繊維に加工したコラーゲンの定量分析
堂ノ脇

靖已 *1

Investigation of Qantifying Collagen Processed into Fibers
Kiyoshi Donowaki

繊維の機能加工は，製品の差別化や消費者の快適性向上において重要であるが，その機能材料の固着量，固着保持率も重要な訴求点になると考えられる。本稿ではコラーゲン加工した繊維においてコラーゲンに特異的な簡易定量方法の検討を行うとともに，この方法を用いたコラーゲン加工の挙動，既存繊維製品の洗濯耐久性について調査を行ったので報告する。

1 はじめに世界の繊維構成比は化学繊維が72 %を占め

色してコラーゲンの定量ができるか検討を行った。
1)，今また検討した定量方法を用いて，ナイロンのコラー後も増加すると予想されている。一方,化学繊維は皮ゲン加工量の分析，および既存のコラーゲン加工繊維

膚に対する悪影響が懸念されており 2），快適性向上の製品の洗濯耐久性を評価した。

ために極端なpH変化を阻害し，保湿性などの機能も有する蛋白質の加工が行われており，今後も重要な繊維

2 実験方法加工技術であると言える。例えば，ハンドケア繊維製

2-1 ヒドロキシプロリン呈色
コラーゲンはフィッシュコラーゲンペプチド品としてコラーゲン加工したナイロン糸で製編した手SVF袋などがある。しかしながら，これらの製品の多くは（旭陽化学工業(株)）を用いた。加工する繊維の絶乾

コラーゲン加工量が明確ではない，洗濯などの耐久性

重量は(株)エー・アンド・ディ製水分計MS-70で測定が分からないなどの課題がある。

し，既報 4) に従って実験を行った。コラーゲン固着量

蛋白質の定量分析は，食品やバイオ分野で活発に検は560 nmの吸光度を日本分光(株)製紫外可視分光光度

討がなされ，現在では蛋白質を分解したアミノ酸に色計V-650で測定して予め作成した検量線を用いて㎍/g-

素や蛍光剤を結合させ，液体クロマトグラフィーにて

fiberとして求めた。

定量を行うアミノ酸分析方法がある 3）。しかしながら，

2-2 シリウスレッド染色

この手法は機器が高額であること，蛋白質の分解に強浴中のコラーゲン定量を行った。コラーゲンとシリ酸（塩酸）を使用するため耐酸性がないナイロンなど

ウスレッドの水不溶物を遠心分離で沈殿させ，上澄み

ではアミノ酸量が相対的に大きく減少するため，検出液を除去した後,0.1 %ギ酸水溶液を加えて超音波処理

しにくくなる欠点がある。

および遠心分離を行って洗浄した。2回洗浄を行った

本報告では繊維に加工したコラーゲンの定量方法に後，0.1 N水酸 化カ リウ ム 水溶 液で 再溶 解さ せて 540

ついて，染色加工工場で実施可能で，かつコラーゲンnmを測定した。また，繊維の染色は浴比1：10の0.1 %に特異的な呈色による簡易定量方法の検討を行った。

ギ酸を含む0.1 %シリウスレッド水溶液中，60℃，60

一つ目の方法はコラーゲン特有のアミノ酸であるヒド

分間振盪させて行った。水洗，乾燥後に日本電色工業

ロキシプロリンをクロラミンT と反応させることでピ（株）製色差計NF-333を用いて未処理の繊維との色差

ロールに変換させ，さらにエールリッヒ試薬と反応さ⊿E*を求めた。

せて呈色させた。二つ目は水溶性シリウスレッド（ダ2-3 コラーゲンの加工

イレクトレッド80）がコラーゲンと錯体結合して水不各濃度のコラーゲン水溶液，および5 %水系ブロッ

溶性になることを利用し，繊維をシリウスレッドで染ク ド イ ソ シ ア ネ ー ト 架 橋 剤 TZ-1372 （ 北 広 ケ ミ カ ル(株)）を使ってナイロン手袋にコラーゲンを加工した。
2-4 コラーゲン加工繊維製品の耐洗濯性試験*1 化学繊維研究所

試験用サンプルとしてコラーゲン加工糸で編んだ保- 1 -湿手袋「モイスト・コート®ライト」（(株)ワールドグローブ）を用いた。洗濯方法は，JIS L 0844

3-2 シリウスレッド染色

洗濯に同じように各濃度のコラーゲンとシリウスレッドの対する染色堅ろう度試験方法を用いて，A-2法（石け錯体形成を行い，洗浄後，アルカリで再溶解させたとん 5 g/L ， 浴 比 1 ： 20 ， 50 ℃ ， 30 分 ）， お よ び A-7 法

ころ540 nm付近の吸収が観測された。各コラーゲン濃（石けん5 g/L，炭酸ﾅﾄﾘｳﾑ2 g/L，浴比1：20，95 ℃，度に対する吸光度をプロットすると図3のようになっ240分）で行った。

た。コラーゲンが28.6,71.4 ㎍では吸光度が大きくなったため10倍希釈して測定し，図3では補正を行って3 結果と考察

プロットしたが，特に高濃度側での相関性が低かった。

3-1 ヒドロキシプロリン呈色

これは，錯体形成量が多くなると洗浄工程で誤って上濃度が異なるコラーゲンを用いてヒドロキシプロリ

澄み液と同時に除去する可能性があり，操作によってン呈色反応を行い，図１のように560 nm付近の吸収変は誤った分析結果になると考えられる。

化が観測できた。各測定サンプルに含まれるコラーゲ
ン濃度と吸光度（Abs）のプロットから検量線を求めた（図2）。この相関係数は0.998以上となり，コラー
ゲン定量に有用であることが示された。

68.7 ㎍27.5 ㎍
6.9 ㎍
2.7 ㎍

図3

0.69 ㎍

図1

コラーゲン-シリウスレッド溶液（0.1 N KOH水溶液）の検量線

コラーゲン量によるヒドロキシプロリン
呈色挙動（UVスペクトル）

図4

シリウスレッドによるコラーゲン加工繊維の染色性

また，シリウスレッドは直接染料であり，繊維を染
図2

コラーゲン定量のための検量線色できる。さらにコラーゲン加工された繊維では錯体形成も加わるために濃色に染色できる可能性がある。
- 2 -そこで，繊維の染色によるコラーゲン定量を検討した。

るとJIS L 0844 A-2，A-7の順に保持率が低下した。

図4にコラーゲン加工したナイロンの結果を示す。ナ

A-7法は温度，時間，アルカリ条件とも厳しい条件でイロンの⊿E*は未処理との差が最大2.5であり，定性

あるが，70 %近い保持率が示された。

的な判断も困難であると考えられる。また，比較としてコラーゲン加工した綿の染色結果も図4にあわせて示す。未処理と5 %コラーゲン水溶液で加工した綿では⊿E*が8.7向上し，コラーゲン加工の効果が示唆され，定性的な判断は可能であった。しかし，加工浴中のコラーゲン濃度に対してはナイロンと同じく⊿E*の変化量は少なく，定量的な判断は困難であった（図4）。
以上の結果から，シリウスレッドを用いたコラーゲ
ンの定量は困難であると考えられた。また，これらの小さい変化量からコラーゲンは繊維に固着し難いことが示唆された。

図6

各種洗濯条件におけるナイロン手袋製品の3-3 コラーゲン加工した繊維のコラーゲン定量分析

コラーゲン保持率

上述した定量方法の検討結果からヒドロキシプロリ
ン呈色を採用してコラーゲン加工繊維のコラーゲン定

4 まとめ

量分析を行った。ナイロン手袋での加水分解ではナイ繊維に加工したコラーゲンの定量分析の検討についロン自体も溶解するが，この方法では560 nm付近のピて報告した。これらの結果から，ヒドロキシプロリンークが観測でき，図5のように固着量を算出できた。

呈色によるコラーゲンの定量が最も相関性が良く，加しかし，加工浴中のコラーゲン濃度の依存性は小さく，工量や保持率を評価できた。今回はナイロン，綿への仕込み量に対する固着率も0.1 %未満とほとんど固着

コラーゲン加工結果を報告したが，コラーゲン加工量

できていないことが明らかとなった。

は数十 ㎍/g-fiberと少なく，その固着率は0.1 %に満たない結果であった。今後はコラーゲン加工における固着率向上が課題であると考えられる。

5 謝辞
最後に，本研究を遂行するにあたり，各種サンプルを提供いただいた各機関に感謝申し上げます。また本研究は科研費（19K02388）の助成を受けたものである。

6 参考文献1) 日本化学繊維協会「内外の化学繊維生産動向2018
図5

コラーゲン濃度に対する固着量年」https://www.jcfa.gr.jp/mg/wpcontent/uploads/2018/06/ed0d7cac100ad6f59f42

3-4 コラーゲン加工繊維の洗濯耐久性

97632c0a77c8.pdf

機能性繊維を用いた雑貨やアパレル製品は頻繁に洗

2) 水谷千代美ら，染色化学討論会発表要旨集，22-

濯を繰り返すため，その機能性保持が問われる。コラ23(2017)

ーゲン加工した繊維製品も洗濯に対するコラーゲン保

3) 例えば，https://onl.tw/HEjWPFm

持率評価についての要求が多い。そこで，ヒドロキシ4) 永谷康典ら，薬学雑誌，106（1），41-46（1986）

プロリン呈色による洗濯前後のコラーゲン保持率を求めた。図6に結果を示すが，未処理を保持率100 %とす- 3 -福岡県家具ブランド力向上支援事業
製品企画力高度化支援事業における製品開発事例-悩み解決型福祉家具の開発石川 弘之*1

隈本 あゆみ *1

友延 憲幸 *1

青木 幹太 *2 貞苅 拓也 *3

佐藤 圭多 *4

The Project with which it's Supported to Improve the Furniture Branding
The Example Product Deveropment by The Project with which its Supported to
Advance The Product Planning Capability-The Product Development of Welfare Furniture of The Solved Type of WorriesHiroyuki Ishikawa, Ayumi Kumamoto, Noriyuki Tomonobu, Kanta Aoki, Takuya Sadakari and Keita Sato

有限会社貞苅椅子製作所（以下，貞苅椅子）は，ダイニングチェアやダイニングテーブル等の脚物家具を主力製品としている。今後，在宅で生活する高齢者が増えていくことが予測される中，貞苅椅子は高齢者が抱える身体的な悩みを解決できる機能を持つ椅子を新たに開発し，高齢者向け製品のラインナップを拡充させる事が必要と考えた。そこで，貞苅椅子は外部からの意見を取り入れてコンセプトを構築し，ターゲットを明確にした製品開発が期待できる「福岡県家具ブランド力向上支援事業 製品企画力高度化支援事業」に参加し，製品開発に取り組んだ。
貞苅椅子は，高齢者用椅子に必要な要素を絞り込む事でコンセプトを構築し，佐藤立体設計室にデザインを担わせ，高齢者の身体的な特徴に合わせてカスタマイズ可能な椅子「OBI」を開発し製品化した。

1 はじめに本報では，「福岡県家具ブランド力向上支援事業 製2 事業の取り組み内容

品企画力高度化支援事業」（以下，本事業）における2-1 製品開発の目的

有限会社貞苅椅子製作所（以下，貞苅椅子）の製品開

貞苅椅子は，国内と海外（タイ王国）に自社工場を発の取り組みを報告する。本事業は，県内家具製造業

持ち，海外工場では曲げプレス機による積層合板の曲者のブランドの基幹となる製品の創出や，製品企画をげ加工や NC 加工機による切削加工等を活用して，ダ行う力を強化させることで，戦略的な製品開発ができイニングチェアやダイニングテーブル等の脚物家具をる活力ある企業の育成を図ることを目的として，県内主 力 と す る 製 品 を 製 造 販 売 し て い る （ 図 1）。 価 格

家具製造業者や外部有識者からなる製品開発グループ

は，ダイニングチェアが 2～3 万円程度，ダイニング

で製品コンセプトを構築し，公募で選定されたデザイ

テーブルが 7 万円程度と，脚物家具市場においては比ン事業者にデザインの具現化を担わせて，試作を重ね

較的リーズナブルな価格で製品を展開しており，販路製品化を行うものである 1) 。本事業において貞苅椅子は主に全国の家具小売店や自社運営のオンラインサイの製品開発に関わった製品開発グループおよびデザイトである。製品ラインナップは，ピューマ（図 1ン事業者のメンバーについて表1に示す。

左）等の ホーム ユース 向け の製品や ，和座 チェア ー（図 1 中央）等の飲食店向けの製品を取り揃えてお表1

製品開発グループとデザイン事業者
製品開発グループ

り，これらは健常者をターゲットにしている。現在，健常者向けの脚物家具の市場は製品が溢れ飽和状態にデザイン事業者

・九州産業大学 芸術学部 青木幹太教授 ・佐藤立体設計室

あり，競争も激しい。そこで貞苅椅子は，超高齢化社

・有限会社貞苅椅子製作所

会への突入により今後需要の拡大が見込まれる高齢者・インテリア研究所

市場に向けた製品開発に着手し，AC-101（図 1 右）を主力とする介護福祉施設向けの高齢者をターゲットと
*1
*2
*3
*4

インテリア研究所
九州産業大学 芸術学部
有限会社貞苅椅子製作所
佐藤立体設計室

した椅子の製造販売を始めている。貞苅椅子は，さら- 5 -

に高齢者用椅子のラインナップを拡充させて収益を確保すべく ，新製 品の開 発が 必要であ ると考 えてい たが，貞苅椅子は新製品をどのようなコンセプトにすればよいか分からない状況であった。そこで，外部有識者からの意見を取り入れる等して製品コンセプトを構

座面の電動昇降機能

築できる本事業に参加した。

「リクライニング付
昇降座椅子ゆうゆう」¥190,000

図2

ホールド性のある座面形状

ティルト＆リクライニング機能「ポスチャーサポート
チェア PSC-Ⅳ」¥77,000「マルチチェア」¥478,500市場にある高齢者用椅子とその特徴

一方，貞苅椅子が現在，製造販売している高齢者用
ピューマ（ホームユース向け）

和座チェアー（飲食店向け）

ターゲット：健常者

図1

AC-101（介護福祉施設向け）

椅子は，椅子への立ち座りを補助する機能を持つが，ターゲット：高齢者

高齢者が抱える様々な身体的な悩みに対して座位時において対応できる機能を持つ製品はない。そこで，製（有）貞苅椅子製作所の主力製品品開発グループは，高齢者が抱える身体的な悩みを解決できる機能を有した在宅向けの高齢者用椅子を開発

2-2 製品コンセプトの構築とデザイン事業者の選定

し，市場にある競合製品よりもリーズナブルな価格ではじめに，製品開発グループでは，貞苅椅子が現在製造販売できれば，今後市場の拡大が見込まれる在宅製造販売している高齢者用椅子や，市場にある高齢者の高齢者向けの市場に参入することができると考えた用椅子の特徴を確認し整理することから始めた。AC-（表 2）。

101 等の 貞苅 椅子 が製 造販 売し てい る 高 齢者 用椅 子
は，介護福祉施設において高齢者の日常生活の介助を

表2行う介助者側の使用性に特に配慮されており，積み重既に市場にある高齢者用椅子と本事業で
貞苅椅子が開発をめざす椅子の特徴

ねてコンパクトに収納できるスタッキング可能な構造

既に市場にある
競合製品

貞苅椅子の製品（AC-１０１など）

本事業で新たに開発を目指す椅子ターゲット

在宅の高齢者

介護福祉施設に入居する高齢者

在宅の高齢者

価格

高い（７万円以上）安い（２万円台）

競合製品より安価

機能性

身体的な悩みを解決する機能

介助者側の使用性に配慮した機能＋身体的な悩みを解決する機能や，持ち運びし易いように軽量である点が特徴であることを確認した。
平 成 24 年度 よ り厚 生 労働 省は ， 高齢 化 が 進む 中
で，地域で医療・介護体制を整備することで高齢者が住み慣れた地域で生活できるような社会の構築を目的とした「在宅医療・介護推進プロジェクト」 2) を推進

続いて，AC-101を検討材料として用いて，椅子のコしている。このような社会的情勢もあり，将来的に在ンセプトにつながる要素を数多く抽出できるアイデア

宅で生活する高齢者の人口が増えていくことが予測さシートを活用し，在宅の高齢者用椅子に必要となる要れる。現在，市場にある在宅向けの高齢者をターゲッ

素を挙げた（図 3）。数多く挙がった要素の中で，在トとした椅子は，腰痛や，筋力の低下による立ち座り

宅の高齢者にとって必要性の高い要素として「姿勢保の困難さ，着座中の姿勢が保持できない等といった高持機能」や「腰痛緩和機能」等を抽出した。そして，

齢者が抱える様々な身体的な悩みを解決するために必製品開発グループで，これらの機能の中で，使用者の要な機能を備えている。価格については，介護保険適身体的な悩みに応じて，使用者が機能を選択して装備用対象となる高齢者用椅子は 20 万円程度，介護保険できるというアイディアを立案し，コンセプト構築に適用対象外の高齢者用椅子でも 7 万円以上の価格帯が繋がる①の要素を得た。

中心であり，これらの機能を取り入れる事で高額となる傾向にある（図 2）。

- 6 -

表3

基本的なコンセプトとデザイン仕様書の主な仕様
基本的なコンセプト

座面クッションと背もたれクッションを、高齢者の身体的な悩みに合わせて交換してカスタマイズ可能な椅子のフレームデザイン仕様書の主な仕様

アイデアシート

図3（椅子のフレームの仕様）
・座面クッションと背もたれクッションを取り付けることができ、カスタマイズ可能な形状・構造を持つ木製のもの

アイデアシートを整理して要素抽出したもの

・各クッションの取り付け方法の提案まで含む

アイデアシートと抽出した要素① AC-101等の既存の自社製品の機能や意匠，価格を公募の結果，複数のデザイン提案の中から，曲げ積

ベースとして，使用者が自身の身体的な特徴に合層合板を用いた丸みを帯びた意匠美と，使用者の身体わせて機能を選択して装備できる仕様とすること，的な悩みに応じて，形状等の異なる座面と背もたれのまた製品開発グループは，在宅の高齢者用椅子のクッションを使用者自身が選択して簡単に交換できるコンセプト構築にあたって，高齢者の身体的特性

高齢者用椅子「OBI（オビ）」の提案内容や，これまでや生活実態に関する情報が必要であると考えた。

手掛けたプロダクトデザインの実績が評価された佐藤

そこで，日常的に施設や在宅で高齢者の生活のサ立体設計室（東京都）を選定した。

ポートを行っている，医療法人原三信病院 香椎原2-3 デザイン事業者によるデザインと製品②

病院（福岡市）に所属する理学療法士や作業療法

製品開発グループと佐藤立体設計室は，佐藤立体設士の方々に，AC-101に対しての評価や，高齢者の計室の提案内容に基づいて高齢者用椅子の意匠につい身体的特性および，生活実態等についての情報をて検討を重ね，デザインのブラッシュアップ作業を進提供していただいた(図 4)。その情報から，コン

めた。そして，「OBI」の座面クッションと背もたれク

セプト構築に繋がる②の要素を得た。

ッションが取り付けられる椅子のフレームは，座面ク

高齢者は徐々に身体能力が低下していくため，椅

ッションが取り付けられるパーツAと背もたれクッシ

子の機能も低下した身体能力に対応していくことョンが取り付けられるパーツBおよび，パーツAと接合ができる仕様とすることする，座枠と 4 本の脚部で構成されるパーツCで構成する事とした。パーツAとパーツBは，積層合板を 2 次
元形状に曲げ加工して成形し，パーツCの脚部は切削加工で成形する事とした(図 1)。
パーツB（2次元形状曲げ）

パーツA（2次元形状曲げ）

図4

パーツC

外部有識者からの情報提供の様子
図5「OBI」のフレームの構成

製品開発グループは，①②の要素を取り入れた
在宅の高齢者用椅子に必要な機能や意匠等についそして，椅子のフレームを構成する各パーツの細部て検討を重ねていき，以下の基本的なコンセプトの意匠をブラッシュアップさせていき，貞苅椅子は，と，コンセプトを具体的な仕様に落とし込んだデ以下の特徴を持つ在宅の高齢者用椅子「OBI」を製品

ザイン仕様書を作成し，これに基づきデザインす化した（図 6）。

るデザイン事業者を公募した。

・使用者を包み込むような意匠美を持つ，曲げた積層合板による椅子のフレーム- 7 -・座面クッションと背もたれクッションは，椅子のフ

5 参考文献レームにビスで締結する構造となっており，高齢者

1)石川弘之，隈本あゆみ，西村博之，青木幹太，酒見自身が簡単に交換してカスタマイズできる点。

史裕，酒見典広，田中敏憲：福岡県工業技術センタ
ー研究報告，No.30，pp.21-24 (2020)
2)厚生労働省ホームページ
https://www.mhlw.go.jp/topics/2012/01/dl/tp011
8-1-67.pdf

図6

在宅の高齢者用椅子「OBI」

また，「OBI」の意匠の権利を保護することを目的として，椅子のフレームの部分を保護対象とした部分意
匠の出願を行った。（意願2020-28760）

3 まとめ
貞苅椅子は，本事業に参加し製品開発グループや外部有識者の協力を得て，他社の高齢者用椅子の特徴および，高齢者の身体的特徴等を把握して製品コンセプ
トを構築し，佐藤立体設計室にデザインを担わせることで，使用者自身が座面と背もたれのクッションを交換してカ スタマ イズで きる 在宅向け の高齢 者用椅 子「OBI」を製品化した。貞苅椅子は「OBI」を製品化した事で，高齢者用椅子のラインナップを拡充させる事ができた。「OBI」は大川市で開催される家具展示会
等への出展を行い，5 万 380 円（税込）という在宅向けの高齢者用椅子としては比較的安価な価格で，身体的な悩みを解決できる椅子を必要とする在宅の高齢者に対して販売していく予定である。「OBI」を通じて
貞苅椅子の製品の魅力が認知されていくことで，貞苅
椅子のブランド力が向上していくことを期待したい。

4 謝辞
高齢者の身体的特性や生活実態等に関する情報については，医療法人原三信病院 香椎原病院（福岡市）に所属する理学療法士や作業療法士の方々より提供していただきました。誠にありがとうございました。

- 8 -－木材の曲げ加工に適した前処理方法の開発－
羽野 泰史 *1

竹内 和敏 *1

岡村

博幸 *1

Development of Wood Bending Technique- Development of Pretreatment Method Suitable for Bending and Curved Surface Processing of Wood Yasushi Hano, Kazutoshi Takeuchi and Hiroyuki Okamura

大川地域の家具製造業では，従来の主力製品である箱物家具に加え，イス，テーブル等の「脚物家具」への展開が求められている。しかし，「脚物家具」に多く使用されている曲げ加工では，加工時に割れ，シワなどの不良が発生することが問題となっている。そこで，木材の曲げ加工性を向上させるための前処理方法として加水分解処理，漂白処理そしてアルカリ処理について検討を行った。その結果，所定条件の加水分解処理を施すことにより，無処理材と比較して軟化し，曲げ加工性の向上が認められた。

1 はじめにそこで本研究では，木材の軟化に関係が深いヘミセ

大川 地域 の家 具製 造業 は， 従来 箪笥 等の 「箱 物家

ルロースとリグニンに着目し，表 1 に示すとおり両成具」製造が主であったが，ライフスタイルの変化や安分と選択的に反応する前処理法により木材を処理する

価な大手家具メーカー，海外製品との競争等で出荷額ことで曲げ加工性の向上が可能かどうか検討を行った。

が減少している。今後は箱物家具に加え，意匠性が高
表 1 前処理方法と反応する木材の主な成分

く競争力の強いイス，テーブル等の「脚物家具」への前処理方法
加水分解処理漂白処理
アルカリ処理展開が急務であり，「脚物家具」に多く使用されている曲げ加工技術の向上が求められている。
無垢の一枚板を曲げる曲げ木は，古くから木製品の反応する主な成分
ヘミセルロース
リグニン
ヘミセルロース・リグニン製造に用いられてきた手法であり，現在の脚物家具製
造においても欠かせない技術となっている。曲げ木は，

2 実験方法2-1 供試材料

蒸煮処理などを施して軟化処理を行った木材を帯鉄と主要な家具用材であるウォルナットを使用した。試共に曲げるトーネット法による加工が現在でも主とし験片の寸法は，厚さ20 mm×幅 30 mm×長さ210 mmとて行われている。

し，試験片は1条件につき3個ずつ作製した。

曲げ木で行われている蒸煮処理は木材を高温度かつ2-2 加水分解処理

高含水率にすることで木材の主成分の内，ヘミセルロ

オートクレーブ(三洋電機メディカル（株）製，ースとリグニンを軟化させ 1），曲げ加工を容易に行う

MLS-3020)を用いて，温度条件は121 ℃で，処理時間ことができる状態にする。

を2.4時間，5.8時間，13.9時間の3条件で処理を行っ

一方，家具材として樹種が多様化してきており，こた 。 処 理 条 件 に つ い て は ， P フ ァ ク タ ー ＝ ∫ exp

れまで曲げ木にあまり使われてこなかった樹種が使用（40.48－15106/T）dt（T：絶対温度）で算出する加されている。樹種によって曲げ易さが異なるため，従

水分解時の温度と時間の積を指標に設定を行い，それ

来曲げ木に用いられなかった樹種が使用されることでぞれ130 ℃，140 ℃，150 ℃で1時間処理した場合のP

割れ，シワなどの不良が発生することが問題となってファクターと同程度になるようにした。

いる。加工条件の検討などが行われているが 2-5），完

2-3 漂白処理

全に不良をなくすに至ってはいない。

試験片を80 ℃の湯浴上で0.67 %亜塩素酸ナトリウ
ム，0.13 %酢酸溶液に浸漬させ，1時間，5時間の2条
件で処理を行った。また，処理時間が5時間の条件で*1 インテリア研究所

は2時間毎に薬品を追加した。処理後の試験片は，蒸- 9 -

留水で洗浄を行った。

した。

2-4 アルカリ処理
水酸化ナトリウム水溶液の濃度を10 %および15 %の3 結果と考察

2条件調製し，調製した水溶液中に試験片を浸漬後，3-1 各処理による曲げ加工性評価

室温で-90 kPaで1時間減圧処理を行い，続いて700

各種前処理を行った試験片の曲げ加工性評価での荷kPaで1時間加圧処理を行った。加圧処理後，浸漬した

重-たわみ曲線を図2～4に示す。

まま常圧で18時間静置し，10 %酢酸溶液で中和後，蒸いずれの前処理においても無処理と比較して同一荷留水で洗浄を行った。

重でのたわみ量が増加し，軟化する傾向が認められた。

2-5 曲げ加工性評価

加水分解処理や漂白処理では，処理時間が長いほど軟前処理を実施した試験片は，曲げ加工性の影響を調化する傾向が確認されたが，アルカリ処理では今回実べるために，図 1 に示す曲げ半径 150 mm 曲げ型を用施した10 %と15 %濃度間での顕著な差は確認されなかいて評価を実施した。

った。また，今回実施した条件では，121 ℃，13.9時
間の加水分解処理と10 %と15 %濃度のアルカリ処理が大きく軟化した。

図1

荷重（N）

3000

曲げ半径 150 mm の曲げ型および評価の様子

試験片は材温と含水率を調製するために沸騰水の蒸

2000

1000

0
0

気で 3 時間の蒸煮処理を行った。続いて 0.5 mm 厚さ

5

10

15

たわみ（mm）のステンレス製帯鉄に蒸煮処理した試験片を固定し，無処理
121 ℃、5.8 h

万能試験 機（（株 ）島津 製 作所製 オートグ ラフ AGX）で荷重速度 40 mm/min の条件にて曲げ加工試験を

図2

121 ℃、2.4 h
121 ℃、13.9 h

加水分解処理試験片の荷重-たわみ曲線行った。試験から得られた「荷重-たわみ曲線」から
軟化の度合いを評価し，さらに目視で木材の割れやシ3000

ワの有無を評価した。
2-6 曲げ試験および色差測定

荷重（N）

前処理による強度や色味への影響を確認するために曲げ試験と前処理前後の材色の変化を測定した。
曲げ試験の試験片は幅30 mmとし，試験のスパンは

2000

1000

厚さの14倍，荷重速度は5 mm/minとし，5試験体で曲げ試験を行った。曲げ強さは，JIS Z 2101-2009「木00材の試験方法 15 曲げ試験」を参考に算出した。

5

10

15

たわみ（mm）

材色の変化は，色彩色差計（MINOLTA（株）製 CR-

無処理

処理時間1 h

処理時間5 h100）を用いて反射色の測定を行った。測定の光源はD65を用い，スポット径は8 mmとし，1試験体あたり5

図3

点測定を行った。前処理を行った試験片について無処理の木材の測定値を基準として前処理後の色差を算出- 10 -

漂白処理試験片の荷重-たわみ曲線

効果は確認できなかった。また，加水分解処理を行っ3000た試験片では121 ℃，2.4時間の条件では全ての試験

荷重（N）片で割れ，シワなどの不良が発生しなかったが，処理2000

時間が長くなるにつれて成功率が低くなった。
加水分解処理での結果から，前処理による軟化処理が過剰な場合，強度が不足し割れが発生してしまうと1000考えられる。アルカリ処理についても同様に軟化処理が過剰であったと考えられる。

0
15

10

5

0

一方，漂白処理に関しては，評価後の試験体サンプ

たわみ（mm）

ルの断面を観察したところ，図5に示すとおり表面の15 %NaOH

10 %NaOH

無処理

ごくわずかな部分しか漂白されておらず，処理が不均
図4

アルカリ処理試験片の荷重-たわみ曲線一であったと考えられる。薬剤を木材内部まで浸透させるためには，アルカリ処理で行った減圧加圧処理が続いて曲げ加工性評価を実施した。評価後試験片の有効であるが，漂白処理で発生する二酸化塩素に対応

割れやシワなどの不良が発生せずに曲げ加工ができたする必要があるため，処理を行うのが困難であった。

確率を成功率として評価した結果を表2に示す。

今後，均一に処理可能な方法を検討し評価を行いたい。

表2

前処理条件毎の成功率と評価後試験片の様子
前処理方法

成功率

無処理

0 %

121 ℃、2.4 h

加水分解処理評価後試験片

長
さ
方
向

表
面

幅方向

100 %

121 ℃、5.8 h

33 %121 ℃、13.9 h

0 %処理時間1 h0 %

処理時間5 h

0 %

中
央
断
面

厚
さ
方
向

無処理
図5

漂白処理
処理時間5 h

無処理と漂白処理の表面および中央断面の様子

漂白処理

3-2 曲げ試験および色差測定
最も曲げ加工性が優れていた121 ℃，2.4時間での10 %NaOH

加水分解処理について，強度および色味への影響を確0 %認するために曲げ試験および色差測定を行った。曲げアルカリ処理
15 %NaOH

試験の結果を図6に示す。無処理材と比較して121 ℃，

0 %2.4時間の条件で加水分解処理を行った試験片では曲評価後試験片を側面から撮影

げ強さが16%程度低下することが明らかとなった。
これは加水分解によってヘミセルロースや酸可溶性

曲げ半径150 mmの条件において，通常の曲げ木加工

リグニンの分解もしくは低分子化が進行しているためで実施されている無処理材では，曲面の外側に割れにと考えられる。

よる不良が発生した。前処理を施した試験片のうち，漂白処理，アルカリ処理でも同様に全ての試験片で引張り側に割れによる不良が発生し，曲げ加工性の向上- 11 -

5 参考文献

曲げ強さ（MPa）

150

1） 高村憲男：木材学会誌 第14巻 第2号，pp.75-79（1968）

100

2） 石原智佳，長谷川良一：岐阜県生活技術研究所研究報告，No.14，pp.15-19（2011）503） 石原智佳，三井勝也，伊藤国億，長谷川良一：岐阜県生活技術研究所研究報告，No.17，pp.36-42

0

無処理

図6

加水分解処理（2015）

加水分解処理による曲げ強さへの影響

4） 石原智佳，今井隆矢，三井勝也，伊藤国億，長谷
川良一：岐阜県生活技術研究所研究報告，No.18，

続いて，前処理前後の色の変化について表3に示す。

pp.30-33（2016）5） 石井信義，大内成司，北嶋俊朗：大分県産業科学

表3

加水分解処理による色への影響

処理前

処理後

⊿

L*

52.4

48.0

-4.4

a*

6.5

5.8

-0.8

b*

11.8

13.6

1.8

技術センター研究報告，pp.135-142（1993）

色差⊿E ＊ab4.9

加水分解処理によって，明るさの度合いを示すL* 値が減少，すなわち暗色化する傾向が認められた。色相と彩度を示すa * とb * についてはほとんど変化せず，b * が僅かに増加，すなわち若干黄色味が増すことが示された。また，式1により算出される色差（⊿E *ab）については4.9と比較的小さい値となった。これはウォル
ナット材が暗色の材であるためと考えられる。

・・・式1

4 まとめ
ウォルナット材に対し，木材の曲げ・曲面加工性の向上を図るための前処理方法として加水分解処理と化
学処理について検討を行った結果，以下の知見を得た。
加水分解処理や化学処理を実施することで無処理材と比較して軟化することが認められた。
今回検討した条件の中では121 ℃，2.4時間の加水分解処理で最も曲げ加工性が向上した。
一方，加水分解処理を行うことによって，強度の低下や暗色化といった影響があるため，製品化の際には考慮する必要がある。
今後，ウォルナット材以外の材にも今回開発した前処理を適用し，影響について調査を実施したい。
- 12 -

家具用積層曲げ加工部材の物性評価
竹内 和敏 *1

岡村 博幸 *1

羽野 泰史 *1

Evaluation of the Physical Properties of Laminated Bentwood Parts for Furniture
Kazutoshi Takeuchi, Hiroyuki Okamura and Yasushi Hano

福岡県では，H30年度より実施している「家具ブランド力向上支援事業」において，付加価値の高い脚物家具の試作・評価を支援するため，新たに整備した「家具試作・評価支援ラボ」を活用し，木材の曲げ加工技術の確立および技術移転を実施している。大川地域では積層曲げ加工した部材の寸法安定性や強度性能などの物性について，
データの蓄積が乏しく，積層曲げ部材を用いた付加価値の高い家具を設計・試作する際の課題となっている。そこで本研究では，ホワイトオーク，ウォルナット，チェリー，センダンの4樹種について，積層曲げ加工によって得られた家具部材について寸法安定性，強度性能，接着性能を評価した。その結果，それぞれの積層曲げ部材の物性を把握した。

1 はじめにんで曲げる積層曲げなどがあり，古くから家具，スポ

福岡県の家具製造業は大川地区を中心に，たんすな

ーツ用品，楽器などの曲面を必要とする部材の加工にどの箱物家具を主力製品として成長してきたが，住宅，用いられてきた 1),2),3) 。積層曲げ加工は，薄板を積層

生活スタイルの変化や，海外製品との価格競争の激化

して曲げることで無垢板を曲げたような意匠性の高いにより，事業所数，従業者数，製造品出荷額等は10年

曲げ部材を容易に得ることができ，椅子の背板などに前に比べて減少している。一方，消費者ニーズの変化

よく用いられている。しかしながら，積層曲げ部材のを捉えて，椅子やテーブルなどの脚物家具へ移行し，物性についてはデータの蓄積が乏しく，積層曲げ部材

売り上げを伸ばしている企業も存在する。

を用いた付加価値の高い家具を設計・試作する際の課

インテリア研究所では，付加価値の高い家具（主に題となっている。そこで本研究では，積層曲げ部材の脚物家具 ）の試 作・評 価の 支援を求 められ ており ，

寸法安定性や強度性能，接着性能などの物性を評価し

H30年度には「家具試作・評価支援ラボ」を整備，板た。これにより，積層曲げ部材を用いた付加価値の高材を薄板に加工するフレームソーや曲げプレス装置ない家具を効率的に設計・試作することが可能となり，どの新規設備を導入し（図1），木材の曲げ加工技術の他産地にはない積層曲げ部材を用いた家具を製造する

確立および技術移転を行うために開発を実施している。

企業の競争力強化につながると考えられる。

木材の曲げ加工法には無垢板を軟化させて曲げる曲
げ木，曲げる材の内側に挽き目を入れて曲げるひき曲

2 実験方法げ，接着剤を付けた薄い単板を積み重ねて曲面型に挟2-1 供試材料
試験体には，気乾状態のホワイトオーク，ウォルナ
ット，チェリー，センダンの4樹種を用いた。フレー
ムソーおよびパネルソーを用いて厚さ2～7 mm，幅35mm，長さ550 mmの単板を作製し，それぞれ寸法安定性，強度性能，接着性能の評価に用いた。接着剤には酢酸ビニル系接着剤，変性酢酸ビニル系接着剤および水性
高分子イソシアネート系接着剤の3種を用いた。フレ

図1ームソーで切断した面に仕上げ加工などは行わず，接フレームソー（左）と曲げプレス（右）着剤をそれぞれ規定の塗布量で塗布し，全ての単板の繊維方向を揃えて積層し，曲げ半径400 mmのプレスを*1 インテリア研究所- 13 -

用いて圧締した。常温で接着剤を硬化させたのち，解2-3 接着性能

圧して試験体を取り出し，それぞれの試験に供した。

接着性能の評価は単板積層材の日本農林規格

2-2 寸法安定性

温水

浸せき剥離試験を参考に実施した。各積層曲げ試験体

寸法安定性の評価には，厚さ4 ㎜の単板を5層積層の中央位置と端部から 25 mm およびその中間位置の 3接着した試験体を用いた。恒温恒湿器を用いて，吸湿ヵ所から長さ 75 mm，幅 35 mm の長方形状の試験片を条件として温度40 ℃，相対湿度95 ％，放湿条件とし切り出し（図 3），試験片を 70±3 ℃の温水中に 2 時て50 ℃で試験体を静置し，吸湿過程および放湿過程

時間浸せきした後，60±3 ℃の恒温乾燥器に入れ，器における試験体の弦長と矢高の長さを測定し，試験体中に湿気がこもらないようにして質量が試験前の質量の曲げ半径を算出した。

の 100～110 ％の範囲となるように乾燥した。試験片2-3 強度性能の 4 側面におけるはく離の長さを測定し，同一接着層

強度性能の評価には，変性酢酸ビニル樹脂系接着剤

におけるはく離の長さの合計を算出し，はく離率を次を用いて，接着後の試験体の厚さが20 mmに近くなる

式によって算出した。

ように，厚さ2～7 mmの単板をそれぞれ10～3層接着し，試験体を作製した。単板の厚さと積層数を表1に示す。

表1

1

単板の厚さと積層数

単板厚さ（mm）

積層数

2

10

3

7

4

5

5

4

6

3

7

3

2

図3

はく離率(％)＝

3

温水浸せき剥離試験試験体

4側面のはく離長さの合計(mm)4側面の接着層の長さの合計(mm)×100

3 結果及び考察
3-1 寸法安定性

材料試験機を用い，両支点間の中央に曲げ荷重を生じ

図4に各接着剤を用いて作製した試験体の吸湿過程

させる，中央集中荷重方式で曲げ試験を行った。支点および放湿過程における曲げ半径の変化を示す。曲げ間距離は，350 mmとし，荷重方向は背もたれなど実際

半径の変化は，吸湿過程における初期の半径からの変の使用状況を考慮して図2に示すように試験体の円弧化で示す。いずれの接着剤においても，試験体は吸湿の内側からとした。荷重速度10 mm/minで曲げ荷重を過程で曲げ半径が増大し，放湿過程で曲げ半径は減少

負荷し，最大荷重を測定した。試験体数は1条件当たした。吸湿過程においては吸湿の初期に大きく半径がり3個とした。

増大し，その後，半径の変化量は小さくなった。放湿過程においては，放湿の初期に大きく半径が減少し，その後，半径の変化量は小さくなった。吸湿過程，放湿過程ともに，概ね3日で寸法変化の平衡に達した。
また，吸放湿試験後の試験体の寸法は，酢酸ビニル系
接着剤を用いた試験体では，ホワイトオークとウォル
ナットで，変性酢酸ビニル系接着剤と水性高分子イソ
シアネート系接着剤を用いた試験体ではホワイトオー
クで初期の半径よりも大きくなった。積層曲げ加工で
図2

は，接着剤の硬化によって曲がった形状を保持してい曲げ試験の様子る。そのため，試験体の内部には弾性力による残留応力が生じており，吸放湿に伴う水分の変化により，接- 14 -

着力と残留応力に変化が生じた結果，曲げ半径が変化したと考えられる。吸放湿試験後にどの程度曲げ半径が変化するのかについては，樹種，接着剤の種類，積酢酸ビニル系接着剤
15

層する単板の厚さや曲げ半径によって大きく異なると放湿

吸湿考えられるため，今後，単板の厚さと曲げ半径を変え半径の変化（mm）

10て試験体を作製し，寸法安定性のデータを蓄積していく予定である。さらに，吸放湿の繰り返しに伴う曲げ

5

半径の変化については，曲げ部材を利用する上で重要であるため，今後，サイクル試験を実施して変化を把0握する予定である。また吸放湿試験後，すべての試験体において，試験体の割れや接着層のはく離などの異-5ウォルナット
センダン

W・オーク
チェリー

状は認められなかった。
3-2 強度性能

-10
0 1

2 3

4 5

6

0 1

2 3

4 5

6

図5に各樹種の曲げ強さを示す。単板厚さと曲げ強

経過時間（日）さの関係は樹種により異なる傾向を示した。ホワイト

変性酢酸ビニル系接着剤

オーク，ウォルナットでは，単板の厚さが2～6 mmで15は，単板の厚い試験体ほど曲げ強さは大きくなる傾向

放湿を示したが，単板の厚さが7 mmになると曲げ強さは低半径の変化（mm）

10下した。チェリーでは，単板の厚い試験体では曲げ強さが低下し，単板厚さ7 mmでは単板が破壊し，試験体5が作製できなかった。センダンでは，2～6 mmの単板厚さの試験体では曲げ強さに大きな差は見られなかっ0

吸湿

たが，単板の厚さが7 mmになると曲げ強さは低下した。
積層曲げ加工の工程で，単板には内側に圧縮応力，外-5ウォルナット
センダン

W・オーク
チェリー

側に引張応力の残留応力が生じた状態で接着剤により変形を固定されている。そのため，単板が厚い試験体-10
0 1 2 3 4 5 6ほど大きな残留応力が生じている。曲げ試験によって

0 1 2 3 4 5 6

経過時間（日）も試験体の外側に引張応力が発生するが，単板に生じ水性高分子－イソシアネート系接着剤ていた残留応力と曲げ試験によって生じた引張応力の15和が材料の強度に達したときに試験体が破壊すると考放湿

吸湿えられる。単板の厚さと接着層数も曲げ強さに影響すると考えられ，これらが樹種ごとに曲げ強さの関係が異なる結果になったと考えられる。

5

120
2mm

3mm

4mm

5mm

6mm

7mm

100

0

-5

曲げ強さ（MPa）

半径の変化（mm）

10

ウォルナット
センダン

W・オーク
チェリー

80
60
40

-10
0 1

2 3 4 5

6

0 1 2 3 4 5 620

経過時間（日）

図4

0
W・オーク

吸放湿に伴う曲げ半径の変化

図5- 15 -

ウォルナットチェリー

各樹種の曲げ強さ

センダン

単板の厚さと接着層数が曲げ強さに及ぼす影響につい示すことが明らかとなった。接着性能については，チては今後検討していく予定である。また，曲げ半径を

ェリー，センダンではく離率が低く，3種の接着剤の変えた試験体を作製し，曲げ半径と曲げ強さの関係に

うち，水性高分子‐イソシアネート系接着剤が最も高

ついてもデータを蓄積していく予定である。

い耐水性を示した。

表 2 各接着剤の剥離率
酢酸ビニル系

変性酢酸ビニル系

1

2

3

1

2

3

5 参考文献1) 浅野猪久夫編：木材の事典，pp. 275-277，朝倉

水性高分子イソシアネート系
1

2

3

W・オーク

26

20

11

40

36

15

5

-

10

ウォルナット

42

14

-

57

36

-

10

7

-

チェリー

-

-

-

-

-

-

5

-

-

センダン

4

-

-

-

-

-

-

-

-

書店(1982)2) 森林総合研究所監修：木材工業ハンドブック 改定
4版，pp. 354-357，丸善(2004)
3) 岡野健，祖父江信夫編集：木材科学ハンドブック，
pp. 265-269，朝倉書店(2006)

3-3 接着性能
表2に各接着剤の剥離率を示す。酢酸ビニル系接着剤および変性酢酸ビニル系接着剤では，ホワイトオー
クとウォルナットで剥離が生じたが，チェリーとセンダンでは，ほとんど剥離は生じなかった。水性高分子-イソシアネート系接着剤では，4樹種すべてで剥離率は10 ％以下となった。酢酸ビニル系接着剤は耐水性に劣る接着剤であるが，チェリー，センダンでは剥離を生じることはなかった。変性酢酸ビニル系接着剤は酢酸ビニル系接着剤の耐水性等を改良した接着剤であるが，今回は酢酸ビニル系接着剤と耐水性は変わらない結果であった。水性高分子‐イソシアネート系接着剤は耐水性の高い接着剤であり，用いた3種の接着剤のうち最も高い耐水性を示した。
剥離が生じた酢酸ビニル系接着剤と変性酢酸ビニル
系接着剤の2樹種の試験体では，試験体の中央位置から採取した試験片よりも端部から採取した試験片の方が剥離率は高い傾向を示した。試験体の単板厚さや曲げ半径を変えた試験体を作製し，さらに検討を進める予定である。

4 まとめ
本研究では，ホワイトオーク，ウォルナット，チェ
リー，センダンの4樹種について，積層曲げ加工によって得られた家具部材について寸法安定性，強度性能，
接着性能を評価した。その結果，寸法安定性について
は，3種の接着剤について吸・放湿過程における曲げ
半径の変化について把握した。強度性能については，単板の厚さを変えて作製した試験体で曲げ試験を行い，単板厚さと曲げ強さの関係は樹種により異なる傾向を- 16 -

カーボン分散ニッケルめっきの被膜構造と電気特性の関係
吉田智博 *1, 中野

賢三 *1, 古賀 弘毅 *1

Relationship Between Film Structure and Electric Resistivityof Carbon Composite Nickel Plating
Tomohiro Yoshida, Kenzo Nakano and Hiroki Koga

電気接点の需要は再生エネルギーや，IoTの拡大に伴い増加すると予測される。従来の電気接点には，金 (以下、Auという) めっき，ニッケル (以下、Niという) めっきやスズ (以下、Snという) めっきが用いられているが，価格や酸化による抵抗値増加が課題であり化学的に安定で安価な電気接点が求められている。本研究では，めっき液中に化学的に安定なカーボンを分散させ，めっき被膜成長と同時にカーボンを取り込む溶液分散系において，めっき被膜構造と電気抵抗の関係について評価を行った。高温高湿環境での抵抗値増加の抑制には，粒径の小さなカー
ボンを緻密に取り込んだ構造が有効であった。

1 はじめにた構造 (図 1 右) を有する分散めっき被膜の開発を試

近年，水素エネルギーや太陽光発電などの再生エネ

みた。

ルギー，地熱や工場排熱などの未利用エネルギーの有効活用が進められている。これらエネルギー源を組み

2 実験方法合わせ，自立型分散エネルギーシステムを構築し，ネ

本研究では，めっき液中にカーボンを分散させ，ットワークと組み合わせて統合的に制御するスマート

めっき被膜成長と同時にカーボンをめっき被膜中に取エネルギーネットワークが進められており

1)

，電力・

り込む溶液分散系で被膜形成を行った。表１に代表条

通信での電気接点は増大が見込まれている。例えば，件を示す。めっき手法としては，電気めっきと無電解二次電池や燃料電池での外部への接続端子，コネクタ

めっきで検討を行った。無電解めっきの分散剤は，ポなどの電気接点，産業用の受配電盤や制御盤内部で高リエ チレ ンイ ミン (PEI)，ドデ シル 硫酸 ナト リウ ム

電圧大電 流の通 電に用 いる 導体棒の ブスバ ーに対 し(SDS) を 分散 剤 に用 い た。 カー ボ ン粒 子 (50 nm，3て，材料置換によるコスト低減が求められてる。

m，5 m) は 3 種類の粒径について検討を行った．

従来，図 1 に示すように小型の電気接点は Au/Ni め

めっきサンプルの評価には，SEM を用いた表面，断面

っき/Cu 母材が用いられていたが Au は高価である。

観察，抵抗値の評価には 2 探針法 (定電流法) を用い

大型の電気接点には Cu 母材に対して Ni めっきや，Snた。高温高湿試験は温度 60 ˚C，湿度 90 %RH の条件

めっきが用いられていたが，耐食性が低いため Ni，で 120 時間保持を行った。
表１ カーボン分散 Ni めっきの条件

Sn 共に表面に高抵抗の酸化膜が形成されて抵抗値が上昇するという欠点があった 2) 。本研究では Au めっ
きからのコスト低減，Ni，Sn めっきからの耐食性向上を目的に，Ni めっき中にカーボン粒子を分散させ

図１ カーボン分散 Ni めっき模式図*1 機械電子研究所- 17 -

3 結果と考察

図4に電気，無電解めっきの電気抵抗値を示す。無電

3-1 めっき手法による構造，電気特性の比較

解めっきと比較して、電気めっきは低い抵抗値を示し

図 2 に PEI(分子量 1200)を 1 g/L，CB(粒径 50nm) 1

た 。 材 料 固 有 の 導 電 率 を 比 較 す る と ， Cu 5.81×10 7

g/L の条件でめっき液中に分散させためっき被膜の外S/m (293K)，Ni 1.45×10 7 S/m (293 K)でCuの抵抗値観を示す。電気めっきの方が黒く，無電解めっきは端が低い 3) 。一方，Niめっき被膜の文献値の抵抗値比較

部で銅板の色がみられており，めっきの成長が阻害さでは電気Niめっき 8.5 ･cm，無電解Ni-Pめっき 30

れた可能性がある。

～200 ･cmで，電気Niめっきの抵抗値が低い 4) 。無電解Ni-Pめっきのようにめっきが薄い場合でも，固有抵抗の低いCu板より抵抗値の高い無電解Ni-Pめっき被膜自身による抵抗への寄与が大きいと考えられる。

図 2 電気，無電解めっき被膜の外観(PEI(分子量 1200)1 g/L，CB(粒径 50 nm) 1
g/L，めっき時間 2h)

図3に電気めっき，無電解めっき被膜の表面および
断面SEM像を示す。電気めっきの表面は，微細な粒子が集合した形状が見られており，表面にカーボン粒子

図 4 電気・無電解めっき被膜の抵抗値の露出が見られなかった。断面SEM像では，めっき被(PEI(分子量1200)1 g/L，CB(粒径50 nm) 1 g/L)

膜内部にカーボンが取り込まれていた。無電解めっき
では表面にも，カーボンの黒点が見られた。断面SEM

3-2 PEIの分子量と構造，電気特性の比較

像では，約150 nmの薄いNiめっき層がみられた。電気

図5に，PEIの分子量を10000，1200，600，300 (濃めっきでは，電流を流すことでNiを還元して被膜を形

度50 mg/L)，CB 1 g/Lの条件で作製したカーボン分散

成するためカーボンを取り込んだ部分が突起となり，無電解Ni-Pめっきの表面SEM像を示す。分子量の大き

電流集中が生じたことにより葡萄状に成長したと考えいサンプル (10000, 1200, 600) では，前処理の研磨られる。無電解めっきでは還元剤から電子が供給され跡がみられておりNi-Pめっきの成長が阻害された。分るため，局所的なめっき被膜の成長が起こらず平坦な

子量300では研磨痕は不明瞭となり，カーボンが分散形状になったと考えられる。

された被膜が形成された。

図 5 PEI の分子量の異なる無電解 Ni-P
めっきサンプルの表面 SEM 像

図 3 電気，無電解めっき被膜の表面，断面 SEM 像(PEI(分子量 300～1200)50 mg/L，CB(粒径 50 nm) 1 g/L, めっき時間 2h)(PEI(分子量1200)1 g/L，CB(粒径50 nm) 1 g/L,
無電解めっき時間2h)- 18 -

図6に分子量300のPEIの無電解Ni-Pめっきの断面SEMが多いことにより，高温高湿環境下でNiめっき表面にを 示 す 。 膜 厚 は 約 1.3 m で 図 3 の 分 子 量 1200 の 膜 厚

抵抗値が高い酸化層が形成されても，化学的に安定な(約150 nm) よりも増加しており，分散剤濃度およびカーボンが通電経路になることで，低い抵抗値を維持

分子量の低減により，分散剤によるめっき成長阻害をしたと考えられる。

抑制できた。図7に分子量300～10000の無電解Ni-Pめ
っ き の 抵 抗値 を 示 す 。 抵 抗 の 平 均 値 は0.035～0.045
で，分子量による差は見られなかった。

図 6 PEI (分子量 300)無電解 Ni-P めっきの断面 SEM 像(PEI (分子量 300) 50 mg/L，CB (粒径 50 nm) 1
g/L，めっき時間 2h)0.100● : Average○ : Measured data

0.090
抵抗値(Ω)
Electric resistance ()

0.080
0.070
0.060

図 8 SDS (10～50 mg/L) の無電解 Ni-P
めっきの表面 SEM 像

0.050
0.040

(PEI (分子量 300) 50 mg/L，CB (粒径 50 nm) 1
g/L，めっき時間 2h)

0.030
0.020
0.010
0.000
0

1

2

3

4

5

Molecular weight
サンプルNo.

● : Average○ : Measureddata

図 7 PEI (分子量 300～1200) での無電解 Ni-P
めっきの電気抵抗値(PEI (分子量 300～1000) 50 mg/L，
CB (粒径 50 nm) 1 g/L，めっき時間 2h)

3-3 カーボン分散状態と電気特性の比較
図8にカーボンの分散状態の異なる無電解Ni-Pめっきの高温高湿試験前後の表面SEM像を示す。各条件は分散状態の安定化のため，PEI 50 mg/LにSDSを追加し，
SDSの濃度を10～35 mg/Lとした。試験後，カーボンの図 9 PEI (分子量 300～1200) での無電解 Ni-P めっきの電気抵抗値

取込量が少ない，SDS 10 mg/Lおよび50 mg/LではNi粒(PEI(分子量 300)50 mg/L，CB(粒径 50 nm) 1
g/L，めっき時間 2h)

界，半球状のノジュール周辺が黒く変色した。カーボ
ンが比較的均一に分散されたSDS 25 mg/Lのサンプル

3-4 カーボン粒径と電気特性の比較

は，高温高湿試験後のサンプル表面に変色はなかった。

図10にカーボン粒径50 nm，3 m，5 mのカーボン

図9にカーボンの分散状態の異なる無電解Ni-Pめっ

分散無電解Ni-Pめっきの表面SEM像を示す。分散剤にき (SDS 10～50 mg/L) の電気抵抗値を示す。高温高はPEI (分子量300) を用い，カーボン50 nmの最適条

湿試験前の抵抗の平均値は約0.04～0.08 であった件をベースに各粒径の表面積で規格化した濃度で実施

が，高温高湿試験後では0.06～0.2 に増加している。

した。粒径50 nmのカーボンでは緻密に取り込めてい増 加 の 大 きいSDS 10 mg/Lで は2.7倍 ， 増 加 の小 さ いるが，3 m，5 mでは分布にバラつきがあった。SEM

SDS 25 mg/Lでは1.26倍であり，カーボン粒子の取込像を二値化し黒色部分をカーボンとして計算したカー- 19 -

ボン比率では，カーボン粒径5 mが最も高く，50 nm，

一方で，図13に示すカーボン粒径と電気抵抗のイメー

3 mの順で減少した。

ジのように，カーボン粒子が大きい場合，相手電極との接点が減少し全体のカーボン粒子でみたときの電流が流れる面積が減少すると考えられる (図13左図)。
粒子が小さい場合には，接点が増加し，カーボン粒子
全体での抵抗値が減少したと推定される (図13右図)。
従って，高温高湿環境下で酸化Ni層が形成した状態では，カーボン比率と接地面積の２つの要素で抵抗値の上昇が低減されていると考えらる。今回検討した粒径とカーボン分布では，50 nmのサンプルで抑制効果があったと考えられる。

図 10 カーボン粒径 50 nm～5 m の無電解 Ni-P
めっきの表面 SEM 像

図 12 高温高湿試験後のカーボン分散めっきの電気抵抗イメージ(カーボン粒径 50 nm 1 g/L, PEI (分子量 300) 50 mg/L,
カーボン粒径 3 m 1 g/L, PEI (分子量 300) 41.5 mg/L,
カーボン粒径 5 m 1 g/L, PEI (分子量 300) 25 mg/L,
めっき時間 2h

図11に粒径50 nm，3 m，5 mのカーボン分散無電
解Ni-Pめっきの高温高湿試験前後の抵抗値を示す。試験後では 抵抗値 の上昇 がみ られるが ，粒径50 nm，5
m，3 mの順で抵抗上昇が抑制された。前掲図10で示したSEM像から求めた各粒径でのカーボン比率と抵抗値上昇に単純な相関はみられなかった。図12にカー

図 13 カーボン粒径の違いによるカーボン
分散めっきの電気抵抗イメージ

ボン分散めっきが高温高湿試験後に酸化被膜を形成したときの電気抵抗のイメージを示す。めっき上面では，酸化層とカーボンの並列抵抗を形成すると仮定すれば，

4 まとめ
めっき液中にカーボン粒子を分散させ，被膜形成と同時に取り込む溶液分散系でのカーボン分散めっきに酸化層よりもカーボンの抵抗値が低いため，カーボン量が多い方が全体の合成抵抗は低くなると考えられる。

ついて，めっき手法，分散剤の分子量，カーボンの取込量，カーボン粒径において，めっき被膜構造と電気抵抗の関係を評価した。電気めっきではカーボン粒子の表面への露出がみられず，カーボンを接点とする場
合は無電解めっきが適していた。カーボンのめっき液中での分散性向上を目的に添加した分散剤は分子量，添加量の増加に伴い，めっき成長を阻害する可能性が示唆された。高温高湿環境で，めっき被膜の電気抵抗上昇の抑制には，粒径が小さく，緻密に取り込んだめ
っき被膜が有効であった。
5 参考文献1) 工月亮太: 日本不動産学会誌, 第26巻, 第1号, p104 (2012)2) 榎本英彦: 金属表面技術,Vol. 33, No.7, p341(1982).
3) 日本金属学会編: 金属便覧, 改定6版, p633, 丸善 (2000)
4) 黒坂成吾, 佐藤誠, 表面技術, Vol 65, No.3, p118 (2014)

図 11 カーボン粒径 50 nm～5 m の無電解 Ni-P めっきの電気抵抗値(カーボン粒径 50 nm PEI(分子量 300) 50 mg/L,カーボン
粒径 3 m PEI(分子量 300) 41.5 mg/L,カーボン粒径 5
m PEI (分子量 300) 25 mg/L,めっき時間 2h)- 20 -

Ni-SiC複合めっきにおける粒子含有率および硬さへのSiC粒径の影響－粒子分散浴および沈降堆積浴からの複合めっき－
中野

賢三 *1

𠮷田

智博 *1

古賀

弘毅 *1

Effect of SiC Particle Size to Content Rate and Hardness on Ni-SiC Composite Plating- Composite Plating from Particles Dispersion Bath and Sedimentation Bath Kenzo Nakano, Tomohiro Yoshida and Hiroki Koga

耐摩耗性被膜として知られるSiC複合めっきにおいて, 粒子分散浴および沈降堆積浴からの2種類の複合めっき
方法を用いて, 粒径3.0 μm, 1.2 μm, 0.5 μmのSiC粒子による複合Niめっきを行い, めっき膜中のSiC含有率および硬さへの影響を調査した。粒子分散浴からの複合めっきでは, SiC濃度50 g/dm3 までの低濃度SiC浴において,
SiC粒径が大きくなるに伴いSiC含有率は高くなった。沈降堆積浴では, 3.0μm-SiCにおいて低濃度SiC浴から高い
SiC含有率の複合めっき膜が得られた。めっき膜の硬さは, いずれの粒径においてもSiC含有率の増加に伴い増加した。また, SiC粒径が小さくなるに伴い, 低含有率で硬さが大きく増加した。

1 はじめに0.5 μ m （（ 株 ） フ ジ ミ イ ン コ ー ポ レ ー テ ッ ド 製 ,SiC やダイヤモンドなどの硬質粒子をめっき金属膜に取り込む複合めっき

1)-4)

GC#20000 ） の α -SiC 粒 子 を 用 い た （ 以 降 , そ れ ぞ れは, めっき膜の硬度や耐摩

3.0μm-SiC, 1.2μm-SiC, 0.5μm-SiCと略記）。陽極

耗性などの特性を改良できることから, エンジンシリ

及び陰極には, それぞれ面積30 mm×40 mmのNi板, Ni

ンダなどの耐摩耗部材

2), 3)

や切削工具

4)

などで利用

めっき付きCu板を用いた。

されている。複合めっきでは, 粒子を含むめっき浴を2-2 粒子分散浴からの複合めっき用いることでめっき金属膜成長時に金属膜に接触してSiC粒子を所 定濃度 （ 10, 50, 100, 200 g/dm 3 ）といる粒子が取り込まれることから, 粒子をめっき浴中なるように基本浴に添加し, スターラーで60分間強撹に分散させた状態でめっき

1), あるいは, 粒子を基材拌して複合めっき浴を調製した。なお, 粒径0.5 μm

表面に充填した状態でめっき 4), 5) する方法などがとについては, 粒子分散性向上のためスターラー撹拌しられている。本研究では, 複合めっきにおける硬質粒ながら超音波照射を行った。陰極は容量0.3 dm3 のビ子の粒径の影響を調査するため, 粒子分散浴からの複ーカー中央部に底面と垂直になるように配置し, 陽極

合めっき, 沈降堆積浴からの複合めっきの 2 種類の方との距離を20 mmとした。めっき浴は正逆反転スター法を用いて, 粒径の異なる SiC 粒子による複合 Ni め

ラーを用いて回転速度200 rpmで撹拌を行い, 陰極電っきを行い, めっき膜の SiC 粒子含有率および硬さを

流密度5 A/dm 2, 90 分間の定電流電解により複合めっ

評価したので報告する。

き膜を得た。
2-3 沈降堆積浴からの複合めっき
前述と同様にしてSiC粒子濃度10 g/dm 3 を分散させ

2 実験方法2-1 めっき浴および分散粒子

た複合めっき浴において, スターラー撹拌を停止後す3

Niめ っ き の 基 本 浴 に は NiSO 4 ・ 6H 2O（ 240 g/dm ） ,ぐに0.3 dm 3 ビーカーの底面に陰極を上向きに配置し

NiCl2 ・ 6H2O （ 45 g/dm3 ） , H 3BO3 （ 35 g/dm 3 ） ,た。30 分間静置して陰極表面にSiC粒子を沈降堆積さ

C12H 25OSO 3Na（0.2 g/dm 3 ）からなるワット浴 （pH4.0,

せた後, 電極間距離20 mmとなるように陽極を配置し浴温50 ℃）を用いた。分散粒子 には, それぞれ累積た。陰極表面の粒子堆積層が移動しないようにめっき

高さ50 %の粒径（D 50 ）が3.0 μm（（株）マルトー製,

浴上方か ら Airバブリ ング しながら, 陰極電流密 度5

GC#4000）, 1.2 μm（（株）マルトー製, GC#8000）,

A/dm2 で90 分間の定電流電解により複合めっき膜を得た。

*1 機械電子研究所- 21 -

2-4 複合めっきの評価

膜中に分散して取り込まれたSiC粒子が黒点として観めっき膜の断面観察および元素分析にはFE-SEM（日察され, めっき浴へのSiC粒子添加濃度の増加に伴い,

本 電 子 （ 株 ） 製 , JSM-7001F ） -EDS （ ア メ テ ッ ク

Niめっき膜に取り込まれるSiC粒子数が増加した。ま（株）製, Pegasus）を用いた。めっき膜中のSiC含有

た, 1.2μm-SiCにおいても同様の傾向を示したが（図率は, めっ き膜断 面の30 μm×200 μmのエリア を3

1 （ d ） , （ e ） , （ f ）） , 0.5 μ m-SiC の 場 合 , 200

回EDS測定し, ZAF法によるNi, Siの組成比から算出しg/dm3 の高濃度SiC浴では, SiC微粒子が一部凝集してた。めっき膜の硬さはマイクロビッカース硬さ試験機

めっき膜に取り込まれた（図1（i））。粒子分散浴から（（株）松沢精機製, MHT-1）を用い, めっき膜断面の得られた複合めっき膜におけるめっき浴へのSiC添加

中央付近を荷重0.98 Nで15 秒間加圧して5 回測定し,濃度とSiC含有率の関係を図 2に示す。SiC50 g/dm 3 ま

その平均値を求めた。

での低濃度浴において, SiC粒径が大きくなるに伴い,めっき膜中のSiC含有率が高くなる傾向があった。また, SiC50 g/dm 3 より高濃度側において, 3.0μm-SiC

3 結果と考察
SiC粒径および添加濃度の異なる粒子分散浴から得および1.2μm-SiCではめっき膜中のSiC含有率増加はられた複合めっき膜の断面SEM像を図1に示す。いずれ小さかった。一方, 0.5μm-SiCの場合, 高濃度SiC浴の SiC 粒 径 で も 均 一 な 複 合 め っ き が 得 ら れ た 。 図 1において も SiCが凝集 状態 で取り組 まれ た ことか ら,（a）, （b）, （c）より, 3.0μm-SiCではNiめっき

めっき膜中のSiC含有率は増加し続けた。

図1

粒子分散浴から得られた複合めっき膜の断面 SEM 像 : (a)3.0μm-SiC 10 g/dm3,
333(b)3.0μm-SiC 50

g/dm , (c)3.0μm-SiC 200 g/dm , (d)1.2μm-SiC 10 g/dm , (e)1.2μm-SiC 50 g/dm 3,(f)1.2μm-SiC

200 g/dm 3, (g)0.5μm-SiC 10 g/dm 3, (h)0.5μm-SiC 50 g/dm3, (i)0.5μm-SiC 200g/dm 3.

- 22 -

沈降堆積浴から得られた複合めっき膜の断面SEM像を図3に示す。3.0μm-SiCでは粒子が分散して取り込
まれ, SiC添加濃度10 g/dm 3 の低濃度浴にも関わらず,
22.6 wt% の 高 い 含 有 率 と な っ た （ 図 3 （ a ））。 一 方 ,1.2μm-SiCではSiC粒子凝集体が一部観察され, 不均一であった（図3（b））。浴調製時のスターラー撹拌のみでは凝集粒子の解砕が十分でなく, 残っていたSiC
凝集体が沈降してめっき膜中に取り込まれた可能性がある。また, 0.5μm-SiCでは基材-めっき界面に無めっきの箇所が観察された（図3（c））。SiC沈降堆積層の微小な粒子間隙を通ってめっき液が陰極表面まで供
図 2

粒子分散浴から得られた複合めっき膜における SiC 含有率とめっき浴中の SiC 添加濃度の関係 : （○）3.0μm-SiC 10 g/dm3, (△)1.2
μ m-SiC 10 g/dm 3, ( ◇ )0.5 μ m-SiC 10
g/dm3.

給されにくいため, 無めっきの原因になったと推察される。
複合めっき膜のSiC含有率と硬さの関係を図4に示す。
いずれのSiC粒径においても純Niよりも硬く, SiC含有率増加に伴い硬さは増加した。また, 0.5μm-SiCおよび1.2μm-SiCでは, 3.0μm-SiCに比べてめっき膜中のSiC 含 有 率 が 低 い に も 関 わ ら ず 硬 さ が 増 加 し た 。
Garciaらは, サブミクロンサイズのNi-SiC複合めっきにおける硬さ増加を粒子分散強化によるものと説明している 1) 。本研究において粒子間距離は評価していな
いものの, 少量の分散微粒子でも転位の移動を抑制することで硬さに影響したものと推察される。

図4

複合めっき膜の SiC 含有率と硬さの関係 :(○)3.0μm-SiC 粒子分散浴, (◎)3.0μm-SiC
沈降堆積浴,( △ )1.2 μ m-SiC 粒 子 分 散 浴 ,(◇)0.5μm-SiC 粒子分散浴 , (●)無添加浴.
粒子分散浴.
図 3

沈降堆積浴から得られた複合めっき膜の断面
SEM 像 : (a)3.0μm-SiC 10 g/dm 3, (b)1.2μm-SiC 10g g/dm 3, (c)0.5μm-SiC 10 g/dm 3.
- 23 -

4 まとめ本研究では, Ni-SiC複合めっきにおいて, 粒子分散浴および沈降堆積浴からの２種類の複合めっき方法を用いてSiC粒径の及ぼす影響について調査し, 以下の結果を得た。
（1）粒子分散浴からの複合めっきの場合, いずれのSiC粒径でも均一な複合めっきが得られた。また,
SiC 濃 度 50 g/dm3 ま で の 低 濃 度 SiC 浴 に お い て ,SiC粒径が大きくなるに伴い, めっき膜中のSiC含有率は高くなる傾向があった。
（2）沈降 堆積浴 からの 複 合めっき の場合 , 3.0μmSiCではSiC濃度10 g/dm 3 の低濃度SiC浴にも関わらず, めっき膜中のSiC含有率は高い値を示した。
一方, 1.2μm-SiC, 0.5μm-SiCでは粒子凝集, 無めっきなどめっき不良となった。
（3）めっき膜中のSiC含有率の増加に伴い, 複合めっき膜の硬さは増加した。また, SiC粒径が小さい方が低含有率で硬さの増加が顕著であった。

5 参考文献1)I. Garcia, J. Fransaer, J.-P.Celis ： Surface
and Coatings Technology,

vol.148, pp. 171-

178(2001)
2)石森茂, 清水充, 本田信 一, 大塚信治郎, 豊田正
義 ： 金 属 表 面 技 術 ， 28 巻 , 10 号 , pp. 508512(1977)
3) 林 忠 夫 ： 金 属 表 面 技 術 ， 28 巻 , 10 号 , pp. 490497(1977)
4)西羅正芳, 山岸憲史 ：表 面技術， 51巻, 4号, pp.
354-358(2000)
5)新井進：表面技術，66巻, 6号, pp. 252-255(2015)- 24 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.31（2021）

微細樹脂製品のためのアルミ転写金型製造技術の開発－マイクロニードル用金型への適用－
谷川義博 *1 芳賀善九 *2 佐藤潤哉 *3 松波恒佑 *4
北風拓都 *5 青柳誠司 *5 松本真一 *6 鈴木康一朗 *7

Development of Mold Manufacturing Method of Transcribing Master on
Aluminum alloy for Fine Plastic Product– Application to Mold for Microneedle –Yoshihiro Tanigawa, Zenku Haga, Junya Sato, Kosuke Matunami, Takuto Kitakaze
Seiji Aoyagi, Shinichi Matumoto and Koichiro Suzuki

マイクロ射出成形により微細なプラスチック製品を製造する技術が注目されて おり，蚊の針を模倣した低侵襲性
プラスチックマイクロニードルは，マイクロ射出成形による製品の一例である 。金型に直径 100 μm 以下の微細な針形状を加工するためには，マイクロツールを用いた微細加工が必要となるため，金型のコストが高くなる。機械電子研究所では，高精度に加工したセラミックスマスターと金型材に押し付けて形状を転写し金型を作成する転写
金型製造技術を開発している。しかしセラミックスは脆性材料であり微細形状の加工が困難であるとと もに形状転写の際破損することが予測された。このため本研究では，マスター型材に金属材料，金型素材にアルミ合金を用いることで，この問題を解決し，微細形状金型作成に対応した新規な転写金型製造技術を開発したので報告する。

1 はじめにい精度に加工された LED レンズ形状のマスター型を

近年生物を模倣するバイオミメティクスが注目され軟化温度（1000 ℃）まで加熱した金型材に押圧するている。バイオミメティックス技術は，多数の微細構ことで，高い精度でマスター型形状を転写し，高精度造が組織的に集合して成立している生体構造を模倣すな金型を磨きレスで量産可能な転写金型製造技術

ることが多く，それらは数十 nm～数百 μm オーダー

（ MMT:の微細形状を付加した製品となる。バイオミメティク

Transcription method) を開発してきた 。

Mold

Manufacturing

technology

using

ス構造を有する微細形状製品の作製にはフォトリソグ

しかし，今回転写を行う形状は，直径 100 μm 以下

ラフィー技術等が用いられることが多く，コストが高のマイクロニードル形状であるため，高脆材料である

くなると共に，材質や形状が限定される。実用化が望

セラミックスの加工は困難であると共に，押圧時の荷まれるバイオミメティクス製品の一つに，穿刺の際の重により折損する可能性がある。

患者への負担を減らす，蚊の針を模倣した低侵襲性のそこで，マスター型材に，セラミックスより加工がマイクロニードルがある。青柳らは，3D 光造形法を容易で，靱性を有する金型金属材料を用い，金型素材用いて作製したマイクロニードルをマスターとし，こにアルミ合金（A7075）使用することで，マイクロニ

れにメッキして離型して得られる電鋳金型を使用し，ードルをはじめとした微細製品用金型へ適用可能な転樹脂製のマイクロニードルを試作してきた。しかしな

写金型製造技術を開発したので，本論文で報告する。

がら，量産化を考えると，電鋳金型の製造コストと量
産性や，薄く脆い型の取り扱いが課題となる。

2 微細形状転写金型製造技術（素材とマスター形状）

一方，谷川らは，高い精度が必要な LED 用レンズ

マスター型材として従来のセラミックスに代わり，金型の作製において，従来の切削加工に比べて，短納SUS440C 系金型材 ELMAX を使用し，金型素材にはアル期，低コストで作製できる金型製造技術の開発に取りミ合金（A7075）を採用した。マイクロニードル針部断組んだ。その結果，耐熱性を有するセラミックスで高面の曲率半径 R1=50 μm，針部長さ L=1.2 mm のマスターと，曲率半径 R1＝30 μm，針部長さ L=1.66 mm のマスターの 2

*1
*2
*3
*4

機械電子研究所㈱メイホー
村田機械㈱大阪市水道局*5 関西大学*6 三栄精機㈱*7 ㈱武蔵野化学研究所

種類を作製した。

- 25 -

福岡県工業技術センター
研究報告 No.31（2021）
3 微細形状転写

5 まとめ

曲率半径50 μmのマイクロニードル転写結果SEM画

転写金型製造技術において，マスター型材に像を図1に示す。曲率半径50 μm，30 μmのマイクロ

SUS440C 系 金 型 材 ， 転 写 金 型 素 材 に ア ル ミ 合 金

ニードル共に今回の実験で5回の転写を行った結果，

A7075 を用いてマイクロニードル用金型作製を行い，マスター形状に対する転写金型の転写誤差は，曲率半以下の結果を得た。

径50 μmで3.2 μm以下，曲率半径30 μmで4.4 μm以(1) マスター型材に ELMAX を用い，転写金型素材に下であった。

A7075 を使用することで，曲率半径 50 μm，長さ 1.2 mm，および同 30 μm，1.7 mm のマイクロニードル用転写金型の作製が可能であることが確認できた。
(2) 今回実験に使用したマイクロニードル形状に関し，
A7075 を 573 K 以上に加熱した状態で押圧すると，一度最大転写荷重 4.1 kN に到達した後，荷500μm

重が低下し再度押込みが進行する。この工程を連続して繰り返すことにより形状を高精度に転写できることが分かった。
(3) 加熱温度が高いほど成形サイクルタイムが短くな

図1

り，短時間で形状転写が可能であることが確認でマイクロニードル転写結果 SEM 画像

きた。
4 転写金型を用いた針成形実験(4) 曲率半径 50 μm，針長さ 1.2 mm の形状では，誤作製した曲率半径50 μmのマクロニードル転写金型

差 3.2 μm 以下，同 30 μm，1.7 mm の形状ではを使い，マイクロニードルの射出成形実験を行った。

誤差 4.4 μm の誤差で転写可能であることが分か

マイクロニードル用の樹脂には生分解性であり，生った。

態適合性が要求される医療器具の材料として使用され(5) 本研究で得られたアルミ転写金型を用いて，PLAるポリ乳酸を使用し，ヒートアンドクール法で成形を樹脂の射出成形を行った。ヒートクール法を用い行った。

ることで率半径 50 μm，長さ 1.2 mm の半円断面成形したマイクロニードルのSEM画像を図2に示す。

形状のマイクロニードルの成形に成功した。

6 謝辞

ポリ乳酸製、半径の半円断面、長さ

本研究は公益財団法人飯塚研究開発機構研究開発支援事業費実用化開発補助金により実施した研究の成果である．また文部科学省私立大学戦略的研究基盤形成支援事業より研究課題「3 次元ナノ・マイクロ構造の創成とバイオミメティクス・医療への応用」（平成 27
年～平成 31 年），科研費 18H01415，2018 年度積水
化学自然に学ぶものづくり研究助成の支援を受けた。

100 µm

図2

成形したマイクロニードル SEM 画像

7 掲載論文

図2に示すように，今回開発した転写金型製造技術

精密工学会誌，86巻，5号，pp.360-366（2020）で作製した金型を用いることで，曲率半径50 μmのマ
イクロニードルがバリなく成形可能であることが確認できた。
- 26 -

96ピンマイクロプレートを用いた迅速かつ簡便なバイオフィルム
形成阻害活性測定法
塚谷

忠之 *1

文彦 *1

坂田

黒田

理恵子 *1

A Rapid and Simple Measurement Method for Biofilm Formation Inhibitory Activity
Using 96-Pin Microtiter Plate Lids
Tadayuki Tsukatani, Fumihiko Sakata and Rieko Kuroda

バイオフィルムは慢性的な感染症の大きな要因となっているため，バイオフィルムの形成を未然に防ぐことは疾病予防の観点から重要視されている。このため，バイオフィルム形成阻害活性を有する素材の探索が進められているが，実用的なスクリーニング法がないことが探索の障壁となっている。本研究では，96ピンマイクロプレート（フタ）へのバイオフィルム形成法及びクリスタルバイオレット染色法を組み合わせたバイオフィルム形成阻害活性測定法を開発した。本法は，従来法と比較して操作性，迅速性，再現性が格段に優れており，バイオフィルム形
成阻害活性を有する素材のスクリーニング法として有用であることが示された。また，本法を用いることでバイオ
フィルム形成阻害活性を有する食材（水抽出液）を5種類見出すことができた。

1 はじめに2 研究，実験方法

微生物により産生されるバイオフィルムは，慢性的2-1 バイオフィルム形成及び形成量の測定

な感染症の大きな要因となっている。このため，バイ図1に示すように，96ウェルマイクロプレートへ微

オフィルムの形成を未然に防ぐ観点から，特に安全性

生物懸濁培地190 μl及び試料（食材水抽出液）10 μlの高い食材を中心にバイオフィルムの形成阻害作用をを分注し，これに96ピンマイクロプレート（フタ）を有する素材を探索する動きが活発化している。しかし，被せて37 ℃で一定時間インキュベーションした。培従来のスクリーニング法では，一度に多検体の試料を養後，滅菌生理食塩水を分注したマイクロプレートへ測定することができないため，有望な素材を探索する

96ピンマイクロプレート（フタ）を被せることにより障壁となっている。従来法では，96ウェルマイクロプ洗浄した。次に，0.1 %クリスタルバイオレット水溶レートのウェルの底にバイオフィルムを形成させ，そ液（200 μl）を分注 した マ イクロ プレー トへ 96ピ ンの形成量を評価する手法が用いられている。このため，マイクロプレート（フタ）を被せ，1時間染色した。

ピペットで上清培地や洗浄液，染色液を除去・分注す

さらに，ピンを十分洗浄後，99.5 %エタノール（200る操作が必要であり，操作が非常に煩雑で長時間を要μl）を分注したマ イクロプ レートへ被せ ， ピン上にする。また，ピペッティングによる操作で形成したバ染色され た色素 を抽出 した 。 受けプ レート の吸光 度

イオフィルムを破壊してしまう可能性が非常に高く，（595 nm）を測定し，バイオフィルムの形成量とした。

再現性に乏しいことも大きな問題点である。
そこ で， 本研 究で は96ピン マイ クロ プレ ート （フ3 結果と考察タ）へバイオフィルムを形成する手法を確立し，多検

3-1 バイオフィルム形成条件の検討

体試料の一斉測定が可能なバイオフィルム形成阻害活

バイオフィルム形成条件として，培地組成，菌体密性測定法の開発を行った。さらに，各種食品添加物や度，培養時間，培地交換，培養温度，ピン素材の検討

食材の水抽出液へ本法を適用し，バイオフィルム形成を行い，微生物（13種類）の96ピンマイクロプレート

阻害活性を有する素材の探索を行った。

（フタ）への最適なバイオフィルム形成条件を確立した。

*1 生物食品研究所- 27 -

い菌種のバイオフィルムに対する色素の溶出に適して

96ピンマイクロプレート（フタ）いることが分かった。
図1に示すように，本法では受けの96ウェルマイク

試料と微生物を含む培地

ロプレートを交換するだけで96ピンへ形成したバイオフィルムの洗浄や染色が可能になるため，操作が飛躍

一定時間培養的に簡便かつ迅速になり，多検体の一斉測定が可能とバイオフィルム形成なった。これにより，操作時間を従来法（ウェルの底にバイオフィルムを形成させる手法）と比べて1/10以

洗浄下に短縮することができた。また，本法では操作ミス

染色によるバイオフィルムの破壊の可能性も格段に低くなると考えられた。本研究により，従来法と比較して，染色液

操作性，迅速性，再現性が格段に優れたバイオフィル
ム形成阻害活性測定法を確立することができた。

洗浄

3-3 バイオフィルム形成阻害活性を有する素材の探索

抽出498種類の食材（水抽出液）をう蝕菌に対するバイオフィルム形成阻害スクリーニング試験に供した。そエタノールの結果，バナバ，甜茶，グアバ，プアール茶，黄柏末
測定の水抽出液が90 %以上のバイオフィルム形成阻害活性を示した（図2）。

バイオフィルム形成阻害率 (％)

100

図1 バイオフィルム形成阻害活性測定法

3-2 バイオフィルム形成阻害活性測定法の確立
バイオフィルム産生菌として，黄色ブドウ球菌，大

90
80

60

40

20

0

0

腸菌，う蝕菌，歯周病菌等を用いてバイオフィルム形

100

200

300

400

500

食材（水抽出）成阻害活性測定法の確立を行った。
まず，ピン存在下における試料とバイオフィルム産

図2 バイオフィルム形成阻害活性のスクリーニング

生菌の接触・培養法について検討した。試料とバイオ
フィルム産生菌を24時間接触させた後，再び試料を含4 まとめ

む新鮮培地と共に72時間培養する手法を採用すること

本法は，従来法と比較して操作性，迅速性，再現性

で，再現性の高い結果が得られた。変動係数（n=32）が格段に優れており，バイオフィルム形成阻害活性をはいずれの菌株についても10 %以下であった。一方，有する素材のスクリーニング法として有用であること

従来法では変動係数が10 %を超える菌株もあり，再現が示された。

性の良い結果が得られなかった。
次に，ピンに形成されたバイオフィルム量を定量す

5 掲載論文るために，クリスタルバイオレット染色法及び溶出法

World Journal of Microbiology and Biotechnology,の最適化 を行っ た。ク リ ス タルバイ オレッ ト濃度 はVol. 36, No. 12, pp. 1-9 (2020)

0.1 %，染色時間は1時間が最適であった。また，種々の抽出溶媒を検討しところ，99.5 %エタノールが幅広- 28 -

口腔内及び食品関連有害細菌に対するハーブ・スパイス抽出物のバイオフィルム殺菌活性
塚谷

忠之 *1

坂田

文彦 *1

黒田

理恵子 *1 赤尾哲之 *2

Biofilm Eradication Activity of Herb and Spice Extracts Alone and in Combination
Against Oral and Food-Borne Pathogenic Bacteria
Tadayuki Tsukatani, Fumihiko Sakata, Rieko Kuroda, Tetsuyuki Akao

微生物が産生するバイオフィルムは，う蝕や歯周病などの感染症，食品変敗，食中毒の大きな要因となっている。
そこで，本研究では新たに開発したバイオフィルム殺菌活性スクリーニング法を用いて，104種類のハーブ及びス
パイスのエタノール抽出液から口腔細菌（う蝕菌，歯周病菌）及び食中毒菌（大腸菌，黄色ブドウ球菌）が産生す
るバイオフィルムに対して殺菌活性を有する素材の選抜を試みた。その結果，クローブとユーカリ，あるいはクローブとローズマリーのエタノール抽出液を併用することで，相加的あるいは相乗的殺菌効果により口腔細菌及び食中毒菌産生バイオフィルムの制御が可能であることが明らかとなった。クローブ，ユーカリ，ローズマリーの主要活性成分はそれぞれオイゲノール，マクロカルパール類，カルノシン酸と推定された。

1 はじめにインキュベーションし，96ピンへバイオフィルムを形

バイオフィルムとは，微生物が菌体外に多糖類を中成させた。バイオフィルム産生菌として，大腸菌

心とする成分を産生することで固体表面に付着して堆Escherichia

coli

積し，除去しにくい固まりの状態になった微生物の集Porphyromonas gingivalis JCM12257 ， 黄 色 ブ ド ウ 球合体のことである。バイオフィルムは，虫歯や歯周病

菌 Staphylococcusなどの口腔内疾病の大きな要因となっている。また，

Streptococcus mutans NBRC13955を用いた。

食品業界でも食品の変敗や食中毒を防止するためにバ

2-2 バイオフィルム殺菌活性の測定

NBRC15034 ， 歯 周 病 菌

aureusNBRC13276 ， う 蝕 菌

イオフィルムの制御は大きな課題となっている。このミュラーヒントンブロス(MHB)190 μl及びエタノーため，特に安全性の高い食材から抗バイオフィルム素ル抽出液10 μlを分注した96ウェルマイクロプレート

材を探索する研究が活発化している。

へ，バイオフィルムを形成させた96ピンマイクロプレ

そこ で， 本研 究で は96ピン マイ クロ プレ ート （フート（フタ）を被せ，20時間インキュベーションした。

タ）へのバイオフィルム形成法と水溶性テトラゾリウ

さらに，96ピンに形成させたバイオフィルムを滅菌生

ム塩WSTを用いた微生物検出法を組み合わせたバイオ理食塩水で3回洗浄後，WST検出試薬含有MHBへ移し，フィルム殺菌活性スクリーニング法を使用して，ハー一定時間反応させた。2～5時間反応後，マイクロプレ

ブ及びスパイスのエタノール抽出液からバイオフィル

ート リー ダを 用い て受 けプ レー トの 吸光 度測 定 (460

ム殺菌活性を有する素材の探索を行った。

nm)を行った。阻害率はコントロールの吸光度に対す
るサンプルの吸光度の比から求めた。阻害率99%以上

2 研究，実験方法

をバイオフィルム殺菌活性ありと判定した。また，阻

2-1 バイオフィルムの形成

害率99 %以上を示す被検試料の最小濃度を最小バイオ

96ウェルマイクロプレートへバイオフィルム形成用

フィルム殺菌濃度（MBEC）とした。

培地で調製した微生物懸濁液を分注し，これに96ピン

2-3 併用効果

マイクロプレート（フタ）を被せて37 ℃で一定時間

併用効果は Fractional Inhibition Concentration(FIC) index を用いて算出した。FIC は，相乗：≤0.5，
相 加 ： >0.5 ， 1.0< ， 不 関 ： ≥1.0 ， 4.0< ， 拮 抗 ： ≥4.0

*1 生物食品研究所*2 株式会社久留米リサーチ・パークと定義した。
- 29 -

3 結果と考察

3-3 ハーブ及びスパイス成分の最小バイオフィルム殺菌3-1 バイオフィルム殺菌活性を有するハーブ及びスパイ

濃度

スの探索

クローブ，ユーカリ，ローズマリーの代表的なエタ

ハーブ及びスパイスのエタノール抽出液104種類を

ノール可溶性抗菌成分であるオイゲノール，マクロカ

本スクリーニング法へ適用し，大腸菌，歯周病菌，黄ルパール類，カルノシン酸の最小バイオフィルム殺菌色ブドウ球菌，う蝕菌産生バイオフィルムに対する殺濃度(MBEC)を表3に示す。オイゲノールは大腸菌及び菌活性を測定した。4菌株のうち1菌株以上に対して殺歯周病菌へ活性を示した。マクロカルパール類及びカ菌活性（99 %以上）を示したハーブ・スパイスは18種

ルノシン酸は，歯周病菌，黄色ブドウ球菌，う蝕菌へ類であった。このなかで，クローブは大腸菌，歯周病活性を示した。

菌，う蝕菌のバイオフィルムに対して，ユーカリは歯周病菌，黄色ブドウ球菌，う蝕菌のバイオフィルムに

表3 ハーブ及びスパイス成分の最小バイオフィルム

対して，ローズマリーは歯周病菌及びう蝕菌のバイオ

殺菌濃度

フィルムに対して99 %以上の殺菌活性を示した。しか

活性成分

大腸菌

歯周病菌

黄色ブドウ球菌う蝕菌

クローブ

し，4菌株すべてのバイオフィルムに殺菌活性を有す

オイゲノールるハーブ・スパイスは得られなかった。

ユーカリ

3-2 ハーブ・スパイスの併用によるバイオフィルム制御

マクロカルパールA
マクロカルパールB
マクロカルパールC

そこで，大腸菌，歯周病菌，黄色ブドウ球菌，う蝕

800

800

>800

>800

>800

6.25

50

25

>800

3.125

50

50

>800

12.5

50

400

>800

25

200

ローズマリー

菌の産生バイオフィルムに対して，クローブとユーカ

カルノシン酸リ，あるいはクローブとローズマリーのエタノール抽

12.5(μg/ml)出液の併用効果を検討した。表1に示すように，クローブとユーカリの併用では，歯周病菌のFIC=0.38，うさらに，4菌株に対するオイゲノールとマクロカル

蝕菌のFIC=0.50であり，相乗効果を示した。大腸菌及パール類，あるいはオイゲノールとカルノシン酸の併

び黄色ブドウ球菌に対するFICは0.5～1.0であり，相用効果を調べた（データ未掲載）。オイゲノールとマ加効果を示した。

クロカルパール類の併用では，歯周病菌及びう蝕菌に相乗効果，大腸菌及び黄色ブドウ球菌に相加効果を示

表1

クローブとユーカリ抽出液の併用効果した。一方，オイゲノールとカルノシン酸の併用では，いずれの菌株についても相加効果を示した。この結果

クローブ

ユーカリ

MBEC
(μg/ml)MBEC(μg/ml)MBEC(μg/ml)FIC

併用効果

は，表1及び2のエタノール抽出液の結果と一致してお

大腸菌

871

>1572

435.5 /786

>0.5 and <1.0

相加り，クローブ，ユーカリ，ローズマリーの主要活性成

歯周病菌

435.5

49.1

54.4 / 12.3

0.38

相乗

黄色ブドウ球菌

>1742

393

108.9 / 196.5 >0.5 and <1.0

相加

う蝕菌

871

393

217.8 / 98.3

相乗バイオフィルム
産生菌

クローブとユーカリの併用

0.50

分はそれぞれオイゲノール，マクロカルパール類，カルノシン酸と推定された。

一方，クローブとローズマリーの併用では，いずれ4 まとめも菌株に対しても FIC は 0.5～1.0 であり，相加効果

クローブ（オイゲノール）とユーカリ（マクロカルを示した（表 2）。

パール類），あるいはローズマリー（カルノシン酸）の併用は，幅広い菌種のバイオフィルム制御に有効で

表2クローブとローズマリー抽出液の併用効果あることが明らかとなった。

クローブ

ローズマリーMBEC(μg/ml)MBEC(μg/ml)MBEC(μg/ml)

FIC

併用効果

大腸菌

871

>1564

435.5 / 782>0.5 and <1.0

相加

歯周病菌

435.5

195.5

217.8 / 6.1>0.5 and <1.0

相加

黄色ブドウ球菌

>1742

1564

871 / 782

>0.5 and <1.0

相加

う蝕菌

871

97.8

435.5 /1.5

0.52

相加

バイオフィルム
産生菌

クローブとローズマリーの併用

5 掲載論文Current Microbiology, Vol. 77, No. 9, pp. 24862495 (2020)- 30 -