材料を「温めると何が起きるか」を測る——それが熱分析（Thermal Analysis）です。ポリマー・医薬品・電池材料といった高機能材料の開発では、融ける・固まる・分解する・やわらかくなるといった温度に対する振る舞いが、品質と安全性を左右します。本記事では熱分析の主要4手法 DSC・TGA・TMA・DMA が「何を測り、何がわかるか」を一枚のマップに整理し、応用技術と最新機器の全体像までを俯瞰します。
この記事の読み方
- 入門者の方：まず「熱分析の4大手法」の表と各手法の節を読めば、どの装置が何のためにあるかの地図が手に入ります。専門用語は初出時に一言補足しています。
- 現場の分析者・研究者の方：「応用技術」「最新トピック」「メーカー別の最新ライン」「使い分け」を中心に、2026年時点の機器トレンドの確認にお使いください。型番・数値は出典（メーカー公式）に紐づけています。
熱分析とは——温度をかけて物性の変化を測る
熱分析とは、試料の温度を一定のプログラム（昇温・降温・等温）で制御しながら、試料の物理的・化学的性質の変化を測定する手法群の総称です。「何を物性として捉えるか」によって手法が分かれます。たとえば、出入りする熱量を測るのが DSC、重さの変化を測るのが TGA、寸法の変化を測るのが TMA、力に対する変形（粘弾性）を測るのが DMA です。
重要なのは、これらが相補的であることです。たとえば DSC で見えた吸熱ピークが「融解」なのか「熱分解」なのかは、重量変化を追う TGA と突き合わせて初めて判断できます。1つの手法で結論を急がず、複数の手法で裏を取るのが熱分析の基本姿勢です。
熱分析の4大手法——何を測り、何がわかるか
| 手法 | 測定するパラメータ | 主にわかること |
|---|---|---|
| DSC（示差走査熱量測定） | 熱流（ヒートフロー） | 融点、ガラス転移（Tg）、結晶化、比熱、純度、硬化・吸発熱反応 |
| TGA（熱重量測定） | 重量の変化 | 熱安定性、分解温度、組成（フィラー・揮発分）、酸化安定性 |
| TMA（熱機械分析） | 寸法（長さ）の変化 | 熱膨張係数（CTE）、軟化点、熱収縮、相転移 |
| DMA（動的粘弾性測定） | 力に対する変形（粘弾性） | 貯蔵/損失弾性率、損失正接（tanδ）、高感度なTg検出、分子運動 |
用語補足：ガラス転移（Tg） はアモルファス（非晶質）部分が硬いガラス状からやわらかいゴム状へ移り変わる温度。損失正接（tanδ） は材料が振動エネルギーをどれだけ熱として散逸するかの指標で、ピーク位置から Tg を高感度に読み取れる。
表の裏側 ― それぞれ「何が見えないか」
上の表は「何がわかるか」を並べたものですが、手法選択で実際に効くのはその裏側です。測る物理量を選んだ時点で、それに現れない現象は原理的に見えなくなります。
| 手法 | 測る物理量 | 見えないもの |
|---|---|---|
| DSC | 熱流 | 熱の出入りを伴わない純粋な寸法変化。また、質量が減っていること自体は分からない（吸熱として現れるだけで、何がどれだけ抜けたかは追えない） |
| TGA | 質量 | 質量が変わらない現象は一切映らない。融解・ガラス転移・結晶化・結晶多形転移は、どれだけ大きな変化でも TGA 曲線は平坦のまま |
| TMA | 寸法 | 熱量と質量。何 J の反応が起きたかは分からない |
| DMA | 力学応答（弾性率・tanδ） | 熱量と質量。加えて、クランプに固定できる形に試料を成形できなければ測れない |
この「見えないもの」の列が、手法を組み合わせる理由そのものです。たとえば 250 °C で吸熱ピークが出たとき、それが融解なのか分解なのかは DSC だけでは決まりません。同時に質量が減っていれば分解、減っていなければ融解——だから TGA と DSC を組み合わせます。これを同一試料で同時に行うのが後述の STA です。
💡 入門者向け：日本薬局方〈2.52〉熱分析法も、DSC で観察できる相転移として融解・ガラス転移・昇華・蒸発などを表で挙げています。融解やガラス転移は「質量が変わらない現象」の代表で、TGA では捉えられません。逆に乾燥減量や水分の定量は質量の話なので TGA の担当です（局方は TG を乾燥減量試験法〈2.41〉の別法として使えるとしています）。
DSC（示差走査熱量測定）
試料と基準物質に同じ温度プログラムを与え、両者に流れる熱流の差を測ります。融解（吸熱）、結晶化（発熱）、ガラス転移（比熱の段差）、硬化反応（発熱）などを、熱の出入りとして直接捉えられるのが強み。ポリマーの結晶化度、医薬品の多形（結晶形）、樹脂の硬化度評価など、用途は最も広い手法です。
TGA（熱重量測定）
試料を加熱しながら重量の変化を精密天秤で連続測定します。「いつ・どれだけ重さが減るか」から、分解温度・熱安定性・揮発成分や水分の量・フィラー（充填材）の含有率などがわかります。後述する発生ガス分析（EGA）と組み合わせると、「減った重さが何のガスとして抜けたか」まで追えます。
TMA（熱機械分析）
試料に一定の微小荷重をかけ、温度変化に伴う寸法（長さ）の変化を測ります。熱膨張係数（CTE）の測定、軟化点や相転移の検出に使われ、電子部品・フィルム・複合材料の寸法安定性評価で重宝されます。
荷重を一定に保ったまま温度ではなく時間を変数にすれば、TMA でもクリープ（一定荷重下でゆっくり進む変形）を追えます。ただし前述のとおり、クリープ回復や TTS（時間–温度換算則）まで含めた試験モードの品揃えは DMA 側にあります。「寸法変化を素直に測りたいなら TMA、力学的な素性まで分解したいなら DMA」という住み分けです。
DMA（動的粘弾性測定）
試料に周期的な力（振動）を与え、応答する変形から粘弾性（貯蔵弾性率＝硬さ、損失弾性率＝粘性、tanδ）を測ります。DSC では捉えにくい微弱なガラス転移も、DMA なら tanδ のピークとして高感度に検出できます。ゴム・プラスチック・複合材料の力学物性と分子運動の評価に強い手法です。
ただし「振動を与える装置」という説明は、DMA の半分しか言っていません。TA Instruments の DMA 850 の試験モードは、制御方式で 4 系統に分かれています。
| 制御方式 | 試験モード |
|---|---|
| 振動（Oscillation） | 周波数スイープ、ひずみスイープ、応力スイープ、温度スイープ／ランプ、時間スイープ、多周波数温度スイープ（TTS）、疲労試験 |
| 応力制御（Stress Control） | クリープ、クリープ回復、クリープ TTS、IsoStress |
| ひずみ制御（Strain Control） | 応力緩和、応力緩和 TTS、IsoStrain |
| 速度制御（Rate Control） | ひずみランプ、応力ランプ |
（TA Instruments「DMA 850」製品仕様の Test Modes より。訳は筆者）
振動は 4 系統のうちの 1 つです。残る 3 系統は、一定の応力をかけ続けてひずみの時間変化を追う（クリープ）、一定のひずみを与えて応力の減衰を追う（応力緩和）といった、振動を使わない静的・過渡的な試験です。長期的な変形や寸法安定性を問題にする場面では、こちらのほうが直接的な答えを出します。
💡 入門者向け：クリープとは、一定の力をかけ続けたときに材料がゆっくり変形し続ける現象。棚が長年かけて中央がたわむのがこれです。応力緩和はその逆で、一定量だけ変形させて固定したとき、内部の応力が時間とともに抜けていく現象。ボルトの締結力が落ちるのがこれです。どちらも「時間」が変数なので、温度をスイープする普通の DMA 測定とは別のモードになります。
用途はクランプ（試料をつかむ治具）で決まります。同社の資料は、それぞれの向き先をこう説明しています。
- デュアル／シングルカンチレバー（片持ち曲げ）：熱可塑性樹脂や減衰の大きい材料（エラストマー等）の汎用モード。試料長 8 / 20 / 35 mm。「デュアルカンチレバーは、支持された熱硬化性樹脂の硬化（cure）測定にとくに理想的」とされています。
- 引張（Tension）：フィルムや繊維の一軸変形用。振動測定では静的荷重をかけて座屈と不要なクリープを防ぎます。
- 3 点曲げ：クランプの影響が排除されるため「純粋な」変形モードとされます。スパン 5 / 10 / 15 / 20 / 50 mm。
- せん断サンドイッチ：同じ材料の同寸法 2 枚を挟んでせん断し、せん断弾性率 G を測ります。ゲル・感圧接着剤・高粘度樹脂のような柔らかい材料向け。
- 圧縮：フォームやエラストマーなど低〜中弾性率の材料に適し、膨張・収縮、接着剤のタック試験、ゴム O リングの圧縮永久歪などにも使えます。
- 粉体クランプ：粉末試料用。
つまり「DMA で何が測れるか」は、装置の型番より持っているクランプで決まります。熱硬化性樹脂の硬化を追いたいならデュアルカンチレバー、ゲルや粘着剤ならせん断サンドイッチ、というように用途とクランプが対応しています。実際のモード選択と試料形状の詳細はTMA・DMAの実務にまとめました。
一歩進んだ応用技術
標準的な単一測定を超えて、複雑な材料挙動を解くための技術が実用化されています。
- STA（同時熱分析）：TGA と DSC（または DTA）を同一試料で同時測定する手法。まったく同じ条件で重量変化と熱流を同時に追えるため、試料の不均一性による誤差を避けつつ、反応が「吸熱を伴う重量減少（＝分解）」なのか「重量変化のない吸熱（＝融解）」なのかを一度に切り分けられます。
- 温度変調DSC（MDSC / TM-DSC）：直線的な昇温に正弦波状の温度変調を重ね、可逆熱流（ガラス転移・融解）と非可逆熱流（硬化・蒸発・緩和）を分離します。重なり合った現象を解きほぐすのに有効です。
- Flash DSC（超高速DSC）：チップ型センサーで極めて速い昇降温を実現する手法。METTLER TOLEDO の Flash DSC は 1〜40,000 K/s という桁違いの速度で、射出成形のような実プロセスに近い急冷下の結晶化挙動を再現できます（通常の DSC の最高昇温速度は 300 K/min 程度）。
- 発生ガス分析（EGA）：TGA に質量分析計（MS）や FTIR を結合し、加熱で発生したガスを同定します。リチウムイオン電池の安全性評価では、熱暴走の引き金となる可燃性ガスの発生挙動を把握する手段として重要です。EGA は質量分析の技術とも地続きの領域です。
最新トピック：コインセルを「分解せずに」測る電池安全性評価
2026年の注目株が、電池の非破壊・セルレベル評価です。Waters の TA Instruments ブランドは2026年6月9日、Coin Cell DSC を発表しました。2032型コインセルを分解（teardown）することなく、組み上がったセルのまま熱安定性を評価でき、サンプル前処理時間を90%以上削減します。温度範囲は −80〜600℃。熱・発生ガス・電気化学を1回の実験で同時取得できる点が特徴で、熱暴走（thermal runaway）の早期の兆候をセルレベルの相互作用を保ったまま捉えられます（出荷開始は2026年8月予定）。
材料単体の評価とセル全体の挙動を橋渡しするこのアプローチは、EV シフトを背景に電池の安全性・寿命予測の精度を高める方向で広がりつつあります。
メーカー別：2026年の最新ラインと特長
各社の最新機種を、確認できた公式スペックとともに整理します（型番・数値は出典に対応）。
- TA Instruments（Discovery シリーズ）：DSC は Discovery DSC 25 / 250 / 2500 の3グレード（25がエントリー、2500が最上位）。特許技術 Tzero と Fusion Cell によりベースラインの平坦性と分解能に優れます。前述の Coin Cell DSC で電池評価にも展開。
- METTLER TOLEDO（STARe システム）：最新フラッグシップは DSC 5+。FlexMode により入力補償型と熱流束型を1台で切り替えられる世界初のデュアルモードDSCで、MultiSTAR センサーは136熱電対。FlexCal によるセンサー自己調整で全温度域の較正を保つ。広く普及する DSC 3+（FRS 5+＝56熱電対／HSS 8+＝120熱電対、−150〜700℃）も現行。超高速領域は Flash DSC が担います。
- Hitachi High-Tech（NEXTA シリーズ）：NEXTA DMA。Real View カメラで測定中の試料の色変化や破損の瞬間を直接観察でき、データの変化を「映像」で裏づけられます。
- NETZSCH（DSC 300 Caliris）：Classic / Select / Supreme のモジュール構成。最上位 Supreme は液体窒素冷却で −180〜750℃ の広温度域をカバー。待機電力を抑える Eco Mode などの省エネ機能を搭載。
- Shimadzu（DSC-60 Plus）：温度範囲 −140〜600℃、150℃で ノイズ0.5µW以下、±150 mW のダイナミックレンジ。品質管理から研究開発まで安定したベースラインを提供。
- PerkinElmer（Pyris シリーズ）：2024年発表の新世代。Pyris DSC 9 は −180〜750℃、Pyris STA 9（TGA+DSC 同時）は 15〜1100℃ をカバー。
使い分けの早見表
| 知りたいこと | 第一候補 | 補完する手法 |
|---|---|---|
| 融点・Tg・結晶化・反応熱 | DSC | DMA（微弱なTg）、TGA（分解との切り分け） |
| 熱安定性・分解温度・組成 | TGA | EGA（発生ガス同定）、STA（熱情報も同時に） |
| 熱膨張・軟化・寸法安定性 | TMA | DMA（力学物性） |
| 力学物性・微弱なTg・分子運動 | DMA | DSC（熱量情報） |
| 電池セルの熱安全性 | Coin Cell DSC | EGA・電気化学（同時取得） |
分析者の視点：機器選定のチェックポイント
- 感度とベースライン安定性：微弱な転移（小さな Tg など）を捉えるには、ベースラインの平坦性とノイズレベルが効きます。
- 温度域と冷却手段：必要な低温（液体窒素／メカニカル冷却）と高温の範囲を、装置構成を変えずにカバーできるか。
- 同時・複合分析：STA や EGA、電気化学との同時測定が必要かどうかで選択肢が変わります。
- 観察・自動化・省エネ：その場観察（カメラ）、オートサンプラー、待機電力低減（Eco Mode 等）はルーチン運用の効率に直結します。
📄 仕様表の読み方は別記事にまとめました：熱分析装置の選び方 ― 分解能 0.1 µg と書いた同じ表に、ベースラインは 25 µg 動くと書いてある【2026年版】。カタログの「分解能」と「ベースラインドリフト」が同じ表で 250 倍ちがうこと、自分の試料の信号を µW に換算して機種を絞る方法を、メーカー公式仕様の原文から解説しています。
まとめ
- 熱分析は「DSC＝熱量／TGA＝重量／TMA＝寸法／DMA＝粘弾性」という4つの軸で材料の温度応答を捉えます。
- 測る物理量を選んだ時点で、それに現れない現象は見えなくなります。TGA には融解も Tg も映らず（質量が変わらないため）、DSC には何がどれだけ抜けたかが分かりません。250 °C の吸熱ピークが融解か分解かは、質量が減ったかどうかで決まる——これが手法を組み合わせる理由で、同一試料で同時に測るのが STA です。
- DMA は「振動を与える装置」ではありません。試験モードは振動・応力制御・ひずみ制御・速度制御の 4 系統で、振動はそのうち 1 つ。クリープや応力緩和は別系統にあります。
- DMA で何が測れるかは、型番よりクランプで決まります。熱硬化性樹脂の硬化はデュアルカンチレバー、ゲルや粘着剤はせん断サンドイッチ、フォームは圧縮、と用途が対応しています。
- 応用技術として STA・MDSC・Flash DSC・EGA があり、2026年は Coin Cell DSC のような電池安全性評価が最も動きの大きい領域です。
- まずは「何を明らかにしたいか」から手法を選び、同時に「何が見えなくなるか」を確認して、必要に応じて複数手法で裏を取る——これが熱分析を使いこなす基本です。
未確認・限界
- 本記事の試験モード・クランプの記述は TA Instruments の DMA 850 の製品仕様に基づきます。他社の DMA も同様の静的・過渡モードを備えていますが、モード名・品揃え・制御則は各社で異なります。「クリープ TTS」「IsoStress」といった名称は同社のもので、他社カタログを同じ語で検索しても出てこない場合があります。
- 「デュアルカンチレバーは熱硬化性樹脂の硬化測定に理想的」はメーカーの記述です。硬化度の定量や他モードとの比較データは本記事では確認していません。
- クリープ・応力緩和の測定条件（荷重・時間スケール・温度）や解析モデルには踏み込んでいません。本記事は手法選択のための俯瞰にとどまります。
- 各社の機種仕様は初出時（2026-06-26）に公式ページで確認したもので、その後の改訂は追えていません。選定時は最新版を確認してください。
- 4 手法の「見えないもの」の表は、測る物理量から論理的に整理したものです。個別の材料・現象について「絶対に検出できない」ことを実験的に示した文献を挙げているわけではありません。感度を上げたり手法を工夫すれば間接的に捉えられる場合もあります。
用語集
- DSC（示差走査熱量測定）：試料と基準の熱流差を測り、融解・Tg・結晶化・反応熱などを捉える。
- TGA（熱重量測定）：加熱に伴う重量変化から熱安定性・分解・組成を評価する。
- TMA（熱機械分析）：微小荷重下での寸法変化から熱膨張・軟化を測る。
- DMA（動的粘弾性測定）：周期的な力への応答から貯蔵/損失弾性率・tanδを測る。
- ガラス転移（Tg）：非晶質部分がガラス状からゴム状へ移る温度。
- STA（同時熱分析）：TGA と DSC/DTA を同一試料で同時に測る。
- EGA（発生ガス分析）：TGA に MS/FTIR を結合し発生ガスを同定する。
- 熱暴走（thermal runaway）：電池内部で発熱が連鎖的に加速する危険な現象。
- クリープ：一定の力をかけ続けたときに材料がゆっくり変形し続ける現象。DMA の応力制御モード（TMA でも一定荷重・時間変化で追える）。
- 応力緩和：一定量だけ変形させて固定したとき、内部の応力が時間とともに抜けていく現象。DMA のひずみ制御モード。
- TTS（時間–温度換算則）：温度を変えた測定を時間軸方向にずらして重ね合わせ、長時間の挙動を短時間の測定から推定する手法。
- クランプ（治具）：DMA で試料をつかむ部品。カンチレバー・引張・3点曲げ・せん断サンドイッチ・圧縮・粉体などがあり、測れる対象を実質的に決める。
- 熱硬化性樹脂の硬化（cure）：加熱により架橋が進んで硬くなる過程。DMA では弾性率の上昇として追える（デュアルカンチレバーが向く）。
出典
- TA Instruments「Discovery DSC 25」 https://www.tainstruments.com/discovery-dsc-25/
- TA Instruments / Waters「Coin Cell DSC を発表（電池安全性：熱・発生ガス・電気化学を統合）」 https://www.tainstruments.com/waters-launches-coin-cell-differential-scanning-calorimeter-dsc-to-advance-battery-safety-with-integrated-thermal-evolved-gas-and-electrochemical-analysis/
- METTLER TOLEDO「Thermal Analysis System DSC 5+（STARe / FlexMode / FlexCal）」 https://www.mt.com/us/en/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/TA_Family_Browse/ta-instruments/thermal-analysis-system-DSC-5-plus.html
- Hitachi High-Tech「NEXTA DMA」 https://www.hitachi-hightech.com/global/en/products/analytical-systems/thermal-analysis/dma/nexta-dma.html
- NETZSCH「DSC 300 Caliris Classic / Select / Supreme」 https://analyzing-testing.netzsch.com/en/products/differential-scanning-calorimeter-dsc-differential-thermal-analyzer-dta/dsc-300-caliris-classic
- Shimadzu「DSC-60 Plus Series — Specs」 https://www.shimadzu.com/an/products/thermal-analysis/differential-scanning-calorimeters/dsc-60-plus-series/spec.html
- PerkinElmer「Pyris TGA 9, DSC 9, STA 9」 https://www.perkinelmer.com/category/pyris-tga-9-dsc-9-sta-9
- TA Instruments「DMA 850 Dynamic Mechanical Analyzer」製品仕様 ― Test Modes の 4 系統（Oscillation／Stress Control：Creep, Creep-Recovery, Creep TTS, IsoStress／Strain Control：Stress Relaxation, Stress Relaxation TTS, IsoStrain／Rate Control）、クランプ別の用途（デュアルカンチレバーは "especially ideal for measuring the cure of supported thermosets"、せん断サンドイッチは "ideal for soft materials such as gels, pressure sensitive adhesives, and high viscosity resins"、3 点曲げは "pure" mode、圧縮はフォーム・エラストマー・タック試験・O リングの圧縮永久歪）、試料長・スパンの選択肢。2026-09-12 の加筆で追加。 https://www.tainstruments.com/dma-850/
- 第十九改正日本薬局方 一般試験法〈2.52〉熱分析法（厚生労働省、2026年4月10日告示・同日適用）― DSC で観察できる相転移の表（固体–固体／固体–液体／固体–気体／液体–固体／液体–気体）、TG を乾燥減量試験法〈2.41〉・水分測定法〈2.48〉の別法として用いる規定。2026-09-12 の加筆で追加。 https://www.mhlw.go.jp/content/11120000/001689414.pdf
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