Vol.
Vol.4545 No.6
No.6

昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成26年11月15日発行
平成26年11月15日発行
（奇数月）
（奇数月）

0011
0011

アディティブ・マニュファクチャリング

東京
京都
都港
港区
区芝
芝公
公園
園三
三丁
丁目
目五
五│
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東
̶ 編集兼発行人 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会 振替口座 東京〇〇一一〇│三│一三三六九〇
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編集兼発行人 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会 振替口座 東京〇〇一一〇│三│一三三六九〇

〒
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105
105

フルードパワーシステム

フルードパワーシステム
フルードパワーシステム

昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可
昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可 平成26年11月15日発行
平成26年11月15日発行
（奇数月）
（奇数月）

ISSN
ISSN1346－7719
1346－7719

フルードパワーシステム
フルードパワーシステム

ISSN
ISSN1880－3121
1880－3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
日本フルードパワーシステム学会論文集

日本フルー
日本フルードパワーシステム学会誌
ドパワーシステム学会誌

フルードパワーシステム
45 6
Nov.2014
Nov.2014 Vol.
Vol.

No.
No.

日本フルー
日本フルードパワーシステム学会論文集
ドパワーシステム学会論文集
TRANSACTIONSTRANSACTIONS OF
OF THETHE JAPAN
JAPAN FLUID
FLUID POWER
POWER SYSTEMSYSTEM SOCIETY
SOCIETY

特集「アディティブ・マニュファクチャリング」
特集「アディティブ・マニュファクチャリング」

第四十五巻第六号（二〇一四）

東
京都
都文
文京
京区
区小
小石
石川
川一
一│
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三│
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七
東京
印刷
刷所
所 勝
勝美
美印
印刷
刷株
株式
式会
会社
社
印

6
日本フルードパワーシステム学会

一般社団法人
一般社団法人 日本フルー
日本フルードパワーシステム学会
ドパワーシステム学会

http://www.jfps.jp
http://www.jfps.jp

LUID POWER SYSTEISSN 1346―7719

第45巻 第 6 号 2014年11月

日本フルードパワーシステム学会誌

フルードパワーシステム
目次

特集「アディティブ・マニュファクチャリング」【巻頭言】「アディティブ・マニュファクチャリング」の発行にあたって

吉満 俊拓

256

徳永

剛

257

ファブラボの活動とその広がり

門田 和雄

262

3Dプリンティングを活用した実習系授業の取り組み

松本 大樹

265

中小企業における3Dプリンタ活用の可能性

福岡新五郎

268

RP造型機によるシェル鋳型の超短納期製作について

高橋 啓二

273

ROBOMEC2014におけるフルードパワー技術研究動向

早川 恭弘

276

ACTUATOR14におけるフルードパワー技術研究

吉田 和弘

278

FPNI 第８回 Ph.Dシンポジウムにおけるフルードパワー技術の研究動向

一柳 隆義

280

風間 俊治

282

特許文献を調べる・特許電子図書館の活用５…類似文献の検索1

木原 和幸

285

英国駐在記

山田 宏昭

288

嶋田 愛子

291

【総論】
積層造形技術【解説】【会議報告】【教室】
入門講座「トライボロジー」第３回：摩耗について【トピックス】【研究室紹介】九州工業大学 田中・渕脇・清水研究室

平成26年春季フルードパワーシステム講演会報告

加藤 友規

294

大橋

296

【コーヒーブレイク】
手押し消防ポンプ しくみ編

彰【会告】共催・協賛行事のお知らせ

299

平成26年度ウインターセミナーのお知らせ「大型機械・大型施設で活躍するフルードパワー」

300

資料一覧

301

フルードパワーシステム第45巻総目次

304

その他

297，298，300，306■表紙デザイン：山本 博勝 ㈱豊島

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会〒 105-0011 東京都港区芝公園３―５―22 機械振興会館別館102
TEL：03―3433―8441 FAX：03―3433―8442
E-Mail：info@jfps.jp

LUID POWER SYSTE【企画行事】

ISSN 1346―7719

Vol．45，No. 6

November 2014

JOURNAL OF THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY

FLUID POWER SYSTEM
Contents
Special Issue “Additive Manufacturing”【Preface】

Editor’s Prefatroy Note for Additive ManufacturingToshihiro YOSHIMITSU

256

Tsuyoshi TOKUNAGA

257

Activity of Fablab and the ExpansionKazuo KADOTA
Approaches to Practical Subjects with 3D Printing Technique
Hiroki MATSUMOTO
Singoro FUKUOKA
Potential of the 3D Printer Utilization in the Small and Medium-sized Business
Case Studies of Shell Molding by the Three-dimensional Layered Manufacturing SystemKeiji TAKAHASHI

262
265
268

【Survey】

Additive Manufacturing Technology

【Review】【Conference Report】

Technical Research Trend of the Fluid Power in ROBOMEC2014
Researches of Fluid Power Technologies in ACTUATOR14
A Research Trend of Fluid Power Technology in the 8th FPNI Ph. D
Symposium on Fluid Power

【Lecture】

An Introductory Course of Tribology: 3. On Wear

273

Yasuhiro HAYAKAWA
Kazuhiro YOSHIDA

276
278

Takayoshi ICHIYANAGI

280

Toshiharu KAZAMA

282

Kazuyuki KIHARA
Hiroaki YAMADA

285
288

Aiko SHIMADA

291

Tomonori KATO

294

Akira OHASHI

296【Topics】

Investigation of the Patent Documents/ Practical use of Industrial Property
Digital Library…Search 1 of Similar Patent Documents
Life in UK

【Laboratory Tour】

K.Tanaka,M.Fuchiwaki & F.Shimizu Lab. in Kyusyu Institute of Technology

【JFPS Activities】

A Report of Spring Conference of Japan Fluid Power System Society 2014

【Coffee Break】

Firefighting Arm Pump; The structure

【JFPS News】
297, 298, 299, 300, 301, 304, 306

The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba―koen, Minato-ku, Tokyo, 105―0011, Japan256

フルードパワーシステム

巻 頭 言「アディティブ・マニュファクチャリング」の発行にあたって
著

者

紹

介
よし

みつ

吉 満

とし

俊

ひろ

拓

神奈川工科大学
神奈川工科大学創造工学部〒243-0292 神奈川県厚木市下荻野1030
E-mail : yosimitu@rm.kanagawa-it.ac.jp
2000年明治大学大学院博士後期課程修了．同
年神奈川工科大学工学部助手．現在は准教授．
空気圧制御システムの研究に従事，日本フルー
ドパワーシステム学会，日本機械学会，計測自動制御学会などの会員．博士（工学）ア デ ィ テ ィ ブ・ マ ニ ュ フ ァ ク チ ャ リ ン グ は，
3D-CAD モデルデータから樹脂・金属粉末などの素材を積層して物体を形成する技術である．従来からラピッドプロトタイピング技術として知られているが，近年成形が難しかった素材（金属など）や複雑な形状や構造の製品をより簡単に安価に製造できるようになった．また，1988年に3DプリンタメーカのStratasys社が開発し特許を取得したシステムである熱溶解積層法が2009年に特許が切れたことも重要な要因である．熱溶解積層方式とは細い樹脂ワ
イヤを溶融させて積層する造形法で，特許が切れるまでは3Dプリンタは数百万円もしたため，一般市民が入手することはほぼ不可能だったが，特許が切れたことで数万円の3Dプリンタも数多く登場し，一気にホームユースの低価格機器が普及した．その結果，マスコミまでも3Dプリンタとして取り上げ，一般にも非常に注目されている．この技術はあらゆ
る産業で活用可能であり多岐にわたる応用が期待される．
本特集号では，産学分野にとらわれず，アディ
ディブ・マニュファクチャリングを取り扱う幅広い分野からの話題・トピックを提供する．フルードパ
ワーの新たな研究・開発の領域を拡大するきっかけとなれば幸いである．
まず，アディディブ・マニュファクチュアリング
についての総論として積層造形技術の概略・歴史的

4

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

経緯と現状，高強度立体生成のための研究事例について解説いただいた．
つぎに，「ファブラボ活動」について解説いただ
いた．
学内外におけるディジタル・ファブリケーションに取り組み，ファブラボのネットワークとその広がりについて，紹介されている．
ファブラボ活動は学内に限られておらず，一般市民に開かれていることなどが3Dプリンタというキーワードがマスメディアでも取り上げられるようになった一因と考えられる．
つぎに，大学における活用事例として実習系授業の取り組みについて解説いただいた．さまざまなものづくりのアイディアを3Dプリンタ・3Dプロッタ
を用いて容易に実体化する手法として活用されている． 大 学 教 育 に お け るPBL（Project Based
Learning）教育への活用事例として大変興味深い試みである．
つぎに中小企業における活用の可能性について解説いただいた．熱溶融積層造形法についての解説および3D造形法の歴史（失敗と進化）について，事例の紹介を織り交ぜながら紹介されている．
最後に産業界における活用事例として，粉末レー
ザ焼結型ラピットプロトタイピング技術を用いてシェルモールド用の砂を直接レーザで焼成し，鋳型を金型なしで製作する事例を紹介いただいた．
本特集号では，フルードパワーシステム関係者のほかに，各分野の専門家に記事を執筆いただいている．ご多忙にもかかわらずご執筆いただいた皆様に心よりお礼を申し上げます．
なお本特集号は，著者のほか，五嶋裕之氏（機械振興協会），加藤友規氏（福岡工業大学）の各編集
委員からなるワーキンググループにより企画・構成
された．


2014年11月（平成26年）（原稿受付：2014年 ８ 月27日）

徳永

剛：積層造形技術

257

総 論

積層造形技術著者

紹

2．積層造形の仕組みと特徴

介
とく

なが

徳 永

つよし

剛

千葉工業大学工学部〒275-0016 千葉県習志野市津田沼２－17－１
E-mail : tokunaga.tsuyoshi@p.chibakoudai.jp
1986年東京農工大学大学院修士課程修了．旭化 成 工 業， 職 業 能 力 開 発 総 合 大 学 校 を 経 て，
2005年千葉工業大学工学部准教授，現在に至る．
レーザ加工，積層造形の研究に従事．精密工学会会員，レーザ協会理事，技能五輪 精密機器組
み立て職種 競技委員．博士（工学）．

1．は じ め に
最近3Dプリンティング技術が各方面で注目されている．この技術は名前こそ最近話題になってはいるが，数年前まではラピッドプロトタイピングとか積層造形などと呼ばれ，それなりの進化を続けてきた．特に実物の立体が望まれる設計分野では出力端末としてコンピュータルームなどに整備されている会社も一般的になっている．最近になってこの技術が呼び名を改めて注目されたのはいくつかの要因がある．まず2013年２月のアメリカ合衆国大統領の一般教書演説1）で登場したことが挙げられよう．イ

積層して立体化する手法をもう少し正確に表現す
ると，目的形状を薄くスライスして断面に分解し，何らかの材料でこれらの断面を底面から生成しつつ同時に下層と結合させ，全断面を積み上げることで立体を生成する加工法になろう．図１に積層造形の概略を示す．加工法自体は特段目新しいようには見えないが，１層を薄く，しかもすべての工程を自動化することが価値のある技術に値する．
積層造形法の最大の特徴はあらゆる形状の立体を自動で生成可能なことである．図２に特徴を表した製作例を示す．先がすぼまった筒状，中空はもちろんのこと，従来の加工では１つの立体では困難な形状（たとえば冷却配管が組み込まれた樹脂成型用金型）や，幾何学的ではない形状（たとえば骨），複数のパーツが組合って可動部を有するユニットも１品物として生成できる．このような特色を実現できるポイントは材料の付加によって，１方向からの加工でありながら層の表側と裏側を同時に生成するか

ンターネット版では開始から１/４ほどの時点で3Dプリンタが登場している．米国では3Dプリンティ
ングを将来重要な製造技術として位置付け，2012
年から技術者を育成する施設を立ち上げ注力していること述べている．また書籍“MAKERS-21世紀の産業革命が始まる”2）では3Dプリンタなどの利用で

図１

積層造形の概要

立体を生成するという行為が誰にでもできる身近な存在になったことが指摘されている．さらに2009
年に熱溶解積層方式（FDMとも呼ばれる）の特許が切れたことも重要な要因である．熱溶解積層方式とは細い樹脂ワイヤを溶融させて積層する造形法で，複数の企業で製品化され，10万円を切る価格で販売されるようになっている．本稿では層状に積み重ねて立体を生成する技術を総じて扱うこととし，技術の概略，歴史的経緯と現状，高強度立体生成のための研究事例などについて述べる．

ａ い溝のある金型（M社） ｂ
深造形と切削を交合に実行

フルードパワーシステム

図２

回転可能な軸受け組
み立てた状態で生成

積層造形で実現できる立体の例

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

5

258

フルードパワーシステム

らである．切削加工では影になる部分は姿勢を変える必要がある．しかし積層造形法では影となる部分
は層の裏面が形作るので形状に関する制限がない．
もう一つ特筆すべきは，造形装置の操作さえ知っていれば加工の知識や経験が無くても誰でも立体を得ることができる．造形装置は高度に自動化されたシステムである．NC工作機械も自動化された加工システムであることは間違いないが，相応の経験が不可欠である．この点，造形装置は基本的にはパソ
コンの操作で造形開始を指示すれば立体が生成される．すなわちカメラの画像をプリンタで印刷するのと同じ感覚で立体が得られる．

3．積層造形の歴史
積層造形装置の起源は1980年の小玉秀男の発明3）と言われており4），これには光硬化樹脂に紫外線を集光して走査する作業を層状に繰り返すことが示されている．最初の発明が日本人であったことは感慨深い．一方，1986年にJoseph J. BeamanらがSelective Laser Sinteringと呼ばれる金属粉末をレーザで一体化する方法を開発した．レーザ焼結は一般的な焼結と異なり，レーザの走査経路とその近傍にある粉末が溶融し気孔の多い凝固物になる．初期の金属
造形では材料粉末は樹脂コーティングしてあり，接着剤としての機能を果たしていたが，今日では樹脂
コーティングのない金属粉末を相応の強度で立体化できている．1990年代はさまざまな造形法と材料の組み合わせが研究され，裏面に接着剤のついた紙をカッターで切る・レーザで焼き切る，石膏にイン
クジェットで水滴を吹き付ける，結合剤の着色による造形物のカラー化など，実に多くの造形装置が登場した．この当時が積層造形の最初の流行である．
また，材料の開発以外にも造形物の形状精度・強度の向上についても開発が進められた．ラピッドプロ
トタイピングと呼ばれるように立体モデルを意識していたと思うが，ラピッドマニュファクチャリング（製品として利用する）という意識も広まり，機械・
電気・医療などさまざまな分野で使われるようになった．造形物は寸法を正確に実現することが難し

メーカは造形方式の独自性を固有な名称でアピールすることがあり，一般的な名前と混乱することが見受けられていたのも事実で，何らかの系統立てが望まれていたことが考えられる．日本では特別な呼び名は制定されていないようであり，従来から使われている積層造形は加工方法の特徴を正しく表現しているので．本稿でも積層造形と記している．
さて，先述のAMは材料供給と一体化する部分の区分で３に大分類され，さらに工法により全７種類に細分化されている．大分類の視点は⑴供給した材料の一部を立体として一体化するのか（選択式固化方式），⑵立体となる部分にのみ材料を供給しているか（選択的材料供給方式）であるが，⑶シート積層という一見すると⑴に含まれそうな区分もある．
使用する材料の形態によって選択式固化方式と選択
的材料供給方式は３種類のサブカテゴリがある．以
下に大分類に沿って７種の概略をまとめる．
⑴ 選択式固化方式
選択式固化方式の典型的な造形プロセスを図３に示す．この方式は材料供給と断面の固化の工程が分かれているのが特徴である．
①液槽光重合（Vat photopolymerization）は従来
光造形法と呼ばれている形式で，材料の状態では液体の紫外線硬化樹脂を蓄えたタンクに造形テーブルとなるエレベータを備えている．１層ごとにエレベータを沈めては引き揚げる動作で材料を１層分である10㎛オーダの厚さに供給する．そして立体の断面形状となる部分に紫外線レーザを走査する．紫外線を照射された部分は重合反応を起こし硬化する．
これらの動作を繰り返すことで立体を生成する．最初に造形テーブルを沈める液槽に高額な樹脂材料を満たさなければならないが，普段は減った分を継ぎ足せばよい．ビーム走査については収束性に優れた
紫外レーザ，ガルバノミラー式スキャニング装置とfθレンズの組み合わせが高速走査を実現できる．
つぎの②と③は材料として粉末を使用し，薄く平かったが，造形と切削加工による輪郭仕上げを交合に行うアイディア5）が古くから提案されており，マシニングセンタに造形装置を組み込んだように見える機器も装置も市販されている．

4．積層造形法の種類と特徴
米国ASTM標準化委員会では2009年にこの加工法を総じてAdditive Manufacturingと呼ぶことが定められた（以降AMと略記する）．この背景には装置

6フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

図３

選択式固化方式の例

徳永

坦に供給するという点は同じであるが，一体化する
際の粉末粒子の結合方法が異なっている．選択式固化方式で粉末を用いる場合の特徴として，生成している立体の周囲に未使用の材料が存在することが挙げられる．特にオーバハングした部分はこれら未使

剛：積層造形技術

259tion）は微小サイズの溶射である．集光するレーザの外周から材料粉末をガス流に載せて搬送し，粉末が光軸を横切る位置と材料表面および焦点位置を一致させることで溶融した状態で吹き付ける．この時堆積する面も加熱されるので高密度で強固な立体が生成できる．しかし堆積させる相手材が必要なので，用材が支えとなるので，積層方向から見て，下層からの連続体がない形状でも造形できる．しかも未使用の材料は変質しなければ再利用できるケースが多極端にオーバハングした形状は製作困難であるが，造形物の姿勢を変えて堆積が鉛直方向に調整するこい．
②粉末床溶融結合（Powder bed fusion）は，樹脂や金属など材料粉末そのものをレーザや電子ビー
ムで加熱溶融させ一体化する方式である．高強度のとでこの問題を解消している装置もある．
⑥材料押出し（Material extrusion）は樹脂ワイ
ヤを加熱して軟化した状態で細いノズルから造形
テーブル上に押出す方式で，いわゆる3Dプリンタ

立体を生成するのに向いている．ポーラスな生成物になりやすいが，造形条件を適切に設定することでで採用されている．安価な材料と簡便なXYZ直交位
置決め機構で構成されている．その一方で，高機能密度を高めることができるようになった．
③結合剤噴射（Binder jetting）はインクジェッ
トプリンタのインクヘッド技術を用いて材料粉末を結合する液体を吹き付ける方式である．石膏粉末となモデルも存在する．それらでは特性の異なる材料が準備されており，目的に合わせて材料を選択することができるが，現時点では単一の造形物の局所的にいろいろな材料の部分ができるということではな

水や，小麦粉に糊などの組合せがある．着色剤を混ぜてカラーの立体を生成できる装置も市販されている．
⑵ 選択的材料供給方式
この種の特徴は立体となる部分にのみ材料を供給することであり，代表して後述⑤の造形状態を図４に示す．立体のオーバハングする部分は下方にサポートと呼ばれる支えが必要となる．図５は造形物
裏面に配置したサポートを除去する例である．サポートは造形後に剥離可能か，専用の薬液に浸けると溶解するような材料である．
④材料噴射（Material jetting）もインクジェット方式であるが，こちらは噴出物が材料液滴であるところが③と異なる．紫外硬化樹脂を吹き付け直後に紫外線照射で硬化させる．同じ材料を使う①液槽光い．また材料に依存して物性値が異なることに起因して造形条件が技術的秘密になっており，材料と合わせて販売しているメーカもある．
⑦シート積層（Sheet lamination）は，紙や薄い樹脂シート，金属箔を材料として供給する方式である．材料供給時に一層分が一体化し断面形状にそって切断するだけでよいので造形時間の短縮になるが，中空形状などは内部の不要な材料が取り除けず生成重合と対比すると方式の違いが明瞭になる．インク
ジェット方式はコンパクトなタンクに実質的に立体になる部分の材料だけ供給するので，①のように最初に大量の材料を準備する必要はない．また紫外線の光源もインクジェット方式はヘッドの側方にランプ・LEDで安価にできる．①では光を細く集光する

図４必要があるため，レーザ以外の光源が見つからない．
さらに光学系もインクジェット方式は噴射ノズルがどの部分に材料を供給するかの役割を果たすことで，選択式固化方式の例

複雑な光学系を全廃できる．反面，ヘッドの機械的な動きで層を形成するのでガルバノスキャナに比べ時間を要する．性能面では造形能力が劣っているということはない．図６は0.6㎜の幅の垂直壁を生成した例で積層方向でも平坦な面が生成できている．
⑤指向性エネルギ堆積（Directed energy deposi-

図５

剥離可能なサポートの例

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

図６

厚さ0.6㎜の垂直壁

2014年11月（平成26年）

7

260

フルードパワーシステム

できる形状に制限がある．紙や樹脂の場合は裏面に接着剤が塗布されており熱融着することで積層するが，この時全面を接着すると不要部との分離が困難になる．この点を考慮して切断する輪郭線に沿って接着剤が作用しない薬剤を塗るなどの処理の後に，つぎのシートを接着している．輪郭切断は１層分の厚さをカッターで切断している．カラー印刷するシステムでは立体（のイメージ）をコピーすることができる．また金属箔を超音波で接合する方式で積層し，切削加工で金属性の立体を生成するシステムもある．

図７

 粉にレーザ照射して得られた 図８
鉄球状の溶融凝固物

 層 間 に積
残った境界

5．金属積層造形のトピック
積層造形法で迅速に材料強度に達する金属の立体を生成することはこの技術の目標であり，いろいろ試されてきた．指向性エネルギ堆積と粉末床溶融結合のどちらも一長一短があり解決すべき課題も異なるが，特に迅速さについては積層造形全般で高速化が望まれている．昨今の国家プロジェクトでは１時間当たり500㎖という現在の約10倍に相当する目
標値が示されている．複数台の造形ヘッドを並べるのも１つの解決策であろうが，何らかのブレークス
ルーが望まれる．笹原6）はアーク溶接を使ってNC制御しながら肉盛りする加工法を提案し高速造形の可能性を示唆している．迅速化は堆積速度だけでは解決しない．いかに最終形状に近い形にするかも重要である．これは直径の大きい工具の粗切削と似ている．溶融凝固で生成される形状は熱変形や表面張力の影響を受けるが，これらは目標形状より余剰に生成された部分に含まれることは都合がよい．しかし最終的に余剰部分は取り除くことが必要になる．

図９ 材料強度の造形物を実現した２ステップレーザ照射法

素を造形途上の下層と溶融一体化できるかで，高強度実現では根本的な問題である．前者①は粉末と液体という表面張力の効果が強調される材料形態の組み合わせで，たとえば小麦粉などに水滴を滴下すると球状になることは日常生活で体験することである．
粉の上に薄い水の層を作ることが困難なように，特段の措置を講じなければ溶融金属は球状になりポー
ラスな造形物になる．図７は純鉄粉上をレーザ走査した時の生成物で，材料は細かくて粒子が見えない
が，溶融凝固物は球状に巨大化している．また後者②は薄板状の空孔の無い断面形状ができたとしても下層と溶融一体化しなければ十分な強度は望めない

筆者らはあらゆる形状生成が可能な選択式固化方式で，金属粉末を使い材料強度に至る立体の生成をことを意味する．図８は板状積層物の断面で，外観からは一体化しているように見えても，金属組織レベルでは境界が存在し剥離の起点になる．この問題
は材料である粉末は溶融凝固後の金属塊と比べ熱伝試みてきた．形状の特徴は輪郭部分で付与されることを考えると，輪郭以外は厚い積層が迅速さに有利である．これは切削加工の粗加工と仕上げ加工の考導がきわめて悪いことに起因する．中でも選択式固化方式では層の上方から加熱し，熱伝導の悪い粉末層を通して，裏面と接する熱伝導の良い金属塊表面

え方と同じである．100Wクラスのレーザで数100㎛オーダの層を生成することは十分可能で，この値は一般的な造形厚さの10倍に相当する．しかも加工用レーザの出力は数10kWを超える発振器が市販まで溶融する必要がある．１層が薄く，溶融後に下層までレーザが到達すれば走査間隔を密にする，あるいは複数回の走査で再溶融することが可能であろう．しかし層を厚くすると別の工夫が必要になる．

されており，レーザ出力は十分なゆとりがある．そこで金属・完全溶融・厚い積層・輪郭をキーワード

１層分作るというのを１層の粉末を溶融凝固する
ことと，それを下層と溶融結合することの２つの工

6．積層造形における加工現象と金属高強度造形に造形法を模索している．
程に分解すると解決策が思いあたる．図９は選択式
厚層化の問題は，金属粉末を溶融して一体化の際， 固化方式で，（筆者が）初めて造形物が材料強度に①粉末材料の上で（ポーラスな焼結体ではなく）薄達した（鉄とチタンについて実施）造形法7）の１層分の工程である．この方法のポイントは２点あり，板状の溶融凝固物が得られるか，②生成した断面要

8フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

徳永

剛：積層造形技術261①材料供給時に粉末を圧縮することで球状化することなく溶融凝固できること，②粉末の薄板化と，積層である薄板状の断面と下層の造形物の結合を分けて適した条件で，すなわち１層につき２回レーザ照射したことである．最初の照射は粉末を一旦薄板にするが，下層表面の熱伝導では表面を溶融できるパ
ワーには至っていない．そして２回目の照射では薄板と造形途上の溶融凝固物（金属塊）を溶接する．
これにより粉末を完全に溶融し一体化することができ，純鉄粉や純チタン粉で素材強度に達する引張り
強度や造形物のどの位置でも均一な硬さ分布が得られた．図10は造形物の例で金属組織が連続している．この技術をベースに装置の大型化が懸念される
圧縮成形を除くため，あらかじめ粉末材料をシート状に圧縮成型し，このシートを供給する方式8）や，粉末の圧縮をせずに完全溶融させ造形する３ステッ
プレーザ照射法９） を提案した．図11はその１層分の工程である．図12は造形物の例で，ａは圧縮成形シート方式，ｂは３ステップ法である．特にｂは積層段差をレーザアブレーションで斜面に生成した．
溶融金属を安定して薄板にするには照射点の到達温度を管理する必要10） があり，特にチタン材料を高密度で積層造形すること11）や，輪郭形状の精度向上
12）など課題も残っている．

ａ
図10

図11

造形サンプルｂ

金属組織が連続

２ステップレーザ照射法で生成した立体

 ールレーザ厚層輪郭加工が特徴の３ステップレーオ
ザ照射法

7．お わ り に
積層造形は優れた機能を有しているが，価値がある／なしは目的次第である．たとえば金型が必要な樹脂製品を数個作るような場合はきわめて有利である．高速造形の開発以外にも質的な向上として粉末
から密度100％で相応の形状精度の立体を低価格の装置で提供できるようになることも有益であろう．
特にチタンなどの難削材・高強度材料・貴金属など
で立体を生成することはさまざまな利用が考えられ，社会に与える影響は計り知れない．画期的な方法が日本で生まれることを期待するとともに，今後も研究活動や市場の活性化が続くことを願っている．
参考文献
１ ）The 2013 state of the union address, http: //www.
whitehouse.gov/state-of-the-union-2013
２ ）クリス・アンダーソン：MAKERS―21世紀の産業革命が始まる，NHK出版，（2012）（1980）
３ ）小玉秀男：立体図形作成装置，特願昭55-4820，
４ ）北口秀美：光造形法の発明，http://www.thagiwara.jp/
rp/rp-history/kitaguchi.html
５ ）M. Feygin：Laminated object manufacturing appara-ａ圧 縮 成 形 シ ー ト をレーザで溶融結合
した造形物
図12

ｂ 積
 層段差を斜面に輪郭加工した立体（３ステップ法）
造形サンプル

tus and method, US5876550 A,（1995）
６ ）笹原ら：溶融金属積層による傾斜壁の造形，日本機械学会誌論文集（C編），75, 757 pp. 2435-2439（2009）．
７ ）徳永ら： ２ ステップレーザ照射法による純鉄粉体材料を用いた ３ 次元造形，精密工学会誌，第65巻第 ８ 号，pp. 1136-1140，（1999）８ ）山本圭治郎，徳永剛：積層造形法及び積層造形装置，
特許第4284321号，（2009）
９ ） 徳 永 剛， 吉 澤 徹： 積 層 造 形 方 法， 特 許 第4384420号，（2009）
10）村瀨ら：金属粉末溶融型積層造形における薄板状の成特性，精密工学会秋大会講演論文集，（2012）
11）横山ら：純チタン粉末を用いた積層造形の試み，精密工学会春大会講演論文集，（2014）
12）熊谷ら：レーザ ３ 次元形状加工における斜面生成第 ３
報 数値計算による加工形状の予測，精密工学会秋大会
講演論文集，（2013）


フルードパワーシステム（原稿受付：2014年 ８ 月18日）

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

9

262

フルードパワーシステム

解 説

ファブラボの活動とその広がり

著

者

紹

介
かど

た

門 田

かず

和

お

雄

東京工業大学附属科学技術高等学校〒108-0023 東京都港区芝浦３－３－６
E-mail : kadota@hst.titech.ac.jp

2010年東京工業大学大学院総合理工学研究科
博士課程修了．1993年より東京工業大学附属科
学技術高等学校機械システム分野教諭．機械技術教育の実践と研究に従事．日本フルードパ
ワーシステム学会，日本機械学会などの会員．
博士（工学）．FabLab関内Director.

ファブラボの運営に関わるとは考えてもいなかった．
そ の 後， 本 書 は し ば ら く 絶 版 が 続 い て い た が，
2012年に『Fab－パーソナル・コンピュータから2）として，オパーソナル・ファブリケーションへ』
ライリージャパンから復刊されたので，ファブラボに興味にある方には，ぜひご一読いただきたい．
著者は東京工業大学附属科学技術高等学校の機械
システム分野の教員として，機械技術教育の実践と研究に従事している．本校にもここ数年で3Dプリンタやレーザー加工機などのディジタル工作機械が導入され，その指導法や有効活用を検討中である．
工業高校の施設は，ファブラボと共通するものが多1．は じ め にく，諸外国には学校内にファブラボがある事例も多
近年，3Dプリンタやレーザー加工機などを活用
い．
したものづくりを意味するディジタル・ファブリ
一方で著者は，2011年頃から日本におけるファケーションという言葉をよく見聞きするようになり， ブ ラ ボ の ネ ッ ト ワ ー ク で あ るFabLab Japan
各地にはそれらを活用できるものづくりの市民工房
Networkのメンバーに加わり，日本において2011であるファブラボ（FabLab）が急増している．ファ
年５月に鎌倉と筑波で同時にオープンしたファブラ
ブラボとは，Fabrication（ものづくり）とFabulous
ボについても間近で見てきた．2013年８月，思い（素晴らしい）の二つの意味が込められた造語であがけず，横浜にオープンしたファブラボ関内の運営
り，2002年にマサチューセッツ工科大学（MIT） にボランティアで関わるようになり，この間，毎年で誕生した．MITのThe Center for Bits and Atoms
一回開催されている世界ファブラボ代表者会議にもには，個人ですべてを買い揃えるのは難しい多彩な
三年連続で出席した．
ディジタル工作機械が揃い，それを使って作業する
このような経緯により，ここ数年間，学内・学外
スペースを確保し，作るための知識を交換したり共におけるディジタル・ファブリケーションに取り組有したりできる物理的な空間がある．
み，ファブラボに関わってきたことを踏まえて，
ファブラボ誕生の背景となったのは，MITのニー
ル・ガーシェンフェルド教授による人気講座「（ほぼ ） 何 で も つ く る 方 法（How to Make（Almost）
Anything）」であり，この授業ではファブラボにおけるディジタル工作機器の利用法を教えるための演習が行われていた．その後，ニール教授が著書『ものづくり革命 パーソナル・ファブリケーションの夜明け』1）でファブラボを紹介して以来，その考え方が急速に世界に広まり，世界中にファブラボが誕生していくことになる．
著者がファブラボを知ったのは2006年にたまたま書店で手に取った本書であった．MITでの興味深い試みとして熟読したが，当時はその後，自身が10

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

ファブラボのネットワークとその広がりについて，紹介する．

2．ファブラボについて
2.1 ファブラボの定義
ファブラボとは何ですか？ ファブラボに入りたいのですが？ また，ファブラボを作りたいのですが，どうすればよいでしょうか？など，最近，著者にはファブラボに関するさまざまな問い合わせが届
く．FabLab Japan Networkのサイトによると，ファ
ブラボはディジタルからアナログまでの多様な工作機械を備えた実験的な市民工房のネットワークであり，個人による自由なものづくりの可能性を拡げ，2014年11月（平成26年）

門田和雄：ファブラボの活動とその広がり

263「自分たちの使うものを使う人自身が作る文化を醸成することを目指している」とある．すなわち，個人で自身のものを作るDo it yourself（D.I.Y）．の精神をDo it with others（D.I.W.O）として，自由に転送できるディジタルデータを有効に活用したものづ
くりを目指そうとするものである．もちろん，ここではディジタルデータのみで何でもできるというわ
けではなく，材料加工の段階では欠かせない，やすりがけなどの地味な手作業によるものづくりも踏まえている．
図１ 著者が自作した3Dプリンタ
一方で，ファブラボは単に施設の名称だけでなく，確証システムは現時点ではないため，全世界に増え共通の思想に基づいたプロジェクトの名称としても続けているファブラボの数を正確に把握することは用いられるため，「ファブラボ」という名称は，ディジタル・ファブリケーション機器を備えた工房全般
を漠然と指す一般名詞ではなく，次の条件を満たした場合にのみ用いることができる固有名詞である，と国際メンバー間で合意されている．すなわち，１．
一般市民に開かれていること，２．ファブラボ憲章の理念に基づき運営されていること，３．共通の標
準機材を備えていること，４．国際規模のネット
ワークに参加すること，などがあげられている．
ここで，ファブラボ憲章には，ファブラボの利用者は，人や機械を傷つけないという「安全」，掃除やメインテナンス，ラボの改善など，運営に協力す
る「作業」，ドキュメンテーション（文書化）とイ
ンストラクションに関する「知識」などの事項がまとめられている．
2.2 ファブラボの標準機材
ファブラボに設置される標準機材については，板材を彫刻やカットするレーザーカッター，3Dデー
タに基づいた形状に材料を積層しながら成形する
3Dプリンタ，紙やカッテイングシートなどを切り出すペーパー／ビニールカッター，木材や樹脂，金属などを切削するミリングマシン，木の板材を切り出して家具などを作る大型のCNCルーターなどがあげられている．近年はとかくファブラボ＝3Dプリンタという捉え方をされる向きもあるが，実際にはまだ現時点では出力に時間のかかる3Dプリンタよりも，レーザーカッターなどの方が稼働率は高いことが多い．また，3Dプリンタに関しては，活用するというよりも，むしろオープンソースで作られた
RepRap（Replicating Rapid prototyperの略）のように，自己複製できる3Dプリンタを作る取り組みが多く見受けられる．著者もこれに興味をもち，ファブラボにおいて図１に示すような3Dプリンタを自作した3）．
2.3 ファブラボの商標権
ファブラボの名称について利用許可を出すような難しい．近年，世界ファブラボ代表者会議に参加するメンバーらが，世界のファブラボ関連施設を登録式でまとめたサイトを立ち上げており，とても参考になる4）．2014年７月時点では，こちらに61ヵ国，354ヶ所のファブラボが登録されている．
近年，ファブラボのネットワークに属さなくても，
ファブラボに類する名称を付けて工作機械の時間貸しなどをする施設が増えている．そのような施設がファブラボと名乗ることはどう捉えるのか，また，
もしある企業が「ファブラボ」という商標権を取得し独占したら，それ以降は「ファブラボ」と名乗って新たに活動を立ち上げることができなくなってしまうというリスクがある．そのため，FabLab Japan
Networkでは，弁護士などによる有志グループFabCommonsが提案するオープン・トレードマーク・
ライセンス（OTL）というライセンス形式を用いて「ファブラボ」という商標を守りつつ，条件付きで一部開放することにした．この意図は，ルールに基づいた「ファブラボ」という固有名詞の健全な使用を維持することであって，独占することではない．

3．世界ファブラボ代表者会議
毎年一回，ファブラボの運営に関わるメンバーたちが一週間集うサマーキャンプが，世界ファブラボ
代表者会議である．著者は，2012年にニュージー
ランドの首都ウェリントンで開催された第８回の会議であるFAB8にはじめて参加した．このときは世界中から百数十名ほどの参加者があり，その地域の多様性に驚いた．一週間の日程では，一般の学会のような講演発表に加えて，各地のファブラボの紹介をして交流を深めたり，実際にディジタル工作機械を活用するさまざまなワークショップやファブラボの運営方法についてのセッションなどが盛り込まれている．また，自由にものづくりができる場も用意されており，期間中に国別対抗のものづくりコンテ

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

11

264

フルードパワーシステム

ストが開催されたこともある．
2013年のFAB9は著者の出身地である横浜で開催

をハックしてチョコレートを積層することができ，
とても有意義であった．3Dフードプリンタではシされ，その運営などに関わるとともに，この期間に横浜関内にオープンしたファブラボ関内のディレク
ターにボランティアで関わることになった．ファブ

リンジ内にある粘性のある流体を一定量押し出しながら積層するときに，かなりの力が必要になるため，空気圧を駆動源としているものも見受けられた．食ラボの運営母体を見ると，世界的には大学や公民館， 品機械に空気圧を使用することは，衛生面からも優博物館など公的な期間であることが多い．一方，日れた取り組みであるため，今後フルードパワーの研本の場合には個人が私営で立ち上げたファブラボが究としての取り組みも増えていくことが期待される．
多く，公的な機関が支援しているものもある．
ファブラボ関内は，NPO法人の横浜コミュニテ
イデザイン・ラボの傘下で，週末のみのオープンという形で立ち上げ，何とか１年間運営することができた．年齢は20代〜70代まで，さまざまな経歴の方が集まり，日々，ものづくり活動に取り組んでいる．当初はレーザーカッターや3Dプリンタの基本
操作を覚えて，自分だけのものを作るという取り組みが多かったが，最近はロボットや家具などを共同で作ろうというプロジェクトがいくつか動き出している．
2014年７月にはスペインのバルセロナで開催されたFAB105）に全日程参加した．はじめてのヨー
ロッパで一週間過ごすのは不安が多かったが，すでに昨年までで顔なじみになった仲間も増えて，楽しく過ごすことができた．最近の私の関心事は3Dプ
リンタの自作である．すでに昨年のFAB9において，樹脂を溶かして積層していくRepRapベースの3Dプ
リンタを組み立てており，ファブラボ関内でもプロジェクトとして動きはじめている．また，高校の生
徒たちが３年次の科目「課題研究」において，グループで取り組む研究では，食べ物を出力する3D
フードプリンタの開発に取り組んでいる．FAB10の会場ではRepRapBCNをはじめ，自作の3Dプリンタが数多く出展され，とても参考になった．その中でも，シリンジにチョコレートを入れ，これを積層していくフードプリンタのワークショップ（図２）で

4．お わ り にどの地域のファブラボも標準機材は同様であるため，その規模は異なるものの，作りだすことができるものは同様であることが多い．しかし，そこで生み出されるものには地域性が大きく関わっている．
すなわち，ファブラボが設置された目的は，失業対策や貧困撲滅から，創業支援，イノベーション推
進 な ど ま で 幅 広 い． ま た，STEM教 育（academic
disciplines of science, technology, engineering, andmathematics）と呼ばれる教育法と密接に関係した取り組みも多く見受けられる．
翻って，日本のファブラボでは，自分自身のものを作るという意味合いが比較的強かったが，すでに先行して市内に複数のファブラボが設置されている
バルセロナやペルーなどに学びつつ，ファブラボの基本サイクルである，学び（Learn），作り （Make），
分かち合う（Share）の中から，グループでプロジェクトに取り組む事例も増えている．また，自分で必要なものを自分でつくるのに必要な技術を身に付けた人々が地域に貢献してファブ社会6）を作っていくという提案もなされている．
専門家だけでなく，一般市民がものづくりを通して自分自身および社会を豊かにしていく活動ができる拠点としてのファブラボの活動に，著者自身も関わりながら，その活動がますます増えて活発になることを見守っていきたい．

は，各国からの参加者とともに標準の3Dプリンタ
参考文献
１ ）ニール・ガーシェンフェルド：ものづくり革命 パー
ソナルファブリケーションの夜明け，ソフトバンクク
リエイティブ，（2006）
２ ）ニール・ガーシェンフェルド：Fab–パーソナルコン
ピュータからパーソナルファブリケーションへ，オラ
イリージャパン，（2012）
３ ）門田和雄：3Dプリンタではじめるデジタルものづくり，
日刊工業新聞社，（2013）
４ ）https://www.fablabs.io/labs
５ ）https://www.fab10.org/en/home
６ ）総務省「ファブ社会」の展望に関する検討会報告書，
座長 田中浩也，（2014. ６ ）図２

12

FAB10での3Dフードプリンタのワークショップ

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

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2014年11月（平成26年）（原稿受付：2014年 ７ 月28日）

松本大樹：3Dプリンティングを活用した実習系授業の取り組み

265

解 説

3Dプリンティングを活用した実習系授業の取り組み

著

者

紹

介
まつ

もと

松 本

ひろ

大

き

樹

室蘭工業大学大学院〒050-8585 北海道室蘭市水元町27－１
E-mail : h_matsu@mmm.muroran-it..ac.jp
2000年室蘭工業大学大学院工学研究科博士後期課程修了．日本学術振興会特別研究員PDをへて2004年同大学工学部講師，現在に至る．振動工学，音響工学の研究に従事．日本機械学会，
日本音響学会などの会員．博士（工学）．

を設計製作し，直線凹凸路を走破する時間を競う」というもので，学生は動力源となるプロペラと，悪路走破性のある車体を設計，製作する．共通に与えられるのはモーター，電池ボックスとばねであり，その他の部品は製作する．各部品の製作には，3D
プロッタ，レーザ彫刻器を主に利用している．これ
らの加工方法により，CAD上のモデルがほぼそのま
まに実車で再現できる．3Dプロッタは，プロペラ
切削，サスペンション部品，モーターサポート類の切削に用いられる．

1．は じ め に
近年3Dプリンタが脚光を浴び，個人にも手の届
く価格の製品も開発されている．これらの技術は，さまざまなものづくりのアイディアを容易に実体化する手法として活用されている．3Dプリンティン
グの手法は積層造形法のほか，切削造形法も知られている1）．積層造形法を利用する機材は3Dプリンタ，
切削造形法を利用する機材は3Dプロッタと呼ばれており，本学ではPBL（Project Based Learning）の実習科目において両者を利用している．本解説では，
その活用事例を紹介する．

図１

風力バギー車の例（左：3D CADモデル，右：実車）

2.3 ロボティクス設計法
ロボティクス設計法は，ロボット・トライアスロ
2．講 義 内 容ン2）標準ロボットを教材として，メカトロニクス・システムの設計法や製作法などを具体的に学習する
2.1 講義目的科目となっている．ロボットの機能は，ライント
室蘭工業大学機械航空創造系学科（以下，本学レースの他，コーンを持ち上げ，スタックするため科）の機械コースとロボティクスコースでは，４年の機構部分も持っていて，コースに設けられた課題
生の前期の演習科目として，機械科学設計法とロボティクス設計法を開講している．これらの科目では， をこなし，ゴールを目指すものである3）．機体の製学生が中心となり，グループワークによって目的の作には3Dプリンタ，3Dプロッタも用いられる．機機器を創造し，設計して，製作するといった一連の体ベースには3Dプロッタ，その他機構部品の一部
ものづくりを経験し，その成果をプレゼンテーショに3Dプリンタが用いられている．
ンやコンテストによって発表する．講義の目的は， 2.4 3Dプロッタの利用例（機械科学設計法）
機械工学を中心とした学修の成果の総合，コミュニ
3Dプロッタ（切削造形法）の利用例を紹介する．
ケーション能力の向上，プレゼンテーション能力の養成である．3Dプリンティング技術は，各グルー
プで設計した部品の製作手法の一つとして導入している．
2.2 機械科学設計法
機械科学設計法では，図１に示すような，プロペ
ラバギー車の設計と製作を行っている．学生に与えられる課題は，「プロペラを動力源としたバギー車
図２ ロボティクス設計法での製作例
フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

13

266

フルードパワーシステム

プロペラバギー車の課題では，部品強度および精度の問題から3Dプロッタを採用した．図３にABS樹
脂の加工中の写真を示す．エンドミルはステッピン
グモータにより位置制御され，被削材は回転支持ユ
ニットにより表裏の加工が可能である．また，付属
ソフトウェアによる分解能は0.01㎜/stepである．

図６

図３

切削造形法によるプロペラ製作

プロペラ製作の作業工程は，⑴プロペラ設計の基
本理論と自作プログラムでプロペラ推力を計算し，プロペラ形状を決定する．⑵3D CADにより3Dモデル（図４左）を作製する．⑶3Dプロッタで削りだ
すための支持部を追加した切削モデル（図４右）を作製する．⑷3Dプロッタ付属ソフトウェアによりツールパスを作製，編集する．⑸3Dプロッタで切削し（図５），支持部分から切り離して完成．となっている．なお，切削行程は荒削り，仕上げの二段階になっていて，速度と精度を確保する仕組みになっている．図５を見るとわかるように，表面も非常に滑らかに仕上げることができる．一方，サスペンションの部品の製作行程もほぼ同様で，機構の設計の後3D CAD上で動作確認をして構造を決定し，
以下，同様の行程を踏む．図６のように，サスペン
ション部品は複数の部品をアセンブリして一度に削る工夫をしている．

図４

プロペラの3D CADモデル（左）と切削モデル（右）図５14プロペラの切削例

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

サスペンション部品の切削例

切削時間は，数時間から十数時間かかる．このため，講義時間外の作業が必要であるが，加工開始後，完成まで付きっきりというわけではなく，付属ソフ
トウェアで計算される完成予定時刻までは，機械任
せでも大きな問題は生じていない．ただし，加工工程によっては，途中でエンドミルを交換する場合もあり，その際には手動で交換が必要となる．
講義では，学生に対してあらかじめ素材と加工方法について情報を与えているが，3Dプロッタに関する予備知識はほとんどなく，利用経験もない状態で開始される．学生には，マニュアルを渡すとともに，加工開始前に一度だけ使い方を説明し，切削加工の勉強も兼ねて，本人の手で加工を行うようにした．使い始めから，およそ１ヶ月程度で部品の加工はすべて終わり，いくつかの部品は複数回作製するなどの試行錯誤も可能であったことから，利用に対する敷居は低いと考えられる．しかしながら，3D
プロッタは物理的な切削加工を行うため，被削体が溶ける，加工時に押し付け力で被削体が変形して精度が落ちるなどのトラブルもあり，それなりの試行
錯誤や細かな設定が必要となり，難しさがあることがわかった．3Dプロッタは２台で８グループの加工を担っている．学生アンケートでは3Dプロッタの数を増やしてほしいという回答が散見され，苦慮している部分である．一部品あたりの加工時間が短縮されれば，待ち時間が少なくなり，より利用しやすくなると思われる．
2.5 3Dプリンタの利用例（ロボティクス設計法）
3Dプリンタ（積層造形法）の利用例として，ロボティクス設計法での部品製作の例を紹介する．
3Dプリンタは，3Dプロッタと比較すると製作行程は非常に簡単で，3D CADでのモデル製作が終われ
ば，専用のアプリケーションでいくつかの設定をするだけで，数十分から数時間で製造が終了する．このため，ティーチングアシスタントが製作を担当してもそれほど負担にはならないようである．本学科
で利用している機材はABSを積層材料として利用するもので，積層方向の解像度は0.125，0.25，0.5㎜の３段階から選択することができる．図７に加工中の様子を示す．製造部品のサポートのためにPLA樹脂（黒色）の層を積層し，その後でABS樹脂（白色）を積層していく．図８に仕上がり例を示す．図８に示すように，六角形の穴も製作することができ，こ2014年11月（平成26年）

松本大樹：3Dプリンティングを活用した実習系授業の取り組み

図７

積層造形法による部品製作

図８

図９

部品製作例

積層造形法による部品製作

れまでの機械工作では採用し得ない形状や，機械加工ができない形状も簡単に製作することが可能である．この長所は，もの作りにおける“デザイン−ドリブン−マニュファクチャリング”へのパラダイム
シフト4）と言われる部分でもあり，今後も積極的に講義内で紹介するべきであると考えている．図中のPLA樹脂部分（黒色部分）は容易に取り外すことができるが，接触面の仕上がりは，上面に比べて滑らかではない．また，この機種ではベース部分の温度調整機能がないために，積層した樹脂が冷える際に収縮する問題があり，図９に示すような変形が起こり，完成後に再加工が必要になる場合もある．写真では，ベースに接する面側が収縮し，やや反った形状になってしまっている．しかしながら，このような欠点を考慮した上で，図２のアーム（白色部分）のように機体を完成させることができている．

3．ま

と

め

本学科では，3Dプリンティング技術を実習系講義に取り入れ，部品の加工に用いた．この加工技術
によって学生のアイディアを容易に実体化すること

267

ができることを紹介した．
3Dプリンティングの手法は，切削造形法と積層造形法の２種類を採用したが，いずれも長所と短所があった．切削造形法は，NC機器などを知っている機械系学生にとっては比較的親しみやすい造形方法である一方，加工時の設定にそれなりの難しさがあった．また，切削加工のための制約もあるが，従来からの機械加工の延長線上での学修には良い経験となると思われる．完成した部品は強度，精度ともに満足のいくものであった．
積層造形法では，製作時の設定は非常に簡便で，加工時間も短く，製造に対する敷居は非常に低い．
さらに，機械加工できない形状をも実体化することが可能であり，今後新たなものづくりの手法としての可能性を感じることができる．しかしながら，現状の機器では，製造された部品の精度，強度，表面性状はやや劣り，機構部分で強度の必要な部分には利用しにくい場合もあった．これらの問題は機材の価格帯による性能改善により解決される部分もあると思われるが，大学の講義の中で利用できる予算には限りがあり，すぐさま改善することは難しいのが現状である．しかし，精度などの欠点も，発想の自由さを許容する長所に対しては小さなことだと思われるので，設計技術の革新という長所を認識させる
形で学生に利用法を考えてもらうことが重要と思われる．
これらの授業により3D CADの利用技術は向上す
る．そのCAD上のモデルと実物との間には加工精度の問題で，ある程度のギャップが存在する．機械は決まった精度でしか加工できないことを実体験できることも，設計した部品を実体化できる大きなメ
リットと考える．
3Dプリンティングの利用に対する学生の反応は良く，ものづくりの楽しさを感じさせるには良い技術である．授業の目的に応じて加工方法を選択する
ことで，数ある3Dプリンティング技術を効果的に利用できると考える．
さいごに，資料などをご提供いただいた本学助教，
成田幸仁先生に御礼申し上げる．
参考文献
１ ）京極秀樹：最近のレーザ積層造形技術の開発動向，近畿 大 学 次 世 代 基 盤 技 術 研 究 所 報 告，Vol. 1, p. 69-76（2010）
２ ）http://www.robot-triathlon.org/top.html
３ ）http://www.robot-triathlon.org/2013/course_2013C.pdf
４ ）酒井仁史：新たな製造法“アディティブマニュファク
チャリング（AM）”その使い所と勘所，素形材，Vol. 54，
No. 2, p. 47-53（2013）

フルードパワーシステム（原稿受付：2014年 ７ 月29日）

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

15

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フルードパワーシステム

解 説

中小企業における3Dプリンタ活用の可能性

著

者

紹

介
ふく

おか

福 岡

しん ご ろう

新五郎

ウナック研究所〒165-0032 東京都中野区鷺宮３－14－６
E-mail : lunagq@ybb.ne.jp

1971年東京大学大学院工学研究科博士課程修了．生産技術研究所助手を経て，1975年古河電気工業㈱主任研究員，2002年主席研究員で定年退職，以降ウナック研究所代表．塑性加工・生産技術の開発に従事．産学官連携コーディネー
ター．日本塑性加工学会フェロー．博士（工学）．

図１

光造形RPのプロセス1）

1．は じ め に
3Dプリンタ（以下3DP）はさまざまに取り上げられ，ブームともいえる状況である今，さら付け加えることもなさそうであるが，実際のもの作りの現場でどのような可能性があるのか，特にその限界について，冷静に概観することとしたい．やや決めつ
けた言い方をすれば，つぎのようにまとめられる．
①小まわりの効く特徴を生かせば，かなり頼りになる戦力となる．②並級，試作（模型），プラス
チック製，が得意のエリア．③熟知すれば高品質も期待できるが，逆に技術を過信すると裏切られる．
④金属，セラミックも可能であるが，焼結，粉末冶
金技術や材料の知識が十分でないと，良い結果は得られない．⑤基本的に量産には向かない．

2．ラピッドプロトタイピングから3DPへ
2.1

アメリカからブームが来た

図２

FDM法3Dプリンタの造形プロセス2）に呼び戻すことを狙ったものである．
2.2 RPと比べて3DPは何が新しい?
RPは1980年小玉秀男（名工試）の光硬化性樹脂
を紫外線で硬化させる，光造形技術の世界的発明に
端 を 発 し て い る が， 実 機 は1987年 シ ス テ ム ズ，
1988年三菱商事が相次いで上市した．光造形のプ

このブームはアメリカから渡来した．元々 3DP
は日本の発明で，ラピッドプロトタイピング（以下ロセスを図１に示す．その後日本ではシーメット社
が開発を進め，ベンチャー企業インクスは華々しくRP）と呼ばれていたが，2012年10月に3DPによるも の づ く り 革 命 を 宣 言 し た，「Makers：The New
Industrial Revolution」が世に現れ，続いて2013年
２月オバマ大統領の一般教書演説で取上げられて大試作事業に取入れたが，リーマンショックもあり，予想ほど大きな成長がなかった．「3Dプリンタ」は，
図２のFDM（fused deposition modeling）・熱溶融
積層造形法のプロセスイメージが強いが，今はほぼきな動きとなった．前年国防総省を中心に，約30億 円 を 投 じ て 設 立 し たNAMII（National Additive

すべての積層造形（付加加工）法を指し，日本のRPがアメリカの3DPに乗っ取られた形である．

Manufacturing Innovation Institute：付加加工開発
研究所）を拠点として，3DPにより製造業を米国内プロセスは前段の設計・CADデータ作製と，後段の実際の積層造形に分かれ，両プロセスとも前段は

16

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

福岡新五郎：中小企業における3Dプリンタ活用の可能性

269

同じである．光造形では液体樹脂中に積層，沈めていくのに対し，FDMは積み重ねていく．

認められる外観品質は問題にならない．このような用途には大いに頼れる戦力である．

装置は光造形がFDMより通常大型で高価である．
他に金属・セラミック用焼結タイプなどがあり，世の中のブームは廉価のFDMであるが，オバマのしかし商品とするには，通常0.1㎜のざらつきは許容されないので，磨きなどが必要となる．材質の選択や設計により，一定の外観品質の改善は可能で

NAMIIはもっと高度のプロセスを狙っている．
本稿では積層造形をすべて3DPと称することとする．

あろうが，技巧を要することとなる．高級品を大量に作ることは難しい．

3．小まわりの効く特徴を生かし，試作で戦力化

4．熟知すれば高品質も．しかし過信は禁物
4.1

心臓外科医も熟知したい細部，冠動脈

外観にこだわらなければ，ワンストップのプロセスであるから，簡単な試作は短時間に行えるので，重宝である．図３は大学の研究で使う実験装置の筐体であるが，最近のものづくり系の学部では，学生が3DCADを使えるので，この程度の試作は比較的容易にできる．上が設計図（SolidWorksによるモ
デリングデータ）で，下が製作品である．モデリン
グデータをstl形式で保存し，これをもとに3DP用
データ設定（積層ピッチなど）を行い，装置を運転した．Makerbot（Stratasys）社製Replicator 2（デスクトップタイプ）によるもので，材料はPLA（ポリ乳酸240℃），積層ピッチ0.2㎜である．製作時間
は約７時間であった．これをたとえば切削加工で製作するとなると，通常学生には手におえない．
この装置のスペックは，積層ピッチは0.1㎜であるが，その場合は時間が倍掛かることになる．実験装置であるから，図３下程度の，縞状のざらつきが

図４㈱JMC渡邊CEOと冠動脈付き心臓モデル3），4）

図４は首相との懇談会に招待されるなど，経営者としても評判の，㈱JMC渡邊CEOとその製品の心臓モデルである．元ボクサーであるというジャブと頭の回転の速さで，一見軽い青年実業家にも見えるが，草創期に近い時期の光造形から事業をスタートしているので，この技術については熟知しており，不動のものを感じさせる．何より職人的技能の売込みからでなく，顧客ニーズに対応して事業を構築して来たところが強みである．心臓モデルなどは心臓外科医の協力・ニーズに接することができなければ，スペックすら決められない．もちろん，医師の要求に応えるためには，素材知識を始め技術の熟知が不可欠である．
臓器モデルについては，国が医療機器産業育成を
成長戦略の一つの柱としていることもあり，事業として期待される．なお本分野では，国立科学博物館の「医は仁術」（2014年春）展で，内部の血管もマ
ルチカラーで再現した，立体カラー透明臓器を展示した㈱ファソテックが注目を集めた．
実際，肺の生体移植手術の術前検討に現実的に役立てたというニュースも耳新しい．
JMCはまだ中小企業の規模であるが，鋳造分野にも3DP技術を展開している．ただし，鋳造については次項で触れることにする．
4.2 知られていない鋳物がエネルギー問題のキー
今の学生は，3DCADはかなり良く知っているが，

図３

実験装置用試作筐体

鋳物は奈良の大仏のように過去のものと思っている．
実はガスタービン翼や自動車のエンジンブロックな
ど，燃費即ちエネルギー問題に関して重要な部品がフルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

17

270

フルードパワーシステム

鋳物で作られている．その鋳造の問題点の一つが木型（模型）である．木型なしでの鋳型製作が試みら

実際のタービンブレード材料はインコネルなどの超合金で，真空溶解など，特殊な工程を要し，付加れており，特に3DPによる中子製作技術開発が平成
23年度「戦略的基盤技術高度化支援事業（サポイン）」で取組まれた．「ラピッドプロトタイピングに価値が高いので，本開発成果は3DPの適用例として期待を高めた．
ただし，実用化には，特にセラミック粉末およびよる精密鋳造用鋳型および中子の迅速造型技術の開発」において，粉末焼結積層造形（SLS：Selective
Laser Sintering）技術により，精密鋳造用中子の製焼結条件の最適化など，課題は残されている．
本研究はアスペクト社（国産）の3DP装置で行われたが，ドイツ製EOSINT（NTTデータ社）はSLSで造技術を確立し，次いで精密鋳造鋳型と中子を一体で造型する技術の確立を狙った．
SLSは図５に示すように，レーザーで粉末を焼結してはテーブルを下げて粉末を供給することを繰返実績がある．

す積層造形プロセスで，本研究では有機バインダー付きのセラミック粉を使用し，成形後二次焼結を行って，完成する．
目標とする製品はガスタービン動翼で，内部に乱流冷却のための流れを乱す流路構造となっており，
中子は非常にデリケートな形状である．

図５

5．金属，セラミックも可だが，要求品質は?
前節で述べたとおり，3DPで金属，セラミックを造形することは可能である．しかし，粉体を用いる
ので，表面のざらつきは避けられない．特に金型に適用したい場合は，要求品質を満たすため機械加工
仕上げを要し，省工程の有難味が薄れる．
そこで，これも国のプロジェクトで取組まれたテーマであるが，数回の焼結積層後に端面の切削加工で輪郭を滑らかにし，表面粗さを金型レベルに改善する，複合加工法が開発された（図８）．
このプロジェクトのメンバーであったパナソニッ
クは，開発された複合加工3DPの戦力化に取組んでおり，複雑形状でモデルチェンジの頻繁なヘアドラ
イヤーなどの金型製作への適用を図っている．年に約5,000個の金型の半数を3DP製作とし，製作時間
半減とコスト30％削減を目指している．

粉末焼結積層造形法（SLS）5）

図６にSLS造形後，二次焼結した250㎜ブレード
用中子，図７に中子と鋳型を同様の工程で製作した一体鋳型によるブレード鋳物製品を示す．

図６

SLS後二次焼結した中子6）

図８

金属光造形複合加工7），8）

6．高度なプロセスで，世界をリードする技術へ
図７

18

SLS・二次焼結一体鋳型による鋳物

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

6）

2013年に顕在化した，3DPのブームとアメリカの（オバマ教書の）3DPへの本格的取組みを前にし2014年11月（平成26年）

福岡新五郎：中小企業における3Dプリンタ活用の可能性

271て，日本も国主導の大きなプロジェクトが2014年
から動き始めている．これはサポインのように直接する．最終形となる積層造型速度10万㏄/h（現状の100倍）の装置は2018年度より販売を開始する．

中小企業を対象としたものではないが，成果は中小企業が実用することになるように思える．
約40億円の予算で，期間は5年である．

具体的な開発装置等のイメージは図10のとおり
であるが，重点は金属光造形技術開発，特に鋳造分
野への適応が詳しく示されている．

「三次元造形技術を核としたものづくり革命プログラム（次世代型産業用3DP技術開発および超精密
三次元造形システム技術開発）」と長いが，実施企②の鋳造分野への適用は上述の研究以外に，実際かなり進んでおり，本プロジェクトに属するコイワ
イはWEBでその事業を公開している．ほかに石膏業はほぼオールスターキャストで，素形材センター， 鋳造も3DPは活用される段階に来ている．
産総研，近畿大学，東北大学，IHI，川崎重工，金
一方①はこれまでにない技術の開発を目指してい
属技研，木村鋳造所，群栄化学工業，コイワイ，コるようであって，特殊な金属材料（たとえばTiやイ
マツキャステックス，コマツ，山陽特殊製鋼，シー
ンコネルのような，切削加工の難しい材料）の精密
メット，住友精密，大同特殊鋼，多田電機，東芝，東芝機械，ナカシマメディカル，日産自動車，日本

造形などが目標である可能性がある．エネルギー，
航空・宇宙や医療分野での期待が大きい．

電子，パナソニック，パナソニックエコシステムズ，
福田金属箔粉工業，古河電工，本田技術研究所，松浦機械製作所，三菱重工，矢崎総業，矢崎部品が参加している（図９）．

図９三次元造形技術革命プログラムの研究体制9）

事業目的は，グローバル市場にける発展的な競争力の維持のために行う，三次元積層造形技術や金属

図10

開発装置および製品・技術のイメージ10）

7．期待できる中小企業．悲劇的でないリスク

新しい加工法が現れると，もの作りに携わる中小等粉体関連の技術開発，鋳造技術の開発などである．
企業は大いに影響を受けることがある．1997年に実用化の方向性としては，我が国産業競争力強化
ソニーが発売して大人気となったバイオノートはに繋げるため，標準化や市場動向調査等を踏まえて
ノートパソコンとして初めてマグネシウム筐体を採実用化を図る．
用したが，その加工には1992年に日本製鋼が実用開発スケジュールはつぎのとおりである．
①次世代型産業用3DP：2015年度までに一次試作機を開発，2018年度までに世界最高水準の造形
速度，造形精度の装置を完成，2019年度末までに装置の販売を開始する．
②超精密三次元造形システム：2015年度にプロ
トタイプ機を実用化，2016年度後期からは積層造型速度５万㏄/hの砂型積層造型装置の販売を開始

化したチクソモールド法が用いられた（図11）．
チクソは良くわからないが，モールドならプラス
チックの射出成形と変わらないだろう，という安直な連想と，この際バスに乗り遅れたらプラスチックの射出成形事業がジリ貧になって将来がなくなる，との思惑で多くのプラスチック成型事業者がこの装置を導入した．国内で100台は優に超えたとみられフルードパワーシステム

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272

フルードパワーシステム

るので，デザインの相談から始めて，成形委託または自分で操作して成形するなどのサービスに広く対応している．各県の公設工業試験施設でも同様のサービスを行っている場合が多い．
先ずは，かかる施設で3DP造形の実際に触れてみるのが良策と思われる．

図11

チクソモールド法11）

るが，現在有効活用している企業はきわめて少数である．本来マグネシウムは生産性の高いホットチャ
ンバー方式のダイキャストが強力な技術を蓄えていたので，コスト競争で，チクソモールド方式はほとんどまともな市場を獲得することができなかった．
何より，マグネシウムはプラスチックと材料の熱特性がまったく異なり，チクソ（半凝固）どころか，固まらないように型に鋳込むことが難しかったので，
プラスチックの経験しかなかった，射出成形業の事
業者には気の毒な結果となった．
ただ，使いこなすことにより，付加価値の高い試
作製品への適用で成功している例もある12）．
3DPはプラスチックを使う限り，チクソモールドのように，悲惨なことにはならないであろう．しかし，型を使わないので，サポート部の設計によっては，思いどおりの形状が得られない危険もあり，また，金属については強度を期待して，粉末を焼結するので，粉末成形の知識を必要とするほか，粉末が予期せぬ部分に溶着して，予期せぬバリとなるなど，固有の問題はあり得る．
CAD，CAMを使い慣れていれば，3DPでの加工は大きな問題はないであろう．いかに付加価値を高め，短納期を達成するか，がポイントとなる．
なお，国が上記のごとく力を入れている状況でもあり，人気も高いので，試作を行う事業者も多い．
上記JMC以外にもWEBで当たれば当該のサイトが見つけられよう．東京では東京都立産業技術研究センター13）は最新の装置から，手軽なものまで相当の種類・台数を有しており，デザイナーが常駐してい20

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

参考文献
１ ）萩原恒夫：ラピッドプロトタイピングの最新動向（2002初
春），講演会資料，http://www.thagiwara.jp/rp/RP2002Jan/RP2002-Jan.html：3Dプリンターに２ ）3D造形サービスFORME（フォルム）よ る ３ 次 元 造 形 サ ー ビ ス，http://www.thinkcoltd.jp/
zokei_service/3dprinter.html
３ ）㈱JMC会社概要：http://www.jmc-rp.co.jp/company/
４ ）㈱JMCメディカル：心臓，http://www.medical-jmc.com/
lineup/hear.html
５ ）早野誠治（㈱アスペクト）：Selective Laser Sintering，
http://www.aspect-rp.co.jp/sls1.htm
６ ）㈳日本鋳造協会：「ラピッドプロトタイピングによる精密鋳造用鋳型及び中子の迅速造型技術の開発」，p. 34-43（2012），http://www.chusho.meti.go.jp/keiei/sapoin/portal/seika/2009/21163410001.pdf
７ ）㈱松浦機械製作所：金属光造形複合加工とは?，http://
www.matsuura.co.jp/japan/contents/products/newlumex03.html
８ ）田中昌行：パナソニック生産技術の革新モノづくりへの 展 開， 経 済 産 業 省 研 究 会 資 料，http://www.meti.
go.jp/committee/kenkyukai/seisan/new_mono/pdf/
003_02_00.pdf，p. 12-16（2013）
９ ）次世代3D積層造形技術総合開発機構の概要：経済産業省研究会資料，http://www.meti.go.jp/policy/tech_promotion/kenkyuu/140124saishin/56.pdf， p. 1-2（2014）
10）岡根利光：鋳造における3Dプリンタの活用，産総研講演会 資 料，https://unit.aist.go.jp/amri/ja/openlab/2013/
3d-1.pdf，p. 4-16（2013）11）自動車情報プラットフォーム：チクソモールディングのプロセス，http://www.marklines.com/ja/report/solrep
139_200806，p. 1-4（2008）
12）㈱菊池製作所：マグネシウム成形（チクソモールディ
ン グ）http://www.kikuchiseisakusho.co.jp/business/details02.html
13）（地独）東京都立産業技術研究センター：試験・研究設
備加工機・造形機 http://www.iri-tokyo.jp/setsubi/m/
joto-h23-d01.html


2014年11月（平成26年）（原稿受付：2014年 ８ 月13日）

高橋啓二：RP造型機によるシェル鋳型の超短納期製作について

273

解 説

RP造型機によるシェル鋳型の超短納期製作について

著

者

紹

介
たか

はし

高 橋

けい

啓

じ

二

コマツキャステックス株式会社〒935-8501 富山県氷見市下田子１－３
E-mail : keiji_takahashi@komatsu.co.jp

1991年京都大学工学部冶金学科卒業．同年小松 製 作 所 氷 見 工 場 に 入 社 配 属，1997年 コ マ ツ
キャステックス㈱分社独立し，現在鋳造技術部
主幹として任務．建設機械の鋳造部品の鋳造技
術改善・品質改善に従事．日本鋳造工学会および日本鋳造協会などの会員．

1．は じ め に
建設機械の鋳造素材部品の製造において，エンジ
ン部品や油圧部品の鋳造素材でも近年の排ガス規制対応でさらに複雑形状でかつ高い寸法精度の部品を短納期製作で要求されるケースが多くなっている．
複雑形状でかつ比較的寸法精度の高い鋳造品の造型方法としてシェルモールドを採用している場合，そのシェルモールド鋳型を作るための金型を製作する期間が非常に長く，短納期の開発に支障を来たすことがある．また，開発品の試作段階では，最適形状をつかむために形状変更が頻繁に必要となり，その分金型修正期間も非常に長い．
そこで，開発段階の鋳造部品の製作において3D

2.1.2 装置概略
粉末レーザ焼結型RPによる造型は，砂を所定のデータを用いてシェルモールド用の砂を直接レーザで焼成し鋳型を金型なしで製作するRP造型機を導厚さでテーブル上に一層敷き詰め，CADデータから作られる断面データ（スライスデータ）を基にして，入し活用することで従来の開発品の製作リードタイ
ムの短縮が可能になった．本編ではその活用事例を紹介をするとともに，今後の鋳造品の3D積層造形の有効利用について述べる．

レーザが高速走査し断面形状を塗りつぶしていく．
レーザが照射された部分のみが焼結し固められ，それ以外の部分は未硬化である．
一層走査し終わるとテーブルが一層の砂の厚さ分

2．RP造型機の造型プロセスと特徴だけ下降し，リコータが新たに砂を敷き詰め，新たな断面データでレーザが走査する．

2.1 造型プロセスについて
2.1.1 造型フロー粉末レーザ焼結型RPによる造型フローを図１に示す．光造形と同様にサポート設計，スライスデー
タ生成，造型の工程を経るが，その後後処理（サポートの除去），オーブンによるポストキュア（二次焼成）が必要である．

図１

造型フロー

これを繰り返すことで複雑形状の鋳型および中子
表１

粉末レーザ焼結型RP装置の仕様

レーザータイプ

CO2、50W×２

走査スピードMax3000㎜/s

造型チャンバサイズ

720×380×375㎜

積層ピッチ

0.2㎜

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2014年11月（平成26年）

21

274

フルードパワーシステム

図２

装置概略
図４

を造型できる．仕様を表１に，装置概略を図２に示す．
2.2造型の特徴
2.2.1 サポート設計
2.2.1.1 ブリッジ形状の補強
造型中に小さな断面から大きな断面に急成長する
場合，下の面との接合が悪く反り上がりやすい．
これを防ぐためのサポートが必要となる．
2.2.1.2 除去のしやすさ
造形物に対して硬すぎるサポートをつけると除去するのに時間がかかるばかりでなく面粗度が悪くなる．サポートと造形物との重なる層数，造型物に対するサポートのレーザ強度を適正に設定することが重要である．
2.2.1.3 造型物全体の補強
造型時リコータに対し造型物の安定性を確保する．
2.2.1.4 ポストキュア時の歪み対策
レーザにて一次成形した後，オーブンにて二次焼成し最終強度を得るが，この時形状によっては変形が起こる場合がある．特に肉厚変動の大きい形状の場合は不均一な収縮のためにヒビがはいったりする．
これを防ぐために補強のサポートを残しポストキュ
ア後に除去する場合がある（図３）．

細長い中子への芯金の挿入

2.2.2 芯金の使用
現行細い鋳抜きの場合，鋳造時の中子の折れ，または曲がり対策として芯金を入れる場合がある（図４）．
これは鋳物の品質を保証する上で必要不可欠な技術である．特に鋳鉄はアルミ鋳物に比べ中子は高温にさらされるため，このような配慮がなされる．積層造型という性質上異種の材料の挿入は困難であるが，種々の試行により二次元形状の芯金挿入の技術を確立した．
2.2.3 抜き勾配の省略
従来の主型から抜き取って鋳型を作成する方法に対して直接鋳型が作れるため抜き勾配を考慮する必要がなく，かつ鋳型の分割も簡素化できる．これは３次元CADデータの作成工数の大幅な低減が可能となる．理想は機能設計の早い段階で型設計までのノ
ウハウを織込んだ形状を考慮するコンカレント設計であるが，まだそこまで至っていないのが一般的である．それは設計部門が機能上必要な形状を設計した後，製造部門で製造上必要な形状に３次元CADのデータを仕上げていく方法であるため，工数は非常に増大する．組立の確認のため，量産時の型分割を考慮した中子の分割は必要であるが，抜き勾配等の細部の型設計を省いたデータ作成で鋳物を作れることは開発リードタイムの短縮に大きく寄与する．

3．RP造型機での適応事例
非常に複雑で高い寸法精度の要求される油圧機器
用鋳物を選定し，そのRP適用素材を製作し従来法による素材と比較した．中子の外形サイズは190×

図３

22

補強サポートの例

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140×60㎜，素材の外形サイズは135×139.5×48㎜で，材質はFCV黒鉛鋳鉄，重量は4.2㎏である．
中子製作に粉末レーザ焼結型RPを適用し，外型
2014年11月（平成26年）

高橋啓二：RP造型機によるシェル鋳型の超短納期製作について

図５

図６

油圧機器鋳物用RP中子

275

トータルリードタイム

は木型を用い量産ラインにて製作した．
粉末レーザ焼結型RP装置によって造型した中子

3.3 製作リードタイム巾木付きの中子データおよび外型が支給されてかを図５に示す．
3.1 RP中子特性
3.1.1 RP中子砂強度
10×10×60㎜の試験片を造型し抗折力試験を行い従来品と比較を行った．その試験結果は従来45～ 65㎏/㎠に対して50㎏/㎠以上を示しており，通常品の必要強度を満たしている．
3.1.2 中子の寸法精度
中子はほぼ狙い寸法で造型されており，Ａ巾木上面の平面度は±0.2㎜，Ｂ鋳抜きの反りは中央部で0.15㎜以内である．
3.2 鋳物特性
破断寸法検査の結果は寸法精度としては従来法と同等である．さらに浸透探傷検査から内部欠陥は検出されず，健全なことが確認された．レジン量が多ら，中子製作（試行錯誤有り），外型模型加工，鋳造，簡単な寸法検査までのトータルリードタイムは
従来の金型を製作した場合に比べ約1/3である（図６）．

いためガス欠陥が懸念されるが，CADデータ上でガス抜き形状を付加することで十分に対策が可能である．またポストキュアで十分に焼成しているため，鋳造時の初期のガス発生量が比較的少なくなっていることも特徴である．

4．ま

と

め

以上から粉末レーザ焼結型RPは高い寸法精度の要求される鋳物の試作に対し品質的にも十分に適用できるレベルにある．また本事例は比較的小型であるが，中子もしくは鋳型のアセンブリ設計も可能であり，シリンダーヘッドなどの大型で複雑な鋳物の鋳造が可能である．その結果，試作は粉末レーザ焼結型RPにて鋳物を数水準製作して性能試験をし，形状を作り込んだ後に量産用金型を作るという動きが始まっている．設計の早い段階で試作ができ開発
リードタイムの短縮とともに試作コスト低減を図れるシステムである．また，今後，造型速度が向上していくことで量産用としての活用も考えられる．


フルードパワーシステム（原稿受付：2014年 ８ 月25日）

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フルードパワーシステム

会議報告

ROBOMEC2014におけるフルードパワー技術研究動向

著

者

紹

介
はや

かわ

早 川

やす

恭

ひろ

弘

奈良工業高等専門学校〒639-1080 奈良県大和郡山市矢田町22
E-mail : hayakawa@ctrl.nara-k.ac.jp
2006年奈良工業高等専門学校電子制御工学科
教授，現在に至る．空気圧を用いた福祉介護機器開発の研究に従事．日本フルードパワーシス
テム学会，日本機械学会，IEEEなどの会員．博士（工学）．

1．は じ め にロボティクス・メカトロニクス講演会（以下，ROBOMEC）は，一般社団法人日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門が主催する講演会である．
ROBOMEC2014は，2014年 ５ 月25日（ 日 ） 〜
29日（木）の日程で富山国際会議場と富山市総合体育館において開催された．講演会初日は，富山国際会議場において社会講座（特別講演会・製作教室），ワークショップやチュートリアルが行われ，ポスター講演は２日目から４日目に開催された．
本報告では，フルードパワー技術に関するポス
ター講演の概要を紹介する．

2．フルードパワー技術関連の発表内容
2.1 概
要ポスター講演の中で，フルードパワーに関する発表は，空気圧関連25件，液圧関連10件，機能性流体関連３件である．また，これらの講演の中で，アクチュエータの基礎特性に関する講演13件，機器に関する講演２件，アクチュエータの応用に関する講演20件，そのほか３件であり，アクチュエータを用いた機器開発に関する講演が多くなっている．
2.2 空気圧関連
空気圧アクチュエータに関する講演では，ゴム人工筋に関する講演が14件に対し，そのほかの空気
圧アクチュエータは９件となっている．以下に概要を紹介する．

24

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

稲葉らは，予備伸張による弾性エネルギの蓄積に伴う筋の瞬時緊張を実現するメカニズムとして,モータ駆動腱と空気圧人工筋のハイブリッド駆動を提案している1）．
塚越らは，既存の歩行器と人体を接続するため，
Big-hanと称する装置の開発を行い，人間が安定して立位を保つための機構を検討している2）．
西川らは，空気圧人工筋を用いた多自由度５指ロ
ボットハンドを試作した．そして，生物が柔軟な動作を行うために利用している生体ゆらぎを模倣した
非モデルベース制御系を構築している3）．
中村らは，可変弾性要素として軸方向繊維強化型
人工筋肉，可変粘性要素として磁気粘性流体（MR）
ブレーキに着目した．そして，瞬発力発生手法による瞬発力の発生を確認することにより，跳躍を行う
一脚ロボットを試作している4）．
細田らは，空気圧人工筋駆動での四足ロボットの高速走行を目的とし，Oncilla の機構を基にしたマッ
キベン型空気圧人工筋を動力源に応用した．そして，
四足ロボットKenの問題部分を改良したTaKenを開発している5）．
山海らは，ゴム人工筋を有する二次元脚モデルの一定立位姿勢の安定性について，ゴム人工筋の特性がどのように影響しているのかを明らかにしている6）．
鈴森らは，PEMFC（Proton Exchange Membrane
Fuel Cell）をFMA（Flexible Micro Actuator） に 搭載することで，自立空圧アクチュエータを実現している7）．
佐藤らは，ラバーレス人工筋肉の伸縮動作回数に関する耐久性を調査した．そして，耐久性の向上に有効な素材や構造の改良方法について実験を通して確認している8）．
高岩らは，空気圧シリンダをアクチュエータとする多軸直交機構を用いた乳がん触診シミュレータについてその基本性能を検証している9）．
西岡らは，軽量化に着目したアクチュエータの開発に努めており，プラスティックフィルムにプリーツと呼ばれる折り込みを施すことで，屈曲形状を生2014年11月（平成26年）

早川恭弘：ROBOMEC2014におけるフルードパワー技術研究動向

成するソフトアクチュエータを開発している10）．
2.3 液圧関連
油圧関連では，EHAに関する研究や油圧駆動ロ
ボットの開発など，興味ある発表が多かった．以下に概要を述べる．
中村らは，可動部の形状が比較的単純でコンタク
トシールによる内部漏れの抑制が容易な油圧シリン
ダを出力側に用いた直動型EHAを開発している11）．
さらに，EHAの圧力と速度の関係を陽に用いること
で，モータの速度制御によって力制御を行うことを提案している12）．また，EHA を用いたロボットの足首関節機構の実現を目的として，直動型 EHA の
出力部に油圧ベーンモータの代わりに油圧シリンダを用いた構造を提案している13）．さらに，ロボット
ハンド駆動用の14軸直動群EHAの製作とその静特性評価を行っている14）．
玄らは，人間の運動メカニズムの探求ならびに医療 福 祉 機 器 の シ ミ ュ レ ー タ 構 築 を 目 的 と し て，
ヒューマノイドロボットRL-H1に取り付けることを想定した油圧式双腕ロボットの開発を行っている15）．また，不整地歩行を目的とした油圧式４脚ロ
ボ ッ トRL-A1（Ritsumeikan Leg, Animal Type1）の目標仕様，開発したシステム概要，動作実験結果について述べている16）．
水圧関連に関して，鈴木らは三連シングルベーン型の構造で270°の揺動角を持つ水圧揺動モータを提案している17）．
2.4 機能性流体関連
伊藤らは，安定性や不整地への対応能力，転倒防止機能などを備えた新しい簡易型歩行補助杖を開発することを目指して，MR流体とベローズを用いた支持脚の伸縮機構を考案している18）．

3．お わ り に
本稿では，ROBOMEC2014におけるフルードパ
ワー技術関連の発表概要の一部を紹介した．さまざ
まな応用事例が今後ますます増えることを期待した
い．
参考文献
１ ）中島，上月，白井，浅野，垣内，岡田，稲葉，“モータ駆動腱を用いた空気圧人工筋の予備伸張による初期加速度の増大”，ロボティクス・メカトロニクス講演会論277

文集，1A1-C05
２ ）永野，駱，塚越，“Big-hand:人体を安全に抱きかかえて立ち上がり動作を支援する装置”，ロボティクス・メカ
トロニクス講演会論文集，1A1-G03
３ ）井出，西川，“ゆらぎを用いた多自由度 ５ 指ロボットハ
ンドの指先位置制御”，ロボティクス・メカトロニクス
講演会論文集，2A1-J04
４ ）石原，間島，戸森，中村，“空気圧人工筋肉とMRブレー
キを用いた跳躍ロボットの開発”，ロボティクス・メカ
トロニクス講演会論文集，2A1-K05
５ ）稲田，成岡，清水，細田，“空気圧人工筋駆動四足ロボットによる身体の弾性を利用した高速走行の実現”，ロボティクス・メカトロニクス講演会論文集，2A1-K06
６ ）中西，末岡，杉本，大須賀，山海，“空気圧人工筋を用いた脚ロボットの関節剛性と立位安定性条件の関係について”，ロボティクス・メカトロニクス講演会論文集，
2A1-Q06
７ ）亀谷，和田，鈴森，“気液可逆反応を利用したガス圧ア
クチュエータ”，ロボティクス・メカトロニクス講演会
論文集，2A2-O04
８ ）齋藤直樹，佐藤俊之，“ラバーレス人工筋肉の耐久性の評価と改良”，ロボティクス・メカトロニクス講演会論
文集，2A2-P05
９ ）松野，高岩，佐々木，“空気式多自由度アクチュエータを用いた乳がん触診シミュレータ”，ロボティクス・メ
カトロニクス講演会論文集，1P1-G01
10）天瀬，西岡，安田，“螺旋状巻付き型極軽量ソフトアク
チュエータの開発”，ロボティクス・メカトロニクス講
演会論文集，2A1-N05
11）大月，神永，中村，“慣性負荷による直動型電気静油圧
アクチュエータの動特性評価”，ロボティクス・メカト
ロニクス講演会論文集，1P1-I05
12）神永，康，中村，“モータの速度制御を用いた電気静油
圧アクチュエータの力制御”，ロボティクス・メカトロニクス講演会論文集，1A1-I04
13）大月，神永，中村，“足首関節機構のための直動型電気
静油圧アクチュエータの開発”，ロボティクス・メカト
ロニクス講演会論文集，1P1-I06
14）康，神永，中村，“油圧トロコイドポンプ付シリンダブ
ロックアクチュエータの特性評価”，ロボティクス・メ
カトロニクス講演会論文集，1P1-I07
15）井澤，玄，“油圧駆動ヒューマノイドロボットの腕部の設計”，ロボティクス・メカトロニクス講演会論文集，
1A1-I01
16）川端，西，鳥居，北浦，兼松，玄，“油圧式 ４ 脚歩行ロ
ボットRL-A1の開発”，ロボティクス・メカトロニクス
講演会論文集，1A1-I02
17）鈴木，鳥居，中尾，“水圧駆動用ベーン型270°揺動モータの開発および性能評価”，ロボティクス・メカトロニ
クス講演会論文集，1A1-F06
18）伊藤，原田，渡邉，“流体を用いた高齢者用歩行補助杖の開発と実験，ロボティクス・メカトロニクス講演会
論文集，1P1-C01（原稿受付：2014年 ８ 月 ３ 日）

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

25

278

フルードパワーシステム

会議報告

ACTUATOR14におけるフルードパワー技術研究

著

者

紹

介
よし

だ

吉 田

かず

和

ひろ

弘

東京工業大学精密工学研究所〒226-8503 横浜市緑区長津田町4259－R2－42
E-mail : yoshida@pi.titech.ac.jp
1989年東京工業大学大学院博士課程修了，同年同大学助手，1996年同大学助教授（現，准教授）．2008年10月～ 2009年3月米国UCSB客員研究員．流体マイクロマシン，機能性流体の研究に従事．JFPS，JSME，IEEEなどの会員．工学博士．

1．ま え が きInternational Conference and Exhibition on New
Actuators and Drive Systems（ACTUATOR 14） が2014年６月23～25日にドイツ，ブレーメンのブ
レーメン国際会議・展示場（Messe Bremen）（図１）
において開催された．本イベントは，ニューアク
チュエータに関する国際会議と展示会を併催するもので，２年ごとに同じ会場で開催されている．今回は1988年から数えて第14回に相当し，25周年の記
念すべき回であった．
今回は，口頭発表97件，ポスター発表71件，合計168件の発表があった．セッションは，圧電／低パワー電磁／高分子／ERF/MRF ／形状記憶合金／
超磁歪/磁気形状記憶／マイクロのアクチュエータ，ア ク チ ュ エ ー タ ／ 能 動 制 振 ／ ナ ノ の 制 御， ハ プ
ティック／医用／宇宙への応用である．フルードパ
ワー技術関連では，機能性流体関連が多く10件，
油 圧 ２ 件， 空 気 圧 ２ 件， 合 計14件（ 発 表 全 体 の８％）の発表があった．以下では，各発表の概要を紹介する．

ERF，ダンパ，アクチュエータ，触覚ディスプレイ
などを紹介している1）．
アクチュエータとして，Breitfeldらは，２個の２ポートERマイクロバルブを集積した６個のゴム製
ベローズからなるぜん動運動式移動機構のため，
φ20㎜×20㎜のゴム製ベローズの設計，試作，特性実験と，大きさ９×２×0.28㎣の流路を有する
ERマイクロバルブの試作，特性実験を行っている2）．
Miyoshiらは，１本の配管で伝達する交流流量を同期して開閉するアクチュエータ部のERバルブで整流して供給する，アクチュエータ多数化に適したERマイクロフィンガシステムを提案し，MEMSプ
ロセスを開発してフィンガ長さ１㎜のシステムを試作し，その動作を実験的に確認している3）．
Kimらは，三角柱－スリット電極対による不均一
電界により生じるECFジェットを応用したマイクロポンプを，偏心した円筒形チャンバを有し加圧により屈曲する偏心チューブマイクロアクチュエータに集積したデバイスを提案し，MEMSプロセスを開発して試作し，その特性を実験的に解明している4）．
ダンパとして，Gerlachらは，油圧ダンパのピス
ト ン 上 の オ リ フ ィ ス を ピ ス ト ン 内 部 に 設 置され
MRFで制動されたピストンにより変化させる構造のハイブリッドMRダンパを提案し，シミュレー
ションと，新たに試作したMRFを用いた試作デバ
イスの特性実験によりその有効性を確認している5）．
Silgeらは，車両のセミアクティブサスペンショ
ンシステムのため，液圧シリンダを剛性の異なる２個の弾性チャンバにそれぞれMRバルブを介して接2．フルードパワー技術関連の発表内容
2.1 機能性流体関連
機能性流体関係では，レビュー１件，アクチュ
エータ３件，ダンパ５件，ハプティックデバイス１
件，合計10件の発表があった．
レビュー講演として，MészárosとChoiは，磁界／
電界で粘度が変化するMRF／ERFの技術動向を概観
し，MRF関連ではショックアブソーバ，エンジン
マウント，装具用ブレーキ，事故エネルギー吸収デバイスなど，ERF関連ではナノ技術などを用いた

26

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

図１

ブレーメン国際会議・展示場

吉田和弘：ACTUATOR14におけるフルードパワー技術研究

続した構造で，各バルブのオンオフ制御でインピーダンスを変化させるアクチュエータを提案し，シミュレーションによりその有効性を示している6）．
Phuらは，MRマウントにおいて微小振幅，高周波数で生じる固定現象を回避するため，MRFを流路軸方向に可動の磁極とケースの間に流す構造で，MRFのフローモードとせん断モードを用いたデバイスを提案し，シミュレーションにより最適設計および特性評価を行い，その有効性を示している7）．
Ocanaらは，航空機の着陸装置のセミアクティブ
サスペンションシステムのためMRバルブを設計，試作し，使用するMRFの圧力，流量および印加電流の関係，および温度の影響を実験的に明らかにするとともに，シミュレーションによりシステムの有効性を確認している8）．
Jackelらは，インホイールモータを用いた電気自動車の安全性と乗り心地を向上するため，電磁石と，直動により磁気回路を切り替える永久磁石によりMRFに磁界を印加する構造のMRダンパを提案し，磁場解析によりその有効性を示すとともに，MRダンパの設計を行っている9）．
ハプティックデバイスとして，Ludwigらは，自動車において，禁止操作時に押せない感覚を運転者に伝え安全運転に貢献する押しボタンのため，永久磁石および電磁石でMRFに磁界を印加する構造のMRブレーキを設計，試作し，その発生力の静特性
および動特性を実験的に明らかにしている10）．
2.2 油圧関連
油圧関連では以下の２件の発表があった．
Zoelsらは，圧電素子駆動の油圧ピストンに，２個並列のリリーフ弁を介した油圧シリンダ，および絞りを介した弾性チャンバを接続した構造で，圧電素子ののこぎり波印加電圧の向きで伸長，収縮を制御する機構，およびその人工筋アクチュエータへの応用などについて紹介している11）．
Lentnerらは，航空機のアキシャルピストンポン
プで生じる圧力脈動および振動を低減するため，圧電素子駆動のピストンによる発生圧力で脈動をキャンセルするデバイスを，構築した数学モデルによる最適設計に基づき試作し，シミュレーションおよび実験によりその有効性を確認している12）．
2.3 空気圧関連
空気圧関連では以下の２件の発表があった．
Devrekerらは，大動脈弁移植の低侵襲手術のため，柔軟な空気圧人工筋アクチュエータを用いた能動カテーテルを提案し，直径2.2㎜のアクチュエー
タを開発し直径６㎜の１自由度屈曲機構に応用してその特性を実験的に明らかにするとともに，それを２個接続した能動カテーテルを実現している13）．
Lipowskiらは，航空機やタービンロータの表面の流れの制御などのための空気圧噴流を用いたPulsed
Jet Actuator（PJA）において，流体抵抗や慣性の影響を低減するため各噴流口に圧電バイモルフの279

リード形バルブを設けた積層形PJAを提案し，新構造の設計を行っている14）．

３．あ と が き
本稿では，ACTUATOR14におけるフルードパワー
技術関連の発表の概要を紹介した．次回は2016 年にドイツ，ブレーメンで開催予定である．
参考文献
１ ）Mészáros, D., Choi, S.-B.：Advances in Controllable
Fluid Technology, 2012-2014, Interactive Conf. Proc. ofInt. Conf. and Exhibition on New Actuators and Drive
Systems（ACTUATOR14）（DVD-ROM）, p. 64-69（2014）
２ ）Breitfeld, A., Freyer, H., Ulrich, S., Wulfsberg, J.,
Bruns, R.：Elastomeric Bellows Hydraulic Actuatorwith Integrated Electrorheological Control Valves,ibid, p. 70-73（2014）
３ ）Miyoshi, T., Yoshida, K., Kim, J.-W., Eom, S.I., Yokota, S.：
Development of a MEMS-Based ER Microgripper Using
Alternating-Pressure Source, ibid, p. 394-397（2014）
４ ）Kim, J.-W., Satoh, M., Yokota, S., Edamura, K.：
Micropump-Integrated Eccentric Tube Type
Microactuator by Electro-Conjugate Fluid, ibid, p.
410-413（2014）５ ）Gerlach, T., Ruß, A., Böse, H.：Novel Hybrid
Magnetorheological Damper, ibid, p.74-77（2014）
６ ）Silge, M., Greiner-Petter, C., Sattel, T.：A Concept for
Vehicle Suspension Systems with Variable Mechanical
Impedance Based on Magneto and Electrorheological
Fluid Actuators, ibid, p. 78-81（2014）
７ ）Phu, D.X., Choi, S.-H., Kim, H.-C., Choi, S.-B.：
Optimal Design of a New Magnetorheological Mount
Using Flexible Valve-Type Structure, p. 82-85（2014）８ ）Ocana, M.I., Novillo, E., Zubieta, M., Cantero, C.：
Capabilities of Magneto-Rheological Suspensions in
Landing Gears, ibid, p. 488-491（2014）９ ）Jackel, M., Hansmann, J., Matthias, M., Melz, T.：
Development of a Magnetorheological Damper withan in Two Ways Adjustable Magnetic Field for an
Electrically Powered Car with Wheel Hub Motors,
ibid, p. 493-496（2014）10）Ludwig, D., Lindner, M., Tille, T., Maas, J.：Miniaturized
MRF-Based Pushbutton for Haptic Feedback in
Automotive Applications, ibid, p. 443-446（2014）11）Zoels, W., Goedecke, A., Bachmaier, G.：TheP i e z o h y d r a u l i c A c t u a t i o n P r i n c i p l e – Re c e n t
Advancements from Ultrafast to Long-Stroke Drives,
ibid, p. 130-133（2014）12）Lentner, K., Hermle, F., Christmann, M., Waitschat, A.,
Thielecke, F., Behr, R.M.：Piezo-Actuated HydraulicTransducer for Active Noise Reduction, ibid, p. 301304（2014）13）Devreker, A., Vander Poorten, E.B., Gijbels, A., Tran,
P.T., De Praetere, H., Herijgers, P., Vander Sloten, J.,
Reynaerts, D.：Towards Fluidic Actuation forCatheter-Based Interventions, ibid, p. 173-176（2014）14）Lipowski, M., Schüller, M., Nestler, J., Otto, T.,
Geßner, T.：Development of Micro-Valves for Pulsed
Jet Actuators, ibid, p. 572-575（2014）

フルードパワーシステム（原稿受付：2014年 ８ 月 ５ 日）

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

27

280

フルードパワーシステム

会議報告

FPNI 第８回 Ph. Dシンポジウムにおける
フルードパワー技術の研究動向

著

者

紹

表が行われた（図２，図３）．

介
いち

やなぎ

一 柳

たか

隆

よし

義

防衛大学校機械システム工学科〒239-8686 神奈川県横須賀市走水１－10－20
E-mail : ichiyana@nda.ac.jp

2001年神奈川大学大学院博士後期課程修了．
同年防衛大学校機械システム工学科助手．2014
年同大学校准教授，現在に至る．流体伝播振動，流体計測の研究に従事．日本フルードパワーシ
ステム学会，日本機械学会，計測自動制御学会などの会員．博士（工学）．

1．は じ め にFPNI 第８回 Ph. Dシンポジウム（The 8th FPNIPhD Symposium on Fluid Power）が2014年６月11日から13日にフィンランドのラッペンランタ工科大学（Lappeenranta University of Technology）で開 催 さ れ た（図１）． 本 会 議 は，Fluid Power Net
International（FPNI）の主催で３年に一度開催されてきたが，今回よりASMEのFluid Power System andTechnology Divisionとの共催となった．会議名の2．研究の動向
本会議では，以下の５つのテクニカルトラックに沿って各セッションが行われた．
・Design in Fluid Power Systems and Components
・Modeling and Simulation in Fluid Power・Hydraulic Hybrids in Transmission
・Coupled Simulation of Mechatronic Machines
・Control of Fluid Power Systems
ここでは，会議で報告された多数の興味深い研究についてその一部を紹介する．
パデュー大学（アメリカ）のMizellらは，38MPa
以上で運転する斜板式ピストンポンプ・モータのピ
ストンとシリンダーブロック間に着目し，ピストンとシリンダボアの材質の組合せが効率に及ぼす影響
をシミュレーションにより調べた1）．

「Ph. Dシンポジウム」から，博士課程の大学院生のみを対象とした会議との印象を受けるが，主催者側によると，博士課程のみならずフルードパワー関連の研究を行う世界中の若手の研究者（修士課程の学生，ポスドク，企業の研究員など）を対象としているとのことである．第８回目となる今回の会議では，15 ヶ国（27の研究機関）から参加者が集まり，２件の基調講演と若手の研究者による45件の研究発

図１28

ラッペンランタ工科大学

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

図２

セッションの様子

図３

コーヒーブレイク一柳隆義：FPNI 第８回 Ph. Dシンポジウムにおけるフルードパワー技術の研究動向

281

サマーラ国立航空宇宙大学（ロシア）のBadykova
らは，天然ガスの供給システムにおいて騒音源の一つである減圧弁の動特性をシミュレーションにより解析した．この減圧弁は，スロットルオリフィスを利用したサイレンサが挿入されており，その減衰性能やサイレンサが制御特性に与える影響を明らかにしている2）．
ドレスデン工科大学（ドイツ）のIvantysynらは，鉱山掘削用のような大型エクスカベータのアクチュ
エータシステムに対して，図４の左側に示すような開回路とポンプの押しのけ容積制御の組合せにより，

図４

２種類のDisplacement Control

掘削作業サイクルにおける消費エネルギーを35％低減できることを確認している3）．
浙江大学（中国）のYeらは，タンデム型斜版式
ピストンポンプの振動・騒音特性について，集中定数系モデルによる流体伝ぱ振動とFEMによる構造
伝ぱ振動を連成させたモデルを構築し，斜板角度による影響をシミュレーションと実験により調べている4）．
ラ ッ ペ ン ラ ン タ 工 科 大 学（ フ ィ ン ラ ン ド ） のLuostarinenらは，地下掘削用のホイールローダなどのOff－Highway用油圧ビークルのHILシミュレー
タを開発し，オペレータの運転スキルが油圧ビーク
ルの消費エネルギーにどのように影響するかを検証している5）．このシミュレータは，ラボツアーの見学コースに組込まれており，図５のような大型の３方向スクリーンに加え，ヘッドマウントディスプレ
イやモーションセンサ用いたマン・マシンインター
フェイスにより，オペレータの操作を正確に評価できるように工夫されていた．

3．お わ り に
本稿では，フィンランドのラッペンランタ工科大学で開催された第８回Ph. Dシンポジウムの研究動向についてその一部を紹介した．参加者の大半は15の国から集まった大学院生や若い研究者であり，技術セッションのみならず，バンケットやソーシャ
ルプログラムを通じて彼・彼女ら同世代間での国際交流や研究に対する活発な意見交換が頻繁に見受けられたことが非常に印象的であった．本会議は毎回場所を変えて開催されており，これまでの開催場所
は，ドイツ，イタリア，スペイン，アメリカ，ポーランド，フィンランドであった．2017年に行われる次回のシンポジウムの開催地はブラジルが予定されており，本会議が若手研究者の方々にとって，フルードパワーという共通話題を通して世界の同年代の研究者と交流できる良い機会であることを期待し

図５

 ボツアーによるOff－Highway Vehicleシミュレー
ラ
タの見学

たい．
参考文献
１ ）Mizell, D., Ivantysynova, M.：Material Combinations
for the Piston-Cylinder Interface of Axial Piston
Machines：A Simulation Study, Proc. of the 8th FPNI
Ph. D Symposium on Fluid Power, FPNI2014-7841（2014）２ ）Badykova, L., Stadnick, D., Afanasev, K., Igolkin, A.
and Sverbilov, V.：Study on Dynamics of Air Pressure
Reducing Valve With Focus on the Noise Attenuation
Problem, Proc. of the 8th FPNI Ph. D Symposium on
Fluid Power, FPNI2014-7856（2014）
３ ）Ivantysyn, R. and Weber, J.：Novel Open Circuit
Displacement Control Architecture in Heavy
Machinery, Proc. of the 8th FPNI Ph. D Symposiumon Fluid Power, FPNI2014-7806（2014）
４ ）Ye, S., Xu, B. and Zhang, J.：Investigation Into the
Effects of Index Angle on Fluidborne Noise andStructureborne Noise of a Tandem Axial Piston Pump,
Proc. of the 8th FPNI Ph. D Symposium on Fluid
Power, FPNI2014-7815（2014）
５ ）Luostarinen, L O., Åman, R. and Handroos, H.：Tool
for Studying Effects of Human Operators on Energy
Consumption of Working Hydraulics of Off-Highway
Vehicle, Proc. of the 8th FPNI Ph. D Symposium on
Fluid Power, FPNI2014-7825（2014）

フルードパワーシステム（原稿受付：2014年 ８ 月18日）

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

29

282

フルードパワーシステム

教

室

入門講座「トライボロジー」
第３回：摩耗について

著

者

紹

３．摩耗の種類

介
かざ

ま

風 間

とし

俊

はる

治

室蘭工業大学大学院〒050-8585 北海道室蘭市水元町27－１
E-mail : kazama@mmm.muroran-it.ac.jp
1988年横浜国立大学大学院修了．2005年 室蘭工業大学教授，現在に至る．主に，トライボロ
ジー，キャビテーション，設計工学などの教育研究に従事．日本フルードパワーシステム学会，
日本トライボロジー学会，日本機械学会等の会
員．博士（工学）．

1．は じ め に
前回までに「トライボロジー」の「摩擦」と「表面」の基礎について述べてきた．今回は「摩耗」について話を続ける．

2．摩耗について
2.1 摩耗の指標
摩擦に伴って固体表面部分に逐次減量が生じる現象を摩耗1）という．その減少体積を摩耗量（摩耗体積），滑り距離に対する摩耗量を摩耗率（摩耗速度），荷重に対する摩耗率を比摩耗量，比摩耗量に硬さを乗じたパラメータを摩耗係数と定義する．これらを表１にまとめる．
2.2 摩耗の変化
図１は，滑り距離L（または，しゅう動時間）と摩耗量Vの変化（摩耗進行曲線）の説明図である．
同図の曲線の傾きを摩耗率（摩耗速度）と呼ぶ．曲
線Ⅰは，摩擦開始後より相対的に高い摩耗率が生じ（初期摩耗），距離（時間）の経過とともに低い摩耗率となる（定常摩耗）ケースである．油空圧機器を含めて，多くの機械でしばしば見られる摩耗の進行過程といえる．ただし，直線Ⅱのように摩耗率がほぼ一定となるケースや曲線Ⅲのように摩耗率が増加するケースもある3）．摩耗量のみならず，摩耗率の変化にも注意が必要である．

30

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

摩耗は，摩擦の力学的条件，両摩擦材の性質，周囲の環境，熱や温度，物理的・化学的作用など，多くのパラメータに因ることを念頭に置くことが肝要である．摩耗の形態を一概に整理することは難しいが，代表的な分類例を表２に示し，以下に解説を加える．
3.1 凝着摩耗
はじめに，基本的なArchardの凝着摩耗モデルに触れる．図２に示すように，摩擦面に半径aの円柱
突起がn個存在し，荷重Wで接触する突起（図2a）が距離2aを移動して，半径aの円形凝着部において半径aの半球状の摩耗粒子が発生（図2b）すると考える．滑り距離Lで発生する摩耗量Vは，その排除
体積相当の摩耗粒子が確率kで発生すると仮定すれば
表１

摩耗の指標（H ：硬さ，L ：滑り距離，W ：荷重）

摩耗量，摩耗体積（Wear amount）［，摩耗質量］
V［㎣］［，M［mg］］
一定時間における体積［質量］減少量
摩耗率，摩耗速度（Wear rate）
w＝V/L［㎣/m, ㎣/㎜, ㎟］
単位摩擦距離当たりの摩耗量
摩耗の進行速度の予測
比摩耗量（Specif‌ic wear rate）
ws＝V/（LW）［㎣/（N・m）,㎟/N, ㎡/N］
単位荷重，単位摩擦距離当たりの摩耗量
摩耗の過酷さの評価
異なる試験条件や材料間の耐摩耗性の比較
摩耗係数（Wear coeff‌‌icient）
K＝HV/（LW）［無次元量］
摩耗粒子の発生確率に相当
通常，K＜１であり，一般に以下で分類できる
K＜10－４：マイルド摩耗，K＞10－４：シビア摩耗

2014年11月（平成26年）

風間俊治：入門講座「トライボロジー」第３回：摩耗について

283

2



n π（ d tan θ ） W
＝
H
2

⑸

したがって
V ＝

2k

LW

π tanθ

H
表２

図１

真実接触部の凝着結合の破壊に起因
概ね一般的

⑴

いま，突起の真実接触点で塑性変形をしているとすれば，接触圧力は軟質材側表面の塑性流動圧力に等しいと置けるので，硬さHを用いてn πa 2 ＝W / H
⑵
したがって
k LW
V ＝
3 H

摩耗の形態

凝着摩耗（Adhesive wear）

滑り距離L と摩耗量V

πa 2 kLn
1 4
 L
V ＝ kn  ⋅ πa 3 
＝

3
2 3
 2a

⑹

アブレイシブ摩耗（Abrasive wear）
硬質粒子／硬質表面突起の引掻き作用に起因激しい摩耗．機械のトラブルの大要因
疲労摩耗（Fatigue wear）
摩擦接触の繰返しによる表面近傍の疲労に起因
腐食摩耗（Corrosive wear）
雰囲気との化学的作用と摩擦の機械的作用に起因⑶

すなわち，摩耗量は滑り距離と荷重に比例し，硬さに逆比例することになる．法則としてまとめると
１）摩耗量は荷重に比例する
２）摩耗量は摩擦距離に比例する
３）摩耗量は軟らかい方の摩擦面硬さに逆比例する
つぎに，図３の模式図を用いて，凝着摩耗による摩耗粉の発生過程（移着成長モデル）2）を紹介する．
しゅう動面の突起部が接触し（図3a），内部破断により生じた小片が相手面に移着する（図3b）．これを移着素子という．移着素子は軟らかい面に生じやすいが，表面の凹凸形状や内部欠陥などにより硬い面に生じる場合もある．しゅう動運動により他の移

図２Archard の凝着摩耗モデル

着素子と集合を繰り返して移着魂となり，大きく成長して移着粒子を形成する（図3c）．
この粒子に摩擦力のモーメントが加わり，脱落してこの系の外に排出されたものが摩耗粒子となる．
なお，凝着摩耗の激しい場合をシビア摩耗，穏やかな場合をマイルド摩耗という．
3.2 アブレイシブ摩耗
アブレイシブ摩耗は，切削摩耗とも呼ばれる．これを図４のようにモデリングして考えてみよう．半頂角θの円錐突起が深さdで食い込んで距離Lを滑る
とき，摩耗量Vは2
V ＝ k ⋅ n ⋅ d L tan θ⑷
接触圧力は，真実接触部は円錐の片側になるとして，
前節の式（２）の導出と同様に

図３

 着成長モデル（a：接触，b：移着素子の発生，c：移
移着粒子の形成）

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

31

284

フルードパワーシステム

正味の筆記時間を30分とするとき，摩耗率はどの程度であったと考えられるか．
4.3 応用レベル【摩耗仕事】
摩耗形態図（Wear map）について調べてみよう．

図４

附録
略解１
避けたい例：靴底やゴムタイヤの擦り減り，衣類

アブレイシブ摩耗モデル

つまり，上述の凝着摩耗の１）～３）に以下の項目が付け加わる．
４）摩耗量は突起の鋭さに比例する
なお，摩耗粉や砂粒などの固体粒子（コンタミナ
ン ト ） を 介 し た し ゅ う 動 面 を 対 象 と す る 場合 はThree-body wearの問題として取り扱われる．
3.3 疲労摩耗
疲労摩耗は，転がり軸受の転動面や歯車の歯面のように，滑り摩擦に比して転がり摩擦が支配的な場合に生じる．垂直方向の繰返しの圧縮応力と引張り応力による表面の疲労破壊である．
たとえば，転がり軸受ではフレーキング（軸受が荷重を受けて運転されたとき，転がり疲れによって軌道面や転動体の表面がうろこ状に剥れる現象）やピーリング（転がり接触の繰返しによって表面が数㎜程度の深さで剥離する現象）が，歯車ではピッチ
ング（歯面に生じる小孔であり，表面から亀裂が入り孔に成長する損傷）やスポーリング（高い応力の繰り返しにより表面下内部で疲れが起こり，大きな金属片が表面から脱落して生じる損傷）1）が，たびたび見られる．
3.4 腐食摩耗の擦り切れ，刃物の切れ味低下，歯の摩耗（咬耗）など
利用している例：チョーク，鉛筆，消しゴムなど
略解２
たとえば，１秒で10㎝の運筆とすれば，滑り距
離は30分で累計180mとなるから，摩耗率wは2
πd 2 l11 74
3＝π＝ 3.52 ×10［ ㎣ ］ ⑺
V ＝
4 2
4 2
3

w ＝

V 3.52 ×10㎣－5＝＝ 1.95 × 10
m
L
180

⑻

略解３
Lim & Ashby（1987）のWear mapを図５に例示する．図中のⅠは焼付き，Ⅱは塑性変形が支配的な摩耗，Ⅲは超マイルド摩耗，Ⅳはマイルド酸化摩耗，Ⅴはシビア酸化摩耗，Ⅵは溶融摩耗．また，p*：無次元圧力＝W/（AH）, U*：無次元速度＝aU/α（A：見掛けの接触面積，a：ピンの半径，H：硬さ，U：滑り速度，W：荷重，α：温度伝導率）．

腐食摩耗は，化学摩耗とも呼ばれる．摩擦面と気体や液体の雰囲気との化学反応が支配的な場合に生
じる．

4．ク

イ

ズ

これまでと同様に，入門，基礎，応用の問題にチャレンジしてみて下さい．
4.1 入門レベル【身のまわりの摩耗】
我々の身のまわりで生じている摩耗について，可能であれば避けたい場面と，逆に利用している場面を挙げてみよう．
4.2 基礎レベル【チョークの摩耗】

図５

Wear map の例（鋼，ピンオンディスク試験）

参考文献
１ ）日本トライボロジー学会，トライボロジー辞典，養賢堂（1995）２ ）笹田直：摩耗，養賢堂（2008）
３ ）佐々木信也，志摩政幸，野口昭治，平山朋子：はじめてのトライボロジー，講談社（2013）

チョーク（直径 11㎜，長さ 74㎜）をある日の講義で使用したところ，終了時に半分の長さになった．

32

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）（原稿受付：2014年 ７ 月13日）

木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用５…類似文献の検索１

285

トピックス

特許文献を調べる・特許電子図書館の活用５…類似文献の検索１

著者

紹の一部に，表１に示す検索メニューがある．

介
き

はら

木 原

かず

和

ゆき

表１

幸

工業所有権協力センター〒135-0042 東京都江東区木場１－２－15
E-mail : k-kihara@sctv.jp
1974年神戸大学工学部計測工学科卒．東京計器入社，パワーコントロール研究室長，油空圧技術部長等を経て，現在に至る．比例弁，サー
ボ弁，ピストンポンプ等の油圧機器とそれらを制御するコントロールシステム等の開発に従事．
日本フルードパワーシステム学会会員．

1．は じ め に前稿までに国際特許分類（IPC）および日本における特許の分類の大まかな概要を紹介した．本稿では具体的な事例を想定して，いくつかのアイデアが発明になる可能性があるか否かを探っていく方法を示す．テーマコードだけである程度どのようなものがあるか推定できるようになっているが，これはある程度，検索を重ねた経験者でないと無理があると考える．たとえば，流量調整弁は圧力補償機能であることはJISB0142に定義されているように自明であるが，テーマコードの解説の中には圧力補償付流量調整弁の名称が用いられている．この名称は些細
なことであるが，定流量弁も含め，テーマコード
3H060安全弁Ⅱ（平衡弁，過剰流出弁）に分類されている．このテーマコード名から推定できるだろう か． さ ら に 流 量 制 御 で あ れ ば， 構 造 か ら は
3H052リ フ ト 弁（ 流 れ に 面 し て 開 閉 す る 弁 ），3H053スライド弁（流れに直交して開閉する弁，
たとえば，スプール弁）もある．駆動方式からは初心者向け検索

商票検索

特許・実用新案の検索

意匠検索

経過情報検索審判検索

特許・実用新案の検索を選択する．下記，12の項目が表示される．
①特許・実用新案公報DB②特許・実用新案文献番号索引照会③公報テキスト検索④公開特許公報フロントページ検索⑤特許分類検索⑥パテントマップガイダンス（PMGS）⑦パテントマップガイダンス（旧）⑧PAJ検索（英語表示）⑨FI／Fターム検索（英語表示）⑩外国公報DB⑪審査書類情報照会⑫コンピュータソフトウェアデータベース（CSDB）
検索
これらの一部を使用して，具体的なアイデアに対応して進める．

3．事例

2．検 索 画 面
特許電子図書館1）に示されている冒頭の表示画面

１

低騒音に関連し，ピストンポンプにおける適用を検討する．③公報テキスト検索を選択する．公報種
別は公開特許公報にチェックマークを付け，検索項
目選択は公報全文とする．キーワード検索画面の一部を表２に示す．

3H056流体制御弁，3H062電気駆動弁，3H106磁
気駆動弁もある．特許の請求項の内容により，付与されているFIが変わる．それに対応することになる．
ここでは，初めての人でも簡単に取り組める一つの方式を紹介する．

検索メニュー

表２

キーワード検索

公開特許公報（公開，公表，再公表）
検索項目選択

検索キーワード

公報全文（書誌を除く）

低騒音

公報全文（書誌を除く）

ピストンポンプ

公報全文（書誌を除く）

比例

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

33

286

フルードパワーシステム

一覧表示はヒット件数1,000件以内でないと表示できないのでキーワードで絞り込む必要がある．
１）低騒音 26,067件
２）低騒音×ピストンポンプ 104件
３）低騒音×ピストンポンプ×比例 26件$CC01はCC01が直接付与されているものを示す．
CC01＝$CC01＋CC02＋CC03となる．
（リスト）を選択すると，表３と同様の一覧表示となる．
件数が多い場合は，ほかの特徴も加味して，ヒッ

ここで，画面下部の（一覧表）を選択すると一覧表示画面に切り替わる．
このキーワードによる方式は漏れが多いと考えら

ト 件 数 を 絞 り 込 む． た と え ば 検 索 式 をAA01＊$BB04＊CC02とするとヒット件数は76となる．な
お，AA01は作動流体が油，BB04は型式がアキシャれる．たとえば，低騒音はローノイズかもしれない
し，騒音低減かもしれない．ゆえに，ここで絞り込めた特許文献のFI，Fタームを参照する．ここでは，
３）の26件から検討しているアイデアに近いもの

ル型（例．斜板）である．

を選ぶ．
一覧表示（出願人は未表示）は表３となる．たとえば，11の公報，特開平10-331759斜板式液圧機
械を選択する．この文献の課題は，小傾転，高圧，
高回転下で小型，軽量，高効率および低騒音の斜板式アキシャルピストンポンプ・モータの実現である
ので，類似文献と判断する．文献の表示と上段に（経過情報）などが表示される．（経過情報）を選択すると（基本項目）の画面が表示される．下段の（出願情報）を選択する．テーマコードは3H070往復動ポンプと3H084液圧モータである．ピストン
ポンプに限定し，3H070を選択する．FIはF04B1/007/06であり，付与されているFIはF04B １/22，２
組以上のシリンダまたはピストンを有するものとなっている．FIはピストンポンプの構造に関するものであるので，検討しているものに合うものを選ぶことになる．付与されているFタームの中で，低騒音に関係するものはCC03である．ただし，これだ
けではなく，低騒音に関係するFタームはCC00の目
標・効果の中にある．
CC01 ・騒音，振動防止
CC02
CC03
CC04

・・機械的な原因に基づくもの
・・流体力学的な原因に基づくもの
・キャビテーション防止がある．上記の・と・・は・が全体集合であり，・・が・の部分集合を示す．すなわち・の数が増えるほど，より限定された内容となる．
⑤特許分類検索を選択するとFI，Fターム検索ができる．テーマコードに3H070を入力し，検索式の欄をCC03とし，（検索実行）を選択するとそのヒット件数が表示される．
CC01
ヒット件数954
CC02
ヒット件数315
CC03
CC04
$CC01

34

ヒット件数488
ヒット件数227
ヒット件数183

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

表３

公報番号
1

一覧表示

発明の名称

特開2014-012559 製品ディスペンサシステム
車両の回生ブレーキ装置を

2

特開2013-252850

運転するための方法および車両の回生ブレーキ装置のための操作装置
内部圧力吸収部材を有する

3

特開2013-209990

4

特開2009-257288 可変容量型ポンプ

5

特開2006-213190 作業車両の制御装置

6特開2006-213188 作業車両の制御装置

7特開2006-057613 油圧ポンプ

8

特開2003-202001

9

特開2003-156005 ポンプ回転制御加圧装置

10特開2000-303837 冷却用ファンの駆動制御装置

11

特開平10-331759 斜板式液圧機械

12

特開平10-166199 液圧駆動式塑性加工装置

13

特開平10-141213 斜板式可変容量ピストンポンプ14

特開平08-312648 油圧ポンプモータの主軸すべり軸受

15

特開平07-137250 超音波プリンタ

16

特開平05-321815 液圧ポンプモータ

17

特開平05-169966 車両用暖房装置

18

特表2013-521676 渦電流トラップ付きRFIDシステム

19

特表2012-505370 製品ディスペンシングシステム

20

特表2011-510360 製品ディスペンサシステム

21

特表2010-538207

22

特表2005-517611 油 圧 シ ス テ ム 及 び 補 助 ユ

ポンプ及びポンプヘッド

可変容量型流体装置と同流体装置を備えた作業機

内部圧力吸収部材を有する
ポンプ及びポンプヘッド
車両用の油圧システム，同ニットを備えた車両
逆止弁タイミング装置を備

23

特表2000-509123

24

特表平10-505891

25

再表2010/098399 除振装置

26

再表2009/123047 建設機械の油圧回路

2014年11月（平成26年）

えた低ノイズ油圧ポンプ
少なくとも１本の液圧式軸を備えた装置木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用５…類似文献の検索１

4．事

例

ヒット件数を絞り込む．たとえば検索式をAA06＊
BB38と す る と ヒ ッ ト 件 数 は120と な る． な お，２

低騒音に関連し，リリーフ弁における適用を検討する．キーワードを表４に示す．
表４

AA06は弁座との係合部が円錐のものである．
3H066におけるFタームにおいて，低騒音に関係
するものは
BA32

キーワード検索

公開特許公報（公開，公表，再公表）
検索項目選択低騒音

公報全文（書誌を除く）

リリーフ弁

ヒット件数は104件である．表５に抜粋する．
表５

発明の名称

特開2014-058981 エンジン制御装置

2

特開2013-100823 エンジン制御装置

3

特開2013-068011 油圧作業機械の駆動装置

21

特開2009-162349 リリーフ弁21の公報，特開2009-162349リリーフ弁を選択する．この文献の課題は，異音の発生を十分に抑制できるリリーフ弁の提供である．この文献を調べるとテーマコードは３H059安全弁Ⅰ（リリーフ弁），
FIはF16K17/00-17/168であり，付与されているFIはF16K17/04G片側の過剰圧力によって開口するもの，片側の不充分な圧力によって閉口するものであり，さらに弁体がスプリング機能を有するものである．F16K17/04Zは片側の過剰圧力によって開口するもの，片側の不充分な圧力によって閉口するものであり，さらにそのほかのものである．もう一つのテ ー マ コ ー ド は3H066弁 の 細 部（Ⅱ），FIはF16K39/00～F16K51/02Zであり，付与されているFIはF16K47/02J水撃または騒音防止用で弁がリリーフ弁であるものとなっている．
3H059におけるFタームにおいて，低騒音に関係
するものは

BB38

・騒音防止
ヒット件数1,283
・振動防止

ヒット件数706
BA34 ・弁体のチャタリング防止
ヒット件数213
なお，FIも低騒音に関係するものである．
F16K47/02J水撃または騒音防止用で弁がリリー
フ弁であるものであり，検索式はF16K47/02＠Jとアルファベットの前に＠を入れる．ヒット件数は178である．
なお，ヒット件数を絞り込むときは，たとえば，
F16K47/02＠J＊BA32とすると108件となる．

抜粋

1

BB37

BA33

検索キーワード

公報全文（書誌を除く）

公報番号

287

・弁体のチャタリング防止・振動防止
ヒット件数645
・騒音防止
ヒット件数522

BB37＋BB38のヒット件数は1,005である．すな
わち，両方のFタームが付与されているものが162

5．お わ り に
本稿ではピストンポンプあるはリリーフ弁において低騒音に関するアイデアを有する人が，特許電子図書館のデータベースから類似案件を見出す方法を示した．もちろん，新たな機構を考案したい人が，
過去の文献を理解することにより，より良いものを考案するために用いることが可能である．
具体的に文献を見出す方法は，最初にテキスト検索により，類似文献を文献名称，課題などから見出し，どのようなFI，テーマコード，Fタームが付与されているか判断して，参考となる文献を検索する方法である．なお，本稿をより良く理解するために，前稿までの特許文献を調べる・特許電子図書館の活用12），23），34）および45）を参照されたい．
参考文献
１ ）特許電子図書館 http://www.ipdl.inpit.go.jp/homepg.
ipdl２ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
１ ・・・特許の基本，フルードパワーシステム，Vol.
44, No. 4，p. 241-243（2013）
３ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
２ ・・・特許の基本，フルードパワーシステム，Vol.
44, No. 6，p. 362-364（2013）
４ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
３ ・・・日本の分類・テーマコード １ ，フルードパワー
システム，Vol. 45, No. 2，p. 81-83（2014）
５ ）木原和幸：特許文献を調べる・特許電子図書館の活用
４ ・・・日本の分類・テーマコード ２ ，フルードパワー
システム，Vol. 45, No. 4，p. 184-186（2014）

件ある．件数が多い場合は，ほかの特徴も加味して， 

フルードパワーシステム（原稿受付：2014年 ７ 月30日）

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

35

288

フルードパワーシステム

トピックス

英国駐在記

著

者

紹

介
やま

だ

山 田

ひろ

宏

あき

昭

Kawasaki Precision Machinery（UK）Ltd.
E-mail : hyamada@kpm-uk.co.uk
早稲田大学大学院修士課程修了後，外資系企業数社を経て2009年㈱カワサキプレシジョンマ
シナリ（現，川崎重工業株式会社精密機械カン
パ ニ ー） 企 画 管 理 部 入 社．2013年 ９ 月 よ り
Kawasaki Precision Machinery UK Ltd.へ出向，現在に至る．）．

時間がとても短くなり，朝は暗いうちから出社し，帰社するころにはあたり一面が真っ暗になる．
気候は，メキシコ湾流の影響を強く受けるため，
上述のように緯度がきわめて高いにも関わらず温暖である．

1．は じ め に2013年９月から英国デボン州プリマスに拠点を置く，川崎重工業の欧州における油圧機器製造販売
拠点Kawasaki Precision Machinery UK Ltd.に出向．
言葉もままならない状態から始まった英国での駐在生活も気がつくと一年が経過していた．ここでは英国駐在記と題して，当地での生活について以下ご紹介したいと思う．

2．英国についてグレートブリテンおよび北アイルランド連合王国（グレートブリテンおよびきたアイルランドれんごうおうこく，英：United Kingdom of Great Britain

写真１

白夜６月23日21時30分撮影

3．英国における生活
3.1

英国の天気

英国の夏は，上記のように日が長く，天候は概し
and Northern Ireland），通称英国は，イングランド， て安定している．しかし，９月ごろに入ると，気候が様変わりし，雨勝ちになるとともに非常に移ろい
スコットランド，ウェールズ，北アイルランドの４やすくなる．晴れたと思ったら，突然雷雨になり，
つの「カントリー」から構成される立憲君主制国家
そしてまた薄日を見せるその様は，「一日の中にすであり，英連邦王国の一国である．
べての四季がある」という言葉で形容される．その国土面積は約24.3万平方キロメートルで日本のため，日本では雨の日に，当然のごとくさしていた
約３分の２倍，人口は約6,180万人で日本の約半分で，首都ロンドンには約１割以上の760万人が住んでいるといわれている．小職が駐在をしているデボン州のプリマス市は，人口20万人を抱える南西イ
ングランドの主要都市であり，ロンドンから約350キロに位置する．
緯度は北緯54度（日本は北緯36度）であり，サハリン（樺太）がおおよそ同じ緯度にあたる．そのため，夏場の日は非常に長く，夜の９時から10時まで明るい（写真１）．一方で，冬はその逆で日照

36

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

傘も，今となっては英国人に倣ってあまりささなくなった．雨が降っても，しばらくすればいずれ収まる，という経験則があるからだ．また，こちらでは雨のときには，傘代わりにフードを被る人が実に多いように思える．実際，シャワーと呼ばれる一時的な小雨が多い英国ではフードは実に重宝する．英国に来て初めてフードのそのような実用的機能に気づかされた．ところで，英国はとかく雨ばかりだといわれるが，実際には一日中雨が降ることはめったに

2014年11月（平成26年）

山田宏昭：英国駐在記

289

なく，年間降水量を日本と比較すると，日本よりもはるかに少ない1）．
3.2 大雨による被害
しかし，今年の始めは事情が少し例年と違った．
かつて例をみないほどの大雨が連日に渡り英国中を襲い，多くの地域で洪水に見舞われた．小職が駐在している南西イングランドデボン州においても甚大な被害があり，鉄道の線路が海に陥落した．復旧するまでは，鉄道は運休となり，それは数ヶ月に渡って続いた．日本とは異なり，復旧への対応は遅々としたものであったが，驚くべきはそうした対応の遅さに対する英国人の「寛容さ」だった．この地域に

写真２

名物フィッシュアンドチップス

限って言えば，バスを除いた唯一の公共交通機関である鉄道の運休状態が数ヶ月続いたわけだが，もし日本で同じ状況になったとしたら，鉄道会社に早期復旧に向けて各方面から大きなプレッシャーがかかることだろう．しかし，ここではそのようなことはほとんど聞かない．時間に対してはことさら寛容な英国人の姿を見た気がした．なお，英国人は時間に対する「寛容さ」を他人に対してと同じか，それ以上に自分自身に対しても寛容さを持っている．
3.3 食 生 活
英国と聞いた際，多くの人が思い浮かべるのが，その料理のクオリティであり，それは国際的にも有名だ2）．確かに，野菜は，くたくたになるまで加熱処理が施されていることは多々あるし，パスタに至ってはアルデンテで出てくることは稀である．味
付けは下味処理がなく単調であり，多くのレストラ
ンやパブのテーブルには各種調味料が置かれ，お客が自ら味付けをするシステムがとられている（もちうことだ．生憎だが小職が駐在するプリマスでは，「純粋な」日本食スーパーはない．そのため，数ヶ月おきに，日本食材を求めて片道３時間半をかけてロンドンへ足を伸ばしている．流石，日本人駐在員とその家族で４万人が生活し，留学生も２万４千人

ろん，きちんとした料理を出すお店もあります）．
供された料理に調味料を加えるのは，調理人に対する冒涜かとさえ思えるが，英国においては至って一
般的なことである．加えて，当地の料理は一般にボにものぼるだけあり，ロンドンには数多くの日本食材店がある．さらに，居酒屋，日本語の本屋，美容院なども充実しており，おおむね日常生活に困ることはないのではなかろうかという印象である．

リューム満点であり，摂取カロリーに気をつけないと肥大化することは必至である（写真２）．

3.4 パブの文化
英国といえばパブである．所謂大衆的な居酒屋とところで，英国ではお菓子をお弁当として持ってくる人を良く見かける（写真３）．栄養素を十分に摂取できる食事には到底思えないし，日常的にこのような食事をしているのだとすると，繊細な味覚はいう位置づけであり，気軽に入ることができる（写真４）．店にもよるが大抵いくつかの種類のビールを取り揃えている．諸説あるとは思うが，一般的には英国のビールといえばエールではなかろうか．特

持ち得ないのだろうと思える．社内でもとりわけ若年になるアプレンティス（徒弟）が昼食にこのよう徴としては，日本でお馴染みのラガーとは異なり，泡は少なく，風味はフルーティ，そしてキンキンになものを食べていることから，食産業を含めて英国の将来に不安を感じざるを得ない．
上述の諸々の事情から，外食から次第に小職の足は遠のき，自炊を基調とした食生活を営んでいる．
その際，我々日本人にとって重要になってくるのが，冷えたものが出てくることは例外で，生ぬるいものがお出ましすることもよくある．これを片手にしな
がら，立ちながら何時間もしゃべり続けるのが英国でよく見られる光景だ．日本人は一般的にグラスを空けるのが早いが，英国人は一杯のビールを中々空

調味料を含めた日本食材がどれだけ手に入るかといけることはない．ぬるくなると味がイマイチなラ

写真３

 ギリス人のお弁当の一例（お菓子，果物，ジューイスの組み合わせがオーソドックス）

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

37

290

フルードパワーシステム

ガーでは，とてもできない飲み方であるが，ぬるくなってもうまみがあるエールだからこそ成り立つ飲め，ボリュームを出し難い．そのため，概してボ
リュームを出す髪型が英国では好まれるようだ．だ

み方なのかもしれない．さらに，日本人と異なり，飲む際には，つまみをほぼ食べないのも彼らの飲み方の特徴だろう．我々日本人からすると，胃腸に負とすると，特段リクエストをしないと，ボリュームアップするような髪型にされそうだ．
赴任して久しく美容院へ行っていなかったが，意担を与える不健康な飲み方のように思えるが，同僚を決してある日美容院へ足を踏み入れた．必要以上と共に飲み会に行くと毎度のようにつまみなしになにボリュームを出すような髪型にされないようにする．以前，同僚につまみはないのかと聞いてみると， るために，念のため，写真を持参して行った．しか“Eating is cheating.”と言われたことがある．意味を聞いてみると，「食べるのは浮気．飲み会ではひたすら飲むべし」だそうである．そして彼に言わせると，飲みながらつまみを食べるなんて不健康極ましながら，切り始めてもらってから数分し，鏡に目を向けると，髪型は写真とは似つかぬヘルメットのようなものになっていた．どうやらボリュームを出す，出さないという次元ではなかったようだ．しかりないそうである．飲み方だけでは一概には言えなし，切られてしまったものは仕方がない．矢継ぎ早
いが，一般的な英国人と日本人の体型を見較べれば， に細かな指示を与え続け，１時間半ほどをかけてどちらがより健康的かは推して知るべしといったと
ころか．

「満足のいく」髪型に仕上げた．もちろん，冷や汗をかきながら髪を切ってもらったのは初めてであったが，慣れない英語を駆使して，妥協をせずに積極果敢に英国人に挑み，結果として意図を伝えることができたのは，個人的に大変意義深い経験となった．
またその副産物として，美容師さんと仲良くなれた．
どうやらいろいろと指摘をしてもらえたのが嬉しかったようである．

4．お わ り に

写真４

雑記という形でいくつかのトピックについて書かせて戴いた．知られているようで意外と日本では知られていない英国の姿について少しでも提供できたならば幸甚である．

パブの風景

3.5 美容院事情
続いて，度々失敗談を耳にする英国美容院事情についてご紹介したい．そもそも英国の美容院はなぜ評判が悪いのだろうか．その理由の一つは，どうや【脚注】
１ ）年間降水量は，ロンドンと東京でそれぞれ611mmと1,446mm. http://www2m.biglobe.ne.jp/ZenTech/world/infomation/kion/uk_london.htm

ら日本人と英国人の髪質の違い関係するようである．
日本人と英国人の髪の質は異なるとよく言われ，そのため，髪に関わる悩みやトラブルも両者の間では２ ）かつてフランスのシラク（元）大統領は，英国料理のことをさして，「あんなまずい料理を作る国民は信頼できない」と強烈な皮肉とも本音とも取れる発言をしている．
http://news.bbc.co.uk/1/hi/world/europe/4649007.stm

異なるようだ．日本人の髪は，コシがあり太く，湿気のある日は髪のボリュームを抑えたいという人が多い．一方で，英国人の髪の毛は細くて柔らかいた

38

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）（原稿受付：2014年 ８ 月 ８ 日）

嶋田愛子：九州工業大学

田中・渕脇・清水研究室

291

研究室紹介

九州工業大学著者

紹田中・渕脇・清水研究室

介
しま

だ

嶋 田

あい

愛

こ

子

九州工業大学大学院情報工学府情報工学専攻
機械情報工学分野（博士後期課程１年）〒820-8502 福岡県飯塚市川津680－４
E-mail : shimada@vortex.mse.kyutech.ac.jp
本研究室で修士号を取得，その後博士後期課
程に進学．非定常運動を行う壁面近傍に形成される渦に関する研究に従事．

続ドラマ「花子とアン」の柳原白蓮は石炭王の一人である伊藤伝右衛門とこの地に住んでいた．旧伊藤伝右衛門邸は本校から約１㎞のところにあり，飯塚
市内に残る数少ない石炭遺産である．また炭鉱王伊藤伝右衛門の功績を伝える唯一の文化遺産でもあり，ドラマの効果により前年比３倍以上の入館者数となっている．このような歴史情緒溢れ自然豊かな飯塚の雰囲気の中で日々勉学に励んでいる．

2．研究室の紹介

1909年に本学の前身である私立明治専門学校が開校し，戦後1949年に国立大学として九州工業大学が設立された．2009年には創立100周年を迎え，記念式典も行われた．現在，九州工業大学は，工学部のある戸畑キャンパス，情報工学部のある飯塚キャンパス，生命体工学研究科のある若松キャンパ
スの３つのキャンパスで構成されている．
私たちの研究室のある飯塚キャンパスは，1986
年に設置され５つの学科(機械情報工学科・知能情

田中・渕脇・清水研究室は情報工学部機械情報工学科にある研究室の一つであり，本学科においてとても歴史のある研究室である．本研究室では，平成26年度は社会人ドクターが１名，博士後期課程２名，博士前期課程16名，学部生12名が所属し，教授の田中先生，准教授の渕脇先生，助教の清水先生，
技官の肥後先生が在籍する．図１に日々の研究室の風景を示す．研究室では主に２～３人のグループで研究を行っており，各グループでのディスカッショ
ンだけではなく，研究の枠を超えたディスカションも積極的に行われており，各研究についての知識や

報工学科・電子情報工学科・システム創成情報工学科・生命情報工学科)がある．機械情報工学科について以下に示す．近年デジタル技術の普及に伴い機械そのものがコンピュータを内蔵し，それを制御す

技術の共有化とさまざまな研究を通しておのおのの研究への知見を広げている．
本研究室には，学部生，院生がそれぞれ本拠としている各部屋の他に，実験室，サーバールームがあ

1．九州工業大学の紹介るための情報技術が必要になってきたばかりでなく， る．実験室には回流水槽，高度流体可視化計測シス
製造する機械も複雑になってきた．そのため機械をテムで用いる高速度カメラやNd:YLFレーザーなど製造する方法も，またコンピュータを使って，付加があり，非定常運動を行う翼周りの渦や蝶の翅周り価値の高い製品を，迅速，かつ，低コストで作製すの渦構造に関する研究を行っている．ほかには，導る必要がある．これらのことから，従来の機械工学
電性高分子ソフトアクチュエータに関する研究もに加えて情報工学との融合が重要であり，本学科で行っており，多数の薬品やポテンショガルバノス
は設計・製造の基礎である機械工学とそれらをサ
タット，電子天秤を用い，低電圧で駆動音のしないポートする情報技術の統合をはかり，社会全体に大次世代のアクチュエータ開発に向けた実験を行ってきなインパクトを与える人材と技術を産み出している．
飯塚キャンパスのある飯塚市は，福岡県の中心部にあり，江戸時代は長崎街道の宿場町の一つとして，
明治時代には石炭産業の町として栄えたとても歴史いる．図２に実験室の写真を示す．また，本研究室には30台近くの数値解析用の計算機と相当数のソ
フトウェア・ライセンスがある．各研究につき最低一つは計算機が支給されており，おのおのの研究グのある町である． また，現在放映中のNHK朝の連

ループはその計算機を用いて研究を行っている．
上記したように，本研究室では主に流体が関連すフルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

39

292

フルードパワーシステム

る諸問題についての研究を行っており，飛翔生物の周りに生じる渦流れに関する研究や非定常運動を行

3.2 油圧制御弁の振動問題の原因究明とその対策
油圧システム制御の要である油圧制御弁（スプーう翼周りの渦流れに関する研究，流体と構造の連成についてや油圧や空気圧に関するシステム動特性についてのさまざまな研究を行っている．以下に油圧ル弁）の振動問題が多数報告されている．スプール
弁の研究はこれまでに盛んに行われてきているが，スプールとスリーブのもつ㎛オーダーの隙間まで含振動に関する研究を紹介する．

めたものはこれまでに行われていない．そのため，
この隙間からの漏れが系に及ぼす影響やその効果などはいまだ不明である．そこで，㎛オーダーの隙間まで含めたスプール弁の振動問題の原因究明とその対策確立に勤しんでいる．目的達成へのアプローチ
は前記同様に，システムの動特性を把握するために
一次元システムのモデル化と動特性解析，および形状や流れ場の変化を確認するために三次元数値流体解析を用いることで問題の解決に取り組んでいる．

図１

三次元解析では汎用数値流体解析コードを用いて，弁内流れを定常／非定常解析し，出力圧力や流量，
流体力を実験結果・数値解析結果と比較することで，隙間を含めた数値解析結果の妥当性の検証を行って研究風景いる．最近ではこの手法も随分確立されてきており，
油振のメカニズムを明らかにするなど旺盛に研究活動を展開している．

4．行

図２

実験室

3．研究紹介（油圧回路，油圧弁を中心として）
3.1 油圧回路で発生する油圧振動の解明と抑制
油圧回路（たとえば，自動車のオートマチックト
ランスミッションの構成要素の一部であるバルブボ
ディなど）では，特定の条件下でバルブや圧力が振動する問題がしばしば生じる．その原因を解明し，抑制法に関して対策を確立する研究が行われている．
具体的には，油路とバルブを対象として，相互の影響を考慮した油圧回路の一次元モデリングおよび動特性解析と三次元CFD解析とを組み合わせて，振動事

研究室では週に一度の研究会の他に毎年多数の行事が開催されている．春には花見を行い，新しく研究室に所属する学部生との交流を図り，新年度になり新体制になった研究室の新たなスタートが切られる．主に６月と12月に年二回の研究室旅行が行われ昨年度は大分の久住と鹿児島の霧島に赴き，サッカー大会やバーベキュー，夜は鍋を食べながら飲み会をすることにより信頼関係の構築や交流を行っている．今年は６月に熊本の阿蘇に研究室旅行に行った．図３には今年度のゼミ旅行の集合写真を示す．
今年度は女子学生が３人在籍しており，他研究室に比べ女子学生の数がとても多い．また秋には毎年他大学と合同でソフトボール大会を行っている．本研
究室では一年を通して定期的に運動を行っているた
め，大会では毎年優勝候補の強豪チームである．昨
年度は，本研究室のチームが大会で優勝を果たした．

の要因解明を行う．すなわち油路およびバルブの三次元解析結果を一次元動特性解析へフィードバック

図４には昨年度のソフトボール大会の写真を示す．
これらの活動を行うことにより，研究室には学年同することで，一次元モデルの高精度化および最適化を行う．最終的には，これら一次元モデルより，油圧回路における振動要因の効率的な解明方法の確立を行っている．本研究室で実践される一次元モデル

士の強い繋がりの他に，学年を超えた研究室内での強い絆や団結力というものが生まれているのではな
いかと考える．また旅行や運動のみではなく，定期的に他大学の先生を招いて研究会を行ったり，他大学と合同で年に一度，数値解析に関する研究会とし化手法はボンドグラフ法であり，数名の学生が専門に取り組んでいる．

て，九州北部ANSYS-CFXコンソーシアムを主催したりと向上心に溢れ，日々何かを吸収しようと貪欲40

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

嶋田愛子：九州工業大学

田中・渕脇・清水研究室

293な研究室である．研究室の雰囲気は，メリハリがあり活気に溢れており，全員が熱意を持って自主的により一層研究に真剣に向き合うようになる．また研究に関しても先生のお勧めの参考書や過去の文献を研究に励んでいる．

探してくださるなど献身的にサポートしてくださる．
研究者としてだけでなく，人生の大先輩として大変魅力的な先生は，生徒から親しまれ，尊敬されてい5．私の研究について
私たちの身の周りにはたくさんの渦が渦巻いていることを知っているだろうか？自動車や飛行機だけ
でなく，海や川，山などにも渦がある．その渦に関する問題は気象等だけではなく流体機械にも発生している．私はその渦と壁面の移動についての研究をる．このような先生のもとで研究を行えていることは大変な幸だと思っている．先生の良い点ばかり記述したのだが，このような場であるので仕方がないと感じていただきたい．

行っている．壁面の近傍には小さな渦がたくさん密集しており，その渦によって機械や物体に働く力というものが決定される．この渦は効果的な力を生み出す役割と相対して，さまざまな問題を発生させる要因にもなっている．この両義的な役割を及ぼす渦と境界条件である壁面との関係を明らかにすることが私の研究である．本研究室では蝶の翅周りの渦構造について調べていると上記したが，羽ばたいてい
る蝶のまわりには渦輪と呼ばれる渦の輪が発生していることを知っているだろうか．このような渦を私たちは普段見ることはできない．しかしながら，可視化を行うことにより渦を捉えることが可能になるのである．この渦をうまく利用することにより，蝶のように羽ばたく効率的なロボットを作ることが可能になるかもしれない．また壁面をうまく制御する
ことにより私たち自身が空を飛べるようになる日もやってくるのではないだろうか．これは夢物語かもしれないが，大きな夢をもって研究により組むのは魅力的である．

図３

集合写真

6．田中先生のこと
田中先生は，とてもパワフルで優しい先生である．
昔はとても怖かったという話を伺うこともあるが，今ではそのような姿はめったに拝見することはない．
先生は会議や講義等の学内の仕事以外に多数の学外の仕事も行っているため，忙しく研究室にいる時間も限られているが，研究室にいる時にはお忙しいにも関わらず私たちの時間を確保していただける．先生は研究に関する私たちの話しに耳を傾けてくれるだけではなく，雑学を交えたさまざまなことについての大変興味深い話もしていただける．そのため，

図４

ソフトボール大会

7．お わ り に
本研究室のHPがありますので，興味を持った方はぜひ以下のURLにアクセスしてみてください．最近は研究室HPを手入していないことに気が付いたので，これを機会に再整備する予定である．
http://tanakafutiwaki-lab.jp/

先生と話した後には心持も変化し，今後の日本を担う技術者としてより精進しなければならないと感じ， 

フルードパワーシステム（原稿受付：2014年 ８ 月 ４ 日）

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

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フルードパワーシステム

企画行事

平成26年春季フルードパワーシステム講演会報告

著

者

紹

質が変化する機能性流体である．これらの機能性流

介
か

とう

加 藤

とも

友

のり

規

福岡工業大学工学部知能機械工学科〒811-0295 福岡県福岡市東区和白東３－30－１
E-mail : t-kato@fit.ac.jp

2007年東京工業大学大学院博士課程修了．都立高専助手～助教を経て，2010年福岡工業大学
助教，2012年同大学准教授，現在に至る．空気
圧制御に関する研究に従事．日本フルードパ
ワーシステム学会，日本機械学会などの会員．
博士（工学），技術士（機械部門）．

体の創製・評価，機能性流体を活用した特徴的な
種々の機械要素・システム，そして機能性流体と油圧，空圧，電動などとの融合化によるフルードパ
ワーシステムの新たな展開などに関する研究発表を募集し，機能性流体が拓く新たなフルードパワー関連技術の情報交換の場としたい．」ということであり，計２室で10件の発表がなされた．筆者の研究
室の発表を含め，気液相変化アクチュエータに関する２件の発表も本セッションにて行われた（写真１）．

1．は じ め に
本年５月29日（木）・30日（金）の２日間，機械振興会館本館（東京都港区芝公園３-５-８）において，平成26年春季フルードパワーシステム講演会が開催された．本講演会では，以下のとおり２種類のオーガナイズドセッション（OS）と製品技術紹介セッション，そして２種類の一般セッションが企画され，計49件の講演発表がなされた．
OS「機能性流体による融合化新展開」：10件
OS「フルードパワーのトライボロジー」：３件
製品技術紹介セッション：６件
一般セッション「油圧・水圧」：16件
一般セッション「空気圧」：14件
また，会期前日の５月28日（水）の午後には，春季講演会併設セミナーが同会場にて開催された．
さらに，５月30日（金）午前には，特別講演が開催された．
本記事では，５月29日（木）・30日（金）の２日間の講演会について，概要を報告させていただく．

2．各セッションの概要
2.1

OS：機能性流体による融合化新展開

写真１

 演発表の様子（OS：機能性流体による融合化新講
展開）

2.2 OS：フルードパワーのトライボロジー
本OSのオーガナイザは小曽戸博氏（株式会社タカコ）と一柳隆義先生（防衛大学校）であった．本
OSの趣旨は，「省エネルギーや環境問題が叫ばれる
社会情勢下において，フルードパワー機器の高効率化や信頼性などを下支えするトライボロジー技術はますますその重要性が高くなっている．作動油や潤滑などフルードパワーのトライボロジーに関する分野や，その周辺技術についての講演を広く募集した

本OSのオーガナイザは中野政身先生（東北大学）と吉田和弘先生（東京工業大学）であった．本OSい．」ということであり，３件の発表がなされた．
2.3 製品技術紹介セッションの趣旨は，「ER流体，液晶，EHD・ECF，MR流体，
磁性流体および機能性ソフトマテリアルなどは，電場や磁場などの外場に反応して流体の物理化学的性

本セッションは，企業から多数ご発表いただくことを目的とし，平成10年春季講演会から続いている企画である．本講演会では企画委員の成田晋氏

42

フルードパワーシステム

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第６号

2014年11月（平成26年）

加藤友規：平成26年春季フルードパワーシステム講演会報告

295（KYB株式会社）が企画の取りまとめと座長をご担当され，企業からの発表４件と大学との共同開発事
例１件，そして大学発ベンチャーの事例１件の計６件の発表がなされた．
2.4 一般セッション：油圧・水圧
一般セッション「油圧・水圧」では，計４室において16件の講演がなされた．筆者が講演論文集から判断する限り，14件が油圧に関する発表で，２件が水圧に関する発表であった（写真２）．

写真３

特別講演（東工大：進士忠彦

教授）席となった（写真３）．

4．お わ り に
５月30日（金）午後５時からは総会に引き続き，技術懇談会が開催された．技術懇談会では開会に先立ち，平成25年秋季フルードパワーシステム講演会（神戸）の最優秀講演賞の授与が行われた（写真４）．
写真２

講演発表の様子（油圧・水圧）

2.5 一般セッション：空気圧
一般セッション「空気圧」では，計４室において14件の講演がなされた．なお，本セッションのうちの１部屋は29日（木）の午後に行われたが，会場手配の都合上，この部屋だけが本館地下１階の部屋になってしまったことは，主査として申し訳なく感じた．

3．特 別 講 演
５月30日（金）午前10時40分より約１時間，特別講演が行われた．講師は進士忠彦先生（東京工業大学精密工学研究所教授）で，演題は「磁気軸受を

写真４

平成25年秋季講演会の最優秀講演賞の授与

用いた使い捨て遠心血液ポンプシステムの開発」であった．また，講演概要は「補助循環や人工心肺に
１ヶ月連続使用可能な使い捨てタイプの磁気浮上遠心血液ポンプを開発している．本講演では，羽根車

その後，東工大の香川利春先生（旧会長）・上智
大学の築地徹浩先生（新会長）のご挨拶により懇談の磁気浮上法，血液ポンプの生体適合性を含めた性能評価法，血液ポンプを構成する磁気軸受やモータ

なお，筆者は本学会企画委員として，本講演会の主査を担当させていただいた．本講演会にご協力いただきました皆様に深く感謝申し上げます．

を用いた流量推定法などを紹介する．
」であった．
なお，本特別講演は学会の社会貢献の一環として一般公開（入場無料）とされ，聴講者で会場はほぼ満が開始され，最後は元会長で東工大名誉教授の中野和夫先生による一本締で閉会となった．



フルードパワーシステム（原稿受付：2014年 ６ 月23日）

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

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フルードパワーシステム

コーヒーブレイク

手押し消防ポンプ
大

橋

しくみ編
彰

（（一社）日本フルードパワー工業会）

知りたかった消防ポンプの構造

救火喞筒の作動原理説明

前号1）の井戸ポンプ・ファミリー編で紹介した押上ポンプ2個を対にしたものが消防ポンプである．

Webに公開された物理学の全頁は，本文もかな
り鮮明に読める1）．わかる範囲で平仮名に直して紹介すると，図２の救火喞筒の説明は以下となる．

図１は、前出の宇田川準一訳，物理学（1888，明治21年）の表紙であり，そこでは救火喞筒（きゅうかそくとう）と称し，図２の断面図を掲載している2）．
日本では古くは龍吐水（竜吐水）と言い，新しくは腕用（わんよう）ポンプとも言われる．いわゆる消防用喞筒（消防用ポンプ）である．見たことがある方も多かろうし各地で保存されている．間断なく水を噴出させて消火効率が上がるよう，空気室を中央に備え，圧縮された空気の圧力を利用している．

図１

物理学表紙

図２

救火喞筒

「この器械は壓上喞筒２個と気室１個とを合成したる者にして，その製造及び用法は第153図を以って了解すべし．（ア）（イ）は活塞にして（ウ）軸のために自由に動くべき（エ）（オ）の槓杆に連結し交番上下すべきもの（カ）は気室（キ）は噴水嘴を具うる枝管と連通する孔（ク）（ケ）（コ）は吸上管と連通する貯蓄処なり．かくて（ア）の活塞を抽退すれば（サ）の合頁を排してその上部に入る．この活塞を推進すれば（ケ）の合頁は水圧のために閉じるが故に水は（シ）の合頁を開きて気室（カ）に入る．この時にあたり（イ）の活塞は上昇するを以って水は（ス）の合頁を開きその上部に入る．またこの活塞を推進すれば（ス）の合頁は閉じるを以って（セ）の合頁を排して気室（カ）に入る．この如く２個の活塞，交番上下して止まざれば，水，常に浸入し気常に圧縮せらし，その弾力強大にして水の噴進すること間断なし．蓋し精巧の器械にあっては水の噴出する百尺以上の高処に及ぶ者なり．」

明治時代の物理学書・補足

図３に島津製作所創業記念資料館で撮影した消火図１は洋書の翻訳・編集版である．この本の前にポンプ模型を示す．理化学器械教材として販売され，
物理全志，全10冊（初版1878，明治８年）があり，外観図と販売価格を記載した目録（1937年）3）に￥20,000とある．企業物価指数の変遷から，現在のさらに辿ると，福沢諭吉，窮理図解，全３冊がある．
10万円くらいと推測される．図４はカットモデル
図１はG.P. Quackenbos，Natural Philosophy（1870）の写真であり，資料館の館長からいただいた．これが原典で，訳者の宇田川氏は群馬県師範学校の最初を見ると弁の位置などがよくわかる．
の物理学の先生とのこと．当時，器械を用いて物理を教えることを実践し，明治10年代に一種の理化実
験指導書出版のブームが起きていたようだ4）．

図３

44

消火ポンプ模型

フルードパワーシステム

図４
第45巻

同カットモデル第６号

参考文献
１ ）大橋，手押し井戸ポンプ・ファミリー編，フルードパ
ワーシステム，Vol. 45 No. 5（2014. ９ ），p43，近代デジタルライブラリー２ ）宇田川，物理学，1888（明治21）
３ ）島津理化学器械目録500号（1937）『窮理図解』とNatural Philosophy，群馬大学
４ ）高橋浩，
図書館報，No.287（2002.12），3-5

2014年11月（平成26年）

会告

理事会・委員会日程

会

297

告

〈理事会・委員会日程〉
11月10日

委員長会議

11月13日基盤強化委員会

11月25日

理事会

11月28日編集委員会

12月 ５ 日

企画委員会

１ 月22日情報システム委員会

６）その他
第２回企画委員会
９月10日 15：00 ～ 17：00 機械振興会館
地下３階 B3―３号室（出席者18名）
１）平成26年度実施の事業に関する報告・審議事項
・オータムセミナーについて
・ウインターセミナーについて
・IFPEX2014学会主催講演会について
・公益事業について
・その他〈第３回理事会〉

２）平成27年度実施の事業に関する報告・審議事項
・春季講演会及び併設セミナーについて

９月22日 15：00 ～ 17：00 機械振興会館

・秋季講演会について

地下３階 B3―９号室（出席者15名）

・オータムセミナーについて

１）平成26年度フェロー認定推薦状況について・ウインターセミナーについて

２）第三回日中ジョイントワークショップ事業報告

・その他

３）学会シンボルマークの登録について

３）その他審議・確認事項

４）フルードパワー道場９第２回開催案内

・平成26年度オータムセミナー会告について

５）国際シンポジウムの進捗について

・平成26年度ウインターセミナー会告について

６）第10回国際シンポジウム実行委員長報告

・WGの構成について

７）平成26年度学会賞選考委員長について

・企画委員会開催予定時期，審議事項及び次年度事業主査確

８）会員の推移と入退会者について

定のタイミングについて

９）IFPEX2014カレッジ研究コーナー報告

・その他

10）その他

第２回情報システム委員会〈委員会報告〉10月２日 16：00 ～ 17：30 法政大学市ヶ谷キャンパ
ス，新見附校舎９階・創造空間サロン１（出席者７名）

第２回委員長会議

１）会議報告担当について

９月４日 15：00 ～ 17：00 機械振興会館

２）会員管理システムの経過報告

６階６―63号室（出席者７名）

３）事務局情報機器の更新と購入について

１）平成26年度フェロー認定者推薦状況について

４）HP更新作業状況について

２）平成26年度学会賞選考委員長推薦について

５）今後のHP更新作業について

３）第三回日中ジョイントワークショップ事業報告６）委員の増員について

４）フルードパワー道場９第２回開催案内

７）その他

５）国際シンポジウムの進捗について
６）第10回国際シンポジウム実行委員長報告

第３回編集委員会

７）学会事務局の情報機器の更新について

10月３日 14：00 ～ 17：00 東京工業大学田町キャン

８）学会の財務基盤の強化の進捗状況について

パスキャンパスイノベーションセンター 7F―706会議室９）その他（出席者15名）
１）学会誌発行報告

第２回基盤強化委員会

２）学会誌編集計画について

９月９日 15：00 ～ 17：00 機械振興会館

・Vol.45 No.6 ｢アディティブ・マニュファクチャリング

地下３階 B3―９号室（出席者12名）（積層造形／3Dプリンタ｣

１）会員サービス，会員数増加について

・Vol.45 No.6小特集 ｢日本フルードパワーシステム学会

２）外部への情報発信について活動の紹介｣

３）フルードパワー育成道場について
４）フルードパワー・バーチャルミュージアムについて
５）IFPEX2014の準備状況について・Vol.46 No.1「IFPEX2014特集号」
・Vol.46 No.2「フルードパワーにおける故障予知技術

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

45

298

フルードパワーシステム（案）」

・トピックスについて・Vol.46 No.3「国際シンポジウム21014（仮）」・Vol.46 No.4について

３）その他

・原稿確認マニュアルについて

・会議報告

「名誉会員

市川常男氏の逝去を悼む」（平成26年８月30日ご逝去）
ご略歴
1922年２月27日生
1942年

浜松工業高等学校卒業

1945年

東京工業大学機械工学科卒業

1945年

東京工業大学研究助手

1946年

浜松工業専門学校講師

1949年

静岡大学講師

1951年

静岡大学助教授

1959年

静岡大学教授

1979年

豊橋技術科学大学教授

1980年

静岡大学名誉教授

1987年

佳木斯工学院顧問教授

1987年

愛知技術短期大学教授

1987年

豊橋技術科学大学名誉教授

1988年

華東理工大学名誉教授

1989年

大連鉄道学院顧問教授

1992年

愛知技術短期大学退職

1984年～1985年 ㈳日本油空圧学会副会長
1985年～1988年 ㈳日本油空圧学会会長
1989年㈳日本油空圧学会名誉会員

本学会元会長 静岡大学名誉教授・豊橋技術科学大学名誉教授 市川常男先生は，病気療養中のところ，去る８月30日92歳にてご逝去されました．
先生は1970年に本学会に入会され，各種委員会委員や委員長を歴任され，1984年度に副会長，1985年度から1987
年度の３年間会長の要職を務められ，学会の発展に多大の功績を挙げられました．また，1989年には名誉会員に推挙されています．特に歯車ポンプの研究で広く知られ，研究成果をまとめた著書「歯車ポンプ」は同ポンプ設計技術者の必携の書として長く活用されてきました．さらに，1979年に，油圧に関する教科書的な著書「油圧工学」を日比昭先生と共著で執筆され，私は学生時代にその本で油圧の勉強をさせて頂き，現在も参考にさせて頂いています．これらの他にも，
油空圧機器・要素の研究で多くの成果を挙げられました．
ここに市川常男先生の長年にわたる本学会に対する多大なご貢献に深く感謝申し上げるとともに，ご冥福を心からお祈り申し上げます．


46

会長 築地 徹浩（上智大学）

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

会告共催・協賛行事のお知らせ

会

299

告

共催・協賛行事のお知らせ
協賛行事
2014年度 計算力学技術者（CAE技術者）資格認定事業（個体力学分野の有限要素法解析技術者・熱流体力学分野の解析技
術者・振動分野の有限要素法解析技術者）
URL：http://www.jsme.or.jp/cee/cmnintei.htm
主催：一般社団法人機械学会
試験日程：上級アナリスト 2014年９月23日（火），１・２級12月20日（土）
キャビテーションに関するシンポジウム
主催：日本学術会議 第三部（予定）期
日：平成26年11月20日（木），21日（金）会
場：東京大学生産技術研究所（〒153-8505

東京都目黒区駒場4-6-1）

No.14－105講習会「産業に役立つアクチュエータ研究開発の最前線」
主催：一般社団法人日本機械学会（機素潤滑設計部門企画）
開
催：2014年12月４日（木）会
場：名古屋大学ベンチャービジネスラバトリーベンチャーホール【名古屋市千種区不老町／電話（052）
789-5447／地下鉄名城線名古屋大学駅３番口より徒歩３分／ http://www.vbl.nagoya-u.ac.jp】
第15回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
主
催：公益社団法人計測自動制御学会システムインテグレーション部門
開催：平成26年12月14日（日）～17日（水）連 絡 先：〒112-8551 東京都文京区春日1-13-27 中央大学理工学部精密機械工学科
SI2014実行委員長 大隅 久 E-mail：osumi@mech.chuo-u.ac.jp
SICE事務局：部門協議会担当 E-mail：bumon@sice.or.jp TEL：03-3814-4121
No.15－204「第6回機素潤滑設計生産国際会議（ICMDT2015」）
主催：一般社団法人日本機械学会（機素潤滑設計部門企画）
開
催：2015年４月22日（水）～ 25日（土）会
場：沖縄コンベンションセンター（沖縄県）
問合せ先：〒160-0016 東京都新宿区信濃町35番地 信濃町煉瓦会館5階
一般社団法人日本機械学会 機素潤滑設計部門担当 高橋 綾
電話（03）5360-3504 FAX（03）5360-3507 E-mail：a.takahashi@jsme.or.jp

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

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300

フルードパワーシステム

会

告

会

員

移

動

会員の種類

正 会 員

海外会員

学生会員

賛助会員

会 員 数
（10月10日現在）

941

15

124

136

差引き増減

－２

０

－３

＋２

（注１）正会員の内訳 名誉員13名・シニア員38名・ジュニア員159名

賛助会員㈱曙ブレーキ中央技術研究所㈱神崎高級工機製作所

正会員
熊谷 賢人（日立建機㈱）伊藤 貴廣（㈱日立製作所）

兼述 秀樹（㈱神崎高級工機製作所）

神川 伸久（㈱神崎高級工機製作所）

吉田 尚仁（㈱ジェイテクト）

平成26年度ウインターセミナーのお知らせ「大型機械・大型施設で活躍するフルードパワー」
開催日：平成27年３月２日（月）午後13時～17時（予定）

開催趣旨：

開催日時：平成27年３月２日（月）様々な分野で液圧技術が活躍しております．昨年のウイン
ターセミナーで大変好評であった「大型機械と油圧技術」の第

午後13時～ 17時（予定）開催場所：機械振興会館

二弾として，本セミナーにおいても，大型機械や大型施設で活（東京都港区芝公園３－５－８）

躍する液圧技術の現状と今後の可能性について展望したいと思

詳細は学会ホームページに随時掲載いたします．

います．

皆様の積極的なご参加をお待ちしております．

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フルードパワーシステム

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資料一覧表

会

301

告

資料一覧表
価格は，
（一社）
日本フルードパワーシステム学会事務局までお問い合わせください．
資 料 名

発行年月

平成元年春季油空圧講演会講演論文集

元年 ５月

平成元年秋季油空圧講演会講演論文集

元年11月

平成２年秋季油空圧講演会講演論文集

２年11月

平成３年秋季油空圧講演会講演論文集

３年11月

平成４年春季油空圧講演会講演論文集

４年 ５月

平成４年秋季油空圧講演会講演論文集

４年10月

平成５年春季油空圧講演会講演論文集

５年 ５月

平成５年秋季油空圧講演会講演論文集

５年11月

平成６年秋季油空圧講演会講演論文集

６年10月

平成７年秋季油空圧講演会講演論文集

７年11月

平成８年春季油空圧講演会講演論文集

８年 ５月

平成８年秋季油空圧講演会講演論文集

８年10月

平成９年春季油空圧講演会講演論文集

９年 ５月

平成10年春季油空圧講演会講演論文集

10年 ５月

平成10年秋季油空圧講演会講演論文集

10年11月平成12年秋季フルイドパワーシステム講演会講演論文集

12年10月

平成13年春季フルイドパワーシステム講演会講演論文集

13年 ５月

平成13年秋季フルイドパワーシステム講演会講演論文集

13年11月平成14年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

14年 ５月

平成15年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

15年 ５月

平成16年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

16年 ５月

平成16年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

16年11月

平成17年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

17年 ５月

平成18年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

18年 ５月

平成18年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

18年11月

平成19年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

19年 ５月

平成19年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

19年11月

平成20年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

20年 ５月

平成21年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

21年 ６月

平成21年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

21年11月

平成22年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

22年 ５月

平成22年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集

22年12月

平成23年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

23年 ５月

平成24年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集

24年 ５月

平成11年IFPEXフルイドパワーシステムワークショップ講演会講演論文集

11年10月平成14年IFPEXフルイドパワーシステムワークショップ講演会講演論文集

14年 ６月フルードパワーシステム

第45巻

第６号

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フルードパワーシステム

平成17年IFPEXフルイドパワーシステムワークショップ講演会講演論文集

17年 ８月

平成20年IFPEXフルイドパワーシステムワークショップ講演会講演論文集

17年 ４月

平成23年IFPEXフルイドパワーシステムワークショップ国際見本市論文集

23年 ７月

平成26年第24回IFPEXカレッジ研究発表展示コーナー論文集

26年 ９月フォーラムʼ91「賢い電子油圧制御をいかに実現するか」


３年 ７月

フォーラムʼ92「ここまできた電子油空圧制御システム」


４年 ７月

フォーラムʼ94「油空圧駆動と電動駆動の現状と課題 その１」


６年 ７月

フォーラムʼ95「油空圧駆動と電動駆動の現状と課題 その２」


７年 ７月

フォーラムʼ96「油空圧技術を支えるトライボロジー」


８年 ７月

フォーラムʼ97「21世紀を見つめた新技術開発」


９年 ７月

フォーラムʼ98「オフロードビーグル用走行装置の動向」


10年 ７月フォーラムʼ99「技術開発におけるトラブル事例」
11年 ７月フォーラム2000「油空圧機器の省エネルギー化はこれだ！」


12年 ７月フォーラム2001「自動車における最新油空圧技術の動向」
13年 ７月フォーラム2002「電動かフルードか」

14年 ８月フォーラム2003「電動かフルードかⅡ」

15年 ５月フォーラム2003「最近の緩衝・制振・免振技術」


16年 ５月オータムセミナー「油空圧のセンシング技術」


元年10月

オータムセミナー「メカトロニクス関連センサ」


２年10月

オータムセミナー「油空圧を支える解析技術」


４年10月

オータムセミナー「油圧機器・システムにおける振動をいかに克服するか」


５年10月

オータムセミナー「油空圧制御と高速インターフェース技術の融合」


６年11月

オータムセミナー「油空圧におけるシミュレーション技術の現状と課題」


７年10月

オータムセミナー「最新制御理論の超活用法（油空圧システムとロバスト制御の融合）
」


８年 ９月

オータムセミナー 2000「環境適合技術の動向」
12年 ９月オータムセミナー 2001「フルイドパワーシステムに用いられる制御技術の動向」
13年 ９月オータムセミナー 2003「フルードパワーと環境・リサイクル」


15年10月オータムセミナー 2004「食品機械におけるフルードパワーの利用と課題」


16年10月オータムセミナー 2005「レスキューにおけるフルードパワーシステム」


17年10月オータムセミナー 2006「生活に密着したフルードパワー」


18年10月オータムセミナー 2007「鉄道におけるフルードパワー技術」資料は『油空圧技術』Vol. 49 No. 4
オータムセミナー 2008「フルードパワーシステムと環境・省エネルギー」

20年10月オータムセミナー 2009「フルードパワーシステムのためのlinux開催環境」


21年10月オータムセミナー 2010「BOPビジネスの可能性～ CSRとビジネスの両立～」

22年11月オータムセミナー 2011「パワートレインにおけるフルードパワー技術」
23年11月ウインターセミナー「油空圧システムの低騒音化のために」


２年 ２月

ウインターセミナー「知っておきたい新しいアクチュエータ」


３年 ２月

ウインターセミナー「200X年における電子油空圧はどうあるべきかPart2」


４年 ２月

ウインターセミナー「新素材の油空圧への応用」


５年 ２月

ウインターセミナー「空気圧の新たな可能性を求めて」


６年 ２月

ウインターセミナー「人と環境に優しい油空圧―油空圧機器･システムの低騒音化技術―」


７年 ２月

ウインターセミナー「油圧システムの高圧化に関する現状と将来」


８年 ２月

ウインターセミナー「フルイドパワーにおける流体の役割」


９年 ２月

ウインターセミナー「ER流体の可能性とその油空圧技術への応用」


10年 １月ウインターセミナー「ユーザは語る ･ 自動化機器における駆動方式の現状と将来像」
11年 １月ウインターセミナー「水圧システムの現状と応用事例・展望」
12年 １月ウインターセミナー「省エネ，環境のためのセンシング」


13年 １月ウインターセミナー「油空圧機器・システムにおける省エネルギー化の方法」
14年 １月50

フルードパワーシステム

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資料一覧表

303

ウインターセミナー「油空圧機器に係わる加工技術～共存する油空圧機器と加工技術～」

15年 １月ウインターセミナー「メンテナンスエンジニアリング―ランニングコストを安く―」

16年 １月ウインターセミナー「医療・福祉におけるフルードパワーシステムの応用動向」
17年 １月ウインターセミナー「機械システムの安全性」
18年 ２月ウインターセミナー「家庭の中のフルードパワー」


19年 ２月ウインターセミナー「航空機とロケットへの応用」


20年 ２月ウインターセミナー「海と船のフルードパワー」資料は『学会誌』Vol. 39 No. 5

21年 ２月ウインターセミナー「フルードパワー機器・システムの小型化」資料は『学会誌』Vol. 39 No. 5

22年 ２月ウインターセミナー「福祉・医療環境における空気圧応用の現状と問題」


23年 ２月ウインターセミナー「圧縮空気エネルギーの有効利用技術」
24年 ２月ウインターセミナー「アクアドライブシステム（新水駆動圧技術）の現状と将来」
25年 ２月

教育講座「マイコン制御講座」（大学上級コース）


元年 ８月

教育講座「現代制御理論講座」（大学上級コース）


元年10月

教育講座「マイコン制御講座」（大学上級コース）


２年 ８月

教育講座「トライボロジー講座」（大学上級コース）


３年 ８月

教育講座「油空圧における鋳造技術講座」


５年10月

教育講座「空気圧システム入門」


10年 ９月

教育講座「空気圧システム入門」
11年 ６月

教育講座「空気圧システム入門」
13年 ６月

教育講座「トライボロジー講座」


14年 ９月

教育講座「空気圧システム入門」
15年 ５月

教育講座「空気圧システムの基礎」


15年 ５月

第１回油空圧国際シンポジウム論文集

２年 １月

第２回油空圧国際シンポジウム論文集

５年 ９月

第３回油空圧国際シンポジウム論文集

８年11月

第４回油空圧国際シンポジウム論文集

11年11月

第５回油空圧国際シンポジウム論文集

14年11月

第６回JFPSフルードパワー国際シンポジウム論文集（CD-ROM）

17年11月

第７回JFPSフルードパワー国際シンポジウム論文集（冊子，CD-ROM）

20年 ９月

第８回JFPSフルードパワー国際シンポジウム論文集（冊子，CD-ROM）

23年 ９月学会創立20周年記念出版「油空圧の進歩100人の証言」


２年 ５月

学会創立30周年記念出版「アドバンスドフルードパワー技術の基礎と応用」


15年 ４月分冊販売 油圧駆動の世界―油圧ならこうする―
空気圧システム入門
水圧駆動テキストブック
日本フルードパワーシステム学会創立40周年出版

23年４月

分冊販売 油圧システムのモデリングと解析手法
Webシミュレーション解説
アクアドライブ技術の進展

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通し頁

1

4

1

5

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151

利春
徹浩
一雄
多門
徹浩
紀

7
8
12
16
20

――

24
28



︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱

特集「フルードパワーに貢献する材料，加工，表面処理技術」「フルードパワーに貢献する材料，
加工，表面処理技術」発行にあ…武田
稔
2
54
たって
木内 幸浩
電子機器用の難燃ポリ乳酸複合
2
55
…
位地 正年
材の開発
DLC-Si被覆電磁クラッチを用いた次世代電子制御AWDカップリ…安藤 寛之
2
59
ングの開発
水圧システムに貢献する電磁材料…山田 裕樹
2
64
窪田 朝徳
電磁軟鉄バリレス加工技術の構築…
2
67
李
和樹
油圧ポンプ・モータに貢献する摺…西田 信治270
動部品材料と表面処理技術
︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱

特集「これがフルードパワーの魅力だ！」「これがフルードパワーの魅力…田中豊だ！」特集号発刊にあたり
油圧分野の最新動向と特徴的な事…眞田 一志
例紹介
空気圧サーボシステムのロボット…川嶋 健嗣への展開
ここまで来た水圧システム…伊藤 和寿機能性流体の応用事例：次世代フ…吉田 和弘ルードパワーシステムを目指して

52

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3
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5

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修一

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栄治

1

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豊

2

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清子

2

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幸男

2

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壽憲

2

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祥仁

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利春
貴皓

3

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豊

4

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友規

5

229

俊完

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恭弘

6

276

和弘

6

278

特集「アディティブ・マニュファクチャリング」「 ア デ ィ テ ィ ブ・ マ ニ ュ フ ァ ク…吉満 俊拓チャリング」の発行にあたって
積層造形技術…徳永
剛
ファブラボの活動とその広がり …門田 和雄
3Dプリンティングを活用した実…松本 大樹習系授業の取り組み
中小企業における3Dプリンタ活…福岡新五郎用の可能性
RP造型機によるシェル鋳型の超…高橋 啓二短納期製作について【ニュース】
日中若手研究者交流事業…伊藤 和寿インドにおける国際交流…香川 利春ミャンマーにおける国際交流（ICSE2013参加記とヤンゴン最新事…香川 利春
情）International Journal of Fluid…眞田 一志Power 電子ジャーナルの紹介【会議報告】
日本機械学会2013年度年次大会にお…脇元
けるフルードパワー技術研究
第13回「運動と振動の制御」シンポ…村山
ジウム（MOVIC2013）報告
ASME/BATH FPMC2013会議にお…田中
けるフルードパワー技術研究動向
ICHP2013におけるフルードパワー…坂間
技術研究動向
山梨講演会2013におけるフルードパ…川上
ワー技術研究動向
計測自動制御学会 流体計測制御シンポジウムに観るフルードパワー研…藤田究動向
ICMT2013におけるフルードパワー…嚴
技術研究動向香川
FLUCOME2013奈良開催報告…
菅野
IFPE2014におけるフルードパワー…田中
技術研究動向IFK2014（ドイツ・アーヘン）参加…加藤記
JSME機素潤滑設計部門講演会にお…金けるフルードパワー技術研究
ROBOMEC2014に お け る フ ル ー ド…早川
パワー技術研究動向
ACTUATOR14に お け る フ ル ー ド…吉田
パワー技術研究2014年11月（平成26年）



︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱

特集「エアコンプレッサの最新技術」「エアコンプレッサの最新技術」…藤田 壽憲発行にあたってエアコンプレッサの省エネルギー…北崎 建生
小型水車を用いたエアレーション…日吉 健二装置の開発
小型エアポンプによる生産工場の…竹脇 邦幸省エネ
最適コンプレッサ運転制御と減圧…赤堀 好昭制御
水噴射式スクリューコンプレッサ…日比野 真
オイルフリーブースタ圧縮機…鈴木 達也通し頁

︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱



︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱︱

【解説】
特集「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」「フルードパワーを活用した移動ロボットの最前線」発行にあたっ…塚越 秀行
1て
空圧駆動によるヒューマノイド …細田耕1
高速かつ柔軟な油圧式２足歩行ロ
…玄
相昊
1
ボット
鈴森 康一
バブラアクチュエータの開発と
1
…
脇元 修一
内視鏡誘導への応用
電界共役流体を用いた小型壁面移…竹村研治郎1
動ロボット
木村仁
柔軟袋状構造を利用した流体駆1… 片岡木太郎動型クローラ機構
伊能 教夫
先端成長動作による狭隘地形内の…塚越 秀行1
無摺動移動探査ロボット号

特集「フルードパワーにおける最新の計測技術」「フルードパワーにおける最新の…柳田 秀記計測技術」発行にあたって中田毅
AEセンサを用いた液体流量計
以勤
… 鄭
測法
桜井 康雄
カルマンフィルタを用いた管内非…眞田 一志
定常流量計測マ イ ク ロPIV（Particle Image…西野 耕一Velocimetry）
感圧塗料による圧力計測技術の機…森英男
械工学への応用
超音波法による潤滑診断の可能性…竹内 彰敏
音源分離技術…戸上 真人――

会長就任にあたって副会長新任のご挨拶

号

︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ ︱ 

年頭にあたって

…香川
築地
… 肥田
北畠
…築地
…小山
――

【挨拶】
新年の挨拶

総目次（第45巻）

フルードパワーシステム

FPNI 第８回 Ph.Dシンポジウムにお…一柳
けるフルードパワー技術の研究動向【教室（連載）】入門講座「トライボロジー」第１…風間
回：摩擦について入門講座「トライボロジー」第２…風間回：表面について入門講座「トライボロジー」第３…風間
回：摩耗について【トピックス】
ISO/TC131/SC9/WG1 ISO4413 の…渋谷
改正
JIS B 8370：2000 空気圧システム…張通則の改正
特許文献を調べる・特許電子図書館の活用３…日本の分類・テーマコー…木原
ド１
特許文献を調べる・特許電子図書館の活用４…日本の分類・テーマコー…木原
ド２
特許文献を調べる・特許電子図書館…木原の活用５…類似文献の検索１
タイ駐在員日記…栗田
アメリカ赴任生活…黒尾
タイ駐在日記…重本
ブラジル滞在日記…寺崎
中国駐在員日記
…住野
英国駐在記
…山田

隆義

4

181

俊治

5

233

俊治

6

282

文昭

1

36

護平

2

84

和幸

2

81

和幸

4

184

和幸

6

285

敏行
賢治
陽一
敦
亘
宏昭

1
2
3
4
5
6

39
87
131
187
236
288

1

42

2

90

3

134

4
5

190
239

6

291




【随想】
若いフルードパワー技術者に送る老
いた電気屋フルードパワーファンの…野見山紘一
妄言

平成26年度企画行事紹介

大内
桜井

…

俊英
康雄

平成25年度オータムセミナー開催報
告「鉄道車両とフルードパワー技…風戸 昭人
術」
平成25年秋季フルードパワーシステ…竹村研治郎ム講演会開催報告
平成25年度ウインターセミナー開催…林光昭
報告「大型機械と油圧技術」
平成26 年春季講演会併設セミナー
開催報告「フルードパワーに貢献す…武田稔
る材料，加工，表面処理技術」
平成26年春季フルードパワーシステ…加藤 友規ム講演会報告【コーヒーブレイク】
手押し井戸ポンプ ルーツ編
手押し井戸ポンプ ファミリー編
手押し消防ポンプ しくみ編
【会告】平成25年度 ウインターセミナーのお知らせ「大型機械と油圧技術」

…大橋
…大橋
…大橋

280

俊治

【研究室紹介】金寅
東京工業大学 香川・只野研究室
…
矢島 拓実
紹介
山梨大学工学部情報メカトロニクス…大内 英俊工学科油空圧制御研究室
西田均
富山高等専門学校 電気制御シス…
武田健太郎
テム工学科 西田研究室
上智大学築地研究室…濱田渓太郎奈良高専電子制御工学科早川研究室…早川 恭弘
九州工業大学 田中・渕脇・清水研…嶋田 愛子究室【企画行事】

6

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彰

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245
296

1

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触れて学べる！入門者向き実習講座「油空圧技術」
共催・協賛行事のお知らせ
平成26年春季フルードパワーシステ
ム講演会併設セミナー「フルードパ
ワーに貢献する材料，加工，表面処理技術」のお知らせ
平成26年春季フルードパワーシステ
ム講演会のお知らせ
平成26年春季フルードパワーシステ
ム講演会併設企画「製品・技術紹介
セッション」のお知らせ
その他
フルードパワー道場９「モデルベース開発の事例」開催のお知らせ
共催・協賛行事のお知らせ
平成26年春季フルードパワーシステ
ム講演会併設セミナー「フルードパ
ワーに貢献する材料，加工，表面処理技術」のお知らせ
日本フルードパワーシステム学会・日本
機械学会共催 平成26年春季フルー
ドパワーシステム講演会のお知らせ
平成26年春季フルードパワーシステ
ム講演会併設企画「製品・技術紹介
セッション」のお知らせ
触れて学べる！入門者向き実習講座「油空圧技術」空気圧システム制御の実務（M1301）
その他
平成26年春季フルードパワーシステ
ム講演会併設セミナー「フルードパ
ワーに貢献する材料，加工，表面処理技術」のお知らせ
日本フルードパワーシステム学会・日本
機械学会共催 平成26年春季フルー
ドパワーシステム講演会のお知らせ
平成26年春季フルードパワーシステ
ム講演会 特別講演のお知らせ
平成26年春季フルードパワーシステ
ム講演会併設企画「製品・技術紹介
セッション」のお知らせ
平成26年度特別教育講座「油圧システムのモデリングの基礎をつかむ」のお知らせ
会員情報の確認と更新のお願い
共催・協賛行事のお知らせ
その他
第33期 通常総会終了
平成26年度受賞候補者募集
フェロー認定者推薦のお願い
第９回JFPS国際シンポジウム開催のお知らせ
共催・協賛行事のお知らせ
その他
第９回JFPS国際シンポジウム開催のお知らせ
日本フルードパワーシステム学会平
成26年度受賞候補者募集
平成26年度オータムセミナーのお知らせ共催・協賛行事のお知らせ
その他
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資料一覧
フルードパワーシステム第45巻総目
次その他

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

総目次（第45巻）

305

1

47

1

47

1

48

1

48

1

48

1 35, 46, 49, 50
2

79

2

98

2

99

2

99

2

99

2

99

2 63, 97, 100
3

140

3

140

3

140

3

140

3

141

3
141
3 144, 145
3 139, 142, 143, 146
4
197
4
198
4
199
4

199

4
200
4 177, 196, 202
5

210

5

247

5

248

5
249
5 246, 250, 251, 252
6
299
6

300

6

301

6

304

6 297, 298, 300, 306

2014年11月（平成26年）

53

306

フルードパワーシステム

編 集 室

次号予告

―特集「IFPEX2014」―〔挨拶〕年頭のご挨拶
築地 徹浩
年頭にあたって小山紀，肥田 一雄〔巻頭言〕「IFPEX2014」発行にあたって
吉満 俊拓〔解説〕IFPEX2014における空気圧分野の技術動向
加藤 友規
IFPEX2014における油圧分野の技術動向
佐藤 恭一
IFPEX2014における水圧分野の技術動向
鈴木 健児
IFPEX2014空気圧セミナー
小山紀
IFPEX2014油圧セミナー「油圧の魅力とその可能性に迫る」
田中
豊
IFPEX2014見学記（カレッジ研究発表コーナ）
吉満 俊拓〔ニュース〕第三回日中ジョイントワークショップおよび日中若手研究者交流報告加藤 友規，伊藤 和寿〔会議報告〕MOVIC2014におけるフルードパワー技術研究動向
眞田 一志
機械学会2014年度年次大会におけるフルードパワー技術研究動向
藤田 壽憲
FPMC2013におけるフルードパワー技術研究動向
金俊完〔教室〕入門講座「トライボロジー」 第４回：潤滑について
風間 俊治〔トピックス〕フルードパワー人材育成への産学連携
佐藤 恭一〔研究室紹介〕防衛大学校 機械システム工学科 流体システム講座
西海 孝夫，一柳 隆義，栗林 哲也〔コーヒーブレイク〕ブラマー氏の水圧機 はじめての水圧編
大橋彰

平成26年度「フルードパワーシステム」編集委員
委 員 長 吉 田 和
副委員長 塚 越 秀
委員 伊 藤 雅
内 堀 晃
小 倉
加 藤 猛
加 藤 友
北 村
木 原 和
栗 林 直
五 嶋 裕
佐 藤 恭
妹 尾
多 田 昌

会

弘（東京工業大学）
行（東京工業大学）則（東京海洋大学）彦（宇部工業高等専門学校）
弘（日立建機㈱）美（㈱コガネイ）規（福岡工業大学）
剛（油研工業㈱）幸（㈶工業所有権協力センター）樹（川崎重工業）之（機械振興協会）
一（横浜国立大学）
満（SMC㈱）弘（CKD㈱）

委

員 中
成
藤
丸
村
柳
山
吉
担当理事 伊
山

野
田
田
田
松
田
田
満
藤
田

政 身（東北大学）
晋（KYB㈱）壽 憲（東京電機大学）
和 弘（㈱コマツ）
久 巳（沼津工業高等専門学校）
秀 記（豊橋技術科学大学）
真の介（㈱TAIYO）
俊 拓（神奈川工科大学）
和 巳（KYB㈱）宏 尚（岐阜大学）編集事務局 藤 谷 秀 次（学会事務局）
竹 内 留 美（勝美印刷㈱）（あいうえお 順）

告

複写される方へ本会は下記協会に複写に関する権利委託をしていますので，本誌に掲載された著作物を複写したい方は，同協会より許諾を受けて複写してください．ただし(公社)日本複写権センター（同協会より権利を再委託）と包括複写許諾契約を締結されている企業の社員による社内利用目的の複写はその必要はありません．したがって，社外頒布用の複写は許諾が必要です．
権利委託先：（一社）学術著作権協会〒107-0052 東京都港区赤坂9－6－41 乃木坂ビル
TEL：03-3475-5618
FAX：03-3475-5619
E-mail：info@jaacc.jp
なお，著作物の転載・翻訳のような，複写以外の許諾は，学術著作権協会では扱っていませんので，直接本会へご連絡ください．

54

フルードパワーシステム

第45巻

第６号

2014年11月（平成26年）

ISSN

1880-3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
第45巻, 第６号（2014）
平成26年11月
目次

研究論文
１．水道水圧駆動マッキベン型人工筋の変位制御（第１報，人工筋のモデル化およびBouc-Wenモデルの適用）
小林

亘，伊藤

和寿

小平，太田

匡則，

一夫，鄒

俊

85

２．油圧回路におけるポペット弁の振動現象（弁振動とキャビテーション現象の関連性）
熊谷

賢人，龍
前野

一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会

94

ISSN

1880-3121

TRANSACTIONS OF
THE JAPAN FLUID POWER SYSTEM SOCIETY
Vol.45, No.6

November 2014
Contents

Paper
１．Displacement Control of Water Hydraulic McKibben Muscle（1st Report: Modeling of a Muscle and Application of Bouc-Wen Model）


Wataru KOBAYASHI, Kazuhisa ITO

85

２．Vibration Phenomenon of Poppet Valve in Hydraulic System（Relationship between Poppet Valve Vibration and Cavitation Phenomenon）


Kento KUMAGAI, Shohei RYU, Masanori OTA,

Kazuo MAENO, Jun ZOU

Published by
The Japan Fluid Power System Society
c/o Kikaishinko Building
3―5―22 Shiba-koen, Minato―ku, Tokyo, 105―0011, Japan

94

85

小林・伊藤：水道水圧駆動マッキベン型人工筋の変位制御

研究論文

水道水圧駆動マッキベン型人工筋の変位制御＊（第１報，人工筋のモデル化およびBouc-Wenモデルの適用）

小 林

亘＊＊，伊 藤 和 寿＊＊

Displacement Control of Water Hydraulic McKibben Muscle（1st Report：Modeling of a Muscle and Application of Bouc-Wen Model）

Wataru KOBAYASHI, Kazuhisa ITO
This paper is concerned with modeling of water hydraulic McKibben muscle. In particular, linear system identification
technique is applied to the muscle in order to obtain a muscle dynamic model. However, the muscle has nonlinearity suchas hysteresis and saturation characteristics. It is difficult to express the nonlinearity using linear system identification
because the linear model is assumed. Then we propose the introduction of Bouc-Wen model which is widely used forexpression of hysteresis characteristics for the identified muscle model. The application of Bouc-Wen model is easy becauseof the structure of the identified model and the proposed muscle model has good agreement with experimental results. In
addition, the model for gait-training taking into consideration of its operation range can be obtained. Applying to limited
operation range, the performance of the identified muscle model is improved and then the model which can express
hysteresis and saturation characteristics can be obtained.
Key words：Water hydraulics, McKibben muscle, Modeling, Bouc-Wen model, System identification

1．緒

いる．

言

本研究では，リハビリテーションにおける歩行訓練に注

マッキベン型人工筋は，高い柔軟性と高パワー密度を有目し，効果が大きいとされる水中歩行訓練を対象とした，するアクチュエータとして医療・福祉分野を中心に広く使

クリーン性に優れ小型で容易に着脱可能な歩行訓練補助装

1）

用されてきた ．とりわけ取り扱いの容易さから，圧縮空具について検討してきた2）．水中での使用を考慮し，提案

気を使用する空気圧駆動のものが多く用いられている．し装具には水圧で駆動するマッキベン型人工筋を用いている．

かしながら制御系設計の観点からは，人工筋の強い非線形

水圧駆動マッキベン型人工筋は，空気圧駆動では困難な高性や空気の圧縮性など無視できない不確かさが原因となり，圧力域を対象としたもの3）と水道水圧などの低圧力域を対高い制御性能を発揮することは困難であった．加えて，人象としたものに分けられる4）．特に，空気圧と同等な圧力

工筋を構成するインナーチューブとそれを覆うナイロン製

域である水道水圧を用いることにより，駆動源となるポン

スリーブの経年劣化による人工筋の収縮特性の変化も，制プを必要とせず，かつ空気圧と同等な収縮特性が得られる

御性能に大きく影響する．実際にはPID制御のような比較ため，水道水圧駆動マッキベン型人工筋はよりリハビリに的単純な制御系が適用されることが多い反面，十分な制御適したアクチュエータであるといえる．なお，本論文では性能が得られておらず，モデルベースでの制御系設計が注

水道水圧駆動マッキベン型人工筋の変位制御に着目し，モ目されつつある．しかし，これまでのモデルベースでの制

デルベースト制御の公称モデルとして用いる人工筋の数学

御系設計に用いられてきた，人工筋が本来持つ強い非線形モデルの導出について述べる．

性をある条件下で線形化した近似モデルは，人工筋の適用

著者らはこれまでに，水道水圧駆動マッキベン型人工筋

範囲を狭めてしまう恐れがある．このような背景から，線の特性解析，変位センサを用いない人工筋変位推定手法に形近似されたモデルではなく，かつ制御系設計に容易に用ついて報告してきた5）,6）．後者のうち流量計を用いた変位

いることのできる新しい人工筋の数学モデルが求められて推定法では，非圧縮性流体である水を作動流体として用いることで容易かつ高精度に人工筋変位を推定可能であるこ＊

平成26年４月28日 原稿受付＊＊

芝浦工業大学大学院理工学研究科（所在地：埼玉県さいたま市見沼区深作307）（E-mail：nb12102@shibaura-it.ac.jp）
第45巻

第６号

とを示した．しかしながら，提案した推定法は流量計単体の性能に強く依存しており，かつ供給流量の積算値を用いて推定を行う必要があるため，頻繁に伸縮を繰り返すような動作においては十分な精度を得ることが難しく，長時間―1―

2014年11月（平成26年）

86

日本フルードパワーシステム学会論文集の使用が想定されるような対象への適用は困難であった．

ト制御に用いる公称モデルとして，線形システム同定の手

そこで，本論文では供給圧力―人工筋変位特性をシステム

法を用い，同定実験により得られた入出力データのみに基同定により伝達関数モデルとして記述する手法について述

づいた数学モデルを導出する．従来の人工筋モデルでは物べる．加えて，供給圧力―人工筋変位特性を明らかにする

理パラメータの計測を必要としていたが，一度の同定実験

ことで，制御用モデルとしてだけでなく，ヒステリシス解のみでモデルを導出できるシステム同定はより容易なモデ析にも使用可能なモデルを構築する．具体的には，人工筋

ル導出法である．Fig. 1，2にそれぞれシステム同定実験にが有する強いヒステリシス特性を記述するため，Bouc-用いた実験装置，人工筋の幾何学的構造，Table 1に実験にWenモデルと呼ばれるヒステリシスモデルを組み合わせた用いた人工筋の各物理パラメータを示す．なお，実験装置

人工筋モデルについて提案する．なお，Bouc-Wenモデル

は電磁切替弁，人工筋上流側に接続された圧力センサ，人

7）の人工筋への適用は，その有用性が示されており ，従来

工筋下端部に接続されたリニアポテンショメータから構成

提案されてきた人工筋モデルと比較して容易にパラメータ

され，供給源には一般水道を用いている．実験に用いた人を同定できるという特長を有している．しかしながら，負工筋は空気圧駆動を想定したものであるが，特性解析実験

荷に関する考察は十分になされておらず，有負荷時のモデにより水道水圧で駆動した際にも空気圧とほぼ同等な特性

ルの妥当性について検証する必要がある．本論文では，一が得られることが明らかとなっている11）．

定負荷を与えた際の提案モデルの再現性を確認することも目的の一つとする．なお，本論文では水圧人工筋を対象としているが，圧力―収縮率特性がほぼ同等である空気圧人工筋に対しても提案モデルを同様に適用することができる．

2．主 な 記 号
D

：人工筋径

L

：人工筋長

b

：スリーブのスレッド長l（k）：人工筋変位nFig. 1：スレッドの巻き数

Experimental setup for system identificationp k）：供給圧力（
y ：仮想ヒステリシス変数（k）γ：スリーブの編み角

3．システム同定による人工筋のモデル化
空気圧駆動マッキベン型人工筋は，人工筋が外部になす
仕事に基づくモデル8）や慣性および粘性負荷を考慮した運動方程式に基づくモデル9）など様々な数学モデルが提案されている．提案されたモデルの中には，非常に高い再現性を持つものも存在する一方，人工筋を構成するインナー
チューブとそれを覆う外側のナイロン製スリーブの変形やねじれ，これらにより発生する摩擦力や曲げモーメントを10）考慮する必要があり ，人工筋の変位制御という観点から

Fig. 2

Geometry of muscle and thread

Table 1

Parameters of McKibben muscle

Parametersは必要となる物理パラメータが多く，十分な実用性を伴うものが少ない．さらに，実際にはPID制御のような比較的単純な制御則が適用されることが多く，人工筋が持つ強い非線形性を十分に補償できる制御則は用いられていない．

Value

Unit

Natural length L0

540㎜

Thread length b

594㎜

Turns of a thread n

5.4

（•）

これらが原因となり，マッキベン型人工筋はアクチュエー
タそのものの取り扱いは容易である一方で，制御性能がそ本研究では，システム同定に用いるモデルとして広く用れほど高くはないアクチュエータであるという認識が一般いられているARXモデルを採用した．人工筋に加わる負荷的となってしまっている．近年では，人工筋を適用したシ

張力は人工筋下端部に接続されたポテンショメータが発揮

ステムに対して高い制御性能を要求する傾向にあり，人工する6.4Nであり，無負荷時における駆動条件とほぼ等しい．

筋の性能改善が求められている．以下では，モデルベース

人工筋が十分に伸張するまでには比較的長い時間を要する

第45巻

第６号

―2―

2014年11月（平成26年）

87

小林・伊藤：水道水圧駆動マッキベン型人工筋の変位制御ため，収縮時および伸長時の動特性を十分に再現できる入Fig. 4に変位センサにより計測された人工筋変位の実測値

力を電磁切替弁に印加している．なお，Fig. 3は同定実験と実験と同様の入力を与えた際の人工筋モデルのシミュにより得られた入出力データである．

レーション値を比較した結果を示す．同定により得られた人工筋モデルは過渡応答を十分に再現できているものの，収縮時における定常応答に誤差が生じている．このように，スレッド―スリーブ間およびスレッド同士間に発生する摩擦などに起因する伸長時と収縮時における応答が大きく異なる人工筋の特性を，線形システム同定のみで再現することは難しい．

4．Bouc-Wenヒステリシスモデル
一般にマッキベン型人工筋のヒステリシスはFig. 5で示
すような特性であることが知られており，ヒステリシスを考慮することなく人工筋の変位を高精度に制御することは難しい．一方，前章で導出した数学モデルは線形システム
Fig. 3

同定理論に基づいているため，このままでは人工筋のヒス

Input（pressure）and output（displacement）data

テリシスのような非線形特性を再現することができない．

以下にシステム同定実験により得られた入出力データを合率が挙げられるが12），システム同定により得られた人工基に同定した人工筋モデルを示す．
=
G（
w z）

67.22
Z［（
l k）
］
=
Z［（
p k）
］ z－0.9356

また，同定モデルの整合性を示す指標として式⑵に示す適⑴

このとき，入力p（k），出力l（k）はそれぞれ人工筋への供
給圧力および人工筋変位であり，サンプリング時間は0.1s

筋モデルは高々 80数%程度の適合率であり，この同定誤差
は線形理論では表しきれないヒステリシス特性や飽和特性のような非線形要素が大きく影響していることが考えられる．

である．ただし，同定用入出力データの生成に用いたサンサンプリング時間を再設定している点に注意が必要である．

2

k =1
N

2



⑵

k =1

本来，入力は電磁弁への印加電圧が選ばれるが，供給圧力と人工筋変位の相関が高く，比較的単純な構造で同定可能

－（
zˆ k）
z k）
］
∑ ［（
×100
z k）
－z ］
∑ ［（
N

Fit = 1－

プリング時間は12sであり，人工筋モデルを導出する際にただし，z（k）は実際の出力，ẑ（k）はモデルの出力，は実際の出力の平均値である．

であることが想定されるため，供給圧力を入力としてモデル化を行っている．また，人工筋の特性解析において供給
圧力―人工筋変位特性を明らかにすることは重要であり，この特性を人工筋モデルにより再現することが求められる．
なお，供給圧力と人工筋変位の高い相関は，非圧縮性流体
である水の高い体積弾性率に起因するものと考えられる．

Fig. 5

Hysteresis of McKibben muscle

人工筋が有する非線形性のモデル化には，Maxwellすべりモデルを用いた人工筋モデル13）,14），Preisachモデルを用いた人工筋モデル15），実験的に導出した非線形人工筋モデル16），摩擦に起因するヒステリシス特性を考慮した人工筋
モデル17），などが挙げられる．本研究では，ヒステリシス
Fig. 4
第45巻

Comparison of measured and identified data
第６号

特性を記述可能なBouc-Wenモデルをシステム同定により―3―

2014年11月（平成26年）

88

日本フルードパワーシステム学会論文集得られた人工筋モデルに適用し，人工筋のヒステリシス特Table 2 Classification of Bouc-Wen model

性を陽に考慮した人工筋モデルについて考える．Bouc-Class

ParametersI

A ＞ 0，β ＋ γ ＞ ０ and β － γ ＞ 0

II

A ＞ 0, β － γ ＜ ０ and β ＞ 0にして，新たにヒステリシスパラメータを付加することにIII

A ＜ 0, β － γ ＞ ０ and β ＋ γ ＞ 0より非対称なヒステリシス特性など従来のBouc-Wenモデ

IV

A ＝ 0, β ＋ γ ＞ ０ and β － γ ＞ 0

ルでは再現が困難なヒステリシス特性を持つ対象への適用

V

All other cases

Wenモデル18）,19）は種々のヒステリシス特性を表現することができるモデルとして知られ，MRダンパのモデル化などにも適用されている20）．Boucにより提案されたモデルを基も進められている21）．しかしながら，Fig. 5にみられるように人工筋の持つヒステリシス特性は比較的単純であり，従5．ヒステリシスを考慮した人工筋モデル

来のBouc-Wenモデルで十分に再現することができるため，
ここではBoucおよびWenにより提案されたヒステリシスモ
デルを採用する．

システム同定により得られた人工筋の線形モデルである
式⑴に，前章のBouc-Wenモデルを組み合わせた人工筋モ

まず，Bouc-Wenモデルについて，バネマスダンパ系をデルを導出する．このとき，システム同定により得られた用いて説明する．ヒステリシス特性を有するバネマスダン

人工筋モデルは離散時間領域における数学モデルであるのパ系は次式のように表される．

に対し，Bouc-Wenモデルは連続時間領域におけるモデル

x t）+ c（x t）+Φ（x, y）
＝F（t）
m（

⑶

であるため，Bouc-Wenモデルを離散化する必要がある．

ただし，xは変位，yは仮想ヒステリシス変数であり，m,

そこで，以下に示す前進差分近似を用いてBouc-Wenモデc, F（t）はそれぞれ質量，粘性係数，外力である．このとき

ルの離散化を行う．

復元力を表すΦ（x, y）は，以下に示すように右辺第１項のdx （x t + h）
x t） （x k + 1）
－（
x k）
－（

≈
=
dt
h
h

弾性要素および右辺第２項のヒステリシス要素から構成される．
（1－α ）k yΦ（x, y）= α k x +－2（
x t + 2h）x t + h）+（
x t）
（
d 2x
≈
dt 2
h2

⑷

ここで，kは弾性係数，αは重み係数であり，０≦α≦１をx k + 2）－2 x（ k + 1）+ （
x k）
（
=
h2

満たすように選ばれる．なお，α＝１と選ぶことで式⑶お



⑹

⑺

よび式⑷はヒステリシス特性を持たないバネマスダンパ系

ここで，hはサンプリング間隔である．上記の前進差分となる．また，式⑷の仮想ヒステリシス変数yは次式で与近似を用いると，Bouc-Wenモデルは次式のように離散時

えられる．
n－1
n
y = Ax－β | x || y | －γ | y |間領域における表現に書き換えることができる．
⑸

y = Ax －β | x || y |n－1 −γ | y |n上記の式⑷および式⑸で表されるBouc-Wenモデルは，A,
ヒステリシスループの傾きを決めるパラメータの一つであ

y k + 1）y k）
x k + 1）
x k）
（
－（
（
－（
－β
|（
y k）
|n－1
= Ax（k ）hh
 ⑻－γ | （y k）|nり，nはヒステリシス特性の局所的な線形もしくは非線形（
y k + 1）= Ahx（k）－β | （x k + 1）－（x k ）|| （y k ）|n－1α, β, γ, nという５つのヒステリシスパラメータを持つ．Aは－γ h | （y k ）|n +（y k）

な振る舞いを表すパラメータ，αは式⑷から分かるように対象のヒステリシスの強さを決めるパラメータである．また，βおよびγはヒステリシスループの形状を支配的に決め

ついで，離散時間伝達関数G（z）で与えられている式⑴wを状態空間表現に書き換える．
（
l k－1）+ 67.22 p（ k－1）
l k）= 0.9356（

るパラメータであり，これらの組み合わせによりヒステリ
シスの形状が決定される ．
22）以上より，ヒステリシスを考慮した人工筋の同定モデル

一方，本研究では人工筋のヒステリシス解析だけでなく，は以下で与えられる．

変位制御も目的の一つとなっているため，人工筋モデルがl k）=Φ（ k－1 ）+ 67. 22 u（k －1）（Φ（k－1）= 0. 9356α（
l k－1）+ 0. 9356（1－α ）y k－1）
（

 ⑽

（
y
k
1
）
Ahl
（
k
2
）
|
（
l
k
1
）
（
l
k
2
）
|
－
=
－
－
－
－
－
β


y k－2 ）
| n－1－γ h | （y k－2）|n+ （y k－2）⋅| （有界入力有界出力安定（以下，BIBO安定）となることは制御系設計の観点から重要であるが，ヒステリシスパラ
メータA，β，γに関してはTable 2に示す分類が提案されている23）．これらの分類のうちClass IからClass IVは全て

6．ヒステリシス計測実験

BIBO安定となるが，Bouc-Wenモデルの熱力学的許容性の必要十分条件を満たすためには，各パラメータをClass Iを満たすように選ぶ必要がある24）．

⑼

提案モデルの妥当性を調べるため，Fig. 1に示す実験装置を用いて検証実験を行った．本来，マッキベン型人工筋
は１MPa程度の圧力域まで使用することが可能であるが，

第45巻

第６号

―4―

2014年11月（平成26年）

89

小林・伊藤：水道水圧駆動マッキベン型人工筋の変位制御

本研究で対象としている圧力域は水道水圧0.3MPa以下であるため，この圧力域に限定して実験および考察を行う．なお，Bouc-Wenモデルの５つのヒステリシスパラメータは，Table 2のClass Iを満たし，かつ実験結果と比較検討することにより試行錯誤的に決定した．決定した各ヒステリシス
パラメータをTable 3に示す．なお，n＝１と選ぶことにより，式⑾で示した人工筋モデルは非常に簡単な形になる．
これはBouc-Wenモデルにおける限定的なケースとなるが，BIBO安定性は保たれる21）．
Table 3

Identified hysteretic parameters of muscle modelFig. 6Comparison of hysteresis loop of proposed models

Parameter

Value

A

1

α

0.9350β

0.0040γ－0.0002

本章では，人工筋の適用先を限定することで人工筋モデ

1

ルの精度向上を図る．具体的には，水道水圧駆動マッキベ

n7．歩行訓練用人工筋モデル

ン型人工筋の適用先として想定している水中歩行訓練補助
次に，ヒステリシスを考慮した人工筋モデルのシミュ

装具のアクチュエータとして使用する人工筋の数学モデル

レーション結果と，ヒステリシス計測実験により得られたについて考える．３章で述べたように，人工筋の動作範囲

実験結果の比較をFig. 6に示す．実験では，人工筋上流側

全てを同定するためには10sを超える長いサンプリング時の圧力センサにより計測された供給圧力から，人工筋モデ間を必要とする．これは0.1Hz以下の低周波数領域におけるルを用いて推定された人工筋変位と，リニアポテンショ

同定精度を重視しており，歩行訓練用人工筋モデルとしてメータを用いて計測した実測値を比較している．なお，用いられる動作範囲を十分に保証するものではない．つまFig. 6は両者のヒステリシスループを比較するため，供給り，人工筋の駆動パターンを歩行訓練に限定した場合に必圧力―人工筋変位特性を示している．システム同定により要となる周波数域は前述のものとは異なるため，本章では，得られた人工筋モデルは，Fig. 4に示したように収縮時に実際に歩行訓練に用いられる歩行周期を基に歩行訓練用人

大きな誤差が生じていた．これはヒステリシスループにお工筋モデルを導出する．まず，同定実験のサンプリング周

ける上端部のずれを意味しており，加えて人工筋が収縮す

波数は，Table 4に示すように実際の歩行訓練におけるケーる際にも実験結果と比較して縮みにくいということが明ら

デンスを参考に１Hzと設定した25）．なお，サンプリング周かとなった．一方，Bouc-Wenモデルを組み合わせた提案

波数を１Hzに設定することは，システム同定理論において，モデルは収縮時に同様に若干の誤差が生じているが，概ね0.01～１Hzにおける同定モデルの精度を重視することに対実験結果と重なるヒステリシスループを描いており，Bouc-

応しており，歩行訓練において想定される歩行周期のほと

Wenモデルの各パラメータを適切に選ぶことで，従来の線んどがその信頼区間に入っていることを意味している．

形システム同定理論のみで導出した人工筋モデルと比較して人工筋のヒステリシス特性を十分に再現できることが示

25）
Table 4 Cadence for gait-training［step/min］

された．これまでに提案されている人工筋モデルでは，１）

Cadence［step/min］

Walking cycle

０–４ weeks

68

0.57

４–８ weeks

89

0.75

８ weeks -

106

0.88

人工筋物理パラメータの事前計測を必要とする，２）
フィードフォワード制御を実現するため，実験データに基づく人工筋の特性解析を必要とする，３）モデルやパラ

Rehabilitation
periodメータの構造が複雑でパラメータ同定に多くの時間や知識を必要とする，といった実用上の問題点を有しており，比［Hz］

較的高い再現性を有している一方で実用において問題となる場合が多い．これに対し，提案モデルでは５つのパラ同定に用いるモデルは３章のモデル化と同様ARXモデル

メータを選ぶことでヒステリシス特性を再現できるため，とし，歩行訓練で必要とされる動作周波数域を含む同定入システム同定に必要となる実験データを一度入手するだけ力を与えた．人工筋モデルは式⑴と同様に以下に示す離散で数学モデルを得ることができる．

時間１次伝達関数として得られた．

第45巻

第６号

―5―

2014年11月（平成26年）

90

日本フルードパワーシステム学会論文集

G（
=
g z）

11. 56
z－0. 9837⑾

得られた同定モデルにBouc-Wenモデルを組み合わせた提案モデルを式⑿に，パラメータを再チューニングした結果をTable 5にそれぞれ示す．
l k）=Φ（ k－1 ）+ 11. 56 u（k －1）（Φ（k－1）= 0. 9837α（（l k－1）+ 0. 9837（1－α ）y k－1）
 ⑿y k－1）= Ahl（ k－2）
l k－1）
l k－2）
|
－β |（
－（
（

y k－2 ）
| n－1－γ h | （y k－2）| n +（y k－2）⋅| （Table 5

I dentified parameters for gait-training muscle
model
Parameter

Value

A

0.8950α0.41

β0.0039γ－0.0012n1Fig. 8Comparison of experiment and simulation（Identified model with Bouc-Wen model）

同定入力を与えた際の人工筋変位量におけるヒステリシ
スループをFig. 7, 8に示す．式⑾の同定モデルを用いたシ
ミュレーション結果はヒステリシスを再現できていないことが分かる．一方，ヒステリシスパラメータを適切に選ぶことで，式⑿に示した提案モデルはヒステリシス特性を高精度に再現できている．Fig. 9は両モデルの時間応答を示したものである．

Fig. 9

動作範囲を限定することで，同定モデル⑾も過渡応答を

Comparison of identified model without BW modeland proposed model with BW model

よく再現できているが，収縮時の定常特性に大きな誤差が生じている．提案モデル⑿ではヒステリシスループからもるために飽和特性の再現が困難であったが，このように動分かるように最大収縮時における定常値が十分に再現でき作範囲を限定してモデルを導出することで，より精度の高ており，より精度の高いモデルとなっている．システム同いモデルが得られる．

定により人工筋をモデル化する際には過渡応答が重視され8．負荷に関する考察
ここまでの議論では，人工筋に負荷が接続されていない状態を扱ってきた．ベースとなる人工筋モデルは，文献7）で提案されているモデルとは異なり，システム同定により得られたものであるが，同様に高い再現性を有していることが示された．しかしながら，負荷が人工筋に与える影響は大きく，負荷を接続した際の提案モデルの整合性を確認することは不可欠である．そこで，人工筋下端部に負荷を接続し，有負荷状態での実験を行い，実験結果と比較することで提案モデルの妥当性について検証する．なお，負荷は人工筋下端部に接続され，自重により常に下向きに作用する（Fig. 1参照）．
8.1 有負荷実験（人工筋モデル）

Fig. 7

第45巻

Comparison of experiment and simulation（Identified model without Bouc-Wen model）
第６号

３章および４章において導出した提案モデルを対象とし，負荷が与える影響について実験により検証する．提案モデ―6―

2014年11月（平成26年）

91

小林・伊藤：水道水圧駆動マッキベン型人工筋の変位制御

ルの各パラメータは，Table 3に示した無負荷時に同定した果をそれぞれTable 6およびFig. 12に示す．Fig. 12には，比パラメータをそのまま用いている．Fig. 10に実験結果およ較のためBouc-Wenモデルを用いない人工筋モデルのヒスび提案モデルを用いたシミュレーション結果を示す．

テリシスループも示している．
Table 6 Re-identified parameters（load: 3.5㎏）

Fig. 10

Parameter

Value

A

0.965

α

0.98

β

0.063

γ

0.050

n

1

Hysteresis analysis with load: 3.5㎏

提案モデルによるシミュレーションでは，収縮時におけるヒステリシス特性を良く再現できている一方で，供給圧力が小さくなるほど精度が低くなっていることがわかる．
これは，Fig. 11に示すように低圧力域になるほど負荷の影
響が大きくなるためである．人工筋の動特性は供給圧力の動特性より遅く，伸長時にはインナーチューブの復元力と負荷および自重で動作するため，供給圧力を入力とする提Fig. 12案モデルでは，人工筋の自然長に近づくほど精度が低下しHysteresis analysis of re-identified muscle model

たと考えられる．
このように，Bouc-Wenモデルの各ヒステリシスパラメー
タを再同定することにより，実験結果と概ね一致する結果が得られる．ついで，再同定したモデルを用いて，負荷を７㎏に変更した際の応答を比較する．Fig. 13は７㎏の負荷を接続した際の実験結果および人工筋モデルによるシミュ
レーション結果を示している．
人工筋が伸長する際，無負荷状態ではインナーチューブ

Fig. 11 P
 ressure – Contraction rate characteristics withloads

次に，より現実的な問題設定として負荷が変動した場合を考える．まず，3.5㎏の負荷を接続した状態でパラメータ同定を行い，負荷を考慮した公称モデルを導出する．そして，人工筋に接続する負荷を７㎏に変更した際に得られる応答と，人工筋モデルのシミュレーション結果を比較する．
なお，再同定した各パラメータおよびシミュレーション結
第45巻

第６号

―7―

Fig. 13

Hysteresis analysis with load: ７㎏
2014年11月（平成26年）

92

日本フルードパワーシステム学会論文集の復元力が支配的であり，無負荷時に同定したパラメータ

ヒステリシス特性を考慮することで，負荷を接続した際にでは有負荷時の応答を再現することが困難であった．これも無負荷時と同様に精度が向上したと考えられる．このよは，有負荷状態において伸張方向に作用する負荷の影響に

うに，実用化を図る上でヒステリシス特性を考慮すること

より伸張時の応答が改善されるため，モデルの入力となるは効果的であり，Bouc-Wenモデルを用いることで直感的供給圧力と出力の人工筋変位の関係が，無負荷時と比較しにパラメータ同定が行える人工筋モデルを構築できたことて大きく変わるためである．この問題に対し，上記で示しの意味は大きい．

たように有負荷時にパラメータを再同定することにより，

9．結負荷が変動した場合においても高い精度でヒステリシス

言ループが再現できる．言い換えると，無負荷時の入出力

本論文では，ヒステリシス特性を考慮した人工筋モデル

データに基づき同定モデルを導出するのではなく，有負荷の導出手法としてシステム同定を用いる手法について述べ状態における入出力データに基づいてシステム同定を行う

た．線形システム理論により導出された人工筋モデルにヒことで負荷変動による影響を抑えることができる．このこ

ステリシスモデルを組み込むことにより，人工筋の収縮特とから，Bouc-Wenモデルを用いた提案モデルは負荷の変性に大きく影響する非線形要素を再現し，高精度な人工筋動に関してある程度ロバスト性を有しているといえる．

の数学モデルが得られた．なお，ヒステリシスモデルには

8.2 有負荷実験（歩行訓練用人工筋モデル）

種々のヒステリシス特性を記述可能なBouc-Wenモデルを

歩行訓練用人工筋モデルについて検証する．負荷は前節用い，実験結果と比較検討し５つのヒステリシスパラメーと同様3.5㎏とし，ヒステリシスパラメータはTable 5のもタを決定することで，人工筋の持つ非線形特性を十分に再のを用いている．Fig. 14に実験結果および提案モデルを用現できることが示された．これは人工筋への供給圧力と人いたシミュレーション結果を示す．なお，ここでは人工筋

工筋変位の関係が１次システムとしてある程度記述するこ

変位の時間応答を比較する．

とができ，広く用いられてきたヒステリシスモデルを容易

負荷を接続した場合，システム同定により得られた人工に組み合わせることができたためである．また，有負荷状筋モデルでは，定常応答だけでなく過渡応答においても実態での実験結果と比較することで，有負荷時における提案測値に対して誤差がみられる．また，全体的に時間遅れがモデルの整合性を確認した．

生じている．したがって，負荷を接続することにより人工

一方，提案モデルは供給圧力のみで人工筋変位を得るこ筋の収縮特性が変化し，無負荷時に同定したパラメータをとができるため，流量計と比較して安価に高性能なセンサ用いた人工筋モデルでは実現象を十分に再現することがでが入手できる圧力データのみで人工筋の変位推定が可能ときていない．一方，提案モデルでは過渡応答および定常応なることは，実用性の観点から非常に有益である．具体的

答ともに高精度に再現できている．負荷が人工筋に与えるには，本研究で将来的な適用先としている水中歩行訓練補

影響はFig. 11に示すように低圧力域になるほど大きく，特助装具において，装具の関節部などに直接ロータリーポテに0.1MPa以下の領域においてその影響は顕著である．

ンショメータやリニアセンサを用いる必要がなくなり，装0.1MPa以上の圧力域に注目すると負荷の影響は数%程度で具全体の小型軽量化も期待される．

あり，ヒステリシスの影響と比較して小さい．つまり，比

今後の課題は，１） 提案モデルを用いたモデルベースト

較的高い圧力域を使用する歩行訓練用人工筋モデルでは，制御を水道水圧駆動マッキベン型人工筋に適用し，その制御性能を明らかにすること，２） 負荷の有無や人工筋を構成するインナーチューブとナイロン製スリーブの経年劣化を考慮した，オンラインでの人工筋パラメータ同定手法を確立すること，などが挙げられる．
参 考 文 献１）小林宏：McKibben型人工筋肉を用いた人間を物理的に支援するロボット技術：マッスルスーツ，アクティ
ブ歩行器：ハートステップの開発と今後の展開，日本
フルードパワーシステム学会論文集，Vol. 39，No. 6，p.
315-319（2008）２）Kobayashi, W., Ito, K.：Development of Gait-training
Orthosis with Water Hydraulic McKibben Muscle, The

Fig. 14 C omparison analysis of proposed model with load:
3.5㎏
第45巻

第６号

―8―

12th International

Symposium

on

Fluid

Control,Measurement and Visualization, CD-ROM, OS2-02-2
2014年11月（平成26年）

93

小林・伊藤：水道水圧駆動マッキベン型人工筋の変位制御

Maxwell-slip（2013）IEE/ASME

transactionson

Mechatronics, Vol. 16, No. 1, p. 177-186（2011）３）盛真唯子，鈴森康一，脇元修一，神田岳文，高橋正幸，細谷高司，竹松愛実：水圧マッキベン型人工筋を用いModel,

14）Tri, V.M., et al.：Cascade Position Control of a Single

た不定形重量物用ハンドの開発，日本フルードパワー

Pneumatic

システム学会論文集，Vol. 41，No. 3，p. 59-66（2010）

Hysteresis Compensation, journal of the International４）中村太郎，島村健史：水圧駆動式ソフトアクチュエー

Federation of Automatic Control, Vol. 20, No. 3 p. 402-

Muscle-mass

Systemwith414（2010）

タの開発とその生物学的特性，日本機械学会ロボティ
クス・メカトロニクス講演会講演概要集，1PS-S-082

Artificial

15）小嵜貴弘，佐野学：ヒステリシスモデルに基づいた空気圧人工筋パラレルマニピュレータの制御，日本機械（2005）
５）小林亘，伊藤和寿，P.B. Zobel，池尾茂，高橋浩爾：水学会論文集（C編），Vol. 75，No. 759，p. 159-166（2009）

圧人工筋を用いた水中歩行訓練補助装具の股関節角度16）香川利春，藤田壽憲，山中孝司：人工筋アクチュエー

推定，平成24年秋季フルードパワーシステム講演会講

タの非線形モデル，計測自動制御学会論文集，Vol. 29，

演論文集，p. 64-66（2012）

No. 10，p. 1241-1243（1993）６）小林亘，伊藤和寿，池尾茂：水圧人工筋を用いた水中

17）Davis, S., et al.：Braid Effects on Contractile Range and

歩行訓練補助装具の股関節角度制御，平成25年フルー

Friction Modeling in Pneumatic Muscle Actuators, The

ドパワーシステム講演会講演論文集，p. 58-60（2013）

international journal of Robotics Research, Vol. 25, No. 4,
p. 359-369（2006）７）Godage, S.I., Branson, T.D., et al.：Pneumatic Muscle
ActuatedContinuum

Arms：Modellingand18）Bouc, R.：Modèle Mathématique d’hystérésis, Acustica,
Vol. 21, p. 16-25（1971）

Experimental Assessment, IEEE int. conf. on Robotics

19）Wen, YK.：Method for Random Vibration of Hystereticand Automation, p. 4980-4985（2012）８）Schulte. H.F. Jr.：The Characteristics of the McKibben

Systems, J Eng Mech. Div102（EM2）, p. 246-263（1976）

Artificial Muscle, The Application of External Power in20）Soeiro, F.J.C.P, et al.：Stochastic and Hybrid Methods for

Prosthetics and Orthotics. Washington, DC：Pub. 874,

the Identification in the Bouc-Wen Model for Magneto-

National Academy of Science-National Research Council,

rheological Dampers, Journal of Physics: Conference

p. 94-115（1961）

Series, Vol. 135, No. 1, p. 1-9（2008）９）Shen, X.：Nonlinear Model-based Control of Pneumatic21）Junho, S., Kiureghian, A.D.：Generalized Bouc-Wen

Artificial Muscle Servo Systems, Control Engineering

Model for Highly Asymmetric Hysteresis, Journal ofEngineering Mechanics, p. 610-618（2006）

Practice, Vol. 18, No. 3, p. 311-317（2010）10）陳玳珩，小山陽平，尾崎伸吾，小林宏：McKibben型

22）Ikhouane, F., Rodellar, J.：Systems with Hysteresis:

アクチュエータの収縮に関する力学的検討，日本機械

Analysis, Identification and Control using the Bouc-Wenmodel, Wiley, p. 63-111（2007）

学会論文集（A編），Vol. 74，No. 739，p. 142-149（2008）11）Kobayashi, W., Ito, K., Zobel, P.B.：Development of Gait-

23）Ikhouane, F. et al：Dynamic Properties of the Hysteretic

training Orthosis with Water Hydraulic McKibben

Bouc-Wen Model, Systems & Control Letters, Vol. 56,

Muscles, the proceedings of the 7th South East Asia

No. 3, p. 197-205（2007）24）Erlicher, S., Point, N.：Thermodynamic Admissibility ofTechnical University Consortium, OS-4.20（2013）

Bouc-Wen Type Hysteresis Models, Comptes Rendus12）足立修一：システム同定の基礎，東京電機大学出版局，

Mécanique, Vol. 332, No. 1, p. 51-57（2004）

p. 27-29（2009）13）Tri, V.M., et al.：A New Approach to Modeling25）Nakamura, R.：Walking Cycle after Stroke, Tohoku J

Hysteresis in a Pneumatic Artificial Muscle using the

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Exp Med, Vol. 154, p. 241-244（1988）

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日本フルードパワーシステム学会論文集

研究論文

油圧回路におけるポペット弁の振動現象＊（弁振動とキャビテーション現象の関連性）

熊 谷 賢 人＊＊，龍小 平＊＊，太 田 匡 則＊＊＊，前 野 一 夫＊＊＊＊，鄒
俊＊＊＊＊＊
Vibration Phenomenon of Poppet Valve in Hydraulic System（Relationship between Poppet Valve Vibration and Cavitation Phenomenon）

Kento KUMAGAI, Shohei RYU, Masanori OTA,
Kazuo MAENO, Jun ZOUPoppet valve is one of the most popular components in hydraulics, and it is also known as a trouble maker because it
induces some unpredictable vibration in hydraulic system. In this research, thanks to the rapid development of visualization
technology and digital simulation technology, we make a re-study on the well-known problem of unpredictable vibration
phenomenon. Results show that; １）stability of a poppet valve essentially depends on the components and parameters of
the system, but the stability characteristics are influenced by the cavitation state at the downstream of the valve, ２）bychanges in the compressibility of the hydraulic fluid with cavitation, frequency characteristics of the poppet valve arechanged to unstable ones. Since the cavitation has complicated relations with various factors, the prediction of vibration of
the poppet valve affected by cavitation is generally difficult. Therefore, the vibration may come out suddenly beyond
prediction. The results of this paper can give a guide for the cavitation vibration of a poppet valve.
Key words：Poppet valve, Vibration, Cavitation, Bulk modulus, Digital simulation

1．緒

辺機器の影響までを対象とした検討を行い，ポンプなどの言

他の構成要素との連成も要因の一つであるとした．また，

ポペット弁は，油圧システムで圧力制御などに用いられ前田3）は弁に作用する流体力が弁挙動に与える影響についる機器の一つであり，特に高圧力差を制御して稼働する建て論じた．さらに林ら4）5）はポペット弁の持つ強い非線形性設機械においては，高い信頼性が求められる重要な構成要の影響に着目し，弁と弁座との衝突を含む広範囲の系挙動素である．しかし，ポペット弁はその構造上，振動騒音が検討を行い，ポペット弁の硬発振現象や不規則振動につい発生しやすい性質をもち，周囲環境のわずかな変化によって報告している．だが，これらの研究を経てもポペット弁て予期せぬ振動が発生することがある．

振動のメカニズムを完全に説明するには至っておらず，未ポペット弁の安定性についてこれまで多くの研究が行わ

だに予期せぬ振動騒音に頭を悩ます技術者は少なくない．

れてきた．初期の研究は線形の数値解析を基本として取りそこで本研究では，この予測困難なポペット弁振動が流組まれ，Lutz1）はポペット弁および直近油路を対象としたれ場の圧力，温度，液種などの条件の変化で発生している検討を行い，作動油の圧縮性による遅れが不安定化要因のことから，同じようにこれらの要素の変化に影響を受ける

2）

一つであると報じた．その後，Backéら は上下流配管や周キャビテーション6）に着目し，ポペット弁振動とキャビテー
ションの関係を解明する．まず，ポペット弁の可視化実験＊

装置と高速度カメラを用いてポペット弁挙動と流路状態の＊＊計測を行い，ポペット弁振動とキャビテーションの関係を

平成26年５月８日 原稿受付

日立建機株式会社（所在地：茨城県土浦市神立町650）（E-mail：k.kumagai.kq@hitachi-kenki.com）＊＊＊

千葉大学大学院工学研究科（所在地：千葉県千葉市稲毛区弥生町１－33）＊＊＊＊

木更津工業高等専門学校（所在地：千葉県木更津市清見台東２－11－１）

明らかにする．同時に数値シミュレーションを用いて，キャビテーションの発生に伴う作動油の圧縮性の変化の影
響について検討し，キャビテーションがポペット弁の振動に影響するメカニズムを研究する．

＊＊＊＊＊

浙江大学機械電子制御工学研究所（所在地：中国浙江省杭州市浙大路38）
第45巻

第６号

― 10 ―

2014年11月（平成26年）

95

熊谷・龍・太田・前野・鄒：油圧回路におけるポペット弁の振動現象

2．主 な 記 号
2
pv1

2
pv3

-d

）
/4）

t

：時間

Vci_pv：バネ室の初期体積

VSLM：騒音計の出力

Ac_pv：バネ室圧力の作用面積（=π
（d

Ad_pv

：下流圧力の作用面積（=π（dpv22- dpv32 ）/4）

Vu_pv, d_pv ：上流弁室および下流弁室の体積

Au_pv

/4）
：上流圧力の作用面積（=π（dpv12- dpv22 ）x：ポペット変位

Cd_pv, d_t：ポペット弁，オリフィスの流量係数

xg, g0：pabsおよび大気圧における気泡混入率

xi：バネの初期圧縮長さ

dpv1,pv2, pv3 ：ポペットの各径
dtv：可変絞り弁のオリフィス直径yi：式⒃で定義される関数

du_p, d_p

：上下流配管の内径α：ポペットの円錐角

E：管材の縦弾性係数

ΔPabs：絶対圧と大気圧との差（=Pabs - Patm）

er

：反発係数

ΔPpv

：ポペット弁の差圧

eu_p, d_p

：上下流配管の肉厚

ΔPu_pv：上流圧力脈動の全振幅

Fff：ポペットに作用する流体力υ：作動油の動粘度

ρ：作動油の密度

Fk

：バネ荷重

Fp

：ポペットに作用する圧力による力

Fr：ポペットに作用する摩擦力

f

：周波数

fpu

：上流圧力の支配的な脈動周波数h：ポペットとブロック間の隙間高さ

Keff1：作動油と配管の等価体積弾性係数

Keff2：気泡混入作動油の見掛けの体積弾性係数

Kf：作動油の体積弾性係数

Kg：気泡（気体）の体積弾性係数（=1.4pabs）

k, mi, ni

：定数

kpv

：バネ定数

Lc_pv

：ポペットの摺動部長さLu_p, d_p

：上下流配管の長さ

lu_p, d_p

：上下流配管の単位長さ（=Lu_p, d_p /n）m：ポペット質量n：配管の分割数

Pabs：圧力（絶対圧）

Patm：大気圧（絶対圧）

Pc_pv：バネ室の圧力

Pp_d_out：下流配管の出口側圧力

Pd_pv_ave：ポペット弁下流の平均圧力

3．実 験 方 法
3.1 実験装置
Fig. 1に実験システムを，Fig. 2に計測対象のポペット弁

Fig. 1

Experimental System

Fig. 2

Tested Poppet Valve

Pu_pv, d_pv ：ポペット弁の上下流圧力
Pu_pv_ave：ポペット弁上流の平均圧力

Ptank：作動油タンクの圧力

PSP, x, V：パワースペクトル

punit：単位管路内の圧力pf：非定常層流圧力損失

pin, out：単位管路の入口および出口圧力

Qpv, tv：ポペット弁及び絞り弁の通過流量

Qu_in, d_out ：ブロックの流入および流出流量
qunit：単位管路を流れる流量

qin, out：単位管路への流入および流出流量

T：作動油温度

第45巻

第６号― 11 ―

2014年11月（平成26年）

96

日本フルードパワーシステム学会論文集
Table 1

3.3 実験条件

Experimental Conditions

Quantity

SymbolValue

Table 1に実験条件を示す．ポンプ流量Qpumpは０～ 50L/

Units

MPa（Gauge）
Differential Press. ΔP（＝Ppv
u_pv－Pd_pv）1.75
Downstream Press. Ave. Pd_pv_ave
0.05，1 MPa（Gauge）
Flow Rate of Pump Qpump
0 ～ 50 L/min
Oil Temperature
Kinetic Viscosity
Oil Density

T
ν
ρ

40±2
45.47
868.9

deg C
㎟ /s＠40 deg C㎏ /㎥

minの範囲で10L/min間隔にセットされ，各流量条件で平均
下流圧力Pd_pv_aveは0.05，１MPaにセットされた．なお，0.05
MPaは可変絞り弁⑶全開口時の圧力であり，流量に応じて０～ 0.1MPaの範囲で変化するが，便宜上，本報では平均をとり0.05MPaと称する．

4．解 析 方 法を示す．装置は可変容量式アキシャルピストンポンプ（ピ4.1 基礎計算式

ストン数９本，電動機回転数1,500rpm）⑴，ポペット弁⑵，本解析で対象とする系はFig. 3に示すように上流管路，上弁下流圧調整用の可変絞り弁⑶，作動油タンク⑷で主に構流弁室，ポペット弁，下流弁室，下流配管，可変絞り弁で成され，各機器は油圧用ゴムホースで連結されている．ポ構成される回路で，上流管路はポンプに接続されている．

ペット弁は透明なアクリル樹脂製（PMMA）のブロック⒅，以下にこの系の動的挙動を導く方程式を記す．

鉄製（S45C）の狭まり流れ形ポペット⒆，バネ⒇，プラグで構成されている．なお，アクリルブロックの弁座はシャープエッジ仕上げとなっており，弁座のポペットと平まず，ポペット弁の運動方程式は式⑴で与えられる．


行な部分は無視できるほど小さいものである。

md 2x= Fp －Fk－Fff －Fr
dt 2⑴

ポペットに作用する圧力による力Fpは式⑵で，ポペット

3.2 計測装置に作用するバネ力Fkは式⑶で，ポペットに作用する流体力
Fffは式⑷で与えられる7）．

⒀とメタルハライドランプ⒁によって計測され，撮影条件
はフレームレート6000fps，シャッタースピード1/16,000㎳であった．騒音はポペット弁から200㎜の位置に設置された精密騒音計（RION；NL-14）⒂で計測された．圧力は流入 部 ⑼， 流 出 部 ⑽， バ ネ 室 ⑾ の ３ 箇 所 で 圧 力 セ ン サ（KYOWA；PGL-A-5MP-A）によって，流量はポペット弁

Fk＝kpv（x＋xi）
 α
Fff = ρ Q pv cos  2⑶
2 Pu _ pv－P d_ pvρ⑷

ここで，αはポペットの円錐角である．Qpvはポペット弁の通過流量であり，式⑸で与えられる．

て，液温は作動油タンク⑷で温度計⑿によって計測していα
Qpv = C d _ pv π dpv2 x sin 2

る．高速度カメラ，騒音計，圧力センサはコントローラ⒃2 Pu _ pv－P d_ pv
ρ

⑸

×sgn（Pu _ pv－ Pd_ pv）に接続され，トリガによって同期計測される．計測データ
はPC⒄に記録され，そこで高速度カメラの画像に画像処理を施すことでポペット変位が算出される．

⑵





上流で歯車式流量計（KRACHT；VG1BKP2S61）⑻によっ

Fp＝Pu_ pv Au_ pv＋Pd_ pv Ad_ pv－Pc_ pv Ac_ pv

ポペットの挙動は高速度カメラ（KEYENCE；VW-9000）

ここで，Cd_pvはポペット弁の流量係数，dpv2は弁座直径であり，sgn（P）はPの符号を表す．Cd_ pvは，実験結果から算出した値を近似し，式⑹で表される．

C d_ pv = 12.2 x（0 ≤ x < 0.05）

0.0918 log（x）＋0.885e（0.05 ≤ x < 0.4） ⑹0.8（0.4 < x）

ポペットに作用する摩擦力Frは式⑺で与えられる7）．
πdpv1Lc _ pv dx
Fr = ρv
⑺
hdt
ここで，νは作動油の動粘度，dpv1はポペット外径，Lc_pvはポペット摺動部の長さ，hはポペットとブロック間の隙間高さである．上下流弁室に関する連続の式は式⑻で与えら

dt

Kf

=
V
 u_ pv, d_ pv





れる．
dPu_ pv, d _ pv

（Qu_in, pv－Qpv, d_out） ⑻

ここで，Kf は作動油の体積弾性係数，Vu_pv, d_pvは上下流弁室の容積，Qu_in, d_outはブロックの流入および流出流量である．
Fig. 3
第45巻

第６号

Simulation Model

可変絞り弁の通過流量Qtvは，式⑼で与えられる．
― 12 ―

2014年11月（平成26年）

97

熊谷・龍・太田・前野・鄒：油圧回路におけるポペット弁の振動現象

⑼

与えられる．
dx
Kf= Ac_ pv
＋Qc_ pv－Qt_ pv
dt Vci_ pv－Ac_ pv x 

⑽









ここで，Vci_pvはバネ室の初期体積であり，Qt_pvはオリフィ
ス直径dpv3，バネ室圧Pc_pv，下流圧Pd_pvを用いて式⑼で与えられる．Qc_pvはポペットとブロック間の漏れ流量であり，隙間高さとポペット外径がh＜＜dpv1の関係にある環状すきま厚であり，eu_p, d_p ＜＜du_p, d_pとする．管路内における作動油の運動の式は式⒁で与えられる7）．
dpunitpin－pout
4ρ


＋pf ≈

2
dt
lu _ p, d _ p
 πdu _ p, d _ p

Qc_pv =

πdpv1h12ρυLc _ pv

路の入口および出口圧力である．pfは単位長さの層流状態
での圧力損失であり，式⒂で近似される9）．
1 k128ρυ pf ≈qunit +yi πdu _ p, d _ p4 
2 ∑i＝1

（Pu _ pv－Pc _ pv）⑾

である．yiは式⒃によって与えられる9）．
dyidt

管路特性は，特性曲線法 で計算を行った．管路内における作動油の連続の式は式⑿で与えられる7）．
dpunitdt≈

qin－qout
lu _ p, d _ p⒂

ここで，第１項は定常項，第２項は非定常項，kは定数

8）





2
 πdu _ p, d _ p 4Keff 1⒁

ここで，qunitは単位管路を流れる流量，pin，poutは単位管流れの場合，式⑾で与えられる7）．
3

⒀









力である．ポペット弁のバネ室に関する連続の式は式⑽でdt

Kf du _ p, d _ p＋eu _ p, d _ p E 

ここで，Eは管材の縦弾性係数，eu_p, d_pは上下流配管の肉

ここで，Pp_d_outは下流管路出口側の圧力，Ptankはタンク圧

dPc_ pv

Kf eu _ p, d _ p E

Keff 1 =2 πdtv
2 Pd_ p_out － Ptank
Qtv = Cd _ t 
ρ
 4
×sgn
（Pd_ p_out－Ptank）

=

4niυ
2

dpu, pd

yi ＋ midqunitdt



⒃

ここで，ni，miは定数であり，その値は文献⑼に示される．

⑿

ここで，punitは単位管路内の圧力，du_p, d_pは上下流配管の内径，lu_p,d_pは上下流配管の単位長さ，qin，qoutは単位管路への流入および流出流量である．Keff1は作動油と配管の等価体

本報ではポペットと弁座との衝突も考慮する．衝突直前の
弁速度をdx/dt（t －），衝突直後の弁速度をdx/dt（t +）とすると式⒄が成立する5）．
dxdx（t＋）=－er
（t－）
dt
dt

積弾性係数であり，式⒀で与えられる7）．

⒄

ここで，erは反発係数であり，本実験装置の材料特性か
ら取得した値を用いている．また弁下流部はシート部で発生したキャビテーションにより作動油に気泡が混入した状

Table 2態になる．気泡が混入すると作動油の体積弾性係数は大きSpecification of parameters

Quantity
Discharged Coefficient of Throttle

Symbol Value Units
Cd_t
0.7
―
d
Inside Diameter of Down-Stream Pipe d_p
19E-3
m
dpv1
Diameter of Poppet Outside
23E-3mSeat Diameter of Poppet Valve

dpv2

18E-3

m

Orifice Diameter of Poppet

dpv3

3E-3

m

Inside Diameter of Up-Stream Pipe

du_p

Young’s Modulus of Pipe
Thickness of Down-Stream PipeE
ed_p

12.7E-3 m
0.6E＋9 Pa

Restitution Coefficient
Thickness of Up-Stream Pipe
Clearance berween poppet and block
Bulk Modulus of Hydraulic OilhKf

Spring Constant

0.035

―

eu_p

3.5E-30.1E-3

m
m

1E＋9

Pa

kpv

20E3

N/m

Length of Sliding Portion on Poppet

Lc_pv

28E-3

m

Length of Down-Stream Pipe

Ld_p

1

m

Length of Up-Stream Pipe

Lu_p

3
0.1
20

m
㎏
―

0

Pa

8E-6

m^3

55.6E-6 m^3

Volume of Up-Stream Chamber

Vu_pv

27E-6

Initial Shrinkage Length of Springxi

Cone Angle of Poppet

α11.9E-3 m
110
deg

第45巻

第６号

 Keff 2 =

Kf Kg

⒅

Kg＋xg（Kf－Kg）

定した．xgは絶対圧力Pabsにおける作動油中の気泡（気体）

er

Vd_pv

バネ室に適用し，その影響を考慮する．

ここで，Kgは混入気泡中の気体を考慮した体積弾性係数mVolume of Down-Stream Chamber

た作動油の見掛けの体積弾性係数Keff210）を弁下流部およびであり，本論文では空気と同程度の物性を有していると仮5E-3m
Mass of PoppetnPartition Number of Pipe
Pressure of Tank（Gauge Pressure） Ptank
Vci_pv
Initial Volume of Spring Chamber

く変化するため，本報では式⒅で与えられる気泡が混入し混入率であり，式⒆で与えられる．
xg = 1－


1
1＋

xg0
1－xg0

×

1－∆Pabs / 1.4Pabs⒆

1－∆Pabs / Kfm^3

Fig. 4 Wave Form of Poppet Vibration― 13 ―

2014年11月（平成26年）

98

日本フルードパワーシステム学会論文集定された．また大気圧における作動油の気泡混入率xg0は０，0.01，0.1，１%の４段階で設定した．

5．実験および解析結果
5.1 バルブ挙動および流路の状況
Fig. 4は 流 量Qpv＝30L/min， 平 均 下 流 圧 力Pd_pv_ave＝0.05
MPaでの実験結果を示す．グラフは上から順に上流圧力
Pu_pv，ポペット変位x，騒音計の出力VSLMである．Fig. 5はそFig. 5

れらのデータをFFT分析した結果の比較である．Fig. 5にCharacteristic of Frequency

よるとQpv，Pd_pv_ave，VSLMは全て同じ振動周波数（f＝580Hz）が支配的であり，これらは弁の振動に強い相関があることがわかる．
Fig. 6は条件Qpv=30L/min，Pd_pv_ave＝0.05，１MPaでの実験
結果をQpvに対する上流圧脈動の支配的な周波数fpuと全振幅
ΔPu_pvで示したものである．条件Pd_pv_ave＝0.05MPaでは，Qpvの増加につれて徐々にfpuが660Hzから225Hzに減少し，ΔPu_pv
はQpv＝30，40L/minで ピ ー ク と な っ た． 条 件Pd_pv_ave＝ １
MPaでは，540Hz（Qpv＝10 ～ 30L/min）と225Hz（Qpv= 40,
50 L/min）の２種類のfpuが確認され，ΔPu_pvはQpvの増加につれて徐々に減少し，Qpv＝30 ～ 50L/minではほとんど確認できなくなった．これらの結果から，この弁の振動は，弁Fig. 6の振動が発生する条件①，Pd_pv_aveに値によって振動有無がFlow Rate vs. Frequency and Pressure Amplitude

変化する条件②，弁挙動が安定する条件③の３条件で傾向が異なることが分かる．
Fig. 7は各条件で撮影された流れの高速度可視化動画を静止画化し，さらに平均化処理を施したものである．画像
中央の黒い部分はポペットであり，その下流の白い部分（Pd_pv_ave＝0.05MPa）は，そこに大量のキャビテーション気
泡 が 存 在 す る こ と を 示 し て い る． ま た， 透 明 な 部 分（Pd_pv_ave=1.0MPa）はキャビテーションが発生していないことを示す．
Fig. 6とFig. 7によって，弁下流のキャビテーションの発生状態に関係なく，条件①では弁が振動し，条件③では弁が安定しており，弁の安定もしくは不安定な領域で稼働していることがわかる．そして，条件①と条件③の間に位置する条件②ではキャビテーションの発生状態によって弁のFig. 7

安定不安定に違いが出ており，キャビテーションの影響をState of Flow Field

受けて弁の安定性が変化していることがわかる．
ここで，xg0は大気圧における気泡混入率，ΔPabs＝Pabs－

5.2 シミュレーションと実験の比較
ポペット弁の安定性に影響する要素は本実験で判明したPatmである．式⑴～⒆はRunge-Kutta法によって計算され，計算にはTable 2に示す系諸元が用いられた．

キャビテーションの影響以外にも複数1）-5）存在する．これ

4.2 計算条件

らの要素とキャビテーションの影響とを分離するために，計算における流量は実験と同様Qpump＝10 ～ 50L/minの範

まず気泡の影響を考慮しない状態（気泡混入率xg0＝０%）

囲で10L/minごとに設定され，ポンプの圧力脈動も実験値でシミュレーションを行い，その結果を実験と比較した．

相当(周波数225Hz，圧力振幅0.06Pu_pv_ave sin（450πt））に設定

Fig. 8 ⒜，⒝は流量Qpv＝20L/min, 平均下流圧力Pd_pv_ave＝された．ここでPu_pv_aveは上流圧の平均である．平均下流圧

0.05，１MPaの条件での実験および計算結果の上下流圧力

力Pd_pv_aveは０～ 0.1MPa（絞り弁最大開口時の圧力であり，

Pu_pv，Pd_pvを比較したものである．実験結果ではキャビテー

流量により変動，以下，平均0.05MPaと表記）, １MPaに設ションが発生する条件Pd_pv_ave＝１MPaと発生しない条件

第45巻

第６号

― 14 ―

2014年11月（平成26年）

99

熊谷・龍・太田・前野・鄒：油圧回路におけるポペット弁の振動現象

動の支配的な周波数fpuと全振幅ΔPu_pvで示し，比較したものである．条件Pd_pv_ave＝１MPaではQpvに対するfpuとΔPu_pvの傾向も実験値と計算値がほぼ一致したが，条件Pd_pv_ave＝0.05
MPaではそれらの傾向は大きく異なった．
Fig. 6で確認された２種類の支配的な周波数のうち，225Hzはポンプの脈動周波数と一致する．もう一つの560Hz
はポペットとバネの固有振動数72.1Hzとも異なるため，林⒜らが報告した配管や作動油の圧縮性による自励振動と考え

Pd_pv_ave＝１MPa, Non-Cavitation

られる4）．
これらの結果から，実験で確認された３種類のケースのうち，流量が多く弁が安定する条件やキャビテーションの有無に関係なく振動が発生した条件に関しては，気泡の影
響を考慮しなくても弁挙動をシミュレーションによって予測することができるが，キャビテーションの有無によって弁の安定性が変化する条件では弁挙動を再現できないこと⒝Fig. 8がわかる．

Pd_pv_ave＝0.05 MPa, Cavitation

Wave Form of Pressure（Qpv=20L/min, xg0=0%）

5.3 気泡混入率の影響
弁挙動に与えるキャビテーションの影響を調査するため，
本研究では実験で多量のキャビテーション気泡が確認された下流弁室とポペットのバネ室の体積弾性係数にキャビテーションが発生し作動油に気泡が混入したという状態を仮定して，見掛けの体積弾性係数Keff2を設定し計算を行った．
Fig. 10⒜，⒝は，実験結果と気泡混入率xg0ごとに計算した結果をQpvに対する上流圧脈動の支配的な周波数fpuと全振幅ΔPu_pvで示したものである．xg0を考慮するとΔPu_pvは増加する傾向を示し，その傾向はxg0が増加するにつれて強くなった．さらに気泡の混入を考慮した条件では，気泡の混入を考慮していないxg0＝０%の条件では再現することがで⒜

きなかった流量条件においても，実験値と近い値をとる場

Dominant Frequency

合を得た．同様にfpuに関してもxg0を考慮すると，xg0＝０%の条件よりもQpvに対する傾向が実験結果と似た傾向となった．
これらの結果から，気泡混入率xgを考慮した見掛けの体
積弾性係数Keff2を導入し，キャビテーションによって発生した気泡が作動油へ混入した状態を考慮することにより，気泡混入率に応じて弁挙動が不安定になる条件が拡大し，気泡を考慮していない場合では再現することができなかった弁の振動現象をシミュレーションで算出できることが判明した．Fig. 7で確認できるように，流量によってキャビテーション気泡の発生量は変化する．つまり，この変化に⒝
Fig. 9Up-stream Pressure Pulsation Amplitude

応じた気泡混入率xgを考慮することで気泡の影響による弁C omparison of Simulation and Experiment on
Cavitation and Non-Cavitation conditions（xg0 ＝ 0%）の振動を高い精度で再現することが可能となる．

6．結言

Pd_pv_ave＝0.05MPaで圧力波形が異なっている．さらに条件

本報では，可視化実験装置を用いたポペット弁挙動の計

Pd_pv_ave＝１MPaでは計算結果が実験と近い波形を取るが，測および弁挙動に及ぼすキャビテーションの影響に着目し条件Pd_pv_ave=0.05MPaでは両者の結果が大きく異なった．

た数値シミュレーションを用いて，流体力や配管の影響だ

Fig. 9 ⒜，⒝は実験と計算の結果をQpvに対する上流圧脈
第45巻

第６号

けでは予測困難であったポペット弁の振動現象の原因につ― 15 ―

2014年11月（平成26年）

100

日本フルードパワーシステム学会論文集⑶このキャビテーションが発生している状態で発生するポ
ペット弁振動現象は，キャビテーションの発生に伴い作
動油中に気泡が混入したと仮定し，その状態を気泡混入
率xgを用いた見掛けの体積弾性係数Keff2を導入して表すことで，その挙動を数値シミュレーションで再現可能であることが明らかとなった．
これらの結果から，ポペット弁の振動原因は，以前より知られていたポペット弁単体構造，周辺機器および配管の影響だけでなく，キャビテーションもまた主要因の一つであることを解明した．
⒜

参 考 文 献Dominant Frequency

１）Lutz,O.,：Die

Vorgängeinfederbelasteten

Einspritzdüsen von kompressorlosen Ölmachinen,
Ingenieur Archiv, Vol. 4, No. 2, p. 153-168（1933）２）Backé, W. and Rünnenburger, M.：Zur Klärung desVerhaltens von Überdruckventilen, Industrie Anzeiger,
Vol. 88, No. 98 p. 2107-2116（1964）
３）Maeda, T.：Studies on the Dynamic Characteristic of a
Poppet Valve, Bulletin of JSME, Vol. 13, No. 56, p. 281289（1970）
４）Hayashi, S.：Instability of Poppet Valve Circuit,⒝

JSME International Journal. Ser. C, Vol. 38, No. 3, p.

Up-stream Pressure Pulsation AmplitudeFig. 10357-366（1995）

Effect of Bubble Mixing Ratio

５）Hayashi, S., Hayase, T. and Kurahashi, T.：Chaos in a
hydraulic control valve, Journal of fluids and structures,Vol. 11, No. 6, 693-716（1997）

いて検討し，以下の結論を得た．
⑴ポペット弁の通過流量や弁差圧が同じ条件であっても，

６）加藤洋治：キャビテーション［新版］基礎と最近の進歩，槇書店，（1999）

下流部の圧力条件（ポペット弁下流部のキャビテーショ
ンの発生有無）の違いによって弁挙動が安定となる領域，オーム社，
７）㈳日本油空圧学会：油空圧便覧［新版］（1989）と不安定となる領域の境界が変化する領域が存在し，ポペット弁の振動の有無に違いがでることが実験によって

８）Zielke, W.：Frequency Dependent Friction in Transient
Pipe Flow, Journal of basic engineering, Transactions of

明らかとなった．

the ASME, Vol. 90, No. 1, p. 109-115（1968）⑵ポペット弁の挙動予測に関する既知の理論式を用いてポペット弁の運動，作動油の圧縮性，配管の影響などを考

９）香川利治，李一永，北川能，竹中利夫：特性曲線法に慮した数値シミュレーションにより，流れ場が液体のみおける非定常層流圧力損失の高速高精度計算法，日本の状態となる条件では，ポペット弁の挙動を再現するこ機械学会論文集（Ｂ編），Vol. 49，No. 447，p. 2638-2644とが可能である．しかし，ポペット弁下流部にキャビ（1983）

テーションが発生している流れ条件において発生したポ

（一社）
10）
日本フルードパワー工業会：実用油圧ポケット

ペット弁の振動現象は，これらの要素を考慮するだけでブック［2012年版］，（一社）
日本フルードパワー工業会，は予測できないことがわかった．

（2012）

第45巻

第６号― 16 ―

2014年11月（平成26年）

日本フルードパワーシステム学会論文集101

総目次（第45巻）

日本フルードパワーシステム学会論文集 総目次（第45巻）
出力圧力が高速で変更可能なアキュムレータの開発とその応用
…

…

芦
留
斉藤
大坂
大場
北川
加藤
東嶋
矢澤
大坪
野崎
田中

号 通し頁
金石
滄海
理人
一人
孝一
能
友規
元気
孝哲
樹
悠輔
克敏

2

2

8

15

22

3

29

3

37

― 17 ―

︱︱︱︱

第６号

1





第45巻

1

︱︱︱︱ ︱︱

︱︱︱︱ ︱︱︱︱︱︱

局所加速度に基づく気体管路非定常…中尾 光博
層流圧力損失の計算法
風間 俊治
斜板式アキシアルピストンモータ
鈴木 基司に用いられるスリッパのしゅう動
部温度とすきま形状の同時計測 … 鈴木 健太
成田 幸仁
桜井 茂行
Ali
A Study on Vibrational Viscomete
AKPEK
rs Considering Temperature
ChonghoDistribution Effect…
YOUN
Toshiharu
KAGAWA
CFDを用いたラビリンスシール空小嵜 貴弘
気圧シリンダ内の流れ解析（第1…
佐野
学
報：乱流モデルを用いた３次元流れ解析と漏れ量の推定）

1

熱延ダウンコイラへの電気油圧サー
ボシステムの適用（第２報）入力操…桑野 博明作に基づいた過渡特性の改善 －新Posicast 法の開発－
宮本 寛之
胸腔鏡下手術のための変形式肺ポ
高山 俊男
ジショナの開発（吸着力向上と…
小俣透
ディスポーザル化のための設計製
大泉 弘幸作）
Friction Characteristics of Vane for a Yoshiharu…
Balanced Vane Pump
INAGUMA
熱延ダウンコイラへの電気油圧サー
ボシステムの適用（第３報）実機へ…桑野 博明の新Posicast法の適用
土屋 順裕
圧力変化法による容器の漏れ検査
ウーレイレイについて（基礎的特性の研究）
…
尹
鍾晧
香川 利春
気泡除去装置の設計と評価に関す
坂間 清子
る研究（第２報 スパイラル係数… 鈴木 隆司を用いた放気口径と流出口径の選田中豊
定）
水道水圧駆動マッキベン型人工筋
小林亘の変位制御（第１報，人工筋のモ…
伊藤 和寿
デル化およびBouc-Wenモデルの適用
熊谷 賢人
油圧回路におけるポペット弁の振龍小平
動現象（弁振動とキャビテーショ
ン現象の関連性）… 太田 匡則
前野 一夫
鄒俊︱︱︱︱

気体用超精密高速応答圧力レギュ
レータを用いたエアタービンスピ
ンドルの回転数制御

︱︱︱︱︱︱ ︱︱︱︱︱︱

【研究論文】

3

42

4

51

4

58

4

66

5

73

5

79

6

85

6

94

2014年11月（平成26年）

Vol.
Vol.4545 No.6
No.6

昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
昭和47年10月19日第４種学術刊行物認可
平成26年11月15日発行
平成26年11月15日発行
（奇数月）
（奇数月）

0011
0011

アディティブ・マニュファクチャリング

東京
京都
都港
港区
区芝
芝公
公園
園三
三丁
丁目
目五
五│
│二
二二
二 電
電話
話（
（〇
〇三
三）
）三
三四
四三
三三
三│
│八
八四
四四
四一
一 Ｆ
ＦＡ
ＡＸ
Ｘ（
（〇
〇三
三）
）三
三四
四三
三三
三│
│八
八四
四四
四二
二
東
̶ 編集兼発行人 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会 振替口座 東京〇〇一一〇│三│一三三六九〇
̶
編集兼発行人 一般社団法人 日本フルードパワーシステム学会 振替口座 東京〇〇一一〇│三│一三三六九〇

〒
〒
105
105

フルードパワーシステム

フルードパワーシステム
フルードパワーシステム

昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可
昭和47年10月19日第4種学術刊行物許可 平成26年11月15日発行
平成26年11月15日発行
（奇数月）
（奇数月）

ISSN
ISSN1346－7719
1346－7719

フルードパワーシステム
フルードパワーシステム

ISSN
ISSN1880－3121
1880－3121

日本フルードパワーシステム学会論文集
日本フルードパワーシステム学会論文集

日本フルー
日本フルードパワーシステム学会誌
ドパワーシステム学会誌

フルードパワーシステム
45 6
Nov.2014
Nov.2014 Vol.
Vol.

No.
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日本フルー
日本フルードパワーシステム学会論文集
ドパワーシステム学会論文集
TRANSACTIONSTRANSACTIONS OF
OF THETHE JAPAN
JAPAN FLUID
FLUID POWER
POWER SYSTEMSYSTEM SOCIETY
SOCIETY

特集「アディティブ・マニュファクチャリング」
特集「アディティブ・マニュファクチャリング」

第四十五巻第六号（二〇一四）

東
京都
都文
文京
京区
区小
小石
石川
川一
一│
│三
三│
│七
七
東京
印刷
刷所
所 勝
勝美
美印
印刷
刷株
株式
式会
会社
社
印

6
日本フルードパワーシステム学会

一般社団法人
一般社団法人 日本フルー
日本フルードパワーシステム学会
ドパワーシステム学会

http://www.jfps.jp
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