 の 4000 回転

２

Ａ

Ａ

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

で切削を行った試料は他の因子にかかわらず，大きな

３

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ａ

Ｂ

Ｂ

４

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ａ

6000 回転の場合，1 刃送り及び切り込み量ともに増大

５

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ａ

Ｂ

するとヘーズが増大することが分かった。

６

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ａ

７

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ａ

８

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ａ

Ａ

Ｂ

条件

１に示す。ｎ＝3 で切削を行い，折れ線グラフで示し差は見られなかった。5～8 の 6000 回転で切削を行った試料は 5 から 8 にかけて右上がりの傾向が見られ，得られたヘーズについて，それぞれの因子ごとの平均値を求めた結果を図２に示す。また，回帰分析を行い，各因子の影響の大きさを求めた結果を図３に示す。
全ての因子で工具推奨条件に対し，2 割減の条件がヘーズが低く，影響の大きさは主軸回転数，1 刃送り，
半径方向切込量の順で大きくなった。

切削

表３

因子と水準の設定

主軸回転数

１刃送り

切り込み量

-1

条件

[min ][mm/tooth]

[mm]

１

4000

0.04

0.08

２

4000

0.04

0.12

３

4000

0.06

0.08

４

4000

0.06

0.12

５

6000

0.04

0.08

６

6000

0.04

0.12

７

6000

0.06

0.08

８

6000

0.06

0.12

図１

- 71 -

各水準におけるヘーズと平均値

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

３．３

低回転数の切削

最も影響の大きかった主軸回転数とヘーズの関係 を 調 べ る た め ，よ り 低 回 転 で 切 削 し た 場 合 の 測 定を 行 っ た 。通 常 ，低 回 転 で 切 削 を 行 う と 切 削 効 率 が
低 下 す る た め ，推 奨 条 件 の 除 去 体 積 と 同 等 に な る よう 条 件 を 定 め ，実 験 を 実 施 し た 。表 ４ に 切 削 条 件 を示す。
切 削 加 工 し た 試 料 の ヘ ー ズ の 測 定 結 果 を ，表 １ の
切 削 条 件 の 結 果 と 合 わ せ て 図 ５ に 示 す 。な お ，ヘ ーズは各主軸回転数の平均値で示している。
こ れ ら の 結 果 か ら ， 工 具 推 奨 条 件 で あ る 5000 回
図２

各因子のヘーズの平均

転 以 下 で あ れ ば ，ヘ ー ズ に 及 ぼ す 影 響 は 微 少 で あ り ，6000 回 転 に な る と ヘ ー ズ が 急 に 大 き く な る こ と が
分かった。
表４

工具推奨条件と低回転での切削条件

切削

回転数

条件

-1

[min ][mm/tooth][mm][cm 3 /min]

推奨条件

5000

0.05

0.1

0.5

0.03

0.17

0.51

0.048

0.11

0.528

0.06

0.09

0.54

1-4

0.072

0.07

0.504

1-5

0.02

0.25

0.50

0.032

0.16

0.512

0.04

0.13

0.52

0.048

0.11

0.528

1-1
1-2
3000
1-3

図３
３．２

各因子のヘーズに及ぼす影響の割合

1-6

ヘーズと表面粗さの関係

2000

1-7

各切削試料の表面粗さ(算術平均粗さ及び最大高さ)

1-8とヘーズを図４に示す。表面粗さが増大すると，ヘー１刃送り 切り込み量 除去体積ズが大きくなり，表面粗さとヘーズには相関関係が認められることが分かった。

図５
図４

ヘーズの平均と表面粗さの平均- 72 -

各回転数におけるヘーズの平均栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

３．４ 半径方向切込量の影響
加工速度の増加を図るため，これまでに得られた結果から，ヘーズに及ぼす影響が最も小さい因子である
切り込み量を増加させた実験を行った。主軸回転数・
1 刃送りは推奨値とし，表５に示す条件で実験を行った。
切削試料のヘーズの測定結果を図６に示す。切り込
み量を 0.05mm から 0.10mm に増加した場合でも，ヘーズは 0.5％程度の増加であり，工具の推奨条件より加工速度を早くできる可能性が示唆された。
表５

図６5000 回転での切削条件

5000 回転におけるヘーズ
４

おわりに切削条件が透明アクリル樹脂の透明度に及ぼす影響

切削

主軸回転数

１刃送り

切り込み量

について比較・検討した結果，以下の知見を得た。

条件[min -1 ][mm/tooth][mm]（ 1） ヘ ー ズ の 増 加 は 主 軸 回 転 数 に よ る 影 響 が 最 も 大
きいが，回転数が工具推奨条件(5000 回転)以下

2-1

0.05(推奨値)

2-2

0.06

2-3
2-4

5000

0.1

(推奨値)

(推奨値)

では回転数による影響が極めて少ない。
（2）表面粗さとヘーズには相関性がある。
（ 3） 工 具 推 奨 回 転 数 で は 半 径 方 向 切 込 量 を 増 や し てもヘーズに及ぼす影響は微少である。そのため，切り込み量を増やす事で，加工速度を上げること

0.07

が出来る。

0.08
参考文献

2-5

1) 田中等幸，横山哲也： "樹脂材料の適正な切削条

0.09

件に関する研究 ",（2007）

2-62) 若林祐次，米原牧子，山辺秀敏，吉田瞬，杉林俊

0.1

雄 ： "表 面 形 状 が ア ク リ ル 樹 脂 板 の ヘ ー ズ と 光 沢
度に与える影響 ",（2019）3) 佐伯守彦，安井平司，近藤純，川田昌樹，細川晃："プ ラ ス チ ッ ク の 超 精 密 切 削 に お け る 仕 上 げ 面 粗さの実験的検討 ",（2001)- 73 -

栃木県産業技術センター 研究報告

No.19 (2022)

経常研究

つづれ織り技法による紬織物製品の開発
石井 優利奈*

太田 仁美*Development of Tsumugi Textile Products by Tapestry Weaving
ISHII Yurina and OTA Hitomi
結城紬の柄の色を鮮明に表現するために，地機織りにつづれ織り技法を取り入れた製品開発に取り組んだ。糸の繊度や密度の条件が異なる 42 種類の布地サンプルを製織して評価し，地機と手つむぎ糸を使用した製織につづれ織りを取り入れるための条件を整理した。さらに、求めた製織条件を反映させて，絵柄の試し織り，帯の製織を行い，布地の任意の場所に鮮明な絵柄を表現することができた。
Key words: 結城紬，手つむぎ糸，つづれ織り

１ はじめに

２ 研究の方法

結城紬では，模様は絣柄により表現されている。絣柄は緻

２．１ 布地サンプル製織

密で繊細な表現が特徴であり，基本的に一定の柄の繰返しに

２．１．１ 経糸密度・緯糸繊度の条件を変えたサンプル製より作成される。絣柄は、結城紬の伝統的な表現技法であり織特徴の一つであるが，着尺の特定の場所に模様を配置するこ「つづれ織り」とは，結城紬と同様，平織組織で製織可とが難しく，また，地色（絣箇所以外の色）によって目色（絣

能な技法である。経糸が見えなくなるよう緯糸を高密度での色）や色数がある程度限定されるなど，デザインの種類は織り込むため，絵柄を製織するには，模様部分・地部分制限される。産地では織り方や染色加工技術を工夫することの，それぞれの箇所に対応する色の緯糸を往復させ製織すで新たなデザインを取り入れようとする試みもある。

る必要がある。そこで，まず地機・手つむぎ糸を使用した

当センターでは令和元年度経常研究

1)において，地機織り

製織で，緯糸を高密度で織り込むことのできる条件を求めに縫取り技法を取り入れた帯の製織を行い，製織段階で任意るために，経糸密度・緯糸繊度の条件を変えてサンプル製の場所に多くの色を使用した模様を表現することができた。

織を行った。

ただし，縫取り技法の場合，模様部分には模様の色を表す縫令和 2 年度に実施した経常研究でも緯糸を高密度で織り取り糸だけでなく，地色の経糸・緯糸も表面に現れ，模様部

込むことが可能な条件はあったが，通常の結城紬着尺の経分の色を縫取り糸の色のみで表現することはできないため，

糸条件（経糸繊度 150～180D，筬密度 63 羽/寸(寸=約 3.8

鮮明さは不充分であった。

㎝)）に比較して経糸繊度が高く，筬密度が低い条件でそこで本研究では，結城紬の柄の色を鮮明に表現するためあった。今回は最終的に帯の試作品を製織するため，よりに織密度や使用する糸の繊度等を検討し，つづれ織りの技法

結城紬着尺に近い経糸条件を求めることとした。また，使を取り入れ製品開発に取り組んだ。

用する緯糸の繊度によっても緯糸密度が変わるため，経糸当センターでは令和 2 年度経常研究 2)において，筬密度との製織条件 4 種類，緯糸繊度は 8 種類を使用し，計 32 種

糸の繊度について試織・検討を行っており，基礎となる技術

類のサンプルを製織した。製織条件を以下に示す。

を蓄積しているが，つづれ織りのように緯糸密度の高い織【製織条件】

物についての糸の繊度や密度のデータの蓄積は少ない。そ・経糸条件：表１に示す 4 種類，いずれも濃色（紺色）。

こで今回は結城紬の着尺の経糸製織条件になるべく近く，通し幅 30cm

緯糸密度の高い織物の製織を目的とし，糸の繊度・密度の条

整経長 92cm

件を変えて複数の布地サンプルの製織及び評価を行った。

・緯糸条件：100～1902D までの 8 種類，いずれも淡色。

また，求めた製織条件を反映させて絵柄の製織を行い，任意の場所に柄を織り出した帯の製織に取り組んだ。

*

栃木県産業技術センター紬織物技術支援センター- 74 -

栃木県産業技術センター

表１ 経糸の製織条件

研究報告

No.19 (2022)

6.5cm

絵柄 1

6.5cm

２．１．２ 緯糸繊度，緯糸の色の条件を変えたサンプル

絵柄 2

製織
２．１．１では，すべてのサンプルで経糸と緯糸の色の6.5cm

トーン差を大きくしていた。そこで，経糸と緯糸の色のトーン差が小さい場合と，トーン差が大きい場合の緯糸繊度を検討した。製織条件を以下に示す。

絵柄 3【製織条件】

図１ 試し織りに使用した図案

・経糸条件：筬密度 40 羽/寸，1 羽あたり 1 本引き込み
淡色（黄色）

２．３ 帯製織

繊度［平均 333D］（引き揃え数 2 本）

最後に，サンプル製織及び絵柄の製織結果を反映させ，通し幅 30cm

帯の製織を行った。帯は着用したときに身体の背面（お太

整経長 2m鼓部分）のみに柄の出る名古屋帯とした。製織段階で柄を・緯糸条件：淡色系 412～702D を 4 種類。

織り出していくため，計測しながら織り進め，織り始めて

濃色系 302～708D を 6 種類用意。

から 3.3m の部分に絵柄を織り出した。帯仕立て後の柄の２．２ 絵柄製織

配置を予想し作成した設計図を図２に示す。

次に，絵柄を製織するための試し織りを行った。つづれ織り技法で表現できる柄（柄の細かさ），異なる 2 色が隣接する部分の柄の出方，打ち込みや伸子の有無等の製織方法の検討を行うため，曲線や直線を含む 6 パターンの図案を使用した。使用した図１に示す図案は令和元年度経常研究において，縫い取り技法の試し織りをした際に使用した図案と同様の絵柄を使用した。

図２ 帯製織設計図

布地の製織条件を以下に示す。緯糸繊度は２．１．２で求めた条件を反映させ，絵柄ごとに 3 種類を用意した。

帯の製織に使用した図案を図３に示す。製織する際に裏【製織条件】

面になる方を，帯を仕立てる際には表として使用するた・経糸条件：筬密度 40 羽/寸，1 羽あたり 1 本引き込みめ，図は左右反転した状態で使用した。

淡色（黄色）
繊度［平均 333D］（引き揃え数 2 本）
通し幅 30cm
整経長 2m・緯糸条件：絵柄 1[平均 447D]
絵柄 2[平均 335D]
絵柄 3[平均 284D]

図３ 帯に使用した図案- 75 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

帯の製織条件を以下に示す。緯糸の繊度は 2 種類を用意

製織したサンプルのうち，26 種類のサンプルはその一部

し，お太鼓部分とそれ以外の部分で糸の繊度を変えて製織を図４に示すように緯糸が経糸を覆い隠さず，布地表面にした。

は経糸（濃色の糸）が現れた布地となった。No.①-1，②-1，【製織条件】③-1，③-2，③-3，④-1 の 6 つのサンプルでは緯糸が経糸・経糸条件：筬密度 40 羽/寸，1 羽あたり 1 本引き込みをほとんど覆い隠し，布表面には経糸が現れなかった。この

繊度［平均 321D］（引き揃え数 2 本）

うち 3 つのサンプルを図５に示す。

通し幅 32cm
整経長 7.98m
・緯糸条件：お太鼓部分 [平均 413D]
お太鼓部分以外［平均 1012D]
３ 結果及び考察

図４ 経糸が隠れなかったサンプル（No.①-8）

３．１ 布地サンプルの評価
３．１．１ 経糸密度・緯糸繊度の条件を変えた布地サンプ
ルの評価製織した 32 種類の布地サンプルの製織条件及び結果を表２に示す。
表２ 布地サンプル①～④の製織条件及び結果
布地 緯糸
No. No.

使用した
筬の密度

1羽あた
りの

経糸

緯糸

引込数

繊度(D)

繊度(D)

（羽/寸） （本）

①経糸

②緯糸

密度

密度

No.③-1

No.③-2（本/寸） （本/寸）

①

1

31

2

146

100

66

344

①

2

31

2

146

236

66

168

①

3

31

2

146

412

66

104

①

4

31

2

146

702

66

72

①

5

31

2

146

1008

66

54

①

6

31

2

146

1296

66

46

①

7

31

2

146

1597

66

38

①

8

31

2

146

1918

66

34

②

1

63

1

146

100

68

416

各布地サンプルで緯糸繊度が最も低い場合には，経糸密

②

2

63

1

146

236

68

182

度に対して緯糸密度が高くなるため，経糸が隠されたが，

②

3

63

1

146

412

68

108

②

4

63

1

146

702

68

64

②

5

63

1

146

1008

68

48

め，経糸がこすられることにより，毛羽立ちやすくなっ

②

6

63

1

146

1296

68

46

た。糸が毛羽立つと，布表面に毛羽が残りやすくなるだけ

②

7

63

1

146

1597

68

36

②

8

63

1

146

1918

68

34

③

1

40

1

333

100

44

720

③

2

40

1

333

236

44

304

に濃色（紺色），緯糸に淡色を使用したため，経糸と緯糸

③

3

40

1

333

412

44

176

で色のトーン差が大きく，経糸が覆い隠されていても経糸

③

4

40

1

333

702

44

94

③

5

40

1

333

1008

44

64

③

6

40

1

333

1296

44

54

たせないようにするには経糸と緯糸の色のトーン差を小さ

③

7

40

1

333

1597

44

44

くするなどの改善が必要と考えられた。

③

8

40

1

333

1918

44

40

④

1

50

1

260

100

54

680

④

2

50

1

260

236

54

184

④

3

50

1

260

412

54

124

また，経糸を覆い隠す密度になったサンプルの条件（筬密度

④

4

50

1

260

702

54

72

40 羽/寸、緯糸繊度 236D より高く 702D 程度以下）を使用

④

5

50

1

260

1008

54

52

④

6

50

1

260

1296

54

46

④

7

50

1

260

1597

54

36

④

8

50

1

260

1918

54

34

No.③-3図５ 経糸が隠れたサンプル

緯糸密度が高すぎると筬と杼で打ち込む回数が増えたた

でなく，糸が切れやすくなるので製織のしやすさや製織時間にも影響があった。また，布地サンプル①～④は，経糸の毛羽が布表面に目立ちやすかった。布表面の毛羽を目立

このため，緯糸繊度が最も低い条件を除き，通常の無地着
尺の緯糸密度（88～100 本/寸）に近い値となったサンプル，し、②のサンプル製織を行った。

- 76 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

３．１．２ 緯糸繊度，緯糸の色の条件を変えた布地サンプ
ルの評価
製織した布地サンプルを図６に示す。経糸と緯糸の色のトーン差を小さくして製織した場合，緯糸繊度 702D 以下，すべてのサンプルで布表面に現れる経糸の色はほとんど認められず，経糸の毛羽が出ていてもわずかであった。
経糸と緯糸の色のトーン差が大きい場合、緯糸 402D で経
糸の色はほとんど認められず，それより高い繊度では経糸の毛羽や糸の色が目立った。

図８ 縫い取り技法で製織した絵柄
３．２ 絵柄製織
製織した布地を図７に示す。今回の製織では、予定していた絵柄はすべて製織が可能であった。また，令和元年度に行った縫い取り技法での試し織りの製織結果を図８に示す。
2 つの製織結果を比較すると，今回製織した布地の絵柄がより鮮明な色で表現できることがわかった。
今回製織した布地では，布幅や緯糸密度に部分的な違いが現れたため、絵柄ごとに製織方法を調整した。
図６ 布地サンプル⑤

３．２．１ たて方向の色の境界部分の製織
隣接する 2 色の模様を製織する場合，2 色の境界線がたて方向の直線である場合には，同じ経糸に緯糸を引っかけて折り返す作業を繰り返すと，経糸が左右に引っ張られて色の境界にたて方向に隙間ができる。これを防ぐため，部分的に 2 色の緯糸を重ねて挿入した。2 色の境界部分を図９に示す。重ねる部分が多くなるとその部分のみがたて方向の山型に盛り上がるため，織り目の様子を見て適宜重ねる回数を間引くことで防止した。

絵柄 1

絵柄 2
図９ 境界線がたて方向の直線である 2 色の隣接部分
写真（左）と織り込み方（右）３．２．２ 打ち込み方法と布幅
絵柄の製織では絵柄の細部を表現するため，緯糸を入れ込む際，図 10 に示すような櫛や爪を使用した。これらを使絵柄 3用して緯糸を入れ込むと杼で打ち込むより緯糸の張力がゆ

図７ つづれ織り技法で製織した絵柄

るくなり，経糸が隠されやすくなった。絵柄 1 に使用した緯糸は，今回の絵柄製織に使用した中で最も高い緯糸繊度［平- 77 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

均 447D］であったが，経糸は完全に覆い隠され，経糸の毛柄を織り出すことが可能であった。帯製織時には伸子は使羽も表面に残らず製織することができた。

用せず，緯糸の打ち込みに筬・杼を使用し，部分的な打ち込
みに爪・櫛を併用することで幅を一定に保ち，緯糸密度の高い布地を製織することができた。

図 10 製織に使用した櫛
今回の製織では，通常の結城紬に使用する筬よりも粗い
密度の筬を使用しているため，経糸がよこ方向にずれやすくなった。そのため，伸子を使用して製織すると，幅は一定に保ちやすいが製織時によこ方向に伸びやすく，伸子をはずしたあと布が縮んで織りあがりの布地がたるんでしまった。このため，帯では伸子は使用せず製織したが，櫛や爪の図 13 絵柄 3 筬と杼を使用し布幅が保たれた布地

みで緯糸を打ち込み続けると，織り進めるにつれ部分的に経糸の幅がつまる箇所ができた。絵柄 2 の製織では緯糸を打ち込む際に筬と杼を使用せず，櫛と爪のみを使用したが，経糸の幅がつまり，緯糸密度が低下し，布表面に経糸が現れる部分ができた。その部分を図 11 に示す。経糸が完全に覆い隠される部分の緯糸密度が 216 本/寸であるのに対し，経糸の幅が詰まってしまった部分では， 90 本/寸となった。
また、布全体の幅も図 12 に示すように 3cm 狭くなった。これを防ぐため，絵柄 3 では、櫛・爪に加えて，筬と杼も併用
して緯糸を打ち込み製織したところ，図 13 に示すように布幅が一定に保たれた。
３．３ 帯製織
製織した名古屋帯の絵柄を図 14 に示す。予定していた絵

図 14 製織した名古屋帯の絵柄
４ おわりに糸の繊度・織密度の条件を変えることで、地機・手つむぎ糸を使用した製織に，つづれ織り技法を取り入れることができた。また，つづれ織り技法を行う場合の，緯糸の打ち込
み方法や伸子の有無等の製織方法を整理することができた。

図 11 絵柄 2 緯糸密度が低下し経糸が隠されなかった部分

令和元年度に実施した縫い取り技法での製織は，通常の結城紬着尺の製織条件とほぼ同じ条件で絵柄を製織できるという利点はあったが，絵柄の色を鮮明に表現することが難しい場合があった。それに対し，今回のつづれ織り技法では，適切な製織条件を使用することで，布地の任意の場所に
より鮮明に絵柄が表現できた。
参考文献
1) 石井優利奈ら："令和元年度栃木県産業技術センター研
究報告"，№17，53,（2020）

図 12 絵柄 2 布幅がつまった様子

2) 石井優利奈ら："令和２年度栃木県産業技術センター研
究報告"，№18，55,（2021）- 78 -

栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

経常研究

陶器成形用石膏型製作の高精度化に関する研究
大和 弘之*

星

佳宏*

磯部

大我*

片岡 智史**

Fabrication of Gypsum Molds for Making Precision Pottery
YAMATO Hiroyuki，HOSHI Yoshihiro，ISOBE Daiga and KATAOKA Satoshi
石膏型とそれを用いて作られた陶器の寸法及び形状の変化を調査した。寸法変化はある程度予想可能であるが，形状変化を定量的に予測することが困難であった。予測可能な寸法変化を見込み，石膏型を CADで設計し，石膏ブロックを機械加工することで製作した。製作した石膏型を用い，成形時の乾燥管理に注意して陶器を製作したところ，ほぼ設計のとおりの寸法及び形状の陶器を製作することができた。
Key words：石膏型成形，デジタイザ，CAD/CAM，マシニングセンタ，デジタルものづくり技術

１

はじめに

また，寸法及び形状に及ぼす粘土の違いや成形品乾燥

陶磁器の成形方法の 1 つである石膏型成形は，粘土等の影響について，石膏型成形により角皿を製作して調査で作った陶磁器の原型を石膏で型取り，原型を取り去っした。成形に用いた石膏型を図１に示す。成形は，益子てできる空隙に粘土を充填し成形する方法である

1）。こ焼協同組合が製造する益子水簸土及び益子赤土の 2 種の方法により作られた製品の寸法や形状について，多少類の粘土を用いた。成形品の乾燥は，そのまま手板状での誤差は手作りの良さとして消費者に受け入れられる

乾燥する方法（以下，通常乾燥）及び発泡スチロール製

一方で，製陶事業者からはデザインどおりの製品をつく

容器に新聞紙を敷き，その上に 2 個の成形品の縁（フチ）

りたいとのニーズがある。本手法を用いて製造していると縁とを合わせて重ねて置き，上に新聞紙を被せて蓋を製陶事業者の中には成形型を外注している事業者もいして乾燥させる方法（以下，管理乾燥）により行った。

るが，県内外注先の廃業による新たな製造委託先の開拓

乾燥後，素焼き，施釉，本焼きをして陶器を製作した。

や石膏型製作費用の捻出等に苦慮している。このため，製陶事業者は型の内製化に関心を持っているものの，粘土の乾燥や焼成に伴う収縮や変形等を見込んだ石膏型を製作する技術・ノウハウがなく，内製化に取り組めない業者も少なくない。
そこで本研究では，石膏型成形において生じる成形品の収縮や変形等について，石膏型とそれを用いて成形された陶器との寸法及び形状の変化を調査し，これらを見込んだ石膏型を設計し製作する方法を検討した。ここ

図１

角皿石膏型

で，石膏型の製作は，技量によらず設計のとおりの石膏型製作が期待できる機械加工により行った 2)-4） 。また，実際に製作した石膏型を用いて陶器を製作し検証した。
２

研究の方法

２．１ 石膏型成形における成形品の収縮・変形等調査
丸皿，オーバル皿，異形皿（いちご形）及び角皿の 4
種類の石膏型とそれを用いて作られた陶器について，目視及び寸法計測により収縮・変形等を調査した。
*

図２

栃木県産業技術センター窯業技術支援センター** 栃木県産業技術センター機械電子技術部- 79 -

製作対象の陶器（角皿）栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)a)b)
高低差約 5mm（平均深さ約 25mm)

c)

d)

高台なし

高台あり

図３
a)丸皿

石膏型とそれを用いて作られた陶器b)オーバル皿c)異形皿(いちご形)

用いた釉薬は，益子並白釉（益子焼協同組合製造）としd)角皿
３た。素焼き，本焼きは，超高速昇温電気炉（㈱モトヤマ,

３．１

結果及び考察

石膏型成形における成形品の収縮・変形等調査

SC-2035D）を用いて焼成した。焼成条件は，素焼き 820℃，

丸皿（φ9cm），オーバル皿（21×15cm），異形皿（12

本焼き 1,250℃（SK8 相当）酸化焼成とした。石膏型及

×11.5cm）及び角皿（12×12cm）の 4 種類について，石び製作した陶器の形状測定には，非接触三次元デジタイ

膏型とそれを用いて作られた陶器の寸法，形状等を調査

ザ（GOM, ATOSⅢ Triple Scan）を用いた。また，成形した（図３）。これらは，益子水簸土を用いて製作されに用いた粘土の収縮率は，30mm×60mm×5mm の金型を用ており，収縮率は 9～11%程度であった。変形について，

いて製作したテストピース 5 個について全収縮率（成形

丸皿では，大きな形状変化は認められなかった。オーバ

直後から焼成後の収縮）を測定し，その平均値から求め

ル皿は，縁（フチ）に歪みが認められ，皿の底から縁また。なお，収縮率測定は，無釉で行い，焼成条件は角皿でで，最大 5mm 程度の高低差があった（皿の平均深さ約と同様とした。

25mm）。異形皿は，高台の有無により変形に差があり，

２．２

高台がないものでは縁が落ちて平面に近づくような変石膏型の製作製作対 象の器は，図２ に示す角皿 （サイズ： 14.0×形が認められた。角皿では，型と製作品で大きな形状変14.0cm）とした。製作対象の器の形状をデジタイザによ化は認めらなかったが，型の段階で製作者の意図しないり計測した。取得した器の形状を基に CAD（Geomagic,

設計とのずれが生じていた。陶器の歪みについて，成形Design X）により原型データ，石膏型データを作成した。

後の乾燥工程において，粘土の不均一な乾燥による歪み

石膏型データの加工パスは，CAM（ OPEN MIND, HyperMILL）

が生じることが知られている 5)。今回調査した丸皿，異を用いて作成した。石膏型の加工は，マシニングセンタ

形皿及び角皿は，均一に乾燥しやすい形状で比較的サイ（オークマ, MB-56VA）を用いて行った。製作過程の詳ズが小さいこともあり，石膏型と陶器との大きな形状変細は，次項の結果と共に示した。
２．３

製作した石膏型を用いた陶器の製作

２．２により製作した石膏型を用いて次の工程で陶器を作製した。製作方法は，２．１の角皿と同様とし，乾燥は，管理乾燥のみで行った。評価は，目視，寸法計測及びデジタイザにより行った。主な製作条件を次に示す。
粘土：益子水簸土，益子赤土
釉薬：益子並白釉
乾燥：管理乾燥

図４

本焼き：1,250℃（SK8 相当）酸化焼成（左：管理乾燥- 80 -

乾燥条件の比較（益子赤土）
右：通常乾燥）栃木県産業技術センター

図５

研究報告

No.19 (2022)

デジタイザによる石膏型と角皿の形状比較化が見られなかったと考えられる。一方でオーバル皿

図７

製作した石膏型

は，サイズが大きく不均一に乾燥したために変形が生じたと考えられる。
粘 土の 種類 及び成 形品 乾燥が 寸法 及び 形状に 及ぼす

データを取得した。この形状データを基に CAD により影響について，角皿を作製し調査したところ，通常乾燥

石膏型モデルを作成した。ここで，取得した形状デーのものは，粘土の違いによらず大きな形状の歪みが認め

タには，器の成形過程における作り手の意図しない形

られており，製作工程における乾燥管理の重要性が改め

状の歪みを有していたため，そのままの形状を原型て確認された（図４）。管理乾燥を行い製作した角皿の（作りたい器のモデル）とすると歪みを反映した石膏

収縮率は，益子水簸土で約 10%，益子赤土で約 11％であ型が製作されてしまい，最終的に作られる陶器も歪んり，産地で知られている石膏型によるタタラ成形時の収でしまうことが懸念される。そこで，形状データを参縮率と同等であった。また，テストピースにより求めた考に CAD により原型を作成し，型モデルを作成した。

収縮率は，益子水簸土で 10.4％，益子赤土で 10.0％で型モデルの作成に当たっては，予めテストピースによあり，製作した角皿の収縮率とほぼ同じであった。

り求めた収縮率 10%を見込んで作成した。作成した原型

デジタイザにより石膏型と製作した角皿の形状測定モデルを図６に示す。この原型モデルから CAM にて加を行い，両者の差を比較したところ，器の縁（フチ）に工パスを作成し，マシニングセンタ（オークマ MB-

形状誤差が認められた（図５）。これは，成形時の土の56VA）により，φ6 mm ボールエンドミル，φ3 mm ボー

しまり具合や乾燥状態の微妙な違いなどによると考え

ルエンドミルを使用し，予め製作した石膏ブロックかられ，形状変化の規則性を定量的に見出すことは困難で

ら石膏型を製作した（図７）。

あったが，粘土の違いによらず実用的に問題のない形状

３．３

誤差であった。

製作した石膏型を用いた陶器の製作

３.２により製作した石膏型を用いて益子水簸土及び上述のとおり，変形を定量的に予測することは困難で益子赤土を用いて成形し，管理乾燥を行い，素焼き，施あるが，乾燥管理を適切に行うことで精度良く陶器の製釉（並白釉），本焼き(1,250℃(SK8)酸化焼成)して製作作が見込まれる。このため，３．３の石膏型製作においした陶器の外観を図８に示す。製作した陶器は，両粘土ては，形状変化は考慮しないが，収縮率から予測可能なとも，大きな変形は認められず，ほぼ設計した寸法（14.2寸法は考慮して型を設計することとした。

×14.2cm）であった。また，図９に示した製作対象の角３．２

皿とそれを基に製作した角皿の形状を，デジタイザによ石膏型の製作製作対象の器をデジタイザによりスキャンし，形状り比較した結果のとおり，製作対象とした器とほぼ形状
誤差なく製作できた。これらのことから、石膏型の製作

図６

作成した石膏型データ

図８

製作した角皿（左：益子水簸土- 81 -

右：益子赤土）栃木県産業技術センター

研究報告No.19 (2022)

４

おわりに

石 膏型 成形 におい て生 じる成 形品 の収 縮や変 形等について，石膏型とそれを用いて成形された陶器との寸法
及び形状の変化を調査し，これらを見込んだ石膏型の製作を検討した。
石 膏型 とそ れを用 いて 作られ た陶 器の 寸法及 び形状
図９

製作対象の器（角皿）とそれを基にした石膏型の変化は，成形品の乾燥工程により変形が生じるが，適により製作した角皿のデジタイザによる形状比較

切な乾燥管理を行うことで変形を抑制できることを改めて確認した。石膏型の設計において，変形の予測は，乾燥など成形工程の影響が大きく難しいが，寸法変化
は，成形に用いる粘土の収縮率から予測して，CAD により型を設計し，機械加工により製作した。
製作した石膏型を用い，成形時の乾燥管理に留意して製作した陶器は，設計した寸法とほぼ同等であり，また，製作対象とした器とほぼ形状誤差なく製作できた。
参考文献
1) 陶工房編集部編："やきものの教科書"，誠文堂新光社,

図 10

応用試作品（角皿セット）（2020)
2) 宜保 秀一 ら： " 沖縄県工業技術センター研 究報 告書
No.15 "，47-52,（2013）3) 副島潔ら："佐賀県窯業技術センター平成 30 年度研究において機械加工を用いることで，設計のとおりに型の報告書 "，1-5,（2019）

製作が可能であり，石膏型成形により精度よく陶器を製

4) 林茂雄ら："三重県工業研究所研究報告 No.43 "，153-

作するためには，成形品の乾燥工程の適切な管理が重要であることがわかった。

157,（2019）5) 樋 口 わ か な ： " やきものの科学 " ， 誠 文 堂 新 光 社 ,また、本手法は石膏型設計に CAD を用いていることからサイズ変更が容易である。このことを利用し，商品開（2021）
6) 塚 本 準 一 ら ： " 栃 木 県 産 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告発の一例としてサイズ違いの型による，スタッキング可No.2 "，130-132,（2005）

能な角皿セットを試作した（図 10）。
なお，本研究では石膏ブロックをマシニングセンタで機械加工することで石膏型を製作したが，CAD により作成した原型モデルを 3D プリンタで出力して原型とし，石膏型を製作することも可能である 6） 。

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令和３（2021）年度

栃木県産業技術センター研究報告
第１９号
Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
No.19 (2022)
発

行

発行所
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令和４（2022）年９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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