工 業 技 術 研 究 報 告 書
Report of the Industrial Research Institute of Niigata Prefecture No.36 2007

No.36

2007

新潟県工業技術総合研究所
Industrial Research Institute of Niigata Prefecture〒950-0915
1-11-1

新潟県中央区鐙西 1-11-1

Abimi-nishi, Central District, Niigata City, Niigata 950-0915, Japan目

次

Ⅰ 戦略技術開発研究
1．［研究論文］MEMS プロセス技術の開発研究（第 3 報）・・・・・・・・・・・・・・

Ⅱ 公募型受託研究事業
1．［研究論文］高度塑性加工技術による車両用シートフレーム部品の開発・・・・・・・・
2．［研究論文］ニッケルフリーステンレス鋼の実用化研究・・・・・・・・・・・・・・・
3．［研究論文］先端レーザー等を用いた加工技術の研究（第 3 報）・・・・・・・・・・・
4．［研究論文］シリコンウェハー厚さの非接触高精度測定
・凹凸性状可視化システムの開発・・・・・・・・・・・・・

Ⅲ 共同研究1．［研究論文］超精密加工による金型加工・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2．［研究論文］粒度ゲージ（グラインドとスクレーパー）による
粒度分散性評価の自動化に関する研究・・・・・・・・・・・
3．［研究論文］ここちよい打音・打感のゴルフクラブに関する研究・・・・・・・・・・・

Ⅳ 実用研究・小規模研究・ミニ共同研究
1．［研究論文］摩擦攪拌接合技術に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
2．［研究論文］抽出 IR 法による樹脂中微量成分検出方法の確立・・・・・・・・・・・・
3．［研究論文］透き目柄出し製織技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
4．［技術レター］ステンレス薄板の微細切断に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・
5．
［技術レター］鏡面光沢度の測定方法に関する研究・・・・・・・・・・・・・・・・・
6．
［技術レター］マイコンによる自動化支援キットの開発・・・・・・・・・・・・・・・・
7．［技術レター］グリストラップ改善装置の改良・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
8．［技術レター］高品質・機能性繊維製品の開発支援（インクジェットプリント染色の濃色化研究）・・・・・・・・・・・・・・
9．［技術レター］自動絣柄合わせ織機の改良研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・

Ⅴ 先導的戦略研究調査事業
1．［技術レター］耐熱金型の高度化に関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・・・
2．［技術レター］高度センシング技術によるスマートメカニクスに関する調査研究・・・・・
3．［技術レター］ナノ材料と成形プロセスに関する調査研究・・・・・・・・・・・・・・
4．［技術レター］シミュレーション援用による知的生産プロセスに関する調査研究・・・・・

戦

略

技

術

開

発

研

究

研究論文

MEMS プロセス技術の開発研究（第 3 報）
佐藤

健*

宮口

孝司*

坂井

朋之*

Development of MEMS Process Technology 3rd Report
SATOU Takeshi *, MIYAGUCHI Takashi* and SAKAI Tomoyuki*

抄録

微細パターン描画，スパッタリングやドライエッチングなど，これまでに蓄積してきた MEMS 基
本技術を応用し，新規の MEMS 製品の設計・試作を進めてきた。薄膜ガスセンサでは，MEMS 技術を利用し，感ガス材に貴金属触媒と微細形状を付与することにより，ガス感度を向上させた。また，
光導波路では，専用 CAD による設計をもとに，レジストマスクを形成し，さらにドライエッチング
により光導波路をシリコン基板上に形成した。

1．緒言
MEMS は，フォトリソグラフィーに代表される半導体製造技術などを応用した微細加工技術，もしくはその製品群をいう。
この技術は ， 機械要素と同時に電子回路も同一チップ上に形成でき，高付加価値な微小部品の製造に有利な技術である。
現在，自動車のエアバッグに使われる加速度

図1

センサなど，各種小型センサ，携帯電話部品，
インクジェットヘッドなど，様々な製品に応用が拡大している。
本研究は，MEMS プロセスの要素技術を開発し ， 県内企業へ移転 ， 普及することを目的として行ってきた 1),2)。
図 1 は，本研究の一環で設計・試作したシリコン電子銃アレイである。シリコン基板上にクロムのマスクを形成し，等方性ドライエッチン
グを行うことにより，ピッチ 10µm，高さ 5µmの先鋭な形状を形成した。
本研究の進め方としては，このような微細部
品の設計・試作を通して，パターン形成，成膜技術，ドライエッチング技術など，MEMS の* 研究開発センター
レーザー・ナノテク研究室

シリコン電子銃アレイ

要素技術を確立し，これらをもとに新規のMEMS 製品への展開を進めている。
本報告では，昨年度から継続して検討してきた薄膜ガスセンサと光導波路について，研究の進捗を報告する。
なお，本研究を進めるにあたっては，財団法
人にいがた産業創造機構のナノテク研究センター内に設置されている MEMS 装置を主に利用した。
2．ガスセンサの試作
2.1

ガス検知の原理

アルコールや一酸化炭素など，可燃性ガスの検知方式の一つに，酸化スズなどの酸化物半導体を感ガス材として利用する方法がある。これ

O-

O-

O-

O- 高抵抗ことが多い。この方式は厚膜法（厚膜センサ）と呼ばれている。
一方，スパッタリングやエッチング技術などを利用して作製する方式を薄膜法（薄膜セン

半導体層

電子空乏層

ネック

サ）と呼ぶが，実用化はあまり進んでいないのが現状である 5)。

CO

O-

CO2
低抵抗

昨年度から，薄膜法によるガスセンサの試作を進めてきたが，本年度は，スパッタリングによる触媒担持と MEMS プロセスによる微細形状付与を検討し，感度向上を目指した。

図2

n 型半導体のガス検知モデル

2.2

実験

厚さ 1mm のアルミナ基板に芝浦メカトロニ
は，感ガス材の表面でガスが吸着反応すること

クス製スパッタリング装置 CFS-4EP-LL を用いにより生じる電気抵抗変化を利用している。

て，表 1 の条件で Pt 電極と SnO2 の薄膜を形成

図 2 にガス検知のメカニズムを模式的に示した。感ガス材は，n 型半導体の酸化物粒子を焼結した多孔質体であるため，ネックと呼ばれる微粒子の結合部が多数存在している。
これを 200〜500℃の高温に保持すると，表面した。電極間隔と抵抗体幅はそれぞれ 2mm とした。
次に，管状炉（いすず製作所製 EPKRO14K）を用い，空気中で 650℃-8hour の焼成をして薄膜センサを作製した。

に酸素が吸着する。酸素は半導体側から電子を試作したセンサの外観を図 3 に示す。

引抜き，負電荷となって吸着するため，n 型半参照試料として，液相法による SnO2 粒子を導体の場合，表面に電子空乏層が形成される。

用いた厚膜センサを試作した。作製方法は以下

特にネック部では，電子の伝導経路が狭い，あのとおりである。

るいは，閉じた状態になるため，感ガス材の抵抗は大きい値を示す。

表1

ここに一酸化炭素などの可燃性ガスが流入してくると，表面の吸着酸素が除去されて電気抵抗が著しく低下する。このメカニズムは，“ネック伝導モデル”として広く知られている 3)。
抵抗の変化はガス濃度に依存するので検知が可能となる。一般的に粒子径が小さいほどネック
密度が高くなるので感度が向上する。
また，半導体ガスセンサでは，感ガス材に貴スパッタリング条件
電極

感ガス材

ﾀｰｹﾞｯﾄ材質

Pt

SnO2

Ar流量(sccm)

25

17.5

O2流量(sccm)

0

7.5

出力(W)

250

250

時間(min)103

膜厚(nm)

300

80

金属を添加することにより，増感作用とガス選択性が得られることがわかっている 4)。白金，
パラジウムなどが主に使用され，センサ材料の第 2，第 3 成分として添加される。
従来この種のセンサは，液相法などで作製した n 型半導体の酸化物微粒子をペースト化し，基板上に塗布・焼結することにより作製される
図3

ガスセンサの外観

5

解させ，撹拌しながら 25%アンモニア水を pH

4が 10 を超えるまで滴下し，水和酸化スズの分散液を作製した。次に，デカンテーションを 3回行い，沈殿を自然乾燥した後，500℃-2hourの加熱をして SnO2 粉末を作製した。
この粉末を乳鉢で純水を少量加えながら粉砕

感度( Ra/Rg )塩化スズ五水和物 17.5g を 100ml の純水に溶

厚膜ｾﾝｻ
薄膜ｾﾝｻ

3
2
1
0
10

してペースト状にし，上と同じ方法で Pt 電極

100
CO濃度(ppm)

図4

1000

各センサのガス感度を形成したアルミナ基板上に厚さ 25µm，幅2mm で塗布し，650℃-8hour で焼結してセンサを作製した。
作製したセンサは，裏面にセラミックヒータ
ーを取付け，350℃に加熱した状態でガス雰囲
気における抵抗値 Rg と空気中の抵抗値 Ra を測定し，ガス感度 Ra/Rg を算出した。
なお，被検ガスには 100ppm と 1000ppm の(a)

CO を混合した空気を用いた。

液相法による厚膜センサ

次に，ガス感度への触媒担持の効果を評価するため，スパッタリング成膜した SnO2 表面に，Pt を膜厚 4nm でスパッタリングした。これを650℃-8hour で焼成し，ガス感度を測定した。
さらに，ガス感度に対する微細形状付与の効
果を評価するため，以下の実験を行った。
アルミナ基板の Pt 電極間に SiO2 を 100nm ス
パッタリングした。その上に東京応化工業製フォトレジスト OFPR-800（20cP）を用いて，ラ(b)

スパッタリングによる薄膜センサ
図5

各センサの表面状態

イン＆スペース（L/S）5µm のレジストマスクを形成した。L/S パターンは，電極を結ぶ方向に対して直交するようにした。

図 5 は，それぞれのセンサの感ガス材の表面を SEM で観察したものである。（a）は，液相その上に SiO2 を再び 100nm スパッタリング

法で作製した SnO2 粒子を焼結したものである

し，リフトオフ法により段差形状を形成した。

ので，ネックが多数存在しているのが観察され次に，SnO2 を 80nm，Pt を 4nm スパッタリる。前項図 2 のメカニズムにより，大きな感度ングして，650℃-8hour の焼成をしてセンサをを示したと考えられる。これに対して（b）の作製した。

スパッタリングによる薄膜センサは，全体が平坦に成膜されネックが少ない。このため，電子

2.3

実験結果と考察

図 4 に薄膜法と厚膜法によるガスセンサの空乏層の減少が電気抵抗の変化に十分反映されず，大きな感度が得られないと考えられる。

CO に対するガス感度を示す。図より，厚膜セ

図 6 に SnO2 表面に Pt 触媒をスパッタリング

ンサのガス感度は大きいが，薄膜センサではほし，焼成した状態を示す。SnO2 の表面に Pt がとんどガスを検知しなかった。

微粒化した状態で担持されている。

形状が形成されている。
これらのセンサの感度を測定した結果を図 8に示す。ガス感度は，スパッタリング成膜のみの場合と比較して大きく向上しており，厚膜法で作製したセンサとほぼ同等のガス感度が得られた。
試作した段差は，微粒子から作製した厚膜セ
図6

センサ表面に担持された触媒粒子

ンサのネックに相当すると考えられる。今回試作した段差は，比較的粗い L/S パターンであり，

図 7 は，SiO2 で段差形状を形成し，その上か高さも SnO2 の膜厚とほぼ同等とした。より感ら SnO2 と Pt 触媒をスパッタリングして作製し度を向上させるには，ネックに相当する部分がたセンサである。（a）は全体形状，（b）は段高密度かつ狭くなるような形状の検討が必要と差部分の拡大断面を示す。

考えられる。

段差部分で SnO2 の薄膜にネックに類似した
3. 光導波路の試作
光集積回路では，光の波長程度の間隔で隣接する導波路間で相互のモードを結合することによって光を他の導波路に導くことができる方向性結合器とよばれる素子が多用される。この素子は信号の遅延やノイズの発生源となる光の反射が無いため，光の結合には最適である。また，
シリコン導波路 6)は光を強く閉じ込めることが(a)

段差形状外観可能で，素子の大きさを 10 分の 1 以下にすることが可能であるが，シリコン導波路を用いた
方向性結合器では，光導波路の間隔が 0.3µm程度と非常に狭く，エッチング条件を最適化することが難しい。本研究では，幅 0.3µm，高さ0.4µm の方形導波路を 0.3µm の間隔で隣接させた方向性結合器モデルを試作した。

(b)
図7

段差部の拡大断面
3.1

段差形状を付与したセンサ

実験

図 9 に実験に用いた SOI 基板の構造を示す。

感度( Ra/Rg )5シリコン導波路は Si①層をエッチングするこ

厚膜ｾﾝｻ

4

とで作製した。入手した SOI 基板の SiO2 層は薄膜ｾﾝｻ
薄膜(Pt触媒)3500µm，Si①層は 5µm であったが，シングルモ

薄膜(Pt触媒+段差)

2ード条件を満たすシリコン導波路の高さにする

1

ため，SF6 ドライエッチングによって，Si①層の厚さを約 0.4µm まで薄膜化した。Si①層の膜

0
10

100
CO濃度(ppm)

図8

触媒担時と段差形成の影響

1000

厚は，光学式膜厚計（Filmetrics F20）を用いて
測定した。

Si①層
エッチングにより薄膜化ングを行った後，残ったレジストは O2 プラズ
マで分解除去した。

SiO2 層

従来，電子線描画装置を用いた，シリコンの微細パターンエッチングでは，SiO2 薄膜を用

Si②層

図9

いたリフトオフ手法を経由する必要があったが，今回確立したエッチング条件を用いることによ

実験に用いた SOI 基板の構造って，任意の数百 nm サイズの微細シリコン形（寸法比率は実物と異なる）

状を直接作製することが可能になり，試作時間
SOI 基板に，ネガレジスト（ローム・アンド・ハース

SAL601）を塗布，ベークした後，電子線描画装置（日立ハイテク S-4300SE

東

京テクノロジー Beam Draw）により露光した。

を削減することができた。さらに，リフトオフ時に発生するパターン端のめくれ等に起因する
転写精度低下も防止できることから，転写精度も大幅に向上させることができた。

露光後，ポストベーク，現像を行い，レジスト
パターンを形成した。その後，ドライエッチン
グ装置（住友精密工業 Multiplex ASE-HRME）
で異方性エッチングを行った。

4．結言(1) 薄膜ガスセンサ試作において，感ガス材である酸化スズ薄膜に白金触媒を担持し，微細形状を付与することにより，一酸化炭素
に対する感度が向上することがわかった。

3.2 実験結果および考察
これまでは，電子線描画装置によって形成し(2)SOI 基板上に，幅 0.3µm，高さ 0.4 µm，間隔たレジストパターンをドライエッチングすると，0.3µm の方向性結合器の試作を行い，電子レジストが分解し，微細なパターンをシリコン

線描画装置による微細パターンをシリコンに転写することができなかった。レジスト分解

上に直接加工する手法を確立した。

の原因は，エッチングの際に流していた O2 にあると考え， O2 を使用しないレシピでエッチ

参考文献

ングを行ったところ，レジストの分解が抑えら

1) 渡邊，坂井，長谷川，佐藤，“MEMS プロ

れることを見出した。図 10 に試作したシリコ

セス技術の開発研究（第 1 報）”，工業技

ン導波路モデルを示す。導波路パターンが精度術研究報告書，34，2005，p.17-22．

良くシリコンに転写されている。異方性エッチ2) 坂井，長谷川，佐藤，“MEMS プロセス技
術の開発研究（第 2 報）”，工業技術研究
報告書，35，2006，p.3-9．
3) 光藤，“ガスセンサー”，セラミックス，
15，5，1980，p.339-345．
4) 片岡ほか，“センサハンドブック”，培風館，1986，p.525-535．
5) 権田ほか，“21 世紀版薄膜作製応用ハンドブック”，NTS，2003，p.1038-1040．
6) 和田，キマリング，“高度情報化社会に向けた Si フォトニクスの将来展望”，応用物

図 10

試作したシリコン導波路モデル

理，2，2007， p.141-147.

公 募 型 受 託 研 究 事 業

研究論文

高度塑性加工技術による車両用シートフレーム部品の開発
相田

収平*

山崎

栄一*

紫竹

耕司**

杉井

伸吾*

白川

正登*

石川

淳*

片山

聡*

Development of high-performance lightweight seat frame parts for automobile
AIDA Shuhei* , YAMAZAKI Eiichi*, SHICHIKU Koji**, SUGII Shingo*,
SHIRAKAWA Masato*, ISHIKAWA Atsushi* and KATAYAMA Satoshi*

抄録

環境負荷低減への要求から自動車等の輸送機器の大幅な燃費低減は必達であり，これを解決する手段として，軽量化への取り組みが重要である。本研究では，経済産業省から委託を受けた「地域新生コンソーシアム研究開発事業」において，輸送機器軽量化のための高性能軽量金属部材の実用化を図るため，マグネシウム合金に対する温間対向圧力成形技術，および温間逐次成形技術の開発を行った。これらの加工技術を車両用軽量シートフレーム部品へ適用することにより，高い意匠性を持った
軽量センターテーブルを開発した。さらにミニバン用シートフレームの開発も行い，マグネシウム合金展伸材の強度・機能部品への展開を図る道筋をつけた。

1．緒言

現在，環境負荷低減への要求から自動車等の輸・ 従来の鉄製品に対して 50%以上の軽量化と高い意匠性を持ったセンターテーブルの開発

送機器の大幅な燃費低減は必達であり，これを解

これらを実現するためには，効率的な試作技術決する有効な手段として，軽量化への取り組みがによる開発コストの低減，高精度複雑形状成形技重要である。このため自動車用部材への，高張力術による生産工程の効率化が重要である。そこで，

鋼板やアルミニウム合金の利用が進みつつあるが， 本研究では，以下に掲げる新しい加工技術を開発
さらなる軽量化を目指してマグネシウム合金の適し，マグネシウム合金製シートフレーム部品の開用も始まっている。

発を進めた。

一方，新潟県では，マグネシウム合金の加工技(1) 温間対向圧力成形技術の開発

術開発にいち早く取り組み，その製品化技術を既対向圧力成形法はパンチに対向する圧力を加えに有している。今回，新潟県の産学官が持つ技術ることで素材の局部伸びを抑制し，成形限界の向1)

シーズ をもとにこれらを摺り合わせ，さらに融上や従来法では不可能な複雑形状品の成形を可能

合させることにより，輸送機器の軽量化，高機能にする方法であり，従来のプレス成形法に比べて化を推進するための高性能軽量金属部材（マグネ

工程の短縮と金型の簡易化が可能となる。しかし，シウム合金製シートフレーム等）の実用化を目的

マグネシウム合金の場合には成形温度が高く，油として研究開発を行った。

や水といった液体を利用することは困難であるた

開発製品の目標スペックは以下のとおり。

め，小径粒体を圧力媒体とした対向圧力成形の実・ 従来の鉄製品に対して 20%以上の軽量化をし用技術開発を行うとともに，この成形技術を活用たシートフレームの開発した車両用センターテーブルの開発を行う。

* 研究開発センター(2) 温間逐次成形技術の開発** 企画管理室

金型を使わない板金成形法である逐次張り出し

成形法は試作コスト，時間の大幅な短縮を可能とする技術である。本研究では，マグネシウム合金等の部材創製をターゲットとし，200℃〜300℃の温度域で高効率な加工を可能とする温間逐次成形技術を開発する。また，この成形技術を車両用センターテーブルの試作に適用し，効率的な開発手法を確立する。
2．温間対向圧力成形技術の開発
2.1 温間対向圧力成形試験

図 2 温間対向圧力成形の金型構造

本試験ではマグネシウム合金の絞り加工を対象とし，材料に対向圧力を加える媒体としてフッ素

パンチ，ダイス，板押さえはヒータにより加熱し，ゴムを用い，通常の温間成形と温間対向圧力成形

温度制御している。また，潤滑には材料上下面にの成形限界を比較した。対向圧力成形法の模式図

PTFE シート（厚さ 0.05mm）を用いた。

を図 1 に示す。

限界絞り比を求めるにあたり，対向圧力付加時には背圧ドーム内にフッ素ゴムを充填して試験を

2.1.1 試験方法
絞り形状は円筒深絞りとし，その成形限界を限界絞り比で評価した。絞り比とは，成形するパン行い，通常の温間成形試験ではフッ素ゴムと背圧ピストンを除いた状態で試験を行った。主な成形条件を表 1 に示す。

チの直径に対する素材円板の直径の比であり，破表 1 成形限界比較試験条件

断せずに成形可能な最大の絞り比が限界絞り比で
ある。

成形法

成形に用いた板材は AZ31B，板厚 0.5mm であり，対向圧力を加える圧力媒体はφ6mm の球形状フッ素ゴム，硬さ A70 を使用した。
金型構造は図 2 に示すように対向圧力付加のために，金型下部中央に背圧ピストンを設け，パン

通常温間成形

温間対向圧力成形

ダイス温度（℃）

200

板押さえ温度（℃）

200

パンチ温度（℃）

60

板押さえ荷重（kN）

20

対向圧荷重（kN）

チの変位に伴ってプレスのダイクッション力を制対向圧付加領域（絞り深さmm

御して背圧ピストンを上下させ，対向圧力を与え絞り速度（mm/sec）

）

−

100

−

10以上
2〜1

られる構造としている。パンチ径はφ40mm，パンチ肩半径 8mm，ダイス肩半径は 2mm である。

2.1.2 試験結果試験を行った結果，通常温間成形では限界絞り
比が 3.3 であったものが，対向圧力を付与することにより 3.8 に向上した。このことから，ゴム粒体を圧力媒体とした温間での対向圧力成形により，通常の温間成形に比べて深絞り成形の成形限界が向上することが確認できた。成形品の写真を図 3に示す。

図１ 対向圧力成形模式図

リア部

フロント部
左：温間対向圧力成形 限界絞り比 3.8
右：通常温間成形図 5 センターテーブル絞り加工部品

限界絞り比 3.3

表 2 矯正加工条件

図 3 成形品

成形条件

2.2 センターテーブル部品への適用
自動車の左右座席間に取り付けられるセンター
テーブルの樹脂部品形状をマグネシウム合金で製作，置換して意匠性の向上を図るもので，図 4 に

ダイス温度

矯正圧力

リア部

210

225

210

225

250

250

20

19

5

5

（℃）

板押さえ温度
パンチ温度

フロント部

（℃）
（℃）

(MPa)

矯正圧力保持時間(sec）

示すフロント部およびリア部の部品をマグネシウ
ム合金板材の絞り加工によって成形を行った（図5）。しかし，総型のダイスを用いない絞り加工
では複雑形状の成形や側壁部の形状精度の向上は一般に難しいため，絞り成形における形状精度を向上させるため，絞り加工後に温間での対向圧力付与による形状矯正加工を行い，その効果を確認
フロント部

した。
形状矯正加工は，絞り加工とは別工程で，金型に製品をセットした後に，製品表面にゴム粒体を介して圧力を付加することで行った。フロント部
およびリア部の矯正加工条件を表 2 に示す。
絞り加工後と矯正加工後の成形品の幅中央部外形形状を三次元測定機により測定した結果を，差

フロント
部
フロント部

リア部
図 6 矯正加工による形状の変化を拡大して図 6 に示す。フロント部，リア部とも

リア部
リア部

に形状矯正加工で，1mm 前後の矯正効果が現れている。製品の外観においても，絞り加工品に比べ矯正加工品では，稜線をシャープにすることができた。
3．温間逐次成形技術の開発
逐次成形技術は，NC フライス盤を使用し，そ図 4 対象としたセンターテーブル部品の主軸に取り付けた成形工具を数値制御により動かすことで，テーブル上に設置した金属板を所望
半頂角γの形状に張出し成形させる塑性加工法である 2)。
成形に金型を必要としないことから，金属製品の

φ74

30

試作段階においてコスト低減や時間の大幅な短縮が可能である。

試験材料

この技術をマグネシウム合金に適用する場合，成形温度が 200℃〜300℃と高いため，これに対応した逐次成形システムを構築する必要がある。

AZ31B、板厚2mm

成形工具

超硬合金

潤滑剤

二硫化モリブデン乾性被膜

図 8 温間逐次成形試験条件

そこで，板への通電加熱によるジュール熱を利用

表 3 成形試験結果

した効率的な加熱方法の成形システムを開発した。

成形温度
3.1 温間逐次成形試験装置
通電加熱を利用した素材板の加熱機能を付与し半た温間逐次成形試験装置を作製した。図 7 に外観

頂

写真を示す。NC フライス盤のテーブル上に設置

角した電源トランス（単相，容量 27kVA，1 次
200V／2 次 3V）からシャントワイヤ，銅電極を介して，同一テーブル上にある成形ジグに固定した素材板に通電させながら逐次成形を行う。

γ
deg

175

200

×

○

40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25

℃

225

250

275

300

○
×

○

成形可能範囲○○○×○
電源トランス

先端φ10ボール

：成形可能

○
○
○
×

○
○
○
○
×

○
×

○
○
○
×

× ：成形不可能

成形工具

形温度における半頂角γの円錐台形状の成形可否
銅電極を表し，γの値が小さいほど成形限界が向上する。
試験結果から，①成形温度 200℃以上で成形が可能となる，②高温になるにしたがって成形限界が向上する，③半頂角γ＝26 deg が成形限界である

素材板

ｼｬﾝﾄﾜｲﾔ

図 7 温間逐次成形装置の外観ことをそれぞれ明らかとした。
3.3 マンドレル材料の検討
逐次成形において，自由曲面などを有する複雑形状品の成形では，マンドレルと呼ばれる形状型

3.2 温間逐次成形試験
温間逐次成形装置を用いて，マグネシウム合金
板 AZ31B の成形条件を検討するため，図 8 に示
す形状について，成形温度と半頂角γをパラメータとした成形試験を行った。なお，成形温度はトランスから供給する電流値を調整することにより設定した。
成形試験結果を表 3 に示す。表中の○×は各成が必要となる 2)。室温での成形加工においては，
マンドレル材料として樹脂など，切削加工が容易で安価な材料が選択できる。しかし成形温度が200℃以上となる温間逐次成形においては，耐熱性を有するマンドレル材料の検討が必要である。
そこで，200℃以上の耐熱性を有し，かつ形状創製が容易な材料とし，アルミニウム合金，石膏，
耐熱セメントの 3 種を選定し，最適なマンドレル
材料を検討した。

マンドレル形状および試験条件を図 9 に示す。

3.4 センターテーブル部品への適用

円錐台形状のマンドレルにより成形試験を行った。

温間逐次成形技術について，試作成形への適用

アルミニウム合金製マンドレルについては，マンを試みた。自動車用内装部品であるセンターテー

ドレルにカートリッジヒータを組み込み，板温度

ブルフレームのマグネシウム合金による製作におとマンドレル温度を変化させて試験を行った。

いて，ベースプレートを温間逐次成形により試作試験の結果を表 4 に示す。アルミニウム合金はした。

マンドレルを 200℃以上に加熱することで成形可

ベースプレートの試作成形の概要を図 10 に示能，耐熱セメント，石膏の各マンドレルについてす。アルミニウム合金製のマンドレルを使用しては，マンドレルを加熱することなく成形が可能で

温間逐次成形を行った。600×500×3mm のマグネあり，成形素材であるマグネシウム合金板に供給

シウム合金板 AZ31B について，張出し成形を行する通電エネルギと，マンドレルである耐熱セメ

い，その後，レーザにてトリミングした。

ントと石膏への抜熱のバランスが取れれば有効なこの部品を従来の製作方法であるプレス成形に材質である。これらの結果から総合的に考えた場より試作を行った場合，金型費で約 150 万円，試合，アルミニウム合金製マンドレルにカートリッ

作品完成まで約 4 週間程度要する。一方，温間逐ジヒータを組み込んだものが，製作の容易さや熱次成形による試作では製作費 10 万円程度，試作

バランスに対しての寛容性などから有利である。

品完成まで 2 週間程度であり，非常に効率的な試

さらに，成形時の熱膨張を考慮した場合，マグネ作が実現できた。

シウム合金とアルミニウム合金の熱膨張係数がほぼ同一と見なせることから，板材とマンドレルの
銅電極

熱膨張量を補正した成形用 NC データの作成が容

成形材料
成形工具

AZ31B、600×500×3mm
HZ合金、先端φ16易であるという利点があり，マンドレル材料とし

潤滑剤てはアルミニウム合金が最適であると判断した。

成形板温度

250℃

マン ドレル

Aｌ合金製、300℃

マンドレル

試験材料

AZ31B、板厚3mm

成形工具

超硬合金

潤滑剤

二硫化モリブデン乾性被膜

温間逐次成形による張出し成形

試作品完成

図 10 センターテーブル部品への適用

表 4 マンドレル材料検討試験結果
試験No.

マンドレル材質

成形時
マンドレル温度(℃ )成形時
マグネシウム合金板
温 度 (℃ )成形可否

1

アルミニウム合金

室温

230

×

2

アルミニウム合金

100

240

×

3

アルミニウム合金

150

240

×

4

アルミニウム合金

200

230

○

5

アルミニウム合金

250

230

○

6

アルミニウム合金

300

60

×

7

アルミニウム合金

300

150

○

8

アルミニウム合金

300

230

○

9

耐熱セメント

室温

250

○

10

石膏

室温

250

○

×：成形不可能レーザトリム先端φ10ボール

図 9 マンドレル材料検討試験の概要○：成形可能R5

二硫化モリブデン乾性被膜

4. 地域新生コンソーシアム研究開発事業
本研究は，平成 17 年度〜18 年度の 2 年にわたり，経済産業省からの委託研究「地域新生コンソーシアム研究開発事業」（管理法人：（財）にいがた産業創造機構）の中で行った。
この事業では，マグネシウム合金の板やパイプといった展伸材によって，車両向けの高性能軽量金属部材の実用化を目的として，軽量シート
フレーム，および軽量センターテーブルの試作を行った。
4.1 マグネシウム合金製軽量シートフレーム
図 11 に，開発したミニバン用軽量シートフ
レームを示す。自動車用のシートフレームとしては初めて，マグネシウム合金の展伸材を用いている。また，製作だけにとどまらず，強度，耐久性，振動特性などの評価試験を行うことにより，軽量化が車両に与える効果，展伸材を適用することの利点，さらには実用化を進めていく上での検討課題等を明らかにした。

図 12 マグネシウム合金製センターテーブル

開発したシートフレームは，従来の鉄製品に

表面研磨技術，および陽極酸化処理技術（マグ対してほぼ同等の強度を有しながら，約 25%のシャイン）3)を適用することで，金属が持つ質

軽量化を達成している。また，軽量化によって感と光沢を生かした意匠性に優れた製品を開発

フレームの周波数特性が変化し，この結果，車することができた。

両走行時の乗り心地の向上が期待できることがわかった。また検討課題は，溶接部分や継手部

5. 結

言

分の強度と信頼性を向上させることである。

(1) 温間成形が必要なマグネシウム合金に対し，フッ素ゴムを圧力媒体に用いて対向圧力成形を試み，成形限界が大幅に向上する「温間対向圧力成形技術」を開発した。（限界絞り比
3.3→3.8） また，センターテーブル部品への適用を通じて，高精度成形の可能性を明らかにした。
(2) 逐次成形技術をマグネシウム合金に適用する
べく，素材板に通電加熱させるとともに耐熱
マンドレルを用いる「温間逐次成形技術」を開発した。この技術をセンターテーブルのフレーム部品の試作に適用した場合では，従来

図 11 マグネシウム合金製シートフレームの製作工程に対して時間比で約 1/2，コスト比
で約 1/10 と大きな効果が得られた。

4.2

マグネシウム合金製軽量センターテーブ

ル(3) 自動車用としては初めて，マグネシウム合金
展伸材によるシートフレームを開発した。ま図 12 には，開発したミニバン用センターテ

た，強度，耐久性，振動特性などの評価試験

ーブルを示す。従来の鉄製フレームに対して，を行い，従来品と同等の強度を確認するとと約 53％の軽量化を達成している（鉄製重量

もに，軽量化による振動特性の改善効果を確

4.5kg に対して，2.1kg）。また，カップホルダ

認した。

部など従来の樹脂製部品に対して，マグネシウ(4) マグネシウム合金の特性を生かし，従来品にム合金板材を使用した。そして，新たに開発し比べて，重量が 1/2 と軽量で，かつ樹脂製品

た対向圧力による板成形技術に県内企業によるに比べて，金属の質感と光沢を生かした意匠

性の高い車両用のセンターテーブルを開発し

参考文献

た。

1) 相田収平，田辺寛，須貝裕之，高野格，大貫
秀樹，小林勝“AZ31 マグネシウム合金板のなお，本研究の成果については下記の名称で 2件の特許を出願済みである。
【発明の名称】
マグネシウム合金薄板の塑性加工方法【出願番号】
特願 2006-311364，および特願 2006-311365

深絞り成形性”，軽金属，50，9，2000，
p456-461．
2) 田中興一，坂井修，相田収平，宮口弘明“逐次張出し成形機と成形法に関する研究”，
工業技術研究報告書，No.32，2003， p22-24．
3) 渡邉健次郎，杉井伸吾，田辺寛，折笠仁志,
片山聡，小林泰則“マグネシウム合金による複雑形状部品の鍛造・プレス加工技術の確立と用途開発（第 3 報）”，工業技術研究
報告書，No.34，2005， p3-10．

研究論文

ニッケルフリーステンレス鋼の実用化研究
一真＊

岡田

英樹＊＊

光雄＊＊＊＊

安藤俊幸＊＊＊＊

三浦
渡辺

田辺

寛＊＊＊

大澤

康暁＊＊＊＊A Study on Productive Application of Nickel-free Stainless SteelMIURA Kazuma*， OKADA Hideki**，TANABE Hiroshi ***，WATANABE Mitsuo****，ANDO Toshiyuki**** and OSAWA Yasuaki****

妙録

フェライト組織の状態で薄板状に成形し，その後，窒素吸収熱処理させる手法で 1〜0.2mm 厚さのNi フリーステンレス鋼（Fe-24%Cr-2%Mo-1%N）薄板を試作し，種々の特性評価を行った。引張強伸度について，伸びは SUS316 をわずかに下回ったものの強度は大きく上回った。それに対して，絞り加工性は既存のステンレス鋼に比べ，劣る結果となった。耐食性については 30℃，1kmol / m3 NaCl
溶液における孔食電位で評価した。その結果，既存のステンレス鋼と異なり，明確な孔食電位は認められなかったことから腐食環境での製品適用が期待できる材料であることがわかった。

1.

緒

加圧誘導溶解炉により製造されるが 5)，製造コ

言（独）物質・材料研究機構が開発した新しいストが高く，金属中に固溶した窒素は加工硬化

オーステナイト系ステンレス鋼は，Ni を含まなにより硬度を増すため，高濃度の窒素を添加しいフェライト系ステンレス鋼に高濃度の窒素をたインゴットからの加工は非常に難しく，この吸収させたもので高窒素 Ni フリーステンレス量産化技術は未だ確立していない。

鋼と呼ばれている。特性については，例えば機この問題を解決する方法として成形加工と窒械的特性である引張強伸度を SUS316 と比較し素吸収処理を組み合わせた製造技術がある 6)。

た場合，強度は 1.4 倍で伸びは 2 倍以上と強く

我々は以前より窒素を含有する前のフェライト1)，2)，耐食性についても，海水中でのすきま腐組織の状態で薄板成形し，その後窒素吸収処理

食や孔食に非常に強く，非磁性で生体適合性にする研究を行っている。今回は量産ラインで薄も優れていることから，特に海洋構造部材や医板成形後，窒素処理することで組織をオーステ

療分野において SUS316 が使われている部分のナイト化した薄板を試作し，特性を評価すると代替として期待されている

3)，4)

。

Ni フリーステンレス鋼は，主に窒素ガスを充填した加圧容器内で溶解母材を消耗電極として

ともに，SUS304 など既存のステンレス鋼と比較することでこの板材の製品適用性について検討した。

再溶解する ESR（Electro Slag Remelting）法や*研究開発センター**

県央技術支援センター***

県央技術支援センター加茂センター**** 明道メタル株式会社

2.

実験方法

供試品は高 Cr 組成フェライト系である Fe-24
wt%Cr-2wt%Mo（以後，wt を省略）をそれぞれ所定の厚さ（約 0.2〜1mm）に圧延後，窒素吸収処理した板材である。処理時間は数時間であり，処理中は炉内に窒素を流入させながら温度

表1

試験結果一覧

耐力

引張強度

伸び

硬度

(MPa)

（MPa）

(%)

(HV)

を 1150〜1200℃に保持した。以後，窒素吸収処

サンプル

理した板材のことを Ni フリーステンレス鋼と

316①

321

636

46

152

呼ぶ。

316②

324

639

46

150

Ni フリーステンレス鋼の特性評価は，厚さNi ﾌﾘｰ①

774

1041

37

306

0.5mm の板材を用い，引張強伸度の測定，絞Ni ﾌﾘｰ②

813

1033

36

302

り性，耐食性について行い，オーステナイト系
ディンプル模様である SUS304 をはじめとする既存のステンレ
ス鋼と比較した。絞り性についてはコニカルカップ試験（JIS Z 2249）により評価した。
耐食性については孔食電位を測定することで評価した。試験方法は JIS G 0577『ステンレス鋼の孔食電位測定方法』に準拠した。試験溶液(a) SUS316

は 1 kmol / m3NaCl 溶液で脱気は高純度窒素ガ

図2(b) Ni フリー

引張試験後の破面スで行った。液温は 30℃とした。また，電位掃引速度は 20mV/min に設定している。実験装
置の外観写真を図 1 に示す。

板材から JIS で規定されている 14 号試験片を作製し，5mm/min の速度で試験を行った結果を表 1 に示す。なお，試験はそれぞれ 2 回ず

3.

実験結果と考察つ行った。ビッカース硬度測定結果をあわせて

3.1

引張強伸度の測定結果示す。破断はいずれも試験片の中央部分で起こ

試験はオーステナイト系の SUS316 と試作しっている。得られた Ni フリーステンレス鋼のた Ni フリーステンレス鋼について行った。試

引張強伸度は，平均で耐力 793MPa，引張強度

験に先立ち，試作した Ni フリーステンレス鋼

1037MPa，伸び 37％であり SUS316 に比べ，耐に含まれる窒素を ONH 分析装置（EMGA-1300，

力で 2 倍以上，引張強度で約 1.5 倍の強い値が（株）堀場製作所製）を用いて分析した。その得られた。伸びは SUS316 より若干劣るものの，結果，含有率は 1.00〜1.18%であった。なお，

SUS430 の一般的な伸びの値は 20〜30％であり，フェライトスコープでフェライト量を測定した

これに比べると大きい値を示しているといえる。

が，フェライトは未検出であった。したがって，

Ni フリーステンレス鋼の硬度は SUS316 の約 2

Ni フリーステンレス鋼は窒素吸収によりオー倍の 300HV を越えており，非常に硬い。

ステナイト相に変態したものと思われる。

なお，試験後の破断形態は図 2 に示すように
図 2 (a)に示す SUS316 では延性破壊を示すディ
ンプル模様が全面に形成された。一方，(b)に示
す Ni フリーステンレス鋼では破面のおよそ半
分程度はディンプル模様を呈したが，残りはややロック状の形態を示した。

3.2

絞り性評価

板厚 0.5mm の SUS304，SUS316，フェライト
図１

腐食実験装置外観系の SUS430，Ni フリーステンレス鋼の各板材

表2430(c)に比べて，Ni フリーステンレス鋼(a)の結コニカルカップ試験結果

晶粒がかなり大きいことがわかる。

（D 値）一覧

Ni フリーステンレス鋼の絞り性が他の板材に
1 回目

2 回目

3 回目

平均値

比べ，劣っているのは表 1 の結果からもわかる

(mm)

(mm)

(mm)

(mm)

Ni フリー

ように硬度が高いこと，結晶粒が SUS304 をは

30.5

30.8

30.7

30.7

SUS304

26.3

26.8

26.3

26.5

SUS316

27.1

27.0

26.9

27.0

SUS430

27.9

27.6

27.9

27.8

サンプル

じめとする既存のステンレス鋼に比べて大きい
ことも影響していると考える。結晶粒が大きいのは，高温で長時間の窒素吸収処理を行うためで処理時間を長くすると当然結晶粒が粗大化する。したがって，結晶粒を微細化し，かつ粗大(a)Ni フリー化を防ぐ必要がある。窒素吸収を促進させる方法として，炉内の圧力を高くして窒素処理を行っている例が報告されている 8)。圧力を高くす(b)SUS304

ることで処理時間の短縮化と結晶粒粗大化の防止が期待できる。この方法をいかにして量産技術へ適用するかが大きな課題と考える。

(c)SUS316

Ni フリーステンレス鋼の実用化には，窒素吸収処理前のフェライト組織の状態で加工後，窒(d)SUS430

素吸収を行うプロセスの方がコスト的に有利であり，実用化するためには，更なる窒素吸収処

図3

コニカルカップ試験後の外観

理時間の短縮，結晶粒の微細化が求められる。
将来的に圧延と窒素吸収処理を連続で行うプロセスを構築することができれは，量産性が大幅に向上し，既存のステンレス鋼の製造コストに近づくものと考える。
3.3(a) Ni フリー
図4(b) SUS304(c) SUS430

板材（板厚 0.5mm）の金属組織

耐食性評価

ステンレス鋼で発生する腐食形態は全面腐食と局部腐食の両方であり，局部腐食はさらに応力腐食割れ，孔食，粒界腐食割れ，すき間腐食などがある。本研究ではこれらの腐食のうち，について，JIS Z 2249 に準拠したコニカルカッ

耐食性に優れているといわれているオーステナ

プ試験（13 型）を行った。得られた D 値の一

イト系においても問題となる腐食形態で応力腐

覧を表 2 に，試験後のサンプル外観を図 3 に示

食割れと並んで発生頻度の高い孔食に着目し，す。Ni フリーステンレス鋼(d)は既存のステン

耐孔食性について評価した。

レス鋼(a)〜(c)に比べると D 値は大きく，絞り

孔食はステンレス鋼のような不働態化性の金成形性に劣っていることがわかった。図 4 は板属に起こる腐食で，不働態皮膜の欠陥部分がハ

厚が 0.5mm である Ni フリーステンレス鋼 (a)，ロゲンイオン（Cl-，Br-，I-）の存在する環境中

SUS304 (b)，SUS430 (c)各板材の金属組織を示で破壊され，その部分のみが深く浸食されるこす。結晶粒の大きさを比較すると，SUS304(b)，とが原因で起こる腐食である。本試験では，

食孔

SUS304，SUS430，YUS180（フェライト系高微細孔

Cr 組成，19％Cr），Ni フリーステンレス鋼を選定し，それぞれの孔食電位を測定し，鋼種間で比較した。なお，孔食電位はアノード分極曲線の電流密度 100µA･cm-2 に対応する電位で，孔食の有無はその電位における電流値の上昇度合
い（曲線の立ち上がり度合い）で判定した。
表 3 に得られた孔食電位の一覧，図 5 に得ら

0.5mm(a) SUS304
図6(b) Ni フリー

電位測定後のサンプル表面

れたアノード分極曲線を示す。分極曲線においと考えられる。試験後の表面は図 6 (b)に示すよてある電位で急激に電流値が立ち上がっている

うに多数の微細孔（変色部に相当）が観察されが，このときの電位を孔食電位という。これはている。Ni フリーステンレス鋼のアノード分極

材料表面の不働態皮膜が孔食電位において破壊

曲線 である図 5 (d)を見ると YUS180 の孔食電された結果生じた孔へ電流が集中し，腐食が進

位よりわずかに貴な電位で，少しであるが電流行したことを意味している。

値の立ち上がりが見られる。これは局所的に不アノード分極曲線を見ると，SUS304（図 5

働態皮膜の破壊が生じたものと考えられる。ま(a)），SUS430（図 5 (b)），YUS180（図 5(c)）

た，電圧 1V を越えたあたりで電流値が上昇にについては，明確な孔食を示しており（図 5 の転じている。最終的には電流値が 100µAを越え

点線楕円部分に相当），それらの孔食電位は，たため，定義上ではこの電位が孔食電位といえ

SUS430<SUS304<YUS180 の順で高くなった。

るが，他のステンレス鋼の場合と比べると，電試験終了後のサンプル表面写真を図 6 に示す。

流値の立ち上がりが小さく，孔食の特徴とは異図 6 (a)である SUS304 には食孔が観察されていなっている。微細孔は食孔に成長せず，測定終る（図中の矢印部分）。一方，Ni フリーステン

了まで緩慢な全面腐食と考えられる挙動を示し

レス鋼は，電流値は電位上昇に合わせて緩やかたので孔食とは判断しなかった。これはな上昇を示した。これは緩慢な全面腐食である

SUS304，SUS430，YUS180 の挙動とは明らか

表3鋼に異なり，局所的に集中する腐食電流を分散さ

孔食電位測定結果せる効果を示したものと考えられる。つまり，

種

SUS304

SUS430

YUS180Ni ﾌﾘｰ

孔食電位
(V)

0.15

0.06

0.17

-

できる。
Ni フリーステンレス鋼の特徴の一つは耐食性

3

10000

電流（uA）

1000

30℃, 1kmol/m NaCl 溶液(b)(a)(c)が高いことである 6)〜8)。ステンレス鋼中に含ま(d)れる窒素は耐応力腐食割れに悪影響を及ぼす元素と考えられてきたが，その後の研究で，耐孔10010

食性に有効であることが判明し，現在では Cr

1

や Mo とともに耐食性向上に必要な重要元素と

孔食発生

0.1
0.01
0.001
0.0001-0.5

孔食による貫通孔の生成を防止することが期待なっている。ステンレス鋼の耐食性は不働態皮(a) SUS304，(b) SUS430

膜で保たれている。窒素は不働態皮膜と金属と(c) YUS180，(d) Ni ﾌﾘｰの界面付近に富化することで不働態膜を強固に
0

0.5

1

電圧（V vs SCE)

図5

アノード分極曲線1.5するとの説がある 7)。一方，鋼に窒素を添加することにより，皮膜中の Cr の含有率を高め，耐食性をあげているとの報告もある 9)。Ni フリ

ーステンレス鋼は耐海水腐食性が高く，特に孔
食やすきま腐食に強いことが知られている

3)，4)

本研究で試作した Ni フリー板材は多数の微細孔が生成し均等に腐食したため，食孔ができな

参考文献。

1) 黒田大介，“ニッケルフリーステンレス鋼”，
まてりあ，Ｖol.43，No.8，2004，p643-646．
2) Daisuke Kuroda，Takao Hanawa，Takaaki

かった。これが試作材の特徴と断定するには更Hibaru，Syuji Kuroda and Masaki Kobayashi，なるデータの積み上げが必要になるが，いずれ“Mechanical Properties of Thin Wires of Nickelにせよ，既存のステンレス鋼に比べ，耐食性に- Free Austenintic Stainless Steel with Nitrogen

優れているといえる。

absorption Treatment”，Materials Transactions，
Vol.44，No.8，2003, p1577-1582．

4.

結

言

3) 相原雅之，宇野秀樹，片田康行，小玉俊明，

難加工である Ni フリーステンレス鋼の実用“海水環境における窒素添加ステンレス鋼の化を目的にフェライト組織の状態で薄板に成形

局部腐食特性に及ぼす合金元素の影響とす

後，窒素吸収処理を施した Ni フリーステンレ

きま腐食の発生評価”，鉄と鋼，Vol.88，

ス鋼の特性評価を行い，以下の結論を得た。
(1)

Ni フリーステンレス鋼の引張強伸度は平均で耐力 793MPa，引張強度 1037MPa，伸5) 片田康行，“加圧式 ESR 法による高濃度窒素鋼の製造”，ふぇらむ，Vol.7，No.11，

干劣るものの，耐力で 2 倍以上，引張強度p12-13．

(2) コニカルカップ試験の結果，厚さ 0.5mm の

6) Daisuke Kuroda，Takao Hanawa，Takaaki
Hibaru，Syuji Kuroda，Masaki Kobayashi andNi フリーステンレス鋼板材は既存のステン

Takeshi Kobayashi，“New Manufacturing

レス鋼に比べ，絞り成形性は劣る。

Process of Nickel-Free Austenic Stainless Steel

金属組織を観察したところ，Ni フリースwith Nitrogen Absorption Treatment”，

テンレス鋼の結晶粒は SUS304 や SUS430に比べ大きくなっている。
(4)

ふぇらむ，Vol.7，No.11，2004，22-23．

び 37％であり，SUS316 に比べ，伸びは若で約 1.5 倍の値が得られた。

(3)

No.10，2002，p86-91．
4) 相原雅之，“高窒素ステンレス鋼の耐食性”，

比較的耐食性に優れているオーステナイト
系ステンレス鋼において問題となる孔食に着目し，耐孔食性について評価した。その結果，SUS304，SUS430，YUS180 は 60〜
170 mV で孔食が発生したのに対して，NiMaterials Transactions，Vol.44，No.3，2003，
p414-420．
7) 三浦一真，丸山英樹，天城裕子，田村信，“高窒素 Ni フリーステンレス鋼の加工性向
上及び製品実用化に関する研究”，工業技術研究報告書（新潟県工業技術総合研究所），
No.35，2005，p63-67．
8) 栗花信介，光井啓，“ニッケルフリー高耐食

フリーステンレス鋼は 1000 mV を越えたとステンレス材の開発”，福島県ハイテクプラ

ころで電流値は上昇したものの，食孔は確ザ試験研究報告，2005，p66-68．

認されなかった。このことから Ni フリー9) 遅沢浩一郎，小林裕，“窒素鋼の耐食特性−

ステンレス鋼は耐食性に優れた材料である

特にステンレス鋼に関して−”，窒素が拓くことが明らかとなった。

鋼の新しい展開とその利用（190 回西山記念講座），2006，p73-91．

研究論文

先端レーザー等を用いた加工技術の研究（第３報）
田宮 宏一＊ 山田 敏浩＊

小林豊＊

斉藤 雄治＊

Cuttinng and Pierceing using Single-mode Fiber Lasers
TAMIYA Kouichi* , YAMADA Tosihiro* , KOBAYASI Yutaka* and SAITOU Yuuji*

抄録ファイバーレーザーはビーム品質が高く集光径を小さく出せることから微細加工に適している。本
研究では，マグネシウム合金等の金属材料に対してファイバーレーザーによる微細加工の可能性を検討してきた。前報では，出力 2W のパルス波および出力 100W の連続波ファイバーレーザー発振器を用いた実験結果を報告した。本報では，出力 50Ｗの連続波のファイバーレーザー発振器について，ビーム品質を調べるとともに，微細切断と微細穴あけの加工実験を行ったので，その結果を報告する。

1. 緒

言

本報では，50W 連続波レーザー（以降 50W-

軽量化，省資源化，高機能化等のため，あらCW と表記する）を用いて，マグネシウム合金

ゆる機器や部品に対して小型化や高機能化が望AZ31 の薄板について微細切断と穴あけの実験をまれている。このため，多くの工業製品に対し行ったので、その結果を報告する。

て微細加工が適応されており，微細加工に関する研究も盛んに行われている。
ファイバーレーザーはビーム品質が高く集光

2. 実験装置
2.1 ファイバーレーザー発振器

径を小さくできるため，微細加工に適している。

実験には，SPI Laser 社製ファイバーレーザー

このため当センターでは，平成 16 年度よりファ発振器 SP-50-B-1090-A-30-UAC を用いた。表１

イバーレーザーを用いた微細加工の実験を行っにファイバーレーザー発振器の主な仕様を示す。

てきた。第 1 報では出力 10W パルスレーザーとまた，図 1（a）にファイバーレーザーの制御部

出力 100W の連続波レーザーを用いて炭素鋼やを，図 1（b）に光学系の取付状態を示す。

ステンレス鋼の薄板の切断加工と穴あけ加工に

表１

ファイバーレーザーの仕様

ついて実験を行い，有限要素法を用いた穴あけ

仕様

規格定格

加工の熱伝導解析の結果を報告した 1）。第 2 報

発振形態

連続発振および変調発振

で は ， 出 力 2W の パ ル ス 波 レ ー ザ ー と 出 力

最大変調周波数(kHz)

10 以上

レーザーの中心波長(nm)1090±5

発信スペクトル帯域(nm)＜2100W の連続波レーザーを用いて微細切断および微細溶接についての加工実験を行った。その２ビームの品質(M )＜1.1

結果，板厚 10µm のステンレス鋼板の重ね合わレーザーの最大出力(W)50

せ溶接などの微細加工が可能であったので報告

コリメータ径(mm )φ5±0.52）した 。
*

中越技術支援センター

(a)レーザー制御部(b)光学系
1.0 出力 1.0W

2.2 光学系
本研究では前報 2）で使用した光学系を引き続き使用した。本研究では集光性を高めるため，
コリメート光をいったん拡大し，再び集光する
光学系を用いた。集光径 d は回折理論より次式から求まる。

4 λf
d=
M2
π D

コリメート光の強度 (任意単位)

図 1 実験装置

0.8
0.6
0.4
0.2
0
–4.0

–2.0

0

2.0

4.0

検出器の座標 (mm)（1）

図 2 コリメート光の強度分布

ここで，λ はレーザーの波長（µm），f は集光レとなっていることがわかる。

2

ンズの焦点距離，D は集光前の光径（mm），M

はビーム品質を表す係数である。（1）式で求め2.4 焦点位置

た計算上の集光径は 10µm となる。実験は，光集光レンズで絞られたレーザーの集光径が最学系を図 1（b）のように 5 軸加工機の加工ヘッ

小となる位置が焦点距離である。焦点位置は切ドに取り付けて行った。また，加工材料からの断や溶接特性に大きく影響するため，焦点位置

反射光（戻り光）による発振器の破損を防ぐたの決定はきわめて重要である。本研究では，光め，レーザー光軸は試料の表面放線に対して 10

図 3 コリメート光のビームプロファイル
学系の加工材料表面から高さをかえて一定速度度傾けて実験を行った。

でレーザー光を照射した後，断面を研磨・腐食
して溶け込み部を金属顕微鏡で観察し，溶け込

2.3 コリメート光の出力と強度分布
2.1 節に述べた発振器について，発振器の出力み深さが最大となる位置を焦点位置とする方法を用いた 3)。

設定値に対する実際のコリメート光の出力をオ
フィール社製のレーザーパワーメーターF150A

3. 加工実験を用いて測定した。測定した強度分布を図 2 に

3.1 レーザー光の吸収率示す。また，コリメート光のビームプロファイ

マグネシウム合金はレーザー光に対する反射

ルを，オフィール社製のビームプロファイラーが大きいため，レーザー加工が困難な材料であFX50 を用いて測定した。図 3 に測定したビームる。本実験で用いる試料について，㈱ニレコ製

プロファイルを示す。ふたつの測定結果からビ

近赤外分光光度計 NIRS6500 を用いてレーザーームモードは集光性に優れるガウスモード

光の吸収率を調べた。その測定結果を図 4 に示す。板厚 50µm の AZ31 は，圧延工程で形成さ100れた酸化層が大きく，ファイバーレーザーの中80

表面が酸化していない板厚 100µm の AZ31 の吸収率は 12%であった。レーザーによる加工性を向上させるため，吸収剤としてカーボンスプレーを塗布した板厚 100µm の AZ31 では吸収率は吸収率(%)

心波長 1090nm の吸収率が 80%であった。一方，

60

AZ31
AZ31(酸化表面)40

AZ31(カーボンス
プレー塗布)

20

85%に改善された。吸収剤については，カーボ
ンスプレーのほかに染料等についても検討した
が，染料は加工面への密着性が低く，吸収剤としては適さないことがわかった。これらの結果

0
400

600

800
波長(nm)

1000

図 4 AZ31 の吸収率

より，検討した吸収剤の中で最も 1090nm の光の吸収率が高く，比較的，材料への密着性のよノズルはφ1mm の径を用いた。レーザー光の焦いカーボンスプレーが吸収改善剤として有効で点は，加工面に合わせた。
図 6 に板厚 50µm の AZ31 についての切断部あることがわかった。

の写真を，図 7 に切断幅の測定結果を示す。アシストガスのガス圧 200kPa の場合に 30µm から

3.2 実験材料
本実験では，マグネシウム合金 AZ31 の板厚40µm の幅で切断できた。100kPa では，切断幅100µm，板厚 50µm，およびカーボンスプレーをが大きく，ドロスの付着が多かった。300kPa に

加工面に塗布した板厚 100µm の 3 種類を用いる

ついても切断幅が大きくなった。300kPa の場合こととした。なお，使用した AZ31 の元素分析

は，ガス圧により，ジグの隙間にそって板に変結果を表 2 に示す。カーボンスプレーは（株）

形が生じ，加工面が焦点からずれて切断幅が広海保技研製

くなったものと考える。送り速度を変えても切レーザー用ドロス防止剤レーザー

CBX を使用した。

断幅の変化は少なかったが，送り速度が速くなるに従って，ドロスの付着が増えた。実際の加工では，できるだけ高速で加工することが求め

3.3 マグネシウム合金板の切断
微細な切断幅での加工を目的として，加工実験を行った。加工材料を移動させながらレーザ
ー光を照射し切断（溝加工）を行った。その後，
工具顕微鏡により切断幅を測定した。溝幅の測られるため，ドロスの除去能力を上げるノズル
形状の開発が今後の課題である。
板厚 100µm の AZ31 の加工については，カー
ボンスプレーを塗布しない状態ではレーザー定においては加工面に焦点を合わせエッヂとエッヂの間隔を測定し切断幅とした。切断実験に使用したジグを図 5 に示す。ジグの隙間は 1mmとした。加工条件は，加工速度を 10 mm/min から 1000mm/min まで変化させ，アシストガスは空気（酸素 20.6%，残部が窒素）を用い，ガス圧を 100kPa から 300k Pa まで変化させた。
表 2 使用した AZ31 の元素分析結果

AZ31

Ａｌ
2.40%

Ｚｎ
0.79%

Ｍｎ
0.35%

Ｍｇ
残部

図 5 切断実験に使用したジグ

加工面

100μm
裏面

100μm
a）ガス圧 100kPa，送り 50mm／min
加工面

100μm
裏面

100μm
光の反射が大きく，50W-CW では加工できなかb）ガス圧 200kPa，送り 50mm／min

った。カーボンスプレーを塗布した後，切断実加工面験を行った切断部の写真を図 8 に，切断幅の測定結果を図 9 に示す。切断幅は 150µm から200µm で，ドロスの付着が多かった。板厚が100μm

50µm から 100µm に増えたことで，熱拡散によ裏面

り溶融範囲が広くなったものと考える。
3.4

マグネシウム合金板の穴あけ（ピアシン

100μm

グ）

c）ガス圧 300kPa，送り 50mm／min

切断と同様に，吸収剤を塗布しない AZ31 は，
レーザー光の反射が大きく，穴あけ加工はでき

図 6 AZ31 板厚 50μm の切断状況

な か っ た 。 こ の た め ， 板 厚 50µm と ， 板 厚100µm にカーボンスプレーを塗布したものにつ120
切断幅（μｍ）

100

いて実験を行った。実験ジグは切断実験に用い

80

100kPa60

200kPa300kPa40
20

たものと同じものを使用した。加工条件は，アシストガスは空気，ガス圧を 100kPa，200kPa，
300kPa と変化させ，レーザー光の焦点は加工面

0
10

図7

20

30

40
50 100 200 300 500 1000
送り速度（ｍｍ／ｍｉｎ）

AZ31 板厚 50μm 切断幅とした。穴径の測定結果を図 10，図 11 に，加工部の写真を図 12，図 13 に示す。板厚 50µm で100µm 程度，板厚 100µm で 200µm 程度の穴
加工面

300μm

（μｍ）
穴径

120

少なかった。本研究で用いたレーザーは計算上

10010µm の集光径であるが，それと比べて，大きな80

穴径となった。マグネシウム合金は，熱拡散率が高い材料であるため，穴が貫通するまでの間

60に，溶融範囲が広くなったものと考える。
１００ｋＰａ40

金属材料の穴あけでは，CW と比較してパル

２００ｋＰａ
３００ｋＰａ20

ス発振のほうが，加工時間は増えるものの，穴径が小さくなる例も示されている 4) 。マグネシ

0
1

図 10

3
5
加工時間（ｓｅｃ）

10

ウム合金の穴あけについても，尖頭値の高いパ

AZ31 板厚 50μm 穴径

ルス発振ファイバーレーザーを用いることで，より微細な穴あけが可能になると考える。

250

200
（μｍ）
穴径

4. 結
150

100

(1) AZ31 の波長 1090nm の光についての吸収率
１００ｋＰａは 10 数％であった。吸収剤を塗布するなど

２００ｋＰａ

吸収率を上げる処理をすることで 50W-CW

３００ｋＰａ50のファイバーレーザーで板厚 100µm までの切断・穴あけ加工ができた。

0
1

3

5

10

加工時間 （ｓｅｃ）

図 11

言

AZ31 板厚 100μm(2) 50W-CW のファイバーレーザーを用いた切断加工の場合，AZ31 板厚 50µm で 30µm か穴径

ら 40µm の幅で切断ができた。また，送り加工面

速度を上げても加工面の切断幅は変わらな裏面

いが，ドロスの付着が多くなることがわかった。
(3) 50W-CW のファイバーレーザーによる穴あけ加工の場合，AZ31 板厚 50µm で 100µm 程

200μm

度，AZ31 板厚 100µm で 200µm 程度の穴径となり，微細な穴あけ加工は困難であった。

ガス圧 200kPa，加工時間 5 秒
図 12 AZ31 板厚 50μm の穴あけ状況

参考文献
加工面

裏面

1)

長谷川他，“先端レーザ等を用いた加工技術の研究”，新潟県工業技術研究報告書 NO.34，
p128.

2)

研究（第 2 報）”，新潟県工業技術研究報告

200μm
ガス圧 200kPa，加工時間 5 秒

書 NO.35，p20.
3)

金岡優，“レーザ加工”，日刊工業新聞社，

p154.

図 13 AZ31 板厚 100μm の穴あけ状況
4)径となった。また，加工条件による穴径の差は

斎藤他，“先端レーザ等を用いた加工技術の倉田豊，“レーザープロセシング応用便

覧”，（有）エヌジーティー，p153.

研究論文

シリコンウエハー厚さの非接触高精度測定・凹凸性状可視化システムの開発
三村和弘* 家坂

邦直*

小海

茂美*

松本

好勝*

橋詰

史則*

古畑

雅弘*

Development of High Precision and Non-contact Measurement System that makes
Thickness Form of Silicon Wafer visible
MIMURA Kazuhiro*, IESAKA Kuninao*, KOKAI Shigemi*, FURUHATA Masahiro*,
MATSUMOTO Yoshikatsu*and HASHIZUME Fuminori*抄録

シリコンウエハーの厚さ測定を空圧非接触で行い，凹凸性状の可視化を実現するシステムを開発した。空圧流でシリコンウエハーを浮上回転させながら，高精度レーザ変位センサを 2 個用いて上下からの挟み込みでウエハー全面の測定を行う。さらに，測定データからウエハーの厚さを求めてPLC(Programmable Logic Controller)に保存し，パソコンと通信を行い三次元凹凸性状を表現する。

1．緒言

近年，シリコンウエハーの大口径化が進むと浮上回転部

ローディング部

ともに，ウエハーの表面性状は高い平坦度が要求され，検査工程において高精度の測定が望まれている。現行の厚さ検査は，ウエハー自体を冶具で固定支持するので，ウエハーに汚れや傷などが付着する可能性がある。そこで，空圧流を用いて非接触でウエハーを浮上回転させ，ウエハー全面を測定する方法を開発した。また，

図1

開発機とパソコンを通信させて，ウエハーの厚さデータを三次元状に可視化し，後工程の研磨条件を容易に決定できるソフトウエアも作成し

2.2

開発機の測定部

浮上回転部

浮上回転部では，6 個のノズルとノッチを検出するためのファイバセンサ 1 個が取り付けてた。

ある。各ノズルは図 2 のように XZ ステージに
2.

開発機の概要固定されていて，これを操作して前後上下に微2.1 測定部の概要
図 1 にシリコンウエハーをセットした開発機調整でき，さらにノズル先端を角度調整するこの測定部を示す。測定部は，ウエハーを非接触

非接触で制御するため，テーブル下方からの空で制御する浮上回転部とレーザ変位センサを取圧流でウエハーを浮上させる。また，各ノズル

り付けたローディング部からなる。

の流量や先端角度を調整することによりウエハ* 素材応用技術支援センター

ーの挙動を制御する。

とが可能となっている。測定時は，ウエハーを表1

レーザ変位センサの仕様

メーカ（機種名） キーエンス(LK-G15)2.3
図2ノズルと XZ ステージ直線性

±0.03%ofF.S

繰り返し精度

0.02µm

温度特性

0.01%F.S/℃

ローディング部とレーザ変位センサ

ローディング部の先端には，上下一組のレー
ザ変位センサが取り付けてあり，ウエハーの上下の変位（L1，L2）を測定し，ウエハーの厚さ t を算出する。図 4 にレーザ変位センサとローディングフレームを示す。このとき，ウエハ
ーは上下に振動するが，挟み込み測定であるため，その影響はキャンセルされる。レーザ変位
センサの仕様は表 1 のとおりである。サンプリ
ング速度は 50µs，平均回数は 16 回移動平均で
設定した。

図3

浮上回転のテーブル

測定は，ウエハーが浮上回転テーブルに対し非接触で安定回転してから，ウエハーの周端

また，空圧流を安定させるため空気を溜め

近傍点より開始する。ウエハーには一箇所だける空間を作り，多数の小孔より空気を吹き出さ1mm 深さのノッチがあるので，この部分をフせている。図 3 に浮上回転をさせるテーブルをァイバセンサで読み取り，ウエハーが 1 周する示す。

ときの円周表面上を測定し，1 周が終了したら設定に関しては，テーブルの水平度や空圧

ローディングフレームが中心方向に 5mm 移動

流を調整して，ウエハーのノッチ検出が可能にし，次の同心円周上の測定を行う。これを 30

なるまで回転偏芯を抑えることができ，浮上状

回繰り返して，ウエハーの周端近傍点から中心態でウエハーをほぼ停止させることにも成功し点までの厚さデータを取得する。ここで，1 周た。また，空圧流の流量や方向などを変化させ

あたり 72 点の測定点としたので，ウエハー全てウエハーの回転数を任意に調整した。

面のデータ数は 72×30＝2160 点となる。

ここで，回転数は全体の測定時間に影響するものであり，今回は 20~30rpm 程度の回転数で測定を行った。

2.4

制御方法

PLC(Q02HCPU:三菱製)を使用して，機械制御を行い，センサからの測定データもセンサコ
ントローラで演算された後に PLC のメモリに保存する。これを図 5 に示す。これらは、測定部の下段に格納してあり，一連の操作は、装置の前面に取り付けてある図 6 のタッチパネルで

図4

レーザ変位センサとローディングフレーム

行う。

センサ
コントローラ

ＰＬＣ

図5

センサコントローラとＰＬＣ

図7
図6

測定データを読み出すプログラム

操作用タッチパネル

3. 可視化システム
3.1 PLC とパソコンとの接続
PLC とパソコンとの接続には，RS232C を用い，その通信プロトコルを表 2 のとおりにした。また，PLC 専用のプロトコルの MC プロ
トコル，形式 4 を採用した。
PLC 内のデータを読み出すために，パソコ
ン側からコマンド送信を行い，ワード単位でデータを読み出した。
3.2

プログラムの作成

図8

データを三次元表示するために，汎用的な計測制御ソフト LABVIEW7.0(日本 NI 社製)を用

データを保存するプログラム

ネル上で操作し実行する。

いて凹凸性状可視化ソフトを開発した。このソ
フトは，ソースコードをブロックダイアグラム

3.3

測定用モードと呼ばれるもので作成し，パソコン画面上にフ測定データを PLC より読み出すプログラム

ロントパネルを構築する。そして、フロントパを図 7 に示す。ここでは，データを読み出すだ

表2

通信プロトコル

ボーレート
パリティ
データビットストップビット

19200bbs
なし
8bit
1bit

けでなく，データの配列も作成する。また，図8 にデータをパソコンのハードディスクに保存するプログラムを示す。これは，データをウエ
ハーのノッチ部を基準としたデータに並べ替えて保存している。

図9

保存ファイルを読み出すプログラム
図 11

3.4

断面チャート図

シミュレーション用モード

測定データを単に表示するだけでは，ウエハ

大値と最小値の差などをパソコン上に示す。

ー上の明らかな傷やゴミ等が存在したときに，最初に測定とシミュレーションの一方を選択

そのデータも表現してしまうため，任意にデーする。測定の場合は，パソコンに保存するため

タを削除する必要がある。また，パソコンに保に任意のファイル名を入力し，シミュレーショ

存されてあるデータを再び表示することも必要

ンの場合は，既に保存されているファイル名をなため測定モードのほかにシミュレーションモ

入力する。そして，画面上の実行ボタンをクリードのプログラムも作成した。図 9 に保存ファ

ックして実行する。この画面を図 10 に示す。

イルを読み出すプログラムを示す。ここでは，データを読み出して，任意に設定できる上限値

3.5.2

断面チャート図と下限値に従い，データを削除できるようにし

断面チャート図は，図 11 に示すように断面た。さらに，最大値と最小値の差を求めたり，を XZ 平面で表した。等高線図上の赤矢印を操

断面図を任意方向で切断した凹凸性状を観察で作することで，任意断面を指定できるようにしきるプログラムも作成した。

た。操作は，赤矢印をマウスでクリックする。
または，テキスト数値を直接入力して断面を設

3.5

フロントパネル上での操作

3.5.1

三次元凹凸性状

操作は，測定データが全て PLC に保存され定する。ここで，断面を表す方向を一義的に決定するために，各点の X 座標を矢印後端からの変位で表した。

てからデータを読み出したり，ハードディスクの保存ファイルを読み出したりすることで，ウ

4.

従来機と開発機の測定比較

エハーの三次元凹凸性状，等高線図，および最4.1

サンプルの測定結果

図 12 にウエハーの厚さが凹型となっている
サンプルを従来機と開発機で測定した結果を示す。この図は，ウエハー表面を XY 平面にし,厚さを Z 軸にしている。そして，厚さの最大値と最小値の差を比較した。図 12(a)の従来機の結果より最大値と最小値の差は 0.8µm 程度
であり，図 12(b)の開発機の結果は 1.2µm 程度となっている。さらに，ウエハーの厚さが凸型のものを従来機で測定した結果を図 13(a)に示
図 10

三次元凹凸性状し，開発機での結果を図 13(b)に示す。従来機

図 12(a)従来機による凹型サンプル測定

図 13(a)

図 12(b)

開発機による凹型サンプル測定

図 13(b)

従来機による凸型サンプル測定

開発機による凸型サンプル測定

では，0.4µm 程度であり，開発機では 0.5µmとともに，レーザ変位センサの測定値に対し程度であった。

てデータ処理をかけるなどの工夫が必要であ
る。

4.2

測定の考察

静電容量型のセンサを用いている従来機の測定結果は細かな凹凸が目立たず，滑らかな

5.

結

(1)
(2)

高精度で非接触測定が可能なシリコンウ
エハー厚さ測定機を開発した。

凸が目立ち，値も大きくなっている。この両者の値を近づけるには誤差要因の更なる改善

空圧非接触でシリコンウエハーの回転・停止・回転偏芯防止技術を確立できた。

ものとなっている。一方，レーザ変位センサを用いている開発機では，測定した結果は凹言(3)

シリコンウエハーの厚さを三次元凹凸性状で表現できるソフトウエアを開発した。

共

同

研

究

研究論文

超精密加工による金型加工
毛利

敦雄*

丸山
知野

英樹**

本田

崇***

坂井

吉浩****

岩佐信明****

朋之**

Study of Ultra Precision Machining for Injection Mold
MOURI Atsuo*, MARUYAMA Hideki**, HONDA Takashi***, SAKAI Tomoyuki **,CHINO Yoshihiro**** and IWASA Nobuaki****

抄録

微細加工による加飾を目的に，プロモーション用キーシートの射出成型金型の研究を行った。具体的には，微細加工を施した金型の試作，射出成型試験を行い，成型品の評価を行った。また，量産化に向け金型の洗浄試験を併せて行い，洗浄条件を検討した。
1．緒言

近年，携帯電話市場は世界中で拡大の傾向にけた取り組みとして，金型の洗浄条件も併せて検討した。

ある。加入者は 2006 年内に 26 億人に達し，
2010 年までに 40 億人に増加すると予想されて1)いる 。従来，携帯電話に対する要求は機能的

2．射出成型用金型の試作と射出成型試験
2.1

加工機

なものが中心であったが，携帯電話の機能が成金型の加工には，ながおか新産業創造センタ

熟してきたことから，最近新たな付加価値としーに設置されているファナック㈱の超精密加工て，意匠の差別化が求められている。

機 ROBONANOα-0iA（以下「ROBONANO」と本研究では，携帯電話のキーシートにマイクいう。）を用いた。図 1 に ROBONANO の外観

ロメートルオーダーの微細加工を施し，光学的を示す。加工ユニットは，製品の量産化を考慮

な視覚効果を持たせるための加工技術確立を目し，加工速度の大きいシャトルユニットを用い的とした。現在，微細加工は，加工装置が高価た。シャトルユニットはリニアモータとピエゾである，加工に時間がかかるといった問題があ

素子の上下により，最高で 1 秒間に 3 本の溝加るため，光導波路やフレネルレンズといった高価な製品に限られている。今回，製品そのものを加工するのではなく，金型に微細加工を施し，射出成型により量産することでコストを抑え，一般製品への適用を試みた。また，量産化に向*素材応用技術支援センター**

研究開発センター
レーザー・ナノテク研究室***

研究開発センター****

サンアロー新潟工場

図1

ROBONANO 外観図

表 1 観察結果の比較時の様子
条件
目視観察
電子顕微鏡
①
ほぼ全面虹模様バリ少ない②
虹模様にすじあり
バリ多い③
虹模様にすじあり
バリ多い

図2

シャトルユニット加工

条件①

条件②

ロボナノ座標系
Ｘ

Ｚ

ダイヤモンドバイト

Ｙ
工具進行方向

条件③
加工材料

図4

ピッチ送
り方向

金型溝加工部 SEM 観察結果

い部分のものである。②の条件では， SEM 画

溝ピッチ像のように仕上げの一部にバリが発生しており，
図3

加工の概略図虹模様にすじが見られる。③の条件も②と同様工を行うことができる。図 2 にシャトルユニッに SEM 画像でバリが確認でき，虹模様にすじ

トの加工時の様子を，図 3 に加工の概略図を示が発生する。

す。加工面には無電解ニッケルめっきを行い，比較結果から，きれいな溝を作るには仕上げ

平面出し用バイトにて基準面を出した後，溝加なしの加工が一番であり，修正による不良部の工を行った。

除去はできないことがわかった。加工面すべてを仕上げなしで加工するには，溝加工前の基準

2.2

加工方法の検討

面を平滑にすること，先端の鋭利な工具を使用

光の波長に近い微小な溝に光を当てると，光することが重要となる。

の干渉により虹模様が観察される。きれいな虹模様を得るためには，金型の溝にバリ・たおれ
2)2.3

溝間隔の検討などの不良をなくすことが必要である 。よっ

虹模様の色や光の強度は，加工する溝形状にて不良をなくす加工・仕上げ方法を検討するた依存する。よって，溝のピッチを決定するため

め，以下の方法で比較を行った。

には，干渉光の測定・評価を行う必要がある。

①溝加工のみ（切り込み 0.5µm）

そこで大塚電子㈱の MCPD100 を用い，干渉光②溝加工①＋頂点のなぞり加工の測定を行った。測定の方法は，光源の向きを③同じ溝を 3 回ずつなぞる加工

固定し，受光カメラを 3°刻みで動かし，各角観察結果のまとめを表 1 に，電子顕微鏡（以下度における光の強度を測定した。測定の様子を「SEM」という。）観察結果を図 4 にそれぞれ

図 5 に示す。

示す。なお溝ピッチはすべて 1µm ピッチである。

今回の干渉光測定には，1，2，3，5µm の溝①の条件では，加工部の大部分できれいな虹模

ピッチの射出成型品を用いて比較した。それぞ様が観察できる。SEM 画像はバリのほとんどなれの SEM 観察結果を図 6 に，干渉光測定結果

を図 7 にそれぞれ示す。横軸は図 6 の受光カメ
ラの角度，縦軸は光の波長であり，測定した光の強度をプロットしてある。グラフは複数のライン状にプロットされ，右端のラインは光源の反射光，右下から左上に伸びるラインは干渉光である。濃い色で示されている点は光の強度が大きいことを表しており，その角度でどの波長の光が強かったか，つまり外観上の色が分かる。
測定結果から，溝間隔が 3µm ピッチ以上の場

1μm ピッチ合，干渉のラインが複数重なってしまうため，色がはっきりしなくなることがわかる。また，
光の強度も弱くなり，シャープな色は観察されなくなる。一方，2µm ピッチ以下ではラインの重なりも少なく，強い干渉光が得られることがわかる。量産を考慮に入れると，同じ加工面積のときに 1µm ピッチの溝本数・加工時間は2µm ピッチの 2 倍となることから，量産には2µm ピッチが適正であると考えられる。

2μm ピッチ

測定サンプル
60°

300°
光源
330°

図5

受光カメラ
0°
3μm ピッチ

干渉光測定の様子

1μmピッチ

2μmピッチ5μm ピッチ
3μmピッチ

図65μmピッチ

射出成型部品 SEM 観察

図7

干渉光測定結果

3.

金型コマ汚れの分析された。

射出成型により金型に付着する，曇り状の汚IR，GC/MS の結果から，金型汚れは単一の物れの分析を行った。分析用に，入れ子方式の金質ではなく，PC 分解物,添加剤等の混合物であ型コマ（φ10×H10mm）を作成して金型内に装ることがわかった。

着した。ポリカーボネート（以下「PC」という。）を 2 万ショット成型し，付着した汚れを

4.

金型洗浄の検討分析に供した。金型コマの写真を図 8 に示す。

4.1

金型コマのアルカリ洗浄

汚れの赤外分光分析（以下「IR」という。）

金型コマ汚れのアルカリ洗浄を検討した。使測定例を図 9 に示す。測定は，パーキンエルマ

用したアルカリ液の組成を表 2 に，洗浄条件をージャパン製フーリエ変換赤外分光分析装置

表 3 に示す。

Spectrum One を使用した。IR では 2924，

弱アルカリの条件 1 では，洗浄効果は見られ-1なかったが，条件 2 では汚れは除去された。浸-1

1744cm にエステルに帰属される C=O 伸縮振動

漬により膜状の汚れの剥離が進行し，超音波洗の吸収が認められた。

浄により脱落する様子が観察された。金属顕微

2853cm に飽和炭化水素の C-H 伸縮振動，鏡写真を図 10 に示す。洗浄後，金型表面にはガスクロマトグラフ質量分析（以下「GC/MS」という。）では，金型コマ汚れの溶射出成型に起因する表面の荒れが認められた。

剤抽出物の分析を行った。溶剤はジクロロメタ
ン，トルエン，テトラヒドロフラン（THF），

4.2

酢酸エチルを使用した。測定には日本電子(株)金型のアルカリ洗浄

金型コマの結果を踏まえ，金型のアルカリ洗製ガスクロマトグラフ質量分析計 AutomassⅡ50
表2を用いた。GC/MS では，フェノール系酸化防止剤，ビスフェノール A（PC 原料）などが同定

図8

組 成
50g/l
炭酸水素ﾅﾄﾘｳﾑ(NaHCO3)
1
5g/l
界面活性剤
ﾒﾀｹｲ酸ﾅﾄﾘｳﾑ(Na2SiO3･9H2O)
2 ﾍｷｻﾒﾀﾘﾝ酸ﾅﾄﾘｳﾑ((NaPO3)6)
10g/l
5g/l
界面活性剤
ﾒﾀｹｲ酸ﾅﾄﾘｳﾑ(Na2SiO3･9H2O)
10g/l
ﾍｷｻﾒﾀﾘﾝ酸ﾅﾄﾘｳﾑ((NaPO3)6)310g/l
水酸化ﾅﾄﾘｳﾑ(NaOH)
5g/l
界面活性剤

金型コマ(左ブランク，右曇り)

表3

96.65

1
2

96.55
96.45

アルカリ液組成

洗浄液
1
2

％T

96.15
96.05
95.95
95.85
95.75
3200

図9

2800
2400
2000
Wavenumber（cm-1）

1600

1200

金型コマ曇り，IR 測定

800

12.4

14.0

洗浄条件
60℃，1時間浸漬，10分超音波
〃

96.25

3600

8.0

金型コマ，アルカリ洗浄条件

96.35

95.65
4000

pH

洗浄前
図 10

洗浄後

金型コマ金属顕微鏡(×400)

金型表面にピット状の荒れが発生して，過度の超音波洗浄，強アルカリは逆効果であることが
わかった。
5．結
金型洗浄前

洗浄前中央部言

微細加工による加飾を施したキーシートの作成を目的に，射出成型用金型の研究を行い，以下のことがあきらかになった。
(1) シャトルユニットによる加工では，溝の修正はできないため，溝加工は一度の加工で行わざるをえない。そのため，バイトの鋭洗浄後中央部
図 11

洗浄後端部

金型写真，金属顕微鏡(×100)

さ，加工面の平面出しが重要になる。
(2) 2µm 以下の溝ピッチであれば強い干渉光を得ることができる。量産を考慮に入れると，

表4
1
2
3
4

洗浄液
2
2
2
3

金型，アルカリ洗浄条件

2µm ピッチの加工が適正なピッチと考えら

洗浄条件
60℃，1時間浸漬， 10分超音波
60℃，1時間浸漬， 1時間超音波
60℃，24時間浸漬，10分超音波
60℃，1時間浸漬， 10分超音波れる。
(3) 金型に付着する曇り状の汚れの分析を行い，汚れは PC 分解物,添加剤等の混合物である
ことがわかった。
(4) 金型の洗浄条件を検討し，アルカリ洗浄で浄を行った。金型は，母材に無電解ニッケルめ

汚れが除去可能である事を見いだした。

っき（約 100µm）をし，その後 ROBONANO で溝加工を行ったものである。この金型で，PC

参考文献

を 4 万ショット成型した。金型写真，金属顕微

1)

http://www.computerworld.jp/news/mw/

鏡写真を図 11 に示す。金型コマでは，曇り状

52310.html,に汚れが付着していたのに対し，金型では焼け，「computerworld.jp ホームページ」

樹脂分解物が強固に付着していた。

IDG ジャパン

洗浄条件を表 4 に示す。このうち，条件 3 で

2)2006 年 11 月 13 日

坂井朋之他，“マイクロ・メゾ領域におけ良好な結果が得られた。洗浄後の金型では，端る小型・超精密加工技術に関する調査研究部で最後まで汚れが残ったが，端部の汚れは，（第 2 報）”，工業技術総合研究所工業技

実用上問題は少ないものと考えられる。

術研究報告書，No.35，(2006)，p.67-72

条件 1 では浸漬時間の不足により，汚れの除去は十分ではなかった。条件 2，条件 4 では，

研究論文

粒度ゲージ (グラインドゲージとスクレーパー) による
粒子分散性評価の自動化に関する研究阿部淑人 ∗ , 白川 正登 ∗ , 伊関

陽一郎 ∗∗ , 小林豊 ∗∗ , 木嶋祐太 ∗∗∗ , 原司 ∗∗∗∗ , 浅田

友之 ∗∗∗∗Development of an Automated Dispersion Assessment System Equipped with a Grind Gauge
ABE Yoshito∗ , SHIRAKAWA Masato∗ , ISEKI Yoichiro∗∗ ,KOBAYASHI Yutaka∗∗ , KIJIMA Yuta∗∗∗ , HARA Mamoru∗∗∗∗ and ASADA Tomoyuki∗∗∗∗抄録

グラインドゲージを用いた分散性評価装置の自動化について試作機を開発した。この装置は掃引作業を自動で行う機械と，認識行為を自動で行う回路からなっている。テストに使用したサンプルやその結果の計測能力についてはまだ限定的ではあるが，試作の初期段階としてはおおむね良好と言える結果となった。
実用上の性能や運用上の課題について今後のフィールドテストを通して検証と改良を行い製品としての完成度を上げて行きたい。

緒

1.

言

微小粉体やインキ，塗料などの材料は，製造業のあらゆる分野で使用されている。インキ類や塗料類など
は，顔料などを粉砕した粉末と樹脂および溶剤の主として３種類を混練したものであるが，粉砕や混練が十分でないと色調や流動性，粘性を初めとし膜強度，膜図1

表面形状など様々な性質に悪影響を及ぼす。そのためグラインドゲージの操作

工程内での品質制御の点からも，工程後の品質管理の点からも混練の良し悪しつまり材料分散性の評価は重要なポイントである。同様に貯蔵中の再凝集等についても分散性評価によって管理することが肝要である。
グラインドゲージは粉体等の粉砕品質やインキ等の顔料分散を測定するための装置である。図 1 にグライ
ンドゲージを操作している状態の外観を示す。その詳細は後述するが，ゲージとスクレイパーを用いてゲーができる。この操作および膜面の観察には熟練を要することから，それらの自動化は緊急の課題としてあげられている。そこでグラインドゲージによる分散性評
価の自動化を目標として試作機を開発した。装置は掃引操作の自動化器械と認識動作の自動化回路からなっ
ている。

2.

顔料等の分散性評価の方法

2.1

概略

ジ天面の溝上に塗膜を生成した後，膜面を観察することでゲージ天面の刻印から分散度 [µm] を測定すること∗

研究開発センター∗∗

中越技術支援センター∗∗∗

下越技術支援センター

溶剤中に樹脂に被覆された顔料が分散していて，図中∗∗∗∗

株式会社第一測範製作所

右端部には粒度の揃った顔料が良好に分散している様

図 2 には，インキ等の材料分散を模して示している。

88

92

子が描かれ，それよりも左方には不十分で分散が悪く
40

25

凝集しているか，あるいは粉体の粉砕が不十分な様子が描かれている。混練が十分であるかどうかを材料の

240

1)

分散から調べるための方法の一つが，JIS K5101 , JIS(a) ゲージ

K56002) , JIS K57013) に規定されたグラインドゲージに(b) スクレーパー

図 3 測定器具の寸法

よる分散性の評価試験である。

2.2

グラインドゲージ

グラインドゲージは幅 90mm 程度，長さ 240mm程度の矩形の鋼材の天面に最大深さ 15[µm]〜100µm[15,25,50,100] の斜面からなる溝が研削等によって形成されている。インキ等の試料をスクレーパーで掻き取って天面に塗膜を生成し，粉体の粉砕や分散の不良

図4

仕上げの異なる 3 種のグラインドゲージ

によって生じた痕跡を観察する器具である。天面には溝と並列して深さの目盛りを彫刻してある。実測に基合いによって粒状もしくは線状の特異模様が膜面にうっづいて目盛りがつけられているため必ずしも等間隔にすらと発生する。それを目視で確認し，溝に並列して彫刻してあるとは限らない。図 3 には，ゲージとスク

彫刻された目盛りから値を読み取って測定値とする。

レーパーの概略寸法を示している。

図 6 には JIS K5101 等に規定された線状痕と粒状痕に

図 4 に表面仕上げの異なる 3 種の試作ゲージを示す。 よるそれぞれの読み取り方を示す。詳細は JIS に譲る
左側はラッピング後に黒染め仕上げを施したもの1 であが，分散性の悪い凝集物によって膜面に線状もしくはり，中央は研削後にラッピング仕上げをしたもの，そし粒状の特異模様の発生が確認された場合，線状痕ではて右側は研削仕上げのみのものである。目視では仕上

1cm 以上の筋が 3 本以上発生した位置の目盛りを読みげの違いによる視認性の差が確認されているが，今後取り，粒状痕では 3mm 幅の帯の中に 5〜10 個の点がは自動計測に適した条件だしを行っていく予定である。 発生した位置の目盛りを読む。ゲージには単溝と双溝

2.3

JIS K5101，K5600 の試験方法の２タイプがあるが，双溝タイプでは評価の信頼性を高めるために双方の読み取りが一致することを確認し

図 5 には，ゲージの横断面を模式的に示している。
天面に溝が形成されている。この最も深い側にインキ等の被評価材料を滴下したのちにスクレーパーを等速・等圧に保ったまま溝の深い側から深さ 0µm 側に向かってインキを掻き取るように掃引すると天面上の溝にはインキの皮膜が張られ，粉砕の良否あるいは分散の度て評価値とする。
このゲージを用いた分散性の測定作業においては，掻き取り操作に関して押し圧の調整やスクレーパーを引く速度・傾きの調整などが困難である。また膜面観察に関しては，照明角度や観察角度・距離など設定に関して習熟が必要であり，空中の浮遊微粒子による外乱等を判定から排除するような画像認識にも習熟が必要である。

顔料 樹脂 溶剤
図2

溶剤中に分散した顔料と樹脂の様子

2.4

分散性測定装置の自動化

グラインドゲージによる分散性の評価には機械的な操作および視覚的な認識の両面で熟練を必要とするた

1 特許出願済み

め，技能者の早期育成の支援ツールとしてあるいは工深さ0μm

スクレーパー
Sweep

塗料

ゲージ断面
図5

ゲージ断面

50

40

30

20

10

0

図7

自動掃引機構(a) 線状法

50

40

30

20

10

0

(b) 粒状法
図6

測定方法
図8

程管理再現性向上支援ツールとして一連の作業を自動

押し圧の空間分布化することが重要であると考えられる。そこで次章にNormalized Pressure

る装置を開発することにした。

3.

自動掃引装置3.1

概略’left’’center’’right’1.4示すように掃引作業と観察作業のそれぞれを自動化す

1.2

1

0.8

0.6

図 7 には，試作した自動掃引装置を示す。図中右方

050

ボックスにスライダの駆動モータが格納され，ボール
図9ねじによってテーブルを左右に定速走行させることが

100
150
Position

200

250

押し圧のプロットできる。テーブル上にはゲージを２方当て止めして傾き等が無いようにしている。左手奥にはスクレーパー
をゲージ天面に押し付けるための加重梁があり，ばねによって一定圧で押し付けている。中央部に直立しているのはカメラフレームであり，右下に線状光源のフレームがある。これらは試作品のため角度を変更できるように可変アングルで固定されている。

る。2 本の白い部分が双溝の部分であり，圧力のスク
レーパー左右位置および掃引の位置による変化を図 9に示した。横軸が掃引の始点から終点までの位置で，縦軸が圧力を平均値で正規化したものである。± 10%程度に収まっていることが見て分かる。

4.

自動画像計測4.1

照明系

押し付け圧については，ばねにより梁の加重を 3kgf
〜6kgf に変化し乾燥状態でゲージ天面に圧力測定フィ
ルムを貼付してムラの有無を検証した。図 8 に 6kgf の塗膜の表面に発生した痕跡を検出する必要があるた

時の圧力測定フィルムの画像を表示した。濃淡によっめ，照明系の設定は最も重要な条件設定の一つである。

て圧力の大小を示しており，濃いところほど強い圧力

正反射は鏡面反射とも呼ばれるように，金属表面なを受けたことを示している。左から右に行くにしたがっ

どで投光と等角の反対方向へ主たる受光成分が反射すて溝が浅くなり右端がフルスケールのカラーバーであるような配置で撮像し，主に光沢や表面の凹凸を観察

(a) 正反射照明
図 10(b) 拡散反射照明

照明による画像の差する際に利用される。拡散反射は投光と受光の入射出
射角度が異なるような配置で観測し，主に物体色を観

図 11

照明配置

察する際に利用される。
ここでは，塗膜面の異常凹凸を観察するために主に正反射光を主体とした照明方法をとることにした。

4.1.1

機器設定と照明条件および映像

平面状被写体の撮像には前者のラインセンサを用いることが多い。後者のエリアセンサに比べて撮像が複雑になり対象が静止又は走行物体に限られる反面，空間解像度の高い画像を得ることができるからである。

CCS 社製の線状 LED 光源 HLND-100SW-R を照明
ゲージ天面撮像では掻き取り用に掃引機構があるた具として使用した。照明幅は 100mm である。作動距離
めそれを利用して，画像走査を行うこととした。

(WD) を 100mm としたときの中央部照度は約 15,000lx
で，終端部照度は約 10,000lx である。

4.3

画像処理系

なお，図 10 にはゲージ天面を正反射照明と拡散反射照明で撮像した場合の絵を比較のため示している。
前述のとおり，正反射照明の場合には強度の反射成分によりハレーション (てかり・飽和) が発生していることが分かる。また正反射の近傍ではハレーションを発
生せず凹凸による陰影を観察できることも分かる。一

ここでは，画像処理系のハードウェアとソフトウェ
アの双方について述べる。カメラから転送された画像
データは既にカメラ内部でデジタル化されており伝送系でのノイズ重畳を懸念する必要は無い。

4.3.1

処理ハードウェア

方拡散照明では凹凸の影響が排除され天面の色彩濃度(拡散反射率) が良好に観察できることが分かる。
上記をふまえ様々なアングルを試した結果，本試作機では図 11 に示すようにカメラと光源を 15o の狭角に設置し，正反射に近い状態で撮像することにした。図中カメラは 90o に配置し，光源は 75o に配置した。本

画 像 処 理 を 実 行 す る ハ ー ド ウェア に は OS にWindowsrXP を搭載した Intel 社製 CPU Pentiumr D
840 と NVIDIA 社製 GPU GeForcer7600GS，1GB のメモリ，80GB の HDD を搭載した PC を利用した。

4.3.2

ソフトウェア開発環境

装置の機構上ステージの掃引に合わせて画像を走査するため光源は線状光源とした。

ソフトウェアの開発環境としてはナショナルインス
ツルメンツ (NI) 社製のグラフィカルな計測制御ソフ

4.2

撮像系

ト開発環境である LabVIEWTM ver.8.0 を使用した。画撮像素子には線状と面状の２タイプがあり，線状撮

像計測用にアドインとしてビジョン開発モジュール等像素子ではコピー機等のように被写体もしくは撮像体が追加してある。これによってグラフィカルな操作で，の掃引による画像走査で画像情報を生成でき，面状撮

ユーザインタフェース（外観）をフロントパネル画面

像素子ではテレビカメラ等のように単一の撮像で画像で設計し，アルゴリズムのデータフロー（動作）をブ

情報を生成できる。一般に工業用途など特殊用途ではロックダイアグラム画面で設計することができる。

(a) スキャン画面
図 13

処理データフロー実験結果

5.

前章で示したプロトタイプソフトウェアで幾つかのパラメータを調整しながら線状痕の検出を行う実験を行った。サンプルとして使用したのはプリント基板用(b) 線検出画面のソルダーレジストで 20µm 程度の目盛り位置から線上痕が目視によって確認されている。撮像幅は 35mm
に対し 1024 画素であり 1 画素あたり 34µm である。走行方向に対しては 300mm に対して 3000 画素とし 1 画
素あたり 100µm である。まず水平微分処理で縦線を検出し，次にモルフォロジ処理で縦線をサイズ弁別した。最後に２値化によってレベル弁別を行い線像検出(c) 生画像連続撮像
図 12

4.3.3

画面構成

ソフトウェアの構成と機能を行った。図 14(a) に元画像の溝部分，(b) に同縦線検出，(c) にサイズ弁別，(d) に２値化結果の例を示す。なお (b)(c)(d) は輝度を濃淡に変換し有意画素を濃色で示した。図中に目盛りは含んでいないが試行中には 17.5
〜20.0 の間に 3 本の線像を検出できた。

前述の開発環境によりプロトタイプソフトウェアの実装を行った。機能は，(a) 画像走査およびファイルへ

5.1

考察と課題

の録再，および (b) 線画像計測，(c) 光源・カメラ設定

縦線検出に関しては，線状痕の特徴と雑音成分は一の為の連続撮像である。図 12 にそれぞれの機能に応じ

般に空間的にも無相関であるという事実を利用して次た表示画面 (フロントパネル) を示す。各画面の切り替のモルフォロジー処理で雑音を除去している。サイズ

えは右上のタブコントロールの押下による。

弁別に関して，エッジフィルタ処理のあとモルフォロ

前述のように線状痕を検出することを目的としていジー処理で 10mm 未満の線分を排除した。判定サイズ

るので，まずは検出する痕の特徴から，縦筋であるこは反復パラメータで任意に指定できるが，判定サイズとおよび長さが 10mm 以上であることを考慮して，水を大きくした場合反復処理の都合上演算時間が長引い

平微分処理と数理形態学処理によって所定のサイズ以てしまうと言う問題があるが，現在の長さ 100 画素の上の縦線を抽出することとした。図 13 に LabVIEW の弁別では 1 画像（1024 × 3000 画素) の処理に 1 秒程

ブロックダイヤグラム画面を示す。画像バッファから表度であったため許容範囲内であった。

示までの間のデータフローが視覚的に表現されている。

レベル弁別に関しては，２値化の閾値を便宜的に 128階調とした。現在光源照度等の条件をそろえることとエッジフィルタ後にレベル補正を行うことにより固定の閾値で対応可能であると考えているが，被検体により適切な値を見極める必要がある。
また，今後は粒状痕の検出に適したアルゴリズムの開発を行う必要がある。

6.

結

言

(1) グラインドゲージによる分散性測定作業を自動化する試作装置の紹介を行った。掻き取り操作を自動化する掃引機構と読み取り行為を自動化する画像
計測回路からなる装置であり，作業者の負荷を手作業と視覚認識の両面から軽減することを目的としている。

(2) 機構系に関しては，一定の押し圧で定速掃引するス
ライダー装置で自動化できることが分かった。

(3) 光学系に関して，照明部と撮像部の配置等について検討し痕跡の視認性を高めることができた。今後の課題としては線状痕の検出に加え粒状痕の検出にも(a) 撮像元画像(b) 線検出処理(c) サイズ弁別処理(d) ２値化結果

適した照明形態を見出すことがあげられる。

(4) 画像処理系に関して，ソフトウェア処理で所定のサイズの線状痕を検出できることを確認した。

(5) 機器の個体差はもとより経時変化による偏差がなくなるようにシステム的あるいは運用的な仕組みが必要である。例えば粒径が既知な標準粒子 4),5) を混練した較正インキ2 などを用意して定期的に性能を一定に保つキャリブレーションを行う手順を定めるのが良いと考えられる。
参考文献
1)JIS K5101-5-2:2004 顔料試験方法 – 第 5 部: 分散性の評価方法 – 第 2 節: 分散度の変化による評価, (ISO8781-1 : 1990)

2)JIS K5600-2-5:1999 塗料一般試験方法 – 第 2 部: 塗料の性状・安定性 – 第 5 節: 分散度, (ISO 1524 : 2000)
3)JIS K5701-1:2000 平版インキ−第 1 部: 試験方法
4)JIS Z8901:2006 試験用粉体及び試験用粒子
5)NIST, “Data, Reference Materials, and Measurement
Methods”, http://www.ceramics.nist.gov/
ftproot/projects/AR05 DRM Ovrvu.pdf
2 Calibration を較正でなく校正と書く例が多いが，校正は印刷分

野で proof reading や color proof の意味で使用され校正インキと書くと色校正用のインキと紛らわしいためここではあえて較正を用いた。

図 14

画像処理結果

研究論文

ここちよい打音・打感のゴルフクラブに関する研究
中部

昇**

船山

智成*

酒井

智幸*

有吉

建*

菅家

章**

山崎

栄一**

今泉

祥子***

高井

光太郎*

Evaluation of Comfortableness of Impact Sound and Feel in Golf ClubNAKABE Noboru**, FUNAYAMA Tomonari*, SAKAI Tomoyuki*, ARIYOSHI Ken*, TAKAI Kohtaro*
KANKE Akira**, YAMAZAKI Eiichi** and IMAIZUMI Shoko***

抄

録プレーヤーの生体情報，すなわちボールを打ったときに聴こえる打音と，身体に伝達する振動に着目し，これを基にして打音，打感のここちよさを定量化する手法について検討した。打音の時間−
周波数応答から打音の快適性評価パラメータを提案し，官能検査結果と比較することによってその妥当性の検証を行った。また，ボール打撃時におけるシャフトの曲げひずみと手への伝達振動との関係
を実験によって調べ，シャフトの曲げひずみを計測することで打感の推定が可能であることを明らかにした。スイングロボットを用いボール打撃時におけるシャフトの曲げ，ねじれひずみを計測し，クラブ間での比較によって，打感評価がどのような特性に起因するかを把握した。

1．緒本研究では，プレーヤーの生体情報，すなわ

言

従来，ゴルフクラブの開発においては，飛距

ちボールを打ったときに聴こえる打音と，身体離の向上を目的とした高反発性の発揮が最重要に伝達する振動に着目し，これらと感性情報，項目とされており，これまでにもさまざまな材

クラブの機械的特性との関係を把握することに

1),2)。しかしながよって両者の関係を明らかにし，ここちよい打ら，平成 20 年の SLE ルール施行に伴い，今後音，打感を有するゴルフクラブの材料および構高反発クラブが規制されることから，反発性に造設計技術の構築を目的とする。本報ではボー基づく他社との差別化が困難となり，現在，こルインパクト時においてゴルフクラブが発するれに替わる市場優位性を得るための新たな付加

音響，振動特性を基にした，打音および打感を価値が求められている。打音，打感に関する快

数値化する手法について報告する。

料，構造設計が行われている

適性（ここちよさ）は反発性や方向性と並び重要視される特性であり，新たな付加価値となり

2．打音評価手法の検討得る機能といえる。しかしながら，これらはプ

打音に関して，プレーヤーの感性に適合しう

レーヤーの感性に依存する部分であるため，こる快適性評価パラメータを，音響特性から算出

れら感性情報と構造，材料などゴルフクラブのする手法を提案した。音響解析においては，一機械的特性との関連は明らかでなく，各メーカ

般にその音の周波数特性，すなわちどの周波数ーとも定性的な訴求に留まっているようである。

（高さ）の音が発生しているかに着目し，オク
ターブ分析などを用いて解析を行うが，衝撃音*

株式会社遠藤製作所

である打音においては，音の高さに加えてその**研究開発センター

長さ（音の伸び）もその評価において重要であ*** 下越技術支援センター

ると考えられることから，本研究では周波数応

表1
クラブ
A
B
C
D

実験に用いたゴルフクラブ
ヘッド体積
備考
415cc
SLEルール適合モデル
415cc
高反発モデル
460cc
SLEルール適合モデル
460cc
高反発モデル

インパクト

インパクト

60

60
40

A

20

振幅(%)

振幅(%)

40

0
-20

0
-20

-40

-40

-60

-60
-20

0

20

40

B

20

60
80
100
時間(msec.)

-20

インパクト

20

40

60
80
100
時間(msec.)

インパクト

60

60

40

40

C

20

振幅(%)

振幅(%)

0

0
-20
-40

D

20
0
-20
-40

-60

-60
-20

0

20

40

60
80
100
時間(msec.)

図1

-20

0

20

40

60
80
100
時間(msec.)

打音の時系列波形

答の時間変化に着目し，これを基に打音評価を

音のここちよさを数値化するパラメータ（以下行うこととした。

打音評価パラメータ）を算出した。
一方，対象となるクラブの打音に対し，ゴル

2.1

方法

フ経験者 26 名を用いて官能検査を実施し，そ実験には表 1 に示す，4 種類の特性の異なるの快適性について比較した。官能検査は SD 法クラブ（ドライバー）を用いた。ここで，シャと一対比較法の 2 種類を用いた。前者は音に対

フト，グリップは各クラブとも同一とした。シ

する様々な印象を点数付けすることによって，ングルプレーヤーに各クラブを用いて同一のボ

その特性を抽出するために用いた。また，後者

ールを打たせ，その打音を精密騒音計を用いては全体のうち 2 種類を抽出し，聴き比べてどち測定した。計測した各クラブの打音の時系列波

らが良いかを判定するもので，打音の嗜好の順

形を図 1 に示した。打音の時間―周波数特性の位付けに用いた。

解析にはガボールウェーブレットによる連続ウェーブレット変換を用いた。この特性を基に，

2.2

実験結果

「ここちよい打音」は「高周波音が低周波音に

図 2 に 4 種類の打音のウェーブレット解析結

かき消されずに残響する」との仮説を立て，打果を示す。グラフ横軸は時間，縦軸は周波数を

32000A

16000

B

周波数(Hz)8000
4000

72(dB)

2000
1000
500
32000
C

16000

D

周波数(Hz)

8000
4000
0

2000
1000
500
-20

0

20

40

80

60

100

-20

0

20

40

60

80

100

時間(msec.)

時間(msec.)

図2

打音の時間−周波数解析結果

それぞれ表しており，レベルの大きさは色の濃

A−D−Ｂ−C の順となり，官能検査結果とよ

淡で表示した。各クラブで特性を比較すると，く適合していた。以上の結果，本研究で提案しインパクト瞬間（時刻 0）付近においてはいず

た打音評価パラメータによって，打音のここちれのクラブとも同様の周波数特性を示すが，そよさの数値化を可能にした。

の後では，ピークを示す周波数帯やその減衰が異なることが観察された。これらから打音評価
能検査結果と併せて図 3 に示す。なお，これら撃時の振動（衝撃荷重）に起因すると考え，プはいずれも値が大きいほうがここちよい打音でレーヤーが打感を評価するにあたり，どのようあることを表す。打音評価パラメータはクラブ

な振動特性に起因するか，そのメカニズムを実

32
28
24
20
16
12
8
4
0

4

ひずみゲージ

3
2.5

加速度計

2
1.5
1
A

B
C
クラブ

打音評価パラメータ

図3

良い

3.5

官能値

打音評価パラメータ

パラメータを算出して比較を行った結果を，官

3．打感評価手法の検討
プレーヤーが感じる打感が，手に伝達する打

悪い

D

加速度検知
方向

官能値

打音評価パラメータと官能検査結果

図4

計測方法

験によって調べた。

リングした周波数成分の測定結果を図 6 および
図 7 に示した。これらを各クラブで比較するこ

3.1

打撃時における上肢への振動の計測

加速度計とひずみゲージを用いて，ボール打とによって，打感評価がどのような特性に起因するかを把握することができた。

撃時におけるゴルフクラブ（ドライバー）の振動がどのように手に伝達するかを調べた。加速度計は図 4 に示すように，ベルトを用いて手首に固定した。このとき加速度検知方向を掌背方と同一となるように設定した。シャフトの振動
計測はひずみゲージを用い，グリップ部近傍の，向の曲げ振動を測定対象とした。グリップを握った状態でゴルフボールをヘッドに衝突させ，そのときの加速度およびひずみ信号を，データ

ひずみ(µε)フェースと垂直方向，すなわちボールの衝突方

加速度応答

600

30

400

20

200

10
0

0
時間

-10

-200

ロガーを用いて測定した。

加速度 (m/s2)

シャフト曲げひずみ

向とし，ボール打撃に伴うシャフトの曲げ方向

-20

-400
100(msec.)

図 5(a)(b)にシャフトの曲げひずみおよび手

-30

-600

の加速度応答の時系列変化と，FFT を用いて算(a)時系列波形出した両者の周波数特性を示す。両者の周波数
25Hz 以上の領域でほぼ同様の傾向を示した。

105

いわれる

3)

，1500Hz の周波数領域でフィルタリングした結果，図 5(c)に示すように両者はよく対応していた。以上の結果から，シャフトの

104
103
102
101

曲げひずみ波形を計測し，その低周波のたわみ100を除いた成分を用いることによって，手に伝わ0る振動の特性，すなわち打感の推定が可能であ合のシャフトの曲げひずみを，表 1 に示す 4 種類のクラブで測定し，比較することによって，打感に影響を与える因子について検討を行った。
併せて，シャフトのねじれひずみも測定し，各クラブで比較した。測定例として，シャフトのひずみ(µε)ヘッド構造の差異におけるシャフトの曲

げ，ねじれひずみの比較
スイングロボットを用い，ボールを打った場

1500

150

15

100

10

50

5
0

0
時間

-5

-50

-10

-100
100(msec.)

-15

-150

(c)25-1500Hz 成分の時系列波形

曲げひずみ，ねじれひずみの時系列変化と周波数特性，および 25Hz から 1500Hz でフィルタ

1000

周波数(Hz)(b)周波数特性

ることが明らかとなった。
3.2

500

加速度 (m/s 2)

両者に対し，25Hz から手が感知できる上限とパワースペクトル

特性は，測定時のシャフトのたわみを除いた

106

図5

シャフト曲げひずみと手の加速度応答

＋

−
＋

−
インパクト

インパクト
1000

6000

100(msec.)

2000
0

時間

-2000

ひずみ(µε)ひずみ(µε)

4000
500
0

時間
-500

-4000

100(msec.)
-6000

-1000

106

106

105

パワースペクトル

107

105
104
103
102

ひずみ(µε)(a)時系列波形

101

102
103
周波数(Hz)

104
103
102
101

104

101

(b)周波数特性

インパクト

インパクト

2000

200

1000

100

0

時間
-1000

104

0

時間
-100

100(msec.)-2000

100(msec.)-200(c)25-1500Hz 成分の時系列波形
図6
4．結

102
103
周波数(Hz)(b)周波数特性

ひずみ(µε)パワースペクトル(a)時系列波形

シャフトの曲げひずみ計測例

言(1)「ここちよい打音」＝「高周波音が低周波(c)25-1500Hz 成分の時系列波形
図7

シャフトのねじれひずみ計測例

音の時間−周波数応答を基にした，打音の快適性評価パラメータを提案した。

音にかき消されずに残響する」との仮説を立(2)特性の異なる 4 種類のクラブの打音から評て，ウェーブレット解析によって得られた打価パラメータを求め，官能検査結果と比較した結果，両者はよく対応しており，これによ

参考文献って打音のここちよさを数値化することがで

1)岩壷卓三ほか, “高反発特性を有するゴルフク

きた。
(3)ボール打撃時におけるシャフトの曲げひず

ラブヘッドの設計に関する研究”, 日本機械学会講演論文集, No.00-38, 2000, p100-103.

みと手への伝達振動と関係を実験によって調

2)森山圭治ほか, “ゴルフクラブ，ゴルフボー

べ，シャフトの曲げひずみを計測することで，ルの固有振動数の初期条件に及ぼす影響”,

打撃によって手に伝達する振動，すなわち打日 本 機 械 学 会 講 演 論 文 集 , No.06-35, 2006,

感の推定が可能であることが明らかとなった。

p142-145.

(4)スイングロボットを用い打撃時の曲げ，ね
じれひずみを計測し，4 種類のクラブ間で比較することによって，打感評価がどのような特性に起因するかを把握することができた。

3)佐藤方彦監修, “人間工学基準数値数式便覧”,
技法堂出版, 1992.

実

用

小

規

ミ

ニ

研
模

共

同

究
研

究

研

究

研究論文

摩擦攪拌接合技術に関する研究
田辺

寛*

天城

和哉**

仁志**

折笠

岡田

英樹**

A Study on Friction Stir Welding of Magnisium AlloyTANABE Hiroshi *, AMAKI Kazuya ** , ORIKASA Hitoshi** and OKADA Hideki**

抄録

回転プローブを用いた AZ31B マグネシウム合金の摩擦撹拌接合を行い，製作した継ぎ手の機械的性質やミクロ組織等について検討を行った。摩擦攪拌接合による継ぎ手は，継ぎ手強さが接合母材の82％で，母材強度には達しなかった。また，プローブにより撹拌された部位は，結晶粒の微細化が確認され，プローブによるせん断応力の付与とショルダからの摩擦熱で動的再結晶を起こしたものと推察された。
1．緒

そこで，本研究では，軽量化材料として注目

言

近年，顕在化する環境問題から自動車や鉄道されるマグネシウム合金への摩擦撹拌接合の適

車両などの輸送機器の軽量化が求められている。

用と実用化への知見を得ることを目的に，技術また，輸送機器と同様にパソコンや携帯電話等の機能性について調査するとともに，その継ぎの携帯用電気製品も，その製品としての性質上，手の引張強さ，硬さ等の機械的特性や金属組織

常に軽量化が要求されている。製品の軽量化にの評価を行った。

は，製品設計を見直すとともに，構造材料を比重の大きい材料から比重の小さい金属材料に代

2．実験方法替することが効果を上げるため，実用金属中で2.1

最も比重の小さいマグネシウム合金が注目されている。
一方，接合分野においては，近年，アルミニ
ウム合金やマグネシウム合金などの低融点の金供試材

供試材は，大阪富士工業㈱製 AZ31B-O マグ
ネシウム合金で，板厚は 2.0mm の圧延材である。材料のミクロ組織を図 1 に示すが，大小の属で，溶融させずに接合する固相接合法に関心が集まっている。固相接合法には，大別して，拡散接合法，摩擦圧接法，摩擦撹拌接合法，常温接合法（冷間圧接法），爆発圧接法（爆着法），ガス圧接法，超音波接合法，電磁圧接法，
熱間圧接法 1)などがある。中でも，摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding, FSW）は，英国の The
Welding Institute（TWI）で発明され，特許出願
された新しい固相接合法であり，継ぎ手の機械的性質に優れ，熱による歪みが少なく，接合時の欠陥も生じにくい接合法として，すでに鉄道
車両や航空宇宙分野におけるロケットの燃料タ
ンクの接合に用いられ，実用化が進んでいる。
***

県央技術支援センター
県央技術支援センター

加茂センター
AZ31-O

図1

母材のミクロ組織

表1

母材の化学組成(mass%)

Al

Zn

Mn

Fe

Si

Mg

2.6

0.68

0.3

0.01

0.01

bal.

表2

間を設けた。引張試験片は，フライス盤にて表母材の機械的性質

引張強さ 0.2%耐力 伸び ビッカース硬さ（ MPa)（ HV）（ MPa) （％）
AZ31B-O

229

150

6.9

63

裏を平坦にした後に接合方向と直角に試験片を切り出した。引張試験片の寸法は幅 10mm×長
さ 94mm×厚さ 1.8mｍで，引張試験における試験速度は 0.5mm/min で行った。引張試験以外

等軸晶が混在する混合組織となっている。化学での継ぎ手の評価としては， 外観の評価，光組成を表 1 に，機械的性質を表 2 に示す。

学顕微鏡による組織観察，引張試験片の破断面の SEM 観察，接合断面のビッカース硬さの測

2.2

接合方法

定を行った。実験前の接合治具の外観を図 2 に接合には，万能フライス盤（㈱春日製作所示す。

RNC-80）を使用し，フライス盤のテーブル上に突き合わせ治具を固定して，供試材の長さ方

3.

実験結果

向が接合面となるようにした。回転工具は，焼

3.1

外観の評価

き入れを施していない高速度工具鋼により作製接合した継ぎ手の外観を図 3 に示す。工具回し，ショルダ径 20mm，プローブ部は直径 3

転数 400rpm では，ショルダから材料への入熱

mm×高さ 1.8mm のストレートプローブとした。

不足から溝状の欠陥が発生したが，800rpm かなお，プローブ部にはネジは施されていない。

ら 2000rpm の間では継ぎ手外観に欠陥は見ら接合に供する試験片の寸法は，幅 47mm×長

れなかった。図 3 において，工具回転方向は，

さ 140mm の矩形形状で，長さ方向が圧延方向

時計回りの方向であるが，接合方向と工具回転と平行になるように切断した。接合する端面は方向が逆であるリトリーティングサイド（写真フライス加工後に，＃500 のエメリー紙で研磨中の継ぎ手下側）でバリの発生が顕著となった。

し，エタノール洗浄して接合に供している。接合端面の表面粗さは，Ra 1.04µm 程度である。
接合する際の工具回転数は 400rpm，800rpm，3.2

引張試験の結果

摩擦撹拌接合を行ったマグネシウム合金の継1200rpm，1600rpm，2000rpm と変化させ，接ぎ手の引張試験結果を図 4 に示す。なお，工具合速度は 100mm/min と一定した。また，ショ回転数 400rpm の試験片は，前記の通り，溝状

ルダー部の試験片への挿入量は 0.05mm で一定
接合方向とし，工具挿入時は材料の予熱のため，ショル
ダーが試験片に接触した後に 30 秒間の保持時

400rpm800rpm1200rpm

1600rpm2000rpm

図2

接合治具の外観

図3

継ぎ手の外観

→

3.3

250

引張試験片の破断面の SEM 観察

引張強さ （MPa）

図 5 に工具回転数 1200rpm における引張試
200

験片の破断面における SEM 写真を示す。写真

150

上部に破断面の全体を示し，中段部の四角印を拡大したものを下部に表示した。下部拡大写真

100に示す様に，微細なディンプル形状が観察され，延性的な破断形態となっていることが分かる。

50
0
800

1200

1600

2000

工具回転数 （rpm）

図4

接合継ぎ手の引張試験の結果

3.4

継ぎ手断面のミクロ組織

図 6 及び図 7 に継ぎ手中央部（攪拌部）とTMAZ（熱機械的影響部）におけるミクロ組織
写真を示す。交差線分による結晶粒径の測定方法（直線交差線分法,JIS G 0552）により，マグの欠陥が発生しており，有効な試験結果を得る

ネシウム合金の母材の結晶粒径は，約 25µm でことができなかったため，図には表示していな

あるのに対し，図 6 で示される継ぎ手中央部

い。工具回転数が 800rpm から 1200rpm までは（攪拌部）における平均結晶粒径は約 10µm と引張強さが増加する傾向にあるが，1200rpm か

結晶粒の微細化が顕著に見られた。これは，回ら 1600rpm までは引張強さが減少し，1600rpm

転攪拌によりマグネシウムの結晶粒にはせん断から 2000rpm ではほぼ横ばいとなる。また，

ひずみが付与され，それらがショルダからの熱最大引張強さは，工具回転数 1200rpm で発生し，平均で 188MPa，最大では 200MPa が得られた。平均の引張強さを基準とした場合，継ぎ手効率は 82％となり，母材の引張強さには及ばなかった。

図5

引張試験片の破断面の写真

図6

継ぎ手中央部（攪拌部）のミクロ組織

図7

TMAZ 部（熱機械的影響部）のミクロ組織

で動的に再結晶した結果であると考えられた。
また，図 7 の TMAZ 部におけるミクロ組織では，矢印の方向に向かって，塑性流動が生じているものと考えられるが，その部位を中心に結晶粒の微細化が起こっていることが分かる。
3.5 継ぎ手断面のビッカース硬さ
図 8 に継ぎ手断面のビッカース硬さの分布を示す。図中の測定位置において，0 は突き合わ
せ位置，マイナス表記はアドバンシングサイド，
プラス表記はリトリーティングサイドを表している。図 8 から,マグネシウム合金母材のビッカ

図8100

接合後の断面の硬さ値は，すべからく高くなっ90ていることが分かる。これは前記のミクロ組織で示した通り，結晶粒の微細化の効果が現れたものと推察される。また，各工具回転数において，測定位置約-3.0mm の場所に硬さの低下が見

ビッカース硬さ ＨＶ0.1

ース硬さは HV63 相当（表 2）であるのに対し，継ぎ手断面のビッカース硬さ

80(2) 摩擦撹拌接合による継ぎ手の引張強さは，
70

工具回転数 1200rpm で最高となり，最大引60

張強さは 200MPa となったが，母材の強さ
50

サイド側の攪拌部と熱機械的影響部の境界で酸には及ばなかった。
800
1200
40
1600
2000
(3) 引張試験における継ぎ手の破断面は，微細化物層様の接合欠陥が形成されるため，引張試

なディンプルパターンが見られ，延性モー験の破断伸びの値が急激に低下するとの指摘がドの破壊形態を呈していた。

12.5

7.5

10.0

5.0

2.5

0.0

-2.5

-5.0

-7.5

-10.0

30

-12.5

られた。S.Lim ら 2)によれば，アドバンシング

測定位置(ｍｍ)ある。この硬さの低下については，明らかな接(4) 継ぎ手断面のミクロ組織では，攪拌部にお合欠陥であるとの判断はできなかったが，引張いて顕著な結晶粒微細化が見られた。

試験の破断もほぼ同じ位置で生じていることから考えて，硬度低下が原因となり引張強さが母材強さに及ばなかったものと考えられる。
4．結言

AZ31B マグネシウム合金の摩擦攪拌接合に

参考文献
1) 溶 接 学 会 編 ,“ 溶 接 ・ 接 合 便 覧 ”, 丸善,1990,465.
2) S.Lim,S.Kim,C.G.Lee,C.D.Yim and S.G.Kim,

ついて以下の知見を得た。

“Tensile behavior of friction-stir-welded AZ31-(1) AZ31B マグネシウム合金の摩擦撹拌による

H24 Mg alloy”, Metallurgical and Materials

接合は，容易に行える。

Transactions, 36A,2005,1609-1612.

研究論文

抽出 IR 法による樹脂中微量成分検出方法の確立
永井 直人*，五十嵐 晃*，林 成実*

A technique for detecting the ultra-low concentration materials in polymers
by infrared spectroscopy with extracting preparation
NAGAI Naoto*, IKARASHI Akira*, and HAYASHI Narumi*

抄

録

工業製品のトラブルの中には樹脂およびその周辺材料の微量成分が原因となるものがある。しかし，これまでの分析法では微量成分検出能と化学構造解析能とがトレードオフになっており，これらの微量成分の化学構造の推定が困難であった。本研究では化学分析能にすぐれた赤外分光顕微システムと抽出法を組み合わせることによって工業製品中の微量成分を検出・同定する検討を行った。抽出溶媒の種類や温度などを変化させた前処理で多様な微量成分分析が簡便に行える可能性が示された。

1. 緒

言

県内企業への分析支援の充実を図ることができる。

樹脂の変色や溶剤等によるクラック発生(いわゆるソルベントクラック)は工業製品において多2. 赤外分光分析の概要と本研究の背景

発するトラブルのひとつである。これらは樹脂中

赤外分光分析は波長 2.5µm〜15µm 程度の光をに存在する添加剤の変質や外部からのオイルや微物質に照射すると，物質を構成する成分の分子振

量成分の混入によって引き起こされることが多い動に対応する波長の光が吸収されることを利用しが，その原因究明は一般には容易ではない。クロて，物質の化学構造を推定することができる分析

マトや質量分析を使った手法は微量成分検出に向手法である。その特徴は以下のようにまとめるこ

いているが，溶解する必要があること，また実際とができる。

にデータが得られた場合でも質量数などから原因物質を同定するのは多くの労力を要し，さらに分子量が大きい物質ではその解析が困難になるなどの問題点がある。一方，赤外分光法（IR）は従来(1)物質の化学構造が分かるため，トラブルなどの原因究明に利用することができる。
(2)多様な測定モードがあり，表面分析や微小部分析などとして利用することができる。

から簡便に物質同定が行えることから，広くトラ(3)原則非破壊である。

ブル解析に用いられている手法であるが微量添加

以上の特徴は工業製品のトラブル解析で極めて剤成分を検出するだけの感度がなかった。
そこで,重要なメリットをもつ。
例えば，
蛍光 X 線や EPMA

抽出法を工夫し，微量成分でも分析が可能な顕微（Electron Probe Micro Analyzer）などでは元素情報

赤外分光法と組み合わせることによって樹脂変色しか得られないことから，ある物質から炭素，酸や割れ原因究明の分析手法を確立するための基礎

素，ケイ素が検出された場合，その材料がシリカ検討を行った。本技術が確立されることによって（酸化ケイ素）なのかシリコーン（ポリジメチル*

下越技術支援センター

シロキサン）なのか判別するのは困難である。さらにシリカの表面にシリコーンが付着している場の測定モードを利用してバルクのみならず表面を合などは元素分析では判断不可能であるが，赤外も選択して化学構造解析ができる手法である。

分光分析ではこのような評価が可能である。

しかしながら，一般に赤外分光分析の検出感度

赤外分光の中でも材料表面を分析でき汎用性のは 1〜0.1％の範囲と言われており，特に混合物に高い ATR 法（Attenuated Total Reflection: 全反射減なると，解析は熟練を要するため，試料の中の微衰法）の光学系を図１に示した。屈折率の高いプ

量成分測定に赤外分光分析を利用するケースは少リズムを通して入射角を大きくとって赤外光を入なかった。

射させるとプリズム表面で全反射の現象が起こり，
光はほとんど検出器に入っていく。しかし、実際

0.20にはプリズム表面から波長の 1/10 程度までの距
み電場と称する）。
このしみこんだ電場の領域に試料が置かれると、密着された試料の表面約 1µｍ深さの領域のシグナルを得ることができる。これが表面分析手法としての測定モードのひとつである

0.15
Absorbance

離にわずかに電場が存在している（それをしみこ

0.10

ATRスペクトル

×１０0.05
ATR転写スペクトル

ATR 法の原理である。この ATR 法の派生モード

4000

で材料表面の分析によく使われる方法として

図 2 ポリエチレンの ATR スペクトルとATR 転写法がある。これは ATR 法で試料表面の

3500

3000

2500

2000

1500

1000

-1)
Wavenumber (cm(cm-1)
Wavenumber

ATR 転写スペクトル分析を行ったのち，サンプルをはずして，再びプリズム表面には何も密着させない状態で測定する

3. 抽出 IR 法

手法で，これによって試料の表面に付着している

一般に，試料を溶解しない溶媒を用いてソック

成分のみがプリズム表面に転写されてシグナルとスレー抽出し，抽出された成分に対して種々の分して得られるのである。

析を行うことで材料の微量添加剤に関する知見を得ることができる。しかし，これには試料の量がATRプリズム

かなり必要であり抽出の手間もかかるという問題があった。これに対し，最近の高感度な赤外顕微

θ

分光装置を用いれば，わずかな抽出量で化学構造n1dp ：もぐり込み深さn2（penetration depth）

解析が可能なのではないかと予想される。したがって，もし，わずかな量でも材料の検出・解析が試料

n：屈折率 n1＞ n2可能であるならば，試料を溶媒で浸しておく程度

図 1 ATR 法の原理図
図 2 には例として軟質ポリエチレンの透明な袋を ATR 法で測定したスペクトルと ATR 転写法によって得たスペクトルを示した。ATR 法ではポリエチレンの炭化水素の吸収が主に観測され，滑剤である脂肪酸アミドの吸収がわずかに認められている。一方，ATR 転写法では滑剤のシグナルのみが認められている。このように赤外分光法は種々

図 3 顕微赤外分光システム

1.2を用いて抽出し，多くの成分を明らかにするほう

1.0が，工業材料の分析の観点からは有利であると考

0.8

えられる。
図 3 には総研で保有している顕微赤外分光シス

Absorbanceの抽出量で分析が可能となり，むしろ種々の溶媒

0.6
0.4

エポキシ（エタノール抽出物）

テムを示した。左側が顕微システムで右側が分光

0.2

システムである。

0.0

図 4 には図 2 で示した軟質ポリエチレンの袋を水，アセトン，およびベンゼンで一晩浸した後，塩ビ（エタノール抽出物）

4000

3500

3000

2500
2000
Wavenumber (cm-1)(cm-1)
Wavenumber

1500

1000

図5 塩ビおよびエポキシの抽出IR スペクトル

その液をそれぞれとけい皿にとり，溶媒を飛ばした後に残分として残る抽出物の赤外吸収スペクト

4. 樹脂以外への応用

ルを示した。スペクトルのシグナル強度は抽出物

4.1 グリースの分析の同定が行えるほど十分であること，また，スペ樹脂の破断などのトラブルにおける原因の一つ

クトルパターンの違いから溶媒によって抽出物がに，ソルベントクラックがある。これは樹脂が長異なることが分かる。実際，水抽出の場合は，カい間，オイル，食品，グリースなどに接触していルボン酸，カルボン酸塩，炭酸塩，ケイ酸塩が，ると，樹脂の非晶領域にそれらが入り込み機械的

アセトン抽出の場合は脂肪酸アミドのほかにエス強度が著しく減少し破断に至ってしまう現象であテルも検出されている。それに対してベンゼンでる。ソルベントクラックの特徴は破断面がきれい

は主にパラフィンが検出され，わずかに脂肪酸ア

な鏡面である点で，破断面を丹念に分析すると浸ミドも認められている。

透成分を検出できる場合がある。しかしながら，その浸透成分が必ずしも，オイルや食品そのものではなく，その中のわずかな添加剤の一部である
場合が多い。したがって，ソルベントクラックを

0.3

Absorbance引き起こしている疑わしい候補品がある場合は，0.2 水抽出

破断した樹脂の破断部を抽出して分析すると同時に，候補品に対しても抽出成分の分析を行い組成0.1 アセトン抽出

成分を把握しておく必要がある。図 6 には 2 種類

ベンゼン抽出のシリコーングリースに抽出 IR 法を試みた結果

0.0
4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

Wavenumber
Wavenumber (cm-1)(cm-1)

図 4 ポリエチレンの抽出 IR スペクトルを示す。グリース A のアセトン抽出物はほとんど
シリコーン成分のみであるが，エタノール抽出し1.6

図 5 は塩化ビニルおよびエポキシをエタノール

1.4

抽出した後の IR スペクトルである。
塩ビで認めら
由来である。エポキシでは脂肪酸アミドが認めら

1.2

Absorbance

れる成分はフタル酸エステルのシグナルで可塑剤

グリースＡ（アセトン抽出）

1.0 グリースＡ（エタノール抽出）
0.8

れるが，これはエポキシ樹脂をポリエチレン袋に0.6 グリースＢ（水抽出）入れて長い間保管していたために樹脂に付着して0.4いた成分が抽出されたのではないかと考えている。

グリースＢ（メタノール抽出）
0.2
4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

Wavenumber
Wavenumber (cm-1)(cm-1)

図 6 グリースの抽出 IR スペクトル1.0

たものはシリコーンのほかに金属石鹸のカルボン

ATRスペクトル

0.8

酸塩も認められている。一方，グリース B ではメ
るが，水抽出したものでは炭酸塩やアミンなども

0.6
Absorbance

タノール抽出したものはシリコーン成分のみであ

水抽出

0.4

認められている。
0.2

4.2 木片の分析
天然物の分析には抽出液を GC/MS にかける評
価がよく行われる。しかし，この分析は比較的分

熱水抽出
0.0

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

Wavenumber (cm(cm-1)-1)
Wavenumber

図 7 木片の ATR スペクトルと抽出 IR

子量の小さい成分に限られている。IR では抽出固スペクトル化した分子量の大きな成分を分析することができる。図 7 には天然物である木片を測定した結果を5. 結示した。ATR 法による測定ではセルロースの吸収(1) 工業製品のトラブル原因究明のために樹脂おスペクトルが認められている。一方，この木片をよびその周辺材料の微量組成成分の検出と化水につけて抽出したものからはカルボン酸および学構造解析を目指した抽出 IR 法を検討した。

カルボン酸塩のピークが認められる。さらに，水(2) 本手法のポイントは高感度な顕微赤外システ

熱抽出ではそれ以外に芳香環を含む成分（1500 おムを使うところにあり、多様な溶媒や処理温度-1

言よび 1600cm の鋭いピーク）が認められ，抽出溶によって多くの微量成分を簡便に分析できる媒の温度によって取り出される成分が異なること点が特徴である。

が示唆される。すなわち，目的によって抽出温度も重要なパラメータになることがわかる。

研究論文

透き目柄出し製織技術の開発
三村

古畑

雅弘*

家坂

邦直*

小海

茂美*

和弘*

松本

好勝*

橋詰

史則*

本田

崇**

Development of Weaving Technology that makes Partially Transparent Textiles
FURUHATA Masahiro*, IESAKA Kuninao*, KOKAI Shigemi*
MIMURA Kazuhiro*, MATSUMOTO Yoshikatsu*, HASHIZUME Fuminori* and HONDA Takashi**

抄録

三角形状の切り欠き凹部を持つ筬羽（おさは）15 枚程度を一群とし，それらを和装織機筬全幅にわたり配設する装置を作製した。そしてそれら筬羽群を任意に上下位置決め制御することにより，織物に部分的な密度変化を持つ柄を創出する新規製織技術を開発した。試作織機による製織試験の結果，平織組織においても立体的な凹凸感のある織物の製織が可能となり，また従来のドビー機やジャカード機を併用することにより，新感覚の高付加価値織物の製造が可能となった。

1.

緒

言

本研究では，従来から使用されている小幅和

中国や台湾などの途上国企業の台頭や人口減

装織機の筬羽に切り欠き凹部を設け，織物の密による国内市場の縮小などにより，県内織物産

度を任意に変化させて，複雑で多種多様な柄を地の生産量が減少している。こうした状況の中，創出可能にする方法を確立した。

産地では「量から質への転換」，国際競争力を持ったオリジナリティのある高付加価値商品の開発が急務となってきている。
そこで本研究では，産地活性化に向けた新たな技術シーズの取り組みとして，透き目柄出し

3.

筬打ち機構

今回開発した緯糸の筬打ち機構を図 1 に示す。
通常筬羽では，緯糸は常に平行に打ち込まれるが，切り欠き凹筬羽を使用した場合，凹部では（密度可変織物）製織技術について研究を行っ
経糸

た。
2.

密度可変織物

緯糸
緯糸

密度変化を利用した従来の方法としては，特殊なよろけ筬を上下動させる経よろけや，波状経糸

筬羽＜織前から見た場合＞＜横から見た場合＞＜通常筬羽＞の立体的な筬を使用したり，経糸の張力変化を利用した緯よろけなどが実用化されているが 1)，
これらの多くは，パターンの周期的な変化を創り出すことはできるが，密度を任意に変化させることは不可能であった。

＜織前から見た場合＞*

素材応用技術支援センター**

研究開発センター＜横から見た場合＞

＜凹筬羽＞

図1

筬打ち機構

筬羽

緯糸は切り欠き深さ分だけ通常より筬打ち量が少なく，この部分だけ緯糸が曲がり，密度が変化（隙間が発生）する機構である。
4.

製織装置の開発

4.1

装置の概要

開発した装置の構成概要を図 2 に示す。筬羽

図3（セレクタ）を制御するエアシリンダー，ロータリーエンコーダ，装置全体を制御する PLC
（プ

4.1.2

筬羽の切り欠き加工

筬羽のセレクタ化によるブロック化

ログラマブルロジックコントローラ），エアシリ

図 4 に筬セレクタの概略を示す。織機の取付ンダーを作動させるエアコンプレッサ，各種動スペースを考慮し，切り欠き筬羽 15 枚を 1 組と作設定を行なうタッチパネルからなる。柄デー

してブロック化し，上下部セレクタで可動する

タは，PC で作成し，コンパクトフラッシュカー

筬を規定した。筬全幅で 44 セレクタ配設した。

ドを介して，PLC のメモリに書き込む。
エアシリンダーを動作させるタイミングは，織機のクランク軸に取り付けたロータリーエン
コーダからの信号で決定し，約 35°～85°で変更を行なっている。

なお，１セレクタあたりの織物幅は約 10mm となっている。
4.1.3

筬羽の位置決め制御

各セレクタごとにエアシリンダーで筬セレク
タを上下 5mm 可動するように位置決め制御し，
筬セレクタが上位位置に来たときに，緯糸が凹

4.1.1

筬羽の加工

部に入るように設定した。

筬羽は 60 羽/鯨寸を使用し，これに長さ 4mm，
深さ 2mm の切り欠き加工を施した。加工部のバリによる糸の損傷が発生しないように，最後に研磨を施している。加工後の筬羽を図 3 に示す。
上部筬セレクタ筬羽織ﾛｰﾀﾘｰｴﾝｺｰﾀﾞ

機

筬ガイド

ｸﾗﾝｸ軸
筬

ｴ ｱ ｼ ﾘ ﾝ ﾀ ﾞｰｴ ｱ ｺ ﾝ ﾌ ﾟﾚ ｯ ｻ

ＰＬＣ

ｺ ﾝ ﾊ ﾟｸ ﾄ ﾌ ﾗ ｯ ｼ ｭ
ｶ ｰ ﾄﾞ

5mm
下部筬セレクタ

エアシリンダーﾀ ｯ ﾁ ﾊ ﾟﾈ ﾙ

図2

装置の概要
図4

セレクタの概略

4.1.4 筬ユニットの作製作製した筬ユニットを図 5 に示す。小幅和装

デ ー タ読み 込 み織機に取り付ける場合は，従来の織機筬部と開ス ター ト行の セ ッ ト

発した筬ユニット全体を取り替える構造となっ
ている。
4.2

デ ー タと織 機 の
位置の確認

不一致

PLC制御プログラム

PLC プログラムの概要を図 6 に示す。PC で一致作成した柄データを書き込み後，スタート行の運 転 モ ー ドへ切 り替 え

設定を行ない，運転モードに切り替える。織機を動作させるとメモリから柄データを読み取り，織機の動作方向の確認

クランク軸のタイミングに併せてエアシリンダーを動作させる。糸切れなどのトラブル時には，
タッチパネルでデータ行を再セットすることで正回転修正した糸の本数分のデータを戻すことができ

デ ー タを 演 算 処 理

逆回転る。また作業状況はメモリに自動保存しており，エ ア シ リン ダ ーを 動 作

任意のタイミングで作業の中断・再開が可能である。図 7 にタッチパネルの表示例を示す。メ

緯 糸 の 数 を イン クリメン ト

インメニュー，位置表示，データ変更などの機能ごとに画面構成されている。
4.3

問題発生

柄データ作成プログラム

ＮＯ

データ作成プログラムは，表計算ソフト
ＹＥＳ

EXCEL の VBA により作成しており，柄データ

設 定 モ ー ドへ切 り替 えを容易に作成することが可能となっている。図
8 に柄データの一例を示す。1 マスは 1 セレクタの動きを示しており，白マスは筬セレクタが下

図6

ＰＬＣプログラムの概要

位位置にある状態，すなわち通常筬打ちをする
位置，黒マスは筬セレクタが上位位置，すなわ
ち凹部で筬打ちを行う位置である。実際の製織(a) メインメニュー画面(b) 位置表示画面(ｃ) データ変更画面

図5作製した筬ユニット

図7

タッチパネルの表示例

では，凹部で筬打ちを数本繰り返しただけでは，
次の通常筬打ちで密度変化（隙間）が消滅してしまう可能性がある。これを防止するため，柄データをコンパクトフラッシュカードに出力するときに，糸種や番手，緯糸打ち込み密度により，1 マスが緯糸何本に相当するのか緯糸の繰り返し本数を設定し，実際の製織データに変換
して製織している。
5.

製織試験
開発した装置を小幅和装織機に取り付け，製織試験を実施した。素材は経緯糸とも絹を使用■■■■■■ ■■■■■■■■■ ■■■■
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柄データの一例

し，織機回転数は約 150rpm で製織した。その状況を図 9，10 に示す。筬セレクタが上位位置にあるときの切り欠き凹部形状や凹部での緯糸の曲がっている様子が確認できる。実際の製織サンプルを図 11 に示す。組織は平織であるが，柄データどおりの密度変化（隙間）が創出されており，かつ立体的な凹凸感がよく現れている。
また製織後に仕上げ加工を行っても，この密度変化（隙間）が消滅することなく，逆により凹
凸感が際立つことが確認されている。なお，当該サンプルは，第 44 回全国繊維技術交流プラザに出展し，優秀賞を受賞し，好評を得た 2)。
6.

結

図9

製

織

言

小幅和装織機に，下記機能を持たせた透き目
柄出し装置を開発し，その製織技術を確立した（図 12）。
(1) 筬に切り欠き凹部を設け，これを電子制御することで，緯糸に密度変化をもたせることが可能となった。従来と全く同じ作業感覚で製織が可能である。
(2)

平織等単一組織においても，立体的な凹凸感を持つ柄を表現することが可能となった。

(3)

従来のドビー機やジャカード機と併用し，より変化に富んだ付加価値の高い織物の製織が可能となった。

(4)

小幅和装織機については，すぐに実用化が可能である。

図 10製

織（拡大図）

(5)本研究の成果について，特許出願済みである。
［発明の名称］
密度可変柄出し装置並びに密度可変柄出
し織物の製造方法［出願番号］
特願 2007-15510

参考文献

1)

繊維辞典刊行会，“モアールおさ”，繊維辞典，1951，p1274.

2)

全国繊維工業技術協会，“透き目地紋変わり着尺”， 繊維加工技術の歩み(2006)，第32 巻，2007，p17.

図 11

製織サンプル（仕上げ加工済み）

図 12

完成した透き目柄出し装置

ステンレス薄板の微細切断に関する研究
小林

豊*

陽一郎*

伊関

Micro Cutting of Stainless Steel Sheet
KOBAYASHI Yutaka* and ISEKI Yoichiro*

抄録ステンレス薄板の高精度・微細加工技術を確立するために高エネルギー密度レーザ光であるファ
イバーレーザを使って切断実験を行い，加工条件が加工品質に与える影響を確認した。また，条件を最適化することにより 20µm 程度の幅で切断できることを確認した。

1. 緒言
現在，金属薄板に微細な切れ目を形成する方のシングルモードの高密度エネルギー光を発生することができる 4)。発振原理を図 1 に示す。

法としてはレーザ切断 1)，ケミカルエッチング，
外部コア

電鋳 2)などの方法が用いられているが，これら内部コア（レーザ媒体）の加工方法には加工精度が出ない，工程が多く時間がかかる，価格が高い，などの課題がある。
さらに，近年，より微細な加工精度が求められ

励起光
ポリマークラッド

るようになっており，新たな加工技術の開発が

図 1 ファイバーレーザの発振原理期待されている。本研究ではエネルギー密度が高く微細加工への応用が期待されているファイ
3)

レーザー出力3. 実験方法

バーレーザ を使ったステンレス薄板の切断加ファイバーからコリメート光として照射され工実験を行いその実用化の可能性を検討した。

たレーザ光はエキスパンダーでビーム径を拡大した後，レンズで集光される。ビーム径は計算

2.

ファイバーレーザ

値で約 10µm であるが実際にはレンズの収差にファイバーレーザは励起，発振，伝送を全てより若干大きいと考えられる。発振器は 5 軸のファイバーの中で行うシンプルな構造であり，加工機に取り付けられており，レーザ光を照射

もともとは通信用途に開発されたが，近年大出しながらワークを移動して切断加工を行えるよ力化が進み，微細加工用途や既存のレーザの代うになっている。なお，戻り光による発振器の3)替として注目されている ｡発振用ファイバーは破損を防止するためにレーザ光は加工材料に対ダブルクラッド構造をとり，外側クラッド層にし 10 度傾けて照射した。実験に使用した発振導入された半導体レーザにより中央部の内部コ

器・光学系の仕様を表 1 に，測定系を図 2 に示アを励起してレーザ光を発生する。微小径の内す。

部コアの中を伝達することで優れたビーム品質
4. 実験結果*

中越技術支援センター

加工条件が加工品質に与える影響を調べるた
めに，アシストガスの圧力と加工速度を変化さ

70

表 1 発振器・光学系の仕様
シングルモードファイバーレーザー
RedPower(SPI社製)
最大出力50W（連続波/変調波）
波長1090±5nm
ビーム品質M 2 <1.1
光学系

焦点距離40mm
エキスパンダー4倍

空気
窒素

60
50
切断幅(mm)

発振器

40
30
加工条件
材質 SUS304(板厚 70μm)
出力 50W(連続波)
加工速度 1000mm/min

20
10
0

5 軸加工機

0
コリメータ

200
400
アシストガスの圧力(kPa)

600

光学系

図 3 アシストガスの圧力を変えたときの切断幅の関係

ノズル

約 20µm加工冶具

図 2 測定系
表せて切断幅を測定した。図 3 にアシストガスの圧力を変えたときの切断幅を測定した結果を示す。比較のためアシストガスに空気と窒素を使

裏(a)空気を使用した場合の切断面（加工速度 1000mm/min，出力 50W，圧力 500kPa）って測定を行った。また，ガスボンベの圧力調
約 40µm整弁の制限から空気は 500kPa，窒素は 400kPaを上限とした。加工後の切断面を観察すると切断幅は均一ではなく一定のばらつきを持っているため，最もばらつきが少ないと思われる位置

表で測定した。空気，窒素ともにアシストガスの圧力が高くなるに従い，切断幅が小さくなる傾裏向が見られる。ガスによって高温のドロスが吹(b) 窒素を使用した場合の切断面（加工速度 1000mm/min，出力 50W，圧力 400kPa）

き飛ばされることや材料そのものが冷却される

図 4 切断幅が最小のときの切断面の写真ためと考えられる。切断幅は空気と窒素を比較70であった。今回の測定系ではビーム径が 10µm60程度であることから妥当な数値と考える。

50

図 4 に切断幅が最小になったとき（アシスト
ガスの圧力が空気は 500kPa，窒素は 400kPa）の加工面の写真を示す。空気の場合，表面に変色

切断幅(mm)

すると空気のほうが小さく，最小値は約 20µm

4030

した熱影響部がみられる。また，切断部の内側

20に材料の溶融物が残っており窒素に比べ切断幅10は小さい。窒素の場合は熱影響部は少ないが裏0側に付着するドロスの量は空気の場合に比べて多くなっている。
図 5 に加工速度を変えたときの切断幅を測定した結果を示す。アシストガスに空気を使用し

空気
窒素

加工条件
材質 SUS304(板厚 70μm)
出力 50W(連続波)
アシストガス圧力 250kPa

0

2000
4000
加工速度(mm/min)

0 は切断不可を表す

6000

図 5 加工速度と切断幅の関係

た場合と窒素を使用した場合ともに加工速度が加工後の切断粗さ，変形量の測定など，さらに3000mm/min 程度までは加工速度が上がるに従詳細な検討を行うことで，従来法にくらべ加工

い切断幅が増加している。切断面を観察すると精度の向上，加工時間の短縮が期待できると考加工速度が上がるにつれてドロスの付着が多くえる。

なり加工面が荒れていることからドロスの除去が不完全で高温のドロスが付着し周囲が溶解するためではないかと考える
5. 結

言

最大出力 50W のシングルモードファイバーレ
ーザを使用してステンレス薄板の切断実験を行い，加工条件の影響を調べた。アシストガスの圧力を高くすることで切断幅は減少した。加工速度が上がるに従い，加工面が荒れ，切断幅は増加した。また，アシストガスに空気を用いた
ほうが窒素に比べ切断幅は小さく，約 20µm で加工が可能であることを確認した。今後，測定系の制約から今回行えなかった条件での測定や，

参考文献
1)川澄弘道，”レーザー加工技術”，CMC テキ
ニカルライブラリー，36-452)表面処理対策 Q＆A1000 編集委員会，”表面処理対策 Q＆A1000”，(株)産業技術サービ
スセンター，948-954
3)宮本勇, “ファイバーレーザーの応用”，溶接学会誌，72，8，2003，13-17
4)前田純也他，”ファイバーレーザー用ダブル
クラッドファイバーの開発”，応用物理学会
誌，73，11，2004，1450-1451

技術レター

鏡面光沢度の測定方法に関する研究
今泉

祥子*

須田

孝義*

牧野

斉*

Measurement of Specular Glossiness using Spectrophotometer
IMAIZUMI Shoko* , SUDA Takayoshi* and MAKINO Hitoshi*

抄

録

分光光度計を用いて鏡面光沢度を相対的に測定する方法を検討する。本研究では，分光光度計を用いて日本工業規格（JIS）に規定された角度における鏡面反射率を測定し，その測定値を鏡面光沢度に変換する。さらに，光沢度計で測定した値と比較し相関を評価する。

1．緒言

5 つの入射角に対応した鏡面光沢度の測定方法

一般に，物体に光が入射すると，光は物体表を検討した。具体的には，分光光度計により分面で反射，透過および吸収される。反射には，

光鏡面反射率を測定し，その測定値から鏡面光

鏡面反射と拡散反射の二種類がある。前者は，

沢度を算出する。なお，測定値は，鏡面光沢度

光が物体表面に入射する角度と反射する角度がの絶対値ではなく相対値である。

等しい反射であり，後者はそれ以外の反射である。両者の比率は物体表面の粗さに関係する。

2．鏡面光沢度の測定方法

ガラスや金属表面のように平らな面においては

2.1

JIS 規定の測定方法の種類

鏡面反射率が高く，紙や塗膜のように粗い面にJIS Z 87411)では，入射角 85°，75°，60°，45°

おいては拡散反射率が高くなる。したがって，

および 20°の 5 種類の測定方法を示している。

鏡面反射率が高いほど，その物体は光沢がある

これらには，それぞれ適用範囲があり，入射角と認識される。

60°による光沢度が 10 以下の表面は 85°で，70

日本工業規格（JIS）には，鉱工業製品の平を超える表面は 20°で，それぞれ測定すること

滑な表面における鏡面光沢度の測定方法が定めが規定されている。本研究では，入射角 60°にられており，試料表面の鏡面反射率と，基準とよる光沢度が 70 を超える表面を対象とし，入なるガラス表面の鏡面反射率との比によって求射角 20°による光沢度を適応するものとする。

められる。
JIS に規定されている鏡面光沢度の測定方法

2.2

測定装置

では，光沢の度合いによって，入射角が 5 つに

図 1 に鏡面光沢度測定装置の概念を示す 1)。

区分されている。しかしながら，下越技術支援

光源から規定された入射角 θ で試料表面に光をセンターが所有する光沢度計 PG-1M（日本電入射し，鏡面反射方向に反射角 θ’で反射する

色工業㈱製）では，3 つの入射角でしか測定す光を受光器で測定する。

ることができない。そこで，本研究では，分光光度計 MCPD-100（大塚電子㈱製）を用いて，

2.3

JIS 規定の鏡面光沢度の基準

可視波長範囲全域にわたって，屈折率が一定* 下越技術支援センター

値 1.567 であるガラス表面を基準とし，規定さ図1

鏡面光沢度測定装置の概念
図2

表1

分光光度計 MCPD-100

鏡面反射率ρ0(θ)と入射角θとの関係
また，式(1)におけるρ(θ,λ)は試料の屈折率

θ

20°

45°

60°

75°

85°

を用いた計算値であるが，本研究では，このρρ0 (θ)

0.04910.05970.10010.2646

0.6191(θ,λ)を分光光度計による実際の測定値ρV(θ,λ)に置き換える。以上より，A 光源を使用し1)

れた入射角 θ での鏡面光沢度を 100 ％と表す 。

た場合の鏡面光沢度 G’S(θ)は，式(2)のように

表 1 に，基準となるガラス表面の鏡面反射率表される。

ρ0(θ)と，入射角 θ との関係を示す。
2.4

G ' S (θ) =鏡面反射率から鏡面光沢度への変換∫ S (λ)V (λ)ρ (θ,λ) d λ ⋅ 1 × 100∫ S (λ)V (λ) d λ ρ (θ)
Av

A

JIS Z 87411)では，鏡面光沢度の算出方法を定(2)0めている。JIS で規定される標準光源は，色温度が約 6504 K の昼光 D65 光源であるが，本研

3．鏡面光沢度の測定と評価

究では，色温度が約 2856 K の白熱電球の光 A

3.1

測定条件

光源に近い光源を用いている。A 光源を用いた測定機器は， A 光源を有する分光光度計で測定値は，D65 光源を用いた測定値と比較して，ある（図 2）。測定波長範囲は 400〜700 nm で，大きな誤差は生じないとされている

2)

。本研究

では，JIS に準拠した次の算出方法を使用する。
JIS における鏡面光沢度 GS(θ)は，10 nm 刻みで測定する。測定試料は板状のマグ
ネシウム合金 AZ31 に電解研磨を行った 10 枚について実施する。これらの試料は，あらかじめ光沢度計による入射角 60°での光沢度がい

G S (θ) =∫ S (λ)V (λ)ρ(θ,λ) d λ ⋅ 1 × 100∫ S (λ)V (λ) d λ ρ (θ)
D

D

(1)

0

ずれも 70 を超えることを確認している。したがって，2.1 節で述べたように，入射角 20°で測定する。また，分光光度計による測定値の相で求められる。ここで，SD(λ)は D65 光源の相対分光分布，V(λ)は分光視感効率

3)

，ρ(θ,

関を評価するために光沢度計による測定値と比較する。

λ)は入射角における分光鏡面反射率である。
しかしながら，本研究で用いる光源は A 光源
で あ る こ とか ら ， 相 対分 光 分 布 には ， JIS Z
4)8720 に基づき，A 光源の分布 SA(λ)を用いる。

3.2

測定結果と評価

分光光度計により測定した分光鏡面反射率の結果は図 3 のとおりである。図 3 の分光鏡面反90

果と，光沢度計により測定した結果を図 4 に示80す。同図から絶対値には一様に 600 程度の差異

70が生じるが，全体として相似した形をとっていることから，ある程度の相関を有すると評価で反射率 ( % )射率を，式(2)により鏡面光沢度に変換した結

きる。

試料1

試料2

試料3

試料4

試料5

試料6

試料7

試料8

試料9

試料10

60
50
40
30
400

4．結
(1)

450

500

言

分光光度計を用いて，JIS に基づいた相対

図3550
波長 ( nm )

600

650

700

分光鏡面反射率の測定結果

的な鏡面光沢度の測定方法を実現した。
(2)

光沢度計による測定値と比較し，相関をを明らかにした。

1800
1600
1400
1200

1)

1000

“鏡面光沢度―測定方法”，JIS Z 8741，
1997，pp.1-4．

2)

蓮 沼 宏 ， “ 光 沢 ” ， コ ロ ナ 社 ， 1965 ，“光学技術ハンドブック

800
600

pp.99．
3)

光沢度

参考文献

分光光度計
光沢度計

400
200
0
1

増補版”，朝倉

2

3

4

5
6
測定試料

7

8

9

10

書店，1975，pp.316．
4)“測色用標準イルミナント（標準の光）及
び標準光源”，JIS Z 8720，2000，pp.5．

図4分光光度計および光沢度計による鏡面光沢度の測定結果の比較

技術レター

マイコンによる自動化支援キットの開発
木嶋祐太*

Development of device for automation support with microcontroller
KIJIMA Yuta*

1.

緒

言

製造の自動化（効率化），製品の高付加価値化へ向けて，県内企業の取り組みが行われている。
近年，コンピュータの小型化，高性能化，低価格化に伴い，様々なものにコンピュータが取り入れられ高機能化を実現している。マイコン等を用いると，ネットワーク，アクチュエータの制御，センシングといった機能が簡単に製品
図1に実装できるようになった。

ペレットストーブ

そこで，自動化，高付加価値化に対しての県
内企業ニーズに応えるため，マイコンを使った支援キットを開発した。
(1)ペレットストーブハンディタイプ用制御装置の開発(2)温度制御デモ装置の開発できる。
作成した制御装置を図 2 に示す。モータが 2
つ取り付けられ，片方はペレット供給アクチュ
エータ用，片方は送風ファン用である。
ペレット供給動作は，モータの回転と停止を

前者は県内 S 社から相談を受けた案件の開繰り返すようにした。回転している時間と停止

発，後者は今後の支援業務に役立てるためのデしている時間を変えれば，供給するペレット量

モ装置の開発である。

を増減することができる。
送風に関しては PWM によりモータを制御し

2.

ペレットストーブハンディタイプ用制御装置の開発
ペレットストーブは炉に木材ペレットを供給して，そこに風を送ることで燃焼を維持する。
時間当たりのペレット供給量，送風の強さを変えれば，ストーブの火力を変えることができる。
図 1 のようにペレットストーブはペレット供給
アクチュエータ，送風ファンを持っていて，そのモータを制御すれば、ストーブの火力が調整* 下越技術支援センター

図2

制御装置

た。PWM はパルス幅変調と呼ばれる方式であするように作成した。

る。高速なパルスをモータに与え，図 3 のよう

図 5 に作成したデモ装置を示す。LCD 表示にパルス幅を変えることによって，モータにか器には測定した温度と目標温度が表示される。

かる平均的な電圧を変えることができる。モー

図 5(a)のように、指でセンサを触ると加熱さタにかかる電圧が変わればモータの回転速度がれ測定温度が室温（20℃）より高くなる。そ変化する。

れからセンサをブロワの吹き出し口にもっていこの装置で火力を大，中，小にする 3 パター

くと，図 5（b）のように温度が目標温度になンの動作ができるようにした。

る。

3.

4.

温度制御デモ装置の開発

結言

デモ装置は，ブロワ，温度センサ，マイコン(1) ペレットストーブハンディタイプ用制御装から成り，熱源のそばにあるセンサ付近の温度置を開発した。それにより S 社への支援がを目標値にするために，マイコンがブロワを動できた。
(2) 温度制御デモ装置を作成した。今後自動化

かす仕組みになっている（図 4）。
温度センサは測温抵抗体を使用し，1℃の分や製品の高付加価値化に対する支援の際，解能で温度を測定できるようにした。ブロワは提案に具体性が出てくるようになった。

PWM によりパラメータを用いて動かせるようにした。制御プログラムは，PID（Proportional
Integral Derivative）制御により目標温度に到達

図3

図4

PWM

(a) センサをブロワの前に置いていない状態
図5

デモ装置概略図(b)センサをブロワの前に置いた状態
デモ装置

技術レター

グリストラップ改善装置の改良
笠原

勝次*

永井

直人*

須和田勝男**

Improvement of Grease-Trap Conditioning System
KASAHARA Katsuji*, NAGAI Naoto* and SUWADA Katsuo**

言1．緒

油脂を鹸化分解し，油塊の分解・分散を試みた。

オゾン吹込み式グリストラップ改善装置を備えたグリストラップにおいて，ラード状の固形

2.2.2

塩化カルシウムの添加

食用油を処理しようとすると油塊が生成してグ

上述の方法では，生成する水溶性の石けんとリストラップの性能，およびメンテナンス性が吹き込んだオゾンの気泡によって起泡して処理著しく損なわれる。これを改善する目的で，現漕内を汚してしまうため，塩化カルシウムを添状の把握のための分析を行い，アルカリ加水分

加して，消泡を試みた。

解による鹸化分散作用を用いたいくつかの改善策を試した。

2.2.3 水酸化カルシウム処理
水酸化ナトリウムと塩化カルシウムの 2 剤混2．実

合法では，薬品投入時に配合する必要があり，

2.1

験
対象となるグリストラップ設置店舗（MY店，MP 店）のグリストラップの現状把握
2.1.1て，水酸化カルシウムを用いた処理を試みた。

目視観察

油塊の蓄積が顕著なグリストラップ設置店舗（MY，MP）の 2 店舗の現状を目視観察し，油塊の蓄積状況を確認した。
2.1.2

手間がかかるので，起泡しにくいアルカリとし

2.2.4

炭酸カルシウム処理

水酸化カルシウムよりも保存性が良く，取り扱いが容易な炭酸カルシウムの使用を検討した。

採取した油塊および廃水の FT-IR 測定

上記 2 店舗から，油塊及び廃水を採取し，
FT−IR スペクトルを測定した。
2.2

油塊減量試験

アルカリ鹸化による油塊の分解分散試験（実験室でのビーカースケール試験とモデル実験，
現地での実地試験）を下記の条件で行った。
2.2.1 水酸化ナトリウム処理
水酸化ナトリウムを用いて，油塊を構成する* 下越技術支援センター**（株）環境システム開発

図1

MY 店のグリストラップ

3．結果
3.1

グリストラップの現状把握

3.1.1

目視観察

対象とするグリストラップは厨房内床下のコンクリート製のピット内に埋設されたもので，食材片を除去するステンレス製の金網を備える
第一槽と，油水の分離のために廃液を貯留する
第二槽，油と分離した廃水を貯留し，沈降性の図3

油塊の鹸化分解実験

ごみなどを除去する第三槽からなるステンレス：水酸化ナトリウム投入後製の水槽である。オゾン吹き込み装置は，床上に設置されており，生成したオゾンを含む空気

ゾン吹き込みを開始した。約 20 分後，石鹸がは，塩化ビニル製のパイプで第二槽に 2 箇所，生成したため，オゾン吹き込みの泡によって起第三槽に 1 箇所の 3 点に分岐されて，水槽底部

泡してしまい，グリストラップ内が泡でいっぱから散気管を通して吹き込まれている（図 1）。

いになった（図 3）。
泡の下の水面を観察するために，水を注いで3.1.2 採取した油塊および廃水の FT−IR 測定
油塊は両店舗とも脂肪酸グリセリド（油脂）泡を消した。水の濁りは少なくなっており，浮であった（測定スペクトルを図 2 に示す）。

いるようであった（図 4）。

いている油塊も，塊ではなくスカム状になってまた，廃水を蒸発乾固したものについても測定したところ，これも両店舗とも脂肪酸グリセ

3.2.2

水酸化ナトリウム処理

消泡剤として，①そのまま放流できること，

リドであった。

②排水設備を汚損しにくくメンテナンスしやす
3.2

いこと，の二つの条件を満たし，なおかつ安価

油塊減量試験

アルカリ加水分解による油塊の分解と分散であることから，塩化カルシウムを選択した。

（実験室でのビーカースケール試験とモデル実

実際のオゾン吹き込み装置とプラスチック製水験，現地での実地試験）を試みた。

槽で簡易の実験装置を作成し（図 5），実験室で予備試験を行ってから，現地試験を行うこと

3.2.1 水酸化ナトリウム処理
油塊の浮遊しているグリストラップ内に，約とした。

50g の水酸化ナトリウムを直接投入した後，オら約 500g の油塊を含む廃水を約 5l 採取して用試験用に，前述の MY 店グリストラップか

吸光度(Abs)

意した。オゾン吹き込みをすると，5l では水の
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.1
-0.2
-0.3
3700

2700

1700

700

波数(cm-1)

図 2

MY 店より回収した油塊の FT-IR
スペクトル

図4

油塊の鹸化分解実験：水酸化ナトリウム投入後

深さが足りないので，水道水を約 10l 加えて試ものであり，油脂による濁りではなかった。

験を行った。

FT-IR スペクトルを図 7 に示した。

試験は前述の廃水に粒状水酸化ナトリウム（和光純薬製試薬 1 級）を約 50g と塩化カルシ

3.2.4

炭酸カルシウム処理

ウム（和光純薬製試薬 1 級）を約 2g 加えて，

次に，水酸化カルシウムよりも安定性に優オゾン吹き込み装置を用いて，オゾン吹き込み

れる炭酸カルシウムを用いた。（結果は図 8 のを行った。4 時間後，油塊はほぼ半量まで減少とおり）。反応時間は水酸化ナトリウムや水酸

したが，起泡は水酸化ナトリウムのみ加えた前化カルシウムを使った場合よりも長くかかった。

項の試験の際よりも明らかに少なく，また，起油塊の量は，大幅に減少したが，水の白濁

泡しても成長して蓄積することは無く，直ちには最も濃く残った。水の蒸発乾固物の FT-IR に消泡してクリーム状になり，さらに石鹸カス状

よる分析の結果から，水酸化カルシウムのときになって浮遊凝集しているようである。また，と同様にカルシウム石鹸と炭酸カルシウムがほ廃水は試験開始直後では pH は 4 前後であった

とんどで，油脂による濁りではなかった。

が，水酸化ナトリウム投入直後には 13 以上，4
時間経過後には 7〜8 程度となった。
3.2.3

水酸化カルシウム処理

薬品で処理する場合，薬品の投入頻度との兼ね合いもあるが，日常的に投入量や濃度などを管理する必要がある。今回の場合，日常の管理は対象となる各店舗の従業員ということであり，特に薬品の取り扱いに関して熟練しているa)オゾン吹込開始直後
図6

わけではないので，毒劇物である水酸化ナトリb）8 時間後水酸化カルシウム処理

ウムより取り扱いが容易なカルシウム塩をいく
0.025

つか試してみることとした。まず，カルシウム
シウム（消石灰）を使用することとした。結果を図 6 に示す。8 時間経過後，明らかに油塊の吸光度(A)

化合物の中でも，アルカリ性の強い水酸化カル

0.02
0.015
0.01
0.005
0
-0.005

量は減少しており，水は白濁している。この白濁は FT-IR による分析の結果，カルシウム石鹸と炭酸カルシウムの混合物と，試験用に採取した油に混入していた紙くずのセルロースによる

3700

2700

図7

予備実験装置700

白濁した水を乾燥したものから得られた FT-IR スペクトル（カルシウム石鹸）a)試験込開始直後
図5

1700

波数(cm-1)

図8b）36 時間後

炭酸カルシウム処理

3．結言(1) 水酸化ナトリウム＋塩化カルシウムのみが実用的な効果が認められた。
(2) 現実に運用する際には，薬品の投入が日常
メンテナンスレベルの頻度で行われる必要があり，グリストラップの日常メンテナン
スは対象飲食店の店舗従業員（アルバイト含む）で行われているという現状から，毒劇物（水酸化ナトリウム）を扱う必要があるというのは安全衛生上の問題がある。
(3) 日常のメンテナンスではなく，定期点検時程度の頻度で環境システム開発が管理できるように，1 回薬品を投入すれば，1 ヶ月程度持つような仕組み（薬品の形態，供給装置等）を考える必要がある。

技術レター

高品質・機能性繊維製品の開発支援（インクジェットプリント染色の濃色化研究）森田 渉＊，五十嵐 宏＊，毛利 敦雄＊，明歩谷 英樹＊，渋谷 恵太＊，佐藤 亨＊Development of High Quality and Functional Textile Goods(Study of Method for Deep Dyeing in Direct Print System)
MORITA Wataru＊,IKARASHI Hiroshi＊,MOURI Atsuo＊,MYOUBUDANI Hideki＊,
SHIBUYA Keita＊ and SATO Tohru＊

1. 緒

言

PX-V500)を使用してプリントを行い，インクには

インクジェットプリントは通常の捺染プリント

反応染料を使用した。画像処理ソフト Adobeと比較して版（スクリーン）を必要としないこと

Photoshop の CMYK モードで作製した C（シアン），などから，多品種少量生産および短納期対応に適M（マゼンタ），Y（イエロー），K（ブラック）100%

しており，広く利用されるようになってきている。

の 4 色をそれぞれ 5cm 角の正方形状にプリントし，

インクジェットプリントでは，あらかじめ生地

自然乾燥させた。

に染料インクのにじみ防止や発色性向上のために，前処理を行う必要がある。この前処理技術のノウ

2.3 後処理

ハウは最終製品の品質，特に発色性を考える上で，

約 98℃で 20 分間蒸気熱により処理した。その非常に重要なポイントであり，これまでにも京都

後，水洗・ソーピングを行い，未染着の染料を除市産業技術研究所，群馬県繊維工業試験場などが去した。

これらに関する研究に取り組んでいる

1)2)

。

本研究では，これらの研究結果を参考にして，濃色のプリントが得られる前処理剤の調製方法について検討を行った。

2.4 測色コニカミノルタ分光測色計 CM-2002 を使用し，各色の分光反射率を測定した。これらの測定結果
より，各色の最大吸収波長での表面染着濃度 K/S

2. 試験方法
2.1 前処理表 1(a)に示す条件で前処理剤を 16 種類調製し，パディング法により，絹織物（羽二重）にそれぞを算出した。
生地の黄変については，次式より求めた。
黄変指数=100×（1-0.847 Z/Y）
（Y，Z は XYZ 表色系における三刺激値）

れ前処理剤を付与した。糊料改質剤には，センカ
ECN-11（センカ株式会社製）を使用した。

3. 試験結果
測色結果を表 1(b)に示す。前処理剤中に含ませ2.2 インクジェットプリント
市 販の イン ク ジェ ット プ リン ター (EPSON＊

素材応用技術支援センター

た①アルカリ剤（重ソー，ソーダ灰）②糊料改質剤③尿素が，発色性および黄変にどのような影響を及ぼしているか考察した。発色性の評価は，各色の K/S の合計値について行った。

表 1 前処理条件と測色結果(a) 前処理条件
アルギン糊

糊料改質剤

(%)

(%)

(元糊 10%)(元糊 20%)

1

30

10

2

2

30

10

3

30

4

番
号

重ソー

(b) 測色結果
ソーダ灰

尿
素

K/S

番

黄変

号

C

M

Y

K

合計

指数

8

1

5.59

12.18

6.43

7.53

31.73

5.84

2

20

2

8.22

11.43

7.36

7.85

34.86

5.10

10

4

8

3

7.92

14.79

9.03

14.35

46.09

8.06

30

10

4

20

4

10.13

16.08

9.33

15.74

51.28

6.94

5

30

10

2

8

5

7.99

16.44

11.34

13.94

49.71

6.56

6

30

10

2

20

6

9.35

14.84

11.10

13.99

49.28

5.91

7

30

10

4

8

7

7.86

14.69

9.29

13.02

44.86

8.28

8

30

10

4

20

8

8.95

14.54

9.99

15.25

48.73

8.25

9

40

2

8

9

5.60

11.91

6.99

7.55

32.05

5.63

10

40

2

20

10

6.29

10.18

6.93

6.76

30.16

5.71

11

40

4

8

11

6.57

14.21

9.35

13.90

44.03

7.52

12

40

4

20

12

9.89

17.40

12.01

16.02

55.32

7.79

13

40

2

8

13

7.39

16.81

10.23

12.32

46.75

6.70

14

40

2

20

14

7.52

13.85

8.91

10.93

41.21

5.85

15

40

4

8

15

6.96

14.21

9.09

14.35

44.61

8.00

16

40

4

20

16

9.19

16.68

10.65

16.14

52.66

8.69

(%)

(%)

(%)

なかった。

3.1 アルカリ剤の効果
図 1 に，糊料改質剤を使用したときのアルカリ

図 2 に，糊料改質剤を使用したときのアルカリ剤濃度と発色性の関係を示す。重ソーは濃度が増剤濃度と黄変指数の関係を示す。アルカリ剤の種

すことにより K/S 値が高くなっており，発色性が類を問わず，濃度の増加に伴い黄変指数が高くな

よくなっている。しかし，ソーダ灰は濃度が増しっている。また同じ濃度の場合，ソーダ灰のほうても，発色性はむしろ悪くなっている。また，重が重ソーよりも黄変指数は高くなっている。

ソーとソーダ灰を比較すると，2%ではソーダ灰のこれらの結果より，アルカリ剤の濃度増加は必ほうがより発色しているが，4%ではほとんど差がずしも発色性の向上につながらず，アルカリ剤の

9

60

50

尿素８％

8

尿素８％

尿素２０％

7

尿素２０％

40

6

K/S 30

黄 5
変
指 4
数

20

3
2

10

1
0

重ソー２％

重ソー４％

ソーダ灰２％

ソーダ灰４％

図 1 アルカリ剤濃度と発色性（糊料改質剤を使用）

0

重ソー２％

重ソー４％

ソーダ灰２％

ソーダ灰４％

図 2 アルカリ剤濃度と黄変指数（糊料改質剤を使用）

60
50

50

糊料改質剤
あり
糊料改質剤
なし

45

尿素８％

40

尿素２０％

35

40

30
K/S 30K/S 25
20

20

15
10

10

糊料改質剤あり

糊料改質剤なし

重ソー２％

重ソー２％

5
0

重ソー２％

重ソー４％

ソーダ灰２％

ソーダ灰４％

0

図 3 糊料改質剤有無と発色性

また黄変は発色性とは直接連動しておらず，アル
カリ剤濃度とともに増加する傾向にあることがわかった。これらは糊料改質剤を使用しない場合においても同様の傾向であった。

（アルカリ剤濃度が低いとき）
3.3 尿素の効果
図 4 に，アルカリ剤濃度が高いときの尿素濃度と発色性の関係を示す。全ての条件において糊料
改質剤の有無に関わらず，尿素濃度の増加によって発色性がよくなっている。一方，アルカリ剤濃度が低いときの関係を図 5 に示す。この場合，糊

3.2 糊料改質剤の効果
図 3 に，尿素濃度が 20%のときの糊料改質剤の有無による発色性の違いを示す。アルカリ剤の濃度が 2%と低いとき，
糊料改質剤を含んでいる前処
理剤のほうが，K/S の数値が高く発色性がよくなっている。一方，アルカリ剤濃度が 4%と高いときは，糊料改質剤を含んでいないもののほうが，発色性がよくなっている。
これらの結果より，アルカリ濃度が低い場合，
糊料改質剤を添加すると発色性の向上につながる
ことがわかった。
60

ソーダ灰２％

図 5 尿素濃度と発色性（尿素濃度 20%のとき）
種類によって適量濃度が異なることがわかった。

ソーダ灰２％

料改質剤を含んでいる前処理剤では，尿素濃度の増加によって発色性がよくなっているが，含んでいないもののほうでは，尿素濃度の増加にともない，むしろ発色性が悪くなっている。
これらの結果より，尿素濃度の増加は，基本的に発色性の向上につながるが，アルカリ剤濃度が低いとあまり効果がないことがわかった。
4. 結言（1）前処理剤中の糊料改質剤，アルカリ剤，尿素が発色性および黄変に及ぼす影響について
把握した。

尿素８％

（2）これらの基礎データをもとに，十分に濃色の

尿素２０％
50

プリントが得られる前処理剤を調製できた。
40
K/S 30

参考文献
1）北尾 好隆，“特色（事前混色）用インクジェ

20
10

0

糊料改質剤あり重ソー４％

ソーダ灰４％

糊料改質剤なし
重ソー４％

ソーダ灰４％

図 4 尿素濃度と発色性（アルカリ剤濃度が高いとき）

ットシステムの開発”
，
加工技術，
35，
11，
2000，
p657-670.
2）石井 克明，“無製版プリント用絹布及び羊毛前処理の最適化”，群馬県繊維工業試験場 平
成 17 年度業務報告，2006，p29-32.

技術レター自動絣柄合わせ織機の改良研究
松本

好勝*

小海

茂美*

三村

和弘*

The Improvement Study of Automaton that weaves Kasuri Cloth
MATSUMOTO Yoshikatsu*, KOKAI Shigemi* and MIMURA Kazuhiro*

1．緒言

前年度に素材応用技術支援センターで開発しドロッパー

た自動絣柄合わせ織機 1)は，その後実用性を検証するための試験運転を実際の製造現場において行っている段階にあるが，その結果，より実経糸用的にするための様々な要求項目が上がってきドロッパーバーている。
本装置は作業者がついていなくても自動的に
絣織物を織り上げることが可能であるため，作業者は通常この織機を監視しているわけではない。そのため，トラブルが発生した際に織機を適切に止める技術，ならびにトラブルを未然に防ぐ技術が必要になってくる。更に装置堅牢性の向上および動作の高速化が求められている。
以上のことを目指し，機能向上のための研究を行ってきた結果について報告する。
図1

ドロッパー

2．経糸・緯糸切れ検出停止機構の導入
2.1

経糸切れ検出停止装置の追加

織物は経糸に緯糸を通して筬で織込む形で織り上げられていくが，経糸が切断されたまま織状のピンが経糸一本ごとに通されていて，さらにドロッパーバーに通されて，並べられた状態で配置されている。

り進められると，切れた部分は傷となり欠陥商

このバーは通常上面と側面が電気的に絶縁さ品を製作してしまうことになる。昨年度開発しれている状態になっているが，経糸が切れるとた自動絣柄合わせ織機は，この経糸切れセンサ

ドロッパーが落下し，ドロッパーバーに接触すが装着されていなかった。そこで今回はこの部

ると，この絶縁されていたバーの上面と側面が分の対策から取り組んだ。

通電状態となり，織機を停止させる機構となっ

経糸切断停止装置はもともとドロッパー装置ている。

と呼ばれるものが市販されている。図 1 に概略

通常この装置は一般の織機に装着され，PLCを示す。ドロッパーと呼ばれる金属製の薄い板（programmable logic controller）に接続されて用いられるものではないが，今回この装置を自* 素材応用技術支援センター

動絣柄合わせ織機に取り付け，配線を PLC のに取り付け，配線を PLC の停止回路に組み込
み，自動停止を試みた。その結果，緯糸切断自動停止が問題なく動作することを確認した。
3．緯糸引き寄せ機構の導入
自動絣柄合わせ織機の初期コンセプトは経糸・緯糸ともネップや節・毛羽の無い平坦な糸を使用することが基本であった。
一方，製造現場においては消費者嗜好の変化に対応した真綿紬糸の仕様が主流となってきて
図2

カットフィーラーいる。この糸は通常の糸に比べ，毛羽立っているのが特徴である。

停止回路に組み込んだ。その結果，経糸切断自経糸に毛羽のある糸を使用した場合，経糸が動停止が問題なく動作することを確認した。

閉口するとき緯糸は手前に移動してくるが，毛羽に邪魔され，把持装置（電動グリッパ）の待2.2

緯糸切れ検出停止装置の追加

自動絣柄合わせ織機では緯糸が絣糸だけの場
合，緯糸が切れれば緯糸把持が出来ないため，機位置まで到達することができなくなる。その結果，緯糸が掴めずマークの位置合わせができないため，織機は停止する。

織機は自動停止する。しかし緯糸に地糸を使用製造現場において，絣糸を掴めないことによする場合，緯糸把持を行わないため，同じ方法

るエラーが高い割合で発生し，その都度自動絣

では自動停止できない。従ってこの部分につい

柄合わせ織機が止まってしまうことから，作業ても対策を行う必要がある。

効率が低下することが指摘されていた。このたこの対策として今回はカットフィーラーを用いた。
カットフィーラーは緯糸が切れたときに織機の運転を停止させる装置で，これも市販され一般の織機において広く使用されているものである。

め糸把持部分の改良が急務となった。
緯糸が経糸に引っかかった場合，何らかの方法で把持部まで緯糸を持って来なくてはならず，そのための機構が必要である。
そのために今回，緯糸が走るたびに強制的に把持部まで緯糸を引き寄せる装置を追加した。

図 2 は今回取り付けたカットフィーラーの緯クランク角度約 285°（すなわち絣合わせ角

糸切れ検出部である。構造は織機のシャットル

度 290°直前）付近で，グリッパのサイドに取レースの上下方向で位置は織物の端近傍に光電り付けたエアシリンダを前後に動かし糸を手繰

センサを配し（図 2 の丸印部分），織機のクラり寄せる動作を実現した。

ンク角度約 150°~210°の範囲内で緯糸が光電セ

実際に製織動作をさせたところ，問題なく動ンサを横切るように調整してある。緯糸が切れ作し，グリッパが絣糸を把持できないことによている場合，光電センサに通過信号が出ないの

るエラー停止はなくなった。

で，これを緯糸切れとして織機を停止させる構造になっている。
この装置も前出のドロッパーと同様，一般の4．試験製織以上の機能を追加し、試験製織を行い、問題織機に装着され，PLC に接続されて用いられなく動作することを確認した。現在までに 4 反るものではないが，今回は自動絣柄合わせ織機の製織が終了している。図 3 の縦方向の中央に

図3

経糸切れ検出経糸と直角の方向に向かって並べて取り付けられているものがドロッパーである。

図4

軽量化把持部

外部に別途コンプレッサーが必要となるが，低コストかつ小型軽量であるメリットが大きいと考え，今後採用することにした。

5．把持装置の小型化改良
今回の実証試験運転中に電動グリッパが破損

6．結する事故が起きている。これは不注意による事(1) 経糸・緯糸停止機構の導入及び回路設計を故ではあったが，作業スペースの狭い所に把持付加したことで，糸切れ自動停止で傷戻し装置があり，クリップテンプル，照明装置等多の時間短縮が図られ，一人数台持ちが可能

くの部品や配線が集中していて突起部分があり，となることを動作試験を行い確認した。

引っかかり易く作業に集中していないと，この(2) 緯糸引き寄せ機構の設計試作と動作プログ

種の事故の発生に繋がりかねない問題を含んでラムを作成追加した。緯糸把持装置本体側いる。

にエアシリンダとバネ線材を組み合わせた言

従って，把持部を小型化すると共に激突破損

緯糸引き寄せ機構の付加と，既存の PLC 回した際に低コストで交換が可能なものに変更す

路に緯糸引き寄せ機構動作プログラムを追る必要がある。

加し，毛羽のある経糸の製織試験を行い目また，軽量化することによって，絣合わせ動
作をさらに高速化できる可能性がある。
電動グリッパは小型モータを内蔵しており，的の動作を行っていることを確認した。
(3) 緯糸把持装置を電動から空圧方式に変更することで，更なる小型軽量化をはかる。

このことによって重量とサイズには制約が出てくる。一方でコンプレッサーなどの外部設備は

参考文献

必要としない。

1) 家坂，小海，三村，白川，松本，本田，皆図 4 は今回設計した軽量化把持部であるが、川，“絣織物製織自動化技術の実用化”，

把持部上部にエアー供給のための継ぎ手が付い新潟県工業技術総合研究所

工業技術研究ていて、空圧で動作する方式としている。

報告書，No.35 (2006) ，p26-30.

先 導 的 戦 略 研 究 調 査 事 業

技術レター

耐熱金型の高度化に関する調査研究
田辺

寛*

石川

淳** 中川

昌幸***

樋口

智****

須藤

貴裕**

紫竹

耕司*****

Study on Improving Heat-resisting Die
TANABE Hiroshi*, ISHIKAWA Atsushi** , NAKAGAWA Masayuki***, HIGUCHI Satoru****,
SUTOH Takahiro** and SHICHIKU Kouji*****

1．緒一方，半凝固状態の材料を金型を用いて成形

言

金型は，自動車や家電などの製品を量産するすることによって，従来の鋳造組織であるデン

上で必ず必要となる道具（ツール）であり，そドライト組織より微細な粒状組織を得ることがの品質が製品の品質を決定づけるため，「マザできる半溶融・半凝固加工が注目されている。

ーツール」とも呼ばれている。新潟県の金型製

半溶融・半凝固加工では，組織の微細化，粒状

造業は農業と並ぶ基幹産業の一つであり，平成化により，鋳造組織よりも強度・伸びで，特に15 年度の工業統計（経済産業省）によれば，製良好な特性が得られるため，製品の薄肉化が可

造品出荷額で国内 11 位の位置にある。これは能で，軽量化に対してメリットがある。反面，

関東圏，名古屋圏，大阪圏を中心とした太平洋

成形前の半凝固スラリーを一旦生成してから成側の金型集積地と距離的に大きく離れた日本海

形しなければならないこと，また，スラリーの1)側にあっては，最大の規模となっている 。

固相率を一定の状態に保つことが難しいことな
ど，製品化，低コスト化，量産技術で解決すべき問題点も多い 2)。
本調査研究では，半溶融・半凝固加工のような高温領域での加工で使用される金型の高度化を目標とし，対象となる成形をガラス材料のプレス成形に絞って，ガラス材のプレス金型材料として注目されるガラス状カーボンの切削性について検討するとともに，日本のガラス産業の現状や県内企業の動向について調査研究を実施した。
2．調査研究の内容
2.1 日本のガラス産業の現状
日本のガラス産業の生産額は約 1.9 兆円といわれ，磁気ディスク用ガラスやディスプレイ用
基盤ガラス，マイクロレンズ等の各分野で日本のガラス製品が世界的に多くのシェアを有して*

県央技術支援センター加茂センター**

研究開発センター***

下越技術支援センターの市場規模において継続的な発展が見込めない****

研究開発センター

分野もあるが，光ファイバーや平面ディスプレ

レーザー・ナノテク研究室
*****

企画管理室

いる 3)。ガラス製品には，窓ガラスや CRT など

イなど今まさに成長期にある分野もある。中でも光学的機能や電気的機能等を高めたガラスは，「ニューガラス」4)と呼ばれ，日本のガラスメ
ーカー各社が研究開発を競っており，需要予測
では全体で年率 7〜8%の成長が見込まれ，2015
年には 2 兆 3800 億円に達するとの予測もある 5)。
本調査研究が対象としたプレス成形によるガラ
スレンズの需要予測では，2015 年まで年平均成長率 4.6％と堅実な成長が見込まれている。
図1

2.2 県内の企業の動向

ボールエンドミルによる脆性材料切削のモデル

平成 17 年工業統計調査によると，新潟県内におけるガラス・同製品製造業は 14 社，製造の優れた特徴からガラス製光学レンズ用金型と品出荷額は約 122 億円となっている。中でも，して期待されている新材料のひとつとして，ガガラスレンズを製造する企業は数社にとどまる

ラス状カーボンが挙げられる。ガラス状カーボが，非球面レンズなどの高付加価値製品を製造

ンとはアモルファスカーボン，グラッシーカーする企業もある。また，ゴム・ガラス用金型をボンとも呼ばれる炭素材の一種であり，以下の製造する企業は 7 社あり，製造品出荷額が 21
表1

ガラス状カーボンの諸特性

材 料

GC10

GC20

GC30

嵩密度

1.48−

1.47−

1.44−

(g/cm3)

1.51

1.50

1.47

267

301

230

40.8

44.6

34.2

熱伝導率

3.76−

8.36−

15.0−

(W/mK)

4.6

9.19

17.6

硬

さ

(HV)
ヤング率
(MPa)

ような特徴を有する。
・耐熱性に優れ，高強度である。
・耐薬品性，耐腐食性に優れている。
・発塵（炭素粉）のない，高純度でクリーンな材料である。
・溶融ガラス，溶融金属に濡れにくく付着しない。
・導電性，熱伝導性を有する。
・熱膨張が小さく，熱衝撃にも強い。
・ガスバリヤー性および液体遮断性が高い。
ガラス状カーボンの製造方法は，フェノール
樹脂，ポリイミド樹脂，エポキシ樹脂，フラン億円となっている。今後成長が期待されるニュ
ーガラス等を用いた高付加価値製品の開発には，ガラス製造業や金型製造業を含めた産学官による研究開発が期待される。
2.3

ガラス状カーボンの切削加工実験

2.3.1

ガラス状カーボンの特徴

樹脂などの熱硬化性樹脂を射出成形，圧縮成形などの方法で成型し，その樹脂成形品を不活性
ガス雰囲気中において，千数百℃で焼成して炭素化する。焼成により樹脂成形品中の炭素以外の元素，すなわち水素，窒素，酸素等がまわりの炭素と化合して二酸化炭素，メタン，エタン
等の分解ガスとなり放出され，最後に炭素の網

近年，高屈折率，低複屈折，低色収差，耐高目骨格だけが残り，ガラス状カーボンとなる。

温特性，耐環境性などの要求から，ガラス製光

表 1 にその特性を示す 6)。不活性雰囲気中の学レンズの用途が増している。

1300℃で炭素化処理を施す過程で GC10 が作製

ガラス製光学レンズ用金型には，超硬合金，

され，引き続き 2000℃，ハロゲン系ガス雰囲気

ステンレスなどが用いられているが，最近，そ中で高純度化処理を行うことにより GC20 が作

表2

工

具

加工条件

する脆性・延性遷移点が必ず存在する。こ㈱オグラ宝石精機工業の切削点が刃先側に近ければ，脆性破壊による単結晶ダイヤモンドボールエンドミル（R4）

クラック層が仕上げ面にまで及び，仕上げ面は脆性破砕によって形成された面になる。また dcに対応する切削点が刃元側に近く，クラック層

-1

主軸回転数

35,000m

工具送り速度

1mm/mim，5mm/mim，10mm/mim，20mm/mim

クーラント

オイルミスト（新日本石油製メタルワーク）

が最終仕上げ面に達しなければ，最終仕上げ面
は延性モード切削により形成される。
ガラス状カーボンにおける臨界値 dc を確認するため，ダイヤモンドボールエンドミルによる正面切削加工を実施した。

鏡面部分
2.3.3

ガラス状カーボンの切削加工における実験方法
切削加工実験にはファナック㈱製超精密 5 軸
ナノ加工機 ROBONANO α0i-A を使用し，被削材として，東海カーボン㈱製のグラッシーカー
ボン GC20（鏡面仕上げ品）を用いた。
被削材を加工機へ取り付ける際に，工具進行方向に傾きを持たせることにより，NC プログ
ラムで切込み量を変化させずとも，被削材への製される。その GC20 をさらに 3000℃で高純度化処理を施すと GC30 が得られる。
2.3.2

切込み量を連続的に変化させることができる。
そこで本実験では 0.04mm/30.0mm の傾きを持

ボールエンドミルによるガラス状カー
ボンの正面切削加工

ダイヤモンドバイトを用いて硬脆材料を切削加工する場合に，二つの問題が指摘されている。
その一つは，加工面に生じる微視的な脆性破壊であり，もう一つは，ダイヤモンドバイトの磨耗である。脆性破壊を生じない，いわゆる延性
モード切削を行うためには，工具・工作物間の

図3

鏡面部分の粗さ測定結果

実質切込み（切取り厚さ）を常にある臨界値
dc(〜100nm)以下にしなければならない。この
臨界値を把握するために，ボールエンドミルによる切削加工を実施した。
図 1 に示すように，ボールエンドミルによる正面切削では，切取り厚さが切れ刃に沿って変化しており，刃先でゼロになる。したがって，
刃先側すなわち工作物の前加工面の表面付近で脆性モード切削が行われているとすれば，刃先と刃元間のどこかに臨界切取り厚さ dc に対応

図4

脆性破壊部分の粗さ測定結果

たせることとした。加工条件を表 2 に示す。
2.3.4

実験結果

加工後の外観写真を図 2 に示す。各条件につき 2 カ所ずつ加工した。工具送り速度が1mm/min 時に切込み深さの浅い部分で良好な鏡面が得られた。鏡面部分と脆性破壊部分の三次
元構造解析顕微鏡（Veeco 製 Wyko NT-3300）での測定結果を図 3 および図 4 に示す。なお，測定面積は 60µm×45µm である。これにより脆性破壊部分の算術平均粗さ(Ra)が 107nm 程度であるのに対し，鏡面部分の中心付近の算術平均
粗さ(Ra)は 3nm となっており，その数字からも良好な鏡面が得られていることがわかる。
次に鏡面部分の溝幅を測定し，それより切込み深さを算出した。正面切削加工の場合，工具中心が切削速度ゼロとなり不良となる可能性があるため，現実的には斜面切削加工を行う場合が多い。そこで，工具の最大周速度も併せて算学他,“半溶融・半凝固加工の最先端”，

第 247 回塑性加工シンポジウム,2006,p.1-10.
3) 新エネルギー・産業技術総合開発機構,“平表 3 鏡面が得られる切込み深さと出した。その結果を表 3 に示す。
3．結

2) 木内

その時の工具最大周速度

言溝(1) 日本におけるガラス産業の市場と県内関連

幅(mm)

0.32

企業について調査を行った。ガラス材料の切込み深さ(µm)

3.2

プレス成形の市場規模は，今後とも堅調な

最大周速度(mm/sec)

1,190

成長が見込まれていることが分かった。
(2) ガラス状カーボンのボールエンドミルによる正面切削加工実験を行い，切削による鏡面生成が可能であることを確認した。
(3) 脆性破壊部分の算術平均粗さ(Ra)が約 107nmであるのに対し，鏡面部分の中心付近における算術平均粗さ(Ra)は約 3nm となっていることが分かった。

調査「産業技術戦略策定基盤調査（分野別
技術戦略〈材料技術分野［ファインセラミ
ックス技術分野］〉」”,2000,p.158.
4) 社団法人ニューガラスフォーラムホームページ.
5) 社団法人ニューガラスフォーラム・独立行
政法人産業技術総合研究所,“平成 16 年度〜

参考文献
1) 嶽岡悦雄,相田収平,宮口孝司,石川成 11 年長期エネルギー技術戦略等に関する

淳,丸山

英樹,山崎栄一,“ものづくりナンバーワン地域を目指して−にいがたの金型産業の成長
戦略−”,技術と経済,4 巻,470 号,2006,p.26-31.

平成 17 年度成果報告書 ナノテクノロジー
プログラム（ナノマテリアル・プロセス技
術）ナノガラス技術プロジェクト「2015 年のナノガラス市場」”,2005,p.13-16.
6) 技術情報協会編，“高精度切削・研削・研磨・精密成形による非球面レンズの加工技
術と評価〜ガラス・プラスチックレンズ・
材 料 ・ 金 型 ・ 装 置 ・ 測 定 ・ 評 価 〜 “,2005,
p46.

技術レター

高度センシング技術によるスマートメカニクス
に関する調査研究五十嵐 晃* 大野 宏** 長谷川直樹* 牧野 斉* 石井 啓貴*** 木嶋 裕太* 今泉 祥子*

A Research of Smart-Mechanics with High Performance Sensing Technology.
IKARASHI Akira* ,OHNO Hiroshi**,HASEFGAWA Naoki*,MAKINO Hitoshi*,ISHII Hirotaka***,KIJIMA Yuta* andIMAIZUMI Shoko*

1. 緒

言

新潟県においても，今までに機械加工や金属製

かの最新センサについては，県内中小企業の製造工程への応用することの可能性を探った。

品製造等をはじめとした各種製造業において，製造工程および検査工程の自動化・省力化がなされ

2. 調査研究の内容てきている。しかし最近では，ユーザーや消費者

2.1 概要が今までよりも高品質な製品を求める傾向にあり，調査は，新潟県内の製造業の自動化・省力化の従来の検査工程のレベルでは，必要な精度が得ら

現状調査と，先端的なセンサ関連の技術動向調査れない等の弊害が起きている。さらに，機械加工を中心に行った。また，いくつかの先端的センサ

や金属製品製造業以外においても，繊維や食品産を購入して試験研究を行い，その応用可能性の評

業等では，製品そのものが柔らかく，ハンドリン価を行った。

グが難しいために，未だ自動化が図られずに人手に頼っている工程が存在している。

2.2 県内企業の動向

一方で，検査工程の自動化に必要な画像センサ

約 30 件におよぶ県内企業の調査を行った。調査や温度センサ等各種センサの技術開発は日々進め

内容は，製造工程の自動化の現状，自動化要求のられている。そのため，それらの開発された新し内容，および技術開発体制の確立と多岐に渡った。

いセンサを実際の上記のような製造工程に適用で製造工程の自動化・省力化への漠然とした必要性

きれば，製造工程の自動化・省力化に加え，知能を感じながらも，現状は人手で対応している企業

化（スマートメカニクス化）が円滑に図られる可が多い。一方で，各種自動機の開発を行ったり，能性を秘めている。

独自技術を利用して検査装置を開発したり，セン

そこで，本調査研究においては，新潟県内中小

シング技術を主要業務としている企業も見られる。

企業の製造工程での自動化・省力化の現状を把握し，その一方で，センサ技術等の技術動向・市場

2.3 センシング技術の動向

動向に関しての調査を行った。そのうえでいくつ

2.3.1 概要
センシング技術を産業用と民生用と２つに大別* 下越技術支援センター

すると，産業用は製造工程における分野と社会基** 研究開発センター

盤整備等における分野に利用されている。製造工*** 企画管理室

程では主に，部品や製品の最終工程にあたる検査

工程において利用されており，社会基盤整備におて競争力は弱いと言わざるを得ない。今後は，目ける例としては，高速道路における ETC システム

視検査の自動化，金属光沢面の客観的評価，機上等のインフラ関連や，地滑りセンサや川の水位セ

計測機能付加による産業機械の高付加価値化，センサ，気象観測所のセンサ等自然のセンシングへ

ンシングデータを含んだ品質管理システムの構築の応用がある。

など，様々な面で最新センシング技術を利用した

一方，民生用は，一般の人が普段の生活の中で直接恩恵にあずかるセンサで，例えば自動車や電システムの導入を検討し，高付加価値産業群の実現を目指すべきである。

気製品等に使用されている。自動車を例にすると，エンジンに使用されている酸素センサのように必

2.3.4 先進企業

要不可欠なものと，車間距離センサといったどう

高度な自動機を開発する企業は県内にも多数あしても必要というわけではないが，付加価値向上

るが，一品生産が多く高度なものほど試行錯誤でをさせるものがある。

開発するため手離れが悪く，なかなか利益につな

新しい動きとしては，「安全・安心で暮らせる社

がらない。そのため，自動機に組み込んで使われ会」を実現させるため，赤外線センサや個人認証る汎用的センサや制御機器に特化して開発を行っ

センサなどのセキュリティー関連のセンサが普及ている企業がある。一方，特殊な装置でも市場をし始めている。また，MEMS 技術を利用した空気

見極められれば数多く販売することができ，その圧センサなど小型で省電力のセンサも開発され，会社独自の技術を活用した装置であれば付加価値

利用範囲が大幅に広がっている。

を上げることができる。人間の眼の機能を画像処理に利用し，高精度の検査装置を開発したり，Ｘ

2.3.2 特許出願状況
製造工程におけるセンサの利用分野の観点から，

線を利用して食品の異物検査機を開発したりする企業がある。

ロボットと工作機械の動向を調査した。これら分野は，センサとアクチューエータが大きな役割を果たしている。

2.4 試験研究の内容と結果
3 次元距離画像センサを利用した人体動作の計ロボット産業は近年サービス分野の研究開発が測，画像処理技術を利用したバリ検出および最新盛んであるが，あいかわらず工場内で使われる産のセンシング技術であるテラヘルツを利用した試

業用の市場が大きい。特に日本は，ロボット技術

験研究を行った。

において優位にあり，特許の出願件数は 1991 年をピークに大きな増減は見られない。

3 次元距離画像センサは，赤外線の反射時間からある一定の範囲の 3 次元データを短時間で取得

工作機械産業は，汎用機の NC 化を先行したこ可能である。このセンサを利用して，人体の動作とと，家電や自動車産業の精度や能力等の厳しいを非接触で計測できるか検討，簡単な手の動きを要求に応えてきたことで，国際的な競争力をつけ計測できることを確認した。

てきた。特許出願件数も欧米に比べて多く，高精度で高効率な工作機械に関する出願が多い。

画像処理技術を利用したバリ検出では，金属が鏡面反射をおこすため照明が難しかったが，最近普及している小型の LED 照明の当て方を工夫す

2.3.3 現状と競争力
県内にも画像処理装置や非接触形状計測を手がることで，バリだけを浮き上がらせることが可能となった。

ける企業や，一部分野で最先端の計測技術を有す

テラヘルツ波は，降雪時における車間距離センる企業もあるが，製造業全体を見ると高度センシ

サとして利用できないか実験を行い，雨には吸収

ング技術の普及度，寄与度は小さく，全国的に見されるが，雪を透過することがわかった。

3. センシング技術の今後の対応について
3.1 センシング技術高度化の方向性：工技総研が特に注力すべき研究分野

分野

基本技術

現在

CCD

500万
画素

イメージセンサ

センサから得られた情報を処理するセンシング

カメラの姿勢制御

技術は，人間あるいは機械の外界の情報を取得し，それを受けて種々の行動判断を行うための欠くことのできない技術である。近年，半導体製造技術

要素技術

5年後
1000
万画素

1200
万画素

・視野制御
・複数カメラ配置決定問題

照明制御

・エッジ検出改善・オクルージョン回避

動画像解析

・オプティカルフロー推定
・三次元時空間画像解析

移動体検出

・明るさ可変背景移動体検出
・パーティクルフィルタ

アクティブビジョン
ビジョン技術などのエレクトロニクスやインターネットやその他の情報通信技術の急速な発展してきており，セセンサフュージョン

・システムアーキテクチャの研究
・ニューラルネットワーク

ンシング技術とエレクトロニクスや情報通信技術

テレ・イグジスタンス

・人間運動のリアルタイム計測
・臨場感覚提示技術の融合により，センサの物理的または分野的な適

アルゴリズム研究

用範囲は急速に拡大していくものと考えられる。

レート

ステレオビジョン

15fps
実時間計測技術

新潟県は，工作機械や金属塑性加工技術といった，ものづくりの基板技術となる産業の集積を有

三次元距離
画像センサ

している。工業技術総合研究所において，これまで蓄積してきた制御技術や画像処理技術を生かし

3.2 センシング技術ロードマップ
新潟県の産業状況や，センシング・ビジョン技術の研究開発状況を踏まえて，センシング技術ロ

センサデバイスードマップを作成した。あわせて工業技術総合研
車載センサ

その結果を示す。
言ニクスに関する調査研究について述べてきた。そこで，以下の事項が明らかになった。
(1) 県内企業において，製造工程自動化の要求を性がある。
(4）今後のセンサ技術の方向性は，安全・安心な社会という要求を背景に，今後さらなる小型化・省電力化・高機能化を図られていく。

・測定距離向上
・精度向上
・高性能化（FMCWなど）
・指向性の向上・反射光解析に基づく微視表面幾
何構造復元

レーザ光を用いた
干渉計測法

・光干渉法による形状計測（白色干渉）

車載CCDカメラ・ダイナミックレンジ拡大
・高感度化

ミリ波レーダ・指向性の向上
・探知距離の拡大・低コスト化

レーザレーダ・スキャン速度の向上
・２次元スキャン

超音波センサ・センシング精度の向上
・S/N比の向上

赤外線センサ・使用周波数帯の広帯域化
・低コスト化

ステレオ画像による
前方認識

・各カメラの特性マッチング
・輝度、座標補正技術

先行車両検出・立体物認識アルゴリズム
・距離測定値の高精度化

車線・ガードレール検出

・白線認識アルゴリズム
・ガードレール認識アルゴリズム

歩行者検出

・歩行者検出アルゴリズム
・センサフュージョンによる精度向上

画像処理・パターンマッチング・フィルタリング

照明技術

・反射、透過照明・光切断法・走査技術

受光技術

・白色光受光法・暗視野、明視野受光法

目視検査技術図っている企業がある。

(3) 3 次元距離センサ等新規センサは十分応用可能

レーザーレーダ

検出・認識技術

以上，高度センシング技術によるスマートメカ

めている。

（VGA）

・形状認識・文字認識
・複雑背景下におけるトラッキング・超音波トランスデューサ開発
・高性能化（FMCWなど）

特徴抽出
干渉法

(2) センサ関連技術は産業界でも重要な位置を占高解像度（128×128画素）

超音波センサ

ミリ波レーダー計測

請に応えることが求められている。

持つ企業，すでに独自技術で自動化への対応を・DSP、GPUプログラミング
・FPGA設計
解像度

アクティブセンシング

用を図ることにより，新潟県の産業界が求める要

4. 結

30fps
以上

３次元視覚センサながら，新しいセンシングデバイスの積極的な活究所が注力するべき研究分野を検討した。図 1 に・ステレオマッチング法
・対応点探索アルゴリズム
フレーム

認識・判別技術

特徴抽出

・特徴ベクトル・エッジ検出の精度向上

ファジー理論・ニューラルネットワーク
・遺伝的アルゴリズム

統計的処理

・統計処理アルゴリズム開発

図 1 センシング技術ロードマップ

技術レター

ナノ材料と成形プロセスに関する調査研究
山田

昭博*

佐藤

健*

永井

直人**

笠原

勝次**

林

成実 **

佐藤

亨***

岡田

英樹****

Study on the nano-materials and nano-processing
YAMADA Akihiro*, SATOU Takeshi*, NAGAI Naoto**, KASAHARA Katsuji**, HAYASHI Narumi**,SATO Toru*** and OKADA Hideki****1．緒言

ナノテクノロジーは，材料，情報通信，環境，

精度，サイズはもとより，ナノであるが故の凝集性の発現，分析自体の困難さのため，従来技

エネルギー，機械，生命科学など，広い範囲に術での対応ができないために企業での技術導入

渡る融合的で総合的な科学技術分野である。10や技術開発が本格的に進んでいないのが現状で

億分の 1 メートルの単位で原子・分子を操作・ある。特に県内産業においては，大きな流れで制御することにより今まで実現できなかった全あるナノテクノロジーの導入による高付加価値

く新しい機能を発現させ，科学技術の新しい領製品への対応が遅れており，将来的な競争力低域を切り開くものとして期待されている。

下が懸念される。

このような新しい機能の発現は，原子・分子

そこで，産業の活性化と新規産業の創出およの操作・制御のみならず，これらを観察できる

び，高付加価値製品開発による県内企業の競争分析・評価装置があってはじめて応用できるも力向上を目的に，県内産業とリンクすべきナノのである。ナノサイズの物質を観察できるもの

材料製造・加工技術およびニーズ調査を行い，としては透過電子顕微鏡（TEM），走査電子顕

上記技術開発に要求される分析技術についても

微鏡（SEM）および走査プローブ顕微鏡などが調査研究を行った。

ある。これらを用いたナノ計測は，創製した材料の評価技術として定着しており，産業界にも広く普及している。このようなナノレベルの対2．調査研究内容
本調査研究では，次の 3 分野を中心として検象物をきちんと評価できるための分析機器の発討を行った。

明や改良という下地があってこそナノテクノロ① 県内産業として高い技術力を有する金型技

ジーが発展したとも言える。
工技総研ではこれまでの研究において，MEMS プロセスに関する研究，超精密加工に関する研究，ナノ粒子に関する研究，ナノ表面・術を応用することが可能と考えられるナノ
インプリントなどの微細加工関連プロセス② ナノ粒子の分散や凝集の制御によるナノコ
ンポジットの創製技術

界面に関する研究など，ナノ領域の技術を利用③ 県内企業のこれら技術分野へのステップア

した分野に関する研究を進めてきた。しかしな

ップや新規進出をサポートするために重要

がら，ナノ領域での材料設計や加工性は，加工となるこれら領域の観察・計測・分析技術
このような技術は今後のナノテクノロジーを*研究開発センター

生かした高付加価値製品開発に無くてはならな**

下越技術支援センター

い技術であり，県の産業を発展させるうえで欠***素材応用技術支援センター**** 県央技術支援センター

くことのできない技術である。なお本報では①定の温度（ガラス転移点や硬化温度）に保持しのナノインプリント関連技術を中心に述べる。

た状態でモールドに押し付け，冷却することでパターンを成形する。UV ナノインプリントプ

2.1

ナノインプリント技術の俯瞰

ロセスは，UV 硬化樹脂を基板上に塗布した後ナノインプリント（nano-imprint）が始めてにモールドに押し付け，UV 光を照射すること登場したのは 1995 年のミネソタ大（当時，現でパターンを成形する。各々のプロセスでは

プリンストン大）の Chou 教授らが提唱したも様々なメリット，デメリットがある。

ので，ナノインプリントリソグラフィという技
術であった

1,2)

。ナノインプリントリソグラフ

モールドに関しては，熱用は成型温度に耐えられ，硬い材料であれば金属材料やセラミック

ィの工程図を図 1 に示す。シリコンに形成されスなど様々なものが利用可能であるのに対して，たパターン（モールド）をシリコン基板上のレUV 用では UV を透過する材料を選ぶ必要があ

ジスト薄膜に押し付け（プレス）により転写する。石英ガラスが多く用いられており，最近でることで新たな基板上に所定のパターン形成をはフッ素樹脂を用いることもある。

行うものである。この技術が注目されたのは，材料について，熱用は熱硬化および熱可塑性

当時の半導体加工技術で得られていた最小線幅

樹脂であれば多くの材料が利用可能であり，さが 90 nm であったのに対して，この技術によりらに用途によってはガラスへの転写も可能であ

10 nm 程度のパターン転写が確認されたためでる。これに対して UV 用では半導体関連に用いある2)。これにより本技術の有用性が認識され，多くの研究が進められた。

られる UV 硬化樹脂が主に用いられており，樹脂を選べるという状況ではない。

ナノインプリント技術には大きく分けて熱をタクトタイムとしては，熱プロセスではその利用するプロセスと紫外線（UV）を利用する

温度への昇温，加圧，冷却，剥離というプロセプロセスの 2 つの種類がある。熱ナノインプリ

スである程度時間を要するが，UV プロセスでントプロセスは，成型材料とモールドをある一は押し付け，UV 照射，剥離というプロセスのみであり，最短 10 秒程度と短時間で成形可能である。
どちらの方法にも言えることだが，プロセス途中においてナノレベルでの成形となることか
ら型への樹脂の付着や成型品の剥離が難しいといった課題がある。
2.2

ナノインプリントの試作検討

工技総研保有のフォトリソグラフィの技術を応用してシリコンモールドを作製し，ナノイン
プリント装置メーカーで一般的な樹脂への形状転写実験を行なった。
□20 mm にカットしたシリコン基板に日本ゼオン製電子線描画レジスト ZEP7000-22 を厚さ
330 nm で成膜し，基板中央 10 mm 角の範囲に
図1

ナノインプリント

ライン＆スペース（以下 L/S と記す）状のパタ1)ーンを描画してレジストマスクを形成した。レ

リソグラフィの工程図

表1

レジストマスク形成条件
L/S
L/S
250 nm
500 nm
1 st / 300 rpm-3 sec→ 2 nd / 1000 rpm
180℃-3 min
20 kV-205 pA
7.38
6.26
4 min / 20 sec
SF6 / C4H8 切替
24 hour / 5 min

工程 / 試料
スピンコートベーク
HV
ドーズ量
現像 / リンスエッチング
剥離 / リンス

備考

により樹脂へのインプリント実験を行った。樹
脂はアクリル（PMMA）とポリカーボネート

ZEP7000-22（PC）の 2 種類とした。また，転写前に型へフ

ホットプレート

ッ素系シランカップリング剤の単分子膜を形成µC / cm2
ZED500 / ZMD-D

することにより離型処理を施した。

ZDMAC / IPA

ジストマスクは 500 nm と 250 nm の L/S の 2 種類とした。形成条件の詳細を表 1 に示す。
住友精密工業（株）社製ドライエッチング装
置 MUC21 を使用し，基板露出部をエッチング
して溝を形成した。溝の側壁を垂直に近づけるためにボッシュプロセスを適用し，アスペクト比がほぼ 1 の溝深さになるようにエッチング条

図 3 に PMMA フィルムに転写された形状をSEM で観察した結果を示す。全体的に形状の乱れもなく良好に転写されていることがわかった。
また，共焦点顕微鏡で PMMA 樹脂に転写された溝深さより充填率を計算すると，PMMA とPC でそれぞれ 93%と 83％であった。温度，時間，加圧力という充填率に大きく影響すると思われるパラメータを全体的に高めに設定していたため，高い充填率が得られたと考えられる。

件を調整した。最後に基板上のレジストマスク
を溶剤で剥離し，IPA で洗浄した。図 2 に SEMで観察した型の断面を示す。
東芝機械（株）社製インプリント装置 ST50

3．結言(1) 県内産業へのナノテク技術の適用の可能性を探る目的でナノインプリントを中心に調査を行った。ナノインプリントに関しては
アプリケーションはまだ見出されていないため，今後引き続いての検討が必要である。
現行のナノインプリントの実力は 100 nm〜
数十 nm 程度の表面加工精度があると思われる。一方，県内産業においてはマイクロ・サブミクロンオーダの成形技術をいかにレベルアップしていくかが重要であると考えられる。

図2

作製した型の断面形状（L/S 250nm）(2) ナノコンポジットなどの材料開発においては個々の企業独自の技術開発となることが多いが，この領域の評価・分析機器の多くは高価であり，その結果の解析などにも熟練を要する。したがって，分析・評価技術に関して公設試験場の持つ役割が拡大していくと考えられる。
参考文献
1) 谷口

淳，“はじめてのナノインプリント

技術”，工業調査会，2005
図3

転写した PMMA の断面形状（L/S 250nm）

2) プ リ ン ス ト ン 大 学
http://www.ee.princeton.edu

Chou 教 授 HP

技術レター

シミュレーション援用による知的生産プロセスに関する
調査研究
斉藤

博*

片山

聡**

馬場

大輔***

小林

豊****

森田

渉*****

小林泰則****

本田崇**

A Research Report of Intellectual Production Process by Simulation Aiding
SAITOH Hiroshi*, KATAYAMA Satoshi**, BABA Daisuke***, KOBAYASHI Yutaka****MORITA Wataru***** , KOBAYASHI Yasunori**** and HONDA Takashi**

1.

緒

言

近年の産業界においては，製品およびその製

2.

機械系シミュレーション技術の現状

2.1

構造シミュレーション

造プロセスに短納期・低コスト・高品質・安全

構造シミュレーションは主に構造物の強度計性が求められている。これらを実現する手段の算に用いられる。例えば，架台のフレーム本数ひとつとして強い関心を寄せられているのがシや配置の最適化は，構造シミュレーションを用

ミュレーション技術である。シミュレーション

いることで，実際に試作を繰り返すよりも効率

技術はコンピュータ上で仮想実験を行い，製品的に行うことができる。計算手法としては有限構造や加工条件を最適化するものである。特に要素法が用いられることが多い。

選択肢が多い場合や，通常の実験では確認がで

最近では操作面や表示機能において 3 次元

きない内部構造の可視化などに効果がある。最CAD との親和性を高めた製品も多く開発され近ではハードウェア性能の飛躍的な進歩により，ており，シミュレーション専任者だけではなくワークステーションではなくパーソナルコンピ

設計担当者による強度計算も可能となってきて

ュータ上でもシミュレーションを実行できるよいる。また複数の選択肢の中から最適解を得る

うになり，大手企業だけではなく中小企業にお品質工学の導入も積極的に進められており，自いても積極的な導入が図られている。本県にお動最適化を実行する製品も多く開発されている。

いてもシミュレーションを用いたものづくり体

中小企業にとって身近な技術領域であり，また制の確立は急務な課題であるが，人材や情報の製品価格も比較的安価であることから，構造シ不足から導入が遅れているのが現状である。

ミュレーションは急速な広がりをみせている。

そこで本調査研究では各技術分野におけるシ
ミュレーション技術の概要や最新動向を調査し，本県産業界へのシミュレーション技術普及について検討した。

2.2

塑性加工シミュレーション

塑性加工シミュレーションは，プレス加工や鍛造加工を対象に，金型の構造最適化や寿命予*

下越技術支援センター

測，加工条件の最適化に使用される。加工分野**

研究開発センター

それぞれに専用の製品が開発されているが，全***上越技術支援センター

体として構造シミュレーション関連製品ほど数****

中越技術支援センター

は多くない。

*****

素材応用技術支援センター

プレス加工シミュレーションは特に自動車業

界に多く導入されている。現在では特に加工後電子回路シミュレーションは，半導体の設計，のスプリングバック挙動が注目され，材料モデ製造および実装するプリント基板設計の自動化

ルの提案

1)

や金型形状の自動最適化

2)

など積極

的に開発が進められている。

ツール群（EDA）のなかで動作検証を行う部分に用いられる。例えば，デジタル回路設計シミ

鍛造シミュレーションはモデルの変形度合いュレーションは，ASIC や FPGA などの LSI 設が大きく，計算中の要素再分割技術が重要な技

計において書き込んだ論理回路の動作を検証す術となる。現在は材料の移流を考慮できる ALE

るために用いられる 6)。FPGA は機器メーカが（Arbitrary Lagrangian Eulerian）要素の採用や要自由に回路構成を書き換えることができるため，

素分割を行わない EFG（Element Free Garlerkin）

開発コストおよび納期を抑える目的から最近で

3)法を用いた計算などが試みられている 。
塑性加工シミュレーションは構造シミュレー
ションに比べ大規模計算となる場合が多く，ハは多く利用されており，デジタル回路設計シミュレーションはその検証工程の迅速化に大きく貢献している。

ードウェアを含めた導入コストは大きくなる。
現状でのシミュレーション精度は定量的に一致

4.

化学系シミュレーション技術の現状するレベルに達しているとは言い難く，費用対化学系分野で用いられているシミュレーショ

効果の面で中小企業では導入を見送っている例

ン技術は，分子動力学法，モンテカルロ法，分もある。

子力学法などの分子シミュレーション手法のほか，材料の化学反応活性や電気・磁気的物性を

3.

電気電子系シミュレーション技術の現状計算できる量子化学計算手法（QC）が広く用い

3.1

電磁場シミュレーションられている。例えば，分子動力学法ではニュー

電磁場シミュレーションはモータや磁気ヘットン方程式を用いて，バルク，表面，界面およドといった電気電子部品の設計において，電磁びクラスタといった多様な系を扱うことができ的特性の予測・評価に用いられる。また近年，る。しかし化学系シミュレーションの多くは学演算素子のクロック速度が急激に速くなり，デ

術性の高さから汎用的な製品として開発されたジタル回路設計においてもクロストークやノイ例が少なく，企業への普及は進んでいない。

ズ放射などの電磁気現象による影響を考慮する
必要性に迫られている。

5.

新潟県内におけるシミュレーション技術の電磁場シミュレーションを大別すると，入力

現状と課題

したパルス波の過渡応答をフーリエ変換するこシミュレーション技術は特に自動車業界を中とで周波数領域のデータを得る時間領域解析と，心に大手企業が積極的に導入を進めているが，特定の周波数ごとに正弦波を入力して定常応答

県内企業においてシミュレーション技術を導入を求める周波数領域解析とに分けられる。計算している企業はきわめて少ない。その背景には法として前者には有限差分時間領域法（FDTD

人材不足やシミュレーション技術によって製造法）や伝送線路法（TLM 法）があり，後者にはプロセスがどのように変わるのかといった情報

有限要素法（FEM 法）やモーメント法（MoM

が不足していることが影響していると考えられ法）がある。様々な案件が持ち込まれる公設試る。

においては，汎用性のある FDTD 法や FEM 法による製品を導入している例が多い

4)-5)

。

現在，人材育成については（財）にいがた産
業創造機構において『長岡モノづくりアカデミー』が開催され，その中で CAD や CAE に関す

3.2

電子回路シミュレーション

る講義が行われている。参加企業は数十社に及んでおり，県内企業の関心の高さを窺うことが各技術分野に対してシミュレーション製品できる。

が開発されている。特に近年では CAD やシ

今後，県内企業へのシミュレーション技術普及拡大を図るためには，上記のようなセミナー

ミュレーション製品間の親和性が向上した製品が多く開発されている。

開催のほか，基礎技術や応用事例を掲載したポ(3) シミュレーション技術の普及および高度化

ータルの開設など，広く情報を発信する必要がのためには，地場産業が保有する高い技術力ある。

との融合が必須である。そのためには人材育成や情報発信，継続的な研究開発を行う必要

6.

シミュレーション技術の高度化がある。

シミュレーション技術の高度化には，実際の現象とのすり合わせが必須である。また結果を

参考文献

正しく評価し，修正指針を作成するためには，

1) 山本茂雄，後藤良孝，酒井岳人，吉田総仁，

材料や加工プロセスに対する高度な知識が必要“鋼の降伏点現象のモデル化とその塑性加となる。県内産業においては，県央地区におけ

工シミュレーションへの応用”，日本機械学

る金属加工など高い技術力を有する地場があり，会中国四国支部第 43 期総会・講演会講演論

これらとシミュレーション技術を効果的に融合

文集，2005，p.13-14.

させることで，高い競争力を持った産業群を形成できると考えられる。そのためには加工技術とシミュレーション両面において継続的な研究開発が必要であるといえる。

2) 日本イーエスアイ，“PAM-STAMP バージョ
ンアップセミナー資料”，2005
3) 富士通株式会社，“LS-DYNA セミナー2007
資料”，2007
4) 東京都立産業技術研究所，“電波ノイズの防

7.

結

言

(1) 各分野のシミュレーション技術について，
現状と技術動向を調査した。シミュレーショ

止に役立つ電磁界シミュレーション”，テクノ東京 21，117，2002，p.2.
5) 宮城県産業技術総合センター，“施設機器紹

ン技術は，ハードウェア性能の向上に伴い，

介

大手企業を中心に積極的に導入されており，

産業技術情報，11，2002

高周波電磁材料解析システム”，ミヤギ

製品開発における短納期化・低コスト化に貢

6) 内藤竜治ほか，“付録基板で始めるディジタ

献している。県内企業においては導入が遅れ

ル回路設計”，トランジスタ技術，4，2006，ている。

p.116-197.

(2) 機械系，電気電子系シミュレーションは，