● 巻頭言「人類を変えてきた技術，変える技術」● 論文「抵抗スポット溶接システム Smart RSWⓇを用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究」「窒化ケイ素製ツールを用いた
鉄道車両用A7N01合金の摩擦攪拌接合」「半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発」「鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討
第一報 レーザ溶接部の塑性加工性の検討」「レーザスポット溶接部の疲労特性の考察」● 解説☆ホームページアドレス （株）総合車両製作所 http://www.j-trec.co.jp/☆総合車両製作所がお贈りする鉄道グッズ のインターネットショップ【電車市場 楽天市場店】
http://www.rakuten.co.jp/tetsu/【電車市場 えきねっと店】 http://www.eki-net.biz/tetsu/「新保全体系の導入による車両メンテナンス革命」「研究開発における品質工学の活用」「モニタリングシステムによる予防保全技術の構築」

ISSN 0916-8338

目

次

◆巻頭言◆
人類を変えてきた技術，変える技術 …………………………………………………………………… 1＜代表取締役社長

宮下直人＞

◆論文◆
抵抗スポット溶接システム Smart RSWⓇを用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究 ……… 2＜渥美健太郎，大塚陽介，河田直樹，阿部千明＞■ 本社／横浜事業所〒236-0043 横浜市金沢区大川3番1号
TEL 045-701-5155■ 和歌山事業所〒649-6402 和歌山県紀の川市北勢田770番地8
TEL 0736-78-1101■ 東京事務所〒108-0074 東京都港区高輪二丁目18番10号 日石高輪ビル7階
TEL 03-4334-6550■ 西日本支店〒530-0057 大阪市北区曽根崎二丁目2番15号
TEL 06-6312-1109

窒化ケイ素製ツールを用いた鉄道車両用A7N01合金の摩擦攪拌接合……………………………… 10＜橋本健司，河田直樹，石川武，藤井英俊＞

半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発…………………………………………………… 16＜吉澤正皓，河田直樹，石川武＞

鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討 第一報 レーザ溶接部の塑性加工性の検討 ……22
＜及川昌志，越川純＞

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察…………………………………………………………………28＜及川昌志，越川純，遠藤翔太＞

ビューフレックス梅田ビル2階◆解説◆
新保全体系の導入による車両メンテナンス革命− プラットフォームの共通化によるライフサイクルコストの低減の提案 − ………………………… 34＜中島啓行，今井宏＞

研究開発における品質工学の活用…………………………………………………………………… 38＜河田直樹＞

モニタリングシステムによる予防保全技術の構築…………………………………………………… 46＜河田直樹＞◆トピックス◆
日本初のステンレス鋼製車両群（東急5200系，東急7000系）
日本機械学会｢機械遺産№51｣認定 … 54
鉄道車両用円弧状UD手すり 日本人間工学会 人間工学グッドプラクティス賞 最優秀賞受賞 …… 58
ユニバーサルデザインホームドアの開発−東急大井町線

大井町駅可動式ホーム柵− ……… 64

鉄系材料の高速摩擦攪拌接合用ツール・裏当て板の開発 日本溶接協会賞技術賞（開発奨励賞）受賞 … 68

総合車両製作所技報
委 員 長
杉山
委
員
滝田
査読委員
石川
校正委員
大塚
表
紙
斉藤
事 務 局
石川

創刊号編集委員会
隆
晴之
荒木 雅之
武
及川 昌志
陽介
神沢 祐太郎和彦
嶋村 良太
武
中川 英二郎

◆製品紹介◆
JR東日本

E657系

東武鉄道

634型 イベント用電車 ………………………………………………………………………74

高速車両用

特急形交直流電車 ………………………………………………………………70

次世代台車（TS-1036）……………………………………………………………………78

斜め接着絶縁レール ………………………………………………………………………………………82
12ft級両側開き冷蔵コンテナの軽量化 …………………………………………………………………86
あとがき ……………………………………………………………………………………………………88
お問合せ先

本社，事務所，支店

総合車両製作所 技報

J-TREC TECHNICAL REVIEW
Vol.1

生方 澄恵
河田 直樹
上野 敦史
垂井

桜木 勝茂
飯村

西垣 昌司

久保田 寿郎翼

ななえ

発行日 2013年１月
発行元 株式会社総合車両製作所 生産本部 技術部〒236-0043 横浜市金沢区大川3番1号
電話 045（701）6641
発行人 杉山隆
編 集 技報創刊号編集委員会
印刷所 グランド印刷株式会社〒232-0044 横浜市南区榎町2-55-2
電話 045（743）2201

c JAPAN TRANSPORT ENGINEERING COMPANY 2013
無断転載を禁ず

— 巻頭言 —“人類を変えてきた技術，変える技術”
代表取締役社長

宮下直人

21世紀の現在，我々の周りには様々な技術があります．その中で人間の社会生活に大きく関わっている技術，例えば鉄道，航空機，自動車，電力，テレビ，電話，コンピューター等々ですが，こういった普及技術にはある共通の特徴がひとつあります．例をいくつか挙げましょう．
ライト兄弟が初フライトを成し遂げたのが1903年．航空機による爆撃が初めて行われたのが1913年．
初のジェット機ハインケルHe178の初飛行が1939年．初のジェット旅客機コメット就航が1952年．
ダイムラーがガソリンエンジンを馬車に付けて走ったのが1885年．ガソリンエンジン付タクシー（勿論自動車）を売り出したのが1897年．
ウィリアムスがプログラム内蔵コンピューターThe Babyを発明したのが1948年．IBMが初の商用コン
ピューターIBM701を発売したのが1952年．
初の人工衛星スプートニク打ち上げが1957年．アポロ11号が1969年に月面着陸成功．
何が言いたいか，お気づきの方もいると思います．｢最初の試作（実機）から量産（実用）までの期間が10年程度｣ということです．なぜか30年かかってやっと普及したという技術はあまりお目にかかりません．
今をときめくSuica&PASMOも1994年にJR東日本が東京駅でICカードチケットの実験を始め，2001年にSuicaが利用開始となっています．
鉄道はというとトレビシックが蒸気機関車の走行に成功したのが1804年，英国ストックトン～ダーリントン間に初の商用鉄道開業が1825年．これは21年掛かっていますが馬車鉄道用のもろい鋳鉄レールの改良に，少し時間が掛かったようです．5年後の1830年には海を渡り米国で初の鉄道が開業しています．
こういった史実の背景となる因子は何かと考察するに，生産（量産）手法が比較的容易，メンテナンスの容易さ，コストの低さ，ニーズの強さ，関わった人間の執念等かなと考えられます．
「ニーズの強さ」による技術発展で有名なのは「ムーアの法則」です．コンピューターの「集積回路上のトランジスタ数は18か月ごとに倍になる」という法則性が見出されています．別の言葉でいうと「同じ価格のCPUは18か月で処理能力が倍になる」のです．人間のコンピューターに対する飽くなき要求（ニーズ）に追従すべく技術革新が伴っている，わかりやすい事例です．
最後の「関わった人間の執念」についてはアポロ計画のフォン・ブラウンや新幹線生みの親の島秀雄が代表例です．ケネディ大統領が「10年以内に月に人間を立たせる」と1961年に声明を出し，1969年にアームストロング船長は月面に立っています．それを成功に導いたサターンロケット開発をはじめとした指揮者がフォン・ブラウン博士です．
島秀雄（国鉄技師長）は1957年に初の平行カルダンドライブの101系を試作，1958年ビジネス特急「こだま（151系）」運転開始，そして1964年東海道新幹線開業と強い信念と行動力で歴史を動かしています．
我々の先達の活躍を見てみましょう．1954年からモノコックボディを車両構体に導入した東急5000系（いわゆる青ガエル），1955年玉電デハ200型の開発，1958年には日本の鉄道車両製造史に輝く，初のセミステンレス車両東急5200系，1962年初のオールステンレス車両東急7000系の製造開始と短期間に大きな技
術的飛躍を実現してきた時代があります．特にステンレス材料の導入については吉次利二氏（当時の東急車輛製造社長）の執念があったと伝えられています．
今，我々は株式会社総合車両製作所となり，2020年代に向けた中長期的なビジョンを定めつつありま
す．この10年で何を成し遂げようとしているのか？
皆でじっくりと議論し，執念を持って「ものづくり力」の変革を進めていきたいと思っています．
執念を持った「技術者集団」が成し遂げる成果の大きさを過去に学びながら．

1

2013年１月

抵抗スポット溶接システムSmartRSWⓇを用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究
Study of Technology to Improve the Indentation of Resistance Spot Welding by Close Control of the Electrode Force
渥美健太郎 Kentarou ATSUMI
大 塚 陽 介 Yosuke OTSUKA

河 田 直 樹 Naoki KAWADA
阿 部 千 明 Chiaki ABE

ステンレス鋼製鉄道車両構体は主として抵抗スポット溶接で製造されている．その溶接施工部には圧痕が形成されるが，側構体に代表されるような箇所では圧痕の外観も製品品質に含まれてくる．そこで，圧痕の形成メカ
ニズムをあらためて確認し，抵抗スポット溶接における加圧力，電流値に着目し従来工法よりも細かく制御することで，圧痕形状の改善を行った．
その結果，溶接プロセス中の加圧力をプロセスごとに制御することで圧痕形状の改善効果が確認できたので報告する．
The railway vehicle of stainless steel is generally manufactured from the resistance spot welding. This welding
method makes indentation at surface of material. The appearance of indentation at side body structure is included inquality of manufacture. Then, the mechanism of the indentation generation in resistance spot welding was reviewed,
and the appearance of indentation was improved by the way of close control of the electrode force.
As a result, appearance of indentation was improved by the way of control of the electrode force at every scene in
welding process.

１ はじめに２ 抵抗スポット溶接の原理

当社の主力製品である在来線通勤型車両は，ステンレ

２．１ 溶接プロセス

ス鋼製が主流となっているが，その車両構体の製造では

抵抗スポット溶接の一般的な溶接プロセスを図1に示

抵抗スポット溶接を中心に接合が行われている．抵抗ス

す．抵抗スポット溶接はそのプロセスをスクイズ時間，ポット溶接は溶接施工した材料表面に圧痕が形成される

通電時間，ホールド時間の3つに分けることができる．

が，圧痕は部位によっては製品の外観にも影響を与える

材料の溶融は通電時間に行われ，その際に材料に与えらことがある．鉄道車両の側構体はその好例と言える．よれる熱エネルギは，主にジュール発熱によって定義されって，「JRIS-W0161 鉄道車両－作業標準－ステンレスており，式（1）で示される（1）．

鋼材のスポット溶接」の規準を確保しつつ，圧痕の外観
Q＝0. 24Ｉ Rt ··········································································（1）を向上することは製品の品質向上に直結するものと考え2られる．
本稿では圧痕部の外観向上を目的とし，まず抵抗スポ式（1）の各項より，ジュール発熱量 Q は電流値 I，電ット溶接機の主に加圧機構に着目して，圧痕形状に加圧

気抵抗R，通電時間 t の関数である．ここで電気抵抗 R機構が与える影響について調査を実施した．その後，抵は材料の固有抵抗，電極－被接合物の表面間の接触抵抗，

抗スポット溶接システムであるSmartRSW を開発し溶

被接合物同士の接触面（溶接部）の接触抵抗の和である．

接プロセスを従来以上に細かく制御することで，圧痕部

このうち，接触抵抗は加圧力Pによって制御することがの外観向上について検討を実施した．その結果，溶接プ

でき，加圧力 P を増加させると電気抵抗Rは減少するこ

ロセス中の加圧力が圧痕部外観に大きな影響を与えることが知られている．すなわち，適正な溶接結果を得るたとを確認し，圧痕部外観の向上を達成したので報告する．

めには，溶接プロセス中の電流値I，加圧力 P，通電時Ⓡ

間 t を適正な値に設定することが重要となってくる．

総合車両製作所技報

創刊号

2

Ⓡ

抵抗スポット溶接システムSmartRSW を用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究

表1中の断面形状の波形は上が材料側，下が銅板側を[kA]示し，圧痕外観の画像は銅板側の圧痕形状を示している．
まず，空圧式で通常の電極と銅板電極を用いた際の圧痕外観は，電気サーボ式と比較して圧痕径が大きくなる

I
t1

傾向にあるが，圧痕中央部の圧痕深さは電気サーボ式とt2

t3

比較して浅い．一方，電気サーボ式では圧痕径は空圧式と比較して小さくできるものの，圧痕深さは空圧式と比[ms]

較して深い（加圧力指令値が一定の場合）．
圧痕形状の改善を検討する場合，圧痕径を小さく抑え[kN]ることができ，加圧力を溶接プロセス中に任意に変化させることができる点で電気サーボ式の方が有利であるとP考えられる．ここで圧痕形状を改善するうえで最大の焦点となるのが電気サーボ式で施工した際の圧痕深さが空圧式と比較して深い点であるが，その原因に関する検証

[ms]
1

2

を行った．

3

Φ12-100R
SUS301L-H t 0.8

図1 一般的な溶接プロセス

P
I

２．２

加圧機構と圧痕外観

ステンレス鋼製鉄道車両の側構体におけるスポット溶接の例を図 2 に示す．材料（図中では骨組相当の板と外板相当の板の 2 枚）を電極（上側はΦ12，下側は表面がSUS301L-1/4H t 1.5

フラットな銅板電極）によって挟み込み，加圧力Pおよび電流値Iを材料に与えることで接合を行う．ステンレ
ス鋼製鉄道車両の側構体製造時には，図2中の点線で示

Flat

した面の圧痕外観が特に問題になる場合がある．

図2 溶接施工方法（側構体製造の例）

ステンレス鋼製鉄道車両の側構体における良好な圧痕
外観とは，圧痕径が小さく，圧痕高さ（外板表面から圧痕の最も高い点までの高さ）および圧痕深さ（圧痕の最も高い点と低い点との距離）が小さい状態を指す．
ところで圧痕外観は電流値Iや加圧力 P のほかに，加圧機構によっても影響を受ける．加圧機構には空圧式と電気サーボ式があるが，銅板電極を使用する場合は特に加圧機構のもつ特性によって圧痕外観は同じ溶接条件であっても大きく異なる場合がある．加圧機構ごとの圧痕部の例を表1に示す．

3

2013年１月

表1 加圧機構と圧痕形状

表面形状

圧痕外観

[µm] [µm] [mm]

20

m
1.0mm

２．３ 加圧機構と電極挙動
スポット溶接時の電極の挙動について検証するため，

電気サーボ式では材料に電極が接触してからホールド

材料の横方向から溶接プロセス中に定点観測を行った．

終了時まで，電極の高さは変わらない．これは電気サー

その際の溶接条件を表 2 に示す．なお定点観測では，電ボ式の加圧制御がトルクリミッタ機能（モータの電気子極の挙動を捉えやすくするために材料はSUS304 t 2.0電流を検出）を利用しており（2），溶接中はモータの回転の2枚合わせとした．

が止まっているため電極の高さも変化しないと考えられる．よって，ホールド時の熱収縮が生じても空圧式のよ

表2 溶接条件

(I)
(t)
(P)

(1)
1200ms

(2)
6kA
600ms
8kN

うなダンパ効果が生まれず，結果として圧痕深さが空圧(3)式と比較して大きくなるものと考えられる．
以上のことから，電気サーボ式の加圧機構と銅板電極

1200msを用いたスポット溶接において，溶接プロセス全体を通して加圧力の指令値が一定の条件のもとでは，銅板側の圧痕深さが空圧式と比較して大きくなるのは加圧機構の構造上仕方ないことと言える．

電極の挙動について定点観測を行った結果を表 3 に示す．図中の矢印はスクイズ時の銅板から上部電極の溝まそこで，電気サーボ式の加圧機構で銅板電極を用いる

での基準の距離を示しており，それぞれの加圧機構の列

場合，銅板側の圧痕深さを改善するには空圧式の電極と内の矢印は全て同じ長さである．

同等の挙動をするように加圧力を設定すればよいと考え

まず空圧式では材料に電極が接触した後，通電時にはられる．つまり，ホールド時の加圧力の指令値を高く設

材料の発熱にともなう熱膨張によって電極の高さがわず定する（結果として電極を材料にさらに押し込む）こと

かに上昇していることが，基準長さの矢印と電極の溝のが重要となってくるものと考えられる．

間に隙間があることから確認でき，変位量は約 290μm

そこで，電気サーボ式加圧機構を用いて溶接中の加圧であった．その後，ホールド時には材料の熱収縮にとも力をプロセスごとに変化させることを念頭に，抵抗スポなって電極の高さはふたたびわずかに下降している．こット溶接システムの開発を行った．

れは，シリンダ内部のエアーがダンパの役割を果たしているためと考えられる．この効果により空圧式ではホー
ルド時のまだ材料が柔らかいわずかな時間に電極直下の材料が銅板側にわずかに押し出され，熱収縮によって銅板側の圧痕深さが深くなるのを軽減しているものと考えられる．

総合車両製作所技報

創刊号

4

Ⓡ

抵抗スポット溶接システムSmartRSW を用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究

表3 加圧機構と電極挙動

一方可変加圧機能は，これまでの空圧式では電極加

３ SmartRSW 概要Ⓡ

圧が溶接プロセス中は一定であったのに対し，電気サ

本稿で開発した抵抗スポット溶接システムSmartRSW

ーボ式にすることで溶接中の加圧力（P1～P3）を図3のの 主 な 仕 様 を 表 4， 溶 接 プ ロ セ ス を 図 3 に 示 す ．

ようにプロセスごとに任意に設定できるようになり，

SmartRSW は状態監視機能と可変加圧機能の2つの空圧式の加圧機構より細かな加圧力制御が可能となっ特徴を有する抵抗スポット溶接システムである．状態ている．また，指令に対して空圧式よりも素早い応答

監視機能は，主要部位にセンサーを取り付け，溶接時性も有している．

ⓇⓇの状態監視を可能とする機能であり，既存の技術 を
（2）

[kA]

用いて溶接中の加圧力や電流値等をリアルタイムに測定することができる．

I
表4 SmartRSW の主な仕様Ⓡ

3 400V

t1

t3
[ms]

50/60Hz[kN]

280kVA
12kA

2

t2

P1

9.8kN

P2

P3
[ms]

1

1

2

3

図3 溶接プロセス（SmartRSW ）Ⓡ

5

2013年１月

４ 溶接条件パラメータと溶接結果の関係
SmartRSW を用いて本章ではJRISの断面試験に関Ⓡする規定値を満足しつつ，銅板電極側の圧痕形状の改善を試みた．4.1節ではJRISの規準を満たすナゲットを得られる溶接条件範囲の探索，4.2 節ではほぼ同等のナゲット径を得られる複数の溶接条件における圧痕形状の比較，4.3 節ではホールド時の加圧力と圧痕形状の関連について検証を行い，圧痕形状の改善を試みた．
４．１

加圧力・電流値と溶接結果の関係

鉄道車両の構体製造で使用する抵抗スポット溶接の溶図4 測定位置接条件は，その溶接結果が「JRIS-W0161 鉄道車両－
作業標準－ステンレス鋼材のスポット溶接」に定められ

表6 断面試験の規定値（JRIS-W0161）

た規定値を満たすことが大前提となっている．そこで，代表的な 2 枚合せの板厚組合せについて，JRIS-W0161

JRIS-W0161
20 90で定められた規定値を満たす溶接結果が得られる溶接条
件範囲の探索を行った．材料はSUS301L - H t 0.8 +

20 90
3.6mm

SUS301L-1/4H t1.5を対象とし，その際の溶接条件を
表5 ，断面試験での測定位置を図 4，JRIS-W0161の断面25%試験に関する規定値を表 6，断面試験結果を図 5 に示す．
まず，それぞれの加圧力P2において電流値Iを増加させるとナゲット径は大きく増加しており，これは式（1）で電流値 I が 2 乗項であることからも当然の結果と言える．一方，通電中の加圧力P2を増加させるとナゲット径
I kAは減少するが，ナゲット径に与える影響は電流値ほど大きくはないことが分かる．しかし，ナゲットを生成する
ことができる電流値の範囲は加圧力 P2 の増加にともなって拡大しており，通電中の加圧力 P2を大きくとれば溶接条件の選択の幅が広がることを示している．ところで，今回の組合せではJRISで決められている断面試験におけるナゲット径の規定値は3.6mmである．実施工においては何らかの外乱によって同一条件であってもナゲット
径が多少小さくなってしまうことが起こりうる．その点を考慮し，規定値よりも少し大きい4.1mm程度の大きP kN

さのナゲット径を得られる溶接条件を表7で示した．こ

図5 加圧力・電流値とナゲット径の関係

れらの溶接条件から施工時の溶接条件を決定するわけだが，次節ではこれらの溶接条件で施工した際の銅板電表7 溶接条件とナゲット径

極側の圧痕形状について調査した．
表5 溶接条件

(1)
(I)
(t)

150ms

(P) P2
総合車両製作所技報

創刊号(2)
2 13kA
(1kA
)
180ms

I
単位 [kA]
5.0
5.0
6.0
6.0
7.0

(3)

800ms

2 8kN
P2
(1kN
)
6

P1
[kN]

P2
[kN]
2.0
3.0
4.0
5.0
7.0

P3
[kN]

[ms]
180
180
180
180
180

[mm]

[mm]

Ⓡ

抵抗スポット溶接システムSmartRSW を用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究

４．２

通電中の加圧力と圧痕形状の関係

しかし，低すぎる加圧力は材料が元々持っている歪を次に，加圧力 P2 が圧痕形状に与える影響について検押さえ込むことが出来ない可能性があるため，実施工的証を行った．今回は4.1節で施工した溶接条件のうち，には加圧力 P 2 は3.0 kN以上が妥当であるものと考えられ

JRISの規定値（ナゲット径：3.6mm）より少し大きい

る．また，電流値Iは低い方が熱ひずみが少なく抑えら

4.1mm程度のナゲット径を得られる溶接条件で圧痕形状れるため，今回実施した溶接条件の中では5.0kAが適切を比較した．その溶接条件とナゲット径を表7，粗さ計であるものと考えられる．しかし，4.0kAでは全くナゲッで測定した圧痕形状の測定結果を表 9，その際に使用しト径が得られていないため，少しでも電流値が低い方へた粗さ計の諸元を表 8 に示す．

ばらつけばすぐにナゲット径がJRISを下回る危険性が

まず，加圧力 P2を高い値に設定した場合，所望のナゲある．よって電流値Iは安全のため5.5kA程度が妥当でット径を得るには，それに付随して電流値Iも高い値にあると考えられる．次節ではホールド加圧力P3が表面形設定する必要があることが表7から分かる．これは式（1）状に与える影響について検討した．

で加圧力 P を大きくとると電気抵抗 R が減少し，同等の入熱量 Q を得るには電流値Iを大きくする必要があるこ

表8 粗さ計諸元SURFCOM 120A
0.6mm/s
5µR90°
0.2 30mm 0.1mm
0.08,0.25,0.8,2.5mm
0.8mm
0.8 8mmとと一致する．また，加圧力 P2を高く設定するほど圧痕
径，圧痕高さが増加する傾向にあることが 表9から分かる．これは加圧力が高いほど，発熱によって軟化した材料が電極によって銅板側へ押され，大きな圧痕を形成することを示している．よって，より良好な圧痕（ここでは圧痕径および圧痕高さが小さい圧痕のこと）を得るには，加圧力P2を低く設定する必要があることが分かった．
表9 表面形状

表面形状[mm][µm] [µm] [mm]20µm

4.4 2252 4.7

4.1 2436 5.5

4.2 2732 5.6

4.1 2826 5.8

4.4 3028 6.31.0mm

7

2013年１月

４．3 ホールド加圧力P3と圧痕形状の関係

表10 試験条件

次にホールドの加圧力P3と圧痕形状の関係について検討を行った．その際の試験条件を表10，粗さ計で測定し

I
[kA]
5.5
5.5
5.5
5.5
5.5
5.5
5.5

た圧痕形状の測定結果と圧痕外観を表11に示す．ホールド加圧力 P3を増加させると圧痕深さは減少し，圧痕深
さが 30μm 程度までは圧痕中央部にあるくぼみが目立つが，15μm 以下になるとほとんどくぼみの存在は目立たなくなることが分かる．また，圧痕の形状も加圧力P3を大きくするほど圧痕径が多少増加するものの，全体的になだらかな形状になることが分かった．

P1
P2[kN] [kN ]
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0
3.0

P3
[kN ]
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0

表11 表面形状

表面形状[mm] [µm] [µm] [mm]

20µ m

4.1

22

68

4.6

4.2

22

30

4.5

4.6

25

14

4.8

4.4

24

16

4.9

4.5

26

6

5.0

4.5

26

8

5.2

4.4

24

6

5.2

1.0mm

総合車両製作所技報

創刊号

8

t2
[ms]
180
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Ⓡ

抵抗スポット溶接システムSmartRSW を用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究

さらに，ホールド時の加圧力 P3と圧痕深さ，圧痕高さ

は空圧式のようなダンパ機能が構造的に無いため，およびナゲット径の関係を図 6 に示す．圧痕深さは加圧

溶接中に熱膨張しても電極位置は変わらない．この力P3に反比例して減少する傾向が見られた．これはホーため，片側に銅板電極を用いて一定の加圧力指令値

ルド時の加圧力 P3を高く設定することで電極が材料に押のもとで溶接を行うと銅板側の圧痕深さは空圧式とし込まれ，空圧式のダンパ効果を再現することができ，比較して深くなる．

結果として圧痕深さが減少したと考えられる．一方で，（4）電気サーボ式の加圧機構で圧痕深さを浅くするため

ホールド加圧力 P3の設定値に対してナゲット径は大きにはホールド時の加圧力を高く設定することで達成な変化は見られず，ホールド加圧力 P3はナゲット径とでき，その加圧力はナゲット径に影響を与えない．

は関係なく任意に選択可能であることを示している．

（5）通電中の加圧力は低く設定することで圧痕高さや圧痕径を小さくできるが，材料の歪の影響を受けやす
くなり，選択可能な電流値が狭まることが考えられる．よって，通電中の加圧力は3.0kN以上が望ましい．
本稿では代表的な板厚組合せについてJRISに基づいた検討を行ったが，実施工では数多くの板厚組合せが存在している．今後は他の組合せについても検討を進める．
参考文献（1) 奥田滝夫，他：「スポット溶接入門」，23-25，（1986），
産報出版（2) 松山欽一，他：「抵抗溶接の基礎と実際」，72-73，（2011），産報出版（3) 古川一敏，他：「新しい抵抗溶接機の開発とそのホールド加圧力

適用」，溶接技術，62-68，（2008），産報出版
著者紹介

図6 ホールド加圧力P3と圧痕寸法

渥美健太郎

５ まとめ

生産本部
技術部（溶接センター）

外観が品質に含まれる箇所に施工する抵抗スポット溶
接の圧痕部に対して，加圧機構が圧痕外観に与える影響

大塚陽介とその改善について検討を実施した．その結果を以下に技術士（金属部門）
生産本部
技術部（溶接センター）主任

まとめる．
（1）電気サーボ式の加圧機構により可変加圧機能を有す
る抵抗スポット溶接装置であるSmartRSW を開発Ⓡ

し，溶接プロセス中の加圧力を変化させることで従河田直樹

来よりも圧痕外観の品質向上を達成した．

博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）主査（2）片側が銅板電極を使用した際の銅板側の圧痕形状は，その装置の加圧機構の影響を受ける．空圧式の加圧機構の場合，シリンダのもつダンパ機能と熱膨張の影響によって溶接プロセス中に上側の電極がわ

阿部千明

ずかに上下する．このため，銅板側の圧痕深さは比生産本部
技術部（溶接センター）主査

較的浅い．
（3）電気サーボ式の加圧機構の場合，サーボシリンダに9

2013年１月

窒化ケイ素製ツールを用いた鉄道車両用
A7N01合金の摩擦攪拌接合Friction Stir Welding of A7N01 Aluminum Alloy for Railway Vehicles Using Si3N4 Ceramic Tool
橋 本 健 司 Kenji HASHIMOTO
河 田 直 樹 Naoki KAWADA

石川武 Takeshi ISHIKAWA
藤 井 英 俊 Hidetoshi FUJII

摩擦攪拌接合に用いられる接合ツールは，接合長が長くなるにしたがって磨耗が進行し，ついには破損に至る．
したがって，接合長が長い場合，安定した良好な接合品質の継手を得るには，ツールに耐摩耗性が求められる．
従来，アルミニウム合金の接合には，工具鋼などの鉄鋼材料製のツールが用いられてきた．本研究では，ツール
寿命の延伸を目的として，鉄鋼材料よりも耐磨耗性に優れた窒化ケイ素をツール材質として用いた．そして，まず本ツールを用いた接合が実際の製造に応用可能かを検討するために，各接合条件で作製した継手の組織と機械的特性を調査した．

A tool wears out during friction stir welding as the welding length increases, then it finally breaks. Therefore,
the high wear resistance is required for the tool to accomplish a stable long welding. A ferrous tool, such as toolsteels, has been conventionally used for the friction stir welding of aluminum alloys. In this study, for the purpose of extending the tool life, silicon nitride, which has a higher wear resistance than a ferrous material, wasused for the tool material. As a feasibility study of the tool in actual manufacturing, the microstructure andmechanical properties of the FSW joints made using this tool were investigated.

基合金（6）ツールがその例として挙げられる．そのような

１ 緒言

中，近年，ツール材質として，優れた高温強度と耐摩耗

摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding : FSW）は，性をもつ窒化ケイ素を適用し，かつツール形状の最適化

1991年に英国のTWI（The Welding Institute）で開発さを行なうことで，高融点金属であるステンレス鋼に対しれてから，これまでに鉄道車両，航空・宇宙機器，自動て良好な接合が可能であるという報告がされた（7）．

車部品等の製造に適用されてきた．FSWは，摩擦熱を一方，Al合金製鉄道車両構体には，主に6000系合金の利用して接合する固相接合法であり，次のような特徴を

A6N01（Al-Mg-Si）と，7000系合金のA7N01（Al-Zn-Mg）

もつ（1）．

が用いられている．A6N01合金は押出性に優れ，Al合金① アーク溶接と比較して変形量が数分の一以下である．

の中で中程度の強度を有するため，屋根および側構体に② 開先加工や接合時の前処理が不要である．

中空押出形材が適用され，FSWの研究も多数報告され③ 接合中にヒューム，スパッタ，紫外線の発生がない．

ている（8）．これに対して，A7N01合金は高強度であるた④ 気孔，割れなどが発生しにくい．

め，信頼性が求められる台枠に中厚板が用いられている⑤ Al合金の場合は，シールドガスが不要である．

が，高温における変形抵抗が高く，ツールにかかる負荷⑥ フィラーが不要である．

が大きい。そのため，FSW適用の障壁となっていた．

以上の特徴から，低コストで，かつ接合継手の信頼性

Al合金の接合には，一般に工具鋼製ツールが用いられが高い鉄道車両構体を製造する上で，FSWは有用な接るが，本研究では，ツール寿命の延伸という観点から，合法であると言える．

高温強度と耐摩耗性に優れた窒化ケイ素製ツールを設

これまでに，融点が高い鉄鋼材料よりも，融点が比較計・製作し，A7N01合金の接合を行なった．そして，ま的低いAl合金に対して，FSWの実用化は進んできた．

ず本ツールを用いて得た継手が要求特性を満足するかを

それは，高融点金属の接合では，高温度域での接合ツー検討するため，各接合条件で作製した継手の組織と機械

ルの耐久性が問題となり，実用化の障壁になっていたこ的特性の評価を行なった．

とに起因する．これを克服すべく，優れた高温強度と耐摩耗性をもつツールの開発が国内外で盛んに行なわれてきた．例えば，Ir合金（2）（3），WC合金（4），Ni基合金（5），Co

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10窒化ケイ素製ツールを用いた鉄道車両用A7N01合金の摩擦攪拌接合

さ試験および引張試験により評価した．硬さ試験は，接２ 実験方法合方向と垂直な面を測定面として，板厚中心部から両端

図 1 に接合方法の模式図を示す．FSWは，プローブとに22 mmの範囲を，測定荷重1.96 N，荷重保持時間10 sの呼ばれる先端に突起のある円柱状のツールを回転させな条件で測定した．引張試験片形状は，図 2 に示す接合方

がら，被接合材と接触させ，材料との摩擦熱を利用して向と垂直方向に切り出したJIS Z 3121 1A号試験片とし，接合する固相接合法である．ツールは，径の大きいショ

接合部の凹凸ならびに裏面の未接合部の影響を除去する

ルダ部とその先端にあるプローブ部から構成される．接ため，いずれの試験片も接合部の表面と裏面を各 1.0 mm

合中はプローブのみが材料に押し入れられ，接合すべき機械加工して試験を行なった．

突合せ面に沿って移動する．このとき，被接合材は裏当て板に拘束され，固体の状態を維持しながら，ツールによる塑性流動によって接合が行なわれる．
供試材は，板厚 6 mmのA7N01-T5合金押出形材を用い，突合せ接合を行なった．供試材の化学成分を表1に示す．
接合には，位置制御方式のFSW装置を用い，板表面からのプローブ挿入量は6.0 mmとした．接合に用いた窒化ケイ素製のツール形状と接合条件を表 2 に示す．従来の工具鋼製ツールのプローブは円柱形状でネジがきってあるが，本ツールのプローブは円錐形のテーパー形状でネジはきっていない．接合は，回転ピッチ P = 0.25，

図1 摩擦攪拌接合（FSW）の模式図

0.75 mm/revの条件で行なった．回転ピッチ（接合速度/
ツール回転数）は，ツールが 1 回転する間に移動する距R35離であり，回転ピッチが大きいほど，FSW中に材料に投 入 さ れ る 入 熱 は 減 少 す る ． 裏 当 て 板 は ， t 15 ×37
25

w 150 ×ｌ500 mmの窒化ケイ素製とし，押出形材の押出方向と平行方向に接合を行なった．
接合部の組織は，接合方向と垂直な面を観察面として，

80
200

光学顕微鏡で断面組織観察を行なった．腐食液には，ケラー氏液（塩酸 20 ml＋硝酸 20 ml＋フッ酸 5 ml＋蒸留水
20 ml）を用いた．また，機械的特性は接合後，室温・大図2 引張試験片形状（JIS Z 3121 1A号）

気中で1ヶ月の自然時効を施した継手のビッカース硬表1 供試材の化学成分

Type
A7N01-T5

Chemical composition in mass %
Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Zn

Ti

Zr

Al

0.10

0.21

0.16

0.36

1.3

0.10

4.4

0.03

0.14

Bal.

表2 ツール形状と接合条件

Shoulder diameter,
D mm
16

Tool size

Probe length,l mm

Tool tilt,

Rotation speed,
R rpm

5.8

3

600 1500

11
11

Welding parameters
Welding speed,
V mm/min150 1125

Revolution pitch,
P mm/rev
0.25

0.75

2013年１月

３ 実験結果および考察

rpm - 1013 mm/min］で作製した継手のビード外観を示

３．１ ビード外観および断面組織

す．ビードには，等間隔のリップル模様が観察され，バ図3に代表的な例として，（a）P = 0.25 mm/rev［600リの排出も少なく，外観は良好であった．また，P がrpm - 150 mm/min］および（b）P = 0.75 mm/rev［13500.25 mm/revから0.75 mm/revに増加し，入熱量が減少す

(a)

(b)

Advancing Side(AS)Retreating Side(RS)
図3 （a）P = 0.25 mm/rev ［600 rpm - 150 mm/min］および（b）P = 0.75 mm/rev ［1350 rpm - 1013 mm/min］で作製した継手のビード外観

図4 各接合条件で作製した継手の断面マクロ組織
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12
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窒化ケイ素製ツールを用いた鉄道車両用A7N01合金の摩擦攪拌接合

(a)

BM

SZ
HAZ

(b)

TMAZ

(c)

図5 （a）母材，および攪拌部；（b）P = 0.25 mm/rev ［600 rpm - 150 mm/min］，（c）P = 0.75 mm/rev ［1350 rpm - 1013 mm/min］ の光学顕微鏡写真
ると，ビード幅は約18 mmから15 mmに減少した．

の光学顕微鏡写真を示す．母材の平均結晶粒径は約7.1

図4に各接合条件で作製した継手の断面マクロ組織をμmであり，攪拌部は P =0.25，0.75 mm/revでそれぞれ示す．図中の白丸で示す箇所に内部欠陥が観察された．

約6.4μm，6.2μmであった．この結果より，母材の結晶発生箇所は，前進側（Advansing Side : AS）であった．

粒はプローブによる攪拌で約 1μm微細化されるものの，

P =0.25 mm/revにおいて，（a）600 rpm - 150 mm/mimの条

回転ピッチによる顕著な差はないことがわかった．

件では無欠陥であるが，（b）900 rpm - 225 mm/min，（c）
３．２ 継手の機械的特性

1200 rpm - 300 mm/minと接合条件が高回転・高速度側になると，内部欠陥の大きさが増大した．
（c）の接合条件，およ
図 6 にP =0.25 mm/rev［600 rpm - 150 mm/min］

では，バリの排出が多く，また図中の試料表面近傍に攪

び P =0.75 mm/rev［1350 rpm - 1013 mm/min］の条件で拌の流れがスムースでない領域が観察された．この現象作製した継手の硬さ分布を示す．この結果より，母材硬は，回転数が高くなり，材料の塑性流動のバランスが悪さは約133 HVであり，いずれの回転ピッチにおいても，くなったため発生したと考えられる．つまり，材料中の接合部硬さは中心付近から114 HVまで軟化することが熱の伝達に比べ，回転ツールから材料表面の入熱量が大わかった．一般に，硬さは結晶粒が小さいほど高い値をきくなりすぎ，表面温度のみが上昇し，局部的に塑性流示すが，ここでは逆の現象が起きている．これは，析出動が促進したと考えられる（9）．P =0.75 mm/revにおいて強化型Al合金特有の現象で，微細析出物の量や分散状

は，（g）1350 rpm - 1013 mm/minの接合条件で無欠陥で態が硬さの軟化の原因となっている(10)．また，P =0.25mm/rev

あったが，それ以外の条件では，板下面に約 0.2 mmの未と0.75 mm/revの軟化領域（Softening region）はそれぞれ接合部および内部欠陥が観察された．これらの欠陥発生

約37 mm，18 mmであった．同図上に各回転ピッチのビは，攪拌不足が起因していると考えられる．

ード幅を示すが，軟化領域は両ピッチでビード幅以上で

図5に母材（Base Metal : BM）と， P =0.25 mm/rev

あることから，接合中の塑性流動よりも摩擦熱の影響が軟化現象に深く関与していると考えられる．

［600 rpm - 150 mm/min］および 0.75 mm/rev［1350 rpm 1013 mm/min］で作製した継手の攪拌部（Stir Zone : SZ）

13
13

図7に各回転ピッチで作製した継手の引張試験結果を2013年１月

示す．
（a）（b）の結果より，P =0.25 mm/revでは接合速度150～225 mm/minの範囲， P =0.75 mm/revでは900～1013 mm/minの範囲でMIG溶接継手の引張強さと耐力（11）を上回ることがわかった．また引張試験片の破断位置は，ほとんどの場合が攪拌部であったが，P =0.25 mm/rev［600 rpm - 150 mm/min］の接合条件において，図6に示す硬さの最大軟化位置（MIN 0.75）で破断した．

Vickers hardness (HV)250

P=0.25 mm/rev
P=0.75 mm/rev

200

Bead width0.25
Bead width0.75

150

100

50

MIN0.25

RS

SOF region0.75

MIN0.75

AS

SOF region0.25-22 -18 -14 -10 -6 -2
2
6 10 14
Distance from weld center, x /mm

1822

図6 P=0.25 mm/rev［600 rpm - 150 mm/min］，および
P=0.75 mm/rev［1350 rpm - 1013 mm/min］の
硬さ分布

図7 各回転ピッチで作製した継手の引張試験結果（a）引張強さ，（b）耐力

４ まとめ
参考文献

窒化ケイ素製ツールを用いて，板厚6 mm のA7N01-T5（1）「摩擦攪拌接合-FSWのすべて-」，社団法人溶接学

合金押出形材の突合せ接合を行なった．得られた結果を会編，産報出版，16-17，（2006）

以下に記す．

（2）宮澤智明，他：「高温材料の接合に向けたIr系摩擦・母材の平均結晶粒径は約7.1μmであり，攪拌部は

攪拌接合ツールの開発」，溶接学会論文集，28-2，

P =0.25，0.75 mm/revでそれぞれ約6.4μm，6.2μmであ203-207，（2010）

り，母材の結晶粒はプローブによる攪拌で約 1 μm微細（3）宮澤智明，他：「高強度Ir系摩擦攪拌接合ツールの化されるものの，回転ピッチによる顕著な差はないこと開発」，溶接学会論文集，29-1，24-28，（2011）（4）松下宗生，他：「高張力薄鋼板の摩擦攪拌接合（FSW）

がわかった．

技術の開発」，溶接学会論文集，27-4，360-370，（2009）
・P =0.25 mm/revでは接合速度150～225 mm/min の範囲，

（5）東靖子，他：「Ni基超・超合金製ツールによる

P =0.75 mm/revでは900～1013 mm/minの範囲でMIG溶接

SUS430薄板の摩擦攪拌接合」，溶接学会論文集，

継手の引張強さと耐力を上回った．また， P = 0.25

28-1，116-122，（2010）

mm/rev ［600 rpm - 150 mm/min］ の接合条件で，硬さ（6）佐藤裕，他：「鉄鋼およびTi合金用新規Co基合金摩擦攪拌接合ツールの開発」，溶接学会全国大会講演の最大軟化位置（MIN 0.75）から破断した．

概要 87, 288-289，（2010）（7）石川武，他：「Smart FSW ツール＆バックバーのTM開発」，東急車輛技報，61，18-25，（2011）

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14

窒化ケイ素製ツールを用いた鉄道車両用A7N01合金の摩擦攪拌接合（8）岩木俊一，他：「摩擦攪拌接合継手の後熱処理性－
構造用アルミニウム合金の摩擦攪拌接合継手の諸特性に関する研究（第6報）－」，軽金属溶接，45-5，
35-45，（2007）（9）Y. G. Kim, et. al, :Mater. Sci. Eng. A, 415, 250-254,（2006）（10）佐藤裕：「Al合金FSW部の機械的特性とミクロ組
織」，溶接学会誌，71-8，581-584，（2002）（11）溶接・接合便覧，溶接学会編，丸善，1011

著者紹介
橋本健司
生産本部
技術部（基礎開発）

河田直樹
博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）主査

石川武

博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）課長

藤井英俊
博士（工学）
大阪大学
接合科学研究所 教授

15
15

2013年１月

半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発
Development of Different Thickness Butt Welding Technology by Direct Diode Laser for Railway Vehicle
吉 澤 正 皓 Masaaki YOSHIZAWA
河 田 直 樹 Naoki KAWADA
武 Takeshi ISHIKAWA
石川
鉄道車両製造におけるレーザ溶接はステンレス鋼の薄板の突合せや重ね溶接への適用がある．これ以外では中板同士の異板厚突合せ溶接にYAGレーザを適用した例がある．YAGレーザではアンダーフィルの発生や，ギャッ
プ裕度が小さいなどの課題があった．これらを解決するために，半導体レーザにより異板厚突合せ溶接技術の開発を行った．使用した半導体レーザのビーム形状は矩形であり，YAGレーザよりも溶接線方向に長い加熱時間がある．その結果，YAGレーザに比べて溶接入熱を低減できた．また，母材と同等の継手強度が得られた．

Laser welding is applied butt and lap joints of stainless steel sheet in manufacturing of railway vehicle. Hereis another example of application laser-welding. It is different thickness butt welding by using YAG laser. These
joints thickness are 3.0mm and 4.5mm. YAG laser welding has two problems. These problems are underfill of
weld defect and little gap tolerance. This study use direct diode laser （DDL） to solve these problems. DDL
has rectangle and long length beam spot. This beam spot can provide long heating time more than beam spot of
YAG laser. As a result DDL welding can reduce welding heat input comparison with YAG laser welding. In
addition, strength of welded joint is equivalent to base metal.

１ はじめに

この結果を報告する．

鉄道車両製造における溶接技術は抵抗スポット溶接，アーク溶接が主流である．2000年以降はレーザ溶接を適

２

実験方法

２．１

用したステンレス製車両が登場しており，当社も2011年

供試材および実験装置の外板と構体骨組の接合に供試材はオーステナイト系ステンレス鋼のSUS304を

レーザ溶接
レーザスポット溶接 を適用した実績がある．

使用した．板厚は3.0mmと4.5mmである．継手形状は突は速い溶接速度でも深い溶込みが得られる．
また，加熱さ合せ継手である．図1に示すように段差面をレーザ照射れる範囲は非常に微小であり結果として入熱が少なく熱側，平滑面を裏側とした．板端の加工はシャー切断またに横浜新都市交通 2000型

（1）

（2）

ひずみの小さい溶接が可能である．これは後工程での修はレーザ切断とした．シャー切断の場合，突合せの際に正作業の減少や，組み付けを容易にする等の利点がある．

ダレ面をレーザ照射側となるように組み合わせた．

ステンレス鋼製車両の外板や骨部材の板厚は1.0～
1.5 mmの薄板であるが，一部の部材には中板も存在し当社では厚さ3.0 mmと4.5 mm の中板同士の突合せ溶接に
YAGレーザを適用した実績がある．しかし，YAGレーザの場合はアンダーフィルの抑制と，ギャップ裕度の緩和のためにビームを光学系で二つに分割し，なおかつフィラーワイヤを併用しての接合であった（3）．これに対して，YAGレーザのツインスポットの光学系を簡易化し，フィラーワイヤを用いない接合を目指し，矩形のビームを持つ半導体レーザを用いて中板同士の異板厚突合せ溶接技術の開発を行った．結果，フィラーワイヤを用いず接合が可能となり，なおかつ入熱量の低減に成功した．

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図1 突合せ継手の形状

半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発

図2に溶接装置の配置を示す．使用したレーザ装置のかる（デフォーカスする）と考えられる．また，常に波長は940nmである．当装置はファイバ伝送ではなく，3.0mm板表面はデフォーカスであり，パワー密度は90%

被加工物に直接レーザ光を照射するダイレクトダイオー

未満となる．3.0mm板表面を焦点位置とした場合は，反ドレーザ（DDL） である．レンズの焦点距離は130 mm

対に段差部が溶けるにつれて溶接ビードは焦点位置に近であり，焦点位置でのビームサイズは半値全幅で幅づくと考えられる．よって，3.0mm板表面に焦点位置を0.5mm，長さ3.5mmの矩形である．ビームの長手方向は設定することとした．

（4）

溶接方向と同一とした．加工ガスはサイドガスノズルから供給し，加工ガスは純Ar，流量は30L／minとした．
接合には幅10mm，深さ10mmの溝付きの銅定盤を用いた．

３ 結果と考察
３．１

板の切断方法の違いによる接合

突合せ面がレーザ切断の場合とシャー切断の場合の溶接部断面マクロ写真を図 4 ，5に示す．
レーザ出力は 5 kW，
溶接速度は1.2m／minである．ねらい位置を突合せの中心とし，溶接方向は紙面奥から手前である．

図2 溶接装置の配置
２．２

焦点位置の検討

波長940nmに対し高吸収の黒アクリルに極低パワーのレーザを高速で走査し，蒸発幅を計測し，これを簡易的にビーム幅とした．この結果を図 3 に示す．図中の点線

図4 レーザ切断の場合の溶接部断面マクロ写真（レーザ出力：5kW，溶接速度：1.2m／min）

または破線と実線の交点は，照射痕の幅が最も絞れた位
置から√2倍，1.05倍になる位置である．半値全幅で定義されるビームサイズと照射痕に相似性があると仮定す
ると，それぞれの位置ではパワー密度が 50％，90％相当となる．

図5 シャー切断の場合の溶接部断面マクロ写真（レーザ出力：5kW，溶接速度：1.2m／min）
図3 ビーム幅の計測結果

レーザ切断，シャー切断のどちらにおいても溶接ビード

レーザ照射部には板厚差により1.5mmの段差がある．

が4.5 mm板から3.0 mm板にかけて傾斜面を形成し，裏面

溶接に際してこの段差部は溶融し，傾斜面を形成するとでは約1.0 mmの裏波ビードが発生している．シャー切断考えられる．仮に4.5mm板表面に焦点を合わせた場合，の場合，3.0 mm板から見て若干のアンダーフィルが生じた．

段差部が溶けるにつれて溶接ビードは焦点位置から遠ざ

どちらの場合も溶接部にブローや割れ等の発生は無い ．

17
17

2013年１月

2008年に報告したYAGレーザの溶接条件（3）は4kW，0.8m／minである．対してレーザ出力は若干の増である

盛り上っており，まったくアンダーフィルを生じていな
い．

が，溶接速度は向上した．単純にレーザ出力を溶接速度で除して投入熱量を計算するとYAGレーザでは 3000J／
cm，DDLでは 2500J／cmとなり，計算では入熱を17 %低減できている．また，板の切断方法に関わらず，フィラーワイヤを用いること無く接合できた．
DDLのビームは長手方向が3.5 mmであり，YAGレー
ザのビームは0.6 mmのスポットが直列に並んでいるので
約1.2mmである．よってDDLとYAGレーザではビームの長さに約 3 倍の差がある．もし同じ速度で溶接するのであれば，ある点での加熱時間は 3 倍の差がある．ただし，溶接速度はDDLの方が1.5 倍速い．よって，今回の溶接条件では約 2 倍の加熱時間の差となる．よって，
図7（a）ねらい位置Aの溶接部断面マクロ写真

4.5mm板の上端部が十分に溶融し3.0mm板側に流れ込
み，シャー切断の場合はダレ面の空隙を埋めたと考えられる．また，YAGに比べて長い加熱時間により裏面ま
での溶込みを得られたと考えられる．
３．２

ねらい位置の影響

３．２．１

水平方向のずれ3.1の接合試験ではねらい位置を突合せの中心とした．
本項では水平方向にねらいがずれた場合の影響を明らかにするために図 6 に示すように，突合せ面を中心として左右に最大1.0mmの距離をずらして接合を行った．焦点
位置は3.0mm板の表面とした．板の端面はレーザ切断である．
図7（b）ねらい位置Bの溶接部断面マクロ写真

図6 ねらい位置の模式図
図 7 にねらい位置 A ～ E の断面マクロ写真を示す．レ

図7（c）ねらい位置Cの溶接部断面マクロ写真

ーザ出力は 5 kW，溶接速度は1.2m／minである．溶接方
向は紙面奥から手前である．
図7
（a）
（b）
のねらい位置が4.5 mm 板側に寄った場合は
図（7 c）の突合せ中心を狙った場合に比べてビード表面が
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半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発

図8 ねらい位置とアンダーフィルの深さの関係
３．２．２

垂直方向のずれ（焦点位置のずれ）

垂直方向のずれ，すなわち焦点位置のずれの影響につ

図7（d）ねらい位置Dの溶接部断面マクロ写真

いて実験を行った．焦点位置を図 9 に示すように始端は3.0 mm板表面に合わせ，終端は4.5mm板表面に合わせた．
ねらい位置は突合せの中心とした．

図7（e）ねらい位置Eの溶接部断面マクロ写真

図9 始終端の焦点位置の模式図

これに対して図 （7 d）（e）の3.0mm 板側に寄った場合では，4.5 mm 板の上端部が溶け残っている．図 7（e）の溶溶接部始終端および中央での継手裏面の外観写真を図

け残った4.5 mm 板の端部に沿って白い二点差線を引いた

10（a）～（c）に示す．裏波は図10（a）（b）では安定して連ところ，4.5 mm 板側にはほとんど溶込みはない．また図7

続に発生しているが，図10（c）溶接部終端の手前30 mmか（d）（e）
ともにアンダーフィルが生じている．

ら不安定で断続的になり最終的には消滅している．

図7
（a）
（b）
において，アンダーフィルが生じない理由

溶接部の始終端から30 mmと溶接部の中央で断面マクは次のことが考えられる．4.5 mm 板側にねらいが寄った

ロ観察を行い，各部を計測した．計測箇所を図11に示す．

場合，3.0 mm板側に溶け落ちさせる体積が増加する．ま

計測結果を表 1 に示す．ビード幅にほとんど変化は無い

た，4.5 mm 板表面では1.5mmのデフォーカス状態にありが，裏波幅は始端と終端で 1 mm減少している．アンダー

パワー密度が低下することから溶融能力が低下し端部がフィルは3.2.1の図 7（a）（b）ねらい位置が4.5mm板側に3.0 mm板側に流れずに盛り上ったと考えられる．対して，寄った場合のようにビードが盛り上がっており発生して

図7
（d）
（e）
のようにねらい位置が3.0 mm板側に寄った場いなかった．溶接部断面積も減少しており，吸収された

合は，マクロ写真からも明らかなように4.5mm板からのエネルギに差があると考えられる．

溶融金属の供給がなく，裏面に裏波として出た分の体積

終端の手前30mmの位置では，3.0mm板表面から焦点がによりアンダーフィルが生じたと考えられる．

上方に約1.2mm移動しており，図 3 の結果からパワー密度

図 8 にねらい位置とアンダーフィルの深さの計測結果

が始端に比べ10%ほど減少しているはずである．今回の実を示す．継手の薄い側の板厚3.0 mmを基準として考える

験では溶接部後方は貫通溶接されており，そこからの熱と，ねらい位置が3.0 mm板側に1.0 mmずれた時点でアン伝導の影響がある．よって，実際に裏波ビードが減少する

ダーフィルの深さは板厚の10 %を超える．よって，ねら

焦点位置のずれはより小さいと考えられる．確実に貫通

い位置は3.0mm板側に0.5mmまでが良い．

溶接をするためには，垂直方向のずれは 1 mmまでが良い．

19
19

2013年１月

３．３

引張試験

3.2.1で作製した継手の引張試験を行った．試験片形
状は突合せ溶接継手の引張試験方法 JIS Z 3121の1A号
試験片とした．継手には1.5mmの板厚差があり，このままでは引張試験の際に軸がずれる．そこで図12に示すよ
うに4.5mm板の裏面に1.5mmのSUS304 板をスポット溶
接で取り付けた．比較として3.0mm板から母材の引張試
験片を採取した．こちらは，金属材料の引張試験方法
JIS Z 2201の13B号とした．引張速度は熱間圧延ステンレス
鋼板および鋼帯JIS G 4304により試験片平行部のひずみ増加率を40～80%／minとするために36mm／minとした．

図10（a）始端付近の継手裏面の外観

引張試験の結果を図13に示す．ねらい位置Aの4.5mm
板側に1.0mm寄った継手以外はほとんど母材と同等であった．図14にねらい位置Aの継手の引張試験後の破断面を示す．破断面には引張りで破断した濃いグレーの面と縦に筋の入った銀光沢の面がある．この銀光沢の面にある縦筋は，光学顕微鏡での観察から供試材端面のレーザ
切断の加工痕と考えられる．図 （7 a）を見ると3mm側の溶接部の境界に垂直な部分があり，これが供試材の切断面（突合せ面）であると考えられる．ビームの幅は0.5mmであるから，4.5mm側にねらい位置が1.0mm寄った場合，3.0mm板は直接加熱されず4.5mm板からの熱伝導により溶融すると考えられる．このため，突合せのギャップに

図10（b）中央付近の継手裏面の外観

より熱が伝わらず切断面の一部が接合されずに残ったと考えられる．引張試験の結果を考慮し，4.5mm板側へのねらい位置のずれは0.5mmまでが良い．

図11 溶接部の測定箇所

図10（c）終端付近の継手裏面の外観
表1 溶接部の測定結果

start

centerend

average

σ

A（mm）

3.1

3.2

2.9

3.1

0.1

B（mm）

0.2

0.1

-

0.2

0.1

C（mm）

3.2

3.0

2.1

2.8

0.5

D（mm）

0.9

0.7

0.6

0.7

0.1

E（mm ） 11.4

12.1

10.8

11.4

0.5

2

総合車両製作所技報

創刊号

20
20

半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発（4）焦点位置にずれが無く，ねらい位置のずれが突合せ
中心から左右に0.5 mm以内の場合，引張強さは母材と同等である．
本研究の成果をMIG溶接で施工していた製品に適用した結果，工数を50%以上低減できた．これは溶接入熱が減少しひずみが低減できたことと，MIG溶接に比べて余盛が少なくグラインダ仕上げの時間が減少したことにより修正作業が不要となったためである．
参考文献
図12 引張試験片の模式図（1）原茂幹大，他：「横浜新都市交通 金沢シーサイドライン2000型車両」，車両技術 241号，131，（2011），
社団法人日本鉄道車両工業会（2）河田直樹，他：「パルス波形制御によるステンレス
鋼板のレーザスポット溶接の最適化技術の開発」，
東急車輛技報 60号， 26-35，（2010），東急車輛製造（株）（3）越川純，他：「ステンレス鋼板のレーザによる突合
せ溶接に関する安定化手法の開発」，東急車輛技報
58号， 26，（2008），東急車輛製造（株）（4）宮島博文，他：「kW級半導体レーザ発振機の開発と溶接特性（第1報） : kW級半導体レーザ発振機の開図13 各ねらい位置における引張強さ発」，
溶接学会全国大会講演概要 第82集，23，（2008），
一般社団法人溶接学会

著者紹介
吉澤正皓
生産本部
技術部（基礎開発）

図14 引張試験後の破断面（3mm板側）
４

河田直樹
博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）主査

まとめ

異板厚の突合せ溶接にDDLを用いて実験を行った結果，以下の知見が得られた．

石川（1）DDLの場合，フィラーワイヤを必要とせず．その為，博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）課長

余分な余盛が無い．なおかつ，YAGレーザに比べて入熱を低減できる．

武（2）焦点位置にずれが無い場合，ねらい位置は突合せ中心から左右に0.5mmを許容できる．
（3）ねらい位置が突合せ中心の場合，焦点位置のずれは垂直上方に 1 mmを許容できる．

21
21

2013年１月

鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討 第一報
レーザ溶接部の塑性加工性の検討
Study of the Laser Welding Part of the Stainless Steel Sheets for Railway-car-body-shell
1st Report, Feasibility Study of the Plastic Processing of a Laser Welding Part及 川 昌 志 Masashi OIKAWA
越川
純 Jun KOSHIKAWA
ステンレス鋼製鉄道車両構体のほとんどはJISで規定するSUS301Lと呼ぶステンレス鋼板を多用している．その特徴は，炭素量が300ppm以下と低く，溶接部やその周辺で生じるCr欠乏層の発生を抑制し耐食性を維持できることと，同じ鋼種でも調質圧延により耐力・強度を選択できるので鉄道車両に作用する応力に応じて使い分けができ，鉄道車両構体の軽量化に寄与できることである．本報では，ステンレス鋼製鉄道車両の軽量化や製造プロ
セスの簡素化を狙い，ステンレス鋼をレーザ突合せ溶接後に塑性加工する工法を検討したので報告する．
Many stainless steel sheets called SUS301L are used for the railway-car-body-shell of stainless steel. The feature ishigh corrosion resistance for low carbon contains which less than 30ppm and the weight saving of the car-body-shellfor the yielding stress and tensile strength of base material.
We studied the weight saving of the railway-car-body-shell of stainless steel, and the simplification of the manufacturing process to be purposes, and we examined the new construction method which carries out the plastic processing of the stainless steel after laser butt welding.

１ はじめに

２

方法

ステンレス鋼製鉄道車両構体のほとんどはJISで規定

今回，実験検討に用いた材料はステンレス鋼製鉄道車

するSUS301Lと呼ぶステンレス鋼板を多用している．

両に多く用いるSUS301Lで，板厚は0.6mmである．主要

その特徴は，炭素量が300ppm以下と低く，溶接部やそ化学成分を表1に示す．また，本材料の塑性加工性の調の周辺で生じるCr欠乏層の発生を抑制し耐食性を維持査を目的に，r 値（1）と成形限界特性を求め，これらの値できることと，同じ鋼種でも調質圧延により耐力・強度を用いて塑性加工性を数値シミュレーションモデルによを選択できるので鉄道車両に作用する応力に応じて使いって解析した．なお，塑性加工シミュレーションには市分けができ，鉄道車両構体の軽量化に寄与できることで販のソフトウエアを用いている．同時にレーザ溶接部のある．

機械的特性を調査し，レーザ溶接後の塑性加工の可能性を検討した．

このようなステンレス鋼を用いた車両の組み立てには，ほとんどが電気抵抗スポット溶接法やアーク溶接法
を用いているが，近年はレーザスポット溶接やレーザ連

表1 SUS301L鋼の主要化学成分（実測値）

続溶接も用いられている．これらは高速溶接による低熱ひずみを目的にし，電気抵抗スポット溶接法の代用に留

元素名

C

Si

Mn

P

まり，自動車部品の組み立てで用いるテーラドブランク

含有量
%

0.019

0.51

1.250

0.024

元素名

S

Ni

Cr

N

含有量
%

0.006

6.77

16.84

0.119

工法のような構造体の軽量化に寄与するような製造プロ
セス革新には至っていない．
そこで，本報では，ステンレス鋼製鉄道車両の軽量化
や製造プロセスの簡素化を狙い，ステンレス鋼をレーザ突合せ溶接後に塑性加工する工法を検討したので報告す
る．

総合車両製作所技報

創刊号

22鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討 第一報 レーザ溶接部の塑性加工性の検討

３

結果

３．１

なお，Swift式は，σ=K（ε0＋ε ）であり，Kは加工
p n

基本的機械的特性の調査

硬化係数，nは加工硬化指数である．試験後の試験体を市場に多く流通するSUS304鋼やSUS430鋼の物性値

図3に示す．

は文献などで公開されているものの，SUS301L鋼の塑性加工性に関わる物性値は無く，SUS301L鋼の塑性加機械的特性を把握した．引張試験から母材の耐力と強度，㻝㻞㻜㻜および，r値を求めた．また，中島法（1）による成形試験㻝㻜㻜㻜┿ᛂຊ㻛㻹㻼㼍

工数値シミュレーション実験をするにあたり，基本的な㻝㻠㻜㻜によって成形限界特性を求めた．
図1，表2に引張試験結果を示す．試験体はJISで規定㻯㻙㻠㼟㼣㼕㼒㼠㻌㻲㼕㼠㼠㼕㼚㼓⠊ᅖ䃔㻜㻚㻝㻙㻜㻚㻟㻞㼟㼣㼕㼒㼠㻌㻲㼕㼠㼠㼕㼚㼓⠊ᅖ䃔඲ᇦ
㻌㻌
㻌
㻌㻌
㻌

㻤㻜㻜
㻢㻜㻜
㻠㻜㻜

する5号引張試験体であり，材料の圧延方向のみの試験を実施した．なお，試験速度は10mm/minで一定とした．
また，Swift式パラメータ算出を行った．表3にSwift式（1）

㻞㻜㻜
㻜
㻜

㻜㻚㻝

㻜㻚㻞
㻜㻚㻟
┿䜂䛪䜏

パラメータを示し，図2にFitting図を示す．図1に示す応力－ひずみ線図（真応力-真ひずみ）の塑性領域で変曲

㻜㻚㻠

図2

Swift Fitting の 結 果

図3

引張試験後の試験体

㻜㻚㻡点が存在するので，Fittting範囲を変曲点以降（範囲ε0.1～0.32）と全域の2通りで求めた．全域Fittingでは変曲点以降で差が生じている．
C-4

1400

真応力/MPa

1200
1000
800
600
400
200
0

表4，図4にr 値測定結果を示す．r 値は材料の圧延方

真ひずみ

向（L方向），圧延方向とは直角方向（C方向），圧延方

図1 SUS301L鋼の引張試験結果

向とは45度の角度をなす方向（D方向）を調査した．

表2 SUS301L鋼の引張試験結果
厚さ
mm

幅
mm

標点距離
mm

降伏応力
MPa

表4

r 値の測定結果

歪量

試験前

試験前

試験後

0.60

25.02

50

646

%

GL

幅

GL

mm

mm

mm

L方向

20

20

25.02

23.84

引張強度
MPa

一様伸び
%

全伸び
%

D 方向

20

20

25.02

23.83

880

41

45

C 方向

20

20

25.02

23.83

表3 Swift式パラメータ
Swift
Fitting 範囲

K

ε0

ε0.1-0.322270

0.0688ε全域

2030

0.1320

試験後幅
mm

各方向
r値

L 方向

23.13

0.80

0.664

D 方向

23.04

0.89

0.673

C 方向

22.98

0.95

n

23
23

平均 r値
0.88

2013年１月

1.0

0.95

0.9

0.90

0.8

0.85

0.7

᭱኱ࡦࡎࡳ
最大ひずみ
Major strain

ｒ値

1.00

0.80
0.75

0.6
0.5
0.4

0.70
r0

r45

0.3

r90

0.2

図4 r 値の測定結果

0.1

次に本材料の成形限界線図を求めた．種々の試験体幅0.0で球頭張出し試験を行う中島法によって成形限界特性をMinor

strain

最小ひずみ
最小ひずみ

求めた．なお，成形限界線図を求める方法には，中島法

図5 成形限界線図の他にM-K（Marciniak and Kuczynski）
法（1）がある．実際にプレス加工では潤滑剤を使うが，潤滑剤の種類で変わる成形限界の調査は中島法が適しているので本手法を採用した．
試験体の寸法は圧延とは直角方向に200 mm，幅は110 mm，120 mm，130 mm，140 mmとした．スクライブド
格子は 2 mmとし，ポンチは直径 100 mmの球頭ポンチであり，ロックビードを加工している．試験速度は25mm/
min，BHFは30tonであり，破断部のひずみを測定して幅 110mm

幅 120 mm

幅 130mm

幅 140 mmいる．
なお，最大ひずみ（ε1）と最小ひずみ（ε2）は標点
距離を2mm格子5個分の10mmとし，ひずみは（1），（2）
式を用いて算出した．
ε1＝ln（l 1／l 0）（1）

ε2＝ln（l 2／l 0）（2）

図6 試験後の試験体
３．２

（mm）
，l2を最小ひずみ
なお，l1を最大ひずみ方向長さ

塑性加工性の検討

方向長さ（mm），l 0を10mmとした．平面ひずみ測定結果

前節で求めた機械的特性をもとに，成形性を検討した

およびFLD（成形限界線図）を表5，図5に示す．また、モデルを図7に示す．本モデルは鉄道車両用屋根材を想成形品外観を図6に示す．平面ひずみは0.28であった．

定した．板幅は815mmとし，この間に9山の凸部を形成した．なお，両端（図では上下の凸部）はロックビードである．なお，連続加工を想定し位置決めのためのロッ

表5 平面ひずみ測定結果

試験体幅
mm

測定値（mm）
l2

110

14.754

9.135

0.39

-0.09

120

14.158

9.441

0.35

-0.06

130

13.42210.074

0.29

0.01

140

13.27610.017

0.28

0.00

創刊号

野の長さは30mm，凸部の間隔は76mmである．今回は材料の長手方向（凸部が連続する方向）の検討を行わず，

Major
Minor
strain ε1 strain ε2

l1

総合車両製作所技報

クピンを配している．凸部の高さは15mmであり，すそひずみ
ε1（ 2 ）= ln（ l1(2) /10）

幅方向の成形性の検討を行った．シミュレーションの結果を図8に示す．図中の緑部分は板厚の減少がほとんど無い部位であり，黄色から赤色になるにしたがい板厚の減少値が大きくなる．図中に示すように，凸部の頂部よりやや下がった部分の板厚の減少値が大きくなり，最大で約15%減少していることがわかる．

24
24

鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討 第一報 レーザ溶接部の塑性加工性の検討

4−φ10パイロットピン

捨て形状（可動）

図9 試作した鉄道車両用屋根材
３．４

プレス加工前のレーザ溶接適用の検討

本試験に用いたSUS301L鋼をレーザによって突合せ

図7 鉄道車両用屋根の解析モデル

溶接を行い接合した．レーザはファイバ伝送型であり，加工点のビーム径を0.6 mm，出力4.0kW，溶接速度6.0m/minとした．なお，レーザ照射点とその裏面にはArを供給している．レーザ照射部裏面へは，レーザ照射部の裏面に配置したチャネルにArを供給し，レーザプ
ルームの成長を抑制させ，過度な溶融を防止した．レー
ザ溶接部の外観を図10に示し，断面写真を図11に示す．

-O. 150

図8 塑性加工の数値シミュレーション解析結果

３．３

シミュレーションモデルの妥当性検討

鉄道車両用屋根材に用いるSUS301L鋼の塑性加工数
値シミュレーションを，実験検討によって求めた物性値を用いて解析することができた．本シミュレーションモ
デルの妥当性を検討するため，図7に示す仕様の金型を

図10 レーザ溶接部の外観

試作しプレス加工を行い，板厚の減少値を実測した．図（写真中央の上下に伸びる変色部分がレーザ溶接部である）

9に試験結果を示す．

25
25

2013年１月

1.80
1.60

r値

1.40
1.20
1.00
0.80
0.60

r0

r 45

r 90

図13 SUS304鋼のr値の測定結果
また，試験によって得たSUS301L鋼の機械的特性を

図11 レーザ溶接部の断面用いた塑性加工の数値シミュレーション解析では，実図10に示すレーザ突合せ溶接後のSUS301L鋼にプレ際に試作した屋根材と一致する傾向にあった．板厚の減ス加工を行った材料を図12に示す．溶接部からの破断

少値は，シミュレーションでは最大15%であったが，実は無く健全な形成ができることがわかった．

測値では約16.7%であった．
板厚が減少することによって，機械的特性が変化すると考え，試験に用いた同様のSUS301L鋼を塑性加工（圧延）によって20%減厚させ，機械的特性を調査した．
また，レーザ溶接部の引張試験を行い破断箇所とその応力を求め，拡張性を検討した．図14に示すように板厚を20%減少させた材料の0.2%耐力と引張強度は，母材L方向の0.2%耐力646MPa，引張強度880MPaと比較し20%以上高くなっていることがわかった．圧延による減厚とプレス加工による伸びでは残留応力が異なり，耐力，強度ともに差があるが，減厚した分の耐力と強度の低下は補える範囲であると考える．
㻝㻟㻜㻜㻜㻚㻞䠂⪏ຊ䚸ᘬᙇᙉᗘ㻛㻹㻼㼍

図12 レーザ溶接後にプレス加工した材料の外観（凸部表面の変色部分がレーザ溶接部である）
考察

本試験で得たr 値はC方向が高い傾向にある．これと比較して図13に示すようにSUS304鋼ではD方向が高い

㻝㻝㻜㻜
㻝㻜㻜㻜

㻜㻚㻞㻑⪏ຊ
ᘬᙇᙉᗘ

㻥㻜㻜
㻤㻜㻜
㻣㻜㻜

㻸᪉ྥ

㻰᪉ྥ

㻯᪉ྥ

㻰᪉ྥ

㻸᪉ྥ

㻯᪉ྥ

㻰᪉ྥ

㻸᪉ྥ

すなわち，すべり方向が影響するためである．結晶構造がBCCの場合には，圧延率は高くなるとすべり方向㻯᪉ྥ

傾向にある．これは，一般に r 値は圧延条件（圧延率）
，

㻰᪉ྥ

㻢㻜㻜

㻸᪉ྥ

４

㻝㻞㻜㻜

㻯᪉ྥ

図14 20%減厚したSUS301L鋼の機械的特性が揃い圧延方向の r 値も高くなる。一方，ステンレス

また，図15にレーザ溶接部の引張試験結果を示す．図鋼板（FCC構造）の場合は，すべり方向が異なり，圧15から破断箇所は溶接部近傍の熱影響部が起点であり，

延条件にもよるがD方向が高くなると考えられる．

その耐力は377MPa，引張強度は752MPaである．母材の耐力 646MPaに比べ，熱影響部の耐力と考えられる
値は377MPaと大きく減少している一方，引張強度は母材880MPaに対し，752MPaであり減少はするが，耐総合車両製作所技報

創刊号

26

鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討 第一報 レーザ溶接部の塑性加工性の検討

力ほど減少の度合いは大きくない．これはレーザ溶接に

著者紹介

伴い強度は低下するものの，耐力が低下し塑性加工しや及川昌志

すくなったとも考えられる．したがって，図12に示すよ博士（工学）
生産本部
技術部（sustina）主任技師

うにSUS301L 鋼であってもレーザ溶接後に塑性加工できる可能性を得たと考える．

越川
図15 レーザ溶接部の引張強度の調査
５

純

生産本部
生産管理部（生産技術）

結言

SUS301L鋼の機械的特性の調査と塑性加工数値シミ
ュレーションモデルの妥当性を検証し，さらにはレーザ
溶接後に塑性加工を行う探索的実験を行い次の結論を得た．
（1）SUS301L鋼の塑性加工に関わる基本的な機械的特性のうち r 値と成形限界特性を調査した．
（2）SUS301L 鋼の r 値と成形限界特性を用い，鉄道車
両用屋根材の塑性加工数値シミュレーションを行った結果と，試作した金型によってプレス加工した実サンプルを比較し，板厚の一致を確認し，また，数値シミュレーションの妥当性を確認するとともに，その実用の可能性を得た．
（3）SUS301L 鋼に対して，レーザ溶接後にプレス加工
するテーラドブランク加工を探索的に実施し，その実現の可能性を得ることができた．
今後はレーザ溶接部の詳細な解析を行い，課題の抽出と解決を行う．
参考文献（1）薄鋼板成形技術研究会，プレス成形難易ハンドブック
第3版，（2007），日刊工業新聞社

27
27

2013年１月

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察
The Fatigue Characteristics of a Laser Spot Welding Part及 川 昌 志 Masashi OIKAWA
越川
純 Jun KOSHIKAWA
遠 藤 翔 太 Shouta ENDOH
レーザスポット溶接は，低入熱で低歪みであり，また，接合部の直径がおよそ2 mm以下である．このようなレーザスポット溶接を大型構造物に採用した例は鉄道車両以外には無く，その鉄道車両は筆者らが2002年に製作し営業線で試験運行した車両に用いたことが始まりである．現在はレーザスポット溶接部が低歪みな特性から溶接部の角変形が無い優れた外観を持つ鉄道車両を提供している．レーザスポット溶接は，従来の電気抵抗スポット
溶接に比べ，あるいは従来の連続レーザ溶接に比べても短時間のプロセスであるので溶融凝固部の特性を詳細に調査する必要がある．本報ではレーザスポット溶接部の機械的特性の調査を行った結果と溶融凝固部の金属組織を調査した結果を述べる．

Laser spot welding is the method of optimizing time and spatial distribution of the output of pulse oscillation
laser or the continuation oscillation laser in pulse gating mode, and has the feature of low distortion, with lowheat input. The diameter of a laser spot welding of about 2 mm or less, it is for there to be no example adopted
as the large-sized structure in addition to a railroad vehicle. Since laser spot welding is a short-time process even
if it compares it with the conventional continuation laser welding, it needs to investigate the characteristic of awelded part in detail. This paper describes the result of having investigated the mechanical property of the laser
spot welding part, and the result of having investigated the metal organization of the welded part.

１ はじめに

２ 実験方法レーザスポット溶接は，パルス発振レーザ，もしくは

２．１

試験体

パルスゲーティングモードの連続発振レーザの出力の時

試験体には鉄道車両用ステンレス鋼板，SUS301L鋼間的分布や空間的分布を最適化して接合する方法であを用いた．主要化学成分を表1に示す．なお，SUS301Lり，低入熱で低歪みであるという特徴を持つ．古くから

鋼 は ， SUS304鋼 と Crと Nの 含 有 量 の 差 は わ ず か

剃刀の刃部分と支持部分の接合に用いられ，あるいは精（SUS304鋼は18-8ステンレス鋼と言われ，SUS301Lで密部品の接合に用いられていることが多い．接合部の直は17-7である）である．C量は実測値で190ppmであり，径がおよそ 2 mm以下のレーザスポット溶接を大型構造

溶融凝固部とその周囲の熱影響層で生じるというCr欠乏物に採用した例は鉄道車両以外には無く，その鉄道車両層（腐食に対する鋭敏化組織）が成長しにくいと言われは筆者らが2002年に製作し営業線で試験運行した車両ている．また，調質圧延により引張強度を約1200MPaに用いたことが始まりであり，現在はレーザスポット溶まで選択することが可能である．調質と耐力および強度接部が低歪みな特性から溶接部の角変形が無い優れた外を表 2 に示す．今回の実験に用いた調質と板厚の組み合観を持つ鉄道車両を提供している．

わせを表 3 に示す．

レーザスポット溶接は，従来の電気抵抗スポット溶接

表1 SUS301L鋼の主要化学成分(実測値)に比べ，あるいは従来の連続レーザ溶接に比べても短時
間のプロセスであるので溶融凝固部の特性を詳細に調査する必要がある．

%

本報ではレーザスポット溶接部の機械的特性の調査を行った結果と溶融凝固部の金属組織を調査した結果を述
べる．

%
総合車両製作所技報

創刊号

28

C

Si

Mn

P

0.019

0.51

1.25

0.024

S

Ni

Cr

N

0.006

6.77

16.84

0.119

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察

レーザ照射時の出力の時間的分布を制御することで，ス

表2 SUS304鋼とSUS301L鋼の調質，耐力および強度
SUS304

SUS301L

MPa
MPa

２．２

パッタ発生をほぼ抑制したレーザ照射条件を表4に示す．

LT

DLT

ST

MT

HT

215

345

410

480

685

205

550

690

760

820

930

520

表4 レーザスポット溶接条件

kW

ms

m/min

kW

ms

m/min

1-1

3.75

7

1.5

2.25

20

1.5

表3 実験に用いた材料の調質と板厚

8-12

1.00

6

6.0

2.80

22

6.0

1-1

8 -12

15 -8

15-8

3.00

2

1.5

2.50

55

1.5

1.0mm

0.8mm

1.5mm

301L-HT

304

304

1.0mm

1.2mm

0.8mm

304

301L-DLT304

図 2 にレーザ照射部の外観を示す．図に示すようにレーザ照射部は金属光沢を有している．これは，溶融凝固部の酸化膜の表裏面での外光の干渉による着色（酸化膜SUSの厚さが数100nm）であり，溶融凝固部への大気の混入

実験装置

向に伸びた楕円形の形状である．

が少なく健全な溶接を示している．また，レーザ走査方

レーザスポット溶接を行ったレーザスポット溶接シス
テムの概要図を図 1 に示す．レーザ発振器は連続発振の半導体励起のYAGレーザであり，最大出力は加工物上で4.0 kWである．レーザ発振器からのレーザはSI型コ
ア径 0.6 mmの光ファイバで伝送し，拡大倍率 1 倍の集光光学装置で加工物上に集光した．レーザ照射点には大気の混入をできる限り防ぐためArを供給している．
1-1

Laser beam

Focusing lensUpper plate

Spot weld

Lower plate

8-12

図1 レーザスポット溶接システムの概要図
レーザ溶接部の機械的特性は，静的および繰り返し荷重の引張せん断特性で評価した．いずれも試験でも試験
装置はMTS社製，クロスヘッド速度制御方式の電気油
圧式疲労試験装置を用いている．
３ 実験結果15-8

３．１ レーザスポット溶接のレーザ照射条件最適化
レーザスポット溶接では照射したレーザのエネルギが図 2 レーザ照射部の外観

熱エネルギに急速に変換され，レーザ照射部の温度が上昇するので，短時間に溶融点や蒸発点に到達し，スパッタの発生が多くなり溶接品質に影響を与えることが多い．

29
29

2013年１月

図 2 に示した試験体の引張試験後の破断面を図 3 に示

表6 疲労強度試験結果（1-1）

す．レーザ照射部外観と同様にレーザ走査方向に伸びた楕円形である．
kN

kN

kN

cycle

1

1.5

0.15

0.68

20

1.00×107

2

2.5

0.25

1.13

20

1.00×107

3

3.5

0.35

1.58

20

6.97×105

4

3.0

0.30

1.35

20

2.16×106

表7 疲労強度試験結果（8-12）
1-1
kN

kN

kN

cycle

4

2.0

0.20

0.90

20

9.64×106

5

1.5

0.15

0.68

20

1.00×107

6

1.8

0.18

0.81

20

1.00×107

8

2.5

0.25

1.13

20

2.86×106

表8 疲労強度試験結果(15-8)

8-12

kN

kN

kN

cycle

1

2.0

0.20

0.90

20

1.54×106

2

1.0

0.10

0.45

20

1.00×107

3

1.5

0.15

0.68

20

1.00×10715-8
図 3 レーザ照射部の破断面
３．２

静的引張試験結果，および疲労試験結果

引張試験結果のうち0.2%耐力と引張強さを求め，その結果を表 5 に示す．また，疲労強度試験結果を表6から表8と図4に示す．

表5 レーザ溶接部の耐力と引張強さ
試験体種別

0.2% 耐力

kN

引張強さ

1-1

8.602

9.949

8-12

9.148

13.012

15- 8

8.383

13.211

図 4 疲労強度試験結果

kN

３．３

レーザスポット溶接部の金属組織観察結果

図 5 に試験体15-8のレーザスポット溶接部の断面を示す．なお，金属組織の観察のため，試験体は切断の後に樹脂に埋め込み鏡面研磨し，10%シュウ酸溶液でエッチングを行っている．

総合車両製作所技報

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30
30

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察

観察位置

観察位置
境界部
観察位置

図8 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面下部
図5 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面図5中に示す2カ所の観察位置で倍率を変えて金属組織を観察した．図6から図9に示す．

観察位置

図9 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面下部
同様に図10に試験体 8-12のレーザスポット溶接部の断面を示す．
図6 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面上部

観察位置
境界部
観察位置

図10 試験体 8 -12のレーザスポット溶接部断面図7 試験体15-8のレーザスポット溶接部断面上部

図10 中に示す 2 カ所の観察位置で倍率を変えて金属組織を観察した．図11から図14に示す．

31
31

2013年１月

いずれの試験体でも大きな差異は無く，溶融凝固部および母材との境界部分に鋭敏化組織は観察できなかった．なお，溶融凝固部は段状組織であった．

観察位置

４ 考察
４．１

母材強度が接合強度に与える影響

表 5 に示した静的引張せん断試験結果と破断面の面積から，0.2%耐力と引張強度の応力を求め，表 9 にその結果を示す．SUS301L鋼の耐力と強度は，HTが最も高く続いてDLTとなる．SUS 3 0 4 鋼の耐力と強度は

図11 試験体 8 -12のレーザスポット溶接部断面上部

SUS301L鋼の調質材と比べても低い．引張せん断特性
は溶融凝固金属の特性のみによって決まるのでは無く，
抵抗スポット溶接法と同様に母材の強度も影響することを確認した．なお，試験体1-1の平均破断面積は0.95mm2，
試験体8-12は同様に1.38mm2，試験体15-8は1.47mm2である．一つの試験体あたり16点のレーザスポット溶接部を形成しているので、平均断面積を16倍して応力を算出した．
表9 静的引張せん断試験結果
0.2%

図12 試験体8-12のレーザスポット溶接部断面上部

観察位置

MPa

MPa

1-1

568

657

8-12

415

591

15-8

356

561

疲労強度も同様の傾向にあり，1000万回に達成する応力は，最大荷重で換算すると表10に示す通りとなる．
表10 疲労強度試験結果
1000

1000
kN

図13 試験体8-12のレーザスポット溶接部断面下部

MPa

1-1

2.5

164

8-12

1.8

82

15-8

1.5

63

また，1000万回を達成する応力と引張強度の差を表11に示す．引張強さと疲労強度には相関が見られるが，今回の実験では静的試験から疲労強度を予測するには至らなかった．これは図 3 に示すレーザ溶接部破断面が楕円であることも関連すると考える．

図14 試験体8-12のレーザスポット溶接部断面下部

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創刊号

32
32

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察

表11 引張強さと疲労強度の関係
1000
MPa

MPa

1-1

657

164

4.00

8-12

591

82

7.21

15- 8

561

63

8.90

４．２

金属組織からの考察

従来の電気抵抗スポット溶接部の金属組織を図15 から図17に示す．図 5 から図14 に示すレーザスポット溶接
部分と電気抵抗スポット溶接部の金属組織に大きな差異

図17 電気抵抗スポット溶接部の断面は無いことがわかった．一般にレーザ溶接部の冷却速度
５はおよそ1000 ℃/secと言われているが，特異な組織を観察することはできなかった．

結論

鉄道車両用ステンレス鋼板に対してスパッタ発生を抑制した入熱条件でレーザスポット溶接を行い，機械的特性の確認と金属組織の観察を行った．その結果，次のことがわかった．
（1）レーザスポット溶接部の静的強度のうち0.2%耐力と強度は母材と同じように，それらが高いと溶接部の0.2%耐力と強度も高い傾向にある．
（2）レーザスポット溶接部の疲労強度も同様の傾向があるが，接合界面の溶融凝固形状が異なること，疲労強度を厳密に求められなかったため，静的強度から疲労強度を予測するには至らなかった．
（3）レーザスポット溶接部の金属組織の観察から，耐食

図15 電気抵抗スポット溶接部の断面性に影響を与える鋭敏化組織は無く，また，従来の電気抵抗スポット溶接の溶融凝固部の金属組織と比べても大きな差異は無かった．
著者紹介
及川昌志
博士（工学）
生産本部
技術部（sustina）主任技師

越川

純

生産本部
生産管理部（生産技術）

図16 電気抵抗スポット溶接部の断面

遠藤翔太
生産本部

技術部（sustina）

33
33

2013年１月

解説

新保全体系の導入による車両メンテナンス革命−プラットフォームの共通化によるライフサイクルコストの低減の提案 −Innovation of Maintenance of Rolling Stock- Reduction of Lifecycle-cost by Using Common Platforms for Rolling Stock 中島啓行
今井宏

Hiroyuki NAKAJIMA
Hiroshi IMAI

技術基準の性能規定化に伴って，鉄道事業者が技術的実績に応じ安全性を証明すれば，検査の周期や検査方法を独自に定めることが可能になった．東日本旅客鉄道（株）（以下，JR東日本）では上記による検査を「新保全体系」と定め，およそ10年にわたって実績を積んできた．メンテナンスデータの活用という点において，既に新保全体系を適用している車両とのプラットフォーム（構造や機器）の共通化は今後の車両新造のキーポイントであり，
JR東日本グループとして当社が強みを発揮できる分野と考えている．本稿では，新保全体系について，概要と効果および導入プロセスについて紹介する．
とされている．すなわち，下線部のとおり，鉄道事業者

１ はじめにが安全性を証明すれば検査の周期や検査方法を独自に定車両の定期検査について，鉄道事業者が検査体系を独めることができるようになった．JR東日本では，上記の自に定めることができるようになった経緯を紹介する．

プロセスによって新たに定めた検査の体系を，「新保全

規制緩和の流れのなか，従来は構造や使用実態に係りな体系」と呼ぶこととした．なお，省令改正以降，車両のく一律・固定的に内容が定められていた「普通鉄道構造

検査体系を変更したのはJR東日本が初めてである．

規則」「鉄道運転規則」等が性能規定化されることとな
り，2001年12月「鉄道に関する技術上の基準を定める省

２ 検査体系の変遷

令」，ならびに同省令の第90条第二項を法令根拠として，

車両検査の現業機関は，一般に，重設備を必要とする「施設及び車両の定期検査に関する告示」が公布された．

検査を担当する「工場」と日常の車両管理を行う「検車同告示の第5条では，車両の定期検査について下記のよ区」に区分される．JR東日本では，両者の間で一元的なうに定めている．

車両管理体制を構築すべく，前者を総合車両センター，
後者を車両センターと称している．本稿では「総車セ」

車両については，別表の上欄（省略）に掲げる車「車セ」と表す．

両の種類ごとに，それぞれ同表下欄（省略）に掲
２．１

げる期間を超えない期間ごとに定期検査を行わな

新保全体系導入前の検査体系ければならない．ただし，耐摩耗性，耐久性等を「鉄道に関する技術上の基準を定める省令」において，有し，機能が別表の下欄に掲げる期間以上に確保

下記のように定められている．なお，本稿では，旅客車される車両の部位にあっては，この限りではない．

であって電車（ただし無軌条電車・懸垂式鉄道・跨座式
鉄道・案内軌条式鉄道・新幹線を除く）の車両を対象

また，同告示の解釈基準では，として記述する．
表1 別表（第5条関係）告示第五条のただし書き以下による検査の周期について～中略～（2）技術的実績に応じ，実証データによる確認や理論的解析等客観的な検討方法により，鉄道事業者が告示への適合を証明した場合には，上記の装置等の検査周期や検査方法を定めることができる．

総合車両製作所技報

創刊号

34

新保全体系の導入による車両メンテナンス革命 −プラットフォームの共通化によるライフサイクルコストの低減の提案−

重要部検査とは，車両の動力発生装置，走行装置，ブ当する作業者にとっても検査の質および職場環境の大幅

レーキ装置その他重要な装置の主要部分について行う定な改善が享受できることとなった．以下，検査内容の変期検査である．全般検査は，台車のオーバーホールを基本化の視点から，メンテナンスにおける変革をみることととし，その他装置について詳細な検査を行うものである．

する．

２．２

３．１ 車両センターにおける検査業務

新保全体系

JR東日本では，2002年4月より，VVVFインバータ制

従来の検査業務は，ハンマーによる打音検査や触手等御装置など新しい技術を導入している電車を対象として

人間の五感に大きく依存する作業であった．機械的可動

新保全体系を導入した．図1に導入前後の比較を示す．

部分や接点により構成される装置が車両や機器箱内の各所にあり，部品交換や手入れ・調整に多くの人力と材料が費やされていた．

[90

]

[4

60

km

[8

]

検査内容がどのように変わったかを表2に示す．摩耗]

しないあるいは摩耗しにくい材料や無接点部品の採用，制御伝送技術の発達等におうところが多いが，機能保全

[90
[360

(
(

では「機能確認」が主体の検査となっている．

)

]
]

)

(

[60 km)]([120 km ])([240 km

])

表2 車両センターでの検査内容の変革

図1 従来の検査体系と新保全体系
従来の検査体系と大きく異なるのは，総車セにおける検査周期と内容である．すなわち，機器毎の最適な検査周期を定めたうえで，・検査周期が類似する機器や部品をグループ化
・グループ化した機器を基に検査周期を制定したことにより，60万キロメートルを単位とする検査体系を構成することとした．指定保全および装置保全では機器の保全，車体保全では車両全般のリフレッシュを行う．指定保全では台車を車体から切り離すことなく検査を実施することが可能となった．
次に，車セにおける検査については，機能保全（月）と機能保全（年）の二段階となり，車両のモニター装置の機能を最大限に活用しながら状態・機能の検査を行っている．後者ではより広範囲な機能の確認を行う（従来の交番検査レベル）．
基本的に，新保全体系では車両の使用状態に応じた検査の方式や周期が構築しやすくなっている．車両の形式

図2 ブレーキ試験

別・線区別・装置別に耐摩耗性や耐久性を検証し，より適切な体系に進展させていく取組みを実施している．
３．２

３ 新保全体系導入による効果

総合車両センターにおける検査業務

新保全体系の導入によって，総車セにおける検査業務がどのように変わったか，重要部検査から指定保全での新保全体系の導入によって，検査にかかる経費（特に主要な変更点を例に表3に示す．

人件費）の大幅な削減が可能になるとともに，検修を担35
35

2013年１月

60万キロメートルごとに行う指定保全では，台車を車

４ 新保全体系を導入するためのプロセス（1）体から分離することなく，検査を実施している．従来は装置を分解しての検査が主体であったが，表3に示す装新保全体系を導入するにあたって，どのような装置や置については油の更新やフィルタの清掃が主体となって機器が対象となるのか，どのような方法で証明するのかいるように，メンテナンス負荷の低減が図られている．

について述べる．

表3 総合車両センターでの検査内容の変革

４．１

導入対象となる装置，機器について解釈基準には，例として下記の装置が示されている．
①電子機器等の採用により，無接点化された装置等②機械的可動部分を削除した装置等③材質等を変更し耐摩耗性・耐久性を向上した装置等④従来の機器と構造や材質等の変更はないが，使用実績，検査実績等に基づき，検査周期を変更できる装置等⑤主要な機器の状態および機能の監視を行ってお,り，その状態および機能を把握できる装置等⑥非破壊検査方法等の他の検査により，信頼性の高い検査方法によって検査周期を変更できる装置等

また，循環修繕予備品を準備し，より効率的に検査や修繕を行える機械装置や作業場を整備することによっ

解釈基準によって導入対象に該当となる装置がある一て，入場期間の短縮もあわせて実現している．そのよう方，告示第6条第2項により，鉄道事業者が実績等を用いなメンテナンスを実現した例として，JR東京総合車両セて従来装置の周期変更を証明する方法も認められていンターの新系列検修棟を紹介する．なお，図3は装置保る．

全における作業のフローを示している．
４．２

証明の方法

新保全体系の導入にあたっては，実証データによる確認あるいは理論解析等客観的な検討方法により，鉄道事
業者が告示への適合性を証明する必要がある．
解釈基準では以下の例が示されている．複数の案を組み合わせて証明してもよいこととされている．
①構造上の違い，設計および使用状況，管理方法等
により，技術的・理論的証明を行う．
②状態監視装置による場合，その妥当性を証明する．
③使用実績，検査実績に基づき証明する．
図3 新系列検修棟（西棟）④車両等の試験の特例により，証明する．
⑤他の鉄道事業者が証明した機器と，構造上の相違

従来は，編成を1両ごとに分け，続いて車体と台車をや使用条件等を比較して証明する．

分離し，車体は別の脚台で支持した状態でメンテナンス
し，台車は専用の検修ラインに回すのが一般的であった．

⑥装置，機器製造メーカが保証する．

図3の新系列西棟では10両編成を2分割とし，車両を1両４．３ごとに分離することなく効率的な検修を行っている（そJR東日本は新保全体系を初めて導入する事業者であっの後増備した新系列東棟ではさらに効率化を図り，編成

たため，導入プロセスの構築等に苦慮をした．一方で，を分割することなく検修を行っている）．
総合車両製作所技報

創刊号

新保全体系導入によって得られた成果

36
36

新保全体系の導入による車両メンテナンス革命 −プラットフォームの共通化によるライフサイクルコストの低減の提案−

車両の安全性と信頼性の確保という車両メンテナンスのを図る．このような設計のアプローチが望ましいのではミッションの実現にあたり，車両の構造や使用実態に応ないだろうか．

じて柔軟に検査を施行できるようになったことの意義は

６ おわりに非常に大きい．
一例として，指定保全の導入による効果について述べ

当社は，2012年4月にJR東日本グループ傘下の車両製

る．台車を抜かずに在姿の状態で検査を行うことにより，造会社として新たに出発した．企業理念に，「鉄道車両

編成から車両への分離と再組成，台車と車体の分離と再を中心とした総合鉄道技術を提供することで世界に貢献

結合といった付帯作業が解消された．さらに，修繕用のしていく」ことを掲げている．私たちのミッション，す循環予備品の準備をして，効率的に検査や修繕を行える

なわちライフサイクルコスト低減を可能とする提案を積機械装置や作業場を整備することにより，入場期間を大極的に行い，お客様である鉄道事業者各社の経営に寄与

幅に短縮することができた（10両編成の場合で，入場かする製品を提供していきたい．

��ら出場まで5～7日）．
参考文献

図4に，在来線電車における新保全体系の適用の状況を（1）（一社）日本鉄道車両機械技術協会：「解説 鉄道に示す．全体の約2／3近くに達しており，今後も新保全体系

関する技術基準（車両編） 改訂版」，405-413,の適用を前提とした車両を増備していく計画である．

（2006）

著者紹介
中島啓行
経営管理本部
経営改革推進室 主査

今井
図4 在来線電車における新保全体系適用の状況

宏

東日本旅客鉄道（株）
鉄道事業本部
運輸車両部（車両保全技術G）副課長

また，鉄道事業者自らが検査の体系と方法を定める動きは，JR東日本だけでなく，公民鉄事業者各社で既に実
施済み，あるいは実施を検討しており，今後広範囲の事業者において実施されていくものと推定される．
５ 車両プラットフォーム共通化の提案
新保全体系をスムーズに導入できるかどうかということは，車両新造を検討している鉄道事業者への提案において，今後の大きなポイントのひとつになると考えられる．特定の構造や装置における，既存車両での実績やメンテナンスデータの存在については，新保全体系導入のプロセスにおいて非常に意義深い．
今後の車両新造の方向性について．エクステリア／インテリアデザインは，鉄道事業者各社が個性を発揮する．
一方，車両の「運ぶ」という根本機能については，新保全体系を導入しライフサイクルコストを低減していく．
すなわち，新保全体系の実績のある車両とプラットフォーム（構造・機器・装置）の共通化を図り，円滑な導入

37
37

2013年１月

解説研究開発における品質工学の活用
Application of Quality Engineering in Research and Development
河 田 直 樹 Naoki KAWADA

品質工学は，「SN比」，「損失関数」，「直交表」の3つの要素を駆使し，研究開発した技術が市場または後工程で成立するか否かを推し量る評価手法である．研究開発対象の基本的な「機能」を定義し，SN比によって「機能」
が誤差や外乱に対してロバスト（頑健）であるかどうかを評価する．
本稿では，研究開発段階での品質工学の活用において必要となる概念を解説するとともに，基本的な品質工学の適用の流れを解説し，これまでの当社における研究開発の品質工学の活用を振り返り，その効果と今後の研究開発での適用における課題を述べる．
システムはパターン認識を必要とする段階で活用され

１ はじめにる．SN比で評価を行なう点が 3 つの手法に共通する事

品質工学は，「SN 比」，「損失関数」，「直交表」の 3 つ項である．直交表は主にオフライン品質工学とMTシスの要素を駆使し，研究開発した技術が市場または後工程テムで用いられ，損失関数はオフライン品質工学で主にで成立するか否かを推し量る評価手法である（1）．

用いられる．

具体的には，研究開発対象の基本的な「機能」を定義

本稿では，研究開発段階での品質工学の活用を取り上し， SN比によって，その「機能」が誤差や外乱に対しげるため，特にオフライン品質工学に着目し，SN比，てロバスト（頑健）であるかどうかを評価する．

直交表の役割と効果をみていくことにする．

また，「直交表」との組み合わせによって，ロバスト性の高い設計因子の抽出と，パラメータの決定が容易になる．

２．２

基本機能とSN比

本稿では，研究開発段階での品質工学の概念と基本的品質工学で扱う「機能」は，品質を達成するためのシスな適用の流れを解説し，これまでの当社における品質工学

テム（技術や機械装置）が持つ本質的な働きとしている．

の活用状況を振り返り，その効果と今後の課題を述べる．

そして，システムの本来の働きが使用条件や環境条件にどれだけ影響されにくいか，あるいはばらつきにくい

２ 品質工学の概要
２．１

かを「機能性」と定義している．機能性を「製品やシス

全体構成

テムの本来の働きはエネルギ変換である」とした考えに

品質工学の体系を図1に示す．「オフライン品質工

基づいて表現した関数が基本機能である．基本機能は（1）

学」，「オンライン品質工学」，「MTシステム」の 3 つ式で表現され，Mはシステムの入力，y はシステムの出の手法で構成されており，オフライン品質工学は研力，βは感度である（図2）．なお，基本機能は目的機能

究開発段階で，オンライン品質工学は製造段階で，MTと理想機能に大別される．
y =βM···························································································（1）

図1 品質工学の体系
総合車両製作所技報

創刊号

図2 基本機能38

研究開発における品質工学の活用

目的機能は，目的を達成するためのシステムのはたら

理想機能 y=βM
N1（誤差条件1）

βのかたよりきで顧客の望む製品の機能（品質特性）を指す．
一方，理想機能は，システムの目的機能を実現するた

N1+N2（2 条件の誤差の平均）

めの技術的手段となるはたらきで，ニュートンの法則や

N2（誤差条件 2）

オームの法則など科学的な法則を指す．
このため，品質工学の活用例の大半が目的機能を用いノイズ（ばらつき）ている．基本機能を実際の製品やシステムに当てはめる

入力 Mと，使用条件によるノイズや外乱などの「ばらつき」の図3 基本機能におけるばらつきとかたより影響を受けるため，実際には（2）式で表現される．

表１y=βMに基づいて取得されるデータ

y =βM+e························································································（2）ここで製品やシステムを関数化して，基本機能を表現

M1

M2

M3

L

N1

y11

y12

y13

L1

N2

y21

y22

y23

L2

すると（3）式になる．
（3）式はA，B，C，…を制御因子
y =βMが複数描かれることになる（図3）．

（設計定数や試験条件），Mを信号因子（基本機能の入力
M），X，Y，･･･を誤差因子（制御できないばらつき）

図 3 中の破線は理想線であり，3本の実線はばらつき
によって変化した結果である．SN 比は図 3 の破線に対とした変数を持つ複雑な関数で示される．

する実線との差（かたより）と，実線のばらつきを示す
指標となる．

y = f (A,B,C,･･･,M,X,Y,･･･)=βM + [ f (A,B,C,･･･,M,X,Y,･･･) -βM]··················（3）品質工学では，SN 比での評価によって図 3 に示される「ばらつき」を抑え，「かたより」を無くす段階を経てシステムの最適化を行なう．これを 2 段階設計という．

（3）式の第 1 項は基本機能そのものであるが，第 2 項は基本機能との差のばらつきを示すことができる．基本機

２．３

能を評価する場合，（3）式の第 1 項と第 2 項を分離して二乗和の分解考える必要があるが，第 2 項の関数が複雑なため，数学

図 3 に示す基本機能から取得されるデータの例を表 1

的に分離するプロセスが必要となる．これを二乗和の分に示す．表 1 は，信号因子Mが 3 水準，誤差因子Nが 2 水解といい，概念的には（4）式で表される．STは全変動

準の例である．二乗和の分解を（5）式から（15）式に示す．

といい，（3）式に含まれる項の全二乗和でもとめられる．
Sβは比例項の変動といい，SN×βは比例項の差の変動と有効除数いう．それぞれ，y =βMによってもとめられる変動であ（5）
ｒ= M12 +M22 +M32 ······································································

る．Se は誤差変動といい，偶然誤差とy =βMの非線形線形式性が含まれている．

L1=M1y11+M2y12+M3y13···················································（6）L2=M1y21+M2y22+M3y23···················································（7）全変動

ST = Sβ+SN×β+Se ·······························································（4）ST = y112 + y122 + y132 + y212 + y222 + y232 ···························（8）（4）式によって，システムの機能に有用な成分をSβ，比例項の変動システムの機能に有害な成分をSN×β+ Seと分解すること

Sβ= (L1+L2)2 /(2r) ····································································（9）によって，システムの機能 y =βMの評価ができる．

比例項の差の変動（10）
SN×β= (L12 +L22 )/r- Sβ··························································

品質工学では，有用な成分を分子に，有害な成分を分母とした比をSN比と定義し，基本機能 y =βMをSN 比で誤差変動評価することで，システムの機能性評価を行なっている．

Se = ST-Sβ-SN×β······································································（11）誤差分散

一般的に知られているSN比は，電気信号に対するノイズの比であるが，システムに関する概念として，システ

Ve = Se/4·····················································································（12）ムに有用な成分を信号，有害な成分をノイズとしている．

総合誤差分散ところで基本機能にノイズの概念を当てはめると，

39
39

ＶN = (SN×β-Se )/(1+4) ···························································（13）2013年１月

２．５

SN比
η= 10 log [ ( Sβ-Ve )/(2r)] / VN················································（14）

要因効果と最適化

表 3 は，L18直交表に割り付けられる設定定数（制御感度因子と呼ぶ）の種類と数を示したものである．組み立て

S = 10 log ( Sβ-Ve ) / ( 2r) ··························································（15）品の評価の場合には，8 種類の構成部品にそれぞれどのような性能の部品を使えば良いかを評価するために，そ（5）式の有効除数は，（9）式以降の変動や分散の計算をれぞれの部品に 2 つまたは 3 つの水準を設定することがより簡単にするために，単位変化量あたりの信号の変化できる．

に換算する値である．
（6）式，（7）式の線形式は，最小 2

例えば，表 3 のAという部品にA1という性能を持つ部

乗法で原点を通る直線の傾きの推定であり，L1 は誤差

品とA2という性能を持つ部品のどちらの方が基本機能因子の条件がN1のときの傾きで，L2 は誤差因子の条件を発揮するかということを知ることができる．BというがN 2 のときの傾きである．
（8）式は，前述した全変動

部品の場合には，B1，B2，B3のいずれが基本機能を発で表1のデータにおける全体の傾向を示しており，全デ揮するかということを知ることができ，以下，C～Hもータの二乗和である．
（9）式の比例項の変動は，信号M同様の評価を行なえる．そして，A～Hのそれぞれで最を変化させたことによる出力yの変化である．
（10）式の適な水準が選択され，その組み合わせを最適条件とする

比例項の差の変動は，誤差因子によるy =βMの傾きの変ことができる．その選択は要因効果図によって可能とな化である．
（11）式の誤差変動は，誤差因子以外の誤差

る．要因効果図の例を図 5 ，6 に示す．通常，パラメー（偶然誤差や系統誤差）の影響を示す値である．
（12）式

タ設計によって要因効果図はSN比ηと感度 S の 2 枚がは（11）式の分散で，（13）式は，全体の誤差を示す値で

得られる．

ある．

表2 L18直交表

そして，これらの値から（14）式のSN比，（15）式の感度がもとめられ，機能性の評価指標となる．
２．４

パラメータ設計

品質工学では 2 段階設計を行なうにあたって，実験の効率化を図るためのツールとして，L18 直交表を用いる（表2）．
表 2の列が実験因子や設計定数などを当てはめる制御因子を示し，表 2の行がその組み合わせパターンを示す．
L18 直交表の場合，組み合わせは18 通りとなる．
この表では，制御因子Aは，2水準を割り付けることができ，直交表の行番号No.1から9が，A1となり，No.10 から18がA2となる．制御因子BからHも同様の見

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

A
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2

B
1
1
1
2
2
2
3
3
3
1
1
1
2
2
2
3
3
3

C
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3

D
1
2
3
1
2
3
2
3
1
3
1
2
2
3
1
3
1
2

E
1
2
3
2
3
1
1
2
3
3
1
2
3
1
2
2
3
1

F
1
2
3
2
3
1
3
1
2
2
3
1
1
2
3
3
1
2

G
1
2
3
3
1
2
2
3
1
2
3
1
3
1
2
1
2
3

方をし，全体で18通りの組み合わせとなる．
実験の組み合わせを直交表で計画し，図3で示すばら

基本機能 y=βMの検討つきを実験条件として，通常は 2 水準与え，y =βMの基本機能を評価するために，信号因子Mとして通常 3 水準

直交表による実験計画の入力を与える．これにより，実験数は 2×3×18 の108通りとなる．108 通りの実験データを用いてSN比をもと直交実験の実施

め，最終的に 2 段階設計を経て，ばらつきに対するロバ
スト性を確保する．
この流れをパラメータ設計と呼び，具体的な手順を図

SN 比の計算と要因効果図の作成

4 に示す．直交表で割り付けたパラメータの妥当性はSN比をもとめた後に示される要因効果図と確認実験に

最適条件の決定と再現性の確認

よって示される．これを再現性という．

図4 パラメータ設計の手順
総合車両製作所技報

創刊号

40
40

H
1
2
3
3
1
2
3
1
2
1
2
3
2
3
1
2
3
1

研究開発における品質工学の活用

表3 L18直交表に割り付ける制御因子

制御因子

表4 再現性の確認（事例１）

第 1 水準第 2 水準

A：

A1

A2

B：

B1

B2

B3

C：

C1

C2

C3

D：

D1

D2

D3

E：

E1

E2

E3

F：

F1

F2

F3

G：

G1

G2

G3

H2

H3

H：

H1

最適条件

現行条件

利得

推定

50.22

38.52

11.70

確認

48.53

37.78

10.75

差

1.69

0.74

第 3 水準表5 再現性の確認（事例 2 ）

43

現行条件

利得

推定

50.22

38.52

11.70

確認

31.37

37.78

-6.41

差

18.85

0.74

SN比 [db]

42
41
40

41.67

41.65
40.65

41.59

40.52 39.86

40.24

39.45

39

40.17
39.86
39.06

38.81

38

行なう．図 5 または 6 によって選択された最適条件と現行条件（または最悪条件）を使って，再度実験を行なう．

41.33 41.28

これを確認実験といい，実験によって得られたSN 比を40.5540.50
39.98
39.87

40.18

再現性

パラメータ設計の妥当性評価は再現性の確認によって全体の平均40.58db

42.53 42.75

42.45

（db）

最適条件

２．６
44

（db）

用いて利得の差をもとめる．利得とは現行条件に対する最適条件の改善度のことである．要因効果図から推定し38.49

た利得と，確認実験で得られた利得の差が再現性を示しており，表 4 のように，差が小さければ再現性が十分で37あり，表 5 のように，差が大きければ再現性は十分ではないと判断する．再現性が十分でない場合には，実験や図5 要因効果図（SN比η）

計算に何らかの問題があることを示しているため，再検討する必要がある．

-2

感度 [db]-4-5-6

以上の流れで，製品またはシステムの機能性を評価し，

-3.18

-3
-3.92

-3.84
-4.72

-4.43

-5.56
-5.27
-5.20
-5.38 -5.59

-5.17
-6.28

-4.23

-4.41
-4.84

-4.57
-5.20

-6.04

使用目的，使用環境に応じた最適化を行なうことができる．

-4.34

３ 研究開発への導入状況

-5.19

-5.84

当社での品質工学活用の動機は，研究開発の期間短縮-5.76とコスト低減である．当社における主なパラメータ設計

-7
-8

-7.54

の活用事例を以下に示す．
・操舵システムのフィードバック制御の最適化（2）・レーザスポット溶接システムの最適化

図6 要因効果図（感度S）・レーザスポット溶接継手の妥当性評価
・抵抗スポット溶接の加圧力制御の最適化

図 5，6 は，表 2 に示すL18 直交表によって計画された

ここに，レーザスポット溶接の事例を2件あげたが，実験データからもとめたSN比，感度によって得られる．

これらは，レーザスポット溶接導入に際して，外乱に強ばらつきを抑える過程では，SN比の要因効果図で各

いレーザ溶接システムの構築と，レーザスポット溶接継因子のSN比の高い水準を選択し，最適条件とする．図5

手そのものの妥当性評価を行なう目的でパラメータ設計の例では，A2B3C1D3E1F2G2H1が最適条件となる．

を実施している．

新規開発の場合には，比較条件として最悪条件（図 5 か

このように，レーザスポット溶接の品質をどのようにらSN比の低い水準を選択してできた条件）を用い，改捉えるかによって，パラメータ設計で取り上げる問題

善事例の場合には，現行製品の条件を用いる．

（すなわち，目的機能）が異なる場合がある．品質工学

また，かたよりを無くす過程では,感度の要因効果図がでは，これをシステム選択といい，パラメータ設計によ用いられ，理想機能に近づけるように感度を調整する．

って全体最適化を達成するために重要となる．

41
41

2013年１月

溶接品質の最適化では，まず溶接システムを外乱に対度を入力Mとした．

して安定化させ，その上で溶接継手の評価基準（目標）と照合し溶接条件を決定するのが良いと考える．

出力yは，（17）式の溶融熱量 Qmeltで，材料物性値が一定であることを考慮し，溶融部の体積と溶接長からもと

以下に，レーザスポット溶接システムの最適化とそのめられる溶融断面積とする．溶接断面の例を図 8 に示す．

溶接継手の評価を行なうことで，レーザスポット溶接条
Qin =（レーザ出力）／（接合速度）····································（16）件を決定する流れを示す．

Qmelt＝（溶融部体積）×（材料の比重）×（材料の比熱）
３．１

レーザ溶接システムの最適化

×（材料の融点）／（溶接長）······························（17）レーザ溶接は，被溶接物にレーザビームを照射し，熱以上より，基本機能は図 9 で示される．ここでは，レーエネルギに変換されることによって，溶融接合する工法である（図7）．レーザ溶接は，熱エネルギを被溶接物

ザ溶接の重ね継手を扱うが，その場合の主な外乱はギャに対して空間的に高密度で与えるため，アーク溶接法なップ（被溶接物に生ずる隙間）である．被溶接物間にギャ

どの従来法と比較して局所的に熱エネルギを与えることップがあれば，入熱量が被溶接物の溶融熱量に変換されとなり，結果として熱ひずみを抑える方法として知られる過程でロスが生ずることが想定され，パラメータ設計ている．

ではそのロスを抑えるための組み合わせを探索することになる．

レーザビームを時間的に連続で照射すると，溶接部は上記，基本機能に基づいて，信号因子M（表6）と誤差

連続して形成され，時間的に断続的に（パルス状に）照因子N（表7）を設定した．

射すると，溶接部はスポット状に形成される．ビームの照射を時間で制御すると，さまざまな溶接形態を得られるのがレーザ溶接の特徴である．

上板

よって，レーザ溶接形態は時間で制御可能と考え，まずレーザ溶接システムの評価をレーザの連続照射による溶接で評価する．
３．１．１

境界

溶接部

下板

基本機能の決定

レーザ溶接に限らないが，溶接施工方法のエネルギの

図8 レーザ溶接断面（裏面に貫通しない溶接形態）

入出力を考えると，熱エネルギが支配的であると考えられる．溶接技術では，入熱量という概念が導入されており，溶接条件決定の際に重要な要素となる．
パラメータ設計では，これを基本機能で表現し，シス
テムへの入力をレーザ溶接システムが被溶接物に与える入熱量とし，出力を被溶接物の溶融熱量と考える．エネ
ルギの入出力で考える（これを理想機能という）
．
（16）

ｙ＝βＭ

式の入熱量Qinに基づき，レーザ出力を固定して溶接速入力 M（溶接速度）
図9 レーザ溶接システムの基本機能
表6 信号因子M

溶接速度（m/min）

M1
6.5

M2
7.5

表7 誤差因子N

ギャップ（mm ）

図7 レーザ溶接
総合車両製作所技報

創刊号

42
42

N1
0

N2
0.1

研究開発における品質工学の活用

３．１．２

実験計画と結果

３．１．３

妥当性の確認この事例での制御因子は 表 8 で示される．これらのパパラメータ設計の妥当性確認のため，確認実験を行な

ラメータは，過去の実験経験を考慮した結果，主にレーった．まず現行条件は，レーザ溶接機メーカーから得た

ザ溶接時の被溶接部周辺のガスの制御に関連している

溶接条件A1B1C1D2E1F1G2とし，最適条件は，図10．固有技術の（本稿では，このガスを加工ガスと称する）のSN比の要因効果図から各因子のSN比の高い水準を選問題を避けるため，本稿では具体的な数値の表記は省略

択し，A1B2C1D2E3F1G2とした．表 9 の利得の差が-するが，一般的なレーザ溶接の条件選定で用いるパラメ

0.33と小さく，再現性が高いことを示している．

ータと大きな差は無い．これらの因子をL18 に割り付け

この結果から，溶接システムの最適化のために熱エネてパラメータ設計を行なった．実験の組み合わせは 2 ×ルギを基本機能とすることが有効であることがわかる．

2×18 = 72通りとなる．
３．２

結果を図 10 のSN比の要因効果図に示す．D，Eに着

レーザスポット溶接継手の評価方法の検討

目すると，表 8 で与えた実験条件では，水準 1 から 3 に熱エネルギの入出力を基本機能としたレーザ溶接シス

向かって増加または減少の傾向にあるが，要因効果図でテムの最適化によって溶接条件の安定化ができたので，はそのような傾向にない．これは，何らかの誤差の影響

続いて溶接継手の評価方法の検討の例を示す．
ここでは，レーザスポット溶接で作製した溶接継手とを受けていることが考えられる．この実験では，誤差因して，板厚 2.0 mm同士の重ね継手の評価を行なった．

子以外の影響を確認するために，制御因子Hを誤差列として扱っており，図10 の因子Hを確認すると，比較的大レーザスポット溶接は，レーザビームの照射を時間的きな効果が出ていることがわかる．各因子の効果の大小に断続させることによって被溶接物への入熱をさらに減は水準 1 ～ 3 の差の大きさで示される．

少させ，空間的に散らばせて配置することによって，被溶接物全体の熱ひずみを大幅に減少させる特長がある．
このような特長を製品に生かすため，溶接品質の妥当表8 制御因子
制御因子
1
2
A：焦点距離（ mm ）200
250
B：加工ガス種類（α+β）α:Ar ，β: CO 2 α:Ar，β: O 2
C：加工ガスβ濃度
小中
D：加工ガス流量（ℓ/min）
小中
E：加工ガスノズル傾斜角
大中F：定盤
溝付定盤 A
溝付定盤 B
G：デフォーカス量（mm）-2.0±0
H：誤差列 e−−性確認を品質工学の活用によって実施した．

3−
α:He，β: Ar
大
大
小
溝なし定盤
+2.0
−

３．２．１

基本機能の決定

溶接継手を構造体におけるシステムとして捉えると，変形や荷重の変動に追従する機能を持つと考えられる．
したがって，基本機能は溶接継手の荷重－変位特性が理想機能となり，図11で表現される．レーザスポット溶接の車両構体製造への適用は，抵抗スポット溶接からの3.0

置き換えであるため，理想機能は抵抗スポット溶接継手

2.0の荷重－変位特性である．荷重－変位特性は，材料によ1.0SN比 [db]

0.0って異なるが，多くの場合非線形であり，y =βMの特性-1.0を持つSN比では評価できない．

-2.0
-3.0

この場合，理想機能を標準条件 N0 として評価を行な

-4.0
-5.0

う標準SN比が適用できる．標準SN比は理想機能がy=βMに当てはまらないシステムに対して適用できる概念

e

+2mm

±0mm

溝付B

溝なし
-2mm

小

溝付A

中

大

大

小

中

大

小

中

He+Ar

Ar+O2

Ar+CO2

F200

-7.0

F250

-6.0

であり，誤差因子N1とN2が標準条件N0に対してどれだけばらつくかを評価する指標である（表10）．この事例
では，標準条件である抵抗スポット溶接の重ね継手の荷図10 要因効果図（SN比η）
表9 確認実験結果

SN 比
推定
確認
差

最適
5.95
-0.65
-6.59

現行
4.29
-1.97
-6.26

（db）

利得
1.66
1.33
-0.33

重－変位特性をN0とし，レーザスポット溶接の重ね継
手の荷重－変位特性をN1とし，被溶接物が0.2 mm のギ
ャップを有する場合のレーザスポット溶接の重ね継手の荷重－変位特性をN2としており，溶接試験回数は 2 ×
18=36 通りとなる．

43
43

2013年１月

ナゲット面積はレーザ照射条件 A，B，G，H に基づいて設定した組み合わせで 2 水準とし，ナゲットの配置
パターンは最も差が出やすい因子となるEを選択して3水準を割り付けた．これは，列数の違いで溶接継手のナゲット数を 2 倍，3 倍にできるためである．
試験片の概要を図13 に示す．列数の違いによって，１
試験片あたりナゲット点数が 8 点，
16 点，
24 点と変化する．

入力 M（変位）

引張せん断試験の結果を図14に示す．横軸を表12 の

図11 溶接継手の基本機能の概略図

ナゲット面積の総和を接合面積とし，縦軸を引張せん断
荷重としている．また，接合面積と引張せん断荷重の相表10 誤差因子
N0

誤差因子
ギャップ

N1

関係数は0.994であり，両者の関連性は高いと考える．

N2

また，図12の要因効果図は引張せん断荷重との関連性

抵抗スポット溶接 レーザスポット溶接 レーザスポット溶接
（密着）
（密着）
（0.2mm）

を示す結果であり，接合面積に寄与する因子の効果が大きいことを示しているため，図12と図14の関連性は高い

３．２．２

ので，
パラメータ設計による強度評価が可能と考えられる．

実験計画と結果

制御因子は表11となり，一点あたりのナゲットの大きさ，ナゲットの数と配置が主なパラメータである．なお，-7.0

因子Cは因子Aの水準によって値を変える．A，B，C，G，ナゲットの数と配置を決める因子である．これらの因子をL18 直交表に割り付けてパラメータ設計を行なった．
その結果を図12 に示す．A，B，H は荷重－変位特性に-9.0SN比 [db]

Hがナゲットの大きさを決める因子であり，D，E，F が

-8.0
-10.0
-11.0
-12.0
-13.0
-14.0
-15.0

照射条件が大きく寄与していることを示し，ナゲットのA

点数やナゲットの配置の仕方はその次に考慮する問題で試験片番号パラメータ設計から得られた結果の妥当性を確認すると継手強度の関係を引張せん断試験で調べた．確認試験のパターンを表12 に示す．なお，試験片の板厚は2.0 mmである．
表11 制御因子1

2

A：焦点距離
（mm）

F200

F150

B：パルス形状

矩形波

台形波

三角波

C：入熱量（J）

F150：130
F200：200

F150：150
F200：240

F150：180
F200：280

1.1 ㎜

F

3.0

4.0

5.0

E：溶接列数

１列

2列

3列

F：溶接列間隔
（mm）

2.0

3.0

4.0

Ar100%

Ar+10%CO 2

Ar+10%O 2

-2.0

±0

+2.0

40

2

1.4 ㎜ 2

3

D：溶接ピッチ
（mm）

創刊号

E

G

H

140

列数

1
2
3
1
2
3

240
40

40

40

制御因子

総合車両製作所技報

D

ナゲット面積

1-1
1-2
1-3
2-1
2-2
2-3

ため，レーザスポット溶接のナゲットの大きさ（面積）H：焦点位置（mm）

C

表12 ナゲット面積と列数による継手強度確認試験

妥当性の確認G：加工ガスB

図12 要因効果図（SN比η）あることを示している．
３．２．３

矩形
台形
三角形
小
中
大
3.0mm
4.0mm
5.0mm
1列
2列
3列
2.0mm
3.0mm
4.0mm
Ar100%
Ar+10%CO2
Ar+10%O2
-2mm
±0mm
+2mm

-17.0

結果となった．この結果は，ナゲットの形成に，レーザ

F200
F150

-16.0

対して効果が大きく，C，D，E，F，Gは効果が小さい

Pitch 5 ㎜
1line(8nuggets)
2lines(16nuggets)
3lines(24nuggets)

図13 引張せん断試験片4444

引張せん断荷重kN

研究開発における品質工学の活用

30.0

（表13）
．この表は，信号因子 3 水準，誤差因子 2 水準の25.0

場合でも，3×2×12 = 72通りとなり，これまでの L18 直20.0

交表の108 通りに比べて，大幅に実験数を減らすことが
できる．

15.0

5.0
0.0

また，計算が複雑な二乗和の分解も，新たな手法（5）が試験片番号1-1
試験片番号1-2
試験片番号1-3
試験片番号2-1
試験片番号2-2
試験片番号2-3

10.0

0.0

5.0

10.0

15.0
20.0
接合面積 ㎜ 2

25.0

30.0

検討され，適用されつつある．
今後の品質工学の動向に注意し，目的に適した手法の導入によって，一層の研究開発効率の向上を図りたい．

35.0

図14 レーザスポット溶接のナゲット面積と強度

表13 L12混合系直交表

４ 研究開発における品質工学の効果と課題
実用化に至った研究開発は，その経緯を振り返れば製品出荷までのプロセスの中で最も上流の工程である．そして多くの場合，研究開発コストと時間をできる限り抑えることが要求される．この対策として，パラメータ設
計は効果があり，実験検討の手数を減らしている．
また，SN比による再現性の確認や標準SN比による評
価は，研究開発対象となる技術の妥当性確認につながり，新規技術の導入を加速する効果がある．
一方，こういったパラメータ設計の研究開発への活用には課題もあり，特にシステム選択と基本機能の検討を誤ると，再現性の悪さでつまずくこととなる．特に，標参考文献

準SN比の場合には，何を標準条件とするかというとこ（1）矢野宏 ：「品質工学概論」，13，（2009），日本規格協会ろが課題となる．標準条件の検討は基本機能の検討以上（2）河田直樹，他：「品質工学によるトラクタ牽引型無人搬送車の開発」，東急車輛技報に注意が必要な項目でもある．

第51号，8-14，（2001），東急車輛製造㈱また，本稿での説明は省くが，実験数の問題で小規模直交表を使用して失敗することがある．通常は，割り付（3）大塚陽介，他：「レーザによるステンレス鋼溶接部

ける因子として 2 水準と 3 水準が混在する混合系のL 18の評価方法の開発（第2報）－疲労強度を含めた評

直交表（表3）の使用を推奨しているが，信号因子 3 水準価に関する考察－」，2007年度精密工学会春季大会と誤差因子 2 水準との組み合わせで総数108 回の実験を学術講演会論文集，757-758，（2007），（社）精密工学会

行なうことになる．
この数は実験回数が少ないとは言えず，，L12（3 2 ）の水（4）木下康次，他：「直交表L12（2 3 ）より小規模な 2 水準系の L 4 直交表や 3 水準系の L 9 直交

準平均を求める修正計算方法」，第20 回品質工学研表を用いて失敗する場合がある．これらの表には列間の究発表大会論文集，78-81，（2012），品質工学会交互作用によって，再現性が得られにくくなるからである．

（5）森輝雄，他：「非対称べき損失関数に基づくパラメ

1 5

4 3

ータ設計-２段階設計の理論側面と適用検証」
，第20

５ まとめ

回品質工学研究発表大会論文集，58-61，（2012），

これまでの品質工学適用で，実験数をさらに減らした

品質工学会

い，できるだけ計算を簡単にしたいといった課題が顕在化してきた．

著者紹介

これらの課題は，品質工学の適用上で共通課題であり，品質工学の進歩とともに課題解決方法が検討され，解決

河田直樹
博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）主査の可能性が見えてきた．
まず，実験数の削減は，交互作用の問題を解消した小規模直交表として，混合系の L12 直交表（4）の提案がある

45
45

2013年１月

解説モニタリングシステムによる予防保全技術の構築
Study of Condition-based Maintenance Technologies Using a Monitoring System
河 田 直 樹 Naoki KAWADA

製造現場における設備の突発的な故障は，生産効率の低下だけでなく，製造品質にも影響する場合がある．このため，製造現場では予防保全を行ない，できるだけ製造中の故障の発生を防ぐ努力をしている．従来の予防保全は，一定周期で行なう時間基準保全が主流であったが，近年，情報処理技術の発展とともにさまざまな設備の監視技術が開発され，保全周期の延伸，保全費用の低減，稼働率の向上などを目的としたモニタリングシステムを構築し，設備の常時監視に基づいて保全を行なう状態基準保全に移行する例が見られるようになった．
本稿では，モニタリングシステムと状態基準保全の関係に注目し，周辺技術の構築とその効果について述べる．
て，モニタリングシステムによる予防保全技術の構築の１ はじめにポイントと効果を述べる．

製造現場における生産設備は，情報処理技術の発展に

２ 状態基準保全とモニタリングシステム

よって年々高度化，複雑化している．
このような状況での生産設備の突発的な故障は，生産状態基準保全の実現には，設備の状態を正確かつ定量

効率や製品品質の低下に影響するので早期の対応が必要

的に観測し，将来を予測する技術が必要である．その技であるが，高度化，複雑化したシステムに対する製造現術体系の全体または一部がモニタリングシステムである．
主なモニタリングシステムの役割や機能を以下に示す．

場の対応が難しくなってきている．
これに対応するためには，あらかじめ生産設備の故障

・ 設備が劣化または故障に至る原因を知る発生を想定し，その発生を防ぐ対策として予防保全技術

・ 設備の劣化や故障の部位，程度を知るがある．予防保全には 2 つの方式があり，一定周期で予・ 設備の性能，効率を知る

防 的 に 保 全 を 行 な う 時 間 基 準 保 全 （ Time Based

・ 設備の信頼度や寿命を推定する

Maintenance）と，設備を常時監視し，その状況の変化にこれらすべての機能を持ち合わせたモニタリングシステム

応じて予防的に保全を行なう状態基準保全（Conditionの開発は難易度が高いが，目的に合わせて機能を限定す

Based Maintenance）に大別される ．

ることでモニタリングシステムの開発と導入が容易となる．

（1）

近年では，保全周期の延伸や保全費用の低減，稼働率

次に，保全コストの面からモニタリングシステム導入の向上を目的として，時間基準保全から状態基準保全にの利点を考えてみる．設備の保全過程で関わる発生コス

移行する事例が多く見られる．これらのほとんどは設備

トは以下の 3 種類に大別される．

の主要部位または部品の常時監視によって，保全周期の（1）補修コスト
劣化部品を補修，交換するためのコスト．部品費と交適正化ができることが前提条件となっている．

換作業費からなる．

また，状態基準保全は機械設備の常時監視によって，（2）点検コスト

不具合の発生をいち早く察知または予測し，被害を最小限

設備の状態を点検するためのコスト．点検のための機に留める役割があり，予防保全とは区別した予知保全(2)器の費用と人件費からなる．モニタリングシステムに関という呼び方をする場合もある．

わる費用はこれに含まれる．

状態基準保全を実現するためのツールとしてモニタリ（3）機会損失

ングシステムは不可欠であると考えるが，センシング技術を含んだ情報処理技術の近年の急速な発展によって，主に設備が故障し，休止することによる生産減，燃料等の生産損失を指す．

比較的容易に導入することが可能となった．
本稿では，このような状況における当社での抵抗スポッ

これらのコストを総合的な保全コストとして考慮すれ

ト溶接やレーザ溶接の自動機械設備の状態基準保全の検ば，保全レベルを上げることによって，点検コストが上が討や鉄道車両の台車部品の状態基準保全の検討を例にしるが，補修コスト，機会損失が下がり，反対に保全レベル

総合車両製作所技報

創刊号

46

モニタリングシステムによる予防保全技術の構築を下げることによって，点検コストは下がるが，機会損

また，周波数領域の信号への変換にはFFT（高速フー

失や補修コストは高くなる．

リエ変換）が用いられる．

このことから，保全レベルと保全コストはトレードオ

これらの処理は，モニタリングシステムの構造と処理フの関係にあることがわかり，保全コストを考慮したモの流れの中で前段に位置するため，前処理と呼ぶ場合もニタリングシステムを選択する必要がある．

ある．

３ モニタリングシステムを支える技術

３．３ 特徴抽出技術

機械設備などの状態基準保全を実現する場合，設備の機械設備の状態の変化を捉えるための技術でモニタリ

常時監視を行なう必要があり，このための測定が不可欠

ングシステムの中核をなす．

である．これに設備診断機能を付加したモニタリングシ

時間領域，空間領域の信号は，それぞれの履歴に対するステムでは，測定に加えて信号処理，特徴抽出，正常・波形として示されるため，波形の特徴化を行なうに等しい．

異常の判定，異常発生・寿命の予測といった機能が関わ

波形特徴化で得られる特徴量には，波形率（=実効値/ってくる ．

平均値），波高率（=最大値/実効値），尖度，歪度，変化（2）

これらに関わる技術の概要と特徴を述べる．

量（微分特性），存在量（積分特性）などがある．
また，周波数領域の信号は，周波数スペクトルとして

３．１

計測技術

扱われ，その特徴量には，平均周波数，等価帯域，極値

設備の状態を測定する手段であり，測定すべき物理量

頻度などがある．

と場所の選定が重要となる．

このうち，当社で適用頻度の高い特徴量である変化量

一般に機械設備の状態を監視するための計測では「振（3）を説明する．
（微分特性），存在量（積分特性）

動」
，
「音」
，
「温度」が用いられることが多い．これは，

図 1 は，機械振動の波形を時刻暦で示した時間領域の機械設備が自ら能動的に動作を行なう性質を持ち，動作信号である．信号は加速度センサからアンプとローパス

中に振動または音を発生することに起因している．

フィルタを介して得られた電圧で示されている．この波

これらの量の実際の計測手段の代表例を表1に示す．
目的，要求精度，環境に応じて多数の手段がある．

まず，時刻暦波形に一定間隔で時間軸に平行線（標本また，これらの計測手段は，その精度を一定に維持す線と定義）を引き，特徴量を算出するための時間軸上のるために，定期的な校正が必要となる．点検コストに，校正費用が含まれるので，計測手段の選定の際には十分量（微分特性）とし，標本線の上の範囲にある値の合計を存在量（積分特性）としてもとめる．抽出幅の区間内

表1 代表的な状態監視のための物理量と計測手段
振動区間（抽出幅と定義）を設定する．
次に，抽出幅の区間内で標本線と交差する回数を変化な配慮が必要である．

物理量

形の特徴化を行なうために，変化量と存在量を抽出する．

で変化量と存在量が 1 データずつもとまることになる．

代表的な計測手段
加速度センサ
変位センサ

変化量と存在量の算出を波形データの全区間で実施する
ことで，波形全体の特徴化を行なうことができる．これを波形解析と呼ぶ．

AE

図 1 では，標本線を波形全体の平均値と標準偏差に基づいて設定しているが，直値（例えば0.5V）から間隔

温度

３．２

熱電対
放射温度計
赤外線サーモグラフィ

信号処理技術

一般的な計測手段から得られる信号は電気信号であり，さまざまな手段で時間領域，周波数領域，空間領域の信号として変換される．変換手段の多くは信号（有益な情報）の増幅やノイズ（有害な情報）の除去といった処理をともない，主にアンプやフィルタが用いられる．

図1 波形の特徴化（波形解析手法）
47
47

2013年１月

このような課題解決のため，波形に対してしきい値をを設定して，標本線を引いても良い．

設定するのではなく，波形全体をパターンとして捉え，
３．４ 判定技術

パターンの相違を判定する方法（パターン認識技術）を

モニタリングシステムの多くは，しきい値を設定し，その値との比較によって，データ間に差異があるか否か導入した．
パターン認識技術には，主に多変量解析，ニューラルを判定する手法が一般的である．

ネットワーク，ベイズ理論による統計的推定などがある．
当社では，パターン認識技術として品質工学からMTシ

しかし，実用上はノイズや正常状態におけるばらつき

ステムを採用した．

の影響を受けて，しきい値を一意に決定することは非常に難しい．このため，グレーゾーンを設けて，最終的な判MTシステムの概要を図 3 に示す．まず，パターン認断を現場作業者や技術者に委ねている場合が多い（図2）．

識の基本となる比較の基準となるパターンのデータ群を単位空間と呼ばれる行列とする．行は時刻暦波形の場合，
測定時刻とし，列は波形の特徴量として，行例を生成する．この際，データは均質性が問われるので，ノイズ除去などの前処理やデータの特徴化のための波形解析などを行なうことが前提となる．
次に，基準とした単位空間とのパターンの相違を比較するため，被判定データ群を単位空間と同様の処理を行ない，これを信号空間と呼ばれる行列とする．

0(単位空間と信号空間の比較によって，相違を判定する)
図2 しきい値による判定ために有効な特徴量と有害な特徴量を見極めるため，2水準系の直交表を用いる（図3 - ②）．

図3 MTシステム概要
総合車両製作所技報

創刊号

48
48

モニタリングシステムによる予防保全技術の構築

図3-②は，L8 直交表で，実験計画法や品質工学で用が期待できる．ただ，予測精度の向上のためには，多くいられている表である．図3-②の列番A～Gは特徴量をの事象のデータが必要となる．

示し，その下に記された1と2で構成される行列によって，それぞれの特徴量を判定に用いるか否か選択する．実験
No.1～8はそれぞれの特徴量を取捨選択したデータの組
み合わせパターンで，L8 直交表の場合，8 通りの組み合

単位空間

信号空間

初期状態

異常状態

わせとなる．MTシステムでは2水準系直交表が用いられるため，他にL16，L32，L64，L128，L256，などがあり，より多各データ群のＭＤをもとめる

数の特徴量の組み合わせを調べることもできる．
直交表で行なう作業は，図3-③に示す有効性解析によって判定に有効な特徴量の選別につながり，モニタリ
ングシステムの構築時，または生産ラインの立ち上げ時
や変更時に行なう作業となる．
そして，選別を行なった特徴量を用いてMTシステム（a）信号空間を一つのデータ群とした場合のマハラノビスの距離（以下，MD）をもとめ，その値の大小で単位空間とした波形パターンと比較対象の波形パターンの比較をすることができる（図3-④，図4（a））．
MDが 1 に近ければ，似たパターンの波形であることを示し，MDが大きくなれば，違うパターンの波形である
ことを示す．単位空間に正常状態の波形を選べば，MD

単位空間

信号空間

信号空間

初期状態

劣化状態

異常状態

が1に近いとき正常であることを示し，MDが大きな値を示せば，何らかの異常があることを示す．そのしきい値

各データ群のＭＤをもとめる（1）式のAは「検査コスD0の決め方は（1）式で示される．
トと検査に伴い設備が停まることによって生ずる損失」
を示し，A0は「検査での不具合の見逃しや劣化による故障によって生ずる損失」を示す．そして，D f は代表的な故障時のMDの中央値である．
D0 =A/A0×Df22（b）信号空間を複数のデータ群とした場合････････････････････････････････（1）

図4 信号空間の設定によるMDの変化
３．５ 予測技術

４ モニタリングシステムの開発状況

正常と異常の判定は，単位空間に対するさまざまな事
象の信号空間の相違を見つけることである．この場合，予防保全（状態基準保全）を実現するために，モニタ

図4（a）で示すように信号空間は一つであり，単位空間

リングシステムの導入を検討し，開発した2つの事例をと 1 対 1 で比較することに等しい．

以下に示す．一つは生産設備（レーザ溶接システム），
もう一つは製品（鉄道車両の台車部品）の予防保全のた

ここで，設備の状態をランク分けして，それぞれを複めのモニタリングシステムの開発である．

数の信号空間とした場合，その状態の変化をMDで表現することができる（図 4（b）
）
．

４．１

図 4（b）の単位空間を設備導入時の初期状態のデータ

レーザ溶接モニタリングシステムの開発

群とし，経年劣化の把握と異常（故障）を検出させるたレーザ溶接は，材料への入熱量が少ないことを特徴と

め，正常に機能する範囲での劣化状態のデータ群と，劣し，このレーザを断続的に照射すれば，抵抗スポット溶化が進行し，異常となる状態のデータ群を信号空間とし接よりもはるかに小さな溶接部（以下，ナゲット）を形た場合，MDは設備の導入時から故障発生までの状態変成する．このナゲット一点あたりの面積とナゲット点数化を示すこととなる．この性質を利用し，MDのしきいによる継手強度の管理で，抵抗スポット溶接を適用した値を定めることによって，設備の劣化または故障の予測

従来設計の構造体への適用が比較的容易な手段である．

49
49

2013年１月

レーザスポット溶接システムのモニタリングシステム
は，図 5 に示すように，溶接に関わる全プロセスを溶接
前，溶接中，溶接後の 3 つのフェーズに分けて，それぞ（5）
れ状態監視を行なうシステムとしている（4）．それぞれのフェーズで異常と判定された場合，ただちに停止して対策をとることを促す．

図9 溶接後プロセスに関する状態監視例
図 6 は溶接前プロセス，図 7，8 は溶接中プロセス，
図9は溶接後プロセスの状態監視方法の一例である．溶
図5 レーザスポット溶接システムのモニタリングシステム

接前は発振器（パルス発生器）とAEセンサの組み合わせによる重ね溶接時の被溶接物間のギャップの状態監視を行ない，溶接後はレーザ変位計による被溶接物のひずみの状態監視を行なう．溶接前後は主に被溶接物に関わる状態監視を行なっている．溶接中は被溶接物がレーザ照射によって発光するため，その状態によってレーザ発振器や周辺機器の状態を推定することができる．この特徴を利用し，図 7 に示す破線部を対象として，光強度を測定するフォトセンサで状態監視を行なう．これは，機械設備を監視するモニタリングシステムでは，検出手段も含めて特殊な例である．

図6 溶接前プロセスに関する状態監視例

各プロセスの状態監視の実施例を図10～14に示す．接合前の状態監視結果では，AEセンサからの信号を電圧で取得し（図10），波形解析を経てMDをもとめると，被Laser head

溶接物のギャップをMDの増大によって確認できる（図11）．図10に対する図11の時間軸上での差異は計算時間

Sensor&ﬁlter

によるものであるが，0.1s以下であるので実用上での問題はない．
接合中の状態監視は，各センサからの電圧信号に変換
し，波形解析によって判別する．この手法によって，機Work器の不具合によるレーザ出力異常，溶接速度異常，加工
ガス供給異常を検出することができた．その中から，加図7 溶接中プロセスに関する状態監視例

工ガス供給異常時のフォトセンサからの出力波形の変化を図12 に，波形解析結果を図13 に示す．また,その際の溶接部への影響を図14 に示す．機器の異常が品質低下

フォトセンサ Aにつながるため，間接的な品質管理の面でも状態監視は

フォトセンサ B

必要と考える．
さらに接合後には，図9に示す溶接部周辺の変形をレ

フォトセンサ C

ーザ変位計で測定し，その波形データを移動平均処理

フォトセンサ D（またはフィルタ処理）して，被溶接物表面の状態を確認することができる（図15）．良品の表面状態を正常の

図8 溶接中プロセスに関する状態監視の処理方法
総合車両製作所技報

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50

モニタリングシステムによる予防保全技術の構築

1mm

1mm

（a）正常

（b）異常

図14 加工ガス供給の状態変化による溶接部の変化
0.20

[mm]

図10 接合前の波形比較

0.15

0.10

0.05

0.00
150

200

250

300

350

400

450

[mm]

図15 被溶接物の表面形状測定結果
波形パターンとして判定に用いることで，品質を監視するための指標の一つとできると考える．
図11 接合前の判定結果
４．２

主に台車の振動などを抑制するためのばね，ダンパと5.0いった台車部品の検査周期の延伸を目的に開発したシス

4.5
4.0

[V]

台車モニタリングシステムの開発3.5テムである．図16にその構想図を示す．台車の主要部品

3.0の状態監視と突発的な異常を監視し，安全性とメンテナ

2.5

ンス性を向上させるシステムである（6）.

2.0

本稿では，波形パターンで状態変化を監視する技術と

1.5
1.0

して，左右動ダンパの状態監視（具体的には，ダンパの

0.5
0.0
0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

不具合による減衰係数の変化の監視）を例として述べる．

1.00

システムの基本構造は，検出手段としてメンテナンス[s]の都合から車体（客室内を想定）の振動加速度を選択し，

図12 接合中の波形比較

前処理としてフィルタ処理と図 1 に示す波形解析による特徴化を行ない，最後にMDにて状態変化を検出するこ

1.E+10ととした．

1.E+09
1.E+081.E+07
1.E+06
1.E+05
1.E+04
1.E+03
1.E+02
1.E+01
1.E+00
1.E-01
0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

s]

図16 鉄道車両の台車モニタリングシステム構想図

図13 接合中の状態監視結果

51
51

2013年１月

定し，加振レベルを大きく変えてそれぞれ車体の振動測定を行なっている．
まず，従来から行なわれている周波数解析による波形比較を行なった．その結果を図18に示す．1 ～ 4 Hz付近
で差異が見られるが，この波形に対して，しきい値を一意に決めて異常を判別することは困難であることがわかる．
次に，図 3 に示す流れでMDの算出を行なった．なお，
前処理としてローパスフィルタと波形解析を行なっている．
2つの速度域での正常状態と異常状態（減衰力75 %低図17 試験概要下）をそれぞれ複数回の実験によって取得し，実験走行
時間内のMD の変動の最小値，中央値，最大値を図19，
図20 に示す．この結果から，低速度での振動レベルの変化はMDで20程度を境にして区分できることがわかり，高速度ではMDで40程度を境にして区分できることがわかる．これは速度の増加とともに，振動加速度が増加することに起因していると考えられる．
ところで，レーザ溶接の状態監視の場合は，図11や図13に示すような大きな差異が見られたが，それに比べるとダンパの異常に対するMD の変化が小さい．これは，レーザ溶接装置が定置式であり，また同一の溶接条件での状態監視のため，正常状態の波形のばらつきが小さい（a）左右動ダンパ正常状態

ことに起因していると考えられる．
正常状態の
M
D
異常状態の
M
D

図19 低速度でのMDによる判定（b）左右動ダンパ異常（減衰力75%低下）状態
正常状態の

図18 車体の左右振動に関する周波数解析結果

M
D

実験検証は車両振動試験装置を用いて行なった.走行
動を車体相当部位に油圧シリンダの加振によって与え，
車体の上下，左右，前後振動加速度を測定して，システ

異常状態の条件として速度域を2つに分け，それぞれに相当する振M
Dム検証の基礎データとした．
この実験では，ダンパの異常状態を減衰力が低下した

図20 高速度でのMDによる判定

状態をダンパの改造によって模擬し，2つの速度域を想
総合車両製作所技報

創刊号

52
52

モニタリングシステムによる予防保全技術の構築

・ 定置型の設備は，定常的な動作が多いため，正常状態からの変化をMDでよく捉えられる．
・ 移動型の設備（輸送機器）は，移動条件などの外乱が多数あるため，前処理の技術開発が重要となる．
・ 保全時期の推定のため，劣化予測技術がもとめられるが，劣化レベルの区分，波形特徴化技術の開発などの課題がある．
現在，さまざまな分野で劣化予測技術の課題解決に向けて，波形特徴化やMTシステムのような解析技術の改良がなされている．これらの技術を予防保全技術に組み込むことで，現在よりもさらにきめ細かい状態監視がで

図21 異常レベルとMDの関係

き，メンテナンス性が向上すると考える．
参考文献（1）日本プラントメンテナンス協会：「設備診断技術」，
12，（1990），日本プラントメンテナンス協会（2）豊田利夫：「最近の設備診断技術（CDT）と予知保全（CBM）」，鉄鋼業における信頼性と設備診断技
術：計測・制御システム工学部会シンポジウム，1721，（1998），日本鉄鋼協会（3）田口，兼高編：「品質工学応用講座 MTシステム
における技術開発」，85-86，（2002），日本規格協会

図22 左右動ダンパの異常レベルとMDの変化（4）河田直樹，他：ステンレス鋼板のレーザ溶接システ
ムに関する状態監視システムの開発，精密工学会誌

車体の振動から左右動ダンパの異常判定の可能性を得

Vol.75 No.5，629-633，（2009），精密工学会たが，予防保全の観点からできるだけ早い時期に劣化を（5）河田直樹，他：「ステンレス鋼板のレーザ溶接品質検出することがもとめられる．このため，図 4 の正常と劣化状態から異常に至るまでをMDで推定する方法を検管理手法の開発」，東急車輛技報

討した．

（2009），東急車輛製造 ㈱第59号，20-25，（6）河田直樹，他：「MT法を用いた異常診断システム

具体的には，図21のように異常（劣化）のレベルを複数段階設定し，それぞれのMDと相関が得られることの開発」，東急車輛技報を確認した．単位空間には正常状態，すなわちダンパの東急車輛製造 ㈱第54号，10-19，（2004），

初期状態を用い，減衰力の低下レベル25%～100%の間の 5 段階のデータをそれぞれ信号空間としてMDをもと
めている．

著者紹介

その結果を図22に示す．25 % から100 % 低下に向けて

河田直樹

MDの増大は確認できるが，各劣化レベルでのMDのば

博士（工学）
生産本部
技術部（基礎開発）主査

らつきが大きく，少なくとも隣り合う劣化レベルの区分が困難である．これは，振動波形の特徴化が十分ではな
く，ここで採用したローパスフィルタと波形解析の前処
理方法に課題があると考えられる．
５ まとめ
レーザ溶接システム，鉄道車両台車部品のモニタリン
グシステムの開発事例から，次のことが明らかとなった．

53
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2013年１月

日本初のステンレス鋼製車両群（東急5200系，東急7000系）
日本機械学会「機械遺産No.51」認定
産業遺産実行WG，経営管理本部 企画部

図1 日本初のステンレス鋼製車両群
１ はじめに

２ 日本におけるステンレス車両の技術史（1）

当社が保存する日本初のステンレス鋼製車両群（東急

２．１ ステンレス車両技術史と累計生産両数

5200系と東急7000系）（図1）が，機械技術面の歴史的

当社におけるステンレス車両の累計製造台数は2012

価値が評価され，日本機械学会「機械遺産No.51」に認

年 4 月に8000両を達成した（図3）
．

定された．

ステンレス車両技術の発展の歴史は，その登場以来，2012年8月7日「機械の日」記念行事にて，当社宮下現在に至るまで，構造や素材におけるイノベーションがなされており，大きく次のように分類できる．

社長に認定証と感謝状（図2）が授与された．

・ セミステンレス車両

本稿では，保存車両の開発・保存の経緯および学会に・ 第 1 世代オールステンレス車両

よる遺産認定について紹介する．

・ 第 2 世代オールステンレス車両
・ 第 3 世代オールステンレス車両
以下，それぞれの分類について紹介する．
２．２ セミステンレス車両（日本初のステンレス電
車東急5200系）
日本で最初に誕生したステンレス車両は，台枠や構体骨組には普通鋼を使用し，外板にステンレス鋼を採用したセミステンレス車両である．当社に保存されている東図2 機械遺産認定証と感謝状

総合車両製作所技報

創刊号

急5200系は，1958年に誕生したセミステンレス車両で，54

日本初のステンレス鋼製車両群（東急5200系，東急7000系）日本機械学会「機械遺産No.51」認定

図3 ステンレス車生産累計
新造車両としては日本初となるステンレス電車である

した日本初のオールステンレス車両である．バッド社が（図4）．この車両はこれより 4 年前に製作された張殻構製作したフィラデルフィアの地下鉄車両をベースに構体造の軽量鋼製車である5000系をベースに外板にステンレ

骨組，台枠にもステンレス鋼を採用し，軽量性，耐候性

ス鋼を採用している．

が向上した．外板のコルゲーションプレートは腐食しないステンレス材の特徴を活かして，板厚を最小限にしな

セミステンレス車両は外板の無塗装化と，メンテナン

がら，板の面剛性を向上している．

スフリー化を実現したが，上述のとおり，台枠や構体骨組には普通鋼を使用しているため，耐候性に課題を残し，この車両の開発にあたっては，ステンレス鋼材の調質，
溶接技術，冷間塑性加工技術などの技術供与を受けると普及には至らなかった．

ともに，強度解析を含む設計技術など，開発・設計・製造技術全般の構築と，生産設備の新設が行われた．
東急7000系を始めとする第 1 世代のオールステンレス
車両は，京王3000系，南海6000系，旧国鉄キハ35形などにも採用されたが，バッド社のライセンスによる生産のため，当社のみが生産可能であり，共同設計・生産の車両への適用はできなかった．

（3）
図4 東急5200系（1958年）

２．３ 第1世代オールステンレス車両（日本初のオー
ルステンレス車両東急7000系）
東急5200系に続き，1962年，さらなるステンレス車両の長所を追求して開発されたのが，第１世代のオールス
テンレス車両となる当社保存の東急7000系である（図5）．
この車両は，アメリカのバッド社の技術を導入し国産化（3）
図5 東急7000系（1962年）

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2013年１月

２．４ 第2世代オールステンレス車両の開発と普及，

３．２ 保存車両の活用の現状

そして第3世代オールステンレス車両への発展

保存車両は，当社の先輩の業績を「見える化」し，商1970年代には，コンピュータによる構造解析を駆使

品力とブランド力の向上，技術伝承資料としての活用，

して構体と台枠の骨組構造を改良し，構体質量を大幅に社員のモチベーション向上などの効果をねらい活用され軽量化した，第 2 世代オールステンレス車両となる軽量ている．

ステンレス車両の独自開発に成功した．バッド社のライ①ブランド力の向上

センスが終了し，ステンレス車両の完全国産技術化を達保存車両のニュースリリースおよび工場見学コースへ成した．軽量化とともに耐久性，外観も向上し，コルゲの組込みを行った．ニュースリリースは，予想以上にメーションプレートは車体清掃の問題から，極力平滑な面

ディアの関心を集め，多くの新聞や雑誌に取り上げられとなるようにビードに代えられた．1978年には，東急

た．また，学会による遺産認証もブランド力向上に寄与

8400系を量産先行車として製作し，その後，1980年にしている．これについては後述する．

8090系として，量産を開始した．

②技術伝承

1985年には，旧国鉄への採用が決定し，205系を製作．

保存車両の東急5200系に残る，鋼製骨組みに起因すステンレス車両の製造技術やノウハウを各車両メーカにる腐食や，東急7000系の高炭素ステンレス鋼のアーク

開示することで，軽量ステンレス車両はデファクトスタ

溶接部の粒界腐食などは，社員の技術伝承の教材として

ンダードとなり，ステンレス車両全体の市場が拡大，普活用されている．

及することとなった．

③社員のモチベーション向上

1992年には，生産のＦＡ化により，ビードのないフモチベーション向上の一例として，社内の次世代ステ

ラットな外板を用いて，コストダウンとさらなる軽量化

ンレス車両の開発担当者から，産業遺産として保存されを実現した第 3 世代オールステンレス車両が開発されるような製品開発がしたいとの声が寄せられている．

た．量産先行車として東日本旅客鉄道901系が製作され，1993年からは，次世代通勤車209系として量産された．

３．３ 歴史記念館の整備

その後，E217系，E231系，E233系と発展し，これら

歴史記念館は，当社の製品や技術に関する史料を収の車両をベースとして，公民鉄にも採用が拡大した．現

集・展示するために2009年に整備したものである．J-

在のステンレス車両にはこれらの第 3 世代ステンレス車

TREC産業遺産制度を補完する役割も担っており，館内両の技術が適用されている．

には当社の主な製品の年表を設置するとともに，名板，
部品，資料類が保管されている（図6）．

３ 当社における製品保存の取組み（2）３．１

J-TREC産業遺産制度

東急車輛製造株式会社は，2008年8月に創立60周年を迎えた．その記念行事の一環として，歴史的価値を有す
る当社製品を後世に残す制度として東急車輛産業遺産制度（J-TREC産業遺産制度に承継）を制定した．
産業遺産の指定にあたっては次の 3 条件を定めている．
【製品現存】市場に初めて投入した製品等が現存していること【市場開拓】市場において，世界初・日本初の製品・技術等として評価されていること【事業基盤構築】その製品等の開拓した市場や技術が，（2）
図6 歴史記念館収蔵の図書（一部）

当社の事業基盤となっていること
当社は，ステンレス車両を主力製品としていることか

４ 学会による遺産認証

ら，本制度に基づいて，最初に日本初のステンレス車両

４．１

を保存することとし，2008 年には東急5200系を産業遺（2）
産業考古学会「推薦産業遺産」

産第1号，東急7000系を第 2 号としてそれぞれ認定した．

2010年5月，東急5200系，7000系およびその設計関連

さらに，2010 年には，世界初の高速鉄道車両として国

図面は，「日本初のステンレス電車，日本初のオールス

鉄 0 系新幹線前頭部を第3号として認定している．

テンレス車輌と設計関連図面」として産業考古学会の総合車両製作所技報

創刊号

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日本初のステンレス鋼製車両群（東急5200系，東急7000系）日本機械学会「機械遺産No.51」認定｢推薦産業遺産第82号｣の認定を受けている（図7）．産業Collection（保存・収集された機械），Documents（歴史考古学会の推薦産業遺産制度は，国あるいは地方自治体

的意義のある機械関連文書類）があり，当社の保存車両

による文化財指定を受けていないものが対象となっておはLandmarkとして認定された．これは，機械だけを遺り，産業考古学会が独自に認定を行い保存の重要性を喚産とするのではなく，この地で日本初のステンレス車両

起するものである．2010年11月27日には，産業考古学会が誕生したことを踏まえた歴史的景観も含めた遺産であの「推薦産業遺産」の認定を記念して，当社において記ることを意味するものである．東急5200系と7000系は，

念講演会が開催された．さらに2012年1月13日には，オ

現在の通勤車両を中心に広く普及しているステンレス車

ールステンレス車両完成50周年を記念して，産業考古学

両の原型であるとして，その重要性を評価され，「ステ会と日本機会学会技術と社会部門の共催による「ステンンレス鋼製車両群」として2012年度の機械遺産No.51とレス車両の黎明期（1958-1980）を語る」と題して記念して認定された．

座談会が行われた．

５ まとめ
当社の保存する産業遺産は，2010年の産業考古学会の推薦産業遺産認定を経て，2012年に日本機械学会の機械遺産の認定を受けることができた．これは，当社のステンレス車両製造の技術の歴史的価値が高く評価されたものである．これらの評価に応えるべく，今後も整備・維持に努めるとともに，産業遺産としてのさらなる活用を進めたい．

図7 産業考古学会推薦産業遺産認定証（2）４．２ ステンレス車両発祥の地の碑
日本初のオールステンレス車両である東急7000系の完成50周年を記念して，2012年1月にステンレス車両発
祥の地の碑を建立した．ステンレス車両の歴史が，この横浜の地から始まったことを記すステンレス製のモニュ

図8 ステンレス車両発祥の地碑

メントである．製作にはレーザ溶接などステンレス車両
参考文献に適用する新しい技術も採用している（図8）．

「東急車輛技報で辿るステンレス車両の技術史」，（1）杉山隆：
４．３ 日本機械学会「機械遺産」

東急車輛技報 60号，2-11，（2010），東急車輛製造（株）

日本機械学会｢機械遺産｣は，「歴史に残る機械技術関（2）松岡茂樹，他：「東急車輛産業遺産と横浜製作所歴

連遺産を大切に保存し，文化的遺産として次世代に伝え史記念館の整備 ―産業遺産による技術の来歴の保ることを目的に，日本国内の機械技術面で歴史的意義の存」，東急車輛技報 60号，62 - 69，（2010），東急車

ある「機械遺産」（Mechanical Engineering Heritage）を

輛製造（株）

認定」 するものである．機械技術の発展史上の重要な(4)（3）松岡茂樹：「東急車輛産業遺産制度の制定について」，

成果，または国民生活，文化，経済，社会，技術教育へ

鉄道車両工業会449号，21-24，（2009），（社）日本の貢献といった要件が求められ，認定基準は非常に厳し

鉄道車両工業会

いものである．

（4）2012年度機械遺産パンフレット，（2012），（社）日本

認定対象としては，Site（歴史的景観を構成する機械
遺産），Landmark (機械を含む象徴的な建造物・構造物)，

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機械学会
（松岡茂樹，長能亮太 記）
2013年１月

鉄道車両用円弧状UD手すり
日本人間工学会 人間工学グッドプラクティス賞 最優秀賞受賞
経営管理本部 企画部，生産本部 技術部

図1 人間工学グッドプラクティス賞授賞式（2012年6月9日九州大学大橋キャンパス）１ はじめに当社と公益財団法人鉄道総合技術研究所（鉄道総研）
が共同研究・開発し，各社の通勤近郊車両に使われている鉄道車両用円弧状手すり（図1，以下，UD手すり）が，日本人間工学会の平成24年度人間工学グッドプラクティ
ス賞最優秀賞を受賞した（図2）．
日本人間工学会のホームページから引用すると『日本人間工学会では，人間工学の研究成果を応用したものづ
くり，人間工学の研究成果を踏まえた社会活動における優れた業績を表彰することを通じ，人間工学とその研究成果を広く社会全般に普及させることを目的とした表彰制度として「人間工学グッドプラクティス賞」を新設し平成24年度より運用を開始した．今回は平成20年から賞状（当社保管）トロフィー（鉄道総研保管）

図2 人間工学グッドプラクティス賞

総合車両製作所技報

創刊号

最優秀賞

23年の間に人間工学グッドプラクティスデータベースに登録された67の案件の中から最優秀賞1件，優秀賞5件，特別賞7件が選ばれた．UD手すりの受賞理由は，安全性，

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鉄道車両用円弧状UD手すり日本人間工学会 人間工学グッドプラクティス賞 最優秀賞受賞

使いやすさおよびユニバーサルデザイン性において人間ある．高齢化する社会の中で，外出の機会が増えた高齢

工学的に非常に優れている．列車という公共性の高い空者の多くが通勤近郊車両の乗車時に座れない（2）との報間で使用するものの改善提案であり社会への貢献度，波告がある．乗車中に立っている高齢者の身体保持が容易

及効果が高いことも評価された』 ことが挙げられていにできる使いやすい支持具（手すり･吊り手）の提供もる．

求められていた（3）．車内で見かけた少女が手すりに手が（1）

本稿では，UD手すりの着想（気づき），研究・開発，届かないことは，高齢者をはじめとする低身長者の使いにくさと重なる．手すりを通路側に張り出すことにより実用化と普及，評価と展開を紹介する．

身体保持性が向上するとの仮説をたて，通勤近郊車両のUD共同研究はスタートした．

２ UD手すりの着想（気づき）
２．１

子供が届かない従来手すり

２．３

海外の車両から実用化のヒント

鉄道総研との通勤車両のユニバーサルデザイン（以下，2004年度から鉄道総研との共同研究を開始した．

UD）に関する共同研究（3.1節で後述）を始める検討を

ちょうどその年，当社は国際鉄道見本市 InnoTrans

していた2003年度末ごろ，UD手すりの着想につながる

2004に初出展した．

「気づき」があった．

InnoTrans 2004には，各国の車両が多数展示されて混雑率100％くらいの電車に乗っていたときのことでいた．車内設備にはUD的配慮がされていたものが多ある．電車通学をしている小学校低学年の身長120cmく

いと印象を受けた．図4に海外の各種手すり事例を示

らいの女の子が，何にも掴まらずに，座席前に立っていす．

た．目の前に座席間の手すり（座席前縁位置で直立してこれは，手すりを前に出すコンセプトを車両としている）があるが，座位客の足があるため，手すりに届か具体化する実用化検討の大きなヒントになった．

ない様子であった．当然に吊り手にも手が届かない．
図3は，実験装置における再現実験を示す．座位客の脚位置の青線を踏まなければ，手すりに届かなかった．
もう少し手すりの位置を前に出したら子供でも使えるという，気づきがあった．

座席前に設置

円弧形状

複合形状

図4 海外の各種手すり事例（2004.9）
３ UD手すりの研究・開発
３．１

UD手すりのコンセプトと実用化の課題

通勤車両のロングシート部に設けられている手すりには，以下の3機能がある（4）．
・ 定員着座のための座席区分
・ 立位客の保持
・ 座位客の立ち上がり補助
従来の手すりは，座席前縁位置から直立していた．
これを座席前縁から適切な位置まで前に出すことに

図3 従来手すりに掴まる子供（座席前縁250mmのラインを踏んでいる）

より，立位客の保持だけではなく，座位客の立ち上がり補助の使いやすさが向上すると思われた．
このUD化手すりの実用化の課題は，使いやすさが２．２

低身長者（高齢者）の使いにくさ

向上しながら，通路に支障しない適切な位置を，鉄通勤時間帯の主な利用者が成人男性であることから，

道車両の実際の使用条件である振動条件下で明らかにすることであった．

通勤車両の車内設備の寸法も成人男性中心となりがちで

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2013年１月

３．２

車内快適性シミュレータにおける人間工学実験（５）３．４

手すりの機能向上の検討

UD手すりは身体を支える設備であるため，立位客のUD手すりの円弧状を生かして複数で利用ができる手

身体のバランスが乱されるような振動環境下で評価をすりのデザインの検討をした．図7の左は立位客が複数行う必要がある．そのため，本研究では，実車の振動で利用する手すりで二股の下部座席側には荷物掛けをを再現できる車内快適性シミュレータ（図5）に，通勤取付けた．右は立位客と座位客で把持部を分けて使用

近郊車両の車内設備を仮設して実験を行った．振動はする．

在来線の等速走行を模擬した振動の中に，カーブや分岐器の通過時，加減速を想定する車両の左右方向と前後方向に，台形波（以下，著大振動と呼ぶ）を1回ずつ挿入した振動を用いた．

図7 複数の立位客が利用できる手すり（左），立位
客と座位客の把持部を分けた手すり（右）図5 車内快適性シミュレータ（鉄道総研）

３．３

手すりの取付位置の検討（４）車内快適性シミュレータの内に可変縦手すりを設置．腰掛前縁から50mm刻みで250mmまで移動して，立位客の保持実験と座位客の立ち上がり実験を行った．その結果，縦手
すり座席前縁から100～150mmの位置にすると，立位客の保持性，座位
客の立ち上がり補助性が向上することが明らかになった．図6では右の従来手すりは遠くて立位客の腕が伸びているが，左の円弧状UD手すりは近くなり腕が曲がってしっかり掴まることができる．

図6 鉄道車両用円弧状UD手すり（左），従来手すり（右）総合車両製作所技報

創刊号

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鉄道車両用円弧状UD手すり日本人間工学会 人間工学グッドプラクティス賞 最優秀賞受賞

３．５

手すりの握りやすさの検討（６）優先席に試みとしてUD手すりの設置の検討をしたいとの連絡を受けた．既存車両にUD手すりを仮付けした検高齢者が使いやすい支持具として「握りやすい」こ

討会を経て，5000系のUD手すりの初採用が決まった．

とに注目した．

2006年5月UD手すりを設置した5000系（図9）が田太さや滑り止めの違いある縦手すり9本の人間工学
実験（図8）の結果，RVAR（7）

園都市線で営業運転に入った．8月，東急電鉄お客様セ

推奨のφ35ディンプル付き手すりは走行振動時に「楽」に，著大振動時にはンタに「優先席の真ん中の席に座ると手すりがないの「しっかり」握ることができる「握りやすい」支持具でで立ち上がる時に困ることがありますが，あれがあれあった．高齢者にも使いやすい支持具であることが明ば大丈夫ですね．感激しました．
」と感謝のメールが寄らかになった．

せられた．
東急電鉄は優先席のみならず全席にUD手すりを採用した．UD手すり採用車両は5000，5050，5080，6000，
7000系の5車種 計428両となっている（2012年3月末日
現在）．

図9 以前の東急電鉄5000系優先席（左），UD手すり

図8 9 種類の縦手すりが並ぶ実験装置が増設された優先席（営業線投入後）（右）（左から3本目がφ35ディンプル付き手すり）

４．３

４ UD手すりの実用化と普及
４．１

JR東日本E233系への採用

新形式車両としてのUD手すりの採用第一号は，2006

公開実験による客先の理解と効果

年9月に完成納入したJR東日本E233系中央快速の優先席であった（図10）．

UD共同研究では実験の終了後に鉄道事業者や学識経験者を招いて，実験装置の見学と結果の速報をする公E233系のデザインコンセプトはユニバーサルデザイ

開実験を開催した．出席者との質疑応答では実用化へンが掲げられ，優先席の存在の顕在化のために，UD手の助言を多数いただき，公開実験を通して鉄道車両のすりは黄色に着色されφ30のディンプル（すべり止め）

UD化研究の理解が得られ，具体的な採用に繫がったと付きとなった．
UD手すりを設置したE233系普通車は2012年4月1日

言っても過言ではない．

現在，計2133両となった．

UD手すりは実験結果を元に第1回公開実験にて座席
前縁から150mm円弧状手すりを紹介したところ「通路側に出過ぎ」と言う指摘を受けた．第2回公開実験では100mmの円弧状にしたところ，出席者から高い評価を受けた．実用化に向けての手ごたえと公開実験の効果を感じた瞬間でもあった．
４．２

東急電鉄5000系への初採用（8）と乗客の反応

東急電鉄運転車両部より，2006年度5000系増備車の61
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2013年１月

５ UD手すりの評価と展開
５．１

外部からの評価

工業デザインの専門誌である「日経デザイン」は2006年，2007年に企業のユニバーサルデザインへの取組みを測るランキング調査を実施した．質問票を送り，113社より回答あった中で，当社の取組みは31位であった．UD手すりが全席採用になった東急電鉄5050系の優先席（図12）が紹介された．
さらに2012年，前述のように人間工学グッドプラク
ティス賞 最優秀賞を受賞した．

図10 JR東日本E233系に設置した，黄色に識別化されたディンプル付きUD手すり
４．４

各鉄道会社への普及

その後，小田急電鉄4000系，相模鉄道11000系，南海電鉄8000系, 京王電鉄1000系5次車など，民鉄への導図12 日経デザイン2006年10月号

入も進んだ（図11）．

図11 UD手すりを採用した一例，上段から ① 小田急電鉄4000系 ② 相模鉄道11000系 ③ 南海電鉄8000系④京王電鉄1000系5次車
総合車両製作所技報

創刊号

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鉄道車両用円弧状UD手すり日本人間工学会 人間工学グッドプラクティス賞 最優秀賞受賞

５．２

UD商品企画室（UDLabo）の開設（９）参考文献

UD手すりの成功を受けて，さらに当社製品UD化を（1）日本人間工学会ホームページ

促進するため2007年9月，横浜製作所技能教育訓練セン

http://www.ergonomics.jp/usertype/company/4880.html

タ ー 内 に UD商 品 企 画 室 （ UDLabo） を 開 設 し た ．

（2）斉藤綾乃，他：「通勤車両における支持具の利用実

UDLaboは，1）展示施設として，共同研究で開発した態把握調査」，人間工学，Vol.39 No.6，（2003），

UD化車内設備品（試作）を通じたUDの体験．2）教育

308-317

施設として，UD開発に不可欠な「潜在的バリア=使い（3）斉藤綾乃，他：「通勤車両の車内設備に対する利用にくさ」の体感や，身体が不自由な人の不便さの理解．3）

者意識の分析」，鉄道総研報告，Vol.19No.1，（2005），

検証施設として，開発製品のUD検証．という3 つの機27-32

能を有しており，UD商品企画のアイデア創出，UD化（4）松岡茂樹，他：「通勤近郊車両のスタンションの機調査および研究を行っている（図13）．

能向上の研究」，J-RAIL 2005講演論文集（5）松岡茂樹，他：「通勤近郊車両のユニバーサルデザ
イン化の研究 －第2報 UDロングシート部の人間
工学実験－」，東急車輛技報 55号，11-24，（2005），
東急車輛製造（株）（6）平井俊江，他：「通勤近郊車両のユニバーサルデザ
イン化の研究 －第4報 握りやすい支持具の人間
工学実験－」，東急車輛技報 57号，22-31，（2007），
東急車輛製造（株）（7）S.I.2000/3215：The Rail Vehicle Accessibility

図13 UDLaboの正面とスロープ，UD体験の教育中（Amendment）Regulations （2000）（8）尾崎正明，他：「ユニバーサルデザイン研究成果

６ まとめ

東急電鉄5000系で実用化」，東急車輛技報No.56，

UD手すりが実用化されて6年を迎えた．今日，通勤車両にはUD手すりが標準品のように設置されている．
この機会に設置車両数を調査するとJR，民鉄を合わせ50-51，（2006），東急車輛製造（株）（9）長能亮太，他：「UD商品企画室（UDラボ）の紹介」，
東急車輛技報57号，52-53，（2007），東急車輛製造（株）て3000両（当社確認可能範囲）近くの車両となっていた．

（松岡茂樹，平井俊江 記）

今般，日本人間工学会より名だたる企業の製品が人
間工学グッドプラクティスデータベースに登録される
なか，最優秀賞を拝受した．受賞理由には「公共性の高さ，社会への貢献度，波及効果」が挙げられている．
UD共同研究は「できるだけ多様な人が利用しやすい鉄道車両を目指して」研究をしてきた．高齢化社会，
人権意識の高まりなど変革する社会の中で，UD化された鉄道車両が乗客のニーズに応えられたことを実証できたのではないか．今後も「気づき」の感度を常に高め，次なるUD化のステップに進みたい．
また，最近，先に紹介したUDLaboに海外のお客様の見学が多い．UD手すりは高齢者の使いやすさを視野において開発したと紹介すると，アジアのお客様は自国も高齢化が進んでいると応え，UD手すりの立ち上がりに共感される．高齢化は各国共通の課題である．今後，国内のみならずUD手すりを設置した車両がアジアの街を走り，海外のお客様からも喜びの声が届く日が来るのも夢ではないかも知れない．

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ユニバーサルデザインホームドアの開発− 東急大井町線 大井町駅可動式ホーム柵 −生産本部 技術部

図1 大井町駅1番線側UDホームドア
１ はじめに２ 製品概要プラットホーム上での転落事故などを防止するために

東急大井町線は 5 両編成の普通列車と 6 両編成の急行

ホームドア（可動式ホーム柵含む）の設置が求められて列車が混在して運用する路線であり，大井町駅が終端駅

おり，「1日の利用者数が10万人以上の駅については優先となる．大井町駅のプラットホームは二番線あり，ホー

して速やかに実効性の高い転落防止対策を実施する」とムドアは 6 両分×2＝12 両分を設置した．大井町駅1番の指針 が出されている．

線の設置状況を図1に示す．

(1)

このような動きに伴い当社ではホームドア製品の新規

本体戸袋は白色を基調としており，扉には大井町線の開発を行い，オリジナル製品として東急大井町線大井町

路線カラーとなるオレンジ色を配色した．戸袋と扉との駅に可動式ホーム柵（以後，ホームドアとする）を納入

間には黒色のアクセントを入れて稼働部と固定部の境目した．

を明確にし，乗客の視認性を意識している．この他にも大井町駅ホームドアは都内初のホームドア整備の助成

乗務員や清掃員の使いやすさを意識したデザインを採用を適用し，国と東京都，品川区から補助金を受け設置ししており，設計コンセプトを明確にするために本製品をた．本ホームドアは要求仕様により，TASC（Train

UDホームドアと称している．

Automatic Stop Control）なしの車両非連動式の制御シス

制御システムは，駅の機器室に設置した総合制御盤かテムとしており，製品として乗務員のユーザビリティがらCANbus通信を使って動作指令を個別制御盤に送り，重要な要素となる．そこで，鉄道車両において鉄道総研

各個別制御盤によりドアの開閉を制御する方式を取ってとの共同研究で培ったユニバーサルデザイン（以下，UD）

いる．個別制御盤は1扉1制御盤としており，1ドアの開技術を適用し，乗務員操作性の向上だけでなく，乗客の閉は対向する扉の個別制御盤間の伝送線を使い，互いの視認性や清掃性への配慮を行い，先行製品との差別化を

扉の動作を連動し制御している．

図った．以下に，独自設計した制御システムと合わせて紹介する．
総合車両製作所技報

創刊号

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ユニバーサルデザインホームドアの開発 −東急大井町線 大井町駅可動式ホーム柵−

表1 基本寸法および仕様

2480mm
2340mm1150 mm

1325mm
1325mm

200mm
200mm

800mm 1240mm 1680mm

1200mm430kg/
PWM
3.5

DC
4.0

3.0 4.5

3.5 5.0

3

ATC
CANbus
1

5

6

1-2

ATC

２．１

基本寸法および仕様

基本寸法および仕様を表1に示す．
ドア開口は2480mmと大開口を用意した．そのため車両停止位置については，±590 mmのずれを許容できる．
4ドア 1 両分を5つの柵体で構成しており，中央の 3 つは隣り合うドアの片扉を前後にオフセットして一つの戸袋にしまい込む一体柵（図2）とし，車端部は 800mmの短い扉を 1 枚しまい込む分離柵（図3）とした．したがっ

図3て，大井町駅では60柵体48開口を設置した．

分離柵

柵体については，扉，戸袋への集中荷重や風圧荷重に対する強度を検討した．強度検討では，実物による荷重試験とFEM解析とを突き合わせることで，応力集中部
を含め50 m/s の風が吹いても耐えられることを確認している．
ドアは，リニアガイドにより案内された扉に，タイミ
ングベルトを通じてDCブラシレスモータの駆動トルクを伝えることで開閉している．また，戸閉め時は 3 次元
距離画像センサによる支障物検知と，万が一挟まれた場
合の戸挟み検知を機能させている．

図2 一体柵

65
65

2013年１月

２．２

システム構成できない．そこで，列車の両数と，定位置停車を確認す

制御システムの基本構成は，各番線全体を総括制御するための車体検知センサを別途用意した．図5に車体検る総合制御盤と，各扉を制御する個別制御盤，ドア開閉知センサを示す．

を操作する操作盤からなり，その状態をATC装置に送この車体検知センサにより得た両数，定位置停車情報信する仕組みとしている．図 4 にシステム構成図を示す．

およびホームドア状態の情報を用い，ドア開閉操作や確認作業を補助する乗務員表示灯も設置している．図 6 に乗務員表示灯を示す．この表示灯により乗務員は定位置停
止，ドアの開閉状態，異常の有無を確認することができる．

図5 車体検知センサ
３

図6 乗務員表示灯

UDの適用

当社初のホームドア製品ということもあり，大井町駅
については，他社製品との差別化ポイントとして，鉄道

図4 ホームドアの基本システム構成図

総研との共同研究で培ったUD 技術を全面的に適用した．

仕様上，車両から情報を受け取るシステムではないが，今回のUD 適用ポイントは，車両非連動式を採用した

総合制御盤からホームドアの状態をATCに送る機能を有ことに伴う，乗務員の操作性向上，乗客の視認性向上，しており，その機能により安全を確保している．

判読性向上，ホーム清掃員の清掃性への配慮にある．以

ドアの開閉操作はホームドアの操作盤から行っており，

下にそれぞれ採用したUD 技術について紹介する．

その情報をいったん総合制御盤で受け取り，そこから個別制御盤に指令を送ることでドアの開閉を制御している．

３．１

乗務員操作盤この総括制御については独自設計としているため，多様

大井町向けのホームドアが車両非連動式であるためなオプション要望に対応することが可能となっている．

に，乗務員は車両のドア開閉と合わせてホームドアのド

各ドアについては，扉を制御する 2 台の個別制御盤を

ア開閉も同時に行う必要がある．そこで，実際に東急大相互通信により連動させ制御しており，支障物検知や戸井町線に乗務する乗務員58名（内女性16名）の協力の挟み検知などもドアごとに制御している．

もと行ったUD実験(2)により乗務員操作盤の形状を確定した．図7に大井町駅で使用している乗務員操作盤を示す．

２．３

支障物センサ

車両のドア開閉スイッチと同様に下から押し上げるの支障物センサは安全性向上のため，3次元距離画像

がドア開，上から押し下げるのがドア閉となっているた

センサを採用した．3次元距離画像センサは水平・垂め，開閉スイッチを見なくても手探りで操作することが直方向にレーザ光を走査しながら距離計測を行うセ

できる．そのため，乗務員はプラットホーム上の監視にンサで，一般的に使用される光電センサが線の検知集中でき，乗客の安全性を確保することが可能となる．

であるのに対して，このセンサは設定した3次元検知
範囲内の支障物を検知することができる．このセンサの採用により，車両ドアに挟まって外側に飛び出した支障物を検知する性能が格段に高められた．
２．４

在線・編成両数検知および乗務員表示灯

車両非連動式制御システムであるため，在線列車が 5両編成なのか 6 両編成なのか，また，定位置に停車しているのか，車両，地上設備からの情報を受け取ることが総合車両製作所技報

創刊号

図7 乗務員操作盤

66
66

ユニバーサルデザインホームドアの開発 −東急大井町線 大井町駅可動式ホーム柵−

３．２

扉の明確化

可動部と固定部の境目を見分けやすくした．図 9 に大井

これまでのホームドアは戸袋と扉の色が同色であった

町駅ホームドアに対する色覚シミュレーション結果を示す．

り，意識されて配色されているものが少なかった．ホー
見やすい名板

３．３

ムドアの色は，健常者にとってはあまり不便に感じるものではないが，色弱者にとっては扉と戸袋の境目がわか

名板は，バリアフリー整備ガイドラインに沿って，ドりにくくなる場合がある，など注意が必要である．カラアに向かって左側に号車・ドア番号，車いすスペース，ーユニバーサルデザイン機構によると，色弱者は，日本

優先席，弱冷房車などの標記を取り付け，右側に注意喚

では男性20人に一人，女性の500人に一人おり，300万

起標記を取り付けている．また，号車・ドア番号標記は，人以上いるとされている．ここで，D 型色覚，P 型色覚

黒地に白抜き文字を採用することにより，文字を大きくの色弱者にとって見分けにくい色使いの例として，既存見せる効果を活用し，判読性を向上している．

のホームドアに対する色覚シミュレーションの結果を図３．４8 に示す．

清掃への配慮

通常ホームドアは，ほぼプラットホーム上面に接するように設置されている．しかし，ホームドアがプラットホームに接していると，洗浄水がたまったり，雨水がた
まったりした場合に排水しにくくなる，という問題がある．
そこで，大井町駅ホームドアは戸袋部で50mm 弱の隙間を設けて設置し，排水するのに十分な隙間を確保した．
この隙間を空ける効果は，図 8と図 9を見比べるとわかるように色弱者がどの位置にホームドアが立っているのかを判別しやすくすることにも寄与している．
４

今後の展開

大井町駅ホームドアは，当社最初のホームドア製品として一から取り組んで創り上げ，制御システムやUDなど独自性を盛り込みながら導入することができた．
今後は大井町駅ホームドアで得た知見を活かし，独自

図8 色覚シミュレーション例

性，信頼性，多様性（オプション性）の高い製品を開発し，多くの鉄道事業者に選択してもらえる製品をラインナップしていきたい．
５

おわりに

今回，UDホームドアを開発し，大井町駅に納品するに当たり東京急行電鉄株式会社をはじめ多くの関係各社に協力いただいた．本稿の紙面を借りて謝辞を申し上げる．
参考文献（1）国土交通省鉄道局，“「第 6 回ホームドアの整備促進等に関する検討会」の結果について”，国土交通省

図9 大井町駅ホームドア色覚シミュレーション結果

鉄道局ホームページ，（2011年8月10日）

図 8 の D 型色覚，P 型色覚シミュレーション結果を見（2）平井俊江，他：「通勤近郊鉄道のユニバーサルデザ

ると，従来の色彩では扉と戸袋の境目が見分けにくいの

イン化の研究－第 6 報 ホームドア（可動式ホーム柵）がわかる．そこで，大井町駅ホームドアでは，扉色が大操作盤の研究－」，東急車輛技報 61号，42-47，

井町線の路線カラーであるオレンジ色としたことを考慮（2011），東急車輛製造（株）

し，戸袋端部に黒色の帯を入れて明らかな明度差をつけ，

67
67（谷口宏次，長本昌樹，竹中肇，玄地一夫 記）
2013年１月

鉄系材料の高速摩擦攪拌接合用ツール・裏当て板の開発
日本溶接協会賞技術賞（開発奨励賞）受賞
生産本部 技術部

図1 SUS304鋼の高速摩擦攪拌接合１ はじめにに耐え得るための適切な接合ツール材質の開発が課題と

当社と大阪大学接合科学研究所藤井研究室は「鉄系材なっている．そこで，当社は接合ツールおよび被接合材

料の高速摩擦攪拌接合用ツール・裏当て板の開発」におの裏面に敷く裏当て板の材質に着目し，表1に示す各種

いて，社団法人日本溶接協会より第42回日本溶接協会

材質より，高温強度の優れた窒化ケイ素を選定した．さ

賞技術賞（開発奨励賞）を受賞した．

らに，窒化ケイ素は表 2 に示すとおり他のセラミックス

本賞は，日本国内における溶接業界の発展のため貢献と比較しても高温における熱伝導率が低い特性を持ち，があり，今後の発展性が期待される優れたアイディアをその特性を活かして裏当て板に適用し，発生させた摩擦ともなった技術開発に贈られる賞である．

熱を有効利用することで鉄系のFSWを可能にした．その結果，高速域の適正接合条件範囲と安定した継手強度

２ 開発の背景と概要を得ることができた．

摩擦攪拌接合（以下FSW）は，図1に示すように，ツ表1 接合ツールに適した材質の検討結果

ールと呼ばれる円柱状の工具を回転させながら被接合材

検討結果に押付けることで発生する摩擦熱を利用した接合法であ(良好)る．また，FSWは接合中の温度が溶融溶接と違い，被(接合材の融点以下の温度で接合する固相接合である．被)(高温強度不足)

接合材の結晶粒の微細化による高強度化や低ひずみなど(耐熱衝撃性不足)のいくつかの利点を有する．したがって，特にアルミニ
ウム合金のような低融点材料において実用化がすすんで

表2 裏当て板に適した材質の検討結果

いる が，構造用材料としてもっとも多く使用されてい

熱伝導率

（1）

曲げ強度

る鉄鋼材料においては，実用化の報告は少ない．これは，(K)( W/mK)(MPa)

アルミニウム合金と比較して，鉄鋼材料のFSWが困難

1273

14

1020

1273

32

1273

5

400

1273

3

1470

1073

38

540

SUS304であるためによる．FSWはその原理上，接合ツールは
高温かつ高負荷という過酷な環境で使用される．特に鉄鋼材料においては，接合中の温度がアルミニウム合金よりも高く，かつ塑性流動がしにくいため，高い接合温度
総合車両製作所技報

創刊号

68鉄系材料の高速摩擦攪拌接合用ツール・裏当て板の開発 日本溶接協会賞技術賞（開発奨励賞）受賞

３．２

３ 技術開発の成果
３．１

冷間圧延鋼板のFSW

オーステナイト系ステンレス鋼にて窒化ケイ素製の接オーステナイト系ステンレス鋼のFSW

合ツールおよび裏当て板の有効性を立証したのち，適用

本接合法は， FSWツールと裏当て板に窒化ケイ素を材料の拡大を目的として，冷間圧延鋼板を被接合材とし採用して高温強度を確保し，ツール形状，特にプローブてFSWをおこなった．冷間圧延鋼板はオーステナイトとショルダ周辺の形状の最適化によって熱エネルギの効系ステンレス鋼と比較して，高温での変形抵抗が小さく率化をはかることにより, オーステナイト系ステンレス

塑性流動しやすい材料である．本接合技術により，オー

鋼のFSWで接合速度 1 m/min の高速化，継手効率100％

ステナイト系ステンレス鋼のFSWと比較して3 倍のおよび耐食性の向上を達成することができた ．図 2 は

3 m/minの接合速度で，継手効率が100％となる接合を可今回開発した窒化ケイ素製FSWツールの外観で，図 3 の

能とした．

（2）

引張試験片はSUS304鋼を1 m/minで接合した継手の引４ 実用化状況と今後の展望

張試験後の試験片外観である．母材が破断して，接合部が母材と同等以上の強度を持っていることがわかる．オ

本開発の窒化ケイ素製の接合ツールおよび裏当て板

ーステナイト系ステンレス鋼は，鉄道車両に使用され，）は，鉄鋼材（商品名：「Smart FSW Tool & Backbar」

高温強度が大きいために塑性流動しにくく，接合ツール

料の摩擦攪拌接合において，高速度で母材と同等の強度への負荷も大きくなる被接合材料である．

を持ち，耐食性を保持した継手が得られる（3）．

®

本接合法は，接合ツールの回転数と送り速度，ツール

本接合法は，薄板の連続接合や点接合継手に対応した荷重の制御が必須であり，ツールの形状はプローブ部が製品群を研究開発用として販売を開始している．

ネジなしであることを特徴としている．

これらの接合ツールおよび裏当て板は低融点材料の接合への適用も可能で，継手効率向上，耐食性向上といった効果をすでに一部の材料で確認し，軽量化を要求されている輸送機器の接合品質の向上に寄与する可能性がある．
また，難接合材の摩擦攪拌接合における接合速度の高速化と接合ツールの高温強度の確保は，接合ツール寿命の延伸にも期待でき，摩擦攪拌接合におけるランニング
コストの低減が期待できる．
参考文献（1）岡村久宣，他：「アルミニウム合金の摩擦攪拌接合と構造物への適用」，軽金属，第50巻，第4号166-172，

図2（2000）

窒化ケイ素製ツール外観（2）石川武，他：「SmartFSWTMツール＆バックバーの開発」，東急車輛技報，第61巻，18-25，（2011）（3）石川武，他：「オーステナイト系ステンレス鋼の摩擦攪拌接合継手における耐腐食性の評価」，東急車
輛技報，第59巻，26-33，（2009）（増田 藍，石川 武 記）

AS

RS
母材破断

図3 SUS304鋼1m/min継手の引張試験後の試験片

69
69

2013年１月

JR東日本 E657系 特急形交直流電車
生産本部 技術部

図1 E657系 外観
１ はじめに

モハE657-100とサロE657に車イススペースを設けている．
側窓はE259系と同様の大きな連続窓で，熱線・紫外

東日本旅客鉄道株式会社殿では，1989年に投入された
651系，1997年に投入されたE653系の置き換えとして，
E657系を投入することとなった．E657系は成田エクス防止制御装置，車体間ダンパの装備による乗り心地向上，防音床構造による遮音性能向上，WiMAXによる車内ブ

70mmのステンレス製の板を全長に通し，鏡のように荷棚２ 構造および特徴

上を確認できるようにしている．
空調装置は屋上の一体形であり，天井部の風道から幕部

車体を経由し，荷棚先端から冷風を吹き出す構成としている．

基本構造

出入台は配電盤ユニットに消火器や分別ゴミ箱を配置

編成は10両固定編成（6M4T）としている．

している．各側出入口カモイ部には防犯カメラを設置し車体はE259系を基本としたアルミダブルスキン構体

セキュリティーの向上を図っている．

であるが，屋上に特別高圧機器を搭載するため，屋根高

サニタリーはモハE656系列，サロE657，クハE656にさを105mm下げ，E653系と同じとしている．

配置され，サロE657の洋式便所は車イスでの使用が可

先頭部はFRP製のキセとアルミの機械加工部材の組み合わせにより，
三次元によるデザイン形状を実現している．
車内設備

創刊号

能な大型のものとなっている．便所・洗面所はアウトワ
ークしたものを車体へ組み込むモジュール構造を基本としている．

客室は，普通車・グリーン車とも2+2列の座席配置で，総合車両製作所技報管を配置している．
い高さとしている．また，荷棚上の側小天井部に，幅

れている．

２．１．２

照明は，天井全長に通したアルミ製のキセ内にHf蛍光
荷棚はE259系と同様に，荷物を乗せやすいように低ロードバンド環境の提供等，高品位のサービスを取り入

２．１．１

内装は複合パネルを主とした構造で，天井部は空調風道と一体構造にし，
アウトワーク可能な構成となっている．

プレスに投入されているE259系を基本構造とし，動揺２．１

線吸収機能の複層ガラスを使用している．

70

乗務員室，車販準備室，多目的室はサロE657に配置

JR東日本 E657系 特急形交直流電車

E656には配信情報用のWiMAXアンテナも配置している．モハE657・モハE656にはブレーキ抵抗器の準備工事がされ，取付座を配置している．モハE657にはパンタグラフや交直切替器なども配置している．
２．２．３

室内機器

客室端部にはフルカラーLEDによる案内表示器を配置している．各座席にはコンセントを設置し，パソコン等に使用することが可能となっている．出入台にはE259
系と同様に防犯カメラを配置している．配電盤部には継図2 普通車客室

電器盤や空調制御器，映像記録装置などの他，モハE656およびクハE656には旅客救済用のハシゴも格納している．出入台部には，配電盤部が設けられ低圧ツナギ
箱やシャ断器盤や空調制御盤などを取付けている．
２．２．４

運転室

運転室は，高速運転時の視界や乗務員の安全を考慮し，高床構造の運転台となっており，主幹制御器には，左手操作式ワンハンドルマスコンを配置している．計器類はE233系やE259系と同様のLCD画面によるものを使用
し，また，機器の扱いが変わらぬよう，常磐線の既存車

図3 グリーン車客室(E653系)の配置を考慮した配置としている．前面ガラス

し，車販準備室には流し台，冷蔵庫，冷凍庫を一体とした部には，通常使用するワイパを運転士側・助士側に配置

ユニットを設置している．多目的室はベッドとして使用可

し，不具合発生時に動作させるための補助ワイパを中央

能な折り畳み腰掛を設け，車イスでの進入を考慮している．

に設けている．前部標識灯は，雨天および着雪などに考慮し，E259系と同様にHIDとハロゲン式シ－ルドビ－ム

２．２

ぎ装

２．２．１

の組合せとしている．背面上部には，シャ断器盤や床下機器

ATS-P/Ps切換スイッチ盤などを設置としている．背面

各車両にTIMS箱・ブレーキ制御装置・滑走防止弁装仕切り部には，車掌スイッチユニットやデジタル無線関置などを配置している．また，Suica機器箱については係機器などを配置した．運転士側側開戸上部には，防護準備工事がされ，将来的に搭載させることが可能となっ無線自動発報装置を配置している．

ている．両先頭車には，ATS-P形・ATS-Ps形の2つの２．３

保安装置を統合して1つの車上装置とした二重系のATS-

E259系で使用されているDT77・TR262系台車を基本

P形・ATS-Ps形統合型車上装置を配置した．電動空気
圧縮機は両先頭車の他，サハE657にも配置している．
モハE657・モハE656にはE233系やE259系と同じく，故障に強い二重系の主変換装置が配置され，モハE656とした軸はり式ボルスタレス台車で，台車形式は電動台
車がDT78，運転室直下の付随台車がTR263，中間付随台車がTR263A，TR263Bである．TR263，TR263A台
車はフルアクティブ動揺防止制御装置を装備している．

のみSIVを配置している．クハE657・クハE656・サロ

軸ばねはコイルばねで，乗り心地向上のため軸ダンパをE657には，乗り心地向上を図るため，新幹線などで使装備する．枕ばねは空気ばねを装備し，牽引方式は1本われているフルアクティブ動揺防止制御装置を採用してリンク式である．走行安定性向上のためヨーダンパを装いる．また，将来の耐寒耐雪改造を考慮し，機器と機器備する．ブレーキ装置は，電動台車が踏面ブレーキ，付の間を塞ぎ板で覆う事ができる様になっている．
２．２．２

台車

随台車が踏面ブレーキとディスクブレーキ（ 1 軸 2 ディ
スク）の併用である． TR263台車の先頭寄りには排障

屋上機器器を装備している．

屋上には，AU734形空調装置およびインターネット用（小泉貴洋，関根眞一，堀口健一郎，平井明正 記）

WiMAXアンテナ，AM/FMアンテナを全車に配置．クハ7171

2013年１月

総合車両製作所技報

創刊号

72
72

TR263
TR263A60
34.8
21500mm21100mm

E657

ATS-P

1

E656

64
40.0

M2

10
Tc

9

M2

Tc

LED

Tc'

ATS-PsTR263B2

2+2

1160mm

LED
WiMAX

926mm

E657

72
31.1

PS37A M1
TM33
MT75B
CI22
SC95 3
IGBT
MH3130-C1600S1
AU734
EB･TE
VVVF

TR263A

E657

30
66
41.4
34.1
20500mm20000mm
2946mm
3550mm
1140mm14150mmE657-100

7
M2-100
64
40.0

4
T1

130km/h56
M1-100Ts

E656-100

T1Ts

M1-100

M2-100DT78 5.65

E657

M1

68
41.4

8

M1

表1 主要諸元表

68
41.4

AM･FM

2+2

960mm

TR263
TR263A

E656

1
Tc'

Tc'

44
36.1
21500mm21100mmM

E657-200

2
M1-200T

M1-200DT78 5.6564
40.0

E656-200

3
M2-200

M2-200
6M4T

1600L/min
41.9kW
10kW
ATS-Ps2
ATS-P

260kVA

50/60Hz

104249mm図4 編成図

JR東日本 E657系 特急形交直流電車

73
73

2013年１月

東武鉄道 634型 イベント用電車
生産本部 技術部

図1 634型 外観イメージした編成とがあり，腰掛モケットをそれぞれ青１ はじめに2012年5月に開業した東京スカイツリー への集客と，R○

日光・鬼怒川方面へ観光客輸送のために，1988年に当社色と赤色に作り分けた．
２．１．２

で製造した6050型2両編成2本をイベント用に客室設備

車内設備

Mc 車の運転室後位にはソファーと日光杉を使ったテーを改め，合わせてトイレや腰掛をバリアフリー対応に改

ブルを設けたサロンスペース，車掌台後位には前頭の眺造した．
東武鉄道スカイツリーラインや日光線を主体に2012年
10月から運用を開始した．

望を楽しめるように子供用の 2 人用腰掛を高床に設置し２た．また，側天井窓の設置により，荷物棚を廃止したので，荷物置場を 2 人用腰掛の背後に設置した．客室部はセミクロスシートを撤去して，山側高床に 2 人掛リクラ

構造および特徴

イニングシートを窓向きに固定し，通路を挟んだ海側は

２．１ 車体２．１．１ 基本構造

1人掛回転リクライニングシートを配置した．後位寄には出入台脇にごみ箱を設置し，妻寄りには窓向きに日光

編成は 2 両編成（Mc+Tc）の種車のままとした．
車体は種車のまま軟鋼製で，客室の側窓はスカイツリーの眺望を考慮して，既存の側窓の上部に曲面ガラスを用いた側天井窓を追加設置し，腰掛設置の床面も出入台・杉を使ったカウンターと車内販売用品の搭載用にバックヤードを設置した．
Tc 車の運転室後位にはAVカラオケ設備を設置したイベントステージを配置し，車掌台後位にはMc車と同じ通路に対して150 mm 高くした高床式に改めた．
出入口は片側 2 か所だったが，改造により運転室背後

列 + 1 列の回転リクライニングシートを配置した海側出に諸設備を配置したために，前位寄り2 か所を撤去した．
編成ごとに「青空」をイメージした編成と「朝焼け」をトと車いす緊締用設備を取り付けた．

総合車両製作所技報

創刊号

く 2 人用腰掛と荷物置き場を設置した．新たに高床に 274

入口脇には車いす対応用の 2 人掛回転リクライニングシー

東武鉄道 634型 イベント用電車

リクライニングシートのモケットは，編成ごとで青色ベ

客室腰掛の配置変更に伴い，従来セミクロスシートのース（634-11+12）
・赤色ベース（634-21+22）に作り分けた．

脚台に配置していた機器やAV関連機器を高床や荷物置

後位寄の山側出入台脇には冷蔵庫を備えたサービスカ

き場・バックヤードの床中に設置した．腰掛ヒータにつウンターを設置し，飲み物等の販売サービス拠点として

いてはリクライニングシート脚台に550W（2人掛用），

利用できるようにした．また，トイレは従来の循環式汚250W（1人掛用）のシーズ線ヒータを設置したほか，販売

物処理装置の和式タイプから電動車いすも入退室できる

カウンターや荷物置場には温風ヒータを設置して，冬期

大形洋式トイレに改め，汚物処理装置は汚物タンクを再や山間部における運用に備えた．

利用した真空式に変更した．引戸装置は手動式から電動２．２．４の円弧式引戸装置とした．また，山側の妻部には洗面

運転室

運転室内は，大きな変更は無いが助手側の前面ガラス

所設備を新設し，カーテンで仕切ることができるように上に前面展望用のカメラを設置した．

した．トイレの大型化により，海側の出入口は開口位置
を前位寄りに移設した．

（松村 寛 記）この車体の改造に合わせ，天井および側面・妻面等の内張を現状の燃焼性規格に合わせるため張替え，腰板・妻面やトイレ仕切は木目調の化粧板に変更した．
２．１．３

車体外部

側天井窓設置に合わせ，側屋根部の雨ドイ位置を変更
し，車体外部塗装も白ベースに青空をイメージしたデザ
インと朝焼けをイメージしたデザインの水玉模様と東京スカイツリーを配置した．この水玉模様は地上で放たれた風船が，スカイツリーを中心として沿うように舞いあがる様子をイメージした．また，前頭部の行先表示器・
列車種別表示器と側面の行先表示器については，改造に

図2 Mc 車（634 -11）客室内

際してLED表示式に取り替えた．
２．２

ぎ装

２．２．１

床下機器

走行性能を含め種車からの改造は行っていない．前述の汚物タンクの改造のみにとどまる．
２．２．２

屋上機器

屋上機器については種車からの改造は行っていない．
２．２．３ 室内機器
客室内の割付変更と高床化により機器とその配置を大幅に変更した．
天井灯は近年LED化が進んでいることから，今回の改図3 Tc 車（634 -22）客室内造に際してケイ光灯から薄型のLED照明に変更した．
元の40W・20Wのケイ光灯と同等性能のLED照明とし，トイレ内や洗面所天井灯についてもLED照明化を図った．
Mc車のイベントステージには収納式のAVカラオケ設
備を設置しており，使用時には設備をステージに引き出して使用する．天井にはステージを撮影する専用カメラを設け，1 両あたり2 か所の32インチモニターを使って各車に配信することができる．また音声についても天井に専用スピーカを設けた．
また通路上の天井には 1 両あたり2 か所の液晶式の車
内案内表示装置を設置した．

図4 車いす対応トイレと洗面所
75
75

2013年１月

総合車両製作所技報

創刊号

76
76

TSP

ATS

2+1

(LED)

1

(BLMG)
DH-25:10,500kcal/h/Mc634-0130
46.320000mm
19500mm2800mm
3635mm
1185mm
13600mm
T RS-882M(5.31)

2,250kcal/h/

(LED)

960mm

,

1300mm3 /CLG-703

PT-4815(Mc
TM-63

T
Tc
634-022940.020000mm
19500mm2800mm
3635mm
1185mm
13600mm
TR S-882T
)

M

LCD)

Mc

MMC HTB-10L
100V50AH 1

表1 主要諸元表

2(1M1T)

4200mm図5 編成図

東武鉄道 634型 イベント用電車

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77

2013年１月

高速車両用 次世代台車（TS-1036）
生産本部 技術部

図1 TS-1036台車 外観
２ 本台車の性能

１ はじめに本台車の基本諸元を以下に示す：

当社では，次世代を担う新しい構想に基づく台車を開発した．その狙いは，JR在来線，民営鉄道，公営鉄道お台車方式

2軸ボギー，ボルスタレス

よび海外輸出案件における新形式車両での幅広い用途に想定車両

18～20 mの通勤･近郊･特急車両

対応することにある．この後に述べるように，高速安定

床面高さ

レール面から1100 mm程度

性，曲線通過性能，乗り心地等，あらゆる側面から高性

最高速度

160 km/h

能台車と呼ぶにふさわしい構造･諸元で試作台車TS-

ブレーキ性能最高速度から1000 m以内停止
130 km/hから540 m以内停止

1036を製作した（図1）．最高速度は，今後の高速化を踏
軌間

まえて，一部区間で既に始まっている160 km/hに設定し1067 mm（設計変更で1372／1435mmへ対応可能）てあるが，130 km/h以下の速度設定に対しても全体構成の簡素化により合理的な提案をすることが可能である．

全長2914 mm

本台車の概念を図 2 に示す．

全幅2680 mm

全高

915 mm（960 mm程度まで対応可能）

高速安定性
ブレーキ性能曲線通過性能
乗り心地
静粛性

創刊号

2050 mm

質量4700 kg

輪軸

防音体付きφ810 mm車輪，中実車軸

軸受

120密封複式円筒ころまたは120密封複式円錐ころ

堅牢性

軸箱

軽量化

鋼板溶接組立構造（量産時に鋳鋼製へ切り替える）

図2 開発台車のねらい
総合車両製作所技報

軸距78高速車両用 次世代台車（TS-1036）２．３

曲線通過性能軸箱支持装置SY式（コイル／ゴム複合）

台車枠

鋼板溶接組立構造，補助空気室付き

軸箱支持装置の構造ならびに適度な支持剛性により，車体支持装置パンク時柔特性付き異方性空気ばね

現在の主流である軸梁式台車と比較して輪重横圧特性を1本リンク牽引装置，ヨーダンパ付き

改善している（図5）．

ブレーキ装置

軸箱支持装置は，コイルばねとゴムばねの複合構造を

1 軸 2 ディスクのディスクブレーキ方式有しており，SY式と称する（特許出願中，図 4 ）．この構

踏面清掃装置付き造により，従来の軸梁式が持っていた上下ばね撓みにと
２．１

高速安定性

もなう軸距変化を大幅に軽減することができる．軸距変

軸箱支持剛性の最適化を中心に高速安定性の向上を図化の低減は，低速での曲線通過時に逆舵を切る量が少なった．シミュレーションによる設計検証段階でばね系のくなることを意味しており，軸箱支持剛性に依存した自適値を決定した後，実物台車を用いた台上回転試験によ

然操舵機能を活用する台車では重要な特性を得たことにり高速安定性の妥当性を確認してある（図 3）．その結果，

なる．

台上試験では，台車の設計諸元の条件で 300 km/h以上の高速安定性があることが証明された．さらに，最も過酷な条件として車輪踏面と車軸軸受の摩耗状態およびヨー
ダンパ故障状態（1本フェイル）を同時に模擬した台上試
験でさえ300 km/hまで安定性が損なわれないことを確認してある．

図4 SY式軸箱支持装置
空気ばね横剛性は，前後･左右で異方性とすることで曲線通過性能の向上に貢献している．さらに，パンク時においてもテフロン摺動板を内蔵しているので台車の回転抵抗を増大させることはない．

図3 台上回転試験
ブレーキ性能Q /P d e r a ilm e n t c o e ffic ie n t

２．２

ブレーキ装置は，1軸2ディスクの構成である．これにより，想定される最も重い付随車でも160 km/hからの繰り返し停止に耐える十分なブレーキ容量が確保されている．停止距離は，初速160 km/hから1000 m以内（勾配-5‰），初速130 km/hから540 m以内（勾配 - 5 ‰）を達成（両立）している．
ブレーキ装置は，このように厳しい車両条件を想定し

0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2

て設計してあるので，個々の車両の仕様によっては 1 軸 1
ディスクの構成も可能である．さらに，駐車ブレーキ付
きへの変更およびてこ比やシリンダ径の変更も可能であ

0

100

200

300

400

500

600

Wheel Potision [m]る．

図5 輪重横圧性能

79
79

2013年１月

２．４

乗り心地

軸箱支持装置は，上記の通りSY式である．ゴムばねはコイルばねの無減衰を補う役目を有しており，乗り心地のさらなる向上を図るべくコイルばね側へオフセットさせた軸ダンパを装備している（図6）．ただし，速度130km/h程度までならば軸ダンパ無しでも十分な乗り心地が期待できる．コイルばねはゴムばねのへたり特性を補う役目を有しており，今回開発のゴムばねでの低へたり
ゴム材料の採用とあいまって，軸箱支持装置としてゴムが持っているへたりの欠点が大きくならない全体構成としている．
空気ばねは車体直結ボルスタレス台車用で，横剛性を
前後･左右で異方性とすることで乗り心地と曲線通過性能の双方を高い次元で満足している．さらに，万一のパン
ク時の上下ばね定数については画期的な柔支持化（従来
剛性の1／3以下）を実現しており，パンク直後の安全性

図7 打撃後の減音効果と乗り心地の確保に大きく貢献している．
左右方向の乗り心地のさらなる向上策として，アクテ
２．６

ィブ･アクチュエータを取り付けることもできる．

軽量化

台車は各部を軽量化している．最高速度 160 km/hに対応するフル装備でも 1 台車の総質量は，4700 kgにすぎな
い．最高速度を130 km/hの仕様（1軸1ディスク，軸ダン
パ無し，ヨーダンパ無し）にした場合には約 4000 kgの台
車質量になる．
軸箱体は今回の製作では溶接組立品としているが，今後の鋳鋼一体化に伴いさらなる軽量化が可能である．台車枠は有限要素法（FEM）による詳細解析に基づき軽量化を進めてある．一方で，静荷重試験による強度確認も万全である．
２．７

台車の全体構成は，分解/組立のしやすさを追求した．

図6 乗り心地（上下）
２．５

保全性

ブレーキディスクは，初期（新製時）は一体形を装着している．摩耗交換の際は，分割形に取り替えることが低騒音化できるので，車輪が付いたまま交換できる．

車輪は防音車輪で，車輪板部に防音体を取り付けており，転動音およびきしり音の低減に寄与している．車輪

車軸軸受は，円筒ころタイプでも円錐ころタイプでも単体での打音試験（図7）では，従来車輪に比べて 20 dB（A）

選択可能である．円筒ころタイプは内輪残しの状態で治以上，丸リング付き車輪に比べても 5 dB（A）以上の低減

具無しで抜き取ることができる．円錐ころタイプの抜き効果が確認された．実車装着状態での車輪メーカ報告で取りには従来どおり専用治具を用いることになる．

は，転動音で 5 dB（A），きしり音で 30 dB（A）の低減が

軸箱支持装置は，部品を積み上げた後に台車枠を被せ確認されている．また，台車各部は無摺動化を図っていることで組み立てることができる．輪重もしくは高さ調るので，がたつき音とも無縁である．

整の際は，軸ばね下から油圧ジャッキ操作により調整板の出し入れを行なう．ゴムばねは前述のとおり低へたり
配合ゴムとし，さらにコイルばねとのハイブリッド構成とすることで，従来のゴムばねが持っていたへたり性の総合車両製作所技報

創刊号

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高速車両用 次世代台車（TS-1036）

扱い難さについても大きく改善されている．
車体支持装置（ 1 本リンク，ボルスタレス空気ばね，など）の検修作業は，従来方式と大差無く行なえる．
ブレーキ装置の台車枠への取り付けは，主電動機の取り付けと同様な上部キー方式としている．これによりブレーキユニット全体を台車枠の上から降ろしてくること
で，位置決めおよび結合作業をすることができる．ディ
スクとライニングの隙間は自動調整されるので，摩耗交換時期まで調整不要である．ブレーキライニングの交換
は，ブレーキメーカの標準構造により極めて簡単に脱着することができる．さらに，ブレーキライニングはディ
スク摩耗が均一になるように形状を最適化しており，偏摩耗によるライニングおよびブレーキディスクの早期交換が少なくなっている．
２．８

信頼性

主要な機能部品（車軸軸受，オイルダンパ，ディスク
ブレーキ装置，踏面清掃装置）には，従来同様の高い信頼性が確保されている．
新規開発のゴムばねおよび空気ばねでは，試作品による特性試験および耐久試験を実施しており，実用上問題無い特性ならびに耐久性を確保していることを確認している．
２．９

バリエーション

開発台車の基本仕様を基に，最高速度，荷重条件，軌間，電動台車などの変化に対応し，具体的な顧客仕様に最も適した台車仕様を提案することができる．すなわち，支給品として顧客側で仕様が決定される駆動装置やブレーキ装置の仕様に応じて台車仕様を変更できる．車輪直径 860 mmの場合でも対応可能である．電動台車のブレー
キ装置は，使用条件によっては踏面ブレーキの装備が可能である．より厳しいブレーキ条件になる場合は，車輪にブレーキディスクを取り付けたディスクブレーキ装置の構成が必要である．
３ おわりに
本開発台車が安全･快適な社会生活における縁の下の力持ちとして使命を果たしていくことを願ってやまない．
（立石 雅昭 記）

81
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2013年１月

斜め接着絶縁レール
生産本部 和歌山事業所

図1 製品敷設状態（写真は50Nレール用）
１ はじめに

急車輛技報第53号にて，それまでの詳細な経緯も含め

接着絶縁レールはロングレールの軸力に耐える強度をは強度的に問題ないとの結論を得ている．よって技報でて強度解析を行った結果までを報告しており，解析上で有する絶縁継目として国鉄時代に開発されたが，JIS規の報告後の経緯を次に示す．

格も制定され（E1125）国内で広く普及している．これは 2 本のレールの突き合わせ部に絶縁材を挟み，レール

２．１と継目板を絶縁材兼用の強力な接着剤で結合した構造と疲労試験の実施

解析上での確認の次段階として，試験用の斜め接着絶している．

縁レール2本を用いた疲労試験を社内で実施した．

しかしレールを突き合わせた構造であるため騒音・振試験は想定した古い道床と同じ曲げモーメントが負荷動の発生は避けられず，環境意識の高まりとともに苦情されるよう，1085mm間隔でレールを支え，一般軌道設を受ける事例は増える傾向にあると言える．

計荷重（A荷重）の輪重に相当する9.75tfを，解析で最当社では騒音・振動の抑制を最大の目的に，斜めに加も強度的に弱いとされた外側レール端位置に載荷した．

工したレール同士を絶縁材を介してラップさせ，これら

うち 1 本は横圧成分も負荷のため，レールを20°傾けたを接着した構造とした斜め接着絶縁レールの開発を継続

が，レール鉛直成分を9.75tfとするため10.38tfを載荷しし実施してきたが，昨年実施した営業線への試験敷設もた．この時，横圧成分は3.55tfとなる．また本試験では良好に推移しており，販売の目処がついたと言えること

軸力成分としてレール端に引張力も加えたが，力の大きから，これまでの経緯も含めて紹介する．

さは装置の制約から30tfとした．これはレール設定温度
から20℃の変化に相当する．本試験は輪重成分のみの

２ 開発の経緯

レールは829万回，横圧成分も負荷した方は1036万回，

この斜め接着絶縁レールについては2003年度の東
総合車両製作所技報

創刊号

繰り返し荷重を6Hzで載荷したが，大きな異常無く強度

82

斜め接着絶縁レール

図4 アーク試験実施後のレール
図2 疲労試験鎮火した．またアークによってレール自体の部分的な溶損も見受けられたが，測定ではレール温度の極端な上昇的に検証することができた．
２．２は無かった．
絶縁抵抗値はアーク発生を繰り返すにつれ低下する傾アーク試験の実施

向は確認されたが，2本とも途中で下げ止まり，最低値

疲労試験結果がおおむね良好であったため，次の段は4.37kΩであった．

階である試験敷設を実現するため，顧客へのプレゼン

なお試験後に供試体を持ち帰って解体調査も行った

テーションを営業部門とともに繰り返し実施してきた結が，絶縁材の炭化はアークが発生した付近に留まってお果，かなりの時間を要したものの採用に前向きな顧客がり，それ以外の部分は健全なままであった．

現れた．ただし試験敷設の前提として，絶縁性能確認

これらの結果，および顧客独自で以前に実施されていを目的としたアーク試験を行うことを要請されたことかた従来形接着絶縁レールでの同一試験の結果との比較か

ら，これを実施した．

らも，本品の絶縁性・難燃性を確認することができた．
３ 試験敷設の実施
これまでのさまざまな検証，および上記アーク試験の結果をふまえ，ついに顧客との間で試験敷設実施について合意に至ることができ，詳細仕様を調整の上で試験敷設用レールの製作を行った．具体的にはレール種別は50N，斜め接着絶縁レールの全長は7mとし，接着部は合成まくらぎ上に絶縁構造のタイプレートおよび絶縁材

図3 アーク試験
試験は供試レール両端に電線を接続し，電圧1500V，
電流500Aを負荷したが，接着部のレール頭部に絶縁材部を跨ぐようにヒューズを取り付けることで，強制的にアークを発生させた．供試体2本のうち一方は通電時間0.1秒を20回繰り返し最後に3秒を1回，他方は0.5秒を10回の通電としたが，アーク発生の都度レール温度と絶縁抵抗値の測定を行った．
試験ではアーク発生を繰り返すにつれて絶縁材・接着
材部分の炭化が進行し，アーク発生後に発火したように

図5 工場仮組み状態見受けられることもあったが，通電が終わるとすぐ自然

83
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2013年１月

の様子を観察した結果からも乗り移り状態はおおむね良でできた座金にて締結する方式とした．

好と判断している．

工場で仮組み状態にて確認頂いた結果，若干の修正は要したがおおむね問題なく使用できることとなった．

顧客により実施されている騒音・振動測定であるが，試験敷設する場所については顧客にて選定頂いた結

午前と午後の同一時間帯におおむね各15本の列車についての測定となっている．

果，本線中のある程度郊外に下った地点となった．ち

頂いている範囲のデータを分析した結果では，本品へなみに本箇所における年間通過トン数はおよそ3,300万の交換前に使用されていた従来型接着絶縁レール（継トンとのことである．

目部は支え継ぎ）に対する平均値同士の比較にて，騒
音は最大騒音レベル値の6.25 m位置で約 4 dB，12.5m 位
置では約 2.5 dBの低下となり，また振動においては約
12.5 dBもの低下という，非常に良好な結果が得られた．
ちなみに本敷設箇所は駅間のほぼ中間地点ということもあり，通過列車の平均通過速度は約 90km/hと比較的高くなっている．
５ おわりに試験敷設実現までにかなりの年月を要してしまったが，敷設品についてはこれまでのところ良い状態で推移
しており，顧客からも現時点ではかなり良い評価を頂け
図6 敷設時の前後レールとの溶接作業ていると伺っている．本品は形状・構造の面から，どうしても従来型接着絶縁レールに比べると高価になって４ 敷設後の検証

しまうが，今回の試験敷設によって騒音・振動に対する大きな抑制効果が確認されつつあることからも，これ敷設施工後の検証としては，現地での状態確認およを付加価値として今後の拡販に繋げていく所存である．

び顧客による定期的な騒音・振動測定を実施している．
状態確認では，列車進行方向手前側レール頭部の踏（三木啓太郎面に，電触によると思われる表面の荒れ，およびきしみ
割れも多少生じているが，絶縁材側へのフロー発生はほとんど無く，比較的良好に推移していると判断している．また接着し繋いでいる2本のレール頭頂部の照り面（車輪が踏んでいる部分）が，長さ1mにわたる接着部の半分以上の長さに至っていること，また列車通過時

図7 レール踏面の状態

総合車両製作所技報

創刊号

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84

記）

図 8 斜め接着絶縁レール

全体図

斜め接着絶縁レール85
85

2013年１月

12 ft級両側開き冷蔵コンテナの軽量化
生産本部 和歌山事業所

図1 製品外観
ステンレスの内装材を使用しているため，コンテナの自１ はじめに重は重くなる．
下記に，それぞれの12ft級両側開きコンテナの設計自昨今，日本貨物鉄道株式会社殿では，安全輸送のため

重を記載する．

に，コンテナ総重量をフォークリフト荷役時に検知してJRドライコンテナ（19D）

1645kg

従来型冷蔵コンテナ（UR19A）

1800kg

民間流通米，工業品から特積貨物など多岐に渡る貨物を軽量化コンテナ（type A）

1730kg

輸送している．コンテナとしては荷物を最大限に積載す

軽量化コンテナ（type B）

1680kg

過積載を未然に防止している．
日本石油輸送株式会社殿向けの冷蔵コンテナは，野菜，るためには自重が軽いほどメリットとなるが，冷蔵コン

３ 構造および特長（変更内容）

テナはドライコンテナと比べ自重が重い現状がある．

従来型冷蔵コンテナに対して，変更した項目を下記に

この度，その冷蔵コンテナの自重を，強度，断熱性能記載する．

を大きく損なうことなくドライコンテナ近くまで軽量化したので紹介する．
２ コンテナ重量（自重）2．開戸外板補強材の形状変更

type A

3．ステンレス床上板の廃止

type A ，type B

5．屋根断熱材厚さ変更

使用している．これに対して，冷蔵コンテナは断熱材＋創刊号

type A ，type B

4．壁・開戸の室内面アルミ材使用

ドライコンテナの内張板は，比重の軽いラワン合板を

総合車両製作所技報

1．下部隅金具の廃止

86

type B
type A ，type B

12ft 級両側開き冷蔵コンテナの軽量化

４ まとめ
type Aを5台，type Bを15台製作して，日本石油輸送株

して，2013年度の量産化に反映する予定である．

式会社殿の協力のもと，実際の運用上の問題点を洗い出（西村 哲 記）

図2 従来型冷蔵コンテナ室内

図3 軽量化コンテナ室内 （type A）

図4 下部隅金具（従来型）

図5 下部隅金具廃止

図6 床室内（type A，type B）

図7 妻壁・側開戸（typeA）

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87

2013年１月

あとがき「総合車両製作所技報」創刊号をお届けいたします．
私どもの会社は2012年4月2日に新しくJR東日本グループの車両製造事業の一端を担う会社として発足いたしました．これまでは特装自動車，立体駐車装置等の製造・販売も併せて行っておりましたが，鉄道車両専業の製造メーカへと変わりました．鉄
道輸送の究極の安全と輸送サービス品質の向上をこれまで以上に推進することを目指
し，技術開発や設計・製造品質の向上に向けた取組みを行ってまいりたいと思っております．
鉄道事業を中心にした事業グループの強みを生かし，グループとして保有している
運行・メンテナンスの技術を含めた総合的な検討を行うことによって，ライフサイクル
コストを低減し，利便性が高く誰もが快適に感じるような鉄道車両を提供したいと思っています．鉄道は交通機関の中で自然環境に及ぼす影響が最も少ない手段であることは周知の通りであり，その発展に寄与できることも大きな使命であると思っています．
本号は環境に対する影響を少なくすることを目指してさまざまな研究・開発を行ってきた事例のなかから，接合技術に関する 5 編の論文をはじめとして，車両の新保全
体系ほかの解説 3 編，最新の製品のご紹介，トピックスなど全17編の構成となっております．ぜひご覧いただき，ご意見，ご質問等がございましたら，編集担当のものまでお問い合わせいただければと存じます．
また，これからもさらに技術の研鑽と開発に取り組んでいく所存でございます．より一層のご指導，ご助言をいただきますようお願い申し上げます．
取締役 生産本部 技術部長 杉山 隆

析技術の確立，生産設備

総合車両製作所技報

創刊号

88
88

目

次

◆巻頭言◆
人類を変えてきた技術，変える技術 …………………………………………………………………… 1＜代表取締役社長

宮下直人＞

◆論文◆
抵抗スポット溶接システム Smart RSWⓇを用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究 ……… 2＜渥美健太郎，大塚陽介，河田直樹，阿部千明＞■ 本社／横浜事業所〒236-0043 横浜市金沢区大川3番1号
TEL 045-701-5155■ 和歌山事業所〒649-6402 和歌山県紀の川市北勢田770番地8
TEL 0736-78-1101■ 東京事務所〒108-0074 東京都港区高輪二丁目18番10号 日石高輪ビル7階
TEL 03-4334-6550■ 西日本支店〒530-0057 大阪市北区曽根崎二丁目2番15号
TEL 06-6312-1109

窒化ケイ素製ツールを用いた鉄道車両用A7N01合金の摩擦攪拌接合……………………………… 10＜橋本健司，河田直樹，石川武，藤井英俊＞

半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発…………………………………………………… 16＜吉澤正皓，河田直樹，石川武＞

鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討 第一報 レーザ溶接部の塑性加工性の検討 ……22
＜及川昌志，越川純＞

レーザスポット溶接部の疲労特性の考察…………………………………………………………………28＜及川昌志，越川純，遠藤翔太＞

ビューフレックス梅田ビル2階◆解説◆
新保全体系の導入による車両メンテナンス革命− プラットフォームの共通化によるライフサイクルコストの低減の提案 − ………………………… 34＜中島啓行，今井宏＞

研究開発における品質工学の活用…………………………………………………………………… 38＜河田直樹＞

モニタリングシステムによる予防保全技術の構築…………………………………………………… 46＜河田直樹＞◆トピックス◆
日本初のステンレス鋼製車両群（東急5200系，東急7000系）
日本機械学会｢機械遺産№51｣認定 … 54
鉄道車両用円弧状UD手すり 日本人間工学会 人間工学グッドプラクティス賞 最優秀賞受賞 …… 58
ユニバーサルデザインホームドアの開発−東急大井町線

大井町駅可動式ホーム柵− ……… 64

鉄系材料の高速摩擦攪拌接合用ツール・裏当て板の開発 日本溶接協会賞技術賞（開発奨励賞）受賞 … 68

総合車両製作所技報
委 員 長
杉山
委
員
滝田
査読委員
石川
校正委員
大塚
表
紙
斉藤
事 務 局
石川

創刊号編集委員会
隆
晴之
荒木 雅之
武
及川 昌志
陽介
神沢 祐太郎和彦
嶋村 良太
武
中川 英二郎

◆製品紹介◆
JR東日本

E657系

東武鉄道

634型 イベント用電車 ………………………………………………………………………74

高速車両用

特急形交直流電車 ………………………………………………………………70

次世代台車（TS-1036）……………………………………………………………………78

斜め接着絶縁レール ………………………………………………………………………………………82
12ft級両側開き冷蔵コンテナの軽量化 …………………………………………………………………86
あとがき ……………………………………………………………………………………………………88
お問合せ先

本社，事務所，支店

総合車両製作所 技報

J-TREC TECHNICAL REVIEW
Vol.1

生方 澄恵
河田 直樹
上野 敦史
垂井

桜木 勝茂
飯村

西垣 昌司

久保田 寿郎翼

ななえ

発行日 2013年１月
発行元 株式会社総合車両製作所 生産本部 技術部〒236-0043 横浜市金沢区大川3番1号
電話 045（701）6641
発行人 杉山隆
編 集 技報創刊号編集委員会
印刷所 グランド印刷株式会社〒232-0044 横浜市南区榎町2-55-2
電話 045（743）2201

c JAPAN TRANSPORT ENGINEERING COMPANY 2013
無断転載を禁ず

● 巻頭言「人類を変えてきた技術，変える技術」● 論文「抵抗スポット溶接システム Smart RSWⓇを用いた鉄道車両の圧痕外観向上に関する研究」「窒化ケイ素製ツールを用いた
鉄道車両用A7N01合金の摩擦攪拌接合」「半導体レーザによる異板厚突合せ溶接技術の開発」「鉄道車両用ステンレス鋼板のレーザ溶接部の検討
第一報 レーザ溶接部の塑性加工性の検討」「レーザスポット溶接部の疲労特性の考察」● 解説☆ホームページアドレス （株）総合車両製作所 http://www.j-trec.co.jp/☆総合車両製作所がお贈りする鉄道グッズ のインターネットショップ【電車市場 楽天市場店】
http://www.rakuten.co.jp/tetsu/【電車市場 えきねっと店】 http://www.eki-net.biz/tetsu/「新保全体系の導入による車両メンテナンス革命」「研究開発における品質工学の活用」「モニタリングシステムによる予防保全技術の構築」

ISSN 0916-8338