ISSN 0919-6676
CODEN:SFHPFE

試 験 研 究 報 告
令和元年度

令和元年度 福島県ハイテクプラザ 試験研究報告
目

次◆再生可能エネルギー分野
水素社会実現のためのプラント運転管理・点検技術の開発 ···································· 1
バイパスダイオード内蔵太陽電池パネルの開発 ··················································· 9◆ロボット・AI・IoT 分野
AI を用いた物体の位置と状態を特定する手法の検討 ·········································· 16
深層学習を用いた気象状況判断プログラムの試作 ·············································· 20
安価な測距センサを用いた「移乗です」の自動停止機能の開発 ···························· 23
GPS とセンサの組み合わせによる自己位置推定システムの開発（第２報） ············ 27
狭隘内部空間の三次元構造復元に関する研究開発 ·············································· 34◆製造プロセス分野
・材料開発
セルロースナノファイバー（CNF）複合材料の開発 ··········································· 40
天然藍を原料とした染料の製造方法 ································································ 45

・デジタル応用技術（CAD・CAM・CAE）
CAE を用いたプリント基板上のはんだクラックの解析 ······································· 49
整形外科手術用器具の強度評価 ······································································ 52
半凝固鋳鍛成型の工程設計のための CAE 活用法 ··············································· 61
工具経路生成時間短縮のためのポリゴンメッシュの簡略化 ·································· 67

・工程改善
異なる手法で洗浄された真空用部品からの放出ガスの比較 ·································· 73
ドライフラワー製品の残留塩素の低減処理 ······················································· 76
カラーステンレスの液相着色法における新構造電極の開発 ·································· 79

・検査技術
三次元デジタイザによる寸法測定条件の最適化（第２報） ·································· 83
溶接における研磨仕上げ部の自動欠陥検出技術の開発（第２報） ························· 87◆繊維分野
オールシーズン対応可能な改質リネン編地の開発 ·············································· 91
コーティング繊維織物を活用した杢調（柾目）織物の開発 ·································· 95
縫製企業の接着工程における最適条件の検討と工程改良の提案 ··························· 100◆醸造・食品分野
カプロン酸エチル高生成焼酎酵母の育種及び実用化に関する研究 ························ 104
マロラクティック発酵用乳酸菌からの新規山廃酒母乳酸菌の選抜 ························ 106
福島県オリジナル清酒製造技術の開発（第５報） ············································· 111
県産味噌の品質向上に向けた微生物の評価 ······················································ 117
福島県産果実の品質・加工適性評価 ······························································· 121◆工芸分野
木製履物の設計のための FEM 解析の評価 ······················································· 126
デジタルファブリケーションによる伝統工芸品の製造手法の提案（第２報） ········· 131

事業区分説明（１）新製品・新技術開発促進事業
企業が直面している技術的課題をハイテクプラザが代わりに解決し、その成果を技術移転することで企業の製品開発を支援します。
（ハイテクプラザが独自に取り組んだ内容であり、応募企業と共同で取り組んだ内容ではありません。）（２）チャレンジふくしま「ロボット産業革命の地」創出事業
震災からの産業復興のため、次世代の新たな産業分野であるロボット産業の集積を目指し、ハイテクプラザにおいてフィールドロボットと自律走行用自己位置推定システムの要
素技術開発を実施します。
（３）福島新エネ社会構想等推進技術開発事業 産総研連携強化型技術開発事業
福島新エネ社会構想等推進技術開発事業の一環として、産総研と連携しながら水素関連
分野及び再生可能エネルギー分野に携わる技術開発を行います。
（４）福島県オリジナル清酒製造技術の開発
県オリジナル酵母「うつくしま夢酵母」「うつくしま煌酵母」と県産酒造好適米を用いた
オリジナル清酒の製造方法とその特徴についての検証を行います。
（５）基盤技術開発支援事業
震災からの復興やグローバル化などの課題に直面している地域産業の復興のため、先導的技術や独自技術の開発等に取り組み、その研究成果を技術移転します。
（６）産業廃棄物減量化・再資源化技術支援事業
産業廃棄物対策をはじめとした循環型社会の構築のため、産業廃棄物排出業者へ技術面からの支援を行うことにより、産業廃棄物減量化・再資源化を図ります。
（７）科学技術調整会議共同研究事業
県内の８公設試験研究機関等で構成される科学技術調整会議の共同研究分科会において、各機関単独では解決困難な課題について共同で研究を実施します。
（８）外部資金等活用研究事業
他機関や企業からの研究委託や競争的資金制度等の外部資金等を活用しながら、ハイテ
クプラザが各種研究を実施することにより、本県の産業振興に寄与する新技術の開発や技術的課題の解決に繋げます。これにより蓄積された研究成果を県内企業に技術移転することで、本県ものづくり基盤の強化を図ります。

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

水素社会実現のためのプラント運転管理・点検技術の開発
Development of plant operation & maintenance technology for realizing ''hydrogen society''
技術開発部 工業材料科 工藤弘行 穴澤大樹 鈴木雅千
技術開発部 生産・加工料 柿崎正貴 尾形直秀
水素プラント設備に適したプラント運転管理・点検技術を開発するため、水素ステーションで使用されるバルブ、蓄圧器、配管継手の実験モデルを作製し、各種試験、ＣＡＥ解析を実施し、早期に故障を検知できる点検技術を提案した。また、点検技術を広く普及する観点から、CAE をカスタマイズした「点検アプリ」をベースにする点検システムを考案し、これを配信するプラットフォームを構築した。
Key words: IoT、予知保全、デジタルツイン、CAE

１．緒言（ii）圧力容器（蓄圧器）・・・水素充填に伴う繰り返
し荷重により、容器内面に生じた初期き裂が進展し、表面に達することで漏洩が生じる。本研究では独自技
術として DIC 画像処理による変位・ひずみ測定で、き裂の影響を捉える手法を適用する。

福島県では、福島新エネ社会構想の一環として、水素エネルギー活用に関する様々な取組みが行われている。令和２年３月には、浪江町に福島水素エネルギー
研究フィールド（FH2R）が開所し、水素製造を開始す
るなど、水素活用の機運が一段と高まっている。
水素の利用に当たっては、ガス漏洩などに対する懸念があり高い安全性や長期信頼性の確保が急務となっている。また、水素関連施設の普及のためには、建設費のみならず、管理保守費の低減も必要であり、安全性と経済性を両立する技術が望まれる。
ここで期待されるのが、IoT、AI、ビッグデータ解析などを活用した新しいプラント運転管理・メンテナンス（O&M）技術である。経済産業省では、近い将来、これらの技術を活用した新しいタイプの O&M 産業が生まれると予見し、産業育成を強化している。
以上より、本事業では福島県が水素社会の実証拠点化することを活かし、いち早く水素プラント設備に適用できる運転管理・点検手法の技術や仕組みを県内企業や各機関と連携して構築することを目指し、研究開発を進めている。最終年度となる本年度は、バルブ、蓄圧器の点検技術を実証段階に向けて最適化するとともに、点検システムの構築に取り組んだ。

（iii）バルブ・・・液体水素の沸点は-253[℃]であり、異常低温による動作不良が考えられる。本研究ではCAE 解析を併用することで、センサやカメラでは測定できない製品内部の温度を推定する技術の活用を行う。
表１ 点検対象部品と故障モードの絞り込み
水素運搬形態

部品

故障モード

頻度

危険度

高圧ガス

配管継手

シール面から
の漏洩

大

大

高圧ガス

圧力容器
（蓄圧器）

容器からの漏洩（疲労、水素脆化）

中

大

液体水素
（極低温）

バルブ

異常冷却による
動作不良

小

大２．実験及びＣＡＥ解析
図１ 接触面漏洩の概念図

２．１．点検技術の概要
表１に本研究が点検対象とする部品を示し、各部品に対する点検技術の概要を下記に記す。

２．２．バルブ冷却試験
本研究では、IoT センシングやサーモカメラ撮影とCAE 解析を連携する点検技術を用いる。CAE 連携の実用性を検討するため、バルブ冷却試験を行った。
図２に本事業で使用したバルブ実験モデルを示す。
実験モデルは液体水素貯槽の払い出し部を模している。
実験モデルは大野ベロー工業(株)が製作したもので、バルブを構成する部材や寸法は、実際の水素ステーシ（i）配管継手・・・機械式継手では締結力低下に起因する漏洩の危険性がある。本研究では、移動式水素ス
テーションの配管継手に着目し、移動時の振動による締結力低下を点検対象とする。漏洩のメカニズムとして、図１に示す「接触面漏洩」の考え方を用いる。

事業課題名「水素社会実現のためのスマート O&M 技術の開発」[平成２９～令和元年度][福島新エネ社会構想等推進技術開発事業 産総研連携強化型技術開発事業]-1-

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ョンで使用されているものと同一である。通称、「首下」と呼ばれる細長い部品が特徴である。
これまでの研究により、フランジ部の温度がバルブ全体の温度分布を代表するとの知見が得られている。
本年度は、より実用化に適した測定点として、図３に示すようにボルト頭部に熱電対を埋め込み、IoT セン
サ測定点とする検討を行った。温度測定はナショナル
インストルメンツ社製 CompactDAQ システムを使用し、サンプリング速度１サンプル/秒とした。
図４は、組込み用途向け小型サーモカメラである。
据置型の装置に比べて、測定可能な温度範囲が狭いことが課題であるが、CAE との連携が可能か検討した。

図２ バルブ実験モデル

２．４．蓄圧器実験モデルによるＤＩＣ測定試験
図６に、本研究で使用した蓄圧器実験モデルを示す。
このモデルは移動式水素ステーションの製造実績が豊富な大陽日酸エンジニアリング(株)会津若松事業所が製作したもので、部材や寸法は実際の移動式水素ステーションと同一である。蓄圧器の代替として直径約400[mm]、板厚 5[mm]の模擬容器が取り付けられている。
本研究で使用する画像処理ソフトウェア VIC-3D は、照明やピントなどの撮影条件などから、期待精度を mm単位で算出できる。そこで、図７に示すように模擬容器を対象に期待精度を調べる DIC 視野確認試験を行った。測定距離は 0.5[m]、1[m]、3[m]、8[m]の４条件、レンズは焦点距離 17[mm]、35[mm]の２条件とした。
また、DIC 測定精度検証のため、図８に示すように
円弧試験片を用いた試験を行った。円弧試験片は、模擬容器と同一の曲率を持ち、幅 100[mm]、板厚 5[mm]である。試験片の一端を支持固定し、他端を DIC 測定面とした。DIC 測定面の内径側にひずみ変換式変位計を取り付け、測定面内径部を指で押した時の変形を測定した。測定距離は１[m]、レンズは焦点距離 17[mm]とした。変位は約 0.02[mm]～約 2[mm]の５条件とした。

図３ ボルトへの熱電対の取付状況

図６ 蓄圧器実験モデル

図４ 組込み用途向け小型サーモカメラ
図７ 蓄圧器模擬モデルの DIC 測定試験状況

２．３．バルブ実験モデルのＣＡＥ伝熱解析
IoT と CAE と連携した点検技術の検討のため、バルブ実験モデルの CAE 伝熱解析を実施した。図５に CAE
解析モデルを示す。解析ソフトウェアとして COMSOLMultiphysics を使用し、伝熱解析において課題となる
熱伝達係数の逆同定を効率よく行うため、指定したパラメータの組合せを一括して計算する「パラメトリッ
クスイープ機能」を用いた。

図８ DIC 測定精度試験状況

２．５．蓄圧器のＣＡＥ破壊力学解析
蓄圧器にき裂が生じた場合の影響を調べ、点検技術の参考とするため、CAE 破壊力学解析を実施した。図９に、蓄圧器の CAE 解析モデルを示す。解析ソフトウ
ェアは、破壊力学解析機能を持つ ANSYS Mechanical を

図５ バルブ実験モデルのＣＡＥ解析モデル-2-

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告用いた。直径 400[mm]、全長 2500[mm]、板厚 30[mm]、ステンレス鋼製とした。図中に拡大して示したように、内径部に板厚の３分の１の長さを持つ半楕円き裂を作成した。内圧条件を 70[MPa]として、破壊力学パラメータである応力拡大係数を算出した。

図１３ 振動試験取付状況

図９ 蓄圧器ＣＡＥモデル

２．６．配管継手モデルの荷重試験、振動試験
図１０に、本研究で使用した配管継手実験モデルを示す。この実験モデルは大陽日酸エンジニアリング(株)会津若松事業所が製作したもので、部材や寸法は、実際の移動式水素ステーションと同一としている。
荷重試験は図１１に示すように鉛直下向きに200[N]の荷重を付与した。図１２に示すように、継手
根元にひずみゲージを貼付し、ひずみ測定を行った。
振動試験は、実製品が移動時に受ける振動の方向を踏まえ、図１３に示す加振方向とした。製品の特徴点に加速度センサを取り付け、共振点探索試験を実施した。共振点探索試験は、周波数範囲 50～1000[Hz]、入力加速度 1[m/s2]とした。

２．７．配管継手モデルのＣＡＥ解析
点検技術の検討のため、配管継手実験モデルの荷重試験と振動試験に関する CAE 解析を実施した。解析ソ
フトは COMSOL Multiphysics を用いた。図１４に配管継手の CAE 解析モデルを示す。荷重試験、振動試験に関する静解析と固有値解析を実施した。
接触面漏洩に関する詳細な検討のため、接触面のCAE 解 析 を 行 っ た 。 解 析 ソ フ ト ウ ェ ア は ANSYS
Mechanical を用いた。図１５は解析モデルを示したもので、対称性を考慮し２分の１モデルとした。継手はカラー、ナット、パイプの３部品からなるが、簡略化のため、カラーはナットと一体化し、ねじ山形状を省略した。実験モデルに使用したフジキン(株)製の継手
は円錐面の接触部において、ボディ受け側の開口角度
60 度に対し、パイプ側先端の開口角度 59 度とわずかに角度を変化させているため、モデルに反映させた。

図１４ 配管継手実験モデルのＣＡＥモデル
図１０ 配管継手実験モデル

図１１ 荷重試験時の荷重方向

図１５ ＣＡＥ解析モデル（上:全体図、下：接触部拡大図）

図１２ 荷重試験時のひずみ測定状況-3-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

２．８．点検システムの構築
３年間計画の最終年度となる本年度は、実プラント
や実設備での実証段階に向けた点検システムの構築を行った。
また、本事業が提案する技術は、５～１０年後に一般化する点検技術の先取りを目指したものであり、新しい点検技術の方向性を多くの関連企業に周知し、体験してもらうことも重要である。よって、点検技術を普及するための仕組みづくりについても併せて検討した。

３．２．バルブ試験モデルのＣＡＥ解析結果
バルブ試験モデルの CAE 解析結果の例として、図１８に液体水素で冷却した場合の温度分布を示す。温度
分布は、冷却試験時のサーモカメラ結果と酷似しており、冷却現象をよく再現できていると考える。
次に、「パラメトリックスイープ機能」の例として、
図１９に、バルブ下フランジの温度－時間グラフを示す。この例では、冷却流体の熱伝達率３条件と周囲大気の熱伝達率３条件の組合せによる９条件の計算を一括で実施している。このグラフから、冷却過程の初期においては冷却液体の熱伝達率が、終期においては周
囲大気の熱伝達率が支配的であるとの知見を得ることができた。
フランジ間のシール部やボルト部の伝熱パラメータについても同様に複数条件の計算を行い、冷却実験結果に合致するように各パラメータを逆同定した。得られたパラメータを用いて再現した冷却試験の温度－時間グラフを図２０に示す。実験結果である図１６とほぼ同等のカーブを示しており、実際の冷却現象を再現できている。CAE 解析においても、ボルト温度は他の測定点との連動性が高いことが確認できた。
次に、サーモカメラの温度プロファイルと比較のた
め、CAE 解析中のバルブ中心線上の結果を取得し、図２１に座標－温度のグラフとして示した。温度プロフ
ァイルは、サーモカメラの結果と類似の形状を維持したまま、冷却に応じて移動する挙動となった。バルブ
では、形状が比較的単純で、熱伝達条件も確定的であるため、伝熱の法則に基づいた単調な温度分布しか取り得ないことを意味している。点検技術としては、サーモカメラと CAE 解析の温度プロファイルを照合することで、バルブ全体の温度を推定する手法が有望である。

３．結果
３．１．バルブ試験モデル冷却試験結果
図１６に冷却試験時の温度-時間グラフを示す。この測定例では、図中、矢印で示すように約 25 分間の冷却を２回に分けて行い、下フランジは最低-145[℃]に達しており、定常状態に近い。ボルト部は上下フランジの中間的な温度で、他の測定点との連動性が高く、測定点として優れていることが確認できた。
組込み向けサーモカメラの測定結果として、図１７に 33 分後と 74 分後の熱画像を示す。いずれも流路に近い部分は測定下限以下となるが、首下部の温度分布を測定することは可能である。カメラ付属のソフトウ
ェアでは、熱画像中のラインカーソル上の温度プロフ
ァイルをリアルタイム表示することが可能である。バ
ルブの温度分布は単調なので、熱画像自体を記録する
より、温度プロファイルを連続的に記録する方法がデータ量削減という意味から望ましいと考える。

図１８ 温度分布（液体水素冷却の場合）
図１６ 冷却試験時の温度－時間グラフ

図１７ 冷却試験時のサーモカメラ画像

図１９ 冷却試験時の温度－時間グラフ-4-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

次に、DIC 精度確認試験の例として、約 0.1[mm]の変位を与えた場合の変位-時間グラフを図２３に示す。
DIC 測定と変位計測定はほぼ同等の結果が得られた。
微小変位では、試験テーブルや治具の変位も障壁となるため、テーブル上に基準ブロックを設置して差分を求める補正を行った。５条件の変位－時間グラフのピーク値を読み取り、表３に結果をまとめた。
また、図２４に DIC 補正値と変位計測定値の相関性を示した。測定点数が少ないものの、プラント点検分
野で想定される程度の変位について、DIC 測定が実用上十分な精度を持っていることを確認した。

図２０ 冷却試験時の温度－時間グラフ

図２１ 冷却試験時の温度－時間グラフ

３．３．蓄圧器モデルのＤＩＣ試験結果
図２２は撮影距離 0.5[m]、レンズの焦点距離 17[㎜]の場合の DIC 視野確認試験結果である。図中、紫色の部分は精度が良好な範囲である。点検への応用を踏まえ、紫色領域の横幅、縦幅を X 視野、Y 視野、コンタ
ー図区分の上限値を期待精度として、表２にまとめた。
表中には実画像も併せて記載した。

図２３ DIC 精度検証試験結果（上）DIC 測定（下）変位計測定
表３ ＤＩＣ精度確認試験の結果
DIC
サンプル名 測定点
ｍｍ
N12
1.947
N5
0.372
N9
0.126
N4
0.094
N10
0.029

DIC
基準点
ｍｍ
0.411
0.036
0.014
0.01
0.015

DIC
補正値
ｍｍ
1.536
0.336
0.112
0.084
0.014

変位計
ｍｍ
1.580
0.354
0.119
0.096
0.016

誤差
ｍｍ
-0.044-0.018-0.007-0.012-0.002

図２２ 冷却試験時の温度－時間グラフ
表２ ＤＩＣ視野確認試験結果

図２４ DIC 補正値と変位計測定値の比較

３．４．蓄圧器モデルのＣＡＥ解析結果
図２５に、き裂長さ 10[mm]の場合の変位分布図を示-5-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告す。図２５右は視点と欠陥の位置関係を示したもので、赤い三角形が欠陥を丸数字が視点を示す。き裂の影響は広範囲に及ぶため、図中橙色の四角枠の測定範囲が適切と考える。表２と照合すると、レンズ 17[㎜]、撮影距離１[m]の DIC 測定が適切である。
この時の応力拡大係数の最大値は約 55[MPa√m]であり、既知のき裂進展特性データ１）に基づくと、き裂
進展速度は 1×10-6[m/cycle]前後である。
これは、
1000
回の FCV 充填により、き裂が 1[mm] 進展することを意味しており、このレベルのき裂の影響を捉えることができれば、漏洩事故を未然に防げると考える。

図２５ 蓄圧器モデルの変位分布図

３．５．配管継手モデルの荷重・振動試験結果
容器弁モデル１の荷重試験の結果を、図２６に示す。
この図は荷重試験中の４点のひずみ測定結果を、縦軸に荷重、横軸にひずみのグラフとして示したものである。試験中、200[N]の荷重を負荷・除荷するサイクル
を３回繰り返したが、いずれの測定点も線形関係を示し、同じ経路を往復する挙動であった。荷重が付与された鉛直方向である CH13 と CH15 で最大 40[µε]程度、
水平方向の CH14 と CH16 は最大 10[µε]程度であった。
荷重負荷方向と合致した位置にひずみを貼付すれば、継手に掛かる負荷を測定できると考えられる。
振動試験例として、図２７に 100～1000[Hz]までのサイン掃引試験結果を示す。403[Hz] 、530[Hz]、671[Hz]、751[Hz]に共振点があることが分かった。輸送時の振動負荷を再現するランダム振動条件には200[Hz]までの周波数成分しか存在しないため、T 字継手など基本構造が、輸送振動に対して十分な耐振動性を持っていることと考えられる。今後の着眼点としては、基本構造以外の配管支持部に着目すべきである。

図２７ サイン掃引試験結果（加速度－周波数グラフ）

３．６．配管継手モデルのＣＡＥ解析
荷重試験を再現した CAE 解析結果例として、図２８にひずみ分布図を示す。ひずみがピークとなるのは、T 字継手に接続された配管の根元で、左右方向の配管
で最大約 40[µε]、中央方向の配管で約 15[µε]である。これは図２６に示したひずみ測定値とほぼ同等である。配管継手の構造は比較的シンプルなので、試験結果と CAE 解析が一致しやすいと考えられる。
図２９に水平方向に１Ｇ加速度負荷した場合の変位分布図を示す。いずれのモデルも配管支持部での変位が大きい。これは高圧水素ガス用の配管肉厚が大きく、配管の剛性が高いことが理由と考えられる。
図３０に容器弁モデル２の固有値解析結果を示す。
図示したのは１次モードの結果で、共振周波数は442[Hz]である。この結果から明らかなように、長い配管を持つ製品の共振は配管支持部を節とする変形モードとなる。従って、実プラントの点検技術としては、
配管支持部も含めた CAE 固有値解析を予め実施しておき、危険な変形モードと危険位置を絞り込むことが有効だと考えられる。

図２８ 荷重試験時のひずみ分布図

図２６ 荷重試験時の荷重－ひずみグラフ

図２９ １Ｇ負荷時の変位分布図-6-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図３０ 蓄圧器モデル２の固有値解析結果（１次モードの変位図）（ａ）締結時の場合

次に、接触面漏洩に関する CAE 解析結果を示す。
ねじ締結を再現するため、軸方向に強制変位を与えた場合の応力分布図を図３１に示す。円錐面では、非常に狭い範囲で接触が生じ、材料力学分野で良く知られる典型的な接触応力分布が生じている。
ねじ締結に加え、曲げモーメントを与えた場合の応力分布を図３２に示す。円錐接触面だけでなく、ナットとボディとの接触部などで変形が生じている。また、接触面の上下で応力分布の違いが生じている。
接触面漏洩への影響を調べるため、接触面圧に着目
し、図３３に接触面圧図を示した。図３３（ａ）ねじ締結では均等な面圧が生じているのに対して、図３３（ｂ）曲げモーメント負荷では、下部の接触部面圧が低下し、接触幅も狭くなっている。このような部位では、水素ガス漏洩の危険性が高まると考えられる。
図３４は、曲げモーメント負荷時のひずみ分布を示している。図中、矢印で示したのは、図１２の荷重試
験時のひずみゲージ測定点である。この分布から分かる通り、測定点のひずみと円錐面のひずみ分布は相関性がある。従って、荷重試験など測定していたひずみ
ゲージ測定値を基に CAE 解析と連携することで、バルブ点検技術と同様に、直接測定することはできない接触部の状況を予測することが実現可能であり、今後、追加の検証試験が必要と考える。

（ｂ）曲げモーメント負荷した場合
図３３ 円錐接触部の面圧分布と応力分布（左）面圧拡大図（中央）面圧全体図（右）応力分布図

図３４ 曲げモーメント負荷時のひずみ分布

３．７．点検システムの構築本研究で提案した点検技術は、CAE 解析を活用する点が特徴である。この特徴を活かすため、CAE 解析ソ
フト COMSOL Multiphysics が持つ「CAE アプリケーシ
ョン（CAE アプリ）
」機能を全面的に採用した点検シス
テムを考案した。この機能は、解析済みの CAE を再利用し、GUI 画面を作成するもので、数値入力やボタン操作だけで容易に CAE 計算を行うことが可能である。
我々は、これを「点検アプリケーション（点検アプリ）」として活用することとした。図３５は、バルブに関する点検アプリケーション例であり、伝熱条件を入力することで、霜層の発生状況を予測するものである。
さらに、オプション製品である COMSOL Server を用いることで、遠隔地からインターネット通信を介して「CAE アプリ」が保存されたサーバへアクセスし、Web

図３１ 締結時の相当応力分布図

図３２ 曲げモーメント負荷時の相当応力分布図-7-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ブラウザ上で「CAE アプリ」を実行することが可能である。この時、CAE 計算はサーバのコンピュータが行うため、遠隔地で使用するデバイスはスマートフォンなど計算能力に劣るもので十分である。
我々は、この仕組みをプラント点検に応用し、図３６に示すような点検フラットフォームとして共同利用することを提案する。この画面上の一つ一つの画像が、本研究の成果の一部を点検アプリケーションに作り替えて表現したものである。
図３７に著者らが考える点検システムの全体概要図を示す。IoT や AI 関連技術は、様々な要素技術の集合体であるため、全体像を把握することや、他者と技術的なアイデアを共有することが困難であるが、この図をベースにすれば、共有の助けになると考える。この
図はセンサ、
データ、解析の３つの主要な技術要素を、
プラント点検現場、解析拠点、サーバ拠点の３拠点に割り振った基本形と言える。インターネット通信を前提とすれば、３拠点の空間的な制限はなく、様々な組合せが想定される。この図をベースすれば、どんな組合せも基本形のバリエーションと捉えることができる。
例えば、現場作業員が表示デバイスを使用する場合は、点検現場と解析拠点が同じ場合であり、エッジコンピューティングとはサーバ拠点と解析拠点が現場近くに存在する場合である。

図３７ 点検システムの概要図

４．結言
水素プラント点検技術開発のため、水素ステーションで使用されるバルブ、蓄圧器、配管継手に関する各
種試験や CAE 解析を実施するとともに、新しい点検技術を普及するための点検システムや仕組みについて検討を行い、以下の成果を得た。
①

②

③

④
図３５ 点検アプリケーション画面例⑤⑥

バルブ実験モデルの冷却伝熱実験を実施し、ボルト部に熱電対を埋め込み温度測定をする方法、サーモカメラで首下部分の温度分布を測定する方法が有効であることを確認した。
バルブ実験モデルの CAE 解析を実施し、冷却実
験時の温度分布や温度変化を再現することを確認した。
蓄圧器の DIC 測定試験、CAE 解析を行い、撮影
距離 1[m]で直径全体を測定視野とする手法が、
点検技術として有望であることを確認した。
配管継手に関する荷重試験や CAE 解析を行い、配管根元のひずみ測定値を基に CAE 解析を行う
ことで、継手接触部の力学的な状況を推定できる可能性を示した。
CAE 解析をカスタマイズした点検アプリケーシ
ョンをベースとする点検システムを考案した。
研究成果の一部を点検アプリケーションとして共有できるプラットフォームを構築した。

参考文献
１）日鉄テクノロジー(株)：高圧水素環境下の疲労試験,
https://www.nstec.nipponsteel.com/technology/
mechanical/fatigue/fatigue09/ (参照 2020-3-24)

図３６ 点検プラットフォームのトップ画面例-8-令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

バイパスダイオード内蔵太陽電池パネルの開発
Development of solar panels with built-in bypass diode
技術開発部 プロジェクト研究科 小野裕道 三瓶義之 小林翼 本田和夫
国立研究開発法人産業技術総合研究所 福島再生可能エネルギー研究所
高遠秀尚 白澤勝彦 水野英範 望月敏光
福島双羽電機株式会社 本田剛
アンフィニ株式会社 川﨑俊弘 根本克広 木村太亮
太陽電池パネルの設置場所の拡大のため、バイパスダイオードをパネルに内蔵し裏面のジャンクションボックスを無くした太陽電池パネルを開発する。厚さ 0.7[mm]の薄型バイパ
スダイオードを開発し、これを内蔵した太陽電池パネルを試作した。電流バイパス時のバイ
パスダイオードの熱を効率的に放熱する設計を行い、定格電流 12[A]を流してもバイパスダ
イオードの温度上昇を 55[℃]以下に抑えることができた。
Key words: 太陽電池パネル、バイパスダイオード、内蔵

１．緒言
再生可能エネルギーにより発電した電力の固定価格
買い取り制度により、再生可能エネルギー発電設備が大量に導入された。特に太陽光発電の導入量の増加は大きく、さらなる拡大をめざし自動車車載用や建材一体型など設置箇所も多様化している。
現在の太陽電池パネル（以下：モジュール）は裏面に突起となるジャンクションボックスがある。これが、車両や建材に張り付ける際に障害となるため、ジャンクションボックスを省くことが求められている。しかし、ジャンクションボックス内には、太陽電池モジュ
ールに影がかかるなどの不具合が発生した際に、電流をバイパスさせて太陽電池セルを保護する役割のバイ
パスダイオードが設置されている。このため、ジャンクションボックスを単純に取り除くあるいは移動させることはできず、裏面の突起を無くし、意匠性に優れた薄型太陽電池モジュールを生産することは難しい。
そこで、ハイテクプラザは福島県内の企業２社と産業技術総合研究所福島再生可能エネルギー研究所（FREA）と共同で、バイパスダイオードを内蔵した太陽電池モジュール及び実装技術の研究開発を行った。
本報告では、薄型バイパスダイオードを開発し、これを内蔵した太陽電池モジュールを製作した結果を報告する。
（一行改行）

２．実験及び結果
２．１．薄型バイパスダイオードの開発
２．１．１．熱膨張の応力緩和構造の開発
バイパスダイオードは屋外直射日光による加熱に加えて、バイパス動作時にはダイオードを流れる電流の抵抗加熱によりダイオードチップ自体が発熱する。日中-夜間の温度変化に加え、バイパス動作の ON/OFF に

図１ バイパスダイオードの外観
表１ 構造シミュレーション条件
解析ソフトウェア
端子形状

・M008-H2-01・静変形解析

解析条件

・表裏面の変形拘束・端子間に強制変位 0.2[mm]

表示

・相当応力
・変位量

よる熱膨張-収縮は、ダイオードに引張・圧縮応力を加え破損させる恐れがある。
そこで、図１のようにばね性により応力の集中を緩和するための曲げを入れたダイオードの端子の形状について検討した。３次元 CAD SolidWorks を用いて接続されたタブ線の熱収縮に相当する強制変位 0.2[mm]を与えた端子の応力分布をシミュレーションし、その有効性を評価した。解析条件を表１に示す。
シミュレーションにより得られた薄型バイパスダイ
オードの相当応力とその集中部位を図２に示す。この
結果、単純な平板からなる端子では破損する条件であっても、曲げにより応力を分散することで、破損を避けることができることが確認できた。

事業課題名「バイパス回路内蔵太陽電池パネルの実装技術の開発」[平成３０～令和元年度][福島新エネ社会構想等推進技術開発事業 産総研連携強化型技術開発事業]-9-

Solid Works Professional

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

熱電対

薄型バイパスダイオード(a) 応力分布

端子タブ線

図３ ラミネート試験(b) 応力集中部

イオードの裏面にシース熱電対を同時にラミネートした。図３に示すように、熱電対の周辺に EVA の剥離があるものの、薄型バイパスダイオード周辺には気泡もなくラミネートできることを確認した。

(c) 変位量
図２ シミュレーション結果

２．１．２．薄型バイパスダイオードの試作
太陽光発電モジュールは、太陽電池セル ( 厚さ300[μm]以下)とインターコネクタ(厚さ 0.3[mm])、タブ線(厚さ 0.3[mm])がラミネートされている。バイパ
スダイオードを太陽光発電モジュールに内蔵させるた
めには、これらを重ねた最大の厚さ、0.9[mm]以下の厚さであることが求められる。
また、屋外の直射日光下に長時間、設置されることが前提であるため、ダイオードチップは内部保護のため樹脂モールドで封止されていることが望ましい。
これらの条件を満たす薄型バイパスダイオードの試作は、福島双羽電機株式会社が取り組んだ。
２．２．太陽光発電モジュールの放熱設計
２．２．１．薄型バイパスダイオードのラミネート試
験
試作した薄型バイパスダイオードを太陽光発電セル
と共にラミネートすることを試みた。薄型バイパスダ
イオードをタブ線にはんだ付けし、太陽光発電モジュールと同様にエチレン・酢酸ビニル共重合体（Ethylene-vinyl acetate copolymer 以下 EVA）フィルムではさみ真空加熱ラミネーターでガラス板にラミネート加工した。ダイオードの温度測定のため、ダ

２．２．２．薄型バイパスダイオードの熱抵抗の測定
薄型バイパスダイオードを太陽電池モジュールに使用するには、太陽電池モジュールが太陽光により昇温し、さらにラミネートされた薄型バイパスダイオード
から発熱があったとしても、ダイオードの動作温度範囲である 150[℃]以下に保つことが求められる。
一般に、電子回路の熱設計では、素子の消費電力ごとの上昇した温度を測定し、消費電力と温度の傾きである熱抵抗 Rth[K/W]を算出して評価する。これと同様に薄型型バイパスダイオードについても、熱抵抗を求め、周辺への放熱の状況を評価した。
内蔵された薄型バイパスダイオードの発生した熱の大部分はタブ線によりモジュール内を伝導すると考えられる。そこで、タブ線の幅を変えてダイオードを接続し、通電した際のダイオードの温度上昇を測定することで、タブ線の幅の違いによる熱抵抗の違いを測定した。タブ線の幅を 1.5[mm]と 6[mm]、12[mm]の３種類とし、これと比較のため市販の外付けのジャンクショ
ンボックスに内蔵されたダイオードも測定した。
作製した試料に太陽電池モジュールの定格電流を想定して定電流電源より表２に示す条件で通電し、熱電対でダイオードのカソード端子側の温度上昇を測定した。消費電力と薄型バイパスダイオードの温度上昇を
図４に示す。タブ線の幅が広くなると放熱量が大きくなり、温度上昇は抑制された。最もタブ線幅が広い幅
12[mm]の熱抵抗は 24.2[K/W]で、12[A]を通電した際
120[℃]の温度上昇があった。これは日中の日向設置で
パネル温度が 30[℃]以上であれば、150[℃]を超えてしまい不具合の原因となる。そこで温度上昇を抑制する配置方法の開発に取り組んだ。

- 10 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

薄型バイパスダイオード

表２ 通電実験の実験条件
電源

定電流電源

電流値 [A]3, 5, 7, 10, 12.5

温度測定

ダイオードの温度
ラミネート熱電対
ガラス板の表面温度
サーモカメラ

タブ線

120

端子

100

y = 24.169x
R² = 0.9898

80

熱電対
バスバー1.5mm

図５ 薄型バイパスダイオードの並列配置

バスバー6.0mm

60

バスバー12mm

40

140

20

120

BPDの中心温度上昇 [K]

中心部の温度上昇 [K]

140

0

0

2
4
消費電力[W]6

図４ 消費電力と薄型バイパスダイオードの温度上昇

比較対象である従来の外付けのジャンクションボッ
クスに内蔵されたバイパスダイオードの熱抵抗は
14[K/W]であり、これと同程度を、太陽光モジュールにラミネートした薄型バイパスダイオードの熱抵抗の目標とした。
２．２．３．薄型バイパスダイオードの並列配置
通電している薄型バイパスダイオードの発熱を抑制
するには、電流を減らすことが有効である。このダイ
オードに使用したショットキーバリアダイオードの電流－電圧特性は比例関係になく、電流値を 1/2 にすれば電圧降下は 1/2 以下となる。そのためダイオードを２個並列に配置すれば、1 個あたりの消費電力は 1/2以下になり、発熱の総量は減少する。
そこで図５に示すように薄型バイパスダイオードを並列配置し、通電した際の温度上昇を測定した。ラミ
ネートしたダイオードを表２の条件で通電し、その温度上昇を測定した結果を図６に示す。並列に２個配置したことで温度上昇は抑制され、熱抵抗は 16.9[K/W]
まで減少した。
２．２．４．放熱経路の設計
バイパスダイオードの温度上昇を抑えるためには、タブ線への放熱量を増やすことが効果的である。しかし、ガラス板の表面の温度分布をサーモカメラにより観察すると、図７のとおりダイオード周辺部に急な温度勾配が観察される。これはダイオード周辺で放熱がバスバー1.5mm

100

y = 16.932x

バスバー6.0mm

8060

バスバー12mm4020ダイオード２個
バスバー12mm

0
0

2

4
6
消費電力 [W]8

図６ 並列配置した薄型バイパスダイオードの温度上昇

図７ ガラス表面の温度分布妨げられていることを示している。そこで、この原因についてシミュレーションにより探索した。ダイオー
ドからタブ線までを図８のとおりモデル化し、CAE により温度分布を求めた。バイパスダイオードの熱は、厚さ 0.1[mm]の端子を介してタブ線-EVA-ガラス板あるいはバックシートへ伝導し、ガラス板とバックシー
トから空気へ伝達する。解析したところ、図９に示す
大きな勾配の温度分布が算出された。これは発熱体であるダイオードとタブ線を熱接続する端子が薄いため、- 11 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

断面図

硝子
端子

EVA

BPD
タブ線
バックシート（a） モールド側
タブ線とBPDの隙間

図８ バイパスダイオードの熱解析モデル
薄型バイパスダイオード（b） カソード端子側

図１１ 薄型バイパスダイオードの外観
断面図

インター
コネクタ

硝子

端子

タブ線

タブ線

タブ線

BPD

図９ ダイオード周辺の温度分布
バックシート

ガラス表面温度 [℃]

80

はんだ付け

70

導電性エポキシ接着剤

図１２ カソード側電極熱接続の模式図

60
50
0.3mm
隙間なし

40

30
20
0
10
20
30
40
ダイオードからの距離 [mm]

図１０ 薄型バイパスダイオードとタブ線の温度勾配

この部分で伝熱量が制限されたと考えられる。端子の薄い部分を少なくするため、ダイオードとタブ線の距
離を縮めて解析すると、伝熱量は増加しガラス表面の温度分布は図１０のとおりとなり、急な温度勾配は解消した。
このように、薄型バイパスダイオードの端子が熱伝導の律速である可能性があることから、それを解消するため薄型バイパスダイオードとタブ線を熱的に接続することを試みた。薄型バイパスダイオードは図１１に示すとおり、中央部は樹脂封止されているものの、カソード側の電極は露出している。図１２に示すようにカソード電極とタブ線を熱的に接続できれば伝熱量の増加が期待できる。はんだ付けあるいはろう付けは熱伝導性に優れているが、接合時の加熱により薄型バ
イパスダイオード内のダイオードチップと端子のはんだが再溶融することが懸念される。そこで、薄型バイ

パスダイオードのカソード電極とタブ線の熱接続は、固化する際にはんだ溶融温度まで加熱されない導電性
エポキシ接着剤で行い、端子とタブ線の電気接続は、端子先端部のはんだ付けとした。
２．３．発熱量を抑制したバイパスダイオードの開発
薄型バイパスダイオードの通電による発熱量を低減させるためには、内蔵されるダイオードチップの電気抵抗を小さくすることが有効と考えられる。
そこで、１つのパッケージにダイオードチップを２個並列に内蔵したダイオード及び、より電流容量の大きいダイオードチップを内蔵したダイオードを試作し、電気特性と発熱特性を評価した。
使用したダイオードチップの特性を表３に、試作した薄型バイパスダイオードの外観を図１３及び図１４に示す。
発熱特性を評価した結果、ダイオードチップを２個入れたものは、温度上昇が抑えられていることが確認された。これは、ダイオードチップを並列に入れたことによりも電気抵抗が低下したことと発熱源が分散されるために熱抵抗の面で有利に働いたことが原因と考えられる。
一方、より電流容量の大きいダイオードチップを内蔵したダイオードでは、むしろ発熱量が上昇する傾向が見られた。これは、電流容量を大きくしたことで順- 12 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

表３ 使用ダイオードチップ特性
薄型バイパス
ダイオード型式

ダイオードチップ仕様(モールドタイプ)
平均整流電流：12[A]
SBM2440

繰り返しピーク逆電圧：40[V] のダイオードチップ 2 個使用
平均整流電流：15[A]SBM1545

繰り返しピーク逆電圧：45[V] のダイオードチップ 1 個使用

図１５ 温度測定用のミニモジュール

表４ 実験条件
印加方向
印加電流

装置

静定時間
セル設置

図１３ SBM2440 の外観

順方向
6A, 12A, 12.5A
直流電源 PAD55-20L(菊水電子工業(株))デジタルマルチメータ PC500(三和電気計器(株))K熱電対
6分
80°に傾け図１４ SBM1545 の外観（一行改行）
方向の電気抵抗自体が上昇したためと考えられる。

図１６ 実験中の太陽光発電モジュール

２．４．ミニモジュールの製作
太陽光発電セルと共にラミネートした状態で温度上昇を評価するため、太陽光発電セルを 4 枚使ったミニモジュールを作製した。一般的なモジュールは太陽光発電セルが６０枚程度直列に配置されるが、薄型バイ
パスダイオード周辺の配置を模擬して、温度分布を評価した。作製したミニモジュールを図１５に示す。

きないため、電子機器の放熱設計の指標となる熱抵抗を算出した。これは、ダイオードの消費電力当たりの温度上昇から算出される。
バイパスダイオードに電流が通過することを想定し、バイパスダイオードに順方向電流を通電し、消費電力
当たりの温度上昇を測定した。市販品として多く使われている 156[mm]×156[mm]の単結晶シリコン太陽光
発電セルは、定格出力電流は 10[A]程度が得られる。
２．５．温度上昇の測定
バイパスダイオードにも最大で同量の電流が通過する
発熱素子は発熱量と放熱量が同量となれば、温度はことから、12.5[A]の直流電流を負荷し試験した。実験
一定になる。ダイオードの発熱量は電流値で決まり、放熱量は温度勾配と熱伝導路の材種と断面積で決まる。 条件を表４に、実験の外観を図１６に示す。評価した
ミニモジュールの諸元と熱抵抗を表５に示す。
ダイオードの温度だけで放熱経路を評価することはで- 13 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

表５ ミニモジュールの諸元と熱抵抗
型式

個数

配線幅

硝子サイズ

BPD配置

熱抵抗

SMB1240

2個並列
1個並列
2個並列

12mm
6mm
12mm

180mm×180mm
400mm×400mm
400mm×400mm

アノード-ガラス
カソード-ガラス
カソード-ガラス

14.8 K/W
21.6 K/W
14..1 K/W

6A
53.2K
30.7K

順方向印加電流
12A
12.5A
67.6K
73.4K
85.9K
61.7K
65.1K

表６ 裏面に屋根材を張り付けたミニモジュールの熱抵抗
型式

SMB1240

個数

配線幅

硝子サイズ

BPD配置

2個並列

12mm

180mm×180mm

アノード-ガラス

1個並列

6mm

400mm×400mm

カソード-ガラス

2個並列

12mm

400mm×400mm

カソード-ガラス

この熱抵抗から算出される電流通過時の温度上昇は65[℃]程度となり定格温度とほぼ同じになる。夏の日
向に設置されモジュール温度が上昇した場合に安全性を確保するには、より温度上昇を抑制する必要がある。
そこで屋根材と一体に施工することを想定し、厚さ0.5mm の鋼板製の屋根板に接着した。バイパスダイオ
ードに近いバックシート部分に接着剤を塗布し、屋根材と接着して温度上昇を測定した。同様に表４の実験
条件で熱抵抗を測定すると表６のとおり、温度上昇を
55[℃]以内に抑制することができた。これはジャンク
ションボックス内に設置される従来のバイパスダイオ
ードの温度上昇と同程度であった。
（この間には原則文章を記載しない）
２．６．難燃性ラミネート材による太陽電池の試作
２．６．１．ラミネート材の選定
太陽光発電セルに影がかかるなどして発電量が下がると、セルが発熱しホットスポットになる。バイパス
ダイオードはセルに流れていた電流を迂回させ、セルの発熱は減らすが、バイパスダイオード自体が発熱する。ダイオードの温度上昇によりモジュールのラミネート材が変性しないよう材種を選定する必要がある。
そこで EVA フィルムより高温に耐えられる難燃性ラミ
ネート材を選定した。
２．６．２．ラミネート試験
薄型バイパスダイオードは太陽光発電セルよりも厚く、ラミネート工程で気泡残りやラミネート材との剥離が発生する懸念がある。そこで従来の EVA と難燃性
ラミネート材でラミネート試験を実施した。
太陽電池セル４枚を直列配置し、セルとタブ線をはんだ付けしたストリングを作製した。これを EVA フィ
ルムと難燃性ラミネート材のそれぞれで挟み、真空加
熱ラミネーターでガラス板にラミネート加工した。

裏面の
鋼板
鋼板
鋼板

熱抵抗

14.8 K/W
21.6 K/W
16.8 K/W
14..1 K/W
11.5 K/W

6A

53.2K
42.4K
30.7K
26.0K

順方向印加電流
12A
12.5A
67.6K
73.4K
85.9K
70.7K
61.7K
65.1K
51.8K
54.8K

図１７ ミニモジュールの外観

２．６．３．外観検査
難燃性ラミネート材によるミニモジュールのラミネート後の外観を図１７に示す。薄型バイパスダイオー
ドを内蔵した太陽光発電セルよりも厚い部分に気泡が残った。これは難燃性ラミネート材に対応したバックシートの柔軟性が低かったためと考えられた。太陽光発電セル部分に気泡残りはなく、良好であった。薄型
バイパスダイオード内蔵太陽光発電モジュールを難燃性ラミネート材で製作できると考えられる。
（一行改行）
２．７．量産機によるミニモジュールの試作
２．７．１．レイアップ加工
開発した製造工程が量産工程として耐えられるか確認するため、量産機を用いてミニモジュールの試作を行った。太陽光発電セル４枚を直列に配置し、セルとタブ線をはんだ付けしたストリングを製作した。これを図１８の順でレイアップさせた。
４．２．２．ラミネート加工
レイアップしたミニモジュールをアンフィニ株式会
社の量産機でラミネートした。表７に示す条件でラミネートした試料を図１９に示す。ラミネート後のバイ- 14 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

パスダイオード内蔵ミニモジュールの外観を図２０に示す。薄型バイパスダイオードの内蔵部分にシート破損や発泡、断線は見られず、良好にラミネートできた。
開発した製造工程が量産機に適していることを確認した。
（一行改行）

図１８ ミニモジュールの断面図

３．結言

表７ ラミネーターの条件

薄型バイパスダイオードを開発し、これを内蔵した
太陽光発電モジュールを開発し、次の結果を得た。
・ダイオードチップが樹脂モールドで封止された、
厚さ 0.7mm の薄型バイパスダイオードを開発した。
・タブ線の温度変化による伸縮を吸収するため薄型
バイパスダイオードの端子部にばね性を持たせた。
・ダイオードチップを２個使用し、電流通過時の発熱を抑制した。
・薄型バイパスダイオードに順方向電流 12.5[A]を流しても、温度上昇 55[℃]以下に抑えることができた。
・高温で変性しない難燃性ラミネート材により太陽光モジュールを試作した。バックシートの柔軟性が低かったため、薄型バイパスダイオード周囲に気泡残りがあったが、良好にラミネートできた。
・量産機により薄型バイパスダイオードを内蔵した
ミニモジュールを良好に製造でき、製造工程が量産工程に適することを確認した。
（一行改行）
参考文献
１） 小野裕道, 他. 福島県ハイテクプラザ研究報告書
バイパス回路内蔵太陽電池パネルの実装技術の開発. 福島県ハイテクプラザ, 2020

封止材

処理条件

EVA（中国製）
バックシート（中国製）
1層目

2層目

温度 [℃]

142

151

保持時間 [s]

150

450

1段階

-20

-20

2段階

-15

-10

3段階

-10

-5

到達
ゲージ圧力
[kPa(G)](a) 投入前(b) 投入後

図１９ ラミネーター投入前後のモジュール

図２０ バイパスダイオード内蔵ミニモジュール- 15 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

AI を用いた物体の位置と状態を特定する手法の検討
Investigation of method for specifying position and state of objects using AI technology
技術開発部 生産・加工科 鈴木健司 近野裕太 柿崎正貴 清野若菜 山田昌幸
応募企業 株式会社ランプハウス

製品検査等に応用するため、ライン上を移動する物体を想定し、物体認識と位置特定を行うための手法を検討した。AI 技術のひとつである YOLO を用いて物体認識と状態識別を行うことができた。
Key words: AI、ディープラーニング、YOLO、物体検出

１．緒言
応募企業の株式会社ランプハウスは、生産設備における自動化・省力化機器や各種検査機器の設計・製作を行っている。生産工程において、ある作業の自動化
や検査を行うためには、製品の識別と状態を把握する必要がある。これまでは、画像処理やパターン認識な
ど一定のアルゴリズムにしたがって物体の認識や状態の把握を行うことが多かった。しかし、近年では多品
種少量生産の生産工程が増えてきており、品種によってアルゴリズムのパラメータを変えて対応することは、検証などにも時間がかかり困難である。
そこで、本研究では、リアルタイム物体検出システ
ムである YOLO1-2)を用いて物体認識と状態識別を行う
手法を検討した。さらに、認識した物体の位置を特定するためのプログラムを作成した。これにより、学習データを集めるだけで、プログラムを変更せずに多品種に対応できる可能性を示すことができた。

２．実験と結果
手法の検討を行うため、図１に示す人形を使って学習及び学習結果の評価を行った。人形は座った状態（sitdown）と立った状態（standup）の２つの状態とした。これにより、２つの状態を別物として学習させることで、物体の認識と状態の識別が同時に可能となる。学習には表１に示す計算機を用いた。

表１ 学習に用いた計算機

OS
メモリ
CPU
GPU
GPGPU
ﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ
学習モデル
実装

Ubuntu16.04LTS
768 [GB]Intel Xeon E5−2699 v4 x2
NVIDIA Tesla V100 x8
CUDA V9.0
YOLO-v3
Darknet２．１．YOLO を用いた学習
YOLO は、リアルタイム物体検出システムであり、Darknet3)や Keras/TensorFlow、PyTorch など様々な
ディープラーニングフレームワーク上で実装されたものが提供されている。
本研究では、Darknet を github サイト 4)からダウンロードして学習に利用した。Darknet を用いて学習を行うため、以下のコマンドによりソースをダウンロー
ドし、コンパイルした。
$ git clone https://github.com/pjreddie/dark \net.git$ cd darknet$ makeGPU や cuDNN を利用して学習を高速化するため、また様々な画像を処理できるようにするため、Makefile
中のパラメータは GPU = 1、CUDNN = 1、OPENCV = 1に設定した。この後に、最後の make コマンドを実行す
ると実行ファイルが作成される。また、学習の実行には以下のファイルを設定する必要がある。
datasets.data
train.txt
test.txt

図１ 学習対象の人形の sitdown 状態（左図）とstandup 状態（右図）
事業課題名「AI を用いた物体の位置と状態を特定するための手法の検討」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 16 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

class.txt
yolov3-voc.cfg
train.txt と test.txt にはそれぞれ、学習用データとテスト用データのファイルパスが記述されている。
datasets.data では、分類するカテゴリ数、train.txtと test.txt、class.txt のファイルパス、学習済みモデルの保存場所などを指定する。yolov3-voc.cfg には、
ニューラルネットワークの構造や各種パラメータが定義されており、入力データのサイズに応じて width とheight の値を、式（１）に従い filters の値をそれぞれ変更させる必要がある。
filters = mask_num * (classes + 5)

（１）

mask_num は標準のものから変更しないので 3 を、classes は分類するカテゴリ数なので、今回は sitdownと standup の２つの状態であるので 2 を入力する。したがって、filters = 21 となる。また、学習データのサイズは今回、幅 640、高さ 480 ピクセルとなるので、
width = 640、height = 480 とした。学習は以下のコ
マンドで実行した。
$ ./darknet detector train datasets.data \yolov3-voc.cfg
２．２．学習データの準備
学習データは、Web カメラに写っている映像を一定時間ごとに画像に保存する Python プログラムにより収集した。画像は JPEG 形式で、画像サイズは幅 640、高さ 480 ピクセルに設定した。画像枚数は、sitdownとstandup のそれぞれについて約100 枚ずつ準備した。
次に、得られた画像中でどの領域が認識するべき物体であるかを矩形の領域（Bounding Box）で学習モデ
ルに示す作業（Annotation）が必要になる。Annotationには、BBox-Label-Tool5)を使用した。BBox-Label-Tool
はAnnotation をGUI 操作によって実施できる補助ツールであり、その作業は図２に示すように、画像中の対象物を矩形で囲う作業になる。これにより、画像と同じファイル名で、Bounding Box の座標値を示すテキス
トファイルが保存され、学習する対象が画像中のどこにあるかを示すことができる。
しかし、この座標値は、Bounding Box の左上と右下の座標値の組になっている
が、YOLO で扱う形式は、
Bounding Box の中心座標と幅、高さになるので、変換が必要である。変換は、Python
によるプログラムで行った。

図２ Annotation 作業の様子

２．３．YOLO による物体認識と状態識別の結果
学習が終了すると yolov3-voc_40000.weights のファイルが作成される。これは、学習済みのモデルで以下のコマンドにより、img.jpg の画像に対して、物体認識を実行することができる。
$ ./darknet detector test datasets.data \yolov3-voc.cfg yolov3-voc_40000.weights \img.jpg
図３は、学習に使用していない画像による識別結果である。sitdown と standup の２つの状態について正
しく識別されていることが確認できた。さらに、未学
習の画像 20 枚を識別したところ、すべての状態を正しく識別できた。
また、学習済みモデルを用いて、Web カメラの映像をリアルタイムで物体認識することも可能である。実行コマンドは以下のとおりである。
$ ./darknet detector demo datasets.data \yolov3-voc.cfg yolov3-voc_40000.weights
上記コマンドで、Web カメラの映像をリアルタイム
で物体認識した様子を図４に示す。角度によっては正
しく認識しないこともあるが、おおよそ正しく判断することができた。しかし、背景が変わったり、ある光の当たり方になったりすると全く正しく識別しなくなることがあった。そのため、実際に利用する際は、使用場所や明るさの環境に応じた学習をする必要があると考えられる。

図３ 未学習データによる識別結果- 17 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図４ Web カメラによるリアルタイム物体認識

２．４．位置特定のためのプログラム
リアルタイムの物体認識の結果を使って、認識対象に何かしらの動作をする場合には、その位置を特定しなければならない。darknet の実行ファイルの現状では、Bounding Box の座標値は表示されないので、ソースコードの修正が必要になる。darknet の実行ファイルがある場所の src ディレクトリの中に、image.c のファイル名でソースコードがある。その中に
draw_detections 関数が記述されているので、その中の print 文の下に以下のコードを挿入する。
printf(" -> (x, y, w, h)\n");printf(" = (%d, %d, %d, %d)\n",(int)(dets[i].bbox.x*im.w),(int)(dets[i].bbox.y*im.h),(int)(dets[i].bbox.w*im.w),(int)(dets[i].bbox.h*im.h));
座標値は Bounding Box の中心の座標値(x, y)、
幅 w、
高さ h で示される。修正後、darknet の実行ファイルがあるディレクトリで make コマンドを実行し、リビルドを行うとBounding Box の座標値を得る実行ファイルが作成される。図５に Web カメラのリアルタイム物体
認識の結果を示す。ターミナル画面に、Bounding Boxの座標値が表示されていることがわかる。

３．結言
本研究では、可動式の人形を使って、２つの異なる状態を作り、それらを学習対象とし、YOLO による物体認識を行った。これにより、同一の物体であっても別のものとして認識することで、異なる状態を識別する

図５ Bounding Box の座標値出力の結果ことができることを確認できた。
また、学習済みモデルを用いて、認識した物体の座標値を出力するプログラムを用いることで、物体の画面上での位置を特定することができた。
これらの結果より、状態の異なる物体を識別し、さらには、
画面上での識別対象の位置を特定することで、生産工程における自動化への応用の可能性を示すことができた。
一方、背景や明るさの違いなどで全く識別できなかったこともあったので、使用環境に合わせて学習を調整することが今後の課題である。また、識別対象の
画像上の座標値と実座標値をどのように対応させるかも検討していく必要がある。
参考文献
１）Joseph Redmon. “YOLO:
Real-Time Object Detection”.
https://pjreddie.com/darknet/yolo/.
(参照 2020-01-31).
２）J. Redmon, S. Divvala, R. Girshick and A.
Farhadi. "You only look once: Unified, real-time
object detection." arXiv preprint
arXiv:1506.02640,2015.
３）Joseph Redmon. " Darknet: Open Source Neural
Networks in C”.
https://pjreddie.com/darknet/ .(参照 2020-01-31).
４）GitHub. “pjreddie/darknet”. Convolutional
Neural Networks.
https://github.com/pjreddie/darknet.
(参照 2020-01-31).

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令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

５）GitHub.“puzzledqs/BBox-Label-Tool”.
https://github.com/puzzledqs/BBox-Label-Tool.
(参照 2020-01-31).

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令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

深層学習を用いた気象状況判断プログラムの試作
Prototyping of weather condition judgment program using deep learning
技術開発部 生産・加工科 鈴木健司 近野裕太 柿崎正貴 清野若菜 山田昌幸 尾形直秀
応募企業 旭日産業株式会社
降雪・積雪状況に応じて融雪装置の発停を制御するため、カメラ画像から降雪・積雪の有無を判断するための手法について検討した。ディープラーニングを用いて、降雪時や積雪時の画像を学習し、適切に判断できるかを評価した。
Key words: AI、ディープラーニング、NVIDIA DIGITS

表２ 学習に用いた計算機

１．緒言
応募企業の旭日産業株式会社は、降雪時や積雪時にカメラ画像から融雪装置の発停を制御するシステムを検討している。現在は、赤外線の画像を用いて昼夜を問わず状況を判断させているが、雨や水たまりなどを雪として誤認識してしまうことがある。しかし、安全のため閾値を下げ、誤認識している可能性が高くても雪があるものと判断している。そのため、雪がない状
況でも運転をしていることがあり、無駄となっている。
そこで、本研究では、ディープラーニング を用いて
降雪時、積雪時、降雪・積雪がない時の 3 パターンの画像を用いて学習を行い、カメラ画像の気象状況を判断するための手法について検討し、カメラ映像からリ
アルタイムに気象状況を判断するサンプルプログラムを作成した。

２．実験と結果
本研究では、分類する気象状況を、降雪あり・積雪あり、降雪なし・積雪あり、降雪なし・積雪なしに設定することとした。
画像の取得には表１に示す IP カメ
ラを用い、学習には表２に示す計算機を用いた。IP カ
メラは２箇所に設置し、定期的に映像を保存するプロ
グラムを実行し、データを収集した。IP カメラには、
光度センサーがついており、昼間はカラー映像に、夜間は赤外線によるモノクロ映像に自動的に切り替えて撮影を行った。

OS
メモリ
CPU
GPU
GPGPU
ﾌﾟﾗｯﾄﾌｫｰﾑ
学習モデル
実装

Ubuntu18.04LTS
16[GB]
Intel Core i7 7700K
NVIDIA GeForce 1080
CUDA V10.0
AlexNetNVIDIA DIGITS

２．１．NVIDIA DIGITS について
ディープラーニングの学習には、GPU などを製造している半導体メーカーの NVIDIA 社が開発した DIGITS1)を用いた。DIGITS は、対話型のディープラーニングを学習するための Web アプリケーションである。図１に示すように、データの前処理やニューラルネットワー
クの設定、学習の推移、結果の可視化などを GUI 操作
で行うことができる。また、学習済みのモデルを使って、推論を行うことも可能であるほか、複数の画像を一度に推論させることもできるため、学習の結果を効率的に評価できる。

表１ データ収集に用いた IP カメラ

メーカー/型番

H.View / HV-400E1

画素数

400 万画素

フレームレート20[fps]

視野確度100[°]

その他

PoE 給電、赤外線、防水 IP66

図１ DIGITS の操作画面

事業課題名「深層学習を用いた気象状況判断手法の試作」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 20 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

２．２．学習データの準備
学習データは、屋外２箇所に設置した IP カメラの映像を定期的に動画ファイルに保存する Python プログ
ラムを用いて収集した。学習に用いるデータは画像データであるので、以下の ffmpeg2)コマンドにより動画ファイルを画像ファイルへ変換した。
$ ffmpeg -i input.mp4 -r 20 img%04d.png
このコマンドにより、input.mp4 の動画ファイルをimg(通し番号).png の画像に変換することができる。r
オプションは、動画 1 秒あたり何枚の画像に変換する
かの値であり、上記の場合は、1 秒あたり 20 枚の画像を出力する。
このようにして画像を収集し、気象状態に合わせて、降雪あり・積雪あり、降雪なし・積雪あり、降雪なし・
積雪なしの３つの状況に分類した。DIGITS では、ディレクトリ名が分類する正解ラベルに対応しており、画像データは気象状況に応じて、それぞれの名前のディレクトリへ保存する。画像枚数は、それぞれの状態につき約１万枚準備した。図２に３つの気象状況の画像
データ例を示す。

２．３．AlexNet による学習と判定結果
DIGITS を 用 い て 学 習 を 行 い 、 学 習 モ デ ル に は
AlexNet3)を用いた。AlexNet は現在飛躍的に精度を高めている様々なニューラルネットワークの基礎的なモデルである。
今回の分類数は３つと少数となっており、基礎的なモデルでも十分対応可能であると考え、採用した。
図３に学習結果のグラフを示す。epoch は学習の進捗、loss は損失関数の値となっており、epoch が進む
につれ loss の数値が小さくなっていき、学習がうまく
進んでいることを示している。また、正答率 accuracy
は学習が進むにつれ、数値が大きくなっており、正し
く気象状況を判定できていることを示している。
train は学習データ、
val は学習に用いていない検証用のデータで数値を算出したことを示している。したがって、学習済みのモデルが正しく判定できるかを判断するためには、val の数値が重要となってくる。例
えば、loss(train)が小さくなっているのに対し、loss(val)が大きくなるような場合は、学習データでは
正しく判定できるが、それ以外の未学習データは正し
く判定できない過学習が起きていると考えられる。今回の学習結果のグラフは、loss(train)、loss(val)ともに値が小さくなっていることから、過学習は起こっておらず、正しく学習できていると考えられる。
図４は未学習のデータを学習済みモデルで判定させたときの結果である。画像の解像度は 1920x1080 であるが、学習モデルの入力サイズは 256x256 であるため、画像を縮小して入力する。気象状況は降雪あり・積雪ありであるが、正しく判定されていることが確認できた。
この他、DIGITS では、一括で画像判定をすることもできる。それぞれの気象状況について、10 枚ずつの未学習画像データ、合計 30 枚を判定させた。結果は、30
枚中 29 枚が正しく気象状況を判断していることが確認できた。

図３ 正答率 accuracy と損失関数の値 loss の結果
図２ 気象状況の例 （降雪あり・積雪あり（上）、降
雪なし・積雪あり（中）、降雪なし・積雪なし（下））- 21 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告#1 | snowfall-snow cover | 99.942%（降雪あり・積雪あり）#2 | snow cover | 0.033%（降雪なし・積雪あり）#3 | no snow | 0.025%（降雪なし・積雪なし)

図５ 学習済みの caffemodel を用いたリアルタイム気象状況判定のサンプルプログラム

３．結言

図４ 降雪あり・積雪ありの未学習データ（上）とその認識結果（下）２．４．リアルタイム気象判定のサンプルプログラム
学習済みモデルを使ったアプリケーションの例として、IP カメラに映っている気象状況をリアルタイムに判定させるサンプルプログラムを作成した。
DIGITS で学習を行うと caffemodel ファイルが作成されるが、これが学習済みモデルになる。caffemodel
ファイルは、python などの言語で、AI 技術を取り入れたプログラムにポーティングして使用できる。
caffemodel を用いて正しく判定させるためには、他にモデル構造を定義した deploy.prototxt ファイルと学習データの平均値である mean.binaryproto が必要になる。このため、mean.binaryproto はプログラム中
で使用できるようにnpy 形式に変換してmean.npy としておく。
判定の流れは、まず deploy.prototxt を読み込んでネットワークモデルを構築し、caffemodel により重み付けをする。
次に入力データから mean.npy の値を引き、そのデータを学習済みの重み付けをされたネットワー
クに入力すれば結果が出力される。
図５に作成した気象状況判定プログラムの実行画面を示す。IP カメラにアクセスし、左上に学習済みモデ
ルで判定した気象状況を赤枠内に表示している。図５の画像は降雪あり・積雪ありのものであるが、約 99[%]の確率で正しく判断していることが確認できた。

本研究では、IP カメラの画像を使って、学習データ
セットを作成し、降雪あり・積雪あり、降雪なし・積
雪あり、降雪なし・積雪なしの３つの状況に分類する
ディープラーニングの学習を行った。その結果、過学習になることなく、気象状況を正しく判断するモデルを作成することができた。
また、学習済みモデルを用いて IP カメラの映像からリアルタイムに気象状況を判定するサンプルプログラ
ムを作成した。これにより、DIGITS による学習結果を用いて独自にアプリケーションを作成する手法を示すことができた。
これらの結果より、降雪などの気象状況に応じて機器を制御するような状況に対して、解決するための手法を示すことができた。
今後の課題は、今回学習したモデルが、他の場所に設置したカメラの映像でも正しく判定できるか検証を行い、必要があれば各場所に応じた学習の調整方法を検討することである。また、朝方や夕方の時間帯、晴天や雨天時の様々な状況に対応できるかも考えなければならない。
参考文献
１） nVIDIA. “CUDA-X AI”. NVIDIA DIGITS |NVIDIA Developer.
https://developer.nvidia.com/digits.
(参照 2020-01-31).
２） FFmpeg. “FFmpeg”. http://www.ffmpeg.org/.
(参照 2020-01-31).
３ ） A Krizhevsky, I Sutskever, GE Hinton,"ImageNet
Classification
with
Deep
Convolutional Neural Networks." Advances inneural information processing systems. 2012. p.
1097-1105.

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令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

安価な測距センサを用いた「移乗です」の自動停止機能の開発
Development of automatic stop function of “IJODESU” using inexpensive ranging sensor
技術開発部 生産・加工科 菅野雄大 柿崎正貴 尾形直秀
応募企業 株式会社あかね福祉
応募企業の製品である移乗用機械「移乗です」は、被介護者を脱衣ベッド等から抱え上げ移乗するためにモータ駆動により上下に移動する昇降部が備えられており、これにより介護者や被介護者の負担を軽減し移乗が可能である。しかし、装置の座面の停止位置は、予め設定された高さで停止する仕様となっており、ベッド等の座面高さが変わると、その都度、予め設定し直さなければならない。本事業では、「移乗です」に測距センサを用いることで、ベッドや椅子の高さに合わせ、自動で停止する機能を付加することを目的とし、車椅子座面の高さ検出が可能であるか検証した。
Key words: 移乗、測距、低コスト、LiDAR、超音波センサ

１．緒言
昇降部

応募企業の株式会社あかね福祉は、図１に示す、抱え上げ移乗による腰痛防止対策機械「移乗です」を開発・商品化している。この装置は、被介護者を脱衣ベッド等から抱え上げ移乗するためにモータ駆動により上下に移動する昇降部が備えられており、これにより介護者が被介護者を持ち上げる負担が軽減され、介護者の腰痛予防や被介護者に負担を与えることなく移乗が可能である。
しかし、装置の座面の停止位置は、予め設定された高さで停止する仕様となっており、ベッドや車椅子等の座面高さが変わってしまうと、その都度、設定し直さなければならない。
本事業では、「移乗です」の座面が、ベッドや椅子の高さに合わせ、自動で停止する機能を付加することを目的に、座面を測距センサにより検出可能であるか検証した。また、安全機能として、万が一、装置の座面が人と接触した際、それを知らせる機能を開発した。
本事業の目標として、「移乗です」（以下、装置）に、低コストで座面高さ検出機能と安全機能を付与し、目標とする座面の高さ検出の精度は、座面から 2 [cm]以内とした。これ以上離れると装置の座面を非介護者の太もも裏にスライドさせる際、太ももを高く持ち上げる必要があり、介護者、非介護者ともに負担がかかると考えられる。また、今回対象とする座面は、実際の利用シーンを考慮し、車椅子、ベッドの座面を想定し
た。

開

閉

座面

図１ 「移乗です」の外観（左）と利用シーン（右）表１ 使用センサとシステム搭載時の機能
センサ

LRF

超音波センサ

感圧センサ型 番

Tiny LiDAR

HC-SR04

MF02-N-221-A01

2.1×2.5 [cm]4.5×2.0×1.5 [cm]4.0×4.0 [cm]

測距範囲：

測距範囲：

感圧レンジ：~200 [cm]2~400 [cm]、

約 30~1000 [g]

精度：3 [%]

正面 15 [°]

感圧エリア：

外 観
サイズ

仕 様

価格（円）

機 能

サンプルレート： 分解能：0.3 [cm]3.96×3.96 [cm]

最大 60 [Hz]動作周波数：

測定誤差：±5 [％]通信方式：I2C

40k [Hz]

反応速度：~1 [ms]約 3,000

200～500

約 1,500

 椅子の座面

 椅子の座面

 ベッドの座面

検出

や人体の検

検出

出（緊急停止 人体検出（緊用）

急停止用）
 下乗時の座面検出

２．実験と結果
２．１．システム構成
使用したセンサを表１に示す。椅子の座面検出は、検出可能な座面箇所や「移乗です」にセンサを取り付けられる箇所が限られており、接触式のセンサでは困難であるため、非接触式の安価で小型な測距センサを

選定した。
なお、
センサデータの送受信等の制御には、容易にプログラム開発が可能な Arduino UNO R3 互換ボード ELEGOO UNO R3 を使用した。
試作したセンサシステムの構成を図２に示す。各種

事業課題名「安価な測距センサを用いた「移乗です」の自動停止機能の開発」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 23 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

センサの取り付けは、3D プリンタで製作した治具により装置に固定した。
超音波センサは、対象物に超音波を発信し、その反射波を受信するまでの時間と音速との積から、対象物までの距離を計算する。空気中の音速 V は、周囲の温度の影響を受けるため、Texas Instruments 社のアナ
ログ温度センサ LM35DZ を使用し、以下の式(1)より補正した 1)。
V = 331.5 + 0.6 t

[m⁄s]

②

③
②

①
ラインレーザ④

t :温度 [℃] (1)

また、超音波センサには、図２①のように 3D プリン
タで製作したエクスポネンシャル（指数関数）形状のホーンを取り付けることで指向性を高めた。

③①
超音波センサ２．１．２．安全機能
図２①のように LRF で検出できなかった場合の緊急停止用として、LRF の上に超音波センサを取り付けた。
また、万が一、測距センサで座面を検出できず人の大- 24 -

十字赤線と緑線

LRF

ラインレーザの目印

④
②
LRF

感圧センサ

感圧センサ

図２ センサシステムの構成

人体

レーザ光
Δdmax
Δd

LRF

座面

図３ 座面高さ検出手法

人体
測距値 [mm]

２．１．１．座面高さ検出機能
椅子の座面の高さ検出は、図２①のように、レーザ
レンジファインダ（以下、LRF）を座面の前面を測距することで検出する。装置の昇降部を下方に移動させた
際、図３のように、測距対象が人体から座面に変わる
ところで急激に距離が短くなる。図４は、LRF の測距
データ d、測距データを１０回移動平均した dave、daveの過去５０個分のデータの最大値 d max、、最大値と平均値の差 Δd のグラフである。図４のように、座面にセンサのレーザが当たると Δd の値が大きくなる。
そのため、Δd がある閾値を超えた時に、座面を検出する手法をとった。閾値は、服のふくらみ等の別要因による誤検出を考慮しつつ最小となるように 4 [cm]に設定した。LRF の取り付け位置は、一人の被験者が実際に車椅子に座り、座面検出時に装置座面が車椅子
座面高さになるよう調整して取り付けた。また、図２②のように、上方から LRF により座面を検出する手法も取り入れた。こちらは、距離データ dave が 21 [cm] 以
下になった時に座面を検出するようにした。
なお、図２③のように、椅子座面の LRF のレーザ光が 当 た る 箇 所 に Quarton 社 製 レ ー ザ モ ジ ュ ー ル
VLM-650-29 LPT（赤色）で十字印をつけ、その目印が隠れないように装置の向きや人の足の配置を調整することで、測距センサが座面以外の対象物を測距してしまうことを防ぐ。
ベッドの座面の検出は、図２④のように装置の座面
裏に感圧センサを取り付けてベッドと接触した時の圧力を検出する手法とした。また、感圧センサを取り付けることで、装置から降りる際は装置の座面が閉じた状態であるため、ベッド以外に椅子に降りる際も椅子の座面を検出することが可能である。

座面

d
dave
dmax
Δd

カウント数 [個]図４ LRF による測距データ

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

腿部等に装置が接触した際、それを検出できるように
図２②のように感圧センサを取り付けた。
２．２．測距センサの精度検証実験
今回選定した超音波センサ及び LRF の測距精度を検証した。対象の座面は、実際に介護用車椅子等で使用されている黒色のクッションとした。
図５ センサの配置

２．２．１．実験方法
図５、図６のように、超音波センサと LRF 及びリフ
ァレンス用の BOSCH 社製レーザ距離計 GLM80 を測定対
象物のクッションに対し平行に設置し、GLM80 の距離データを基準に 15 [cm]から 30 [cm]まで 1 [cm]刻みで距離を測定した。実験は、クッションの前面と上面を測距した場合の２通り実施した。

前面
上面

図６ クッションの前面（左）と上面（右）の測定時の様子

２．２．２．実験結果
図７に超音波センサ、
図８に LRF の測距結果を示す。
測定データは１００個の測定値を平均している。
グラフより、
超音波センサでは、ばらつきが少なく、
リニアリティがあることがわかる。しかし、超音波センサは指向性が低いため、クッションの中身が不均一の（空間がある）場合や、近くに人の足など別の物体がある場合は、複数の距離データを返す場合がある。
LRF では、距離が離れるほど、ばらつきが大きくな
り、クッションの前面から当てた場合は、22 [cm]以上
距離が離れるとリニアではなくなった。これは、対象物が黒色であったため LRF からのレーザ光が対象物表面で吸収され、実際より大きな値になったと考えられる。この結果から、対象物までの距離が 22 [cm] 以上にならないよう、図２③のレーザの目印が座面に当たる距離を 22 [cm]以内とし、目印が当たる位置に装置を移動させるようにした。
以上より、椅子座面の検出には、人の足など異なる
対象物を誤検出しないように指向性の高い LRF を使用する。超音波センサは指向性が低く、異なる対象物を誤検出する可能性はあるが、測距精度は良く人や座面を検出しない可能性は低いことから、LRF の上部に取り付け、LRF で対象を検出できなかった際の緊急停止用として使用することにした。

図７ 超音波センサの測距実験結果

２．３．座面検出の精度検証実験
図２のセンサシステムを使用し、実際に人が車椅子に乗った状態で、車椅子の座面の検出精度を検証した。

図８ LRF の測距実験結果

２．３．１．実験方法
被験者は、平均年齢 39±12 歳の健常成人男性１２
名（身長 172.6±6.1 [cm]、体重 71.2±12.3 [kg]）である。被験者には、車椅子にレーザの目印が隠れない
ように少し足を開いた状態で座るように説明した。なお、レーザによる目印には、赤色レーザ以外に、より視認性の良い Canon 社製緑色レーザポインタ PR11-GCを使用した。LRF で座面を検出した場合は、LED の点灯
及び圧電ブザーの音で知らせるようにした。装置の操
作者は一人に限定し、既存の「移乗です」操作用レバ- 25 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図９ 地面までの距離測定（左）とリファレンス値の確認時の様子（右）

ーにより昇降部の上下移動を操作する。一定の高さから昇降部を降下し、座面検出時のブザー音が鳴った際に昇降部の移動を操作レバーにより手動で停止する。
その後、図９（左）のように、装置座面に固定した GLM80を使用し、地面までの距離を測定値とし、これを１０回繰り返した。また、リファレンス値は、図９（右）のように、被験者の足を上げた状態で、車椅子の座面に、装置の座面がスライド可能で、座面間の距離が最も短くなる値とし、測定値と比較した。
２．３．２．実験結果
今回、全ての実験において LRF により車椅子の座面を検出することができた。
図１０に、被験者１２人の測定 1０回分の平均測定値を示す。各被験者間の平均値の差異は、体格の個人差やクッションが柔らかいため、座る場所により車椅
子座面の沈みがあったと考えられる。ばらつきの差異
は、服が黒色であることや体格差により、車椅子の位置が装置より遠く離れた場合に、２．２章の測距セン
サの精度検証実験の結果のとおり、センサの測定値にばらつきが生じたためと考えられる。
図１１に平均値とリファレンス値との差を示す。平均値がリファレンス値よりも大きい時の最大差は＋1.0 [cm]であった。差が＋になる原因としてはクッシ
ョンの沈み込みの影響と考えられ、比較的後方に座り、両足をより広げた状態で座った場合に、車いすの座面両端が測距レーザの当たる座面中央よりも低くなることが原因として考えられる。平均値がリファレンス値
よりも小さい場合は、最大差が‐2.0 [cm]であった。
これもクッションの沈み込みの影響と考えられる。リ
ファレンス測定時に装置の座面を車椅子座面上にスライドさせる際、被験者の足を上げて行うため、沈み込んだクッションが元の形状に戻るように、位置が高くなることが原因として考えられ、比較的前方に座った
場合に、このようになると考えられる。
この対策として、2 [cm]以上、センサの取り付け位置を低くする方法や、制御に組み込む際に装置座面高さをオフセットする方法が考えられる。しかし、その場合、今回の実験結果では最大差が 1＋2=3 [cm] 以上となり、目標の 2 [cm]を超えることになる。

図１０ 地面から装置座面までの距離の平均値

図１１ リファレンス値と平均値との差

３．結言
本事業では、「移乗です」に自動停止機能を付加する
ために測距センサを使用し、座面を検出する手法を開発した。
その結果、LRF を使用して距離の変化をみることで、車椅子の座面を検出することができた。また、安全機能を付加するために感圧センサ及び超音波センサを選定し、センサの精度検証実験の結果より、緊急停止用として装置に設置した。更に、LRF の測距箇所の目印としてレーザポインタを使用することで、容易に対象の座面に LRF の測距位置を合わせることが可能となった。
しかし、座面検出の精度検証実験では、実際の座面の位置から‐2.0 ～＋1.0 [cm]の誤差があった。今後は、この誤差が許容範囲であるか官能試験等による検証が必要である。また、今回の実験結果から LRF を 2[cm]低い位置に設置した状態での実験や、被験者を更に増やして服装など実際の利用環境に近い条件で実験を実施し、座面検出の精度を検証する必要がある。また、座面の検出結果から「移乗です」が自動停止する
制御プログラムを作成していく予定である。
参考文献
１） 本多電子株式会社. “距離計測”. https://www.hon
da-el.co.jp/hb/3_17.html (参照 2020-02-13).

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令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

GPS とセンサの組み合わせによる自己位置推定システムの開発（第２報）
Development of localization system by GPS and other sensors (2nd report)
技術開発部 生産・加工科 吉田英一 菅野雄大 稲葉勉 近野裕太 清野若菜
GPS 等の測位衛星からの信号が受信できない環境下でも利用可能な、安価なセンサの組み合わせによる自己位置推定システムを開発する。今年度は北陽電機製のレーザレンジファ
インダ UTM-30LX（以後、「LRF」と呼ぶ）による自己位置推定システムを構築し、センサ評
価ロボットに搭載して屋内外で環境地図の作成や自律走行実験を行った。また、障害物を回避するため、YOLO による障害物の認識実験を行った。その結果、屋内において LRF による自律走行ができることや、ロボットに搭載したカメラで障害物を認識できることが確認できた。
Key words: GPS、自己位置推定、障害物検出、YOLO

１．緒言
近年、自律走行ロボットの研究開発が盛んに行われており、GPS トラクターや農作物の無人運搬ロボットなど屋外の様々な環境を走行可能なロボットの実用化が期待されている。
しかし、屋外で自律走行するロボットの多くは位置情報を取得するために GPS を利用するが、GPS アンテ
ナ周辺に壁等の障害物がある環境では位置情報の誤差が大きくなる課題がある。また、自律走行を実現する
ためには多くの要素技術を開発する必要があり、開発
コストや技術者不足の面から中小企業だけですべて開発することは難しく、ロボット関連産業の参入障壁の一つとなっている。
そこで本研究では、自律走行を実現するために必要な自己位置推定技術において、GPS からの位置情報による位置推定のほか、位置情報が正確に取得できない環境でも、各種センサを組み合わせてロボットの位置を推定するシステムを開発する。
また、深層学習による画像認識技術を活用して障害物の認識と回避を行うシステムも併せて開発する。
本研究の概要を図１に示す。

図１ 研究概要

昨年度は、自己位置推定に利用する GNSS 受信機を使い、単独測位や RTK 測位などの測位方式の違いによる測位実験を行い、測位精度を比較した。また、センサ評価基板及びロボットを製作し、ロボットに搭載した状態でのセンサ評価、自己位置推定システムの評価を行う開発環境を構築した。さらに、自律走行ロボッ
トに物体検出機能を付加する目的で、深層学習による物体検出システム YOLO を用いて屋外における物体の学習モデルの作成と評価を行った。
今年度は LRF による自己位置推定システムを構築し、昨年度製作したセンサ評価ロボットに搭載して、屋内外で環境地図の作成や自律走行実験を行った。
本稿では、LRF による自己位置推定システムの開発と、動作を検証するために行った環境地図作成や自律走行実験について述べる。また、AI を活用した障害物の認識実験について述べる。

２．実験と結果
２．１．自己位置推定システムの概要
本研究では GNSS、ベイズフィルタ、自律航法による
位置推定手法を組み合わせた自己位置推定システムの開発を行う。自己位置推定とは既存の地図やセンサデータから走行中のロボットの位置や向きを推定する技術のことで、自律走行に必須の技術となっている。
ロボットの自律走行の実現には自己位置推定のほかに、地図作成、障害物検出と回避、経路・動作計画な
どの機能を実装する必要があり、膨大なソフトウェア
すべてを自前で実装することは現実的ではない。
そこで本研究では ROS１）２）（Robot Operating
System）を使用し、自律走行機能を持つ ROS パッケージ（任意の機能を含むソフトウェアの集合）と GNSS
や自律航法の位置推定手法を組み合わせて自己位置推定システムを構築する。
また、利用するセンサは、位置推定や障害物検出に

事業課題名「GPS とセンサの組み合わせによる自己位置推定システムの開発」[平成３０～令和２年度][チャレンジふくしま「ロボット産業革命の地」創出事業]- 27 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

表１ センサ評価用ロボットの仕様

最大外形
重 量
使用センサ
車輪

ロボット主電源
用バッテリー
図２ 自己位置推定システムの概要

ブラシレス
モータ （２個）

使用する GPS、LRF、慣性センサ、カメラ、超音波セン
サとし、ROS のセンサドライバやデータ送受信機能を利用して、センサデータの取得や送信を行うこととする。自己位置推定システムの概要を図２に示す。
センサ情報と環境地図情報から自己位置推定手法によりロボットの推定位置座標(𝑥, 𝑦)とロボットの向き
𝜃を推定し、目標地点までの経路を計画して自律走行する。また障害物を AI により画像認識し、ロボットは停止や回避行動を行う。
２．２．自律走行実験
２．２．１．センサ評価用ロボットの概要
ROS を用いた自己位置推定システムの動作検証をするため、LRF を搭載したセンサ評価用ロボットでの環境地図の作成や、環境地図を利用したロボットの位置
推定と自律走行実験を行った。
センサ評価用ロボットは i-Cart middle３）をプラッ
トフォームとしたロボットで、ツジ電子社製の T-frog
二軸ブラシレスモータドライバ「TF-2MD3-R6」を搭載している。
センサ評価用ロボットの外観を図３に示す。
TF-2MD3-R6 は、オープンソースの移動ロボット走行
制御プラットフォー ム「YP-Spur」と組み合わせることで、２台のブラシレスモータを制御して二輪差動駆動の移動ロボットを容易に構築できる３）。ロボットの仕様を表１に示す。
自己位置推定のためのセンサとして、ロボット前方
上段に GNSS アンテナ、下段に２次元 LRF を搭載した。

モータドライバ基板

L700×W490×H730[mm]
21[kg]GNSS 受信機、LRF、カメラ
4 輪（前方 2 輪が駆動輪、後方 2 輪が従動輪）
前輪直径：300[mm]
廣隆光電社製密閉式鉛蓄電池
WP12-12（電圧 12[V]、容量 12[Ah]）を 2 個直列
ツジ電子社製TF-M30-24-3500-G200L、TF-M30-24-3500-G200R
ギヤ比 200：1
ツジ電子社製 TF-2MD3-R6

図４ システム構成図

ロボット前方中段にはカメラを搭載した。下段のLRF で周囲の建造物などの形状データを取得し、ロボットのホイールオドメトリと併せて自己位置推定を行う。ロボット走行中の前方画像を中段のカメラで取得
し、AI により障害物を認識し、ロボットの停止や回避動作に利用する。システム構成図を図４に示す。
センサデータやリモコンからの信号は Ubuntu16.04
LTS と ROS を搭載したロボット制御用ノート PC で処理
し、ROS ノード（ROS パッケージ内の複数の独立したプ
ログラム）を介してロボットの速度指令をモータドラ
イバに送信して制御を行う。
２．２．２．LRF による自己位置推定システムの構築
ROS を利用して北陽電機製 LRF「UTM-30LX」による自己位置推定システムを構築した。ロボットの自律走行
は、２次元の占有格子地図と呼ばれる環境地図を使用することが基本となっている。２次元占有格子地図の作成には gmapping を使用した。
２次元占有格子地図を用いたロボットの自己位置推定には amcl を使用した。
amcl はパーティクルフィルタを利用した自己位置推

図３ センサ評価ロボットの外観- 28 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図５ 自律走行時のデータ入出力
図６ 研究室の環境地図定手法である Monte Carlo Localization（MCL）に
Kullback-Leibler Divergence（KLD）サンプリング等のテクニックを加えたものである２）。ロボットが走行する経路計画には ROS パッケージの move_base を使用した。
ROS を利用してロボットが自律走行する時のノードとトピック（ノード間の一方向のデータ送受信経路）の相関図を図５に示す。
図ではノードを丸囲み、トピッ
クを四角囲みで表している。
ypspur_ros ノードはモータドライバからロボットのオドメトリ情報を取得し、odom トピックを出力する。
amcl ノードは LRF からのスキャン情報 scan トピック
図７ 中庭の環境地図を入力し、オドメトリから計算される座標系情報 tf
トピックを出力する。move_base ノードはロボットへの速度指令cmd_vel トピックをypspur_ros ノードに送
２．２．４．自律走行実験
信し、ロボットのモータ制御を行っている。
位置推定の実験では、LRF により検出した研究室内の形状と環境地図の壁やロッカーのなどの特徴的な形
２．２．３．環境地図の作成
状をマッチングして、ロボットの位置推定ができるこ
ロボットの自律走行に利用する環境地図を事前に作とが確認できた。また、目標地点を設定することで現成するため、LRF を搭載したロボットをリモコンで操在位置から目標地点までの経路を計画して自律走行で作し、研究室の２次元占有格子地図を作成した。作成
きることや、通過地点であるウェイポイントを４点設した環境地図を図６に示す。約 7[m]四方の研究室の環定し、４点間を自律走行できることも確認した。
境地図を作成したところ、歪みのない環境地図が作成
位置推定と自律走行実験の様子を図８に示す。
できた。
ハイテクプラザ敷地内の中庭において屋外での環境
２．３．GNSS 受信機による測位実験
地図の作成実験も行った。作成した環境地図を図７に２．３．１．GNSS 測位の課題示す。約 58[m] × 約 22[m]の中庭の環境地図を作成
昨年度は GNSS を利用した自己位置推定の際に、衛星したところ、地図に歪みが生じた。屋内に比べ屋外での遮蔽やマルチパスの影響を受けやすい建物の壁際やは路面が滑りやすく、広範囲の地図作成のため走行距木の付近で、どの程度測位精度が劣化するかを検証す
離が長くなり、車輪の回転数から求めるオドメトリのるため、
u-blox 社製１周波 RTK-GNSS 受信機「C94-M8P」
誤差が蓄積したことが原因と考えられる。また、今回を使用して単独測位方式と RTK（Real Time Kinematic）の実験では初期パラメータの gmapping で地図を作成
測位方式の測位精度を比較した。GNSS 受信機１台で測したことも原因と考えられる。
位する単独測位に対し、RTK 測位は、基準局と移動局
今後、GPS や IMU センサによる補正やシミュレーショ
の２つの GNSS 受信機を使用し、リアルタイムに２点間ンを利用した最適な gmapping のパラメータの調整にで情報をやり取りすることで測位精度を高める測位方
より、歪みの少ない環境地図の作成を目指す。
式である。
その結果、衛星の遮蔽やマルチパスの影響を受けやすい建物や木の付近では、単独測位方式に比べて RTK
測位方式のほうが高精度で測位できることが分かった。

- 29 -

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図８ 位置推定と自律走行実験
画像©Google

しかし、RTK 測位方式は精度数 cm の Fix 解が得られるまでの初期化時間が長いことや、静止した状態では Fix 解が得られるものの移動しながらの測位では精度が数 m の Float 解に落ちてしまうという課題があることが分かった。
今年度は１周波受信機と同様に数万円で入手可能な
u-blox 社の低価格２周波対応 RTK-GNSS 受信機「C099F9P」を使用して C94-M8P との比較を行った。C099-F9
P は測位衛星から発信される２つの周波数帯の電波を受信して測位する。１周波対応 C94-M8P に比べ、Fix
解を求めるまでの初期化時間が数秒と短いことや Fix
持続性が向上することが特長である。
２．３．２．GNSS 測位実験方法と結果
ハイテクプラザ敷地内テニスコートのオープンスカ
イ環境で、u-blox 社製１周波 RTK-GNSS 受信機 C94-M8
P と２周波 RTK-GNSS 受信機 C099-F9P を使用してテニ
スコートの白線に沿って歩いた軌跡を取得し、初期化
時間と Fix 持続性の比較を行った。
以下に実験条件を示す。

図９ RTK 測位結果（緑線：C94-M8P 赤線：C099-F9P）

実験より、測位精度の大きな違いは見られなかったが、初期化時間や Fix 持続性に大きな違いがみられた。
１周波 RTK-GNSS 受信機 C94-M8P は静止状態では Fix
解が得られて高精度測位できたが、移動しながらの測位では複数回 Float 解になり、静止しないと Fix 解に戻らなかった。一方、２周波 RTK-GNSS 受信機 C099-F9
P では Float 解から Fix 解になるまでの初期化時間が M
8P に比べて短く、移動中でも Fix 解を維持して高精度測位することが確認できた。
この実験結果より、ロボットには２周波 RTK-GNSS
受信機を搭載するほうが高精度の測位データを安定して取得できることが分かった。今後は、LRF と組み合わせた自己位置推定システムを開発する予定である。

２．４．YOLO を用いた物体検出システムの開発
自己位置推定システムを搭載した自律走行ロボット
は、搭載された LRF 等を用いて周囲に存在する物体を高精度で検出することができる。この検出物が何であるかを理解することは、ロボットの走行上において、＜実験条件＞
回避や停止の動作を判断するために重要である。
日時：令和元年 7 月 16 日（火）15:33‐15:52
本研究では、自律走行ロボットに物体検出機能を付
場所：ハイテクプラザ敷地内のテニスコート（図９）
加する目的で、畳み込みニューラルネットワーク（CN使用 GNSS 受信機：u-blox 社製 C94-M8P
N）による動画の物体検出システム YOLO を用いて、屋
u-blox 社製 C099-F9P
外における物体検出の学習モデルを作成しその物体検（RTK 測位時は 2 台使用）
出度を評価する。
衛星：GPS、BeiDou、QZSSYOLO４）５）は、リアルタイム物体検出アルゴリズムで、
測位方式： RTK 測位
Darknet６）や Keras/TensorFlow、PyTorch など様々な
ディープラーニングフレームワーク上で実装されたもオープンスカイ環境で測位実験を行った時の受信衛のが提供されており、検出精度も非常に高い。YOLO の
星数は 18、PDOP は 1.39 だった。位置精度低下率 PDOP
大きな特徴は、候補領域（Bounding Boxes）の切り出（Position Dilution Of Precision）は衛星数の減少
しとその候補領域のクラス確率（Class Probability）
や衛星配置による精度低下率の指標を表す数値である。 の算出を一回の推測で同時に行う点にある７）。このた
測位結果の解析には u-blox 社が無償提供している G
め、YOLO は非常に高速に物体検出を行うことができる。
NSS 評価ソフトウェア「u-center」を使用した。測位
本研究では、Darknet で実装された YOLO-v2 ８）を
結果を図９に示す。グーグルアース上に緑と赤の実線
github のサイト９）からダウンロードして利用した。
で示す歩行軌跡の測位結果を張り付け、２受信機の測YOLO による画像認識実験の様子を図１０に示す。実位結果を比較した。基準局は三脚にアンテナを取り付
験によりロボットに搭載したカメラでリアルタイムにけ、テニスコートの中央（図９の×印）に設置した。 人や物体の認識ができることを確認できた。

- 30 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

表２ 自律走行評価用ロボットの仕様

最大外形
重 量
使用センサ
車輪
ロボット主電源
用バッテリー

図１０ YOLO による画像認識実験

２．５．開発環境の構築
２．５．１．自律走行評価用ロボットの製作
屋内外環境においてGNSS 受信機やLRF などの各種センサを利用した自律走行を評価するため、自律走行評
価用ロボットを製作した。自律走行評価用ロボットの外観を図１１に示す。
このロボットは平成３０年度に製作したセンサ評価
用ロボットの小型軽量化と、比較的平坦な屋内外環境
でのモータ駆動走行を目指して、車輪径を 300[mm]から 150[mm]、ロボットの幅（トレッド長）を 490[mm]から 365[mm]に小型化し、ロボット重量を 21[kg]から
11[kg]に小型軽量化を図った設計とした。ロボットの仕様を表２に示す。
２．５．２．AI 認識評価システムの製作
ロボットに搭載したカメラの画像から YOLO により物体を認識できるか評価するため、GPU 搭載組込み装置 NVIDIA Jetson AGX Xavier 開発者キット（以後、「エグゼビア」と呼ぶ）と深度カメラ Intel Realsense D435i（以後、「深度カメラ」と呼ぶ）で構成される AI
認識評価システムを製作した。
エグゼビアには NVIDIA 社から提供される JetPack
をインストールして Ubuntu 18.04 ベースの OS を動作させ、CUDA、cuDNN、TensorRT、OpenCV など AI 関連のソフトウェアやドライバをインストールした。また、U
SB 接続した深度カメラや WEB カメラからの画像を AI
認識評価できる仕様とした。

図１１ 自律走行評価用ロボットの外観

ブラシレス
モータ （２個）
モータドライバ基板

L423×W365×H480[mm]
11[kg]GNSS 受信機、LRF、カメラ
3 輪（前方 2 輪が駆動輪、後方 1 輪が従動輪）
前輪直径：150[mm]GS ユアサ製鉛蓄電池 NPH5-12（電圧 12[V]、容量 5[Ah]）を 2 個直列
ツジ電子社製TF-M30-24-3500-G15L、TF-M30-24-3500-G15R
ギヤ比 15：1
ツジ電子社製 TF-2MD3-R6

図１２ YOLO での画像認識実験

ロボットにエグゼビアを搭載して認識実験を行った様子を図１２に示す。ロボットを走行させながらカメラで撮影した画像を YOLO-v2 tiny モデルで認識させたところ、約 50 フレーム/秒の処理スピードでリアル
タイムに画像内の人や複数の物体を認識できた。
今後、エグゼビアを使い、YOLO-v3 での認識実験や屋外障害物の学習データを使った認識実験を行う予定である。
２．５．３．シミュレーション環境の構築
２．２．３．章で述べたように、歪みの少ない地図
作成には gmapping の最適なパラメータ設定が必須であるが、屋外ではロボット車体の振動など不特定のノイズが多く困難である。そこで、シミュレーションを活用し、最適なパラメータ値を求める。本章では、ロボットのモデル作成と自律走行シミュレーション環境の構築について述べる。
シミュレータには Gazebo を使用した。Gazebo は、ロボットの実機がなくてもバーチャルな三次元空間で姿勢や動作などを確認できるオープンソースの三次元シミュレータである。また、ROS のデータ可視化ツールである RViz を使用し、LRF のデータなど ROS 上の- 31 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

るため、作成したシミュレーション環境上で gmappingのパラメータの調整を行っていく予定である。

３．結言
図１３ シミュレーション用ロボットモデル

図１４ ロボットモデルの外観

GazeboRViz

図１５ 左：構築したシミュレーション環境
右：作成した地図の表示

データを三次元空間上に可視化した。
図１３に自律走行シミュレーション用に作成したロ
ボットのモデルを示す。ロボットのモデルは、図３のロボットと同様に、車体とモータのついた前輪２輪、車体を支えるキャスタ、LRF からなる二輪差動駆動型とした。ロボットの構造は、ロボットの記述ファイル
である URDF (Unified Robot Description Format)と呼ばれる XML フォーマットにより記述した。URDF には
車輪半径や車輪間距離等の車体パラメータや、慣性モーメント等の動力学パラメータを設定することで、シミュレーション環境上で実際のロボットの自律走行に近い動作を模擬できる１0）11）。
また、図１４、図１５のようにロボットの外観や部
屋の壁といった周囲の障害物は、各々の三次元 CAD の
メッシュデータ（STL）から RViz や Gazebo の画面に表示させた。図１５のように、ロボットによる地図作成
や事前に作成した地図を使用したロボットの自律走行をシミュレーション可能な環境を作成した。
今後は２．
２．３．章で述べた図７のような地図の歪みを改善す

今年度は LRF による自己位置推定システムを構築し、このシステムを搭載したセンサ評価用ロボットで屋内の環境地図作成と走行実験を行った。その結果、屋内の壁や机などの障害物を LRF でスキャンした環境地図を作成し、LRF で環境地図とスキャンデータをマッチ
ングしながらセンサ評価用ロボットが自律走行できることを確認した。また、屋外で LRF とホイールオドメ
トリのみで環境地図を作成した結果、環境地図に歪みが生じることが分かった。これは屋内に比べ屋外では車輪の滑りや LRF のノイズの影響が大きく、歪みが生じたためと考えられる。今後は、シミュレーション上
での gmapping のパラメータの調整や、GPS、IMU セン
サによる補正を行い、歪みの少ない環境地図の作成を目指す。
自己位置推定に利用する GNSS 受信機の実験では、
１
周波と２周波対応 GNSS 受信機を使ってオープンスカ
イ環境で RTK 測位実験を行い、測位精度、初期化時間
や Fix 持続性について比較した。その結果、２周波対応GNSS 受信機では初期化時間及びFix 持続性が改善されることが分かった。
さらに、自律走行ロボットに物体検出機能を付加する目的で、深層学習による物体検出システム YOLO を用いて人や物体をリアルタイムで認識することができた。
今年度得た知見を利用して、今後は GNSS と LRF を組み合わせた ROS による自己位置推定システム及び AI
による物体認識の開発を行い、屋内外で自律走行の実験を行っていく予定である。
参考文献
１）原 祥尭, “ROS を用いた自律走行”, 日本ロボット学会誌, Vol.35 No.4, p.286～290, 2017.
２）上田隆一, “移動ロボットのための ROS パッケージの紹介と実機への導入方法”, 計測と制御, 第57 巻 第 10 号 2018 年 10 月号, p.715～720.
３）渡辺敦志, “移動ロボット用二軸ブラシレスモー
タドライバの開発とオープンソースプラット
フォームを用いた走行制御”,
http://www.roboken.esys.tsukuba.ac.jp/~ohya/pdf/RSJ2013-AWD.pdf.
４）Joseph Redmon. “YOLO”. YOLO:Real-Time
Object Detection.
https://pjreddie.com/darknet/yolo/. (参照2019-04-03).
５）Redmon, Joseph, et al. “You only look once:
Unified, real-time object detection.”. arXiv- 32 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

preprint arXiv:1506.02640,2015.
６）Joseph Redmon. “Darknet”.Darknet: Open
Source Neural Networks in C.
https://pjreddie.com/darknet/. (参照2019-04-05).
７）藤田一弥, 高原歩:実装ディープラーニング,
オーム社, (2016).
８）Joseph Redmon and Ali Farhadi. “Yolo9000:
Better, faster, stronger”.arXiv preprint
arXiv:1612.08242, 2016.
９）GitHub. “pjreddie”. pjreddie (Joseph
Redmon). https://github.com/pjreddie. (参照2019-04-03).
１０）
srs.“ROS 講座 33 車輪ロボットを作る 1(rvizで表示)”. Qiita.
https://qiita.com/srs/items/c1065543228e95be
1a0f.
１１）西田健, “実用ロボット開発のための ROS プ
ログラミング”, 森北出版株式会社 p.75～88,
2018.

- 33 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

狭隘内部空間の三次元構造復元に関する研究開発
Research and development on 3-D structure restoration of interior narrow spaces
技術開発部生産・加工科 鈴木健司 山田昌幸 浜尾和秀
南相馬技術支援センター機械加工ロボット科 三浦勝吏 太田悟
本研究では、単眼光学カメラ、ミリ波レーダを利用し、狭隘空間内構造物の三次元復元に向けた点郡データ取得法を開発する。本報では、単眼光学カメラ画像を用い、先行研究のVisual-SLAM による深度推定、AI 人工知能による深度推定を試み、得られる点郡データ及び深度画像から深度確度を比較評価した。また、レーダ評価基板を用い、ミリ波レーダにおける二つの物体の距離方向分離、及び方位方向分離を評価した。
Key words: 狭隘、単眼、カメラ、ミリ波、レーダ、三次元、構造、復元

１．緒言
高度経済成長期に整備された橋梁やトンネル等の社会インフラの老朽化が進み、社会インフラ更新時期の本格的到来に備えた対応が、全国的な課題となっている。現在 340 万人の技能労働者のうち今後１０年間に110 万人の離職予測１）から、インフラ点検の効率化が喫緊の課題となっている。また、修繕・更新工事費用の急激な増加（7.6 兆円：２０１５年度）２）に伴い、予防保全さらには予知保全に向け、維持管理の重要性が増している。この問題は、県内のインフラ点検業者（建設業者等）においても同じく課題となりつつある。
本研究開発では、従来、目視点検だけに頼っていた点検をロボットビジョンと組合せ、小型のセンサが必
要な、狭隘部分の検査メンテナンスを対象とし、狭隘部内部空間の点検の定量化を図ることで点検業務の効率化に寄与することを目的とする。
ここで構築するデータは、3D 図面との突合、あるいは、図面が無い場合にこの計測を元に内部点検・モニ
タリングに供することができ、従来の外観検査の範囲を向上させることができる。
本研究開発は、単眼光学カメラによる構造物の深度推定及びミリ波レーダによる深度計測を行う。

像から深 度を推定する手法である Deeper Depth
Prediction with Fully Convolutional Residual
Networks３）（以下 FCRN）及び Monodepth2４）を実装し、性能について評価した。開発環境は表１の通り。
光学単眼カメラの評価については、長さ 3[㎝]の立方体木製ブロックを複数個組み合わせたものを対象物(以下、物標と言う)として用いた。また、赤外線ステ
レオカメラ（インテル社製 Real Sense D435）を真値として評価実験を行った。実験の様子を図１に示す。
２．１．１．２．深度推定の評価
W6×D3×H24[cm]の物標を 50[cm]及び 75[cm]、100[cm]の３か所において深度推定を行い、距離を計測した。深度推定の結果を表２に示す。なお、Monodepth2については得られた深度値の単位が定められていなかったため、50[cm]及び 150[cm]の深度推定を行い、得られた深度値を基準として距離 75[cm]及び 100[cm]の時の深度値をセンチメートルに換算している。ステレ
オカメラと比較した結果、FCRN、Monodepth2 いずれにおいても深度推定値が大きく外れる結果となった。
また、表３の条件で物標が奥行き方向に分離して計測できるか確認した。オフセット 15[㎝]の場合と3[㎝]の場合の結果を図２及び図３に示す。また、横軸
表１ 開発環境

２．実験
２．１．光学単眼カメラ
２．１．１．畳み込みニューラルネットワークによる
深度推定
２．１．１．１．環境構築及び実験準備
カメラを用いて三次元構造を復元する場合、画像から距離を計測する深度計測が必要となる。深度を計測する際、ステレオカメラや LiDAR が使用されることが多いが、今回の研究では狭隘部を想定しているため、小型化可能な単眼カメラを用いて深度を計測する必要がある。そのため、畳み込みニューラルネットワー
ク（以下、CNN と言う）を用いて単眼カメラによる画
事業課題名「狭隘内部空間の三次元構造復元に関する研究開発」[令和元～２年度][チャレンジふくしま「ロボット産業革命の地」創出事業]- 34 -FCRN

Monodepth2

フレームワーク

Tensoflow1.15

Pytorch0.4.1

言語

Python3.5

Python3.6

OSGPU

Ubuntu18.04
GeForce GTX 1650

Ubuntu18.04
GeForce GTX 1650

深度推定

オフセット距離物標間距離

図１ 実験環境令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

表２ 深度推定結果［cm］

横軸方向のピクセル位置［pixel］

FCRN

Monodepth2

51
77
99
1.4

114
131
142
50.0

‐
100
131
45.1

50[cm]
75[cm]
100［cm］
RMSE

深度値 [無単位]

ステレオカメラ52 58 64 70 76 82 88 94 100 106

表３ 深度推定実験条件
測定手法

ステレオカメラ、FCRN、Monodepth2

物標の大きさカメラからの距離( )はオフセット値

左W6×D3×H24［㎝］右W6×D3×H24［㎝］

左

50［㎝］

右

65(15),59(9),53(3)[cm]

画像サイズ

オフセットなし
オフセット6㎝

図５

オフセット3㎝
オフセット15㎝

深度推定結果（Monodepth2）をとっている。
ステレオカメラは 3[cm]のオフセットでも２組の物
標の深度の違いを認識できたが、FCRN については
15[㎝]オフセットさせた場合でも２組の物標が１つの物体として表示される結果となった。
また、Monodepth2については、オフセット 15[㎝]までは物標を別と認識できていたが、オフセット 3[㎝]及び 9［㎝］の場合は１つの物標として認識される結果となった。

160×128［pixel］

FCRN
Monodepth2
図２ 物標間オフセット（15[㎝]）２．１．１．３．方位方向の評価
方位分解能について評価実験を行った。表４の条件
で方位方向に物標が分離できるか確認した。物標間が21[㎝]の場合と 3[㎝]の場合の結果を図６及び図７に示す。深度画像を分析したところ、FCRN については、
物標間の距離が 3[㎝]の場合でも、深度推定画像から物標が２つあることが確認できた。Monodepth2 については物標間の距離が 9[㎝]までは物標が２つあることが確認できたが、3[㎝]の場合は物標が１つの物体として表示されることを確認した。

FCRN
Monodepth2
図３ 物標間オフセット（3[㎝]）2.5

深度値［m］

0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08

2

表４ 方位方向の実験条件

1.5
測定手法
1
物標の大きさ0.5
052 58 64 70 76 82 88 94 100 106
横軸方向のピクセル位置[pixel]
オフセットなし
オフセット6㎝

ステレオカメラ、FCRN、Monodepth2
左W6×D3×H24［㎝］右W6×D3×H24［㎝］

カメラからの距離
物標間の距離50［㎝］
21,15,9,3［㎝］

画像サイズ

160×128［pixel］

オフセット3㎝
オフセット15㎝

図４ 深度推定結果（FCRN）にピクセル位置、縦軸に深度値をとったグラフを図４、図５に示す。なお、深度値は、画像中で物標が存在す
る位置の縦方向のピクセル位置 50 から 90 までの平均- 35 -FCRN
Monodepth2
図６ 物標間間隔（21[㎝]）令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

元画像
FCRN
Monodepth2
図９ 物標サイズ W3×D3×H3［㎝］

FCRN
Monodepth2
図７ 物標間間隔（3[㎝]）２．１．１．４．物体認識の評価
物体認識について評価実験を行った。表５の条件で物体が認識できるか確認した。物標がない場合の深度値を基準として、それぞれの物標の場合の二乗平均平方根（RMS）を算出した。結果を表６に示す。また、W24
×H24［㎝］及び W3×H3［㎝］の深度推定結果をそれぞれ図８、図９に示す。FCRN については W3×H3［㎝］には深度値のばらつきに埋もれてしまい、物標を検出できないことが分かった。Monodepth2 については、RMSを比較したところ物標がない場合と差は出ていることから、何か物体があると認識していることが確認できた。
表５ 物体認識の実験条件
測定手法

ステレオカメラ、FCRN、Monodepth2
W24×D3×H24［㎝］

カメラからの距離

W18×D3×H18［㎝］
W12×D3×H12［㎝］W6×D3×H6［㎝］
W3×D3×H3［㎝］
50［㎝］

画像サイズ

160×128［pixel］

物標の大きさ

２．１．２ Visual-SLAM の実装
Visual-SLAM とは画像を解析することでカメラの位
置と姿勢を推定し、同時に三次元情報を取得する技術である。CNN を用いた深度推定と同様に単眼カメラから三次元情報を取得できるため、狭隘部の三次元構造を復元する手段としても期待できる。そこで、VisualSLAM の代表的な手法であるORB-SLAM2５）、
LSD-SLAM６）、
７）
及び REMODE を実装した。開発環境は表７のとおり。
ORB-SLAM2 は画像から特徴点を抽出し特徴点の三次元情報を取得するため、疎な点群が得られ、LSD-SLAM
及び REMODE は画像の輝度を利用して密な点群が得られるといった特徴がある。それぞれの手法を用いて、研究室の一部を三次元化した様子を図１０に示す。三次元復元を行うにはより密な点群が得られる REMODEが有用であることが確認できた。
２．２．ミリ波レーダ
２．２．１．レーダの特性
レーダは光学カメラに比べ、雨・霧・雪・濃煙・粉塵環境下でも測距が可能であり、昼夜に依存しないこと、太陽光の直射による影響がなく、気象や外部環境による影響をほとんど受けない測定手段としての利用
表７ Visual-SLAM 開発環境

表６ 物標がない場合の深度値を基準とした RMS と標準偏差［cm］
RMS

ORB-SLAM2

LSD-SLAM

REMODE

フレームワーク

ROS-melodic

ROS-indigo

ROS-indigo

Ubuntu18.04

Ubuntu14.04

Ubuntu14.04

標準偏差

OS

（W×H［㎝］
）

24×24

18×18

12×12

6×6

3×3

物体なし

GPU

GeForce GTX 1650

FCRN

134.14

87.29

50.29

14.76

2.87

6.35

使用カメラ

ロジクール社製 C615

Monodepth2

82.63

125.59

84.29

78.27

67.56

25.75

元画像
FCRN
Monodepth2
図８ 物標サイズ W24×D3×H24［㎝］

研究室風景（左上） ORB-SLAM2（右上）LSD-SLAM(左下)REMODE（右下）
図１０ Visual-SLAM による三次元像- 36 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告が期待できる。本報では、送信アンテナ 2 素子、受信アンテナ 4 素子からなる MIMO レーダ機能を持つ
79[GHz]レーダ評価基板を用い、物標の深度計測に利用することにした。レーダ評価基板の主要諸元を表８に示す。
用いるレーダ評価基板は筆者らの事前調査から、高い方位角分解能が得にくく、近接した複数物標の分離や形状認識が苦手であるため、本報では、距離方向（以下、レンジ方向と言う）及び方位角方向（以下、アジ
マス方向と言う）で、２つの物標が分離できる距離を確認する。
なお、利用したレーダ評価基板は、非技術基準適合品であるため、全ての実験は、電波暗室及びシールド
ブース内で実施した。
２．２．２．送信波の確認
福島ロボットテストフィールドに設備するレーダ評
価装置を用い、表９のレーダ送信波形を空間伝播のOTA（Over The Air）で計測した。計測画面を図１１に、解析結果を表１０に示す。設定どおりの FastChirp 変
調信号が輻射できていることを確認できた。なお、解析結果の Time Length が、輻射する Chirp Cycle Timeより短い理由は、解析時に波形の立ち上がり後と、立表８ レーダ評価基板の主要諸元
IWR1642Boost※非技術基準適合品

型名
送信アンテナ[ch]受信アンテナ[ch]
周波数[GHz]
変調方式

2
4
77-81
FCM
(Fast Chirp Modulation)

距離分解能[cm]方位分解能[deg]最大視野角[deg]
最大仰俯角[deg]

4.3
15
±60
±20

表１０ 計測波形の解析結果
Chirp
Time
Best-Fit FM
Time Start
CyjcleLengthSlope[sec]Time [sec] [sec][Hz/μs]12.80E-07
5.55E-05
6.99E+07
2 0.00048645
4.86E-04 5.55E-05
6.99E+07
3 0.00097262
4.86E-04 5.55E-05
6.99E+07
4 0.00145879
4.86E-04 5.55E-05
6.99E+07
5 0.00194496
4.86E-04 5.55E-05
6.99E+07

Region

下り前を波形トリガのため狭めた事に起因する。
２．２．３．アジマス方向
狭隘空間内の同一距離の複数物標を別々に計測する
ためには、アジマス方向の分解能を把握することが必要である。レーダ評価基板を基準に、コーナリフレク
タとの距離を図１２（左）のように取り実験を行った。
なお、コーナリフレクタ２個間の距離は図１２（右）に示す間の距離とした。用いたコーナリフレクタは三角錐型で、レーダ断面積は 79［GHz］で 0.117［m2］(9.33［dBsm］)である。
レーダとの距離を 50［cm］、60［cm］、70［cm］、80［cm］と変え、コーナリフレクタが分離して計測できるコーナリフレクタ間距離を求めた。その結果を図１３に示す。
図１３の方位分解能から、レンジが長くなる程、コーナリフレクタ間距離を離さないと分離できない事を確認できた。
２．２．４．レンジ方向
狭隘空間内の距離が異なる物標を別々に計測するた
めには、レンジ方向の分解能を把握することが必要である。表８の距離分解能 4.3[cm]に基づき、表１１の条件でコーナリフレクタが分離して計測できるかを確認した。その結果を図１４に示す。

表９ Fast Chirp 変調信号諸元
Idle
Time[μs]

Frequency
Chirp Cycle
Slope[MHz/Time [μs]μs]
57.14
486.1970

Ramp EndTime [μs]429

レーダとの距離リフレクタ間距離

図１２ 実験環境
レンジとリフレクタ間距離
リフレクタ間距離[cm]

19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
50

55

60

65

70

75

レーダとの距離[cm]図１１ チャープ波形４波の取得

図１３ レンジとリフレクタ間距離- 37 -

80

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

計測環境中の不要反射は、対象としている領域が狭
いこと、本計測ではコーナリフレクタだけを用いた理
想環境であることから、CFAR の効果は認められなかった。

表１１ コーナリフレクタオフセット位置

コーナリ
フレクタ
左
右

レーダ評価基板からの距離[cm]
50
50

55
50

60
50

65
50

４．結言

距離:50cm

距離:55cm

距離:60cm

距離:65cm

図１４ レーダとリフレクタ間の距離

図１４は、アジマス(横軸±0.5[m])とレンジ(縦軸1[m])の Heatmap で、赤いスポットはコーナリフレクタの位置を示し、レーダの強い反射を示す。
図１４から、隣接したコーナリフレクタは 5[cm]の距離差で分離できることを確認できた。
２．２．５．不要反射物標以外からの意図しないレーダの不要反射を抑圧する技術に CFAR（一定誤警報率）８）がある。CFAR-CA、
CFAR-GO、CFAR-SO それぞれについて、閾値を変動させその効果を確認した。
測定範囲がレンジ方向 1[m]、アジマス方向±0.5[m]としているため、本報の実験環境では不要反射が存在せず、CFAR の効果はなかった。

３．考察
３．１．光学単眼カメラ
深度についてステレオカメラと比較し、実験を行ったが精度よく深度を推定することができなかった。これは、深度推定を行った学習モデルが狭隘部などの狭い空間を想定していないためだと考えられる。今後、狭隘部の画像データを学習させ、再度評価を行うこととしたい。
３．２．ミリ波レーダ
レーダ評価基板の方位分解能 15[deg]から、レンジが長い程アジマス方向に物標を分離できない事が確認できた。該当レンジの物標測定時は、レーダ評価基板
を左右に動かすことで、アンテナの方位分解能を超えて物標を捉える必要がある。レンジ方向では、5[cm]の距離差で物標を分離できることが確認できた。
同一レンジの物標では、先のアジマス方向で述べたとおり物標を分離できないが、レンジ方向に 5[cm]の距離差が生じれば分離できるため、計測時はアジマス
方向の分解能に留意が必要である。

本報告では、光学単眼カメラ、ミリ波レーダを用いた狭隘内部空間の構造を三次元復元するための基礎実験を報告した。
光学単眼カメラでは、CNN を用いた深度推定手法である FCRN 及び Monodepth2 を実装し、深度及び方位分
解能、
奥行き分解能、物体認識について評価を行った。
FCRN と Monodepth2 を比較した場合、深度値の誤差はMonodepth2 の方が小さい結果となった。今後の学習モデルの結果次第ではあるが、現時点では Monodpeth2 が有用であることが確認できた。
また、Visual-SLAM の手法である ORB-SLAM2 及び LSD－SLAM、REMODE を実装し動作確認を行った。三次元復元を行うには密な点群が得られる REMODE が有用であることが確認できた。
ミリ波レーダでは、物標としてコーナリフレクタ２個を用い、アジマス方向、レンジ方向で物標を分離できるレンジ方向の距離及び同一レンジでのコーナリフ
レクタ間分離距離を確認した。また、計測環境中の不要反射は無かった。
次年度は、具体的な対象物による深度計測を光学単眼カメラ及びミリ波レーダを用い進める予定である。
参考文献
１）国土交通省. “参考資料 建設産業の現状と課題”．
第 6 回建設産業政策会議資料”. 2017.6. p.8.
２）公益財団法人日本プラントメンテナンス協会.
“2016 年度メンテナンス実態調査報告書概要”.
2017.4. p.31.
３）Iro Laina, Christian Rupprecht,
Vasileios Belagiannis, Federico Tombari, Nassir
Navab. “Deeper Depth Prediction with Fully
Convolutional Residual Networks.”
International Conference on 3D Vision.
IEEE,2016,p.239-248.
４）Clement Godard, Oisin Mac Aodha,
Michael Firman, Gabriel J. Brostow“Digging
Into Self-Supervised Monocular Depth
Estimation”.ICCV2019,2019５）Raul Mur-Artal, J. M. M. Montiel,
Juan D. Tardos.“ORB-SLAM2: a Versatile andAccurate Monocular SLAM System”.
IEEE Transactions on Robotics,2015
６）Jakob Engel,Thomas Schöps,Daniel Cremers- 38 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告“LSD-SLAM:Large-Scale Direct Monocular
SLAM”.ComputerVisionECCV2014,
2014,p.834-849.
７）Matia Pizzoli, Christian Forster,Davide Scaramuzza“REMODE: Probabilistic,
Monocular Dense Reconstruction in Real Time”.
IEEE International Conference on Robotics andAutomation (ICRA),2014
８）電子情報通信学会. “5 章基礎・共通技術 5-2 レーダの原理”. 電子情報通信学会「知識ベース」. 2011.
p.10.

- 39 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

セルロースナノファイバー複合材料の開発－バクテリアセルロースを用いた摺動材料の開発－
Development of cellulose nanofiber reinforced composite materials­ Development of bacterial cellulose reinforced sliding material ­技術開発部 工業材料科 菊地時雄 高木智博 長谷川隆
セルロースナノファイバー（CNF）の１種であるバクテリアセルロース（BC）を、従来の化学処理や特殊微粉砕機を用いずに、解繊・微紛化するプロセスを開発した。また、この
微粉砕 BC とポリスチレン（PS）を混練し分散性と耐熱性を確認した。このことにより、低コストで熱可塑性樹脂と混練可能な BC 微細フィラーを製造することが可能となり、摺動部材の開発が大きく前進した。
Key words: freeze-dry, bacterial cellulose(BC), corn starch, CNF

１．緒言
セルロースナノファイバー（CNF）は、紙やパルプにはない特異的な性質を活かして、多種多様な用途への展開が期待されている。また、植物バイオマスから取り出した天然由来の繊維であり、低炭素社会の実現にも貢献できる素材である。この CNF の一種に、グルコースなどを原料に酢酸菌によって造られるバクテリア
セルロース（BC）があり、一部食用（ナタデココ）となっている。これは、ヘミセルロースやリグニンなどをほとんど含まない、純度の高い生分解性にすぐれた
セルロースである。BC はミクロフィブリルの微細な網目構造をとることを特徴とし、力学的特性にすぐれている 1）ことから、生分解性を有する機能性素材として注目され、その効率のよい培養技術の開発 2）及び用途
開発 3）が進められている。
CNF は、直径が数 nm～数百 nm の繊維で、水分が 80～95wt%のゲル状物質である。
これをゴムや熱可塑性樹
脂に混練りすることはできないので、乾燥させて、混練り可能な粉体にする必要がある。しかし、これを直接乾燥させると強固な水素結合と３次元網目構造により、強固なシートとなり、微粉砕には特殊な粉砕機が必要となる。また、水素結合を弱めるために化学修飾をし、乾燥粉砕を行う方法もあるが、これらの方法はいずれもコストアップにつながり、県内中小企業に技術移転できるものではない。
そこで、本稿では、繊維の３次元の絡み合いを弱める粉末の分散材４）、５）、６）と水素結合の結合間距離を長くする凍結乾燥法７）を組み合わせた、BC ゲルを簡単に解繊粉砕する方法を開発したので報告する。

２．実験
２．１．BC ゲルの調製
市販の業務用ナタデココ（フジッコ(株)）を家庭用

ミキサーで粉砕し、水中に分散させた。ここにコーン
スターチを加え撹拌混合した BC ゲルを２種類調製した。調整した BC ゲルは、ナタデココの乾燥重量に対して、コーンスターチを表１のとおり添加した。また、比較のため粉砕古紙とコーンスターチを混合したものも作製した。
表１ 試料調整
セルロースの種類

セルロース１に対するコーンスターチの添加量

比較

粉砕古紙

1.5

A

BC(ナタデココ)

1B

BC(ナタデココ)

0.5

試料名

２．２. BC ゲルの凍結乾燥・解繊・微粉末化調製した BC ゲルを、均一な多孔質体にするため、撹
拌しながら冷凍庫で凍結させた７）。これを真空乾燥して、BC/コーンスターチの３D 多孔質体を得た。これを家庭用フードプロセッサーで粉砕し、解繊・微細化 BC（以下、微粉末 BC と略す）を得た。
２．３．微粉末 BC と樹脂の混練
射出成形用汎用ポリスチレン（以下、GPPS と略す）
（東洋スチレン(株)）に、フィラーをそれぞれ 5、10、
15[wt]%混練し、コンパウンドを得た。
樹脂との混練は、レオ・ラボ(株)で行った。Xplore
社製の卓上型混練 MC15HT（図１）を用い、バレル温度
220[℃]、スクリュ回転数 50[rpm]で５分間混練りした。
この装置の特徴は、同方向２軸コニカルスクリュで混練り中の樹脂がバレル中を循環し、フィラーのナノレ
ベルの分散が可能なことである。
２．４．特性評価
フィラーによる機械的特性を確認するため、混練機から押し出したストランドで３点曲げ試験（支持スパ

事業課題名「セルロースナノファイバー（CNF）複合材料の開発」[令和元～３年度][産業廃棄物減量化・再資源化技術支援事業]- 40 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ン 32[mm]、試験速度 5.0[mm/min]）を行い比較した。
また、微粉末 BC の分散程度を確認するため、破断面の SEM 観察と偏光顕微鏡観察を行った。

図２は、調整して得られたフレーク状の微粉砕試料
B である。図３はそれを拡大した顕微鏡観察結果で、微細な BC フィブリルに澱粉粒がまとわりついて、
クラ
スターを形成しているのがわかる。
調整したフィラー３種類（表１）について添加量を変えたときの混練時のトルクを表２に示した。添加量に対してトルクの大きな変化はなく、混練に十分耐えられることがわかった
表２ 混練時のトルク
試料名

図１ 使用した卓上混練機（カタログより抜粋）

３．結果及び考察
３．１．混練結果

図２ フレーク状微細 BC

200m

図３ 光学顕微鏡観察結果

フィラー [wt%] トルク [N-m]

比較-1

5

8.3～9.5

比較-2

10

7.9～9.8

比較-3

15

8.3～9.7

A-1

5

7.5～8.5

A-2

10

7.7～8.9

A-3

15

7.9～9.2

B-1

5

7.7～8.7

B-2

10

8.3～9.4

B-3

15

7.8～9.1

次に、コーンスターチの少ない試料 B タイプの観察例を示した。理由は、コーンスターチが多すぎて、BCの分散がよく判別できなかったためである。
図４は、得られた試料 B-１、B-３の破断面の SEM 観察結果である。角張った球状に見えるのがコーンスタ
ーチで、周囲には図３で観察された繊維形状は観察できなかった。破断面は GPPS のそれとは異なり、フレー
ク状になっている。これは、柔軟で微細なフィラーを強化材として用いた場合に特有の破断面７）、８）であり、樹脂中に微細分散しているものと思われる。偏光顕微鏡観察ではそれを裏付ける繊維状の物質が観察された（図５）。
図５は、試料 B-1、B-3 の偏光顕微鏡（暗視野）観察結果である。この観察方法では、マトリックスの GPPSは非結晶性樹脂で等方性材料であるため、黒く観察されるが、BC やコーンスターチは白く光って観察される。
粒子状に観察されるのがコーンスターチで、白雲の様な箇所が BC である。B-1、B-3 のどちらにも酸化による変色は見られず、フィラーはほぼ均一に分散しているのがわかる。
市販の CNF は直径が 3～100[nm]程度であり、特に50[nm]以下をナノクリスタルと呼び区別している。セルロースの融点は 260～270[℃]であるが、CNF は比表
面積が大きいため、酸化しやすく耐熱温度は低い。樹- 41 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

脂との混練り温度は 200[℃]以下に限られており、化学修飾が必要９）である。
BC の直径は 20～50[nm]であるが、実験ではナタデコ
コを、家庭用ミキサーで粉砕しているため、その直径は数ミクロンと大きく、そのため比表面積が市販品
CNF より小さいため、
化学修飾をせずに 220[℃]の混練
り温度にも耐えうることができたものと考えられる。
繊維の３次元の絡み合いを弱める粉末の分散材として、澱粉を使用した。理由は、入手しやすいことと低価格であること、また、生分解性であることの３点である。これまでの研究４）、５）６、）から分散材の形状、添加量などにより絡み合いを弱める程度が異なることがわかっている。数多くある澱粉の中で、コーンスター
チは平均粒径 15[μm]程度と小さく、表面性状は非常に細かく角張っているため、BC のミクロフィブリルと絡みやすいものと考えた。
また、吸湿性も小さいため、樹脂と複合させた際の形状安定性をも考慮した。

ログ値である。これと比較して添加量の増加に従い、強度（図６）、弾性率（図７）はともに低下傾向にあった。今回の強度試験片は押し出し機から吐出したまま

200m（a） 試料 B-1

200m（a） 試料 B-1（b） 試料 B-3
図５ GPPS に混練した試料の偏向顕微鏡観察結果（b） 試料 B-3
図４ GPPS に混練りした試料の SEM 観察結果

３．２．３点曲げ試験結果
３点曲げ試験結果を図６，図７に示した。
「●」はカタのストランドをそのまま用いているためボイドが多く、これが強度低下の一因であると考えられる。粉砕古紙を用いた比較試料の強度、弾性率の低下が大きいのは、BC に比べて直径約 10～30[nm]、長さ 200[μm]と大きいため、異物と認識されたためと考えられる。試料 Aと B の違いはコーンスターチを含んだ微粉砕 BC 中のBC の量である。この場合も毛玉のような BC が異物として認識されたためと考えられる。
CNF の特徴１０）の１つに、引っ張り強度 3[GPa]、引っ張り弾性率 140[GPa]という優れた機械的特性があげられる。しかしこれは、直径 5～6[nm]の CNF の測定値であり、理想的な状態の場合である。また、強化繊
維のパフォーマンスを十分に発揮するためには、その充填材の長さと直径との比 L/D は大きい方が有利であ- 42 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

り、また、ランダム分散系よりは一方向強化の方が補強繊維の性能を十分に発揮する。しかし BC の場合、図８に示したように３次元に複雑に絡んだ高次構造をしているために、強度や弾性率の向上には寄与しにくいものと考えられる。
75
比較

70

A
B

65

 MPa

GPPS

60

55

しかしこの高次構造のために、摺動時のせん断応力による発生クラックのパスが複雑になるため、磨耗量の低下が考えられ１１）、低摩耗量の摺動材開発には欠く
ことのできない材料と考えられる。
市販の微粉砕 CNF の中には、ボールミルで微粉砕す
る際に、数ミクロンの炭酸カルシウムやカオリン、タルクといったミネラルを重量比で 50～80[％]混合させたミネラル混合品があり、紙などの改質材として使用実績がある。今回開発したプロセスでは、粉体が 30、50[wt％]の BC/澱粉混合物である。BC にくらべ澱粉粒は大きいので、強度や磨耗特性などに悪影響を及ぼすことが考えられるため、今後は分散材の添加量を少なく抑える方法を検討する。

50

４．結言
45

40
0

5

10

15

20

Wt %

図６ 曲げ破断応力と添加量
4.0
比較
A

3.5

B
GPPS

E GPa

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0
0

5

10

15

20

開発した分散材と凍結乾燥法の組み合わせによる、BC の解繊・微粉砕プロセスにおいて、以下の結論を得た。
・樹脂の改質材として CNF の１種類の BC を、特殊な化学処理や粉砕機を用いずに微粉砕を得るプロセスを確立した。
・得られた微粉砕 BC は、GPPS との混練温度 220[℃]に耐え、樹脂の改質フィラーとして用いることができることがわかった。
BC は、醸造酢の製造工程で水分約 90[wt%]の含水ゲ
ルとして排出されている。県内数社ある醸造所でも各
社年間数百 kg のゲルを産業廃棄物として処理されている。また、県内で廃棄されている果実や加工残さを用いて BC を製造することも可能１２）である。このような廃棄物から樹脂の改質材としての CNF を安価に製造できれば、産業廃棄物の減少、新たな雇用の創出および６次化産業に分野にも貢献できるものと考えられる。

Wt %

図７ 曲げ弾性率と添加量1mm

図８ BC の高次構造（偏光顕微鏡観察 暗視野）

参考文献
１）生分解性プラスチック研究会編 生分解性プラス
チックハンドブック、213（1995）
２）特開 2000-31702
３）特許第 2617431
４）菊地時雄、他、成形加工, P.657, vol.18, No.9
(2006)
５）菊地時雄、他、IWGC-4 予稿集, P.116(2006)
６）菊地時雄、他、M&M2006 予稿集, P.53(2006)
７）菊地時雄、他、JCOM-36 予稿集, P.9(2007)８）関口尊文、他、成形加工シンポジア’18, P.323(2018)
９）仙波健、他 成形加工シンポジア’18, P.319,(2018)
１０）矢野浩之、高分子、P.525、60（2011）１１）菊地時雄、他、P.55－58、19ME-S4(2008)- 43 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

１２）草野作工株式会社ホームページ
http://www.kusanosk.co.jp/、参照日：2020/2/20- 44 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

天然藍を原料とした染料の製造方法
Method for producing dye from natural indigo
福島技術支援センター 繊維・材料科 中島孝明 伊藤哲司
季節に依存せず入手可能な乾燥藍葉から色素を抽出する方法として、酵素分解及び塩基処理を試し、乾燥藍葉中の不純物の減量率と染料中のインジゴ濃度の測定を行った。セルラーゼ等の酵素処理では 30[%]以上の減量率を、水酸化ナトリウム水溶液による処理では40[%]以上の減量率を達成することができた。ジメチルスルホキシドにインジゴを溶解させて分光光度計で測定したところ、インジゴ濃度は塩基処理をすることでスクモ以上になることが分かった。今後は、スクモと併用した使い方について藍建てを行い検証していく。
Key words: タデ藍、セルラーゼ、インジゴ、ジメチルスルホキシド、分光光度計

１．緒言
近年、合成染料に比べて人体や環境への負荷が低いといった利点から、天然物由来の染色材から抽出した染料や染色された製品が注目されている。当所では、
本藍染め製品の量産化に向けた課題解決に取り組んでおり、藍染めにおける微生物発酵条件の確立や染色工程の管理を行ってきた。
安定して藍染め製品を生産するためには、染料を十分に確保する必要がある。伝統的な藍染めに使用される染料は、刈り取り直後の生葉を原料とするため限られた時期にしか製造できず、１００日以上発酵させて作られ、手間がかかるため高価であり、量産化の課題になっている。
藍の葉は乾燥して保存でき、乾燥葉を染料として使
うこともできる。しかし、葉の収穫時期や染色量毎に染色性が異なり、茎や葉脈などの不純物が多く出て染色物が汚染されるため、そのまま染料として利用するには不向きである。そこで、通年入手が可能な藍の乾燥葉を原料とし、短時間で染料化するための技術開発に取り組んだ。
今年度は、乾燥葉中の不純物を減量する方法として、
葉のセルロースを分解酵素によって除去する方法と、葉を塩基で煮沸し不純物を溶解する方法を検証した。

２．実験
２．１．乾燥葉の減量法
２．１．１．タデ藍の水分率実験で使用した藍は、露地で栽培したタデ藍（福島県伊達郡産）を用いた。刈り取り直後の質量と乾燥後の質量を測定し、水分量を算出した。タデ藍は頂芽から 50[cm]程のところで刈り取り、室温（30[℃]程）で３日間乾燥を行った。

業株式会社製のエンチロンの中から表１の３種の酵素を使用した。
試料の作製方法を以下に示す。①乾燥葉 1.0[g]と蒸留水 50[mL]を 100mL 三角フラスコに加え、アルミ箔で蓋をして 250[℃]に設定したホットプレート上で加熱した。②沸騰後５分間煮沸したのち、机上で室温になるまで放冷した。③pH 緩衝剤（洛東化成工業株式会社
ブライト BAF CONC）で pH4 程度に調整後、各酵素を1.0[g]添加した。④三角フラスコを恒温水槽振とう器に取り付け、水温 55[℃]、振動数 160[rpm]に設定し６
時間酵素反応させた。⑤反応後は、ホットプレート上
で１分間煮沸し、酵素の失活を行った。⑥三角フラス
コ内からガラス棒で葉のみを取り出し、残渣物を含む水溶液を No.5C のろ紙でろ過した。⑦ろ紙と、葉はそれぞれ秤量したシャーレに移し、105[℃]に設定した乾燥機で乾燥後、秤量した。
表１ 使用した酵素の概要

商品名
CM40L

至適 pH
4.0～5.0

至適温度[℃]
50～60

摘要
セルロース繊維用原料加工(改質）酵素HPYMIT

3.3～5.5
4.0～5.0

25～55
55～65

複合酵素剤
毛羽除去酵素２．１．３．塩基による減量処理
試料の作製方法を以下に示す。①乾燥葉 2.0[g]と表２の塩基水溶液を 300[mL]三角フラスコに加え、アルミ箔で蓋をして 250[℃]に設定したホットプレート上で加熱した。②沸騰開始後５分間煮沸した後、机上で室温になるまで放冷した。③塩酸 0.25[%]水溶液を加え、pH 試験紙で中和を確認した。④ろ紙 No.5C でろ過を行い、残渣を 105[℃]の乾燥機で乾燥後、秤量した。

２．１．２．酵素による減量処理
セルラーゼ分解酵素による減量処理は、洛東化成工事業課題名「天然藍染料の抽出技術の開発」[令和元～２年度][基盤技術開発支援事業]- 45 -

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３．１．２．酵素による減量処理
乾燥葉を酵素で減量処理をした結果を表４に示す。
使用した酵素では、CM40L が最も減量率が高くなった。

表２ 塩基水溶液の概要

使用試薬

等級

NaOH

富士フィルム和Na2CO3

光純薬(株)特級

濃度[%]
2.5
5.0

添加量[mL]50
100

表４ 酵素処理による減量率
酵素名

pH 緩衝剤

残留葉量

微粉を含む

[g]

[g]

総量[g]

減量率[%]

HPY

0.10

0.50

0.70

30.0

MIT

0.10

0.59

0.75

25.0

CM40L

0.10

0.45

0.68

32.0

なし

0.10

0.74

0.77

23.0

３．１．３．塩基による減量率の測定
乾燥葉を塩基水溶液で減量処理した結果を表５に示す。また、図１に各減量率を示す。
表５ 塩基処理による減量率
乾燥葉

濃度

塩基量

残留葉量

減量率

使用塩基

[g]

[%]

[mL]

[g]

[%]

NaOH

2.05

2.5

50

1.21

41.0

Na2CO3

2.00

5.0

100

1.31

34.5

0
5
10

減量率[%]

２．２．インジゴ濃度の測定
試料中のインジゴ濃度は、インジゴの溶媒であるジ
メチルスルホキシド（以下 DMSO）に試料を浸漬・攪拌させてインジゴの抽出を行い、得られた抽出液の吸光度から求めた。
はじめに、既知濃度のインジゴ溶液から検量線を以下の手順で作成した。インジゴ（富士フィルム和光純薬(株)特級）を 5.0[mg]量り取り、DMSO（富士フィルム
和光純薬(株)特級）100[mL]に溶解させた。調製したインジゴ溶液を 20mL メスフラスコに 2,4,6,8[mL]量り取ったのち DMSO を標線まで加え、標準溶液を作製した。
調整した５つの濃度の溶液を 10mm 石英セルに入れ、分光光度計（島津製作所製 UV-2500CP）で吸光度を測定
し、インジゴ濃度を算出する検量線を作成した。
次に、２.１.２.と２.１.３.で作製した試料からインジゴ抽出液を作製し、インジゴ濃度の定量を行った。
試料を乳鉢で３０分以上粉砕し、粉体にした。試験管に粉体試料を量り取り、DMSO を 10[mL]程加えよく撹拌した。３分ほど静置し上澄みをビーカー等に移した。
再び、DMSO を 10[mL]程加えよく撹拌し静置、上澄みをビーカーに移す作業を複数回繰り返し、残渣から色素が滲出しにくくなるまで繰り返した。抽出後はビーカ
ーの質量から溶媒の質量を算出した。抽出液は No.5Cのろ紙でろ過し、ろ液を分光光度計で測定を行った。

３．結果
３．１．乾燥葉の減量法
３．１．１．タデ藍の水分率刈り取ったタデ藍の水分率を表３に示す。

15
20
25
30
35
40
45

表３ タデ藍の水分率
サンプル

刈り取り後のタ

名

デ藍質量[g]図１ 減量率の一覧

乾燥後の質量[g]水分率[%]

A

48.3

9.70

79.9

B

15.3

2.24

85.4

C

22.2

5.10

77.0

D

23.5

5.97

74.6

E

29.1

4.73

83.7

F

7.60

1.64

78.4

G

6.71

1.36

79.7

平均

３．２．インジゴ濃度の測定
３．２．１．測定法
図２に２.２.の方法で作成した検量線を示す。相関係数の二乗値が限りなく 1 に近い値となり、相関性の高い検量線を得ることができた。

79.8- 46 -

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表８ 対照試料のインジゴ濃度

2.5

y = 80.5x
R² = 0.9999

吸光度

2

サンプル名

1.5
1
0.5

サンプル量

DMSO 量[mg][mL]

DMSO 中のインジゴ濃度[mg/mL]

インジゴ/
乾燥葉[%]

乾燥葉

177.5

44.5

0.0289

0.72

水洗い

9.3

14.1

0.0062

0.93

煮沸

9.6

11.2

0.0096

1.12

スクモ

19.3

22.5

0.0130

1.16

スクモ微粉

10.3

14.4

0.0082

1.52

0

2.5

0.01
0.02
インジゴ濃度[mg/mL]

0.03

1.96

2
インジゴ濃度[%]0

図２ DMSO 中のインジゴの検量線（波長 618[nm]）３．２．２．酵素処理によるインジゴ濃度の変化
酵素による減量方法において、最も減量率が高い
CM40L で処理をした葉と、同処理により生じた残渣のインジゴ濃度を、図２の検量線を用いて求めた。結果を表６に示す。

1.64

1.5
1

0.72

0.93

1.52
1.16

1.12

1.21

0.86

0.5
0

表６ 酵素処理後のインジゴ濃度
サンプル名

サンプル量

DMSO 量[mg][mL]

DMSO 中のインジゴ濃度[mg/mL]

インジゴ/

酵素葉

10.4

10.8

0.0158

1.64

酵素葉残渣

10.2

14.3

0.00620.86

３．２．３．塩基処理によるインジゴ濃度の変化
塩基性水溶液による減量方法において、水酸化ナト
リウム水溶液、炭酸ナトリウム水溶液で５分間煮沸した試料のインジゴ濃度を表７に示す。
対照試料として、乾燥葉、蒸留水で５分間煮沸した
試料、乾燥葉を水で洗浄した試料、粉砕粒度の異なる
スクモのインジゴ濃度を表８に示す。図３は表６と表７、表８のインジゴ濃度を示す。
表７ 塩基処理後のインジゴ濃度
サンプル名

サンプル量

DMSO 量[mg][mL]

DMSO 中のインジゴ濃度[mg/mL]

図３ 各粉試料のインジゴ濃度

乾燥葉[%]

インジゴ/
乾燥葉[%]

NaOH

13.2

20.2

0.0128

1.96

Na2CO315.5

17.1

0.0110

1.21

４．考察
４．１．乾燥葉からの染料抽出法
実験に用いたタデ藍の水分量は、刈り取り直後に80[%]程あることが分かった。また、乾燥葉を蒸留水で煮沸するだけでも 20[%]程の減量効果があることが確認できた。これは、乾燥葉に含まれるペクチンやヘミ
セルロースの一部が、煮沸により溶解したためと考えられる。CM40L は、セルラーゼのほかにペクチナーゼ、
ヘミセルラーゼ活性を持つ酵素剤であることから、セルロース、ペクチン、ヘミセルロースと幅広い成分を分解でき、煮沸のみや他の酵素より減量率が高くなったと考えられる。
塩基処理では、共に 30[%]以上の減量率となり、水
酸化ナトリウムを使用した場合は、減量率が４割を超えた。また、処理後の塩基水溶液は濃い緑色であり、底部には青い粉体が見られた。水酸化ナトリウムは、
炭酸ナトリウムに比べ強い塩基であることから、塩基溶液に溶解しやすいペクチンやヘミセルロースをより溶解したと考えられる。したがって、処理した葉は形が残っているものの、指でほぐれるほどに軟化し、一部のインジゴは溶液中に沈殿したと考えられる。

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４．２． インジゴ濃度の測定
乾燥葉中のインジゴ濃度が 0.72[%]であったのに対し、酵素処理をすることで 1.64[%]、水酸化ナトリウ
ムによる処理では 1.96[%]と濃度を高めることができた。また、スクモのインジゴ濃度 1.52[%]と比較しても、同等以上の濃度であることが分かった。酵素処理
及び塩基処理は、セルロースやヘミセルロースの分解作用によりインジゴ以外の成分を溶解または微細化し、インジゴ濃度の上昇に起因したと考えられる。また、細胞壁といった組織の破壊により、潜在化していたインジゴが溶媒に接しやすくなり抽出しやすくなったことも考えられる。
乾燥葉を酵素処理すると、大部分の葉は形が残ったが、一部は微粉化し残渣として沈殿した。沈殿した残渣のインジゴ濃度は、表６から低いことが分かる。
CM40L には、セルロース繊維の非還元末端からセルビ
オース単位に加水分解するセルラーゼが含まれているため、インジゴを含まない葉の最表面などの末端部分から分解され、残渣として沈殿したと考えられる。
タデ藍を 100[kg]収穫すると、乾燥後は 20[kg]になり、乾燥葉のインジゴ含有量を 0.7[%]とすると、正味インジゴは 140[g]含まれていることになる。現在は４割程度の減量率が最も高い値となっているが、さらに不純物を溶解し、インジゴ濃度を上げていきたい。

参考文献
１）谷田治. 酵素によるセルロース繊維の改質. 繊維と工業. 1994, Vol.50, No.2, p.75-79.
２）川人美洋子, 安川涼子. 天然藍で染めた色と合成藍で染めた色の比較. 繊維と工業. 2007, Vol.63, No.2,
p.48-53.

５．結言
５．１．乾燥葉からの染料製造方法
・繊維加工用の酵素を用いて乾燥葉を減量すると、乾燥葉を煮沸する場合と比較し、１割程減量率を上げることができた。
・乾燥葉を水酸化ナトリウム水溶液で処理することで、４割程減量でき、処理前と比較してインジゴ濃度を２倍程にすることができた。
・塩基処理や酵素処理によりリグニン、ヘミセルロー
ス、セルロースを総合的に分解、除去することで減量率を高めることができた。
５．２．今後の展開・微細化した染料を液中からどのように回収するかが収量向上に不可欠な課題であるため、セルロースナノ
ファイバーの製造技術を取り入れるなどを行い、染料の簡易な回収、濃縮方法を試験する。
・乾燥葉から製造した染料の特性について、藍建てを行い染色性や堅牢度を試験する。
謝辞
実験に用いたタデ藍を提供してくださったアイ・ネ
ット福島の石塚代表様、福島県織物同業会の藤原事務局長様に厚く御礼申し上げます。

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ＣＡＥを用いたプリント基板上のはんだクラックの解析
Analysis of solder crack on printed circuit board using CAE
技術開発部 工業材料科 工藤弘行 矢内誠人
応募企業 日本ケミコン（株）
CAE を用いることで実験に比べて短時間で効率的に、はんだ接合部の耐久性評価や基板設計上の指針を得る手法を検討した。実製品のはんだ接合部の断面写真の代表寸法を測定した上で統計的な整理を行い、設計パラメータの水準を決定することで、整合性のある CAE モ
デルを作成し、各種要因の影響を評価する手法を見出すことができた
Key words: はんだ接合部、耐久性評価、CAE、Coffin-Manson 則

１．緒言
温度サイクルに晒される電子基板で最も典型的な不良現象は、熱膨張・熱収縮によって生じる熱応力をきっかけとした、はんだ接合部の熱疲労破壊である。はんだ形状は個体差が大きく、形状が寿命に与える影響も大きいため、はんだ形状の影響も含めて電子基板の耐久性を実験的に評価するには、多くのサンプルと長い時間を要し、非効率である。
そこで、本研究では、CAEを活用して、はんだクラッ
クの発生に関する解析を行い、実験に比べ短時間で効率的に設計変更の指針を得ることを目的とした。具体的には、はんだ部のCAE解析で課題となるCADモデリン
グ、要素分割、解析条件設定、結果評価手法について検討した。また、当所が過去に実施した電子デバイスの信頼性評価の研究１ ）の成果を活用し、Coffin-Mans
on則による寿命予測を試みた。

２．実験

２．２．ＣＡＥ解析モデル作成
有限要素解析で高精度の計算を行うためには十分細かい要素分割をするのが理想であるが、計算時間が長くなる。そこで、本研究では破断に関わる部分の要素
のみ統一的な条件で細かく分割し、それ以外は粗く分割する方針とした。この前提として、はんだ形状を単純形状でモデリングすることとした。
図２に標準形状モデルを示す。図中、橙色の部分が、はんだである。このモデルでは、円柱形状を基本に、端部にフィレット形成した後に、基板や銅板などと重複する部分を削除し、残った部分をはんだとした。
図３に疑似断面モデルを示す。このモデルは断面観察で得られた寸法により忠実にモデル作成することを意図したもので、観察面を奥行き方向に押出した構造とした。
図４に標準形状モデルの要素分割図を、図５に疑似断面モデルの要素分割拡大図を示す。今回のはんだ部
では、銅リードの下で破断することが分かっており、この部分を最低でも２分割するため、要素サイズを20[μm]に設定した。

２．１．はんだ部の断面写真計測
はんだ形状の影響を調べるための基本情報として、
画像処理ソフト WinROOF2015 を使用して、提案企業が撮影した１６サンプルのはんだ断面写真から、はんだ形状や配置に関する代表寸法を計測した。図１に測定した代表寸法の模式図を示す。
図２ 標準形状モデル

図３ 疑似断面モデル

図１ はんだ形状の代表寸法模式図
図４ 標準形状モデルの要素分割図
事業課題名「ＣＡＥを用いたプリント基板上のはんだクラックに関する解析」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 49 -

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図５ 疑似断面モデルの要素分割拡大図

２．３．ＣＡＥ解析条件設定
はんだ部に生じる熱応力は、その周辺の実装部品や電子基板の熱膨張をきっかけとするため、精度の高い計算を行うには周辺の構造も含めた計算が必要であるが、計算コストが高い。
そこで、本研究ではマルチスケール CAE 手法を用いた。この手法は、はじめにマクロスケール CAE で大まかな計算を行い、その結果を詳細なモデリングを行ったミクロスケール CAE に受け渡して計算するものである。図６はその概念図を示したものであるが、本研究で使用する CAE ソフト ANSYS Mechanical では、図示するように、２つの解析を２つの表として表現し、各行を線でつなぐだけで容易にデータの共有や結果の転送が可能である。
本研究では、マクロスケール解析で低温側 30[℃]、
高温側 130[℃]の温度サイクルの計算を行い、ミクロ
スケール解析は 30[℃]から 130[℃]への昇温過程の計算を行った。本報告ではミクロスケール解析の単一はんだモデルの結果のみ記載する。

常値として除外すべきと思われる。
異常値の判断の参考とするため、計測した１６サン
プルの代表寸法の測定値の平均値、標準偏差σ、変動率（標準偏差/平均値）を求めた。平均値±２σの範囲外にあるデータを異常値として除外した後に平均値、標準偏差を再計算した。計測結果を表１に示す。
CAE では要因の影響を検証する場合に、ある程度、変化幅が大きいほど明確な差が得られやすい。一方、実形状のばらつき具合を反映した現実的な評価という観点も重要である。本研究では、両者のバランスをとり、変化幅を２σとし、平均値－２σ、平均値、平均値＋２σを３水準として、要因の影響度を調査する際の基準として選定した。

図７ サンプル「No.10」の測定結果

図８ サンプル「No.12」の測定結果
表１ はんだ代表寸法測定結果
長さ測定箇所h）全高さa)リード下t)リード板厚d)リード上部e)リード長さb)切欠き部長さC）リード左側長(予測値）
R1）曲率1
角度測定箇所

図６ マルチスケール解析の概念図

開口部

３．結果及び考察
３．１．断面写真測定結果
断面写真測定の代表的な結果として、図７、図８にサンプル番号「No.10」、「No.12」の測定結果画面を示す。このうち、「No.12」は、ボイドが存在する上、研磨による影響か、はんだ形状が大きく乱れており、異

水準２
平均値
標準偏差σ
μｍ
μｍ
184.4
18.6
32.7
4.0
121.6
2.6
38.4
5.1
567.0
8.1
105.2
24.1
521.0
18.7
1,101
117
平均値
標準偏差σ
度
度
29.9
3.9

変動率
10.1%
12.3%
2.2%
13.4%
1.4%
22.9%
3.6%
10.6%
変動率
13.2%

水準１
水準３
平均-2σ 平均＋2σ
μｍ
μｍ
147.3
221.5
24.7
40.8
116.4
126.8
28.2
48.7
550.7
583.2
57.0
153.4
483.6
558.3
867
1336
平均-2σ 平均＋2σ
度
度
22.0
37.7

３．２．ＣＡＥ解析結果
図９に標準形状モデルの塑性ひずみ分布結果を示す。
外周部角でひずみ最大となったが、本製品については、
すでに破断位置が明確であることを踏まえ、実破断部
を評価対象とした。３次元 CAE 解析では特定の断面を規定し２次元分布とした方が比較評価しやすいため、断面観察との照合のしやすさを考え、図１０に示すよ- 50 -

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うにリードの側面近傍を仮想的に切断し、評価断面とした。この図から、ひずみ最大値は約 5200[με]（0.0052）と読み取ることができる。

図１２ 開口部のひずみ分布拡大図
図９ 塑性ひずみ分布図
表２ ａ寸法の影響度の検証

a寸法

最大ひずみ

（μｍ）

寿命予測
サイクル数

水準１

24.7

0.00241

5831

水準２

32.7

0.00233

6099

水準３

40.8

0.002126841

図１０ 評価断面の仮想切断図

次に、代表寸法の影響の調査例として、疑似断面モ
デルを用いて、図１中の a 寸法（リード下のはんだ厚み）を、選定した３水準である 24.7[μｍ]、32.7[μｍ]、40.8[μｍ]と変化させた場合の解析例を示す。図１１は、水準２にあたる a 寸法 32.7[μｍ]の場合の塑
性ひずみ分布である。開口部や角部など複数の部位で高いひずみが発生した。
本研究では、寿命則として Coffin-Manson 則を用いるが、有限要素解析に応用する場合は、要素単位で評価するのが適切である。そこで、要素単位で最大となる部位を探索した。
図１２はひずみ最大となった開口部の拡大図である
が、要素の４点の平均値でひずみを評価した。他の２水準でも同様に同じ位置が最大であった。
３水準の CAE 結果から、最大点のひずみを算出し、Coffin-Manson 則により寿命予測を行った結果を表２に示した。本研究では、２σ区間を基準とした水準を定めたことから、約 95％のはんだ部の寿命は予想された寿命の範囲に存在すると判断できる。

４．結言
本研究では、CAE を用いることで実験に比べて短時間ではんだ接合部の耐久性評価や基板設計上の指針を得ることを目的に、断面観察、CAE 解析を行い、以下の結果が得られた。
① 多数のはんだ部断面写真から、はんだ寸法及び位置などの特徴寸法を測定し、統計的な扱いをすることで特徴寸法に関して、３水準の設計値を求めた。
② ミクロスケールモデルとして、単一はんだモデルの CAE 解析を行い、断面観察と同一視野の評価断面を用いることにより、実際の破断状況と同一ポ
イントのひずみで負荷レベルを定量評価することが可能となった。
③ ３水準の設計値を用いた解析から、Coffin-Manson
則による寿命予測を行い、特徴寸法が寿命に及ぼす影響を定量的に評価できることを確認した。
参考文献
１）矢内誠人, 鈴木雅千, 工藤弘行. CAE による電子デバイスの信頼性評価手法の確立. 平成２７年度福島
県ハイテクプラザ試験研究報告, (2016), p.55-58.

図１１ 水準２の場合の塑性ひずみ分布図- 51 -

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整形外科手術用器具の強度評価
Evaluation of strength of orthopedic surgery instruments
技術開発部 工業材料科 西村将志
応募企業 株式会社マイステック

工藤弘行

鈴木雅千

応募企業が開発した整形外科で使用する医療用器具（脊椎手術用）は、従来製品から大きく構造を変更したため、強度設計に関する情報が不足しているのが課題である。
そこで、本事業では応募企業が開発した製品の挙動評価試験及び強度評価を行った。
その結果、圧縮、曲げ、ねじりの各変形様式に対する製品の挙動及び溶接部での破断リスクを評価することができた。

１．緒言

２．実験・CAE 解析

応募企業が開発した製品は 、外閉鎖筋腱を停止部の骨を付着させたまま大転子より切離する器械である。図１のとおり製品は人骨に押 込 み 外 閉 鎖 筋 腱 の 採 取 を 行 う 先 端 部 （ SUS631）と 、配 管部（ SUS316）、把 持 部 の部 材 で構成されており、配管部の端部と先端部が溶接により一体化されている。なお、先端部は骨切りを行うためにギザギザに加工されている。
同製品は従来製品から大きく構造を変更したため、強度設計に関する情報が不足しており、溶接部が破断するトラブルが顕在化している。設計改善の必要性も出ているが、破断の原因が使用者の使い方に問題があるのか、それとも製品の不良なのか明確に判断でき な
い こ と が課 題 とな っ ている 。
そこで、本事業では基本形状（パイプ形状、Ｕ字穴形状）と製品形状についてそれぞれ解析した。
基本形状の解析では、CAE解析及び荷重試験により器具全体がどのように変形するかを捉える評価
手法を検討した。
製品形状の解析では、溶接部に着目し、溶接部の断面マクロ観察を行い、溶接部モデルを作成することにより溶接部への負荷や破断のリスクを定量的に評価する手法を検討した。

２．１．CAE 解析手法（基本形状解析）
基本形状解析では、ひずみゲージを貼付する位置や方向を事前検討することを目的とした。軸や板などの単純形状については、特定の変形様式に対する
ひずみゲージの貼付手法が知られているが、本製品の実使用時には複数の変形様式が重なった複雑な変形が生じると見込まれる。そのため、過去の知見を参考にしつつ、複数の変形様式を区別して測定できることを目指した。
図２に基本形状である「Ｕ字穴形状」と「パイプ形状」の代表寸法を、図３に解析モデルを示す。パ
イプ形状は製品の基本断面と同様に外径 18[mm]、内径 15[mm]、長さ 200[mm]とした。Ｕ字穴形状は製品の溶接部を一体化したとみなした形状であり、パイ
プ形状モデルから全長 30[mm]、平行部 26[mm] のＵ
字穴部を除去して作成した。荷重条件は、実使用で想定される「圧縮」、「曲げ」、「ねじり」の３条件とした。荷重試験との整合性を取るため、荷重 50[N]に統一した。ねじり、曲げについてはそれぞれアーム長
60 、160[mm]を想定し、3,000、8,000[N・mm]のモーメントを与えた。

図２

CAE 解析モデル寸法図（上）Ｕ字穴形状 （下）パイプ形状
図１

製品形状

事業課題名「整形外科手術用器具の強度設計検証」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 52 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図３２．３．溶接部の断面マクロ観察
製品は、配管部の端部に先端部が覆いかぶさるよ
うに溶接される構造を持つ。溶接部の状態を確認し、CAE 解析のためのモデル作成に反映する目的で溶接部の断面マクロ観察を行った。
マクロ観察用試験片の採取位置を図６に示す。溶接部①を中心に幅 20[mm]程度に切断を行い、樹脂包
埋、研磨を行った。腐食液には 10%シュウ酸水溶液を用い、3[V]、
30 秒の条件で電解エッチングを行った。
観察は、オリンパス株式会社製倒立型金属顕微鏡(GX-71)で 25 倍、明視野で実施した。

基本形状解析モデル（左）Ｕ字穴形状 （右）パイプ形状

２．２．荷重試験（パイプ形状）
パイプ形状の試験は、器具全体の変形様式及び CAE
解析結果と比較する目的で行った。
荷重試験では、先端部を人骨に押し込み使用することを想定し、先端部を樹脂製治具で固定し把持部に荷重を加えることとした。荷重条件は、CAE 解析との整合性を取るため、
「圧縮」、
「曲げ」、
「ねじり」の３条件とし、図４のとおりロードセルで 50[N]になるよう約 10 秒間荷重を加え、除荷した。試験のばらつきも考慮し、荷重の負荷・除荷は３回繰り返した。
各荷重条件における荷重値と変位量の関係を求めるため、図５に示すようにパイプの表裏に２個ずつ計４個のひずみゲージを貼り付けることとした。なお、ひずみゲージ貼付位置及び方向については後述の３.１.CAE 解析結果（基本形状解析）により得られた結果を参考に決定した。なお、ひずみゲージの貼付方向が軸に対して 45[°]傾いているため、圧縮及び曲げ試験の結果について、軸方向の値を求めるた
めに三平方の定理を用いて計算すべきであるが、変形挙動の評価が主目的であるため簡略化のために実測値のままとした。

図４

図６

マクロ観察試験片採取位置

２．４．CAE 解析手法（製品形状解析）
製品形状解析は溶接部での破断のリスクを定量的に評価する目的で行った。図７に製品形状解析モデルを示す。図８に先端構造の拡大図を示す。後述の３.３.溶接部の断面マクロ観察結果から配管部と先端部の間に中空部分があることを確認したため、中空部分の代表寸法を読み取り、高さ 500[µm]、幅5[mm]として中空部をモデリングした。図９に中空部
斜視図、図１０に中空部断面図を示す。図中、先端部品を透明表示としており、内部に存在する橙色の部分が中空部である。破断に与える中空部分寸法の影響を調べるため、中空部端部と製品表面の残厚に着目した。図１１に示すように、残厚 0.3[mm]、残厚0.8[mm]の他、中空部なしの３種類のモデルを作成した。先端側内径部の隅肉溶接部は図１２に示すように、断面を一辺 0.3[mm]の直角二等辺三角形と仮定
しモデル作成した。荷重条件は、最も代表的な「ねじり」変形を想定し、3,000[N・mm]のモーメントを
与えた。

試験方法

（左）圧縮 （中）曲げ（右）ねじり図７

図５ ひずみゲージ貼付位置（パイプ形状）- 53 -

製品形状解析モデル

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図８

先端構造拡大図（左）組立図 （中）配管形状部（右）先端部品

図９２．５．荷重試験（製品形状）
製品形状での荷重試験は、変形様式の特定に加えて溶接部での破断のリスクを定量的に知る目的で実施した。荷重条件は「圧縮」、「曲げ」、「ねじり」の３条件とし、図１３のとおりひずみゲージ貼付位置は後述の３.１.CAE 解析結果（基本形状解析）により得られた結果を参考にゲージ１からゲージ４についてはＲ部より十分離した位置とした。また、Ｒ部にゲ
ージ５、ゲージ６を追加した。

中空部斜視図図１３

ひずみゲージ貼付位置（製品形状）

３．結果及び考察

図１０

中空部断面図図１１

残厚部拡大図（左：残厚 0.3mm、右：残厚 0.8mm）

図１２

先端側溶接部（左）モデル図 （右）断面図

３．1．CAE 解析結果（基本形状解析）
３．1．１．パイプ形状
図１４は、圧縮、曲げ、ねじりの３種類の変形様式に対して、境界条件図、変位ベクトル図、最大（引張）主ひずみ分布図、最小（圧縮）主ひずみ分布図を左から順番に、一覧できるように並べたものである。
また、変位最大値と主ひずみピーク値、ピーク位置
を表１にまとめた。
図１４の主ひずみ分布図から、圧縮、ねじりによる変形ではパイプの全外径面で同一のひずみが生じるのに対し、曲げ変形では曲げ荷重を受ける表面と裏面で主ひずみの絶対値が最大となり、側面ではひずみがゼロに近いことが確認できる。
また、表１のピーク値とピーク位置から、ねじりは最大・最小主ひずみのピーク値が逆符号で絶対値が同じこと、曲げは表面と裏面のピーク値が逆符号
で絶対値が同じことが確認できる。
以上より、曲げ荷重の表面と裏面の対になる位置にひずみゲージを貼付すべきである。これを踏まえ、
図１５に主ひずみベクトル図をパイプの表面と裏面を対にして図示した。複数の変形様式を区別して測定するために、ひずみゲージの貼付位置を図１６のように提案した。表２に提案手法で測定されるひずみを符号で示した。表中には絶対値が等しくなる関係を持つ項に矢印を記した。この手法であれば、４ゲージ測定値の符号の組み合わせから圧縮、曲げ、ねじりの特定や、４ゲージ測定値同士の演算により特定の変形様式の変形を抽出することが可能と考えられる。

- 54 -

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（ａ）圧縮
（ａ）圧縮

（ｂ）曲げ

（ｃ）ねじり図１５

主ひずみベクトル図

（ｂ）曲げ

図１６
表２

提案するひずみゲージ貼付手法

提案手法で測定されるひずみ一覧表（ｃ）ねじり図１４

表面（左から順に、境界条件図、変位ベクトル図、最大主ひずみ分布図、最小主ひずみ分布図）
表１

裏面

変形様式

パイプ形状 CAE 解析結果

配管形状 CAE 解析のまとめ

ゲージ１

ゲージ２

ゲージ３

ゲージ４

圧縮

－

－

－

－

曲げ

＋

＋

－

－

ねじり

＋

－

＋

－

３．１．２．Ｕ字穴形状
圧縮、曲げ、ねじりの３種類の変形様式に対する最大（引張）主ひずみ分布図、最小（圧縮）主ひずみ
分布図を図１７に示す。また、主ひずみのピーク値、
ピーク位置を表３にまとめた。圧縮、曲げ、ねじり、いずれの変形様式においても主ひずみはＲ部でピーク値となることが確認できた。また、曲げ、ねじりについては、ピーク値が逆符号となることが分かった。以上から、Ｕ字穴形状を持つ実製品に対するひずみゲージ測定は、Ｒ部近傍に左右に対になる位置- 55 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告にすべきと判断した。
次に、ゲージ貼付方向を検討するため、ねじりの場合の主ひずみベクトル図を図１８に示す。これによると主ひずみピーク値を示すＲ部では、軸方向とほぼ合致する方向が主体的であり、一方向のみの測定が妥当である。
図１９にＵ字穴形状とパイプ形状の最大主ひずみ分布図を示す。Ｕ字穴部から十分離れた位置では、両者のひずみ値はほぼ等しく、図１８の主ひずみベクトル図も合わせて考えるとほぼ純粋なねじり変形が生じていると考えられる。従って、Ｒ部の測定と同時に十分離れた位置で、パイプ形状と同等のひずみ測定を行えば、変形様式の特定と破断リスクを両立した評価ができると見込まれる。ここで、Ｒ部と十分離れた配管面のひずみの倍率は、図１９の場合、
231[µε]/33[µε]＝７倍となるが、この倍率は、Ｕ
字形状と変形様式の組み合わせによる変形のしやすさを表す指標とみなせるため、強度評価をする上で重要な指標となる。

表３

Ｕ字穴形状のまとめ

図１８

主ひずみベクトル図（左）全体図（右）拡大図

（ａ）圧縮

図１９
（ｂ）曲げ

（ｃ）ねじり図１７

Ｕ字穴形状 CAE 解析結果

（左）最大主ひずみ分布 （右）最小主ひずみ分布

最大主ひずみ分布図（左）Ｕ字穴形状（右）パイプ形状

３．２．荷重試験結果（パイプ形状）
圧縮、曲げ、ねじりの３種類の変形様式に対して得られた結果を図２０に、荷重ピーク値と各ゲージ位置におけるひずみピーク値を表４にまとめた。また、荷重とひずみに比例関係が成り立つと試験が安定して行えたと判断できるため、試験結果の妥当性の確認として荷重-ひずみ線図を図２１に示す。
圧縮試験では、各ゲージにおけるひずみ量の絶対値は等しくなったが、変形の方向が CAE 解析（表２）で得られた結果と一部異なった。荷重-ひずみ線図も- 56 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

比例関係は成り立っておらず、安定した試験とはならなかった。
曲げ試験では図２１（ｂ）に示す通り荷重とひず
みの比例関係が確認され、変形の方向も CAE 解析（表２）で得られた結果と一致したが、ゲージ２の絶対値のみ他よりも値が小さかった。
ねじり試験においても図２１(ｃ)に示すとおり荷重とひずみの比例関係が確認されたが、ゲージ２およびゲージ３で変形の方向が CAE 解析（表２）で得られた結果とは一致しなかった。変形の方向が曲げ試験の結果と一致していることからも、純粋なねじり変形とはならず、曲げの要素も加わった複合的な変形になっているものと考えられる。
３種類の変形様式において、CAE 解析結果とは一部異なる結果となった原因は固定及び負荷方法と考えられる。圧縮においては、圧縮方向にのみ荷重を加えることが非常に困難であり、曲げの要素も加わり純粋な圧縮変形とはならなかった。固定も荷重試
験においては樹脂製治具を用いているため、負荷の際に樹脂製治具も若干の変形をしており、完全固定として計算されている CAE 解析と異なる結果になったものと考えられる。各変形様式での荷重とひずみ量の関係性をより正確に求めるためには、固定治具
及び負荷方式の再検討が必要である。

（ａ）圧縮

（ａ）圧縮

（ｂ）曲げ

（ｂ）曲げ

（ｃ）ねじり
図２０（ｃ）ねじり荷重試験結果（パイプ形状）

図２１- 57 -

荷重-ひずみ線図

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表４ 荷重試験結果（パイプ形状）のまとめ

３．３．溶接部の断面マクロ観察結果
図２２に断面マクロ観察結果を示す。配管部の端部と先端部の間に高さ 458[µm]、幅 5.3[mm]の中空部分があることがわかった。設計図面に加えて、この結果を CAE 解析におけるモデル作成に反映させることにより実製品に近い結果を得ることが期待される。
また、溶接線から溶接を複数回繰り返していることも確認された。

Ｒ部の最大値 47.8[MPa]より小さいが、溶接部は強度が低いため、Ｒ部と同等の破断リスクがあると考えられる。これら２か所に着目した CAE 解析を踏まえた設計検討が望まれる。
本事業では、Ｒ部や中空部の形状寸法について、設計図面や一部の断面写真を参考にしたが、今後は、より詳細な観察や測定が必要である。

図２３

最大主応力分布図（中空部なし）

図２４
図２２

最大主応力分布図（中空部なし、先端溶接部拡大図）

マクロ観察結果

３．４．CAE 解析結果（製品形状解析）
はじめに、中空部なしの応力分布を図２３に示す。
ここでは最大主応力（引張）分布図を示した。Ｒ部と先端に大きな応力が生じているが、これは基本形
状解析と同様の傾向である。先端部の応力が高いのは CAE 解析における拘束条件の影響であり、実製品
では骨を削る部分にあたるので、破断リスク評価の対象外とする。
図２４に先端側すみ肉溶接部の応力分布図を示す。
先端側すみ肉溶接部の応力は十分小さく破断のリス
クは低い。
以降は最も破断リスクが大きいと見られるＲ部に着目する。
図２５は、Ｒ部とそれに隣接する先端部品の溶接部の２か所に着目した最大主応力分布図を示したもので、残厚 0.3[mm]、残厚 0.8[mm]、中空部なしの３種類の場合を示した。それぞれの最大値を、表５に示した。いずれの場合でもＲ部は同様の分布を示し、最大値はほぼ同じであった。一方、溶接部は中空部がある場合は、中空部なしの場合に比べて高く、残厚が小さい方が高い傾向が見られた。
残厚 0.3[mm]の場合の溶接部最大値 35.5[MPa]は、（Ａ）残厚 0.3mm（Ｂ）残厚 0.8mm（Ｃ）中空部なし
図２５

最大主応力の比較（左）Ｒ部 （右）先端部品側溶接部- 58 -

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３．５．荷重試験結果（製品形状）
圧縮、曲げ、ねじりの３種類の変形様式に対して得られた結果を図２６、荷重ピーク値と各ゲージ位置におけるひずみピーク値を表６に、Ｒ部と配管面のひずみの倍率を表７にまとめた。また、試験結果の妥当性の確認として図２７に荷重-ひずみ線図を示す。なお、先端形状がＵ字穴形状となったことで固定が不安定になり、曲げ試験、ねじり試験において負荷した際に製品が外れてしまう事例が発生したことから、曲げ試験、ねじり試験の荷重値は 30[N]狙いとした。
図２７から各試験において荷重とひずみの関係はおおむね比例関係にあり、試験の妥当性が確認できた。先端部がギザギザ形状に加工されていることで負荷の際に安定しないことがあり、ゲージ５、ゲー
ジ６について一部比例関係が成り立たなかった。
圧縮、曲げ、ねじりの各試験において、いずれも

（ａ）圧縮

（ａ）圧縮

（ｂ）曲げ

（ｂ）曲げ

表５

製品形状モデル最大応力の比較

モデル
残厚0.3mm
残厚0.8mm
中空部なし

応力（MPa）
R部
溶接部
最大値
最大値
47.8
35.5
48.4
28.0
48.2
23.3

（ｃ）ねじり
図２６（ｃ）ねじり荷重試験結果（製品形状）

図２７- 59 -

荷重-ひずみ線図

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ひずみ量はＲ部で最大となり、配管面との倍率は１０倍以上となった。この倍率は、Ｕ字形状と変形様式の組み合わせによる変形のしやすさを表す指標とみなせるため、ねじり、曲げ、圧縮の順にＲ部での破断リスクが高いことが分かった。また、表６の結果は、CAE 解析結果で得られた倍率７倍（図１９）よりも大きな結果となった。この原因は CAE 解析における拘束条件の設定の際にＲ部の内側が面拘束となっているためと考えられる。実製品においてはＲ部の内側も自由に変形するため、荷重試験の方がより確からしい結果が得られたものと考える。本実験により得られた結果を今後 CAE 解析の拘束条件に反映させることで、より実製品に近い結果となることが期待される。
表６

荷重試験結果（製品形状）のまとめ

表７

Ｒ部と配管面のひずみの倍率

４．結言
本事業では応募企業が開発した製品の挙動及び強度を評価するため、基本形状について CAE 解析及び荷重試験を行った。また、製品形状については溶接部に着目し、溶接部のマクロ観察、CAE 解析及び荷重試験により破断リスクの評価を行った。これらの結果から以下の知見が得られた。
① CAE 解析及びひずみゲージを用いた荷重試験結
果から、圧縮、曲げ、ねじりの各変形様式に対して製品がどのような変形挙動を示すかが分かった。また、荷重とひずみ量の関係が分かった。
② 溶接部の断面観察結果から、中空部分があることが分かった。また、CAE 解析結果から中空部分がない場合よりも中空部分がある場合の方が破断リスクが高く、残厚が小さい方が破断リスクが高いことが分かった。
③ CAE 解析及び荷重試験結果を比較することで、各試験方法の課題が分かった。荷重試験においては、固定治具及び負荷方法の再検討によりさらに正確な荷重とひずみの関係を求めることが期- 60 -

待される。CAE 解析においては拘束条件やモデル作成に必要なデータを実験データや詳細な観察
結果から反映させることでより実製品に近い結果を得ることが期待される。

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

半凝固鋳鍛成型の工程設計のための CAE 活用法
Application of CAE for process design of semi-solid casting and forging
技術開発部 工業材料科 穴澤大樹 工藤弘行 矢内誠人
応募企業 日本オートマチックマシン株式会社
応募企業は半凝固鋳鍛成型技術の開発を行っているが、参考にできる情報が少なく、工程設計が困難であるという課題がある。そこで今回、CAE 解析による工程設計の効率化を目指して、材料試験と CAE 解析結果を照合し、半凝固鋳鍛成型の CAE 解析を行った。その結果、鍛造 CAE 解析により組織や欠陥の予測が可能であることが分かった。

１．緒言
金属加工一般に、温度や金型や加工条件の工程パラメータについて様々な組み合わせを試し、最適な組み合わせを見つける作業を工程設計と呼ぶ。提案
企業が取り組む半凝固鋳鍛成型は、半溶融・半凝固
加工の一種で、(1)金型に及ぼす熱影響が小さい、(2)
熱間割れが発生しにくい、(3)加工に要するエネルギーが少ない等の利点 1)を有している。しかし、実用段階にあるものは稀で、参考にできる情報が少なく、工程設計が困難である。そのため、工程設計には CAEの有効活用が求められるが、鋳造 CAE と鍛造 CAE のどちらを使用すべきなのか、どこまで適用できるのか知見がなく、検証を行う必要がある。
そこで本研究では、材料試験を行い半凝固鋳鍛成型の特徴を調べるとともに、その結果をCAE解析に
フィードバックすることで、半凝固鋳鍛成型のCAE
解析の活用法を検討する。また、CAE解析により得られた情報から試験・観察位置を決めるというCAE
解析から実験へのフィードバックも行い、CAE解析と実験を統合的に行うこととする。

この複雑な変化を調べるにあたり、本研究では、
X線CT観察、金属組織観察、硬さ試験を行う。
X線CT観察では、ボイド等の内部欠陥の確認と欠肉等の成型不良の確認を行う。この試験は非破壊で三次元的に観察できるため、他の試験を行う際の参考情報にもなる。例えば、内部欠陥を発見した際には、組織観察で、その断面を選択的に観察することができる。
金属組織観察は結晶粒径や介在物の有無、微小なボイドを観察する目的で行う。上述の通り、半凝固
鋳鍛成型では金属組織がダイナミックに変化する
ため、組織観察を行いその特徴を確認する。
硬さ試験はサンプル各部位の機械的特性を調べるために行う。一般に温度履歴や加工度が違う場所
は機械的特性にも差が生じる。半凝固加工では、表面と内部の温度勾配が大きく、一つのサンプル中でも場所によって温度履歴や加工度が異なっている。
各部位の硬さを調べることで温度と加工条件に関する情報が得られると期待できる。

２．実験
２．１．実験概要
半凝固鋳鍛成型の工程設計が難しいのは、凝固や熱間の塑性変形など、複雑な変化を生じるためである。図１に本研究で対象とする A6061 合金(Al-MgSi)の Al-Mg2Si 擬２元系状態図を示す 2)。A6061 合金の一般的な組成は、Al-Mg2Si の擬２元系状態図上に存在するため、２元系合金として取り扱うことができる。このとき、図１中の液相線より上（A）で成型する工程が鋳造、液相線と固相線の間（B）で加工する工程が半凝固鋳鍛成型、固相線より下（C）で加工する工程が熱間鍛造となる。半凝固加工は、固液共存状態から固相へと移り変わる途中で加工を行うた
め、加工を行わない鋳造や固相域での加工となる鍛造に比べ、複雑に変化することは状態図からも明ら
かである。

図１

Al-Mg2Si の擬 2 元系状態図 2)

CAE 解析では鍛造解析用のソフトを用いて、製品
形状、フローライン、加工履歴、温度履歴など基本

事業課題名「半凝固鋳鍛成型の工程設計のための CAE活用技術の開発」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 61 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

情報を算出する他、想定される加工欠陥である「ボイド」「欠肉」「自己接触」等の評価手法を検討した。
さらに、半凝固鋳鍛成型後の組織・硬さと、その後の熱処理後の組織・硬さを比較し、半凝固鋳鍛成
型の熱処理に与える影響についても確認を行う。
２．２．試験項目
本研究では、素材を半凝固鋳鍛成型し、熱処理をするという一連の流れの各工程において、図２に示す試験を行う。素材と半凝固鋳鍛成型後のサンプル
では CT 観察、硬さ試験、組織観察を行い、熱処理後のサンプルには硬さ試験と組織観察を行った。
また、加工速度や加工温度の異なる２種類のサンプル(10-4,11-4)を作製する（サンプル番号は提案企
業指定）。サンプル名は表１に示したようにサンプル
番号+工程とした。

図２

各工程における試験内容
表１

サンプル名

２．３．サンプル作製
２．３．１．半凝固鋳鍛成型
素材として A6061 材を使用。切削加工によりある
程度、最終形状に近づけた状態で半凝固鋳鍛成型を行った。

２．４．試験
２．４．１．CAE 解析
本研究では、鍛造・熱処理解析が可能な
simufact.forming を用いて解析を行った。このソ
フトは、有限要素解析と有限体積解析という２つの解析手法を併せ持つことや、解析上の専門用語ではなく加工現場の言葉を用いて解析の設定や評価ができることが特徴である。
図４はその基本画面である。基本画面は、ツリー
ウインド、部品庫ウインド、結果選択ウインド、メ
インウインド、グラフウインド等からなる。部品庫
ウインドは工程設計の候補条件を一時的に保管する場所であり、条件をツリーウインドにドラッグ＆ドロップするだけで容易に条件を変更できるなど、CAE
ソフトに不慣れな操作者でも、扱いやすい仕様となっている。
モデルは素材、ストリッパ、パンチ、ダイの４部品で構成される。ダイを固定し、ストリッパとパンチにそれぞれ異なるプレスモーションを与えた。プ
レスモーションは、時間とストロークを表形式で設定する「テーブルプレス」を用いた。これは、提案企業が使用するプレス機が出力する時間－ストローク
グラフのデータをそのまま利用し、解析のリアリテ
ィを高めるためである。図５に「テーブルプレス」
設定画面を示す。
本研究では、実験データとの連携のため、フロー
ライン機能、ポストパーティクル機能を活用した。
これらは、鍛造・熱処理解析に特化した Simufact.
forming ならではの機能である。

２．３．２．熱処理
熱処理は T6 処理とした。T6 処理は溶体化処理に
より合金元素を母材中に固溶させた後、時効処理によって微細析出させ、機械的特性を向上させる熱処理である。条件は、一般的な T6 処理の条件 3)として、溶体化処理を 530[℃]で 2 時間加熱後急冷（衝風冷却）、時効処理を 160[℃]で 18 時間行った（図
３参照）
。

図３

図４

T6 処理概要- 62 -

基本画面

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図５という名称は、組織観察において素材自体が持つ方向性のある線状の模様を活用した観察に由来する。
図７にポストパーティクル解析の例を示す。この機能は、加工後の素材の形状を基準に任意の点や、升目で設定した点の加工履歴データを算出するものである。仕組みとしては、過去の計算結果を徐々にさかのぼりながら、その点がどこに居たかを、時間を遡るように追跡し（パーティクルトラッキングと呼ぶ）、その点の計算結果を収録する仕組みである。
なお、この計算結果は積分点結果からの補間推定値である。
図７左は算出点の候補を設定する画面であり、データ算出後、表示する点を選び、グラフを生成する仕組みである。図７右は横軸を時間、縦軸を温度として、数点の温度履歴をプロットしたものであるが、全体としてどのような履歴を取り得るのか、例外的な履歴を持つ点はないかを調べる応用が考えられる。
その他、加工後の位置を基準とする特徴から、組織観察や硬さ測定と紐づけた評価に有効と思われる。

プレスモーション設定画面

２．４．２. X 線 CT による観察
非破壊構造解析装置（TOSCANER-FTC32251µhd）にて観察を行った。観察時の条件は管電圧 200[kV]、
管電流 60[µA]、画素ピッチ約 70[µm]であり、今回の観察ではおおよそ 200[µm]以上の欠陥が観察対象となる。
２．４．３. 組織観察
各サンプルを樹脂包埋、研磨後エッチングを行った。エッチング液は 0.5[%]ふっ酸水溶液を用い 450
秒間液中に浸漬した。通常より長時間浸漬した理由
は、半凝固プレス加工後のサンプルの粒界が現出しなかったため、結晶方位の違いによるコントラストを際立たせて結晶粒の観察を行うためである。その後、高倍率金属顕微鏡(GX-71)にて観察を行った。
観察はすべて明視野で行った。

図６

フローライン解析例（左：塑性歪み

右：温度）２．４．４．硬さ試験
マイクロビッカース硬度計(HMV-2ADW)にて硬度測定を行った。荷重は 100[gf]で測定を行った。マイクロビッカース硬さ試験は微小な領域の硬さを測定することが可能であり、製品中の加工度や温度履歴の異なる様々な場所の測定ができる。

３．結果及び考察
３．１．CAE 解析結果
図６にフローライン解析の例を示す。図６左は塑
性歪みのカラーマップ、図６右は温度のカラーマッ
プとなっており、図中の黄色い線がフローラインである。フローライン解析は加工前の形状を基準に製品中の縦方向、横方向に等間隔の升目を配置し、加工後、加工中に、升目がどのように移動、変形するかを頼りに、加工の特徴を分かりやすく表示するものである。この方法は、鍛造加工におけるモデル材
料（例えば粘土が用いられる）を使った模擬試験や、板成型加工におけるスクライブドサークル試験と類似性のある評価といえる。なお、フローライン解析

図７ ポストパーティクル解析例

３．２．X 線 CT による観察結果
いずれのサンプルにおいても欠陥は見当たらず、良好な結果であった。また、CT 観察結果から作成した STL データをシミュレーション結果と重ねることで欠肉部の評価ができると期待できる。

- 63 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

３．３．組織観察および CAE との照合結果
３．３．１．組織観察結果
図８～１１に組織観察の一部の結果を示す。基本
的には鍛造組織と類似した組織となっている。鋳鍛後のサンプルでは結晶粒界がほとんど現出されなかったが、熱処理を行うことで、結晶粒界が確認できるようになった。これは、素材時点で結晶粒界に集まっていた合金元素が、半凝固鋳鍛成型によって全体に拡散し、その後の熱処理によって再度、結晶粒界に合金元素が集まったためだと考えられる。結晶
粒は、結晶粒径 100～200[µm]程度の結晶粒が引き延ばされている。Si や Mg-Si 化合物が万遍なく分布していたが、その他問題となる介在物や欠陥は見
当たらなかった。

図８10-4 鋳鍛後組織観察結果

図９10-4 熱処理後組織観察結果

図１１

３．３．２．鍛流線
鍛流線はファイバーフローとも呼ばれ、金属材料の鍛造時に見られる繊維状の組織の流れである。製品の機械的特性に影響を与える要素の一つであり、主に靭性に関与する。流れに沿った力に対して強い組織となるため、鍛流線の向きを制御することは製品開発において重要なポイントとなる。
図８、図１０のような半凝固鋳鍛成型後サンプル
では、鍛流線がはっきりと見える結果となった。図１２に示したように CAE 解析結果と比較すると高い精度で合致している。この時、CAE 解析では、フローライン解析を用いた。フローライン解析を用いることで高い精度での鍛流線予測が可能であることが分
かった。

図１２

図１０

11-4 熱処理後組織観察結果

11-4 鋳鍛後組織観察結果- 64 -

鍛流線とフローライン解析結果の比較

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告３．３．３．欠肉部
図１３に示す通り、CAE で予測されていた欠肉は組織観察でも観察でき、発生個所もほぼ一致していた。今回の半凝固鋳鍛成型の条件であれば、液相の噴出、漏れ等は起こらず、CAE で予測された欠肉は実際の試験においても発生可能性が高いとみられる。

図１３が塑性ひずみであり、いわゆる応力-ひずみ曲線に相当する。図１５には複数の温度条件(350～600[℃])、
ひずみ速度条件(0.001～100[/sec])のフローカーブが描かれている。グラフの形を見ると 350[℃]の場
合と 400[℃]の歪み速度が大きい場合を除きほとん
どが平坦もしくは右肩下がりとなっており、加工硬化しないことを表している。したがって、半凝固鋳
鍛成型では硬さがほぼ均一になると思われる。
この結果を受けて、10-4 熱処理後、11-4 鋳鍛後、
11-4 熱処理後については、特徴点となる場所のみ測定することとした。測定位置は CAE 結果から、①塑
性歪みの大きい部分と小さい部分の境となる箇所、②塑性歪みが小さい箇所、③塑性歪み大きく特徴的な箇所、④塑性歪みの大きい箇所、⑤冷却速度が速い箇所を選んだ。結果を表２に示す。硬さの差は鋳鍛後サンプルの結晶粒の大きさや加工度の違いによる差と考えられる。通常、硬さ試験だけではここまで調べることはできないが、CAE を活用することで、加工温度やひずみ量を考慮した試験位置決定、検討を行うことが可能となる。

CAE による欠肉予測と組織観察結果

３．３．４．自己接触部
図１４に示すように、CAE で予測されていた自己接触は組織観察では見られなかった。CAE 解析結果によると、自己接触時の温度は 550～600[℃]とみられ、A6061 の固相線温度が 595[℃]であることを考えると接触後、溶け込む温度帯であった可能性がある。これは半凝固鋳鍛成型の大きなメリットである。この結果から、鍛造シミュレーションで自己接触が予測される場所において、同時に温度分布シミ
ュレーションを行うことで不良発生の判断が可能になると期待できる。

図１５

A6061 合金フローカーブ

表２

図１４ CAE による自己接触予測と組織観察結果

３．４．硬さ試験結果
10-4 鋳鍛後サンプルに対して等間隔で 74 点の測定を行ったところ、全体的に 55HV0.1 程度と、ほぼすべての測定箇所において誤差の範囲内となった。
これは今回の加工温度域では加工硬化が起こらない
ことが原因だと考えられる。図１５に A6061 合金のフローカーブを示した。縦軸が流動応力(Pa)、横軸- 65 -

硬さ試験結果令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

４．結言
本研究では、半凝固鋳鍛成型に対して CAE 解析や
CT 観察、組織観察、硬さ試験等を行い、下記の知見を得ることができた。
① 鍛造 CAE でポイントトラッキングやフローカー
ブ機能、温度分布シミュレーションを活用することで組織予測・不良予測が高い精度で可能である。これらは工程設計において有用な情報であり、今回使用した CAE ソフトが工程設計に活用できる。
② 半凝固鋳鍛成型は加工の影響が硬さにあまり影響せず、全体的に均一な硬さになると考えられる。
③ 半凝固鋳鍛成型後は強度が A6061-O 材程度となるが、熱処理によって通常の A6061-T6 材とほぼ同等の機械的特性になると見込まれる。
④ 半凝固鋳鍛成型は接合性に優れ、自己接触による欠陥を抑制することができる。
参考文献
1) 杉山澄雄. 半溶融・半凝固加工研究の流れ. 生
産研究. 2013, 65 巻 6 号, P.803-809
2) 大堀紘一. Al-Mg-Si 系合金. 軽金属.
1988, Vol.38, No.11, P.748-763
3) 軽金属学会.アルミニウムの組織と性質.
1991, 572p.

- 66 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

工具経路生成時間短縮のためのポリゴンメッシュの簡略化
Simplification of polygon mesh to shorten tool path generation time
南相馬技術支援センター 機械加工ロボット科 夏井憲司
応募企業名 有限会社トライ金型
CAM においてポリゴンメッシュから工具経路を生成する場合、計算時間が長時間になるという問題が発生する。その対策として、ポリゴンの間引きを行ってから工具経路の計算をするという方法が知られているが、間引きを行うと元々の形状から偏差が発生してしまう。そこで、今回ポリゴンメッシュの間引き条件が工具経路の計算時間や機械加工後の形状に与える影響を調べた。その結果、工具経路の計算時間は切削モデルの総ポリゴン数に依存することやエッジ部が間引きの影響を受けやすいことなどのいくつかの知見が得られた。
Key words: ポリゴンメッシュ、CAM、工具経路、リバースエンジニアリング

１．緒言

２．実験

図面や CAD データのない古い金型を複製したいというニーズが高まっている。現在は、非接触三次元測定機で測定したスキャンデータからリバースエンジニア
リングで CAD データを作成し、それを用いて機械加工するという方法で金型の複製が行われている。しかし、リバースエンジニアリングは高価な専用ソフトが必要になることに加え、形状が複雑な場合は作業が長時間に及ぶという問題がある。
そこで、応募企業では、測定されたスキャンデータ
をそのまま工具経路生成のための切削モデルに使用し、リバースエンジニアリングなしに金型を複製するという取り組みを行っている。しかし、CAM での工具経路生成にポリゴンメッシュを使用する場合、CAD データを使用した場合に比べて計算時間が長時間に及ぶという問題が発生する。その解決法として、ポリゴンメッ
シュの間引きを行う方法があるが、間引きを行うとス
キャンデータの形状から偏差が発生する。間引き後のポリゴンメッシュを基に工具経路を計算すると、間引きによる偏差が加工後の製品形状にも影響してしまう
ため、適切な間引き条件を見定めることが重要となる。
そのため、今回ポリゴンメッシュの間引き条件が工具経路の計算時間や機械加工後の形状に与える影響を
下記の手順で調べた。
① 実験用 CAD モデルの作成② CAD モデルを使用した工具経路生成、加工品の削り出し③ 非接触三次元測定機を使用した加工品の形状測定（スキャンデータの取得）④ スキャンデータに間引きを施した切削モデルの作成⑤ 切削モデルを使用した工具経路生成、加工品の削り出し⑥ 自由曲面形状の評価⑦ エッジ部の形状評価

２．１．実験モデル
今回の実験のために作成した CAD モデルを図１に示す。提案企業の取り扱う金型には自由曲面を含んだものが多いため、CAD モデルの上面には位相をずらした
正弦波形状の断面をロフトでつないだ自由曲面と長穴形状の突起をモデリングした。また、ポリゴンの間引きによる影響はエッジ部が一番大きいと考えられるため、突起の外周にはシャープエッジや R 面取り、C 面
取りなど様々なエッジ形状を持たせた。

図 1 実験用 CAD モデル
２．２．実験モデルの削り出し作成した CAD モデルを基に、マシニングセンタ（VARIAXIS j-600/5X AM（ヤマザキマザック製））を用
いて機械加工を行い加工品を削り出した。工具経路の作成には、hyperMill バージョン 19.2 を使用した。使
用した工具を表１に、工程及び加工条件を表２に示す。
被削材にはアルミニウム合金（A5052）を使用した。なお、CAD モデルを使用した工具経路の計算時間は、合計 60[秒]であった。

事業課題名「工具経路生成時間短縮のためのポリゴンメッシュの簡略化」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 67 -

T1
T2
T3

表 1 使用した工具
名称
詳細
スクエアエンドミル
超硬 外径 10mm
ボールエンドミル
超硬 外径 6mm
ボールエンドミル
超硬 外径 3mm

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

1

2

表２ 工程及び加工条件
工程
加工条件
自由曲面部粗加工
S(主軸回転数)
等高線粗加工（T1）:10,000[rpm]f(送り速度):
1,000[mm/min]ap(軸方向切込み):0.5[mm]ae(半径方向切込み):8[mm]
自由曲面部中仕上げ加工 S:10,000[rpm]
等高線最適化加工（T2） f:1,000[mm/min]
ap:0.5[mm]ae:0.5[mm]3

自由曲面部仕上げ加工
等高線最適化加工（T2）

S:10,000[rpm]f:1,000[mm/min]
ap:0.1[mm]ae:0.1[mm]4

上面溝部粗加工
等高線粗加工（T3）

S:10,000[rpm]f:800[mm/min]
ap:0.3[mm]ae:0.3[mm]5

上面溝部仕上げ加工
走査線仕上げ加工（T3）

S:10,000[rpm]f:800[mm/min]
ae:0.05[mm]6

削り残り部加工（T3）

S:10,000[rpm]f:800[mm/min]
ap:0.05[mm]ae:0.05[mm]２．３．スキャンデータの取得
非接触三次元測定機（ATOS Compact Scan 12M（GOM社製））を使用して、CAD 加工品の形状測定を行った。
切削加工面は金属光沢を有するため、浸透探傷試験の現像液を表面に塗布してから測定を行った。取得した
スキャンデータを図２に示す。

(a)全体(b)中央突起部
図２ スキャンデータ
２．４．間引き条件
取得したスキャンデータに複数の条件で間引きを行い、切削モデル（以下、スキャンデータに間引きを施した後のポリゴンメッシュを切削モデルとする。) を作成した。各切削モデルの間引き条件と処理後のポリ
ゴン数、処理時間を表３に示す。ポリゴンの間引きには、Geomagic DesignX（3D Systems 社製）の間引きとメッシュの最適化のコマンドを使用した。
間引きは、ポリゴンメッシュの幾何特徴形状を維持しながら、ポリゴンの頂点を合成することによりポリゴン数を削減するコマンドである。条件設定には、目安となるポリゴンの削減率と曲率の高い領域の解像度をスライドバーで設定することができる。今回の実験
では、削減率 50、75、90[%]の３条件と解像度を最高と最低にした２条件をかけ合わせた６つの切削モデルを作成した。
図３に No.3 と No.6 の切削モデルを示す。曲率の高い領域の解像度を最高にした No.3 では、主に曲率の低い緩斜面や平面で間引きが行われておりエッジ形状は保たれていたが、解像度を最低にした No.6 では、曲率に関係なく間引きが行われたためエッジが崩れた形状をしていた。
メッシュの最適化は、スキャンデータを有限要素解
析やリバースエンジニアリングに適したメッシュに変換するコマンドである。オプションとして、変換後のポリゴンエッジの最小・最大長さ(図４)の制限やスムージング効果を調整する機能もあり、前者を活用する
ことによりポリゴンの間引きを行うこともできる。また、メッシュの最適化は、すべてのポリゴンを正三角形に近い形状に変換するため、間引きのコマンドに比べて処理時間が長くなるという特徴がある。
今回の実験では、ポリゴンエッジの最小長さを0.15[mm] と 0.3[mm] と し た ２ 条 件 と 最 大 長 さ を
0.6[mm]と 1.5[mm]にした２条件をかけ合わせた４つ- 68 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告の切削モデルを作成した。
図５に No.7 と No.9 の切削モデルを示す。ポリゴン
エッジの最小長さを 0.15[mm]とした No.7 ではエッジ部が小さなポリゴンで形成されるため、比較的均一な形状になっていたが、最小長さを 0.3[mm]とした No.9
ではエッジ部を形成するポリゴンが大きくなったため、不均一な粗いエッジ形状となった。

No.
ref
1
2
3
4
5
6
7

8

9

10

表３ 間引き条件
間引き条件
ポリゴン数
(削減率)
スキャンデータ（間引894,878
きなし）
間引き（削減率 50％、
441,316解像度 高）(50.7[%])
間引き（削減率 75％、
217,722
解像度 高）(75.7[%])
間引き（削減率 90％、
84,701
解像度 高）(90.5[%])
間引き（削減率 50％、
441,068
解像度 低）(50.7[%])
間引き（削減率 75％、
222,437
解像度 低）(75.1[%])
間引き（削減率 90％、89,303解像度 低）(90.0[%])
メッシュの最適化
258,782（最小長さ 0.15mm、(71.1[%])
最大長さ 0.6mm）
メッシュの最適化
112,820（最小長さ 0.15mm、(87.4[%])
最大長さ 1.5mm）
メッシュの最適化
226,232（最小長さ 0.3mm、(74.7[%])
最大長さ 0.6mm）
メッシュの最適化
76,239（最小長さ 0.3mm、(91.5[%])
最大長さ 1.5mm）(a)No.3(b)No.6
図３ 間引きを行った切削モデル

図４ ポリゴンエッジの長さ

処理
時間
‐
7[秒]
(a)No.7(b)No.9
図５ メッシュの最適化を行った切削モデル

7[秒]

7[秒]

２．５．工具経路の計算および加工品の削り出し作成した切削モデルを基に、工具経路の計算を行った。工程および加工条件は、２．２節と同じものを使用した。その後、作成した工具経路を使用して、加工品の削り出しを行った。

7[秒]３．結果及び考察

98[秒]３．１．工具経路の計算時間
工具経路の計算時間と切削モデルの総ポリゴン数の関係を図６に示す。すべての間引き条件で工具経路の計算時間は、CAD モデルでの計算時間 60[秒]を超える結果となった。特にスキャンデータを使用した場合は、
342[秒]と CAD モデルの６倍近い計算時間が必要となり、ポリゴンメッシュを工具経路生成に使用すると計算時間が長時間になることが確認された。また、ポリゴン数を 90[%]削減した条件３では計算時間が 90[秒]まで減少しており、間引きによりポリゴン数を削減するほど、計算時間も減少することも確認された。
今回、曲率の高い領域の解像度を変更してエッジ部のポリゴンの大きさの変更や、メッシュの最適化を用いてポリゴン形状の正三角形に近い形への変更などいろいろな条件を試したが、それらに関係なく、計算時間と総ポリゴン数の相関係数は 0.98 となり強い正の相関がみられた。このことから、工具経路の計算時間
はポリゴンの大きさや形状にはほとんど影響を受けず、総ポリゴン数のみに依存することが確認された。

7[秒]
7[秒]

77[秒]

91[秒]

72[秒]

３．２．自由曲面形状の評価削りだした加工品を非接触三次元測定機で測定し、自由曲面の形状評価を行った。図７にスキャンデータ
及びポリゴン数の削減率の大きい間引き条件 No.3、No.6、No.10 の加工品の測定データと CAD モデルとの- 69 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

形状偏差を示す。削減率の大きい切削モデルでも、ス
キャンデータと同様に自由曲面部では大きな形状偏差は見られなかった。曲率の低い自由曲面においては、
大幅な間引きを行っても形状の崩れは小さいことがわ
かった。
(a)No.6(b)No.8
図８ 自由曲面の観察画像

400

工具経路計算時間[s]350

３．３．エッジ形状の評価
表面粗さ・輪郭形状測定機（SV-C4500L8 (株)ミツト
ヨ製）を使用して、各加工品の図９に示すシャープエ
ッジ部の輪郭形状測定を行った。CAD とスキャンデー
タの加工品の輪郭曲線を図１０に示す。CAD 加工品のエッジは、シャープエッジが形成されていたのに対し、
スキャンデータ加工品は鋭利なエッジにはならず、わずかに R 面取りしたような形状になっていた。
今回使用した非接触三次元測定機は、測定原理の関係でシャープエッジを測定したとしても、スキャンデータのエッジ部には 0.1[mm]程度の小さなコーナー
R(図１１)が発生する。スキャンデータ加工品のエッジ
が、シャープエッジにならなかったのは、形状を削り出す基となるスキャンデータ自体のエッジ形状がシャープエッジではなかったためである。

300
250

200
150
スキャンデータ
間引き(解像度高)間引き(解像度低)メッシュの最適化

100
50
0
0

500,000
ポリゴン数

1,000,000

図６ 工具経路の計算時間とポリゴン数の関係(a)スキャンデータ

測定輪郭(b)No.3

シャープエッジ部

図９ 輪郭形状測定箇所(c)No.6(d)No.10
図７ CAD モデルとの形状比較
図８に No.6 と No.8 の加工品の自由曲面の観察画像を示す。観察には実体顕微鏡（S9i（ライカ社製））を使用した。No.6 の自由曲面は滑らかな表面をしているのに対し、No.8 の自由曲面は表面がうろこ状になっていた。これはメッシュの最適化を行った際の設定でエッジの最大長さを 1.5[mm]と大きくしたことで、１つのポリゴンが定義する平面の面積が大きくなりすぎたためだと考えられる。

- 70 -

スキャンデータ
CAD

図１０ シャープエッジ部の輪郭曲線

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

スキャンデータ
No.2
No.3

図１１ スキャンデータのシャープエッジ部
その他の加工品の測定結果を図１２に示す。曲率の高い領域の解像度を最高にし、90[%]の間引きを行った
No.3 加工品は、スキャンデータの輪郭曲線と一致していたが、解像度を最低にした No.6 加工品では、スキャ
ンデータの輪郭曲線とずれが発生していた。
メッシュの最適化のコマンドでエッジの最小長さを0.15[mm]とした No.7、No.8 加工品は、スキャンデータ
の輪郭曲線と一致していたのに対し、エッジの最小長さを 0.3[mm]とした No.9、No.10 加工品は一部にずれが発生していた。これは、２．４節の No.9 切削モデルで見られた粗いエッジ形状の影響だと考えられる。
３．４．リバースエンジニアリングの試み
Geomagic DesignX を使用してリバースエンジニアリ
ングを行い、スキャンデータから CAD データ（以下、リバース CAD とする。
）を作成した。リバース CAD 加工
品を削り出して、自由曲面とエッジ形状の評価を行った。
リバース CAD 加工品と CAD モデルとの形状偏差を図１３に示す。No.1～No.10 の加工品では、自由曲面での形状偏差がほぼなかったのに対し、リバース CAD から 切 削 した モ デル で は R3[mm] の フ ィ レ ット 部に0.08[mm]程度の偏差が発生した。これはモデリングの手法の違いが原因だと考えられる。
CAD モデルを作成した際は、位相をずらした正弦波
形状の断面をロフトでつなぐことにより自由曲面を作成したが、リバースエンジニアリングではスキャンデータの自由曲面部を一枚の NURBS 曲面で近似すること
によりモデリングを行った。自由曲面自体に偏差は発生しなかったが、フィレット形状を付与したエッジは近似した NURBS 曲面を曲率が変わらないという仮定のもと延長させたサーフェスと平面との交線として作成した。曲率が変わらないという仮定の下、サーフェスの延長を行ったため、フィレット部で偏差が発生したと考えられる。

- 71 -(a) No.2、No.3

スキャンデータ
No.5
No.6(b) No.5、No.6

スキャンデータ
No.7
No.8(c) No.7、No.8

スキャンデータ
No.9
No.10(d) No.9、No.10
図１２ シャープエッジ部の輪郭曲線

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

４．結言

フィレット(R3mm)

図１３ CAD モデルとの形状偏差（リバース CAD）
図１４に、リバース CAD 加工品のシャープエッジ部の輪郭形状の測定結果を示す。リバース CAD 加工品のエッジは、CAD 加工品と同様にシャープエッジとなっ
ていた。

CAD
リバース CAD

ポリゴンメッシュデータを使用した工具経路生成において、ポリゴンメッシュの間引き条件が工具経路の計算時間や機械加工後の形状に与える影響の調査を行
った。
その結果、
本実験の範囲内で以下の知見を得た。
１） 工具経路の計算時間は、ポリゴンの大きさや形状にはほぼ影響を受けず、切削モデルの総ポリゴン数のみに依存する。そのため、工具経路の計算時間を短縮するためには、切削モデルの総ポリゴンを減少させることが重要である。
２） 曲率の低い自由曲面などは、間引きの影響を受けにくいが、ポリゴンエッジの長さを大きくすると、表面がうろこ状になることがある。
３） 曲率の高いエッジ部などは間引きによる影響を受けやすいため、形状偏差を小さくするには曲率の高い領域の解像度を高めるなど適切な間引き
条件の設定が必要となる。
４） シャープエッジを非接触三次元測定機で測定す
ると、小さなコーナーR が発生する。このコーナ
ーR をシャープエッジにするには、リバースエン
ジニアリングが有効である。

図１４ シャープエッジ部の輪郭曲線- 72 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

異なる手法で洗浄された真空用部品からの放出ガスの比較
Comparison of outgassing from vacuum components cleaned by different methods
技術開発部 プロジェクト研究科 三瓶義之
応募企業 ニッコーシ株式会社
洗浄による真空用部品の表面の汚染物質の除去及び洗浄に起因する新たな残渣の発生がないことを確認するため、真空用部品から放出されるガスの量及び成分の比較を行った。異なる方法で洗浄した真空用部品を真空チャンバー内に入れ、一定時間排気した後の圧力の測定及びその時にチャンバー内部に残留している放出ガスの質量分析を行った。その結果、異なる洗浄手法の間で到達圧力に有意な差は見られず、質量分析のピークにも差は見られなかった。
Key words: 真空、放出ガス、質量分析

１．緒言
真空成膜装置や半導体製造装置などの高真空装置の内部で用いられる部品には、部品からの放出ガスによって装置内の圧力上昇や汚染を起こさないことが求められる。
この放出ガスを低減するためには、放出ガスの少な
い部材の素材選定と適切な表面処理に加え、部品表面に付着している汚染物質を洗浄除去することが必要となる。
そのため、不適切な洗浄手法では汚染物質の除去が不十分であったり、逆に新たなガス放出の原因となったりすることも考えられ、ガスの種類によっては、装置の行うプロセスの障害になることが考えられる。
そこで、手法を変えて洗浄した試料を真空チャンバ
ーに入れて真空排気を行い、一定時間経過後にその到達圧力を測定することで、放出ガス量の比較を行った。
また、チャンバー内に残留しているガス成分について質量分析を行い、検出されるピークの差を観察する
ことで試料から放出されるガス種の分析を行った。

２．実験
２．１．排気系の到達圧力測定と残留ガスの質量分析
真空チャンバー中に試料を入れて排気し、その到達圧力から試料の放出ガス量を評価する場合、排気系の到達圧力が十分低いことが必要である。
そこで、試料をチャンバー内に設置せず、到達圧力の測定を行った。また、バックグラウンドとなる真空チャンバー及び排気ポンプなどの排気系からの放出ガスについて汚染物質からの放出ガスが含まれていないことを確認するため、到達圧力に達したチャンバー内の残留ガス成分の質量分析を行った。
実験装置には、内径 300[mm]高さ 260[mm]のチャンバ
ーに ULVAC 製マスフィルター型質量分析計 MASSMATE-

100 を接続したものを用いた。主排気ポンプには最大
排気 400[l/sec.]のターボ分子ポンプ、補助ポンプにTi ゲッタポンプを用い、チャンバー及び質量分析計を接続するパイプのベーキング用に、IN HEATER と MS
HEATER を設置した。実験装置の概略図を図１に示す。
ガラス板

真空チャンバー

試料
質量分析計

MS HEATER

IN HEATER

ターボ分子ポンプ（TMP）＋
ロータリーポンプ

排気

図１ 実験装置概略図
この実験装置を用いて 120[時間]排気を行った結果、到達圧力は 3.4×10-6[Pa]であり、目標の 10-5[Pa]以下に到達していることが確認できた。その際の残留ガスの質量分析結果を図２に示す。

事業課題名「真空用部品の洗浄方法の違いによるガス放出の比較」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 73 -

水

窒素

酸素

二酸化炭素

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図２ チャンバー単体での残留ガスの質量分析結果
図２より、マススペクトルは信号の大きい順に窒素、水、酸素、二酸化炭素といったピークが観察され、それ以外の信号は非常に小さいことがわかる。
これらのことから、この実験装置は試料からの放出
ガス量及び質量分析に使用できることが確認できた。
２．２．洗浄した試料の放出ガス量評価
ニッコーシ株式会社において異なった手法で洗浄した試料１及び２の放出ガス量を評価するため、実験装置に設置して排気を行い、到達圧力の測定を行った。
試料はチャンバーのベーキング時の熱を遮断するためにガラス板を介して設置した。試料設置の状況を図３に示す。
排気の際の条件をそろえるため、Ti ゲッタポンプ、及び IN Heater、MS Heater の操作タイミングをそろえて排気を行い、20[時間]排気後の到達圧力を測定した。排気時の操作タイミングを表 1 に、測定された到達圧力を表２に示す。

電源導入端子物質は除去されており、放出ガス量が低く抑えられていることが確認できた。
表２ 20 時間排気後の到達圧力
試料到達圧力 ［10 -5Pa]

試料１＋ガラス

1.6

試料２＋ガラス

1.3

試料なし

0.34

ガラスのみ

0.53

２．３．洗浄した試料の放出ガスの成分分析
試料の放出ガス成分を分析するため、試料１、２、ガラスのみ及び試料なしの状態で到達圧力に達した際のチャンバー内の残留ガスの質量分析を行った。その結果を図４に示す。
図４の試料１、２及びガラスのみの質量分析結果か
らは、試料なしの場合と同様に水、窒素、酸素、二酸
化炭素のピークが観察され、特に水のピークが大きい
ことがわかる。
これらのピーク間の強度比に関してもほぼ同等の比率を示していることから、残留ガスの大部分は試料表面に吸着した水によるものであり、汚染物質に由来するものは非常に少ないと考えられる。このことから、試料表面に吸着している水を排気中にベーキングにより脱離させることで放出ガス量をさらに低減させ、到達圧力をさらに低下させることができると考えられる。

熱電対

２．４．ベーキングによる放出ガス低減
試料１及び２について真空中でベーキングを行い、表面に吸着している水を脱離させて到達圧力を低下させることを試みた。ベーキングは試料への通電による抵抗加熱で行い、試料１は高温ベーキングとして
18[V]で 150[分]通電、試料２は低温ベーキングとして
10[V]で 60[分]通電の条件で行った。ベーキング中の到達温度は試料表面に張り付けた熱電対で測定を行った。加熱後、排気を続けながら 20[時間]冷却し、到達圧力を測定した。ベーキング前後の到達圧力及びベーキング時の試料表面の到達温度を表３に示す。

試料

ガラス板

図３ チャンバー内への試料設置の状況

表１ 排気時の操作タイミング
排気時間

Tiゲッタポンプ

IN HEATERMS HEATER

00:10

連続加熱

ON

ON

00:20

連続加熱

OFF

ON

00:40

連続加熱

01:45

加熱5分/余熱5分

03:00

OFF

20:00

表３ ベーキング前後の到達圧力及び試料表面温度

OFF

到達圧力測定表２より、試料１、２ともに到達圧力は 1×10-5[Pa]
台の低い圧力を示していることがわかる。
この結果より、試料１及び２ともに試料表面の汚染

試料

ベーキング前到達圧力[10-5Pa]

試料表面
到達温度
[℃]

ベーキング後到達圧力[10 -5Pa]

試料１

1.6

146

0.85

試料２

1.3

42

0.81

表３よりベーキングにより到達圧力が半分程度に低下していることがわかる。このことから、ベーキング- 74 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

によって水を脱離させることで到達圧力を低くできることが確認できた。

１
水

窒素

酸素
二酸化炭素

３．結言
洗浄による真空用部品の表面の汚染物質の除去及び洗浄に起因する新たな残渣の発生がないことを確認するため、異なる方法で洗浄した真空用部材を真空チャンバー内に入れ、一定時間排気した後の圧力の測定及びチャンバー内部に残留している放出ガスの質量分析を行った。
また、部品を真空中でベーキングすることで放出ガスを低減させ、到達真空度を低下させることを試みた。
その結果、以下の知見を得た。
・ニッコーシ株式会社で手法を変えて洗浄した部品はいずれも放出ガスが少なく、汚染物質に由来す
る放出ガスの成分も検出されなかった・高真空下で部品から放出されるガスは大気から部品表面に吸着したガス成分であり、特に水の影響が大きいことが確認できた。
・ベーキングは表面に吸着しているガス成分の脱離に効果があり、到達圧力の低下に効果があることが確認できた。
・ベーキングの加熱手法、加熱時間については部品に使用されている素材や、組み付け状態に応じて検討する必要がある。

２
窒素

水

酸素

二酸化炭素

３
水

窒素

発生し、ベーキングが不十分であった可能性が考えられる。ベーキングは高温の方が効果的と考えられるが、過熱された場合には部品あるいは周辺部材の熱分解を招く恐れもある。そのため、ベーキング条件については装置組付け時の熱伝達の状態も考慮してベーキングの条件を検討する必要があると考えられる。

酸素
二酸化炭素

４
窒素
水

酸素

二酸化炭素

図４ 到達圧力下での残留ガスの質量分析結果（１：試料１＋ガラス，２：試料２＋ガラス，
３：ガラスのみ，４：試料なし）
また、試料１ではベーキング時の試料表面の到達温度が 146[℃]に達したが、冷却後の到達圧力は試料２と差が見みられなかった。これは真空中では対流による熱伝導が起きないために試料内部で温度の不均一が- 75 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ドライフラワー製品の残留塩素の低減処理
Reduction of residual chlorine in dried flower products
福島技術支援センター 繊維・材料科 佐藤優介 中島孝明 伊藤哲司
提案企業 東北花材株式会社
塩素漂白処理後のドライフラワーに対する残留塩素量の確認方法と残留塩素の低減方法を調べた。DPD 法によりドライフラワーから 0.05-0.10[ppm]程度の残留塩素を検出することができた。チオ硫酸ナトリウム水溶液に浸漬させることでドライフラワーの残留塩素が低減することが分かり、効率の良い処理条件も判明した。また、企業の作業現場で残留塩素の測定と脱塩素処理ができることを確認した。
Key words: 黄変、残留塩素、脱塩素、DPD 法

DPD 法で求めた。

１．緒言
塩素漂白処理を行ったドライフラワー（図１）を数か月保管すると黄変してしまう。黄変には製品に残留した塩素が起因している恐れがあるため、漂白処理後における残留塩素量の確認方法と残留塩素の低減が必要である。
残留塩素とは、次亜塩素酸イオン（ClO-）等の遊離残
留塩素、アミンやアンモニアと結合したクロラミンと呼ばれる状態の結合残留塩素があり、遊離残留塩素と結合残留塩素を合わせたものである。また、残留塩素
は酸化反応を起こし易い塩素で、付着した物は変色の原因となり易い。
今回は、残留塩
素の脱塩素処理と作業現場で使用できる残留塩素の確認方法について調べ、提案を行うこととした。
図１ アジサイのドライフラワー

２．実験

２．１．１ 脱塩素処理条件
試料は東北花材（株）で塩素漂白を行ったアジサイを用いた。脱塩素処理は、蒸留水 100[ml]に対してチオ硫酸ナトリウム五水和物（特級 MW=248.18 富士フィルム和光純薬（株）製）を添加した水溶液を作成し、試料 0.4[g]（浴比 1：250）を浸漬させた後、蒸留水で洗浄し恒温乾燥機（PHH—101 エスペック（株）製）を用い 50[℃]で乾燥させた。浸漬条件は、室温で水溶液の濃度と浸漬時間を変化させた。
処理条件を表１．
１、
表１．２に示す。
表１.１ 浸漬条件（浸漬時間を一定）
試料 No.

1-1

1-2

1-3

1-4

1-5

1-6

1-7

0.01

0.03

0.06

0.19

0.32

0.64

1.27

Na2S2O3
添加量[mmol]60

浸漬時間[分]表１.２ 浸漬条件（添加量を一定）
試料 No.

2-1

2-2

2-3

2-4

2-5

2-6

2-7

2-8

浸漬時間[分]

5

15

30

60

120

180

300

1440

Na2S2O30.64
２．１．残留塩素の脱塩素処理
添加量[mmol]
残留塩素の測定方法には、電流滴定器による測定やヨウ素滴定法、硫酸第一鉄アンモニウム（FAS）による
２．１．２ 測定方法
滴定法、ジエチルパラフェニレンジアミン（DPD）によ
脱塩素処理を行った試料 0.4[g]を取り、蒸留水
る呈色反応を利用した DPD 法がある。
100[ml]に浸漬させた（浴比 1：250）。
DPD 法は、操作が簡便で試薬の保存性が高く、測定浸漬した蒸留水を DPD 法で呈色させ、分光光度計に係るコストが低い。また、遊離残留塩素と結合残留（UV-2500PC （株）島津製作所製）で吸光度を測定し塩素をそれぞれを分別定量できるため、
東北花材
（株）
た。
で塩素漂白処理を行ったアジサイ製品の残留塩素を、DPD 試薬は、10[ml]測定用に個包装された DPD 試薬
DPD 法を使用した市販の残留塩素測定器（柴田科学（株）（柴田科学（株））を使用した。測定手順は、試料の浸製）を用い測定した。その結果、結合残留塩素が 0.05
漬液から 10[ml]分取し、DPD 試薬を１包添加し溶解さ～0.10[ppm]となり DPD 法で測定できることが分かっせた後ヨウ化カリウム（特級 富士フィルム和光純薬
た。
（株）製）2[g]を添加し十分溶解させた。溶液を 2 分
脱塩素処理は水道水のカルキ抜きとして使用される
間静置後、光路長 10[mm]の石英セルに分取し測定した。
チオ硫酸ナトリウム水溶液を用いて行い、残留塩素は
脱塩素処理を行わない試料 0.4[g]を 100[ml]の蒸留

事業課題名「ドライフラワーの塩素漂白処理における残留塩素の低減とその確認方法について」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 76 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

水に 24 時間浸漬させた浸漬液を、上述の測定手順で測定したところ、550[nm]付近にピークが見られたため 550[nm]にて吸光度を測定した。

表 2.2 添加量が 0.64[mmol]での浸漬時間と吸光度変化
試料 No.

2-1

2-2

2-3

2-4

2-5

2-6

2-7

2-8

5

15

30

60

120

180

300

1440

0.016

0.013

0.012

0.012

0.010

0.008

0.007

0.007

浸漬時間

２．２．作業現場で使用できる残留塩素量の確認方法 [分]東北花材（株）の加工現場では井戸水を使用してい 吸光度るため、本研究では脱塩素処理及び残留塩素の測定に使用する水に、当所で使用している井戸水を使用した。
脱塩素処理は「３．１．残留塩素の脱塩素処理」の結果を基に、チオ硫酸ナトリウム水溶液を用い、残留塩素は DPD 法を使用した市販の残留塩素測定器（柴田
科学（株）製）にて測定した。
２．２．１ 脱塩素処理条件
東北花材（株）で塩素漂白を行ったアジサイ 8[g]を、
チオ硫酸ナトリウム水溶液 2,000[ml]（1.58[g/L] 浴
比 1：250 当所の井戸水で調整）に 2 時間浸漬させ、井戸水で洗浄した後、恒温乾燥機を用い 50[℃]で 1 時
間乾燥させた。乾燥後、井戸水 2,000[ml]に試料を 24
時間浸漬させた。比較対象として別の試料 8[g]を、脱塩素処理を行わず井戸水 2,000[ml]に 24 時間浸漬させた。
２．２．２ 測定方法
試料を浸漬させた井戸水 10[ml]をサンプルホルダ
ーに入れ、DPD 試薬１袋とヨウ化カリウム 0.2[g]を加える。2 分静置した後に比色用樹脂版（柴田科学（株）
製）により目視で残留塩素濃度を測定した。また、事前に井戸水の残留塩素濃度測定も行った。

３．結果
３．１．残留塩素の脱塩素処理
表２．１及び図２．１は浸漬時間を 60 分とし、チオ
硫酸ナトリウム添加量を変化させ各添加量で吸光度を測定した結果を示す。表２．２及び図２．２はチオ硫酸ナトリウム添加量を 0.64[mmol]とし、浸漬時間を変化させて吸光度を測定した結果を示す。

図２．１ 浸漬時間が 60 分での添加量と吸光度変化

以上の結果から、チオ硫酸ナトリウム水溶液による
図２．２ 添加量 0.64[mmol]での浸漬時間と吸光度変化
脱塩素処理によりドライフラワー製品の残留塩素濃度が低下することが分かった。処理条件は、チオ硫酸ナ
トリウムの添加量が 0.64[mmol]で 120 分浸漬させた条
件 2-5 が良好であった。この条件でドライフラワー
1[g]を処理するには、濃度 1.58[g/L]のチオ硫酸ナト
リウム水溶液に 2 時間浸漬させることで、同等の脱塩
素処理条件となる。
３．２．残留塩素量の確認
井戸水には残留塩素は確認されなかった（0.05[ppm]未満）（図３．１）。

表２．１ 浸漬時間 60 分での添加量と吸光度変化
試料 No.

1-1

1-2

1-3

1-4

1-5

1-6

1-7

0.01

0.03

0.06

0.19

0.32

0.64

1.27

0.028

0.026

0.018

0.017

0.014

0.012

0.012

Na2S2O3
添加量[mmol]
吸光度

+DPD

+KI
２
分
静
置

図３．１ 井戸水の残留塩素濃度測定- 77 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

脱塩素処理を行わないアジサイを浸漬した井戸水からは、残留塩素が確認された（0.05-0.10[ppm]）
（図３．
２）
。

+DPD

浸漬が有効であり、効率の良い処理条件を見つけることができた。これにより黄変が防げるかどうかを、保管し経過観察を行う。

+KI
２
分
静
置

呈色反応が
確認された

図３．２ 脱塩素処理を行わないドライフラワーを浸漬した井戸水の残留塩素濃度測定

また、井戸水で脱塩素処理を行ったアジサイからは残留塩素が確認されなかった（0.05[ppm]未満）
（図３．
３）
。

+DPD

+KI
２
分
静
置

呈色反応は確認
できなかった図３．３ 脱塩素処理を行ったドライフラワーを浸漬した井戸水の残留塩素濃度測定

井戸水を使用したチオ硫酸ナトリウム水溶液で脱塩
素処理を行い、市販の残留塩素測定器を使って残留塩素を確認したところ、残留塩素の減少が確認できた。
（0.05-0.1[ppm] → 0.05[ppm]未満）

４．結言
・残留塩素の確認方法には DPD 法を用いることで、脱塩素処理に井戸水を使用した場合でも簡便に測定可能であることが分かった。
・ドライフラワーの残留塩素には、次亜塩素酸などの遊離残留塩素はほぼ存在せず、全て結合残留塩素であった。結合残留塩素は、漂白に使用した塩素がアジサ
イや地下水に僅かに含まれるアンモニアと結合しクロラミン等として残留してしまう。
この結合残留塩素は、遊離残留塩素ほど酸化力はないが、黄変の原因となることが考えられる。
・残留塩素の低減にはチオ硫酸ナトリウム水溶液への- 78 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

カラーステンレスの液相着色法における新構造電極の開発
Development of new electrode structure in liquid phase coloring method of color stainless steel
いわき技術支援センター 機械･材料科 吉田正尚
応募企業 株式会社クリナップステンレス加工センター
カラーステンレスは、ステンレス基材を着色液と硬膜液の液相に順次浸漬して製造される。着色処理を行う際は着色管理のための電極で電圧測定を行っている。しかし、現在使用している電極は、有害な鉛を含有した鉛ガラスを使用していることや溶着加工技能を持つ
外注先の熟練職人の不足により、電極の製作ができない状態にある。
そこで本研究では上記問題を解決し、カラーステンレス着色用の電極の必要要件の分析、材料の選定を行い従来型電極と同様に着色管理を行える新構造電極を試作開発した。
Key words: カラーステンレス、液相製造法、白金電極、鉛ガラス、電圧変化、電位計測

１．緒言
現在、カラーステンレスは内装材や建材用途に普及している（図１-(a)）
。その製造方法は、ステンレス基材を着色液と硬膜液に順次浸漬して製造される。ステンレス着色処理を行う際の重要なデバイスとして着色
管理用の電極を使用するが、破損した場合は交換が必要になる。
しかし、応募企業ではいろいろな問題を抱えており
現在電極の製作ができない状態にある。この電極の白金線と白金溶接部は外界から保護するために、保護ガ
ラスには溶着加工に必要な低融点の鉛ガラスが使用されている（図２-(b)の管部と溶着部）。鉛は RoHS 指令の環境有害物質であり、鉛溶出による環境汚染のリスクがある。このため、鉛ガラス自体が調達困難になっている。更に、溶着加工には外注先（白金加工業）の熟練職人の技能も必要で、熟練職人の退職や職人が使用する加工機材の損耗等で現在と同一仕様の電極の製作ができない。
そこで本事業では、環境に配慮し鉛を使用しない材料及び熟練職人による加工が不要な構造を検討し、新構造電極を試作した。また、ステンレス材テストピース（SUS304 BA ｔ0.5×50[mm]角）を小型着色処理プラント（図１-(b)）で一定の電圧条件で着色処理を行い、従来型電極と新構造電極の性能比較を行った。

図１ カラーステンレス製品例（ａ）と小型処理プラント（ｂ）

図２ 従来型電極の設置現場(ａ)と仕様(ｂ)２．新構造電極の仕様検討
２．１．従来型電極の仕様の確認
従来型の電極は、白金線を溶接した白金板からなり、
鉛ガラス管に白金線を通し、白金線と白金板の溶接部を鉛ガラスで包み込むように溶着した構造（図２-(b)の赤丸の箇所）である。
ここで使用されるガラスは、溶着加工を可能にするために低融点の鉛ガラスを使用しなければならない。
２．２．新構造電極の仕様と試作
新構造電極の試作にあたっては、製造依頼した白金部材メーカーから指摘された以下の①～②を考慮した。
① 円筒状など多種形状の電極が生産されているが、カラーステンレス用電極としては、耐腐食性、電圧特性が未確認で推奨しない。
② 現在仕様のカラーステンレス用電極を、白金部材メーカーが製造する場合(a)～(c)の問題がある。
(a) 白金に溶着可能な鉛ガラスが、現在は入手困難である。

事業課題名「カラーステンレスの液相製造法における新構造電極の開発」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 79 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告(b) 溶着に必要なバーナーなど専用の加工器具類
が現在は、老朽化し使用不可能である。
(c) 溶着加工ができる熟練職人が退職していない。
また、新構造電極の設計では、以下の③～⑥を考慮した。
③ 強酸性である着色液（三酸化クロム（CrO3）及び硫酸（H2SO4）の混合水溶液）に 100[℃]で長期間浸漬しても変質しないこと。
④ 着色液中で従来型電極と同等に安定して、電極部を保持できる構造を持つこと。
⑤ 白金線と白金板を溶接する構造は従来型電極と同じ仕様とする。
⑥ 鉛ガラスは、環境に有害な元素の鉛（Pb）を含有
し調達が難しいため使用しない。
上記①～⑥の条件を満たす様々な材料を比較検討した結果、新構造電極は、従来型電極の鉛ガラス管の代
替にはテフロンを用い、また白金板を固定していた鉛
ガラス溶着部の代替にセラミックス （アルミナ
99.5[％]）製ねじで固定する設計（図３）として、新構造電極を試作した（図４）。

３．新構造電極の評価
３．１．カラーステンレス着色処理時の電圧分析
ステンレスを着色液に浸漬することで色調が発現する。この浸漬時間の長短で色調が変化し、着色管理は白金電極とステンレス間に生じる電圧を目安とする。
一般的には、着色処理で図５のように電圧が変化し、２つの変曲点（Ａ点及びＢ点）が見られる。Ａ点は、元々ステンレス表面に成膜していた不動態被膜が剥がれた時点とされ、Ｂ点は新たに不動態被膜が成膜していく端緒となる時点とされている。

図５ 着色処理時の電圧変化

図３ 従来型電極と新構造電極の構造図解

３．２．従来型電極と新構造電極との電位変化比較
前述の３．１.で、従来型電極と新構造電極をそれぞれ使用して、カラーステンレスを製造（３回）した。
この時の電圧を測定し、その波形の比較（図６）を行った。その結果、新構造電極は、従来型と同様に着色管理を行えることを確認した。新構造電極の優位点はノイズが少なく、変曲点（Ａ点及びＢ点）でのバラツキが少ない特長（図６-(b)）があった。しかし、新構
造電極は、電圧が約 10[mV]高くなる現象（波形全体が上昇している）があり、実用上、不具合の原因になる可能性があるため、今後は上昇の原因を解明する必要がある。

図４ 試作した新構造電極

図６ 従来型電極と新構造電極の電圧変化比較- 80 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

３．３．電極板面積の影響
電極板面積の広狭の影響についても検討した。新構
造電極の白金板を、15[mm]角（450[㎜ 2]）と 10[mm]角
（200[㎜ 2]）の両電極を前述の３．１.と同様に実験し、その電圧変化の比較
（図７）
を行った。
その結果、
15[mm]
角電極の方が電圧波形のバラツキが少ないことが分かった（図７-(b)）
。しかし、Ａ点とＢ点の電圧の差が小さいため、基材条件が異なる（表面が鏡面ではないヘ
アライン模様や平板ではない立体形状）場合は、それら変曲点が分かりにくくなる懸念があることが分かった。

図７ 電極板面積の電圧変化比較

３．４．カラーステンレス表面の分析
新構造電極で製造した、カラーステンレス表面をエ
ネルギー分散型蛍光Ｘ線分析（XRF-EDX）により分析した。定性分析（加速電圧 50[kV]、照射直径 2.5[mm]、真空雰囲気）を行い、試料はカラーステンレス着色時の電圧を変えた以下の４条件の試料について実施した。
①SUS304（ブランク材）、②着色ステンレス（B 点からの電圧降下 2.0[mV]）、③同（同 11.4[mV]）、④同（同19.5[mV]）、の各試料を分析した。
その結果、表面にはステンレス由来の多量の鉄（Fe）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、及び硫黄（S）が検出された（図８）。硫黄（S）の強度[cps]はカラーステンレ
ス着色時の電圧[mV]と相関があった（図９）。
新構造電極と従来型電極で着色した板は、硫黄（S）の強度[cps]はほぼ同じであったことから、電極構造が異なっても同じ着色皮膜が成膜されたと判断した。

図９ 着色処理電圧と検出元素の強度の相関関係

３．５．着色液の成分分析
今後の電極交換による着色液の成分変化への影響を管理するため、キャピラリー電気泳動装置による液分析を検討した。具体的には、着色処理前の新液と複数回製造使用した着色液（処理液 400[ml]に対し、
800[cm2]の面積の着色処理を、電極板面積が 10[㎜]角
と 15[㎜]角の電極を交互に 16 回使用した液）の比較を行った（図１０）。着色液の構成物質である酸化クロ
ム由来の六価クロム（Cr6+）が検出されたが、三価クロム（Cr3+）の検出は無く、着色処理においては六価クロ
ムが三価クロムに還元されることはないことを確認した。

図１０ 陽イオンのフェログラム

また、着色を繰り返した後の処理液では、泳動時間32 分の箇所に小さなピーク（図１０-(b)の青丸の箇所）が見られたが、これは硫酸第一鉄（FeSO4）を微量添加するとピークが成長することから２価の鉄（Fe2+）であり、ステンレス基材から微量溶出しているものと思われた（図１１-(b)）
。

図１１ 硫酸第一鉄を添加したフェログラム
図８ カラーステンレス表面の定性分析- 81 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

一方、陰イオン側では、硫酸イオン（SO42-）のみが検出された（図１２）。着色を繰り返した処理液は、硫酸イオンの強度が低くなった（図１２-(b)）
。これは、SO42は着色皮膜が成膜される過程で膜成分として SO42-が消費された可能性と、着色処理終了後に洗浄排水として流出した可能性が考えられる。

図１２ 陰イオンのフェログラム

４．結言
本研究では、カラーステンレス着色過程で使用する電極について、新構造の検討、試作、新構造電極による着色処理を行い、以下の知見が得られた。
（１）熟練職人の技能を必要としない構造を採用し、
環境有害物質も含有しない材料からなる新構造電極を試作した。
（２）新構造電極は、カラーステンレス着色処理で従来型電極と同様に電圧変化を得ることができ、小型着色処理プラントで着色管理に使用できることを確認した。
（３）電極板は、面積が狭い 10[mm]角よりも 15[mm]角のほうが、電圧波形の変曲点Ａ点とＢ点のバ
ラツキが小さいことを確認した。
（４）新構造電極は、従来型電極より検出される電圧が全体的に 10[mV]程度高くなる点、また変曲点Ａ点とＢ点間の電圧差が小さくなる傾向があった。
今後は、新構造電極で確認した電圧変化の波形全体の上昇、及び変曲点のバラツキの差について原因を究明し、カラーステンレス製造に及ぼす影響を検討する。
また、新構造電極の耐久性についても追加検証を行う
予定である。

- 82 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

三次元デジタイザによる寸法測定条件の最適化（第２報）
Optimization of dimensional measurement condition by 3D digitizer (2nd report)
技術開発部 生産・加工科 清野若菜 近野裕太
技術開発部 工業材料科 矢内誠人
南相馬技術支援センター 機械加工ロボット科 夏井憲司
いわき技術支援センター 機械・材料科 緑川祐二
三次元デジタイザによる形状測定から得られる寸法値の精度を明確化し、向上させることを目的として、品質工学的手法により測定精度に影響を与える条件の最適化を行った。測定物表面の塗布物を酸化チタン粉末に変更してＬ１８直交表による実験を行った結果、カメラ角度及び参照点の有無が測定精度に大きく影響することが分かった。設定した最適条件を用いた金属製凸型ブロックの測定では、従来の条件に比べて寸法測定誤差を大幅に改善することができた。
Key words: 三次元デジタイザ、品質工学

表１ センサ設定

カメラ間距離
[mm]
レンズ名称
測定範囲
(横幅×縦幅×奥行) [mm]
点間ピッチ
[mm]
参照点の径
[mmφ]
測定距離
[mm]
カメラ間角度[°]１．緒言
図面のない金型等の現物からＣＡＤデータを作成するリバースエンジニアリングの用途として、非接触三次元デジタイザによる形状測定が行われている。三次
元デジタイザは、複雑な形状を短時間で三次元的に測定できるメリットがある一方、カメラの撮影画像から
３Ｄデータを作成するため、寸法の測定精度は高くない。三次元デジタイザを用いて、精度よく寸法を測定したいという産業界のニーズはあるものの、測定値に影響する要素が多数あるため、精密な寸法測定の用途には利用されていない。
三次元デジタイザによる形状測定から得られる寸法値の精度を明確化し、向上させることを目的として本研究を実施した。
今年度は、測定物表面への塗布物を従来の浸透探傷用現像液から、より粒径の小さい酸化チタン粉末に変更し、品質工学的手法を用いた実験により、測定精度に影響を与える条件の最適化を行った。

２．１．測定原理
測定機は非接触三次元デジタイザ（ATOS Compact
Scan 5M：GOM 製）を使用した。測定原理は、パターン
投影方式とステレオ方式を組み合わせたエリア計測方式である１）。本測定機には、中央にプロジェクタレン
ズとその左右にカメラレンズが設置されており、プロ
ジェクタから青色光による格子パターンを投影し、測定物の表面形状によって変形した状態を左右のカメラで撮影する。１回の撮影で取得できる座標点数は約500 万点であり、左右の画像の視差から三角測量により奥行方向の距離を測定し、測定物表面の点群データを取得する。ターンテーブルを回転させて複数の角度

300×230×230
0.124
1.5
590
25

ハードウェア上の操作

ソフトウェア上の操作① 起動⑥ 不要な部分を削除② 暖機(３０分間)⑦ ポリゴン化して更新③ キャリブレーション⑧ フィッティング平面(校正有の場合)

２．実験と考察

300
MV300

の作成

④ 測定物設置⑨ 基点ポイントの描画⑤ 回転テーブルで測定⑩ 投影距離の測定

図１ 寸法測定の流れから撮影し、参照点の座標値又は特徴形状を基準としたベストフィットにより合成することで、測定物全体の３Ｄデータを作成している。
表１にセンサの設定を示す。測定に用いるレンズは、
測定範囲の異なる大中小の３種類が存在するが、本研究では最も使用頻度の高い MV300(中)を使用した。
図１に本研究での形状及び寸法測定の流れを示す。
測定した点群データはソフトウェア上でポリゴン化し、測定面に沿ったフィッティング平面の作成と基点ポイントの描画を行った後、基点から平面までの投影距離

事業課題名「三次元デジタイザを用いた非接触測定手法」[平成３０～令和元年度][基盤技術開発支援事業]- 83 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告を測定した。

表２ パラメータ条件の割振り

２．２．酸化チタン粉末を用いた際の最適条件の導出
２．２．１．実験に使用した測定物
セラミック 45[mm]ブロックゲージ（(株)ミツトヨ製）
を使用し、測定面は精度保証された両端面とした。測定時は、無水エタノール中に分散させた酸化チタン粉末を、エアブラシを用いて測定物表面に塗布した。
２．２．２．Ｌ１８直交表の作成
測定精度に影響を与えるパラメータを明らかにする
ため、品質工学のＬ１８直交表を作成し、実験を行った。直交表に割り付けるパラメータ及び水準を表２に、パラメータの概念図を図２に示す。これらは昨年度の設定項目と同じにした。ショット数はターンテーブル
１回転当たりの撮影数、測定物位置はターンテーブル
回転中心からの距離を示す。カメラ角度及び露光量は、測定物がターンテーブル中心に設置され、かつ測定面中央に焦点が合った状態で設定した。なお露光量は、
ソフトウェア上で自動調整される値を通常とし、露光過多・過少になる限界点をそれぞれ多・少とした。寸法測定箇所は、測定物平面上で投影距離を測定する位置を示す。参照点の有無は、測定物の土台及び左右腕部に参照点を貼付した場合を有、貼付しない場合を無とした。特徴形状は、測定物左右に非対称形状のパーツを取り付けた。

パラメータ
校正有無
ショット数

水準１
有
8

測定物位置

中心

カメラ角度[°]
露光量
寸法測定箇所
参照点有無

45
通常
中央
有

水準２
無
12
中心から
5[cm]
55
少
上側
無

水準３
24
中心から
10[cm]35
多
下側無(特徴形状)

図２ パラメータ概念図
表３ Ｌ１８直交表への割付け

試験 No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

校正
有
有
有
有
有
有
有
有
有
無
無
無
無
無
無
無
無
無

ショット数
12
12
12
8
8
8
24
24
24
12
12
12
8
8
8
24
24
24

パラメータ（制御因子）
測定物位置
カメラ角度[°]
露光量
中心
45
通常
中心から 5[cm]55
少中心から 10[cm]
35
多
中心
45
少
中心から[5cm]
55
多中心から 10[cm]
35
通常
中心
55
通常
中心から 5[cm]35
少中心から 10[cm]
45
多
中心
35
多
中心から 5[cm]45
通常
中心から 10[cm]
55
少
中心
55
多
中心から 5[cm]35
通常
中心から 10[cm]
45
少
中心
35
少
中心から 5[cm]45
多中心から 10[cm]55
通常- 84 -

寸法測定位置
上側
下側
中央
下側
中央
上側
中央
上側
下側
下側
中央
上側
上側
下側
中央
中央
上側
下側

参照点
無
無(特徴形状)有有無無(特徴形状)無(特徴形状)有無
無(特徴形状)有無
有無無(特徴形状)無
無(特徴形状)
有

誤差
e1
e2
e3
e3
e1
e2
e3
e1
e2
e1
e2
e3
e2
e3
e1
e2
e3
e1

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告90

作成したＬ１８直交表を表３に示す。実験は、各試
験 No.当たり３回ずつ測定した。直交表第８列の誤差は、各試験 No.間の繰り返し測定誤差を示す。

85

SN比[dB]

２．２．３．ＳＮ比の算出及び結果
ＳＮ比の要因効果図を図３に示す。各パラメータの水準別ＳＮ比は、関係する試験 No.のＳＮ比を平均した値である。誤差のＳＮ比の上下幅とほぼ同一のパラメータは、測定精度への影響が小さい。
このことから、
測定精度に影響を与えるパラメータは、カメラ角度及び参照点有無であることが分かった。なおこのＳＮ比は、信号量Ｓと誤差Ｎの比であり、ＳＮ比が大きいほ
どばらつきが少なく、寸法値に対する誤差が小さいことを表している。ＳＮ比の算出式を以下に示す２）,３）。
1 𝑆𝑚 − 𝑉𝑒𝜂 = 10 log ( ∙)𝑛𝑉𝑒(∑ 𝑦)2𝑆𝑚 =𝑛(∑ 𝑦 − 𝑦̅)2
𝑉𝑒 =
𝑛−1
𝑦
: 出力(測定値）
𝑆𝑚 : 一般平均
𝜂: ＳＮ比 [dB]

誤差

80

75
70
65

校正

ショット数

測定物位置

カメラ角度

露光量

e3

e1

寸法測定箇所 参照点有無

e2

無(特徴形状)

有

無

中央

上側

下側

少

多

通常

45

55

35

中心から10cm

中心

中心から5cm

8

24

12

有

無

60

誤差

信号因子

図３ ＳＮ比の要因効果図
表４ ＳＮ比検証結果

計算値ＳＮ比[dB]
実験値ＳＮ比[dB]
誤差[%]

(1)
(2)

最適条件
103.92
80.48
-29

最悪条件
51.23
67.71
+24

(3)
𝑛
𝑉𝑒

:
:

データ数
誤差分散

２．３．実験の妥当性の確認導出したＳＮ比の妥当性を確認するため、各パラメ
ータのＳＮ比が高い水準の組み合わせを最適条件、低い水準の組み合わせを最悪条件とし、セラミック製
45[mm]ブロックゲージの測定実験を行った。
実験結果から導出したＳＮ比を表４に示す。計算値のＳＮ比は、Ｌ１８直交表による実験結果から導出したＳＮ比の全平均と各水準のＳＮ比の差分を求め、それらの差分の合計に全平均を加えたものである。最適条件及び最悪条件ともに、計算値と実験値の差が±30[%]以内であったため、導出した最適条件は妥当であるといえる。
２．４．最適条件を用いた測定実験
２．４．１．実験に使用した測定物
測定物は金属製凸型ブロックを使用した。寸法測定箇所を図４に示す。測定物の寸法の真値は、ＣＮＣ三次元座標測定機（UPMC550CARAT：カールツァイス製）
で測定した値を用いた。
測定物表面には、低圧スプレーガンを用いて酸化チタン粉末を一様に塗布した。塗布液は、酸化チタン粉
末 1[g]及び無水エタノール 50[mL]をプラスチック製のボトルに入れ、超音波洗浄装置にて５分間攪拌したものを使用した。

図４ 左 金属製凸型ブロック 右 寸法測定箇所
表５ 最適条件のパラメータ設定

パラメータ
校正有無
ショット数
測定物位置
カメラ角度 [°]
露光量
寸法測定箇所
参照点有無

最適条件
有
12
中心
45
多（9.50[ms]）中央
有２．４．２．最適条件のパラメータ設定
最適条件として設定したパラメータを表５に示す。
露光量は、ソフトウェア上で露出過多とならない最大値として、9.50[ms]に設定した。参照点は、ターンテーブル及び測定物下部に取り付けたパーツに貼付した。
測定物位置は、繰り返し誤差と比較してＳＮ比が小さ
く測定精度への影響が少ないことから、配置が容易な中心とした。
２．４．３．測定結果
最適条件を用いた測定実験の結果を表６に示す。通常使用している浸透探傷用現像液を塗布した状態での最適条件及び通常条件の結果は、昨年度の値である。

- 85 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

酸化チタン粉末を塗布した状態での最適条件の誤差は、Ａ部で 0.010[mm]、Ｂ部で 0.012[mm]となった。通常条件での誤差との比は、当初の目標である３分の１を下回った。
２．５．塗布物の観察
浸透探傷用現像液を塗布した状態よりも、酸化チタンを塗布した状態での測定誤差が小さくなった理由を調べるため、走査型電子顕微鏡（S-3700N：(株)日立ハイテク製）を用いて塗布物の表面観察を行った。サン
プルは、浸透探傷用現像液及び酸化チタン粉末をそれ
ぞれブロックゲージの表面に塗布し、電子顕微鏡用カーボンテープに転写させた後、スパッタリング装置（JUC5000：日本電子(株)製）を用いて白金をコーティングした。電子顕微鏡での観察条件は、焦点距離 6[mm]、加速電圧 10[kV]とした。観察結果を図５、図６に示す。
図５は倍率 2000 倍、図６は 7000 倍で撮影した画像であり、１目盛の値は前者が 2.0[μm]、後者が 0.5[μm]である。図５から、浸透探傷用現像液は粒の大きなものと小さなものが混在していることが分かる。粒子の大きさは最大で約 10～20[μm]であることが確認された。一方、図６から酸化チタン粉末の粒子の大きさはほぼ一様で、0.5[μm]以下であることが分かった。
測定物表面に塗布物を塗布した場合、測定物自体の寸法は真値よりも膜厚の分大きくなる。そのため、浸透探傷用現像液を塗布した状態での最適条件の結果には、粉末の粒径以上の誤差が含まれていたと考えられる。一方、今年度使用した酸化チタン粉末の粒径は、浸透探傷用現像液よりも十分に小さいことから、測定物寸法の真値からのずれが最小限に抑えられ、測定誤差が小さくなったと考えられる。

表６ 測定結果

三次元測定機(真値)
1
2
3
最適条件
4
(酸化チタン)
5
平均
誤差
最適条件
誤差
(浸透探傷用現像液)
通常条件
誤差(浸透探傷用現像液)

A [mm]
50.01150.02350.02050.01350.01550.03250.020+0.010B [mm]
25.02025.03425.03325.02425.02625.04425.032+0.012+0.036+0.037+0.093+0.094

図５ 浸透探傷用現像液の観察結果

３．結言
品質工学的手法を用いて、三次元デジタイザの測定精度に影響を与える測定条件の最適化を行った。測定
物表面への塗布物を従来の浸透探傷用現像液から酸化チタン粉末に変更し、Ｌ１８直交表による実験から導出した最適条件を用いて金属製凸型ブロックを測定した結果、従来の条件と比較して寸法測定誤差を大幅に改善することができた。
参考文献
１）吉澤徹.“エリア計測方式による三次元計測”.最新光三次元計測.朝倉書店,2006, p.31-58
２）広瀬健一, 上田太一郎.Excel でできるタグチメソ
ッド解析法入門. 同友館. 2003, 246p.
３）田口玄一, 横山巽子. ベーシック品質工学へのとびら. 日本規格協会. 2007, 195p.

- 86 -

図６ 酸化チタン粉末の観察結果

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

溶接における研磨仕上げ部の自動欠陥検出技術の開発（第２報）
Development of automatic defect detection technology for polishing finish part in welding (2nd Report)
いわき技術支援センター 機械・材料科 佐藤善久
タニコー株式会社 渡部秀紀 中野光太郎
プログラムを作成して画像探傷装置に組み込むことで、欠陥の自動検出システムを構築した。構築したシステムを用いて欠陥の自動検出実験を行った結果、疑似欠陥や、それに相当する窪みや汚れを自動的に検出できた。今後の開発に向けて、目視検査の担当者から意見を求めた。その結果、構築したシステムは十分に小さな欠陥まで検出できるが、実用化には、溶接線のトレース方法の確立等も必要であることが分かった。
Key words: 溶接、研磨仕上げ、目視検査、欠陥、自動検出

１．緒言
平成３０年度に引き続き、人による検査よりも高速で見落としがない自動検査システムを開発して製造現場に導入することを目指して、要素技術の開発に取り組んだ。
今年度は第１報で得た成果を基に、欠陥を自動で検出するための自動検出システムを構築した。自動検出システムは、NATIONAL INSTRUMENTS 社の LabVIEW で作成したプログラムを、画像探傷装置に組み込むことで構築した。今回作成したプログラムは、画像処理を行った画像の表示等、検査に必要な機能を有する。
また、検査を支援するため、自動で照明を調整する調光機能
や、液体レンズで焦点位置を調整する焦点調整機能を有する。そして、自動検出システムを用いて疑似欠陥の自動検出実験を行った結果、欠陥が自動で検出できることが分かった。
その後、生産工程での検証として、目視検査の担当
者に、自動検出システムについての感想や改善すべき点に関する意見を求めた。その結果、実用化に向けた要望が得られた。

２．自動検出システムの構築
２．１．自動検出システム用プログラム
２．１．１．欠陥の表示と自動検出機能
目視検査は長時間に及び集中を要するので、担当者の負担は心身共に大きい。ヒューマンエラーによる検査結果や生産への影響も排除できないため、最終的には完全自動化が理想である。しかし、完全自動化には検査に対する高い信頼が必要であり、完全自動化の前には、関係者による十分な検証が必要である。
そこで、自動検出システム用プログラム（以下、「プログラム」と呼ぶ）は、自動で欠陥を検出すると同時に、検査の結果を担当者が検証できるものにした。
今回作成したプログラムは、二つの画像を並べて同時に表示できる。一方は画像処理をせずに、画像探傷装置のカメラからの画像を表示するものである。もう一方は、三段階の画像処理を加えて、欠陥を自動検出した結果を表示するものである。一段階では、欠陥の可能性がある画素を選択している。欠陥のグレースケ
ール値は、研磨面に比べて小さくなる。そこで、グレースケール値に閾値を設けることによって、閾値以下の画素を選択している。しかし、一段階だけでは、欠陥の大きさを考慮できない。カメラで観察している領域の広さと、画像センサーの画素数は決まっている。
そのため、図１に示すように、隣り合っている画素の集合体を一つの粒子とすると、欠陥の大きさは粒子に含まれる画素数に大凡等しいと考えた。そこで二段階
では、一段階の結果に加えて、粒子を選別する。選別では、粒子が含む画素数に閾値を設けることによって、
閾値以上の数の画素が含まれる粒子を欠陥として選択する。三段階では、担当者が欠陥の存在を確認するために、当初は、二段階で選択した粒子に着色することにした。しかし、粒子に含まれる画素はわずか数画素
で小さい場合もあるため、検査の担当者が見落として検証できない恐れがあると考えた。そこで、三段階では、図２に示すように、粒子の周りに画素を加えることによって、欠陥をハイライトすることにした。
なお、
ハイライトする際には、加える画素数と着色に用いる色は任意に指定できる。以上のように、並べて同時に表示される二つの画像によって、担当者は自動検出の結果を検証できる。

図１ 粒子の例

事業課題名「溶接における研磨仕上げ部の自動欠陥検出技術」[平成３０～令和元年度][外部資金等活用研究事業 公益財団法人JKA公設工業試験研究所等が主体的に取組む 共同研究補助事業]- 87 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

当初は、グレースケール値が飽和するまで、照明の設定値を自動的に一段階引き上げることで光の量を増加させ、逆に、飽和した場合は自動的に一段階引き下
げて、光の量を減少させるようにした。しかし、この動作では、飽和した瞬間に光量は減少するが、次には光量を増加させて飽和する動作を繰り返すため、頻繁に光量が変化して検査に支障があることが分かった。
そのため、照明の設定値の一段階あたりの変化量を考慮したうえで、下限値も設定することで、グレースケ
ール値が適切な範囲に調整されるようにした。これによって、調光機能を起動している間は、飽和しない範囲でグレースケール値がほとんど最大となるように、照明の出力を自動的に調整することができる。

図２ 欠陥のハイライト

２．１．２．調光機能
画像探傷装置のカメラは、入射する光の量に応じて、画素ごとに信号を出力する。しかし、光の量が画素の上限以上になった場合、出力も上限に達して変化せずに飽和する。飽和すると光の量に応じた信号が出力できないので、飽和しないように照明を調整する必要がある。また、今回のように、グレースケール値の差を利用して画素や粒子を選択する場合は、グレースケー
ル値の差を最大にすることが、検査精度の向上に重要である。しかし、グレースケール値を監視しながら、担当者が検査中に照明を調整することは、作業効率の点からも難しい。そこで本プログラムでは、照明の出力を自動的に調整する調光機能について検討した。
適正な照明の調整について検討するため、画像探傷装置と、研磨面上に疑似欠陥を設けた試験片を用いて、照明の設定値とグレースケール値との関係を検討した。
その結果、図３に示すように、飽和する直前と考えられる照明の設定値で、グレースケール値の最大値（研磨面）と最小値（疑似欠陥）との差を最大にできることが分かった。よって、飽和しない範囲でグレースケ
ール値が最大となるように、照明の出力を調整する必要があることが分かった。

２．１．３．焦点調整機能
自動検出システムでは、画像を用いて欠陥を検出す
るため、焦点位置を適正に調整する必要がある。当初
は、固定焦点レンズのみを用いたため、レンズまたは検査対象を移動させることによって焦点位置を調整した。しかし、焦点位置の調整には、検査箇所を移動す
る度に、精密な位置決めが必要なため、検査の担当者にも大きな負担となる。そこで、液体レンズを用いた
自動の焦点調整機能について検討した。
液体レンズは、印加する電圧に伴って焦点位置が移動する、エドモン
ド・オプティクス・ジャパン社の液体レンズ実装固定
焦点レンズ（焦点距離 50[mm]）を用いた。
液体レンズの焦点位置を決定するパラメータを検討するため、画像探傷装置に装着した液体レンズの印可
電圧を固定して、研磨面上に疑似欠陥を設けた試験片を観察した。はじめに、疑似欠陥の画像が最も鮮明に見えるように、研磨面を移動することで焦点位置を調整し、その位置のデフォーカス量を 0[mm]とした。なお、デフォーカス量は、研磨面をレンズから遠ざける
方向を正とした。同じく、研磨面をレンズに近づける
方向を負とした。

図３ 照明とグレースケール値の関係

図４ コントラスト比と焦点位置の関係- 88 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

各画素のグレースケール値から求めた、画像のコントラスト比（最大値／最小値）とデフォーカス量との関係を図４に示す。その結果、コントラスト比はデフ
ォーカス量 0 [mm]で最大となることが分かった。そこで本プログラムでは、コントラスト比によって焦点位置を調整する焦点調整機能を設けた。
焦点調整機能は、起動する度に、次の（１）～（２）の動作を一回のみ行う。
（１）液体レンズに印加する電圧を変化させて、焦点位置を移動させる度に、コントラスト比を比較する。
なお、
焦点位置を移動させる範囲は任意に設定できる。
また、移動させるピッチは約 0.01[mm]である。
（２）コントラスト比が最大となる位置を焦点位置として、その時の電圧を液体レンズに印加することによって、自動で焦点位置を設定する。
２．１．４．実行画面と主な操作方法
図５にプログラムの実行画面である、フロントパネ
ルを示す。
（以下、丸数字は図５に示す名称または機能のこと）①は画像探傷装置のカメラからの画像を、画像処理① 画像表示部（処理無し）② 画像表示部（処理有り）③ 画像復帰④ グレースケール値の分布⑤ コントラスト比－時間を加えずに表示する。②は、三段階の画像処理を加えて、欠陥を自動検出した結果を表示する。欠陥が検出された場合は、⑯が緑色から赤色に変わることでも、欠陥の存在が分かる。⑨の起動によって、照明の設定値が自動で調整される。
⑫をマウスで操作することで、大凡の焦点位置が設定できる。⑩によって、焦点調整機能が起動する。焦点位置を移動させる範囲は⑮で設定する。焦点位置が設定されると、⑩が解除され、焦点位置の調整が終了する。
①と②に表示された各画像は、⑱をマウスでクリッ
クすることによって、⑰に登録した名称で同時に保存される。特に②の画像は、名称の末尾に「＋C」が加えられる。ファイルの保存が成功した場合には、⑲が青色に点灯することで、画像が確実に保存されたことを確認できる。⑱は登録したショートカットを用いることでも、同等の保存動作ができる。自動検出した結果の検証を支援するため、①及び②の画像は拡大表示もできる。画像の任意の箇所にマウスカーソルを合わせてクリックする度に、クリック箇所を中心に拡大される。そして、拡大された画像は、③をクリックすることによって、初期の大きさに復帰できる。

⑥ 最大グレースケール値⑦ コントラスト比⑧ 手動調光
⑨ 調光起動・停止⑩ 焦点調整起動⑪ 照明出力表示⑫ 手動焦点調整⑬ 欠陥着色起動・停止⑭ ハイライト起動・停止⑮ スキャン範囲設定

⑯ 欠陥無
（緑）
→有
（赤）
⑰ ファイル名指定欄⑱ ファイル保存⑲ 保存確認⑳ 緊急停止図５ フロントパネルと各部の名称または機能

２．２．自動検出実験
検出能力を確認するため、構築した自動検出システ

ムを用いて、疑似欠陥が設けられた研磨面の自動検出実験を行った。自動検出実験には、第１報の検出実験- 89 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告と同様に、研磨仕上げを行ったステンレス鋼板上に目
印並びに目印の内側に直径約 50 [μm]の疑似欠陥を設けた試験片を用いた。図６に実験の様子を示す。

図８ 検出実験の結果（画像処理有り）

図６ 自動検出実験の様子

実験は、次の（１）～（４）の手順で、暗室にて行った。
（１）照明の出力を自動的に調整（⑨を起動）（２）手動操作による、焦点位置の設定（⑫を操作）（３）焦点位置を自動的に調整（⑩を起動）（４）欠陥の自動検出
はじめに、画像処理を加えない①画像表示部の画像を、図７に示す。図７から、目印の内側に疑似欠陥が確認できる。他にも、グレースケール値が小さい、いくつかの点があることが分かる。

それらの欠陥は、グレースケール値が小さい点として、図７でも確認できる。更に、実体顕微鏡等での観察によって、それぞれ、窪み・インク・研磨剤であることが分かった。
窪みは欠陥に相当するものであった。
インクは、油性ペンを用いて目印を書き込んだ際の滲みであった。目印や滲みは実験のために特別に設けたものであり、通常は存在しない。また、試験片は実験用に試作したため、洗浄工程が省かれていた。そのため、本来は洗浄で取り除かれる研磨剤が残存したものであった。しかし、残存して欠陥に相当する場合は、研磨剤も検出する必要がある。以上より、自動検出シ
ステムは、疑似欠陥と欠陥に相当する窪みや汚れを自動検出したことが分かった。

３．生産工程での検証
企業から、実際に目視検査を行っている担当者 7 名を含む、計 10 名が出席した会議を開催して意見を求めた。その結果、主に次のような意見や実用化に向けた要望を得た。
・構築したシステムが、十分に小さな欠陥まで検出できることが分かった。
・溶接線のトレース方法の確立、ハンド（携帯）タイ
プの開発並びに曲面への対応も必要である。

４．結言
平成３０年度に引き続き、要素技術の開発に取り組
図７ 検出実験の結果（画像処理無し）
んだ。プログラムを作成して画像探傷装置に組み込むことで、欠陥の自動検出システムを構築した。構築し次に、画像処理を加えた②画像表示部の画像を図８たシステムを用いて欠陥の自動検出実験を行った結果、に示す。疑似欠陥が自動検出され、指定した色である
疑似欠陥や、それに相当する窪みや汚れを自動的に検
赤でハイライトされていることが分かる。欠陥が存在出できた。今後の開発に向けて、目視検査の担当者かする場合は緑から赤に点灯する⑯も赤く点灯している。 ら意見を求めた。その結果、構築したシステムは十分
また、疑似欠陥以外にも数か所がハイライトされ、欠に小さな欠陥まで検出できるが、実用化には、溶接線陥として検出されていることが分かる。
のトレース方法等の検討も必要であることが分かった。

- 90 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

オールシーズン対応可能な改質リネン編地の開発
Research and development of modified-linen knit fabric for all seasons
福島技術支援センター 繊維・材料科 東瀬慎 中村和由
応募企業 (株)シラカワ二本松工場
本事業では、天然繊維(リネン)と機能性(保温性、吸放湿性等)の関係を明らかにし、両機能性(保温率≧20[%]、吸放湿能力⊿MR≧25[%])を兼ね備えた改質リネンの素材構成を提案した。
Key words： 改質リネン注 1)、吸放湿能力⊿MR 注 2)、保温率注 3)

１．緒言

表１ 繊維原料

麻素材(リネン、ラミー) は、繊維のハリ(硬さ)と吸湿性の高さに特徴がある。主に夏用素材として麻100[%]、または異素材と複合化することで様々な衣料素材に使用されている。応募企業では、麻素材の中でも繊細でしなやかな「リネン」に着目し、市販のリネ
ン糸を特殊加工(柔軟性、伸縮性及び撥水性を付与)した改質リネン糸の開発に取り組んでいる。
今後、改質リネン糸を現在主流の夏用素材に限定せず、夏は涼しく冬温かいオールシーズン対応のヘルス
ケア素材として幅広く展開したいと考えている。
しかし、社内における糸状の物性と風合い評価には限界があり、改質リネン糸を使ったニット素材の機能性を評価するには、糸の改質から編地の作製(柄組、編成、試作、評価)まで膨大な開発期間を要することが技
術課題の一つになっている。
そこで、改質リネン糸を使ったニット素材と機能性(保温性、吸放湿性等)の関係を、予め知見できれば、今後の開発スピードを短縮する上で有効な手段になると考えられる。なお麻素材の先行文献には、吸放湿性と速乾性に関するものは大川 1)により示されているが、併せて保温性との組み合わせについて報告された文献は見当たらない。
＜研究目的＞
改質リネンと機能性の関係を求め、オールシーズン
対応可能な素材構成を提案すること。
＜研究目標＞
改質リネンの吸放湿性、吸放水性及び保温性を明らかにし、両機能(保温率≧20[%]、⊿MR≧25[%])を兼ね備えた試作品(改質リネン横編地)を作製すること。
注 4)

２．２．試験片作製
試験片用の横編地の作製条件を表２に示す。
表２ 横編地の作製条件

２．３．機能性試験
保温率は、保温性試験機(JIS L 1096 保温性 A 法準拠)の恒温板(36[℃])に横編地を 2[H]放置し、放散される熱損失 A を求めた。また横編地のないブランク状態で放散される熱損失 B を求め、下記により保温率を算出した。
保温率[%]＝(1-A/B)×100

保温率の値が高いほど、衣服を着用した際に外気への熱損失が少なく体温の低下を防ぐことができる。
一方、含気率は横編地の見かけの体積内に含まれる空気の割合を下記により算出した。

２．試験方法

P=(V-Vr) /V

２．１．原料使用した繊維原料を表１に示す。ⒶⒷが対照区、それ以外が比較区となる。
Ⓐは応募企業より提供された改質リネン 60 番の単糸、Ⓑは改質リネンに撥水処理を行った加工糸を示す。

P：含気率[%]
V：横編地の見かけ体積[㎤]
Vr：横編地に含まれる繊維実質の体積[㎤]また安田等 2)の文献を参考に、図１に示す編地に含まれる水分量を、表３に区分けし、編地の浸漬後に含まれる水分量[最大吸水量]を A+B、また繊維内部に含事業課題名「オールシーズン対応可能な改質リネン横編地の開発」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 91 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

まれる吸水量 B を B1+B2+B3 と定義した。

Ⓐは応募企業より提供された改質リネン 60 番の単糸、Ⓑは改質リネンに撥水処理を行った加工糸を示す。図２より合成繊維 PET、Ⓐ、絹は他の繊維素材に比べ保温率が約 1/2 程度に留まる。Ⓑの保温率は毛には及ばないものの、毛+リネン及び綿と同等の値を示した。Ⓑの単位厚み当たりの保温率は、他の繊維素材を上回る結果を示した。

表３ 糸状または編地に含まれる水分量の定義

３．２．改質リネンⒶⒷを複合化した際の保温率、保温率/厚みの関係Ⓐ、Ⓑに続く数値は編成時の糸本数を示し、数値が大きいほど厚い編地となる。数値を含まないⒶ、Ⓑは
単糸で編地を編成したことを示す。
図１ 水分量の定義(イメージ)(左から絶乾状態、B1：飽和吸湿状態、B：飽和吸水状態、
A+B：最大吸水状態)

各吸水量、吸湿量は JIS L 1051 の絶乾質量に対する相対割合で算出した。
次に⊿MR は、絶乾状態(105[℃]、12[H]以上)の重量と雰囲気Ｘ(20[℃]、65[%RH]、12[H]以上)及び雰囲気
Ｙ(40[℃]、95[%RH]、12[H]以上)の重量から各雰囲気の吸湿率を下記により求め算出した。
図３ 改質リネンⒶⒷの複合化と保温率の関係

雰囲気Ｘの吸湿率[%]＝

図３より、Ⓐは２本編成、Ⓑは単糸編成時に最も高雰囲気Ｙの吸湿率[%]＝
い保温率を示した。これは編地の含気率が高いほど保(雰囲気Ｙの絶乾重量)/絶乾重量×100
温率が高い傾向を示す松平 3)の結果と一致する。一方、吸放湿能力⊿MR[%]＝
保温率は編地の厚みとは相関が低いことを示唆してい(雰囲気Ｙの吸湿率)－(雰囲気Ｘの吸湿率)る。ⒶⒷを複合化した編地は、Ⓐ2 及びⒷの中間的な⊿MR[%]は、数値が大きい方ほど衣服を着用した際に、 保温率を示す結果となった。
体表面から生じる不感蒸泄[気相の水分]を吸収する能力に優れ、特にインナーウェア等における快適性の目
３．３．各種繊維の最大吸水率と飽和吸湿率、飽和吸安となる。
水率－飽和吸湿率、及び繊維間隙吸水率の関係
図４より、繊維間隙吸水率は、綿が最も高く発汗時
３．結果と考察の吸水性に優れる素材と言える。飽和吸水率-飽和吸湿３．１．各種繊維と保温率、保温率/厚み、及び厚みと率においても、綿、絹は繊維内部及び表面に液相の水の関係分を取り込み易いことを示している。
(雰囲気Ｘの絶乾重量)/絶乾重量×100

図２ 保温率と厚みとの関係

図４ 繊維間隙吸水率と飽和吸湿率の関係- 92 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

合成繊維 PET は、飽和吸湿率が最も低い値を示すことから、着用時の蒸れ感を引き起こし易い素材と推察される。
一方、Ⓑの繊維間隙の吸水率は極めて低い値を示す。
これは合成繊維 PET の約 1/30、Ⓐの約 1/20 に相当し、多量の発汗や降雨による吸水、及び浸水後にも服地が重くならないことが示唆される。
よって速乾性が要求されるスポーツ分野、または重く水分を含んだ服地が長時間体温を奪うことが問題視される登山、救難等の衣料として可能性が期待される。
他方、Ⓑが合成繊維 PET と大きく異なる点は、気相の水分を最も高い割合で吸収することから、着用時の蒸れ感を抑制できる点を兼ね備えていることが挙げられる。

す。

３．４．各種繊維と標準状態水分率、吸放湿性⊿MR 及
び飽和吸湿率の関係

３．６．改質リネン横編地の試作
以上の結果から、単位厚み当たりの保温率≧20[%]、⊿MR≧25[%]を満たし、併せて高い速乾性を兼ね備えた
改質リネン糸Ⓑを使用した下記の試作品を作製した。

図６ 最大吸水率と乾燥時間の関係

図５ 標準状態水分率、⊿MR 及び飽和吸湿率の関係

吸放湿性⊿MR は、標準状態(20[℃]、65[%RH])と多湿状態(40[℃]、95[%RH])により算出した。⊿MR[%]は、数値が大きい方ほど衣服を着用した際に、体表面から生じる不感蒸泄(気相の水分)を吸収する能力に優れ、特にインナーウェア等における快適性の目安となる。
図５より、Ⓑは最も⊿MR の値が大きく、合成繊維 PETの約 5 倍、毛の約 2 倍、絹の約 1.4 倍の快適性を示す。
これは着用時の蒸れ感を抑制する飽和吸湿率が極めて高いことに裏付けられている。
３．５．各種繊維の最大吸水率と乾燥時間[未脱水、8分脱水]の関係
図６より最大吸水率が最も高いのは綿、最も低いのがⒷとなる。発汗時の吸水率に優れる綿は、その反面発汗後の濡れ感、汗冷えが不快感を増し、未脱水から標準状態までの乾燥時間は約 14 時間、また 8 分脱水
後でも約 8 時間程度の乾燥時間を要する。
一方、Ⓑは最大吸水率が最も低く、未脱水から標準状態までの乾燥時間は、
合成繊維 PET よりも短い約 1.4
時間、8 分脱水後も約 1 時間程度で乾燥することを示

図７ 改質リネン横編地の試作品(７[G]リンクス柄ホールガーメント、重量：360[g])４．結言
本研究により、改質リネン＋撥水処理を施したⒷ単
独または改質リネンⒶを複合化することで、綿、毛、毛+リネン、絹、PET 素材よりも優れた単位厚み当たりの保温率≧20[%]、⊿MR≧25[%]を満たし、併せて高い
速乾性が達成できると推測される。
参考文献
1)大川治次：繊維機械学会誌,P77-84,Vol.33,1(1980).
2)安田,田中,山内,渡辺：繊維製品消費科学会誌,P150152,Vol.4,3(1963).
3)松平光男：金沢大学教育学部紀要(自然科学編),P44(2000).

- 93 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

用語解説
注 1)改質リネン
市販のリネン素材に特殊加工を施し、柔軟性と伸縮性
及び撥水性を付与した加工糸。
注 2)吸放湿能力⊿MR⊿MR は、絶乾状態(105[℃]、12[H]以上)の重量と雰囲
気Ｘ(20[℃]、65[%RH]、12[H] 以上)及び雰囲気Ｙ(40[℃]、100[%RH]、12[H]以上)の重量から各雰囲気の吸湿率を下記により求め算出した。
雰囲気Ｘの吸湿率[%]＝(雰囲気Ｘの絶乾重量)/絶乾重量×100
雰囲気Ｙの吸湿率[%]＝(雰囲気Ｙの絶乾重量)/絶乾重量×100
吸放湿能力⊿MR[%]＝(雰囲気Ｙの吸湿率)－(雰囲気Ｘの吸湿率)
注 3)保温率
保温性試験機(JIS L 1096 保温性 A 法準拠)の恒温板
36[℃]に横編地を 2[H]放置し、放散される熱損失 A を求めた。また横編地のないブランク状態で放散される
熱損失 B を求め、下記により保温率を算出した。
保温率[%]＝(1-A/B)×100
注 4)麻素材(リネン、ラミー)
麻は天然繊維に分類され、植物の茎を利用したじん皮繊維のこと。衣料の「麻」は麻(リネン)と苧麻(ラミー)の二種類のみ。

- 94 -

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コーティング繊維織物を活用した杢調（柾目）織物の開発
The development of quarter-sawn Kasuri textile which utilize coated yarns
福島技術支援センター 繊維・材料科 中村和由 東瀬 慎
応募企業
アルテクロス株式会社
応募企業が持つ技術シーズである２色押出成形技術および広幅織物製織技術と、織物シミュレーション技術を活用することによって、「柾目」調の絣織物の開発を行い、エクステ
リア対応型カバーシートと木製構造物用化粧シートの試作を行った。今後、風化や腐食、腐朽から防御する木製構造物用の化粧シートとしての活用を検討していきたい。
Key words: ２色押出成形、織物シミュレーション、コーティング繊維、「柾目」調織物

１．緒言

２．実験

応募企業は、企業シーズであるコーティング繊維及び広幅織物製織を活用することで、インテリアからエクステリア用途を視野に入れた、幅広い素材開発に取り組んでいる。本研究で開発を目指す織物は、織物設計と製織後の熱処理を組み合わせることで、通気量、透水量、遮光率をコントロールできるため、屋外用織物シートとして、また構造物を風化や腐食、腐朽から防御する化粧シートとして、今後、市場ニーズが期待できる。
例えば、公園や遊歩道、キャンプ場、または店舗や住宅等の屋外に設置されているベンチ、デッキ類の木製構造物は「木目」独特の質感と景観が広く好まれる
ものの、およそ数年で紫外線や風雨による風化や菌類による腐朽で劣化が進み、耐候性、耐久性に劣るものが数多く見られる。
そこで、屋外用途の木製構造物の表面に、耐候性と耐久性に優れた PVC 織物シート(化粧シート)を「木目」
調（杢調）に製織し、木製構造物の劣化を防御することができれば、長期の製品寿命とデザイン性を付与することが可能である。
一方、「木目」の一つである「柾目」は模様織物の「絣織」に相当し、これを実現するには「杢糸」(複数本の色糸を撚り合わせた糸)、または「絣糸」(複数色に染め分けた糸)と呼ばれる加工糸を作製する必要がある。
仮に「杢糸」「絣糸」を PVC コーティング繊維で再現できれば、耐候性と耐久性、デザイン性を兼備した高付
加価値な織物シートの提供が可能となり、幅広い用途展開が期待できる。

２.１．実験内容
本研究の研究内容を表１に示す。
表１ 研究内容

２.２．実験試料
本研究で使用した実験試料は表２のとおりである。
表２ 実験試料一覧

２.３．使用機器
本研究で使用した機器は表 3 のとおりである。

事業課題名「コーティング繊維を活用した杢調（柾目）織物の開発」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 95 -

表３ 使用機器一覧

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

３．実験結果と考察

表５ 織物シミュレーション条件

３．１．杢調のコーティング繊維の開発
３．１．１． 織物シミュレーションによる撚糸条件の検討（アパレル CAD システム）（１）シミュレーション技術の活用
応募企業でコーティング繊維織物を製造する場合、コーティング繊維の製造から織物の製織まで約１か月かかる。さらに製品開発においては、コーティング繊
維の押出条件から織物の設計条件まで、複数の製造段
階で製造条件の検討を行う必要があり、織物の試作回数も膨大になるため、企業では人的およびコスト面で大きな課題となっている。
そこで本研究では、アパレル CAD システムにより、糸および織物のデザインをシミュレーションし、製造条件を選定することによって、短期間に効率よく、柾
目調織物を開発することを目指した。
（２）杢調のコーティング繊維および織物のシミュレ
ーション結果柾目調織物を製造するためには、経糸に撚りをかけた杢調のコーティング繊維の開発が必要である。
そこでアパレル CAD システムを活用して、撚糸回数[T/m]を変えた杢調コーティング繊維と織物をシミュ
レーション（条件は表４、表５に示す）し、柾目調織物に必要な経糸の撚糸回数および緯糸の条件を検討した。
表４ 撚り回数シミュレーション条件

なお、撚糸回数シミュレーションについては、色違
いの２本のモノフィラメントを合わせ、１本の２色コーティング繊維とみなしてシミュレーションを行った。
（図１、図２）
織物シミュレーションの条件について、織物組織は
基礎的な組織である平組織、経糸密度については細密である 20[本/cm]、また緯糸は透明糸（柾目調織物には、整経時の経糸の配列を維持し、緯糸は目立たないことが必要であるため）を使用した。
まず、図１より撚糸回数を 0[T/m]（無撚）、50[T/m]、
100[T/m]、200[T/m]に設定し、経糸の撚糸回数の違い
により織物表面の経縞の変化について比較した。その結果、撚糸回数 50[T/m]以上では、柾目調の縦縞を再現し難いことが分かった。
そこで撚糸回数を減らし、再度条件を検討した。その結果、10[T/m]以下の条件において、柾目調の規則的な経縞（図２）になることが分かった。この条件を定量化するため、１m²当たりのカラーリピート（２色の切り替え回数：経糸本数[本/cm]×100[㎝]×撚糸回数[T/m]）を求めた結果、2～20×10³[回/m²]の範囲が柾
目調織物を開発するための条件であることが分かった。
よって本研究では、この範囲を満たす経糸用コーテ
ィング繊維の試作を行った。

図１ 撚糸回数（0[T/m]～200[T/m]）を変えた織物シミュレーション結果- 96 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図２ 撚糸回数（10[T/m]以下）を変えた織物シミュレーション結果

３.１.２. ２色押出成形機による杢調のコーティン
グ繊維の試作
一般に杢糸を製造するためには、撚糸加工等の多段
階の糸加工が必要になるが、応募企業が保有するクロスヘッドタイプの押出成形機を活用することによって、一段階で撚糸回数を制御した杢調のコーティング繊維が製造できると考えた。
本研究では、表６の条件でコーティング繊維（撚り方向：S、撚糸回数：約 4.5[T/m]）を試作した（図３）。
表６ コーティング繊維の押出条件
図４ 本研究で開発を目指す熱処理後の織物

緯糸は、経糸に対して柔軟で、細く、経縞模様に影響しない透明な糸を使う必要があるため、マルチフィ
ラメントの PET を使用することとした。
次に織物組織はシミュレーションで検討した平組織（表５）に対して、応募企業と検討した結果、裏面により多く緯糸が配置され、表面に規則的な経縞を表現できる織物組織（図５）を採用し、そのシミュレーシ
ョン結果は図６のとおりである。
図３ 試作コーティング繊維断面

図３に示す試作コーティング繊維の断面を観察すると、加工条件が同じにも関わらず、試作②と試作③は繊維断面の比率に差があることが分かった。これはカラーバッチの違いが影響したと考えられる。
３.２．
「柾目」模様の「絣織」を実現する織物の開発
３.２.１．
「柾目」調織物を実現するための緯糸の検討
本研究においては、新たに図４の織物設計を検討した。この織物の特徴は、経糸に対して緯糸のみがクリンプするため、規則的な経縞模様を表現する柾目調織物を開発することができると考えた。
図５ 本研究で製織した織物組織- 97 -

図６ 図５の織物組織による織物シミュレーション結果（設計条件は表５と同じ）

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

また緯糸密度は、織物構造を形成できる下限値の5[本/㎝]から緯糸挿入の上限値である 12[本/㎝]の範囲において図７に示す織物シミュレーションを行った。
その結果、この範囲内では、経糸の規則的な経縞模様を表現できることが分かった。

図９ 織物組織と試作織物
表８ 試作柾目調織物の仕様

図７ シミュレーションによる変化組織（図５）の緯糸密度の検討結果（経糸密度：20[本/㎝]、経糸の撚糸回数：5[T/m]）

実際には、経縞の柄と織物の軽量化を重視して表７に示す製織条件で試作を行い、規則的な経縞模様を表現した柾目調織物（図８、図９）を開発することができた。なお、開発した柾目調織物の仕様は表８のとおりであり、耐候性について応募企業と樹脂メーカーで耐候性試験を進めている。
表７ 製織条件

一方で、織物シミュレーションでは分からなかった
織物の経糸間の隙間が発生し、柾目調の縦縞を再現できないことが分かった。
そこで新たに PET に熱融着糸（ナイロン、56[D]）を組み合わせ、熱処理により織物の経糸間の隙間の解消に取り組んだ。
緯糸は製織時の糸のばらけ防止を目的に、収束性に優れたリリヤーン加工（図１０）を行った。
再試作の結果を図１１に示す。緯糸の PET に熱融着
糸を組み合わせ、熱処理を行うことによって、経糸間の距離が縮まり、織物の経糸間の隙間を解消することができた。
また、図１２に示す緯糸断面を観察すると、経糸に対して緯糸のみがクリンプしており、本研究で目指した柾目調織物を開発することができた。

図１０ 緯糸用リリヤーン糸（加工後繊度：560[D]）経糸（PET＋熱融着糸）

図８ 試作した織物の外観- 98 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図１１ 熱処理後の柾目調織物表面

経糸

緯糸
図１４ 木製構造物用化粧シート

４．結言

図１２ 熱処理後の柾目調織物の経糸断面（緯糸：PET＋熱融着糸）

３.２.２. 柾目調織物の試作事例開発した柾目調織物を活用して、エクステリア対応型カバーシートと木製構造物用化粧シートの試作を行った（図１３、図１４）。
その結果、①織物を裁断しても熱融着により末端がほどけずに、自由形状に加工できる、②織物の緯糸方向が柔軟であるため、製品の曲率が大きい部分等においても、その形に追従して試作できることが分かった。

４．１．杢調のコーティング繊維の開発
・従来、多段階の糸加工が必要だった杢糸について、
応募企業の技術シーズ（クロスヘッド型の押出成形機）によって、一段階で撚糸回数を制御した杢調のコーティング繊維を製造することができた。
・柾目調織物を製織するためには、単位面積当たりのカラーリピートを、2～20×10³[回/m²]の範囲に設定することが重要であることが分かった。
４．２．
「柾目」模様の「絣織」を実現する織物の開発
・織物シミュレーションを活用することによって、短期間で柾目調織物の開発を行うことができた。
・経糸に対して緯糸のみがクリンプする織物設計を行った。さらに、緯糸に PET+熱融着糸のリリヤーン
糸を使用し、製織後熱処理することによって、織物の経糸間の隙間を解消することができた。

５．参考文献１）特開昭 58－191243「天然木意匠木目織物」
２）特許 4698763「複雑な柄の製織方法」
図１３ エクステリア対応型カバーシート- 99 -

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縫製企業の接着工程における最適条件の検討と工程改良の提案
Consideration of optimal conditions and the proposal for process improvement of fabric bonding process
福島技術支援センター 繊維・材料科 中村和由 佐藤優介 東瀬 慎
応募企業
永山産業株式会社
製品の仕立て映え性を左右する接着芯の接着条件について検討した結果、短時間に効率よく目標の剥離強度を満たす接着条件を見つけることができた。また、紙製位置決めシートに替わる材質を検討した結果、技術課題を解決した新規の位置決めシートを提案した。
Key words: 仕立て映え、接着芯、芯貼機
表１ 研究内容

１．緒言
内容

応募企業は、紳士、婦人用の高級シャツを製造している縫製企業である。高級シャツを構成する複数のパーツの中には、カラー(襟)、カフス(袖口)、ラペル(前立)と呼ばれる、
仕立て映え性を左右する主要な三つのパーツがある（図１）。このパーツの接着工程（図２）では、表生地と接着
芯の最適な条件で熱接着することが要求されるが、申請企業では表 1 に示す
技術課題（図３）を抱えており、量産体制の構築
図１ Y シャツの芯貼部位に影響を及ぼしている。

技術課題
樹脂バインダーの種類ごとに接着芯の接着条件を検討するためには、十分な人的、時間的資源を割く必要があり、応募企業単

接着芯地の最適な接着条

独では困難である。また応募企業が行って件の提案いる評価方法（最大剝離強度）とJIS規格（JIS L 1086）の評価方法との差が不明である。
※目標値：4.9[N]（500[gf]）
申請企業が使用している紙製の位

表 面 剥 離 性 と 接 着性 低

置 決 め シー ト の場 合 、接 着 後に シ ート

下 を 考 慮 し た 新 規位 置

表 面 に バイ ン ダー が 残留 （図 ３ ）し、

決 め シ ート の 提案

他 の 表 生地 を 汚染 す る問 題が あ る。

表２ 実験試料一覧
詳細備

レーヨン 98[%]、綿 2[%]

表生地（260[D]（毛番 2/72）
）

接着芯 A

考

平織物
（経糸：20[本/㎝]、緯
糸：25[本/㎝]）

企業で問題となった接着芯
圧力と剝離強度の関係性を検

図２ 接着工程の概略図

図３ バインダーの残留接着芯 B証するために使用した既知の接着芯

樹脂バインダー：ポリアミド

表３ 使用機器一覧

２．研究
２.１．研究内容
本研究の研究内容を、表１に示す。
２.２．実験試料
本研究で使用した実験試料は、表２のとおりである。

装置名

評価項目

芯貼機

JR-1200LTS（アサヒ繊
維機械（株）
）
（応募企
業で保有）

剥離試験

接着面積：
25[㎜]×150[㎜]

ア イ ロン テスター

TSI-100（（株）大栄科
学精器製作所）

剥離試験

接着面積：
40[㎜]×100[㎜]

万 能 抗張 力
試験機

AGS-10kNG（
（株）島津
製作所）

剥離強度
測定
剥離強度
測定

JIS L 1086：2013 7.10
剥離強さに一部準拠
応募企業が剥離強度を測定するために使用中

バネ秤り

２.３．実験機器
本研究で使用した機器は、表３のとおりである。

条件

顕 微 FT-IR
ラ マ ンシ ス
テム

Nexus670+
Continu[μm]/Almega（サーモ ニコレー・ジ
ャパン（株）
）

バインダ
ーの種類
同定

FT-IR 透過法

DSC（熱分析装置）

DSC3100S（（株）マックサイエンス）

バインダ
ーの融点
測定

昇温速度：
10[℃/min]、温度域：
20[℃]～300[℃]

事業課題名「縫製企業の接着芯地接着工程における最適条件の検討と工程改良の提案」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 100 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

３．実験結果と考察
３.１．接着芯地の最適な接着条件の提案
３.１.１．樹脂バインダーの種類同定と融点測定
応募企業で課題となった接着芯 A の樹脂バインダ
ーの種類同定と融点の測定を行った結果、バインダー
はポリエチレンで、融点が 129[℃]であることが分か
った。
（
（表４）
、
（図４）
、
（図５）
）
表４ 樹脂バインダーの種類と融点
測定結果
バインダー
の種類
バインダー
の融点[℃]

測定方法

備考

ポリエチレン

FT-IR

ドットタイプ（25 ドット/25[㎜]）

129

DSC

温度は融点付近以上で、135[℃]ではさらに剝離強度が上昇した。
DSC 測定結果と剝離強度を比較した結果、樹脂の融解が終了する約 133[℃]を超えた加熱温度（135[℃]）
で十分な剝離強度を示すことが分かった。また、生産効率から考えると、短時間に目標値を達成できる
135[℃]（10[s]）が最適条件だと考えられる。
一方で、アイロンテスターと芯貼機の剝離強度を比較（図７）すると、芯貼機の方が 130[℃]で約 1.3 倍、135[℃]で約 2.0 倍であった。
この剝離強度の違いについては、装置の圧力の違いと加熱温度の影響も出ていると考えられるため、引き続き検証が必要であると考えられる。また、本研究で行った接着条件（加熱温度、
加熱時間）の範囲においては、接着不良（生地の寸法
変化、テカリ、バインダーの染み出し）は発生することはなかった。
140

加熱温度[℃]

樹脂が完全に融解

目標値を満たすと推定される領域0 [N]

135

7.8 [N]

8.8 [N]

7.3 [N]

3.9 [N]

5.6 [N]
6.4 [N]

6.1 [N]

融点：133[℃]130
融点：129[℃]

3.5 [N]

125

0

5

10

芯貼機（JIS L 1086）

図４ 樹脂バインダーの融点（DSC）測定結果

15

20

25

加熱時間[s]

図６ 加熱温度と加熱時間による剥離強度の変化（芯貼機）

10.0

2.0倍

アイロンテスター
芯貼り機

9.0

7.8

8.0
1.3倍

7.0

剥離強度[N]

樹脂バインダーの FT-IR スペクトル

ポリエチレンの FT-IR スペクトル（データベースより引用）

5.7

6.0
5.0

1.3倍

4.4

3.9

4.0
3.0

8.7

2.2倍

4.3
3.5

2.9

2.0

1.0
0.0

図５ 樹脂バインダーの FT-IR 測定結果

130℃[10s]

130℃[15s]

135℃[10s]

図７ 接着芯 A の剥離強度比較

３.１.２．加熱時間と加熱温度による剝離強度の影響
応募企業の芯貼機により融点（129[℃]）を中心に、接着条件（140[℃]は芯貼機の限界温度）を変えて剝離試験を行った（図６）。
橙色の領域は今回試験した条件で目標値を超える値を計測した領域であり、赤色の領域は目標値を満たすと推定される領域である。また、目標値を満たす加熱- 101 -

（芯貼機とアイロンテスター）

135℃[15s]

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

で接着芯の接着強度の目標値を JIS L 1086 規格で指定された場合、申請企業で評価している最大剝離強度に換算するためには、JIS 規格の強度の＋約 25[%]が目安になると考えられる。
1220

圧力[kPa]ｖ

6

芯貼機の圧力

16

12

8

4

18

14

極大点

10

荷重[N]）

３.１.３．圧力による剥離強度の影響
接着条件において３つのパラメーター（①温度、②時間、③圧力）を検討するが、申請企業の芯貼機とハ
イテクプラザのアイロンテスターでは、圧力に違いがある。その影響を検証するため、接着芯 B（樹脂バイ
ンダー：ポリアミド）を用いてアイロンテスターを使用し、加熱温度（75[℃]）と加熱時間（15[s]）が一定
下で、圧力だけを変えて剥離試験を行った（図８）。

2y = 3.4077x + 1.0729
R² = 0.9619

極小点

0
0

10

50

100

150

200

時間[s]）

図９ JIS L 1086 剥離強さの測定方法

864

アイロンテス
ターの圧力

2

0
0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

剝離強度[N]ｖ

図８ 圧力による接着強度の影響

同様に、芯貼機を用いてアイロンテスターと同じ接着条件（75[℃]、15[s]）でサンプルを作製し、剝離強
度（4.6[N]）を求め、図 8 のグラフから得られた近似式より、企業で使用している芯貼機の圧力（16.8[kPa]）を換算した結果、圧力差が約４倍であることが分かった。
しかし、接着芯 B（接着条件：75[℃]、15[s]）を用いて、芯貼機またはアイロンテスターを使用したときの剥離強度の違いを求めた結果、約５倍の差があることが分かった。これは、３.１.２．で行った接着芯 A（樹脂バインダー：ポリエチレン）の剝離強度の差（130[℃]で１.３倍、135[℃]で２倍）と大きく異なっており、剝離強度は圧力差に比例するわけでなく、そのときの加熱温度と樹脂バインダーの種類も併せて影響すると考えられる。
３.１.４．測定方法による剝離強度の違い
本研究では、応募企業が用いているバネ秤りによる最大剝離強度を測定する方法と「JIS L 1086 接着芯地
及び接着布試験方法 7.10 剥離強さ」に準拠した測定を行い、測定値を比較した。JIS L 1086 の試験方法は測定結果の中で極大点３点と極小値３点の計６点の平均値により評価する方法である（図９）。
その結果、最大剝離強度と比べると、JIS L 1086 準
拠の測定結果は平均して約 25[%]低いことが分かった。
このことから、委託元から提供される縫製仕様書等

３.２. 表面剥離性と接着性低下を考慮した新規位置
決めシートの提案
現在応募企業で使用している紙製の位置決めシートの場合、接着後シート表面にバインダーが残留し、別の表生地を汚染する課題がある。そこで紙製の位置決めシートに代わる新たな材質のシートを検討するために、複数の材質のシートの表面剥離性と形状安定性の評価し、その後、位置決めシートとして使用したときの表生地と接着芯の剝離強度を評価することによって、申請企業に現在の紙製の位置決めシートに代わる新たな材質の位置決めシートの提案を目指した。
３.２.１．材質の異なるシートの評価結果まず選定したそれぞれの材質について、表面剝離性
と形状安定性を評価し現在使用中の位置決めシートと比較した（表５）。その結果、表面剝離性については、
剝離強度が 0.8[N]以下であるグラシンシートとテフ
ロンシート（80[μm]、100[μm]、120[μm]）が良好で、接着後にバインダーの残留がなかった。また、形状安定性についてテフロンシート（厚み： 100[μm]、120[μm]）は全く変形がなく、グラシンシートについては一部変形が発生したが繰り返し使用できる範囲内ではあった。
２つの項目で評価した結果、現在使用しているシートと比較してグラシンシートとテフロンシート（100[μm]、120[μm]）が良好な結果となった。

- 102 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

表５ 材質の異なるシートの評価結果
位置決め
シート（現在
使用中）

アルミ
シート

グラシン
シート

80

11

100

厚み[μm]

テフロンシート

80

100

備考

120

表面剝離性
[N]

8.7

6.5

0.2

0.4

0.6

0.8

接着条件
1）加熱温度：130[℃]2）加熱時間：15[s]3）機器：アイロンテスター
4）樹脂バインダー：接着芯A

形状安定性

〇

×

△

×

〇

〇

芯貼機に通した後に、シートの形状が保持できるか検証。
（〇：変形無、△：一部変形、
×：全体が変形）※グラシンシート：パルプを原料とした紙に光沢をつけ半透明に仕上げた薄紙。
※表面剥離性：シート表面に直接接着芯を貼り剥離試験にて評価。数値が小さいほど表面にバインダーが残留しにくい。

３．２．２．位置決めシートとして使用したときの表
生地と接着芯 A の剝離強度評価結果
実際に接着工程で使用したときを想定して、それぞれの材質のシートを位置決めシートとして使用し、表生地と接着芯 A を芯貼機で接着試験を行い、剝離強度を評価した（図１０）。その結果、テフロンシート（100[μm]）が剝離強度の目標値（4.9N）を満たし、かつ現在使用中の紙製の位置決めシートよりも剝離強
度が向上した。グラシンシートよりもテフロンシート（100[μm]）のほうが、剝離強度が向上した理由は、テフロンシート（100[μm]）は形状安定性（剛性）の高いため、表生地と芯地の密着性がより高く、その結
果接着強度が向上したと考えられる。
12.0
10.0

剥離強度[Ｎ]

8.0

7.5

接着条件
加熱温度：130[℃]
加熱時間：15[s]、樹脂バインダー：接着芯Ｂ
使用機器：芯貼機

目標値

7.4

3.4
2.5

2.0

0.0

0.0

４．１．接着芯地の最適な接着条件の提案
・接着芯 A の樹脂バインダ－の種類と融点を特定し、最大剝離強度を示す加熱温度と加熱時間の最適条件（135[℃]、10[s]）を導くことができた。
・樹脂バインダーが完全に融解する温度の＋約 2[℃]程度で剝離強度を検証することが有効である。
・JIS 規格の剝離強度から申請企業で評価している最大剝離強度に換算するためには、＋約 25[%]が目安になると考えられる。
・本研究の研究成果より、剥離強度が不十分な樹脂バ
インダーについては、図１１のフローに従い検証することによって、最適な接着条件を求めることが可能と
なる。

10.2

6.0
4.0

４．結言

0.0

４．２．表面剥離性と接着性低下を考慮した新規位置
決めシートの提案選定した６種類のシートを評価した結果、表面剥離性、形状安定性、表生地と芯地の接着性についてテフ
ロンシート（100[μm]）が最も良好な結果を示したので、応募企業に新規位置決めシートとして提案した。

５．参考文献図１０ 各シートを使用したときの表生地と接着芯地 Aの剝離強度

１）田村新十郎,接着芯地について,繊維製品消費科学,1987,p18-22.

図１１ 剝離強度が不十分な接着芯の検証フロー- 103 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

カプロン酸エチル高生成焼酎酵母の育種及び実用化に関する研究
Study on breeding and practical application of shochu yeast with high yield of ethyl caproate
会津若松技術支援センター 醸造・食品科 高橋 亮
応募企業 合同会社ねっか
うつくしま煌酵母はカプロン酸エチルを高生産するが、清酒酵母であるため焼酎醸造では発酵条件が異なり、意図した香気バランスに制御することが難しい。そこで本研究では吟醸香（カプロン酸エチル）生成能に特化しつつ、焼酎製造条件に適性の高い新規焼酎酵
母の育種を行い、吟醸香の高い焼酎を再現性良く製造することを可能とした。
Key words:焼酎、酵母、カプロン酸エチル

１．緒言
合同会社ねっかでは、清酒用の麹菌と酵母を使用し、焼酎製造に清酒醸造技術を導入することで、清酒特有の吟醸香の成分であるカプロン酸エチルが非常に高い
フルーティーな米焼酎を開発し、他社との差別化を図っている。一方、使用している県オリジナル酵母であるうつくしま煌酵母 701-15 は、清酒醸造を想定した選抜条件で育種されており、焼酎醸造という異なる発酵
条件、さらに蒸留による香気バランスの変化などが考慮されておらず、
焼酎製造に適しているとは言い難い。
そこで本研究では吟醸香の高い焼酎を再現性良く製造するため、焼酎製造条件に適性が高く、吟醸香生成能に特化した新規焼酎酵母の育種を試み、製品化の見通しを得たので報告する。

２．研究方法
２．１．対照菌株
対照株として合同会社ねっかにて使用されている煌
酵母 701-15、カプロン酸エチル高生成酵母である県酵
母の 901-A113、701-g31 を供試した。
２．２．有望株の取得および選抜
カプロン酸エチル高生成株育種における変異株の取得および酵母選抜手法が、過去に実施した煌酵母の開発 1)と一部重複することから、この時の最終選抜直前まで残ったカプロン酸エチル高生成株である８株の有望株を本研究に活用することで変異株取得プロセス及び１次選抜を省略でき、本研究の効率化が図られた。
これらの有望株は清酒醸造条件では最終選抜に残らなかったが、焼酎製造環境という異なる環境では実用化が期待できる。有望株を対照株とともに表１に示す。

有望株
対照 煌酵母

表１ 供試菌株
701-a1 701-a23 701-a58
701-b33 701-g28 701-g35
701-g37 701-g53
701-15 701-g31 901-A113

なお、有望株はセルレニン耐性株の分離により 1049
株取得し、麹汁培地および小仕込み試験による各種成分分析、官能評価等により選抜した酵母である 1)。
２．３．仕込み試験
小仕込み試験は、一次仕込みにて米麹（五百万石：精米歩合 60[％]）40[g]、汲水 50[mL]、乳酸 0.1[g]、二次仕込みにて掛米（精米歩合 70[％]α化米）100[g]、
汲水 195[mL]の配合で合同会社ねっかにて行った。な
お、一次醪は 15[℃]にて５日間、二次醪は 15[℃]にて１４日間とした。減圧蒸留はウォーターバスにて
45[℃]に加熱し、ロータリーエバポレーターを用いて醪量に対する留液の割合が 35[％]となるまで蒸留を行った。なお、使用した麹は合同会社ねっかにて常法どおり造った清酒用の黄麹を用いた。また、酵母はあらかじめ麹汁培地（Brix.11）で前培養した酵母を麹汁培地（Brix.11）に添加し、30[℃]にて３日間静置培養を行った後、3,000[rpm], １０分間遠心分離を行い、殺菌水で洗浄したものを 1×106[cells/mL]となるよう一次仕込み時に添加した。また、小仕込み試験の結果により選抜した３株については同様の配合比で合同会
社ねっかの焼酎製造設備にて総米 210[kg]の実規模醸造試験を行った。
２．４．分析方法
アルコール分は SD 式迅速アルコール測定システム（京都電子工業㈱）を用い、国税庁所定分析法２）に準拠して測定した。香気成分分析はアルコール分 20[％]に調整し、ガスクロマトグラフィー(アジレント・テク
ノロジー㈱製)を用い、ヘッドスペース法にて行った。

３．結果及び考察
３．１．小仕込み試験結果
小仕込み試験結果を図１、２及び表２に示す。アル
コール分 20[％]に希釈した留液のカプロン酸エチル
濃度は、対照菌株の現在使用している煌酵母 701-15

事業課題名「カプロン酸エチル高生産焼酎酵母の育種及び実用化に関する研究」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 104 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

よりもすべての有望株が高い値となり、約 1.3～2.3倍となった（図１）。なお、酢酸イソアミルは約 0.4～
1.6 倍と幅があり、さらにカプロン酸エチルとの比についても幅があり、有望株ごとに多様な香気バランスの酒質設計が可能であった。また、原料あたりの焼酎
生成量に大きく影響する蒸留直前の醪のアルコール度
数は 701-15 との比で 92～106[％]となり、同等あるいはやや低い結果となった（図２）。有望株のうち 701-a1、
701-g28、701-g37 の３株を選抜株とした。701-a1 は、カプロン酸エチル濃度が 701-15 と比較して約２倍と高く、一方で酢酸イソアミルが 0.4 倍と低いため、カ
プロン酸エチルがマスクされずに華やかに香り、官能評価結果が最も高く、目標とする商品コンセプトに合致すると評価され選抜した。醪のアルコール度数は有望株のうち唯一 701-15 より高い値を示し、アルコール生成能においても優れていることが示唆された。醪のアルコール度数は701-15 と比較して701-g28 は同程度、
701-g37 は低いが、ともにカプロン酸エチル生成能、
官能評価結果が高いことから選抜株とした。
有望株

３．２．実規模試験結果
選抜した３株を実規模試験に供試した結果を表３に示す。701-a1 がカプロン酸エチルを高生産し、吟醸香が華やかに香るという商品コンセプトに最も近い酒質となり最終選抜株とした。データは示していないがア
ルコール収得率についても 701-15 より高い値となり実規模醸造に対応できる醸造適性が示唆された。
さらに実規模にて香気生成の再現性試験を行った。
従来酵母である 701-15 にて６回、最終選抜酵母である
701-a1 にて５回仕込んだ結果を図３に示す。カプロン
酸エチル濃度は従来酵母の 701-15 と比較して平均 2.2
倍以上と有意に高い値となり再現性が確認された。
表３ 実規模による選抜酵母の香気分析結果
香気成分
701-a1 701-g28 701-g37
ｱｾﾄｱﾙﾃﾞﾋﾄﾞ
44
66
55
ﾉﾙﾏﾙﾌﾟﾛﾋﾟﾙｱﾙｺｰﾙ
71
69
101
ｲｿﾌﾞﾁﾙｱﾙｺｰﾙ
121
144
128
ｲｿｱﾐﾙｱﾙｺｰﾙ
279
307
316
酢酸ｴﾁﾙ
68
67
70
酢酸ｲｿｱﾐﾙ
6.4
5.3
6.1
ｶﾌﾟﾛﾝ酸ｴﾁﾙ
13.8
9.8
8.0
[ppm]

対照株

* *

図１ 蒸留後の香気成分分析結果
有望株

対照株

図３ 実規模による香気生成の再現性試験結果

４．結言
・吟醸香であるカプロン酸エチル生成能に特化し、焼酎製造条件に適性の高い新規焼酎酵母の育種を行った。
・取得した 701-a1 は、従来酵母 701-15 と比較してカプロン酸エチル濃度が平均 2.2 倍以上と吟醸香が高く、実規模においても再現性良く製造可能であった。
・以上の結果から 701-a1 を使用し製品化を実施する。
図２ 醪のアルコール分析結果
対照菌株
701-15
煌酵母 701-g31
901-A113

表２ 官能評価結果
供試菌株
５点法
3.0
701-a1
3.7
701-a23
3.7
701-a58
選抜酵母 701-b33
701-g28
701-g35
701-g37
701-g53

５点法
1.3
3.3
3.3
2.3
2.0
2.0
1.7
2.7

参考文献
１） 大野正博ら.“福島県産ブランド清酒の開発－吟醸酒用優良酵母の育種－”.福島県ハイテクプラ
ザ試験研究報告.平成 16 年度,p.78-79.
２） 財団法人日本醸造協会注解編集委員会編.第四回
改正国税庁所定分析法注解.第四版,財団法人日本
醸造協会,2006- 105 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

マロラクティック発酵用乳酸菌からの新規山廃酒母乳酸菌の選抜
Search for new YAMAHAI SHUBO lactic acid bacteria from lactic acid bacteriafor Malolactic fermentation
会津若松技術支援センター 醸造・食品科 齋藤嵩典 猪俣有唯 鈴木賢二
応募企業 合名会社大木代吉本店
新たな風味を付与した清酒製造のため、ワイン醸造用として市販されているマロラクテ
ィック発酵用乳酸菌１１株から、酒母製造に適した乳酸菌の選抜を行った。その結果、濃糖状態の酒母においても生育可能で、アルコール耐性が低く、独特の風味を付与する乳酸菌１株を選抜した。
Key words: マロラクティック発酵、山廃酒母、火落ち菌、乳酸菌

１．緒言
近年、高温糖化山廃酒母を用いた酒造りが行われている１）。清酒製造過程における酒母には、清酒製造に必要な酵母を大量に純粋培養することに加え、醪の初期の雑菌汚染を防止するために多量の乳酸を生産することが求められる。現在は、醸造用乳酸を添加することで酒母を酸性状態にし、雑菌の増殖を抑制する速醸系酒母が主流となっている。
一方、
生酛系山廃酒母は、
昔ながらに行われてきた酒母の製造方法で、乳酸菌が乳酸を生産することによって酸性状態を作り上げる。
応募企業の（名）大木代吉本店は、清酒用の乳酸菌を添加し、乳酸を生産させる生酛系山廃酒母による清酒醸造を行っている。今回、清酒用の乳酸菌ではなくワイン製造で用いられているマロラクティック発酵用
乳酸菌スターターを添加することで、これまでの清酒にない独特の風味を付与できないかと相談があった。
マロラクティック発酵とは、乳酸菌が保持するマロラ
クティック酵素の作用により、醪中のリンゴ酸が脱炭酸され、乳酸に変換される現象のことである。甘味が少なく酸味が目立ちやすいワインにおいて、その酸味を和らげ味をまろやかにするという役割を果たす。加えて、乳酸菌が造る香味が加わることでワインの香りに複雑さが付与されることも期待される。一方、清酒においては、火落菌のようにアルコール耐性が強く清酒を白濁させ風味を損ねる乳酸菌は嫌われるが、ワイン用に市販されているマロラクティック発酵の乳酸菌
は、清酒の酒母や醪における生育性やアルコール耐性について検討されていない。そこで、我々はマロラク
ティック発酵特有の風味が付与され、かつ清酒酒母製造に適した乳酸菌の選抜を行った。

２．実験方法２．１．使用菌株
供試乳酸菌スターターとして、１１種の市販製品；
MBR O-MEGA、MBR PN4、MBR VP41、MBR ML PRIME、MBR 31、MBR ALPHA、MBR BETA（以上７株は Lallemand社 製 ）、 LACTOENOS B7 DIRECT 、 LACTOENOS B16 、
LACTOENOS 450 PreAc（以上３株は Laffort 社製）、
Viniflora NoVA（以上１株は Chr. Hansen 社製）を用いた。本稿では、それぞれ O-MEGA、B7 DIRECT、NoVAのように略称する。乳酸菌株は、市販のフリーズドラ
イ粉末状の乳酸菌を BD DifcoTM Lactobacilli MRS
Broth 培地（和光純薬工業（株））（以下、MRS 培地とする）にて静置培養し、以下の培養試験に供した。また、対照として（名）大木代吉本店にて使用している清酒
用乳酸菌の Lactobacillus sakei を用いた。
２．２．培地及び生育性試験
・麹汁生育性試験
麹汁調製培地：麹 4.5[kg]に水 20[L]、酵素剤グル
コチーム#20000（ナガセケムテックス株式会社）
70[g]、リン酸二水素カリウム 10[g]を加え、55[℃]
で７時間糖化後、ろ過により固形分を除去した麹汁を、蒸留水にて各 Brix に希釈し培地とした。
・アルコール感受性試験
MRS 培地を 1/2 濃度で調製した培地２）（以下、1/2MRS 培地とする）に、エタノールを 0、5、7.5、
10[%]になるように添加した。
・濃糖耐性試験
1/2MRS 培地にグルコースを 2、10、20、25、30[%]になるように添加した。
乳酸菌株は、市販のフリーズドライ製品を MRS 培地
にて 35[℃]３日間静置培養したものを乳酸菌培養液とした。各試験は、乳酸菌培養液 0.1[ml]を各試験培
地 10[ml]に接種し、35[℃]にて３日間静置培養後、生育性の判定を行った。
生育性の判定は、培地の濁度（OD 600[nm]）により増殖量を判断３）し、生育に要した日数と合わせて行った。
麹汁調製培地における麹汁成分中での生育性試験では、３日間で増殖が著しいもの（濁度 3.000 以上）を

事業課題名「マロラクティック発酵用乳酸菌からの新規山廃酒母乳酸菌の探索」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 106 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告＋＋、
３日間で増殖がみられたもの（濁度 3.000 未満）
を＋、増殖がみられなかったものを－と判定した。ア
ルコール感受性試験では、35[℃]にて３日間静置培養
後、エタノール 0[%]の 1/2MRS 培地と同程度の増殖がみられたものを＋＋、増殖の抑制あるいは増殖に３日間以上要したものを＋、増殖がみられなかったものを－、エタノール 0[%]においても増殖がみられなかったものを×と判定した。濃糖耐性試験では、35[℃]にて３日間静置培養後、グルコース 2[%]の 1/2MRS 培地と同程度の増殖がみられたものを＋＋、増殖の抑制ある
いは増殖に３日間以上要したものを＋、増殖がみられなかったものを－、グルコース 2[%]においても増殖がみられなかったものを×と判定した。

表３ 中仕込み仕込配合
総米

麹米 105.6[g]（夢の香 精米歩合 60[%]）
掛米 140[g] （五百万石 精米歩合 50[%]）

総米

麹米 52.8[g]（夢の香 精米歩合 60[%]）
掛米 70[g] （五百万石 精米歩合 50[%]）290[ml]乳酸菌

1.0[ml]酵母

1.0[ml] （TM-1）

表２ 酒母経過
日数
１日目

操作

時間[h]

品温[℃]

糖化

5

55

乳酸菌添加

48

35

酵母添加

72

２日目
３日目

35
28

４日目

28

５日目

28

６日目

枯らし

8

７日目

8

８日目

8

580[ml]乳酸菌

6.0[ml]酵母

2.4[ml] （TM-1）

分析項目：アルコール分、日本酒度、酸度、アミノ
酸度、乳酸菌数、酵母数
官能評価：当センター酒造担当職員４名と共同研究
企業１名の計５名。1：良－2：普通－3：
難ありの３段階による評点方式。
アルコール分及び日本酒度は SD 式迅速アルコール
測定システム DA-155（京都電子工業（株））、酸度及びアミノ酸度は総酸・アミノ酸滴定システム AT-710（京都電子工業（株））、を用い、国税庁所定分析法４）の諸法に基づいて測定した。
乳酸菌数は、BCP 加プレートカウントアガール（日水製薬（株））に 0.5[%]炭酸カルシウムを加えた培地
にて試料 1.0[ml]を混釈し、固化後さらに BCP 加プレートカウントアガールを重層した。35[℃]にて３日間培養後、周囲が黄変し透明になったコロニー数を計数した。
酵母数は、麹汁培地（Brix 11）に 1.5[%]寒天、0.2[%]
プロピオン酸ナトリウム、100[μg/ml]クロラムフェニ
コールを加えた麹汁寒天培地に平板塗抹し、30[℃]２
日間培養後、TTC 上層培地５）を重層し、30[℃]２時間
培養後、赤色を呈したコロニーを清酒酵母として計数した。

122.8[g]汲み水

汲み水

２．５．製成酒母評価方法
製成した酒母は遠心分離にて上清を採取し、以下の項目について評価を行った。乳酸菌数及び酵母数は遠心分離前の酒母を用いた。

２．３．酒母小仕込み試験
表１に示す配合で、小仕込み試験を行った。添加酵
母は福島県オリジナル清酒酵母 TM-1 を用いた。また、酒母の操作は表２に従って行った。
表１ 小仕込み仕込配合

245.6[g]３．実験結果及び考察

２．４．酒母中仕込み試験
表３に示す配合で、中仕込み試験を行った。また、酒母の操作は表２に従って行った。
乳酸菌は MRS 培地にて 35[℃]３日間静置培養後、濁度を 1.000 に合わせた培養液 6.0[ml]を遠心分離し、上清を生理食塩水に置換したものを添加した。

３．１．培養条件及び酒母小仕込み試験における乳酸菌の選抜
表４に各試験培地における増殖性の結果を示した。
また、酒母小仕込み試験における分析値を表５及びその様子を図１に、官能評価結果を表６及びその様子を
図２に示した。
麹汁成分中での生育は、いずれの菌株も増殖可能であることがわかった。特に、酒母の濃糖状態においても生育可能であると期待される Brix 15 の麹汁培地でも増殖が旺盛な４株（No.2、4、8、11）を選抜候補と- 107 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告した。アルコール感受性試験では、火落ち性や腐造性の可能性が低いと期待されるアルコール耐性の低い乳酸菌を選抜する目的で、エタノール 10[%]で生育しない６株（No.1、2、3、5、7、10）を選抜候補とした。
濃糖耐性試験では、酒母の濃糖環境でも生育可能であると期待されるグルコース濃度 25[%]でも増殖可能な５株（No.2、3、4、8、11）を選抜候補とした。

加えて、酒母小仕込み試験（図１）において、酵母
添加前の酒母の pH が 5 以上もしくは酸生成過多で酵母の増殖が抑えられアルコール不足となっているもの
以外の３株（No.3、7、9）を選抜候補とした。さらに、これらの結果と官能評価による結果を合わせて、特徴的な香味を持ち合わせた VP41（No.3）、B16（No.9）、
450 PreAc（No.10）の３株を選抜した。

表４ 各種試験結果
麹汁生育性※１

アルコール感受性※２

Brix

濃糖耐性※３

EtOH

Glc

No.

菌株

5

10

15

5[%]

7.5[%]

10[%]

10[%]

20[%]

25[%]

30[%]

1

O-MEGA

＋

＋

＋

＋＋

＋

－

＋＋

＋

－

－

2

PN4

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

－

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

3

VP41

＋

＋

＋

＋＋

＋＋

－

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

4

ML PRIME

＋

＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

5

31

－

＋

＋

＋＋

＋＋

－

＋＋

－

－

－

6

ALPHA

＋

＋

＋

×

×

×

＋＋

－

－

－

7

BETA

＋

＋

＋

＋

－

－

＋＋

＋

－

－

8

B7 DIRECT

＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

9

B16

＋

＋

＋

＋＋

＋＋

＋

＋＋

＋＋

＋

－

10

450 PreAc

＋

＋

＋

－

－

－

＋＋

－

－

－

11

NoVA

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋

＋＋

＋＋

＋＋

＋

12

対照

＋

＋

＋

－

－

－

＋＋

＋＋

＋

－

35[℃]で３日間静置培養後、濁度を測定した。
※１ ＋＋…３日間で増殖（濁度 3.000 以上）、＋…３日間で増殖（濁度 3.000 未満）、－…増殖がみられなかった※２ ＋＋…EtOH 0[%]と同程度の増殖、＋…増殖の抑制あるいは遅延、－…増殖がみられなかった、×…EtOH 0[%]で増殖がみられなかった※３ ＋＋…Glc 2[%]と同程度の増殖、＋…生育遅延、－…増殖がみられなかった、×…Glc 2[%]で増殖がみられなかった

表５ 製成酒母の一般分析結果
No.

菌株

Alc. [%]

日本酒度

酸度[ml]

アミノ酸度[ml]1

O-MEGA

8.38-44.02

3.40

1.53

2

PN4

5.37

-71.37

10.84

1.94

3

VP41

6.47

-61.17

8.43

1.72

4

ML PRIME

5.80-67.96

9.48

1.76

5

31

8.30

-44.63

3.38

1.53

6

ALPHA

10.12

-21.96

3.59

1.41

7

BETA

9.19

-34.97

9.41

1.69

8

B7 DIRECT

5.59-66.77

13.71

1.76

9

B16

7.86

-44.87

4.97

1.89

10

450 PreAc

8.90-36.05

3.32

1.42

11

NoVA

5.26

-70.58

12.45

1.75

12

対照

6.82

-59.58

5.95

1.85

13

ブランク

8.33

-42.383.33

1.46- 108 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図１ 小仕込み試験

図２ 官能評価
表６ 製成酒母の官能評価結果

No.

菌株

平均点

寸評

1

O-MEGA1.8

特徴香強い、青臭い、酸味さわやか、軽い、後味えぐい

2

PN4

2.2

4MMP、酸臭強い、酸ハル、後味くどい

3

VP41

1.8

香り特徴的、やや 4-VG、酸味強い、甘旨味

4ML PRIME

2.2

酸味強くインパクトあり、特徴香穏やか

5

31

2.0

4-VG、香り難あり、香味バランス悪い、味丸い

6

ALPHA

2.2

特徴香穏やか、苦みあり、酸味穏やか

7

BETA

2.2

香り穏やか、酸臭、酸味強くインパクトあり

8

B7 DIRECT

2.2

酸臭、香りゆたか、酸味多くバランス欠く

9

B16

1.2

香味上品、さわやか、マスカット系、酸穏やか、まとまり

10450 PreAc

1.6

香りゆたか、甘味強い、バランス良好、上品

11

NoVA

2.4

酸臭、ジアセチル、酸味強く粗い

12

対照

1.4

特徴香穏やか、酸カドなくまとまり、無難※３点法（1：良－2：普通－3：難あり）

３．２．酒母中仕込み試験
３.１.で選抜した３株と対照の合わせて４株について中仕込み試験を行った。酒母作製３日目の酵母添加前における乳酸菌数は 2.1×107～1.8×108[CFU/g]であり、マロラクティック発酵が生起される菌濃度に達していることを確認した６）。
製成酒母の成分分析の結果を表７に示した。酸度は、VP41（No.3）が 6.88[ml]、B16（No.9）が 2.93[ml]、450 PreAc（No.10）が 2.79[ml]と差がみられた。今回の試験では乳酸菌添加４８時間後に酵母を添加したが、乳酸菌株によって酸生成量をみながら酵母添加のタイミングを計ることや、乳酸菌培養期間の温度を変更する必要性が示唆された。また、枯らし後８日目の酒母における酵母数は 4.1～5.2×107[CFU/g]と対照区とほぼ同程度であることが分かった。しかし、アルコール分をみると対照区に比べどの菌株においても 1[%]以上低い値だった。酵母添加後、アルコール分の生成量によって酒母の経過を長くとる必要性が示唆された。
製成した酒母を遠心分離し、上清を官能評価した結果を表８に示した。450 PreAc（No.10）の香味が、他の乳酸菌株に比べバランスが良好で上品であったため、最終的に 450 PreAc を選抜した。
３．３．考察選抜した 450 PreAc（No.10）を用いて製成した酒母は、酸度が低く、アルコール生成量も十分ではなく、最適な酒母操作を検討する必要がある。今後、450
PreAc の最適な前培養条件を検討し、酒母への添加量を検討するとともに、清酒の酒母として適した酒母経過になるよう乳酸菌培養温度及び期間の検討を行うこととする。

- 109 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

表７ 中仕込み酒母の一般分析結果
No.

菌株

Alc.

日本酒度

[%]

酸度

アミノ酸度

乳酸菌数

酵母数

[ml]

[ml]

[CFU/g][CFU/g]

選抜

3

VP41

3.26

-97.84

6.88

2.16

1.2×108

4.7×107

9

B16

3.69

-81.13

2.93

2.25

6.2×104

4.6×1072.32

4

2.8×105.2×107

2.20

3

7

10
12

450 PreAc

3.58

対照

-98.43

4.82-85.272.79
5.24

1.0×10

4.1×10表８ 製成酒母の官能評価結果
No.

菌株

平均点

寸評

3

VP41

2.4

ジアセチル、やや 4-VG、味噌くさい、4MMP、酸ハル、えぐみ

9

B16

1.8

ややカス臭、糖化臭、甘重い、コクあり

10450 PreAc

1.7

香り厚みあり、糖化臭、香味バランス良好、甘味きれい、上品、味重

12

対照

1.6

ヨーグルト様香、特徴香穏やか、インパクト、酸高い、味わい軽快

４．結言
新たな風味を付与した清酒製造のため、ワイン醸造のために市販されているマロラクティック発酵用の乳酸菌スターター１１株から、酒母製造に可能な乳酸菌の選抜を行った。濃糖状態の酒母においても生育可
能で、アルコール耐性が強くなく、かつ酒母において独特の風味を有する１株の乳酸菌 450 PreAc（No.10）を選抜した。今後は、応募企業が求める酒母経過になるよう乳酸菌添加量や温度を検討し、再現性試験を行うことで、安定的な酒母製造を可能とする。
参考文献
１）佐々木隆浩，國府加奈子，星佳宏．県内醸造食品
から分離した乳酸菌の生酛系清酒への利用に向けた特性把握．栃木県産業技術センター研究報告，20
17，no.14，p.99-101．
２）藤原朋子，藤井一嘉，外薗寛郎．酒母製造に利用可能な乳酸菌の選抜．広島県立総合技術研究所食品
工業技術センター研究報告，2011，no.26，p.7-16．
３）稲橋正明．清酒製造工程及び清酒から分離された乳酸菌（火落菌、腐造性乳酸菌）のマロラクティッ
ク発酵（MLF）としての性質．日本醸造協会誌，
2016，vol.111，no.1，p.14-21.
４）財団法人日本醸造協会注解編集委員会編．第四回
改正 国税庁所定分析法注解．第四版，財団法人日本
醸造協会，2006，307p．
５）古川敏郎，秋山裕一．清酒醸造の微生物学的管理（第 4 報） TTC 重層法による酵母の分別について（1）．日本農芸化学会誌，1963，vol.67，no.7，p.
398-402．
６）横塚弘毅．ワイン製造（その 3），2000，vol.95，
no.1，p.17-22．

- 110 -＊

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告福島県オリジナル清酒製造技術の開発（第 5 報）
－福島県オリジナル酒造好適米「福乃香」の精米及び醸造特性試験－
thDevelopment of original sake brewing technology in Fukushima prefecture (5 report)­ Rice milling test and fermentation characteristic analysis of new sake­making suitable rice ”FUKUNOKA”
development in Fukushima prefecture ­会津若松技術支援センター 醸造・食品科
中島奈津子 高橋亮 猪俣有唯 松本大志 斎藤嵩典 鈴木賢二
令和元年に誕生した福島県の新しい酒造好適米「福乃香（ふくのか）」について、新たに導入した精米機を用いて扁平精米試験を実施し、高精白可能かつ優良な精米が得られる条件を確立した。また、精米形状の違いが米の粗タンパク質やカリウム濃度に及ぼす影響について試験を行い、「福乃香」を用いた扁平精米では、低精白において効果的に粗タンパク質が低減できること、カリウム濃度は精米形状の影響を受けないことを明らかにしたほか、「福乃香」の品種特性に合わせた適切な原料処理条件を確立した。
Key words: 県オリジナル酒造好適米、扁平精米、原料処理とから平成２９年に「福島酒５０号」の地方番号が付与され、令和元年に奨励品種に採用された。
「福乃香」
は、親の特徴を引き継ぎ、
タンパク質含有量が少なく、軽快かつ上品な酒質になりやすい特徴を有しているほか、白米 1t あたりから取得できるアルコール量（酒化率）も多いなど、今後の福島県オリジナル品種としての幅広い活用が期待されている。しかし、他の品種に比べ心白発現率が高く、心白体積が大きいという特徴のため、高度な原料処理技術が必要である。

１．緒言

福島県産酒は、全国新酒鑑評会をはじめとする各種鑑評会やコンテスト等でこれまで数多くの優秀な成績を収めており、県産酒への注目がますます高まっている。また、近年は県産酒造好適米を用いた特定名称酒の製造量が増加し、その中でも特に純米酒や純米吟醸
酒の製造量の増加が著しい。福島県では、平成１２年に初めての県オリジナル酒造好適米となる「夢の香」が誕生して以降、これに続く新しい酒造好適米の開発へのニーズが高まっていた。これを受け、福島県農業
３．方法
総合センター（以下、農業総合センターと略す）を中
心に新しい酒造好適米の育種が進められ、当所では、
３．１．精米機の性能試験
育種系統の醸造特性試験や試験醸造を行うことで、栽培特性や醸造特性に優れた品種の選抜に携わってきた。
その結果、令和元年に新しい福島県オリジナル酒造好搗精ステップ 歩留(%) 回転数(rpm) 電流値(A)
1
0
980
0
適米「福乃香」が誕生した。今後、「福乃香」が県内酒
2
97
1100
17
3
90
1200
17
造場で広く活用されるためには、酒造現場で再現性の
4
85
1000
17
5
78
800
16
良い酒質を得るための知見の蓄積が必要である。そこ
6
70
700
16
で、新たに扁平精米試験を実施し、「福乃香」の精米適
7
65
700
15
8
60
680
15
正を確認し、酒造好適米としての可能性を検証した。
9
55
650
14
10
50
650
14
また、精米形状が異なる原料米について、精米による
11
45
630
14
成分の変化や特徴、また醸造特性を比較した。
12
40
630
13

２．
「福乃香」について
農業総合センターにて平成１６年に「誉富士」を母
系統、「出羽の里」を父系統として交配して得た系統の後代として育種が始まり、平成２１年に「郡系酒８９３」の系統番号が付与された。小仕込み試験やパイロ
ットスケールでの仕込み試験を経て、酒質が優れるこ「福乃香」の扁平精米条件を決定するための予備試験として、表１のプログラムで扁平精米を実施した。
玄米及び得られた精米の形状分析と水分測定を行った。
精米機：醸造用精米機 ED-15A（㈱サタケ）
ロール：#60
原料米：令和元年産「福島酒６０号」（農業総合センター）

事業課題名「福島県オリジナル清酒製造技術の開発」[平成２９～令和元年度][福島県オリジナル清酒製造技術の開発]- 111 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

精米歩合：40[%]
形状分析：玄米 1000 粒の長さ、幅、厚みを穀粒判別
機 RGQI90A（㈱サタケ）で測定し、精米1000 粒の長さと幅をグレインスキャナー2
RSQI 10B(㈱サタケ)、精米 100 粒の厚みを
デジタルノギスで測定した。
水分：所定分析法１）に基づいて測定した。
３．２．
「福乃香」の扁平精米試験

３．４．異なる精米方法で得られた原料米の醸造特性試験
精米歩合 50[%]の扁平精米及び原形精米試料を用いて水温 5[℃]、10[℃]における吸水率を測定し、初期吸水速度を比較した。試料 10[g]をステンレス製浸漬管に取り、水温を調整した冷却槽に浸漬し、吸水させた試料を浸漬管ごと遠心分離機にて 3000[rpm]で 5 分間遠心したのち精秤し、吸水率[%]を求めた。

表２ 「福乃香」を用いた精米プログラム

４．結果及び考察搗精ステップ 歩留(%) 回転数(rpm) 電流値(A)
1
0
980
0
2
95
1100
17
3
90
1200
17
4
85
1000
17
5
78
800
16
6
70
700
15
7
65
700
15
8
60
680
15
9
55
680
15
10
50
680
15
11
45
680
15
12
40
660
15

表２に示すプログラムを用い、以下の条件で精米を実施した。
精米機：醸造用精米機 ED-15A（㈱サタケ）
ロール：#60
原料米： 令和元年産「福乃香」（福島県産）
精米歩合：40[%]
３．３．異なる精米方法で得られた原料米の形状及び成分分析
精米方法の違いによる形状、成分、醸造特性への影
響を明らかにするため、扁平精米と原形精米の試料を用いた比較試験を行った。試料は、２．２で行った扁平精米試験に用いた玄米及び、各歩留まり時に採取した扁平精米（精米歩合 80[%]、60[%]、50[%]、46[%]、40[%]）、
そして県内酒造場から提供された原形精米（精米歩合 70[%]、58[%]、50[%]、45[%]）を用いた（品種はすべて「福乃香」）。
形状分析は米粒の長さ、幅、厚みを穀粒判別機
RGQI90A（㈱サタケ）で測定し、精米 1000 粒の長さと幅をグレインスキャナー2 RSQI 10B(㈱サタケ)、精米
100 粒の厚みをデジタルノギスで測定した。測定した米粒の長さ(L)、幅(W)、厚さ(T)の値を用いて以下３種
類の原形指数（LW、WT、LT）を算出した。
LW=(精米 L/精米 W)/(玄米 L/玄米 W)
WT=(精米 W/精米 T)/(玄米 W/玄米 T)
LT=(精米 L/精米 T)/(玄米 L/玄米 T)
成分分析は所定分析法に従い、粉砕機（アドバンテ
ック製 T1-100 型）を用いて粉砕試料を得た。粉砕試料を用い、粗タンパク質はケルダール法、カリウムは原
子吸光光度法で測定した。

４．１．精米機の性能試験
令和元年１２月に株式会社サタケ製の醸造用小型精米機 ED-15A を新たに導入した。本機は扁平精米が可
能なロールを有しており、新たに扁平精米の実施を行うことができる。ただし、本機は設置にあたりタンク
容量等、装置の仕様を一部改良した。そこで、本機を用いた高品質な扁平精米が実施可能であるかを検証するため、新たに精米プログラムを設定し、「福島酒 60号」を用いた扁平試験精米を実施することとした。なお、「福島酒 60 号」は、農業総合センターと共同で実施している「福島県オリジナル酒造好適米育成加速化事業」において選抜途中の優良系統の一つである。
玄米 273[㎏]を用いて行った精米記録を表３に示す。
精米歩合 40[%]を得るために要した時間は 27 時間 30分だった。精米歩合 50[%]付近から砕米が増え始め、最終的に得られた精米の真精米歩合は 48.4[%]、砕米率は 30.3[%]とやや高い結果となった。また、精米の工程で水分は 14.81[%]から 9.95[%]に減少した。
得られた精米の形状を表４に示す。扁平精米の指標の一つである原形指数 1.0 以上を大きく超えたことから、本機および精米プログラムを用い、扁平精米が可能であることがわかった。

- 112 -

表３ 「福島酒６０号」を用いた精米記録
ステップ

歩留[%]

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

100
96.7
89.7
84.9
77.6
69.9
64.8
59.7
54.9
49.8
44.6
39.9

回転数
[rpm]

電流値[A]

979
1098
1200
1002
800
702
703
682
652
651
630
630

米温度
[℃]

12
15
17
17
16
15
15
15
14
14
13
10

12
12
39
39
38
34
32
30
28
28
27
27

時間

白米重量
[kg]

0:04
0:01
4:00
0:30
0:51
1:13
0:42
1:03
1:39
3:22
4:19
9:46
27:30:00

表４ 「福島酒６０号」の精米形状（精米歩合 40[%]）
幅（W）

厚さ（T)

W÷T

白米

2.73

1.60

1.71

玄米

3.12

2.08

1.50

原形指数 WT

1.14

273
264
245
232
212
191
177
163
150
136
122
108

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

４．２．
「福乃香」の扁平精米試験
４．１．の結果から、本機を用いた扁平精米が実施可能であることがわかった。しかし、「福乃香」は産地
平均 97[%]程度と他の品種に例を見ないほど高い心白発現率を示す。また、心白米は無心白米に比べ、砕米率が高い２）ことが知られており、「福乃香」はより丁寧な精米が求められる。よって、心白発現率の高い「福乃香」の精米に適した精米プログラムを新たに構築し、砕米率の低減を試みた。
「福乃香」の玄米 366[㎏]を精
米歩合 40[%]まで精米した際の精米記録を表５に示す。
精米時間は 37 時間 33 分で、水分は精米終了までに
14.95[%]から 9.70[%]に減少した。また、各歩留まりで採取した精米歩合における見かけの精米歩合、真精
米歩合、砕米率を表６に示す。精米終了まで徹底して低い砕米率が保たれていることがわかる。
「良好な精米」
３）を示す砕米率は、砕米率（％）≦-0.12×見かけの精

米歩合＋10.2 の式で近似でき、これを用いると、見かけの精米歩合 50[%]の場合の砕米率は 4.2[%]以下、
45[%]の場合は 4.8[%]以下と求められる。今回の精米の砕米率を比べると、ほとんどの精米歩合において良好な精米であることが示された。これまで、原形精米
で精米歩合 50[%]までの高精白試験を行った際の砕米率は 4.4[%](平成２７年産)、7.8[%](平成２８年産)であった。同年の「五百万石」が 7.8[%]、15.3[%]であったことから、他品種に比べ「福乃香」は高精白に耐える品種であるとされていた。しかし、今回確立した精米プログラムで扁平精米を実施した場合、さらに低い
砕米率で高精白が可能であった。

表５ 「福乃香」を用いた精米記録
ステップ

歩留[%]

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

100
94.8
89.8
84.9
77.8
69.9
64.7
59.8
54.9
49.7
44.8
39.9

回転数
[rpm]

982
1099
1200
1002
800
699
699
678
652
682
682
682

電流値[A]
10
8
17
17
16
15
15
15
14
15
15
10

米温度
[℃]

時間

11
27
37
38
34
29
27
25
23
36
35
31

0:06
2:21
4:57
0:48
1:23
2:12
1:21
1:43
3:13
10:38
5:07
3:45

白米重量
[kg]

366
347
329
311
285
256
237
219
201
182
164
146

37:33:00

表６ 「福乃香」の扁平精米試験結果
見かけの真精米歩合[%] 砕米率[%]
精米歩合[%]

80

80.1

0.9

60

59.0

3.4

50

52.8

4.1

46

48.3

4.0

40

45.4

8.1

図１ 令和元年産「福乃香」の玄米および精米（精米歩合 50[%]）
左から玄米、扁平精米、原形精米- 113 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図２ 精米歩合と米粒各部の計測値の関係

LW

WT

LW

LT

WT

LT

図３ 異なる精米方法で得られた精米の形状分析結果
左：扁平精米、右：原形精米

４．３．異なる精米方法で得られた原料米の形状及び
成分分析
４．
２．
で得られた玄米及び精米試料を図１に示す。
原形精米では全体的に米粒の角が取れている一方、扁平精米では精米歩合 50[%]まで削っても、胚芽部分の窪みが残っていることがわかる。また、原形精米に比べ扁平精米は米粒が薄く、心白以外の部分が明らかに透過して見える。また、精米歩合 80[%]の扁平精米では胚芽の残存が確認された。
扁平精米及び原形精米の各試料の形状を測定した結果を図２に示す。精米歩合が小さくなるにつれ、原形
精米では米粒の長さと幅が小さくなるが、米粒の厚みは変わらない。一方、扁平精米では長さや幅の減少は少なく、米粒の厚みが直線的に顕著に小さくなっている。
精米の米粒長(L)、米粒幅(W)、米粒厚(T)を用いて算出した原形指数 LW、WT、LT の値をレーダーグラフで示す（図３）。原形精米では、精米歩合が小さくなるにつれ LW は 0.93 から 0.85、LT は 0.85 から 0.76、WT は0.91 から 0.89 にそれぞれわずかに減少したものの、グラフの形はほとんど変わらない。これは、長さ、幅、厚みが均等に削られ、形状を保ったまま均一に精米されていることを示している。一方、扁平精米では精米歩合が小さくなるにつれて LW は 1.03 から 0.94 に減少、LT は 1.14 から 1.28 に、WT は 1.10 から 1.37 に顕著に増加し、レーダーグラフの形は精米歩合に伴い大きく変化している。これは、精米に伴って米の厚みが薄くなっていることを示し、一般的な精米方法とは明らかに異なる精米形状であることを示している。
精米形状が異なる試料を用いて粗タンパク質を測定した結果を図４に示す。粗タンパクは表皮付近に多く存在することが知られており、精米によって減少する。
今回、扁平精米の粗タンパク質は原形精米よりもやや低い傾向を示した。
扁平精米では米の腹面から削られ、厚みが減っていくことから、この結果は米のタンパク- 114 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図４ 精米歩合と粗タンパク質との関係

質が腹面に存在していることを示唆している。すなわ
ち、扁平精米は効果的に玄米中の粗タンパク質を減らすことができる精米方法であるといえる。しかし、精米歩合 60[%]以下になると精米による粗タンパク質量の減少幅は、精米形状による差とともに小さくなっている。よって、扁平精米による粗タンパク質の低減効
果は低精白に対して有効であり、反対に、高精白の場
合は精米形状に依らず減少していくため、精米方法による差は生じなくなる可能性がある。なお、「福乃香」
はもともと粗タンパク質が少ない品種である。近年は低精白米を用いた低コストかつ満足度の高い清酒の製造が望まれている。扁平精米によって効果的に粗タン
パク質を減らすことによって、低精白米を用いた場合でも他品種の高精白米で製造した清酒に匹敵するような上品な酒質を実現できる可能性がある。
一方、カリウムは扁平、原形いずれの精米においてもほぼ同じ挙動を示した（図５）。また、精米歩合 50%
以下ではほぼ一定の値となった。これはカリウムが表皮周辺に集中的に分布している以外に、米粒中にほぼ均一に分布していることを示唆し、米粒のカリウムの分布を EDX による元素分析で観察した結果と一致する（データ非公表）。

図５ 精米歩合とカリウム含量の関係

カリウムは麹菌の生育に必要なミネラルで、極端に減少すると製麹の操作や仕上がりに大きく影響する。
今回の結果から精米方法の違いは「福乃香」のカリウ
ム濃度にほとんど影響がないことがわかった。
また「福乃香」において、精米歩合 50[%]のカリウム量は、精米歩合 70[%]のカリウム量の約 50～60[%]であり、それ以上精米してもほとんど減少しないことがわかった。
これは精米歩合 50[%]になると「福乃香」の精米はほとんどが心白となることが関係していると考える。無心白または心白が小さい品種や心白発現率の低い品種の場合にはこの限りではない可能性があり、「福乃香」
以外の品種についてのカリウム濃度については、今後の試験等で明らかにしていく必要がある。また、心白部分にカリウムが存在するか否かについては未確認であったため、機会があれば測定を行いたい。
なお、原形精米 45[%]で粗タンパク質及びカリウムの価が高くなっているが、これは試料の真精米歩合がおよそ 60[%]と高かったことが影響していると考えられる。
「福乃香」は心白発現率が高く、心白体積も大きいため、高精白が困難である。農業総合センターと共同で行ってきた実規模精米試験では、精米方法を検討した結果、精米歩合 40[%]を実現し、砕米率も低く良好な精米が得られていた。しかし、今年は台風１９号の影響で実規模試験精米を行ってきた精米工場が被災し、県内酒造場で使用する「福乃香」は県内外の様々な精米工場で精米された。新しい品種のため精米のノ
ウハウの共有が不足していたこと、また登熟期の高温により例年以上に心白発現率も高く、砕米になりやす
い品質であったことが真精米歩合に影響した原因であると推察する。生産年による品質の変化や、精米方法の共有については今後さらなる検討が必要である。
４．４．異なる精米方法で得られた原料米の醸造特性試験
精米形状の異なる精米歩合 50[%]の試料を用いた初期吸水速度を表したグラフを図６に示す。水温 5[℃]においては、精米形状によらず、浸漬 6 分までの初期
吸水速度に差は見られなかった。しかし、6 分以降は扁平精米の吸水率が高くなった。浸漬中の米粒を観察すると、扁平精米は浸漬後 2 分頃から縦割れを起こしていた。このことから、後半になって吸水率が増加したのは、縦割れにより表面積が増加したことが影響しているのではないかと考えている。
また、
水温の違いによる吸水速度への影響について、
10[℃]と 5[℃]の扁平精米を比較すると、吸水率 25[%]までにかかる時間は 10[℃]で約 7 分、5[℃]で約 13 分となり、約２倍の差があることがわかった。一般に、心白が大きいと吸水速度は速くなり、「福乃香」もその傾向が強い。そのため、吸水過多になるなど原料処理が難しいと考えられていた。しかし、この結果から、- 115 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

浸漬に使用する水温を低くすることによって吸水速度の調整が可能であることが示された。

っていく。
謝辞
精米プログラムの構築にご協力をいただきました株
式会社サタケの平田氏をはじめ、関係各位に深く感謝
申し上げます。
参考文献
１）国税庁所定分析法注解委員会編.第４回改正国税庁所定分析法注解.1993,p.150-165.
２）柳内敏靖ほか.”酒米特性に及ぼす酒造好適米の心白の影響”.生物工学会誌.1996,p.97-103.
３）日本醸造協会編.清酒製造技術.1990,p189.

図６ 精米形状の異なる試料を用いた初期吸水速度５．結言
新しい福島県オリジナル酒造好適米「福乃香」について、新たに導入した精米機を用いて扁平精米用ロー
ルによる
「福乃香」
の扁平精米試験と精米の成分分析、醸造特性試験を行った。
心白が大きく、割れやすい米に対応した最適な精米プログラムを確立させ、精米歩合 40[%]までの高精白を実現した。砕米率も低く、得られた精米の形状は、精米歩合が低くなるほど扁平となり、精米歩合 40[%]時には玄米の６割程度の厚さとなった。
原形精米と扁平精米試料を用い、精米形状の違いが福乃香の粗タンパク質含量とカリウム含量に及ぼす影響について分析を行い、その結果、扁平精米は、低精白米において粗タンパク質を効果的に減少させることが示唆された。また、カリウム含量は精米方法の影響は少なく、精米歩合とともに減少することがわかった。
また、精米形状の違いが初期吸水速度に影響を及ぼすことがわかった。吸水速度は扁平精米の方がやや早い傾向があり、浸漬時に割れが生じるのもわずかに早かった。
「福乃香」は吸水が早く、浸漬時に割れやすい
ため、高度な技術が必要である。しかし、浸漬時の水温を低温にすることで、吸水速度が緩やかになる。緩やかな吸水は浸漬割れを防ぐのにも効果的である。
精米方法の異なる原料米が清酒製造に及ぼす影響については、扁平精米と原形精米の比較を中心に、現在
様々な機関において研究が進められており、多くの知見の蓄積が期待されている。本県においても、精米形状の異なる「福乃香」を用いた小仕込み等を行い、精米形状の違いがもろみの発酵経過や製成酒の一般成分や香気製成に及ぼす影響について調べていく。また、原料処理条件設定のための試験を継続し、最適な条件を確立させ、県オリジナル酒造好適米「福乃香」の広い普及につながるよう、県内酒造場への情報提供を行- 116 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

県産味噌の品質向上に向けた微生物の評価
Evaluation of microorganisms for quality improvementof miso produced in fukushima prefecture

会津若松技術支援センター 醸造・食品科 小野和広 松本大志
県産味噌の品質向上を目的に、添加する微生物（耐塩性酵母及び乳酸菌）が、仕込んだ味噌の品質に及ぼす影響について評価した。酵母及び乳酸菌株の違いにより、味噌のアルコールや直接還元糖等の量に顕著に差があり、味噌の特徴が大きく異なった。また、酵母
単独よりも乳酸菌と併用した方が官能評価における「色」や「総合」の評価が高まる傾向があった。今回供試した酵母においては、A、F の評価が高かった。
Key words: 味噌、酵母、乳酸菌、官能評価

は、仕込総量、麹歩合、目標水分、目標塩分を同一にし、添加する酵母及び乳酸菌株が異なる１４試験区分で行った（表２）。大豆は 20[℃]で３時間浸漬し、加圧煮法により処理した。冷却後、各原料を混合し、味噌の仕込みを行った。酵母および乳酸菌は、仕込開始
時に表 1 で示した酵母（ 終濃度 2.0×105／g )および乳酸菌（ 終濃度 2.0×106 ／g ）をそれぞれ添加し、30[℃]で４０日間、20[℃]で３０日間熟成させた。

１．緒言
本県は全国有数の醸造処であり、古くから数多くの酒造業や、味噌製造業が営まれている。近年、清酒は業界の取組みや当所の技術支援等により品質が大きく向上し、全国新酒鑑評会において金賞受賞数が７年連続で全国一となる等、大きな話題となっている。またそうした躍進に刺激を受けた醤油製造業においても、業界一丸となって品質向上に取り組み、令和元年度の全国醤油品評会において入賞数が全国一（福岡県と同数）となった。そうした中、味噌製造業においてもこ
うした他業種の取組みを受け、さらなる品質向上への気運が高まっている。このような背景を下に、本研究では、味噌の品質向上を目的に、添加する酵母や乳酸菌の違いが、仕込んだ味噌の品質に及ぼす影響について評価した。

表１ 味噌の仕込配合

２．実験方法
２．１． 供試材料
麹用の米は、２０１８年に福島県会津地方で栽培された「ひとめぼれ」を、また味噌の仕込み用の大豆は、２０１８年に北海道で栽培された「ユキホマレ」
および福島県で栽培された「あやこがね」を供試した。食塩は並塩(（株）日本海水)、微生物は、種麹メーカーから味噌用として市販されている耐塩性酵母 (Zygosaccharomyces rouxii ) (４社、７株)および耐塩性乳酸菌 ( Tetragenococcus halophilus ) (４社、５株) を供試した。
２．２．製麹方法
10[℃]で１６時間浸漬吸水させた精白米を、無圧で抜け掛け法により５０分間蒸きょうした。製麹は、麹蓋法により４５時間行った。
２．３．味噌の仕込と熟成方法
仕込んだ味噌の仕込配合を表１に示す。仕込配合

表２ 試験区分

仕込総量[kg]

4.13

試験区

酵母

麹歩合 [歩]10

目標水分 [%]

46.9

目標塩分 [%]

11.0

対水食塩濃度

19.0

酵母
乳酸菌

○
○

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

A
B
C
D
E
F
G
F
F
F
F
F
F
B

○は添加を示す。

乳酸菌

大豆
ユキホマレ
ユキホマレ
ユキホマレ
ユキホマレ
ユキホマレ
ユキホマレ
ユキホマレ

a
b
c
d
e
d
a

ユキホマレ
ユキホマレ
ユキホマレ
ユキホマレ
ユキホマレ
あやこがね
ユキホマレ

２．４．官能評価
官能評価は、試醸した味噌について当所の職員１０
名（男性７名、女性３名）により、色、香り、味、組
成、総合の５項目について、３段階評価（1(良い)～3点(悪い)）し、平均評点を求めた。
２．５．一般成分の分析方法
味噌の一般成分は、基準みそ分析法１）により分析した。色調は色差計 (日本電色工業（株）、ZE2000) に

事業課題名「県産味噌の品質向上に向けた最適な原料及び微生物の解明」[平成３０～令和２年度][基盤技術開発支援事業]- 117 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告より測定した。遊離アミノ酸は、高速アミノ酸分析計（（株）日立ハイテクサイエンス、 L-8900）により、また乳酸は F-キット（（株）J.K.インターナショナ
ル）を用い、測定した。HEMF ( 4-hydoroxy-2( or 5 )ethyl-5( or2 )-methyl-3(2H)-furanone ) は、菅原ら ２ ）の方法に準じて測定した。

３．結果及び考察
３．１．官能評価
表３に、異なる酵母及び乳酸菌株で仕込んだ味噌の
官能評価の結果を示す。総合評価は、試験区11、13が最も高く、次いで、試験区10、12の順だった。全般的に酵母のみを用いた試験区（1～7）よりも、酵母と乳酸菌を用いた試験区（8～14）の方が評価が高かった。

表３ 試醸した味噌の官能評価

試験区

色

香り

味

組成

総合

1
2
3
4
5
6

1.75
1.70
1.75
1.80
2.05
1.60

1.45
2.00
1.95
1.85
1.95
1.40

1.40
1.80
1.70
1.85
1.80
1.70

1.35
1.25
1.25
1.25
1.35
1.35

1.60
1.80
1.85
1.95
1.95
1.56

7
8
9
10
11
12

1.85
1.75
1.75
1.75
1.50
1.40

1.70
1.55
1.70
1.40
1.30
1.50

1.80
1.75
1.95
1.40
1.45
1.60

1.25
1.40
1.30
1.40
1.20
1.35

1.80
1.70
1.90
1.45
1.40
1.45

13
14

1.70
1.65

1.50
2.05

1.55
2.00

1.40
1.45

1.40
2.15

平均

1.71

1.66

1.70

1.33

1.71

産生されたために香味のバランスを崩したためと推察される。
なお、これら「総合」評価の高かった味噌、特に酵
母と乳酸菌を併用した試験区の多くは、参考出品した
全国味噌鑑評会においても、格付で「秀」（格付の中で最上位）の評価を受けた。また、平成３０年度全国味噌鑑評会において「秀」の格付けを受けた味噌のうち、使用された大豆の約７割が北海道産（ユキホマレを含む）だったが３）、昨年度の報告４）において評価の高かった福島県「あやこがね」は、今年度においても北海道「ユキホマレ」と同等の評価となり、年度によらず
北海道「ユキホマレ」と遜色ない大豆であることが確認された。
３．２．試醸した味噌の一般成分
表４-１、表４-２、表４-３に試醸した味噌の一般成
分値及び遊離アミノ酸組成を示す。
表４-１ 試醸した味噌の色調と一般成分

パネル 10 名 1(良い)～3 点(悪い)酵母のみ用いた試験区間では、試験区1、2、6、7の「総合」評価が高かった。また「色」では、試験区1、2、3、6の評価が高かった。一般的に味噌の鑑評会において、色調は重要な要素の一つとされており、「色」の評価の高かったこれらの味噌は鑑評会においても有利であると考えられる。一方、酵母と乳酸菌を併用した試験区は、酵母のみ使用した試験区よりも全般的に評価が高い傾向があった。しかしながら、その中にあって、試験区9、14の「総合」評価は低かった。これらの味噌は、「味」の評点も低く、審査コメントとして「酸味を感じる」としたパネルが複数名いた。その要因として、これらの試験区は他試験区よりも乳酸量が1オー
ダー以上多く（データは示していない）、乳酸が過多に水分

食塩 対水食塩濃度 直接還元糖 アルコール

試験区

[％]

[％]

[％]

[％]

[％]

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

47.1
46.2
46.0
45.0
45.4
47.1
45.7
45.8
45.4
45.1
44.9
44.9
45.9
44.7

11.3
11.3
11.4
11.3
11.3
11.5
11.5
11.5
11.6
11.7
11.6
11.7
11.6
11.4

19.4
19.6
19.9
20.0
20.0
19.7
20.1
20.1
20.4
20.5
20.6
20.6
20.2
20.4

15.39
16.26
17.46
17.88
17.54
16.08
17.38
16.01
15.46
15.89
16.32
16.41
16.09
17.86

1.01
0.76
0.64
0.21
0.50
0.97
0.43
0.90
1.06
0.91
0.78
0.75
0.88
0.16

平均

45.7

11.5

20.1

16.6

0.7

pH

色 調
Y

ｘ

ｙ

5.32
5.40
5.40
5.43
5.41
5.25
5.39
5.19
4.93
5.28
5.28
5.34
5.26
4.93

15.86
14.98
15.02
14.54
15.04
14.39
14.48
13.65
14.44
13.06
13.16
13.14
14.19
16.41

0.47
0.48
0.48
0.48
0.48
0.48
0.48
0.49
0.49
0.49
0.49
0.49
0.48
0.48

0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41
0.41

5.3

14.5

0.48 0.41

試醸した味噌のアルコール濃度は、酵母のみ用いた試験区（1～7）では、試験区1、2、6が比較的高かった（0.76～1.01[％]）。これらアルコール濃度の高い味噌は官能評価における「総合」評価が高い傾向があった。アルコール濃度が高いと、香気成分全般が高まると考えられ、官能評価に好影響を及ぼしたものとも推察される。また、酵母と乳酸菌を併用した試験区間（8～14）では、試験区14を除き概ね大差なかった（0.75～
1.06[％]）。一方、試験区14のアルコール濃度は0.16[％]と、- 118 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

１４試験区中最も低かった。その要因として、試験区14の味噌は他試験区よりも乳酸量が顕著に多く（データは示していない）、pHも低かったことから、酵母によるアルコール代謝が阻害を受けたものと推察される。またpHは、酵母のみを用いた試験区よりも、酵母と乳酸菌を併用した試験区の方が全般的に低かった。その要因として、これらの味噌は、酵母のみ用いた試験区の味噌よりも、乳酸菌により乳酸等の有機酸がより多く生成されたためと考えられる。一般的に適度な乳酸は、
味噌の押し味の付与、塩なれ促進や、色のさえ等に関
与し５）、好ましい影響を及ぼすと考えられている。これら酵母と乳酸菌を併用した試験区の味噌は、官能評
価においても高評価を受けていることから、添加する微生物は、酵母単独よりも乳酸菌との併用が望ましいと考えられた。しかしながら、過多に乳酸が産生されると試験区14のように香味のバランスを崩してしまうこともあることから、酵母と乳酸菌株の選定や添加する菌数には留意が必要と考えられる。

ン酸、甘味を有するアミノ酸であるセリン、プロリンも同様に少なかった。試験区 14 においては乳酸生成過多によるタンパク質の分解抑制の可能性も考えられるが、これらの要因については今後検討する。

表４-３ 試醸した味噌の遊離アミノ酸組成 [mg/100g]

アミノ酸
Asp
Thr
Ser
Glu
Gln
Gly
Ala
Val
Cys
Met
Ile
Leu
Tyr
Phe
Trp
Lys
His
Arg
Pro

表４-２ 試醸味噌の一般成分
ＴＮ

水溶性N ホルモールN タンパク溶解率タンパク分解率 グルタミン酸

試験区

[％]

[％]

[％]

[％]

[％]

[mg/100g]

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

1.91
1.82
1.84
1.80
1.83
1.84
1.85
1.98
1.99
2.01
1.97
1.97
1.92
1.86

1.02
1.03
1.08
1.08
1.03
1.09
1.08
1.10
1.12
1.13
1.09
1.13
1.07
1.00

0.40
0.40
0.38
0.40
0.37
0.40
0.39
0.40
0.40
0.40
0.39
0.40
0.38
0.37

53.5
56.5
58.6
59.8
56.3
59.5
58.3
55.6
56.3
56.4
55.5
57.3
55.6
54.0

20.7
22.0
20.7
22.0
20.2
21.8
21.4
20.4
20.1
19.9
19.8
20.5
20.0
19.8

461
449
448
467
439
461
466
477
500
479
463
477
452
445

平均

1.90

1.07

0.39

56.7

20.7

463

試験区
1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14

400 406 369 387 355 412 418 417 399 388 421 429 402 363
128 126 125 127 122 130 128 130 123 133 122 131 127 112
204 205 202 207 197 208 208 210 196 214 200 211 202 183
461 449 448 467 439 461 466 477 500 479 463 477 452 445
105 105 104 102 102 107 113 115 108 117 108 117 110 100
96 97 96 100 94 99 100 98 94 99 97 98 97 88
186 184 181 187 178 189 187 192 198 194 191 192 187 180
169 166 167 171 163 176 172 178 179 178 173 175 173 159
23 23 23 24 23 23 23 26 27 25 26 25 25 22
54 54 52 54 51 55 54 57 58 57 55 56 54 49
176 173 169 173 167 180 175 185 186 184 178 181 177 157
316 308 303 310 300 326 316 334 342 336 324 330 320 290
188 179 187 187 180 197 186 195 194 191 194 198 195 157
212 208 202 207 200 218 211 227 229 226 219 221 216 185
46 50 52 52 50 28 46 31 19 32 31 31 44 28
252 249 244 253 242 264 258 273 284 271 265 269 260 251
49 51 50 52 48 50 51 50 50 49 48 48 49 51
330 323 316 325 313 346 336 347 373 355 343 351 339 329
150 146 149 149 148 156 151 164 160 164 165 160 152 142

Total 3543 3500 3439 3535 3372 3626 3600 3704 3719 3690 3622 3702 3582 3289

旨味にかかわるタンパク質系の成分（表４-２）では、酵母のみ用いた試験区（1～7）では、試験区 5 の味
噌におけるホルモール窒素及びタンパク質分解率が比較的低かった。また酵母と乳酸菌を併用した試験区間（8～14）では、同様に試験区 14 の味噌におけるホルモール窒素及びタンパク質分解率が低かった。
また、これら試験区 5、14 の遊離アミノ酸（表４３）は、旨味に関与するグルタミン酸及びアスパラギ

なお、データは示していないが、味噌の主発酵酵母
Zygosaccharomyces rouxii により生成され、味噌の特徴な香気成分２）の一つとされる HEMF について、今回、試験区 1～7 における生成量について調査した。その結果、味噌中の HEMF 濃度は、菌株により顕著な差が認められた。酵母 A、F、G を用いた味噌（試験区 1、6、7）からは多く検出される一方、これらの味噌と比較し、
酵母 E を用いた味噌（試験区 5）では 1 オーダー以上低
く、さらに酵母 B、C、D を用いた味噌（試験区 2、3、4）からは、ほとんど検出されなかった。本研究において HEMF 濃度の高かった味噌は、官能評価においても比較的「総合」評価が高い傾向があり、各パネルに好ましい影響を及ぼしたものと推察される。

４．結言
県産味噌の品質向上を目的に、添加する酵母や乳酸菌株の違いが、仕込んだ味噌の品質に及ぼす影響について評価した。酵母及び乳酸菌株の違いにより、アル- 119 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

コール生成量や直接還元糖等の量に差があり、味噌の特徴が大きく異なった。アルコール生成量は、酵母A、B、Fを用いた試験区が比較的高かった。これらアルコール生成量の高い味噌は、官能評価における「総合」
評価が高い傾向があった。アルコール濃度が高いと、香気成分全般が高まると考えられ、鑑評会等での評価を高める上で有利と考えられた。また、酵母単独よりも乳酸菌と併用した方が官能評価における「色」や「総合」の官能評価が高まる傾向があった。一方乳酸菌株の違いによる差は明瞭ではなかったが、これらについては今後さらに検討する。今回供試した酵母においては、官能評価や成分値の観点から、A、B、Fが良好であると考えられた。
今後は、味噌の品質向上に向け、加工方法（大豆の処理方
法）等による影響について評価し、より高品質な製造技術の確立につなげていく予定である。
謝辞
本研究を遂行するにあたり、ご助言を賜りました一般社団法人中央味噌研究所、ならびに福島県味噌醤油
工業協同組合に深謝申し上げます。
参考文献
１）基準みそ分析法. 全国味噌技術会, 1995, p.2-35.
２）菅原悦子. みそ熟成中の香気成分の変化. 日本食品工業学会誌, 1991, 38, p.23-27.
３）中央味噌研究所報告, 2019, 40, p.10.
４）小野和広, 松本大志. 県産味噌の品質向上に向けた原料大豆の評価. 平成３０年度福島県ハイテク
プラザ試験研究報告, 2018, p.119-122.
５）みそ技術ハンドブック. 全国味噌技術会, 1995,
p.19.

- 120 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

福島県産果実の品質・加工適性評価
Evaluation of characteristic and aptitude for food processing of fruits made in Fukushima prefecture
会津若松技術支援センター 醸造・食品科 馬淵志奈 猪俣有唯 齋藤嵩典
農業総合センター 流通加工科 渡邉ゆきの 古川鞠子
県内加工業者による県産果実の利用を促進するため、リンゴの品種ごとに総合的な加工
適性を評価した。福島県オリジナル品種を含むリンゴ８品種について、生果の成分や加熱後の物性等を分析し、混濁ジュースとソリッドパックを試作して官能評価を実施した。今後は試作する加工品の品目を変えて同様の調査を行い、それぞれの品種に適した加工方法を明らかにする。
Key words: リンゴ、糖、リンゴ酸、ポリフェノール、褐変、水溶性ペクチン、混濁ジュース、ソリッドパック

は福島県オリジナル品種で、「福島７号」は福島県の品種登録検討系統である。

１．緒言
本県では地元農産物を利用した加工品の開発が活発であり、その中でも生産量の多い果実はその加工用途が広く多彩な加工品が作り出されている。果実は様々な品種が生産されており、外観や味は個性に富んでいる。長野県や青森県ではリンゴの品種ごとに加工適性が報告されており１）２）、食品製造業者が果実加工品を開発する際の一助となっている。しかし、福島県内で栽培されるリンゴについて、品種に着目して成分の特徴や加工適性を詳細に調査した事例は少ない。また、同一の品種であっても産地が異なると成分等の特徴も変化する場合があり、必ずしも他県で得られた知見が本県産の果実に適用できるとは言えない。
更に近年、生鮮のリンゴとしては初の機能性表示食品が発売され注目を集めている。県産果実の機能性に関する知見は、生産者に対するＰＲや製品の高付加価値化への活用が期待される。
本研究では、リンゴの福島県オリジナル品種や県内で多く栽培されている品種を中心に成分や物性、機能性といった特徴を明らかにし、加工適性を総合的に評価することを目標としている。最終的には食品製造業者にとって利用しやすい形態で成果を提示して、県産果実の利用に繋げる。

２．研究方法
２．１．供試材料
福島県農業総合センター果樹研究所にて令和元年度に収穫されたリンゴを供試材料とした。調査品種は「紅玉（収穫日１０月２日）」「福島７号（同１０月７日）」「会津のほっぺ（同１０月１０日）」「シナノスイート（同１０月１０日）」「こうとく（同１０
月３１日）」「王林（同１１月７日）」「ふじ（同１１
月２１日）」「べにこはく（同１２月３日）」の８品種とした。このうち「会津のほっぺ」「 べにこはく」

２．２．加工品
いずれの品種も 1[℃]で貯蔵し、収穫から１週間以内に加工した。
２．２．１．混濁ジュース
剥皮・除芯した果肉に原料の重量に対して 0.1[%]のアスコルビン酸を加え、ジューサー（J-100、株式会社
エフ・エム・アイ）で搾汁した。残った搾りかすはさ
らし袋に入れ、圧搾機により更に搾汁した。得られた果汁は鍋で 85[℃]、１５分間加熱して酵素を失活させ、ビンに入れて更に 85[℃]、１５分間加熱し殺菌した。
２．２．２．ソリッドパック
加熱後の果肉の物性を分析する破断荷重測定用の試料と官能評価用の試料を調製した。
破断荷重測定用の試料は、剝皮した果肉を２等分し、真空包装機（HPS-300A-G、ホシザキ電機株式会社）で真空包装してスチームコンベクションオーブン（TSCO4EBN3、タニコー株式会社）で 90[℃]、４０分間加熱した。官能評価用の試料は、剝皮・除芯した果肉を８等分し、破断荷重測定用と同様に真空包装してスチーム
コンベクションオーブンで 90[℃]、２０分間加熱した。
２．３．原料果の分析
２．３．１．糖組成・リンゴ酸含量
細断した果肉を電子レンジで６０秒間加熱し、蒸留水を加えてホモジナイザー（PT3100、KINAMATICA）で破砕した。遠心して得られた上清を適宜希釈した後、HPLC（L-2000、株式会社日立ハイテク）で測定した。
糖については、フルクトース、グルコース、スクロー
ス、ソルビトールの組成を調査した。
２．３．２．ポリフェノール組成
クロロゲン酸及びプロシアニジン類の一種であるプ

事業課題名「福島県産果実の品質・加工適性評価」[令和元～３年度][科学技術調整会議共同研究事業]- 121 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ロシアニジンＢ２を Shoji ら３）の方法を参考に測定した。
細断した果肉を電子レンジで６０秒間加熱し、80[%]
MeOH を加えてホモジナイザーで破砕した。遠心して得ら れ た 上 清 を 適 宜 希 釈 し た 後 、 HPLC （ EXTREMA
4000Model、日本分光株式会社）で測定した。
２．３．３．褐変特性
すりおろした果肉を直ちに測定用のセルに詰めて測色色差計（ZE-2000、日本電色）で色差 ⊿E の
６０分間の経時変化を測定した。測定時の室温及び品温は 25[℃]に統一し、最初の１０分間は２０
秒ごと、１０分を経過した後は１分ごとに測定した。最初の２０秒間における ⊿E 変化量の傾きを
初期褐変速度[⊿E/min]、測定終了時の ⊿E を褐変度とした。

所では醸造・食品科職員８名（男性５名、女性３名）、
農業総合センターでは流通加工科職員６名（男性３名、女性３名）の計１４名のパネルにより実施した。
混濁ジュースは外観、香り、食感、甘味、酸味、総合の５項目について、ソリッドパックは混濁ジ
ュースの調査項目に食感を加えた６項目について、５段階評価（甘味及び酸味は１：弱い～５：強い、それ以外の項目は１：良い～５：悪い）で評価を行った。

３．結果及び考察

３．１．原料果の分析
３．１．１．糖組成・リンゴ酸含量
糖組成の結果を図１、リンゴ酸の結果を図２に示す。
甘味度が高いフルクトースは「福島７号」に最も多く含まれていた。品種ごとの糖組成について
２．３．４．水溶性ペクチン
は、８品種のうち６品種ではフルクトース、スク
各品種の水溶性ペクチン及び貯蔵した「べにこはく」 ロース、グルコース、ソルビトールの順に含まれの水溶性ペクチンの変化を調査した。
ていたが、「 紅玉」ではフルクトース、グルコース、
細断した果肉 50[g]を精秤し、 99[%] EtOH を
スクロース、ソルビトール、「べにこはく」ではフ200[mL]加え沸騰水中で１５分間還流させた後、ろルクトース、スクロース、ソルビトール、グルコー
過した。得られた残渣をミキサーで破砕し、吸引スの順で含まれていた。リンゴのみつ入り果にはろ過しながらフェノール－硫酸法で洗浄液の糖のソルビトールが多く蓄積することが報告されてお反応が陰性になるまで 70[%] EtOH で洗浄した。そり ４）、みつ入りが良好とされる「べにこはく」は相の後、80、 90、 99[%] EtOH、ジエチルエーテル
対的にソルビトールの割合が高くなったと考えら
で順次洗浄した。この風乾物を 50[mg]精秤し、蒸れた。
留水を加え３０分間振とうしてから１２時間以上
リンゴ酸含量は「紅玉」「べにこはく」が多かっ静置した。100[mL]に定容後、ろ過した液を用いてた。この２品種はもともと酸味が強いことで知ら
カルバゾール法により水溶性ペクチンを定量した。 れており、それに準じた結果となった。
12000

２．４．加工品の分析と評価
２．４．１．混濁ジュースの歩留まり及び糖度・酸度
２.２.１.で加工した混濁ジュースについて、１回目の加熱終了時の重量を原料の重量で除して混濁
ジュース加工時の歩留まりを算出した。
製品の糖度・酸度についてはポケット糖酸度計（PALBX|ACID5、株式会社アタゴ）で測定した。更に、糖度の値を酸度の値で除して糖酸度を算出した。

フルクトース

糖含量[mg/100g FW]

10000

グルコース

スクロース

ソルビトール

8000
6000
4000
2000
0
紅玉

福島７号

会津の

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

こうとく

王林

ふじ

べにこはく

ふじ

べにこはく

ほっぺ

図１

各品種の糖組成（n=3）

福島７号

会津の

リンゴ酸含量[mg/100g FW]

1200

２．４．２．ソリッドパックの破断荷重
２.２.２.で調整したソリッドパックについて、テクスチャーアナライザー（TA.XT plus、英弘精機株式会社）で破断荷重を測定した。直径 5[mm]の円柱プランジャーを使用し、測定速度 1[mm/sec]で1.5[cm]まで貫入させ、最初に現れたピークに係る荷重を破断荷重とした。
２．４．３．官能評価
混濁ジュース及びソリッドパックの官能評価は、当

1000
800

600
400
200
0
紅玉

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

こうとく

王林

ほっぺ

図２

各品種のリンゴ酸含量（n=3）

３．１．２．ポリフェノール組成
ポリフェノール組成の結果を図３に示す。ポリフェ- 122 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

ノール組成は品種ごとに異なり、クロロゲン酸は「福島７号」に、プロシアニジンＢ２は「紅玉」「ふじ」「べにこはく」に特に多く含まれていた。
14.0

30.0

クロロゲン酸12.0

プロシアニジンB2

25.0

10.0

20.0

8.0

15.0

6.0

10.0

4.0

5.0

2.0

0.0

0.0
紅玉

福島７号

会津の

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

こうとく

王林

ふじ

プロシアニジンB2含量[mg/100g FW]

クロロゲン酸含量[mg/100g FW]

35.0ってもみつの有無で褐変特性が異なる可能性が示された。
リンゴのポリフェノールオキシダーゼはポリフェノール類を基質として酸化反応を促進し、褐変を誘引す
ることが知られている。クロロゲン酸含量と初期褐変
速度の関係を図５に示す。これらの数値の相関係数は0.66 であり、正の相関を持つことが分かった。
「福島７号」の初期褐変速度が速いのはクロロゲン酸含量が多いことが要因の一つと考えられた。
12.00

べにこはく

初期褐変速度[⊿E/min]

ほっぺ

図３ 各品種のポリフェノール組成（n=3）

３．１．３．褐変特性初期褐変速度及び褐変度の結果を表１、褐変による色相の経時変化を図４に示す。いずれの項目においても品種ごとに違いが確認され、初期褐変
速度が速いものは褐変度も大きくなる傾向が見られた。しかし「福島７号」は初期褐変速度が速かっ
た一方、褐変度は最も低かった。
「こうとく」のみつ入りはみつ無しと比較して初期褐変速度及び褐変度が小さく、同じ品種であ

王林

10.00

会津のほっぺ

8.00

福島７号
紅玉

ふじ

6.00

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ
こうとく

4.00
2.00

べにこはく

R=0.66

0.00
0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

クロロゲン酸含量[mg/100g FW]

図５ 初期褐変速度とクロロゲン酸含量の関係

表１ 各品種の褐変特性（n=3）
紅玉初期褐変速度[⊿E /min]
褐変度

福島７号

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

会津の

こうとく

こうとく

ほっぺ

(みつ入り) (みつ無し)

王林

ふじ

べにこはく

6.60

8.69

6.14

9.30

4.67

5.44

10.29

7.70

2.14

18.34

8.99

19.71

16.38

11.12

12.04

17.75

19.23

11.70

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ
ふじ
紅玉
王林

20

18

会津のほっぺ16
14

こうとく(みつ無し)

ΔE

12

べにこはく
こうとく(みつ入り)

10

福島７号
8
6

4
2

紅玉

福島7号

シナノスイート

会津のほっぺこうとく(みつ入り)

こうとく(みつ無し)

王林

ふじ

べにこはく

0
0

600

1200

1800

2400

時間[sec]

図４ 褐変による色相の経時変化（n=3）- 123 -

3000

3600

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

水溶性ペクチン[mg/100g FW]

３．１．４．水溶性ペクチン
各品種の水溶性ペクチンの結果を図６、貯蔵した「べにこはく」の水溶性ペクチンの変化を図７に示す。水
溶性ペクチンは「福島７号」が最も多く、その次に「紅玉」が続いた。
「べにこはく」は貯蔵期間が長くなるほど水溶性ペクチンが増加する傾向が確認された。
水溶性ペクチンはジャムの物性に影響を与えることが報告されており５）、今回の結果からリンゴの品種や貯蔵期間によってジャムへの加工適性が異なる可能性が示唆された。

16.0

福島７号
15.5

べにこはく
紅玉

糖度[Brix %]

15.0

こうとく

紅玉
福島７号
会津のほっぺシナノスイート
こうとく
王林
ふじ

ふじ

14.5
14.0

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

13.5

会津のほっぺ

王林

50

13.0
40

0.0

0.5

1.0

1.5

酸度[%]

30

図８ 混濁ジュースの糖度及び酸度20(点線で囲った部分は糖酸度２５～３５の範囲を示す)

10
0
紅玉

福島7号

会津の

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

こうとく

王林

ふじ

３．２．２．ソリッドパックの破断荷重
ソリッドパックの破断荷重の結果を図９に示す。破
断荷重は「会津のほっぺ」が最も高く、
「紅玉」
「王林」
で低い結果となった。
続いて、生果の硬度と加熱後の物性の関係について調査した。福島県農業総合センター果樹研究所で収穫時に測定した生果の硬度とソリッドパックの破断荷重の関係を図１０に示す。これらの数値の相関係数は0.12 であり、生果の硬度と加熱後の物性に明確な相関関係は確認されなかった。

べにこはく

ほっぺ

図６ 各品種の水溶性ペクチン（n=3）
水溶性ペクチン[mg/100g FW]

35
30
25
20
15
10
5

0
6日後

5週間後

5.0

7週間後

4.0

破断荷重[N]

図７ 貯蔵した「べにこはく」の水溶性ペクチンの変化（n=3）

歩留まり[%]

0.0
紅玉

福島７号

52

54

会津の
ほっぺ

55

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ こうとく

57

55

福島７号

会津の

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

こうとく

王林

ふじ

べにこはく

ほっぺ

図９ ソリッドパックの破断荷重（n=3）

ソリッドパック破断荷重[N]5.0
会津のほっぺ

4.0
ふじ

3.0

福島７号

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

2.0

べにこはく

こうとく
王林

1.0

紅玉

R=0.120.0
0

混濁ジュース加工時の歩留まり

紅玉

2.0
1.0

３．２．加工品の分析と評価
３．２．１．混濁ジュースの歩留まり及び糖度・酸度
混濁ジュース加工時の歩留まりを表２、糖度・酸度の結果を図８に示す。歩留まりは殆どの品種
で 50[%]台であったが、「べにこはく」のみ 50[%]を下回った。これは、「べにこはく」が小型な品種であることから、皮や芯などの廃棄率が相対的に高くなったためと考えられる。
リンゴジュースにおいて食味に大きな影響を与える糖酸度は、２５～３５の範囲のものが最も好まれるとされる ６）。今回加工した混濁ジュースで糖酸度が２５～３５だったのは「福島７号」「シナ
ノスイート」「こうとく」「ふじ」で、「会津のほっぺ」「王林」もその範囲に近い値を示していた。
表２

3.0

5

10

15

20

生果硬度[lbs]

王林

ふじ

べにこはく

図１０ 生果硬度とソリッドパック破断荷重の関係

52

57

48

（生果硬度は福島県農業総合センター果樹研究所のデータ）- 124 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

３．２．３．官能評価
混濁ジュースの官能評価結果を表３、ソリッドパッ
クの官能評価結果を表４に示す。
混濁ジュース及びソリッドパックのどちらも「こうとく」の総合評価が最も高かった。
「こうとく」は３.
２.１.で示したとおり甘味と酸味のバランスが優れていることに加え、加熱後の食感や香りも良好であることが確認された。
「王林」については混濁ジュースの総合評価が高かった一方、ソリッドパックの総合評価が低かった。３.
２.２.の結果から「王林」は加熱後に果肉が著しく軟化したため食感の評価が低くなり、それに伴って総合評価も低くなったと考えられた。
「福島７号」のソリッドパックは色調のくすみを指摘するコメントが散見された。３.１.３.の結果から「福島７号」は初期褐変速度が速く、加工品の色調にも影響を与えたと推測された。味や香り、食感については良好とするコメントが多かったため、今後は色調を保持する加工方法について調査する。
「会津のほっぺ」「シナノスイート」
は混濁ジュース、
ソリッドパック共に香りの評価が特に低く、加熱によりオフフレーバーの原因となる揮発性成分が生じた可能性が考えられた。
リンゴ酸含量が多く酸度が高い「紅玉」「べにこはく」は、酸味が強く混濁ジュースの総合評価が低い結果となった。しかし、「べにこはく」のソリッドパックについては食感の評価が高く、総合評
価も「こうとく」に次いで２番目に高かった。このことから、「べにこはく」はソリッドパックへの加工適性が高いと推測された。
表３ 混濁ジュースの官能評価
会津の

紅玉

福島７号

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

こうとく

王林

ふじ

べにこはく

外観

3.2

2.5

2.1

2.4

2.1

2.7

2.5

1.6

香り

3.6

3.1

3.2

3.3

2.0

2.1

2.4

3.4

甘味

2.1

4.6

3.4

3.8

3.7

4.0

4.0

2.4

酸味

4.5

1.9

2.7

2.2

3.1

2.3

2.9

4.5

総合

4.4

3.3

3.2

3.0

1.8

2.1

2.4

3.9

ほっぺ

※甘味及び酸味は1：弱い～5：強い、それ以外の項目は1：良い～5：悪い

表４ ソリッドパックの官能評価
会津の

紅玉

福島７号

ｼﾅﾉｽｲｰﾄ

こうとく

王林

ふじ

べにこはく

外観

3.9

4.8

2.6

3.0

1.6

2.9

2.6

1.9

香り

2.6

2.7

3.9

4.1

1.9

2.7

2.6

2.6

食感

2.9

2.8

2.9

3.1

2.2

3.9

2.7

2.3

甘味

1.9

3.9

2.1

2.8

3.1

2.8

3.6

2.5

酸味

4.6

1.9

2.2

2.1

2.8

1.9

2.2

3.6

総合

3.6

3.5

3.9

3.9

1.7

3.1

2.6

2.6

ほっぺ

※甘味及び酸味は1：弱い～5：強い、それ以外の項目は1：良い～5：悪い

４．結言

原料果の成分や褐変特性は品種ごとに特徴が異なっており、クロロゲン酸含量と初期褐変速度は正の相関を示した。
「べにこはく」の水溶性ペクチンは貯蔵によって増加する傾向が確認された。
加工品については混濁ジュース及びソリッドパック
を試作し、各種測定値と官能評価の結果を比較した。
「こうとく」は混濁ジュース及びソリッドパックのどちらも総合評価が高かった。
「王林」は混濁ジュースの総合評価が高かったが、ソリッドパックについては加
熱後に果肉が著しく軟化したため食感の評価及び総合評価が低かった。一方、「べにこはく」は酸味が強く混濁ジュースの総合評価が低かったが、ソリッドパック
は食感が良好で総合評価も高い結果となった。以上から、リンゴは品種によって加工適性が異なることが示された。
今後は別の加工品を試作して同様の調査を行うこととしている。また、「福島７号」の褐変を抑制する加工技術の確立を目指す。
謝辞
本研究を遂行するにあたり、果実を提供いただいた
福島県農業総合センター果樹研究所の皆様、プロシア
ニジンの測定方法についてご教示いただきました福島
大学食農学類升本早枝子准教授、加工品試作の際に協力いただいた福島県農業総合センター農業短期大学校
研修部の皆様に感謝を申し上げます。
参考文献
１）竹内正彦. “果実・果汁飲料と機能性成分（１８）
りんごの加工―品種別加工適性および高品質化”. 食品と容器. 2014, p340-345.
２）石川正行. “リンゴのし好と品種育成の方向”. 東北
農業研究 別冊. 1990, p61-70.
３）T. Shoji, Y. Akazoe, T. Kanda, M. Ikeda. “Thetoxicology and safety of apple polyphenol extract”.
Food and Chemical Toxicology. 2004, p959-967.
４）田中福代、岡崎圭毅 他. “リンゴみつ入り果の官能特性と香味成分プロファイルおよびその形成メカニズム”. 日本食品科学工学会誌. 2016, p101-116.
５）新妻和敏、山内富士男、小野美代子. “ナツハゼ果
実中のペクチン含有量は、採取時期や加工処理条件
により変化する”. 東北農業研究. 2009, p223-224.
６）竹内正彦、白澤隆史、滝沢潤、後藤哲久. “長野県オリジナルリンゴ品種（‘シナノスイート’、‘秋映’及び‘シナノゴールド’）の果汁への加工適性”. 日本
食品保蔵科学会誌. 2015, p65-69.

県産果実を利用した加工品開発を促進するため、本研究では県産リンゴ８品種の成分や物性、機能性を調査し、総合的な加工適性を評価することを目標とした。

- 125 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

木製履物の設計のための FEM 解析の評価
Evaluation of FEM analysis for wood footwear design
会津若松技術支援センター 産業工芸科 齋藤勇人 出羽重遠
応募企業 佐原桐材店
FEM 解析を使用した木製品の設計を行うことを目的に、実試験(DIC)と FEM 解析の結果を比較する手法で木製品に対する FEM 解析の有用性を評価した。小試験片の圧縮試験では DIC
によるひずみ測定結果と FEM 解析の結果の両者に傾向の一致が確認でき、木繊維と直交す
る方向のひずみの集中位置は木材の割裂破壊の位置と同じであった。また、実製品に荷重を加える境界条件を指定した FEM 解析の結果から得られる木製品の各部の変位は、DIC による変位の測定結果と傾向が一致した。
Key words: 木製品、FEM 解析、DIC

１．緒言
応募企業の佐原桐材店では桐下駄の進化形の履物の開発に取り組んでいる。その履物は内部が空洞になった構造（図１）になっており、木製の履物ながらクッション性を有している特徴がある。
（特許番号：特許第６３４５３６２号）しかし、履物の形状は実際に製作してみて強度や使用感を確かめながら試行錯誤で決めているため、製品開発に非常に手間がかかっている。

わみをどの程度に想定して設計すれば、履物が適度なクッション性を得ることができるのかが不明であった。
つまり、履物の FEM 解析による設計の指標が明らかでないことが理由で、取り組むことができなかった。
そこで本技術開発では、木製履物の製品開発のスピ
ード向上及び品質向上に資することを目標として、木質材料を素材とした実物の履物について、実際に荷重を加える実試験を行って設計の指標を得るとともに、その実試験の結果と FEM 解析の結果の一致性を確かめることとした。FEM 解析と実試験の結果に一致性が得られるのであれば、従来からある製品試験で強度や使用感を確かめる製品開発に、FEM 解析を活用することが可能となる。

２．実験
図１ 開発している履き物の例

そこで、応募企業は有限要素法（Finite Element
Method; FEM）解析を使用した手法で形状のブラッシュ
アップを効率的に行い、新製品開発のスピードアップを図りたいと考えた。コンピュータシミュレーション
で応力や変形・ひずみの計算などの構造計算を行う
FEM 解析は、工業製品の設計の精度向上には欠かせな
い技術である。FEM 解析の結果を利用すると製品試験を模擬できるため、試作回数の削減や、過剰設計の抑制、トータルの工期の短縮化が期待できる。しかし、木製品を対象にして FEM 解析を行うことは福島県内の木製品加工業者の間ではあまり普及していない。木材は繊維が束ねられた構造になっており、金属やプラス
チックなどの均質な材料とは異なり、部材の方向によって機械物性が異なるため、解析条件や、実際と解析結果の一致性などのノウハウ的な情報に乏しいのが現状であった。
また、履物に荷重が加わったときに各部に生じるたFEM 解析を使用した木製品の設計を行うことを目的に、実試験と FEM 解析の結果を比較する手法で木製品に対する FEM 解析の有用性についての評価を行った。
実試験では精密万能試験機による圧縮試験を行うと同時にデジタル画像相関法（Digital Image Correlation;
DIC）を使用してひずみ測定を行った。一方で、FEM 解析については解析ソフトウェア群“ANSYS”（ANSYS 社
製）を使用して実施することにした。DIC は測定対象の変形前後の画像を解析演算することでひずみ・変形を計測する手法である。木質材料に DIC を使ってひずみ測定を行った例 1)、2)はあり、いずれもひずみゲージの測定結果とよく一致している。
そこで、FEM 解析が木製品の設計に対しても有効であるか調べるために、単純化した小試験片について
FEM 解析と実試験の結果の比較を行い、一致性が良好であることを確かめたのちに、実際の履物の変形挙動について実試験と FEM 解析で比較を行い、実用性を確
かめることとした。

事業課題名「履物の変形挙動の解析とFEM 解析による設計の実用性の検討」[令和元年度][新製品・新技術開発促進事業]- 126 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

２．１．小試験片の圧縮試験
図２の形状のコの字型試験片について木繊維の走る
方向を変えた２種類を製作した。この試験片の開口端から 5[㎜]の位置を中心として、
半径 5[㎜]の半円筒型の治具でクロスヘッドの送り速度 1[㎜/min]で圧縮した。
試験には精密万能試験機（島津製作所製 Auto Graph
AG-10kNE）を使用し、このときに圧縮中の試験片をカメラ撮影して、DIC によるひずみの測定を行った（図３）。なお、ANSYS に入力する材料物性は直交異方性材
料として、物性値は文献値を補足して対応した（表１）。
金属やプラスチックなどの均質の工業材料と木材が、機械物性面で大きく異なるのが、この直交異方性材料である点にあり、セルロースを主成分として作られた木繊維が、接着剤の役割を果たすリグニンにより年輪状に束ねられて木材を造っているために、繊維の走る方向と、繊維に直角する方向かつ年輪に直交する方向、年輪の接線方向の３方向で機械物性が著しく異なる。
試験片を木繊維の方向を変えて２種類製作したことも、
このような理由による。
表1

FEM 解析用の桐の材料物性

記号

概要

物性値

𝐸Ⅼ

ヤング率 L 方向（繊維方向）5880[MPa]※1

𝐸𝑅

ヤング率 R 方向（半径方向）

580[MPa]※1

𝐸𝑇

ヤング率 T 方向（接線方向）

245[MPa]※1

𝜇𝐿𝑅

ポアソン比 LR 面（柾目面）

0.4

※1

𝜇𝑅𝑇

ポアソン比 RT 面（木口面）

0.69

※2

𝜇𝐿𝑇

ポアソン比 LT 面（板目面）

0.6

※1

𝐺𝐿𝑅

せん断弾性率 LR 面（柾目面）

512[MPa]※3

𝐺𝑅𝑇

せん断弾性率 RT 面（木口面）

376[MPa]※3

𝐺𝐿𝑇

せん断弾性率 LT 面（板目面）

118[MPa]※3※1 木材工業ハンドブックより引用 3)および単位換算した。
※2 広葉樹 20 種類の平均値を採用した。4)※3 以下の実験式から推定した。4)
𝐺𝐿𝑅 ⁄𝐸𝐿 = 0.087，𝐺𝐿𝑇 ⁄𝐸𝐿 = 0.064，𝐺𝑅𝑇 ⁄𝐸𝐿 = 0.020

精密万能試験機

カメラ撮影

図３ 測定機器

２．２．履き物の変形挙動の解析
佐原桐材店提供の履物を精密万能試験機（島津製作所製 Auto Graph AG-2000E）にて図４に示す治具を使って圧縮試験を行った。この治具にはバネを使用した
簡易の荷重計を２つ取り付けてあり、これらの圧縮量
をカメラ画像より測定することで２か所に作用している荷重を推定できるようにした。また、木材に直に接する部分を金属などの硬質な材料にしてしまうと、木材に部分的な永久変形を生じさせてしまい、FEM 解析の結果と比較する場合に不都合が生じると考えられる
ため、接触面には半径 20[㎜]の半円筒形状のウレタン
発泡材を取り付けた。なお、圧縮試験では 30[㎜/min]のクロスヘッドの送り速度で最大 700[N]の荷重がかかるまで圧縮し、この試験と同時に DIC によるひずみ測定を行い、荷重が加わった時の履物の変形挙動の確認を行った。試験品の履物は図５の試験写真に示す形
状で、かかと部分が切り離されていてたわみやすい構造となっており、踏み面に荷重がかかると片持ちで変形しながら、くびれ部分と切り欠き部分が上下で接触
してストッパーの役割を果たし、大きく変形するが亀裂などの物理的な破壊が生じにくい構造になっている。
なお、２か所で荷重を加えて変形を確認する意義は、
歩行時の足裏圧力の時間変化例の報告５）を参考にして
歩行の１コマを考え、２か所にピークが得られる圧力分布を想定した。このとき DIC で得られた結果１コマの変位と荷重の条件をもとに FEM 解析を行った。

図２ コの字型試験片

図４ 圧縮試験に使用した治具- 127 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

影を行って DIC によるひずみ測定を実施した。特徴が現れた水平方向のひずみを表示させた結果を図７の上の図に示す。図６の結果と対照的に圧縮した辺の上面に圧縮のひずみ、その下面に圧縮のひずみのピークが現れ、圧縮した辺の付け根部分を引き裂く方向に作用していることがわかる。また、実際に破壊まで圧縮す
ると、図７の右下の図のように DIC により水平方向のひずみが集中している位置で引き裂くように破断した。
このときの状態を、下面を固定、実試験と同じ圧縮位
置に同じく治具の解析モデルを作成して、1[㎜]の強制
変位の境界条件で FEM 解析したところ、図７の左下のように DIC によく類似したひずみの分布がみられた。

図５ 圧縮試験の様子

３．結果と考察３．１．小試験片の圧縮試験
２種類のコの字型試験片について、それぞれ実試験と FEM 解析の結果を比較した。まずは木繊維が水平方向に走った試験片について、試験機にて圧縮荷重を加える実試験と同時にカメラ撮影を行って DIC によるひずみ測定を実施した。特徴が現れた鉛直方向のひずみを表示させた結果を図６の上の図に示す。ひずみはコの字型の外周側で引張ひずみ、内周側で圧縮のひずみが生じており、試験片を上下で引き裂く方向に作用していることがわかる。
実際に破壊するまで圧縮すると、
図６の右下の図のように DIC により鉛直方向のひずみが集中している位置で引き裂くように破断した。このときの状態を、下面を固定、実試験と同じ圧縮位置に同じく治具の解析モデルを作成して、1[㎜]の強制変位の境界条件で FEM 解析したところ、図６の左下のように DIC によく類似したひずみの分布がみられた。

DIC

木繊維の方向水平方向のひずみを表示

FEM

DIC

破壊の様子

図７ 木繊維が鉛直方向の場合の試験結果
木繊維の方向

実試験[N]

400

鉛直方向のひずみを表示

350

繊維方向が水平向き

300

繊維方向が鉛直向き

250
200
150
100

FEM

50

破壊の様子

クロスヘッド送り速度1[mm/min]

0
0

50

100

150

200

250

300

350

400

FEM解析[N]

図８ FEM 解析と実試験の荷重の比較

図６ 木繊維が水平方向の場合の試験結果

また、木繊維が鉛直方向に走った試験片について、試験機にて圧縮荷重を加える実試験と同時にカメラ撮

さらに FEM 解析上で 1[㎜]の圧縮の計算を１０分割して計算し、実試験も 10[N]の荷重が加わったところを原点として 0.1[㎜]間隔で、それぞれ治具にかかる反力を比較した結果を図８に示す。実試験と FEM 解析
で治具にかかる反力は、加わった荷重の大きさにあまり左右されずに、
50[N]以内の差分の範囲で一致してい- 128 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

変位量[㎜]ることを確認した。木製品の製品開発においては最終
表２ DIC の結果
的に製品試験が要求されていることを考慮すると、こ開始時からの推定されるの差分の範囲で結果が一致していることは、FEM 解析
2 点間の概要
変化量[mm]
荷重[N]の結果が製品開発の効率化に寄与するに足ると考える。
このように木繊維の方向の異なる試験片では、異な①前スプリングの圧縮量-18.82233.7
るひずみの分布および破壊挙動を示したが、いずれも②後スプリングの圧縮量
-8.97
351.6
適切な材料物性をもとに FEM 解析を行うことで、実試
③つま先側
-0.45
験と類似した解析結果を得られることが分かった。ま
④くびれ
-1.57
た、木繊維の方向と直交した方向のひずみは木材の割
⑤かかと側
-6.35
裂に関係があることが実験結果として示された。この知見は木製品の破壊箇所の予測に生かせるため、設計
FEM 解析の３Ｄモデルには３Ｄスキャナを使用して段階での形状のブラッシュアップの工程において非常試験品の履物から取得した点群データを基にサーフェに有用に活用できると期待される。
スモデルを作り、さらにリバースエンジニアリングソ
フトウェアである Geomagic DesignX（3D Systems 社製）
３．２．履き物の変形挙動の解析に取り込んでデータの修正および簡略化した。
その後、試験品の履物の実試験（DIC）を行い、図９に示す２データをIGES 形式へ変換したのちにANSYS へ取り込み
点間５組の荷重を加えているときの変位を測定した。
解析した。
その２点間５組の変位の測定結果を示したのが図１０
３．２．１．変位指定の境界条件による計算であり、試験開始から約１５秒後に④くびれや⑤かかFEM 解析の境界条件は、つま先部分の接地面を固定、と側の区間に変曲点がみられるが、この理由は、くび
かかと部分の接地面を変位指定（鉛直方向に 0[㎜]、れの部分で接触が生じて変形のモードが変化したこと
他をフリー）とし、くびれ部分とかかと部分は接触問による。試験終了まで片足で全体重を支える 700[N]を題が生じると思われるので、摩擦なし接触の条件を指加えたことから、図１０の試験終了直前にあたる 87
定した。また、解析モデルのつま先側の加重位置の変秒の位置を比較位置として各区間の変位を読み取った
位を 0.45[㎜]、
かかと側の加重位置の変位を 6.35[㎜]結果を表２に示す。
この値をもとに FEM 解析を行った。 として試験的に計算したところ、くびれ部分の接触は生じず、実試験と FEM 解析の結果が大きく異なった。
この原因は３Ｄスキャナから得たデータをもとに、サ
ばね乗数
前：6.21[N/mm]
ーフェスモデルを作り直す簡略化の処理を行ったため、後：19.60[N/mm]
実物形状と解析モデルの形状に差異が生じてしまった
撮影は１秒 2 コマことであると考えられる。特に、くびれ部分の隙間の形状は精密さを要求すると考えられ、２点で変位を指①前スプリング②後ろスプリング定する計算では実際の状態を再現することは困難である。
④くびれ
３．２．２．荷重指定の境界条件による計算
３．２．１．と同様の拘束の境界条件で、つま先側
⑤かかと側
③つま先側
の加重位置に 233.7[N]、かかと側の加重位置に351.6[N]の荷重を加える条件で計算したところ、くび
図９ DIC による変位の測定位置
れ部分の接触が生じて、実試験の結果と同じモードの変形が得られた。また、FEM 解析上の荷重の境界条件30に対応する反力は、つま先側 248.4[N]、かかと側①前スプリング②後スプリング
352.8[N]となり、DIC から推定した値とよく一致する
20③つま先側
結果が得られた。さらに、その時の FEM 解析により計
④くびれ
10
⑤かかと側
算された変位を表示したところ図１１となり、つま先
比較位置
0の負荷位置の変位で約 0.27[㎜]、かかと部分で約5.1[㎜]の変位と、表２に示す DIC の結果とそれぞれ-10
0.18[㎜]、1.25[㎜]小さい値が得られたが、木製品の
-20
87
0
20
40
60
80
100
設計に使用することを考慮すると、十分に使用可能な-30
結果と考えられた。また、この FEM 解析の結果の傾向
試験開始からの時間[秒]は、つま先と下半分の変位は１[㎜]以下となって、上
図１０ DIC による 2 点間の変位量- 129 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

半分はつま先からかかとにかけて段階的に変位量が大きくなっており、DIC から得られた変位の測定結果（図１２）の傾向ともよく類似した。

による木繊維と直交する方向のひずみの集中が木材の割裂に寄与する因子であると直感的に理解できることから、木製品の破壊箇所の予測にも役立つことが分かった。
② 木製の履物の実試験（DIC）の結果を商用の FEM 解析ソフトに落とし込んで計算を行ったところ、変位による境界条件では、実試験の状態を再現できず、荷重による境界条件では実用に耐える結果が得られた。変位による境界条件が実試験を再現しなかった理由は、用意した解析モデルが実物形状と微妙に差異があったことが原因と考えられた。
参考文献
１） 田村功二，増田稔，宇京斉一郎.デジタル画像相関法による木材のひずみ分布解析.可視化情報学
会論文集,Vol.25,No.9,2005,p.57-63.
２） 並木博一.デジタル画像相関法を用いた木材の割裂性状に関する研究.日本工業大学研究報告,第45 巻,第 1 号,2015,p.217-220.
３） 林産試験場.木材工業ハンドブック.丸善株式会
社,第 5 版 4 刷,1970,p.163-165.
４） 澤田稔.木材の変形挙動.「材料」,第 32 巻,第 359号,1983,p.2-11.
５） 井上勝夫，木村翔，前原暁洋，渡辺秀夫，松岡明彦.床歩行時の足裏各部の衝撃力特性.日本建築学会計画系論文集,第 477 号,1995,p.1-10.

図１１ FEM 解析による変位の計算結果

図１２ DIC による変位の測定結果

DIC の結果を確認しながら、同じ結果が出るように変形挙動を FEM 解析で再現する検証作業を行った結果、変位による境界条件の指定を行った FEM 解析の結果では、実物形状と解析モデルの差異が原因して、実用に耐えうる一致性で変形挙動を再現することができなかった。
一方で、荷重による境界条件の指定を行った FEM 解析の結果では、解析モデルに少々の差異があっても目的の変形挙動を実用可能な程度まで再現することができた。荷重条件で計算を行って実用的な結果が得られることにはメリットがあり、履く人の体重を想定した上で設計条件を設定することができると考える。
また、歩行時の足裏の圧力分布は知られているところなので、この条件を FEM 解析に落とし込むことで設計を行えることが示唆された。

４．まとめ
本事業では木製品について FEM 解析を使用して設計することを検討し、以下の結果が得られた。
① コの字型の小試験片の圧縮・破壊試験を行い、実試験（DIC）によるひずみ測定の結果と FEM 解析の結果に類似性が得られた。また、この結果から DIC- 130 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

デジタルファブリケーションによる伝統工芸品の製造手法の提案（第２報）
3D Proposal of manufacturing method of traditional crafts by digital fabrication( 2nd report )会津若松技術支援センター 産業工芸科 堀内芳明 出羽重遠
本研究は、伝統産業の今後の技術継承に向けて、３Ｄスキャナ等で測定したデータをもとに、３D プリンタ等のデジタルファブリケーション機器と職人の手仕事を組み合わせたデジ
タル製造技術を提案することを目的としている。今年度は県内２企業の協力を得ながら、製造現場で試作品の製作及び成形実験を行い、量産化に向けての製造方法を確立した。
Key words: 伝統産業、デジタルファブリケーション機器、３Ｄモデリング、

１．緒言
県内の伝統産業界では、職人不足による生産数の減
少や後継者不足のため技術の伝承が困難になりつつあるという問題が顕在化している。
本研究では、伝統工芸品を中心に３Ｄスキャナ等で３次元データを取得し、そのデータをもとに、ＮＣ加工機や３Ｄプリンタ等のデジタルファブリケーション
機器を活用して、職人の手仕事を組み合わせた、伝統産業向けのデジタル製造技術を提案することを目的としている。
また、本研究事業は、これまでデジタル製造技術を活用したことがない県内の伝統産業界に対して、デジタル製造技術の有効性の理解と導入を促進させることもねらいとしている。導入を促進させるためには、研究活動と日々の技術支援等を通して活用事例を増やし、活用範囲の幅を広げ、デジタル製造技術の敷居を下げることが必要である。そのためには、県内の様々な伝統産業の製品を対象とした開発事例作りが重要であると考える。
今年度は、量産化に向けて、製造現場での試作と実験を行った。また、開始から２年間で得たノウハウや成果を普及するため、県内の伝統産業界を対象にした、
３Ｄスキャナの基礎知識を解説する講習会と本研究事業の成果中間発表会を開催した。

活用し、精度を求めるものや複数の部品と組み合わせるものは、取得した３次元データを参考に新たに３Ｄモデルを作成した。

３．試作と結果製作するものとして、蓮華座とだるまを選定した。
協力企業と打ち合わせを行いながら、量産化に向けて試作と実験を行った。
３．１．蓮華座の試作
３．１．１．試作
位牌の部品の一つである蓮華座は、他の部品と組み合わせるため精度が必要な部品であるため、Ｘ線ＣＴを用いて取得した蓮華座の３次元データを参考に３Ｄ
ＣＡＤソフトウェアの Robert McNeel & Associates
製 Rhinoceros 5 を使用して、加工用データを作成した。加工用データの作成方法は以下の通りである。蓮
華座を上面から見ると上下左右対称の形状をしている
ため、図１のとおり４分の１の形状を作成し、上下左右の反転複製を行い全体の形状を作成した（図２）。

２．製造手法図１ 4 分の１の形状

製造手法は、選定した伝統工芸品の製造工程を伺い、デジタル製造技術を導入できる可能性のある工程を協
力企業と協議しながら研究を進めた。３ＤスキャナやＸ線ＣＴを用いて３次元測定し、取得した３次元データを導入が想定される工程やその後の工程等を考慮してデータの編集を行う。編集したデータをデジタルファブリケーション機器で試作を行い、協力企業の製造工程への導入を検証する。
データの編集では、精度を余り求めないものや単品で製品になるものは取得した３次元データをそのまま

図２ 全体の形状

各々の花びらの作成は、花びらの中心を通る筋に当たる部分の稜線とその稜線から鉛直方向に伸び、花びらに膨らみを与える稜線、花びらの形状を決める外形線を作成する。その後、作成した線群を元に花びらの形状を作成した。また、線対称の形状をした花びらは片側の形状を作成し、その形状を反転複製することで形状を作成した。作成した加工用データを製造現場のＮＣ加工機で読み込み、製品に使用する木材を用いて試作を行った（図３）。

事業課題名「3D スキャナを活用したデジタルデザイン製造技術の確立」[平成３０～令和２年度][基盤技術開発支援事業]- 131 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

図３ 実製品に使用する木材を用いた試作品

３．１．２．改良
試作品の仕上がりを目視で確認したところ、蓮華の花びら６か所に凹みの筋が入っていた。作成した加工用データも併せて確認したところ、同様の凹みを確認した。製品の仕上げ工程を考慮すると、形状が凹んでいるより、膨らませて厚みを持たせた方が良いとのことで、加工用データの修正を行った。当所にて、凹みの原因となった膨らみを与える稜線の角度を外側に向
く角度に修正し、形状を作成した（図４）。

３．２．１．改良
協力企業に試作した量産用型の仕上がりと剛性を確認したところ、代替品として利用可能とのことであり、より簡単に量産用型の製作のために、型の厚みを薄くして、金網を張らない量産用型の開発を行った。型の
厚みを 10[mm]から 5[mm]に変更した。水の吸引の減圧に耐えるか実験を行うために、だるまの高さを 45[mm]にした量産用型を設計し、３Ｄプリンタを使用して試作を行った。水抜き穴の直径が小さかったことにより、穴の内側にサポートが成形されなかったが、穴の貫通具合にばらつきがあったので、全ての水抜き穴に千枚通しを通して貫通させた。製造現場で、容易に実験ができるように、専用の木製外枠も設計し、製作を行った（図６）。

図６ 改良した量産用型と木製外枠

今後、修正したデータを使用して、協力企業にて実際にＮＣ加工機での試作と試作品に表面加飾を施し、品質の確認をする予定である。

３．２．２．成形実験
製造現場にて改良した量産用型を使用して、だるまの成形実験を行った。型の厚みを薄くした量産用型でも、水の吸引の減圧に耐え、だるまを成形することができたが、成形されただるまは原材料のパルプが水抜
き穴に入り込み、だるま全体に刺状の突起がついた形状になった（図７）。

３．２．だるまの量産用型の製作
初年度は、だるまについて３Ｄスキャナを用いて３次元測定を行い、取得した３次元データを元に３Ｄプリンタ（Creality 製 CR-10 S4）を使用して、従来の量産用型の再現方法を確立した（図５）。また、量産用型の製造工程を短縮するために水抜き穴を自動で配置するプログラムを Rhinoceros 5 のプラグインである
Grasshopper で新たに開発した。

図７ 成形されただるま

図４ 凹みの筋の修正

図５ 量産用型の試作品

３．２．３．水抜き穴の大きさの実験
突起の原因は、水抜き穴の直径が大きいために、原材料が水抜き穴に入り込んだためである。そこで原材料が水抜き穴に入りこまない穴径を検討した。実験用型として、直径 0.7[mm]、0.8[mm]、0.9[mm]の水抜き穴を約 4mm ピッチで配列した各々の型を３Ｄプリンタで製作し、穴の貫通具合の確認と出力したものに水を入れ、水の通り具合を確認した。３Ｄプリンタの設定は、
水抜き穴の仕上がりの良さから、使用するフィラメン- 132 -

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

トを PETG から PLA に変更し、積層ピッチはこれまでと同様に 0.08[mm]に設定した（図８）。

図８ 実験用型

穴の貫通具合は、直径 0.35[mm]の３Ｄプリンタ用ク
リーニングニードルを各穴に通して確認を行った。
0.9[mm]の実験用型では、全ての水抜き穴にニードルを通すことができたが、その他の型はニードルが通らない箇所が多々あった。水の通り具合は、凹みに水を入れ水抜き穴からの水の出具合を確認した。0.9[mm]の実験用型では、各穴から水が沁み出した。その他の型では、内側から圧力をかけないと水が沁み出さなかった。
今後、水抜き穴径が 0.9[mm]の量産用型を製作し、製造現場でだるまの成形実験を行う。

伝統工芸分野での３Ｄスキャナの活用方法を解説いた
だいた。その後、研究成果中間発表として、県内の伝統産業における手仕事とデジタル製造技術を組み合わせた商品開発の可能性と南相馬技術支援センターで行ったＸ線ＣＴを使用した３次元測定の事例紹介を行った。
本研究事業に協力いただいた幾つかの県内企業の中には、事業を切っ掛けとして、従来の製造技術に加え、新しい製造技術の確立のために、３Ｄスキャナやデジ
タルファブリケーション機器を活用したデジタル製造技術の先行開発事業が立ち上がった。今後、事業が進めば、企業独自の製造技術が確立され、様々な製品に活用される可能性がある。本研究事業は、特定の製品の製造技術開発であるが、協力を切っ掛けとして企業内で事業立ち上げまで繋がった。
今回研究している伝統産業へのデジタル製造技術の導入は、製造工程の削減や安定した品質の製品を製造に繋がる。全て手仕事で行っていた製作工程の一部を
デジタルファブリケーション機器に任せることにより、手仕事を必要とする仕上げの工程などに、多くの時間をかけることができようになるため、より質の高い製品を製造できる利点がある。

謝辞
本研究を遂行するにあたり、様々なご協力をいただ
今年度は、蓮華座では、作成したＮＣ加工用データ
きました県内の協力企業の皆様と講演会講師を引き受を用いて製造現場での試作を行った。試作品に不具合けていただいた株式会社ケイズデザインラボの大関淳のある箇所があったため加工用データの修正を行った。 也様に感謝申し上げます。
今後、修正したデータを用いて、協力企業が量産化に向けて製品開発を行う予定である。
参考文献
だるまの量産用型の製作では、より簡単に量産型を
１）堀内芳明, 出羽重遠. デジタルファブリケーショ
製作するために、金網を不要とする改良を加えた量産ンによる伝統工芸品の製造手法の提案, 平成３０年
用型の試作を行った。３Ｄプリンタで出力した試作の度福島県ハ イテクプラザ試験研究報告書, 2019,
量産用型でだるまの成形はできたが、水抜き穴にパル
p.123-125.
プが入り込み、だるま全体に刺状の突起が付いたことから、パルプが入り込まない水抜き穴を開発するために実験を行い、水が沁み出してくる穴径を検証した。
今後、実験結果を元に、水抜き穴の径を変更した量産型の設計及び試作を行い、製造現場での成形実験を行う予定である。
また、デジタル製造技術の普及のために、令和２年２月２１日に、平成２９年度から整備してきたデザイ
ン支援関連機器（３ＤＣＡＤ搭載ＰＣ、レーザー式精密加工機、卓上ＮＣ加工機等）に加え、今年度、新規導入したフルカラー３Ｄハンディスキャナの機器利用講習会及び研究成果中間発表を行った。会津地域の企業を中心に２１名の参加があった。機器利用講習会は、（株）ケイズデザインラボの大関淳也氏を講師に招聘し、３Ｄスキャナの方式や３次元データの種類等の基
礎的な知識と３次元測定後の３次元データの編集方法、

４．結言- 133 -

福島県ハイテクプラザ試験研究報告
令和元年度（２０１９年度）
令和２年７月発行
令和３年７月改訂
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