ISSN 1349-2608
平成二十六年度

No.12(2015)

栃木県元気ニコニコ室長

とちまるくん

平成２６年度研

究

報

告Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
研
究報
告— 発信します

明日を拓く

確かな技術 —

栃木県産業技術センター

栃木県産業技術センター

平成２６年度

栃木県産業技術センター研究報告
第１２号
Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
No.12 (2015)
発

行

発行所
〒321-3226

平成 27 年 8 月 12 日
栃木県産業技術センター
栃木県宇都宮市ゆいの杜 1-5-20
ＴＥＬ（028）670-3391
ＦＡＸ（028）667-9430

目
Ⅰ 重点共同研究（実施：４テーマ

次：一部非公開）※



Co-Cr 合金用切削工具の開発(航空宇宙・医療機器分野)・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1



植物育成用バルクハイドロゲルの開発※(環境分野)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7

可視光応答型光触媒装置の開発(自動車・光・環境分野)・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10

付加価値の高い県産ビールの開発※（フードバレーとちぎ）・・・・・・・・・・・・・・・・ 15Ⅱ

共同研究（実施：１８テーマ



硬質めっきの ELID 研削法による高品位仕上げ加工技術の開発（第２報）・・・・・・・・・・ 19



希土類酸化物含有ゼオライトを用いた排ガス浄化触媒の開発・・・・・・・・・・・・・・・・ 24

高耐摩耗鋳鉄の開発※・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 29



加工適性を改善した大麦粉による食品の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 33

ショウガ搾汁残渣の有効利用・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 36

トーションレース編成要素の解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 39



高硫酸塩スラグセメントを用いたコンクリートの研究（第２報）・・・・・・・・・・・・・・ 43

結城紬染色生地見本帳の作成と新製品開発※・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 49



栃木県の鉱物資源を利用した機能性壁材の開発（第２報）・・・・・・・・・・・・・・・・・ 53



光学部品成形用金型の鏡面加工砥石の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 56：一部非公開）※

非公開：８テーマ

Ⅲ

受託研究（実施：４テーマ）

新規酒造好適米による清酒の品質評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 61
非公開：３テーマ

Ⅳ

重点研究（実施：４テーマ



光計測技術を応用したひずみ計測システムの開発（第１報）・・・・・・・・・・・・・・・・ 65



水熱処理による重金属フリー無機顔料の合成(第２報) ※・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 70



米味噌の抗酸化能を高める製造方法に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 72



プレス加工における面内引張応力援用による小径穴抜き加工に関する研究（第１報）・・・・・ 77：一部非公開）

※

－i－

－i－

Ⅴ

経常研究（実施：１０テーマ）



ELID 研削法による反り抑制技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 81

EMI 自動測定の高機能化を実現するソフトウェアの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 84



結晶生成－イオン架橋による複合ハイドロゲルの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 87

凍結鋳型における球状黒鉛鋳鉄の流動性に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 91

レーザ溶接ビードマップの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 95



銘仙柄を活用した繊維製品試作開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 99

不等ピッチエンドミルの工具寿命に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・104



金属材料の破壊形態の定量化に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・108結城紬のフォーマル化（第２報）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・112



益子焼技術映像マニュアルの作成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・115

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

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

Ⅱ

共 同 研 究 ：企業、大学などと課題を分担して行うもの。

Ⅲ

受 託 研 究 ：企業や団体などからの委託を受けて行うもの。

Ⅳ

重 点 研 究 ：県内産業の振興のため県が単独で特に重点的に行うもの。

Ⅴ

経 常 研 究 ：上記以外にて実施したもの。

また、知的財産権の保護等の観点から、非公開、一部非公開となっている研究テーマがございます
ので、御了承ください。

－ii－－ ii －

Contents
Ⅰ

Selected Cooperative ResearchDevelopment of Milling Tool for Co-Cr Alloys ・・・・・・・・・・・・・・・ 1
Fabrication of Bulk Hydrogels for Plant Cultivation・・・・・・・・・・・・・ 7Development of the Visible Light Photocatalyst Air Purifier・・・・・・・ 10

Development of Microbrewed Beer in Tochigi of High Product Value・・・・・ 15

Ⅱ

Cooperative ResearchPrecision Finish of Hard Plating on Aluminium Alloys
by ELID Grinding (2nd Report)・・・・・・・・・・ 19
Preparation of Zeolites included Rare-earth oxides
as a catalyst for carbon oxidation・・・・・・・ 24
Development of High Abrasion Resistance Cast Iron・・・・・・・・・・ 29

Development of Food with Two-rowed Barley










Improved in Processing Adequacy・・・・・・・・・ 33
Effective Utilization of Residue of Squeezed Ginger・・・・・・・・・・・・ 36
Analysis of the Torchon Lace Formation Element・・・・・・・・・・・・・・ 39
Study on Concrete Using Sulfated Slag Cement (2nd Report)・・・・・・・・・ 43
Making Sample Books of Yuki-tsumugi Fabrics with Various Colors,
and New Product Development・・・・・・・・・・・ 49
Development of Advanced Plaster using Mineral Resourcesin Tochigi Prefecture (2nd Report)・・・・・・・・ 53
Development of Grinding Wheel for Mirror Finish
of Optical Component Mold・・・・・・・・・・・・ 56

Ⅲ Contract ResearchQuality Evaluation of Sake using New Rice for Sake Brewing・・・・・・・・・ 61

Ⅳ

Selected Research

Development of a Strain Measuring Systemapplying Optical Method (1st Report)・・・・・・ 65
Synthesis of Heavy-metal-free Inorganic Pigment
by Hydrothermal Treatment (2nd Report)・・・・・・ 70
Study on Manufacturing Technology of Rice Miso
for Increase of Antioxidant Capacities・・・・・・ 72
High Aspect Ratio Punching Under In-plane Tension (1st Report)・・・・・・ 77





－iii－

－ iii －

Ⅴ

Ordinary Research









Prevention of Warping by ELID Grinding Method・・・・・・・・・・・・・・・・ 81
Development of High Function Software for the EMI Automatic Measurement・・ 84
Development of Starch-Carboxymethylcellulose (CMC) Composite Hydrogel・・ 87
Study on Fluidity of Spheroidal Graphite Cast Iron in Frozen Mold・・・・ 91
To Provide a Bead-Map for Laser Welding・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 95
Prototype Development Fiber Products Using the Meisen Pattern・・・・・・・ 99
Tool Life of Right Angle Shoulder Cuttingwith Irregular Pitch End Mills・・・・・・・・・104
Study on the Quantification of Fracture Modes of Metallic Materials・・・108
Study on the Development of Yukitsumugi which is Wornin Place of Formal Dress (2nd Report)・・・・・・112
Development of MASHIKOYAKI Technical Manual with Videos・・・・・・・・・115





－iv－

－ iv －

Ⅰ 重点共同研究

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

研究報告No.12（2015）

重点共同研究（航空宇宙・医療機器分野）

Co-Cr 合金用切削工具の開発
江面 篤志*

田村 昌一*

瀬川 軍市**Development of Milling Tool for Co-Cr Alloys
Atsushi EZURA, Shoichi TAMURA and Gunichi SEGAWA
加工事例の少ない Co-Cr 合金切削に適したエンドミルの開発を行った。軸方向すくい角は，チッピン
グを起こす切削抵抗の変動に影響を与え，45°とすることで変動を抑制することができた。また，半径方向すくい角を 10°とすることで，最大切削抵抗を低減することができた。工具に施す薄膜コーティン
グは，加工溝のバリ高さに影響を及ぼし，DLC コーティングを施した工具を用いて加工した溝はバリ高さを 17 µm まで低減できた。これらの結果に基づき試作した最適工具を用いて加工を行った結果，市販工具と比較して最大切削抵抗を 10％以上低減させ，仕上げ面の粗さも 1/5 まで向上させることができた。
Key words: Co-Cr 合金, エンドミル, 人工股関節, 切削抵抗, コーティング

１

はじめに

切削抵抗低減効果が期待できる半径方向すくい角及び近年，高齢社会の進行とともに人工股関節置換手術の軸方向すくい角，薄膜コーティングに着目した。半径方症例数は増加している。歩行の際，股関節には体重の 3

向すくい角及び軸方向すくい角を大きくすることで切倍程度の荷重がかかる 1)とされており，人工股関節には，削抵抗の低減が見込めるが，同時に刃先強度が低下して高強度な材料を用いなければならない。また，人工股関しまうため，チッピングが懸念される。本研究では，軸節の摺動面は長期間，体液中での摺動運動にさらされる

方向すくい角を 30°，40°，45°，半径方向すくい角をため，高い耐摩耗性が要求される。そのため，耐摩耗性

0°，5°，10°としたエンドミルを作製し，切削特性にに優れた生体材料として Co-Cr 合金が使用されるケース

及ぼす影響を検討した。また，工具材種についても，平が多い。

均粒径 10 µm 及び 1 µm の WC 粉末を焼結した超硬合金の人工股関節等のインプラント部品は，一般的に削り出

2 種について検討した。

しで製作されているが，Co-Cr 合金は，生体材料としてまた，薄膜コーティングについては，摩擦特性に優れ

従来から用いられている Ti-6Al-4V 合金や SUS304 の硬た DLC 被膜や耐熱温度の高い TiSiN 被膜などを用いるこ

2)度と比べて 1.5～3 倍程硬いことから ，高精度，かつとで切削特性の改善が期待される。過去の研究におい

高能率に加工することが難しい。また，Co-Cr 合金は比て，仁平ら 3) は CFRP 切削時に DLC コーティングを施し

較的新しい生体材料であるため，加工事例が少なく，専た工具を用いることで切削抵抗の低減が図れることを用工具が工具メーカなどでも市販されていない。

明らかにした。一方，橋倉ら 4)は，薄膜コーティングの

そこで，本研究では，Co-Cr 合金のエンドミル切削に濡れ性が切削抵抗と相関を持つことを明らかにしてい対して，切削抵抗に着目し，基礎的な切削特性の把握をる。本研究では，TiAlN，TiCN，TiSiN，DLC の薄膜コー行い，Co-Cr 合金切削に適した工具設計指針を示す。まティングを施した４種のエンドミルを用いて切削実験

た，人工股関節の高能率加工をターゲットとしてカーブを行い，Co-Cr 合金切削に適した薄膜コーティングにつジェネレータ用 T 型エンドミルを試作する。

いて検討を行った。
切削抵抗の低減は工具の長寿命化や加工面性状の高２２．１

品位化，工具チッピングの防止など，多くの利点がある

研究の方法

ため，本研究では，切削抵抗が 10％低減可能な切削工具

切削抵抗を最小化する最適エンドミルの開発を目的とする。

複 雑 形 状 の 加工 に 用 い ら れる エ ン ド ミ ルは様々な形

２．２状パラメータが存在している。本研究では，その中でも*栃木県産業技術センター**

株式会社ツール工房

加工実験方法

試作エンドミルによる加工は図１のように，マシニン

機械電子技術部

グセンタ（YBM640Vver.3 YASDA）の定盤上に固定された－1－

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

圧電式三成分動力計（9272 Kistler）の上にφ30 mm，められる 5)。骨頭とライナーの両方を Co-Cr 合金で構成

t20 mm の円柱状の Co-Cr 合金被削材を取り付け，表１にする Metal on Metal 方式で運用する場合，摺動面には示す切削条件で溝加工を行った。このとき，切削加工に

高精度形状と鏡面が求められるため，高度な加工技術が伴い生じる力は，圧電式三成分動力計により測定した。

必要となる。本研究では，人工股関節ライナーの粗加工

ま た ， 加 工 面 粗 さ を 触 針 式 表 面 粗 さ 測 定 機 （ FORMを想定した加工実験を行う。ライナーは深い凹球面であTALYSURF S6 Taylor Hobson）を用いて測定した。また，るため被削材との干渉を避ける必要があり，エンドミル

加工後のエンドミルの表面を観察するために，デジタルの首部を逃がした形状を有する T 型工具を用いることと顕微鏡（VHX-100 Keyence）を用いた。

する。

また，コーティング工具の剥離比較実験においては，加工実験には，ワークスピンドルを備え，工具スピン迅速試験として，より早い切削速度で行った。その切削

ドル軸を自由に設定できる超精密加工機（LINIMAX TKC）

条件を表２に示す。

を用いた。加工時の外観を図３に加工条件を表３に示
す。

図２
図１
表１

人工股関節外観

加工実験の模式図

表３

エンドミル切削実験条件

図３

超精密加工機外観

凹球面切削条件

工具回転数1000 rpm

ワーク回転数50 rpm

切削速度

60 m/min

工具斜軸角度45°

送り量0.04 mm/tooth

クーラント

水溶性ソリュブル

軸方向切込量

3 mm

クーラント

水溶性ソリュブル

３
３．１

表２

コーティング工具比較実験条件

結果及び考察

市販工具を用いた切削加工

45°と 37°の軸方向すくい角をもつ不等ピッチの 4

切削速度

100 m/min

枚刃を有する直径 6 mm の市販工具を用いて Co-Cr 合金

送り量0.04 mm/tooth

及び S45C 鋼の切削実験を行った。その時の切削抵抗の

軸方向切込量1 mm

推移を図４に示す。同図より，切削加工中の最大切削抵

クーラント

ドライ

抗値は，工具切れ刃が最大切込を行う際に Y 分力に表れている。Co-Cr 合金を切削した場合，その最大切削抵抗

２．３

は Y 方向分力に表れ，S45C 鋼と比較して 10％程度上昇

アプリケーションでの検討

Co-Cr 合金は生体に埋め込まれるインプラント部品のしている。これは，Co-Cr 合金の機械的強度が S45C 鋼よ材料として使用されているが，その中でも最も加工除去りも勝っているためであると考えられる。また，切削抵量が多く高精度形状も求められるインプラントの一つ

抗の変動も大きく，図５のようにチッピングが生じる。

に人工股関節ライナーが挙げられる。人工股関節ライナ

これらは，Co-Cr 合金の難削性を示している。以後，最ーは図２に示すように深い凹球面を有しており，凸球面

大切削抵抗は Y 分力に表れる最大値を指すこととする。

を持つ骨頭と対になっている。体内に埋め込まれてからは，歩行運動によって摺動するため，高い耐摩耗性が求－2－

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）(a) Co-Cr 合金
図６

軸方向すくい角が及ぼす最大切削力への影響(b) S45C 鋼
図４

市販工具を用いた切削時の切削抵抗の変動(a) 軸方向すくい角 30°

図５３．２

工具刃先のチッピング

軸方向すくい角が最大切削抵抗に及ぼす影響

軸方向すくい角が 30°，40°，45°の工具（直径 6mm，
半径方向すくい角：5°，ノンコート）を作製し，表１(b) 軸方向すくい角 40°に示す切削条件を用いて切削実験を行った。その際の最大切削抵抗を図６に，切削抵抗の変動を図７に示す。
図６より最大切削抵抗が最小となるのは軸方向すくい
角が 30°の工具を用いた加工であることがわかる。しかし，図７から，軸方向すくい角が 30°の工具を用いて切削加工を行った際に切削抵抗の変動が最も大きくなっていることがわかる。このことから，軸方向すくい角 30°の工具はチッピングが生じやすいと考えられる。一方，切削抵抗の変動が最も小さかったのは軸方
向すくい角が 45°の工具であったため，この工具は最(c) 軸方向すくい角 45°

もチッピングが起きにくい工具と言える。

図７

－3－

切削抵抗の変動栃木県産業技術センター

３．３

研究報告

No.12（2015）

半径方向すくい角が切削抵抗に及ぼす影響

図９に半径方向すくい角が 0°，5°，10°の工具（軸方向すくい角：45°，ノンコート）を作製し，表１の切削条件の下，加工実験を実施した。その時の切削抵抗の最大値を図８に示す。同図より半径方向すくい角が大きくなるにつれて最大切削抵抗値が小さくなり，10°の工具を用いた加工で最小となった。これは，すくい角を大きくすることでせん断角が大きくなるためであると考
えられる。

図９

コーティング材種が最大切削抵抗に及ぼす影響

３．４

工具材種が切削特性に及ぼす影響

超硬合金は WC 粉末と Co 粉末を混ぜ合わせて焼結して作製される。このとき，高硬度な WC 粒子の性能が機械的物性を左右する。本項では，平均粒径 10 µm 及び 1 µmの WC 粉末を焼結した超硬合金を用いて作製した 2 種のエンドミルを用いて，工具材種が最大切削抵抗値に及ぼす影響について検討した。それぞれの工具は，軸方向す
くい角 45°，半径方向すくい角 5°，コーティングなし，
図８

半径方向すくい角が最大切削抵抗に及ぼす影響

直径 6 mm の 2 枚刃エンドミルである。図１０に，それ３．４

各種薄膜コーティングを用いた切削加工行った際の最大切削抵抗値を示す。同図より，工具材種

TiAlN，TiCN，TiSiN，DLC の 4 種の薄膜コーティング

が最大切削抵抗に及ぼす影響はほとんどないことがわ

ぞれの工具を用い，表１の切削条件に従って切削実験をを施したエンドミル（軸方向すくい角：30°，半径方向かる。

すくい角：5°）を作製し，表２の切削条件にて切削実験を行った。加工時の最大切削抵抗を図９に示す。同表
より TiSiN コーティング及び DLC コーティング工具を用いた加工時に最大切削抵抗値の低減が見られた。また，加工後のバリ高さを測定した結果を表４に示す。同図より，DLC コーティング工具による溝のバリが最小となる
ことがわかる。エンドミルの溝切削では，切れ刃が被削材に侵入と離脱する時にバリが生成される。一般的にDLC の摩擦係数は他の Ti 系コーティングや超硬母材に比べて小さく，すくい面上の摩擦力が小さくなる。エン
図１０

ドミル切削では，この摩擦力が小さくなると，工具半径

工具材種が最大切削抵抗に及ぼす影響

方向分力が小さくなる。その結果，バリが抑制されたも３．５のと考えられる。近年注目を集めている光造形複合加工

最適工具の提案

では，Co-Cr 合金の成形が可能であるが，トリミング加

これまでに，Co-Cr 合金切削に適した軸方向すくい角，工におけるバリ生成が問題となっている。本項の実験条

半径方向すくい角，薄膜コーティングについて検討して件は，当該手法のトリミング加工と同様にクーラントをきた。その結果，軸方向すくい角を 45°にすることで切使用しない加工であることから，DLC コーティング工具

削抵抗の変動が抑制され，半径方向すくい角を 10°にすが同手法においても有用であることが言える。

ることで最大切削抵抗を低減させることができた。また，工具に DLC コーティングを施すことで，加工溝のバ

表４リの生成を抑制できることがわかった。本項ではこれら

コーティングがバリ高さに及ぼす影響

工具

TiAlN

TiCN

TiSiN

DLC

の結果を受け，最適工具として，図１１のようなエンド

バリ高さ

474 µm162 µm

57 µm

17 µm

ミルを提案する。最適工具の緒元を表５に示す。当該最適工具と３．１項で用いた市販工具による切削実験を行－4－栃木県産業技術センターった。それぞれの最大切削抵抗値を図１２に示す。同図

３．６

研究報告

No.12（2015）

T 型工具による凹球面形状切削加工

より，最適工具を用いて切削を行った際の最大切削抵抗

前項で提案した最適工具を基に，T 型工具を作製し，値は，市販工具と比較して 10％以上低減したことがわか

カーブジェネレータ方式に取り込み，凹球面形状加工をった。さらに加工面の表面粗さを測定した結果を図１３行った。ただし，試作した工具はコーティングを施してに示す。同図より，最適工具を用いた加工では，市販工いない。加工条件は表３に示すとおりである。加工後の具の加工と比較して算術平均粗さ Ra が 1/5 程度まで低被削材外観を図１４に示す。同図より凹球面の加工が行減しており，非常に良好な仕上げ面が得られていること

われたことがわかる。また，加工後の表面粗さを測定しがわかった。これは，最大切削抵抗が低減したことに加た結果を表６に示す。比較として，旋削により加工した

え，加工面と工具逃げ面の摩擦特性が DLC コーティング

凹球面の表面粗さを示した。同表より，T 型工具によるを施すことにより改善したためであると考えられる。

凹球面は，旋削による加工面よりも表面粗さが悪化してしまっている。これは，工具と被削材の接触領域が大きくなることにより，工具側の振動も大きくなってしまったためであると考えられる。

図１１

最適工具の外観

筆者らは，これまでに人工股関節ライ ナーに対し，
ELID 研削法とカーブジェネレータ方式を組み合わせた

表５

高精度鏡面仕上げ加工技術の開発を行ってきた 6)。しか最適工具の緒元

直径

6 mm

し，当該手法は，全面加工までの時間が長く実用化に至

刃数

2 枚刃

っていない。これは，旋削で粗加工したライナーの最下

軸方向すくい角

45°点と砥石接触点を合致させることができないためであ

半径方向すくい角

10°り，仕上げ加工行う加工機上で，除去スピードの速い粗

コーティング

DLC

加工を行うことが可能となれば解決できる。本研究で実K10（平均粒径 10 µm）

施した球面形状加工は，一気通貫で仕上げ加工につなげ工具材種ることが可能であり，高効率な加工プロセスの構築に寄与できるものである。旋削と比較して，表面粗さが悪化したが，その後の研削加工工程で十分カバーできる範囲のものであると考えられることから，開発した T 型工具を用いた球面加工は有用であると言える。

図１２

市販工具と最適工具の最大切削抵抗の比較

図１４表６(a) 最適工具

Ra

T 型工具を用いて加工した球面形状
加工球面の表面粗さ測定結果
T 型工具

旋削

0.510 µm0.127 µm

４

おわりに

本研究では，エンドミルの軸方向すくい角及び半径
方向すくい角，薄膜コーティング，工具材種が Co-Cr 合
金の切削特性に及ぼす影響について検討し，最適な工具(b) 市販工具
図１３を提案した。また，最適工具を基に T 型工具を作製し，市販工具と最適工具の表面粗さ測定結果

凹球面形状加工を行い，以下の結論を得た。

－5－栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）（1）軸方向すくい角を 45°とすると工具チッピングを参考文献

引き起こす切削抵抗の変動が小さくなることがわ

1) 村上輝夫: "人工関節用セラミックスの現在・未来かった。

人 工 関 節 の 摩 耗 特 性 ", セ ラ ミ ッ ク ス , Vol.46,（2）半径方向すくい角を 10°とすると，最大切削抵抗

No.4, 277-281(2011)

を低減できることがわかった。

2) ㈱エイワ HP http://www.eiwa-heartmake.com/（3）DLC コーティングと TiSiN コーティングを施した

3) 仁平宣弘他："ドリルの耐久性に及ぼすダイヤモン

工具を用いた切削加工では他のコーティングによド状カーボン膜の効果 ",東京都立工業技術センタ

る加工よりも最大切削抵抗が低くなった。

ー報告, 33-36 (1990)（4）軸方向すくい角を 45°，半径方向すくい角を 10°4) 橋倉弘樹： "濡れ性を用いた切削加工用薄膜の切削とした DLC コーティングエンドミルを本研究の提抵抗評価", 精密工学会誌, Vol79, No.6, 547-551

案工具とした。当該工具と市販工具を切削実験を(2013)
5) H.Ohmori ： " Surface Generating Process of

行い比較したところ，10％以上の差異だ切削抵抗

Artificial Hip Joints with Hyper-Hemisphericalの低減が見られた。

Shape（5）提案工具を基に作製した T 型工具をカーブジェネ

HavingHigher

Smoothness

andレータ方式において凹球面加工を行うことができ

Biocompatibility", CIRP Annals – Manufacturing

た。

Technology Vol.62, Issue.1, 579-582(2013)
6) 江 面 篤 志 他 ： " カ ー ブ ジ ェ ネ レ ー タ 方 式 に よ る
謝Co-Cr 合金凹球面の ELID 鏡面研削", 2013 年度精密辞

工 学 会 秋 季 大 会 学 術 講 演 会 講 演 論 文 集 , 735-736

本研究を遂行するにあたり，株式会社オンワード技研(2013)

川畠氏，枝氏には薄膜コーティングについてアドバイスいただいた。ここに記して謝意を表する。また，本事業で用いた測定機の一部は公益社団法人 JKA の補

本研究は，公益社団法人 JKA

助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意をにより整備した 機器を活用表する。

して実施しました。

－6－栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

重点共同研究（環境分野）

植物育成用バルクハイドロゲルの開発
仁平 淳史＊

太田 英佑＊

小林 愛雲＊

湯澤 祥＊＊

湯澤 真人＊＊

Fabrication of Bulk Hydrogels for Plant Cultivation
Atsushi NIHEI, Eisuke OTA, Azumi KOBAYASHI, Takashi YUZAWA and Masato YUZAWAHECとEGDEを用いて多孔性のHECゲルを合成した。合成した多孔性のゲルを用いて白菜の育苗試験を行ったところ，気孔形成のないゲルよりも根の伸長が大きくなる結果が得られた。またゲル中の気孔形成量を増加させるに従い，根腐れが抑制される傾向が得られ，長期の育苗が可能であることが分かった。
Key Words : ハイドロゲル，ヒドロキシエチルセルロース，多孔性，育苗

１

２

はじめに
２．１

環境省によればヒートアイランド現象の緩和策として需要が拡大している都市緑化市場は，2020年には15，
1)

研究の方法

HECゲル及び多孔性HECゲルの合成

HEC(ALDRICH average Mw～250,000)を水に溶解し，910億 円 に 成 長 す る と 試 算 さ れ て い る 。 加 え て 国 や

3,5,7wt%のHEC溶液をそれぞれ調製した。調製したHEC

地方自治体では公共事業の際に緑化を義務づける姿勢

溶液に所定量のエチレングリコールジグリシジルエー

2)が強まっており ，緑化市場は今後も堅調な伸びが予

テル（EGDE）(東京化成)と5mol/L水酸化カリウム水溶測されている。

液 を 加 え ， pH=12.8の 粘 ち ょ う な プ レ ゲ ル 溶 液 を 調 製

一方で，緑化手段の一つである壁面緑化技術では更した。このプレゲル溶液を60℃の恒温器中に静置し，なる散水量の低減化と植物の根の効率的な養水分吸収

24時 間 反 応 さ せ HECゲ ル を 合 成 し た 。 反 応 後 ゲ ル を 水が課題となっている。現状では培地の保水性を向上さ

中 に て 膨 潤 さ せ た 後 ， 50wt%イ ソ プ ロ ピ ル ア ル コ ー ルせるために，親水性のポリマーが３次元的に架橋され，（ IPA） 水 溶 液 に 再 浸 漬 し ， 未 反 応 の EGDEを 除 去 し た 。

水分を吸収すると自重の数百倍にまで膨潤してハイドさらに多量の水を用いて一週間繰返し浸漬洗浄を行い，ロゲルを形成する吸水性ポリマーが利用されている。

HECゲルを得た。多孔性のHECゲルはプレゲル溶液を調しかしながら植物の根との親和性が低いために，ハイ

製後，所定の方法により処理することで合成した。

ドロゲルに根が進入せず，効率的な養水分の吸収には２．２ゲルの物性評価合 成 し た HECゲ ル の 強 度 は テ ク ス チ ャ ー ア ナ ラ イ ザ

至っていない。
これまでに我々はカルボキシメチルセルロースー （ 英 弘 精 機 TA.XT Plus） を 用 い て 調 べ た 。 合 成 し（CMC）を原料としてハイドロゲルを合成し,－20℃でたバルクサイズのゲルから10mm角のゲルを切り出し試

凍 結 さ せ る こ と で ， 植 物 の 育 成 が 可 能 な 多 孔 性 の CMC験体とした。またゲルの膨潤度ならびに吸水率は次式

ハ イ ド ロ ゲ ル を 合 成 し た 3) 。 本 研 究 で は よ り 安 価 に 簡により算出した。

便 に ゲ ル を 合 成 し ,ゲ ル の み で の 植 物 支 持 を 可 能 と す
る た め に 2-ヒ ド ロ キ シ エ チ ル セ ル ロ ー ス （ HEC） を 用

吸水率=(M hydrated -M dry )/M hydrated ×100

い て 直 径 100mm， 高 さ 50mm程 度 の 円 柱 状 の バ ル ク ゲ ル

膨潤度= M hydrated / M dryを合成し，水の流動を可能とする多孔構造をゲル内部

M hydrated :吸水時のポリマー重量(25℃)に形成させた。さらに合成した多孔性ゲルを用いて白M dry :105℃，24h乾燥時のポリマー重量

菜の育苗試験を行い，多孔性ゲルの植物育成に対する有用性を検討したので報告する。

２．３

育苗試験

合 成 し た 各 種 の 多 孔 性 HECゲ ル を 用 い て 白 菜 の 育 苗試験を行った。50mlプラスチック遠沈管の底部先端を* 栃木県産業技術センター** 株式会社イングス

カットし，ゲルの流出を防止するためのコットンワイ

材料技術部

パーを充填し，その上部にできるだけ気泡が入らない－7－栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

ようにゲルを充填した。その後最上部のゲルに窪みを気孔形成量が2wt%や5wt%の条件では長期の育苗により作り，そこに種を蒔きバーミキュライトを用いて覆土

茶色く根腐れが確認され，10wt%以上の気孔形成量がした。遠沈管全体を遮光シートで覆い，恒温恒湿器中で 25℃ ， 80%RHの 雰 囲 気 で 発 芽 さ せ た 後 ， 20℃ の ハ ウ
ス内で育苗を行った。非多孔性ゲル及び多孔性ゲルにおける生育性や根の伸長を観察し，比較検討を行った。
３
３．１

結果及び考察HECゲルの膨潤特性と強度

図 １ に 合 成 し た 非 多 孔 性 の HECゲ ル の 含 水 率 を ， 図
２にその膨潤度を示す。含水率と膨潤度は架橋剤であるEGDE量が増加するに従い,またHECポリマー濃度が増加するに従い低下した。これはEGDE量が増加するにつれ ,ポ リ マ ー 間 の 架 橋 形 成 が 増 加 し 架 橋 密 度 が 大 き く
な る た め に ,ポ リ マ ー ネ ッ ト ワ ー ク の 水 和 に よ る 拡 散

図１が抑制されたためと推察した。一方で同じ架橋剤量に合成した HEC ゲルの含水率

お い て ポ リ マ ー 濃 度 が 増 加 す る 場 合 に も ,ポ リ マ ー 密
度 が 大 き い 状 態 で 架 橋 さ れ る た め に ,ポ リ マ ー ネ ッ ト
ワ ー ク の 水 和 に よ る 拡 散 が 抑 制 さ れ る た め に ,含 水 率と膨潤度がともに低下すると推察した。合成したすべてのHECゲルは94％以上の含水率を示し,膨潤度はポリ
マ ー 濃 度 と 架 橋 剤 量 に よ り 20～ 110程 度 の 範 囲 で コ ン
トロール可能であることが分かった。
次 に 合 成 し た HECゲ ル の 強 度 を 調 べ る た め に ， 10mm
角にカットしたゲルを用いて，その圧縮強度を測定した。図３に5wt%HECゲル及び7wt%HECゲルの圧縮強度値を示す。架橋剤であるEGDE量が増加するに従い強度も増大し,5wt%HECゲルでは200kPa程度まで,7wt%HECゲル
では300kPa程度まで強度が増大した。これはEGDE量の
図２

増 加 に つ れ て 架 橋 密 度 が 大 き く な る こ と と ,ポ リ マ ー

合成した HEC ゲルの膨潤度濃度が増えるとポリマー密度が大きい状態で架橋されることに起因しているためと考えられる。なお，3wt%
HECゲ ル に つ い て は ゲ ル 自 体 が 柔 ら か く ， 規 定 サ イ ズ
への切断が困難であったため測定を行わなかった。
３．２

多孔性HECゲルを用いた育苗試験

図 ４ に 合 成 し た 多 孔 性 HECゲ ル （ 5wt%HEC/5wt%EGDE
ゲル及び7wt%HEC/5wt%EGDEゲル）を用いた，白菜の育
苗 試 験 結 果 を 示 す 。 ゲ ル 内 の 気 孔 形 成 量 を 2， 5， 10w
t%と変化させたところ，気孔形成量が0wt%の条件と比べ生育が安定する傾向が得られた。さらに根の状態を観察してみると（図５），気孔の形成があるものでは根の伸長が大きいことが分かった。気孔形成がない条件と比べても根の伸長に有意差が確認されることから，多孔構造により水の流動や空気の流動が可能となり，

図３

溶存酸素や気体酸素が供給され，根の伸長が大きくな

HECゲル強度のポリマー濃度及び架橋剤量による影響ったものと推察する。一方で根の伸長が大きくても，－8－栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）（ 2） 5wt%HEC及 び 7wt%HECと 5,10,15wt%の EGDEを 反 応必要であることが示唆された。今後は気孔形成量をより高めた多孔性ゲルを合成し，試験を行う予定である。

させゲルを合成した。合成したゲルの圧縮強度
は EGDE 量 の 添 加 量 に 従 い 増 大 し ， 5wt%HEC で は
200kPa程度，7wt%HECでは300kPa程度の強度値を示した。
（ 3） 合 成 し た 多 孔 性 の ゲ ル を 用 い て 白 菜 の 育 苗 試 験を行ったところ,気孔形成量が増加するにつれて生育が安定する傾向が得られた。さらに根の様子を確認したところ,無気孔のゲルよりも気孔を形成させた条件の方が，根の伸長が大きくなる
ことが分かった。一方で根が十分に伸長していて も 気 孔 形 成 量 が 2wt%や 5wt%の 条 件 で は 根 腐 れ

図４ 多孔性HECゲルを用いた白菜の育苗試験結果が確認され，10wt%以上の気孔形成量が必要であることが示唆された。
謝

辞

本研究を実施するにあたり多大なるご指導ご協力をいただいた宇都宮大学大学院工学研究科学際先端シス
テム学専攻

教授

加藤紀弘氏に深く感謝いたします。
参考文献

1) 環境省：わが国の環境ビジネスの市場規模及び雇用規模の現状と将来予測についての推計

図５ 育苗試験後の根の伸長の様子

http://www.env.go.jp/press/press.php?serial=
４

4132

おわりに

2) 日本経済新聞：目に見える緑を増やせ

HECをEGDEを用いて架橋させ，非多孔性のHECゲルと自治体、緑視率を指標に

多 孔 性 の HECゲ ル を そ れ ぞ れ 合 成 し た 。 合 成 し た ゲ ル

http://www.nikkei.com/article/DGXNASDZ1001G_の物性測定ならびに白菜を用いた育苗試験を行い，次Q4A410C1000000/の結果を得た。
（1）HECとEGDEを用いて各種ハイドロゲルを合成した。

3) 仁平淳史，小林愛雲，湯澤祥，湯澤真人：栃木県
産業技術センター研究報告，11，4-6(2014)

HEC濃 度 を 3， 5， 7wt%,EGDE濃 度 を 5， 10， 15wt%と変化させゲルを合成したところ,含水率はすべて の 条 件 で 94% 以 上 で あ っ た 。 ま た ， 膨 潤 度 は
HEC濃 度 と EGDE量 と の 関 係 に よ り ， 20～ 110程 度の範囲で制御が可能であった。

－9－栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

重点共同研究（自動車・光・環境分野）

可視光応答型光触媒装置の開発
井田 恵司*

竹澤 信隆**

吉川 貴之***

林 一石****

松本 太輝*****Development of the Visible Light Photocatalyst Air Purifier
Keiji IDA, Nobutaka TAKEZAWA, Takayuki YOSHIKAWA,
Kazuishi HAYASHI and Taki MATSUMOTO
窒素ドープ酸化チタンを用いた VOC 等処理用光触媒装置を開発した。具体的には，窒素ドープ酸化チ
タンを担持させたフィルターの光触媒性能向上，光触媒装置の試作，光触媒装置における最適分解条件の検討及び装置の実証試験を行った。
その結果，微粒子化を施した窒素ドープ酸化チタンを担持させたフィルターのアセトアルデヒド除去
性能は，0.72μmol/h と高い性能を持つことがわかった。このフィルターと青色 LED 光源を組み合わせた光触媒装置は，高いアセトアルデヒド除去性能を有することを示した。実用化に向けては耐久性が未検討である等の課題を残すが，光触媒の性能向上や性能評価方法に関する知見が得られ，今後の光触媒関連製品の開発への応用が期待できる。
Key words: 光触媒，窒素ドープ酸化チタン，可視光応答性，触媒活性

１

はじめに

置換することにより，酸化チタンのバンドギャップを環境にやさしい循環型社会を形成するため，化石燃

狭くした化合物である。そのため，紫外光に加え波長料の使用を抑制し，クリーンで無尽蔵な太陽エネルギの長い可視光によっても励起し，光触媒能を発現するーをはじめとした自然エネルギーの活用に向けた取組ことができる。しかし，窒素ドープ酸化チタンの合成が加速している。太陽エネルギーを利用する低環境負には，500℃以上の高温焼成プロセスを必要とし，エネ

荷型プロセスとして利用が期待されている例として

ルギー負荷の増大はもちろん，触媒性能の低下，窒素は，光触媒反応がある。この光触媒能を有する化合物

ドープ量の減少といった課題があり，需要に応えた可として，最も一般的なものは酸化チタンである。酸化視光応答型酸化チタン触媒は得られていない。

チタンは，すでに環境浄化用途・防汚・防曇・殺菌・

このような背景の中，我々は平成 25 年度から，使用消臭の分野において実用化がすすめられており，タイ

場所を屋内・車室内に絞り込み，用途を室内空間の脱ル，コート剤，空気清浄機等，様々な製品が上市され臭・清浄化に特化した空気清浄機の開発に取り組んでい

ている

1).2)

。

る。平成 25 年度は，低コスト・低環境負荷の面で有利

近年，シックハウス症候群等の室内環境問題の解決とされるゾル－ゲル法により，高い触媒活性を有する窒に対しても光触媒活用の期待が高まっていることか

素ドープ酸化チタンパウダーを開発し，当該パウダーをら，屋内や車室内において，十分な光触媒性能を有す担持したフィルターを開発したところである 5)。

る酸化チタン触媒の開発が強く求められている 3)。

今回，前年度の研究成果である光触媒フィルターの性

そこで，太陽光や蛍光灯をはじめとした可視光で光能を向上させると共に，屋内用小型空気清浄機を想定し触媒性能を発現する酸化チタンとして，窒素をドープた光触媒装置の試作，最適光触媒反応条件の検討及び実した酸化チタンが開発されている

4)。窒素ドープ酸化証試験に取り組んだので報告する。

チタンは，酸化チタンの酸素原子の一部を窒素原子に２*

栃木県産業技術センター

繊維技術支援センター**

栃木県産業技術センター

材料技術部*** 丸昌産業株式会社**** 松井電器産業株式会社*****宇都宮大学

２．１

研究の方法

窒素ドープ酸化チタンの合成

窒素ドープ酸化チタンは，松本らの報告 6)により合成した。松本らは窒素ドープ酸化チタンを合成する際，光触媒性能を低下させるとする高温加熱処理過程を行わ－ 10 －

栃木県産業技術センターず，これまでよりも温和な条件で窒素がドープされた酸研究報告

No.12（2015）

窒素ドープの SEM 画像を図１に示す。

化チタンの合成方法を報告している。熱処理前における窒素ドープ量（仕込量）は，これまでの検討の結果，光触媒反応効率が高いとされている値（窒素濃度／チタン
濃度＝0.085）を採用した。
２．２

光触媒フィルターの試作

２．１で作製した窒素ドープ酸化チタンとバインダーを混合したものを水で希釈し光触媒加工液とした。この
光触媒加工液にフィルター（ポリウレタン製，サイズ：

図１

78×100×５mm）を５分間浸漬した後，マングルにて絞

図１から確認できるとおり，窒素ドープの粒子サイズ

り率 200％で脱水した。脱水後 40℃の温風で予備乾燥しは１～５μｍ程度であり，５μｍを超える粒子は確認でた後，50℃で２時間乾燥させる工程を４回繰り返した。

きなかったことから，本手法により窒素ドープ酸化チタ

乾燥後の重量を測定し，加工前のフィルターからの重量

ンは微粒子化できることが分かった。

増加分を酸化チタン担持量とした。

３．２に用いられる手法を参考にした。具体的には，内径光触媒フィルターの試作

３．１で得られた窒素ドープを担持したフィルターのフィルターの通気性測定は，防虫ネットの通気性評価
7）

微粒子化した窒素ドープ酸化チタンの SEM 写真

外観写真を図２に示す。

4.5cm 長さ 50cm のガラス管を小風洞とし，その入口付近に送風機を，出口付近にフィルターを設置して，風速７m/s の通風処理を行った。風速測定は風上側をフィルタ
ーの風上地点，風下側をフィルターの風下地点で計測した。測定器は，tenmars 社製 TM-412 を使用した。また，
通気性は風下風速／風上風速×100（％）で算出した。
２．３

評価

図２

酸化チタン及び酸化チタンを担持したフィルターは，
走査型電子顕微鏡（以下，SEM）（日本電子

今回試作品は，窒素ドープの担持量を増加させるため，フィルターへの担持工程を４回繰り返している。そフィルターの光触媒性能は，アセトアルデヒドの除去
性能を評価することとし，JIS R1751-2

左：今回試作品，右：昨年度試作品

JSM-5310LV）にて表面観察を行った。

光触媒フィルターの外観写真の結果，図２からも確認できるとおりフィルターが白色

ファインセラを帯びている。これは，窒素ドープ酸化チタンが多く担

ミックス－可視光応答形光触媒材料の空気浄化性能試

持されているためである。担持量を測定すると，昨年度

験方法－第２部：アセトアルデヒドの除去性能に規定さ試作品の 2.9 倍にまで増加した。

れる光照射容器を使用した流通式試験方法で実施した。

図３に今回試作品の SEM 画像を示す。

一方，光触媒装置の性能評価は，密閉系におけるアセ
トアルデヒド濃度減少を調べた。具体的には，約 100Lのグローブバッグ内を規定濃度のアセトアルデヒドで満たした後，光触媒装置を運転し，一定時間ごとにグローブバック内のアセトアルデヒド濃度変化を検知管（㈱ガステック気体検知管 No.92M）で測定する方法により評
図３

価した。

光触媒フィルターの SEM 写真

図３の写真を見ると，フィルターの網目部分（気体３３．１

が通り抜ける部分）を光触 媒やバインダーが塞いで結果及び考察いる状況は確認されず，今 回の条件でフィルターを

窒素ドープ酸化チタンの微粒子化
5）

したとおり，窒素ドープ酸化チタン（以試作すると，ガス流通時に も目詰まり等が発生する

下，窒素ドープ）の二次粒子サイズは概ね１～10μｍ程

可能性が低く，良好な担持 状態が得られていること

度とサイズにばらつきがあると共に，比較的大きい粒子がわかった。今回試作品の 通気性を測定したところも散見されたことから，さらなる微粒子化を試みた。

54％の通気性が得られた。こ れは，光触媒を全く処

昨年度報告

ボールミルによる約２ヶ月間の処理に より得られた理していないフィルター測 定結果である 55％とほぼ－ 11 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

同 レ ベ ル で あ り ， 光 触 媒 加 工 は フ ィ ル タ ーの通気性

３．３．２に影響を及ぼさないことが分かった。
３．３

３.３.１では，フィルターの光触媒性能評価を実施し光触媒装置の試作

３．３．１

光触媒装置用性能評価方法の検討た。しかし，室内や自動車内で用いられる光触媒装置は，青色 LED 光源による光触媒性能評価

一定の空間内に存在する有害物質を速やかに除去する

可視光応答型光触媒の性能評価を実施する際，JIS 規

性能が求められる。そのため，上市されている空気清浄

格では蛍光灯を使用した評価が採用されている。これに機では，官能検査による有害物質除去性能評価が広く行従い昨年度の報告

5）では蛍光灯を光源とした。本研究でわれている。官能検査による評価は経験と適切な評価環

は，可視光応答形光触媒装置の試作を考慮して，長寿命境が必要であり，本研究での実施が困難であることかで見た目が良く，可視光の中では紫外光に波長が近い青ら，密閉系での光触媒性能評価方法を検討した。

色 LED 光源を用いた性能評価を行うこととした。

今回採用する評価方法は，70～90ppm 程度のアセトア

６個の青色 LED 電球を３cm おきに配列した光源ユニルデヒドで満たした約 100L のグローブバック内においットを４つ作製した。図４に点灯した青色 LED 光源の写て，光触媒装置を運転し，アセトアルデヒド濃度の経時真を示す。

変化を計測するものである。アセトアルデヒド濃度は検知管による測定を行い，運転開始から 120 分間のアセト
アルデヒド濃度の推移を計測することとした。
本評価方法は，ガス検知管の測定範囲内であることが必須となるが，トルエン，ホルムアルデヒド，メチルメ
ルカプタン等，種々のガスにおける除去性能評価に応用
図４

青色 LED 光源することも可能であると考えられる。

４ユニットすべてを点灯させると，JIS 規格で規定さ３．３．３

れている 6,000lx 以上の照度で照射することが可能である。

光触媒装置の試作と実証試験

送風ファン，フィルター及び光源部分を組み合わせた
光触媒装置を試作した。送風ファンには，ebm-papst 社

5）

と同条件

製ＤＣ軸流ジェットファン（24V 95mA）を１基使用した。

とし，青色 LED 光源による光触媒性能評価結果を表１にフィルターは，無機系吸着剤を加えた光触媒加工液をアセトアルデヒド濃度，ガス流量等は既報示す。
表１

用いた以外は，所定の方法で作製したものを２枚装着し青色 LED 光源による光触媒性能評価結果

試料名た。無機系吸着剤は，吸着剤がフィルター内部に有害物除去されたアセトア

除去されたアセ質を吸着し，窒素ドープ酸化チタンの近隣に有害物質がルデヒドの CO 2 転化率

トアルデヒド量存在する状況にすることにより，光触媒反応がより効率(%)(μmol/h)的に進行しやすくなる目的で添加した。

窒素ドープ

21.51

0.72

また，光源は青色 LED 光源２ユニットを使用した。光

比較品

16.89

0.57

源とフィルターの間隔は 1.5cm とした。24V で点灯した
際の照度は約 2,500～3,000lx である。
試作した光触媒装置の全体図を図５に示す。

比較品は，ブルッカイト型可視光応答型光触媒
NTB-200（昭和電工㈱）を使用し，フィルターへの担持は窒素ドープと同処法とした。昨年と同様，本研究においてもガスクロマトグラフにより，アセトアルデヒドの完全分解物である二酸化炭素が発生していることを確認したことから，両試料ともアセトアルデヒドを二酸化炭素まで完全分解していることが予想できる。除図５

去されたアセトアルデヒド量を比較すると，窒素ドー

図５に示す筒内の左下に送風ファンが固定してあり，プが比較品を上回る光触媒性能を有している結果が得られた。
これにより，青色 LED を使用した条件下では，窒素ドープは比較品と同等以上の光触媒性能を有していることが明らかになった。

光触媒装置全体図

筒の右端の開口部は塞がれている。このため，ファンから送られた風は，２つのフィルター開口部（フィルター
及び点灯している青色 LED が見える部分）から出てくる構造である。
３.３.２の方法で光触媒装置の性能を評価した結果－ 12 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

光源部

光源部+フィルター部を図６に示す。

図７

図８

図８で赤茶色に見えるメッシュの内側にフィルター
図６

光触媒装置のアセトアルデヒド除去性能を装着している。メッシュ中を流れた空気は，フィルタ

図６から，光触媒装置は，運転直後から環境中のアセ
トアルデヒドを除去し，約 60 分で環境中のアセトアル

ーを通過する際，吸着及び光触媒反応を受け空気浄化された後メッシュの外へ流れる機構となっている。

デヒドをほぼすべて除去できることがわかる。

送風部で使用するファンは，３.３.３試作した光触媒

本結果は，環境中のアセトアルデヒドのみを測定してい装置と同じものを使用している。フィルター部分に到達ることから，フィルターにアセトアルデヒドが吸着されする時点の風速は，1.5ｍ/ｓである。同装置を 24Ｖで作た状態なのか，アセトアルデヒドが二酸化炭素にまで分動した際の風速は，2.2ｍ/ｓであることから，送風部に解されているのかを明確にすることはできない。この点

おける低電圧化の影響は，約 30％の風速減となっていを明確にするためには，ガスクロマトグラフ等を用いたる。

二酸化炭素濃度の測定が必要になると考えられる。

これらを組み合わせた小型光触媒装置の全体図を図

しかし，一定の空間内に存在する有害物質を速やかに９に示す。

除去するという性能を求められる空気清浄機の用途を

３.３.２に示した方法で，小型光触媒装置の性能を評考慮すると，試作した光触媒装置は十分な性能を有して価した結果を図 10 に示す。

いると判断することができる。
３．３．４

光触媒装置の小型化

３.３.３で試作した光触媒装置は，放熱性を向上するため，LED 光源を 5×37cm のアルミ製放熱板に固定している。そのため，図５に示す装置は直径８cm×長さ 45cmとやや大型である。本研究では，ベビーベットの脇に置いたり，自動車に備え付けのカップホルダーに納まるよ
うな携帯性に優れる光触媒装置の試作を目指していることから，小型化に向けた検討を行った。
図９

小型化の鍵となるのが光源部である。光源部は，発熱

小型光触媒装置を抑制することにより，放熱板の小型化が可能である。
そのため，電圧や電流を下げ，照度は低下するものの，放熱の抑制を図った。検討の結果，小型光触媒装置は 18Vで運転することが望ましいことがわかった。この場合，
光源から約 1.5ｃｍ離れた照度は 1,500～2,000lx 程度となる。さらに，小型化を実現するため，光源を一列に並べるのではなく並列に配置した。２つの光源ユニット
は，アルミ角材に固定し，この角材が放熱板の役割を兼ねることとした。試作した小型光触媒装置の光源部を図７に示す。また，フィルター部は光源を取り巻くよう設置することとし，フィルターサイズは 10×13ｃｍとした。光源部とフィルター部を組み合わせ，青色 LED を点灯させた様子を図８に示す。

－ 13 －

図 10

小型光触媒装置のアセトアルデヒド除去性能

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

図 10 から，小型光触媒装置は運転直後から環境中の

４

おわりに

アセトアルデヒドを除去していることが確認できる。そ窒素ドープ酸化チタンを用いた VOC 等処理用光触媒装の後，約 60 分で実験当初のアセトアルデヒドを 65％減置を開発した。具体的には，窒素ドープ酸化チタンを担少させ，約 120 分で 70％減少させることがわかる。しか持させたフィルターの光触媒性能向上，光触媒装置におし，図 5 に示した光触媒ユニットと異なり，ほぼすべてける最適分解条件の検討及び光触媒装置の試作と実証のアセトアルデヒドを除去するまでには至らなかった。

試験を行った。

これは，電圧を落として動作させていることによる性

その結果，ボールミルによる約２ヶ月間の微粒子化を能低下によるものであると考えられる。この対策として施した窒素ドープ酸化チタンを担持させたフィルターは，さらに高性能な送風ファンの導入による送風量の増のアセトアルデヒド除去性能は，0.72μmol/h と高い性

加や光源部の電球数や配列方法を見直し等により，青色能を持つことがわかった。

LED の光をさらに効率的にフィルターに照射させること

また，この微粒子化した窒素ドープ酸化チタンを担持が必要である。

したフィルターと青色 LED 光源を組み合わせた光触媒装図 10 で示したアセトアルデヒド分解性能は，有害物

置は，今回の検討条件において，アセトアルデヒドを１

質の除去性能という空気清浄機の用途から見ると，必要時間で 65％除去する性能を有することがわかった。

な性能は満たしていると考えられる。

実用化に向けては，耐久性が未検討である等の課題を今後は，吸着したアセトアルデヒドの完全分解に必要

残すが，光触媒の性能向上や性能評価方法に関する知見な時間の検討やアセトアルデヒドの吸着と分解を繰りが得られ，今後の光触媒関連製品の開発への応用が期待

返した耐久性試験等の必要があると考えられる。

できる。

最後に，図９に示す小型光触媒装置を作動する際は，装置が入る程度のケースに入れることが必要である。こ参考文献のケースに関しては，カップホルダーに入る程度のサイ

1) 経済産業省産業技術環境局技術調査室：技術調査レズであること以外は，特に制約が無くデザイン性を優先

ポート「酸化チタン光触媒に関する産業の現状と課させることも可能である。

題」 (2002)

図 11 に金属製ケースに使用例，図 12 に樹脂製ケース

2) 橋本和仁，藤嶋昭監修：図解の使用例を示す。

光触媒のすべて,工業調査会(2003)

図 12 に示すように，透明なケースを選択すると青色

3) 松田良太郎ほか：東芝レビュー，59(9),(2004)

LED の光を強調した装置を作製することも可能である。

4) 大脇健史ほか：表面化学，24(1)，25,(2003)
5) 井田恵司，山ノ井翼，小野章夫，金田治彦，吉川貴之，松本太輝：栃木県産業技術センター研究報告，
7-11，(2014)
6) TakiMatsumoto et al.: TopCatal,52,1584 (2009)7) 森山友幸ほか：福岡県農業総合試験場研究報告，
99-103，(2008)

図 11

金属製ケース例

図 12

樹脂製ケース例－ 14 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

重点共同研究（フードバレーとちぎ）

付加価値の高い県産ビールの開発
松本 健一*
山下 創**

福嶋 瞬*

横須賀 貞夫**

小坂 忠之*

菊地 明**

齋藤 高弘***Development of Microbrewed Beer in Tochigi of High Product Value
Kenichi MATSUMOTO, Shun FUKUSHIMA, Tadayuki KOSAKA
Hajime YAMASHITA, Sadao YOKOSUKA, Akira KIKUCHI and Takahiro SAITO
自然界からの新規酵母の取得，NaClO 発光法によるビール品質の評価，蛍光分光法によるビール醸造用酵母の評価，GABA 富化技術のビール醸造への利用，ビール醸造工程におけるポリアミン含量について評価を実施し，以下の結論を得た。
（1）栃木県産のいちご，梨より菌を分離し，共にマルトース発酵性を有する。
（2）ビールは保存期間の増加（劣化）に伴い，NaClO 発光強度が低下する傾向が見られる。
（3）蛍光分光法でビール醸造用酵母を評価すると，屈曲度と酵母の生細胞率とで相関が見られる。
（4）実地レベルで GABA 麦芽の作製，GABA ビールの醸造が可能である。
（5）ビールには，putrescine，spermidine が含有する。
Key Words:ビール，酵母，化学発光法，γアミノ酪酸（GABA），ポリアミン

１

はじめに

YPM6 培地若しくは麦汁培地を用いた。 YPM6 培 地は ，

栃木県は全国有数のビール用大麦（二条大麦）生産県

BactoTM Yeast Extract（Becton，Dickinson and Company）

であり，現在県内のクラフトブルワリーから，地域の特1%，BactoTM Pepton（Becton，Dickinson and Company）

産品を生かした個性的なビールが販売されている。平成2%，D（+）-マルトース一水和物試薬特級（和光純薬工

24 年には県内ブルワリー4 社にて，栃木クラフトビール

業㈱）6%を蒸留水に添加，121℃，10min 加熱殺菌して調推進協議会（以下，協議会）が設立され，新商品開発の製し，平板培養では，YPM6 培地に寒天試薬特級（和光純

取り組みが活発化している。

薬工業㈱）2%を添加して使用した。麦汁培地は，既報 ６）

本研究では，オールとちぎビール醸造のために必須なの方法と同様に調製した。また，両培地とも液体培地と

栃木オリジナルビール酵母の取得，清酒の熟度，劣化度して用いる場合，クロラムフェニコール生化学用（和光１）NaClO 発光法のビール品質評価

純薬工業㈱）100ppm，エタノール試薬特級（和光純薬工への適用，醸造安定性のため酵母の状態を捕捉する新規業㈱）を EtOH 濃度 1%若しくは 5%になるよう添加した。

手法としての蛍光分光法の検討，抗ストレス作用，血圧

県内の果実，花等を菌分離源とし，20℃，3-7 日間液体降下作用が報告されるγアミノ酪酸（GABA） ２）３） を含培地にて培養を実施し，Brix 値の減少が確認された培養有させた GABA ビールの開発，マウスでの老化抑制効果

液を採取し，同様の条件で最大 5 回繰り返し培養行った評価法として検討した等が報告されるポリアミン

４）５）のビール醸造工程にお後，平板培養により菌を分離した。

ける含量を確認した。

２．２

NaClO 発光法によるビール品質の評価

ビール保存試験を行い，NaClO 発光法により評価した。
２
２．１

研究の方法

保存条件は 5℃，8 週間及び 30℃，7 週間で実施した。

栃木オリジナルビール酵母の取得

一定期間保存したビールを開封して試料とした。試料

自然界からの新規酵母の取得を目的とし，マルトース
資化性を有する菌の分離を試みた。液体培地として，*

栃木県産業技術センター

食品技術部** 栃木クラフトビール推進協議会*** 宇都宮大学

250µl に 0.44M 次亜塩素酸ナトリウム水溶液 10µl を添
加，測定時間 10 秒で実施した。
２．３

蛍光分光法によるビール醸造用酵母の評価

醸造での安定した発酵を目的として，酵母の状態を捕捉する新規手法として蛍光分光法の利用を検討した。酵－ 15 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

母は，県内ブルワリーで使用経験がある 3 種（S-04，WY-1，
W-34）を用いた。また，メチレンブルー染色法により，酵母の生細胞率を評価し，本方法と相関があるかを確認した。
２．４

ビール製造工程における GABA 濃度

GABA 富化技術のビール醸造への利用を目的として，実地レベルでの GABA 麦芽の試作，試験醸造を行い，各工程での GABA を測定した。GABA 麦芽は，既報 ７） の製造方法を参考にして大麦仕込み量 3，125，200kg で実施し，得られた GABA 麦芽を用いて協議会会員ブルワリーにて

図1

菌分離源

醸造した。
２．５

ビール醸造工程におけるポリアミン濃度協議会会員ブルワリーにて醸造を実施し，原材料，麦汁製造工程，発酵工程でのポリアミン（putrescine，
spermidine， spermine）濃度を測定した。
２．６

評価方法

得られた試料について，Brix 値をデジタル屈折糖度

図２

平板培養の様子計（㈱アタゴ;DBX-55），顕微鏡観察を生物顕微鏡（オリンパス;BX-53），NaClO 発光法を微弱発光計数装置（浜松ホトニクス㈱;C9692-12），蛍光分光法を蛍光マイク
ロプレートリーダー（TECAN;Infinity M200 Pro），GABA
をアミノ酸分析計（日本電子㈱;JLC-500V），ポリアミンを高速液体クロマトグラフ（日本分光㈱;LC2000），
官能評価を行った。
３
３．１

図３
結果及び考察

３．２

自然界からの新規酵母の取得

分離菌の顕微鏡観察

NaClO 発光法によるビール品質の評価

食品からは自発的に発生する微弱発光が放出されて県内より採取した分離源を図 1 に示す。本研究で用おり，微弱発光を捕捉することで食品の品質変化を簡いた液体培地では，培養期間 3-7 日間であれば，カビ単に推定できる ８） と報告されており，光検出法によりの発生は，ほぼ確認されず培養が可能であった。Brix

ビール品質を捕捉できるか検討した。保存試験に用い値が減少し，糖資化が進行したと考えられた試料につたビールを表 1，保存試験の結果を図 4 に示す。5℃保

いて平板培養を実施した（図 2）。試料の多くは，好ま存試験では，8 週間経ても最大発光強度にも大きな差はしくない香気を発するもの，（a）のように外観が溶菌確認されず，官能的に大きな欠点も見られなかった。

したようであったが，（b）のように酵母様のコロニー

30℃保存試験では，保存期間の増加に伴い，最大発光を形成するものも確認された。外観観察で，酵母の特強度が減少する傾向が確認された。また，30℃，2 週間徴を有したコロニーを釣菌し，液体培養，平板培養をの保存で明らかに香味が変化しており，NaClO 発光法が繰り返し実施することで菌を単離した。最終的に，いビールの品質変化を捕捉している可能性が高いと考え

ちご，梨から菌を分離した（図３）。なお，分離菌を培られた。

養し，遠心集菌したものを YPM6 培地，麦汁培地に添加

表1したところ，両菌とも YPM6 培地，麦汁培地において，sample

備考

アルコールを産出することを確認した。

ビール 1

淡色ビール

ビール 2

淡色ビール

ビール 3

黒色ビール

－ 16 －

保存試験ビール

栃木県産業技術センター

ビール1
ビール2
ビール3

(a)

30000
20000
10000
0
0

500

8
図5

(b)

ビール1
ビール2
ビール3

30000

600
700
800
検出波長[nm]

励起波長 425nm における各酵母の蛍光強度

1.3

20000
屈曲度[‐]

最大発光強度[cps]

40000

2
4
6
保存期間[week]

No.12（2015）

WY‐1
S‐04
W‐34

蛍光強度[a.u.]

最大発光強度[cps]

40000

研究報告

10000

1.2

1.1

0
0

2
4
6
保存期間[week]

8

図4

ビール保存試験(保存温度（a）5℃，（b）30℃)

３．３

蛍光分光法によるビール醸造用酵母の評価

1.0
0

図6

20
40
生細胞率[%]

60

生細胞率と屈曲度の関係(WY-1)

菌種が異なる 3 種の酵母（WY-1，S-04，W-34）の培養液を蛍光分光法で評価した結果を図 5 に示す。検出３．４

ビール製造工程における GABA 濃度

波長 635，690nm で酵母由来と思われるピークが確認さ

GABA 麦芽製造試験結果を表 2 に示す。大麦仕込み量のれ，ピーク強度が高い 635nm が適すると考えられた。

増加に伴い，GABA 濃度が減少する傾向が確認できる。本

測定試料の組成によりバックグラウンドが高低するた研究では，歩留まりが最も良く，GABA 濃度が十分である

め，ビール酵母の評価には，次式(１)の屈曲度を用いと判断した 125kg 仕込みを最適とし，本スケールで得らた。

れた麦芽を用いてビール醸造を行った。各工程における屈曲度=検出波長 635nm の蛍光強度/検出波長 615nm 付

GABA 濃度を測定した結果を図 7 に示す。なお，熟成は，近の最低蛍光強度・・・(１)

発酵が完了してから約 1 ヵ月行った。麦汁は，温水によ

次に，WY-1 に紫外線照射することで，酵母を部分的り麦芽中の水可溶性物質を浸出し，酵素作用により不溶に死滅させ，本方法が酵母の状態を捉えるかを検討し性物質を可溶化，浸出して調製される。試作 GABA 麦芽た結果を図 6 に示す。試料としては，麦汁添加前のもには，GABA が 0.42mg/g 含有するが，麦汁調製時に発生

ろみの状態の酵母を用いた。生細胞率の増加に伴い，する麦芽粕の GABA 濃度は 0.02mg/dry-g であり，麦芽に屈曲度も増加することが確認でき，蛍光分光法がビー含有される GABA のほとんどが麦汁に移行することが分

ル酵母の状態を捕捉する可能性があると考えられた。

かる。さらに，発酵，熟成を経ても GABA 濃度に大きな推移は見られず，GABA が熟成完了(ビール)まで移行することが確認された。官能評価の結果，味良い，味わいメ
リハリに乏しい，旨味あるが雑味ととられそう，白濁が目立つ，といったコメントが挙げられた。

－ 17 －

栃木県産業技術センター

研究報告

表2

No.12（2015）

４

麦芽の試作

おわりに

大麦[kg]

麦芽[kg]

歩留まり[%]GABA[mg/g]

自然界からの新規酵母の取得，NaClO 発光法によるビ

3

2.4

80.0

0.53

ール品質の評価，蛍光分光法によるビール醸造用酵母の

125

107.0

85.6

0.42

評価，GABA 富化技術のビール醸造への利用，ビール醸造

250

212.6

85.0

0.28

工程におけるポリアミン含量について評価について研究を実施し，以下の結論を得た。

麦芽（1）県内より採取したいちご，梨よりマルトース資化

水

ホップ性の菌を分離した。
（2）ビールは保存期間の増加（劣化）に伴い，NaClO

麦汁1)

発光強度が低下する傾向が確認できた。

ビール酵母
発酵開始2)
発酵中期3)
発酵終了4)
熟成終了5)
図7（3）蛍光分光法でビール醸造用酵母を評価したところ，No.

sample

GABA

1

麦汁

0.11 mg/ml

2

発酵開始

0.11 mg/ml

3

発酵中期

0.12 mg/ml

4

発酵終了

0.11 mg/ml

5

熟成終了

0.11 mg/ml

屈曲度と酵母の生細胞率とで相関が見られた。
（4）実地レベルで GABA 麦芽の作製，GABA ビール醸造が可能であることが確認された。
（5）ビール醸造工程におけるポリアミンを評価し，ビールには，putrescine，spermidine が含有することが確認された。
参考文献

GABA ビール醸造工程における GABA 濃度

1) 岡本竹己, 佐々木隆浩：栃木県産業技術センター研
３．５

究報告, 7, 67-69,（2010）

ビール醸造工程におけるポリアミン濃度

ビール醸造工程におけるポリアミン濃度を測定した

2) 吉田慎一, 原本正文, 福田朋彦, 水野英則, 田中

結果を表 3 に示す。醸造の流れは図 7 と同様である。な藍子, 西村三恵, 西平順：日本食品科学工学会誌,

お，原材料の麦芽，ホップには putrescine，spermidine，

62（2）, 95-103,（2015）spermine が含有されていた。麦汁では，putrescine，

3) 原田陽, 永井武, 山本美保：日本食品科学工学会誌,
58（9）, 446-450,（2011）spermidine のみ検出され，spermine が移行しないことが分かる。発酵前後では，spermidine は減少，putrescine4) 早田邦康：New Food Industry, 62（2）, 95-103,（2015）の変化は小さく，ビールには，putrescine，spermidineが含有される。既存の報告

９）でも，ビールには

5) 栗原新：生物工学会誌, 89（9）, 555,（2011）

putrescine ， spermidine ， spermine3 成 分 で は ，

6) 松本健一, 筒井達也, 岡本竹己, 山下創, 横須賀

putrescine，spermidine のみ含有しており，今回の結果

貞夫, 菊地明, 齋藤高弘：栃木県産業技術センターと一致している。本研究により，ビール醸造工程におけ研究報告, 10, 11-14,（2011）

るポリアミンの移行について明らかにできた。

7) 筒井達也, 前野優哉, 岡本竹己, 渡邊恒夫, 白相淑久, 上武裕：栃木県産業技術センター研究報告,

表3

10, 11-14,（2013）

ビール醸造工程におけるポリアミン含量

sampleputrescine

spermidine

spermine

麦汁

18µmol/l

3.0µmol/l

N.D.

発酵開始

18µmol/l

4.0µmol/l

N.D.

発酵終了

18µmol/l

0.9µmol/l

N.D.

8) 蘒原昌司：日本食品科学工学会誌, 59（12）, 595-603,（2012）
9) Nishimura, K., Shiina, R., Kashiwagi, K., andIgarashi, K.:J. Biochem. 139, 81-90,（2006）－ 18 －

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

研究報告No.12（2015）

共同研究

硬質めっきの ELID 研削法による高品位仕上げ加工技術の開発（第２報）
稲澤 勝史*

江面 篤志*

大和 弘之**

石川 祥久***

片桐 章雄***

宅見 章***

Precision Finish of Hard Plating on Aluminium Alloys by ELID Grinding (2nd Report)
Katsufumi INAZAWA，Atsushi EZURA，Hiroyuki YAMATO，
Yoshihisa ISHIKAWA，Akio KATAGIRI and Akira TAKUMI
硬質めっきは，アルミニウム合金に適用することで表面硬度の改善による耐摩耗性向上を実現できることから，金型等幅広い用途への利用に大きな期待が寄せられている。しかし，めっき層が薄いために，要求される鏡面仕上げと高精度形状加工が要求されているが，薄いめっき層を剥離させることなく機械加工することは困難を極める。本研究では，アルミ合金上に硬質めっきを施した球面試験片に対し，鏡面加工と高精度加工が両立可能な ELID 研削法を用いて，鏡面加工と高精度形状仕上げを両立させる加工を試みた。球面形状の頂点付近における特有の形状誤差に対しては，新たな補正加工手法を提案する
ことにより，算術平均粗さ 10 nm 以下，形状精度 5 µm 以下を実現し，高精度金型に要求される鏡面仕上げと高精度形状加工の両立を達成した。
Key words: アルミニウム合金金型, 硬質めっき, 鏡面仕上げ, ELID 研削法, 補正加工

１

はじめに

る硬質めっきに対し，母材が露出することなく，高精度

現行のプラスチック射出成形用金型には，STAVAX や

形状かつ鏡面仕上げを満足する機械加工は困難を極め

NAK 材といった耐摩耗性に優れたプラスチック金型用る。

鋼が用いられている。一方，鋼材に比べて熱伝導率が高

一方，先に述べた無電解ニッケルめっきにおいては，

いアルミニウム合金を金型に用いることで,プラスチッ

厚付けした無電解ニッケルめっきに対し，単結晶ダイヤ

ク射出成形時の冷却時間を短縮できることから，コスト

モンドバイトを用いて超精密切削加工を行い，最後に微削減が可能であるとともに，冷却時間の短縮に起因する細な切削痕をポリッシングにて除去することで鏡面の1)成形後の製品のそりの低減が可能とされている 。しか高精度形状を得る手法が知られている。しかし，鉄系材

し，アルミニウム合金は鋼材と比較し，硬度が不足して料の切削では，Fe と反応しダイヤモンドがグラファイトいるため，金型として用いるに当たっては耐摩耗性改善化するため，ダイヤモンドバイトの摩耗が急激に進行しのための表面改質処理が必要となる。

てしまう 4)。したがって，Fe を主成分とする硬質めっき

耐摩耗性については，硬質アルマイト処理 2)，無電解能であると推測される。そこで，切込みが小さく，多く

ニッケルめっき等の様々な表面処理により改善がなさ
れており

(3)

に対してダイヤモンドバイトを用いた精密加工は不可，硬質鉄めっき（以下，硬質めっき）もそのの砥粒が次々と入れ替わり加工を行う研削であれば，ダ一つである。この硬質めっきは鉄と同等の鏡面仕上げがイヤモンドバイトを用いた切削に比べて摩耗の影響を可能であることから,鏡面仕上げが必要になる金型にお軽減できると推察し，研削加工を用いることとした。加いては，手研磨による鏡面仕上げ加工がおこなわれる。

えて，要求精度達成を目指すため，鏡面加工と高精度加しかし，電気めっきである硬質めっきの特性上，端部に工が両立可能な ELID 研削法の適用を提案した。ELID 研

おいて膜厚が厚くなるため，その膜厚差が手研磨後のう削法は，メタルボンドの砥石に対して電気分解を用いるねりになりやすい等の課題がある。これにより，機械加

ことで，加工を中断することなく効果的かつ自動的にド工による高精度鏡面仕上げが望まれているが，薄膜であ

レッシングを行うことが可能な加工法でり，通常では目詰まりしてしまう#4000 以上の微細砥粒の砥石を用いた*

栃木県産業技術センター

機械電子技術部** 栃木県産業技術センター 材料技術部*** 日本プレーテック株式会社

高精度鏡面加工を実現できることから 5) ，本研究課題に対し有用であると考えられる。

－ 19 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

以上より，本研究では高精度形状かつ鏡面仕上げ加工を実現できる ELID 研削法を提案し，高精度金型に要求される算術平均粗さ Ra が 10 nm 以下，形状精度 5 µm 以下である鏡面仕上げと高精度形状加工を両立する加工を試みた。なお，本研究で採用した軸対称の加工においては，中心部にて特有の形状誤差を生じることが知られており，より形状精度を向上させるために薄膜である硬質めっきを考慮した補正方法を提案して加工を行った。
２
２．１
前報

(a) めっき後の試験片形状

研究の方法

試験片の製作
6)

では平面形状の加工を行ったが，電気めっきである硬質めっきの特性上，端部における電流密度が高くなり，めっきの膜厚が厚くなったため 7) ，これを除去し目標を達成することが困難であった。球面においては，より加工が困難であると推察されたため，試験片の端面(b) 母材形状にフィレットを設け，図１(a)に示す形状とした。同図

図３

形状測定結果及び顕微鏡写真(b)にめっき処理前の試験片の外観を，同図(c)にめっき処理後の試験片外観を示す。
作製した試験片において，図２に示す顕微鏡による断面観察から，膜厚は頭頂部で 22 µm，外周部では 28 µm 程度であり，ほぼ均一に 20 µm 以上のめっき厚を有していることを確認した。
次に，表面粗さ測定機（TaylarHobson フォームタリ

(a) めっき表面

サーフ S6）による形状測定を行ったところ，めっき表面

(b)

図４

母材表面

顕微鏡写真

は最大断面高さが 10 µm ほどで，図３(a)に示すような
高さが 4～7 µm の周期的な凸凹形状を有していることが分かった。ここで，めっき処理前の母材に対しても形状測定を行い，同図(b)に示すように高さが 4～6 µm の凸凹形状であることを確認し，図４に示す顕微鏡観察により，母材加工時の旋削痕が見られたことから，この旋削痕が試験片のめっき表面へ影響を及ぼしていることが分かった。しかし，このことを考慮しても図５に示す

図５２．２

めっき膜の加工代は 10 µm 以上有していると判断した。

めっき膜の加工代

加工実験

本研究は，図６に示す超精密加工機（東洋工学 リニ
マックス）を用い，同図(b)に示す通り砥石軸に陽極の電極，また砥石の近くに陰極の電極を設置し，その間に導電性の研削液を流すことで ELID 研削を適用した。回転する試験片に対して中心から砥石を接触させ，XY 平面(a)試験片図面(b)めっき処理前

図１(c)めっき処理後試験片形状及び外観

上で砥石を円弧軌道で動かすことで球面加工を行った。
また，砥石の円弧部分の軌道は，次式(1)により算出した。

(a)左側外周部
図２(b)中心部��(c)右側外周部

顕微鏡によるめっき膜厚測定－ 20 －

�1��� � ���� � ��
1 � �1 � � � �1�
�� � ����

� �1�

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

ここで，r はマイクロメータで測定した砥石半径値，
SR は三次元測定機を用いて測定した試験片の球形状半
径値，y は y 軸座標値である。
算出した砥石軌道のもと，#4000 及び#8000 の砥石を用い，表１の加工条件にて加工を行った。
加工後の表面形状の測定には，三次元座標測定機（ミツトヨ LEGEX9106）を用い，数 nm レベルの粗さ測定については，白色干渉計（ZYGO NewView5032）を用いた。
また，膜厚の測定には蛍光 X 線分析装置（日立ハイテク(a) ＃4000 砥石サイエンス EA6000VX）を用いた。

図７(a)超精密加工機外観
図６

加工後外観及び形状測定結果(a) 形状誤差なし(b)ELID 研削ユニット

加工機外観と ELID 研削適用図
表１

３
３．１

（b) ＃8000 砥石

加工条件

(b)凹型

結果及び考察図８

加工結果

機械座標と試験片回転軸との位置関係による形状誤差の発生

図７に示すように，それぞれの加工において，目標値である表面粗さ Ra 10 nm，形状精度 5 µm を達成した。

(c)凸型

３．２

補正加工

しかし，同図中の点線内に示す頂点付近に軸対称加工に

表２に示す加工条件を用いて，＃4000 砥石により，め特有の形状誤差が現れた。成形したレンズの中心部にこっき面の一部分の加工を行った後，試験片の回転軸と機の様な凹凸が存在すると光の散乱が引き起こされ，性能

械座標系の x 軸の補正を行った。まず，砥石と試験片のに悪影響が懸念されるため，形状誤差を生じない加工が多数の接触点を検出して，加工済みの部分球の中心を求求められる。この形状誤差は，図８に示すように，試験めた。具体的な手順は次のとおりである。図９に示す

片の回転軸と機械座標系の x 軸とがずれていることに起

y1 ，y2 …yi の座標において砥石を x 軸方向へ送り，1 µm

因しており，このずれを補正することにより高精度形状の精度で接触を感知できる接触音検出器を用いて，砥石を達成できる。

と試験片との接触点を測定し，y1 ，y2 …yi の座標値に通常，この補正はワークを取り外すことなく，機上で対応する x1 ，x2 …xi を求めた。測定した多点の（x,y）

高精度に形状測定できるユニットを用いて，全面加工が座標値から最小二乗法により近似的に円を求め，その中8)完了した加工物の形状を測定して行う 。しかし，本試

心座標を算出し，加工した部分球の中心とした。図９に験片においては加工可能なめっき厚が極端に薄いため，おける(a,b)の座標値が近似円の中心位置であり，b の値

従来の手法が適用できない。そこで本研究では，新たなが試験片の回転軸と機械座標系 x 軸のずれに相当する。

補正加工法を提案し加工を行うこととした。

理論上は，このずれを補正して加工することで，形状誤差をキャンセルすることができる。

－ 21 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

機械座標系 x 軸を y 方向に b だけオフセットした後，全面が鏡面となるまで補正加工を行った。補正加工後の試験片外観を図１０に示す。これまでの加工と同様に高品質な鏡面が得られていることが分かる。また，白色干渉計を用いて加工表面粗さを測定した結果を図１１に示す。同図より，加工面が Ra 2.6 nm を達成していることが分かる。次に三次元座標測定機による形状測定結果
を図１２に示す。同図より，補正を行わずに加工した試
験片と比較して，形状精度が向上し，0.8 µm を達成できたことが分かる。
図１２

以上より，補正加工を行うことで形状精度 1 µm 以下という超高精度加工が可能であることを確認した。
表２

３．３

加工条件

形状測定結果加工後の残存膜厚

加工後のめっき膜厚の測定は，めっきの機能を担保する上で大変重要である。昨年度までは，加工後の試験片を切断し，断面観察を行うことで膜厚を測定したが，実製品においては切断することなく膜厚を測定する必要がある。以上を踏まえ，蛍光 X 線分析装置を用いた非破壊による膜厚測定手法の確立を行った。
蛍光 X 線分析装置による測定値と断面観察による実測値を比較したところ，値の差異は 13.5%±3.5%ほどであったことから，測定値は十分に妥当な値であると判断し，測定値を膜厚評価に用いることとした。
加工後の試験片を測定したところ，表３に示すように，どの試験片においても残存膜厚は 8 µm 以上であり，十分な膜厚を有していることを確認した。
補正加工におけるめっき膜厚は，他と比較して均一に残存していることから，めっき膜加工における本補正加工の優位性を示すものと考えられる。

図９

表３

補正加工の模式図

３．４
図１０

残存膜厚

ELID 研削特有の電解による試験片への影響

加工後の試験片において，図１３に示すように硬質補正加工後の試験片外観

めっきと母材との界面付近及び試験片固定用のチャックとの接触部分においてアルミニウム合金の変質が見られた。これは，異種金属が電解質溶液を介して電気回路ができたために，両者の腐食電位の違いのため，アルミニウム合金の腐食が促進されたものと推察される。したがって，電解質溶液である研削液とアルミニウム部分を接触させないようにポリエチレンフ
図１１

白色干渉計による加工面の表面粗さ測定結果

ィルムを被覆した。その結果，母材の変質を低減することができた。

－ 22 －

栃木県産業技術センター

謝

研究報告

No.12（2015）

辞本研究を実施するにあたり，御助言をいただきました独立行政法人理化学研究所 大森素形材工学研究室
大森整氏 上原嘉宏氏に深く感謝する。また，本事業で用いた測定機の一部は公益社団法人 JKA の補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意を表する。
参考文献(a)フィルム被覆処置前
図１３(b)フィルム被覆処置後

1) 山縣裕，高井信次，新川真人，及川渉： "塑性と加試験片外観工"，Vol.53（N0.613），pp.125-129（2012）2) 臼井克夫："表面技術"，Vo1.41（No.6），pp.637-645,

４

おわりに

（1990）

本研究では，硬質めっきを施したアルミニウム合金製

3) 恒川芳樹："まてりあ"，Vol. 34（No.6），pp. 730-735

球面試験片の仕上げ加工において，ELID 研削法を適用するとともに，加工機の試験片回転軸と砥石軌道の誤差（1995)
4) 平 井 健 一 ： "精 密 工 学 会 誌 "， Vol. 52（ No.12），を補正する加工を行うことにより，以下の結論を得た。
（1）硬質めっきの特性を踏まえた試験片形状を提案すpp.2028-2038 (1986)
5) 大森整："精密工学会誌"，Vol. 75（ No.7），pp.830-833

ることで，安定してめっき膜厚を 20µm 以上有する試験片を実現した。

（2009）
6) 稲澤勝史，江面篤志，大和弘之，石川祥久，片桐章（2）めっきの成膜状態と膜厚の断面観察により，本試雄，宅見章："栃木県産業技術センター研究報告"，

験片におけるめっき膜厚の加工代を 10 µm と推定
して加工を行うことで，目標とする表面粗さ Ra：

No.11，pp.17-21（2014）7) 電気鍍金研究会："現代めっき教本"，日刊工業新聞

10 nm 以下，形状精度：5 µm 以下を実現した。

社，p.3（2011）（3）薄膜である硬質めっきに対する補正加工手法を確

8) 森田晋也，鈴木亨，劉慶，林偉民，渡邉裕，上原嘉

立し，表面粗さ Ra：2.6 nm，形状精度：0.8 µm の宏，大森整："砥粒加工学会誌"，Vol. 49（No. 1），

高精度加工を実現した。

pp.44-45 （2005）

ELID 研削特有の電解による試験片への影響に対し，加工中の試験片にポリエチレンフィルムを被せ，試験片と研削液との接触を防ぐことで，母材の変質を低減できる

本研究は，公益社団法人 JKA
補助事業により整備した機器を活用して実施しましことを確認した。
今後は本技術を用いて，硬質めっきを施したアルミニ
ウム合金金型の各種高精度金型への応用を検討していきたい。

－ 23 －た。

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究

希土類酸化物含有ゼオライトを用いた排ガス浄化触媒の開発
加藤 栄*

金田 健*

鶴永 賢**

岡村 達也**

小林 範浩**

松本 泰治*

Preparation of Zeolites included Rare-earth oxides as a catalyst for carbon oxidation
Sakae KATO, Takeshi KANEDA, Ken TSURUNAGA,
Tatsuya OKAMURA, Norihiro KOBAYASHI and Taiji MATSUMOTO
酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトは，カーボン燃焼に触媒活性を示す酸化セリウムを含有するため，PM 酸化触媒としての応用展開が期待できる。しかしながら，酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトの酸化セリウムナノ粒子は，板状粒子の内部に存在することから，このままでは触媒活性を示さない。この
酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトの酸化触媒特性について，酸処理及びアルカリ処理による活性化を検討した。その結果，水酸化カリウム溶液を用いたアルカリ処理によって，酸化セリウムナノ粒子の表面を覆う非晶質層の溶解と，酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトのカーボン燃焼触媒特性の発現を確認することができた。
Key words: ゼオライト，酸化セリウム，ナノ粒子，カーボン燃焼，PM 酸化触媒

１

はじめに

酸化セリウムは優れた PM 酸化特性を有し，熱安定性

ディーゼルエンジンは希薄燃焼エンジンであり，エネにも優れていることから DPF 用の酸化触媒として有望視

ルギー効率（燃費）に優れ，少ない燃料で運転されるのされている。PM 酸化は活性点が炭素との接点に限定されで，CO2 発生量が少なく地球温暖化の抑制に効果的とさることから，酸化セリウムの微粒子化と分散状態の維持れている。しかしながら，排出ガスに含まれる人体に有が重要となっている。

害な窒素酸化物（NOx）や粒子状物質（パティキュレー

筆者らは，六角板状形態を有するリンデ Q ゼオライト

トマター：PM）の放出量が多い。近年，NO x や PM の発生（以下，リンデ Q）に 1)，イオン交換法でセリウムイオ量はかなり低減されているものの，排ガスに対する規制

ン（以下，Ce3+）を導入し，加熱した試料の構造内に，は年次的に厳しく設定されており，排ガス処理の新しい

10 数 nm の酸化セリウム結晶粒子が生成することを見出技術の導入が期待されている。

した 2)。この酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライト

PM の主成分であるすすは，フィルタによりろ過するシの酸化セリウムは，粒径の揃ったナノ粒子であり，粒子

ステム（ディーゼルパティキュレートフィルタ：DPF）

内に分散して存在することから，高い触媒活性を有するで処理されているが，PM をろ過し続けると，フィルタがと考えられる。しかしながら，酸化セリウムナノ粒子分

目詰まりを起こしてしまう。このため，堆積した PM を散板状ゼオライトでは，酸化セリウムナノ粒子が母結晶酸化除去（燃焼）する必要があるが，PM を熱だけで燃焼であるゼオライト粒子の内部に存在することから，このするためには 600℃以上の高温が必要となる。PM を燃焼

ままでは触媒活性を示さない 3)。効率的な触媒活性の発する触媒として，現在，用いられている Pt 触媒は，NO 2

現には，酸化セリウムナノ粒子を表面に露出させる必要の酸化力を利用して PM を燃焼させているが，厳しい NOxがある。

排出量規制に対応するための技術進歩により，排ガス中

本研究では，この酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオの NOx 濃度は大幅に低減されると考えられている。また，

ライトの酸化触媒特性について，酸処理及びアルカリ処

今後の燃費規制の実施に伴い，エンジンの燃焼効率の向理による活性化を検討し，PM 燃焼に対する評価を行った上が図られると排ガス温度が低下する。そのため，NO x

ので報告する。

が存在しない条件下でかつ低温で PM を酸化除去する触媒の開発が求められている。
*

産業技術センター**

吉澤石灰工業㈱

材料技術部

２
２．１

研究の方法

試料

K 型リンデ Q（K2O･Al2O3 ･2SiO2 ･xH2O） は平均粒径が－ 24 －

栃木県産業技術センター

0.88μm，厚さが約 100nm の試料を合成した。
２．２

表１

酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトの調

Ce 含有量の多いゼオライトを調製するため，イオン交

No.12（2015）

イオン交換試料の定量分析結果

Ce
(wt%)
17.1

製

研究報告

K
(wt%)
3.7

Ce3+ -ex.ratio
(%)
79.4

換処理を繰り返して行った。テフロン密閉容器に K 型リ
ンデ Q100g を量り取り，0.1 mol･dm-3 の Ce(NO)3 溶液を750ml 加え，90℃の恒温槽中にて 24 時間イオン交換処理を行った。さ らに，この試 料 60g に 0.1 mol･dm -3 のCe(NO)3 溶液 450ml を加え，90℃の恒温槽中にて 24 時間，繰り返してイオン交換処理を行った。イオン交換試料はろ過，洗浄後，40℃で乾燥した。
イオン交換試料を，大気中，850℃で一時間加熱し，加熱試料を得た。
２．３

酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトの活図１

加熱試料の X 線回折図

性化処理
テフロン容器に，加熱試料 1g と所定濃度（0.5，1.0
または 2.0mol･dm-3）の HNO3 溶液 50ml を加え，40℃，24
時間，酸処理を行った（以下，酸処理試料）。
また，テフロン容器に，加熱試料 0.5g と所定濃度（1.0，
2.0 または 3.0mol･dm-3）の KOH 溶液 25ml を加え，90℃，
24 時間，アルカリ処理を行った（以下，アルカリ処理試料）。

図２

加熱試料の FE-SEM 写真及び TEM 写真

酸処理試料及 びアルカリ処 理試料はろ過 ，洗浄後，40℃で乾燥した。
２．４

図１に加熱試料の X 線回折図を示す。加熱試料から，評価

28.4°，47.4°，56.2°等の酸化セリウム結晶構造に帰イオン交換試料を酸分解し，誘導結合プラズマ発光分

属されるピークがみられ，かつ，それらのピークの半値析装置（島津製作所 ICPS-8100CL）で Ce 及び K を定量し，幅が広いことから，酸化セリウムはナノ粒子であること

イオン交換率を求めた。

が示唆された。また， 28°付近にハローがみられるこ試料の結晶相の同定を粉末 X 線回折（XRD，理学電機
RINT2550），形態観察を透過型電子顕微鏡（TEM，日本とから，母材は非晶質化が進行しているが，ゼオライト
構造を維持することが分かった。

電 子 JEM-2010 ） 及 び 電 界 放 射 型 走 査 型 電 子 顕 微 鏡（FE-SEM，日本電子 JSM-7400F）で調べた。

図２に加熱試料の FE-SEM 写真及び TEM 写真を示す。
TEM 写真から，六角板状粒子であるリンデ Q 内部に，酸また、カーボンブラックと加熱試料，酸処理試料ある化セリウムナノ粒子が分散して存在していることを確

いはアルカリ処理試料を混合し，示差熱-熱重量同時測認した。また，酸化セリウムナノ粒子の粒径は，10nm

定（TG-DTA，マック・サイエンス

TG-DTA2000S）を行

以下であることが分かった。FE-SEM 写真では試料の表面

い，カーボンブラックの燃焼温度を調べ，試料の酸化触は平滑であり，これまでの結果と同様に，酸化セリウム

媒活性を評価した。

ナノ粒子分散板状ゼオライトの酸化セリウムナノ粒子
は，板状粒子の内部に存在する 3)ことを確認した。

３
３．１

３．１．２

結果及び考察図３に酸処理試料（0.5M HNO3 ，1.0M HNO 3 及び 2.0M

キャラクタリゼーション

３．１．１

酸処理試料

HNO3）及び加熱試料（CeO2-Q）の X 線回折図を示す。酸加熱試料

表１にイオン交換試料の定量分析結果を示す。イオン

処理試料からは，酸化セリウムのピークと 23°付近のハ3+ローが見られ，ゼオライトのピークは消失している。こ3+

れは，HNO3 溶液を用いた酸処理によって，酸化セリウム

交換試料の Ce イオン交換率は 79.4%であり，リンデ Q
内に多量の Ce を取り込むことができた。

は溶解されることはなく維持されるが，ゼオライト構造－ 25 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

解が進行し，酸化セリウムの含有量が相対的に増大していると思われる。
図４に酸処理試料（0.5M HNO3 ，1.0M HNO 3 及び 2.0M
HNO3）及び加熱試料（CeO2-Q）の FE-SEM 写真を示す。加
熱試料の粒子表面は平滑であるが，酸処理試料の表面は平滑ではなく，凹凸がある部分が確認された。また，粒子の六角板状形態は維持しているものの，縁が崩れている箇所や，粒子が薄くなって湾曲している様子が観察された。
次に，図５に酸処理試料（2.0M HNO3 ）及び加熱試料（CeO2-Q）の TEM 写真を示す。加熱試料は，粒子の表面が非晶質であり，また，内部に島状の非晶質部分が認められる。ゼオライト層及び酸化セリウムナノ粒子は内部に存在することが分かった。酸処理試料は，ゼオライト層が溶解し，粒子表面などの非晶質部分のみが残存して
図３

酸処理試料及び加熱試料の X 線回折図

中空になっている様子が観察された。また，酸化セリウ
ムナノ粒子は，酸処理後も粒子の内部に存在していることが分かった。HNO3 による酸処理では，酸化セリウムを覆う非晶質である表面層を溶解できないことが分かった。したがって，酸処理試料の表面層は非晶質であると
思われる。
３．１．３

アルカリ処理試料

図６にアルカリ処理試料（1.0M KOH，2.0M KOH 及び
3.0M KOH）及び加熱試料（CeO2-Q）の X 線回折図を示す。
加熱試料と比較して，アルカリ処理試料は XRD パターンに大きな相違はなく，KOH 溶液を用いたアルカリ処理によって，酸化セリウム及びゼオライト構造が溶解しない
ことが分かった。酸化セリウムのピークがわずかに大きくなっている。このことから，母材の非晶質層の一部が
図４

酸処理試料及び加熱試料の FE-SEM 写真

溶解し，酸化セリウムの含有量が相対的に増大したと推察される。
図７にアルカリ処理試料（1.0M KOH，2.0M KOH 及び
3.0M KOH）及び加熱試料（CeO2-Q）の FE-SEM 写真を示す。アルカリ処理試料には，表面にナノサイズの粒子が付着したような凹凸が観察された。このことから，アルカリ処理によって非晶質部分が溶解し，酸化セリウムナ
ノ粒子の一部が新たに表面に露出したと推察される。特に，2.0mol･dm-3 及び 3.0mol･dm-3KOH 溶液で処理した試料は，1.0mol･dm-3 より凸部分が大きく，粒子の六角形
態が崩れかけており，KOH 溶液濃度が高いほど，非晶質

図５

酸処理試料（2.0M HNO3）及び部分の溶解が進行することが分かった。

加熱試料の TEM 写真

図８にアルカリ処理試料（3.0M KOH）の TEM 写真を示す。アルカリ処理試料の表面には，新たな生成物が存在は溶解し，母材は非晶質部分のみが残ることを示していすることが分かった。これは，アルカリによって溶解しる。また，HNO 3 溶液の濃度が高くなるほど，酸化セリウ

た非晶質部分の成分と，KOH 溶液中の K+ が反応し，K 型

ムのピーク強度が増大していることから，より母材の溶

ゼオライトが生成したものであると推察される。生成物－ 26 －

栃木県産業技術センター

３．２

研究報告

No.12（2015）

酸化触媒活性の評価

表２に，カーボンブラックと各試料との混合物におけるカーボン燃焼開始温度を示す。酸化セリウム試薬，K型リンデ Q 及び K 型リンデ Q の加熱試料は，カーボン燃
焼に触媒活性を示し，燃焼開始温度の低下が確認された。K 型リンデ Q 及び K 型リンデ Q の加熱試料には酸化セリウムが含まれないことから，触媒活性は試料に含まれる K によるものと考えられる。したがって，酸化セリ
ウムナノ粒子分散板状ゼオライトの触媒活性は，酸化セリウムと K との相乗効果が期待できる。しかしながら，加熱試料（CeO2-Q）のカーボン燃焼開始温度は，ブランクと比較するとわずかに低減したのみである。加熱試料（CeO2-Q）は，酸化セリウムが粒子の内部に存在するた
め，酸化セリウムの触媒活性は示さない。また，粒子の表面層には触媒活性を示す K が存在するため，ブランク
図６

アルカリ処理試料及び加熱試料の X 線回折図

よりも低温でカーボンを燃焼するが，Ce イオン交換率が高い試料であるため，K 型リンデ Q の加熱試料よりも Kの存在量が小さく，K 型リンデ Q の加熱試料ほどの活性は示さなかったと推察される。
次に，酸処理による触媒活性の変化について検討した。加熱試料（CeO2-Q）と比較すると，酸処理に用いた
HNO3 溶液の濃度が高くなるほど，カーボン燃焼開始温度は高くなり，触媒活性を示さないことが分かった。このことは，図５の TEM 写真が示すとおり，酸化セリウムの表面に存在する非晶質層は HNO3 では溶解できないため，
酸化セリウムが露出できていないうえに，酸処理によりゼオライト構造が溶解し，ゼオライトに含まれる K の触媒活性も消失したことによると思われる。
また，KOH を用いたアルカリ処理による触媒活性の変図７

アルカリ処理試料及び加熱試料の FE-SEM 写真化について検討した。アルカリ処理試料は，加熱試料（CeO2-Q）よりもカーボン燃焼開始温度を低下させることを確認した。さらに，アルカリ処理に用いた KOH 溶液の濃度が高くなるほど，高い触媒活性を示すことが分かった。これは，アルカリ処理により，非晶質部分が溶解
し，表面に露出した酸化セリウムナノ粒子と，表面に生成した K 型ゼオライトの相乗効果によると思われる。しかしながら，本試料のカーボン燃焼開始温度は，酸化セ

図８アルカリ処理試料（3.0M KOH）の TEM 写真

リウム試薬ほど低下していない。このことは，本試料の表面に露出した酸化セリウムの存在量が少なく，酸化セの一部は，微小な六角板状形態となっており，新たな生リウムが有する触媒活性を十分に発揮していないため成物には K 型リンデ Q が含まれると思われる。また，一と考えられる。酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライ

部の酸化セリウムナノ粒子が表面に露出している様子

トの触媒活性の向上には，酸化セリウムの生成量を増加が観察された。したがって，アルカリ処理試料の表面にさせることと，多量の酸化セリウムを最表面に露出させは，微小な K 型ゼオライト結晶粒子と酸化セリウムナノ

る方法について検討する必要がある。

粒子が存在すると考えられる。

－ 27 －

栃木県産業技術センター

表２

研究報告

No.12（2015）

カーボン燃焼開始温度を溶解することはできなかった。したがって，酸T(ig) / ℃
blank
556.9
317.4
CeO2 reagent
K-Linde Q
419.4
K-Linde Q heated at 850 ℃
401.9
519.4
CeO2-Q
acid-etching CeO2-Q HNO3 solution / M
0.5
541.3
1
551.4
2
572.7
alkali-etching CeO2 -Q KOH solution / M
1
448.9
2
432.8
3
401.9

処理で酸化セリウムナノ粒子の表面露出することは困難であり，酸化触媒特性の活性化処理としては不適切であることが分かった。
（3）KOH を用いたアルカリ処理では，酸化セリウムナノ
粒子分散板状ゼオライトの非晶質層を溶解することが分かった。アルカリ処理により，酸化セリウ
ムナノ粒子の表面を覆う層の溶解することができると思われる。
（4）KOH を用いたアルカリ処理により，酸化セリウムナ
ノ粒子分散板状ゼオライトの表面に，新たな K 型
ゼオライトが生成することが分かった。
（5）アルカリ処理試料において，カーボン燃焼開始温

４

おわりに

度の低下を確認した。KOH を用いたアルカリ処理に

六角板状形態を有するリンデ Q を母結晶とし，イオンより，酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライト

3+交換法で Ce を導入し，加熱することにより，構造内にのカーボン酸化触媒特性の活性化に成功した。

酸化セリウムナノ粒子が分散する板状粒子を調製した。

しかしながら，本研究で検討した試料では，酸化セリ

この酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトは，カー

ウムナノ粒子の生成量が少なく，表面露出が完全でない

ボン燃焼に触媒活性を示す酸化セリウムと K を含有する

ため，酸化セリウムナノ粒子の効率的な触媒活性を発揮

ため，PM 酸化触媒としての応用展開が期待できる。しかすることができなかった。今後は，酸化セリウムナノ粒しながら，酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトの子の生成量の増大を図り，酸化セリウムナノ粒子を最表

酸化セリウムナノ粒子は，母材の内部に存在することか面に露出するアルカリ処理の最適条件を探索することら，このままでは触媒活性を示さない。本研究では，こで，優れたカーボン酸化触媒特性を有する酸化セリウムの酸化セリウムナノ粒子分散板状ゼオライトの酸化触

ナノ粒子分散板状ゼオライトの作製を目指す。

媒特性について，酸処理及びアルカリ処理による活性化を検討した。

参考文献

本研究において，明らかとなった主な知見は次のとお

1) J.D.Sherman : Molecular Sieves-Ⅱ, Am.Chem.Soc.,

りである。

30-42,(1977)
3+（1）イオン交換処理を繰り返し行うことで，Ce イオン2) 加藤栄，松本泰治，松本健一，川島健，岡村達也，

交換率の高いイオン交換試料を得ることができ

中茎貴仁，後藤義昭：セラミックス協会 2012 年年た。

会講演予稿集，113，(2012)（2）HNO3 を用いた酸処理では，酸化セリウムナノ粒子3) 加藤栄，松本泰治，松本健一，川島健，岡村達也，

分散板状ゼオライトのゼオライト層を溶解する
が，酸化セリウムナノ粒子の表面を覆う非晶質層－ 28 －

中茎貴仁：未発表

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究

高耐摩耗鋳鉄の開発
相馬 宏之*

石川 信幸*

樋山 里美*

村上 哲也**Development of High Abrasion Resistance Cast Iron
Hiroyuki SOMA, Nobuyuki ISHIKAWA, Satomi HIYAMA and Tetsuya Murakami
長石やガラスを粉砕する粉砕機械の部品として高クロム鋳鉄がよく使われている。しかし，ねずみ
鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄など様々な鋳鉄製品を低周波溶解炉で製造している事業所では，低周波溶解炉が残湯を利用する方式であるため，他の鋳鉄と成分が大きく異なる高クロム鋳鉄は製造しにくい。そのため，高クロム鋳鉄に匹敵するような耐摩耗性と硬さを持ちながらも添加元素の少ない鋳鉄の開発が求められている。
そこで，白鋳鉄をベースとして，微量の銅添加により高クロム鋳鉄に匹敵する耐摩耗性や硬さをもつ鋳鉄の開発を高周波溶解炉で行った。
その結果，高周波溶解炉で鋳造した試験片は，銅の添加量が 1.3～2.5wt%の範囲で大きく向上し，鋳放しの高クロム鋳鉄と同等以上の値を示した。
Key words:

１

白鋳鉄，銅，耐摩耗性

はじめに

1.8wt% クロムの白鋳鉄を基本として，表 1 の配合表に

白鋳鉄は硬さや耐摩耗性に優れることから，耐摩耗性が従い銅の添加量を 0.5～1.9wt%の間で 0.2wt%刻みで変要求される粉砕機部品のローラ等に使用されていた。これ化させて化学成分を調整した。また,それぞれの試料名にクロムを 25wt%ほど添加することにより，さらに硬さが高くは表１のとおりとした。

靭性にも優れた高クロム鋳鉄が開発され，白鋳鉄の代わり

その溶湯から，化学成分分析用のメダル状の試験片とφに用いられるようになった。

30×200mm の丸棒試験片を鋳造した。丸棒試験片から試

しかし，ね ず み 鋳 鉄 や 球 状 黒 鉛 鋳 鉄 な ど 様 々 な 鋳 鉄

験片を切り出し，硬さ試験，金属組織試験，摩耗試験に用製品を低周波溶解炉で製造している事業所では，低周いた。さらに，肉厚による影響を見るために，銅の添加量が波 溶 解 炉 が溶湯の一部を次回の溶解に使用する方 式 で

1.0 wt%,1.5 wt%,2.0wt% の 配 合 で ， 肉 厚 が 5mm ，あるため，他の鋳鉄と成分が大きく異なる高クロム鋳10mm,20mm,40mm の階段状試験片を鋳造した。

鉄は製造しにくい。このため，白鋳鉄を元に合金元素の添加量が少なく高クロム鋳鉄に匹敵するような鋳鉄の開発

表１が求められている。
昨年度の研究 1) により高周波溶解炉では白鋳鉄の配合

高周波溶解炉で鋳造した試験片の配合表(wt%)
試料名

Ｃ

Si

Mn

Cu

Cr

高クロム鋳鉄

3.5

0.7

0.3

20

に銅を添加することにより，高クロム鋳鉄と同等の耐摩耗性

白鋳鉄

3.5

0.7

0.3

1.8

と硬さを有する鋳鉄が得られたので，産業技術センターの白鋳鉄+0.5 Cu

3.5

0.7

0.3

0.5

1.8

高周波溶解炉で鋳造し，その効果の詳細を調べ，銅 添加

白鋳鉄+0.7 Cu

3.5

0.7

0.3

0.7

1.8

白鋳鉄+0.9 Cu

3.5

0.7

0.3

0.9

1.8

白鋳鉄+1.1 Cu

3.5

0.7

0.3

1.1

1.8

白鋳鉄+1.3 Cu

3.5

0.7

0.3

1.3

1.8

白鋳鉄+1.5 Cu

3.5

0.7

0.3

1.5

1.8

白鋳鉄+1.7 Cu

3.5

0.7

0.3

1.7

1.8

白鋳鉄+1.9 Cu

3.5

0.7

0.3

1.9

1.8

による高耐摩耗性鋳鉄の開発を試みた。
２
２．１

研究の方法

試験片と試験方法

産業技術センターの高周波溶解炉による鋳造では，試料の化学成分を 3.5wt%C，0.7wt% Si，0.3wt% Mn，*

栃木県産業技術センター**(有)村上鋳造所

材料技術部－ 29 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

成 分 分 析 試 験 には固 体 発 光 分 析 装 置 (ス ペク トロ 社 製

年度に実施したデータに昨年度実施した研究データ 1)

SPECTRO-LAB)を，硬 さ試 験 にはブリネル試 験 機 (アカシも加えて示してある。高周波溶解炉で鋳造した試験片

製 ABK-1)を使用した。

では，銅の添加量が 1.3～3.0wt%の範囲で高クロム鋳鉄

また，金属組織試験を行うために樹脂埋め装置(ビューラのブリネル硬さである目標値 520 を超える硬さが得らー製 SIMPLIMET2000)で試験片を樹脂に埋め込み，それれた。

を自動研磨装置(ストルアス製 テグラミン-25)で鏡面研磨し３．４

銅添加量と引張強度たのち，ナイタルで腐食した。その試料の中心付近を光学

図３に各試験片の引張試験の結果を示す。

顕微鏡(OLYMPUS 製 GX71)で組織を観察し，金属組織

高周波溶解炉で鋳造した試験片は，いずれも高クロ試験を行った。

ム鋳鉄に比べて引張強さは低かった。一般的には硬さ

さらに,金属組織試験に用いた試料を SEM(日本電子製が向上すれば引張強さも向上するが,その傾向は見らJSM-5600LV) で 写 真 撮 影 を 行 い ， パ ー ラ イ ト 組 織 を 調 べれなかった。白鋳鉄は伸びの少ない脆性材料であるかた。

ら，内部欠陥や表面の傷により破断しやすいためと考

一方,摩耗試験は，エンドレスエメリー試験2)を参考に，ベえられる。

ルトグラインダー(昭和電機製 BK-CX7)に#80 の研磨ベル

３．５

トを用いて，試験片の上に 1kg の重りを乗せた状態で 5 分

図４に各試験片の摩耗試験の結果を示す。図４では間研磨を行い，その重量減少量を測定した。

本年度に実施したデータに昨年度実施した研究データ
1)

３
３．１

銅添加量と摩耗試験

結果及び考察も加えて示してある。高周波溶解炉で鋳造した試験片

は，銅の添加量が 0.9～2.5wt%の範囲で高クロム鋳鉄に化学成分匹敵する耐摩耗性を持つものが得られた。

表２に化学成分の分析結果を示す。高周波溶解炉で鋳造した試験片は，ケイ素とマンガンが一部低くなったことを除き，概ね目標値に近い値となっている。
３．２

銅添加量と金属組織試験

図１に金属組織試験の結果を示す。高周波溶解炉で鋳造した試験片は銅の添加量に関わらず白鋳鉄の金属組織が得られた。
３．３

銅添加量とブリネル硬さ

図２に各試験片のブリネル硬さを示す。図３では本

白鋳鉄

高クロム鋳鉄

白鋳鉄+1.1 Cu

白鋳鉄+1.3 Cu

白鋳鉄+1.7 Cu

白鋳鉄+1.9 Cu

表２ 高周波溶解炉で鋳造した試験片の化学成分の分析結果(wt%)
Ｃ

Si

Mn

P

S

Cr

Cu

高クロム鋳鉄

3.18

0.49

0.28

0.030

0.014

18.8

0.015

白鋳鉄

3.30

0.82

0.25

0.015

0.016

1.80

0.003

白鋳鉄+0.5 Cu

3.53

0.61

0.24

0.024

0.024

1.64

0.47

白鋳鉄+0.7 Cu

3.55

0.66

0.06

0.024

0.018

1,63

0.67

白鋳鉄+0.9 Cu

3.44

0.44

0.34

0.020

0.003

1.82

0.91

白鋳鉄+1.1 Cu

3.29

0.55

0.33

0.019

0.003

2.04

1.17

白鋳鉄+1.3 Cu

3.63

0.52

0.23

0.019

0.011

2.00

1.38

白鋳鉄+1.5 Cu

3.37

0.74

0.32

0.028

0.028

1.65

1.45

白鋳鉄+1.7 Cu

3.53

0.57

0.23

0.018

0.014

1.98

1.75

白鋳鉄+1.9 Cu

3.65

0.53

0.21

0.027

0.017

1.93

1.99

図１ 高周波溶解炉で鋳造した試験片の金属組織試験－ 30 －

ブリネル硬さ

栃木県産業技術センター

640

高周波溶解炉(本年度)

620

目標値

600

高周波溶解炉(昨年度)

研究報告No.12（2015）

580
560

1μ m

540

白鋳鉄

1μ m

白鋳鉄+1.0 Cu

520
500
480
460
0.0

0.5

1.0

1.5
2.0
銅の添加量(wt%)

2.5

3.0
1μ m

1μ m

図２ 銅の添加量とブリネル硬さ

白鋳鉄+1.5 Cu

白鋳鉄+2.0Cu

図５ 白鋳鉄のパーライト組織の SEM 像
700
高周波溶解炉650
600

高クロム鋳鉄引張強さ(MPa)

550
500
450
400
350

白鋳鉄+1.0 Cu

300
250
200
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

銅の添加量(wt%)

図３ 銅の添加量と引張強さ

白鋳鉄+1.5 Cu
1.4

図６ 肉厚 40mm の白鋳鉄の金属組織

高周波溶解炉(本年度)
高クロム鋳鉄

1.2高周波溶解炉(昨年度)

重量減少量(g)

白鋳鉄+2.0Cu

３．６

1

SEM によるパーライト間隔の測定

晴山らによると，球状黒鉛鋳鉄では銅を添加するこ0.8とによりパーライトの層状組織の間隔が緻密になり，0.6

硬さが上昇する 4) 。そこで白鋳鉄に銅を添加した場合

0.4でも同様の事が起きるかを確認した。
図５に「白鋳鉄」，「白鋳鉄+1.0Cu」，「白鋳鉄+1.5Cu」

0.2

そして「白鋳鉄+2.0Cu」の SEM 像写真を示す。それぞ
0
0.0

0.5

1.0

1.5
2.0
銅の添加量(wt%)

2.5

3.0

図４ 銅の添加量と耐摩耗試験による重量減少量

れの写真より 1μm の幅に含まれるパーライト間隔を測定したところ，最も細かいところは銅の添加量にかかわらず 7～8 本/μm であり，銅の添加量による差異は白
鋳鉄では認められなかった。
３．７

肉厚による金属組織の影響

図６は「白鋳鉄+1.0Cu」，「白鋳鉄+1.5Cu」そして「白鋳鉄+2.0Cu」の階段状試験片から，冷却速度の遅くな－ 31 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

る肉厚 40mm の中心部を選び，金属組織を観察したもの（4）階段状試験片の金属組織観察から，肉厚 40mm 程である。それぞれ全面チル組織となっており，最も肉度までは全面チル組織を得るのに十分な冷却速

厚の厚い階段の中心部でも白鋳鉄になるだけの十分な度が得られることが分かった。

冷却速度は得られている。
謝
４

おわりに

辞

本研究を実施するにあたって，岩手大学工学部堀江

白鋳鉄の配合に銅を添加することにより以下の知見

客員教授には多大なる支援を受けたので，ここに感謝が得られた。

の意を表する。

（1）高周波溶解炉で鋳造した試験片は銅の添加量が1.3～3.0wt%の範囲で目標値を超える硬さが得ら
れた。

参考文献
1) 相馬宏之ほか:栃木県産業技術センター研究報告,（2）高周波溶解炉で鋳造した試験片は，銅の添加量がNo.11 ,p122(2014)

0.9～2.5wt%の範囲で目標値とする耐摩耗性を持

2) 篠原政広:フジコー技報，Vol.1，p29(1993)

つものが得られた。

3) 菅野利猛ほか:鋳造工学,第 70 巻 7 号,p468(1998)（3）銅の添加によるパーライト間隔の緻密化の傾向は

4) 晴山巧ほか:鋳造工学,第 76 巻 11 号,p891(2004)

確認できなかった。

－ 32 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究

加工適性を改善した大麦粉による食品の開発
渡邊 恒夫＊

福嶋 瞬＊

上武 裕＊＊Development of Food with Two-rowed Barley Improved in Processing Adequacy
Tsuneo WATANABE, Shun FUKUSHIMA and Yutaka UETAKE
大麦粉はグルテンを含まず粘りが出にくいことから，小麦粉と比べて製パン時に生地が膨らみにくい、
製麺時に生地が繋がりにくいといった加工適性に課題があった。当センターではこれまで非晶化粉砕法
を用いてデンプンの非晶化（α化）を進行させることで大麦粉の加工適性の改善を試み，大麦粉の生地の粘度が高まり加工適性が改善できることが分かった。今年度はエクストルーダーによる加熱，せん断処理を行うことで非晶化を進行させ大麦粉の加工適性の改善を検討した。その結果，エクストルーダーにて処理した大麦粉では処理前に比べて非晶化が進行し，生地粘度が高くなることが分かり，従来の大麦粉に比べて加工に適した性質を持つことが分かった。
Key words: 大麦粉，非晶化，エクストルーダー，Ｘ線回折，糊化特性

１

はじめに

２

内臓脂肪型脂肪に高血糖，高血圧等が合併したメタボ

２．１

リックシンドロームの該当者は，厚生労働省「平成 19

研究の方法

試料大麦粉

（株）大麦工房ロアより、平成 26 年度栃木県産二条

年国民・栄養調査」によると，「40～74 歳において約大麦粉を提供いただいた。

1,070 万人，予備群者数は約 940 万人，併せて約 2,010

２．２万人と推定されており，平成 16 年からの推計でも増加

非晶化(α化)方法

二軸エクストルーダー（(株)幸和工業, KEI45-25, 同

傾向がみられる。

方向回転）にて大麦粉を加熱，せん断処理した。

二条大麦は，水溶性及び不溶性食物繊維をバランスよ

せん断力の強い正のニーディングディスク(R)を主く含んでいる。これらには，血糖値やコレステロールをとして，組込み数・部位など数種のスクリューパター

下げる働きがあり，メタボリックシンドローム抑止に有ンで，加熱・加水条件を変えて，以下の条件を選定し効と考えられる。平成 18 年 5 月には米国にて大麦のヘた。

ルスクレーム（健康強調表示)が認められ，大麦の食用スクリューは先端部に逆のニーディングディスク

化がますます進むと考えられる。

(L)1 つ，その後ろに正のニーディングディスク(R)６つ，

しかし，大麦粉は小麦粉とは異なりグルテンが含まれ他は全てフォワードスクリューを組込み，開放で処理ないため生地に粘りが出ないといった加工適性に課題を行った。出口温度は 160～170℃，スクリュー回転速があり，食品加工・利用への障害となっている。

度は 100rpm，フィーダー回転速度 20rpm とし，加水は1)

当センターではこれまでの研究 で非晶化を進行させしなかった。

ることで大麦粉の加工適性が改善できることが分かっ

二軸エクストルーダー処理大麦粉は，一部ペレットたため，本研究では大麦粉をエクストルーダーによる加状になったため（図 1），超遠心粉砕装置（(株)レッチ

熱，せん断処理を行うことで非晶化を進行させ加工適性

ェ, ZM100）にてローター回転速度 18,000rpm とし，の改善を検討し，エクストルーダーにて非晶化させた大0.5mm スクリーンメッシュを用いて粉砕し，α化大麦粉

麦粉（以下α化大麦粉）を用いた食品の試作品開発を行を調製した。

うことを目的とした。

２．３

澱粉構造の評価

α化大麦粉と未処理の大麦粉について，澱粉の結晶
構造を X 線回折法（XRD）(RIGAKU 社, RINT2510H)にて*

栃木県産業技術センター

食品技術部

**

栃木の大麦食品を広める会

事務局－ 33 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

いることが示唆された。
また，α化大麦粉と未処理の大麦粉の電子顕微鏡観察の結果を図 3 に示す。未処理の大麦粉では大部分の澱粉粒の構造は球状のままであったが，α化大麦粉では，構造が崩れている澱粉粒が未処理の大麦粉より多く観察
された。
３．２
図１

二軸エクストルーダー処理後の大麦粉

糊化特性

α化大麦粉の糊化特性を評価するためビスコグラフ
による解析を行った結果を図 4 に示す。

評価し，澱粉粒の形状を卓上型電子顕微鏡（SEM）(日

未処理の大麦粉では最高粘度が 290B.U.であったが，

立ハイテクノロジーズ(株), TM-1000)にて観察した。

α化大麦粉では 460B.U.と高くなり，糊化温度も低下し，

２．４

エクストルーダー処理により大麦粉の糊化が進みやす糊化特性

ビスコグラフ（ブラべンダー社， PT-100）を用いてくなることが確認された。この結果はα化大麦粉におい

α化大麦粉の糊化特性の評価を行った。溶媒を水とし，て非晶化が進行したためと考えられた。

試料濃度が 8％になるように試料溶液を調製し，室温かしたがってα化大麦粉を用いた生地では高い粘性をら 1.5℃/min で温度を上昇させ，95℃で 10 分間保持し示すことが予想され，製パン時には生地が気泡を蓄えやた。

すくなり，製麺時には生地の結着が通常の大麦粉を使っ２．５

損傷澱粉含量測定

た麺より強くなることが期待できることが分かった。

損傷澱粉測定キット（Megazyme 社）を用いてα化大３．３

損傷澱粉含量測定

麦粉と未処理の大麦粉の損傷澱粉含有量を測定し，澱

α化大麦粉の損傷澱粉含量測定結果を表 1 に示す。

粉の損傷度を評価した。

大麦粉をエクストルーダーで処理したことで開裂し

２．６

製品試作

た澱粉粒の含量が処理前と比べて増加し澱粉の損傷がエクストルーダー処理大麦粉を使用した菓子，20 %進行していることが確認された。

添加した大麦やきそば，80 %使用した大麦パンを試作した。試作は，(株)大麦工房ロア，政木屋食品(株)，(株)(a)

波里に依頼した。
３
３．１

結果及び考察エクストルーダー処理による非晶化（α化）条
件の検討および澱粉結晶構造の評価

出口温度 160℃未満では，回折ピークの減少が小さく，170℃以上では運転中に香気の変化が認められる場合があった。また，加水した場合,ペレットの形成が多くなり, 粉砕処理に手間がかかった。また，出口にダイを取(b)

り付けた場合，目詰まり等により安定的な運転が困難となったり，加水した場合，膨化して粉体を得ることが困難となるため，開放の条件が適していると思われた。また，正のスクリューだけでは，せん断力が不十分であったため，先端部に逆のニーディングディスク(L)1 つ組込
むことにより，滞留時間を長くし，せん断効果を高くすることとした（データは示していない）。
X 線回折法による分析を行った結果を図 2 に示す。α
化大麦粉では未処理の大麦粉と比べて 2 つの澱粉結晶構
造由来の回折ピークが小さくなっていることが確認された。この結果からエクストルーダー処理により澱粉の結晶構造が変化したことが確認され，非晶化が進行して－ 34 －

図２

X 線回折(a)α化大麦粉,(b)未処理の大麦粉

栃木県産業技術センター

(a)

研究報告

No.12（2015）

(b)

菓子
図５
(a)未処理の大麦粉

図３

大麦焼きそば

大麦パン

エクストルーダー処理大麦粉を使用した試作品(b)α化大麦粉

電子顕微鏡観察４

おわりにα化大麦粉について，澱粉粒，糊化特性の評価，損傷澱粉含量の測定を行った結果，以下のことが確認された。
（1）α化大麦粉では，澱粉粒の結晶構造に由来する 2
つの回折ピークが未処理の大麦粉より小さくなっていることが確認され，非晶化の進行が示唆された。
（2）電子顕微鏡にてα化大麦粉の澱粉粒の形状を観察し，未処理の大麦粉と比べて澱粉粒の構造が崩れ，α化が進行していることが確認された。
図４

ビスコグラフによる糊化特性分析（3）大麦粉をエクストルーダーで処理することで，最高粘度が高くなり、糊化温度も低くなることが確

表1

損傷澱粉含量認された。

検体

未処理の大麦粉

α化大麦粉

損傷澱粉含量[％]

5.72

21.3

（4）大麦粉をエクストルーダーで処理することで損傷
澱粉含量が増加し澱粉の損傷が進行していることが確認された。

３．４（5）製品試作では，期待した効果が得られなかった。

製品試作

以上のことから，非晶化が進行したことで糊化が進みα化大麦粉を用い，菓子，大麦焼きそば，大麦パンをやすくなり，α化大麦粉を用いた生地では粘性が高くな試作した（図５）。
大麦焼きそばについては，製麺性に大きな影響はなかりことが予想された。また，エクストルーダーは 1 時間

ったが，若干，黒褐色の変色がみられた。損傷澱粉含量

当たり数十 kg の処理能力を有することから，生産レベの影響があるものと，推察された。パンについては，膨ル で の α 化 大 麦 粉 の 生 産 が 可 能 で あ る が ,製 品 試 作 でらみが少なく締まったものとなった。また，菓子についは，十分な効果が得られなかったため，次年度は別の手ては，非晶化の効果が小さかった。

法により，物性改変を行い，大麦の食品素材としての利

エクストルーダー処理により，非晶化の進行がみら用を検討する予定である。

れ，最高粘度が高く糊化温度も低くなり，糊化しやすくなったが，Ｘ線回折ピークも完全に消失しておらず，糊

参考文献

化が不十分であったため，製品品質への効果が低かった

1) 筒井達也, 渡邊恒夫, 上武裕, 野中英夫： "栃木県
産業技術センター研究報告"，11，41-43（2014）

ものと思われる。
次年度以降は，別の手法により大麦の物性改変を行い，製品開発を検討していく予定である。

－ 35 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究

ショウガ搾汁残渣の有効利用
伊藤

和子 *

福嶋

瞬＊

亀山

大 輔 **

Effective Utilization of Residue of Squeezed Ginger
Kazuko ITOH, Shun FUKUSHIMA and Daisuke KAMEYAMA
生 姜 漬 物 加 工 時 に 生 じ る 規 格 外 品 は ， ほ ぼ 50%が 水 分 で あ る た め ， 搾 汁 後 廃 棄 さ れ て い る 。
し か し ，こ の 搾 汁 残 渣 に は ，シ ョ ウ ガ 特 有 の 香 気 成 分 や 辛 味 成 分 が 残 存 し て い る こ と が 考 え ら
れ る こ と か ら ，そ の 有 効 活 用 が 望 ま れ て い る 。そ の た め ，搾 汁 残 渣 を 常 圧 乾 燥 ・ 真 空 凍 結 乾 燥・減 圧 乾 燥 に て 粉 末 化 し ，9 メ ッ シ ュ 及 び 30 メ ッ シ ュ の ふ る い で 篩 別 し ２ 画 分 に 分 け ，そ れ ぞれ の 香 気 成 分 及 び 辛 味 成 分 を 分 析 し た 。常 圧 乾 燥 に お け る 乾 燥 粉 末 が 香 気 及 び 辛 味 と も に 優 れており，製品化に適するものと考えられた。
Key Words : 生 姜 ， 搾 汁 残 渣 ， 香 気 成 分 ， 辛 味 成 分

１

はじめに

画分に分けた。

ショウガは，特徴的な香りと刺激性を有し，世界中で○減圧乾燥法使用される香辛料・香辛野菜である。ショウガには，血減圧乾燥機（CVK-12PS:ISUZU 製作所製）を用い，70℃

行を良くして身体を温める効能があることが知られておにて 7 時間及び 9 時間減圧乾燥後粉砕し，それぞれ常圧り，日本では寿司の薬味や料理の下味の食材として用い乾燥法と同様に２画分に分けた。

られている。また，海外では医薬品の一種としても用い

２．３

られている。

香気成分分析

香気成分は，head space sorptive extraction(HSSE)(株)シオダ食品において，生姜漬物の加工工程で生じ法 に よ り 行 っ た 。 HSSE 法 に よ る 抽 出 は ， EG-Silicone

る規格外品は，約 50%の水分を除くために搾汁した後，

Twister（Gerstel 社製）を用い，試料 0.2g に内部標準利用されずに大量に廃棄されているのが現状である。そとしてイソプロパノールを添加し，40℃30min 吸着させこで，これら未利用資源の有効活用を目指し，搾汁残渣た。その後，加熱脱着装置（Gerstel 社製）つきガスクの乾燥方法の違いによる香気成分・辛味成分の比較を行ロ マ ト グ ラ フ 質 量 分 析 計 (GC/MS) （ GC6890N,MS5973:

った。

Agilent Technologies 社製）を用いて測定を行った。
加熱脱着装置の温度条件は，TDS:20℃(1min)-60℃/min
２

２．１

研究の方法

昇温-210℃(4min)とし，CIS:-150℃(0.01min)-12℃/sec

原料

昇 温 -210 ℃ (5min) と し た 。 GC/MS 条 件 は ， カ ラ ム ：ショウガ搾汁残渣は(株)シオダ食品の生姜加工工程か

Inertcap pure WAX(30m,0.25mm,0.25 μ m:GL Sciences

ら生じる規格外品を搾汁したものを用いた。

製)，オーブン温度：40℃(3min)-5℃/min 昇温-150℃-10

２．２℃ /min 昇 温 -250 ℃ (5min) ， キ ャ リ ア ガ ス ： ヘ リ ウ ム

乾燥方法の検討○常圧乾燥法

1ml/min，トランスファーライン温度：250℃，イオン源(株)シオダ食品の通風乾燥機を用い，80℃20 時間常圧
乾燥後粉砕し，9,30 メッシュのふるいを用いて篩別し，

温度：230℃，イオン化モード：EI，イオン化電圧：70eVで測定を行った。

9～30 メッシュ画分と 30 メッシュ通過画分とに分けた。
○真空凍結乾燥法

分析成分は，ショウガの香りに大きく寄与すると考えられる Eucalyptol とβ-Phellandrene，(株)シオダ食品

真空凍結乾燥機（RLEⅡ-103:共和真空製）を用い，棚において原料として使用している早堀りショウガの特徴

温度 40℃にて凍結乾燥後粉砕し，常圧乾燥法と同様に２的な成分である Limonene，Linalool，Neral 及び Nerol* 栃木県産業技術センター** 株式会社シオダ食品

食品技術部

を対象成分とした。

－ 36 －

栃木県産業技術センター

２．４

辛味成分分析

３．２

辛味成分は，6-Gingerol，Shogaol，Zingerone につい1)て飯島らの方法 に準じ定量を行った。

研究報告

No.12（2015）

辛味成分の比較

常圧乾燥，真空凍結乾燥及び減圧乾燥にて作製した乾燥粉末の，辛味成分分析結果を図２，３に示す。なお，

すなわち，試料 0.2g にメタノール 10ml を加え，氷冷

Zingerone は今回検出されなかった。

しながら超音波装置にて 20min 抽出した。超高速遠心機分析の結果，6-Gingerol では，常圧乾燥及び真空凍結

で 12,000rpm 10min 遠心し，上清を採取した。沈殿物に

乾燥条件による粉末の濃度が高かった。また，すべてのメタノール 10ml を加え，同様の操作を繰り返して上清を乾燥条件において，9～30 メッシュより 30 メッシュ通過

採取して合わせ，25ml に定容した。

画分の濃度が高い傾向がみられた。Shogaol では，常圧HPLC 条件は，装置：Prominence（島津製作所製），検乾燥において増加が認められた。

出器：フォトダイオードアレイ検出器，検出波長：280nm，
カラム：Develosil ODS（4.6×150mm:野村化学製），カ以上の結果から，常圧乾燥条件が最も優れていると考えられた。

ラム温度：35℃，溶離液Ａ：超純水（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 ： Ａ 70% → 10%(20min),10%(10min)10% →70%,70%(10min)，流速：1ml/min とした。
３
３．１

結果及び考察香気成分の比較

常圧乾燥，真空凍結乾燥及び減圧乾燥にて作製した乾燥粉末の，香気成分分析結果を図１に示す。また，検討した香気成分の香りの特徴を表１に示す。真空凍結乾燥
及び減圧乾燥では香気成分の減少がみられ，常圧乾燥がTukey-Kramer の HSD 検定

適していると考えられた。

異なる記号間は 5%水準で有意

図２

図１

乾燥条件による 6-Gingerol の比較

乾燥条件による香気成分の比較
Tukey-Kramer の HSD 検定

表１

香気成分と香気の特徴

香気成分名＊：1%水準で有意

香気の特徴

図３

乾燥条件による Shogaol の比較

Limonene

柑橘系の芳香β-Phellandrene

生姜の香り

Eucalyptol

清涼感のある香り

生姜搾 汁 残 渣 を 用 い ，常 圧 乾 燥 ，真 空 凍 結 乾 燥 及 び

Linalool

スズラン様芳香減 圧 乾 燥 に よ り 粉 末 を 作 製 し ，そ れ ぞ れ の 香 気 成 分 及

Neral

甘いレモンの香り

び 辛 味 成 分 を 比 較 検 討 し た 。そ の 結 果 ，常 圧 乾 燥 条 件

Nerol

バラ様の甘い香りが香気・辛味ともに優れていることがわかった。

４

おわりに

今 後 は ，常 圧 乾 燥 粉 末 を 用 い た 商 品 開 発 を 検 討 し ていく予定である。

－ 37 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

参考文献
1) 食品機能性の科学，(株)産業技術サービスセンター，
1086-1089，（2008）－ 38 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究

トーションレース編成要素の解析
堀江

昭次 ＊

荒山

薫＊

二渡

友四郎 ＊＊

Analysis of the Torchon Lace Formation Element
Shouji HORIE,Tomohide IINUMA and Tomoshirou FUTAWATARI
1)

昨 年 度 は 、 ト ー ショ ン レ ー ス の 中 の 14種類 あ る 基 本 柄 に つ い て， 編成要 素， 特に巻 取速 度の 違いがレースに対して与える影響について比較検討を行った。今年度は、柄を入れた組織や組合せ柄等の応用レースについて条件を変えて編成し，１リピートの形成に必要な長さ，レース重量，バイアス糸の構成する角度等のデータ収集及び比較検討を行った。組合せレースでは，基本柄の配置方法の違い
によりレースの限界巻取速度に差が出ること，組織が密なレースでは巻取速度が遅くなるとレース幅が広くなること等がわかった。また，昨年度及び今年度収集したデータをエクセルを使ってまとめ，利用しやすいようにすることができた。
Key Words : トーションレース，編成要素，編成データ

１

２．３

はじめに

データのまとめトーションレースは足利市の地場産業であり，日本

昨年度及び今年度のデータについて，今後使用する

国内のトップシェアを誇っている。しかしながら，近ことを考慮して，エクセルを使ってレース種別及び各年の中国製品の攻勢により，現在の生産量は中国が大

項目別にまとめた。

きく上回っている。地元企業では，中国にはない高い
３

技術力を誇っているが，ベテラン作業員の経験による結果及び考察ところが大きい。そこで，技術を数値化等の方法でわ

今年度は，表１に示す組合せ柄及び柄の入った応用

かりやすく理解できることが今後必要になってくると柄の編成を行った。この中から，組合せレース（フレ思われる。それらのことを踏まえ，技術継承を目的にンチ＋トーション）と花柄レースについて考察する。
表１

昨年度に引き続き研究を行った。

応用柄○組合せレース２

フレンチ＋トーション交互（組合せＡ）

研究の方法

両脇フレンチ+中央トーション（組合せＢ）

編成要素がレースに与える影響について比較・検討○柄の入ったレースするために次の方法で研究を行った。
２．１

花柄レース

レースの編成県章レース

円模様レース

とちまるくんレース

昨 年 度 は 14種 類 あ る 基 本 柄 を 研 究 対 象 と し ， 基 本 柄
レースの編成を行ったが，今年度は，応用柄として基３．１

本柄を２種類組合せたレースや柄の入ったについて編

組合せＡ及び組合せＢの２種類のレースを写真１に成を編成条件として，巻取速度を数段階変化させて編示す。組合せＡでは，フレンチグラウンドとトーショ成を行った。

ングラウンドが交互に配置された組織になっており，

２．２

組合せＢでは，中央がトーショングラウンドで両端が物性値測定および検討

組合せレース

編成した基本柄レースについて，実際の生産現場でフレンチグラウンドという組織になっている。フレン

巻取速度を決定する場合の検討項目として，１リピー

チグラウンドとトーショングラウンドの組合せは、そトに要するレース長さ，レース重量，バイアス糸が構

れぞれの１リピートの枚数が８枚と４枚であり，最小成する角度及びレース幅について測定を行った。

公倍数の関係から組織的にも組み合わせやすいので，*

栃木県産業技術センター繊維技術支援センター

実際のレースにも用いられることの多い組合せである。

**

二渡レース株式会社

しかし,昨年度の研究結果から，フレンチグラウンドが－ 39 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

巻取速度0.4㎜/revまで編成可能なのに対してトーショ
ングラウンドでは1.1㎜/rev以上の巻取速度でなければ編成できない。組合せ方法と特性の違いが，レースに

組合せＡ
写真１

組合せＢ
写真３

組合せレース（フレンチ＋トーション）

花柄レース

こ の レ ー ス で は ， 0.4㎜ /revか ら 1.0㎜ /revで 編 成を及ぼす影響について検証を行った。
それぞれの編成結果のうち，フレンチグラウンド部

行った。これ以上の巻取速度になると，花柄が広がり

分 の １ リ ピ ー ト に 要 す る 長 さ （ ㎜ /rep） と プ ロ グ ラ ム

すぎてしまい，模様として適当でないと考えられる。

１枚当たり長さ（㎜/枚）を表２に示す。組合せＡでは，

写真４に巻取速度毎の編成状態を示す。この写真は，

表２

組合せA
巻取速度(㎜/rev)

レースを設計する際に参考になると考えられる。なお，

１リピート及び１枚当たり長さ
組合せB

写真上の数値は巻取速度を示し，写真下の数値は１リ㎜/rep(㎜/枚) 巻取速度(㎜/rev) ㎜/rep(㎜/枚)

０．８

－

０．８

6.14(3.09)

０．９

－

０．９

6.80(0.85)

１．０

－

１．０

7.51(0.94)

１．１

8.21(1.03)

１．１

8.37(1.05)

１．２

9.12(1.14)

１．２

9.01(1.13)

１．３

9.66(1.21)

１．３

9.81(1.32)

１．４

10.68(1.34)

１．４

10.58(1.32)

ピートに要する長さを示す。
0.8

0.9

1.0

1.0㎜/rev以下の巻取速度では，中央のトーショングラ

193.28214.20236.75

ウンド箇所に編み下がりが生じて編成が不可となって

0.4

0.5

0.6

0.7

120.55146.26168.18しまう。これに対して組合せＢでは，フレンチグラウ
ンド箇所に引っ張られる形で0.8㎜/revまでの巻取速度
で 編 成 が 可 能 と な っ た （ 写 真 ２ ）。 こ の よ う に 同 じ 組
織の組合せでも配置の方法により編成可能範囲が違う結果となった。トーションレースをデザインする際に参考にするべきデータであると考える。

96.77
写真４

写真２
３．２

巻取速度別編成状況

編み下がり現象

花柄レース

花柄レースを写真３に示す。このレースは１リピー
トに２８３枚を要する組織で，主にテーブルクロスや椅子カバーとして用いられている。

図１

花柄レース１リピート長さ

図１に花柄レースの１リピート長さと巻取速度の関－ 40 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

係のを示す。このグラフからは，ほぼ正の相関関係にあると考えられる。プログラム１枚当たりの長さは，巻取速度が0.1㎜/rev早くなると0.95㎜長くなる。この数値をレース設計の目安とし，柄の最適な形を設計することができると思われる。
図２にレース幅の変化を示す。巻取速度とは負の相

図３

トップページータと今年度収集した応用柄６種類のデータをシート別に整理した。
フレンチグラウンドレースの例を図４に示す。編成

図２

花柄レース

レース幅の推移

関関係があることがわかるが，他のレース組織でもこの傾向が見られる。レース設計の時に考慮する必要があると考えられる。
３．３

データの整理図４

本研究により得られたデータについて，企業での今フレンチグラウンドデータ

後の利用等を考慮して，エクセルのデータベース機能に使用した素材とガイドバー№及び糸張力は共通のもを利用して整理することにした。

のとして記録している。素材とガイドバー№が一致す

３．３．１

るものは，一連のデータである。図５に示すように各データ項目について

本研究で収集したデータの項目を表３に示す。基本

項目にはフィルターが設定されており，目的のデータ

柄レース及び応用柄レースで同じ項目であり，編成しを検索できるようになっている。また，数値だけではた巻取速度及び編成に使用したガイドバー№，さらに使用した素材別に記録している。
表３

データ項目

①１リピート当たりの長さ(㎜/rev)②プログラム１枚当たり長さ(㎜/枚)

図５

項目毎のフィルター

③レース重量(g/㎡)

イメージが掴みにくいので，それぞれの条件で巻取速④糸量(m/㎡)

度毎のレース画像が表示できるように画像データとリ⑤バイアス角度(°)

ン ク さ せ て お り （ 図 ６ ）， 視 覚 的 に イ メ ー ジ し や す く⑥レース幅(㎜)なっている。さらに，条件別に１リピート当たりの長

この項目では，①，②，⑤，⑥はレースの外観に影響を与える項目で，編成するレースの目的により選定する必要がある。③及び④は，レース編成に用意しなければならない糸の量を予測するのに効果があると考
えている。
３．３．２

エクセルを使っての整理

エクセルのデータベース機能を使って表３の項目についてのデータ整理を行った。図３にその外観（トップ シ ー ト ） を 示 す 。 昨 年 度 収 集 し た 基 本 柄 14種 類 の デ－ 41 －

図６

画像表示

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

さ，レース重量，バイアス角度，レース幅のグラフを４リンクして表示できるようにした（図７）。このことおわりに今年度は，昨年度の１４種類の基本柄レースに引き続き,応用柄６種類の編成作業，物性値測定を行い，それぞれの特徴を把握した。その中で，基本柄の組合せ
では，同じ基本柄を組み合わせても，組合せ方でレースの仕上がりや編成可能範囲に差が出ることがわかった。また，昨年度と今年度の結果を合わせて編成デー
タとして整理を行った。今後の利活用を考慮して使いやすいようにエクセルを使って整理した。今後，このデータを使用していく課程で，新規の柄や基本柄の新
しい組合せ柄ができた場合にそれらのデータを新たに加えて編成データを成長させていくことが可能である。
後継者問題が顕著である繊維業界の中で，トーショ

図７

グラフ表示

ンレース企業においては，後継者が入っている企業がにより，よりレースの仕上がりがイメージしやすくな

数社見られている。後継者への技術継承に本研究の成っていると考えられる。加えて，レース組織毎にレー果を役立てていきたいと考えている。

スの組織図をリンクして表示できるようにした（図
８）。

参考文献
1)

図８

組織図の表示－ 42 －

松島四郎：トーションレース工業Ⅱ（1982）

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究

高硫酸塩スラグセメントを用いたコンクリートの研究（第２報）
金子 優*

山畑 雅之*

長 英昭*

横室 隆**

宮澤 祐介**

磯 文夫**

Study on Concrete Using Sulfated Slag Cement (2nd Report)
Masaru KANEKO, Masayuki YAMAHATA, Hideaki CHO, Takashi YOKOMURO, Yusuke MIYAZAWA
and Fumio ISO
高硫酸塩スラグセメントを用いたコンクリートは，硫酸塩や海水への化学抵抗性に優れ，海岸でのコンクリート構造物の長寿命化が期待される。本報告は，高硫酸塩スラグセメントについて，配合・養生
条件を変えた硬化体試料を作製し，圧縮強度試験，化学分析等を行い，普通ポルトランドセメントと比較することにより，高硫酸塩スラグセメントの耐薬品性，初期強度向上，中性化速度の抑制に関する知見を得た。
Key words: 高硫酸塩スラグセメント，コンクリート，せっこう，エトリンガイト，耐薬品性

１

はじめに

セメントは建物や橋脚など建築現場には欠かせない

昨年度は，せっこうの配合量と圧縮強度の関係及び素材であるが，1t 製造するに当たり，約 0.8t の CO2反応生成物について検討し，高硫酸塩スラグセメントを排出するため，環境への負荷が懸念されている 1)-3) 。

にせっこうを添加することにより，1 週間程度でエトリ

そこで近年，製鉄所の高炉（溶鉱炉）で銑鉄を作る

ンガイトが生成され，せっこう量を増すことにより無際に副生し，銑鉄 1t あたり 290kg 生成する高炉スラグ

混入の普通ポルトランドセメントよりも高い圧縮強度の有効利用が着目されている

1),3)。高炉スラグは微粉が得られた 9),10)。
さらに，エトリンガイト(3CaO・Al 2O3・3CaSO4・32H2O)

砕することで強い潜在水硬性を有し，2009 年度生産量
1)

は 2,170 万 t に達している 。そのうち，765 万 t が高炉セメントの原料として利用されている

1),4)

。中でも，

結晶の生成が高硫酸塩スラグセメントの長期間強度発現に寄与している可能性が示唆された 9),11) 。

高硫酸塩スラグセメントは，水砕スラグを 80％以上含

本年度は引き続き，配合割合や養生期間等の異なる

み，刺激剤としてせっこうを SO3 として 3％以上，さら高硫酸塩スラグセメントについて粉末Ｘ線回折，SEMにポルトランドクリンカや水酸化カルシウムのような観察や蛍光Ｘ線分析を行った。そして，強度，耐薬品

アルカリ性を与える物質を 4％以下として，きわめて微性等との関連性を考察し，物性の向上に繋がる配合・2),3),5),7)。高硫酸塩スラグセ

養生条件を求め，高硫酸塩スラグセメントの利用拡大

メントは硫酸塩や海水に対する化学抵抗性に優れ，コを目標とした初期強度向上，中性化速度の抑制についンクリート硬化時の水和熱が低い，長期強度が高い等ての知見を得ることを目指した。

細に粉砕して造られているの特長を有しているが，初期強度が小さい，中性化速
度が速い等の問題点が指摘されている 1),5)-8)。
そこで本研究では，各種条件の下で作製した高硫酸

２２．１

実験シリーズ構成

本研究では前報 9) のとおり６種類の実験シリーズで塩スラグセメントを用いて作成した硬化体について，
圧縮強度や中性化深さ等物性の測定，走査型電子顕微研究の方法構成されている。
今年度は次の実験シリーズについて実験を行った。

鏡（SEM）や粉末Ｘ線回折等，分析機器類を用いた観察や測定を行うことにより，強度と生成物等の関係につ・シリーズⅢ：水中養生温度の効果を検討いて解明し，高硫酸塩スラグセメントの性能向上と利・シリーズⅣ：高硫酸塩スラグセメントの耐薬品性用拡大を図ることを目的とした。

・シリーズⅤ：調合の違いによる適合性について，水*栃木県産業技術センター**

足利工業大学中と土中養生した場合の比較

県南技術支援センター・シリーズⅥ：長期養生試料の養生条件の違いによる－ 43 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

中性化速度について検討
２．２

２）SEM 観察（生成物の形状観察）

使用材料

使用機器：日本電子㈱製
3（１）普通ポルトランドセメント（密度 3.15g/cm ，2

比面積 3,390cm /g）

JSM-6510LA

３）粉末Ｘ線回折測定（エトリンガイト等生成物の確認）（ ２ ） 高 炉 ス ラ グ 微 粉 末 （ BF）： BF8000（ 比 表 面 積

使用機器

2

8,180cm /g）

２．５．２（ ３ ） せ っ こ う （ CaSO4 ）： 無 水 せ っ こ う （ 密 度㈱マックサイエンス製

MXP-3

耐薬品性試験

比較対照と共に作製した硬化体を，水中，芒硝

2.92g/cm3），二水せっこう（密度 2.31g/cm 3）(Na2SO4)溶液，硫酸溶液及び人工海水溶液に１～12 ヶ（４）細骨材：標準砂（密度 2.64g/cm3 ）

月浸漬させたものを試料とした。そして，（財）建材試（５）水：上水道水

験センター規格である「溶液浸せきによるコンクリー
1)

また，高炉スラグの代表的な化学成分 を表 1 に示す。

トの耐薬品性試験方法（JSTM C 7401） 12) により，圧縮強度等を調査した。さらに，耐薬品性の化学的性質を

表１

高炉スラグ及び普通ポルトランドセメント調査するため，蛍光 X 線分析による化学分析及び粉末の化学成分(％)

Ｘ線回折による生成物の組成の同定を行った。

CaO SiO2 Fe2O3 MgO Al2O3 SO3高炉スラグ 41.7 33.8

0.4

7.4 13.4

0.8

普通ポルトランドセメント

3.0

1.5

2.0

64.2 22.0

5.5

MnO

２．５．３

中性化深さ

0.3

トの中性化深さの測定方法）に準拠し，普通ポルトラ

中性化深さの試験は，JIS A 1152:2011（コンクリー
ンドセメント(N)と高硫酸塩スラグセメント(S)のそれ
ぞれについて，10×10×40cm の試験体を用い，中心に10φの磨き鉄筋を配筋し，屋外自然暴露した養生期間 1２．３

セメント試料の作製

年，3 年，5 年及び 10 年の中性化深さについて試験を前報 9)及び宮澤らが報告した作製方法 6),10),11)と同様行った 11)。

に，コンクリートの練り混ぜ，モルタル（セメント硬

なお，中性化深さの測定は，長さ方向に 10cm 厚に切化体：以降，セメント硬化体と表記する）を作製し，断し，その断面にフェノールフタレインアルコール溶圧縮試験等の供試体とした。

液(1%)を噴霧し，両側面計 20 ヶ所をノギスを用いて測

なお，セメント硬化体の調合割合は，前報9),10)

定し，平均中性化深さを求めた 11)。

と同

じく，セメント結合材：細骨材：水＝1：3：0.5 であり，
３

セメント結合材の混合割合は，セメント：高炉スラグ
３．１

微粉末(BF)：せっこう＝5：80：15 である。
２．４

結果及び考察シリーズⅢ（水中養生温度の効果）

シリーズⅢは，高硫酸塩スラグセメントの水中養生

圧縮強度と同様に JIS A 1108（コ温度の効果を調べる系である 9) 。シリーズⅢに用いた

ンクリートの圧縮強度試験方法により，養生期間 7 日，

セメント硬化体のセメント結合材の構成は表 2 のとお

28 日，91 日，（6 ヵ月，12 ヵ月）のもので試験を行っりであり，№1 が普通ポルトランドセメントのみを用いた。

た比較対照，No2 は高炉スラグ微粉末を用いた高硫酸塩

圧縮強度試験は，既報

２．５9),10)

化学分析

スラグセメントによるもので，水中養生温度は，10℃，

生成物の組成，生成物の確認と，微細構造を確認するため，前報9)20℃，30℃の 3 とおりとした。

と同様の手順で試料の前処理を行い，また，シリーズⅢの圧縮強度と水中養生温度・養生SEM 観察，粉末Ｘ線回折測定，蛍光Ｘ線分析を行った。
２．５．１

期間との関係を図 1 に示した。

化学分析装置高硫酸塩スラグセメント(No2)では，養生期間 7 日で組成の確認や，水和による反応生成物の状態を確認

水中養生温度が 20℃と 30℃の圧縮強度は，それぞれするため，以下の３機種で行った。

40.3N/mm2 と 44.6N/mm2 でいずれも普通ポルトランドセ

１）蛍光Ｘ線分析（生成物の化学組成確認）

メントと同等の 40N/mm2 以上であり，養生温度 10℃の使用機器：日本電子㈱製

圧縮強度(34.8N/mm2)を上回っていることがわかった。

JSX-3100RⅡ

そして，養生期間が長いほど圧縮強度が増進する傾向

測定条件：管電圧 50ｋＶ，コリメータ 7mm，測定
時間（ライブタイム）120 秒，雰囲気：VAC（真空）を示した。

測定モード：FP 法－ 44 －

栃木県産業技術センター

表２

シリーズⅢ

試料条件

高 炉 ス

せ

っ

グ 微 粉

こう

養生温度

末(BF)
1

2

無混入

－

BF8000針状結晶として析出することが知られている 8),16)。エ
トリンガイト結晶は，それ自体で強度を現し 16)，高硫浸漬期間(日)
7

21

91

日

日

日

酸塩スラグセメントでは初期強度の発現はエトリンガ
イトの寄与が大きいことがわかっている 8),16)。
また，養生 7 日の SEM で観察されたエトリンガイト

20℃水中

無

水

10℃水中

○

○

○

せ

っ

20℃水中

○

○

○

30℃水中

○

○

○

こう

No.12（2015）(3CaO・Al2 O3)とせっこう(CaSO4)との反応で水和初期に※○印は，SEM 観察の対象とした試料
No

研究報告

の存在は圧縮強度の増進に寄与している可能性が示唆された。これらのことから，高硫酸塩スラグセメントの最適な水中養生温度は，20℃～30℃の温度範囲であると考えられる。
３．２

シリーズⅣ（耐薬品性）

高硫酸塩スラグセメントの耐薬品性を調査した。セ
メント硬化体の試料の種類は表 3 のとおりである。
表３

No

1
図１

シリーズⅢ

耐薬品性の試料

高炉ス

せっこ

ラグ微

う

3

6

12

粉末

ｹ

ヶ

ヶ

ヶ

(BF)

月

月

月

月

20℃水中

○

○

○

○

5％硫酸

○

○

10％芒硝

○

○

○

○

人工海水

○

○

○

○

二水せ

20℃水中

○

○

っこう

5％硫酸

○

○

無水せ

20℃水中

○

○

○

○

っこう

5％硫酸

○

○

10％芒硝

○

○

○

○

人工海水

○

○

○

○

無混入

－

以上のことから，高硫酸塩スラグセメントは，水中28000

ランドセメントと同程度の初期強度を確保できること3がわかった。

浸漬期間
1

圧縮強度と水中養生温度

養生温度範囲を 20℃～30℃にすることで，普通ポルト

浸漬溶液

8000

エトリンガイト結晶

そして，各溶液に浸漬した試料の圧縮強度を測定した結果を図 3 に示す。
20℃ 水 中 で 養 生 す る と 普 通 ポ ル ト ラ ン ド セ メ ン ト(No1)と無水せっこうを添加した高硫酸塩スラグセメ

図２

No3 30℃ 7 日養生の SEM 画像(1000 倍)

さらに，シリーズⅢで高い圧縮強度を示した水中養生温度 30℃の高硫酸塩スラグセメント(No3)の SEM 観察を行った(図 2)ところ，養生 7 日の段階で小さいながらもエトリンガイトの針状結晶が観察された。
養生 28 日，91 日でも同様であった。
ここでエトリンガイトはセメント水和物の一つで，
図３

セメントが水和する時，セメント中のアルミネート相－ 45 －

各溶液における圧縮強度と養生期間の関係

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

ント (No3)は養生 1 ヶ月でいずれも 60N/mm2 以上となり

図 5 に示す。

長期間にわたり緩やかに増進していった。
芒硝(Na2SO4 )に浸漬した No1 の圧縮強度は，浸漬 1 か
月の 63.4N/mm 2 から浸漬 12 か月で約 0.57 倍の 36.3
N/mm2 に低下したが，No3 は，圧縮強度は 12 か月浸漬後も 48.4 N/mm2 以上であり，No1 より化学抵抗性が大きいことがわかった。
人工海水に浸漬した No1 の圧縮強度は，浸漬 1 ヶ月の 56.5N/mm2 から 12 ヶ月の 43.6 N/mm2 まで約 23 ％低下しているのに対して，無水せっこうを添加した No3では 62.0 N/mm2 から 54.9N/mm2 と約 11％低下に留まっており，人工海水に対し化学抵抗性があることが示唆された。
ここで，エトリンガイトは結晶の析出により，セメ
図５

ント硬化体を膨張させる性質があり，アルミネート相

硫酸溶液に浸漬後の XRDの多いセメントが硫酸塩による影響で劣化する原因になっている 8),16),17)。吉田 18)や山路ら 19)によると，普通

硫酸溶液中では，普通ポルトランドセメントに浸漬 1

ポルトランドセメントにおける硫酸塩，海水による化か月で存在していた水酸化カルシウム(Ca(OH)2)水和物

学的劣化機構としては，硫酸がコンクリート内部に侵が 3 か月後に消失し，芒硝溶液浸漬 12 か月に確認され入したり，海水中のマグネシウムイオンや硫酸イオン

たように，浸漬 3 か月の回折ピークにエトリンガイト

がコンクリート水和反応生成物の一つである水酸化カの生成が見られることから，水酸化カルシウム水和物

ルシウム等と反応し，エトリンガイトや二水せっこうが硫酸イオンと反応して一部がエトリンガイトとして（CaSO 4 ・2H2 O）を生成し，膨張破壊が生じると考えら析出し試料の劣化の一因となっている可能性がある。

れている。また，高炉セメントの硫酸塩による劣化にさらに，普通ポストランドセメントを 3 か月浸漬した

20)らは無水せっこうを配合する

ものと高硫酸塩スラグセメントの全試料に，二水せっと耐硫酸性が向上することを報告している。そして，

こう(CaSO4・2H2O)の大きな回折ピーク(2θ=12 付近)がついて，坂井
22)

や斎藤

21)

らは，硫酸塩浸漬前の初期段階においてエトリ

確認できる。これは，硫酸塩によるコンクリートの膨

ンガイト量を生成させることで耐硫酸塩抵抗性が向上

張崩壊が主として二水せっこうの生成によるものであすることを報告している。また，硫酸溶液に浸漬したる可能性が示唆された。

山下

圧縮強度の結果の初期強度に対する比を図 4 に示す。

なお，二水せっこう，無水せっこうを添加した高硫酸塩スラグセメントはいずれもエトリンガイトの回折ピークが確認されたが，エトリンガイトの生成量に差は認められなかった。
３．３
表４

シリーズⅤ（土中と水中養生の比較）
シリーズⅤの試料調合割合

No セメント

図４

1
2
3
4
5

硫酸溶液における圧縮強度比

硫酸溶液中では，No1 の劣化が著しく，浸漬 3 か月で

100
5
5
15
15

高炉スラ (無水) (二水)グ微粉末 せっこう せっこう
－
－
－
80
15
－
80
－
15
70
15
－
70
－
15

試験体は完全に崩壊していた。そして，No2 と No3
は浸漬後の圧縮強度は同程度の低下傾向を示した。
また，5%硫酸溶液に浸漬した試料の X 線回折結果を高炉スラグ微粉末の調合，せっこうの種類（無水／二水），養生環境（水中／土中）を変化させた場合の影－ 46 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

響を調査した。また，圧縮強度試験を行った結果を図 6，

は土中養生における平均中性化深さについて検討を行

図 7 に示す。

ったのでその結果を図 8 に示す。

土中養生中では，初期値で No2 が No1 とほぼ同等の圧縮強度 62.2 N/mm2 を示した。No3 では 46.9 N/mm2 ，No4 と No5 ではそれぞれ，44.8 N/mm2 ，41.4 N/mm2 とな
り，No1 と No2 の 80％未満の圧縮強度となった。
80

圧縮強度（N/mm2）

6ヶ月

初期値

70

12か月

60
50
40
30
20
10
0

1

2

3

セメント硬化体種類

4

図８

5

シリーズⅥ

コンクリートの中性化深さ

コンクリートはセメントの水和生成物である水酸化
図６ シリーズⅤ

土中養生した圧縮強度

酸化炭素がコンクリート表面から内部へ浸透すること

80

初期値

70
圧縮強度（N/mm2）

カルシウムにより強アルカリ性を示すが，空気中の二

6ヶ月

12か月

によって，コンクリートのアルカリ性が低下する中性60化が起こる 5),15)。一般的に，高炉スラグ微粉末を多量50に含有したコンクリートの中性化速度は，普通ポルト

40

ランドセメントと比較して速いことが知られている。

30

これは，セメントを高炉スラグ微粉末で置換すること

20

によりアルカリ成分が少なくなること，及び水酸化カ10ルシウムが高炉スラグ微粉末と反応することでアルカ

0

1

2

3

4

リ成分が少なくなるためである 1),4),15)。屋外自然暴露

5した硬化体の平均中性化深さは，N は 5.1mm，S は 16.8mm

セメント硬化体種類である。昨年度報告した蛍光 X 線分析の結果 9),11)から，
図７

シリーズⅤ

水中養生した圧縮強度

カルシウム量は N よりも S の方が小さい値となっており，水和反応により生成する水酸化カルシウム量も N

これらのセメントを 12 ヶ月養生すると圧縮強度は，
22より S の方が少ないと考えられる。また，S の硬化体にNo3 から No5 がそれぞれ 59.2 N/mm ，56.1 N/mm ，52.2

はエトリンガイトが確認されており，硬化体中の水酸

N/mm2 に増進しており，普通ポルトランドセメントの圧化カルシウム濃度の低下が示唆される。

縮強度（65.2N/mm2）の 80～90%程度を示した。

以上のことから，S では硬化体中の水酸化カルシウム

また，水中養生の場合も土中養生とほぼ同じような濃度が低下し，コンクリートのアルカリ性が低下し傾向を示したことから，無水せっこうを添加した高硫た結果，空気中の二酸化炭素による中性化が進行しや酸塩 スラ グセ メン ト(No2)が最 も長 期強度が大きくな

すくなり，平均中性化深さが大きくなったと考えられることがわかった。すなわち，同じ試料間では水中養る。

生と土中養生で圧縮強度に差は認められない。さらに，

一方，土中養生した硬化体の平均中性化深さは，N

蛍光 X 線分析及び SEM 観察においても，水中養生と土は 0.4mm，S は 2.5mm である。屋外自然暴露の結果と比中養生で化学組成に差は認められなかった。

較すると N と S の差は小さくなっている。これは，土３．４

中養生の方が二酸化炭素の影響を受けにくいことを示

シリーズⅥ（長期養生した高硫酸塩スラグセ

メントの中性化深さ）唆している。

前報では，1 年～10 年までの長期養生条件の異なる硬化体の化学組成について報告している 10),11)が，今回－ 47 －

栃木県産業技術センター

研究報告

４

No.12（2015）

まとめ使用するコンクリートの調合設計・施工指針・同解

高硫酸塩スラグセメント試料について分析を行った

説，日本建築学会（2001）

結果は，次の通りであった。

4) セメント協会編著：セメントの常識，セメント協会（1）シリーズⅢ(2013)

高硫酸塩スラグセメントの水中養生温度を変えて作

5) 山内俊吉:（総説）高硫酸塩スラグセメント,石膏と製したセメント硬化体は，養生期間が長くなるほど圧

石灰,18,93-99(1955)

縮強度が増進する傾向を示し，養生温度 10℃より も6) 横室隆，宮澤祐介：高硫酸塩スラグセメントモルタ

20℃及び 30℃のほうが圧縮強度が高かった。

ルの基礎的性状について，硫酸と工業，（2）シリーズⅣ

Vol.64,No.10,pp1-6(2011)

圧縮強度及び蛍光 X 線分析結果から，高硫酸塩スラ

7) 東京工業大学，(株)デイ・シイ，(株)竹中工務店：

グセメントは，普通ポルトランドセメントと比べて，

水硬性セメント組成物，特開 2010-285302,公開特許

芒硝，海水における圧縮強度及び化学組成の安定性に

公報(2010)

優れており，耐薬品性が大きいことがわかった。

8) セメント・セッコウ・石灰ハンドブック，無機マテ

そして，Ｘ線回折により耐薬品性の検討を行ったとリアル学会編,(1995)

ころ，芒硝溶液に浸漬した試料の X 線回折ピークから，

9) 吉葉光雄，山畑雅之，長英昭，横室隆，宮澤祐介，

芒硝溶液に浸漬した普通ポルトランドセメントでは 6

磯文夫：栃木県産業技術センター研究報告，

か月と 12 か月浸漬したものにエトリンガイト(2θ=9No.11,67-71(2014)付近)の生成が認められたが，高硫酸塩スラグセメント

10) 宮澤祐介，横室隆，吉葉光雄："高硫酸塩スラグセに比べると小さい。それに対して，水酸化カルシウム

メントコンクリートの長期性状について"，コンク

水和物の回折ピーク（2θ=18 付近）は，1～6 か月浸漬

リート工学年次論文集(2014)

時したものと比べて 12 か月浸漬したものは小さくなっ

11) 宮澤祐介，横室隆，吉葉光雄，山畑雅之：”高硫ている。芒硝中の硫酸イオン及びマグネシウムイオン

酸塩ｽﾗｸﾞｾﾒﾝﾄﾓﾙﾀﾙの物性と化学的性質について”，とセメント内部の水酸化カルシウム水和物が反応して，345-346,日本建築学会大会予稿集(2014)

一部がエトリンガイトとして析出した可能性が示唆さ

12) 溶液浸せきによるコンクリートの耐薬品性試験方

れた。

法（JSTM C 7401）（3）シリーズⅤ13) 高橋晴香，山田一夫，細川佳史，神田麻衣子：コ

無水せっこうを 15％添加した高硫酸塩スラグセメン

ンクリート工学年次論文集，Vol.31,No.1(2009)

ト（高炉スラグ微粉末 80%配合）は，長期養生において

14) 吉兼亨：コンクリートのおはなし改訂版,pp13-29,

水中養生及び土中養生のいずれにおいても普通ポルト
ランドセメントと同等以上の圧縮強度を示すことがわ

日本規格協会(2002)15) 永嶋正久，飛内佳之：セメント・コンクリート化

かった。

学 と そ の 応 用 ， pp40-52 ， 社 団 法 人 セ メ ン ト 協 会（4）シリーズⅥ（中性化深さ）(1987)

土中養生した普通ポルトランドセメントと高硫酸塩

16) 藤田晃太郎ら：コンクリート総覧,pp58-70,技術書

スラグセメントの平均中性化深さは，二酸化炭素の影院(1998)

響を受けにくいことから，屋外自然暴露の結果と比較

17) 玉滝浩二，大和功一郎，大西利勝：コンクリート

すると 1/5 以下と小さくなっている。高硫酸塩スラグ

工学会年次論文集，p51-56,Vol.30，No1(2008)

セメントは，地上への露出が少ない構造物等に利用す

18) 吉田夏樹：コンクリート構造物における硫酸塩劣

ることで中性化を抑制できること考えられる。

化の現状，GBRC,No.114,pp32-38(2003)
19) 山路徹,Tarek Uddin Muhammed,濱田秀則；港湾空

参考文献
1) 横室隆，宮澤伸吾，川上勝弥：コンクリート用高炉

港技術研究所，No1150,(2003)
20) 坂井悦郎，井元晴丈，大門正機：コンクリート工

スラグ活用ハンドブック,セメントジャーナル社(2011)

学年次論文集，pp135-140, Vol.26,No1(2004)
21) 斎 藤 豪 ， 張 正 菊 ほ か ： Cement Science and2) (株)デイ・シイ，(株)竹中工務店：水硬性セメント
組成物,特許第 5547911 号,特許公報(2014)

ConcreteTechnology,pp168-175,Mo.65(2011)22) 山 下 弘 樹 ほ か ： コ ン ク リ ー ト 工 学 年 次 論 文 集 ，3) 依田彰彦，横室隆，壇康宏ら；高炉スラグ微粉末を

Vol.29,No.1,pp.213-218(2007)－ 48 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究（１行あける ９ポイント）

結城紬染色生地見本帳の作成と新製品開発（１行あける ９ポイント）

吉葉 光雄*

小嶋 一夫*

太田 仁美*

渡辺 智文**（１行あける ９ポイント）

Making Sample Books of Yuki-tsumugi Fabrics with Various Colors,
and New Product Development
Mitsuo YOSHIBA, Kazuo KOJIMA, Hitomi OTA and Toshinori WATANABE（１行あける ９ポイント）
結城紬の色に対する需要動向に応えるため，代表的な色彩について色無地の染色生地見本帳を作成し，見本帳を活用した新製品開発を目標とした。今年度は染色，製織条件の検討とシミュレーション，基本的な色での製織準備までを実施した。
Key words:

結城紬，見本帳，染色，流行色，シミュレーション（１行あける ９ポイント）
１

はじめに

２

結城紬は栃木県，茨城県で生産され，地域の伝統的な

２．１

研究の方法

糸と製織条件の検討

産業として現在も地機で製織が行われている（図 1）。

本研究の目的は結城紬の染色生地見本帳の作成にある

結城紬産地では，産地問屋が柄と色を指定して製織業者

ため，まず糸に関しては，結城紬の製織に用いられる手に発注を行い，製織業者が染色業者に染色を依頼するの

つむぎ糸を使用し，地機により製織することで，実際のがものづくりの基本的な流れである。染色業者は，手紬結城紬の生地で作成することとした。

糸を染色して糸ベースの色見本帳を整備して，問屋や製

流行色や人気の色，主要な色などを幅広く網羅するた織業者等の顧客と相談しながら，熟練した技術により色め，生地見本帳作製にあたっては，可能な限り色数を増

合わせを行ってきた。しかしながら，自分の色彩イメー

やすことが要求事項の一つとして重要である。よこ糸にジに強いこだわりを持つ消費者が増える傾向があり，流ついては容易に色を変更することが可能であるが，たて通・小売筋や消費者等のニーズに対応するため，結城紬

糸は整経の必要があり途中で色を変更することは不可能

生地の色見本の整備をする必要性が増してきている。

であり，色数を増やすのは容易ではない。

本研究では顧客の需要動向に的確に対応するため，代製織については１色あたりのたて糸の幅を６cm 程度と表的な色彩について色無地の生地見本帳を作成すること

し，筬は通常より広幅の１尺２寸のものを使用することによって，色彩のニーズを確実にとらえ，ひいては結城で，たて糸の長さを通常の反物の半分，色数を７色で製紬産地の需要の拡大につなげることを目的とした。

織することとした（図２，図３）。

図１（１行あける*

地機

９ポイント）

栃木県産業技術センター

紬織物技術支援センター
図２** 渡辺染色店－ 49 －

製織幅の検討栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）のたて糸は赤系，黄系，青系の原色に加え，白，茶，緑，
紫を加えた７色とした。よこ糸はシミュレーション①：
赤を基本に彩度と明度のバリエーションと，シミュレー
ション②：彩度を高めで色相環をほぼ一周する９色の２組で評価を行った。
製織シミュレーション①を印刷し，測色機でたて糸が赤系，黄系，青系，白の部分を測定した結果を図 6 に示
図３２．２

通常の筬（上）と幅広の筬した。赤と交織したシミュレーションでは狭い範囲にプ色の選定と製織シミュレーション

ロットが集中しているのに対し，他の色ではａの値が幅

たて糸の色は変更が難しく，また今年度は製織による広く分布している。このことから，赤以外のたて糸によ色の傾向を確認することも目的としていることから，赤こ糸に用いた赤の彩度が低くなると，製織した際に測色系，黄系，青系の原色を入れ，残り 4 色を検討対象とし結果がリニアに反映することがシミュレーションからうた。よこ糸については 20 色程度が選択可能であることかがえる。また，赤及び白と交織したものは右肩上がり

から，うち 9 色については彩度，明度が与える影響を検の傾向がみられ，シミュレーションに用いた赤が「黄色討することとし，残りは色相環を一周するイメージで選みがかっている」ことを示唆する結果となった。

定することを試みた。

今後実際に染色した糸を用いて製織した生地で測色を

なお，実際の染色に先立ち，トヨシマビジネスシステ行うことを検討しており，シミュレーションと同様の傾ム社製 4DBOX PLANS を使用し製織シミュレーションを行

向が確認できれば，製織前にどのような色が出現するかった。また，シミュレーションの結果のプリントアウト

試算できるようになることが，この結果から期待される。

は EPSON PM-G4500 を ， 測 色 は ミ ノ ル タ 製分光 測色計
CM-1000 を使用した。
２．３

染色方法の検討

２．２の配色イメージを基に，たて糸，よこ糸の染色を行う為の染料には，色のバリエーションが比較的多く，
色調が鮮明であり，堅ろう度が良いことを特徴としている絹用の含金染料を使用した。
染料の濃度や染色条件を決定するにあたり，手つむ
ぎ糸では高価であり，試染に用いるのは現実的ではない。
試染には素材，形状が手つむぎ糸に類似しており，比較的安価に入手できる絹手紡糸を使用した。染色条件は前①赤グラデーション

述した絹用染料の一般的な染色方法を参考として，浴比
約 1:50 とし，図 4 の条件で染色を実施した。

図５
３．２②マルチカラー

製織シミュレーション

絹手紡糸を用いた試染

染料の濃度を決定するため，絹手紡糸を使用して試染を行った。なお，染色に際しては，当初シミュレーショ
ンを行った色よりも彩度，濃度を抑え，実際の使用を念頭に置いたものとした。染色は図４の染色条件で行った
後，水洗，酸通し，水洗を経て乾燥した。たて糸は赤系，黄系，青系を含む７色で試染を行い，染色具合を確認した結果から，本番である手つむぎ糸の染色はいずれも染図４染色条件（概略図）

料の濃度を糸に対して 0.5％とすることとした。よこ糸
は，製織シミュレーション①で行った赤－白－黒のグラ

３
３．１

結果及び考察デーションについて，たて糸の試染結果を参考に，染料製織シミュレーションの組み合わせや濃度を検討し，たて糸同様に試染を行っ

実際の染色前に色を予想するため，トヨシマビジネス
システム社製 4DBOX PLANS を用い製織生地のシミュレー

た（図７）。その結果を基に，よこ糸の染料濃度条件を決定した（表１，表２）。

ションを行った結果を図 5 に示す。シミュレーションで－ 50 －

栃木県産業技術センターａ）よこ糸の色彩シミュレーション

図６

研究報告

No.12（2015）ｂ）赤－黒－白のグラデーションとの測色結果（Ｌａｂ表色系）

製織シミュレーション（赤－黒－白）と測色結果
３．３

手つむぎ糸の染色試染の結果を基に，たて糸，よこ糸の染色を決定し，製織に使用する糸の染色を行った。よこ糸で白を用いることから，たて糸のうち当初白でシミュレーションを行った箇所を薄い黄色としたほかは，試染と同様の方法（図４）で染色を実施した。よこ糸については色数が多く，
図７

試染の様子（左）と染色した絹手紡糸
表１

たて糸の染色

また１色あたりの糸の量が７ｇ前後であり，ラボレベル
で対応可能なことから，染色容器に１Ｌビーカーを用い，色№

染料カラー名称

染色した糸の色彩

ウォーターバス（Ｙａｍａｔｏ製ＭＯＤＥＬＢＳ－６９）

A01

赤

ピンク

を使用して染色を行った後，試染と同様に水洗，酸通し，

A02

黄

黄色

水洗を経て乾燥した（図８）。

A03

青

青（明るめ）

A04

淡黄

淡い黄

A05

茶褐色

茶褐色

A06

緑

緑

A07

紫

紫

表２

よこ糸の染料の比率調整（赤－黒）※シミュレーション①，赤のグラデーションについて，
RT01（赤）の染料濃度を 100 とした場合の染料濃度

色№

色

染料：赤

染料:黒

RT01

赤

100

0

RT02

やや暗い赤

80

20

RT03

暗い赤

50

50

RT04

黒

0

100

RT05

やや淡い赤

50

0

染色したたて糸は，通常の機織りと同様に糊付け等の

RT06

淡い赤

16

0

下拵えを行い，機巻きを行った（図９）。シミュレーシ

RT07

白

0

0

ョン①に対応する染色を行ったよこ糸を用い，通常の結

RT08

うすい灰

0

16

RT09

濃い灰

0

50

図８
３．４

染色したよこ糸

織物生地の製織

城紬と同じ方法で生地の製織を行った（図１０）。製織
した生地は，見本帳として使用するほか，測色や堅ろう
度試験等の実施を予定している。

－ 51 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

ａ）糊付け

ｂ）乾燥

図９

たて糸の製織準備
また，よこ糸については，赤を基点に彩度，明度を変え，たて糸との組み合わせで発現する混色の傾向を確認することとした。製織シミュレーショ
ンでの結果を測色した結果から，明度，彩度と製織により現れる色との相関が強い。今後実際の生地と比較して，再現性について評価を行うこととしたい。
（3）染料は従来産地で用いられている色系統の染料にこだわらず，絹用の染料で幅広い色彩の染色を実施した。よこ糸は 1 色当たりの糸量が少ないことから，手順や器具等の活用により，効率化が期待できる。
今回は基本的な色を中心に製織を進めたが，書籍等で流行色等の情報を収集しており，来年度以降はこれまで

図１０（１行あける

見本生地の製織用いられていた中でも人気の高い色と併せて，見本生地

９ポイント）
４の色の充実を行う予定である。

おわりに（１行あける９ポイント）

結 城 紬 生地 見本 帳 作 成 を 目的 と し て 種々の検討を行

参考文献

い，本年度基本となる部分について検討と試作を以下の

1) 足立達雄ほか： "色染化学２ "とおり実施した。

2) 金子優，嶋田和正，永田順子，佐々木和也，清水裕
子："栃木県産業技術センター報告"，7，（1）製織条件については，幅広の筬を使用し，たて糸

63-65,(2010)の色数を７色まで増やすことで，多彩な色を効率

3) MdN 編集部："キーカラーで探せる配色見本ハンドブ

的に製織することが可能となった。
（2）色の選定に当たっては，製織を行った結果の傾向を確認するため，三原色や基本的な色を選択した。

－ 52 －ック "，エムディエヌコーポレーション，(2013)栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究

栃木県の鉱物資源を利用した機能性壁材の開発（第２報）
山ノ井 翼*
後藤 優一****

佐伯 和彦**

渋谷 良二****

伏木 徹***

渋谷 利信****

岩井 満****Development of Advanced Plaster using Mineral Resourcesin Tochigi Prefecture (2nd Report)
Tsubasa YAMANOI, Kazuhiko SAEKI, Toru FUSEGIYuichi GOTO, Ryoji SHIBUYA, Toshinobu SHIBUYA and Mitsuru IWAI
従来より，マグネシアセメントの原料には海水由来の水酸化マグネシウムが主として用いられている。
しかし，原料費が高いことが課題となり普及が進んでいない。本研究では，既報 1)に引き続き海水由来の水酸化マグネシウムの代替として，安価な県内産ドロマイトの利用について検討した。この結果，ドロマイトを用いたマグネシアセメントについて最適な配合条件を確立し，さらに大谷石添加によっても良好な施工性を確認した。これらの施工品は優れたホルムアルデヒド吸着固定化性能および調湿性能を示した。また，酸化チタンを用いて光触媒特性を付与することができた。
Key words: マグネシアセメント，ドロマイト，大谷石，ホルムアルデヒド，光触媒

１

はじめに

２

マグネシアセメントは，ポルトランドセメントと同じ

２．１

研究の方法

マグネシアセメントの調製
1)

分野で利用されている。その特徴は，ポルトランドセメ

既報 より原料の海水マグネシア，焼成ドロマイト，

ントに近く，加えて，早期強度の発現，付着強度が高い

塩化マグネシウム，亀裂抑制の充填剤としてのワラストなどの利点を有する。従来，床，内壁及び外壁等の建築

ナ イ ト を 必 要 量 秤 量 し （ MgO ＋ ド ロ マ イ ト ＋ MgCl 2 ＝2)

内外装材に主に用いられてきた 。しかし，特に屋外で100%，ワラストナイト：外割），ステンレスボウル内での利用においてセメントから塩化物が溶出しやすく，ま水と混練してマグネシアセメントとした。さらに，大谷

た，価格が高い等の要因により利用される範囲が限られ石を配合した骨材添加マグネシアセメントも調製した。

ている。

3),4)

。マグネシアセメントはマグネシア（MgO）

なお，セメントの調製に用いたワラストナイトの形状はと塩化マグネシウム（MgCl 2 ）から生成されており，マ

走査型電子顕微鏡（SEM；日本電子㈱製 JSM-6510LA）にグネシアの原料には主に海水由来の水酸化マグネシウより観察した。

ムが用いられるが，この水酸化マグネシウムの価格が高いことが，前述の要因の一つとなっている。

上記のセメントについて，100mm 角のベニヤ板に塗ったサンプルを「施工品」，50×120×5mm の型で固化させそこで本研究では，海水由来の水酸化マグネシウムのたサンプルを「固化体」とした。また，固化体の表面に代替として，県内産の安価なドロマイトの利用について

酸化チタンのスラリー（丸昌産業㈱製 MV-6）をスプレ1)検討した。既報 の結果をふまえ，マグネシアセメント

ー塗布したものを光触媒特性評価用サンプルとした。

の最適配合条件を検討し，さらに大谷石等の骨材を添加

２．２

ホルムアルデヒド吸着固定化試験

した際の施工性を確認した。また，これらの施工品につ２．１で調製した施工品をデシケータ内に静置し大気

いてホルムアルデヒド吸着固定化性能，調湿性能を評価

吸引した後，図１に示す標準ガス発生装置を用いてし，壁材としての利用を検討した。加えて壁材の高付加40ppm に調製したホルムアルデヒドを 0.2L/min で導入価値化として光触媒特性の付与を検討した。

し，デシケータ内にガスを充満させた。この時をブランクとして 24h 後のホルムアルデヒド濃度を測定し，吸着*

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 材料技術部*** 栃木県産業技術センター 県南技術支援センター**** 株式会社 CRD

性能を評価した。その後，デシケータごと 50℃・24h で加熱処理して同様に測定し，固定化性能を評価した。濃度測定には，ホルムアルデヒド検知管（㈱ガステック製－ 53 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

３
３．１

結果及び考察最適なセメント配合条件の確立

マグネシアセメントを調製するにあたり，既報 1)の結果をふまえ最適な配合条件を検討した。セメント調製結果を表１に示す。ベニヤ板に施工した際の硬さ，ひび，
反り，結露の具合から，MgO：ドロマイト＝20：80，MgCl2
18%，ワラストナイト 20%（外割）が最適な配合条件と判断した。この条件で調製したサンプルを図３に示す。なお，ワラストナイトは既報 1)では中国産を用いたが，施工性を考慮して本報ではメキシコ産に変更した。図４のSEM 写真に見られるように両者の形状に大きな違いが見られ，この差が施工性に影響していると考えられる。ま図１

標準ガス発生装置

た，上記の最適な配合条件に大谷石を外割で 20%添加したところ，施工性，見た目ともに問題はみられなかった。
３．２

ホルムアルデヒド吸着固定化性能

３．１で最適配合条件とした施工品について，ホルム
アルデヒドの吸着固定化試験を行った結果を図５に示す。吸着開始から 24h 後のホルムアルデヒド濃度がブランクの 1/10 未満となり，50℃・24h の加熱処理後の濃度も同程度でガスの再放出はみられなかった。また，大谷
表１

図２

マグネシアセメント調製結果

紫外線照射方法※反：反り，ひ：ひび

No.91L）を用いた。また，比較実験として活性炭素（関東化学㈱製 粒状）についても同様の評価を行った。
２．３

調湿性能試験

２．１で調製した固化体を恒温恒湿器（ヤマト科学㈱製 IG420）に静置し，吸放湿試験を行った。試験条件は
JIS A 6909 を参考に，温度 25℃（一定），湿度 50%（調湿）→75%（吸湿）→50%（放湿），各サイクル 24h 保持とした。各サイクル後に固化体を秤量し，表面積当たり

図３の吸放湿量を求めた。
２．４(a)施工品(b)固化体マグネシアセメントサンプル

光触媒特性の評価

２．１で調製した評価用サンプルにメチレンブルー指示薬（関東化学㈱製）をディップし，紫外線照射による光触媒特性の評価を行った。サンプル自体の吸収による退色も考えられるため，サンプルの半分をアルミホイル
で覆い紫外線照射による退色と区別した。また，外光の影響を受けないよう，図２のようにダンボールで簡易的(a)メキシコ産に外光を遮断して行った。

図４－ 54 －(b)中国産ワラストナイト（SEM 像）

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

セメントは壁材として実用的な調湿性能を有することが分かった。
３．４

光触媒特性調製したマグネシアセメントついて，酸化チタンを用いた光触媒特性の評価を行った結果を図７に示す。固化体サンプル自体の吸収の影響でマスキング部分もだいぶ退色したが，紫外線照射部分は 48h 程度でメチレンブ
ルー指示薬の青色がほぼ消え，マグネシアセメントにおける光触媒特性が確認された。また，マグネシアセメン
ト，酸化チタンのスラリーは共に白色系であることか
図５

ホルムアルデヒド吸着固定化試験結果

ら，塗布時の見た目等を考慮せずに壁材への利用が可能と考えられる。

石配合の施工品は未配合の施工品と比較してさらに 1/5程度まで濃度が減少し，加熱処理後のガス再放出もほぼ無いと言える結果となった。
このことより，調製したマグネシアセメントは壁材として優れたホルムアルデヒド吸着固定化性能を有することが分かった。なお，比較対象として多孔質で吸着性

図７

紫外線照射結果能を有する活性炭素（1g）で同様の評価を行ったが，ある程度の吸着性能が見られたのみで固定化性能は示さ

４

れず，調製したマグネシアセメントの優位性が確認され
た。

おわりに

マグネシアセメントについて，海水マグネシアの代替として県内産ドロマイトが利用可能か検討し，以下の結

３．３

調湿性能

論が得られた。

３．２の施工品と同配合の固化体（標準品）について，（1）壁材の調製に最適なマグネシアセメント配合条件

吸放湿試験を行った結果を図６に示す。吸放湿量は吸湿
22時に 130g/m となり，JIS 規格の合格値 70g/m のおよそを確立した。
（2）施工品はホルムアルデヒドに対して吸着固定化性

22 倍の値を示した。一方，放湿時には 30g/m まで値が減能を示し，大谷石を添加することによりさらに性少し，吸湿性能，放湿性能の両方を有することが確認さ能が向上した。

れた。また，大谷石配合の固化体の吸放湿量は吸湿時に（3）壁材として実用的な調湿性能を示し，大谷石を添

2150g/m を示し，未配合の固化体と比較して 15%程度性能加することによりさらに性能が向上した。

の向上が見られた。このことより，調製したマグネシア（4）マグネシアセメントに酸化チタンを保持させることにより，光触媒特性を示した。
参考文献
1) 佐伯和彦ら： " 栃木県産業技術センター研究報告
No,11"，58-61，（2014）2) 石膏石灰学会： "石膏石灰ハンドブック "，356-357，（1972）
3) CHARLES A.SORRELL and CHARLES R.ARMSTRONG，”J.Am.Ceram.Soc.” ，59，51-54（1976）
4) BORIS MATKOVIC，STANKO POPOVIC，VINKO ROGIC andTONCI ZUNIC， ”J.Am.Ceram.Soc.”，60，504-507（1977）

図６

吸放湿試験結果－ 55 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

共同研究

光学部品成形用金型の鏡面加工砥石の開発
江面 篤志*

稲澤 勝史*

古屋 英明**Development of Grinding Wheel for Mirror Finish of Optical Component Mold
Atsushi EZURA, Katsufumi INAZAWA and Hideaki FURUYA
光学部品成形用金型に用いられる超硬合金に対し，鏡面仕上げ及び高精度加工を可能とする砥石の開発を行った。高精度形状加工を行うためには砥石の耐摩耗性が必要であるため，ボンド材組成を変え，砥石の表面硬度を増した開発砥石を用いて加工実験を行った結果，市販されている砥石よりも 2 倍の耐摩耗性を担保できることがわかった。また，砥粒の集中度を 100 から 200 に上げることでも研削比を増加させることができた。
Key words:

１

研削加工, ダイヤモンド砥石, 超硬合金, 光学部品, 鏡面仕上げ

高番手の砥石を用いた加工が試みられている 1)。しかし，はじめに近年，スマートフォンやタブレット端末，モバイル PCの多くはカメラ機能を具備しており，レンズなどの光学形状精度と鏡面仕上げを両立させることは困難を極める。

部品の搭載数が増えてきている。また，高価であった一本研究では，超硬合金に対し，高精度形状加工と鏡面眼レフカメラも，小型かつ安価なミラーレス一眼の登場仕上げが両立できる高性能な砥石の開発を行ったことにより，気軽に高品質な写真を撮影することが可能となを報告する。

り，ユーザのすそ野を広げている。また，自動車分野で
２

は，自動ブレーキシステム，運転アシストが実用化され，数多くの光学センサが搭載されるようになった。カメラ

２．１

研究の方法

砥石の開発

などの高性能光学機器には，非球面レンズやフレネルレ

高硬度な超硬合金に対し，高精度研削加工を施すため

ンズなどの複雑形状を有するガラス製部品が必要となには，砥石にも高い硬度が必要である。そのため，メタる。これらのガラス製部品は，超硬合金製金型による転ルボンドやガラス質のビトリファイドボンドが多く用

写成形により製造されており，基となる金型には，非常いられる。鏡面仕上げが求められる光学部品成形用金型に高いレベルの形状精度と鏡面仕上げが要求されていでは，平均粒径が数 µm 程度の微細な砥粒を含む砥石をる。この金型は研削加工による粗・中仕上げの後，遊離用いる 2)が，微粒砥石は目詰まりが生じやすく取扱いが砥粒による研磨加工により最終仕上げが施されている。

難しい。特にメタルボンド砥石はドレッシングに時間がしかし，遊離砥粒による研磨加工は，加工レートが遅くかかるため，鏡面仕上げが必要な金型の加工ではビトリ

加工時間が増大してしまうことと，熟練者によるものでファイド砥石が用いられることが多い。このことから，なければ形状精度を悪化させてしまうことが欠点であ

本研究ではビトリファイドボンド砥石に着目し砥石のる。

開発を行う。開発した砥石は表１に示す 2 種の性状の砥

そこで，これらの欠点を補うために，研削加工による石で，それぞれボンド材の組成が異なるために，表面硬中仕上げまでの工程におけるガラス研削面の形状精度度が異なっている。比較として，市販されている#12000

向上及び表面粗さの低減を図ることによる仕上げ研磨の粒度のダイヤモンド砥粒を含有したビトリファイド

時間の短縮が図られている。これまで，研削加工では，

ボンド砥石を用いた。

平均粒度が数十 µm 程度の粒度を含有した#2000 程度の砥石が用らいれてきたが，研磨仕上げで得られる表面粗２．２

光学レンズ金型の研削加工は，図１に示すようなそろさに漸近させるため，平均粒度 2〜3 µm の#12000 以上の*栃木県産業技術センター

機械電子技術部**

アルファーダイヤモンド工業株式会社

研削加工実験

ばん玉の形状にツルーイングされた砥石の鋭利なエッジ部を用いて加工を行っている 1)。本研究では，同等の－ 56 －

栃木県産業技術センター

加工条件とするため，図２のように砥石回転軸を 45°傾

２．３

研究報告

No.12（2015）

砥石の研削能力評価方法

斜させて加工を行った。使用した加工機は，超精密加工

通常，研削砥石の研削能力は，研削量と砥石損耗量の機（㈱東洋工学 LINIMAX）である。加工実験は，表２に比である研削比で評価される 3),4)。研削比は，砥粒種，示す加工条件によって平面研削加工を行った。被加工物

ボンド材質，結合度，集中度などの砥石のパラメータには，φ20 mm の円柱形状を有するバインダレス超硬（富大きな影響を受ける。研削比が大きく，砥石の摩耗を抑士ダイス㈱J05）で，#180 のメタルボンドダイヤモン

えて多くの被削材を加工できる砥石は，コスト低減につド砥石を用いて，平面研削したものを準備した。加工面

ながるだけでなく，高い形状精度を達成することができは鏡面仕上げが求められるため，表面粗さ測定機（アメる。レンズ金型の研削加工は，図１に示すように，被削テック㈱テーラーホブソン

フォームタリサーフ S6）及材を回転させ，所望の形状に沿うように砥石をトレース

び，白色光干渉計（Zygo

New View5032）を用いて算術させて加工する。この際，砥石の摩耗が進むと，砥石径が小さくなり，トレースする軌道も変化してしまう。こ

平均粗さ及び最大高さ粗さの測定を行った。

のため，砥石の摩耗が少なく，研削比の大きい砥石が必要となる。実際には，被加工物の加工量は，加工前後の寸法変化について三次元座標測定機（㈱ミツトヨ
LEGEX9106）を用いて測定することにより求めた。一方，砥石の摩耗量を求めるため，同じく三次元座標測定機を用いて，加工後の砥石エッジ部の形状測定を行い，図３
中の摩耗量dを求めた。砥石の摩耗体積は，図３の y 軸
を回転軸とした網掛け部分の回転体の体積を計算することで求められるため，次式(1)により摩耗体積 V を算
図１

非球面レンズ金型の加工 1)

出した。
�

�

V = 2π ���√�� ������� �� 2� ���√�� ��� � � � √2�����
= 2π� � �� �

図２

砥石
粒度
直径
集中度
表面硬度
HR15T

√�
����������������������������������������������������������������������
�

超精密加工機による加工時の外観

表１
市販砥石
#12000
30 mm
100

使用砥石
開発砥石１
#12000
30 mm
100

開発砥石２
#12000
30 mm
100

67

52

83

表２
砥石回転数
ワーク回転数
加工方向
砥石送り速度
切込量

加工条件
10000 rpm
500 rpm
クロス研削
5 mm/min
0.3 μm/pass

図３
３
３．１

摩耗体積の算出方法
結果及び考察市販砥石との研削比比較

本研究で開発した砥石の研削性能につ いて市販砥石
と比較するため，前項で示した表２の加工条件を用いて加工実験を行った。加工後の加工面の表面粗さ測定結果－ 57 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

を表３に示す。同表より市販砥石と 2 種の開発砥石との

表４間に大きな差は無く，どの砥石を使用しても算術平均粗砥石

さ 5 nm 以下の高品位な鏡面を得られることがわかる。

砥石摩耗量

次に加工後の砥石の摩耗量の測定を行った。図４に市

市販砥石

開発砥石１

開発砥石２

0.110

0.097

0.085

1.136

0.884

0.679

7.222

3.140

9.734

6.355

3.552

14.333（mm）

販砥石の加工後の砥石エッジ部の形状測定結果を示す。

砥石摩耗体積同図より，摩耗量は 110 µm であることがわかった。こ(mm3)

こで求めた摩耗量を前出の式１に代入すると，摩耗体積

加工除去体積は 1.136 mm3 と算出できる。同様に開発砥石についても(mm3)

摩耗体積を求めた。その結果を表４に示す。同表より，研削比

研削比算出結果

最も摩耗量が少ないのは，開発砥石２であり，最も摩耗量が多いのは，市販砥石であることがわかる。
次に，被加工物の除去体積を測定し，砥石の研削比を求めた。その結果を表４に示す。同表より，最も加工量が多かったのは開発砥石２であり，最も加工量が少なかったのは開発砥石１であることがわかる。研削比については，開発砥石１が最も小さく，開発砥石２が最も大きいことがわかった。特に開発砥石２では，市販砥石と比較して，2 倍以上の研削比が得られており，形状変化しにくいことがわかる。
このことについて検討するため，表面硬度と研削比との相関を取り，図５にまとめた。同図より砥石表面硬度

図５

研削比と砥石表面硬さの相関が高くなると研削比も増加する傾向にあることがわかる。このことより，さらに研削比の高い砥石を開発する

３．２

ためには，開発砥石２よりも高硬度な砥石を作製する必要があることがわかる。

高硬度砥石の開発

ビトリファイドボンド砥石はガラス質 のボンド材で焼結されており，その組成・焼成条件を変化させること
で表面硬度を高めることができる。本項では，開発砥石

表３

表面粗さ測定結果

1 と開発砥石 2 に対し，製造時の焼結法を変えることで

砥石

市販砥石

開発砥石１

開発砥石２

高硬度化を図った。具体的には，高温焼結時にも圧力をRa

2.9 nm

2.5 nm

2.8 nm

かけ続けるプレス焼結法を用いた。プレス焼結法を用い

Rz

14.3 nm12.0 nm13.2 nmて成形した開発砥石を開発砥石１改，開発砥石２改と呼称する。プレス焼結法では使用する金型の関係で直径 20mm の砥石を作製した。それぞれの砥石の緒元について表５に示す。プレス焼結法により作製した砥石の表面硬度
は通常焼結法で作製した砥石よりも高硬度であった。
表５

図４

プレス焼結法により作製した砥石砥石

開発砥石１改開発砥石２改粒度#12000#12000

直径

20 mm

20 mm

集中度

100

100

表面硬度 HR15T

88

98

加工後の砥石の形状測定結果
開発砥石１改 及び開発砥石 ２改を用いて 超硬合金を研削した加工面の表面粗さ測定結果を表６に示す。同表
より，開発砥石１改及び開発砥石２改を用いた加工では－ 58 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

表３に示した他の砥石での加工表面と比較して Ra ， Rz

いる。集中度を高くすると砥粒１個当たりにかかる力がともに悪化しているが，5 nm 以下の高品位な鏡面が得ら低減されて砥粒の脱落が少なくなり，結果的に砥石の摩れていることがわかった。加工後の砥石形状から求めら耗を抑制できる 5)。しかし，集中度を高くし，砥粒の密れる摩耗体積及び加工除去体積，さらにそれらから算出

度を大きくすると，砥石の結合度が下がり，砥石表面硬される研削比について表７に示す。同表より，開発砥石

度の低下が懸念される。本項では，開発した砥石の集中

１改は開発砥石２よりも研削比が大きく，研削性能が高度が研削比に及ぼす影響を調べた。実験に用いた砥石は

いことがわかった。しかし，開発砥石２改は表面硬度が

集中度 100 である開発砥石２改と開発砥石２改を集中度

最も高く，砥石摩耗体積が最も少なかったが，加工除去

200 とした開発砥石２改 200 である。それぞれの砥石の

体積が少なくなったため，研削比については開発砥石１

緒元を表８に示す。同表より，集中度を高くすることに改及び開発砥石２よりも劣っている。このことは，砥石

より，砥石表面硬度が低下したことがわかる。研削実験の表面硬度が高すぎると加工能力が落ちてしまうことにおいて，加工条件は表２で示したものを用いた。

を示しており，研削比を最大にする表面硬度の最適値が試作した砥石を用いて加工した加工面粗さの測定結存在することを示唆している。また，砥石表面硬度と研果を表９に示す。同表より，集中度は加工面粗さに大き削比の相関について図６に示す。これまでの加工結果とな影響は与えていない。また，それぞれの砥石の摩耗量

同様に表面硬度と研削比の間には相関があることがわ

及び加工除去体積，研削比について表１０に示す。同表

かる。

より，開発砥石２改 200 では，集中度を 200 とし，表面硬度が低下したことで砥石摩耗量が増加してしまった
表６

ことがわかる。しかし，加工除去体積が向上したことに

表面粗さ測定結果

砥石開発砥石１改開発砥石２改より，開発砥石２改よりも研削比は大きくなった。このRa

3.4 nm

4.1 nm

ことからも，大きい研削比を得るためには，表面硬度とRz

20.2 nm25.3 nm

加工除去能力のバランスがとれていることが肝要であることが示された。

表７
砥石
砥石摩耗量
（mm）
砥石摩耗体積(mm3)
加工除去体積(mm3)
研削比

研削比算出結果

開発砥石１改開発砥石２改

0.095

0.085

0.564

0.452

8.792

6.280

15.57413.889表８

集中度を変えた砥石砥石開発砥石２改開発砥石２改 200

粒度#12000#12000

直径

20 mm

20 mm

集中度

100

200

表面硬度 HR15T

98

82

表９

表面粗さ測定結果

砥石開発砥石２改開発砥石２改 200

Ra

4.1 nm

3.8 nmRz

25.3 nm23.8 nm表１０砥石砥石摩耗量（mm）
砥石摩耗体積(mm3)
加工除去体積図６

研削比と砥石表面硬さの相関

(mm3)
研削比

３．３

砥粒集中度が研削比に及ぼす影響

砥粒集中度は研削比に影響を及ぼすことが知られて－ 59 －

研削比算出結果

開発砥石２改開発砥石２改 200

0.085

0.100

0.452

0.651

6.280

9.420

13.88914.480栃木県産業技術センター

研究報告

４

No.12（2015）

おわりに

参考文献

本研究では，表面硬度の異なる砥石を試作して加工実

1) 厨川常元他："光学ガラスレンズの設計・成形加工

験を行うことにより，それぞれの砥石の研削比や表面粗さなどの研削特性を明らかにし，以下の結論を得た。

ノウハウ集", 技術情報協会, 77-86 (2007)
2) 大森整他： "ELID 法による鏡面研削効果と特性－材（1）本研究で開発した砥石は市販の砥石と比較して研料，砥石による表面性状と粗さ－，精密工学会誌，

削比が 2 倍以上になるものがあり，高精度加工を実現できることがわかった。

Vol.79, No.4, 278-286（2013)3) 中島利勝： "研削砥石の切れ味に関する研究（第一（2)）砥石の表面硬度と研削比は相関が見られ，表面硬報）－切れ味の定量的表現－", 精密機械, Vol42,

度が高くなると研削比は大きくなる傾向であっ

No.8, 784-789 (1976)

た。しかし，表面硬度を大きくし過ぎると，加工

4) 傘裕倫： "ビトリファイド超砥粒ホイールの性能",能力が低下し，研削比はかえって小さくなってし2010 年度精密工学会秋季大会シンポジウム資料集,

まうことがわかった。

18-19 (2010)（3）本研究で開発した砥石を用いた加工により光学部

5) 植松哲太郎他： "セラミックスの高能率・高精度研品成形用金型に適用できる高品位な加工面粗さが削 加 工 技 術 ", 精 密 工 学 会 誌 , Vol.55, No.6,

得られることがわかった。

994-997 (1989)

謝辞

本研究は，公益社団法人 JKA

本研究を遂行するにあたり，独立行政法人理化学研により整備した 機器を活用

究所 大森素形材工学研究室の設備を利用させていたして実施しました。

だいた。ここに記して謝意を表する。また，本事業で用いた測定機の一部は公益社団法人 JKA の補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意を表する。

－ 60 －

Ⅲ 受託研究

Contract Research栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

受託研究

新規酒造好適米による清酒の品質評価
星

佳宏*

松本

健一 *

小坂

忠之*

Quality Evaluation of Sake using New Rice for Sake Brewing
Yoshihiro HOSHI，Kenichi MATSUMOTO and Tadayuki KOSAKA
農 業 試 験 場 で 育 成 し た 栃 木 酒 24 号 ，栃 木 酒 25 号 ，栃 木 酒 27 号 ，栃 木 酒 28 号 の 新 規 酒 造 好
適 米 4 系 統 の 試 験 醸 造 酒 に つ い て ，成 分 分 析 と 官 能 評 価 に よ り 保 存 中 に 経 時 的 に 品 質 評 価 を 行っ た 。そ の 結 果 ，新 規 酒 造 好 適 米 4 系 統 の 試 験 醸 造 酒 は 着 色 度 ，3-DG は 熟 成 と と も に 増 加 し たが ，吟 醸 香 成 分 等 の 香 気 成 分 は ほ ぼ 変 わ ら な か っ た 。官 能 評 価 に つ い て は ，熟 成 試 験 開 始 直 後 ，
常 温 保 存 区 3 カ 月 後 の 評 価 は 栃 木 酒 28 号 に よ る 試 験 醸 造 酒 の み 評 価 が 低 か っ た 。 常 温 保 存 区
７ カ 月 後 の 官 能 評 価 に つ い て は ，酒 質 ・熟 度 と も 栃 木 酒 27 号 ，栃 木 酒 28 号 に よ る 試 験 醸 造 酒の 評 価 が 栃 木 酒 24 号 ， 栃 木 酒 25 号 の 試 験 醸 造 酒 と 比 べ 低 か っ た 。
Key Words:新 規 酒 造 好 適 米 ， 3-DG， 熟 成 ， 官 能 評 価

はじめに

木酒 24 号による試験醸造酒を A 酒，栃木酒 25 号によ

近年，地産地消の流れから県産米を用いた酒造りが１

る試験醸造酒を B 酒，栃木酒 27 号による試験醸造酒を増加しており，栃木県オリジナル酒造好適米に対するC 酒，栃木酒 28 号による試験醸造酒を D 酒とする。

酒造企業の期待も年々高まっている。そのような状況

表１に試料清酒の一般成分を示す。

の中，平成 17 年に「とちぎ酒 14」が奨励（認定）品

表１

種に指定され，県内各地で栽培されるようになった。

試料清酒の一般成分

A酒

しかしながら，とちぎ酒 14 は栽培性を重視して育種・(栃木酒選抜されたため，現状の県内酒造企業の大吟醸酒の原

24 号)

料米は主に県外産品種に依存している。

B酒
(栃木
酒
25 号)

C酒

D酒

(栃木酒

(栃木酒

27 号)

28 号)

平成 25 年度に栃木県酒造組合と産業技術センター

酸度

1.8

1.8

1.8

1.7

とで実施した重点共同研究『新規酒造好適米による大

アミノ酸度

0.8

0.9

1.3

1.3

吟醸酒の開発』において，これまでに農業試験場にて

アルコール

17.2

17.3

17.1

17.3

育成試験した新規酒造好適米候補 4 系統（栃木酒 24（％）

号，栃木酒 25 号，栃木酒 27 号，栃木酒 28 号)につい

日本酒度

－1.4

－1.8

－2.8

－4.8

ての精米特性・醸造特性を評価した 1) 。

酢酸エチル

1.5

1.6

1.7

1.7

2.7

2.7

3.1

3.2

そこで，本研究では，最終的な新規好適米の系統選（ppm）

定に必要な市場流通時の品質担保のために重要な熟成

カプロン酸等に関するデータを得るために，新規酒造好適米候補

エチル

4 系統の試験醸造酒の品質評価を行った。

（ppm）

２

２．２

２．１

研究の方法

試料清酒

熟成試験

試料清酒を冷蔵保存区（5℃）と常温保存区（室温）農業試験場の圃場で栽培された平成 25 年産新品種に分け，暗所にて 2014 年 5 月から 12 月まで 7 カ月間

候補４系統の栃木酒 24 号，栃木酒 25 号，栃木酒 27

熟成保存し，経時的に成分分析，官能評価を行った。

号，栃木酒 28 号を県内酒造企業にて実地試験醸造した

２．３

精米歩合 50％の純米大吟醸酒 4 種を用いた。以下，栃*栃木県産業技術センター

成分分析

常温保存区の試験酒に対して，着色度 2) ，3-DG 3)-5) ，

食品技術部－ 61 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

0.04

香気成分を測定した。分析は国税庁所定分析法に準じ

（

た。
２．４

A酒

吸
A 光
B 度 0.02
S の
差

官能評価

5 月（熟成試験開始直後），8 月（保存 3 カ月後，初

B酒
C酒

）

呑切・交流会），9 月（保存 4 カ月後，栃木県清酒鑑評会），12 月（保存 7 カ月後）に県内酒造技術者・国0

税庁酒類鑑定官・当センター職員等により試料清酒について，きき酒により官能評価を行った。

D酒

0

2
4
6
保存期間（月）

5 月（熟成試験開始直後），8 月（保存 3 カ月後，初呑切・交流会）の官能評価では，順位法により官能評

図２

8

各清酒の 3-DG 増加量価を行った。常温保存区の試料清酒について，5 月は28 人，8 月は 60 人の県内酒造技術者・国税庁酒類鑑定

図３,図４に香気成分分析結果を示す。

官・当センター職員等により酒質を総合的に官能評価

吟醸香の成分（カプロン酸エチル，酢酸イソアミル）（1 位 4 点，2 位 3 点，3 位 2 点，4 位 1 点）し合計点

等の香気成分は保存中ほとんど変わらなかった。

で評価した。
平成 25 酒造年度県清酒鑑評会（保存 4 ヶ月後）の官

5.0

能評価では，純米吟醸酒が多く出品されている純米酒

県内酒造技術者と当センター職員により，酒質と熟度

カ 4.0
プ
p ロ 3.0ンp酸
m エ 2.0
チ
ル 1.0の 2 項目について 5 点法の平均点（酒質：優れるが 1，

0.0（の部に出品酒中に暗番法にて出品し，13 人の審査員により他の出品酒と同様に 3 点法（優れるが 1，劣るが 3）
により合計点で評価した。

劣るが 5，熟度：若いが 1，過熟が 5）で評価した。

３．１

B酒

）

冷蔵保存区と常温保存区の比較については，15 人の３

A酒結果及び考察

C酒
D酒

0

図３

新規酒造好適米候補による醸造試験酒の246
保存期間（月）8

カプロン酸エチルの経時変化

2.5

品質評価

（

酢 2.0
酸
p イ 1.5
p ソ
m ア 1.0
ミ
ル 0.5

常温保存区の新規酒造好適米候補 4 系統の醸造試験
酒について，経時的に着色度，3-DG，香気分析を行っ

A酒
B酒

）

た。
図１に着色度，図２に 3-DG，図３にカプロン酸エチ

C酒
D酒

0.0

ル,図４に酢酸イソアミルの分析結果を示す。

0

その結果，新規酒造好適米４系統の醸造試験酒とも

2

4

6

8

保存期間（月）着色度，３-DG は熟成とともに増加したが,吟醸香成分
等の香気成分はほぼ変わらなかった。

図４

酢酸イソアミルの経時変化

0.05
３．２ きき酒による官能評価（

A酒

吸 0.03A 光
B 度
S の
差 0.01B酒

３．２．１ ５月（熟成試験開始直後），８月（保存 3カ月後，初呑切・交流会時）における官能評価）

C酒

表２に官能評価官能評価結果を示す。

D酒

その結果，熟成試験開始直後の評価も保存 3 カ月後の評価も D 酒のみ低い評価となった。

‐0.01
図１

0

2

4

6

8

保存期間（月）
各清酒の着色度増加量－ 62 －

栃木県産業技術センター

表２

5 月，8 月（初呑切・交流会）における官能評

研究報告

No.12（2015）

熟度については冷蔵保存区，常温保存区共に C 酒，D

価結果酒の評価が A 酒，B 酒と比べ悪かった。

試料名

8月

その結果，A 酒は酒質の変化が小さいこと，C 酒と D

（初呑切・交流会）

酒は 4 系統の中では熟成が進みやすい可能性が示唆さ

5月

れた。

A酒

77

177

B酒

87

164

表４

C酒

77

138

試料清酒名

冷蔵保存

常温保存

D酒

40

121

A酒

２．１

２．２

B酒

２．２

２．５

３．２．２ 平成２５酒造年度県清酒鑑評会（熟成４カ

C酒

２．４

３．１

月後）における官能評価

D酒

２．７

３．２

官能評価（酒質）結果

表３に平成 25 酒造年度県清酒鑑評会における官能表５

評価を示す。この結果，純米酒の部では D 酒が最も劣る評価であった。

官能評価（熟度）結果

試料清酒名

冷蔵保存

常温保存

また，短評では官能評価では甘みやダレに関する指

A酒

２．０

２．８

摘が多かった。これは常温保存区のサンプルであった

B酒

２．２

２．９

ため，冷蔵保存していると考えられる他の出品酒と比

C酒

２．７

３．４

べて，酒質が熟していたためと考えられる。

D酒

３．０

３．１

表３ 平成 25 酒造年度県清酒鑑評会における官能評価

４（純米酒の部）
試料清酒名

点数

農業試験場で育成した栃木酒 24 号，栃木酒 25 号，
短評

栃木酒 27 号，栃木酒 28 号の新規酒造好適米 4 系統に（3 点

よる醸造試験酒について，成分分析と官能評価により

法）
A酒

B酒

２６

２５

保存中に経時的に品質評価を行った。
甘，バランス良い，旨み，カ

成分分析については，常温保存の新規酒造好適米候

プダレ，カプ老，ダレ，苦，補 4 系統の醸造試験酒について，着色度，3-DG，香気甘重分析を行った。

甘み，旨み，ハリ，キレイ，
カプダレ，甘ダレ

C酒
D酒

２４

２９

おわりに

今 後 は 本 結 果 を 参 考 と し ,栃 木 県 酒 造 組 合 に お いて品種選抜を行うことになる。

甘，ソフト，味良し，バラン
ス良し，甘ダレ，カプ老，重参考文献

キレイ，甘ダレ，重，カプ老，1) 星ら：平成 25 年度栃木県産業技術センター研究報

粕臭告，11，12-14(2014)2) 注解編集委員会編： “第四回改正国税庁所定分析法

３．２．３ 冷蔵保存区と常温保存区の比較

注解 ” 財団法人

表 4，表 5 に保存試験７カ月後に行った冷蔵保存区

日本醸造協会,p28(1993)

3) 岩野ら：日本醸造協会誌,65 巻(1),p.59-62と常温保存区の比較による官能評価結果を示す。

4) 岩野ら： 日本醸造協会誌,65 巻(1),p.63-65

これらの官能評価の結果，酒質については冷蔵保存

5) 岩野ら： 日本醸造協会誌,74 巻(2),p.141-145

区では D 酒の評価のみ低く，常温保存区では，C 酒，D酒の評価が A 酒，B 酒と比べ低かった。

－ 63 －(2003)

Ⅳ 重点研究

Selected Research栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

重点研究

光計測技術を応用したひずみ計測システムの開発（第１報）
清水

暁*

植竹

大輔*

Development of a Strain Measuring System applying Optical Method (1st Report)
Akira SHIMIZU and Daisuke UETAKEFBGセンサを用いたひずみ計測システムの開発に向け，レーザー光源の試作ならびに検出系の検討を行った。中心波長1030nm，帯域15nmの光源を試作し，FBGセンサからの出力を確認した。
Key Words : FBG， フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー ， ANDiレ ー ザ ー ， 動 ひ ず み 計 測

１

はじめに

反 射 さ せ る こ と が で き る 。 FBG へ の ひ ず み が 変

近年，トンネル，橋梁，プラント等の安全性を確化 す る と ， ブ ラ ッ グ 波 長 が 変 化 す る た め ， FBG

保するため，その構造体のひずみ（静）を監視するに広帯域光を入射した場合，ブラッグ波長を含手法が用いられている。その設置環境から電気抵抗

む狭帯域光が反射される。この性質をセンサと式ひずみゲージの使用は難しいため，静ひずみの監

し て 利 用 す る こ と で ， FBG に 加 わ る ひ ず み や 振視用センサとして，耐熱性，耐久性，耐電磁ノイズ動を検出することができる。

性，信号線の長距離性に優れる光ファイバセンサの

レ ー ザ ー 光 は ，サ ー キ ュ レ ー タ を 介 し て ，F B G

一 つ で あ る FBG（ Fiber Bragg Grating） セ ン サ が 利

センサへ入射される。サーキュレータは図 2 に用されている。

示すように 3 ポートを有しており，サーキュレ

FBG セ ン サ は ， レ ー ザ ー 光 の ブ ラ ッ グ 反 射 を 利 用

ータのポート 1 に入射した光はポート 2 へ出射して，光ファイバー中に周期的に屈折率の異なる回

し，ポート 2 に入射した光はポート 3 に出射す

折格子を形成した構造であるため，容易に構造体にる 。 ポ ー ト 2 に FBG を 接 続 す る こ と で ， FBG か

埋め込むことができる。この利点に着目し，航空宇らの反射光をポート 3 から取り出すことができ

宙 分 野 等 に お い て ，CFRP 構 造 体 の 中 に FBG セ ン サ をる。

埋 め 込 み ，航 空 機 や ロ ケ ッ ト 等 の ひ ず み（ 動 ひ ず み ）をリアルタイムに計測し，その構造体に作用する振動 ・ 衝 撃 等 を 計 測 す る こ と が 検 討 さ れ て い る 1)。
動ひずみの計測のためには，ひずみの変化を高速
図１に検出することが必要とされるが，従来の静ひずみ

FBG セ ン サ

計測は，レーザー光の強度変化を光スペクトラムア
ナライザ等で計測する手法であり，高速な振動現象を計測することが困難であった。
本 研 究 で は ， FBG セ ン サ の 出 力 を フ ォ ト ダ イ オ ード等で検出することで，動ひずみを計測するためのシステム開発を行うことを目標とし，レーザー光源の試作ならびに検出系の検討を行ったので報告する。
１ ． １ FBG セ ン サ
図２

FBG と は ， 図 1 に 示 す よ う に ， 光 フ ァ イ バ ー

サーキュレータのコア内に周期的なグレーティングを形成したファイバー型のデバイスであり，グレーティン

１．２ ファイバーレーザー
フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー は 小 型 軽 量 ，高 効 率 ，高 安 定 ，グの周期によるブラッグ反射条件を満たす光を長距離伝送可能等の特徴があり，加工分野を中心に* 栃木県産業技術センター

機械電子技術部－ 65 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

普及し始めている。それに伴い，光学部品やレーザ

２ー光源の低価格化が進んでいるため，ファイバーレ

２．１ 光源の開発

研究の方法

ーザーを光源として用いることで，ひずみ計測シス

ANDi レ ー ザ ー 光 源 に よ る ひ ず み 計 測 シ ス テ ム の

テ ム の コ ス ト を 抑 え る こ と が で き る 。し か し な が ら ，

概 要 を 図 3 に 示 す 。 図 3 の PBS( P o l a r i z i n g B e a m

一 般 的 な フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー で は ，帯 域 が 狭 い た め ，

S p l i t t e r ) よ り 左 側 が ANDi レ ー ザ ー 光 源 ， 右 側 がセンサの光源として使用することができない。そのFBG セ ン サ 部 で あ る 。

た め 本 研 究 で は ，FBG セ ン サ 用 の 光 源 と し て ， レ ー

中 心 波 長 976nm の レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド (LD)か ら のザーを短パルス化することで，レーザー光源の広帯

光 が Yb フ ァ イ バ ー を 通 過 す る 際 に ， 1030nm の 光 が

域 化 が 可 能 な ， 正 常 分 散 モ ー ド 同 期 レ ー ザ ー (All生 成 さ れ る 。 Yb フ ァ イ バ ー で 生 成 し た 1030nm の 光

Nomal Dispersion Laser:ANDi レ ー ザ ー )に つ い て 検を 増 幅 す る た め に WDM と ア イ ソ レ ー タ に よ り 単 方討した。

向のリングキャビティを構成した。

モード同期法は，短パルスを発生させるために用戻 り 光 に よ る LD の 損 傷 を 防 ぐ た め に ， LD は ポ ン

いられる手法である。利得媒質を含む共振器の長さ

プ プ ロ テ ク タ を 介 し て WDM に 接 続 し た 。Yb フ ァ イ バ

を L， 光 速 を C と し た 時 ， 共 振 器 の 中 で 多 く の 縦 モーを通過したレーザー光は，ファイバー型コリメーードで発振しているとすると，隣り合う縦モード角タ ー で 平 行 光 に し ， 空 間 に 放 出 す る 。 1/4 波 長 板 ，

周波数Δωは，

1/2 波 長 板 ，PBS， バ ン ド パ ス フ ィ ル タ ， ア イ ソ レ(1)

ー タ ， 1/4 波 長 板 の 順 番 で 通 過 さ せ ， 再 び コ リ メ ーと表すことができる。N 本の縦モードで発振していターによりファイバー中に結合する。ここで，バンる場合の電界は以下の式で表すことができる。

ドパスフィルタは自己位相変調により広がるスペクΔ ω = π c/L(2)

トルをカットし，振幅変調を起こす役割を果たして

全 て の 位 相 が 揃 う 場 合 (φ n = 0)を 考 え る と ， モ ー ド

い る 。 ま た ， 1/4 波 長 板 (QWP)と 1/2 波 長 板 (HWP)にロック時のレーザー強度は，

よ り ， パ ル ス の 高 強 度 部 分 の み が PBS を 通 過 で き る

E(t)=Σ E n exp(j(ω 0 +nΔ ω )t + φ n )

2

2

(3)

ように設定した。これにより，ファイバー中で広がと 表 す こ と が で き る 。 こ の 式 は ， 時 間 T = 2π /Δ ω

っ た パ ル ス を PBS に お い て 再 び 圧 縮 す る こ と が で き毎に最大値をとるパルス列を表している。

る。

I(t) = I 0 sin {NΔ ω t/2}/sin {Δ ω t/2}

パルスを維持するためには，位相を揃える必要が光 学 系 を 調 整 す る た め に ，1/2波 長 板 ，1/4波 長 板 ，あるが，ファイバー中をパルスが伝播する間に，波バンドパスフィルタを設置しない状態でリングキャ

長毎に位相がずれ，パルスの幅は広がっていく。こビ テ ィ の 調 整 を 行 い ，共 振 を 確 認 し た 後 ，1/2波 長 板 ，れを補償するために共振器内にチャープミラー，回

1/4波 長 板 ，バ ン ド パ ス フ ィ ル タ を 設 置 し ，波 長 板 の折 格 子 ，プ リ ズ ム 対 等 が 用 い ら れ る 2 ) が ，こ れ ら は ，調 整 を 行 う こ と で ，レ ー ザ ー を モ ー ド 同 期 状 態 に し ，小型化が難しい，損失が大きい，外乱に弱い等の問

短パルスの発生を試みた。

題 が あ る 。ANDi レ ー ザ ー は ，偏 向 子 と ス ペ ク ト ル フィルタ等で構成できるため，小型化，安定性の面で優れている。
本 研 究 で 試 作 し た ANDi レ ー ザ ー は ，パ ル ス 幅 を 補償するために，光ファイバーの非線形効果を利用している。ファイバー中を強度の強い光が伝搬すると
図３

自己位相変調と相互位相変調によりパルス強度に依ひ ず み 計 測 シ ス テ ム 概要図

存 し て 位 相 が 変 化 し ，偏 波 が 回 転（ 非 線 形 偏 波 回 転 ）する。この効果により，レーザーがファイバー中を

２．２ 検出回路

伝播する間に偏光は強度に依存して回転するため，

FBG セ ン サ か ら の 反 射 光 は ， サ ー キ ュ レ ー タ を 通

パルス中心における偏光の回転はパルス両端に比べ過 後 ， 検 出 系 へ 入 射 す る 。 振 動 に よ る FBG セ ン サ のて 大 き く な る 。 偏 向 子 と PBS を 用 い ， 強 度 の 強 い パ

ブ ラ ッ グ 波 長 の 変 化 を と ら え る た め に ，本 研 究 で は ，ルス中心の偏光のみを通過させることで，パルス整

図 4 に示すように，ブラッグ波長の変化を光学フィ

形を行うことが可能となる。

ルタにより光強度の変化に変換した後に，フォトダ
イオードで検出する。フォトダイオードの出力を－ 66 －

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研究報告No.12（2015）

I-V 変 換 回 路 に よ り 電 圧 に 変 換 し ， 増 幅 回 路 に よ り
電 圧 増 幅 を 行 う 。 本 年 度 は ， FBG か ら の 反 射 光 を 測
定 す る た め ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド と I-V 変 換 回 路 に つ

QWP

HWP

いて検討を行った。

BPF
図４
３

検 出 系 概要図

QWP

ISO

結果および考察
図５

３．１ レーザー光源の試作およびその特性試作したファイバーレーザー光源

図 5に 試 作 し た フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 光 源 の 外 観 を
示す。

LD出力

ANDiレ ー ザ ー の 出 力 特 性 を 示 す 。 出 力 特 性 は ， レ ーザーダイオードの電流を変化させたときのレーザーの 出 力 を パ ワ ー メ ー タ で 測 定 し た 。図 6の LD単 体 の 出
力 特 性 は ， WDMに 融 着 す る 前 の パ ワ ー を 測 定 し ， 図 7

LD Power [mW]

ま た 、 図 6に LD単 体 の 出 力 特 性 を ， 図 7に 試 作 し たの フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の 出 力 特 性 は ， QWP， HWPを 調

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

50

100
LD Current [mA]

整しモード同期状態になることを確認した後，レー
図６

ザ ー ダ イ オ ー ド の 電 流 値 を 0mAか ら 500mAま で 変 化 さ

150

200

レーザーダイオード出力特性

せ ， PBSを 透 過 し た レ ー ザ ー 光 の パ ワ ー を 測 定 し た 。
LD単 体 の 場 合 の 発 振 し き い 値 は ， 直 線 近 似 か ら

レーザー出力特性
100

ー レ ー ザ ー の 場 合 LD電 流 が 280mAま で は レ ー ザ ー 出80

力 は 単 調 に 増 加 す る が 300mAで 不 連 続 な 変 化 を 示 す 。
次 に 高 速 デ ィ テ ク タ を 用 い ，オ シ ロ ス コ ー プ で PBS

Power [mW]

37.3mA，ス ロ ー ブ 効 率 は 0.58W/Aで あ っ た 。フ ァ イ バの か ら の 透 過 光 の 波 形 を 観 測 し た 。 LD電 流 が 300mA

CW

60
40

Mode

20
0

の 時 の パ ル ス 波 形 を 図 8に 示 す 。 LD電 流 を 0mAか ら

0

100

200
300
LD Current [mA]

500mAま で 変 化 さ せ な が ら ，透 過 光 の 波 形 を 観 測 し た
図７と こ ろ ， 280mAか ら 300mAで ， 不 安 定 な パ ル ス の 生 成

400

500

ファイバーレーザー出力特性が 始 ま り ，300mA以 上 の 領 域 で モ ー ド ロ ッ ク に よ る 安
定 し た パ ル ス が 生 成 さ れ ，480mAを 超 え る と パ ル ス 生

ファイバーレーザ出力波形成が不安定になることがわかった。安定したパルス

3.5E‐02
3.0E‐02は 30.3nsで あ り ， 33MHzで動 作 していることがわかる。
フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の ス ペ ク ト ル を 図 9に 示 す 。ス
ペ ク ト ル は ，1030nmを 中 心 に 15nm程 度 の 帯 域 を 持 つ 。

Intensity [a.u]が 得 ら れ る 最 大 出 力 は 87.4mWと な っ た 。 パ ル ス 周 期

2.5E‐022.0E‐02
1.5E‐02
1.0E‐02

LD電 流 が 480mAの 時 ，レ ー ザ ー の 出 力 は 87.4mWで あ る

5.0E‐03

こ と か ら 1パ ル ス あ た り の エ ネ ル ギ ー は 最 大 で 2.6nJ

0.0E+00-5.0E-08と見積もることができる。
図８－ 67 －-2.5E-08

0.0E+00
Time [sec]2.5E-08

5.0E-08

ファイバーレーザー時間波形

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研究報告No.12（2015）

回路を試作した。電圧に変換した後，反転増幅

ファイバーレーザースペクトル

回 路 に よ り 10倍 に 電 圧 増 幅 し た 。

Intensity [a.u]

3500
3000

FBGセ ン サ か ら の 出 力 (2.4mW)を 検 出 回 路 に 入

2500

力 し た と こ ろ ， 50mVの 電 圧 出 力 が 得 ら れ る こ と2000

が わ か っ た 。 ピ ー ク 部 分 (0.6mW)に 換 算 す る と ，

1500

12.5mV程 度 の 出 力 が 得 ら れ る こ と に な る 。 こ の

1000
1020

図９

こ と か ら ，後 段 の 増 幅 は 少 な く と も 1 0 0 倍 程 度 に
1025

1030

1035

1040

設定する必要があることがわかった。

波長 [nm]

今 回 使 用 し た フ ォ ト ダ イ オ ー ド KPDE086S(京ファイバーレーザースペクトル

セ ミ ㈱ ) は ，1 0 3 0 n m で 受 光 感 度 が 0 . 6 A / W 程 度 で あるため，フォトダイオードに入射するレーザーの パ ワ ー が 2 . 4 m W の 場 合 ，お よ そ 1 . 4 4 m A の 電 流 が

３ ． ２ FBGセ ン サ 出 力
試作したレーザー光源にサーキュレータと流れる。回路シミュレータにより，出力電圧を

F B G を 接 続 し ，F B G か ら の 反 射 光 の 計 測 を 行 っ た 。

計 算 し た と こ ろ 150mVの 出 力 が 得 ら れ る は ず で

図 2の ポ ー ト 1か ら の 戻 り 光 に よ り ， レ ー ザ ー 光

あ る が ，実 際 に は 1 / 3 程 度 の 出 力 し か 得 ら れ な か

源のパルスが乱れる現象が確認されたため，サった。これは，レーザー光源の繰り返し周波数ーキュレータの前段にアイソレータを挿入した。

が 3 3 M H z で あ る の に 対 し ，フ ォ ト ダ イ オ ー ド の 帯

図 10に FBGセ ン サ か ら の 反 射 光 の ス ペ ク ト ル

域 が 3 0 M H z で あ る こ と が 原 因 と 考 え ら れ る 。今 後を 示 す 。 反 射 光 の 波 長 は 1034.97nm， 半 値 幅 はは，さらに広帯域のフォトダイオードを使用す

0.61nmで あ っ た 。

るとともに，検出回路の素子定数の最適化を行

ま た ， レ ー ザ ー 光 源 か ら の パ ワ ー を 50mWに 設う必要がある。
４

定した場合，コリメータレンズを介して，サー

おわりにキ ュ レ ー タ に 入 射 す る レ ー ザ ー の パ ワ ー は 23mW

FBG セ ン サ を 用 い た ひ ず み ・ 振 動 計 測 シ ス テ

で あ り ， FBGに 入 射 さ れ る レ ー ザ ー の パ ワ ー はムを構築するため，レーザー光源ならびに検出

7 . 0 m W ，サ ー キ ュ レ ー タ か ら 出 力 さ れ る レ ー ザ ー

回 路 を 試 作 し ， FBG セ ン サ か ら の 出 力 を 確 認 しの パ ワ ー は ， 2.4mWで あ っ た 。

た 。レ ー ザ ー 光 源 は ，中 心 波 長 1 0 3 0 n m ，帯 域 1 5 n m ，
繰 り 返 し 周 波 数 3 3 M H z ，最 大 出 力 8 7 . 4 m W の 性 能

FBGからの反射スペクトルで あ っ た 。 ま た ， FBG セ ン サ か ら の 出 力 は ， 中

7.0E-06
Intensity (a.u)

6.0E-06

心 波 長 1 0 3 4 . 9 7 n m ，半 値 幅 0 . 6 1 n m で あ り ，2 . 4 m W

5.0E-06の 出 力 に 対 し て IV 変 換 回 路 で 検 出 し た と こ ろ

4.0E-06
3.0E-06

50mV 程 度 の 出 力 が 得 ら れ る こ と が わ か っ た 。

2.0E-06
1.0E-06
0.0E+00
1020

今 後 は ，検 出 回 路 の 最 適 化 等 を 行 う と と も に ，
1025

1030

1035

1040

波長 [nm]

図１０

本研究で作製したシステムを振動測定に適用し，複数個所の振動を同時に測定するシステムを開FBGセ ン サ ス ペ ク ト ル

発する。

図 1 0 か ら わ か る よ う に ，F B G か ら の 反 射 ス ペ ク

謝辞ト ル に は ，1 0 3 4 . 9 7 n m の ピ ー ク 以 外 に 1 0 2 0 n m ま で本研究を実施するにあたって貴重なアドバイスの波長のスペクトルが含まれている。この部分をいただいた宇都宮大学工学研究科学際先端シスをバックグラウンドとして除去すると，ピーク

テム学専攻 東口 武史准教授に深く感謝申し上げ

部 分 の パ ワ ー は ， お よ そ 0.6mWと な る 。

ます。

次 に FBGセ ン サ か ら の 出 力 を 検 出 す る た め の
回 路 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。F B G セ ン サ か ら の 出

参考文献

力 を InGaAsフ ォ ト ダ イ オ ー ド で 受 信 し ， フ ォ ト1) 中 島 富 男 ， 荒 川 敬 弘 ： ” F B G セ ン サ に よ る 高

ダイオードからの電流を電圧に変換するための

速 動 ひ ず み 計 測 技 術 に つ い て ” ,IIC
R e v i e w ,No.38,pp.37-44(2007)－ 68 －

栃木県産業技術センター

2 ) J .R .B u c k l e y ， F . W . W i s e “ F e m t os e c o n d f i b e r

研究報告

V o l . 3 0 ， N o . 1 4 ， p p 1 8 8 8 - 1 8 9 0 ， ( 2 0 05 )lasers with pulse energies above 10nJ” ，
OP TI C S L E T T E R S ，－ 69 －

No.12（2015）

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

重点研究

水熱処理による重金属フリー無機顔料の合成(第２報)
金田 健＊

加藤 栄＊

Synthesis of Heavy-metal-free Inorganic Pigment by Hydrothermal Treatment (2nd Report)
Takeshi KANEDA and Sakae KATO
水熱処理による環境負荷の小さな無機顔料の作製法の実現を目指し，ウルトラマリンと同様の硫黄含有アルミノケイ酸塩系顔料の多色化について検討を行った。種々のハロゲン元素を添加しての水熱合
成・加熱処理を行い色の変化を観察した。ヨウ化ナトリウムを加えた系から橙黄色を持つ顔料が得られ，その色調を分光測色結果から L*a*b*表色系における b*の値で評価した。ヨウ化ナトリウム量，加熱温度を検討した結果，L*:86.4, a*:1.89, b*:15.4 を持つ試料が得られた。
Key words:

１

無機顔料，ウルトラマリン，ゼオライト，水熱合成

はじめにウルトラマリンに類似したイオウ含有アルミノケイ酸

無機顔料は，有機顔料に比べ耐候性，耐熱性に優れ塩系顔料を排出ガスのない水熱法を用いることで作製ることから耐久性が必要な屋外用の塗料・インクなどできることを示した。水熱合成は，硫黄以外の元素をの色材として広く利用されている。しかし，カドミウ

均一に導入することが可能で，ソーダライト格子中のムを含むカドミウムイエロー，水銀を含むバーミリオ

硫黄原子と添加元素の相互作用が期待できる。本研究

ンのほか有害重金属を含んでいるにもかかわらず，良では前報に続き，水熱法による硫黄含有アルミノケイ

質な代替品がないことから現在も利用されているもの

酸塩系顔料作製法を検討し，ハロゲン元素の添加によも多い。青色の無機顔料であるウルトラマリンの一般

る青以外の色調を持つ無機顔料の作製を目的とする。

組成は Na6Al6 Si6O24 ・Na2Sx(5>x>1)で表され，ソーダラ
イト構造のβケージ(ソーダライトケージ)に入った硫黄化合物が発色団となっている

1)

２。ウルトラマリンは研究の方法

原料のゼオライト A は東ソー株式会社「ゼオラム A-4」

他の顔料に比べ有害金属を含まない点で優れているもを用いた。製造に用いた過剰の水酸化ナトリウムが付のの合成ウルトラマリンはカオリナイトなどの粘土鉱

着している可能性があり，蒸留水１L に 10g のゼオライ

物に硫黄，炭酸ナトリウムなどを混合し，焼成する固ト A を加え，吸引ろ過を行うことで洗浄した。ろ過後，体加熱反応により得られ，高温と長時間をかけて工業

40℃の乾燥機で乾燥させ用いた。

2)。合成ウルトラマリンは，さら所定量の硫化ナトリウム九水和物をフッ素樹脂製容に塩化アンモニウムを添加して約 250℃に加熱するこ器にはかりとり，少量の蒸留水を加え加温溶解後，さとでウルトラマリン・バイオレット，塩化アンモニウ

らに蒸留水を加え，50ml の硫化ナトリウム水溶液を調

ム，硝酸アンモニウムを加えて約 200℃で数時間加熱す製した。1.0g のゼオライト A，必要量のハロゲン化ナることで，ウルトラマリン・レッドを作製することがトリウムをフッ素製密閉容器に入れ，そこに硫化ナト

的に合成されている

できる3)。ウルトラマリンは青色ウルトラマリンの発リウム水溶液を 10ml 加え，軽くかくはんし，所定温度--で所定時間水熱合成を行った。ハロゲン化ナトリウム-については，ゼオライト A(Na 12[Al12Si12O48])からソーダ

色団は S3 ，紫色，赤色のウルトラマリンは S3 のほかに赤色の S4 分子が存在していること，黄色の S2 を含むこ
4)

。ウルトラマリラ イ ト (Na8[Al6Si6O24]Cl2)を 合 成 す る の に 要 す る ハ ロ

ンにはこのようにソーダライトケージの中に含む硫黄ゲンの理論等量を 1.0 として，量論比 0～1.0 について

化合物の酸化数を変化させることで多色化を実現して合成を行った。

とで緑色になることが知られている

5)では，ソーダライトと同様にソーダライ

水熱合成で得られた前駆体約 0.1g を電気炉で加熱しトケージを構成単位として持つゼオライト A などから，た。加熱の条件は 10℃/min で所定温度まで加熱し， 10*分間保持した。

いる。前報

栃木県産業技術センター

材料技術部－ 70 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

試料の結晶構造は粉末 X 線回折法(XRD) (理学電機，

では 1000℃の加熱が必要であり，いずれの試料もそれよ

RINT-2550H)により調べた。生成物の色は積分球ユニッ

り低い温度では青色を示す傾向が見られた。加熱温度

トを設置した分光光度計(日本分光株式会社，V-670)を1000℃において b*は量論比 0.5 前後で最大になり，適切用い，試料を微量粉末セルに詰めて反射光を測定した。

なヨウ素/硫黄比があることを示唆している。b*は量論

発色の程度を L*a*b*表色系での b*の値で評価した。+b*

比 0.6，1000℃で加熱した試料で最大になり，このときは黄色方向，-b*は青色方向を表し，絶対値が大きいほL*:86.4, a*:1.89, b*:15.4 であった。

ど色鮮やかであることを表す。
NaF
NaCl
NaBr
NaI

10

３

結果及び考察0b*

図１に得られた前駆体試料の XRD パターンを示す。どの試料もソーダライト構造を示しており，ハロゲン元素-10を添加して合成してもソーダライト構造に変化することがわかる。前駆体の色はどの試料も白色であったが，-20

900℃に加熱した試料から，青色に変化した試料と黄色に変化した試料が得られた。生成物の b*を図２に示し00.2

た。フッ化ナトリウムを添加した試料はその添加量によ

図２

0.4

0.6

0.8

1

量論比

らず青色で，b*もほぼ横ばいであり，フッ素イオンがソーダライトに取り込まれていないことがうかがえる。塩

各ハロゲン元素の量論比と b*の関係(加熱温度：900℃)
1100℃
1000℃
900℃
700℃

20

化ナトリウム，臭化ナトリウムの場合，添加量が増える

10と b*は 0，つまり白色に近づいた。ソーダライトケージb*

中に塩化物イオン，臭化物イオンの占める割合が増加
し，青色の発色団である S3 - が生成しにくくなったと考0-10えられる。一方，ヨウ化ナトリウム加えた系では，添加量が増えるとともに b*が増加し白色に近づいたものの，-20

量論比 1.0 添加した試料は b*が 10 と黄みを帯び0ていた。そこで，ヨウ化ナトリウムの添加量，加熱温度

1
量論比

2

図３ 各加熱温度におけるヨウ化ナトリウムの量論比と b*の関係について更に検討を行った。ヨウ化ナトリウム添加量を
量論比 0～2.0，加熱温度を 700～1100℃として実験を行った結果を図３に示す。試料が黄色(b*が正の値)を示す

４には量論比 1.0 以上では 900℃以上，量論比 1.0 未満

おわりに

青以外の色調を持つ硫黄含有アルミノケイ酸塩系顔料の作製に取り組み，ヨウ化ナトリウムを添加した系か(a) NaF

ら橙黄色を持つ顔料を得ることに成功した。市販品のような顔料としての色調には足りないものの，新規顔料作

Intensity / a.u.

(b) NaCl

製法としての可能性を見いだすことができた。
参考文献(c) NaBr

1) "ゼオライトの科学と工学" 小野嘉夫，八嶋建明 編，
講談社サイエンティフィク，(2000)(d) NaI
10

20
30
Diffraction angle, 2theta / degree2) 石田ら，窯業協会誌，90，234 (1982)
3) 石田ら，窯業協会誌，92，10 (1984)

404) A. Sidike et al., Phys. Chem. Minerals, 34 477(2007)

図１ ハロゲン元素を添加し合成した試料の XRD パターン(量論比：1.0) (a)NaF, (b)NaCl, (c)NaBr, (d)NaI

5) 金田ら，栃木県産業技術センター研究報告，No.11－ 71 －(2014)

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

重点研究

米味噌の抗酸化能を高める製造方法に関する研究
桐原

広成 *

久 美子 *

古口

松本

健一 ＊

Study on Manufacturing Technology of Rice Miso
for Increase of Antioxidant Capacities
Hironari KIRIHARA ，Kumiko KOGUCHI and Kenichi MATSUMOTO
味 噌 製 造 工 程 に つ い て ， ORAC 法 に よ り 抗 酸 化 能 評 価 を 行 っ た 。 そ の 結 果 ， 大 豆 散 麹の添加，長期熟成及び耐塩性乳酸菌の添加が髙抗酸化能の要因であることを見出した，
ﾎﾟﾘﾌｪﾉｰﾙ含 量 が 高 い 大 豆 散 麹 を 添 加 す る こ と に よ り 抗 酸 化 能 が 増 加 し た 。米 麹 ，大 豆 散
麹 及 び 食 塩 の み を 原 料 と し た 味 噌 小 仕 込 み 試 験 は ，耐 塩 性 乳 酸 菌 の み を 添 加 し た 熟 成 2
ヶ月の味噌が最も抗酸化能が高かった。
Key Words : ORAC 法 ， 味 噌 ， 抗 酸 化 性 ， 機 能 性 評 価

１

DPPH 法の抽出は松尾 4) らの方法を基に 80%ｴﾀﾉｰﾙにはじめにより抽出し，須田 5) の測定法に準じた。

味噌は古くから健康に良いことが知られており，健康に良い食品として日常的に食されている。その健康

２．２

効果の理由の１つとして，抗酸化物質が挙げられてお1)

蒸大豆と大豆散麹

大豆散麹の製麹条件や蒸大豆の抗酸化能は，大豆をを洗浄，２時間浸漬，２時間水切後、高圧釜により行い，大豆散麹を添加した製造方法により，それぞれ0.7Mpa，45 分間蒸熟し測定に供した。大豆散麹は蒸大

抗酸化能を高めることを見出した。

豆 100 に対して，ﾋﾞｰﾝﾌﾗﾜｰ 10，種麹１の割合で混合し，り，これまで我々は味噌の抗酸化能に関する研究

しかし、試作味噌の抗酸化能は ORAC 法による測定の結果，約 270μmolTE/g であったが, 中村ら報告

2)

ガラスシャーレに入れて恒温恒湿庫で製麹し分析試料

によ

とした。

ると 豆味噌の抗酸化能は 300～400μmolTE/g であり

２．３

発酵菌の抗酸化能

豆味噌の抗酸化能には及んでいない。さらに，発酵菌

米味噌は仕込み時に，発酵菌(耐塩性酵母または耐塩(耐塩性酵母及び耐塩性乳酸菌)による味噌の抗酸化能性乳酸菌)を添加することがあり，培養液上清を抗酸化への影響は不明であった。

能測定の試料とした。耐塩性酵母は，培養液としてｸﾞ

そこで，本研究では ORAC 法を指標として味噌の製造

ﾙｺｰｽ，生揚醤油，食塩，酵母ｴｷｽ及びﾘﾝ酸 2 ｶﾘｳﾑ(pH5.3)

工程における抗酸化能の変化の把握と更なる抗酸化能を使用し振とう培養した。耐塩性乳酸菌は，培養液との増加を目的として研究を行い，米みその機能性向上

してｸﾞﾙｺｰｽ，生揚醤油，食塩，酵母ｴｷｽ，ﾘﾝ酸 2 ｶﾘｳﾑ，を目指した。

炭酸ｶﾙｼｳﾑ(pH7.0)を使用し静置培養した。いずれも無菌的に培養液を採取し遠心分離(8,000rpm)後，抗酸化
２

２．１

研究の方法

能測定試料とした。

抗酸化能測定２．４
3)

味噌仕込と熟成の方法を参照し，蛍光8 歩麹の米味噌とし，対水食塩濃度 21％とした昨年

プレートリーダー(InfiniteF200，TECAN 社製)を用い

度 1) の仕込味噌の熟成期間を延長してサンプルを採取た。H-ORAC(水溶性)の成分抽出には AWA 溶液(アセトン

した。

ORAC 法による測定は渡辺ら：70，超純水：29.5，酢酸：0.5 の混合液)，L-ORAC(脂また，米麹，大豆麹，食塩を原料とし，２種類の大溶性)にはアセトンおよび RM 溶液(アセトン：50，超純

豆麹，かつ，耐塩性酵母のみの添加，耐塩性乳酸菌の

水：43，メチル-β シクロデキストリン：7 の混合液)

みの添加及び無添加とした合計６試験区を設定し，原を用いた。

料混合時，熟成 30℃１ヶ月及び熟成 30℃２ヶ月でサン* 栃木県産業技術センター

食品技術部

プルを採取した。

－ 72 －

栃木県産業技術センター

２．５

研究報告

No.12（2015）

味噌分析方法総ﾎﾟﾘﾌｪﾉｰﾙ量は同様に抽出し，沖 6) の方法により測定した。ｲｿﾌﾗﾎﾞﾝは，菊地 7) ら方法により前処理し江崎
8)らに従い ， 内標準を添加しｲｿｸﾗﾁｨｯｸ HPLC 法で定量分析した。ｲｿﾌﾗﾎﾞﾝ以外の抗酸化成分は，HIROTA 9) らの方法に準じ前処理し，ｲｿｸﾗﾁｨｯｸ HPLC 法で定量分析した。

図１

種麹の違いによる大豆散麹(３日麹)の抗酸化能

βｸﾞﾙｺｼﾀﾞｰｾﾞは池田 10) らの方法により測定した。
２．６
山崎

小仕込み味噌の過酸化物価に対する効果
11)

らの報告を参考に，生サンマ魚肉をミンチにしてガーゼで包み，ガーゼの外側を生サンマ魚肉と等量の小仕込み味噌で覆い，30℃または-20℃下で保存した。
使用した味噌は，熟成期間 48 週間の味噌のうち，大図２

豆散麹を 20%添加した味噌と添加しない味噌を使用した。

m gTE/100g

対照区には味噌を用いずに，使用する小仕込み味噌の食塩量を生サンマ魚肉に添加した。生サンマ魚肉からｼﾞｴﾁﾙｴｰﾃﾙにより油脂を抽出し，以下，食品衛生検査
指針 12) の過酸化物価(ｸﾛﾛﾎﾙﾑ法)により測定した。
２．７

種麹の違いによる大豆散麹(５日麹)の抗酸化能

1
30℃製麹

0.5

40℃製麹

0
１日目２日目３日目

統計分析

湿度90～95%：2日目のみ有意差あり

結果は，Tukey の方法に基づく多重比較により行い，
図３

危険率 5%未満の場合を有意差ありとした。

３．１

結果及び考察m gTE/100g

３

大豆散麹の製麹条件検討

大豆散麹製麹における抗酸化能を高める条件を探すため，種麹の種類と温湿度条件を検討した。抗酸化能

温度の違いによる大豆散麹の抗酸化能

0.990～95%

0.8

85～90%

0.7
0.6
１日目 ２日目 ３日目

測定は DPPH 法とし，種麹には市販種麹３種類(米みそ

期間(温度35℃)：有意差なし

用，豆みそ用及び清酒酛立用)を使用した。種麹の検討
は温度 35℃，湿度 90～95%とした。

図４

湿度の違いによる大豆散麹の抗酸化能

３日麹(図１)では，米味噌と豆味噌用の間に有意差がある一方，５日麹(図２)では，いずれの間において

３．２

発酵菌の抗酸化能も有意差はなかった。また，温度(30℃及び 40℃)条件

図５及び図６は DPPH 法，図７及び図８は ORAC 法に(図３)では，２日麹のみに有意差があり，３日麹ではよる測定結果を示し，耐塩性乳酸菌は発酵経過ととも有意差がなかった。湿度(85～90，90～95%)条件(図４)に抗酸化能が減少した。

では,有意差がなかった。
条件の違いによる有意差が僅かにあっても，製麹時間の経過により有意差がなくなるため，抗酸化能は製
麹時間を長くすることにより高まると考えられるが，麹の品質を考慮した適切な製麹時間を設定する必要がある。

図５－ 73 －

耐塩性酵母の抗酸化能(DPPH)

図 11

図 12

３．４

エンレイ

あやこがね

イワテミドリ

タマホマレ

ユキホマレ

ことゆたか

エンレイ

あやこがね

イワテミドリ

ユキホマレ

ことゆたか

タマホマレ

エンレイ

あやこがね

れなかった(R 2 =0.071，0.017)。

イワテミドリる抗酸化能と総ﾎﾟﾘﾌｪﾉｰﾙ量を測定したが、相関は得ら

タマホマレ

キタムスメ

大豆９品種の蒸大豆と大豆麹を製麹し，ORAC 法によ

ユキホマレ

ﾎﾟﾘﾌｪﾉｰﾙ

輸入(米国産)

大豆９品種の蒸大豆及び大豆麹の抗酸化能と蒸大豆の総ﾎﾟﾘﾌｪﾉｰﾙ量

160
140
120
100
80
60
40
20
0

タチナガハ

３．３

耐塩性乳酸菌の抗酸化能(ORAC)

mg/100g

図８

タチナガハ

耐塩性乳酸菌の抗酸化能(ORAC)

大豆散麹の抗酸化能(ORAC)

130
120
110
100
90
80
70
60
50
キタムスメ

図７

m g/ 100g

図 10輸入(米国産)耐塩性乳酸菌の抗酸化能

タチナガハ

キタムスメ

図６

140
120
100
80
60
40
20
0

輸入(米国産)No.12（2015）

ことゆたか

研究報告

μm olTE/g

栃木県産業技術センター

大豆散麹の総ﾎﾟﾘﾌｪﾉｰﾙ量

小仕込み味噌の抗酸化能

２種類(Ａ，Ｂ)の大豆散麹を用いて，米麹，食塩と混ぜた味噌(蒸大豆はなし)を小仕込みした。Ａは有意にＢより抗酸化能(ORAC)が高く，一方，ＢはＡよりβｸﾞﾙｺｼﾀﾞｰｾﾞ活性が高かった(図 13)。 Ｂは一般的な大豆散麹として対照とした。
図９

蒸大豆の抗酸化能(ORAC)

その結果，水溶性抗酸化能(H-ORAC)は、大豆散麹Ｂを使用した試験区で有意に高く，脂溶性抗酸化能(L-ORAC)は，大豆散麹Ａを使用した試験区で有意に高い結果であった。
このことは，水溶性抗酸化能の一因としてβｸﾞﾙｺｼｰ

－ 74 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

ｾﾞ活性が考えられ，中村らの報告と一致する。一方，

豆散麹を添加した場合の明確な過酸化物価の抑制効果

脂溶性抗酸化能の大豆散麹Ａの添加味噌の有意な差は認められなかった。

は，本試験ではﾎﾟﾘﾌｪﾉｰﾙとも考えられるが，他にﾄｺﾄﾘ
ｴﾉｰﾙやﾚｼﾁﾝの可能性もあり 結論には至っていない。

図 17

小仕込み味噌による過酸化物価への効
果(５日間保存)

図 13

２種類の大豆散麹の性質

200
100
0

A無添加 B無添加 A酵母

図 14

B酵母 A乳酸菌 B乳酸菌

図 18

小仕込み味噌の水溶性抗酸化能

小仕込み味噌による過酸化物価への効
果(10 日間保存)

４

おわりに

味噌製造中における抗酸化能を向上させる製造工程
を ORAC 法により評価し，大豆散麹の添加，長い熟成期
間び耐塩性乳酸菌の添加により，抗酸化能が向上する
図 15

小仕込み味噌の脂溶性抗酸化能

ことを見出した。
小仕込み味噌の抗酸化能は，最大で約 400μmolTE/gとなり，豆味噌に匹敵する抗酸化能を有する味噌を製造することができた。
謝

辞

本研究は，一般社団法人中央味噌研究所平成 26 年度
図 16

小 仕 込 み 味 噌 の 抗 酸 化 能 (水 溶 性 と 脂溶性の合算)

研究助成を受け実施しました。ここに記して感謝します。

図 16 は小仕込み味噌の合算した抗酸化能であり，大豆散麹 A を添加し，かつ，耐塩性乳酸菌を添加した味

参考文献

噌で約 400μmolTE/g であった。これにより，中村ら

1) 桐 原 広 成 ，古 口 久 美 子 ，松 本 健 一：栃 木 県 産 業 技

2)の 報 告 で は 豆 味 噌 (約 300～ 400μ molTE/g)に 匹 敵 する抗酸化能を得ることができた。

術 セ ン タ ー 研 究 報 告 ， No.11， 91-95， (2014)2) 中 村 好 志 ，江 崎 秀 男：日 本 醸 造 協 会 誌 ，108，(1) ，16-23， (2013)

３．５

小仕込味噌の過酸化物価に対する効果

3) 渡 辺 純 ，沖 智 之 ，竹 林 純 ，山 崎 光 司 ，津 志 田 藤 二

図 17 は 30℃下５日間，図 18 は 30℃下 10 日間(抽出郎 ： 化 学 と 生 物 ， 47， (4)， 237-243， (2009)

油を一晩室温下保存：劣化加速)保存した生サンマ魚肉

4) 松 尾 眞 砂 子 ， 人 見 英 里 ： 日 本 食 品 科 学 工 学 会 誌 ，の抽出油の過酸化物価を測定した結果を示す。両者の54， (11)， 503-508， (2007)

味噌とも対照区とは過酸化物価を有意に抑えるが，

5) 須 田 郁 夫：食 品 の 機 能 性 評 価 マ ニ ュ ア ル 集 ，16-18

２つの味噌試験区では有意差がなかったことから，大6) 沖 智 之：食 品 機 能 性 評 価 マ ニ ュ ア ル 集 第 Ⅲ 集 ，1-7

－ 75 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）7) 菊 地 洋 子 ，島 村 保 洋 ，広 門 雅 子 ，安 田 和 男 ，西 島

10) 池 田 稜 子 ， 太 田 直 一 ， 渡 辺 忠 雄 ： 日 本 食 品 科 学

基 弘：食 品 衛 生 学 雑 誌 ，40，(6)，444-454，(1999)
8) 江 崎 秀 男 ，川 岸 舜 朗 ，井 上 昴 ，大 澤 俊 彦 ： 日 本 食

工 学 会 誌 ， 42， (5) ， 322-327， (1995)
11) 山 崎 歌 織 ，阿 村 フ ジ 子 ：日 本 調 理 科 学 会 誌 ，30，

品 科 学 工 学 会 誌 ， 48， (1)， 51-57， (2001)(2)， (1997)

9) Akira HIROTA 他 ：12) 社 団 法 人 日 本 食 品 衛 生 協 会 ： 食 品 衛 生 検 査 指 針

Biosci.Biotechnol.Biochem.,64(5),1038-1040，(2000)－ 76 －

理 化 学 編 2005， 630-637

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

重点研究

プレス加工における面内引張応力援用による小径穴抜き加工に関する研究（第１報）
阿部 雅*

柳田 治美*

大橋 利仙**High Aspect Ratio Punching Under In-plane Tension (1st Report)
Masashi ABE, Hiromi YANAGITA and Toshinori OHASHI
プレス加工によるアスペクト比が１を超えるような小径穴抜き加工は，摩擦力や剛性の問題から，早期にパンチが折損する可能性が高い。そこで本研究では，プレス加工機の上下運動を利用して被加工材の穴加工
位置周囲に面内引張応力を負荷し，加工時の摩擦力を低減させた状態で穴抜き加工を行うことによってパンチの長寿命化を図る。本報では板厚 0.8mm の被加工材を想定し，応力状態をシミュレートしたところ，ダイ
直径 5mm の場合は約 0.40mm まで，ダイ直径 10mm の場合は約 0.50mm まで，クッションプレートを沈み込ませることにより，被加工材の弾性域内で面内引張応力の負荷が可能であることがわかった。
Key words:

１

プレス加工，小径穴抜き加工，面内引張応力，応力シミュレーション

はじめに

２

プレス加工において，製品の小型化・軽量化のニーズ

２．１

研究の方法

面内引張応力負荷の方法に対しては微細な形状の金型による精密加工技術が求

プレス加工機の上下運動を利用して，以下の動作を達められている。例えば最近の電子機器用筐体の場合，電成する金型を開発し，面内引張応力を負荷した状態での子基板用干渉防止カバーの取り付け穴の加工等におい小径穴抜き加工を行う。

て，被加工材の板厚をパンチ（穴抜き用雄型）直径で除

まず，図１に示すように上側押さえを下降させ，上側した値（アスペクト比）が１を超え，直径が 0.5mm 以下

押さえとクッションプレートで被加工材端部を挟み，被となるような小径穴抜き加工のニーズがある。しかし，加工材を平らな状態で把持する。さらに上側押さえを下小径穴抜き加工においては主に①板厚に対して穴の直降させると，図２に示すようにクッションプレートが沈径が小さいことで，加工初期がせん断ではなく押込みとみ込んだ分，穴加工位置が凸状にたわみ，被加工材は表なり，パンチ側面と被加工材との間の摩擦力が増加する

側も裏側も伸ばされて引張応力が負荷された状態になため，せん断時やパンチ引き抜き時の抵抗も増加し，パる。この状態で穴抜き加工を行い，パンチ引き抜き後にンチが座屈・摩耗しやすいこと，②摩擦力の増加に加え，

上側押さえを上昇させて被加工材端部を解放した際，被小径なパンチは剛性が低く，ダイ（穴抜き用雌型）との加工材は元の平らな状態に戻る。なお，加工後に被加工

クリアランス・同軸度の狂い等も発生しやすいため，早材が元の平らな状態に戻るためには，上述の動作の影響期にパンチが折損する可能性が高いことの２つが課題

で被加工材が弾性域を超えてはならない。

となり，十分な対応技術が開発されていないのが実情である。
パンチ

そこで本研究では，被加工材の穴加工位置周囲に穴を広げるような応力（以下，面内引張応力という。）を負荷させた状態で穴抜き加工を行うことで，加工時の摩擦

クッション

上側押さえ
被加工材

プレート

力を低減させ，パンチの長寿命化を図る。本報では，被加工材の応力状態をシミュレートし，面内引張応力を負ダイ荷する条件について検討した。

*

栃木県産業技術センター

県南技術支援センター**

栃木県産業技術センター

機械電子技術部

図１－ 77 －

被加工材の把持栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

２．３

シミュレーション精度の検証実験

シミュレーション精度の確認のため，厚さ 0.8mm で表１と同等の板材を，図３と同寸の鉄枠２枚で把持し，万能材料試験機（㈱島津製作所 AG-M1）のロードセル先端に取り付けた直径 5mm の円柱圧子で，試験力 100N の負荷を中央にかけ，シミュレーション条件１に相当する圧縮試験を行った。その際の被加工材のたわみ量をダイヤ
ルゲージによって測定し，シミュレーションによって算
図２
２．２

たわみの付与出された変位と比較した。圧縮試験の概略図を図４，段応力シミュレーション

取り時の写真を図５に示す。

応力状態のシミュレーションには SolidWorks2008 を
試験力

用いた。
図３に示す上側押さえと，それと同寸のクッションプ
レートで厚さ 0.8mm の被加工材端部を把持し，中央に穴

ロードセル

抜き加工を行う場合を想定した。そこで，表１に示す物
性値（炭素鋼相当）の板状モデルの全周を固定端として，

円柱圧子

モデル中央が凹状にたわむよう，ダイの直径の範囲に荷重を掛けた場合の応力分布と変位をシミュレートした。
シミュレートしたダイの直径と荷重の大きさの組み合
わせを表２に示す。
ダイヤルゲージ

R10

図４

圧縮試験概略図

図５

圧縮試験の段取り

100
100

図３

上側押さえ（網掛：把持部）
表１

モデルの物性値

物性

値

弾性係数

GPa

210

ポアソン比

0.28

質量密度

kg/m3

7,800

降伏応力

MPa

220.59表２ダイの直径と荷重の大きさ

ダイの直径

mm

荷重

条件１

5.00

100

条件２

5.00

80

条件３

10.00

100

N

－ 78 －

栃木県産業技術センター

３

研究報告

No.12（2015）

結果及び考察図６は条件１でシミュレートした結果の応力分布を

表３シミュレーション中の最大応力と最大変位可視化した図であり，モデル中央において最も応力と変最大応力位が大きくなることが確認された。条件２，条件３でシ

MPa

最大変位

条件１

280

0.563

条件２

224

0.451

条件３

222

0.557

mm

ミュレートした場合も条件１同様，モデル中央において最も応力と変位が大きくなった。表３にその値を示す。
いずれの条件においても最大応力が降伏応力を超えている。被加工材にかかる最大応力を降伏応力未満の弾性域内にするためには，直径 5mm のダイの場合変位は約４0.40mm，直径 10mm のダイの場合変位は約 0.50mm が上限であると推測される。

おわりに

板厚 0.8mm の被加工材に対して面内引張応力を負荷した状態での小径穴抜き加工を想定し，面内引張応力を負

また，シミュレーション精度の検証実験の結果，試験荷する条件についてシミュレーションにより検討した力 100N 時のたわみ量は約 0.56mm であった。表３条件１

結果，直径 5mm のダイを用いる場合約 0.40mm まで，直の最大変位とほぼ一致したことから，シミュレーション

径 10mm のダイの場合約 0.50mm までクッションプレート

精度は良好であり，本シミュレーション結果の信頼性はを沈ませ穴加工位置をたわませられることがわかった。

高いと考えられる。

引き続いて，面内引張応力負荷機構 の模擬体を作製
し，ひずみゲージ等による応力測定を行い，本シミュレーション結果と照らしながら，弾性域内で面内引張応力を被加工材に負荷する機構を有したプレス金型の開発を進めていく。
本研究は，公益財団法人天田財団平成 26 年度
一般研究開発助成事業により実施しました。

図６

条件１の応力分布－ 79 －

Ⅴ 経常研究

Ordinary Research栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

ELID 研削法による反り抑制技術の開発
渡部 篤彦*

江面 篤志*

Prevention of Warping by ELID Grinding Method
Atsuhiko WATANABE and Atsushi EZURA
平面研削盤による薄肉品の加工では，反りや変形が問題となることが多い。これらは主に研削抵抗，研削
熱，被削材の固定方法などが影響しているとされる。本研究では，ブロンズボンドダイヤモンド砥石を使用した ELID 研削法を一般的な未熱処理鉄系被削材に適用し，ELID を加えない通常研削との比較から反り変形に対する効果を，研削抵抗及び残留応力から検証した。その結果，研削抵抗及び残留応力と反りとの明確な関連性は明らかにならなかったが，ELID 研削は砥石周速，テーブル移動速度の変化に対して平面度に影響を受けづらいこと，また被削材表面の残留応力が小さくなる加工条件があることがわかり，加工条件を選定することで反りを抑制した加工が可能であると推察された。
Key words: ELID 研削法，平面研削，反り変形，残留応力はじめにドを用い，電解ドレッシングの有無，砥石周速及びテー

薄肉品の平面研削において，反りや変形を抑えて加工

１

ブル移動速度を変え，各条件で研削加工した被削材につすることは困難で，作業者の経験とノウハウによって対いて評価する。以下，電解ドレッシングを行わない場合処されている場合が多い。あらかじめ被削材の反り具合を「通常研削」，行う場合を「ELID 研削」と呼ぶ。

を確認し，被削材を天地反転しながら浮いている箇所を研削していく反転法と呼ばれる手法が一般的である。

評価項目は平面度，研削抵抗及び残留応力とした。実験条件は表 1 のとおりである。

ELID（ELectrolytic In-process Dressing）研削は，加工後の被削材の評価は，以下のとおり行った。

メタルボンド砥石（陽極）と砥石周上に配置した金属電

平面度は三次元座標測定機（ミツトヨ

LEGEX9106）を極（陰極）との間にパルス電圧を加え，砥石ボンド材に使用し，長さ・幅方向の中央 2 断面を 500μm ピッチで電気分解を発生させることで ELID サイクルと呼ばれる倣い測定し，平面度として評価した。

持続的な砥粒突出作用を得る研削方法である。一般的に研削抵抗は砥石より幅の少ない W9×L100×H 約 5mm のELID 研削は，微細超砥粒砥石（#4000 以上）を使用した凸部を成形した被削材を切削動力計（日本キスラー

高硬度材や硬脆材料の鏡面研削，微細加工などに用いら9265B）にボルト締め固定し，1 パスのダウンカットで研れている。これらの認識により ELID 研削法は，一般的削抵抗を測定した。

な研削加工に用いられることは希で，利用範囲が広がら

残留応力の測定には微小部 X 線残留応力測定装置ない現実もある。

（リガク

AutoMATE）を使用した。管球・Cr，管電圧

本研究では，鉄系薄肉品の研削加工に ELID 研削を適

／電流・40kV／30mA，コリメータ径・φ2mm，並傾法ψ0用することで反りを抑制できるかを検証した。また，

一定法で測定を実施した。評価は被削材の幅中心線上，

ELID 研削法の利用範囲を一般加工へ広げていくことも両端から 20mm の 2 点及び中央の 1 点，計 3 点で行った。

目的の一つである。
２
２．１

研究の方法

反り量，研削抵抗，残留応力の測定使用する研削盤は図１のとおりで，平面研削盤（岡本
工作機械製作所 PSG-63DXNC）に陰極となる銅電極，給電配線及び防護ケースを追加した ELID 研削に対応できる仕様である。砥石は#325 のブロンズボンドダイヤモン*

栃木県産業技術センター

機械電子技術部－ 81 －

図１

平面研削盤（ELID 共用仕様）

栃木県産業技術センター

２．２

研究報告

No.12（2015）

選定した加工条件による研削実験

３．２

研削抵抗及び累積研削での研削抵抗の変化

各評価項目の結果から，通常研削及び ELID 研削につ

図４，５に研削抵抗の測定結果を示す。砥石周速によいて最適加工条件を仮定し研削実験を行った。被削材はる差違はなく，ほぼ同様の結果を示した。測定結果からより変形に鋭敏と考えられる板厚 5mm に変更し，被削面

は，研削抵抗と反りとの関連性は明らかにならなかっの平面度で評価することとした。平面度は縁部を含めたた。一般的に ELID 研削は通常研削に較べ低い研削抵抗

長さ方向 3 断面，幅方向 3 断面の計 6 断面による平面度を示すとされるが，ドレッシング直後に通常研削の実験として評価した。

を行ったため差が現れなかったと推測される。
そこで累積研削量に対する法線方向研削抵抗の推移
表１を確認することとした（図６）。

加工条件

25

#325 ブロンズボンドダイヤモンド
石

凸

砥

被削材

SS400（W50×L150×t10mm）

砥石周速8.6，17.2m/sec

テーブル移動速度

1，2，5，10m/min

切り込み

3μm/pass（合計 30μm）

その他

マグネットチャック使用

平面度（μm）

60V，10A，2μs パルス

凹

電解条件

砥石周速
8.6m/sec

15

φ200mm，幅 10.5mm

5
-5 0

2

4

6

8

10

砥石周速
17.2m/sec-15-25

テーブル移動速度（m/min）

図２

通常研削での平面度の変化

25

凸

砥石周速
17.2m/sec

３．１

15

結果及び考察平面度（μm）

３

加工条件と平面度との関係

被削材は凹面側を研削面とした。加工前の平面度は 10

凹μm～20μm でばらついていた。通常研削での実験結果を

5
-5 0

2

4

6

-15

8
10
砥石周速
8.6m/sec-25

図２に示す。凸側の反りを平面度プラス側，凹をマイナ

テーブル移動速度（m/min）

ス側としてプロットした。通常研削は砥石周速及びテー
図３

ブル移動速度に影響され，加工条件により凹側，凸側に変形した。そこでグラフ上，平面度 0μm 付近となるテ

ELID 研削での平面度の変化

通常-Ft

通常-Fn

ELID-Ft

ELID-Fn

40

ーブル移動速度で加工を行い，その平面度を測定し図２
研削抵抗（N）に追加している。砥石周速・17.2m/sec，テーブル移動
速度・6.5m/min では平面度・2.5μm となりグラフ変化に一致した。2 つのグラフはほぼ同様の変化を示しており，単位時間当たりの研削長により平面度が変化してい

30
20
10
0
0

るものと考えられる。

2

4

6

8

10

テーブル移動速度（m/min）

次に ELID 研削での結果を図３に示す。ELID 研削の初図４

期ドレッシングは，加工を行いながら電解電流をモニタ

砥石周速・8.6m/sec の研削抵抗

ーし，電解電流値が概ね 1A 以下に安定化した状態を完

通常-Ft

通常-Fn

ELID-Ft

ELID-Fn

40

了状態とした。
研削抵抗（N）

通常研削とは傾向が変わり，加工条件に因らずほぼ 10
μm 以下の平面度となった。すべての条件で凸側の反りで安定していた。ELID 研削では砥石表面に生成される不導体被膜が被削材と接触すること，砥粒保持力が変化す

30
20
10
0
0

る可能性などが考えられ，通常研削と特性が異なったと

2

4

6

8

10

テーブル移動速度（m/min）

推察される。ただし，これが有効な特性であるかは判断
図５

できなかった。

砥石周速・17.2m/sec の研削抵抗

ELID 研削は通常研削に較べ抵抗値の上昇が遅く，研削量が多い場合有利である。高硬度材などに対する ELID

－ 82 －

栃木県産業技術センター

研削の特徴が，未熱処理鋼材においても同様であることが確認された1)

3。ただし 3000mm を超えた後に抵抗値が研究報告

No.12（2015）

一定の残留応力値となった。また 10m/min では通常研削の半分程度の値を示した。しかし，ここでも反りとの明上昇した。砥石表面を観察したところ，砥石エッジ部の確な関連性は確認できなかった。

酸化皮膜部が剥がれ落ちボンド材が露出しており，ELID

３．４

サイクルが不完全であったことが原因と思われる。

板厚 5mm プレートの研削加工

厚さ 10mm の SS400 プレートを両面フライス加工によこの実験を通して，ブロンズボンドダイヤモンド砥石
に異常損耗はなく，安定した加工を持続できたことかり厚さ 5mm まで加工し被削材とした。平面度は 20 から
25μm 程度となり，凹面側を研削面とした。

ら，使用砥石が鉄系被削材の粗・中仕上げ加工に対して適用可能であることを確認できた。

ここまでの実験で研削抵抗及び残留応力からは反りを抑制する明確なパラメータを設定できない。そこで通常研削は平面度の小さくなった条件，ELID 研削は残留応力の小さくなった条件を最適条件として仮定し，加工後55の平面度を確認することとした。加工条件を表２に，平法線方向研削抵抗（N）

50

通常研削

面度の測定結果を図８に示す。

45

厚さ 10mm プレートの加工に比べ，通常研削では 3 倍程度に平面度が増加した。一方，ELID 研削では大きな変40
ＥＬＩＤ研削化はなく，加工前の平面度に対しても 1/3 以下の平面度35を得ることができた。
30
0

750

1500

2250

3000

3750

表２

累積研削量（mm3）

図６

研削方式

累積研削量と研削抵抗仮定した最適加工条件

砥石周速

ELID 研削

切込み：3μm，砥石周速：17.2m/s，ﾃｰﾌﾞﾙ移動速度：5m/min

切り込み

10m/min

3μm/pass

6.5m/min(計 30μm)

17.2m/sec
通常研削

３．３

ﾃｰﾌﾞﾙ移動速度

残留応力の比較

反り変形の主な原因は被削材に残る残留応力と考えられている。今回の実験で測定した残留応力は，加工前に被削材に存在する残留応力やマグネットチャックから開放して復元した応力を含む残留応力となっている。
10μm

その結果を図７に示す。
8.6m/sec0

図８17.2m/sec

2

ELID 研削：6.7μm

48.6m/sec6

平面度の測定結果

17.2m/sec

8

４

10

-100

おわりに

ブロンズボンドダイヤモンド砥石による未熱処理

ＥＬＩＤ研削SS400 プレートの研削加工に ELID 研削法を適用した結果，-150

残留応力（MPa）

通常研削：8.1μm

反りを抑制し加工できる条件があることを確認した。しか-200

し，研削抵抗や残留応力と平面度との関連性を特定するに通常研削は至らず，他の要因，特に研削熱を考慮する必要性も示唆

-250

された。
-300

一方，未熱処理鋼材をダイヤモンド砥石で加工すること

テーブル移動速度（m/min）

で懸念された異常な砥石損耗は認められなかった。ELID
図７

加工条件と残留応力の変化

研削法の高能率研削という特徴を活かすことで，多数個加工や加工状態の安定化など生産性，品質向上に寄与で残留応力はすべての加工条件で圧縮応力（マイナスきるものと考えられる。

値）となった。ELID 研削のテーブル移動速度・10m/min
以外は，通常研削と ELID 研削で大きな違いはなく，砥
石周速が小さい方が残留応力も小さくなる。ELID 研削は参考文献
1) 大森整： "ELID 研削加工技術"，工業調査会，156-162，

砥石周速・17.2m/sec のときテーブル移動速度 2m/min
から 6.5m/min の範囲で残留応力の変化が少なく，ほぼ－ 83 －（2000）

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

EMI 自動測定の高機能化を実現するソフトウェアの開発
植竹 大輔*清水 暁*

八木澤 秀人*Development of High Function Software for the EMI Automatic Measurement
Daisuke UETAKE, Akira SHIMIZU and Hideto YAGISAWA
コンピュータの高機能化，小型化が進み，EMI 測定とその対策はますます重要になってきている。栃木県
産業技術センターの電波暗室では，内製された自動測定ソフトウェアによる機器開放を利用者向けに提供しており，対策用途向けに高速な測定を実現している。しかしながら，従来ソフトウェアを開発し動作させてきた OS や開発環境のバージョンアップ，サポート切れなど，動作環境が実情に合わないケースが増加し，
ソフトウェアの新しい実行環境に対応する必要がある。そこで，OS や開発環境に依存せず，高機能化を実現するソフトウェアを開発した。QP 測定すべき周波数の推定機能を始め，ユーザから要望のあった様々な新しい機能を追加した。
Key words: EMI,自動測定

１

はじめに

ルを動作させ，スペクトラムアナライザとレシーバをココンピュータの高機能化や小型化，インターネットや
移動体通信の普及が急速に進み，様々な状況で電磁波がントロールして測定し，データを取得，グラフとして表示する。

利用される局面が増え，複数の電子機器が同一環境下で図１に EMI 自動測定の構成を示す。

利用されることが増えてきている。そのような電磁波環
境下で電子機器を誤動作しない，誤動作させないために

電波暗室

EMC 対策はますます重要となってきている。
産業技術センターにおいては，平成 15 年に大型電波測定対象暗室が整備され，以降数多くの企業から利用頂いている
アンテナ

状況ではある。特に EMI 自動測定ソフトウェアはセンタ
ターンテーブルー職員が開発したものであり，対策用測定に特化した形

アンテナ昇降機
GPIB 接続で非常に高速な測定を実現している。特に基礎的な測定には充分な機能を備えているものの，レシーバとの連動などの電磁波対策の手助けとなる機能や，各種出力機能

スペクトラムアナライザ

測定用 PCなど，暗室利用者からの要求は大きいが実装されていな
い機能も多い。

図１

そこで，本研究においては，既存の EMI 自動測定ソフ

２．２

レシーバ

EMI 自動測定の構成

測定するべきノイズの推定

トウェアを，測定速度を損なわず OS や開発環境に依存

EMI 測定は，まず，スペクトラムアナライザによってしないよう再実装し，更に機能を追加した新規ソフトウ

広帯域を掃引し，ピークホールドでノイズのピークを測ェアを開発する。

定する。その波形から高いノイズを見出し，単波長を測定するレシーバで QP 測定するといった手順を踏んでい
２

２．１

研究の方法

る。各 EMC 規格での規制値は QP 測定による値で設定さ研究実施方法

れているので，QP 測定は必須である。

当センターの 電波暗室で動 作するソフト ウェアを開発する。

よる測定を実施した後は，アンテナ高とターンテーブル

EMI の自動測定では，アンテナ昇降機とターンテーブ*

栃木県産業技術センター

現在のソフトウェアでは，スペクトラムアナライザに

機械電子技術部

角度を考慮せずオペレータが直接指示した周波数に，ソフトウェアからレシーバの周波数のみを設定する実装－ 84 －

栃木県産業技術センターとなっている。

２．３

研究報告

No.12（2015）

ＯＳに依存しないライブラリによる開発

そこで，QP 測定するべき周波数をソフトウェア側で推従前のソフトウェアは，旧来の開発環境で開発されて定し，アンテナ高さとターンテーブル位置を合わせてオいたため，Windows Vista 以降のバージョンでは動作がペレータに提示する機能を実装する。

想定されていない。そのため，今後 OS や開発環境のバ測定すべきピークノイズを列挙するためには，測定数

ージョンアップに対するソフトウェアの対応を容易に値の高低だけで判定するのではなく，発生しているノイするため，複数の OS に対応するフリーの画面描画ライズの最も高い周波数を判定する必要がある。ノイズには

ブラリ SDL を用いて作成した。これは，Windows，MacOSX，様々な種類があり，一箇所だけ跳ね上がっているものもLinux，Android，などに対応しており，ソースコードはあれば，幅のある帯域で山なりになっているものもあ共通のまま，コンパイルし直すことで複数の OS で動作

り，もっとも高い一点を判定しなくてはならない。

させることができる。

そこで，測定データを各点で微分することによって波

ソフトウェアの内部構造を図４に示す。

を認識する。変化量をスレッショルドで判定して，上りと下りを判定することにより一連の波として認識し，そアプリケーションの波の間で最も高い周波数を測定すべきピークとして
判定する。

SDL

GPIB制御

（共通）

（OS毎）
OS

(windows,linux,MacOSX,andoroid等）

図４

ソフトウェアの内部構造

画面表示とユーザーインターフェイスは SDL を用い
OS に非依存となったが，GPIB 制御に関する部分はハー
図２

ピークノイズの列挙

ドウェアの取り扱いが OS ごとに異なるため，OS ごとに

従来ソフトウェアでの内部のデータ形式は，周波数，作成する必要がある。

電界強度であったところに，アンテナ高さとターンテー
ブル位置を保持するようにし，同一周波数で最も高い電３

界強度を示したアンテナ高さとターンテーブル位置を判定し表示する。

結果及び考察大型電波暗室を対象に，EMI 自動測定ソフトウェアの実装を行った。Windows で動作する Microsoft Visual
Studio 2008 を開発環境とし，C++によって記述した。ただし，前述のとおり OS 依存を避けるため，Windows のコ
ンポーネントは用いず LibSDL を用いて GUI はボタンやグラフを自前で描画している。そのため GUI や内部処理については OSX や Linux 上でもコンパイル可能であり，かつ動作させることができる。また，GPIB 接続には Ratoc
社製 REX-USB220 を用いた。
３．１

従来ソフトウェアとの比較作成したソフトウェアと従来使用してきたソフトウ
ェアの動作上の比較を行った。
同等の対策用としての高速測定では，同じ測定器構
成，同じ暗室であれば同等の速度（１測定３分）で測定できた。これは，従来のソフトウェアのノウハウを活かすため，データ取得や動作のタイミングを同一としてい図３

アンテナ高とターンテーブル位置を示したるためであり，今後の当センター電波暗室利用者向けのピークノイズの列挙例

サービスとしては備えておくべき性能である。

－ 85 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

また，ピーク測定の際に，QP 測定する際の材料にする

３．３

ためにアンテナの高さとテーブル回転角度を保持しな

その他追加機能

利用企業より要望の多かった各種機能を追加した。従がら測定し，測定すべき候補を列挙する機能を新規に実来ソフトウェアでは対応できなかった計測機をプロフ装した。これは，従来，周波数のみからアンテナとター

ァイルとして持つことで測定器を交換してもテキスト

ンテーブルを回し最大値を見つけていた QP 測定を実施

ファイルの書き換えで対応を容易にする機能，グラフのする際の情報となるものであり，より簡単に測定を可能

複数重ねあわせ機能などを実装した。

としている。しかしながら，テーブル角度を 60 度刻みで測定して候補を列挙しない従来測定法よりも大幅に

４

長い 15 分強の測定時間が掛かっているので，更にチュ

おわりに本研究においては，従来使用してきた内製ソフトウェーニングを進め，高速化を進めてゆく必要がある。

アの高機能化を実現するため新規のソフトウェアを作

３．２

成し，様々な機能を盛り込むことができた。しかし，EMI

測定結果の出力試験結果の出力については，従来ソフトウェアでは画自動測定ソフトウェアは当センター電波暗室の利用に面出力，プリンタでの印刷，CSV フォーマットの生デー

際して使うものであり，今回の開発で終わりではなく，

タの三通りであったが，今回作成したソフトウェアでは今回の開発内容を基点に継続して改良を続けることにこれらに加えて画像(png)出力と PDF 出力を実現した。

より，更に施設機器利用の利便性の向上を図ってゆく。

これには libpng と libharu を用いている。図５に PDF

具体的には，雑音端子電圧測定など他の測定にも対応を

出力の例を示す。

進め用途を広げてゆく予定である。今後更に手を加え，県内企業の EMC 測定に資するべく改良や新機能を盛り込んでいきたい。
参考文献
1) 黒内利明他： "ＥＭＩ測定電波暗室の伝搬特性測定手法の確立 "，平成２２年度栃木県産業技術センター
研究報告，No.8,17-19，（2011）2) 長嶋一晋他： "次世代電気自動車のＥＭＩ高速計測システムの開発 "，平成２３年度栃木県産業技術センター研究報告，No.9,3-6，（2012）

図５

試験結果の出力例－ 86 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

結晶生成－イオン架橋による複合ハイドロゲルの開発
小林 愛雲*

太田 英佑*

大和 弘之*Development of Starch-Carboxymethylcellulose (CMC) Composite Hydrogel
Azumi KOBAYASHI, Eisuke OTA and Hiroyuki YAMATO
結晶生成とイオン架橋を用いることで，デンプン／カルボキシメチルセルロース（CMC）複合ハイドロゲ
ルの調製を行った。ポリマーの種類や濃度，加熱温度等を検討することにより，ゲルの調製条件を明らかにすることができた。CMC 濃度が高いほど，得られるゲルの膨潤度は増加した。CMC 濃度が低いほど，またゲル調製時の加熱温度が高いほど，ゲルの水中安定性は高いことが確認された。加熱温度 90℃で調製した 23
wt%サツマイモデンプン／2 wt% CMC ゲル及び 23 wt%バレイショデンプン／2 wt% CMC ゲルは，生理食塩水中においても安定であり，また生理食塩水を吸収可能であることが明らかとなった。
Key words: 複合ゲル，デンプン，カルボキシメチルセルロース，イオン架橋，創傷被覆材

１

はじめに

的に含水率（膨潤度）が低く，単独では医療材料，特に高分子網目構造の中に水を保持しているハイドロゲ
ルは，紙おむつ用吸収体やソフトコンタクトレンズ，植創傷被覆材等の吸水性が要求される材料としては適さない。

物用保水材等として，身近な所で利用されている。ハイ

そこで，膨潤度を向上させる方法として，このゲルにドロゲルは生体に近い構造を有するため医療材料に適高膨潤度ゲルを複合化することを検討した。高膨潤度ゲしており，更なる利用が期待されている。

ルの例としては，食品や医薬品として利用されており，医療用ハイドロゲルとして実用化されている例とし生体への安全性が高いカルボキシメチルセルロースては，傷口から滲み出る液（滲出液）を保持し，傷口を（CMC）を金属イオンで架橋したイオン架橋ハイドロゲ

湿潤状態にすることで治癒を促進するハイドロゲル型

ルがある。一般的に CMC イオン架橋ハイドロゲルは水中

創傷被覆材がある。ハイドロゲル型創傷被覆材として用における安定性が低く，単独での使用は困難であるが，いられているゲルの例としては，ポリビニルアルコール

水中安定性の高いデンプンゲル等と複合化させること（PVA）を電子線照射により架橋することで製造した PVA

で，デンプンゲルの膨潤度を向上させることができるとハイドロゲルが挙げられる。この電子線照射架橋は，細期待される。本研究では，デンプンと CMC から結晶生成

胞毒性を有する架橋剤を使用せずに，安定なゲルを調製とイオン架橋により，創傷被覆材としての利用を志向しできる方法として注目されている。しかし，この架橋にた複合ハイドロゲルの調製を行ったので報告する。

必要な電子線照射設備は高額であり，またその取り扱いには資格が必要である。そのため，電子線照射架橋ゲル２は他の架橋法で調製されたゲルよりも高額であり，それ２．１ほど実用化されていない。ハイドロゲル型創傷被覆材に２．１．１

ついても，その価格が高いことが，治癒に時間がかかる
褥創等の治療への利用を困難にしている

1)

。

研究の方法

ハイドロゲルの調製
デンプンゲルの調製

試料瓶にデンプン 1.0 g，蒸留水 3.0 g を量り採り，攪拌することで 25 wt%デンプン水溶液を調製した。この

電子線照射架橋以外に，架橋剤を使用せず安定なゲル水溶液を塗料皿に流し込み，所定温度（80，90℃）の湯を調製する方法しては，デンプンや PVA 水溶液等を加熱

浴で 1.5 分間加熱した後，直ちに 4℃の水浴に移し 30－冷却することで，ポリマー鎖間に架橋点となる結晶を分間冷却した。ここに蒸留水 2 mL を添加し，室温で 24生成させる方法がある。この結晶生成による架橋には，時間静置した。調製したゲルは型から取り出した後，直特別な製造設備が不要であり，取り扱いが容易という特ちに 10 × 10 mm にカッターで切断した。これを蒸留水

徴がある。しかし，この架橋法で調製したゲルは，一般に浸漬することで洗浄し，未反応物及びゾル成分を除去*した。なお，用いたデンプンはコムギデンプン（和光純

栃木県産業技術センター

材料技術部－ 87 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

薬工業(株)製，和光一級），サツマイモデンプン（和光であることから，１週間とした。

純薬工業(株)製，化学用），バレイショデンプン（和光純薬工業(株)製，和光一級），とうもろこしデンプン（和光純薬工業(株)製，試薬特級）である。
２．１．２

３
３．１

デンプン／CMC ゲルの調製結果及び考察デンプンゲル・デンプン／CMC ゲルの調製

加熱温度 80℃または 90℃で調製したデンプンゲル及

総ポリマー濃度 25 wt%となるように，所定量のデンプ

びデンプン／CMC ゲルの形成可否をそれぞれ表 1，2 に示

ン及び 2, 4, 6 wt% CMC（ナトリウム塩：Acros Organics

す。また，得られたゲルの例を図 1 に示す。得られたゲ製，Mw = 250,000

DS = 0.9）を蒸留水に分散させ，加ルは白色または半透明であった。今回検討したすべての

熱－冷却した後，塩化カルシウム（CaCl2：関東化学(株)

条件において，ゲル形成が認められた。コムギデンプン製，特級）水溶液を添加することで，デンプン／CMC ゲ／0 wt% CMC においては，加熱温度 80℃ではゾルとゲルルを得た。具体的な方法を次に示す。

の混合物が得られたが，90℃ではゲルのみが得られ，ゾ

総ポリマー重量 1.0 g となるように，試料瓶に所定量ルは認められなかった。これは，デンプンの糊化温度がのデンプン（0.92, 0.84, 0.76 g），CMC（0.08, 0.16,

影響していると推察される。デンプン粒子は，アミロー

0.24 g），蒸留水 3.0 g を量り採り，攪拌した。この水

スとアミロペクチンからなり，水の存在下で加熱すると溶液を塗料皿に流し込み，所定温度（80，90℃）の湯浴

次第に膨潤，崩壊して内部のアミロースとアミロペクチ

で 1.5 分間加熱した後，直ちに 4℃の水浴に移し 30 分間

ン（デンプン鎖）が溶出する（糊化）。この糊化デンプ

冷却した。ここに 20 wt% CaCl2 水溶液 2 mL を添加し，ンのペースト（糊液）は，冷却すると溶出したデンプン

室温で 24 時間反応させた。調製したゲルは型から取り鎖同士が架橋点を形成し，ゲル化する 2, 3)。したがって，出した後，直ちに 10 × 10 mm にカッターで切断した。

糊化開始温度はゲル化開始温度といえる。6 wt%デンプ

これを蒸留水に浸漬することで洗浄し，未反応物及びゾン水溶液の糊化開始温度は，コムギ（76.7℃），とうもル成分を除去した。また，同様の手法により，添加する
CaCl2 水溶液濃度を 0, 10 wt% としたときのサツマイモ

表１ デンプン／CMCゲルの形成可否（加熱温度80℃）
CMC濃度 / wt%

デンプン，バレイショデンプン／2 wt% CMC ゲルを調製
0

2

4

6

コムギ

▲

○

△

△

蒸留水（室温）に 24 時間浸漬したゲル（10×10 mm）

サツマイモ

○

○

△

△

の表面の水滴をふき取り，電子天秤で重量 (湿重量 :

バレイショ

○

○

△

△

とうもろこし

○

○

△

△

した。
２．２

膨潤度測定

Wwet) を測定した。そのゲルを 60℃の送風定温乾燥器中で予備加熱した後，105℃の送風定温乾燥器中で 24 時間※）○ ： ゲル化 △ ： ゲル化（強度 弱） ▲ ： 一部ゲル化

程度加熱乾燥した。乾燥重量 (Wdry ) を求め，次式で定義されるゲルの膨潤度 Q を算出した。

表２ デンプン／CMCゲルの形成可否（加熱温度90℃）

Q = Wwet / Wdry
２．３

CMC濃度 / wt%

生理食塩水の吸水率測定

2

4

6

生理食塩水（0.9 w/v 塩化ナトリウム（和光純薬工業

コムギ

○

○

△

△

(株)製，試薬特級）水溶液）に室温で 24 時間浸漬した

サツマイモ

○

○

△

△

バレイショ

○

○

△

△

とうもろこし○○△△ゲル（10×10 mm）の表面の水滴をふき取り，電子天秤
で重量 (湿重量 : W’ wet) を測定した。そのゲルを 60℃の送風定温乾燥器で予備加熱した後，105℃の送風定温乾燥器中で 24 時間程度加熱乾燥した。乾燥重量 (W’ dry )を求め，生理食塩水の吸水率 S を次式により算出した。

S = W’ wet / W’ dry
２．４

水中・生理食塩水中における安定性評価

調製したゲル（10×10 mm）1 枚を蒸留水または生理食
塩水 50 mL に室温で 1 週間浸漬した。浸漬前後のゲルの形状変化を目視により観察した。なお，浸漬期間は市販のハイドロゲル型創傷被覆材の連続使用期間が約 1 週間

－ 88 －

0※）○ ： ゲル化 △ ： ゲル化（強度 弱）栃木県産業技術センター

ろこし（73.5℃），サツマイモ（68.0℃），バレイショ（63.5℃）の順に高い

4)

３．３

研究報告

No.12（2015）

生理食塩水中におけるゲルの安定性。このことから，今回の実験に高い水中安定性を有することが確認されたサツマイ

おいて，サツマイモ，バレイショ，とうもろこしデンプ

モデンプン／2 wt% CMC ゲル及びバレイショデンプン／2

ン水溶液は加熱温度 80℃でゲル形成可能な温度に達し

wt% CMC ゲル（加熱温度 90℃）について，擬似体液としたが，コムギデンプン水溶液は達せず，90℃にすることて生理食塩水を用い，その吸水率の測定と生理食塩水中でゲル化に必要な温度に達したと推察される。

における安定性を評価した。

加熱温度 80℃または 90℃調製したデンプンゲル及び生理食塩水吸水率の測定結果を図 5 に示す。いずれのデンプン／CMC ゲルの膨潤度測定結果を図 2，3 に示す。
今回の実験で調製したすべてのゲルにおいて，CMC 濃度
膨潤度 Qの増加に伴い，膨潤度の増加が認められた。
本実験で調製したゲルの水中における安定性を評価するため，ゲルを蒸留水に 1 週間浸漬し，浸漬前後の形

25

コムギ

20

バレイショ
とうもろこし1510状を観察した結果を表 3，4 に示す。加熱温度 80℃で調5製したデンプンゲルにおいては，蒸留水浸漬前後で明ら

0かな形状変化は認められず，高い安定性を示した。加熱
温度 90℃で調製した場合は，デンプンゲルの他，サツマ

サツマイモ

-2

0

2
4
6
CMC濃度 [wt%]8

図２ デンプン／CMCゲルの膨潤度（加熱温度80℃）

イモデンプン／2 wt% CMC ゲル及びバレイショデンプン
／2 wt% CMC ゲルも高い安定性を示し，加熱温度の上昇によりゲルの安定性が向上することが認められた。これ
プンの糊化が進み，溶出するデンプン鎖が増えたためと

20

バレイショ

膨潤度 Q

25

コムギ

は，加熱温度の上昇により，ゲルの大部分を占めるデン推察される。このデンプン鎖は急冷されることで隣接するデンプン鎖と結晶を形成し架橋されるため，加熱温度が高いほどゲルは架橋され，安定化したと考えられる。

とうもろこし15
10
5

また，いずれの加熱温度においても，CMC 濃度の増加に0伴い，得られるゲルの安定性は低下した。これは，デン
プンゲルの形成に必要なデンプン鎖間の結晶化が CMC に

-2

0

2
4
6
CMC濃度 [wt%]8

図３ デンプン／CMCゲルの膨潤度（加熱温度90℃）

より阻害されたためと推察される。
３．２

サツマイモ

デンプン／CMC ゲルにおけるイオン架橋の効果高い水中安定性を有することが確認されたサツマイ
モデンプン／2 wt% CMC ゲル及びバレイショデンプン／2

表３

デンプン／CMCゲルの水中安定性（加熱温度80℃）
CMC濃度 / wt%

wt% CMC ゲル（加熱温度 90℃）について，CaCl2 水溶液

0

2

4

6

濃度を 0, 10, 20 wt%としたときのゲルの形成可否を調

コムギ

◎

△

×

×

査した。その結果，すべての条件においてゲル形成が認

サツマイモ

◎

○

△

×

められた。得られたゲルを蒸留水に 1 週間浸漬した際の

バレイショ

◎

○

×

×

とうもろこし◎△××

形状変化を観察したところ，いずれのゲルにおいても明らかな形状変化は認められず，高い安定性を有している※）◎ ： 変化なし ○ ： 一部崩壊 △ ： 一部形状保持 × ： 崩壊

ことが確認された。
これらのゲルの膨潤度の測定結果を図 4 に示す。CaCl2

表４ デンプン／CMCゲルの水中安定性（加熱温度90℃）

水溶液濃度の増加に伴い，膨潤度は増加した。このこと

CMC濃度 / wt%
0

2

4

6

に含まれる CMC 量が増大することが推察される。このこ

コムギ

◎

○

×

×

とは，カルシウムイオン（Ca2+ ）により，CMC が架橋さ

サツマイモ

◎

◎

△

△

れていることを示しており，デンプン／CMC 複合ハイド

バレイショ

◎

◎

△

×

とうもろこし◎○△×から，CaCl2 水溶液濃度の増加に伴いゲルのポリマー鎖

ロゲルが調製できたことを示唆している。

※）◎ ： 変化なし ○ ： 一部崩壊 △ ： 一部形状保持 × ： 崩壊

－ 89 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）wt%）水溶液を 80℃または 90℃で加熱後 4℃に急

膨潤度 Q

15

冷することで，デンプンゲル及びデンプン／CMC
ゲルを調製できた。

10（2）今回調製したゲルにおいて，CMC 濃度の増加に伴い，膨潤度は増加した。

5

サツマイモ

（3）CMC 濃度が低いほど，またゲル調製時の加熱温度

バレイショ

0

-10

が高いほどゲルの水中安定性は高くなった。

0
10
20
30
CaCl2水溶液濃度 [wt%]（4）サツマイモデンプン／2 wt% CMC ゲル，バレイショデンプン／2 wt% CMC ゲル（加熱温度 90℃）に

図４ デンプン／2 wt% CMCゲルの膨潤度（加熱温度90℃）

おいて，CaCl2 水溶液濃度の増加に伴い，膨潤度は増加した。
（5）サツマイモデンプン／2 wt% CMC ゲル，バレイシ

吸水率 S

15

ョデンプン／2 wt% CMC ゲル（加熱温度 90℃）は，
生理食塩水中においても安定であり，また生理食

10

塩水を吸収可能であることが明らかとなった。
5

本研究で検討した調製法により，デンプン／CMC 複合

サツマイモ

ハイドロゲルを調製できた。今後は，創傷被覆材をは

バレイショ

0

-10

じめとする様々な医療材料としての実用化に向けて，

0
10
20
30
CaCl2水溶液濃度 [wt%]

今回調製したゲルへの抗菌性付与等について検討する予定である。

図５ デンプン／2 wt% CMCゲルの生理食塩水吸水率（加熱温度90℃）

謝辞

ゲルも吸水率 5.5 以上であり，生理食塩水を吸収するこ

本研究を実施するにあたり多大なる支援をいただいとが確認された。また，これらのゲルを生理食塩水に 1た宇都宮大学大学院 工学研究科 学際先端システム学週間浸漬した際の形状変化を観察したところ，いずれの専攻

加藤紀弘教授に，心より感謝いたします。

ゲルにおいても明らかな形状変化は認められず，高い安
参考文献

定性を有していることが確認された。

1) 中條俊夫： ケアマネジメント，19（ 8），38-39（ 2008）４2) 平島円，高橋亮，西成勝好： 日本調理科学会誌，

おわりに40（4），249-256（2007）

結晶生成とイオン架橋を用いることで，デンプン／カ
ルボキシメチルセルロース（CMC）複合ハイドロゲルの

3) 佐藤清隆，上野聡，三浦靖： 応用物理，62（4），368-376（1993）

調製を行った。その結果，以下の知見を得た。
（1）デンプン（コムギ，サツマイモ，バレイショ，と

4) 青木三恵子

うもろこし）／0～6 wt% CMC（総ポリマー濃度 25－ 90 －

編： "調理学"，化学同人，（2006）

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

凍結鋳型における球状黒鉛鋳鉄の流動性に関する研究
石川

信幸*

相馬

宏之*

樋山

里美*

Study on Fluidity of Spheroidal Graphite Cast Iron in Frozen Mold
Nobuyuki ISHIKAWA, Hiroyuki SOMA and Satomi HIYAMA
凍 結 鋳 型 は 従 来 の 鋳 型 よ り 流 動 性 が 優 れ る こ と が 知 ら れ て い る 。こ れ ま で ，凍 結 鋳 型 の 鋳 型
温 度 と 水 分 量 が 流 動 性 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 定 量 的 に 評 価 し た 事 例 は 少 な い 。そ こ で ，本 研 究
では， 鋳 型 温 度 と 水 分 量 の 異 な る 凍 結 鋳 型 を 用 い て 球 状 黒 鉛 鋳 鉄 の 流 動 性 試 験 を 行 い ， 鋳
型温度および水分量と流動性の関係を明らかにした。
Key Words : 球 状 黒 鉛 鋳 鉄 ， 凍 結 鋳 型 ， 流 動 性 ， 鋳 型 温 度 ， 水 分 量

１ はじめに動性試験鋳型は，凍結後抜型し流動性試験に供した。

自動車部品等の軽量化・モジュール化に対応する

鋳型温度-10℃，-70℃の鋳型は，-30℃で凍結後，抜型ため，使用される鋳造品には薄肉・複雑形状が要求し再びビニールに包み所定の温度で 12h 以上保持したされている。薄肉・複雑形状を実現するためには，

後流動性試験に供した。流動性試験に用いた凍結鋳型

流動性に優れる鋳造技術の開発が不可欠である。

の水分量と鋳型温度を表１に示す。比較のため流動性

凍結鋳型は，砂と水を混練し凍結させることによ試験型から CO 2 鋳型も造型し流動性試験に供した。

って製造する鋳型である。凍結鋳型を用いた鋳造法造型した流動性試験鋳型への注湯は次のとおり行っ

は，従来の有機系粘結剤を用いた鋳型等に比べ，鋳た。底部にφ20mm の穴を有する注湯用の CO 2 鋳型をブ

型内での溶湯の流動性が優れることが知られていロックの上に置き，作製した流動性試験鋳型は注湯用る。これは，凍結鋳型が従来の鋳型に比べて通気度

CO 2 鋳 型 の 穴 の 直 下 に 鋳 型 の 注 湯 口 が 来 る よ う に 配 置に優れることや，鋳型が低温のため鋳造時に鋳型かした。（図 2）ら発生する水蒸気の圧力が上昇する前に溶湯が鋳型分になるよう配合を調整した。溶解は高周波溶解炉で内を流動するためと考えられる。そのため，凍結鋳行い，電気炉で 1000℃に加熱したるつぼに 1550℃で出

型での溶湯の流動性は鋳型の温度や水分量に依存す

湯後るつぼ内で球状化処理を行った。溶湯温度が 1280

ると推測される。

℃に下がるまでるつぼで保持した後に注湯用 CO 2 鋳型

球状黒鉛鋳鉄は，表 2 に示す目標成そこで本研究では，鋳型温度および鋳型中の水分に注湯し底部の穴に挿入してある黒鉛棒のストッパを量の異なる凍結鋳型を用いて球状黒鉛鋳鉄の流動性

引抜き注湯を行った。合わせて流動性試験と同一の溶試験を行い，凍結鋳型における流動性に及ぼす鋳型

湯から成分分析用の試験片を鋳造し化学成分を分析し温度および鋳型中の水分量の影響について調べた。

た 。 炭 素 と 硫 黄 は 炭 素 硫 黄 同 時 分 析 装 置 （ LECO
CSLS-600），その他の元素は固体発光分光分析装置（ス

２
２．１

研究の方法

ペクトロ

SPECTRO-LAB）をそれぞれ用いて分析を行った。化学成分から炭素当量(CE)を C%+1/3(Si%+P%)の計

流動性試験

市販の珪砂６号に混練後の水分量が 5%，10％になる
ように水を添加し混練機で室温にて 3 分混練した。混算式により算出した。
２．２

組織試験

各段の厚さが 2,4,6,10mm の階段状試験片の型（図練した砂を，図 1 に示す流動性試験用の蛇行した形状
全長 233mm）の型に充填し造型し3）を用い，流動性試験と同様の方法で鋳型温度-30℃，た。造型した鋳型は乾燥を防ぐためにビニール袋に包

水分量 5%，10％の凍結鋳型を造型した。比較のため階み，-30℃に設定した恒温槽（エスペック㈱ＰＳＬ－４

段状試験片型から CO 2 鋳型も造型した。表 2 に示す目Ｊ）で 12h 以上保持し凍結させた。鋳型温度-30℃の流標成分になるよう配合を調整し高周波溶解炉で溶解*し 1550℃で出湯し，球状化処理を行った後，前述の 3（高さ 2mm 幅 10mm

栃木県産業技術センター

材料技術部－ 91 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

表 2 目標成分（%）

種の鋳型に同一の溶湯を注湯した。
鋳込んだ階段状試験片の各段より試料を切出し，光学顕微鏡（オリンパス

GX71）で撮影し画像処理ソフ

C

Si

Mn

P

S

Mg

3.5

2.7

0.1

0.017

0.012

0.030

トを使い試料表面近傍の黒鉛粒数の測定を行った。また。試料表面近傍のチル組織（急冷組織）の観察も行った。
化学成分は，流動性試験と同様の方法で分析を行った。
表1

凍結鋳型の水分量と鋳型温度
水分量（%）

下型

鋳型温度(℃)
-10

5

-30
-70
-10

10

-30
-70

３．１

図3

階段状試験片型

３

結果及び考察流動性試験

表 3 に鋳込んだ流動性試験片の化学成分および炭素
当量(CE)を示す。
表 3
下型

試料名

流 動 性 試 験 片 の 化 学 成 分 (%)
CE

C

Si

Mn

P

S

Mg

4.47

3.56

2.71

0.09

0.018

0.014

0.032

4.28

3.37

2.72

0.11

0.017

0.010

0.032

4.42

3.48

2.80

0.08

0.016

0.014

0.029

4.44

3.50

2.82

0.08

0.013

0.015

0.029

4.37

3.45

2.76

0.09

0.014

0.015

0.033

4.37

3.52

2.54

0.08

0.013

0.015

0.029

4.38

3.54

2.51

0.10

0.018

0.013

0.028

4.46

3.55

2.71

0.07

0.022

0.019

0.030

4.44

3.52

2.74

0.10

0.017

0.010

0.029

4.46

3.49

2.90

0.09

0.013

0.014

0.032

4.41

3.51

2.69

0.10

0.014

0.018

0.029

4.34

3.45

2.66

0.10

0.018

0.013

0.032

4.41

3.52

2.65

0.10

0.021

0.008

0.031

4.43

3.53

2.67

0.10

0.022

0.014

0.031

CO2鋳型
鋳型温度-10℃
水分量5%

図１ 流動性試験型
鋳型温度-30℃
水分量5%

溶湯
ストッパ
(黒鉛棒)

注湯用
CO 2 型

鋳型温度-70℃
水分量5%
鋳型温度-10℃
水分量10%
鋳型温度-30℃
水分量10%

鋳型温度-70℃
水分量10%

図４に各鋳型条件にて鋳造した流動性試験片の鋳型
ブロック

鋳型

温度と流動長の関係を散布図で示し，合わせて図において丸印を付けた試験片の写真を示す。水分量 5%の凍図2

流動性試験鋳型配置

結鋳型の流動長は，鋳型温度を低下させると長くなる傾向を示した。CO 2 鋳型の流動長の最大値は，83mm であったのに対し，水分量 5%の凍結鋳型は鋳型温度-70－ 92 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）℃は 120mm となり CO 2 鋳型に比べ 1.4 倍長くなった。
水分量 10%の凍結鋳型における流動長は，鋳型温度と相関は見られず一定の値を示した。

図 5 炭素当量と流動長
３．２

組織試験

表 4 に鋳込んだ階段状試験片の化学成分を示す。図6 に階段状試験片の試料表面近傍の黒鉛粒数測定結果を示す。下型表面の肉厚 4～8mm のほぼ全ての肉厚において水分量 5％の凍結鋳型の黒鉛粒数が CO 2 鋳型の粒数を下回った。水分量 5%の凍結鋳型の下型表面の冷却速度は，CO 2 鋳型と同等もしくは僅かに遅いと推測される。上型表面は，凍結鋳型が CO 2 鋳型の黒鉛粒数を全て上回ることが確認された。上型表面は，凍結鋳型がCO 2 鋳型

CO 2 鋳型に比べ冷却速度が速く，水分量が増加すると溶湯の冷却も早くなると思われる。
表 5 に階段状試験片表面近傍のチル組織（急冷組織）の観察結果を示す(チル組織が観察された箇所は×，観察されなかった箇所は○)。図 7 に各階段試験片の肉厚6mm の上型表面近傍の組織写真を示す。CO 2 鋳型と水分量 5%の凍結鋳型は，4mm の上下型のみチル組織が観察され金属組織も同様であった。水分量 5%の凍結鋳型の鋳型温度-70℃

水分量 5%

冷却速度は，CO 2 鋳型と同等と考えられる。水分量 10%の試料表面近傍は，全ての肉厚でチル組織が観察されパーライトの占める面積も他の 2 種に比べ増加していることから冷却速度が速いと推測される。
表4

鋳型温度-70℃
図4

階段状試験片の化学成分(%)

C

Si

Mn

P

S

Mg

3.42

2.71

0.09

0.015

0.012

0.035

水分量 5%

鋳型温度と流動長

図 5 に炭素当量(CE)と流動長の関係を示す。CO 2 鋳型
および水分量 5%の凍結鋳型は，炭素当量が増加すると流動長が長くなる傾向を示した。同一の炭素当量で比較 す る と 水 分 量 5%の 凍 結 鋳 型 の 流 動 性 が 優 れ る こ とが確認された。水分量 10%の凍結鋳型は炭素当量と相(a)上型表面黒鉛留数

関は見られず一定の値を示した。

－ 93 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）(b)下型表面黒鉛粒数
図6

試料表面近傍の黒鉛粒数
鋳型温度-30℃

表 5 試料表面近傍のチル組織
鋳型

CO 2

6mm

上型表面近傍階段状試験片 6mm 上型表面近傍の組織

鋳型温度

水分量

肉厚(mm)

(℃)

（％）

8

6

4

-

-

下型

○

○

×

上型

○

○

×

下型

○

○

×

験を行い以下の結果を得た。

上型

○

○

×

（1）水分量 5%の凍結鋳型流動長は，CO 2 鋳型を上回り，

下型

×

×

×

凍結鋳型の流動性が優れることが確認できた。水

上型

×

×

×

分 量 5%の 凍 結 鋳 型 で の 鋳 型 温 度 と 流 動 長 の 関 係

5
凍結

図7

水分量 10%

-30
10

４

おわりに

鋳型温度と水分量の異なる凍結鋳型を用いて鋳造実は，鋳型温度を下げると流動長が長くなる傾向を示したが，炭素当量の影響も考慮する必要がある。水分量 10%の凍結鋳型は，CO 2 鋳型とほぼ同等の流動長で鋳型温度との相関は確認できなかった。
（2）CO 2 鋳型および水分量 5%の凍結鋳型は，炭素当量が増加すると流動長が長くなる傾向が認められた。水分量 10%の凍結鋳型は，炭素当量との相関は確認できなかった。
（3）水分量 5%の凍結鋳型の冷却速度は CO 2 鋳型と同等で，水分量が 10%に増加すると冷却速度が速くな
CO 2 鋳型ることが示唆された。

6mm 上型表面近傍（4）薄肉鋳物製造の実用化へ向けて，凍結鋳型の鋳型温度および水分量の最適値の目安が得られた。
謝

辞

本 研 究 を 実 施 する にあた っ て， 岩 手 大 学 工 学 部 附 属
鋳 造 技 術 研 究 センタ ー 堀 江 皓 客 員 教 授 ， (独 ) 産 業 技術 総 合 研 究 所 サステナブルマテリアル研 究 部 門 凝 固
プロセス研 究 グループ 多 田 周 二 氏 ，尾 村 直 紀 氏 には多大 なる支 援 を受 けたので，ここに感 謝 の意 を表 する。

本研究は，公益社団法人
鋳型温度-30℃

水分量 5%

6mm

JKA により整備した機器を

上型表面近傍活用して実施しました。

－ 94 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

レーザ溶接ビードマップの開発
赤羽 輝夫*

関口 康弘*To Provide a Bead-Map for Laser Welding
Teruo AKABA and Yasuhiro SEKIGUCHI
平成24年度から25年度に実施した研究「CO２レーザによる異種金属溶接における特性評価」において，溶接条件と溶接結果の関係が把握できるレーザ溶接ビードマップを開発した。

１）２）

この活用により鋼とステンレス等の異種材料溶接における最適溶接条件の選定に効果が認められた。しかし，異種材料の溶接にレーザ溶接ビードマップを活用するためには，最適条件の平均値をアレンジするなどの工夫が必要であった。
本年度は，実際に同種・異種材料の試験片を溶接してレーザ溶接ビードマップの開発を行った。その結果，同種・異種材料の溶接条件と溶接結果の「見える化」が実現でき，最適条件，良好条件の範囲，
欠陥の発生する条件等が把握できるようになった。
Key Words : レーザ溶接，レーザ溶接ビードマップ，異種材料，溶接条件，最適化

１

はじめに

質：SPCC，板厚：2.0mm）とステンレス板（材質：SUS

省資源･省エネルギー化が進展する中，自動車業界で304，板厚：2.0mm）の異種である。

は車体の軽量化を推進している。車体の軽量化方法とレーザ出力と加工速度はそれぞれ5水準とし，水準値

して，テーラードブランク工法（TB工法：異種金属やは平成24年度から25年度に実施した研究「CO ２ レーザに板厚の異なる材料をレーザ溶接等で溶接してからプレよる異種金属溶接における特性評価」で得られた最適ス成形する方法で，軽量化や高強度化に有効。）が広が条件を基とし，さらに予備実験を加えて選定した。
溶接後に試験片の両端部を切断しサイズを25mm×りを見せている。
県内の中小企業が今後TB工法を実施するには，レー25mmとした。LBMは3種類とも縦横200mmのアクリル板にザ溶接 技術の高度化や溶接条件の最適化法を図ること

試験片サイズの穴を合計25個開けて試験片をはめ込み，が必要となる。

ビードの裏面も観察できるようにした。
表１

本研究では，これまでの研究で開発したレーザ溶接ビ

試験材料

ードマップ（LBM：レ ー ザ 出力 及 び 加 工速度等を複数の水準で 変化させ，ビード・オン・プレートによる溶接

種

試験片A

試験片B

ﾚｰｻﾞ出力加工速度

ビ ー ド を 2次 元 に 配 置 し ， 傾 向 を 「 見 え る 化 」 し た も別(板厚mm)(板厚mm)(kW)(mm/min)行う。それらの特性を把握し，溶接条件の最適化をルー①

SPCC 3.2

SPCC 3.2

2.0～4.0

1.0～3.0

チン化させて活用を図る。

②

SPCC 2.0

SPCC 3.2

2.2～3.8

0.8～4.0③

SPCC 2.0

SUS304 2.0

2.4～4.0

1.9～3.1の 。）について，実際の試験片溶接によるパターン展開を

２
２．１

研究の方法
２．２

ＬＢＭ規格

レーザ溶接方法

表１に示す組合せで3種類のLBMを作製することとし各試験片は，初めにレーザ切断により45mm×25mmにた。①は鋼板（材質：SPCC，板厚：3.2mm）の同種であ切断し，レーザ溶接面の変質を避けるために湿式切断

り，②は鋼板（材質：SPCC，板厚：2.0mm）と鋼板（材機により45mm×12.5mmに精度良く分割し，アセトンに

質：SPCC，板厚：3.2mm）の異種であり，③は鋼板（材よる脱脂を行った。
レーザ溶接には，三次元レーザ加工機（㈱日平トヤ* 栃木県産業技術センター 材料技術部

マTLM-408C-40F）を使用した。試験材料の突合せ面を－ 95 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

正確に位置決めするための治具を使用した。
溶接継ぎ手はI型突合せとした。
①の溶接には軟鋼製のφ9mmフィラーを使用し，②はフィラーを使用せず，③はステンレス製のφ9mmフィラーを使用した。フィラー送り速度は200mm/minに統一した。
レーザ溶接時のビームの焦点位置を試験片の表面に合わせ，2枚の試験片の突合せ面（接合線）上をレーザ
ビームの中心が通過する状態を基準とした。

図２ 作製した LBM ①

図３ 外観検査図①

図４ 作製した LBM ②

図５ 外観検査図②

図６ 作製した LBM ③

図７ 外観検査図③

溶接条件のうち，デューティ（レーザを照射している時間の割合）100%，狙い位置（突合せ面から溶接線のオフセット量）0mm，アルゴンのシールドガス流量を20L/min，パルス溶接時の周波数を2kHzに統一した。
２．３

ＬＢＭ評価試験

外観検査を行い，溶接部の溶込不良，融合不良，熱影響部，アンダーフィル等について観察した。なお，良好な溶接とは，余盛が溶接ビードの表面と裏面に連続する状態とした。
溶接試験片を切断，樹脂埋め，研磨，エッチング処理した溶接部断面を金属顕微鏡（オリンパス㈱GX71）
によりマクロ組織を観察した。3種類のLBMの25試験片から中央条件，その高低出力条件，その高低速度条件の5試験片を対象とした。エッチング処理は，SPCCはナ
イタル液を使用した。SPCCとSUS304の試験片は，SPCC
側をマスキングした状態でシュウ酸液による電解エッ
チングによりSUS304を行った後に，ナイタル液でSPCC
側をエッチングした。
マイクロビッカース試験機（ ㈱ フ ュ ー チ ュ ア テ ッ ク FMARS10K） に よ り ， 各 材 料 の 溶
接部近傍の硬さ分布を測定しの低下に伴い溶込不良とフィラー融合不良が発生し，た 。 3種 類 の LBMの 25試 験 片 か

加工速度の低下に伴い熱影響部が拡大した。
②の外観検査の結果，最適条件はレーザ出力3.0kW付

ら中央条件，その高低速度条件の3試験片を対象とした。

近，加工速度2.4mm/min下近傍にあり，良好条件は図５

図１ 測定部

押印加重を50gfとし，図１に示す溶接部の中央から±5mのマーキングした11条件であった。また，レーザ出力mの範囲を0.5mm間隔で測定した。

の低下と加工速度の拡大に伴い溶込不良が発生し，加工速度の低下に伴い熱影響部が拡大した。

３
３．１③の外観検査の結果，最適条件はレーザ出力3.6kW下結果及び考察近傍，加工速度2.8mm/min下近傍にあり，良好条件は図

ＬＢＭ及び外観検査

図２，４，６は実際に作製したLBM①，②，③の写真

７のマーキングした7条件であった。また，レーザ出力であり，図３，５，７は①，②，③の外観検査結果をの低下に伴い溶込不良とアンダーフィルが発生し，加図示したものである。縦軸にレーザ出力の5水準を，横工速度の低下に伴い熱影響部が拡大と融合不良が発生

軸に加工速度の5水準を対応させた。

した。

①の外観検査の結果，最適条件はレーザ出力3.5kW下３．２

図８，９，１０に①，②，③のマクロ試験結果をLB

近傍，加工速度2.5mm/min下近傍にあり，良好条件は図３のマーキングした5条件であった。また，レーザ出力

ＬＢＭのマクロ試験

Mの配置と関連づけて示す。

－ 96 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

も良好な溶接状態であった。また，低速条件では，入熱量が多く，溶接部と熱影響部が拡大した。薄板の効
果により，溶接部にブローホールは見られなかった。
③のマクロ試験結果，中央条件と高出力条件では良好な溶接状態であった。また，低速条件では，入熱量が多く，溶接部と熱影響部が拡大した。低出力条件と高速条件では，溶込不良であった。溶接部内部の融合状態はマーブル状であった。
３．３

図８

ＬＢＭの硬さ分布試験

マクロ試験結果①

図１１

図９

硬さ分布試験結果①

マクロ試験結果②[板厚3.2mm側]

図１２

図１０

[板厚2.0mm側]

硬さ分布試験結果②

マクロ試験結果③[SPCC側][SUS304側]① の マ ク ロ 試 験 結 果 ， LBM中 央 条 件 で は 良 好 な 溶 接状態で あった。また，高出力条件と低速条件では，入図１３

熱量が 多く，溶接部と熱影響部が拡大した。低出力条

硬さ分布試験結果③

件と高速条件では，入熱量が少なく溶込不足であった。
図１１，１２，１３に①，②，③の硬さ分布試験結板 厚 3.2mmは 溶 融 部 が 深 い た め 発 生 し た ガ ス が 閉 じ こ

果をLBMの水準に関連づけて示す。

められやすく，ブローホールが発生した。
②の マクロ試験結果，中速条件では出力が変化して－ 97 －①の硬さ分布試験結果，母材の硬さが100HV程度に対栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

し，溶接中央部では200HV以上であった。また，低速条

一般的に最適溶接条件を求めるには，推定条件から

件より高速条件の場合に溶接部中央が硬くなり，高速始まり試行錯誤を繰り返していたが，LBMの活用により条件より低速条件の場合に熱影響部が広がった。これ

最適溶接条件の効率化及びルーチン化を実現できるとは，溶接による入熱量が高速条件では少ないため母材考える。特に(1)のケースでは効率化の度合いが最も高に吸収されやすく急冷されたことにより最も硬くなり，く，作業者の労力，溶接材料のコスト，リードタイム

低速条件では母材が高温となるため徐冷されたことにの削減に高い効果が期待できる。

より硬さが抑えられたと考える。
②の 硬さ分布試験結果，低速度条件では過剰な入熱

４により 熱影響部が広範囲であり，さらに薄板側が高温となり やすくまた冷却も早まったことにより硬さのピ

おわりに

本研究により次の成果を得ることができた。
（1）SPCC 3.2mmの同 種材料，SPCC 2.0mmとSPCC 3.2

ークが薄板側にシフトしたと考える。

mmの 異 種 材 料 ， 及 び SPCC 2.0mmと SUS304 2.0mm③ の 硬 さ 分 布 試 験 結 果 ， 鋼 板 の 硬 さ が 100HV程 度 での異種材料について完成度の高いLBMを開発し，ステンレス板が200HV程度に対し，溶接中央部では350

それらの特性を把握した。

～ 400HV程 度 で あ っ た 。 低 速 度 条 件 で は ， 過 剰 な 入 熱（2）溶接条件と溶接結果を体系的に「見える化」し，により 溶接部及び熱影響部が広範囲となるが，徐冷効

最適溶接条件設定について効率化を実現した。

果によ り硬さのピークは高速度条件よりも低下した。

（3）LBMの 作成方 法と利用 方法を 確立し，企業の溶接

な お ， ピ ー ク が 3箇 所 に 現 れ た 原 因 は ， 測 定 部 分 の 溶

現場でも活用可能なものとした。

接部の幅が1mmを超えたためである。
３．４

ＬＢＭの活用と効果

参考文献

LBM の 活 用 事 例 と し て 次 の 4つ の ケ ー ス が 想 定 で き1) 赤羽輝夫他："CO２レーザによる異種金属溶接におけるる。

特性評価（第1報）"栃木県産業技術センター研究報告，(1) 溶 接 材 料 ・ 条 件 が 同 一 の 場 合 は ， そ の ま ま LBMの102-106，(2013)2) 赤羽輝夫他："CO２レーザによる異種金属溶接における最適条件が活用できる。
(2) 溶接 材 料 ・ 条件 の 相 異が 小 さ い 場合 は，最適条件

特性評価（第2報）"栃木県産業技術センター研究報告，
118-121，(2014)の推定に類似のLBMが活用できる。
(3) 溶接 材 料 ・ 条件 の 相 異が 大 き い 場合 は，テスト溶
接 の 欠 陥 状 況 と LBMの 欠 陥 規 則 を 参 考 に 最 適 溶 接 条

本研究は，公益社団法人JKA補件の推定に活用できる。
(4) 全 く 新 規 の 溶 接 材 料 ・ 条 件 の 場 合 は ， LBMの 作 成助事業により整備した機器を活用して実施しました。

方法を参考に新規作製が有効である。

－ 98 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

銘仙柄を活用した繊維製品試作開発
田中

武＊

井田

恵司 ＊

Prototype Development Fiber Products Using the Meisen Pattern
Takeshi TANAKA and Keiji IDA
銘仙の特徴である柄の輪郭部分のズレ，絣調を表現することを目標とし，今後の幅広い商品展
開を考え，今回はニット機器の横編機を利用し，銘仙柄の特徴を表現できるか取り組んだ。その結果，編成方法等を工夫することにより，柄模様が微妙にズレるなど銘仙の特徴的な味わい深い表現がニット生地においても可能であることが判明した。
key words :銘仙柄，ニット，横編機，捺染

１

当支援センターには，昭和初期を中心とする図案な

はじめに繊維産業は国際的な産地間競争の激化により，経常

どが多数保蔵されている。さらにデザイン関連機器や的に多品種小ロット化，高付加価値化ならびに低コス

製布装置（織機，編機），及びフルカラーゴブラン織

ト化が厳しく求められている。こうした中で，各企業物など独自の製織技術を有することから，これらを活・各産地においては独自製品のブランド化に対する取用した新しい感性の繊維製品を試作開発し，繊維関連

り組みがなされており，県内繊維産地でも地域ブラン

中小企業にこれを示し，製品開発の一助としたい。

ドの取り組みとして，足利銘仙やこれに使用された柄２を活用した製品の開発も行われているようである。

研究の方法

銘仙とは大正から昭和にかけての女性の普段着としニット生地で柄を表現する手法は２方法ある。ひとてまた，おしゃれ着として全国に普及した平織りの絹つは捺染する方法，もう一つは編成時に色糸を使用し織物のことをいうが，そこに表現される柄は各産地に柄表現をするジャカード編みである。しかしながら，

よって様々な特徴がある。例えば秩父銘仙は玉虫色にどちらの方法においても銘仙の特徴のひとつである柄

光る質感と縞模様，伊勢崎銘仙は大きな草花模様，絣

の輪郭部分のズレや絣調の表現は出来ない。

柄が得意，足利銘仙は鮮明度の高い質感が特徴である
１）

そこで，銘仙の特徴である柄の輪郭部分のズレ，絣

。銘仙には様々な柄があり，これが調を表現するということを目標とし今後の幅広い商品

銘仙柄であると断定するのは難しいということも事実展開を考え，編成方法に工夫をし解し織り調ニット生である。

地開発の可能性に取り組んだ。

といわれているまた，銘仙の織り方のひとつとして解し織りというものがある。この手法は経糸に捺染するために，経糸

２．１

ニットによる解し織り調の柄表現がばらばらにならない程度に緯糸を粗く織っておき

ニット生地に捺染を施した場合，解し織りのたて糸（仮織り），これに模様を捺染し，再び織機にかけ仮捺染のように捺染面の裏側まで染料が行き渡ることが織りした緯糸を抜きながら本織（解し織）をする。こなく，編成した編地を解き再編成した場合，糸が反転のような技法のため，銘仙に使用される柄の輪郭部分

し，染色されていない部分が表面に出ることがある。

は微妙な柄のズレが生じる。これが銘仙特有の特徴でこの編成時の糸の動きが絣調の雰囲気をかもし出すもある。足利銘仙はこの解し織りが特徴であると言われのと考えた。

ている。

編成したときの柄再現の流れ図である。（以下，編地

このことから足利地域における銘仙とは解し織り技法を用いて製作した製品を「銘仙」と称しても過言で編成，捺染，編地解舒，再編成によって得る編地の編成手法を解し編みという）はないと思われる。
*

栃木県産業技術センター

図１は編地編成，捺染，編地解舒，再繊維技術支援センター－ 99 －

栃木県産業技術センター

写真１

研究報告

No.12（2015）

編地編成（工程１）

写真２

捺染（工程２）
写真３

写真４

編地再編成（工程４）
図１

２．１．１

編地解舒（工程３）

解し編みの流れ編地編成（工程１）（編成条件）

解し編みはジャカード柄でもなく，ただ単に捺染す

1)柄サイズ：152Ｗ×498Ｃ

るのでもなく，捺染した編地を解し，再編成すること

2)編目長：9.50ｍｍ（設定値：前後同一））

により，元柄にどの程度近づいた柄再現が可能である

3)糸使い：綿糸20/2ｓ

か試みるものであるが，理論上は同一編目長で編成す

4)組織

：袋編

ることにより再現可能であるはずである。

5)編機: SES-122FF

２本引きそろえ
8ゲージ(ｼﾏｾｲｷ）

これを行うために，横編機の機能デジタルステッチ
コントロールシステム（以下，ＤＳＣＳという）を利２．１．２

用した。写真５は横編機のＤＳＣＳ装置である。この

捺染（工程２）

捺染柄については銘仙柄の活用ということであるが，ＤＳＣＳ装置の機能はひとつの編目長（ステッチ）を

今回は銘仙の特徴的な柄の表現がニット生地で表現出設定することにより，常にその設定値に近い状態で編来るかどうかを確認するため幾何柄として正方形(10cm

地を編成するという機能である。これは編地１コース

×10cm）を選択，捺染して再編成を行った。

の編込糸量を基本として，次のコースの編込糸量を微

なお，編地への捺染は編地編成してから24時間以上調整するという機構である。今回の例でいえば編地の放置後，捺染処理をした。

柄サイズは152ウエール×498コース，編目長は9.50mm（ 捺染条件）と設定しているので，1コースの編込糸量は次のように・反応染料（カヤシオン

なるはずである。

・尿素

1コースの編込糸量＝9.50mm×152目

・10%アルギン酸ナトリウムのり30%

・還元防止剤 ポリミンＬニュー

1%

グリーンA4G) 3% o.w.p10%・炭酸水素ナトリウム3%・試験用スクリーン 捺染機：＃ST-800E(有)シンワキカイ製

・スチーミング(15分）→水洗→ソーピング
サイドテンション部分
エンコーダー（糸量測定装置）

写真５

２．１．３

横編機のＤＳＣＳ装置

編地解舒（工程３）

様々ある糸の中のひとつに編機で一度編んだ編地の－ 100 －

栃木県産業技術センター

糸を解舒し，編成する前の糸の状態に戻し，織物用糸

3)糸使い：綿糸20/2ｓに使用したり，再度ニット用糸として使用するニット

4)組織

：袋編

・デ・ニット糸というものがある（写真６）。この糸

5)編機:SES-122FF

研究報告

No.12（2015）

２本引きそろえ
8 ゲージ(ｼﾏｾｲｷ)の本来の目的はこの糸で編成したニット生地に熱セッ
３トを施し，解舒した糸にクリンプ形状を固定化させ，その特性を活かし，表面変化のある生地，あるいはか

３．１

さ高性を付与した生地を得ることである。

３．１．１

結果及び考察柄再現について横編機の編込糸量について

今回の編成プログラムは図２（横編機の編成方向）

レギュラー糸にあるように右行きは後ベッドで編成し，左行きは前ベッドで編成している。

解舒した糸丸編機のように多給糸口であるが常に右回転あるいは(ﾆｯﾄ･ﾃﾞ･ﾆｯﾄ糸）

左回転の一方向で編成している機器は編成時の糸張力は安定している。それに比べ，横編機では左右の往復

写真６

ニット・デ・ニット糸運動であるため，右行きから左行きに換わるとき，あ
るいは左行きから右行きに換わるときに給糸張力が瞬言い換えればニット・デ・ニット糸を用いて，編地間的に無くなる。

編成した場合，元の生地と同じような生地を得ること

そこで捺染処理後の編地についてＤＳＣＳの設定値9.5は難しいということである。綿などの天然繊維のようｍｍにおける右行き時と左行き時の編込糸量に差があに熱セット性のない素材を使用すればこのことは回避

るのか測定した。その結果は図３（編み方向の違いにできる。

よる編込糸量）である。たて軸は編目数40における編

今回は本来のニット・デ・ニット糸の特性であるか

込糸量を示したものである。後ニードルベッドで編成

さ高性等の機能の付与ではなく，熱セット性のない天

したほうが編込糸量が安定していることが見て取れる。

然繊維（綿糸）を用い，編成したニット生地に捺染を

右行き時の平均編込糸量は36.83cm，左行き時の平均編施し，その後，編地を解し再編成することにより柄が込糸量は36.89cmであった。設定値の編込糸量38.00cm

多少ずれ解し織り風の編地を得ることが可能ではないに比較し，右行き時96.92%，左行き時97.08%でありとかと考えた。

もに約3%少なかった。

２．１．４

後ニードルベッド（右行き）

編地再編成（工程４）

解し編みにおいて最も重要なことは編組織を袋編みにすると言うことである。横編機の左右の往復運動で編成する平編みでは糸を解した後，再編成時のスター
ト位置が重要になってくる。スタート位置がずれた場
合，まったく元柄の再現は得られない。それに比べ，

前ニードルベッド（左行き）

前ニードルベッド・後ニードルベッドを使った袋編み
図２

組織を使用することにより，編込糸量が同じであれば横編機の編成方向（組織：袋編）

スタート位置にかかわらず,はじめと同じ位置での柄再現は難しいがどこかに柄の再現が可能になると考えた。

しかしながら，今回の主目的は柄の絣調や柄のズレを表現することにあるため，再編成時における糸の反転など，元編地と同一条件で編成しても完全に再現することはかなり難しいことであるということが，非常に好都合な状況であるということとも言える。
（編成条件）
1)柄サイズ：152W×498C
2)編目長

図３

：9.00ｍｍ～（測定値：前後同一）－ 101 －

編み方向の違いによる編込糸量栃木県産業技術センター

３．１．２

研究報告

No.12（2015）

捺染処理前後の編成糸の繊度変化

ると言うことはひとつひとつの編目長が大きすぎると再編成するにあたって,編成糸の繊度変化は重要で言うことを意味している。逆に柄が左に傾斜しているある。捺染処理前後の編成糸の繊度を測定したとこと言うことは編目長が少なすぎると言うことを意味し

ろ，捺染処理前の繊度は10.32番手(514.8d)，捺染処ている。

理後の繊度は10.02番手(530.1d)となっており捺染処理後の方が編成糸の繊度が2.97%増加していた。

今回のように袋編み1コース(152編目×2コース）でつまり糸長が97.08%に減少したということである。

61/50目分柄がずれていると言うことは，この柄の変形

このことから図３において編込糸量がそれぞれ約3%を修正するためには次のように１ステッチの糸量を減減少していたことが説明できる。
３．1．３

らして編成することで解決が可能であると考えられる。

再編成による柄再現

写真７～写真１１はＤＳＣＳ装置を利用し，編成及１編目長の減少量＝9.50mm×

61
50 ×

1
304

び再編成した編地である。写真７はレギュラー糸を用＝0.038125mm

いて編成し捺染した試験布である。設定した編目長は9.50mmである。
写真８は編地を解したニット・デ・ニット糸を用い

上記の1編目長の減少量に従い再編成した生地が写真て編目長9.50mmで同一条件で再編成した編地である。

９である。写真９ではループ長設定値が9.47mmではま同一条件で再編成した編地は右側に傾いていることがだ右傾しており，写真10のループ長設定値9.43mmでほ見て取れる。柄のずれは横方向に61針に対し縦方向50ぼ垂直的な傾向が見られた。理論上の値とは0.03mm程

針分傾いている。このことから編地１コース分（１回度，編目長を小さく設定しなければならなかった。

転）柄のずれている糸量（編目数）は61目/50目である。

さらに形状は元の正方形とはほど遠い感じであった。

ＤＳＣＳは糸量をコントロールしているものの，キ原因としては(1)天然繊維の綿糸を使用しているのでセャリッジのスタート位置は左側スタートなのでキャリット性はないもののニット・デ・ニット糸のため，ルッジの進行方向が右方向と左方向では若干のテンショープ形状がまったく残存していないとは言い切れない。

ンの違いが生じてしまう。そのためすべての編目長があるいは，(2)綿糸を２本引きそろえで編成しているの設定値とはなっていない。これは再編成した編地（図で，編地を解じょしたときに微妙に２本の糸のズレが８）を見ると確認できる。各コースの編込糸量が同じ生じた。などが考えられる。

ならば，元絵と同じ正方形かあるいは菱形になるはず

写真１２は糸の反転による絣調の柄表現したものであである。しかしながら，再編成した正方形の柄は直線る。絣調についてはある程度表現出来たものと考える。

的ではなく曲線になっている。これはＤＳＣＳによる微調整により各コースでの編込糸量が異なるため，コース方向の編目が凹凸になっていることを示している。
すべてのループ長が理論値どおりなら解した後の再編
成で柄位置が異なっても同じ柄が出来るはずである。
図２に見られたように横編機編成はキャリッジが右行きの時に後天竺を編み，左行きの時に前天竺を編成している。したがって再編成した柄が右に傾斜してい捺染編地（元柄）

再編成編地１

再編成編地２ループ長（設定値）前･後-9.50

ループ長（設定値）前･後-9.50

ループ長（設定値）前･後-9.47

写真７

写真８

－ 102 －

写真９

栃木県産業技術センター

再編成編地３

再編成編地４ループ長（設定値）前･後-9.43

ループ長（設定値）前･後-9.40

写真１０

写真１１

３．２

研究報告

No.12（2015）

糸の反転による絣調の柄表現

写真１２

編物による銘仙柄を活用した繊維製品開発の４

可能性についておわりに編物においては，織物の解し織りのような柄を得る

基本的には編込糸量をコントロールすることによりことは難しいものの，織物では表現出来ない柄も可能

解し織りの特徴的な雰囲気を持った編地を得ることがであることがわかった。これにより新たな商品展開も可能であると思われる。また，柄の忠実な再現と言う可能になるものと思われる。

ことも重要であるが意図的に編目長を変えることにより，元柄を崩した柄を得ることも可能である。これは参考文献

織物では出来ないことである。そういう意味では計算

1) 足利商工会議所Webサイト：足利道楽ホーム

上では考えにくい意外性のある柄を得ることもあり，

2) 佐瀨文彦

製品開発の可能性はあるものと思われる。

－柄活用支援システムの開発－，栃木県産業技術

ただ，織物とは違い編物にはゲージ（1インチ間の針本数）というものがり，ゲージにより柄の緻密さが十センター研究報告No.113) 藤井健三：別冊太陽，銘仙

分でない場合もあり得ることも考慮しなくてはならない。それに加え柄再現にはデータの蓄積等が必要であら：銘仙柄を活用した繊維製品試作開発

物(2014)
大正昭和のおしゃれ着

平凡社(2004)

4) 島岡順：足利銘仙の歴史と意匠，文星芸術大学大学

る。

院研究科論集第2号,69-79(2007)
5) 栗原幸一

ら：横編みの編成技術の高度化に関する研究(第３報),栃木県工業試験研究機関研究集録,90-101(1993)－ 103 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

不等ピッチエンドミルの工具寿命に関する研究阿部 雅*

柳田 治美*

Tool Life of Right Angle Shoulder Cutting with Irregular Pitch End Mills
Masashi ABE and Hiromi YANAGITA
びびり振動抑制の手法の一つとして，不等ピッチエンドミルの採用がある。本研究では，炭素鋼の直角肩削りを対象とし，不等ピッチエンドミルの工具寿命と加工条件の関係性について，実験計画法を用いて等ピッチエンドミルと比較・検討した。その結果，主軸回転数，１刃送り，軸方向切込のうち，主軸回転数はい
ずれのエンドミルでも工具寿命に与える影響が大きく，主軸回転数を変更した場合の工具寿命への影響は，不等ピッチエンドミルの方が小さい。また，軸方向切込は等ピッチエンドミルにおいて主軸回転数と同程度工具寿命に影響を及ぼすが，不等ピッチエンドミルにおいてはほぼ影響しないことがわかった。
Key words: 不等ピッチエンドミル，逃げ面摩耗，工具摩耗進行図，工具寿命

１

はじめに

２

金型の切削加工では，多様化と併せて高品質・低価

２．１

格・短納期化が求められており，加工面品位の向上，工具寿命の延長，加工の効率化が重要である。

研究の方法

加工機

牧野フライス製作所製のマシニングセンタ（V55）を用いた。

加工面品位の悪化や工具が早期に欠損する原因の一

２．２

被削材と切削工具

つに，加工中に生じる大きな振動が挙げられる。この大被削材は炭素鋼 S55C を用い，等ピッチエンドミル及

きな振動は，工具や被削物の剛性が低い場合などに発生

び不等ピッチエンドミルは，４枚刃，ねじれ角 43°，直しやすく，強制振動と自励振動に大別できるが，加工現

径 6mm の超硬に CrSiN 系コーティングを施したスクエア

場においては，一般に総じてびびり振動と呼ばれていエンドミルを使用した。

る。びびり振動の抑制方法の一つとして，不等分割の外２．３

周刃を有したエンドミル（以下，不等ピッチエンドミル）

２．３．１の採用が知られており，その振動抑制の原理や最適条件
1)について研究が進められている 。

実験計画法による加工条件
直交表への割付け

加工条件のうち，主軸回転数，１刃送り，軸方向切込の３因子を，表１に示す実験計画法の２水準型 L 8 直交表

一方，加工機の無人運転の長時間化は，コスト削減にの列１，列２，列４に割付けた。

つながるため，工具寿命と加工条件の関係性を把握することが重要である。等分割の外周刃を有した一般的なエ

表内のＡ及びＢは，水準Ａ及び水準Ｂにそれぞれ対応している。

ンドミル（以下，等ピッチエンドミル）の工具寿命と加表１L8 直交表工条件の関係性については，古くから検討されている

加工

列

列

列

列

列

列

列

が，不等ピッチエンドミルを対象として検討した例は見

条件

１

２

３

４

５

６

７

受けられない。

１

Ａ

Ａ

Ａ

Ａ

Ａ

Ａ

Ａ

そこで本研究では，主軸回転数（≒切削速度），１刃

２

Ａ

Ａ

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

送り，軸方向切込の３つを因子とした実験計画法を用

３

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ａ

Ｂ

Ｂ

い，工具摩耗進行図を作成し，その傾きを評価すること

４

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ａ

で不等ピッチエンドミルの工具寿命と加工条件の関係

５

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ａ

Ｂ

性について，等ピッチエンドミルと比較・検討を行った。

６

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ａ

７

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ａ

Ｂ

Ｂ

Ａ

８

Ｂ

Ｂ

Ａ

Ｂ

Ａ

Ａ

Ｂ

*

栃木県産業技術センター

県南技術支援センター－ 104 －

栃木県産業技術センター

２．３．２

水準の設定

研究報告

No.12（2015）

なお，定数項であるｄは，各因子の変動に影響されな

表２に各因子の水準Ａ及び水準Ｂを示す。主軸回転数

い値である。

及び１刃送りは切削工具の汎用条件及び高速条件を参考に設定した。また，刃数Ｎ，ねじれ角θ，直径Ｄの等(特性値)＝ａ×(主軸回転数)＋ｂ×(１刃送り)

ピッチエンドミルにおいて，軸方向切込Ａ ｄ が式(1)の変＋ｃ×(軸方向切込)＋ｄ(2)

数ｉ＝ｎ（ｎ：整数）となる場合切削抵抗の変動が小さ
くｉ＝ｎ＋0.5 となる場合切削抵抗の変動が最も大きく

２．５．２

水準の主効果と推定係数の算出

なり，ｉ＝ｎの方が長寿命となるとの報告 2)がされてお

表１の列１に割付けた主軸回転数に着目した場合，加り，同様の条件で不等ピッチエンドミルを用いた場合と工条件１～４の特性値の平均と加工条件１～８の特性比較するため，水準Ａはｉ＝1，水準Ｂはｉ＝1.5 となる値の総平均の差が，主軸回転数の水準Ａの主効果であよう軸方向切込を設定した。

る。同様に加工条件５～８の特性値の平均と加工条件１

表２
因子

＼

各因子の水準～８の特性値の総平均の差から水準Ｂの主効果が求め

水準

Ａ

Ｂ

主軸回転数 min-1

4500

6400

(切削速度

m/min)

(85)

(121)

１刃送り mm/tooth

0.05

0.07

5.05

7.58

られ，水準Ａと水準Ｂの主効果から主軸回転数の推定係数を求めた。１刃送り及び軸方向切込の推定係数も同様
に求めた。
３
３．１

軸方向切込

２．３．３

mm

‫ ݀ܣ‬ൌߨ‫ܦ‬ൈ݅ܰ‫ߠ݊ܽݐ‬結果及び考察工具摩耗進行図と単回帰直線

図１，２はそれぞれ等ピッチエンドミル，不等ピッチ
エンドミルを用い，加工条件１～８（加工順はランダム）で実験し作成した工具摩耗進行図である。表３は図１，(1)２から求めた単回帰直線の傾きを示す。

共通の加工条件

上述以外の加工条件は，工具突出し 30mm，ドライ加工，
径方向切込 0.2mm，ダウンカットの直角肩削りである。
２．４

工具寿命と工具摩耗進行図の傾き

エンドミルの工具寿命は一般的に逃げ面摩耗Ｖ Ｂ の大きさで評価され，寿命と判断される大きさは，工具や被削材の種類，荒加工・仕上げ加工等によって任意に定める必要がある。加工後に測定した逃げ面摩耗と切削時間
を折れ線グラフに描画した工具摩耗進行図は，その傾き等から工具寿命の設定・推定に活用される。
本研究では，切削長 50ｍに達するまで 10ｍ毎に，被削材と接触する部位の中で最も摩耗しやすい 3)刃先の逃

図１

等ピッチエンドミルの工具摩耗進行図

図２

不等ピッチエンドミルの工具摩耗進行図

げ面摩耗を測定し，４枚刃の平均値から各加工条件の工具摩耗進行図を作成した。また，工具摩耗進行図において，線形に摩耗が進行する定常摩耗域の単回帰直線（ｙ＝ａｘ＋ｂ）の傾きａを，各加工条件が工具寿命に及ぼす影響の大きさと見なし，実験計画法における特性値とした。
２．５

各因子が工具寿命に及ぼす影響の推定２．５．１

重回帰式における推定係数

各因子と特性値の関係を式(2)のように重回帰式で表
すと，ａ～ｃは各因子の推定係数であり，推定係数の絶対値が相対的に大きいほど，工具寿命に大きく影響を与える因子であると推定できる。

－ 105 －

栃木県産業技術センター

表３

研究報告

No.12（2015）

各加工条件の単回帰直線の傾き(特性値)

加工

等ピッチエンドミル

不等ピッチエンドミル

１

0.565

0.6001

２

0.95470.5506

３

0.77460.8722４

1.39510.7733５

1.9242

1.0678６2.05251.177

７0.2854

1.0783８

3.47691.2508条件

図３ 因子の特性値への影響（等ピッチエンドミル）
３．２．２

不等ピッチエンドミル

表５は不等ピッチエンドミルについて，表３から求めた各水準の平均と主効果である。表５の主効果を折れ線グラフに描画したものが図４である。
図４の傾きを比較すると，主軸回転数が最も工具寿命３．２へ及ぼす影響が大きく，軸方向切込による影響はほぼ無

各因子が工具寿命に及ぼす影響

３．２．１

いことがわかる。また，図３，４を比較すると，主軸回

等ピッチエンドミル

表４は等ピッチエンドミルについて，表３から求めた

転数においては，不等ピッチエンドミルの方の傾きが小各水準の平均と主効果である。表４の主効果を折れ線グ

さいことから，主軸回転数の工具寿命への影響は，不等ラフに描画したものが図３であり，図中の傾きは各因子

ピッチエンドミルの方が小さく，１刃送りによる影響の推定係数と等しく，傾きの大きい因子が工具寿命に大は，いずれのエンドミルも同程度であると推測される。

きく影響を与えることを示唆している。また傾きが正の場合水準Ａの方が得られる特性値が低い，即ち逃げ面摩表５

各水準の平均と主効果（不等ピッチエンドミル）

耗の進行が遅い。

主軸回転数

１刃送り

軸方向切込

従って等ピッチエンドミルにおいては，主軸回転数と軸方向切込が同程度に工具寿命へ大きく影響を及ぼし，水準Ａの平均0.69905

0.848875

0.9046１刃送りは主軸回転数に比べ影響がかなり小さいと言水準Ｂの平均1.143475

0.993650.937925

水準Ａ主効果-0.2222125-0.0723875-0.0166625

水準Ｂ主効果0.2222125

0.0723875

0.0166625

える。
表４

各水準の平均と主効果（等ピッチエンドミル）
主軸回転数

１刃送り

軸方向切込

水準Ａの平均0.92235

1.37410.8873

水準Ｂの平均1.93475

1.483

1.9698

水準Ａ主効果-0.5062-0.05445-0.54125

水準Ｂ主効果0.50620.05445

0.54125

図４ 因子の特性値への影響（不等ピッチエンドミル）－ 106 －

栃木県産業技術センター

４

おわりに

研究報告

No.12（2015）

参考文献

不等ピッチエンドミルの工具寿命と加工条件の関係

1) 倉田祐輔："切削加工における自励びびり振動の解析性について，等ピッチエンドミルと比較・検討した結果，
以下の結論を得た。

とその応用"．
2）中川平三郎，松芳隆之，大西宏明，廣垣俊樹："エン（1）等ピッチエンドミルにおいては，主軸回転数と軸ドミル加工における軸方向切込量が工具寿命に及ぼ方向切込が同程度に工具寿命へ大きく影響を及ぼす 影 響 " ， 精 密 工 学 会 誌 ， Vol.71,No.2(2005) ，す。

273-277．

（2）不等ピッチエンドミルにおいては，主軸回転数が3) 財団法人機械振興協会技術研究所："加工技術デー

最も工具寿命へ及ぼす影響が大きく，軸方向切込による影響はほぼ無い。
（3）等ピッチエンドミルと不等ピッチエンドミルを比較すると，主軸回転数の工具寿命への影響は不等
ピッチエンドミルの方が小さく，１刃送りによる影響は同程度に小さい。

－ 107 －

タファイル 基礎編 切削加工編"．

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

金属材料の破壊形態の定量化に関する研究
小池

宏侑 *

大根田

明由 *

Study on the Quantification of Fracture Modes of Metallic Materials
Hiroyuki KOIKE and Akiyoshi ONETA
目視に依存しない金属材料の破壊形態の分類のために，フラクタル次元を用いて脆性及び延性破面の定量化を行った。構造用炭素鋼 S55C の脆性及び延性破面に対し，３次元形状を測定し，球拡張法を用いてフラクタル次元を算出したところ，脆性及び延性破面のフラクタル次元の値に明瞭な差が現れた。このことから，球拡張法により脆性及び延性破面の定量化が可能であることが分かった。
Key Words : 破断面解析，フラクタル次元，脆性破面，延性破面

１

はじめに

れた例はない。

海外製品との激しい競争にさらされている県内金属本研究では，金属材料の代表的な破壊形態である脆性製品製造企業にとって高品質な製品製造技術は極めて破壊及び延性破壊の破面形状を球拡張法を用いて算出重要である。製品の高品質化の実現のためには，金属製したフラクタル次元により定量化を行い，ボックスカウ

品等の破壊事故の際に原因究明と再発防止の観点からンティング法を用いた場合との比較を行った。その結行われる破面解析が大きく貢献している １）。従来の破面

果，球拡張法を用いて目視に依存しない破壊形態の分類

解析はルーペ，実体顕微鏡，走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ ）が可能であることが示唆されたので報告する。

等を用いて，その破面形状から目視によって定性的に判断するのが一般的であるが，より詳細で確実な解析のためには破面解析の定量化が必要と考えられている。その２
２．１

手法として破面のフラクタル解析が注目されている。

研究の方法

同一金属材料による脆性及び延性破面の作製

平滑試験片及び環状切欠付き試験片を万能材料試験

フラクタル解析とは，複雑な形状を呈する破面にフラ機（㈱東京衡機 RUG500-TK21）を用いて引張試験を行う

クタルの概念を適用させた解析手法である。フラクタル

ことで，脆性及び延性破面を作製した。試験片形状をを定量的に表す量としてフラクタル次元

２）があり，金属

図１，図２に示す。

材料の破壊形態の分類に有効であることが示されている。破面のフラクタル解析については，２次元形状及び３次元形状の両方に着目した研究 ３）４） が行われているが，２次元形状での解析は破面の全体的特徴を網羅しているとはいえない。そのため，３次元形状でのフラクタル解析が望ましいと考えられており，その有効性も示されているが，フラクタル次元の算出にはボックスカウン

図１

平滑試験片

ティング法を用いた解析しか行われていない。一方で，金属破面はフラクタル性を持っていると言われているが，厳密にはフラクタルではないため，他の算出方法を用いても同一の値をとるとは考えにくく，より適切な算
出方法の模索も必要である。球拡張法は３次元形状のフラクタル次元の算出方法の１つであり，ボックスカウン
ティング法に比べ，破面の複雑性の違いをより明瞭に表現できる可能性があるが，破面のフラクタル解析に使わ*栃木県産業技術センター

図２

県南技術支援センター－ 108 －

環状切欠付き試験片栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

試験片は構造用炭素鋼（S55C）の丸棒から製作し，加トの違いが結果に及ぼす影響を避けるため，オートコン

工前に完全焼きなまし，加工後には応力除去焼きなまし

トラストの機能を使用して撮影した。ＳＥＭによる３次の熱処理を行った。引張試験の際，クロスヘッド移動速

元形状の測定条件を表１に示す。

４）。引張試験の結果，環状切欠付

レーザプローブによる測定では，破断面に対し，図５

き試験片の破面には図３に示すようにリバーパターンに示すような走査経路で測定を行い，得られたn 個の離が観察され，典型的な脆性破面の様相を呈した。一方，散的な３次元座標データ（x� , y� , z� ）（i � 1,2,…,n ）度は 0.5mm/min とした平滑試験片の破面には図４に示すように無数のディンを３次元形状データとした。レーザプローブによる３次

プルが観察され，典型的な延性破面の様相を呈した。

元形状の測定条件を表２に示す。条件 L1，L2，L3 の測引張試験を平滑試験片及び環状切欠付き試験片 5 本ず
つ行うことで，脆性破面及び延性破面の試料をそれぞれ定範囲（幅，長さ）は，条件 S1，S2，S3 の撮影視野とそれぞれ同等の範囲を設定した。
測定箇所は破面から無作為に抽出した。脆性及び延性

5 試料ずつ作製した。

破面それぞれ 5 試料から 5 視野ずつの計 25 箇所における３次元形状を測定した。
表１

ＳＥＭによる３次元形状の測定条件

撮影倍率

図３

条件 S2

条件 S3

×100

×500

×1000

環状切欠付き試験片の破断面のＳＥＭ像

図５
表２

条件 L1

条件 L2

条件 L3

幅(mm)

1.300

0.260

0.130

長さ(mm)

1.000

0.200

0.100

ピッチ(mm)

0.070

0.008

0.002

データ数（n）

約 4000約 10000

約 10000

フラクタル次元解析プログラムの構築

２．３．１
図４

レーザプローブによる測定の走査経路

レーザプローブによる３次元形状の測定条件

２．３

２．２

条件 S1

球拡張法

球拡張法によるフラクタル次元の算出方法を示す。す

平滑試験片の破断面のＳＥＭ像

べての点群を含む３次元空間において，ある点を中心に３次元形状の測定

脆性及び延性破面の３次元形状をＳＥＭ（日本電子㈱JSM-6510LA）と万能投影機（㈱ミツトヨ QVH250-PRO）

半径r の球を考える。球の中に含まれる点の総数を��r�
として，���� � � �� ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ (1)のレーザプローブを用いて測定した。
ＳＥＭを用いた測定では，撮影した二次電子像の濃淡情報を３次元形状データとした。二次電子像をビットマップ形式で出力し，ピクセルごとの濃淡情報を数値に変換することで， 1280 行 960 列の数値データ（ 0,1,2,…,255）が得られる。本研究では，i 行j 列目の数値デー
タを��� として，離散的な３次の状態量（i, j, ��� ）を３の関係を満たすとき，D� が球拡張法におけるフラクタル次元となる。本研究では測定した３次元形状データに対し，半径�� （� � 1,2,…,K ）の球の中に含まれるデー

タの総数��r� �を計算し，フラクタル次元D� を累乗近似より求めるプログラムを作成した。�� は式(1)が成り立

つ範囲で任意に設定する。

次元形状データとした。また，二次電子像はコントラス－ 109 －

球の中心��� , �� , �� �は３次元形状データの重心位置と栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）した。そのため，レーザプローブを用いて測定した３次

表３元形状データに対しては，

�� �

∑�
��� ���, �� �

∑���� ��
�条件, �� �

∑���� ��
�

条件 S1∙ ∙ ∙ ∙ ∙ (2)条件 S2とした。また，ＳＥＭを用いて測定した３次元形状デ条件 S3ータに対しては，�� � �40, �� �480, �� �

とした。

２．３．２

�
∑�
��� ∑��� ���

��

条件 L1
∙ ∙ ∙ ∙ ∙ (3)

条件 L2
条件 L3

ボックスカウンティング法

2.3

ボックスカウンティング法によるフラクタル次元の計算条件（球拡張法）
�����

10 ∙ 2K
7

10 ∙ 2���

7

0.�0 � 0.0��� � 1�7

0.02 � 0.01�� � 1�

910 ∙ 2���

0.02 � 0.01�� � 1�

7

9

2.2

算出方法を示す。すべての点群を含む３次元空間を一辺
L の立方体が並ぶ３次元のメッシュに分ける。そして，

2.1

空間上において少なくとも１つの点を含むような立方体の個数をM�L� としたとき，

2���� � ���� ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ (4)1.9の関係を満たすとき，D� がボックスカウンティング法

におけるフラクタル次元となる。本研究では測定した３次元形状データに対し，立方体の一辺の長さを�� （� �
1, 2, ⋯ , K ）とした場合に，データを１点以上含む立方体の個数M��� � を計算し，フラクタル次元D � を累乗近似よ

図６

各破面と球拡張法により算出したフラクタル次元の関係（測定条件 L1）

３．２

ボックスカウンティング法

脆性及び延性破面それぞれ 25 視野に対し，測定条件

り求めるプログラムを作成した。�� は式(4)が成り立つ
範囲で任意に設定する。

ごとに表４に示す計算条件を設定し，ボックスカウンテ

２．４

ィング法を用いてフラクタル次元を算出した。その結構築したプログラムによる破断面の定量化構築したプログラムを用いて，脆性及び延性破面の３果，条件 S2，S3 において各破面のフラクタル次元の値

次元形状データからフラクタル次元を算出し，破断面のに差が現れた。図７，８に条件 S2，S3 における各破面定量化の検討を行った。25 視野それぞれについてフラクとフラクタル次元の関係を示す。
表４

タル次元を算出し，平均値と数値のばらつきを見るため

計算条件（ボックスカウンティング法）に標準偏差を求めることで破面の定量化の検討を行っ

条件

た。

条件 S1
条件 S2
３

３．１

条件 S3

結果及び考察

条件 L1

球拡張法

脆性及び延性破面それぞれ 25 視野に対し，測定条件

条件 L2

ごとに表３に示す計算条件を設定し，球拡張法を用いて

条件 L3

��

K

10 � 10�� � 1�

15

10 � 10�� � 1�

15

10 � 10�� � 1�

15

0.1 ∙ 2���

4

���

3

0.04 ∙ 2
0.02 ∙ 2

���

3

フラクタル次元を算出した。その結果，条件 L1 でフラ

条件 S2 において，脆性破面のフラクタル次元は平均

クタル次元の値に差が現れた。図６に条件 L1 における値 2.38(標準偏差 0.02)，延性破面は平均値 2.45(標準偏各破面とフラクタル次元の関係を示す。脆性破面のフラ

差 0.02)となり，標準偏差を考慮しても両者のフラクタ

クタル次元は平均値 2.02(標準偏差 0.03)，延性破面はル次元に差が現れた。また，条件 S3 においても，脆性

平均値 2.18(標準偏差 0.08)となり，標準偏差を考慮し破面のフラクタル次元は平均値 2.34(標準偏差 0.02)，ても両者の値に差が現れた。しかし，条件 L1 以外では延性破面は平均値 2.44(標準偏差 0.02)となり，両者の各破面のフラクタル次元の値に違いは現れなかった。

フラクタル次元に差が現れた。しかし，条件 S2，S3 以

このことから，適切な測定条件を選択する必要がある
が，球拡張法を用いて算出したフラクタル次元から，外では各破面のフラクタル次元の値に違いは現れなかった。

S55C の脆性及び延性破面を定量化できることが分かった。

このことから，球拡張法と同様に適切な測定条件を選択する必要があるが，ボックスカウンティング法を用い－ 110 －

栃木県産業技術センターて算出したフラクタル次元から，S55C の脆性及び延性破４面を定量化できることが分かった。

研究報告

No.12（2015）

おわりに金属材料（S55C）の脆性及び延性破面を定量化する手法を提案し，以下の結論を得た。

2.5（1）ＳＥＭと万能投影機のレーザプローブを用いて測2.45

定した脆性及び延性破面の３次元形状データから，球拡張法及びボックスカウンティング法を使

2.4ってフラクタル次元を算出した。その結果，適切な測定条件を選択する必要があるが，フラクタル

2.35次元の値から各破面の定量化が可能であることが
分かった。

図７

各破面とボックスカウンティング法により（2）ボックスカウンティング法に比べ，球拡張法の方算出したフラクタル次元の関係（測定条件 S2）が脆性破面と延性破面のフラクタル次元の値に大きな差が現れた。このことから，球拡張法はボッ

2.5

クスカウンティング法に比べて，２つの破壊形態

2.45

を明瞭に分類できる可能性があることが分かっ

2.4

た。

2.35

謝

2.3

辞

本事業で用いた測定機の一部は公益社団法人 JKA の補助事業によるものであり，競輪マークを記して謝意

図８

各破面とボックスカウンティング法によりを表する。

算出したフラクタル次元の関係（測定条件 S3）
３．３

球拡張法とボックスカウンティング法の比較

参考文献

各破面のフラクタル次元の値に差が現れた条件が球

1) 高梨正祐 他： "圧力技術"，Vol.44（ No.1），pp.3-11，

拡張法ではレーザプローブによる測定データのみであ（2006）

り，ボックスカウンティング法ではＳＥＭによる測定デ2) 高安秀樹： "フラクタル"，朝倉書店，pp.7-25，（1986）

ータのみであった。しかし，ボックスカウンティング法

3) M.TANAKA 他： "ISIJ International"，Vol.44（ No.7），

では各破面のフラクタル次元の平均値の差が 0.07，0.1

pp.1250-1257，（2004）程度だったのに対し，球拡張法では 0.16 と比較的大き

4) 池庄司敏孝 他： "日本機械学会論文集（Ａ編）"，

な値を示し，破面の違いを明瞭に表すことができた。

64

巻 （ 623号 ） ， pp.232-238 ， （ 1998 ）これらのことから，レーザプローブを用いて破面の形状を測定し，球拡張法によりフラクタル次元を算出する

本 研 究 は ， 公 益 社 団 法 人 JKA

ことで，S55C の脆性及び延性破壊の定量的な分類が可能の 補 助 事 業 に よ り整 備 し た 機ではないかと考えられる。

器を活用して実施しました。

－ 111 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

結城紬のフォーマル化（第２報）
小嶋 一夫*

吉葉 光雄*

太田 仁美*

Study on the Development of Yukitsumugi which is Worn in Place of Formal Dress（2nd Report)
Kazuo KOJIMA，Mitsuo YOSHIBA and Hitomi OTA
結城紬は，高級着尺ではあるが街着という認識が一般的でフォーマルの場で着用されることが少なく，晴着などに比べて販売機会が減少している。
こうしたことから，これまで着用されることが少なかったフォーマルの場においても着用できる結城
紬の着物製品を開発することにより，結城紬の需要拡大を図ることを目的として研究を行った。
本年度は，結城紬の地機により製織した白生地に後染加工を施すことにより，和服における礼装のひとつである色留袖の着物を製作した。
Key words: 結城紬，留袖，後染

１ はじめにった。

結城紬はユネスコの無形文化遺産の代表一覧表に記載さ・洗浄 界面活性剤 エマール 40 2%o.w.f. 15 分れるなど，現在世間の耳目を集めているが，着物離れや厳・漂白 ハイドロサルファイト

しい経済状況の中で，着物素材としての需要が減少してい

・水洗

１）

る。

10%o.w.f.

5分

２．２ 製織条件

結城紬は高価な着物ではあるが，街着でありフォーマル

色留袖用白生地の製織条件は次のとおりである。

着として用いられていないため，着ていく場所が限られる・織機など着用機会が少なく，購入をためらう原因となっている。

・筬密度 平 17 算(63 羽/3.8 ㎝)

本研究は，結城紬の需要を増すためにフォーマルな場ま地機・通し幅 11.2 寸(42.4cm)

たはそれに準じるような場で着用可能な結城紬を製作し，・筬羽数 693 羽（1 羽引込 2 本）

産地業界の活性化を図ることを目的として行った。

・整経長 49 尺(18.6m)

２）

昨年度は略礼装の場で着用できる付下げ着物 を製作し

色留袖等の裾模様が多くを占める着物では，仕立てる際たが，本年度はフォーマル着として黒留袖に次ぐとされるに柄合わせが必要になることから，
通常の着尺地より幅広，

色留袖を紬織物の後染加工により試作し，フォーマル着と長尺での製織条件とした。

しての可能性について検討した。

２．３ 後染加工
織物の後染加工には，生地染め，型染め，手描きなどの２ 研究の方法
２．１ 使用糸技法があるが，今回はフォーマル着としての留袖とすることから手描友禅による柄付けとした。

色留袖用の白生地に使用した糸は次のとおりである。
・使用糸

なお、国内における友禅の代表的な産地としては，京都，石川，東京が挙げられるが，結城紬産地から最も近く，伝

たて糸 真綿からの手紬糸 平均 127 ﾃﾞﾆｰﾙ

統的工芸品に指定されている東京手描友禅での後染加工をよこ糸 真綿からの手紬糸 平均 118 ﾃﾞﾆｰﾙ行った。

結城紬産地において無地・縞生地に使われる手紬糸

今回製作する色留袖の柄配置の例を図１に示す。

の太さ（繊度）は，たて糸 150 デニール，よこ糸 120 デニール程度であるが，今回は生地製織後に染色加工を行うことから，通常より細い 100 亀甲柄に使用される糸とした。
また，糸の白度を高めるために次の条件により漂白を行*

栃木県産業技術センター 紬織物技術支援センター－ 112 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

・よこ糸を巻く小管は全て新しいものとする。
・たて糸の機巻きに使用する機草には，白糸への色移りを防ぐためのカバー（ラップ）をする。
③製織
・製織者は白衣などを着用して作業する。
・手指のよごれやケガ等による糸への血液付着，顔などからの汗の滴下に注意する。
白生地の製織に使った機草を写真１，製織中の作業者を
写真２に示す。
お ま き

緒巻

はたくさ

機草
図 1 色留袖の柄配置（例）厚紙
２．４ 白色度測定
使用した手紬糸と製織した白生地の白さの度合いを示す
木製

白色度を調べるため，JIS L1916（繊維製品の白色度測定方法）に準拠し，コニカミノルタ製分光測色計 CM-1000 で測定した測色値から白色度を求めた。

写真１ ラップした機草（木製と厚紙製）
３ 結果及び考察
３．１ 製織した紬織物（白生地）
色留袖用に製織した結城紬白生地の概要は次のとおりである。
・長さ

45.6 尺※）（17.2m）

・幅

1尺

・重さ

743g

・打込数

145 本/3.8 ㎝（38cm）（※ 尺は鯨尺)

今回の色留袖の製作に当たり設けた織上り条件は，長さ45 尺（17m）以上，幅 10 寸（38 ㎝）以上であったがいず

写真２ 白衣（割烹着）を着た製織者

れも所定値をクリアすることができた。
また，白生地の製織に際しては，他の製織中の反物の毛３．２ 手紬糸と白生地の白色度

羽飛び込みやよごれなどに十分注意する必要があることから，次のような作業要領を作成し，これに基づき製織を行使用した手紬糸と織上げた白生地の白色度を表１に示す。
表１ 使用糸・白生地の白色度（ＷL）った。その結果，色糸毛羽の飛び込みなどがほとんど見られない白生地とすることができた。
【白生地製織の作業要領】①製織環境
・他の機織機と同室とせず，別室で製織する。

漂白後

白生地

たて糸

５６．７

６４．５

６２．０

よこ糸

５９．４

７２．５

※ 黒:０＜白色度＜白:100

・石油ストーブ等の暖房器具は使用しない。
②製織準備

漂白前

手紬糸の漂白処理は，染色工程での染料の染着性への影響等を考慮して，高濃度で長時間できないとされている。

・部屋，織機の清掃は作業前・後に毎日行う。

表１をみると漂白処理を行った糸の白色度は，漂白前に比・筬や杼などの機用具は製織前に清掃する。

べたて糸，よこ糸とも高くなっており，今回のような短時－ 113 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

間での漂白処理条件でも糸の白さの向上に有効であること

色留袖は友人の結婚式やパーティーなどで着用できる着が分かる。

物とされ，比較的幅広い年代層に着用されることから，今

白生地の白色度が製織前の漂白した糸に比べて低下して回の試作では 20～40 歳代向きの地色とするとともに多くの場面に対応できる古典柄による手描友禅 3）とした。

いるが，これは製織準備作業における糸の取扱いや織物生地としてのたて糸・よこ糸の交差等によるものと思われる。

また，手紬糸を使った結城紬の白生地では細い線状が表

また，参考に手紬糸の原材料である袋真綿の白色度を測しにくいため，こうした表現の比較的少ない柄を選定した。
なお，今回の後染加工に採用した東京手描友禅の主な加定したが，その値は 61.3 で漂白前の糸より高くなっており，糸つむぎにより白色度が低下している。

工工程を次に示す。
【手描友禅の主な工程】

３．３ 後染加工と色留袖の製作

図 案

製織した白生地の後染加工中の柄の一部を写真３，製作↓

した色留袖の着物を写真４に示す。

下 絵

図案に基づいて白生地に下絵を描く。

↓
糸目糊置き

下絵に沿って糊を付ける。

↓
地入れ

糊を生地に定着させる。

↓
引き染め

大きい刷毛で地染めをする。

↓
友禅挿し

筆や刷毛で色を挿す。

↓

写真３ 色留袖の柄（白緑地華紋唐草文様）

蒸し・水元

染料を定着させ、糊を落とす。

↓
仕上げ

模様の補正、金銀箔加工等

４ おわりに
結城紬の軽くて柔らかく着やすいという生地の特徴を生かしながら，従来の糸染めに代わって手描友禅による後染加工を行うことにより，フォーマル着のひとつである色留袖を製作することができた。
今後はこの手法の紬織物関連企業への普及を図るとともに，結城紬の新たな製品開発支援にこうした技術を活用していきたい。
参考文献
1) 本場結城紬検査協同組合：検査実績報告書（2014）2) 嶋田ら：平成 25 年度栃木県産業技術センター研究報
告，№11，150，（2014）

写真４ 製作した色留袖

3) 窪田ら：東京都立産業技術研究所研究報告，№4，1，（2001）－ 114 －

栃木県産業技術センター

研究報告No.12（2015）

経常研究

益子焼技術映像マニュアルの作成
興野 雄亮*

山ノ井 翼*Development of MASHIKOYAKI Technical Manual with Videos
Yusuke KYOUNO and Tsubasa YAMANOI
益子焼のロクロ成形技術・施釉技術等は修得に特に時間のかかる伝統技術のひとつであり，同時に陶芸の魅力をアピールできる技術でもある。しかしながら，益子焼特有のロクロ技術・施釉技術等は口伝に頼るのが現状であり，他産地交流も盛んになったため本来の姿が失われる恐れがある。
そこで，技術継承／保存／普及に資するため，パソコンのほかタブレット端末，スマートフォンでも再生できる映像マニュアルを開発した。同時に開発のための知見も得た。
Key words: 陶芸，伝統工芸，伝統技術，マニュアル

１

はじめに

業・平成 26 年度伝習生養成課程で指導に用いている説

益子焼のロクロ成形技術・施釉技術等は修得に特に時明図を基に Microsoft Word 2010 を用いて作図した。

間のかかる伝統技術のひとつであり，同時に陶芸の魅力

文章情報は窯業技術支援センターの人材育成事業・平をアピールできる技術でもある。しかしながら，益子焼

成 26 年度伝習生養成課程で説明に用いている文言を編特有のロクロ技術・施釉技術等は口伝に頼るのが現状で集し作文した。

あり，他産地交流も盛んになったため本来の姿が失われ

２．３

る恐れがある。

マニュアルの再生

映像マニュアルの再生は，ウェブブラウザを介するこ

そこで，益子焼技術映像マニュアルを開発し技術継とによりパソコンのほかタブレット端末，スマートフォ

承・保存・普及に資するとともに，開発のための知見をンでも再生できる（図１）よう各種仕様を設定した。

得た。
２
２．１

研究の方法

撮影する工程と対象撮影する工程は工芸品検査基準 1)や益子焼技術に関する書籍 2)を参考に，主に窯業技術支援センターの人材育成事業・平成 26 年度伝習生養成課程の中から抽出した。
撮影する工程は土揉み技術，ロクロ成形技術，泥掛け・施釉技術を対象とし，各工程に応じて適切な情報と

図１なるよう動画形式，静止画（イラスト）形式，文章形式

タブレット端末・スマートフォンでの映像マニュアルの再生の３種に分類した。
２．２

情報の編集・作成

具体的には HTML 文書に再生できるタブレット端末等

映像の撮影は紬織物技術支援センターの事例

3)-6)

を参

考に，一般的なコンパクトカメラ３台（Sony DSC-W550，

で再生できる形式の動画情報，静止画（イラスト）情報，
文章情報を埋め込んだ。

Sony DSC-W610，Sony DSC-W730）及び三脚を用いて行った。

文書は CSS3 に準じた形式で記述した。動画情報は H.264

動画情報および静止画情報は Adobe Premier Elements
10 を用いて撮影した映像から切り出して作成した。

栃木県産業技術センター

形式による mpeg4 ファイルとして，静止画（イラスト）
情報は主に jpeg ファイルとして作成した。文章情報は

イ ラ ス ト 情 報は 窯 業 技 術 支援 セ ン タ ーの人材育成事*

なお，HTML 文書は HTML 4.01 transitional に，CSSHTML ファイルに直接記述した。

窯業技術支援センター－ 115 －

栃木県産業技術センター

３

研究報告

３．１

No.12（2015）

結果及び考察ただし，ロクロ成形は成形品が異なる場合も類似の作

土揉み技術

業が多いため，各工程を切り分けたものは原則として小土揉みについては，連続した３つの工程からなっている（図２）。これを踏まえ，揉みはじめ・揉みおわり・皿成形の例のみとした。
３．３

一連の作業の３種類を動画情報として編集し，その補助に静止画情報，イラスト情報，文章情報をまとめた。

泥掛け・施釉技術

泥掛け・施釉については，単一の工程からなっている。
これを踏まえ，一連の作業を単一の動画情報として編集し，その補助に文章情報をまとめた。

揉みはじめ
４
揉み

おわりに

100 回程度

本研究により，技術継承・保存・普及に資する「益子繰り返す焼技術映像マニュアル」が完成した。窯業技術支援セン
ターの人材育成事業で用いる教材として活用する予定
である。

揉みおわり

また，本研究で作成した HTML ファイルは他の映像マ（まとめる）
図２

ニュアル作成へ応用することができるので，今後活用方法を探りたい。

揉みの工程

なお，本研究で得られた映像情報等は益子焼業界のニ
３．２

ロクロ成形技術

ーズを把握しつつ更なる活用方法を探っていきたい。

ロ ク ロ 成 形 技術 に つ い て は連 続 し た 複数の工程からなっている（図３）。また，製品の形状に応じて工程が謝辞変化する。これを踏まえ，各工程を切り分けたもの・一映像の撮影にあたって，協力いただいた窯業技術支連の作業の数種類を動画情報として編集し，その補助に援センター伝習生・研究生の皆様に，感謝の意を表し

静止画情報，イラスト情報，文章情報をまとめた。

ます。
参考文献

土据え
土取り

ナデ皮

1) "伝統的工芸品「益子焼」検査基準 " (1979)
2) 塚田泰三： "益子の窯と佐久間藤太郎 "，東峰書房

荒のばし

土殺し

切り取り

(1965)
3) 嶋田和正，金子優，永田順子： "栃木県産業技術センター研究報告 "，1，126-128（2004）

コテの使用

4）嶋田和正，金子優，永田順子： "栃木県産業技術センター研究報告 "，7，130-132（2010）

大きさ確認5）嶋田和正，金子優，永田順子： "栃木県産業技術センター研究報告 "，8，111-113（2011）

図３

小皿ロクロ成形の工程

6）嶋田和正，金子優，永田順子： "栃木県産業技術センター研究報告 "，9，134-136（2012）－ 116 －

平成２６年度

栃木県産業技術センター研究報告
第１２号
Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
No.12 (2015)
発

行

発行所
〒321-3226

平成 27 年 8 月 12 日
栃木県産業技術センター
栃木県宇都宮市ゆいの杜 1-5-20
ＴＥＬ（028）670-3391
ＦＡＸ（028）667-9430

ISSN 1349-2608
平成二十六年度

No.12(2015)

栃木県元気ニコニコ室長

とちまるくん

平成２６年度研

究

報

告Reports of Industrial Technology Center of Tochigi Prefecture
研
究報
告— 発信します

明日を拓く

確かな技術 —

栃木県産業技術センター

栃木県産業技術センター