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Ⅱ
泊 有佐 *1

堂ノ脇 靖已 *1

鶴我 恵子 *2

Functionalizing of Fibers for Technical Textiles
Indicator Functions of a Wet on Cloth Diapers II
Arisa Tomari, Kiyoshi Donowaki, 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い，酸化還元反応で変色するロ
イコ色素を用いて視覚で尿応答可能なインクを作製した。この尿検出インクは尿に接触することによる色変化が大きく，迅速でインクの色が溶出しないこと，繊維に塗布してもにじまないこと等の特徴を示した。本研究では尿検出インクを繊維に塗布するための最適な組成について検討を行ったので報告する。

1 はじめに要である。

我が国の要介護者は，2025年には2000年時に比べ80%増加し，520万人に達すると言われており，この増加に尿検出インク

伴っておむつ市場は150%増の5900億円にもなることが予想されている。現在，おむつは使い捨てタイプの紙おむつが主流であり，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

おむつパッドの環境に対する意識の高まりから病院，施設では繰返
図1

し使用可能な布おむつに移行する動きがある。一方，

尿検出おむつの商品イメージ

現場の介護者は数時間毎におむつの交換を行っており，目視で判断できる場合を除いて，おむつが使用済みか

2 研究，実験方法

否かは素手による触感や臭いにて判断しているのが現

2-1 顕色剤の選別と発色性評価状で，介護者の負担や布おむつ普及の妨げとなっていロイコ色素は，顕色剤との還元反応によって発色し，る。このため，特別な装置が不要で，迅速，かつ手軽

尿との接触による酸化反応により色を変える 2)（図2）。

におむつ交換の判断ができるような布おむつの開発が切望されている。

消

色

発

色

我々は，洗濯工程における洗濯水（pH12～7.5）と尿のpH条件（pH 7.5～5.5）に着目し，pH応答色素を導入

還元

した繊維による尿検出方法を考案・試作した 1）。しか＋しながら，殺菌や防臭が必要なレンタル布おむつの過酷なクリーニング条件ではpH応答糸の耐久性に問題が色素（Ｌ）

顕色剤（Ｄ）酸化（尿）インク（ＬＤ）

あった。そこで，pH応答糸の代わりにおむつパッドの中央部分に尿を検出できるインクを毎回クリーニング

図2

ロイコ色素の発色と消色機構

後に塗布する方法を考案した（図1）。開発したインクは尿に接触することにより目視で判断できる色彩変化

ロイコ色素は，クリスタルバイオレットラクトンを生じること，かつ尿に接触してもインクの色が溶出（CVL），ローダミンB base，メチレンバイオレ ット

しないこと，繊維に塗布してもにじまないこと等が必Bernthsen，フルオレセイン，1,3,3-トリメチルインド
リノ-8’-メトキシ-ベンゾピリロスピラン等があるが，*1 化学繊維研究所*2 ラクーパシステム㈱

この中から非水溶性で，顕色剤との発色が鮮明であったCVLを選別し，9種類の顕色剤（表1）との発色性を評決定し，初期の発色とした。その後，インクを塗布し価した。

た 布 を シ ャ ー レ に 入 れ 上 か ら 人 工 尿 （ 1.9% 尿 素 ，CVLと顕色剤をイソプロピルアルコール（IPA）に溶

0.8%NaCl，0.1%MgCl2 ，0.1%CaCl2 ）20mlを添加し，30

解し70℃で1時間撹拌しながら溶液を調整した。吸光度分間放置した後，シャーレから布を取りだし，濡れた測定は島津製作所製 紫外可視分光光度計UV-2400を用ままでLab表色系にて測定し，初期の発色との色差を求いて測定した。

めた。
2-5 インクの保存性試験について
布おむつレンタルシステムでは，布おむつを3日分ま表1検討した顕色剤

No.

顕色剤

とめて施設等へ納品するとのことなので，インクが塗1

乳酸

付後3日間退色しないことが必要不可欠である。そこで，

2

CaCl 2

作製から21日後までのインクについて，塗布後それぞ

3

クエン酸

れ７日経過後の発色試験を行い，インク保存性を検討

4

酒石酸

した。

5

フマル酸

6

没食子酸エチル

7

タンニン酸

8

無水マレイン酸

9

マレイン酸

3 結果と考察3-1 顕色剤の選別と発色性評価
表1に示した各顕色剤を用いて，9種類の溶液の吸光度を測定した（図3）。色素CVLに対して顕色剤をマレイン酸とした場合，吸光度2.9を示し，発色性が最も高い
ことが分かった。ところで，各顕色剤の酸解離定数2-2 増粘剤の選別と添加量
インクを繊維に塗布する場合，滲み防止のために，（25℃）は以下の通りである（解離が多段階のものは，初期の値で比較した）。

増粘剤が必要不可欠である。増粘剤はインク作製時にpKa1= マ レ イ ン 酸 1.75< フ マ ル 酸 2.85< ク エ ン 酸 2.90<

有機溶剤に溶け，かつ塗布した後は水にもわずかに溶

酒石酸2.99<乳酸3.66

解性を示すものが好ましい。これらの条件を満たす増これらのことから，検討した顕色剤の中でマレイン酸

粘剤は，エチルセルロース（EC），エチルヒドロキシセが最も高い発色性を示す理由は，他の顕色剤よりCVL

ルロース（EHC），ヒドロキシプロピルセルロース（HPC）

を還元しやすいためと考えられる。

等がある。そこで，上記増粘剤からの選別と最適な添加量を検討するため，CVL，顕色剤としてマレイン酸，

3

各増粘剤（0～6.4wt%）をIPAに溶解しインクを作製し

2.5

た。

CVLに対して，顕色剤としてマレイン酸を1～20当量，2abs

2-3 顕色剤量の検討と発色試験←（×１/２）1.5

EC3.0wt%をIPAに溶解し1時間60℃で撹拌した。作製し1たインクの発色試験は紙にマイクロピペットで12μL

0.5を 塗 布 し ， 日 本 電 色 工 業 ㈱ 製 Spectro Color Meter

0

SE2000によりLab表色系にて色を決定した。

400

500

600

700

800

波長（nm）

2-4 消失試験
インクを塗付した布おむつが，尿と反応して変色す

1
2
3
4
5
6
7
8
9

←（×１/５）

図3

顕色剤の発色性評価

る色変化を色差で求めた。ポリエステルの布（5cm×5cm）にインクをマイクロピペットで75μL塗布し，発色試験と同じように色差計により Lab表色系にて色を3-2 各増粘剤量と消失性増粘剤として，EC，EHC，HPCを用いて作製したインクの消失性の結果は以下の通りである（図4）。HPCは，いる。21日以内では，さらに退色が進むことはなかっ

人工尿に塗布後のインクが流出したため，増粘剤とした。このことより，インクに必要な発色性であ る，ては不適であった。図4より,色差ΔEが最大の30となる

b*=-20より負に大である条件を満たしているので， イ

EC3.0wt%が消失性が高いと評価できるので増粘剤としンク，およびインクを塗布した布おむつは，3週間以内て適当である。添加量は3.0wt%以上になると消失しにの保存後の使用は可能であるといえる。

くくなり，風合いも堅くなることからできる限り抑え

35
30
25
20
15
10
5
0

EC
EHC

発色性/b*（黄→青）

消失性/ΔE

ることが望ましい。
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
0

図6

0

1

2

3
4
ｗｔ％

5

6

3

(days)

7

21

インクの保存性（紙）について

7
4 まとめ

図4

増粘剤量と消失性（布）布おむつに酸化還元反応で変色する尿応答インクを塗布することで，特別な装置がなく簡便に尿検知でき

3-3 顕色剤量と発色・消失性

るおむつの作製に成功すると共に，尿検出インクの最b*は，青または黄の度合いを示し，負に大きいほどあざやかに青く，-20より0に近づくと，くすんだ色に適な組成を検討することで，以下のことを確立することができた。

なり，20より大きいとあざやかな黄色になる。図5に顕○繊維に塗布してもにじまない

色剤量と発色・消失性の結果を示す。ちなみに発色性○発色性がよいが高いことは，b*=-20より負に大きい値である必要が○尿と接触したことが明確に判る（消失性がよい）ある。図5より色素CVLに対して，顕色剤4当量で，b*，○

インクおよびインクを塗布したおむつは，3週間ΔEが共に極大値をとる。このことから，最も発色性がまで保存して使用可能

良く，消失性が明確である顕色剤量とCVLの最適な当量
5 参考文献は，CVLに対して顕色剤量4.0当量である。

消失性/ΔE

40

-30
-25
-20

30

-15

20

-10

10

-5

発色性/b*（黄→青）

ΔE
b*

50

0

0
1

図5

1)堂 ノ 脇靖已，泊有佐，鶴我恵子：福岡県工業技術セ

-35

60

2

4
7
11 14
（顕色剤/CVL）eq

1822

顕色剤量とインクの発色（紙）・消失性（布）3-4 インクの保存性について
インク作製日を0日とし,作製日から0，3，7，21日後のインクを紙に塗付し，さらに7日間放置した後，色の発色性について評価した（図6）。インク作製日から0，
3，7，21日経過後も発色性は，b*=-30～-20で安定してンター研究報告，No.15，p.1-3(2005)
2)堀田吉彦：化学と工業，50巻，第7号，p.1001-1003(1997)

ポリマー修飾ナノ微粒子の二次元配列構造を有する
新規な生体物質反応用基板の開発
浦川 稔寛 *1

木村 龍一 *2

吉永 耕二 *2

中野 菜穂子 *3

森田 博之 *3

Adsorption Behavior of Protein to PMMA Plate Which Coated SiO2 Particles
Toshihiro Urakawa, Ryuichi Kimura, Kouji Yoshinaga, Nahoko Nakano, and Hiroyuki Morita
本研究はタンパク質の吸着抑制機能を有する材料の開発を目的として，コロイダルシリカ表面へのポリマー修飾技術の開発と，そのタンパク質吸着抑制機能の評価について検討を行った。初めに，コロイダルシリカへ親水性ポ
リマーを修飾し，表面を親水的な状態へと転換した粒子を調製した。次に，調製した親水性粒子を基板の2次元面上へ配列させて親水化処理を行い，基板上へ吸着するタンパク質量が未処理のものと比較して変化するか検討した。
その結果，粒子による親水化処理を施した基板は，未処理のものと比較してタンパク質の吸着が抑制されることが分かった。

1 はじめにを高めることでタンパク質の吸着を抑制できる事が知

近年，サブミクロンからナノメーターサイズの高分られており，多くの生体適合性材料でも親水性の付与

子や無機微粒子を利用した加工技術に注目が集まってによって問題解決が図られている 1) 。高分子は分子構いる。これらの材料の多くは，基材の表面特性を改質

造を容易に変化させて化学的に親水化させることが可するための加工剤として用途展開されている。また，

能なことから，親水性付与技術の一つとして高分子をより付加価値の高い使用方法も検討されており，医療使用する場合がある 2),3) 。高分子は有機合成によって・バイオテクノロジー分野では，微粒子表面を用途に置換基の数や位置などを自由に創製できることが特長

応じて機能化した材料を調製・利用することで，高感であるが，高分子の微粒子化は合成や精製方法が煩雑

度，高速診断技術へ展開されている。このように，多であるため工業化には適していない。そこで，すでにくの分野において微粒子を用いた技術開発が目覚しく

微粒子化技術が確立しているコロイダルシリカの表面

進展しており関心が高まっている。

へ目的の機能性を有する高分子を被覆する方法を考案

微粒子を材料の機能化に利用する特長は比表面積のした。

増大である。つまり，微粒子表面の状態を変化させ機

本稿では，コロイダルシリカ表面に親水性高分子を能性を付与することは，バルク状態と比較して機能化導入した微粒子を調製し，この粒子を高分子基板表面できる面積が格段に広がることを意味し，機能の向上へ被覆し，粒子で被覆された高分子基板のタンパク質が実現される。さらに，近年の機器分析技術の発展にの吸着特性がどのように変化するか評価を行って，タより，微粒子の構造や粒径，表面電位等を迅速かつ正ンパク質吸着抑制効果の検証を行った。その結果につ確に把握する事が可能なり，微粒子の生成技術の進展

いて以下に報告する。

とあいまって，目的に適した微粒子材料の評価が容易なってきている。このように，微粒子を利用した材料

2 実験方法

開発はハード・ソフト共に実用段階となっている。

2-1 表面修飾コロイダルシリカ粒子の合成

そこで，我々は微粒子を用いたタンパク質吸着抑制

SiO2-MPS合成：粒径120nmのコロイダル シリカ2.1g

技術に着目した。例えば，生体適合性材料は常に生体を含む脱水エタノール（EtOH）分散液20ml中へ，3-メ

内で使用されるため，タンパク質の吸着を少なくする

タクリル酸プロピルトリエトキシシラン（MPS）1.0g

機能が求められている。一般的に，材料表面の親水性を混合し，55℃で24時間撹拌後，20mlのEtOHを用いて遠心洗浄を5回行った。洗浄によって得られた残渣を減*1 化学繊維研究所*2 九州工業大学*3 ㈱ナインラボ

圧乾燥することでメタクリル酸プロピルを表面に修飾したコロイダルシリカ（SiO2-MPS）1.953gを調製した。

SiO2-NH2 の合成：SiO2-MPS（200mg）とエチレンジア行った。なお，表面状態の観察はSEM（走査型電子顕微

ミン（50mg）を20mlのEtOH中で混合し，室温下24時間

鏡：日本電子製 JSM-840F）を用いて行った。

撹拌後，20mlのEtOHで5回遠心洗浄を行った。洗浄によ2-3 QCM測定って得られた残渣を減圧乾燥することでエチレンジア

合成した微粒子のタンパク質吸着抑制効果を検討す

ミン修飾コロイダルシリカ（SiO2-NH2）185mgを調製しるため，基板上へ吸着するタンパク質の重量評価をQCMた。

（Quartz crystal microbalance：Seiko EG&G QCA917)をSiO2-PAAmの合成：SiO2-MPS（200mg）とポリアリル用いて行った。測定用基板は2-2に示した方法により調

アミン（200mg）を20mlのEtOH中で混合し，室温下24製したQCM発振子を使用した。この基板をリン酸緩衝溶

時間撹拌後，20mlのEtOHで5回遠心洗浄を行った。洗浄液（pH 7.0）中25℃の状態で安定化させ，濃度既知のによって得られた残渣を減圧乾燥することでポリアリ

BSA（ウシ血清アルブミン）を添加した。BSAの添加にルアミン修飾コロイダルシリカ（SiO2-PAAm）207mgを伴って変化する発振子の周波数を計測し，これを各BSA調製した。

濃度における吸着量に換算し，調製した基板のBSA吸着SiO2-PEGの合成：粒径120nmのコロイダルシリカ粒子

特性を評価した（図1）。

500mgとポリエチレングリコキシアミドプロピルトリ

BSA

エトキシシラン500mgを50mlの脱水EtOH中で混合し，室SiO2 particles

温下24時間撹拌後，50mlのEtOHで5回遠心洗浄を行った。

PMMA film

洗浄によって得られた残渣を減圧乾燥することでポリ

Au electrode

エチレングリコール修飾コロイダルシリカ（SiO2-PEG）473mgを調製した。

Quartz

図1

QCM 測定用基板の構造

SiO2-PAcの合成：SiO2-MPS 250mgとアクリル酸2.0g
を100mlのイオン交換水中に混合し，重合開始剤にAAP

周波数変化から重量変化を求める換算式は，（2-2’アゾビス-2-ジアミノプロパン二塩酸塩）40mg⊿M = -⊿F×A×√(µ×ρ) / (2×F2)を加え，70℃で6時間反応を行った。反応終了後，イオである。ここで，⊿M：発振子の重量変化，⊿F：発振

ン交換水で8回遠心洗浄を行い，ポリアクリル酸修飾コ子の周波数変化，A：発振子の表面積，µ：発振子定数，

ロイダルシリカ粒子（SiO2-PAc）244mgを調製した。

ρ：振動子密度，F：基準周波数である。また，A，µ，2-2 QCM測定用基板の調製

ρ，Fの積は1.068である。よって上記式は，

QCM測定基板上へ，2-1で調製した各々の表面修飾コ⊿M = -⊿F×1.068

ロイダルシリカを被覆する処理方法について検討を行と標記でき，例えば共振周波数が1 Hz減少した場合は，った。

発振子の重量が1.068 ng増加したことを意味する。ま2

PMMA被覆基板の調製：19.6mm の水晶発振子基板上に0.5mg/ml PMMA（ ポ リ メ タ ク リ ル 酸 メ チ ル :平 均 分 子
量 46000 ） の 酢 酸 エ チ ル 溶 液 10µl を 添 加 し ， 25 ℃ で3000rpm，15秒間スピンコートし，PMMA被覆水晶振動子
基板（PMMA基板）を調製した。

た，測定発振子の面積は19.6 mm2 であることから，単位面積あたりの吸着量⊿m[ng/mm2]は，⊿m = ⊿M / 19.6
で求めることができる。
測定は，2-2の方法で調製した基板の⊿mと，その時コロイダルシリカ配列基板の調製：2-1で調製したコのBSA濃度との関係を求めた。その結果から，吸着量のロイダルシリカ粒子を含む，アセトニトリル（和光純

少ないものを，タンパク質吸着抑制効果を有する材料薬製），MeOH（メチルアルコール：和光純薬製），EtOHとして評価した。

（和光純薬製），イオン交換水の各分散液（1mg/ml）を調製した。各分散液15µlをPMMA基板上へ滴下し，25

3 結果と考察℃で乾燥を行って，粒子の自己組織化によるPMMA基板

3-1 配列方法の検討

上への被覆を行った。また，その基板表面の状態を観調製したコロイダルシリカをPMMA基板上へ均一に被察し，最も均一な微粒子被膜を形成する方法の探索を覆するため，粒子の自己組織化作用を利用した被覆処

理方法を検討した。被覆処理には，1mg/mlに調製したる 4)。今回の検討結果から良好な表面状態の形成には，

SiO2-PAAm粒子を含むアセトニトリル，MeOH，EtOH，イ

分散剤にEtOHを用いて行う被覆処理が最良である事がオン交換水の各分散液を用い，それを基板上に15µlキ

確認された。以上の知見から，QCM測定用基板はEtOH

ャストして25℃で乾燥させた。乾燥に伴って粒子の自を分 散 剤に 用 いる 上 記処 理 方法 に よっ て 調製 を 行っ

己組織化が促され，基板表面が粒子で被覆される。被た。

覆状態を評価する為，SEMによって表面状態を観察し，3-2 QCM測定

PMMA基板上に均一な粒子被膜が形成される条件を検討した。表面状態の観察結果を以下に示す。

3-1の方法でコロイダルシリカを被覆した基板への
BSA吸着現象を重量変化として捉えるため，QCMを用い検討1：アセトニトリル分散て測定を行った。

波状の凝集が観察され均一な被覆は見られなかった（図2）。

まず，BSAが基板上へ吸着する状態を解析するため，吸着平衡に達した後，基板をリン酸緩衝溶液で洗浄し，検討2：MeOH分散

再びBSA溶液を加えて，再洗浄を行った。この操作にお粒子の被覆状態は疎らで，多くの箇所はPMMA部分がいて 基 板の 振 動数 が どの よ うに 変 化す る か観 察 した剥き出しとなり，均一な被覆は見られなかった（図3）。

（図6）。

検討3：EtOH分散
100∆F (Hz)

基板表面はコロイダルシリカで一様に覆われ，粒子による緻密な被覆状態を形成した（図4）。
検討4：イオン交換水分散

50

③再吸着

2500

4000

④再洗浄

1000

5500

-50
-100

良であった（図5）。

②洗浄

0

-500

基板の各所に大きな凝集が観察され，表面状態は不①吸着Time (s)

BSA
SiO2

①：吸着

②, ④：洗浄

図6
×10,000

1µm

③：再吸着

吸着状態の評価と解析

1µm

×10,000

その結果，①BSA吸着過程と③再吸着過程，並びに②
図2

アセトニトリル分散

図3

MeOH 分散洗浄過程と④再洗浄過程において，それぞれと振動周
波数（Hz）の値がほぼ一致することが分かった。この現象は，①吸着過程で基板上へ多層にタンパク質が吸着し，②洗浄過程で積層部分が洗浄されて重量が減少（周波数が増加），③再吸着過程において再びタンパ

×10,000

図4

EtOH 分散1µm

ク質が多層に吸着し，④再洗浄過程で再び多層部分が×10,000

図5

1µm

水分散

除かれたものと考えられる。また，②と④洗浄過程において測定基板の周波数に変化がみられていない。これは洗浄によって基板そのものに重量変化がないこと

以上の結果は，PMMA基板表面への粒子の被覆状態がを示している。このことは，被覆した粒子が基板表面

分散剤の種類に大きく依存することを示している。良から脱離していない事を示している。したがって，周好な表面状態を形成したEtOHは検討を行った分散剤中波数の減少はBSA吸着量のみを示しており，上記測定方

で最も粘性率が高い（1.06cP）。また蒸気圧も61.5mmHg法によってBSAの吸着量を評価できる事が分かった。

と高い。このことから，分散剤の粘度や揮発性などのそこで，PMMA，SiO2-NH2 /PMMA，及びSiO2-PAAm/PMMA

物性 が 被覆 状 態に 深 く関 与 して い るこ と が示 唆 されを被覆した基板へのBSA吸着量の測定をQCMによって行

測定の結果，BSA濃度25µMにおけるPMMA基板へのBSA
吸 着 量 は 6.8ng/mm2 で あ る の に 対 し ， SiO2-NH2 / PMMA
基板では約4.0ng/mm2 となり吸着量の減少が確認された。同様に，SiO2-PAAm/PMMA基板では約3.6ng/mm2とな
り，さらなる吸着量の減少が確認された。
こ れ は SiO2-NH2 の 親 水 性 が BSA吸 着 を 抑 制 し て い るAdsorption ( ng/mm2 )った結果を図7に示す。
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

PMMA 基板
SiO2-NH2 / PMMA 基板
SiO2-PAAm /PMMA 基板0

ことを示唆している。さらに，SiO2-PAAmはポリマー鎖

10由来のアミノ基に伴う親水性効果の増加に加えて，ポ

20
30
40
50
Concentration of BSA (µM)

図760

QCM 測定結果-1

リマー鎖の立体的反発作用が加わり吸着抑制効果が高まったことを示している。

いて同様に，QCMを利用したBSA吸着量測定実験を行った結果を図8に示す。
測定の結果，BSA濃度25 µMにおけるPMMA基板へのBSA
吸着量は6.8ng/mm2であるのに対し，SiO2-PEG/ PMMA基
板では約3.3ng/mm2 となり吸着量の減少が確認された。
この現象もPEGのポリマー鎖の親水性および立体的反発が作用しているためと考えられる。一方，Adsorption ( ng/mm2 )次に，SiO2-PEG/PMMA基板とSiO2-PAc/PMMA基板につ

14
12
10
8

SiO2-PAc /PMMA 基板

PMMA 基板

6
4
2
0

SiO2-PEG /PMMA 基板

0

10

20

Concentration of BSA (µM)

SiO2-PAc/PMMA基板では約13.8ng/mm2となり，他のポリ

図8

マー修飾コロイダルシリカと比較して，逆に吸着量がQCM 測定結果-2増大した。これは，測定環境がpH 7.0であるために，
SiO2-PAc/PMMA基板表面のカルボキシル基が脱プロト

5 参考文献

ン化したことによる静電的作用が影響しているもの考1)M. Tanaka, et al., Biomacromolecules, Vol.3,

えられる。
以上の結果から，親水性ポリマーを導入したコロイ
ダルシリカでPMMA基板表面の被覆を行うと，被覆していないものと比較して，基板表面へのタンパク質の吸着を抑制できることが分かった。また，この効果は粒子表面の官能基に大きく依存し，表面に電位を有する
ものは，吸着量が増大することが分かった。

4 まとめ
コロイダルシリカ表面へ親水性ポリマーを導入した材料の開発と，得られた材料のタンパク質吸着抑制効
果について検証を行った。その結果，粒子表面へアミノ基，もしくはポリエチレングリコール鎖を導入した材料に高いタンパク質吸着抑制効果が確認された。この結果は，コロイダルシリカ粒子の表面の親水基効果によるものと示唆される。このことは，タンパク質吸着抑制技術の主流として使用されてきた生体由来材料に代わる全く新しい手法を確立した事になる。

p.36-41(2002)
2)A. R. E. Holmlin, et al., Langmuir, Vol.17,
p.2841-2850(2001)
3)高分子学会編:高分子の物性(3),p.159-183,共立出版(1995)
4)浅原照三他:溶剤ハンドブック, 講談社(1996)

撥水機能を付与した木材のソープフィニッシュ処理液の開発
堂ノ脇 靖已 *1

林 眞一 *2

吉田 美裕紀 *2

関光 信也 *3

Development of Soap-finish Treatment Liquids to Serve as a Water
Repellent on Woods
Kiyoshi Donowaki, Shin-ichi Hayashi, Miyuki Yoshida, Nobuya Sekimitsu
石鹸を用いた木材のソープフィニッシュは，木の色彩，触感などの素材感を損ねない木材仕上げ塗装法として家具等に使用されているが，撥水機能が無く，汚れやすいため頻繁なメンテナンスが必要である。本研究では撥水機能を付与したソープフィニッシュ処理液の最適組成を各種機能にて検討を行った。この結果，飽和脂肪酸が優位であることが明らかとなった。

を開発した 1)（図1）。ここでは，用いた脂肪酸の種類，

1 はじめに我が国での木材塗装法は，化学合成塗料による皮膜濃度などの組成を変化させ，各種機能への影響につい形成が主流であるが，近年は健康・環境面から，天然て調査し，最適なソープフィニッシュ処理液組成を検由来成分である蜜ロウやオイルフィニッシュの亜麻仁討した。

油などを用いた自然塗装法が普及し始めている。しかし，これらは木が本来持っている素材感や機能を損ね

2 研究，実験方法るものであり，また塗装時に乾燥時間が長く，悪臭，

2-1 木材サンプルの作製

自燃性（自然発火性）があるなど作業工程上の欠点が本研究で用いた木材は無垢ナラ材を用いて，以下のあった。一方，上記した欠点が無く，かつエコロジー

ような処理にてサンプルの作製を行った。

な木材塗装法として，天然の脂肪酸からなる石鹸液を処理：①手鉋

木材に塗布する「ソープフィニッシュ」が知られてお②#240サンドペーパーかけり，北欧を中心に使用されている。しかし，この塗装③A液塗布(2.5～3時間乾燥)は撥水性が無いために汚れやすい欠点がある。

④#600耐水ペーパーで軽くサンディング

そこで本研究では，木材内部で脂肪酸（石鹸）⑤B液塗布（約2.5時間乾燥）

溶液A液と金属を含む無機溶液B液を接触させることに⑥#1000耐水ペーパーで軽くサンディング

より，水に不溶な脂肪酸-金属錯体を生成させ，これに組成液の検討では脂肪酸としてラウリン酸（C12），より木材表面に撥水機能を付与できる木材の処理方法

ミリスチン酸（C14），パルミチン酸（C16），ステアリン酸（C18），オレイン酸（C18-1）を用いて行った。

本研究の処理方法

2-2 色彩変化測定
木材に塗布した後の色彩変化，防汚試験などの色彩

従来のｿｰﾌﾟﾌｨﾆｯｼｭ

に関する評価は，日本電子工業(株)製 Spectro Color
Meter SE2000を用いて，ハンター方式Lab，色差値はLabの値から算出したΔEにて行った。

液
溶
酸
肪 液
脂 A

脂肪酸
浸透

液
溶 脂肪酸-金属
機 液
錯体形成
無 B

2-3 浸透厚測定
生成した脂肪酸-金属錯体の浸透厚は，金属をX線マイクロアナリシス（EPMA）にて検出することにより脂図1

ソープフィニッシュ処理方法

肪酸-金属錯体を擬似的に観測した。
2-4 撥水性試験*1 化学繊維研究所*2 まるは油脂化学(株)*3 関光デザイン事務所

木材表面の撥水性は協和界面科学(株)製 接触角計
CA-DT・A型にて接触角を測定して評価した。測定は，

液適法に従って木材表面に直径1.52mmの水滴を滴下後，液のみ塗布した場合は，約1mm程度浸透できるのに対し5分後の接触角を読みとった。

て，A液とB液で処理した場合，2箇所で測定を行ったが，2-5 耐汚染性試験

いずれも0.2mmで検出が低くなった。以上の結果から，耐汚染性試験は，日本工業規格JIS K5961に従って行った。汚染物として醤油，ソース，クレヨンを用いて，本ソープフィニッシュで生成する脂肪酸-金属錯体の浸透厚は0.2mm以下であると考えられる。

1時間汚染し，規定の方法で洗浄，乾燥した後，汚染前

100

2-6 防炎試験
JIS Z2150「薄い材料の防炎性試験方法（45°メッケ
ルバーナ法）」に従って，加熱時間を1分間として試験を行った。全てのサンプルで残じんは1分後観測できなかったため，炭化長，残炎時間にて評価した。

相対的Ca含有率 / %との色差値にて評価した。

A+B run①
A+B run②
B処理

80
60
40
20
0

3 結果と考察0

3-1 木材加工による色彩変化

0.2

0.4
mm

表面

0.6

0.8

木材塗布後の色彩変化が少ないことはソープフィニ
図3

ッシュの特徴の一つである。そこで，本ソープフィニ

EPMAによる金属検出結果

ッシュにて撥水機能を付与した木材の色彩変化について検討を行った（図2）。この結果，本ソープフィニッ

3-3 撥水性試験

シュ処理液にて処理した木材は，オイルフィニッシュ

本ソープフィニッシュの大きな目的である撥水性試に比べて変化が少なく，脂肪酸にはC12，C14，C16，C18

験結果を図4に示す。未処理の木材では全く接触角は測などの飽和脂肪酸が有効であることが示された。

定できなったが，本ソープフィニッシュ処理により撥
水性を付与することができた。特に，脂肪酸は先に示した色彩変化結果と同様に飽和脂肪酸が有効であった。

10

100

5

接触角

80
60
40
20

図4

撥水性試験結果

未処
理

塗布後の木材表面色彩変化結果

ND

0

ｵｲ
ﾙ

C18 C18-1 ｵｲﾙ

C1
81

C16

C1
8

図2

C14

C1
6

C12

C1
4

0

C1
2

色差値

120

3-2 脂肪酸-金属錯体の木材への浸透厚調査
本ソープフィニッシュで生成する脂肪酸-金属錯体

3-4 耐汚染性試験

形成厚を測定することは，耐久性の観点からも重要で

本ソープフィニッシュ処理方法により撥水性を付あるが，直接的に検出することは困難であった。そこ与できたため，耐汚染性も向上したものと考えられる。

で，脂肪酸と金属の反応が速いことから，金属を検出

そこで，醤油，ソース，クレヨンの汚染性について調することで木材内の脂肪酸-金属錯体の存在を近似的べた。この結果を図5に示す。醤油，ソースについてはに調べることができると考えた。図3に木材表面から内未処理に比べて耐汚染性を示し，それぞれ最大で80%

部に向かって検出を行った金属相対的含有率を示す。B

以上の汚染が低下できた。ここでも，撥水性と同様に

C12，C18などの飽和脂肪酸にて効果がみられ，撥水性
オイルフィニッシュを施すことで耐汚染性が向上できたと考えられる。しかしながら，クレヨンについては全体的に未処理と変化がなかった。そこで，塗装後の木材表面を電子顕微鏡にて観測した。この写真を図6に示すが，オイルフィ
ニッシュでは皮膜を形成しているため，表面が滑らかであるのに対して，本ソープフィニッシュ処理後の木材表面は導管が見え，表面が粗い。このために，水系の醤油やソースでは，疎水性の脂肪酸-金属錯体が生成

本ソープフィニッシュ

するために撥水して耐汚染性は向上できたが，油系のクレヨンでは，表面の粗さでクレヨン物質が残り，汚染しているものと考えられる。

醤油
ｸﾚﾖﾝ
ｿｰｽ

15
10

図 66

木材表面観測

醤油
ｿｰｽ

ｸﾚﾖﾝ
接触角

5

ｵｲﾙ

耐汚染性試験結果

そこで，導管の目止めを行うことにより木材表面粗

20

100

10

50

0

0

未
処
理

さを軽減することを考え，微粒子を本ソープフィニッ
シュのB処理液に加えた。微粒子としては卵殻を用い，150

粒径は数～20ミクロンのものを用いた。C12，C18につ

ｵｲ
ﾙ

C18-1

C1
8

C18

C1
2

図5

C12

C1
2

未処理

色差値(防汚性)0

接触角（°）30

C1
8

色差（汚染性）20

B液に卵殻粉体含有
図7

いて比較した結果を図7に示す。この結果から全体的に
撥水性は低下するものの，耐汚染性については微粒子

耐汚染性における微粒子添加効果

15程度汚染性を低下できた。このことから，表面粗さが汚染に影響することが明らかとなった。また，C12では水系の醤油でも顕著な微粒子添加効果がみられた。そ色差値ΔEを添加する効果が示され，特にクレヨンについては50%105

こで，経時的な汚染状況を調べたところ，図8のような結果が得られた。卵殻を入れていない系では，汚染物

C12卵殻

20
40
汚染時間(min)600と接触したのと同時に汚染されているのに対して，卵0

殻微粒子を含む系では汚染速度が遅くなっている。この結果から，卵殻微粒子が木材表面の導管を目止めし，

C12

図8

C12 の醤油における経時的汚染結果

汚染物質の侵入を阻害しているものと考えられる。
以上の結果から，本ソープフィニッシュでの耐汚染

脂肪酸-金属錯体の化学的な疎水効果が有効であり，さ性は，醤油やソースなどの水系汚染物質については，らに木材の表面導管を目止めするなど表面粗さの物理的な低減方法を用いることで，水系，油系ともに効果が期待できることが明らかとなった。

2)特許第168935号「木材，木板ノ防火處理法」

3-5 防炎試験
木材の欠点の一つとして可燃性があげられるが，脂肪酸の石灰塩，またはバリウム塩が木材の防火処理に使えることが知られており 2) ，本ソープフィニッシュ
処理の防炎性についても試験を行った。全てのサンプ
ルで残じんは1分後観測できなかったため，炭化長，残炎時間についての結果を図9に示す。この結果から，全体的に炭化長は10cm未満であり，未処理やオイルフィ
ニッシュとの優位差は見られなかったが，残炎時間では未処理に比べて最大96%も減少し，本ソープフィニッ
シュでも防炎機能が示された。ここでも，特に飽和脂肪酸では残炎時間が短く，日本工業規格の防炎2級（残炎時間5秒以内）程度の性能を示した。

残炎時間(秒)炭化長(cm)

10
8

30

6
20
4
10

2

図9

C1
8
C1
81
ｵｲ
ﾙ
未
処
理

C1
6

0
C1
4

0
C1
2

炭化長/cm

残炎時間/秒40

材使用製品」

防炎試験結果4 まとめ報告した結果から，全体的に各機能において飽和脂肪酸が効果的であった。耐汚染性では微粒子の添加効
果は明らかであったが，オイルフィニッシュと比べると汚染性は大きい。今後，さらに表面粗さを抑制するため，導管目止めを行いながら，その素材感，機能耐久性なども検討する必要がある。また，防炎性については，撥水性付与，防汚性向上と同様に，従来のソープフィニッシュ処理方法と差別化する上で有効な結果であった。

5 参考文献1)PCT/JP2006/300161「 木材の撥水処理組成液及び木材の撥水処理方法並びに撥水処理木材及び撥水処理木

プリント配線基板内蔵用高容量薄膜コンデンサの開発
ゾルゲル法で合成したチタン酸バリウムナノ粒子の結晶性牧野 晃久 *1

山下 洋子 *1

藤吉 国孝 *1

有村 雅司 *1

Development of a Film Capacitor Embedded Print Wiring Board
with a High Capacitance Density
Crystallinity of Nano-Sized Barium Titanate Particles Synthesized by Sol-Gel Method
Teruhisa Makino, Yoko Yamashita, Kunitaka Fujiyoshi, Masashi Arimura
電子セラミック材料へ応用可能なチタン酸バリウムナノ粒子の合成について，数多くの手法が研究されている。
中でも液相を介する手法は均一微細な粒子を合成する手法として固相法などと比較して優位であるが，液相に含まれる水酸基由来の欠陥が最終製品にまで影響を及ぼすことが報告されており，問題となっている。そこで本研究では，高濃度ゾルゲル法によって合成したナノ粒子の欠陥についてTEMを用いて観察した。その結果，高濃度ゾルゲ
ル法は合成時に水酸基を多く含む方法であるにもかかわらず，粒子内に水酸基由来の欠陥を形成することなく結晶性の高いナノ粒子を合成できることが明らかとなった。

1 はじめにオートクレーブ処理することにより得る水熱合成法な高い誘電率を持つチタン酸バリウム（BaTiO3 ）は，

どがある。水熱合成法は，固相法に比べて粒径が均一

セラミックコンデンサなどの電子部品に多く用いられで微細なBaTiO3 粒子の合成が可能であると言われていている。近年，積層セラミックコンデンサの小型化，る 1）。しかしながら得られるBaTiO3粒子は，100℃以上

大容量化が進み，コンデンサを構成する誘電体層の薄の高温高圧で合成されるためにBaTiO3 結晶格子内に水層化が要求され，1µm程度の厚みの誘電体薄膜が実現

酸基（OH基）などが取り込まれるといった問題があるしている。かかる厚みの誘電体薄膜を実現する上で，

2,3）

原料の微粒化，誘電体組成の均一化が重要となってい行い粒子の結晶性を高める必要があるが，熱処理後にる。特に，薄膜の電気的絶縁性を確保する上で薄膜中も粒子内にOH基が残留し，最終的に薄膜内に気孔としに十層以上の粒子が積み重なっている必要があると経て残るといった問題があり 1-3），液相法の根本的な問験上言われている。すなわち，BaTiO3 を用いて薄膜を題として捉えられつつある。

形成する上で100nm以下の粒径及び組成が均一な粒子が要求されている。

。これらを原料として用いるためには，熱処理を新たなBaTiO3 ナノ粒子合成方法として，固相法において出発原料の微粒化により微細なBaTiO3 粒子を得る

従来，BaTiO3 粒子を合成する方法として，炭酸バリ

方法 4) や，シュウ酸バリウムチタニルの熱分解によりウム粉末と酸化チタン粉末を出発原料として1200℃以

微細なBaTiO3 粒子を得る方法 5) が報告されている。筆上の高温でBaTiO3 とする固相法が安価であり，多く用者らは，従来合成プロセスに替わる手法として，高濃いられてきた。しかしながらこの方法では粒子の大き度の前駆体溶液から結晶質BaTiO3 ナノ粒子を常圧，室さを1µm以下にするのは困難であるため，固相法によ温で合成できる高濃度ゾルゲル法 6) を用いた研究を行りBaTiO3 を合成した後，機械的に粉砕してサブミクロっており，高結晶性ナノ粒子の合成，粒子径制御につンのBaTiO3 粒子を得ている。しかし粉砕による粒子微いて研究を行っている。

細化では粒径分布がブロードになり，焼結時に異常粒

本研究では，液相法である高濃度ゾルゲル法から合成長しやすく電気的特性が劣化するといった問題があ成したBaTiO3 ナノ粒子についてTEM観察により結晶性る。

評価を行い，他研究者らが報告する水熱合成法の結果

一方，100nm以下のBaTiO3 粒子を合成する方法としては，水酸化バリウムと水酸化チタンを100℃以上で*1 化学繊維研究所と比較した。

2 研究，実験方法

Bメッシュ，応研商事製）を潜らせ，余分な溶媒をろ

2-1 BaTiO3ナノ粒子の調製紙にて除去した後，自然乾燥させてTEM観察に供した。

図1はBaTiO3 ナノ粒子の調製方法を示したものであTEM観察は透過型分析電子顕微鏡（TEM；TECNAI-20，

る。前駆体溶液はジエトキシバリウム（Ba(OC2H5)2 ，Philips社製）を用い，加速電圧200kVで行った。また，

高純度化学研究所製）を乾燥窒素雰囲気中にてメタノ

高 分 解 能 電 子 顕 微 鏡 （ HRTEM； JEM-4000X， 日 本 電 子

ールとエチレングリコールモノメチルエーテル（2-メ製）を用い，加速電圧400kVでBaTiO3 ナノ粒子内の結トキシエタノール）の混合溶媒（体積比3：2）に溶解晶構造を観察した。

した後，等モルのテトライソプロポキシチタン（Ti(OCH(CH3)2)4 ，高純度化学研究所製）を加えて攪3 結果と考察拌し，濃度1.0×10-3mol･m-3 （1.0M）となるように調3-1 エージング処理とBaTiO 3ナノ粒子の結晶性製した。

エージング処理条件を30℃×168時間（7日間）およ

次いで前駆体溶液を-30℃に保持し，水とメタノー

び50℃×120時間（5日間）として得られたナノ粒子をルの混合溶液（体積比1：1）を滴下した。混合溶液の実験に用いた。図2は各々のナノ粒子をTEM観察した結滴下量は，水の添加量が前駆体溶液中のTiに対して16果である。いずれの粒子も粒子径はおよそ20nm程度でモル倍となるようにした。得られたゲルは所定の温度あり，特に30℃でエージング処理を施したナノ粒子はで所定時間熟成処理（エージング処理）を施し，均一粒径 であ り，1つ1つの 粒子に結 晶面 （ファセ ッ

BaTiO3ナノ粒子を得た。

ト）が明瞭に観察された。しかしながら50℃でエージング処理を施したナノ粒子は，粒子径は20nm程度であったが，粒子径に若干のばらつきが見られ，各々の粒CH3OH＋CH3OC2H4OH(3 : 2)
Ba(OC2H5)2Ti(O-isoPro)4
BaTiO3前駆体溶液された。そこでTEM観察中にEDXによる元素の定性分析を行ったが，Ba，Ti，O，Cが検出され，他の元素は検出されなかったことから，他元素などの異物の付着ではないと考えられる。

in dry N2 atmosphere

加水分解-30℃ H2O/Ti=16

子表面には異物もしくは空隙らしきものが数多く観察

CH3OH＋H2O(1 : 1)

エージング処理

Henningsらは水熱合成法で合成したBaTiO3 ナノ粒子の欠陥について，TEMにより観察されたコントラストの差が熱処理後にさらに明確になり結晶格子内にOH基由来の欠陥が取り込まれることを報告している 2),3）。
また，中野らは水熱合成法で合成したBaTiO3 ナノ粒子のOH基由来の欠陥が熱処理により消失する様子をTEM

BaTiO3ナノ粒子
図1

BaTiO3ナノ粒子の調製プロセス

によりIn-situ観察している 7 ）。このように多くの研究者らがOH基由来とみられる欠陥の存在をTEMなどによって確認しており，OH基を含む原料あるいは溶媒を

2-2 TEMによるBaTiO3ナノ粒子の結晶性評価
合成したBaTiO3 ナノ粒子を2-メトキシエタノール中-6-3用いた合成方法ではこのような欠陥が発生すると報告している。本研究においても，50℃でエージング処理

で濃度0.2×10 mol･m （0.2mM）となるようにBaTiO3を施したナノ粒子のTEM写真は他研究者らが報告するナノ粒子を投入し，超音波を2時間照射した。超音波

TEM写真と同様の形態をしており，有機物を含むOH基発生装置には，投込型の発振子を有する超音波発生器

由来の欠陥が存在していると考えられる。

（カイジョー製，TA-4021）を使用し，超音波の発振

しかしながら，30℃でエージング処理を行った場合，

周波数は50kHzとした。超音波照射時の水槽の温度は，欠陥と思われるようなコントラストの差は観察されな20℃一定となるように恒温水循環装置によって調整しかった。欠陥が粒子内に形成されない理由としては，た。かくして得られた溶液にマイクログリット（150-

前駆体濃度を高めた高濃度ゾルゲル法という方法が，

30℃という複合酸化物の合成温度としては極めて低温

また，粒子内部には格子像の乱れがファセットと同で，かつ常圧で高結晶性のBaTiO3 ナノ粒子が得られる

じ方向に直線状に2本観察された（図3（A）矢印）。こ

方法であるために，粒子内に欠陥を形成することなくの乱れが粒子の結晶成長方向であるファセットと同じ結晶成長できるためだと推測される。そこで，30℃で方向であり，直線が明瞭ではなくアモルファス成分をエージング処理を施したBaTiO3 ナノ粒子について高分伴っていることから，ステップを形成し 8），エージン

解能TEM観察を行い，粒子内の欠陥の有無及び結晶のグ処理によりさらに結晶成長すると考えられる。また形態について観察した。

このようなステップが形成されることは，下地となる
チタン酸バリウムの結晶性が高いことを示している。

(A)

以上より，高濃度ゾルゲル法を用いて30℃のエージ
ング処理を施したナノ粒子にはOH基由来の欠陥が存在せず，結晶性の高い粒子が得られたことが明らかとな
った。

(A)

(B)

5nm

(B)

図2

BaTiO3 ナノ粒子のTEM写真；（A）50℃×120時間

エージング処理，（B) 30℃×168時間エージング処理

3-2 HRTEMによる結晶構造評価
図3はエージング条件を30℃×168時間としたBaTiO3ナノ粒子のHRTEM写真およびその電子線回折図形であ

図3

BaTiO3ナノ粒子（30℃×168時間エージング処理）の（A）HRTEM写真および（B）電子線回折図形

る。本研究で合成したBaTiO3 ナノ粒子は格子縞が明瞭に確認でき，ファセットがはっきりとした形状となっ4 まとめていた。粒子内部には図2（A）に見られる明らかなコ本研究では，液相法である高濃度ゾルゲル法から合ントラストの違いが存在せず，OH基由来の欠陥はない

成したBaTiO3 ナノ粒子についてTEM観察により結晶性と考えられる。また，粒子が重なっていたために複数評価を行い，他研究者らが報告する水熱合成法の結果の粒子の電子線回折図形となっているが，回折点がはと比較した。その結果，30℃でエージング処理を行っ

っきりと確認でき，結晶質の立方晶BaTiO3 ナノ粒子でた場合，OH基由来と考えられている欠陥の存在は認めあった。

られなかった。本方法が30℃という複合酸化物の合成

温度としてはごく低温で，かつ常圧で高結晶性のBaTiO3 ナノ粒子が得られる方法であるために，粒子内に欠陥を形成することなく結晶成長できると推測される。また，高分解能透過電子顕微鏡写真及び電子線回折図形から本研究で合成したナノ粒子の結晶性の高さを確認することができた。

5 謝辞
本研究は，新エネルギー・産業技術総合開発機構平
成17年度産業技術研究助成事業の助成を受け実施しております。
また，本研究の一部は文部科学省ナノテクノロジー
総合支援プロジェクトの支援を受け実施しております。

6 参考文献1) 和 田 智 志 ら ： J. Ceram. Soc. Jpn., Vol.103,
p.1220-1227 (1995)
2)D. Henningsら ： J. Euro. Ceram. Soc., Vol. 9,
p.41-46 (1992)
3)D. Hennings ら ： J. Am. Ceram. Soc., Vol.84,
p.179-182 (2001)
4)水野洋一ら：日本セラミックス協会2006年年会講演
予稿集，p.86(2006)5)S.Wada ら ： Jpn. J. Appl. Phys., Vol.42, p.
6188-6195 (2003)
6) 桑 原 誠 ら ： セ ラ ミ ッ ク ス ， Vol.36, p.415-419(2001)
7)中野裕美ら：日本セラミックス協会2004年年会講演
予稿集，p.160 (2004)8)黒田 登志 雄 ：結 晶 は生 き てい る ，サ イ エン ス 社，
p.116 (1997)

プリント配線基板内蔵用高容量薄膜コンデンサの開発
チタン酸バリウムナノ粒子の超音波による解砕
有村 雅司 *1

牧野 晃久 *1

藤吉 国孝 *1

山下 洋子 *1

Development of a Film Capacitor Embedded Print Wiring Board
with a High Capacitance Density
Disaggregation of Nano-Sized Particles of Barium Titanate Using Ultrasonic
Masashi Arimura, Teruhisa Makino, Kunitaka Fujiyoshi, Yoko Yamashita
超微粒子の凝集体への超音波の照射は，装置および操作の手軽さに加えてコンタミネーションが少ないため，解砕手法として頻繁に用いられている。超音波による解砕は，超音波出力および超音波周波数の影響を受けると考えられるが，解砕に対する超音波周波数の効果に関する報告例は少ない。そこで本研究では，高濃度ゾルゲル法 1) によって調製したチタン酸バリウムナノ粒子ゲルに様々な周波数の超音波を照射し，周波数がナノ粒子の解砕に与える影響について検討を行った。その結果，超音波の解砕能力は周波数依存性があり，検討を行った周波数では50kHzにおいて最も効果が高くなっていた。

1 はじめにる必要がある。一般的に超音波による解砕処理は，凝ナノ～サブミクロンの超微粒子の製造方法には大別

集体に照射する超音波強度および再凝集の防止のためしてブレークダウン法とビルドアップ法がある。ブレ

の粒子濃度の最適化が重要であると言われている 2),3) 。

ークダウン法は，大きな粒子を機械的に強粉砕するこ

しかしこれらの検討は，ミクロンオーダーの粒子に関とで超微粒子を製造するため，メディアあるいは容器して行われたものであり，ナノ粒子への適用性は不明

等からのコンタミネーションが多い。そのため，純度である。また，超音波の重要な因子であると考えられを必要とする超微粒子の製造には，原子あるいは分子る周波数に関する検討はほとんどなされていない。

から直接的に粒子を生成する事ができるビルドアップ

そこで本研究では，BaTiO3 ナノ粒子分散溶液の作製法が用いられている。しかし，超微粒子は容易に凝集を様々な周波数の超音波で行い，周波数がナノ粒子凝を起こすため，ビルドアップ方式であっても単分散の集体の解砕に与える影響について検討を行った。

超微粒子を得るための機械的な凝集体の「ほぐし」すなわち解砕作業が必要となる場合が多い。種々ある解

2 研究，実験方法

砕手法の中で超音波の照射は，装置および操作の手軽

2-1 BaTiO3ナノ粒子ゲルの調製さに加えてコンタミネーションが少ないことから，超図1にBaTiO3 ナノ粒子ゲルの調製フローチャートを微粒子の解砕手段として適していると考えられる。

示す。先ず，等モルのバリウムジエトキシド（高純度

著者らは，チタン酸バリウム（BaTiO3 ）ナノ粒子が化学研究所製）とチタンテトライソプロポキシド（高分散したナノ粒子分散溶液を塗布することで，薄膜コ純度化学研究所製）を，乾燥窒素雰囲気中においてメ1)

ンデンサの作製を行っている 。分散溶液の作製は，タノールと2-メトキシエタノールの混合溶媒へ溶解し高濃度ゾルゲル法により調製したBaTiO3 ナノ粒子ゲルて ，1.0mol/Lの 前駆 体 溶 液 を 調 製 し た 。 前 駆 体 溶 液

を分散媒中に投入し，超音波によってこれを解砕およを-30℃まで冷却した後，撹拌しながら水／メタノー

1)

び分散することによって行っている 。薄膜コンデン

ル混合溶媒(体積比1:1)を滴下し加水分解を行った。

サの特性向上のために，分散溶液中のナノ粒子は単分

水／メタノール混合溶液の滴下量は，水の添加量が前散性が高い必要性があり，また，分散溶液の量産化を

駆体溶液中のTiに対して20モル倍となるようにした。

検討する上で，解砕効率の向上が必要不可欠である。

加水分解終了後，30℃で1週間の熟成（エージング）

よって分散溶液作製時の超音波照射条件の最適化を図処理を行うことで，結晶子径（単一粒径）が約25nmの*1 化学繊維研究所

BaTiO3 ナノ粒子から構成されるゲル体（BaTiO3 ナノ粒

子ゲル）を調製した。

溶液に伝わった超音波出力を把握しなければならない。
本研究では，超音波エネルギーが熱エネルギーに変換されることを利用し，それぞれの周波数について次にCH3OH＋CH3OC2H4OH(3 : 2)

示す方法により分散液容器内へ伝わった超音波出力のBa(OC2H5)2

評価を行った。図2に示す超音波照射系において，分Ti(O-isoPro) 4

散液容器の中に分散液の代わりに水10mlを入れ，超音BaTiO3前駆体溶液

乾燥窒素雰囲気

加水分解-30℃ H2O/Ti = 20

H2O/MeOH( 1 ： 1(vol) )波照射による水温上昇を測定した。分散液容器中に伝わ る 超 音 波 の 出 力 I （ W ） は ， 水 温 上 昇 率 dT/dt （ ℃/sec）を用いて式(1)より求めた。

30℃まで加熱

I＝dT/dt・Cp・M

エージング

(1)

ここで，Cp は水の熱容量（4.2J/g）であり，Mは水

30℃，7日間の液量（10g）である。

BaTiO3ナノ粒子ゲル

2-4 ナノ粒子解砕状態の評価
図1

BaTiO3ナノ粒子ゲルの調製プロセス

ナノ粒子の解砕状態の評価は，超音波照射による凝集径の変化を測定することで行った。凝集径の測定は，2-2 超音波照射によるBaTiO 3ナノ粒子の解砕分散媒である2-メトキシエタノール5ml中にBaTiO3
濃度が約0.1M（約2wt%）となるようにBaTiO3 ナノ粒子

動的光散乱方式による粒度分布測定装置（マルバーン
社製，Nano-ZS）によって行い，キュムラント法 4) により算出された平均粒径を凝集径と定義した。

ゲルを投入し，超音波を所定時間照射してナノ粒子の解砕を行った。分散媒に投入したBaTiO3 ナノ粒子ゲル

3 結果と考察の粒径（凝集径）は数mm～1cm程度である。超音波発

3-1 分散液容器内の超音波出力の評価

生装 置 には ， 投込 型 の発 振 子を 有 する 超 音波 発生器

超音波照射による分散液容器内の水温変化を図3に（カイジョー製，TA-4021）を使用した。超音波の照示す。水温の変化は超音波の周波数によって異なって射は，図2に示すように，分散液容器を超音波振動子

いるが，いずれの周波数においても超音波照射初期はが入った水槽中へ配置して間接的に行った。超音波の照射時間とともに水温が線形的に増加し，その後，温周波数は19.5k，28k, 50k及び 100kHzを用いた。超音度上昇率が低下する傾向があった。これは，分散液容

波出力は，超音波制御器上の設定で200Wとした。超音器の断熱を行っていないため，系外に放熱されたこと

波照射時の水槽の温度は，20℃一定となるように恒温が原因である。そこで，放熱の影響が無視できると考

水循環装置によって調整した。

えられる超音波照射初期の水温上昇率dT/dtから，式(1)を用いてそれぞれの周波数における容器内に伝わった超音波出力Iを求めた（表1）。

水温：20℃
BaTiO3
分散液

30mm

35
温度/℃

5mm
水槽
超音波振動子
図2

30100kHz25

19.5kHz50kHz

超音波照射系の概略図

2002-3 超音波出力の評価
超音波出力は解砕へ大きな影響を与えるため 2) ，超音波の周波数の効果を厳密に検討するためには，分散

28kHz

図3

20 40 60 80 100 120
照射時間/秒

超音波照射による分散液容器内の水温変化

70

分散液容器内へ伝わった超音波出力

周波数
dT/dt
(℃/sec)
出力Ｉ(W)

19.5kHz

28kHz

50kHz

100kHz

0.079

0.39

0.044

0.12

3.3

16

1.8

5.0

19.5kHz
28kHz
50kHz
100kHz65
凝集径/nm

表1

60
55
50
45
40

分散液容器内へ伝わった超音波は，周波数によって

35 0

大きく異なり，例えば28kHzは50kHzの約10倍となっている。超音波制御器上ではすべて200Wに設定をしてい図4

10 20 30 40 50
超音波照射時間/min

60

超音波照射による凝集径の変化

るが，超音波振動子における電気-機械エネルギー変
換効率，超音波の媒体となっている水あるいは分散液80
凝集径/nm

容器壁の超音波伝達効率が周波数によって異なることが原因と考えられる。前述したように，解砕に与える周波数の影響を厳密に検討するためには，これらの出力の差を考慮しなければならない。

19.5kHz
100kHz

70
60

50kHz

50
28kHz

3-2 超音波照射による凝集径の変化

40

超音波照射による凝集径の変化は，図4に示す様に，

0

いずれの発振周波数においても，超音波照射初期に著しく減少，その後のなだらかな減少を経て概ね一定と

図5

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
1/t /min-1

超音波照射時間の逆数に対する凝集径の変化なる傾向が見られた。図5に，図4の横軸を照射時間の時間の逆数との間には概ね比例関係があることが分かる。つまり，凝集径と照射時間の間には反比例の関係が成り立つ。それぞれの周波数における比例定数aを求めた結果を表2に示す。この比例定数aは「解砕のし解砕能力 /a.u.

逆数としたグラフを示す。この図から，凝集径と照射にくさ」を反映した値となっている。比例定数aが大0きい場合は凝集径の減少割合が小さく，解砕が進行しにくい状態であり，比例定数aが小さい場合は解砕が

図620 40 60 80 100 120
超音波周波数/kHz

解砕能力の超音波周波数依存性

進行しやすい状態であるといえる。よって，比例定数aを解砕抵抗と定義した。比例定数の逆数1/aは，「解3-3 解砕能力の超音波周波数依存性

砕しやすさ」を反映した値となるため，解砕推進度と表2の解砕推進度は周波数の影響だけではなく，表1定義した（表2）。算出 した 解砕推進 度は ，周波数がに記載した分散液容器内に伝わった超音波出力の影響

19.5k，100k，50kそして28kHzの順に高くなっており，も含んでいる。東谷らの報告では，超音波によって解

図4の結果を反映したものとなっている。

砕した凝集体の粒径は，単位時間当たりに照射された
超音波の総エネルギーEt （=出力・時間/体積）により表2決定されるとある 5) 。よって，解砕推進度を出力，時

解砕抵抗および解砕推進度

周波数19.5kHz

28kHz

50kHz

100kHza(解砕抵抗)

110

25

27

46

間および体積で規格化することで，超音波周波数が持
つ解砕能力を評価できると考えられる。表1および表2に記載した超音波出力および解砕推進度は，すでに時

1／a0.0091(解砕推進度)

0.040

0.037

0.022

間に対して規格化された状態である。そこで，表2に記載の解砕推進度を，表1記載の超音波出力および仕込みの分散液の液量（5ml）で除して規格化を行い，超音波周波数が有する解砕能力とした。図6に求めた解砕能力の周波数依存性を示す。
解砕能力の周波数依存性は，50kHz付近で最大となる傾向があった。一般的な超音波分散器に用いられている20kHz付近の周波数（19.5k，28kHz）と比較して，50kHzは約7倍の解砕能力を有していた。従来の超音波による凝集体の解砕に関する研究では，解砕能力の周
波数依存性は報告されていない 2),3),5) 。従来の研究では，超音波出力を超音波制御器の設定出力で定義していたが，本研究では，実際に分散液容器に伝わった超音波出力を求めて，出力の効果と周波数の効果の分離を行ったために，周波数の効果が明確になったと考え
られる。

4 まとめ
本 研 究 で は ， 高濃 度 ゾ ル ゲ ル 法 に よ っ て 調 製した
BaTiO3 ナノ粒子ゲルに様々な周波数の超音波を照射し，超音波の周波数がナノ粒子の解砕に与える影響について検討を行った。その結果，解砕能力は超音波の周波数に依存しており，50kHzで最も高くなった。50kHzに
おけ る 解砕 能 力は， 一般 的 な超 音 波分 散 器の 周波数（20kHz付近）と比較して，7倍程度あった。

5 謝辞
本研究は，NEDO技術開発機構平成17年度産業技術研
究助成事業の助成を受け実施しております。

6 参考文献1) 桑 原 誠 ら ： セ ラ ミ ッ ク ス ， Vol.36, No.6, p.415416 (2001)
2)柳田博明ら：微粒子工学大系第1巻，p.821-825, フ
ジテクノシステム(2001)
3)東谷公：微粒子工学，p.43-44，朝倉書店(1994)
4)日本工業規格：JISZ8826, P.8-P.9(2005)5)K. Higashitami et al.:Colloids Surfaces A,
Vol.81, p.167-170(1993)

プリント配線基板内蔵用高容量薄膜コンデンサの開発
チタン酸バリウムナノ粒子凝集体の解砕方法の検討
藤吉 国孝 *1

有村 雅司 *1

牧野 晃久 *1

山下 洋子 *1

Development of a Film Capacitor Embedded Print Wiring Board
with a High Capacitance Density
Study on the Method of Disaggregation of Nano-Sized Particles of Barium Titanate
Kunitaka Fujiyoshi, Masashi Arimura, Teruhisa Makino, Yoko Yamashita
高濃度ゾルゲル法 1) によって調製したゲル状のチタン酸バリウムナノ粒子凝集体を，大量にかつ早く解砕・分散可能な方法を見出すことを目的に，種々の微粒化方法について検討した。コロイダーでは約130nm，超音波ホモジ
ナイザーでは約40nmまでしか解砕されなかったが，湿式衝突型粉砕器では15nmまで，超音波照射器では10nmまで解砕できた。また，超音波ホモジナイザー，超音波照射器を用いた方法では大容量化が難しく，湿式衝突型粉砕器では大粒径粒子からの解砕は難しいことから，チタン酸バリウムナノ粒子の分散性の良い溶液を大量に調製するには，
コロイダー等である程度解砕してから湿式衝突型粉砕器で解砕・分散処理するのが好ましいと考えられる。

1 はじめに
近年のナノテク技術の進展に伴い，ナノサイズの粒子を製造する手法が非常に重要となってきている。

2 研究，実験方法
2-1 チタン酸バリウム（BaTiO3）ナノ粒子凝集体の調製
図1にBaTiO3 ナノ粒子ゲルの調製のフローチャート

一般に超微粒子を製造するためには，媒体（メディを示す。まず，等モルのバリウムジエトキシド（高純ア）を利用し原料である粗粒子を機械的な力で押しつ

度化 学 研究 所 製） と チタ ン テト ラ イソ プ ロポ キ シド

ぶす方法が用いられている。しかしこの方法では，メ（キシダ化学製）を，乾燥窒素雰囲気中においてメタ

ディアの摩耗粉（不純物）の混入，処理時間が長い等

ノールと2-メトキシエタノールの混合溶媒へ溶解させの問題がある。一方で，これらの問題を解決し，大量て ， 1.0mol/Lの 前 駆 体 溶 液 を 調 製 し た 。 前 駆 体 溶 液にかつ早く解砕・分散可能な新たな方法が種々検討さを-30℃まで冷却した後，撹拌しながら水／メタノー

れている。

ル混合溶媒(体積比1:1)を滴下し加水分解を行った。

ところで著者らは，チタン酸バリウム（BaTiO3 ）ナ

水／メタノール混合溶液の滴下量は，水の添加量が前

ノ粒子が分散したナノ粒子分散溶液を基板上に塗布することで，薄膜コンデンサの作製を行っている 1) 。分
散溶 液 の作 製 は， 高 濃度 ゾ ルゲ ル 法に よ り調 製 した

CH3OH + CH3OC2H4OH (3：2)

BaTiO3 ナノ粒子凝集ゲルを分散媒中に投入し，超音波Ba(OC2H5)2によってこれを解砕および分散することによって行っTi(O-isoPro)4

1)ている 。薄膜コンデンサの特性向上のためには，分散溶液中のBaTiO3 ナノ粒子の分散性が高い必要性があBaTiO3前駆体溶液

り，また，分散溶液の量産化を考慮する上では，解砕

乾燥窒素雰囲気

加水分解

および分散速度の向上が必要不可欠である。

-30℃

よって本研究では，高濃度ゾルゲル法によって調製

H2O／MeOH(1：1(vol) )30 ℃まで加熱したゲル状のBaTiO3 ナノ粒子凝集体を，大量にかつ早エージング

く解砕・分散可能な方法を見出すことを目的に，種々

30 ℃，数日間の微粒化方法について検討した。

BaTiO3ナノ粒子凝集ゲル*1 化学繊維研究所

図1

BaTiO3ナノ粒子凝集体ゲルの調製プロセス

駆体溶液中のTiに対して10モル倍となるようにした。

うに投入し，2-2で記述した方法でナノ粒子凝集体ゲ

加水分解終了後，30℃で数日間の熟成（エージング）

ルを約60nmまで解砕した。この液を(株)スギノマシン処理を行うことで，結晶子径（一次粒径）が約10nmの製のアルティマイザーHJP-25005を用いて，噴射圧力

BaTiO3 ナノ粒子から構成されるゲル体（BaTiO3 ナノ粒

245MPaで液を対向衝突させ，ナノ粒子凝集体ゲルの解子ゲル）を調製した。なお，このBaTiO3 ナノ粒子ゲル砕を行った。

の粒径（凝集径）は数mm程度である。

2-5 コロイダーを用いたチタン酸バリウム（BaTiO 3）ナノ粒

分散媒である2-メトキシエタノール中にBaTiO3 ナノ
粒子凝集体ゲルを投入し，2-2～2-5の方法にてBaTiO3子凝集体の解砕(株)エスエムテー製のミニコロイダーMC-1に，2-メ

ナノ粒子凝集体の解砕を行った。

トキシエタノールとBaTiO3 ナノ粒子凝集体ゲルを濃度

2-2 超音波ホモジナイザーを用いたチタン酸バリウム

0.2mol/L，液量1Lとなるように投入し，8000rpmで所（BaTiO3）ナノ粒子凝集体の解砕

定時間処理し，ナノ粒子凝集体ゲルの解砕を行った。

ガラス製の容器に2-メトキシエタノールとBaTiO3 ナ

2-6 ナノ粒子解砕状態の評価

ノ粒子凝集体ゲルを濃度0.2mol/L，液量5mLとなるよ

ナノ粒子凝集体の解砕状態の評価は，凝集径の変化

うに投入し，(株)トミー精工製の超音波発生機UD-201を測定することで行った。凝集径の測定は，動的光散のプローブを溶液中に入れ，超音波を所定時間照射し乱方 式 によ る 粒度 分 布測 定 装置 （ マル バ ーン 社 製，てナノ粒子凝集体ゲルの解砕を行った。

Nano-ZS）に よって行 い， キュムラ ント 法 2) により 算

2-3 超音波照射器を用いたチタン酸バリウム（BaTiO3）ナ

出された平均粒径を凝集径と定義した。

ノ粒子凝集体の解砕
ガラス製の容器に2-メトキシエタノールとBaTiO3 ナ
ノ粒子凝集体ゲルを濃度0.2 mol/Lとなるように投入

3 結果と考察3-1 超音波ホモジナイザー処理による平均粒径の変化

し，超音波を所定時間照射してナノ粒子凝集体ゲルの5mLのBaTiO3 ナノ粒子凝集体を含むサンプル溶液に解砕を行った。超音波の照射は，分散液容器を超音波

超音波処理し，所定時間おきに凝集体の平均粒径を測振動子が入った水槽中へ図2に示すように配置して間定した。その結果（図3），処理時間と共に凝集径は減接的に行った。なお，超音波発生装置には，投込型の

少していき，当初数mm程度の大きさのBaTiO3 ナノ粒子

発 振 子 を 有 す る 超 音 波 発 生 器 （ カ イ ジ ョ ー 製 ， TA-凝集体が，10分後に約40nmにまで解砕できた。しかし，

4021）を使用し，超音波の発振周波数は19.5kHzとし一次粒子の粒径である10nmまでは解砕・分散できなかた。また，超音波照射時には，恒温水循環装置によっったことから，次に超音波照射を検討した。

て水槽中の温度を20℃とした。

140

水温：20℃
BaTiO 3分散液

平均粒径(nm)

120
100
80
60
40
20
0

水槽

0

超音波振動子
図2

10

20

30

40

処理時間(min)

超音波照射系の概略図
図32-4 湿式衝突型粉砕器（アルティマイザー）を用いたチタ

超音波ホモジナイザー処理によるBaTiO3ナノ粒

子凝集体の平均粒径の変化

ン酸バリウム（BaTiO3）ナノ粒子凝集体の解砕
ガラス製の容器に2-メトキシエタノールとBaTiO3 ナ
ノ粒子凝集体ゲルを濃度0.25mol/L，液量1Lとなるよ

3-2 超音波照射による平均粒径の変化
5mLのBaTiO3 ナノ粒子凝集体を含むサンプル溶液に

超音波処理し，所定時間おきに凝集体の平均粒径を測間で数十μm以下に解砕・分散する装置としてコロイ定した。その結果，処理時間と共に凝集径は減少してダーに着目し，次に検討した。

いき，20分後に約20nm，120分後に12nmまで解砕され，

70
60

を要した。

50

平均粒径(nm)

ほぼ一次粒子にまで解砕・分散するのに120分の時間

一方，本手法では，処理する液量を数百mL程度までにしか増やせず，また液量を数百mL程度にするとほぼ一次粒子にまで解砕・分散するのに24時間程度の時間

40
30
20
10

が必 要 であ っ た。 そ こで ， 多く の 液量 を 短時 間 で解0

砕・分散する装置として湿式衝突型粉砕器に着目し，

05

次に検討した。
3-3 湿式衝突型粉砕器（アルティマイザー）処理による凝
集径の変化

図5

10
パス回数

15

20

湿式衝突型粉砕器（アルティマイザー）処理による平均粒径の変化

アルティマイザーの装置模式図を図4に示す。装置に入れられた溶液に超高圧をかけて互いに衝突させ微

3-4 コロイダー処理による凝集径の変化

粒化する装置である。短時間で微粒化が可能，粉砕媒

ミニコロイダーの装置模式図を図6に示す。ホッパ体を使用していないためコンタミネーションが少ない，

ーから供給された溶液サンプルは，高速回転するロー均一でシャープな粒度分布が得られる，連続処理が可

ターとその周囲の固定されたステーターの間を通過す

能で大容量化も容易であるといった特徴がある。

ることにより，非常に強力な衝撃，剪断，圧縮，摩擦等の力が与えられる。さらにこの時，高速回転によるIN

キャビテーション作用によっても粒子が微粒化される。

OUT
図4

湿式衝突型粉砕器（アルティマイザー）の装置模式図

1LのBaTiO3 ナノ粒子凝集体（平均粒径約60nm）を含むサンプル溶液をアルティマイザーで処理し，所定時間おきにサンプリングして凝集体の平均粒径を測定し

図6

ミニコロイダーのフロー模式図

た。その結果（図5），パス回数5回で約15nmのほぼ一次粒子にすることができた。ここでパス回数とは，衝1LのBaTiO3 ナノ粒子凝集体（凝集体径数mm）を含む

突回数であり，パス回数5回に要する時間は約10分間

サンプル溶液をミニコロイダーで処理し，所定時間おであった。

きにサンプリングして凝集体の平均粒径を測定した。

このように，10分間という短時間で1Lの溶液を処理

そ の 結 果 （ 図 7）， 処 理 時 間 5分 で 数 mm の 凝 集 体 が 約することができた。しかし，アルティマイザーでは，180nmまで解砕され，その後，徐々に解砕されて420分

ノズル径の大きさの関係から，BaTiO3 ナノ粒子凝集体

で134nmとなった。

の大きさを，当初の数mmから数十μm以下に予め解砕よって，5分間程度ミニコロイダー処理により粗粉しておく必要がある。そこで次に，多くの液量を短時砕した後，湿式衝突型粉砕器（アルティマイザー）で処理することで，1L程度のBaTiO3 ナノ粒子分散溶液を平均粒径(nm)

数十分で調製可能であると考えられる。
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
0

図7

60

120 180 240 300 360 420
処理時間(min)ミニコロイダー処理による平均粒径の変化

4 まとめ
本研究では，高濃度ゾルゲル法によって調製したゲ
ル状のチタン酸バリウムナノ粒子凝集体（凝集径数mm程度）を，大量にかつ早く解砕・分散可能な方法を見出すことを目的に，種々の微粒化方法について検討した。その結果，コロイダーで粗粉砕した後，湿式衝突型粉砕器で処理することで，1L程度のチタン酸バリウ
ムナノ粒子分散溶液を数十分で調製可能なことが明らかとなった。

5 謝辞
本研究は，NEDO技術開発機構平成17年度産業技術研
究助成事業の助成を受け実施しております。

6 参考文献1) 桑 原 誠 ら ： セ ラ ミ ッ ク ス ， Vol.36, No.6, p.415416(2001)
2)日本工業規格：JISZ8826, P.8-P.9(2005)

多機能レンガの製造システム開発支援
小松 夢子 *1

阪本 尚孝 *2

鐘ヶ江 裕志 *3

田中 浩 *4

中野 辰博 *4

牧 恒雄 *5

Study on Design and Production Technology of Multifunctional Brick
Yumeko Komatsu, Naotaka Sakamoto, Hiroshi Kanegae,
Hiroshi Tanaka, Tatsuhiro Nakano, Tsuneo Maki
レンガは従来，単なる固くて強い土木建材として利用されてきたため，その製造技術開発においては物理的強度を確保することが重視されてきた。レンガの新たな用途展開を図るためには強度以外に消臭性・緑化性・断熱性・保水性など，これまでレンガにはなかった新たな機能を付与することが必要である。本研究では，製造条件によるレンガの基本性能変化を調査するとともに，ミクロ構造を制御した多機能レンガ製造法について検討した。その結果，機能を付与するためのベースとなるレンガの開発に成功した。このレンガは特異なミクロ構造を有しており，非常に高い揚水能力があることが明らかになった。また，フィールドテストを行った結果，本研究において開発したレンガを舗装材として用いることで極めて高いヒートアイランド抑制効果が得られることが示された。

1 はじめに2 研究，実験方法

紀元前8000年頃の日干しレンガに始まって以来，レンガは現在に至るまで建築物，公園，道路などの様々

2-1 レンガの基本性能制御
2-1-1 既存レンガの物性データベース化

な場所で広く利用されてきた。しかし，レンガは単純

レンガの吸水率・強度などJIS規格・JASS規格で定な建材として認識されてきたため，その製造技術開発められた物性は原料の種類・配合条件，成型法，焼成は土木建材としての性能，つまりJIS規格やJASS規格

条件によって大きく変化する。しかしながら，経験則

1,2）

。

はあっても製造条件によって，具体的にどの程度基本

そのため，強度や吸水率といった基本性能を自由に制性能を制御できるかは明確にされていない。現在，荒御するというよりも，むしろ一定レベル以上のもので

木窯業(株)にて製造されているレンガの物性値にどのあればよいとされる観念があり，レンガ自体の利用範程度幅があるのかを把握するために，既存レンガの基囲を限定する要因ともなっている。これからのレンガ

礎データ整理を行った。なお，項目は吸水率，曲げ強は「固くて強い」だけではなく，機能性を有すること

度および圧縮強度とした。

が不可欠であるが，機械的強度以外の「機能」を重視

2-1-2 基本性能の製造条件依存性調査を満足することを目的に取り組まれてきている

したレンガの製造法に関する知見は乏しいのが現状で

機械的強度の製造条件依存性を明らかにするために，ある。そこで本研究ではレンガの微構造を制御し，消スタンダードタイプの赤系レンガ（レッド）およびベ

臭性・緑化性・揚水性など，従来のレンガにはない機

ージュ系レンガ（ミックスベージュ）2種類について能を付与することで，多機能型レンガを製造すること

基礎試験を実施した。原料の種類と配合・成型条件・を目的とした。機械的強度と機能を併せ持つレンガの焼成雰囲気を固定し，800℃～1200℃の温度範囲で焼開発により，その用途の飛躍的な拡大が期待できる。

成した。焼成時の昇温速度は2℃/min，保持時間を1hrとした。作製した試験体について，吸水率および曲げ強度の測定を行った。
2-2 機能性レンガの開発
2-2-1 レンガ製造条件の検討*1 化学繊維研究所*2 機械電子研究所*3 (財)福岡県産業・科学技術振興財団*4 荒木窯業(株)*5 東京農業大学

レンガ原料には赤系レンガ用粘土を母材とし，古紙再生工場から排出されるパルプスラッジ(PS)を気孔形成材として用いた。パルプスラッジの添加量は0vol%(PS0)， 10vol%(PS10)， 20vol%(PS20)， 30vol%(PS30) ，

40vol%(PS40)および50vol%(PS50)とした。調整した原
料 を 用 い て 湿 式 押 し 出 し 法 に よ り 成 型 体 ( φ 24mm×100mm)を作製した。電気炉を用いて600℃～1200℃，
酸化雰囲気中で焼成を行い，試験体を得た。
2-2-2 パルプスラッジ含有レンガの物性評価作製したレンガ試験体について吸水率と曲げ強度の評価を行った。測定法はJIS規格およびJASS規格に準拠した 1,2) 。また，レンガの微構造を調べるために気孔径，気孔径分布，比表面積および気孔容積の測定を行った。さらに，機能性評価として揚水試験を行った。
図2
3 結果と考察スタンダードタイプレンガにおける曲げ強度の焼成温度依存性

3-1 レンガ製品の物性基礎データ
荒木窯業(株)にて製造されているレンガ製品の吸水Rの吸水率は焼成温度により0.4%～18.2%の範囲で変率，曲げ強度，圧縮強度の分布を調査した。ほとんど化した。1000℃付近から急激に低くなり，焼成温度のレンガは10%以下の吸水率であり，JIS規格を満たす

1200℃では1%以下の値となった。この結果より，使用範囲の値であった。曲げ強度の場合，レンガに通水孔目的に応じ，ほとんど吸水しないレンガや多量の水をを導入し，透水タイプとすることで強度が若干低下す

吸い込むレンガなど，任意の吸水率を有するレンガのることがわかった。また，圧縮強度も規格を満たす範製造が可能であることが明らかになった。曲げ強度は

囲に分布していた。つまり，一般的な建材としてレン

焼成温度の上昇に伴い高くなり，900℃以上の温度範

ガを利用するためには強度の確保は不可欠であるため，

囲ではJASS規格を満たすレンガが得られた。規格外のほとんどのレンガはJIS規格およびJASS規格を満たす

低強度なレンガから規格値の約3倍のという極めて高範囲に分布しており，強度確保に関する知見は既にあい強度を有するレンガの製造が可能であることがわかると考えられる。逆に，意図的に吸水率を高くしたりった。この場合，1000℃付近で焼結が急激に進行し，強度を低くした，いわゆる規格外のレンガ製造法に関

吸水率は低下，曲げ強度が上昇すると考えられる。つする知見が乏しいことが示された。

まり，焼成温度以外の製造条件が固定されている場合，

3-2 レンガ物性値と製造条件の相関性

温度制御によってレンガの物性値を広範囲にわたり任

スタンダードタイプの赤系レンガ・レッド（以下Rと表記）の焼成温度による吸水率および曲げ強度の変化をそれぞれ図1，図2に示す。

意に制御できることが明らかになった。
また，ベージュ系レンガ・ミックスベージュについても赤系レンガの場合と同様に，給水率は焼成温度の上昇に伴い低下し，曲げ強度は高くなる傾向を示した。
しかしながら，赤系に比べると数値幅は狭く，数値のばらつきも大きくなった。これは，原料の可塑性，焼結性に違いがあるためと思われる。
3-3 基本性能の製造条件依存性
パルプスラッジを添加したレンガについて，吸水率
および曲げ強度の測定を行った。その結果，レンガの吸水率は焼成温度の上昇に伴い減少し，1000℃以上の温度範囲で急激に低下する傾向が認められた。1000℃
以上の高温域で焼結が著しく進行すると考えられる。

図1

スタンダードタイプレンガにおける吸水率のまた，パルプスラッジを添加したレンガはPS0に比べ

焼成温度依存性て全体的に高い吸水率を示した。曲げ強度は焼成温度

が高くなるほど増加する傾向を示した。本研究で用い前述したように，PS含有レンガの基本性能はPS添加

たスラッジには多量のCa分が含まれているため焼結性量の増加に伴い低下する。一方，揚水率はPSを多く添が悪くなり，PS0に比べるとPS含有レンガの吸水率は加することで著しく上昇する。しかし，PS40および高く，強度は低くなったと推察される。この現象は原

PS50については白華現象が認められ，意匠性の点で問料配合時に焼結助材や骨材などの他原料を配合するこ題があった。以上の結果を考慮すると，パルプスラッとで改善可能と考えられる。

ジ含有レンガの製造条件としてはPS添加量が30vol%，3-4 揚水率の製造条件依存性

焼成温度は1000℃が適切であると考えられる。この条

作製したレンガ試験体について揚水試験を行った。

件下で製造したレンガの基本性能を表1に示す。JASS

揚水性の評価はあらかじめ110℃で24hr乾燥させた試

規格を満たす良好な物性値が得られた。建材としての験体を常に10mm水に浸漬させた状態で直立させ，時間強度と特有の微構造を有するレンガの製造が可能とな経過に伴う重量変化を測定することで行った。揚水率

るため，このレンガをベースとした消臭材や緑化資材，

は，試験体の乾燥重量(m0)および一定時間(t)経過後断熱材等への展開が期待できる。

の重量(mt)を用いて，次式により算出した。
揚水率(%)=(mt－m0)／m0×100

表1

パルプスラッジ含有レンガの物性値

PS0およびPS30の測定結果を図3に示す。PS0の揚水測定値

率は最大でも5%程度であった。また，試験開始から数時間経過しても液面から数cmの高さまでしか揚水しな

規格値
(透水性）

吸水率(%)

12.6－

曲げ強度(MPa)

3.4

3.0以上

圧縮強度(MPa)

37.6

17.0以上った。一方，パルプスラッジ入りレンガはPS0と比較して非常に高い揚水率を示した。PS添加によりレンガの揚水能力は著しく上昇し，PS50の揚水率はPS0の約5倍であった。PSを用いることでレンガの微構造が変化
し，揚水率に差が生じたと考えられる。また，焼成温
度1000℃の条件下で揚水率が最大となることも明らか

3-5 PSレンガの微構造解析結果になった。PS含有レンガの場合，試験開始から2時間

揚水効果は，パルプスラッジを添加することでレン程度経過すると水は試験体の上端に達した。その後はガ内部に形成された微細な連続孔に由来する毛細管現飽和状態に達し，水がレンガの底面から上端まで安定

象によるものと考えられる。そこで，レンガの微構造的に供給されていると考えられる。また，PS含有レン解析を行った。測定には1000℃で焼成した，最も揚水ガは揚水速度も速く，レンガ表面に接触した水を素早性の高い試験体を用いた。気孔径，比表面積および開く内部へ取り込むことが示された。

気孔容積を表2に示す。

表2

レンガ内部の気孔径，比表面積および気孔容積

平均気孔半径(μm)
比表面積(m2/g)
開気孔容積(ml/g)

PS0

PS30

0.09

0.126

3.80

4.39

0.165

0.277

PS0に比べ，PS30の平均気孔径は極めて大きいことが明らかになった。また，比表面積および開気孔容積
図3

焼成温度による揚水率の変化も大きくなっており，パルプスラッジを添加すること
でレンガの内部に独特の連続孔が形成されていることがわかった。

れた水の気化熱によるものと考えられる。アスファル

また，PS0およびPS30の気孔径分布図を図5に示す。

ト舗装面との最大温度差は17℃であった。表温度差

いずれの場合も気孔径は3nm～5μmの間に分布してい20℃で体感温度が2℃～3℃低くなるといわれており，るが，ピーク位置が異なることが示された。PS0の場

この値は保水性舗装に関する一つの指標とされている。

合，ピーク位置は0.4μm付近にあるのに対し，PS30のパルプスラッジ入りレンガを保水性舗装システムと組

孔径は1μm付近に最大値を持つ。つまり，通常品よりみ合わせることで路面温度をさらに低くすることが可も大きな比表面積と気孔容積を有するのである。この能であり，現在火急の対策が必要となっているヒート

孔径分布の違いが揚水性に影響をおよぼしていると推アイランド現象の抑制効果が大いに期待できる。

察される。従って，建材としての機械的強度と高い揚水機能を得るためには，気孔径が従来品と同程度の分布幅を持ち，なおかつ1μm付近にピークを有することが望ましいと考えられる。

4 まとめ
レンガの基本性能である吸水率および曲げ強度の制御法を検討した結果，焼成温度以外の製造条件が固定されている場合，焼成温度の調整によってレンガの物
性値を広範囲にわたり任意に制御できることが明らかになった。また，パルプスラッジを用い，レンガ内部に気孔を導入することで新たな機能を有するレンガの製造法について検討した結果，極めて特異的な微構造を有するレンガの開発に成功した。このレンガの内部には微細な連続孔が無数に存在しており，毛細管現象
による揚水効果が得られることが明らかになった。底面から上面まで水を安定的に供給することができるた
め，舗装材として用いることでヒートアイランド現象の大幅な抑制効果が期待できる。

5 参考文献1)JIS R 1250

普通れんが(2000)

2)JASS 7M-101

建築工事標準仕様書・同解説書7，メーソンリー工事 (2000)

図5

レンガの孔径分布図(a)PS0，(b)PS30

3-6 PS入りレンガの路面温度上昇抑制効果
本研究では，パルプスラッジ含有レンガをテスト施
工し，路面温度上昇抑制効果の検証を行った。パルプ
スラッジ含有レンガ，アスファルト，透水タイプレン
ガなどを同一区画内に施工し，表面温度の測定を行った。その結果，他の材用に比べ，パルプスラッジ入り
レンガは定常的に低い表面温度を示すことが明らかになった。これは毛細管現象によりレンガ内部に蓄えら多機能レンガの設計及び製造技術の開発
緑化レンガの開発
一松 時生*1

百武 稔郎 *1

樋口 和彦 *1 中野 辰博 *2

田中 浩 *2

Design of Polyfunctional Brick
Research of plant-grown Brick
Tokio Ichimatsu, Toshio Hyakutake, Kazuhiko Higuchi, Tatsuhiro Nakano, Hiroshi Tanaka
レンガ製品の新たな市場を開拓するために，顧客の要求に応じた基本性能（強度，透水性等）と特殊機能（消臭性，断熱性等）を同時に満足できるレンガ製造システムの構築を目指している。これまでに，リサイクル原料を利用したレンガ等の基本性能については充分な知見を蓄積している一方，植物の繁殖しやすさ（緑化性）等，従来のレンガにない特殊な機能については充分なデータを有していなかった。
そこで，本研究では，レンガの基本性能（強度，吸水率等）と緑化性との関係を，レンガ設計にフィードバックするために，緑化性の評価法の確立を目的とした。レンガの緑化に適した植物の種類と，その繁殖条件等について調査・試験を行った。その結果，コケによるレンガの緑化性の評価法を確立した。

1 はじめに緑化を行う植物として，岡田ら 1) は，日本に広く分布

昨今，製品自体が「地球にやさしい機能」を有するするスナゴケ，タチゴケ，ヒノキゴケを選定していた。

ことはもちろん，「廃棄物を出さない技術」を確立す

これらのコケ類は，養分を必要とせず，低強度の光エることも企業体にとって大きな課題である。リサイク

ネルギーと水分だけで育つためである。また，緑化に

ルレンガは，多様な廃棄物を再生原料として利用でき関する書籍 2)-9) においても，コケ類の中には，灌水・るため，この課題への一つの対策として需要が大きい。

施肥が不要で，乾燥に強く，根を張らないものがある

ただし，これまでは土木建材としてJISで定められたこと，特にスナゴケが乾燥に強く，植物の間の湿地を基本性能（強度，吸水率等）を満足するリサイクルレ

好むハイゴケとともに，混植することで，その環境にンガであればよいとされてきたが，近年，施工者の要

あうコケ群になることが言及されていた。上記書籍に求に応じて多様な機能を有することが期待されている。

おいて，屋上緑化には，セダムという多肉植物が乾燥

そして，次第に崩壊し自然帰化する機能，歳月の経過に強いので利用しやすいと述べられていた。ただし，とともに緑化するような「好ましい変化」をする機能

このセダムの場合，根を張る必要があり，土状のものなど，従来の「固くて強い」だけのレンガではなく，が必要であり，レンガの緑化植物としては難しいと考用途に応じた機能を有したオーダーメイド型レンガがえられた。以上のことより，レンガ上で栽培する植物必要とされている。

として，コケ類を選択した。

本研究では，緑化性（植物の繁殖しやすさ）と基本性能（強度・吸水率・透水度等）との相関関係を検討
し，緑化レンガの設計にフィードバックするために，

3 市販レンガでの試験
市販レンガにおいて，その緑化に関係する物性を調

レンガの緑化性の評価法について検討した。以下，報べるとともに，コケの生育試験を実施した。

告する。

3-1 市販レンガの溶出水溶液のpH
生育試験(3-2)に用いたレンガの溶出水溶液のpHを

2 市販緑化建材の緑化性能・評価法の調査
市販緑化建材の緑化性能・評価法について，JOIS，
インターネット，書籍により，調査を実施した。

測定した。pHは，レンガを蒸留水に24時間浸析後，pH
メーターで測定した。その結果,溶出水のpHは，7.36～7.42で，ほぼ中性で，コケの生育への影響はないと考えられた。そのため，この市販レンガで以下の生育*1 生物食品研究所*2 荒木窯業(株)試験を行った。

3-2 市販レンガでの生育試験
レンガは，荒木窯業(株)製の透水性レンガ（E-ブリックス）を用いた。コケは，レンガ上に自生していたとから，緑化性能を最短3週間で評価可能となった。本手法を用いて，市販レンガ（透水性レンガ）の緑化性能を評価したが，緑化性能0%であった。

シノブゴケと芝生の近くに自生していたスナゴケを用いた。レンガを容器（トレー）に入れ，水深が1cm以上

試験開始時

3週間後

3cm以下になるように設定し，レンガ下部から水を供給した。コケは水洗して砂・土等を除去後，3cm×3cmの大きさのものを1つずつレンガ上に置き，その面積がどれくらい広がるかで緑化性を比較することとした。生育試験は，上記容器を植物インキュベーターに入れ，湿度80%，温度25℃，光度30,000 lux（12時間明，12

時間暗）の条件で行った。
その結果，6ヶ月間生育を観察したが，シノブゴケは，

図1

ポジティブブランク（土壌）のコケの生育

レンガに伸びて活着していたが，それより大きめのス
ナゴケは，レンガへの活着はまだ見られなかった。レ

4 試作レンガでのコケの生育試験

ンガの孔の大きさとコケの活着に相関がある可能性が4-1 試作レンガでの条件の検討示唆された。しかしながら，いずれのコケも生育が遅上記3-3の結果に基づき，保水性・吸水性のある試作

く，仮根の張り具合も少なく，当初の大きさ以上に広レンガを用いて緑化性能の評価を行った。PS30（パル

がっていかなかった。この理由として，試験した透水

プスラッジ30 vol％添加：水吸い上げ試験結果が1番（0，性レンガでは，水が容器から上に上がらず，水の供給

10，50 ％と比較）良かったもの）と同レンガを高さ方

量が不足していると考えられた。緑化レンガの性能と向で1/2にし，より吸水しやすくしたもの等を試験した。

して，毛細管現象が起こるような貫通孔が必要と思わ

これらのレンガでは，給水時に，レンガの上面が水にれた。

濡れた状態になる程度に水を吸い上げており，湿度は3-3 市販レンガ上での緑化を行うコケの生育条件の検討十分と思われた。しかしながら，試験の結果，これら

上記試験において，一定の面積のコケをレンガ上にの試作レンガでは，緑化性能を認められなかった。

置き，その広がりを観察する方法で緑化を評価しよう

4-2 緑化試験1：表面形状の異なる試作レンガでの試験としたが，うまくいかなかった。そこで，評価する上

コケの用土の条件は，固定・湿度保持・排水と言わで基準となるポジティブブランク（緑化性能100%）とれている。4-1の試作レンガにおいて不足している条件

ネガティブブランク（緑化性能0%）を検討した。ポジは固定と考えられた。そこで，コケの固着しやすい表

ティブブランクとして，レンガの大きさの容器（下部面形状デザイン，焼成前レンガへの加工法を検討し，に透水孔を多数設けた）に土を入れたものを準備した。

次の5つの表面形状で緑化試験を行った。レンガは，4-1

ネガティブブランクとして，透水性の無いレンガを準と同じものを使用した。

備した。スナゴケを断片化し，それを単位面積あたり・形状A：ドリル・電動のこぎり・彫刻刀を利用して，の重量を合わせて，それぞれの表面に蒔いた。そして，数種類の表面形状に加工した。その後，950℃・1050

3-2と同様に，水深が1cm以上3cm以下になるように，水℃で焼成した。

を表面からではなく下部から供給した。培養雰囲気の・形状B：A処理に加えて，寒天粉末（和光純薬工業(株)）湿度を55％とし，光条件を検討した。

を3％（w/v）になるように温水に溶解させ，焼成後のその結果，3週間でポジティブブランク（図1）の表

表面に塗布した。

面が緑のコケで覆われる条件（30,000 lux・6時間→

・形状C：B処理に加えて，寒天に栄養分として，コケ

15,000 lux・6時間→0 lux・12時間で1サイクルとするの培養用の樹皮培養土（(有)モス・プラン）の水抽出

照度設定）を決定できた。また，ネガティブブランク物を入れた。この水抽出物は， 0.4L樹皮培養土に水をは，当初蒔いた状態で全く変化がなかった。以上のこ全量2Lになるように添加し一晩放置後，ガーゼで固形分をろ過したものを用いた。

を一定にするために，表面を土で覆った。吸水力の異・形状D：B処理に加えて，寒天に栄養分として黒土（家なるレンガの厚さを3cmとし，それぞれの表面を土で庭園芸用）の水抽出物を入れた。

0.5cm覆った。他の条件はこれまでと同様の方法で行っ・形状E：ビオキューブ（(有)モス・プラン）というコ

た。1ヶ月試験を行ったが，対象区の土以外では，コケケ玉等の素材として市販されている多孔質な石をそのの生育が見られなかった。

まま利用した。

4-4 緑化試験3：コケの生えやすい表面形状の検討

試作サンプルの上にコケシート（スナゴケ）（(有)土の上に表面形状の異なるものを置き，表面形状のモス・プラン）90ｘ65mmを置き，植物インキュベータ

異なるレンガでのコケの保持しやすさを検討した。厚ーで25℃，湿度85％，7,000 lux・8時間→ 3,500 lux

さ10mmの表面形状の異なるレンガを準備した。吸水力

・8時間→0 lux・8時間で1サイクルとする照度設定で，の差を減らすため，全てのサンプルの土台部分は土とレンガの下から給水する方法（レンガの厚さの半分がし，それぞれのレンガ上にコケを置き，他の条件はこ浸水するように水量を調整）で緑化試験を1ヶ月行った。

れまでと同様の方法で緑化試験を行った。1ヶ月試験をその結果，形状Aでは，表面形状の異なる加工レンガ行ったが，対象区の土以外では，コケの生育が見られと未加工レンガとの間で，コケの生育に差異はなかっなかった。

た。形状Bでは，寒天の固化させたもののうち，小さい

4-5 緑化試験4：吸水・保水剤の検討穴を開けたレンガでは，寒天が乾燥したときに，寒天

レンガに液化状態の寒天などの吸水剤をレンガ内部

がレンガ表面から剥がれた。そのため，コケの生育はに含ませ，保水力・吸水力を向上させることで，緑化見られなかった。他の寒天を固化させたものも，剥が可能かどうか検討した。寒天粉末（和光純薬工業(株)）れはしないが，保水力は未加工レンガより強くなく，を3％（w/v）になるように温水に溶解させた。その溶

コケの生育も見られなかった。形状CおよびDでは，寒液中にレンガを浸し，60分間脱気し，レンガ中の空気

天に土と樹皮培養土の水抽出液を利用したが，使用しと寒天溶液を入れ替えた。寒天が固化したのち，試験なかったものとの差異はなかった。形状Eのビオキューに供した。試験は，緑化試験1と同じ方法で行った。1

ブでは，コケの生育は見られなかった。

ヶ月試験を行ったが，対象区の土以外では，コケの生対象区の土では3週間でコケより新芽が出たが，形状E育が見られなかった。

のビオキューブでは新芽が出なかった。ビオキューブ

これまでの緑化試験の方法では，いずれの方法でもの表面形状はコケの生育に適しているため，土と比べ対象区（土）以外ではコケの生育が観察されなかった。

て吸水力が足りないと考えられた。そのため，吸水力

これらの原因として，コケの種類が問題点として考えの異なるサンプルを利用して，コケの生育にどの程度られた。これまで，レンガに生育させるコケとして，の吸水力が必要か検討（緑化試験2）した。

乾燥に強いスナゴケを選択して試験を行ってきたが，また，今回の試験では，コケの生育に関係する要因が，土では生育するが，レンガ上では生育が観察されなか表面形状だけでなく，水の吸水力がそれぞれの形状でった。そのため，コケの種類をスナゴケ以外のものに異なっていたので，吸水力をできるだけ一定にして，することを試みた。また，レンガの施工・設置条件か

コケの生えやすい表面形状についても再び検討（緑化ら，下からの給水方法でコケを生育させることを目的

試験3）した。

として試験を実施してきた。しかしながら，下からの形状B，C，Dにおいて，寒天溶液を表面に塗布したが，給水方法では，土と比べると絶対量が少ないためかコ

乾燥により，レンガ表面より剥がれて，緑化試験ではケの生育はできなかった。そこで，上から給水する方効果が見られなかった。そこで，寒天溶液をレンガ内法に変更して，試験を行った。

部に入れることで，保水剤および吸水剤として利用で4-6 緑化試験5：上からの給水方法による緑化試験

きないか検討（緑化試験4）した。
4-3 緑化試験2：吸水力の異なるレンガでの試験

コケは石等の上に生育していた，ハリガネゴケ，シノブゴケ，アオハギヌゴケの3種を用いた。緑化試験方

吸水力の異なるレンガを利用して，コケの生育にど

法は緑化試験1とほぼ同様に行った。変更点は，水の給の程度の吸水力が必要か検討した。レンガの表面形状

水方法（コケの上から3日に一度散水）と，コケの設置

条件（単位面積あたりの重量を合わせてレンガ表面に蒔き，緑色の増加面積を測定する方法が良いと考えら蒔く）に変更した。1ヶ月経過後では，いずれのコケもれる。また，レンガに応じたコケを選ぶことが，緑化試験開始当初と同様の緑色を呈していた。コケの生育

レンガの開発を進めるポイントであることも判明した。

は見た目ではあまり観察されなかった。2ヶ月経過後，今後は，確立した評価法により，緑化性の高いレンガ

ハリガネゴケは緑色ではなく，黒い色となっており，の開発を進める予定である。

生育していなかった。シノブゴケとアオハギヌゴケは，
いずれもレンガ等に固着し，生育（図2）が観察された。

6 参考文献古いコケは緑色が濃くなり，黄緑色の新しい芽も出て

1)岡田徳一ほか：福井県工業技術センター研究報告書，いた。レンガの表面形状による違いは観察されず，コ
ケの種類により生育が左右された。

No.11，p.81-84(1994)
2)梅干野晃：地球環境研究，No.37，p.111-127(1996)
3) 杉 本 英 夫 ほ か ： 大 林 組 技 術 研 究 所 報 ， No.65 ，
p.1-6(2002)
4) 北 島 洋 二 ほ か ： 鹿 島 技 術 研 究 所 年 報 ， No.40 ，
p.329-334(1992)
5)佐伯義光：コロイド・界面実用講座，9th，p.39-54（1999)
6)近藤三雄：「都市緑化技術集」，(株)環境コミュニ
ケーションズ（2003）

図2

レンガ上に生育したコケ

7)船瀬俊介：「屋上緑化完全ガイド」，築地書館(2003)
8)財団法人都市緑化技術開発機構特殊緑化共同研究会

上から散水する給水方法によって試験を行った結果，コケの種類を選べば，レンガの表面形状に関係なく，生育することが判明した。ハリガネゴケは，ブロック
塀と地面との境に生育するコケで，レンガ上での生育可能性が高いと考えられたが，レンガ表面では生育しなかった。レンガの緑化においては，これまで，水の供給さえ十分に行えば，コケの種類を細かく選択しな
くとも，乾燥に強いコケであれば生育が可能と思われたが，今回の試験により，レンガとの相性があるコケを選択することが，レンガの緑化には，より重要であることが示唆された。

5 まとめ
本研究では，レンガの基本性能（強度，吸水率等）と緑化性との関係を，レンガ設計にフィードバックするために，緑化性の評価法の確立を目的とした。レンガの緑化に適した植物としてコケを選択し，緑化性の評価法について検討し，レンガにおいて緑化試験を実施した。その結果，レンガの上から給水する手法(4-6
緑化試験5)により，レンガ上でコケの固着・生育が観察された。緑化性の評価は，4-6 緑化試験5の条件で，レンガ表面にコケを単位面積あたりの重量を合わせて：屋上緑化のQ＆A，鹿島出版会(2003)
9)日経アーキテクチュア編集：「実例に学ぶ屋上緑化」，
日経BP社(2003)

あまおうから分離した酵母の食品への利用
樋口 智子 *1

上田 京子 *1

The Yeast Utilization as Baker’s Yeast That Isolated from Amaou Strawberry
Tomoko Higuchi, Kyoko Ueda
福岡ブランドのあまおう苺より酵母を分離した。顕微鏡観察及び糖資化性テストより Saccharomyces serevisiaeと決定した。本酵母を用いてパンの試作を行ったところ，現在「天然酵母パン」として使用されている酵母より発酵力が強く高い官能評価を受けた。

1 はじめにオリジナリティある商品展開を考える際に地域に特2-2 酵母の同定
顕微鏡観察および糖資化性テスト（API 20 C AUX,

徴的な商品開発をねらうことが重要である。当所でもbioMerieux社製）を行った。

清酒酵母の単離を行い，福岡オリジナル清酒として商2-3 パン試作品化された 1) 。同様に県独自の商品展開を睨んで発酵

2-3-1 マルトース馴養

食品に用いる新たな酵母の単離を試みた。酵母の分離

マ ル ト ー ス 馴 養 の た め に YM － マ ル ト ー ス 培 地

源として福岡ブランドの農産品を設定し，現在消費者（ maltose 10.0g/l ， yeast extract 3.0g/l ， maltに最も福岡ブランドとして認知されているあまおう苺

extract 3.0g/l，peptone 5.0g/l，pH6.2）にて 継代を用いた。今回分離した酵母を利用してパンの試作を培養した。

行ったので報告する。

2-3-2 菌株の保存
菌株の保存には麹汁スラントに画線培養後，十分に2 研究，実験方法

コロニーが生育したものを冷蔵保存した。

2-1 酵母の分離

2-3-3 生種調製

2-1-1 サンプル採取
福岡県農業総合試験場ほ場よりあまおう苺を採取，保存スラントより1コロニーをYM-マルトース培地に接種し2日間培養後菌体を遠心回収し，生理食塩水で酵母分離源サンプルとした。

洗浄，遠心回収し，50ml滅菌水に懸濁した。50gの強2-1-2 酵母の分離

力粉に懸濁液を全量添加し室温で１昼夜発酵させた。

麹汁（ボーメ8）にエタノールを2％となるように添さらに50gの強力粉と50mlの滅菌水を加え，1昼夜発酵加した培地に分離源サンプルを投入し，2日間30℃で後生種とした。

培養した。麹汁寒天培地に画線し，2週間培養後，酵2-3-4 試作母と思われるコロニーを釣菌し，再度画線培養後分離

分離酵母によるパンの試作には生種100g，強力粉株とした。

300g，無塩バター10g，砂糖20g，塩6g，水160mlを捏

2-1-3 酵母の選抜

ね機に投入し，15分間捏ね，発酵試験に供した。

麹汁（ボーメ8，エタノール2％含有）にコロニーを対照として市販のドライイースト6g，強力粉300g，無20株拾い，10日間培養後，エタノール生産性をチェッ

塩バター10g，砂糖20g，塩6g，水150mlを捏ね機に投クした。ほぼ同様の生産能を示したが，エタノール高

入し，15分間捏ね，同様に発酵試験に供した。

生産株を2株選択した。
清酒の小仕込み試験を行い，官能評価が高かったサ

3 結果と考察

ンプルから再度菌株を分離した。分離した菌株につい3-1 酵母の同定て低温発酵能を検討し，発酵力が高い菌株1株を分離

3-1-1 顕微鏡観察

株として以後の実験に用いた。
*1 生物食品研究所

顕微鏡観察により（図1），分裂型を出芽型と決定した。

DL-lactate

＋／－

－

－

Inositol－－＋

Xylitol

n.d.

－

＋

Sorbitol

n.d.

－

＋

＋：糖資化性あり，－：糖資化性なし，＋／－：
菌株により糖資化性ありとなしが存在する，n.d.
文献値がない図1

分離酵母の顕微鏡写真

4 パン試作分離酵母を用いた生地作りで1次発酵（体積が2倍と3-1-2 糖資化性テスト

なる）に要した時間は150分であったのに対し，市販

API 20 C AUXを用いて糖の資化性テストを行った。

のパン酵母では40分であった。ガス抜き，分割，ベン対 照 と し て 清 酒 用 協 会 7 号 （ Saccharomyces

チタイム15分を経て，成形後2次発酵に要した時間もcerevisiae ）を用いた。表1に糖資化性テストの結果

市販酵母の40分に比べ，分離酵母が120分とかなりのと S. cerevisiae の文献値との比較を示す。出芽酵母

長時間を要した（表2）。

であることと，糖資化性プロファイルより分離株を S.

cerevisiaeであると決定した 2)。

発酵時間の比較

分離酵母

市販パン酵母

１次発酵時間

１５０分

４０分

２次発酵時間

１２０分

４０分

糖
Glucose＋＋＋

分離酵母で試作したパンの方がキメが荒く，重たい

Galactose＋＋＋

感じがあるものの一般に『天然酵母パン』として市販

L-Sorbose－－－

されているパンに比べるとややふんわり感が勝るよう

Sucrose

＋

＋

＋

であった。

Maltose＋＋＋Cellobiose

－

－

＋

Treharose＋＋－

Lactose－－－Raffinose＋＋＋

Melezitose

＋／－

＋

－

D-Xylose－－－

L-Arabinose

－

－

－

－

－

＋

Glycerol－－－

Ribitol

－

－

＋

＋／－

＋

＋

N-Acetyl-Dglucosamine

α-Methyl-Dglucoside

分離株

協会７号

文献値

糖資化性テスト

S. cerevisiae

表1

表2

180℃で20分の焼成後，放冷し，断面の観察を行った（図2）。

図2
A:分離酵母

試作パン

B:市販ドライイースト

5 まとめ
福岡ブランドのあまおう苺より食品利用可能な酵母を分離した。本酵母を用いてパンの試作を行ったとこ
ろ，市販のパン酵母と比べると発酵力においてかなり劣るものの，いわゆる『天然酵母』としてはまずまずの発酵力を示し，試作したパンの官能評価も比較的良好であった。工場レベルで生産を行っている大手パン販売企業が使用するには発酵時間がかかりすぎるため商品展開は困難であるが，比較的小規模のパン工房が利用するには遜色ない発酵力を示した。福岡ブランド
あまおう酵母として商品展開が望めるかもしれない。

6 参考文献1)福岡県工業技術センター研究報告，第15号，p.145146(2005)
2)C.P.

Kurtzman, J.W. Fell : THE YEASTS

taxonomic study-, p.358-371, ELSEVIER (2000)–a伝統野菜の循環系改善機能の解明による新規健康補助食品の開発
芽タデの機能性成分の探索
小野 昌志 *1

Development of Novel Health Food Supplement Made by Traditional Vegetable
Identification of Bioactive Compounds from Polygonum Hydropiper
Masashi Ono
福岡県の伝統野菜である「芽タデ」を利用した健康食品の開発を目指すべく，機能性成分の探索を行った。その結果，ケルセチン配糖体であるイソケルシトリンが主な成分であり，その他各種ケルセチン誘導体を得ることができた。得られた物質について，DPPHによるラジカル消去活性を測定し，ソバに多く含まれるルチンより若干強い活性を見いだした。試作ドリンクについて，液体クロマトグラフ－質量分析計（LC/MS）による分析を行い，製品中にもイソケルシトリンが含まれていることを確認し，LC/MSによる定量法も確立した。

1 はじめに2-2 機能性成分の分離・精製

タデは，その全草は水蓼（すいりょう）という名の前項で得られたエキスの一部を50%メタノールに溶

漢方薬であり，古くから利尿，解熱，虫さされ，食あ解し，ヘキサンと分配し，脱脂を行った。50%メタノ

たりへの効能で民間薬として利用されてきた。また，ール層のメタノールをロータリーエバポレータで蒸発「蓼食う虫も好き好き」という諺にもあるように，そさせた後，アンバーライトXAD-2（オルガノ社製）への成分中にはポリゴジアールをはじめとする昆虫摂食

加え，脂溶性成分を吸着させ，糖やアミノ酸，無機物

阻害作用を有する辛み成分が含まれていることが報告

質といった水溶性成分を洗い流した。アンバーライト

されている。ただ，これまでの報告は，大きく成長しに吸着した成分は，メタノールで溶出させ，溶出液をた草本の含有成分であり，今回対象とした幼芽（スプ濃縮し，粗精製エキスを得た。

ラウト）の成分に関するものは，ほとんどない。

粗精製エキスは，再び水に溶解した後，クロロホル

今回，健康食品開発にあたり，その有効成分を明ら

ム，酢酸エチルと順に分配を行い，クロロホルム可溶

かにするため幼芽の成分の調査を開始した。また，単成分，酢酸エチル可溶成分，水溶性成分の3つに分配離した物質に関して，抗酸化性をラジカル捕捉効果をした。

指標に調査し，製品中に含まれる生理活性物質を明らかにすることを目標に実験を開始した。

各分配エキスを，シリカゲルカラムクロマトグラフ
ィー等，各種クロマトグラフの操作により分離・精製を進めていった。

2 研究，実験方法
2-1 芽タデエキスの抽出

2-3 抗酸化性評価
DPPH（ 1,1-diphenylpicryl-hydrazyl） の ラ ジ カ ル

凍 結 乾 燥 済 み の 芽 タ デ （ JA筑 前 朝 倉 産 ， 四 季 紅 ）捕捉活性を指標に抗酸化性評価を行った。手法は，独1.5kg を ス テ ン レ ス 製 容 器 に 入 れ ， 50% エ タ ノ ー ル

立行政法人食品総合研究所のホームページに記載され（30L）を注ぎ込み，室温で6時間攪拌抽出を行った。

ている方法を参考にし，以下の手順で行った。

濾過した後，エバポレータ（水浴温度40℃）でエタノ

手順

ールを減圧留去した。濃縮したエキス（容量0.6L）に，

1. 試験管に希釈済みのサンプル200μLを入れる。

純水（3L）を加えて凍結乾燥を行った。

2. 0.1M Tris緩衝液（pH7.4）800μLでサンプルを希抽出残渣は，同様の手法で再抽出を行った。2回目に使用した50%エタノールは15L，抽出時間は16時間である。
*1 生物食品研究所釈する。
3. 500μM DPPHエタノール溶液を1mL加え，よく攪拌する。
4. 室温，暗所で20分間反応する。

5. 517nmの吸光度を測定する。

注入量

6. 濃度と吸光度の減少率をプロットして，最小二乗法で傾きを求める。

10μL

2-4-2 ドリンク試作品中のイソケルシトリンの定量
ドリンク試作品中に含まれるイソケルシトリンの定

7. 各サンプルの活性の強さは，ポジティヴコントロールのα－トコフェロール50μMの活性に換算した。

量は，以下の手法で行った。
手順
1. ドリンク20mLをアンバーライトXAD2（φ1cm×

2-4 ドリンク中のフラボノイドの定量

20cm）に通し，蒸留水500mLで洗う。

2-4-1 クエン酸抽出物中のフラボノイド分析
クロレラ工業(株)がドリンク製品に利用しているク2. 吸着成分をメタノール500mLで洗い流す。

エン酸抽出物について，単離したフラボノイドの存在

3. メタノール溶出成分をエバポレータで濃縮する。

を以下の方法で確認を行った。

4. 濃縮サンプルをメタノールに再溶解し，メスフ
ラスコで10mLとし定量サンプルとする。

手順
1. クエン酸抽出物を20mL，アンバーライトXAD2（φ1cm×20cm）に通し，蒸留水500mLで洗う。

5. イソケルシトリン標準サンプルを作り，メタノール溶液とした。

2. 吸着成分をメタノール500mLで洗い流し，濃縮・凍結乾燥する。

標準サンプルは23.6mg/100mLの溶液を2，5，10倍に希釈した。イソケルシトリンの分子イオン465のピー

3. 残渣の一部をメタノールに溶解後，ボンドエルー

クの面積により検量線を作成し，試作品のイソケルシ

トC18（1mL）に通し，HPLCおよびLC/MSのサンプル

トリン濃度を算出した。

とする。

LC/MS条件

4. 高速液体クロマトグラフィー(HPLC)およびLC/MSでイオン化法：APCI+
カラム：Mightysil aqua

分析する。

φ4.6mm×250mm（関東科学(株)製）

HPLCは，LC-10AD（送液ポンプ）をはじめとするシステム（(株)島津製作所製）を使用し，LC/MSは(株)

流速：1mL/min

久留米リサーチ・パークの施設を使用して測定を行っ

移動相：0.1% TFA－アセトニトリル

た。

溶媒比

HPLC分析条件
カラム：Wakosil-II5C18

φ4.6mm×250mm（和光純薬工業(株)製）

0～10 minまでアセトニトリル

10%10.1～20 minまで

20%

20.1～30 minまで

30%

30.1～50 minまで

50%

流速：1mL/min，検出波長：270nm
移動相：0.1% TFA－アセトニトリル
溶媒比：0～10 minまでアセトニトリル

注入量

3 結果と考察10%

3-1 芽タデエキスの抽出10～20 minまで

20%

1回目の抽出では233.9g（15.6%），2回目の抽出では20～30 minまで

30%

198.1g（13.2%）の深紫色の粉末が得られた。3回目の30～40 minまで50%抽出を行ったが，2回の操作と比較しほとんどエキス

20μL

は得られず，50%エタノールによる芽タデの抽出では，LC/MS分析条件

収率が約30%であることが分かった。

イオン化法：APCI+
カラム：Wakosil-II5C18

3-2 機能性成分の分離・精製
φ4.6mm×250mm

各種クロマト グラフィーに より以下のフ ラボノイ

（和光純薬工業(株)製）

ドが単離された（図1）。ほとんどフラボノール骨格を

流速：1mL/min，検出波長：270nm持つ物質であり，主要物質はケルセチン－グルコシド

移動相

0.1% TFA－アセトニトリル

であるイソケルシトリンであった。各物質のNMRおよ

溶媒比

0～15 minまでアセトニトリル

25%

びMSスペクトルに関しては過去の文献と照らし合わせ

15～30 minまで

70%

た 1,2)。

ビ

3 収量 602mg
OH

OH
OH

HO

OH

O

HO

4 収量 108mg, 1H NMR(DMSO-d6,TMS) δ: 3.86(s, 3H,
OMe), 3.88 (s, 3H, OMe), 6.36 (d, J = 2.0 Hz,

O

1H, C6H), 6.79 (d, J = 2.0 Hz, 1H, C8H), 6.95
O-Glc

O-Ara

OH O

(d,

OH O

ケルセチン
－アラビノシド 2

イソケルシトリン 1
OH

8.3 Hz, 1H, C6'H), 7.79 (d, J = 2.0 Hz, 1H,
C2'H), 12.47 (s, 1H, C5OH).

OH
HO

MS(FAB) m/z 331(MH+)

OMe

O

OH
OH

MeO

O
OH
OH O

OH
HO

δ: 3.84(s, 3H,

C6H), 6.46(d, J = 2.0 Hz, 1H, C8H), 6.94(d, J =8.8 Hz, 1H, C5'H), 7.68(dd, J = 2.0, 8.8 Hz, 1H,

4OMe

5 収量 28mg, 1H NMR(DMSO-d6,TMS)

OMe), 4.04(s, 1H, OH), 6.18(d, J = 2.0 Hz, 1H,

OH O

ケルセチン 3J = 8.3 Hz, 1H, C5'H), 7.75 (dd, J = 2.0,

C6'H), 7.75(d, J = 2.0 Hz, 1H, C2'H), 12.46(s,O

1H, C5OH).

OH
OH O

MS(FAB) m/z 317(MH+)

53-3 抗酸化性評価

図1

単離したフラボノイド

DPPH（ 1,1-diphenylpicryl-hydrazyl） の ラ ジ カ ル
消去活性を指標に行った抗酸化性評価の結果を表1に新規物質の単離を期待していたが，これまでに報告示す。単離されたフラボノイドは，ソバに多く含まれのある成長草本のものにあるものばかりという残念なるルチンと比較して，若干強い抗酸化活性があること結果となった。単離したフラボノイド（ケルセチン以が分かった。

外）の機器分析データは以下の通りである。
1 収 量 4.44g, 1H NMR(DMSO-d6,TMS) δ: 3.0-3.7 (m,表1

単離したフラボノイドのラジカル捕捉活性

sugar H), 4.44 (brs, 1H, OH), 4.85 (brs, 1H,
OH),

物質

5.13 (brs, 1H, OH), 5.38 (d, J = 7.8 Hz,

トコフェロール50μMと同活性の濃度(mg/L)

1

１１．３

6.40 (d, J = 2.0 Hz, 1H, C8H), 6.82 (d, J =

2

１０．９

8.3 Hz, 1H, C5'H), 7.53 (d, J = 2.0 Hz, 1H,

3

４．８９

C2'H), 7.67 (dd, J = 2.0, 8.3 Hz, 1H, C6'H),

4

１５．２

ルチン

１５．２

1H anomeric H),

6.20 (d, J = 2.0 Hz, 1H, C6H),

12.63 (s, 1H, C5OH).
MS(FAB) m/z 465(MH+), 303(465-glucose)
2 収量 895mg, 1H NMR(CD3OD) δ: 3.43 (dd, J = 2.9,
13.2 Hz, 1H, one of C
8.3 Hz, 1H, C

3''

5''

H), 3.64 (dd, J = 2.9,H), 3.80 (ddd, J = 2.9, 2.9,

3.4 Hz, C4''H), 3.82 (dd, J = 2.9, 13.2 Hz, 1H,
one of C
C

2''

5''

H), 3.89 (dd, J = 6.3, 8.3 Hz, 1H,H), 5.15 (d, J = 6.3 Hz, 1H, C

1''H), 6.19 (d,J = 2.0 Hz, 1H, C8H), 6.39 (d, J = 2.0 Hz, 1H,
65'C H), 6.86 (d, J = 8.3 Hz, 1H, C H), 7.57 (dd,6'

J = 2.0, 8.3 Hz, 1H, C H), 7.74 (d, J = 2.0 Hz,
1H, C2'H).
MS(FAB) m/z 435(MH+), 303(quercetin+1)

3-4 ドリンク中のフラボノイドの定量
3-4-1 クエン酸抽出物中のフラボノイド分析
HPLC
クロマトグラム（図2）より，17分付近にあるピー
クは，イソケルシトリンのピークと一致した。19分付
近にあるピークは，ケルセチン－アラビノシドのものである。37分のピークはケルセチンのモノメチル化化
合物とほぼ一致した。
ケルセチンのピークは確認されず，ほとんど含まれていないことが分かった。

4 まとめ本研究では，以下の成果を上げた。
1. 芽タデの抽出エキスより，イソケルシトリンをはじめとするケルセチン配糖体や誘導体を単離した。
2. 上記物質の抗酸化性をDPPHを使用したラジカル捕
捉活性により評価し，ソバに多く含まれているルチンと比較して若干強い活性を見いだした。
3. 試作ドリンク中のイソケルシトリンの含有量を調査し，1本（100mL）あたり2.24mgのイソケルシト
図2

クエン酸抽出物中の HPLC チャート

リンを含有していることを確認した。本分析法は，ドリンク製品の品質管理にも役立てることが出来

LC/MS

る。

HPLCでイソケルシトリンであると推定された物質の4. イソケルシトリンは，共同研究機関に提供し，血イオンピークは465であり（図3），LC/MSでもイソケル

液レオロジー改善機能や血小板凝集阻害効果があ

シトリンと一致をみた。したがって，試作品中にもイることも見いだされた。

ソケルシトリンが含まれていることが分かる。

本研究では，数種類の機能性フラボノイドを単離し，残念ながら，ケルセチン－アラビノシド，ケルセチ

抗酸化性評価を実施し，他機関の協力により血液レオンのモノメチル化化合物に関しては，良好なイオンピ

ロジー改善機能や血小板凝集阻害効果についても確認ークが得られなかった。

する こ とが 出 来た 。 ただ ， これ ら のデ ー タは 全 てinvitroの実験結果であり，動物実験・臨床実験のデー
タではない。今後一番の課題は，in vivoの実験への展開である。また，機能性成分分析に関してもイソケ
ルシトリンのみについてであり，多成分分析に対応させることが必須である。さらに，錠剤やカプセルといった液体でない製品開発も予定されており，固体・粉末製品の成分分析法の開発も課題である。この3点を

図3

クエン酸抽出物中の主要物質のマススペクトル

中心に今後取り組んでいきたいと考えている。
なお，本研究は，財団法人福岡県産業・科学技術振3-4-2 ドリンク試作品中のイソケルシトリンの定量

興財団の産学官共同研究開発事業「伝統野菜の循環系

イソケルシトリンのピークに対応する分子イオン

改善機能の解明による新規健康補助食品の開発」にお465を抽出したチャートを図4に示す。ピークの面積よいて実施したものであります。お世話になりました共

り算出した検量線より，ドリンク1本（100mL）中に含同研究機関の株式会社レオロジー機能食品研究所，ク

まれるイソケルシトリンの量は，2.24mgと計算された。

ロレラ工業株式会社，福岡県農業総合試験場の諸氏に感謝致します。

5 参考文献1)Haraguchi, H., Hashimoto, K., Yagi, A., J.
Agri. Food Chem. Vol.40, p.1349-1351 (1992)
2)Arima,M.,

Danno,

G.,

Biosci.

Biotechnol.

Biochem., Vol.66, No.8, p.1727-1730 (2002)
図4

ドリンク中のイソケルシトリンの分子イオンピークチャート

インテリア・住宅関連材料のVOC評価に関する研究―家具を構成する部位の効果的評価方法と放散量把握―
脇坂 政幸 *1

古賀 賢一 *1

Research on Evaluation of VOC Emission from Interior Materials― Evaluation Method and Volatilizing Amount Grasp of Part That Composes Furniture ―Masayuki Wakisaka, Ken’ichi Koga
本研究は，家具の構成部材であるフラッシュパネルを想定した中空状の板を試作作製し，使用する接着剤の種別による放散化学物質の経時的挙動を調べたものである。対象とした放散物質は，厚生労働省の室内濃度指針値に示される6物質とし，JIS A1901の標準条件に準拠し測定した。接着剤は目的により溶剤の有無，溶剤の種類等が異なり，TVOC（VOC総量）の放散速度ではその差が明確に示された。ホルムアルデヒド放散速度は建築基準法の規制値を満足することがうかがえた。当該試作構造体による経時変化からホルムアルデヒド以外の物質については，フラッシュ製品の養生時間の予測が可能になると期待される。

1 はじめに2 研究，実験方法

建築基準法の改正により住宅用材料からの化学物質

2-1 材料（特にホルムアルデヒド）放散に係る規制により住宅

2-1-1 合板

建築関連業界での材料に対する注意が強く払われるよ
うになった。

予め147mm角に切り出した普通合板を熱風循環乾燥機に入れ70℃で熱処理した。最終的に245hrまで熱処

一方，家具やインテリア製品単体に対する規制は今理したものを用いたが，途中，適当な時間に取り出しのところ法的に定められてはいないが，接着剤，塗料てアルミ製のラミネート袋に保管し，どの時間での処

ほか原材料を含む関連業界では早くから関心を持ち対理が適切であるかを確認するため，JISA9101小型チャ

応を進めているところである。

ンバー法にて測定し，処理効果の経時変化を測 定し一般に使用される木製家具は多くの部品から構成され，それらは合板，集成材，繊維板やこれらを組み合
わせ立体的な板に仕上げた中空のフラッシュパネルなどが挙げられる。これらの中でも合板，繊維板など単た。その経過は以下のとおりである。
2-1-1-1 普通合板の熱処理
F☆☆☆☆表示の普通合板を70℃熱処理したときにおける物質の放散速度変化を図1，図2に示す。

一の板状におけるVOC濃度（及び放散速度）測定は建築材料とも共通し通常に測定されている。しかし，フく，放散挙動についての報告も，材料の表面にチャンバーを設置して測定するFLEC（Field and Laboratory
Emission Cell；小型セル法）システムによる，表裏
面放散速度を積算する手法など 1) ，例は少ない。そこ
で，本研究ではフラッシュパネル構造を想定した試作350

放散速度（μg／m2・ｈ）

ラッ シ ュパ ネ ル構 造 の測 定 方法 に つい て は基 準 もな

接着剤を数種選定し測定を試みた。
*1 インテリア研究所

TVOC

200
150
100
50

1 24 47 70 93 116 139 162 185 208 231

処理時間（Hr)

際，企業において製造されるフラッシュパネルとそれ目的に，従来の木工産業において使用される代表的な

250

0

基準 体 を作 製 し放 散 速度 の 経時 変 化を 調 べた 。そのに使用される接着剤に関する情報提供及び技術支援を

300

図1

合板の70℃熱処理によるTVOC経時変化

2

放散速度（μg／m ・ｈ）の硬化剤をガラス側に塗布した。接着剤塗布後は使用
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

条件にかかわらず，直ちに側面をシールしチャンバーに設置した。
ホルムアルデヒド

ここで，147mm角の合板を2枚合わせたフラッシュ体
は，20Lチャンバーに設置したときに，その試料負荷率をL=2.2と定義する。

1

24 47 70 93 116 139 162 185 208 231

処理時間（Hr)

図2

合板の70℃熱処理によるホルムアルデヒドの
経時変化

ガラス
試験用構造体

Cont.

接着剤種

A,B,C,Dなし

顕著である。本稿には示していないが，この時材料か塗布量 (g/m2)

130～150－

ら放散消失した分に相当するものとして， GC-MS装置

養生時間30min以内

－の解析画面上，高温で揮発する木材特有成分の減少が

側面シーリング

アルミシール

アルミシール

図1より，TVOCは処理時間と共に放散速度の減少が確認された。一方，図2よりホルムアルデヒドの場
合， 時 間の 経 過とと もに 放 散速 度 の微 増 が確 認された。熱による接着剤の分解，或いは木材そのものにおける放散活性化が考えられる。しかし今回の処理におけるホルムアルデヒドの放散速度は建築基準法規制値の範囲内であり，総合的にTVOCとの効果と併せ合板の臭気を低減化する処理としての効果が期待される。
2-1-2 芯材

図3

フラッシュ構造試作物

合板の間に挟んだ時，自ら化学物質を放散せず，表面に接着剤を保持するために表面をサンド研磨処理し2-3 雰囲気処理，分析たガラス板を用いた。サイズはD50×W150×t10（mm）

上 述 に て 作 製 し た 試 験 体 は ， 前 報 2) 同 様 に JISとした。これはD400×W900（mm）の棚板を想定し，表A9101－小型チャンバー法―における標準条件で雰囲

板と芯材の接合面積の比から逆算したものである。

気処理と分析を行った。即ち，試料を20Lチャンバー

2-1-3 接着剤に 試 料 負 荷 率 L =2.2 （ m2/m3 ） ， 換 気 回 数 n=0.5 （ 回以下に示す業務用接着剤４種を用いた。

/h），雰囲気温湿度28℃×50%RHになるように設定し・2液分別塗布型変性酢酸ビニルエマルジョン処理する。また，VOC及びホルムアルデヒドは各々，（A;変性酢ビ）

加 熱 脱 着 ― 質 分 析 装 置 TurboMatrix-TD450/QP-2010

・酢酸ビニル樹脂エマルジョン系接着剤（B;酢ビ）

GC-MS（SHIMADZU製），および高速液体クロマトグラ

・1液湿気硬化型ポリウレタン樹脂接着剤（C;PU）

フLC-10A（SHIMADZU製）にて分析を行う。

・家具木工用スプレー型ゴム系接着剤（D;ゴム系）
2-2 フラッシュ構造体
図3のように合板，接着剤，ガラス（芯材）を組み合わせ，アルミ製テープにて側面をシールしフラッシ
ュ構造に仕上げた。接着剤はガラス面に塗布した。
2液性の場合，今回は高粘度の主剤を合板側，低粘度

3 結果
3-1 フラッシュ構造体の評価
3-1-1 接着剤別のTVOC放散速度と換気時間の関係
図4に接着剤別のフラッシュ構造体及びCont.のTVOC放散速度と換気時間の関係を示す。

と同様に図で示してはいないが，合板単体とフラッシ2

放散速度(μg/m ・ｈ)

3000

ュ構造体Cont.との比較を24時間のみ1点で行ったとこ

2500

Cont.

2000

Ａ；変性酢ビろ，合板単体／フラッシュCont.の放散速度は（3.4／3.3μg/m2 ･h）となり，同レベルであることが確認さ

Ｂ；酢ビ

1500

Ｃ;湿気硬化ＰＵれた。
3-1-3 特定5物質の放散速度と換気時間の関係

1000

接着剤毎に5物質の経時変化を測定した結果を図6，500

図7，図8，図9に示す。

0
2

33

62

93

123

Time(Hr)

TVOCの経時変化

接着剤毎の放散速度の範囲は，A:2液変性酢ビ系エ2

マルジョン（67-126μg/m ･h），B:酢ビエマルジョン（97-213μg/m2 ･h），C:湿気硬化型ポリウレタン（以降PUと表記）（213-2583μg/m2 ･h），Cont.（35-156

放散速度(μg/m2・ｈ)

図4

0.80
0.70

ﾄﾙｴﾝ

0.60

ｴﾁﾙﾍﾞﾝｾﾞﾝ

0.50

ｷｼﾚﾝ

0.40

ｽﾁﾚﾝ
p-ｼﾞｸﾛﾛﾍﾞﾝｾﾞﾝ

0.30
0.20
0.10
0.00

μg/m2 ･h）となる。TVOCを見たとき，A,Bの酢酸ビニ

2

33

93

123

Time(Hr)

ルエマルジョン系接着剤はCont.との比較から放散速
度が低いことがわかった。また，図等で示してはいな

62

図6

5物質の放散速度と換気時間の関係(A;変性酢ビ)

いが，合板単体とフラッシュ構造体Cont.との比較を
24時間のみ１点で行ったところ，合板単体／フラッシ

2

レベルであることが確認されたが，経時比較による構放散速度(μg/m ・ｈ)ュCont.の放散速度は（27／35μg/m2 ･h）となり，同造的挙動を調べる必要がある。
3-1-2 接着剤別のホルムアルデヒド放散速度と換気時間

10.0
A；変性酢ビ

2

8.0

ﾄﾙｴﾝ
ｴﾁﾙﾍﾞﾝｾﾞﾝ
ｷｼﾚﾝ
ｽﾁﾚﾝ
p-ｼﾞｸﾛﾛﾍﾞﾝｾﾞﾝ

2

33

B；酢ビ

62

93

123

Time(Hr)

C；湿気硬化ポリウレタン

6.0

図7

D；ゴム系

5物質の放散速度と換気時間の関係(B;酢ビ)

4.0
2.0

3.00

0.0

2.50

ﾄﾙｴﾝ
ｴﾁﾙﾍﾞﾝｾﾞﾝ

2.00

ｷｼﾚﾝ
ｽﾁﾚﾝ

1.50

p-ｼﾞｸﾛﾛﾍﾞﾝｾﾞﾝ

33

62

93

123

時間(Hr)

図5

ホルムアルデヒドの経時変化

図5は接着剤別のホルムアルデヒド放散速度と換気時間の関係である。いずれの接着剤もVOCのような大22放散速度(μg/m ・ｈ)

HCHO放散速度(μg/m ・h)

の関係

1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00

1.00
0.50
0.00
2

散が建築基準法の最小規制値を下回り，ホルムアルデ
ヒドに対する対応が十分に施されている。また，TVOC

33

62

93

123

Time(Hr)

きな変化はなく放散速度は低く推移しており，かつ放
図85物質の放散速度と換気時間の関係(C;PU)2

放散速度(μg/m ・ｈ)や手法が，部品や製品の養生時間予測，また現場の作

1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

業環境改善の一助になれば幸いである。

ﾄﾙｴﾝ
ｴﾁﾙﾍﾞﾝｾﾞﾝ
ｷｼﾚﾝ
ｽﾁﾚﾝ

5 参考文献p-ｼﾞｸﾛﾛﾍﾞﾝｾﾞﾝ

1)深谷謙一：静岡県工業技術センター研究報告，第48号，p.55-57(2003)
2)脇坂政幸：福岡県工業技術センター研究報告，第15

2

33

62

93

123

Time(Hr)

図95物質の放散速度と換気時間の関係(D;ゴム系)

各接着剤について5物質の放散速度を測定したところ，チャンバー設置後72時間で放散しないことが示された。
また，物質ごとの状況を見たところ，トルエンについては接着剤Dのみ検出されず，それ以外については2
時間後から直ちに検出され，その後急激な放散減衰がみられた。
エチルベンゼン，キシレン，スチレンについては，
接着剤D以外は初期数時間での放散が見られたが，24時間以内に放散は検出されなくなった。接着剤Dでは比較的高濃度で検出されたが，3日目以降は放散が認められない。p-ジクロロベンゼンは何れの接着剤につても使用されていないことが確認された。また，特異的な物質としては，接着剤の未反応モノマーや高揮発性の代替溶剤が確認でき，これらの濃度が特に高いことからサンプル捕集量を調整しなければ分析できない
状況が，試料設置初期に生じた。このような結果から生産現場における部品の種類によっては製造作業環境
上，十分な注意が必要であるといえる。

4 まとめ
フラッシュパネル製造用途以外の接着剤を含め，現在生産されている木工製品製造用の接着剤4種についてフラッシュ構造試験体を作製し，試験体からの放散速度を調べたところ，多少はトルエン，キシレンが混入していても製造後短い期間で減少し，当該実験条件
では検出されなくなることがわかった。また，接着剤
個々の希釈溶剤については，希釈性能や接着強度維持に最適なものを選択しトルエン，キシレン等から代替化されたものと思われる。いずれも現状は規制にかかっていない物質であるが，本研究の今後の蓄積データ号，p.71-74(2005)

インテリア･住宅関連材料のVOC評価に関する研究
室内環境におけるVOCリスク評価
古賀 賢一 *1

脇坂 政幸 *1

Research on Evaluation of VOC Emission from Interior Materials
The Proposal of the VOC Risk Value in Indoor Environment
Ken’ichi Koga, Masayuki Wakisaka
2003年に導入されたJIS小形チャンバー法によるVOC(揮発性有機化合物)測定システムが利用可能となり，各種の問い合わせ等に対応できるようになった。しかしながら，メーカー・消費者共にVOCに対し誤った認識を持っており，木材由来の僅かなVOCが検出されただけでも，問題と考えているケースがほとんどである。また，定められた
VOC基準そのものがあいまいであり，各種の評価方法と基準値間の対応がほとんどできていない等の問題点がある。
この状況を改善することを目的とし，VOCリスク評価の手法を提案し，その検証を行った。本研究のVOCリスク評
価値は，個々の要素のVOCリスクを厚生労働省・WHOの室内基準濃度に比較して％で表すものであり，VOCリスクの定量的評価方法として妥当であると考えている。

1 はじめに近年の住環境におけるシックハウス症候群等の健康被害の要因として，VOCが挙げられている。現在，健康被害のメカニズムはまだ十分に解明されてはないが，

2 研究，実験方法
2-1 材料のVOC測定
本 研 究 の VOC 測 定 は 昨 年 度 報 告 の 通 り 3) ， JIS
A1901:2003 小形チャンバー法に準じて行った（図1）。

各省庁や業界団体においてVOCについて室内濃度指針
値等 1) を定め，その被害を軽減しようと働きかけてい

汚染空気

る。
中でも，2003年施行の改定建築基準法は，住宅に使用する材料をそのホルムアルデヒド放散量に応じて規試験体制しており，シックハウス等の根本的な改善が期待さ

清浄空気

れている。
しかしながら，問題とされるVOCは数多く，当所で

図1

JIS小形チャンバー法の測定イメージも測定は可能であるが，ホルムアルデヒド以外には基準値がない為，測定値の大小の程度を判断できない状況にある。このため，メーカー等の問い合わせに対応できない場合が多い。

条 件 は チ ャ ン バ ー 容 積 ～ 20 ℓ･ 温 度 28 ℃ ･ 相 対 湿 度
50％･換気回数0.5回/hである。
今年度は基本的な材料として，木質系の板材の合また，前述の改定建築基準法のホルムアルデヒド基

板･MDF(ﾐﾃﾞｨｱﾑﾃﾞﾝｼﾃｨﾌｧｲﾊﾞｰﾎﾞｰﾄﾞ)の2.5mm厚のものを準と，JIS小形チャンバー法の試験規格が厳密には一使用した。共にホルムアルデヒド放散量等級は最も放致しておらず 2) ，その適用が問題視される場合がある。

散の少ないF☆☆☆☆を選定し測定を行った。

このような諸問題を解決する目的で，本研究では厚測定は，JIS法で推奨しているサンプルボックスを

生労働省･WHOの安全基準に合致したVOCリスク評価の用い，チャンバーに試験体を設置後2，4，8時間と1，手法を提案し，その検証を行った。

2，4，7，14，28日の時点で行った。
2-2 VOCリスク評価値の算出
本研究では，小形チャンバー法の測定値より，想定される条件での各VOC濃度をHoetjer式による相関で求*1 インテリア研究所

め 3) ，その値と厚生労働省･WHOの室内基準濃度と比較

して，VOCリスク評価値を％で求めることとした。
Hoetjer式は以下の通りである。

n
1
1
1
=
+
×
C Ce kCe Lといわれている。そのため，VOCの放散の履歴を年単位で把握する必要があるが，設備・費用の面で年単位の測定は困難である。

(1)

JIS小形チャンバー法の解説書 4) によると，VOC放散

C:気中VOC濃度(µg/㎥) n:換気回数(/h)の初期段階においては，放散速度と経過時間の関係が

L:試験体表面積/空気容積(/m)

指数式によって相関できるとある。

Ce:換気が無い場合の平衡濃度(µg/㎥)k:物質移動係数(m/h) [Ce，kは正の値の実験定数]

試験体設置から2時間～28日後の測定値を用い，合致する相関式を検討した。
2-4 VOC付加法による検証

試験体の設置枚数が1，2，3枚(L＝1.11,2.39,3.89)

研究当初は，未加工の板材を使用していたため，でのチャンバーからの排出空気中のVOC濃度Cを測定し，VOC放散が乏しく，ほとんどのVOCが検出できずに，実式(1)に代入して，実験定数Ce･kを最小2乗法で求めた。

験精度の検証が困難であった。

このCe･kを用い，想定される条件からn･Lを決定す
ると，その条件でのVOC濃度Ccが計算できる。
求 め た Ccの 対 応 す る 室 内 基 準 濃 度 Csに 対 す る 比 率

そのため，多くのVOCが検出でき，その含有量をある程度制御できるように，試験体を作成する方法(VOC付加法)を考案した（図4）。

を％で表したものをVOCリスク評価値Er[式(2)]とした。

Er = Cc / Cs × 100(%) (2)
当所のVOC測定システムでは，現在55物質とVOC類の総量であるTVOC3) の定量が可能であり，内，室内濃度の基準が定められているのは9つである。総ての計算を表計算ソフト上で行うシステムを作成し，簡便で計
図4

算ミスを無くすよう工夫した（図2，3）。

VOC付加法による試験体作成

これは，市販のVOC混合標準液に，更に典型的なVOCを加えて新たに調整した混合標準液を，板材の裏面にシート材に含ませる形で加える手法である。これにより多くのVOCについても検出可能となり，また，板材そのもののバラツキをカバーでき，各種の検証の為により良い試験体になると考えられる。
図2

Hoetjer式相関用ワークシートのイメージ
3 結果と考察3-1 板材のVOCリスク評価
VOC放散が安定するのは，試験体設置後1日程度必要であったので，1日経過後の測定値を用いてVOCリスク評価との算出を行った。基本の板材の測定では，試験体設置後1日で検出できたVOCは15程度であった(表1，2)。

図3

VOCリスク評価値用ワークシートのイメージ

2-3 VOC放散長期履歴の相関
VOCによる健康被害は，年単位の慢性的摂取が原因

表12.5mm厚合板の設置1日後チャンバー法測定結果
3

排気空気中VOC濃度C(µg/m )成分
L=1.11L=2.39L=3.89214.30ホルムアルデヒド 189.50
274.90アセトアルデヒド 148.00
209.00277.60
アセトン
26.40
54.80
15.90
酢酸エチル
5.71
31.68
18.72
ベンゼン
0.43
0.00
0.32
1-ブタノール
0.00
6.17
2.90
トルエン
1.21
4.13
0.62
ノナナール
0.84
0.58
0.50
ドデカン
0.96
4.56
2.63
デカナール
0.98
0.52
0.61
776.39TVOC
541.891010.35

表22.5mm厚MDFの設置1日後チャンバー法測定結果
排気空気中VOC濃度C(µg/m3)
成分
L=1.11L=2.39L=3.89ホルムアルデヒド 43.20
67.50
43.00
アセトアルデヒド 296.40
371.20277.60アセトン
103.80322.10178.202-ブタノン
0.00
0.00
0.82
ベンゼン
0.00
0.18
0.00
トルエン
0.30
0.34
1.52
α-ピネン
1.71
0.00
0.00
デカン
0.71
0.00
0.00
ウンデカン
0.31
0.15
0.00
ノナナール
12.32
10.99
14.61
デュレン
0.08
0.06
0.06
ドデカン
23.34
18.97
23.73
デカナール
1.80
2.19
2.24
テトラデカン
0.23
0.40
0.37
TVOC
524.001013.53
941.95(L＝試験体表面積/空気容積(/m))

表52.5mm厚合板のリスク評価値Er

室内基準濃度 予想室内濃度 リスク評価値 相関係数
成分
3
3
2
Er(％)
Cc（µg/ｍ ）R
Cs（µg/ｍ ）ホルムアルデヒド
0.83
100
117.58117.58アセトアルデヒド
0.66
300
84.20
28.07
トルエン
0.03
260
0.68
0.26
0.99
TVOC
400
273.8168.45

表62.5mm厚MDFのリスク評価値Er

室内基準濃度 予想室内濃度 リスク評価値 相関係数
Er(％)
Cc（µg/ｍ3）
R2
Cs（µg/ｍ3）
ホルムアルデヒド
100
26.38
26.38
0.47
アセトアルデヒド300
223.91
74.64
0.25
トルエン
260
0.12
0.05
0.64
テトラデカン
330
0.12
0.04
0.88
TVOC
400
257.36
64.34
0.90
成分

（アセトアルデヒドはWHO基準･他は厚労省基準）表5，6において，放散量の大きいTVOC等では良い相関でリスク値が評価されているが，相関の良くないものが多い。
VOC付加法により，試験体1枚当たりVOCを1µgずつ付
加し，リスク評価した結果は表7，8のようになった。

表7

VOC付加2.5mm厚合板のリスク評価値Er
室内基準濃度 予想室内濃度 リスク評価値 相関係数
Er(％)
R2
Cs（µg/ｍ3）
Cc（µg/ｍ3）
220
0.53
0.24
0.98
400
270.58
67.64
0.96

成分
スチレン
TVOC

これをHoetjer相関した結果は表3，4のようになった。（Ce･kが正常な値となった成分のみ表記した。）

表8

VOC付加2.5mm厚MDFのリスク評価値Er

室内基準濃度 予想室内濃度 リスク評価値 相関係数
Er(％)
Cc（µg/ｍ3）
Cs（µg/ｍ3）R2
エチルベンゼン
3800
0.45
0.01
0.96
キシレン
870
0.96
0.11
0.98
スチレン
220
0.66
0.30
0.97
ジクロロベンゼン
240
1.54
0.64
0.99
TVOC
400
672.23168.060.98
成分

表3

設置1日後の2.5mm厚合板のHoetjer相関結果成分
Ce
ホルムアルデヒド 298.91
アセトアルデヒド 331.19
アセトン
29.73
ベンゼン
1.84
トルエン
1.39
TVOC
1433.05

k
0.75
0.39
1.47
0.11
1.10
0.27

相関係数R
0.83
0.66
0.03
0.25
0.03
0.99

2

表7，8の結果からは，未加工の板材では検出できな
かった成分についても，放散量さえあれば評価が可能

表4

設置1日後の2.5mm厚MDFのHoetjer相関結果成分
Ce
ホルムアルデヒド 65.76
アセトアルデヒド 350.36
アセトン
988.23
トルエン
2.00
ウンデカン
0.48
ノナナール
13.39
デカナール
2.54
テトラデカン
0.58
TVOC
1797.05

k
0.77
2.04
0.05
0.07
0.47
3.57
1.13
0.31
0.19

相関係数R
0.47
0.25
0.98
0.64
0.05
0.10
0.97
0.88
0.90

2

であると考えられる。今後は，VOC測定の精度を向上させることにより，多くの成分でリスク評価できるよう検討する。
VOCリスク評価値は，個々の要素ごとに数値化できるので，複雑になりがちなVOCの問題を単純化して考えることのできるツールに成り得ると考えている。
3-2 VOC放散長期履歴の相関表3，4の結果を基に，高さを一般的な2.3mで床面を未加工の板材では，ほとんどのVOCが数日内で検出

総て対象の板材とし，換気回数を0.5回/hとした室内

できなくなってしまう為，VOC付加を行ったものにつを想定し，この条件での各板材のリスク評価値を表5，

いて相関を試みた。

6に算出した。（評価が可能な成分のみ表記した。）

図5に測定結果のグラフの一例を示す。

累乗式での相関が可能な場合には，相関線の外挿により，数年程度の予想が可能と考えられる（図8）。
-0.1595xy = 464.67e
2
R = 0.9945

10

1000

キシレン濃度 C（µg/㎥）[対数軸]

キシレン濃度 C（µg/㎥）
[対数軸]

1000

0.1
0

図5

500
1000
経過時間(h)1µgVOC付加2.5mm厚合板の

y = 29.918x-0.6455
R2 = 0.9663

100
10

1年 5年
1
0.1

0.01

キシレン濃度の履歴(L=2.39)

1

図8

図5の●で示した測定初期については，JIS小形チャ
ンバー法の解説書 4) の通り，指数式で相関できている。

10

1 00

1 00

0

1 00

00

1 00

経過時間(h)[対数軸]1µgVOC付加2.5mm厚合板の00 0

キシレン濃度予想(L=2.39)

図6は図5の測定結果を，累乗式で相関したものであ
年単位までの拡張が妥当であるかは，今後検証してる。

いく必要があるが，実際の測定が困難である以上，このような取扱いを行うのが現実的であるというのが筆キシレン濃度 C（µg/㎥）
[対数軸]

1000

-0.6455

y = 29.918x
2
R = 0.9663

100

者の主張である。

4 まとめ

10

2005年度は，VOCリスク評価値とVOC放散長期履歴の1

相関について検討した。

0.1

総てのVOCについて検証できたというわけではない
1

図6

10
100
1000
経過時間(h)[対数軸]が，測定精度を向上させることにより，多くのVOCで1µgVOC付加2.5mm厚合板の利用可能であるということは確認できた。

キシレン濃度の履歴(L=2.39)
5 参考文献図6の○で示した測定後期については，両対数のプ

1)改定建築基準法に基づくシックハウス対策関連の告ロットでは直線性が見られ，累乗式による相関が可能

示(国土交通省)であるように見える。

シッ ク ハ ウス (室内 空 気 汚 染)問 題 に 関 する 検 討会

その他のVOCについても同様の相関を試みたところ，

中間報告書－第8回～第9回のまとめ(厚生労働省)

多くのものについて，累乗式での相関が成立すること㈳全国家具工業連合会 室内環境配慮マークが確認できた(図7)。

等:各HPよりダウンロード可能
2)シックハウスと木質建材 資料集：p.39-56，㈶林業

1000

科学技術振興所

1000
トルエン
トルエン

100

エチルベンゼンエチルベンゼン100

1074(2005）

1014)JIS使い方シリーズ シックハウス対策に役立つ小形

1y = 7.8394x-0.4085
R2 = 0.9739

0.1

y = 16.157x-0.63
R2 = 0.9672

0.1
1

1000

3)福 岡 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 ， No.15， p.71-

10

100

図7

1µgVOC付加2.5mm厚合板の

1

10

チャンバー法 解説:p.120-122，㈶日本規格協会
100

他VOCの測定例(縦･横軸は図6と同様)

1000

高機能性吹付材の開発に関する研究
古賀 賢一 *1

Research on the Development of the Functional Spray-material
Ken’ichi Koga
県内の企業より，自社の保有する特殊セメントの用途開発についての技術指導の要請があり，いくつかの用途を検証していく中で，光触媒を利用した吹付材としての用途に開発の見込みを見出した。その後，光触媒利用吹付材の開発について，共同研究を実施することとなった。
研究において特殊セメントが，普通ポルトランドセメントに比べ触媒の活性低下を防ぎ，かつ耐久性も優れることが明らかとなった。これにより，テスト的にしか実施されてこなかった，建物や構造物の建物外面等への光触媒の利用を図ることが可能となり，結果，建物のメンテナンス費用の縮小，大気汚染物質の除去につながる。

1 はじめに
光触媒技術による環境浄化が検討されて，10数年が経過し，種々の試みが試験的に実施されてきた 1,2) 。
建物外面に光触媒を吹付することにより，壁面の汚れや大気中の有害物質を除去するアイデアは，単純ではあるが非常に大きな適用規模が見込めることから，光触媒の利用方法としては，最も効果的であると考えら

図1

れる。事実，光触媒に関する特許や施工例のほとんど

光触媒活性試験（㊧試験体，㊨試験装置）

は，外面への適用に関するものであり，その多くがセメントなどに光触媒を混合して使用する手段を採っている。
しかしながら，この方法ではセメント自身の劣化に

2-2 光触媒吹付材の調整･試験体作成
吹付材の調整･試験体作成は，共同研究先の企業に一任した。

よる汚染が問題となり，商業的に成功しているものは吹付材の成分は，特殊セメント･光触媒･増量材･粘皆無である。本研究では，耐久性に優れる特殊セメン

結剤･顔料であり，これを真空混合し，水を加えて混トの使用により，上記の問題の解決を図った。

練したものを吹付材として使用した。また，比較の目的で，特殊セメントを普通ポルトランドセメントに置

2 研究，実験方法
2-1 使用光触媒の選定
使用する光触媒はコストを考慮し，酸化チタンアナ換したものも作成した。
試験体は，セメントで作成した板材（15×15×1.5cm）に吹付材を1～2mm程度吹き付けて作成した（図2）。

ターゼ型の白色粉末タイプとした。入手の容易な試薬と顔料の2タイプを用いて，光触媒の活性を試験した。
試験は，ガラスシャーレに0.5gの光触媒を，水を加え延ばしたものについて，ブラックライト照射(東芝製10W)の条件で，ガラスデシケータ中のホルムアルデ
ヒドの分解を行った（図1）。
ホ ル ム ア ル デ ヒ ド濃 度 は ， 理 研計 器 製 MULTI GASFINDERで測定した。

図2

光触媒吹付材試験体（㊧表面，㊨側面[右側が吹付面] ）*1 インテリア研究所

2-3 光触媒吹付材の検証

3 結果と考察

光触媒吹付材によって作成した試験体に，薫煙によって汚れを付け，日光により汚れが除去できるかを検3-1 使用光触媒の選定
過去の研究 3) において使用したW社製の試薬･酸化チタンⅣ（アナターゼ型）とK社製の顔料･チタニウムホ証した。
試験体の半分をアルミ箔で覆い日光を遮断して，晴天下1日間で試験を行った（図3）。

ワイト（アナターゼ）を比較した（共に白色の粉末,
粒径0.1～0.3µm）。
試験条件は以下の通りで，結果を表1に示す。
デシケータ容積2.3ℓ･試験温度40℃･分解時間2時間
初期ホルムアルデヒド濃度25ppm

表1

図3

汚れ除去試験

光触媒活性（ホルムアルデヒド分解）試験結果
光触媒

分解後濃度(ppm)

酸化チタンⅣ(試薬)2.0

チタニウムホワイト(顔料)0.0（㊧汚れを付けた試験体，㊨試験の実施状況）
チタニウムホワイトの方が若干活性は高いという結2-4 セメントとの比較試験

果が得られた。価格の面でも安価なチタニウムホワイ

特殊セメントの優位性を証明するため，通常使用さトを採用することにした。

れる普通ポルトランドセメントとの比較試験を行った。

3-2 光触媒吹付材の検証

2-4-1 耐候性試験

試験後の試験体の様子を図5に示す。

2-2において特殊セメントと普通ポルトランドセメ
ントそれぞれに，顔料を加えて作成した試験体を，デューサイクルウェザーメーターに264時間供し，その前後での色差を比較した（外部機関での測定）。
2-4-2 耐酸性試験
特殊セメントと普通ポルトランドセメントそれぞれに，砂を加えて作成した試験柱を，濃硫酸の20倍希釈

図5

水溶液に浸漬し，10日後に取り出して目視により耐酸（㊧試験前，㊨試験後）

汚れ除去試験結果性を比較した（図4）。
試験前は全面に汚れが付着していたが，試験後では日光の当たった上半分の汚れが完全に除去されていた。
これにより，視覚的に光触媒の効果を確認することができた。
3-3 セメントとの比較試験
デューサイクルウェザーメーターでの耐候性試験の結果を表2に示す。
図4

耐酸性試験
表2

2-4-3 光触媒活性試験

264時間耐候性試験結果
基材

色差(ΔE)

2-1と同様に，特殊セメントと普通ポルトランドセ

特殊セメント0.6

メントそれぞれ（0.25g）に等量の光触媒を加えて，普通ポルトランドセメント

6.8

試験体を作成し，測定を行った。

表2によれば，特殊セメントは普通ポルトランドセ

デヒドを分解対象として使用しているが，光触媒作用

メントに比べ，耐候性が良い(色差の程度が小さい)事の酸化力は，NOx･SOxの除去についても有効であるこが判る。

とが解っており 1,2) ，今後商品化の際には，JIS法によるNOx除去性能試験 4) を外部機関で実施する予定であ

更に耐酸性の結果を図6に示す。

る。

4 まとめ
本研究において，特殊セメントが光触媒基材として優れた性能を持っていることが明らかになった。
今後，特許化･製品化に取り組み，建物のメンテナ
ンス費用の縮小や大気汚染物質の除去等に役立つ，環
図6

耐酸性試験結果

境にやさしい吹付材として市場化できる事を期待して（㊧特殊セメント，㊨普通ポルトランドセメント）いる。（特許出願中のため，本報では特殊セメントの組成については伏せた。）

図6では，普通ポルトランドセメントは酸によって骨材部分が相当量溶け出しているが，特殊セメントは5 参考文献

表面に若干の変化はあるが，骨材そのものの劣化は見

1)各種技術を用いた局地汚染対策設計手法に関する研られない。

究：公害健康被害補償予防協会（平成14年3月）

耐酸性についても，特殊セメントの方が優れていることが判る。

交流促進事業運営協議会（平成15年度コンテンツ）

耐候性･耐酸性は外壁の吹付材として必要な性能である。特に光触媒基材として使用する場合には，光触媒作用によってNOx･SOxが硝酸･硫酸となり，基材を溶1)かしてしまうことが問題となっているため ，特殊セメントの優れた耐酸性は大きな利点となる。
光 触 媒 活 性 試 験 は 3-1と ほ ぼ 同 様 の 条 件 で 行った。
（初期ホルムアルデヒド濃度を50ppmとし，より差が出るように変更した。）
表3に結果を示す。

表32)光触媒技術による環境保全について：APEC環境技術

光触媒活性（ホルムアルデヒド分解）試験結果
基材

分解後濃度(ppm)

特殊セメント

5.3

普通ポルトランドセメント

16.1

光触媒活性についても，特殊セメントが優れている
結果となっている。これは特殊セメントの粒度･比重が光触媒粉体と似通っており，混合しても光触媒が均一に分散して活性が妨げられないためと考えられる。
また，特殊セメントの早強性も効果を及ぼしていると推察される。
この試験では，著者が扱いに慣れているホルムアル

3)古賀賢一：福岡県工業技術センター平成10年度研究報告，p.63-67(1998)
4)JIS R 1701-1:2004

レリーフ壁 成型・塗装システムの開発 –3ロータリー加工用ポストプロセッサの改良
楠本 幸裕 *1

永田 寅臣 *2

斉藤 華央利 *3

福本 満寿夫 *3

Development of Molding and Painting System for Relief Walls -3Improvement of a Rotary Machining Post-processor
Yukihiro Kusumoto, Fusaomi Nagata, Kaori Saito, Masuo Fukumoto
現在当所では，手軽にレリーフ壁を成形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。昨年度までの研究成果により，ロータリ
ー加工用ポストプロセッサを開発することで，多種多様なデザインのレリーフローラー（木製）を容易に製造することが可能となった。しかしローラーを製造するに当り，加工時間と加工精度のトレードオフが課題として残っていた。そこで本年度は，既に開発しているロータリー加工用ポストプロセッサに対して，送り速度の自動調整機能を付加することにより，この課題を解決した。

ロセッサを開発することにより，任意のデザインのレ

1 はじめに現在，住宅用の内装材として最もポピュラーなクロリーフローラ（木製）を容易に製造することが可能とスに代わり，漆喰や珪藻土に代表される塗り壁材を使なった 2) 。しかしレリーフローラー製造過程において，い，デザイン性にも優れたレリーフ壁が注目を浴びて加工時間と加工精度のトレードオフが課題として残っいる。しかしレリーフ壁は，職人がコテや刷毛ローラていた。そこで本年度はこの課題の解決に取り組んだ。

ーなどを用い熟練技術を駆使して施工されるため，非常に高価である。一方で，手軽にレリーフ壁を成型で2 研究，実験方法

きる成型ローラー（図1）も市販されているが，デザ

2-1 加工時間と加工精度のトレードオフ

インの種類が少なく，またその製造技術は進んでおら

昨年度までの研究成果により，開発したロータリー

ず，「作ってみたらこんなデザインになった」程度の加工用ポストプロセッサ 2) で変換したNCプログラムを技術しか確立されていない。

用いてロータリー加工（図2）を行うことで，レリー
フローラーを容易に製造することが可能になった 1) 。
しかしレリーフローラーの製造には，加工時間と加工精度のトレードオフが課題として残されていた。

図1

市販されている成型ローラー

そこで本研究では，ユーザーやデザイナーが発案する任意のデザインをレリーフ壁として成型できる成型
ローラー（レリーフローラー）の開発を行っている 1) 。
昨年度までの成果により，ロータリー加工用ポストプ

図2

ロータリー加工によるローラーの製造*1 インテリア研究所

レリーフローラーの製造においては，デザインした*2 機械電子研究所*3 (株)フクモト工業

レリーフの形状を細部まで忠実に再現するために，NCプロ グ ラム 中 のカ ッ ター パ スの ピ ック フ ィー ド を，算出し，その距離を基に次の座標点までがレリーフの0.3[mm]と非常に細かく設定している。そのため必然

模様部分であるか底面であるかを判断し，それに応じ的に加工経路・加工時間は共に長くなり，1つのローて送り速度を適切な値に変更することで，加工精度を

ラーの加工が終了するまでにはおよそ8時間を要し，維持したままで加工時間が短縮できると考えられる。

加工時間の短縮が望まれていた。
しかし一方で，加工時間を短縮するためにNC工作機
械のオーバーライド機能を使用すると，加工中において全ての動作が高速になってしまい，レリーフの模様

Base part↓High feed rate

部分においてツールの移動方向が大きく変化する際，NC工作機械の位置保証を超えた加速度を発生してしま
Coordinate point

うため，加工エラー（図3）の原因となっていた。

Relief part↓Low feed rate

図4
図3

送り速度の決定基準

送り速度超過による加工エラー
2-3 ロータリー加工用ポストプロセッサへの機能付加

つまり，送り速度を短縮するために送り速度を上げ

形状に応じた送り速度の調整は，ロータリー加工用

れば加工エラーが発生し，加工エラーをなくす為に送ポストプロセッサでのNCプロラム変換の際に同時に行り速度を落とせば加工に長時間を要する，といった加う。これは，NCプログラム変換の際に，変換したNCプ

工時間と加工精度のトレードオフが課題として残ってログラムに対して送り速度指定のコマンドを追記するいた。実際の製造現場では，加工精度を優先させる必ことで実現される。

要があるため，送り速度を落としてレリーフローラー

ロータリー加工用ポストプロセッサで3軸並進加工の製造を行っていた。

用NCプログラムをロータリー加工用へ変換する際に，2-2 形状に応じた送り速度の調整

まず全ての座標点を参照し，ステップ i における各座

既に前節で述べたように，加工中にレリーフの模様

標 点 間 の 距 離 D(i) = p(i + 1) − p(i ) を 求 め る （ 図 5）。 次

部分において送り速度が超過した場合，加工エラーがに求めた全ての D(i)の中の最小値を Dmin とし，次式に発生する。従ってレリーフの模様部分においては送りよりステップ i における送り速度 F (i)を算出する。

速度を遅くする必要がある。しかし逆に，ローラーの底面などNC工作機械の移動方向が極端に変化しない部
分においては，送り速度を速くすることができる。そF (i ) =

D(i )
Fmin
Dmin

(1)

こで，加工する形状に応じて，それぞれに適した速度
へ送り速度を調整する手法について検討した。

なおここで， Fmin は座標点間距離が Dmin に近いステ

NCプログラムに記述されている加工パスは，3次元ップにおいても十分な加工精度を保てる送り速度であの座標点の集合になっている。従って図4のように，り，事前の加工実験によって決定する。つまり F min は，座標点間の距離が短い部分はレリーフの模様部分，長加工中における最小送り速度である。

い部分は底面などそれ以外の部分と判断できる。従っ

また，加工中における最大送り速度 F max も設定し，てNCプログラムに記述された次の座標点までの距離を算出した F (i)が F max を超えた場合は， F (i) = Fmax とする。

Fmaxも事前の加工実験によって決定する。

すデザインでの加工では，通常8時間かかる加工が6時間で終了し，加工精度も十分なものであった。その他のデザインについては，デザインの種類にもよるが，加工精度は十分なままで，平均で約25%の加工時間の短縮が得られた。

p(i + 2)p(i + 1)p(i )D (i + 1)

D (i )
図5

図7

送り速度を調整しながらの加工

座標点と距離4 まとめ算出した F (i)の値を基に，ロータリー加工用へNCプ

昨年度開発したロータリー加工用ポストプロセッサ

ログラムを変換する際に，送り速度指定のコマンドをに，送り速度の自動調整機能（送り速度を形状に応じNCプログラムに追記する。送り速度指定のコマンドはた最適な速度へ変更するコマンドを追記する機能）を“F～”と記述され，“～”の部分には具体的な送り付加することにより，それまで課題として残っていた

速度の数値が入る。これによりNC工作機械は，加工中加工時間と加工精度のトレードオフを解消し，加工時に送り速度を式(1)に従って変更する。

間の短縮と加工精度の向上の両方を得ることができた。
今後は，送り速度の算出式を改良し，さらなる加工時間の短縮を目指す 4),5)。

3 結果と考察3-1 送り速度変更コマンドを追記したNCプログラム
図6は，送り速度指定コマンドを追記する前のNCプ
ログラムと，追加したNCプログラムを比較した図である。各座標点間において，それぞれ送り速度が指定さ

5 参考文献1)楠本幸裕，永田寅臣，他2名：福岡県工業技術セン
ター研究報告，No.15，p.68-70(2005)
2)楠本幸裕，永田寅臣，他3名：IIP2005日本機械学会れているのが分かる。

情報・知能・精密機器部門講演会講演論文集，
G01X216.8867A0.4854Z0.8896
G01X216.4318A0.4854Z1.4493
G01X215.9770A0.4854Z1.8802
G01X215.0673A0.4854Z2.4702
G01X214.1576A0.4854Z2.8218
G01X213.2479A0.4854Z2.9824
G01X212.3381A0.4854Z3.0000
G01X209.6090A0.4854Z3.0000

Without variable feed rate

図6

G01X216.8867A0.4854Z0.8896
F244.0
G01X216.4318A0.4854Z1.4493
F225.0
G01X215.9770A0.4854Z1.8802
F316.0
G01X215.0673A0.4854Z2.4702
F295.0
G01X214.1576A0.4854Z2.8218
F322.0With variable feed rate

送り速度調整コマンド付加による変化

No.05-6，p.277-280(2005)
3)楠本幸裕，永田寅臣，他3名：ROBOMEC’05日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門講演会講演
論文集(CD-ROM)，p.1A1-S-018(2005)4)永田寅臣，楠本幸裕，他7名：第21回ファジィシス
テ ム シ ン ポ ジ ウ ム 講 演 会 講 演 論 文 集 ， p.376381(2005)
5)Fusaomi Nagata ， Yukihiro Kusumoto ， 他 4 名 ，Procs. of 2005 International Conference on

3-2 加工実験
次に，送り速度指定コマンドを追記したNCプログラ
ムによるレリーフローラーの加工を行った。下図に示Control,
443(2005)

Automation

andSystems ， p.438-

レリーフ壁 成型・塗装システムの開発 -4エアーブロー成形システムの開発
楠本 幸裕 *1

永田 寅臣 *2

Development of Molding and Painting System for Relief Walls -4Development of an Air Blow Molding System
Yukihiro Kusumoto, Fusaomi Nagata
現在当所では，手軽にレリーフ壁を成形できるシステムの開発に取り組んでいる。そのサブシステムとして，エアーブロー成形システムを開発する。エアーブロー成形とは，従来のように乾燥前の塗り壁材にコテやローラーなどを物理的に押し当てて成形するのではなく，圧縮空気を吹き付けてレリーフ壁を成形する手法である。エアーブ
ロー成形では任意の形を成形することは不可能ではあるが，逆に，コテやローラーなどでは表現することのできない意匠性に富んだレリーフ壁を成形することが可能である。しかしこれを人手で行うと再現性が乏しく実用的ではない。そこで本研究では多軸ロボットアームを用いてエアーブローによるレリーフ壁の成形を行うシステムを開発することで，エアーブロー成形の実用化を目指す。

1 はじめに現在，住宅用の内装材として最も一般的に使用されているのはクロスであるが，クロスに代わる内装材として，漆喰や珪藻土などの塗り壁材が注目されている。
塗り壁材には，種類によって防カビ，防火などの機能を持ったものが存在し，様々な用途に対してその効果を発揮できる。また，VOCを大幅に低減できるため，
平成15年7月に改正された建築基準法への対応策としても期待されている。さらに，厚みを持っているため3次元の立体模様を加飾することも可能である。このような3次元の立体模様をもった壁はレリーフ壁と呼図1

エアーブロー成形によるレリーフ壁サンプル

ばれ，新たな内装施工法として注目されている。しかし現在レリーフ壁は，職人技が必要であるなどの理由

しかしこれを人の手で行うと，再現性が乏しく実用からいまだ普及していない。そこで当所では，手軽に的ではない。そこで本研究では，多軸ロボットアーム

レリーフ壁を成形できるシステムの開発に取り組んでを使ったエアーブロー成形システムを開発することで，いる。そのシステムの中のひとつとして，エアーブロ

エアーブローによるレリーフ壁の施工の実用化に取りー成形システムを開発する。エアーブロー成形とは，組んだ。

従来のように乾燥前の塗り壁材にコテやローラー等を物理的に押し当てて成形するのではなく，エアーブロ

2 研究，実験方法

ーガンを用いて圧縮空気を吹き付けて成形する手法で2-1 エアーブロー成形のためのパラメータある。そのため，任意の形を成形することは不可能で

エアーブロー成形システムを開発するためには，まあるが，逆に図1のような，コテやローラーでは表現

ずはどのような条件でどのような形状を成形できるのすることのできない意匠性に富んだレリーフ壁を成形かを把握する必要がある。そこでまず，エアーブロー

することが可能である。

成形において，成形される塗り壁材の形状を決定するであろうパラメータについて検討し，図2に示す5つを*1 インテリア研究所*2 機械電子研究所選定した。

Air pressure controller for sanding tool
Electropneumatic regulator(High response type)

Control PC(c) Time of blowing
Blow gun(a) Angle of blow gun and paint

図4

エアーブロー成形用エアー圧力コントローラ(d) Air pressure of blowing

2-3 エアーブロー成形システムの構成
つぎに，前節において構成したエアーブロー成形用(b) Distance of blow gun and paint

図2(e) Kinds of nozzle

エアー圧力コントローラと，三菱重工業社製7自由度

エアーブロー成形のためのパラメータ型ロボットアーム「PA10-7C」をベースとした，エアーブロー成形システムを構成した。図5はエアーブロ(a)と(b)は，これまでの研磨ロボットの研究で培っー成形システムの構成図である。

1)てきた産業用ロボットのモーション制御 を応用する
Electropneumatic regulator(High response type)

ことで対応可能である。(c)と(d)はH14年に実施した「研磨工具を駆動するエアー圧力のスキルフルコント
ローラーの開発」 2) における電空レギュレータの制御技術を用いて実現可能であると考えられる。(e)に関Control signal forelectropneumatic
regulator

しては，ノズルを随時交換することで解決できる。
2-2 エアーブロー成形用のエアー圧力コントローラ

Control signal
for robot arm(c)と(d)を実現させるためには，電空レギュレータを中心としたエアーブロー成形用エアー圧力コントローラを新たに構成する必要がある。そこでエアーブロ
ー成形用のエアー圧力コントローラを構成するに当り，Control PC

図57-DOF industrial
robot arm

Air blow gun

エアーブロー成形システム

中心となる電空レギュレータの機種を選定するために，
既存 設 備で あ る研 磨 工具 用 エア ー 圧力 コ ント ローラ

1台の制御用PCにより，ロボットアームのモーショ
ン制御とエアーブローガンのエアーブロー制御を同時(図3)を用いた予備実験を行った。

に行う。エアーブローのON/OFFと圧力の制御は，参考
文献 2) で報告しているハイパーCLデータを応用して行Air pressure controller for sanding tool
Control PCう。例えば，ハイパーCLデータに” RELIEF/0.25”と記Electropneumatic regulator

述すれば，記述した地点において0.25[MPa]の圧力でエアーが一度噴射される。
Blow gun

図3

研磨工具用エアー圧力コントローラを用いた
エアーブロー実験装置

3 結果と考察3-1 エアー圧力コントローラの制御実験
まずは，前章で構成したエアーブロー成形用エアー

その結果，既存の研磨工具用で使用している電空レ

圧力コントローラのエアー圧力制御実験を行った。そギュレータではエアーブロー成形用としては十分な応の結果，研磨工具用のエアー圧力コントローラに比べ，答を得られないことが判明した。そこでエアーブロー

応答が大幅に改善された。例えば，0.0[MPa]の状態か成形用のエアー圧力コントローラには，高速応答タイ

ら0.3[MPa]へ加圧した時，従来の研磨工具用の場合はプの電空レギュレータを選定した。図4は構成したエ

0.5[s]程度の時間を要していたのが，今回構成したエアーブロー成形用のエアー圧力コントローラである。

アーブロー成形用の場合はわずか0.1 [s]程度で加圧

でき，所望の応答特性を得ることができた。

通じたデザインバリエーションの検討を行う。

3-2 エアーブロー成形システムの動作実験
つぎに，2-3節で構成したエアーブロー成形システ

5 参考文献ムの動作実験を行った。下図はその時の実験風景であ1)楠本幸裕，永田寅臣，他3名：第12回インテリジェ

る。なお今回は，実際に使用される塗り壁材ではなく，ント・システム・シンポジウム講演論文集，p.137-

赤く着色した水に向けてエアーを噴射した。この実験

140(2002)

により，任意のポイントにおいて所望の圧力でエアー
ブローを行えることが確認できた。

図6

エアーブロー成形システム動作実験

4 まとめ
本研究ではまず，エアーブロー成形システムを開発するために必要となる特性をもったエアー圧力コント
ローラについて検討した。その結果，高速応答タイプの電空レギュレータを使用することで，所望の応答特性を持ったエアー圧力コントローラを構成することができた。
つぎに上記コントローラと，7自由度型ロボットア
ームによって構成されるエアーブロー成形システムの開発に取り組んだ。また，開発したエアーブロー成形システムで動作実験を行い，良好な結果を得られた。
今後は，実用化に向けたアプリケーションインター
フェイスの改良や，塗り壁材へのエアーブロー実験を

2)楠本幸裕，永田寅臣，他3名：福岡県工業技術セン
ター研究報告，No.13，p.77-82(2003)

立ち上がり補助椅子の開発
本 明子 *1

友延 憲幸 *1

石川 弘之 *1

Development of the Chair to Assist to Stand
Akiko Moto, Noriyuki Tomonobu, Hiroyuki Ishikawa
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を設計するために，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。試作した立ち上がり補助椅子を使用した場合の立ち上がり時の動作解析
や重心動揺の計測結果をもとに，その機能の有用性を検討した結果，昇降機能を使用して立ち上がることで，立ち上がり時のふらつき等を軽減し，安定した動作をうながせることから，加齢による筋力の低下等の理由により自力での立ち座りが困難になった使用者でも，自力での立ち座りの動作が行えることが示唆された。

1 はじめに上げる機能のみで前に促す機能がなくても，立ち上が日本は急速に高齢社会を迎えたため，高齢社会に対りを補助するためには十分であることが示唆された 4）。

する取組や対応が遅れている。80％以上の大多数の高更に，高齢者がリラックスした状態での座位におけ齢者は，健康で介護を必要としないが，加齢による身る身体計測を行い，椅子の各部寸法を決定した。また，

体機能の衰えを援助する生活支援技術を必要としてい本研究によって開発する製品は，家庭で使用できる椅る 1）。しかし，健康な高齢者の身体機能を考慮した家子をターゲットとするために，コンパクトであること

具は少なく，使用者に相応しい用具の開発が望まれてが必要とされた。昇降装置部をシンプルにするには，いる。身体機能の低下がみられる使用者が安全に使用

座面の下に機構部を納める方法が安価で安全であり，できる立ち上がりを補助する椅子の開発を行うに際し，そのためには，椅子の最低高さは200mm前後にし，椅子使用者の動作と動作を補助する装置の動きが適合しての下部に200mm程度のスペースをあけることが望ましいる必要があるとともに，椅子の形態が使用者の姿勢かった。

や動作に適合したものであることがのぞましいと考えそこで，本研究で開発する立ち上がり補助椅子の仕られる。立ち上がり時の動作特性や重心動揺を調べた様を約200mmから400mm程度までの立ち上がりを補助す2）

結果，高齢になるに従い，身体の不安定さが増し ，るものと想定し，昇降装置部分の試作設計を行い，以脚部や腰部に筋的負担が生じる 3） ことが明らかになっ上の条件のもとに試作した椅子を用いて，立ち上がりた。これまで，高齢者が椅子を使用する際の姿勢，椅

補助椅子の有用性を検証した。

子からの立ち上がり時の動作解析と重心動揺等の計測により，補助を必要とする椅子の高さを検討するとと

2 方法

もに，立ち上がりを補助する装置の動きの基礎となる立ち上がり補助椅子の有用性を検証するために，昇データの収集を行った。その結果，特に高齢者が使用降機能を使用し立ち上がった場合と，利用せずに立ちする補助具として考える場合，座高200mm以下の低い位

上がった場合との動作の比較を行った。それぞれの場

置からの立ち上がりの場合は，最も動作が困難である合の動作をビデオカメラで撮影し，その後，動作解析

立ち上がりのきっかけとなる身体を起こす動作から，装置（新大阪商会製Dynas-3D/G）により身体各部の動立ち上がった後も身体が安定する400mm以上の高さま

きをスティックモデルに置き換えて解析した（図1）。

で身体を支持することが必要となると考えられた。更

被験者は，高齢者層として，70歳以上の男女計17名（男に，座高200mm以下の低い位置からの立ち上がりの場合

性7名，女性10名），若齢者層として 20歳代かから50には身体を上に持ち上げるだけでなく，前へ促すよう

歳代の男女計19名（男性8名，女性11名）とした。

な二つの動きが必要となること，200mmより高い座高からの立ち上がり椅子を考える場合は，身体を上へ持ち*1 インテリア研究所

きく前や下側に動かすことで重心を移動させ腰部を座面から浮かせる傾向にあった。そのために，若齢者に比較して，立ち上がり時の重心動揺が大きくなり，前方や下方への頭部の動きも大きくなることが確認されている 5)。
そこで，動作解析により得られたスティックモデル（図2，図3）で，各条件での立ち上がりについて，被験者の性および年齢層別に，動作時の頭部の動きに注
図1

立ち上がり動作とスティックモデル（左：昇降機能使用，右：昇降機能不使用）

目して解析を行い，各被験者層別に，立ち上がり時の額面点の前方向と下方向の最大移動距離に関し平均値を求めた（図4，図5）。前方向への移動距離について，
t検定を行った結果，昇降機構を使用した場合としない

3 結果と考察場合とでは，高齢者男女の被験者層で有意差が認めら

これまでの研究より，高齢者は，立ち上がる際に加れた（p＜0.01）。同様にして，額面点の下方向への移

齢により衰えた筋力や脚力を補うために，上半身を大動距離に関して，t検定を行った結果，高齢者の男性被験者層で有意差が認められた（p＜0.05）。
70
*

*

高齢者男性

高齢者女性

昇降機能なし昇降機能使用
60

50

40

30

20

10cm

10cm
10

0

図2

立ち上がり時の額面点の前への移動昇降機構使用（左）と不使用（右）場合

若齢者男性

図4

若齢者女性

被験者層

立ち上がり時の額面点の前方への移動距離（被験者層別の平均値）

30
**

25

昇降機能なし昇降機能使用

20

15

10

5

10cm

10cm
0
若齢者男性

図3

立ち上がり時の額面点の下への移動

昇降機能使用（左）と不使用（右）の場合

図5

若齢者女性
高齢者男性
被験者層

高齢者女性

立ち上がり時の額面点の下方への移動距離（被験者層別の平均値）

頭部の移動距離は，動作時の重心の動揺と相関関係

い低い位置から一般的な椅子よりも少し高い位置までが認められることより，昇降機構を使用することで，の動きを補助するものである。試作品を使用した場合立ち上がり時の身体のふらつきが少なくなり，重心のの立ち上がり時の動作解析や重心動揺の計測結果をも移動距離が小さくなったことから，頭部の動きを抑えとに，立ち上がり時のふらつき等を軽減し，立ち上がることができたと考えられる。昇降機構を使用して立りの際に安定した動作をうながせる高さまで，椅子のち上がった場合，使用しない場合と比べて，どの被験昇降機能により動作を補助することができる。この機者層でも頭部の動きは小さくなったことから，動作が能により，椅子から立ち上がることが困難になった使安定し，楽な立ち上がり動作ができていることが示唆

用者が，自力でも立ち上がりの動作が可能になる製品され，特に高齢者層でその効果が高いことが明らかでであると考えられる。

あった。

今後も，多くの方に試用して頂くことより，様々な意見を集め，試作品に改良を加え，完成度の高い製品4 まとめを目指す予定である。

昨年度，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，本研究の実験及び調査に関し，協力頂きました各位に厚く御礼申し上げます。

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，

5 参考文献さらに評価を実施し問題点の抽出を行った結果，座面

1)国民生活白書には適度な自由度があることが好まれる傾向にあった

2)本明子：デザイン学研究，第47回研究発表大会概要

ため，座面の寸法を再検討し，幅，奥行ともに広げることとした。

3)本明子：2002年度大会学術講演梗概集，日本建築学

また，座面の素材に関して，硬さの異なるウレタンとその厚みについて，座り心地がよいと感じるものを50～70歳代の被験者22名に選んで頂いた。その結果，硬めで厚みのあるウレタンが大多数の被験者の支持を得たため，これを使用することとした。
以上の結果と昨年までの研究結果をもとに試作品を完成させた。試作品の主な仕様は以下のとおりである。
外観：幅

：600㎜

奥行：750㎜
高さ：680～980㎜
重量：20㎏
椅子

座面幅：600㎜
座面奥行：470㎜
座面高：180～480㎜
背もたれ高さ：480㎜
背もたれ角度：15度
座面角度：3度

昇降機能

集，p.260-261（2000）

昇降高さ：180～480㎜
昇降速度：約20秒

試作した椅子は，筋力等の身体機能が低下した使用
者や膝等に故障を抱える使用者が苦手とする，床に近会, p.319-320
4)本明子：福岡県工業技術センター研究報告，第14号，
p.73-76（2004）
5)本明子：福岡県工業技術センター研究報告，第15号，
p.55-58（2005）

中高年労働者のVDT作業特性に関する研究
友延 憲幸 *1

本 明子 *1

石川 弘之 *1

A Study on VDT Work Characteristic of Middle and Advanced Age Worker
Noriyuki Tomonobu, Akiko Moto, Hiroyuki Ishikawa
近年，ノート型パーソナルコンピュータ（ノート型PC）の需要が非常に高まっているが，ノート型PCが与える身体的負担はデスクトップPCよりも非常に大きい。特に筋骨格の衰えからくる頸肩腕骨症・腰痛を抱えやすい中高年
労働者にとって，この流れは大きな問題である。本研究は，ノート型PC利用時の中高年労働者の負担を考慮した最適な椅子・机を提案する。本年度については主に机の高さについて検討することとした。

1 はじめにダイレクト(株) Endeavor NT-5000）を使用しVDT作業
1)

40代以上の労働力人口比は57％を超え ，日本は中として10分間の英文タイピングを行った。本実験では，

高年労働者の労働力を大きく必要とする時代となった。

実験者の考えにより以下の2点を作業条件とし，机の加齢により筋骨格が衰える中高年労働者にとっては，高さが与える作業姿勢への影響を検討した。椅子の高より良い作業環境が求められる。そうした中，VDT作

さは，机の高さに関わらず各被験者の好みの高さに調業に限ると，そのツールとなるパーソナルコンピュー整した。また，作業開始前に，被験者の肘の高さが机タ（PC）は，デスクトップ型よりもノート型の普及がの高さよりも低くならないように机との距離を保つよ

加速している。ノート型PCは手軽に持ち運べ，作業ス

うにした。

ペースが狭くても作業が可能である。このことが普及

各条件において，VDT作業を行っている際の姿勢のの要因と考えられる。しかし，ノート型PCのそのよう安定性をみるため，作業姿勢を矢状面方向から１分ごな利点を生むキーボードとディスプレイの一体型構造とに撮影し，眼球・肩峰点の位置を確認した。また，は，前傾姿勢を強いるため，作業中は頸部，腰部など

椅子の座面には体圧センサシート（ニッタ(株) 圧力に負担を与えやすい。ノート型PCは外出先などで予備分布測定システム BIG-MAT VIRTUAL[センサ：BIG-MAT的に使用するために設計されたものであり，1日8時間，1750] ）を取り付けた。このシートから上半身の重心

年間52週間，仕事で毎日使用するようには作られていを座面上に投影した点（座面重心点）が得られ，そのない 2) 。中高年労働者にとって，ノート型PCの使用は点の移動距離と移動幅を測定した。

頸肩腕骨症や腰痛を引き起こす原因となりやすい。本
研究は，ノート型PCを使用したVDT作業において，無3 結果と考察

理な姿勢を強制しない机と椅子のバランスを見出し，作業者にとって机の高さが適切でなければ，作業姿

作業姿勢の安定する机・椅子の形を提案することを目

勢の安定性は失われる。例えば，高さが低い机での作的とする。本年度は主に机の高さについて検討するこ

業は，一般的には座面に深く腰掛けるようになり（臀ととした。

部の座面への接触面積は大），前傾姿勢を強いることが多い。前傾姿勢は腰椎の前彎を消失させ，腰部の負2 研究，実験方法

担を大きくする。腰部の負担が大きくなるとそれを回机 の 高 さ 5 条 件 （ 650mm, 700mm, 750mm, 800mm,

避するために上肢を直立させようとするが，その姿勢

850mm）と作業中の脚部の姿勢2条件（椅子に潜り込までは低い机での作業が困難であるため，再び元の姿勢

せる（潜りあり：in），潜り込ませない（潜りなし：に戻す。前傾姿勢による腰部負担とそれを避けるためout））[5×2＝10条件]下において，年齢20代2名の男に上肢を直立させた結果から生じる作業の困難性との性若年者群と年齢40代3名，50代1名（計4名）の男性

ジレンマにより，上肢の前傾と直立を繰り返し，結果

中高年者群の被験者を対象に，ノート型PC（エプソン

的に作業姿勢は安定しない（図1左）。また，高い机で*1 インテリア研究所の作業は，一般的には作業者が座面に浅く腰掛けるようになり，臀部の座面への接触面積は小さくなるため，

表1

各机高さ条件および脚部条件における作業姿勢

座面上での臀部の動きと揺れは大きく，作業姿勢は安の評価項目定しない（図1右）。本実験では，机高さ650mmの条件

潜りなし650mm条件との比較項目

角度

机高さ850mmの条件において後述した臀部の動きと揺得点条件(眼球・肩峰点の各条件において)において前述した前傾姿勢による安定性の消失があり，れがあると考える。
水平方向
鉛直方向

作業中の最小角度

小作業中の最大角度

大作業中の変化幅

小

作業中の最前方位置

後方

作業中の最後方位置

後方

作業中の変化幅

小

作業中の最下点

上方

作業中の最上点

下方

作業中の変化幅小

潜りなし850mm条件との比較項目

得点条件(座面重心点の各条件において)方向

鉛直

そ こ で ， 潜 り な し 条 件 の 机 高 さ 650mm （ 潜 り な し方向

机の高さの違いによる作業姿勢の変化

水平図1650mm）と潜りなし850mmの2条件を基準として，作業

作業中の移動距離短い

作業中の移動幅

短い

作業中の移動距離短い

作業中の移動幅

短い

姿勢の安定性について他の8条件の評価を行った。評価方法は，眼球・肩峰点の動き（表1上の項目中の「角度」については，肩峰点と眼球点を腸骨稜点にそ(得点)
全体132点満点: 全体: 中高年者群: 若年者群120

れぞれ結び，水平面からの角度で求めた：図3参照）
100において潜りなし650mm条件と比較して，表1上の各項

106
88

中高年者88点満点

80
60

60

算した。また，座面重心点において潜りなし850mm条

若年者群は各条件であまり差はない。しかし，中高年者群は潜りあり650mmと潜りなし・潜りあり700mmの条

56
37

40

を1点ずつ与えることとした。得点結果を図2に示す。

74

74

73

67

目について条件を満たした場合，項目毎に1点ずつ加件と比較して，表1下の各項目の条件を満たせば得点

97

96

93

87

110

108

65

54
34

33

34

27

36
29

若年者44点満点
32

20

in: 潜りあり
out: 潜りなし

0650in

750out750in

800out800in

850in (条件)

700out700in

図2

表1の評価に対する得点結果

件 で は 得 点 が 低 く ， 750mm の 脚 部 2 条 件 ， 潜 り あ り
800mmの条件で高い得点であった。

肩峰点

次に作業中の肩峰点の作業中の最大角度と最小角度最小角の差を算出し，各条件での肩峰点の動きをみた。その最大角
最大角ー最小角
腸骨陵点

結果，若年者群では各条件の（最大角－最小角）値に角度差はないが，中高年者群は750mmの脚部2条件，潜りなし800mmの条件において値が小さかった（図4）。

図3（肩峰点－腸骨陵点）角度

(条件)る検討は，作業姿勢の安定性だけでなく，筋負担につ850in

いても同様に検討し，異なる実験条件（例：長時間の850out

中高年者

VDT作業，フィールド調査）においても検討すること

若年者

800in

in:潜りあり
out:潜りなし

800outも必要であり，これらは次年度以降の課題とする。

750in

5 参考文献750out1)厚生労働省 職業安定局：年齢階級労働力人口及び

700in

労働力率

700outhttp://www.gender.go.jp/whitepaper/h17/danjyo_

650in

hp/danjyo/html/honpen/chap03_11.html

650out

クセス
0

図4

1

2

3

4

5

6 (角度差)[（肩峰点－腸骨陵点）角度の]最大角－最小角(角度)

日本工業規格JIS S 1010「事務用机の寸法」は机の高さのモジュール寸法を670mm，700mmとしている。しかし な がら ， 中高年 者群 の 作業 姿 勢の 安 定は 机高さ750mm，800mmにおいて確認された。本実験において，各被 験 者の 椅 子の設 定高 さ は脚 部 潜り な し条 件では465～482mm（平均±標準偏差は469.83±7.65mm），潜り あ り 条 件 で は 472 ～ 552mm （ 510.17 ± 33.01mm ） と様々であったが，椅子の高さに関係なく机高さ750mm，800mmにおいて作業が安定しているようであった。中高年齢労働者が行うノート型PCでのVDT作業に関しては，JISのモジュール寸法よりも多少高い机（750mm～
800mm）程度の高さが作業に適していると思われる。
また，若年者群と中高年者群を比較すると，肩峰点の動きをみた（最大角－最小角）値の結果から，いずれの条件においても若年者群よりも中高年者群の値は大きいことが分かる。上肢の動きを抑制するには，机の高さ以外にも作業姿勢の安定を促す条件が必要である。

4 まとめ
本年度実施した実験により，中高年齢労働者のVDT作業については，作業姿勢の安定の観点からは750mm～800mm程度の机高さが必要という結果となった。ただし，750mm～800mm程度の机高さであっても，若年者
ほど作業姿勢は安定しない。従って，作業姿勢の安定を助長するために，机の天版・脚部の形状や椅子の各部分（座面，背もたれ，肘部）について安定性を与える形状を考えることが必要である。また，中高年齢労働者の負担を軽減するための机・椅子の機能性に関す(最終ア

2006年9月8日)

2)CNET Japan：ノートPCが身体に悪影響—米研究者が警鐘
http://japan.cnet.com/news/biz/story/0,2000056
020,20084040,00.htm
日)(最終アクセス

2006年9月8反応性スパッタリング法で作製したCr，Ti硼窒化膜の薄膜特性に及ぼす
窒素ガス流量の影響
南 守 *1

Effect of Nitrogen Gas Flow Rate on Properties of Cr-Ti-B-N Films Prepared byReactive Sputtering
Mamoru Minami
クロム（Cr）とチタン（Ti）の複合硼窒化膜を，反応性スパッタリング法を用い，シリコン（Si），高速度鋼基
板上に作製し，薄膜特性に及ぼす成膜条件の影響について調査した。主要な成膜条件である窒素ガス流量を変化させることにより，膜の結晶構造，耐摩耗性は変化することが明らかとなった。また，成膜条件に関わらず，形成された薄膜は極めて平滑な表面を有することが判明した。

1 はじめに2 研究，実験方法

多くの機械部品には，機能性の発現や耐久性を高め

2-1 皮膜作製方法

るため，PVD法やCVD法による表面保護膜(皮膜)が施さ

既報 7) と同様に，皮膜作製には直流，高周波電源をれている。これらの手法を用いて作製される皮膜の中有するマグネトロンスパッタリング装置（ユーテック，

でも ， 機器 の 耐久 性 ，耐 食 性の 向 上を 図 る目 的 から

YE1825-3)を用いた。ターゲットには直径102mmのTiB2

TiN膜やTiC膜，TiAlN膜などの硬質皮膜が広く用いら（純度99%）及びCr（純度99.9%）を用いた。スパッタ

1)

れている 。しかし，近年，各種機器，装置の高性能

リングガスにはアルゴン（純度99.999%）と窒素（純化，高機能化が進展するにつれ，耐摩耗性，耐食性に

度99.999%）の混合ガスを用いた。

優れた皮膜の開発が求められている。

基板には，Siウェハ（100）と鏡面研磨仕上げした

これらの要求に応える皮膜材料として，硬度，耐摩

高速度鋼（SKH51，30×30×2mm）を用いた。これらの

耗性，耐食性などに優れるTi硼窒化膜（Ti-B-N膜）に基板をアセトン中で超音波洗浄した後，回転式基板ホ

期待が集まっている 2)-5) 。機械電子研究所では，反応ルダーに取り付け，真空ポンプにより装置内を4.0×性スパッタリング装置を用いて平板形状の超硬合金上10-4Pa以下の圧力になるまで排気した。所定の圧力にへTi-B-N膜の作製を試み，優れた特性を有する皮膜の到達後，膜形成に先立ち基板の前処理として，アルゴ形成が可能であることを明らかにしている 6) 。しかし

ンによる基板のイオンボンバードをRF電力50Wで5分間ながら，実際にTi-B-N膜を加工工具上に成膜処理し実行った。続いて，表1に示す条件にて成膜処理を行っ機による加工試験を行った結果，耐摩耗性に関して従た。なお，本実験では，TiN膜を被覆した試料を比較

来工具と比べて飛躍的な向上は認められないことが明材として使用した。Cr-Ti-B-N 膜被覆材，TiN膜被覆

らかとなり，成膜条件のさらなる改善を図る必要があ

材ともに推定膜厚は約2µmである。

7)

ることが判明した 。

2-2 特性評価

よって本研究では，Ti-B-N膜と比べ相手材への攻撃

作製した皮膜の膜厚は，接触式表面粗さ計（テーラ

性が低く，摩擦摩耗により発生する熱に対して優れたーホブソン，Talysurf）を用い，成膜前に基板の一部

耐酸化性を持ち，基材と膜との密着性，耐摩耗性向上

をマスキングしておき，成膜後のマスキングしているが期待できるCrとTiの複合硼窒化膜（Cr-Ti-B-N膜）部分としていない部分との段差から求めた。

の作製を試み，膜の結晶構造，密着性などの特性が，結晶構造の解析は，X線回折装置（理学電機，RINT-

主要な成膜条件である窒素ガス流量によりいかなる影

2500V）を用いた。入射X線にはCuKα特性X線（40kV，響を受けるかを調査した。

200mA）を用い，入射角は1°とした。膜表面の観察に
は走査型電子顕微鏡（SEM）（日立製作所，S-4500）及*1 機械電子研究所

び光学顕微鏡（オリンパス光学工業, BX60）を用いた。

0.5

表1 成膜条件
Cr-Ti-B-N膜成膜条件
Ti(4N)

使用ターゲット

Cr(3N)

30

使用ターゲット

TiB2(2N)N2ガス流量（cm3/min）

4

Arガス流量（cm3/min）30

圧力（Pa）

0.3

N2ガス流量（cm3/min）

0～8ターゲット－基板間距離（mm）

185

圧力（Pa）

0.3

基板RF電力（W）

50

ターゲット－基板間距離（mm）

185

ターゲット電力（W）

500

基板RF電力（W）

50

ターゲット電力（W）

500

使用ターゲットArガス流量（cm3/min）

Cr

0.4

相対発光強度TiN膜成膜条件

B

0.3
0.2

Ti

0.1

N

0
0

2

4

6

8

10

窒素ガス流量 （cm3/min）

図1 膜の組成に及ぼす窒素ガス流量の影響
膜の 化 学 結 合 状態 は ，Mg-Kα線 （10kV，10mA）をX
800を用いることにより評価した。
膜の組成は，グロー放電発光分光分析装置（堀場製作所，JY5000RF）を用いることにより評価した。

強度（任意単位）線源とするX線光電子分光分析装置（島津製作所製）
600

8 cm3/min N 2
6 cm3/min N 2

400

4 cm3/min N 2
200

2 cm3/min N 2膜の密着性は，圧痕試験を行うことにより評価した。

0 cm3/min N 20

圧痕試験はRockwell硬度計を用い，試料表面から基板

20

20

30

40

50

40

60

60

70

80

80

2θ（deg）に達するまでダイヤモンド圧子（Cスケール）を押し込み，圧痕周辺部に発生する皮膜の損傷状態を光学顕

図２ X線回折結果
図2

微鏡により観察した。
摩耗特性は既報と同様に 8） 往復摺動型の摩耗試験機

乱され易さ，基板表面での元素の付着確率，更にはタを用いて評価した。圧子は直径6.35mmのSUJ2合金球とーゲット表面層の組成変化などが複雑に影響すること

し，室温無潤滑，垂直荷重10N，摺動幅18mm，摺動速が起因しているのではないかと推察される 9),10)。

度36mm/s，摺動距離10.8mの条件で試験を行った。皮

3-2 結晶構造に及ぼす窒素ガス流量の影響

膜摩耗量は，摩耗部分を表面粗さ計で測定し，初期の窒素ガス流量を変化させることにより膜の組成が変表面からの摩耗段差最大値を測定することにより評価化することから，膜の結晶構造も十分変化することがした。

予想される。そこで結晶構造に及ぼす窒素ガス流量の影響について検討した。
Si基板上に作製したCr-Ti-B-N膜のX線回折結果を図3 結果と考察
3-1 組成に及ぼす窒素ガス流量の影響2に示す。いずれの窒素ガス流量においても結晶構造

一般的に，合金や化合物などの多元系物質をスパッが特定できるような明瞭な回折線ではなく，ブロードタ成膜すると，ターゲットと同一化学組成のスパッタな回折線が得られた。また，窒素ガス流量の増加とと9）膜が得られることが経験的に知られている 。そこで

もに回折線は若干シャープになる傾向を示すことが分

グロー放電発光分光分析装置により，窒素ガス流量をかった。

0～8cm3/minで変化させSi基板上に作製したCr-Ti-B-N

次に膜の化学結合状態に及ぼす窒素ガス流量の影響

膜の組成分析を行った。各元素の発光強度の総発光強について調査した。窒素ガス流量を変化させSi基板上度に対する強度比を測定した結果を図1に示す。窒素に作製したCr-Ti-B-N薄膜のX線光電子分光分析結果を

ガス流量の増加に伴い各元素の発光強度比は変化し，

図3に示す。B1s光電子スペクトルからはTiB2 あるいは

窒素ガス流量によって形成される薄膜の組成が変化す

Bに相当するピークが，Ti2p光電子スペクトルからはることが分った。窒素ガス流量変化に伴う強度比変化

TiB2 あるいはTiNに相当するピークが，またN1s光電子の主原因については現段階では特定できていないが，スペクトルからはCr2NあるいはCrNに相当するピーク

ターゲットの温度，基板の温度，合金元素の原子の散が確認できた。これらのことから，反応ガスとして窒強度（任意単位）

強度 （任意単位）

TiB2 B

B1s
cm3/min N2

Ar:N2=30:8
Ar:N2=30:6
Ar:N2=30:4
Ar:N2=30:2
Ar:N2=30:0

TiN

Ti2p

TiB2

186

Ar:N2=30:6
Ar:N2=30:4

2µm

Ar:N2=30:2

6cm3/min460

8cm3/min450

結合エネルギー (eV)2µm

N1s
強度（任意単位）

4cm3/mincm3/min N2

470

結合エネルギー (eV)

2cm3/min

Ar:N2=30:8

Ar:N2=30:0

202 198 194 190

0cm3/min

Cr2N

CrN

図４ 膜形態に及ぼす窒素ガス流量の影響
図4cm3/min N2

Ar:N2=30:8
Ar:N2=30:6
Ar:N2=30:4
Ar:N2=30:2
Ar:N2=30:0

410 406402

0 cm3/min

2 cm3/min

4 cm3/min

6 cm3/min

8 cm3/minTiN

398 394

結合エネルギー (eV)

図３
図3 X線光電子分光分析結果

500µm

素を添加することにより各種化合物相が形成されるこ

図５ 圧痕試験結果
図5とが判明した。
以上の結果より，本研究で作製した皮膜は異種化合物複合型の皮膜で，窒素ガス流量が増加するに従い，明し た 。圧 痕 周辺 部 の膜 の 亀裂 は ，窒 素 ガス 流 量が薄膜の結晶状態が変化するものと考えられる。

4cm3/minまでは流量に関わらず認められないものの，

3-3 膜形態に及ぼす窒素ガス流量の影響

6cm3/min以上になるとリング状に形成されることが分

窒素ガス流量がCr-Ti-B-N膜のモルフォロジーに及かった。このことから，本研究で作製したCr-Ti-B-N

ぼす影響を調べるため，窒素ガス流量を変化させSi基膜は，窒素ガス流量が4cm3/minまでは基材の変形に十板上にCr-Ti-B-N膜を作製した。これらの膜の表面SEM

分追随出来るほどの密着力を有しており，窒素ガス流3

像を図4に示す。窒素ガス流量が0cm /minの試料にお量が6cm3/minを超えると密着力は低下することが判明いて若干の荒れは見られるものの，今回作製したいずした。よって，窒素ガス流量は膜の構造や組成に対しれの試料においても明瞭な結晶粒は観察されず，薄膜てだけでなく膜の密着性にも影響を与えていると言えは極めて平滑な表面を有し，緻密な構造をしているこる。窒素ガス流量による密着力変化の理由に関してはとが分かった。このような膜形態を示す理由に関して

現段階では特定できていないが，おそらく膜の結晶構は特定できていないが，既報の結果と同様に結晶粒の造や内部応力が関係しているものと推察される。なお，

8）

微細化が生じるためではないかと推察される 。

この件に関しては今後の検討を要する課題である。

3-4 密着性に及ぼす窒素ガス流量の影響

3-5 耐摩耗性に及ぼす窒素ガス流量の影響

窒素ガス流量を変化させることにより膜の組成や結皮膜摩耗深さに及ぼす窒素ガス流量の影響を調べる

晶構造が変化することから，膜の密着性も十分変化すため，窒素ガス流量を変化させ高速度鋼基板上にCr-ることが予想される。そこで膜の密着性に及ぼす窒素

Ti-B-N膜を作製した。これらの試料の摩耗試験結果を

ガス流量の影響について検討した。

図6に示す。窒素ガス流量0cm3/minで作製した試料及窒素ガス流量を変化させ高速度鋼基板上に作製したび比較材であるTiN膜被覆試料の場合，摩耗試験によCr-Ti-B-N膜の圧痕試験結果を図5に示す。いずれの窒り皮膜が完全に剥離したため，膜厚相当量の摩耗が発

素ガス流量においても，圧痕周辺部の膜の剥離は比較

生したものとする。窒素ガス流量0cm3/minで作製した材であるTiN膜被覆試料の場合と比べ少ないことが判

試料は低硬度であり，TiN膜被覆試料は低密着力であ5 参考文献

2.0 2

1)池永勝:特殊鋼，Vol.47, No.3, p.6-9(1998)
2)J.

1.5

摩耗深さ （µm）

1.5

HE,

Y.

Miyake1.0 1:

Setsuhara,

Trans.

I.

JWRI,

Shimizu

Vol.29,

and

No.1,

S.
p.9-

13(2000)
0.5

3)J.F. Pierson, F.B ertran, J.P. Bauer and J.

0.5

0

0

Jolly
1

2

0

2

3

4

4

5

6

8

:

Surf.

Coat.

Technol,

Vol.142-144,

6TiN

窒素ガス流量 （cm3/min）

図６ 摩耗試験結果
図6

p.906-910(2001)
4)C.

Rebholz,

haritidis,
るため皮膜が剥離したものと思われる。試験片の膜摩3

耗深さは，窒素ガス流量2，8cm /minで作製した試料では最低値0.20µmを示し，窒素ガス流量4，6cm3/min

Surf.

A.

Coat.

p.231-236(1996)

つ ま り ， 窒 素 ガ ス 流 量 が 2～ 8cm3/minで 作 製 し た CrTi-B-N膜被覆試料は，摩耗試験により膜が剥離しない
程度の密着力を有し，相手材への攻撃性，摩擦熱に対Technol,

Vol.116-119,

p.648-

:

Surf.

Coat.

Technol,

Vol.86-87,

6) 南 守 : 福 岡 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 , No.13,
p.112-115(2003)
7) 南 守 : 福 岡 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 , No.15,
p.97-100(2005)
8)南守，土山明美:福岡県工業技術センター平成13年
度研究報告, 第12号, p.55-60(2002)

しての耐酸化性，皮膜硬さ等の膜特性が窒素ガス流量

9)和佐清孝, 早川茂:薄膜化技術第2版, p.88(1992)

により変化するため，耐摩耗性が変化したものと推察

10)吉田貞史:薄膜, p.43(1997)

される。いずれにしても，窒素ガス流量が2～8cm3/minで作製したCr-Ti-B-N膜被覆試 料は，比較 材
であるTiN膜被覆試料と比べ優れた耐摩耗性を示すことが判明した。
以上の結果から，成膜条件を制御することにより耐摩耗性に優れる皮膜の作製が可能であることが明らか
となった。

4 まとめ
種々の窒素ガス流量で成膜したCr-Ti-B-N膜の特性について調査した。窒素ガス流量を変化させることによりCr-Ti-B-N膜の組成，結晶構造，密着性，及び耐摩耗性は変化することが判明した。また，成膜条件に関わらず，形成された薄膜は極めて平滑な表面を有することが明らかになった。
終わりに，本実験を遂行するにあたり産業技術総合
研究所の秋山守人氏，久留米工業大学教授の蓮山寛機
氏に有益な助言を頂いたことに対し，ここに感謝の意を表します。

C.

5)T.P. Mollart, J. Haupt, R. Gilmore and W.

た。窒素ガス流量の影響による摩耗深さの違いに関す量により変化することに起因するものと考えられる。

Larour,653(1999)

Gissler

製した皮膜の表面状態，硬さ，密着性等が窒素ガス流

P.

S. Logothetidis and A. Matthews :で 作 製 し た 試 料 で は そ れ ぞ れ0.30µm，0.25µmを 示し

る理由については現段階では特定できていないが，作

Leyland,加工で生じる応力が材料特性に及ぼす影響の調査（2）小川 俊文 *1

下地 広泰 ＊2

間内 透 ＊3

Effect of Stress Resulted from Mechanical Process on Material Property (2)Toshifumi Ogawa, Hiroyasu Shimoji, Tohru Mauchi
前報において，電磁鋼板を切断する加工方法として，シャーリング加工，ターレットパンチプレス加工，積層鋸引き加工，ワイヤー放電加工を比較した結果，加工で生じる残留応力が最も少ない加工方法は，ワイヤー放電加工
であることが確認出来た。そこで今回は，方向性電磁鋼板をワイヤー放電加工によって切断する場合，加工条件が切断面形状，切断部近傍の残留応力，磁気特性にどの様な影響を及ぼすのか検討を行った。その結果，最適な加工条件を選ぶことで，方向性電磁鋼板の残留応力変化を少なくし，磁気特性の劣化を押さえることができることが明らかになった。

1 はじめに17ms，18msの3段階に変化させた。まず，ワイヤー放電

方向性電磁鋼板と永久磁石を組み合わせることで，加工の切断条件の違いが，切断面形状にどの様な影響

単位重量当たりの発電量が従来タイプ発電機の約2倍を及ぼしているのか把握するために，走査電子顕微鏡となるような今までにない高性能発電機の開発を進め

で切断面の観察を行った。図1に無放電時間16msの場合，ている。方向性電磁鋼板は，非常に優れた磁気特性を

図2に無放電時間17msの場合，図3に無放電時間18msの有しているが，外力の影響を受けやすい素材であるた

場合で切断した試験片切断面を走査電子顕微鏡で観察め適切に使用しなければ，その特性を100％発現させるした結果を示す。図1-1と2-1の低倍率像を比較すると，ことが難しい。ことに鋼板加工時に生じる応力（歪み）図 1－1

は，磁気的特性を低下させるといわれている。これまでに，電磁鋼板を切断する加工方法として，シャーリ
ング加工，ターレットパンチプレス加工，積層鋸引き加工，ワイヤー放電加工を比較した結果，加工で生じる残留応力が最も少ない加工方法は，ワイヤー放電加工であることが明らかになった。そこで今年度は，方向性電磁鋼板をワイヤー放電加工によって切断する場
合，加工条件が切断面形状，切断部近傍の残留応力，
200µm

磁気特性にどの様な影響を及ぼすのか検討を行った。
図 1－2
2 加工条件が切断面形状と残留応力に及ぼす影響
ワイヤー放電加工は，シャーリング加工やターレッ
トパンチプレス加工などに比べ，材料に及ぼす影響が小さいが，加工条件が加工される材料に適していないと，加工部近傍に予期しない残留応力が生じると言われている。今回は加工条件の一つである「無放電時間」を変化させ，試験片を作製した。加工条件の基本条件
は，軟鋼板の場合を参考にし，「無放電時間」を16ms，20µm*1 機械電子研究所*2 大分大学*3 赤司電機（株）

図1

無放電時間 16ms の場合の切断面

16msの場合の方が17msの場合よりも表面の凸凹が粗い

図 2－1

様子がわかる。これは，無放電時間16msの方が，過剰な放電が起きていたためと考えられる。図1-2と図2-2の高倍率像においては，大きな違いは見られず，放電によって溶断された組織が球状になっている様子から，スムーズに切断されたことがうかがえる。図3の18msの場合を見ると，図1，2とは全く異なる切断面である
ことがわかる。図3-1の低倍率像から，凸凹が図1，2200µm

よりも少ないことがわかる。また，図3-2は図1，2の高倍率像で見られた球状の組織が，目立って見られない。
全体的に凹凸の少ない切断面である。今回の切断条件

図 2－2で，図3は無放電時間が一番長いことから，ワイヤーとこすられたためにこの様な凹凸の少ない切断面になったと考えられる。実際，18msの場合には，ワイヤーが数回切断したことからワイヤーに大きな負荷がかかった切断条件と言える。次に，加工条件が残留応力に及ぼす影響について検討した。試験片には，残留応力と磁気特性の相関を検討出来るように幅10mm×内径65mm
20µm

×外径85mmのリング状試験片を用いた。ワイヤー放電
加工条件は，切断面比較試験片の場合と同様に，「無放

図2

無放電時間 17ms の場合の切断面

電時間」を16ms，17ms，18msの3段階に変化させた。残留応力の測定は，島津製作所製のX線残留応力測定装置

図 3－1で行った。測定は，方向性電磁鋼板なので，試験片の向きに注意し，リング状試験片の外周にそって行った。
X線照射面積が一定になるよう測定箇所に5mm角のマス
キングを施した。残留応力測定結果を表1に示す。無放電時間0.17msの試験片2は，残留応力が正の値，すなわ
ち引張残留応力が11kg/mm2 であった。これに対し，試験片1，3の場合は，残留応力が負の値，すなわち圧縮
200µm

残留応力が７kg/mm2，9kg/mm2であった。方向性電磁鋼
板は，優れた磁気特性を保有させるために表面皮膜によって意図的に引張応力を残存させている。従って，

図 3－2

この3つの試験片の中では，無放電時間17msで加工した試験片2の磁気特性が最も良好であると考えられる。

表1

無放電時間（ms）
残留応力（kg/mm2）

残留応力の測定結果

試験片１
0.16
-7

試験片２
0.17
11

試験片３
0.18
-9

20µm
3 加工条件が磁気特性に及ぼす影響
図3

無放電時間 18ms の場合の切断面

加工条件の違いが磁気特性に及ぼす影響を調べるため，残留応力測定で用いたリング状試験片に内部コイ

4 まとめ

ルを180巻，外部コイルを約170巻して磁気特性測定用

方向性電磁鋼板をワイヤー放電加工法で加工する場

試験片を準備した。磁場が0.6 T，0.8 T，1.0 Tの場合

合でも，適切な条件を選ぶことで，切断面形状の凹凸における，周波数と透磁率の関係について調べた。図4，を少なくすることができ，はじめから鋼板に付与され5，6に各磁場における周波数と透磁率の関係を示す。

ている引張残留応力の変動を少なくし，磁気的特性の

図4，5，6から分かるように，いずれの磁場においても，劣化を抑えることができることがわかった。

「無放電時間」が0.17msで加工した試験片の透磁率が，0.16msと0.18msで加工した試験片よりも高い値となっており磁気特性に優れていた。この測定結果は，残留応力測定結果と良く一致している。
7000
0.16 ms
0.17 ms
0.18 ms

透磁率 （N/m2）

6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0

500

1000

1500

2000

2500

周波数 （Hz）

図4

磁場0.6Tにおける周波数と透磁率の関係

70000.16 ms
0.17 ms
0.18 ms

透磁率 （N/m2）

6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0

500

1000

1500

2000

2500

周波数 （Hz）

図5

磁場0.8Tにおける周波数と透磁率の関係

70000.16 ms
0.17 ms
0.18 ms

透磁率 （N/m2）

6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
0

500

1000

1500

2000

周波数 （Ｈｚ）

図6

磁場1.0Tにおける周波数と透磁率の関係

2500

自動車用衝撃吸収部材の実用化研究
衝撃吸収部材に適応可能な高延性鋳造アルミニウム合金の溶製
小川 俊文 *1

春山 繁之 *1

貝田 博英 *1

Development of Impact Absorbed Part for Cars
Melting of High-Ductility Aluminum Alloy Castings for Shock Absorber Parts
Toshifumi Ogawa, Shigeyuki Haruyama, Hirohide Kaida
アルミナルツボを用いた一般型高周波溶解炉において，雰囲気制御溶解技術を適用した場合のアルミニウム合金の延性向上の可能性を検証した。その結果，アルゴン溶解材は，大気溶解材に対して伸びが1.5割向上していることがわかった。引張強さにおいては，ほぼ同じであった。また，ガス成分分析を行ったところ，アルゴン溶解材の水素含有量は，大気溶解材の半分であることが確認出来た。

1 はじめに解・鋳造を行った。比較のため，大気中での溶解・鋳自動車等輸送器機は軽金属材料製部品の積極的な適造も行った。

用により軽量化が図られてきているが，京都議定書で2-2 熱処理定められた二酸化炭素排出量削減目標を達成させるた

インゴット底部から引張試験片を作製するための形

めに，より一層の軽量化が要求されている。この要求状10mm×10mm×35mmに切り出して溶体化処理後時効硬に応えるためには，さらに機械的特性の優れたアルミ化熱処理（T6処理）を行った。炉は，汎用の箱形マッニウム合金の開発が不可欠である。

フル炉を使用した。雰囲気は，大気で行った。ヒート

これまでに構築した「延性に優れたアルミニウム合

パターンは，540℃×4時間→60℃温水冷→145℃×4時

金」を作製するための雰囲気制御溶解技術は，特殊な間→空冷とした。

タイプの溶解炉（コールドクルーシブル溶解装置）を2-3 引張試験使用したものであった。そこで本研究では，耐火物ル

試験片は，平行部：直径4mm×長さ6mmを用いた。試ツボを用いた一般型溶解炉において，雰囲気制御溶解

験は，島津製作所（株）製のオートグラフにより，室技術を適用した場合のアルミニウム合金の延性向上の

温大気中にて，歪速度1.4×10-3s-1 で行った。試験後，可能性について検証を行い，延性に優れた鋳造アルミ

破断面の観察を走査電子顕微鏡で行った。

ニウム合金の溶製技術の基礎を確立することを目的とした。

3 結果と考察3-1 雰囲気制御溶解によるインゴットの製作

2 実験方法2-1 溶解・鋳造

溶解・鋳造条件が雰囲気だけの違いになるよう原材料のセットの仕方，溶解炉出力パターン，溶解温度，

溶解は，富士電波工業（株）製の一般型高周波溶解

鋳込み温度に細心の注意を払って，溶解・鋳造を行っ炉（九州工業大学所有）で行った。ルツボは，（株）た。大気溶解の場合は，溶湯表面に厚い酸化膜が形成

ニッカトー製のアルミナルツボCP－2を使用した。原される。そこで，鋳込む際，インゴット中に酸化膜が材料は，市販のアルミニウム合金（AC4CH）インゴッ

巻き込まれないよう，フィルターを通して鋳造を行っ

ト（日立金属（株）提供）を使用した。鋳型は，素材た。インゴット作製条件を揃えるため，アルゴン溶解に機械構造用炭素鋼（S45C）を用い，日本工業規格のの場合も，フィルターを使用した。製作したインゴッ

金型試験片鋳型に準じた形状のものを作製した。原材

トの清浄度を確認するため，鋳造ラインの現場でよく料と鋳型を溶解炉チャンバー内にセット後，1Paオー

行われている「Kモールド法」を参考に試験を行った。

ダー ま で減 圧 し， 大 気圧 ま でア ル ゴン 置 換し て ，溶引張試験片を作製する位置と同じ箇所から，厚さ5mm*1 機械電子研究所の板を切り出して，その板をハンマーで叩いて破壊し，

破断面における酸化物や介在物の巻き込み状況を確認した。両溶解材の破断面を図1に示す。実体顕微鏡で3-2 引張試験結果
引張試験の結果を表2に示す。引張強さの平均値は，巻き込み状況の観察を行った結果，全ての破断面にお大気溶解材：285MPa，アルゴン溶解材：288MPaでほぼいて酸化物や介在物は存在せず，両溶解材とも清浄な同等であった。これに対し，伸びの平均値は，大気溶

インゴットであることが確認出来た。

解材：23.3%，アルゴン溶解材：26.8%で，大気溶解材
に対してアルゴン溶解材の方が1.5割ほど大きかった。

表2

1
2
3
4
平均

1cm
（a）大気溶解材の破断面

引張試験結果大気溶解材
伸び（％）
引張強さ（MPa）
23.9
287
22.0
287
23.0
281
24.4
283
23.3
285

アルゴン溶解材
伸び（％）
引張強さ（MPa）
25.6
289
28.3
286
26.8
287
26.5
289
26.8
288

ここで，この伸びの違いが生じる原因について考察するため以下のことを確認した。原材料は，同一ロットを使用しているので，成分の違いはなかった。また，
鋳込み温度，熱処理パターン，試験片の切り出し位置
は，同じにしたので金属組織の著しい違いもなかった。
さらに，引張試験後の破断面を観察したところ，酸化物・介在物の巻き込みやボイドは観られなかった。以上のことから，大気溶解材とアルゴン溶解材において違いがあるのは，ガス含有量の違い，その中でも水素含有量だけである。従って，今回の伸びの違いは，水

1cm

素含有量の違いが原因であると思われる。
破断面を走査電子顕微鏡で観察した結果を図2に示（b）アルゴン溶解材の破断面す。どちらの溶解材も典型的なディンプルパターンが図1

観察された。水素含有量の違いが，ディンプル壁の形

インゴットの健全性の確認状に影響を及ぼしているか注意して観察を行ったが，作製したインゴットのガス分析結果を表1に示す。
水 素 は ， 大 気 溶 解 材 ： 0.4 massppm ， ア ル ゴ ン 溶 解

走査電子顕微鏡レベルでの観察においては，著しい違いは観られなかった。

材：0.2 massppmで，含有量が2倍の違いであった。窒

両溶解材の公称歪み－公称応力のグラフを比較する

素は，両溶解材とも定量限界以下であった。この結果と曲線の形状にほとんど違いがないことから，耐力とより，溶解・鋳造雰囲気を変えることで，水素含有量

加工硬化指数はほぼ同じと考えられる。このことから，が，影響を受けることが明らかになった。

溶解・鋳造雰囲気をアルゴン雰囲気にすることで，従来材よりも延性が向上したアルミニウム合金鋳物を製

表1

H
N

インゴットのガス分析結果

作出来るとことがわかった。

大気溶解材
0.4
< 20

4 まとめ

アルゴン溶解材0.2< 20（単位：massppm）

アルミナルツボを用いた一般型高周波溶解炉の場合でも雰囲気制御溶解技術を適用することで，アルミニ
ウム合金の延性を向上させることができるとわかった。
また，大気溶解材とアルゴン溶解材において，水素含有量の差がみられた。

20µm（a）大気溶解材の破断面

20µm（b）アルゴン溶解材の破断面
図2

引張試験後の破断面観察結果

プラズワイヤー溶射によるAl-5 mass%Mg皮膜の評価
古賀 義人 *1

Characteristics of Al-5 mass%Mg Alloy Coatingsby PLAZWIRE Thermal Spraying
Yoshito Koga
Al-5 mass%Mg合金溶射皮膜は防錆・防食効果の高い溶射皮膜であり，海外では実績のある溶射皮膜である。このため，近年国内においてもこの溶射皮膜の適用を目指した試験・研究・試験施工が実施されているが，溶射方法の影響，防食性能についての研究報告は少ない。そこで本研究では，溶線式プラズマ溶射法を中心として，アーク溶
射法，フレーム溶射法，プラズマ溶射法によるAl-5 mass%Mg合金皮膜を作製し，これら皮膜の防錆・防食効果等の特性について調査を行った。この結果，プラズマ溶射によるAl-5 mass%Mg合金溶射皮膜の防食性能は実用上十分な水準にあることが示唆された。

1 はじめにプラズマ溶射の方が有利である。

Al-5 mass%Mg合金溶射皮膜は，北海油田等で利用さそこで本研究では，プラズマ溶射装置の一種である

れている防錆・防食効果の高い皮膜であり，ISOおよび

プラズワイヤー溶射装置により形成したAl-5 mass%Mg

JISでは規格化されている。また，近年の国内の研究に

合金溶射皮膜を中心として，合金溶射の中性塩水噴霧

おいても，高い防錆・防食効果を持つことが示唆されサイクル試験，塩水中での自然電位測定および皮膜の

ているが

1)-3)

，国内における実施例は少なく，現状で元素分析を実施したので報告する。

は試験施工の段階と考えられる。
この有効性と実施例のギャップの原因の1つは，国内

2 研究，実験方法

におけるAl-5 mass%Mg合金溶射皮膜に関する基礎デー

2-1 中性塩水噴霧サイクル試験

タの少なさにあると思われる。現状では，Al-5 mass%Mg

2-1-1 試験片作製

合金による防食溶射皮膜についての研究は，電気化学

溶 射 施 工 に は ア ー ク 溶 射 装 置 （ TAFA 社 製

特性に関する高谷・原田らの報告以外ほとんど見あた

Model-9000），フレーム溶射装置（SNMI社製トップジ

らない 4),5) ，従って，基本的な溶射皮膜の特性すら十ェット）およびプラズワイヤー溶射装置（山田金属防分に分析されているとは言い難い状況にある。

蝕社製PW103）を用いた。溶射材料はフレーム溶射装置

このため，Al-5 mass%Mg合金による防食溶射皮膜のにはAl-5 mass%Mg合金ワイヤー直径3.17 mmを，アーク開発を行うためには，基本的な物性値から実際の環境

溶 射 装 置 お よ び プ ラ ズ ワ イ ヤ ー 溶 射 装 置 に は Al-5

で使用した際の特性までのデータの調査・検討が必要

mass%Mg合金ワイヤー直径1.6 mmを用いた。

となる。

防錆・防食効果の試験には中性塩水噴霧サイクル試

また，海外でのAl-5 mass%Mgの実施例ではアーク溶

験（以下，複合サイクル試験）を用いた。複合サイク射による施工がほとんどだが，通常のアーク溶射ではル試験に供した試験片は，JIS H8502の規定に準拠し，電極として材料ワイヤーを用いる関係から，ワイヤー

150 mm×75 mm×3.2 mmの軟鋼板（SS400）にブラストを2本同時に送給する必要がある。ワイヤーを2本送給処理を施したのち，溶射皮膜を施工した。このとき試することは現場での作業の効率性の低下を招きやすい験片a)～c)については腐食試験を短期間で終了させらので，可能で有れば1本とすることが望ましい。

れるように，皮膜の膜厚を70 µm～90 µmと通常の半分

溶線式溶射でワイヤーの送給が1本の方法としては，程度の厚さとした。また，試験片d)，e)については，

フレーム溶射，プラズマ溶射が考えられるが，自動化

アルキルシリケート系封孔剤による封孔処理を実施しする場合は，電源の入切で簡単に熱源の制御ができるた。試験片の作製条件を表1に示す。

*1 機械電子研究所

表1

試験片作成条件と膜厚

2-3 電気化学測定
溶射皮膜を基材から剥離し，この皮膜のみの試料の5

溶射装置

作動ガス

膜厚 ＊ 1

Al-5 mass%Mg

フレーム

プロパン

80 µm

（Solartron製SI 1280B）を用い，参照電極には飽和KCl

ϕ3.17 mm

溶射装置

O2 ガス,(±27 µm)

銀塩化銀参照電極を用いた。

73 µm

3 結果と考察(±25 µm)

3-1 中性塩水噴霧サイクル試験

溶射材料（ワイヤー）a)%塩水中での自然電位の測定を実施した（塩水の温度は35 ℃ ， 酸 素 飽 和 ） 。 測 定 に は 電 気 化 学 測 定 装 置

圧縮空気
b)

c)

Al-5 mass%Mg

アーク溶射装置

ϕ1.6 mm（直流）

Al-5 mass%Mg

PW溶射装置＊2

ϕ1.6 mmd)

圧縮空気

N2 ガス，

87 µm

図1に中性塩水噴霧サイクル試験を3,749時間実施し圧縮空気(±35 µm)た後の試験片a)～c)の外観を，図2に試験片の重量変化

Al-5 mass%Mg

フレーム

プロパン

176 µmを示す。また，図3には封孔処理を施した試験片を6,000

ϕ3.17 mm

溶射装置

O2 ガス,（封孔）

時間試験した結果を示す。

圧縮空気
e)

Al-5 mass%Mg

PW溶射装置

ϕ1.6 mm＊2

図1ではいずれの皮膜も白色の腐食生成物が皮膜表N2 ガス，

134 µm面に生じており，腐食が進行していることが判る。こ

圧縮空気

（封孔）

の白色の腐食生成物はプラズワイヤー溶射皮膜が最も＊1：a)～c)の膜厚は電磁膜厚計による測定の50点平均。

多く発生しており，また重量増加もプラズワイヤー溶

誤差範囲は測定値の2σから算出。d),e)は5点平均。

射皮膜が最も多いことから，この試験では腐食の進行はプラズワイヤー溶射皮膜がAl-5 mass%Mg合金皮膜の＊2：PW溶射装置：プラズワイヤー溶射装置。

中では最も早いと思われる。
試験装置には塩乾湿複合サイクル試験機を用いた。

その一方で，図3に示す試験片d),e)の目視の結果で表2に 複 合サ イク ル 試験 の 条件 を 示す 。 本条 件 はJIS

は，腐食生成物はプラズワイヤー溶射皮膜よりもフレ

H8502 「めっきの耐食性試験方法」の「中性塩水噴霧ーム溶射皮膜の方が多い。

サイクル試験方法」に準拠した。なお，塩水の濃度は50 g/lとした。

一般に，防食目的の溶射皮膜は電気化学的に基材の影響を受け，その防食性能・耐食性が変化する。この影響の大きさは，気孔率，膜厚などの影響を受けるが，

表2

複合サイクル試験条件

試験 片a)～c)は通 常 の半 分 程度 の 膜厚 で ある こ とから，試験片a)～c)での耐食性に対する基材の影響は大

時間

温度

湿度

塩水噴霧

2 hour

35 ℃

熱風乾燥

4 hour

60 ℃

20～30 ％RH

孔が大きく 2) ，表面の凹凸も大きいことから，他の溶

湿潤

2 hour

50 ℃

95 ％RH以上

射方法よりもさらに基材の影響が大きく出ている可能きいと考えられる。
特にプラズワイヤー溶射皮膜は他の溶射法よりも気性がある。
2-2 元素分析
溶射皮膜の構成元素の分析は，蛍光X線分析装置（（株）リガク製RIX3001，以下 XRF），走査電子顕微

Al-5 mass%Mg合金溶射皮膜の場合，基材の軟鋼は溶射皮膜よりも貴であるので，基材の影響が大きいほど皮膜の腐食は速くなる。

鏡（（株）エリオニクス製ERA-8800，以下 SEM）およ

従って，プラズワイヤー溶射では皮膜が薄い場合に

び半導体元素分析装置（エダックスジャパン（株）製

基材の影響が他の溶射法よりも大きくなることが，試PHOENIX，以下 EDS)で実施した。定量法としてはいず験片c)で腐食生成物が多い原因と思われる。

れも標準試料を用いず定量可能な方法を用いた（XRF
ではファンダメンタルパラメーター法，EDSではスタン
ダードレスのZAF補正法）。

～-0.7 Vよりも電位は卑であり，犠牲防食効果が発生する状態にあることが判る。また，時間経過とともに溶射皮膜の自然電位が変動しているが，これは溶射皮
膜表面で生じている反応が複雑であることを示唆している。この点に関しては今後検討を行う。

図1

複合サイクル試験a) フレーム溶射3,749時間後の試験片外観b)アーク溶射c)プラズワイヤー溶射

図4

プラズワイヤー溶射法による
Al-5 mass%Mg合金皮膜の5 %塩水中での自然電位

3-3 組成分析
表3にXRFおよびEDSによって得られた分析結果を示
図2

複合サイクル試験による試験片の重量変化

す。今回Al-Mg-O系の標準試験片が得られなかったの

a)フレーム溶射, b)アーク溶射,で，半定量法による分析を試みた。このため，分析値c)プラズワイヤー溶射, 溶融亜鉛めっき

は皮膜組成の正確な値ではないが，皮膜どうしの相対的な比較は十分可能である。

表3

溶射皮膜の元素分析 (mass%)

溶射皮膜の種類

測定装置

Al

Mg

O

フレーム溶射皮膜

XRF

88

5

5

EDS

93

5

2

XRF

84

1

12

EDS

89

2

9

プラズワイヤー

XRF

86

3

8

溶射皮膜

EDS

81

4

13

アーク溶射皮膜

図3

複合サイクル試験d) フレーム溶射6,000時間後の試験片外観e)プラズワイヤー溶射

溶射皮膜に含まれるAlとMgの含有量を見ると，フレ
3-2 電気化学測定

ーム溶射と比較し，アーク溶射ではMgが減少している。

図 4 に プ ラ ズ ワ イ ヤ ー 溶 射 に よ っ て 作 製 し た Al-5

文献 2) でのMgのEDSによるマッピングデータでもMgのmass%Mg合金皮膜の自然電位の測定結果を示す。測定し減少を示唆するデータが示されており，今回のデータ

た 時 間 内 に お い て 自 然 電 位 の 範 囲 は 概 ね -0.8 V ～はこれを裏付けている。また，フレーム溶射皮膜と比-1.15 Vであり，同様の条件で測定した軟鋼の-0.4 V

較し，アーク溶射皮膜，プラズワイヤー溶射皮膜の酸

素の含有量は多く，アーク溶射とプラズワイヤー溶射では 施 工時 に 溶射 材 料の 酸 化が 生 じて い るこ と が判る。
この酸化およびMg含有量の減少の原因は明確ではな
いが，溶射時の溶射粒子の温度が影響している可能性が高い。
組成と中性塩水噴霧サイクル試験の結果を考え合わ
せると，Mgの含有量は5 %よりも少ない方が耐食性が高くなるように見える。しかし3-1でも述べたように，プ
ラズ ワ イヤ ー 溶射 の 表面 の 凹凸 は 他の 皮 膜よ り 大きく，このことが耐食性に影響を与えている可能性が高いことから，この組成と耐食性の問題は今後も調査，検討を行う。

4 まとめ
本研究では，Al-5 mass%Mg合金溶射皮膜に中性塩水噴霧サイクル試験，電気化学測定および元素分析を行った結果，以下の結論を得た。
・

プラズワイヤー溶射による皮膜は，十分な防食性能を有している。
・

プラズワイヤー溶射による皮膜の5 %塩水中での自然電位は軟鋼よりも卑である。このため，溶液中で軟鋼と皮膜を電気的に接触させた場合，犠牲防食の効
果が生じる。
・

アーク溶射およびプラズワイヤー溶射では施工

時に溶射材料の酸化が生じている。

5

参考文献

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Kenichi Yamada, Kazunori Fujita：Proceedings of
the

1st

Asian

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Conference,

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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 System
Using the Super Abrasive Wheel
Yoshihiro Tanigawa, Masanori Hirose, Tomohiro Nonaka, Tomoharu Takeshita,
Norikazu Nakamura, Hiroshi Murakami, Toshifumi Abe, Kenichi Ikeda
金型製造工程のほとん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さらに高精度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の開発を目指す。本報では，半球形状に成形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 はじめに形状に成形し，その砥石を使い金型材の仕上げ研削実

デジタル家電等の小型化，高精度化に伴い，これら験を行ったのでその結果について報告する。

の構成部品を生産するための金型もさらに高精度化，小型化する必要がでてきた。しかし，金型製造工程の2 研究，実験方法

ほとんどが自動化されている今日でも，最終仕上げで

2-1 研削実験

ある磨き工程は，手作業で行われているのが現状であ開 発し た 有 気孔 メタ ル ボ ンド 砥石 を 昨 年度 と同 様る。高精度化，小型化する金型を手作業で要求精度にマシニングセンター主軸への取付け，当所で製作した仕上げるには，高い熟練が必要となる。熟練者不足が

微細 放電 ツ ル ーイ ング 装 置 を使 いツ ル ー イン グを 行懸念される今日，金型の仕上げを手作業で行うことは，った 2) 。半球形状に成形した砥石を図1に示す。

要求精度が高くなる金型製作に対応する上で，大きな課題である。そのため，金型仕上げの自動化に関して，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。
本研究では，当所で開発した有気孔メタルボンド砥
石を使用することで，金型曲面の仕上げが可能な3次元曲面加工システムを開発することを目的とする。

図1

半球形状に成形した有気孔メタルボンド砥石

昨年度，開発した有気孔メタルボンド砥石を使い，円柱状に成形し，金型材の側面研削実験を行った結果，

図1のように半球形状に成形した砥石を使い，図2に長時間加工しても加工面粗度の悪化はほとんど無く，示すように，30゜傾斜した金型面の研作実験を行った。

1)

加工が可能であることが確認できた 。しかし，使用加工条件の加工面粗度へ与える影響を調べるため，研した砥石形状も円柱状であり，金型曲面の仕上げを考

削速度，ピックフィード等を変えて研削実験を行った。

えると，半球形状の砥石で加工する必要がある。

加工機には，安田工業（株）社製YMC325を，加工面粗本報では，開発した有気孔メタルボンド砥石を半球*1 機械電子研究所

度の測定には三鷹光器（株）社製NH-3SPを使用した。
被削材は金型材のであるNAK80を使用した。

図3に示すように，研削速度を上げれば，加工面粗度は増加する傾向にあることが分かる。
2-3 ピックフィードの影響

ΔZ

半球形状の工具を使い加工を行う場合，図2に示す
用に，砥石送り方向（紙面に垂直方向）に対し，直行

ΔZ：切り込み量
P：ピックフィード

Rz：加工面粗度

方向に一定ピッチで移動させる必要がある。この移動

Rz

量がピックフィードである。工具半球形状をRとした

P（カプスハイト）際，このピックフィードと加工面粗度の関係は簡易的に式(1)で表される。

図2

傾斜加工実験
P2

Rz =

(1)

８×R
2-2 研削速度の影響
加 工面 粗 度 に対 する 研 削 速度 の影 響 を 調べ るた め

式(1)からも分かるように，工具半径が一定であるとエンドミルでRz5μmに前加工した傾斜面に対し，砥石

すると，加工面粗度Rzは，ピックフィードPにより決

1回転当たりの送りを0.01mm/revに固定した状態で，まることになる。表2に示す範囲でピックフィードPを表1に示すように研削速度を60～180(m/min)の間で変変化させて加工実験を行い，ピックフィードの違いに化させ研削加工を行った。実験結果を図3に示す。面

よる加工面粗度への影響について調べた。ピックフィ

粗度の測定方向はピックフィード方向（砥石送り方向

ードと加工面粗度の関係を図4に示す。

に対し直行する方向）に測定した。
表2

研削加工条件2

砥粒材種

CBN

集中度

125

16～25μm

砥石径

R5.0

表1

研削加工条件1

砥粒材種

CBN

集中度

125

砥粒径

砥粒径

16～25μm

砥石径R5.0

研削速度 m/min

283

研削速度 m/min

60

120

180

送り速度 mm/min

180送り速度 mm/min

38

76

114

1回転当りの送り mm/rev

0.01
0.005

1回転当りの送り mm/rev

0.01

切り込み量 mm

切り込み量 mm

0.005

ピックフィード μm

ピックフィード mm

0.089

1

0.15

Rz
Ra

0.1

0.5

0.05

図3

0

50
100
150
砥石周速度（m/min）

89

1.28
1.08
0.88
Rｚ

0.6

Ra

0.4
0.2

0.02

0
200

研削速度の違いによる加工面粗度への影響

45

1.48

0
0

22.5

0.04

0.06

0.08

ピックフィード(mm)図4

ピックフィードの違いによる加工面粗度への影響

00.1

加工面粗度Rz(mm)0.2

加工面粗度Ra(mm)1.5

加工面粗度Rz（μm）

加工面粗度Ra（μm）

0.25

0.24
0.22
0.2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0

11.3

図4から，ピックフィードが大きくなれば加工面粗度が大きくなることが分かる。しかし，式(1)の計算によれば，今回実験を行った範囲でピックフィードを変化させれば，加工面粗度の変化量は，実験値の変化
量より大きくなるはずである。図5に，ピックフィー
ドを変化させて加工を行った時の断面曲線を示す。

P=89μm表3

研削加工条件3

砥粒材種

CBN

集中度

125

砥粒径

16～25μm

砥石径R5.0

研削速度 m/min

283

送り速度 mm/min

38

76

114

1回転当りの送り mm/rev

0.02

0.03

0.04

切り込み量 mm

0.005

ピックフィード μm

11.3

図6に 砥石 1回 転当 たり の送 りの 違い によ る加 工 面
度粗度への影響を，図7に断面曲線を示す。

P=11.3μm

0.14

1.2

0.12

1

0.1

0.8

0.08
0.6

Rz

0.06

Ra

0.4

0.04

0.2

0.02
図5

ピックフィードの異なる条件での0

断面曲線の違い000.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
1回転当りの送り(mm/rev)

図6

図5からピックフィードが小さくなれば，砥石の通砥石 1 回転当たりの送りの違いによる加工面粗度への影響

過により生じる加工面粗度は小さくなっているが，その反面うねりのような粗さが目立ちはじめる。
同一面積を加工する際，ピックフィードを小さくす
れば，ピックの移動回数を増やす必要がある。図5に0.02mm/rev

おいて，ピックフィード11.3μmと89μmとでは8倍程
度の移動量の差が生じることになり，加工時間に換算した場合も同様に8倍程度の差が生じることになる。
こ の加 工 時 間の 差が う ね りの よう な 粗 さの 原因 に0.03mm/rev

なるのではないかと予想される。このことを確認する
ために，砥石1回転当たりの送りを変えて加工実験を行った。

0.06mm/rev

2-4 砥石1回転当たりの送りの影響
2-3の実験結果でピックフィードを小さくした時に現れ たう ね り のよ うな 粗 さ が加 工時 間 の 影響 によ る

図7

砥石 1 回転当たりの送りの異なる条件での断面曲線の違い

ものか確認するため，ピックフィードを一定にし，砥
石1回転当たりの送りを変え，加工実験を行った。表3に実験条件を示す。

図6の 結果 か ら1回 転当 り の送 りを 上げ ると 加工 面
粗度が小さくなっている。この実験はピックフィード

加工面粗度Rz(μm)

P=22.5μm

加工面粗度Ra(μm)

P=45μmを一定にしているため，加工面の粗さの違いはピック
フィード以外の原因によることになる。砥石1回転当りの送りを変えれば，同一加工面積の加工時間が異なることになる。図7の断面曲線の長さを加工するのに要した時間は30分程度である。図7においても砥石1回転当りの送りが大きい方，つまり，加工時間が短くな
れば，うねりのような粗さが無くなり無くなる，加工面粗度が小さくなることが確認できる。このうねりのような粗さは，加工時間の長さにより現れるため，工作機 械の 時 間 的変 異に 起 因 する ので は な いか と思 わ
れる。

3 まとめ
今回，研究で半球形状に成形した有気孔メタルボン
ドホイールを使い研削実験を行った結果，次のことが分かった。
①

加工面粗度にピックフィードが大きく影響する。

②

加工時間が長くなり，30分以上になると，うねりのような粗さが生じる。

③

今回の実験で最も良い加工面粗度が得られたのは，ピックフィード11.3μm，砥石1回転当たりの送り0.06mm/revの時Rz=0.69μm，Ra=0.065μmであった。
以上のことから，半球形状に成形した有気孔ホイールを使い金型材の仕上げ加工を行う場合，ピックフィ
ードを小さくし，砥石1回転当たりの送りを小さくして，短時間で加工を行う必要があることが分かった。

4 今後の取り組み
実際の金型仕上げ加工において30分の時間で，加工面全面の仕上げを終えることは困難である。今後は，今回得られた結果から，有気孔メタルボンドホイール
を使い金型曲面の最終仕上げを目指すのではなく，手磨き工数の削減に使用することも考え検討する。

5 参考文献1)谷川義博，他：福岡県工業技術センター研究報告，No.15，p.101-103(2005)
2)谷川義博，仙波卓弥：福岡県工業技術センター研究
報告，No.14，p.85-88(2004)

リアルタイムモニタリング微細加工装置の開発
竹下 朋春 *1

野中 智博 *1

谷川 義博 *1

安部 年史 *1

Development of Unified High-speed Spindle Unit with Real-time Synchronization
Monitoring for Micro Machining
Tomoharu Takeshita, Tomohiro Nonaka, Yoshihiro, Tanigawa, Toshifumi Abe
産業技術総合研究所が発行するものづくり技術調査（平成18年3月発行）によると，金属切削企業の90%が穴あけ加工を行っている。その工具交換時期は作業者の判断にゆだねられており，特に微細穴加工は，小さな工具を用いるため，加工が難しく，高速回転を要求される。しかし，工作機械が対応していない現状がある。そこで，本研究は，既存工作機械に簡単に装着し，高速回転と回転加工中の加工力の測定が可能な微細加工装置を開発することを目的としている。

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 研究，実験方法
2-1 動作原理

カへも短納期で高付加価値な金型の製作要求が高まっ

本装置は，図1に示すように駆動用モータ部とスピている。製作困難な金型には，微細な加工を要求されンドル部が直交するように構成されている。駆動用モるものが大半であり，直径0.5mm以下の工具を使用する

ータ部には，螺旋状の磁性体と回転角度を検出可能な加工も多い。部品加工業においては，直径0.5mm以下のエンコーダが直結している。同様に，スピンドル部も微細穴を一つの部品に数千から数万穴あける加工も行

螺旋状の磁性体とエンコーダが直結している。モータ

なわれている。

を回転させると，直結した螺旋状の磁性体による磁場

中小企業の中には，工作機械の主軸回転数が低いたが変化することで，対向したスピンドル側の螺旋状のめ小径の穴加工の仕事を受注できなかったり，工具の磁性体も磁気引力により追従し回転する。モータ部と折損が判断できないためNC工作機械を用いずに人手でスピンドル部は，任意のギャップを持って磁気引力が行っているところがある。また，工具の交換時期も経発生することにより，動力の非接触伝達が可能である。

験とカンに頼っているのが現状である。さらに，小径

加工力によりスピンドル側の負荷が変化すると，モ

工具は製作の困難さから安定した寿命を示しにくく，ータ側の回転とスピンドル側の回転とのずれが発生す

突発的な折損も発生する。そのため夜間運転を行い加る。駆動側と被駆動側のエンコーダからの回転角出力

工しても，折損により加工できず，加工途中の部品ものずれを回路で検出することにより，小径ドリル等の使えないという問題点があった。

工具摩耗，折損を工作機械上で工具回転中に検出が可

そこで，テーパシャンク等の工作機械主軸にワンタ能となる。

ッチで取り付け可能なホルダを有し，既存工作機械の低速 回転 主 軸 にお いて も ， 本装 置組 込 モ ータ により30000min-1以上の高速回転を提供するものである。

磁性体

駆動用モータエンコーダ

本研究の目的は，本装置に加工力の測定が可能な機構を組み込むことで，オンマシンでリアルタイムに工

スピンドル

トルク

具の折損や加工トルクの判断と，高速回転加工を同時に行うことが可能な，一体となった加工装置 1) の開発

電子回路を行うことである。
切削工具*1 機械電子研究所

図1

エンコーダ

リアルタイムモニタリング微細加工装置概念図

2-2 ギャップ変動機構
モータ側の磁性体のギャップを大きくすると，動力伝達許容負荷が減少するため，より小さい切削力に対10mmしても大きな回転角度ずれを発生させることが可能である。またギャップを小さくすると，許容負荷が増大

デジタルフォース

し，切削力が大きくなる。従って，2つの磁性体のギャ

ゲージ

ップを変化させることで工具径に応じた最適な加工力の感度設定が可能となる。そこで，モータ側の磁性体を移動させることにより，ギャップの変更が可能な装図3

トルク測定状況置を開発した。分解構成図を図2に示す。
80

軸部に固定されている。このため，変動機構の動作に無関係である。
モータは，8×18mmサイズのクロスローラガイド2セットにより案内されている。変動量は，磁性体を接触させ，マイクロメータヘッドにより動作開始する位置を2μm目盛のダイヤルゲージを用いて計測し，ゼロセットを行っている。磁性体のギャップは，0から1.8mmまで変動可能となっている。

最大トルクT (mN・m)

スピンドルは，ベースフレームを介して工作機械主60

最大静トルク

40

20

0

0

1

2

ギャップL (mm)クロスローラガイド

図4

ギャップ変動時の最大トルク変化

スピンドル

2-4 加工実験
駆動用モータベース

本装置は，磁気引力を用いて動力を伝達しているた

フレーム

め，加工負荷に対して脱調せずに加工が可能か否かが，一番の問題点である。

マイクロメータヘッド

ギャップ変動方向ため，スピンドル部にドリル等の工具を取付けず，被磁性体

図2

今回は，ギャップ変動機構による装置の評価を行う

ギャップ変動機構分解構成図

削材としてφ3mmのSK-4材を取付けた。
加工実験は，本装置を工作機械の主軸に取付け，工作機械テーブル上に旋削用のバイトを固定し，本装置

2-3 試作した加工装置の静トルク特性のスピンドルを回転させ，Z軸を下降させる旋削加工に試 作し た 本 装 置 のギ ャ ッ プ 変 動機 構 に よ る 特性をより行った。バイトは，切削動力計上に設置し，旋削測定するために，モータ側シャフトを固定し，スピン

加工時の主分力も同時に測定した。この主分力に被削

ドル側にスプリングコレットを介して半径10mmのてこ材の半径を乗ずることで，切削時のトルクに換算できを設置した。その位置にNC工作機械を用いて固定したる。

デジタルフォースゲージを接触させることにより，各ギャップにおける最大推力を測定し，本装置の静的なトルク測定を行った。
測定状況を図3に，測定結果を図4に示す。

本実験の加工条件を表1に，工作機械上での加工の様子を図5に示す。
ギャップを0.5mmに設定した場合，径方向の切込み
量が0.1mmにおいても切削が可能なことを確認した。径ギャップ0.5mmの時に，最大トルク45.6mN･m，ギャップ

方向切込み量0.1mm時には，突出し量による影響から，

1mmの時に，最大トルク26.2mN･mであった。

ワークの倒れが大きかった。

表1

加工条件

ギャップを変更した場合の切削性についても検討を
ノーズR0.2mm

行い，切込み量が50μm時には，ギャップが1.4mmまで

旋削工具

サーメット

加工ワーク

SK4-DG8

突出し長さ

15mm

加工長さ

10mm

時のスピンドル駆動のためのトルクに相当する力であ

切削速度60m/minる主分力を，本装置の出力と同時に測定した。ギャッ

送り速度0.01mm/rev

切込み量

0.1mm，50μm， 10μm， 5μm

切削動力計

KISTLER 9257A

φ3mm(HB207)

切削可能で，切込み10μm時においては，ギャップ1.8mmまで同様な切削性を示した。
また，バイトを切削動力計に取り付けて，旋削加工

プを0.7mmに固定し，空転状態から，5μmと10μmの切込みをそれぞれ行ったときの本装置の出力と切削動力計の出力を計測し，メモリ機能で同一画面上に表示したものを図8に示す。図より切込み量の違いによる変化
を，はっきりと観察することができた。

コレットホルダ

空運転時

184mm

切込み量

5μm

切込み量

10μm

動力計出力

＋Z

空運転時

本装置出力

切込み量

5μm

切込み量

10μm

バイトホルダ

図8

計測結果

3 結果と考察
切削動力計
図5

本研究では，螺旋状の磁性体を用い，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加工状況案した。本装置での旋削加工実験を行った結果，φ3mm
ノーズR0.2mmのサーメットチップを用いたことによのSK-4材に対して，切込み量0.1mmから5μmまでの切削

り，5μmの切込みにおいても，流れ型の円筒螺旋状切が可能なことが分かり，加工力をリアルタイムに検出屑を示した。0.1mmと5μm切込み時の切屑を図6と図7することが可能なことが確認できた。
今後は，さらに本装置の特性評価を行い，小径工具に示す。

を把持した場合のトルク計測装置との比較検討を行っていく予定である。
73μm
4 参考文献140μm1)竹下朋春，他：2005年度精密工学会春季大会学術講
演会講演論文集，H55(2005)
図6

切屑（切込み量0.1mm）

図7

切屑（切込み量5μm）

紫外線高透過率マイクロリアクターの開発
牛尾 雅樹 *1

周善寺 清隆 *1

酒井 雅洋 *2

京谷 忠幸 *5

鈴木 裕 *6

沼 浩司 *3

伊藤 哲史 *4

草壁 克己 *7

Development of High Permeability Micro-Reactor for High Precision Machine Tools
Masaki Ushio, Kiyotaka Shuzen, Masahiro Sakai, Koji Numa, Tetsushi Ito,
Tadayuki Kyotani, Hiroshi Suzuki, Katsumi Kusakabe
本調査研究は，生化学における部材であるマイクロリアクターの試作について行った。計測用マイクロリアクタ
ーは，反応流路途中に反応物の状態計測を行うための計測窓を設ける。その計測窓は，全波長域で高い光透過率が求められる。また，一般的な反応や混合・攪拌等に用いるマイクロリアクターよりも，耐久性を求められる。したがって本試作では，高硬度材料でかつ，全波長域で高い光透過率を有する合成石英を用いることとした。
加工プロセスの観点からは，その生産効率を保つため，管路はエンドミルによる加工を目指し，透明性の必要とされる計測窓にのみ，超音波加振を行った単結晶ヘール工具による平滑加工を行うこととした。本試作で得られた試作品について，各種評価を行いその有効性を検討し，商品化への方策について検討を行う。

1 はじめにマイクロリアクターは，化学物質の反応や混合・攪拌等に用いるもので，一般的に量産加工は，光露光装
置によるエッチング処理により生産されている。
本研究では，研究機関における少量多品種生産に対応することを目的に，切削加工による加工プロセスの下する。したがって，さらに壁面を平滑化する手法として，非回転工具（以下ヘール工具）を用いた。
高硬度脆性材料の壁面平滑化には，延性モード切削の実現が必要不可欠である。ここでは，加工対象を合成石英とし，ダイヤモンドヘール工具に捻り超音波を加振した切削プロセスについて考察した。

構築を試みた。光透過型マイクロリアクターを試作例

超音波振動切削は，数種類の加振モードがあり，良として，エンドミル加工を主に用いることにより，生好な加工面を得られることと，切削抵抗が減少し工具産効率を維持しながら，特に光透過率を求められる計

寿命が延長することが報告されている。

測窓については，平滑加工の一種である，超音波捻り
加振ヘール工具 1) による加工を実施した。

ここでは，管路底壁面の平滑性を重視し，幾何学的に影響を与えにくい捻り振動を採用した。
具体的には，従来のダイヤモンドヘール工具に捻り2 研究，実験方法
2-1 合成石英加工特性の把握

超音波を付加し，切削性能の把握を試みた。
捻り超音波加振は，工具軸心を中心とし，工具に捻計測用リアクターは，反応管路中に計測窓を設け，りを与えるものである。この加振法では，工具進行方

反応物質を計測する目的で使用される。その計測窓は向にのみ，工具先端が変位するものであり，平滑化を反応物質を鮮明に計測する必要があり，計測窓の管路必要とする管路底面に影響を与えない工具経路を実現

底面の面祖度は極力良好なものが望まれる。

することが可能である。

回転工具によるリアクター管路の形成では，工具回転中心の切削速度低下に起因し，加工面面祖度が低

一方，延性モードによる切削加工は，連続的な切り屑が発生する条件を設定する必要がある。
種々の研究報告では，切込み量を微少に設定するこ*1 機械電子研究所*2 ㈱旭製作所 福岡営業所*3 ヒートシステム㈱*4 ㈱加工技術研究所*5 ㈱ピーエムティー*6 九州工業大学 情報工学部*7 福岡女子大学とにより，脆性モード切削から延性モード切削に移行することが報告がされている。報告例から，切り込み量0.1μm付近での切削特性について検証実験を行うこととした。切削モードの判断は，切り屑の形状により行うこととする。導出した切削条件により，リアクタ

ー計測窓の試作加工を行い，管路底面の面祖度・光透Sの位置に戻る現象を繰り返す。

過率測定を通じて，切削特性評価を行う。
2-2 加工機開発・精度確認
図1に 示 すヘ ール 加 工専 用 の試 作 装置(㈱Ｐ Ｍ Ｔ社製)を用いた。最小位置決め精度50nm及び真直度50nmで動作することを目標にしたものである。
計測用マイクロリアクターの試作は，流路をエンド
ミルによる切削加工により，仕上げまでを行い，計測用窓については，エンドミルによる荒加工の後，超音
波捻り加振ヘール工具を用いた平滑加工を行い，壁面を平滑化することにより光透過率を高めることを目的とした。したがって，流路を形成するXY平面では，管路の正確な形成に，位置決め精度・経路の真直度が必
要となる。

図1

試作加工装置

1）XYZの空間精度計測
2）XY平面での位置決め測定
Cutting Direction

3）XY平面での真直度測定
加工装置の精度確認として，以上の3項目を実施した。
2-3 光透過率の評価
特に計測窓について，紫外線(波長254nm)を照射して，

Tool

Chip

その透過率を計測した。

Vibration Direction
Work piece

3 結果と考察3-1 合成石英加工特性の把握

Amplitude of Vibration

超音波加振の切削特性は，振動により工具が切り屑から離れるため，切り屑の排出が容易かつ切削抵抗が

図2

超音波捻り加振での刃先挙動減少により，仕上げ面粗さが良くなる。また工具が切り屑から離れる際，切削液が切削点に直接供給されるため，切削液の効果が十分に得られ工具寿命の増長が期待できる。

S’＝Vt+asinωt

切り屑と工具すくい面が規則的に振動し図2のようなたす必要がある。ただし，ｆは振動数，aは振幅，V`は切削速度である。

式(1)Movements(S)ことであり，この条件を満足させるためには式(1)を満The Amount of

空隙ができ，切れ刃の冷却効果や潤滑効果を助長する

S＝Vt

Cutting Energy
Ｔ

0

Ｔ’

Time(t)Average

このときのV`=2πafを臨界速度とよぶ。この速度以上

図3

Cutting

時間軸に対する切削抵抗の切削加工を行った場合，加振効果は期待できない。
すなわちV<V`の場合は，図3のように切削抵抗はパルス種々の条件について切削実験を行った結果，表面粗状の波形となり，1サイクル中に必ず通常切削の移動量

さは切込み深さを小さくすることで，低減できること

を確認できた。図4にその加工面を，図5に切り屑を拡
大顕微鏡写真で示す。(A)は超音波加振時であり，(B)100μmは通常の加工である。計測結果を検証すると，加振による切削特性の向上を確認できる。
(A)加振時

切り込み深さは双方0.1μmであるが，超音波加振の有無により，延性モード切削の実現性が示せる。すな

100μm

わち，切り屑の形状確認を行うことにより，切削加工
モードの違いを顕著に見ることができる。なお形状計(B)通常時

測には，KEYENCE光学式顕微鏡VH8000を用いた。
図4

同箇所をTaylor Hobson社製FormTarysurf-120Lで表計測窓加工結果(加工面)面粗さの計測を行った結果，最も良い加工条件で0.11100μmμmRyであった。
3-2 加工機開発・精度確認
3-2-1 XYZの空間精度計測(A)加振時ISO230-6に準拠したXYZ空間精度計測を，動作経路計
測システムにて計測した。

100μm

本測定方法は，工作機械の3次元的な位置決め精度を計測し，工作機械の総合的な精度傾向を示すものであ(B)通常時る。測定範囲を，特にヘール加工を用いる部位に特定

図5

計測窓加工結果(切り屑)し，その範囲を5mmと定め，3次元的な動作経路を1mm毎に位置決め誤差を計測した。若干の差異があるもの

20

x 10

-4

測定データ
x方向 #1x方向 #2x方向 #3の，3次元的な空間精度は1.2μmであった。
3-2-2 XY平面での位置決め測定

横軸が動作距離であり，縦軸が動作指令に対する機械動作の誤差量を示している位置決めの不確かさは，特positioning error mm

流路を形成する際に，XY位置決め精度を計測した，

15

10

5

に流路創成を分割して行う際に，その勘合点の生成に0

ついて影響を及ぼす。
図6がX軸，図7がY軸で共に動作距離100mmを10mm間隔で

-5

0

10

20

30

静止し，データを収録している。計測の結果，X軸は
図61.82μm/100mm，Y軸は1.25μm/100mmであった。したがって流路形成において，試作加工装置は，ミクロンレ
14

ベルの流路形状形成を行えることが分かる。

真直度について計測を行った。
図8がX軸，図9がY軸で共に動作距離100mmの動作経路

80

90

100

90

100

位置決め精度計測(X軸)

-4

測定データ

10
8
positioning error mmな関係がある。したがって，前項と同様に，X軸Y軸の70

y方向 #1y方向 #2y方向 #312

3-2-3 XY平面での真直度測定
さらに流路壁面の真直は，加工装置の真直度と密接

x 10

40
50
60
X distance mm

6
4
2
0

を計測した。計測の結果X軸は0.095μm /100mm，Y軸は0.051μm/100mmであった。

-2
-4

0

10

20

図7

30

40
50
60
Y distance mm

7080

位置決め精度計測(Y軸)

4

x 10

-4

X方向真直度測定 (回転補正済み)
#1
#2
#3

3

2

y mm

1

0

-1

-2

(A)加振ヘール加工面
-3

-4

0

10

20

30

40

50
x mm

60

70

80

図8

真直度精度計測(X軸)

90

100

Y方向真直度測定 (回転補正済み)

100

#1
#2
#3

90
80
70

(B)エンドミル加工面

y mm

60

図11

50

計測窓の拡大顕微鏡写真

40
30
20
10
0
-4

-3

-2

図9

-1

0
x mm

1

2

3

4
x 10

-4

真直度精度計測(Y軸)

図12試作リアクターでの流体計測実験

リアクター内に無着色および着色した水を流したと
ころ図12に示すように，流路拡大部で，大きな乱れもなく安定な2相流が形成できることがわかった。
図10

試作マイクロリアクター
4 まとめ

3-3 光透過率の評価
エンドミルによる通常の加工面では波長254nmの紫外線透過率が62.6％であるのに対して，ヘール加工を施した面の透過率は86.1%であった（図10参照）。
なお，目標値は紫外線透過率90％であったが，現状の透過率でも光学的補正により計測が可能である。

本調査研究では，高硬度脆性材料である合成石英に対し，切削加工による微細経路と高い光透過率を有する計測窓を創成し，検証実験を行った。
その結果，試作リアクターを加工するプロセスの構築ができた。今後，製造コストのさらなる低減を目指
し，工具開発等を進め，実用化を進める。

共焦点レーザ顕微鏡で観測した加工面の状態を
図11に示す。
エンドミル加工面では切削痕が見えるが，ヘール加
工面では切削痕は消失し，平滑化している。

5 参考文献1)鈴木裕，他：精密工学会誌，掲載予定「捻り超音波
加振を用いたヘール工具の加工特性」(2006)

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

Development of Microwave Drying under Reduced Pressure Condition by Irradiation
Control and External Air Supply
Tadahisa Hayashi, Takaharu Tsuruta
本研究では，主な従来乾燥方式である温風乾燥方式に代わる新しい乾燥方式としてマイクロ波減圧乾燥技術を開発してきた。平成16年度は，外気導入法と温度制御法によって海産物の乾燥時間を品質の劣化がほとんどない状態
で温風乾燥の1/20に短縮することに成功した。そこで平成17年度は，乾燥室約10リットルのプロトタイプを製作し，海産物，果実および野菜等の試料約500gに対する熱効率，乾燥速度と温度等を調べ，大気導入型マイクロ波減圧乾燥機の実用化に向けての仕様に関する標準化について検討を行った。本稿では，検討を行ったマイクロ波減圧乾燥の標準化について報告する。

1 はじめに機の実用化に向けて仕様の標準化について検討した。

乾燥技術は，食品加工，医 薬品，紙およ び半導体

具体的には， 試料としてホタテ貝柱，鮭，バナナ等に至るまで幅広い分野で用いられている。しかし，特を用い，複数個の試料とマイクロ波出力との関係を恒

殊な加工品の乾燥を除いて，ほとんどが，温風，蒸気率乾燥期間のマイクロ波利用効率に整理して検討した。

や輻射などの外部加熱による熱伝達および熱伝導を用

また，その時の乾燥特性を調べて，最も効率的な乾燥

いた乾燥方式である。そのため，特に食品などにおいを行うための仕様を検討した。これまでにもマイクロては温度上昇による表面変質や内部の細胞の膨潤等が

波減圧乾燥の乾燥特性等について評価を行った例 3)-5)

生じ，内部水分の表面への移動流路が閉塞され，内部はあるが，マイクロ波減圧乾燥の乾燥仕様の標準化を

輸送抵抗の増大によって乾燥速度が低下し，乾燥時間検討した例は見られない。

が長くなっている 1) 。このため各業界では，品質を維持したまま短時間で乾燥ができる乾燥法を模索してい2 研究，実験方法る。これまでに，業務用電子レンジを用いたマイクロ

2-1 実験装置

波減圧乾燥によるホタテ貝柱の乾燥実験を行い，ホタ2)

実験装置は，図1に示したようにマイクロ波発生装

テ貝柱1個の乾燥特性を調べてきた 。その成果とし

置，減圧容器と真空ポンプによって構成されている。

て，減圧容器内に少量の大気を導入してマイクロ波を減圧容器は，径300mm，高さ350mmの円筒形であり，減照射することでホタテ貝柱表面から蒸発する蒸気を効

圧装置中央側面とマイクロ波発生装置とを導波管（縦率的に減圧容器外へ排出し，マイクロ波の出力を調整

80×横100×高さ300）により接続している。また，減して貝柱の温度を常温程度にコントロールすることに

圧 容 器 と 導 波 管 と の 接 続 部 分 に は ， 径 100mm ， 厚 み

より乾燥時間を温風乾燥の約1/20に短縮することに成10mmの石英ガラスを設置して減圧容器内の圧力を保ち功した。また，マイクロ波により試料内の水分に選択ながらマイクロ波を減圧容器内に照射する。マイクロ的に蒸発潜熱分のみエネルギーを供給することで，省波は，出力を0～1500Wの間で調整して連続照射する。

エネルギーで高効率な乾燥を実現できることを見出し

また，マイクロ波発生装置の保護のため反射したマイた。本研究では，これまでのマイクロ波減圧乾燥実験

クロ波を吸収して熱に変換できるアイソレータを導波によって得られた知見をもとに，大気導入やマイクロ

管 中 に 設 置 し た 。 減 圧 容 器 内 の 圧 力 は ， 0.8kPa ～波出力の調整による温度制御を組み合わせた小型プロ

101.3kPaの間で調整することが出来る。圧力の測定は，トタイプを試作して，大気導入型マイクロ波減圧乾燥

ピラニ式真空計で行った。大気導入系は，減圧容器上部側面の直径5mmの配管により流量計で調整した空気*1 機械電子研究所*2 九州工業大学

を減圧容器内へ流入させる。本装置では，導入する大気の温度と湿度が一定でないため，大気の代わりに窒個数，種類や蒸発面積による乾燥特性への影響につい素ボンベ（15MPa）から窒素を流入させた。

ても検討した。
ここでおもな記号は次のとおりである。
Lw ：水の蒸発潜熱[J/kg]

M m ：試料内部の水分[kg]∆m ：試料1個が恒率乾燥期間に蒸発した水分の
質量

n

[kg]

：試料の個数Q& ：マイクロ波の出力[W]∆t ：恒率乾燥期間の時間
η

図 1 実験装置：マイクロ波利用効率[second](式1で定義)3 結果と考察3-1 マイクロ波利用効率と乾燥特性

2-2 実験方法マ イ ク ロ 波 減 圧 乾燥 は ， 圧 力2700Pa，窒 素 導入 量

図2は，試料保持する水分量に対するマイクロ波利

2L/minの条件のもと，マイクロ波出力12.5W，100Wと用 効 率 の 評 価 結 果 を 示 す 。 図 2か ら マ イ ク ロ 波 出 力

150Wの3段階で複数個の試料に対するマイクロ波利用

100Wに対する本装置でのマイクロ波利用効率の最大値

効率を調べるとともにその時の乾燥特性も調べた。実は，試料内部の水分量約200gに対して約45.8%である

験試料は，ホタテ貝柱，鮭，バナナ，大根を用いた。

ことがわかる。100Wにおいては，鮭，バナナおよび大

バナナと大根は，長さ30mmに切断して用いた。実験は，根の結果も示しているが，ほとんど差がなく，水分量

12.5W，100W，150Wの各マイクロ波出力に対してホタ200gにおいて最高の利用効率となっている。そこで最テ貝柱1個(水分量23g)～14個(水分量335g)，鮭5切れ

適なマイクロ波出力は，試料内部の水分量1gあたり約(水分量203g)，バナナ3個(水分量51g)～19個(水分量0.5Wと考えられる。マイクロ波利用効率が水分量約253g)および大根1個(水分量27g)～5個(水分量208g)の200g以上で低下しているのは，必要な蒸発潜熱量に対試料個数の中から18ケースを実施した。

してマイクロ波の出力が不足しているためであり，逆

具体的には，各試料を減圧容器内の皿に均等に配置に水分量約200g以下で低下しているのは，必要な蒸発して2700Paまで減圧した後にマイクロ波を連続照射し潜熱量に対してマイクロ波の出力が過大であるため，た。含水率と蒸発速度は，15分おきに試料1個ずつの水分に吸収されずに熱損失として放出される量が多く質量を測定して全個数の平均値で求めた。含水率は，なるためである。ここで，ホタテ貝柱1個（水分量

常圧加熱乾燥法を用いて測定した。乾燥前の試料の質25g）と12個（水分量300g）に対してマイクロ波出力量を M a とし，乾燥温度80℃，乾燥時間24時間で完全乾燥を行った後の試料の質量を M b とした場合，含水50

ω=Ma −MbMb(1)

マイクロ波利用効率は，乾燥開始から含水率約1までの恒率乾燥期におけるマイクロ波総出力に対する蒸発潜熱量として定義し，式(2)で求めた。

η=

L w ⋅ ∆m ⋅ n
Q& ⋅ ∆t(2)

各ケースにおける乾燥特性を評価し，マイクロ波減圧乾燥にとって最適な仕様を調べるとともに，試料のEnergy efficiency (%)

率 ω は，式(1)のように求められる。

45
40
35

Scallop(12.5W)
Scallop(100W)
Salmon(100W)
Banana(100W)
Radish(100W)
Scallop(150W)

30
25
20

0

50

100 150 200 250 300 350

Mass of water (g)図2

マイクロ波利用効率

を12.5W（25g×0.5W/g）と150W（300g×0.5W/g）に調たがってホタテ貝柱おのおのの限界含水率も含水率1

節して，マイクロ波減圧乾燥を行った。ホタテ貝柱1～1.5にある。

個では，マイクロ波出力100Wでマイクロ波利用効率が以上の結果から，保有水分量に対して最大マイクロ

23.4%であったのに対してマイクロ波出力を12.5Wまで

波利用効率を達成できるマイクロ波出力0.5W/gを照射低下させることにより熱損失分を削減することができすることにより，ホタテ貝柱の個数が異なっていてもるためマイクロ波利用効率を43.7%まで上昇させるこ同じ乾燥特性を得ることができることを確認した。

とができた。また，ホタテ貝柱12個では，マイクロ波

して，マイクロ波出力を150Wまで上昇させることにより必要な蒸発潜熱の不足分を補うことができるため，
マイクロ波利用効率を44.8%まで上昇させることができた。
さらに，ホタテ貝柱1個，8個と12個についての乾燥特性を調べた。図3は，ホタテ貝柱の各個数に対する含水率と温度の過度変化である。温度については，ホ

0.2

Evaporation rate (g/min)

出力100Wでマイクロ波利用効率が41%であったのに対

0.15

0.1
8 piece(100W)
1 piece(12.5W)
12 piece(150W)

0.05

0

タテ貝柱1個と8個の表面温度と内部中央温度を示して

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Moisture content (g/g-dry)

いる。図4は，乾燥特性曲線である。マイクロ波出力
図4100Wの条件は，ホタテ貝柱8個に対して最大利用効率

乾燥特性曲線(ホタテ貝柱)を示すものである。したがって，ホタテ貝柱1個では過剰なマイクロ波出力によりマイクロ波利用効率は低3-2 被乾燥物の種類による乾燥特性への影響
図 5 は ， ホ タ テ 貝 柱 8 個 （ 水 分 量 203g ， 蒸 発 面 積

ホタテ貝柱12個では，供給すべき蒸発潜熱の不足によ

0.0157m2 ）， 鮭 5 切 れ （ 水 分 量 203g ， 蒸 発 面 積

り乾燥時間が長くなっている。ここで，ホタテ貝柱10.0227m2 ）とバナナ15個（水分量203g，蒸発面積）の個と12個に対してマイクロ波出力をそれぞれ12.5Wと含水率と温度の過渡変化である。温度については，代150Wに調整して行った結果と，ホタテ貝柱8個をマイ表としてホタテ貝柱とバナナの表面温度および中心温

クロ波出力100Wで乾燥した結果とを比較すると，含水度を示している。図6に乾燥特性曲線を示す。ただし，率および温度の過渡変化ともほぼ一致する。さらに図同一の水分量を有する試料であっても種類により個数

4から乾燥特性曲線もほぼ一致することがわかる。ホが異なることから，蒸発速度は試料の全蒸発量の時間

タテ貝柱1個と8個とも表面温度が含水率1～1.5で上昇変化から求めた。ホタテ貝柱，鮭とバナナの含水率としており，蒸発速度が含水率1～1.5から低下する。し温度の過渡変化は，試料の種類および蒸発面積が異な

4
3

250
200
150

1

50

0

0

0.5

1

1.5

2

0
2.5

Time (hour)
図3

含水率と温度変化(ホタテ貝柱)

Moisture content
Scallop
SalmonBanana43

Temperature

250

Scallop-Surface
200
Scallop-center
Banana-surface
Banana-center

150

2

100

1

50

o

100

o

2

5

Temperature( C)

Temperature
Surface(8 piece-100w)
Center(8 piece-100w) Moisture Content
Surface(1 piece-12.5w)
8 piece(100w)
Center(1 piece-12.5w)
1 piece(100w)
12 piece(100w)
1 piece(12.5w)
12 piece(150w)

Moisture content (g/g-dry)5

Temperature ( C)Moisture Content (g/g-dry)

下するが，乾燥時間は大幅に短くなっている。また，

0

0

0.5

1

1.5

2

Time (hour)
図5

含水率と温度変化

02.5

っても，おおよそ一致する。さらにホタテ貝柱とバナしたがって，試料の種類と内部の水分質量が異なってナの両表面温度とも含水率1～1.5で上昇するとともにいても，保有水分量を基準に置いたマイクロ波出力を乾燥速度が低下している。したがってホタテ貝柱およ

設定することにより，最適な乾燥特性を維持し，かつびバナナの両限界含水量とも含水率は1～1.5と考えら最大のマイクロ波利用効率を得るためのマイクロ波出れる。このことからマイクロ波減圧乾燥では，試料の力の標準化が可能であるといえる。

種類および蒸発面積に関係なく試料内部の水分量が同じであれば乾燥特性はほぼ等しくなると考えられる。

4 まとめ
本研究により以下の知見が得られた。
(1) 試作したマイクロ波減圧乾燥装置に対し，最大マ

Evaporation rate (g/min)2
Scallop
BananaRadishSalmon1.5

イクロ波利用効率を達成できるマイクロ波出力は，試料内部の水分量1gあたり0.5Wであった。
(2) マイクロ波減圧乾燥では，試料の種類，個数や蒸1

発面積が異なっていても，試料内の水分量に対して0.5W/gのマイクロ波を照射することによって，0.5

最大のマイクロ波利用効率と最高効率の乾燥特性を得ることができる。

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Moisture content (g/g-dry)
図6

乾燥特性曲線(3) マイクロ波減圧乾燥の恒率乾燥期間における蒸発速度は，試料の種類，個数，蒸発面積に関係なく，
マイクロ波による試料への入熱量がすべて蒸発潜
熱に供給されるため入熱量の大きさで決まる。

3-3 マイクロ波出力の標準化
前述のとおり，本装置では内部保有水分量1gあたり

5 参考文献に約0.5Wのマイクロ波出力とすることにより，その利

1)Hayashi,T. et al., Heat and Mass Transfer in

用効率を最大とすることができる。図9に，これまで

Hot-air Drying Process of Seafood, Proceedingsに示した試料を含め，最適となる試料水分量とマイク

of

ロ波出力との関係を示す。さらに，これに基づいてホTransfer, p.165-166 (2004)

the

1st

International

Forum

on

Heat

タ テ 貝柱29個 （ 水 分量 約730g ）に 対 して マ イクロ波2)Hayashi,T.

の出力を370Wに調整して行った実験結果を示しておく。

Microwave

図10は，その乾燥特性曲線である。図10からホタテ貝

Proceeding of the Sixth KSME-JSME Thermal and

柱8個と29個との乾燥特性曲線はほぼ一致している。

Fluids Engineering Conference, p.106 (2005)

andDrying3)A.E,Drouzas.

Microwave power (W)400
Scallop
Water
SalmonBananaRadish

350
300
250

and

SystemH,

ImprovementforSchubert.,of

Seafood,

Microwave

Application Vol.28, p.203-209 (1996)4)Muranaka, T. and Goto, Y., Vacuum Drying of
Vegetables by Microwave, Electro-Heat No.56,
p.43-51 (1991)

200
12 Piece(Scallop)

150
100

6 Piece(Salmon)

8 Piece(Scallop)
5 Piece(Radish)50
029 Piece(Scallop)

Tsuruta,T.,

15 Piece(Banana)

1 Piece(Scallop)

0100 200 300 400 500 600 700 800

Mass of moisture (g)
図7

水分量とマイクロ波照射出力5)Hiraoka,Y. et al., Studies on the Microwave
Drying(part1),Business

AnnualReportof

Ehime Industrial technology Center, No.308,
p.51-56 (1992)

液体の微粒化凍結技術を用いた超精密洗浄ノズルの開発
周善寺 清隆 *1

Development of Ultra Precision Cleaning Nozzle
by Using Atomization and Freezing Technology
Kiyotaka Shuzenji
半導体等の超精密洗浄に好適な微粒化凍結機能を有するノズルの開発を目的として，ノズル出口における液滴の微粒化特性および速度を測定するとともに，ノズル内における液滴の冷却過程を解析により調べた。平均流速484m/s，
平均粒径D30=10.7µmの微細な噴霧が測定された。またノズル出口における噴霧粒子の相は，粒子直径に依存し，粒径が小さい場合，ノズル内において凍結することが示された。

1 はじめに

2 実験装置および方法

半導体やガラス基板の製造プロセスにおいて，洗浄

図1，2に実験装置および実験装置の設置状況をそれ工程は不可欠であり，パターニングの微細化に伴って，ぞれ示す。コンプレッサにより圧縮された空気は，冷サブミクロン以下の粒子状汚染物質の除去を可能とす

凍式 エ アド ラ イヤ に より 除 湿さ れ たの ち ，タ ン クにる新たな洗浄方法の開発が待ち望まれている。また，

0.7[MPa]で貯気される。除湿空気の露点は，大気圧換

オゾン層破壊や地球温暖化などの環境問題に配慮した

算で約-13[℃]であり，タンク内容積は0.6[m3]である。

低環境負荷の技術であることが前提となる。

このタンク内の空気を，減圧弁により設定圧力に調整

気液二流体ノズルによる洗浄は，従来のメガソニッ

し，バルブを開放することにより，圧縮空気をラバル

クスクラバやブラシスクラバを上回る洗浄性能を有し，ノズルに導入する。タンク内およびノズル前の温度，90nm以降の製造プロセスにおいて，益々重要性を増している 1) 。本研究では，この気液二流体ジェットの噴
射速度を音速以上，超音速とすることを特徴とする，
微粒化凍結技術を用いた洗浄方法を提案する。ここで，微粒化凍結技術とは，ラバルノズルを用いることにより，液体を微粒化すると同時に断熱膨張による急冷効
果により，氷粒子を含む，固液二層の噴霧粒子群を形成する技術であり 2) ，生成した噴霧粒子を超音速で洗浄対象に衝突させることにより高い洗浄効果を期待することができる。以前より，液体窒素を冷媒として微

図1

実験装置

小な氷粒子を作成し，高速で噴射するアイスブラスト
洗浄は開発され，優れた洗浄能力が確認されているが，設備コスト，ランニングコストの問題から現在はほとんど使用されてない状況にある。
本研究では，半導体等の超精密洗浄に好適な微粒化
凍結機能を有するノズルの開発を目的として，液滴の微粒化特性を位相ドップラ法により測定するとともに，ノズル内における液滴の冷却過程を把握し，実用化に向けた圧縮空気流量の低減を図った。

*1 機械電子研究所

図2

実験装置の設置状況

圧力は，それぞれ熱電対およびブルドン管により常時0.5測定した。ノズル出口における噴霧の粒径，速度を位ージ上にラバルノズルを設置することで，測定位置を調整した。
圧縮空気の断 熱膨張により 超音速流れを 得るためには，ノズルの形状を適切に設計する必要があり，特性曲線法 3) を用いて設計し製作した。ノズルの材質は，Wall static pressure, MPa

相ドップラ流速計（PDA）により計測し，三軸移動ステ

M1.9
M2.2
M2.5

0.4
0.3
0.2
0.1

氷の壁面への付着を防止し，断熱効果も非常に優れているテフロン樹脂（PTFE）を用いた。ノズル内の流れ

0
-50

0

50

100

150

場を評価するために，壁面に静圧測定孔を設けた。今Distance from the throat, mm

回製作したノズルの設計マッハ数は1.9，2.2，2.5であ

図3

壁面静圧分布る。スロート部の直径は5[mm]，スロートから出口までの長さは約200[mm]であり，出口は大気に開放されている。
ノズルに供給する水は，タンク内を窒素ガスにより加圧することにより，孔径0.2[µm]のメンブレンフィ
ルタを通過させた後，5[℃]まで冷却され，ニードルバ
ルブにより設定流量に調整される。本実験においては，水の流量は 30[mL/min] に設定した。

3 実験結果3-1 壁面静圧分布測定
壁面静圧分布を測定することによりノズル内の流れの状態を調べた。ノズル前の全圧は 0.7[MPa]，タンク
内温度は 約15[℃]である。図3に設計マッハ数1.9，2.2，
2.5における壁面静圧分布を示す。ノズルの設計マッハ

図 4-1

粒径分布 (Z,R)=(100,0)℃

数と静圧の設計マッハ数が大きい，つまり膨張比が大きいほど，スロートより60[mm]以降の位置における静圧は低下しており，適切に設計，製作がなされていることが確認される。また，本研究ではノズル出口におけるマッハ数の計測は，衝撃波の干渉があり，誤差を生じるため避け，位相ドップラ法によりノズル出口における噴霧の速度を測定した。
3-2 粒径と速度
位相ドップラ流速計を用いて，ラバルノズル出口における噴霧の粒径，速度について測定した。ただし，
ノズル出口の中心を原点(Z,R)=(0,0)として，速度の計
測位置は(Z,R)=(10,0)，また噴霧濃度が高いことにより，粒径に関してのデータの信頼性確保が困難であったため，(Z,R)=(100,0)において粒径の計測を行った。
測 定 結 果 の 一 例 と し て ， 設 計 マ ッ ハ 数 M2.2 ， 全 圧

図 4-2

速度分布 (Z,R)=(10,0)200

0.7[MPa]における図4-1，4-2にそれぞれ示す。測定結ている。また，平均速度は484[m/s]であり，全圧と大気圧の圧力比7.0で実現可能なマッハ数は約1.9，全温を15[℃]とした場合，494[m/s]と見積もれることから，
噴霧はノズル内においてほぼ理想的に加速されていることがわかる。

Ice nucleation rate, cm s

D32=13.4[µm]であり，非常に細かい噴霧粒子が生成し-3 -1

果 よ り ， 平 均 粒 径 は D10=8.3 ， D20=9.5 ， D30=10.7 ，

4 解析結果

10

20

10

18

10

16

10

14

10

12

10

10

10

8

10

6

10

4

10

2

10

0

-44

-42

-40

ラバルノズル内に供給された水は，微粒化されると同時に，断熱膨張により温度が低下した主流空気に急態を調べるために，液滴の粒径に対する過冷却解除温度および液滴の冷却過程を解析により求めた。
4-1 過冷却解除温度
核生成頻度 J(T) [cm-3sec-1]を図5に示す 4) 。液滴の99.99[%]が凍結する温度T99.99 とすれば，核生成頻度，
冷却速度 γc [K/sec]，液滴の体積 Vd [cm3] から，次式

-32

35

40

Cooling rate: 1.05E+05 [℃/s]
-41
-42
-43
-44
-45

0

5

のように表される 4)。
T0

-34

-40
Ice nucleation temperature, ℃つ。そこで本研究では，ノズル出口における液体の状-36

核生成頻度 4)

図5

激に 冷 却さ れ る。 微 小な 液 滴は 過 冷却 現 象に よ り，
0[℃]以下においても容易に凍結せず，液体の状態を保-38

Temperature, ℃

10

15

20

25

30

Droplet diameter, µm

γc∫T99.99 J (T )dT = 9.21Vd

図6

液滴粒径と核生成温度(1)
冷却液滴の比熱について，水は-15[℃]以下において急液滴は噴射速度から空気の速度500[m/s]まで加速さ

激な比熱の変化を生じるため，-42～0[℃]までの平均れるため，ノズル長さ0.2[m]であれば，液滴はノズル

比熱として，4.9[J/g/K]とした 5)。 計算は，球のハイ内に少なくとも0.4[msec]滞在する。ここで，過冷却解

スラー線図 6) を用いて行った。熱伝達率は液滴と空気

除温度-42[℃] に0.4[msec]で達すると仮定した場合，の相対速度により変化するため，0～100[m/sec]の範囲

冷却速度は1.05E+05[℃/s]となる。図6に式(1)より求を仮定して計算した。また解析結果より，液滴内部のめた粒径に対する凍結温度Tf を示す。図より，液滴直温度分布について，液滴の中心と表面では，粒径と相径3～35[µm]において，液滴は-42±1 [℃]の範囲で核対速度にもよるが，数℃の温度差があり，液滴の凍結生成を生じる。したがって本解析では，-42[℃]を過冷

は表面より生じることがわかった。

却が解除される温度，均一核生成温度とし，この温度解析結果の一例として，図7に相対速度に対する直径に達した場合に，瞬時に過冷却が解除されるものとす

10[µm]の液滴の表面温度の時間変化を示す。液滴の表る。

面温度は時間の経過とともに，徐々に低下し，液滴の4-2 非定常熱伝導解析

温度が-42[℃]に達した時間において，液滴は瞬時に過空気からの熱伝達による液滴（球）の温度低下の時冷却解除し，凍結する。図8に液滴の直径，相対速度か間変化を求めた。初期温度Ti=0[℃]，直径Dの水滴が，ら，過冷却解除時間を求めた結果について示す。図よ突然，一定温度-100[℃]の空気に接し，表面から熱伝り，液滴の直径が小さいほど，かつ相対速度が大きい

達により冷却される。仮定として，空気の温度ほど液滴は短時間に凍結することがわかる。液滴の直Tair=-100[℃]，水滴は真球状であるとする。また，過径，および相対速度によるが，ほぼ1[msec]以下の極め

て短い時間に液滴は凍結に至ることがわかる。ここで，ノズル内において液滴が凍結するため，実際の相対速

液滴がノズル内に滞在する時間は，ノズルの長さと，度を今後求める必要があるが，少なくとも5ミクロン以

平均相対速度から求めることができる。図9に滞留時間

下の液滴については，ノズル内において凍結している。

と液滴の凍結時間を求めた結果について示す。図より，滞留時間よりも液滴の凍結時間が短い条件において，5 まとめ
半導体等の超精密洗浄に好適な微粒化凍結機能を有

Droplet surface temperature, ℃

00 [m/s]
10 [m/s]
25 [m/s]
50 [m/s]
100 [m/s]

D = 10 [µm]-20

液滴の微粒化特性および速度を位相ドップラ法により測定するとともに，ノズル内における液滴の冷却過程を解析により調べた。本研究より得られた知見は以下-40のようである。
-601) 位相ドップラ流速計による計測結果より，平均粒-80

径D10=8.3，D30=10.7ミクロンの微細な液滴が平均
-100

0

0.5

1

1.5

2

Time, msec

図7するノズルの開発を目的として，ノズル出口における流速484[m/s]の超音速で，ノズル出口より噴射されている。

粒径，相対速度に対する液滴の表面温度変化

2) 過冷却解除頻度から，液滴の直径に対する過冷却
解除温度を求めた結果，直径3～35ミクロンの微小な液滴は，-42±1[℃]において過冷却解除され，Time needed for ice nucleation, msec

1

10

0 [m/s]
10 [m/s]
25 [m/s]
50 [m/s]
100 [m/s]

凍結する。
3) ハイスラー線図による熱伝導解析および過冷却解
除温度解析より，少なくとも5ミクロン以下の液滴については，ノズル内において凍結している。

0

10

6 参考文献1)田中健，広井孝彦，多田益太，山本剛士：太陽日酸
技報，No.23，p.82-85 (2004)

-1

10

5

10

15

20

Droplet diameter, µm

図82)周善 寺清 隆 ：福 岡 県工 業 技術 セ ンタ ー 研究 報 告，No.14，p.121-124 (2004)

液滴粒径と氷核生成時間3)H. W. Liepmann and A. Roshko: Elements of
Gasdynamics (1960)
4)H. R. Pruppacher: Journal of the AtmosphericTime needed for ice nucleation, msec

1

10

Residence time

5 [µm]
10 [µm]15 [µm]20 [µm]Sciences, Vol.52, No.11, p.1924-1933 (1995)
5)C. A. Angell, M. Oguni, and W. J. Slchina: The
Journal0ofPhysicalChemistry,

Vol.86,

p.998-1002 (1982)

106)M. P. Heisler: Trans. ASME, Vol.69, p.227 (1947)

-1

10

0

20

40

60

80

Relative velocity, m/s

図9

氷核生成時間とノズル内滞留時間100光学的変形計測手法を利用した構造物診断のための全視野計測法の開発
デジタル画像相関法を用いたコンクリートの変形挙動計測
内野 正和 *1

佐川 康貴 *2

尾上 幸造 *3

Development of Full-Field Measurement System for Functional Diagnosis of
Structures Using Optical Measurement Method
Deformation Behavior Measurement for a Concrete Test Piece Using Digital Image Correlation Method
Masakazu Uchino, Yasutaka Sagawa, Kouzou Onoue
これまでコンクリートのひずみ計測は，ひずみゲージや埋め込み型のひずみ計を用いて行われてきた。しかしながら構造物の複雑化や維持管理意識の高まりより，非接触の全視野計測のニーズが高まっている。デジタル画像相
関法は，デジタルカメラで取り込んだデジタル画像から測定物表面の変形分布を計測することが可能な非常に簡便な計測法である。光学的全視野計測技術による構造物診断の有効性・有用性を評価するために，デジタル画像相関法を利用したコンクリートのひずみ計測を行った結果を報告する。

1 はじめにことを目的として，構造物の劣化・変状計測に対する構造物の劣化・変状の検査技術として，X線，サーモ

光学的非接触全視野計測法の可能性・有効性・有用性

グラフィ，レーダー，超音波，衝撃弾性波，AE試験法，を各種試験で検証する。今年度はデジタル画像相関法

打音法などの技術開発が進められているが，トンネルによるコンクリート部材の圧縮挙動計測実験を行い，のコンクリート片剥落事故，鋼構造物の疲労き裂発生

ひずみゲージ法では観察されないような全視野計測技を契機として，効率的・高精度な面的探傷技術の研究

術による有効性・有用性の評価を行ったのでここに報開発が望まれている。上記の検査技術は材料の内部欠告する。

陥等の検知能力には優れるが，材料の破壊が，いつ，
どこで，どのように起こるかを簡便に予測できるわけ

2 研究，実験方法ではない。構造物を効率的に維持管理するためには，

2-1 デジタル画像相関法の原理 1-3)構造部材や材料の劣化を診断し，余寿命を推定する必

デジタル画像相関法は測定対象物表面の模様のラン要がある。応力・ひずみ計測を行い，部材の強度と比ダム性を基にして測定対象物の変形前後をCCDカメラ

較し，補修・補強等の必要性を判断する。現状の応力等で撮影し，得られたデジタル画像の輝度値分布から・ひずみ計測にはひずみゲージが一般的に使用されて試料表面の変形量と方向を同時に求める方法である。

いるが，点計測であるためひび割れやき裂などの原因

変形量と方向は変形前の画像中の任意の位置を中心ととなる応力集中部を効果的に検知することは非常に困する小さい画像領域（サブセット：N×N 画素）を基準難である。一方，デジタル画像相関法やスペックル干とし，変形後の画像よりサブセットともっとも良い相渉法のような光学的全視野計測法は測定物表面の変形

関を得るサブセットの位置を求めて決める。相関を求・ひずみ分布計測が可能である。

める方法としては，画素単位の計測精度で変位量を求本研究では構造部材や材料の劣化メカニズムを面的める粗探査と画素以下の精度で変位量を求める精密探に正確に把握し，ひび割れやき裂などの損傷の発生か査とで行う。粗探査には次式に示す残差最小法を利用

ら致命的な劣化・破壊に至るまでの状態をリアルタイ

して相関関数 Cを求めた。

ムに計測し，効果的な補修・補強等の維持管理を行う
M*1 機械電子研究所*2 九州大学大学院*3 福岡大学

M

C ( X +u,Y +v) = ∑∑| Id (X +u+i,Y +v+ j)−Iu(X +i,Y + j)|
i=−M j=−M(1)ここで Iu(X,Y),Id(X+u,Y+v)はそれぞれ変形前，変形後の画像強度を示し，X，Yはサブセットの中心座標で，

u ， v はそれぞれｘ方向 ，ｙ 方向への 移動 量である。
N=2M+1である。式(1)の総和が最小になる位置がそのサブセットの中心が移動した位置の最近接画素となる。
しかしながら実際の移動量は１画素の大きさよりも小さく移動するため式 (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
密探査に使用した相互相関法の式を示す。

M M

C( X+u,Y+v) =

(a)

M M

∑∑I (X+u+i,Y+v+j)×∑∑I (X+i,Y+j)

i=−M j=−M

di=−M j=−M

u

2

2

⎛M M
⎞ ⎛M M⎞⎜ ∑∑Id(X+u+i,Y+v+j)⎟ ×⎜ ∑∑Iu(X+i,Y+j)⎟⎜⎟ ⎜⎟⎝i=−Mj=−M⎠ ⎝i=−Mj=−M⎠(2)

精密探査には，離散的な画素の強度値の間を直接線形補完し，画素間に数値を持たせ，初期のサブセット
形状が変形によりひずむことを考慮させ相関がもっとも良い位置を求める方法を利用した 1)。
2-2 実験方法
計測は㈱九州日昌製のCMOSカメラ計測装置を利用し(b)て行った。計測実験装置の写真を図1に示す。(a)はデ

図1

装置の写真

ジタルカメラ，(b)は計測・解析用のPCの写真である。
カメラの解像度は2000×2000画素で，最高1枚／秒での連続取り込みと手動による任意取り込みが可能となっている。使用した供試体は，普通ポルトランドセメン
ト（密度3.16g/cm3 ，比表面積3250cm2/g）および海砂（表乾密度2.55g/cm3 ，吸水率1.52%）を用いた10×10
×20cmの角柱モルタルであり，水セメント比は50％，
砂セメント比は2.4とした。また，打設後1日で脱型し，その後，室内にて気中養生を約5ヶ月行ったものである。
圧縮試験は2000kN耐圧試験機により行った。図2に圧縮試験状況を示す。荷重が20kN増加するごとに供試体の表面をCMOSカメラ（2000×2000＝400万画素）によって撮影し，のちにデジタル画像相関法により供試体表
面のひずみを解析した。デジタル画像相関法におけるパターン認識を容易にするため，供試体表面に黒色ス

図22000kN の圧縮試験装置の写真

プレーを噴霧し，斑点状に着色した。また，デジタル画像相関法で求めたひずみと比較するため，供試体側の計測を行った。圧縮試験終了後，解析ソフトを用い面にひずみゲージ（検長60mm）を2箇所貼付してひずみてひずみ解析を行った。

2-3 実験結果と考察

また，ひずみゲージの計測結果と比較するためにひ解析は20画素毎に水平方向46点，垂直方向85点で，ずみゲージのゲージ長に対応する部分のひずみの平均

サブセットの大きさは61画素で行った。図3に荷重約値を求め，比較した結果を図6に示す。縦軸が応力で，280kNでの変位分布結果を示す。矢印が変位の大きさと横軸がひずみで，垂直ひずみと，水平ひずみの両方を方向を示す。ただし大きさは3倍に拡大している。また，示している。応力は荷重を初期断面積で割って求めて上下部分の変位分布を拡大表示する。圧縮試験装置はいる。デジタル画像相関法で計測した部分とひずみゲ上部固定で，下側が上方に上がる構造のため下側の矢ージにより計測した部分（面）が異なるため一概に比印が大きくなっていることが確認できる。図4に図3の較はできないが，試験全体を通してのひずみ増加の傾条件での垂直方向のひずみ分布の結果を示す。解析範

向は両者とも非常によく似ており，デジタル画像相関

囲は図3と同様で，分布図は画素単位で大きさを表して法を利用してひずみ解析が適用できる可能性が示されいる。ひずみは40画素をゲージ長としてその点の変位た。

を元にひずみを求めた結果である。均等に圧縮ひずみが分布していない様子がみられ，中心部の左端に圧縮

3 まとめ

ひずみに集中箇所が観察された。図5に異なった荷重条

デジタル画像相関法を利用したコンクリート材料の件でのひずみ分布の結果を示す。供試体表面の目視で圧縮挙動計測実験を行った。ひずみゲージとの比較をは特に変わった様子は観察されないが，図4で観察され行った結果，デジタル画像相関法で得られたひずみ挙

た位置のひずみが大きい様子が確認できる。このよう動はひずみゲージの測定結果と整合性が取れており，に点計測であるひずみゲージ法では確認できないが，有効性が確認された。また，デジタル画像相関法ではデジタル画像相関法では分布が確認でき，ひずみ集中

ひずみゲージでは得られないひずみ分布計測が可能でなどの割れの原因となる現象の可視化が可能であるこあり，最大圧縮ひずみ位置などの面情報が得られ，コとが確かめられた。

ンクリートのひび割れや剥離位置の特定に結びつく可能性が示された。今後は，粗骨材の有無や面外変形に関する評価を行うための計測方法の検討や実験を進めていく必要がある。

単位:画素

図3

解析による変位分布，荷重約280kN，計測点（46×85 points）

図4

図3における垂直方向のひずみ分布

4.1 N/mm2

10.1 N/mm2

18.1 N/mm2

28.1 N/mm2

41.1 N/mm2

51.1 N/mm2

図5垂直方向のひずみ分布

4 参考文献1)H. A. Bruck, S. R. McNeill, M. A. Sutton, and W.
H. Peters, Exp. Mech., Vol.29, p.261-268 (1989)
2)A. Kato and H. Wate, Proc. APCFS & ATEM'01,
p.840-845 (2001)60

応力（N/mm2）503)M. Uchino, Proc. ATEM'03, CD_OS01W0200 (2003)

40
30
デジタル画像相関法
20
ひずみゲージ１
10

ひずみゲージ２

0-0.004-0.003-0.002-0.001

0

0.001

ひずみ

図6

ひずみゲージとの比較結果

0.002

薬剤自動ピッキングシステムの開発
西村 圭一 ＊1

奥村 克博 ＊1

末廣 利範 ＊1

中村 行延 ＊2

大場 光太郎 ＊3Development of Medicine Picking System
Keiichi Nishimura, Katsuhiro Okumura, Toshinori Suehiro, Yukinobu Nakamura, Kohtaro Ohba
全国の保険薬局では，医薬分業の急速な進展等を背景に年々調剤過誤発生の危険性が高まっている。当該業界においては，この深刻な問題の未然防止に向けて様々な対策が提案されてはいるものの，有効かつ実用的な方法は未だなく調剤過誤を根絶するには至っていない。本研究では調剤業務を半自動化することで上記問題の解決を試みる
ことを主な目的とし，一般の保険薬局への導入を視野に入れた業界関係者らへの要望調査結果等を基に設定した機器仕様に基づいて，2004年度に試作した薬剤自動ピッキング装置の再構築および稼働試験を行った。

1 はじめに

2 研究方法日本薬剤師会の発表によると，2004年度の応需処方

2-1 開発概要

せ ん 枚 数 は 約 6 億 2000 万 枚 ， 処 方 せ ん 受 け 取 り 率 は

図1に試作した薬剤自動ピッキングシステムの全体53.8％といずれも前年度より増加し，医薬分業の順調

図を，図2に開発したシステム全体の概念図を示す。こな進展ぶりが明らかとなった。また，学校教育法の一こで，主な装置仕様は次のとおりである。

部改正による薬学部6年制の導入およびこれに伴う薬剤師法における薬剤師国家試験の受験資格改正等，現・装置寸法

在の保険薬局をとりまく環境は大きな変革の時期を迎えていると言える。

幅2800×奥行1375×高さ2199 mm（ただし，突起部等を除く）

・薬棚寸法
1)

このような状況の下，近年全国各地で調剤過誤 が

A：幅705×奥行120×高さ1025 mm
B：幅705×奥行160×高さ1025 mm

深刻な社会問題として高い関心を集めている。この問

・薬棚構成

薬棚Aが7棚，薬棚Bが1棚の計8棚

題に対し日本保険薬局協会および全国の保険薬局等で・対象薬品

256 種類は，リスクマネジメントに関する各種マニュアルを作・ト レ ー

成するなど様々な調剤過誤防止対策を講じているが，最大ストック数：30 個依然として調剤過誤の根絶には至っていない。

トレー寸法：幅254×奥行352×高さ93 mm

著者らは上記問題の解決を目指し，2004年度に薬剤・電源

AC 100 V

40 A（Max60A）

2)

自動ピッキング装置の試作を行った 。しかし，当該装置は基本的機能の有効性を確認するのみに止まり，
実際の調剤現場へ導入するには機能面も含め多くの課題を残した。そこで，本研究では一般の保険薬局への導入を視野に入れたニーズ調査結果を基に設定した機器仕様に基づき，新機能となる薬剤シートカット装置の開発を含めたシステムの再構築および稼働試験を行い，試作したシステムの有効性を検証した。

*1 機械電子研究所*2 (株) Windy*3 (独) 産業技術総合研究所

図1

システム全体図

ピッキング装置
X-Y-Z キャリッジ
シート
カット部

薬棚スライドシステム

Y 方向

薬棚 ①～⑧
端数シート
ピッキング
返却

チャック
ハンド

端数シート
収納部

コントローラ

X 方向

補充

吸着
ハンド

通常シート
ピッキング

Z 方向

トレー
システム

通常シート

仮受
トレー

図2

通常シート
収納部

トレー

図4

端数シート

試作システムの全体構成

X-Y-Zキャリッジ

2-3-2 各種ピッキングハンド
まず，本研究では図5（a）のように，医薬品の錠剤

2-2 トレーシステムの開発

シート（カプセルを含む）において錠剤が全く切り離

図3に示すトレーシステムは，処方せんに記載されたされていないものを通常シートと呼び，この通常シー

薬剤情報がコントローラ（システム制御用コンピュートのピッキングを行うための専用ハンドとして，図5タ）に送信されると稼働し，トレーストッカーから取（b）に示す吸着ハンドを開発した。この吸着ハンドをり出したトレーをピッキング薬剤の投入地点であるト

用いたエアー吸引によって通常シートのピッキングを

レー待機位置へ，またピッキング薬剤投入後はトレー行う。

取り出し口へ搬送するためのシステムである。ここで，トレーストッカーの最大トレーストック数は30個である。

（a）通常シート
図5（b）吸着ハンド通常シートピッキング

また，本研究では図6（a）のように，通常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，
図3

トレーシステム

その端数シートのピッキングを行うための専用ハンドとして，図6（b）に示すチャックハンドを開発した。

2-3 ピッキング装置の開発

このチャックハンドを用いた端数シート耳部の把持に

2-3-1 X-Y-Zキャリッジ

よって端数シートのピッキングを行う。

図4に示すX-Y-Zキャリッジは，次項以降で説明する
各種ピッキングハンド等をピッキングすべき薬剤が収納されている薬剤BOXの正面へ移動させるための装置であり，コントローラからの指令を受けて稼働する。
そして，ピッキングした薬剤をトレーへ投入するためにトレー待機位置まで移動し，トレー投入後は初期位置へ移動して次のピッキング指令を受信するまで待機する。

（a）端数シート
図6（b）チャックハンド

端数シートピッキング

2-3-3 シートカットユニット

内へ落下する。2-2節および2-3-1項でも述べたが，処図5（a）で示した通常シートの構成は1シートあたり

方せんにより指示された全ての薬剤のピッキングが完

10錠，14錠，21錠等，薬剤や製薬会社等によって異な了すると，仮受トレーはX-Y-Zキャリッジによってトレる構成となっているが，いずれの構成であっても薬局

ー待機位置へと移動し，仮受トレー底部に設けた開閉での調剤時においては図6（a）のように通常シートか扉の開閉によりピッキングした薬剤をトレーシステム

ら何錠かが切り取られた端数錠が必要となる。このよが搬送したトレー内に投入する。

うに，ピッキングに必要な端数錠を切り取るための装置として，図7に示すようなシートカットユニットを開発した。このシートカットユニットはX-Y-ZキャリッジのZ軸上部に固定されているため，ピッキングのために移動している各種ピッキングハンド等と共にX軸方向に移動可能となっている。したがって，前項で説明したチャックハンドにより把持された端数シートは
X-Y-ZキャリッジによりY-Z方向へ移動し，このシート
カットユニットにより必要な錠数だけ切断される。ここで，切断する刃は直角に接しているため，錠剤シー

図8

仮受トレー

トの縦および横方向に同時に切断することも可能である。また，切断後余った端数シートは再び薬剤BOXへ返2-4 薬棚スライドシステムの開発却される。なお，薬剤BOXの端数シート収納部（2-4節

図9（a）に試作した薬棚の拡大図（薬剤BOX部分）を参照）内にピッキングに必要な錠数が残っていない場示す。この薬剤BOXは，左右2個で薬剤1種類に対応して合は，吸着ハンドにより通常シート収納部（2-4節参照）

いる。ここで，左側は上下2層構造となっており，上段から端数シート収納部へ1枚補充した後でチャックハ

が端数シート（1シートのみ）収納部，下段が通常シーンドによる把持からシートカットユニットによるシート収納部である。また，右側は複数枚の通常シートをト切断後，その剰余分を新たな端数シートとして端数フィルム等で束ねて収納する束シート収納部とした。

シート収納部へ返却する。

ただし，収納する薬剤は横幅が35mm，40mmの薬剤BOXに収納可能なものが対象となっている。この薬剤1種類
分の薬剤BOXを4段8列（35mm：4列，40mm：4列）の計32組配列して1棚の薬棚を構築した。図9（b）に示すように，本システムではこの薬棚8棚を並列に配列させた薬棚スライドシステムを開発した。ここで，これらの薬棚のうち右側の7棚は奥行きが120mmまでの薬剤シートが対象であるのに対し，左側の1棚は奥行きが163mmまでの薬剤シートが収納可能である。また，この薬棚は

図7

シートカットユニット

装置外カバーの扉を開けて手前に引き出すことが可能
で，これによって不足した薬剤の補充を行う。装置の2-3-4 仮受トレー

横幅を抑えるために，これらの薬棚は密集した配置と図8に示す仮受トレーは各種ピッキングハンドの下したが，それぞれの薬棚は左右にスライド可能であり，部に固定され，ピッキングされた薬剤を一時的にスト

これによってコントローラにピッキングを行う薬剤情ックする。ピッキング薬剤の仮受トレーへの投入は，報が送信され，どの薬棚からピッキングを行うかが判

吸着ハンドからはエアーの逆噴射，チャックハンドか断されると，該当する薬棚より右側の全ての薬棚が右

らはハンドの開閉により行われ，シートカットユニッ

側にスライドして，X-Y-Zキャリッジが進入できるだけトにより切断された端数シートはそのまま仮受トレーのスペースを確保することでピッキングを行う。

表1

トレー取り出しキャリッジ移動ピッキング（薬品A）
薬棚、キャリッジ移動
ピッキング（薬品B）
キャリッジ移動ピッキング（薬品C）
キャリッジ移動、トレー投入
トレー搬送
合
計

（a）薬剤BOX

稼働試験結果通常シート
端数シート 所要時間 [sec]
束シート [枚] 一枚シート [枚] 錠数 [錠]
18
5
0
1
0
16
18
1
2
0
47
4
1
1
2
68
13
4
2
4
2
193

4 まとめ
本研究では，2004年度に試作した薬剤自動ピッキン
グ装置において課題となった，薬剤シートカットユニットの開発，薬棚の拡張，装置のコンパクト化等を主な目的として，当該装置の再構築を行った。さらに，試作したシステムに対して稼働試験を行い，新開発機
能を含むシステム各機能の動作確認を行った。今後はシステム対象薬品の拡張やピッキング時間の短縮等について検討を行う予定である。

（b）薬棚スライドシステム
図9

薬棚の構築

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

3 結果と考察

メント，p.6，医薬ジャーナル社(2004)

試 作した 薬 剤自動ピ ッキ ングシス テム に対して 稼2)西村圭一，末廣利範，奥村克博，中村行延，大場光

働試験を行った。稼働試験の内容としては，薬品A（薬太郎：福岡県工業技術センター研究報告，No.15，

棚1），薬品B（薬棚4），薬品C（薬棚4）の3種類の薬

p.137-140(2005）

品を対象として，異なる組み合わせの通常シート（束，一枚），端数シートのピッキングを行い，その所要時間を計測した。表1はその時の結果をまとめたものである。ここで，この試験内容には通常シート収納部から端数シート収納部への薬剤シートの補充や薬剤シートの縦方向の切断等の項目が含まれていないが，これらの動作は単独の動作試験において正常に動作することが確認できた。
ただし，ピッキング時間の短縮やシートカット装置の精度向上等に関しては，実際の調剤データを用いた稼働試験や装置の連続運転試験等とともに2006年度以降の検討項目とした。特にピッキング時間の短縮に関しては，薬局が取り扱う薬品リストを基に薬棚の効率的な設計を行うことで改善されることが期待できる。
また，今回のシステムで対象とすることができなかった横幅41 mm以上の薬品の薬棚設計への反映に関しても同様に2006年度以降の検討項目とした。

屋外ロボット用力センサの開発
平面コイルを用いた磁歪効果型力センサ
古賀 文隆 *1

末廣 利範 *1

Development of Force Sensors for Outdoor Robots
Magnetostrictive Effect Type Force Sensor Using Planar Coils
Fumitaka Koga, Toshinori Suehiro
アモルファス磁歪箔と一対の平面コイルを積層した新しい構造を持つ力センサを提案，試作し，評価を行った。
一対の平面コイル間の相互インダクタンスは，力（応力）により誘導される磁歪箔の磁気異方性により決定され，本センサでは機械構成要素に接着された磁歪箔に加わる力の尺度として使用する。本センサはまた，磁歪箔への通電が不要であることから，平面コイル及びそれに付随する配線が容易に着脱可能であるという特徴を持つ。断面が15×15mm2 のアルミニウム角棒の側面に接着したMetglas2605SCアモルファス磁歪箔と巻数が16回の一対の平面コイ
ルを用いた力センサの基本特性を評価した結果，励磁条件が100kHz，80mAのときに14.1mV/Nmの感度が得られた。

1 はじめに反対向きの螺旋を持つ2つのコイルを直列接続した構機械構造物に加わる力を把握する際，最も直接的に造を持つ 7) 。図2に検出ヘッドの構造を示す。検出ヘ

測定可能な物理量であるひずみを測定し，その値からッドは，一番下に磁歪を有するアモルファス箔，その力を換算する方法がとられることが多い。そのためひ

上に直交させて配置した2つの平面コイルがあり，一ずみセンサ（ストレインゲージ）は力の測定に多く用

番上に励磁効率を高めるためのヨークとして用いるア

いら れ てい る 。磁 歪 効果 を 利用 す ると 高 感度 なひず

モルファス箔を密着させて重ねた構造になっている。

み・力センサが実現でき 1) ，SIセンサ 2) ，磁気弾性効

2つの平面コイルは，一方を励磁コイル，他方を検出3)

果を用いたひずみセンサ ，超磁歪薄膜を用いた力セ4)コイルとして使用する。磁歪箔のみを被測定物に接着

ンサ ，及び応力磁気抵抗効果を利用したひずみゲー

し，平面コイルおよびヨークは近接して配置されていジ 5) 等が報告されている。我々は主にロボットのマニ

ればよく，必ずしも接着する必要はないことから，コ

ピュレータの各部に加わる力を簡便に検出することをイルやそれに付随する配線は着脱可能となる。

目的として力センサの開発を行っているが，ロボット等の被測定物への装着の容易性やメンテナンス作業の容易性を考慮すると，起歪部を有せずストレインゲー
ジのように直に力印加部に装着（接着）するもので，かつ配線類は容易に着脱可能であることが望まれる。
そこで本稿では，アモルファス磁歪箔と平面コイルを積層した構造の力センサを提案し，試作及び評価を行

図 1

平面コイルの簡略図ったので報告する。本センサは，力印加部に固定した
アモルファス磁歪箔には通電する必要がなく，コイル

アモルファスヨーク

及び配線は着脱可能である。また2個のコイルの相互
平面コイル(上側コイル)

誘導を利用するもの 6),7) で，力がゼロのときに出力がゼロとなる特徴を有している。

平面コイル（下側コイル）アモルファス磁歪箔

2 動作原理図1に平面コイルの簡略図を示す。平面コイルは，
図 2*1 機械電子研究所

検出ヘッドの構造

図3に動作原理，図4に回路構成を示す。図4の破線圧が得られる。

で囲まれた部分が検出ヘッドである。検出コイルに誘励磁と検出の回路系が絶縁されていることや，応力起される電圧は，同期整流することで直流の出力電圧がゼロのときに出力電圧がゼロになることも本センサに変換される。励磁コイルに流れる電流を I1 ，検出コの特徴である。また，素子のインピーダンスの変化をイルに生じる電圧を V2 ，励磁コイル‐検出コイル間の検出する方式のようにブリッジ回路等の比較回路が不相互インダクタンスを M ，角周波数を ω とし，同期整

要で，回路構成を簡素化できる。

流器の入力インピーダンスが十分に大きく検出コイルに流れる電流がゼロであるとすると次式が成り立つ。

V2 = jωMI1

3 実験

(1)

3-1 実験方法

励磁コイルと検出コイルは直交関係にあり，応力がな

平面コイルは，厚さ50µmのポリイミド基板上に厚ければ図3(a)のように磁束は検出コイルに鎖交しない，

さ35µmの銅の螺旋パターンを形成したもので， 大きすなわち M = 0 であるため検出コイルに電圧は誘起

さは10×10mm2 ，巻数は16回である。磁歪箔には入手がされない。磁歪定数が正であるアモルファス磁歪箔に容易で予備実験で高感度が得られたMetglas 2605SCを

例えば図3(b)のように引張応力σを加えると，応力誘用いた。ヨークにはMetglas2605SC（µi:14000）と磁導磁気異方性により磁束が回転して検出コイルに鎖交歪を持たないMetglas2705M（µ i:30000）の2種類を使する成分が発生し，電圧が誘起される。すなわち，応用した。2個の平面コイル，磁歪箔とヨークで構成さ力に応じて M が変化することで出力電圧が得られる。

れた検出ヘッドのうち，磁歪箔のみを断面15×15mm2 ，

圧縮応力を加えた場合は，生じる M は逆符号となり，長さ約150mmのアルミニウム製の角棒の側面に接着剤

同期整流することで応力印加の向きに対応した出力電で固定し，平面コイル及びヨークは両面テープで固定した。アルミ角棒の一端を固定して片持ち梁の状態に磁束し，検出ヘッド部に±0.49Nmの曲げモーメントが生じるように他端に力を印加したときの出力電圧の変化か
ら感度を算出した。同期整流器の同期位相は，最大の感度が得られるように調整した。また，感度は，同期
検出コイル

励磁コイル

整流器を含む測定系の増幅率が1となるように換算した。

(a) 応力がゼロの場合

3-2 感度特性

磁束
応力 σ

σ

3-2-1 実測による感度比較
磁歪箔及びヨ ークは10×10mm2 と14×14mm2 の2種類の大きさを用意し，表1に示す10通りの構成について
感度比較を行った。励磁周波数は100kHzとした。

検出コイル

励磁コイル

(b) 横方向に引張応力が加わった場合
図 3 平面コイルによる力の検出原理

表 1 検出ヘッドの構成

参照信号入力
信号入力

同期整流器

検出ヘッド

図 4 力センサの回路構成

出力電圧

①
②
③
④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
⑩

上側コイル

下側コイル

磁歪箔

励磁
検出
励磁
検出
励磁
検出
励磁
励磁
励磁
励磁

検出
励磁
検出
励磁
検出
励磁
検出
検出
検出
検出

10mm×10mm
10mm×10mm
10mm×10mm
10mm×10mm
10mm×10mm
10mm×10mm
10mm×10mm
14mm×14mm
14mm×14mm
14mm×14mm

ヨーク
なし
なし
2705M 10mm×10mm
2705M 10mm×10mm
2605SC 10mm×10mm
2605SC 10mm×10mm
2705M 14mm×14mm
なし
2705M 10mm×10mm
2705M 14mm×14mm

図5に表１の①～⑥の検出ヘッドの構成の感度を示て使用しても差は見られなかった。図6，図7に磁歪箔す。①～⑥は磁歪箔及びヨークのサイズが全て同じ10及びヨークの大きさの違いによる感度比較を示す。図2×10mm であり，図5はヨークの有無及びヨークの材質

6は磁歪箔の大きさが10×10mm2 の表１の①，③，⑦，の違いによる感度の比較を示している。ヨークなしに

図7は磁歪箔の大きさが14×14mm2 の表１の⑧，⑨，⑩

比 べ ヨ ー ク を 付 加 す る と ， 励 磁 電 流 が 80mAの と き，の検出ヘッドの比較である。10×10mm2 の磁歪箔を用

Metglas2605SCでは15倍，2705Mでは21倍に感度が向上いた場合（図6），ヨークなしに比べ，励磁電流が80mAした。ヨークは強固に固定されているわけではないこのとき，10×10mm2 のヨークでは21倍，14×14mm2 のヨとから，ヨークにひずみが伝わることによる磁歪効果

ークでは18倍に感度が向上した。14×14mm2 の磁歪箔が感度向上に寄与しているのではなく，ヨークの透磁を用いた場合（図7），ヨークなし比べ，励磁電流が率の差が励磁効率の差として感度向上に現れたと考え80mAのとき，10×10mm2 のヨークでは19倍，14×14mm2られる。また，上下のコイルどちらを励磁，検出としのヨークでは11倍に感度が向上した。以上より，磁歪箔，ヨーク共に10×10mm2 のときに最も高感度となり，励磁電流が80mAのとき14.1mV/Nmの感度が得られるこSensitivity (mV/Nm)

15
①
②
③
④
⑤
⑥

10

とがわかった。これは，平面コイルよりも大きな磁歪箔やヨークでは磁束が広範囲に分散するのに対し，平面コイルと同じ大きさの磁歪箔やヨークを用いると，コイル部に磁束が集中されることが要因と考えられる。

53-2-2 数値計算による感度比較
0

0

20
40
60
80
Excitation current (mA)100

表１に示す①，③，⑦，⑧，⑨，⑩に相当する組合
せと，磁歪箔及びヨークの大きさを7×7mm2 とした組

図 5 ヨークの有無による感度の比較

合せ（⑪とする）の計7通りについて，有限要素法を用いた数値計算により，磁束密度分布の比較を行った。

Sensitivity (mV/Nm)

15

作成したモデルのコイルの巻き数は実際のコイルの半
①
③
⑦

10

分である8回，磁歪箔及びヨークの透磁率は共に20000，
励磁周波数は100kHz，励磁電流は1Aとした。
図8のコイルの中心を始点とする矢印に沿った直線

5上での磁歪箔表面，及びヨーク表面での磁束密度分布の比較を図9に示す。図9の横軸の0mmの位置がコイル

0

0

20
40
60
80
Excitation current (mA)

100の中心（図8の矢印の始点）である。図9(a)の③と⑦，(b)の③と⑨のラインはほぼ重なっている。図9より，

図 6 ヨ ーク のサ イ ズ によ る感 度 比 較（磁歪薄帯：10×10 mm2）

磁歪箔表面とヨーク表面の両方でコイル中心付近（0～5mm付近）の磁束密度が最も大きくなるのは，磁歪Sensitivity (mV/Nm)

15
⑧
⑨
⑩

10

5

0

0

20
40
60
80
Excitation current (mA)100

図 7 ヨークのサイズによる感度比較（磁歪箔：14×14 mm2）

10 mm
14 mm

図 8 磁束分布評価のためのパス

-8

6 参考文献Flux densitiy (T)2 10
1.5 10

①
③
⑦
⑧
⑨
⑩
⑪

-8

-8

1 10

-9

5 10

1)M. Wun-Fogle, H. T. Savage and A. E. Clark :Sensor and Actuators, Vol.12, p.323-331 (1987)
2)L. P. Shen, T. Uchiyama, K. Mohri, E. Kita and
K. Bushida : IEEE Trans. Magnetics, Vol.33,
No.5, p.3355-3357 (1997)

0

0

2

4
6
Position (mm)8103)今村幸善，Shin Kwang-Ho，石山和志，井上光輝，
新井賢一：電気学会マグネティックス研究会資料，
MAG-00-191, p.21-26 (2000)(a) 磁歪箔上の磁束密度4)脇若弘之，山田洋次，渡辺利彦，梅本美之，清宮照夫，牧村美加：日本応用磁気学会誌，26巻（4号），-8

Flux densitiy (T)2 10
1.5 10p.543-546 (2002)

③
⑦
⑨
⑩
⑪

-8

-8

1 10

5)西部正規，岡田勇輝，坂本一樹，佐藤敏郎，山沢清人，三浦義正：電気学会全国大会講演論文集，2138, p.155-156 (2006)

-9

5 10

6)I. Sasada and F. Koga : J. Appl. Phys., Vol.75,
0

0

2

4
6
Position (mm)810(b) ヨーク上の磁束密度No.10, p.5916-5918 (1994)
7)衛藤佳之，加藤敬，葉畑陽平，笹田一郎：電気学会
マグネティックス研究会資料，MAG-05-35, p.63-67(2005)

図 9 磁歪箔とヨーク上でのパスに沿った磁束密度の変化箔，ヨーク共に10×10mm2 である③の組合せに相当する場合であることがわかった。本検出ヘッドは，コイルの中心付近が力検出に最も有効な箇所であり，3-21の実測による比較において，③の組合せが最も高感度であるという結果を裏付ける結果が得られた。

4 まとめ直交させて重ねた2つの平面コイルをアモルファス
磁歪箔とアモルファスヨークで挟み込んだ構造の検出
ヘッドを持つ力センサを提案，試作した。
磁歪箔及びヨークの大きさは，平面コイルと同じ大きさのとき高感度となることがわかった。断面が15×15mm2 のアルミ角棒に取り付けて曲げモーメントを加えたとき，14.1mV/Nmの感度が得られた。

5 謝辞
本研究を遂行するにあたりご助言をいただいた九州
大学大学院笹田一郎教授に感謝いたします。

屋外ロボット用センサモジュールの開発
CCDカメラとLRFを用いた球型センサモジュール
渡邉 恭弘 *1

末廣 利範 *1

Development of Sensor Module for Outdoor Robot
Sphere Type Sensor Module Using CCD Camera and LRF
Yasuhiro Watanabe, Toshinori Suehiro
屋外用ロボットの視覚センサとしてCCD・CMOSカメラが主に用いられているが，これらは屋外自然光の元では安定した計測が困難である。そこで特性の異なるレーザ・レンジ・ファインダー（Laser Range Finder:LRF）を併用したセンサモジュールの開発を目的とした。球型機構の採用により防塵・防水機能が容易に実現でき，任意な姿勢時に必要である各センサのパラメータ調整を最小限に抑えることができた。また，球型機構の計測手法であるロー
リングスキャンにより，注目物体の情報量を密にすることができた。さらに，物体認識の用途だけではなく，2次元情報認識といった汎用性を持つことができた。

1 はじめに

表1

ステレオカメラとLRFの特性

近年，ロボット開発が急激に進んでいる。特に2足ステレオ

歩行ロボットの活躍がめざましいが，自律型ロボット

カメラとしては警備・清掃ロボット等があげられる。これら
自律型ロボットは，内部地図情報を用いたり，マッピ
ングしたりすることで自律行動ができるが，すべて屋

輝度の変化（白飛び・黒抜け）に対する堅牢性

LRF

×

○

内専用であり，屋外用の自律ロボットの実用化は困難

計算時間，処理の複雑さ○×である。困難な理由として不整地走行等もあげられる

平坦部（壁・床）の計測△○

が，ロボットの目にあたる視覚センサの脆弱性にある。

凹凸部の計測○△視覚センサの代表的なセンサとしてCCD・CMOSカメラ

精度のばらつき×○があるが，これらセンサは環境の変化に弱く処理が困

透明物の計測××

難である。
そこで本研究ではCCD・CMOSステレオカメラとは特2 システム構成

性 の 異 な る レ ー ザ ・ レ ン ジ ・ フ ァ イ ン ダ ー （ Laser

2-1 センサ部

Range Finder:LRF）について考えた。表1に特性を示

CCD・CMOSステレオカメラとLRFを併用したセンサモ

す。LRFはCCD・CMOSステレオカメラ最大の問題である

ジュールを開発するにあたって，機器の選定を行った。

輝度の変化に強く，精度が安定している。一方，

本 研 究 で 使 用 し た CCD カ メ ラ は 「（ 株 ） CIS 製 DCC-

CCD・CMOSステレオカメラは処理が単純であり，計測

3555NDN」，LRFは「北陽電機（株）製URG-04LX」であ

時間の高速化が容易である。

る（図1参照）。LRFは240°の測距範囲を持つが，高精

本研究では互いの特性を補完しあうCCD・CMOSステ

度の測距が可能なのは図2の中央2m×3m部であるため，

レオカメラとLRFを併用したセンサモジュールの開発

同範囲に合致するようにステレオカメラの設置箇所やを目的とする。

パ ラ メ ー タ を 決 定 し た 。 CCD カ メ ラ の 画 素 数 は VGA（640×480pixel）なので，視野角50°，視差96mmとした。CCD・CMOSステレオカメラとLRFの測距誤差を表2に示す。

*1 機械電子研究所

配置するように球型機構を構成した（図4参照）。球型
機構により各姿勢時のパラメータ調整を最小限に抑えることができる。

CCD カメラ
図1

LRF

CCD カメラと LRF の外観
2m

図3

センサモジュール構成3m
50° 50°
CameraCameraLRF

図2

ステレオカメラと LRF の測距範囲

表2ステレオカメラとLRFの測距誤差
図4

球型機構

計測距離

ステレオカメラ

LRF

2000mm129.3mm

20mm

また，センサを屋外で使用する場合，防塵・防水対

1000mm

31.3mm10mm

策は必要不可欠であるが，本センサは球型なので球状

500mm

7.7mm

10mm

ドームで完全に覆うことができ，防塵・防水機構も備えている。視野角は上下に±90°，左右に±80°あり，2-2 球型センサモジュール
2-1で開発したセンサ部を基にセンサモジュールを

任意の方向を任意の姿勢で計測できる。作成した球型
センサモジュールを図5に示す。

開発した。LRFの測距は240°の1ラインだけなので，広範囲測距を行うためには1スキャン毎に計測姿勢を調整する必要がある。そこで測距したい領域の指定を容易にするためにローリング機構を搭載した。任意方
向にローリングスキャンを行うために，図3に示すようにセンサ部に直接ロール機構を持たせ，それらをパン・チルトできる機構を構成した。
通常，3軸のパン・チルト・ロールといった複雑な動きをした場合，計測パラメータが変化してしまい各
姿勢時におけるパラメータ調整が必要不可欠であるが，パラメータ調整は無用な計算処理であり測距誤差の元になる。そこで，3軸の回転中心にステレオカメラとLRFの光学的中心（第二主点，ノーダルポイント）を

図5

球型センサモジュール

3 実験と考察

次に屋外自然光の元でローリングスキャンを行った。

3-1 LRF（LaserRangeFinder）の基礎実験

前述したように使用したLRFは1スキャンで1ライン分作成したセンサモジュールのLRFのみを用いて計測の測距のみ行うので，領域スキャンを行うためには複実験を行った。球状アクリルドームの有無それぞれで数回角度を変えてスキャンを行う必要がある。ペット

壁を計測した場合，アクリルドーム越しに計測した方ボトルの中心にセンサの回転中心を合わせ，ローリン

が測距範囲は3～5％狭くなった（図6参照，中央下部

グスキャンを行った結果を図8に示す。図8は計測結果

が計測点）。この結果はアクリルドームを使用していを正面から撮影しており，円形に並んだ測距点が確認るため，光路が歪んでいるためと考えられるが，計測できる。また，ローリングスキャンの特性として，セ物体の形状は取得できているので，精密な測距は困難

ンサの回転中心付近と円周付近では情報量が異なる。

だが，物体・環境認識には十分実用可能と思われる。

中心付近が密状態になり，円周付近が粗状態になる。

図6

LRF の基礎実験

3-2 ペットボトルの計測

図8

ローリングスキャン（正面）

本センサモジュールは屋外ロボット用に開発したものであり，特に屋外清掃ロボットを想定して実験を行

さきほど計測した結果を3次元情報に加工し，俯瞰った。まず，清掃ロボットのターゲットとしてペット

図状態を図9に示す。図9の右上から計測しており，横ボトルの計測を行った。床面に置いたペットボトルをたわったペットボトルの形状が確認できる。ペットボ計測した結果を図7中央の円部に示す（中央下部が計

トルの影のようになった箇所は計測できなかったセン測点）。計測部のピーク部と床面の段差はペットボト

サの死角である。また，回転中心付近の情報量が多い

ルのサイズとほぼ一致した。ペットボトルの計測面がことが確認できる。

△のようになったが，これはLRFが計測点から放射状に計測しており，床側のペットボトル面が撮影できな
いためと考える。

図9

ローリングスキャン（俯瞰図）

さらに側面から見た状態を図10に示す。床面にペットボトルが乗った状態を確認できる。床面は特定平面上に集約できるので，ペットボトルと区別することができ，ペットボトルだけを抽出することができる。
図7

ペットボトルの計測

CMOSカメラだけのセンサの場合，環境に大きく影響を受け安定した計測が行えないので，有用な結果が得られた。球型にすることによりモジュール化が図れ，防塵・防水機能が容易に実現できた。また，球型機構により任意な姿勢時に必要であった各センサのパラメー
タ調整を最小限に抑えることができた。ローリングス
キャン方式により，注目物体の情報量を密にすること
図 10ローリングスキャン（側面）ができた。物体認識の用途だけではなく，2次元情報認識といった汎用性を持つことができた。

3-2 付加機能
本センサモジュールは物体計測だけではなく，汎用

5 謝辞

性を持つセンサとして開発を行った。汎用的な処理も本研究は，ロボット産業振興会議ロボット開発技術

可能であれば，ロボットに搭載するセンサの数を減ら力強化事業の助成を受けて行われた。深く感謝いたし

すことができ，有用性が向上する。そこで，物体計測ます。また，共同研究機関である九州工業大学，安川以外の付加価値として，QRコード認識を組み込んだ。

情報システム（株），（財）北九州産業学術推進機構ロ

QRコードとは図11に示すような2次元バーコードであボティクス技術研究所，木原鉄工所に感謝いたします。

り，安価な情報発信手法として利用されている。
6 関連論文1)Y.Fuchikawa,

T.Nishida,

S.Kurogi,

T.Kondo,F.Ohkawa, T.Suehiro, Y.Watanabe, Y.Kawamura,
M.Obata, H.Miyagawa and Y.Kihara, “Development
図 11

QR コードof a Vision System for an Outdoor Service
Robot to Collect Trash on Streets,” Proc. of

本センサモジュールで物体計測処理と併用してQRコードを認識した結果を図12に示す。物体計測だけでなく，2次元情報認識としても使用できることを確認し
た。

図 12

QR コードの認識

4 まとめ開発した本センサモジュールにより，屋外自然光の元でも安定して物体を計測することができた。CCD・CGIM05, p.100-105(2005)

鋳物工場の生産管理システムについての研究（第1報）
増野 貢 *1

松村 泰志 *2

進 菊枝 *2

Study of Management System for Manufacturing Process of Metal Casting
Mitsuki Mashino, Yasushi Matsumura, Kikue Shin
製造工程が複雑で煩雑な鋳物生産現場で協調作業する各担当者支援のため，現場調査・分析を行い，物流情報処理システムについて検討し，受注から出荷に至る一連の専用データベースとその周辺プログラムの設計・開発を行った。ここでは，比較的複雑な4ライン4工程からなる製造工場における生産情報共有化とその周辺について述べる。
また，効率的な生産計画に重要な取掛品計画などについても設計した。

1 はじめにテムを試作する。

多品種少ロット，短納期，低価格化など厳しい社会参考にするのは，過去に開発した多種多数の工具を要求に直面している中小企業は，無駄やむらは禁物で納める工具収納庫と4台のマシニングセンター(MC)をあり正確さと迅速さが求められている。鋳物工場では，対象にしたMC物流処理システムである 1) 。この成果を

金属素材の電気溶解にかかる費用がコスト全体に占め踏まえて，最近のGUI(Graphical User Interface)やマる割合が大きいので溶解金属の造り過ぎや不良品対策

ルチウィンドウなど操作性のすぐれたオブジェクト指が特に重要である。また，取り掛かりから仕上げまで

向言語を用いて開発する。この場合，事務所と工場間の製造工程が複雑という事情もある。

のネットワーク化が必須であり，生産情報共有化のた

このような状況において，工場と事務所の業務改善

めの専用データベースの構築とその応用ソフトウェアとコンピュータ管理システムによる生産管理を図り，開発がキーポイントとなる 2,3)。さらに，信頼性は勿論製造・納品のスピードアップ，多品種小ロット生産へであるが，現場ニーズや今後の展開を睨んだ必要最低の対応，さらにはセルフマネジメント化を実現した中限の仕様，ユーザーインターフェースおよびコストパ

小企業（倉敷市）がある。この実現については，生産

フォーマンスなどを配慮することは中小企業に限らずラインが一つということもあるが，現場ノウハウとコ重要である。

ンピュータによる処理手順の両面に精通したトップの存在が大きい。われわれは，この合理的改善の模範例

2 物流処理支援システムの試作を参 考 にす る と共 に ，製 品 や受 注 品の デ ータ ベ ース

2-1 鋳物製造工程と製造ライン(DB)化，取掛計画，仕掛品の進捗状況など一連の物流

鋳物は砂でできた鋳型の中に溶かした金属を流し処理さらに在庫管理など，煩雑／複雑さを前提にして，込んで固めたものである。この一般的な製造方法であ生産管理について取り組む。

る生型造型製造法の概要は下記である。

特に物流処理，例えば各製造工程間で鋳物仕掛品を迅速に流すためには，協調作業しながら生産に携わる
各工程の担当者相互の生産情報共有化が重要であるが，その対策は遅れがちである。これは，汎用的なソフト
ウェアを特定現場に適合させるのは困難という状況も一因と考えられる。そこで，生産管理や製造作業に携わる各担当者支援のため，比較的複雑な4ライン4工程a)鋳型の造型：木などで作った製品の模型を砂を埋めて固め，砂の型をつくるb)中子のセット：中空部分が必要な製品については，
そのための型(中子)を鋳型にセットする
c)鋳込み：a)，（必要に応じてb)）の鋳型の湯口から溶かした金属を流し込むd)仕上げ：自然冷却によって固まった金属(鋳物)を取からなる鋳物製造工場と管理事務所を対象に，仕掛品り出し磨くなどの進捗状況に関する情報を共有する物流処理シス

実際的な製造工程の段取りは(1)中子，(2)鋳型の造型，(3)鋳込み，(4)仕上げである。鋳物の大きさによ*1 機械電子研究所*2 ㈱三国工業所って，小物，中物，大物およびシェル鋳造その他の4

つの製造ラインに割り当てる。4製造ライン4工程のど
こかに300～500個の鋳物仕掛品が存在し，完成品の出荷手続きを含めて概ね12日間かかる設定である。工場の各工程と事務所の各担当者は，仕掛品などの生産状況を把握することは大変なので，その改善が望まれる。
2-2 システム構成
鋳 物 生産 現 場 に お ける 管 理 事 務所 と 工 場 間 のネットワーク化は，パソコンに標準装備されたイーサネッ
ト接続による標準的なLAN(Local Area Network)で構成される(図1)。管理事務所にある管理部パソコンは生産

図2

専用データベースとその周辺

計画／管理などを行い，専用データベースも一元管理する。工場パソコンは生産状況把握，実績入力および工場の各工程担当者は，図3に示す進捗状況共有画面

必要な生産情報入手などが役割であり，LAN経由で，管を参照することによって，仕掛品の所在や待機状況を

理部パソコンのハード／ソフトウェア資源を共有する。

把握する。次工程ボタンをクリックすると，仕掛品は管理部と工場パソコンは必要に応じて増設する。

次工程に移動し †1，状況と対応づけられる。全ライン
全工程における稼動中の仕掛品状況はコンボボックスに一覧表示される。また，特定ラインに対する稼動／
待機状況はタブ選択によってリストボックスに一覧表示される。各工程の担当者は，日報ボタンのクリックによって表示される指示／日報画面(図4)で，実績日や製造実績数を入力し，遅れ／不良品原因などもチェッ
クする。この画面で，材質や中子の保管場所など仕掛品特性が表示されるので，各工程の担当者は必要な情報を入手することができる。

図1

鋳物生産現場の物流支援システムの構成

管理事務所の担当者は，指示／日報画面で各工程／各ラインにおける仕掛品の予定日や製造数を予め指定

2-3 ソフトウェア
生 産 現場 に お ける 鋳物 仕 掛 品 の進 捗 状 況 共 有プロ
グラムの開発に先立ち，得意先と製品からなる基本DB，
受注DBおよび受注残品検索さらに取掛計画プログラムを製作した。基本的な概念を図2に示す。
得意先DBは会社名や住所など，得意先毎の製品DBは品名，材質，製造ラインなどのデータからなり，管理する。なお，遅れ／不良品原因や担当者の修正などは
図5で示す選択ボックスで編集する。
2-4 検討開発システム全体像と構成要素についての分析／設計さらにプログラミングに集中したためLAN構築に至らなかったが，受注から出荷まで一連の処理プログラ
ムについて，試作版を作った。

事務所で追加や修正を行う。製品受注時，数量や納期

主テーマである進捗状況共有プログラムの利用によなどのデータを受注DBに入力する。受注残検索画面にって，分担作業する工場の各担当者は，ライン／作業

おいて納期と材質など検索条件を絞り込むと所期の受工程全体のスケジュール／現状を見渡し，必要な生産注品が検索され，取掛計画画面で各製造ラインに割り情報の把握などによる自己管理が期待できる一方，遅当てられる。この取掛品は，品名変更(ニックネームのれ／不良原因入力については自己責任になる。会社の付与)などを行い，チェックの後，仕掛品として中子ま立場からは，効率化やむだ対策には有効で生産性向上

たは造型工程に移動される。

につながると考えられる。

†1 中子のない仕掛品は自動的に造型工程にスキップ得意先，製品，受注処理，受注残検索の後に実行す3 おわりにる取掛計画は効率的な生産計画のため重要である。取

今回開発した鋳物生産工場の物流処理支援システム

掛計画の画面は，進捗状況共有画面との橋渡しにもなの試作版について，工場における生産情報共有システ

るので，今回の試作版を改良して，生産計画調整に利ムとその周辺などを述べた。

用する予定である。さらに，受注処理画面における受注品所在追跡の充実化も目指す。

システム開発における大きな難点は現場ニーズの把握，分析，設計である。VB技法と相談し，試行錯誤しなお，Visual Basic(VB)によるプログラムは必須でながらプログラム開発を進めることになるので労力とあるが，グラフ化，検索，集計，印刷など適材適所的時間がかかる。なお，仕様が曖昧な状況でソフト開発に汎用ソフトウェアを利用する予定である。

メーカに相談しても，QDT(品質，納期，コスト)の面で満足いくものをつくることは難しく，リスクも大きいため，困難が予想される。
当所の機械技術課の春山繁之氏や元所長の竜口康文
氏には貴重なアドバイスを頂いている。

4 参考文献1)増野,徳永,橋本：第28回自動制御連合講演会前刷，
p.363-364(1985)
2)増野貢：福岡県工業技術センター研究報告，No.15，
p.127-129(2005)
3)増野貢：第24回計測自動制御学会九州支部学術講演
図3

仕掛品の進捗状況一覧

図4 指示／日報

図5 選択ボックスの編集

会予稿集，p.139-140(2005)

金型磨きロボットのための送り速度のアドバンスト制御
永田 寅臣 ∗1

楠本 幸裕 ∗2

安田 仁徳 ∗3

塚本 治 ∗3

尾本 正明 ∗4芳賀 善九 ∗4長谷 哲夫 ∗4

Advanced Control of Feed Rate Using a Fuzzy Reasoning for Mold Polishing Robots
Fusaomi Nagata, Yukihiro Kusumoto, Kiminori Yasuda, Osamu Tsukamoto,
Masaaki Omoto, Zenku Haga and Tetsuo Hase
ペットボトル製造用金型の磨き工程では，機械加工後のカスプマークを均一に除去し，過研磨をおこすことなく金型表面を鏡面状態に仕上げることが要求される。時間コストについても一つのワークを仕上げるために要するサ
イクルタイムをできるだけ短縮したいというニーズがある。本稿では，ファジィ推論を用いた送り速度の自動生成器を提案する。ファジィ推論部は工具経路に沿った曲率の変化に応じて望ましい送り速度を生成する。産業用ロボッ
ト JS-10 を用いて磨き実験を行ったところ，サイクルタイムが 40% 程度短縮された。

1 はじめに金型の磨き工程では，マシニングセンタによる機械加工後のカスプマークを均一に除去し，過研磨をおこす
ことなく表面を鏡面状態に仕上げることが要求される。
時間コストについても一つのワークを仕上げるために要する磨き時間 (サイクルタイム) をできるだけ短縮したいという高いニーズがある。本稿では，3 次元 CAD/CAMとの高い親和性を有する磨きロボットを提案するとともに，ワークの曲率に応じて工具の送り速度 (接線方向の速度) を自動調整できるアプリケーションについて紹

図 1 金型磨きロボット Motoman UP6

介する。自由曲面を有するペットボトル金型の磨き実験により提案手法の有効性が確認された。

2 磨きシステム

x(k) は順キネマティクスで求めた砥石先端の位置ベクトルである。また，F d  は目標の磨き力のノルムであり，xd (k) と od (k) はそれぞれ，CAM のメインプロセッ

図 1 には既に開発している金型磨きロボットを示す。

サが生成した CL データをもとに算出する目標位置と目

ロボット本体はオープンインタフェイスを有する 6 自由

標力方向である。磨きを実行しているとき，砥石の位

度の産業用ロボットであり，アーム先端には 6 自由度の置および磨き力が次式で与えられる並進速度ベクトル

力・トルクセンサを介してボールエンド形状の軸付砥石

v(k) = [vx (k) vy (k) vz (k)]T で制御される。

を固定している。過研磨および回転に伴う振動ノイズを抑えるために砥石は回転させず，アタッチメントで回v(k) = vt (k) + vn (k) + vp (k)(1)

転をロックして磨く。また，オーバハングのない金型を対象としているため，砥石の姿勢をワーク座標系の Z 軸

ここで，vt (k) は CL データに基づくフィードフォワード

方向に固定し，ボールエンドの輪郭を効率的に使いな制御則からの操作量であり，接線方向に与えられる。まがら磨きを行う。図 2 には，制御系のブロック線図を示た，v n (k) は力フィードバック制御則からの操作量であす。F (k) は離散時刻 k における磨き力ベクトルであり，り，法線方向に加えられる。さらに，v p (k) は 0.2mm 程
度の安定したピックフィードを行うために構成した位置∗1

機械電子研究所∗2インテリア研究所∗3(株) エーエスエー・システムズ

サイクルタイムを左右する v t (k) をワークの曲率に応∗4(株) メイホー

じて可変とする。

フィードバック制御則からの操作量である。次章では，

Fdod (k)

Force
Force
Feedback
Feedback
Control
Control
Law
Law

Fd : desired polishing force
vn (k)

Position
PositionFeedforward
Feedforward
Control
ControlLaw
Law
Using
CL
Using CLData
DataandandFuzzy
FuzzyReasoning
Reasoning

xd (k)

Position
Position
Feedback
Feedback
Control
ControlLaw
Law

vt (k)+F (k)+Cartesian-Based
Cartesian-Based
Servo
ServoController
Controller

Σ
+

~
A1

1

Polishing
Polishing
Robot
Robot

~
A2

~
A3

10

20

~
B2

~
B3

-30

-10

~
A4

~
A5

30

40

~
B4

~
B5

10

30

~
A6

µ Aj
0.5

x (k)
vp (k)0xd (k) : desired positionod (k) : desired direction01

図 2 ファジィ推論による送り速度生成器が組み込まれた

~
B1

(a)

50

d i =OO?
~
B6

µB j

ハイブリッド制御系のブロック線図
0.5

0
-50

(b)

50

∆d i =OO?

図 4 ファジィ入力 d(i)，∆d(i) のために設計した前件部メンバシップ関数

図 3 CL データ内の点密度とワークの曲率との関係
い場所ではその密度は高くなる。したがって，曲率の変3 ファジィ推論による送り速度の生成

化は CL データの各座標間距離 d(i) = |p(i + 1) − p(i)| とロボットによる磨きの具体例として，例えば，半径そのレート ∆d(i) = d(i + 1) − d(i) の変化に帰着できる。

5mm のボールエンド砥石を用いて最小曲率半径 30mm 程

提案する磨きロボットでは，砥石先端の位置座標 X (k)度の曲面を有するワークを仕上げる場合，v t (k) を 20mm以上に設定すると砥石とワークの良好な接触状態を維持

が X (k) ∈ [p(i), p(i + 1)] を満たすとき，ファジィルール
は以下のように構成する。

することが困難となってくる。すなわち，磨き力の目標値への追従性が悪くなる，さらには非接触状態が発生す

Rule 1 IF d(i) is Ã1 , THEN F (i) = cA
1

るなどの現象がおきてしまう。特に非接触状態のとき

Rule 2 IF d(i) is Ã2 , THEN F (i) = cA
2..
.

の磨き力は零であるため，磨き斑の大きな原因となる。
これは，磨き実行中における力制御系はロボット本体，
力センサ，アタッチメント，軸付き砥石および金型ワー

Rule L IF d(i) is ÃL , THEN F (i) = cA
L
and

クから構成されており，非常に硬い系となっているから

Rule 1 IF ∆d(i) is B̃1 , THEN ∆F (i) = cB1である。力制御特性が不安定とならないようにゲイン

Rule 2 IF ∆d(i) is B̃2 , THEN ∆F (i) = cB
2..
.

を小さく設定すると，結果的に v n (k) も小さくなってしまう。現時点では最大曲率を有する部分でも安定した磨き力を発揮できるように v t (k) を抑えて設定しなければならない。

Rule L IF ∆d(i) is B̃L , THEN ∆F (i) = cB
L

ただし，Ãj (j = 1, ..., L) と B̃j はそれぞれ，二つのファ本研究では，仕上げに要する時間コストを軽減するた

ジィ入力 d(i) と ∆d(i) に対する j 番目の前件部ファジィ集

めに曲率に応じて接線方向の速度ノルムを自動調整できB合である。また，cA
j と cj はそれぞれ，j 番目の前件部る機能を提案する。図 3 には 3 次元 CAD/CAM を用いてに対応した後件部定数である。L はファジィルール数を直線近似により作成した CL データの例を示す。一般的に表す。したがって， j 番目のルールにおける前件部適合

CAM のメインプロセッサは，設計したモデルに対する許度は次式で与えられる。

容誤差の範囲内でワークを加工できるように工具経路すなわち座標 p(i) = [px (i) py (i) pz (i)]T (i = 1, 2, 3, . . . , l : l

ωjA = µAj {d(i)}(2)

は CL データの全ステップ数 ) を生成するが，曲率の大きωjB = µBj {∆d(i)}(3)

表 1 ファジィ入力 d(i)，∆d(i) のための調整した後件部定数値

cA
1

cA
2

cA
3

cA
4

cA
5

cA
6

Vmin + 0.1Vbase

Vmin + 0.3Vbase

Vmin + 0.9Vbase

Vmin + 1.5Vbase

Vmin + 2.1Vbase

Vmin + 2.7Vbase

cB
1

cB
2

cB
3

cB
4

cB
5

cB
6

−Vmin

−0.7Vmin−0.3Vmin

0.3Vmin

0.7Vmin

Vmin

ただし，µX (•) は X でラベル化されたファジィ集合の適

Abrasive tool

合度である。したがって，送り速度とその補正値はそれぞれ次式によって計算される。

L

cA ω Aj j
ṽt (k) = j=1
L
A

(4)

f (k)

k=1 ωkf (k-1)L

B B
j=1 cj ωj∆ṽt (k) = LB
k=1 ωkf (k-2) Fr (k-2)

f (k-3)

Workpiece with curved surface(5)

最終的に送り速度のノルム v t (k) は次式から求める。
v t (k) = ṽ t (k) + ∆ṽt (k)Fr (k-3)
Fr (k-1)

Fr (k)

図 5 工具押付力 f (k) と運動摩擦力 F r (k) の合力として定義する磨き力Polishing force

(6)

Fz

F
Mz

なお，ファジィ集合には次式に示すガウシアン関数を用いた。

Tip of arm
MyµX (x) = exp{log(0.5)(x − α)2 β 2 }Force sensor

Fy

(7)

Attachment

ただし，α はメンバーシップ関数の中心値であり，β は
Fx

よび ∆d(i) のために設計した前件部メンバシップ関数を示す。この場合，それぞれの β は 0.2 および 0.1 である。
また，対応する後件部定数値を表 1 に示す。Vmax と VminL

Mx

標準偏差の逆数である。図 4(a),(b) にはそれぞれ, d(i) おAbrasive tool

図 6 砥石とフランジ面の間に挿入された６自由度の力・トルクセンサはそれぞれ，事前に見積もった送り速度の最大値と最小値であり，ファジィ推論部はおおまかにこの範囲内で望ましい送り速度を生成する。Vbase は Vmax − Vmin である。これらのファジィルールは，これまで行ってきたロ
ボットによる磨き実験を通して経験的に獲得したものである。なお，d(i) と ∆d(i) の組合せによっては，Vmax

磨き力は図 6 に示す６自由度の力・トルクセンサを用いて計測する。砥石の接触点と力・トルクセンサとの非共配置に伴う観測情報の誤差を軽減するため，Fx と Fy
はそれぞれ，Y 方向および X 方向のモーメント Mx , Myから次式により求めることとした。

より大きな値や Vmin より小さな値が送り速度として出My (k)L
Mx (k)Fy (k) =L
Fx (k) =力されることに注意されたい。
4 磨き力

磨き力を取り扱う基本制御戦略については既に報告して

(9)
(10)

ただし，L はセンサ中心位置から砥石先端までの長さをいる 1, 2, 3, 4) 。砥石とワーク間に作用する磨き力 F (k) =表す。なお，Z 方向の力覚値については，工具軸に沿っ[Fx (k) Fy (k) Fz (k)]T は磨き性能に最も影響を及ぼす物

た Z 方向の剛性が X 方向および Y 方向のそれに比べて理要素の一つである。磨き力は図5 に示すように砥石の押付力 f (k) = [fx (k) fy (k) fz (k)]T と運動摩擦力 F r (k) =[Frx (k) Fry (k) Frz (k)]T との合力として定義される。

F (k) = F r (k) + f (k)(8)

かなり高いため，Fz をそのまま用いた。
5 実

験

提案する送り速度自動生成器の有効性を確認するため，図 7 に示す産業用ロボット JS-10 をベースとする磨き

[mm]

30

20

10

0

(a)Distance between two adjacent steps of CL data

[mm]

30

0

図 7 産業用ロボット JS-10 をベースとした実験システム-30(b)The increment of the distance[mm/min]

70
60
50
40
30
20
10
0

0

1000

2000

3000

4000

5000

Time index k(c) Norm of variable feed rate

図 9 磨き実行中の送り速度の変化

おける時間コストを軽減させる手法を提案した。実際
図 8 自由曲面金型の磨き実験風景の磨き実験により提案手法の有効性が確認されたため，今後開発を目指す微細曲面の仕上げシステムにおいてシステムで実験を行った。図 8 と図 9 にはそれぞれ，実験も応用を図りたい。

風景と送り速度ノルムの制御結果を示す。実験結果から，隣接する CL データ間距離の変化に応じて送り速度が良好に調節されていることが確認できる。従来，ター
ゲットとなるワークが有する最大曲率に応じて送り速度を抑えて設定する必要があったが，提案手法により，曲率の変化に応じた望ましい送り速度に自動調整できるようになった。なお，実験ではサイクルタイムを 40%程度短縮することができた。
さて，曲率の変化に応じて v t (k) を自動調整する手法について述べてきたが，さらに次式のように磨き力の誤差に応じて vt (k) を減速させることでよりファインな自動調整が可能になるものと期待される。

v̂t (k) = vt (k) − KmekF d  − F (n) (11)n=k−m

7 参考文献1) 永田, 楠本, 渡辺ら：ボールエンド砥石のためのハイ

ブリッド・モーション／力制御法の開発とペットボ
トル金型の磨きロボットへの適用実験，精密工学会
誌,Vol.
70, No.
1, p.
59 (2004)
Vol.70,No.1,
p.59-64(2004)
2) 永田，渡辺，楠本ら：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オープンアーキテクチャ型ハイブリッド制御法−金型磨き

ロボットへの適用−，日本機械学会論文集C編，Vol.
Vol.
71,
701, p.178-184
p. 178 (2005)
71, No.
No.701,(2005)
3) F. Nagata, Y. Kusumoto, K. Watanabe, et al.: Polishing Robot for PET Bottle Molds Using a LearningBased Hybrid Position/Force Controller, Procs. of
The 5th Asian Control Conference, p.813-820,
p. 813, Mel-

Melbourne,
Australia(2004)
bourne, Australia(2004)

ただし，Ke は減速量を決定するゲインであり，m は移動

4) F. Nagata, K. Watanabe, Y. Kusumoto, et al.: Gen-

平均値を求める際のウィンドウのサンプル数である。

eration of Normalized Tool Vector from 3-Axis CL
Data and Its Application to a Mold Polishing Robot,

6 おわりに本稿では，ワークの曲率に応じて送り速度 (接線方向速度) ノルムを自動調整することで，金型の磨き工程に

Procs. of 2004 IEEE/RSJ International Conferenceon Intelligent Robots and Systems, p.3971-3976
p. 3971 (2004)(2004)

酵素反応を利用したγ-アミノ酪酸のマイクロプレートアッセイ：
γ-アミノ酪酸生産性乳酸菌のスクリーニングへの適用
塚谷 忠之 *1

樋口 智子 *1

松本 清 *2

Enzyme-Based Microtiter Plate Assay for γ-Aminobutyric Acid: Application to the
Screening of γ-Aminobutyric Acid-Producing Lactic Acid Bacteria
Tadayuki Tsukatani, Tomoko Higuchi, and Kiyoshi Matsumoto
酵素反応を利用したγ-アミノ酪酸のマイクロプレートアッセイ法を開発した。酵素にはGABaseを用い，最適反応
条件を確立した。酵素反応により最終的生じるNADPHを340nmにおける吸光度測定に供することで，γ-アミノ酪酸濃度を算出した。本法により，0.5～10.0mMの濃度範囲でγ-アミノ酪酸の正確な定量が可能であった。また，乳酸菌培養に用いるMRS培地を対象とした回収率も平均100.2%と良好であった。さらに，乳酸菌による発酵液中のγ-アミノ酪酸濃度を測定したところ，HPLCにより得られた値と良好に一致した。本法をγ-アミノ酪酸生産性乳酸菌のスクリーニングへ適用したところ，γ-アミノ酪酸高生産能を持つ乳酸菌を9株得ることができた。

1 はじめにGABA-Tγ-アミノ酪酸(GABA)は降圧作用をはじめ，様々な生

GABA

+

理作用を持つことが知られている。GABAによる降圧作

α-ketoglutarate→

succinic semialdehyde+

glutamate

用は特定保健用食品としても認められており，GABAを含有 す る食 品 の開発 が活 発 化し て いる 。 食品 素材に

SSDH
succinic semialdehyde

+

NADP

succinate

GABAを高濃度で付与する方法として，乳酸菌を用いた発酵法が注目されている。自然界からGABA生産能の高

(1)

+

+

+ H2 O
NADPH

→
+

H+

(2)

2-2 マイクロプレートを用いたGABA測定法

い乳酸菌を取得するには，大量の試料をスクリーニン

96 ウ ェ ル マ イ ク ロ プ レ ー ト の 各 ウ ェ ル に 反 応 液グする必要がある。しかし，従来のHPLCを用いた方法（ 30µg GABase ， 1.4mM NADP+ ， 750mM Na2SO4 ， 10mM

では，比較的長い測定時間を要するため，大量の試料

DTTを含む80mMトリス塩酸緩衝液(pH9.0)）を90μl分から乳酸菌をスクリーニングする手法としては現実的

注し，これに試料（標準液，乳酸菌発酵液）を10μlでない。このため，GABAを迅速かつ簡便に測定でき，添加して測定を開始した。30℃で60分間反応させた後，しかも大量の試料を一斉に分析することが可能な手法

マイクロプレートリーダで340nmにおける吸光度を測が望まれている。そこで，酵素法とマイクロプレート

定した。

リーダを用いたGABA測定法の開発を行った。
3 結果と考察3-1 GABase反応条件の最適化

2 研究，実験方法

GABase反応条件の最適化を目的として，賦活剤であ2-1 GABaseによる酵素反応
本 法 で 用 い る GABaseは γ-aminobutyrate glutamate
aminotransferase(GABA-T)と succinic

semialde-

るNa2SO4 濃度，DTT濃度，補酵素NADP+ 濃度，α-ケトグ
ルタル酸濃度，酵素量，緩衝液及びpHの検討を行った。

hyde dehydrogenase(SSDH) の 混 合 系 酵 素 の 総 称 で あ

その結果，750mM Na2SO4 ，10mM DTT，1.4mM NADP+ 及びる。GABA測定における１連の酵素反応を下記に示す。

2.0mM α-ケトグルタル酸を含む80mMトリス塩酸緩衝液

最終的に得られたNADPHを測定することで，GABA濃度(pH9.0)を用いることにした。この条件下で，酵素使を算出する。

用量を30µg/wellまで低減化することができた。また，
GABA濃度が0.5～10.0mMの範囲において吸光度(340nm)との間に相関係数0.999の良好な直線関係が得られた。

*1 生物食品研究所*2 九州大学

3-2 MRS培地の影響と回収率

表2

本法とHPLCによる測定値の比較率の平均は100.2%であり，MRS培地成分の影響を受け

SamplePresent method
Lactic acid bacteria Glutamate (%)(A)
Lactobacillus brevis
0.0
0.04±0.00
NBRC33451.00.64±0.02
2.5
1.49±0.04
5.0
2.30±0.03

HPLC(B)
0.03±0.00
0.62±0.00
1.56±0.02
2.38±0.05

Bias
(A-B)
0.01
0.02
-0.07
-0.08

ることなく，正確な測定可能であった。

Lactobacillus brevis
NBRC12005

0.0
1.0
2.5
5.0

0.05±0.00
0.65±0.02
1.45±0.03
2.68±0.09

0.05±0.00
0.64±0.03
1.49±0.06
2.75±0.14

0.00
0.01
-0.04
-0.07

Lactobacillus brevis
NBRC12520

0.0
1.0
2.5
5.0

0.03±0.00
0.65±0.00
1.45±0.03
2.09±0.02

0.03±0.00
0.71±0.05
1.58±0.12
2.05±0.08

0.00
-0.06
-0.13
0.04
(g/100ml)

乳酸菌培養に用いるMRSの培地成分がGABase反応に与える影響について検討した。表1に示すように回収

表1
Sample
1
2
3
4
5
6
7
8
MediumMRS培地中のおけるGABAの回収率

Present(mM) Added(mM) Found(mM) Recovery(%)
2.35
3.00
5.37
100.7
2.70
3.00
5.73
101.0
0.07
3.00
3.16
103.0
0.05
3.00
3.25
106.7

3-4 GABA生産性乳酸菌のスクリーニング
自然界及び食品中から分離した乳酸菌を対象とし

3.65
1.57
0.04
0.00

5.00
5.00
5.00
5.00

8.45
6.50
4.87
5.15

96.0
98.6
96.6
103.0

て，本法を用いてGABA高生産性乳酸菌のスクリーニン

0.00

10.00

9.67

96.7

brevis NBRC 12005のGABA生産量を基準としてスクリ

100.2
3.4

ーニングを行った。 L. brevis NBRC 12005のGABA生産

Mean
a
CV(%)
a
Coefficient of variation.

グを行った。GABA高生産乳酸菌として知られている L.

量は2.1mMであった。スクリーニングの結果，2.1mM以上の生産能を持つ乳酸菌を9株得ることができた（図また，乳酸菌によるGABA生産にはMRS培地にグルタ

1）。

ミン酸ナトリウム（Glu-Na）を高濃度に添加されること が 多 々 あ る 。 そ こ で ， 10mM GABA 測 定 時 に お け る

検討した。GABase量が30µg/wellの場合，Glu-Na濃度
が2.0%以上で反応が著しく抑制された。一方，GABase
量 が 120µg/wellの 場合 ， わ ずか に反 応 は 抑制 さ れ る
ものの，反応時間60分で測定は終了した。この結果か

4.0

GABA生産量 (mM)

GABase反応に与えるGlu-Na濃度（0～10.0%）の影響を

3.0
2.0
1.0
0.0
0

ら，高濃度（10.0%）にGlu-Naが存在する場合は，酵

100

200

300

400

菌株 No.

素量を増やすことで対応可能であることがわかった。
図1

3-3 実試料の測定と有効性の確認

GABA生産性乳酸菌のスクリーニング

本法の信頼性を評価するために，実試料に対する本法とHPLCにより測定した値の比較を行った。乳酸菌に

4 まとめはGABA生産能の高い3株を用い，培養時間とGlu-Na濃

酵素法とマイクロプレートリーダを用いたGABA測定

度をパラメータとして設定した試料を調整した。測定法の開発を行った。測定条件の最適化及びマイクロプの結果，本法とHPLCにより測定した値には良好な一致レートの使用による試料量と酵素量の少量化により，が認められ，本法の有効性が確認できた（表2）。

コストを大幅に低減化することができた。本法は自然界及び食品中からGABA生産能の高い乳酸菌をスクリーニングするのに有効な手段となると考えられる。

5 掲載論文Analytica(2005)

Chimica

Acta,

Vol.540,p.293-297

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
γ-アミノ酪酸及びL-グルタミン酸の蛍光逐次定量
塚谷 忠之 *1

松本 清 *2

Sequential Fluorometric Quantification of γ-Aminobutyrate and L-Glutamate Using aSingle Line Flow-Injection System with Immobilized-Enzyme Reactors
Tadayuki Tsukatani, and Kiyoshi Matsumoto
γ-アミノ酪酸及び L-グルタミン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。 L-グルタミン酸酸化酵素及びカタラーゼ同時固定化リアクター及びGABase固定化リアクターを直列にフローラインに導入し，γ-アミノ酪酸測定時には試料と共に補酵素NADP+ 及び高濃度のα-ケトグルタル酸を， L-グルタミン酸測定時には試料と共にNADP+ 及び高濃度のγ-アミノ酪酸をインジェクションし，生成したNADPHを蛍光測定した。
NADP+ 及び高濃度のα-ケトグルタル酸を注入した際はγ-アミノ酪酸が，NADP+ 及び高濃度のγ-アミノ酪酸を注入した
際は L-グルタミン酸が選択的に定量された。本法を乳酸菌によるγ-アミノ酪酸発酵生産のモニタリングに適用し，γ-アミノ酪酸及び L-グルタミン酸量の経時変化を測定した。測定値はHPLCによる分析値と良好に一致した。

1 はじめにγ-アミノ酪酸(GABA)は降圧作用をはじめ，様々な生理作用を持つことが知られている。GABAによる降圧作

GABaseGABA + α-ketoglutarate + NADP + H2O →+L -glutamate

用は特定保健用食品としても認められており，GABAを含有 す る食 品 の開 発 が活 発 化し て いる 。 食品 素 材に

(1)

L -GOD
L-Glutamate+ O2 → α-ketoglutarate + NH4+ + H2O2GABAを高濃度で付与する方法として，乳酸菌を用いた発酵法が注目されている。乳酸菌発酵によるGABAの生+ succinate + NADPH + H+

(2)
CAT

産を効率的に進めるのはGABAの原料となる L -グルタミ

2 H 2 O2 → O2 + 2 H 2O

ン酸の消費量とGABAの生産量を経時的にモニタリング

2-2 FIAシステム(3)

する必要がある。そこで，迅速かつ簡便なGABA及び L-

FIA シ ス テ ム を 図 1 に 示 す 。 キ ャ リ ア ー 溶 液 に はグルタミン酸の逐次定量を目的として，固定化酵素リ

200mM Na2SO4 及 び 5.0mM DTTを 含 む 0.1Mト リ ス 塩 酸 緩

アクターを用いたフローインジェクション分析 (FIA)

衝液(pH8.0)を用い，マイクロチューブポンプにより法の開発を試みた。

流速1.0ml/minで送液した。 L-GOD/CAT同時固定化リア
クター及びGABase固定化リアクターをFIAラインへ直2 研究，実験方法

列に導入し，試料と反応試薬をオープンサンドイッチ

2-1 GABaseによる酵素反応法により注入した。GABA定量時には1.0mM NADP+ 及び本法で用いるGABase， L -グルタミン酸酸化酵素（ L-

15mM α-ケトグルタル酸を， L-グルタミン酸定量時にGOD） 及 び カ タ ラ ー ゼ （ CAT） の １ 連 の 酵 素 反 応を示

は1.0mM NADP+ 及び10mM GABAを反応試薬として注入しす。最終的に得られたNADPHを測定することで，GABAた。反応試薬の流路の切り替えは6方バルブにより行

及び L-グルタミン酸濃度を算出する。

った。生成したNADPHを下流に配置したフロースルー
型蛍光検出器（蛍光波長：455nm，励起波長：340nm）を用いて測定した。

*1 生物食品研究所*2 九州大学

図1

GABA及び L-グルタミン酸の蛍光逐次定量用FIAシステム

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; L-GOD/CAT, GABase,固定化酵素ﾘｱｸﾀｰ

れた。さらに，500 µM標準液に対する変動係数(n=10)

3 結果と考察3-1

GABA及び L-グルタミン酸の逐次定量

図2に標準液及び実試料のFIAピークを示す。反応試

はいずれも2%以下であった。
3-2 乳酸菌発酵のモニタリングへの適用薬としてNADP+ 及びα-ケトグルタル酸を注入した際は本法を乳酸菌発酵のモニタリングにおけるGABA及びGABAに対応したピークのみが得られ， L -グルタミン酸

L-グルタミン酸の測定に適用した。その結果，培養時に対するピークはほとんど得られなかった。一方，反間と共にGABA量は増加し， L-グルタミン酸量は低下す

応試薬としてNADP+ 及びGABAを注入した際は L-グルタる傾向を捉えることができた（図3）。また，本法とミン酸に対応したピークのみが得られた。この結果かHPLCの測定結果を比較したところ，両者には良好な一ら，本FIAシステムによりGABA及び L-グルタミン酸が致が認められた。

選択的に検出できることが確認できた。

図3

乳酸菌発酵のモニタリング

L-グルタミン酸：●,

FIA; ○, HPLC.

GABA：■,

FIA; □, HPLC.

図2

4 まとめ

FIAピーク

試料：a, ﾌﾞﾗﾝｸ; b, 0.5mM L-ｸﾞﾙﾀﾐﾝ酸; c, 0.5mM L -GABA及び L-グルタミン酸の逐次定量を目的とした固ｸﾞﾙﾀﾐﾝ酸＋0.5mM GABA; d, 乳酸菌培養液; e, 0.5mM

定化酵素リアクターを用いたFIAシステムの開発を行

反応試薬：Reagent1, 10mM GABA＋1mM NADP+,った。本法は乳酸菌によるGABA発酵生産のモニタリン

GABA.

Reagent2, 15mM α-ｹﾄｸﾞﾙﾀﾙ酸＋1mM NADP .
+グに適用可能であった。

また，GABAでは5～500µM， L-グルタミン酸では1～5 掲載論文500 µMの濃度範囲において応答ピーク値（蛍光強度）

Analyticaとの間に相関係数0.999以上の良好な直線関係が得ら(2005)

Chimica

Acta,

Vol.546,

p.154-160

フェノール樹脂含浸木材炭素化物の細孔特性
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

Pore Characteristics of Charcoal Materials Prepared from Wood Impregnated with
Phenol Formaldehyde Resin
Ryohei Asakura, Tetsuo Kondo, Mitsuhiro Morita, Hiroaki Hatori, Yoshio Yamada
低分子量フェノール樹脂を含浸したスギ材木粉を炭素化，賦活処理して得られた炭素化物の細孔構造を同一条件で炭素化，賦活処理した未含浸のスギ材木粉炭素化物のそれと比較した。フェノール樹脂を含浸したスギ材木粉の炭素化物は，未含浸のスギ材炭素化物とは異なり，吸着対象分子のサイズの違いによって，吸着する，しないという分子ふるい効果を示した。また，電子顕微鏡観察の結果から，フェノール樹脂を含浸した炭素化物と未含浸の炭素化物に大きな違いはみられなかった。低分子量フェノール樹脂を含浸した木材の炭素化物は，木材の細胞壁構造を保持した「分子ふるい炭素」の可能性を有することが示唆された。

1 はじめに賦活条件は，賦活温度 880℃，二酸化炭素雰囲気下，木材は用途に応じ，強度，寸法安定性，耐候性，微賦活時間15, 30minとした。フェノール樹脂を含浸し生物に対する抵抗性などを高めるため，化学的に改質ていないスギ木粉を比較試料とした。炭素化，賦活処される。その改質方法の一つに国産針葉樹材に対する理による形状の変化は，電子顕微鏡(SEM)により観察

低分子量フェノール樹脂含浸処理がある。フェノール

した。炭素化物，賦活処理物の細孔構造の測定は，樹脂含浸処理によって，割れを防止することができ，

77Kにおける窒素吸着等温線測定，298Kにおける二酸

寸法安定性，硬さ，耐久性が改善される。それ故，近化炭素吸着等温線，ブタン吸着等温線測定により行っ

年，フェノール樹脂含浸した木材は，公園などの屋外た。得られた窒素吸着等温線をもとにして，全比表面で使用される木製品に利用されるようになっている。

積，全細孔容積を算出した。二酸化炭素，ブタン吸着

フェノール樹脂含浸した木材も通常の木材と同様に廃等温線をもとにして細孔容積を求めた。

棄後の処理法を考える必要があり，炭素化はその一つである。木材，及びフェノール樹脂はともに多孔質炭3 結果と考察

素材料の原料であり，フェノール樹脂を含浸した木材

炭素化収率は，フェノール樹脂を含浸した試料がの炭素化物は両方の性能を持った多孔質炭素材料とな

37.8%であるのに対し，フェノール樹脂を含浸していりうる。しかしながら，そのことに関する報告はみらない試料は27.7%であった。SEM観察の結果から，低分

れない。そこで本テーマでは，スギ材木粉に低分子フ

子量フェノール樹脂が細胞内腔ではなく，細胞壁内部

ェノール樹脂を含浸して，炭素化，賦活処理を施し，に浸透していることが示された。フェノール樹脂を含細孔特性を検討した。

浸していない試料は，二酸化炭素，ブタンともに吸着したのに対し，フェノール樹脂を含浸した試料は，二2 実験方法

酸化炭素分子は吸着するが，ブタンは吸着しないとい

炭 素 化 用 試 料 と し て は ， ス ギ 材 木 粉 （ 250µm-

う分子ふるい効果を有する。フェノール樹脂含浸した

355µm）を用い，これに低分子量フェノール樹脂を含木材炭素化物は，未処理の木材炭素化物と異なる細孔浸した後，樹脂を硬化させた。炭素化条件は，炭素化特性を有していることが示唆される。

温度 900℃，窒素雰囲気下，保持時間1時間とした。
4 掲載論文*1 インテリア研究所*2 九州大学*3 産業技術総合研究所*4 福井大学

朝倉良平：炭素，No.220，p.286-288 (2005)

Al-Si亜共晶合金鋳物の引張特性に及ぼす純度の影響
小川 俊文 *1

春山 繁之 *1

恵良 秀則 *2

岸武 勝彦 *3

Influence of Purity on Tensile Property of Al-Si Hypo-Eutectic Alloy Castings
Toshifumi Ogawa, Shigeyuki Haruyama, Hidenori Era, Katsuhiko Kishitake
純度の異なる2種類のAl-Si亜共晶合金鋳物（L合金：純度99.89mass%，H合金：純度99.98mass%）を用いて，AlSi亜共晶合金の引張特性に及ぼす純度の影響について検討した。両合金とも基本組織は，初晶α相と共晶組織から構成されていたが，H合金の共晶組織は，L合金のものに比べて微細であった。また，L合金中には，板状の粗大Siが点在していたが，H合金では観察することは出来なかった。凝固組織におけるブリネル硬さ試験を行った結果，両合金の硬さは，ほとんど違いがなかった。室温大気中で引張試験を行った結果，両合金の引張強さは，ほぼ同じであったが，H合金の伸びは，L合金の2倍近くあった。

1 はじめに両合金の凝固組織の硬さは，ほぼ同じだった。引張試

アルミニウム合金鋳物であるAC4CHについて主用合験の結果を図1に示す。引張強さは，ほぼ同じだった

金元素であるSiとMg以外の元素を低減させることで，が，H合金の伸びは，L合金の約2倍であった。走査電引張強さを著しく低下させることなく伸びを大幅に向子顕微鏡による破断面観察の結果，H合金に比べてL合

上させることが出来る可能性があることを報告した。

金では，脆性破面の特徴であるフラットな面が多く存

しかし，その伸び向上のメカニズムについては解明さ在していた。これは，L合金において，α相－共晶Siれていない。また，Al-Si系合金の機械的性質は共晶界面における大規模な剥離が多く起こったものと考えの凝固組織に依存すると言われている。そこで本研究られ，共晶組織におけるα相－Si界面の結合力が，Hでは，純度の異なるAl-Si合金鋳物を溶製し，その引合金に比べてL合金は弱いと予想される。

200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0

16

2 実験方法に用い，コールドクルーシブル溶解炉で純度の異なる
2種類のAl-Si亜共晶合金を溶製した。インゴット外周の急冷組織部分と中心引け巣部分を除いた均質組織部
分から，成分分析，硬さ試験，引張試験に用いる試験

Elongation (%)

市販のアルミニウムインゴットと粒状珪素を原材料

1412
Elongation

10

Tensile strength

8
6
4
2
0

片を切り出した。成分分析は，JISで規定されている

L-Alloy

11元素と改良組織元素について行った。硬さ試験は，

図1

H-Alloy

引張試験の結果

ブリネル硬さ測定器で行った。引張試験は，室温大気中，歪み速度1.4×10-3s-1 で行った。引張試験後，走査電子顕微鏡で破断面の観察を行った。

4 まとめ
Al-Si亜共晶合金鋳物は，不純物を低減させること
で，著しい引張強さの低減もなく，伸びを改善させる

3 結果と考察ことができる可能性があることが明らかになった。

金属組織は，L合金に比べH合金の共晶組織が微細であった。またL合金にだけ板状粗大Siが点在していた。

5 掲載論文Materials Transactions, Vol.46, No.8, p.1771-*1 機械電子研究所*2 九州工業大学*3 大阪産業大学

1774 (2005)

Tensile strength, σ/MPa

張特性に及ぼす純度の影響について検討した。

NC工作機械の動作経路計測システムの開発
牛尾 雅樹 *1

牛島 英史 *2

神谷 昌秀 *3

楢原 弘之 *2

鈴木 裕 *2

Development of a Motion Accuracy Measurement System of NC Machine Tools
Masaki Ushio, Hidefumi Ushizima, Masahide Kouya, Hiroyuki Narahara, Hiroshi Suzuki
NC工作機械の動作軌跡は，加工対象の仕上品位に大きく影響する。したがって，NC工作機械の動作軌跡を評価し，誤差要因の特定とその定量を行うことは，加工精度の追求のためには，重要である。本研究では，NC工作機械の種々の動作経路を，1台で計測可能な測定装置の開発を目指した。本報告では，測定範囲で高い真直度を持つエアスライ
ドを組み合わせ，XY2次元平面での任意動作軌跡を計測可能な装置の開発及び試作を行い，それを用いて動作経路の計測評価を通じて，システムの有用性を報告する。

1 はじめに
NC工作機械の動作軌跡は，加工対象の仕上品位に大2 研究，実験方法
2-1 計測システム

きく影響する。したがって，NC工作機械の動作軌跡を試作した計測システム計測部の写真を図1に示す。シ

評価し，誤差要因の特定とその定量を行うことは，加ステムは，工作機械のテーブルに設置する計測部と，工精度の追求のためには，重要である。

計測データ収録部及び解析部により構成される。計測

円運動経路に代表される，2次元以上の動作軌跡を計

部はベースを工作機械テーブルに固定し，その上部に測する手法として，円運動試験法や格子交差スケール

ボールベアリングを介して主軸に取り付けている。計による方法さらに，実際に加工を行い三次元測定装置

測部の構造は，高分解能光学リニアスケールをエアス

で形状誤差を計測評価する手法がある。円運動試験法

ライドに取付け，これを軸構成ユニット(以下計測軸)

は工作機械に円運動を行わせ，その動作軌跡をとし，試作では計測可能範囲をXY100mmとした。

DBB(Double Ball Bar)で計測し，その結果をNC指令座

収録部は，それぞれの計測軸スケールから独立して出標と相対的に比較し，誤差要因の特定とその定量を行力されるパルス信号を計数し，時間的な同期を取り，うことにより，動作経路から機械精度を知ることがで

X・Y軸座標数値に変換し，数値ファイルとして保存す

き，円弧軌跡の評価により，工作機械の組立精度や制るカウンターボードを試作した。収録タイミングを御応答等を評価できるが，加工に多用される直線経路

1s～100μsで任意に設定でき，NC指令タイミングに一については，計測装置の構造上の問題で計測ができな

致させることを可能とした。解析部はパソコンを用い，い。また，レーザ干渉計を複数用いて，2次元以上の動NC指令座標を基準として動作軌跡を表示すると共に，作軌跡を評価する方法も考えられるが，一般的に装置

動作軌跡から各誤差要因の数値を算出するプログラムが高価であり，複数軸のレーザ光源とインターフェロ

を，LabVIEW(National Instruments社製)上で作成し，メータを極めて高い精度で光路を形成しなければならレーザ干渉測長器を用い，比較校正を行った。

ない。

2-2 計測経路の設定

本研究では，NC工作機械の種々の動作経路を，1台で本報では，XY2次元での動作経路評価を行った。加工

計測可能な測定装置の開発を目指した。本報告では，に用いられる経路の代表として，円運動経路・直線運測定範囲で高い真直度を持つエアスライドを組み合わ

動経路を設定し，動作中の座標軌跡を計測しNC指令値

せ，XY2次元平面での任意動作軌跡を計測可能な装置のとの比較により，誤差要因毎の誤差量の数値化を行っ開発及び試作を行い，それを用いて動作経路の計測評た。

価を通じて，システムの有用性を報告する。
*1 機械電子研究所*2 九州工業大学 情報工学部*3 （財）福岡県産業・科学技術振興財団

表1

検査成績書との比較(円弧補間)

誤差要因(μｍ)

検査値

解析結果

真円度

３．２

３．７

半径減少量

０

０．５

3 結果と考察
図2から図4は，設定した経路を計測表示し，その結果を用いて誤差要因の解析を行った結果である。
3-1 出荷検査記録との比較実験に用いた工作機械の出荷検査記録から，本シス
図1
Circle計測システム(計測部)
File name

テムでの計測結果と比較する誤差要因を表1にまとめる。

D:\matsuura-mam72\CW\Circle\ｆ１000.dat

65.0
60.0

data

data point color

reference

検査記録では，送り速度1000mm/minでの評価が中心

座標

50.0

D (mm)
error bias

80
1000

reversal spike(deg)

3

40.0
30.0

であるため，本計測でも同速度での計測結果を用いた。

without reversal spike

20.0

機械性能を評価する指標として用いられる，真円度

distance (mm）（Cursor1～Cursor2）

10.0

return0.0000について計測結果を比較した場合，DBBでは3.2μmであ

0.0
-10.0

roundness
-30.0

3.741

radius diminution-0.149の各数値を比較することにより，本システムでの計測

center

-40.0
Gx
Gy

-50.0
-60.0
-65.0
-70.0 -60.0

り，本システムでの計測結果では3.7μmであった。表1

analysis(μm)

-20.0

0.655
-0.539
＋Ｘ

＋Ｙ

－Ｘ

－Ｙ

0.821
3.324

0.528
0.880

0.841
1.332

0.622
0.926

lost motion

-40.0

図2
Rectangular

-20.0

0.0

20.0

40.0

60.0

70.0

(μm)

reversal spike

動作経路計測結果(円弧補間)
File namedata point color

data
reference

40.0

さらに，先読み加減速制御の効果について計測を行った結果を示す。送り速度を5000mm/minに設定し計測

center50.0

計測の有用性を明らかにできた。
3-2 機械制御の違い

D:\matsuura-mam72\CW\rectangular\ｆ１000.dat

65.0
60.0

と，DBBによる出荷検査記録で顕著な差異は見いだせず，

length(mm)80error bias

1000

30.0

analysis P(%)

70

20.0

distance (mm）（Cursor1～Cursor2）を行い，制御の違いを数値化することができた。

0.000010.0
Cursor1
Cursor2
0.0

return

4 まとめ

-10.0
-20.0

center

-40.0

Gx
Gy

0.508
-0.470Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ

angle error
1.218-1.5151.345-1.047

-50.0
-60.0
-65.0
-70.0 -60.0(1)2次元平面において任意動作軌跡を計測し，結果analysis（μm）

-30.0

-40.0

図3
Rectangular－４５°

-20.0

0.0

20.0

40.0

60.0

70.0

scale
error
ｹｰﾙ誤差(μm1.344-1.416Ｘ
Ｙ

straightness
＋Ｘ
0.213
＋Ｙ
0.277
－Ｘ
0.234
－Ｙ
0.225

動作経路計測結果(一軸直線補間)
File namedata

data point color

referencediagonal (mm)80

error bias

1000

30.0

analysis P (%)

70

20.0

distance (mm）（Cursor1～Cursor2）

10.0

0.000040.0

録との比較を行い，その妥当性を明らかにした。

をリアルタイムで行え，解析結果から制御調整を簡便かつ短時間に行えることを示した。

center50.0(2) ISO230で規定された項目について，出荷検査記(3) 開発したシステムを用いれば，任意経路の計測

D:\matsuura-mam72\CW\rectangular45\ｆ１000.dat

65.0
60.0

を表示できる計測システムを開発した。

5 掲載論文0.0
return牛尾雅樹，他：精密工学会誌，71巻(8号)，P.1000-1004

-10.0
-20.0

center
Gx
Gy

-40.0
-50.0
-60.0
-65.0
-70.0 -60.0(2005)

analysis（μm）

-30.0

-40.0

図4

-20.0

0.0

20.0

40.0

60.0

70.0

0.789
-0.581angle error＋Ｘ-2.490＋Ｘ
2.181－Ｙ-1.501－Ｙ
1.810

動作経路計測結果(二軸直線補間)

straightness
Ⅰ
2.144
Ⅱ
1.924
Ⅲ
1.869
Ⅳ
1.729

オゾンを含有した氷の生成に関する研究
吉村 賢二 *1

小山 繁 *2

山本 博美 *3

A Study on Generation of Ice Containing Ozone
Kenji Yoshimura, Shigeru Koyama, Hiromi Yamamoto
本研究では，オゾン氷製造装置の設計指針を得るために，オゾンを含有した氷の生成に関する製氷特性について
基礎実験を行い，水中オゾン濃度の時間的減衰に及ぼすオゾン水温度の影響を調べた。次に，所定の濃度のオゾン
水を凝固させた場合の氷中オゾン濃度に及ぼす冷却温度，氷直径，オゾン水初期温度及びオゾン水圧力の影響を調べた。さらに，生成したオゾン氷中のオゾン濃度の時間的減衰に及ぼす氷直径の影響を調べた。その結果，以下のことが分かった。(1)オゾン水温度が低いほど水中オゾン濃度の減衰は小さい，(2)冷却温度が低いほど，氷直径が小さいほど，またオゾン水圧力が高いほど，氷中オゾン濃度が高い。(3)オゾン水初期温度が高いほど氷中オゾン濃度が低い。(4)氷中オゾン濃度は凝固時間との間に相関関係が成立する。

1 はじめに
近年，病原性大腸菌O157や腸炎ビブリオ等による食2 研究，実験方法
2-1 凝固特性実験

中毒が社会問題となり，消費者に安全志向・衛生志向

図1は氷中オゾン濃度に及ぼす冷却温度，氷直径，が急激に高まっている。現在，鮮魚，野菜等の生鮮食

オゾン水初期温度，オゾン水圧力の影響を調べるため品の長期保存・遠方輸送においては，鮮度維持を目的の実験装置で，低温恒温槽(1)，伝熱管(4)及び加圧用にオゾンガス及びオゾン水の利用が広がりつつある。

酸 素 ボ ン ベ (7) で 構 成 さ れ る 。 伝 熱 管 は ， 内 径 10.0

オゾンは強い酸化力により殺菌・脱臭効果が大きく，[mm]，外径12.0[mm]と内径27.4[mm]，外径30.0[mm]の時間の経過とともに酸素に分解し無害化するため，生2種類の硼珪酸硝子製試験管，及び内径23.0[mm]，肉鮮食品の安全保存に有効であるが，オゾンは保存(安厚3.5[mm]，長さ155.0[mm]のステンレス製圧力容器で，定貯蔵)が難しい欠点がある。近年，オゾンの保存及低温恒温槽内に鉛直に設置した。

び生鮮食品の鮮度維持を目的にオゾンガスを氷中に封凝固実験では，所定の濃度及び温度に設定されたオ

じ込めたオゾン氷が注目されている。その理由は，オ

ゾン水を伝熱管内に注入し，その後直ちに，伝熱管をゾン氷は，オゾンによる殺菌と氷による冷却を同時に所定の温度に設定された低温恒温槽内のエタノールに行うことができるため，生鮮食品の鮮度維持が可能に浸せきさせて伝熱管内のオゾン水の凝固実験を行った。

なることによる。
これまでに，氷水界面における空気泡の発生と捕捉に関する研究は行われている。しかし，凝固に伴うオゾンガスの掃き出し・捕捉現象等のオゾンを含有した

5

1

7

氷の生成については，まだ研究が少なく，実用化にあ3

たっては基礎となる実証データを蓄積する必要がある。
そこで本研究では，まず，水中オゾン濃度の時間的

6

4

2

減衰に及ぼすオゾン水温度の影響を調べた。次に，所定の濃度のオゾン水を凝固させた場合の氷中オゾン濃度に及ぼす冷却温度，氷直径，オゾン水初期温度及びオゾン水圧力の影響を実験によって調べた。
*1 機械電子研究所*2 九州大学先導物質科学研究所*3 福岡県商工部 新産業・技術振興課

1
3
5
7

Constant temperature bath
2 Ethanol
Test tube
4 Ozonized water
Mineral insulated thermocouple 6 Data recorder
Oxygen bomb
図1

凝固実験装置10

凝固実験条件は，冷却温度 Tw=-190～-20[℃]，氷直径825[℃ ]， オ ゾ ン 水 圧 力 Pç=0.1～1.1[MPa]で あ る。 ま7た，製氷前の水中オゾン濃度 Cç=10.0[g/m3]，氷長さ定法で測定した。

6

Ci [g/m3]

çi=65.0[mm]に固定した。氷中オゾン濃度はヨウ素滴○d i=10.0mm (T ço =15℃)●d i=10.0mm (T ço = 5℃)△d i=27.4mm (T ço =15℃)▲d i=27.4mm (T ço = 5℃)9

di=10.0 及 び 27.4[mm] ， オ ゾ ン 水 初 期 温 度 Tço=5 ～54
33 結果と考察2

3-1 凝固特性実験

Cç=10.0[g/m3]

1

Pç=0.1[MPa]0-200

図2に氷直径 di[mm]及びオゾン水初期温度 Tç[℃]を変 え た 場 合 の 氷 中 オ ゾ ン 濃 度 Ci[g/m3] と 冷 却 温 度

-150

-100

-50

0

Tw [℃]

Tw[℃]の関係を示す。オゾン水圧力 Pç=0.1[MPa]に固定した。また，氷直径は di =10.0及び27.4[mm]，オゾ

図2

氷中オゾン濃度に及ぼす冷却温度の影響

ン水初期温度は Tço=5及び15[℃]である。図2より，オ
ゾン水初期温度 Tço=5及び15[℃]のどちらの場合も，
9中オゾン濃度 Ci が高いことが分かる。これは冷却温度

8

Tw が低く，また氷直径 di が小さいほど凝固時間が短く

7

どちらの場合も,氷直径 di が小さい場合は冷却温度 Tw

Ci [g/m3]

なり，氷中にオゾンガスが多く封入されるためと考えられる。また，オゾン水初期温度 Tço=5及び15[℃]の●T w= -90℃(d i=10.0mm)▲T w= -50℃(d i=10.0mm)■T w= -20℃(d i=10.0mm)○T w= -90℃(d i=27.4mm)△T w= -50℃(d i=27.4mm)□T w= -20℃(d i=27.4mm)

10

冷却温度 Tw が低いほど，また氷直径 di が小さいほど氷の影響が大きいことが分かる。

6
5
4
3

図3に冷却温度 Tw[℃]及び氷直径 di[mm]を変えた場

2

合 の 氷 中 オ ゾ ン 濃 度 Ci[g/m3] と オ ゾ ン 水 初 期 温 度

Cç=10.0[g/m3]

1

Tço[℃ ]の 関 係 を 示す 。オ ゾン 水圧 力 Pç=0.1[MPa]にPç=0.1[MPa]0固定した。図3より，氷直径 di=10.0及び27.4[mm]のど

0

ちらの場合も，オゾン水初期温度 Tço が高いほど氷中
オゾン濃度 Ci が低いことが分かる。本実験では，円筒

図3

5

10
15
Tço [℃]

2025

氷中オゾン濃度に及ぼすｵｿﾞﾝ水初期温度の影響

型伝熱管内のオゾン水の冷却開始と同時に，冷却面付
近のオゾン水の凝固が始まり，伝熱管の中心に向かって凝固が進む。その際，オゾン水の冷却は，オゾン水の自然対流による熱伝達が主である。従って，オゾン(3) オゾンを含有した氷の生成過程において，氷中オゾン濃度は凝固時間との間に相関関係が成立する。

水初期温度 Tç o が高いほど，オゾン水の冷却開始から(4) オ ゾ ン 水 圧 力 Pç=0.1～ 0.8[MPa]の 範 囲 で は ， オ

全て凝固するまでの時間が長くなり，オゾンの分解がゾン水圧力が増加するほど氷中オゾン濃度は増加進むため，氷中オゾン濃度 Ciは低くなる。

する。
(5) オゾン氷生成時に固液界面において，オゾンの分

4 まとめ

解，オゾンガスのオゾン水への再溶解及び大気へ(1) 冷却温度が低いほど，また氷直径が小さいほど氷の放出が生じている。

中オゾン濃度が高い。
(2) オゾン水初期温度が高いほど氷中オゾン濃度が低5 掲載論文い。冷却温度が高く，氷直径が大きい条件ほどオ

吉村賢二，小山繁，山本博美：日本冷凍空調学会論文

ゾン水初期温度の影響は大きくなる。

集，22巻(4号)，p.429-436(2005)

海産物の温風乾燥における熱・物質伝達林 伊久 *1

鶴田 隆治 *2

谷川 洋文 *2

A Heat and Mass Transfer in Warm-air Drying of Seafood
Tadahisa Hayashi, Takaharu Tsuruta, Hirofumi Tanigawa
本研究の最終目的は，海産物の効率的な乾燥方法の開発である。そこで本稿では，ホタテ貝柱を用いた温風乾燥実験を行い，熱・物質伝達機構を調べた。また，乾燥過程における貝柱の筋繊維に関する生物学的な変化も観察した。実験の結果，乾燥過程においてホタテ貝柱の表面の変質と貝柱内部の温度上昇にともなう浸透圧の増加によって筋繊維が膨潤することが分かった。さらに，この筋繊維の収縮と膨潤が貝柱内部の水分流路を閉塞する。これが内部輸送抵抗であり乾燥速度を低下させている原因であることを明らかにした。

1 はじめに現在，ホタテ貝柱や海苔等 の海産物の乾 燥方式としては，主に温風乾燥が用いられている。バッチ式が多く，一度に100～300kgを乾燥させるが，乾燥物の品
質改善などのために温風温度を40～60℃程度に抑えて100μm運転されており，乾燥時間もかなり長い上に，変色や割れなどによる歩留まりが悪いなど，未だに多くの技術課題を抱えている。

100μm(1-a-1)乾燥前(1-a-2)乾燥 2 時間後(1-a) 中央縦断面(貝柱表面近傍)

そこで本研究では，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した。

2 実験と考察

100μm

本研究では，海産物としてホタテ貝柱を使用した(1-b-1)乾燥前

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分布測定お

図1

100μm

(1-b-2)乾燥 2 時間後(1-b)中央横断面

貝柱の顕微鏡写真 (×400)

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をもとに近似的解析を行い，温風乾燥機構を検証した。
図1に乾燥前と乾燥2時間後の貝柱断面の細胞写真を示す。これにより乾燥2時間後の表面近傍の細胞が3 まとめ
温風乾燥では，乾燥過程での細胞変成により生じる内部輸送抵抗によって乾燥速度が急速に低下することを明らかにした。

収縮して密集しているのが分かる。また，貝柱中央横断面から浸透圧により筋繊維が膨潤している様子が分かる。したがって筋繊維の収縮と膨潤により貝柱内の水分流路が閉塞されて内部輸送抵抗が形成されると考えられる。この内部輸送抵抗が乾燥速度の低下の原因であると考えられる。また，この内部輸送抵抗の発生
は，乾燥実験および熱伝導数値解析でも確認している。

*1 機械電子研究所*2 九州工業大学工学部

4 掲載論文林伊久，鶴田隆治，谷川洋文：日本機械学会論文集(B編)，72巻(715号)，p.163-169(2006)

小型電波無響室サイト減衰量のラージセルを用いたFDTD解析法
川畑 将人 *1

石田 康弘 *1

島田 一夫 *2

桑原 伸夫 *3

FDTD Method for Site Attenuation Analysis of Compact Anechoic Chamber Using
Large-Cell Concept
Masato Kawabata, Yasuhiro Ishida, Kazuo Shimada, Nobuo Kuwabara
レイトレーシング法の適用が困難な100MHz以下の周波数帯域における電波無響室の理論評価手法の確立を目的として，小型電波無響室サイト減衰量のFDTD解析法について検討した。PC程度の計算機で解析可能とするため，ラージセルを用いて送受信アンテナおよび電波吸収体をモデル化した。これらのモデル化手法を用いて小型電波無響室のサイト減衰量解析を実施した結果，測定値とほぼ±1dB以内，最大でも±2dB以内で一致し，本手法により低周波
数帯域での小型電波無響室の理論評価が可能となった。

1 はじめに度の偏差が生じており，解析により電波吸収体の影響

電波無響室の理論評価手法としてはレイトレーシンが評価されていることがわかる。レイトレーシング法

グ法が一般的であるが，電磁波を光線近似しているたによる解析では，80MHzより低い周波数帯域でディッ

め，電波無響室の寸法が波長と同程度となる100MHz以

プ，ピークが測定値と著しく異なっているが，FDTD法

下での適用は困難である。本研究では，100MHz以下のによる解析では，どの帯域においてもほぼ±1dB以内，周波数帯域における電波無響室の理論評価をPC程度の最大でも±2dB以内となり，特性を良く捉えているこ

計算機で可能とする手法の確立を目的として，アンテとがわかる。

ナのエレメント径や電波吸収体の厚さに比べて大きなセル（ラージセル）を用いたFDTD法によるサイト減衰642

2 解析方法2-1 アンテナのモデル化

Deviation[dB]

量解析法を検討した。

サブセル法を用いたFDTD法により自由空間の伝搬特

0
-2
-4
Meas.
FDTD
Ray Tracing

-6
-8
-10

性を解析し，線状アンテナの解析に優れているモーメ

30

ント法による解析結果と一致するようにアンテナの等
価エレメント径を決定した。

図1

40

50

60
70
80
Frequency[MHz]

90

100

サイト減衰量の測定結果および解析結果

2-2 電波吸収体のモデル化
電波吸収体の厚さをセルサイズと同じとして，平面
波の垂直入射の反射係数が一定となるようにセル内の等価誘電率，等価透磁率を決定した。

4 まとめ
本解析法により，これまで困難であった100MHz以下の周波数帯域における小型電波無響室の理論評価が可能となった。100MHz以下における電波無響室の設計に3 結果と考察

有効であると考えられる。

サイト減衰量の測定結果および解析結果を図1に示す。図の縦軸は自由空間のサイト減衰量との偏差を示

5 掲載論文している。自由空間のサイト減衰量とは最大で6dB程

電 気 学 会 論 文 誌 A, Vol.125, No.10, p.784-790(2005)*1 機械電子研究所*2 リケンエレテック（株）*3 九州工業大学

小型電波無響室サイト減衰量解析におけるFDTD法とレイトレーシング法の適用周波数範囲の検討
川畑 将人 *1

石田 康弘 *1

島田 一夫 *2

桑原 伸夫 *3

Comparison of Site Attenuation Analysis Results between FDTD and Ray-Tracing
Method Using Compact Anechoic Chamber
Masato Kawabata, Yasuhiro Ishida, Kazuo Shimada, Nobuo Kuwabara
電磁界解析による電波無響室評価の適用周波数範囲を明確にするため，FDTD法およびレイトレーシング法を用いて小型電波無響室のサイト減衰量解析を実施し，測定値と比較した。その結果，FDTD法は30MHzから250MHzで，レ
イトレーシング法は180MHz以上で適用可能であることがわかった。さらに，電波無響室のサイズを変化させて解析した結果，サイズが大きくなるに従ってレイトレーシング法の適用下限周波数が低くなることがわかった。

1 はじめに場合，FDTD法は30MHzから250MHzで，レイトレーシン

電波無響室の理論評価手法として高周波数帯域ではグ法は180MHz以上で適用可能であることがわかった。

レイトレーシング法が，低周波数帯域ではFDTD法が用

さらに，電波無響室のサイズを変化させて解析した結いられるが，FDTD法においては100MHz以上の周波数帯

果，サイズが大きくなるに従ってFDTD法とレイトレー域での複合型電波吸収体のモデル化手法が未確立であシング法との偏差が小さくなり，レイトレーシング法

り，両者の適用周波数範囲も明らかになっていない。

の適用下限周波数が低くなることがわかった。

本研究では，FDTD法による理論評価手法を100MHz以上に拡張し，レイトレーシング法との適用周波数範囲を4ング法の適用下限周波数の関係についても検討した。

2 解析方法Deviation [dB]検討した。また，電波無響室のサイズとレイトレーシ
0

±2dB
-4

FDTD
Ray tracing

2-1 FDTD法-8

小型電波無響室で一般に使用されている複合型電波

50

100
150
200
Frequency [MHz]図1

サイト減衰量解析結果

吸収体を，フェライトタイルについては平面波の垂直
入射の反射係数が一定となるように，フェライト系ピ250

ラミッドについては体積比で平均化するようにセル内の等価誘電率，等価透磁率を決定した。
2-2 レイトレーシング法

4 まとめ
FDTD法による理論評価手法を100MHz以上に拡張し，複合型電波吸収体を16層の平板多層近似でモデル化

レイトレーシング法との適用周波数範囲を明らかにしし，5回反射まで考慮したイメージ法により解析した。

た。これらの手法を併用することにより，放射妨害波試験の測定周波数全域における小型電波無響室の理論

3 結果と考察評価が可能となった。

サイト減衰量の解析結果を図1に示す。図の縦軸は測定値との偏差を示している。測定値との偏差±2dB

5 掲載論文以内を許容値とすると，小型電波無響室を対象とした

IEICE TRANSACTIONS on Communications, Vol.E88-B,
No.8, p.3152-3157 (2005)*1 機械電子研究所*2 リケンエレテック（株）*3 九州工業大学