非衣料用途展開を目指した繊維の機能発現
尿検出布おむつの開発
堂ノ脇靖已 *1

泊有佐 *1

鶴我恵子 *2

Function Producing on Fibers for Technical Textiles
Indicator Functions of a Wet on Cloth Diapers
Kiyoshi Donowaki, Arisa Tomari, Keiko Tsuruga
特別な装置が必要なく，手軽で，かつ迅速に尿が検出できる布おむつの開発を行うべく，繊維の機能化方法について検討を行った。本研究では，洗濯工程と尿のpH条件が異なることに着目して，pH8.5〜7.5の間で色彩変化し，かつ耐洗濯性を有する機能性繊維の開発を行った。具体的には，各種pH応答色素を用いて様々な繊維の染色加工試
験を実施し，この結果フェノールスルホフタレイン系のpH応答色素が絹や毛(羊毛)，ナイロンのポリアミド結合を有する繊維を染色できること，その中でも動物繊維がpH応答し，色彩変化することを明らかとした。

1 はじめに
我が国の要介護者は，2025年には2000年の80%増加し，520万人に達すると言われており，この増加に伴ってお濯水(pH 12〜7.5)と尿の(pH 7.5〜5.5)pH条件に着目し，pH応答色素を導入した繊維による尿検出方法を考案した。

むつ市場は150%増の5900億円にもなることが予想されている。現在は，おむつは使い捨てタイプの紙おむつ

尿検出糸が主流であり，使い易さなどの点で開発が進んでいる。
しかしながら，介護者の経済的負担や，近年の環境に対する意識の高まりから病院，施設では繰返し使用可
おむつパッド能な布おむつに移行する動きがある。一方，一般的に
図1

現場の介護者は数時間毎におむつの交換を行っている

尿検出おむつの商品イメージ

が，目視で判断できる場合を除いて，おむつが使用済
みか否かは素手による触感や臭いにて判断しており，

2 研究，実験方法

介護者の負担や布おむつ普及の妨げとなっている。こ2-1 pH応答色素を用いた染色試験のため，特別な装置が不要で，迅速，かつ手軽におむ

pH応答色素については，綿，ナイロン，アセテート，つ交換が判断できるような布おむつが必要となってい毛，レーヨン，アクリル，絹，ポリエステルの各種繊る。

維を染色できるかを確認した。染色は，テクサム技研

そこで図1のように，おむつパッドの中央部分に尿を(株)製

全自動工程制御システム

12色二槽式回転ポ検出できる機能性繊維の糸で縫製した，おむつと一体

ット染色試験機にて，日本工業規格JIS L 0803に規定

型の商品を想定した。ここで，この縫製糸は尿に接触された交織1号を用い，95℃，1時間で，濃度，pH，助することにより目視で判断できる色彩変化を生じるこ剤などは適時変更して行った。用いたpH応答色素と明と，かつこの色彩変化が耐洗濯性をもち，繰返し使用

らかとなっているpH変化領域を表1に示す。

できることが課題となる。しかしながら，一般に繊維2-2 物性評価試験の着色に用いられている染料は濡れなどの外的因子に2-1にて調査した後，染色できた繊維のみで再び染色

よって色彩変化することは染料本来の機能を損なうもして試験サンプルを作製した。このサンプルは，JIS Lのであり，染料とは異なった用途の色素を調査する必

0844，0848，0849の洗濯，汗，摩擦堅牢度試験にて促要があった。そこで，本研究では洗濯工程における洗進耐久試験を行った。また，pH応答変化は染色した生*1 化学繊維研究所*2 ラクーパシステム(株)地をpH 4.5，5.9，7.0，7.4，8.1，8.5に調整したリン酸二水素カリウム−リン酸水素二ナトリウム緩衝液に

それぞれ35℃，30分間浸漬させ，室温乾燥させた後に，3 結果と考察

日本電色工業(株)製 Spectro Color Meter SE2000によ3-1 染色試験結果
表1に示した各種pH応答色素を用いて，8種類の繊維

りLab表色系にて評価した。

を染色した結果，基本構造が図2のようなフェノールス
検討した pH 応答色素

ルホフタレイン系色素のNo.1，2，3，4，5，7，9，11，

試薬名

pH 応答変化

13，20，21，37，40，41，42，43がナイロン，毛，絹7(黄)-8.8(violet)のポリアミド結合をもつ繊維のみに対して染色できた。

表1
No.
1

ｸﾚｿﾞｰﾙﾚｯﾄﾞ

2ﾒﾁﾙﾁﾓｰﾙﾌﾞﾙｰ

3

p-ｷｼﾉｰﾙﾌﾞﾙｰ

4pyrocatecol vaiolet

5m-ｸﾚｿﾞｰﾙﾊﾟｰﾌﾟﾙ

6o-ｸﾚｿﾞｰﾙﾌﾀﾚｲﾝ ｺﾝﾌﾟﾚｷｿﾝ

7

ｷｼﾚﾉｰﾙｵﾚﾝｼﾞ8

ｴﾘﾓﾌﾛﾑﾌﾞﾙｰﾌﾞﾗｯｸ B

9ﾌｪﾉｰﾙﾚｯﾄﾞ10

ﾁﾓｰﾙﾌﾀﾚｲﾝ

8.8-10.5(青)11ﾁﾓｰﾙﾌﾞﾙｰ

8(黄)-9.2(赤)12ﾌｪﾉｰﾙﾌﾀﾚｲﾝ

8-10.5(青)13ｸﾛﾛﾌｪﾉｰﾙﾚｯﾄﾞ

4.8(黄)-6.7(violet)

14

o-ｸﾚｿﾞｰﾙﾌﾀﾚｲﾝ

8.2-9.8(赤)15

ﾑﾚｷｼﾄﾞ

16

Xylidine Poncean2R

17

Acid Blue 119

18

Basic Red5(Neutral Red)

この結果の一部を図3に示す。また，フェノールスルホ
フタレイン系色素はアルカリ性，中性，酸性条件のい7.4(黄)-9(violet)

ずれにおいても染着が可能であったが，特に酸性条件で濃色に染色することができた。実際には，通常行われる染色の染料条件よりも1/10の濃度で染色可能であ6.8(黄)-8.2(赤)ることがわかった。
O

OH

- 2H+
C
O
S O
O

OH

C
O
S O
O

+ 2H+

19

Basic Violet1(Methyl violet B)

20

Bromochlorophenol

21

Bromophenol Red

5.2(橙)-6.8(赤紫)22Cochineal

4.8(赤)-6.2(紫)23Cyanine

6.8-8.6(青)24Hematoxylin

5(淡黄)-6(淡紫)252-hydroxy-1-(1-hyderoxy-2-na
phtylazo)-6-nitro-4-naphtalensulfonic acid26

Indigo Carmine27

Lacmoid28

Litmus5(赤)-8(青)29Nile Blue A

10(淡青)-11(紫)30

Quinaldine Red

31

Alizarin red S

32

Nile Blue 硫酸水素塩

33

ﾊﾟﾗﾛｿﾞｰﾙ酸

34

ErythrosineB

35

2,4-ｼﾞﾆﾄﾛﾌｪﾉｰﾙ

364-ﾆﾄﾛﾌｪﾉｰﾙ

37

ﾃﾄﾗﾌﾞﾛﾓﾌｪﾉｰﾙﾌﾞﾙｰ

38

α-naphtholbenzein

39

α-ﾅﾌﾄｰﾙﾌﾀﾚｲﾝ

Blue

図2

2

1

6.8(橙)-8(淡橙)O

フェノールスルホフタレインの分子構造

3(黄)-4.6(青)ポリエステル

絹

アクリル

レーヨン

毛

アセテート

ナイロン

綿

11.4-13

交織1号

8.7(淡黄)-5(赤橙)図3

No.43 にて染色した交織 1 号

以上の結果から，図4のようにフェノールスルホフタ
レインの染着機構は動物繊維，ポリアミド繊維の染色に用いられる酸性染料の染着機構 1) に類似しており，

2.6(淡黄)-4(黄)3(黄)-4.6(青緑)

酸性条件下でポリアミド末端のアミノ基がカチオン化
することによって結合するイオン相互作用であると考
えられる。

+H+

7.8(無)-8.8(青緑)40

ﾌﾞﾛﾓｸﾚｿﾞｰﾙﾊﾟｰﾌﾟﾙ

5.2(黄)-6.8(青紫)41

ﾌﾞﾛﾓﾌｪﾉｰﾙﾌﾞﾙｰ

3(黄)-4.6(青紫)42

ﾌﾞﾛﾓｸﾚｿﾞｰﾙｸﾞﾘｰﾝ

3.8(黄)-5.4(青)43

ﾌﾞﾛﾓﾁﾓｰﾙﾌﾞﾙｰ

6(黄)-7.6(青)44ｸﾘｽﾀﾙﾊﾞｲｵﾚｯﾄ

H2N

COOH

ポリアミド繊維
図4

-H+

H3N

COOH

1 δ-

フェノールスルホフタレインのポリアミド繊維への染着機構

3-2 物性試験結果

30

W9
W13
W21
W33
W40
W43
S43

主にフェノールスルホフタレイン系色素を使ってナ堅牢度試験を行った。表2に良好な結果を得たものを示すが，ここでサンプル名のWは毛，Sは絹を，番号は表1のNo.を示す。この結果から，ナイロンは染色できるも色差/ΔE

イロン，毛，絹を再び染色し，このサンプルを用いて20

10のの，堅牢度試験に耐えるものではなかった。これらの堅牢度物性調査から，洗濯，汗，摩擦堅牢度試験が全般的に良好な色素と繊維の組み合わせは表2に示す74種類となった。

表2

0
5

6

7

8

9

ｐH

図5

pH応答色素にて染色した堅牢度試験結果

洗濯
（汚染）

汗（汚染）

摩擦（汚染）

酸

ｱﾙｶﾘ

乾

湿

Ｗ９

４

３−４

３

４−５

４

Ｗ１３

４−５

５

４−５

４−５

４

Ｗ２１

５

４−５

４−５

５

４ー５

Ｗ３３

４−５

５

４−５

４

３−４

Ｗ４０

５

５

４−５

４−５

４

Ｗ４３

５

５

４ー５

５

４

Ｓ４３

４−５

４

４

５

４

次に，これらの繊維を用いてpH応答性について検討

図6

繊維のpH応答評価結果

スケールアップしたpH応答機能加工糸を行った。結果を図5に示す。この結果，繊維に導入できたpH応答色素は，表1に示した溶液中の色彩変化領域

今回は，洗濯工程水と尿間のpH条件の違いに着目し，よりもアルカリ側にシフトし，洗濯条件をpH 8.5まで

pH 8.5〜7.5でpH応答する繊維の加工を行った。本研究で終えた場合，尿の最高pHである7.5でも最大15の色差で行ったpH応答色素の導入では，フェノールスルホフが生じることが明らかとなった。最も良好な結果を得

タレイン系色素がポリアミド結合を有する繊維に対したS43では，8.5〜7.5の間で緑〜黄色に明確に変化し，て良好な染着を示した。しかし，ナイロンでは色素の目視で確認できた。また，pH 7の人工尿(1.9%尿素，

堅牢度が低く，染着とpH応答機能の両方を発現できた

0.8%NaCl，0.1%MgCl 2 ，0.1%CaCl 2 )でも調査したところ，

繊維は動物繊維のみであり，主に羊毛で良好な結果を同様に色彩変化が確認できた。

示した。

以上の堅牢度，pH応答機能評価結果から表2に示した

このpH応答機能糸を布おむつの縫製糸として導入す

pH応答色素と繊維の組み合わせで，1kgのスケールアッることにより，おむつ自体が尿検出機能をもつことがプ試験を実施した。繊維の形態はチーズ巻き(糸状態)できる。このため，特別な作業を必要とせずオムツので，(株)ニッセン製

高温高圧チーズ染色機にて染色交換時期が判断でき，介護者の負担軽減に大きく役立した(図6)。この結果，問題なくスケールアップができ，つものと考えられる。今後は，スケールアップした機

堅牢度とpH応答も先と同様に良好であった。

能性繊維を実際のクリーニング工程にて，その耐久性の確認を行う予定である。

4 まとめ
従来，繊維の着色はpHなどの外的な因子で色彩が変化することはクレームとして扱われており，繊維加工による色彩変化機能の研究開発はほとんどない。

5 参考文献1)日本繊維工業教育研究会：色染化学2加工，p.47，実教出版

トリプトファン選択的反応による蛋白質着色技術の各種検査試薬への応用−分子量マーカーの開発−
浦川稔寛

*1

堂ノ脇靖已 *1

中野菜穂子 *2

森田博之 *3

Applications of Tryptophan Selective Reaction to Molecular Weight Marker for
SDS-PAGE
Toshihiro Urakawa, Kiyoshi Donowaki, Nahoko Nakano, Hiroyuki Morita
本研究ではタンパク質に含まれるトリプトファン(Trp)に着目し，アルデヒドとトリプトファンの特異的発色反応を応用したタンパク質着色技術の開発を目的として検討を行った。これまでの検討から，あらゆるペプチドやタン
パク質について従来の染色とは異なり，自ら発色する新規なタンパク質着色方法として適用できることを確認した。
また，発色反応に付随して，タンパク質重合体が生成することが判明した。これらの技術を応用し，各種用途への展開が期待できる分子量マーカーの開発に向けて検討を行った。その結果，発色反応で着色したタンパク質を利用して分子量15.0 KDa〜100 KDaに対応した新たなタンパク質用分子量マーカーの調製法を確立した。

1 はじめにして発色することが知られている 2) 。よって，Trpを含

ヒトゲノムの解読完了の発表が2003年4月にあり，治んだタンパク質で構成されている物質であれば着色で療薬の開発などに役に立つ遺伝子が次々と発見されてきるというコンセプトを基に，主成分がタンパク質できている。そして，ゲノムプロジェクトからゲノム上ある動物繊維の着色技術が開発された ３）。また発色反の遺伝子がコードするタンパク質の機能に関する研究

応はスキーム1の示す2段階反応によりタンパク質発色へと進みつつあり，各国で熾烈な研究競争が繰り広げ体を形成することが確認された。つまり、タンパク質られている。このような状況下，その目的とする有用中のTrp残基2分子がアルデヒド分子と結合した構造1，な機能を有するタンパク質を分析する検査・検出技術

その後の酸化反応を経てキノイド構造2を形成するこが担う役割はますます重要となってきている。

とが確認された。ついで，この着色技術を生体タンパ

タンパク質の検査方法の一つであるポリアクリルア

ク質の着色方法へと展開した ４）。本技術を利用すれば，

ミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)分析は，対象タンパク質

スタンダードとして用いられている分子量マーカーをを分析ゲル上で分子量の差を利用して分離し，解析を大量かつ安価に調製でき，またSDS-PAGEでタンパク質行う技術である。この分析では，スタンダードとしてのみを可視化する新規なタンパク質検出試薬へと適用

分子量既知のタンパク質(分子量マーカー)を同時に分できる可能性がある(図1)。

析し，目的タンパク質との比較により解析を行う。分

本稿では，SDS-PAGEへの適用に向けた可能性を探る

子量マーカーは色素や蛍光性物質，もしくは抗体に発べく，分子量マーカーとしての利用法ついて検討を行

色体を担持させた物質等を用いて化学的にタンパク質った結果について報告する。

を着色したものが多く用いられている。しかし，これらの着色工程は煩雑であり，タンパク質を個別に着色○従来の着色法
Dyeする必要があるなど，工程が複雑なため販売価格も高騰している。

ProteinProtein

一方，アミノ酸はタンパク質に必須の構成要素 1） であり，アミノ酸の一つであるトリプトファン(Trp)は反染色○本研究による着色法

応性が高く，酸性条件下でアルデヒドと選択的に結合

ProteinProtein*1 化学繊維研究所*2 九大院医学研究院臨床検査医学*3 （株）ナインラボ

Dye

芳香族アルデヒド

発色

図1 タンパク質の着色方法

タンパク質を室温，4℃，-40℃の環境下で管理し，各条件におけるタンパク質状態の経時変化を調製時からNH

peptideHN

4-ジメチルアミノベンズアルデヒド，②フルフラール，

peptideNH

6ヶ月間観察した。なお着色タンパク質の調製には，①

＋

R

O
R

N

CHO

O

③バニリン，④シリンガアルデヒドの4種のアルデヒド

アルデヒド

タンパク質中の Trp

でそ れ ぞれ 処 理し た リゾ チ ーム を 用い て 実験 を 行った。

N

2-3 重合体比の調整
peptidepeptideAcid

発色反応により生成する着色タンパク質は単量体と

R

R
O

O

多量体の混合物であり，その存在比は不均一である。

HN

NH

このため，着色反応後のタンパク質をそのまま分子量

O

NH HN

O

構造1

HN

R

マーカーとして用いる場合には不都合が生じる。そこ

peptideで，以下に示す方法で重合体存在比を均一化する方法

RNH
peptideについて検討を行った。

N
peptidepeptideR

R成を抑制する

O

O

Ⅱ.重合体を分画・再調整する

NH

HN
O

NH HN

O
R

R

スキーム 1

構造2

詳細は，Ⅰでは反応中におけるタンパク質，及びアルデヒドの濃度を変化させた実験を行い，重合体生成

HN

NH
peptideⅠ.反応条件を操作することでタンパク質重合体の生

peptide

量の制御効果を検討した。また，Ⅱではポリアクリル
アミドを基材とした分離ゲルを充填剤に用いたカラム

Trp 発色反応式

分画を行い，発色反応後の重合化した着色タンパク質

2 実験方法

混合物を分子量ごとに分画して再調合することで存在

2-1 各種タンパク質の着色試験

比を一定化させる方法を試みた。

分 子 構 造 中 に Trp を 含 む タ ン パ ク 質 と し て ，Lactoferrin,

Papain,Carbonic

anhydrase,

Subtilisin A, IgG( ウ サ ギ 血 清 由 来 ), Cytocrom C,

3 結果と考察3-1 各種タンパク質の着色試験

Lysozymeを選択し，4-ジメチルベンズアルデヒドを用

Trp発色反応を利用したタンパク質の着色には，スキ

いて着色化を行い，各タンパク質の着色体(以下，着色ーム1に示すとおりTrpの存在が不可欠である。この事

タンパク質)を調製した。

は，分子内に6残基のトリプトファンを有するリゾチー

着色は，各粉体タンパク質を酸処理で溶液化した後，ムと，それをまったく有しないヒルジン変異体タンパ

各種アルデヒドを加えて反応を行った。着色の確認とクとの着色比較実験 4) からも明らかである。そこで，評価は，反応溶液の吸光度を測定して行った。また，

リゾチーム以外へも着色反応を適用できるか確認する

発色強度評価は，反応溶液について可視光域の極大吸目 的 で リ ゾ チ ー ム (Lysozyme) の 他 に Lactoferrin,

収波長における吸光度を比較して評価を行った。さらPapain, Carbonic anhydrase, Subtilisin A, IgG(ウに，発色性が良好なタンパク質については，SDS-PAGE

サギ血清由来), Cytocrome Cを選択し，着色化実験をによる機能性確認を行った。測定は，吸光度評価には行った。

島 津 製 作 所 社 製 ， 紫 外 可 視 分 光 光 度 計 UV-2400 ，
SDS-PAGE評価にはBIO-RAD社製Mini-PROTEAN®

3Cellお着色試験の結果，ほぼ無色であった各タンパク質は反応が進行するにしたがって視覚的に発色が確認され，よびPowerPac Basic™ を用いて行った。

スペクトル測定の結果からも，可視光域に吸収帯が出

2-2 安定性確認実験

現し，タンパク質内で発色反応が進行していることを実験条件は，溶液，および粉末状態に調製した着色示す結果が得られた。各タンパク質の可視光域における極大吸収波長(λmax)，及びリゾチームの発色に対す副生成物の発生が懸念され，着色後の保存管理方法にる発色強度比を表1に示す。

ついて検討する必要性がある。そこで，水溶液，及び粉末状態の着色リゾチームを各温度で6ヶ月間保存した後，SDS-PAGEにより分析し，分解物の発生状況の確

表 1 着色試験結果
Proteinλmax (nm)発色強度比

認を行った。各管理状態における6ヶ月後の測定結果を

Lactoferrin

589

0.47

図3に示す。なお，①から④の番号は修飾したアルデヒ

Papain591

0.47

Carbonic anhydrase

587

0.48

Subtilisin A

546

0.03

IgG

545

0.19

Cytocrome C

546

0.15

Lysozyme

600

1.00

ド，Mは市販マーカーを示している。

保存環境

M ①②③④ ①②③④

室温

水溶液

粉末

以上の結果より，これまで着色が確認されたリゾチ①②③④ ①②③④

ーム以外にもTrpを含む多くのタンパク質において，Trp発色反応を利用したタンパク質の着色が適用でき
ることが確認された。次に発色性が良好な，

4℃

Lactoferrin, Papain,及びLysozymeの発色体を用いてSDS-PAGEの測定を行った。結果を図2に示す。
水溶液
1

粉末

2 3

kDa
79.9
38.4
31.2
17.5

①②③④ ①②③④
1. Lactoferrin

2. Papain-40℃

3. Lysozyme

粉末

水溶液

図2 発色タンパク質のSDS-PAGE結果
図36 ヶ月安定性確認試験結果

測定の結果，3種のタンパク質は染色することなく，その存在を視覚的に認識でき，SDS-PAGEへと適用でき測定の結果，室温，4℃，-40℃の環境下，溶液状態，

ることを確認した。

および粉末状態で保存した着色リゾチームはいずれの3-2 安定性確認実験

条件でも分解物に由来する新たなバンドは観測されず，

タンパク質は一般的に不安定な物質であり，保存状

分解物の発生は確認されなかった。以上の結果から，態によっては分解を起こすことがある。一方，Trp発色リゾチームを用いて調製した着色リゾチームは，通常反応により生成した着色タンパク質は，有機化学的処考えられる管理状態では分解などの悪影響はまったく理を施されていることから，変性されて本来とは異な起こらず，長期間安定的に保存できることを確認した。

った構造の物質となっている。この為，着色タンパク

3-3 重合体比の調整

質では構造がさらに不安定化されることが予想される。

Trp発色反応を利用したタンパク質の発色反応は，ス

よって，反応中，および保存状態により分解物などのキーム1に示すとおり，アルデヒド1分子に対してTrp2

分子が反応する。よって，複数のTrpを有するタンパク

る評価でも視認性が低下した。これは発色強度がタン質では，分子内に留まらず分子間においても反応が進

パク質構造中に含まれるTrp量に依存していることか

行し，その結果タンパク質の重合体が生成する。このら生じる現象である。この事から，Trp発色反応を利用ため，発色反応により生成する単量体と多量体混合物

した分子量マーカーの開発ではTrp含有率の高いタンは，その生成比が不均一であるため，そのまま分子量パク質の選択が必要となることが分かった。また，保マーカーとして応用することは不都合であった。そこ

存安定性については，着色リゾチームは通常考えられで，Ⅰ.タンパク質重合体の生成を抑制するように制御る条件において，分解物などの発生が確認されず安定する方法，およびⅡ. 分画による調整で混合比を均一に保存できることを確認した。さらに，着色と同時に化する方法について検討を行った。

生成する複数の重合体の存在比均一化のための制御方

Ⅰ．反応条件による制御法を確立した。

反応条件による重合体制御方法について検討を行っ

以上の結果より，Trp発色技術を利用した新たなタンた。その結果，反応中のアルデヒド濃度を滴下によるパク質分子量マーカー調製手段が確立し，動物繊維着添加で制御し，徐々に反応を行うことで，モノマーお色技術から新たな利用分野への展開が可能となった。

よび二量体の生成量が増加し，多量体の生成を抑制できることが分かった。結果を図4に示す(制御前：①,

5 参考文献

制御後：②)。

1)Donald Voet: ヴォート生化学(上), p.152, 東京化

Ⅱ．分画による調整

学同人(1996)

発色反応により生成した重合体混合物を分離ゲルを用いて分画し，分子量ごとに回収を行った。次に回収した画分を再調合した。この方法により，各分子量バンドの濃度を均一化することが可能となった。結果を図4に示す(分画前：③,

調整後：④)。

2) 小 倉 克 之 : 有 機 人 名 反 応 , p.185-186, 朝 倉 書 店(1999)
3)堂ノ脇靖已: 福岡県工業技術センター平成13年度研究報告，No.12，p.1-4(2002)4)浦川稔寛: 福岡県工業技術センター平成14年度研究報告，No.13，p.9-12(2003)

Ⅰ．反応による制御①

Ⅱ．分画による調整
③ ④

②

増加

増加

増加

図4 各種重合体量の制御結果

4 まとめ
Trp発色反応を利用したタンパク質の着色方法はTrp含む多くのタンパク質に適用可能な着色方法であることが明らかとなった。しかし，3-1で示したように，
LactoferrinやPapainなどはLysozymeより発色強度が乏しく吸光度による評価では約1/2以下，SDS-PAGEによ高感度フォトクロミック色素の開発
フォトクロミック材料の簡易合成法の開発
山口忠承

*1

藤田祐史 *1

大﨑徹郎 *1

野見山加寿子 *1

入江正浩 *2

Development of High Sensitive Photochromic System
Development of Simple Synthetic Method of Photochromic Compound
Tadatsugu Yamaguchi, Yuji Fujita, Tetsuro Osaki, Kazuko Nomiyama, Masahiro Irie
フォトクロミック色素であるジアリールエテン誘導体は，両異性体の熱安定性，繰り返し耐久性にすぐれている
ことから，次世代の光メモリ材料や光の量を検知する材料として期待されている。本研究では，一段階で合成が可能な新規フォトクロミック化合物を開発した。この化合物は良好な光応答性を示し，熱的安定性と繰り返し耐久性を有することが確認できた。

1 はじめに
情報記録の高度化に伴い，磁性材料から光記録材料

R2R5へのシフトが始まっている。現在，1回だけ書き込み可
能なCD-RやDVD-R，何度でも書き換え可能なDVD-RAMや青色レーザーによって情報を書き込むBlue-rayディス

R3

X

R4

R5
R1

X

R6

R3

X

X

R4

R6

閉環体
（シクロヘキサジエン構造）

開環体（ヘキサトリエン構造）

図1

ク等が市販されている。

R2

R1

ジアリールエテンのフォトクロミック反応

何度でも書き換え可能な光記録材料の候補として，
ジアリールエテン誘導体がある(図1)。この誘導体は，

では，市販試薬を混合するだけで簡単かつ短時間で合光照射により可逆に2つの構造異性体が生成すること成可能である。本報告では，2-アリール-3-(1-プロペ

1)が知られている 。この材料はメモリ材料として求めニル)マレイン酸無水物の合成方法とそのフォトクロられる高速応答性，熱的安定性，繰り返し耐久性等のミック反応性(図2)について報告する。

要件を全て満たしている。さらに，この誘導体の中には3次元情報記録に必要な2光子フォトクロミック反応

O

O

O

O

O

O

400 nmを示すものも確認されており，現在市販されている媒体を上回る記録密度を有する媒体となる可能性を有しXている。このような優れた性能は，光照射によって生成するヘキサトリエン，シクロヘキサジエン構造の可逆な電子環状変化に基づいている。この環化反応を自在に制御できる系が構築できれば，ジアリールエテン

Y>500 nm

1a: X=NCH3; Y=Me
2a: X=S; Y=OMe

図2

X

Y

1b: X=NCH3; Y=Me
2b: X=S; Y=OMe

マレイン酸無水物のフォトクロミック反応

誘導体でなくても光メモリ材料等に適用可能な材料が2 研究，実験方法提供できるものと考えられる。
昨年度，ジアリールエテン誘導体の合成中間体がこのようなヘキサトリエン，シクロヘキサジエン構造異2)性を示すことを報告した 。これにより安価にフォト
クロミック色素を供給できることが示された。本年度
は，さらに検討を進め，一段階で合成可能なフォトク
3)

ロミックマレイン酸無水物の開発に成功した 。本法*1 化学繊維研究所*2 九州大学

フォトクロミックマレイン酸無水物誘導体の合成ス
キームをスキーム1に示す。
1aの原料である1,2-ジメチルインドールと3-ペンテン酸は精製なしで用いた。
1,2-ジメチルインドール600mg(4.1mmol)をジクロロ
メタン7mlに溶解し，0.36ml(4.1mmol)のオキザリルク
ロリドを5℃で加えた。3-ペンテン酸410mg(4.1mmol)と1.2mlのトリエチルアミンを先ほど調整した溶液に加えた。反応混合物を1.5時間撹拌した後，溶媒を減圧0.6留去した。残渣をシリカゲルカラム(展開溶媒：クロロ２ａ（開環体）2aは，原料として1,2-ジメチルインドールの代わりに2-メトキシベンゾチオフェンを用い同様な手法で合
成した。
O

O

O

Absorbanceホルム)で精製し1aを得た(収率47％)。

２ｂ（閉環体）

0.4

光定常状態

0.2

1) (COCl)22) 3-pentenoic acid

N

0.0
300

N

(47%)

400

1a
O

O

S

OMe
2a

600

500

700

Wavelength / nmO

図42aの吸収スペクトル

1) (COCl)2S

OMe

2) 3-pentenoic acid
(66%)

スキーム1

マレイン酸無水物1a，2aの合成法

この閉環体は，デカリン中80℃で1日以上安定であった。また，開環−閉環反応は10回以上繰り返し可能であることを確認した。
表1に両化合物の開環体，閉環体の吸収極大波長と吸光係数，及び量子収率を示す。

3 結果と考察
化合物1aのヘキサン溶液中での吸収スペクトルを図

表1

3に示す。

1，2のフォトクロミック特性

e/103 dm3 mol-1cm-10.5a１ａ（開環体）0.4

Absorbance

量子収率

化合物

１ｂ（閉環体）

光閉環

光開環

1

7.18
7.31
(436 nm) (492nm)

0.10(400 nm)0.32(492 nm)

2

4.86
4.40
(411 nm) (438 nm)

0.035(400nm)0.23(450 nm)

光定常状態

0.3

b

0.2
0.1

化合物1の光閉環量子収率は0.10であり，ジアリール
エテン誘導体である2,3-ビス(2,4,5-トリメチルチオ

0.0
300

400

500

600

700

Wavelength / nm
図31aの吸収スペクトル

フェン-3-イル)マレイン酸無水物が0.12であることか
ら，ほぼ同じ値となっている。一方，光開環量子収率は0.32であり，これは2,3-ビス(2,4,5-トリメチルチオ
フェン-3-イル)マレイン酸無水物のそれ(0.16)より高2aも1aと同様にヘキサン溶液中で紫外光と可視光照射によりフォトクロミック反応を示した。結果を図4に示す。2bへの異性化率は26％である。

い値となった。
化合物2では光閉環量子収率(0.035)が光開環量子収率(0.23)より小さくなっている。反応点がメトキシ基のジアリールエテン誘導体の場合，光閉環量子収率が光開環量子収率より大きくなることが知られている。
これから，2-アリール‐3-(1-プロペニル)マレイン酸
無水物では，その光異性化の傾向が異なることが確認できた。

4 まとめ
一段階で合成可能なフォトクロミックマレイン酸無水物誘導体の合成法を確立した。反応は，市販試薬を原料として数時間以内で行うことができた。光照射により生成した閉環体(着色体)は熱的に安定で，繰り返し耐久性も示した。このフォトクロミックマレイン酸
無水物誘導体は，熱不可逆というメモリ性材料に必要な性能を有しており，このような化合物の簡易合成法の開発が，これら光記録材料の実用化に大いに役立つものと考えている。

5 参考文献1)M.Irie：Chem.Rev.,Vol.100，p.1685(2000)
2)山口忠承，藤田祐史，入江正浩：福岡県工業技術センター研究報告，No.14，p.18(2004)
3)T.Yamaguchi,
p.64(2005)

M.Irie:Chem.Lett. ， Vol.34 ，

ゾルゲル法による PZT 薄膜の作製と配向制御
藤吉国孝 *1

有村雅司 *1

牧野晃久 *1

山下洋子 *1

Preparation and Characterization of Orientation-controlled PZT Thin Films
by Sol-gel Method
Kunitaka Fujiyoshi, Masashi Arimura, Teruhisa Makino, Yoko Yamashita
強誘電体材料として不揮発性メモリー等への応用が期待されるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜を，表面を白金で被覆しておいたシリコン基板(Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si)上に，ゾルゲル液を塗布・熱処理することで作製した。この際,赤外線加熱炉を用いて急速加熱すると，管状炉を用いて熱処理した場合に比べて(001)/(100)に大きく配向したPZT 薄 膜 が 得 ら れ た 。 ま た ， 予 め チ タ ン 酸 バ リ ウ ム の ナ ノ 結 晶 粒 子 の シ ー ド 層 を 表 面 に 形 成 さ せ て お い た
Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板上にPZT薄膜を成膜し，赤外線加熱炉を用いて急速加熱を行うと，(101)/(110)に大きく配向したPZT薄膜が得られた。

では，高濃度ゾルゲル法で合成したBaTiO 3 ナノ結晶粒

1 はじめにチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)はペロブスカイト構造

子を有機溶媒中に分散させ，この分散溶液をを有する代表的な強誘電体材料であり，その圧電性をPt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板上に塗布してBaTiO 3 シード層利用して，着火素子，アクチュエータ，圧力センサ等を形成させ，その上にゾルゲル法でPZT薄膜を作製・急の分野で利用されている。また多くの場合，PZTは薄膜

速加熱処理することで，PZT薄膜の配向を制御することの形で利用され，不揮発性メモリー，圧電デバイスやを検討した。また，比較のために，通常の管状炉を用

光学デバイスなどの各種デバイスへの応用が期待されいた熱処理及び赤外線加熱炉を用いた急速加熱処理にている。

よるPZT薄膜作製も行ったので併せて報告する。

この様なデバイス化の観点からは，高価な単結晶基板ではなく，安価で大面積化が容易なシリコン上へPZT

2 研究，実験方法

薄膜を作製することが望まれている。また，薄膜作製

2-1 チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜の作製方法についても，高額な装置を必要とするMOCVD法やス

2-1-1 試薬・装置等

パッタリング法等の気相法ではなく，簡便なゾルゲル

PZT薄膜作製用のゾルゲル溶液としては，(株)高純度
化学研究所製のディップコート剤 PZT-10を用い，基板法等の液相法の方が好ましいと思われる。
ところで，PZTの圧電定数は膜の配向方向によって大には，Pt(111)/Ti/SiO 2 /Siを用いた。スピンコーター

きく異なるため，PZT薄膜の電気特性の面内のばらつきにはミカサ(株)製1H-DX2を用い，管状炉には(株)いすを抑えて信頼性を向上させるためには，PZT薄膜の配向

ゞ製作所製 高温度管状炉KRB-24HHと全自動温度制御と結晶粒径の制御が重要であると言われている。これ

装置UT-21Hを用い，赤外線加熱炉には(株)サーモ理工までPZT薄膜を配向制御する方法としては，PbTiO 3 ，製 赤外線加熱炉IVF-298と温度制御装置TC20-Tを用い

TiO 2 等の低誘電率緩衝層を電極上に堆積させる方法

1)や， シ ード 層 とし て 微量 の チタ ン 酸ス ト ロン チ ウム

た。
2-1-2 チタン酸バリウム(BaTiO 3 )シード層の作製(SrTiO 3 )を成膜しておいた白金基板上に，MOCVD法(有前報 3) に従い，2mol/m 3 のBaTiO 3 ナノ結晶粒子分散溶機金属気相成長法)でPZTを成膜し，その後アニーリン

液を調製した。この液をPt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板上に2)グする方法 などが検討されている。
一方，我々はこれまで，高濃度ゾルゲル法と呼ばれる直径10nm程度のチタン酸バリウム(BaTiO 3 )結晶粒子
3)の低温合成法について検討してきた 。そこで本研究*1 化学繊維研究所

3000rpm×30sスピンコートし，BaTiO 3 シード層を作製した。
2-1-3 管状炉焼成によるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜の作製
PZT 薄 膜 作 製 用 ゾ ル ゲ ル 液 (PZT-10) を ，

80

第二段：3000rpm×30sの条件でスピンコートし，(株)-560

ヤマト製オーブンDK600Tを用いて150℃で5分間プリベ

-10

40

-15

20

-20

0

2-1-4 赤 外 線 加 熱 炉 焼 成 によるチタン酸 ジルコン酸 鉛

-25

-20

(PZT)薄膜の作製

-30

-40

ークを行った。この操作を3回繰り返した後，管状炉を用いて所定温度で1時間熱処理し，PZT薄膜を作製した。

PZT 薄 膜 作 製 用 ゾ ル ゲ ル 液 (PZT-10) を ，

-60

-35
0

Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si上に滴下し，第一段：1000rpm×5s，DTA（μV）

0

TG（％）

Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si上に滴下し，第一段：1000rpm×5s，

200

400

600

800

Temperature（℃）

第二段：3000rpm×30sの条件でスピンコートし，赤外

図1線加熱炉を用いて所定温度で1分間熱処理を行った。こ定結果

PZT薄膜作製用ゾルゲル液中固形分のTG−DTA測の操作を3回繰り返すことで，PZT薄膜を作製した。
150℃

2-2 示差熱・熱重量同時測定(TG-DTA 測定)

滴下し，110℃で乾燥させた。得られた固形分について，
セ イ コ ー 電 子 工 業 (株 )製 熱 分 析 シ ス テ ムSSC5200のTG/DTA320を用いて，150mL/min空気気流下，昇温速度
10℃/minで示差熱・熱重量同時測定(TG-DTA)測定を行

Reflectance (a.u.)

PZT薄膜作製用ゾルゲル液(PZT-10)を，白金容器中に
400℃
500℃
600℃
700℃

った。
2-3 X 線回折(XRD)測定，赤外吸収スペクトル(IR)測定作製したPZT薄膜について，マックサイエンス(株)

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

Wavenumbers(cm−1)

製 MXP18Aを用いてX線回折(XRD)測定，サーモニコレー・ジャパン(株)製 フーリエ変換赤外分光光度計

図2

熱処理によるPZT薄膜の反射型FT-IRスペクトル

MAGNA-IR560，顕微IR Centaurμsを用いて，反射モーの変化

ドで赤外吸収スペクトル(FT-IR)測定を行った。

150℃で乾燥させただけのPZT薄膜では，1400cm -1 〜
3 結果と考察

1600cm -1 と2800cm -1 〜3000cm -1 に有機物に由来する吸3-1 ＰＺＴ薄膜作製用ゾルゲル溶液の TG-DTA 測定

収，並びに，3000cm -1 〜3700cm -1 に水酸基に由来する

PZT薄膜作製用のゾルゲル塗布溶液を110℃に設定しブロードな吸収が見られた。この薄膜を400℃以上の温たオーブン中で乾燥させ，得られた固形分について，

度で熱処理すると，1400cm -1 〜1600cm -1 と2800cm -1 〜

TG-DTA測定を行った。その結果(図1)，150℃〜350℃で3000cm -1 のピークが消失していることから，薄膜中の発熱反応を伴う大きな重量減少が見られた。これは有有 機 物 が 燃 焼 し た と 考 え ら れ る 。 ま た ， 3000cm -1 〜

機物の燃焼によるものと考えられる。また，490℃〜600

3700cm -1 の吸収は，400℃では僅かに見られるが500℃℃の領域にも重量減少が見られた。これは，後述する

以上では消失しており，500℃以上では水や水酸基をほ

赤外吸収スペクトルの測定結果から考えると，薄膜中とんど含有していないと考えられる。

の吸着水や残存水酸基の脱離によるものと考えられる。

3-3 管状炉での熱処理によるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)

3-2 熱処理によるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜の赤外

薄膜のＸ線回折(XRD)パターンの変化

吸収スペクトルの変化
150℃のオーブンで乾燥させただけのPZT薄膜および，150℃のオーブンで乾燥させただけのPZT薄膜および，管状炉を用いて400℃，500℃，600℃，700℃の各温度

管状炉を用いて400℃，500℃，600℃，700℃の各温度

で1時間熱処理して作製したPZT薄膜について，XRD測定

で1時間熱処理して作製したPZT薄膜について，反射型

を 行 っ た 。 得 ら れ た 回 折 パ タ ー ン に は ， PZT とFT-IR測定を行った(図2)。

Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板に由来するピークが見られた

来のピークがわずかに見られる程度であるが，600℃以
上ではPZT由来のピーク強度が増大しており，PZTの結PZT(101)(110)

700℃
600℃

700℃

PZT(112)(211)500℃

PZT(002)(200)Intensity (a.u.)

PZT(001)(100)晶化が進行していることがわかった。

Intensity (a.u.)ていないことが分かる。熱処理温度が500℃ではPZT由PZT(002)(200)

とんどみられず，400℃以下ではPZTへの結晶化は起き

PZT(001)(100)(図3)。熱処理温度が400℃まではPZT由来のピークはほ

150℃
20

図4
600℃

30

40

2θ（degree）

50

60

赤外線加熱炉での熱処理によるPZT薄膜のXRDパターンの変化(●：Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板)

40

50

60

2θ（degree）
図3

管状炉での熱処理によるPZT薄膜のXRDパターンの変化(●：Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板)

PZT (112)(211)30

PZT (002)(200)20

Intensity (a.u.)

150℃

PZT (101)(110)400℃

PZT (001)(100)

500℃

(a)

(b)

3-4 赤外線加熱炉での熱処理によるチタン酸ジルコン酸
鉛(PZT)薄膜のＸ線回折(XRD)パターンの変化

20

次に，赤外線加熱炉を用いて熱処理した場合にも同様にXRD測定を行い，PZT薄膜構造について検討した。
赤外線加熱炉を用いて 500℃，600℃，700℃の各温度で作製した PZT 薄膜について，XRD 測定を行った。

図5

30

40

2θ（degree）

50

60

熱処理条件によるPZT薄膜のXRDパターンの変化(●：Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板)；(a)700℃管状炉熱処
理品，(b)700℃赤外線加熱炉熱処理品得られた回折パターンを図 4 に示す。熱処理温度が 500℃までは PZT 由来のピークはほとんどみられないが，3-5 BaTiO 3 シード層を設けた場合の赤外線加熱炉熱処

熱処理温度が 600℃以上では，PZT 由来のピークが顕著

理によるPZT薄膜のXRDパターンの変化に現れた。

高濃度ゾルゲル法で合成したチタン酸バリウム

ここで，管状炉 700℃熱処理品と赤外線加熱炉 700(BaTiO 3 )のナノ結晶粒子でシード層を形成させ，その℃熱処理品の XRD パターンを図 5 にまとめて比較する。

上にゾルゲル法でPZT薄膜を作製することでPZT薄膜の赤外線加熱炉で熱処理した PZT 薄膜の XRD パターンは，配向を制御することを検討した。

管状炉で熱処理した PZT 薄膜の XRD パターンと比較しまず，Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板上にBaTiO 3 ナノ結晶て，2θ=22°付近のピークと 2θ=45°付近のピークが粒 子 の シ ー ド 層 を 形 成 さ せ XRD 測 定 を 行 っ た が ，極端に大きくなっている。これは，赤外線加熱炉で熱Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板に由来するピークしか認めら処理することにより，PZT が(001)/(100)，(002)/(200)れなかった(図 6(b))。これは，BaTiO 3 シード層が非常の特定方向に大きく配向したためと考えられる。

に薄いためと考えられる。BaTiO 3 シード層上に作製したPZT薄膜(図 6(a))は，管状炉で熱処理した場合(図6(d))や，表面にBaTiO 3 シード層が無い基板を用いて赤外線加熱炉で熱処理した場合(図 6(c))と比較して，2
θ=31°付近の(101)/(110)のピークが極端に大きくなっている。これは，シード層として使用しているBaTiO 3結晶粒子も 2θ=31°付近にメインピークを有することから，本シード層の影響でPZTが(101)/(110)に配向しPZT (112)(211)

PZT (002)(200)PZT (101)(110)PZT (001)(100)Intensity (a.u.)

たのではないかと推察される。

(a)
(b)
(c)
(d)

20

30

40

50

60

2θ(degree）
図6

熱処理条件等によるPZT薄膜のXRDパターンの変化(●：Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板)(a)BaTiO 3 シード層有り700℃赤外線加熱炉熱処理品，(b)BaTiO 3 シード層のみ，(c)BaTiO 3 シード層無し700℃
赤外線加熱炉熱処理品，(d)700℃管状炉熱処理品

4 まとめ
Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基板上にゾルゲル液を塗布・熱処理してチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)薄膜を作製した。
この際，赤外線加熱炉を用いて急速加熱すると，(001)/(100)に配向したPZT薄膜が得られた。また，予めチタン酸バリウムのナノ結晶粒子のシード層を表面に 形 成 さ せ て お い た Pt(111)/Ti/SiO 2 /Si基 板 上 に PZT
薄膜を成膜し，赤外線加熱炉を用いて急速加熱処理を行うと，(101)/(110)に配向したPZT薄膜が得られた。
この様に，表面状態を変えた基板上にPZT薄膜を成膜し赤外線加熱炉で熱処理することで，PZT薄膜の配向を制御することができた。

5 参考文献1)櫻井敦，中磯俊幸，西田邦雄，安藤陽，坂部行雄：
第23回電子材料研究討論会講演予稿集，p.34(2003)

2)田澤祥吾，脇谷尚樹，篠崎和夫，水谷惟恭：第23回
電子材料研究討論会講演予稿集，p.34(2003)
3)桑原誠，倉田奈津子，緒方道子，山下洋子，有村雅
司：セラミックス，36[6]，p.415-416(2001)

強磁場を利用した酸化チタンセラミックスの作製牧野晃久 *1

田中諭 *2

植松敬三 *2

Fabrication of Titanium Oxide Ceramics Using a High Magnetic Field
Teruhisa Makino, Satoshi Tanaka, Keizo Uematsu
外部場を利用した材料プロセッシングについての研究が盛んに行われており，磁場を利用したプロセスについて
も，磁石の高磁力化により非磁性体でも完全対称系以外の結晶構造を有した材料であれば配向するという興味深い現象が見出された。本研究では非磁性体であるルチル型酸化チタンを強磁場下で作製した。その結果，(111)及び(112)に配向した焼結体が得られた。非磁性体の配向を成功させるためには，粒子を所望の結晶構造，粒子形状にするための粒子合成技術や，粒子を磁場に応じて回転させるための粒子分散技術が重要である。また，得られた酸化チタンの光触媒としての機能性を調査した結果，ルチル型酸化チタンとして高い光触媒活性を有していた。

するとともに特性安定性が高くなることが報告されて

1 はじめにセラミック製品は原料粉末を混合し，所望の形状にいる 2) 。また，金属材料は相変態温度，析出物形態が成形した後，高温での焼結を経るプロセスによって製変化することや，粒界偏析が抑制されること，組織制造される。従来，セラミック製造プロセスは温度場，御可能であることが報告されている 3) 。セラミックス

圧力場，応力場などを利用したプロセスであったが，についてはアルミナ 4) や酸化亜鉛 5) ，層状ペロブスカイ

最近では超音波やマイクロ波，電場，磁場などの外部

ト 6) などが特定の結晶面に配向することが報告されて場を利用したプロセスが研究され，従来技術では限界いる。

になりつつある材料諸物性の飛躍的向上が期待されて本研究では，酸化チタンセラミックスを強磁場下でいる。磁場については，超伝導磁石などの開発による作製することを試みた。また，得られた酸化チタンセ

高磁力化が進んだ結果，非磁性体でも完全対称系以外

ラミックスの光触媒としての機能性を調査した。

の結晶構造を有した材料であれば配向するという興味深い現象が見出され，様々な研究が行われている。
磁石が物質を引き付ける力である磁化力Ｆは(1)式に示すように物質固有の磁化率χに比例し，磁束密度B1)の2乗に比例する 。

Ｆ ＝(χ/μ m0 )(B ･∇)B ∝χＢ

2 実験方法2-1 酸化チタン焼結体の作製
表1に示す2種類の市販ルチル型酸化チタンを原料として用い，蒸留水を溶媒として酸化チタンスラリーを2(1)調製した。また，分散剤としてポリアクリル酸アンモ

ここで， μ m0 は真空の透磁率である。普段使われる永ニウムを用い，酸化チタンに対して所定量添加した。

久磁石の磁束密度は0.01Ｔ(テスラ)であり，その永久

このスラリーをジルコニア製ミルポット容器内に充填

磁石 に引 き 付 けら れる 鉄 な どの 磁性 物 質 の磁 化率 はし， ジル コ ニ ア製 ボー ル を メデ ィア と し て遊 星ミ ル

10 3 程度である。一方，永久磁石に付かない非磁性物質(FRITSCH製 pulverisette6)を用いて混合した。混合し-3の磁化率は10 程度であり，磁性物質の磁化率に比べ6たスラリーは精密回転粘度計(HAAKE製 VT550)を用いて10 倍低い。しかしながら，高磁力化に伴い10Ｔの磁て3000sec -1 のせん断速度まで粘度測定を行い，キャッ束密度が得られるようなった結果，10 6 倍の磁化力が得

ソンプロットから見かけ粘度及び降伏強度を求めて分られるようになった。これにより，非磁性物質の低い

散性の指標とした。

磁化率を補うことができるようになり，非磁性物質でも磁場に引き付けられるようになった。
高分子材料は配向によって機械的，熱的特性が向上*1 化学繊維研究所*2 長岡技術科学大学

成型体は#400ナイロンメッシュにてコンタミネーシ
ョンを除去し，25mmΦのポリエチレン製モールドに5ml鋳込んだ後，10Tの磁場強度下に静置し自然乾燥させる
ことにより得た。
焼成は昇降温速度を5℃/minとして大気中1500℃で2

6
1/2

(Pa )

時間保持した。焼結体はX線回折(マックサイエンス製

4ルチル型酸化チタン原料粉末

グレード

純度(%)

平均粒径(µm)

製造元

PT-301

99.9

0.24

石原産業

ルチル

99.99

2

高純度化学

(Shear stress)

表1

0.24μm
2μm
Al2O3

5

1/2

M03XHF22)により焼結体の配向を確認した。

3
2
1
0
0

2-2 光触媒活性評価

10

30
1/2

(Shear rate)

作製した焼結体の光触媒活性は，光触媒製品技術協
議会のメチレンブルー分解試験に従って評価した。試

20

図1

40

50

-1/2

(sec

)

酸化チタンスラリーのキャッソンプロット

験は，強磁場を印加して作製したルチル型酸化チタン
とともに，比較として強磁場を印加せずに作製したル3-2 酸化チタン焼結体の磁場配向結果

チル型酸化チタンと市販のアナターゼ型酸化チタンコ

図 2は 平 均 粒 径 0.24µmの 原 料 を 用 い た 焼 結 体 の XRDーティング剤について行った。焼結体を鏡面研磨し，プロファイルである。磁場を印加した焼結体は，磁場その上にモールドを接着した。0.02mmol/Lに調製したと平行方向に(112)及び(111)のピークが高くなってお

メチレンブルー溶液で予備吸着を行いモールド内をメ

り，その他のピークはほとんど見られない配向性の高チレンブルーの飽和状態にした後，0.01mmol/Lのメチ

い焼結体が得られた。これに対し，磁場と垂直方向に

レンブルー溶液を用いて分解試験を行った。試験は波は複数のピークが観察され，磁場を印加していないサ

長352nmのブラックライトを1mW/cm 2 の強度になるようンプルに比べて(110)，(210)，(220)，(310)のピークにし，所定の時間間隔で液を分取し，波長664nmにおけが高くなった。図3(A)にルチル型酸化チタンの結晶構る吸光度を吸光光度計(島津製作所製UV-1200)により造の模式図を示す。ルチル型酸化チタンはa,b軸が4.58

測定し，基準物質との差により評価した。

Å，c軸が2.95Åの正方晶で，TiO 6 八面体の2稜が共有されc軸方向に鎖状に伸びた構造である。今回作製した3 結果と考察

焼結体の配向面である(112)及び(111)はTiO 6 八面体の3-1 酸化チタンスラリーの調製一面であり，図3(B)に示した方向に配向していると考

図1は酸化チタンスラリー粘度測定結果をキャッソえられる。

ンプロットしたものである。併せて磁場配向に成功しンスラリーもニュートニアンに近い挙動を示し，粘度はおよそ5mPa･s，降伏強度は0.3Pa程度であった。磁場

磁場 0T
Intensity (a.u.)

たアルミナスラリーの結果を示す。いずれの酸化チタ配向に成功したアルミナのスラリー粘度は5mPa･s，降ほぼ同等であり，降伏強度は低い値であった。磁場配30
磁場 10T

Intensity (a.u.)

伏強度は5Pa程度であり，酸化チタンスラリーの粘度は

20

40

50

60

2theta / degrees

70

80

測定方向

(112)

(111)

磁場印加方向向を成功させるためには，各粒子が磁場に応じて回転
20 磁場 3010T

回転の抵抗を低くする(粘度を低くする)ことが重要であり，スラリーの粘度及び降伏強度をその指標として考えた場合，本研究における酸化チタンスラリーは配

Intensity (a.u.)

できることが重要である。すなわち磁場印加時に粒子

(110)

40

50

60

70

80

2theta / degrees

測定方向

(310)
(220)

(210)

20

向可能であると考えられる。

30

40

50

60

磁場印加方向70

80

2theta / degrees

図2

焼結体のXRDプロファイル(平均粒径0.24µm)

粒子の形状が球であればN a,b =N c となり，a,b軸とc軸

(B)

(A)

の磁化率の差をドライビングフォースとして配向する。
磁場

酸化チタンなどの非磁性物質に関して磁化率を測定した研究例がほとんどないため，本研究において配向面

図3

ルチル型酸化チタンの結晶構造(A)及び配向方向(B)(図中●はチタン，○は酸素を表す)を理論的に検討することはできない。これまでの磁性材料の研究例から磁化率の差はa,b軸とc軸の間でもっとも大きくなると予測される。

図4は平均粒径2µmの原料を用いた焼結体のXRDプロ

これに対し，粒子の形状が棒状あるいは板状などのファイルである。この焼結体は磁場と平行あるいは垂場合，長手方向の磁極が無限遠に隔たってしまうため直方向いずれにも複数のピークが観察された。磁場を反磁場係数はN a,b ≠N c となり，形状による磁気異方性が印加しない場合と比較すると，磁場と平行方向に(101)，発現する。本研究においても(111)，(112)に配向した(002) の ピ ー ク が わ ず か に 高 く ， 磁 場 と 垂 直 方 向 に焼結体が得られており，結晶の磁気異方性よりも形状(110)のピークがわずかに高くなった。すなわち，配向の磁気異方性を強く反映した結果になっていると示唆度は低いものの，図3(A)に示したようにc軸が磁場印加される。そこで，今回使用した原料粉末についてTEM

方向と平行に並んだ構造になったと考えられる。

観察を行った。

Suzukiらは磁場中でスリップキャスティングすること

図5は遊星ボールミル粉砕後の原料粉末のTEM写真でによって配向度の高い酸化チタン焼結体を作製しておある。平均粒径2µmの原料は一次粒子が0.5µm程度であり，図3(A)のようにc軸が磁場印加方向と平行に配向しり，複数の粒子がネッキングによって約2µmの1つの粒た焼結体が得られることを報告している 7) 。

子となっていた。複数の異なる結晶方向を持った粒子

このように使用する原料によって配向面および配が1つの粒子として振舞うため，磁場に応じて配向でき向度が変わっており，また作製方法によっても配向面

ず配 向度 が 低 かっ たと 考 え られ る。 一 方 ，平 均粒 径及び配向度が変わっていることがわかる。一般に，磁0.24µmの粒子は一次粒子が約0.2µmであり，ネッキング

化エネルギーUは(2)式のように表される 8) 。

等も見られなかった。このため配向度の高い焼結体がU a ,b = −Uc = −

1µ m 0 χ a ,b MH 2
2(1 + χ a,b N a ,b ) 2
12(1 + χ c N c ) 2得られたと考えられる。また，粒子形状は球ではなく，あるアスペクト比を有した柱状粒子やファセットがあ(2)µ m 0 χ c MH 2

る粒子であった。このために磁場方向に対してa,b軸あるいはc軸が配向せず，(111)及び(112)に配向したと考ここで，μ m0 は真空の透磁率，Mは磁気モーメント，Hは磁場強度，χは磁化率，Nは反磁場係数である。

えられる。
このように，磁場配向を成功させるためには，配向させたい非磁性体粒子を所望の性状(結晶構造，粒子形

Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)
Intensity (a.u.)状)にするための粒子合成技術やその粒子を磁場に応

磁場0T

じて回転させるための粒子分散技術が重要である。

20 磁場10T
30 (101)
40

50

60

70

80

70

80

測定方向

2theta / degrees(002)
磁場印加方向20磁場10T
30

(110)

40

50

60

2theta (degrees)

測定方向

磁場印加方向

20

30

40

50

60

70

80

2theta (degrees)

図4

焼結体のXRDプロファイル(平均粒径：2µm)

平均粒径2µm
図5

平均粒径0.24µm
原料粉末TEM写真

3-3 メチレンブルー分解試験

4 まとめ

図6はメチレンブルー溶液の吸光度の経時変化であ

非磁性材料であるルチル型の酸化チタンセラミック

る。比較例としてルチル型酸化チタンとして高い光触スを 強磁 場 下 で作 製す る こ とを 試み た 。 その 結果 ，媒活性を示す(110)単結晶のルチル型酸化チタンのメ(111)及び(112)に配向した焼結体が得られた。非磁性

9)チレンブルー分解試験結果 を併せて示す。光触媒活材料の配向を成功させるためには，配向させたい非磁性は，アナターゼ型酸化チタン＞(111)，(112)配向ル性粒子を所望の性状(結晶構造，粒子形状)にするためチル型酸化チタン＞(110)単結晶ルチル型酸化チタンの粒子合成技術やその粒子を磁場に応じて回転させる＞無配向ルチル型酸化チタンの順であり，本研究で作ための粒子分散技術が重要である。また，得られた酸

製した配向焼結体はアナターゼ型酸化チタンに比べる化チタンセラミックスの光触媒としての機能性を調査と，メチレンブルーの分解能(光触媒活性)は低かった

した結果，ルチル型の酸化チタンとして高い光触媒活が，ルチル型の酸化チタンとしては最も高い光触媒活性を有していることがわかった。配向面はTiO 6 八面体性が得られた。

の酸素からなる一面であるため酸素が多く存在し，無本研究で作製した酸化チタンはTiO 6 八面体の酸素からなる一面に配向しており，酸素層が表面に存在する。

配向の酸化チタンに比べて酸素欠損が生じやすくなり，
光触媒活性が高くなった。

表面に酸素が多く存在するために無配向の酸化チタンに比べて酸素欠損が生じやすくなり，光触媒活性が高5 参考文献くなったと考えられる。

1)浅井滋生：材料電磁プロセッシング，p.80，内田老

アナターゼ型酸化チタンはその光触媒活性の高さから，コーティング剤などの薄膜として広く利用されているが，650℃以上でルチル型酸化チタンへ相転移する

鶴圃(2000)
2)S.Kossikhina ら ： 日 本 金 属 学 会 誌 ， Vol.61 ，p.1311(1997)

ために焼結体として応用することができないという問

3)大塚秀幸ら：ふぇらむ，Vol.8，No.3(2003)

題があった。これに対し，ルチル型酸化チタンは，粉4)植松敬三ら：特開2002-53367号公報

末が白色顔料やキャパシタ材料などとして利用され，

5)庄司大助ら：日本セラミックス協会2001年年会講演

単結晶材料が光学部品として利用されてきた。本研究において焼結体の光触媒活性を磁場配向によって大幅に向上させることができたため，焼結体を光触媒機能

予稿集，p.181(2001)
6)草野大ら：日本セラミックス協会2002年年会講演予稿集，p.111(2002)

を兼ね備えた白色タイルなどの高付加価値のセラミッ

7)T.S.Suzukiら：Jpn.J.Appl.phys.,41,p.1272(2002)

ク製品として応用できる。

8)浅井滋生：材料電磁プロセッシング，p.94，内田老Difference of absorbancein sample and primary standard (-)

鶴圃(2000)
0.00

9)町田博：マテリアルインテグレーション，Vol.16，

配 向 ル チル
(1 1 0 )単 結 晶 ル チル
無配向 アナターゼ
無 配 向 ル チル

-0.10

No.6，p.34(2002)

-0.20

-0.30

-0.40
0

5

10

15

20

25

30

35

40

T ime (hour)

図6

メチレンブルー分解試験結果(縦軸はサンプルの吸光光度から基準物質の吸光光度を差し引いた値)

チタン酸バリウムナノ粒子を用いた誘電体薄膜の低温作製
有村雅司*1 牧野晃久*1

藤吉国孝*1 山下洋子*1

Preparation of Dielectric Thin Films at Low Temperature Using BaTiO3 Nanocrystalline
Particles
Masashi Arimura, Teruhisa Makino, Yoko Yamashita, Kunitaka Fujiyoshi
チタン酸バリウムは，積層セラミックコンデンサ等の更なる小型化の要求に応えるために種々の方法での超微粒子化あるいは薄膜化が試みられている。著者らは高濃度ゾルゲル法によってチタン酸バリウムのナノ粒子を調製し，これを直接成膜に用いることで誘電体薄膜の低温調製を試みている。しかし，800℃程度の低温焼成では，焼結性が十分ではないた
めにチタン酸バリウム本来の誘電特性が得られていない。そこで本研究では，焼結助剤としてホウ素あるいはアルミニウ
ムをチタン酸バリウム薄膜に添加することで低温焼成での誘電特性の改善を試みた。その結果，焼結助剤としてホウ素を添加した場合，焼成による粒成長が促進され，それに伴い誘電率も向上した。無添加の薄膜の誘電率は，100kHzにおいて205であったのに対して，ホウ素を添加した薄膜は240まで向上した。

BaTiO3粒子サイズは小さく，また焼結密度も不十分であ

1 はじめに携帯電話を始めとする電子機器では，小型化，機能集

り，BaTiO3本来の誘電特性は得られていなかった4)。

積化の更なる要求が高まっており，この要求に応えるた

そこで本研究では，液相による薄膜の焼結性の向上，

め電子機器に使用される積層セラミックコンデンサは，あるいは薄膜の粒子間空隙にガラス相を充填するために，一層の小型化，高容量化が必要とされている。現在，積低融点のホウ酸塩ガラスの主成分であるホウ素，あるい層セラミックコンデンサの誘電体層１層の厚みは1μmまはホウ素と同族元素でありガラスの添加剤に用いられてで薄くなっているが，今後はサブミクロンオーダーとな

いるアルミニウムをBaTiO3薄膜に添加し，その効果につることが予想されており，ナノオーダーの原料粉体の調いて検討を行った。

製方法，サブミクロンオーダーの誘電体層形成技術の確立が急務とされている。これらのことを背景として，誘2 研究，実験方法

電体層の主原料であるチタン酸バリウム(BaTiO3)に関し

2-1 BaTiO3結晶性ナノ粒子の調製て，ナノ粒子調製方法や薄膜形成技術等，様々な方面から精力的に研究がなされている

1),2)

。

図1にBaTiO3 結晶性ナノ粒子の調製のフローチャートを示す。先ず，等モルのバリウムジエトキシド（高純度

高濃度ゾルゲル法は，従来のゾルゲル法より高濃度の化学研究所製）とチタンテトライソプロポキシド（高純バリウムとチタンのアルコキシド溶液を出発原料に用い度化学研究所製）を，乾燥窒素雰囲気中においてメタノることで，結晶化したBaTiO3ナノ粒子を室温で調製でき

ールと2-メトキシエタノールの混合溶媒へ溶解させて，る方法である。著者らはこれまで，高濃度ゾルゲル法に1.0mol/Lの前駆体溶液を調製した。前駆体溶液を-30℃まよって得た結晶性ナノ粒子を分散媒中に分散させてコーで冷却した後，撹拌しながら水／メタノール混合溶媒(体ティング溶液を作製し，これを塗布することによって誘積比1:1)を滴下し加水分解を行った。水／メタノール混電体薄膜を作製するナノ粒子コーティング法について研合溶液の滴下量は，水の添加量が前駆体溶液中のTiに対究を行ってきている3)。同法は，塗布という方法で薄膜作して16倍モルとなるようにした。加水分解終了後，30℃製が行えるために，大面積の薄膜作製が可能である。更で１週間の熟成（エージング）処理を行うことで粒径約には，ナノ粒子を用いているために，従来の固相法ある20nmの結晶化したBaTiO3ナノ粒子を得た。

いは液相法では1000℃以上を必要とする焼成温度を数百℃低下することができると期待されている。しかし現状では，800℃程度の低温焼成では焼結が十分に進行せず，＊１ 化学繊維研究所

CH3OH＋CH3OC2H4OH(3 : 2)
Ba(OC2H5)2BaTiO3前駆体溶液

乾燥窒素雰囲気

加水分解-30℃ H2O/Ti = 16

H2O/MeOH( 1 ： 1(vol) )回折強度／任意単位

Ti(O-isoPro)4

(100)
●

Pt(111) (基板)●：BaTiO3(ICDD 31-0174)
(110)
●

(210)
●
BaO

(211)
●

B 0.2M
B 0.1M
B 0.02M
B 0.002M

３０℃まで加熱

無添加

エージング

Al 0.002M

３０℃，７日間BaTiO3ナノ粒子

図1

BaTiO3ナノ粒子調製プロセス

2-2 ナノ粒子コーティング溶液の調製
添加元素のホウ素およびアルミニウムは，ナノ粒子の分散媒である2-メトキシエタノール中に溶解させて，
BaTiO3薄膜への添加を行った。
乾燥雰囲気中において，ホウ素（ボロン）あるいはア
ルミニウムを含む金属アルコキシドであるトリエトキシ

(220)
●

Al 0.02M

20

30

図2

40
50
回折角／度

60

70

BaTiO3薄膜のXRDパターン

形態ならびに断面の観察を走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子製，JSM-840F)によって行った。
薄膜の誘電特性は，BaTiO3薄膜表面に上部電極として
直径1mmのアルミニウムを蒸着し，アルミニウム上部電極と白金下部電極との間をインピーダンスアナライザー(アジレント製，HP4192A)によって評価した。

ボロン（高純度化学研究所製）およびイソプロピルアル
ミニウム（高純度化学研究所製）をそれぞれ２−メトキ

3 結果と考察

シエタノール中に溶解した。2-メトキシエタノール中の3-1 BaTiO3薄膜のＸ線回折測定結果

ホウ素濃度は0.002，0.02，0.1および0.2mol/L，アルミ

3-1-1 ホウ素を添加した薄膜

ニウム濃度は，0.02および0.2mol/Lとなるように調製しホウ素を添加して得られた薄膜のXRDパターンを図2にた。これらを12時間攪拌したのちに分散媒として用いた。

示す。添加量が0.02mol/Lまでは，立方晶BaTiO3の回折ピ

前記分散媒に2-1で合成したBaTiO3ナノ粒子をBaTiO3濃度

ークのみであったが，0.1mol/L以上では，酸化バリウムが0.2mol/Lとなるように加えて超音波照射を12時間行い，に起因すると考えられる回折ピークが認められた。いず

添加元素であるホウ素あるいはアルミニウムを含有した

れの添加量においてもBaTiO3の回折ピークにシフトは認

ナノ粒子コーティング溶液を調製した。また，比較のためられないことから，添加したホウ素はBaTiO3の結晶中めに，添加剤を加えていないナノ粒子コーティング溶液に固溶することはなく，粒界等に析出していると考えらも同様に調製した。

れる。また，ホウ素の添加量が増加するにつれてBaTiO3の

2-3 BaTiO3薄膜作製

回折ピーク強度が増加しており，焼結性が向上している

成膜はスピンコーティング法によって行った。基板(Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100))上に2-2で作製したコーティと考えられる。
3-1-2 アルミニウムを添加した薄膜ング溶液を滴下し，第一段：1000rpm×5秒，第二段：アルミニウムを添加して得られた薄膜のXRDパターン

3000rpm×25秒の条件でスピンコーティングを行い，そのを図2に示す。いずれの添加量でも立方晶BaTiO3の回折ピ

後150℃で乾燥を行った。上記過程を数回繰り返した後，ークのみが確認された。ホウ素添加の場合と異なり，添800℃で2時間の焼成を行った。

加量を増加することでBaTiO3の回折ピーク強度が減少し2-4 試料評価ていた。このことより，アルミニウムはBaTiO3の焼結性得られた薄膜の生成相の同定，結晶構造の解析をX線回折測定装置(XRD)(理学電機製，RINT2500V)，薄膜の表面を阻害すると考えられる。

300

80
B
Al

70

B 0.02M

25050
無添加時の粒径(46 nm)

40
30
20
10
0.001

図3

誘電率／−

粒径／nm

60

焼成前の粒径(20 nm)0.01
0.1
添加量／mol/L

無添加

200
150

B 0.002M

100

1
50

Al 0.002M
Al 0.02M
1

BaTiO3薄膜の粒径の添加元素濃度依存性
添加元素：ホウ素（B），アルミニウム（Al）
200nm

断面

B 0.002M

Al 0.002M

200nm

0.1

無添加

B 0.02M

BaTiO3

無添加

Pt
Si

B
0.02M

BaTiO3Pt
Si

誘電損失／−

表面

Al 0.02M

103

104
105
測定周波数／Hz0.01
106

図5 BaTiO3薄膜の誘電特性の周波数依存性
上段：誘電率，下段：誘電損失
3-3 薄膜の表面形態
図4にホウ素またはアルミニウムを0.02mol/L添加した
薄 膜と無添加の薄膜の表面形態と断面をSEMによって観察した結果を示す。XRDから得られた結果と同様に，ホウ

Al
0.02M

BaTiO3Pt
Si

素を添加した薄膜は，粒子が大きく成長している様子が確認された。しかし，表面あるいは断面には空隙が多く認められ，膜密度は焼結によって向上していないと考え

図4

BaTiO3薄膜の表面および断面のSEM像

3-2 薄膜の粒径得られたBaTiO3 薄膜の(110)回折ピークの半値幅からScherrerの式を用いてそれぞれの薄膜の結晶子径(粒径)5)を算出した 。その結果を図3に示す。

られる。また，アルミニウムを添加した薄膜は，焼結がほとんど進行しておらず，膜厚は収縮せずに厚い状態であった。
3-4 薄膜の電気的特性
図5に得られた薄膜の誘電特性を示す。

ホウ素の添加を行った場合の粒径は，無添加時の粒径

ホウ素の添加を行った場合，添加量を0.02mol/Lまで増(46nm)以上となっており，ホウ素の添加は粒成長を促進

加することで誘電特性が向上した。無添加の薄膜の誘電する効果があることが判明した。その粒成長の効果は，率が100kHzにおいて205であったのに対して，ホウ素を添加量0.02mol/Lで最大値の75nmとなり，無添加と比較し0.02mol/L添加した場合は240まで向上した。更に，誘電て約1.6倍となっていた。 一方，アルミニウムの添加を

損失は周波数に対して安定化し，測定周波数範囲に於い行った場合の粒径は，無添加時の粒径以下となっており，て0.08以下となった。しかし，それ以上のホウ素の添加

アルミニウムの添加は粒成長を抑制する効果があることを行った薄膜は，上部電極と下部電極の間の絶縁性が不が分かる。アルミニウムを0.02mol/L添加した場合の粒径十分となり誘電特性の測定が行えなかった。

は21nmであり，焼成前のナノ粒子サイズ（粒径：約20nm）

アルミニウムの添加を行った場合，誘電特性は添加量とほぼ同じであることから，粒成長が完全に抑制されたと共に悪化する傾向があった。アルミニウムの添加量がと考えられる。

0.02mol/Lの時，100kHzにおける誘電率は60まで減少し，誘電損失は大きく増加した。

2) 松田弘文，水島哲郎，桑原誠：J.Ceram.Soc.Jpn.，
300

Vol.107，No.3，p.290(1999)

100kHz
誘電率／−2503)桑原誠，倉田奈津子，緒方道子，山下洋子，有村雅司：200

セラミックス，Vol.36，No.6, p.415-416(2001)

1504)藤吉国孝，有村雅司，牧野晃久，山下洋子：福岡県工100

業技術センター研究報告，No.13，p.29(2003)

無添加5)加藤誠軌：X線回折分析，p.246-248，内田老鶴圃(1990)

B 添加

50

Al 添加

6)M.Nunoshita, T.OHTA, T.Tokuda：Mater.Integration，

0
0

20

40
60
粒径／nm

80

図6

粒径と誘電率の関係図

100Vol.14，No.5，p.29-37(2001)
7)M.Shimizu,S.Okamura,T.Shiosaki:Mater.Integration ，Vol.12，No.7，p.19-24(1999)

3-5 粒径と誘電率の関係
ホウ素あるいはアルミニウムの添加を行った薄膜に関して，誘電率を3-2で算出した粒径に対してプロットを行った結果を図6に示す。比較のために，助剤の添加を行わ剤の添加を行わずに，800℃以上の高温焼成，あるいはそれ以下の低温焼成を行うことで粒径制御を行った薄膜の結果も同図上に示す。BaTiO3の誘電率は一般的に粒径とともに増加すると言われているが6),7)，本研究で作製した薄膜についても同様の関係が成り立っていることが分かる。また，ホウ素あるいはアルミニウムを添加して作製した薄膜の誘電率は，無添加の薄膜の誘電率より低くなっていることから，添加元素が誘電率を低下させている可能性がある。
更なる誘電率の向上のためには，薄膜を構成している
BaTiO3粒子サイズを増加させる必要があり，添加剤によって粒径の制御を行う場合には，薄膜の誘電特性を損なわない材料を選択しなければならないと考えられる。

4 まとめ
本研究では，ナノ粒子コーティング法によって調製したBaTiO3薄膜にホウ素およびアルミニウムを加えることで低温焼成での焼結性ならびに誘電特性の改善を試みた。
その結果，以下の結論を得た。
・ホウ素の添加を行った場合，BaTiO3の粒成長が促進されると同時に誘電率も向上した。しかし，過剰な添加を行うと，薄膜の絶縁性が低下した。
・アルミニウムの添加を行った場合，BaTiO3の粒成長が抑制され，誘電率も低下した。

5 参考文献1)Y.Takeshita, K.Shirartsuyu, H.Takagi and Y.Sakade：
Jpn.J.Appl.Phys., Vol.36, p.5870(1997)

都市ゴミ焼却灰を活用したエコレンガ製造技術の開発
小松夢子 *1
永瀬誠 *4阪本尚孝 *2鳥羽峰樹 *4

中野辰博 *3
土田大輔 *4

田中浩 *3宇都宮彬 *4

高橋浩司 *4

高島一郎 *5

緒方秀夫 *6

永江治彦 *7

Fabrication of Recycled Bricks Containing Incineration Fly Ash
Yumeko Komatsu, Naotaka Sakamoto, Tatsuhiro Nakano, Hiroshi Tanaka,
Akira Utsunomiya, Koji Takahashi, Makoto Nagase, Hiroki Toba,
Daisuke Tsuchida, Ichiro Takashima, Hideo Ogata, Haruhiko Nagae
都市ゴミ焼却灰を直接原料として用いたれんがの製造技術開発を目指し，大川市清掃センターより排出されるゴ
ミ焼却灰を使用したエコレンガの製造を行った。焼却灰組成の定期的分析により，組成変動が小さくれんが原料として使用可能な再生材料であることがわかった。焼成条件や原料の配合条件を検討した結果，従来品と同等の物性
値と安全性を有するエコレンガの製造に成功した。さらに，エコレンガを原料の一部として再利用したれんがについても十分な物性値と安全性が得られることが示された。また，他の廃棄物への応用展開としてRDF焼却灰を原料としたエコレンガの製造行った結果，れんが製品として十分な物性値を有するれんがの製造が可能であることが明らかになった。

1 はじめに原料として使用した製品があるが，全て乾式プレス法

福 岡 県 で 発 生 す る 都 市 ゴ ミ 焼 却 灰 は 年 間 29万 トン
1)で製造されているため意匠性が低く，れんがとしての(平成14年度)に及び，近年増加の傾向にある 。従来，魅力が乏しい。現在，焼却灰を直接れんが原料として都市ゴミ焼却灰は路盤材などとして使用されてきたが，用いた湿式製造技術は未開発である。

そのリサイクル率は低く，効果的な処理方法が確立されていないのが現状である。

そこで我々は，都市型焼却灰を再生材料として用いたエコレンガの製造技術を開発，製品の高付加価値化

焼却灰が再利用されにくい原因には，ダイオキシンを行った。都市ゴミ焼却灰及び飛灰を再生材料として類，鉛やカドミウム等の有害物質のほか塩素イオンを使用したエコレンガの製造技術及び製品利用促進を通含んでいる可能性が高いために，再生材料として取りじ，リサイクルモデルを構築することを目的とした。

扱いが難しいという点が挙げられる。特に，集塵機に集められた飛灰やRDF炉及び流動床炉の焼却灰を再利

2 実験方法用する場合，廃棄物処理法で定める基準に従わなけれ

2-1 原料の物性評価

ばならず，再生材料として利用する際には，溶融スラ

工業製品の原料として焼却灰を用いる上で，その基グ化や不要成分除去などの処理が不可欠となるため，

本物性を把握することはきわめて重要である。しかし，多量のエネルギー投入を必要としている。また，灰の異なる分析手法や基準で統一性のない測定値を並べて処分については，溶融スラグ化して再利用されるもの

も，それぞれの原料特性を評価することはできない。

を除き，大部分が埋め立て処分されている。

そこで，我々は焼却灰のような廃材が再生原料として一方，現在市場に出ているリサイクルレンガは下水

工業的に安定的に利用されるためには，どのような物

道汚泥溶融スラグや都市ゴミ焼却灰をスラグ化したも性が重要であるか，もしくはどのようなデータが必要のを使用したものがほとんどである。一部，焼却灰をかを検討し，本研究事業において基本となるフォーマ*1 化学繊維研究所*2 九州大学*3 荒木窯業（株）*4 福岡県保健環境研究所

ットの作成を試みた。連続的に持ち込まれる廃材をより簡便に評価するためには，ある程度測定項目を限定する必要がある。そこで，我々は工業技術センターに*5 久留米市

おいて依頼試験として実施している試験の中から，組*6 大川市成分析・熱分析・嵩比重測定・結晶相解析・耐火度試*7 大牟田市験・SEM観察を取り上げた。これらの試験項目は，一般

よび曲げ強度の測定を行った。

に窯 業関 連 産 業で 必要 と さ れる もの で あ る。 さら に

2-5 重金属封じ込めメカニズムの解明

我々はこれらの物性値をある決まったプラットフォー

昨年度までの研究により，エコレンガ試作品の重金

ムの上に配置し，データシート「再生原料カルテ」の属溶出量は土壌環境基準値以下であることがわかった。

作成を試みた。

従って，焼却灰中に含まれる重金属はれんが製造工程

本研究事業では，都市ゴミ焼却灰のサンプルとしてに含まれる焼成過程を経ることにより安定化されると大川市から排出されるゴミ焼却灰を利用する。工業原考えられる。そこで，重金属の封じ込めメカニズムを料としてこの灰を用いるためには，安定した供給量と解明するためにれんが原料および灰27vol%含有れんが

とも に物 性 的 にも 安定 し て いる 必要 が あ る。 そこ での組成分析やケミカルリーチングテストを行った。ケ

我々は，大川市清掃センターより排出される焼却灰おミカルリーチングテストに用いる溶媒はH 2 O，HNO 3 およよびセメント固化処理された焼却灰を毎月サンプリン

びHFとした。

グし，その物性測定を行なうことにより，時系列的な

2-6 フィールドテスト

物性変動を観察した。

通常行うれんがの物性評価は製造直後のれんがを試2-2 製品の物性評価験したものであり，屋外に施工して長期間風雨にさらゴミ焼却灰を添加したれんが試作品の物性試験を行された後にもその安全性や特性を維持できているかはった。共同研究機関である荒木窯業(株)にて湿式押し明確でない。そこで本研究グループでは施工した現場出し法により作製した大川市ゴミ焼却灰含有エコレン

より，暴露された以下に示す2種類のれんがを抜き取り，ガ試作品(灰添加量：27vol％)の吸水率・曲げ強度・圧物性の経時変化の調査を行なうこととした。

縮強度の測定を実施した。焼成温度は1140℃とした。

①大川市ゴミ焼却灰含有エコレンガ(都市ゴミ焼却飛また，物性測定方法はJIS Ｒ1250および日本建築学会

灰27vol%含有，施工場所：福岡県保健環境研究所，

により定められているJASS 7Ｍ-101に準拠した。尚，施工：平成16年3月，抜き取り：平成17年2月)

本研究において目標とする物性値は，吸水率10wt%以下②荒木窯業(株)製e-BRICKS(下水汚泥焼却灰30vol%含(JIS R 1250，4種)，曲げ強度5MPa以上(JASS 7M-101，

有，エコマーク認定商品，施工場所：久留米市中央

インターロッキングブロックの品質規格)，圧縮強度

公園，施工：平成11年，抜き取り：平成14年・15年・30MPa以上(JIS R 1250，4種)である。

16年)

2-3 製品の安全性調査

2-7 他の廃棄物への適用

焼却灰を原料として用いたレンガを製作するに当た

大川市より排出される都市ゴミ焼却灰以外の廃棄物っては，その製品が環境に対して安全であることが前への応用展開として，大牟田RDFセンターより排出され提となる。そのため，試作品が環境へ及ぼす影響の調るRDF焼却灰を用いたエコレンガの製造法について検査を行った。大川市ゴミ焼却灰含有れんがについて，討した。大川市ゴミ焼却灰含有エコレンガ製造時に得重金属等の有害物質の溶出試験及び含有量試験を行っられた知見をもとにRDF焼却灰を10vol%〜40vol%配合

た。溶出試験は環境庁告示第46号，含有量試験は環境したれんがの試作を1120℃〜1140℃の温度範囲で行い，

省告示第19号に基づいて行った。

物性および安全性の評価を行った。

2-4

製品の再利用法の検討

エコレンガを再びれんが原料として活用する方法について検討した。ゴミ焼却灰を27vol%添加し，1140℃

3 結果と考察3-1 ゴミ焼却灰の物性評価で焼成したエコレンガを3mmアンダーに粉砕し，原料とゴミ焼却灰の組成分析結果を表1に示す。無処理の焼して5vol%添加した。その他の原料は坏土・山砂水簸残却灰の組成はきわめて安定しており，月別の変化はほ渣・フェロニッケルスラグ・長石・ベントナイト・大とんど認められなかった。化学組成分析結果から比較

川市ゴミ焼却灰(27vol%)などである。原料配合後，湿的Ca分が多く，SiO 2 (15%程度)，CaO(30数%)，Al 2 O 3 (10%式押出し法により成型した試作品を1140℃，酸化雰囲程度)を主成分としたものであることがわかった。また，

気中で焼成した。作製したれんがについて，吸水率お

塩素分も10数wt％含まれており，処理によっては有害

な物質も排出される危険性があることが判断できた。

物性値をもとに，成型性や強度の向上を図るためにベ

ただし，これらの組成比はほぼ一定であり，工業的にントナイトや荒砂を配合したれんがを湿式成型によりは安定的に利用することが期待できる。

作製した。灰の配合率は1種類に絞り込み，27vol%とした。成型体は乾燥後，1140℃で焼成した。その結果，

表1

ゴミ焼却灰の組成分析結果(単位：wt%)

吸水率7.7wt%，曲げ強度6.9MPa，圧縮強度31MPaという

H14

H14

H15

H15

H16

H16

物性値を有するエコレンガの製造に成功した。エコレ

3月

9月

3月

9月

3月

9月

ンガの重金属含有量および重金属溶出量はいずれも土

SiO 2

14.0

16.0

16.0

19.0

19.0

19.0

壌環境基準値以下であり，従来品と同等の安全性が確

CaO

36.0

33.0

39.0

32.0

32.0

33.0

保されていることがわかった。つまり，ゴミ焼却灰をAl 2 O 3

8.4

11.0

9.1

12.0

13.0

12.0

前処理無しで原料として利用したれんがの製造は可能

Fe 2 O 3

4.7

2.8

4.2

3.7

4.6

3.7

であり，製品として十分な強度と安全性を有するエコ

P2O5

2.3

2.9

1.8

2.8

2.5

2.9

レンガの製造技術を確立することができた。

Na 2 O

7.6

7.1

5.5

5.6

5.5

5.2

3-4 エコレンガ再利用法の検討

K2O

4.3

4.6

3.4

3.9

3.6

4.0

大川市灰含有れんがを5%配合した，「エコレンガを

MgO

2.4

3.0

2.8

3.7

3.6

3.7

再利用したれんが」の評価として，吸水率・曲げ強度

CuO

0.20

0.39

0.17

0.21

0.18

0.24

の測定を行った。測定の結果を表2に示す。吸水率およ

ZnO

0.48

0.44

0.46

0.47

0.48

0.50

び曲げ強度は規格値を満たす値が得られた。エコレン

TiO 2

2.2

1.9

2.0

2.1

2.1

2.3

ガを再生材料としたれんがの製造は可能であることがCr 2 O 3

0.1

0.05

0.05

0.06

0.05

0.08

示唆された。

MnO

0.09

0.10

0.08

0.08

0.11

0.09

ZrO 2

−

0.02

0.02

−

−

0.02

表2

PbO

0.08

0.10

0.13

0.10

0.09

0.12

吸水率(wt%)

曲げ強度(MPa)

Cl

14.0

13.0

12.0

10.0

9.9

10.0

9.1

6.0

SOx

3.8

4.0

3.7

3.6

3.9

3.6

エコレンガ再利用れんがの物性値

今回作製した再利用れんがはエコマーク認定を視野にまた，結晶相解析結果より，ClはNaClやKClといった塩の形で存在していることが明らかになった。
これに対し，セメント固化処理された焼却灰は同様入れていたため，多くの再生材料を使用している。原
料の配合条件を変え，焼結性や成型性を制御することにより，さらに良好な物性値を得ることは十分可能での成分から形成されているものの，その組成比は大きあると考えられる。

く変動することが明らかとなった。大川市清掃センタ

3-5 重金属封じ込めメカニズム

ーでは造粒機に灰にセメント粉末と水を適宜添加する

組成分析の結果，れんがに含まれるCl量はわずかでことで固化物を得ているため，各材料の混合比が一定あっ た。 灰 に 含ま れる 塩 素 化合 物は 温 度 上昇 に伴 い

でないことに起因するものと思われる。

700℃付近から分解し始め，Clは排ガス中に飛散してい以上の結果より，れんが原料としては原灰を利用することとした。

ることが明らかになった。
れんが原料である粘土の結晶相は焼成により石英，

また，都市ゴミ焼却灰の物性値をデータシート(カルムライト，Fe 2 O 3 などに変化した。また，焼成後の灰のテ)化することにより，一目でその廃材の特性や形態を構成成分は2CaO･Al 2 O 3 ･SiO 2 であった。灰単体の場合，理解することができるとともに，一定した物性測定手

重金属は安定化されていないため溶出を抑制すること

法を用いることで他のロットや別の種類の廃材との比は困難である。一方，れんがは石英・長石・Fe 2 O 3 ・

較を容易にすることが可能となった。

(Ca,Na)(Si,Al) 4 O 8 などで構成されていることがわか

3-2 エコレンガの物性試験った。溶出量は環境基準値以下であることから，れん

昨年度までに乾式法で作製したエコレンガ試作品のが中に残存する重金属は石英などのガラス相あるいは

(Ca,Na)(Si,Al) 4 O 8 中に存在すると考えられる。H 2 O，た。さらに焼結性をよくするために長石を配合し，最HNO 3 ，HFを溶媒とした，れんがのケミカルリーチング

終的には吸水率：4.5wt%，曲げ強度：8.2MPa，圧縮強テストを行った結果，HF溶液のみからPbおよびZnの溶

度：42.1MPaとJISおよびJASS規格を満たすれんがが得

出が認められた。従って，これらの金属はガラス相中られた。従って，RDF焼却灰を原料として利用したれんに安定化された状態で存在すると推察される。

がの製造が可能であることが示された。

3-6 フィールドテスト

また，焼却灰をれんが原料として利用する場合，焼大川市ゴミ焼却灰含有れんがを保健環境研究所に施結が適度に進行する温度範囲が非常に狭く，灰の種類

工し，施工後11ヶ月経過したれんがを抜き取り物性測によって焼結帯が異なることが明らかになった。再生定を行った。測定の結果，物性値の顕著な変化は認め

材料を原料として利用したれんがを製造する場合は焼られなかった(表3)。

成条件が重要な因子になると考えられる。

表3

エコレンガ再利用れんがの物性値

4 まとめ

吸水率

曲げ強度

圧縮強度

都市ゴミ焼却灰を直接原料として用いたれんがの製

(wt%)

(MPa)

(MPa)

造を行った。焼成条件や原料の配合条件を検討した結

未使用品

6.3

8.5

31.5

果，従来品と同等の物性値と安全性を有するエコレン

抜き取り品

5.8

7.7

32.1

ガの製造に成功した。さらに，エコレンガを原料の一部として再利用したれんがについても十分な物性値とまた，平成11年に施工されたe-BRICKSを久留米市中央

安全性が得られることが示された。また，他の廃棄物

公園 の施 工 箇 所か ら抜 き 取 り， 物性 試 験 とし て吸 水への応用展開も可能であることが明らかになった。

率・曲げ強度・圧縮強度の測定を実施した結果を表4に示す。施工から4年経過しているが，れんが製品とし本研究は，福岡県リサイクル総合研究センター研究て十分な物性値を示しており，未使用品と比較しても開発事業「都市ゴミ焼却灰を活用したエコレンガ製造

経時劣化は認められなかった。重金属溶出量および含技術の開発」の一部として実施したものである。

有量は土壌環境基準値以下であった。
5 参考文献表4

e-BRICKS 抜き取り試験結果

物性値

吸水率

曲げ強度

圧縮強度

抜き取り

(wt%)

(MPa)

(MPa)

平成 14 年

6.7

8.9

42.8

平成 15 年

5.2

10.0

45.1

平成 16 年

5.4

9.1

49.1

未使用品

8.5

7.8

39.4

3-7 RDF焼却灰含有れんがの評価
RDF焼却灰を10vol%〜40vol%添加し，1120℃で焼成した試作品は焼きしまりが悪く，十分な物性値が得られなかった。焼結を進行させるには温度が低すぎたのが原因と考えられる。しかしながら，1140℃で焼成した
場合，灰の溶融が原因と思われる亀裂の発生が認められた。そこで，灰の配合率を27vol%に減らし，焼成条件の検討を行った結果，焼成条件を1130℃-4hr保持とすることにより十分な物性値が得られることがわかっ

1)福岡県環境部：福岡県における一般廃棄物の現状，
平成15年度版，p.107(2005)

ノーマルモード型(高分子/液晶)複合膜の性能向上に関する研究
蓮尾東海 *1

山口雅裕 *1

川路由美子 *2

古屋吉哲 *2

菊池裕嗣 *3

Development of High-performance Normal Mode Type(Polymer/Liquid Crystal) Composite Films
Haruumi Hasuo, Masahiro Yamaguchi, Tisato Kajiyama, Hirotsugu Kikuchi, Teruo kitamura
安定供給可能で廉価な液晶(E7：シアノビフェニル系液晶)を用いた(高分子/液晶)複合膜の性能向上を目的として，単官能モノマー，および2官能モノマーの探索を行った。その結果，E7液晶に対してはエーテル系単官能モノマー，
特にButoyethyl Acrylate(BEA)において低駆動電圧を示す複合膜が得られた。しかし，BEAを用いた複合膜は電界印
加後に初期濁度(T0)まで戻らない不具合(白濁度悪化)が発生した。低電圧駆動，白濁度悪化現象の解消を目的として エ ー テ ル 系 単 官 能 モ ノ マ ー の 複 合 化 を 検 討 し た と こ ろ ， 単 独 で は 高 い 駆 動 電 圧 を 示 す 2種 の 単 官 能 モ ノ マ ー
Ethyleneglycol Methylether Acrylate(EGMA)/Diethyleneglycol 2-Ethylhexylether Acrylate(DEGEHA)の混合比を最適化することにより駆動電圧が低下することが明らかとなった。また，白濁度悪化現象は反応性の高いジアクリ
レート系モノマーを6wt%以上添加することにより解消でき，EGMA/DEGEHA/BDDA/E7＝4.7/9.3/6.0/80の混合比で作製した複合膜は，白濁度悪化が無く，駆動電圧も15Vrms以下と良好な複合膜特性を示した。

材料を40℃でITO電極付きセルギャップ16μmの標準ガ

1 はじめに
フレキシブル大面積表示装置の実用化を目指して，ラスセルに導入し，恒温プレート上でTc+1.0℃(Tc:液

こ れ ま で に 液 晶 と し て フ ッ 素 ト ラ ン 系 液 晶 (TL213：

晶混合物が等方相になる温度)，所定のUV照射強度(トMerck 社製)を用い，最適モノマーの探索，作製条件最スキュアー251 360nm)で所定時間UV照射することによ適化を行ってきた。その結果，Δｎが大きいフッ素トり複合膜を作製した。得られた複合膜の電気光学特性

ラン系液晶と末端構造に嵩高い(分岐構造を有する)アの測定は，高集光角(集光角6゜)電界印加装置を用い，ルキル系単官能モノマー及び少なくとも一つのビニル

1kHzの方形波を20Vrms/sec.で変調させたAM波を最大

エーテル基を有する2官能モノマーの組み合わせが，低100Vまで印加し，印加電圧に対する複合膜の透過率変駆動電圧，高コントラストなどの複合膜特性を飛躍的化(ヒステリシス曲線)を測定し，算出することによりに向上させることを明らかにした 1),2) 。しかし，状況

行った。ここでは，電界無印加時の光透過率(初期白濁の変化により液晶の安定供給が困難となり，また液晶度)をT0，電界印加時飽和透過率をT100，電界印可後のの価格が高いことより実用化上問題が出てきた。そこ

光透過率をT0ʼ，透過率90%時の印加電圧をV90(駆動電で，本報告では安定供給可能で廉価なシアノビフェニ圧)，透過率80%時の印加電圧を透過率5%時の印加電圧

ル系液晶E7に液晶を代替した複合系の開発が必要となで除した値を急峻性(V80/V5)と定義した。

った。

2-2 エーテル系単官能モノマーの合成
エ ー テ ル 系 単 官 能 モ ノ マ ー Diethyleneglycol

2 実験

n-Butyl ether Acrylate(DEGnBA)の合成は以下の手順

2-1 複合膜作製及び電気光学特性測定で 行 っ た 。 Diethyleneglycol n-butylether 32g

液 晶 と し て シ ア ノ ビ フ ェ ニ ル 系 液 晶 E7( 関 東 化 学(0.2mol)，Triethylamine22g(0.22mol)のDiethylether(株))を用い，単官能モノマー，2官能モノマー，及び溶液350mlを氷浴中で0℃付近まで冷却した後，窒素雰

光 重 合 開 始 剤 2,2-Dimethoxy

囲 気 下 で Acryloylchloride

2-phenylaceto

phenone(以下DMAP)を所定の重量比で混合した複合膜*1 化学繊維研究所*2 正興電機製作所(株)*3 九州大学

18g(0.20mol) のDiethylether溶液50mlを約1時間かけて滴下した。滴下終了後，温度を20℃に上げ，更に5時間攪拌を行い，反応溶液を希塩酸，および蒸留水で数回洗浄，乾燥(MgSO 4 )・濾過後，溶媒を除去した。生成物はシリカゲ

表 1

E7 液晶における単官能モノマー種の影響

化合物名

Tc(℃）

T100（%）T0（%）

V90（V）

急峻性

白濁度

アルキル系
Laurlyl Acrylate（LA）
2-Ethylhexyl Acrylate（EHA）
Isoamyl Acrylate（IAA)
Isooctyl Acrylate（IOA）
3,5,5-Trimethylhexyl Acrylate（TMHA）
エーテル系
Butoxy Ethyl Acrylate（BEA)
Polyethlene glycol Methyl Acrylate

17.6
4.4
0.5
4.8
7.7

80.9
80.2
81.5
−
74.7

3.4
0.4
2.1
−
0.0

52.5
51.0
25.0
40.0
55.8

6.5
2.8
3.1
−
2.8

×
○
○
○
○

2.8
23.3

84.4
83.3

-0.1
1.7

9.1
20.8

1.6
3.0

○
×

Acrylate of Ethylene oxide modified Nonyl phenol

19.8

75.7

1.1

7.0

1.5

○

ヒドロキシ系
2-Hydroxy Ethyl Acrylate
2-Hydroxy Proryl Acrylate
4-Hydroxy Butyl Acrylate

20.1
15.5
20.8

70.3
68.8
72.4

2.8
1.6
1.6

75.4
70.5
70.4

3.8
4.2
4.1

△
○
○

* 液晶（E7）/単官能モノマー/２官能モノマー（BDDA）＝80/18/2（wt%），重合条件：Tc+1.0℃-40sec／25mWcm-2

ル カ ラ ム ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー (7cm × 25cm ，白濁度まで戻らないと言う不具合が生じた。これは，CHCl 3 /CH 3 OH=99/1)により精製した(純度：>98% G.C)。

重合後の高分子強度の不足に起因すると推測される。

まMethylether

上記問題解決，および更なる複合膜特性向上を目的に

Acrylate(DEGMA) ， Diethyleneglycol

i-Butylether

として，①ウレタン系オリゴマーの添加(単官能モノマ

Acrylate(DEGiBA)，Diethyleneglycoln-Hexylether

ー：BEA)，②最適エーテル系単官能モノマーの探索を

Acrylate(DEGHA) ， Triethyleneglycol

Methylether

行った。

Acrylate(TrEGMA)，Triethyleneglycol

n-Butylether

3-2 ウレタンオリゴマー系2官能モノマー種の影響た，

Diethyleneglycol

Acrylate(TrEGnBA)の合成も，上記と同様の手順で行った。

単官能モノマーとしてBEAを用いた時のウレタン系
オリゴマー4種(表2参照，アロニックスM-1100，M-1200，
M-1210，M-1300：東亜合成(株)製)の影響を調べた(複3 結果

合膜材料の重量比BEA/オリゴマー/液晶＝18/4/78，重3-1 単官能モノマー種の最適化

合温度Tc+1℃，UV照射条件25mWcm-2/40sec)。その結果，

液 晶 (E7)80wt% ， ２ 官 能 モ ノ マ ー Butanediol

最も高分子量のオリゴマーM-1200を用いた複合膜は，

diacrylate(以下BDDA)に固定した時の単官能モノマー

初期白濁度がやや低い(T0=2.2%)が，駆 動電圧も低く

種(添加量18.0wt%)の影響を調べた(表1参照)。その結(V90=10.6Vrms)，白濁度悪化の不具合も大幅に改善さ

果，フッ素系液晶において良好な特性を示したアルキれた。これに対し，M-1210では低電圧駆動が可能であル系よりもエーテル系モノマーを用いた方が良好な特るが，初期濁度が低い(T0=10.3%)，M-1100では初期白性 を 示 す こ と が 明 ら か と な っ た 。 特 に Butoxyethyl

濁度が高く，白濁度悪化も低減するが駆動電圧が高く

acrylate(以下BEA)を用いた場合に高い初期白濁度，お(V90=26.8 Vrms)，また，電界印加時にヘイズが確認さよび低駆動電圧(V90=9.1Vrms)を達成した。しかし，良れた。

好な特性を示した複合膜において，電界印加後に初期
表 2

化合物名
M-1100M-1200M-1210M-13002 官能ウレタンオリゴマー種の影響

Tc

T100 （%）

T0 （%）

V90（V）

急峻性

白濁度

17.6
4.4
0.5
4.8

80.9
80.2
81.5
-

3.4
0.4
2.1
-

52.5
51.0
25.0
40.0

6.5
2.8
3.1
-

×
○
○
○

液晶（E7)／単官能モノマー／ウレタンオリゴマー＝80/18/2(wt%)，重合条件：Tc+1℃-40sec/25mWcm-2

表 3

E7 液晶に対するエーテル系単官能モノマー種の影響

化合物名
Ethyleneglycol Methylacrylate(EGMA)
Diethyleneglycol Methylacrylate(DEGMA)
Triethyleneglycol Methylacrylate(TrEGMA)
Polyethyleneglycol Methylacrylate(PEGMA)
Diethyleneglycol Ethylacrylate(DEGEA)
Diethyleneglycol n-butylacrylate(DEGnBA)
Diethyleneglycol i-butylacrylate(DEGiBA)
Diethyleneglycol Hexylacrylate(DEGHA)
Diethyleneglycol 2-Ethylhexylacrylate(DEGEHA)

Tc
-3.2
5.9
9.1
24.5
6.8
7.3
7.6
9.8
12.9

T100 （%）
74.9
78.8
81.4
85.4
85.3
86.7
87.1
89.3
86.3

T0 （%）
0.6
1.0
0.7
2.0
0.8
1.4
1.0
1.2
0.1

V90（V）
58.2
26.1
23.1
20.7
13.5
7.4
8.5
25.6
42.7

急峻性
3.3
2.9
2.8
2.8
2.0
1.9
1.6
1.9
2.5

白濁度
○
○
○
△
○
△
○
○
◎

液晶（E7)／単官能モノマー／二官能モノマー（ACBDVE)＝80/17.5/2.5(wt%)，重合条件：Tc+1℃-40sec/25mWcm-2
1098

モノマーに着目し，種々のエーテル系モノマー(表3参照)を用いて複合膜特性向上を試みた。2官能モノマー

T0'-T0/%複合膜において良好な特性を示したエーテル系単官能にはフッ素系液晶(TL213)において良好な特性を示したAcryloyloxy Butanediol Vinylether (以下ACBDVE) 2)

35

7
6
5
4
3
2
1
0

を用いた。その結果，単官能モノマーのエチレングリ

30
25
20
15
10
5
0
0

2

4

6

コ ー ル セ グ メ ン ト の 長 さ を 変 え た 系 EGMA ， DEGMA ，
TrEGMA，PEGMAにおいて，セグメント長が長くなるほど

駆 動 電 圧 が 高 い (V90=58.2Vrms) が ， 初 期 白 濁 度(T0=0.6%)が高く白濁度悪化も解消されることが明らかとなった。一方，単官能モノマーのアルキル鎖長さ
及び構造を変えた系DEGMA，DEGEA，DEGnBA，DEGnHA，

10
9
8
7
6

れた。そして，DEGEHA を用いた複合膜は駆動電圧が高い(V90=42.7Vrms)が，初期白濁度(T0=0%)が高く白濁度悪化も解消されることが明らかとなった。

3-4 複合系単官能モノマー種の影響
低駆動電圧，及び白濁度悪化の解消を目的として，

T0'-T0/%度が良好で複合膜の駆動電圧が高くなる傾向が確認さし)の添加の影響を調べた(図1参照)。ここで，白濁度悪化は電界印加前後の光透過率の差(T0ʼ-T0)により評価した。
その結果EGMA/DEGEHA系について興味ある結 果 が 得られた。他のエーテル系モノマーではDEGEHAの添加量

20

45
40
35
30
25
20
15
10
5
0

2

12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

4

6

8 10 12 14
DEGEHA /wt%

16

18

20

60

EGMA/DEGEHA

50
40
30
20
10
0
0

低駆動電圧を示すDEGiBA，BEA，及び駆動電圧は高いが白濁度悪化のないEGMAに対するDEGEHA(白濁度悪化無

18

5
4
3
2
1
0

DEGiBA，DEGEHAにおいて，駆動電圧はアルキル鎖長にまた，アルキル鎖骨格の構造が嵩高いほど初期の白濁

16

BEA/DEGEHA

0

対して最適値を有し，n=4付近で最も低電圧を示した。

8 10 12 14
DEGEHA /wt%

Applied Voltage/Vrms

る傾向が確認された。そして，EGMAを用いた複合膜はT0'-T0/%混合液のTc点が高くなり，複合膜の駆動電圧が低くな

40

2

4

6

8 10 12 14
DEGEHA /wt%

16

18

20

＜複合膜作製条件＞
単官能モノマー/DEGEHA/ACBDVE/E7= (17.5-x) wt%/x wt%/2.5wt%/80wt%
Tc+1.0℃，25mW/cm 2 -40sec
図 1

Applied Voltage/Vrms

シアノビフェニル系液晶E7を用いた(高分子/液晶)

45
DEGiBA/DEGEHA

Applied Voltage/Vrms

3-3 エーテル系単官能モノマー種の影響

複合系モノマーにおける DEGEHA 添加量の影響

に伴い駆動電圧は上昇するのに対し，単独では，両者れる。各複合膜組成における単官能モノマー/2官能モの混合により駆動電圧が低下し，最適値を有すること

ノマーのモル比を計算したところ，単官能/2官能モノが明らかとなった。また，白濁度悪化現象に関してはマー比が2.8以下で白濁度悪化が解消することが明らある混合比までは白濁度を維持するが，DEGEHA添加量

か と な っ た 。 こ れ に 対 し ACBDVEで は ， モ ノ マ ー 比 を

10〜15wt%付近で白濁度悪化が現れると言う特性の逆2.0(6wt%添加でモル比)に調整しても完全には解消さ転現象が起こることが明らかとなった。これは，液晶れなかった。これは片末端に反応性の低いビニルエーとモノマーの相溶性や極性などに関係すると推測されテル基を有する事に起因すると考えられ，白濁度悪化

るが，今後詳細な解明が必要である。

の解消に対してはジアクリレート系モノマーの添加が3-5 2官能モノマー種，及び添加量の影響有効であると考えられる。しかし，ジアクリレート系

複合系で最も低駆動電圧を示したEGMA/DEGEHA(=1/2

モノマー添加量の増加は駆動電圧の上昇を引き起こす重量比)系において2官能モノマーの種類，添加量の影ため，今後より詳細なモノマー混合比の最適化が必要

響を検討した(図2参照)。ジアクリレート系モノマーでであると考えられる。

あ る BDDA お よ び PolyethyleneglycolDiacrylate( エ ー
テル鎖長 n=4：PEGDA4)を用いた場合， BDDAが添加量

4 まとめ
安定供給可能で廉価なシアノビフェニル系液晶E7に対し，PEGDA4では7wt%以上の添加が必要であった。こ

液晶を用いた(高分子/液晶)複合膜の開発を目的とし

れは重合後のポリマーの架橋密度に起因すると考えらて，最適単官能モノマー種の探索を行い，その結果以T0ʼ-T0/%6wt%で白濁度 悪化(T0ʼ-T0)が完全に解消され るのに下のことが明らかとなった。

10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

①E7液晶に対してはエーテル系単官能モノマーが有効であり，駆動電圧，急峻性が低い等の良好な特性を示
すが，白濁度悪化(電界印加後に初期濁度まで戻らない)が生じる。白濁度悪化現象の解消にはウレタン系オリゴマーの添加，2官能モノマー量の増加が有効である
事が明らかとなった。
②極性の異なる2種の単官能モノマーEGMA/DEGEHA混合
0

2

4

6

8

10

12

Applied Voltage/Vrms

Difunctional monomer/wt%

することにより，駆動電圧が低下し，白濁度悪化現象が現れると言う特性の逆転現象が起こることが明らか45となった。このことより複合膜特性とモノマーの極性40もしくは液晶との相溶性の間には最適値が存在すると35考えられ，市販のモノマーでも混合比を適正化するこ

30とにより白濁度悪化がなく低電圧駆動を示す複合膜の25作製が可能であると考えられる。

20
15
10

5 参考文献

5
0

2

4

6

8

10

12

Difunctional monomer/wt%
PEGDA4BDDA

ACBDVE＜複合膜作製条件＞
単官能モノマー/２官能モノマー/E7=(20-x)wt%/x wt%/80wt%
単官能モノマー：EGMA/DEGEHA=1/2
Tc+1.0℃，25mW/cm 2 -40sec
図 2

2 官能モノマー種，及び添加量の影響

1)蓮尾東海,他9名：福岡県工業技術センター平成13年
度研究報告，P.14
2)蓮尾東海,他11名：福岡県工業技術センター平成14年度研究報告，P.25

資源の有効利用とリサイクルに関する技術開発−触媒を用いた家具廃材の低温分解法に関する研究−
蓮尾東海 *1

原田智洋 *1

世利桂一 *2 原田達朗 *3

辻本敬吾 *3

Development of the Utilization and Recycling Method of Biomass Resources-Research on the Low-Temperature Decomposition Method of the Woody Waste using CatalystHaruumi Hasuo, Tomohiro Harada, Keiichi Seri, Tatsuro Harada, Keigo Tsujimoto
高効率バイオマスガス化発電の実現を目指した高発熱量ガスの製造を目的として，低温ガス化触媒の開発を行った。600℃，導入バイオマス中炭素に対する導入酸素のモル比(以下[O 2 ]/[C])=0.22の条件でのセルロースのモデル
ガス化反応において，K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒は高いガス化率(90mol%以上)を示し，水素，及びメタン生成量が大幅に向上するためガスエンジンに利用可能な発熱量7.0MJ/Nm 3 を達成した。更に，実用化の際に問題とされるタールの生成も今回の条件では確認されず，K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒が低温ガス化触媒として有効であることが示された。また，K 2 CO 3 /Al 2 O 3
触媒は[O 2 ]/[C]を減少しても高い水素回収率を維持し，[O 2 ]/[C]=0の条件では水素濃度38mol%を示した。このこと
よりカリウム担持触媒は水蒸気ガス化反応に対して高い活性を有し，反応ガスに水蒸気を導入することによる水素リッチガスの製造も期待できる。

1 背景

本研究では，600℃以下の低温での高発熱量燃料ガス

近年，石油資源の枯渇に伴うエネルギー問題，及びの製造を目指し，流動媒体としてカリウム担持触媒を化石燃料の使用による温暖化ガスの排出等の地球環境

用いた流動床ガス化を検討している。これまでに，カ

問題の深刻化に伴い，再生可能で地球規模でCO 2 バラン

リウム系触媒が低温ガス化に有効で，また担体としてスを崩さない(カーボンニュートラル)バイオマスエネ

はアルミナが適していることを明らかにしている 1,2) 。

ルギーが注目されている。中でも木質系バイオマスは

本年度は，K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒について担持量，反応条件①資源量が多い，②間伐材，建築廃材，農業廃棄物なの影響を検討した。

どの処理問題の理由により，多くの利用法が研究・検討されている。
転換技術の一つとしてガス化発電が挙げられるが，

2 実験
2-1 触媒調製

従来の大型の設備では，原料であるバイオマスの収ガス化に用いた触媒は，金属塩としてK 2 CO 3 ，Ni(NO 3 ) 2

集・輸送に膨大な費用を要する。バイオマスを有効にを用い水溶液から蒸発乾固法により所定量担持した後，利用するには，今後集積量に見合った小規模分散型，乾燥，600℃-3h焼成することにより調製した。ここでいわゆるオンサイト型のガス化発電技術の開発が重要

活性金属の担持量は金属換算で行い，カリウムについとなる。オンサイト型ガス化発電の実現には，生成ガては0.25，0.75，1.5×10 -3 mol/g，Niについては1.5×

ス発熱量を少なくとも6.3MJ/Nm 3 以上に向上させる必要

10 -3 mol/gとなるように調整した。また，使用したアルがある。発熱量の向上にはガス化温度の低下(低温ガス

ミナ担体は粒径106-212μmに選別したものを用いた。

化)が有効であるが，温度低下によるガス化率の低下，

2-2 流動床ガス化装置によるガス化反応

生成ガス中のタールによるタールトラブル等の問題がガス化反応は，モデル反応としてセルロースを用い，懸念される。これらの問題を解決するためには低温で流動床型ガス化実験装置で行った(図1参照)。反応器はもタール等重質炭化水素を効率よくガス化する触媒の石英ガラス製の反応管(内径20mm)，ガラスフィルター，開発が重要となる。

試料供給管(内径8mm)で構成され，バイオマス及びセル
ロースの供給は反応器上部のフィーダーにより試料供*1 化学繊維研究所*2 インテリア研究所*3 西日本環境エネルギー（株）

給管を通して流動媒体中に連続供給した。

事より，

Thermo−coupleProduct
Catalyst

100
(a)

1.8

90

1.6

80

1.4

70

1.2

60

1.0

50

0.8

40

0.6

30

0.4

20

0.2

10

0.0

流動床型ガス化実験装置図

今回の実験では供給時間を30分とし，5分毎にサンプリングを行った。生成ガスはフィルター，冷却管を通した後テドラーバックに捕集し，ガスクロマトグラフにより分析を行った。CO，CO 2 ，CH 4 はメタンコンバート後FID-GC( 活 性 炭 ) ， C2 以 上 の 炭 化 水 素 は5仮定して，各ガス生成量，ガス化率より換算した。

35

90

1.6

80

1.4

70

1.2

60

1.0

50

0.8

40

0.6

30

0.4

20

0.2

10
0
0

5

10

15

20

25

30

35

Reaction time/min
2.0
Pr oduc tion r at e/ mm ol・m in -1

生成ガスの発熱量は，酸化剤として空気を用いたと

30

0.0

ガス化率(mol%)=[生成ガス中の炭素]/[全導入炭素]

チャー収率(mol%)=100-(ガス化率+タール収率)

25

100

率，チャー収率は以下の定義により算出した。

素]/[全導入炭素]×100

20

(b)

1.8

13)，により定性・定量を行った。ガス化率，タール収

タ ー ル 収 率 (mol%)=[ 全 導 入 炭 素 - 回 収 ガ ス 中 の 全 炭

15

2.0

FID-GC(Unipak-S)，H 2 ,N 2 ,O 2 はTCD-GC(Molecular Sieve

×100

10

Reaction time/min

Pr oduction r ate/mmol・min -1

図1

0
0

N 2 /O 2

100
(c)

1.8

90

1.6

80

1.4

70

1.2

60

1.0

50

0.8

40

0.6

30

0.4

20

0.2

10

0.0

0
0

5

3 結果及び考察
3-1 各種触媒を用いたガス化反応おける経時変化
図2に各種触媒を用いた600℃での炭素転化率，及びConversion/mol%FeederProduct io n rate/mmol・ min -1

2.0

Conversion/mol%

Cellulose

Conversion/mol%

N2

10

15

20

25

30

35

Reaction time/min
H2

CO

CH4

CO2

C2〜

C conv.

Al2 O3に(bよるガス化反応経時変化) K2 CO3 /Al2 O3 (c ) Ni/Al2 O3
図 2 (a)
各触媒

ガス組成の経時変化を示す。Al 2 O 3 触媒(a)とK 2 CO 3 /Al 2 O 3
触媒(b)を比較すると，K 2 CO 3 の担持により炭素転化率が62mol%から93 mol%へと大幅に向上し，H 2 及びCH 4 の生成

K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒は，600℃以下の低温ガス化反応に適量が大幅に増加している。生成ガス中の酸素濃度は両していると考えられる。

触媒とも同程度である事より，K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒におけ3-2 K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒のおけるK 2 CO 3 担持量の影響るH 2 およびCO 2 生成量の増加は生成水等によるチャーや

次にK 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒についてK 2 CO 3 担持量の影響を調

タール分の水蒸気ガス化に起因すると考えられる。比

べた。K 2 CO 3 担持量0.25mmol/gから1.5mmol/gまで変化さ

較としてNi/Al 2 O 3 触媒(c)を用いて同様にガス化反応をせたところ，担持量の減少に伴い水素，二酸化炭素，

行 っ た 所 ， 炭 素 転 化 率 は 75mol% と Al 2 O 3 触 媒 よ り もメタン及びC2以上の炭化水素ガスが減少し，ガス化率15mol%程度向上しているが，K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒よりも低が低下した(図3参照)。また，チャー収率は担持量の増

く，また後発熱量ガスであるCH 4 の生成量も低い。この

加 に 伴 い 減 少 す る が ， タ ー ル は 担 持 量 0.25 及 び

20

100

18

90

16

80
Conversion/mol%

Product Gas/mmol・g-1

0.75mmol/gで増加し，担持量1.5mmol/gで再び0mol%と

14
12
10
8
6

70
60
50
40
30

4

20

2

10

0

0
0.0

0.5

1.0

1.5

K-Loading/mmol・g-cat
H2

CO

CO2

CH4

2.0

0.0

0.5

-1

1.0

1.5

K-loading/mmol・g-cat

C2〜

図 3

C conv.

H conv.

2.0-1

CarbonTar

K 2 CO 3 担持量の影響と な っ た ( 図 4 参 照 ) 。 こ の 事 か ら ， 少 量 担 持 (0.25,
Pres. /hPa

Al2 O30.75mmol/g)でのタール量増加は，担持による触媒のタール吸着量の減少に起因し，担持量が1.5mmol/gになる

K2 CO3 0.25mmol/gとタール吸着量は更に減少するが，タール分解速度がK2 CO3 0.75mmol/g

速いためタールが生成しなかったと推察される。

K2 CO3 1.5mmol/g

3-3 K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触媒のおけるガス化条件の影響
図 5 に K 2 CO 3 /Al 2 O 3 触 媒 ( 担 持 量 1.5mmol/g) に お け る

100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600[O 2 ]/[C]の影響を示す。[O 2 ]/[C]の減少に伴いCO 2 生成

Temp./℃

量は大幅に減少するがH 2 生成量は増加した。また，ガス

図 4

K 2 CO 3 触媒の昇温脱離試験結果

化率は無酸素反応で70mol%程度まで減少するが水素回収率(図中H conv.)は大きな減少はなく約80mol%を維持している事は特異的である。これは高[O 2 ]/[C]で支配的れた量として算出されているので，タール量は触媒のだった酸化反応が減少し，水蒸気ガス化反応の進行に

タール吸着能と分解ガス化能両方に起因すると考えら

よる水素生成量の増加に起因しており，特に水蒸気ガれる。アルミナ，及びカリウム担持触媒の酸性度を調ス化反応活性が高いカリウム触媒では，セルロース中

べるためアンモニアの昇温脱離試験を行ったところ，の含有水や反応生成水による水蒸気ガス化が効率良く

K 2 CO 3 の担持により大幅に吸着量が減少する事が明らか進行したためと推察される。

18

100

16

90

14

80
Conversion/mol%

Product gas/mmol・g-1

なった。ここでのタール量はガスと共に系外へ排出さ

12
10
8
6

70
60
50
40
30

4

20

2

10

0

0
0

0.1

0.2

0.3

0

0.1

[O2 ]/[C]
H2

CO

CO2

CH4

0.2

0.3

[O2 ]/[C]C2〜

図 5

C conv.

[O 2 ]/[C]比の影響

H conv.

Carbon

Tar

100

18

90

16

80

14

70

Cnversion/mol%

Product Gas/mmol・g-1による流動床ガス化を行った。その結果，以下のこと
20

12
10
8
6

60
50
40
30

4

20

2

10

0

0
450

500

550

600

650

700

450

Reaction Temp./℃
H2

CO

CO2

CH4

500

550

600

650

700

Reaction Temp./℃
C conv.

C2〜

図 6

H conv.

CarbonTar

ガス化温度の影響

次に，反応温度の影響を調べたところ，ガス化温度が明らかとなった。

の低下に伴い各ガス成分ともに減少し，ガス化率，水①カリウム系触媒は低温ガス化触媒として有効であり，素回収量も大幅に低下した(図6参照)。特に水素生成量

特 にガ ス 化 温 度600℃ で は ガ ス化 率90mol%以上 を 達が大きく減少していることより，水蒸気ガス化活性も成した。

低下していると考えられる。今回検討したカリウム系②K 2 CO 3 担持アルミナ触媒を用いることにより，水素お触媒によるガス化では600℃程度が適していると考え

よびメタン収率が大幅に向上し，ガスエンジンに利られる。

用可能な7MJ/Nm 3 以上の高発熱量ガスの製造が可能と3-4 生成ガス発熱の試算なった。

ガス化実験の生成ガス組成より酸化剤として空気を今回行った木質バイオマスのガス化において，生成用いたと仮定した際の生成ガス発熱量(HHV)を試算しガスの発熱量は6.3MJ/ Nm 3 以上を達成したが，実際の流た結果を表1に示す。今回，90mol%以上のガス化率を示

動床では流動化可能なガス流量，反応温度維持のためしたガス化温度600℃，[O 2 ]/[C]=0.22の条件より生成しの熱収支等を考慮する必要がある。また，更なる高効

33率ガス化のためには触媒の開発，反応条件の最適化と以上を達成した。更に[O 2 ]/[C]比を低減することによりあわせて，導入空気量の低減，タール＋チャー/触媒の9MJ/Nm 3 以上の高発熱量ガスの製造が可能であることが接触効率の向上を可能にする反応炉の改良が必要であ示された。また，一般にスケールアップによりガス発ると考えられる。新規ガス化炉の開発に関しては西日熱量は向上するため更なる発熱量向上が期待できる。

本環境エネルギー㈱と共同研究を開始しており，現在，たガスの発熱量は7.0MJ/Nm と目標値である6.3MJ/Nm

表 1

Catalyst
Al2O3
K2CO3/Al2O3
Ni/Al2O3
K2CO3/Al2O3
K2CO3/Al2O3
K2CO3/Al2O3

3kg/hスケー ルのガス化実験装置による反応条件等の生成ガスの発熱量[O2]/[C]
0.22
0.22
0.22
0.16
0.11
0

3

発熱量（MJ/Nm )
4.8
7.0
5.8
8.1
8.9
13.7

Reaction Temp.：600℃、Metal Loading：1.5mmol/g

4 まとめ，および今後の方針
触媒を用いたバイオマスの低温ガス化による燃料ガスの製造を目的とし，比較的廉価なカリウム担持触媒検討を開始している。このガス化炉は従来の流動床よりも気-固接触効率が高く，更に導入空気量を低減できるため，高ガス化率，高発熱量ガス製造が期待できる。

5 参考文献1)蓮尾東海,他３名：福岡県工業技術センター平成14年
度研究報告,P.33
2)蓮尾東海,他３名：福岡県工業技術センター平成15年
度研究報告,P.13

カーボンナノチューブ複合化による機能性高分子材料の開発
吉海和正 *1

蓮尾東海 *1

大﨑徹郎 *1

Development of the functional polymer material by Carbon-nanotube/Rubber Compsites
Kazumasa Yoshikai， Haruumi Hasuo， Tetsuro Ohsaki
カーボンナノチューブ(CNT)を各種ゴムと複合化し，CNTの分散性について評価した。また，加硫した複合材料の機械的性質，体積抵抗率，動的粘弾性を測定し，カーボンブラック(C.B.)配合の場合と比較した。CNTのゴムへの分散性は，複合化するゴムの種類，CNTのアスペクト比，剪断の負荷量によって大きく影響されることが判った。
また，CNTのゴムへの分散に対しては，CNTとゴム分子との相互作用が大きく影響していることが，各種ゴムへの分散性の評価結果及び，加硫複合材料の動的粘弾性の評価結果から示唆された。CNTはゴムの種類によっては，通常の混練で良好な分散状態が得られ，良好な機械的性質と導電性をゴムに付与することが可能であることが明らかとなった。

明らかにすることを目的として，CNTのゴムへの分散性，

1 はじめにCNTとは直径数nm〜100nm程度，長さ数nm〜数mm程度の円筒状の炭素繊維のことで，アスペクト比，比表面ゴムの機械的性質や電気的性質に及ぼすCNT配合の影響について調べたので報告する。

積が大きく，ピッチ系やPAN系などの従来の炭素繊維と比べて機械的特性や電気的特性に優れている 1-4) 。また，
分子科学的に特異な性質も有するため

3)，4)

，フィール

2 実験方法2-1 材料ドエミッター，水素吸蔵材料，電極材料，半導体デバ

CNTは，CVD法にて製造した多層CNT(ワコーケミカル

イスなど，多方面での応用展開が期待されている。

社製)で，主 としてア スペ クトが異 なる 2種を用いた

これまでは，CNTの価格が極めて高価であったため，(CNT1：平均繊維径20-30nm，繊維長0.5-2μm ，CNT2：

用途は限定されていたが，量産化技術の開発が進み大平均繊維径10-30nm，繊維長1-10μm)。図1にCNTの走査

量生産の体制が整いつつあることなどから，その価格

電子顕微鏡(SEM)による観察像を示す。

は近い将来大幅に低下することが予想され，多方面での用途開発が現実的になると期待されている。特に，フィラーとしての用途は使用量が他の用途と比べると桁違いに大きいため，実現すると，それが引き金となって，さらなる価格低下の高い期待が寄せられている。
フィラーとしてCNTを見た場合，そのサイズは径が従来の炭素繊維より2桁以上も小さい上，炭素繊維以上の

CNT2

CNT1

図1

CNTのSEM像

優れた特性を有している 1)，2) 。従って，少量の添加で高い機能性をマトリックス材料に付与することが期待

CNTを複合化するゴム材料は，天然ゴム(NR)，スチレ

できる。フィラーとしてのCNTの用途展開としては，導ンブタジエンゴム(SBR)，エチレンプロピレンジエンゴ

電性複合材料，高熱伝導性複合材料，高弾性率複合材

ム(EPDM)，ニトリルゴム(NBR)，シリコンゴム(VMQ)，料等の用途が期待されており，ポリプロピレン，ポリ

クロロプレンゴム(CR)，塩素化ブチルゴム(Cl-IIR)，

カーボネート，エポキシ樹脂等のプラスチックとの複クロルスルフォン化ポリエチレンゴム(CSM)，イソプレ合化を中心として盛んに検討されている 5-9) 。一方，ゴンゴム(IR)，ブタジエンゴム(BR)の計10種類を用いた。

ムとの複合化に関して検討した例はまだ少ない。そこ

2-2 CNTの分散性評価で本研究では，CNTをゴムへ複合化した場合の諸特性を*1 化学繊維研究所

CNTの各種ゴムへの分散性は，光学顕微鏡により，複合材料中の観察可能なサイズの凝集塊の存在より評価した。ニップ間隔0.3mmに設定したオープンロールを用
い，ゴム10gにCNT0.3gを添加した後，丸め通しを繰り返して複合材料を作製した。丸め通しの回数50，100，
×50回

100μm

×100回

100μm

×200回

100μm

100μm

×100回

100μm

×200回

100μm

200回で複合材料の一部を回収し，赤外分析用のダイヤ
モンドセルでプレスしてCNTの凝集塊を光学顕微鏡を使って観察した。
2-3 加硫複合材料の作製と評価
CNTをゴムに3，10，20重量部(phr)配合した複合材料

×50回

図2

を作製し，CNT配合ゴムの各種特性を評価した。比較と凝集塊の形成状態のせん断負荷による変化(上段：CNT1/NR，下段：CNT1/SBR)

して，C.B.(HAF #70，旭カーボン(株)製)配合の複合材料を作製して同様に評価した。

での分散状態については確認できないが，大きな凝集複合材料は，試験用混練装置(ブラベンダー社製，容塊が残っていることはCNTが分散していないことを示

量55ml，ローラー形ブレード)を用いてCNTをゴムに添していると考えられるため，この光学顕微鏡観察の手加した後，ニップ間隔0.3mmに設定したオープンロール

法から，ゴムへのCNTの分散性評価が可能となった。

で80回丸め通しを行ってCNTを分散させ，加硫剤を添加

図3にCNT添加後に200回丸め通しを施した各種複合

してさらに70回丸め通しを行って作製した。

材料中における凝集塊の形成状態の光学顕微鏡観察結複合材料を加硫し，引張り試験，引裂試験，体積抵果を示す。ゴムの種類によって凝集塊の形成状態が大抗率測定，破断面のSEM観察及び動的粘弾性測定によっきく異なり，ゴムの種類によってCNTの分散が大きく影て特性を評価した。引張り試験，引裂試験はインスト

響されることが判った。また，アスペクト比が異なる

ロン型の引張試験機(Tensilone RTC-500，A&D(株)製)

CNT1とCNT2の比較では，繊維長が長くアスペクト比がを用い，JIS K 6251，JIS K 6252に従って行った。

大きいCNT2の分散性が悪く，CNTのアスペクト比がゴム

体積抵抗率測定は，絶縁抵抗測定装置((株)川口電機への分散性に大きく影響することも判った。これは，製作所製)及び4探針式抵抗率測定装置(ロレスタAP，三アスペクト比が大きいと，絡み合ったCNTを容易に解き

菱化学(株)製)を用いて，JIS K 6271，JIS K 7194に従ほぐすことができないためであると考えられる。今回って行った。SEM観察は，液体窒素中で破断した加硫複検討した範囲では，ほとんどのゴムで，200回丸め通し

合材料の破断面に対して，JSM−840F(日本電子(株)製)を施した後でも凝集塊が存在したが，NRやIR，CSMにアを用い，加速電圧10kVにて行った｡

スペクト比の小さいCNT1を配合した場合は，ほぼ凝集

動的粘弾性測定は，DMS-210(エスアイアイ・ナノテ
クノロジー(株)製)を用い，測定モード：引張り，測定
周波数：10Hz，歪振幅：10μmの条件で行った。

塊が認められなくなるくらい均一にCNTは分散していた。
これらにより，ゴムとCNTの組み合わせによっては，機械的な剪断力の負荷のみによってCNTの絡み合いを3 結果と考察

ほぐしてゴムマトリックス中に均一に分散させること

3-1 CNTのゴムへの分散性が可能であることが判った。

図2に，光学顕微鏡にて観察した複合材料中における凝CNTのゴムへの分散性に関しては， CNTとゴム分子と集塊の形成状態が，丸め通し(剪断負荷)の回数と共にの間の相互作用が大きく影響していると推定される。

変化する様子を示す。

すなわち，CNTとゴム分子中の官能基，あるいは混練り

NRにCNT１を複合化した場合，丸め通しの回数と共に時のゴム分子の切断によって生成するゴムラジカルや凝集塊が減少し，200回丸め通しを行った後にはほとん

その派生形態の官能基との相互作用によって，CNTの絡ど凝集塊が認められなくなるまで分散が進んでいる。

み合いが解きほぐされゴムマトリックス中に分散して一方，SBRにCNT１を複合化した場合は，200回の丸め通行くと考えられる。この相互作用が十分強く，絡み合し後においても数10μm程度の大きな凝集塊が多数存

いが比較的小さいときには，均一になるまで分散が進在していた。光学顕微鏡観察では，1μm以下のサイズ

むと考えられる。素練り効果の高いNRやIR，官能基をNR/CNT1

NR/CNT2

100μm

NBR/CNT1

100μm

EPDM/CNT1

100μm

100μm

Cl-IIR/CNT1

100μm

100μm

CSM/CNT1

SBR/CNT2

SBR/CNT1

VMQ/CNT1

100μm

100μm

IR/CNT1

CR/CNT1

BR/CNT1

100μm

100μm

100μm
図3

100μm

複合材料中における凝集塊の形成状態有するCSMとCNT1の組み合わせで良好な分散状態が得られたことは，これを支持する結果であると考えられ

3-3 CNT配合ゴムの機械的性質
図5，6にCNTを配合したNRの引張り強さと引裂強さのる。

配合量に対する変化を，C.B.配合の場合の結果ととも3-2 CNT配合ゴムの動的粘弾性に示す。

図 4に CNT及 び C.B.配 合 量 と 動 的 粘 弾 性 測 定 に よ る

CNT1を配合して加硫したNRの動的粘弾性の温度分散の測定結果は，CNTの配合量と共にtanδのピークは低
くなって行き，ゴム領域における貯蔵弾性率の値は高引張り強さ(Mpa)tanδピークの低下との関係を示す。

20
15
10

CNT1
C.B.
CNT2

5
0

くなる傾向を示した。

0

5

10

CNT１を配合した場合のtanδピークの低下は大きく，

15

20

25

配合量/phr

CNTとマトリックスゴムとの間に相互作用が存在する

図5

フィラーの配合量と引張り強さ

ことを示唆していると考えられる。この結果も，CNTとゴム分子との間の相互作用がCNTの分散性に大きく

tanδc/tanδm

1.2
1.1

CNT1
C.B.
CNT2

1
0.9

引裂強さ(N/mm)

影響していることを示す結果であると考えられる。

50
40
30
CNT1
C.B.
CNT2

20
10
0

0.8

0

0.7

5

10

15

20

25

配合量/phr

0.6
0

5

10

15

20

25

図6

フィラーの配合量と引裂強さ

配合量/phr

図4

フィラーの配合量とtanδピークの低下(tanδc：複合材料のtanδ，tanδm：純ゴムのtanδ)

分散性の悪いCNT2を配合した場合以外は，いずれの特性も配合量が増えるに従い上昇する傾向を示した。

同一の条件で作製した場合での比較ではあるが，分散性の良好なCNT1を配合した複合材料は，C.B.配合の場合と比較して良好な機械的性質を示すことが判った。
3-4 CNT配合ゴムの電気的性質

る変化を，C.B.配合の場合の結果とともに示す。

381，p.678(1996)“Physical Properties of Carbon Nanotubes” ，Imperial College Press(1998)
3)P.J.F.Harris ： “Carbon Nanotubes and Related

1.E+17
体積抵抗率(Ω･cm)

1)M.M.J.Treacy，T.W.Ebbesen and J.M.Gibson：Nature2)R.Saito ， M.S.Dresselhaus and G.Dresselhaus ：

図7にCNTを配合したNRの体積抵抗率の配合量に対す

1.E+15Structures”，Cambridge Univ.Press(1999)

1.E+134)M.-F.Yu ， O.Lourie ，

1.E+11CNT1

1.E+09

C.B.

1.E+07

CNT2

T.F.Kelly

0

5

and

M.J.Dyer ，

R.S.Ruoff ：K.Moloni ，Science

287 ，p.637(2000)

1.E+05図7

5 参考文献1015
配合量/phr

2025

フィラーの配合量と体積抵抗率

5)M.Takenaka：New Diamond 19，No.2，p.30(2003)
6)J.Jang ， J.Bae ， S.-H.Yoon ： J.Mater.Chem. 13 ，p.676(2003)
7)M.Sennett，E.Welsh， J.B.Wright， W.Z.Li， J.G.Wen，

導電性の指標となる体積抵抗率は，分散性の良好な

Z.F.Ren：Appl.Phys.A 76，p.111(2003)

CNT1を10phr以上配合すると急激に低下し，CNTの複合

8)M.Cadek ， J.N.Coleman ， V.Barron ， W.J.Blau ，化によりマトリックスゴムに導電性が付与されること

K.Hedicke：Appl.Phys.Lett. 81，p.5123(2002)が判った。一方，分散性の悪いCNT2を配合した場合は，

9)J.C.Kearns， R.L.Shambaugh： J.Appl.Polym.Sci.

C.B.配合と同等の体積抵抗率を示した。これにより，
CNTを良好に分散させることによって，機械的性質を犠
牲にすることなく導電性をゴムに付与可能であること
が判った。

4 まとめ
CNTをゴムへ複合化した場合の諸特性を明らかにすることを目的として，CNTのゴムへの分散性，ゴムの機
械的性質や電気的性質に及ぼすCNT配合の影響について調べた結果以下の結論を得た。
1. CNTのゴムへの分散性はIR分析用のダイヤモンドセルを使った光学顕微鏡観察によって評価可能である｡
2．ゴムの種類，CNTのアスペクト比，剪断の負荷量によってCNTの分散状態は大きく影響される。
3. NR，IR，CSMとアスペクト比の小さいCNTの組み合わ
せでは，剪断力の負荷だけでCNTをゴムマトリックス中に均一に分散可能であった。
4. CNTのゴムへの分散は，CNTとゴム分子との相互作用が大きく影響していると考えられる。
5. CNTを均一分散させることで，複合材料は比較的良
好な機械的性質を示した。
6. 10phr以上のCNTを均一分散させることで，複合材料の体積抵抗率は急激に低下した。

86，p.2079(2002)

パイプ状シリカの応用に関する研究
野見山加寿子*1

Template Synthesis of Mesoscopic Tube Silicates
Kazuko Nomiyama
メソポーラスシリカのテンプレート合成法の一端として，単純な一本鎖型界面活性剤であるアルキルアンモニウム塩と芳香族化合物との混合分散溶液中で形成される，ファイバ状の会合体を利用してシリカ合成を試みた。界面活性剤のアルキル鎖長やナフタレン系の芳香族化合物の構造を変化させて，数種類の組み合わせからファイバ状のシリカが得られ，透過型電子顕微鏡観察により中空のパイプ状シリカであることが分かった。テンプレートの組み合せにより，パイプ状シリカの形態が制御され，CTABとDHNを用いた系では細孔径20nmのパイプ状，CTABとANAを用いた系では細孔径10nmのワームホール状シリカが得られた。

のテンプレートをのこしたまま保持して使用するとい

1 はじめに
1990年頃にMCM-41，FSM-16などの細孔径が2〜50nmった試みがなされている。

のメソポーラスシリカが合成されて以来，現在ではシ

チューブ状シリカの製造コスト削減のために，以前

リカだけでなく，様々な金属酸化物を用いたメソポー

より水中でアルキルアンモニウム塩とナフタレンジオ

ラス多孔体の細孔制御が可能になり，応用範囲の広がール等の芳香族化合物から形成されるファイバ状の会りは非常に興味深い。

合体をテンプレートとして用いることを検討してきてメソポーラスシリカの合成方法は，界面活性剤のミいる 2),3) 。この方法においては，図2のようにCTAB単独セル構造を鋳型(テンプレート)とし，その周囲にゾル

では球状ミセルしか形成しない低濃度領域でも，疎水−ゲル法などでシリカ骨格を形成させて，テンプレー

性相互作用によりナフタレンジオール(DHN)が，ミセルトを抽出や焼成で取り除くというものが主流である。

中に取り込まれ，会合形態がロッド状に変化すると考これまでに当研究室では，分子内にアゾベンゼン基あ

えている。

るい は ジベ ン ゾイ ル メタ ン 基を 導 入し た 界面 活 性剤
(図1の化合物1あるいは2)を合成し，それらが水中で形成する会合体をテンプレートとして，細孔径が40nm
あるいは10nmのチューブ状のシリカやアルミノシリケ

球状ミセル
Cn-1TAB

ート等金属酸化物の開発について報告している 1) 。
DHN

図2

図1

界面活性剤（化合物1，2）

ロッド状

CTAB/2,3-DHNの会合構造の模式図

テンプレートとなる会合体を構成する界面活性剤のアルキル鎖長，あるいは芳香族化合物の種類・添加量

このような界面活性剤を分子設計・合成してテンプレートとする方法は，得られるシリカの細孔径や形態を制御する上で，非常に優れた方法であるといえるが，等を変化させることにより，合成されるパイプ状シリカの細孔径を制御することが可能になると期待される。
そこで，本方法の確立を目指して以下の検討を行った。

界面活性剤を入手するまでの時間や製造コストがかかるという短所もある。そのため現在では，シリカ合成の後，テンプレートを回収して再利用したり，機能性*1 化学繊維研究所

2 研究，実験方法
2-1 混合分散液の調製
界面活性剤として用いた一本鎖型アルキルアンモニ

ウム塩(C n-1 TAB)は，アルキル鎖長がC14・C16・C18のも末を300℃まで窒素気流下，その後600℃まで空気気流のである。これらを水中にて単独では球状ミセルを形下焼成しシリカを得た。

-2-4成するとされる，臨界ミセル濃度10 〜10 molL

-１の範

界面活性剤のアルキル鎖長と芳香族化合物との組合囲で用いた。また芳香族化合物はこれまでに用いたDHN

せ，濃度・mol比を変化させて，上記の方法でチューブと，同じく2位，3位に親水性のカルボキシル基，アミ状シリカの合成を行った。条件について表1に示す。

ノ基をもつ2,3-ジヒドロキシナフタレン(DHN)及び3アミノ-2-ナフトエ酸(ANA)を用い，添加量及び置換基

表1

シリカ合成条件の変化が合成されるシリカの構造に及ぼす影響につい界面活性剤て検討した。
C14TAB

芳香族
化合物

ｼﾘｶ濃度／量

ﾓﾙ比
ｼﾘｶ／会合体

5／10

170／1550

2／50

10／500

42

5／10

80／15

25

-１

DHN
ANA

C18TAB

molL ／mL

-１

DHN
ANA

C16TAB

molL ／mL

会合体濃度／量

DHN
ANA

図3
3 結果と考察
芳香族化合物を界面活性剤と当モルになるよう秤量し，あらかじめ所望の濃度に調製した界面活性剤溶液を加えて，室温で1時間撹拌して芳香族化合物を溶解させ，30℃の恒温槽で静置した。

3-1 パイプ状シリカの構造確認実験により得られたシリカ構造体について，電子顕微鏡観察(JEOL JSM-840F)を行った。まず，界面活性剤としてC 14 TABあるいはC 18 TABと，DHNあるいはANAをテン

2-2 シリカ溶液の調製プレートとして得られたシリカのSEM写真を図5および

純水50mlに水酸化ナトリウム(0.72g, 18mmol) を加図6に示す。

えた溶液に，wakogelQ63(0.6g, 10mmol)を加え，30℃
で一晩撹拌して溶解させた。この溶液を純水で10倍に希釈した後，3N臭化水素酸水溶液でpHを7〜7.5に調整して，会合体溶液との複合化に用いた。
2-3 新規テンプレートを用いたシリカ合成
図4の合成スキームに示すように，数時間から数日間熟成した会合体溶液を撹拌しながら，シリカ溶液を添加し浮遊，沈降する複合体について，デカンテーション

図5

C 14 TAB／DHN系シリカ

図6

C 18 TAB／ANA系シリカ

で1〜3回，遠心分離で3〜5回洗浄した後，水分を残したまま凍結乾燥機で2日間乾燥した。得られた複合体粉
界面活性剤水溶液

芳香族化合物

シリカ溶液

1〜10mmolL-1

約10〜20mmolL-1
ﾜｺｰｹﾞﾙＱ63
NaOH
室温で１時間撹拌後
30℃の恒温槽内で熟成

浮遊物

pH調整：7〜7.5

デカンテーション洗浄
遠心分離で回収

凍結乾燥

図5及び図6から，アルキル鎖長の異なるC 14 TAB及び焼成（~300℃，N2／~600℃，air）

図4

シリカのテンプレート合成スキーム

C 18 TABを用いた場合にも，DHNあるいはANAの様な添加剤を加えることにより，低濃度領域でファイバ状構造

をしたシリカが合成できることが明らかになった。但を用いた会合体をテンプレートとして合成されたシリ

し，シリカ溶液濃度が80〜170Mと高いためシリカのみ

カは，ワームホール(虫食い穴)形状をしており，そのの凝集構造も多くみられた。そこで，シリカ溶液濃度

細孔径は約20nm程度であることが分かった。

を10分の1程度にして，同様の方法で，C 16 TABとDHNからなる会合体をテンプレートとしたシリカ合成を行った。得られたシリカのSEM写真を図7に示す。

図9

C 16 TAB/ANA系シリカ

TEM
図7

C 16 TAB／DHN系シリカ

会合体濃度が1〜2mMの溶液50mLを10mMのシリカ溶液
500mLと反応させて得られるシリカ構造体は，図6のように，ファイバ状の形態をとっていることが分かった。
SEM観察ではシリカ構造体内部に細孔が開いているか
ど う か 分 か ら な い た め ， 透 過 型 電 子 顕 微 鏡(HITACHI
H-7100)による観察も行った(図8)。

図10

TEM

C 16 TAB/ANA系シリカのTEM写真

以上の結果より，界面活性剤水溶液に混合分散する
添加剤の種類を変えることにより，得られるシリカの構造及び細孔径が変化することが明らかになった。
したがって，今後もさらに界面活性剤及び芳香族化合物の種類を変えて，形成される会合体の形状，及びこれをテンプレートとして合成されるシリカ構造について検討の必要がある。また，C n-1 TABと芳香族化合物との混合分散液中の会合体の形状は，温度や濃度に影
図8

C 16 TAB／DHN系シリカのTEM写真

響されるだけでなく，熟成時間あるいはシリカ溶液と複合化する際の撹拌条件により変化する傾向が見られ

図8より，C 16 TAB／DHNからなる会合体をテンプレー
トとして得られたファイバ状のシリカは，その内部がたため，それらの観点からもシリカの構造・細孔径制
御について検討していかなければならない。

中空になっており，内径が約10nm程度であることが分
かった。

4 まとめ

次に同じ濃度条件で，C 16 TABとANAを用いた系で同様

本研究では，新規パイプ状シリカを合成するために，の検討を行った。SEMを図9にTEM写真を図10に示す。

界面活性剤と芳香族化合物からなる会合体をテンプレ

電子顕微鏡観察(図9及び図10)により，C 16 TABとANAートとして利用した。界面活性剤(C n-1 TAB)のアルキル

鎖長や，添加剤としての芳香族化合物DHN及びANAを変えても，パイプ状シリカが合成できることが明らかになった。今回C 16 TABとDHNを用いた場合では，細孔径が10nmのファイバ状シリカが得られた。また，C 16 TABとANAを用いた場合には，ワームホール状シリカが得られ，
細孔径は20nmであった。このことから，テンプレート
としての会合体を形成する化学種の組合せにより，パイプ状シリカの形態や細孔径が制御できることが明らかになった。
ここで用いたような，市販で安価な化学種から構成されるテンプレートを用いたシリカ合成が可能になれ
ば，分子設計や合成が必要な両親媒性化合物を用いる
場合と比較して，原料コストが約千分の１から１万分の１になり，パイプ状シリカが安価に提供できるようになると考えられる。

5 参考文献1)諫山宗敏，野見山加寿子，国武豊喜：特開平11-60212
2)諫山宗敏，野見山加寿子，君塚信夫：特開2003-206245
3)M.Isayama，K.Nomiyama，T.Yamaguchi，N.Kimizuka：Chem.Lett，Vol.34，p.462(2005)

Ｃｒｙトキシンレセプターの探索とガン診断・治療への応用(その１)
Bacillus thuringiensis A1470株インクルージョンからのCry45Aaトキシンの精製
奥村史朗 *1

片山秀樹 *1

山下聡子 *1

石川智之 *1

水城英一 *1

井上國世 *2

The receptor for Cry toxins and its application for cancer screening and therapy
Purification of Cry45Aa toxin from inclusion body of Bacillus thuringiensis A1470 strain
Shiro Okumura, Hideki Katayama, Satoko Yamashita, Tomoyuki Ishikawa, Eiichi Mizuki, Kuniyo Inouye
Bacillus thuringiensis A1470株が胞子形成時に産生するパラスポーラルインクルージョンは，アルカリ溶液で可溶化後，プロテアーゼ処理により活性化するとヒト白血病細胞由来の培養細胞であるMOLT-4細胞に対して細胞障害活性を示すが，溶血活性は示さない 1) ことから，ガン細胞特異的なトキシンとして期待されている。このMOLT-4細胞に対する活性の本体は分子量約28kDaのタンパク質であることが示唆されている 2) 。我々は B. thuringiensis
A1470株インクルージョンを活性化し，その後陰イオン交換クロマトグラフィとゲル濾過クロマトグラフィにより分子量が約27kDaの新規トキシンであるCry45Aaを得た。

1 はじめに解しpH7.6に調整した寒天培地上で28℃で培養して，B.thuringiensis (BT)は，胞子形成時にパラスポー

PIを含む胞子形成後の培養産物を回収した。この回収

ラルインクルージョン(PI)と呼ばれる封入体のタンパ

物を1Mの塩化ナトリウム水溶液で3回洗浄後にGoodman

ク質を産生し，このPIが特定の昆虫に対して殺虫活性らの2相分離法 3) によりPIを精製した。

を示すことでよく知られている。BTはホ乳類，鳥類，
爬虫類などには病原性を示さず，このためPIから得られた殺虫活性を持つタンパク質はしばしば遺伝子組み換え作物に応用されている。
BTのA1470株(図1)が産生するPIは，アルカリ溶液に可溶化後，プロテアーゼ処理により活性化するとヒト白血病細胞由来であるMOLT-4細胞に対して細胞障害活性を示す 1) が，溶血活性は示さない 1) ことから，ガン細胞特異的なトキシンとして期待されている。A1470

図1 胞子形成中の B. thuringiensis A1470株

株のPIには主に5つのタンパク質が含まれ，その分子量はSDS-PAGEによると160, 60, 34, 32, 16 kDaであ

2-2 PIからの新規トキシンの精製る。これらのタンパク質をプロテアーゼＫで活性化し2-2-1 PIの可溶化と活性化た際に生じる分子量約28kDaのタンパク質がMOLT-4細BT A1470株から得たPIに10mMジチオスレイトール及胞に対する活性の本体と推定されている 2) が，まだ同び1mM EDTAを含む50mM炭酸ナトリウム緩衝液(pH10.5)

定には至っていなかった。

を加えて，37℃で1時間可溶化した。この可溶化液を遠心分離して上清を回収し，最終濃度が30μg/mlとな

2 研究，実験方法

るようにプロテナーゼＫを加えて37℃で90分インキュ

2-1 BT A1470株の培養とPIの精製

ベートし活性化した。終濃度が1mMになるようにPMSF

研究に用いたBT A1470株は東京都日野市の土壌からを加えて，活性化を停止し，フィルターでの濾過によ

分 離 し た も の で ， こ の 株 を 1 ％ meat extract ， 1 ％って不溶物を除いて，活性化タンパク質溶液を得た。

polypeptone，0.2％ NaCl, 1.5％ agarを蒸留水で溶

2-2-2 カラムクロマトグラフィによる精製*1 生物食品研究所*2 京都大学大学院農学研究科

こ う し て 得 た 活 性 化 溶 液 を 1mM EDTA を 含 む 50mM
Tris-HCl緩衝液(pH 9.0)で平衡化した陰イオン交換カラ ム (1ml Resource Q カ ラ ム [ 内 径 6.4 mm× 長 さ 30mm] アマシャム製)に4℃で1.0 ml/minの流速で通して活性化溶液中のタンパク質をカラムに吸着した後，0〜1 MのNaClグラジエントにより溶出させた。溶出液は1mlずつのフラクションとして回収した。
各フラクションのMOLT-4細胞に対する細胞傷害活性を測定し，活性の強いフラクションについては遠心式の 限 外 濾 過 に よ り 濃 縮 し て ， 1mM EDTA を 含 む 50mM
Tris-HCl緩衝液(pH 9.0)で平衡化したゲル濾過カラム

図2

陰イオン交換クロマトグラフィの結果(Superdex 75 HR 10/30 カ ラ ム [内 径 10 mm×長 さ 300
グラフよりMOLT-4細胞に対する細胞傷害活性は大きmm] アマシャム製)によりさらに分離を行った。
2-3 タンパク質の分析方法なピークと小さなピークが重なっていると判断できた。

2-3-1 MOLT-4細胞に対する傷害活性の測定

そこで2つのピークを含む24〜27の4つのフラクション

MOLT-4細胞をRPMI1640に10％FBSを加えた培地を用についてSDS-PAGEによる分析を行った(図3)ところ，

5

分子量26〜28kDaに範囲に3種類のバンドが見られた。

細胞/mlの濃度で96ウェルマルチウェルプレートに90図に示したように上からa, b, cとすると，図3からフμlずつ分注した。この96ウェルマルチウェルプレー

ラクション24にはaがほぼ単独で含まれ，フラクショ

ト中で細胞をさらに24時間培養し，次いで試験に用い

ン25にはaとcが，フラクション26，27にはbとcが含また。細胞傷害活性については各ウェル中のMOLT-4細胞

れていることがわかった。

いて37℃で5％二酸化炭素存在下で培養し，2.2×10に，サンプルを加え20時間後に障害を受けた細胞数を顕微鏡により観察して計測し，5％以下のものを“−”，
30 ％ 以 下 を “ ＋ ”， 60 ％ 以 下 を “ ++ ”， そ れ 以 上 を“+++”とした。半数影響濃度(EC 50 )は各ウエル中に2倍ずつ段階希釈でタンパク質を投入し20時間後の細胞
生 存 率 を 市 販 の MTT 試 薬 (CellTiter96 AQueous One
Solution Reagent [プロメガ製])を用いてMTT法により測定し，「タンパク質濃度−細胞生存率曲線」から
プロビット法により算出した。
2-2-2 その他の測定
タンパク質濃度はウシ血清アルブミンを標準として
Bradford法 4) で お こ な っ た 。 SDS-PAGEは Laemmliの 方

図3

フラクション24〜27のSDS-PAGE像

法 5) により4％の濃縮ゲルと15％の分離ゲルを用いて行った。

フラクション24が最も高いMOLT-4に対する細胞傷害
活性を示している(図2)ことから，aは細胞傷害活性を3 結果と考察持っていることが推定された。さらにbとcの細胞傷害

3-1 陰イオン交換クロマトグラフィによる活性化タンパク

活性を確認するために，フラクション26をゲル濾過ク

質の分離

ロマトグラフィにかけた。

図2にResource Q カラムによる陰イオン交換クロマ
トグラフィの結果と各フラクションのMOLT-4細胞に対する細胞傷害活性を示した。

3-2 ゲル濾過クロマトグラフィによる新規トキシンの精製
図4にゲル濾過クロマトグラフィの結果を，図5にそのフラクション8〜12までのSDS-PAGEの結果を示した。
両方の結果をあわせ見ると，ゲル濾過クロマトグラフ
ィによりフラクション26に含まれていたcが先に溶出

し，後からbが溶出した。

縮し，アミノ酸シーケンサーによりそのN末のアミノ酸配列を分析した。またV8プロテアーゼによりbを分解し，その分解断片のN末のアミノ酸配列を分析した。
こうして得られた情報よりbの遺伝子をクローニング
した。bの遺伝子情報をタンパク質のデーターベース
にかけて検索したところ，bは全く新規のタンパク質であることが判明したため，本タンパク質をGenBank
データベースに登録を申請し登録番号を得ている(accessionno.

AB180980) 。 ま た ， Bacillus

thuringiensisタンパク質命名委員会(http://www.
biols.susx.ac.uk/home/Neil̲Crickmore/BT/) に 登
図4

フラクション26(図3)をゲル濾過録を申請し，本タンパク質はCry45Aaと命名された。

クロマトグラフィにかけた結果

我々はホ乳類の培養細胞に細胞傷害活性を示す微生物由来のタンパク質をパラスポリン(parasporin)と命名している 6) 。現在のところ本新規トキシンを含めて4つのパラスポリンが発見されて 7) おり，本新規トキ
シンはパラスポリン-4と命名された。

4 まとめ
BT A1470株からMOLT-4細胞に対して細胞傷害活性を示す全く新規のタンパク質であるCry45Aaを得た。今後Cry45Aaの諸性質を明らかにするとともに，その細胞傷害活性の作用機構を解明し，ガン診断・治療に応用すべく研究を行っていく必要がある。
図5

ゲル濾過クロマトグラフィの5 参考文献フラクション 8〜12 の SDS-PAGE 像

1)D.-W.Lee，T.Akao，S.Yamashita, H.Katayama, M.
ごく薄いバンドまで含めると，cはフラクション8〜

Maeda, H.Saitoh, E.Mizuki, M.Ohba：Biochem.
Biophys.Res.Commun., Vol.272, No.1, p.218-

11に，bはフラクション10〜12に含まれていた。
表1にフラクション8〜12のMOLT-4細胞に対する細胞

223(2000)
2)D.-W.Lee,

傷害活性を示した。

H.Katayama,

T.Akao,M.Maeda,R.

Tanaka, S.Yamashita, H.Saitoh, E.Mizuki, M.
表1

各フラクションのMOLT-4に対する細胞傷害活性フラクションNo.

8

9

10

11

12

細胞傷害活性

−

−

＋

+++

＋

Ohba: Biochim.Biophys.Acta., Vol.1547, No.1，p.
57-63 (2001)3)N.S.Goodman, R.J.Gottfried, M.H.Rogoff：
J.Bacteriol., Vol.94, No.2, p.485(1967)

この表からMOLT-4細胞に対する細胞傷害活性はbのバンドの濃さに応じていることが判明した。また，cのバンドが最も濃いフラクション9に全く細胞傷害活性が認められないことから，cにはMOLT-4細胞に対する傷害活性がないと考えられる。
次に，bの み で構成 され て いるフ ラク シ ョン12を濃4)M.M.Bradford：Anal.Biochem., Vol.72, p.248-254(1976)
5)U.K.Laemmli ： Nature, Vol.227, No.5259, p.680685 (1970)6)E.Mizuki ， Y.S.Park ， H.Saitoh ， S.Yamashita ，T.Akao,K.Higuchi,

M.Ohba ： Clin.Diagn.Lab.

Immunol., Vol.7, No.4, p.625-634(2000)
7)H.Katayama ， H.Yokota ， T.Akao, O.Nakamura ，
M.Ohba， E.Mekada， E.Mizuki： J.Biochem.(Tokyo) ，Vol.137，No.1，p.17-25(2005)

ＢＴ菌を活用した抗菌性土壌改良材の開発
一松時生 *1

水城英一 *1

樋口和彦 *1

里一男 *2三田光章 *2

武内啓介 *2

Development of the antibacterial soil improvement material
utilized Bacillus thuringiensis strains
Tokio Ichimatsu, Eiichi Mizuki, Kazuhiko Higuchi, Kazuo Sato, Mitsuaki Mita, Keisuke Takeuchi
地球環境汚染，環境ホルモン問題，人畜に対する毒性，及び自然生態系の破壊などが指摘され，化学農薬の規制が進んでいる。特に，土壌消毒剤として長年使用されてきた臭化メチルがオゾン層破壊の原因物質であることが明らかになり，全面的に使用禁止になった。
そ こ で ， そ の 代 替 と な り う る 抗 菌 性 土 壌 改 良 材 を 開 発 す る た め に ， 農 作 物 病 害 菌 に 有 効 な Bacillus

thuringiensis(以下BTと記す)の選抜試験を実施した。その結果，3種類の農作物における病害菌について，抗菌活性を持つBT菌が得られた。

1 はじめに

欧米で害虫防除剤として使用されてきた。また，これ

地球環境汚染，環境ホルモン問題，人畜に対する毒までの多くの研究 3),4) からBT製剤の安全性は広く認め性，及び自然生態系の破壊などが指摘され，化学農薬られている。また，抗菌活性についても他の農作物病の規制が進んでいる。1997年に開催されたモントリオ

害菌に対して確認 5) した。

ール議定書第9回締約国会合で化学農薬の規制強化が検討された。土壌消毒などに使用されている臭化メチ

そこで，上記3病害菌に対して抗菌活性を有するBT菌の選抜試験を実施したので報告する。

ルがオゾン層破壊物質であることがわかり，1999年以降段階的に削減して，2005年に全廃することが定めら

2 研究，実験方法れた。また，環境省及び経済産業省は，臭化メチルの2-1 対象病害菌

大気中への放出を抑制するための排出抑制・使用合理1)化指針 を策定している。

対象病害菌は，問題となっている作物病害で，土壌病害菌であるものを，順次選択した。

本研究で対象とする病原菌は，いずれも土壌経由で本研究では，トマト萎凋病，ホウレンソウ萎凋病，感 染 す る も の で あ る 。 ト マ ト 萎 凋 病 菌 (Fusarium

ダイズ白絹病の3病害菌(表1参照)について試験を行っoxysporum f.sp. lycopersici)，ホウレンソウ萎凋病

た。表1にリストアップした病害菌は関係機関(大学，(Fusarium oxysporum f.sp. spinaciae)は土壌中で厚公設研究機関等)から入手し，試験に供した。

膜胞子として存在し，条件がよくなると，植物体の根などから感染する。その後，導管が閉塞し，根腐れ，

表1 対象病害菌
病 害 名

萎凋がみられるようになり枯死に至る。ダイズ白絹病菌(Athelia rolfsii)は，土壌伝染性の担子菌である。

感染
作 物 病 害 原 因 菌
経路トマト萎凋病 土壌 Fusarium oxysporum f.sp. lycopersici

Fusarium oxysporum f.sp. spinaciae

日本では，62科216種の作物の病原菌 2) となっている。

ホウレンソウ萎凋病

本菌は，7〜8月の高温多湿時，及びやや乾燥しやすい

ダイズ白絹病 土壌 Athelia rolfsii NBRC 31215

土壌

NBRC 30467

砂質土壌の畑地で発生が多い。
このように，上記3農産物の安定的生産には土壌消毒が重要であるため，臭化メチルの代替剤・代替技術が必要とされている。
BT菌は，1960年代よりBT製剤として農薬登録され，*1 生物食品研究所*2 中村産業(株)2-1-1 短菌糸溶液の調製
それぞれの保存スラントから1白金耳採取し，これを200 mlの攪拌三角フラスコに入れたPotato Dextrose
Broth(DIFCO社製)100 mlに植菌し，振とう培養して増殖した後，ガーゼろ過して30 mlの短菌糸溶液を採取した。

トマト萎凋病は24℃，150rpmで7日間培養した。ホウレンソウ萎凋病は25℃，150rpmで7日間培養した。ダイ
ズ白絹病は25℃，150rpmで7日間培養した。

2-3-4 抗菌活性の判定基準
抗菌活性試験の培養の所定期間経過後，インキュベーターより試験プレートを取り出し，ペニシリンカッそれぞれの菌数が所定の濃度(短菌糸数100個/25μプで設けた試験孔(φ8 mm×深さ2〜3 mm)に充填されたl)になるように滅菌蒸留水で希釈して試験に供した。

BT菌の糸状菌に対する抗菌活性の状況を目視観察して，2-2 BT菌

その抗菌性を4段階；強い方より3，2，1，0で判定した。

BT菌の選抜試験は，生物食品研究所保有のライブラ

判定基準を下記表2に示す。

リーの約3000株の菌株を用いて行った。これらの菌株

表２ 判定基準

培養液を5菌株ずつまとめたユニット(約600ユニット)

判定を作製した。このユニットを用いて，1次選抜試験を行

3増殖が見られない。

った。抗菌活性が確認されたユニットについては，単2増殖しているが、かなり抑制されている。

1

増殖しているが、ブランクよりも抑制されている。

0

ブランクと同様に増殖している。

菌株毎(5菌株)に選抜試験(2次選抜試験)を行った。培
養液の調整及び抗菌試験用BT溶液の調整は前報 5) と同病害菌（糸状菌）の増殖状態

ブランク：病害菌のみを接種したもの。

様の方法を用いた。
2-3 抗菌活性試験
抗菌活性試験は1次選抜試験(ユニット試験)と2次選

3 結果
今回試験したトマト萎凋病，ホウレンソウ萎凋病，抜試験(単菌株試験)に分けて行なった。

ダイズ白絹病の3つの菌について，その試験結果を順次

2-3-1 抗菌試験プレート記述する。

抗菌試験用のプレートは，BT寒天培地(細菌用肉エキ

3-1 トマト萎凋病ス(極東製薬製)1％，ポリペプトン(和光純薬製)1％，ユニット試験及び単菌株試験の結果を表3に示す。ユNaCl(和光純薬製)0.2％，寒天(和光純薬製)2％)とPDA

ニット試験で抗菌活性が“3”と判定されたユニットは培地(Potato Dextrose Broth 2.4％，Agar 2％ 溶液)

なかった。
“2”と判定された49 ユニットに含まれていを2:8で混合したもの(以下BP28培地と記す)を滅菌しる単菌株245菌株について単菌株試験を行なった。試験た後，角型シャーレ(144×104×16mm)に40 ml 注入し，方法はユニット試験と同じ方法で実施した。試験を行

ペニシリンカップにて28個の孔を設けた。

なった結果，抗菌活性が“3”の2菌株，“2 + ”の23菌株，

28個の孔のうち，所定の1孔をブランクテスト用とし，計25菌株を有効菌株とした。

残りの孔を抗菌試験孔とした。
トマト萎凋病は，BP28培地をpH6.0で調製し，24℃・4日間静置培養した。ホウレンソウ萎凋病は，BP培地を
pH 7.0で調製し，25℃で3日間静置培養した。ダイズ白絹病はBP19培地(1:9で混合したもの)をpH6.5で調製し，25℃・3日間静置培養した。
2-3-2 1次選抜試験(ユニット試験)
ユニットBT溶液と，糸状菌の短菌糸溶液をそれぞれ
25μlずつ混合した後，抗菌試験プレートに充填し，20

表3 トマト萎凋病（Fusarium oxysporum f.sp. lycopersici ）に対するＢＴの抗菌活性ユニット試験
単株試験
判定（有効ユニット数）（有効菌株数）

3
2+
2
1+
1
0

0
7
27
15
38
501

2
23
35
49
38
98

判定の数字が大きいほど抗菌活性が強いことを示す。数字の右肩の＋は、付いていない数字より、大きいことを示す。

〜25 ℃で，3〜4日間，培養し，その抗菌活性状況を目視観察した。
2-3-3 2次選抜試験(単菌株試験)

3-2 ホウレンソウ萎凋病
表4において，“2”，“1“及び”1 + “と判定された計2次選抜試験は，1次選抜試験で抗菌活性が有効と判

57ユニットを選抜し，それらに含まれる単菌株 (280

定されたユニットの構成単菌株を1次選抜試験と同じ菌株)をトマト萎凋病と同様な方法で2次選抜試験を行方法で抗菌活性試験を実施した。

った。その結果，表4に示す様に”3“と判定される菌株は存在しなかった。そこで，2次選抜試験で”2 +“及び”2“と判定された47菌株を有効菌株とした。

性を持つBT菌の選抜試験をおこなった。
その結果，3つの病害菌に抗菌活性を持つBT菌がそれ

表4 BTによるFusarium oxysporum f.sp. spinaciae NBRC
30467への抗菌活性判定

ユニット試験
（有効ユニット数）

単株試験（有効菌株数）

3
2+
2
1+
1
0

0
0
6
9
42
531

0
11
36
30
40
163

判定の数字が大きいほど抗菌活性が強いことを示す。数字の右肩の＋は、付いていない数字より、大きいことを示す。

3-3 ダイズ白絹病

ぞれ複数菌株得られた。
今後は，これらの有効なBT菌のうち，多くの病害菌に抗菌活性を持つBT菌を優先して圃場(ポット)試験を実施する予定である。

6 参考文献1)「特定物質の規制等によるオゾン層の保護に関する法律第三条第一項第一号から第三号に掲げる事項」
環境庁・通商産業省告示(1998)
2)大畑貫一他：「作物病原菌研究技法の基礎」，(社)日ユニット試験及び単菌株試験の結果を表5に示す。本菌ではユニット試験で“3”と判定されたユニットは存在しなかった。抗菌性“2”及び“1”と判定された合本植物防疫協会 (1995)
3)大庭道夫他：「天敵微生物の研究手法」，(社)日本植物防疫協会(1993)

計11 ユニットを選抜し，それらに含まれる単菌株(514)鮎沢啓夫：昆虫病理研究会会報，№65，p.1-7 (1994)

菌株)について単菌株試験を行った。その結果，抗菌性

5)一松 時生 他 ：福 岡 県工 業 技術 セ ンタ ー 研究 報 告，“2”と判定された8菌株及び，抗菌性“1”と判定された17菌株，合計25菌株を有効菌とした。
表5 BTによるAthelia rolfsii NBRC 31215への抗菌活性ユニット試験
単株試験
判定（有効ユニット数）（有効菌株数）

3
2
1
0

0
5
6
577

0
8
17
26

判定の数字が大きいほど抗菌活性が強いことを示す。

4 考察
3つの農作物病害菌に抗菌活性を有するBT菌の選抜試験を行い，各病害菌に対して有効なBT菌の存在を確認した。トマト萎凋病菌(Fusarium oxysporum f.sp.

lycopersici)の有効BT菌数は25株，とホウレンソウ萎
凋病(Fusarium oxysporum f.sp. spinaciae)の有効菌
数は47株であった。この2つの病原菌は，同じ Fusarium

oxysporum種であるが，この2病原菌に共通して有効なBT菌は6菌株のみであった。共通で有効なBT菌株とそれぞれにのみ有効なBT菌株では，作用機構が異なることが考えられる。

5 まとめ
主要な作物病害菌のうち，トマト萎凋病，ホウレン
ソウ萎凋病，ダイズ白絹病の3病原菌に対して，抗菌活No.14，p.35-38(2004)福岡県有用微生物遺伝子資源ライブラリーの構築(１)
百武稔郎 *1

一松時生 *1

樋口和彦 *1

水城英一 *1

Development of Fukuoka prefecture effective microorganism gene resource library (1)Toshio Hyakutake, Tokio Ichimatsu, Kazuhiko Higuchi, Eiichi Mizuki
新規有用微生物(バチルス)を有用遺伝子資源として収集し，世界一の規模の微生物有用遺伝子資源ライブラリーを構築することにより，機能性食品や新薬開発等の環境を整備し，新たな産業と雇用の創出に貢献する。最終的には，福岡県を「世界の新規微生物ゲノム解析拠点」とすることを目指す。本年度は，遺伝子資源ライブラリーについて技術調査とシステム設計を行い，プロトタイプを構築した。

1 はじめに実施している。

バイオテクノロジーは社会構造変化に対応する新た新規有用微生物(Bacillus thuringiensis)を有用遺伝子

な地域雇用の創出のためのキーテクノロジーと位置づ資源として収集し，ゲノム情報に基づいた微生物有用

けられており，バイオ関連の研究開発と産業振興を促

遺伝子資源ライブラリーを構築することにより，機能進するため，本県では，現在，久留米市を中心とする性食品や新薬開発等の環境を整備し，新たな産業と雇県南地域にバイオ関連産業の集積拠点化が進められて用の創出に貢献する。最終的には，福岡県を「世界のいる。工業技術センター生物食品研究所は，本県にお新規微生物ゲノム解析拠点」とすることを目指す。具けるバイオ産業拠点化推進事業の中核的研究機関とし体的には，新規微生物やその有用遺伝子資源の収集，て，地域産業への先導的な技術貢献が期待されている。

電子データ化および機能解析技術を開発しつつ，段階

一方，ヒトの全ゲノム解読終了に象徴されるように，的にゲノム情報に基づいた生物ライブラリーを整備す

ゲノム解読の高速化とともに，ゲノム解析は，配列解る。また，収集した有用微生物やその遺伝子に関して

読の時代から，いよいよ遺伝子及び遺伝子産物の機能は，本県中小企業を対象とした供給体制を構築する。

解析，有効利用に重点を置いた“ポストゲノムの時代”

上記ライブラリー構築においては，①新規菌株収集法に突入したと言われる。ポストゲノム時代にあっては，の確立，②新規菌株の保存，③系統分類，④有用機能

産業化に結びつけるための遺伝子資源をどれだけ豊富

解析，⑤有用遺伝子資源の機能解析，⑥有用遺伝子資に確保しているかが生き残りのカギとなると言われて源情報表示・提供機能の体系化を目指す。

いる。政府も平成14年度より国家戦略として遺伝子資

本年度実施した内容は，遺伝子資源ライブラリーに源確保に乗り出しており，文部科学省，経済産業省でついて技術調査を行い，大量の新規有用微生物を分類，

関連プロジェクトが開始されている。しかしながら，保存，検索，情報表示・提供し，その有用遺伝子につ我が国の取り組みはようやく緒に就いたばかりであり，いても機能解析することが可能なライブラリーのモデ

国際的にも大きく後れをとっている。今後，膨大な遺ル構築を行った。

伝子資源を如何に効率よく確保するかが重要な課題である。
こ の よ う な 状 況 の 下 ， 国 内 最 大 の Bacillus
thuringiensisライブラリーを持つ本県が有用微生物遺2 研究，実験方法
2-1 遺伝子資源データベースに関する技術調査
特許検索を行った結果，「微生物データベース」

伝子資源確保の一大拠点となることは，本県産業，ひで74件該当した。そのうち，関係するもの22件についいては我が国産業が国際競争を勝ち抜くためにもきわて検討した。その結果，「微生物学的データベースをめて重要である。

保存し解析するコンピュータシステム」が本研究成果

そこで，生物食品研究所では，重要課題として，で得られるものに類似のものであった。規模がかなり「福岡県有用微生物遺伝子資源ライブラリー構築」を異なるが，この特許を参考にしながら，研究を進めて*1 生物食品研究所

いきたい。他の22件の特許は，データベース作成法・

遺伝的マ ーカ ー同定用 デー タベース(シ ークエノ ム2

定解析(Binarytree, Probabilistic)。④オプション機件)，微生物識別方法・識別用データベース(三洋電機7

能は，各活性プログラムに対するパラメータを設定す件，白寿生科学研究所)，遺伝子塩基配列データベース

る。⑤ヘルプ機能は，システム使用マニュアルを表示

による微生物同定(三菱重工業，アフィメトリックス)，する。

混合培養系での微生物のスクリーニング(山之内製薬)，
微生物検査ユニット(鹿島建設)，生物相診断システム

3 結果と考察(大成建設，日立製作所，明電舎)，生菌数測定装置(日前章のシステム機能に基づいて遺伝子資源ライブラ

立電子エンジニアリング)，質量分析計による微生物同

リープロトタイプの構築を行った。データのカテゴリ

定法(ザ ジョンズ ホプキ ンズ ユニバ ーシティ，ザー，アイテム，エントリーの決定は，当所が保有してマンチェスター メトロポリタン ユニバーシティ)，大いる遺伝子資源データの現状分析を行い，また技術調

腸菌増殖用遺伝子(エリトラ ファーマーティカルズ)，

査したデータベース，DDBJ等を基に決定した。

抗菌剤に対する感受性試験データベース(ビオメリウ

検索・編集は，カテゴリー，アイテム，エントリーー)であった。これらの多くは，本研究の出口，商品化

別に3つのキーワードでANDとOR検索ができる。データを考える際に，応用可能なものや，データベースの項を編集する場合は，編集モードに切り替え入力する。

目を考慮するうえで，非常に参考になる特許である。

データ解析は，まずオプションメニューで解析パラ

次に，論文調査を行った。「微生物分類・同定情報

メータを設定する。BTの解析では−〜+++の5段階の判

解析 シ ステ ム の開 発 とデ ー タベ ー ス構 築 に関 す る研

定をしている。これにより各種解析が行われ，結果が1)

2)

究」 ，｢蛍光染色法による土壌微生物の検出法｣ ，｢生表示される。

物系研究資材データベース構築に関する研究｣ 3) 等が，微生物のデータベース構築に関係する文献であった。
材料(微生物の種類)は異なるが，参考になる文献であ

4 まとめ
本年度では，遺伝子資源のライブラリーを構築するった。

ため，遺伝子資源データベースに関する技術調査を行

2-2 ライブラリーの構築った。そしてこの調査を基に当所が保有する世界有数

前章の技術調査を基に，当所が保有する遺伝子資源のBT菌株に関するライブラリーのプロトタイプを構築のライブラリーのプロトタイプ設計を行った。本シスした。今後は，ライブラリーのテスト運用を行い，シテ ム は ， 生 物 情 報 デ ー タ ベ ー ス ： InforBIO

ステムの操作性やクライアントPCからのライブラリー(Information-base for Biology) を 基 に 構 築 し た 。

利用の可能性について検討する。

InforBIOシステムとは，Bacteria，酵母などの菌株特性データ対象に，データベースの検索や未同定データ

5 参考文献の分類，同定の支援を行うことを目的として開発され

1)中村和憲：生命研ニュース，Vol.7(2号)，(1999)

たシステムである。

2) 染 谷 孝 ： 日 本 土 壌 微 生 物 学 会 2003 年 度 大 会 要 旨

本システムは，以下の5つの機能からなっている。①(2003)

データ入力機能②検索・編集機能③データ解析機能④3)水沢博：生物系研究資材のデータベース化及びネッオプション機能⑤ヘルプ機能。これら機能の①データ

トワークシステム構築のための基盤的研究開発成果

入力機能は，データベースをシステムに読み込む。②

報告書(2000)

検索・編集機能は，読み込まれたデータに対しCategory:データのカテゴリー，Item：データのアイテ
ム(項目)データの属性(種類)，Entry：各株の性状をそれぞれ選択し管理。編集できる。③データ解析では，
キーワード解析，ソート，任意選択などで選択された解析対象を3つの解析方法で解析を行う。数値解析(Dendrogram,数量化Ⅲ類)，系統解析(Clustal W)，同

食品関連未利用資源の機能性付加による素材化に関する研究
豆類煮汁及び種皮の有効利用
*1

古田正範

黒田理恵子*1

塚谷忠之*1

樋口智子*1

廣藤祐史*1

Research on Materializing by Functional Addition of Food Related Unused Resources
Effective Use of The Stock of Beans， and The Husk of Beans
Masanori Furuta， Rieko Kuroda， Tadayuki Tsukatani， Tomoko Higuchi， Yushi Hirofuji
食品加工副産物(食品未利用資源)の有効利用を目的に，豆類煮汁，種皮をとりあげ，成分分析，抗酸化性試験(in vitro)を行った。また機能性付加のため乳酸発酵を検討した。その結果，大豆煮汁には栄養分が約3％含まれていたが，小豆，
手亡豆の煮汁には0.2％と極微量しか含まれていなかった。種皮の主成分は炭水化物(76〜82％，全乾重量)，蛋白質(15〜18％)であった。抗酸化性試験では，小豆種皮(10g/80ml懸濁液)及び煮汁，大豆煮汁に，高いものでDPPHラジカル消去
能79〜81％，BHA10ppm溶液相当の抗酸化性が認められた。種皮は酵素処理により，糖が液中に遊離され，乳酸菌を添加し発酵試験を行ったところ，無処理液に比較し(有機酸生成量比較)発酵が盛んになった。

１ はじめに2-2 種皮の酵素処理

食品リサイクル法の施行により，食品製造業は食品廃

種皮について，繊維質を分解するためセルラーゼ，ヘミ

棄物の発生抑制，減量化，又は食品循環資源の再利用へ

セルラーゼ系の酵素を用い処理を検討した。凍結乾燥しの取組みが規定された。これに伴い食品製造業では自社た種皮をミルで粉砕し10gをとり水80mlを加え，オートク

で発生する食品加工副産物を，未利用資源ととらえ，有レーブにより殺菌後，次の食品用酵素剤を0.1％(w/w)量効利用しようとするニーズが顕著である。本研究は，食添加し，40℃，1時間酵素処理後，糖の遊離をHPLCにより品加工副産物のなかで，菓子製造業の製餡工程で排出さ分析した。同様に酵素のみを水に溶かし空試験を行った。

れる小豆，手亡豆(インゲン豆)煮汁と種皮及び味噌製造

セルラーゼ：Y社製，ヘミセルラーゼ：A社製。

業の蒸煮工程で排出される大豆煮汁1)等の有効利用のニ

遊離糖の分析条件は次のとおり。使用機器：Waters社製ーズを取り上げ，これら副産物の機能性検索，微生物にHPLC，カラム：YMC-Pack

よる有用物質の生産等付加価値化を行い，食品素材とし

ル/水(70/30)，流量：0.8ml/min，温度：30℃，検出器：て有効利用を図ることを目的とした。初年度は，これら

RI

素材の成分分析，抗酸化性の機能性検索，乳酸発酵等に2-3 豆類煮汁及び種皮の抗酸化性試験

ついて検討を行ったので報告する。

PA-03，移動相：アセトニトリ

煮汁及び種皮試料について抗酸化性試験(in vitro)を行った。煮汁は原液を0.45μmフィルターでろ過したもの

2 研究，実験方法

を試料とした。種皮は2-2試験で使用した酵素処理前，オ

2-1 豆類煮汁と種皮の成分分析

ートクレーブ殺菌後の懸濁液を0.45μmフィルターでろ

食品加工副産物である豆類の煮汁及び種皮の食品成分を分析した。小豆煮汁，同種皮，手亡豆煮汁，同種皮は過した液を試料とした。
○β−カロテンを用いた抗酸化性試験

県内にある菓子製造業(S社)から，大豆煮汁は味噌製造業

試料100μlを栓付き試験管にとり，リノール酸，β-(N社)から提供を受けた。たんぱく質：窒素定量換算法，

カロテンエマルジョン溶液4.9mlを加え，470nmの吸光度

脂質：エーテル抽出法，灰分：直接灰化法，について，添加直後と10分毎の吸光度の減少を順次測定。

水分：凍結乾燥法，炭水化物：差しき法算出，食物繊維：

80％メタノール溶液100μlについて同様に操作したもの

プロスキー変法。

をコントロールとした。BHA標準溶液10ppm，30ppm，50ppm

以下，試験にはこの煮汁及び種皮を用いた。

について同様に操作し比較した。詳細は(独)食品総合研究所のホームページに公開されている機能性測定試験方*1 生物食品研究所

法により行った。

○DPPHラジカル捕捉能試験

SDF0.4％で炭水化物の殆どが不溶性繊維であった。

試料0.5mlを栓付き試験管にとり，0.5ｍMDPPH溶液を2.5ml加え混合後，室温，暗所に置き20分間反応後の吸光

3-2 種皮の酵素処理度を測定。試料溶液の色の影響を考慮し，0.5ｍMDPPH溶

種皮の水懸濁液及び同酵素処理液中の遊離糖の分析結液の代わりにエタノールを加えたものを試料ブランクと果を表2に示す。セルラーゼやヘミセルラーゼ系の酵素分した。コントロールは試料の代わりに蒸留水0.5mlをとり解により種皮懸濁液中に1％(w/v)前後，糖が遊離された。

同様に操作。次式によりラジカル消去能2)を求めた。
ラジカル消去能(％)＝〔(コントロール0分O.D.)−｛(試表2

酵素分解による遊離糖の増加

料30分O.D.−試料ブランクO.D.)｝〕×100 /コントロール％(w/v)

30分O.D.

小豆種皮

2-4 種皮酵素処理液の乳酸発酵

ｾﾙﾗｰｾﾞ ﾍﾐｾﾙﾗｰｾﾞ
(Y社)
(A社)
無処理
処理
処理

無処理

凍結乾燥，粉砕した種皮5gを100mlの水に縣濁させ
121℃，30分間オートクレーブで殺菌した。これに滅菌フィルターを用い，ヘミセルラーゼ(E社製)を0.1％量(w/v)

手亡豆種皮
ｾﾙﾗｰｾﾞ ﾍﾐｾﾙﾗｰｾﾞ
(Y社)
(A社)
処理
処理

ｷｼﾛｰｽ

0.09

0.01

0.04

0.02

ﾌﾗｸﾄｰｽ

0.02

0.02

0.02

0.02

ｸﾞﾙｺｰｽｼｭｰｸﾛｽ

添加し40℃，2h処理後(一段処理)，次にペプチダーゼ(Aﾏﾙﾄｰｽ社製)を0.1％(w/v)量添加し，40℃，2h酵素処理(二段処

総 量

0.04

0.04

0.24

0.45

0.02

0.03

0.63

0.24

1.00

0.75

0.02

0.02

0.29

0.70

0.02

0.03

0.83

0.49

1.20

1.26

理)を行った。この二段酵素処理した小豆種皮，手亡豆種皮処理液，各々10mlを滅菌した試験管3本に分注し，3種

3-3 豆類煮汁及び種皮の抗酸化性

類の乳酸菌(Streptococcus thermophilus(NBRC13957)，

煮汁及び種皮試料の抗酸化性試験結果(in vitro)を表

lactobacillus fermentum (NBRC3071)，Lactobacillus3に示す。小豆皮及び煮汁，大豆煮汁に，高いものでDPPH

plantarum (NBRC3071))，の各スターター(大豆煮汁で前ラジカル消去能80％，BHA10ppm相当の抗酸化性が認めら

培養し調製)200μLを添加，37℃，2日間発酵試験を行っれた。

た。処理液を希釈し，0.45μフィルターでろ過し有機酸をHPLCにより測定した。酵素無処理の小豆種皮，手亡豆
種皮懸濁液についても同様にスターターを添加し発酵に

表3

豆類煮汁，種皮の抗酸化性

試験項目
β-ｶﾛﾃﾝを用いた抗酸化性

DDPHﾗｼﾞｶﾙ
消去能(％)

大豆煮汁

ｺﾝﾄﾛｰﾙ(水)＜＜煮汁≧BHA10ppm

22.6

小豆煮汁

ｺﾝﾄﾛｰﾙ(水)＜＜煮汁≦BHA10ppm

79.2

手亡豆煮汁

ｺﾝﾄﾛｰﾙ(水)＜煮汁＜＜ BHA10ppm

7.5

小豆種皮

ｺﾝﾄﾛｰﾙ(水)＜＜種皮≦ BHA10ppm

81.5

手亡豆種皮

ｺﾝﾄﾛｰﾙ(水)＜種皮＜＜ BHA10ppm

15.2

試 料

ついて比較した。

3 結果と考察3-1 豆類煮汁及び種皮の成分
成分分析結果を表1に示す。大豆煮汁には炭水化物，蛋

注）抗酸化性は比較して＜：大きい，＞：小さい，白質が微量(約3％)含まれるが，小豆煮汁，手亡豆煮汁は＜＜：かなり大きい，＞＞：かなり小さい，炭水化物，蛋白質は極微量(約0.23％以下)しか含まれて≦：同等以上，≧：同等以下なかった。種皮には炭水化物と蛋白質合わせて94〜97％(全乾重量)含まれている。食物繊維は，小豆種皮IDF(不溶性)71.0％，SDF(水溶性)0％，手亡豆種皮IDF75.0％，

3-4 種皮酵素処理液の乳酸発酵
小豆種皮，手亡豆種皮微粉砕物5％水縣濁液及びこれを酵 素 処 理 し た 液 に 乳 酸 菌 3 種 類 ， (Streptococcus

表1

豆類煮汁と種皮の成分

thermophilus，lactobacillus fermentum，Lactobacillus

小豆煮汁 手亡豆煮汁 小豆種皮 手亡豆種皮

plantarum)を用いて発酵試験を行い，有機酸量を測定し

項

目

大豆煮汁

水

分

96.5

99.91

99.69

炭水化物

2.2

0.04

0.16

81.9

76.4

蛋白質

0.9

0.02

0.07

15.1

17.6

0.5

1.1

2.5

4.9

脂

質

灰 分

ND
ND
ND
(0.01以下) (0.01以下) (0.01以下)
0.4

0.03

0.08

＊全乾重量 ＊全乾重量で表示↓ で表示↓

た結果を図１に示す。水縣濁液に比べ酵素処理液では

L.fermentum，L.plumtarum で，有機酸の生成量で比較し9倍程乳酸発酵が盛んになった。

〃無処理液L.plum

手亡豆皮酵素処理液L.plum

〃無処理液
L.fer

手亡豆皮酵素処理液L.fer〃無処理液
S.ther

手亡豆皮酵素処理液S.ther

有機酸濃度（mg/100ml）

酢酸
乳酸
クエン酸

500.0
450.0
400.0
350.0
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0
50.0
0.0

図1 手亡豆皮懸濁液の乳酸発酵（２日後）4 まとめ
製餡工程から排出される小豆や手亡豆の煮汁と種皮及び味噌製造工程から排出される大豆煮汁の成分分析，酵
素処理，乳酸発酵について検討した。
大豆煮汁には栄養分が3％含まれていたが，小豆煮汁，
手亡豆煮汁には0.23％以下しか含まれていなかった。小豆種皮，手亡種皮の主成分は炭水化物(82，76％)と蛋白質(15，18％)であった。次にこれら副産物の機能性検索のうち，抗酸化性試験(in vitro)を行ったところ，小豆種皮及び煮汁，大豆煮汁に，高いものでDPPHラジカル消去能79〜81％，BHA10ppm溶液相当の抗酸化性が認められた。次に種皮縣濁液(5〜11％)のヘミセルラーゼやペプチ
ダーゼ系の酵素処理を検討した。その結果，糖が液中に遊離され，この酵素処理液及び無処理液に乳酸菌を添加し発酵試験を行ったところ，無処理液ではわずかしか発酵が認められないが処理液では発酵が盛になることが分かった。

5 参考文献1)古田正範ほか：福岡県工業技術センター研究報告，No.14(2004)，p.39-42(2004)
2)宮川雄太他4名：流木木酢液ベンゼン抽出物の燻臭 成
分とその抗酸化性，日本食品工業学会誌，Vol.50，
No.11，p.531-532

人間工学的手法を配慮した椅子の開発
立ち上がり機能と動作の評価
本

明子 *1

友延憲幸 *1

石川弘之 *1

The D evelopm entofthe C hair in C onsideration ofthe Ergonom ic Technique
The E valuation ofthe Functions and the A ctions for Standing

A kiko M oto,N oriyukiTom onobu,H iroyukiIshikaw a
本研究は，加齢により身体機能が衰えた高齢者の立ち座りを補助する椅子の設計条件を抽出するために，椅子からの立ち上がり時の動作などを評価したものである。動作解析や重心動揺の計測結果をもとに立ち座り補助椅子の機能を検討するとともに，座りやすい高さや椅子の奥行きや背もたれの位置など各部寸法を導くために，実際の使用状況に併せた使用者の姿勢において，身体計測を行うことにより各部寸法を決定した。これらの結果をもとに，立ち座り補助椅子の設計および試作を行った。

はじめに

合 には 身体 を 上に 持ち 上 げる だ けで なく ， 前へ 促す よ

日 本は 急 速に 高齢 社 会を 迎 えた た め， 高齢 社 会に 対う な二 つの 動き が 必要 とな るこ と ，200mm より 高い 座

す る取 組や 対応 が 遅れ てい る。 80％ 以 上の 大多 数の 高高 から の立 ち 上が り椅 子 を考 え る場 合は ， 身体 を上 へ

齢 者は ，健 康 で介 護を 必 要と し ない が， 加 齢に よる 身も ちあ げる 機 能の みの 装 置で も ，身 体機 能 を補 助す る

体 機能 の衰 え を援 助す る 生活 支 援技 術を 必 要と して いため には十 分で あるこ とが示 唆さ れた 4）。ま た， 本研る 1）。し かし ，健康 な高齢 者の 身体機 能を考 慮し た家

究 によ って 開 発す る製 品 は， 家 庭で 使用 で きる 椅子 を具 は少 なく ， 使用 者に 相 応し い 用具 の開 発 が望 まれ てタ ーゲ ット と する ため に ，コ ン パク トで あ るこ とが 必

い る。 身体 機 能の 低下 が みら れ る使 用者 が 安全 に使 用

要 とさ れた 。 昇降 装置 部 をシ ン プル にす る には ，座 面

で きる 立ち 座 りを 補助 す る椅 子 の開 発を 行 うに 際し ，の 下に 機構 部 を納 める 方 法が 安 価で 安全 で あり ，そ の使 用者 の動 き とそ れを 補 助す る 装置 の動 き が適 合し てためには，椅子の最低高さは 200mm 前後にし，椅子のい る必 要が あ ると とも に ，椅 子 の形 態が 使 用者 の姿 勢

下部に 200mm 程度のスペースをあけることが望ましか

や 動作 に適 合 した もの で ある こ とが のぞ ま しい と考 えっ た。 そこ で ，本 研究 で 開発 す る立 ち座 り 補助 椅子 のら れた 。立 ち 座り 時の 動 作特 性 や重 心動 揺 を調 べた 結仕様を約 200mm から 400mm 程度までの立ち座りを補助

1

2）

，脚

す るも のと 想 定し ，昇 降 装置 部 分の 設計 と 試作 を行 っ部 や 腰 部 に 筋 的 負 担 が 生 じ る 3） こ と が 明 ら か に な った 。今 年度 は ，昇 降装 置 の取 り 付け る椅 子 の形 態を 検た 。昨 年度 は ，高 齢者 が 椅子 を 使用 する 際 の姿 勢， 椅

討 する ため に ，実 際の 椅 子の 使 用状 況に 併 せた 姿勢 に子 から の立 ち 上が り時 の 動作 解 析と 重心 動 揺等 の計 測

お いて ，使 用 者の 身体 計 測を 行 い， 椅子 の 各部 寸法 のに より ，補 助 を必 要と す る椅 子 の高 さを 検 討す ると と設 計条 件を 抽 出し た。 こ れら の 結果 をも と に， 試作 品

も に， 立ち 上 がり を補 助 する 装 置の 動き の 基礎 とな るをつくり，評価を実施し問題点の抽出を行った。

果， 高齢に なる に従い ，身体 の不 安定さ が増し

デ ータ の収 集 を行 った 。 その 結 果， 特に 高 齢者 が使 用する補助具として考える場合，座高 200mm 以下の低い

2研究，実験方法

位 置か らの 立 ち上 がり の 場合 は ，最 も動 作 が困 難で あ

2-1

高さ

る立ち上がりのきっかけとなる身体を起こす動作から，椅子の高さは 200mm 以上と設定し，昇降装置の試作立ち上がった後も身体が安定する 400mm 以上の高さまをしたが，その高さが妥当であるかを検討するために，

で 身体 を支 持 する こと が 必要 と なる と考 え られ た。 更

150mm， 175mm， 200mm， 225mm の 椅 子 に 被 験 者 （ 高 齢に，座高 200mm 以下の低い位置からの立ち上がりの場

者 9 名（平均 70.7 歳）及び若齢者 8 名（平均 37.6

*1 インテリア研究所歳 ） を 座 ら せ （ 図 1）， ど の 高 さ が 心 地 よ い と 感 じ るか評価を行った。

被験者 10 名（30 歳代〜50 歳代）に対し，改良点の抽2-2

出を 目的とし て，試作 した椅子 を使用し 主観評価 を行

背もたれの位置

背も たれの位 置を決め るため に，被験 者（高齢 者 8った 。評価項 目は，座 面の素材 ，座面の 高さ・幅 ・奥名（平均 72.5 歳））を上記の椅子に座らせ，それぞれ行き ，肘掛け の位置・ 高さ・幅 ，背もた れの位置 およの場 合に自分 で心地よ いと感じ るところ に背もた れをび角 度で，5 段階評価 を行うと ともに， 意見の聞 き取移動してもらい，その位置を計測した（図 2）。

り調査をした。

2-3

奥行き・幅・肘の高さ

椅子 の各部の 寸法を検 討する ために， 被験者（ 高齢

3

結果と考察

者（平均 72.5 歳）及 び若齢者（平均 37.6 歳）各 8

3-1

高さ

名）を 200mm の椅子に座らせ，座姿勢において被験者

評 価 の 結 果 ， 225 mm の 高 さ が 最 も 快 適 と 答 え た 被の身 体計測を 行った。 計測点は ，座面の 奥行きを 決め

験 者 が 多 か っ た （ 図 3）。 特 に 高 齢 者 で は ， ほ と ん どる座 位殿，幅 を決める 座位殿幅 ，肘掛け の高さを 決めの被 験者が高 い方が座 り心地が よいと回 答してお り，る座 位肘頭高 ，肘掛け の位置を 決める座 位頭間幅 とし低い 座高のも のを検討 する必要 はないと 考えられ るた

た。 その際， 姿勢に制 限を与え ず，被験 者が最も 楽とめ，高さの最低値を 200mm に設定しても妥当であると感じる姿勢をとらせた。

の結論が得られた。

2-4

3-2

椅子の試作・設計

背もたれの位置測定の結果を図 4 に示す。女性高齢者は，175mm 以

以上 の計測結 果をもと に，椅 子の設計 をし，試 作を行った。

上 の 高 さ で は ， 座 面 （ 背 も た れ ） の 奥 行 き を 390〜

2-5

400mm に 設 定 し た 。 ま た ， 男 性 高 齢 者 は ， 200mm と試作品の評価225mm の座 面高さにな ると，座面（ 背もたれ） の奥行

ベー スとなる 椅子の部 分の完 成度を高 めるため に，

9
8
7

若齢者
高齢者

人数（名）

6
5
4
3
2
1
0
150

175
200
椅子の高さ（mm）

図3
図1

225

快適な椅子の高さ

410

実験風景（座面高さ）

背もたれの位置（mm）

400
390
380
370

女性高齢者平均男性高齢者平均
高齢者平均

360
350
340
330

図2

実験風景（背もたれの位置）

150

175
200
座面高さ（mm）

図4

座面高さと背もたれの位置

225

きを 390〜 400mm に設定した 。この結果から ，開発す3-5

試作品の評価る椅子は，高さを 200mm 以上にすること，背もたれの試作した椅子について，被験者 10 名（30 歳代〜50

位置を座 面の前部より 390〜400mm に設定す ることが歳代 ）に対し ，主観評 価を行っ た。評価 項目は， 座面妥当であると考えられた。

の素 材，座面 の高さ・ 幅・奥行 き，肘掛 けの位置 ・高3-3

さ・ 幅，背も たれの位 置および 角度で， 5 段階評 価を

奥行き・幅・肘の高さ

その結果を図 5 に示す。椅子に座った姿勢では高齢行うとともに，意見の聞き取り調査をした。

者と 若齢者と で，測定 値に差は みられな かった。 これ

その 結果，座 面につい ては， 後部を 3°下げ傾 斜をらの 結果から 考えられ る椅子の 各部寸法 は，座面 の奥もた せたもの の評価が 高かった 。素材に ついても ，硬行 400mm 以上，肘の高さ 200〜250mm，肘かけ間の幅

めの ウレタン を使用し ，厚みを 増した方 がいいこ とが450mm 程度，座面の幅 350mm 以上の必要性があると考示唆 された。 座面の幅 や奥行き について も，もう 少しえられる。さらに，70 歳以上の高齢者 10 名に，開発

広い 方がいい との指摘 があった 。これら の意見は ，主品に 近い寸法 であると 考えられ る市販の 椅子に座 ってに若 年層の男 性からの 意見であ り，体格 の違いが 評価

もらい，各部の高さや大きさに関し評価してもらった。

に影 響を与え たもので ある。今 回の開発 品は，主 に高その 結果，個 人により 座る姿勢 に違いが 見られた もの

齢者 を対象に したもの であるが ，より多 くの使用 者にの，肘 の高さに関 しては，200mm の 高さで使用 に際し受け 入れても らうため には，こ れらの意 見を取り 入れ

違和感がないこと，奥行きが 430mm の座面であったが，たサ イズの変 更が望ま しいと考 えられる 。更に， 背もその姿勢に問題はないことがわかった。

たれ 全体を高 くしてリ ラックス 感を高め た方がよ い，

3-4

身体 が触れる 部分にも っと丸み を持たせ た方がよ いな

椅子の試作・設計

以上 の結果を 踏まえ， 基本と なる椅子 の設計・ 試作を行った（図 6）。主な仕様は以下の通りである。
・座面高：200mm

・奥行き：430mm

・座面幅：450mm・肘高：200mm（座面より）ど，具体的な意見もあげられた。
次に 試作した 椅子部分 と昨年 度より試 作を行っ てい・背もたれ高：380mm（座面より）
更に ，シート の仕様を 検討す るために ，座部傾 斜がなく 軟らかい 低反発性 のシート ，座部を 後ろへ 3°下
げた 軟らかい 低反発性 のシート ，座部の 傾きはな いが前部 が硬い素 材，後部 が軟らか い素材の ウレタン を組
み合わせたシートの 3 種類を製作した。
図6

試作した椅子

若齢者平均
高齢者平均
被験者平均

500

測定値（mm）

400

300

200

100

0
座位殿

座位肘頭高

座位肘間幅

座位殿幅

測定部位（座面高200mm）

図5

自然な椅座位での身体計測結果

図7試作した昇降機能つき椅子

た 昇 降 機 能 4） を 組 み 合 わ せ て 試 作 機 を 完 成 さ せ （ 図57），高齢者 8 名に使用してもらい，意見の聞き取り調

1） 国民生活白書

査を 行った。 椅子の昇 降機能に 関しては ，昇降速 度や2） 本：デザイン学研究，第 47 回研究発表大会概要

昇降 距離など ，概ね良 好な評価 を得た。 椅子部分 の座り心 地や寸法 に関して も，高齢 者からは 特に問題 となる意 見はあが らなかっ た。若齢 者による 主観評価 と異なり 高齢者か らは問題 となる意 見の指摘 がなかっ たのは， 身体寸法 など，高 齢者の計 測データ を基本に 試作品を 製作した ためとは 思われる が，くつ ろぐこと を考慮す ると，座 面の寸法 など，若 齢者の主 観評価の 結果を取 り入れた 方がよい と考えら れる。高 齢者が試 作品
を使 用する姿 勢の検討 や座った 際の身体 各部の寸 法の測定 の結果， 座面寸法 等の変更 は，使い 心地など に影響を与えないと考えられる範囲で，座面の幅を 20mm，奥行きを 40mm 広げることにした。

4

まとめ
本 研究 で は， 高齢 者 の使 用 する 椅 子の 形態 を 検討 す

る ため に， 実 際の 椅子 の 使用 状 況に 併せ た 姿勢 にお いて ，使 用者 の 身体 計測 を 行い ， 椅子 の各 部 寸法 の設 計
条 件を 抽出 し た。 これ ら の結 果 をも とに ， 試作 品を 作り，評価を実施し問題点の抽出を行った。
椅子を設計するという目的のもとに実験を計画し，計測を行い，試作を進めたが，試作品の評価という点では，様々な意見があり，実際の設計の難しさも感じた。全ての使用者に快適な条件設定というのは不可能であっても，不快と感じる使用者がいないような設計を進めていく必要があると感じられた。そのためには，
測定データだけをベースに設計を進めることなく，試作と評価を繰り返し，多くの人の意見を聞き，設計コ
ンセプトに照らし合わせながら，修正をすることの重要性が示唆された。
今後も，今回抽出された改良点をもとに試作品の改良を加え，更に評価を実施し完成度の高い製品を目指す予定である。これに加え，一般家庭内でも使いやすくするために，軽量化やコンパクト化等も解決していかなければならない問題であり，機構やデザインについても，検討を続ける計画である。
今回の研究及び調査に関し，協力頂きました各位に厚く御礼申し上げます。

参考文献集，p260〜261（2000）
3） 本：2002 年度大会学術講演梗概集，日本建築学会4） 本：福岡県工業技術センター研究報告第 14 号
（2004）

人間工学的手法を配慮した椅子の開発
VDT作業における腋下支持の肩部負担軽減効果に関する検証
友延憲幸 *1 本明子 *1 石川弘之 *1

The Development of the Chair in Consideration of the Ergonomic Technique
Effect of axillary fossa support on shoulder muscle activity during VDT work
Noriyuki Tomonobu, Akiko Moto, Hiroyuki Ishikawa
近年の情報化社会の発展に伴い，VDT作業を行う労働者は9割強にも達し，椅座位作業者への健康面の配慮は欠かせない時代となっている。このような社会背景の中，本研究は作業負担・疲労等に配慮した人間工学に基づく事務用・作業用椅子の開発を目指した。H15年度に実施した基礎研究は，作業による疲労が肩部の負担の大きさに起因することを見いだし，作業中の肩部の負担を軽減する必要性を示唆した。そこで，本年度は肩部の負担軽減を考慮した椅子として，作業姿勢を腋下から支える腋窩下アームを備えた椅子を提案し，その椅子を使用した際のVDT作業中の肩部負担軽減効果について検証を行った。その結果，腋窩下アームによる作業姿勢の支持が，肩部の抗重力筋である僧帽筋の負担を大幅に軽減することを明らかとなった。

1 はじめに劇的に変化する現代の情報化社会において，椅座

試作した。ここでは，腋窩下アーム付椅子の作業中の肩負担軽減効果について検証結果を報告する。

位作業によるストレス，疲労，健康障害への配慮は欠かせないものとなっている。国際標準化機構(ISO)

2 研究，実験方法

では，エルゴノミクス(人間工学)に関する技術委員

腋窩下アーム付椅子の肩部負担軽減効果は，座面会を設置し，椅座位作業の中でもその中心となるVDT

のみの椅子(図1中央)とアームレスト付椅子(図1右)

作業(Visual Display Terminal：パーソナルコンピ

を比較対象として検証を行った。腋窩下アームに関ュータ(PC)機器を使用して，データの入力，文書のしては，アームによる支持によって受ける圧迫感な作成・編集，プログラミング等を行う作業)に関わる

ど腋窩への弊害を考慮し，固定式[身体の動きに全く

エルゴノミクス規格を作成する作業を進めている。

追随しない]タイプと可動式[身体の幅方向(体幹側)IT化戦略を推進する福岡県は，県職員のVDT作業の長に自由度がある]タイプの2種を用意した。被験者は，時間化を危惧し，様々な情報を提供して健康阻害対

健 康 な 成 人 男 性 7 名 (22 歳 〜 28歳 [平 均 23.85±1.95

策に努めている。

歳]，大学・大学院生6名，社会人1名)である。彼ら

このような社会背景の中，本研究は，VDT作業を

は温湿度22.7±1.3℃，45.3±9.1%RH，机上面の照度含めた椅座位作業による生理的・心理的な負担軽減が701.4±16.0lxの部屋において，各椅子条件の下，を目的とした事務用・作業用椅子(エルゴノミクスチ

高 さ 700mm の 机 上 に 配 置 し た ノ ー ト PC(VAIO

ェア:エ ルゴ チェ ア)の開 発を H15年 度 から 独 自の 視PCG-855)を 使 用 し 30分 間 (10分 間 ×3回 )の 英 文 タ イ

点により進めてきた。H15年度に実施した「エルゴノ

ピ ン グ 作 業 を 行 っ た 。 同 様 に デ ス ク ト ッ プ PC(FMV-

ミクスチェアデザインの要素把握・抽出」研究では，
事務用・作業用椅子に関する人間工学的配慮として作業による疲労を与えないためには，肩部の負担を軽減することが重要であると確認した 1) 。これを踏まえ，本年度は肩部負担軽減を考慮した椅子の開発にあたり，作業姿勢を腋下から支持する「腋窩下アーム」を備えた椅子(腋窩下アーム付椅子:図1左)を

図 1 本研究で使用した椅子(左:腋窩下アーム付，
中央:座面のみ，右:アームレスト付)*1 インテリア研究所

5133DE4)を用いた作業も実施した。座面の高さや腋移動距離は有意に短かった(図4)。この結果は，腋窩窩下アームの幅・高さ，アームレストの高さは被験下アーム付椅子(固定式，可動式ともに)とアームレ

者ごとに作業しやすい位置に設定した。

スト付椅子が作業中の肩部の位置を一定の高さに保作業中の肩部の筋活動，位置(鉛直・水平)と動き持し，姿勢を安定させたことを示唆する。

(総移動距離)をみるため，筋活動は，肩の抗重力筋
70000000

である僧帽筋(上部)の筋電図(時定数0.03sec，Hicut

算出，位置と動きは動作解析を用いて肩峰点を矢状面から経時的に追跡(1回/2秒)した。これと同時に筋60000000
積分値(μV・msec)off)を導出・記録し，その波形データから積分値を

**
**
**
**

:固定式アーム付椅子:可動式アーム付椅子:座面のみの 椅子:アームレスト付椅子

50000000
40000000
30000000
20000000

電図は短橈側手根伸筋，脊柱起立筋を記録，位置と10000000

動きについては肘部・手首部・腰部を追跡した。ま0
短橈側手根伸筋

僧帽筋

脊柱起立筋

た，30分間の英文タイピング作業中，被験者は10分

図2 各筋部位の積分値(平均値+標準偏差，おきに一旦手を休め，「心身の疲労」
・「肩の凝り」「腋**:p<0.0001)のしびれ(腋窩下アーム付椅子[2種]における作業条
件においてのみの評価)」について“全くない”から

高い
↑

31

*

*

*

30

“非常にある”を両極とした7段階スケールを用いて
申告した。

29
肩の高さ
[鉛直方向] 28(相対値)

3 結果と考察27

各筋部位の積分値について，「 椅子」，「 パソコン」，「時間」を要因とする3元配置の分散分析を行った結

26
↓
低い

25
固定式アーム 可動式アーム果，僧帽筋の積分値は「椅子」の要因に主効果があり(p<0.0001)，各椅子条件により積分値に差がある

座面のみ

アームレスト図 3 作 業 中 の 肩 部 の 鉛 直 方 向 の 位 置 (平 均 値 +標
準偏差，*:p<0.01)

ことを示唆した。このことから僧帽筋の積分値については，下位検定としてFisherのPLSD検定を行った。

長い
↑

120

その結果，僧帽筋の積分値は腋窩下アーム付椅子(固アームレスト付椅子よりも有意に減少した

総移動距離
60
(相対値)

(p<0.0001，図2)。この要因の1つとして，タイピン

40

グ時の腕の挙上に伴う肩甲骨の挙上及び上方回旋に推測される。
次に身体各部位の位置と移動距離について「椅
子」，「パソコン」，「時間」を要因とする3元配置の分散分析を行った。その結果，「椅子」の要因に主効果があったものは，肩部の鉛直方向の位置(p<0.01)と**80

定式，可動式)による作業において座面のみの椅子，

より，活動する僧帽筋の負担を腋下支持が抑えたと

*

**
100

20
↓
短い

0
固定式アーム可動式アーム 座面のみ

アームレスト図 4 作 業 中 の 肩 部 の 総 移 動 距 離 (平 均 値 +標 準 偏
差，**:p<0.0001，*:p<0.01):固定式アーム付椅子:可動式アーム付椅子

非常にある 7
↑
6

*

*

20分後

30分後

5

肩部の総移動距離(p<0.0001)であった。
「椅子」の要腋のしびれ 4

因に主効果があったこれらの指標は，FisherのPLSD

3検定を行った結果，腋窩下アーム付椅子(固定式，可動式)と アー ムレ ス ト付 椅 子は 座 面の み の椅 子 よりも肩部の鉛直方向の位置は有意に高く(図3)，また総

2
↓
全くない

1
作業開始から10分後

図5 腋 の しび れに 関 す る経 時的 な 主 観評 価(平 均値+標準偏差，*:p<0.01,†:p<0.05)

各種の主観評価は3元配置(「椅子」，「パソコン」，「時間」)の分散分析を行った結果，「腋のしびれ」
において「椅子」と「時間」に主効果があった。FisherのPLSD検定では，可動式タイプは固定式タイプよりも腋のしびれが有意に少なかった(p<0.01，図5)。

4 まとめ
以上，本研究は腋窩下アームの肩部負担軽減効果を実証したが，腋窩下アームによる支持の大きな問題として腋への影響がある。腋は神経束や動静脈血管が集中している箇所であり，神経束の圧迫や血行障害などについては十分に留意しなければならない。
本研究では，2種のアーム形状を検証し，可動式タイプは固定式タイプよりも腋のしびれを有意に減少させたが，さらにアームの形状，材質については検討の余地がある。

5 参考文献1) 福 岡 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 ， 第 14 号 ，p.77(2004)高齢者用シューズの開発
石川弘之

*1

本明子 *1

友延憲幸 *1

山中康博 *2

秋満茂喜 *2

諏訪智裕 *2

Development of Shoes for Elderly Person
Hiroyuki Ishikawa, Akiko Moto, Noriyuki Tomonobu, Yasuhiro Yamanaka, Shigeki Akimitsu, Tomohiro Suwa
身体機能の衰えた高齢者は，歩行中の障害物へのつまずきや滑りやすい路面での滑落などで転倒することが多く，
転倒は大きな社会問題の一つとなっている。その原因として加齢に伴う歩行様態の変化がある。そこで，本研究では高齢者の歩行様態を解析した。その結果，高齢男性は若年男性と比して転倒の危険性が高いことが確認された。
また，靴が原因による転倒も多く報告されていることから，靴の重心位置を変えることにより転倒危険性を低減させることを試みた。その結果，重心位置が踝下付近に位置した靴を履いて歩行することで，歩行中の爪先部分の挙上が促され，障害物につまずいて転倒する危険性を低減できる可能性が示唆された。また，主観評価結果より，重心位置が踝下付近に位置する靴は歩きやすいと感じることが確認された。

1 はじめに

自由歩行の様子を進行方向の側方よりビデオカメラで高齢者及び高齢障害者は立位能や歩行能が低下し，撮影し，動作解析装置(新大阪商会社製)にて追跡した。

転倒が日常でよくみられることとなる。今後，地域社

被験者の 左足 部には，外踝 点(マーカー ①)，足先点

会活動に積極的に参加する活動能力の高い元気な高齢(マーカー②)，腓側中足点(マーカー③)，踵点から足者が増加すると予測されているが，高齢者の転倒の頻

先方向に20mm位置した点(マーカー④)の計4カ所にマ

度は生活の活動性と相関関係にあり 1) ，元気な高齢者

ーカーを取り付けた(図1)。実験室内における歩行実の転倒事故の増加が懸念されている。転倒の原因は，

験では自由歩行でも緊張を与える可能性があるため，高齢者の身体の衰え等の内的要因と，路面の状況や履実験開始前に被験者に実験の主旨を十分に教示し，被き物などの外的要因が複雑に関与する。転倒による骨験者はリラックスした状態で歩行実験に臨んだ。

折や打撲を引き起こすと，更に活動性が低下しそのま
ま寝たきりとなってしまい，転倒後症候群となる恐れ①

がある等，大きな社会問題の一つとなっている。そこ②

で，本研究では元気な高齢者を対象とした転倒予防機③④

能を有した靴の開発をおこなうことを目的とした。本
年度 は ，高 齢 者の 歩 行様 態 の観 察 を目 的 とし た 実験

図1

被験者の左足部に貼り付けたマーカーの箇所(実験Ⅰ)と，靴の重心位置と歩行中の足部様態の関係を検証する実験(実験Ⅱ)をおこなった。

2-2 方法(実験Ⅱ)
重心位置を可変できる靴(図2)に，実験Ⅰと同じ箇

2 研究・実験方法

所にマーカーを取り付け，靴を履いた高齢者の自由歩

2-1 方法(実験Ⅰ)

行の様態をビデオカメラにて撮影した。実験は化学繊

高齢者の裸足による自由歩行の様態をビデオカメラ

維研究所内の実験室にておこなった。被験者は健康なで撮影し，歩行様態を観察した。実験は化学繊維研究

高齢男性3名(平均67.7歳)，高齢女性3名(平均66.3歳)

所内の実験室にておこなった。被験者は，週に2〜5日とした。実験に用いた靴の重心位置は，爪先付近程度労働している日常生活に支障をきたす障害を持た(Front：条件F)，中心付近(Center：条件C)，踝下付

ない健康な高齢男性4名(平均67.3歳)と，健康な若年

近(Rear：条件R)の3箇所とした(表1)。各条件での歩男性5名(平均32.6歳)とした。実験室内で裸足による行終了後に，靴の歩きやすさや重さについて5段階で*1 インテリア研究所*2 月星化成(株)評価する主観評価を聞き取り方式で行った。撮影した画像は動作解析をおこない靴の重心位置と足部様態の関係の検証を試みた。また，実験Ⅰと同様に実験開始

若年者と比して低くなる 3) という報告があるが，本実前に被験者に実験の主旨を十分に教示した。

験では後者を支持する結果となった。低くなった要因
としては，足部を背屈させる働きのある下腿の前頚骨筋の筋力の衰えに加えて，離地時に足底と床のなす角度が小さい結果から推察すると，足部を底屈させる働きのある下腿の腓腹筋の筋力の衰えが考えられる。よって，高齢者は若年者と比して歩行中に障害物に接触

図2

実験Ⅱに用いた重心を可変できる靴

する可能性が高く，転倒する危険性が高いことが示唆
された。

表1
条 件名

実験Ⅱに用いた靴の概要

片足 分の質量25全長に対する踵からの 重心位置＊＊：p<0.05

24

430g

約71%

C

430g

約54%

R

430g

約21%

23
角度（°)

F

22
21
20
19
18

3 結果と考察17

3-1 男性高齢者 の歩行中の転倒危険性(実験Ⅰ)

16

足部に取り付けたマーカーを追跡し，歩行中の 左足

図4

遊 脚期のマーカー③が最も床に接近する画面における

若年男性

高齢男性

着地時の足底と床のなす角 度(平均値＋標準偏差)

マーカー③と床との距離を求めた。距離は，多重比較検定による群間比較をおこなった。その結果，高齢男
性は若年男性よりも有意に距離が短かった＊：p<0.05

90＊(p<0.05)(図3)。
85
角度(°)

＊ ：p<0.05＊

2.1

距離(cm)

1.9

80
75

1.7
70

1.5
1.3

65

1.1

若年男性

図5

0.9
0.7
0.5

図3

高齢男性

離地時の足底と床のなす角 度(平均値＋標準偏差)

若年男性

高齢男性

遊脚期における床とマーカー③の 最短距離
(平均値＋標準偏差)3-2 靴の重心位置と足部様態の関係(実験Ⅱ)
足部に取り付けたマーカーを追跡し，歩行 中の左足
遊 脚期のマーカー③が最も床に接近する画面における

ま た，左足底と床のなす角度は，着地時および離地

マーカー③と床との距離を求めた。距離は，多重比較

時 において，高齢男性が若年男性よりも角度が有意に検定による条件間比較をおこなった。検定の結果，条小さかった(図4，図5)。

件間に有意な差はなかったが， 条件Rが他の2条件と過去の実験室内の歩行実験 結果では，高齢者はつま比してマーカー②と床との距離が長かった(図6)。

ず いて転倒するのを避ける代償的適応として若年者と同じ質量の靴で比較した場合，靴の重心が踝下付近比して歩行中の爪先の挙上が高くなる 2) という報告と，に 位置することで，爪先の挙上に要する筋負担が小さくなる。また，全体の質量は同じでも回転の中心に近ただ，通常の靴は重心位置が全長に対してほぼ中心にいところに質量が分布しているほうが慣性モーメント

位置しているため，本研究のような短期間の実験と併4)は小さくなる ことから，踝関節を中心とした足部のせて，長期的な観測が必要となると思われる。

背屈方向への慣性モーメントは足部の重心位置が踝直下に近いところに位置するほど小さくなる。このこと

軽い

4.5

から条件Rが条件FおよびMよりも爪先の挙上が高いの

4

中心として足部を背屈方向に運動させる慣性モーメン
トが他の条件と比して小さく，自然と爪先部分の挙上

評価値

は，重心が踝下付近に位置しているために，踝関節を3.5
3が促されたことによるものであると考えられる。つまり，重心が踝下に位置する靴は，爪先の挙上が促され

2.5

歩行中に障害物につまずくことによる転倒危険性の低減に寄与すると考えられる。

重い

F

図7

条件F
条件C
条件R

5
4.5

C

R

靴の重さに関する主観評価値(平均値＋標準偏差)＊：p<0.05

歩き易い4

距離(cm)
距離(cm)

2

＊

3.5

＊

3.3

3.5

3.1
2.9
評価値

3
2.5

2.7
2.5
2.3

2

2.1

マーカー②

図6

マーカー③

マーカー④

1.9
1.7

マーカー③と床の距離が最短になる画面における各マーカーと床との距離(平均値＋標準偏差)

歩きにくい

1.5
F

図8

C

R

歩きやすさに関する主観評価値

3-3 靴についての主観評価(実験Ⅱ)(平均値＋標準偏差)

実験Ⅱにおいて，各条件の歩行終 了後に靴の重さと歩 きやすさについての主観評価を行った。多重比較検4 まとめ定による評価値の平均値の条件間比較をおこなった。

高齢者の歩 行様態を観察した結果，地域社会に積極

その結果，靴の重さに関しては条件間に有意な差は認的 に参加している元気な男性高齢者においても，男性

められなかったが，条件Rが軽さの評価の平均値が最若年者と比して歩行中の爪先の挙上が低く，障害物にも高く，歩きやすさの評価の平均値は条件Rが条件Fおつまずき転倒する危険性が高いことが確認された。まよび条件Cよりも有意に高かった(p<0.05)(図7，図8)。

た，靴の重心位置を可変出来る靴を履いた高齢者の歩条件Rが他の条件よりも重さを感じにくかったのは，

行中の足部様態を観察した結果，重心が踝下付近に位3-2の考察と同様に慣性モーメントが小さいためであ置する靴は，歩行中の爪先の挙上を促し，障害物につると考えられる。また，歩きやすいと感じたのも同様

まずくことで転倒する危険性を低減させる可能性があの要因であると考えられ，重心位置が踝下付近に位置ることが示唆された。また， 重心が踝下付近に位置

すると，主観的に歩きやすいと感じると考えられる。

する靴は，主観的にも楽に歩行出来ると感じられるこ

よって，3-2の結果と併せて検討すると，高齢者にととが確認された。

って重心位置が踝下に位置する靴は，転倒危険性を低減させ，なおかつ歩きやすいと感じると考えられる。

5 参考文献
1)眞野行生： 高齢者の転倒とその対策，p.2-3，医歯薬出版株式会社(1999)2)淵本隆文：体育科学，第27巻，p.109-118，(1998)
3) 大 嶽 達 哉 : 平 成 14 年 度 東 京 電 機 大 学 修 士 論 文 集(2002)
4) 臨床歩行 分析研究会編:関節モーメントによる歩行分析，p.4-5，(1997)

レリーフ壁成型・塗装システムの開発−１−

レリーフ壁成型用押し型（スタンプタイプ）の開発
楠本幸裕 ∗1永田寅臣 ∗2

斎藤華央利 ∗3

福本満寿夫 ∗3

Development of Molding and Painting System for Relief Walls − 1 −Development of the Mold for Relief Walls
Yukihiro Kusumoto, Fusaomi Nagata, Kaori Saito and Masuo Fukumoto

現在，住宅用の内装仕上げ材としてこれまで最もポピュラーであったクロスに代わり，塗料の使用が増えている。
塗料を使用した場合，壁面に対して3次元の立体模様を加飾することが可能である。この3次元の立体模様が加飾された壁面のことをレリーフ壁と言い，現在注目を浴びている。レリーフ壁の施工には熟練技術が必要である一方で，ローラーを使用して手軽にレリーフ壁を成型できるツールも発売されている。しかしそのデザインの種類は少なく，ユーザのニーズに応えきれていない。そこで本研究では，ユーザが希望するデザインのレリーフ壁を，手軽に成型できるスタンプタイプの押し型を開発し，3 次元CAD でモデリングした任意のレリーフデザインを塗料に対し忠実に転写することが可能となった。

1

はじめに
現在，住宅用の内装仕上げ材として最もポピュラーなものがクロスである。しかしクロスは寿命が短く，また使用する接着剤から発生する VOC による健康被害も懸念される。その上，平面的なデザインに限られるため，インテリア空間としての評価も高くない。そのよ
図 1 市販されている既存のレリーフローラー

うな中，現在クロスに代わる内装仕上げ材として塗料（一般的な液状の着色用塗料ではなく，漆喰のような流動性を持った壁材）を使用するケースが増えている。

2

塗料はクロスよりも寿命が長く，さらには VOC を大幅

2-1にカットできる。また，塗料に厚みを持たせることにより 3 次元の立体模様を壁面に対して加飾し，より意
匠性に富んだ内装空間を演出できる。この 3 次元の立体模様が加飾された壁面はレリーフ壁と呼ばれ，注目を浴びている。しかし現在レリーフ壁は，職人がコテやローラーを駆使して，その熟練技術により施工されているため，非常に高価である。一方，中には手軽にレリーフ壁を成型できる凹凸を持ったローラー（図 1）
も市販されているが，そのデザインの種類は少ない。

研究，実験方法
従来技術の問題点

前章でも述べたように，図 1 のような市販されているレリーフ壁の成型ツールはデザインの種類が少ない。
これはその加工技術が「試しに作ってみたらこんなデザインができた」程度にしか至っていないためである。
そこで本研究では 3 次元 CAD/CAM や NC 工作機械を利用して，「 ユーザやデザイナーが発案する任意のデザインを転写できるレリーフ壁成型ツール」を生産できる加工技術を確立する。

2-2

開発するレリーフ壁成型塗装システムの概要

そこで本研究では，ユーザやデザイナーが発案するデザインのレリーフ壁を忠実に，かつ手軽に成型できるスタンプタイプの押し型の開発を行う。

図 2 は，メインテーマであるレリーフ壁成型塗装シス
テムのシステムフローである。本研究ではメインテー
マとして図 2 (4) にも示しているように，スタンプタイ
プとローラータイプの押し型を開発するが，本稿では∗1

インテリア研究所∗2

機械電子研究所

そのうちのスタンプタイプの押し型の試作について報∗3(株) フクモト工業

告する。

(1) 壁に転写したいデザインを考える(2) CADやドローソフト等を用いてデザインをデジタル化
Convex failure and crack(3) NC工作機械を用いて押し型（ローラータイプ・スタンプタイプ）を加工(a) Conventional mold(4) 押し型を乾燥前の塗料に押し付けて成型(b) Improved mold

図 5 改良した押し型

図 2 レリーフ壁成型塗装システムのシステムフロー

図 6 転写実験の結果れる転写不良が顕著に現れた。これは型の凸部により押し込まれた未乾燥の塗料が行き場を失い，薄い乾燥部分を破って流出したり，エッジ部分に集中して寄り(a) Modeling by a 3D CAD(b) Molds of stamp type

図 3 CAD モデルと試作した押し型

集まったために発生したものと考えられる（図 5 (a)）。
そこでこの現象を解決するために，押し型に対し図 5(b) に示す改良を加えた。エッジ部分を丸め，さらに凸
2-3

スタンプタイプの押し型

本研究では，デザインのデジタル化ツールとして 3

面にくぼみを持たせて塗料の逃げ場を作った。これにより上記の転写不良を抑えられるものと考えられる。

次元 CAD/CAM「Unigraphics」を用いた。Unigraphics の

CAD 機能により押し型の形状を設計し（図 3 (a)），CAM

3

結果と考察

機能を用いて NC 工作機械を動かすための NC プログラ

図 6 には前章で改良した押し型を用いて行った転写

ムを生成させる。生成した NC プログラムを用いて当実験の結果を示す。これらの実験結果から，改良前の所の NC 工作機械で機械加工を行い 1) ，図 3 (b) に示す

型によって発生していた転写不良が発生することなく，

押し型を試作した。

かつ押し型のデザインが忠実に塗料に対して転写され2-4ているのが分かる。

転写実験

前節で試作したスタンプタイプの押し型を用いて，塗料への転写実験を行った。塗料は表面のみ乾燥し，内部は未乾燥の状態であり，表面に触れると弾性が感じられる程度である。実験初期の段階では，図 4 に見ら

4まとめ
本研究では，3 次元 CAD で設計したデザインを塗料に対して忠実に転写できるスタンプタイプの押し型の作成方法を提案した。今後は，3 次元 CAD だけではな
く 2 次元 CAD やドローソフト等，他のソフトで描いたデザインを 3 次元 CAD データに変換し，押し型を製作する手法も開発する。

5 参考文献1) 精密工学会誌，Vol. 62, No. 8, p. 1203 (1996)
図 4 失敗した転写例

レリーフ壁成型・塗装システムの開発−２−

レリーフローラーのためのロータリー加工用ポストプロセッサの開発
楠本幸裕 ∗1永田寅臣 ∗2

斎藤華央利 ∗3

福本満寿夫 ∗3

Development of Molding and Painting System for Relief Walls − 2 −Development of a Rotary Machining Post-processor for Relief Rollers
Yukihiro Kusumoto, Fusaomi Nagata, Kaori Saito and Masuo Fukumoto

現在当所では手軽にレリーフ壁を成型できるシステムの開発に取り組んでおり，その一環としてローラータイプのレリーフ壁成型用押し型（レリーフローラー）の開発を進めている。レリーフローラーの製作は，3次元CADでモデリングしたローラーの形状を基に NC プログラムを算出し，NC 工作機械で機械加工するのが一般的である。しかし3次元CADでローラーの形状をモデリングすることは，非常に難しく技術を要するため，ローラーのモデリングに長時間を要する，デザインの種類が限られるなどの問題が生じていた。そこで本研究ではロータリー加工用ポスト
プロセッサを開発することでこの問題を解決した。

1

はじめに
すでに本誌の別報「レリーフ壁

ムの開発を要する，デザインの種類が限られるなどの問題が生成型・塗装システ

じていた。そこで本研究ではロータリー加工用ポスト−１−」で述べているように，現在当所でプロセッサを開発することでこの問題を解決した 1) 2) 。

はユーザやデザイナーが発案するデザインのレリーフ研究，実験方法

壁を忠実に，かつ手軽に成形できるシステムの開発に2取り組んでおり，その一環としてローラータイプのレ

2-1

X·Y·Z の直交座標系による 3 次元加工

リーフ壁成型用押し型（レリーフローラー：ローラー）

まず最初のアプローチとして，一般的に使用されるの開発を進めている。ローラーは，表面に凹凸の立体模

X·Y·Z の 3 軸並進機構を持つ NC 工作機械による 3 次元様が施されており，壁面に施工された塗料が完全に乾加工を試みた。その手順として，

燥・硬化する前にローラーを押し当て，表面の立体模(i) 3 次元 CAD を用いたローラーのモデリング

様を塗料に転写しようとするものである。図 1 にロー(ii) CAM による X·Y·Z 直交座標系における加工データ

ラーを使用してレリーフ壁を成型する手順を示す。ロー

（NC プログラム）の算出

ラーの製作は，3 次元 CAD でモデリングしたローラー(iii) NC 工作機械による 3 次元加工の形状を基に NC プログラムを算出し，NC 工作機械での 3 つの工程が挙げられる。図 2 はこれらの工程を図示

機械加工でするのが一般的である。しかし 3 次元 CADしたものであり，図中の番号は上記の工程番号に対応

でローラーの形状をモデリングすることは非常に難ししている。加工上の問題点としては，X·Y·Z の 3 軸並く技術を要するため，ローラーのモデリングに長時間進機構ではローラーの全面を一度に加工できない点が挙げられる。そこで (ii) の工程で NC プログラムを生成する際，ローラーの加工エリアを 4 分割し（図 2 (iii)），
それぞれのエリアごとの NC プログラムを生成する。さらに (iii) の工程において加工を行う際も，一つのエリア
が加工を終了するたびにいったんワークをはずし，次の加工エリアが上面にくるようにワークを 90 °回転させ

図 1 レリーフローラーを使ったレリーフ壁の成型て再度固定し，つぎのエリアを加工することで，ローラーの全面を加工していた。図 3 は X·Y·Z 3 軸並進機構∗1

インテリア研究所∗2

機械電子研究所を持つ NC 工作機械によるローラーの加工のイメージ∗3(株) フクモト工業

図である。この手法を用いて数種類のローラーをモデ

(i) Modeling by 3D-CAD(a)(ii) Generation of NC
program by CAM(b)(iii) Machining by a
NC machine tool

Rotary machining
post-processor

3D-model of relief rollerZ

2nd machining area

G01X-0.1392Y-1.4308Z5.0000
G01X-0.1392Y-1.4308Z0.0000
G01X31.3451Y-1.4308Z0.0000
G01X31.3732Y-1.4308Z3.0000
G01X32.2158Y-1.4308Z3.0000
G01X33.1145Y-1.4308Z2.8611
G01X34.0133Y-1.4308Z2.6280
G01X34.9120Y-1.4308Z2.3091(c)G01X231.4545A0.0738Z0.0000
G01X202.9390A0.0738Z0.0000
G01X202.9106A0.0738Z2.2500
G01X200.5225A0.0738Z2.2500
G01X199.6127A0.0738Z2.2236
G01X198.7029A0.0738Z2.0830
G01X197.7932A0.0738Z1.8519
G01X196.8834A0.0738Z1.5305

NC program for rotary
machining（X・A・Z）

NC program（X・Y・Z）

1st machining area
4th machining area

Z

Z

X

(e)
X

(d)

Z

X

3rd machining area
Z

Y

Z
X

図 2 X·Y·Z 直交座標系における 3 次元加工工程
(f)

Z

Tool

X
A

(g)

X

Table
Z
Y

A
Y

Y

Machined workpiece

図 4 開発したロータリー加工用ポストプロセッサを使XY用した場合の加工されたワークの違い

図 3 X·Y·Z 3 軸直交座標系でのローラーの加工（図 4 (a)），いったん X·Y·Z 直交座標系による加工用のリングし試作を行ったが，図 2 (i) にある，3 次元 CAD

NC プログラム（図 4 (b)）を算出する。つぎにこれをを用いたローラーのモデリング作業は，非常に操作がロータリー加工用ポストプロセッサによりロータリー

難しく技術を要しており，そのためモデリングに長時加工用の NC プログラム（図 4 (c)）に変換してロータ間を要したり，モデリングできるレリーフのデザイン

リー加工を行う（図 4 (d)）。これにより本来であればの種類が限られてしまうなどの問題があった。そこで平面状に加工されるレリーフのデザイン（図 4 (e) (f)）

次節では，ロータリー加工用ポストプロセッサを開発

が，ローラーの円周面上に加工される（図 4 (g)）。つまし，この問題の解決を図った。

り，ロータリー加工用ポストプロセッサを使えば，前節

X·A·Z の円柱座標系におけるロータリー加工のように 3 次元 CAD を用いてローラー形状でローラー

前節で挙げた問題を解決するために，ローラーのたをモデリングする必要がなく，平面状でレリーフのデめのロータリー加工用ポストプロセッサの開発を行っザインをモデリングすることでローラーの加工が可能た。ロータリー加工とは，X·Y·Z の 3 軸並進運動によになる。平面状でのモデリングは，ローラー形状でのる切削加工（図 3）とは異なり，ワークを回転させながモデリングとは異なり操作も簡単であるため，モデリ

らワークの外周面に対して切削加工を施す手法（図 4

ング時間は短縮され，多種多様なデザインを持ったレ(d)）であり，ロータリー加工用ポストプロセッサとはリーフのモデリングも可能となる。

このロータリー加工を行うために必要となる NC プロ

2-3

2-2

ロータリー加工用ポストプロセッサの概要

グラムを算出するプログラムである。ロータリー加工

つぎに，本研究で開発したロータリー加工用ポストプ

によってローラーを試作する場合は，まず 3 次元 CAD

ロセッサの概要について説明する。今回ローラーの試作を用いて平面状にレリーフのデザインをモデリングしで使用したローランド DG 社製の 3 軸ルータ MDX-650A

Ymax

Ylength

Ymin

Z
Y

X

NC program (X・Y・Z)

図 5 Ymax ，Ymin 及び Ylength

図 6 提案するポストプロセッサを用いた加工風景

は，付属の回転軸ユニットを使用することで，図 4 (d)にある A 軸の回転移動機構が付加され，ロータリー加工を行うことができる。そこで開発したロータリー加工
用ポストプロセッサでは，X·Y·Z 3 軸並進機構用の NC
プログラムのうち，Y 軸の並進移動プログラムをそれ

3D model of relief

Machined workpiece

図 7 レリーフの 3 次元モデルと試作されたローラーに対応した A 軸の回転移動プログラムへ変換するようにカスタマイズしている。ロータリー加工用ポストプ
ロセッサでは，変換前の NC プログラムから Y 座標の最大値（Ymax ）と最小値（Ymin ）を検索し，次式によってY 軸の並進移動を A 軸の回転角度へ変換する。従って，
Y 座標が最大値のときに A 軸の回転角度が 360 °に，最回紹介した図 7 に示すデザイン以外でも，図 4 の星形のデザインなど，数種類のデザインで同様にロータリー
加工を実現できた。いずれも平面状でのモデリングであったため，操作の容易性から簡単に所望の形状がモデリングでき，モデリングに要する時間も短縮された。

小値のときに 0 °となるように変換される。

A=

360 × (Y −Ymin )Ylength(1)

ここで，A は変換後の NC プログラムにおける A 軸回転角度，Y は変換前の NC プログラムにおける Y 軸の4

まとめ
本研究では，ローラー試作の高効率化，及びレリー

フデザインの多品種化のために，ロータリー加工用ポ
ストプロセッサの開発を行った。これにより，従来操作

座標値，Ylength = Ymax −Ymin は Y 方向の長さである（図が難しく技術を要していた 3 次元 CAD によるローラー5）。なおこの Ylength は，加工されるローラーの円周の形状でのローラーのモデリング作業を不要とし，代わ長さと等しくなるように，3 次元 CAD でのモデリング
時に設定しておく必要がある。この式により，変換前

りに操作が簡単な平面状でのレリーフデザインのモデ
リングにより，ローラーが試作可能になった。その結の NC プログラムの第 i ステップである {X(i),Y (i), Z(i)}果，ローラー試作のサイクル時間が短縮され，さらに多は，{X(i), A(i), Z(i)} の形式で構成されたロータリー加

種多様なデザインのローラーの試作が可能となった。

工用の NC プログラムに変換される。図 4 (b) (c) がそれ
ぞれ変換前後の NC プログラムである。

5

参考文献

1) 楠本，永田，長谷部，福本，斉藤：IIP2005 情報・知能・
3

結果と考察

精密機器部門講演会講演論文集，No. 05-6, p. 277(2005)

開発したロータリー加工用ポストプロセッサにより，変換した NC プログラムを用いてローラーの試作を行った。図 6 はロータリー加工の様子である。図 7 は平面状にモデリングされたレリーフデザインと，その CAD モ
デルを基に，ロータリー加工により試作したローラーである。3 次元 CAD を用いて平面状にモデリングされたレリーフのデザインが，ローラーの円周面上に正確に加工されたことが，この図より確認できる。また，今2) 楠本，永田，長谷部，福本，斉藤：ROBOMEC’05 ロ
ボティクス・メカトロニクス講演会’05 講演論文集，

p. 1A1-S-018(2005)

内装材，造作材，家具部材などから揮発されるVOCsの評価に関する研究― 40物質の定量とHeijeter式による濃度相関性の確認 ―脇坂政幸 *1

古賀賢一 *1

Evaluation of VOCs, that volatalize from furniture and the interior material― Fixed quantity of 40 materials and Trial of correlation by Heijeter type ―Masayuki Wakisaka, Ken’ichi Koga
改正建築基準法の施行に伴い新たに日本工業規格(JIS規格)が制定された。我々は同規格に準拠し家具及び住環
境製品で使用される材料を中心にホルムアルデヒド及びそれ以外の揮発性有機化合物(VOC)の評価を通して，製品への適正使用に係る支援の検討を行う。今年度は小型チャンバー法にて40物質を対象に定量技術確立を行った。また，建築基準法で規制対象外となる条件算出にはHoetjer式においてホルムアルデヒド気中濃度が100μg／m 3 時の変数n/Lが必要となる。これを得るため合板を用い，試料負荷率と換気量条件を個別に変えて検討を行ったところ，
試料負荷条件を変えると良い相関が得られた。

1 はじめに建材から放散する化学物質による人への健康被害が，て供給しているところである。その様な状況下，我々は家具或いは内装材料からのHCHO放散量を経時的に予いわゆる「シックハウス症候群・シックスクール症候

測することが，家具を住宅に設置する際に必要な基準群」といった現象として表れ，日本においては1990年の一つになり得ると考える。そこで，家具を一個とし代から社会的な問題として扱われるようになった。こて測定可能な大型チャンバー法が無い現在，素材におれを受け，厚生労働省ではホルムアルデヒド(HCHO)及

ける放散特性を基に最終的な家具製品としての放散性

びVOCs(トルエン，キシレンなど)の室内濃度指針を定を予測できるような指標を検討する。

めた。国土交通省では平成15年7月に改正建築基準法

今年度は，チャンバー法によるカルボニル化合物を施行してHCHOを放散する建築材料に対する規制値を

3成分及びVOC(volatile organic compounds:揮発性有設け，その使用量を制限することが可能な法律へ改正

機化合物)37成分の標準物質による定量化を実施し，された。さらに，経済産業省では材料から放散する化合板を用いて定量分析を行った。また，建築基準法で学物質について，その濃度や放散速度を把握するため内装材として使用量を制限されない条件，即ち規制対の試験法であるJIS A1901-2003「建築材料の揮発性有象外となる条件で，測定系内のHCHO気中濃度を算出す

機化合物(VOC)，HCHO及びその他のカルボニル化合物

るためにHoetjer式 1) を用いた外挿法の検討を行った。

放散量測定方法−小型チャンバー法」が制定された。
また，平成17年4月現在において家具に対する規制は設けられていないが，(社)全国家具工業連合会では，

2 研究，実験方法
2-1 定量用標準成分の検量線作成

使用する合板，パーティクルボード，繊維板にデシケ

カルボニル化合物及びVOC類の定量にあたり，予めータ法でのＦ☆☆☆☆，Ｆ☆☆☆品を，そして塗料に標準成分の検量線作成を行う。カルボニル化合物につついてはHCHOを含まないものであれば，会員企業に限

いては，HCHO，アセトアルデヒド混合標準液(関東化って自主的な室内環境配慮マークを用いるとして平成学製)及び個別に調整したアセトンを用いる。また，

15年7月よりスタートしている。

VOC類についてはn-ヘキサンからn-ヘキサデカンまでそうした中，大川地域においては化粧合板等素材やのVOCs標準液(関東化学製)を用い作成する。

部品製造の分野をはじめ，最終的な家具の組み立てを

2-2 合板の測定行うメーカまでが集積しており，特に素材に係る団体

2-2-1 試験材

ではＦ☆☆☆☆品の製造に力を注ぎ，家具用資材とし以下に示す合板を試験に供した。

*1 インテリア研究所

・普通合板(ラワン合板，9mm厚)表22-3 建材の規制対象外条件外挿のための検討
JIS小型チャンバー法において，建材等から放散さ

Ptn.2

Ｌを固定した場合。

Ｌ(試料負荷率)ｎ(換気回数)れるHCHOの放散速度や気中濃度を求めるために定めら0.25

れた標準的な条件と，建築基準法の要件を満たし測定

0.5

2.2

値を得るための条件は異なり，後者における必要条件

0.75

3

として測定環境のHCHO気中濃度が100(μg/m )の時，
2

0.96

2)

放散速度が5(μg/m ・h)以下であるとなっている 。
この場合，チャンバー法を用いて建築基準法に相当す
る放散量を求めるためには，Hoetjerの式(1)による外挿が必要である。

2-4 捕集方法
カ ル ボ ニ ル 化 合 物 ， VOCの 捕 集 は JIS A1901に 準 じ
ADPACシステム((有)アドテック製)を用いた。試験材

1
1
1
n
=
+
×
C Ce kCe L

は所定サイズに作製し，表面のみが外気に曝されるよ(１)

うサンプルホルダに入れる。これを予め清浄空気で24

3

C ：気中濃度(μg/m )時間換気した小型チャンバーに設置したのち，清浄空
3

Ce：換気量がゼロであるときの平衡濃度(μg/m )気を28℃×50%RHのめやすで流し24時間後にサンプル

n ：換気回数(回/ｈ)

ガスを採取する。その際，カルボニル化合物はDNPHカ２３

L ：試料負荷率(ｍ /ｍ )ー ト リ ッ ジ (Sep-Pak DNPH ‒Silica (Short Body)k ：物質移動係数(ｍ/ｈ)

WATERS製)で捕集し，VOCはTenax TA(SUPELCO製)で捕集する。捕集したサンプルについては，各々液体クロ

そ こ で 我 々 は ， 異 な る n/Lで のCを 複 数 点 測 定 し ，マトグラフィー及び加熱脱着装置付きGC-MSで測定す1/Cをn/Lに対してプロットし直線相関を行う。そしてる。また，捕集に係る主要な条件を表3に，分析に要C=100㎍/㎥の時のn/L値を相関式から求め，放散速度した機器及び条件を表4，表5に示す。

EFa=C×n/Lを求める。
2-3-1 試験材

表3

以下に示す合板を試験に供した。
・突板貼化粧合板(基材：ラワン合板，表面化粧材：シナ，デシケータ値：0.3mg/l)
2-3-2 気中濃度測定のためのn/L条件
設定したn/Lの条件については，ｎを固定(空気流量を一定にする)した場合をパターン1(Ptn.1)として表1に，Ｌを固定(試料数を一定にする)した場合をパター
ン2(Ptn.2)として表2に示す。なお，Ptn.2においては１系統のチャンバーで，試料は全条件を通し固定して実施。換気回数条件は清浄空気の流量を変えて行い，捕集に係る条件
カルボニル化合物

チャンバー容量20(L)
2.2(m 2 /m 3 )

試料負荷率
温度

28(℃)

湿度

50(%RH)

換気回数

0.5(回)

清浄空気流量 ※2
清浄空気流量VOC類※3167 (ml/min)
84, 167, 250, 320 (ml/min)

捕集量

10(L)

※2：Ptn.1 の場合，3.2(L)※3：Ptn.2 の場合

流量は換気回数の大きい方から順次低い方へ変える。
その際，ガス捕集のあと，次の捕集までの養生時間を

表4

カルボニル化合物分析機器等

2時間とした。
表1

Ptn.1

ｎを固定した場合。

N(換気回数)Ｌ(試料負荷率)
1.1

0.5

2.2
3.3

ホルムアル

HPLC

LC-10A(SHIMADZU製)

デヒド及び

カラム

ODS-Ⅱ

他のカルボ

移動相

CH 3 CN／H 2 O=60/40(v/v)

ニル化合物

検出

UV at 360nm

表5

VOCｓ

VOCｓ分析機器等

個々の成分により，放散初期をピークに濃度が減少し加熱導入装置TD-450(SHIMADZU製)

続けるタイプ，初期2〜7dayにかけてピークを迎えた

ｶﾞｽｸﾛﾏﾄｸﾞﾗﾌ／

GC-MS

のち減少するタイプ，初期から濃度を維持し続けるタ

質量分析装置(SHIMADU製)

イプなど様々であるなか，HCHOは一定の濃度で放散をカラム

DB-624続けていることがうかがえる。

設定質量範囲35-350(m/z)

3-2 n/L 条件と気中濃度の逆数の相関

QP-2010

表1の条件にて得られた直線相関を図1に，表2の条
件にて得られたものを図2に示す。

3 結果と考察3-1 定量可能成分

0.012

入手した試薬(関東化学(株))及び個別調整したアセ0.010

トンについて検量を行い，以下40成分について定量可0.008

能となった。なお，カルボニル化合物以外の各成分に1/C

ついてはGC-MSのMC法により確実な選択と定量を行い，(m 3 /μｇ)

それ 以 外の 成 分に つ いて は トル エ ン換 算 し， 併 せて

0.006
0.004

TVOCとして算出するためのプログラムを構築した。

y = 1.60E-02x + 2.84E-03
R2 = 9.97E-010.002

当所で定量可能な40成分は以下の通りである。
0.000【カルボニル化合物】

0.0

0.2

0.4

0 .6

n/L(m/h)ホルムアルデヒド，アセトアルデヒド，アセトン。

図1 濃度とn/Lの関係【VOC類】

Lを変動(L=1.1, 2.2, 3.3■脂肪族炭化水素

n=0.5)n-ヘキサン，n-ヘプタン，n-オクタン，n-ノナン，
n-デカン，2,2,4-トリメチルペンタン，n-ウンデカ

0.018

ン，n-ドデカン，n-トリデカン，n-テトラデカン，

0.016

n-ぺンタデカン，n-ヘキサデカン，2,4-ジメチルペ

0.014

ンタン。

0.012

1/C

■芳香族炭化水素

y = 2.57E-02x + 4.83E-03
R2 = 7.76E-01

0.010(m 3 /μｇ)

0.008

ベンゼン，トルエン，エチルベンゼン，キシレン，

0.006

スチレン，トリメチルベンゼン，テトラメチルベン

0.004

ゼン。

0.002

y = 4.36E-02x - 1.74E-03
R2 = 9.99E-01

0.000■ハロゲン類

0.0

0.2

0.4

トリクロロエチレン，テトラクロロエチレン，クロn/L(m/h)ロホルム，1,1,1-トリクロロエタン，1,2-ジクロロ

図2 濃度とn/Lの関係

プロパン，p-ジクロロベンゼン，四塩化炭素，ジブnを変動(n=0.25, 0.5, 0.75, 0.96

0.6

L=2.2)

ロモクロロメタン。
■テルペン類

2-ピネン，(R)-(+)リモネン。

■エステル類

酢酸エチル，酢酸ブチル。

■ケトン類

2-ブタノン，メチルイソブチルケトン。

■アルコール類
1-ブタノール，1-ノナナール，1-デカナール。
3-1-2 合板の測定例

図1から1/Cとn/Lとの間に直線相関が確認された。
図2ではプロットにバラツキが見られ，4点の回帰式から得られる決定係数は0.76と信頼性が低い。また，最も小さい換気回数を除いた場合の決定係数は高い相関が示されているが，濃度が負になり回帰式に予測能力がないことが解る。従って今回の条件では試料負荷率

普通合板からの放散成分について2hr〜28dayの経時Lを変えるPtn.1に信頼性を求められることが解った。

変化を調べた。測定結果を表6に示す。この結果からPtn.2は設備上限られた条件の中で如何に短時間で結果を得るかを目標に取り組んだ結果であるが，さら

今後は，さらに異なる多くの試料を対象に実験を行にPtn.2での条件として養生時間，供試試料の初期化

い，回帰直線のパターンを検討するとともに，迅速に等を検討する必要がある。

規制対象外条件での算出が可能となるような分析条件の有無を検討する。

4 まとめ

また，材料から放散するVOC各種ガスについて減衰

JIS小型チャンバー法に準拠し分析したデータから
標準物質37成分及び他の未知物質をTVOCとして解析し，状況を早い段階で推測できるような指標の構築可能性について検討する。

この時，気中濃度，放散速度を迅速に算出するプログ
ラムの構築ができた。これにより依頼分析等において

5 参考文献ストレスなく標準物質のデータ還元が可能となった。

1) J.J.Hoetjer：America Chemical Society (1986)

さらに多くの標準物質についても増やすことが可能と

2)(独)森林総合研究所：シックハウスと木質建材考える。

料集，p.40(2004)

また，建築基準法の規制対象値を求めるにあたり，試料負荷率を変動させるパターンにおいて，回帰直線に高い相関が認められた。一方，換気回数変動のパターンにおいては，換気回数の最も小さい条件領域でプ
ロットのバラツキが見られたが，この条件領域ではチャンバー内での空気拡散，及び換気が十分でないことがうかがえた。

表6

合板の VOC 放散速度測定結果

ホルムアルデヒド
アセトアルデヒド
アセトン
ヘキサン
2,4-ジメチルペンタン
2-ブタノン
酢酸エチル
クロロホルム1,1,1-トリクロロエタン
四塩化炭素
ベンゼン
2,2,4-トリメチルペンタン
ヘプタン
1-ブタノール
トリクロロエチレン
1,2-ジクロロプロパン
メチルイソブチルケトン
トルエン

2h
6.52
49.77
14.70
0.10
0.00
0.57
1.56
0.34
0.00
0.00
0.09
0.00
2.72
1.06
0.00
0.00
0.33
8.27

4h
7.52
4.34
16.07
0.00
0.00
0.63
1.75
0.00
0.00
0.00
0.08
0.00
2.32
1.04
0.00
0.00
0.49
12.63

8h
8.14
44.80
13.91
0.00
0.00
0.59
1.62
0.00
0.00
0.00
0.10
0.00
1.55
1.06
0.00
0.00
0.53
14.21

1d
8.50
41.84
11.20
0.00
0.00
0.30
0.90
0.00
0.00
0.00
0.09
0.00
0.00
0.75
0.00
0.00
0.37
11.29

標準合板9mm
2d
3d
8.57
15.25
57.41
41.48
9.57
8.48
0.00
0.00
0.00
0.00
0.35
0.28
0.87
0.68
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.08
0.07
0.00
0.00
0.00
0.00
0.60
0.49
0.00
0.00
0.00
0.00
0.38
0.29
11.19
9.24

7d+4h
6.61
53.57
9.66
0.00
0.00
0.28
0.68
0.00
0.00
0.00
0.06
0.00
0.00
0.35
0.00
0.00
0.44
12.10

14d
8.82
49.32
6.07
0.00
0.00
0.10
0.21
0.00
0.00
0.00
0.04
0.00
0.00
0.27
0.00
0.00
0.15
4.63

（単位：μg/m・h）
20d
28d
8.16
9.23
50.57
27.27
5.95
5.30
0.00
0.00
0.00
0.00
0.11
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.09
0.04
0.00
0.00
0.00
0.00
0.34
0.14
0.00
0.00
0.00
0.00
0.11
0.11
3.57
3.02

ドデカン
デカナール
トリデカン
テトラデカンぺンタデカン
ヘキサデカン
TVOC

0.60
0.21
0.02
0.00
0.00
0.52
374.01

0.61
0.17
0.02
0.00
0.00
0.47
409.10

0.55
0.14
0.01
0.00
0.00
0.45
375.76

0.42
0.17
0.01
0.00
0.00
0.30
307.30

0.36
0.15
0.01
0.00
0.00
0.26
314.74

0.21
0.12
0.00
0.00
0.00
0.18
293.46

0.12
0.05
0.00
0.00
0.00
0.12
191.45

0.09
0.22
0.00
0.00
0.00
0.13
199.53

0.30
0.08
0.00
0.00
0.00
0.23
312.20

0.07
0.09
0.00
0.00
0.00
0.13
175.19資木製防火ドアの開発に関する研究
古賀賢一 *1

脇坂政幸 *1

Research on development of the wooden fire prevention door
Ken’ichi Koga, Masayuki Wakisaka
従来，防火ドアは重量があり，デザインに優れない金属製であったが，軽量で意匠性に富む木製素材のドアでも，建築基準法で定める性能を満たせば防火ドアとして認められるようになった。県内のA社では新規な室内向け総木製防火ドアを開発したいと考えている。総木製防火ドアの製品化を目指し，当所との共同研究に取り組んだ結果，認定基準を満たしうる性能を持つ総木製防火ドア部材の試作に成功した。

防火効果を発揮できる無機系のものを想定し，中でも1 はじめに
木質材料には，比強度・加工性・断熱性に優れると薬剤の安定性・工程の簡素化の点でケイ酸系のWako社

いった利点があり，広く利用されているが，燃えやすケ と表記)と，パルアップ
製ケイ酸ソーダ溶液(以降，○

い・腐りやすい・狂いが生じやすい等の欠点もある。

Si と表記)の2種を検討
社製水溶性ケイ酸Si25(以降，○木質材料の更なる普及や高付加価値化の為には，これすることにした。

らの欠点を克服することが必要である。

以上の薬剤(○ケ ・○Si )を，○
Si のケイ酸量を基準に重量

本研究は，A社との共同研究により新規な室内向け

で5，50，500倍(○ケ については7.9，79，790倍となる)

総木製防火ドアの開発を行うものであるが，それに付に水により希釈した溶液を調製し，表面材の合板(15随する防火処理技術に関する知見は，木質産業全般へ㎝角・厚さ2.5mm)に室温にて1日含浸，あるいはハケ普及できるものとして期待している。

で1回塗布した。その後，熱風乾燥を行ない，防火処理を施した(図2)。

2 研究，実験方法
2-1 木質材料の防火処理の検討
市場に出ている室内向け木製防火ドアのほとんどは，内部に無機系の厚い防火層を設けることにより，防火性能を付与している 1) 。しかし本研究では，A社の意
向により，総木製で防火性能を発揮させなければならない。そのためには，木質材料を防火処理する新規な

図2

含浸処理㊧と防火処理後の表面材㊨技術の開発が必須である。
A社の従来の木製防火ドアは，大まかに以下の構成

また，より強力な防火性能発揮を期待して，高濃度
ケ 1.5倍水希釈・○Si 原液)とシート材を，ハのケイ酸(○になっている(図1)。

ケ塗りにより表面材上で複合化したものも作製した。
2-2 防火処理材料の防火性能評価

表面材
耐火薬剤層

芯材

2-1で作製した防火処理表面材を，JIS A 1322の建築用薄物材料の難燃性試験に相当する装置によって評図1

従来ドアの概略図

価した(図3)。規定した加熱時間での材裏面への炎の到達と残炎時間，更には加熱を続けて，材裏面へ炎が本研究の総木製防火ドアでは，耐火薬剤層を使用せず，主に表面材の薬液処理で防火性能を発揮させることを目標とした。薬剤としては，有害な成分を含まず，*1 インテリア研究所

到達するまでの耐火時間を評価項目とした。

希
釈

Si
○

ケ
○

含浸

含浸

塗布

塗布

5
倍
5
0
倍

図3

難燃性試験㊧と残炎状態㊨2-3 試作総木製防火ドア部材の性能評価
A社において，2-1の条件で防火処理を施した表面材

表面材

5
0
0
倍

図5

45秒加熱試験後の防火処理表面材

表１

防火処理表面材の45秒加熱試験結果

を使用し，総木製防火ドア部材を試作した。その構成は以下の通りである(図4)。

○
Si

ケ
○

防火処理
表面材
芯材

図4

試作部材の構成㊧と実物㊨試作部材について，A社の防火性能試験設備での評価を行なった。

希釈率

含浸

塗布

含浸

塗布

5

×

○

○

×

ケ 7.9 )
(○

2

5

1

>30

50

×

○

○

ケ 79)
(○

>30

8

3

500

○

○

ケ 790)
(○

>30

7

表面材

×(15sで到達)>30

当所では，室内向けドアとして必要な耐水性能を，

裏面への炎の到達有り・無し＝×・○

集成材のJAS浸せきはく離試験で評価した。試験方法

数字＝残炎時間(s)は，指定の大きさに切り出した部材を，室温の水に6時間浸せきし，その後40℃で18時間乾燥した際，材料の接着層にはく離が生じるかというものである。

ケ が水飴状で，重合したケイ酸
この違いは，原液の○の 大きな塊が溶存しているのに対し，原液の○Si はやや粘性のある液体程度で，溶存のケイ酸の重合度はあま3 結果と考察り高くないことに起因している。すなわち，含浸処理

3-1 木質材料の防火処理効果の検討

Siについては材への浸透性が重要であり，塊の小さな○ケ ，○
Si 希釈溶液の含浸・塗布処理の前後で，表面材○の方が，材内部まで浸透しやすい。また，塗布についの絶乾状態での重量変化を測定したが，有意な差は見ては材表面での膜形成が重要であり，塊が大きく材内られず，ケイ酸の添加量は不明であった。これはケイ部へ浸透しない○ケ の方が，表面に残って膜を形成しや酸の添加量が，表面材の含水量の変動以下の僅かな量

ケ はアルカリ含有率が高く，溶存するケ
すい。更に，○であることを示している。

イ酸の反応性が高いが，○Si はアルカリ含有率とケイ酸

図5，表1に45秒間加熱条件での防火性能評価の結果を示す。
ケ では塗布・○Si では含浸の方
図5，表1の結果より，○がより効果的な処理方法であり，100倍以上の濃度効
果が生じているといえる。

の反応性が低いのも，要因の一つである。
このように，同じケイ酸系の薬剤によって も，その性 状によって処理方法を使い分けることが重要である。
より強力な防火性能の為には，高濃度のケイ酸溶液
を 使用すればよいが，溶液の粘性の為，含浸法は適用できず，塗布法では材表面からのタレ，材表面のガラス化による接着性の悪化等の問題が生じる。

この問題は2-1で述べた，シート材との複合化により克服することができた。図6にシート複合化防火処
理表面材の顕微鏡図を示す。

3-2 試作総木製防火ドア部材の性能評価
A社での防火性能試験状況を図8に示す。部材 にはシー ト複合化防火処理表面材を使用している。

1mm
図6

シート複合化防火処 理表 面 材

図8

試作部材の防火性能試験

図 6はシートとケイ酸のガラス層が一体となってい使用している加熱源は， 防 火ドアの認定試験の条件る様子を示している。シート−ケイ酸層の厚みはよ り，はるかに高温で勢いがある。にも関わらず，材

0.2mmで，総木製と表現して差し支えない程度である。

裏面への炎の到達が認定基準を満たす1時間を超える

更に，防火性能の試験では，シートとの複合化の効結果を示し，十分な防火性能を有すると考えられる。

果 が顕著に現れた。試験結果を図7，表2に示す。

また，当所での試作部材のJAS浸せきはく離試験の結 果を以下に示す(図9)。

ケ
○

Si
○

ケ 断面
○

図9
図7

耐火試験中途状態の試作部材の浸せきはく離試験結果(浸せき前断面㊧浸せき後断面㊨)シ ート複合化防火処理表面材
浸せきの前後ではく離は見 られず ，外観の変化も発
表2シート複合化防火処 理 表面材の耐火試験結果

裏面への
到達時間

ケ
○

○
Si

表面材

29min

4min

15s

裏面へ炎が到達するまで加熱

生 しないことより，室内向けドアとして十分な性能を有しているといえる。

4 まとめ
当所独自の シート複合化防火処理により，認定基準を 満たす新規な室内向け総木製防火ドアの開発に目処

ケ ・○Si が同様に加熱によりケイ酸層で発泡
図 7では○

し ている。しかしながら，表2では○ケ と○Si で防火能力がついた。次年度以降は，A社の総木製防火ドアの製品化についての協力を行なう予定である。

に大きな違いを示している。
ケ 断面図に示す ように，○ケ の場合には
これは図7の○ケ イ酸層の発泡以外に，シート−ケイ酸層そのものが5 参 考文献
1)例として，加熱で膨張し，炎・熱から表面材を保護しているため

http://www.abekogyo.co.jp/bou̲kaon/bouka.html

であ る 。こ の 効果 に より ， 無処 理 の表 面 材に 比 べ，

http://www.nonaka.co.jp/prod̲f.htm

100倍以上の耐火時間を達成することができた。

http://www.kimuranet.jp/best/skog/ex̲dor/spdor

ケ のみに膨張が見られたのは，前項に挙げた○ケ の膜○形 成力や粘性の高さに起因している。

/tokuchou.html
等ＴｉＯ２ 溶射皮膜の光触媒特性の評価・研究
古賀弘毅 *1

南守 *1

廣瀬政憲 *1

小野本達郎 *1

小野幸徳 *2

Characteristic of Photocatalyst Made of TiO 2 by Thermal Sprayers
Hiroki Koga, Mamoru Minami, Masanori Hirose, Tatsurou Onomoto, Yukinori Ono
アナターゼ型酸化チタンの原料粉末を用いて溶射法により成膜した光触媒皮膜の光分解特性を評価した。本研究では水溶液中での有機物に対する光分解特性に着目し，メチレンブルー分解試験法を用いて評価した。試験の結果，溶射法による光触媒皮膜はゾルゲル法などの他の成膜方法で作製したものよりも優秀な分解特性を示した。なお，
溶射法では成膜時の熱影響により光触媒活性の劣るルチル型への変態が懸念されるが，高速フレーム溶射(HVOF)により溶射条件を最適化することによりルチル型への変態を最小限に抑えることができた。また，実際の使用が想定される流水下での試験では，静水条件と比べて分解速度が約25倍となり光分解特性が著しく向上した。
なお，本研究は北九州市中小企業産学官連携研究開発事業の一環として，株式会社フジコーの委託を受け行った。

1 はじめにものの他に，低融点ガラスや樹脂をバインダとして酸

光触媒は日本発祥の技術として今後大きな成長が期化チタンに混ぜて溶射するバインダ混合法，また，基待されている分野である。主な光触媒材料としてはア材と酸化チタン溶射膜の間に低融点ガラスや樹脂のアナターゼ型の酸化チタンが利用されている。アナター

ンダーコート層を挟み密着性を高めるアンダーコート

ゼ型の酸化チタンは多くの原料メーカーより供給され法を用いた。バインダ混合法及びアンダーコート法のており，通常，原料を粉末のまま用いるのではなく，概念図を図1に示す。

何かの担体にコーティングして利用されている。コー
ティング方法にはゾルゲル法やPVD法などが用いられているが，本事業ではこれらの原料粉末を用いて溶射法により製膜を行うことを検討した。溶射法は開放系
で厚膜の形成ができるなどの有益性がある反面，溶射課程で酸化チタンが熱影響を受ける可能性が高く，光触媒活性の低いルチル型への変態が生じる可能性がある。また，バインダ等の影響により光触媒特性が変化することも考えられ，技術開発に向けては光触媒活性

図 1 バインダ混合法及びアンダーコート法の概念の評価が重要となる。本研究では水溶液中での光触媒特性の評価に特化して，主にメチレンブルー分解試験

2-2 試験方法

を中心に行った。

2-2-1 メチレンブルー分解試験法
光触媒の有機物に対する光分解特性の評価には，光2 研究，実験方法

触媒製品フォーラムが規格化した「光触媒製品におけ2-1 試料る湿式分解性能試験方法」 1) を用いた。本試験法のフ光触媒粉末には石原産業(株)製のアナターゼ型酸化チタン粉末から粒径7nmm,200nmのものを用いた。

ローを図2に示す。まず，試験片の試験面がメチレンブルーの吸着飽和状態とするために光を遮断した状態

試料作製はステンレスなどを基材として，これに光で0.02mmol/lメチレンブルー溶液で12時間浸し，その触媒の溶射を施して作製した。溶射方法には高速フレ

後，0.01mmol/lのメチレンブルー溶液を用いて紫外線

ーム溶射(HVOF)を採用し，酸化チタンを直接溶射するを照射し光分解特性を評価した。なお，メチレンブル*1 機械電子研究所*2 福岡県産業・科学技術振興財団

ー試薬は林純薬工業製の特級を用いた。試料セルには丸本ストルアス社製マルチフォームの内径40mm，高さ

図3

流水型光分解試験装置概略図

3 結果と考察3-1 静水環境におけるTiO 2 溶射皮膜の光分解特性
静水環境におけるTiO 2 溶射皮膜の光分解特性をメチ
図2

メチレンブルー分解試験法フロー図

レンブルー分解試験法により評価した。供試験片の一覧を表1に示す。市販の光触媒コート剤や光触媒コー

30mmのものを用いた。光源には東芝ライテック製の紫トタイルなども併せて測定し比較した。メチレンブル

外線ランプ(20W)を用い，試験時の紫外線強度が光触ー分解試験の結果を図4に示す。また，結果から得ら媒面に対して1mW/cm 2 となるように調整した。吸光度

れた分解活性係数を表2に示す。分解活性係数より粒の測定には島津製作所製分光光度計UV-1200型を用い

径200nmのTiO 2 粉末をアンダーコート法により溶射し664nmの波長を測定した。なお，太陽光や蛍光灯など

たNo.2が最も活性が高く，次いで粒径200nmのTiO 2 粉

他の光の影響を排除するためすべての実験は暗室内で末をバインダ混合法により溶射したNo.1が高活性であ行った。

ることがわかった。市販品の中ではゾルゲル溶液によるもののひとつがバインダ混合法と同等の分解活性を

2-2-2 流水環境における光分解特性評価有した。溶射法により成膜した試験片の分解活性が高

2-2-1で用いたメチレンブルー分解試験法は静水状かった理由は，溶射法により成膜した皮膜のTiO 2 量が態での試験であったが，実際の光触媒は流水環境で使他の方法と比べて格段に大きくなるためと考えられる。

用される。そこで流水環境における光分解特性を評価

一般に用いられているゾルゲル法では大量のTiO 2 をコするため，図3のような光分解試験装置を自作し，こートすることが難しいが溶射法では容易である。バイれにより溶射試験片の光分解特性を評価した。試験片

ンダ混合法ではバインダの混合比率によりTiO 2 量は希は80mm×170mm×2mmのステンレス板に溶射したものを釈されるが，それでも既存コーティング法と比べれば用いた。なお，試験面積が広いことから，この実験で大量に付着している。

はメチレンブルー分解試験法で用いたものと同等の20Wの紫外線ランプを2本使用した。試験時の試験片表面の紫外線強度を厳密に決めることが困難であったため，紫外線ランプと試験片の距離を30mmとした。試験
溶液は0.01mmol/lメチレンブルー溶液を1リットル用いた。

表 1 メチレンブルー分解試験試験片一覧

3-2 溶射温度と光分解特性の関係
TiO 2 粒径と溶射条件を変えて成膜したものについて
粉末Ｘ線回折法により分析しアナターゼ型の残存率を求めた。本実験における試験片の作製はバインダーやアンダーコートを用いずTiO 2 のみを直接溶射した。燃焼温度を制御することが困難であったので，フレーム燃料の供給量を変化させることで溶射温度に差をつけることとした。結果を表3に示す。TiO 2 粒径の大きなものがアナターゼ型の残存率が高く，燃料供給量の少ないものが燃焼温度が低いため残存率が高かった。これらの試験片を用いてメチレンブルー分解試験法によ
図 4 光分解試験結果

り光分解特性を評価した。結果を表4に示す。分解速度についてはアナターゼ残存率の高いものから順に大表 2 供試験体の分解活性係数

きくなっている。分解速度が最も高いのはU22-1であった。このことから溶射法における光触媒コーティン
グにおいては熱影響を少なくするよう配慮する必要があることがわかった。
表 3

TiO 2 粒径と燃料供給量差によるアナターゼ
比率の変化

アンダーコート法による試験片ではTiO 2 粒径7nmよりも200nmのもののほうが活性が高かった。これは溶射による熱影響によりアナターゼ型の一部がルチル型へ変態したことが原因であると考えられる。図5にこれらの試験片の溶射によるTiO 2 の熱影響による変態の状況を粉末Ｘ線回折法で観察した結果を示す。この結果から粒子径が小さいほど熱影響を受けやすいことがわかる。一般に最も活性が良いと言われている粒径数

表 4 TiO 2 粒径と燃料供給量差による分解速度の変化

nmのものも，溶射法においては適しておらず，ある程度径の大きな粒子を用いることが有効であると考えられる。

3-3 流水環境における光分解特性
本試験の供試料を表5に示す。溶射条件については先の試験で最もアナターゼ残存率の高かった燃料供給
量2gphを採用した。また，今回は低融点ガラスをバインダとして用いたバインダ混合法により溶射し，バイ
図5 溶射法により作製したTiO2膜のＸ線回折結果

ンダ混合比率を変化させて分解特性を評価した。

表 5 流水環境における供試験体

4 まとめ
溶射法により作製したTiO2光触媒試験片を用いてメチレンブルー分解試験を中心に光分解特性の評価を行った。その結果，溶射法による光触媒試験片は既存のコーティング法と比べて分解特性に大きな優位性を有していることが明らかとなった。
TiO 2 の高速フレーム溶射では粒子径が大きなものほ

表 6 流水環境における光分解試験の結果

ど溶射時の熱影響の影響を受けにくいことが明らかとなった。また，バインダー混合による溶射では造粒された二次粒子のサイズ効果により熱影響を軽減することができると推測された。
流水環境下での光分解試験では，静水環境と比較して約22倍と大幅に分解速度が向上した。流速が速いほど分 解 特性 の 向上 に つな が ると 考 えら れ る。 こ れは

流水環境の場合，流速が分解特性に大きな影響を与える。一般に光触媒表面には境膜が生成し，ここに有TiO2溶射被膜表面で形成される境膜の引き剥がし効果
によるものと推測される。

機物を分解することのできるスーパーハイドロオキサイドなどが存在しているが，有機物質は境膜内に入ら

5 参考文献なければ分解されない。そのためには境膜を物理的な

1)光触媒製品フォーラム：光触媒製品における湿式分力で引き剥がし撹拌させる必要があるが，流速を大きくすることでこの境膜を引き剥がすことができると考えられる。従って，今回は手持ちのポンプで設定可能
な最大流速の200ml/minの条件で実験を行った。結果を表6に示す。結果からU30が最も大きな分解速度を示した。これは静水環境で最も活性の高かったアンダーコート法による試料の結果と比較して約22倍の分解速度であった。U30〜U32の比較ではバインダ混合量の少ないものほど高活性となっており，TiO 2 量が反映された形となっている。また，U28，U29の比較では当初粒径の大きなU29が活性が高いと予想していたが，粒径にかかわらず同等の活性を示した。この原因として原料粉を溶射に用いる際に有機バインダを添加して二次粒子を造粒していることが影響していると考えられる。
二次粒子がある程度のサイズになることから比熱が相対的に高くなり，一次粒子そのものへかかる熱影響を緩和したのではないか，と考えられる。一方，無機バ
イン ダ を混 合 した も のと 混 合し な かっ た もの で は，20%無機バインダを混合したもののが最も活性が高かった。これについても無機バインダを混合したことによる二次粒子のサイズ効果により熱影響が緩和された
ことが原因と考えられる。

解性能試験方法

遠心･高周波加熱プロセスによる高性能耐摩耗･耐食金属複合管の製造開発
廣瀬政憲 *1

山本郁 *2

大城桂作 *2

竹屋昭宏 *3

Development of Metal Lining Steel Pipes Using Centrifugal Method andInduction Heating for Wear and Corrosion Resistance
Masanori Hirose, Kaoru Yamamoto, Keisaku Ogi, Akihiro Takeya
遠心･高周波加熱プロセスを使って鋼管の内面に耐摩耗性･耐食性の高いニッケル基自溶合金を被覆した金属複合管を開発した。5種類のニッケル基自溶合金を用いてスガ式摩耗試験，腐食試験(塩酸，硫酸)を行った結果，0，7C-15，
0Cr-4，0Si-3，2B-3，2Fe試料の耐摩耗性，耐食性が高く，続いて凝固組織，凝固過程の調査および複合化を行った。
熱分析では，1550KでM 2 Bが初晶として晶出し始め，1530Kで初晶的なM 7 C 3 の晶出，続いて1300Kでγがデンドライト状に晶出する。その後，1250Kでγ+M 2 B共晶，1220Kでγ+Ni 3 (C,B)+Ni 3 Si三元共晶が晶出し，凝固が完了した。被覆材の組織は，熱分析と良い対応を示した。遠心･高周波加熱を行った結果，遠心力30G以上，加熱温度1343〜1403Kで内部欠陥が低く，硬さも高い複合鋼管を作製できた。また，高周波加熱による曲げ加工が可能となった。

1 はじめに成を表1に示す。試料No.1〜5はニッケル基自溶合金で環境衛生プラント等の配管にはステンレス鋼管が主ある。No.3は，No.1にWCが35mass%含有している。No.6に使用されているが，搬送媒体によっては，鋼管内壁〜8は，比較材とした鉄合金で，No.6が高クロム鋳鉄，が激しい摩耗や腐食を受けるため，これらに使用されNo.7〜8が市販ステンレス鋼である。ニッケル基自溶合る材料の耐摩耗性，耐食性の向上が求められている。

金粉末をAr雰囲気の高周波溶解炉で溶解した後，金型耐摩耗性，耐食性を兼ね備えた皮膜作成法として樹脂に鋳造し，摩耗試験片及び腐食試験片を作製した。図1を被覆した鋼管や溶射による表面硬化法が利用されてにスガ式摩耗試験機を示す。スガ式摩耗試験では，SiC

いるが，耐摩耗性が低いことや長尺鋼管で施工できな研磨紙(平均粒径83µm)を巻き付けたホイルに試料を密いなどの課題がある。そこで，鋼管の高速回転による着させ，29.4Nの荷重をかけて往復させた後，重量を計

遠心力と高周波加熱技術を用いることで鋼管内壁に耐測し密度から摩耗減量(m 3 )を求めた。腐食試験はサン

摩耗性，耐食性に優れ，比較的低い温度(1000〜1200

プル瓶に50vol%塩酸水溶液100ccと腐食試験片を入れ，℃)で焼結できるニッケル基自溶合金をコーティング

恒温槽で40℃に保温し72時間後の重量を計測した。同する複合化を試みた。

様に，50vol%硫酸水溶液に浸漬した試験も行った。腐

鋼管の複合化プロセスでは，優れた皮膜を得るため，
プロセス要因の最適化を図る必要がある。本研究では，
硬質被覆材として市販のニッケル基自溶合金を用いて，耐摩耗性，耐食性を評価し，最適な合金粉末を抽出して凝固組織･凝固過程を解析し，複合化プロセス最適化のための基礎的研究を行った。
2 研究，実験方法
2-1 自溶合金の耐摩耗性･耐食性
高い耐摩耗性，耐食性を持つニッケル基自溶合金を鋼管に被覆させる必要があるため，市販ニッケル基自接合金の耐摩耗性，耐食性を調査した。試料の合金組*1 機械電子研究所*2 九州大学*3 第一高周波工業（株）

食減量，密度，保持時間から腐食速度(m 3 /m 2 ･hr)を求めた。

2-2 凝固組織･凝固過程の解析
熱分析実験は，ニッケル基自溶合金粉末30gをNCタン

3 結果と考察3-1 ニッケル基自溶合金の耐摩耗性および耐食性

マン管に採り，Arガス雰囲気のシリコニット炉で再溶

図3に硬度とスガ式摩耗試験の摩耗量の関係を示す。

解後，10K/minの冷却速度で凝固させた。試料は凝固終

ニッケル基自溶合金は702〜1021HVで鉄合金よりも硬了後または，凝固途中で水中に投下して急冷し，組織度が増加した。試料No.3は硬度が最も高く，摩耗量は観察を行った。また，高周波加熱では母材として機械最も低い。試料No.5の硬さは他のニッケル基自溶合金

構造用炭素鋼鋼管(JIS STKM13A(内径φ45，外径φ60))，とほぼ同じであるが，WCを含有した試料No.3に次いで被覆材としてニッケル基自溶合金を用いて複合鋼管を

摩耗 量 が低 下 した 。 スガ 式 摩耗 試 験の 結 果か ら 試料作製した。加熱温度は鋼管内面を1273K〜1473Kで変化

No.3が優れた耐摩耗材料であるが，WCを含有している

させ，作製した試料は組織観察，EPMA分析を行い，加ため他の自溶合金より材料費が著しく高い。

熱温度の影響を調査した
2-3 遠心･高周波加熱による鋼管の複合化方法

図4に腐食試験の結果を示す。ニッケル基自溶合金は，ステンレス鋼より著しく耐食性が高い。試料No.5は，

図2に複合化方法を示す 1〜4) 。粉末を鋼管内径に挿入

ニッケル基自溶合金の中では耐食性が若干劣るがステし，油回転真空ポンプによる難酸化雰囲気(15Pa以下程ンレス鋼と比較すると著しく耐食性が高い。試料No.5度)にした後，鋼管を高速回転(回転数11〜12s-1；遠心は，WCを含有した試料No.3に次いで耐摩耗性が高く，

力10〜40G)させた。この状態で，高周波誘導加熱によ耐食性もステンレス鋼と比較すると非常に高いため，り加熱コイルを管の異端から反対端へ低速移動させ，本試料を用いて凝固組織･凝固過程の解析，複合化を試

各設定温度での均熱加熱を行った。このときの加熱温みた。

度は1273〜1473K(内径温度)とした。また複合試料の硬さ，ミクロ組織の調査を行い，回転数と加熱温度が品質に与える影響を調査した。

3-2 凝固組織･凝固過程の解析

Ni 3 Si，γで形成されており，熱分析結果と良い対応を

図5に，10K/minの冷却速度で凝固させた試料No.5の示した。加熱温度が低い場合，合金粉末中に晶出して熱分析を行い，同定した結果を示す。まず，1550KでM 2 B

いる初晶炭化物が溶解せずに融液中に存在するため，が初晶として晶出し始め，1530Kで初晶的なM 7 C 3 の晶出，被膜は微細な組織となった。

続いて1300Kでγがデンドライト状に晶出する。その後，各加熱温度で作製した複合鋼管の被膜材中心部の硬1250Kでγ+M 2 B共晶，1220Kでγ+Ni 3 (C,B)+Ni 3 Si三元共晶度試験を行った結果を図7に示す。このように1273K〜が晶出し，凝固が完了した。

1393Kま で は マ ク ロ 硬 さ は 700HVで 安 定 し て い る が ，

図6に1313Kに加熱して作製した複合鋼管の接合境界部の組織を示す。被覆材組織はM 2 B，M 7 C 3 ，Ni 3 (C,B)，

1433K以上では皮膜中の炭化物量が減少し，硬さが大きく低下した。

3-3 遠心･高周波加熱による鋼管の複合化方法
図8に遠心力と加熱温度による硬さの関係を示す。遠心力が増加すると硬さも増加するが，30〜40Gで硬さがほぼ一定となった。加熱温度が1343〜1400Kで遠心力によらず硬さがもっとも高くなるのはニッケル基自溶合
金(融点1473K)がこの温度域で炭化物や硼化物がマトリックスに固溶するためと思われる。1300K以下では，液相焼結の液相が不足するためポーラスになり，硬さが低下する。

4 まとめ遠心･高周波加熱プロセスを使ってニッケル基自溶
合金を鋼管の内面に被覆させた金属複合管を開発した。
その結果，下記のことがわかった。
(1)ニッケル基自溶合金は702〜1021HVで鉄合金よりも硬度が高く，WCを含有した試料は著しく上昇する。
試料No.5は，WCを含有した試料No.3に次いで耐摩耗性が高く，耐食性もステンレス鋼と比較すると非常に耐食性が高い。
(2)0.7C-15.0Cr-4.0Si-3.2B-3.2Fe 試 料 は 1550K でM 2 Bが初晶として晶出し始め，1530Kで初晶的なM 7 C 3 の晶
出，続いて1300Kでγが晶出する。その後，1250Kでγ+M 2 B
共晶，1220Kでγ+Ni 3 (C,B)+Ni 3 Si三元共晶が晶出し，凝固が完了する。被覆材組織は熱分析結果と良い対応を示した。被膜材中心部のマクロ硬さは1433K以上では皮膜中の炭化物量が減少し，硬さが大きく低下する。
(3)遠心力30G，加熱温度が1343〜1403Kになると，硬さが他の条件より著しく高くなる。30G以上で1343〜
1403Kの加熱温度で内部欠陥が減少する。また，高周波加熱の加工条件を最適化することによって曲げ加工が可能となった。

5 参考文献

また，被覆内の内部欠陥の存在面積率を画像解析で求め，段階評価(A:0〜0.1%,B:0.1〜0.5%，C:0.5〜2.0%，
D:2.0〜5.0%，E:5.0%以上)し，加熱温度，遠心力との関係を表2に示した。30G以上で1343〜1403Kの加熱温度で内部欠陥が減少した。また，図9のように高周波曲げによる熱間曲げ加工を行った。鋼管と被覆材の熱膨張係数が異なるため，境界部の割れなどが見られたが，加工条件を最適化することによって曲げ加工が可能となった。

1)特許公報平5-333072)特許公報平5-4713)特許

第2706934号

4)特許

第2607088号

アルミニウム合金鋳物の機械的性質に及ぼす溶解条件の影響
小川俊文 *1

春山繁之 *1

貝田博英 *1

森田茂隆 *2

Effect of Melting Condition on Mechanical Properties for Aluminum Ally Castings
Toshifumi Ogawa, Shigeyuki Haruyama, Hirohide Kaida, Shigetaka Morita
アルミニウム合金鋳物の機械的特性に関する研究がいろいろ行われてきているが，溶解条件の影響に関する研究は殆ど見られない。そこで本研究では，異なる雰囲気で溶解したアルミニウム合金を用いて引張試験を行い，延性に及ぼす溶解雰囲気の影響について検討した。その結果，溶解雰囲気を制御することで，引張強さは維持したまま伸びを向上させることが出来る可能性があることがわかった。

10 -1 Pa台まで排気した後，大気圧までアルゴン置換し

1 はじめに軽量化を通して省エネルギーと排ガス削減を図るた

た状態とした(以後，アルゴン雰囲気で溶製したもの

め，自動車等の輸送機器においてアルミニウム合金材

をアルゴン溶解材とする)。大気雰囲気は，溶解炉チ料が積極的に使用されるようになってきた。しかし，

ャンバーの扉を全開にして外気が自由に出入りできる

更なる軽量化を図るためにこれまで使われていなかっ状態とした(以後，大気雰囲気で溶製したものを大気た箇所，例えばボディ部品や足回り部品などの重要保溶解材とする)。15分間かけて溶解した後，POWER OFF

安部品などへアルミニウム合金鋳物の適用が進められしてそのまま水冷銅坩堝中で凝固させ室温まで冷却さてきており，より高機能・高性能で確固たる信頼性をせた。インゴットは，重量約500g，最大直径60mm，長持ったアルミニウム合金材料が要求されている。この

さ90mm程度のドングリ型である。溶製したインゴット

ような期待に応えるため，アルミニウム合金鋳物の機は，溶体化処理後時効硬化処理(T6処理)を行った。熱1)2)

械的特性に関する研究は，鋳造条件 ，冷却速度 ，
熱処理

3-5)

6)

7)

処理パターンは，813K−4h→温水冷(333K)→418K−4h，改良処理 ，不純物元素 ，組織・鋳造欠→空冷とした。熱処理した後，インゴット中心部の引陥 8) ，介在物 9) ，水素や酸素の含有量 9,10) の影響などいけ巣周辺と外側の急冷部分を除いた組織が均質な部分

ろいろな視点に基づいて行われてきている。しかしなを用いて，平行部直径4mm×平行部長さ6mmの丸棒引張がら，生産工程条件の一つである溶解雰囲気が機械的試験片を作製した。

特性に及ぼす影響に関する研究はほとんど見られない。

2-2 引張試験片の欠陥調査

そこで本研究では，異なる雰囲気で溶製したアルミニ

マ イ ク ロ フ ォ ー カ ス X 線 CT 装 置 ( テ ス コ ( 株 ) 製

ウム合金インゴットを用いて引張試験を行い，延性にHMX225-ACTIS+3)で，作製した丸棒引張試験片平行部

及ぼす溶解雰囲気の影響について，成分・金属組織・におけるボイド等の鋳造欠陥調査を行った。測定条件

鋳造欠陥のことを考慮して検討を行った。

は，管電圧97KV，管電流95μA，スライス幅20μmとした。

2 実験方法2-1 試験片の作製

2-3 引張試験
引張試験は，オートグラフ(島津製作所(株)製)を使

市販のアルミニウム合金AC4CHとAl-10%Sr合金を原用して，クロスヘッド速度0.5mm/minで，室温下にて材料に用い，改良処理元素Srを含有したAl-Si-Mg系合行った。荷重及び変位は，それぞれメモリーレコーダ

金を 溶 製し た 。溶 解 はコ ー ルド ク ルー シ ブル 溶 解炉

(共和製EDX-1500)に10Hzのサンプリング速度でロード(富士電機(株)製)を使用し，溶解雰囲気は，アルゴン

セル出力・変位計(ビデオ式非接触伸び計 DVE-200S)

雰囲気と大気雰囲気の2種類で行った。アルゴン雰囲

出力として計測を行った。

気は，一旦溶解炉チャンバー内をロータリーポンプで*1 機械電子研究所*2 日立金属㈱3 結果と考察

ガス成分元素に関しては，O含有量は同じであったが，3-1 成分の比較

NとHの含有量は大気溶解材に比べてアルゴン溶解材の熱処理後，各アルミニウム合金インゴットの成分分方が少なかった。この違いは，溶解雰囲気の違いに起析を行った。その結果を表1に示す。Siは重量法，そ因するものと考えられる。以上のことから，アルゴン

れ以外の金属元素はICP発光分光分析法で行った。今溶解材と大気溶解材の引張特性において，HとNの含有

回は溶解雰囲気の異なるインゴットを溶製したので，量の違いの影響が出てくる可能性があると考えられる。

ガス含有量に違いが出る可能性が考えられたため，O，

3-2 金属組織の比較

N，Hの分析も行った。Oは不活性ガス融解−赤外線吸図1(a)〜(d)に両インゴットの凝固組織とT6熱処理

収法，Nはアンモニア蒸留分離アミド硫酸滴定法，Hは後の組織を示す。図1(a),(b)から解るように，両イン

不活性ガス融解−ガスクロマトグラフ法で分析した。

ゴットとも共晶Siが微細化されており，Srによる改良
処理がなされていることが確認できた。試験片作製に

表1

成分分析結果用いた部分のデンドライト二次枝間隔(DAS)の測定を
交線法 11) で行った結果，アルゴン溶解材は40μm，大アルゴン溶解材

大気溶解材

Si

7.0

6.9

Mg

0.36

0.37

Fe

0.11

0.11

Cu

0.007

0.007

Ni

0.004

0.004

ぼ同じサイズであることから，今回の引張特性に対す

Ti

0.09

0.09

るDASの影響は，ほとんど無いと考えられる。また図

Zn

0.004

0.005

1(c),(d)から解るように，共晶Siの性状や粒子間距離

Sr

0.008

0.005

に関しても合金間で顕著な差が見られなかったことか

Ca

0.003

0.003

ら，共晶Siの影響も少ないと考えられる。以上のこと

Al

bal.

bal.

から，本研究の引張特性に及ぼす組織の影響は，ほと

O

10

10

N

< 50

60

H

0.1

0.2

気溶解材は41μmとなりほぼ同じであった。Al-Si系合金鋳物の機械的特性は，DAS，共晶Siの性状(寸法や形態)及び共晶Si粒子間距離等の影響を受けることが知られている 6,12) 。本研究で用いた各合金のDASは，ほんど無いものと考えられる。

(O,N,H：mass ppm，その他の元素：mass%)

この結果よりSiと金属成分元素の含有量に関して，アルゴン溶解材と大気溶解材はほぼ同じであることが確認できた。引張特性に影響を及ぼす改良処理元素Srが，アルゴン溶解材と大気溶解材で0.003mass%の差がある
が ， 小 林 ら の 報 告 6) で ， AC4CH に Sr が 50mass ppm と100mas ppm含有されている場合，伸びと引張強さは，あまり変わらない結果を得ていることから，本研究においてもSr含有量の違いによる引張特性の差は，ほとんど生じないと考えられる。以上のことから，本研究の引張特性に及ぼすSiと金属成分元素の含有量の差の影響は，ほとんど無いと考えられる。アルミニウム合
金鋳物中のガス含有量と機械的特性に関する研究で，HやOの含有量が増えると機械的特性が悪くなることが報告されている 9,10) 。本研究で溶製したインゴットの

図1

金属組織の比較図2

鋳造欠陥調査結果の一例(白丸内に欠陥が見られる)違い，鋳造欠陥の違い等が考えられるが，前述のように本研究で用いたアルゴン溶解材と大気溶解材とでは，Siと金属元素の含有量，DASや共晶Siの性状・分散状
図1

金属組織の比較

態がほぼ同じで，引張試験片には鋳造欠陥が検出され(a)アルゴン溶解材凝固組織，(b)大気溶解材凝固組織

なかったものを用いている。アルゴン溶解材と大気溶(c)アルゴン溶解材熱処理組織，(d)大気溶解材熱処理

解材との間で違いがあったのは，HとNのガス含有量で組織ある。以上のことから，アルゴン溶解材と大気溶解材との間で伸びに差が出た要因は，HとNのガス含有量の3-3 引張試験片平行部の欠陥調査違いによるものと考えられる。

アルミニウム合金鋳造材では，ボイドや介在物等の欠陥が，機械的特性に影響を及ぼすことが知られている

6,9,10)

表2

ため，本研究では，全ての引張試験片で平行部における鋳造欠陥の調査を行った。図2にマイクロフォーカスX線CT装置による解析例を示す。ボイドが存在すれば黒色の斑点が現れ，介在物が存在すれば，濃淡の違いで判別できる。引張試験には，欠陥が検出

1
2
3
4
5
6
平均

引張試験の結果

アルゴン溶解材
伸び (％) 引張強さ (MPa)
21.3
306
22.3
304
21.8
303
20.2
306
21.4

305

大気溶解材
伸び (％) 引張強さ (MPa)
18.2
308
17.4
307
19.5
299
18.5
300
19.7
302
18.9
301
18.7
303

されなかった試験片だけを用いているので，引張特性に及ぼす鋳造欠陥の影響は，ほとんど無いものと考えられる。
3-4 引張特性の違いとその要因
引張試験の結果を表2に示す。アルゴン溶解材は4本，3-5 破断面の観察
走査電子顕微鏡で破断面の観察を行った。その結果を図3(a)〜(d)に示す。合金間における破断面の違い
は，マクロ的にもミクロ的にも見られなかった。また，

大気溶解材は6本の試験を行った。引張強さは，ほぼ試験を行った全ての試験片破断面を観察したが，ボイ同じであった。これに対し，伸びは，アルゴン溶解材

ドや介在物等の鋳造欠陥は見られず，今回用いた試験がいずれも20%以上で平均21.4%，大気溶解材がいずれ片が鋳造欠陥のない健全なものであったことを確認でも20%未満で平均18.7%となり，アルゴン溶解材の方がきた。図3(b)と(d)より，共晶Siを起点としてボイド，大気溶解材よりも平均で1.5割程大きかった。一般が形成され共晶組織に沿って破壊が進行し破断に至っに伸びに差が出る要因としては，成分の違い，組織のたと考えられる。

溶製し，成分分析，組織観察，鋳造欠陥調査，引張試
験を行って比較した結果以下の結論を得た。
(1)アルミニウム合金AC4CHの延性は，溶解雰囲気の影
響を受けるということが考えられる。
(2)Siと金属元素の含有量，DASや共晶Siの性状・分散状態がほぼ同じで，引張試験片には鋳造欠陥が検出されなかったことを考慮すると，大気溶解材よりもアルゴン溶解材の方が，延性が良かった要因
は，アルゴン溶解材の方が大気溶解材よりもHとNの含有量が少なかったためであると考えられる。
(3)溶解雰囲気を大気雰囲気からアルゴン雰囲気に変えることで，引張強さを低下させることなく，伸びを1.5割程向上させることができる可能性がある
ことがわかった。

5 参考文献1)大西：軽金属学会誌，Vol.46，p.365(1996)
2)古閑：軽金属学会誌，Vol.44，p.216(1994)
3)古閑：軽金属学会誌，Vol.43，p.297(1993)
4)古閑：軽金属学会誌，Vol.43，p.612(1993)
5)大西：軽金属学会誌，Vol.45，p.447(1995)
6)小林：軽金属学会誌，Vol.43，p.472(1993)
7)小川：日本金属学会誌，Vol67，p.452(2003)
8)春山：日本機会学会論文集，Vol.70，p.258(2004)
9)日本鋳物協会編：アルミニウム合金鋳物の介在物と機械的性質に関する研究，Vol.53，p.9，日本鋳物協会(1989)10)日本鋳物協会編：アルミニウム合金鋳物のガス含
有量と機械的性質，Vol.41，p.11，日本鋳物協会(1986)
11)軽金属学会編：アルミニウムのデンドライトアー
ムスペーシングと冷却速度の測定法，p.46，軽金
属学会(1988)12)小林編：アルミニウム合金の強度，p.91，内田老鶴圃(2001)

図3

破断面の二次電子線像(a), (b)はアルゴン溶解材，(c), (d)は大気溶解材

4 まとめ
市販の原材料を用いコールドクルーシブル溶解炉で溶解雰囲気を変えて2種類のアルミニウム合金AC4CHを

電気めっき廃水の金属分離(Zn)に関する研究
古賀弘毅 *1

御幡弘明 *1

Separation of Zinc from Electro Plating Wastewater
Hiroki Koga, Hiroaki Obata
亜鉛めっき廃液の中から亜鉛を分離回収し，精錬所へ資源として還元するための沈殿分離法について検討した。
沈殿分離法には一般に多く用いられている中和沈殿法，鉄粉を沈殿助剤として用いる鉄粉法，そして鉄粉の代わりに塩化第二鉄溶液を用いる塩化第二鉄法を検討した。これらの方法についてpH調整のアルカリ剤に水酸化カルシウ
ムを用いた場合，沈殿物中に含まれるカルシウム量が増大しスラッジ発生量も多くなった。一方，アルカリ剤に水
酸化ナトリウムを用いた場合，沈殿物の量が減少し亜鉛の濃度が高くなった。中和沈殿法では中性付近では亜鉛を完全に沈殿分離できないのに対して，鉄粉法，塩化第二鉄法ではpH=8でも完全に亜鉛を沈殿分離することができた。
本事業は九州経済産業局モデル循環システム事業の一環として，(株)九州テクノリサーチの委託を受け行った。

1 はじめにめっき業界では廃液処理は避けて通れない課題であ2 実験方法2-1 供試料る。九州では年間約2,500トンのめっきスラッジが発実験にはA社の亜鉛めっき廃液を用いた。A社のめっ生している 1) 。亜鉛めっきにおける金属亜鉛の消費量

き廃水処理フローの概略を図1に示す。亜鉛めっきのはめっき業界全体の金属消費量のうち約3割を占める

ラインを中心に表現しているが，実際にはNiめっきやと言われており，それから算出すると亜鉛めっき関連

Snめっきも行われており混合槽にはこれらのめっき廃のスラッジは年間約750トン発生していると推測され液も持ち込まれる。また，クロメート処理ではクロムる。亜鉛スラッジは他の金属と比べ比較的再生が容易

酸が用いられていることから混合槽にはクロムが混入と言われているが，現在のところ，ほとんどが有効利する。今回は処理フローの中から最も高濃度に亜鉛を用されることなく産業廃棄物処分場で埋め立て処理さ含むシアン処理後の廃水を用いた(図中①)。供試料のれて い る。 し かし な がら 産 業廃 棄 物処 分 場の 容 量は分析結果を表1に示す。遊離シアンは簡易試験紙によ年々逼迫しており，処分コストも高騰を続けている。

り分析し，その他の元素はICP発光分析装置(日本ジャ現状のままではスラッジ処分費用がめっき業界に与えーレルアッシュ製：ICAP-88型)により分析した。

るダメージは一層大きくなることが予想される。従ってめっきスラッジの削減と有効利用法を開発すること
はめっき業界にとって喫緊の課題である。
めっきスラッジの削減のためにはスラッジの減容化が必要不可欠であり，有効利用法のひとつとしては含有金属成分の精錬山元への原料化が有効である。原料化のためにはコスト的に含まれる目的成分の比率がある程度高いことが求められる。そのためには濃縮操作が必要であり，スラッジ中の目的成分ができるだけ高濃度になるよう選択的な処理が必要となる。
今回は九州めっき工業組合の会員企業であるA社の亜鉛めっき廃液をモデルケースとして，沈殿処理法を中心に亜鉛の分離条件を検討した。

*1 機械電子研究所

図1

A 社亜鉛めっき廃水処理フロー概略図

表1

めっき廃水供試料の分析結果

割合を占める水分については変動が激しいため分析対
象からは除外した。濾過残液中の亜鉛の分析にはICP
発光分析装置(日本ジャーレルアッシュ製：ICAP-88型)を用いた。

3 結果
3-1 中和沈殿法
中和沈殿法を用いてめっき廃水を処理し，その沈殿
2-2 沈殿処理法について

物及び濾過残液を分析した結果を表2に示す。

沈殿処理法には，中和沈殿法，鉄粉法そして塩化第まず，アルカリ剤に水酸化カルシウムを用いた場合，二鉄法を用いた。それぞれの処理操作の概略を図2に沈殿物中の亜鉛量に着目すると，pH=7.9の時が最も濃示す。中和沈殿法は溶液にアルカリ剤を加えてpHをア

度が高く，pH値が大きくなるほど濃度は低下した。濾

ルカリ側へ移行させ重金属を水酸化物として沈殿させ過残液中の亜鉛濃度は，pH=7.9の場合にやや多く検出る方法である。鉄粉法及び塩化第二鉄法は溶液にあえされたものの，その他の条件ではほとんど検出されなて鉄イオンを供給し，中和沈殿法と同様に水酸化物沈かった。一方，pHの上昇とともにカルシウムの比率が殿を得る方法である。鉄イオンを添加することで鉄が増えた。供試料中の亜鉛濃度を130.6ppmとした場合の沈殿凝集剤の役割を果たして沈殿粒子を粗大化し，濾沈殿物組成比から全体の沈殿発生量を算出したところ，

2)

過しやすくする効果がある 。また，鉄の水酸化物がpH値の大きなものほど大きくなった。亜鉛の沈殿量は生成する際に他の微量金属を取り込んで沈殿するいわ一定とすると全体の沈殿物の発生量にはカルシウムがゆる共沈作用が期待できる。本研究では供試料200ml

大きく影響しており，水酸化カルシウムの添加量が多にこれらの方法を用いて分離した沈殿物及び濾過残液

くなるに従って沈殿発生量が増大することがわかった。

を分析し，最も亜鉛を効率よく分離できる方法を選定

一方，アルカリ剤に水酸化ナトリウムを用いた場合，することを目的とした。具体的にはアルカリ剤についいずれの条件においても沈殿物中に含まれる亜鉛濃度ては粉末状の水酸化カルシウムまたは10mol/l水酸化は60%程度と極めて高濃度となった。濾過残液中の亜ナトリウム溶液について比較した。また，pHや鉄など

鉛量はpH=12以外は概ね100%近い沈殿分離が可能であの添加量を変化させて沈殿生成物の分析を行った。

った。pH=12の条件で濾液中の亜鉛濃度が高かった理由は亜鉛が両性金属であるためにややアルカリ性の強い液性では沈殿の一部が溶出するためと考えられる。
沈殿物中の亜鉛濃度から全体の沈殿物発生量を算出す
ると，いずれも50mg前後と水酸化カルシウムを用いた
場合よりも少なかった。
表2

図2

中和沈殿法による沈殿物及び濾過残液の分沈殿処理操作の概略
アルカリ剤pH

2-3 分析方法について

水酸化カルシウム
7.9

10.5

水酸化ナトリウム
12.1

8.1

10.2

12.0
0.49

Al2O 3

4.21

2.28

1.46

0.48

0.56

CaO

23.51

53.83

70.08

0.26

1.21

4.82

Cr2O 3

0.25

-

-

0.20

0.22

0.26

Fe 2O 3

4.09

2.15

1.08

3.91

2.15

1.85

K2O

0.05

-

-

0.02

-

0.03

MgO

2.32

2.14

6.44

-

1.64

5.03

MnO

-

0.23

-

-

0.06

0.06

P2O 5

3.43

1.79

0.96

3.67

3.03

1.79

SO 3

4.03

6.51

3.96

0.57

1.15

0.51

SiO 2

16.83

10.52

6.44

25.14

32.73

25.18

ZnO

41.28

20.57

9.72

65.65

57.16

59.89

は水酸化物として沈殿していると思われるが，便宜上，

濾過残液中Zn量

8.4

< 0.1

< 0.1

2.7

0.2

すべての元素を酸化物として計算した。また，多くの全沈殿発生量沈殿物の分析には蛍光Ｘ線分析装置(理学電気工業
製：RIX3001型)を用いてファンダメンタルパラメータ法により定量した。定量にあたってはナトリウムのピークが亜鉛のピークによって大きく妨害を受けるため
今回は分析項目から除外した。また，本来多くの金属

（ %）
7.4
（ ppm ）
73.7

158.1

334.5

48.5

56.8

51.2
（ mg ）

3-2 鉄粉法

アルカリ剤に水酸化カルシウムを用いた場合，沈殿鉄粉法を用いてめっき廃水を処理し，その沈殿物及物の分析結果をみると中和沈殿法と同様にカルシウム

び濾過残液を分析した結果を表3に示す。この実験でが大きな割合を占めた。しかし，鉄粉法と比べると沈は中和沈殿法で最も沈殿発生量が低く抑えられた条件

殿物中に含まれる鉄量はさほど高くはならなかった。

を用いることとし，アルカリ剤に水酸化カルシウムを亜鉛の割合はいずれの条件においても大きな差は見ら用いる場合はpH=8.5，水酸化ナトリウムを用いる場合れなかったが，中和沈殿法と比べるとその割合は全体

はpH=10に設定した。なお，添加した鉄粉のうち未反的に低かった。また，全体の沈殿発生量はいずれの条

応のものについては磁石で分離しできるだけ沈殿物に件においても多量に発生しており大きな差はなかった。

混入しないようにした。

一方，アルカリ剤に水酸化ナトリウムを用いた場合

アルカリ剤に水酸化カルシウムを用いた場合，沈殿では，水酸化カルシウムを用いた場合と比べて沈殿物

物の分析結果をみると中和沈殿法と同様にカルシウム

中の亜鉛濃度は極めて高くなっており，中和沈殿法とが大きな割合を占めたが鉄粉量の増加とともに減少し同等であった。鉄粉法と比べると鉄の割合がさほど大た。鉄は鉄粉量が多くなるに従い割合が高くなった。

きくはなっていないことが原因と考えられる。また，亜鉛の割合はいずれの条件においても大きな差は見ら

沈殿発生量は全ての条件で低く抑えられ，中和沈殿法れなかったが，中和沈殿法と比べるとその割合は全体と同等であった。

的に低かった。また，全体の沈殿発生量はいずれの条
表4件においても大きな差はなかった。
一方，アルカリ剤に水酸化ナトリウムを用いた場合
では，水酸化カルシウムを用いた場合と比べて沈殿物
中の亜鉛濃度は高くなったものの，鉄の割合が大きくなっており中和沈殿法と比べると低い結果となった。
また，沈殿発生量は全ての条件で低く抑えられたが，これも中和沈殿法と比べると優位性は見られなかった。
表3

塩化第二鉄法による沈殿物及び濾過残液の分

アルカリ剤

水酸化カルシウム（pH=8.5）

水酸化ナトリウム（pH=10.0）

塩化第二鉄溶液
添加量

1ml

5ml

10ml

1ml

5ml

10ml

Al2O 3

0.74

0.83

0.73

0.45

0.42

0.38

CaO

69.42

66.02

70.55

1.35

1.46

1.71

Cr2O 3

0.06

0.09

-

0.19

0.18

0.12

Fe 2O 3

2.09

4.67

5.55

4.15

10.45

16.61

K2O

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

0.02

MgO

1.09

0.65

0.67

1.22

1.11

1.78

MnO

0.11

0.08

0.09

0.05

0.06

0.05

P2O 5

1.12

1.46

1.11

2.23

2.36

2.26

SO 3

3.50

2.62

3.18

1.00

0.91

1.02

SiO 2

6.22

6.37

5.35

29.32

25.39

22.63

ZnO

15.60

17.17

12.76

59.91

57.54

53.32

濾過残液中Zn量

0.2

3.2

1.5

0.2

0.2

鉄粉法による沈殿物及び濾過残液の分析結果

アルカリ剤

水酸化カルシウム（pH=8.5）（ %）全沈殿発生量
鉄粉量

0.01g

0.05g

0.1g

0.01g

0.05g

0.1g
1.08

Al2O 3

0.87

0.90

1.33

0.57

0.82

CaO

57.95

53.60

23.55

1.46

1.69

0.78

Cr2O 3

0.07

0.07

0.07

0.20

0.13

0.09

Fe 2O 3

9.51

13.69

34.87

10.55

23.96

44.01

K2O

0.02

0.02

0.03

0.02

0.02

0.02

MgO

0.82

1.42

1.20

1.29

1.56

0.89

MnO

0.10

0.14

0.11

0.06

0.06

0.07

P2O 5

1.37

1.36

1.87

2.62

2.07

1.09

SO 3

2.79

3.14

1.12

0.45

0.63

0.56

SiO 2

7.98

9.50

13.08

27.40

24.90

16.89

ZnO

18.51

16.44

22.65

55.32

44.10

34.47

濾過残液中Zn量

0.2

0.3

1.1

0.3

0.3

全沈殿発生量

175.4

197.3

142.3

58.6

73.6

（ %）
0.1
（ ppm ）
94.2
（ mg ）

0.3（ ppm ）

水酸化ナトリウム（pH=10.0）

208.1

184.7

251.9

54.2

56.4

60.8
（ mg ）

4 まとめ
A社の亜鉛めっき廃液からZnの沈殿分離について中和沈殿法，鉄粉法，塩化第二鉄法を検討した。
全般を通じてアルカリ剤に水酸化カルシウムを用いる場合，沈殿中には多量のカルシウムが混入することとなり，結果として亜鉛の濃度が低くなるとともに，沈殿発生量としても増大することがわかった。
一方，アルカリ剤に水酸化ナトリウムを用いた場合，3-3 塩化第二鉄法

カルシウムの混入が激減するため相対的に亜鉛の濃度

塩化第二鉄法を用いてめっき廃水を処理し，その沈は増大し，中和沈殿法及び塩化第二鉄法ではいずれの殿物及び濾過残液を分析した結果を表4に示す。この条件においても50%を超えた。鉄粉法では過剰の鉄分実験でも鉄粉法と同様にアルカリ剤に水酸化カルシウを混入することとなり，鉄の水酸化物の沈殿が多く発ムを用いる場合はpH=8.5，水酸化ナトリウムを用いる

生するため相対的に亜鉛濃度が低めとなった。

場合はpH=10に設定した。なお，塩化第二鉄溶液は鉄今回の試験では鉄粉または塩化第二鉄を添加することして500ppmとなるように調製したものを用いた。

との利点が明確とならなかったが，鉄が凝集剤としての機能を果たすことから，今回検討していない脱水性の点で利点があるかもしれない。実際のめっきスラッ
ジでは含水率が概ね70%以上となっているものが大半であり，含水率の縮減がスラッジ減容化の課題であり，今後の検討課題としたい。

5 参考文献1)九州経済産業局：めっきスラッジのリサイクルに伴うモデル循環システムの調査研究，p.2(2005)
2)小坂幸夫：めっき向上の排水処理技術，p.43，海文社(1988)

加工で生じる応力が材料特性に及ぼす影響の調査(１)小川俊文 *1

Effect of stress resulted from mechanical process on material property (1)Toshifumi Ogawa
方向性電磁鋼板は，非常に優れた磁気特性を有しているが，加工時に生じる応力により，その優れた磁気特性が低下してしまうため，可能な限り応力が生じない方法で加工することが非常に重要である。そこで本研究では，一般的に鋼板の切断で行われている4通りの加工方法で作製した試験片の断面組織観察や硬さ試験を行って，どの加工方法が最も適しているか検討を行った。また，方向性電磁鋼板の残留応力をX線応力測定装置で測定できるかどうか検討を行ったので報告する。

1 はじめに域が，エッジから0.2mmほど存在していることがわかる。

方向性電磁鋼板は，非常に優れた磁気特性を有して

図1-(b)は，シャーリング加工の場合の断面組織である。

いるが，大変デリケートな素材であるため適切に使用塑性変形領域が，エッジから0.1mmほど存在しているこ

しなければ，その特性を100%発現させることが難しい。

とがわかる。図1-(c)は，積層鋸引き加工の場合の断面ことに鋼板加工時に生じる応力(歪み)は，磁気的特性組織である。結晶粒が塑性変形している領域は，0.02mmを低下させるといわれている。本研究では，切断等のほど存在していることがわかる。図1-(a)，(b)，(c)

機械加工時に生じる内部応力(歪み)と磁気特性との相は，無方向性電磁鋼板の顕微鏡組織なので，結晶粒が関を定量的に把握することを最終目標とする。今年度

沢山観察できるため，結晶粒の塑性流動の様子を確認

は，電磁鋼板の磁気的特性を可能な限り劣化させないすることができた。図1-(c)は，ワイヤーカット加工のために，鋼板の加工で生じる残留応力(歪み)を出来る

場合の断面組織である。この試料は，方向性電磁鋼板

だけ小さくするためには，どのような加工方法が望まであるため，結晶粒が非常に大きく，図においては結しいか検討するため，幾通りかの加工方法で試験片を晶粒界が無い。そのため塑性変形領域を確認すること

作製し，金属組織観察，硬度測定を行って比較を行っが厳しいが，エッジ部が全然ダレていないことから，

た。また，X線応力測定装置で方向性電磁鋼板の応力測

結晶の塑性変形域はほとんど無いものと考えられる。

定が可能かどうか検討した。

以上のことから，加工で生じる塑性変形領域は，ターレットパンチプレス加工→シャーリング加工→積層鋸2 鋼板の加工方法の選定
はじめに，加工方法の違いによる切断辺近傍の金属引き加工→ワイヤーカット加工の順に狭くなると考えられる。

組織の比較を行った。短冊状の試験片を，シャーリン

次に，金属組織観察を行った試験片を用いて，加工

グ加工，ターレットパンチプレス，積層鋸引き加工(赤方法の違いが，切断辺近傍の硬度にどのような違いを司電機(株)保有技術)，ワイヤーカット加工の4種類のもたらすのか調査するため，硬さ試験を行った。硬さ

加工方法で作製した。これらを用いて加工による金属測定はマイクロビッカース硬度計を用い，測定条件は組織の塑性流動が見られるかどうか調べるために，切200g×15sとした。エッジから0.1mm内側の箇所から，断辺付近の板厚方向の金属組織観察用試料を準備した。

板幅方向に測定を行った。図2に，硬さ試験の結果を示

樹脂埋めした試料を鏡面までバフ研磨仕上げした後，す。ターレットパンチプレス加工の場合，硬度変化が，3%ナイタール溶液でエッチングし，金属顕微鏡で観察110ほどあり，エッジからの距離が，0.5mm辺りから値した。各試料の組織を図1に示す。

がほぼ一定になった。シャーリング加工の場合，硬度

図1-(a)は，ターレットパンチプレス加工の場合の断度変化は60ほどでターレットパンチプレスの約半分，面組織である。結晶粒が明らかに塑性変形している領エッジからの距離が，0.3mm辺りから値がほぼ一定にな*1 機械電子研究所った。積層鋸引き加工の場合，硬度変化は小さく，10図2

硬さ試験の結果

ほ どで，エッジからの距離が0.3mm辺りから値がほぼ一定になった。これらに対し，ワイヤーカット加工の場
合，硬度変化はなく，始めの測定点から既に値が一定であった。
以上，顕微 鏡組織観察と硬さ試験の結果から，加工に よって生じる残留応力は，ターレットパンチプレス
加工→シャーリング加工→積層鋸引き加工→ワイヤー
カット加工の順に小さいと考えられる。従って，方向性電磁鋼板に極力歪みを与えない加工方法として，今回比較した加工方法の中では，ワイヤーカット加工が最も適していると考えられる。

3 方向性電磁鋼板の残留応力測定の検討
方向性電磁鋼板の残留応力をＸ線応力測 定装置で測定 できるか検討を行った。その結果，表面皮膜を付けたままの場合は，回折ピークを得ることが出来たが，表面皮膜がない場合は，回折ピークを得ることが出来なかった。何故この様な結果になったのか，原因を追及することにした。
まず，Ｘ線回折測定に より，面方位の確認を行った。
表 面皮膜を付けたままの場合の結果を図3に示す。鉄の主ピークである(110),(200),(211)が明瞭に出ていることがわかる。これに対し，表面皮膜を研磨で除去した場合は，(110)のピークだけしか出なかった。このＸ
線回折測定の結果から，基材−表面皮膜の界面に，ラ図1

切断辺近傍の金属組織の比較(a)ターレットパンチプレス加工(b)シャーリング加工(c)積層鋸引き加工(d)ワイヤーカット加工

ンダムな面方位を持ったフェライト結晶粒の存在が考えられる。

るように変化した。60°と90°で応力が減少している
Fe(110)強度 （cps）のは，降伏点を十二分に越えているために応力の開放が起きたためと考えられる。今回のような大きな応力
Fe(200)Fe(211)

変化が生じる場合は，このＸ線応力測定装置でも変化を検出できることが確認できた。

２θ （degree）

図３

表面皮膜を付けたままの場合のＸ線回折結果

そ こで，この事を確かめるため，母材−表面被膜界面を走査電子顕微鏡で観察した。その結果，図4に示すよ
うに，表面皮膜直下には，10〜20μm程の結晶粒が存在していることがわかった。この結晶粒が存在するため表面皮膜を付けた状態では，Ｘ線残留応力測定で回折ピークを得ることができ，Ｘ線回折測定で鉄の主ピー

図5

曲げ角度と残留応力の関係

クが3本検出されたと考えられる。表面皮膜直下で観察された小さな結晶粒が，母材と同じ組成であるかどう

4 まとめ

か確かめるために，EDS分析を行った。その結果，Fe鋼板の加工方法を検討した結果，今回行った加工方とSiだけが検出され，小さな結晶粒は母材と同じ組成法の中では ，ワイヤーカット加工が最も適しているこであることが確認できた。これと同時に，小さな結晶と が確認できた。

粒の領域に，表面皮膜の成分が混入していないことも確認できた。

また，方向性電磁鋼板の残留応力をＸ線応力測定装置で測定できるか検 討した結果，表面皮膜を付けたま
ま の方向性電磁鋼板であれば，測定可能であることが確認できた。

母材（粗大結晶粒）小さな結晶粒

表面被膜
20μm

図4

母 材−表面被膜界面の観察結果

以上の 結果から，方向性電磁鋼板は，表面皮 膜を付け た状態であれば，Ｘ線による残留応力測定ができると 考えられる。そこで，今回使用しているＸ線応力測定装置で，方向性電磁鋼板の残留応力変化を測定することが出来るかどうか確かめるため，方向性電磁鋼板に極端な変形を与えて，その残留応力の測定を行ってみた。方法は単純に，一枚の方向性電磁鋼板を30°，
45°,60°,90°に曲げながら，それぞれの残留応力を測定した。その結果が，図5である。はじめの状態では，残留応力が負の値なので，圧縮応力が残留している。
曲げることで，応力は正の値となり引張応力が残留す

加工工具用表面処理に関する研究
南守 *1

Studies of Surface Treatment for Working Tool
Mamoru Minami
工具の寿命低下に関して改善を図るため，反応性スパッタリング法を用いた表面改質膜の開発に関する研究を行った。チタン化合物膜を加工工具上に形成させ実機試験を行い，工具寿命に及ぼす成膜条件の影響を調査し，チタン化合物膜被覆工具の基礎データ収集を行った。その結果，工具寿命は工具基材と膜との密着性に大きく影響を受けること，最も良い条件で作製した工具の寿命は膜未被覆材と比べ約8倍程度であるものの従来工具と比べ飛躍的な向上は認められないことが明らかとなり，更なる成膜条件の改善を図る必要があることが判明した。

1 はじめに多くの機械部品には，機能性の発現や耐久性を高めにした後，Ti-B-N膜の実用化に向けた基礎技術を確立，蓄積しようとするものである。

るため，PVD法やCVD法による表面保護膜(皮膜)が施されている。これらの手法を用いて作製される皮膜の中2 研究，実験方法

でも，機器の耐久性，耐食性の向上を図る目的からTiN

2-1 皮膜作製方法

膜やTiC膜，CrN膜などの硬質皮膜が広く用いられてい既報 7) と同様に，皮膜作製には直流，高周波電源をる 1) 。しかし，近年，各種機器，装置の高性能化，高有するマグネトロンスパッタリング装置(ユーテック，

機能化が進展するにつれ，耐摩耗性，耐食性に優れた

YE1825-3) を 用 い た 。 タ ー ゲ ッ ト に は 直 径 102mm の皮膜の開発が求められている。

TiB 2 (純度99%)及びTi(純度99.99%)を用いた。スパッタ

これらの要求に応える皮膜材料として，硬度，耐摩
耗性，耐食性などに優れるTi-B-N膜に期待が集まって

リ ン グ ガ ス に は ア ル ゴ ン (純 度 99.999%)と 窒 素 (純 度
99.999%)の混合ガスを用いた。

いる 2)-5) 。機械電子研究所では，反応性スパッタリング

基板には，図1に示すロールタップを用いた。この基装置を用いて平板形状の超硬合金上へTi-B-N膜の作製

板をアセトン中で超音波洗浄した後，回転式基板ホルを試み，優れた特性を有する皮膜の形成が可能である

ダ ー に 取 り 付 け ， 真 空 ポ ン プ に よ り 装 置 内 を 4.0 ×

ことを明らかにしている 6) 。

10 -4 Pa以下の圧力になるまで排気した。所定の圧力に一般的に，機械部品製造業においては，金型用部品到達後，膜形成に先立ち基板の前処理として，アルゴを始めとして各種複雑形状の金属部品が多用されていンによる基板のイオンボンバードをRF電力50Wで5分間る。そのため，必然的に個々の金型・工具に要求され行った。H15年度の研究から，Ti-B-N膜はTiN膜を中間る性質も異なり，単一の方法によってすべての金型・層として採用することにより密着性が改善することが工具の耐久性を向上させることは困難である。つまり，分かっている 7) 。そこで，今回はTiN膜アンダーコート

耐摩耗性，耐久性等に優れた膜の実用化を目指すのでした上にTi-B-N膜を積層した二層膜(Ti-B-N/TiN)の作あれば，当然個々の金型・工具上に均一に成膜できる
条件，ノウハウ等を確立しておく必要がある。
Ti-B-N膜は，研究の歴史も浅いため，まだ工具に応用されている例は少なく，今後の研究が重要な役割を果すものと考えられる。本研究では，Ti-B-N膜の利用が有効と考えられる工具の1つであるロールタップ
上に成膜を行い，続いて実機による加工試験を行い，得られた結果から成膜条件と皮膜特性との関係を明確*1 機械電子研究所

図1 基板（ロールタップ）

表1 成膜条件
TiN膜成膜条件

従来工具

Ti-B-N/TiN膜被覆工具

Ti-B-N膜成膜条件

基板回転速度（回転/min）

12

基板回転速度（回転/min）

使用ターゲット

Ti(4N)

使用ターゲット

12
TiB2(2N)

Arガス流量（cm3/min）30

Arガス流量（cm3/min）30

N2ガス流量（cm3/min）

4N2ガス流量（cm3/min）

0〜6

圧力（Pa）

0.3

圧力（Pa）

0.3

ターゲット−基板間距離（mm）

185

ターゲット−基板間距離（mm）

185

基板RF電力（W）

25

基板RF電力（W）

10

ターゲット電力（W）

500

ターゲット電力（W）

500製を行った。成膜条件を表1に示す。なお，本実験では，20µm

図3 窒素ガス流量4cm3/minで作製された試料と比較材の表面SEM像

TiN膜を被覆した従来工具を比較材として使用した。

4万

Ti-B-N/TiN膜被覆工具，TiN膜被覆従来工具ともに推定

加工回数︵
回︶

膜厚は約3mmである。

3万
2万

2-2 特性評価
実機試験は，図2に示す工作機械を使用した。被加工

1万

材は厚さ1mmの冷間圧延鋼板で，図2に示す条件にて加工を行った。使用不能になるまでの加工回数と工具・

00

被加工材の表面観察結果から工具寿命の評価を行った。
工具および被加工材表面の観察には，走査型電子顕24窒素ガス流量（cm3/min）

6

図4 実機試験結果

微鏡(SEM)(エリオニクス，ERA-8800)を用いた。
ついてもほぼ同様な結果が得られ，今回作製した
加工条件

加工風景

Ti-B-N/TiN膜には，工具寿命に大きく影響を与えるよサイズ

M5×0.8

被加工材

SPCC

切削油剤

不水溶性切削油剤

下穴

φ4.65mm

うなマクロ的な欠陥はほとんどないことを確認した。
続いて，Ti-B-N/TiN膜被覆工具の実機試験を行った。

ねじ立て長さ 1.6mm得られた結果を図4に示す。使用不能になるまでの加工

加工サンプル

回数は，窒素ガス流量0.4cm 3 /minで作製した工具は1.5
万回，2cm 3 /minで作製した工具は4万回，6cm 3 /minで作製した工具は2.7万回であった。膜未被覆材の寿命を約0.5万回，従来工具の寿命を約2.5万回とすると，窒素

図2 実機試験機，加工条件及び被加工材

ガス流量2cm 3 /minで作製した工具の寿命は，膜未被覆材と比べ約8倍程度，従来工具と比べ約1.6倍であることが判明した。

3 結果と考察
過酷な環境で使用されることが多い工具のような材

次に，実機試験後のTi-B-N/TiN膜被覆工具表面のSEM料に対して皮膜を応用する場合，剥離や割れ等の膜欠観察を行った。代表例として，窒素ガス流量2，4cm 3 /min

陥は工具寿命に大きく影響を与えることが一般的に知で作製したTi-B-N/TiN膜の表面SEM観察結果をそれぞられている。そこで，実機試験を行う前のTi-B-N / TiN

れ図5，図6に示す。窒素ガス流量2cm 3 /minで作製した膜被覆工具表面のSEM観察を行い膜欠陥の有無を調査

工具は，破損部は見受けられるものの，膜が剥離した3した。代表例として，窒素ガス流量4cm /minで作製し箇所は認められなかった。窒素ガス流量4cm 3 /minで作

たTi-B-N / TiN膜表面のSEM観察結果を従来工具表面

製した工具は，破損部，所々皮膜が剥離した箇所が見

SEM 観 察 結 果 と と も に 図 3 に 示 す 。 従 来 工 具 と 比 べ受けられた。窒素ガス流量0，6cm 3 /minで作製した工具

Ti-B-N / TiN膜被覆工具は若干粗い表面ではあるものについても4cm 3 /minで作製した工具と同様な結果が得の，皮膜に剥離や割れは生じておらず，緻密な構造をられ，今回作製したTi-B-N/TiN膜被覆工具は窒素ガス

していることが分かった。他の条件で作製した皮膜に

流量2cm 3 /minで作製した工具以外，皮膜が摩耗して工は認められないことが明らかとなり，今後工具の破損

拡大

先端部

を抑制するよう更なる膜質の改善を図る必要があることが判明した。
1mm

200µm

拡大

破損部

次に，実機試験後の被加工材表面のSEM観察を行った。
代表例として，窒素ガス流量4cm 3 /minで作製した工具を用いて加工したときのSEM観察結果を図7に示す。加工初期の場合，表面には加工条痕のみが観察されたが，

50µm

500µm

図5 窒素ガス流量2cm3/minで作製された試料の実機試験後の表面SEM像
先端部

膜剥離部

加工回数が増加するに従い無理に加工されたと思われる加工痕が観察され，加工回数1.5万回では全面粗い加工痕が観察された。加工するに従って徐々に工具から皮膜が剥離していくこと，工具に加工粉が付着していくこと等による工具劣化がこのような加工痕の形態変化を引き起こしたものと考えられる。他の条件で作製

1mm

500µm

拡大

中間部

した試料においてもほぼ同様な結果が得られており，作製条件に関わらず被加工材表面を観察することによって工具の劣化度合いを推測することが可能であり，基材を保護するだけでなく加工面の荒れも抑える表面

1mm

50µm

処理膜を作製する必要があることが分かった。

図6 窒素ガス流量4cm3/minで作製された試料の実機試験後の表面SEM像

具寿命を迎えるのではなく，工具から膜が剥離したため寿命を迎えているのではないかと考えられることが

3000回

6000回

分かった。すなわち，窒素ガス流量0，4，6cm 3 /minで作製したTi-B-N/TiN膜被覆工具が従来工具と同程度もしくはそれ以下の耐摩耗性しか発揮できなかった原因は， 工 具基 材 と膜 と の密 着 性が 不 十分 で ある た めに

500µm

Ti-B-N/TiN膜本来の性質を十分発揮することが出来なかったことによるものと推察される。更に，加工後の9000回

12000回

超音波洗浄行程でも脱落することなく強固に工具へ付着していた加工粉も認められたことから，加工粉で覆われた工具で加工したことも工具寿命低下の一因と考
えられる。

500µm

今回の成膜条件では，窒素ガス流量が2cm 3 /minで作製した工具のみ膜の剥離が認められず，膜本来の性質

15000回を発揮することができた。この理由に関しては，現段
階では特定できていないが，既報 6) の研究から推察す
ると，2cm 3 /minで作製した皮膜の結晶構造，硬さ，密着性が本加工条件において最も優れていたことが起因

500µm

しているのではないかと思われる。しかしながら，コーティングの効果は認められるが，耐摩耗性に関して
は，工具の破損により従来工具と比べて飛躍的な向上

図7 窒素ガス流量4cm3/minで作製された試料により加工された被加工材の表面SEM像

4 まとめチタン化合物膜を加工工具上に形成させ実機試験を行い，工具寿命に及ぼす成膜条件の影響について調査
し，チタン化合物膜被覆工具の基礎データ収集を行った。成膜条件を変化させてもTi-B-N/TiN膜には工具寿命に大きく影響を与えるようなマクロ的な欠陥はほとんどなく，工具寿命は工具基材と膜との密着性に大きく影響を受けること，最も良い条件で作製した工具の寿命は膜未被覆材と比べ約8倍程度であることが判明した。しかし，コーティングの効果は認められるが，耐摩耗性に関しては，現状では従来工具と比べて飛躍的な向上は認められないことが明らかとなり，今後成膜条件の更なる改善を図る必要があることが判明した。

5 参考文献1)池永勝：特殊鋼，Vol.47(No.3)，p.6(1998)

2)Jianli HE，Yuichi Setsuhara，Ippei Shimizu andShoji Miyake：Trans.JWRI，Vol.29(No.1)，p.9(2000)
3)J.F.Pierson ， F.Bertran ， J.P.Bauer and J.Jolly：Surf.Coat.Technol,Vol.142-144，p.906(2001)
4)C.Rebholz，A.Leyland，P.Larour，C.Charitidis，
S.Logothetidis

andA.Matthews ： Surf.Coat.

Technol，Vol.116-119，p.648(1999)
5)T.P.Mollart ， J.Haupt ， R.Gilmore and W.Gissler：Surf.Coat.Technol，Vol.86-87，p.231(1996)
6)南守：福岡県工業技術センター平成14年度研究報告，第13号，p.112(2003)
7)南守：福岡県工業技術センター平成15年度研究報告，第14号，p.95(2004)

超砥粒ホイールを用いた3次元曲面加工システムの開発
谷川義博 *1

廣瀬政憲 *1 野中智博 *1

竹下朋春 *1

中村憲和 *1

村上洋 *1

池田健一 *1

安部年史 *1

Development of the three-dimensional curved surface processing systemusing the super abrasive wheel
Yoshihiro Tanigawa, Tmohiro Nonaka, Tomoharu Takeshita, Masanori Hirose,
Norikazu Nakamura, Hirosi Murakami, Toshifumi Abe, Keniti Ikeda
金型製造工程の殆どが自動化されている今日，最終仕上げである磨き工程は，手作業で行われているのが現状である。デジタル家電等の小型化，高精度化に伴い，これらの構成部品を生産するための金型も更に高精度化，小型化する必要がでてきた。本研究では，マシニングセンターに超砥粒ホールを取付け，金型3次元曲面を工作機械で仕上げるシステムを開発する。本報では，当所で開発した有気孔メタルボンド砥石を使い，金型材の研削実験を行ったので報告する。

1 はじめに
デジタル家電等の小型化，高精度化に伴い，これら当たりの送りと，研削速度を変え，金型材の研削実験を行ったので報告する。

の構成部品を生産するための金型も更に高精度化，小型化する必要がでてきた。しかし，金型製造工程の殆

2 研削実験

どが自動化されている今日でも，最終仕上げである磨開発した有気孔メタルボンド砥石のマシニングセン

き工程は，手作業で行われているのが現状である。高

ター主軸への取付けは，エンドミル等の取付け同様コ

精度化，小型化する金型を手作業で要求精度に仕上げレットを使用することとした。砥石の機上ツルーイン

るには，高い熟練が必要となる。熟練者不足が懸念さグには，当所で製作した微細放電ツルーイング装置をれる今日，金型の仕上げを手作業で行うことは，要求使用することとした 2) 。

精度が高くなる金型製作に対応する上で，大きな課題となることが予想される。そのため，金型仕上げの自セラミックス丸棒動化に関して，多くの研究がなされてきた。仕上げ面の向上を第一の目的に，弾性砥石を用いた場合，金型の形状維持や，前加工面のカッターマークの除去が困

SK材丸棒
焼きばめ

難となる。逆に形状維持を目的に高硬度な砥石を使用すれば，砥石の目詰まりにより面粗度の向上が困難になる。このため当所では，形状修正能力を持つ高硬度のメタルボンド砥石に，目詰まり防止のために，気孔

有気孔砥石
図1

有気孔メタルボンド砥石固定方法を設けることで，形状精度を維持しながら高品位な仕上げ面が得られる砥石ができるのではないかと考え，
有気孔のメタルボンド砥石を開発した1)。

工作機械主軸と砥石間を絶縁するため，図1に示すよ
うに，砥石軸端面にセラミックス軸を焼きばめで固定

本研究では，当所で開発した有気孔メタルボンド砥

し，セラミックス軸をコレットで保持することとした。

石を使用することで，金型曲面の仕上げが可能な3次元

この砥石を使い金型材の加工を行った場合，研削速

曲面加工システムを開発することを目的とする。

度及び一回転当たりの送りが，加工面粗度及び研削抵

本報では，開発した有気孔メタルボンド砥石を使い

抗にどのような影響を与えるかについて調べるため，加工面粗度や研削抵抗に大きく影響を与える，一回転研削実験を行った。図1に示すように，工作機械テーブ*1 機械電子研究所

ル上に設置した水晶圧電式切削動力計の上に，金型材

であるNAK80を固定し側面研削を行った。工具底面の影

図 3に 示 す よ う に ， 一 回 転 当 た り の 送 り が0.01mm/

響を避けるため，図2に示すように被削材側面に溝加工

revの場合，加工が進行しても研削抵抗は，殆ど変化しを施し，底面が接触しないようにした。実験条件は表ないのに対し，一回転当たりの送りが0.02mm/revの場1に示す。

合では，加工が進行するに従い研削抵抗が大幅に増大した。

工具送り方向

図4に一回転当たりの送りと加工面粗度の関係を示す。加工面粗度は，研削抵抗と異なり，一回転当たりの送りが0.01mm/revから0.02mm/revに増加すると，加工距離50mmの時点で，Rz(最大粗さ)は大きくなる。しかし，加工の進行に伴う増加は確認できなかった。
水晶圧電式切削動力計

2.5

実験装置

表1

研削条件

砥粒材種

CBN

気孔率

6%(開気孔)砥粒径16〜25μm

吸水率

3.95%

集中度

125

砥石径

φ6.6mm

切削速度

m/min

送り速度

mm/min60

一回転当たりの送り

mm/rev

半径方向切り込み量μm

軸方向切り込み量

120

29

58

58

0.01

0.02

0.01

軸方向加工面粗度（μm）

図2

2
1.5
0.01Rz0.01Ra1

0.02Rz0.02Ra

0.5
0
0

50

5

mm

100

150

200

250

研削距離（mm）

図443 結果と考察

加工面粗度に対する一回転当たりの送りの影響

3-2 研削速度の影響

3-1 一回転当たりの送りの影響

研削速度の影響を調べるため，一回転当たりの送り表1に示すように，切削速度を60m/minに固定した状を0.01mm/revに固定した状態で，研削速度を60m/min

態で，一回転当たりの送りが0.01，0.02mm/revとなると120m/minに変えて実験を行った。研削速度の違いにように送り速度を変え実験を行った。一回転当たりのよる研削抵抗への影響を図5に，加工面粗度への影響を送りと研削抵抗の関係を図3に示す。

図6に示す。

10

3.50.01法線方向分力

研削抵抗（N)870.01接線方向分力

30.02法線方向分力

2.5

研削抵抗(N)90.02接線方向分力

6
5
4
3
2
1

2
1.5
V60法線方向分力1

V60接線方向分力

0.5

V120法線方向分力V120接線方向分力

0

0
0

50

100

150

200

250

0

50

研削距離(mm)

図3

研削抵抗に対する一回転当たりの送りの影響

図5

100

150

200

研削距離(mm)
研削抵抗に対する研削速度の影響

250

2.5

ることが分かる。

軸方向加工面粗度（μm）

この研削抵抗の大幅な増加の原因として，加工の進
2

行に伴う砥粒の脱落等が考えられるが今回行った実験
からは，その原因を明確にすることはできなかった。

1.560軸方向Rz

4 まとめ

60軸方向Ra10.5

120軸方向Rz

今回，一回転当たりの送りと，研削速度を変化させ，120軸方向Ra

加工面粗度及び研削抵抗への影響を調べ，次のような結果を得ることができた。

0
0

50

図6

100
150
研削距離（ｍｍ）

200①加工面粗度への影響

250

一回転当たりの送り，研削速度共に増加すれば研削開始当初から加工面粗度も増加する。

加工面粗度に対する研削速度の影響②研削抵抗への影響
一回転当たりの送り，研削速度共に増加しても研削

図5から研削速度が60m/minの場合加工が進行しても，研削抵抗は殆ど増加しないが，120m/minでの場合加工

当初は影響は確認できないが，加工が進行するに従が進行するに従い，研削抵抗は増加した。

い大幅に増加する。
今回行った実験で，Rzが最も小さな値となったのは，

図6から加工面粗度は，研削速度が速くなれば増加す

研削速度60m/min，一回転当たりの送り0.01mm/rev

ることが分かる。
表2に一回転当たりの送り及び研削速度が増加したの条件で加工した時のRz=1.45μmであった。この値

場合の研削抵抗と加工面粗度への影響をまとめて示す。

は，金型仕上げ面で考えると3倍程度大きな値であり，今後の検討が必要である。

表2において，一回転当たりの送り影響に関しては，
0.01mm/revで研削距離55mmの場合を基準とした場合の増加割合を示す。研削速度の影響に関しては，60m/min

5 参考文献で研削距離55mmの場合を基準としている。

1)廣瀬政憲：福岡県工業技術センター研究報告，平成12年度，p.67

この表から，加工面粗度に対して，一回転当たりの

2)谷川義博：福岡県工業技術センター研究報告，No.14，

送り及び研削速度の増加は，研削開始当初から影響す

p.85

るが，加工の進行に伴う増加は殆ど確認できない。これに対し，研削抵抗は，研削開始当初はあまり影響が観られないが，研削距離が伸びるに従い値は大きくな

表2

研削条件の違いによる研削抵抗及び加工面粗度への影響(増加割合％)
研削抵抗
法線方向

研削距離(mm)

(Ｎ)

加工面粗度

接線方向

(μm)

Rz

Ra

55

228

55

228

55

228

55

228

-1

○

10

○

10

45

45

42

35

一回転当たりの送り

0.01

○

4

○

(mm/rev)

0.02

18

416

-18

研削速度

60

○

7

○

-1

○

10

○

10

(m/min)

120

4

53

-8

22

24

59

30

20

小径工具加工力測定方法の研究
竹下朋春 *1

野中智博 *1

谷川義博 *1

安部年史 *1

Studies of cutting force measuring method for the small diameter tool
Tomoharu Takeshita, Tomohiro Nonaka, Yoshihiro Tanigawa, Toshifumi Abe
現在，アジア諸国の台頭により日本のものづくりは大変厳しい状態にある。福岡県内の金型を製作している中小企業においても，仕事をアジア諸国に取られ生き残り策を模索している。そのため海外で出来ない精度の高い，難しい金型の製作を迫られている。金属切削企業の9割が行っている穴加工ではあるが，工具の交換は作業者の判断にゆだねられているのが現状である。そこで本研究では穴加工でも突発的な折損が起こりやすく，工具磨耗を判断しにくい小径ドリル等の加工力測定方法の研究を行う。

1 はじめに
現在，消費者ニーズの多様化により，金型加工メー

2 県内企業の小径工具加工現状

カも短納期で高付加価値な金型の要求が高まっている。

県内の金型企業に対して，自社で加工したことのあ

製作困難な金型には微細な加工を要求されるもの

る最小径の穴と，使用エンドミル径についてヒアリンが大半であり，0.5mm以下の微細穴を1個の部品に10万個程度あける必要がある(例テレビのフロントパネルの両サイドのスピーカ穴など)。しかし，加工中のドリグを行った。その結果を，図1に示す。
最小加工穴径0.7
エンドミル加工0.6

ルの加工力などを測定する有効な手段はなく，いつドンプロセスで行えるものは，AE(Acoustic Emission 音響効果)，モータ負荷，切削負荷検知，切削振動検知，接触式，レーザ測定など多種あるが，加工中の小径ド
リルにおいて切削状態を検知可能な最適な測定手段がない。そこで，非接触伝動機構を用い，その位相差を

工具径 mm

リルが折損するか判断できない。折損状態の判定にイ

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

A社

Ｂ社

Ｃ社

Ｄ社

Ｅ社

F社

光エンコーダで測定しPLL回路を通すトルク測定が可
能な測定方法の研究を行う。この方法は，県内の中小

図1

県内企業における最小径工具使用状況

企業が有するNCフライス盤などの工作機械にワンタッ
チで取付け可能で，中小企業で問題となっている折損

穴加工については，φ0.05からφ0.7mmであった。エンなどの工具寿命判断の自動化を行うことが可能となる。

ドミルについては，φ0.4からφ0.7mmであった。

さらに，ヘッド部に高速回転モータを有するため，高企業からの声としては，機械が対応していないため，

速加工対応でない機械でも高速回転仕様と同様の効果

小径の穴加工部分は外注を行ったり，φ0.6mm以下の加を得ることが可能となる。従って，今まで経験に頼っ工は断っている。折れた時がわからないのでNC工作機ていた部分を自動化でき製品の省コスト，高品質化が械でやらず，汎用機械を用いて人手で行っている。

可能となる。
また，金属切削企業ばかりでなく，電子機器を製作

エンドミルを含めた工具交換は，カンと経験か，時間を決めて行うというものがほとんどであった。

している企業では，ガラス繊維の入ったプリント基板

小径工具は，ばらつきが大きく10本に1本が良品といの小径ドリルによる穴加工を行っており，電子部品製

う状況があり，使用時に加工力の判断がしたい。また，

造 分 野 に も 貢 献 で き る と 考 え ら れ る 。

深夜自動運転を行うが，朝来ると工具が折れていて時間のムダが発生し，しかもその部品が使えないといっ*1 機械電子研究所

た問題点があった。

また，使用工作機械の主軸回転数は，高いところで20000min-1，平均で10000min-1程度の機械を所有して

4 加工力測定装置

おり，小径工具に必要な30000min-1以上の機械を保有

4-1 加工力検出方法

している企業は無かった。
このことから，30000min-1以上の主軸回転数を有し，加工中の加工力をリアルタイムに測定可能となれば，高いセールスポイントとなることが考えられる。

前述の問題点から，今回新方式の特許化(特願2003-109179)を行った。
本方式は，図2に示すように，トルク変化による伝達側と駆動側の光エンコーダからの回転角出力の位相差を回路で検出することにより，小径ドリル等の工具摩3 既存の検出方法
工具の状態をインフィールドで観察可能な方法とし耗，折損をインフィールドで工具回転中に検出可能な装置である。図3に示すように，任意のギャップを有して以下のようなものがある。

た磁気力でトルクを伝達するが，その時回転力により○接触式

位相ずれが発生し，その位相ずれを検出することでトドリルなどの切削加工工具の折損を検出するために，ルクに変換可能となる。

回転式の棒状のものを工具に接触させ，工具が折損しこのため，回転中の加工力をリアルタイムに測定可ていなければ接触した位置で止まり，折損していれば能なため，加工状況を判断し，折損を即座に検出した

通過してしまうことで，折損を検出するものである。

り，工具折損前に工具交換が可能となる。

構造的に簡単で安価であるが，加工中に検出ができな
いため，毎回回転を停止させ検出する必要があり，デまた，今まで困難であった加工中の微小トルクの測定も可能となる。

ットタイムが増加する。加工中の情報は一切つかむこ

ギャップをコントロールすることで，小径工具の工とができない。また，小径の工具になると接触圧で折具径に応じたトルク設定ができるなどのメリットが考れ，曲がりが発生する場合がある。

えられる。

○切削負荷検知式
切削工具を取付けた主軸モータ回転時の負荷電流の駆動用モータ

磁性体

変化や送り軸のモータの負荷電流を計測することにより切削力を検出する方法である。モータ負荷能力に対

エンコーダ
スピンドル
トルク

して数%以上の切削力変化があれば，検出可能であるが，工作機械に取り付けられた小径ドリルの場合は，モー

電子回路

タの速度リップルより小さく検出が困難である。
○AEセンサ式
人間の耳には聞こえない超音波を検出するセンサを用いて，工具破損時の変化を検出する方法である。センサを工作物に取付ける必要があり，現場向きではない。また高度な振動計測，信号処理技術が必要なため研究に取り上げられていたが，小径工具破損時の音の設定(バンドパスフィルタ)が難しく，ノイズの方が大きくなりAE波のみを分離することができない。
○レーザ式
レーザ光を用いているため，非接触で工具の折損を検出可能であるが，加工中の計測が出来ないためデッ
トタイムが増加する。また，折損のみの検出で，リア
ルタイムに工具の摩耗による切削力の変化を捉えることは不可能である。

切削工具
図2

エンコーダ
新方式概略

図3

トルク伝達状況1.5

小径工具用加工力測定装置の試作開発を行った。
3次元CAD/CAMシステムを使って，セールスポイントとなる30000min-1以上の対応とするため，高速回転に対応したモータを使用し，対応回転数50000min-1とした。
試作したものを図4に示す。また試作したものを実験
テーブルに載せ，加工を行っているものを図5に示す。

回転角度誤差 ( °)4-2 試作機

1
角度誤差

0.5
0
-0.5
-1
-1.5

0

90

180

270

360

モータ軸回転角度 ( °)図6モータ側とスピンドル側との回転誤差

4-4 試作機を用いた加工
新方式の試作機を用いて，実際の加工を行い十分加工に耐えることを判断した。
以下の条件で実験を行った。

図4

試作品

工具径

φ0.5mmドリル

加工ワーク

S50C

穴深さ

5mm(L/D 10)

回転数

5000min-1

切削速度7.9m/min

送り速度10mm/min

ステップ

0.1mm

切削油

Dry(エアーブロー)

厚さ5mmのS50C鋼材に穴加工を施し，SEMにより観察したものを図7に示す。図7から判断できるように，表面はバリが発生しているが，問題なく貫通穴の加工が行えていることが判断できる。

図5

実験状況

4-3 試作した加工装置の特性試作した本装置の，モータ側の回転角とスピンドル側の回転角との静的回転誤差を3600pulse/revの光エンコーダにて測定したものを，図6に示す。図より2.3°の回転角度誤差があることが分かる。今回作製した検証試験用の回転軸は，汎用旋盤での加工のみで，軸受は市販の低級ミニチュア玉軸受を使用している。このため，モータ軸の回転振れ精度は40μm，スピンドル軸

図7

本装置での穴加工

回転振れ精度は11μmであった。
また，磁性体の着磁特性にも誤差があると考えられる。

さらに，本装置による切削力への悪影響を考慮してドリル加工時におけるスラスト方向の切削力を測定したものを図8に示す。

図8から，スラスト力の発生状況は本装置を介さない

この結果，ステップ的に穴加工を行なうと，本装置場合と変化はなく，本装置の悪影響は少ないと考えらの信号と切削動力計による信号とがリアルタイムに同れる。

期していることが確認できた。
また，折損時には，本装置による信号が空転時の信号と同一になり，折損の検知が可能となった。

主軸
スラスト力 N

レーザ変位計

切削動力計
加工時間

図8

sec

スラスト力の測定

4-5 試作機を用いた測定

図10

本装置での穴加工5 結果と考察

本実験装置を用いて，実際にリアルタイムに測定可

小径工具加工力測定装置の特許化を行い，3次元設計

能かどうかの試験を行なった。試験状況を図9に示す。

により試作品の開発，電子処理回路の作成を行ってきスピンドル軸にトルク変動(加工力に相当)をかけると，た。

計測器側にトルク負荷に対応したリアルタイムな信号が発生することが確認できた。

この研究により，磁性体を用い，動力伝達部の位相差を検出することで加工力の判断を行う方法を提案した。その原理に基づく装置の試作を行い，本装置での加工実験を行った。その結果，φ0.5ドリルでS50Cに対してL/D10の穴加工が可能なことが分り，折損をリアル
タイムに検出することが可能なことが確認できた。
今後は，本装置の特性評価を行い，トルク計測装置との比較検討を行っていく予定である。

6 まとめ
今回は，穴加工について今まで最適な方法が無かっ
図9

試験状況

た小径工具の折損などの工具状態が検出可能な方法の特許化を行なった。現状は9割の金属切削企業が作業者

4-6 試作機を用いた加工時の測定の判断により行っている部分を自動化することで，工本実験装置を用いて，実際にドリル加工により折損

具寿命を的確に判断可能となり，有効に工具を使用で検出が可能かの判断を行なった。試験状況を図10に示きるため，加工時間短縮につながると考えられる。

す。工作機械の主軸に，本装置をホルダを介してワン

また，このような測定方法は，考案されていないた

タッチで取り付け，工作機械の主軸モータを使用せず，

め学術的にも意義があるものであり，今後，研究も含本装置のモータにより加工を行なった。

めて機械のインテリジェント化は益々増加していくと穴加工の進行状況をレーザ変位計により測定し，実考えられ，この装置を使ったリアルタイム加工力フィ際に工具にかかるスラスト力を切削動力計により測定

ードバックシステムの開発や，小径のエンドミル加工，した。

研削加工力測定にも応用展開を図る予定である。

工具交換時期の知的自動診断に関する研究
非接触センサを用いた工具摩耗自動測定方法および工具寿命予測方法に関する研究
村上洋 *1

The research on the intelligent automatic diagnosis in the tooling exchange time
The research on automatic measurement method of the abrasion of the tool and prediction methodin the life of the tool using the non-contact sensor

Hiroshi Murakami
金型等の高精度な加工を要求される分野において，工具刃先の摩耗や欠損に伴う工具形状の変化は品質のみならず生産性にも大きく影響する。この為工具形状の評価方法の確立が重要である。
本研究では，フォーカスレーザ光を用い工具がレーザを遮光した際のレーザスポット像変化及び工具先端部からの反射光を画像処理することによる工具直径の変化量・工具刃先逃げ角等の測定方法を提案する。本報では工具の摩耗・欠損等による工具先端部の角度(逃げ角等)変化及び工具直径の変化が光強度分布変化へ及ぼす影響について調査した結果を報告する。

1 はじめに為にバンドパスフィルターを用いた。また，反射光の金型等の高精度な加工を要求される分野において，偏光状態を用いて計測する為に偏光フィルターを用い工具 刃先 の 摩 耗や 欠損 に 伴 う工 具形 状 の 変化 は品 質

た。透過光強度を用いて計算することで工具径方向ののみならず生産性にも大きく影響する。従来，工具摩形状変化を，反射光強度を用いることで工具先端部の耗は熟練作業者などにより直接目視検査され，オフラ

角度の変化量を測定する。

インで工具交換されていたが，近年の工作機械の自動化・無人化に伴い工具摩耗の自動検出技術が重要になってきている。
本研究では，フォーカスレーザ光を用い工具がレーザを遮光した際のレーザスポット像変化及び工具先端部からの反射光を画像処理することによる工具直径の変化量・工具刃先逃げ角等の測定方法を提案する。本報では工具の摩耗・欠損等による工具先端部の角度(逃

図1

装置の構成

げ角等)変化及び工具直径の変化が光強度分布変化へ及ぼす影響について調査した結果を報告する。

3 工具径方向形状変化測定
3-1 測定原理

2 研究，実験方法

工具径方向形状変化の測定原理を図1に示す。レーザ

2-1 装置の構成

光は測定点においてスポット径50μmに絞られている

本研究で用いた測定機における構成を図1に示す。光為に，通常の絞られていないレーザ光で発生する刃先

源に単色レーザ(semiconductor lazer, λ=670nm)を用

先端 部形 状 に 起因 する 誤 差 を少 なく す る こと が可 能いた。レーザ光をレンズにより集光(スポット径50μm)である。絞られたレーザ光は測定点を通過後スポットしたものを工具先端部に照射し，その反射光強度をCCD

径6.4mmに拡大されCCDカメラ2で撮影する。キャリブ

カ メ ラ 1(浜 松 ホ ト ニ ク ス ,C5405)で 透 過 光 強 度 を CCD

レーション時のCCDカメラ2の1画素輝度値をI，1画素

カメラ2で測定した。CCDカメラへの入射光は減光フィ

サイズをt，測定点のスポット径をdとするとxμm工具

ルターを用いて最適値に調整し，外乱光の影響を防ぐ

径方 向に 変 位 した 際のCCDカメ ラ1ラ イ ンの 受光 量 変*1 機械電子研究所

化は，

(1)

折光の影響が大きくなっているものと思われる。また，で示される。図2のようにCCDカメラをx方向，y方向，w

実際にはスポット径50μmの測定レンジがあるが，Y=25

方向にライン状に走査することによりx, y, w方向の変〜50μmの範囲においてはノイズの影響で精度のよい位計測が可能となる。

測定ができなかった。Y=25〜50μmの範囲では工具先端

Y=(6400I/t)x部形状に起因する反射・散乱光がCCDカメラに受光されyた為であると考えられる。Y=8〜25μmの範囲においては工具径方向の変位計測が可能であることが確認でき

w

1

2

3

た(8〜19μmのレンジにおいて分解能0.2μm)。

4 工具刃先角度形状変化測定

x4-1 測定原理

図2

CCDカメラの走査方法

物体反射光は鏡面反射と拡散反射2つの反射成分の和からなる。本研究では，Torrance-Sparrow反射モデ
ル 1) を簡略化したモデル式を用いる。

3-2 実験方法

I=K d cosθ i +(K s /cosθ r )exp(-α 2 /2σ 2 )工具がレーザ光を完全に遮光したポイントからレー(2)

ザ光を透過させる方向(座標軸Z+とする)に1μmピッチ

ここで，K d とK s はそれぞれ拡散反射成分と鏡面反射成で変位させ，その透過光をCCDカメラ2で測定した(図3)。

分に対応する反射係数，σは表面粗さを表す。θ i は反

透過光は透過率0.3%の減光フィルターにより光量を落

射物体法線方向と光源方向(レーザ)とがなす角度，θ

としている。工具の変位には工作機械(㈱牧野フライスr

製作所,BN8-85A10)を使用した。

は光源方向と視線方向の2等分線と法線方向がなす角は法線方向と視線方向(CCDカメラ)とがなす角度，α度である(図5)。

図3

工具径方向形状変化測定実験方法

3-3 実験結果
図4に工具を変位させた際の CCD カメラ2 (1ライン)の受光量変化と式(1)により求めた値の変化を示す。変
位量1〜7μmにおいては受光量変化が理論値とは誤差が大きくなっている。これは，初期状態においては回
図5

幾何学モデル

14000

計算値

実験値

12000

ま た ， 測 定 対 象 表 面 は 金 属 で あ る 為 に10000

Torrance-Sparrow反射モデルにおけるフレネル反射係

光量

8000
6000

数を1とする。また，測定対象表面を平面と仮定し幾何

4000

学的減衰係数を1とする。式(2)の第1項は拡散反射成分

2000
0
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13

14 15 16 17 18 19-2000を表しI d とし，第2項は鏡面反射成分でありI s とする。
ここで，CCDカメラ1の偏光フィルターを回転させな

-4000

変位 μｍ

図4

工具径方向形状変化測定実験結果

がら反射光強度が最大となる画像(I max )と最小になる
画像(I min )を撮影する。今回用いたレーザの偏光比は100倍以上あり光源は直線偏光している為に，鏡面反1.2

射成分は完全に直線偏光している。従って，I min には鏡

実験値
計算値

1

面反射成分は含まれず以下のように表される。
(3)

Id=2I min(4)

CCDカメラ1で撮影した画像による反射光強度I min と

0.8

光量

Is=I max ‒ I min

0.6
0.4

式(4)を用いることによりにIdが求まり，式(2)，式(3)0.2に既知のI d ，θ r ，α，及び反射光強度I max ，I min を代入
しK s ，σを決定することで工具の先端角度を算出した。

4-2 実験方法

0
0

5

図7

10

15
θ 度

20

25

30

工具刃先角度形状変化測定結果

工具刃先角度の形状変化測定実験の概略図を図6に示す。測定対象物(SKH, Ra=0.09μｍ)をθ=0〜30度まと，②レーザスポットの透過光量をライン状に走査すで1度ピッチで回転させながらCCDカメラ1で撮影する。

ることで工具径方向の変位計測が可能であることを示

撮影は反射光強度が最大となる場合と反射光強度が最した。今後，①角度検出精度の向上，②レーザスポッ

小になる2通りで行った。

ト小径化による工具径方向変位の測定分解能の高精度化及び③切削実験による工具形状評価等について検討する予定である。

6 参考文献1)K.E.Torrance,E.M.Sparrow：Journal of the OpticalSociety of America，vol.57，p.1105(1967)

図6

工具刃先角度形状変化測定実験概略図

4-3 実験結果
図7は測定対象物を回転させながら測定した際の実験による値と計算により求めた値を示す。若干の誤差はあるが実験値と計算値の相関係数はR=0.96と高い値が得られた。誤差の原因としては光源位置とCCDカメラ
位置の測定誤差，測定対象物の回転中心とレーザスポ
ット測定点とのずれ等が考えられる。また，今回の測定では1点のみの測定であることが測定誤差に影響を与えたのではないかと考えられる。

5 まとめ
工具先端部形状を高精度に評価可能な計測技術の開発を目的として，反射光・透過光を用いた理論解析な
らびに基礎実験を行った結果，①工具先端部の傾き角(逃げ角等)をレーザ反射光強度(Torrance-Sparrow反射モデル)を用いて計算することで推定可能であるこデジタル相関法を用いた面外変位計測装置開発に関する研究
内野正和 *1

山口哲也 *2

Construction of Measurement System of Out-of-Plane Deformation
using Digital Image Correlation Method
Masakazu Uchino, Tetsuya Yamaguchi
電子部品の製造過程における加熱法の一例としてヒータブロックが使用されているが，実装部品の小型化や多種多様な部品構成，複雑な構造，使用目的温度の上昇等に伴い，高温下でのヒータブロックの平面性が重要視されている。高温時の平面性が得られないことにより，温度むらが発生し，半田バラツキや製品検査行程での効率の低下等の問題が生じており，設定温度で平面性が得られるヒータブロックのニーズが大きくなっている。平面性の良い
ヒータブロック開発を行うためには高温下でヒータブロックの変形を計測し，設計にフィードバックさせる必要がある。そこで高温下でヒータブロックの変形を計測するため校正曲線を利用した高精度デジタル画像相関法を用いて2台のカメラによる3次元変位分布計測装置を開発し，ヒータブロックの計測実験を行った。

1 はじめに電子部品の製作過程ではリードフレームやICウェハ，

2 研究，実験方法
2-1 デジタル画像相関法の原理 1-3)

電子パッケージ等の加熱作業を行っている。加熱にはデジタル画像相関法は測定対象物表面の模様のラン

ヒータブロックを使った加熱方法があるが，現在，ヒ

ダム性を基にして測定対象物の変形前後をCCDカメラ

ータブロックの熱膨張による変形が問題となっている。

等で撮影し，得られたデジタル画像の輝度値分布から具体的には高温下で熱膨張によりヒータブロックの平

試料表面の変形量と方向を同時に求める方法である。

面性が損なわれ，ブロック表面の温度が均一に保持さ変形量と方向は変形前の画像中の任意の位置を中心とれていても，その上に載せられた製品には，ヒータブ

する小さい画像領域(サブセット：N×N 画素)を基準とロックに直接ふれる部分とふれない部分が生まれ，そし，変形後の画像よりサブセットともっとも良い相関の結果，製品に温度むらが発生し，半田付けにバラツを得るサブセットの位置を求め，決める。相関を求めキが生じるという問題が起こる。また，半田テストをる方法としては画素単位の計測精度で変位量を求めるする際にヒータブロックの平面性がないためにプロー

粗探査と画素以下の精度で変位量を求める精密探査とブによる試験範囲が狭くなり，時間が掛かり，生産効で行う。粗探査には次式に示す残差最小法を利用して率が悪くなるという欠点を持つ。そこで，電子部品の相関関数 Cを求めた。

製作過程でリードフレームやICウェハ，電子パッケー

C ( X +u,Y +v) = ∑ ∑| Id (X +u+i,Y +v+ j)−Iu(X +i,Y + j)|

ジ等を加熱する際，均等に加熱すること，すなわち高

M

M

(1)

i=−M j=−M

温下で温度均一で平面性が得られることが非常に重要

ここで I u (X,Y),I d (X+u,Y+v)はそれぞれ変形前，変形後で，製品検査をする上でも効率を高めることが可能との画像強度を示し，X,Yはサブセットの中心座標で，u,vなる。設定温度で平面性が得られるヒータブロックのはそれぞれｘ方向，ｙ方向への移動量である。N＝２M+1

開発を行うためには，温度上昇による面外変位を精密である。式(1)の総和が最小になる位置がそのサブセッに計測する必要がある。本研究では室温から目的温度

トの中心が移動した位置の最近接画素となる。しかしまでの面外変位分布計測を目的として3次元変位計測ながら実際の移動量は1画素の大きさよりも小さく移装置を製作する。

動するため式(1)により得られた画素の位置が必ずしも最も高い相関を得るとは限らない。そのため精密探査により画素以下の精度で移動量を求める。精密探査*1 機械電子研究所*2 (株)九州日昌に使用した相互相関法の式を示す。

M

C ( X +u, Y +v) =

M

M

M

∑ ∑ I (X +u +i,Y +v + j)× ∑ ∑I (X +i,Y + j)

i =−M j =−Mdi =−M j =−M

2-2 デジタル画像相関法による3次元変形計測

u

2

2

(2)

⎞
⎞ ⎛ M M⎛ M M
⎜ ∑ ∑Id (X +u +i, Y +v + j)⎟ ×⎜ ∑ ∑Iu (X +i, Y + j)⎟
⎟
⎟ ⎜
⎜
⎠
⎠ ⎝i =−M j =−M⎝i =−M j =−M

装置は2台のCCDカメラと3軸微動ステージ，照明用
LEDランプ，レーザホローゲージで構成されている。2

精密探査には，最近接画素の前後の画素で，式(2)より

台のCCDカメラを微動ステージに取り付け移動させ，レ得られた相関値を用いて2次曲線近似による補間を行ーザホローゲージにより移動量を求める。校正曲線は1い，2次曲線の極大値を最も相関の良い位置とした。式

軸毎に微小変位量(1画素の10分の1程度)だけ平行移動(2)は式(1)に比べて計算に時間がかかるが，画素間をさせ，移動後の画像を取り込む。この操作を繰り返し補間する場合，より良い相関が得られる利点を持つ。

行い，必要とする移動距離まで移動させた画像を取り

次にこのデジタル画像相関法を利用して1画素の変位込み，これらの画像より，各画素点における1軸毎の移量の10分の1程度の変位量を移動単位として繰り返し

動量と移動画素との校正曲線を作成する。図2にｘ軸方移動させながら画像を取り込んだ。これらの画像を用向に移動させた時に得られた校正曲線の一例を示す。

いて移動量と移動画素の関係を求めた結果を図1に示用いた校正曲線は3次関数を用いて近似する。ｘ軸方向

す。得られた移動量と移動画素の関係は，本来，線形に微動移動させて得られた2本の校正曲線は次式となになるべきであるが図1に見られるように線形にはなる。

らない。この線形からのずれが移動画素量に，1画素のf xx ( X ) = axx X 3 + bxx X 2 + cxx X + d xx

(3)f xy ( X ) = axy X 3 + bxy X 2 + cxy X + d xy

(4)

大きさを掛けて変形量を求める従来方法での計測誤差となる。微小変位を求める場合，この測定誤差を小さくすることが重要となる。また，実計測で測定面の変位を計測した場合はレンズ等の収差やCCDカメラの特性や光学系の傾き等の影響による誤差が加わり更に誤ここで X はステージを動かしたときのｘ軸方向の移差は大きくなる。そこで本研究では実際の計測光学系

動量で， f xx (X ), f xy (X ) はそれぞれｘ軸方向に移動を利用して上記の誤差を含めた状態で1画素以下の移させた時のCCDカメラで得られた画像中のｘ軸方向(水動画素と移動量の関係を曲線近似し，各画素毎に異な平)，ｙ軸方向(垂直)に対応する移動画素量である。まる校正曲線を利用して校正を行い，高精度な変位量をた， a, b, c, dは3次関数の係数である。同様にｙ軸方求める方法を提案する。また，この方法では，校正曲向，Z軸方向に移動させた場合は，以下の式となる。

線を利用するため従来のデジタル画像相関法で使用するパターン計測による画像補正を行う必要がない。
0.3
x-axisDigital Image Correlation
methodDigital correlation method

Transferpixel (pixels)

Transfer pixel (pixels)

1

0.2

0.8
0.6
linear

0.4
0.2
0
0

10

20

30

40

50

Displacement (µm)
図1 １画素以内の移動量と移動画素量の関係図

y-axis

0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
-30

-20

-10

0

10

Displacement (µm)
図2 校正曲線の一例

2030

f yx (Y ) = a yx Y 3 + b yx Y 2 + c yx Y + d yx

(5)f yy (Y ) = a yy Y 3 + b yy Y 2 + c yy Y + d yy

(6 )0.09-0.1

f zx (Z ) = a zx Y 3 + b zx Y 2 + c zx Y + d zx
f zy (Z ) = a zy Y 3 + b zy Y 2 + c zy Y + d zy

0.08-0.09

(7 )
(8 )

ここで Y はステージを動かしたときのｙ軸方向の移動量で，f yx (Y ), f yy (Y ) はｙ軸方向に移動させた時の画像

0.07-0.08

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0

0.06-0.07
0.05-0.06
0.04-0.05
S11
S9

0.02-0.03

S7

1

2

中のｘ軸方向(水平)，ｙ軸方向(垂直)の移動画素量で3

0.01-0.02

S5
4

5

6

ある。また，Zはステージを動かしたときのｚ軸方向の

70.03-0.04

0-0.01

S3
8

9

10 11

(mm)

S1

移動量で，f zx (Z )， f zy (Z ) はｚ軸方向に移動させた時(a)の画像中のｘ軸方向(水平)，ｙ軸方向(垂直)の移動画X軸方向素量である。実際に試料が変形し，計測・解析して得られた移動画素量の結果をx cam ，y cam とすると次式が得られる。

x cam = f xx ( X ) + f yx (Y ) + f zx (Z )y cam = f xy ( X ) + f yy (Y ) + f zy (Z )0.09-0.1
0.08-0.09

(9 )
(10 )

さらに，カメラ2で同様の操作を行い，試料が変形し，得られた移動画素量をx cam2 ,y cam2 とすると次式となる。

xcam2 = f xx 2 ( X ) + f yx 2 (Y ) + f zx 2 (Z )0.07-0.08

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0

1

0.06-0.07
0.05-0.06
0.04-0.05
S11

S7
2

3

(11)

y cam2 = f xy 2 ( X ) + f yy 2 (Y ) + f zy 2 (Z )0.01-0.02

S5
4

5

6

7

0.03-0.04
0.02-0.03

S9

0-0.01

S3
8

9

10

S1
11

(12 )
(b)

Y軸方向

これら (7)-(10)の連 立非 線 形方程 式よ り 変位量X,Y,Z
を求めることができる。方程式の解法にはニュートン・ラフソン法を用いた。

0.09-0.1
0.08-0.09

3 結果と考察
図3に計測精度を検証するために3次元的に移動させた測定物の移動量を計測・解析した結果を示す。図中の数字の単位はmmである。(a)はｘ軸方向，(b)はｙ軸方向，(c)はｚ軸方向の結果である。移動量はｘ軸，ｙ軸，ｚ軸方向にそれぞれ約0.045,0.055,0.065mmである。
解析した結果より得られた平均移動量はｘ軸，ｙ軸，

0.07-0.08

0.1
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0

1

0.06-0.07
0.05-0.06
0.04-0.05
S11
S9
S7
2

3

S5
4

5

6

7

0.03-0.04
0.02-0.03
0.01-0.02
0-0.01

S3
8

9

10

S1
11

ｚ軸方向で，それぞれ約0.047,0.056,0.067mmである。
実際の値との差はそれぞれ0.002,0.001,0.002mmと良

(c)

Z軸方向

い結果が得られている。また，計測範囲内での最大と最小値の差はそれぞれ，0.007,0.003,0.008mmとなっており，実際の値からの最大差は画素量に換算する

図3 3次元的に移動させた条件での計測結果

と最大で約0.05画素程度で，計測精度は0.05画素以上であると考えられる。

0.16-0.18

図4にヒータブロックを200度までの昇温させた時

0.14-0.16の計測結果を示す。(a)は昇温後60秒後，(b)は昇温後
360秒後，(c)は870秒後の結果である。また，計測時の温度は(a),(b),(c)，それそれ約30度，約150度，約200度(a)である。図中の数字の単位はmmである。(a)で見られるように昇温初期にはヒータブロックの中心が凹状に変形する様子が観察された。これは解析の結果と一致する。(b)，(c)での平均変形量はそれぞれ約0.1mm，0.12-0.14
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
1

0.1-0.12
0.08-0.1
0.06-0.08
S11

0.04-0.06

S9
0.02-0.04

S7

0-0.02S5

3
50.15mmである。変形の様子は温度が上昇するにつれ手

-0-0

S3

7
9

S1

前側が大きく変形し，最終段階では鞍状の変形が起こ

(mm)

11

っている様子が観察された。これはヒータブロックの(a)

昇温60秒後固定条件の影響を受けた結果であると考えられる。このようにデジタル画像相関法を利用することで高温に0.16-0.18

なる対象物でも変形計測が可能であることが確かめら

0.14-0.16

れた。
0.12-0.14

0.18

4 まとめ

温度上昇による面外変位分布計測を目的としてデジタル画像相関法を利用した3次元変形計測装置を試作し，ヒータブロックの熱変形挙動計測を行った。計測の結果，温度上昇による変形を計測できることが確かめら

0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
1

0.1-0.12

0.08-0.1

0.06-0.08

S11

0.04-0.06

S9
0.02-0.04

S7
2

3

0-0.02S54れた。今後は更なる高温条件での計測や他の測定対象

5

6

7

物の計測を検討する。

(b)

5 参考文献

-0-0

S3
8

9

10

S1
11

昇温360秒後

1)Z.H.He，M.A.Sutton，W.F.Ranson, and W.H.Peters：Exp.Mech.，24，p.117(1984)

0.16-0.18

0.14-0.16

2)A.Kato and H.Wate： Proc.APCFS & ATEM'01，p.840

0.1-0.12

0.08-0.1

0.06-0.08

S11

0.04-0.06

S9
S7

1

S5

0.02-0.04

0-0.02

5

S3

-0-0

11

9

7

3)M.Uchino：Proc.ATEM'03，(2003)，CD̲OS01W0200.

0.12-0.14

0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
3

(2001)(c)

S1

昇温870秒後

図4 ヒータブロックの200度までの昇温計測の結果

ひずみ分布計測システムによる鋳造アルミ合金の特性評価
春山繁之 *1

内野正和 *1

貝田博英 *1

Verification of the Material Property for Aluminium Casting Alloy using Strain
distribution measurement system
Shigeyuki Haruyama, Masakazu Uchino, Hirohide Kaida
鋳造材の信頼性の高い機械的特性の評価を行うためには，欠陥の影響を考慮することが可能な全視野的，かつ局
所的なひずみ計測方法を用いることが有効であることから，デジタル画像相関法により，アルミ合金に関する局所
ひずみの影響について評価検討を試みた。その結果，解析時の画素移動量を所定の範囲に設定することにより精度の高い変位計測が可能となり，本計測条件を用いることにより鋳造アルミ合金の内部欠陥が試験片の表面ひずみに影響を与えることを確認した。

1 はじめに台のカメラから同時に2000×2000画素の画像を取り込

複雑形状を低コストで大量生産できるという利点かむこと出来るようになっており，一定間隔で8ビットのら，鋳物が広く利用されている。しかし，鋳物は，型

デジタル画像を連続的にパソコンのハードディスクにに溶けた金属を流し込むという製造方法から，凝固収記録することが出来る。また，任意の部位を指定して縮による巣と呼ばれる空洞や，ノロと呼ばれる酸化物，取り込むことも出来る。

およびライニング材との反応によって生じるカス等が，内部に欠陥として存在する可能性がある。鋳造材はこれら欠陥の影響 1) により，同一材料・形状でも一様な変形をしないことがあり，内部の欠陥の分布状況も製造状態のわずかな違いから異なってくる。このことから，鋳造材の信頼性の高い機械的特性の評価を行うた
めには，欠陥の影響を考慮することが可能な全視野的，かつ局所的なひずみ計測方法を用いることが有効であることから，デジタル画像相関法 2) により，アルミ合金に関する局所ひずみの影響について評価検討を行う。
図1

画像取り込みソフトウエア画面

図2

画像解析ソフトウェア画面

2 計測に用いたひずみ分布計測システムの特徴
1)局所的な材料特性評価が可能
2)計測部位・範囲を任意に設定できる
3)計測部位全体のひずみ(公称・真)の計測ができ，コンター図として表示できる
4)任意部位，部位間の変位，ひずみが計測できる
5)複雑な画面操作を極力排除した，ユーザーフレン
ドリーなグラフィカルユーザインターフェイス

2-1 計測方法
本計測システムは，図1に示す画像取り込みソフトウ
ェアで画像の記録を行う。このソフトウェアは1度に2*1 機械電子研究所

図1のソフトウェアで画像を取り込んだ後，図2に示す画像解析ソフトウェアに画像を読み込ませる。図2
では既に数枚の画像を読み込んでいる。基本的な操作は，全て画面下に配置されているボタンから行うことが出来るようになっている。
試験片上のメッシュの領域は解析領域であり，試験片の解析したい部分をドラッグすることによって，任

図3

引張試験片

意に設定できる。解析開始ボタンを押すことにより，設定したメッシュの交点に位置する画素全てにおいて，移動量の計算が行われる。計算終了後，AVS出力ボタンを押すことにより，MicroAVS(株式会社ケイ・ジー・テ
ィー社製)形式に計算結果を出力することが出来る。さらに，メッシュ領域内の任意の2点をクリックすること

図4

ひずみゲージを貼った試験片によって，その2点間距離を評点間距離とした場合の変位量，公称ひずみ，そして真ひずみを出力することも

2-2-2 計測状条件の検討結果可能である。また，このソフトウェアでは，取り込み

図5にひずみゲージおよびひずみ分布計測システム

ソフトウェアで取り込んだ画像を，任意の枚数で飛ばにより求めた応力とひずみの関係をそれぞれ示す。まして読み込むことが可能である。さらに画像のキャリた図6にひずみ分布計測システムでの変形計測の解析

ビレーションを行うための機能として，拡大ウインドの様子を示す。図から分かるように試験片の変形状態

ウを使用することにより，正確なピクセル長さに対応した解析が行われていることが確認できる。

(pixel/mm)を簡易に計測できる。本計測システムを用
450
400て検討を行い，その計測条件を用いて鋳造アルミ合金

350の表面ひずみ分布計測を行った。
2-2 アルミ合金材の歪み計測条件の検討

Stress (MPa)

いてまず初めに，アルミ合金材の歪み計測条件につい

300
250
200
150

アルミ合金材の変形を計測するため，各種計測条件

100を変化させた結果とひずみゲージを貼った試験片によ

500る引張試験の結果との計測結果を比較することによりアルミ合金を計測するための条件の検討を行った。

00.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09
Strain2-2-1 供試材

図50.1

応力ひずみ線図

試験片には，変形時の絞りによるひずみゲージの剥離の影響を極力排除するために，ひずみの分布が比較的平均的な展伸材アルミ合金A2017材 3) を用いた。図3に試験片形状を示す。また，材料の機械的性質を求めるため，図4に示すように試験片にひずみゲージを張引
張試験により応力―ひずみの関係を求めた。また，同時にひずみ分布計測システムにより試験片の変形の様

図6

計測システムによる変形解析の様子

子を，2(frame/sec)の条件で計測した。
3 鋳造材の表面ひずみ分布計測実験
前節で用いた歪み計測条件と同一な条件により鋳造
アルミ合金の表面ひずみ分布計測を行った。その際，内部欠陥が表面のひずみ分布にどのような影響を与え

るかについて検討を行った。
3-1 実験方法
供試材には，自動車用鋳造材料として多く使用されている(株)日立金属製のAC4CH材を用いた。また，供試材は内部欠陥が発生しやすい条件で鋳造を行った。また，内部欠陥の確認には，(株)テスコ製マイクロフォ
図9ーカスX線CT装置(HMX225-ACTIS+3)を用いた。

計測実験

CT装置から得られた試験片断面のスライス画像を，(株)レキシー製三次元再構築ソフトウェアを用いて3D

3-2 実験結果化した試験片内部の様子を図7に示す。画像は試験片の図10に，ビデオ伸び計から得られた公称応力―公称

平行部のみを3D化したものでる。欠陥を見やすくする

ひずみ線図と計測システムより得られた結果を示す。

ために，試験片のひとつの表面を切り落として三次元

計測システムの計測結果とビデオ変位計の計測結果は再構築させたもので，コの字型の部分が試験片の表面ほぼ一致している。解析によって得られたひずみ分布をあらわし，その内部にある塊がボイドを示している。

のコンター図を，図11(D)〜(G)まで時系列的に示す。

この画像から，試験片内部に大小様々な大きさの欠陥

コンター図は，図下から上部にかけてひずみが大きいが存在していることがわかる。

ことを示しており，最大の箇所は10%のひずみが計測されていることを示している。
厚さ方向
300

図7

試験片の内部欠陥の様子

また，欠陥の分布を平面的に観察できるように三面Stress (MPa)

250

F

E

G

200

D

150
100

Displacement meter

50

DICM λ=12.6(Pixel/Frame)

0
0

0.01

0.02

図にしたものを図8に示す。
図 10

図8

0.03

0.04

0.05

Strain応力ひずみ線図(鋳造材)

試験片の内部欠陥の様子(三面図)

本試験片を用いて引張試験を行い，試験片の変形の様子をひずみ分布計測システムにより2(frame/sec)の

D
図 11

E

F

G

ひずみコンター図(引張試験)

撮影条件で記録し解析を行った。その際同時に，ビデ
オ変位計により評点間の伸びの記録も行った。その後，次に，このコンター図と前述の欠陥の分布を図12に引張試験後の内部の変形の様子を確認するため，引張それぞれ示す。この図から，大きな欠陥が密集してい実験は2.3%まで引張，その後除荷し，再び試験片内部る位置と，局所的にひずみが大きくなっているところの様子をX線CT装置により観察した。実験装置の様子をが対応しているのがわかる。

図9に示す。

の検討，ならびに，鋳造材の局所的な材料特性評価を行い，次のような成果が得られた。
(1)画素移動量を所定の範囲に設定することにより，精度の高い変位計測が可能である。
(2)所定の計測条件を基に，鋳造材のひずみ分布計測を行うことにより，内部欠陥が表面ひずみに与える影響を評価することが可能である。

5 参考文献1)春山繁之，上西研，貝田博英，小川俊文，関根務：
図12

内部欠陥とひずみコンター図

日 本 機 械 学 会 論 文 集 (A 編 ) ， Vol.70 ， No.690 ，p.82(2004)

図13(a)(b)に引張試験前後のひずみ集中部の内部欠陥の変化の様子を拡大したものと，その部位のひずみ
コンター図13(c)に示す。同図から，欠陥の体積が引張試験前から後にかけて大きくなっており，表面に向かって欠陥が拡大していることも確認できる。これは，大きい欠陥の密集した箇所で応力集中が起き，局所的な変形が起こったためと考えられ，このひずみが本計測システムにより，局所的なひずみとして計測されたと考えられる。以上のことから，表面ひずみの計測により，鋳造欠陥の影響による局所ひずみの変化の評価が可能であると考えられる。
1mm(a)引張試験前(b)引張試験後(c)ひずみコンター図
図13

ひずみ集中部の内部欠陥の変化とコンター図

4 まとめ
本研究では，デジタル画像相関法を用いたひずみ分
布計測システムを用いて，鋳造アルミ合金の計測条件

2)梅崎栄作：日本実験力学会誌，Vol.3，No.2，p.53(2003)
3)http://210.225.184.19/alumi/AL00S0001.cfm

大気導入型マイクロ波減圧乾燥技術に関する研究開発
林伊久 *1

鶴田隆治 *2

谷川洋文 *2

Development of Microwave Drying under Reduced Pressure Condition
by Irradiation Control and External Air Supply
Tadahisa Hayashi, Takaharu Tsuruta, Hirofumi Tanigawa*2
海産物等の乾燥は，主に温風乾燥が使用されている。しかし未だに乾燥時間が長く，割れや変色等の技術課題が多い。そこで本研究は，マイクロ波減圧乾燥をもとにした海産物等の効率的な乾燥技術の開発を目的に行った。本
年度は，新しい乾燥技術の開発のために海産物等の温風乾燥での乾燥時間の長時間化などの原因を熱・物質伝達機
構および乾燥時の海産物内部の水分移動状態を調べることにより究明した。実験により，乾燥時間の長時間化の原
因は，物質伝達に関する2つの内部抵抗がもたらす表面への水分移動の抑制によるものであることを確認した。また，2つの内部抵抗を抑制できれば，乾燥技術の高度化の達成が可能となるため，今後，本年度の成果をマイクロ波減圧
乾燥に反映させ乾燥時間の短縮を行う。本稿では，乾燥時間の長時間化の原因について報告する。

1 はじめに2 研究，実験方法

現在，ホタテ貝柱や海苔等の海産物の乾燥方式とし

2-1 実験装置ては，主に温風乾燥が用いられている。バッチ式が多実験装置は，図1に示すように温風発生機，整流器とく，一度に100〜300kgを乾燥させるが，乾燥物の品質

乾燥室の3つの装置で構成されている。温風は，温風発改善などのために温風温度を40〜60℃程度に抑えて運生器で乾燥室入口の温風温度と流速を一定に制御し，転されており，乾燥時間もかなり長い上に，変色や割整流器により整流されて乾燥室に流入する。乾燥室は，れなどによる歩留まりが悪いなど，未だに多くの技術

幅350mm，高さ300mm，長さ800mmのダクト状の透明な容課題を抱えている。また，現状の温風乾燥機の設計で器であり，中央部に棚を3段設けている。棚1段あたり

は，海産物内部の乾燥機構を充分に考慮しているとはの流路形状は，図1に示すように幅350mm，高さ75mm，言えず，入熱の約50%以上が排出される場合もある。従長さ800mmの矩形流路となる。また，棚には4×4のメッって，エネルギー効率の面からも温風乾燥の技術課題

シュ状の網を使用した。

を改善する必要がある。これまで，魚肉の乾燥速度 1)や乾燥法 2) 等に関する研究はあるものの，海産物内部の乾燥機構に着目した研究

3,4)は少ないようである。

ホタテ貝柱 模擬試料
流れ方向
800

本研究では，温風乾燥時の海産物の熱・物質伝達を調べることにより，その乾燥機構を明らかにし，乾燥速度やエネルギー効率の低下等の原因を究明することを目的とした。具体的には，海産物としてホタテ貝柱を使用した温風乾燥実験を行い，乾燥特性を把握するとともに各乾燥過程におけるホタテ貝柱内部の含水率

温風発生機 整流器

図1

乾燥室

実験装置

分布測定および細胞組織の観察を行って実験的にその温風乾燥機構を調べた。また，実験で得られたデータ

被乾燥物は，棚1段あたりに9行×21列の千鳥配置とをもとに近似的解析を行い，温風乾燥機構を検証した。

した。このとき，被乾燥物相互の間隔は76mmとなる。
なお，入口より約650mmの16列までは，ホタテ貝柱を模擬した円筒形樹脂(平均径：20mm，平均高さ：20mm)を*1 機械電子研究所*2 九州工業大学

配置し，後方の17列目以降にホタテ貝柱9個(平均径36.12mm，平均高さ18.5mm，平均質量：23.78g)を円筒

形樹脂とともに配置した。ホタテ貝柱は，冷凍された心温度が，全乾燥過程においてほぼ等しく，ホタテ貝

ものを解凍して使用した。

柱内部の熱抵抗が無視できるほど小さいことが確認で2-2 実験方法

きる。また，乾燥開始直後から貝柱の温度が温風温度

温風乾燥実験は，温風温度を40℃，流速を3.3m/sに付近まで上昇していることから，予熱期間および恒率

固定して行った。測定するホタテ貝柱は，棚1段当たり乾燥期間がかなり短く，早期に減率乾燥期間が始まっ9個であり，棚3段で合計21個である。実験では，乾燥ていると考えられる。

開始から1時間おきにホタテ貝柱21個の平均含水率と3を用いて測定した。乾燥前のホタテ貝柱の重量を Ｍ ａ

った後のホタテ貝柱の質量を Ｍ ｂ とした場合，含水率
ωは，式(1)のように求められる。
ω =

40

2.5

35

表面温度
中央温度
含水率

2

30

1.5

温度 (oC)とし，乾燥温度80℃，乾燥時間24時間で完全乾燥を行

含水率 (g/g-dry)

平均蒸発速度を測定した。含水率は，常圧加熱乾燥法

25

Ma − Mb
Mb

1

(1)

0

1

2

3

4

5

6

7

20

時間 (hour)

ホタテ貝柱の温度は，表面と中心温度を測定した。
温度測定には，棚2段目の5行17列目のホタテ貝柱を用

図3

温風乾燥時の温度と含水率いた。さらに温風乾燥過程における内部の水分移動を調べるためにホタテ貝柱の含水率分布と断面の組織観

さらに図4に示す乾燥特性曲線から，ホタテ貝柱の減察を行った。含水率分布は，図2に示すようにホタテ貝

率乾燥期間では，含水率が約2(乾燥開始後約90分)を境

柱の中央部を縦方向に2mm角として10等分し，各試料のに，減率乾燥第1段と減率乾燥第2段とに分かれる特徴

含水率を測定した。

を持つことようである。この減率乾燥第1段と減率乾燥
第2段とを比較すると，減率第2段では蒸発速度が最大で約80%低下している。この蒸発速度が急激に低下する要因について，ホタテ貝柱内の含水率分布とホタテ貝
柱の細胞組織写真を用いて検討を行った。

図2

ホタテ貝柱内部含水率分布試験

その測定は，温風乾燥試験と同様に常圧加熱乾燥法

蒸発速度 (g/min)

0.1
0.08
0.06
0.04
0.02

を用いた。含水率分布測定は6回行い，その平均値を1
試料の含水率とした。また，乾燥時間は，乾燥前，乾

0
1.2

1.4

1.8

2

2.2

2.4

2.6

含水率 (g/g-dry)

燥開始2時間後，4時間後，8時間後の4ケースとした。
ホタテ貝柱の組織観察は，乾燥前と乾燥開始2時間後の

1.6

図4

乾燥特性曲線ホタテ貝柱について行い，表面近傍と内部組織の乾燥による形態変化を観察した。

図5は，ホタテ貝柱の中央部分の含水率分布である。横軸は，縦方向位置を示す番号で，1と10が貝柱の3 結果と考察上下の表面である。乾燥開始から2時間後に貝柱の温度

3-1 温風乾燥機構

上昇に伴って表面近傍の含水率が急激に低下する反面，

図3にホタテ貝柱の含水率と表面温度および中心温内部の含水率が初期含水率よりも多くなっていること

度の過渡変化を示す。図3からホタテ貝柱の表面及び中がわかる。この現象は，図6,7に示す断面写真から2つのことに起因していることがわかる。その1つは，ホタテ貝柱近傍に生じる組織変性である。表面からの乾燥

3-2 乾燥機構の検討
この二つの抵抗を最も簡単なモデルにより検証する。

によって表面被膜のような組織変性が生じ，この皮膜の熱・物質伝達モデルは，集中定数系として取り扱いが蒸発乾燥を抑制する作用を持つものと考えられる。

を仮定すれば，次式に表すことができる。

この表面部分の顕微鏡写真を示したものが図7である

d[MCscT]

が，乾燥前(図6-a)と乾燥2時間後(図7-a)とを比較すれ

dt

ば，ホタテ貝柱の筋繊維が乾燥によって収縮している

dMとともに，かなり密集し，水分が移動する流路の径が

dt

& Lw
= h( T∞ − T )A− m& = hD ⋅ ρ (W1ω − W1∞ )A
= −m

(2)
(3)

収縮していることがわかる。その結果，外表面への水

ここで， Ｍ はほたて貝柱1個の平均質量[kg]， Ｃ ＳＣ

分移動が抑制され，蒸発速度が低下しているものと思は ホ タ テ 貝 柱 の 比 熱 [J/kg･K]， Ｌ Ｗ は 水 の 蒸 発 潜 熱

われる。もう1点は，ホタテ貝柱内部から表面に移動で[J/kg]，ρは空気の密度[kg/m 3 ]， Ｗ １ ω はホタテ貝柱

きない水分が，温度上昇による細胞内外の浸透圧差の

表面での水分質量分率， Ｗ 1∞ は温風の水分質量分率で上昇によって筋繊維内に流入していることである。図ある。

7-b，図7-cに示したホタテ貝柱中央部の縦・横断面の熱伝達率 ｈ と物質伝達率 Ｋ ｍ に含まれる気流側のホ筋繊維の形状変化から，明らかに細胞内に流入していタテ表面での物質伝達率 ｈ Ｄ は，蒸発実験を行って得ることが確認される。細胞の膨潤は，水分が表面に移られた実験式を用いる。

動するホタテ貝柱内部の経路の

Nu =

hL

Sh =

hDL

を収縮させる。これが，乾燥速度を低下させるもう1つの要因である。

含水率 (g/g-dry)

3.5

0.8

= 0.1552 Re

λ

Pr0.5

0.8

= 0.1552 Re

D

Sc0.5

(4)
(5)

3

ただし，物質伝達においてはホタテ貝柱内の内部抵2.5

抗を考慮しなければ減率乾燥期間を取り扱うことがで2

きない。そこで，乾燥前のホタテ貝柱内部に存在する5
乾燥2時間後ｍｓ と，表面層の乾燥とともに生じる表面層の変質，お乾燥4時間後1
0.5〜6μm程度の微小な水分流路に関する物質移動抵抗 Ｒ

乾燥前

1.5

乾燥8時間後よび細胞内への水の浸透による水分経路の収縮に対す
0

図5

1

2

3

4

5 6 7
配列番号

8

9 10 11

ホタテ柱内部の含水率分布

る物質移動抵抗 Ｒ mc の二つを導入する。つまり，減率
乾燥第1段(乾燥開始約90分まで)においては，ホタテ貝
柱内部の微小な水分流路の影響を考えて
1
Km

=

1
hD

+ Rms

(6)

によってあらわされる通過率 Ｋ ｍ を式(3)の物質伝(6-a)表面縦断面 (6-b)中央縦断面 (6-c)中央横断面
図6 乾燥前のホタテ貝柱細胞組織写真(×400)

達率 ｈ Ｄ に代えて適用し，減率乾燥第2段からは，新たに表面皮膜の影響と温度上昇による浸透圧効果を加味して，次式を適用した。
1
Km

=

1
hD

+ Rms + Rmc(7)

図 8 は ， 両 内 部 抵 抗 の 値 を Ｒ ms =68(s/m) お よ び Ｒ(7-a)表面縦断面 (7-b)中央縦断面 (7-c)中央横断面
図7 乾燥前のホタテ貝柱細胞組織写真(×400)

mc =20(s/m)とした時の温度と含水率の過渡変化を実験と比較して示したものである。両者とも比較的良く一致しており，二つの抵抗 Ｒ ms と Ｒ mc とを考慮する必要があることが確認できる。また逆に，この二つの内部抵抗を抑制できれば，減率乾燥期間の短縮が可能であり，その意味からも生体情報を把握した乾燥法の検討によって乾燥技術の高度化が達成できるものと考えられる。
4

40
35

表面温度
実験
解析

3
2.5

30
25

含水率
実験
解析

2

20

1.5
1

温度 (oC)

含水率 (g/g-dry)

3.5

15
0

1

2

3

4

5

10

時間(hour)
図8モデルと実験の比較

4 まとめ
本研究により以下の知見が得られた。
(1)ホタテ貝柱の温風乾燥では，予熱期間，恒率乾燥期間が短く，乾燥開始後直ちに減率乾燥期間が始まる。
また，ホタテ貝柱の減率乾燥期間には，含水率2を境に減率乾燥第1段と減率乾燥第2段が存在することを確認した。
(2)蒸発速度の低下の要因が，物質伝達に関する2つの内部抵抗がもたらす表面への水分移動の抑制によるものであることを実験的に確認した。1つは，ホタテ貝柱
内部の微小な水分流路による抵抗であり，もう1つは表面近傍に生じる皮膜状の組織変性による抵抗と温度上昇に伴う浸透圧上昇による細胞の膨潤による抵抗である。

5 参考文献1)酒井信：日本食品工業学会誌，Vol.40，p.849(1993)
2)青木秀敏：ケミカルエンジニアリング，Vol.39，p.58，(1994)
3)林 伊 久 ： 機 械 学 会 ， 熱 工 学 コ ン フ ァ レ ン ス2003，
p.509(2003)4)林伊久：機械学会，国際伝熱フォーラム，p.787，(2004)

高性能水分管理システムを搭載した次世代型ゴミ処理機の開発
林伊久 *1

渡辺治 *2山岡守 *2Development of the Next Generation Type Garbage Processing Machine
Equipped with Efficient Moisture Management System
Tadahisa Hayashi, Osamu Watanabe, Mamoru Yamaoka
福岡県工業技術センターと(株)ケミテックとは，平成15年に生ゴミ処理機内の生ゴミの水分測定に関する準備試験に着手し，福岡県工業技術センターが開発した熱流束式水分測定技術を用いれば生ゴミを精度よく測定できる試
験結果を得た。本事業では，この試験結果を基に福岡県工業技術センターが生ゴミ処理機内で流動する生ゴミの水分量を精度良く測定できる水分センサーを開発した。また，(株)ケミテックが，これまでに開発した生ゴミ処理機の運転ノウハウを基に，水分計で測定した水分値により生ゴミを分解する菌を活性化させ，常に生ゴミの安定な処理ができる最適な運転システムを開発した。実機での実証試験でも良好な結果を得たので報告する。

1 はじめに現在，日本国内で販売されている生ゴミ処理機は，微生物による分解で処理するバイオ式と乾燥や焼却で処理す

2 研究，実験方法
2-1 水分センサーについて
2-1-1 水分量測定原理についてる機械式の二つの形式に分かれる。バイオ式生ゴミ処理機

本水分測定 1,2,3) は，被測定物に外部から一定の熱量

は，設備の小型化や燃焼などによるNOx，SOxや二酸化炭を加えると被測定物内部の水分量によって熱が被測定

素等を排出しないことから病院やスーパーへの導入が少し

物内を伝わる速さが微妙に異なる現象を利用して行う。

ずつ進み，全国でバイオ式生ゴミ処理機を製造販売してい具体的には，センサーと被測定物の接触面の温度変化

る企業は，400社にも及んでいる。しかし，微生物を活性化量を測定することにより熱伝達速度を算出し水分量をさせるために必要な1つの因子である生ゴミ内の水分管理求める。

が厳密にできないため，24時間の完全自動化が難しく，人

2-1-2 水分センサーの構造についての目視による半自動運転が現在の主流である。そのため，

水分センサーは，本事業の技術課題である生ゴミ処

微生物の活性化を制御できず，処理不能や過乾燥による

理機内の流動する生ゴミの水分分測定を高精度に行う火災などが生じている。このことが，生ゴミ処理機の普及をため菌床材をセンサーに内蔵させる方式を採用した。

遅らせている大きな技術課題になっている。

水分センサーの構造 4) は，図1に示す様に生ゴミを処

そこで，本事業では，生ゴミ処理機を開発販売し，また理する菌床材をセンサーに内蔵させるキャップと菌床

生ゴミ処理の豊富なノウハウを所有する(株)ケミテックが開材を加熱するヒーター，菌床材の温度を測定する温度発してきた生ゴミ処理技術と福岡県工業技術センター・機素子と菌床材に圧力を一定にかけるバネにより構成さ械電子研究所が開発した熱流束式水分制御技術とを融合れる。水分の測定は，センサー内部に内蔵した菌床材

し，厳密な水分量測定値，生ゴミ内温度と生ゴミ処理機内に生ゴミ処理機内の菌床材の水分を移動させてセンサ

空気量等を基に生ゴミ処理ノウハウに基づいた最適な微生ー内外の水分が飽和した状態で行う。このため生ゴミ物の活性状態を創造できる全自動型の次世代型生ゴミ処

処理機内の生ゴミが攪拌機で流動しても，同じ菌床材

理機の実用化に関する開発を行った。

の接触面を測定することが可能になり高精度な水分測定を実現した。図2は，センサーにより測定した被測定物との接触面の温度の速度変化から水分量を算出する
水分量変換器である。水分センサーの取り付けは，図3に示す様に生ゴミ処理機の側面にセンサーの取り付け*1 機械電子研究所*2 株式会社ケミテック

治具を用いて行った。

物により最適な処理が可能であるが，水分量が，約35%以

キャップ

バネ内蔵

下に減少した場合は，微生物の活性化が低減し処理量が低下する。したがって水分管理システムは，水分量が35%以下に低下しないために図5の様に含水率調整期間を設け，最適な含水率推移パターンと比較しながら温風温度，
流量，攪拌機の回転数を調整することにより最適な水分量

菌床材であるケースAに追従させ微生物の能力を最大限に引き出し短時間の生ゴミ処理を実現した。

図1

生ゴミ処理機用水分センサー
温風ヒーター
水分変換器 制御機

送風機
温風

攪拌機

M

M

水分センサー

生ゴミ処理機

図4 水分管理システムフロー図

図2

水分量変換器生ゴミの含水率
生ゴミ投入
含水率調整期間

ケースB

補正
ケースC

ケースA

補正

センサー設置位置

分解期間
水分増量期

図5

分解期間後
水分減少期

含水率推移パターン

2-3 実験方法について

図3 センサー取り付け座

本実験は，センサー性能試験と実機を使用した実証試験の2つの試験を行った。センサー性能試験は，図6

2-2 生ゴミ処理制御方法についてに示す1kg/dayの生ゴミ処理機を用いて行った。生ゴミ

図4は，水分管理システムのフロー図である。水分管理

処理機内に1kgの菌床材を入れ，約65%程度まで上昇すシステムは，生ゴミ処理機側面に設置されたセンサーと水る時に水を加え，24時間連続運転を行った。水分計は，分量を演算する変換器，測定した水分量をもとに制御を行

1時間おきに自動測定を行い，またJIS法による水分測う制御機と攪拌機，ヒーター，送風機で構成されている。水定値と比較してセンサーの性能を評価した。また，再分管理システムの制御は，高精度に自動計測した生ゴミ内

現性の確認を行うために3回水分量の上昇，下降を繰りの水分量を基に図5に示す様な予め準備しておいた含水返した。次に実証試験は，図7に示す(株)ケミテック製

率推移パターンと照合し，パターンに従って処理槽内の微の20kg/day用生ゴミ処理機を使用して行った。生ゴミ

生物を活性化させる最適な水分量(ケースA)に追従させる

5kgを投入し，1時間毎に生ゴミの水分量を自動測定し，方式である。生ゴミ投入後，生ゴミ処理内の水分量が，上含水率推移パターンに従って水分制御を行った。また，昇する。さらに最大値に達した後，減少する。約35〜55%の

1時間毎にJISによる水分測定法によって測定した水分微生物が活動的である水分量が保たれる状態では，微生量をセンサーにより水分測定値を比較し水分管理シス

70

テムを評価した。

65
60

水分量(%)

生ゴミ処理機

55
50
45
40

水分センサー

水分センサー
JIS

35
30

水分変換器

0

20

40

60

80

100

120

時間(hr)

図6 1kg/day用生ゴミ処理機

図8 センサー性能評価試験結果

55

水分量(%)

50

45
水分センサーJIS40

図720kg/day用生ゴミ処理機

35

0

1

2

3

4

5

時間(hr)
3 結果と考察
図 9 実証試験結果

3-1 センサー評価試験結果
図8は，1kg/day処理生ゴミ処理機を用いた水分センサーの性能評価試験の結果である。

分量が生ゴミ約5kgを投入することにより上昇し，その後，水分量が降下する。水分管理システムは，水分量センサー評価試験では，3回の水分上昇及び降下に随が急激に上昇する際でも±1%の精度で測定しており，時，センサーによる水分量測定が追従している。セン

最大水分量以降は測定した水分量をもとに含水率推移

サー内部の菌床材の水分量を測定することにより生ゴパターンに従って生ゴミの水分量を約52%に維持させ，ミ処理機内の水分量を±1%の精度で測定できることを

約4.5時間後に処理を終了させている。水分計の測定値確認した。また，生ゴミ処理機内の菌床材からセンサと常圧加熱乾燥法(JIS)で測定した水分量の差は±1%ーに内蔵されている菌床材への水分移動が適切に行わ以下であった。処理前と処理後の生ゴミの状態を図10れていることから，本事業で開発したセンサー構造が〜11に示す。

有効性であることも併せて確認した。水分センサーの本実験での処理状態の確認は，目視のみで行った。

測定精度および再現性が目標値を達成していることを

生ゴミ投入後4.5時間経過した生ゴミ処理機内には，図確認して実証試験に移行した。

11に示すように生ゴミが存在せず，すべて処理されている。

3-2 実証試験結果
図9は，開発した水分センサーと水分管理システムを
ケミテック製20kg/day用生ゴミ処理機に搭載して行った実証試験の結果である。最適水分量は，35〜55%である。実証試験では，開始前40%程度であった菌床材の水理システムは，今後，(株)ケミテックの生ゴミ処理機に搭載され販売される予定である。(株)ケミテックは，本システムの搭載により他社でこれまでできなかった
完全自動運転を実現することが可能となり他社との差別化を行うことができる。また，最適な水分，温度と酸素の管理を総合的に自動で行うことができるため，
生ゴミ処理を短時間で行うことが可能となり，省エネ
ルギーを実現できる。さらに，過剰乾燥や過剰水分な
どの異常状態を事前に回避できるため，大幅にメンテ
図10

処理前

ナンス費用を削減することが可能となり，生ゴミ処理機の普及に貢献できる。だだし，本事業では，水分セ
ンサーと水分管理システムの水分の過度変化に関する性能評価試験を実施するために油分を含まない野菜くずで実証試験を行った。今後，いろいろな生ゴミに対応するために生ゴミ内の水分と油分の関係を調査し，水分測定および水分制御に反映していく必要がある。

5 参考文献1)林伊久：資源環境連合会総会地域連携研究発表会，
図11

処理4.5時間後

第8回，p.27(2000)2)上宇都幸一，林伊久：大分大学工学部研究報告，第4 まとめ44号，p.25(2002)

本実験をもとにした開発達成値を表1に示す。含水率
測定範囲とセンサー使用温度に関しては，菌の死滅を避けるため目標値まで実験を実施することが出来なかったが，すべての達成値は，実用化において支障がない値である。含水率測定精度と含水率測定時間に関しては，目標値を達成した。

表1 開発目標値と達成値
No

開発事項

目標値

達成値

1

含水率測定範囲

10〜90%

性能試験時33〜66%
実証試験時40〜52%2

含水率測定精度

±5%

±1%以下

3

含水率測定時間

20秒以下

10秒

4

センサ使用温度

0〜90℃

実証試験0〜40℃

また，本事業で開発した水分測定センサーと水分管
理シ ス テム に より 生 ゴミ 処 理機 内 の菌 を 活性 化 させ5kgの生ゴミ(白菜)を約4.5時間で処理することに成功した。
本事業で開発した生ゴミ処理用水分計および水分管

3)上宇都幸一，林伊久：大分大学工学部研究報告，第45号，p.9(2003)4)林伊久：気象利用研究，第17号，p.26(2004)

鋳物生産工程の物流情報処理システムの検討と試作
増野貢*1

Study and Trial Production of Logistic Management System
for Cast Manufacturing Process
Mitsuki Mashino
多品種少量，短納期，低価格化など厳しい社会要求に直面している中小企業は生産性向上のための支援強化が求められている。そのために重要なのは生産に携わる担当者同士の物流情報共有化である。そこで，製造工程が複雑で共有化の必要性の高い鋳物工場を対象に物流情報処理について検討し，問題解決のための基本システムを試作した。試作システムの生産現場への適用効果を検討した結果，分担作業する各人は工程全体の進捗状況や必要な生産情報を逐次入手することに
よって自らの役割を把握しながら作業できるので，生産効率向上に役立つという見解を得た。

1 はじめに必要な本数の工具を取り出して4台のMCで連続的にワ競争のグローバル化が進む中，中小企業は多品種少ーク加工を繰り返して部品を各々仕上げる生産工程で量，短納期，低価格化に直面している。このような厳ある。システム導入以前は，例えば工具準備用の生産

しい社会状況下，正確・迅速さが求められる生産現場情報を迅速・正確に把握・処理することは困難なので，を支援するツールや情報処理についての研究も報告さ

生産の停滞も多発した。そこで，MC現場において稼働

1)，2)。本研究も支援目的は同じであるが，協／準備一覧状況を反映したパソコンと工具収納庫に設調作業しながら生産に携わる担当者同士の物流情報共置したパソコンをオンライン化して生産情報の共有化

有化に着目し，生産現場の改善に取り組む。

を行った。その結果，分散して分担作業を行う各人はれている

一般に，企業や工場毎に生産形態はそれぞれ異なる
ため，汎用的な生産管理ソフトを特定現場に適合させ集中データベースの中から刻々と変化する生産情報を享受できるようになり，稼働効率が高まった。

ることは困難である。また，専用ソフトウェア開発は，

上記の成果を踏まえて，今回は鋳物生産工場を対象

開発メーカにとって複雑で漠然とした仕様を把握・分に，最近のGUI(Graphical User Interface)やマルチウ

析するのに多大な負担となるため，価格的に折り合わィンドウなど操作性のすぐれたオブジェクト指向言語

ない場合が多々あるようである。一方，現場に精通しやパソコンに標準装備されたLAN(Local Area Network)

た蓄積技術やノウハウを基に自社開発を試みる場合は，などのIT(Information Technology)技術を利用した。

本業ではないため専門技術や人材不足などの点で実現

その際，現場の共通ニーズやユーザインターフェース

困難な場合が多いようである。

も配慮した。

そこで本報告は，情報共有化の問題に直面する上記の中小企業を対象に解決策への参考・手掛かりとなる

2 物流情報処理システムの試作ように物流情報処理基本システムの開発を行った。具

2-1 システム構成

体的には，製造工程が複雑で共有化の必要性が高い割鋳物生産現場に設置されるパソコン同士をLANで繋にその対策が遅れがちな鋳物工場を対象に物流情報処

いで物流情報を共有できるハードウェア環境を実験室

理システムの問題について検討し，実際的な4工程からで構築した(図1参照)。LAN構成はスイッチングハブでなる4生産ラインにおける仕掛品の進捗状況を共有す

パソコン同士をイーサネット接続した標準的なものでるシステムを試作した。

ある。管理パソコン1，2は生産現場の管理事務所を，基盤となる物流処理システムは，過去に開発したマ3)

現場パソコン3は鋳物工場への設置を想定したものでシニングセンター(MC)物流処理システムである 。こある。パソコン1は共有プリンタやプログラム開発ソフのシステムの対象は，多種多数揃えた工具収納庫からトなど装備し，データベース(DB)も同パソコンで一元*1 機械電子研究所的に管理する。パソコン2やパソコン3は，LAN経由でパ

静的DB
動的DB

メモリ

制御プログラム

ＨＤＤ
進捗状況
など

画面
管理事務所

鋳物工場
情報共有化

本

社
ｲﾝﾀｰﾈｯﾄルータ

管理パソコン 1

現 場 パソコン３

ハブ
LAN

生産現場
パソコン２

図1 システム構成

ソコン1のハード／ソフトウェア資源を共有している。

れる(中子がない仕掛品は自動的にスキップ)。この場

パソコン1は受注／発注や生産計画，パソコン3は生産

合，稼動中の仕掛品のみ陽表示することで画面の簡潔

状況把握や必要情報入手などが主な役割で，パソコン2化を図った。また，隠れている待機分を選択すると一は経営戦略や生産管理などを想定している。必要に応覧表示される。さらに，仕掛品プロパティをクリック

じてパソコンは数台増設可能である。生産工場内LANすれば加工図，材質さらに中子の保管場所なども表示と外部の本社などとはインターネット経由でデータ送されるので，各工程／ラインにおいて必要な情報を入受する予定である。

手できる。これらの情報は，LAN経由で，製造現場の各2-2 ソフトウェア

担当者だけでなく，管理部の担当者なども共有可能で生産工場における仕掛品の進捗状況共有プログラムある。

開発に先立ち，得意先と製品からなる基本DB，受注処
理用DBおよび納期検索プログラムなどを試作した。開発言語はVisual Basicを用い，DBも柔軟に構築できる
ように上記の言語を用いて試作した。

3 結果と考察
鋳物生産工程の物流情報処理システム開発のため実験室でLANを構築し，簡便なプログラムを試作した。そ得意先DBは会社名や住所データなどからなり，得意して，現場の作業者を支援するようパソコンのユーザ

先毎の製品DBは品名の他，材質や製造ラインなどから

インターフェースを考慮した。例えば，データ入力・なる。製品受注時には数量や納期などを受注用DBに入修正以外はマウス操作で対応し，誤操作を避けるため力する。管理事務所で処理するこれらのDBは以下の納必要箇所で警告メッセージを促すようにした。

期検索や進捗状況共有プログラムに利用される。

試作したデータベースや納期検索プログラムはすで

事務所では，納期検索画面(図2参照)において製造ラに実用的であるが，進捗状況共有プログラムについて

イン，材質さらに得意先などの納期条件を絞り込むとは検討課題が残る。例えば，簡潔な共有画面のみでは納期順に製品コードが表示される。取り掛かる製品を，不十分な場合，製造ラインにおける全仕掛品の中から例えば進捗状況共有画面(図3参照)の中でスケジュー

特定のものを追跡したり，生産工程における進行調査

ル入力しておくと(図4参照)，この取掛品は生産ラインや工数管理，必要な治工具など詳しい情報提供できるに移行した時点で仕掛品(「会社コード.製品コード」

ような画面を必要に応じて設ける等があげられる。

で表示)として扱われる。

試作システムをカスタマイズして生産現場に適用し小物，中物，大物さらにシェル鋳造という4つの製造た場合，分担作業する各人は，生産工程の進捗状況をライン毎に，中子，造型，鋳込みおよび仕上げという4

把握しながら必要な生産情報を入手できるので，生産つの工程を有する複雑な鋳物製造現場において，各担性向上に役立つものと期待できる。

当者は進捗状況共有画面を参照することによって，仕掛品の所在を把握できる。なお，マウス操作で次工程を選択すると，仕掛品は次工程のデータとして蓄積さ開を考慮してできるだけ新しい環境下で開発すると共に，生産現場の仕様および将来的な展望を考慮しながらカスタマイズする予定である。また，共通的な課題
なので鋳物に限らず他業界への適用についても検討する。

5 謝辞(株)三国工業所のご協力により実際の鋳物生産工程を参考にすることができた。また，鋳物生産工程のソ
図2 納期検索画面

フトウェア開発を行っていた大津山 徹夫技術士からも助言をいただいた。さらに，(財)北九州産業学術推進機構の田上真人氏からはLAN構築に関する経験不足を補うための基本実験環境を，元所属長の竜口康文氏
や現課長の末廣利範氏などからは貴重な情報をそれぞれ提供していただいた。

6 参考文献1) 坂 本 ： 群 馬 県 立 産 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 ，p.36(2003)
2)大高，他2名：茨城県工業技術センター研究報告，
仕 掛 品 ： 会 社 ｺｰﾄﾞ.製 品 ｺｰ

図3 進捗状況共有画面

p.11(2004)
3)増野，田上：昭和61年度福岡県北九州工業試験場研究報告，p.1(1987)

図4 スケジュール入力画面

4 おわりに
中小企業向き鋳物生産工程の基盤的な物流情報処理について検討し，生産工程の進捗状況共有システムを試作した。システム構成やプログラムは，かなり古い
現有の環境で開発した。今後は，将来のサポートや展内部アクティブ磁気シールドシステム開発のための磁界解析
古賀文隆 *1

竹内信次郎 *2

Magnetic Field Analysis for Development of Magnetic Shield System
Using Inside Compensation Coils
Fumitaka Koga, Shinjiro Takeuchi
低コスト，省資源で高性能な磁気シールドシステムを実現する手法として，磁気シールドルームの内部または外部に補償コイルを付帯させ，動的に侵入磁界を補償する方法があげられる。前者は後者に比べコイルに流す電流を小さくでき，また補償コイルが新たな磁気ノイズ源になりにくい等の利点が見込まれる。このことを実証するため
数値解析及び実験を行い，補償に要する電流に関して前者は後者の1/100，磁気シールドルーム外部で観測される磁界(磁気ノイズ)に関して前者は後者の約1/30000と，いずれも極めて有利であることがわかった。

1 はじめに病院に設置されているMRI装置や，脳磁図・心磁図等(磁気ノイズ)に関しては約1/30000と，大きく優れてい
ることが確認された。

の極微弱な生体磁気を計測する磁気計測システムでは，電車の通行等によって生じる変動磁界の影響を受けや

2 内部アクティブ磁気シールドシステム

すく，診断画像に歪みが生じて画像解析精度が悪くな

図1に内部アクティブ磁気シールドシステムの概略

る。また，電子顕微鏡やEB(電子ビーム)描画装置でも図を示す。MSR内部に補償コイルと磁界センサを配置す

同様に悪影響を受ける。そのためこれらの悪影響を除ることを特徴とする。MSRに侵入する磁界を磁気センサ

去するには磁気的に遮蔽された空間(磁気シールドル

で測定し，測定値に基づいた電流を補償コイルに流しーム，以下MSRと略す)が必要となる。しかし，シールて打ち消し磁界を発生させ，能動的にキャンセルする

ド性能を上げるためにパーマロイ等の磁性材料を多量ことで低磁界の空間を形成する。図1では磁界のz成分に用いて多層化するのみでは，重量，コストや省資源のみを打ち消す1組の補償コイルしか描いていないが，化の観点から問題がある。そこで，軽量，低コストで実際はx，y，z3成分を補償するために3組のコイルを配高いシールド性能を実現するためにアクティブ磁気シ置する。

ールドシステムの研究が行われている 1-4) 。これは，MSR

なお，MSRに用いる磁性材料の磁化過程に起因するよに付帯させた補償コイルにより，侵入磁界を能動的にうな磁気ノイズが発生する場合に対しては，補償コイ

キャンセルすることでシールド性能を向上させるもの

ルをMSR内部に配置する本方式でなければ補償するこである。この補償コイルは，MSR外部 1-3) または内部 4,5)とはできない。

に配置する方法が提案されている。
補償コイルをMSR内部に配置する内部アクティブ磁気シールドシステムは，補償コイルが新たな磁気ノイ

磁気シールドルーム
磁界センサ

ズ源にならず，またコイルに流す電流が小さいため安
定化が容易で省電力化できる等の利点が期待される。
そこで本稿では，これらの利点を実証すると共にコイ

内部補償コイル

ル配置の設計を行うために数値計算による磁界解析及Zび実験を行った。その結果，補償コイルをMSR外部に配Y
X置する方法に対して，補償に要する電流に関しては制御部

1/100，磁気シールドルーム外部で観測される磁束密度
図1*1 機械電子研究所*2 ユニテック有限会社

内部アクティブ磁気シールドシステムの概略図

3 磁界解析

3-2 周辺環境への磁気ノイズの影響

3-1 内部補償コイルの配置と補償電流

補償コイルから発生する磁界は，MSR外部の周辺環境

表1に示す寸法の2重構造のMSRに関して有限要素法

にとっては磁気ノイズとなる可能性がある。そこで，による数値解析を行い，内部補償を行ったときのMSR

補償コイルから発生する磁界が周辺環境へ及ぼす磁気内部の磁束分布として図2に示す結果が得られている的影響について，補償コイルをMSRの内部及び外部に配5)。この図は，Z方向に磁束密度6・Tの一様な磁界を加置した場合の比較を行った。

え，2個のループコイルの間隔を変えて補償を行ったと

3-2-1 磁気シールドケースによる実測

きの，MSRの中心を原点とするZ軸に沿った磁束密度のz

厚さ1mm，1辺0.6mの立方体形状のパーマロイ製磁気成分の変化を示している。コイルに流す電流はMSR中心

シールドケースの内部または外部に補償コイル(2個のでの磁束密度がゼロになるように設定した。図2より，

ループコイル)を配置し，それぞれのコイルに20ATの電コイル間隔をMSRの高さの約1/2である1.05〜1.1mとし流を流したときに，磁気シールドケース外部に発生すたときに低磁界の空間を広範囲に形成できることがわ

る磁界の磁束密度を磁界センサで測定した。補償コイ

かる。このとき補償に要する電流は0.07ATであった。

ルの間隔は，図2または図3を参考にシールドケースの次に，比較のために， MSR外壁から外部方向に50mmスケールを考慮して，内部補償コイルは0.3m間隔，外の空隙を設けて2個のループコイルで構成される補償部補償コイルは0.22mとして配置した。測定は，図4のコイルを配置した場合について同様に計算を行った。

ように磁気シールドケースの中心を原点としたZ軸上

結果を図3に示す。低磁界の空間を広範囲に形成できるにおけるz成分を対象とした。図5に結果を示す。内部のは外部補償コイルを0.8m間隔で配置したときであり，

補償コイルにより発生する磁界は，磁気シールドケー

このとき補償に要する電流は7ATであった。

スにより外部への漏洩が遮蔽され，外部補償コイルか同じ大きさの侵入磁界を打ち消すために，内部補償ら発生する磁界の1/100程度の小さな値となっていた。

コイルで要する電流は外部補償コイルで要する電流の実際には3-1節からわかるように，同レベルの侵入磁界

1/100であった。このことは，内部アクティブ磁気シーを補償するのに要する電流は，内部補償コイルでは外ルドシステムが，補償コイル駆動回路の安定化，低価部補償コイルに比べて1/100と小さいため，周辺環境へ格化や省電力化等の点で外部アクティブ磁気シールド

及ぼす磁気的影響はさらに小さくなる。

システムより有利であることを示している。
補償コイルなし

40

磁気シールドルームの諸元

構
造
外側寸法

：２重
：幅2.304 m

奥行2.504 m 高さ2.304 m

厚さ1.6 mm

内側寸法

：幅2.100 m

奥行2.300 m 高さ2.100 m

厚さ2.0 mm

コイル間隔
0.7m 80
0.8m
0.9m
60
1.1m
1.3m
40
1.5m

20
0
-20

補償コイルあり

-40
40

20

1.7m

110
補償コイルなし

30
20
10

0

コイル間隔 1000.9m
1.0m 90
1.05m
1.1m
80
1.2m

補償コイルあり

1.3m

0

70

Flux density (nT)

Flux density (nT)100
Flux density (nT)

磁気遮蔽材：パーマロイ

Flux density (nT)

表1

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Z

Position (m)図3

外部補償を行ったときのMSR内部の磁束分布

3-2-2 MSRに対する数値解析
有限要素法を用いた数値解析により，内部及び外部

-10

60
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Z

Position (m)

図2

内部補償を行ったときのMSR内部の磁束分布

補償コイルから発生される，MSR外部での磁界の比較を行った。対象としたのは表1に示した2重構造のMSRで，z成分の補償コイルを内部または外部に配置した。3-1
節の結果を基に，内部補償コイルについては1.1m間隔

100

0.8m間隔で7ATの電流を流した状態とし，MSR中心部で10の磁束密度が同じ値になるように設定した。図6にMSR
中心を原点とするZ軸に沿った磁束密度の変化を示す。
横軸はMSR中心からの距離を示しており，1.152m以上がMSR外部である。MSR外部全域において，内部補償コイ
ルから発生する磁界は外部補償コイルから発生する磁Flux density (µT)

で0.07ATの電 流を流 し， 外 部補償 コイ ル につい て は

MSR内部

MSR外部

1
外部コイル
内部コイル

0.1
0.01
0.001
0.000110-5

界の約1/30000と極めて小さな値となっていた。

0

1

2
3
Position (m)45以上のことは，内部アクティブ磁気シールドシステ
ムが周辺環境へ及ぼす磁気ノイズに関しても有利であることを示している。

図 6 補償コイルにより周辺環境発生する磁気ノイズの影響(磁束密度の計算値)
横軸は MSR 中心からの距離

外部補償コイルにより発生する磁界の約1/30000と極4 まとめ
数値計算による磁界解析を行い以下の結論を得た。
1. 補償に要する電流は，内部補償コイルでは外部補償

めて小さく，内部アクティブ磁気シールドシステムは，周辺環境へ及ぼす磁気ノイズに関して有利である。

コイルの1/100でよく，内部アクティブ磁気シールドシ
ステムは駆動回路の安定化，低価格化，省電力化に関5 参考文献して有利である。

1)風見，足立，河合，上原，尾形，賀戸：日本生体磁

2.内部補償コイルによってMSR外部に発生する磁界は気学会誌，Vol.13(No.1)，p.166(2000)
2) 加 藤 ， 山 崎 ， 松 葉 ， 炭 ： 日 本 生 体 磁 気 学 会 誌 ，

補償コイル（磁気シールドケースの内部または外部に配置）
磁気シールドケース

Vol.13(No.1)，p.170(2000)
3)山崎，藤原，栗城，林，平田：電気学会論文誌A，Vol.121(No.12)，p.1085(2001)

磁界センサ4)竹 内 ， 坂井 ， 酒 井 ， 円福 ： 三 島 光 産技 報(No.22),
p.26(2001)

XY5)古賀，竹内，酒井，円福：福岡県工業技術センター

Z

研究報告(No.13)，p.167(2003)

図 4 シールドケース，補償コイルと磁界センサの配置Flux density (µT)

1000
外部補償コイル
内部補償コイル

100
10
1
0.1
0.01
0.4

0.6

0.8
1
Position (m)

1.2

1.4 Z

図 5 補償コイルにより周辺環境発生する磁気ノイズの影響(磁束密度の実測値)
横軸は磁気シールドケース中心からの距離

県育成酒米品種を用いた福岡オリジナル清酒の開発
清酒もろみからのリンゴ酸高生産清酒酵母の分離とこれを用いた低アルコール清酒の試験醸造
大場孝宏 *1

野見山修治 *1

上田京子 *1

黒田理恵子 *1

鈴木正柯 *2

Fukuoka Original Sake Brewing Using the Species Bred in Fukuoka Prefecture.
Isolation of High Malic Acid-Producing Yeast Strain from Sake -mash Obtained from Sake
Breweries and Low Alcohol Sake Brewing Tests Using this Strain.
Takahiro Oba, Shuji Nomiyama, Kyoko Ueda, Rieko Kuroda, and Masae Suzuki
福岡県内酒造メーカーの清酒もろみから分離した314菌株の中からYM-10培地及び麹エキス培地での発酵試験により, 分離株24-2が最も多くリンゴ酸を生産し，対照のK-9に比べ1.7倍量であった。24-2及びK-9を用いた清酒小仕込試験において，醸造適性(炭酸ガス減量，アルコール，酸度，アミノ酸度及びリンゴ酸等の各種有機酸や香気成分の生産能)を調べた。その結果，24-2はK-9より2.2倍のリンゴ酸を生産するとともに，醸造適性にも問題がなかった。さらに，低アルコール清酒の小仕込試験でも，24-2はK-9より2.5倍のリンゴ酸を生産した。24-2を用いて製成した低アルコール清酒は，甘さと酸味のバランスがとれた良い清酒となった。

1 はじめに清酒の消費量は消費者ニーズの多様化や清酒消費者の高齢化等の要因から毎年減少しており，復権への展望が提案されている。その提案の中で，既存の清酒と2 研究，実験方法
2-1 発酵試験によるリンゴ酸高生産性株の選抜採取した清酒もろみを滅菌水により適宜希釈した後，多様化清酒の棲み分けが必要であり，多様化清酒ではYMプレートに塗布し，30℃，3日間培養を行った。生育

今までになかった全く新しい味わいが必要であるとし，してきた株をそれぞれ30mlのYM-10培地に一白金耳接

それを低アルコール清酒に求めている。近年若い年代

種し，20℃，3日間静置培養後，遠心分離を行い，上清層や女性への消費量の拡大を図るためアルコール度数

中の有機酸濃度を測定し, 対照酵母よりリンゴ酸生産が低い“ソフトな”清酒の開発が注目され，一部は商量の多い株を選択した。選抜した株を麹エキス培地(ボ品化されている。

ーメ7)30mlに一白金耳接種し，20℃，10日間培養後，そこで，我々はさわやかな酸味を有するリンゴ酸に遠心分離した上清の有機酸を測定し, 最終的にリンゴ注目し，リンゴ酸を多く含む低アルコール清酒製造に

酸高生産性株を選抜した。

適したリンゴ酸高生産性酵母の取得を行った。リンゴ

2-2 清酒及び低アルコール清酒の小仕込試験

酸は清酒に｢爽やかな｣「 すっきりとした」｢後味の軽い｣
1)

味を与えるとされている 。すでに，リンゴ産高生産
2)

清酒及び低アルコール清酒の小仕込試験について，
仕込配合以外の操作は同様に行った。清酒の小仕込試

性酵母の開発に関しては，相川ら がジメチルコハク

験の仕込配合は総米300g，麹歩合20%，汲水歩合140%

酸感受性株より，また吉田ら 3) がシクロヘキシミド耐で行い，低アルコール清酒の仕込配合は木曽らの低ア性株より分離を行ったことが報告されているが，我々ルコール清酒製造方法を参考にした。

は清酒もろみからリンゴ酸高生産性株を分離することにより行った。この株を用いて木曽らが開発した「低3 結果と考察アルコール清酒製造方法」を参考に清酒を製造した結3-1 発酵試験によるリンゴ酸高生産性株の選抜

果，水っぽさやもの足りなさの欠点を解決し，かつ甘生育した314株をYM-10培地において発酵試験を行い,さと酸味のバランスがとれた低アルコール清酒を製成

対照のK-7及びK-9のリンゴ酸生産量より高いリンゴ酸

することができたので報告する。

生産性を示した24株を選抜した。選抜した24株の麹エ*1 生物食品研究所*2 福岡県酒造組合

キス培地での発酵試験を行った結果，K-9使用もろみから分離された24-2は400µg/ml以上のリンゴ酸生産量であり， K-9に比べ約1.7倍のリンゴ酸生産量がみられた。

表1

K-9及び24-2で製造した低アルコール清酒の成分

3-2 リンゴ酸高生産性株24-2を用いた清酒及び低アルコ

Strains

K-9

24-2

ール清酒の小仕込試験

Alcohol(%)

15.6

15.7

Sake meter

-53

-52

リンゴ酸生産性等を検討した結果，24-2はK-9と同様にAcidity3.8

4.7

泡立性を示し，両株の炭酸ガス減量の経過による発酵

Amino acidity

2.8

2.9

力の差は認められなかった。また製成酒の成分は，T

Glucose(%)

11.0

10.6

両株のアルコール生産能及び日本酒度のきれ具合におMalic acid(µg/ml)

481

1213

いても差はなかった。分離株24-2及びK-9の清酒中のリ

Succinic acid(µg/ml)

705

685

ンゴ酸及び酢酸濃度は，各々849µg/ml，389µg/ml及びLactic acid(µg/ml)

1002

1011

43µg/ml，113µg/mlであり，24-2はK-9に比べリンゴ酸

Citric acid(µg/ml)

95

90

生産量は約2.2倍及び酢酸生産量は0.4倍であり，麹エAcetic acid(µg/ml)

377

160

24-2及びK-9の清酒小仕込試験を行い，醸造特性及びキス培地での有機酸の生産性と同様の傾向となった。
香気成分の生産に関しては，K-9とは差はなかった。

株24-2を分離できた。分離株24-2及びK-9を用いた清酒

さらに24-2及びK-9について，低アルコール清酒の小小仕込試験を行った結果，24-2がK-9に比べて2.2倍の仕込試験を行った。製成酒の成分は表に示す。原酒のリンゴ酸を生産する点以外の差は見られなかった。

日本酒度及びグルコース濃度を見るとかなり甘口の清(2) 分離株24-2及びK-9を用いた低アルコール清酒の酒ができていることがわかる。24-2を用いた清酒中の小仕込試験を行った結果，K-9を用いた清酒はやや甘さ

リンゴ酸及び酢酸濃度は各々1213µg/ml及び160µg/mlが感じられるが，24-2を用いた清酒は，甘さと乳酸がで あ る の に 対 し ， K-9 の リ ン ゴ 酸 及 び 酢 酸 濃 度 は味の中心である従来の低アルコール清酒とは異なり，481µg/ml及び377µg/mlであり，分離株24-2のリンゴ酸

甘さとリンゴ酸に起因する酸味のバランスがとれたジ

生 産 量 及 び 酢 酸 生 産 量 は K-9に 比 べ 各 々 約2.5倍 及 びュース感覚で飲める低アルコール清酒となった。

0.4倍であった。両方の原酒をアルコール度数が12%になるように仕込水で希釈し，専門パネラー8名により官5 参考文献

能検査を行った。その結果24-2使用の清酒はK-9の使用

1)佐藤信ら:醸協，Vol.72,p.801-805 (1977)

清酒に比べて，「爽やかさ」や「サッパリ感」があり，

2)相川元庸ら:発酵工学，Vol.70，p.473-477(1992)

優れているという意見が大半を占めた。その他のコメ

3)吉田清:醸協，Vol.90,p.751-758 (1995)

ントには，以下のようなものがあった。「K-9の清酒はやや甘さが感じられるが，24-2の清酒は甘さと酸味の6 掲載論文バランスがとれている」，「K-9の清酒は従来の低アル

大場孝宏，野見山修治，上田京子，黒田理恵子，鈴木

コール清酒を連想するが，24-2の清酒はジュース感覚

正 柯 ： 日 本 醸 造 学 会 誌 ， Vol.99,

で飲める新しいタイプの清酒である」。

p.878-881(2004)

24-2を用いた清酒は，甘さと乳酸が味の中心である
従来の低アルコール清酒とは異なり，甘さとリンゴ酸に起因する酸味のバランスがとれたジュース感覚で飲める低アルコール清酒となった。

4 まとめ(1)福岡県内酒造メーカーの清酒もろみから分離した菌株のうちでYM-10培地及び麹エキス培地での発酵試
験による選抜を行ったところ, K-9に比べ約1.7倍のリンゴ酸生産量のK-9由来と思われるリンゴ酸高生産性

No.12,

屋外ロボット用力センサの開発
磁気ひずみ効果を利用した力センサに関する基礎検討古賀文隆 *1

末廣利範 *1

Development of Force Sensors for Outdoor Robots
A Basic Study of Force Sensors Based on Magnetostrictive EffectFumitaka Koga, Toshinori Suehiro
力制御を必要とする作業を行うロボットにとって，力センサは不可欠である。特に様々なノイズが存在する屋外においてロボットに用いる力センサには，耐ノイズ性向上のための高感度化や過負荷に対する耐性が求められ，またロボットのメンテナンス作業のための装着及び着脱の容易性が求められる。これらの要求を満たす方策の一つとして，磁気ひずみ効果の利用があげられる。ここでは，この原理に基づきMetglas2605SCアモルファス薄帯と4個の8の字コイルを組み合わせた力センサの試作を行った。本試作センサの感度特性を試験した結果，励磁周波数100 kHz，励磁電流30mAのとき高感度となり，721のゲージ率が得られた。

を有するアモルファス薄帯に重ねて，応力σ x ，σ y が

1 はじめに
屋外で作業を行うバッテリー駆動のロボットでは，加わる方向に対して(a)または(b)のように配置する。

エネルギーの有効利用が課題となる。したがって，マアモルファス薄帯が正の磁気ひずみ定数を持つとする

ニピュレータや把持機構を適切な動力でエネルギー効と，矢印の向きに張力が加わったとき，x方向に一軸磁率良く動作させることが求められるため，力センサが

気異方性K u が誘導され，x方向の透磁率が増加，y方向

不可欠である。また，屋外には電磁波を含めた様々なの透磁率が減少する。その結果，(a)のコイルのインダ

ノイズが存在することから，耐ノイズ性の向上のためクタンスは増加，(b)のコイルのインダクタンスは減少に信号の大幅な増幅が不要な高感度なセンサ素子が要する。このように差動的に変化するコイルのインダク求される。更に，装着容易性のための小形化や，過負タンス変化をブリッジ回路等を構成して検出する。実荷に対する耐性を考慮すると，磁気ひずみ効果を用い際には(a)と(b)のコイルは重ねて使用することができ，て力印加部のひずみ(応力)から力を換算するセンサが小形，省スペース化を図れる。また，(a),(b)それぞれ

有望な候補の一つである。磁気ひずみ効果を利用する
σy

高感度な力またはひずみセンサとして，SIセンサ 1) ，
磁気弾性効果を用いたひずみセンサ 2) ，及び超磁歪薄

σx

σx

3)

膜を用いた力センサ 等がある。しかし，ロボット装Ku

着後のメンテナンス作業の容易性を考慮すると，力印

張力加部に固定する磁気ひずみ材料以外の，コイルや電線類は着脱容易であることが望ましい。そこで，本稿でσy(a)は磁気ひずみ材料に直接通電する必要のない，アモル

σyファス磁気ひずみ薄帯と8の字コイルを重ねた構造の力センサの試作と評価を行った。試作した力センサのσxσx

感度特性を試験した結果，励磁周波数100 kHz，励磁電Ku

流30mAのとき高感度となり,721のゲージ率が得られた。

張力y
2 検出原理 4)
図1に示すような形状の8の字コイルを，磁気ひずみ*1 機械電子研究所

σy

x

(b)
図1

σ x , σ y ：応力
K u：一軸磁気異方性

８の字コイルの配置

2個ずつのコイルを用いると，図2のようにフルブリッがアモルファス薄帯に対向するように，アモルファス

ジを構成することができる。図中，破線で囲まれてい薄帯と0.05mmの空隙を設けて先端部から70mmの位置にる部分が8の字コイルである。応力の印加によってバラ配置した。

ンスが崩れて生じるブリッジ出力電圧Vは同期整流さセンサ出力は，同一アルミ棒上に接着したストレイ

れ，応力の正負に対応した直流電圧に変換される。

ンゲージの出力と比較を行うという方法で評価した。
また，センサ出力は，同期整流器を含む測定系の増幅

3 実験及び結果

率が1となるように換算した。アルミ棒には，図4の左

3-1 力センサの構成と実験方法

側端部を固定し，アモルファス薄帯が接着されている

図3に実験に用いた磁気ヘッドを示す。溝加工を施し右側端部から70mmの位置に±0.392Nmの曲げモーメン

たMn-Znフェライトコアに，2個ずつが同じ配置の計4トが生じるように右側端部に上下方向に力を印加した。

個の8の字コイルを埋め込んだ構造になっている。コイ

0.392Nmの曲げモーメントが加わっているときのアモルの巻き数は各16回である。この4個のコイルで図2にルファス薄帯部でのひずみは約320μεである。

示したフルブリッジを構成した。フルブリッジは，同

3-2 実験結果及び検討

じ配置のコイル(#1と#2または#3と#4)が対角に位置す

まず，磁気ひずみを有するFe基アモルファスである

るように構成されている。同期整流器の同期位相は，Metglas2605SC，2605CO，2825MBの3種類についてセン

センサ出力が最も大きくなるように設定した。

サ出力の比較を行った。2605SCと2605COは2個，2825MB

アモルファス薄帯には電気機械結合係数の大きなFe

は1個の試料を用いた。図5に比較結果を示す。横軸は基を用い，図4に示すアルミニウム製の棒に接着剤で固励磁電流，縦軸はアモルファス薄帯部に±0.392Nmの曲定した。この試料に，図のように磁気ヘッドを磁極面

げモーメントが生じるように力を印加したときのセンサ出力の差である。励磁周波数は100kHzとした。2825MBに比べ，2605SC及び2605COは大きなセンサ出力が得ら

参照信号
#1

#3

同期整流器 センサ
出力電圧

V

E

磁気ヘッド アモルファス薄帯
アルミニウムストレインゲージ
3

#4

0.05

V：ブリッジ出力電圧#215#1〜#4：８の字コイル

図2

30

70

図4

力印加試料の形状

unit:mm

4個の8の字コイルを用いたフルブリッジによる力センサ回路構成
2605SC-1
2605SC-2
2605CO-1
2605CO-2
2825MB-1

#1

埋込

#2
#1〜#4：８の字コイル

#3
#4

Mn-Zn
フェライトコア

6 mm
6 mm
図3

磁気ヘッドの構造

Output voltage (mV)

2500
2000

f = 100 kHz

1500
1000
500
0

0

20
40
60
80
Excitation current (mA)

図5 アモルファス薄帯の種類によるセンサ出力の比較100れた。2605SCと2605COに関しては，2605COの中には若で評価する必要があるため，図6のセンサ出力を印加電

干センサ出力が小さい場合が存在したが，両者の間に圧E で除した値を算出した。図7にその結果を示す。図特に大きな差は見られなかった。そのため，以後，電7より，最も高効率(高感度)にセンサ出力が得られる条気機械結合係数が大きいとされる2605SC 5,6) を採用す

件は，励磁周波数f=100kHz，励磁電流I=30mA，もしくることとした。

はf=200kHz，I=30mAであることがわかった。ゲージ率

次に2605SCについて励磁周波数及び励磁電流を変えをK s ，ひずみをε，ポアソン比をν(アルミニウムではてセンサ出力の比較を行った。図6にその結果を示す。

ν=0.33)とし，ΔZ 1 = K s εZ，ΔZ 2 =K s ενZとして図7

縦軸は図5と同様にアモルファス薄帯部に±0.392Nmのの結果を基にK s を算出すると，f=100kHz，I=30mAのと曲げモーメントが生じるように力を印加したときのセき，K s =721であった。

ンサ出力の差である。励磁周波数を上げるとコイルの図8にf=100kHz，I=30mAのときの入出力特性を示す。

インダクタンスが大きくなるため電流を流すのが困難

原点近傍の比較的線形性の良い領域のみを使うには，になったが，大きなセンサ出力が得られた。

センサ装着部の構造物にある程度の剛性を持たせ，必ここで，力印加により図2のコイル#1，#2のインピー要以上にひずみが生じないようにする必要がある。

ダンスZがΔZ 1 増加し，コイル#3，#4のインピーダンス
Z がΔZ 2 減少したとすると，ブリッジ出力電圧Vは次式となる。
V=∆Z1 + ∆Z2E
2 Z + ∆Z1 − ∆Z2(1)

500 kHz200 kHz100 kHz
50 kHz
20 kHz0.28
0.26

ブリッジ出力電圧Vは印加電圧Eに比例することがわかる。したがって，図6のセンサ出力はブリッジ出力電圧
Vを同期整流した値であるから，高周波ほどセンサ出力が大きくなったのは，同じ励磁電流を流すのに要する

Output voltage / E

ただし，E はブリッジへの印加電圧である。(1)式より，

0.24
0.22
0.2
0.18
0.16

印加電圧Eが大きくなったことが一因となっていると0.14

考察される。そこで，印加される力からセンサ出力へ

0.12の純粋な変換効率を比較するには，ブリッジ出力電圧V

0

20
40
60
80
Excitation current (mA)

100を印加電圧Eで除した値
図7V∆Z1 + ∆Z2=
E 2 Z + ∆Z1 − ∆Z2

ブリッジへの印加電圧で除したセンサ出力(2)500 kHz200 kHz100 kHz
50 kHz
20 kHzOutput voltage (mV)

2500
2000
1500

0.4
0.2
0
-0.2
-0.4

-300 -200 -100 0
Strain500

図6

f = 100 kHz
I = 30 mA

-0.6

1000

0

Output voltage (V)

0.6

-0.4
0

20
40
60
80
Excitation current (mA)
励磁条件によるセンサ出力の比較

100

100 200 300(µ ε )

00.2-0.2
Bending moment (Nm)
図8

入出力特性

0.4

4 まとめ屋外で作業を行うロボットへの搭載に適した，高感度で装着及び着脱が容易な，Metglas2605SCアモルファ
ス薄帯と4個の8の字コイルを組み合わせた力センサの試作を行った。本力センサは，励磁周波数100 kHz，励磁電流30mAのとき高感度となり，721のゲージ率が得られた。

5 参考文献1)L.P.Shen，T.Uchiyama，K.Mohri，E.Kita，K.Bushida：
IEEE Transactions on Magnetics，Vol.33(No.5)，
p.3355(1997)
2)今村，Shin Kwang-Ho，石山，井上，荒井：電気学会
マ グ ネ テ ィ ッ ク ス 研 究 会 資 料 ， MAG-00-191， p.21
(2000)
3)脇若，山田，渡辺，梅本，清宮，牧村：日本応用磁気学会誌，Vol.26(No.4)，p.543(2002)4)I.Sasada，F.Koga：IEEE Transactions on Magnetics，Vol.MAG-29(No.6)，p.3186(1993)
5)C.Modzelewski ， H.T.Savage ， L.T.Kabacoff ，A.E.Clark ： IEEE Transactions on Magnetics ，Vol.MAG-17(No.6)，p.2837(1981)
6)井上：日本応用磁気学会誌，Vol.27(No.6)，p.748(2003)

ICタグを利用した調剤過誤を防止する薬剤自動ピッキング装置の開発
西村圭一 *1

末廣利範 *1

奥村克博 *1

中村行延 *2

大場光太郎 *3

Development of Medicine Picking System to Prevent
Error of Prescription Pharmacy Using IC Tag
Keiichi Nishimura, Toshinori Suehiro, Katsuhiro Okumura, Yukinobu Nakamura, Kohtaro Ohba
全国の保険薬局では，急速に進む医薬分業による取り扱い薬品の増加や深刻化する薬剤師不足問題等を背景に調剤過誤発生の危険性が高まっている。本研究では保険薬局における調剤過誤の防止を主な目的とし，調剤業務を薬事法に抵触しない程度に半自動化することで薬剤師の負担を軽減するだけでなく，現在保険薬局で行われている調剤業務を幅広く支援するような薬剤自動ピッキング装置を開発して稼働試験を行い，試作したシステムの有効性について検討を行った。

2 研究方法

1 はじめに現在，保険薬局等においては医療機関から発行され

2-1 トレーシステムの開発

る処方せんに基づいて薬剤師が調剤を行っているが，図1に示すトレーシステムは，処方せんに記載された

その調剤作業は目視確認による手作業によって行われ薬剤情報がコントローラ(システム制御用コンピューている場合が多く，薬剤師にとってはその責任の大きタ)に送信されると稼働し，トレーストッカーから取りさ故に負担を強いられる作業であると言える。

出したトレーをコンベアによってX-Y-Zキャリッジに1)

近年，調剤過誤 が社会問題としてマスコミ等で大設置されたトレーホルダーへ，またピッキング終了時

きく取り上げられていることから，保険薬局等ではそはトレー取り出し口へ運ぶためのシステムである。この対策が急務となっている。しかし，保険薬局におけこで，トレーストッカーの最大トレー積層数は10個でる調剤過誤発生の危険性は年々高まってきているのがあり，コンベア速度は10m/minである。

現状である。その背景には，保険薬局におけるリスク増大要因である医薬分業 2) の急速な進展や深刻な薬剤

2-2 薬袋発行システムの開発

師不足等がある。一方，薬剤師には患者に対する服薬薬袋発行システムは，医療機関から発行された処方指導や薬歴管理等が要求されているが，調剤作業に追せんに記載された薬品のデータがレセコン(レセプト

われてこれらの業務に専念できないという現実もまたコンピュータ)と呼ばれる医療会計システムからコン問題となっている。

トローラに送信されると，図2中の適切なサイズの薬袋

本研究では，ICタグ 3) を用いて薬剤情報等の管理をに処方薬の服用法や患者情報等の必要事項を印刷して行い，かつ調剤業務を薬事法に抵触しない程度に半自発行するものである。この薬袋は次節で述べるX-Y-Z

動化することによって薬剤師の人為的なミスを極力排キャリッジによって薬袋発行プリンタ前まで運ばれた除しつつ，薬剤師が本来時間をかけて行うべき服薬指トレー内に投入される。

導や薬歴管理等に専念できるような薬剤自動ピッキン
グ装置を開発して稼働試験を行い，試作システムの有効性を検証した。

図1*1 機械電子研究所*2 (株)Ｗｉｎｄｙ*3 (独)産業技術総合研究所

トレーシステム

図2

薬袋(4 種)

2-3 ピッキング装置の開発
2-3-1 X-Y-Zキャリッジ
図3に示すX-Y-Zキャリッジは，トレーシステムによってトレーホルダーにトレーがセットされると，ピッキングのために薬袋排出部から薬棚を経由(X-Y方向)
して薬剤BOX(Z方向)へ移動する。そして，ピッキング(a)端数シート

完了後は初期位置まで移動し，次のピッキング指令を

図5(b)チャックユニット

端数シートピッキング

受けるまで待機する。
2-3-3 ICタグリーダライタ
本システムにおいては，図6に示すICタグリーダライ
タを吸着ヘッドの上面に設置し，ICタグを次節で説明する薬剤BOXの上面(天井)に貼付する。したがって，ピッキングが開始され，X-Y-Zキャリッジが薬棚の正面に(a) X-Y方向
図3(b) Z方向

移動し，吸着ヘッドが薬剤BOX内部に進入すると，リー

X-Y-Zキャリッジ

ダライタのアンテナ部はICタグとの通信可能範囲内に入るため，吸着ヘッドは一時停止してICタグのデータ

2-3-2 各種ピッキングヘッド

を書き換え，その後で完全シートのピッキングを行う。

まず，本研究では図4(a)のように，医薬品における

ここで，それぞれのICタグには薬品名，薬剤の残数，

錠剤シート(カプセルを含む)において，錠剤が全く切メーカー名，問屋名，ロット番号，有効期限等の情報

り離されていないものを完全シートと呼び，その完全を記憶させ，コントローラにおいてもその情報の管理

シートのピッキングを行うための専用ヘッドとして，を行う。表1に，ICタグおよびそのリーダライタに関す

図4(b)に示す吸着ヘッドを開発した。この吸着ヘッド

る主な仕様を示す。

を用いたエアー吸引によって完全シートのピッキングを行う。また，次項で詳しく説明するが，この吸着ヘッドの上面にはICタグのリーダライタが設置されてい
る。

図6

表1
(a)完全シート
図4(b)吸着ヘッド完全シートピッキング

ICタグリーダライタ

RFタグおよびR/Wモジュール仕様キ ャ リ ア 周 波 数

13.56 MHz ± 7 KHz

デ ー タ 通 信 レ ー ト

106 Kbps（送受信）

イ ン タ フ ェ ー ス

25 mm × 70 mm × 10.5 mm

ラベル（COB）
信 距 離

39 mm × 10 mm × 0.6 mm

通
電

源

外形寸法

また，本研究では図5(a)のように，完全シートから何錠かが切り離されたシートを端数シートと呼び，その端数シートのピッキングを行うための専用ヘッドとして，図5(b)に示すチャックユニットを開発した。このチャックユニットを用いた端数シート耳部の把持によって端数シートのピッキングを行う。

RS232CR/W モジュール

0 mm 〜 10 mm
DC 5 V ± 5 %通信時

約100 mA 以下

消費電流 待機時

約

80 mA 以下

パワーセーブ時使 用 温 度 範 囲

約10 mA 以下
0 〜 60 ℃

2-4 薬棚の構築
図7，図8に試作した薬剤BOXおよび薬棚の拡大図を示す。この図からも分かるように，薬剤BOXは上下の2層構造とし，上段を完全シート収納部，下段を端数シート収納部とした。完全シート収納部には完全シート
が10枚程度(枚数は薬剤の大きさによる)収納可能である。これに対し，端数シート収納部にはチャックユニ
ットによるシート把持を確実なものとするため，端数シートを1枚のみ収納させ，いずれの収納部の底面にも緩やかな傾斜を設けた。これによって，調剤室側(前方)のBOX面から完全シートを補充した際，またはチャック
ユニット等によってピッキング装置側(後方)のBOX面
から錠剤シートが収納された際に，錠剤シート耳部を

図9

装置全体図

確実にピッキング装置側のBOX面に密着させることが可能である。また前節でも述べたが，各完全シート収

また，図10に開発したシステムの全体構成を示す。

納部の上面(天井)にはそれぞれICタグが1枚ずつ貼付されている。ここで，実際の錠剤シートはそのシート

ピッキング装置

幅が様々であるため，ここでは幅が43mm，57mm，97mm

X−Y−Z
キャリッジ

である3種類の薬剤BOXを製作し，それぞれのBOXを10

薬

ICタグ

ICタグ
リードライト部個ずつ計30個5段6列に配列して薬棚を構築した。

完全シート
ピッキング

吸着ヘッド

チャック
ユニット

棚

完全
シート
端数シート
ピッキング

端数
シート

完全シート
収納部

端数シート
収納部

トレー

コントローラ

トレー
システム

薬袋

薬袋発行
システム

図7

薬剤BOX

図8

薬棚

3 結果と考察図10

試作システムの全体構成

3-2 稼働試験

3-1 開発概要

試作した薬剤自動ピッキング装置に対して稼働試験

図9に，試作した薬剤自動ピッキング装置の全体図を示す。主な装置仕様は以下のとおりである。

を行った。標準の稼働試験としては，2種類の薬品を対象として完全シートを1枚ずつ，計2枚の錠剤シートのピッキングを行い，その際の所用時間を計測した。そ・大 き さ

幅1600 × 奥行700 × 高さ1790 mmの結果，薬袋発行までに20秒，1シートあたりの薬剤ピ(ただし，突起部および積載物等を除く)

ッキングに15秒，トレーの発送完了までに8秒と計58・薬 品 数30種類

秒のピッキング所要時間であった。また，その他には・ト レ ー

10 段積

主に以下の各項目に着目して稼働試験を行った。ここ・電源

AC 100 V・コンベア

10 m/min

30 A

で，項目2及び3は試作機改良のためのピッキング速度向上等について検討する際の参考データとするために行ったものである。
１．薬剤のシートサイズが変わってもピッキングが可能であるか２．同一薬品の完全シート連続ピッキングが可能であるか
３．薬袋発行と薬剤ピッキングの順序を逆にしてもピッキングが可能であるか
その結果，上記の全項目についてピッキング可能であることが分かった。
ここで，通常のピッキング時において，完全シートのピッキングミスや薬袋のトレー投入ミスが発生することが問題となったが，前者についてはX-Y-ZキャリッジのY軸方向の駆動量などを補正することで，また後者については薬袋プリンタの用紙排出部の下に設けたエアー吹き出し口からの吹き出しエアー量や吹き出し角度などを調整することでこれらの問題点は解決された。
また，端数シートのピッキングを行うために開発したチャックユニットについても稼働試験を行い，シートの把持およびヘッドセレクタによる吸着ヘッドとの切り替えについても動作確認を行った。ただし，チャックユニットによる薬剤BOXからの端数シートピッキ
ング及び完全シート収納部からのシート補充に関しては，端数処理機構及び端数処理アルゴリズムの開発を含めて来年度以降の検討項目とした。

4 まとめ
本研究では，保険薬局における薬剤師の負担を軽減
し，かつ調剤過誤を未然に防止する事を主な目的として，薬剤師の調剤業務を半自動化することが可能な薬剤自動ピッキング装置の開発を行った。さらに，試作したシステムに対して稼働試験を行い，開発機能の有効性を確認した。今後は端数シートのピッキングを行
うためのシステム開発と製品化へ向けた薬棚の拡張や装置のコンパクト化等について検討を行う予定である。

5 参考文献1)川原敏幸：保険薬局における調剤過誤対策のマネジ
メント，p.1，医薬ジャーナル社(2004)
2)小坂富美子：医薬分業の時代，p.1，勁草書房(1997)3)宇佐美光雄，山田純：ユビキタス技術 ICタグ，p.1，
オーム社(2005)

シゾフィラン/ポリAテール複合体形成を利用した
新規メッセンジャーRNA分離技術
木村太郎 *1

別府亜紀子 *2

櫻井和朗 *3

新海征治 *4

A Separation Technique for Messenger RNAs by Use of Schizophyllan/poly(A) tailComplexation
Taro Kimura, Akiko Beppu, Kazuo Sakurai, Seiji Shinkai
シゾフィランはβ-1，3-グルカン構造を有する多糖の1種である。このシゾフィランはポリCやポリAといった特定の核酸と選択的に複合体を形成することが知られている。また，真核生物のメッセンジャーRNA(mRNA)は3ʼ末端にポリAテールと呼ばれるアデニル基が数10〜数100塩基連続する領域を有するのでシゾフィランと選択的に複合体を形成する事が期待される。今回，シゾフィランを共有結合させたゲル担体を合成し，カラムに充填することでア
フィニティーカラムを調製した。このカラムにtotal RNA(生体由来のRNA混合物)を加え，溶出実験を行ったところ
mRNAのみが選択的にカラム中に保持されることが明らかとなった。これは多糖によりmRNAが選択的に分離された世界で初めての例であり，新規なmRNA分離法としての活用が期待される。

来の核酸であるメッセンジャーRNA(mRNA)をSPG修飾カ

1 はじめに近年，多糖類の1種シゾフィラン(SPG，図1(A))が1

ラムを用いて選択的に分離抽出することを試みた。一本鎖の核酸と選択的に複合体を形成することが発見さ

般に真核生物のmRNAには3ʼ末端に50-150量体のポリAれた。SPGはグルコースユニットがβ-1，3結合を介しテールと呼ばれる領域が存在することが知られている。

て主鎖を構成しており，この構造に由来する特徴的な

そのため，SPGはmRNAと複合体を形成し，選択的な分

らせ ん 構造 が 核酸 と の複 合 体形 成 を可 能 にし て いる

離抽出が可能であると期待される(図2) 2,3) 。

(図1(B))。このような比較的単純な構造の多糖が核酸と複合体を形成する現象は他に例がなく，新規な核酸

Total RNA

レセプターとしての応用が期待される。

mRNA

本研究は，SPGを用いた新規核酸分離システムの構築を目指すものである。これまで，SPG修飾カラムを用いて，ポリCやポリAといった合成RNAの分離をSPG-

ゲル担体
シゾフィラン
修飾カラム

複合体形成

核酸複合体形成に基づいて行うことが可能であること
s-SPGを示した 1) 。この結果を踏まえ，今回我々は，天然由
(A)

rRNA
tRNA

(B)
HO
HO

g g
g
g

OH

HO O
OH
HO
O

OH

O
OHO
O
OH

OHO
O
OH

O
OH

n

NA
mR

g g
g
g

C
C
C
C
C
C

本体：遺伝情報

g
g
g
g
g
g
g
g

図−１ シゾフィランの化学構造（A)、及びシゾフィラン/ポリC複合体の模式図. g,Cはぞれぞれシゾフィランのグルコース、
ポリCのシトシンを表す.

ポリAテールmRNA
メッセンジャーRNAの構成

図−２ シゾフィラン修飾カラムを用いたメッセンジャーRN
A分離の模式図.

2 研究，実験方法
2-1 SPG修飾カラムの調製*1 生物食品研究所

シアノボロハイドレート存在下においてSPG(M w 2.2*2 科学技術振興機構

x 10 5 )の還元末端にジアミノブタンを反応させた。生*3 北九州市立大学*4 九州大学

成物をAF-Carboxy TOYOPEARL(東ソー)に加え，縮合剤

により結合させた。得られたSPG修飾ゲル担体をカラ

(A)
0.5

ムに充填し，SPG修飾カラムとした。

4

0.4

2-2 SPG 修飾カラムによる total RNA の溶出実験
A260

酵母由来の total RNA(10g/l)水溶液 5・1 を Tris-

0.3

3

無塩水
70 oC

5

0.2

HCl 緩衝液(100mM，pH7.5)500・1 に溶解して SPG 修飾

60.1

カラムに加えた。5℃で 1 晩熟成後，溶出を行った。

7 8 9 10 1112
1314 15 16 17 18 1920 21

1 2

0
0

溶出は 2 段階で行い，はじめに 5℃で Tris-HCl 緩衝

10

20

30

溶出体積 / ml

液(100mM，pH7.5)により溶出を行った(洗浄フラクシ
洗浄フラクションョン)。続いて，70℃でリン酸緩衝液(50mM，pH6.5)を(B)用いて溶出を行った(回収フラクション)。各フラクシ
ョンについて吸光度測定を行い核酸の溶出曲線を作成

4

5

6

9

10

11

12

15

16

17

19

20

21

1

2

7

8

14

18

3

13

した。
2-3 ノーザンブロットによる mRNA の検出
先の実験で得られた各フラクションについてノーザ
ンブロット実験を行った。各フラクションの溶液をイ
ソプロパノール沈殿により濃縮し，ニトロセルロース

回収フラクション

メンブランにスポットした。このメンブランについて
発色法によるノーザンブロット実験を行った。ここで図−３ シゾフィラン修飾カラムにtotal RNAを加えた時の溶出曲線（A),及び各フラクションのノーザンドットブロット

は各フラクションに含まれるmRNAを検出するために，
プローブDNAとしてジゴキシゲニン修飾オリゴdTを用
いた。

4 まとめ
SPGの有する選択的な核酸との複合体形成能を利用して，mRNAを生体試料中から分離抽出することに成功

3 結果と考察した。既存のmRNA分離抽出技術としてオリゴdTを用い

SPG修飾カラムからのtotal RNAの溶出曲線を図3(A)たアフィニティー分離法が知られているが，今回報告に示す。その結果，90％以上のRNAが溶出フラクショ

したシステムは従来法とは全く異なる原理に基づいてンの溶出条件で速やかに溶出し，回収フラクションでおり，新規な応用が期待される。

溶 出 す る 核 酸 は 極 め て 少 量 で あ っ た 。 こ れ は total
RNAに含まれるほとんどのRNAがSPGと相互作用するこ

5 参考文献となく溶出していることを示す。

1)T.Kimura ， K.Koumoto ， M.Mizu ， K.Sakurai ， and

次に，ノーザンブロット実験の結果を図3(B)に示す。

S.Shinkai： Chem.Lett.，2002，1240.

その結果，洗浄フラクションの溶出画分にmRNA由来の

2)T.Kimura ， K.Koumoto ， M.Mizu ， R.Kobayashi ，

発色はほとんど確認されなかった。RNAの溶出量が最K.Sakurai ， and S.Shinkai ： Nucl. Acids Res.

も多いフラクション3〜5においてもmRNAが含まれていSuppl., 1, 283 (2001).

ないことは大変興味深い結果といえる。これに対し，
回収フラクションでの溶出画分には，フラクション18

3)木村太郎，櫻井和朗，新海征治：高分子加工，62，
p.201(2003).

を 中 心 と し た 強 い 発 色 が 認 め ら れ た 。 こ れ は mRNAがSPGと複合体を形成しカラム中に保持された結果であ

6 掲載論文ると考えられる。

Biomacromolecules,Vol.19，No.5，pp.174-179(2005)

レーザによる導体の高速イメージセンシングに関する研究
レーザ計測によるプリント配線の微小欠陥検出装置の開発
林宏充 *1

Study of Magneto-Optic/Eddy Current Imaging of Electric Conductors
Development of Microscopic Defect Detection Device for Printed Circuit by Using Laser Sensing
Hiromitsu Hayashi
電子機器の高機能化・小型化に伴い，プリント配線パターンは細密化・複雑化しており，検査が困難になっている。一般に，プリント配線の導通検査は接触法によって行われるが，二次不良などの問題が発生する。渦電流探傷
法は非接触で導通検査を行えるのでプリント配線の欠陥検出としては有用であるが，計測に長時間を要す。本研究では計測時間短縮のためにレーザ計測を用いることにより，効率の良いプリント配線の導通検査方法を開発する。
まず，電磁石上の高周波磁界分布を観測した。その結果，本装置を用いて高周波の磁界分布を観測できることがわかった。また，導体上の磁界を計測し，導体の有無による光強度の差異と渦電流に起因する磁界分布を確認することができた。最後に，100μmピッチの配線基板に対して本装置を適用し，その有効性について検討した。その結果，
本開発手法がプリント配線の欠陥検出に有効であることが明らかになった。

を行った。

1 はじめに
現在，電子機器のほとんどにプリント配線が用いられ，この欠陥は機器の不良に直結する。また，電子機

2 研究，実験方法

器の高機能化，小型化に伴い，プリント配線のパター

2-1 実験装置

ンは細密化・複雑化しており，検査が困難になってき

ここで用いるプリント配線の微小欠陥検出装置を，ている。現在，プリント配線の検査は，外観検査や接図1に示す。装置は，波長1310nmの半導体レーザ，ファ触による電気的導通検査方法が用いられている。しかラデー結晶，近赤外用偏光子，磁界発生コイル及び赤し，接触による電気的導通検査では計測電極の接触に外線スコープから構成されている。ファラデー結晶に伴う断線によって二次不良が発生する可能性がある上，は透過率に対して高いヴェルデ定数を示す希土類鉄ガ

特定端子間の導通を調べるため欠陥位置を特定できな

ーネットのBi-YIG 13)-18)を用いた。このBi-YIGにレーザい。外観検査においては透明配線や視覚的に検査が厳光等の直線偏光を入射すると，Bi-YIGに印可される磁

しいクラック等への対応が困難である。

界の強さに比例して偏光角が回転する。これはファラ

一方，プリント配線の断線検査方法の一つとして渦1)-3)

デー回転角と呼ばれ，レーザ光の偏光角と検光子の偏が検討されている。この方法は非接触計

光角の差を45degにすると，検光子を透過した光はファ測なので計測による断線が発生せず，基板上を走査しラデー回転角に比例した出力を示すことが知られていて検査するので欠陥位置の特定が可能である。また，

る 19)。その光をスクリーンに投影して赤外線スコープ

透明配線やクラック等，視覚的に厳しい断線に対してで観察することにより，Bi-YIG上の磁界分布を観測すも電気的に計測するため対応可能である。

ることが可能である。ファラデー結晶に作用する磁界電流探傷法

しかしながら，渦電流探傷法は計測時間と計測精度

周波数がCCDカメラの画像取り込み速度に対して十分にまだ問題点がある。この課題を改善するために本研小さい場合は，磁界分布を光強度分布の画像として観究では，ファラデー結晶を用いたレーザ磁界計測法と察できる。しかし，渦電流による導体上の磁界分布を渦電流探傷法を組み合わせたMOI 4)-11) と呼ばれる計測

観察するには数kHz以上の高周波磁界が必要であると方法をプリント配線の欠陥検出に応用することを検討

同時に，偏光の回転はCCDカメラの画像取り込み速度にし

12)，計測時間及び計測精度の改善に対する取り組み*1 機械電子研究所

比べ非常に早い。ここでは，この問題点に対処するた
め検光子を入射レーザに対してクロスニコルに配置し，

レーザ光を取り込むことにより，高周波磁界の観測をぞれの場合の，光強度の時間変化を図4(a)と図4(b)に可能とした。

示す。 図4(a)の結果より，導体の有無によって光強度

透過型スクリーンの変化が生じていることがわかる。図4(b)の場合，光半導体レーザ

強度の絶対値は1/10程度になるが，同様に光強度の差が読みとれることがわかる。次に，図2の計測方法を用いてレーザ集光部の磁界強度を観測した結果を図5に示す。導体の有無により光強度の差が画像表現として現れていることがわかる。
4

導体有り
導体無し

3

図1

Bi-YIG 険光子

赤外線スコープ
Intensity[a.u.]

電磁石

プリント配線の微小欠陥検出実験装置

2-2 高周波磁界分布計測

2
1
0
-1 0

0.1

0.2

0.3

-2
-3

2-1節で述べた実験装置に対して用いる磁界分布の-4計測方法を図2に示す。半導体レーザが発生する直線偏Time[ms]

光をBi-YIG結晶に透過させる。結晶には5kHz, 4.2mT

図4(a) 導体の有無による計測結果の比較の磁界を電磁石によって印可する。この時，電磁石を（偏光角45deg）

図2のように動かした場合の電磁石周辺の磁界分布を0.6観測した。その計測結果を図3に示す。図3より，電磁いることがわかる。

半導体レーザ電磁石
可動距離 x観測

赤外線スコープ

Intensity[a.u.]石の移動距離に応じて高周波磁界分布に変化が生じて

導体あり
導体無し

0.4
0.2
0.0
-0.2

0

0.1

0.3

-0.4
-0.6

Time[ms]

図4(b) 導体の有無による計測結果の比較

Bi-YIG
検光子 透過型スクリーン
図20.2（偏光角クロスニコル）

磁界分布計測方法

2-3 導体近傍磁界計測および観察
図2の装置構成から赤外線スコープとスクリーンを取り外し，フォトダイオードを用いて4.2mT, 5kHzの高周波磁界を計測すると共に，厚さ1mmの導体の有無による光強度の差を比較した。偏光子の偏光角を45degに配(a)導体有り

置した場合と，検光子をクロスニコルに配置したそれ

図5 導体の有無による磁界観測結果比較

x=0mm

x=0.4mmx=0.8mm
図3x=1.2mmx=1.6mm

電磁石周辺の磁界分布計測結果(b)導体無し

x=2.0mmx=2.4mm

2-4 プリント配線基板の磁界分布観測

4.2mTの磁界を要したことから，表皮深さを考慮すると本装置を用いてピッチがそれぞれ1.27mm, 400μm,

100μmピッチの配線基板を対象とする場合は400kHz程

100μmである3種類のプリント配線基板に電流を流し，度の高周波磁界をかける必要がある事が，今後の主要各場合の磁界分布を観測した。なお、100μmピッチのな課題の1つである。

場合については，同条件のプリント配線基板は入手が2-4節において，100μmピッチの配線基板に直流電困難なため，直径が100μmの銅線を基板上に配線し作流を流して磁界分布を計測した。その結果，配線基板成した。計測は図2に示す電磁石をプリント配線基板に上で発生した磁界分布を高精度に計測することができ置き換えて行った。計測対象の写真及び局部の拡大イた。ただし，計測上電子回路の定格電流より大きな電メージを図6に示す。100μmピッチの配線基板上の磁界流を必要としたため，この点が本装置の実用化に向け

分布観測結果を図７に示す。100μmの配線に対応した

た２つめの課題である。また，本測定方法は，回路導磁界分布を観測することができた。なお，1.27mm，400

通時における発生磁界分布の観測を基本とするため，μmの場合に対しても，図7と同様の結果が確認された。

回路の動作確認も欠陥検出と同時に行える特徴があり，検査工程のさらなる効率化が期待される。

対象基板

直流電流

以上により，本計測装置によってプリント配線基板上の微小欠陥を高速に検出できる可能性を示した。
最後に，本開発装置のより高精度化を図るために，必要な想定される方策を以下に列挙する。
(1)CCDカメラの高精度化
現在分解能8bitのCCDカメラを用いているが16bit機を用いれば256倍の分解能の向上を図れ，精度向上が

Bi-YIG可能である。
図6

測定対象とした回路基板と局部の拡大イメージ(2)温度制御
補償温度やキュリー温度付近では，ファラデー結晶
はより高感度になるため，高精度化が期待される。
(3)磁気光学メモリー(2)の補償点において外部磁界を用いて，磁区構造に直接記録測定を行えば，CCDの取り込み速度に異存しない静止画としての処理や，偏光子を45degに設定することが可能であり，計測の高度化が図れる。

100μm(4)電磁石の改善
磁界発生面積を小さくすると電流容量の小さな電源

図7

100μmピッチの配線基板上の磁界分布観測結果

3 考察

でも高周波，高磁界が得られるので，計測部に磁束の集中化が図れ，測定の高精度化が見込まれる。
(5)Bi-YIGの薄膜化

まず，2-2節において，電磁石周辺の高周波磁界分布

渦電流による磁界はプリント配線近傍で発生するた（4.2mT, 5kHz）のイメージングを行った。その結果，

め，センサーの厚さは感度にあまり影響しない。従磁界分布を瞬時（オンライン計測）に観測することがって，薄膜化を図ることにより，透過光強度が増し，できた。同様に2-3節において，導体上における磁界のS/N比の改善が可能である。

イメージングを行い，渦電流によって導体の有無を検(6)光源出可能であることを示した。これらの結果から，高周ファラデー効果は一般に短波長になるほど大きく現

波磁界中における導体の有無を瞬時に表示可能である

れるので，紫外域のレーザ等を用いることにより高ことが明らかになった。ただし，1mmの導体検出に5kHz,

感度化が見込まれる。

4 参考文献

Yokoyama，Sadao Higuchi：Jpn. J. Appl. Phys. Vol.

1)藤城久，山田外史，岩原正吉：日本応用磁気学会誌，

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2)宮腰貴久，ダリウス・カスプラザック，山田外史, 岩
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5)Gerald

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6)W.C.L.Shih,

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McLaughlin: The magneto-optic imager: a 2001
perspective, Vol.43, No.12 p.814(2001)
7)Gerald L.Fitzpatrick: 11th World Conference on
Nondestructive Testing, Vol.1, p.186(1985)
8)D.K.Thome, G.L. Fitzpatric, R. L. Skaugset: Paper
Summaries. ASNT Conference and Quality TestingShow(American

Societyfor

Nondestructive

Testing), p.175(1996)
9)Gerald L. Fitzpatrick, David K. Thome, Richard L.
Skaugset,

Eric

Y.C.Shih,

William

C.L.Shih:

Materials Evaluation, p.1402(1993)
10)Sandra Simms: Materials Evaluation,p.529(1993)11)李鎮伊，ドリアンミンコフ，庄子哲雄：日本機械学会東北支部総会・講演会講演論文集，p.95(1997)12)林宏充，古賀文隆：福岡県工業技術センター研究報
告，No.13，p.178(2003)13)林宏充，岩佐宗八，植田清隆，寺薗完一，竹下博人，
樋口貞雄：九州大学大学院総合理工学報告，Vol.23，
No.1，p.1(2001)
14)Hiromitsu Hayashi，Souhachi Iwasa，Nilesh J.Vasa，
Tsuyoshi Yoshitake ， Kiyotaka Ueda ， Shigeru
Yokoyama，Sadao Higuchi，Hirohito Takeshita，Michitaka Nakahara：Applied Surface Science，
197，p.463-466(2002)
15)Hiromitsu Hayashi，Souhachi Iwasa，Nilesh J.Vasa,
Tsuyoshi Yoshitake ， Kiyotaka Ueda ， Shigeru

19)小川智哉：結晶物理工学，p.216(1976)

固定化酵素リアクターを用いたＦＩＡ法による総D-グルコン酸の蛍光定量
塚谷忠之 *1

松本清 *2

Fluorometric Quantification of Total D-Gluconate by a Flow-Injection System Using an
Immobilized-Enzyme Reactor
Tadayuki Tsukatani, Kiyoshi Matsumoto
D-グルコン酸は蜂蜜，食酢，貴腐ワインなどに多く含まれる有機酸の1つであり，その味や品質に多大な影響を及ぼす。そこで，D-グルコン酸の定量を目的としたフローインジェクション分析(FIA)システムを開発した。グルコン酸キナーゼ及び6-ホスホグルコン酸脱水素酵素同時固定化リアクターをフローラインに導入し，試料と共に反応試薬としてATP及びNADP + の混合液 + をインジェクションした。生成したNADPHは蛍光検出器によりモニターした。本FIAシステムによりD-グルコン酸濃度1〜160μM範囲において応答ピーク高との間に相関係数0.999の直線関係が得られた。また，測定の再現性は変動係数(n=10)で0.57%であった。実試料の分析ではpHをアルカリ側(pH10)にすることで共存するすべてのD-グルコノラクトンをD-グルコン酸へ変換して総D-グルコン酸量として測定した。本法を蜂蜜，
食酢及び貴腐ワイン中の総D-グルコン酸の分析に適用したところ，F-kit法(バッチ法)による分析値と良好に一致した。

1 はじめにGK

D-グルコン酸は蜂蜜，食酢，貴腐ワインなどに多く

D-gluconate + ATP → 6-phosphogluconate + ADP

含まれる有機酸の1つであり，その味や品質に多大な影響を及ぼす。また，D-グルコン酸の分子内環状エステ
ルであるD-グルコノラクトンは添加物として様々な食

(1)

PGDH
6-phosphogluconate + NADP + →D-ribulose-5-phosphate + CO 2 + NADPH + H + (2)品へ使用されている。このため，D-グルコン酸及びDグルコノラクトンを定量することは食品の品質評価の2-2 FIAシステム

ために非常に重要である。そこで，迅速かつ簡便な総FIAシステムを図1に示す。キャリアー溶液には10mM

D-グルコン酸の定量を目的として，固定化酵素リアク

MgCl 2 を含む0.1Mグリシルグリシン緩衝液(pH7.5)を用

ターを用いたフローインジェクション分析(FIA)法のい，マイクロチューブポンプにより流速1.6 ml/minで開発を試みた。

送液した。GK-PGDH同時固定化リアクターをFIAライン
へ導入し，試料と反応試薬(1.0mM NADP + +0.5mM ATP)を

2 研究，実験方法

オープンサンドイッチ法により注入した。酵素リアク

2-1 酵素反応と固定化酵素リアクターの作製

ターにより生成したNADPHは下流に配置したフロース

D- グ ル コ ン 酸 は D-gluconate

kinase(GK) とルー型蛍光検出器(蛍光波長：455nm，励起波長：340nm)

6-phospho-gluconate dehydrogenase(PGDH)の1連の酵を用いて測定した。D-グルコン酸とD-グルコノラクト

素反応を利用して定量した。固定化酵素はグルタルアンは平衡関係にあり，特に液体試料中ではD-グルコノ

ルデヒドを用いた担体架橋法により調製した。担体にラクトンは加水分解を受けて徐々にD-グルコン酸へ変はアミノプロピル化多孔質ガラスを用い，得られた固換される。そこで，試料のpHをアルカリ側(pH10)にす定化酵素担体をガラス管(10cm×2mm i.d.)に充填してることですべてのD-グルコノラクトンをD-グルコン酸

リアクターとした。

へ変換して総D-グルコン酸量として測定した。

*1 生物食品研究所*2 九州大学大学院農学研究院

図1

D-グルコン酸定量用FIAシステム

CS,ｷｬﾘｱｰ溶液;P,ﾎﾟﾝﾌﾟ;AD,ｴｱﾀﾞﾝﾊﾟ;I,ｲﾝｼﾞｪｸﾀｰ;MC,ﾐｷｼﾝｸﾞｺｲﾙ;FD,蛍光検出器;
R,ﾚｺｰﾀﾞ;W,廃液; GK-PGDH,固定化酵素ﾘｱｸﾀｰ

3 結果と考察3-2 実試料の測定

3-1 総D-グルコン酸の定量
図2にD-グルコン酸標準液のFIAピークを示す。D-グ
ルコン酸濃度が1〜160μMの範囲において応答ピーク

実試料の測定における本法の有効性を検討するため，
本法とF-kit法の測定結果を比較したところ，両者には良好な一致が認められた(表1)。

値(蛍光強度)との間に相関係数0.999の良好な直線関係が得られた。流速1.6ml/minにおけるGK-PGDH同時固表1

実試料の測定結果

定化リアクターのD-グルコン酸変換効率は86.5%であ

実試料

FIA

F-kit

誤差

った。また，100μM D-グルコン酸に対する変動係数

蜂蜜(g/l)

3.37

3.26

0.11

1.96

1.98

-0.02

4.69

4.72

-0.03

(n=10)は0.57%であった。
試料中の高濃度共存物質して想定される酢酸(食酢)，
グルコースやフラクトース(蜂蜜)，酒石酸や亜硫酸(貴

6.90

6.93

-0.03

腐ワイン)の影響はほとんど認められなかった。蜂蜜，

7.39

7.57

-0.18

食酢及び貴腐ワインを対象として総D-グルコン酸量の

3.33

3.10

0.23

貴腐ワイン

1.26

1.12

0.14

(g/l)

1.38

1.37

0.01

回収率を求めたところ，平均103.6%と良好であった。

食酢(g/l)

4 まとめ
本法は総D-グルコン酸量の迅速かつ簡便な定量を可能としたものであり，食品の品質評価及び管理の有効な手段になると考えられる。

5 掲載論文Analytica Chimica Acta, Vol.530, No.2, p.221-225(2005)

図2

FIAピーク酵母細胞によるベンゾキノン類の代謝とそのヒドロキノン体の酸化特性：
酵母細胞密度の化学発光測定への応用
塚谷忠之 *1

井手誠二 *1

受田浩之 *2

松本清 *3

Metabolism of Benzoquinone by Yeast Cells and Oxidative Characteristic ofCorresponding Hydroquinone: Application for High Sensitive Measurement of Yeast
Cell Density Using Benzoquinone and Chemiluminescent Probe
Tadayuki Tsukatani, Seiji Ide, Hiroyuki Ukeda, Kiyoshi Matsumoto
7種類の1,4-ベンゾキノン(BQ)誘導体から酵母の代謝により生成したヒドロキノン(HQ)体は，アルカリ条件下において異なる効率でテトラゾリウム塩(WST-1)を還元し，ホルマザンを形成した。2,3,5,6-tetramethyl-1,4-HQではほぼ100%の効率でホルマザンが生成した。一方，1,4-HQや2-methyl-1,4-HQではWST-1の還元は起こらず，代わりにH 2 O 2が生じた。また，ジメチルやトリメチル体ではホルマザンとH 2 O 2 が一定の割合で生じた。さらに，ルシゲニンと
2,3,5,6-tetramethyl-1,4-BQの組み合わせにより，1.2×10 3 〜4.8×10 4 cells/mlの範囲で酵母密度の高感度測定が可能になった。検出限界は4.8×10 2 cells/mlであった。

1 はじめにさせることで生じる発光をルミノメータで測定した。

伝統的発酵食品の製造において，酵母等の微生物の

電気化学測定法では，酵母に生産されたHQを3点電極を生理状態を把握することは発酵を最適に制御するため用いた定電位電流計側法(作用電極：glassy carbon)に極めて重要である。福岡県工業技術センターはベンにより経時的にモニターした。酵母には清酒酵母協会7

ゾキノン類及びテトラゾリウム塩を用いた分光学的な号を使用した。

酵母細胞の活性測定法を開発してきた。しかし，使用するベンゾキノンにより発色度が著しく異なることが3 結果と考察

明らかとなった。そこで，7種類の1,4-ベンゾキノン

3-1 ヒドロキノン体の酸化特性(BQ)誘導体を用い，酵母による代謝効率とその代謝産7種類の1,4-BQ誘導体から酵母の代謝により生成し物である各ヒドロキノン(HQ)体の酸化特性を調べた。

たHQ体は，アルカリ条件下において異なる効率でテト

さらに，ベンゾキノン類と化学発光プローブを用いた

ラゾリウム塩を還元してホルマザンを形成した(図1)。

酵母密度の高感度測定法の開発を試みた。

そこで，一定量の各HQ体をアルカリ条件下で酸化させた際のホルマザン色素量と過酸化水素量を測定した。

2 研究，実験方法

その結果，2,3,5,6-tetramethyl-1,4-HQではほぼ100%

2-1 酵母細胞活性の測定方法の 効 率 で ホ ル マ ザ ン が 生 成 し た 。 一 方 ， 1,4-HQ や酵母の分光学的測定は0.24mM 1,4-BQ誘導体及び水

2-methyl-1,4-HQではWST-1の還元は起こらず，代わり

溶性テトラゾリウム塩(WST-1)を含む50mMリン酸塩緩にH 2 O 2 が生じた。また，ジメチルやトリメチル体では衝液(pH7.0)に酵母懸濁液を添加することで開始した。

ホルマザンとH 2 O 2 が一定の割合で生じた(表1)。

25℃で10分間反応後，フィルターろ過により酵母を取り除いて反応を停止した。さらに，ろ液にNaOH水溶液を添加して蓄積したHQ体を自動酸化させる過程で生成するホルマザンを440nmにおける吸光度として測定した。化学発光法ではWST-1の代わりにルシゲニンを共存*1 生物食品研究所*2 高知大学農学部*3 九州大学大学院農学研究院

図1

酵母による1,4-BQ誘導体の代謝

A：HQ，B：2-methyl-1,4-HQ，C：2,3-dimethyl-1,4-HQ，D：2,5-dimethyl-1,4-HQ，E：2,6-dimethyl-1,4-HQ，F：2,3,5-trimethyl-1,4-HQ，G：2,3,5,6-tetramethyl-1,4-HQ.

表1 HQの酸化特性
HQ

Formazan

H2O2

Total(%)(nmol)(%)(nmol)

(%)

A

0.80

1.6

47.20

94.4

96.0

B

2.45

4.9

48.65

97.3

102.2

C

18.20

36.4

32.85

65.7

102.1

D

18.25

36.5

33.55

67.1

103.6

E

17.25

34.5

36.20

72.4

106.9

F

38.85

77.7

7.60

15.2

92.9

G

49.75

99.5

0.20

0.4

99.9

図2

HQの酸化スキーム

3-2 化学発光法を用いた酵母密度の高感度測定法
次に，HQ体から生じる活性酸素種の検出を利用した
酵母密度の高感度測定法の開発を試みたところ，ルシ

そこで，アルカリ条件下におけるHQ体の酸化反応を

ゲニンと2,3,5,6-tetramethyl-1,4-BQの組み合わせに

図2のように考えた。ほぼ100%の効率でホルマザンが生より，1.2×10 3 〜4.8×10 4 cells/mlの範囲で測定が可成する2,3,5,6-tetramethyl-1,4-HQは反応式(1)，(2)

能になった。検出限界は4.8×10 2 cells/mlであった。

及び(5)を経由する。見かけ上，反応式(6)を経ることになり，1分子のHQ体からは1分子のホルマザンが生成4 まとめする。一方，発色がほとんど見られなかった1,4-HQな

7

種

類

の

1,4-BQ

誘

導

体

中

で

どは反応式(1)，(3)及び(4)を経由する。見かけ上，反

2,3,5,6-tetramethyl-1,4-BQが最も効率的にテトラゾ

応式(7)を経ることになり，1分子のHQ体からは1分子のリウム塩(WST-1)や化学発光プローブ(ルシゲニン)を過酸化水素が生成することになる。つまり，還元することが分かった。

2,3,5,6-tetramethyl-1,4-HQと1,4-HQのいずれもまず

2,3,5,6-tetramethyl-1,4-BQとルシゲニンとの組み合

反応式(1)でセミキノンラジカルとO 2 - ・が生じ，次に反わせにより酵母密度の高感度測定が可能になった。

応式(6)のようにO 2 - ・が先にWST-1を還元して発色する
か，反応式(3)のようにO 2 - ・がWST-1より先にHQ体自身

5 掲載論文と反応して最終的に過酸化水素を与えるかの違いであBioscience, Biotechnology, Biochemistry, Vol.68,

ると考えられる。

No.7, p.1525-1532(2004)

2,3,5-Trimethyl-1,4-benzoquinoneを用いたフローインジェクション分析法によるヒドロキシアパタイトシート内動物細胞密度の電気化学測定
塚谷忠之 *1

坂井孝則 *2

廣藤祐史 *1

金沢英一 *1

川勝博伸 *3

白畑實隆 *4

松本清 *4

Electrochemical Measurement of Attached Animal Cell Density in Hydroxyapatite-pulp
Composite Fiber Sheet by Flow Injection Analysis Using
2,3,5-Trimethyl-1,4-benzoquinone
Tadayuki Tsukatani, Takanori Sakai, Yushi Hirofuji, Eiichi Kanazawa, Hironobu Kawakatsu,
Sanetaka Shirahata, Kiyoshi Matsumoto
アパタイトシートモジュール内に培養されている動物細胞密度のオンライン測定システムの開発を目的として，
メディエータの代謝を指標とした電気化学測定法の開発を行った。メディエータとして比較的代謝効率が良く，20・M濃度以下では細胞毒性が全く見られない2,3,5-trimethyl-1,4-benzoquinoneをアパタイトシートモジュールの上流から注入し，下流に動物細胞による代謝産物を検出するフロースルー型電極を設置したフローインジェクショ
ン分析(FIA)システムを確立した。本FIAシステムを用いることで，アパタイトシート内の細胞密度領域(8.35×10 5〜1.60×10 7 cells/sheet)において酸化電流値(ピーク高)との間に直線関係が得られ，培養初期おける細胞増殖のモニタリングが可能になった。

1 はじめに動物細胞の高密度大量培養技術はホローファイバー

2 研究，実験方法
2-1 メディエータを用いた細胞密度の測定原理

やビーズを用いて培養する方法が主流であるが，生産図1に示すように，キノン系化合物に代表される酸化効率に限界があることや生体適合性に乏しいなどの問型メディエータ(ベンゾキノン)は動物細胞(チャイニ

題点がある。一方，福岡県工業技術センターにおいて

ーズハムスター卵巣細胞：CHO細胞)により還元型メデ

アパタイトシート(パルプ繊維をヒドロキシアパタイ

ィエータ(ヒドロキノン)へ変換される。この代謝によトでコーティングしたシート)が動物細胞培養用の材り生じたヒドロキノンを電極酸化した際得られる電流料と し て優 れ た性 能 を有 す るこ と を明 ら かに し てお値が細胞数と相関があることを利用してアパタイトシ

り，細胞培養床としてアパタイトシートをモジュールート内の細胞密度を算出した。

に組み込んだ動物細胞の大量培養装置の開発を行ってOいる。しかし，本装置を用いて生理活性物質の効率的CH3な生産を行うには，シートに付着した動物細胞数を把H3C

H++NAD(P)H+

アパタイトシートモジュール内に保持されている動物
細胞密度のリアルタイムな測定を目的として，メディCH3O

握し，培養条件を適切に設定する必要がある。そこで，
Animal Cell

ElectrodeOH

NAD(P)+

CH3

エータを用いたフローインジェクション分析(FIA)シ
H3C

ステムの開発を行った。
図1*1 生物食品研究所*2 アステック(株)*3 インテリア研究所*4 九州大学大学院

CH3
OH

細胞密度の測定原理

ポンプ

ｲﾝｼﾞｪｸﾀｰ

レコーダ

モジュール

ｷｬﾘｱｰ
溶液

検出器

ﾒﾃﾞｨｴｰﾀ

フロー型電気化学
検出器

廃液

図2

廃液

アパタイトシートモジュール内細胞密度測定用FIAシステム

2-2 FIAシステムにおける細胞密度の測定

3-2 アパタイトシート内細胞密度の測定

図2にアパタイトシートモジュール内細胞密度測定

次に，FIAシステムを用いて付着細胞数の異なるアパ

用 の FIA シ ス テ ム を 示 す 。 キ ャ リ ア ー 溶 液 に はタイトシートをモジュール内に設置して測定を行い，Dullbeco's phosphate-buffered saline(pH7.4)を使用

細胞密度と酸化電流値の関係を調べた。測定は10μMした。CHO細胞付着シートを保持するモジュールの上流

濃度の2,3,5-trimethyl-1,4-benzoquinoneをインジェからベンゾキノンをインジェクターにより注入し，CHO

クターを用いてラインに注入し，流速1.3ml/minでモジ細胞により生成するヒドロキノンをさらに下流に配置

ュール内を通過させることで行った。図3に示すようにしたフロー型電気化学検出器(ECD-300，㈱エイコム製，

細胞密度が大きくなるにつれて酸化電流値も上昇した。

作用電極：グラッシーカーボン)によりモニターした。

また，メディエータの注入後，1分以内に電流は上昇し5滅菌したシートへ5.0×10 cellsのCHO細胞を付着させ，始め，約8分でベースラインに復帰した。この結果より，一定期間静置あるいは灌流培養後，FIAに供した。また，本FIAシステムにおいて細胞密度の増加に比例して酸シート付着細胞数はトリプシン処理により剥離した細化電流値も増加することが確認できた。

胞を血球盤でカウントした。なお，アパタイトシート
は常法に従って作製した。

1.6×107
100 nA

1.1×107

3 結果と考察3-1 メディエータの選択

5.6×106

まず，図2に示すFIAシステムを用いてCHO細胞によるBlank

8.3×105

各種ベンゾキノン及びナフトキノン類の代謝効率を比7 min

較した。モジュールには約7.0×10 5 cells/sheetのCHO
細胞付着シートを設置し，インジェクターにより20μM(cells/sheet)

図3

シート内付着細胞数のFIAシグナル

濃度のキノン類を注入した。その結果，2,6-dimethyl-1，
4-benzoquinone

及び

2,3,5-trimethyl-1

，

4 まとめ

4-benzoquinoneを用いた際，高い電極応答が得られた。

本FIAシステムによりアパタイトシート内動物密度

しかし，キノン類は細胞毒性を示すことが知られてを迅速にしかも非破壊で測定することが可能になった。

いる。そこで，種々の濃度のキノン類が細胞毒性へ与特に，培養初期おける細胞増殖のモニタリングへの利える影響を検討した。ディッシュに培養したCHO細胞の用が期待できる。

上清にキノン類を添加し，24時間放置した後，テトラゾリウム塩還元法により生存率を算出した。その結果，

5 掲載論文

2,3,5-trimethyl-1,4-benzoquinone で は 20 μ M 以 下 のJournal of Flow Injection Analysis， Vol.21， No.1，濃度で生存率はほぼ100%であった。したがって，メデ

p.43-47(2004)

ィエータとして2,3,5-trimethyl-1,4-benzoquinoneを20μM以下で用いることにした。

固定化酵素リアクターを用いたシングルラインFIAシステムによる
リンゴ酸光学異性体の蛍光逐次定量
塚谷忠之 *1

松本清 *2

Sequential Fluorometric Quantification of Malic Acid Enantiomers by a Single Line
Flow-Injection System Using Immobilized-Enzyme Reactors
Tadayuki Tsukatani, Kiyoshi Matsumoto
フルーツジュース及び清涼飲料水中のD-リンゴ酸及びL-リンゴ酸の逐次定量を目的としたフローインジェクショ
ン分析(FIA)システムを開発した。D-リンゴ酸脱水素酵素及びL-リンゴ酸脱水素酵素固定化リアクターを直列にフローラインに導入し，試料と共に補酵素としてNAD + あるいはNADP + をインジェクションし，生成したNADHあるいはNADPH
を蛍光測定した。NAD + を注入した際はD-リンゴ酸が，NADP + を注入した際はL-リンゴ酸が選択的に定量された。本FIAシステムによりD-リンゴ酸濃度1〜100μM，L-リンゴ酸濃度1〜200μMの範囲において応答ピーク高との間に相関係
数0.999以上の直線関係が得られた。また，測定の再現性は変動係数(n=10)でいずれも２%以下であった。本法をフルーツジュース及び清涼飲料水の分析に適用したところ，F-kit法(バッチ法)による分析値と良好に一致した。

1 はじめに

D-MDH

L-リンゴ酸は果実中に多く含まれる有機酸の1つであり，その味や品質に多大な影響を及ぼす。一方， D -D-Malate + NAD + → pyruvate + CO 2 + NADH + H + (1)L-MDH

リ ン ゴ 酸 は 化 学 的 に 合 成 さ れ る D-/L -リ ン ゴ 酸 (酸 味

L-Malate + NADP + → pyruvate + CO 2 + NADPH + H + (2)料)の成分であり，天然原料由来の製品には D-リンゴ酸

固定化酵素はグルタルアルデヒドを用いた担体架橋は含まれない。このため，D -リンゴ酸の検出は D -/L-リ

法により調製した。担体にはアミノプロピル化多孔質

ンゴ酸添加の有無の判定に有効な手段である。したがガラスを用い，得られた固定化酵素担体をガラス管(10って， L-リンゴ酸と D-リンゴ酸の組成比を定量するこcm×2 mm i.d.)に充填してリアクターとした。

とはリンゴジュースなどの品質評価の重要な指標とな2-2 FIAシステム

る。そこで，迅速かつ簡便なリンゴ酸光学異性体の逐FIAシステムを図1に示す。キャリアー溶液には10mM

次定量を目的として，固定化酵素リアクターを用いた

MgCl 2 及び0.5mM dithiothreitolを含む0.1M HEPES緩衝

フローインジェクション分析 (FIA) 法の開発を試み

液(pH8.0)を用い，マイクロチューブポンプにより流速た。

1.5 ml/minで送液した。 D-MDH固定化リアクター及びL-MDH固定化リアクターをFIAラインへ直列に導入し，2 研究，実験方法

試料と補酵素をオープンサンドイッチ法により注入し2-1 酵素反応と固定化酵素リアクターの作製た。D-リンゴ酸定量時には補酵素として1.0mM NAD + を，dehydrogenase

L-リンゴ酸定量時には補酵素として1.0mM NADP + を注入(NAD-specific，D-MDH)により，L-リンゴ酸はL-malate

した。補酵素の流路の切り替えは６方バルブにより行

dehydrogenase(malic enzyme, NADP-specific, L-MDH)った。生成したNADHあるいはNADPHを下流に配置したフを用いて定量する。

ロースルー型蛍光検出器(蛍光波長：455nm，励起波長D- リ ン ゴ 酸 は D-malate：340nm)を用いて測定した。

*1 生物食品研究所*2 九州大学大学院農学研究院

図1

リンゴ酸光学異性体の蛍光逐次定量用FIAシステム

CS,ｷｬﾘｱｰ溶液;P,ﾎﾟﾝﾌﾟ;AD,ｴｱﾀﾞﾝﾊﾟ;I,ｲﾝｼﾞｪｸﾀｰ;V,切換ﾊﾞﾙﾌﾞ;MC,ﾐｷｼﾝｸﾞｺｲﾙ;FD,蛍光検出器;
R,ﾚｺｰﾀﾞ;W,廃液; D-MDH/L-MDH,固定化酵素ﾘｱｸﾀｰ

3 結果と考察3-1 リンゴ酸光学異性体の逐次定量
図2にリンゴ酸標準液及び実試料のFIAピークを示す。
補酵素としてNAD + を注入した際はD-リンゴ酸に対応したピークのみが得られ，L-リンゴ酸に対するピークはほとんど得られなかった。一方，補酵素としてNADP +を注入した際はL-リンゴ酸に対応したピークのみが得られた。この結果から，本FIAシステムによりD-リンゴ
酸及びL-リンゴ酸が選択的に検出できることが確認できた。
また，D-リンゴ酸では1〜100μM，L-リンゴ酸では1〜200μMの濃度範囲において応答ピーク値(蛍光強度)との間に相関係数0.999以上の良好な直線関係が得られた。さらに，100μMリンゴ酸に対する変動係数(n=10)
図2はいずれも2%以下であった。D-MDH及びL-MDH固定化リ

FIAピークアクターの長期安定性の長期安定性を調べたところ，1ヶ月後でも約80%の活性性を保持していた。
3-2 実試料の測定

4 まとめ本FIAシステムでは，固定化酵素の補酵素依存性を利リンゴジュース及び清涼飲料水中のリンゴ酸光学異用することにより，シングルフローラインでD-リンゴ性体の測定における本法の有効性を検討するため，本酸とL-リンゴ酸の選択的な定量が可能となった。本シ

法とF-kit法の測定結果を比較したところ，両者には良

ステムにより通常のHPLCでは不可能なリンゴ酸光学異好な一致が認められた。実試料は蒸留水で50〜200倍希性体の分別定量が可能になったことから，リンゴジュ

釈して測定に供した。実試料のブランクピークは応答

ースなどの品質評価の有効な手段になると考えられる。

ピークの5%以下であった。5種類の100%リンゴジュースのうち，1検体については D-/L-リンゴ酸(酸味料)の添

5 掲載論文加が検出された(図2, sample3)。

Talanta, Vol.65, No.2, p.396-401(2005).

賦活処理した木材炭素化物の電気二重層キャパシター電極特性
朝倉良平 *1

近藤哲男 *2

森田光博 *2

羽鳥浩章 *3

山田能生 *4

Electric Double-Layer Capacitor Characteristics of Activated Wood Charcoals
Ryohei Asakura, Tetsuo Kondo, Mitsuhiro Morita, Hiroaki Hatori, Yoshio Yamada
5種類の木材を炭素化，賦活処理して得られた多孔質炭素から電極を作製して，それらの電気二重層キャパシター(EDLC)電極特性を2種類の繊維状活性炭(ACF)のそれと比較した。木材炭素化物の比表面積はACFより小さいにも関わらず，電気二重層容量は匹敵する数値を示した。EDLC電極特性と密接に関係している炭素化物の細孔構造は，木材
炭素化物がミクロ孔，メソ孔にかけて幅広く細孔を有するのに対し，ACFはほぼミクロ孔のみであった。両者の細孔構造の違いが，EDLC電極特性に影響を及ぼしていると考えられる。

１ はじめに

着等温線から比表面積値，細孔容積などを求めた。

電気二重層キャパシター(EDLC)は，電極表面と電解

EDLC電極特性評価の結果，ラワン材，アカガシ材炭質の間に形成される電気二重層に基づくエネルギー貯

素化物の電気二重層容量184, 159F/gとなり，ACFの153,

蔵デバイスである。EDLCは一対の多孔質炭素電極と電178F/gに匹敵する数値を示した。また，ラワン材，ア

解液から構成されており，電気自動車の加速用補助電

カガシ材の比表面積は841, 721m 2 /gとなり，ACFは1123,

源など期待されている。EDLCの電極に多孔質炭素が用

1744 m 2 /gであった。また，細孔構造は，木材炭素化物

いられる理由は，電解質を吸脱着するための電極の表がミクロ孔(細孔径2nm以下)，メソ孔(2〜50nm)にかけ面積が大きいからである。

て広い細孔分布を有するのに対し，ACFはほぼミクロ孔

一方，木材を炭素化物に変換することは，有効な利のみであった。

用法の一つである。木材炭素化物は燃料，吸着材等に

木材炭素化物の比表面積は，ACFのそれよりも小さい

利用されているが，EDLC電極は高機能用途の一つと考にも関わらず，電気二重層容量は匹敵する数値を示しえられる。

た。この要因としては，両者の細孔構造の違いによる本研究では，5種類の木材を炭素化，賦活処理して得と考えられる。

られた多孔質炭素から電極を作製して，EDLC電極特性を2種類の繊維状活性炭(ACF)のそれと比較した。

3 まとめ
5種類の木材炭素化物から電極を作製し，EDLC電極特2 研究内容性をACFのそれと比較した。ラワン材，アカガシ材から試料には，針葉樹(アカマツ材，カラマツ材)，広葉

作製した電極は，ACFに比べ比表面積が小さいにも関わ樹(ラワン材，アカガシ材，マングローブ材)の5種類をらず電気二重層容量は匹敵する数値を示した。両者の用いた。これらを，窒素雰囲気下，900°C，1時間炭素細孔構造は大きく異なっており，そのことが影響して化した後，二酸化炭素雰囲気下，880°C，15分間賦活いると考えられる。

処理した。比較試料には,2種類の比表面積の異なる繊
維状活性炭(ACF)を用いた。
EDLC電極特性の評価は，自作の三極式測定セルを作製し，電解液には1M硫酸，走査電位幅を0.9Vとし ，一4 謝辞
この研究の一部は，福岡県産業科学・技術振興財団
RSP事業の支援を頂きました。

定電流下における繰り返し充放電により行った。
EDLC電極特性と関係する細孔構造の評価は，窒素吸*1 インテリア研究所*2 九州大学大学院農学研究院*3 （独）産業技術総合研究所*4 福井大学工学部

5 掲載論文炭素(TANSO)，NO.215(2004)，p.231-235

DLC 膜のワイヤーボンディング用キャピラリーに対する保護膜としての応用
土山明美 *1

一條秀樹 *2

蓮山寛機 *3

Application of DLC Coatings for Protecting Wire Bonding Capillary
Akemi Tsuchiyama, Hideki Ichijo, Hiroki Hasuyama
半導体分野では，ICチップの生産性向上に重要な役割を果たしているワイヤーボンディング用キャピラリーの長寿命化が課題となっている。その寿命は，主として連続する結線作業のために生じるキャピラリー先端部（フェイス面）の汚染状況により決定されるため，フェイス面への汚染防止用を目的としたDLC被覆実験を行い，DLC被覆キャピラリーのボンディング成形性について検討した。

1 はじめにャピラリー先端部が汚染される。このため，結線不良

DLC-coated

半導体実装現場では，連続する結線作業のためにキ2

I n Initial
itial

×

104

5

×

104

1

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

×

105

る。汎用品であるアルミナ製キャピラリーでは，一般に使用開始から約4〜5日目で交換するため，低コスト

Uncoatedが生じる前のキャピラリー交換が余儀なく行われていでのキャピラリーの長寿命化が強く望まれている。
本研究では，DLC膜をキャピラリーフェイス面へ応用することで，キャピラリーの長寿命化を実現するため

図1 ボンディング試験でのボール形状の変化(a)及び(e) 初期，(b)及び(f) 2万ボンド後，(c)及び(g) 5万ボンド後，(d)及び(h) 10万ボンド後の可能性を調査した。

2 実験と結果(a)(b)

DLC膜の作製はイオン化蒸着法を用いた。実装ボンデ
ィング試験は10万ボンドまで行った。キャピラリーの汚染

耐久性は，ボールボンド(1st bond)の形状変化を光学
10 µm

顕微鏡で観察することで判断した。
実験の結果，キャピラリーフェイス面に対して，平滑膜面，高密着性を有するDLC被覆処理方法を開発する

図2 10万ボンド後のキャピラリーフェイス面(a)DLC被覆キャピラリー，(b)未処理のアルミナ製キャピラリー

ことができた。DLC被覆キャピラリーでは，10万ボンド
後でもボールボンドの形状に変化はみられず(図1)，初期形状を維持していることが確認でき，従来のアルミナ製キャピラリーと比較して，約5倍程度の長寿命化が実現できることが示された。また，DLC被覆キャピラリ

3 まとめ
ワイヤーボンディング用キャピラリーの長寿命化に対して，DLC被覆は有益な手法であることを示すことができた。

ーの場合には，その先端部への汚染物はほとんど確認できなかった(図2)。

4 掲載論文Proc. of the 21st International Korea-Japan Seminaron Ceramics，p.61(2004)*1 機械電子研究所*2 一條商事*3 久留米工業大学

CALPHAD 法を援用した Ni-Si-B 3 元合金のアモルファス形成能の評価
徳永辰也＊１

大谷博司＊２

長谷部光弘＊２

Evaluation of the amorphous-forming ability of Ni-Si-B ternary alloys
using the CALPHAD approach
Tatsuya Tokunaga, Hiroshi Ohtani and Mitsuhiro Hasebe
Ni-Si-B 3 元合金のアモルファス形成能を Davies-Uhlmann の速度論的取扱いと状態図計算(CALPHAD)法を組み合わせて評価した。過冷却液体から結晶相が晶出する時間−温度−変態(TTT)曲線からアモルファス形成のための臨界冷却速度を計算し，アモルファス形成能を評価した。TTT 曲線の計算には，状態図計算によって得られる結晶相晶出のための駆動力等の熱力学量を導入した。その結果，アモルファスを形成する合金組成範囲の計算結果は，これまでに報告されている
実験結果と比較的よい一致を示した。また，各合金組成においてアモルファス形成を支配する結晶相を明らかにし，さらにアモルファス形成能は結晶相の融解エントロピーにも関係することを熱力学的検討から明らかにした。

1 はじめにアモルファス形成能の計算結果を井上らによる実験結果

Ni-Si-B 3 元合金は，ニッケル基ろう材合金およびニッを比較して示すが，両者は比較的よい一致を示している

ケル基自溶合金を構成する主要な 3 元系である。特にろことが分かる。また，合金組成によっては，初晶ではな

う材箔としての応用では，アモルファス化させることでい結晶相がアモルファス形成を支配しており，結晶相の箔への加工が可能になるため，ろう材製造プロセスの観融解エントロピーの値がアモルファス形成能に関係して点からもこの合金のアモルファス形成能に関する知見をいることが熱力学的検討から明らかになった。

得ることは重要である。本研究では，状態図計算
ol%
B (m

Davies-Uhlmannの速度論的な取扱いに導入し，計算され知見を得ることを目的とした。

10 < R c £ 10

Ni 2 B

t, c
on
nc

5

6

30

1978InoNi 3 BroNi 6 Si 2 B

10

2 解析方法
TTT 曲 線 は ， 均 一 核 生 成 成 長 理 論 に 基 づ い た
Davies-Uhlmann による取扱いに，CALPHAD 法によって導出した結晶相晶出の駆動力や結晶相の融解エンタルピb2

T 0 limit

Ni

10

6

R c ³10 K/s

20Bo

し，さらにアモルファス形成を支配する結晶相に関する

40

ten

たTTT曲線から求めたアモルファス形成のための臨界冷
却速度Rcにより，この合金のアモルファス形成能を評価

5

R c £10 K/s)(CALPHAD) 法 に よ っ て 得 ら れ る 熱 力 学 量 を

(Ni)

b3

20

d

g

q

30

40

Silicon content, c Si (mol%)

図 1 Ni-Si-B 3 元合金のアモルファス形成能の比較

ーの値を導入して計算した。また過冷液体の粘性については，自由体積理論に基づいた Ramchandorarao らの式を用いて評価した。

4 まとめ
状態図計算から導出される熱力学量を Davies-Uhlmannの取扱いに導入することで，アモルファス形成を支配す3 結果と考察

る結晶相などの詳細な知見が得られた。

図 1 に，Ni-Si-B 3 元系における計算液相面投影図上に，5 掲載論文＊１ 機械電子研究所（現在：独立行政法人 科学技術振興機構)＊２ 九州工業大学

日本金属学会誌 第 68 巻 第 12，p. 1002 (2004)

Fe-Si-B 3 元系における相平衡およびガラス形成能の熱力学的評価
徳永辰也＊１

大谷博司＊２

長谷部光弘＊２

Thermodynamic evaluation of the phase equilibria and glass-forming abilityof the Fe-Si-B system
Tatsuya Tokunaga, Hiroshi Ohtani and Mitsuhiro Hasebe
Fe-Si-B 3 元系における相平衡を実験的および熱力学的に評価した。CALPHAD 法によって得られた計算結果は示差走
査熱量測定(DSC)による実験値およびこれまでに報告されている実験結果をうまく再現することができた。さらに，
CALPHAD 法によって得られる熱力学量を Davies-Uhlmann の速度論的取扱いに取り入れて過冷液体からの結晶相晶出の時間−温度−変態(TTT)曲線を計算し，この曲線から得られるアモルファス形成のための臨界冷却速度によって，この合
金のアモルファス形成能を評価した。計算結果は，アモルファス形成組成領域の実験結果とよい一致を示した。

1 はじめに3 結果と考察Fe-Si-B 3 元合金は，アモルファストランス材料，ニッ

解析結果の一例として，図 1 に 65mol% Fe における縦ケル基ろう材合金，およびニッケル基自溶合金を構成す

断面状態図の計算結果を DSC の結果とあわせて示す。こる主要な合金系である。アモルファス形成やろう材の融れから，計算結果と DSC の結果はよく一致していること点という観点からは，特に液相に関する相平衡が重要でが分かる。また，アモルファス形成能に関しても，計算

あるが，この 3 元系においては明らかになっていない。

結果は実験結果をうまく再現することができた。

本研究では，示差走査熱量測定(DSC)により特に液相が関

1500与する相境界を決定し，その結果とこれまでに報告されこの 3 元系の相平衡を明らかにすることを目的とした。

1300

さ ら に ， CALPHAD 法 に よ り 導 出 さ れ る 熱 力 学 量 をDavies-Uhlmann の速度論的取扱いに取り入れて，この合
金のアモルファス形成能の評価を試みた。

2 実験および解析方法
アーク溶解により作製した種々の組成の合金を，透明Temperature, T / ° Cている実験結果をもとに状態図の熱力学的解析を行って，

1400

65mol%FeL

L+FeB+Fe 2B

1200
1100
1000

Fe 5 SiB 2+Fe 2 B
+FeB

900
800

石英管中に真空封入し，900 ℃で 18 日間平衡化熱処理を

DSC

0

L+FeSi
L+Fe 4.7Si 2B

L+FeB

Fe 5SiB 2+Fe 2Si 0.4B 0.6+Fe 2B

5

10

L+Fe 5SiB 2
BCC+Fe 4.7 Si 2 B+Fe 5SiB 2

15

20

BCC
+Fe 4.7Si 2 B+Fe 5Si 3

25

30

35

Silicon content, c Si /mol%

行った後，水中に焼入れた。そのようにして作製した試図 1 Fe-Si-B 3 元系の 65mol% Fe における縦断面状態図

料について，アルゴン気流中で示差走査熱量測定(DSC)の計算結果を行った。状態図の熱力学的解析は，DSC によって得られた相境界データおよびこれまでの報告データを用いて4 まとめ行った。アモルファス形成能の評価は，均一核生成理論

Fe-Si-B 3 元系において，液相が関与する相平衡を実験に基づく Davies-Uhlmann の速度論的取扱いと CALPHAD

および熱力学的に明らかにした。また CALPHAD 法を援法とを組み合わせて行った。

用したアモルファス形成能評価は有用と考えられた。

5 掲載論文＊１ 機械電子研究所（現在：独立行政法人 科学技術振興機構)

Computer Coupling of Phase Diagrams and Thermochemistry＊２ 九州工業大学

28，ｐ.354 (2004)

第一原理計算を援用した Ni-Si-Ti 3 元系の熱力学的解析
徳永辰也＊１ 羽島浩司＊２

大谷博司＊２

長谷部光弘＊２

Thermodynamic analysis of the Ni-Si-Ti systemusing thermochemical properties determined from ab initio calculations
Tatsuya Tokunaga, Koji Hashima, Hiroshi Ohtani and Mitsuhiro Hasebe
これまでに報告されている相境界および熱力学的性質の実験データをもとに CALPHAD 法を用いて Ni-Si-Ti 3 元系状態
図の熱力学的解析を行った。解析においては，第一原理計算によって得られた 3 元化合物相および準安定 2 元化合物相の生成エネルギーの値も取り入れた。解析の結果，2 元系および 3 元系における相平衡の計算結果は実験結果をよく再現することができた。このことから，第一原理計算によって得られた熱力学量を従来の CALPHAD 法に取り入れることは有用であると考えられた。

1 はじめに
Ni-Si-Ti 3 元系には，耐熱性および形状記憶特性等を有する様々な金属間化合物が現れるため，工業的にも重要験データをよく再現できる計算結果が得られた。これより，第一原理計算と従来の CALPHAD 法とのカップリン
グは有力な手法であると考えられる。

な系である。また,この 3 元合金は窒化ケイ素のろう付にも最近適用されている。したがって，これらの各種実用

Si
(a)

60
Liquid

Sil

ico

nC

ont

ent

を行い，この 3 元系の相平衡を明らかにすることを目的

γ

G

E

TiSi
Ti5Si4
Ti5Si3G’(βTi)
Liquid(Ni)

状態図の熱力学的解析は，CALPHAD(CALculation of

20 Ni3Ti 40 NiTi 60
80
Titanium Content, cTi(mol%)Ni

タに加えて，第一原理計算によって導出した化合物相の

Si

Ti

(Si)

(b)
ol%

)

生成エネルギーの値も取り入れた。なお，解析にはスウ

H

V
G"

θ 40
δ

β2
20

2 解析方法PHAse Diagrams)法を用いて行った。解析には，実験デー

TiSi2

,c

必要となる。本研究では，Ni-Si-Ti 3 元系の熱力学的解析

とした。

80

Si (m

ol%

)

合金を開発するうえで Ni-Si-Ti 3 元系の熱力学的記述は

80

Si (m

ェーデン王立工科大学で開発された熱力学平衡計算ソフ

TiSi2

,c

トウェアThermo-Calcを用いた。

V

図 1 に，1100 ℃における Ni-Si-Ti 3 元系等温断面状態

ico
Sil

3 結果と考察

4 まとめ
Ni-Si-Ti 3 元系状態図の熱力学的解析を行った結果，実

γ

θ 40
δ

β2
20

図の計算結果と実験結果を示すが，両者を比較すると計算結果は実験結果をよく再現できていることが分かる。

H

nC

ont

ent

60
Liquid

G"

E

G

G’

TiSi
Ti5Si4
Ti5Si3

(βTi)

(Ni)
Ni

20 Ni3Ti 40 NiTi 60 Liquid 80
Titanium Content, cTi(mol%)Ti

図 1 1100 ℃における Ni-Si-Ti 3 元系等温断面状態図の(a)計算結果および(b)実験結果[1999Hu]＊１ 機械電子研究所（現在：独立行政法人 科学技術振興機構)

5 掲載論文＊２ 九州工業大学

Materials Transactions 45, p.1507 (2004)

円筒の軸圧潰における初期ピーク応力の評価
春山繁之 *1

牛島邦晴 *2陳玳珩 *2

Evaluation of First Peak Stress in Axial Collapse of Circular Cylindrical Shell
Shigeyuki Haruyam, Kuniharu Ushijima, Dai-Heng Chen
FEM解析で求めた薄肉円筒の軸圧潰時におけるピーク応力σ 1 に対し，これまでに提案された座屈応力σ cr に基づく
σ 1 の評価法の有効性について検討を行った結果，弾性問題の場合，σ cr とσ 1 はほぼ一致し，座屈応力σ cr を用いてピーク応力を評価できるといえる。しかしながら，弾塑性問題の場合，これまで提案された座屈応力の各種算定法
では，円筒のピーク応力が生じるまでの応力状態を正確に表現していないため，円筒のピーク応力を精度よく評価
できないことを明らかにした。従って本報では，FEMによる弾塑性数値解析結果に基づいて，軸圧潰下でのピーク応力に及ぼす円筒幾何形状ならびに加工硬化特性の影響を整理した上で，ピーク応力に対する工学的評価法の提案を試み，その有効性を確認した。

1 はじめに

図1に示す円筒形状(長さL,円筒平均半径R,肉厚t)につ

自動車車体などの基本構成部材として，薄肉円筒あいて弾塑性大変形解析を行った。解析モデルは二次元

るいは角筒形状の部材が幅広く用いられている。その軸対称モデルを用い，境界条件として円筒右端を固定理由として，自動車衝突時の乗客の安全性を確保する

壁に完全拘束し，左端より別の剛体を変位制御u x で円ため，衝突時に車体の一部を適度に圧潰させ，運動エ

筒に押し付けたシミュレーションとした。

ネルギーをできるだけ効率よく吸収する必要がある点が考えられる。そこで，乗客の安全を確保するため，
基本構成部材に対し，衝突時の吸収エネルギー量Wをできるだけ大きくすると同時に，初期のピーク応力σ 1をできるだけ抑える設計が，一般的に望まれる。
そのため，こうした基本構成部材として使用される薄肉形状部材に対し，軸方向の圧縮荷重下での理論的，実験的あるいは解析的研究が，これまで数多く行われ

図1

解析モデル

てきた。
しかしながら，ピーク応力σ 1 について弾塑性問題の場合，これまで提案された座屈応力の各種算定法では，3 結果と考察3-1 形状パラメータの影響

円筒のピーク応力が生じるまでの応力状態を正確に表

図2は加工硬化係数E h =E/20で，円筒の肉厚tと半径R現していないため，円筒のピーク応力を精度よく評価との比t/Rをt/R=0.077と固定した各円筒モデルでの，できないことをからFEMによる弾塑性数値解析結果に

軸方向の応力σ x と軸方向ひずみu x /Lとの関係を示し基づいて，軸圧潰下でのピーク応力に及ぼす円筒幾何たものである。この図からわかるように，肉厚tの違い

形状ならびに加工硬化特性の影響を整理した上で，ピに関わらず同じ肉厚比t/Rで第1ピーク応力σ 1 はほぼーク応力に対する工学的評価法の提案を試みた。

一致する。また，図3は各円筒モデルでの，肉厚比t/Rと第1ピーク応力σ 1 との関係を示したものである。こ2 研究，実験方法の図からわかるように，同じ肉厚比t/Rを持つ円筒で，2-1 解析方法

ほぼ同一の第1ピーク応力σ 1 を持ち，その値は肉厚比

本研究では有限要素法汎用ソフトMSC.Marcを用い，*1 機械電子研究所*2 京東京理科大学

t/Rの増加とともに比例的に増加する。以上のことから，第1ピーク応力σ 1 に及ぼす形状パラメータの影響を整理すると，σ 1 は次式

σ 1 =f 1 (L,t,R,E,E h )= f 2 (t/R,E,E h )(1)(t/R<0.06)円筒を除けば，近似式による誤差は最大7のように，主に肉厚比t/Rの関数として表すことができ程度であり，(3)式による第1ピーク応力の工学的評価る。

は有効であるといえる。

図2

軸方向の応力σ x と軸方向ひずみu x との関係
図4

無次元化した第１ピーク応力の比較

4 まとめ
本研究では，静的な軸方向圧縮荷重を受ける薄肉円
筒問題について，有限要素法(FEM)による弾塑性数値解析を行い，初期ピーク応力σ 1 に及ぼす各種形状ならびに材料パラメータの影響について，検討を行い解析結果により，以下の点が明らかになった。
(1) 円筒形状の影響として，円筒の軸方向長さLが円筒
半径Rより大きければ，ピーク応力σ 1 はLに無関係で，肉厚tと半径Rとの比t/Rの関数として整理できる。
図3

肉厚比t/Rと第1ピーク応力σ 1 との関係

(2) 塑性降伏後のピーク応力σ 1 は，σ 1 >σ y であれば，降伏応力σ y に無関係である。

また，同様に材料パラメータについても検討を行った結果σ 1 は次式(3) 加工硬化特性の影響として，加工硬化則の違いに関わらず，ピーク応力σ 1/E (Eは縦弾性係数)はσ 1 におσ 1 /E=f 2 (t/R,E,E h )= f 3 (t/R,E h /E,)(2)

ける応力勾配の関数として整理できる。

の様に肉厚と内半径の比，および硬化係数の比の関数として表すことができる。ここで，本研究では解析結果に基づいて，二直線硬化則に従う円筒の第1ピーク
応力に対し，以下の近似式を提案した。(圧縮を正)

σ1
t⎛ Eh ⎞=⎜ ⎟2
E R 3(1 −ν ) ⎝ E ⎠

0.7 (1−

Eh
)
E

(3)

さらに，種々の肉厚比t/Rを持つ円筒に対し，FEMによる解析結果(●,○,□,◇印)と(3)式による近似結果(実線)との比較を図4に示す。この結果から分かるように ， 加 工 硬 化 が 小 さ く (E h /E ≦ 1/20), 肉 厚 の 薄 い

5 掲載論文日本機械学会論文集A編,Vol70,No700,p.1695(2004)

位置フィードバックループと力フィードバックループの弱干渉を用いたハイブリッド制御法
永田寅臣 ∗ 1
塚本

渡辺桂吾 ∗2治 ∗4楠本幸裕 ∗ 3

尾本正明 ∗5安田仁徳 ∗4芳賀善九 ∗5

津田邦博 ∗4

長谷哲夫 ∗5

An Open-Architecture-Based Hybrid Control Method with a Weak Coupling
between Position Feedback-Loop and Force Feedback-Loop
Fusaomi Nagata, Keigo Watanabe, Yukihiro Kusumoto, Kiminori Yasuda
Osamu Tsukamoto, Masaaki Omoto, Zenku Haga and Tetsuo Hase
本稿では，まず，デカルト座標系における位置制御系と力制御系を弱く干渉させるハイブリッド制御法を提案した。
このハイブリッド制御法では，位置制御系の閉ループゲインを小さく設定することで力制御系に対して微妙に干渉させている。これにより，力に関する3自由度の拘束に加えて位置に関する最大3自由度の弱い拘束を同時に満たす
ことができるようになった。つぎに，提案手法をオープンアーキテクチャ型の産業用ロボット MOTOMAN UP-6 をベースに開発した磨きシステムに適用し，ジュラルミン製のペットボトル金型の磨き実験を通して性能を評価した。
その結果，磨き力の安定性に加えて目標軌道への追従性 (ピックフィード制御) についても良好な結果が得られた。

1 はじめに制御則によりワーク表面をジグザグ軌道などに沿って移

これまでに提案されている位置と力のハイブリッド・

動する。このとき，砥石とワーク間に作用する磨き力

コントローラでは，例えばツール座標系などの拘束フ

は力 FB 制御則 (3 方向への力の拘束) により目標値に追

レームに沿って 3 自由度すべてに関する位置の目標軌道従させる。この力 FB 制御則からの操作量により，ジグと 3 自由度すべてに関する力の目標値が設定できるようザグ軌道に沿った位置 FF 制御則だけでは正確なピックに構成されている。この場合，これら 6 つの拘束を同時フィードを刻めなくなるため，ピックフィード方向にのに満たすことはできないが，作業内容に応じてスイッチ

み緩やかな位置 FB 制御系 (1 方向以上の位置の拘束) を行列を設定することで 3 自由度の各方向において位置と構成するこで弱干渉させることとした。ただし，力制

力のどちらかのモードが選択できるようになっている。

御系と位置制御系の各 3 方向のゲインは，力制御系が砥

しかしながら，このことは金型磨きのように自由曲面

石の経路を乱さないような，また位置制御系が磨き力を有するワークに対して指定された磨き力を安定的にの安定性に大きく影響しないような程度で実用上問題発生させながらピックフィード方向に沿った倣い制御をとならないように注意深く選定されなければならない。

行う必要がある作業，すなわち同時に 4 つ以上の拘束 (3方向への力の拘束と 1 方向以上の位置の拘束) を満足させる必要がある作業には適用できないことを意味する。

3 まとめ

本稿では，ロボットベース座標系においてあえて力制
御系と位置制御系を弱く干渉させたハイブリッド制御法

2 研究内容を提案した。提案手法をオープンアーキテクチャ型の自由曲面を有する金型の磨き作業をロボットに行わせ産業用ロボットに適用することで，ボールエンド形状

る場合に必要となる「3 方向への力の拘束と 1 方向以上の軸付き砥石に作用する磨き力を目標値に追従させるの位置の拘束」を実現するための位置／力ハイブリッドと同時に CL データで与えられるピックフィードに沿っ

制御法について検討した。このハイブリッド制御法は，た送りを実行できる金型磨きロボットを実現した。

デカルト座標系で構成している。まず，アーム先端に装着するボールエンド砥石は CAD データに基づく位置 FF∗1

機械電子研究所*2 佐賀大学∗ 3 インテリア研究所 *4 (株) エーエスエー・システムズ∗ 5 (株) メイホー Ｒ＆Ｄセンター

4 掲載論文日本機械学会論文集 C 編, Vol. 71, No. 701, p. 178,
(2005)