論文

セラミックス基盤工学研究センター年報（2011）．Vol．11，7-13

強化磁器食器の衝撃試験におけるバックストップの影響−皿形状試料について−
林亜希美 *,**・柘植英明 ***・倉知一正 **・水野正敏 **・安達信泰 *・太田敏孝 ** 名古屋工業大学セラミックス基盤工学研究センター〒 507-0071

岐阜県多治見市旭ヶ丘 10-6-29** 岐阜県セラミックス研究所〒 507-0811

岐阜県多治見市星ヶ台 3-11*** 岐阜県機械材料研究所〒 501-3265

岐阜県関市小瀬 1288

Effect of Backstop for Strain and Deformation Behavior on Strengthened
Porcelain Plate upon Impact Test
Akemi Hayashi*,**, Hideaki Tsuge***, Kazumasa Kurachi**, Masatoshi Mizuno**,Nobuyasu Adachi*, Toshitaka Ota*
*Ceramic Research Laboratory, Nagoya Institute of Technology
10-6-29, Asahigaoka, Tajimi, Gifu, 507-0071 JAPAN**Gifu prefectural Ceramics Research Institute3-11 Hoshigadai Tajimi Gifu, 507-0811 JAPAN***Research Institute for Machinery and Materials Gifu Prefectural Government
1288, Oze, Seki, Gifu, 501-3265 JAPANAbstract
The impact strengths of strengthened porcelain plates were evaluated using an impact examination machine based on JIS S 2402.
A strain waveform developed upon impact was measured by a strain gauge adhered to the inside surface on the porcelain plate.
The deformation of the porcelain plates was observed by high-speed camera. The strain waveforms showed two noteworthy peaks.
The first peak was found to be caused by the initial impact, and the second peak was found to be caused by the restorative force
generated by the deformation of plate, which acted as a backstop. The high-speed camera also revealed that the plate re-collided
with the hammer or pushed the hammer again as the plate returned to its original shape and position, resulting in the second peak.
The variation of the strain waveform was found to be related to the size of plate and the open angle of the backstop.

1. 緒言

む陶磁器製の食器はほとんど使われていなかった。しか強化磁器食器は一般の磁器食器よりも 2 倍から 3 倍のし、情操教育の観点やプラスチック製食器での環境ホル強度をもつ食器として現在市販されており、学校給食やモンの溶出の可能性が指摘されたことから強化磁器食器レストランなどでの使用が増えている。この強化磁器はの使用率は徐々に増加し、平成 18 年度の調査では 33％原料粒子の微粒子化やアルミナの添加によって曲げ強度を占めるようになっている。強化磁器はまた衝撃強度をの向上が行われている。市販されている強化磁器のうち高めるという点でリム部（食器縁部）に丸みを持たせて学校給食で使われているものでは 200MPa 〜 300MPaいる製品も多い。

1)の強度を示す 。また一般の磁器は 70MPa 〜 100MPa

一般的に食器の強度は曲げ強度と衝撃強度で評価されを示すことが多い。文部科学省の調査では学校給食におる。強化磁器の強度に関する研究はこれまで曲げ強度でいては平成 3 年ころまではアルマイトやステンレスな多く行われてきたどの金属製の食器が 50％以上を占め、残りがメラミン、少なかった。

ポリプロピレンなどのプラスチック製で、強化磁器を含2)-6)。しかし衝撃強度に関する研究は実際の食器は落下や食器洗浄機中、運搬などでの衝撃−7−

強化磁器食器の衝撃試験におけるバックストップの影響的な力を受けることによって破損が生じる。そのため衝に引っ張りひずみが発生した。この４カ所では内側横方撃試験は食器の製品強度を考える上で重要である。近年

向が一番大きな応力を示した 11)。また、食器縁部円周

では、先ほど述べたように給食用食器などに強化磁器食方向では大きな引っ張りひずみが打点とバックストップ器の導入が増加したことで、食器の衝撃強度に関する試接点で発生する。打点でのひずみ波形は食器形状によっ験依頼が各地の試験機関で増加した。そこで陶磁器に関て異なり特徴的な 2 つのピークを示す 11)。そしてボーする研究を行う公設試験機関と共同して強化磁器の衝撃

ル形状試料について衝撃試験時に発生するひずみ波形に7)ついて詳細に検討した結果、ファーストピークは食器と試験方法の規格化に取り組んだ 。
8)は強化磁器の衝撃試験結果について統計的なハンマーの衝突により打点付近で局所的に発生し、セカ検討を行い、その分布が正規分布に従う事などを示した。

ンドピークは変形した試験体全体からの復元力が固定さ

蒲地ら

9)

らは破面解析を行った結果から衝撃試験時のれたバックストップの存在のために反作用の力としては破壊が打点位置における引っ張り応力が起点となっていね返る時、ハンマーに再衝突するために生じることを明ることを示している。秋月らは応力解析を用いて、打点らかにした 12)。また、蒲地らもバックストップの開きまた蒲地内側が破壊起点であることを示した。

10)角の影響がボールと皿で異なることを報告している 13)。

さらに、公設試験機関と共同で行った共通試験の中で、衝撃試験では衝撃強度がハンマーモーメントや後部支持そこで本報告では皿形状試料について衝撃試験時に発生するひずみ波形について詳細に検討した。

具、食器形状、固定重量などの測定条件の影響を受ける事が示されたが、なぜ影響を受けるのかについては不明

2．実験方法7)-8)

大きさの異なる 2 つの市販強化磁器食器の皿を試料のまま残された。

これまで我々は衝撃試験時に強化磁器食器に発生するとして用いた。この 2 つの皿のうち直径 139mm の試ひずみについてひずみゲージを用いて様々な測定を行っ料を皿 1、直径 169mm の試料を皿 2 と表記することてきた。その結果、打点の内側外側、縦方向、横方向をとする。用いた試料は同じ材質、同じ焼成条件で作ら比較すると、内側横方向に引っ張りひずみ、外側横方向れ、サイズのみが異なる市販品である。Table1 に試料に圧縮ひずみ、内側縦方向に圧縮ひずみ、外側縦方向の特性を示す。曲げ強度は日本セラミックス協会規格

Table 1 Features and properties of the strengthened porcelain

Diameter(mm)

Height(mm)Weight(g)FlexuralStrength(MPa)Bulkdensity(g/cm3)

Porosity(%)

Young’smodulus(GPa)

ImpactStrength(J)plate 1(small)

139

31

130

244

2.80.051220.41plate 2(large)

169

39

233

257

2.80.04123

0.79

A field of view byhigh speed camera

contact points with backstops
Bβα

SHT

B
Impact point(b) top view(a) front viewFig. 1 Schematic illustration of impact test.:(a) front view (b) top view ( S:Test specimen, B:back stop ,H: hammer , α: open angle, β:apex angle)−8−林

亜希美・柘植英明・倉知一正・水野正敏・安達信泰・太田敏孝

Table. 2 Peak time and time lag on impact pointFirst peak

Second peakTime lag between
first peak and second peak

Bowl 10.5msec

1.2msec

0.7msec

Bowl 20.5msec

1.5msec

1.0msec

Plate 10.5msec

1.0msec

0.5msec

Plate 20.5msec

1.3msec

0.8msec（JCRS203-1996：食器用強化磁器食器の曲げ強さ試験方法）により切り出し試験片を用いて行った。嵩密度、KFG-3-120）、動ひずみ計 ( 共和電業製 DPM713B)、オシロスコープ（LeCroy 社製 , WaveSurfer 422）を用い

気孔率はアルキメデス法で弾性率は超音波パルス法を用て測定した。ひずみは次に示す条件で測定を行った。測いて測定した。Table1 に示した様に用いた食器は嵩密

定レンジは 1k-με、ローパスフィルターは 1k Hz とした。

度、気孔率曲げ強度、弾性率はほぼ同じであるが、衝撃ひずみゲージは試料の打点（impact point）とバックス強度が大きく異なっている。 Table1 に示した衝撃強度

トップとの接点 (contact point) の内側横方向に貼り付けはリサーチアシスト社製の衝撃試験機（RA-112）を用た。この 2 点は縁部円周で最も大きなひずみが発生すいて JISる場所である。

S 2402 に基づいて行った。衝撃試験方法の模式図を Fig.1 に示す。試験手順を示す。まず、バックストップの間に試料を設置する。次に 1 回目の打撃を0.04J まで振り上げ行う。試料に破損が見られなかった
場合には、1 回ごとに 0.02J 振り上げエネルギーを増加

11)

衝撃試験の間に起こる食器の変形とハンマーの動きを観察するために高速度カメラ (photron FASTCAM SA
MRPG Model 120k-3M) を用いて撮影を行った。撮影速度は 10,000 fps とした。

させ破損するまで打撃を行う。破損したときの振り上げエネルギーを衝撃強度とする。バックストップの開き角３．結果及び考察は 120° とした。さらにバックストップの開き角を 90°、Fig.2 に打点での皿 1、皿 2 それぞれのひずみ波形を示す。2 つの特徴的なピークがひずみ波形に計測され120°、150° と変え測定を行った。Fig.1 の β の角度を15°、30°、45° とすることで開き角 α を変えた。ハン
マーは重量 180g のものを使用した。ひずみ測定時の振り上げエネルギーは 0.2J とした。このエネルギー値はTable1 に示したようにどちらの皿でも破損するエネルている。ファーストピークは皿のサイズにかかわらず0.5msec 付近にほぼ同じ値でみられるが、セカンドピー
クは皿のサイズに依存して異なる時間 ( 皿 1:1.0msec,皿 2:1.3msec)、大きさで現れた。
ファーストピークとセカンドピークの時間差は皿 1 で皿 2 では約 0.8msec である。セカンドピーは約 0.5msec、クのひずみ量は皿 1 の方が 皿 2 よりも大きい。上記のギーよりも十分小さい値である。ひずみ測定中に食器は破損を起こさない。
試料に発生するひずみはひずみゲージ ( 共和電業製

Table. 3 Peak time and time lag on contact point.

First peak(Delay timefrom impactpoint)

Second peak

Bowl 10.85msec(0.35msec)

1.55msec(0.35msec)

0.7msec

Bowl 2

1.0msec(0.50msec)

2.0msec(0.50msec)

1.0msec

Plate 10.75msec(0.25msec)

1.25msec(0.25msec)

0.5msec

Plate 20.9msec(0.40msec)

1.7msec(0.40msec)

0.8msec−9−(Delay time
Time lag between
from impact
first peak and second peakpoint)

強化磁器食器の衝撃試験におけるバックストップの影響

1000

1000

(a)

(b)(b)

800

600

Strain/10-6

Strain/10-6

800

400
200

600
400
200
00-200
-10

1

2-200
-1-1.030
0.0Time/msec

1
1.0
Time/ms
Time/msec

2
2.0

33.0

Fig. 2 Strain waveforms at impact point for (a)plate 1 small and (b) plate 2 large with backstops
1000

1000

(a)

600
400
200
0-200
-1.0(b)800
Strain/10-6

Strain/10-6

800

600
400
200
00.0

1.0
Time/msec

2.0-200-1.0

3.00.01.0Time/msec

2.03.0Fig. 3 Strain waveforms at the contact point with backstops for (a) plate 1 small and (b) plate 2 large.

ようにセカンドピークは直径の小さい方が早く現れる。

していた試料とハンマーは一旦離れる状態が起きた。そこの現象はボールでも同様であった。ボール 12) での結の後、皿 2(e’) において示されるように、Fig.4(e’) に示果と比較を Table 2 に示す。

すようにハンマーと試料が再び衝突していたFig.3 にバックストップ接点に現れるひずみ波形を示
それぞれ 0.75msec
す。皿 1 では 2 つのピークが見られ、と 1.25 msec である。皿 2 では 0.9msec と 1.7msec でFig.2 から Fig.4 に示した結果から皿 2 ではボールで検討したような 12)Fig.5 の模式図に示す変形がおきていハンマーると考えられる。Fig.5(a) は衝撃開始の瞬間で、ある。これらの接点でのひずみ波形においては、ひずみが試料に接触を始め、それより前の時間では食器にはひ波形のピークの現れる時間は打点でのピークが現れるずみは発生していない。ハンマーが皿を打撃した直後に時間から遅れが生じて現れている。その遅れは皿 1 では、打撃点において局所的にひずみが生じる（Fig.5(b)）。

0.25msec、皿 2 で 0.4msec である。バックストップ接続いて Fig.5(c) の様に打撃点のひずみは局所的、及び点でのひずみ波形もボールでの波形と同様の挙動を示

全体の変形に伴い、増加し、ファーストピークの最大すことが分かった。ボール

12)

及び皿でのピーク時間をTable 3 に示す。

値まで増加する。変形がバックストップまで伝わり、Fig.5(d) の様に皿の形状は円から楕円に変わる。そのと次に衝撃時における食器の変形及びハンマーの動き

きに試料はバックストップに衝突しバックストップ接点を調べるため、高速度カメラを用いて観察した結果をに Fig.3 に見られる大きなひずみが発生する。一方ハンFig.4 に示す。(a)、(a’) は試料とハンマーが接触を始めマーは、反対の方向に皿との衝突の跳ね返りで戻り始める。

た瞬間の写真で、この時点を衝撃試験の 0msec とし、皿 1 の場合には、皿がハンマーと接触したまま残っこの位置をハンマー位置のゼロ点とした。ハンマーにているのが高速度カメラで観察されているが、食器がもよって試料が押されることによって (a)〜(d) 及び (a’)〜とにもどろうする力は働いていると考えられる。皿に局(d’) の間はハンマー及び試料の縁は左方向に動いた。そ所的に発生するひずみによりおこる動きが、打撃点でのの後、ハンマーは (d)〜(h)、及び (d’)〜(h’) に見られるひずみ波形でのセカンドピークを起こしていると考えらように跳ね返って右方向に動いた。試料は皿 2(d’) に見れる。この場合、セカンドピークは、皿 2 よりも早く、られるようにハンマーにより、左方向に変位し、その後大きく現れる。皿 1 では皿 2 よりもバックストップ接元の位置に戻るように右方向に変位した。この場合接触点と打点（ハンマー接触位置）との距離が近く、反作用− 10 −

林亜希美・柘植英明・倉知一正・水野正敏・安達信泰・太田敏孝(a)0sec(a’)0sec(b)0.3msec(b’)0.3msec(c)0.5msec(c’)0.5msec(d)0.8msec(d’)0.8msec(e)1.0msec(e’)1.0msec(f)1.2msec(f’)1.2msec(g)1.5msec(g’)1.5msec(h)2.0msec(h’)2.0msec

Fig. 4 Photo images of bowl and hammer an impact point by high speed camera(a) to (h)plate 1 small, (a’) to (h’) plate 2 large.
− 11 −

強化磁器食器の衝撃試験におけるバックストップの影響

BSHB(a) At 0 msec(d) Around 1.0 msec(b) 0 to 0.3 msec(c) At 0.5 msec(e) Around 1.5 msec(f) Over 2.1 msec

:The direction of movement:The area of strain
Fig. 5 Exaggerated illustrations for the deformation of the plate 2 large on impact.12)

この様に合成した波形は Fig.2 で示した打点で計測さの力が早くハンマーに伝わる。そのためまだ打点に現れているファーストピークと反作用によるひずみが重なりれた波形とおおよそ同じである。

大きなピークが現れる。

またバックストップ開き角はまたひずみ波形に影響を11)

ピークは皿がバックストップによって支えられている

Fig.8 に開き角 αを変えた場合のひずみ波形を皿 1、皿 2 について示す。

ことによっておこると結論づけた。このことをさらにどちらの皿においてもファーストピークは開き角にかFig.6 の結果によって示す。Fig.6 はバックストップなかわらず、同じ時間同じ大きさで現れる。一方、開き角しでひずみ波形を測定した結果である。セカンドピークに依存して、異なる時間、異なる大きさで現れる。開き

ここまでの考察では、ひずみ波形に現れるセカンド与えることを既報において示した。

が現れないことが注目すべき点である。Fig.6 のひずみ角が大きくなるに従い、セカンドピークが現れる時間は波形は Fig.2 のファーストピークとおおよそ一致してお遅くなり、ひずみ量が小さくなる。この傾向もボールとり、言い換えると、ファーストピークは最初の打撃によ同じである。

12)

セカンドピークはバックストップがあることにより生る局所的なひずみ波形であり、セカンドピークはバックじるので、開き角が小さく、打点とバックストップ接点ストップによる衝突と変形のためである。

Fig.3 に示したように最初の打撃によって打撃点に起が近い場合にはセカンドピークは大きくなる。加えて、きる応力はバックストップ接点にひずみ波形を起こす。

打点とバックストップ接点が近い皿 1 は皿 2 と比較す

さらにバックストップとの接点に生じる新しい応力は打るとセカンドピークは早く、ひずみ量が大きく現れる。

撃点に次の応力を発生させると考えられる。バックストップによって生じるひずみ（ハンマーと皿の再衝突

4. 結論時のひずみ）Fig.3 のひずみ波形と同じであると仮定す

強化磁器食器皿の衝撃試験時のひずみと変形の挙動をると、ひずみはある時間遅れて計測されると考えられひずみゲージと高速度カメラを用いて解析を行った。

Fig.3 で述べた様に遅れの時間は皿 1 で、る。先に Fig.2、衝撃試験では皿は円から楕円に変形し、もとの円の状0.25msec、皿 2 で 0.4msec である。そのため、バック態にもどる時にバックストップからの反作用によってハストップから戻ってきたひずみ波形はバックスストップンマーと衝突し、再度ひずみが発生し、セカンドピーク接点で見られるひずみと同じ時間遅れるはずである。

が現れる小さい皿ではセカンドピークが早く、大きくな

Fig.7 にバックストップ無しで測定したひずみ波形る。小さい皿では大きい皿に比べて、バックストップと（○）、バックストップ接点でのひずみを同じ遅れ時間ずハンマーの衝突する打点の距離が短く、跳ね返りによるらした波形（△）
、およびその 2 つの波形を合成した波力が早くハンマーに伝わる。セカンドピークのひずみ量形（□）を示す。

はファーストピークのひずみ量を超える場合があり、小− 12 −林

亜希美・柘植英明・倉知一正・水野正敏・安達信泰・太田敏孝

さな皿では 2 倍程度になる。更に、バックストップ開き角が小さくなり、打点とバックストップ接点が近くなReferences

るとセカンドピークひずみ量が大きくなる。これらの結

1) Y. Kobayashi and M. Mizuno, Taikabutu, 60, 642-651(2008).

果はボール形状で得られた傾向と同じである。皿とボー

2) Y. Kobayashi, O. Ohira, Y. Ohashi and E. Kato, J. Ceram.

ルという高さの違いがあってもバックストップの食器にSoc. Japan, 99, 495-502 (1991).

対する影響は同じであることが示された。
1000

1000(a)

(b)

800

600

Strain/10-6

Strain/10-6

800

400
200

600
400
200

00-200
-1.0

0.0

1.0

2.0-200
-1.0

3.0

0.0

Time/msec

1.0Time/msec

2.0

3.0

2.0

3.0

800

800

600

600
Strain/10-6

Strain/10-6Fig. 6 Strain waveforms at impact point for (a) plate 1 small and (b) plate 2 large without backstop.

400
200

400
200

00-200-1.00.0

1.0

2.0-200-1.0

3.0

0.0Time/msec

1.0Time/msec

Fig. 7 Mechanism of two maximum peaks appeared in the strain waveform: (a) plate 1 small; (b) plate 2 large. :strain waveforms by the initial impact itself, which are identical with the strain waveforms in Fig. 6. : strain waveforms returned fromthe backstop, which are equivalent to the strain waveforms in Fig. 3 after a delay of 0.25 msec for the plate 1 small and 0.4 msec forplate 2 large. □ : strain waveforms estimated by the combination of ○ and △
1000

1200
1000

(a)

90°
120°
150°
Strain/10-6

Strain/10-6800800

600
40020090°
120°
150°

600
400
20000-200-1(b)01Time/msec

23-200-101Time/msec

23Figure.8 Variation of the strain waveforms at the impact point with the open angle of backstop (α): (a) plate 1 small and (b) plate 2large.
− 13 −

強化磁器食器の衝撃試験におけるバックストップの影響

3) Y. Kobayashi, O. Ohira, Y. Ohashi, and E. Kato, J. Ceram.
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Japan, 117, 724-728 (2009).
10) T. Akizuki, CERAMICS JAPAN, 44, 22-24 (2009).
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Conference Series: Materials Science and Engineering,
Volume 18, 2011 (proceedings of 3rd International
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12) A k e m i H AYA S H I , H i d e a k i T S U G E , K a z u m a s a
KURACHI, Masatoshi MIZUNO and Toshitaka OTA,
Journal of the Ceramic Society of Japan, 120 [3] 1-7 201213) N.Kamochi, J.Ceram. Soc .Japan, 118, 167-169 (2010)− 14 −