名古屋市工業研究所から ものづくり基盤技術の情報発信

Vol.

15(No.845)

技術紹介特集（月刊名工研 2022 年 5 月～2022 年 8 月号編集版）

4 つの分野の技術をご紹介します
当所では、技術相談や依頼試験等を通し、地域のものづくり中小企業への技術支援に積極的に取り組んでいます。今号では、4 つの分野「物性評価」、「不良・破損解析」、「熱設計と電磁・光」、「材料特性・構造」において、当所が保有する技術と支援内容をご紹介いたします。当所では、高度化・複雑化する地域中小企業の技術的課題の解決、新製品・新技術開発等を着実に実施するため、常に技術情報の収集や技術の獲得に努めています。
本特集が中小企業の皆様が抱えるさまざまな技術的課題の解決や技術開発の一助となれば幸いです。

図 2 観察面

切断線200μm

鉄鋼材料破断面の電子顕微鏡写真（詳しくは P4 へ）特集１

物性評価（P2～Ｐ3）

・線膨張係数の測定
・セラミックスの硬さ試験について
・樹脂の流動性測定

特集２

不良・破損解析（P3～P4）

・ソルベントクラック（ケミカルクラック）
・製品に付着した異物の混入経路の調査
・金属材料の破損解析

特集 3

熱設計と電磁・光（P5～P6）

・電子機器の熱設計
・光源の明るさ測定 ～全光束について～・MHz～GHz 帯域における回路インピーダンスの特性評価

特集 4

材料特性・構造（P7～P8）

・マルチスケール解析による物性予測
・吸音材の特性インピーダンスと伝搬定数
・CFRP 積層板に生じたクラックの進展様相

電子回路基板の熱流体解析（詳しくは P5 へ）特集 1 物性評価
線膨張係数の測定
温度上昇による寸法変化の割合を温度膨張係数(CTE; Coefficient of Thermal Expansion)といい、温度変化による部品の干渉やそりなどにかかわる数値です。固体の場合は長さの変化を示す線膨張係数、液体や気体の場合は体積変化を示す体膨張係数が主に用いられ、単位は1/Kです。
当所では、固体の線膨張係数の測定に熱機械天秤（TMA；Thermal Mechanical Analysis）を用いています。TMAでは押し棒などのプローブでサンプ

図 1 エポキシ樹脂の TMA 測定データ

ルを押さえつけ、熱膨張によりプローブが押し戻さ

高分子は測定中の分子配向の緩和や後硬化にれ た 量 を 変 位 と し て 測 定 し CTE を 算 出 し ま すより生じる寸法変化が変位に上乗せされることが（図1）。フィルムなどは引っ張りで測定します。線あり、その場合はアニーリング後に測定します。

膨張係数にはある温度での変位の傾きから計算しTMAの測定荷重によって凹んだり伸びたりするた瞬間線膨張係数（図1では20℃、＊印の箇所）、ような柔らかい材料、石英のように極めて線膨張一定区間の変位量から計算する平均線膨張係数

係数の小さい材料、380℃以上の高温での測定は（図1では50-150℃）があり、目的によって使い分当所では不可能ですが、他機関を紹介しますのでけます。エポキシ樹脂などはガラス転移点（Tg、図お気軽にご相談下さい。
(環境・有機材料研究室 岡本 和明）

1では黒色点線の交点）の前後で線膨張係数が大TEL(052)654-9902

きく変化します。

セラミックスの硬さ試験について
セラミックスの硬さ試験にはビッカース硬さ試験

本稿ではセラミックスを取り上げましたが、セラミが用いられていますが、適切に試験を行うには注

ックス以外の材料においても材料・製法によって注意が必要です。

意すべき点はさまざまです。材料の硬さ試験にご興味がございましたら、お気軽にお問い合わせくだ

図1は粉砕用のアルミナボールの表面です。セラ

さい。

ミックスは大小さまざまな気孔を有しており、図1の黒い部分がそれにあたります。試験にあたっては表面研磨をしますが、気孔に砥粒が残らないよう大きめのアルミナの塊にしなければなりません。また、これらの気孔は照明を乱反射し圧痕を見づらくする上に、圧痕の角部に重なれば測定誤差が大きくなります。良好な圧痕を得るなら、大きな塊になっている部分を狙うべきですが、それがない場合は観察方法を変える
か荷重を大きくして、測定誤差を減らすなどが考え

100μm黒い部分は気孔られます。荷重を大きくすると亀裂が入りやすくなり
図 1 アルミナボールの表面ますが、「JIS R 1610 ファインセラミックスの硬さ試験方法」では圧痕が観察できれば亀裂は許容され(金属材料研究室 杉山 周平）ることになっているため、圧痕の読み取り易さを優TEL(052)654-9875

先するのが通例です。
2樹脂の流動性測定
件においては流動性が異なる場合もあり、留意が熱可塑性樹脂の成形においては、材料の溶融必要です。

時の流動性をよく知っておくことが重要です。メルト

当所では MFR を測定できるメルトフロー試験機

フローレート(MFR)は簡便に測定できるため、流動(井元製作所製、MB-1)を、お客様にお使いいただ性を示すパラメータとして多用されます。

けます(開放利用)。ご興味がございましたら、お気MFRの測定方法は以下の通りです。加熱したシ軽にお問い合わせください。

リンダの中で樹脂を溶融し、ピストンで荷重をかけ12間に押し出された樹脂の重量を測定します。これ

10MFR (g/10min)

ます。ピストンと反対側のシリンダの穴から一定時を10分あたりの重量に換算したものがMFRです。
MFRが大きいほど流動性が高いといえます。
図1にポリプロピレン(A)と10wt%および30wt%ガラ
ス繊維含有ポリプロピレン(B, C)のMFRの測定例を86420示します。B, CはAと比較してMFRが小さく、流動性が低いことが分かります。また、ガラス繊維の含有A

BC

図 1 MFR 測定例

量が多いCの方がBよりもMFRは小さくなりました。
MFRは静的な流動性を評価するものです。樹脂（生産システム研究室 名倉 あずさ）の流動性には速度依存性があり、実際の加工条

TEL(052)654-9950

特集 2 不良・破損解析
ソルベントクラック（ケミカルクラック）
プラスチックは、溶剤などの化学薬品が付着

ソルベントクラック部分

すると割れてしまうことがあり、ソルベントクラック（ケミカルクラック）として知られています。ソルベントクラックを引き起こす薬品として、有機溶剤、油、界面活性剤、可塑剤、防錆剤などがあります。プラスチックの種類にもよりますが、これらの薬品は内部へ浸透し微視的300 μmに膨潤状態になるため、小さな応力でも亀裂が脆性破壊部分

図 1 ポリスチレン破断面の電子顕微鏡写真入りやすくなります。
図1は、ポリスチレンの射出成形品を酢酸エチルの蒸気にさらしてできたクラックの破断面写今回例として取り上げたポリスチレン以外で真です。平滑な破断面がソルベントクラック部

は、ABS、アクリル、ポリカーボネートなどの非分、ごつごつした破断面が人為的に割った脆性晶性樹脂が比較的ソルベントクラックを引き起破壊部分になります。実際の製品ではこのようこしやすいことが知られています。プラスチッ

な明瞭な破断面ばかりではないため、破断部周クの破損でお困りの際はお気軽にご相談くださ

辺の成分分析や再現試験などと合わせてソルベい。
（表面技術研究室 中野 万敬）

ントクラックかどうかを判断する必要がありま

TEL(052)654-9893

す。
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製品に付着した異物の混入経路の調査
製品への異物の付着は、外観不良だけでなく、製品の割れや塗装のブツ・はじきなどのトラブルの一因になります。当所では、異物の成分分析のご相談を混入経路の推定のためによく承ります。付
着異物の多くは製品の製造工程内にある材料や製品に接触する梱包材に由来しています。
分析方法は異物の種類などによって異なります
が、ここでは一例として有機物を対象とする赤外分光分析の事例をご紹介します。
異物は出荷検査時にはなく、梱包後出荷し、納図 1 赤外分光分析例

品先で開封した際に発見されました。状況から梱包材のいずれかが異物として付着したのではないのデータベースの中から異物の類似化合物を検索かと推測しました。図1に異物と2種類の梱包材のすることもできます。
異物付着でお困りの場合はお気軽にお問い合分析結果を示します。異物と梱包材1の分析結果わせください。

がほぼ一致するため、異物は梱包材1に由来すると推定されました。このように、推測される材料と異物の分析結果を比較することで異物の推定を行い(環境・有機材料研究室 林 朋子）ます。異物と推測される材料がない場合は、既知

TEL(052)654-9869

金属材料の破損解析
機械構造物には多くの金属部品が使用されてい存在します。図 2 は起ます。使用期間内に破損しないよう設計されます

点まわりを切断した断が、実機の使用環境は複雑であり、予期しない破面を金属組織観察し損が生じることもあります。再発を防ぐためには、た結果です。組織は切断線原因を調査して事故を防止する必要があります。

0.5～1mm 程の結晶粒200μm

破損解析では、多くの場合、破断面を観察してであり、結晶粒の粗大破損状況を推測します。目視や光学顕微鏡を用い化が強度低下の一因たマクロ観察では、過大荷重による延性破壊や脆と推測されます。

図 2 観察面

図 1 鉄鋼材料破断面の電子顕微鏡写真
500μm性破壊、または、き裂の成長を伴う疲労破壊や遅このように、金属材れ破壊など、おおよその破壊機構を判断します。

料の破損解析では破例えば、疲労破壊では、ビーチマークと呼ばれる断面観察をもとに破損縞状模様から外力の変化やき裂発生時期の推測

状況の推測 を 行いまを、疲労破断した面積と静的破断した面積から公す。この推測に基づき称応力の推測をできることがあります。

組織や機械的性質を調査して破損原因を明らかに

図 2 金属組織写真できる場合があります。金属の破損解析にお困り

電子顕微鏡を用いたミクロ観察では、ディンプルでしたら、お気軽にご相談ください。

（窪み模様）やストライエーション（溝状縞模様）など局所的な特徴を観察して破損状況を推測します。
図1は鉄鋼材料の典型的な疲労破断面の電子(金属材料研究室 玉田 和寛）顕微鏡写真です。結晶粒に依存する粗大な凹凸がTEL(052)654-9920
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特集 3 熱設計と電磁・光電子機器の熱設計
近年、自動車の電動化が進められており、電子と発熱量が必要になります。当所では一般的なも機器が多く使われるようになりました。電子部品ののは市販の測定器で対応し、難しいものは独自に小型・高性能化により単位面積あたりの発熱量が治具を設計・製作して測定しています（図 2）。この高くなり、部品温度が上昇する傾向にあります。と治具は依頼試験で多くの方に利用されています。

ころが、電子部品は高温に弱く、故障や短寿命化

また、治具の設計・製作の相談にも対応しており、の危険があります。これらを未然に防ぐため、設計多くの会社で同様の治具が使用されています。
製品等の試作後では変更に時間とコストがかか段階から温度上昇を予測し、目標温度で稼働するりますが、計算であればやり直しが容易です。温度ように放熱方法を考慮した熱設計が必要です。

上昇に不安を感じたら、試作前に一度ご相談くださ

電子機器は複雑な構造の部品が多数使用されい。ており、温度上昇の予測が難しくなっています。以
前は簡単な熱回路網法（熱を電気回路に置き換えた計算）がよく使用されていました。この方法は熱の流れがよく理解できるので現在でも有用ですが、昨今では熱の流れを計算する 3 次元熱流体解析が広く使われるようになってきました（図 1）。当所で

図 1 電子回路基板の図 2 熱伝導率測定治具
熱流体解析

は計算方法の相談、計算を実施しながら熱対策の相談等を行っています。

(生産システム研究室 梶田 欣）

上昇温度を計算するには各種材料の熱物性値

TEL(052)654-9940

光源の明るさ測定 ～全光束について～
LED電球の明るさは、60W形相当など白熱電球の明るさになります。この方法では、均一となったの消費電力で表現する場合がありますが、LED電明るさを測定して全光束を求めます。短時間で測球の実際の消費電力は白熱電球の1/6以下と大き定できるため、点灯直後から光量安定までの経時く異なります。このため、LEDの明るさの表現には、変化などを調べることができます。また、複雑な配「全光束」（単位：ルーメン[lm]）もよく用いられます。

光特性を有する光源の測定にも適しています。
光源の特性評価にご興味がございましたら、おこれは、光源が全ての方向に放射する光の量を表気軽にお問い合わせください。

す基準です。当所では、2通りの全光束測定に対応しております。

相対強度

1つ目は、配光測定から全光束を求める方法です。光源が放射する光の強さを、様々な方向から測定した後、球体係数法と呼ばれる計算で全光束照射部外周中央付近を求めます。この方法では全光束の他、光源の角400度ごとの性質も分かります。例えば、図1はLEDライ
トを測定したもので、照射部外周に相当する角度

500600波長 [nm]700

図 1 LED ライト照射部外周の色の違いの色情報から、570nmあたりが強く黄色味がかっている様子が分かります。
2つ目は、積分球を用いた方法です。白い内壁(情報・電子技術研究室 村瀬 真）の積分球内で光源を点灯すると、球内はほぼ均一

TEL(052)654-9930

5MHz～GHz 帯域における回路インピーダンスの特性評価
S11im

当室では電子機器・部品・材料の特性評価試験1(a)などを技術支援として担当しており、受動回路のイ0.5

ンピーダンス測定では主にインピーダンスアナライ
0ザを用いて、数10Hzから数MHz程度までの帯域-1-0.50（周波数域）で対応しております。最近では回路デ-0.5バイスの高周波対応などに伴い、数MHzを越えて-11GHz付近までの帯域での評価に関する相談も寄

0.5S11re1(b)

せられており、供試回路に応じた準備を要する場面も多くなってきました。
インピーダンスアナライザはじめ電圧や電流の信号を検出する計器は概ね数MHz付近が対応できる周波数上限であり、これより高域では電力の透過や反射で測定する計器であるベクトルネットワークアナライザ（以下、VNA）を使用します。この場
合MHzまでの帯域での測定系とは事情が異なり、

図 1 電気容量式センサの各種特性

電力信号の伝搬を考慮した測定系の校正（終端開(a)1 ポート測定による反射特性

放・短絡・インピーダンス整合）や基準回路の準備(b)インピーダンス値の周波数特性等が必要となります。
電気容量式センサのインピーダンスを1ポート回式(1)から回路インピーダンス値を定量評価した路の反射特性の実測から評価した例を図1に示し

結果、MHz から GHz の帯域で共振などの特異点をます。VNAで観測される1ポート測定系の反射係数持つこと（図 1(b)矢印箇所）が確認されました。このS11（入力波に対する反射波の複素振幅比）と被測ことは同帯域での実装や利用には相応の注意を要

定回路インピーダンスZとの間は式(1)の関係にあすることを示しております。

ります（測定系の特性インピーダンス：Z0 = 50 Ω）。

同例のように供試回路でご所望の実測が困難な場合でも、供試内容に応じた測定系の準備を施す

Z − Z0
S11 =Z + Z0

ことで対応できるような場合もあります。この分野で(1)の技術相談や実測評価のご依頼など、ご利用をお待ちしております。

この例は高周波実装された供試ではありません
が、VNAポートからのケーブルに接続できる同軸コネクタを供試回路の前段に取付けることを実測の(情報・電子技術研究室 小田 究)準備として提案し、同ケーブル終端を基準とする校

TEL(052)654-9929

正を行った上で反射特性を実測しました。

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特集 4 材料特性・構造
マルチスケール解析による物性予測
不連続繊維強化樹脂は繊維配向、繊維含有の予測結果を示します。図１からアスペクト比が大率、繊維長などが機械特性と密接な関係にあるこきくなることで応力が増加していることが分かりまとが知られています。しかし、繊維長などを意図的す。しかし、今回のケースではアスペクト比が 68 をに調整し、機械特性との関係を実験から把握する

超えると応力の増加は収束傾向になります。また、ことが困難なケースもあります。このような場合、構アスペクト比はヤング率よりも強度に影響を及ぼし造解析をマルチスケール解析と連成させたシミュレていることが分かります。このようにマルチスケーーションが有効となります。図１に簡易的な構造解

ル解析と構造解析を連成させることで不連続繊維析モデルを用いて樹脂に内含される繊維のアスペ強化樹脂における機械特性の予測や繊維の状態クト比（繊維長）を変えた場合の応力-ひずみ曲線が機械特性に及ぼす影響を検証することが可能となり開発期間の短縮などが期待できます。
また、マルチスケール解析ではアスペクト比以外にも繊維配向や繊維含有率が機械特性に及ぼす影響についても検証することができます。当所ではスキャナ法による繊維長測定や X 線 CT 装置による繊維配向解析も実施しております。ご興味のある方はお気軽にお問い合わせください。
(生産システム研究室 近藤 光一郎）

図 1 アスペクト比を変えた応力-ひずみ曲線

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吸音材の特性インピーダンスと伝搬定数離)を変えたときの吸音材の性能（吸音率）を予測

空気中を伝わる「音」は、弾性媒質中を伝わる波することができます。

動として音圧ｐ（Pa）と粒子速度ｖ（m/s）により表すことができます。両者の関係については電気回路

図１は通気性のある繊維系材料について当所のにおける交流電圧と電流の関係に似ており、音圧垂直入射吸音率測定装置で特性インピーダンスとを粒子速度で除したものが比音響インピーダンスと伝搬定数を測定し、その数値から空気層厚さを変呼ばれています。この値は無限媒質中を平面波がえたときの吸音率について予測した結果です。実伝播するような場合に媒質固有の値をとることから測した吸音率とよく一致しています。

これを特性インピーダンスといい、空気の場合には415(Pa･s/m)程度の実数値となります。異なる2つの媒質境界においては音の反射や透過が生じますが、境界部の反射率や透過率は両者の特性インピーダンスから計算することができます。
さらに媒質中の減衰や音速に関連した伝搬定数も合わせて考えると、より詳細に音の伝播を計算することができます。例えば自動車の内装部材等
図 1 繊維系材料の吸音率の予測値と実測値にも使用される通気性の良い吸音材の場合には、その特性インピーダンスと伝搬定数は垂直入射型の吸音率測定装置を使えば測定が可能で、これに(計測技術研究室 山内 健慈）

より材料厚さや背後空気層厚さ(反射面までの距TEL(052)654-98777CFRP 積層板に生じたクラックの進展様相
CFRP（炭素繊維強化プラスチック）は軽くて強いの長さを測定しました。4000 サイクル時の蛍光浸ことから、近年様々な製品に使用されつつありま透探傷法による微視的損傷の様相を図 1 に示し、す。しかしながら、孔の開いたCFRP積層板に引張スプリッティング長さとサイクル数の関係を図２にりの負荷が加わると孔の周りに微視的損傷が発生示します。

し、これらが破壊の要因である層間剥離の起点となる可能性があります1）。そのため、設計時や検査時においては微視的損傷の挙動を把握しておく必要があります。
引張り負荷方向

スプリッティング

図 2 スプリッティング長さとサイクル数の関係
サイクル数の増加とともに初めは急速にスプリッティングが進展していき、その後徐々に進展が緩１ｍｍやかになっていくことが分かりました。CFRP 積層板に生じたクラックの進展様相の観察についてご

図１ 蛍光浸透探傷法による微視的損傷の観察興味がある方はお気軽にご相談ください。
1） 「円孔を有する CFRP の微視的損傷の観察」

そこで、スプリッティング（孔の応力集中部を起

月刊名工研・研究紹介 No.798，p.3.

点とした負荷方向と平行方向のクラック）に焦点を当てて、その進展挙動を観察しました。最大負荷
荷重を4.9ｋNとし応力比0.1、試験速度5mm/minで(金属材料研究室 深谷 聡）

繰り返し引張り負荷を加えて適宜スプリッティング

TEL(052)654-9859

名工研・技術情報 Vol. 15（No.845）
発 行 日
発行部数
無料編集

令和 4 年 10 月 1 日
1,500 部
特定配布
名古屋市工業研究所 支援総括室

技術紹介特集発行8

名古屋市工業研究所
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電 話： 052-661-3161 FAX： 052-654-6788
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