日本包蕊学会誌VbjL2jVU2a993）

－，総論文

Ｐ

包装用緩衝材の動的及び静的特性評価
中嶋隆勝＊寺岸義春＊高田利夫＊野上良亮＊EvaluationbytheDynamicPropertyandtheStaticProperty
inPackageCushioningMateriaIs．

Tnkamn頚ＮＡＫＡⅡＭＡ.,YOshihamTERAGISIⅡ．,ＴｏｓｈｉｏＴＡＫＡＤＡ傘,RyosukeNOGAMI．
Ｔｈｅ妃ductionofamountsofcuShioningmateIialsusedfOrpackagingisimpoｒｔａｎｔｉｎ

ｔｈｅｐｏｉｎｔｏｆｖｉｅｗｏｆＩ℃ducingtheamountofwastematte弱ａｓｗｅｌｌａｓＩ℃ducmgthe
packagingcostwhenweconsideraboutthemfluenceontheearthenvimnment･But，

thentheaccumtecuShioningdesignwhiChisbasedonaccurateevaluationbycuShioning
propertiesmustbepeIfOnned

lnthisstudy,ａｔｆｉｌ巴ｔｗｅｍａｄｅｔｈｅｇｍｐｈｓｏｆｓｔ１℃ss-sh菰ｎｃｕｒｖｅｓｂｙｍｅａｎｓｏｆｄｒｃｐ
ｓｈｏｃｋｔｅｓｔａｎｄｃｏｍｐ１℃ssiontesLThen,wediscussedaboutthediffe1℃､cebetweenbothpmpertiesandcompa1℃dtheiraccumcy，Ｔｈｅｍａｉｎ１℃sultsobtainedaTeasfO11ows．
(1）Noisesonthesignalsofdisplacementmeasu妃ｄｂｙｄｍｐｓｈｏｃｋｔｅｓｔｓｗｅ1℃cutby
thedigital-fnte正(2)ＴｈｅｓｈａｐｅｏｆｓｔＩ℃ss-stmincurveswerenotaffbctedｂｙｔｈｅｉｒｄｍｐｈｅｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｉｒｍａｓｓｏｆweight．

(3)Therewasobviousdiffe1℃ncesbetweendynamicstressandstaticstX℃ss､Ｉｔｗａｓｃｏｎｓｉｄｅ１℃ｄｔｈａｔｔｈｅｄｉｆｆer巳ncesI℃sultedfmmviscosityinmateIials．

(4)Itwasclarifiedthatdynamicevaluationismo1℃accumtethanstaticevaluationm
teｍｎｓｏｆｔｈｅａｃｃｕｍｃｙｏｆｅｓｔｉｍａｔｅａｓａＩ℃ｓｕｌｔｏｆｐ応dictingthemaximumaccelemtion
bymeansofthedynam1cpropertyandthestaticpmperty・Keywords：Package,Cushiondesi9,,Ｄｍｐｓｈｏｃｋ,Viscosity，Ｓｔ妃ss-stmincurve,Cushion‐
mgproperty

包装用緩衝材の使用量削減は、地球環境に対する影響を考えるとそのコストだけでなくその総廃棄量を削減するという意味合いからも重要である。しかし、使用量を削減するためには正確な緩衝特性を把握した上での緩衝設計が必要である。本研究では、落下衝撃試験、圧縮試験によって応カーひず
み線図を作成し、両特性の差及び精度について比較検討した。その結果わかったことを以下に示す。
(1)落下衝撃試験で計測された変位信号上にノイズが存在したが、デジタルフィルタによって取り除くことができた。

(2)動的応カーひずみ曲線は落下高さ、重錘質量にほとんど影響されなかった。
(3)動的応力と静的随功に明らかな差が存在した。実験結果からその差は材料の粘性によるものだと考えられる。

(4)動的、静的特性を用いて重錘に発生する最大加速度の予測を行った結果、動的特性の方が精度に関して優れていることがわかった。

キーワード：包装、緩衝設計、落下衝撃、粘性、応力一ひずみ曲線、緩衝特性
熟大阪府立産業技術総合研究所（〒550大阪府大阪市西区江之子島2-1-53）：OsakaPrefecturallndustrialTecnology
Researchlnstitute，２－１－５３，EnokosimaNishi-ku，Osaka-Shi，Osaka５５０－８５－

包鍵lFH寵脇寸のjiD的及び瀞釣り伊f翻寧M因「

1.緒

2.実験

言

包装用緩衝材の使用量削減は、地球環境に2.1実験装置

対する影響を考えるとそのコストだけでなく動的試験では吉田精機製の緩衝材用落下衝

その総廃棄量を削減するという意味合いから撃試験機(CST-320S）を用いて緩衝材の動も重要であり、今後、改善していかなければ的圧縮特性を測定した。本試験機は、Ｆｉｇ．１

ならない課題である。現在、発泡プラスチッに示すようにしっかりとした基礎で固定されクの再利用、紙製緩衝材の使用などの環境対た定盤の上に緩衝材を置き、上から重錘が落策は盛んに試みられているが、その使用量の下し衝突する試験機となっている。また、そ削減は包装貨物の耐衝撃強度を低下させるこのときの重錘の変位と加速度が変位計、加速とにつながりあまり積極的には取り組めない度計によって測定できるようになっている。

状況である。しかし、緩衝材の使用量を必要

静的試験では島津オートグラフAG50kNを最小限に抑え、総廃棄量を減らすることはす

用い、圧縮速度を一定とし、静的圧縮特性をべての材料に共通する根本的な課題である。

測定した。圧縮試験機は、Fig.２に示すよう技術的に見た場合、輸送環境の調査、製品強に制御機によって圧縮速度が制御され、その度の測定及び緩衝材の緩衝特性の把握を正確ときの変位と荷重がコンピュータに取り込めに行い、実際の包装形態に適した緩衝包装設るようになっている。

計を精度よく行えば、これまで以上に信頼性の高い包装が十分に緩衝材の使用量を抑えた形態で実現できるはずである。
著者らはこれまでの研究においＤｙｎａｍｉ心ＩｅｓｔｉｎＲｍａｃｈｉｎｃて、包装仕様によって発生する制Ｉ

約条件を考慮した上で包装材料

費、緩衝材使用量を最小化する設計手法の開発])鋤、発泡ポリエチレ

Ｕ

ンの発泡状態のモデル化による、静的圧縮特性の評価s)などを行ってきた。本研究では、緩衝材の緩衝特性を正確でかつ簡単に把握す

1k

ることを目的として、まず、落下衝撃試験､圧縮試験（以下、それぞれ動的試験、静的試験と記す）に

DＤｖＤｉｓｋＬ

よって応カーひずみ曲線を作成し、次に両特性の差及び精度につFiglShocktestingsYstem

いて比較検討した。

－８６－

日｡k包装学会鯵ＶｂＬ２Ⅳb､２α９９３）Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ

三豊、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ
Ｃｏｎｌｒｏｌｌｅｒ’Ｔｅｓｔｐｉｅｃｅ（ｃｕｓｈｉｏｎ〕

二一

藍l711111111liiTl-（＝「］ｏｐｐｙＤｉｓｋＤｒｉｖｅ

Fig.２Compressiontestingsystem

２．２計測データのノイズの除去

ノイズは単純移動平均法鋤によって作成した

加速度計及び変位計からの信号（以下、加2000Hzのローパスフィルタを用いて除去し速度波、変位波と記す）はフィルタをかけてた。一方、変位波について見ると、基本波形いない状態のまま、１０“ｓのサンプリングタから負の方向に微少な時間間隔でノイズが発イムで記録計に入力するようにした。これ生している。この場合、通常のフィルタを用は、あとで加速度波、変位波に含まれている

いたノイズの除去では、本来の曲線を取り出

ノイズの状態を確認するためであり、その結すことができず、ノイズに大きく影響された果をＦｉｇ．３（a),(b）に示す。

ものになってしまう。そのため、ここでは、動的試験によって測定された加速度波、変移動平均法を本ノイズの特徴に合うように改位波には、Fig.３からわかるようにノイズが良し、ある時間間隔（ここでは、2000Hzのフ多く含まれている。このような状態のまま、ィルタとするため0.5,sとした）にサンプリ

緩衝設計のための緩衝特性として用いた場

ングしたデータの中から最大のデータをその合、多くの誤差を発生する可能性があり、適時間間隔の中心に位置する時刻のデータとし当なフィルタをかけノイズをうまく除去するて採用する操作を逐次時間系列に沿って行う必要がある。ここでは、本ノイズの特性に合独自のデジタルフィルタを作成し、変位波形

ったフィルタリングができるように、デジタのノイズの除去を行った。Fig.４（a),(b）にルフィルタ（演算処理によるノイズの除去

示す加速度波及び変位波はノイズの除去を行注）を作成し、ノイズの除去を行った。

った後のものである。

本試験に使用した加速度計の応答範囲が約静的試験では計測された荷重、変位どちら2000Hzであることから、加速度波に現れたにも目立ったノイズは存在せず、静的応カー－８７－

包装ｶﾞﾜ綬衝iﾒｵの動的及び瀞的特性評Mmr

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Fig、３Resultsofdynamictestwithoutpassingth｢oughanyfilters．
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Fig4ResuItsofdynamictest noisesofwhichaｒｅｃｕｔｂｙｔｈｅｆｉＩｔｅ｢．

ひずみ曲線も十分滑らかな曲線となった。こIま重錘の質量に重錘に発生した加速度を掛けのため、静的試験結果については全くノイズ合わせることによって計算することができの除去は行わなかった。

る。これより、動的応力は荷重を緩衝材面積で割ることによって求められる。

衝撃試験機に備え付けの変位計によって、2.3応力、ひずみの算出
落下衝撃試験機の重錘に発生する加速度は変化していく緩衝材の厚さが計測できる。こ

緩衝材の反力によって生じるものである。このため、ひずみは緩衝材の初期厚さで厚さののことと、ニュートンの運動方程式（カー質

変形量を割ることによって算出することがで

量×加速度）から、緩衝材に加えられる荷重

きる。

－８８－

日本包義学会簿ＶＤＬ２ハハロ､２α993）

静的試験では直接、荷重と緩衝材の変形量を計測できるようになっている。このため、静的応力は荷重を緩衝材面積で割り、ひずみは緩衝材の初期厚さで割ることによって算出

試験条件Ｍ２で、試料Ｂについては試験条件
Ｍ３で動的試験を行った。また、静的試験ではすべて圧縮速度を100ｍｍ／ｍinとし、ひずみがおよそ９０％に達するまでの圧縮特性を測定した。

することができる。

Table2Testcondition

2.4試料と試験条件

SymbolDropheight(c、）Massofweight(kg）Ｔａｂｌｅｌに示すように､材質､成形方法､発

ｕ焔四羽”

6０

６６６６６
０●●●●

で、100kgの静荷重を24時間加え続け、その後十分なひずみ回復を行うこととした。試料の形状は、底面が正方形の直方体とし、その1辺の長さを100ｍｍ、厚みを50ｍｍとした。

釦如印加

は、前処置を行った試料も作成し、それぞれ、
Ａ′、Ｄ′、Ｅ′として、その他の試料と区別した。前処置は、２４℃６５％ＲＨの雰囲気中

11.6

皿噸噸魍砿

して用いた。ただし、試料Ａ、Ｄ､Ｅについて、唾期皿泡倍率の異なる５種類の発泡体を実験試料と3.結果
ＴａｂＩｅｌＭａｔｅｒｉａＩｏｆｓａｍｐＩｅ

SymbolMate｢ial3.1動的応カーひずみ曲線

Expantion

100kg，

ration24hours

一

ＡＡＢＣさせたときの応カーひずみ曲線をFig.５に示

ｘ２５Polyethylene

ｘ２５

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す。この場合、落下高さが一定であるため、重錘が緩衝材と衝突するときの速度が一定と

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一

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落下高さを一定として、重錘の質量を変化なる。そのため、発生する粘性力もほとんど同じとなり、応力一ひずみ曲線は重錘の質量。

が変化してもほとんど同一のものとなると考えられる。Fig.５を見るとやはり最大ひずみ○の値は異なるがＭ１からＭ５まで同じ軌跡を

落下高さ、重錘質量を変化させた試験条件

通ってひずみが増加している。ここで最大ひをＨ１～H4､Ｍ１～Ｍ５とし、その詳細をTable

ずみの値が異なるのは、重錘質量の違いから２に示した。試料Ａに対して全試験条件での吸収しなければならないエネルギがさまざま

動的試験を行った。

な値となるためである。

作成した全種類の試料に対して動的試験、Ｆｉｇ．６は重錘の質量を一定とし、落下高さ

静的試験を行った。このとき、試料Ｂ以外はを変えた場合の応カーひずみ曲線である。

－８９－

包装厩綬薄拘卜の図Mｼ及びｶﾞﾘﾄﾞ"ｳ特性評M固「口▲望。、の①』｝の

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ｓｔｒａｉｎ，％ｓ［ｒａｉｎ，％Fig.５ReIationshipbetweendynamicst旧ss-straincurveandmassofweight．

Fig6ReIationshipbetweendynamicstress-st｢ａｉｎｃｕｗｅａｎｄｄｒｏｐｈｅｉｇｈｔ．

Fig.５の場合と異なり、落下高さすなわち衝

１０％～50％の範囲のあたりでその差が顕著

突速度が違うため、緩衝材の持つ粘性が応力である。その他の多くの試料についても同様に影響する割合にも差が現れてくるはずであの傾向が存在した。

る。しかし、Fig.６を見るとFig.５と同様に次に曲線の滑らかさについて注目してみる

同じ軌跡を描いてひずみが増加している。落と、静的応カーひずみ曲線にはＡ／Ｄ変換に

下高さの範囲20～80ｃｍを緩衝材のひずみ速よって生じる小さな階段状になっている部分

度に換算すると0.04～0.O8ms-lである。こが存在するが、あまり目立った曲線のみだれの範囲では動的応力に明白な差が現れないのは存在しない。一方、動的応カーひずみ曲線ではないかと考えられる。これらより、大きでは、大きな曲線のみだれが存在する。これなひずみを発生する試験条件で動的試験を行は加速度波、変位波上のノイズがフィルタリ

えば､落下高さ、重錘の質量を変えなくても、ングの後なお存在するために起きたものと考

緩衝材の緩衝特性が把握できることがわか

えられる。

る。

4.考察
3.2動的、静的応カーひずみ曲線
供試した全種類の試料に対して動的試験、

動的試験と静的試験とで発生する応力に差静的試験を行った。それらの結果をFig.７にが認められた。この要因として試験時の室温示す。試料Ａの応カーひずみ曲線について見の差、緩衝材が持つ粘性の影響、動的弾性率

ると、２つの曲線は似通った形状となっていと静的弾性率の違い、測定器の誤差などが考るが､Fig.５，Fig.６での曲線の一致に比べるえられる。４．１，４．２では、緩衝材の粘性が応と比較的大きな差が存在する。特にひずみが力の差に影響していると仮定し、実験結果か－９０－日本包蕊学会港VDjL2jVb､２α993）

らその仮定の妥当性について検討した。までは、動的圧縮を行った場合、応力とひずみ

た、4.3では、動的、静的両特性を用いて、重の位相に大きな差が生じる。すなわち、応力錘が緩衝材に衝突したときに重錘に発生するとひずみの位相差と動的応力と静的応力の差

加速度の最大値を予測し、実験結果と比較検の間に正の相関関係が存在するはずである。

討した。

このことを実験に用いたすべての試料について調べた。

4.1粘性の応カーひずみ曲線に与える影響
動的、静的試験によって得られた応力一ひずみ曲線(Fig.７を参照）について見ると、ひずみが１０％～５０％のあたりでは、ほとんどの試料について明らかな応力の差が存在する
が、ひずみが70％～80％のあたりでは、静的応力と動的応力が多少ずれている結果も存在

加速度波の周期をＴとすれば重錘が緩衝材に衝突してから最大ひずみに達する時間はT／4となる。また､加速度が最大となった時
点から変位が最大となるまでの時間的ズレを△Ｔ(Fig.８を参照）とすると、加速度波と変位波の位相差は応力とひずみの位相差６に等しく次式で求まる。

するがその他は大体一致している。このことは、緩衝材が持つ粘性が、動的応力と静的応'-2噸÷

力の差にある程度影響していると考えること

また、動的応力と静的応力の差△ｏは静的応力ｏで無次元化し、動的応力、静的応力はによってうまく説明することができる。

ひずみ速度が大きいほど粘性力は大きくな

ともにひずみが40％の時の値とした。

る。動的試験では、重錘が緩衝材に衝突する

６と△ｏ／◎の相関図をFig.９に示す。そ瞬間にひずみ速度が最大となり、その後は緩の結果、６と△ｏ／ｏの間に正の相関関係

衝材によって重錘が持つ運動エネルギが吸収(相関係数ｒ＝0.867）が存在することがわかされるとともに減少していく。すなわち、応った。

力一ひずみ曲線を考えた場合、ひずみが小さ以上、4.1及び4.2より粘性体の持つ特徴的

いほど粘性力は大きく、ひずみが大きくなるな現象を実験結果から確認することができにしたがって重錘の速度は減少し粘性力はな

た。このことから、動的応力と静的応力の差

くなっていく。そのため、応力一ひずみ曲線には緩衝材の粘性によるものがある程度影響

では、実験結果のように低ひずみでは動的応していると考えることができる。

力と静的応力の差が大きく、ひずみが最大になるにしたがって動的応力と静的応力の差が4.3発生する最大加速度の予測
動的試験と静的試験ではその圧縮速度の違小さくなる。

いによって発生応力に差が生じることがわか

４．２応力とひずみの位相差から見た粘性のった。これは、動的評価方法と静的評価方法とではその予測精度に差があることを意味す

効果

粘性の高い緩衝材ほど動的応力と静的応力る。ここでは、動的応力一ひずみ曲線、静的に大きな差が生じる。また、粘性の高い材料

応カーひずみ曲線を用いて動的試験時の重錘－９１－

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６ａｎｄ△ｏ／０，に発生する加速度の最大値の予測を実際に行にした。

waveandthatofdispIacementwave．

い、予測精度の違いを確認する。その結果をFig.１０、Ｆｉｇ．１１に示す。

Ｆｉｇ．１０、Ｆｉｇ．１１より、最大加速度の予測だけでなく最大ひずみの予測まで動的評価法

ここで、Fig.１０は試験条件Ｈ１～H4に対しの方がよい精度で予測できることが確認できて行った予測結果であり、Ｆｉｇ．１１は試験条た。これは、静的応カーひずみ曲線ではひず

件Ｍ１～Ｍ４に対して行った予測結果である。

み速度よる粘性力の分応力が低く見積もられ

ただし、試験条件Ｍ３、Ｍ４では、落下の衝撃るため落下衝撃エネルギを吸収するのによりエネルギが静的応カーひずみ曲線のひずみの

多くのひずみが必要となる。このため、最大範囲を越えるため、動的評価のみを行うこと

ひずみが実際以上に大きく見積もられ、その

－９３－

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日本包鍵学会灘ＶｂｊＬ２｣VD2a99a）

結果、最大加速度も大きく見積もられてしま突の前半での応力の差は大きいが、衝突後半

うのだと考えられる。

での応力の差は小さいという傾向が認められまた、ほとんどすべての試験条件においた。また、応力とひずみの位相差６と、ひずて、実験による最大加速度が動的及び静的予みが40％での動的応力と静的応力の差の静測よりも小さな値となっている。この理由と的応力に対する割合△Ｏ／Ｏとの間に、正のして、重錘が落下する際の摩擦などによる落相関関係（相関係数r＝0.867）が存在するこ下エネルギの損失などが考えられる。

とがわかった。これらの結果から、動的試験

による応カーひずみ曲線と、静的試験による

5.結論

応カーひずみ曲線の間に生じた応力の差には緩衝材の粘性による影響が－部存在している

動的試験、静的試験によって包装用緩衝材と考えることができる６の動的、静的特性評価を行い、両特性の比較(4)動的特性及び静的特性を用いて、実際の検討を行った。その結果、次のことが明らか

落下によって発生する最大加速度を予測したとなった。

結果、動的特性の方がよい精度で予測できる(1)動的試験を行ったときに変位波に含まれことがわかった。

るノイズは、主に基本波形に対して負の方向に延びており、移動平均法を改良したデジタ

謝辞

ルフィルタによって取り除くことができた。

緩衝材用落下衝撃試験機の使用に際し、親しかし、今後より精度の高い測定を行うため

切にご指導頂いた三洋電機株式会社商品安全には、ノイズの原因を分析してあまりノイズ

センター包装物流課高岡明男氏に感謝の意をが発生しないような試験方法を検討する必要

表します。

がある。
(2)落下高さ、重錘の質量を変えることによ＜文献＞って条件を数種類設定し、動的応カーひずみ

1）中嶋隆勝、野上良亮、寺岸義春、高田利夫、日本

曲線を作成した。その結果、ひずみの増加

包装技術協会、第29回全日本包装技術研究大会

時、すべての曲線がほぼ同一の軌跡を描い

要旨集、ｐｌ５８（1991）

た。これは動的応力一ひずみ曲線の形状が落

2）中嶋隆勝、野上良亮、寺岸義春、高田利夫、工業

下高さ、重錘の質量にはあまり影響されない技術連絡会議製品科学連合部会、第24回包装研ということを意味する。このことから、動的究発表会要旨、ｐ7８（1992）

特性のデータベースを作成する際、さまざま

3）中嶋隆勝､野上良亮､寺岸義春､高田利夫､材料、な落下高さ、重錘の質量に対して試験を行わなくても、落下高さと重錘質量を適当に１条

４１（460)、２８（1992）

4）南茂夫、“科学計測のための波形データ処理"、件設定し、動的試験を行うだけで必要な動的

ＣＱ出版社、ｐ８８特性が得られることがわかる。

（原稿受付1992年12月２４日）(3)動的応力と静的応力を比較した結果、衝（審査受理1993年４月６日）－９５－