No.２7（２０１7）

研

究

報

告

福岡県工業技術センター

福岡県工業技術センター研究報告 No.27 (2017)

目次◆◆研究報告◆◆紫外線を用いた表面改質による異種樹脂材の接着 ····························································································································· １
堂ノ脇 靖已，野崎 裕司

衣服内気候を最適化する繊維素材の開発 ··············································································································································· ５
泊 有佐，本田 一光

三池産石炭微細粉を顔料に用いたオリジナルクレヨンの開発 ········································································································· ９
藤吉 国孝，國盛 麻衣佳，西川 一仁

高圧水素用シール材開発のための標準ゴムライブラリーの構築と水素ガス透過率評価 ················································ １３
木村 太郎，野見山 加寿子，浦川 稔寛，内山 直行，齋田 真吾

家具製造に伴い発生する無垢端材の有効活用のための研究開発 ·························································································· １７
石川 弘之，西村 博之，楠本 幸裕

不燃薬剤の材内分布に関する研究（第3報） ········································································································································ ２１-マイクロフォーカスX線CT装置を用いた非破壊的評価：追加検討岡村 博幸，朝倉 良平，竹内 和敏，山田 圭一，長谷川 益己

マグネシウム合金用電解研磨液のハルセル試験による評価 ······································································································ ２５
南 守，御舩 隆

アルミニウムダイカストの陽極酸化条件に関する検討····················································································································· ２８
古賀 弘毅

TiC微粒子分散Ni-Pめっき膜の電析 ························································································································································ ３２
中野 賢三，中野 寛文

計測用X線CTのデジタルエンジニアリングへの活用の研究 ·········································································································· ３４
山田 圭一，奥村 克博

有限要素法を用いたろう付け箇所打音検査における振動解析 ··································································································· ３８
山田 圭一，内野 正和，山本 圭一朗，吉永 憲市，江頭 隆喜，脇部 康彦，西村 裕二，岩本 幹夫

プレス成形用金属板材の引張圧縮試験の材料データベースの構築 ························································································ ４２
山田 圭一，中村 創一，古賀 雄大，中山 曜，田中 郁己

◆◆学協会誌掲載論文の概要◆◆

水素ガスによるFe-Cr-Mo合金金属ガラス皮膜形成と高温保持における微細構造変化 ·················································· ４７
古賀 義人，坂田 一則，岡 大翼，鍬取 航平，成田 一人，宮原 広郁

パラスポリン1と2，その構造と活性（総説） ············································································································································ ４９
秋葉 俊彦，奥村 史朗

水溶性テトラゾリウム塩を用いた微生物検出法による最小バイオフィルム撲滅濃度の迅速測定とバイオフィルムに対する抗生剤の組み合わせ効果 ······························································································· ５１
塚谷 忠之，川口 友彰，末永 光，志賀 匡宣，池上 天

研 究 報 告紫外線を用いた表面改質による異種樹脂材の接着
堂ノ脇 靖已 *1

野崎 裕司 *2

Adhesion between Dissimilar Resin Materials by Ultraviolet Surface Treatments
Kiyoshi Donowaki and Yuji Nozaki

糊や接着剤を使わず，紫外線照射による表面改質で接着・接合させる技術が注目されており，同種樹脂材間の接着に用いられている。本研究では，この技術を応用するために物性が全く異なる異種樹脂材間の接着について検討を行った。本稿では，難接着材料と言われているポリスチレンとシリコーンの異種樹脂材を用いて，表面改質による接着を試み，照射時間等の表面改質条件によって接着強度を制御できることを明らかとした。

1 はじめに2-2 照射装置

樹脂材間の接着技術として，糊や接着剤を使わずに紫外線照射装置は，以下に示す発光波長が異なる2

紫外線を用いた表面改質による方法が注目されており，

種類のランプを用いた。

例えばポリエチレンテレフタレートやポリメタクリル

・エキシマランプ：浜松ホトニクス(株)製小型エキシ

酸メ チ ル等 の 同種 樹 脂材 間 で接 着 でき る 報告 が ある

マランプ光源1),2),3)EX-mini，発光波長172 nm，照射強度2。 こ の 接 着 に 用 い る 紫 外 線 は 短 波 長 （ ～ 172

50 mW/cm 以上nm）であり，照射時間に依存するが，高温にならない

・低圧水銀ランプ：主な発光波長186 nm，254 nm，照ため樹脂材の変形や損傷がなく，接着面に不要な物を

射強度22.5 mW/cm2（254 nm）

含まず，軽量化できる等の利点が考えられる。この表

2-3 接着方法

面改質によって異なる物性をもつ異種樹脂材間の接着

PSとSIの接着は，それぞれ2-プロパノールにて数回に応用できるならば，適所に必要な物性を必要なサイ表面を洗浄した後，70 ℃で表面を乾燥させ，室温にズだけ配置できると考えられる。さらに，その接着強戻した。その後，空気中で所定の照射時間と照射距離度を制御できれば，より広い応用が期待できる。

で照射し，それぞれの照射面を合わせて，40 ℃で5時間養生した。

そこで，本研究では同種樹脂材間で接着できないポ1)リスチレン樹脂（PS） と一般的に難接着材料と言わ2-4 接着強度の評価れているシリコーン樹脂（SI）の異種樹脂材間の接着

PSとSIを接着させたサンプルの接着強度は，(株)島を，糊や接着剤を使わず，紫外線照射による表面改質

津製作所製AGS-5kNGを用いて，装置テーブルに固定しで接着させる試みを行った。この結果，分子構造や物たPSからSIを垂直方向に引張速度10 mm/minで引き上性が全く異なる異種樹脂材間でも，照射波長（装置）げ て 剥 離 を 行 い （ 図 1 ）， こ の 時 の 最 大 剥 離 強 度の選定，照射時間，照射距離を検討することで接着制（N/cm）で評価した。

御できることを見出したので，表面改質による物性変化と併せて報告する。

2 実験
2-1 材料の選定
接着に用いたPSは滅菌シャーレを25×50 mmにカットして使用した。またSIについては野崎機器工業(株)から入手し，10×85 mmにカットして使用した。

図1*1 化学繊維研究所*2 野崎機器工業(株)- 1 -剥離試験の様子

2-5 表面分析

45秒，SIでは30秒間照射した時に最大となり，その後

表面分析は，接触角，赤外分光光度計（IR），X線光減少が見られた。このことから照射時間で接着強度が

電子分析装置（XPS）を用いて以下のように行った。
・接触角制御できることが明らかとなった。

協和界面科学（株）製CA-Aを用いて，液滴法にて行った。
・赤外分光光度計（IR）

サーモフィッシャーサイエ

ンティフィック（株）製Nicolet 6700を用いて，全反射測定法（ATR）法にて行った。
・ X 線 光 電 子 分 析 装 置 （ XPS ）(株)島津製作所製

ESCA-3400にて測定し，酸素（O）/炭素（C）量比で評価した。

3 結果と考察3-1 照射装置の選定

図3

エキシマランプ，低圧水銀ランプを用いた照射装置

剥離強度におけるPS照射時間依存性（SIの照射時間30秒，照射距離48 mm）の選定は，照射時間，照射距離を変化させてPSとSIの接着を検討し，両者とも接着ができた。そこで，実用化の観点から，安価な低圧水銀ランプを選定し，以下の実験は全て低圧水銀ランプを用いて行った。
3-2 接着強度
引張データの代表的な例を図2に示す。表面改質したPSとSI間の剥離強度は測定できたが，表面改質を行わずに表面を合わせた場合，剥離強度は発生しなかった。このことから，異種樹脂材であるPSとSIは紫外線照射による表面改質により接着できることが示された。

図4

剥離強度におけるSI照射時間依存性（PSの照射時間30秒，照射距離48 mm）

表面改質したサンプル
3-2-2 照射距離の依存性
図5および図6には，PSとSI表面に 30秒間紫外線照射した際の照射距離に対する剥離強度の関係を示す。
未処理サンプル

PS，SIとも照射距離に比例して剥離強度は増加し，装置の構造上，最も長い照射距離となる48 mmで，最も剥離強度が大きいことが明らかとなった。しかし照射

図2

引張データの例

時間依存性（図3，4）に比べると変化量は小さかった。

(低圧水銀ランプ使用，照射距離48 mm)

3-3 紫外線照射効果の確認
剥離強度の発生が低圧水銀ランプの主な発光波長で3-2-1 照射時間の依存性ある186 nm，254 nmによるものであるかを確認するた

PSおよびSIの照射時間をそれぞれ変化させて接着をめに，これらの波長をカットできるガラスフィルタで行った場合の剥離試験の結果を図3と図4に示す。PS，

遮断して，同様な接着と剥離試験を行った。この結果

SIともに照射時間に対して剥離強度が増加し，PSではを図3の結果と合わせて図7に示すが，大きく剥離強度- 2 -が低減したことから186 nm，254 nm波長の照射は接着

照射距離が離れるほど材料表面に多くの活性種が存在には必要であり、186 nm，254 nmで発生することが知するため，同じ照射時間でも表面改質が進行し，接着4)られているオゾン等の活性種 が表面改質に関与して強度が向上したと考察される。

いることが示唆された。

3-4 表面分析
紫外線照射時間に対するPSおよびSI表面物性の変化を調べた。図8に接触角の結果を示す。照射時間により接触角が低下したことから表面の濡れ性の向上が見られた。特にPSでは0～5分にかけて大きく接触角が低下し，SIよりもPSの方が変化量が大きかった。図9にはXPSによる表面の酸素（O）/炭素（C）量の比を示す
が，照射時間に比例してO/Cの増大が見られ，これらの傾きからもPSの方がSIよりも1.5倍多くO/Cが増加することが示された。以上のことから，SIよりもPSの方が，濡れ性，O/Cともに変化量が大きく，より表面改図5

剥離強度におけるPS照射距離依存性

質し易いことが明らかとなった。

（SIの照射距離48 mm，照射時間30秒）

図8
図6

照射時間によるPSとSI表面の接触角変化

剥離強度におけるSI照射距離依存性（PSの照射距離48 mm，照射時間30秒）

図9

照射時間によるPSとSI表面のO/C変化

さらに，導入された官能基を特定するためにIRスペ
カット材によるPS剥離強度の変化

クトルを測定し，同定を行った 5) 。図10にはPSの水酸（SIの照射時間30秒，照射距離48 mm）

基(-OH)およびカルボン酸(-COOH)の吸収を示すが，そ

図7

れぞれ照射時間とともに吸収が大きくなっており，官以上の結果から，図5，6の照射距離依存性は，- 3 -能基の増加が示された。また，図11にはSIの-OH，Si-

行っていく予定である。

OHの吸収を示すが，これらも同様に増加した。以上の最後に，本研究の一部はJSPS科研費 JP15K00775の結果から，紫外線照射によってPS表面は-OHと-COOHが，助成を活用させて頂きました。

SI表面には-OHの官能基が導入されたと考えられる。
5 参考文献1)遠藤真一，鈴木信二：光技術情報誌「ライトエッジ」No. 40, pp. 53-62(2014)2) 浜本ホトニクス(株) ：エキシマランプ光源 "FLAT
EXCIMER" (2017) (オンライン)

http://www.hamam

atsu.com/jp/ja/product/category/1001/3026/inde
x.html3) (株)エム・ディ・コム：172nmのエキシマ光を求めて (2017) (オンライン)
図10

照射時間によるPS表面のIRスペクトル変化

http://www.mdcm.co.jp/

lights.html
4) 保 坂 正 喜 ， 浅 田 匡 彦 ， 石 森 元 和 ： DIC Technical
Review, No. 5, pp. 45-49(1999)
5) R. M. Silverstein, G. C. Bassler, T. C.
Morrill： SPECTROMETRICIDENTIFICATIONOFORGANIC COMPOUNDS, pp. 153-161，(株)東京化学同人(1983)

図11

照射時間によるSI表面のIRスペクトル変化

しかしながら，今回の実験で剥離強度が大きかった
照射時間45～60秒では，濡れ性，O/C，IR吸収ともに最大値のわずか数％程度の値であった。このことから，
これら官能基が多く導入できれば接着性が向上するわ
けではなく，PSとSIの接着に有効な照射時間の範囲があることが示された。

4 おわりにPSとSIの異種樹脂材間の接着について検討した結果，
糊や接着剤を使うことなく，紫外線照射による表面改質で接着できることを明らかとした。この接着は，オゾン等の活性種が発生する186，254 nmの発光波長が必要であり，特に照射時間によって剥離強度の制御ができ，表面物性の測定から水酸基(-OH)やカルボン酸(-COOH)が関与していることが示唆された。しかしながら，この接着には有効な照射時間の範囲があることが明らかとなり，今後，更に接着メカニズムの解明を- 4 -衣服内気候を最適化する繊維素材の開発
泊 有佐 *1

本田 一光 *2

Development of Textiles Having Comfortable Microclimate within Clothing
Arisa Tomari and Kazuhiko Honda「夏に涼しい」「冬に暖かい」などの衣服着用時の快適性は衣服に求められる機能の一つである。「快適性」
は，衣服内気候，衣服圧，肌触りの 3 つの要因に関連付けられ，特に衣服内気候は，衣服着用時の快適性を大きく左右する。本研究では，「夏の暑さをしのぐ夏用手袋」の商品開発のため，衣服内気候の制御因子を特定し，目標とする商品に最適な繊維素材の検討を行った。その結果，発汗などを模擬した水分を考慮する熱板熱流束の測定から，夏に使用する手袋素材としてはポリエステルが最適であることが判明した。

1 はじめに

吸水速乾，熱線遮蔽，温度調節など）をもつ，国内外

近年，国内で製造する繊維製品は，海外で製造さメーカー8社21種類の機能糸を選択した(表1)。

れた安価なものと比較して付加価値の高いものが求め

2-1-2 測定方法

られている。そのため，衣服に付加価値向上のための繊維製品の物理試験方法通則（JIS L 0105）に基づ

多く の 機能 が 提案さ れ， 「 夏に 涼 しい 」 「冬 に暖かき標準状態（20±2 ℃，湿度 65±4 %RH）の試験室内い」など衣服着用時の快適性も求められる機能の一つに一定時間保持した糸を，一般紡績糸試験方法（JISとなっている。「快適性」の主要因は，衣服内気候，

L 1095）に従って水分率測定を行った。

衣服圧，肌触りの 3 つに関連付けられている 1)。ここ

2-2 試料布による衣服内の湿度・熱損失

で衣服内気候とは，衣服内の温湿度のことで，外気の2-2-1 試料

温湿度，衣服の構成，使用条件などで定まり，快適と糸の太さをなるべく合致させるように入手したが，感じるのは温度 32±1 ℃，湿度 50±10 %RH とされる

30 綿番手（NO.1～8, 12，17, 18，22, 23），40 綿番

2)。共同研究機関である㈱ワールドグローブは，付加手(No.16, 20)，140 デニール(No.9, 11)，150 デニー

価値の高い商品として，保湿や触感などの機能性が高ル（No.19, 21, 24～26）となった。また，試料布はい手 袋 ・靴 下 を製 造 販売 し てお り ，そ の 一つ と して手袋編機（島精機製作所製 SHIMATRONIC）によって，「夏の暑さをしのぐための夏用手袋」について商品化

2-1-1 に示した試料の糸を 2 本合わせて，編み密度 13を検討している。そこで，本研究では，市場に出ていゲージで編んだものを使用した。

る夏用手袋に最適と考えられる糸（普通糸，および機

2-2-2 測定方法

能糸）について，衣服内気候に着目して，水分率，湿2-2-1 に示した試料布について，熱損失測定装置

度および熱損失の測定により手袋の試作に用いる糸を（カトーテック㈱ KES-F7 精密迅速熱物性測定装置）

選定し，その試作手袋の着用時の快適性について，サーマルマネキンによる熱抵抗測定やスキンモデルによる熱板熱流束の測定を行ったので，その結果を報告する。

2 実験方法2-1 糸の水分率
2-1-1 試料
模擬皮膚

本研究では，涼しさに関する特性（吸湿，接触冷感，
図1*1 化学繊維研究所*2 ㈱ワールドグローブ- 5 -熱損失測定装置

を用 い て衣 服 内気 候 の湿 度 と熱 損 失を 測 定し た （図3 結果及び考察

1） 。 測 定 は ， 温度 30 ℃ ， 湿度 50 %RH， 風速 0.3

3-1 糸の水分率

m/sec の 環 境 下 で 行 っ た 。 試 料 布 と 34 ℃ の 熱 板

選定した糸の組成と水分率を表１に示す。測定の結（Bottom Temperature Box，以下｢BT｣という）の間に

果，N0.1～5,12,23 の水分率は，約 8 %であった。こスペーサーをおき空間を設け，BT 上に模擬皮膚としれらの糸は，その形状や無機物の添加により吸湿や速て 28 mg/㎠の水分を含ませたろ紙，温湿度ロガー，

乾等の異なる特性をもつが，その組成は全てレーヨン

試料布の順に設置した。熱損失は，60 秒間の積算測/綿であることから，水分率は，糸の特性より組成に定を 5 回繰り返した平均値とした。

影響されている可能性が考えられた。組成では，水分2-3 試作手袋の熱抵抗と熱板熱流束率は，綿やレーヨンが高く，ポリエステルが低い傾向

2-3-1 試料にあった。

試料の試作手袋は，測定の結果,衣服内の湿度が低く,また組成が異なる４種の糸（No.8，9，16，26）を

表１

No.

裏糸として，編み密度 13 ゲージで添糸編み（表糸は選定した糸の組成と水分率

商品名

組成

水分率
(%)

NO.10（和紙/綿/ナイロン））により作製した。表糸1ﾊﾟﾗﾌｨﾝ 25 ℃

ﾚｰﾖﾝ/綿7.8

気度は，約 400（cm /cm ・s）とした。

2

ﾘﾌﾚｰﾙ

ﾚｰﾖﾝ/綿8.3

2-3-2 測定方法

3

ﾊﾟﾎﾟﾘｽ

ﾚｰﾖﾝ/綿8.4

着衣時の熱抵抗値は，図 2 のサーマルマネキン（京4ｻｰﾓﾍﾞｰﾙ

ﾚｰﾖﾝ/綿8.2

都電子製全身女性型 THM-21475）を用い，マネキンに

5

ｿｰﾗﾀｯﾁﾚｰﾖﾝ/綿8.7

試作手袋のみ着用させ測定した。測定は，30 ℃

8ﾊﾟﾗﾌｨﾝ 29 ℃

ﾘﾖｾﾙ/綿7.3

50 %RH の恒温恒湿室にて行った。マネキンは，夏季

9

ｽｷﾝﾃｸﾄﾅｲﾛﾝ

3.6の表面皮膚温を鑑み各部位を 34 ℃の定温とした。測10

紙糸

和紙/綿/ﾅｲﾛﾝ

8.3

定時間は 30 分とし，30 分後の熱抵抗値を計測した。

11

ｷｭｰﾌﾟ

ﾅｲﾛﾝ

4.8

同時に，温湿度ロガーを左右の外側前腕部に配し，衣12

ﾊﾟﾗﾌｨﾝ 32 ℃

ﾚｰﾖﾝ/綿7.9

16

ﾂｲﾝｱｸｰﾙ

ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ/綿

5.1

17

究心

ﾚｰﾖﾝ/PET

9.7

18

ﾘｱﾙﾎｯﾄｼｸﾞﾏ

PP/PS

0.4

19

ｸｰﾙﾀｯﾁｻｰﾓ

ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ

0.2

20

ﾄﾞﾗｲﾌｧｽﾄ

ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ

0.5

21

ｿｰﾗｰﾌﾘｰﾌﾟﾗｽ

ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ

0.3

22

ﾄﾗｲｸｰﾙﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ

2.6

23

ﾌﾟﾗﾁﾅﾚｰﾖﾝ

ﾚｰﾖﾝ/綿8.2

24

ｴﾝｼﾞｪﾛﾝｼﾙﾊﾞｰ

ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ

0.4

25

通常(150d)

ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ

0.5

26

極細(30d×5)

ﾎﾟﾘｴｽﾃﾙ

0.5

は，共同研究企業の提案で決定した。各試作手袋の通32

服内気候（温度，湿度）を測定した。
熱板熱流束（W/m2）は，スキンモデルシステム(インタークロス(株)製)により測定した(図３)。測定は，
30 ℃， 50 %RH の恒温恒湿室にて行い，測定中の風速は 0.15 m/s とした。模擬皮膚はセロファン製で，
BT＝35 ℃，吐水量は最大 1,800 g/m2/h とした。

3-2 試料布による衣服内の湿度・熱損失
図 4 に測定条件 30 ℃ 50 %RH における試料布の衣
服内の湿度の測定結果を示す。快適域である 湿度
60 %RH 以 下 と な っ て い る も の は , 低 い も の か ら
図２

サーマルマネキン

図３

スキンモデルNO.25，26，20，16，9 であった。図 5 に同条件での- 6 -

熱損失の結果を示す。熱損失が大きいほうが，熱を逃差はみられなかった(図6)。また，衣服内気候（温度，

しやすいので夏の着用に対して快適性が高いと考えら湿度）は，全ての試作手袋（No.8，9,16，26）が「やれる。図 5 より熱損失の大きいものは，NO.26，25，や快適域（33 ℃,45 %RH）」に属した。

16，22，9 であり，湿度が 60 %RH 以下の快適域にあ試作手袋を測定条件 20 ℃，65 %RH で 10 ℃差の接るものとほぼ一致した。これらの組成は，ポリエステ

触冷温感を測定した結果，全て qmax 値が約 0.04 となルを用いたものが多いことから，ポリエステルが夏のり，試料間で差が見られなかった。この結果からも，着用時の快適性に優れていると思われる。

熱の移動に対しては，試作手袋の試料間に有意差がな
いと考えられる。
一方，スキンモデルによる熱板熱流束の測定では，
ポリエステルを用いた No.16，NO.26 が他より大きい傾向がみられ(図 7)，熱を放出しやすく，模擬皮膚に湿
度

配した水分に対して，濡れからの回復が早いと考えら

快適

(%)

れる。

やや快 適

温度(℃)

拡大
全熱抵抗（ ）

Rd

湿
度

試料番号

(%)

図6

着衣の全熱抵抗（Rd ）

温度(℃)
図4

衣服内気候（湿度）

試料番号

図7

スキンモデルシステムでの熱板熱流束（W/m2）

4 まとめ
本研究では，21 種類の機能糸について衣服内気候の湿度と熱損失を測定し，4 種類の糸を選別し夏用手

試料番号
図5

袋の試作を行った。手袋着用時の快適性を調べるため

熱損失にサーマルマネキン及びスキンモデルを用いて熱抵抗

3-3 試作手袋の熱抵抗と熱板熱流束の測定と熱板熱流束の測定を行った。熱の移動特性が関与す

図6にサーマルマネキンによる手袋着衣時の熱抵抗

る熱抵抗では，試料間に有意な差が見られなかった（ Rd ） 及 び 図 7 に ス キ ン モ デ ル に よ る 熱 板 熱 流 束が，熱と水分の移動特性が関与する熱板熱流束では，（W/m2 ）の測定結果を示す。熱抵抗値は低いほど熱をポリエステルを用いたものの値が高く，熱の移動が速放出しやすいといえる。しかし，測定の結果，大きな- 7 -く行われていることから，発汗など水分が関与する環
境下では，ポリエステルを用いることで快適性を高く保つことができる可能性が示唆された。
以上の結果から，目標とする「夏の暑さをしのぐ夏用手袋」は，繊維組成にポリエステルを配置すること
で，衣服内気候を快適に整え，発汗時にすばやく汗や熱を外に逃がす性質を備えることが期待できる。

5 文献
1)原 田 隆 司 ： 繊 維 消 費 科 学 会 誌 ， 36 巻 ， 1 号，pp.
24-30(1995)
2)中橋，吉田：新しい衣服衛生著，pp. 79-81，南江堂(1990)- 8 -三池産石炭微細粉を顔料に用いたオリジナルクレヨンの開発
藤吉 国孝 *1

國盛 麻衣佳 *2,3

西川 一仁 *4

Development of Original Crayon Used by Coal Fine Powder Mined at Miike
Kunitaka Fujiyoshi, Maika Kunimori and Kazuhito Nishikawa

三池炭鉱関連施設が世界遺産の構成資産となり，観光客が増加したことで土産物・PR製品のバリエーション拡大が求められていた。そこで，産（日本理化学工業）・学（東洋美術学校）・官（福岡県工業技術センター）・民（NPO法人大牟田・荒尾炭鉱のまちファンクラブ）で連携し，三池産石炭を顔料に用いたオリジナルクレヨンを開発した。
三池炭鉱で採掘された石炭を，ハンマー等で粗破砕後，自動乳鉢とボールミルを用いて微粉砕することで，平均粒子径10 µm以下に微細化することができた。この石炭微細粉を顔料として用い，パラフィンを主原料としたクレヨンを製作した。開発した石炭添加黒色クレヨンは，茶色，青色，赤色，黄色，白色と併せて，全6色のクレヨンセットとして商品化した。

1 はじめにいるという特徴を有している。

産業構造の転換やグローバリゼーションの影響によ

一方，三池炭鉱関連施設が世界遺産の構成資産となり衰退した地方地域において，地域再生・活性化が急り，観光客が増加したことで土産物・PR製品のバリエ務とされている。福岡県南部に位置し旧産炭地であるーション拡大が求められていた。そこで，市民による

大牟田・三池地域においても，1960年代のエネルギー

自発的な炭鉱の歴史的文化の発信やまちづくり活動を革命以降急激に衰退して1997年に閉山となり，地域再行うことを活動理念としているNPO法人大牟田・荒尾

生は近年特に重要な課題である。

炭鉱のまちファンクラブを中心に，石炭産業で栄えて近代化を支えた旧産炭地には，濃密な歴史，文化，

きた街のイメージを色で表現した「大牟田のいろクレ

技術が蓄積されており，これらを活かして様々な活動

ヨン」の開発に取り組んだ。

を行った結果，平成27（2015）年7月8日，「明治日本

具体的には，NPO法人大牟田・荒尾炭鉱のまちファの産業革命遺産」がユネスコ(国連教育科学文化機関)

ンクラブ内に三池炭鉱掘り出し隊を発足させて商品企の世界文化遺産に登録された。これは，我が国が幕末画を行い，学校法人専門学校東洋美術学校デザイン研から明治時代にかけて，西洋以外で初めて，かつ極め究会アクティが製品をデザインし，福岡県工業技術セて短期間のうちに近代工業化を果たし，飛躍的な発展

ンターが石炭等の顔料の粉砕及び成分等各種分析を行を遂げたことを示す施設群（8県11市23の構成資産）

い，日本理化学工業株式会社が「大牟田のいろクレヨ

であり，燃料である石炭，それをもとに発展した製鉄ン」の製品開発を行った。

と造船に焦点をあてていることが特徴である。その中

日本理化学工業株式会社では，環境固形マーカー

で三池炭鉱関連施設（宮原坑，三池炭鉱専用鉄道敷跡，「キットパス」を製造販売している。「キットパス」

三池港）は，積極的な洋式採炭技術の導入により増産

は，口紅等に使用されるパラフィンを主原料としてお体制を確立し，製鉄，造船など日本の近代工業化をエり，環境や体に優しいクレヨンである。また，紙類以

ネルギーの面で支えてきたものである。また，宮原坑

外にも，黒板，ホワイトボードやガラスにもそのままや万田坑の坑口から炭鉱専用鉄道による石炭の輸送，描くことができ，濡れた布で消すことができる。更に，三池港からの積み出しという一連の流れを把握するこ

水溶性であり水に溶かして絵具としても使用可能であとができ，更に，炭鉱産業景観が良好な状態で残ってる，消しカスが出ない，ソフトな描き味で筆圧の弱い方でもすらすら描けるといった特徴があり，一般的な*1 化学繊維研究所*2 NPO法人大牟田・荒尾炭鉱のまちファンクラブ

クレヨンとは差別化した商品である。そこで，顔料を*3 九州大学（現 小田原短期大学特任講師）

石炭微細粉とし，そのほかの材料は「キットパス」と*4 日本理化学工業株式会社- 9 -同様にして，日本理化学工業株式会社にて黒色クレヨ

2-2-3 ボールミルを用いた石炭の2次粉砕ンを製作した。

1次粉砕済みの石炭は，ボールミルで処理すること
で2次粉砕を行った。具体的には，外径約165 mm，容2 研究，実験方法

量2 L（高さ約15 cm）のアルミナ製円筒ポットミル中

2-1 大牟田・三池をイメージした「大牟田のいろクレヨン」に，外径約1.5 cmの磁性ボールをポットミルの内容積の商品企画の約半分まで入れ，自動乳鉢を用いて1次粉砕した石三池炭鉱掘り出し隊は，三池港や宮原抗，宮浦石炭炭200 gと水400 g及び分散剤として市販の台所用中性

記念公園等の炭鉱関連遺産を巡り，見つけた色を画用

洗剤0.5 gを投入した。その後，タナカテック製ボー

紙に塗り，そのキャッチコピーを考えるという内容で，

ルミル架台RELD-1UTを用いて2次粉砕を行い（粉砕時中学生及び一般市民対象のワークショップを実施した。

間：15 h，30 h，40 h），石炭微細粉スラリーを作製

その内容を集計し，（黒）石炭，（茶）宮浦抗の煙突，した。なお，ボールミル処理時の回転数は，参考文献（青）世界とつながる三池港，（赤）今なお動く炭鉱

1)

電車，（黄）三池炭鉱のお月さん，（白）J化学工場，

ある70 rpmとした。

とキャッチフレーズを付けた，全6色のクレヨンセッ

から引用した式(1)を用いて算出した最適回転数で最適回転数 ＝

トの開発を企画した。日本理化学工業株式会社では，
環境固形マーカー「キットパス」を製造販売しており，

37 － 3.3R√R(1)

2-2-4 示差熱・熱重量同時測定(TG/DTA)分析

茶，青，赤，黄，白については，「キットパス」を転

自動乳鉢を用いて1次粉砕した石炭について，エス用するが，魅力のある商品として仕上げるため，黒色

アイアイ・ナノテクノロジー製示差熱・熱重量同時測クレヨンには実際に三池産の石炭微細粉を混ぜて製作

定装置TG/DTA EXSTAR6300を用いて，アルミナ粉末をすることとした。そこで福岡県工業技術センターにて参照物質とし，100 mL/minの酸素気流下，10 ℃/min

石炭の微粉砕方法を検討し，成分分析等を行うことにの昇温速度でTG/DTA測定分析を行った。

よって安全性も確認することとした。

2-2-5 蛍光X線分析
自動乳鉢を用いて1次粉砕した石炭について，リガ

2-2 石炭の粉砕及び分析

ク製蛍光X線分析装置3270を用いて，ファンダメンタ

2-2-1 試料
本研究で用いた石炭には，三池炭鉱で1970年頃採掘されたもの（図1(a)）を，ハンマーで5 mm未満のサイ

ル・パラメータ法による半定量分析を行った。
2-2-6 粒度分布測定
ベックマン・コールター製レーザー回折式粒度分布

ズに粗破砕したもの（図1(b)）を用いた。

測定装置LS230を用いて，石炭微細粉末スラリーの粒度分布及び平均粒子径の測定を行った。
2-2-7 走査型電子顕微鏡（SEM）観察
アルミ箔上に石炭微細粉スラリーを滴下後乾燥させ，日立製作所製走査型電子顕微鏡（SEM）S-4800 を用いて，石炭微細粉末の形状観察を行った。
2-3 石炭添加クレヨンの作製及び評価
顔料を石炭微細粉末とし，その他の材料は「キット
図1 石炭の外観写真（(a)粗破砕前，(b)ハンマーによる粗破砕後）

パス」と同様にパラフィンワックスを用い，日本理化
学工業株式会社にて黒色クレヨンを製作した。この際，

2-2-2 自動乳鉢を用いた石炭の1次粉砕

石炭添加量を変えて石炭添加クレヨンを製作し，成形粗破砕済みの石炭を石川工場製自動乳鉢第20号の磁性，書き味，消去性を評価した。

器鉢に入れ，乳棒をモーターによって作動させてすり潰すことで，1次粉砕を行った。

- 10 -

3 結果と考察とが確認できた。

3-1 石炭粉砕方法の検討

3-2 石炭の成分分析

日本理化学工業株式会社でキットパスを製作する場

石炭を顔料としてクレヨンを開発するに際し，石炭合，粒子径約10 µmの顔料を使用している。ハンマー

中に有害元素が含まれていないかどうかについて検討

等で3 mm未満まで粗破砕した石炭について，粒子径10した。石炭の主成分は無害の炭素であるが,まず試料µm以下に粉砕する方法について検討した。

中の炭素含有量について検討した。自動乳鉢を用いてまず,自動乳鉢を用いて石炭の粉砕を行い，粒度分

1次 粉 砕 し た 石 炭 に つ い て 示 差 熱 ・ 熱 重 量 同 時 測 定

布測定により，その平均粒子径を測定した。その結果，(TG/DTA)分析を行った結果（図4），100 ℃までで吸着

石炭は自動乳鉢による処理時間とともに微粒化し, 3

水の揮発に由来すると考えられる2.6 %の重量減少がhの粉砕で平均粒子径を23 µmまで粉砕できたものの，見られ，200～520 ℃に炭素の燃焼に由来すると考え

3 h以上処理しても平均粒子径に大きな変化は見られられる重量減少と発熱ピークが見られた。520 ℃以降なかった。

はほぼ重量に変化は無く，1,000 ℃における室温からそこで更に，ボールミルを用いた2次粉砕についての重量減少率は80.5 %であった。

検討した。その結果，15 h後には50 µm以上の粗大粒8080子が粉砕されて平均粒子径は17 µmとなり，30 h後に10は11 µm，40 h後には6.7 µmまで微粒化することがで

‐10

60
60

‐20
20

50

‐30

40
40

発熱ピーク

きた（図2）。なお，ボールミル40 h後の石炭粉末の走査型 電 子顕 微 鏡（SEM） 像 を図3に 示す が， 直 径数十µmの粗大粒子もあるものの，数µmの粒子も多く，概ね
粒度分布計で測定した粒子径まで粉砕できているこ

‐40
40

30

‐50

20
20

‐60
60

10

‐70

0

‐80
80

‐10

‐90

-20
‐20
1000
1000

00

200
200

400
400

66

15h

55

600
600
温度（℃）

800
800

図4 石炭の示差熱・熱重量同時測定(TG/DTA)曲線

30h

44

体積（%）

70

DTA（μV）

重量減少率（%）

0040h

また，吸着水と炭素を除いた石炭中の約2割の成分

330h

分析を目的に，自動乳鉢を用いて1次粉砕した石炭の22

蛍光X線分析を行った。その結果，主成分として，ケ
1100

イ素，アルミニウム，硫黄，カルシウムが検出され，
0.1
0.1

11

10
10
粒子径（µm）

100
100

そのほか微量成分として，チタン，鉄，マグネシウム，

1000
1000

カリウム，リン，塩素が検出されたが，有害重金属等

図2 ボールミル粉砕に伴う石炭粉末の粒度分布の変化は検出されなかった。
3-3 クレヨンへの石炭添加量の検討
日本理化学工業株式会社にて，クレヨンへの石炭添加量について検討した。石炭の添加量を変えて黒色ク
レヨンを製作し，成形性，書き味，消去性について評価した。その結果，石炭10 %，パラフィンワックス
90 %が最適であった。
3-4 石炭添加クレヨンの安全性評価
製作した石炭添加クレヨンについて，一般的な安全

40 µm

図3 ボールミル40 h粉砕後の石炭粉末の走査型電子顕微鏡（SEM）像性試験として，ICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析
装置による分析を外部の第三者機関に委託した。その結果，溶解性重金属量は玩具の安全に関する欧州規格- 11 -

(EN71 Part3:1995)の規格値以下であることが確認で

白 黄 赤 茶 青 黒

きた（表1）。

表1

石炭添加クレヨンの欧州規格重金属試験結果
規格値

試験結果

(mg/kg)(mg/kg)

溶解性アンチモン

60以下

5未満

溶解性ひ素

25以下

3未満

溶解性バリウム

1,000以下

50未満

図5 商品化した「大牟田のいろクレヨンセット」の外溶解性カドミウム

75以下

5未満

観写真（ 左図 ：商品パ ッケ ージ，右 図： クレヨ

溶解性クロム

60以下

5未満

ン）

溶解性鉛

90以下

5未満

溶解性水銀

60以下

5未満

溶解性セレン

500以下

50未満

項目

謝辞
本研究の実施に際し，有益なご助言，ご支援を賜りました，学校法人専門学校東洋美術学校デザイン研究会アクティの関係各位に深く感謝致します。

4 まとめ
自動乳鉢とボールミルを用いて粉砕することで，石炭を平均粒子径10 µm以下に微粉砕することができた。
この石炭微細粉を顔料として用い，パラフィンを主原

5 参考文献1)T.C.Patton：塗料の流動と顔料分散，pp. 202-222，

料としたクレヨンを製作した。本クレヨンの安全性について評価したところ，溶解性重金属量は玩具の安全に関する欧州規格(EN71 Part3:1995)の規格値以下であった。
開発した石炭添加黒色クレヨンは，茶色，青色，赤色，黄色，白色の市販「キットパス」と併せて，全6
色の「大牟田のいろクレヨンセット」として商品化した（図5）。なお，商品化に際し，学校法人専門学校東洋美術学校デザイン研究会アクティがパッケージ等をデザインした。
こ の よ う に ， 産 （ 日 本 理 化 学 工 業 株 式 会 社 ）・ 学
（学校法人専門学校東洋美術学校デザイン研究会アクティ）・官（福岡県工業技術センター）・民（NPO法人
大牟田・荒尾炭鉱のまちファンクラブ）の連携により，デザイン性の高い地域固有の製品を開発することができた。

- 12 -

共立出版(1971)高圧水素用シール材開発のための標準ゴムライブラリーの構築と水素ガス
透過率評価
木村 太郎 *1

野見山 加寿子 *1

浦川 稔寛 *1

内山 直行 *1

齋田 真吾 *1

Building Standard Rubber Libraries Aiming for Development of O-ring for High-pressure
Hydrogen and Evaluation of the Hydrogen Gas Transmission Rates
Taro Kimura, Kazuko Nomiyama, Toshihiro Urakawa, Naoyuki Uchiyama and Shingo Saita
燃料電池自動車の普及に伴い，水素ステーション等の高圧水素関連設備の整備が進められている。著者らは，高圧水素に対応した高耐久，高信頼性シール材（O リング）の開発を行っている。この目的のために，水素がゴムに及ぼす影響を系統的に評価するための標準ゴムライブラリーを構築した。また，このゴムライブラリーを用いて，ゴム配合が水素透過率に与える影響について評価した。その結果，カーボンブラックやシリカといった補強材は，種類や粒径を問わず水素透過率を低下させ，可塑剤の添加は，水素透過率を大幅に増加させること等が明らかとなった。また，配合の変化に比べ，温度による変動幅が圧倒的に大きいことが示唆された。このように，標準ゴムラ
イブラリーは各要素の水素に対する影響を把握するための効率的な手法となることが示された。

1 はじめに

ゴムサンプルを多数試作し，ライブラリー化すること

2015年に燃料電池自動車が市場化されるに伴い，全を行った。この標準ゴムライブラリーを用いて，様々

国の水素ステーションの数は今後2020年に160箇所，な力学的特性や水素に対する特性を評価することによ

2025年に320箇所まで増加される方針が示されている

り，耐水素用ゴムの開発を効率的に進めることが出来

1)

ると期待される。

。この水素ステーションの建設・稼働・維持においてシール材（Oリング）の役割が重要となっている。

本文では，作製した標準ゴムライブラリーについて

水素ステーションでは最大110 MPaの高圧がかかるう

水素透過率に係る測定を行い，各成分が及ぼす影響に

えに，設備により-40～180 ℃といった幅広い使用温ついて検討を行ったので報告する。

度域が要求される。更には高圧水素特有のゴム材中への水素溶解による悪影響も相まって，Oリングの損耗

2 研究，実験方法

が非常に速いという現実がある。Oリングの交換には

2-1 標準ゴムライブラリーの作製
常温域でOリングに使用されることが多いNBR（ニト

配管の分解・メンテナンス作業が必要となるため，運リルゴム）及び比較的低温域で使用されることの多い用コストの増大を招くこととなる。
このような現状を鑑み，著者らは県内ゴム企業と連

EPDM（エチレンプロピレンジエンゴム）について様々携して耐久性と耐水素性を備えた高圧水素用Oリング

な配合のゴムサンプルを作製した。主な配合を表1，の開発を目指している。開発の過程において著者らは，

表 2 に 示 す 。 各 成 分 を ニ ー ダ ー （ 森 山 製 作 所 DS1-

標準ゴムライブラリーの構築を行った。通常の工業用

5MHH-S)によって混錬した後，ロールで更に混錬，シゴムはポリマー（生ゴム），補強材（カーボンブラッート化した。これを熱プレス機と金型により，170 ℃

ク，シリカ），架橋剤・架橋助剤，その他老化防止剤，

で7～15分間加熱成形を行うことでサンプルを得た。

添加剤といった多数の成分が含まれた複雑な組成となっており，どの成分が水素の影響を受けているのか系
統的な知見を得ることが困難である。そこで，比較的シンプルな組成で，特定成分を一定割合で変化させた*1 化学繊維研究所- 13 -

表1

NBR標準ゴムライブラリーの代表的な組成

組成

品名等

ゴムコンパウンド 中高ニトリルゴム

補強材

架橋剤

架橋助剤等

が増加するに従い水素透過率が一律に減少することが

添加量
（phr）
100

カーボンブラック（シースト3、シースト9）又は、シリカ（アエロジル
200、ニプシール
VN3）
硫黄
CBS
TMTD
酸化亜鉛
ステアリン酸老化防止剤
その他

明らかとなった。また，測定温度を60 ℃とした場合
は，23 ℃での測定結果に比べおよそ4～5倍の水素透過率を示すことが明らかとなった。
一般に透過係数（透湿度係数）と拡散係数，溶解度0～100

係数は式1の関係にある。
透過係数＝溶解度係数×拡散係数
0.3
1.5
1.5
5
1
2
X

（１）

ゴムフィルムの表面に水素ガスを接触させると，水素は内部に溶解，拡散する。しかしながら，シリカのような無機粒子が表面に露出しているとその部分からは水素が侵入できないため，シリカ含有ゴムでは見か
け上の溶解度係数が減少し，ガス透過率が低下すると考えられる。

表2

これに対し，カーボンブラックは水素を吸着するこ

EPDM標準ゴムライブラリーの代表的な組成

組成

品名等

ゴムコンパウンド エスプレン505
カーボンブラック（シースト3）又は補強材
シリカ（アエロジル
200）
プロセスオイル SUNPAR107
過酸化物架橋剤 パークミルD-40
TAIC
酸化亜鉛
架橋助剤等
ステアリン酸
その他

添加量
（phr）
100

とが知られており，カーボンブラックを補強材として用いると水素ガス透過率が増加すると予想された。しかしながら実際にはシリカ含有ゴムとほぼ同じ挙動を0～100示した。この理由については不明であるが，カーボン
ブラックに一旦吸着した水素は，その親和性によりゴ

10
10
2
5
1
X

ム中への再拡散が非常に遅いため，水素の透過にはほ2-2 水素ガス透過率測定
試験体は，先述のゴムサンプルをフィルム状（厚み200 μm～1.5 mm）に成形したものを用いた。サンプ
ル厚みは厚み計により各試験体につき6点測定し平均値とした。測定は，奈良県産業振興総合センターにおい て ガ ス 透 過 率 測 定 装 置 （ GTR テ ッ ク GTR-TUBE16NIT）を用いて等圧法により行った 2）。

3 結果及び考察
3-1 補強材の影響について
NBRに様々な補強材を添加したゴムサンプルを作製し，水素透過率に及ぼす補強材の添加効果について検討を行った（図１）。補強材としてはカーボンブラッ
クとしてシースト3（東海カーボン
シースト9（東海カーボン

平均粒径28 nm），

平均粒径19 nm），シリカ

としてアエロジル200（日本アエロジル
ニプシールVN3（東ソー・シリカ

乾式シリカ），

湿式シリカ）を使用した。その結果，補強材の種類にかかわらず添加量- 14 -

図1

NBRの水素透過率に及ぼす補強材の種類，
量の影響. 測定温度: 23 ℃及び60 ℃.

とんど寄与しないためではないかと推測している。シ

表4 NBRにおける可塑剤添加の効果

リカとカーボンブラックという全く特性の異なる補強

水素透過係数サンプル
No

材が，水素ガス透過率においてはほとんど変わらない

略称2（㏄・㎝/㎝ ・s・㎝Hg）
23 ℃

挙動を示すことは興味深い結果と言える。

60 ℃

3.36 x 10-91.30 x 10-101.83 x 10-95.86 x 10-9-98.98 x 10-81.17 x 10

N3

N-AER60N5N-AER60+DOA20

N6

N-AER60+DOA40の架橋が十分形成されない場合がある。そこで，カッN7

N-AER60+DOA60

プリング剤を添加し，ゴムポリマーとの架橋を促進す

N3：NBRにアエロジル60 phr添加した標準ゴム
N5：N3に可塑剤（DOA)20 phrを添加
N6：N3に可塑剤（DOA)40 phrを添加
N7：N3に可塑剤（DOA)60 phrを添加

3-2 カップリング剤等の影響について
一般にシリカは親水性であるため，ゴムポリマーとることが行われる。また，活性化剤はシリカ表面の酸性度を低減することで架橋を促進する。このカップリ

2.27 x 10-93.23 x 10-9ング剤（カプラス2）と活性化剤（トリエタノールアミン）の添加による水素透過率の変化について検討を表5行った（表3）。これによるとカップリング剤と活性化剤を加えることにより水素透過率が20 ％程度低下す

サンプル
No

ることが明らかとなった。これは，架橋密度が高まる

EPDM における可塑剤添加の効果
略称

水素透過係数2（㏄・㎝/㎝ ・s・㎝ Hg）
23 ℃
2.25 x 10 -9ことでポリマー鎖の振動が抑制され，ゴム中に溶解し

E1

E-AER100た水素の拡散速度が低下するためと推測される。

E2

E-AER100+DOA20

E3

E-AER100+DOA40

E4

E-AER100+DOA60

E5

E-CB100

5.27 x 10 -9
1.77 x 10 -9E6

E-CB100+DOA40

3.69 x 10 -9

表3 NBRにおけるカップリング剤添加の効果
水素透過係数
サンプル
No

略称

60 ℃
-9

5.14 x 10-104.02 x 10-103.65 x 10

N1

N-AER40

1.21 x 10

N2

N-AER40+KAP

9.67 x 10

N3

N-AER60

8.26 x 10

N4

N-AER60+KAP-10

8.15 x 10-9-8
1.27 x 10
1.60 x 10-8
1.78 x 10-8
7.82 x 10-9
1.36 x 10-8

E1：EPDM にアエロジル 100 phr 添加した標準ゴム
E2：E1 に可塑剤（DOA)20 phr を添加
E3：E1 に可塑剤（DOA)40 phr を添加
E4：E1 に可塑剤（DOA)60 phr を添加
E5：EPDM にカーボンブラック（シースト 3）100 phr 添加
した標準ゴム
E6：E5 に可塑剤（DOA)40 phr を添加

2（㏄・㎝/㎝ ・s・㎝Hg）
23 ℃

3.34 x 10 -94.36 x 10 -9

60 ℃

-9
-9
-9
-9

2.87 x 10
7.11 x 10
N1：NBRにアエロジル40 phr添加した標準ゴム
N2：N1にカプラス2（カップリング剤）3.2 phr, トリエ
タノールアミン2.0 phrを添加
N3：NBRにアエロジル60 phr添加した標準ゴム
N4：N3にカプラス2, 3.2 phr, トリエタノールアミン
3.0phrを添加

3-4 温度依存性について
水素透過率の温度依存性について検討を行った。図2aにNBR（アエロジル60 phr）に可塑剤を添加した系，
図2bにEPDM（アエロジル100 phr）に可塑剤を添加した系，図2cにEPDM（カーボンブラック100 phr）に可

3-3 可塑剤の影響について

塑剤を添加した系，についての結果をそれぞれ示す。

ゴムの耐寒特性を改善するために可塑剤の添加が行

これによると，いずれも温度上昇により水素透過率はわれる。可塑剤の添加によりゴムのガラス転移点が低急激に上昇し，100 ℃では-20 ℃の数10～100倍程度

下し低温でもゴム弾性を保つことが可能となる。このの透過率を示すことが明らかとなった。これは温度上可塑剤（DOA）の添加が水素透過率に及ぼす影響につ昇により，ゴムの分子鎖運動が激しくなることで水素いて検討した（表4, 表5）。これによると可塑剤の添の拡散速度が速くなるためである。先述のように，可加により水素透過率が大幅に上昇することが明らかと塑剤を添加することで透過率が上昇することが示されなった。特にNBR系では最大10倍近く透過率が上昇した。低温領域でも高温領域でも可塑剤の有無での透過た。可塑剤は液体であるため，ゴム中でも分子運動が率の差は比率としては大差ない。しかしながら，高温

早く，水素の拡散速度を速めるためと考えられる。

側は全体的に透過率の値が大きくなるために，顕著な差となることが分かる。

- 15 -

から起こることを想定している。しかしながら，高圧
水素の場合はゴム中への水素の溶解量が無視できない程度に大きいため，ゴム中を透過して水素が漏れる場合を想定しなくてはならないのではないかという懸念があった。また，水素透過率に大きな影響を与える成分があれば，耐水素ゴムの配合設計に配慮をする必要がある。
今回の標準ゴムライブラリーの水素透過率測定によると，①補強剤の添加により水素透過率は減少するが，その度合いは補強材の種類や粒径にはあまり影響を受けない。②カップリング剤などで架橋密度を向上させると若干透過率は減少するが，液体状の可塑剤の添加は大幅に透過率を増大させる。③温度変化は，ゴム配合の違いに比べて圧倒的に大きな影響を与える。ということが明らかとなった。一般的なゴムの水素透過率は古くから測られているが 3），標準ゴムライブラリー
を用いることで各配合成分影響について効率的に知見を得ることが出来た。

5 謝辞
水素透過率測定に際してご指導いただきました奈良
県産業振興総合センターの植村 哲統括主任研究員,
西村 晃司主任技師に感謝致します。

図2

水素透過率の温度依存性

6 参考文献a) NBR/アエロジル

1) 経済産業省：燃料電池・水素技術開発ロードマッb) EPDM/アエロジル, DOA: 0, 20, 40, 60 phr

プ（2016）c) EPDM/カーボンブラック, DOA: 0, 40 phr

http://www.meti.go.jp/press/2015/03/201603220
09/20160322009-c.pdf

4 まとめ2) 安田武夫：プラスチックス 51(6), pp. 119-127

本文では，高圧水素対応Oリングの開発を念頭に，
標準ゴムライブラリーの構築，各種配合ゴムの水素透(2000)
3) 山田準吉：日本化学会編産業化学シリーズ

過率評価について報告した。標準ゴムライブラリーは今回試験に供したサンプルも含めNBR70種，EPDM60種以上に達しており今後も拡充予定である。また，今回報告した水素透過率以外にも，標準ゴムライブラリー
を用いて，物性試験，低温・高温特性，高圧水素曝露試験等を行っており，ゴム配合/力学的物性/耐水素特性の関連を効率よく理解するために役立っている。
また，高圧水素用Oリングを開発するにあたり，ゴ
ム中の水素透過はしばしば議論される課題である。一般に，Oリングの漏れはOリングとOリング溝間の隙間- 16 -

pp. 141-143，大日本図書 (1968)

ゴム，

家具製造に伴い発生する無垢端材の有効活用のための研究開発
石川 弘之 *1

西村 博之 *1

楠本 幸裕 *1

Research and Development for Effective Use of Pure Listing Occurs with Production of
Furniture
Hiroyuki Ishikawa, Hiroyuki Nishimura and Yukihiro Kusumoto

大川地域の無垢材を取り扱う家具メーカーでは，主に部材を加工する際に生じる端材の一部は形状等の特徴から加工できずやむを得なく廃棄されている。そこで本研究では，端材の有効活用を目的とし端材の加工法の開発および端材を用いた小物製品の検討を行った。端材の特徴を調査し，定形的な矩形の形状に加工できる固定治具を製作し，固定治具と木工工作機械を用いて，安定して端材を加工できる方法を開発した。続いて，乳幼児を対象とする
人間工学技術を採り入れて付加価値を高めた，加工後の端材から製作する木製のカトラリー等の食具の開発に取り組んだ。乳幼児の食事の様子を観察し，食事を補助しマナーの習得を促すことができると考えられる食器やカトラ
リー等の食具の検討および提案を行った。

物製品の開発を行うことを目的とした。将来的には，

1 はじめに家具製造時に発生する木材等の木質材料の端材は，本研究の成果が活かされ，端材が有効活用される流れ

その一部は家具の部材等に再利用されるが，残りの多（図1）が構築されることを展望している。本報では，

くは産業廃棄物として処理されている。また，昨今は端材を，小物製品を製作する上で必要となる長さや幅

ウォールナット材やオーク材といった高級な樹種の無等が整った定形的な矩形の形状に加工する技術の開発

垢材を用いた家具が人気を集めている。これらの材料と，人間工学的な技術を採り入れて付加価値を高めたは高価格かつ希少性も高いため，端材も家具の部材や木製小物製品の開発に関する内容を報告する。

雑貨などの小物製品に積極的に再利用されている。しかし，加工して再利用する上で必要となるサイズや形状の基準を満たさない端材は，やむを得なく廃棄されているのが現状である。
大川市役所はおおかわセールス課を新設し，全国各地で市の広報活動を積極的に行っているが，小物製品のバリエーションを増やして広報活動に利用したい意
向がある。また，小物製品は店舗内の滞在時間を増やすだけでなく，手軽に企業イメージを広報する上でも図1重用される。よって，小物製品を取り扱う大川地域の端材の有効活用における本研究の位置付け

家具メーカーにおいて，これまで主要な取引先であった全国チェーンの家具量販店だけではなく，小物製品を取り扱うインテリアショップ等の小規模店舗との取

2 方法
2-1 端材の調査
端材の特徴を確認するため，2016年7月から10月に引も増加傾向である。このように，高級な樹種の木材を用いた小物製品に対するニーズは高まりつつあるが，かけて大川地域において無垢材を取り扱う家具メーカ
ー計9社を対象に，端材の調査を行った。端材となる

大川地域で小物製品を製造している企業は少ない。
そこで，本研究は無垢材の端材（以下端材）を用い，人間工学技術を採り入れて付加価値を高めた木製の小社内基準等を聞き取り，端材の形状等の特徴を調べた。
また，現在の端材の活用状況や，端材固定治具を用いた加工方法，木製小物製品に対しての意見を聴取した。

*1 インテリア研究所- 17 -

大川地域の家具メーカーでは，25 mm，32 mm，38 mm

2-2 端材の加工法の検討
端材は，反りや節があるなどの特徴があるが，具体厚の無垢材の挽き板が主に使用されており，調査した的に各メーカーがどのような基準で端材として処理し端材においても32 mm，35 mm厚の割合が高かった。まているのか，加えて端材の再利用や雑貨の製作，将来た，長さが概ね300 mm以下で自動鉋盤を用いた平面の的な再利用の可能性等といった点を調査した。また，切削加工が不可能なものや，節や割れ等の特徴を有す

調査結果を元に，複数の端材を固定する治具の製作おるものが多かった。また，調査を行った各社に共通しよび，木工工作機械を用いた加工技術の検討を行った。

て端材の処理について問題意識を持っていた。そして，

2-3 人間工学技術を採り入れた木製小物製品の開発

端材を固定する治具を用いた加工技術に興味を持つメ

端材を用いた木製の小物製品は市場に数多く存在しーカーや，将来的に小物製品の開発を視野に入れていている。これらの製品との差別化を図るため，人間工るメーカーも存在した。家具メーカーの，端材と小物学技術を採り入れ付加価値を高めた小物製品を開発す製品に対する考え方等について図4に示す。

ることとした。そこで，比較的高価格でも市場に受け入れられると思われる乳幼児・子供をターゲットとしたカトラリー等の木製小物製品の検討を行った。2017年3月に県内の認定こども園を訪問し，乳幼児の食事場面を調査することで，必要となるカトラリー等の食具の条件等を検討した。

3 結果と考察3-1 無垢端材の調査結果
家具メーカーにおける調査において，計79個の矩形の端材を収集した。厚み32 mmと35～38 mmの端材について，木の繊維方向を長さとした幅を図2，図3に示す。

図4

調査対象9社の端材に関する現状と将来の展望

3-2 無垢端材固定治具の製作
端材の調査結果を元に，真空発生器を介して圧縮空
気から真空をつくる真空吸着ユニットを用い，最大3つまで同時に固定・加工可能な治具を製作した（図5）。
固定治具は，可搬性を考慮し全長は800 mm以下，短辺
図2

厚み32 mmの端材の長さと幅側が200 mm以下の端材を3つ同時に固定可能，真空吸着技術を用いることで治具への端材の脱着が比較的容易に可能といった形状的・機能的特徴を持つ。また，
固定治具と一般的な木工工作機械（パネルソーと手押し鉋盤）を用いて，端材を定形的な矩形の形状にする
加工方法について検討した（図6）。

図3

厚み35～38 mmの端材の長さと幅- 18 -

図5

端材を固定する治具

図7

加工前後の端材の比較

3-3 人間工学技術を採り入れた木製小物製品の開発
乳幼児・子供向けの食具に求められる要素を抽出することを目的として，県内の認定こども園を訪問し，園児の食事の場面を観察した。また，食事を補助する
保育士に対して，園児の食事に関する事項についての聞き取り調査も実施した。観察の結果，以下a～cの特徴が確認された。
a 箸を把持したままでの食事や会話（図8）b 内側に親指を入れる茶碗の持ち方（図9）c 食器類が正しい配膳位置に置かれていない（図10）図6

木工機械と固定治具を用いた端材の加工方法

上記の加工手順により3つの端材を定形的な矩形の形状に加工した結果，厚みがほぼ同一の端材であれば，3点の端材を同時に加工できることを確認した（図7）。
また，長さが300 mmに満たない端材も，当該方法で加工することで，隣接する各平面が直角に交わる矩形の形状に加工することができた。
図8- 19 -

箸を把持したままでの食事や会話を行う様子

し易くなると考えられる。
和食においては，食器の正しい配膳位置が決められており，主食や一汁は身体側に置き，主菜等は身体から遠い位置に置くとされている。正しい配膳位置への食器の配置を促す食具を用い，日常的に使用すること
で，食器を正しく置く習慣が身に付くと考えられる。
日本の食文化は，箸特有の「はさむ」機能に応じて箸が使い易いように調理や食器が選定され，配膳やマナーが形成・伝承されてきたと言われる 3) 。日本は乳児から幼児期にかけて，スプーンやフォークといったものから，箸へと使用する食具が移行する食文化圏で
図9

茶碗の内側に親指を入れる持ち方の様子ある。当該こども園においても2歳児クラスまではス
プーンを用いていた。使用する食具の移行に伴い，正しい箸の使い方や食器の配膳位置等，食事に関するマナーの習得は重要であると考えられ，それをサポートする食具の必要性は高いと考えられる。

4 まとめ
本研究では，端材を定形的な矩形の形状に加工する方法の開発及び，人間工学的側面から機能を検討し付
図10

食器が正しい配膳位置に置かれていない様子

加価値を高めた木製の小物製品の開発を行った。その結果，複数の端材を固定する治具と，固定治具と一般調査に協力を得た認定こども園は，3歳児クラス以的な木工工作機械を用いた加工方法を検討・開発した。

上は基本的に箸を用いていた。食事中は常に利き手で当該加工方法を用いて端材を加工した結果，隣接する箸を把持しており，箸を把持した状態で隣席の園児と各平面が直角に交わる矩形の形状に加工可能であるこの会話や，食器の持ち替えを行う様子が頻繁に観察さとを確認した。また，乳幼児向けの食具の開発を目的れた。箸置きなど，箸を一旦休める食具を用いることとし，開発のヒントを得るべく幼児の食事場面を観察

で，食事中のマナーの習得ができると考えられる。

した。その結果，茶碗の把持をサポートする食具や，1)

箸を置くことや，食器を正しく配膳するといった食事

調査対象となった4歳児の平均の手指長は43 mm で，市販されている幼児向けの茶碗の口径は多くが110 mmのマナー習得に関連する開発要素を得た。

程度である。一方，成人男性の茶碗の径に対して平均

今後は，家具メーカーの製造現場において固定治具の手指長は約71 mmで，諸説あるが茶碗の平均的な口の評価を行い，更なるハンドリング性の向上を図る。

径は120 mmである。このことからも，幼児向け茶碗のまた，木製の食具については，幼児を対象として人間

口径は手のサイズに対して大きいと考えられる。また，工学的手法を用いた実験を行い、使用性を検証する予

茶碗は，樹脂製で側面の形状や縁の形状は衛生面を考定である。

慮して洗浄し易いよう凹凸をできるだけ少なくした平滑な形状となっているため，幼児が把持する際に滑り

5 参考文献やすい形状である。食具を持たないもう一方の手が食

1) 村上徹：子どものからだ図鑑，pp. 56-57(2013)

器を支えることが，食具に食物をのせる上で有効に作

2) 酒 井治 子 ：山 梨県 立 女 子短 大 紀要 ，第 34号， pp.

2)

用している との報告もある。よって，茶碗の側面に対する手指との把持性を高める形状や，縁に把持を目

143-152(2001)3) 伊与田治子，足立己幸：小児保健研究，第57巻，的とした木製の取っ手等を付与することで茶碗を把持- 20 -

pp. 529-539(1998)

不燃薬剤の材内分布に関する研究（第3報）-マイクロフォーカスX線CT装置を用いた非破壊的評価：追加検討岡村 博幸 *1

朝倉 良平 *1

竹内 和敏 *1

山田 圭一 *2

長谷川 益己 *3

Study on the Solid Content of Fire-Retardant in Treated Wood (Ⅲ)- Nondestructive Evaluation by Microfocus X-ray CT : Further Studies Hiroyuki Okamura, Ryohei Asakura, Kazutoshi Takeuchi, Keiichi Yamada and Masumi Hasegawa
本県では地域材であるスギ材を対象に難燃処理木材の研究開発を行っている。難燃剤の材内分布を把握することを目的に，これまで非破壊的方法であるマイクロフォーカス X 線 CT 装置を用いた方法を検討してきた。本報では，本方法における密度または樹種の影響についてスギ，ヒノキ，ブナ及びハードメープルを対象に検討した。その結
果，各樹種は薬剤量と輝度値が比例関係であるが，これらの近似直線の傾きは異なり，密度または樹種の影響を受ける可能性が示された。また，本方法の精度を確認するため，解析値と定量値の比較を行った。両値は試験体の各区画において同様の傾向を示した。そこで更に詳細に難燃剤の分布を観察したところ，本実験に用いた試験体の厚さ方向で木裏側に多くの難燃剤が存在するなどこれまでより詳細な品質の不均一性が観察できた。

1 はじめにし，この解析値と定量値を比較した（実験②）。区画

本県では，地域材であるスギ材からの防火材料（以の設定については，薬剤量の分布が厚さ方向にもばら

下，｢難燃処理木材｣という）の開発を目指している。

つき，燃焼性に影響を与える可能性が考えられること

しかしながら難燃処理木材は，製品内の箇所により難から，これまでの幅方向及び長さ方向に加えて厚さ方燃性能がばらつく可能性があるので，難燃剤の材内分向にも行った。

布を評価できる管理方法の開発が必要である。そのため，これまで非破壊測定装置であるマイクロフォーカ

2 実験方法スX線CT装置を用いて難燃剤の材内分布を測定する方2-1 含浸処理法を検討してきた

1)，2)

2)

。前報 では，試験体に含有す

実験①②ともに供試薬剤は市販の木材用難燃剤（液る薬剤量と本装置の測定によって得られる輝度値は比体，主剤：グアニジンりん酸塩）を用いた。試験片を

例関係であることを示し，試験体の区画内の具体的な

難燃剤希釈液に浸漬し，減圧加圧法により含浸処理を

薬剤量を幅方向及び長さ方向について表現した。しか行った。風乾後，60 ℃の乾燥器中で恒量まで乾燥ししながら，本方法において密度及び樹種などの木材自た。

体の条件が解析値に与える影響については確認してい2-2 撮影条件及び輝度値の解析なかった。

実験①②ともに含浸処理前後において，試験体をマ

そこで本研究では，密度の異なるスギ試験体及びス

イクロフォーカスX線CT装置（ニコン製MCT225K）を用

ギ以外の樹種を用いて測定を行い，輝度値に対するこいて撮影した。撮影条件とその後の輝度値の解析は前れらの影響について検討を行った（実験①）。更に，

報 2)と同様とした。

本方法の精度を確認するため，板状のスギ試験体を対

2-3 木材自体の影響の検証（実験①）

象にして，本方法を用いて各区画内に含有する薬剤量

本方法における木材自体の影響を検証するために，を解析した後，試験体を当該の区画に切断し難燃剤を表1に示す密度の異なるスギ及びスギ以外の樹種の板

水に溶脱させることで各区画に含有する薬剤量を定量材（幅100×長さ150×厚さ20 mm）から図1のように15個のブロックを切り出し，それぞれ異なる濃度の難燃*1 インテリア研究所*2 機械電子研究所*3 九州大学剤希釈液を含浸し乾燥することで，薬剤量が異なる試
験体を作製した。難燃剤希釈液は，蒸留水で5段階の- 21 -

濃度に調製した希釈液（難燃剤：蒸留水＝「0：100」

えて厚さ方向にも区画を行い，幅方向を3つ，長さ方～「50：50」（wt：wt））を用いた。各試験体の薬剤量

向を5つ，厚さ方向を2つに等分割して30区画とした。

に相当する輝度値はマイクロフォーカスX線CT装置の解析後，各区画に含まれる薬剤量を定量するために，測定で得られたスライス画像を用いて算出した。この試験体を設定した各区画に倣って帯鋸で切断し小片を2)

輝度値は前報 と同様に，板の厚さ方向の連続したス作製した。上川 3) の方法を参考に，減圧加圧により小ライス画像を対象に，画像解析ソフトを用いて解析し片に水を含浸し，水を交換しながら10日間をかけて難た平均輝度値と総画素数を乗じた値を積算し，含浸処

燃剤を溶脱させた。乾燥後，溶脱前後の重量差を薬剤

理後の積算値から含浸処理前の積算値を差し引くこと

量の定量値とした。

により算出した。なお各試験体の薬剤量については含
3 結果及び考察

浸処理前後の重量の差より求めた。

3-1 木材自体の影響（実験①）
試験体で用いた木材の種類（実験①）

本方法における木材自体の影響を見るために，まず含浸処理前の試験体について検討した。図2に含浸処

全乾密度

試験体

（g/cm3）

理前の密度と木材の輝度値の関係を示す。6試験体は

スギ①

0.30

ほぼ同一の直線上にあることが確認できた。このこと

スギ②

0.35

から，含浸処理前では輝度値は密度に比例し，樹種の

スギ③

0.39

違いによる顕著な影響は見られないことが確認できた。

ヒノキ

0.39

ブナ

0.73

ハードメープル

0.75

含浸処理前の木材の輝度値（平均） （×109）

表1

150 mm
20 mm

100 mm

難燃剤希釈液濃度（wt/wt）
難燃剤

0

20

30

40

50

・・

・・

・・

・・

・・

蒸留水 100

図1

80

70

60

50

試験体寸法と難燃剤処理濃度（実験①）

200

ブナ
160

ヒノキ
80

スギ②
スギ①

40
0
0.25

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

60℃乾燥時の密度（g/cm3）

図2

2-4 薬剤量の解析値と定量値の比較（実験②）

ハードメープル

スギ③

120

含浸処理前の密度と木材の輝度値の関係

次に含浸処理後の試験体について検討した。薬剤量

本方法の精度を確認するため，スギの板目材（幅と輝度値の関係を図3及び図4に示す。回帰分析により100× 長 さ 150× 厚 さ 20 mm ） に 難 燃 剤 希 釈 液 （ 難 燃

近似した一次式の相関係数Rの2乗は0.985～0.998であ

剤：蒸留水の重量比，50：50）を含浸し乾燥して作製

り，本実験に用いたすべての試験体において，薬剤量した試験体を用いて，任意の区画内の薬剤量の解析値と輝度値の比例関係が示された。ところが各近似直線と難燃剤を溶脱させて求めた定量値の比較を行った。

を比較すると，密度が近いスギ①～③及びヒノキ，こマイクロフォーカスX線CT装置の測定で得られたスラ

れらより密度が高いブナ及びハードメープルの2つのイス画像を用いて，任意の区画を設定し，各区画の薬グループに大別でき、それぞれ近似直線はほぼ重なっ

剤量に相当する輝度値を2-3と同様の方法で求め，こた。本方法は計算過程で含浸処理後の積算値から含浸れを解析値とした。区画設定は薬剤量の分布が厚さ方

処理前の積算値を差し引くことにより算出しているの向にもばらつき，燃焼性に影響を与える可能性が考えで木材自体の輝度値は相殺される 2) と考えていたが，られることから，これまでの幅方向及び長さ方向に加本実験の結果では樹種または密度により輝度値が影響- 22 -

を受ける可能性が示された。一方，前述のように，含

4

1

13

10

8

6

3

浸処理前では樹種の違いによる顕著な影響は見られて

7

5

2

14

11

9

15

12

木表側
19

16

いない。これらの理由については今後検討する必要が2118ある。一方，スギの全乾比重は0.27～0.41 （平均値

22

20

17

24

28

25

23

29

26
27

30

木裏側

0.35）であるので 4) ，本実験で用いたスギ①～③は低4.0

密度～高密度となる。よって本方法においてスギを用

3.0

薬剤量 （g）

木表側いる場合，密度による影響は考慮する必要はあまりな
いと考えられる。

定量値
2.0

解析値

1.0
0.0

1

70
9

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15

50

木裏側

9

薬剤量 （g）□ スギ① y = 16.55 *10 x - 1.28*10
R² = 0.99860
輝度値 （×109）

2

4.0

△ スギ②
y = 16.63 *109x - 1.83*109
R² = 0.998

40

○ スギ③
y = 16.40 *109x – 2.74*109
R² = 0.996

30
20
10

2.0
1.0
0.0

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

図5

ヒノキ
y = 16.60 *109x - 1.38*109
R² = 0.999

0

3.0

解析した薬剤量と定量した薬剤量の比較（小片及び区画の位置は上図の番号に対応）

-10
-0.5

0.5

1.5

2.5

3.5

平均値
（標準偏差）

4.5

薬剤量（g）

0.103（0.045）中央部

0.105（0.078）

木裏側

薬剤量と輝度値の関係（スギ①～③，ヒノキ）

木表側

図3

0.147
（0.070）70△ ブナ
y = 14.40 *109x - 3.35*109
R² = 0.985

輝度値 （×109）

60
50○ ハードメープル
y = 14.89 *109x - 4.29*109
R² = 0.996

40
30
20
10
0
-10
-0.5

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

薬剤量（g）

図4

薬剤量と輝度値の関係（ブナ，ハードメープル）
薬剤量0.00 g3-2 薬剤量の解析値と定量値の関係

図60.40 g

解析した難燃剤の材内分布（900区画）

図5に本方法で解析した薬剤量と定量した薬剤量の比較を示す。木表側及び木裏側において解析値と定量とができれば，両値はより近くなると考えられる。

値は同様の傾向を示し，両値の差は0.64-0.22 gの範ここで，同一試験体を対象にX線CT装置による測定

囲であった。これらの結果より本方法の精度を示すことができたと考えられる。更に，試験体の切断加工に結果を用いて更に詳しい難燃剤の分布を見ることを試みた。区画設定は幅方向を10つ，長さ方向を15つ，厚よる測定ロスを考慮する，切断加工の精度を上げるこ- 23 -

さ方向を3つに等分割して450区画として解析した。そ2) 岡村博幸，朝倉良平，竹内和敏，山田圭一，長谷の結果を用いて表現した難燃剤の材内分布を図6に示

川 益 己 ： 福 岡 県 工 業 技 術 セ ン タ ー 研 究 報 告 ， No.

2)26，pp. 13–16 (2016）

す。前報 より区画を増やすとともに幅方向と長さ方向だけであった表現に厚さ方向を加えることにより，

3) 上川大輔：木材保存，39(2)，pp. 78-85（2013）

詳細な材内分布が表現できた。厚さ方向の薬剤量の平4) 寺沢眞：木材乾燥のすべて

均値は木裏側＞中央部＞木表側となり，木裏側により多くの薬剤量が含有することが分かった。このことはコーンカロリーメータによる燃焼性試験において，木
表か木裏のどちら側で試験を行うかで燃焼性試験の評価に影響を与える可能性が考えられる。また中央部は最もバラツキが大きく，特に図の中心部及び少し下方側に薬剤量が低い区画が多くあることが分り，燃焼性試験において板の表裏だけでなく内部の薬剤量分布も影響する可能性が考えられる。

4 まとめ
マイクロフォーカスX線CT装置を用いた本方法における密度または樹種の影響について検討した。本実験に用いたすべての試験体において，薬剤量と輝度値に比例関係があることが示されたが，これらの近似直線の傾きは「スギ，ヒノキ」と「ブナ，ハードメープル」
で異なる傾向であった。このことは密度または樹種の影響を受ける可能性を示すと考えられる。また，本方法の精度を確認するため，解析値と定量値の比較を行ったところ，両値は試験体の各区画において同様の傾向を示した。そこで本方法を用いて更に詳細に難燃剤の分布を観察したところ，厚さ方向で比較すると，本実験に用いた試験体では木裏側に最も多くの難燃剤が存在し，中央部に薬剤量が低い区画があることなどこ
れまでより詳細な品質の不均一性が確認できた。これらの傾向が燃焼性能に与える影響については今後検討する必要があると考えられる。
生産現場で非破壊検査装置を用いて難燃剤の材内分
布を全数検査することは製品の品質を保証することになり重要であると考えている。本方法は他の非破壊検査技術の相関補足も可能であるので，新たな解析へのアプローチになり得ると考えられる。

5 参考文献1) 岡村博幸，朝倉良平，竹内和敏，糸平圭一，長谷川益己：福岡県工業技術センター研究報告，No. 25，
pp. 34–37 (2015)- 24 -

海青社（2004）

改訂増補版，p. 618，

マグネシウム合金用電解研磨液のハルセル試験による評価
南 守 *1

御舩 隆 *2

Evaluation of Electropolishing Solutions for Magnesium Alloy by Hull Cell Test
Mamoru Minami and Takashi Mifune

物体の中心部と端部の電流密度が異なる複雑形状を有するマグネシウム合金試験片に対して，全面にわたり光沢のある平滑な表面が得られる電解研磨液の開発を目的として，ハルセル水槽を用いてAZ91マグネシウム合金に対して電解研磨処理を行った。電解液には，イソプロパノール，エチレングリコール，ジエチレングリコール，メタン
スルホン酸，ジエチルアミン混合溶液を用いた。イソプロパノール，エチレングリコール，ジエチレングリコールの配合割合を変えて電解液粘度を調整し電解研磨の効果を比較検討した結果，広い電流密度領域において明瞭な金属光沢を呈する研磨面を得るには一定値以上の電解液粘度，電解時間が必要であることが判明した。

1 はじめに2 研究，実験方法

電解研磨は，アノード溶解現象を利用して金属表面
1)

実 験 に は ， 98 mm × 67 mm に 切 断 し た 板 厚 2 mm のを鏡面にする手法である 。一般的に，本手法は単一（株）スタンダードテストピース製AZ91試験片を用い相よりなる材料の光沢仕上げ処理として工業的に広くた。試験片は，耐水研磨紙にて#2,000まで研磨後，ア利用されている。これは，二相以上の複数相から構成セトンで超音波洗浄し試験に供した。電解研磨槽にはされる材料では，電解研磨を施すと凸部優先溶解に先（株）山本鍍金試験器製ハルセル水槽を用い，SUS304

立って相の違いによる選択溶解を受け，平滑，光沢面

ステンレス板を陰極に配置した。電解液には，イソプが得られない傾向があるからである 2) 。AZ91マグネシ

ロパノール，エチレングリコール，ジエチレングリコ

ウム合金は，マグネシウムを主体とする母相であるαール，メタンスルホン酸，ジエチルアミン混合溶液を相と Mg 17Al 12 化合 物 から な る β相 が 混在 す る複 相 組織用いた。電解液中のイソプロパノール，エチレングリであるため，従来の電解研磨では平滑，光沢面を得る

コール，ジエチレングリコールの配合割合を変え電解ことは困難であった。著者らは，AZ91マグネシウム合

液粘度を調整し，電解研磨の効果を比較検討した。電金に適用できる電解液の開発を試み，金属組織に起因解液組成を表1に示す。印加電圧は80 Vで，電解時間

する不均一溶解を抑制し，均一な研磨が可能となる電は5～20分で，撹拌はカソードロッカーによるパドル

3)

解研磨条件を明らかにした 。しかし，ここで用いた

撹拌にて実験した。ハルセル水槽は，5 ℃に設定した試験片は平板形状のため，物体の中心部と端部の電流

低温恒温水槽内に設置した。なお，低温恒温水槽では密度が異なってくるような複雑形状試験片への適用可

電解研磨時の発熱による電解液温度の上昇を抑制でき能性については十分検討できていない。

ず電解研磨終了時の液温は増加した。研磨面は，目視

本研究では，陰極との極間距離の遠近により電流密による外観観察及び光沢計によるJIS-Z8741-1997に基度分布にばらつきが生じるハルセル水槽を用いてAZ91

づいた60度鏡面光沢（以下，｢光沢度｣とする）にて評

マグネシウム合金に電解研磨処理を行い，研磨後の金価した。評価面は試験片下部より約25 mm上の高電流

属表面を目視，光沢計にて評価し，幅広い電流密度領密度部（試験片左端から約10 mmの箇所，以下，｢横位域，すなわち複雑形状試験片において光沢のある平滑

置10 mm｣とする）と低電流密度部（試験片左端から約な表面が得られる最適な電解液，電解研磨条件の検討

90 mmの箇所，以下，｢横位置90 mm｣とする）とした。

を行った。

電解研磨後の試料評価箇所を図1に示す。本研究では光沢度が600 %以上を示す場合を明瞭な金属光沢を呈する研磨面とした。

*1 機械電子研究所*2 （株）正信- 25 -

表1

電解液組成

電解時間

電
解
液

イソプロパノール(mol/dm3)

エチレングリコール(mol/dm3)

ジエチレングリコール(mol/dm3)

メタンスルホン酸(mol/dm3)

ジエチルアミン(mol/dm3)

粘度(mPa・s) (10oC)

1

4.79

6.59

0

1.68

1.48

31.5

2

0

13.18

0

1.68

1.48

55.0

3

0

6.59

3.88

1.68

1.48

80.9

4

0

4.39

5.17

1.68

1.48

88.4

5

0

3.30

5.81

1.68

1.48

105

6

0

0

7.75

1.68

1.48

148

5分

電解時間
15 分

図2

光沢度に及ぼす電解液粘度の影響

mm部の光沢度は電解液5までほぼ同様な値を示し，電解液6で若干低下した。液粘度増加による光沢度低下
図1

量が横位置にて異なる理由については，液粘度増加に

電解研磨後の試料評価箇所

より試験片に流れる総電流値が減少し，めっきにおけるハルセルの1次電流分布と同様 4)，横位置10 mm部の3 結果と考察
液粘度を調整した電解液を用いて電解時間5，15分

電流密度低下量が横位置90 mm部より大きいことが起の条件にて電解研磨処理を行った試験片の光沢度に及因しているものと推察される。なお，電解時間5分でぼす液粘度の影響を図2に示す。電解時間5分の場合，は，いずれの液粘度でも横位置10 mm部と90 mm部との電解液1では，横位置に関わらず低い光沢度を示した。

光沢度に差が生じ，試験片は均一に研磨されなかった。

これは，液粘度が低いと電解液中の金属イオンあるい

電解時間15分の場合，電解液1，2，3では高電流印加

は反応生成物の拡散が容易で試験片に高電流が流れるによる発熱の影響から電解液温度が40 ℃を超え研磨ことが起因している。すなわち，高電流印加による発状態が得られずエッチング状態となるため実験を中断

熱の影響から電解研磨終了時の液温は51 ℃まで上昇した。電解液4，5，6では，横位置10 mm部，90 mm部

し，電解研磨時に被研磨面上に形成される粘液層が安

ともに光沢度は600 %以上の値を示した。ただし，電定して保持し難くなり，研磨状態が得られずエッチン

解液4では，横位置10 mm部と90 mm部との光沢度にはグ状態となるため低い光沢度を示したものと考えられ差が有り，試験片は均一に研磨されなかった。一方，る。一方，電解液2以降では，液粘度増加により電解電解液5，6では，液粘度の増加により若干値は低下す

研磨終了時の液温を40 ℃以下に抑えられ粘液層を安るものの，横位置間の光沢度差は縮まった。電解液5定して保持できたため，横位置10 mm部，90 mm部ともを用いて電解時間5～20分の条件にて電解研磨処理をに電解液1より光沢度は増加した。また，横位置10 mm

行った試験片の光沢度に及ぼす電解時間の影響を図3

部の光沢度は液粘度の増加とともに低下し，横位置90に示す。横位置10 mm部と90 mm部との光沢度差は時間- 26 -

（2）電解液粘度を105 mPa・sに調整し，電圧80 V，
電解時間15分の条件にて電解研磨することにより，広い電流密度領域において金属光沢が得られ，かつ，場所による光沢度の差が少ない研磨が可能であることが明らかとなった。

謝辞
本研究の一部は国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の研究成果展開事業「マッチングプランナー
図3

プログラム」の支援によって行われた。ここに謝意を

光沢度に及ぼす電解時間の影響表す。
とともに減少し，15分以上電解研磨を行うことで試験片を一様に研磨できることが分かった。これらの結果
から，粘度が高い電解液では横位置間の電流密度差が5 参考文献1) 沖 猛 雄 ： 金 属 電 気 化 学 ， pp. 176-184， 共 立 出 版(1991)

小さいために，電解時間を長くすることで試験片をほ2) 間宮不二雄，山口裕，渡辺與七：化学研磨と電解ぼ同様に研磨できると考えられる。

研磨，pp. 3-6，槇書店(1997)

広い電流密度領域において同様な光沢度が得られる
最も低粘度な電解液である電解液5にて15分電解研磨

3）南守，御舩隆：福岡県工業技術センター研究報告，
No. 25（2015）

した試験片の外観写真を図4に示す。試験片には背景の定規が鮮明に映し出されており，横位置10 mm部，

4）小岩仁子, 山本渡：表面技術, Vol. 63, No. 8, p.

90 mm部ともに組織が均一に溶解され光沢の高い電解研磨面が確認できた。

図4

電解研磨後試験片外観写真

4 まとめ
幅広い電流密度領域において光沢のある平滑な表面が得られるマグネシウム合金用電解研磨液の開発を目的として，ハルセル水槽を用いてAZ91マグネシウム合金に対して電解研磨処理を行った結果，以下の知見を得た。
（1）ジエチレングリコール，エチレングリコール，
イソプロパノールの配合割合を変えて電解液粘度を調整することにより，試験片を一様に研磨することは可能である。ただし，明瞭な金属光沢を呈する研磨面を得るには一定値以上の電解液粘度，電解時間が必要であることが判明した。

- 27 -

489（2012）

アルミニウムダイカストの陽極酸化条件に関する検討
古賀 弘毅 *1

Treatment Conditions of Anodization for Aluminum Alloy Die Casting
Hiroki Koga

自動車の車体軽量化のため,今後,アルミニウムダイカストの使用量が増加すると考えられる。従来,アルミニウ
ムダイカストは不均一な金属組織が影響して表面処理困難な素材とされてきたが,需要の増加により耐食性付与などのため,表面処理の必要性が増すと考えられる。本研究では,代表的なアルミニウムダイカストであるADC12に対する前処理条件ならびに電解条件について検討した。その結果,アルカリ浸漬と硝酸－フッ化水素酸による酸洗を組み合わせることで陽極酸化に適した前処理が可能であることがわかった。また,上限電圧を10 Vに設定して陽極酸化を行ったところ,素地溶解を抑制しスマット生成を防止可能であることがわかった。

2 実験方法

1 はじめに近年,自動車産業では二酸化炭素削減を目的とした
1）

2-1 試料,処理液の調製。アルミニウム合

試料は JIS H 5302 に準拠した ADC12 板材（スタン

金は多くの自動車部材に活用されており,中でもダイ

ダードテストピース製,板厚 2 mm）を 70 mm×30 mm

カスト品はアルミニウム合金使用量の約 55 ％を占めに切断し,#400 で湿式研磨して使用した。活性化液はている。日本アルミニウム協会の試算によれば,2025

水酸化ナトリウム（和光純薬製,特級）100 g および年には自動車一台当たりのアルミニウム合金使用量がグルコン酸ナトリウム（ナカライテクス製,特級）5 g

1998 年の 2.5 倍となる 250 kg に達するとされ,ダイをイオン交換水に溶解し 1000 mL に調製した。処理温車体の軽量化が進められている

カストの使用量も大幅に増えると考えられる

2）

度は 50 ℃とし 30 秒間処理した。スマット除去液は。

一方,アルミニウムダイカストは,自動車のように過硝酸（和光純薬製,特級）とフッ化水素酸（和光純薬

酷な腐食環境で使用するためには防錆処理が必要とな製,特級）を適宜混合して使用した。処理温度は常温る。防錆処理としては陽極酸化が有望であるが,アルとし 30 秒間処理した。陽極酸化用電解液は硫酸（和ミニウムダイカストはアルミリッチなα相,銅や鉄を光純薬製,特級）300 mL をイオン交換水で 1000 mL に多く含んだ金属間化合物相,析出ケイ素などが混在す

希釈した液に硫酸アルミニウムを 3 g 溶解させた。

る。このため陽極酸化では素地溶解が不均一となり均

2-2 基本的な処理工程

質な皮膜が形成されないため十分な耐食性が得られない。このため表面処理を簡便な塗装で済ませることが多い。しかし,塗装は耐傷性や耐熱性に劣ることから用途が限られていた。このことからアルミニウムダイ
カストへの陽極酸化について様々検討されているが3）,4）,未だ充分な処理方法が確立されていないのが現状である。

図 1 陽極酸化処理フロー

本研究では,前処理方法および硫酸浴における陽極
酸化条件の見直しにより,アルミニウムダイカストへ

基本的な処理工程を図１に示す。アルミニウム展伸の耐食性に優れる陽極酸化技術を開発することを試み

材で一般的に使用される処理工程を参考にした 5） 。

た。

まず,試料をアルカリエッチング液に浸漬し試料素地をエッチングした。この時,アルカリでは溶解しない*1 機械電子研究所

析出シリコンや銅及び鉄を含んだ介在物がスマットと- 28 -

図2

電解装置概略図

図 3 処理前と活性化後の試料外観と SEMなって表面に露出する。次に水洗した後,硝酸およびた。濃硝酸はアルミニウムを溶解せず Cu は溶解し,フフッ化水素酸からなるスマット除去液で除去した。次ッ化水素酸は Si を溶解することに着目した。硝酸とに水洗後,硫酸電解液により陽極酸化を行った。

フッ化水素酸の割合を変えて混合した複数の条件を設

2-3 陽極酸化における電解条件

定し,活性化後の試料を処理した。試験条件を表 1 に

陽極酸化における電解装置を図2に示す。電源には示す。また,試験結果を図 4 に示す。⑤の活性化のみ

直 流 安 定 化 電 源 （ テ ク シ オ ・ テ ク ノ ロ ジ ー 製 ,PSW-と比較するといずれの条件においてもスマットは除去

1080Y1）を使用した。電解液は300 mLトールビーカー

され,硝酸およびフッ化水素酸がデスマットに有効で中でスターラー撹拌し電解を行った。電解液温度はあることが確認できた。⑥,⑦の条件ではそれぞれ①,

20 ℃とし,電解による発熱の影響で液温が上昇しない④の条件をアルカリエッチングから三回繰り返して試

よう,20 ℃に設定した低温恒温水槽中の冷却コイルに験した。その結果,①～④の条件では鋳造組織によるより冷却しながらチューブポンプで循環した。陰極に処理ムラが見られたが,⑥,⑦ではかなり改善されるこは白 金電 極 を使 用 し,陽 極 電 流密 度は 2 A･dm -2 と し た。

とが確認できた。⑥の条件を最適の条件として,「無処理」,「活性化後」,「デスマット後」の試料につい3 結果及び考察て,表面から深さ方向の元素分布を測定した結果を図3-1 活性化後の表面観察

5 に 示 す 。 測 定 に は GD-OES （ 堀 場 製 作 所

試料を活性化した表面の外観,SEM 観察および X 線

製 ,JY5000RF ） を 使 用 し た 。 「 無 処 理 」 で は 表 面 に分析した結果を図 3 に示す。参考に処理前の試料につSi,Fe,Cu の痕跡が見られるが深さ方向にほぼ一定のいても併せて示す。処理前の試料外観は白銀色の金属

組成分布を示している。「活性化後」では Al リッチ

色を呈しているが,活性化後では黒色に変化した。SEMなα相が溶解し,アルカリに溶解しにくい析出 Si や像を比較すると,平滑な処理前に対して,活性化後では

Fe,Cu を含んだ合金相がスマットとして表面に残留し様々な析出物が観察された。これらを EDX で分析したている様子が確認された。あらかじめ作成した検量線

結果,析出物は Fe 及び Si 等ならなる合金相や析出 Si

からスマット相の厚みは 1 μm と計算された。「デスであることがわかった。これはアルカリ溶液に溶解しマット後」では「活性化後」で見られたスマット相がやすいアルミニウムリッチな素地が優先溶解し,溶解

消失しており,α相主体の素地表面となっていることしにくい合金相や析出 Si 相が残留したためと考えらが確認された。α相主体のスマット除去層は 2～3 μれる。これらが残留したままでは良好な表面処理が困

m の厚みと計算され,活性化後におけるスマット相厚

難であることから,スマット除去（デスマット）の工

みよりも大きくなった。これはデスマット工程では,程が必要不可欠であることがわかった。

表面のスマット相除去後も深さ方向にエッチングが進

3-2 デスマット方法の検討

み,その際,α相よりも合金相や析出 Si 相のエッチン

ADC12 材の活性化後のデスマット方法について検討

グ速度が高いためと示唆された。

した。スマット成分が Fe,Cu,Si を含んでいることか
ら,硝酸とフッ化水素酸の混合液による除去を検討し- 29 -

表 1 試験したデスマット条件
①

②

③

④

⑤

⑥

⑦

図 4 スマット除去試験後の試料外観

図5

前処理各工程における深さ方向元素分布

3-3 開発前処理方法を適用した硫酸浴による陽極酸化

3-4 陽極酸化時の電圧変化と成膜状況に関する考察

検討した前処理方法で調整した試料について,硫酸

電解時間と電圧変化の関係（V-T 曲線）を図 7 に示

浴による陽極酸化を行った。硫酸浴は一般的に使用さす。電圧変化は大きく三つの領域に区別されると考えれる条件 3),4） を参考にした。電解時間は 10 min と 60られる。まず,電解初期の 0～20 s 付近までの急激なmin の二種類とし,陽極酸化後に熱水による封孔処理

電圧上昇を①第一領域,20～600 s までの指数関数的を行った。図 6 に陽極酸化後の試料外観と表面 SEM 像

な電圧上昇を②第二領域,1200 s 付近で電圧の最大値を示す。10 min では白銀色の外観であるが,60 min で（約 20 V）に達した後,緩やかに電圧が降下する過程

は 黒 色 の 外 観 と な っ た 。 表 面 を SEM 観 察 す る と ,60を③第三領域とする。それぞれの領域における成膜反min では Si 析出相の露出が観察されたが,10 min では

応を考察すると,①第一領域では活性表面に薄い酸化観察されなかった。このことから,陽極酸化時間を長皮膜が一斉に形成されることにより急激に電圧上昇がくするとスマット除去層を越えて試料の溶解が進行起こると考えられる。②第二領域では酸化皮膜の厚膜

し,析出 Si 相が露出するものと推察された。

化による電気抵抗の増大により徐々に電圧が上昇すると考えられる。③第三領域では成膜に伴う素地溶解がスマット除去層を越え,析出 Si 相が露出して皮膜欠陥が生じることにより電圧降下が発生すると考えられる。このため電解時間が長いとスマット発生により黒色の外観を呈するものと考えられる。このことからア
ルミニウムダイカストの陽極酸化処理ではスマット除去層を越える電解による溶解反応の進行は,析出 Si 相の露出による外観不良に繋がると共に皮膜欠陥も多く発生することから好ましくないと考えられる。

図 6 陽極酸化後の試料外観および表面 SEM 像- 30 -

4 まとめアルミダイカスト（ADC12）への陽極酸化における前処理方法について検討した結果,以下の知見を得た。
・活性化により生成したスマットは,Si,Cu,Fe を多く含んでおり,約 1 μm の厚みであった。
・デスマットには,硝酸とフッ化水素酸を 3:1 で混合した溶液への浸漬が有効であった。
・デスマット後には,試料表面に 3～4 μm の α 相単
独のスマット除去層が形成された。

図 7 陽極酸化時の電解時間と電圧変化の関係

・硫酸アルマイトにおいて 2 A･dm -2 の電解では,電圧変化から三つの皮膜形成領域があると推察された。

3-5 電圧制御による皮膜性能向上について
陽極酸化時の電圧上昇を②第二領域内に封じ込める・電解による素地の溶解がスマット除去層の厚みを越で陽えると,新たにスマットが出現することがわかった。

極酸化処理を行った。電解時間は 60 min とした。こ・印可電圧上限を 10 V に制限して 2 A･dm -2 の陽極電の結果,試料外観はややグレー調になるものの,SEM 観

流密度で電解したところ,素地溶解はスマット除去層

察では析出 Si は観察されず,10min 電解品と同等の表を越えず,連続的な陽極酸化皮膜を形成することが可面状態を示した。印可電圧上限を 10 V に制限して 2能であった。

ため,印可電圧上限を 10 V に制限して 2 A･dm

-2

A･dm-2 で陽極酸化処理した試料の断面 SEM 像を図 8 に示す。デスマット時に生じたと見られる試料表面の凹

5 参考論文凸が約 4～6 μm 程度あり,その凹凸に添って陽極酸化1) 藤 川 真 一 郎 ： 工 業 材 料 , Vol. 62, No. 9, pp.
24-30（2014）

膜と見られるコントラストが確認された。これはグロー放電発光分析によるスマット除去層の厚みの計算結2）大楠恵美：三井物産戦略研究所レポート, pp. 56（2014）

果とも一致しており,この条件では電解による素地溶
解はスマット除去層厚みを越えないことがわかった。

3）アルミニウムダイカスト表面処理研究会：アルミ
ニ ウ ム 合 金 ダ イ カ ス ト （ ADC12） 表 面 処 理 に 関 す
る 研 究 成 果 報 告 書 ,ア ル ミ ニ ウ ム ダ イ カ ス ト 表 面
処理研究会（1992）
4）一般社団法人軽金属製品協会：アルミニウム陽極
酸 化 処 理 の 作 業 要 領 と ポ イ ン ト ,一 般 社 団 法 人 軽
金属製品協会（2012）
5 ） 間 宮 富 士 雄 ： 金 属 清 浄 技 術 , p. 74, 槇 書 店（1971）

図 8 印可電圧上限を 10V に制限した陽極酸化品の断面 SEM 像- 31 -

TiC微粒子分散Ni-Pめっき膜の電析
中野 賢三 *1

中野 寛文 *2

Electrodeposition of Ni-P Composite Coatings with TiC Fine Particles
Kenzo Nakano and Hirofumi Nakano

セラミックス分散めっきは，硬質クロムめっきに匹敵する高硬度表面処理であり，TiC粒子分散めっきはその一つとして従来から知られるものの報告例は少ない。本研究では，TiC 微粒子を混合したNi-Pめっき浴から電析を行い，めっき皮膜へのTiC含有量とめっき皮膜硬さを評価した。Ni-Pめっき浴中へのTiC添加量および撹拌速度の増加，
電流密度減少とともにめっき皮膜中のTiC共析量が増加した。さらに、TiC共析量増加および熱処理に伴いめっき皮膜の硬さが増加し、TiC共析量およそ17 vol%，350 ℃の熱処理によりビッカース硬さHV9.3 GPaを示した。

後，蒸留 水で水 洗した 。陰 極は容量 0.2 dm 3 のビー カ1 はじめに硬質クロムめっきは， ビッカース硬さHV7.8 GPa～

ー中に垂直に配置し，陽極との距離は20 mmとした。

HV9.8 GPaの高硬度かつ耐摩耗性に優れた表面処理で撹拌によるめっき液の飛び跳ね，ボルテックス渦発生あり，従来から様々な分野で利用されているものの，を抑制するため，ビーカー壁面３ヵ所に幅10 mmのバ

環境規制物質である六価クロムの使用，低電流効率にッ フ ル プ レ ー ト を 設 置 し ， 回 転 子 に よ り 200 min -1 あよる低い成膜速度，付きまわり性の悪さなど特有の課

るいは500 min -1 で撹拌した。めっきは陰極電流密度5題がある。一方，セラミックス分散めっきは，共析すA・dm-2 あるいは10 A・dm-2 で総電荷量5400 Cとなるまるセラミックス粒子特有の硬さ，耐摩耗性をめっきにで定電流で電析した。めっき膜の熱処理は，電気マッ付与できる技術であり,上記の課題に対して有効と考

フル炉を用いて大気中，350 ℃で1時間行った。めっえられる1), 2), 3), 4)。特に，硬度が高く安価なSiC粒子

き膜の断面観察および元素分析にはFE-SEM（日本電子はセラミックス分散めっきの分散粒子として使用され製，JSM-7001F） - EDS（Ametek製 ，Pegasus） を用い ，る例が多く，電析によるSiC分散Ni-Pめっきはエンジ得られたNi，Ti，Pの組成比を用いて粒子共析量を算ンシリンダなどの耐摩耗性部材においてすでに実用化出した。硬さ評価にはマイクロビッカース硬さ試験機されている。一方、TiC粒子分散めっきは硬さや耐摩（Matsuzawa製，MHT-1）を用い，めっき皮膜断面を荷

耗性，高温耐性が期待されるものの報告例は少ない
5)

4),

。

重0.49 Nで15秒間加圧して5回測定し，その平均値を求めた。

本研究では，粒径1 μm以下のTiC微粒子を含むNi-P
表 1 Ni-P めっき浴の浴組成

めっき浴から電析を行い，電析条件がTiC共析量および硬さに与える影響ついて調査した。

2 実験方法表 1 に 本 実 験 で 用 い た Ni-P め っ き 浴 (P 含 有 量 2 ～ 3wt%)の基本浴組成を示す。浴温は50 ℃，pHは2.0に調整した。分散粒子としてTiC微粒子（アライドマテリ
アル製，平均粒径0.68 μm）を濃度80 g・dm -3 あるいは200 g・ dm -3 と な る よ う に 基 本 浴 に 添 加 し た 。 陽 極
および陰極にはそれぞれ20 mm×50 mmのNi板とCu板を用い，陰極の前処理として，硫酸（10 vol%）に浸漬

3 結果と考察3-1 本文*1 機械電子研究所*2 （株）九州電化

Ni-Pめっき浴中へのTiC添加量を80 g・dm -3 ，撹拌- 32 -

速度200 min -1，電流密度10 A・dm -2 で電析して得られためっき皮膜（試料No.1）の断面SEM像を図1に示す。
図よりめっき皮膜中にTiC微粒子が一様に分散して共析したことがわかった。
Ni-Pめっき浴中へのTiC添加量，撹拌速度，電流密度を変えて得られためっき皮膜中のTiC共析量を表2に示す。Ni-Pめっき浴中へのTiC添加量および撹拌速度の増加に伴い，電流密度は減少し，めっき皮膜中のTiC共析量が増加した。TiC添加量および撹拌速度の増加は，陰極へのTiC粒子の総衝突回数を増加させるた
図 2 TiC 分散 Ni-P めっき共析量と硬さの関係

め，共析量増加に寄与するものと推察される。また，
電流密度が減少した場合，電析時間が長くなるため，

15 vol%以上で増加傾向を示した。350 ℃の熱処理は，陰極へのTiC粒子の総衝突回数増加につながり，TiC共

分散めっきの硬さに影響し，いずれのめっき皮膜も電析量が増加したものと考えられる。

析時より増加した。TiC共析量およそ17 vol%の場合，

図2に，TiC微粒子分散Ni-Pめっき皮膜の共析量と硬熱処理によりHV6.9 GPaからHV9.3 GPaまで増加した。

さの関係を示す。TiC粒子を添加しない基本浴から得熱処理によるNi-Pマトリックス相の硬さ増加は，分散られたNi-Pめっきを比較用に用いた。基本浴から得らめっきの硬さ増加に寄与することがわかった。

れたNi-Pめっきは，電析時でおよそHV6.0 GPaを示し，
350 ℃の熱処理でおよそHV7.9 GPaまで上昇した。こ4 まとめの結果はNi-Pめっきで一般に報告されている例と一致

本研究により，次の結論を得た。

しており，電析時のアモルファスNi-P合金相から熱処(1) Ni-Pめっき浴中へのTiC添加量，撹拌速度，電流理後の微結晶粒生成によるものと考えられる。また，

密度は，めっき皮膜中のTiC共析量に影響した。

電析時の分散めっきの皮膜硬さは，TiC共析量およそ(2) TiC共析量増加に伴いめっき硬さが増加した。
(3) 熱処理によりNi-Pマトリックス相の硬さが増加することで，TiC分散めっきの硬さが増加した。TiC
共析量およそ17 vol%，350 ℃の熱処理によりビッカース硬さHV9.3 GPaを示し，硬質クロムめっきと同等の硬さが得られた。

5 参考文献1) 竹内信彦，畠中信夫：表面技術，36巻，pp. 409512(1985)
2) 石森茂，清水充，本田信一，大塚信治郎，豊田正
義：金属表面技術，28巻，pp. 508-512，朝倉書院

図 1 TiC 分散 Ni-P めっき（No.1）の断面 SEM 像(1977)
表 2 TiC 分散 Ni-P めっき条件と TiC 共析量の検討

3) 野 田 浩 ， 金 沢 正 博 ： 表 面 技 術 ， 51巻 ， pp. 10811084(2000)
4) 北條純一，浅尾真史，高松敦，加藤昭夫：粉体および粉末冶金，36巻，pp. 81-84(1989)
5) L. Benea, J.-P. Celis ： Materials ， 9 巻 ， pp.
269-285(2016)- 33 -

計測用X線CTのデジタルエンジニアリングへの活用の研究
山田 圭一 *1

奥村 克博 *1

Study for Application of the Digital Engineering by
Measuring X-ray Computed Tomography
Keiichi Yamada and Katsuhiro Okumura

我が国のものづくり産業において，コンピュータの進歩に伴い，設計，試作，評価のものづくりの一連の工程を
3次元のデジタルデータで行う要望が増えてきている。設計データがあれば3次元の形状データは簡単に作れるが，無い場合に実物から3次元の構造データを非破壊で生成するツールとしてX線CTが活用されはじめている。そこで当所に導入された計測用X線CT装置を用い，物体の形状計測の誤差の低減法について検討し，計測の誤差はX線の硬線
質化，画像処理の補正で空間分解能以内に98 %おさまることを明らかにした。また得られた計測データをもとに有限要素法による強度解析を行い，X線CTの計測結果を使用した強度解析が可能であることを確認した。

1 はじめに当所では，地域中小企業の技術力向上を図るため，我が国のものづくり産業において，コンピュータの物体の内外の形状を3次元的に計測できるマイクロフ

進歩に伴い，設計，試作，評価のものづくりの一連のォーカスX線CTシステムを導入した。このシステムは，工程を3次元のデジタルデータで行う要望が増えてき

X線CT装置(型式：MCT225K，ニコン社製)，3次元計測ている。このデジタルエンジニアリングのツールの1用ソフトのVGStudio Max(ver.2.2，ボリュームグラフ

つとして物体の内側と外側の構造を非破壊で3次元的

ィックス社製)で構成される(表1)。

に計測できるX線CTが活用されはじめている。
3次元形状計測システムには，接触式の座標測定機(CMM)と，非接触式のデジタイザ，レーザーによる測定機がよく知られている。これらの測定機で認識できない物体の複雑な形状の箇所，物体の内側を非破壊で計測するニーズが増えており，形状計測用のX線CT装置の市販も始まった。
X線CTは濃淡のある小さな立方体(ボクセル)を3次元
図1

的に積層させたボリュームデータを作成できる。このX線CTのものづくりへの活用動向

ボリュームデータの濃淡は物体のX線の吸収率であり，濃淡により物体，空気，物体内の添加物等の形状，分表1

マイクロフォーカスX線CTシステムの仕様
計測用 X 線 CT 装置

布を3次元的に把握することができる。X線CTの形状計
測はボリュームデータの濃淡を閾値で分けこれらの物

最大管電圧225 kV体，空気，添加物等の境界面を定義して行う。近年，

最小焦点サイズ

3 μm

実物がどの程度の強度，機能を有するのかこの計測結フラットパネルディスプレイ
検出器
16 bit, 2000×2000 pixels

果をもとに構造解析，熱流体解析等を行い構造設計，
材料設計にフィードバックする手法の研究，提案がな

最大撮影サイズ

φ250 mm×h250 mm

されている。このほか本来的に図面がない自然物，人

撮影方式

コーンビーム式

体の一部の形状を計測し3Dプリンタ等で試作すること

キャビネット内の1)も試みられている (図1)。

温度制御
計測用ソフト*1 機械電子研究所- 34 -

20±1 ℃
VGStudio MAX

X線CTによる計測の測定誤差の要因は多い。物体のX

2-2 計測環境

線の吸収率の物性や物体を載せる台の運動等の誤差がマイクロフォーカス X 線はフィラメントで発生させあり，また，CMMと比較して精度が低いことから，今た熱電子を電磁レンズで小さな焦点になるように曲げも精度向上や標準供給に向けての研究が国プロジェク

ターゲットに衝突させ発生させる。鮮明な画像を得る

トで 進め ら れて い る段 階で ある 2 ）。 当所 の 計測 用X線には，電子ビームがレンズ中心を通過することが重要CT装置では寸法精度の保証(VDI/VDE2630準拠)は同じである。この機械的な調整とソフトによる微調整は，高さに並んでいる単一素材のルビー球の中心間距離を著者が透過画像を確認しながら手動で実施した。
計測時のキャビネット内の温度は，サンプルの熱膨測定して行われている。
本研究では，X線CTのデジタルエンジニアリングの張・収縮の影響を低減するため撮影サンプルを載せる

ツールとしての活用技術を構築するため，はじめに3ステージに設置された温度計が 20±1 ℃になるよう次元的な形状を有する自動車のドアミラーのカバーのに保った。

X線CTの形状計測結果とX線CTより高精度なデジタイザ

2-3 ドアミラーのカバーの X 線 CT の計測条件の計測結果を比較し誤差の検証，誤差の低減を試みた。

X 線 CT において連続エネルギーの X 線は，物体の次に内部構造がある樹脂製品を3Dプリンタで作成しX

透過距離とともに減弱しにくい線質に変わっていく線

線CTでの形状計測と，その計測結果を用いた強度解析

質硬化が起こる。この硬化現象により単一素材でも内を行った。

部の濃淡が変化し計測精度に影響を及ぼす。この線質硬化の影響の低減法は，線源箇所に設置した原子番号2 実験方法の大きいフィルタで減弱しやすい低エネルギーの X 線

2-1 サンプルについてを吸収させ X 線の線質を硬線質化する方法と画像処理

図 2 にドアミラーのカバーと 3D プリンタによる樹で補正する方法がある。

脂製試験片の形状を示す。形状計測の誤差の検証は，

表 2 に計測条件を示す。本研究では条件 1-1,1-2 を形状が 3 次元的で内外形状をデジタイザで測定可能で硬線質な高エネルギー時，条件 2-1,2-2 を低エネルギあること及び，材質が計測用 X 線 CT で比較的鮮明なー時とし，管電圧，管電流，フィルタ，線質硬化の補撮影が可能であることから自動車のドアミラーのカバ正を行うソフトウエア付属の BH 機能の値を変更し誤ーを選んだ。

差の検証を行った。BH 機能は，1 が線質硬化の補正な

強 度 解 析 を 行 う た め 3D プ リ ン タ (型 式 ： uPrit，
Stratasys 社製)で JIS K 7139-A2 の形状の引張試験

し，2 が比較的弱い線質硬化の補正機能の場合である。
2-4 X 線 CT の計測の誤差の低減の検討

片を作製した。この 3D プリンタは ABS 樹脂の線材をコーンビーム式の X 線 CT は高さ方向に広がった X

熱で溶かし 254 μm ピッチで積層させながら行ってい線を使用しサンプル全体を一度に撮影するが，広がりる。積層ピッチごとに継ぎ目に凹みが生じるため積層の角度を持つ X 線が照射された箇所のボリュームデー

方向の引張強度が比較的弱く角度によって強度の異方

タは補正不足で不鮮明になりやすい。本研究では，比性が生じる。この異方性を低減させるためメチルエチ

較的角度のついていない X 線を使用した分割撮影と合ルケトン(MEK)の有機溶剤を使用し 3D プリンタ品の表

成により，誤差の低減を試みた。

面を溶かして凹み箇所を滑らかにする方法等が知られ計測条件を表 3 に示す。通常の計測(条件 3-1)と，ている 3)。積層方向の試験片を作製し溶剤の適用が無三度の分割撮影と合成による計測(条件 3-2)による比

しと有りの場合について試験した。

較検討を行った。分割撮影は検出器の中央から上下750 ラインを使用しカバーを上部，中部，下部の 3 箇所に分けて行った。合成は撮影後マニピュレータの高さ位置からこれらの 3 つのデータを位置合わせし行った。なお，撮影はサンプルを 1 回転させ行うが，その時の投影枚数は 1,200 個とした。管電圧，管電流，

図2

ドアミラーカバーの外観と 3D プリンタ試験片フィルター，線質硬化の補正機能の条件は，条件 1-1- 35 -

と同じとした。

スX線CTシステムで寸法測定した後，この測定結果を

2-5 カバーのデジタイザの計測結果との比較

もとにSolidWorks2017とLS-PrePostで解析モデルを作

比較用のデジタイザによる形状計測は，ドアミラー成した。4層のうち最上層の上半分の1/2層を上向きにカバーの内側，外側を別々に 2 回計測した後，位置合

引張，最下層の下半分の1/2層を完全固定した強度解わせ機能を使用して内側と外側の形状を有する 1 つの析で応力を計算した。

形状データへ変換した。
形状の比較は VGStudio MAX ソフトのベストフィッ
ト機能で X 線 CT の計測データとデジタイザの計測データの 2 つのデータを位置合わせし行った。なお，比較においては，デジタイザの計測結果を真値とした。

図4

X線CTの計測から強度解析までの流れ

比較結果を X 線 CT の空間分解能(0.126 mm)の近傍値
0.12 mm，0.12 mm の 1/2 の 0.06 mm，0.12 mm の 1/4

3 結果の 0.03 mm の 3 種類の誤差の割合で整理した。

3-1 形状計測の比較結果
図5はドアミラーのカバーの形状比較を行った画像

表2
(a)

計測条件

の一例である。X線CT，デジタイザの両者の計測結果

高エネルギーと低エネルギーの計測条件の面間の距離の差を色づけした。色が比較的黒くなっ

管電圧

条件

管電流

線質

ている箇所は，比較的差が大きい箇所である。計測不硬化

良の箇所は不鮮明なボリュームデータとなっており誤

フィルター
(kV)

(μA)

1-1

210

190

Sn(t1 mm)

BH1

差が大きかった。この箇所は撮影の回転中に常に不鮮

1-2

210

190

Sn(t1 mm)

BH2

明な投影画像となるため誤差を発生するが，物体の姿

2-1

150

170

なし

BH1

勢によって改善できる場合がある。

2-2

150

170

なし

BH2

誤差の割合を表4に示す。条件1-1，1-2，2-1，2-2の結果より，誤差0.12 mm以内の割合はソフトのBH機(b)

能を1から2に設定することで高エネルギー時に低く，その他の共通の計測条件
項目

設定

低エネルギー時に高くなった。この結果は線質硬化を

投影枚数2,000 個高エネルギー時に過剰に補正していること，低エネル

X線

露出時間

500 ms

ギー時に適度に補正していることを示している。

CT 装置

線源からサンプルまでの距離72 mm

条件2-2と条件1-1の結果は誤差0.12 mm以内の割合

線源から検出器までの距離

1,175 mmが0.1 %しか変わらないが，誤差0.03 mm以内の割合で面の境界の閾値

自動

比較すると条件2-2の方が7.2 %高かった。この要因は，

ベスト

硬線質なX線は線質硬化の影響を低減できるが物体のX

フィット

線の吸収率が下がるのでボリュームデータの物体と空計測
ソフト

位置合わせ条件

気の濃淡差が小さく，境界面を定義する時にノイズの
表3

影響を比較的大きく受けやすいためであった(図6)。

計測条件

条件

計測方法

3-1

一度の全体撮影による計測

3-2

分割撮影と合成による計測

表4の条件3-1，3-2の結果より，条件3-2の誤差0.12
mm以内の割合は条件3-1より1.8 %高い結果であった。
条件3-2のボリュームデータは，分割撮影，合成を行うことで全体的に鮮明なデータとなっていた(図7)。
条件3-1の誤差0.12 mm以内の割合は，条件1-1，1-2，

2-6 3Dプリンタ試験片の計測条件と解析条件

2-1，2-2の時より低くなり，投影枚数を少なくことがX線CTの 計 測 か ら 解 析 ま で の 流 れ を 図 4に 示 す 。 3D

影響していた。

プリンタ試験片の平行部の4層分をマイクロフォーカ- 36 -

(a)適用無し
図8

図5

3D プリンタ試験片の断層画像

デジタイザの計測結果との比較(条件2-2)

表4

誤差の割合
割合(%)

溶剤適用無し時の解析モデルと断面

図9

誤差
条件

条件

条件

条件

条件

条件

1-1

1-2

2-1

2-2

3-1

3-2

0-0.03

56.8

50.3

54.5

64.0

38.5

42.4

0-0.06

86.1

79.2

82.9

87.9

67.9

70.2

0-0.12

98.8

95.9

96.6

98.7

93.6

95.4

(mm)

(b)適用有り

図10xz断面のミーゼスの応力

4 まとめ
図6

1)

ノイズの影響を受けた面の定義箇所の比較

計測の誤差は，X線の硬線質化，もしくは画像処理による線質硬化の補正で空間分解能以内に98 %お
さまった。

2)

X線CTの計測結果を使用した強度解析が可能であることを確認した。

図7

通常計測結果と分割撮影・合成の計測結果
謝辞
本研究は，H25年度(公財)JKA補助物品マイクロフォ

3-2 X線CTの計測結果を使用した強度解析
図8に3Dプリンタ試験片へMEK処理の適用の無しと有ーカスX線CTシステムを用いて行った。

りの場合のX線CTによる外表面付近の断層画像を示す。
外表面の継ぎ目の凹みは，MEK処理によって小さくな

5 参考文献り比較的平坦な面となっていたが，内側の凹みは変わ

1)ae The Sounds Company: 耳 栓 ス ト ア ， http://aesounds.com/（参照2016-3-31）

らず残存していた。
計測結果をもとに作成した解析モデルと解析モデ

2) 松 崎 和 也 ： 産 総 研 計 量 標 準 報 告 Vol.9 ， No.3 ，pp. 311-321(2016)

ルの中心の断面を図9に，強度解析結果を図10にそれぞれ示す。MEK処理によって外側の高い応力が低くな

3)stratasys:3Dプリンタメーカー，

ることの確認，および内部構造の応力が高くなる箇所

http://www.stratasys.co.jp/solutions/finishingを把握でき，X線CTによる3D形状データを用いた有限/smoothing-fdm-parts （参照2016-3-31）

要素による強度解析の有効性を示せた。

- 37 -

有限要素法を用いたろう付け箇所打音検査における振動解析
山田 圭一 *1

内野 正和 *1 山本 圭一朗 *1

吉永 憲市 *2

脇部 康彦 *3

岩本 幹夫 *3

西村 裕二 *3

江頭 隆喜 *2

Vibration Analysis on Hammering Inspection of the Soldering Part byFinite Element Method
Keiichi Yamada, Masakazu Uchino, Keiichiro Yamamoto, Kenichi Yoshinaga, Takaki Egashira,
Yasuhiko Wakibe, Yuji Nishimura and Mikio Iwamoto
構造物が老朽化，荷重等で致命的な欠陥に至る前に検査，修繕することは重要である。鉄道のインフラ部品はレールにろう付けしレール同士，レールと周辺設備を電気的に接続する役割を持つボンド端子がある。しかし，ろう付け部は列車通過時の振動で剥離が発生，進行するため，予防保全が求められている。そのため打音検査機の開発を進めている。著者らはこの打音検査機に良品と剥離品のそれぞれの打音初期波形において 6 kHz 以上の周波数特性が異なることを利用した判定フローを組込んだが，この周波数特性の差異要因を把握できていなかった。そこで有限要素法による数値計算で打音検査の振動現象を解析した。その結果，剥離品打撃時にろう同士の衝突があると
6 kHz 以上の周波数の振動が発生することを解明した。

1 はじめに振動解析を試みた。有限要素法とは，物体を有限の小

我が国の高度成長期に建設された構造物は，老朽化さな要素で分割してモデル化し数値計算するものであが進み安全性の向上と効率的な維持管理の実現が重要る。ボンド端子にかかる荷重，拘束される条件等を設となっている。鉄道の安全性を保つ信号保安システム

定し振動の挙動を解析した。

を構成する重要部品は，レール同士，レールと周辺設
備を電気的に接続するボンド端子がある。この部品はレールにろう付けして取り付けるが，列車通過時の大きな振動でレールにろう付けした箇所に剥離が発生する。このため，耐久性を向上させた新型レールボンドの開発 １ ）,２ ），改良と，現状の事後保全から予防保全へ転換すべく打音検査装置の開発 ３） を進めている(図図1

打音検査装置1)。
著者らは打音検査機に打音の初期波形周波数特性が良品と剥離品で異なることを利用した判定フローを組

2 解析方法2-1 解法と解析環境について込んだ。この判定フローは，打音波形の周波数解析結打音検査振動解析は，ハンマーによる荷重，ハンマ

果から計算した値と設定した閾値の大小を比較して良ーによる打撃時のボンド端子の挙動が時間的に変化す

否を判別するものである。しかし著者らは，ハンマーることを数値計算するため，動的陽解法で行った。

で打撃した際，良品と剥離品それぞれの打音周波数特解 析 モ デ ル の 作 成 は ， LS-PrePost(ver.4.3 ，性が異なる要因を把握できておらず，判定フローの妥

Livermore Software Technology Corporation(LSTC)

当性を検証できていなかった。

社 製 ) の ソ フ ト で 行 っ た 。 解 析 の 計 算 は LS-

そこで本研究では，良品と剥離品の打音周波数特性の違いを把握するため，有限要素法による打音検査のDYNA(Ver.R8.0.0，LSTC社製)のソフトで実行した。
2-2 解析モデルについて作製した解析モデルは，比較する実験のレール形*1 機械電子研究所*2 株式会社昭和テックス*3 新日本非破壊検査株式会社

状を基にレールの断面形状はJIS 50 kgNの規格値，長さは600 mmとした。ボンド端子とろうの位置はレール- 38 -

の端から100 mm，レールの上面から88 mmの位置としードセル内で往復し複数の波形が表れるが，近似にはた(図2)。

1 つ目の波形を用いた。
近似式のパラメータは，荷重の測定値の最大値が鉄 系 金 属 の レ ー ル ， Sn-Ag-Cuの ろ う と 銅 の ボ ン ド

46.6 N であったため式(1)の最大値 c を 46.6 N，測定端子の物性値は表1のとおりとした。
レール，ろうとボンド端子はいずれもソリッド要

値が立ち上がりから最大値になるまで 0.4 ms 経過し素で解析を行った。主要な解析条件を表2に示す。レ

たため基本周波数 f を 1.25 kHz，解析開始時の荷重

ール，ろうの接着状態と，ろう，ボンド端子の接着状
物性値

態は，接着部に同じ要素サイズの要素を作成し同じ位

表1

置にある節点を結合することで表現した。解析では荷

質量密度

ヤング率

重の入力から1.0 ms間の挙動を0.01 msの時間間隔で(kg/mm 3)

(GPa)

レール

7.9×10 -6

210

0.30

ろう

7.5×10 -6

41.6

0.40

-6

110

0.34

出力した。
比較検証に用いた打音検査の実験 3) ではレールを枕

ボンド端子

木の代わりに木材の上に置いて実施したため，解析モ

8.96×10ポアソン比

デルでは木材と接触するレールの底面の箇所に完全拘束の固定条件を設定した。

表2

2-3 ろう付け部の剥離のモデル化

対象

主要な解析条件

条件項目

列車通過時の強烈な振動によるろう付け部の剥離1(ボンド端子のは，主にボンド端子部品のカシメ側から発生し先端側へ進行する。解析モデルにおいてろう付け部の剥離は，設定値

平均要素サイズ(mm)配置個所)
5(上記以外)レール

ろうの内部に隙間0.04 mmを設けることで表現した(図

物性タイプ

弾性体

3)。剥離は，ろう全体の面積に対して40 %の剥離がボ

減衰比

0.03

要素サイズ(mm)1×1×0.04

物性タイプ

弾性体

減衰比

0.03

平均要素サイズ(mm)

1

物性タイプ

弾性体

減衰比

0.03

解析時間(ms)

1.0

出力時間間隔(ms)0.01

ンド端子のカシメ側から進行している状態とした。解析では，打撃時のろう同士の接触を考慮するためろう

ろう部に自己接触のコンタクト定義を設定した。
2-4 ハンマーの打撃力の測定と入力について
解析モデルに付加した荷重は，実験によりハンマボンドーの打撃力及びその時間変化の実験値から生成した。

端子

打撃力による荷重変化は，ハンマーをロードセル(型式:SM-100N-168，PCE Instruments社 製)か ら 30 mm離その他

した状態から振り子の原理により打撃し測定した。測定のサンプリング速度は0.1 msとした。
解析ソフトへ入力する荷重データは，実測した波形データをもとにsin波の式(1)で近似した荷重(F)を用いた。実測値にはロードセルを打撃時の衝撃波がロ

図2

図3

解析モデル

- 39 -

ろうの剥離モデル

を0にするためオフセット時間t offset を0.6 ms，乗数mは1，2，3の3パターンで比較し測定値との差が小さかった2とした。なお，1回の打撃では2周期目は発生しないため0.8 ms後は荷重の値を0とした(図4)。
打撃 され た面 積は ハン マー の形 状を 考慮 して9 mm 2
とした。

[

]

F = c {sin(2πf (t + t offset )) + 1}/ 2

m

F =0

(0 ≤ t ≤ 0.8)
(0.8 < t )(a)

パターン1，2の速度波形・・・(1)

F :打撃荷重(N)c :荷重の最大値(N)f :基本周波数(kHz)t :時間(ms)t offset :時間のオフセット(ms)
m :乗数

(b)

図4

パターン1，2の速度波形のFFT解析結果

荷重データ

2-5 周波数特性について(c)

パターン3，4の速度波形解析計算で得られたデータを高速フーリエ変換(FFT)す る こ と で 周 波 数 特 性 を 求 め た 3) 。 ハ ン マ ー による打撃箇所の振動が他の箇所と比較して最も大きい
ため，FFT解析には打撃箇所における速度の時間変化
データを用いた。振動の比較は速度の振幅，FFT解析
結果の強度を正規化して整理した。良否を決めるための判定式の計算値を比較し，開発中の打音検査装置の判定フローの妥当性を検証した。

(d)パターン3，4の速度波形のFFT解析結果

3 結果
3-1 実験結果との比較
解析モデルによる振動の速度と速度のFFT解析の計算結果を図5(a)，(b)にそれぞれ示す。実験によるFFT解析の結果(図5(e))と周波数特性が一致するように荷重を10倍した速度と速度のFFT解析の結果をあわせて
図5(c)，(d)に示す。この時の解析パラメータを一覧表に整理したものを表3に示す。
パターン1，2のモデルでは，6 kHz以上の周波数帯- 40 -(e)

実験による打音のFFT解析結果

図5

解析結果と実験結果の比較

域の差は比較的小さく周波数特性が実験結果の傾向と

5 参考文献異なった。

1) 株式会社昭和テックス：HP式レールボンド

パ タ ー ン 3， 4の モ デ ル で は ， 接 着 率 60 %の モ デ ル

http://www.showatecs.co.jp/（参照2016-3-31）の速度の波形は0.36 msのタイミングで速度の向きが2) 髙宮義弘，吉村賢二，山本圭一朗，吉永憲市，江急に変化し比較的高周波の波形となった。周波数解析

頭隆善：福岡県工業技術センター研究報告，

結果はこの高周波の波形が影響し，接着率100 %のモ

No. 23, pp. 49-51(2013)

デルと接着率60 %のモデルで実験結果と同様に6 kHz

3) 糸平圭一，山本博美，山本圭一朗，脇部康彦，岩以上の周波数帯域で強度の差が生じた。

本幹夫，吉永憲市，江頭隆喜：福岡県工業技術セン

打音検査の解析結果のアニメーション挙動を図6に示す。荷重等倍の60 %接着の解析パターン2のモデル
はろう同士の衝突が発生していなかった。一方，荷重10倍の60 %接着の解析パターン4のモデルは0.36 msのタイミングで高周波の波形が発生したが，このタイミ
ングでろう同士の衝突が発生した。
以上の解析モデルの計算結果より，剥離品打撃時の6 kHz以上の周波数帯での振動は，ろう同士の衝突であることを解明した。

表3

解析パターンパターン

荷重の最大値c(N)ろうの接着率

パターン1

46.6

100 %接着

パターン2

46.6

60 %接着パターン3466

100 %接着

パターン4

466

60 %接着図6

解析結果のアニメーション

4 まとめ
1)

鉄道用部品のボンド端子の打音検査において，剥離品打撃時の6 kHz以上の周波数帯での振動は，ろう同士の衝突であることを解明した。
2)

有限要素法の数値計算による打音検査の振動解析が可能となった。

- 41 -

ター研究報告，No. 24, pp. 20-21(2014)

プレス成形用金属板材の引張圧縮試験の材料データベースの構築
山田 圭一 *1

中村 創一 *2

古賀 雄大 *3

中山 曜 *4

田中 郁己 *4

Building of Materials Databese by a CyclicTension-compression Test
for Forming Sheet Metal
Keiichi Yamada, Soichi Nakamura, Yudai Koga, You Nakayama and Ikumi Tanaka

国内の自動車産業の金属板材のプレス加工分野において，軽量化と衝突安全性の両立のため，プレス成形に使用する鋼板の高強度化が進み，アルミニウム板材の適用が増加傾向にある。製品の納期の短期間化と形状の複雑化が年々進行しており，金型試作時の試行錯誤回数を低減するため数値計算で事前に不良を予測し金型を設計する時代となっている。当所では高精度なプレス金型の設計を可能とする吉田-上森モデルによる解析環境を整備しているが，解析の実績が多い高張力鋼板に対して非鉄材料であるアルミニウムと銅の板材の解析事例は少なく，また材料のパラメータが不十分であるため精度が低いという課題がある。そこでアルミニウムと銅について引張圧縮試験の結果から吉田-上森モデルでのパラメータの同定を行い，材料データベースを新たに構築した。

1 はじめに硬化の塑性ひずみ幅依存性の現象を考慮できる材料モ

国内の自動車産業の金属板材のプレス加工分野において，軽量化と衝突安全性の両立のため，プレス成形

デルとして比較的新しい吉田-上森モデル(以下「Y-Uモデル」という)がある 1)。

に使用する鋼板の高強度化が進み，アルミニウム板材

このY-Uモデルは，複合硬化の限界曲面のなかで降の適用が増加傾向にある。製品の納期の短期間化と形

伏曲面が非線形に移動する複合硬化モデルである。特状の複雑化は，年々進行しているためプレス金型の設

徴は引張圧縮の応力反転時の応力とひずみの関係を比計技術の向上が重要となっている。

較的高精度に表現できるため，プレス成形時に曲げ曲

プレス金型の設計において有限要素法の数値計算をげ戻しが起こる箇所の応力とひずみを高精度に解析で用いたプレス成形解析は，金型試作時の試行錯誤回数きることである。比較的高精度な解析が要求される寸を低減するため，加工時のワレ不良，シワ不良，離型法精度不良の予測でよく使用され，高張力鋼板の材料

後の形状変化による寸法精度不良等の予測で活用されDBは比較的多い。

ている。

当所ではこのY-Uモデルの数値計算で金型の設計支

プレス成形解析において板材の塑性加工の加工硬化援が可能な環境(図1)を構築したが，非鉄金属板材のを表現する材料モデルは，降伏すると降伏曲面が均等

Y-Uモデルでの解析実績は少なく，材料DBも解析ソフに拡大する等方硬化モデル，降伏曲面の中心が移動す

トが保有するもののみである。

る移動硬化モデル，等方硬化モデルと移動硬化モデル

そこで本研究では，アルミニウムと銅板材に対すを組み合わせた複合硬化モデルの3つのモデルがある。

る引張圧縮試験を行い，その結果をもとにY-Uモデル

複合硬化モデルは，板材を任意の方向へ初期降伏後にのパラメータのフィッティングを行うことで材料DBを逆方向へ応力反転，降伏させると，反転方向の降伏応作成した。

力が初期降伏応力より小さいバウシンガー効果の現象と繰返しに伴う加工硬化の現象を表現できる。これらの現象に加えて加工硬化の一時休止現象，繰返し加工

*1
*2
*3
*4

機械電子研究所
三重県工業研究所
古賀金属工業株式会社
吉川精密株式会社

図1- 42 -

プレス金型の設計支援環境

2 実験方法

値は，引張試験時の真ひずみの値が0.002に最も近く

2-1 非鉄金属板材の引張試験と引張圧縮試験なった時の真ひずみと真応力の値とした。初期降伏後試験片は，実際に自動車部品に用いられているアルから応力反転までの塑性ひずみは，真ひずみから初期

ミニウム(6000 系合金)と銅(C1020 1/2H)の 2 種類と降伏時の真ひずみを減算した値とした。応力を反転後した。引張試験片，引張圧縮試験片の形状は JIS13 号に再降伏した時の真応力の値は，応力反転直後の真応

B，JIS5 号とした。

力の値と応力反転後の真応力の値の差が初期降伏時の引張試験と引張圧縮試験は，オートグラフ(型式：表2AG-100kNX，メーカー：㈱島津製作所)を使用した。引
張圧縮試験はオートグラフにバウシンガー効果測定治

引張圧縮試験条件
アルミニウム

銅

目標値

目標値

試験の動作

具(島津製作所社製)を取付けて行った。この治具の板
抑えの圧力は，引張圧縮試験の圧縮時の座屈を防ぐた①引張

0.025 ε0.030 εめ3 MPaとした。

②圧縮-応力反転 1-0.025 ε-0.030 ε

ひずみの測定は，引張試験において単軸のひずみ③引張-応力反転 20.050 ε0.060 εゲージ(型式：KFEM-5-120-C1L1M2R)，引張圧縮試験に④圧縮-応力反転 3-0.050 ε

0.000 εおいてバウシンガー効果測定治具付属の伸び測定器⑤引張-除荷100 N-(形式：ストレーンゲージ式，測定範囲：+50/-10 %)を使用した。試験速度は，1.0 mm/minとした。
引張圧縮の試験条件は表 2 の通りとした。
2-2 非鉄金材料の Y-U モデルの材料データベース作成
引張圧縮試験結果から MATPARA を用い Y-U モデルの塑性パラメータの決定を行った。MATPARA はパラメー
タの導出を行う際に逐次二次計画法による繰返し収束計算を行っている。そのためパラメータの探索範囲と初期値を設定する必要がある。MATPARA には本研究で使用したアルミニウム板材と銅板材についての探索範
囲と初期値が設定されていなかったため，文献 1 を参考に設定した。
MATPARA に設定する探索範囲と初期値が不適切であ塑性パラメータ

Y

a0

Rsat

b

m

値

120

50

128

12

12

(a)

アルミニウム6000系合金ると導出されたパラメータから計算された応力とひずみの関係が実験値と適合しない。そのため試行錯誤により探索範囲と初期値の設定を繰り返し行った。

3 結果
3-1 非鉄金属板材の材料データベースの構築
図2に引張試験結果，引張圧縮試験結果とY-Uモデルの限界曲面の探索範囲を検討した一例を示す。グラフの縦軸と横軸は真応力と塑性ひずみである。
図 中 の tension の マ ー ク は 引 張 試 験 時 の 測 定 値 ，cyclic (fow) ， cyclic (rev1) ， cyclic (rev2) ，cyclic (rev3)のそれぞれのマークは，引張圧縮試験の試験条件表2の①，②，③，④の測定値である。
測定値において，初期降伏時の真ひずみと真応力の- 43 -

塑性パラメータ

Y

a0

Rsat

b

m

値

188

60

17

23

13

(b)

銅

図2

限界曲面の検討例

C1020 1/2H

真応力の値の2倍になった時の真応力の値とした。応

材料DBを用いプレス金型の試作に対する設計精度を向力を反転させた後の塑性ひずみは，応力の反転から再上させることで県内企業の技術支援に役立てている。

降伏するまでの真ひずみを弾性ひずみとし算出した。
(fow)

σ bound はcyclic (fow)の真応力と塑性ひずみ時に対応し(rev1)(rev2)(rev3)

たY-Uモデルの限界曲面である。σ bound ，σ bound ，σ boundはcyclic(rev1) ，cyclic (rev2) ，cyclic(rev3) に 対す るそれぞれの真応力と塑性ひずみの時のY-Uモデルの限界曲面である。この限界曲面の曲線はアルミニウムと銅，それぞれの塑性パラメータY，a0，R sat，b，mの値を使用し計算した。塑性パラメータYは初期降伏の真応力の値である。a0，Rsat ，b，mは限界曲面を示すパラメ(a)

アルミニウム6000系合金ータで，初期降伏後の真応力と塑性ひずみの関係を参考に設定した。
図3と図4は真応力と塑性ひずみの非線形挙動を表す
塑性パラメータC2とC1を検討した例である。この例は図2の限界曲面のパラメータを使用した。パラメータ
C2とC1の検討は，バウシンガー効果を重視するため，
塑性パラメータC2の範囲を先に検討した後に初期降伏
後の非線形挙動を表現するパラメータのC1を検討した。
以上の検討から決定したY-Uモデルでの探索範囲を(b)

表3に，導出されたパラメータ及びフィッティング結図4

銅C1020 1/2H塑性パラメータC1の検討例

果を図5に示す。アルミニウム，銅ともに実験値とよく一致するパラメータを決定できた。現在，作成した

表3

Y-Uモデルでの探索範囲

材料

初期値

最小値

最大値

Y

Al 6000 系合金

120

100

150

(MPa)

C1020 1/2H

190

160

220

a0

Al 6000 系合金

50

20

80

(MPa)

C1020 1/2H

60

10

130

Al 6000 系合金

850

600

1,100

C1020 1/2H

2,000

1,500

2,500

Al 6000 系合金

680

600

800

C1020 1/2H

400

200

600

b

Al 6000 系合金

13

10

100

(MPa)

C1020 1/2H

10

5

100

Al 6000 系合金

12

2

30

C1020 1/2H

10

5

100

Rsat

Al 6000 系合金

127

60

200

(MPa)

C1020 1/2H

10

5

100

Al 6000 系合金

0.5

0.01

0.8

C1020 1/2H

0.5

0.01

0.8

C1

(a)

アルミニウムC2

6000系合金

m

h
(b)
図3

銅

C1020 1/2H塑性パラメータC2の検討例- 44 -

(a)アルミニウム(b) 銅
図5

6000系合金

C1020 1/2H

パラメータの同定結果

4 まとめ
アルミニウムと銅の鉄金属板材に対する吉田-上森
モデルの材料データベースを作成した。

5 参考文献1)

Yoshida,FusahitoandTakeshi

Uemori ：International Journal of Plasticity, Vol. 18,
pp. 661-686(2002)- 45 -

学協会誌
掲載論文の概要

水素ガスによるFe-Cr-Mo合金金属ガラス皮膜形成と高温保持における微細構造変化
古賀 義人 *1

坂田 一則 *2

岡 大翼 *2

鍬取 航平 *3

成田 一人 *4

宮原 広郁 *3

Formation of Fe-Cr-Mo Alloy Metallic Glass Coating by Hydrogen Gas andMicrostructural Transition at Elevated Temperature
Yoshito Koga, Kazunori Sakata, Daisuke Oka,
Kouhei Kuwatori, Ichihito Narita and Hirofumi Miyahara

高速フレーム溶射において，CO 2 排出量を削減するとともに皮膜特性の改善を目指して，Fe-Cr-Mo金属ガラス皮膜を水素溶射装置により成膜し，特性評価を行うとともに，高温での金属ガラスの結晶化について評価を行った。
軟鋼材上に金属ガラス溶射を施工し，水素溶射により問題なく成膜できることを確認するとともに，複合サイクル試験により耐食性を評価し，再溶融処理を行わない場合でも封孔処理を行うことで1,578時間まで赤錆を防止することができることを示した。さらに金属ガラス皮膜を熱処理後にX線回折に供し，熱処理により金属ガラスからのブロードな回折線は減少し，鋭い回折線が現れることを確認した。溶射ままの金属ガラス溶射皮膜のビッカース硬さは752 HVで，結晶化後は1,029 HVであり，結晶化により金属ガラスの硬さが上昇することが明らかとなった。

ング（再溶融処理）を行うことが一般的であり，いず

1 はじめに非晶質合金は強靱性，高耐食性，優れた軟磁性など

れのプロセスで もCO 2 が多く 発生する。これ まで著者を特徴とする金属材料であり，1990年代に金属ガラス

らは，高速フレーム溶射にH 2 を用い，またフュージンを開発するための合金元素・組成の経験則が明らかとグを省略してCO 2 発生量を低 減させた溶射プ ロセスをなって以降，合金開発とその実用化が活性化している。

試み，その可能性を示したが，H 2による溶射技術を確

これらの研究の中でも，2000年以降は高い耐食性，耐立するためには系統的な調査が必要である。

摩耗性あるいは優れた磁気特性を目的とした研究が行

そこで，本研究ではH 2を用いた高速フレーム溶射法

われている。金属ガラスを溶射材料として用いる場合，により金属ガラス溶射皮膜を成形し，皮膜の組織およ

溶射施工後も金属ガラスとしての性質を有することがび特性について調査した。さらに，得られた金属ガラ重要とされており，すでにフレーム溶射や高速フレー

ス皮膜に熱処理を施し，皮膜の組織および結晶性を調

ム溶射による製膜について一定の成果が報告されると査して高温使用環境下における皮膜特性の変化につい

ともに，実用化も成されている。しかしより広く活用て評価した。

するためには，高速フレーム溶射による低気孔率・低
酸化物皮膜の達成とともに，使用環境下における皮膜

2 実験結果および考察

特性の変化についての検討が必須と考えられる。

水素およびプロピレンを用いて溶射した溶射ままの一方，溶射分野においてはエネルギーコストおよび試料の皮膜縦断面組織を図1(a)および(b)にそれぞれ

CO 2 発生の観点から 溶射プロ セスの最適化も 求められ示す。なお，図1(c)～(e)には後述する熱処理試料もている。例えば自溶合金はその耐食性，耐摩耗性の高併せて示す。図1(a)に示す水素溶射皮膜は内部に2.0

さから広く活用されている溶射素材であるが，耐食性

vol%の細かい気孔が残存しており，また基板との界面を必要とする場合には高速フレーム溶射後にフュージには黒色に観察されるブラスト処理で残存したアルミ
ナ粒子があったが，基板には十分密着していた。また

*1
*2
*3
*4

機械電子研究所
富士岐工産株式会社
九州大学
大阪教育大学

プロピレン溶射皮膜も同様に十分密着しており，気孔率は2.6 vol%と比較的低かった。なお，再溶融処理を施していないフレーム溶射による自溶合金皮膜の気孔- 47 -

率は7～14.5 vol%などであることから，再溶融処理を

すなわち水素による溶射において防食を主たる目的と行わない場合は金属ガラス溶射皮膜に優位性があるもする製品には封孔処理を施すことによりプロピレン溶のと考えられる。また，JIS H 8402溶射皮膜の引張密射と同等またはそれ以上の耐食性を発揮するものと考着強さ試験方法で密着強度を評価したが，水素およびえられた。
さらに熱処理を行った溶射皮膜のX線回折解析と硬プロピレン試料のいずれも接着剤が剥離したことからさの測定を行い，水素ガスによる溶射皮膜は，溶射ま

密着強度は70 MPa以上と考えられた。
続いて，複合サイクル試験により被覆の状態を調査

まの状態では硬さ752 HVであったが，熱処理により皮した結果を図 2 に示した。比較のために図 2(c)には膜の結晶化が生じるとともに硬さが1,029 HVまで上昇

プロピレン溶射試料も示した。プロピレン試料ではした。

286 h 保 持 ま で 全 く 錆 は 観 察 さ れ ず ， 499 h 以 降
1,578 h 保持まで 1 mm 程度の極めて小さい錆が観察され，金属ガラスによる溶射皮膜は貫通気孔の少ない皮膜の形成が可能であることが判る。一方，図 2(a)に示した水素溶射試料は 143 h までは表面に大きな欠陥等は見られなかったが 286 h において 1 mm 程度の小さな錆が観察され，1,578 h では約 1 cm 2 の面積が
図 2 金属ガラス溶射皮膜の複合サイクル試験結果

錆に覆われた。一般に溶射ままの皮膜には貫通気孔が(a) 水素溶射皮膜存在することから，完全に貫通気孔のない皮膜が必要(c) プロピレン溶射皮膜

な場合は封孔処理もしくは再溶融処理を行い貫通気孔を封じる。しかし本試料では再溶融処理を行っていな(b) 封孔した水素溶射皮膜

3 まとめ

いので，わずかな隙間から塩水が侵入したものと考え

Fe-Cr-Mo合金を主成分とする金属ガラス粒子を溶射られる。そこでアルコキシラン化合物系封孔剤によるし，組織および耐食性を調査するとともに，溶射皮膜

封孔処理を行ったところ， 図 2(b)に示すように封孔に熱処理を施し，その際の組織および硬さの変化と結処理により 499 h 保持からわずかに茶色を呈した箇所

晶化度との関連性を評価，以下の結論を得た。

が観察されるが 1,578 h まで著しい錆は観察されず，① 水素ガスを熱源とした場合でも金属ガラス溶射皮

高い防食性を示した。

膜が作製でき，溶射ままの状態では皮膜のほとん
どの部分は金属ガラス相を保持している。
② 熱処理により皮膜の気孔率は上昇するが，これは結晶化による体積収縮が原因と考えられる。
③ 水素ガスによる溶射皮膜の溶射まま状態での硬さは752 HVであり，これはプロピレンを熱源とした
場合よりも硬い。複合サイクル試験では耐食性では劣るが，封孔処理を行うことにより耐食性は向上する。
④ 高温保持により結晶化度が上昇するとともに溶射
皮膜の硬さは上昇する。

図 1 金属ガラス溶射皮膜の組織観察(a) 水素溶射皮膜

4 掲載文献日本溶射学会誌 溶射，Vol. 53, No. 2, pp. 48-54(b) プロピレン溶射皮膜(c) 600℃で熱処理 (d) 700℃で熱処理(e) 800℃で熱処理- 48 -

パラスポリン1と2，その構造と活性（総説）秋葉 俊彦 *1

奥村 史朗 *2

Minireview: Parasporins 1 and 2: Their Structure and Activity
Toshihiko Akiba and Shiro Okumura

パラスポリンはBacillus thuringiensis が産生するがん細胞を特異的に破壊するタンパク質であり，その立体構造から大きく２つのグループに分類することができる。一つは3ドメインタイプであり，もう一つはβシート膜
孔形成毒素（β-PFT）タイプである。3ドメインタイプはB. thuringiensis が産生する殺虫タンパク質であるCry
毒素の3ドメインタイプと同様の構造を持つがCryとは違ってアポトーシスを誘導してがん細胞を破壊する。β-PFT
タイプは他の微生物が産生するβ-PFTタイプの毒素と同様に細胞膜に穴をあけてがん細胞を迅速な死に導く。本論
文では，それぞれのタイプのパラスポリンの構造と活性の関係について考察をおこなった。

1 はじめには約 80 kDa の前駆体として発現され，その後プロセ

グラム 陽性胞 子形成 細菌 で ある B. thuringiensis

ッシングを受けて 60〜70 kDa の活性型となる。パラは ， 生 物 農 薬 の 供 給 源 と し て 知 ら れ て い る 。 B.

スポリン 1，3，6 をこのタイプとして挙げることがでthuringiensis は胞子形成時にタンパク質性の封入体

きる。2005 年にパラスポリン 1 の立体構造が 1.76 Åを生成し，特定の菌株から得られた封入体には殺虫タの解像度で決定されており（図 1），その構造と活性ンパク質である Cry 毒素が含まれている。1999 年にの相関について検討がされている。

水城らが，殺虫活性が知られないことから無用であると考えられていた菌株の中に，ヒトがん細胞を殺すタ
ンパク質を産生するものを見出し，そのタンパク質をパラスポリンと命名した。パラスポリンは Cry 毒素と同様に，アミノ酸相同性に基づく 4 段階命名法によって分類され，これまでに 19 種類のパラスポリンが同定され，第 1 分類での 6 つのグループに分類されている。これらの 6 つのグループの代表的なパラスポリンの特徴を表 1 に示す。パラスポリンは，その立体構造に基づいて 3 ドメインタイプとβ-PFT タイプに分類することができる。本論文ではそれぞれのタイプを代

図 1 パラスポリン 1 の立体構造

表するパラスポリン 1 と 2 の立体構造と活性について
3 パラスポリン2 （β-PFTタイプ）考察を行った。

β-PFT 型のパラスポリンは構造的に MTX タイプの2 パラスポリン1 （3ドメインタイプ）

Cry 毒 素 に 類 似 し て お り ， こ れ ら は Aeromonas

3 ドメインタイプのパラスポリンは，構造的に 3 ドhydrophila が産 生す る aerolysin に 代表 され るβ -メインの Cry 毒素に類似しており，よく保存された 5PFT 型毒素群に対して限定的ではあるがアミノ酸配列

つのブロック配列と特徴的な 3 ドメインの立体構造を相同性を持っている。β-PFT 型のパラスポリンは 31持っている。3 ドメインタイプのパラスポリンの多く〜 37 kDa の 不 活 性 前 駆 体 と し て 生 産 さ れ ， 27 〜 30
kDa の活性体にプロセッシングされる。 パラスポリ*1 東京大学分子細胞生物学研究所*2 責任著者，生物食品研究所

ン 2，4，5 がこのタイプとして挙げられる。2009 年- 49 -

にパラスポリン 2 の立体構造が 2.38 Åの解像度で決4 まとめ定されており，その構造と活性の相関について検討がパラスポリンは厳密な細胞特異性をもっており，そされ，セリン・スレオニン残基の分布が重要であるこのことはパラスポリンが細胞膜上の特異的受容体を介とが示されている（図 2）。

して感受性細胞に結合することを示唆している。Cry
毒素について広く提案されているモデルから，3ドメ
イン型およびβ-PFT型のパラスポリンは，多量体化後にαヘリックスおよびβシートでそれぞれ裏打ちされた膜貫通細孔を形成し，細胞死を誘導すると考えられたが，パラスポリン1の立体構造解析からαへリック
スによる膜貫通細孔の形成が困難であり，アポトーシ
ス誘導による細胞死を誘導していることが示唆された。

5 掲載文献Journal of Invertebrate Pathology, Vol. 142,
pp. 44-49 (2017)
図2

パラスポリン2(a)およびNontoxic 26-kDaタン
パク質(b)の立体構造とセリン・スレオニン残基分布（着色部）

表1

代表的なパラスポリンの特徴

B. thuringiensis

Molecular weight
PDB

Parasporin

source strain

Susceptible cell lines

in kDaTypeID(former name)(nascent / activated)

A1190
PS1Aa181 / 15+56

3-domain—*

37 / 30

β-PFT

2ZTB

88 / 64

3-domain—

31 / 27β-PFT—

33 / 30β-PFT—

HeLa, HepG2

84 / 14+59

3-domain——

32 / 26

β-PFT

2D42

HeLa, HL-60, MOLT-4, HepG2(84-HS-1-11)
A1547

MOLT-4, Jurkat, HL-60, HepG2,(90-F-45-14)

CACO-2, Sawano

PS2Aa1
A1462
PS3Aa1

HL-60, HepG2(89-T-26-17)
A1470

MOLT-4, HL-60, HepG2, CACO-(89-T-34-22)

2, Sawano, TCS

PS4Aa1
HeLa, MOLT-4, HepG2, CACOPS5Aa1

A1100
2, Sawano, TCS, Jurkat, HL-60

PS6Aa1

M019

Nontoxic 26-kDa

A1470

protein **(89-T-34-22)*

原子座標が PDB に未寄託だが，特許明細書（Japan Patent 2005263728）から入手可能。

**

PS4Aa1 と同じ封入体から同定された毒性のないクリスタルタンパク質。

- 50 -

水溶性テトラゾリウム塩を用いた微生物検出法による最小バイオフィルム
撲滅濃度の迅速測定とバイオフィルムに対する抗生剤の組み合わせ効果
塚谷 忠之 *1

川口 友彰 *1

末永 光 *1

志賀 匡宣 *2

池上 天 *2

Rapid and Simple Determination of Minimum Biofilm Eradication Concentration by aColorimetric Microbial Viability Assay Based on Reduction of a Water-tetrazolium Salt
and Combined Effect of Antibiotics against Microbial Biofilm.
Tadayuki Tsukatani, Tomoaki Kawaguchi, Hikaru Suenaga, Masanobu Shiga and Takashi Ikegami
バイオフィルムは難治性・慢性感染症の大きな要因の１つであるため，形成されたバイオフィルムの薬剤感受性を迅速かつ正確に把握することは投薬・治療上非常に重要である。そこで，水溶性テトラゾリウム塩を用いた微生物検出法と 96 ピン付きマイクロプレート蓋へのバイオフィルム形成法を組み合わせることで最小バイオフィルム
撲滅濃度の迅速かつ簡便な測定法の開発を行った。本法は，従来法と比較して迅速性及び簡便性の面で格段に優れた手法であった。さらに，本法を用いて，黄色ブドウ球菌のバイオフィルムに対する最小バイオフィルム撲滅濃度の測定を行ったところ，バンコマイシン，ダプトマイシン，テイコプラニンの組み合わせが有効であることが明らかとなった。

10 %DMSO水溶液に溶解し，検出試薬とした。

1 はじめにバイオフィルムは難治性・慢性感染症の大きな要因

2-2 最小バイオフィルム撲滅濃度測定法の１つであるため，形成されたバイオフィルムの薬剤

96ウェルマイクロプレートへ最適な培地で調製した感受性を迅速かつ正確に把握することは投薬・治療上

バイオフィルム産生菌懸濁液を分注し，これに96ペグ

非常に重要である。従来のバイオフィルム薬剤感受性付きマイクロプレート蓋を被せて35～37 ℃で一定時

試験には，96 ウェルマイクロプレートの底にバイオ

間インキュベーションし，ペグ上にバイオフィルムをフィルムを形成させて評価する方法が採用されている形成させた（図1①～②）。次に，別の96ウェルマイク

が，近年，ペグ付きのマイクロプレート蓋にバイオフ

ロプレートに2倍希釈系列濃度の抗生剤溶液180 μLを

ィルムを形成させて評価する手法が報告されている。

分注し，これにバイオフィルムを形成させた96ペグ付

この手法は従来法と比べて洗浄工程が簡便であり，操きマイクロプレート蓋を被せ，20時間インキュベーシ

作ミスでバイオフィルムを崩してしまう恐れが格段にョンした（図1③～④）。抗生剤溶液に接触させた96ペ低いため有望な方法と考えられる。そこで，本研究でグ付きマイクロプレート蓋を洗浄後，新鮮な培地へ移は，水溶性テトラゾリウム塩を用いた微生物検出法とし，24時間インキュベーションした（図1⑤～⑥）。さ

ペグ付きマイクロプレート蓋へのバイオフィルム形成

らに，96ペグ付きマイクロプレート蓋を検出試薬含有法を組み合わせることで，迅速かつ簡便な最小バイオ培地へ移し，一定時間反応後，吸光度測定(460 nm)をフィルム撲滅濃度（MBEC）測定法の開発を行った。ま行い，MBECを測定した（図1⑦～⑧）。

た，本法を用いてバイオフィルムに有効な抗生剤の探索を行った。

3 結果と考察3-1 最小バイオフィルム撲滅濃度測定法の確立
まず，バイオフィルム産生菌として緑膿菌

2 実験方法Pseudomonas aeruginosa NBRC13276，黄色ブドウ球菌

2-1 微生物検出試薬
水溶性テトラゾリウム塩WST-8(10 mM)及び電子メデ

Staphylococcus aureus NBRC13276 を対象として，ペィ エ ー タ 2-methyl-1,4-naphthoquinone (0.1 mM) を

グ付きマイクロプレート蓋へのバイオフィルム形成法の確立を試みた。形成条件として，ペグ素材，菌体密*1 生物食品研究所、 *2 ㈱同仁化学研究所

度，前培養法，培地組成，形成時間，振とう有無，培- 51 -

養温度を検討し，各種微生物に最適な条件を確立した。

った。

次に，バイオフィルム形成法及び微生物検出法を組

表１

黄色ブドウ球菌産生バイオフィルムにする抗生剤の併用効果（最小バイオフィルム撲滅濃度）

み 合 わ せ る こ と で MBEC 測 定 法 の 確 立 を 試 み た 。 P.
aeruginosa 及び S. aureus が形成したバイオフィル

Antibiotics

ムを対象として，MBEC の測定を行うことが可能とな

Vancomycin / Daptomycin
8/4

16/4

32/4

64/4
8

S. aureus NBRC13276

った(図 1)。本法は，従来法（マイクロウェルプレー
トの底に形成する方法）と比較して，洗浄などの操作
性 に お い て 格 段 に 簡 便 な 手 法 で あ っ た 。 ま た ， MBECの検出時間は 2～4 時間程度であり，従来法の 24 時間を大幅に短縮することが可能になった。

Ciprofloxacin

32<

32<

32<

Gentamicin

32<

32<

32

2

Minocycline

32<

32<

32<

32<

Rifampicin

32<

32<

32<

32

Tigecycline

32<

32<

32<

32<

Teicoplanin

8

4

4

1

32<

32<

32

32<

32<

32

32<

32

16

S. aureus ATCC29213
Teicoplanin

3-2 バイオフィルムへ有効な抗生剤の探索

32<

S. aureus NBRC14462

S. aureus NBRC13276 産生バイオフィルムを対象とTeicoplanin

32<

S. aureus ATCC43300 (MRSA)

して，各種抗生剤単独の MBEC の測定を行った。そのTeicoplanin

32<

結果，グリコペプチド系抗生剤であるバンコマイシン(VCM)や，グリコサイクリン系，テトラサイクリン系(µg/ml)4 まとめ

抗生剤が単独で有効であった。次に，抗生剤の組み合

水溶性テトラゾリウム塩を用いた微生物検出法とペわせの効果を検証した。抗生剤単独では VCM が有効でグ付きマイクロプレート蓋へのバイオフィルム形成法あったため，各濃度の VCM と他の抗生剤の組み合わせを組み合わせることで，迅速かつ簡便な最小バイオフの効果を検討した。その結果，ダプトマイシン(DAP)

ィルム撲滅濃度測定法を開発することができた。

と の 組 み 合 わ せ が 効 果 的 で あ っ た 。 さ ら に ， VCM とDAP に第３抗生剤の組み合わせを検討したところ，テ5 掲載文献イ コ プ ラ ニ ン (TCP) と の 組 み 合 わ せ が 最 適 で あ っ た

1) Journal of Microbiology, Biotechnology and Food

（表 1）。VCM 単独では MBEC=512 μg/mL であるのに対Sciences, Vol. 6,

して，VCM=8，DAP=4，TCP=8 μg/mL と低い濃度 で併用効果を示すことが明らかとなった。さらに，この組
み合わせは MRSA を含む他の S. aureus へも有効であ

図１

最小バイオフィルム撲滅濃度の測定手順- 52 -

pp.

677-680 (2016)

連絡先
福 岡 県 工 業 技 術 セ ン タ ー
企画管理部〒818-8540 筑紫野市上古賀 3-2-1（情報交流課）代表 TEL:092-925-7721【問合せ TEL:092-925-5977】〒818-8540 筑紫野市上古賀 3-2-1

化学繊維研究所

代表 TEL:092-925-7721【問合せ TEL:092-925-7402】

FAX:092-925-7724〒839-0861 久留米市合川町 1465-5

生物食品研究所

代表 TEL:0942-30-6644【問合せ TEL:0942-30-6213】

インテリア研究所
機械電子研究所

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福岡県工業技術センター研究報告No.27 （2017）
平成 29 年 10 月発行
発行：福岡県工業技術センター〒818-8540 福岡県筑紫野市上古賀 3-2-1
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