ISSN

0286-813X

山形県工業技術センター報告
REPORTSOFYAMAGATARESEARCH

INSTITUTE

OF

TECHNOLOGY

No. 52（2020）

山形県工業技術センター
YAMAGATARESEARCH

INSTITUTE

OF

TECHNOLOGY

目
論

次

文

合成石英材におけるレーザを援用した微細穴加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ １
半田賢祐 松田丈 五十嵐渉

形彫放電加工による底面部のコーナーR 最小化の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ５
五十嵐渉 金田亮 小林庸幸 村岡潤一 高橋俊広

振動型触覚デバイスの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ８
近 尚之

センサーネットワークによる情報収集システム開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ １１
高野秀昭 髙橋義行 海老名孝裕 阿部泰 中村信介

共振型マルチモーダルセンサの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ １６
村山裕紀 矢作徹 加藤睦人 渡部善幸

中小企業に適したロボット導入の手引きの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ２２阿部泰

人工知能を応用した認識・予測手法の確立・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ２６
叶内剛広 髙橋義行 今野俊介

TSV 構造配線の MEMS ロゴスキーコイル型電流センサ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ３０
渡部善幸 加藤睦人 矢作徹 村山裕紀
吉田賢一 草苅智 指田和之 池田克弥 池田康亮 竹森俊之 山崎武志 佐藤真

木材の耐候性向上技術の開発― AQ 性能の実現 ―・・・・・・・・・・・・・・・・・・
江部憲一

３６

鉄鋼材料の浸窒焼入れ組織に及ぼす熱処理条件の影響・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ４１
荘司彰人

山形オリジナル乳酸菌の分離選抜と新規発酵食品の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・ ４６
城祥子

長俊広

燻製技術を応用した新規ドライフード開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
対馬里美

菅原哲也

５１

後藤猛仁

精米歩合及び白米水分の酒米消化性に対する影響について・・・・・・・・・・・・・・・・ ５４
長谷川悠太 工藤晋平 高橋圭
奥田将生

防縮性および抗ピリング性をあわせもつウールによる縫い目のないインナー製品の開発・・・ ５７
平田充弘 千葉一生 数馬杏子 城祥子 藤野知樹 佐竹康史 飛塚幸喜 中野哲
佐藤正樹

古城信一

水口和洋

浅沼隆吾

村岡昇

角川映司

山形県産のきびそと青苧を素材とする紡績糸の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ６１
平田充弘

抄

千葉一生

録 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・

６５

CONTENTS
PapersLaser aided micro-hole machining of synthetic quartz・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ １
Ken-yu Handa
Takeshi Matsuda
Wataru Igarashi

Examination of Minimizing Corner R on Bottom Surface by EDM・・・・・・・・・・・・・・・・ ５
Wataru IGARASHI
Ryo KANEDA
Tsuneyuki KOBAYASHI
Jun-ichi MURAOKA Toshihiro TAKAHASHI

Development of vibration-type haptic device・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ８
Naoyuki KON

Development of information collection system using sensor network・・・・・・・・・・・・・・・ １１
Hideaki TAKANO
Yoshiyuki TAKAHASHI
Takahiro EBINA
Yutaka Abe
Shinsuke NAKAMURA

Development of multi-modal resonant sensor・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ １６
Hiroki MURAYAMA
Toru YAHAGI
Mutsuto KATO
Yoshiyuki WATANABE

Development of Guidelines for Adopting Robot Systems to Small and Medium-sized Enterprises・・・・ ２２
Yutaka ABE

Establishment of recognition / prediction method applying artificial intelligence・・・・・・・・・・ ２６
Takehiro KANOUCHI
Yoshiyuki TAKAHASHI
Shunsuke KONNOMEMS Rogowski Coil Current Sensor with TSV Structural Wiring・・・・・・・・・・・・・・・・ ３０
Yoshiyuki Watanabe
Mutsuto Kato
Toru Yahagi
Hiroki Murayama
Kenichi Yoshida
Satoshi Kusakari
Kazuyuki Sashida
Katsuya Ikeda
Kosuke Ikeda
Toshiyuki Takemori
Takeshi Yamazaki
Makoto SatohDevelopment of method to improve the weatherability of wood ― Realization of Approved Quality(AQ) on Japan Housing and Wood Technology Center ― ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ３６
Kenichi EBE

Effect of Heat Treatment Condition on Nitriding Quenching Microstructure of Steel・・・・・・・・ ４１
Akihito SHOJI

Screening and identification of the Yamagata original lactic bacteria,
and development of the novel fermented foods・・・・・・ ４６
Sachiko SHIRO
Toshihiro CHODevelopment of new dry food applying smoked technique・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ５１
Satomi TSUSHIMA
Tetsuya SUGAWARA
Takehito GOTO

The effect of the rice polishing rate and rice moisture on sake rice digestibility・・・・・・・・・・ ５４
Yuta HASEGAWA
Shimpei KUDO
Kei TAKAHASHI
Masaki OKUDA

Development of Seamless Undergarment Composed by Washable and Untipilling Wool・・・・・・・ ５７
Mitsuhiro HIRATA
Kazuki CHIBA
Kyoko KAZUMA
Sachiko SHIRO
Tomoki FUJINO
Yasufumi SATAKE
Koki TOBITSUKA
Satoshi NAKANO
Masaki SATOH
Shinnichi KOGI
Kazuhiro MINAGUCHI
Ryugo ASANUMA
Noboru MURAOKA
Eiji TSUNOKAWA

Development of Knitting Span Yarn Composed by Local Silk and Ramie・・・・・・・・・・・・・ ６１
Mitsuhiro HIRATA
Kazuki CHIBA

Abstracts ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ６５合成石英材におけるレーザを援用した微細穴加工半田賢祐 ＊

松田丈五十嵐渉

Laser aided micro-hole machining of synthetic quartz
Ken-yu HANDA＊

1

緒

Takeshi MATSUDA

Wataru IGARASHI

言

半導体や生化学分野などのセンサーでは、石加工穴の形状の形状評価方法

英加工の微細化や高精細化が求められている。

図 2 にレーザ加工を行った穴の形状評価箇所

しかし，0.1mm 以上の穴は CO２レーザで安価にを示す。加工によって出来た穴表面部断面径を加工できるが，0.1mm 以下または高精度な穴加Ⓐ表面最大径，Ⓐを除いた穴断面の最大の亀裂工は困難である。

幅をⒷ最大亀裂幅，穴の表面から加工された深現在，0.1mm 以下の穴はエキシマレーザや短さをⒸ加工長さとし，評価した。これらをコン

波パルスレーザで加工できるが，高コストであフォーカル顕微鏡（Carl Zeiss 製 LSM5 PASCAL）

り形状に制限がある。また電着工具は高精度・にて観察し測定した。

微細加工が可能であるが，工具が磨耗・破損し易く，また高速回転のマシニングセンターが必要であるため，高コストな加工になる。
そこで本研究では，合成石英を対象に 0.1mm
以下の穴を低コストで加工することを目的として，YAG レーザで下穴加工，電着ダイヤモンド
工具で仕上げ加工を行う穴加工の検討を行った。

2

図2

実験方法

下穴の測定箇所

加工方向による穴形状への影響

合成石英（東ソー・クォーツ(株)製）を対象

図 3 に加工方向の概略図を示す。523nm 波長に，レーザおよび軸付き電着ダイヤモンド工具の YAG レーザは石英に対して 90％以上の透過を用いて穴加工および評価を行った。

率を持っているため，照射反対側から加工する

2.1 YAG レーザによる下穴加工

引き上げ型と照射側から加工する従来型におい本 研 究 で 使 用 し た レ ー ザ 加 工 機 （ NEC 製て穴の形状が異なるか実験を行った。

SL115L-Y）を図 1 に示す。本機はレーザの焦点
スポット径を 10μm 以下にすることができる。

引き上げ 型

従来型

使用波長：

図3

532nm

最大発振出力：Ｑスイッチ周波数5.0w 以上（5kHz）

最大 99kHz

図 1 レーザ加工機【平成３０～令和元年度

試験研究費 技術開発・改善事業】＊山形県産業労働部工業戦略技術振興課

-1-

加工方向図

山形県工業技術センター報告 No.52 (2020)

加工条件による穴形状への影響

工点が高精度で加工できる可能性があると考え次に，加工条件の影響を調査した。レーザのたが，穴形状に大きな差は無く，加工は照射反出力に関係する LD 電流値，同じ箇所を繰り返

対側から穴が伸びた状態になっている。これがし加工する繰り返し数，レーザのオンオフを繰

どのような現象から起きているか今後調査を行り返す Q スイッチ周波数，加工速度となるレーっていく。

ザ走査速度を表 1 のように変化させ穴の形状を
比較した。
表1

加工条件

LD 電流値（A） 31.0，31.5，32.0，32.5，33.0
繰 り 返 し 数 1，2，5，7，10(回)
Q スイッチ周 4，5，6，7，8
波数（kHz）
レ ー ザ 走 査 速 0.125，0.25，0.375，0.5，0.625
度（mm/s）
2.2 電着工具での加工
図5

レーザで下穴を開けた合成石英に対し電着工

レーザ加工後の石英断面具を使用し加工を行った。使用した加工機（マ
加工条件による穴形状への影響

シニングセンター）は図 4 に示す東芝機械(株)F-MACH442 である。レーザで下穴を開け

加工条件を変化させたときの穴の形状についた箇所は画像測定機（(株)ミツトヨ製ての結果を示す。図 6 は LD 電流値，図 7 は繰SQV303-PRO）で座標を測定し位置合わせを行り返し数，図 8 は Q スイッチ周波数，図 9 はレっ た 。 加 工条 件 は 回 転数 （ rpm） を 40,000、

ーザ走査速度をそれぞれ変化させた。また，固50,000、 58,000 の３水準，加工速度（mm/min）

定した加工条件は LD 電流値 32A，繰り返し数

は 1，2，4，10 の４水準とした。電着工具（ジ

1 回，Q スイッチ周波数 5kHz，レーザ走査速度

ャスト(株)製）は直径 0.1mm，ダイヤモンド砥

0.25mm/s である。各条件で 2 回加工を行ってお粒径 8～12μm を使用した。

りそれぞれの条件につき 2 つの結果を掲載して製いる。

また，比較のために下穴が開いていない石英にも穴加工を行った。

200

[µm]
表面最大径
（断面）
亀裂最大幅

150
100
50

加工長さ

0
30
最大回転数
図4
3.1

32

図6

120,000rpm

33

34

[A]

LD 電流値と穴形状

マシニングセンター[µm]

実験結果および考察

3

31

400

YAG レーザによる下穴加工
加工方向による穴形状への影響

300

図 5 に加工方向が異なるレーザ加工を行った

200

表面最大径
（断面）
亀裂最大幅

石英の断面図を示す。加工条件は LD 電流値 32A，

100

加工長さ

繰り返し数 5 回，Q スイッチ周波数 5kHz，レー0

ザ走査速度 0.25mm/s である。照射反対側から加工を行うことで光路が加工されず集光による加

-2-

10

15

[回]

0

5

図7

繰り返し数と穴形状

半田松田

五十嵐：合成石英材におけるレーザを援用した微細穴加工

[µm]
1200
1000
800
600
400
200
0
0

[µm]
250
200

表面最大径
（断面）
亀裂最大幅

150
100

加工長さ

50
0
0

5

図8

10

表面最大径
（断面）
亀裂最大幅
加工長さ
5

10

[kHz]
図 11

Q スイッチ周波数と穴形状

[µm]
400

[kHz]

Q スイッチ周波数と穴形状繰り返し 10 回

[µm]
表面最大径
（断面）

300

1200

200

加工長さ

100

800

表面最大径
（断面）

600

亀裂最大幅

1000

亀裂最大幅

400
0
0
図9

加工長さ

200

[mm/s]

0.5
1
レーザ走査速度と穴形状

0

[µm]

0.4

0.6

0.8

[mm/s]

0

0.2

図 12

レーザ走査速度と穴形状
繰り返し 10 回

500
表面最大径
（断面）

400
300

3.2 電着工具での穴加工

亀裂最大幅

200

表 2 は回転数，送り速度を変化させて下穴を加工した際の加工出来た穴数である。表 3 は上

100

加工長さ

記と同条件にて下穴無しで加工出来た穴数であ030る。図 13 はレーザ加工した下穴の断面図，図

[A]
32
34
36
図 10 LD 電流値と穴形状

14 はその下穴を電着工具で加工した断面図である。図 15 は下穴を 9 穴加工した後の光学顕微繰り返し 10 回鏡像であり，図 16 は電子顕微鏡像である。

穴の加工長さがほぼ０に近い加工条件があり，安定した結果が得られなかった。そのため，安表2

電着工具による穴加工結果（下穴有り）

定した結果が出やすい繰り返し数を 10 回に増
回転数 rpm

やし，LD 電流値，Q スイッチ周波数，レーザ
送り速度mm/min

走査速度を変化させ穴形状を観察・測定した。
繰り返し数を 10 回にしてその他の条件は上記と同じとし，図 10 は LD 電流値，図 11 は Q
スイッチ周波数，図 12 はレーザ走査速度を変化させた時のそれぞれの結果である。
今回使用したレーザ加工機はレーザ出力値の回転数 rpm 回転数 rpm

40,00050,00058,000

1

2

1

―

2

1

0

―

4

0

0

15

10

0

0

0

相対比較が可能な機器を備えているが，出力値
回転数はこれまでの研究 1)80,000rpm の 3/4 程が安定していないため加工途中での出力低下が度にでき 15 穴の加工ができた。この加工条件でみられる。そのため LD 電流値やその他でも加の下穴無しでは加工できなかったが，送り速度

工状態の比較が難しかった。

-3-

山形県工業技術センター報告 No.52 (2020)を遅くした場合では 1/4 の速度で 3 穴の加工が可能であり，下穴を用いることで高寿命化・高能率化可能である。
表3

電着工具による穴加工結果（下穴無し）
回転数 rpm 回転数 rpm 回転数 rpm

送り速度mm/min40,00050,00058,000

1

1

2

3

2

―

―

4

―

―

10

0

図 16

加工後の電着工具（電子顕微鏡）―

図 15，図 16 を確認すると両方ともに研削く

0―

ずが詰まっている様子が確認出来る。そのため―加工中の工具破損は目詰まりによるものである。
4

結言本研究を行った結果，以下の知見が得られた。
1)

レーザの単位時間当たりエネルギー投入
量が大きければ亀裂幅が大きくなる傾向
にある。

2)
図 13

レーザ加工穴断面

穴の長さは加工回数を繰り返すほど長くなりやすい。

3)

表面の穴径については，各加工条件との関係を明確に把握することができなかった。

4)

レーザ加工機の出力量の振れ幅が大きく，同一品位の下穴加工状態を再現することが困難であったため，電着工具の加工条件と連動させることができなかった。

5)
図 14

レーザの単位時間当たりの投入量を小さくすることで亀裂幅が 0.1mm 以下の下穴

電着工具加工下穴断面を開けることができ，その後の電着工具による加工で 58,000rpm，送り速度 4mm/min

図 13 と図 14 を比較するとレーザ加工による亀の条件で 15 穴を開けることができた。

裂箇所が電着砥石による加工で確認できなくな
6)っていることからレーザによる亀裂部も電着砥

回転数については，より多くの県内企業が石により加工出来たと考えられ，レーザの亀裂

所有する装置の回転域でも加工可能とな

幅も目標径内に抑えられていたと思われる。

った。下穴加工を行うことで電着工具での加工で高能率・長寿命化を図れることがわ
かった。

文

献

1) 芦野邦夫, 鈴木庸久, 今野高志, 岡崎祐一：
山 形 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 報 告 ,No.34(2005)p14-17

0.1mm
図 15

加工後の電着工具（光学顕微鏡 10 倍）-4-

形彫放電加工による底面部のコーナーR 最小化の検討
五十嵐渉

金田亮

小林庸幸

村岡潤一

高橋俊広 ＊

Examination of Minimizing Corner R on Bottom Surface by EDM
Wataru IGARASHI

Ryo KANEDA Tsuneyuki KOBAYASHI
Toshihiro TAKAHASHI

1

緒

言

Jun-ichi MURAOKA＊

より小さくなるような加工条件，加工工程を検討した。

形彫放電加工は銅などから作られる電極の形2を転写でき，被加工物の硬さによる影響を受けないため，様々な分野の金型製作などに用いら

実験方法
実験装置概要を図 1 に示す。本実験で使用しれている。

た形彫放電加工機は三菱電機㈱製 EX8+FP35 で高精度な形彫放電加工をするためには，電極ある。被加工物は，大同特殊鋼㈱製の汎用冷間の消耗を抑えることが重要であるが，除去体積

ダイス鋼 DC53（SKD11 系，HRC62 程度）とし，が大きくなると，電極消耗が著しくなる。特に10×10×5mm の四角形状の底付加工を行った。電電極の角部は消耗しやすいため，被加工物のエ

極には，無酸素銅と低消耗銅 DT35（銅 35％タ

ッジにコーナーR ができてしまう。はめあいがングステン 65％，イースタン技研㈱，以下低消関係する勘合部品などでは，コーナーR が干渉耗銅）を使用した。

してしまう恐れがあるため，シャープエッジを

被加工物は治具に当てつけマグネットチャッ

要求される場合がある。

クにて固定した。スラッジを除去するために 2

本研究では，形彫放電加工機によるダイス鋼本のノズルから加工液を噴射した。

への底付加工を対象に，底面部のコーナーR が実験工程の概要を図 2 に示す。底面部の評価

Y

X

図1

実験装置概要図2

図2【平成 30～令和元年度

実験工程概要実験工程概要金型・精密加工技術研究会

放電加工専門委員会】＊山形県産業労働部工業戦略技術振興課-5-山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

表1

Y

X

図3

実験条件

測定箇所

を工程ごとに行うため，2 つの被加工物を密着固定した状態で実験を行った。被加工物の評価は，図 3 に示す合わせ面のコーナーR を 1-L，
1-R，2-L，2-R の 4 ヶ所それぞれについて実施

目標のコーナーR は，金型・精密加工技術研
究会放電専門委員会の検討会での聞き取りから，
0.050mm 以下と設定した。

した。観察はコンフォーカル顕微鏡（Carl Zeiss
LSM5 PASCAL）にて行い，コーナーR 測定は画3

像測定機（㈱ミツトヨ，SQV-303-PRO）で行っ実験結果および考察た。また，電極の消耗は輪郭形状測定機（㈱ミ

図 5 に被加工物のコーナーR の顕微鏡画像を

ツトヨ，SV-C4000H4）を用いて，コーナーR を示す。コーナーの形状が 90°より大きくなって測定した。評価後，新しい電極に交換し，再度いるが，加工 1 の際，速度と消耗重視（表 1）

加工する。これらの工程を繰り返し行った。

としたため，消耗が大きく，その後の加工 2～4

コーナーR が最小となる最適な加工条件・電に影響したと考えられる。コーナーR 部に関し

極材質・加工工程の選定を目的に予備実験を実ては，顕微鏡画像からわかるように，角部まで施した。その結果を元に本実験の条件を設定し加工されていることがわかる。

た。実験条件に用いられるパラメータの概要を
図 4 に示す。縮小代は放電ギャップ量と揺動量を足した値である。電極サイズ 9mm に縮小代の 2 倍を足すと，仕上がり寸法となる。
設定した実験条件を表 1 に示す。本実験では，縮小代を一定とし，深さ方向のみ追い込んでいった。また，加工 1 では荒加工，加工 2 では中仕上げ，加工 3～4 で仕上げ加工となるように加工条件を決めた。電極は加工 1～2 では無酸素銅，加工 3～4 では低消耗銅を使用した。

図5

被加工物コーナーR（10 倍）

図 6 に被加工物のコーナーR，図 7 に電極のコーナーR の結果を示す。被加工物のコーナー
R は測定箇所 4 ヶ所の平均値を取ったグラフである。図 6 から加工工程 4 では，すべての箇所
で，目標値以下の 0.041mm が得られた。図 7 から加工前電極のコーナーR は 0.003～0.006mmであったが，加工後はすべての工程で大きくなり，電極が消耗していることがわかる。ただし，工程が進むにつれ，消耗は小さくなっているこ
図4

実験条件に用いられるパラメータとがわかる。一般的に電極消耗を抑制するため

-6-

五十嵐

金田

小林

村岡

高橋：形彫放電加工による底面部のコーナーR 最小化の検討

4

結

言

形彫放電加工によるコーナーR 最小化の実には，高熱伝導率と高融点が必要であり，それらの特性を持つ電極材の一つとして銅タング験を行い，以下の結論を得た。

ステンが広く使われている。本実験においても，

1)

形彫放電加工機にて底付加工を行い，被加仕上げ用の電極として低消耗銅を使用し，仕上工物の底面部コーナーR を平均 0.041mm にげの最終工程 4 では，加工後の電極コーナーRすることができた。

を X 方向 0.029mm，Y 方向 0.019mm まで消耗2)を抑制することができた。

本実験では，仕上げ加工に低消耗銅（銅タングステン）を用いることで，電極の角部の消耗を抑制することができた。

また，被加工物の底面部のコーナーR と加工後の電極コーナーR では同じような傾向が見

3)

仕上げ加工では，電極消耗を重視した条件られるため，底面部のコーナーR を小さくするに設定し，電極のコーナーR の消耗を抑制には，電極の消耗を抑制することが重要である

しながら，加工を行うことが重要であるこことがわかる。

とがわかった。

-7-

振動型触覚デバイスの開発
近尚之

Development of vibration-type haptic device
Naoyuki KON

1

緒

言

るため，MEMS 型デバイス（図 4），インダクタ

IoT の普及により，機器から得られる情報は型デバイス（図 5）を作製し，振動の振幅を測膨大になっており，いかにして人間にフィード定した。MEMS 型デバイスは，φ1.6mm の内部にバックするかが課題となっている。フィードバ

4，5，7，14，24 巻きのコイルを形成した。100μm

ックするための情報伝達手段の一つとして触覚

厚のポリイミドシートに金 300nm，クロム 50nmがある。しかし，触覚を利用したデバイスは少のメタル配線で作製した。インダクタ型デバイ

なく，簡便な機構・製造プロセスで利用できる

スは，10，15μH のインダクタを用いて 2 種類

ものも少ない。

作製した。

本研究では，二次元配置の電磁駆動式振動型
触覚デバイスを開発した。電気信号を利用し、文字情報や触感を再現して指や手への情報伝達するための基礎データを蓄積した。

2

実験方法
2.1 動作原理
振動型触覚デバイスの構造を図 1 に示す。下側に永久磁石やコイルを配置し，上側のフレキ

図2

シブル基板にコイルを配線する。上側のコイル

実験用コイル（15 巻）に交流電圧を印加することで，周波数に応じた磁界が双方向に交互に発生する。その双方向の磁界と、下側の磁界との間に、引力・斥力が交互に生じることで、固定されていない上側のコ
イルに振動が発生する。

図1

図3

点字の配置

図4

MEMS 型デバイス

動作原理

2.2 振動デバイスの構造
線径 0.16，0.29mm の 2 種類の銅線を用いて，巻き数 5～20 巻とした実験用コイルを製作した（図 2）。また，図 3 に示す点字の配置を再現す【平成 30 年度～令和元年度

自動車キーテクノロジー支援研究開発事業】-8-

近：振動型触覚デバイスの開発

図7
図5

開発した制御システム

インダクタ型デバイス

2.3 振幅の測定
上下両側にコイルを配置した場合、振動振幅が小さかったため，下側にネオジム永久磁石，
上側にコイルを配置した構成として振幅を測定した。振幅はレーザードップラー振動計（（株）
小野測器製 LV-1610）（図 6）を用いて非接触で
測定した。
図8

開発した制御システムの内部

ころ，コイルの巻き数にほぼ比例して増加する結果が得られた（図 9）。はじめに，永久磁石を下に置いた場合の振幅を測定した。いずれの線径のコイルの場合も巻き数の多いほうが，磁束密度が高くなるため駆動力は大きくなる。し
図6

かし，デバイスの形状や剛性によって振幅は異レーザードップラー振動計

なるため，今回の実験では一概に巻き数が多い
ほうが振幅が大きいわけではなかった。振動振2.4 制御システムの開発

幅は，線径によらず 170Hz 前後の交流電流を流点字として機能させるためには，点字状に配した場合に最大となり（図 10(a),(b)），指で触置された複数のコイルを独立して制御する必要っても振動の有無を識別することができた。

があり，制御用マイコンボードとして Arduino

70（0～9）を入力し、入力に応じたデジタル信号

60を Arduino が出力する。デジタル信号によって、
ファンクションジェネレーターから出力される
別系統の交流電源をリレー制御（on/off）することで、振動デバイスのコイルに流れる交流電源を制御した（図 7，8）。

磁束密度（G）

を使用した。PC のキーボードで 10 種類の数字

コイル巻数

5
10
15
20

50
40
30
20
10

3

0

実験結果および考察0

3.1 実験用コイルの周波数応答

0.5

1
電流（A）

最初に実験用コイルの磁束密度を測定したと
図9-9-電流と磁束密度1.5

山形県工業技術センター報告 No.51（2019）

100

700
600

80

400

全振幅（μm）

5
10
15

500
全振幅(μm)

点の位置

コイル巻数

300

4
5

60

6

40

200

20

100

0
0

0
0

200

400

200

400

600

400

600

周波数（Hz）

600(a) 10µ H

周波数（Hz）
60(a) 線径 0.16mm

点の位置
コイル巻数

500

5
10

400
全振幅(μm)

全振幅（μm）

4

600

15
300

40

5
6

20

20
0

200

0

200

周波数（Hz）

100

(b)

0
0

200

400

600

図 11

周波数（Hz）

(b)
図 10

15µ H

インダクタ型デバイスの周波数と全振幅

線径 0.29mm

実験用コイルの周波数と全振幅

3.2 MEMS 型デバイス，インダクタ型デバイ
スの周波数応答や，磁石との相互作用により，振動の挙動が変化した可能性が考えられる。今後振動を認識す

MEMS 型デバイスの場合，振幅がほとんど得られなかった。電圧 10V のとき 100mA 以下でるためには，出力電圧の改善やコイルデバイスの形状等の再検討が必要である。

あり十分な電磁力を得ることができなかったためと推察される。MEMS 型デバイスを実現する

4

結

言

ためには，より大電流を流して高い磁束密度を本研究で得られた知見は，以下の通り。

得られるように，コイルのメタルの厚膜化や積1) 実験用コイルでは振動を認識することができ層構造の検討が必要と考えられる。

た。交流電流の周波数を 170Hz 程にした場合

インダクタ型デバイスについて，インダクタに最も触覚で認識しやすいことが分かった。

ンス 10，15µH の 2 種類のデバイスで実験を行

2) 点字用デバイスでは配置やサイズに制約があった（図 11(a),(b)）。インダクタ型デバイスのるため，今回の実験ではどの点が振動してい場合も実験用コイルに比べ振幅が小さく，点字

るか認識できるほどの振幅を得ることができの文字を認識できるほど大きな振動を得ることないことが分かった。今後は制御する交流電ができなかった。原因としては，使用したイン源の大出力化，流れる電流の増加に伴うコイダクタンス内部に入っていた鉄心の重量の影響

ルデバイスの改良が必要と思われる。

-10-

センサーネットワークによる情報収集システム開発
高野秀昭

髙橋義行

海老名孝裕

阿部泰

中村信介

Development of information collection system using sensor network
Hideaki TAKANO

1緒

Yoshiyuki TAKAHASHI

Takahiro EBINA言

Yutaka ABE

Shinsuke NAKAMURAPWM(Pulse Wide Modulation)といったセンサー

さまざまなモノをネットワークにつなぎ，そで使われることが多い入出力を用意し，汎用性こで得られたデータを活用することにより，課を確保した。センサーノード基板の概観を図 1

題の解決や新たな価値の創出を実現する IoTに示す。無線方式には，短距離通信向けに(Internet of Things)に昨今大きな期待が寄せられ

IEEE802.15.4 (Zigbee) 及 び 長 距 離 通 信 向 け にている。その IoT 技術として，各種センサーを

LoRa2）を選定した。通信方式及びセンサーは用利用して大量のデータを収集して解析するセン

途に応じて選択してシステムを構成することとサーネットワーク技術に注目が集まっている。

した。また，長時間稼働するための低消費電力

この技術をビジネス展開するにはデバイスをネ化として，マイコンスリープ機能の利用，不要

ットワークに接続する技術や秀逸なセンサーデ電源の停止機能への対応も行った。

バイス開発が重要な鍵となる。また，AI 技術の進展により，収集したデータの AI 解析による活用が望まれている。

無線基板

しかし，関連技術が急速に変動する中で，センサーネットワークシステムとしての最適な構成や，AI の有効性については十分に検討する必要がある。また，当センターにて，市販センサ
センサー
基板

ー の 1/10 の コ ス ト で 作 成 で き る 画 期 的 な
MEMS 複合センサー 1)を開発したが，長期安定性に関しての評価は不十分であり，実用化に向

図 1 センサーノード基板例

けた課題や行程が明確になっていない。
そこで，本研究では県内における様々なセン

2.1.2 ゲートウェイ開発

サーネットワークに対するニーズへの対応や複数のセンサーノードからの無線通信を受信

MEMS 複合センサーの実用化に向けた課題抽

し，インターネットや，ローカルネットワーク

出を目的に，センサーネットワークシステムの上のサーバーへ接続するためのゲートウェイを構築と実証試験を行った。

作成した。ゲートウェイには汎用のマイコンボ
ードを利用し，マイコンボード上にて専用アプ

2

開発システムの構成

リケーションを実行することで，サーバーへデ

2.1 汎用センサーネットワークシステム

ータを転送する。マイコンボードとしては，

2.1.1 センサーノード開発

RaspberryPi と Arduino の 2 種類を利用した。こ様々なセンサーの接続を想定し，小型の無線

れらは安価であり，フリーライセンスのライブ

デバイスと各種センサーとのインターフェース

ラリも多く提供されているため，低コストで導を用意したセンサーノード基板を作成した。イ

入可能で，初心者でも扱いやすいという特徴が2

ンターフェースには，I C(Inter-Integrated Circuit)，ある。また，無線通信方式の選択はセンサーノ

SPI(Serial Peripheral Interface)，アナログ入力，ード側の無線通信方式に合わせてゲートウェイ-11-山形県工業技術センター報告 No.52（2020）の通信方式も変更して利用する形とした。ゲー

メッシュ構造とした。これにより近隣ノードをトウェイとサーバー間の通信には，MQTT プロ

経由して電波中継が可能となり，電波有効範囲

トコル を利用した。MQTT は一般的な HTTPの拡大や通信の信頼性確保を図った。センサーなどのネットワーク通信プロトコルと比較して,データはゲートウェイを介してクラウドサーバ

軽量であり,双方向通信やブロードキャスト通ー上にアップロードし，クラウド上のウェブア信が可能であるといった特徴がある。そのため,プリケーションによりデータの解析や可視化を大量のセンサー等を扱う IoT システムに適した実現する。図 3 にシステム構成を示す。センサ

通信規格である。

ーノードは，ウェブアプリケーションから指示

3)

2.1.3 サーバーアプリケーションの開発されたタイミングで通信を行う。通信タイミン

サーバー上で，データの保存，デバイス管理，

グをウェブアプリケーションが一元管理するこ

情報表示を行うためのアプリケーションの開発とで，データ通信同士の衝突のない効率的な通を行った。このアプリケーションは，ゲートウ

信が可能となる。このため，衝突によるエラー

ェイからのアクセス時は，MQTT を通してデーリトライを回避することができ，信頼性の向上

タを受信し，データベースへの保存及びデバイと消費電力の低減を図っている。

スの管理を行う。ブラウザからのアクセス時にはグラフ表示など必要な情報の可視化を行う。
図 2(a)はリアルタイムのデータ表の表示例で，
図 2(b)は一定期間の推移グラフの表示例である。

図 3 システム構成(a)

2.2 AI を利用した画像判定システム
汎用のセンサーネットワークシステムとは別に AI の精度検証用に汎用の USB カメラとパソ
コンを利用した AI 画像判定システムを構築した。システム概要を図 4 に示す。テスト用警告灯の点灯状態をカメラで撮影し，AI で判定を行う。AI の学習はフリーの AI ツール NNC（Neural
Network Console） 4)を利用した。NNC で事前学習したデータを利用して撮影画像の判定を行い，撮影環境の変化に対して柔軟に警告灯の点灯状態を認識する。
撮影

AI 判定

図4

AI 画像判定システム概要(b)
図 2 Web アプリケーションによる表示例
2.1.4 システム構成
センサーノードはノード同士の通信が可能な

-12-

高野

髙橋

海老名

阿部

中村：センサーネットワークによる情報収集システムの開発

実証試験結果および考察

3

3.2 MEMS 複合センサーの実証試験結果
同システムに MEMS 複合センサーを接続し，3.1 センサーネットワークの実証試験結果構築した汎用センサーネットワークシステム

図 7(a)に示す山形県農業総合研究センターのに市販の温度センサーと照度センサーを接続し，育苗用ハウス内にて実証試験を実施した。

図 5(a)に示す山形県水産試験場の養殖用大型

MEMS 複合センサーは温度，湿度，二酸化炭素水槽を対象に，長期運用の実証試験を実施した。

の 3 種類のセンサーを 4mm 角にパッケージン

センサーノードは図 5(b)に示すように防水セグした小型センサーである。センサー概観を図

ンサーの利用と防水加工を施した。試験条件を8 に示す。比較用として，市販の温度，湿度，

表 1 に示す。このシステムでは，1 年間以上に二酸化炭素のセンサーも同時に設置した。これ渡って安定してデータの取得を実現しており，らを図 7(b)に示すように防雨型の容器に格納

データの欠損も見られなかった。また，実証試

し，試験を実施した。試験条件を表 2 に示す。

験期間での電源の電圧低下は 0.1V 程度であり，試験開始時の MEMS センサー，市販センサーデ動作限界の 1.0V 低下に対して十分余裕のあるータを図 9(a)，(b)に，3 ヵ月後の MEMS セン

結果となった。電源であるアルカリ乾電池の 1

サー，市販センサーデータを図 9(c)，(d)にそ

年間の電源電圧の推移を図 6 に示す。

れぞれ示す。MEMS センサーの 3 ヵ月経過後のデータは，市販センサーと比較して，大きな差が見られる。約 2 ヵ月経過時前後からこの状態が見られた。この結果から，現状の MEMS 複合センサーの性能維持される期間としては 1 ヶ月程度を考えられ，長期安定動作に向けては課題(a)設置場所(b)センサーノード

なり 3 ヵ月間の稼働が確認できた。電圧の推移

図 5 設置の様子
表1を図 10 に示す。今回は加速試験的に 10 秒間隔

センサーネットワーク実証試験の条件

実施場所

が残っている。消費電力は，電源低下が 0.9V との比較的短い周期で計測したが，周期を長くすることで更に長期間稼働できる可能性がある。

山形県水産試験場
養殖用大型水槽

測定対象

水温，水面照度

実施期間1年

使用センサー

温度センサー，照度センサー

検出周期

10 分

無線通信規格Zigbee電源

アルカリ単三電池 2 本(a)設置場所
図7(b)センサーノード

センサー設置の様子

電圧，mV

4mm

2017/072018/07

図8

図 6 センサーノード電圧値の推移-13-MEMS センサー概観

二酸化炭素，ppm

温度，℃

温度，℃

湿度，%

二酸化炭素，ppm

湿度，%

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

時間

時間

湿度，%
温度，℃

二酸化炭素，ppm

湿度，%(b) 市販センサー(試験開始時)

温度，℃

温度，℃

湿度，%

(a) MEMS センサー(試験開始時)(d) 市販センサー(3 ヵ月経過後)(c) MEMS センサー(3 ヵ月経過後)

図 9 センサー検出値
表2

MEMS 複合センサー実証試験の条件

実施場所

山形県農業総合研究センター

測定対象

温度，湿度，二酸化炭素

実施期間

3 ヵ月

使用センサー

MEMS 複合センサー

電圧，mV

育苗用ハウス

市販温湿度センサー
市販二酸化炭素センサー
検出周期

10 秒

無線通信規格Zigbee電源

アルカリ単三電池 2 本

2/1

5/1

図 10 MEMS センサーの電圧値の推移

3.3 カメラ画像と AI を利用した警告灯判定

判定方法及び結果を表 3 に示す。図 12 の(a)，(b)，(c)例に示すように同じ色の撮影であ精度の検証結果
テスト用警告灯の点灯状態をカメラで撮影しっても外部環境により撮影画像には大きく差がAI による判定をする試験を実施して，判定精度出ている。しかし，AI と照度センサー共に期待の検証を行った。警告灯は 5 秒間隔で，赤→黄値と一致した判定となり，誤判定は無く，精度→緑→消灯の順に切り替えを行い，切り替え時の高い判定が可能であった。

に，点灯状態の判定を行う。撮影画像は，128×128 ピクセルのサイズとした。外乱を想定し4

結て，太陽光が入る位置に警告灯を設置した。精1)センサーネットワークシステムを構築し，度の比較対象として，市販の照度センサーを利無線通信方式毎の特徴や実力，メッシュ構造の用し，警告灯の各色に照度センサーを取り付け，構築方法，MQTT の利用方法等に関する知見が点灯状態をモニタした。設置状況を図 11 に示す。

得られた。

-14-

言

高野

髙橋

海老名

阿部

中村：センサーネットワークによる情報収集システムの開発

照度
センサー
(a)

判定対象
警告灯の点灯状態

2)

センサーによる警告灯表示状態判定の方法及び結果

使用センサー

判定方法

判定回数

結果

USB カメラカメラ画像の AI 処理による点灯色の判定

109811 回

誤判定無し

照度センサー

各色の照度による点灯判定

122335 回

誤判定無し

文

実証試験を通じて，構築したシステムの安定性や電池駆動での消費電力の実力を把握する

献1) 阿部泰 他：空気監視用 MEMS 型複合セン

ことができた。
3)(c)

図 12 撮影画像例(赤点灯)

図 11 画像判定システム設置の様子

表3

(b)

サノードの開発,山形県工業技術センター
報告, No.48(2016)

カメラと AI を利用したシステムで，照度センサー利用と同等の警告灯検出精度であること

2) LoRa Alliance：LoRaWAN Specificationv1.1が確認できた。センサー取り付けが困難なケー

3) International Business Machines Corporation

スに遠方からの監視など活用が期待できる。

Eurotech：MQTT V3.1 プロトコル仕様

本研究の成果をもとに県内企業 5 社へ技術

4) ソニーネットワークコミュニケーションズ

移転し，各社で生産性，品質向上，新製品開発

株式会社：Neural Network Console Web HP

へと繋がった。

https://dl.sony.com/ja/

4)

-15-

共振型マルチモーダルセンサの開発
村山裕紀

矢作徹

加藤睦人

渡部善幸

Development of multi-modal resonant sensor
Hiroki MURAYAMA Toru YAHAGI

1

緒

Mutsuto KATO

Yoshiyuki WATANABE

言

近年，生産年齢人口の減少を背景として，人間と同じ環境下で作業するサービスロボットの普及が望まれている 1)2)。サービスロボット普及のキー技術は「人工知能」，「センシング」，「制図 1 におい検出イメージ

御」，「駆動」の 4 要素と言われている 3)。中でもセンシングはロボットが次の行動を判断するために必要不可欠な要素であり，人間の五感と

2

実験方法

同等以上の性能が求められる。しかし，人間の本研究では，におい分子を吸着する感応膜お嗅覚に相当するにおいセンサは，センシング対

よび膜重量の変化を検出する共振子を開発した

象の物理量が確立されておらず，視覚・触覚な後，それらを組み合わせたにおいセンサの特性

どの物理量が確立されているセンサと比較する

評価及び実環境を想定したにおい検出試験を実と開発が遅れている 。

施した。

4)

そこで，本研究ではサービスロボットの普及

2.1 感応膜の材料選定を目的として，生活環境中のにおいセンシング

一般的にガスを検出するセンサはガス選択性が可能なマルチモーダルセンサの開発を目指す。

の高い感応部を使用する。しかし，においは関

マルチモーダルセンサは，単一のセンシングプ

与する分子の種類が膨大なため，ワイドな選択

ラットフォームを用いて複数のにおい分子を検性を持つ材料が適している。参考文献 5)6)および出するセンサである。先行研究 5)6)において多様

それらの引用文献から，表 1 に示す高分子材料，

なセンサ構成が検討されているが，工業技術セ

もしくは環状構造を持つ材料を 10 種類選定しンターの MEMS 技術を活かして小型化が実現た。環状構造とは，図 2 に示すようなフェニル

可能で，かつ高速・高感度なセンシングが期待基，またはそれに準ずる構造を指す。

できる共振型センサを採用した。共振型センサ

表1

は，共振子表面に形成した感応膜ににおい分子が吸着することで起こる膜重量の変化を，共振周波数の変化によって検出する。吸着するにおい分子の種類が異なる数パターンの感応膜を用

感応膜候補材料

セルロースナノファ

p-トルエンスルホン酸

イバー（CNF）

ナトリウム（p-TSN）

D-フェニルアラニン

PEDOT:PSS（D-Phe）

意することで，においや濃度を特定することができる（図 1）。
本研究では，生活環境中で発生する悪臭から，
アンモニア，トリメチルアミン，メタンチオー
ル，硫化水素を検知対象ガスと定めた。それら

カーボンナノチュー

ポリビニルアルコーブ（CNT）ル（PVA）

アデニン

L-ヒスチジン

エチレンイミン

グルコースの気体に対して応答が大きく，においを判別す

多摩デバイス(株)製の QCM センサ上に各材ることが可能な共振型マルチモーダルセンサの料を薄膜化し，図 3 に示す構成の実験系を用い開発を行った。

て，各検知対象ガスに対する応答性を評価して，検知対象ガスを検出・識別可能な材料を 4 種類

-16-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）選定した。応答性は，チャンバを窒素雰囲気か3

実験結果および考察

ら 1%の検知対象ガス雰囲気に変化させた際の3.1 感応膜の材料選定

感応膜重量の変化量で評価した。

多摩デバイス(株)製の QCM センサ（共振周波数 9MHz，重量感度：1.07ng/Hz）上に各材料をキャスト法（図 4）により成膜した。選定した高分子材料はほとんどが水溶性であったため，
撥水性が高い QCM センサの金電極へ成膜を行うと，塗布した溶液が凝集してしまい電極上に均一な薄膜形成が困難であった。そこで，プラ図 2 環状構造を持つ材料例

ズマエッチング装置を用いて 100W-10 秒の酸素
プラズマ処理を施すことで電極へ親水性を付与している。また，CNF 以外の材料は，真空乾燥時に析出箇所が偏ってしまう課題があった。そこで，CNF を少量混合し，CNF に感応膜材料を担持させることで電極上への均一な成膜を実現した（図 5）。CNF の配合割合は，電極上への均一な成膜が可能な最小重量比である，感応膜材
料の 25%の重量と決定した。

図 3 ガス応答性評価用の実験系

2.2 共振子の開発
サービスロボットへの搭載を目標としたセンサのため，共振子は小型化が容易な MEMS プロ
セスで作製可能な構造が求められる。電磁共振

図 4 キャスト法のよる感応膜作製型振動子と水晶発振型振動子の 2 種類を試作・評価を実施したが，本論文では最終的にセンサ共振部として選定した水晶発振型振動子について報告する。振動子の共振周波数評価には，ネットワークアナライザ（Keysight Technology 製
E5061B）を用いた。
2.3 組み合わせ評価選定した感応膜と開発した共振子を組み合わ

図 5 CNF 担持による感応膜成膜

せ，異なる感応膜を持つ 4 種類の共振型センサを作製した。これらのセンサを図 3 に示す装置

各材料を成膜した QCM センサを図 3 の実験を用いて検知対象ガスに対する応答性を評価し系に入れ，検知対象ガスごとの膜重量の変化量

た。
2.4 におい判別試験を測定した。膜重量変化量を図 6(a)～(d)に示す。

生活環境を想定し，検知対象ガスを含む臭気

図 6 から，CNF 以外の感応膜溶液にも CNF をを放つ製品を判別可能か，試験を実施した。検混合して成膜しているが，各材料の特性の影響

出対象物は，アンモニア・トリメチルアミンのにより感応膜の特性に差が生じていることがわ

含有が期待される魚の干物，硫化水素の含有がかる。図 6 から，感応膜材料として CNF，D-Phe，

期待されるゆで卵，検知対象ガスは含まない対PEDOT:PSS，アデニンの 4 種類を選定した。p-

象物として除光液（アセトン）を選定した。

TSN とアデニンは，他の 3 種類の材料と比較す-17-

村山 矢作 加藤 渡部：共振型マルチモーダルセンサの開発

るとガスへの応答が鈍く，応答の様子も概ね同

3.2 水晶発振型共振子の開発等であったが，アデニンの方がアンモニアへのMEMS プロセスにて水晶基板を加工し，水晶応答性が大きいという特徴があったため本研究

発振型振動子を作製した。水晶は，AT カットのではアデニンを選定した。

基板を使用した。AT カットの水晶は，基板の上下面に形成した電極に電圧を印加すると，振動する厚み滑り振動を発生する 8)（図 7）。厚み滑
り振動は電極重量により周波数が変化するため，微小な重量測定に用いられる。

(a) トリメチルアミンへの応答特性
図 7 厚み滑り振動イメージ
将来的に 10mm×10mm の領域内に 4 種類以上のセンサを集積化することを想定し，1 セン
サ当たりのサイズはφ2.5mm で作製した。ここ
で，3.1 で使用した QCM センサは電極がφ5mmのため，作製した水晶発振型振動子は面積 QCM
センサの 1/4 となる。センサに付着するにおい
分子の重量は，感応膜が形成される電極面積に(b)アンモニアへの応答特性比例すると考えられるため，電極面積の低下はセンサ感度の低下を引き起こす。そこで，3.1 で使用した QCM センサの 4 倍以上の重量感度を持つ振動子を作製した。水晶振動子の厚み滑り
振動周波数は，基板の厚さが薄くなるほど高周波化し，重量感度も高くなる。Saubrey の式 9)より，3.1 で使用した QCM センサより 4 倍以上感
度の高いセンサの基板厚さを計算すると約90µm 以下にする必要があることが分かる。そこで 80µm 厚さの水晶基板を選定した。80µm の(c)メタンチオールへの応答特性

水晶基板の基本周波数が約 20MHz であり重量
感度は約 0.22ng/Hz である。図 8 に作製した水晶発振型振動子と将来的な集積イメージを示す。

(d)硫化水素への応答特性
図6

各検知対象ガスへの応答特性

図 8 水晶発振型振動子-18-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

ネットワークアナライザにて測定した水晶発振型振動子の振動特性を図 9 に示す。図 9 より，
約 20MHz にて共振していることが確認できた。
3.3 感応膜と振動子の組み合わせ評価
水晶発振型振動子の電極表面にキャスト法に

図 10

アンモニアに対する
CNF センサの応答

図 9 水晶発振型振動子の共振特性（S11）て感応膜を成膜したセンサを，感応膜の種類ごとに 1 種類ずつ，計 4 種類作製した。各素子について，図 3 に示す実験系を用いて濃度 1%の検知対象ガスに対する応答パターンを評価した。
一例として，CNF を感応膜に持つセンサのアン
モニアに対する応答の時系列データを図 10 に

図 11 検知対象ガスに対する応答パターン示す。本研究にて作製したセンサは，チャンバ
内にガスを導入してからすべてのセンサが 90%表2応答を示すまでに 300 秒必要であった。そこで，

トリメチル

チャンバへのガス導入から 300 秒後の感応膜重

応 答 量 が CNF → D-Phe →アミン

PEDOT → ア デ ニ ン の 順 と な

ガスごとの応答パターンの特徴

量の増加量を用いて，4 種類のセンサの応答パり，アデニンの応答量は CNF

ターンを作成した。応答パターンを図 11 に示す。図 11 から判断できる，それぞれの検知対象
ガスに関する応答パターンの特徴の一部を表 2の 1/4 程度。
アンモニア

ニン→D-Phe の順となる。CNFに示す。表 2 から，感応膜ごとに検知対象ガスと PEDOT の応答量，アデニンに対する応答が異なることがわかる。ここから，
本研究で用いた 4 種類の感応膜を用いることで検知対象ガス 4 種類を識別可能であることが分かった。表 2 は，応答パターンが示す特徴の一部であり，さらに特徴を抽出することによって更なる識別精度の向上や，今回検出対象になっていないガス分子の識別も可能になると考えられる。

応答量が CNF→PEDOT→アデと D-Phe の応答量がほぼ同じ。
メタン

CNF 以外の応答量が小さく，

チオール

特に PEDOT の応答がほとん
どない。

硫化水素

応 答 量 が CNF → PEDOT → DPhe→アデニンの順となり，ア
デニンの応答がほとんどな
い。

-19-

村山 矢作 加藤 渡部：共振型マルチモーダルセンサの開発

3.4 におい判別試験においの識別には，図 11 のような，比較対象

表3となる膨大なにおい検出のサンプルデータが必

魚の干物

判別対象物およびにおい成分
トリメチルアミン要である。しかし，本研究ではにおいのサンプ

アンモニア

ルデータを用意することができなかったため，いくつかの物体のにおいをそれぞれ別なものとして判別可能か，確認試験を実施した。判別対

ゆで卵

硫化水素

除光液

アセトン

象物と，含有が期待される成分を表 3 に示す。
ここで，除光液は今回の検出対象ガスを含まないが，応答を確認するために意図的に選定した。
対象物をそれぞれ密閉容器に入れ，におい成分を含む気体を準備した。におい成分以外は窒素ガスであり，窒素ガスへは応答しないことを確認している。それぞれの物質への応答パターン
を図 12 に示す。図 12 から判断できる，それぞれの検知対象ガスに関する応答パターンの特徴の一部を表 4 に示す。表 4 から，以下のことが推測される。
図 12 におい判別試験
表4におい判別試験の応答パターンの特徴

ゆで卵

応答量が CNF→PEDOT→

魚のにおいに対して大きい応答を示すことを確

D-Phe → ア デ ニ ン の 順 と な っ認することができた。今後，サンプルデータの

た。
魚の干物

蓄積と AI による判定を組み合わせることで検応 答 量 が PEDOT → D-Phe →知対象ガスを含むにおいを放つモノの識別が可CNF → ア デ ニ ン の 順 と な っ能となる可能性が高い。本研究の検知対象ガス

た。
除光液の場合，台所の異臭や老人ホームでの排泄検出

応 答 量 が PEDOT → D-Phe →等に応用ができると考えられる。また，検知対

CNF → ア デ ニ ン の 順 と な っ

象ガス以外の気体にも応答を示すことが示唆さた。アデニンの応答がほぼ 0 とれたため，やはりサンプルデータを拡充するこなった。

とで適用可能なシーンも増えていくと考えられる。

・表 2 の硫化水素に対する応答と特徴が同じであることから，ゆで卵から発せられる気体は硫化水素を含んでいる可能性がある。

4

結

言

サービスロボットへの適用を目標とした，生・魚の干物はにおい成分が複数含まれている，

活環境中の悪臭（トリメチルアミン，アンモニ

もしくは最も影響の大きい成分が今回検知対

ア，メタンチオール，硫化水素）を検出可能な象としたガス以外である可能性がある。

センサを開発し，以下の結果を得た。

・除光液（アセトン）は本研究で作製したセン

1) 検知対象ガスへの応答を示す感応膜を検討

サへの応答が小さく，検知対象ガスが含まれし，本研究では CNF，PEDOT:PSS，D-フェニていない可能性が高いことが分かる。

ルアラニン，アデニンの 4 種類が適切である

魚の干物から発せられる生臭さの主成分はトリ

結果を得た。また，CNF へ他の材料を担持さメチルアミンやアンモニアと言われている 10)。

せることで均一な成膜が可能であることを本センサを用いたガス種の特定は現段階では不見出した。

可能であるが，少なくとも検知対象ガスを含む

2) 感応膜の重量変化を測定する振動子を検討-20-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

し，MEMS 技術を用いた小型化が容易な水晶

吉川元起 : ナノメカニカルセンサ

発振型振動子を開発した。

(MSS/AMA)によるにおい/質量分析, J.Mass

3) 感応膜と共振子を組み合わせたにおいセン
サを開発し，検知対象ガスへの応答パターン

Spectrom. Soc. Jpn Vol. 66, No1, 20186) 杉本岩雄, 中村雅之, 桑野博喜, 島田礼子 :を作成した。

プラズマ有機薄膜による環境ガスセンシン

4) 実環境試験にて，検知対象ガスを含む気体への良好な応答を得たため，データを蓄積すれ

グ, T.IEE Japan Vol.118, No2, 1998
7) 喜多純一 : 日本調理科学会誌, Vol 48, No. 5,

ばにおいの識別が可能となる見込みを得た。

367~373, 20158) 瀬尾眞浩 : 水晶振動微量天秤用(QCM), 表

文

献

面技術学会誌, Vol. 45, No. 10, 1994

1) NEDO ロボット白書 20149) 中村賢一, 中本高道, 森泉豊栄 : 水晶振動2) 長谷佳明 : 「サービスロボット」の最新動向,

子ガスセンサ用発振回路の動作解析, T.IEE

第 233 回 NRI メディアフォーラム(2016)3) NEDO 技術戦略研究センターレポート

Japan Vol. 117, No. 5, 199710) 内山均, 江平重男, 小林宏, 清水亘 : 揮発性
塩基，トリメチルアミン，ATP 関連化合物のTSC Foresight vol.7(2015)4) 南戸秀仁 : 匂いセンサシステムの開発と応魚類鮮度判定法としての測定意義, Bulletin

用, 第 7 回学術大会（金沢）of the Japanese Society of Scientific Fisheries,5) 南皓輔, 芝弘太, Thien Huynh Ngo, 今村岳,

Vol. 36, No. 2, 1970-21-

中小企業に適したロボット導入の手引の開発
阿部泰*Development of Guidelines for Adopting Robot Systems to Small and Medium-sized Enterprises
Yutaka ABE

1 緒

言

中小企業のロボットの導入が進まない要因の一つ

ベンダーは多忙となり漠然としたユーザーの相談に，要求仕様を検討することができていないことにのることは少なくなっている 7)。そのため，ユが挙げられる 1)。要求仕様とは，ユーザー(買い手)ーザー自身が自力で一定程度構想を整理したうえが「何をしたいのか」をはっきりさせたものであでベンダーと相談していくことが求められる状況

り，要求仕様をベンダー(売り手)に伝える文書ににある。

し た も の が 提 案 依 頼 書 (RFP=Request for2.2 研究の方法

proposal)である。RFP には，導入の目的，必要な本研究は，企業と共同でガイドラインに沿って機能，導入に当たっての制約条件などが記載されロボット導入を検討し、検討が難しかったり，結る。

果が不適切だったりする場面に遭遇した場合，そこのような問題認識が広まるにつれ，近年，製造工場における産業用ロボット導入のためのれを改善する方法を考案して再検討し，容易かつ適切に検討できるか検証する方法で進めた。

RFP 事例が公開されるようになってきた 2-3)。まロボット導入の検討は，関心を示した山形県内

た，要求仕様を検討する手法を要約した導入ガイ

企業 11 社と共同で行った。内訳は，RFP 作成支

ドラインや入門書が刊行されている 4-6)。一方で，援公募に対する応募のあった企業が 3 社，ロボッ

従来の手法は，ロボット導入が進んでいる大企業

ト導入検討の手法を体験する研修に応募のあったの手法を基礎に成り立っているため，人的資源と企業が 3 社，その他，現場を視察して導入可能性

財務資源が不足しがちな中小企業にとっては適用に関するレポートを提供した企業が 5 社である。

が難しい場面も多い。そこで本研究では，成長率

業種別内訳は，素材型産業が 6 社，加工組立型産が際立って高いわけではない，受託加工中心で自業が 3 社，生活関連産業型が 2 社である。こ社製品を持たないような地元の中小の製造業が，のうち，多関節ロボットが全く導入されたことが要求仕様検討の手法を体系的にまとめることを目的とする。

2 研究方法
2.1 ロボット導入ガイドラインの概要
中部経済産業局が取りまとめたロボット導入ガ
イドライン（以下ガイドライン）に示された手順を図 1 に示す。このガイドラインは，産業用ロボ
ット活用のノウハウを身につけたい意欲的な企業を対象にしているものである。このガイドラインの執筆者は，導入レイアウト図の作成の部など，
ロボット導入の未経験者には難しい検討作業を要求していると自認しており，ベンダーに相談しな
がらロボット導入検討を進めることを推奨している。
図 1 ロボット導入ガイドライン

しかし，近年の自動化需要の高まりにより，【平成 29 年度～令和元年度 ロボット応用システム開発事業】*

産業労働部 工業戦略技術振興課-22-山形県工業技術センター報告 No.52 (2020)

ないのは，素材型産業の 2 社と生活関連産業型のでは，製品の載せ替えをロボット化したいという

1 社の合計 3 社のみである。一方で，ロボット導要望があった。物流経路が分岐しない工程間は連入経験のある企業でも，今とは異なる用途にロボ結するという原則に沿って再検討し，レイアウト

ットを適用できる可能性，新築工場ではなく既設変更で改善する案をシミュレーションしたとこ

工場にロボットを適用できる可能性を知りたいとろ，ロボット化よりも小さい投資で問題なく生産いう要望があり，このような要望をきっかけに共ができることを確認できた。

同でロボット導入検討を行った。

3.2 対象作業の選定に関して

本研究では，これらの企業と共同で検討する過ガイドラインでは対象作業の選定について述べ程で特定された共通の課題を対象に，通常の検討てはいない。一般的にはライン生産の一連の作業手法(大企業向けの検討手法)ではうまく進まないを単位作業に分解し，自動化しない場合の工数をところを見つけ，中小企業向けの手法に改良する

自動化した場合の金額で割った値が大きい順に，ことを試みた。

予算が許す限りロボットの活用も含めて自動化を図る手法がとられる。中小企業の場合も，この手

3 事例分析

法に則って進めることが望ましい。

3.1 対象ワークの選定に関して

ところが，設計技術者がいない中小企業の場合

ガイドラインでは，対象ワーク，生産数量，タは，自動化した場合の金額を想定できないことにクトタイム，品種替えの頻度などを書き出して整留意する必要がある。自動化した場合の金額に大理することとなっている。一般的には，自動化のきく影響する要素として，作業にカン・コツが求対象とする製品を生産数量の多い方から選び，そめられることが挙げられる。特に，主作業（仕事の製品の専用製造ラインを作って，各工程に自動の直接的な目的である材料，部品の変形，変質な化ロボットを導入できるところがあれば導入する

ど，対象の変化そのものに直接的に寄与しているという手法がとられる。このような手法をとる場

作業）が手作業の場合には，慎重に要求仕様検討

合は，需要に合わせて対象ワークと生産数量（生を進める必要がある。誰でも同じように加工でき産能力）が決定されると，品種替えによるダウンる製造技術が確立していない場合，製造技術開発

タイムを控除してタクトタイムを設定することがを含めた自動化が必要となるためリスクが大きできる。

く，自動化した場合の金額も大きくなる。このよ

ところが，多品種少量生産であり，専用製造ラ

うな理由により，従来の一般的な検討手法が実際インを作るほどのまとまった受注がない企業の場は適用できない問題があることが明らかとなっ合は投資対効果が小さくなってしまうため，ガイ

た。

ドラインどおりに検討をすすめることは難しいこ

そこで，作業のカン・コツを明らかにするようとがわかった。また，多品種少量生産でありながな作業分析を行い，自動化に必要な金額を左右す

らも，製品の数の多い順に専用装置を製作して自るリスクを洗い出す手法を使って要求仕様検討を動化を進めている企業では，専用装置の数が増え進めた。作業のカン・コツを明らかにするために，るにつれて物流の経路が複雑化し，生産ラインの聞き取りシートを活用して作業において統一されどこを改善したらよいか見通せなくなっている状ていない物事（標準化されていない物事）を列挙

況が見受けられた。

し，列挙された物事を分類して対策する手法を使そこで，同じ物流経路をたどる材料でグループって要求仕様検討を進めた。聞き取りシートには，を作り，工程をなるべく連結する手法を使って要作業台に置いてある物を起点に，治工具や設備の求仕様検討を進めた。A 社の検討過程では，複数使い分け，作業順序の変更などの典型的な不統一の材料が出入りする工程を分割し，材料ごとに自を聞き出すための質問を例示している。書き出さ動化された生産ラインを構築する案をシミュレー

れた不統一な物事は，顧客要求に答えるために統ションした。その結果，工程間の運搬や仕分けを一せずに幅広く対応すべきものと，社内の都合で行っていた工数を削減できたことによりライン全

統一していないだけなので統一できないか検討す

体で導入効果が得られた。また，B 社の検討過程

べきものに分け，運用の工夫や情報技術の活用に-23-

阿部：中小企業に適したロボット導入の手引の開発

より統一する手立てを考える。
C 社の検討過程では，工具の種類が多すぎてす
べてを自動化することが難しいために工具を減らすような加工技術を開発する取り組みを始めた。
また，作業者ごとに治工具を何回転させるのかな
どの作業の詳細が異なっているにもかかわらず製品の品質に影響がなかったことから，治工具を回転させる作業をロボット化するにあたって要求仕様を減らすことにつながった。
3.3 導入レイアウト図の作成に関して
ガイドラインでは，ロボットを配置し，前後の設備を配置し直し，その上で必要な機器の選定を

図 2 ストッカーのサイズを検討したアニメー

行いレイアウトをより具体的に肉付けして導入レションの例

イアウト図を作成することを推奨している。一般
的には，導入レイアウト図の作成は，過去の類似

体的な屋台を組むことで省スペース化が可能なこの案件を流用して作成される。例えば，加工装置とが大きな特徴であるため，平面図ではなくコンのワークの交換作業であれば，導入事例が多いた

ピュータを使った立体的な検討が特に有効であ

めに標準的な設計案が確立しており，この設計案る。
E 社の事例においては，夜間無人運転をする場

をもとに案件に応じて変更を加えていき，CAD や合にストッカーのサイズがどれくらいになるかを模造紙上でロボットや周辺装置を配置する。
ところが，設計技術者のいない中小企業にとっ計算して，ロボットの腕がストッカーに届くかどてこの検討作業を自力で進めることは難しく，ガうかをアニメーションにした(図 2)。アニメーシ

イドラインにおいてもロボットメーカーのショー

ョンを活用したことで、現場の作業者から治工具ルームなどで相談することを推奨している。そこの保全のサイクルに対する提言を引き出すことがで，中小企業の要求仕様検討では，詳細検討はベできたり、その後のベンダーとの打ち合わせが円ンダーに依頼することとし，自社は多関節ロボッ滑になったりするメリットが得られた。

トらしい立体的な動きのイメージをより具体的に

3.4 導入費用の試算に関して持つことに重点をおくこととして検討作業を進め

ガイドラインでは，導入レイアウト図をもとにた。具体的には，3D アニメーションを作成して，ロボットや周辺機器の価格調査と，システムイン

ロボットの動作スピード，腕が届く範囲について

テグレーション費用(設計，組立，設置，調整など)検証しながら導入レイアウトの具体的なイメージの積算をすることを推奨している。一般的には，を作成した。

複数のベンダーを競争させて発注先を決める前

具体的にイメージを持たなければならないものの 1 つ目は無人運転時間である。夜間無人運転にに，社内でも価格を積算して比較できるようにしておく手法がとられる。

より生産数量を増やすことを目的とする場合は，

しかし，設計技術者のいない中小企業においてストッカーや消耗する工具の交換頻度の検討が必

は費用の見積もりは難しく，ベンダーの提示する要になる。無人運転中に他の作業を並行すること

価格が適正なのか判断することができない。事例

で労働生産性を高めることを目的とする場合は，企業のうち，設計技術者が主担当を務めなかった

他の作業のサイクルタイムの設定，他の作業を行

8 社のほとんどで，ベンダーとのコミュニケーシ

う場所も含めたレイアウト検討が必要になる。

ョンに困難を感じる状況が生じているのを確認し具体的イメージを持たなければならないもののている。

2 つ目は，設置スペース、特にストッカーのサイ

このような状況に対しては，ベンダーがよく質ズである。周辺機器やストッカー，治工具などを問する項目を一覧にした打ち合わせシートを準備配置したときに，ロボットの腕がそれらに届くよ

し，打ち合わせに臨む手法を取り入れた(表 1)。

うなレイアウトを作る必要がある。ロボットは立

この手法は，導入費用の試算を円滑にするだけで-24-山形県工業技術センター報告 No.52 (2020)

い特定製品を選ぶのではなく，物流の経路が同

表 1 打ち合わせシートの記載項目
案件名、目的、導入スケジュール、じであるグループにまとめた上で製造数の多い

想定予算、設置場所

グループに着目する。その上で，前後工程との対象ワーク

ワークの種類、形状、特性

運搬やパレットへの並べ替えの無駄を削減する

作業

前後の工程、搬入搬出時の状態、案を含め自動化の可能性を議論することが望ま

作業手順、作業のうち自動化した

しい。

いもの、サイクルタイム、無人運2) 対象作業を選定するときには，主作業が手作

転時間、稼働時間

業であるか，手作業の作業時間に変動がある

概要

特記か，作業に使用する治工具の数が多いか，作業設置環境、製造品質、カン・コツを進めるにあたって周囲状況の確認と作業のなく，ベンダーから上手に情報を引き出して導入完成の確認を具体的に何で行っているか，に着レイアウト図を洗練することにも活用できる。

目して分析することが望ましい。

G 社の事例では，当初、何も準備せずにベンダ

3) 導入レイアウトを検討するときには，3D ア

ーを招いて作業を見せて半日の打ち合わせをしてニメーションを活用して無人運転時間とスト自動化案の提案を求めたものの、その後ベンダー

ッカーのサイズのトレードオフについて議論

からはロボットアームの定価ベースの見積もりのすることが望ましい。

みが提示され，実際の導入費用とはかけ離れた金4) 導入費用を試算するときには，導入目的・導額が提示されるという状況が発生していた。打ち入時期・予算上限・ワークの種類と形状・作業

合わせシートを用意して別のベンダーを招いて打を始める前後のワークの状態・作業の手順・作

ち合わせをしたところ、1 時間の打ち合わせで概業のうち自動化したい部分・サイクルタイムと要を伝えることができ、ベンダーからコストダウ

無人運転時間・作業の注意点を整理したうえンのための提案を引き出すことができた。

で，ベンダーを現場に招いて議論することが望H 社の事例では，打ち合わせシートの副次的なましい。

効果が得られた。従来は、生産技術がラインリー文

ダーからこのワークのこの加工を自動化したいと献いう漠然とした要望を受けて，イメージ図を提案

1) 近畿経済産業局『産業用ロボットの新分するものの、ラインリーダーからはイメージが違野展開における導入阻害要因調査』

うと言われることもあった。この状況で打ち合わ(2016)

せシートを活用したところ、ラインリーダーが様式に記入しながら必要なことを考えてから生産技術に相談するために，円滑なコミュニケーション

2) Mike Wilson“Implementation of Robot
Systems”(2014)3) 特定 NPO 日本システム監査人協会東北支部『ロボットシステム導入に向けたシが実現できた。

ステム監査のためのＲＦＰ見本』(2020)

4 結4) 中部経済産業局『ロボット導入ガイドラ

言

中小企業の事情を反映したロボット導入の手引

イン』(2017)

きを作成した。装置の設計製作ができる技術者を

5) 近畿経済産業局『中小企業のためのロボ内部に抱えることが難しい中小企業は，以下に留ット導入促進ガイドブック』(2017)

意することでロボット導入に成功する可能性が高

6) 宮川孝文『工場自動化のすすめ』(2017)

まる。

7) 関東経済産業局『ロボット SIer 業界の人

1) 対象ワークを選定するときには，製造数の多-25-材確保に関する調査』(2018)

人工知能を応用した認識・予測手法の確立
叶内剛広*

髙橋義行*

今野俊介**

Establishment of recognition / prediction method applying artificial intelligence
Takehiro KANOUCHI

1

緒Yoshiyuki TAKAHASHI

言

Shunsuke KONNO

ば似た図面をグループ化することでも通常は非

近年，人工知能（AI：Artificial Intelligence）の常に困難である。このため，本研究では，図面発展は目覚ましく，従来不可能であった認識やを何等かの手段を使って分類して数値化し，機予測への応用が進められている。しかし，AI の械学習を用いて類似図面検索の可能性を評価す

導入や運用方法には不確定要素が多く，生産現る。

場への導入の課題となっている。本研究では，

こうした具体的な評価を踏まえて，AI を活用

次に示すような具体的な課題について AI を適するために必要な準備や運用方法を確立する。

用して導入可能性を評価した。
カメラ画像データを対象とする例としては，

2

実験方法

生産工程の自動化における目視検査の機械化に

2.1 画像データによる良否判定モデル

ついてである。ロボットなどで組立工程を自動

従来，目視検査で実施していたショートパタ

化できても検査工程を人手で行ってしまうと投ーンのはんだ外観検査について，AI により検査資効果が減少してしまう。例えば，電子基板のを実現できるか評価するため、AI による良否判

組立工程におけるはんだ外観の検査は人の感性定システムを構築し、はんだ部分の撮影画像のによるところが大きく，これまでのルールベー

目視検査結果を教師データとした。良品画像とスの画像処理では安定した検査の実現が困難で6 種類の不良パターンの画像をそれぞれ 20 枚程あった。また，音響データを対象とした例とし度用意し，これを学習データとした。

て，従来，検査員が行っていた異音検査の自動

予め GPU（Graphic Processor Unit）を搭載し化を評価した。音響データは一般に定量化が困た PC を用いてはんだの良否サンプルの画像を難なため，慣例的に人の感応検査に依存してい用いてディープニューラルネットワークの生成る。しかし，検査レベルのバラツキや検査員育を行った。生成した学習モデルを用いた判定処成の困難さなどから自動化が求められていた。

理系を RaspberryPi マイコン上の Python 環境に

こうした背景を受けて，音響データの定量化と実装し，安価なシステムとして構築した。尚，

AI による良否判定の評価を行い，検査の自動化

モデル生成には物体検出ライブラリ YoLo1)を用を検討した。

いて，転移学習を行った。

また，生産現場での図面管理の場合，作成さ

2.2 音響データによる異常検知モデル

れる製品図面は，受注情報，見積り，部材の発従来，熟練の検査員が行っていた装置稼働音

注情報，生産情報など，非常に多くの生産管理の異音検査について，検査員の違い，環境音な情報と関連している。具体的な事例としては，どの変化による判定結果のばらつきや検査員の同じ内容の受注に対して過去の見積りを踏まえ確保・教育の困難さが課題となっていた。そこた見積りを出せることは企業として非常に重要

で，これらの課題を解消するためにマイコンをなことで社会的な信頼にもつながる。しかし，利用した異音判定システムを構築した。システ

作成された図面はそもそも図形情報であること

ム概観を図 1 に示す。

から取り扱いが困難であり，これまでこうした当システムは工場内での使用が想定され，音関連情報との連携は非常に困難であった。例え源サンプリング時には様々な環境ノイズの混入＊庄内試験場 機電技術部＊＊連携支援部 生産性向上科-26-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）が予想される。その環境ノイズは大きさ，周波しないことから，環境ノイズを軽減・除去する数も様々なものが考えられることから，定型的効果が期待される。こうして得られる 10 個の処理では除去が困難である。そのため，製品稼

数値（10 次元ベクトル）を製品の特徴量とした 。

働音を周波数領域に変換した後，独立成分分析

特徴ベクトルの可視化ソフトウェアを図 2 に示

（ICA：Independent Component Analysis） や非す。特徴量空間において良品は，図 3 の緑色の負値行列因子分解（NMF：Non-negative Matrix

分布に見られるように比較的局所的に分布する

Factorization） を用いた。これにより，製品稼ことから，統計的手法である MT 法 5)で判定処

動時の各瞬間において，製品稼動音は 10 種類

理を行うこととした。これにより正常・異常のの音の重ねあわせとして分析する。製品稼動音判定を行い，その判定精度の評価を行った。

以外の音については，この表現にほとんど寄与

2.3 図形データによる検索モデル

3)

4)

図面検索手法として，図面における図形デー
タを検索する実験方法として，個別図形を抽出してそれを要素として解析することを想定した。
これにより，図面全体や画像処理によって抽出した部分図形（要素図形）を利用して最終的に類似図面を探索する。個別図形の分類方法としては k-means 法によるクラスタリングを正解モデルとすることとして，機械学習のモデルである LeNet2)による類似度分類を評価した。
また，類似図面検索の評価として，この要素
図 1 異常検知システム

図形を入力として図面を探索することを想定して，元の図面を k-means 法で分類したものを正解モデルとして，要素図形を構成要素として図面の分類予測を行い，その精度を評価した。実験では web で入手した 100 枚のライセンスフ
リーの図面を対象に類似図面検索モデルを構築
し，判定精度の評価を行った。

3

検証および考察
3.1 画像データによる良否判定モデル

図2

マイコンベースではんだ画像判定システムを特徴量ベクトルの例構築した。画像判定ソフトウェアを図 4 に示す。
この判定システムを用いて，はんだ外観検査工程における判定評価を実施した。はんだ外観は

図

図3

特徴ベクトル空間

図4-27-

画像判定ソフトウェア

叶内 髙橋 今野：人工知能を応用した認識・予測手法の確立

OK

判定結果は，正常群 25 個のデータでは異常判

NG定はされず正解率 100%となった。一方，異常群25 個のデータでは，24 台を異常と判定し，正解率は 96%であった。
特徴空間上で正常群と異常群が線形分離可能であったことを反映して，良好な結果となった。
なお，誤判定となった 1 個についても，正常群との隔たりを表す指標であるマハラノビス汎距
離が，設定した閾値 6.12 を僅かに超えただけで

図5あり，実際の音源データの分布に合わせた調整

良否判定システムによる判定例

様々な視点での評価が必要なことから，カメラ
3 台を利用し，それぞれの視点での良品画像と不良品画像を採取して学習モデルを構築し，これを画像判定システムに実装して良否判定の評価を行った。この結果，約 100 枚の評価用基板を用いて判定精度を確認したところ，3 方向のカメラ画像を用いることでほぼ間違いなく安定して検査できる性能が得られた。判定結果の例を図 5 に示す。引き続き，ロボットによる組立工程の設計と平行して，生産現場に導入できるか性能検証を行っている。

を行えば，正しく判定できると考えられる。また，環境ノイズの有無でマハラノビス汎距離が大きく変化するといった挙動もみられなかったことから，意図したとおり，ICA または NMF が
環境ノイズを除去・軽減する効果をもたらしたと考えられる。
3.3

実際の処理は，入手した図面に対して，要素分解の処理を行った。これは，図面画像に対して，次の手順で画像処理を行った。
① 枠線除去のための切り出し処理② 第一ラベリングによる背景除去

3.2 音響データによる異常検知モデル
あらかじめ良否が判明している 5 製品×10 台の計 50 種の音源データを用いて判定精度の評価を実施した。音源データは，システムの使用を想定する工程で実作業中にサンプリングされたデータであり，周辺の機械の動作音などの環境ノイズを含むものである。

③ 線膨張による線分マスク作成④ 図形のマスク処理による線分除去⑤ 第二ラベリングによる要素図形種抽出⑥ 膨張処理による図形復元⑦ 復元した図形をラベリング毎に個別画像化⑧ 個別画像を 128×128pixel にリサイズして保存

このデータを用いて，以下に示す手順で判定を実施した。
① 国内工場において 44.1kHz でサンプリング
した良品・不良品の音源データ計 3,919 サン
プルそれぞれを離散 Fourier 変換（DFT：
Discrete Fourier Transform）する② 各サンプル各時刻の Fourier 係数を 1 単位として，ICA または NMF を行い，基底と係数を得る③ 良品の係数のみを用いて相関行列の一般化
逆行列を計算する④ 海外工場の音源データも，DFT，ICA またはNMF を実施し係数を得る⑤ 音源データごとにマハラノビス汎距離を算出する⑥ 閾値に応じて，良否の判定を行う

図形データによる検索モデル

要素図形抽出例を図 6 に示す。元画像としての図面（図 6(a)）と⑥段階の処理結果画像（図6(b)）である。
100 枚の図面から画像処理によって要素図形抽出処理を実施したところ，1371 枚の要素図形が抽出された。平均すると図面 1 枚当たり約 14個前後の要素図形を抽出したこととなる。
実験では，仮に k-means 法による分類を正解モデルとして LeNet2)で機械学習を行い，分類精度の評価を実施した。この結果，100 回の学習で約 95%の分類精度が得られた。要素図形の分類結果を図 7 に示す。更に学習回数を増やすと今回のネットワークでは過学習傾向となり分類精度が低下することが確認された。
こうして要素図形は 20 種類の形状に分類され，それぞれの分類番号が各要素図形のインデ-28-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

ックスとなり，元の図面で考えると 20 の要素
図形インデックスの要素数（構成数）が図面の構成要素と言える。
このことから，更に，元の図面を縮小して kmeans 法で 20 分類し，これを仮に正解モデルとして，要素図形による構成要素数 LeNet による機械学習で分類を行い，この 20 分類への推定
精度を評価した。この結果，部品図同様に 100回の学習で約 88%の分類精度が得られた。こちらも学習回数を増やすと過学習傾向が認められ
た。

結

4

言

生産現場におけるデータへの AI 技術活用に(a)

ついて研究を行った結果，以下の知見が得られた。
1) 目視による外観検査への適用が可能であることを確認した。
2) 動作音による製品の良否判定検査への適用が可能であることを確認した。
3) 図面から類似図面を検索しうることを確認した。
4) データの前処理手法が機械学習に及ぼす影響について確認を行った。

文
1)

献

Joseph Chet Redmon, "YOLO: Real-Time
ObjectDetection",

https://pjreddie.com/darknet/yolo/
2)

(b)
図6

Yangqing Jia, "Deep learning framework",
http://caffe.berkeleyvision.org/

要素図形抽出例
3)

Aapo Hyvärinen, "The FastICA package for
MATLAB",
http://research.ics.aalto.fi/ica/fastica/

4)

D.D. Lee and H.S. Seung,“Learning theparts of objects withnonnegative matrix
factorization,”Nature, vol. 401, pp. 788-791,
1999.

5)
図7

要素図形分類結果

立林和夫,「入門タグチメソッド」,日科
技連,2004-29-

TSV 構造配線の MEMS ロゴスキーコイル型電流センサ
渡部善幸
吉田賢一

＊

草苅智

＊

指田和之

＊

加藤睦人

池田克弥

＊

矢作徹
池田康亮

村山裕紀
＊

竹森俊之 ＊

山崎武志 ＊

佐藤真 ＊

MEMS Rogowski Coil Current Sensor with TSV Structural Wiring
Yoshiyuki WATANABE

Toru YAHAGI

Hiroki MURAYAMA

Kenichi YOSHIDA＊

Kazuyuki SASHIDA＊

Katsuya IKEDA＊

Kosuke IKEDA＊

Toshiyuki TAKEMORI＊

Takeshi YAMAZAKI＊

Makoto SATO＊緒

1

Mutsuto KATO＊

Satoshi KUSAKARI

言

電流検知特性が得られることを実証してきた。

パワーコンディショナのインバータ等に使わ一方で，基板のシリコン自体を導体として通電れているパワーSi-MOSFET，Si-IGBT などのパする場合，シリコン酸化膜で絶縁されたロゴス

ワーデバイスは，世界中の高温，多湿，塩害雰

キーコイルであっても，容量性カップリングの囲気などの過酷な環境で使われている。さらに影響で検出信号が不安定になり電流検出できな数十年の長期にわたり安定動作が求められるが，い課題があった。

デバイスおよび周辺部品の劣化などによる過電

そこで，本研究ではシリコン基板の比抵抗が流により火災や漏電，感電等の事故，エネルギ

0.001，10，100，1,000Ωcm，および＞10,000Ω

ーロスが想定される。そこでわれわれは，IGBT

cm とし，シリコンに形成した多数の TSV を電など縦方向の電御制御を行うパワーデバイスに流端子として通電したときの MEMS ロゴスキ

おいて，過電流をいち早く検知する TSV 構造のーコイルによる電流検知特性を調べた。

MEMS ロゴスキーコイルの開発に取り組んでいる 1～3)。

2

ロゴスキーコイルの構造と動作原理

電流検出法としては，すでに実用化されていデバイスの構造および動作原理を Fig.1 に示る CT 型（カレントトランス）やホールセンサ

す。デバイス中央部に多数の TSV を形成した通型，ホール CT 型（ホールセンサ＋CT），フラ電部（TSV 電流端子）を形成し，上面から下面

ックスゲート型，シャント抵抗型などがあるが4～ 6)，本研究ではパワーデバイスの過大電流検出が必要であること，温度特性が小さく線形的に検出できること，および将来的な半導体デバイ
スとの集積化を考慮しロゴスキーコイル型とした。ロゴスキーコイル型電流センサは，ハンデ
ィ型電流センサなどが実用化されている他，東京スカイツリーの落雷研究などにも使われている。その特性は詳細に報告されており (7)～ (11)，小型化が進めば半導体デバイスの多数箇所，極小部での検出が期待できる。
筆者らのこれまでの検討の結果，シリコン基
板に TSV で形成したロゴスキーコイル部と，通電部を物理的に分離したデバイスでは安定した【平成 30 年度～令和元年度

Fig. 1.

MEMS Rogowski coil.structure andprinciple of current detection

山形県ものづくり企業技術開発支援共同研究事業】＊新電元工業株式会社-30-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）に通電できる構造としてある。パワーデバイスの過電流検知では，TSV 電流端子上にパワーデバイスを固定する方法，および別箇所に配置したパワーデバイスの端子と TSV 電流端子を接続する方法を想定している。
この TSV 電流端子を取り囲むようにデバイ
スエッジに沿って上面配線－TSV 内配線－下面配線と旋回する構造のロゴスキーコイルにより TSV 電流端子上下に流れる電流が検知可能である。
デバイス中央部に電流 i が流れたとき，中心から距離 rj にある j 番目のコイル（j：1～137）を貫く磁束密度がコイル内で一定であると仮定
すると，コイル中心から接線方向に発生する磁束密度 Bj と j 番目のコイルに発生する誘導起電

Fig. 2.

Fabrication procedure of the device.

力 Vj は，ビオ・サバールの法則，およびファラ3.

デーの法則で決定される 12～14)。
したがって，ロゴスキーコイル全体に発生す

熱酸化により表面および貫通 via 側壁表面にシリコン酸化膜 1µm 厚を形成。
無電解 Ni-P めっき用の下地層（Au/Cr）をる起電力は，すべてのコイル起電力の総和とし

4.

て以下になる 1),12～14)。

スパッタ形成し，コイル形状にエッチング。
（ウェハ裏面に仮止めシートを固定し，レジス
トスピンコート，Au，Cr エッチングによりコイ
ルを形成）
5.

······························································· (1)塩化パラジウム，塩酸の混合液に浸漬しコ

イルパタンの下地層表面に触媒付与を行う。塩化ニッケルベースの無電解 Ni-P めっき液を用

ただし，
Vj：j 番目のコイルに生じる起電力

いコイルパタン上に選択的に無電解 Ni-P めっ

Bj：コイル中心から接線方向に発生する磁

きを形成。

束密度
Φ2 インチの Si ウェハに 12 チップ配置し，Sj：j 番目のコイルが囲む面積
θ j：j 番目のコイル面と，電流からコイル

ブレードダイシングによりチップ分割した。作
製した MEMS ロゴスキーコイルを Fig.3(a)に面の中心を結んだ直線（rj）とがなす角度
i：デバイス中央部の導線を流れる電流示す。デバイス外形は 10×10×0.3mm3 で，Φ

µ Si：シリコンの透磁率100µm×深さ 300µm の TSV で形成された 137

rj：導線から j 番目のコイルまでの距離

ターンの旋回コイル，および中央部に形成されたマルチ TSV 構造の電流端子によりロゴスキ3

ーコイルが構成されている。無電解 Ni-P めっき

デバイスの作製は 5µm の厚さで，P（りん）は 4.6wt.％だった。

作製プロセスを Fig.2 に示す。
1.

TSV 形成用の DRIE エッチングマスク（Al，り，via は埋まっていない。

0.1µm 厚）を形成。
2.

Φ100µm の via 側壁におよそ 5µm 形成されてあデバイス全体の X 線 CT 像を Fig.3(b)に示す。

Al マスクを用いた DRIE により厚さ 300µmの Si を貫通エッチング。

TSV 電流端子，および TSV 構造旋回コイルは，（上面にΦ100µm の Al 開口を形成し DRIE。

Φ100µm，深さ 300µm の via で構成されており，DRIE 貫通後に下面全面形成した Al でエッチス

via 側壁に沿って Ni-P めっきが断線することなトップ）

く均一に形成されてあることを確認した。

-31-

渡部 加藤 矢作 村山 吉田 草苅 指田 池田（克） 池田（康） 竹森 山崎 佐藤：
TSV 構造配線の MEMS ロゴスキーコイル型電流センサ

Multi-TSV
current terminal

Check pad

LRC

Sense
pad+

Rogowski coil
RRC

Sense
pad-

CSiO2

CSiO2
RSi-sub
RSi-sub

Sense
pad＋

Si substrate

RSi-sub

RSi-sub

Sense
pad－

Spiral coilwith TSV structure

CSiO2

5mm

CSiO2

Terminal+

Terminal

RTSVMulti-TSV current terminal(a) Optical photoFig. 4.

Equivalent circuit of MEMS Rogowski coil.

Fig.5 に示す。周波数 1kHz から 10MHz の帯域で，デバイス温度を室温（25℃），100℃，200℃の 3 条件で，インピーダンスおよび位相を調べた。これらは，ロゴスキーコイルが LR 直列回路とし，コイル抵抗 R が 82Ω，インダクタンス
L が 1.3μH としたときの計算値である。インピーダンスは，1kHz から 10MHz 程度までほぼフ
ラットな特性で，温度の増加によりわずかな増(b) Cross section (X-ray CT)加が見られる。位相は，1MHz 以上で変化が増

Fig. 3.

加し，温度の増加に伴いわずかな減少が見られFabricated MEMS Rogowski coil.

た。実測値と計算値がよく一致していることから，この帯域ではほぼ LR 直列回路と見なすこ

特性評価

4

とができることがわかった。

ロゴスキーコイルの等価回路を Fig.4 に示す。
ただし，次に，基板比抵抗＞10,000Ωcm と 10Ωcm のデバイスについて，中央の TSV 電流端子と検出

LRC：旋回コイルのインダクタンス

電極間のインピーダンスを測定した。結果を

RRC：旋回コイルの配線抵抗

Fig.6 に示す。10kHz 付近では緩やかに右下がり

RTSV：TSV 電流端子の表面から裏面までのの容量によるインピーダンス低下で，以降は基抵抗
RSi-sub：シリコン基板の抵抗
CSiO2：シリコン酸化膜を誘電体とした配線とシリコン基板間の静電容量
位相

電流検出のための旋回コイルは，LRC と RRCが直列接続され，CSiO2 を介してシリコン基板抵

インピーダンス

抗 RSi-sub と容量結合している。電流を通電するための TSV 電流端子は，低抵抗な RTSV がほとんどで，旋回コイルと同様，CSiO2 を介してシリコン基板抵抗 RSi-sub と容量結合している構成と考えられる。
作製した MEMS ロゴスキーコイル（基板比抵抗 ＞ 10,000 Ω cm ） の イ ン ピ ー ダ ン ス 特 性 を-32-

Fig. 5.

Impedance characteristics offabricated MEMS Rogowski coil.

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

知波形を Fig.8(a)に示す。青のロゴスキーコイ
ルの検出信号は，参照電流センサとは無関係にふらつき不安定で，電流検出にはいたらなかった。また，比抵抗 10，100，1,000Ωcm の Si 基板を用いた場合も同様に，ロゴスキーコイルの検出信号が不安定で電流検出にいたらなかった。
比抵抗＞10,000Ωcm の Si 基板を用いたデバイ
スの電流検知波形を Fig.8 (b)に示す。リセッ
ト信号 ON の領域で，ロゴスキーコイルの波形
Fig. 6.

は参照電流センサのフラットな特性と同様であImpedance characteristics between

り安定した電流検出ができることがわかった。

TSV current terminal and sense pad.

立ち上がりレート di/dt=10A/µs 一定の電流を，板比抵抗由来のフラットな特性が見られる。こピーク電流値 50A まで 5A 間隔の 10 条件の電流の結果から，TSV 電流端子と検出電極は低周波を印加したときの MEMS ロゴスキーコイルに領域では高いインピーダンスで絶縁され，よる電流検出特性を調べた。Fig.7 に示す検出

1MHz 以降は基板比抵抗により異なることがわ

回路の出力は，MEMS ロゴスキーコイルに発生かる。

する誘導起電力の時間積分 Vint であり，検出対

次に電流検出特性を調べた。測定系を Fig.7

象 電 流 の ピ ー ク 値 Ipeak と の 関 係 は 式 (2)に示す。検出回路基板に固定したロゴスキーコ
イル中央部の TSV 電流端子に，立ち上がり電流
変化率 di/dt=20A/µs のパルス電流を印加し，市販の電流センサで電流をモニタしながら，ロゴ
スキーコイル電極間に生じる検出波形を調べた。
このとき，シリコン基板はフローティングとした。MEMS ロゴスキーコイルに発生する誘導起電力は，リセット信号により積分コンデンサで放電させ，0V を基準としたパルス電流と同期した検出信号とした。リセット信号により上部主回路が閉じてロゴスキーコイルに電流を流し，同時に下部の検出回路のスイッチが開放となり増幅，積分を開始する。

(a) Current detection waveform of the device(Resistivity of Si-sub. : 10Ωcm)

比抵抗 10Ωcm の Si 基板を用いたデバイスについて，リセット信号 ON としたときの電流検(b) Current detection waveform of the device(Resistivity of Si-sub. : ＞10,000Ωcm)
Fig. 7.

Evaluation system of current

Fig. 8.

detection.

-33-

Waveform of current detection signal.

渡部 加藤 矢作 村山 吉田 草苅 指田 池田（克） 池田（康） 竹森 山崎 佐藤：
TSV 構造配線の MEMS ロゴスキーコイル型電流センサ

上がりレート 100A/µs までの領域で良好な比例関係であることを確認した。
以上の電流検出特性の結果から，TSV 電流端子を用いたロゴスキーコイルを用いることによ······································································· (2)り，パワーデバイスの過電流検知が可能であるの比例関係となる。結果は Fig.9(a)に示すとおことを示すことができた。

り，良好な比例関係を示した。なお縦軸は V･sの次元を持つべきであるが，Fig.7 の電流検出

5

結

言

系式(2)に示すとおり，MEMS ロゴスキーコイル

パワーデバイスにおける過大電流検出を目的

出力の時間積分は電圧出力であることから，縦とした TSV 電流端子を有する MEMS ロゴスキ

軸の単位を電圧として表記した。

ーコイル（電流センサ）を作製した（10×10×次に，電流の立ち上がりレート di/dt を 10A/µs

0.3mm3）。

から 100A/µs まで 10A/µs きざみで変化させた場

中央の TSV 電流端子に電流変化率（di/dt）

合について，誘導起電力の時間積分の線形性を10A/µs 一定とし，最大電流 50A まで 5A ごとに確認した。結果は Fig.9 (b)に示す。ロゴスキ

電流検知特性を評価したところ，線形的に検知

ーコイルの積分後検出信号は，参照電流センサ

できることを確認した。

の出力と同様の変化を示しており，電流の立ち

また，電流変化率（di/dt）が最大 100A/µs まで 10A/µs ごとの電流を中央貫通部に印加した
ところ，di/dt に対して良好な比例関係で電流検出できることを確認した。
本研究では電流検出特性に注目し，外部磁界を補償する戻りコイルは形成していない。このため，実用的には磁界影響を抑制するため，デバイス上または実装において戻りコイルの形成を検討する必要がある。
本デバイスは縦方向に流れる電流を検出する構造であるため IGBT などを本デバイス上に直接マウントすれば電流検知可能である。しかし(a) Evaluated results of constant slew rate
(di/dt: 10A/µs constant, Peak current: max 50A, 5A step )ながら，MOSFET など横方向に電流制御するデバイスでは直上にマウントしただけでは適用できないが，電流経路を本デバイスの TSV 電流端子に引き込むなどのマウント方法や実装方法を工夫すれば，横方向電流制御素子にも適用が可能であると考えられる。
今後，電流検出能向上のためのコイルの高密度化，低インピーダンス化，戻りコイル形成による外部磁界補償を検討する予定である。

文献1) 渡部善幸，矢作徹，阿部泰，村山裕紀，九里伸治，吉田賢一，指田和之，新井大輔，池田(b) Evaluated results of variable slew rate

克弥：「パワーデバイスにおける過電流検知(di/dt: max 100A/µs, 10A/µs step)

Fig. 9.

用 TSV 構造 MEMS ロゴスキーコイル」，電気学会論文誌 E，Vol.139, No.8, pp.238-243

Current detection characteristics.

(2019).

-34-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）2) 渡部善幸，矢作徹，阿部泰，村山裕紀，九里

ンサ構造の提案と専用設計環境の構築」，電気伸治，吉田賢一，指田和之，新井大輔，池田

学 会 研 究 会 資 料 （ EDD-15-095)， pp.47-52，

克弥，「過電流検知用 TSV 構造 MEMS ロゴ

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スキーコイル」，2018 年第 79 回応用物理学

10) E. S. Leland, P. K. Wright and R. M. White, “A会 秋 季 学 術 講 演 会 ， 18a-233-5， p.12-005，

MEMS AC current sensor for residential and2018.9.18.

commercial electricity end-use monitoring”,

3) 渡部善幸

他，「パワーデバイスにおける過Journalof

電流検知用 TSV 構造 MEMS ロゴスキーコ

Microengineering,

イル」，第 35 回「センサ・マイクロマシン

2009.

と応用システム」シンポジウム，30am3-PS-33，

Micromechanics

andVol. 19, No. 9, 094018,

11) Hao Bian, Chao Shan, Keyin Liu, Feng Chen,

2018.10.30.

Qing Yang, Jiale Yong and Xun Hou, “A4) 柴﨑一郎：「ホールセンサとその応用」，電気

miniaturized Rogowski current transducer with

学 会 論 文 誌 E ， Vol.134, No.7, pp.186-192

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Micromechanics

5) 山岸君彦，池田健太，中沢宏紀：「磁気センVol.26,andMicroengineering,No. 11, 115015, 2016.

サによる非接触高精度電流検出技術」，電気

12) 渡部善幸，阿部泰，岩松新之輔，小林誠也，

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高橋義行，佐藤敏幸：「電磁駆動型２軸光走(2017).

査 MEMS ミラー動作の磁界依存性」，電気学6) 柴﨑一郎：「薄膜ホール素子の開発とセンサ会論文誌 E， Vol.130, No.4, pp.107-112 (2010).

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T. Yahagi, S. Kobayashi, S. Konno and T. Sato,7) 下村直行，長田正義，秋山秀典：「自己積分“Electromagnetically Dual-axis Driven MEMS

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Grating, and its Application to 3D profiling with

論文誌 B， Vol.114, No.1, pp.33-37 (1994).

Near Infrared Low Coherence Interferometry”,

8) Yadong Liu, Xiaolei Xie, Yue Hu, Yong Qian,IEEJ Trans. SM, Vol.132, No.2, pp.31-36

Gehao Sheng and Xiuchen Jiang, “A Novel
Transient Fault Current Sensor Based on the(2012).
14) Y. Watanabe, S. Kobayashi, S. Iwamatsu, T.

PCB Rogowski Coil for Overhead Transmission

Yahagi,Lines”, Sensors 2016, 16, 742.

Monitoring9) 大村一郎，古賀仁大，附田正則：「IGBT モジュール用超小型電流センサの開発：高精度セ

-35-

M.

Sato,
of

N.

Oizumi,MEMS“

Actuators

MotionwithElectromagnetic Induction ”, IEEJ Trans. SM,
Vol.133, No.1, pp.26-30 (2013).

木材の耐候性向上技術の開発―AQ 性能の実現―
江部憲一
Development of method to improve the weatherability of wood
― Realization of Approved Quality (AQ) on Japan Housing and Wood Technology Center ―Kenichi EBE

緒

1

言

片について，AQ「耐候性塗装木質建材」に即し木材の有効活用を図るには，屋内用途に加え，て促進耐候性試験 1） を行い，撥水度 1， 7），測色

屋外用途も有望である。しかし屋外では，木材

1）

保護塗料で塗装しても数年で表面が劣化する傾抜した。
2.1.1 促進耐候性試験

向がある。この状況を受けて（公財）日本住宅・，目視評価 1）の結果から，高耐候性塗料を選木材技術センターは 2014 年，自らの優良木質建

JIS K 5600-7-7 の促進耐候性試験条件にした

1～ 2 ）

材等認証（AQ）に「耐候性塗装木質建材」

がい，キセノンランプ方式の促進耐候性試験機を設定し，塗装木材の長期耐候性に関する評価（Atlas Material Testing Technology，Ci3000+）に基準を定めた。塗装前の木材表面のラフソーン

よる促進耐候性試験を行った。放射照度 60±

仕上げ

3）

や，木材表面のレーザー加工

4）

で塗料

2W/m2（300～400nm），ブラックパネル温度 63の浸透量を増大させることによって，AQ 耐候±3℃，槽内温度 38±3℃、相対湿度 50±10%の形 1 種相当の耐候性能を実現できることが報告

条件でキセノンランプを 102 分間連続照射し，されている。しかし，これらの方法は，塗装後

その後，放射照度を 60±2W/m2 に保ったまま 18の木材の風合いや生産性に関して問題がある。

分間脱イオン水を噴霧する工程を 1 サイクル

一方，ラフソーンよりも粗面化の程度を抑えた（120 分）とした。このサイクルを繰り返し，

サンドペーパーによる塗装前研磨処理

5）や，試験前の試験片および，試験開始から 250 時間，CUAZ（銅・アゾール化合物系木材保存剤）の500 時間，1000 時間，1500 時間経過した時点の塗装前加圧注入処理 6） により，耐候性が向上す試験片を，各種測定に供した。

ることも報告されている。しかし，これらの処

2.1.2

理により AQ 耐候形 1 種相当の耐候性能が実現できるかは，明らかにされていない。

測色

分光測色計（コニカミノルタジャパン，
CM-2600d）を用い，JIS K 5600-4-6 に基づき，そこで本研究では，研磨処理や CUAZ 水希釈

CIELAB 空間における L*，a*，b*を測定した。

剤の塗布，塗装回数等を検討し，AQ 耐候形 1

そして，式（1）～（4）により色差（ΔE*ab）

種相当の耐候性能実現を目指した。

を算出した。測色条件は，光源を D65，視野角を 10°，測色部の直径を 8mm とし，試験片表

2

実験方法

面の定位置 2 か所における測定値を平均した。

2.1.

高耐候性木材保護塗料の選抜

ΔL*

=

L*n

―

L*0

（1）

スギ心材柾目試験片に，含浸形木材保護塗料

Δa*

=

a*n

―

a*0

（2）

10 種，半造膜形もしくは造膜形木材保護塗料 8

Δb*

=

b*n

―

b*0

（3）

種を塗装した。塗布量および塗装回数は，各塗

ΔE*ab

料メーカー推奨の条件とした。これら塗装試験【平成 29～令和元年度=（{ ΔL*）2 +（ Δa*）2 +（ Δb*）2}1/2

環境・エネルギー関連技術研究開発事業

-36-

研究課題】

（4）

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

ここで，実験 2.1 の結果から塗装仕上がりの美観面もL*0， a*0， b*0：

考慮し，水性含浸形塗料 1 種，油性半造膜形塗促進耐候性試験前の L*， a*， b*値

料 1 種を選抜した。試験片の塗装前処理および

L*n， a*n， b*n：

塗料塗装回数については，表 1 に示すとおり，促進耐候性試験 n 時間後の L*， a*， b*値

処理①（塗装前処理なし，塗料 2 回塗装），処理

撥水度

2.1.3

②（塗装前処理なし，塗料 3 回塗装），処理③

撥水度は，試験片の表面に約 1g の蒸留水を滴（P100 ペーパーによる粗面化処理，塗料 2 回塗下し 1 分後に拭き取り，試験片に浸透しなかっ装），処理④（P100 ペーパーによる粗面化処理，た水質量の百分率を，式（5）に示す方法により

塗料 3 回塗装），処理⑤（CUAZ 水希釈剤 1 回塗

求めた

7）

。試験体に水が浸透しなければ撥水度

布，塗料 3 回塗装）の 5 水準とした。なお，処は 100％であり，すべての水が浸透したら撥水

理⑤に関しては，CUAZ 水希釈剤の塗布後 24

度は 0％である。

時間風乾の後，塗装を行った。これら試験片に

撥水度（％）

ついて，実験 2.1.1 と同様の条件で，促進耐候＝（1―（W2―W）／（W1―W）×100 （5）性試験を 2500 時間まで実施した。さらに，実験

W ：水滴下前の試験片質量2.1.2 と同様の測色，実験 2.1.3 と同様の撥水度

W1：水滴下直後の約 1g の水を含む試験片質量測定，実験 2.1.4 と同様の目視評価を行った。

W2：水滴下 1 分後に水を拭き取った直後の試験

その結果から，以下に示す AQ 耐候形 1 種相当

片質量
2.1.4

の耐候性能を達成できるか否かを検証した。な

外観評価

お AQ には，色差について明確な基準値が設定

JIS K 5600-8-4 の割れの等級にしたがって，塗されていない。そこで本研究においては，色差

膜の割れおよび基材の割れを目視にて評価した。

の性能基準を，促進耐候性試験 2500 時間で 6

また，JIS K 5600-8-5 のはがれの等級にしたがっ以下を満たすことと定めた 3）。

て，塗膜のはがれを目視にて評価した。なお，

色差（ΔE*ab）：6 以下塗膜を形成しない塗装の場合は基材割れのみを撥水度：95％以上評価した。

塗膜割れ：密度 1 以下顔料の剥離や木材表面のクラックを評価する

基材割れ：密度 1 以下ため，カラースキャナー（エプソン，GT-X980）

塗膜剥がれ：量 1 以下

で画像データを取得するとともに，デジタルマ
イクロスコープ（ハイロックス，KH-8700）を

3

実験結果および考察用いて，試験片表面を 150 倍で観察した。

3.1.

水性含浸形塗料塗装木材

2.2

塗装前処理と塗装を組み合わせた試験片の促進耐候性試験

実験 2.1 の結果から選抜した水性含浸形塗料
1 種および油性半造膜形塗料 1 種を，各種前処

表 1 塗料の種類，前処理方法及び塗装条件
塗料
塗料
ペーパーによる
水性/油性 塗膜タイプ
粗面化処理
処理①
処理②
処理③
処理④
処理⑤

水性
油性
水性
油性
水性
油性
水性
油性
水性
油性

含浸形
半造膜形
含浸形
半造膜形
含浸形
半造膜形
含浸形
半造膜形
含浸形
半造膜形

CUAZ水希釈剤
塗布処理

―

―

―

―

あり

―

あり

―

―

あり

-37-

CUAZ水希釈剤
塗料
塗布量
塗り回数
g/m2
―
2
―
―
3
―
―
2
―
―
3
―
69
3
64

塗料
塗布量
g/m2
73
126
117
256
168
267
230
419
129
336

江部：木材の耐候性向上技術の開発

図 1 水性含浸形塗料塗装木材の色差変化

処理①―AQ 性能の実現―

図 2 水性含浸形塗料塗装木材の撥水度変化

処理③

処理②

処理④

処理⑤

図 3 水性含浸形塗料塗装木材の促進耐候性試験 2500 時間後の表面劣化
上段：スキャナー画像，下段：デジタルマイクロスコープによる拡大画像
理を行った後に塗装し，無塗装材とともに促進めと考えられる 3～5）。一方で，CUAZ 水希釈剤

耐候性試験に供した。図 1 および図 2 に，水性を塗布した場合は，逆に耐候性能が低下した。

含浸形塗料の場合の色差，撥水度の結果を示す。

これは既報 6）とは異なる結果であった。今回塗色差は，いずれの試験片もΔE*ab＝6 以下の性布した CUAZ 水希釈剤はあくまで加圧注入用で能を満たしていた。一方撥水度の場合は，処理ある。そのため，水性含浸形塗料と組合せて使により差が顕著に生じ，95％以上を満たすのは，用するのに適切な濃度ではなかったとも考えら

処理②および処理④のみであった。さらに，図れ，今後の検証が必要である。なお，図 3 の結

3 に示す基材割れの外観評価の結果も考慮する

果から，処理①，②，③，⑤については，顔料と，処理④のみが AQ 耐候形 1 種相当の性能をの剥離や木材にまで達するクラックが観察され，満たす結果となった。表 1 に示すとおり，ペー

これが撥水度の低下に影響していると考えられ

パーによる粗面化効果のため，処理④の塗料塗た。
3.2. 油性半造膜形塗料塗装木材

布量が 230g/m と，全条件の中で最も大きな値2となっている。したがって，処理④のみが AQ

図 4 および図 5 に，油性半造膜形塗料塗装試

耐候形 1 種相当の性能を満たしたのは，木材へ

験片の色差，撥水度の結果を示す。色差についの水性含浸形塗料の浸透量が最も大きかったたては，処理④および⑤が AQ 耐候形 1 種相当の-38-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

図 4 油性半造膜形塗料塗装木材の色差変化

図 5 油性半造膜形塗料塗装木材の撥水度変化

シンボルは図 1 と同様

シンボルは図 2 と同様

処理①

処理④

処理③

処理②

処理⑤

図 6 油性半造膜形塗料塗装木材の促進耐候性試験 2500 時間後の表面劣化
上段：スキャナー画像，下段：デジタルマイクロスコープによる拡大画像
性能を満たした。一方撥水度の場合は，処理①

造膜形塗料を塗装すると，変色が抑制される可を除く全ての処理が AQ 耐候形 1 種相当の性能能性が考えられる 6）。これが，塗料の水性と油を満たした。さらに，図 6 に示す外観評価の結性の違い等といった塗料成分の差異に起因する果も考慮すると，処理④および処理⑤が AQ 耐のか否かについては，今後の検証が必要である。

候形 1 種相当の性能を満たす結果となった。表

なお，図 6 の結果から，水性含浸形塗料の場合

1 に示すとおり，ペーパーによる粗面化効果のとは異なり，塗膜表面に微小クラックが多数発ため，処理④の塗料塗布量が 419g/m と，大き生はするものの，クラックが木材にまで到達すい値を示した。したがって，処理④が AQ 耐候

ることはないことが明らかとなった。これは，形 1 種相当の性能を満たしたのは，水性含浸形

水性含浸形塗料の場合とは異なり，木材表面に塗料の場合と同様に，木材への油性半造膜形塗形成された塗膜の保護効果が働いたためと考え

料の浸透量が大きかったためと考えられる 3-5）。

られ，結果として撥水度の維持につながったも一方で，CUAZ 水希釈剤を塗布した処理⑤の場のと思われる。

2合は，水性含浸形塗料を塗装した場合とは異なり，撥水度が低下することはなく，さらに色差

言本研究で得られた知見は，以下のとおりであの値が常に処理④よりも小さな値を維持した。
このことから，CUAZ 水希釈剤塗布後に油性半

結

4
る。

-39-

江部：木材の耐候性向上技術の開発

1)

2)―AQ 性能の実現―

粗面化処理と木材保護塗料 3 回塗装により，健一郎，津崎誠，北橋信一，岩本収宇：日本

AQ 耐候形 1 種相当の耐候性能を実現でき

木材保存協会第 31 回年次大会研究発表論文

た。

集, (2015)2.

CUAZ 水希釈剤塗布後に油性半造膜形塗料

4) 福田健一，小谷忠明，井上英明，福田聡史，を塗装すると，変色が抑制される可能性が野村昌樹：第 69 回日本木材学会大会研究発示された。

表要旨集, N14-03-1545(2019).
5) 伊佐治信一：第 64 回日本木材学会大会研究

文

献発表要旨集, N13-P-13(2014).

1) (財)日本住宅・木材技術センター：優良木質

6) 片岡厚，石川敦子，小林正彦，松永正弘，松建材等の品質性能評価基準，(2016)153.

永浩史，木口実：木材保存, 41(2)(2015)62.

2) 木口実：木材保存, 40(6)(2014)256.

7) 木口実，片岡厚，土居修一，森満範，長谷川

3) 片岡厚，石川敦子，松永正弘，小林正彦，木口実，吉田慎治，小谷忠明，片谷昌寛，相井-40-

益夫，森田慎一，金城勝，嘉手刈幸男，今村祐嗣：木材保存, 22(3)(1996)150.

鉄鋼材料の浸窒焼入れ組織に及ぼす熱処理条件の影響
荘司彰人
Effect of Heat Treatment Condition on Nitriding Quenching Microstructure of SteelAkihito SHOJI

1

緒

言

2

自動車部品などの機械部品には鉄鋼材料が多実験方法
2.1 試料く用いられている。しかし，素材のままでは機浸窒焼入れ処理に供する試料は，表 1 に示す

械的性質が不十分であり，耐摩耗性や耐疲労性

化学組成（ミルシート値）の鋼材を用い，寸法を向上させるため，表面硬化熱処理が広く利用

は 15 mm×8 mm×3 mm とした。試料表面は SiCされている。既存の熱処理方法としては浸炭焼

研磨紙（#80～#1500）とダイヤモンド研磨剤（粒入れや窒化が知られている。浸炭焼入れは炭素

径 3 µm，1 µm）を用いて研磨し，アセトン中でマルテンサイトにより高硬度を実現できるが，超音波洗浄を行った。

高温処理（約 850℃）のためひずみが大きいと2.2 浸窒焼入れ処理

いう課題がある。一方，窒化は低温処理（約浸窒焼入れ処理は，熱処理炉（東北大学金属

580℃）のためひずみは小さいが，窒化物形成

材料研究所所有）を用い，表 2 に示す 7 条件でに寄与する合金成分を含まない鋼種では硬度が浸窒した後，水冷した。NH3 割合は，炉内への低いという課題がある。そのため，従来法では導入ガス（NH3，H2）におけるアンモニアの割

高硬度と低ひずみの両立が課題となっている。

合であり，鋼表面への窒素の供給源となる。

浸窒焼入れは，鉄鋼材料の表面硬化熱処理のガスプロセスによる浸窒焼入れは，加熱され一種である。鋼表面に窒素を浸透拡散させ急冷た鋼表面において，次式に示されるアンモニアすることにより，硬質な窒素マルテンサイトか分解により生じた窒素が鋼中へ浸透拡散するもら成る焼入れ層が形成される。また，鉄-窒素系のである。

は鉄-炭素系と比較して，変態温度が約 140℃低NH ⇔ N +

いため，低温処理が可能である。このように，

3H
2

浸窒焼入れは，低ひずみで高硬度が得られる熱処理方法として報告されており 1)，次世代の熱表2処理技術として注目されている。しかし，関連

温度， 650℃
時間
4h
NH3 割合する技術情報は少ない状況にある。
本研究では，鉄鋼材料の浸窒焼入れにおける

浸窒焼入れ処理条件
750℃

850℃

1h

4h

9h

4h

組織制御指標の顕在化を目的とし，種々の熱処

2％

-

-

②

-

-

理条件による組織や硬さ等を評価し，熱処理条

5％

①

③

④

⑤

⑦

件が浸窒焼入れ組織に及ぼす影響を調査した。

10％

-

-

⑥

-

-

表1

試料の化学組成（mass%）

試料

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

SPCC

0.05

-

0.22

0.013

0.012

-

-

S45C

0.45

0.21

0.74

0.019

0.014

0.15

-

SCM415

0.17

0.24

0.79

0.018

0.018

1.14

0.17

【令和元年度

若手チャレンジ研究事業

研究課題】

-41-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

2.3 金属組織評価

入れ層の表面硬さ試験，断面硬さ分布試験を行

浸窒焼入れ層の金属組織を評価するため，浸った。マイクロビッカース硬度計（㈱ミツトヨ

窒焼入れ層断面の金属組織観察を行った。金属製 HM-221）を用い，試験条件は試験荷重 100 gf

顕微鏡（オリンパス㈱製 GX-51F）を用い，エとして，3 点測定し平均値を求めた。

ッチング液は 5%ナイタルとした。
2.4 結晶構造解析，元素分布評価

3

浸窒焼入れ層の結晶構造を解析するため，浸実験結果および考察
3.1 金属組織評価

窒焼入れ層表面の X 線回折を行った。X 線回折

金属組織評価の結果，3 鋼種全てで，処理時装置（㈱リガク製 RINT2000）を用い，X 線源間および NH3 割合の増加に伴い，浸窒焼入れ層は Cu 管球，測定条件は管電流 40 mA，管電圧は厚くなる傾向を示した。また，焼入れ層表面

40 kV，回折角度範囲 30～90deg とした。また，

では，ボイドや軟質組織であるフェライトとい

浸窒焼入れ層の元素分布を評価するため，浸窒った異常組織の生成量が多くなる傾向を示した。

焼入れ層断面の元素分析を行った。電子プロー

一方，処理温度の上昇に伴い，浸窒焼入れ層はブマイクロアナライザ（㈱島津製作所製

厚くなる傾向を示したが，異常組織の生成量にEPMA-1610）を用い，分析条件は加速電圧 15 kV，

ついては増加傾向が見られなかった。焼入れ層

照射電流 100 nA とした。

の形成が確認された処理条件②～⑦における

2.5 硬さ評価

浸窒焼入れ層の金属組織を図 1～図 3 に示す。

浸窒焼入れ層の硬さを評価するため，浸窒焼

処理条件②（4h-2%-750℃）

処理条件③（1h-5%-750℃）

処理条件④（4h-5%-750℃）

50μm

50μm

50μm

処理条件⑤（9h-5%-750℃）

処理条件⑥（4h-10%-750℃）

処理条件⑦（4h-5%-850℃）

50μm

50μm

50μm

処理条件⑤（9h-5%-750℃）

焼入れ層

ボイド
フェライト
10μm

50μm
図1

浸窒焼入れ層の金属組織（SPCC 材）-42-

荘司：鉄鋼材料の浸窒焼入れ組織に及ぼす熱処理条件の影響

処理条件②（4h-2%-750℃）

処理条件③（1h-5%-750℃）

処理条件④（4h-5%-750℃）

50μm

50μm

50μm

処理条件⑤（9h-5%-750℃）

処理条件⑥（4h-10%-750℃）

処理条件⑦（4h-5%-850℃）

50μm

50μm

50μm

図2

浸窒焼入れ層の金属組織（S45C 材）処理条件②（4h-2%-750℃）

処理条件③（1h-5%-750℃）

処理条件④（4h-5%-750℃）

50μm

50μm

50μm

処理条件⑤（9h-5%-750℃）

処理条件⑥（4h-10%-750℃）

処理条件⑦（4h-5%-850℃）

50μm

50μm

50μm

図3

浸窒焼入れ層の金属組織（SCM415 材）

3.2 結晶構造解析，元素分布評価

層の形態に影響したことが考えられる。当該試

結晶構造解析の結果，3 鋼種全てで，浸窒焼

料の浸窒焼入れ層の窒素濃度分布を図 4 に示す。

入れ層表面ではマルテンサイト相・フェライト

3.3 硬さ評価

相（α），オーステナイト相（γ）のいずれかが検硬さ評価の結果，3 鋼種全てで，処理条件②，出された。また，一般的に窒化処理で生成する③では表面硬さが 700HV 以上となり，一般的な化合物（γ’，ε）は検出されなかった。全ての表面硬化法である浸炭焼入れと同等であった。

処理条件における浸窒焼入れ層表面の結 晶 構

一方，その他の処理条件では表面硬さが 700HV

造を表 3 に示す。次に，異常組織の生成量が少未満となり，特に，異常組織の生成が顕著であない処理条件③，異常組織の生成量が多い処理

った処理条件⑤では 200HV 程度と低くなった。

条件⑤の SPCC 材について，浸窒焼入れ層の元全ての処理条件における浸窒焼入れ層の断面硬素分布評価を行った。その結果，異常組織の箇さ分布を図 5～図 7 に示す。ここで，最表面の所では窒素濃度が低く，窒素濃度が浸窒焼入れ硬さは表面硬さとした。

-43-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

表3
試料
SPCC
S45C
SCM415

未処理

①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

α
α
α

α，γ
α，γ
α

α
α
α，γ

α，γ
α，γ
α，γ

α
α
α

α
α
α

α
α
α

α
α
α

窒素の X 線強度

焼入れ層
50μm

窒素の X 線強度

処理

浸窒焼入れ層表面の結晶構造

処理条件③（1h-5％-750℃）
図44h-750℃

700

700

浸窒焼入れ層の硬さ分布（SPCC 材）
4h-750℃

700

700

図6

4h-5％

700

浸窒焼入れ層の硬さ分布（S45C 材）

5％-750℃

4h-750℃

700

700

図7

4h-5％

700

5％-750℃

4h-5％

700

浸窒焼入れ層の硬さ分布（SCM415 材）

-44-

50μm

処理条件⑤（9h-5％-750℃）

浸窒焼入れ層の窒素濃度分布（SPCC 材）

5％-750℃

図5

焼入れ層
異常組織箇所荘司：鉄鋼材料の浸窒焼入れ組織に及ぼす熱処理条件の影響

4

結

言

といった焼入れ層の形態は窒素量に依存す

鉄鋼材料の浸窒焼入れ組織に及ぼす熱処理条ることから，鋼表面に浸透拡散する窒素量の件の影響を調査し，以下の知見を得た。

制御が重要であると考えられる。また，この

1) 熱処理条件（処理時間，NH3 割合，処理温

窒素量の制御には，被処理材の合金成分を度）に応じて，浸窒焼入れ層には窒素マル考慮した熱処理条件を用いることが必要で

テンサイトの他，表面に異常組織（ボイド，あると考えられる。

フェライト）が生成することを確認した。

8) 本研究では，処理時間， NH3 割合，処理温

2) 処理時間および NH3 割合の増加，処理温度

度が浸窒焼入れ組織に及ぼす影響についての上昇に伴い，浸窒焼入れ層は厚くなる傾

その傾向を確認したが，最適条件を一般化向を示した。

するためには，より詳細な調査と検討が必

3) 処理時間および NH3 割合の増加に伴い，異要であり，今後の課題であると考えられる。

常組織の生成量は多くなる傾向を示した。

謝4) 異常組織箇所は窒素濃度が低く，窒素濃度が浸窒焼入れ層の形態に影響する可能性を確認した。

辞

浸窒焼入れ処理に関してご協力いただきました東北大学金属材料研究所古原研究室の皆様に

5) 鋼表面に浸炭焼入れと同等(700HV)の硬質

深謝いたします。

な浸窒焼入れ層が生成することを確認した。

文6) 異常組織の生成が顕著な箇所では，硬さは200HV 程度と低くなることを確認した。

1) 渡辺

7) 浸窒焼入れにおいては，窒素マルテンサイトの機械的性質，硬化層厚さや異常組織の有無

-45-

献

輝興：浸炭と浸窒の新たな概念と実際，アグネ技術センター，2013，140 頁

山形オリジナル乳酸菌の分離選抜と新規発酵食品の開発
城

祥子

長

俊広

Screening and identification of the Yamagata original lactic bacteria, and development of the novel
fermented foods
Sachiko SHIRO

1

緒

言

Toshihiro CHO
1.2% agar)，GYP 白亜培地 (1.0% (w/v) glucose,

発酵食品がブームとなって以来，麹菌や乳酸1.0% yeast extract, 0.5% Bactopeptone, 0.2% Na-

菌を利用した発酵食品は市場で安定した人気を

acetate·3H2O, 20 ppm MgSO 4·7H2O, 1 ppm MnSO4誇っている。特に乳酸菌は近年乳製品以外の製·4H2O, 1 ppm FeSO4·7H2O, 1 ppm NaCl, 2.5 ppm

品へ取り入れられるようになり，生菌だけでな

polysorbate, pH 6.5, 1.0% CaCO 3, 1.2% agar) によ

く，死菌の健康効果も広く認知されるようになる継代培養を経て単離し，グラム染色によるグった。このことにより，乳酸菌市場はこれまで

ラム陽性株を分離株とした。さらにカタラーゼ

微生物産業と関わりのなかった企業も高い関心陰性であることを確認の上，4 または 5 世代のを寄せる分野となった。市場では機能性や地域継代培養を経ても旺盛な生育を示した菌株を選特性を謳った「乳酸菌〇〇株」と名付けられた抜株とした。得られた株の一部について，GYP

オリジナル微生物も数多く開発され，食品の付培地の炭素源のみを変えた選択培地 (glucose,

加価値向上に寄与している。本県においても，

fructose,

地域オリジナル微生物の開発や発酵技術による

glycerol, raffinose, lactose) にて炭素源資化性を付加価値向上に多くの期待が寄せられている。

試験し，同時にガス生産性についても確認した。

これまでは酒類，漬物等に使用されていたが，最 終 同 定 は ア ピ 50CH お よ び ア ピ 50CHL

本研究では，さらに利用範囲を広げるため，「やMedium (Biomerieux Japan) にて簡易同定，またまがた」を連想しやすい資源から数多くの乳酸菌を分離し，新たな発酵食品を開発することを

表1

sucrose,実験方法
2.1 分離源
分離源を表 1 に示す。
「やまがた」をイメージしやすい県産資源 (果実・野菜・花卉) より，分離源の収穫時期または満開期にサンプリングし乳酸菌の分離源とした。
2.2 分離・選抜・同定
分離選抜方法は文献 1)を参考に実施した。分
離サンプルをリン酸緩衝生理食塩水にて適宜希釈した後，あらかじめ滅菌し 1mg/L アジ化ナト
リウム，1 mg/L シクロヘキシミドを添加した
BCP 加プレートカウント培地 (日水製薬) に混釈法にて播種した。同様に薬剤を添加した MRS
白亜培地 (MRS broth (BD 社), 1.0% (w/v) CaCO3,【平成 29～31 年度

やまがたフードセンシング活用事業-46-

xylose,galactose,

分離源と分離菌，選抜菌数目的とした。

2

maltose,研究課題】

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

は 16S rRNA 領域のシーケンス解析によりゲノム配列を取得した。

酒粕は脱アルコール処理後，100 g に対し添加
水分 12% (w/v) となるよう調製した 8 株の前培

2.3 乳酸菌の諸性質分析

養菌体溶液を 1.0E+07 CFU/g となるようそれぞ

選抜乳酸菌のうち約 300 株について，GYP 培

れ接種し，撹拌後 35˚C，48 時間発酵させた。発地で 35˚C，48 時間前培養した培養液を，菌数

酵物は 85 ˚C，30 分の殺菌の後，40˚C にて送風をそろえて植え継ぎ，20˚C，30˚C および 40˚C

乾燥処理を行った。

で の 濁 度 (SHIMADZU Multispec-1500 に よ る
660 nm の吸光光度) を測定し増殖温度帯を調3

実験結果および考察べた。また，本研究で得られた分離乳酸菌は食3.1 分離乳酸菌

品への利用を想定し，発酵試験では天然培地の本研究では，各種培地でシングルコロニーと麹汁培地 (麹:水=1:2, ボーメ度 6.5) を使用しして得られた菌株をグラム染色に供し，グラムた。

陽性と判定された株を 2,050 株得た。続く試験

2.4

発酵試験

にて選抜株 864 株を得，うち常に安定した生育分離乳酸菌を使用した発酵試験を実施した。

を示した 100 株について微生物の属種を推定し，本研究では，発酵対象として果実 (果汁，果肉)これらを「やまがたオリジナル乳酸菌」としたおよび酒粕を用いた。リンゴ果汁とワナシ果汁(表 2)。得られた菌株には属種の偏りが多くみら

は濃縮還元果汁を，カキ果汁は脱渋済の庄内柿
ジュースを，リンゴ果肉はフジのリンゴピュー

表2

取得したやまがたオリジナル乳酸菌(推定も含む)レそのままあるいは希少糖 (松谷化学工業) を添加したものを，メロン果肉はアンデスメロン
果肉を，酒粕は吟醸酒粕を 100˚C，45 分間蒸煮して脱アルコール処理したものを使用した。乳酸菌は麹汁培地にて 35˚C，48 時間前培養し，4˚C，1,000×g にて 10 分間遠心分離後，培地成分を除去した。滅菌水に再懸濁した後，原料 100
g に対し菌体量が 1.0E+07 CFU/g となるようそ
れぞれ接種し，35˚C，48 時間静置にて発酵させ，85˚C ， 30 分 の 殺 菌 を 行 っ た 。 発 酵 物 は pH
(HORIBA pH METER D-51), Brix (ATAGO Palette
PR-101) および乳酸菌数を測定した。遊離アミノ酸量も同様に発酵物溶液を適宜希釈しアミノ
酸分析キット (SHIMADZU EZ:faast) にて前処理および誘導化し，LCMS (SHIMADZU LCMS2020) にて測定した。においの強度や類似度は，に お い 識 別 装 置 (SHIMADZU FF2A-FAS1) にて測定した。におい識別装置での基準ガスは硫
黄系 (二硫化メチル)，アミン系 (トリメチルアミン)，有機酸系 (プロピオン酸)，アルデヒド系(ブチルアルデヒド)，エステル系(酢酸ブチル)，

芳香族系 (トルエン)，炭化水素系 (ヘプタン)，
硫化水素，アンモニアを使用して測定し、専用
ソフト (Asmell2) にて算出された数値から検量線を得た。検量線の数値をもとに測定結果から求める値を得た。コントロールは乳酸菌非添
加で 48 時間保持し殺菌処理したものを用いた。

-47-

表3

発酵試験に供した菌株

城

長 ：山形オリジナル乳酸菌の分離選抜と新規発酵食品の開発

れたが，これは自然界からの分離を試み，植物

本研究ではさらに食品への利用を想定し，培性乳酸菌を対象とし，継代培養に耐えられる菌

地からの風味が対象原料に悪影響を示さないと株を選抜したためと考えられる。

考えられた麹汁培地での増殖も検討した。GYP

最終的に選抜した 100 株のうち，以後の発酵培地に対し濁度で 80%以上の増殖を示す菌株を試験には外部機関 (テクノスルガ・ラボ) によ選択した。

り同定された菌株を使用した (表 3)。

3.3 発酵試験

3.2 乳酸菌の諸性質

果実，酒粕に対し発酵試験を行ったところ，

3 つの温度帯での培養開始後 24 時間後の濁度

原料と菌株の組み合わせにより接種した菌数かを図 1 に示した。6 月から 8 月の収穫適期の分らの増殖の程度に異なる傾向が見られ，発酵対離源より得られた乳酸菌は 30˚C や 40˚C で旺盛

象と菌株の組み合わせによる相性があることがな生育を示し，10 月以降の収穫適期の分離源よ示唆された(図 2)。例えば，S116 株はリンゴ果り得られた乳酸菌は 20˚C で旺盛な生育を示し

汁・果肉では旺盛な生育を示したものの，メロた。興味深いことに，夏の分離源からの乳酸菌

ン果肉では初発添加乳酸菌数からほぼ変動しなと秋の分離源からの乳酸菌には，学名上重複すかった。また，リンゴ果肉では全体的に発酵がる属種の菌株が多く含まれていたことから，こ鈍く乳酸菌の旺盛な増殖が見られなかった一方，

れは分離源の違いによる特徴と思われる。増殖

希少糖を添加すると旺盛な増殖を示した。なお，

温度帯の異なる菌株が得られたことにより，加発酵物の pH は乳酸菌の増殖におおむね対応し工条件に対応した菌株を選択することができ，て低下していた (図 3)。

利用の幅が広がると考えている。

発酵物の遊離アミノ酸量も，原料と菌株の組乳酸菌の培養に使用する培地を検討した結果，み合わせにより異なる傾向が認められた。表 4

本研究で得られた菌株の多くは，一般的に多用にカキ果汁，酒粕の結果を示す。カキ果汁に対される MRS 培地よりも GYP 培地でより旺盛な

しては S116 株で発酵させると遊離アミノ酸量

生育を示し，使用する培地により生育速度が大に大きな変化が見られ，供試菌株中遊離- アミ

きく左右されることが示された。本研究のよう

ノ酪酸 (GABA) 量が最も増加し，コントローに新規微生物を選抜しようとする際には，複数ルに比べ 2 倍程度増加した。一方,の培地を併用して検討する必要性が示唆された。

発酵させるとアラニン，グルタミン等甘味に寄

(a)

20°C

1.5

30°C

D217 株で

40°C

濁度

1.0

図1

培養 24 時間

後の濁度

0.5

(a) 6 月～8 月収穫
0.0
1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

株番号

(b)
1.5

20°C

30°C

40°C

適期の分離源からの乳酸菌, (b) 10
月以降収穫適期の分離源からの乳酸濁度菌。測定値は 3 回
1.0の反復試験の平均値±標準偏差。

0.5
0.0
24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

株番号

Yamagata Research-48-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

4.4
4.2
4.0
3.8
3.6
3.4
3.2
3.0

図2

P254

A216

D217

e24

6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0

リンゴ果肉
希少糖添加
リンゴ果肉
メロン果肉

発酵物の乳酸菌数

図3

A216

P254

D217

D216

e24

吟醸酒粕

control

A216

吟醸酒粕

P254

1.0E+07

D217

メロン果肉

D216

1.0E+08

e24

希少糖添加
リンゴ果肉

C412

1.0E+09

D216

control

A216

P254

D217

D216

e24

C412

S116

リンゴ果肉

S116

1.0E+10

C439

乳酸菌数, CFU/g

L21

1.0E+07

カキ果汁

S116

カキ果汁

S116

1.0E+08

ワナシ果汁

C412

ワナシ果汁

C412

1.0E+09

リンゴ果汁

L21

リンゴ果汁

C439

乳酸菌数, CFU/g

1.0E+10

発酵物の pH

縦軸の菌数は常用対数で表示。

測定値は 3 回の反復試験の平均値±標準偏測定値は 3 回の反復試験の平均値±標準偏

差。

差。
表4

発酵物の遊離アミノ酸量(a) カ キ 果 汁 発 酵 物 , (b) 酒 粕 発 酵 物 。 各 測 定 値 は 3 回 の 反 復 試 験 の 平 均 値 。
(nmol/100ml)
(a)

(b)

与する遊離アミノ酸量の増加傾向が認められた

アラニン，スレオニン，グルタミン酸等の甘味以外は，コントロールに比べ大きな変動が見らやうまみに寄与する遊離アミノ酸量が増加傾向れなかった。酒粕ではどの菌株でも発酵によりを示した。また，発酵物の香りの違いについて

-49-

城

長 ：山形オリジナル乳酸菌の分離選抜と新規発酵食品の開発におい識別装置にて調べた結果，香りの強度や(a)

基準ガスに対する類似度で株の違いによる差が4

まとめ

1) 山形県産資源より「やまがたオリジナル乳酸(b)菌」を分離選抜した。

硫化(%) 水素80

炭化水素系2) 果実発酵試験により風味の良好な原料と菌株の組み合わせが見出され，うちカキ果汁発
酒粕を乳酸菌発酵させると株により旺盛な生育を示し，特に P254 株発酵物では新

硫黄
系

60
40

酵物は企業試作に至った。
3)

P254

業にて製品化を検討していくこととなった。

D217

control

酵ジュースの企業試作に至り，酒粕発酵物も企

e24

カキ果汁は C412，S116，D217 株を使用した発C412得られた結果と発酵物の食味を検討した結果，

S116

ガスに対する類似度に差が見られた。

臭気指数

うに，芳香族系，アルデヒド系および有機酸系

28.5
28.0
27.5
27.0
26.5
26.0
25.5
25.0

L21

見られた。カキ果汁発酵物では図 4 に示したよ

芳香
族系

ｱﾝﾓﾆ
ｱ

20
0

たな香味の付与が期待された。

謝

ｴｽﾃﾙ
系

辞

アミ
ン系
ｱﾙﾃﾞ
ﾋﾄﾞ
系

本研究にあたり，分離源および発酵原料を提供いただいた山形県農業総合研究センター，同

有機酸系

園芸農業研究所，坂元ローズガーデン様，櫛引

control

L21

S116

農村工業農業協同組合連合会様，丸菱食品株式

C412

e24

D217

会社様，有限会社おたまや様に謝意を申し上げ

P254

ます。

文
1) 小崎道雄監修 (1992).

図4

献
乳酸菌実験マニュア

ル －分離から同定まで－，朝倉書店，東京(a) 発酵物の臭気指数 *。測定値は 3回の反復試験の平均値±標準偏差。 (b) 基
準ガスに対する類似度 (%)。測定値は 3 回の反復試験の平均値。
臭気指数 *=10×log(臭気濃度 **)**臭気濃度：その匂いが無臭となるまでに必要な希釈倍率-50-燻製技術を応用した新規ドライフード開発
対馬里美

菅原哲也

後藤猛仁

Development of new dry food applying smoked technique
Satomi TSUSHIMA

1

緒

Tetsuya SUGAWARA

言

Takehito GOTOに寒天(粉末)4.0g を加熱混合溶解させ，φ35×

燻煙により独特な風味を付与し，保存性を向10mm シャーレに分注した。さらに，濃度を上させる手法が，新商品開発や付加価値を高め

10%w/v に調製した食塩水，砂糖水，ゼラチンる技術として注目されている。燻製食品は，燻

溶液をシャーレに分注し，これらを市販のさく

煙温度と時間，燻製材の樹種，対象食品原料のらチップで 3 時間燻製処理を行った。各試料の水分等の違いにより風味や保存性が大きく変化

水分活性についてはコンフェイユニット法 1)にする。しかし，これらの科学的知見は少なく，て測定した。

経験則によるものが大きい。

2.2.2 ガスクロマトグラフィー

本研究では，食品素材の水分活性を調製し，ガ ス ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー (GC-FID， Agilent

燻製処理と組み合わせることで，風味や保存性

Technologies 7820A)にて，燻製の揮発成分を測を向上させた新規な燻製製品開発を目的とした。

定した。燻製した寒天片を 5 倍量の蒸留水と混さらに，薫香に影響を及ぼす食品成分や燻製処

合，粉砕し，0.45µm メンブレンフィルターでろ理条件を検討し，企業と連携して新規な燻製製

過したものを試料とした。アセトンを内部標準品の試作開発を行った。

と し ， カ ラ ム は DB-WAX( 長 さ 60m × 内 径
0.32µm×膜厚 0.25µm)を用いた。

2

実験方法

2.3 燻製製品試作開発

2.1 燻製処理時間による薫香変化

漬物（たくあん）を 50℃および 70℃で乾燥処

2.1.1 分析試料

理(プチマレンジ TTM-4355，4 時間)を行った後，

燻製時間による薫香の影響を検討するため，未乾燥の漬物と同条件(さくらチップ 40g，3 時

蒸留水 250ml に寒天(粉末)4.0g を加熱混合溶解間燻製)で燻製した。試作品はガスクロマトグラ

さ せ ， 固 化 後 ， 同 じ 大 き さ (8.3cm × 5.3cm ×

フィーで揮発成分を分析した。

1.5cm)に切り出した寒天片を使用した。作成しまた，水産加工企業と，保存性向上および新た寒天片は，燻製器(W400×D325×H820mm)

規製品開発を目的に試作を行った。燻製対象はにて，市販のさくらチップ 80g を用い，各時間

既存製品(乾燥エビ，ハタハタなど)を用い，企(0.5，1，3，5 時間)燻製処理を行った。

業にて燻製処理を行った。保存試験は常温で行2.1.2 におい識別装置

い，一般細菌数を指標とした。

燻製試料をにおい識別装置(島津製作所
FF-2A)で測定した。各試料 10g をサンプルバッ

3グ(島津製作所 2KF)に入れ，窒素ガスを充填し，実験結果および考察
3.1 燻製処理時間による薫香変化

2 時間ほど静置した後，測定を行った。

燻製時間と臭気指数を図 1 に示す。臭気指数2.2 食品成分による薫香の影響とは，臭気濃度を対数表記したもので，におい

2.2.1 分析試料の強さを人の感覚量に近い尺度にしたものであ

水分活性及び食品成分による影響を検討するる。燻製処理時間を長くするほど臭気指数が増ため，各濃度に調製した食塩水(0，5，10，15，

加する傾向を示したが，処理 1 時間程度でほぼ20%w/v)お よ び 砂 糖 水 (0 ， 26， 50%w/v)250ml

一定となった。

【平成 30～令和元年度

フードセンシング活用事業

研究課題】

-51-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

次に，燻製時間による基準臭(硫化水素，硫黄った。これらのことから，水分活性が低いと燻系，アンモニア，アミン系，有機酸系，アルデ

煙の付着が抑えられ，燻製成分濃度が低くなる

ヒド系，エステル系，芳香族系，炭化水素系)

ものと推察される。しかしながら，糖分が含まの臭気寄与変化を図 2 に示す。臭気寄与とは，れる場合はその濃度に応じて酢酸，フルフラー

基準臭に対するにおいの強さを指数表記にした

ル濃度は高くなると推察された。

値である。燻製により炭化水素系，芳香族系，

表1エステル系，アミン系が増加した。
30

塩分(%)

水分活性

酢酸
(g/100g)

フルフラール(mg/100g)

0

0.99

0.09

3.22

5

0.97

0.08

2.19

10

0.93

0.07

1.24

15

0.89

0.06

1.26

20

0.83

0.04

-

臭気指数

28
26
24
22
20

0

図1

0.5h

1h

3h

5h

燻製時間と臭気指数
表2

硫化水素
30

炭化水素
系

20

硫黄系

10
芳香族系

0
0.5h
1h
3h
5h

水分活性

酢酸
(g/100g)

フルフラール(mg/100g)

0

0.99

0.08

2.74

26

0.97

0.52

22.37

50

0.91

0.77

164.09

0

ｴｽﾃﾙ系

表3

アミン系
ｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ系

有機酸系

燻製時間による薫香の変化

3.2 食品成分による薫香の影響

砂糖による水分活性調製と燻製成分

糖分(%)

ｱﾝﾓﾆｱ

図2

食塩による水分活性調製と燻製成分

水分活性調製物による燻製成分の違い
水分活性

酢酸(g/100g)

フルフラール(mg/100g)

コントロール(水)

0.99

0.05

4.82

10%食塩水

0.94

0.04

2.06

10%砂糖水

0.99

0.45

60.12

10%ゼラチン水

0.99

0.07

3.86

食塩と砂糖を添加した寒天片の GC 分析においては，クロマトグラムで面積値が大きい酢酸

3.3 燻製製品試作開発とフルフラールを燻製成分増減の指標とした。
各寒天片の水分活性と酢酸，フルフラール濃度を表 1，2 に示す。

漬物の燻製品を販売している企業から，燻製
臭を抑え，漬物感を残したいとの要望があった。
そこで，漬物を乾燥し，水分活性の低下による

食塩添加で水分活性を調製した試料では，水分活性が低い(食塩濃度が高い)ほど，酢酸等の燻製成分の濃度が減少した。また，砂糖を添加した試料では，水分活性が低い(砂糖濃度が高い)ほど，燻製成分の濃度が増加した。食塩と砂糖で真逆の結果となったため，食塩水，砂糖水，

燻製臭の抑制を検討した。市販のたくあんを乾燥，燻製した後（図 3，表 4），ガスクロマトグ
ラフィーで燻製成分を測定した。酢酸は全て同程度であったが，フルフラールでは，乾燥後に燻製処理をした 2 種は未乾燥より低い値となった。これらを試食したところ，乾燥した方が適およびゼラチン溶液を 10%w/v に調製，燻製し度な燻製感と漬物感の両方があって良いとの意

た試料を測定した（表 3）。ゼラチン溶液，砂糖見であった。

水は水と同程度の水分活性であった。燻製成分
濃度はゼラチン溶液が水と同程度を示したが，砂糖水では高い値を示した。食塩水は水より水分活性が低くなり，燻製成分濃度も低い値であ水産物の試作開発では，燻製により，一般細菌数の減少が確認された(表 5)。また，長期保存においても菌数の増加が無く，保存性の維持が認められた。

-52-

対馬

4

結

菅原

後藤：燻製技術を応用した新規ドライフード開発

言本研究を行った結果，以下の知見が得られた。
1) 燻製時間と薫香強度は正の相関を示すが，長a

時間では飽和状態になる。

図32) 水分活性及び糖分量により，燻製成分濃度がb

燻製漬物試作品a.燻製前(左:乾燥なし，中央:50℃乾燥，右:70℃乾燥)変化する。

b.燻製後(左:乾燥なし，中央:50℃乾燥，右:70℃乾燥)

文

表4

献

1) 日本食品衛生協会:食品衛生検査指針

燻製漬物の燻製成分
水分
(%)

酢酸
(g/100g)

フルフラール(mg/100g)

乾燥なし

84

1.22

4.02

50℃乾燥

77

1.19

2.63

70℃乾燥

72

1.08

2.43

理化

学編 2005
2) 笠原賀代子,西堀幸吉 : Bulletin of JapaneseSociety of Scientific Fisheries.
3) 佐合徹,栗田修 : 三重県工業研究所研究報
告,No.37(2013)

表 5 燻製試作品の保存試験
エビ
乾燥
一般細菌

保存前

数（個/g）

保存後

ハタハタ
燻製

7.6×102＜300

3.0×10

2

＜300

乾燥

燻製

3.2×102＜300

8.7×102＜300

保存期間は，エビは 100 日間，ハタハタは 50 日間-53-精米歩合及び白米水分の酒米消化性に対する影響について
長谷川悠太

高橋圭 *

工藤晋平

奥田将生 *The effect of the rice polishing rate and rice moisture on sake rice digestibility
Yuta HASEGAWA

1

緒

Shimpei KUDO

Kei TAKAHASHI *言

Masaki OKUDA*

験には，精米歩合 70%の平成 30 年度山形県産

日本酒の製造工程において，アルコール発酵

雪女神(金山町)，出羽燦々(大江町)，出羽の里に必要なグルコースは蒸米の酵素消化によって(大江町)を白米水分 13.5%，12.0%，10.0%に調生成するため，原料米の消化性は酒質を左右す

整したものを使用した。

る重要な指標になっている。一般に，酒米消化

2.2

DSC によるデンプン糊化特性の解析

性は酒造用原料米全国統一分析法によって測定

糊化ピーク温度は DSC(日立 DSC7000X)によされるが，分析工程に時間と労力がかかるため，り測定した。リファレンスには酸化アルミナを使用する全ての原料米を測定するのは困難であ用いた。サンプルパンに白米粉体を 35 mg 秤量る。消化性の迅速な判定が可能になれば，そのし，蒸留水を 12 μl 加えて混合後，密封して測年の原料米の特性を早期に判断し発酵管理に役定試料とした。温度プログラムは 30℃から 10℃

立てることができるため，簡便な判定法の開発

まで 20℃/min で降温，5 分間保持，10℃からが求められていた。

120℃まで 5℃/min で昇温，120℃から 20℃まで

米の主成分であるデンプンの糊化開始温度及100℃/min で降温に設定し測定を行った(図 1)。

び糊化ピーク温度は，原料米の消化性と密接に糊化ピーク温度は，熱分析ソフトウェアにより関連するデンプン分子構造の推定に利用できる算出した。

ことが報告されている

1)。また，アルカリ崩壊
150

試験は簡易な消化性の分析法として知られてい設定温度, ℃

る。本研修では，酒米の消化性の指標の一つである DSC(Differential Scanning Calorimeter)の糊
化ピーク温度，およびアルカリ崩壊試験において，原料米の精米歩合及び白米水分がどのように影響するかを検証した。

100
50
0
0

2

20

30

時間, min

実験方法
2.1

10

実験試料

図1

DSC 温度プログラム

精米歩合別 DSC の試料として，平成 30 年度
広島県産山田錦，五百万石，日本晴をそれぞれ

2.3 アルカリ崩壊試験
篩(50mm×20mm，16 メッシュ)に精米歩合 70%

70%，60%，50%，40%に精米後，粉末化したものを用意した。また，白米水分別 DSC の試料として，精米歩合 70%の平成 30 年度山形県産雪女神(金山町)，出羽燦々(大江町)，出羽の里(大江町)，美山錦(水田農試)，出羽燦々(水田農試)を白米水分 13.5%，12.0%，10.0%，9.0%に調整した後粉砕し，袋に二重に密閉して保存したものを使用した。さらに，水分別アルカリ崩壊試の白米を取り，砕米を除いて 50 粒とする。
2% KOH 50ml

を 分 注 し た ビ ー カ ー(55mm×70mm)に篩ごと浸漬し 25℃で静置，7 時
間 45 分後に篩を取り出し 5 分間液滴をビーカーに回収した。溶解したアルカリ液をスターラー(350 rpm)で 10 分間撹拌後，100µl を試験管に分注し，10mM リン酸緩衝液 1.9 ml と塩酸 50µl，【令和元年度高度技術者育成事業】＊独立行政法人酒類総合研究所-54-山形県工業技術センター報告 No.52 (2020)

0.01M ヨウ素液 100µl を加えて中和，染色した。

表 1 精米歩合別糊化ピーク温度

染色した溶液の吸光度を波長 680nm で分光光

糊化ピーク温度，℃

度計(UV1900，島津製作所)にて測定した。

3

実験結果および考察
3.1

精米歩合別の糊化温度

平成 30 年度産山田錦，五百万石，日本晴をそれぞれ精米歩合 70%，60%，50%，40%に調整した試料を用いて DSC による測定を行った(表1)。なお，精米歩合 40%の五百万石では砕米率が高く，整粒がほとんど得られなかったため実験には不適とした。
3 品種の中でも山田錦は比較的吸水しやす
く，もろみ中で溶解しやすいという特徴を持っている。山田錦の糊化ピーク温度は他の 2 種と比べて明らかに低く，経験的に知られている溶解性の高さと合致する結果となった。各品種ともにピーク温度の差は 0.2~0.5℃と小さく，精米歩合が糊化ピーク温度に与える影響は少ないと考えられた。同一品種の比較では山田錦の 70%と 40%で 0.5℃の差があるが，60%と 40%では0.1℃しか変化しておらず，高精白になるほど糊
化ピーク温度に対する影響は小さくなる結果と

40%

山田錦

63.5

63.1

63.0

63.0

日本晴

68.5

68.3

68.0

68.2

五百万石

68.3

68.4

68.2

-

る。
DSC の他に，原料米の消化性を評価する方法
として酵素消化法やアルカリ崩壊試験がある
が，これらの方法は米をアルカリ液に浸漬して溶解させる必要があり，精米による表面積の変化に大きく影響を受ける 2)。それに対し DSC での測定は，精米による影響を比較的受けにくいと考えられた。
今回は，粉体を作成後そのまま試料としたが，原料米の硬さや破砕機の性能により粒径に差が生じる可能性がある。今後の試験では破砕後の粉体を同一径の篩にかけて均一化し，試料の粒径を統一することとした。

A 雪女神
65.0
64.0
63.0
12.0

50%

しないと推測され，今後さらに検証が必要であ

66.0

10.0

60%

らない。そのため糊化ピーク温度もあまり変化

67.0

8.0

70%

ンプン，タンパク質などの構成比があまり変わ糊化ピーク温度, ℃

糊化ピーク温度, ℃なった。酒造好適米は精米歩合 70％付近からデ

品種

14.0

67.0
66.0
B 出羽の里
65.0
64.0
63.0
8.0

10.0

14.0

白米水分, %

67.0

糊化ピーク温度, ℃

糊化ピーク温度, ℃

白米水分, %

12.0

66.0
C 美山錦
65.0
64.0

67.0
66.0
D 出羽燦々
65.0
64.0
63.0

63.0
8.0

10.0

12.0

8.0

14.0

12.0

白米水分, %

白米水分, %
図2

10.0

各品種における白米水分別糊化ピーク温度

-55-

14.0

長谷川 工藤 高橋 奥田： 精米歩合及び白米水分の酒米消化性に対する影響について

1.0

白米水分別の糊化温度

吸光度, 680nm

3.2

白米水分別 DSC の結果を図 2 に示す。
一般に玄米の水分は約 14~15%である。白米
では精米を行うことで生じる摩擦熱により水分が減少することを踏まえ，白米試料の水分を

0.8
0.6

13.5%，12.0%，10.0%，9.0%の 4 段階に調整し

雪女神

0.4

出羽燦々

0.2

出羽の里

0.0
9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0

た。DSC 測定は 2 系列で行った。

白米水分, %

各試料のピーク温度の差は 0.5℃以内に収まっており，精米歩合と同様に実際に現場で使用

図3

される範囲内ではほとんど測定値に影響しない

各品種における吸光度(680nm)と判断できた。
出羽の里は山形県で開発された酒米であり，

4

結

言

溶解性が高いという特徴を持っている。出羽の本研究で得られた知見は以下のとおり。

里は他の品種よりも 1.5℃ほど低いピーク温度

1) DSC による糊化ピーク温度測定は，精米を示しており，この結果は実際に使用した際のや水分による影響を受けにくく，原料米

溶け易さとも合致する。精米歩合別の試験結果

試料の精米歩合の統一や水分調整を必要と同様に，溶解性の高い品種と低い品種の間のとしない可能性が示された。

ピーク温度差は明確であるが，性質の近い品種

2) 白米水分 10.0~13.5%の間ではアルカリ崩間ではほとんど差がなく，判別が難しい。同一

壊試験への影響は小さい。

品種の収穫年度や産地差について判別するため

謝には，昇温速度を遅くし，より計測精度を高め

本研究は，研修生として受け入れていただいる必要があると思われた。
3.3

辞

た独立行政法人酒類総合研究所にて行われたもアルカリ崩壊試験

消化性の異なる 3 種の原料米を用いて白米水のである。ここに記し関係各位に謝意を表する。

分 10.0~13.5%の間で吸光度がどの程度変化するのか検討した(図 3)。吸光度が高いほどヨウ素文

献染色を伴うデンプンの溶解が進んでいることを

1) M.Okuda, K.Hashizume, I.Aramaki,示す。各品種とも白米水分の変化による吸光度

M.Numata, M.Joyo, N.Goto-Yamamoto

変化に一定の傾向はみられず，吸光度の変化は

and

測定誤差によるものが大きいと考えられ，白米

J.Appl.Glycosci,No.56(2009)185-192

水分がアルカリ崩壊試験に与える影響は小さい

2) 奥田将生, 上用みどり, 福田央 : 日本と思われた。アルカリ崩壊試験では，原料米の醸造協会誌, No.113(2018)315~330 頁.

表面積の影響を大きく受けるため，測定にあたっては精米歩合のみならず千粒重や粒径の差も考慮する必要がある。

-56-

S.Mikami :防縮性および抗ピリング性をあわせもつウールによる縫い目のないインナー製品の開発
平田充弘

千葉一生

佐藤正樹

＊

数馬杏子

古城信一

＊

城祥子
水口和洋

＊

藤野知樹
浅沼隆吾

佐竹康史

＊

村岡昇

飛塚幸喜

＊＊

角川映司

中野哲
＊＊

Development of Seamless Undergarment Composed by Washable and Untipilling Wool
Mitsuhiro HIRATA

Kazuki CHIBA

Yasufumi SATAKE
Masaki SATOH＊

Shinichi KOGI

Kyoko KAZUMA

Sachiko SHIRO

Koki TOBITSUKA

Satoshi NAKANO＊

Kazuhiro MINAGUCHI＊

Noboru MURAOKA＊＊

1

緒

言

Tomoki FUJINO

Ryugo ASANUMA＊

Eiji TSUNOKAWA＊＊

実験方法

2

ウールは，スケールが毛根側から先端方向に2.1 紡績方法

向かって重なり合うように並んでおり，毛根側

平均繊維直径 19.7 µm の酸化還元ウール 27.2から先端に向かう方向と逆の方向では摩擦係数

kg を前紡 6 工程，ダブリング数 8,046 回にて 0.33が異なる 1)。フェルト化収縮は，湿潤下で摩擦

g/m の粗糸を製造後，リング精紡機にて Z 500/m

係数異方性（DFE）が増加することで生じるとにて 1/48 糸 26 kg を作製した（歩留 95.6%）。
染色方法

される。一方，生地表面の毛羽が引き出され，2.2

周りの繊維が絡んで生じた玉状の塊をピリング

1/48 糸を 3 子糸に撚糸加工後，反応染料を用と称するが，これは繊維相互の摩擦特性と曲げい，チーズ染色機でノンプレス染色加工を行っ剛性が影響し，フェルト化収縮と機構が異なる。

た。

フェルト化収縮を防ぐ防縮加工としては，水

2.3

編成方法

に溶解した塩素ラジカルで酸化後，ポリアミド

染色糸は，株式会社島精機製作所製シマトロ

樹脂で被覆する方法によって，高い防縮性が発ニックホールガーメント横編機 M153XS15S に現される 2)。この塩素ラジカルは，次亜塩素酸て，スワッチを作製して可編成を確認し，洗濯ナトリウムに酸を加えて酸性浴に調整するか，耐久性などの試験を行った。
評価方法

塩素ガスを水に溶解させることで得られる。し2.4

なしながら，近年，副反応として生成した吸着

単糸の強伸度は，つかみ間隔 500 mm，引張性有機塩素化合物（AOX）が，食物連鎖中に蓄速度 300 mm/min にて 30 回の平均から求めた。

積するおそれが危惧されている。このため，環ピリング試験は ISO12945−1，洗濯耐久試験は，境保全や持続可能な開発目標（SDGs）の観点か

ISO6330 にて行った。密度は JIS L 1015 密度こら，代替方法が求められている。

うばい管法にて求めた。システイン酸含有量は，

これまで，筆者らは酸化還元処理に着目し，大塚電子株式会社製 Agilent7100 にて泳動液にウールの防縮加工に取り組んできた 3,4)。ペルオ

α-AFQ118，JIS 1018 に準拠して前処理した試料

キソ一硫酸カリウムを用いることで，クチクル

を用いて測定することで求めた。羊毛の等電点層の蛋白質が選択酸化され，還元処理と組み合は，平板セルを用い，大塚電子株式会社製ゼーわせることで，スケールを保持しつつ防縮性とタ電位・粒径測定システム ELS-Z2 で測定した。

抗ピリング性を併せもつことが可能となる。本

抗菌試験は JIS L 1902 にて 3 検体の平均から，報告では，高性能，高品質，リーズナブルな製

ハロー幅を求めた。臭気減少率は，エタノール品を提供できる技術開発に取り組んだ結果を述

溶液に 2 時間浸漬後の吸着量をガクロマトグラ

べる。

フィー分析で求めて算出した。

【平成 29～令和元年度＊佐藤繊維株式会社

経済産業省

戦略的基盤技術高度化支援事業】＊＊山形整染株式会社-57-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

実験結果および考察

3

3.1 コーマ処理による紡績糸の高品質化
コーマとは紡績原料であるスライバーをくしけずる繊維機械であり，短い繊維を除去したり，長く引き伸ばしたりすることができる。酸化還元ウールのスライバーにコーマ処理を行った場
合も，平均繊維長は 80.2 mm から 84.8 mm に伸長し，Hauter 法による 30 mm 以下の繊維含有率
は 8.3%から 5.1%に減少した（表 1）。この含有図 2 撚り戻り試験器による Kr 値測定

率には，繊維長 1 mm 以下の毛屑（図 1）は含
まれておらず，これを含めた含有率はより大きくなると推測される。メートル番手 1/48 にリン
グ精紡後，単糸の不良数は，コーマ処理によって 849 から 69 に低減した。一方，破断強度は84.9 cN から 63.7 cN に，破断伸度も 4.4%から2.4%に低下し，糸切れが生じやすい状態となった。
表1

コーマ処理による精紡糸の特性変化

平均繊維長 a
短繊維含有率
不良数

a

b

コーマなし

コーマあり

80.2 mm84.8 mm

8.3%

5.1%

849

69

破断強度

c

84.9 cN

63.7 cN

破断伸度

c

4.4%

2.4%

a

JIS L 1081 A 法(アルメータ), Hauteur 法.

b

USTER 社製機器.

c

つかみ間隔 500 mm, 引張速度 300 mm/min, 試験数 30 回.

図 3 チーズ染色機の染色糸設置外観: (a)プレス加工糸, (b)ノンプレス加工糸

図 4 ノンプレス染色加工糸の巻層毎に筒編機で編成した生地 : 外;外層,中;中層,内;内層
3.3 チーズ染色機によるノンプレス染色加工
通常，チーズ染色機では，チーズ糸をプレスして染色を行うが，酸化還元処理されたウール
は，通常のウールに対し染着性が高くなっているため，ノンプレス加工により染色性が向上しないか検討を行った（図 3）。チーズ染色機で加工したチーズ糸の内層，中層，外側を筒編機で

図 1 前紡工程で発生した毛屑の一例

サンプル生地を編成し（図 4），内側と外側の色

3.2 編成及び染色に対応した撚糸条件の確立
1/48 糸に温度や時間を変えて糸蒸し加工を行い，固定度合を撚り戻り試験器を用いてクリン
ゲルファクトメーター（Kr）値を測定した（図2）．加工温度が高く，加工時間が長くなるにつれ，Kr 値が低下する傾向にあり，70 °C，40 分
でチーズ糸の内側と外側の Kr 値がおおよそ一定となったことから，これを適正値とした。

差 ∆Eab を測色した結果，プレス加工が 1.14，ノンプレス加工が 0.37 であった。また，摩擦に対する染色堅ろう度は，プレス加工生地の乾摩擦が 3 級，湿摩擦が 3−4 級だったのに対し，ノンプレス加工生地の乾摩擦が 4−5 級，湿摩擦が3 4 級であった。ノンプレス加工により，染料がチーズ糸の内層まで均一に染色されたことにより，糸内部への染料拡散性も上昇したため，-58-

平田 千葉 数馬 城 藤野 佐竹 飛塚 中野：防縮性および抗ピリング性をあわせもつウール数が減少したと考察した。

染色堅ろう度が向上したのではないかと考えら

菌株に黄色ブドウ球菌を用い，ハロー法で 24れる。
防縮性と風合いを両立させる整理加工

時間，抗菌試験を行った結果，酸化還元処理ウ

3/48 染 色 糸 を ホ ー ル ガ ー メ ン ト 横 編 機ールが 1.0 mm，未処理ウールが 0.2 mm で，塩M153XS15S により，編幅 60 cm で平編生地を編素処理ウールは確認できなかった。また，シャし，8 枚以上，無傷で連続してスワッチを作製

ーレ内の試料周囲の培地状態は，酸化還元処理できた。得られたスワッチは，ワッシャー機でウールに乱れがあったのに対し，塩素処理ウー仕上加工を行うことで，防縮性の向上が認めら

ルと未処理ウールには乱れがなかった。このこれた。また，染色工程で還元処理を行うことで，とから，酸化還元処理ウールには，黄色ブドウ

ピリング 4.5 級，フェルト寸法変化率面積 0.8%

球菌の増殖を阻害する作用がある可能性が示唆

迄，防縮・抗ピル性を向上することができた（表される（図 5）。

3.4

2）。
表2

還元処理による防縮・抗ピル性の評価

還元処理
ピリング a

表3

各種改質ウールの特性

あり

なし

改質方法

4.5 級

2.5 級

密度

ピルの脱落あり

緩和寸法変化 たて −9.3%
率b
よこ
0.9%
たて −2.8%
フェルト寸法
よこ
2.1%
変化率 c
面積 −0.8%
合計寸法変化 たて −11.8%
よこ
3.0%
率d

a

ピルの脱落あり

システイン

たて
よこ
たて
よこ
面積
たて
よこ

酸含有量 b

−4.1%
−2.5%
−3.9%
−2.5%
−1.5%
−7.8%
−0.1%

酸化還元
塩素処理
未処理
3
3
1.316 g/cm 1.311 g/cm 1.308 g/cm3
0.890 mg/L

0.435 mg/L 0.081 mg/L

等電点 c

4.17

4.89

3.65

強度 d

4.85 cN

5.76 cN

5.49 cN

伸度 d

34.5%

38.9%

38.2%

37%

71%

臭気減少率 47%ea

JIS L 1015 密度こうばい管法.

aISO19945-1.

bbISO6330 4G + タンブル乾燥 80°C, 30min.

キャピラリー電気泳動 :cc(ISO6330 4N +タンブル乾燥 80°C, 30min) ×5 回.

ゼータ電位 : 平板セル, 10 mM NaClaq. モニター粒子

dISO6330 4G +タンブル乾燥 80°C, 30min)d+ (ISO6330 4N +タンブル乾燥 80°C, 30min)×5 回.

JIS L 1015 つかみ間隔 20 mm, 引張速度 20 mm/min.

e

GC :注入 1 µL スプリットレス, He 1.0 mL/min, 40−190

α-AFQ118, 350 nm, -20 kV.

粒径 500 nm ポリスチレン.

°C,

3.5 酸化還元処理ウールの構造解析と特性評価

10 °C/min 昇温, FID 検出.

酸化還元処理ウールの特徴を調べるため，塩素処理ウール，未処理ウールと特性を比較した（表 3）。防縮加工した酸化還元処理ウール，塩素処理ウールの密度が，未改質ウールよりやや大きいのは，キャピラリー電気泳動測定で求めた酸化還元処理ウール，塩素処理ウールのシス
テイン酸含有量が，未処理ウールに対し，それぞれ約 10，約 5 倍を示したことから，シスチンがシステイン酸に変性し，単位ユニット当たりの分子量が，見掛け上，増加した可能性がある。
また，防縮ウールの等電点が未処理ウールに比べて上昇していることも，システイン酸含有量の増加によって，繊維の表面状態が変化したと考えられる。さらに，酸化還元処理ウール繊維の強度が低下したことは，シスチンがシステイン酸に変性したことで，タンパク質間の橋掛け-59-

図 5 ハロー試験後の各種試験体の外観写真: (a)酸化還元処理ウール, (b)塩素処理ウール, (c)未処理ウール

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）

一方，ガスクロマトグラフィー機器にてインによる官能評価試験を行った。酸化還元処理ウ

ドールに対する吸着量から求めた臭気減少率は，ールの方が塩素処理ウールに比べ，「柔らかい」

未処理ウールが 71%と最も高く，酸化処理ウーに優れ，「あたたかい」，「軽い」，「なめらか」にルが 47%，塩素処理ウールが 37%と防縮加工にやや優れる結果となった（図 7）。

よって低減する結果となった。このことは，防臭性と抗菌性が一致しない場合があることを示必要である。

結4

しているが，発現機構の解明には更なる調査が言

高性能，高品質，リーズナブルな製品を提供できる技術開発に取り組んだ結果，以下の知見が得られた。
1) 酸化還元処理ウールのスライバーにコーマ処理を行うことで，短繊維含有率や不良数の低減が可能である。
2) チーズ染色機で酸化還元処理ウール糸のノ
ンプレス染色加工を行うことで，染色糸の内外層の色差を低減することができる。
3) 酸化還元処理ウール糸の染色工程で還元処理を行うことで，防縮性と抗ピル性をあわせもつ編地を得ることができる。

図 6 無縫製インナー試作品

4) 酸化還元処理ウールは，未処理ウールに対しシステイン酸を約 10 倍多く含有し，黄色ブドウ球菌の増殖を阻害する可能性がある。
5) 酸化還元処理ウールで作製した無縫製インナー製品の特徴は，「 柔らかい」，「なめらか」である。

謝

辞

本研究は，経済産業省からの助成で行われたものである。ここに記し関係各位に謝意を表する。

図 7 一対比較法による官能評価試験結果

文3.6

無縫製インナー製品の企画

献1) 日本羊毛産業協会 : 羊毛の構造と物性, 繊

無縫製インナー製品の企画は，佐藤繊維株式

維社, 2015, 46 頁.

会社が紳士用ブランド 991 で RaYS（Raw Yarn

2) 安部田貞治，小林重信訳 : Textile Finishingwith Scale）にて手掛けている半袖を元に，度目「テキスタイル加工」, IS 株式会社, 2009, 頁.

の調整，身頃の脇部への透かし柄の導入などシ

3) 平田充弘, 小関隆博, 尾形広行, 日比野伸,

ルエットパターンを検討し，ホールガーメント

佐藤功一 : 山形県工業技術センター報告,横編機にて完全一体成型品を作製した（図 6）。

No.43(2011)47.

さらに，酸化還元処理ウールおよび塩素処理ウ

4) 平 田 充 弘 , 佐 藤 正 樹 : 繊 維 機 械 学 会 誌 ,ールを素材とした無縫製インナー製品を作製し，試験者 7 名で一対比較法にて，7 項目，5 段階-60-71(7)(2018)429.

山形県産のきびそと青苧を素材とする紡績糸の開発
平田充弘

千葉一生

Development of Knitting Span Yarn Composed by Local Silk and Ramie
Mitsuhiro HIRATA

1

緒

言

Kazuki CHIBA

2

通常，シルクは長繊維が利用されるが，膨ら

実験方法
2.1 きびそ及び青苧の精練・改質方法

みや伸縮性を必要とするニット製品では短繊維

きびそは，株式会社鶴岡シルクより購入した。

の絹紡糸が多く用いられ，屑繭，副蚕糸が原料

セリシン固着処理は，羽前絹練株式会社にて塩とされる。このうち，操糸で生じる屑糸を集め素化イソシアヌル酸ナトリウムを用いて行った。

て洗浄，乾燥させたものがきびそであり，特に，

青苧は，大江町の青苧復活夢見隊より購入した。

繭の表層から熨斗（ろと）糸を取る時に生じる

マーセル化処理は，東北整練株式会社にて苛性

ものは，不純物が少ない平きびそと称される 。

ソーダを用いて行った。スライバーの作製は，また，繭繊維または生糸には，セリシンという株式会社東北イノアックで精練処理したきびそ

膠状の蛋白質が被覆されており，精練によって及び青苧を 130 mm に破断後，所定の重量比で除去することで，半透明な美しい光沢，柔らか混合し，ローラーカード機に投入して形成したい触感を有するフィブロイン繊維として多くがウェブをトランペッタで収束させて行った。

1)

用いられている。一方，セリシンに化学処理を2.2

行い，不溶化することで精練絹とは異なった外単糸は，月山紡績株式会社にて，混合スライ

観，手触り，性能を与える方法も知られている。

バーを前紡 4 工程で加工後，リング精紡で作製

このセリシン定着には，アルデヒド類，重金属

し，真空セットで撚り固定を行った。双糸は，類，タンニン，メラミンなどの合成樹脂，塩素

佐藤繊維株式会社にて，イタリー式撚糸機で加化イソシアヌル酸塩などが，効果があるとされ工後，真空セットを行った。染色は，石川染工ている 。

株式会社で反応染料または酸性染料で，噴射式

2)

紡績・染色・編成方法

これまで，著者らは苧麻や亜麻スライバーに綛染色機で行った。編成加工は，有限会社奥山

脱ガム処理やマーセル化処理を行い，捲縮性のメリヤスにて 10 ゲージ横編機を使用して取り発現に取り組んできた 3-5)。濃厚苛性ソーダ溶液

組んだ。

に無緊張状態で浸漬させることで，Ⅰ型からⅡ型

2.3に構造が変態し，非晶部の増大によって，伸度

きびその繊度，ネップ数は一般財団法人ケケの向上や濃染化が可能となる。本研究では，山ン試験認証センターに試験を依頼した。引張試

形県大江町で栽培された青苧（苧麻）と山形県

験 は ， 単 繊 維 は Textechno H. Stein 社 製

産のきびそを原料とした紡績糸の開発に取り組

FAVIGRAPH，紡績糸は東洋ボールドウィン株式んだ。マーセル化処理した青苧と塩素化イソシ

会社製テンシロン UTM-4-100 を用いて行った。

アヌル酸塩にてセリシン固着処理したきびそを

接触冷温感の測定は，カトーテック株式会社製組み合わせることで，繊度など構造が麻に近く，

精密迅速熱物性測定装置 KES F-7 サーモラボⅡ

伸縮性などの物性が絹に近い，新たな特性を持型を用いて行った。洗い方 JIS L 1930 C4N におった紡績糸を作製できる可能性がある。これにける寸法変化試験は，パナソニック株式会社製より，これまでシルクでの利用が少なかったカ

全自動洗濯機 NA-FS710 を用いて行った。斜行

ジュアル分野への展開に期待がもたれる。

は，スワッチをワッシャー機で洗浄後，ウェー

特性評価方法ル方向の布目曲がりから求めた。
【平成 30～令和元年度

貞明皇后研究助成事業】-61-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）3

実験結果および考察

表1

3.1 きびその精練・改質処理
きびその塩素化イソシアヌル酸ナトリウム塩による処理において，pH 及び浴比を変えて検討した結果を表 1 に示す。マルセル石鹸による練減率は，pH4.5 で 13.8%，pH9.0 で 20.5%となり，酸性で小さくなった。加工液の pH を 4.5 一定にし，浴比を変えて処理したところ，マルセル石鹸による練減率は，1：100 で 13.8%，1：20 で7.88%となり，浴比が小さい方が低減した。塩
素剤およびマルセル石鹸処理後，ローラーカー
ド機で開繊して得られたウェブは，練減率が小さいと平均繊維直径が大きく，ネップ数が少ない傾向にあった。そこで，マルセル石鹸処理した通常の絹繊維と塩素処理後，マルセル石鹸処
理したきびそ繊維を引張試験にて比較した。き
びそ繊維の伸度は，絹繊維と同等だったのに対し，強力は約 3.5 倍大きい結果となった（図 1）。
このことから，繊維が丸く絡まった状態である
ネップは，平均繊維直径が小さいと，剛性が低くなるため絡まり易くなるのではないかと考えられる。
生糸のセリシン固着処理では，ジクロロトリ
アジン系反応染料を用いると，マルセル石鹸による練減率が 0.5%となることが知られている 6)。
そこで，きびそに浴比 1：20，7.5%owf でジク
ロロトリアジン系反応染料を加え，30 °C で 30
分保持後，炭酸ソーダを添加し 95 °C で 45 分処
理してみたが，マルセル石鹸による練減率は19.7%だった。染料の反応基や分子量など分子構造が異なることが考えられるが，同一染料の入手が困難であったため，検証できなかった。
3.2 きびそと青苧のカード及び紡績加工
塩素処理後，マルセル石鹸処理したきびそと
マーセル化処理した青苧を 2 水準（70/30，30/70）
でトウカット後，混合し，ローラーカード機でスライバーを作製した。得られたスライバーは，
前紡 4 工程を経て，リング精紡機にて設計メー
トル番手 32 で単糸を作製後，イタリー式撚糸機
で双糸とした。紡績糸の特性結果を表 2 に示す。
実測番手は混合比によらず，一定であった。きび そ / 青 苧 （ 70/30 ） の 混 紡 糸 は ， 下 よ り 数
Z412.9/m，上より数 S231.9/m で，編地の斜行（布目曲がり）が 12.9%だった。そこで，きびそ/青苧（30/70）の混紡糸は，下より数 Z384.7/m に対し，上より数を S196.5/m に調整したところ，
斜 行 を 1.69% ま で 低 減 で き た 。 き び そ / 青 苧（70/30）の混紡糸は，破断伸度が 11.3%，破断強度が 1294 cN だったのに対し，きびそ/青苧

精練条件によるきびその特性変化

塩素剤濃度

7.0%owf

7.0%owf

7.5%owf溶液の pH

9.0

4.5

4.5

浴比

1:100

1:100

1:20

20.5%

13.8%

7.88%

繊度 b

12.1 µm11.4 µm12.7 µm

ネップ数 c12.4 個/g

18.4 個/g11.5 個/g

練減率

a

a

JIS L1096 95 °C, 40 分.

c

JIS L 1081.

b

JIS L 1081 D 法(OFDA).

(a)

(b)

図 1 マルセル石鹸処理した絹繊維(a)と塩素剤及びマルセル石鹸処理したきびそ(b)の強伸度曲線
表2

きびそ/青苧の混合カードによる単糸・双糸の特性
きびそ 70% きびそ 30%
ｶｰﾄﾞ加工の混合比
青苧 30% 青苧 70%
単糸
32.2
32.5
ﾒｰﾄﾙ番手 a双糸2/32.3
2/33.7
単糸Z 412.9/m
Z 384.7/m
より数 b
双糸S 231.9/m
S 196.5/m
単糸
8.6%
4.1%
c
破断伸度
双糸
11.3%
7.3%
単糸
656 cN456 cNc
破断強度
双糸1294 cN
711 cN
JIS L 1095

c

JIS L 1095 つかみ間隔 200mm，引張速度 200mm/min.

-62-

b

JIS L 1095 B 法.

a

平田 千葉：山形県産のきびそと青苧を素材とする紡績糸の開発（30/70）の混紡糸は，破断伸度が 4.1%，破断強度が 456 cN だった。きびそ/青苧（70/30）の破断強度が大きくなったのは，セリシン固着
したきびそ繊維の強度が（図 1），通常の絹繊維より大きいためではないかと考えられる。
3.3 染色及び編成加工

表32/32 混紡糸（きびそ/青苧，30/70）の反応または酸性染料による綛染色加工に対する各種堅ろう度
染料の種類
反応染料
酸性染料
（色）
(淡緑色)
(カーキ色)
耐光 a
変退色
3−4 級
2−3 級

染色は，淡緑色の反応染料を噴射式綛染色機

洗濯 b

で加工を行った。染色糸は，10G 横編機で平編
組織のサンプル生地を編成し，ワッシャー機で汗(酸性)c

洗浄後，編地の目面状態を観察した。綛染後の仕上処理では，軽量感に課題があったが，編成後にワッシャー機で仕上処理を行うことで改善

汗(ｱﾙｶﾘ)c

できた。淡緑色の反応染料で染色した編地の染

変退色

4級

4級

汚染

4−5 級

4−5 級

変退色

4−5 級

4−5 級

汚染

4−5 級

4級

変退色

4−5 級

4−5 級

汚染

4級

3−4 級

4−5 級

4−5 級

4−5 級

2−3 級

色堅ろう度は，概ね 4 級以上で良好だった。一摩擦(乾)d

汚染

方，カーキ色の酸性染料で染色した編地の染色

摩擦(湿)

汚染

堅ろう度は，耐光，湿摩擦が 2−3 級となったほa

JIS L 0842 第 5 露光法.

c

JIS L 0848.

か，洗濯の変退色，酸性及びアルカリ性の汗に対する汚染が反応染料に対し半級低くなった

d

d

b

JIS L 0844 A-2 号.

JIS L 0849 試験機Ⅱ型.

表42/32 混紡糸の 10 ゲージ 1 本取り平編生
地の特性
ｶ ｰ ﾄ ﾞ 加 工 の きびそ 70%
きびそ 30%
混合比
青苧
30%
青苧
70%

（表 3）。
10 ゲージ横編機で 1 本取り平編組織で編成した生地の目付，度目，カバーファクターは，混

目付 a

紡糸の混合比によらず，おおよそ一定であった。

度目 a

破裂強さは，きびそ/青苧（70/30）の編地が 456
kPa，きび/青苧（30/70）の編地が 228 kPa だっｶﾊﾞｰﾌｧｸﾀｰ

た（表 4）。きびその割合が多い方が編地の破裂

斜行 a

強さが大きくなったのは，きびその割合が多い

破裂強さ

方が紡績糸の破断強度が大きくなった結果と一ﾋﾟﾘﾝｸﾞ b

致しており，セリシン固着処理による効果と考aa128.0 g/m2

13.2

13.1

1.93 mmtex

1.90 mmtex

12.9%

1.69%

456 kPa

228 kPa

1級

1級

ｳｪｰﾙ -12.3%
ｺｰｽ
32.8%

寸法変化 c

えられる。一方，編地のピリングは混合比によ127.7 g/m2

ｳｪｰﾙ -9.5%
ｺｰｽ 27.3%

らず 1 級となり，きびそのカード加工時に生成

q maxd

0.054W/cm2

0.055W/cm2

したネップがピルの起点となっていると考えら

q intd0.199W•s/cm2

0.095W•s/cm2れる。洗い方 JIS L 1930 C4N による洗濯に対す

熱伝導率 d5.45mW/m•K5.71mW/m•K

る寸法変化は，ウェール方向に収縮，コース方a

JIS L 1096.

d

JIS L 1927.

向に伸長し，洗濯機に対する形態安定性が乏しb

JIS L 1076 A 法.

c

JIS L 1930 C4N.

て，q max 値は瞬間的な熱移動量であるのに対いことがわかった。
きびそ/青苧（70/30）及びきびそ/青苧（30/70）

し，熱伝導率は定常的な熱移動量であるため，の混紡糸で編成された生地の熱流量ピーク値（q両者に相関がないことが報告されており 7)，今max）は，それぞれ 0.054 及び 0.055 W/cm2，熱回も同様になったと考えられる。

移動量（q int）は 0.199 及び 0.095 W/cm2，熱伝ニット製品を試作するにあたり，2/32 混紡糸

導率は 5.45 及び 5.71 mW/m・K だった（図 2）。

（きびそ/青苧，70/30）を淡緑色の反応染料で

q max 値がおおよそ等しいのに対し，q int 値に染色後，カーディガンを作製したが，モニタリ差が生じたことは，混合比によって冷たさは変ング調査では，ネップが毛玉の印象を受けるとわらないが，きびその割合が多いと，冷たさがの結果を受けた。そこで，酸性染料によりきび

持続するといえる。これに対し，熱伝導率は，

その片染めを行い，ネップ部を杢糸風に強調し，青苧の割合が多い方が高くなった。これについ

編密度が低い組織への変更を検討した。編組織-63-

山形県工業技術センター報告 No.52（2020）には，手編みで用いられている畝編み，すかし
編みを参考に 8)，編成パターンを作製後，横編機で生地を編成し，縫製を経てワンピース，カーディガンを試作した（図 3）。

図32/32 混紡糸（きびそ/青苧，30/70）で試作したニット製品 : (a)ワンピー
ス, (b)カーディガン

助成で行われたものである。ここに記し関係各位に謝意を表する。
図 2 2/32 混紡糸の 10 ゲージ 1 本取り平編生
地の接触冷温感測定結果 : きびそ/青苧
麻 ; ● 70/30, 〇 30/70

文献1) 水出通男 : シルクの科学，朝倉書店, 1994,

4

結

言

37 頁．

山形県大江町で栽培された青苧と山形県産の

2) 加藤弘 : 絹繊維の加工技術とその応用，繊きびそを原料とした紡績糸の開発に取り組んだ
結果，以下の知見が得られた。

維研究社, 1987, 241 頁．
3) 平 田 充 弘1) 塩素化イソシアヌル酸塩によるきびその精練は，酸性，低浴比で行うことでセリシン固:繊 維 機 械 学 会 誌 ,69(10)(2016)635.
4) 平田充弘, 小関隆博, 渡邊健 : 山形県工業着の効果があり，ネップ数が低減できる。

技術センター報告, No.47(2015)50.

2) セリシン固着処理したきびそ繊維は，紡績糸5) 平田充弘 : 山形県工業技術センター報告,の破断強度，編地の破裂強さを向上できる。

No.50(2018)64.

3) 混紡糸で作製した編地は，青苧の割合が多い

6) 大内進 : 公開特許公報, 昭 59-125969(1984).

と熱伝導率が大きくなるが，きびその割合が7) 杉山儀，池上大輔，藤田浩文 : あいち産業

多いと冷たさの持続性が長くなる。

科 学 技 術 総 合 セ ン タ ー 研 究 報 告 ,No.3(2014)100.

謝辞8) 朝日新聞出版 : フラックスで編む春夏の編本研究は，一般財団法人大日本蚕糸会からの-64-

み物，朝日新聞出版, 2019, 24 頁.

抄

録

/

論 文 発 表characteristics, no studies have evaluated ham
products produced in Japan. Here, we conducted
time-course

Fabrication of MEMS mold with inclined
micro-multi-fin structure and shapetransfer to resin by thermal imprint
process

metabolomic

profiling,

taste

sensor-based analyses, and sensory evaluations by
non-trained consumers during ripening.
*Institutefor

Advanced

Biosciences,

Keio

University, **Tohoku Ham

T. Yahagi, H. Murayama, Y. Watanabe, and T.
Mineta*Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 59, No.
SI, SIIJ02 (2020)
In this paper, we describe the fabrication of

山形県庄内産メロンのメタボローム解析と果芯エキス開発
菅原哲也, 若山正隆*, 服部愛衣*

horizontal and inclined micro-multi-fin structures

日 本 食 品 科 学 工 学 会 誌 , Vol. 65(1), pp. 24-34

and discuss the experimental results of the shape(2020)

transfer to resin material. The shape transfer to the

メロン（Cucumis melo L.）はウリ科キュウリ

resin material was examined using a thermal

属の一年草であり, 果実を食用とし, 果肉の色

imprinting process. In both mold types, the resin

から赤肉種, 青肉種に大別され, 多様な品種がwas injected into the narrow gaps of the multi-fin

全国で栽培されている. 山形県庄内地域においstructures of the mold. It was difficult to release theて温室栽培, 露地栽培されたメロン果実の各栽

resin in the horizontal multi-fin from the mold.

培品種（3 種）について, 部位（果肉, 果芯, 果Conversely, with the inclined type, the multi-fin

皮）ごとにメタボローム解析を行い, 栽培方法

shape was successfully transferred to the resin andによる各品種, 部位の代謝物変動を解析した.

released without fracture (2 μm pitch ridge

メロン果芯部位は, いずれの栽培品種, 栽培

structure with a 0.2 μm pitch inclined multi-fin

条件においても, アミノ酸等の代謝物濃度が他

structure). The optical reflection of the inclined部位よりも顕著に高い値を示した. 本部位は果molded COP resin was evaluated, exhibiting a light

汁製造工程において, 大量に排出されている.

blue reflection.

メロン果汁の搾汁残渣を活用し, GABA 等の生*

理活性成分を多量に含有するメロン果芯エキス

Yamagata Universityを開発した.
*慶應大先端研, **果香

Sensory properties and metabolomic
profiles of dry-cured ham during theripening process
Masahiro

Sugimoto*,

Tetsuya

Sugawara,

Shinichi Obiya**, Ayame Enomoto*, Miku
Kaneko*,

Sana

Ota*,

Tomoyoshi

Soga*,

Masaru Tomita*
Food Research International, Vol. 129, March,
108850 (2020)
Dry-cured ham with a long ripening period is avaluable product worldwide. Ripening time is a key
determinant of the endogenous metabolites thatcharacterize the flavor and taste of ham products.
Whilevariousstudieshave

analyzedtherelationship between ripening duration and sensory-65-

MNC2019（2019.10.30）

抄

録

/

口 頭 発 表2019 年度精密工学会東北支部「学術講演会」（2019.11.9）
第 36 回「センサ・マイクロマシンと応用システ

マ ル チ TSV 構 造 電 流 端 子 を 有 す る
MEMS ロゴスキーコイル（ 一 社 ） 表 面 技 術 協 会 第 141 回 講 演 大 会

渡部善幸（2020.3.3）

伸治*

加藤睦人

吉田賢一*

田克弥*

池田康亮*

矢作徹

村山裕紀

九里

ム」シンポジウム（2019.11.21）

池

本研究では、スパッタリング、ドライエッチ

竹森俊之*（*新電元工業

ング、ウエットエッチング等の MEMS プロセス

指田和之*

新井大輔*

を用いて Si 基板上に数 μm ピッチのリッジ（筋）株式会社）
第 36 回「センサ・マイクロマシンと応用シス構造、及び数百 nm ピッチの微細多段フィン構造を作製した。作製した基板を型に用いて、樹テム」シンポジウム（2019.11.19-21）

脂の流し込み及び、熱インプリントによる樹脂

エレクトロニクス実装学会第３４回春期講演大への形状転写について検討した。その結果、斜会（2020.3.3-3.5）

パワーデバイスにおける過大電流検出を目的

め微細多段フィン構造を用いた熱インプリントとした TSV 構造電流端子を有する MEMS ロゴ

により、数百 nm ピッチの極細構造が樹脂に転スキーコイル型電流センサを開発した。コイル

写されることを確認した。さらに光学特性評価

インピーダンスの周波数特性を評価し、MHz まを行ったところ、400～600nm の波長領域で強で安定して電流検出可能であることを確認した。

い反射特性を示し、モルフォ蝶の鱗粉構造に類

また、マルチ TSV 構造電流端子に 10 から 100A/

似した特徴を示すことを確認した。

μs までのパルス電流を印加したところ、ロゴ

*

山形大学

スキーコイルによりほぼ比例的に誘導起電力を検出可能であることを確認した。

各種カルシウム剤のラ・フランス果肉への影響
MEMS ロゴスキーコイル型電流センサの電流経路依存性

長俊広渡部善幸（2019.8.30）

賢一*

加藤睦人

指田和之*

矢作徹
池田克弥*

村山裕紀

城祥子

菅原哲也

公益財団法人日本食品科学工学会第 66 回大会

吉田

池田康亮*

野内義之

竹

セイヨウナシ（ラ・フランス）の果肉軟化抑

森俊之*（*新電元工業株式会社）制に適したカルシウム剤の選定を目的に、果肉2020 年第 81 回応用物理学会秋季学術講演会

へ各種カルシウム剤を浸透後、加熱処理し、果（2020.9.8-11）

肉硬度測定および食味評価を行った。果肉硬度

TSV（貫通配線）の数および配置の異なる 3測定の結果、酢酸カルシウム、プロピオン酸カ

種類の電流端子を有する MEMS ロゴスキーコ

ルシウム試験区が他の試験区と比べて破断荷重

イルを試作し、通電電流の経路依存性を調べた。

値が高い結果であった。味覚センサー分析およ

その結果、いずれの電流端子でも通電電流に対び官能試験による食味評価では、乳酸カルシウ

して比例的に電流検出可能であるが、TSV の数

ム、グルコン酸カルシウム試験区の評価が高い

が最もが多いタイプの感度が他のタイプよりも結果となった。

低かった。電流端子と基板間の容量結合や、磁気結合による影響と考えられることを示唆した。

やまがたオリジナル微生物を利用した
新規発酵食品の開発
MEMS プロセスを用いた微細多段フィン構造の形成と樹脂への構造転写
矢作徹

村山裕紀

渡部善幸

峯田貴 *

城祥子

長俊広

飛塚幸喜

日本食品科学工学会東北支部令和元年大会および日本栄養・食糧学会東北支部第 53 回大会合同-66-

支部大会（2019.11.16）
山形を連想しやすい県産資源より植物性乳酸菌の分離選抜を実施し，「 やまがたオリジナル乳酸菌」としてライブラリー化した。分離乳酸菌
は生育に適する培地や最適生育温度が異なる傾向が見られた。分離乳酸菌から数株を使用しリ
ンゴ，ワナシ，カキおよびリンゴとカキのミッ
クス果汁の発酵試験を行った結果，原料と菌株の組み合わせにより香味の異なる発酵物が得られた。

ラ・フランス果肉へのカルシウム浸透方法と加工効果
野内義之

長俊広

城祥子

日本食品科学工学会東北支部令和元年大会および日本栄養・食糧学会東北支部第 53 回大会合同
支部大会（2019.11.16）
セイヨウナシ（ラ・フランス）果肉にカルシウム溶液を浸透させ、加熱加工に対する軟化抑制効果を検討した。乳酸カルシウム溶液へ果肉を浸漬処理した試料は、カルシウム無処理区に比べて加熱加工後も高い果肉硬度値を示した。
また、乳酸カルシウム溶液を減圧浸透した試料も浸漬加工と同様に高い果肉硬度値を示した。
浸透方法が異なっても、果肉にカルシウム剤が十分浸透することで同程度の軟化抑制効果が得られると考える。

山形県庄内産原料を使用した熟成生ハ
ム開発と商品化菅原哲也 杉本昌弘* 帯谷伸一**
令和元年度全国食品技術研究会（2019.10.31）
熟成生ハムは, 骨付きのモモ肉を塩漬し, 乾
燥, 熟成工程を経て製造される. 近年, 日本でも熟成生ハムが製造されるようになっているが,熟成生ハム各部位や熟成期間中の呈味性や呈味
成分変化について, 詳細な検討は行われていな
い. 本研究では, 代謝物分析や呈味性解析により, 最適な熟成期間について考察するとともに,その嗜好性について, 官能評価により検討し,国産原料を使用した熟成生ハムを商品化した.
*慶應先端研, **東北ハム-67-

研究成果広報委員
松

田

鈴

木

藤

野

三

井

義

弘

江

端

剛

加

藤

睦

人

知

樹

菅

原

哲

也

俊

明

髙

橋

義

行

山形県工業技術センター報告

潔

No.52(2020)2021 年（令和 3 年）3 月
発行

山形県工業技術センター〒990-2473
山形市松栄二丁目 2 番 1 号
Tel.(023)644-3222

印

刷

株式会社大風印刷