Repository of NNCT (Nagano National College of Technology)

堀内, 泰輔

長野工業高等専門学校紀要第 44号(2010) 2-4 
1 
 
R言語を用いた言語情報処理教育＊  
 
堀内泰輔＊１  
 
 
Education of Language Information Processing using R Language 
 
HORIUCHI Taisuke 
 
 
In our school , for few years, linguistic information processing has been done 
from the aspect of general studies as an optional subject for 4th grade students.  For 
the programming language for this practice, we selected the “R language” in place of 
the Perl language, last year.  This new language have been developed aiming at the 
statistic calculation.  But, this language has excellent respect more than other 
languages besides the scientific computation for the graph making and the character 
manipulation.  In this thesis, our course content is described at first.  Next, the 
utility is discussed about R language that seems not to be so familiar it. 
 
キーワード：言語情報処理教育，R 言語，形態素解析，N-gram，MeCab 
 
 
１．まえがき 
 
 本校では，４年生に一般科目の選択科目を設けて
おり，筆者は「情報処理応用 A」ならびに「情報処
理応用 B」という科目名で，言語情報処理と音楽情
報処理関連の教育を行ってきてきた．なお，前者は
前期，後者は後期の開講科目である 1)． 
高専での情報処理関連の科目では，コンピュータ
やインターネットのリテラシー教育や，数値計算の
ような数値データをターゲットとする教育内容が多
い．しかし，現在のコンピュータにおいては，イン
ターネットの進化とともに，文字データや音楽デー
タなどの，これまで高専での情報処理教育であまり
日の目を見なかった種類のデータ処理が重要となっ
てきている．このような状況から，数年前より上記
の選択科目を開設した． 
このように「情報処理応用 A」においては，言語
をターゲットとした言葉の情報処理を教育するもの
であるが，実習用の言語としては，従来は Perl言語
を用いてきた．これは，Perl言語が文字列処理に最
適なことを理由に選択したものであるが，短期間の 
*   2009年 8月 27日 第 29回高等専門学校情報処理教育
研究発表会にて一部を発表 
*1  一般科教授 
  原稿受付 2010年 5月 20日 
授業では暗号めいた Perl プログラムの作成は困難
が伴うことを経験してきた． 
そこで，昨年度からは，「R言語」と呼ばれる統計
計算用と一般に称される言語を採用することとした． 
本論文においては，本科目の授業内容を述べると
ともに，一般にはあまり馴染みがないと思われる R
言語について，その有用性を論じる． 
  
２．授業の構成 
 
表１に，昨年度における「情報処理応用 A」の授
業内容を示す．中間試験前の前半では言語情報処理
の重要なデータ源であるコーパス（巨大テキストフ
ァイル）を構築することを目標に，インターネット
からの諸情報を効率的にダウンロードする方法を実
習するとともに，言語情報の処理に欠かせない正規
表現や KWIC 検索などの理解を重要視している． 
コンピュータの OS 環境は，後述のように Windows
環境であるが，コマンドプロンプトでのコマンド実
行の方が効率的であるため，MS-DOS や UNIX 系のコ
マンドの使い方も実習させている． 
後半においては，テキストマイニングの理解を目
標としている．形態素解析のツールとしては，MeCab
を採用した．R 言語には，このツールを直接リンク
して利用できる RMeCab というツールが用意されて
いるので，R 言語での形態素解析はこれにより非常
堀内泰輔 
2 
に容易となる． 
最初に R言語の基本的な使い方を履修させ，MeCab
自体をコマンドプロンプトから利用させる．次に，
RMeCab による形態素解析の実習を行う．さらには，
言語処理での有力なアルゴリズムである N-gram を
理解させる．このための関数も RMeCab に用意されて
いるので，学生は R言語という一つのツールのみで，
すべての言語処理が行えるという，操作上非常に有
効な環境が得られることになる．最後には，R 言語
によるテキストマイニングの実習を，前半に作成し
たコーパスを用いて行う． 
 
表１ 「情報処理応用 A」の授業内容 
授業項目 
時
間 
内容 
1.情報収集の技術 2 
インターネットから文字情
報を収集する技術が理解で
きる． 
2.情報検索の技術 2 
文字情報を効率的に検索す
る技術が理解できる． 
3.パーソナルデータ
ベースの構築 
2 
インターネットから収集し
た文字情報をコーパス化で
きる． 
4.情報発見の技術
（正規表現） 
2 
正規表現が使え情報発見に
利用できる． 
5.テキストエディタ
の応用 
2 
エディタにおいて，正規表現
が利用できる． 
6.KWIC 検索 2 
KWIC検索が理解でき，情報
発見に応用できる． 
7.コーパス作成実習 4 
大規模なテキストであるコ
ーパスを作成することがで
きる． 
前期中間試験   
8.テキストマイニン
グとは 
2 
テキストマイニングの意味
と意義が理解できる． 
9.R 言語実習 2 
R言語の基本（特に文字列処
理）が理解できる． 
10. 形 態 素 解 析 と
MeCab 
2 
形態素解析が理解でき，
MeCabの利用ができる． 
11.RMeCab によるテ
キスト解析 
2 
RMeCabが利用でき，形態素
分析に応用できる． 
12.N-gram について 2 
N-gram の意味と意義が理解
できる． 
13.テキストマイニ
ング実習 
4 
前半に作成したコーパスを
用いて基本的なテキストマ
イニングができる． 
前期期末試験   
 
３．R言語について 
 
 R言語は，オープンソースでフリーソフトウェア
の統計解析向けプログラミング言語，及びその開発
実行環境である 3)． 
統計解析向けといっても，一般的な工学計算やグ
ラフ作成機能，強力な文字列処理機能なども併せ持
っているため，本科目のような言語情報処理のため
のプログラミング言語としてふさわしいと考えられ
る 2)． 
 R言語の実行例として，前述の RMeCabを利用し
た形態素解析例を以下に示す． 
 
> res <- RMeCabC("R 言語を用いた言語情報処理教育") 
> res     
[[1]] [[4]] [[7]]   
名詞  動詞  名詞    
 "R"  用い  情報処理    
     
[[2]] [[5]] [[8]]   
名詞  助動詞  名詞    
言語    "た"  教育    
     
[[3]] [[6]]    
助詞  名詞     
を  言語     
  
４．実習内容の詳細 
 
 ここでは，前後 2回設けてある実習の内容詳細に
ついて述べる． 
４－１ コーパス作成実習 
 巨大なテキストファイル群を意味するコーパスの
作成は言語情報処理に欠かせないものであるが，イ
ンターネットは大規模なコーパスの宝庫と捉えるこ
とができる．何をインターネットからダウンロード
するかは，言語処理の目的によって異なるが，前半
最後に行うコーパス作成実習では，以下の３つを対
象とした． 
(1) 聖書 (2)日本文学作品 (3)百科事典 
(1)の聖書は旧約・新約合わせて 66 巻からなり，
2500 ページ以上におよぶ．このことから，単一の書
籍としてはコーパスと呼ぶにふさわしいデータ量で
あろう． 
日本語以外の聖書は多くの言語のものがインター
ネット上に公開されているが，日本国内の著名な聖
書は著作権の関係で全文をダウンロードできるサイ
トは存在しない．その中で，「新改訳聖書」に関して
R言語を用いた言語情報処理教育 
3 
は，1 回 200 節の制限があるものの，繰り返してダ
ウンロードすれば，聖書全文が入手できることがわ
かった 4)． 
しかし，全体が 3万節以上に上る聖書では，ダウ
ンロードを 150 回以上も手動で繰り返す必要がある．
そこで，マウスやキーボードの操作内容を記憶して
おいて，自動的に複数回繰り返すことができるユー
ティリティソフト（今回は「FreeMacro」5)を用いた．）
を使わせて，ダウンロードの効率化を図った．この
結果，31215 節（行）からなるテキストが作成でき
た． 
次にこのファイルを元にして，カタカナ用語の頻
度や１-gram を，コマンドベースで作成させる実習
を行った．図１には，結果例を示す． 
次に(2)の日本文学作品については，著作権を失っ
た作品を集めたサイトとして有名な「青空文庫」6)
を用いた． 
ここでは，wget という，URL を指定するとそのサ
イトのファイル群が連続的にダウンロードできるコ
マンドを利用する．ただし，すべてのファイルを再
帰的にダウンロードすることはネチケットからも許
されないため，必要な URL のみをダウンロードでき
るようなバッチファイルを，青空文庫のインデック
スのページの情報から自動作成できるようなプログ
ラムを作らせた． 
実際の実習ですべての作家のデータをダウンロー
ドすることは現実的ではないので，サンプルとして
夏目漱石の全作品を練習用にダウンロードさせ，次
に学生の好む作家の全作品を対象とさせた． 
これらのコーパス化されたテキストファイルを用
いて，聖書と同様に N-gram を中心に実習を行い，聖
書との結果比較をさせた． 
最後に(3)の百科事典であるが，2008 年 11 月に無
料公開された Yahoo 百科 7)を対象とした．これは，
小学館の日本大百科全書全 26 巻を自由に検索でき
るサイトであるが，URL の解析を行わせて，約 10 万
項目におよぶ全項目の自動ダウンロードのプログラ
ムを作成させた．ただ，ダウンロード時間がかなり
長時間となるので，15 名の学生にジャンル別に分割
させることで効率化を図った． 
このほか，青空文庫の外国版ともいうべき
gutenberg や，インターネット版の百科事典として
定評のある wikipedia なども同様の手法でコーパス
化が可能であるが，これは学生の応用課題として自
習させた． 
 以上の実習により，ある程度巨大なコーパスが，
身近な PC を用いて作成できることを教育できた． 
用語 度数 用語 度数 用語 度数
イスラエル 2630 バビロン 305 カナン 164
イエス 2054 ヨセフ 305 ヨハネ 161
ダビデ 1220 ペリシテ 300 エレミヤ 160
モーセ 895 キュビト 298 イサク 157
ユダ 893 パロ 298 マナセ 157
エルサレ
ム 
822
アブラハ
ム 
265 サムエル 156
エジプト 751 ヨシュア 260 ヨアブ 153
キリスト 690 パウロ 236 アモン 150
ヤコブ 462 モアブ 206 
アッシリ
ヤ 
149
サウル 458 ヨルダン 198 ギルアデ 146
パン 420 ペテロ 192 シェケル 139
レビ 374
エフライ
ム 
187 エドム 137
アロン 361
ベニヤミ
ン 
185 サマリヤ 135
ユダヤ 351 アラム 173 バアル 134
ソロモン 316 シオン 172 ヒゼキヤ 133
図１ 聖書コーパスの分析例（カタカナ用語 ベスト 45） 
 
４－２ R 言語による N-gram 作成実習 
 N-gram の実習は，前半のコマンドベースのプログ
ラミングでも一部実習させたが，R 言語を用いると
極めて簡単に作業できるので，テキスト 8)の例題を
中心に実習させた． 
 以下には，処理例として，本論文の 2-gram の一部
を示す．下線部分がその命令である． 
 
> res <- Ngram("ronbun.txt", type = 1, pos = "名詞") 
file = ronbun.txt Ngram = 2  
length = 1615  
> 
この結果を csv ファイルに収めたものを，Excel
で整形したものを図２に示す．ここでは，形態素解
析結果のうち，名詞のみを対象に 2-gram の度数の多
い順に度数３以上のものを示した． 
  
５．実習コンピュータ環境について 
 
 本科目の実習にあたっては，用いるソフトについ
て OS以外はフリーソフトで行えるように配慮した．
したがって，これまでに紹介した R言語，MeCab，
RMeCabなどはすべてフリーソフトである． 
 このようなフリーソフトを，学校でも自分の PC
でも，どこでも利用しやすいように，すべてのフリ
ーソフトを USB フラッシュメモリに納めた．さら
に，これらソフトを使う場合に，いちいち実行ファ
イルのアイコンを画面に表示させるのでは非常に煩 
堀内泰輔 
4 
2-gram 
度
数 
2-gram 
度
数 
2-gram 
度
数
R-言語 23 フリー-ソフト 5 
RMeCab-
利用 
3
--gram 12 作成-実習 5 jp-/ 3
.-1 10 情報処理-応用 5 www-. 3
.-2 10 正規-表現 5 
インターネ
ット-上 
3
3-. 10 .-6 4 
カリキュラ
ム-改訂 
3
7-. 10 .-jp 4 クラ-スター 3
テキスト-マイニ
ング 
10 1-) 4 
コーパス-
化 
3
形態素-解析 10 2-) 4 
スター-分
析 
3
.-3 9 3-) 4 ドライブ-名 3
.-4 9 応用-A 4 解析-5 3
5-. 9 授業-内容 4 解析-結果 3
N-- 8 青空-文庫 4 記述-文 3
9-. 7 文字-列 4 検索-技術 3
言語-情報処理 7 列-処理 4 言語-処理 3
情報処理-教育 7 .-7 3 効率-的 3
8-. 6 .-8 3 自由-記述 3
.-5 5 .-情報 3 章-テキスト 3
1-. 5 2-- 3 情報-収集 3
10-. 5 2-. 3 情報-発見 3
4-. 5 8-% 3 
的-ダウン
ロード 
3
6-. 5 8-) 3 百科-事典 3
- 5 ://-www 3 文字-情報 3
http-:// 5 >-res 3 用語-度数 3
コーパス-作成 5 KWIC-検索 3 
図２ 本論文の名詞に関する 2-gram（度数３以上のもの） 
 
雑なため，USBメモリに対応したランチャー（今回
は，Portable Start Menu）を用いた． 
 以上により，学生は場所を選ばずに本授業の実習
ができる点は特筆できよう． 
  
６．本年度におけるカリキュラム改訂 
 
 以上は，昨年度の授業内容に関するものであるが，
R 言語を採用した 2 年目である本年度については，
以下の点を念頭に，カリキュラムの改訂を行い，現
在，これによる授業が進行中である． 
 情報収集・検索に関する技術は，学生にも浸透
してきたので，これを削除する． 
 正規表現の説明は必要最小限とする． 
 テキストエディタの実習は不要． 
 テキストマイニングの実例説明と実習の時間
を豊富に取る． 
 
 この方針により，参考文献 8)のみをテキストとし
て選定し，ほぼこれに沿って説明・実習を行うカリ
キュラムに改訂を行った．本テキストの目次を以下
に示す． 
 
第 1章 テキストマイニングとは何か 
1.1 マイニングとは 
1.2 応用事例 
1.3 日本語処理 
1.4 ツール 
第 2章 テキストマイニングの準備 
2.1 Rの導入 
2.2 Rの実行 
第 3章 Rに慣れる 
3.1 基本操作 
3.2 ベクトル 
3.3 行列 
3.4 データフレーム 
3.5 リスト 
3.6 ファイルの入出力 
3.7 グラフィックス作成 
 3.8 Rでのプログラミング 
 3.9 Rによる文字列処理 
第 4章 MeCabと RMeCab 
 4.1 形態素解析とは 
 4.2 MeCabの導入 
 4.3 MeCabの実行 
 4.4 RMeCabの導入 
第 5章 RMeCabによるテキスト解析 
 5.1 RMeCabの利用 
 5.2 RMeCabによる形態素解析 
 5.3 MeCabの辞書整備 
 5.4 データファイルの解析 
 5.5 ターム・文書行列 
 5.6 行列の重み付け 
 5.7 N─gram 
 5.8 語の共起関係 
第 6章 インターネット上のクチコミ情報の分析 
 6.1 インターネット上のクチコミ情報 
 6.2 携帯電話の評価 
 6.3 解析結果の整理 
 6.4 解析結果の評価 
第 7章 アンケートの自由記述文の分析 
 7.1 アンケートの特徴 
 7.2 アンケートの内容 
 7.3 分析の目的 
 7.4 気をつかう程度の差の検定 
 7.5 自由記述文の解析 
R言語を用いた言語情報処理教育 
5 
 7.6 言葉数の比較 
 7.7 語尾表現のバラエティー 
 7.8 語尾表現の対応分析 
 7.9 モデルによる分析 
第 8章 沖縄観光のアンケートの分析 
 8.1 分析データ 
 8.2 アンケートの内容 
 8.3 自由記述文の解析 
 8.4 対応分析の実行 
 8.5 沖縄観光の問題点 
第 9章 テキストの自動分類 
 9.1 文書の分類 
 9.2 解析の準備 
 9.3 クラスター分析 
 9.4 新聞記事のクラスター分析 
 9.5 潜在的意味インデキシング 
 9.6 潜在的意味インデキシングによる分類 
第 10章 書き手の判別 
 10.1 解析データ 
 10.2 N-gramを利用したクラスター分析 
  10.3 主成分分析 
  10.4 多次元尺度法 
付録 
付録 A 統計の基礎 
付録 B コマンド一覧 
  
７．今後の課題 
 
 上述のフリーソフトのうち，R 言語と RMeCab
は USB フラッシュメモリのドライブ名が変わって
も問題なく動作した（いわゆる，ポータブルなソフ
トウェア）が，MeCab については，インストール
時にドライブ名が記憶されてしまうため，他の PC
環境において，当該ドライブ名が異なる場合にはエ
ラーを生じてしまい，実行ができないことが判明し
た． 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 この対策としては，今のところは，新しい環境で
MeCab を再インストールして，その環境設定ファ
イルを RMeCab に通知する設定を行うしか方法が
ないようである．今後は，この辺が柔軟になるよう，
本ソフトの作者に要望を出していきたい． 
  
８．あとがき 
 
 R言語の試用は始めて日が浅いため，今後アンケ
ート等により，学生の受け入れの度合いを調査し，
よりよい情報処理教育につなげていきたい． 
また高専においては，情報関連以外の科目でも R
言語はかなり教育に役立てられると思われるので，
筆者が担当している応用数学などの科目でも，今後
試用していく予定である． 
      
参 考 文 献 
 
1) 国立長野高専：「平成 21年度シラバス」，国立長
野高専（2009） 
2) 高階知巳：「プログラミング R（基礎からグラフ
ィックスまで）」，オーム社（2008） 
3) Wikipedia「R言語」の項， 
http://ja.wikipedia.org/wiki/R%E8%A8%80%E8%AA
%9E 
4) 「Bible Word Search 聖書用語検索」， 
http://www.tuins.ac.jp/~takao/biblesearch.html 
5) 「FreeMacro」，  
http://www.vector.co.jp/soft/win95/util/se070172.ht
ml 
6) 「青空文庫」，http://www.aozora.gr.jp/ 
7) 「Yahoo百科」，http://100.yahoo.co.jp/ 
8) 石田基広：「テキストマイニング入門」，森北出
版（2008） 


Japanese

R 言語を用いた言語情報処理教育

塚田, 修三

内山, 了治

児玉, 英樹

鈴木, 智之

スキー・スノーボード実習報告 (2) : 平成11年度～平成21年度

長坂, 明彦

関, 翼

岡田, 拓真

穂刈, 聡

生駒, 良弘

越, 和宏

池田, 芳正

長野工業高等専門学校紀要第 44 号(2010)  1-2 
スケルトンソリの操作特性* 
 
長坂明彦*1・関 翼*2・岡田拓真*3・穂刈 聡*4  
内山了治*5・生駒良弘*6 ・越 和宏*7・池田芳正*8 
 
 
Operation Properties of Skeleton Sled 
 
NAGASAKA Akihiko, SEKI Tsubasa, OKADA Takuma, HOKARI Satoshi,  
UCHIYAMA Ryoji, IKOMA Yoshihiro, KOSHI Kazuhiro and IKEDA Yoshimasa 
 
 
 Skeleton is a winter sport in which competitors aim to drive a one-person sled in a prone, head-first position down an ice 
track in the fastest time. Top speeds attained in skeleton approximately 130 km/h. But studies on skeleton have not been 
carried out until now. The purposes of this study were to measure the dynamic strain, the vertical acceleration, the horizontal 
acceleration and the forward acceleration applied to the sled frame, to shorten final time. 
The experiments were carried out at the Spiral. In the experiment, first a strain gage and a 3D-acceleration transducer were 
attached to the frame, then data was collected with a compact recorder. 
 
キーワード : スケルトン，ソリ，ひずみゲージ，加速度計 
 
1. 緒言 競技等に関する研究報告 3) はあるが，スケルトン競
技に関する研究はほとんど行われていない．  
そこで本研究では，2014 年のソチオリンピック等
に向けてスケルトンの滑走タイム（ファイナルタイ
ム）を短縮することを目的として，滑走中の選手のソ
リへの操作による影響を調査するためのデータとし
て，滑走中の選手の縦フレーム中央部のひずみ（変形）
測定，垂直方向加速度，水平方向加速度，進行方向加
速度および角度測定を行った．なお，必要に応じ，滑
走姿勢の筋電位の測定を行った． 
スケルトンは，氷で作られたコースを鉄製のソリに
うつぶせで乗り，頭を前にして滑走しタイムを競う競
技である．スケルトンは，2002 年のソルトレークオ
リンピックで再び正式種目となったことを機に注目
を集めるようになった．また，1998 年長野オリンピ
ックのボブスレーおよびリュージュ競技の会場とな
ったスパイラルは，2007 年にナショナルトレーニン
グセンター競技別強化拠点に指定された． 
 著者らは，これまでにエムウェーブにおいてスラッ
プスケート靴ブレードの動ひずみ測定 1)およびスパ
イラルにおいてスケルトンのソリフレーム変形特性
について報告してきた 2)．しかしながら，リュージュ 
2. 実験方法 
  
実験は長野市スパイラルで行った．図 1 にスパイラ
ルのコースを示す．このコースの全長は 1360m, 標高
差は 113m およびカーブ数は 15 である．同図におい
て，C1～C15 はカーブ番号を示す．また，ST（S01）
はスタートタイム，MT（M10）は中間タイムおよび
FT（S17）は滑走タイムの位置で，光電管により測定
される． 
 
 *  2010 年 1 月 30 日 (社) 日本機械学会 北陸信越学生
会 第 38 回学生員卒業研究発表・講演会にて一部発表 
  *1  機械工学科教授 
 *2  セイコーエプソン株式会社（平成 21 年度生産環境シ
ステム専攻修了） 
  *3  中部電力株式会社（平成 21 年度機械工学科卒業） 
図 2 にソリのフレーム（スクウェア）を示す．図 3
に三次元測定機によるフレーム変形測定を示す．図 2
の左側がソリの前側となる．上下部にある長い板が縦
フレームである．同様に，左右側にある短い板が横フ
レームである．それぞれのフレームは長方形構造で，
ソリの四隅で固定されている．この写真の左側がソリ
の前側となる．写真の上下部にある長い板が縦フレー 
 *4  日産テクノ株式会社（平成 20 年度機械工学科卒業） 
 *5  一般科教授 
 *6  長野県ボブスレー・リュージュ連盟 
 *7  株式会社システックス 
  *8  日本ボブスレー・リュージュ協会 
      原稿受付 2010 年 5 月 20 日 
 
 
 
1 
 
長坂明彦・関 翼・岡田拓真・穂刈 聡・内山了治・生駒良弘・越 和宏・池田芳正 
 
 ムである．それぞれのフレームは，ソリの四隅で固
定されている．  
 ひずみ測定にはソリの縦フレームの中央の上部に，
長手方向にひずみゲージを貼付し，滑走時の縦フレー
ムの動ひずみを測定した． 
また，ひずみは三次元測定機を用いてたわみ量とし
て校正した．4) 
図 4 に測定装置を示す．また，図 5 に装置を装着し
た選手を示す．垂直方向加速度，水平方向加速度測定
および進行方向加速度測定には 3 軸加速度センサ
（（株）共和電業，AS-10TG（±10G））を用いた．
なお，垂直方向加速度測定は，ソリの進行方向に対し
て感度軸を垂直方向に向け下側をプラス方向にして，
水平方向加速度測定はソリの進行方向に対して左右
方向に感度軸を向け右側をプラスとして，進行方向加
速度測定はソリの進行方向を感度軸のプラス側にし
て測定を行った．角度測定にはスイングセンサ（（株）
住友精密工業，SS-30001（±180°））を用いた．なお，
角度測定は，バンクでのソリの傾き（バンク角）を測
定した．加速度センサおよび信号を記録するコンパク
トレコーダ（（株）共和電業，EDS-400A）はバック
パックに入れ，滑走者が背負った状態で測定した（図
5）．また，筋電位測定には，表面筋電位測定装置（（有）
追坂電子機器，MA-3000）を用いた． 
なお，実験日（2009 年 12 月 8 日）の天候は晴れ，
外気温 1℃，湿度 64％，氷温は-11℃であった．今回
の被験者は 1 名であり，身長 177cm，体重 68.5kg，そ
りの重量は 41.5kg である．この被験者は 2009 年度全
日本スケルトン選手権にて 17 位の成績を収めている． 
 
3. 実験結果および考察 
 
図 6 にフレームのひずみ εと時間 T の関係を示す． 
図 6(a)はローパスフィルタ無し（FLAT）の右縦フレ
ーム中央部のひずみ，図 6(b)は 1Hz ローパスフィルタ
（LPF）処理後の右縦フレーム中央部のひずみ，図 6(c)
は FLAT の左縦フレームの中央部のひずみおよび図
6(d)は LPF 処理後の左縦フレーム中央部のひずみの 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Frame Strain gage 
 
 
 Bumper 
 
図２ スケルトンフレーム 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図３ 三次元測定機によるフレーム変形測定 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ひずみゲージ
 
図４ 測定装置 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10mm 
コンパクトレコーダ 
加速度センサ
右縦フレーム
 
100mm
左縦フレーム
図５ 装置を装着した選手 図１スパイラルコース 
2 
 
スケルトンソリの操作特性 
 
3 
 
ームの右と左を意味する．重錘を W＝100～500N と順 時系列データである．カーブに入るとそれぞれひず
みゲージが圧縮変形され，マイナスの値が出力される
傾向にある．右カーブおよび左カーブで左右のひずみ
値に大きな違いは見られない． 
次フレーム中央部に負荷後，ひずみゲージ近傍のたわ
み量 δをプローブで測定した（図 3）．たわみ量と比
較することで，ε を δ で校正した（図 12）．図 13 よ
り，重錘 W を負荷することにより縦フレームは凹形
にたわむ．例えば，ε＝－200×10－6のときたわみ量が 
図 7 に重錘 W および縦フレーム中央部のひずみ ε
とたわみ量 δの関係を示す．ここで，R と L は縦フレ 
 
-300
-200
-100
0
100
200
300 (a)
Right
FLAT
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17
C1 C2
C3
C4
C5 C6
C7
 
  
  
C10
C11 C13 C14C15
 C8 
  
 
C12
-300
-200
-100
0
100
200
 
  
 
ε
 (
×
10
-6
)
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17(b)
Right
LPF
 
  
  
  
  
  
  
-300
-200
-100
0
100
200
0 10 20 30 40 50 60
T (s
70
)
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17(d)
Left
LPF
-300
-200
-100
0
100
200
(c)
Left
FLAT
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 図６ ひずみ εと時間 T の関係  
 
0
1
2
3
4
5
6
0 100 200 300 400 500 600
δ
 (
m
m
)
W (N)
(a)
H=8mm
0 50 100 150 200
ε (×10－6)
 
(b ) 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  図７ 重錘 W およびひずみ εとたわみ量 δの関係 
   
長坂明彦・関 翼・岡田拓真・穂刈 聡・内山了治・生駒良弘・越 和宏・池田芳正 
 
δ＝5.5mm となる．このとき，ランナーの張りが
H=8mm（図 14）であることから，縦フレームはラン
ナーにボトムしない．δと W および δと εはそれぞれ
線形的な関係にあり，たわみ量 δは左右とも同程度に
変形することがわかる（図 12） 
をプラスに設定したことで，波形はプラス側に出力さ
れる．カーブに入ると約 4G が作用していることがわ
かる（図 8(b)）． 
図 9 に滑走中の水平方向加速度 ax と時間 T の関係
を示す．図 9(a)は FLAT の水平方向加速度 ax および図 
図 8 に滑走中の垂直方向加速度 az と時間 T の関係
を示す．図 8(a)は FLAT の垂直方向加速度 az，図 8(b)
は 1Hz のローパスフィルタ処理後の垂直方向加速度
az の時系列のデータである．図 8(a)において，加速度
センサの感度方向を進行方向に対して下側（ソリ側） 
9(b)は1Hzのローパスフィルタ処理後の水平方向加
速度 ax の時系列のデータである．図 9(a)において，水
平方向加速度 ax のセンサ感度方向を進行方向に対し
て右側をプラスに設定したことで，波形はプラス・マ
イナスに出力された．フィルタ処理により波形が明瞭 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
-1
0
1
2
3
4
5
0 10 20 30 40 50 60
T (s)
70
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17
C1
C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C10
C11 C12 C13 C14
C15
(b)
0
1
2
3
4
5
a Z
 (G
)
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17(a)
 図８ 垂直方向加速度 azと時間 T の関係 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
a x
 (G
)
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17(a)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 10 20 30 40 50 60
T (s)
70
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17
C1 C2
C3
C4
C5
C6
C7
C8
C10
C11
C12
C13
C14
C15
(b)
図９ 水平方向加速度 axと時間 T の関係 
 
4 
 
スケルトンソリの操作特性 
5 
 
 
 
-2
-1
0
1
24 26 28 30 32 34 36
a y
 (G
)
S09 M10S08 FLAT
LPH
T (s)
(d)
-2
-1
0
1
a x
 (G
)
S09
M10S08 FLAT
LPH
(c)
-1
0
1
2
3
4
a z
 (G
)
S09
M10S08
FLATLPH
(b)
 
  
  
  
  
  
  
  
  
 
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
a y
 (G
)
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17(a)
 
  
  
  
  
  
  
  
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 10 20 30 40 50 60
 
70
S01 S06 S08 M10 S13 M15 S17
T (s)
C1 C2 C3 C4 C5
C6
C7 C8
C10
C11
C12
C13
C14
C15
(b)
 図 10 進行方向加速度 ayと時間 T の関係 
  
 になる（図 9(b)）．左カーブを通過するとプラス波形
（右方向の加速度），右カーブを通過するとマイナス
波形（左方向の加速度）が検出されたが，垂直方向加
速度 az に比較して，水平方向加速度 ax が最大約 1G
程度と小さいことがわかる（図 9(b)）． 
 
 
 
 
図 10 に滑走中の進行方向加速度 ayと時間 T の関係
を示す．図 10(a)が FLAT，(b)が 1Hz のローパスフィ
ルタ処理した時系列表示である．コースは基本的に下
り坂のため緩やかに上昇し，カーブに入ると値が上下
していることがわかる．なお，C7 と C11 の後は上り
坂となっているが，C11 通過後に加速度がマイナスと
なり，減速していることがわかる（図 10）． 
 
 -300
-200
-100
0
100
200
ε
 
(×
10
-6
)
S08 S09 M10
(a)
Left
Right
 
 
 
 
 
図 11 に S08 から M10 における (a) ひずみ ε，(b)
垂直方向加速度 az，(c)水平方向加速度 axおよび(d)進
行方向加速度 ayと時間 T の関係を示す．S08 から M10
において，C7 に相当する部分で垂直方向加速度が約
3G まで上昇しているが，水平方向加速度は右側の方
へ約 1G のあたりまでで上下していることがわかる．
カーブの中でソリが 2 度上がりするためにこのよう
な値が検出されたことが考えられる．進行方向加速度
は，カーブに入ると大きく増加し，その後減少してい
き，ストレートではほぼ一定の値を示した．ひずみは，
カーブに入ると共にマイナスの値を示すが，カーブ中
左右交互にわずかながら上下していることがわかる． 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 12 に S08 から M10 において，右縦フレームのた
わみ量 δR，左縦フレームのたわみ量 δL，垂直方向加
速度 az，水平方向加速度 axおよび進行方向加速度 ay
の時系列表示を示す．マイナス側に台形状に出力され
たものがたわみ量 δRと δL，プラス側に台形状に出力 
 
 
 
 
 
されたものが垂直方向加速度 az，中央で大きく上下 図 11 ひずみおよび加速度の時系列表示（S08~M10 間） 
長坂明彦・関 翼・岡田拓真・穂刈 聡・内山了治・生駒良弘・越 和宏・池田芳正 
 
δ
R
, δ
L a
z, 
a x
, a
y
S09 M10S08
T (s)
6.0 6.06.0 δL
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
δR
  
  図 12 たわみおよび加速度の時系列表示
  
に値が出力されたものが水平方向加速度 ax，ほぼ中
央に出力された値が進行方向加速度 ay である．垂直
方向加速度 az とたわみはともに上下していることが
分かる．水平方向加速度 ax は，カーブに入るとカー
ブの方向とは反対方向の加速度（右カーブの C4 では
左，左カーブの C5 では右）が表れ，その後カーブ中
では左右交互に検出されていることが分かる（図 1）．
垂直方向加速度 az およびたわみがほとんど検出され
なかったC6でも水平方向加速度 axは左右共に検出さ
れているので，ソリの傾きをコントロールする必要性
がわかる． 
1) コース上のタイム（リザルト）からソリの縦フレ 
ーム中央部のひずみ，垂直方向加速度，水平方向加
速度および進行方向加速度の大小を測定し，選手に
フィードバックすることが可能となる．  
2) 垂直方向加速度は 2～4G と水平方向加速度より
相対的に大きく出力された．また，水平方向加速度 
はカーブに伴い 1G 程度の加速度，進行方向加速度
は最大約 1G の加速度が作用した． 
3) バンク角および筋電位の大小を測定することに
より，選手のソリ操作によるライン取りが検証でき
る． 
 3.4 角度および筋電位測定 
図 13 に，滑走時のソリのバンク角θと時間 T の関
係を示す．θは，ソリの左右方向の傾き（バンク角）
を意味する． 
 
 
 
 右カーブ C1 に入ると，角度θがマイナス側に出力
される．直線になると，ソリは 0°の傾きに戻り，左
カーブ C2 では，プラス側に値が出力されることがわ
かる． 
 
 
 
 このことより，選手がバンクでのライン取りを確認
することができる．  
-100
-50
0
50
100
0 5 10 15 20
θ
(d
eg
.)
T (s)
C1
C2
図 13 ソリのバンク角θと時間 T の関係 
図 14 に，腰において，筋電位 ERおよびその積分値
EIと時間 T の関係を示す． 
 
 
筋肉の動作による EI の変化で，選手がソリに与え
た操作を確認できる． 
 
 
 以上のことより，選手が計測器を背負うことによる
タイムのロスは，全体で約 1～2 秒であり，センサの
装着・脱着に要する時間はそれぞれ 10 分程度で，測
定データの表示を PC に出力し，選手にフィードバッ
クすることで，選手がリザルトからソリ操作特性を確
認することが可能となる． 
 
 
 
 
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
E I
, E
R(
V
)
T (s)
ER
EI
図 14 筋電位 ERおよびその積分値 EIと時間の関係  
  
4. 結言 参考文献 
  
1) 長坂明彦，掛川洋平，平林喜明，井上宏克，土橋
文行，宮澤純一，小松清視，関 翼，山本竜太：ス 
スケルトンそりのフレーム特性について得られた
主な結果は以下の通りである． 
6 
 
スケルトンソリの操作特性 
 
7 
 
ラップスケート靴ブレードの動ひずみ測定，スポーツ 
産業学研究， Vol. 18，No.1 (2008), pp.17 -24  
2) 長坂明彦，関翼，内山了治，渡辺誠一，生駒良弘，
越和宏，池田芳正，松原達郎：スケルトンのソリフレ
ーム変形特性，スポーツ産業学研究，Vol. 19，No. 2 
(2009), pp. 113-118． 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3) 青木博夫，宮尾芳一，芳賀 武，浅川 司，藤沢 
謙一郎：長野冬季オリンピックのリュージュ競技結
果に対する分析－上位者と下位者の比較－，長野体
育学研究，10，(1999), pp.17 -24  
4)岡田拓真，宮尾芳一，内山了治，長坂明彦：スケル
トンソリの操作特性, 長野体育学研究, 第 17 回
号，(2010), p29 


スケルトンソリの操作特性

永藤, 壽宮

小林, 和史

                                               長野工業高等専門学校紀要第 44 号(2010)  1-9  
1 
 
塩害を受ける耐候性鋼板を使用した橋梁の調査研究＊  
 
永藤壽宮＊１・小林和史＊2 
 
 
The Research Of The Bridge Used The Weatherproof Steel.Damaged By Salt 
 
NAGATO Toshimiya and KOBAYASHI Kazusi 
 
 
 Weatherproof steel plate bridge is originally said not to receive damage the 
weatherproof steel plate bridge by stable rust. 
But the example which a weatherproof steel bridge caught the damage by melting snow agent 
was outstanding recently.  
Therefore, in this paper, we research some examples of actual bridges with the rust of damage 
due to deicing salt in snowy and cold Nagano region.  
We investigated degree of the damage in the weatherproof steel plate in a bridge in  
 
キーワード：耐候性鋼板，塩害，融雪剤  
 
1．緒  言
 
３．橋梁における三大損傷 
積雪寒冷地では，昭和 50 年代からスパイクタイヤ
による粉じんが社会問題となり，平成 2 年に法律が
施行されスパイクタイヤの使用が規制された．これ
に伴い，冬期路面制御のため，融雪剤の使用量が急
増した． 
三大損傷とは，疲労，塩害，アルカリ骨材反応を言
い，放置することにより劣化が進行し，橋梁の安全性
に影響を及ぼす可能性のある橋梁の劣化要因． 
３－１ 疲労 
疲労は，重交通による繰り返し荷重により疲労が累
積され，鋼部材であれば亀裂が生じ，RC 床版であれ
ばひび割れが生じる損傷である．鋼部材の疲労亀裂は，
進展すると部材が破断に至る危険性があるとともに，
RC 床版のひび割れは進展すると抜け落ちが生じる危
険性がある． 
しかし，これら塩化物を含んだ融雪剤が，コンクリ
ートでは，表面がフレーク状に剥がれる凍害劣化（ス
ケーリング）を著しく促進させることで知られ，構
造物の美観，かぶりコンクリートの品質低下が懸念
されている． 
３－２ アルカリ骨材反応 耐候性鋼板が海岸近傍部で， 安定錆ではない腐食錆
すなわち積層錆を発生させていることは，問題とな
り多く紹介されている．また融雪剤による影響もい
くつかの研究報告がある． 
アルカリ骨材反応は，コンクリートの骨材に反応性
の鉱物が含まれていた場合，コンクリート中のアルカ
リ性の水分と反応し，骨材が異常膨張して亀甲状のひ
び割れが生じる損傷である．アルカリ骨材反応が進展
すると，コンクリートの膨張とそれに伴うひび割れが
進展し，鉄筋の降伏や破断に至る危険性がある． 
２．研究概要
 
本研究は長野県内の長野県所轄の耐候性鋼板を使用
した橋梁を対象として，融雪剤による影響を調査し
その現状を明らかにすることを目的としている． 
３－３ 塩害 
塩害とは，鋼材の腐食が塩化物イオン(Cl－)の存在
により促進され，腐食錆が生成にひび割れや剥離を引
き起す． *   2010 年３月 1 日土木学会中部支部で口頭発表   
*1  環境都市工学科教授 また鋼材の断面減少などを伴うことにより，構造物
の性能が低下し構造物が所定の機能を果たすことが
出来なくなることである． 
*2  宮地鐵工株式会社 
  原稿受付 2010 年 5 月 20 日 
この塩害には，大きく三つの原因が上げられる．一
永藤壽宮・小林和史 
 つは海水によるもの，もう一つはコンクリート床版製
造時の外部からの供給，そして図１に示すような融雪
剤によるものである． 
 
 
 融雪剤として使用される物質として一番に上げら
れるものが塩化カルシウムや塩化ナトリウムである．  
 その中でも近年，使用を特に増大しているのが，い
わゆる塩化ナトリウムの食塩である．  
 これまで融雪剤は，構造物の劣化が顕在化していな
いが，耐候性鋼板のメンテナンスフリーの利便性から
塗装できない箇所に設置されることが多く，将来塩害
による断面損傷などを引き起こす危険性は十分にあ
るといえる． 
 
 
 
図１ 耐候性鋼板損傷状況 
 
 
４．一般橋梁における塩害の状況 
 
４－１ 神田川橋  
 図２に示す長野インターチェンジ～松代パーキン
グエリアまでに架かる神田川橋を例にとって，一般橋
梁における（耐候性鋼板を使用していない橋梁）融雪
剤による塩害について，示す． 
 
 
 
 この橋梁は上り線と下り線が隣接しており，冬季
の時期は毎日の凍結防止剤を散布しており，散布さ
れた融雪剤（塩化カルシウム）が道路の脇から飛散
し図３に示すように下フランジや接合部など錆させ
ている． 
 
 
図２ 神田川橋  
 
 図４に示すように，ボルト接合部に腐食とひび割れ
が発生させている．  
 
５．種々の耐候性鋼板
  
 ５－１ 耐候性鋼板 
 普通鋼材での橋梁は塗装して防錆するが，腐食に
よる再塗装を繰り返す必要がある．再塗装は都度足
場組みや重機が必要となり，また交通量や，架設場
所の条件により困難な場合も多く，時間とコストを
必要としている． 
 
 
 
 
図３ 下フランジ損傷状況 
 しかし，耐候性鋼は,鋼表面に保護性錆を形成する
ように設計された低鉄合金鋼である． 
図４ ボルト接合部腐食状況 
 
 塗装せずにそのまま使用してもあまり錆びず,ま
たその錆が比較的緻密で,内部まで腐蝕されないよ
うな鋼材である．そのため耐候性鋼は,適切な管理を
すれば無塗装で使用できるので,メンテナンス費や
塗装費を低減できる為コストの削減ができる． 
 
 
 
 
 しかし現状は設場所が海岸の他，山間部で凍結防止
剤を使用するような 場所では，塩分により耐候性鋼
といえども期待通りの効果が得られず腐食が進行し
てしまう． 
 
 
 
 そういった場所でも飛来塩分による錆の進行を 
  
2 
塩害を受ける耐候性鋼板を使用した橋梁の調査研究 
 表１ 橋梁調査結果一覧 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
永藤壽宮・小林和史 
 抑え，無塗装で使用が可能な海浜耐候性鋼（高Ｎｉ
系耐候性鋼）という新しい鋼材の使用が増えている
現状である． 
 
 
 ５－２ 海浜耐候性鋼 
 Ｎｉ３％添加，Ｃｒ無添加とすることで，塩分飛
来量１・30ｍｍｄ以下と従来の 10 倍を超える環境に
耐えられる．緻密な非品質さびである２層構造の内
層でＮｉが濃化することで，塩素イオンの浸透を抑
えるメカニズムである． 
 
 
 
 
 長野県内での耐候性鋼板橋のほとんどは，海浜耐
候性鋼ではない．  
 
６．耐候性鋼板の橋梁の調査結果
 図５ 地震滝橋北西側  
  調査結果として各地域の耐候性鋼鈑の調査し 50
箇所調査を実施した．その結果を表１に示す．  
 調査から判明したことは橋梁の付近では多くの融
雪剤の散布による飛散および，それを含む融雪水の
排水の問題が原因と思われる． 
 
 
 塩による影響が有るのは全 50 橋中 25 橋その中で
も影響が大きいと思われる 12 橋であった．  
 それらの損傷を受けている数橋の橋梁の例をあげ
る．  
 ６－1 地震滝橋 
図 6 地震滝橋南東側  信濃町杉野沢黒姫線に架設されている地震滝橋に
ついて示す．  
 図５に示すのは，橋の北西側の下フランジである．
それに対し図６に示すのは橋の南東側の同じく下フ
ランジである． 
 
 
 この図２つの左右を比較するとまったく違う損傷
状況となっている．  
 また図７は，損傷のある方の床版下部の排水工部
分である．排水工からの漏水が腐食の原因となって
いることが観察できる． 
 
 
 次に図８では，支点付近での損傷状況を示してい
る．伸縮継ぎ手からの漏水がウェブやフランジに波
及し，下フランジ下面にも腐食の影響を及ぼしてい
ることが観察された． 
 図７ 地震滝橋排水工の真下 
 
 
 ６－２ 平瀬橋 
 松本市国道１４７号線に架設されている平瀬橋の
図９に示す．  
 図 10 は松本市側，図 11 は上田市側の排水工を望
む．排水工が腐食し手居ることが観察される．  
 図 11 も同様で図 12 は，床桁の浸透水が，漏水と
なって横構を腐食させたものを示している．  
 ６－３ 新布施川橋 
 図 14 は，融雪剤の飛沫が飛来し，ウェブに腐食を
与えていることを示している． 
図８ 地震滝橋支点近傍 
 
4 
塩害を受ける耐候性鋼板を使用した橋梁の調査研究 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図９ 平瀬橋 
図 10 平瀬橋松本市側 
図 11 平瀬橋上田市側 
図 12 排水工周りの腐食 
図 14 新布施川橋のウェブ 
図 13 平瀬橋横構の腐食 
図 16 新布施川橋の縦桁 
図 14 新布施川橋のウェブ 
図 15 新布施川橋の床桁 
5 
永藤壽宮・小林和史 
6 
図15は床桁，図16は縦桁の腐食損傷を示している． 
図 17 損傷原因 
耐候性鋼板橋損傷原因
漏水
20%
その他
8%
被害なし
62%
跳ね返り
10%
跳ね返り
漏水
その他
被害なし
７．結論
 
長野県内 50 橋の耐候性鋼板を使用した橋梁を調
査し，損傷の原因の割合を図 17 に示す． 
長野県の凍結防止材の散布量は年間で 18000ｔf
（ただしこの数字は県が把握している分であり実際
はその 4～5 倍）もの散布量で,これは長野県の道路
は,雪が降り積もるよりも解けて冷え込むため凍結
しやすく,全国の中でも一番多い散布量となってい
る． 
比較例として新潟県では 14000tf,青森県で
11000tf,秋田県,北海道では 9500tf である． 
点検援助の可能性の検討などが必要となる． 
県道,国道中心で調査してきたが市町村道におい
て，更に厳しい状況が存在している．長野県の対策
である，かぶり厚の増加のみならず他の指針の導入
することが必要となってきている． 
その中で,長野市 3000tf と松本市 2500tf で,この
地域には主要道路が多く通っているため県の年間散
布量の約 1/3 を占めているので塩害の影響が大きい． 
 したがって凍結防止材の塩害による影響は他地域と
比べ群を抜いて大きく,特に顕著に被害あった 12 箇
所の橋梁の約７割を占めていた．  
参 考 文 献 
 
1）小林和史，春原俊明，永藤壽宮：橋梁に対する塩
害の課題，平成 21 年度土木学会中部支部研究発表
会講演概要集，pp5-6（2010.3）- 
同じ環境条件,設計の橋梁などひとつとして存在
しない．橋梁は塩害による劣化だけでなく日々変わ
る環境のもと劣化は進行しており,点検が遅れれば
重大な被害へとつながってしまう．したがって点検
と委託・点検の区分の設定,点検ボランティアによる 
2）飯塚紀幾，師田まなみ，永藤壽宮：GIS による橋
梁管理システムの構築，平成 21 年度土木学会中
部支部研究発表会講演概要集，pp1-2（2010.3）  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
 


塩害を受ける耐候性鋼板を使用した橋梁の調査研究

秋山, 正弘

柄澤, 孝一

大平, 祐介

小林, 良太郎

長野工業高等専門学校紀要第 44 号(2010)  2-1 
1 
                       
レイアウトエディタを用いた半導体素子設計による技術者育成 
～演算増幅回路製作同好会学生教育用～ 
  
秋山正弘＊1 柄澤孝一＊1 大平祐介＊2 小林良太郎＊3 
 
 
Technology Training of Semiconductor Device Design Engineers by Layout Editor 
Software 
  
AKIYAMA Masahiro, KARASAWA Koichi, OOHIRA Yusuke, 
and KOBAYASHI Ryotaro 
  
 
キーワード：レイアウトエディタ，半導体素子設計，技術者育成，演算増幅回路製作同好会  
 
１．はじめに 
   
長野工業高等専門学校では，演算増幅回路製作同
好会が平成 21 年 11 月発足した．この同好会は，元々
２つの同好会（「オペアンプ同好会」「増幅回路同好
会」）に分かれていたが，お互いに協力できる関係に
あったため統合し，演算増幅回路製作同好会となっ
た．そのため，活動内容も大きく 2 つに分かれてい
る．1 つ目は，オペアンプコンテストに参加するた
めのオペアンプ製作を行う内容である．具体的には
ソフトを使ったシミュレーションや，レイアウトの
設計を行う．2 つ目は，電子工作が好きな人が集ま
って一緒に回路を組む内容である． 
ここで，1 つ目の演算増幅器設計コンテストへ参
加する事を考える．現在，長野高専のカリキュラム
では 4 年生で半導体工学を教わり，専攻科 1 年で集
積回路の基礎を学ぶ．そのため，同好会活動で主力
となる学生である 3,4 年生がオペアンプコンテスト
に参加するための基礎的な知識が不足している．特
に，オペアンプ設計に用いるレイアウトソフトを利
用するには専攻科 1 年生程度の知識が必要となる． 
そこで我々は，演算増幅回路製作同好会の学生に
オペアンプ設計に必要な基本的な知識・技術を習得
してもらうために，自学自習できるテキストの作成 
  
＊1  電気電子工学科准教授 
＊2  技術室 第二技術班 
＊3  豊橋技大 情報・知能工学系 
  原稿受付 2010 年 5 月 20 日 
を考えた．テキストの内容は，レイアウトソフト
を用いた半導体素子設計である． 
 
２．ソフトウェア 
  
 利用した集積回路設計用ソフトは「MyCAD 社 Lay 
Edit Pro 2003SV」である．本ソフトは，教育用であ
るため機能が制限されているが，無償ソフトである
ため，経済的な負担が無く，且つ扱いやすく集積回
路教育の推進に適していると考える．この Lay Edit 
Pro 2003SV は，MyChip Station Pro 2003 SV の他の
ソフトと共に収録され，配布されている． 
 内容に関しては，基本的な描画ツールに加え，合
成や切削，反転や回転，グループ化など有効に使用
できるツールが揃っている．また，レイヤーに関し
てもC-MOS ICをレイアウトするために必要なものが
揃っている．以上の点から，Lay Edit Pro を用いた．
動作環境として，OS は Windows Vista と XP でイン
ストールと，ソフトウェアの正常な動作を確認済み
である． 
 
３．テキスト 
  
 半導体工学教育用のための５つのテキストを作成
した．作成したテキスト内容を以下に示す． 
１：「集積回路設計用ソフトのインストールマニュア
ル」 
２：「集積回路設計用ソフトの利用マニュアル」 
３：「インバータの設計マニュアル」 
４：「抵抗設計マニュアル」 
秋山正弘・柄澤孝一・大平祐介・小林良太郎 
５：「ダイオード設計マニュアル」 
「１」では集積回路設計ソフトが無い環境の学生が，
各自でインストールできるように丁寧に解説した．
「２」では集積回路設計ソフトの利用方法をいくつ
かの課題を通して習得できるように工夫した．「３」
では代表的な素子であるインバータを例として取り
上げ，「２」の知識さえあれば設計できるように工夫
した．「４」では代表的な素子である抵抗設計を例と
して取り上げ，「２」の知識さえあれば設計できるよ
うに工夫した．また，設計時に必要になる理論式，
設計時に必要になるマスク等も理解を助けるために
示した．「５」では代表的な素子であるダイオード設
計を例として取り上げ，「２」の知識さえあれば設計
できるように工夫した．また，設計時に必要になる
理論式，設計時に必要になるマスク等も示した．上
記テキストを作成するために，３つの点に留意した．
1 つ目として，ソフトウェアのインストール方法や
各種設定方法についてまとめる．2 つ目に，実際に
レイアウトを行えるような内容にする．3 つ目に，
理解しづらいレイアウトと製造プロセスの関係につ
いて，わかりやすくまとめるという 3点である． 
 
３．１ 集積回路設計用ソフトの 
インストールマニュアル 
  
今回作成したテキストを利用するにあたって，Lay 
Edit Pro2003 SV のインストールは必須である．こ
のインストール手順をまとめた．特別な知識を必要
とせず，とても簡単にインストールできる．また，
実際にレイアウトを行う以前に，必要な設定がいく
つかある．これらについても，設定毎に区切りなが
ら，まとめた．図１にインストールの一場面を示す． 
 
３．２ 集積回路設計用ソフトの利用マニュアル 
  
実際にレイアウトを行うには，基本的な描画ツール
の使用方法を知らなければならない．また，単純な
図形を描けるだけでは，複雑な図形を描くのは困難
である．この際に必要となるのが，合成や切削を行
うツールや，グループ化を行うツールである．これ
らについての使用方法をまとめた．また演習問題に
よって，実際に利用する過程を加えた．図２に演習
問題の一例を示す．図形が描けるようになったら，
次に知るべき内容はレイヤーに関しての操作である．
レイヤーの定義と共に，レイアウトの指定方法や，
変更の仕方についてまとめた． 
 
図１ インストールの一場面 
 
 
図２ 演習問題の一例 
 
３．３ インバータの設計マニュアル 
  
レイアウト対象として C-MOS インバータを用いる．
C-MOS 技術は，p-MOS や n-MOS と比べて，低消費電力
で高速動作が可能なため，現在の IC 製作技術として
広く用いられている．また，C-MOS インバータは，
その技術を用いた最も単純な回路である．このため，
C-MOS インバータのレイアウトを行うことで，ソフ
トウェアの操作やレイアウトの基本技術の学習に重
点を置いて，実習が可能であると考えられる．また，
一部のレイヤーに対しては，描く方法を示していな
い．これは，テキストの使用者が自信で考え，自身
でレイアウトを行えるようにするためである．図３
にインバータ設計の一場面を示す． 
 
３．４ 抵抗設計のマニュアル 
  
「抵抗」は集積回路を構成する重要な素子の一つ
である．「抵抗」には「拡散抵抗」「ポリシリコン抵
抗」等様々な抵抗があるが，ここでは，比較的良く
利用されているポリシリコン抵抗を例に用いる．ま
レイアウトエディタを用いた半導体素子設計による技術者育成 
3 
た，テキストには設計時に必要になる理論式，設計
時に必要になるマスク等も参考のため示した．図４
にポリシリコン抵抗（1KΩ）のレイアウト図を示す．
図５にポリシリコン抵抗の断面イメージ図を示す． 
 
３．５ ダイオードの設計マニュアル 
  
「ダイオード」も同じく集積回路を構成する重要
な素子の一つである．「ダイオード」には「階段接合
ダイオード」「傾斜ダイオード」等があるが，ここで
は「片側階段接合ダイオード」を例として取り上げ
た．また，テキストには設計時に必要になる理論式，
設計時に必要になるマスク等も示した．図６にダイ
オードの断面イメージ図を示す．図７にダイオード
に用いるマスク例（メタル）を示す．図８にダイオ
ードのレイアウト例（逆方向飽和電流 Is=100pA で設
計したレイアウト）を示す．不純物濃度やプロセス
（p-well プロセス），設計ルール（λ＝1μm）はあら
かじめ設定してある．学生には Is(逆方向飽和電流)
の値を与え，その値に適した「断面積」を計算し設
計ルールに従ってレイアウトを完成させる． 
 
４．実施結果 
  
 実際に，これらのテキストを用いて増幅回路製作
同好会学生に「集積回路設計用ソフトのインストー
ル」から「ダイオードの設計」までを行ってもらっ
た．その結果，全員が「集積回路設計用ソフト」を
習得し「ダイオードの設計」までを行うことができ
た．これにより，レイアウトソフトを用いた半導体
素子設計用テキストが完成できたと考えられる．図
９に学生による実習の様子を示す． 
 
５．まとめ 
  
演算増幅回路製作同好会の学生にオペアンプ設計
に必要な基本的な知識・技術を習得してもらうため
に，自学自習できるテキストの作成を行った．テキ
ストの内容は，レイアウトソフトを用いた半導体素
子設計である．具体的な内容は，学生が容易に自習
できるよう，「インストールの手順」から「ダイオー
ドの設計」まで，レイアウトを習得し，自ら学べる
一連の流れをテキストにまとめることがで
きた．本テキストによる実習効果は，演算増
幅回路製作同好会での実施結果から良い結
果が得られている．しかし，演算増幅器設計
コンテストに参加するには他にも多くの知 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図３ インバータ設計の一場面 
 
 
 
 
 
 
 
 
図４ ポリシリコン抵抗（1KΩ）のレイアウト図 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図５ ポリシリコン抵抗のイメージ図 
 
 
 
ポリシリコン抵抗 
秋山正弘・柄澤孝一・大平祐介・小林良太郎 
識・技術が必要となる．今後は，高専連携プ
ロジェクトで協力していただいている豊橋
技術科学大学と共に，たくさんの技術や知識
を学生が習得できるものにしていきたいと
考えている．また，他高専では半導体素子や
集積回路への理解を深めるためレイアウト
ソフト以外のツールも利用している[1-5]．
このようなカリキュラムも今後考えていき
たい． 
 
６．謝辞 
  
 今回のテキスト作成や実習を行うにあたり，平成
22 年度・豊橋技術科学大学・高専連携教育研究プロ
ジェクト（課題名：ものづくりを重視した総合的実
践的な情報教育システムの構築，及び，高専本科生
向け短期集中型情報教育カリキュラムの構築）の経
費より支出していただきました．ここに記し，深く
感謝いたします． 
 
参考文献 
  
[1]知念幸勇，総合的な LSI 回路集合教育システムの
構築，論文集「高専教育」，第 30 号，2007,3，
pp.323-327(2)原田寛治，OHP シートを用いたフ
ォトマスクの作製，論文集「高専教育」，第 31
号，2008.3，pp.85-88 
(3)臼井敏男，半導体デバイス教育の遠隔操作実験教
材開発，論文集「高専教育」，第 22 号，1999.3，
pp.85-88 
(4)宮井幸男，集積回路技術の実験実習教育，，論文
集「高専教育」，第 19 号，1996.3，pp.146-149 
(5)葉山清輝，スパッタ法を用いた効率的半導体デバ
イス実験の実現，論文集「高専教育」，第 21 号，
1998.3，pp.137-142 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図６ ダイオードの断面イメージ図 
 
 
 
 
 
 
 
 
図７ ダイオードで利用するマスク例（メタル） 
 
 
図８ ダイオードのレイアウト例（逆方向飽和電流
Is=100pA で設計したレイアウト） 
 
 
図９ 学生による実習の様子 
金属 
ｎ型基板 
ｐ+ n+ 
金属 金属用マスク  


レイアウトエディタを用いた半導体素子設計による技術者育成 : 演算増幅回路製作同好会学生教育用

柳澤, 吉保

高山, 純一

尾曽, 真理恵

マルチエージェントを適用した被災時救急搬送サービスの信頼性評価システム

渡辺, 誠一

長野工業高等専門学校紀要第 43 号(2009) 2-2 
1 
 
出前授業「ウルトラ？ほたる君を作ろう！」の実施報告 
 
渡 辺 誠 一＊  
 
Report of Delivery Lecture “Let’s Make a Night-light Using Solar Cell” 
 
WATANABE Seiichi 
 
 
キーワード：出前授業，環境教育，ソーラー常夜灯，太陽電池，CdS セル，ニッケル水素電池  
 
１．ま え が き 
 長野工業高等専門学校（以下，本校と略記）では，
平成 14 年 10 月から小・中学校や公民館などに出前
授業を実施している 1)．筆者は実験や電子工作を行
うテーマを登録して，現在までに 23 回（どきどき!
長野高専スカイパーク科学館 2 回を含む）依頼を受
けて実施した． 
筆者は，平成 13 年 8 月に財団法人大町エネルギ
ー博物館から出前授業の依頼を受けて以来，毎年 8
月下旬に実施している 2)．同館には大町少年少女発
明クラブという，社団法人発明協会が青少年の自由
闊達な想像力を尊重し，科学技術に対する夢と情熱
を育み，創造力豊かな人間形成を図ることを目的と
して支援しているクラブがある 3)．このクラブでは，
同館が開館している 4 月～11 月の間に電子工作，創
作アルミ鋳物，ロボカップジュニア in 大町 4) など
が行われている． 
 本論文では，平成 20 年 8 月 31 日に実施した環境
教育を意識して実施した出前授業「ウルトラ？ほた
る君を作ろう！」の以下の事柄について述べる． 
(1) 講座の実施日，受講者数および実施方法 
(2) 講座の実施内容と受講者の様子 
２．授業の実施日，受講者数および実施方法 
 表 1 に出前授業の実施日および受講者数を示した．
平成 20 年 5 月 9 日に依頼を受けて，実施テーマお
よび内容について検討した．大町エネルギー博物館
で開催案内を行ったところ，13 名の受講があった． 
 開催時間は，例年の実施状況を参考に，受講生に
ゆっくり体験してもらえるよう，午前約 2 時間実施
してから，昼食を挟んで，午後に約 2 時間実施した．
今回の出前授業でははんだ付けの箇所が少なく，部
品点数が少なかったため，午前中でほぼ製作が終わ
った受講生もいた． 
３．出前授業の実施内容 
３－１ 材料の配布と確認 
 受講生にはテキスト，実体配線図と以下の部品を
配布して，部品の確認を行わせた．確認する際に，
太陽電池，CdS セル，ニッケル水素電池，発光ダイ
オードなどの電子部品の役割について解説した． 
・太陽電池（1.5Ｖ）  2 個 
・CdS セル（直径 5mm）  1 個 
・ニッケル水素電池（単 3 形 1.2V） 2 本 
・トランジスタ（2SC1815GR） 1 個 
・炭素皮膜抵抗器（15kΩ）  1 個 
・発光ダイオード（直径 5mm 高輝度） 1 個 
・ショットキバリアダイオード（1A） 1 個 
・ラグ板   1 個 
・電池ボックス（単 3 形 2 本用） 1 個 
・タッパー（丸形）  1 個 
・角棒（600mm×18mm×18mm） 1 本 
・木ねじ   1 個 
 ・被覆銅線（赤，黒）  各 1 本 
・はんだ線   適宜 
表 1 出前授業の実施日および受講者数 
項目 内容 
実施日 平成 20 年 8 月 31 日（日） 
実施時間 10:00～14:30 
会場 財団法人大町エネルギー博物館1 階展示室 
対象者 大町少年少女発明クラブ員 
受講者数 13 名 
講師数 教員 1 名（渡辺誠一） 
＊ 電気電子工学科准教授 
原稿受付 2009 年 5 月 20 日 
渡 辺 誠 一 
2 
 ウルトラ？ほたる君を製作するために必要な以下
の工具を共通で用意した． 
・はんだごて 
・ドライバー（＋） 
・ラジオペンチ 
・ニッパ 
・きり 
・ホットボンド（グルーガン） 
・ホットスティック（棒状接着剤） 
 
３－２ 回路の製作 
 図 1 にウルトラ？ほたる君の回路図を示した．出
力が 1.5V の太陽電池を 2 個直列に接続して，ショ
ットッキバリアダイオードを介してニッケル水素電
池 2 本に接続した．ショットキバリアダイオードは，
ニッケル水素電池から太陽電池に電流が逆流を防止
するものである．晴天時には太陽電池から得られた
電圧はニッケル水素電池に充電される． 
CdS セルに光が当たると，CdS セルの抵抗が減少
するため，トランジスタのベース電圧が減少して高
輝度発光ダイオードに電流が流れず消灯状態となる．
それに対して，CdS セルを遮光すると，CdS の抵抗
は増加するため，トランジスタのベース電圧が増加
して高輝度発光ダイオードに電流が流れて点灯状態
となる．この動作によって，市販のソーラー常夜灯
と同等の動作が実現できる． 
 図 2 にラグ板へ電子部品を取り付けた様子を示し
た．ウルトラ？ほたる君の回路で使用する CdS，発
光ダイオード，トランジスタなどの電子部品の大き
さは，電子工作に用いる標準的な大きさであるが，
小学校低学年の児童でも容易にはんだ付けができる
よう，配線基板として端子の間隔が広いラグ板を用
いた．ラグ板には太陽電池へ接続する被覆銅線およ
び電池ボックスの配線も接続した． 
 はんだ付け作業が終了した後，電池ボックスにニ
ッケル水素電池 2 本を取り付けて，CdS セルの受光
部を指などで覆った際に発光ダイオードが点灯する
か確認を行わせた．トランジスタと発光ダイオード
には極性があるため，はんだ付けを行う際に間違え
て取り付けたために動作しない受講者も見られた． 
 
３－３ ウルトラ？ほたる君の組立 
図 3 にタッパーのふたに太陽電池を取り付けた様
子を示した．きりを使ってタッパーのふたに穴をあ
けて，赤色と黒色の 2 本の銅線を通した後，2 個の
太陽電池を直列に接続して，プラス極に赤色の被覆
銅線を，マイナス極に黒色の被覆銅線を取り付けた．
配線が終わった後に，ホットボンドを用いて太陽電
池をタッパーのふたに接着した． 
タッパーの底面には木ねじを用いて角棒を取り付
けた．これによって，庭土に差し込んで使用するこ
とが可能になる．テーブルに置いて使用することを
考えて，角棒を取り付けない受講生もいた． 
 
CdSセル
15 kΩ
高輝度発光
ダイオード
トランジスタ
(2SC1815)
ショットキバリア
ダイオード
太陽電池
(×2個)
ニッケル
水素電池
(×2本)
 
図 1 ウルトラ？ほたる君の回路図 
 
図 2 ラグ板へ電子部品の取り付けた様子 
 
 
図 3 タッパーのふたに太陽電池を取り付けた様子 
出前授業「ウルトラ？ほたる君を作ろう！」の実施報告 
3 
 図 4 にタッパーに回路を納めた様子を示した．電
池ボックスにニッケル水素電池 2 本を取り付けて，
回路と電池ボックスをタッパーの中に納めた． 
 図 5 に完成したウルトラ？ほたる君の外観を示し
た．「ウルトラ？ほたる君」の名称は，太陽電池が花
開いた様子で受光面積があるため電気が多く得られ
るように見えること，夜間ではタッパーの中に小さ
な発光ダイオードが光る様子が蛍に見えることから
付けた． 
４．受講者の様子と改善点 
４－１ 受講生の様子 
 図 6 に製作する受講生の様子を示した．受講した
大町少年少女発明クラブ員は，日頃から回路製作に
も取り組んでいるため，テキストと実体配線図を見
ながら製作を行っていた． 
小学校低学年の児童については，筆者，大町エネ
ルギー博物館学芸員と発明クラブ指導者がアドバイ
スを行った．中学生は，午前中にほぼ製作が終わり，
午後になって動作確認を行ったり，小学生の手伝い
をしたりしていた．ものづくりがテーマであったた
め，意欲的に取り組む姿が見られた． 
 
４－２ 改善点 
 太陽電池を用いたソーラー常夜灯は量販店などで
安価で販売されており，夜間の安全対策として家庭
で普及している．中には家庭で使用している受講生
もいると予想されることから，市販品と同等に使用
した場合に疑問やトラブルが発生する可能性がある
ため，テキストには以下の事項を記載した． 
・ 太陽電池から得られる電気が小さいため，あま
り明るく光りません．もし興味があったら改良
してみて下さい． 
・ 防水対策をあまり行っていません．外で使う場
合には，透明なビニール袋をかけて，直接雨に
当たらないようにして下さい． 
・ 角棒はある程度の長さがあります．良い長さに
調節して使って下さい． 
・ 電池には寿命があります． 
・ 使う場合には，周りに燃える物がないような場
所で使って下さい（電池の充電のしすぎで，悪
いときには電池が液漏れや破裂する可能性があ
ります）．  
曇天のときには太陽電池からニッケル水素電池を
充電できるだけの電圧を得るのが困難であるため，
今回は太陽電池を 2 個直列に接続して使用した．そ
のため，太陽電池の面積が大きくなり，コストも高
 
図 4 タッパーに回路を納めた様子 
 
 
図 5 完成したウルトラ？ほたる君の外観 
 
 
図 6 製作する受講生の様子 
 
 
図 7 完成したウルトラ？ほたる君と受講生 
渡 辺 誠 一 
4 
くなる結果となった．太陽電池の後に電圧昇圧回路
を接続することで効果的に充電できると考えられる
が，その反面，製作の難易度が増して，コストもか
かると予想される．よって，対象者に合わせた回路
に改善する必要がある．また，太陽電池の受光面を
アクリルなどで覆って雨対策をする必要があろう． 
５．あ と が き 
 本論文では，平成 20 年 8 月 31 日に財団法人大町
エネルギー博物館で開催した出前授業「ウルトラ？
ほたる君を作ろう！」の実施内容と受講生の様子に
ついて述べた．出前授業には大町少年少女発明クラ
ブ員 13 名の参加があり，太陽電池を用いた常夜灯
の製作に取り組んだ．ものづくりがテーマであった
ため，意欲的に取り組む姿が見られた． 
謝 辞 
 本講座を実施するにあたり，広報活動をしていた
財団法人大町エネルギー博物館の皆様，大町少年少
女発明クラブの指導者の皆様に感謝する次第である． 
参 考 文 献 
1） 長野高専 40 周年記念誌編集委員会：長野高専 
新時代への旅立ち－そして未来へ－，長野工業
高等専門学校，p.57（2003.11） 
2） 渡辺誠一，蔵之内真一，知野照信：小中学生を
対象とした電子工作の出前授業，論文集「高専
教育」，No. 28，pp.731-736（2005.3） 
3） 社団法人発明協会ホームページ： 
http://www.jiii.or.jp/clubnews/index.html 
4） 株式会社イーケイジャパン ホームページ： 
http://www.elekit.co.jp/special/robocup/entry 


出前授業「ウルトラ？ほたる君を作ろう！」の実施報告

深井, 郁夫

中澤, 啓明

鎌土, 重晴

岡田, 学

川尻, 將洋

中村, 麻人

長野工業高等専門学校紀要第 43号（2009） 1-3 
1 
 
超音波振動を用いた AC4CHアルミニウム合金鋳物の機械的特性* 
 
長坂明彦*1・深井郁夫*2・中澤啓明*3・鎌土重晴*4  
岡田 学*5・川尻將洋*6・中村麻人*7 
 
Mechanical Properties of AC4CH Aluminum Alloy Casting with Ultrasonic Vibration 
 
NAGASAKA Akihiko, FUKAI Ikuo, NAKAZAWA Hiroaki, KAMADO Shigeharu 
OKADA Manabu, KAWAJIRI Masahiro and NAKAMURA Asato 
 
Ultrasonic vibration on solidifying metals have been carried out expecting grain refining effect, reduction of segregation, 
elimination of inclusions and so on. 
In cast process, 1) vibration addition at solidification, 2) enhancement cooling speed and 3) grain refinement agent addition 
have been employed to improve mechanical properties of products. Ultrasonic vibration which frequency and amplitude are 
19kHz and 12μm respectively, is used as a vibration. Horn material is a SIALON (shape: straight type, diameter: 20 mm, 
length: 280 mm) and it is inserted into AC4CH (7.1Si-0.4Mg-0.01Zn-0.1Fe-0.15Ti (mass%), Ai-Si-Mg alloy) which is a 
material under test in this thesis to add ultrasonic vibration. 
Mean grain diameter of primary α in the product (with ultrasonic vibration) made in CO2 sand mold has become smaller 
than without ultrasonic vibration one, therefore Vickers hardness (HV) of the product has been improved about 20%. Eutectic 
silicon has scattered and become fine by ultrasonic vibration as well as the result in gravity mold. This eutectic silicon 
scattering effect of ultrasonic vibration has been recognized clearly by the result of distribution on a length of eutectic silicon. 
 
キーワード: 超音波振動, アルミニウム合金，鋳物，機械的特性 
 
1. 緒言 
 
素材の機械的特性の向上が要求され溶融アルミニ
ウム（Al）合金へ振動を付加する研究が報告されてい
る 1-6)．これまでの金型を用いた超音波振動（US）付
加実験において，結晶粒は微細化および引張強度は改
善されなかったが，共晶 Si相の微細化が示唆された 7，
8)． 
そこで，本研究では CO2型を用いて US付加実験を行
い，凝固組織および共晶 Si相の微細化メカニズムを 
検討した．さらに，脱ガス効果について報告する． 
 
* 2009 年 3 月 6 日 日本機械学会北陸信越学生会 第 38
回学生員卒業研究発表会にて一部発表 
*1 機械工学科教授 
*2 技術室 
*3 有限会社 中澤鋳造所 
*4 長岡技術科学大学教授 
*5 機械工学科准教授 
*6 筑波大学大学院 学生（平成 20年度専攻科修了） 
*7 生産環境システム専攻 学生 
原稿受付 2009年 5月 20日 
 
2. 実験方法 
 
2.1 供試材 
供試材には 7.1Si-0.4Mg-0.01Zn-0.1Fe-0.15Ti，mass%
の化学組成を有する市販の Al-Si-Mg系合金（AC4CH）
を用いた．AC4CHは Al-Si系合金に少量の Mgを加え
たもので，機械的特性および被切削性を改善した合金
で，耐熱性が良い 9，10)． 
2.2 超音波振動装置および CO2型 
 図 1に超音波実験装置を示す．超音波振動装置は周
波数自動追尾型であり，超音波発振器，振動子，2 段
水冷ブースタ，ホーン，るつぼ，ホーン予熱用電気炉，
Al溶解用電気炉，温度指示計で構成されている．超音
波発振器は出力 600W，振動数 19kHzであり，ホーン
はサイアロン製ストレートホーン，直径 20mm，全長
280mmを使用した．本実験で付加した超音波振動の縦
振幅は 12μmである． 
 図 2 に振動を付加する際の供試材，ホーンおよび
CO2 型の位置関係を示す．CO2 型は内径 40mm，深さ
80mmである．ホーン浸漬深さは液面から 20mmであ
る．ホーンは予め約 500℃に加熱している． 
2.3 超音波振動付加条件 
図 3に超音波振動付加条件を示す．700℃で供試材
長坂明彦・深井郁夫・中澤啓明・鎌土重晴・岡田 学・川尻將洋・中村麻人 
2 
 
を溶解し，CO2型へ注湯．直ちに鋳型内の供試材へホ
ーンを挿入し，超音波振動付加を開始．供試材温度
595℃でホーンを抜き取り，凝固させた． 
2.4 熱処理 
 超音波振動付加後，供試材に熱処理（T6処理）を行
った．熱処理条件は 520℃で 5時間の溶体化処理を行
った後，170℃で 5時間，人工時効効果処理を施した． 
硬さ測定はビッカース硬さ試験機を用い，荷重
9.81N，保持時間 15sで行った．10点ずつ試験片断面
に行い，10点のデータをとり，最大値と最小値を除い
たものを平均とした． 
 
3. 実験結果および考察 
 
図 4に供試材のミクロ組織を示す．70℃の 70％硝酸
水溶液でエッチングを行い観察した．(a)は超音波振動
（以下，US）付加なし，(b)は US付加ありである．切
断法による初晶 α の平均粒径はそれぞれ 206μm，
144μmとなり，US付加により結晶粒が微細化され，
初晶 α の形態が球状になった．これは AC4CHの量お
よびCO2型の内径が振動装置出力とホーン形状に対し
適正であったことが考えられる 1-6)．  
図 5にミクロ組織を示す．(a)は US付加なし，(b)は
US付加ありである．初晶 α の界面上に存在する共晶
Si 相について光学顕微鏡にて観察した．US 付加した
ことで針状な共晶 Si相が細かく分布した． 
図 6に共晶 Si長さ分布図を示す．縦軸は観察視野内
（1.13mm2）での個数を示す．US付加なしでは，共晶
Si の分布が広範囲になっているが，US を付加するこ
とで長さの短い共晶 Siの数が増加している．さらに約
60μm 以上の共晶 Si が存在しない．以上のことから
US付加による共晶 Siの微細化効果が明確になった．
初晶 α が微細化（球状化）したことで，共晶 Siが晶
出する初晶 α 界面の直線的な部分が少なくなったこ
とが要因と考えられる． 
図 7 および図 8 に US付加なしと US付加ありの試
料の EPMA分析結果をそれぞれ示す．分析条件は加速
電圧 12kV，照射電流は 60nAである．それぞれ (a)反
射電子組成像，(b)Al，(c)Mg，(d)Si，(e)Feを示してい
る．(a)において，反射電子は原子番号が大きいほど明
るいことにより，Mg（原子番号：12），Al（原子番号：
13），Si（原子番号：14），Fe（原子番号：26）の中で
Feが白いことがわかる．図 8(c)，(d)，(e)により Mg，  
Fe，Si が共存している領域，Mg，Si が共存している
領域，Fe，Siが共存している領域が存在していること
がわかる．供試材 AC4CH の化学組成から示されるよ
うに，Alと Siの割合が非常に多く，Mgおよび Feは
ほとんど存在しない．Alは母相に多く，Siは第二相に
多く分布している．また，Mgと Feは母相と第二相の
界面に点在した． 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 1 超音波実験装置 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 2 供試材，ホーンおよび CO2型位置関係 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 3 超音波振動付加条件 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 4 ミクロ組織（70％硝酸水溶液） 
（(a)US付加なし，(b)US付加あり） 
100µm 
(a) (b) 
超音波振動を用いた AC4CHアルミニウム合金鋳物の機械的特性 
3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 5 ミクロ組織（(a)US付加なし，(b)US付加あり） 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 6 共晶 Si長さ分布 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
100µm 
図 7 EPMA分析結果（US付加なし）（(a)反射電子組成像，(b)Al，(c)Mg，(d)Si，(e)Fe） 
(a) (b) 
(a) (b) 
(c) (d) 
(e) 
50µm 
長坂明彦・深井郁夫・中澤啓明・鎌土重晴・岡田 学・川尻將洋・中村麻人 
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 8 EPMA分析結果（US付加あり）（(a)反射電子組成像，(b)Al，(c)Mg，(d)Si，(e)Fe） 
(a) (b) 
(c) (d) 
(e) 
50µm 
超音波振動を用いた AC4CHアルミニウム合金鋳物の機械的特性 
5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 10 ミクロ組織（T6処理） 
（(a)US付加なし，(b)US付加あり） 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
表 1 ビッカース硬さ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
ビッカース硬さ HV 
USなし USあり 
熱処理なし 53 63 
T6処理 130 130 
100µm 
(a) (b) 
図 9 EPMA分析結果（US付加あり）（(a)Mg，(b)Fe，(c)Si，(d)反射電子組成像） 
(d) (c) 
(b) (a) 
10µm 
長坂明彦・深井郁夫・中澤啓明・鎌土重晴・岡田 学・川尻將洋・中村麻人 
6 
 
 図 9に US付加ありの拡大した EPMA分析結果を示
す．図 9(a)，(b)，(c)より Mg，Fe，Siが共存している
領域，Mg，Si が共存している領域および Fe，Si が共
存している領域の 3領域が存在していることがわかる．
Mgと Feは金属間化合物もしくは微細なMgシリサイ
ドと Fe シリサイドとの混合物として存在しているた
め，同じ位置で反応したと考えられる． 
図 10に熱処理を行った供試材のミクロ組織を示す．
(a)が US付加なし，(b)が US付加ありである．図 10(b) 
より，熱処理後の組織に US 付加の履歴が残ることが
分かる． 
 表 1 に US付加および熱処理を行った試験片のビッ
カース硬さ HVの値を示す．US付加することで HVは 
約 20%改善した．これは初晶 α の微細化が要因であ
ると考えられる．一方，T6処理を行った場合，HVは
同様の値を示す． 
図 11 に内部気泡（ポロシティ）の分散を示す．(a)
は US 付加なし，(b)は US 付加ありである．CO2型内
の水蒸気が溶融 Alの熱により気化し，製品へ溶け込ん
だことにより内部気泡が形成されたと考えられる．気
泡率（気泡の面積／試料面積）は US 付加なしとあり
でそれぞれ 4.3%と 3.1％であり，US付加による脱ガス
効果が期待できる．さらに約 1mm 四方の巨大な気泡
が US 付加で非常に細かく分散することがわかり，こ
れは応力集中の低減に繋がると考えられる． 
 
4．結言 
 
CO2型を用い，溶融 Al合金への超音波振動付加によ
る凝固組織および熱処理への影響について調査した結
果は以下の通りである． 
（1）超音波振動付加により初晶 α が微細化される． 
（2）超音波振動付加により初晶 α 界面に存在する共
晶 Siが微細になる． 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 11 内部気泡（(a)US付加なし，(b)US付加あり） 
 
 
 
 
 
 
（3）超音波振動付加した試験片へ熱処理（T6）を行
った場合，超音波振動付加の履歴が残る． 
（4）超音波振動付加により HVは約 20%改善した．一
方，T6処理を行った場合，HVは同様の値を示した． 
 
参考文献 
 
1）大澤嘉昭，荒金吾郎，高森 晋，佐藤 彰，大橋 修：
鋳造工学，71，(1999)，p. 98． 
2）大澤嘉昭，高森 晋，荒金吾郎，梅澤 修，佐藤 彰，
大橋 修：鋳造工学，72，(2000)，p. 187． 
3）大澤嘉昭，佐藤 彰：鋳造工学，72， (2000)，p. 733． 
4）大澤嘉昭，高森 晋，木村 隆，皆川和己，垣澤英
樹：鋳造工学，78，(2006)，p. 65． 
5）Yoshiaki Osawa，Goro Arakane，Susumu Takamori，
Akira Sato： Processing and Fabrication of Advanced 
MaterialsⅥ，Edited by K.A Khor，T.S. Srivatsan and J.J. 
Moo，(1998)，p. 15． 
6）田賀佳奈子，恒川好樹，奥宮正洋：日本鋳造工学会，
第 151回全国講演大会講演論文集，(2007)，p. 47 
7）川尻將洋，深井郁夫，中澤啓明，高橋好身，岡田 学，
長坂明彦：日本機械学会北陸信越学生会，第 37回学生
員卒業研究発表講演論文集，(2008)，p. 83． 
8）川尻將洋，中村麻人，中澤啓明，鎌土重晴，長坂明
彦：日本金属学会北陸信越支部・日本鉄鋼協会北陸信
越支部 平成 20年度総会・連合講演会，平成 20年度
連合後援会概要集， (2008)，p. 96． 
9）小林俊郎：アルミニウム合金の強度，内田老鶴圃，
(2001)，p. 324． 
10）矢島悦次郎，市川理衛，古沢浩一：若い技術者の
ための機械・金属材料，丸善株式会社，(1999)，p. 75． 
11）Akihiko Nagasaka，Masahiro Kawajiri，Ikuo Hukai，
Shuichi Yamamoto and Nakamura Kazuhiro：68th WFC – 
World Foundry Congress 7th – 10th February 2008，(2008)，
p. 543． 
12）長坂明彦，川尻將洋，深井郁夫，山本周一，中村
和弘：日本鋳造工学会 第 151回全国講演大会，(2007)，
p.113． 
13）長坂明彦，深井郁夫，山本周一，中村和弘，竹田 
充，川尻將洋，小島 敦：長野高専紀要，41，(2007)，
p. 7． 
14）長坂明彦，深井郁夫，中澤啓明，高橋好身，岡田 
学，川尻將洋：長野高専紀要，42，(2008)，p. 1． 
(a) (b) 
1mm 


超音波振動を用いたAC4CH アルミニウム合金鋳物の機械的特性

板屋, 智之

藤原, 勝幸

押田, 京一

さ 43 (2009) 1-8 
1 
 
モ  
 
 
 
 
Chemical Modification of Carbon Nanofiber and 
Experiments on Parallel Assembly of Carbon Nanofibers 
 
ITAYA Tomoyuki, FUJIWARA Katsuyuki and OSHIDA Kyoichi 
 
 
The dispersion of carbon nanomaterials is very important for their utilization in 
different applications.  Here we report on the dispersion of vapor grown carbon fiber 
(VGCF) by modification with water-soluble polymers such as poly(acrylic) acid (PAA), 
poly(ethyleneimine) (PEI) and poly(ethylene glycol) (PEG).  VGCFs were effectively  
dispersed in water by their ultrasonication in the presence of PAA.  This suggests that 
the surface of VGCF is modified with PAA chains.  PEI- or PEG-modified VGCFs were  
also obtained by ultrasonication in the presence of the polymers.  In addition to these 
results, electrostatic self-assembly between PAA-modified VGCF and PEI-modified VGCF 
was discussed. 
 
よ㈻  
 
 
 
 
(CNF)
(CNT)
㈻
┘ 1),2)
┘ 々
3),4)  
々
さ
CNF CNT
CNF CNT
々
 
CNT
CNT ┞ ㈻
CNT 5)  
┞ (VGCF) CNF
* 88  
*1   
*2   
*3  
2009 5 20  
6),7)
VGCF
VGCF
VGCF
VGCF
8)  
VGCF
VGCF
VGCF モ  
 
 
(CNF)
( ) ┞ (VGCF)
VGCF
♣ (PAA;
=2000) (PEI; =1800) 
(PEG; =2000)
 
VGCF PAA  PEI PEG 
 
2 
(0.10g/ 20mL) VGCF(0.010g)
200W
 
 
 
 
VGCF
(PAA)
100W VGCF
200W
VGCF
CNT
CNT
9),10)
VGCF
VGCF (PAA)
VGCF ば
 
PAA
VGCF
VGCF
PAA
VGCF
VGCF
VGCF ㈻
 
PAA (PEI)
(PEF) VGCF
モ ├
VGCF , PEI
VGCF  
PEG VGCF
PEI
VGCF
PEI
ば
PEG
VGCF
(DMF)
PEG VGCF
PEG
よ VGCF VGCF
PEG
 
 
VGCF
々
さ
々 ㈻
VGCF VGCF モ
PAA VGCF(PAA-VGCF) PAA  
 
 
 
 
 
 
 
 
PAA VGCF  
 
 
 
 
 
     
 
 
PAA VGCF
 DMF     
PEG VGCF
モ  
3 
よ㈻ VGCF
PEI
VGCF(PEI-VGCF) PEI よ
㈻ VGCF
PAA-VGCF PEI-VGCF
VGCF
 
PAA-VGCF
PEI-VGCF 0.010g
(25mL) (100W)
PAA-VGCF PEI-VGCF
(TEM) ┷ VGCF
ふ
VGCF
VGCF ふ
PAA-VGCF PEI-VGCF
. 
VGCF
PEI-VGCF 
(1x10-4g) PAA-VGCF(5x10-4g)
モ
モ
PEI-VGCF(3x10-3g)
モ
モ
PAA-VGCF(2x10-2g)  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VGCF  
モ TEM ┷   
VGCF
ふ  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 TEM ┷(PAA-VGCF PEI-VGCF 1) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TEM ┷(PAA-VGCF PEI-VGCF 2) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TEM ┷(PAA-VGCF PEI-VGCF 3) 
- 
- 
- 
- 
- 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ + 
- 
- 
- 
- 
- 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
100nm 
 
4 
VGCF
 
VGCF
VGCF
VGCF VGCF
㈻ VGCF
VGCF
 
 
 
 
VGCF
VGCF
VGCF モ
 
(1) 200W VGCF
 
(2) VGCF
 
 
 
 
┤
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1) : -
-, 1,  (2001). 
2) … , , , : 
- -, 202-205,  
(2004). 
3) B. Vigolo, A. Penicaud, C. Coulon, C. Sauder, R. 
Pailler, C. Journet, P. Bernier, P. Poulin: 
Science, 290, 1331-1334 (2000). 
4) A. B. Dalton, S. Collins, E. Munoz, J. M. Razal, 
V. H. Ebron, J. P. Ferraris, J. N. Coleman, B. G. 
Kim, R. H. Baughman: Nature, 423, 703 
(2003) . 
5) ├ : - -, 
431-440,  (2004). 
6) , , ┘ , : 
(TANSO), No.209, 159-164 (2003). 
7) J. Samuel, H. Awano, T. Takahashi, K. 
Yonetake, K. Koyama: (TANSO), No.223, 
188-190 (2006). 
8) , , , : 
(TANSO), No.223, 183-187 (2006). 
9) A. Koshino, M. Yudasaka, M. Zhang, S. Iijima: 
Nano Lett., 1, 361-363 (2001). 
10) L. Jing. L. Gao: Carbon, 41, 2923-2929 (2003). 
 
 


カーボンナノファイバーの化学修飾と配列化の試み

中澤, 達夫

百瀬, 成空

中澤, 篤史

長野工業高等専門学校紀要第 43号(2009) 1-1  
1 
 
 
カーボンナノ複合材料の機械的特性* 
 
長坂明彦⋆1・中澤達夫⋆2・押田京一⋆3・百瀬成空⋆4・中澤篤史⋆5 
 
 
Mechanical Properties of Carbon Nano Composite 
 
NAGASAKA Akihiko, NAKAZAWA Tatsuo, OSHIDA Kyoichi, MOMOSE Noritaka and NAKAZAWA Atsushi 
 
 
In the present work, mechanical properties of the carbon-nano-fiber reinforced plastic were investigated. VGCF is employed for the 
filler of the composites. For the matrix of the composites, a thermoplastic resins is used which is Acrylonitrile Butadiene Styrene 
(ABS) having different powder size. Particle diameter of ABS resin powder was controlled by the Mesh, and it is sorted in under 
125µm and more than 125µm. Composite of the ABS resin and carbon-nano-fiber were mixed by the rocking mixer. The composite 
was pressed at 180℃. Tensile tests were performed on an Instron type of tensile testing machine at a crosshead speed of 1 mm/min. 
Bending test were performed on an Instron type of tensile testing machine at a crosshead speed of 1 mm/min. 
 
キーワード： カーボンナノファイバー，ABS 樹脂，コンポジットの機械的特性 
 
１．はじめに 
ABS 樹脂は，家電，玩具，OA 機器の外装として一般に
利用され，最近では 3 次元プリンタの造形用樹脂としても
利用されている． 3 次元プリンタとは RP （ Rapid 
Prototyping：高速試作）1)を行う装置で，金型などを製造せ
ずに部品を直接製造できるため，従来の製造手法ではでき
ない設計段階での設計変更が可能であり，設計全体のコス
トダウンにもつながる． 
ここでは，3 次元プリンタ用の造形材料としての ABS 樹
脂に着目し，製品の強度向上を目的とした機能性材料の作
製を試みた．ABS 樹脂の添加材料としては，近年材質改善
や応用開発が盛んに行われているカーボンナノ材料を用
いた．中でも気相成長炭素繊維（VGCF : Vapor Grown 
Carbon Fiber）2),3) は，導電性，熱伝導性，強度などにおい
て優れた特性を持ち，広い範囲で利用されているが，ABS
コンポジットに関する機械および熱的性質に関する報告
はほとんど行われていない 4)-7)．そこで本研究では，ABS
樹脂を母材としたカーボンナノ材料との混合分散により 
 
*  2009 年 3 月 6 日 日本機械学会にて一部発表 
*1 機械工学科教授 
*2 長野高専名誉教授 
*3 電子情報工学科教授 
*4 電気電子工学科助教 
*5  生産環境システム専攻 学生 
 原稿受付 2009 年 5 月 20 日 
作製したコンポジットの機械的および電気的特性に及ぼ
すカーボンナノ材料の配合率の影響を実験的に調査した． 
 
２．実験方法 
母材として，ABS（日本エイアンドエル（株）S-3716）
の樹脂粉末，添加するカーボンナノ材料として，平均直径
150nm からなる VGCF，平均直径 100nm からなる VGCF－
S，樹脂への分散性を向上させた VGCF-H をそれぞれ用い
た．図 1 は VGCF の SEM 撮像である．  
ABS 樹脂粉末の粒径 d はメッシュにより制御した（d＜
125µm）．以降，この事を粒径制御と呼ぶ． 
ABS とカーボンナノ材料の混合量を 5g 一定とし，低速
回転・揺動運動のロッキングミキサーにより 10min の混合
を行った．母材との配合の割合は，0wt%，1wt%，3wt%と
した．混合後，熱間埋込プレス成形機により直径 50mm，
板厚 t＝0.5mm，1.0mm，2.0mm の 2 種類のディスクに成形 
  
 図 1 VGCF の SEM 撮像 
長坂明彦，中澤達夫，押田京一，百瀬成空，中澤篤史 
2 
0 1 2 3 4
0
10
20
30
d＜125μm, t= 1.0 mm(d)
VGCF content (wt%)
0
10
20
30
d<125μm ,t= 1.0 mm(b)
 
した．成形条件は，成形温度 180℃，成形圧 40kN，加圧時
間 6min および水冷却 2min で行った．成形したディスクを
カッターで切断し，短冊型試験片（全長 50mm，幅 5mm）
を作製した． 
引張試験には，板厚 t＝0.5， 1.0mm の試験片を用い，標
点間距離 10mm，クロスヘッド速度 1mm/min で行った． 
曲げ試験は，板厚 t＝1.0mm，2.0mm の試験片を用い，支
点間距離 36mm，クロスヘッド速度 1mm/min で，3 点曲げ
試験を行った． 
電気的特性は，4 探針法により電気抵抗率ρ[Ωcm]を測
定した．4 探針法では試料に 4 本の針状の電極を等間隔に
直線状に置き，外側の 2 本の電極に一定電流を流し，内側
の 2 本の電極の間の電位差を測定し，抵抗を測定する．そ
の抵抗と試料の板圧および補正係数を用いて電気抵抗率
を算出する．本研究では，電気抵抗率の測定架台に共和理
研 K-503RB，電流源として ADVANTEST TR6143，電圧測
定に KEITHLEY 2000 MULTIMETER をそれぞれ用いた．図
2 は，電気抵抗率の測定装置の外観である． 
電気抵抗率ρは，試料に一定電流 I [μA]を流した時の電
位差 V [mV]，板厚 t [μm]から，次式を用いて算出した． 
ρ＝0.454t×(V/I)・・・（1） 
 
３．実験結果および考察 
図 3 に引張強さ TS と VGCF 添加量の関係を示
す．ここで，粒径制御の有無，VGCF 添加量および板厚（t
＝0.5mm，1.0mm）とした．図 3(a)は粒径制御径制御した    
t＝1.0mm，(c)は粒径制御した t＝0.5mm，(d)は粒径制御し
ていない t＝1.0mm のコンポジットを示す．図 3(a)より，
TS は粒径 d＜125µm，t＝0.5mm，VGCF 1wt%の ABS コン
ポジットで 26MPa と最高となる．母材の TS が 21.6MPa で
あるので，TS に対する VGCF 添加の寄与率は約 20%であ
った．図 3(c) でも，VGCG1.0wt%で TS が上昇しているが，
粒径制御した場合よりも相対的に低い事から，母材粒径を
制御する事が，コンポジットの TS に効果的に作用する事
が分かった．これは，母材の粒径が VGCF のサイズに近づ
く事で，分散性が向上したと考えられる．また，三種の
VGCF によって大きな差は生じなかった．図 3(b)，(d)にお
いて，t＝1.0mm では VGCF の種類によらず，TS が低下す
ることが分かる．これは，板厚が薄くなることで VGCF が
試験片の板厚方向に倒れ，配向性が制御されたと推測され
る． 
図 4 に降伏応力 YS と VGCF の添加量の関係を示す．こ
こで，粒径制御後の三種類の VGCF の板厚 t＝0.5，1.0mm
である．YS はいずれの板厚においても同等となり，VGCF
の添加によって改善されなかった．このことから，VGCF
の添加は弾性変形に対しては効果的に作用しないと言え
る．また，粒径制御しない場合も同様の傾向を示した． 
図 5 に，降伏比(YR＝YS/TS)と VGCF の添加量の関係を示 
 
す．図 1 で示したように TS は 1wt%で最高となり，図 2 で
示したように YS が VGCG の添加によって改善されないた
め，YR は 1wt%で相対的に低下している． 
図 6 に曲げ強さと VGCF 添加量の関係を示す．曲げ強さ
についても，粒径制御が効果的に作用する事が分かった． 
図 7 に VGCF の種類と電気抵抗率ρの関係を示す．
VGCF，VGCF-H の添加量が 0%および 1%の場合，導通せ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
0
10
20
30
40
,t= 0.5 mm(a) d<125μm
図 3 ABS-VGCF コンポジットの引張強さ TS 
     （(a) ，(b) 粒径制御あり，(c)，(d)粒径制御なし） 
図 2 電気抵抗率の測定装置の外観 
 
0
10
20
30
t= 0.5 mm(c) ■ : VGCF
   ▲ : VGCF-S
   ○ : VGCF-H
T
S
 (
M
P
a)
100mm 
カーボンナノ複合材料の機械的特性 
3 
 
0
5
10
0 1 2 3 4
VGCF content (wt%)
d<125μm, t= 1.0 mm(b)
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4
VGCF content (wt%)
t= 1.0 mm
σ
b
 (
M
P
a)
d<125μm
0
1500
3000
ρ
 
(Ω
c
m
)
t (mm)
            1                    2
VGCF
VGCF-H
粒径制御あり，3%
 
ず不導体であった．しかし 3wt%添加した場合のρは，板
厚 1mm，VGCF 添加で 9.8×102Ωcm，板厚 2mm，VGCF
添加で 2.0×103Ωcm，また，板厚 1mm，VGCF-H 添加で
2.1×102Ωcm，板厚 2mm，VGCF-H 添加で 2.8×102Ωcm で
あった．VGCF，VGCF-H ともに半導体の領域に入ってい
るが，VGCF-H の方がρが小さくなった．これは VGCF と 
VGCF-H の嵩密度の違いによるものと考えられる． 
図 8に引張試験後の破断面のSEM写真を示す．図 7(a) お
よび(c)は VGCF1.0wt%，図 7(b)および(d)は VGCF3.0wt%で
あり，板厚は t＝0.5mm である．VGCF 1.0wt%および 3.0wt%
において VGCF の塊が観察された．図 7(a)および(b)に示す
ように，1.0wt%においては長さ 約 540µm，幅 約 140µm
のものが，3.0wt%においては長さ 約 860µm，幅 約 230µm
のものが観察された．1.0wt%ではこの他に直径 100µm 程度
のものが観察されたが，この 2 つ以外には目立った塊は観
察されなかった（図 7(c)）．3.0wt%では 10～100µm 程度の 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ものが多数確認された（図 7(d)）．また図 7(b)について，破
断面における VGCF の塊が占める面積率を計算したとこ
ろ約 32%であった．以上の事より，VGCF の塊が破面に多
数点在する事が，VGCF 3.0wt%の引張強さ TS 低下の一因
と考えられる． 
４．まとめ 
ABS 樹脂を母材としたカーボンナノ材料との混合分散に
より作製したコンポジットの機械的特性を調査した．主な
結果は以下の通りである． 
 
(1) ABSとVGCFのコンポジットにおいて，VGCF 添加量
1.0wt%，板厚t＝0.5mmの引張強さTSが最大となり，
補強効果が得られた． 
(2) VGCFの種類によって大きな差は現れなかった． 
(3) メッシュにより母材粒子直径を125µm未満に粒子制 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 4 ABS-VGCF コンポジットの降伏応力 YS 
  （ 粒径制御あり，(a) t＝0.5mm，(b) t＝1.0mm） 
0
5
10
15
Y
S
 (
M
P
a
)
d<125μm , t= 0.5 mm(a)
■ : VGCF
   ▲ : VGCF-S
   ○ : VGCF-H
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 1 2 3 4
t= 0.5 mm(b)
VGCF content (wt%)
■ : VGCF
   ▲ : VGCF-S
   ○ : VGCF-H
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Y
R
d＜125μm, t= 0.5 mm(a)
図 5 ABS-VGCF コンポジットの降伏比 YR 
    （t＝0.5mm，(a) 粒径制御あり，(b) 粒径制御なし） 
図 7 ABS-VGCF コンポジットの電気抵抗率ρ 図 6 ABS-VGCF コンポジットの曲げ強さσb 
 
長坂明彦，中澤達夫，押田京一，百瀬成空，中澤篤史 
4 
 
御することで，コンポジットのTS上昇にVGCFが効果
的に作用したが，YSに対しては作用しなかった． 
 
謝辞 
最後に，本研究をご支援いただきました文部科学省 地
域科学技術振興事業費補助事業 長野・上田地域知的クラ
スター創成事業に対し，深く感謝の意を表します． 
参考文献 
1) 中川威雄, 丸谷洋二, 積層造形システム 三次元コピー 
技術の新展開 (1996), 工業調査会. 
2)  M. Endo, TANSO 2001[No.200], 202-205[in Japanese]. 
3) M. Endo, Grow carbon fibers in the vapor phase, 
CHEMTECH (1988) 568-576. 
4)  K. Emoto, E. Yasuhara, K. Katou and N. Otake, Journal of  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1145-1152. 
5)  M. Arai, T. Kuwabara, S. Hayashibe, Y. Takahashi,  
M. Endo and K. Sugimoto, Journal of the Japan Society of 
Mechanical Engineers (A) 70[700] (2004) 1791-1797. 
6)  Y. Hotta, S. Song, A. Futamura and K. Sugimoto, The 34th  
Meeting of the Japan Society of Mechanical Engineers (2005) 
147-148. 
7)  S. Hayashibe, H. Tanaka, M. Arai, K. Sugimoto and   
M. Endo, The 42nd Annual Meeting of the Japan Society of 
Mechanical Engineers [047-1] (2005) 33-34. 
8) 篠原久典, ナノカーボンの新展開（化学フロンティア）  
世界に挑む日本の先端技術 (2005), 191-204, 化学同人 
9) S. Taguchi, A. Nagasaka, C. Hukuzawa, T. Nakazawa, 
K. Oshida, H. Kuriyama and K. Kitahara, The 35th Meeting of 
the Japan Society of Mechanical Engineers (2006) 49-50. 
 
 
 
100µm 
(a) 
VGCF 
ABS+VGCF 
 
100µm 
(c) 
ABS+VGCF 
VGCF 
 
100µm 
(d) 
VGCF 
 
100µm 
(b) 
VGCF 
ABS+VGCF 
図 8  引張試験後の破断面 SEM 写真 
(a) , (c) VGCF 1.0wt% ,  (b) , (d) VGCF 3.0wt% 
 


カーボンナノ複合材料の機械的特性

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