助成研究報告書（ 2021年4月〜2023年3月および2022年4月〜２０２3年3月 研究実施）

公益財団法人 関西エネルギー・リサイクル科学研究振興財団

目   次
財団の概要 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 
助成事業実績 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ［エネルギー・リサイクル分野］
第２９回研究助成金受領者研究報告
疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発（大阪大学大学院工学研究科環境エネルギー工学専攻 准教授 秋山 庸子）
・・・・・ 
６ｓ電子のリバイスドローンペアー効果に基づいた新規可視光応答触媒の開発
・・・・・・・・・・・・・・・・・ 
（近畿大学理工学部応用化学科 講師 岡 研吾）

熱エネルギー散逸の抑制を指向した高効率有機発光材料の開発（京都工芸繊維大学分子化学系 准教授 櫻井 庸明）（助成金受領時：講師）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 
高速有機トランジスタの実現に向けた多結晶有機薄膜の結晶粒界の可視化（神戸大学大学院工学研究科電気電子工学専攻 准教授 服部 吉晃）（助成金受領時：助教）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 

第３０回研究助成金受領者研究報告
シリコンとペロブスカイトを用いたアップコンバージョン太陽電池の基礎検証
（神戸大学大学院工学研究科電気電子工学専攻 准教授 朝日 重雄）
（助成金受領時：助教）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 

/L0Q2 被覆による /L1L0Q2 薄膜正極の表面劣化抑制の検討
（兵庫県立大学大学院工学研究科応用化学専攻 助教 稲本純一）
・・・・・・・ 
半導体ナノロッド配列技術に基づく高純度円偏光コンバータの創成（京都大学大学院エネルギー科学研究科国際先端エネルギー科学研究教育センター
助教 岡崎 豊）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・


再生可能な樹木セルロースの新奇用途開拓によるキラル分子合成
（大阪大学大学院薬学研究科 助教 鹿又 喬平）（助成金受領時：特任助教）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 
力に応答する機能性蛍光分子を利用した流れ場中の応力分布計測法の開発
（京都大学大学院工学研究科機械理工学専攻 助教 栗山 怜子）
・・・・・・・・・ 

新規伝導性材料を利用した触媒系による &2 還元
・・・・ （京都大学高等研究院物質－細胞統合システム拠点 特定講師 田部博康）


デジタルゲートドライバによるパワエレ機器のオンライン制御
・・・・ （大阪大学大学院工学研究科電気電子情報通信工学専攻 助教 福永 崇平）


ダイヤモンド半導体結晶の非輻射欠陥生成機構の解明とデバイス特性改善
・・・・・ （大阪大学大学院工学研究科電気電子情報通信工学専攻 助教 毎田 修）


低環境負荷・低摩耗・低摩擦な全く新しい銅内包黒鉛微粒子の合成
（兵庫県立大学工学研究科機械工学専攻 准教授 松本 直浩）（助成金受領時：助教）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 
長寿命化を目指したモータ駆動の損失均一化を実現する二相 3:0 法に関する研究（近畿大学理工学部電気電子通信工学科 准教授 南 政孝）
（助成金受領時：神戸市立工業高等専門学校電気工学科 准教授）
・・・・・・・・・ 
化学気相成長法と層状複水酸化物を用いた水素発生反応触媒の開発
（大阪大学基礎工学研究科物質創成専攻 助教 三宅浩史）
・・・・・・・・・・・ 
環境調和型セラミックスと軽金属の融合による高機能性生体シグナル応答デバイスの開拓（京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー基礎科学専攻講師 薮塚 武史）
・
二次元物質酸化膜を利用した超低消費電力抵抗変化メモリの創出
（関西大学システム理工学部物理・応用物理学科 准教授 山本 真人）
・・・・・・ 








［総合防災科学分野］
第２６回研究助成金受領者研究報告

大地震後における化学物質の河川流出に対するリスク削減モデルの構築（大阪大学大学院工学研究科環境エネルギー工学専攻 特任講師 伊藤 理彩）（助成金受領時：助教）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 


人口減少社会の減災復興のための地域ガバナンスの再編についての実践研究（大阪大学大学院人間科学研究科 准教授 宮本 匠）（助成金受領時：兵庫県立大学大学院減災復興政策研究科 准教授）
・・・・・・・・

第２７回研究助成金受領者研究報告

歯科パノラマ ; 線画像と人工知能による自然災害時の身元不明遺体の人定システム開発
（近畿大学病院歯科口腔外科 教授 榎本明史）
（助成金受領時：准教授）
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 


大規模災害発生後のインフラネットワーク復旧に関する公平性を担保した最適化（大阪大学大学院工学研究科モビリティシステム共同研究講座 特任講師 坂井 勝哉）・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 
補強土壁の耐震性評価に資する土圧計測システムの構築
・・・・・・ 
（京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 准教授 澤村 康生）                            















※各分野・年度毎の研究者名五十音順。
上記の所属・役職名は、２０２４年１月時点のものです。
研究成果報告書に記載の所属・役職名とは異なる場合があります。

財 団 の 概 要
設立

１９９２年３月９日

行 政 庁

内閣府

基本財産

２０．１１億円

事 業 内容人間活動と地球環境の調和した持続可能型社会の実現を目指した、電気エネルギー・リサイクル関係技術分野および総合防災科学分野に関する（２０２２年１２月３１日現在）

１．研究に対する助成
２．国際交流活動に対する助成
３．研究成果の出版に対する助成
４．研究発表会やシンポジウム等の開催に対する助成

選 考 委 員【エネルギー・リサイクル分野】
馬場章夫

大阪大学名誉教授（委員長）

石原慶一

京都大学名誉教授

小川真人

神戸大学名誉教授

冨山明男

神戸大学大学院工学研究科教授

馬場口登

大阪大学名誉教授

森井孝

京都大学エネルギー理工学研究所長【総合防災科学分野】
馬場章夫

大阪大学名誉教授（委員長）

林春男

京都大学名誉教授（任期２０２４年１月～２０２５年１２月）

1

助成事業実績
助成事業実績
項目
項目
年度
年度

1992 (Ｈ４)1992 (Ｈ４)1993 (Ｈ５)1993 (Ｈ５)1994 (Ｈ６)1994 (Ｈ６)1995 (Ｈ７)1995 (Ｈ７)1996 (Ｈ８)1996 (Ｈ８)1997 (Ｈ９)1997 (Ｈ９)1998 (Ｈ10)1998 (Ｈ10)1999 (Ｈ11)1999 (Ｈ11)2000 (Ｈ12)2000 (Ｈ12)2001 (Ｈ13)2001 (Ｈ13)2002 (Ｈ14)2002 (Ｈ14)2003 (Ｈ15)2003 (Ｈ15)2004 (Ｈ16)
2004 (Ｈ16)2005 (Ｈ17)2005 (Ｈ17)2006 (Ｈ18)2006 (Ｈ18)2007 (Ｈ19)2007 (Ｈ19)2008 (Ｈ20)2008 (Ｈ20)2009 (Ｈ21)2009 (Ｈ21)2010 (Ｈ22)2010 (Ｈ22)2011 (Ｈ23)2011 (Ｈ23)2012 (Ｈ24)2012 (Ｈ24)2013 (Ｈ25)2013 (Ｈ25)2014 (Ｈ26)2014 (Ｈ26)2015 (Ｈ27)2015 (Ｈ27)2016 (Ｈ28)2016 (Ｈ28)2017 (Ｈ29)2017 (Ｈ29)2018 (Ｈ30)2018 (Ｈ30)2019 (H31)2019 (H31)2020 (R02)2020 (R02)2021 (R03)2021 (R03)2022 (R04)2022 (R04)2023 (R05)2023 (R05)
合 計
合 計

研究助成
研究助成
採択 助 成
採択
件数 助
金成
額
件数
金額
（件） (千円)（件） (千円)
11
28,20011
28,20016
27,80016
27,80016
27,10016
27,10023
42,30023
42,30023
43,25023
43,25021
40,60021
40,6002141,8002141,80019
40,04019
40,0402447,8002447,80022
39,20022
39,20018
36,40018
36,40027
34,19027
34,1902330,7002330,70023
29,43023
29,43021
28,92021
28,92026
31,39026
31,39026
32,00026
32,00026
31,74026
31,74025
31,41625
31,41624
26,86824
26,86824
23,86024
23,86021
22,97021
22,97021
18,18021
18,18025
22,65025
22,65022
20,38022
20,38020
19,40420
19,40417
16,51017
16,51019
17,72019
17,72022
20,95022
20,95020
19,35020
19,35017
16,64017
16,64017
16,21517
16,215680 925,973
680 925,973

国際交流
国
活際
動交
助流
成
活動助成
採択
助成
採択
助
件数
金成
額
件数
金額
（件）
(千円)
（件）
(千円)
2
1,000
2
1,000
10
2,200
10
2,200
13
2,645
13
2,645
11
2,030
11
2,030
10
1,530
10
1,530
7
1,360
7
1,360
15
2,560
15
2,560
17
2,540
17
2,540
13
2,050
13
2,050
13
1,670
13
1,670
19
2,530
19
2,530
10
1,620
10
1,620
21
3,010
21
3,010
28
4,310
28
4,310
18
2,760
18
2,760
33
4,701
33
4,701
20
2,730
20
2,730
15
2,380
15
2,380
13
2,220
13
2,220
11
1,874
11
1,874
11
1,903
11
1,903
5
650
5
650
7
1,110
7
1,110
18
2,830
18
2,830
11
2,140
11
2,140
5
1,000
5
1,000
13
2,660
13
2,660
12
2,400
12
2,400
0
0
0
0
1
11
1
11
8
1,810
8
1,810
12
2,722
12
2,722
402
66,955402
66,955

研究成果の
研
出究
版成
助果
成の
出版助成
採択 助 成
採択
件数 助
金成
額
件数
金額
（件） (千円)（件） (千円)
1
100
1
100
1
100
1
100
2
180
2
180
0
0
0
0
1
100
1
100
0
0
0
0
4
390
4
390
7
615
7
615
0
0
0
0
3
281
3
281
2
180
2
180
1
100
1
100
5
344
5
344
1
60
1
60
3
187
3
187
5
362
5
362
2
194
2
194
1
30
1
30
1
80
1
80
1
100
1
100
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
90
1
90
1
87
1
87
1
100
1
100
1
100
1
100
1
60
1
60
6
451
6
451
6
466
6
466
4
400
4
400
62
5,157
62
5,157
2

研究発表会等
合 計
研の究
開発
催表
助会
成等
合 計
の 開催助成採択 助 成
採択
助成
採択
採択
助
件数 助
金成
額
件数
金成
額
件数
金額
件数
金額
（件） (千円)（件）(千円)（件） (千円)
（件）
(千円)
2
650
16
29,9502
650
1629,9503725
30
30,8253725
30
30,82541,500
35
31,42541,500
35
31,42551,500
3945,83051,500
3945,8303
1,200
3746,0803
1,200
3746,08072,600
3544,56072,600
3544,56062,300
4647,05062,300
4647,050123,300
5546,49512
3,300
55
46,4957
2,560
4452,4107
2,560
4452,410102,900
4844,051102,900
4844,0518
2,380
47
41,49082,380
47
41,490113,350
4939,260113,350
4939,260103,180
5937,234
10
3,180
59
37,2348
2,920
60
36,7208
2,920
60
36,720
6
2,090
48
33,957
6
2,090
48
33,9578
2,350
72
38,8038
2,350
72
38,80372,450
5537,37472,450
5537,37410
3,260
52
37,410103,260
5237,4106
1,398
45
35,114
6
1,398
45
35,114122,600
48
31,442122,600
48
31,442
5
1,132
40
26,8955
1,132
40
26,8954742
30
24,362
4742
30
24,3620
028
19,2900028
19,2900043
25,4800043
25,48062,200
40
24,81062,200
40
24,8102800
28
21,2912
800
28
21,29172,700
38
21,97072,700
3821,97062,000
38
22,22062,000
38
22,2201400
2421,4101400
2421,4102800
2920,6122800
29
20,612
4
1,410
35
20,326
4
1,410
35
20,326
3
1,200
36
20,5373
1,200
36
20,537
185
58,597 1,329 1,056,683
185
58,597 1,329 1,056,683

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

3

非公開

4

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

5

非公開

6

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

7

非公開

8

６ｓ電子のリバイスドローンペアー効果に基づいた
新規可視光応答触媒の開発
近畿大学理工学部応用化学科講師 岡 研吾

1. 緒言
現在、地球環境の汚染やエネルギー資源の枯渇とドローンペアーモデルで説明される相互作用（図 1）でいう問題を解決するため、環境に優しいクリーンなエネ

道に対し、さらに 6p 軌道が相互作用することにより、結ルギーの利用が強く求められている。中でも、太陽光

果として価電子帯のレベルが上がり、バンドギャップがをエネルギーリソースとして応用するデバイスは、環境狭くなる。Pb2+と同じ電子配置をとる Bi3+を含む BiVO4 な

負荷が少なくほぼ無尽蔵な太陽光をエネルギー資源とど代表的な可視光応答光触媒においても、同様のメカできることから、大きな注目を集めている。太陽光を応ニズムで、バンドギャップの縮小が起こり、可視光応答用するためには、その主成分である可視光をいかに効性が表れると理解されている。

ある[2]。6s 軌道と 2p 軌道が相互作用した反結合性軌

率よく利用できるかが、大きな鍵となっている。可視光を応用する代表的な材料の一つとして、可視光応答光触媒が挙げられる。可視光応答光触媒とは、可視領域に吸収を持つ半導体を利用し、可視光による励起で発生した電子とホールを利用して化学反応を起こす材料である。代表的な光触媒である酸化チタンは、紫外領域の光しか吸収できないという問題があり、今日にいたるまで、様々な材料の開発および可視光を吸収するための処理法の研究などがなされている。

図 1 リバイスドローンペアーモデルにおける 6s,6p,2p 軌

このような背景の上で、筆者らは 2018 年にパイロクロ

道相互作用の概略図。Pb2+と O2-を例として表している。

ア型酸フッ化物Pb2Ti2O5.4F1.2 や Pb2Ti4O9F2 が安定な可6s と 2p で構成される反結合性軌道が、さらに 6p 軌道と視光応答型光触媒となることを発見した[1]。酸フッ化物

結合性軌道を形成することにより、価電子帯上端がシフト

Pb2Ti2O5.4F1.2 は黄褐色の物質であり、可視領域に相当し、結果としてバンドギャップの縮小が起こる。

する 2.4 eV の狭いバンドギャップを有する。酸フッ化物
において、バンドギャップの縮小が観測され、さらに可本研究課題では、このリバイスドローンペアーモデル

視光応答光触媒に応用できたのは、従来の常識を覆に基づいた 6s 電子と 2p 電子の相互作用により、可視す結果であった。金属酸化物をベースに、元素置換に

光領域の光を吸収する新たな可視光応答光触媒の開よってバンドギャップを縮小する研究の報告例は数多発を目指した。また、リバイスドローンペアーモデルにいが、それらは酸素よりも 2p レベルが浅い、つまり価電基づいたバンドギャップの縮小を理解するためには、子帯のレベルが高い窒素に着目したものであった。一酸フッ化物における酸素とフッ素の秩序配列状態を明方で、フッ素は酸素よりも 2p レベルや深く、酸素をフッらかにすることが必要不可欠である。本研究では、回素で置換しても価電子帯のレベルを上げることには寄折手法を用いて区別することが難しい酸素とフッ素に与 し な い と 考 え ら れ て き た 。 し か し 、 酸 フ ッ 化物

対し、計算化学的な手法と 19F 固体 NMR を組み合わ

Pb2Ti2O5.4F1.2 はそのような常識を覆す可視光領域の狭せることにより、精密に酸素とフッ素の秩序配列状態をいバンドギャップを有していた。なぜ、狭いバンドギャッ

調べる方法を検討した。

プを有しているのか。その理由を説明する鍵となるのが、Pb の 6s 電子と O/F の 2p 電子の間に働くリバイス

92. 実験方法
試料は固相反応法を用いて合成した。Sr3BiO5F の視光の吸収特性を調べたところ、吸収端のエネルギー

合成については、原料に SrCO3、Bi2O3、BiF3 の粉末をった。また、目視でも鮮やかな黄色を確認することがで使用した。まず SrCO3 と Bi2O3 を化学量論比で混合し、きた。

は 2.57 eV と、可視光領域に吸収端を持つことがわか

空気中 780℃、24 時間焼成することで、前駆体酸化物
Sr2BiO3.5 を合成した。合成した酸化物に Bi2O3、BiF3 の粉末を加え粉砕混合した上、空気中 700℃、12 時間焼成することで、目的の粉末試料を合成した。Pb2Ti4O9F2
および Bi2Ti4O11 の合成については、PbO、PbO2、PbF2、TiO2、Bi2O3 の粉末を原料として使用した。Pb2Ti4O9F2はパイレックス管に真空封入し 550℃、12 時間熱処理することで試料を得た。Bi2Ti4O11 の合成については、
空気中 850℃、12 時間焼成することで試料を得た。
試料の結晶相の評価は粉末 X 線回折および

図 2 フッ化物イオンの仕込み量を変更して合成した

SPring-8 BL02B2 ビームラインでの放射光粉末 X 線回Sr3BiO5Fx の拡散反射 UV-vis スペクトル。もっとも短い吸折で行った。また、19F 固体 NMR については、Bruker

収端波長は 480 nm となり可視光をよく吸収することが社の AVANCE III を用いて測定をした。第一原理計算わかった。

の詳細については、こちらの文献を参照していただきたい。[3]

3. 結果および考察
3.1 Sr3BiO5F の合成と構造解析合成した Sr3BiO5F の粉末 X 線回折パターンを図 2に示す。過去の報告と同様に空間群 R-3m の菱面体晶

図 3 合成した Sr3BiO5F0.6 粉末の写真。鮮やかな黄色の粉相の単位格子を仮定して、各ピークの指数付けをする

末が得られた。

ことができた。また、放射光粉末 X 線回折の結果でも、Sr3BiO5F について、水溶液中での可視光応答光触空間群 R-3m で帰属できるピーク以外の超格子反射は媒特性の測定を行った。光電極触媒としての特性を評

観測されなかった。リートベルト法で結晶構造の精密価するため、ヨウ素-アセトン中での電気泳動処理を行化を試みた結果、LuFe2O4 型構造と呼ばれる層状の結ったところ、試料の色が白色に変化するという振る舞い

晶構造であることがわかった。また、Bi と Sr は秩序配列が見られた。さらに詳細に調べたところ、試料が分解ししておらず、構造中でランダムに混ざっていることを示

BiOI が生成されていることがわかった。以上より、高い

唆する解析結果が得られた。層間のアニオンサイトに

可視光応答性を得ることには成功したが、試料の化学ついても、リートベルト法で原子座標の精密化を試み的安定性に問題があり、可視光応答光触媒特性を評たが、構造内にアニオン欠損が存在し、かつアニオン

価するにいたることができなかった。試料の合成法の欠損はランダムに導入されていることを示唆する結果

工夫や、より安定な組成の検討を行う必要があることがが得られた。

わかった。

得られた粉末試料について、紫外可視分光法で可10た結果、粉末 X 線回折法で精密化した構造パラメータ

3.2 Pb2Ti4O9F2 における酸素フッ素アニオン秩序配ーからボンドバレンスサムを計算し求めたフッ化物イオ

列の解析
酸フッ化物 Pb2Ti4O9F2 についても、可視光を吸収し、ンが選択的に占有しているサイトと、第一原理計算の

光電極触媒としての特性を示すことを報告している。

結果は一致した。[5] そして、もう一つエネルギー的に[4] Pb2Ti4O9F2 では、比較的きれいに酸素とフッ素が秩

準安定なフッ化物イオンが占有できるサイトが存在して序配列していると考えられる。また、この物質についていることが、第一原理計算により示された。フッ化物イは、同様の結晶構造をとる酸化物 Bi2Ti4O11 が存在してオンのサイトが二つあったのは、この両者の占有状態

おり、酸化物と酸フッ化物を比較して、酸素とフッ素のを反映していると考えられる。以上より、19F 固体 NMR

秩序配列の有無および秩序配列を誘発する要因を調と第一原理計算を組み合わせることにより、回折法でべるのに適した系である。X 線や中性子を用いた回折はわからなかった酸フッ化物におけるフッ化物イオン

法では、酸素とフッ素の散乱能に顕著な差がないため、の占有状態の詳細を明らかにすることができた。

両者を区別して秩序配列状態を明らかにすることが難しい。それは、酸フッ化物の研究において、課題となっていた。そこで、本研究では、フッ化物イオンに対して固体 NMR を行うことにより、その秩序配列状態を決定することを試みた。また、合わせて第一原理計算でもア
プローチすることにより、実験と理論計算を合わせた酸
素とフッ素が秩序配列の解明を試みた。
酸フッ化物Pb2Ti4O9F2 と酸化物Bi2Ti4O11 の結晶構造を詳細に比較したところ、酸化物Bi2Ti4O11 では Bi-O の共有結合性の強いサイトが存在し、それが酸化物

図 4 Pb2Ti4O9F2 粉末における 19F 固体 NMR のスペクト

Bi2Ti4O11 の反強誘電相への転移に関わっていることがル。赤がスペクトル、青の点線がフィッティングおよび紫わかった。一方で、酸フッ化物 Pb2Ti4O9F2 においては、が各成分のスペクトルを示している。
フッ化物イオンは主

そのような Pb-O/F の共有結合性の強いサイトは見らに二つの結晶学的サイトを占有していることがわかる。

れず、酸フッ化物 Pb2Ti4O9F2 が反強誘電相へと転移しないことと結びついていることがわかった。また、これらは Pb と O/F の二つのアニオンとの相互作用の違いに由来するものと考えられ、それらが秩序配列の起源となっていることが示唆された。
さらに詳細を 19F 固体 NMR で調べたところ、酸フッ化物Pb2Ti4O9F2 において、フッ化物イオンは二つサイトを占有していることがわかった。また、各サイトの成分の強度を比較したところ、一つのサイトの強度が強く、もう一方はそうでもないことがわかった。つまり、フッ化

図 5 Pb2Ti4O9F2 に対して、フッ化物イオンが異なる結晶学的サイ物イオンは完全に秩序配列しているわけではないが、トを占有した場合の安定性を計算した結果。Site 5 占有と Site 6

明らかなサイト選択性があることが判明した。さらに、第占有のエネルギーが最安定かつ近いエネルギーであり、NMR で見一原理計算を行い、フッ化物イオンがそれぞれ別の結られた二つのフッ化物イオンのサイトはこれらに相当することが晶学的サイトを選択的に占有しているモデルを検討し

わかった。

11

６ｓ電子のリバイスドローンペアー効果の大きさやバン“Anionic ordering in Pb2Ti4O9F2 revisited by nuclear

ド構造に与える影響を正確に評価するためには、Pb とmagnetic resonance and density functional theory”, K.

アニオンの結合状態を精密に調べることが必要不可欠

Oka, T. Ichibha, D. Kato, Y. Noda, Y. Tominaga,である。しかし、酸フッ化物においては、酸素とフッ素

K. Yamada,

M. Iwasaki, N. Noma, K. Hongo, R.

を回折手法で区別することが難しいため、直接的に両MaezonoF. A. Reboredo, Dalton Trans. 51

者の配列状態を観測することが困難であった。本研究(2022) 15361-15369.

andにより、19F 固体 NMR と第一原理計算を組み合わせることで酸素とフッ素が秩序配列を詳細に明らかにできる“リバイスドローンペアーモデルで説明される 6s 電子とことを示した結果は、今後の可視光応答光触媒の物質

2p 電子の相互作用によるバンドギャップの縮小と可視設計指針を与えるものである。今後も本研究を発展さ光応答光触媒特性の発現”，岡研吾, 野間直樹, 岩崎

せ、新たな材料の開発につなげていきたい。

光伸，色材協会誌，96 (2023) 176-179.

謝辞“SrBi3O5F の合成と構造解析”， 澤田康平, 野間直樹,

本研究は、公益財団法人関西エネルギー・リサイクル

岡研吾, 岩崎光伸，日本セラミックス協会関西支部第科学研究振興財団の助成を受けて行いました。また、

17 回学術講演会，2023 年 7 月 14 日.

本研究に協力していただいた、東京工業大学 前田和彦教授らの研究グループに、この場を借りて御礼申し
上げます。

参考文献：
[1] R. Kuriki, T. Ichibha, K. Hongo, D. Lu, R. Maezono, H.
Kageyama, O. Ishitani, K. Oka, and K. Maeda, J. Am.
Chem. Soc., 21, 6648-6655, (2018).
[2] A. Walsh, D. J. Payne, R. G. Egdell and G. W. Watson,
Chem. Soc. Rev., 40, 4455-4463 (2011).
[3] K. Oka, T. Ichibha, D. Kato, Y. Noda, Y. Tominaga,
K. Yamada,
MaezonoM. Iwasaki, N. Noma, K. Hongo, R.

andF. A. Reboredo, Dalton Trans. 51(2022) 15361-15369.
[4] K. Maeda, N. Hirayama, H. Nakata, H. Wakayama,
and K. Oka, J. Phys. Chem. C, 124, 1844-1850, (2020).
[5] K. Oka, H. Hojo, M. Azuma, K. Oh-Ishi, Chem. Mater.
28 (2016) 5554-5559.

成果発表：“Exploring novel functional properties arose from anion
order in mixed anion compounds”, K. Oka, J. Ceram.
Soc. Jpn. 129 (2021) 555-560.

12

   


  

 





 




  



    






  

 











 

  



  

    







13






         
 PPC8  PPBC8  PPdiMe  PPBdiMe
 
 



                      

             PPECn     



  

 









    syndio-PPEC8     



















  







  

     





             





  

14  
     
           



    
  
  
 M2C8 a) CH3OCH2Cl, DIPEA,



CH2Cl2, 0 ºC to r.t.,76%; b) n-BuLi, B(OMe)3, Et2O, 0 ºC to 

r.t.,    

pinacol,

toluene,

90

ºC,

83%;

c)

triisopropylsilylacetylene, Pd(PPh3)4, CuI, toluene/Et3N, 80ºC, 81%; d) 3, Pd(PPh3)4, Na2CO3, toluene/water, reflux,  

59%;  

e)p-TsOH,CH2Cl2/MeOH,

r.t.,

93%;

f)

1,8-dibromooctane, K2CO3, DMF, 100 ºC, Bu4NF, THF, 0ºC, 37%.

 

 

   




 M1C8  M2C8



 M1diMe  M2diMe M1 

M1 



M2 

    PPC8    

  PPdiMe       



PPBC8  PPBdiMe M2C8  M2diMe 

        





PPC8  PPdiMe  M1C8  M1diMe     

 

      PPBC8      

     

PPBdiMe       

15
 



  
 rac-M3Cn  rac-M4Cn
  
    
   
    



a)

Br(CH2)nBr, K2CO3, DMF, 120 ºC, 33–61%; b)trimethylsilylacetylene, PdCl2(PPh3)2, CuI, toluene/Et3N, r.t.,atac-PPECn rac-M3Cn

96%–quant (crude); c) Bu4NF, THF, 0 ºC, 63–97%; d) rac-M4Cn   

PdCl2(PPh3)2, CuI, toluene/piperidine, 80 ºC.

       







  rac-M3Cn 





  (Rp)-M3Cn (Sp)-M3Cn  rac-M3Cn               (Rp)-M4Cn   (Sp)-M4Cn 

PPdiMe  PPC8 λ  iso-PPECn      

atac-PPECn 

PPdiMe  PPC8   



λ      

   

Φ      

λ         

     

 

   



syndio-PPEC8       PPdiMe  PPC8 Φ     











16λ λ   



      

. λex = 320 nm for (a)and 365 nm for (b).

 
 

 atac-PPECn   



 

  λ   λ  λ Φ  PPBdiMe 

  

  

  





rac-M3Cn PPBC8    



 







PPBdiMe  

PPBC8   λ     

Φ     



λ      PPEC12   Φ 
Φ     


  

      

   


   

17  



 syndio-PPEC12 Φ 

Φ
















[1] Gierschner, et al. J. Phys. Chem. Lett. 4 (2013)



2686.

 

[2] M. Takeuchi, K. Sugiyasu, et al. Chem. Asian J.



10, (2015) 1820.



[3] H. Masai, J. Terao, et al. Chem. Commun. 58



(2022) 1644.



[4] K. Sugiyasu, M. Takeuchi, et al. Angew. Chem.

  

Int. Ed. 52 (2013) 10775.



[5] H. Bronstein, et al. Chem. Mater. 32 (2020)Φ 

10140.



[6] U. Scherf, et al. Macromol. Chem. Phys. 198



(1997) 2623.




[7] S. Seki, et al. Chem. Commun. 55 (2019) 13342.

  

[8] R. Fiesel, et al. Macromol. Rapid Commun. 20(1999) 107.











λΦ

 

      











 

      







 



  



       


18

高速有機トランジスタの実現に向けた多結晶有機薄膜の結晶粒界の可視化
神戸大学大学院工学研究科
准教授 服部 吉晃

したがって，反射率の低い基板の上に，薄膜を形成し1. 緒言て観察することが重要である．反射率が小さな汎用性
機械的に曲げることができ，安価に生産できる有機トのある基板としては熱酸化膜付きのシリコン基板が利ランジスタの実用化へ向けた課題はキャリア移動度の用できる．SiO2 薄膜の膜厚を適切に最適化することに向上である．キャリア移動度は多結晶薄膜内の結晶粒より，1 nm 程度の薄膜の観察まで対応できることが知ら界で起こる散乱により低下してしまうため，結晶粒界がれている．しかし最も小さな反射率は最適化をおこなっ

少ない薄膜や単結晶有機薄膜を作製する技術開発がても 10%程度にとどまることから，より反射率の低い基行われているが，それらの研究において，結晶粒界を板を利用すれば，感度が向上できることが期待できる．

簡便に可視化し，評価する技術の開発も必要である．

そこで，本研究では，無反射基板を上述した観察法

従来の有機薄膜の結晶粒界を簡便に調べる方法としに用いて，その効果を実験的に検証した．試料としてて，偏光顕微鏡を用いた手法があるが，近年では厚さは定量的かつ簡便に用意できることが望ましいので，が数 nm しかない有機薄膜をチャネル層に利用する

六方晶窒化ホウ素(hBN)の薄膜を用いた．hBN は光学的に透明な層状材料であり，単層の厚さが 0.333 nm とトランジスタが開発されており，鮮明かつ詳細に有機既知であるうえ，大気圧下で安定な材料である．さらに，薄膜を診断する技術が必要である．
数 nm の極薄膜を光学的に調査する手法として，特ファンデルワールス力で機械的に基板に張り付けられ定の波長の反射率の低い基板を用いて，その波長のるため，表面材料を選ばず，本研究の目的には有用な近傍の光を用いて薄膜を観察する手法が知られてい材料である．数層の hBN を無反射基板に置いて，それる．単色光を試料に入射すると，薄膜の厚さの違いやらを観察して，取得した画像の見えやすさを定量的に物性の分布に応じて，反射光の強度に変化が生じるた

評価することで，無反射基板の有用性を評価した．さらめ，その変化をイメージングカメラで撮影することにより，に，本研究において効果的な無反射基板の設計法に有機薄膜が診断できる．非走査型の診断法であり，大ついても検討を行った．

気圧下でカメラにより撮影するだけでよいので，簡便かつ迅速に薄膜の評価ができる．観察光についても実用的に，白色光からナローバンドパスフィルタを通して得

2. 実験方法
厚さ 93 nm の SiO2 膜付きのシリコン基板と，厚さ 150

られる準単色光でよく，汎用的な光学顕微鏡とカメラにnmのSiNx 膜付きのシリコン基板を用いて実験を行った．

よって装置をそのまま用いることができ，改造も不要で基板を 12 mm 角程度の大きさに切り取った後に，アセある．

トンとでイソプロパノールでそれぞれ5分間超音波洗浄

この手法では，薄膜内で生ずる光学的な干渉効果

した．Si/SiNx 基板については，その後，水で適切な濃を観測することを原理としていて，反射率が小さい基板

度に希釈した HF 溶液に数時間浸漬させて，化学的にほど，極薄膜内の物理的な変化に応じた反射率の変エッチングを行い SiNx 膜の厚さを約 70 nm にした．膜化が大きくなり，光学的な感度が向上する特性がある．

厚はエリプソメーターと反射分光の測定から決定した．

19

hBN はバルクの粉をセロハンテープで何度も剥離して，i0.043であり，k = 0と仮定した説明でも議論が可能であ十分に薄くしたあとテープを洗浄した基板に機械的にる．すると，上式の関係式を満たす屈折率は N1= 2.0 –押し付けて基板に転写することで，薄いｈBN 薄膜を基

i0.0 であり，理想的な N1 の値に近い屈折率をもつ材料

板の上に乗せた．薄い極薄膜の観察には，NA＝0.8として窒化シリコン膜が該当する．材料特性としても，の倍率が 50 倍の対物レンズを用いて，光学顕微鏡に

窒化シリコン膜は化学的に安定で，窒化シリコン膜付きより大気圧下，湿度 30～40％が環境で観察を行い，市の Si 基板も市販されていて入手が容易であることから販の一眼レフのデジタルカメラ，もしくは，12bitのモノク

も，本研究に適した単層膜付きの基板であるといえる．

ロカメラを用いて撮影した．準単色光を用いた観察に

図 1 に 94 nm の SiO2 膜を有する Si 基板と 66 nm とおいては，光学顕微鏡のハロゲンランプの光源の直下

73 nm の SiNx 膜を有する Si 基板の反射率を測定したに半値幅 10 nm のナローバンドパスフィルタを挿入し結果と計算結果を示す．実線と点線はそれぞれ，実験て観察を行った．開口絞りは対物レンズの瞳径の 90％

値と計算値を示す．Si/SiO2 基板の最も小さい反射率は程度に絞って観察を行った．

570 nm 付近で計算値，実験値共に約 10%であるのに対し，Si/SiNx 基板は λ = 540, 600 nm 付近で R = 0%に

3. 結果および考察
初めに，単層膜を有する基板に関する反射率(R)に近い値になっている．以上より Si/SiNx 基板が，理論的関して考察する．従来用いられてきた熱酸化膜付きのかになったので，これにより極薄膜の可視化技術の感シリコン基板は波長(λ)に対し SiO2 の膜厚を最適化する度の調査を進めた．

にも実験的にも無反射基板として利用できることが明らことで，反射率を 10%程度に減少させることができるが，(a)理論上は単層膜を有する基板において，単層膜の屈1L hBNRBN RsubSiNx or SiO2

折率を N1 = n1 − ik1,基板の屈折率を N2 = n2 − ik2 とする

n+-Siと，反射率をゼロにする n1, k1, n2, k2 の関係式が存在す(b)る[1]．より単純な場合として，k1 = k2 = 0 の場合を説明−15

Contrast

15%

すると，R = 0を満たすために必要なn1 とn2 の関係式は，
𝑛𝑛1 = √𝑛𝑛2 で あ り ， 単 層 膜 の 膜 厚 ｄ 1 が 𝑛𝑛1 𝑑𝑑1 =𝜆𝜆 1( + 𝑚𝑚) の式を満たす場合，基板垂直方向に入射2 2した波長 λ の光の反射率がゼロになる．ここで m は 0以上の正の整数である．本実験で使用する Si 基板の(c)

屈折率は，例えば λ = 530 nm において N2 = 4.2 –ExperimentCalculation

NA = 0.15

SiO2 94 nm

SiNx 73 nm
SiNx 66 nm

図2 単層hBNのコントラストの計算。(a)計算モデル。
SiNx膜(b)とSiO2膜(c)の厚さと波長に依存するコントラストのコンターマップ。

図1 SiO2/Si基板とSiNｘ/Si基板の反射スペクトル20ここでは，極薄膜の可視化技術における感度を定量

画像処理を施せば，極薄膜が可視化できることが分か的に評価する目的で，極薄膜の見えやすさ光学コント

る．図 2(b)で示されたように，感度を向上させるには特ラスト(C)によって評価し測定する．光学コントラストは薄定の波長で観察する必要があり，SiNx の厚さに応じた膜がある部分の反射率を Rf，薄膜がなく基板だけの部

適切な光学フィルタを用意する必要であるが，光学フィ

分の反射率を Rsub とすると，C = (Rf − Rsub)/Rsub)で定義

ルタを使用しなくても Si/SiNx 基板の効果が実効的に表してした値であり．|C|が大きいほど感度よく薄膜が観察れる意味し，手法の汎用性の高さを示している．
図 4(a)は hBN を様々な波長で観察し，モノクロカメラ

できることを意味する．
図 2 に Si/SiO2 基板もしくは Si/SiNx 基板に hBN の単で撮影した写真中の hBN がある場所のピクセル値と層膜を置いた場合の C の計算結果を示す．図 2(b)はhBN がない場所のピクセル値のデジタル値を用いて，

SiNx/Si における SiNx の膜厚と波長依存性を示す C の定量的にコントラストを計測した結果を示す．図中の黒コンターマップを示し，図 2(c)は SiO2/Si における SiO2丸と青丸で示されたプロットはそれぞれ 1 層と 2 層のの膜厚と波長依存性を示す C のコンターマップを示す．

hBN の結果を示し，点線は計算結果を示している．どSiNx 膜を 70 nm 程度にすると，約 520 nm や 580nm のちらも点線で示された計算結果と定性的に一致して，波長で計算上|C| = 12%となる．一方，SiO2/Si 基板コン

実験的に 480 nm の光で観察すると僅か 0.333 nm の透

トラストを見ると，膜厚と波長を最適化しても|C|の最大

明な薄膜により，基板の反射率が 12%も変化したことが値は約 3%であり，Si/SiNx 基板に薄膜をのせることで，分かる．図4(b)は 480 nmの光によって観察したコントラ

感度が 4 倍向上することが分かる．

ストの層数依存性を示す．層数の増加に伴い，コントラ次に，実験的に Si/SiNx 基板の効果を確かめる．図 3

ストが線形的に増加していて，同一の波長の光によるは Si/SiNx 基板の上に置かれた単層の hBN をカラーカ

観察で，hBN の層数を決定することができる．

メラで撮影した顕微鏡の写真である．図 3(a)は 480 nm(a)の波長の光により顕微鏡で観察した写真である．画像

2L処理を施していないにも関わらず，単層の hBN が明確に確認できる．図 3(b)はカラーフィルタを使用せず、白ExperimentCalculation

1L

色光で撮影し，画像処理を行った写真を示す．写真に
(a)

(b)

480 nmWhite light(b)

480 nm

Si/SiNx
ExperimentCalculation

SiNx
650 nm Si/SiO2
Calculation

1L hBN

図4 (a)63 nmのSi/SiNx基板に置いた単層と2層のhBNのコントラストの波長依存性。(b)λ= 480 nmにおける63 nmのSi/SiNxi基板に置かれたhBNのコントラストの層数依存性と、 λ= 650 nm における94nmのSi/SiO2基板に置かれたhBNのコントラストの層数依存性。

5 µm

図3 63 nmのSi/SiNx基板の上に置かれた単層
hBNの写真。(a)480 nmの光で撮影した写真。
(b)白色光で撮影し、画像処理を行った写真。

21

ρp

Nm

PMMA

Np, dpNp-1, dp-1
Np-2, dp-2

SiO2

e

・・・

SiNx
a

N1, d1GraphitehBNb

Np-3, dp-3

o

h

Nb

g

Substrate

c

Cr
d

Au

図5 p層からなる多層基板のモデル図f以上で示したように，無反射基板の有用性は実験的に確認できたが，実際の有機トランジスタのデバイス構
造で，Si/SiNx 基板が用いられているわけではない．本(1) Si/SiO2 (19.4 nm)/hBN (38.8 nm)
a-b-o(2) Si/SiO2 (76.3 nm)/Graphite (6.0 nm)
a-c-o(3) Ag/PMMA (105.4 nm) /Au (27.0 nm)
e-f-o(4) Si/SiO2 (112.2 nm)/Cr (0.5 nm) /Au (8.3 nm) a-d-g-o(5) Si/SiNx (62.0 nm)
a-h

手法を実際のプロセスに応用するには，より汎用的な多層構造からなる無反射基板を設計することが必要である．しかし，本測定法に向けた無反射基板の光学設

図6 無反射の多層基板の円図計法は確立されていない．そこで，従来の反射防止膜が原点に到達するように各層の厚さや順番，材料を調や光学フィルタにおいて確立された円図を用いた設計

整すればよいことになる．

法を本手法に応用した．

円図の有用性を議論するため，過去に本手法と同様

図 5 に p 層からなる多層基板のモデル図を示す．図

の目的で用いられてきた，反射率の低い 5 種類の多層中の複素屈折率Nと厚さのdはについた添え字は各層基板を調べた[1–5]．図 6 に λ = 530 nm の波長の光のの値を意味する．また，N の添え字の m と b は媒質と反射率が，できるだけ小さくなるよう，各層の厚さを調ベース基板を意味する．多層基板を構成する材料のど

整し，円図で分析した結果を示す．図中の下部に示されかに，光を吸収する層(k ≠ 0)がある場合，反射率はれた構造はそれぞれの多層基板の層構造をベース基

複素数 ρp(|ρp| < 1)で記述され，実際に測定される反射板から順にスラッシュで区切って示している．

率 R は|ρp|2 で計算できる．円図を使った設計法では，p(1)で示された無反射基板は 2 層の光を吸収しない層から成る多層基板を作製する過程において，空気中誘電体層(k = 0)で構成されている．この多層構造を仮で基板上に各層が徐々に蒸着して形成されると仮定し，想的に基板から空気中で徐々に蒸着すると，そのプロ

その過程で変化していく複素屈折率 ρ を計算して，逐セス中の ρ の軌跡は図中の a-b-o となる．つまり，始点

次，複素平面上に図示していく手法である．複素平面である図中の a 点は Si 基板の ρsub に対応する．その上に描かれる ρ の変化は多層基板の形成に伴う軌跡を意に SiO2 を堆積していくと，反時計回りに円弧を描きなが味する．つまり，ベース基板の反射率 ρb からスタートし，ら移動して，19.4 nm 蒸着すると，b 点に至る．次の連続的に ρp まで連続的に変化する．これによって形成

hBN 層の軌跡の始点は SiO2 の終点と一致して連続し途中における反射率の変化が複素平面上で確認できて描かれ，同様に反時計回りに別の円弧を描きながらる．実際の測定で計測される反射率は|ρp|2 であり，軌跡移動する．最終的に hBN が 38.8 nm 堆積すると，ρ はの末端部である ρp の位置によって決まる．言い換えれ原点に到達する．この軌跡の終点が ρp であるので，無ば|ρp|が小さければ，反射率が低く，ρp = 0であれば，理反射基板を意味する R=0 となる．図 6 で示されている論的に無反射基板となる．しがたって，無反射基板を軌跡中に示された丸，四角，三角形のプロットはそれ作製するには，円図に描かれる ρ の軌跡を参考に，ρp

ぞれ 10，5，1 nm の蒸着分の動きを示している．

22

図 6 における(2)と(3)の多層基板は最表面の層が光

造の無反射基板をグラフィカルに評価できることが可を吸収する屈折率を持っている(k≠0)．円図において，能になった．これらの特性を生かし，多層基板におい光を吸収する層に対応する軌跡の動きは一般的に複て任意の材料を最表面層にもつ無反射基板を設計す

雑になり数値計算によって描く必要である [6]．(2)はることを考える．この場合には，図 6 の(4)の場合で説明(1)と同じ Si のベース基板を用いているので，始点は同したように，最表面の材料の ρ = 0 を通過する軌跡を描

じ a 点となる．第 1 層の材料も同じなので，描かれる軌

くことが重要であることが理解できる．もし，最表面より跡も途中までは(1)と同じになるが SiO2 の厚さが(1)より一つ下の層の終点がこの軌跡上に位置すれば，最表厚いことに起因し，円弧が長くなり，点 b を通過した後，面の材料を適切な厚さ分蒸着することにより ρ＝0 が達76.3 nmの厚さに対応する点c に至る．最終的に 2 層目成できる．

のグラファイトによって点 c から原点に移動し，無反射

図 7(a)は様々な材料の ρ = 0 を通過する軌跡を描い基板になる．グラファイトの軌跡は，わずか 6 nm で大きたものである．図中の黒丸の点はそれぞれの k≠0 であく円図を移動している．一般的に光を吸収する層におる材料の基板固有の ρsub を示している．これらの曲線をける単位厚さに対する円図の動きは大きい．これは無利用することで，グラフィカルに任意材料を表面に持

反射基板を作製するうえで，厳密な膜厚管理が必要に

つ多層基板が設計できる．図 7(b)は具体的な例として，

なることを意味する．(3)の多層基板では Ag のベース

円図を利用して設計した 5 種類の多層基板を示してお基板を利用して，点 e が始点となっている．点 e は点 a

り，順番に説明する．

より|ρ|が大きいがこれは，λ = 530 nm における Ag 基板

図 7 の赤字で描かれた多層基板は Au のベース基の反射率が Si 基板のそれよりも高いことを意味する．

板を利用している．そのため，PMMA 層の始点は図(a)

その結果，Ag 基板の上に蒸着される k = 0 の PMMA
層は大きな円弧を描くことになる．

AuAg

図6 における(4)の多層基板は Au 層における粘着層

Al

Ti
Cr

として Cr の薄い層を含んでいる．円図の軌跡を見ると，

Cu

TiO2

(2)もしくは(3)の無反射基板に Cr の粘着層が追加されAl2O3たと理解できる．注目すべき点は Cr の軌跡の終点であGraphite

Ni

Si

SiO2

PMMA

る点 g が，(3)の Au 層における軌跡の o-f 曲線上に位置し，原点までの軌跡が一致していることである．即ち，o-f 曲線上のどこかにひとつ前層の終点があれば，適(b)

切な厚さの Au 膜が蒸着すると同じ軌跡をたどり，ρ = 0に到達することを意味している．
最後に図 6 における(5)の基板は，冒頭で議論した
Si/SiNx 基板である．上述したように，無反射基板を作製するうえで，SiNx の屈折率は Si のベース基板の屈折率と相性がよく，適切な厚さにすれば，反射率が小さく

Au / PMMA (65.5 nm) / Ti (4.2 nm)
Ti / TiOx (51.8 nm) / Cu (5.7 nm)
Ni / SiO2 (75.5 nm) / Cr (3.2 nm) / PMMA (177.3 nm)
Si / PMMA (90.8 nm) / Cr (9.2 nm) / Al2O3 (70.0 nm)
Al / Al2O3 (37.0 nm) / Ti (10.0 nm) / TiO2 (33.0 nm)

なる．円図においては，530 nmの光に対し，62.0 nm蒸着すると，終点である点 h に移動する．点 h は原点に近く，R = 0.28% に対応し，反射率が非常に小さくなっ

図7 (a)原点を通過する様々な材料の軌跡(b)円図を利用して設計した無反射の多層基板ている．
上記の考察により，円図を用いることにより，多層構

23

7(a)で示した Au の黒丸であり，k=0 の PMMA 層によりTi の軌跡が示すように，原点を通過しない k≠0 の材料

円弧が描かれる．PMMA の終点は図 7(a)で示されたの軌跡は複雑になり予想が困難であるが，数値計算を

Ti の曲線上に位置しているので，適切な厚さ（4.2 nm）

用いて軌跡を描くことで，Ti の終点が最表面の TiO2 のを蒸着すると ρ = 0 になり，反射率がゼロになる．仮に，軌跡上に到達し，結果的に ρ = 0 の基板ができる．

Ti 層を 4.2 nm 蒸着した後も，続けて蒸着すれば，図7(a)の Ti の点線で描かれている軌跡をたどり，やがてTi の ρsub に対応する点に至る．図 7 の青で描かれてい4. まとめ本研究では有機薄膜の光学的評価法を向上させる

る多層基板も同様の k = 0 の層の上に k≠0 の層が蒸着目的で無反射基板の利用を提案し，その効果についされた 2 層構造であり，Ti の ρsub を始点とした軌跡の動て単層 hBN 薄膜を用いて検証した．その結果，光学的きを同様に理解できる．

に透明な 0.333 nm の極薄膜によって反射率が 12%も

図 7 の朱色と緑色，黒色で描かれた多層基板は上変化することが分かり，非常に感度よく極薄膜を評価で記とは異なり，最表面が k = 0 の光学特性を有している．

きることが明らかになった．この手法を実際の有機トラ

この場合においても，先ほどと同じ考え方で設計がでンジスタのデバイス構造に応用するため，無反射であきるが，k=0 の材料は蒸着に伴い，円図内で円を繰りる多層基板の設計法を考案した．これにより，最表面を返し描く特徴があるので，いくつかの方法が考えられる．

任意材料にもつ無反射多層基板が設計できるので，有まずは，上述した k ≠ 0 を最表面にもつ無反射基板を機薄膜の光学的評価にとどまらず，有機トランジスタに応用した方法を説明する．図 7 のオレンジで示された

おいて性能を向上させる目的で用いられている，有機

軌跡を見ると，Ni/SiO2/Cr を蒸着した地点の ρ の位置を単分子膜の可視化など，高速有機トランジスタの実現

確認すると，Cr の終点は既に原点に到達している．最に向けたプロセス評価における光学的評価に応用が表面である PMMA 層である図 7(a)の曲線をみると，期待できる．

PMMA 層は原点を通過する円であり，PMMA の蒸着に伴い，反時計回りに繰り返し描く．その円は PMMA

参考文献：

内の透過する際の波長の半分の厚さを蒸着するごとに[1] Hattori, Y.; Taniguchi, T.; Watanabe, K.; Kitamura, M.

1 回転する[6]．したがって，Cr 層の上に半波長分の厚Enhancement of the Contrast for a Hexagonal Boron

さの PMMA を蒸着すれば，1 周して原点に戻り，再びNitride Monolayer Placed on a Silicon Nitride/Silicon

無反射基板になる．このように，任意の無反射基板に k

Substrate. Appl. Phys. Express 2022, 15 (8), 086502.

= 0 の材料を半波長分蒸着すれば，最表面に誘電体[2] Hattori, Y.; Taniguchi, T.; Watanabe, K.; Kitamura, M.

層を持つ無反射基板が作製できる．

Identification of the Monolayer Thickness Difference in a

次に図 7(b)の緑色で描かれた多層基板は最表面がMechanically Exfoliated Thick Flake of Hexagonal

k = 0 の Al2O3 であるが，Al2O3 の厚は半波長ではない．

Boron Nitride and Graphite for van Der Waals

この多層基板における Cr の軌跡を再び着目すると，先Heterostructures. Nanotechnology 2023, 34 295701

ほどと同様 Cr は原点を通過していて，この軌跡は図[3] Syahir, A.; Mihara, H.; Kajikawa, K. A New Optical7(a)の Cr と一致するが，原点以外のもう一つの Al2O3 とLabel-Free

Cr の交点まで Cr の軌跡が伸びている．その点から

Metal-Insulator-Metal Structure. Langmuir 2010, 26 (8),Al2O3 を蒸着すると円弧を描くために，適切な厚さ（70.06053-6057.

nm）を蒸着すると ρ = 0 の基板ができる．

[4] Rubio-Bollinger, G.; Guerrero, R.; De Lara, D. P.;

最後に図 7(b)の黒線で描かれた多層基板は，終点以Quereda, J.; Vaquero-Garzon, L.; Agra?t, N.; Bratschitsch,

外に一度も ρ = 0 を通過していない．この構造におけるR.; Castellanos-Gomez, A. Enhanced Visibility of MoS2,

24

Biosensing

Platform

Based

on

a

MoSe2, WSe2 and Black-Phosphorus: Making Optical
Identification of 2D Semiconductors Easier. Electronics
2015, 4 (4), 847-856.
[5] An, J. Y.; Kahng, Y. H. Optical Observation of Single
Layer Graphene on Silicon Nitride Substrate. AIPAdvances 2018, 8 (1), 015107.
[6] Apfel, J. H. Graphics in Optical Coating Design. Appl.
Opt., AO 1972, 11 (6), 1303-1312.

25

26

シリコンとペロブスカイトを用いたアップコンバージョン太陽電池の基礎検証
神戸大学大学院工学研究科
准教授 朝日 重雄

1. 緒言の効率的な TPU はヘテロ界面に量子ドットを挿入することが寄与していることも合わせて実証した。また、太陽電池の発電コストのさらなる低減を目指し、

この TPU-SC は理論的に変換効率 50%を超えること

Shockley–Queisser 理論限界 [1]を超える超高効率が可能であることを計算により示した [10]。図 2 に理太陽電池が検討されている [2–5]。そのような中で、論変換効率の計算結果の一部を示す。この図では我々は新たな太陽電池構造である 2 段階フォトンアッ

縦軸に WGS のバンドギャップ、横軸に NGS のバンド

プコンバージョン太陽電池(TPU-SC)を独自に提案しギャップを取り、それぞれのバンドギャップを変化させた [6,7]。この太陽電池は図 1 に示すようなワイドバン

ながら変換効率を計算した結果である。この図を見る

ドギャップ半導体（WGS）とナローバンドギャップ半導と太陽光 100 倍集光という、現実的な集光倍率で変体（NGS）で構成され、WGS と NGS のヘテロ界面が形

換効率が 50%に達することが分かる。現在、この TPU成される。NGS で生成された電子は、効率よく正孔とをさらに増強し、太陽電池のエネルギー変換効率向

分離されヘテロ界面に高密度に蓄積し、その電子が上に寄与するための検討を進めている。

低エネルギー光子で励起されることにより、効率的な本研究は今まで我々が提案し、実現に向けて取り

2 段階フォトンアップコンバージョン(TPU)が生じる。こ組んできた TPU-SC の別の材料系に展開することをの TPU 現象を利用することで単接合型太陽電池で目指す。我々が見出したこの効率的な TPU 現象はは利用できなかった太陽光内の低エネルギーフォト

材料系に制限されないと考えている。そこで、本研究ンを有効利用し、変換効率を向上させる。我々はこれではペロブスカイト材料に着目した。ペロブスカイト材

までに、分子線エピタキシー法で GaAs と AlGaAs の料系材料を使った太陽電池は 2012 年にその可能性

ヘテロ界面を形成した TPU-SC において、アップコンが見いだされ [11]、そこから変換効率が急激に上昇

バージョンによる電流生成効率を今までの太陽電池

した [12,13]。この材料の最も大きな特徴はガラス基

よりも 100 倍以上高めることに成功した。さらに、TPU板上で塗布成膜した太陽電池であっても、高い変換による電圧上昇の実験的観測にも成功した [8,9]。こ効率を有することである。

図 2 TPU-SC の理論変換効率 2 次元マップ．

図 1 TPU-SC のコンセプト図．

27

我々は Si や GaAs 表面上にも高効率なペロブスカイ

作製し、その後、ヨウ化メチルアンモニウム（MAI）とヨウト膜の形成が可能であると考えている。Si、GaAs とペロ化鉛（PbI2）をモル分率 1:1 になるように投入、1 M のブスカイトで形成されるヘテロ界面で同じ現象が発現

MAPbI3 の前駆体溶液を作製した。溶液作製時はすれば、低コストかつ高変換効率な太陽電池の実現の60 ℃で拡販しながら加熱した。その後、基板に溶液を可能性が見えてくる。そこで本研究では WGS にペロブ

滴下し 4000 rpm、30 秒間回転させて MAPbI3 薄膜を製

スカイト材料を用い、NGS に Si、GaAs を使用した有機/膜した。その後、ホットプレートを用いて 105 ℃で 5 分

無機ハイブリッド構造の TPU-SC を作製し、アップコン

間加熱し、結晶化させた。

バージョン発現の可能性を探ることを目的として実験を次に正孔輸送層である spiro-OMeTAD をスピンコー行った。その結果、アップコンバージョンによる明確なト法で製膜した。まず溶媒のクロロベンゼンに電流取り出しの実証には至らなかったが、光学測定に

spiro-OMeTAD を 0.05 M になるように溶かし、作製してアップコンバージョンの発現を示唆する結果が得らた溶液を基板に滴下後、3000 rpm、30 秒間回転させた。

れた。

最後に Spiro-OMeTAD 表面に Au 電極、Si 基板表面に Ag 電極を真空蒸着法で堆積した。

2. 実験方法

図 4 は想定される太陽電池のバンド構造を示す。図

本研究では 2 種類のペロブスカイト材料について、中のエネルギーは文献[15–17]を参考した。MAPbI3 と試料作製し特性評価を行った。以下、それぞれの作製

HOMO 準位と Si の価電子帯上端の間に発生するエネ

方法を説明する。

ルギー差により、ヘテロ面付近の Si 価電子帯に正孔が蓄積し、その正孔がアップコンバージョンし、MAPbI3 へ

2.1 MAPbI3/Si TPU-SC の作製

移動することを期待している。

本 節 で は MAPbI3 と Si を 使 用 し た TPU-SC

2.2 MAPbBr3/GaAs TPU-SC の作製（MAPbI3/Si TPU-SC）の作製について述べる。本研究の太陽電池構造を図 3 に示す。基板には n+-Si(100)基

次に MAPbBr3 と GaAs を使用した TPU-SC も作製し板を用いた。まず、煮沸アセトン、メタノールに浸漬した。この前節で述べた MAPbI3/Si TPU-SC と異なり、こた後、フッ酸に浸漬し表面酸化膜を除去した。その後、の TPU-SC は MAPbBr3 の HOMO 準位と GaAs の伝導

UV オゾン処理により表面改質を行った後、表面に帯下端のエネルギー差を利用してアップコンバージョ

MAPbI3 膜を成膜した。成膜にはスピンコート法を用いンさせることを意図した TPU-SC となる。図 5 にた。まず、N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）とジメチル

MAPbBr3/GaAs のバンド構造を示す。本研究では、

スルホキシド（DMSO）溶媒をモル分率 1:1 になるように

p+-GaAs(001)基板上に MAPbBr3 のみを成膜した試料

図 4 MAPbI3/SI TPU-SC のバンドダイアグラム．

図 3 MAPbI3/SI TPU-SC の太陽電池構造．

28

を使って光学特性の評価を行った。最終的な太陽電池
構造では、ZnO を電子輸送層として用いることを検討して い る 。 GaAs 基 板上の MAPbBr3 の 製膜 で は 、
MAPbI3/Si TPU-SC 同様、スピンコート法で成膜した。
まず、p-GaAs(100)基板を MAPbI3/Si TPU-SC と同様に煮沸アセトン、メタノールで洗浄し、フッ酸で表面酸化膜を除去、UV オゾン処理により表面改質した後に
MAPbBr3 の製膜を行った。MAPbBr3 溶液の溶媒にはDMF と臭化水素（HBr）を用い、臭化メチルアンモニウ
図 5 MAPbBr3/GaAs 膜のバンドダイアグラム．

ム（MABr）と臭化鉛（PbBr2）をモル比1:1になるように投入し、溶液を作製した。さらに、回転途中で貧溶媒となるトルエンを滴下するアンチソルベント法を行った。ア
ンチソルベント法を適用することにより、平坦な膜を作製することが可能である [14, 18]。

3. 結果および考察
3.1 MAPbI3/Si TPU-SC の光応答特性
図 6 MAPBI3/Si 膜の X 線回折測定結果．

図 5 に Si 基板上に MAPbI3 を製膜した試料の XRD
測定結果を示す。MAPbI3 に由来する強い回折ピークが観測された。このことから、MAPbI3 の多結晶膜を Si
基板上に形成することができたと考える。一方、MAPbI3に由来しないと考えられる回折ピークも複数観測された。これについては、前駆体溶液内に存在している
MAI や PBI2 由来のピークであることが考えられ、より純度の高い MAPbI3 膜の形成条件を継続して模索する必要があると考えている。なお、MAPbBr3 の製膜の際に行った行ったアンチソルベント法を MAPbI3 においても適用し、より平坦性の高い膜の形成に成功しつつある。
図 7 の上図に MAPbI3/Si TPU-SC のフォトルミネッセ
ンス（PL）スペクトルを示す。770 nm をピークに持つ強図 7 MAPBI3/Si TPU-SC のフォトルミネッセンス（PL）スペ

い発光は MAPbI3 に由来するものである [19]。また、こクトル（上図）と外部量子効率（EQE）スペクトル（下図）．下の太陽電池の外部量子効率（EQE）スペクトルを図 7 の

図の黒線は赤外光の追加照射を行わない通常の EQE スペクト

下図に示す。黒線は追加赤外光を照射しない、通常の

ル．赤線は追加で 1319 nm の赤外光を照射し、アップコンバー

EQE スペクトルである。770 nm 付近で EQE が大きく減

ジョンを発現させたときの EQE スペクトル。

少していることが分かる。これは MAPbI3 で生成された

29

電子と正孔は電流として取り出されているのに対し、Siで生成された正孔は MAPbI3 と Si との間のエネルギー
障壁で留まるため、電流が下がる。このことから、
MAPbI3 のバンドギャップが Si で生成された正孔を蓄積するという、期待する働きをしていることが分かった。また、PL ピーク波長と EQE の吸収端波長がほぼ一致す
ることが確認された。これは、作製した MAPbI3 結晶のアンチストークスシフトが非常に小さいことを示している。
図 6 の下図の赤線は 1319 nm の追加赤外光を照射した際の EQE スペクトルになる。追加赤外光の照射により 700 nm 付近で僅かながら電流増加が確認された。こ図 8 MAPbI3/Si TPU-SC の AM1.5 ソーラーシミュレータ

れは、赤外光により何らかのキャリアがバンド内励起さ照射下化における電流電圧特性

れ、電流として観測された可能性がある。しかし、
MAPbI3 と Si のヘテロ界面で蓄積された正孔が励起されるという想定の動作をしているのではない可能性があり、より詳細な検証が必要と考えている。
図 8 に MAPbI3/Si TPU-SC のソーラーシミュレータを使った AM1.5 疑似太陽光照射下における電流電圧特性を、暗状態における特性と共に示す。暗状態における整流性は確認できたが、AM1.5 疑似太陽光照射下における短絡電流が 0.02 mA/cm2 と非常に小さかった。

図9 励起波長800 nmで励起した際のMAPbBr3/GaAs膜のPL

また、逆バイアス印加時に光電流が大きく増えた。これ

スペクトル．観測されているのは MAPbBr3 からの発光であり、は、短絡状態では、太陽電池中に存在する捕獲準位

低エネルギーフォトンによる励起で高エネルギーフォトンが放に捕獲された光励起キャリアが、逆バイアス印加時に出されていることを示している．

抜け出し、電流として観測されたことが考えられる。ペロブスカイト膜の平坦性を上げることで、改善することが可能と考えており、前述のアンチソルベント法を使うことで、より特性の良い太陽電池を作製、アップコンバ
ージョン性能を高めることが可能であると考えている。
3.2

MAPbIBr3 の光応答特性

本節では MAPbIBr3/GaAs 膜の光学測定結果について示す。現時点では太陽電池構造の作製は行っていない。今後、太陽電池構造を作製し、光照射による

図 10 励起波長 800 nm で励起した際の MAPbBr3/GaAs 膜の

光電流、光電圧を測定する。図 9 に 800 nm のPL ピーク強度の励起光強度依存性．PL 強度は励起光強度の 1.5

Ti:Sapphire レーザーを使って励起した際の PL 測定結乗に比例する結果となった．

果を示す。540 nm をピークとする発光は、MAPbBr3 を30

由来とするものであり、文献値とほぼ同じ波長の発光を学大学院工学研究科大学院生の Mahamu Hambalee さ

確認することができた [20]。また、この測定では GaAs

ん、鬼塚遼平さん、徳永隼也さん、Institut National desを励起するような低エネルギーフォトンの励起によって、Sciences Appliquées Lyon の学生 Bourzier Matthias

MAPbBr3 が発光するという、アップコンバージョン発光

Virgile さんに厚く御礼申し上げます。

の発現を示唆するものであり、期待する現象を観測している可能性がある。

参考文献：[1] W. Shockley and H.J. Queisser, J. Appl. Phys. 32 (1961)

図 10 に 800 nm で PL 発光強度の励起光強度依存性を示す。このことから、励起光強度に対し PL 発光強510.

度が 1.5 乗という、非線形に上昇しているとが分かった。

[2] M. A. Green, E. D. Dunlop, G. Siefer, M. Yoshita, N.

これは、GaAs で吸収された電子および正孔がヘテロ

Kopidakis, K. Bothe, and X. Hao, Prog. Photovolt. Res.

界面に追加の光りによりアップコンバージョンされ、Appl. 31 (2023) 3.

MAPbBr3 で発光した可能性を示唆している。以上のよ[2] J. F. Geisz, M. A. Steiner, N. Jain, K. L. Schulte, R. M.

うに、光電流では明確なアップコンバージョンの観測にFrance, W. E. McMahon, E. E. Perl, and D. J. Friedman,

は至らなかったが、光学測定でアップコンバージョンをIEEE J. Photovolt. 8 (2018) 626.

示唆する結果を得ることができた。今後は、光学測定[3] A. Luque and A. Martí, Phys. Rev. Lett. 78 (1997) 5014.

で示唆されたアップコンバージョン現象を電流にて観[4] R. T. Ross and A. J. Nozik, J. Appl. Phys. 53 (1982)

測することを行う予定である。

3813.
[5] M. Giteau, S. Almosni, J.-F. Guillemoles, D. Suchet, J.

4. まとめ本研究では、無機材料基板とペロブスカイト材料材料

Photonics Energy 12 (2022) 032208.

を組み合わせた TPU-SC を作製し、アップコンバージ

Nat. Commun. 8 (2017) 14962.

ョン現象を実証することを目的とし、成膜条件の最適化[7] S. Asahi and T. Kita, Nat. Commun. 10 (2019) 956.

[6] S. Asahi, H. Teranishi, K. Kusaki, T. Kaizu, and T. Kita,+の模索、実証のための測定を行った。n -Si 基板上に

[8] N. Kinugawa, S. Asahi, and T. Kita, Phys. Rev. Appl. 14

MAPbI3 を製膜した TPU-SC では、太陽電池特性の取(2020) 014010.

得を行い、光電流取り出しに成功、追加赤外光を照射[9] K. Watanabe, S. Asahi, Y. Zhu, and T. Kita, J. Appl.

による若干の電流増加を観測したが、アップコンバー

Phys. 130 (2021) 085701.

ジョン現象によるものかどうかは、追加の検証が必要と[10] S. Asahi, K. Kusaki, Y. Harada, and T. Kita, Sci. Rep. 8

考えている。また、p+-GaAs 基板上に MAPbBr3 を試料(2018) 872.

では、低エネルギーフォトンの励起により高エネルギ[11] M. M. Lee, J. Teuscher, T. Miyasaka, T. N. Murakami,

ーフォトンの発光を観測した。これはアップコンバージ

and H. J. Snaith, Science 338 (2012) 643.

ョンの発光を示唆する結果である。今後は、光電流及[12] T. Miyasaka, Bull. Chem. Soc. Jpn. 91 (2018) 1058.

び光電圧測定によるアップコンバージョン現象の観測

[13]

を目指す。

Optoelectronics:

T.

Miyasaka,
From

Perovskite

Photovoltaics

Fundamentals

to

and

Advanced

Applications (Wiley-VCH, 2022).
[15] M. Caputo, N. Cefarin, A. Radivo, N. Demitri, L. Gigli,

謝辞
本研究は、公益財団法人関西エネルギー・リサイクル

J. R. plaisier, M. Panighel, G. D. Santo, S. Moretti, A.

科学研究振興財団の助成を受けて行いました。また、

Giglia, M. Polentarutti, F. D. Angelis, E. Mosconi, P. Umari,

本研究に協力していただいた、国立大学法人神戸大

M. Tormen, and A. Goldoni, Sci. Rep. 9 (2019) 15159.

31

[16] L. Brillson, An Essential Guide to Electronic Material
Surfaces and Interfaces (Wiley, 2016).
[17] S. Chen and L.-W. Wang, Chem. Mater. 24 (2012)3659.
[18] N. J. Jeon, J. H. Noh, Y. C. Kim, W. S. Yang, S. Ryu,
and S. I. Seok, Nat. Mater. 13 (2014) 897.
[19] T. Wang, B. Daiber, J. M. Frost, S. A. Mann, E. C.
Garnett, A. Walsh, and B. Ehrler, Energy Environ. Sci. 10(2017) 509.
[20] Y. Cho, H. R. Jung, Y. S. Kim, Y. Kim, J. Park, S. Yoon,
Y. Lee, M. Cheon, S.-Y. Jeong, and W. Jo, Nanoscale 13(2021) 8275.

成果発表：“Optimization of the Morphological Structure of
Spin-Coated MAPbBr₃ on p-GaAs Substrates for
Perovskite/GaAs-based

PhotonUp-conversion

Solar Cells”, H. Mahamu, M. Bourzier, S. Asahi,
and T. Kita, 第 70 回応用物理学会春季学術講演会,
2023 年 3 月 15 日．

32㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 被覆による 㻸㼕㻺㼕㻜㻚㻡㻹㼚㻝㻚㻡㻻㻠 薄膜正極の表面劣化抑制の検討㻌
㻌
兵庫県立大学大学院工学研究科㻌
助教㻌 稲本純一㻌
図 㻝 に得られた薄膜電極の 㼄㻾㻰 パターンを、図 㻞㻝㻚 緒言㻌
リチウムイオン電池（㻸㻵㻮）正極として従来材料よりも高にラマンスペクトルを示す。これらの結果では 㻸㻺㻹㻻

電位で作動する 㻸㼕㻺㼕㻜㻚㻡㻹㼚㻝㻚㻡㻻㻠（㻸㻺㻹㻻）の実用化が期

および 㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 両者に帰属されるピークが認められた

待されている。しかし 㻸㻺㻹㻻 は高電位ゆえに充電時に表面で有機電解液を激しく酸化分解することが報告されている。例えば黒鉛負極では電解液の分解生成物
が不働態被膜を電極表面に形成し、以後の電解液の分解反応を抑制する。しかしこれまでの申請者の研究から、㻸㻺㻹㻻表面にはこのような被膜が形成されず、電解液の酸化分解が継続的に起こり劣化が進行することが明らかとなった。一方、別の正極材料である 㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟
系の材料は充電時に表面で活性な酸素が発生し、これが電解液を酸化分解し良好な被膜を形成することを明らかにした。以上より、㻸㻺㻹㻻 を 㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 で被覆した
コア－シェル材料を合成すれば良好な表面被膜が形成され、㻸㻺㻹㻻 のサイクル特性が向上する可能性がある。そこで本研究では㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟被覆が㻸㻺㻹㻻 の被膜形

図 㻝㻌㼄㻾㻰 パターン㻌

成挙動とそのサイクル特性に与える影響を調べることを目的とした。㻌
㻌㻞㻚 実験方法㻌㻌
パルスレーザーデポジション（㻼㻸㻰）法により 㻸㻺㻹㻻薄膜を作製し、その上に同法で 㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 被覆を行った。
キャラクタリゼーションは 㼄 線回折測定およびラマン分光法により行った。得られた薄膜を 㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟―㻸㻺㻹㻻
コア－シェルモデル電極として種々の電気化学測定を行った。リチウムイオン脱離挿入をサイクリックボルタン
メトリーにより行い、そのサイクルによる劣化抑制効果を検証した。さらに電極表面電子伝導性を評価するためフェロセンのレドックス反応を上記のサイクリックボルタ
ンメトリー測定前後で実施し、そのサイクルに伴う電極表面での不動態化挙動を評価した。㻌㻌

図２㻌 ラマンスペクトル㻌㻌㻟㻚 結果および考察㻌㻌33

ことから、㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 が 㻸㻺㻹㻻 表面に被覆されたことが明を行い、これを図 㻠 に示す。両者の比較から、㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟らかとなった。この薄膜電極を用いてサイクリックボルタ

被覆によりサイクルごとのピーク電流値の低下が抑制さ

ンメトリー測定によりリチウムイオン脱離挿入サイクルをれたことが明らかとなった。この要因として、㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 が行った結果を図 㻟 に示す。比較として 㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 被覆を電極表面で電解液を酸化分解することで、その分解生行っていない 㻸㻺㻹㻻 薄膜電極についても同様の測定

成物が電極上で良好な被膜を形成し保護層として働いた可能性が推測された。そこで、そのような被膜の形成の有無を明らかとするため、サイクリックボルタンメトリ
ー測定前後での電極表面の電子伝導性の変化をフェルセンのレドックス反応の反応性の変化から解析した。
その結果を図 㻡 に示す。サイクル前後で電極表面でのフェロセンの反応性に違いは認められなかった。すな
わち、電極表面の不動態化は進行しておらず、被膜形成は起こっていないとわかった。以上より、電極表面に存在した 㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 自体が表面の保護層として機能することで 㻸㻺㻹㻻 のサイクル安定化効果がもたらされたことが明らかとなった。㻌
㻌㻠㻚 まとめ㻌㻌 本研究では、㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟被覆が㻸㻺㻹㻻の被膜形成挙動

図 㻟㻌 㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 被覆 㻸㻺㻹㻻 薄膜電極のサイクリックボルタモグラム㻌

とそのサイクル特性に与える影響を調べることを目的として研究を行った。その結果、当初想定していた

図４㻌 被覆なし 㻸㻺㻹㻻 薄膜電極の図 㻡㻌 サイクリックボルタンメトリー測

サイクリックボルタモグラム㻌

定前後のフェロセンのレドックス反応挙動の変化㻌34㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 が電極表面に電解液の分解生成物による保護被膜を形成するというメカニズムではなく、㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟自体が保護層として機能することが明らかとなった。本
研究の結果か ら 、 㻸㻺㻹㻻 の劣化抑制手法と し て㻸㼕㻞㻹㼚㻻㻟 被覆が有効であることを明らかとなった。㻌
㻌
謝辞㻌
㻌 本研究は、公益財団法人関西エネルギー・リサイクル科学研究振興財団の助成を受けて行いました。㻌
㻌
成果発表：㻌
“リチウムイオン電池用高エネルギー密度コアシェル正極材料の開発㻌 ～次世代蓄電デバイスの実現を目指して～”㻘㻌 森谷㻌 悠，稲本㻌 純一，松尾㻌 吉晃，兵庫県立大学知の交流シンポジウム 㻞㻜㻞㻞㻚㻌
㻌
㻌
㻌㻌㻌㻌

35

36



           

 



    























φ













   







    





       

   



 
 








λ
 
  




   


 

37







  




  λ   


  




λ 














 










 







     

 



λ

  


























 










 















    

  





  

 

 

  λ 


 



     

   

  
 

 

  λ     λ 



  

 

  

  

         

   λ    

              

38





























 







 































































λ























 













  





λ






 

  



  









    
  


















  


    λ 



   

 

 


   

  
    





  







  


 λ  

   


  

  

39









λ


λ


































λ























































































































































































































































































































































































 



























   λ   
 

  
   




  



  

  







  











 



 


















 







40









  











[1] J. Gilot, R. Abbel, G. Lakhwani, E. W. Meijer, A. P. H. J.

Schenning and S. C. J. Meskers, Adv. Mater., 2010, 22,E131-E134.

[2] W. Qin, H. Xu and B. Hu, ACS Photonics, 2017, 4, 2821-



2827.



[3] M. Wei, X. Hao, A. B. Saxena, W. Qin, S. Xie, J. Phys.



Chem. C, 2018, 122, 12566-12571.

[4] P. M. L. Block and H. P. J. M. Dekkers, Chem. Phys. Lett.,
1989, 161, 188-194.
[5] Y. Nagata and T. Mori, Front. Chem., 2020, 8, 448.
[6] L. Arrico, L. Di Bari and F. Zinna, Chem. Eur. J., 2021, 27,
2920-2934.


   








   

       
    
 
 


  
   


41

42

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除
図１&1)研究の動向と本研究の戦略

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

43

非公開

44

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

45

非公開

46

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

47

非公開

48

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

49

非公開

50

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

51

非公開

52

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的㏿ᗘ㼇㼙㻛㼟㼉
㏿ᗘ㼇㼙㻛㼟㼉

㻡㻜

磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から

㻚㻡
㻚㻜
㻚㻡
㻚㻜
㻚㻡
㻚㻜
㻚㻡
㻚㻜
㻚㻡
㻚㻜

㻡㻜
㼅఩⨨㼇㼡㼙㼉

㼅఩⨨㼇㼡㼙㼉㻠㻜㻠㻜
回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、
㻟㻜㻟㻜

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収
㻞㻜
㻞㻜
㻝㻜

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設
㻜
㻝㻜
㻜

㻥㻞㻜

㻥㻠㻜

㻥㻢㻜
㻥㻞㻜

㻥㻠㻜 㻥㻤㻜
㻥㻢㻜㻥㻤㻜㻝㻜㻜㻜㻝㻜㻜㻜回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念
による物理的な回収であるため、環境への負荷が小

㻝㻜㻞㻜
㻝㻜㻞㻜

置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等から㼄఩⨨㼇㼡㼙㼉㼄఩⨨㼇㼡㼙㼉

さいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化㼍㼉油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

㼅఩⨨㼇㼡㼙㼉

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸
投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、㼄఩⨨㼇㼡㼙㼉

処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気53“ຊ䛻ᛂ⟅䛩䜛⺯ගศᏊ䛻䜘䜛ὶ䜜ሙ䛷䛾⺯ග䜲䝯
非公開

54

新規伝導性材料を利用した触媒系による CO2 還元
京都大学高等研究院物質―細胞統合システム拠点
特定講師 田部 博康

能エネルギーから発電した電力によるCO2 還元反応

1. 緒言

（人工光合成反応）に注目が集まっている[5-10]。こ二酸化炭素（CO2）をはじめとする温室効果ガス

れらの反応系では、まず、H 型セルのアノードで酸の削減は、エネルギー関連産業のみならず、国際政化反応を起こし、電子とプロトン（H+）を取り出す。

治、経済の最大のテーマの一つである。CO2 排出を有機化合物の酸化反応では CO2 が排出されるため、

今すぐゼロにできない都合、排出された CO2 の回水を酸化することが望ましい（2H2O → O2 + 4H+ +収・貯留（CCS）、CO2 活用（CCU）は必須である。

。取り出した電子は外部回路を、H+は H+伝導膜
4e-）

このうち CCS は即効性かつ実証段階にある有用なを通って還元触媒に供給され、CO2 還元反応に利用技術であるが、回収された CO2 のリサイクルは難しされる（例えば、CO2 還元によるギ酸合成反応式は、

く、コストの埋め合わせや原油などの化石燃料の利。通常、H+の供給は電子
CO2 + 2H+ + 2e- → HCOOH）

用量の根本的な削減には繋がりにくい。この点で、の供給に比べてはるかに遅い。そこで、H+伝導膜に回収した CO2 をリサイクルする CCU は非常に重要

CO2 還元触媒を固定し、H+が触媒に供給されやすいである。

環境を作ることを考えた。

CCU に関する反応を変換後の化合物ごとに分類

このような反応系を構築するにあたり、利用する

すると、炭酸誘導体合成反応、C1 化合物合成反応、

H+伝導膜の選定が重要である。本研究では、新規伝カルボン酸合成反応に大別できる[1, 2]。炭酸誘導体

導性材料である配位高分子に着目した。配位高分子

合成では、非還元型の付加反応による CO2 由来のポは金属錯体のポリマーであり、金属イオンや配位子

リカーボネート合成が広く研究されている。国内でを適切に選択することで H+伝導性を付与することは冨重、田村らが基礎研究に注力しているとともに、ができる。このうち、{Zn(HPO4)(H2PO4)2](ImH2)}n旭化成などが工業化への道筋を立てている。C1 化合（ImH2 = H+化イミダゾール、（図 1）をはじめとする物合成は、CO2 の還元反応により合成され、主に一リン酸亜鉛―アゾール系配位高分子は、H+伝導性に酸化炭素（CO）への大量変換が期待されている[3, 4]。

加え以下の特長を有する。[11-16]

CO はメタノールなどの燃料やオレフィンなどの化・融点まで加熱すると液体に相転移する。

成品原料に変換される。燃料は燃焼後再度 CO2 とな

・液体は粘性が高く、任意の形状に成型できる。

ることから、還元生成物として得られた CO を化成・配位高分子液体を溶媒として、触媒成分を溶解あ品に転換することが、CO2 長期固定化や高付加活化

るいは分散させることができる。

の観点から望ましい。

・配位高分子液体を急冷するとガラス化する。

CO2 還元反応は化学エネルギーを蓄える反応（アこのような特徴は、有機ポリマーや金属酸化物からなる従来の H+伝導体では得難いものである。

ップヒル反応）であり、進めるのにエネルギーを投入する必要がある。燃料を投入して反応系を加熱、そこで本研究では、CO2 還元触媒を含む配位高分加圧するのは、新たな CO2 を排出する点で都合が悪子ガラスを調製する手法、および得られた配位高分い。そこで、無尽蔵の太陽光エネルギーや、再生可子ガラスを薄膜に加工する方法を開発した。膜厚が55

（SEM）観察、粉末 X 線回折（PXRD）測定、示差
走査熱量（DSC）測定、紫外可視光（UV-Vis）吸収、
X 線吸収微細構造（XAFS）スペクトル測定、X 線
全反射測定による二体分布関数（PDF）解析により評価した。
続いて、得られた配位高分子ガラス膜をセプタム付フラスコの底に垂直に立てるように固定した。ここに 1,3-ジメチル-2-アリル-2,3-ジヒドロ-1H-ベンゾ[d]イミダゾール（BIH、80.0 mg）を含むアセトニト
リル:水混合溶液（99.5 : 0.5 v/v, 11.0 mL）を加え、CO2
図 1.

+{Zn(HPO4)(H2PO4)2](ImH2)}（n ImH2 = H 化イ

ガスを 20 分間バブリングした。
ここにキセノンラン

ミダゾールの結晶構造（CCDC No. 1009796）

プを 72 時間照射し、光触媒反応を進行させた。数時
間おきにフラスコ上部のガスを採取してガスクロマ

薄い方が H+伝導の抵抗が小さくなり、触媒活性が向トグラフ（GC）分析を行い、気相に含まれる生成物

上すると考えられるが、機械的耐久性は低下するとの量を定量した。

予想されることから、最適な膜厚やその調製法を慎重に検討した。次に、CO2 還元触媒を含む配位高分

3. 結果と考察

子ガラスを用いた可視光応答型CO2 還元反応を評価
図 2 に、得られた配位高分子ガラスを示す。
ZnPIm

した。

を用いた場合には、凹凸や割れがなく、一様にFe(TPP)Cl 由来の赤色に着色した透明ガラス膜が得

2. 実験方法られた。一方、ZnPBta を用いた場合 Fe(TPP)Cl
リン酸亜鉛― アゾール系配位高分子である+{Zn(HPO4)(H2PO4)2](ImH2)}（ImHn2 = H 化イミダゾー

ル、以下 ZnPIm）、[Zn3(H2PO4)6(H2O)3](Bta)（Bta = ベ
ンゼン-1, 2, 3-トリアゾール、以下 ZnPBta）、[Zn2(HPO4)2(H2PO4)(ClbimH)2](H2PO4)(CH3OH)（ClbimH = H+化 5-クロロベンズイミダゾール、以下

図 2. Fe(TPP)Cl を含む (a) ZnPIm、(b) ZnPBta、(c)ZnPClbim）を既報に従って合成した[17-19]。これら

ZnPClbim、ガラス膜の写真の配位高分子に 0.5 wt%の鉄(III)テトラフェニルポ
ルフィリンクロリド（Fe(TPP)Cl）粉末を加え、乳鉢

粉末がガラス内に残っていた。また ZnPClbim を用でよく混合した。混合物をホットプレート上で融解いた場合は、Fe(TPP)Cl は均一に分散したものの、させた。このとき、Fe(TPP)Cl 結晶は完全に溶け、均一な厚さを有する透明膜にならなかった。これ以配位高分子液体を溶媒とした溶液になっていること

降、ZnPIm を主に実験に用いた。Fe(TPP)Cl を含むが分かった。この配位高分子液体をカバーガラス

ZnPIm ガラス膜を以下 Fe/g-ZnPIm と示す。

（2.2 cm×2.2 cm）に滴下し、余分な液体を掻き取っ

PXRD 測定において、Fe/g-ZnPIm は明瞭な回折パたのち、室温まで急冷することでガラス膜を得た。

ターンを示さなかった（図 3）。原料である ZnPIm、得られた配位高分子ガラス膜は、走査型電子顕微鏡56

図 3.  (a) ZnPIm 粉 末 、 (b) g-ZnPIm 、 (c)図 4. Fe/g-ZnPIm の示差走査熱量測定（DSC）

Fe/g-ZnPIm、(d) Fe(TPP)Cl 粉末の粉末 X 線回折（PXRD）パターン
Fe(TPP)Cl 粉末はその結晶構造に由来する回折パターンを示したことから、Fe/g-ZnPIm は非晶質であると言える。続いて、Fe/g-ZnPIm の DSC 測定を行っ

図 5. （左）Fe/g-ZnPIm-9、（中）Fe/g-ZnPIm-5、た。10°C 付近にガラス転移点が見られたことから、（右）Fe/g-ZnPIm-3 の断面 SEM 像

Fe/g-ZnPIm がガラス相を有することを確認した（図4）。
膜厚に応じた CO2 還元触媒能を評価するため、調整温度や条件を変化させて様々な膜厚のFe/g-ZnPIm を作成した。9、5、3 µm のガラス膜の断面 SEM 像（それぞれ、
Fe/g-ZnPIm-9、
Fe/g-ZnPIm-5、Fe/g-ZnPIm-3、図 5））から分かる通り、様々な膜厚のガラス膜を自在に作成できることが分かった。これらのガラス膜は赤色透明であるため、紫外可視吸収スペクトルによる評価も行った。吸光ピークである 435 nm の吸光度と膜厚は比例関係にあり、吸光。
定数（ε）は 2.0×104 L mol−1 cm−1 であった（図 6）
ガラス中に分散した Fe(TPP)Cl の配位構造を明らかにするため、XAFS 測定を行った。原料 Fe(TPP)Cl
図 6. Fe/g-ZnPIm-9（点線）、Fe/g-ZnPIm-5（破線）、Fe/g-ZnPIm-3（実線）の紫外可視吸収スペク
トル57

と Fe/g-ZnPIm はほぼ同じスペクトルを有することから、鉄イオン周りの配位子脱離反応や配位子交換反応が起こることなくガラスに固定化されたことが分かった（図 7）。

図 8. Fe/g-ZnPIm-9（●）、Fe/g-ZnPIm-5（▲）、
Fe/g-ZnPIm-3（■）に可視光を照射した場合の一酸化炭素（CO）生成量の経時変化
図 7. Fe/g-ZnPIm-9（実線）、Fe(TPP)Cl（破線）の X 線吸収微細構造（XAFS）スペクトルFe/g-ZnPIm にも同様のボイドが存在すると考えている[21-24]。

Fe/g-ZnPIm-9、Fe/g-ZnPIm-5、Fe/g-ZnPIm-3 を用

続 い て 、 Fe(TPP)Cl の 導 入 量 を 変 え た

いて光 CO2 還元反応を行った。フラスコ上部の気体

Fe/g-ZnPIm-9 を合成した。以下、Fe(TPP)Cl の導入の GC 分析、溶液の高速液体クロマトグラフ（HPLC）

量が 0.1 wt%、0.25 wt%である Fe/g-ZnPIm-9 を、そ分析を行ったところ、
一酸化炭素
（CO）
が検出され、

れぞれ Fe(0.1)/g-ZnPIm-9、Fe(0.25)/g-ZnPIm-9 と示

他の C1 生成物であるメタン、メタノール、ギ酸はす。48 時間の CO 生成量を図 9 に示す。Fe(TPP)Cl

検出されなかった。また、水の還元生成物である水の導入量が 0.5 wt%である Fe/g-ZnPIm-9 が最も高い

素も検出されなかった。したがって、Fe/g-ZnPIm は活性を示すことが分かった。

CO2 を CO に選択的に還元することが分かった。光

最後に、反応後の Fe/g-ZnPIm-9 の評価を行った。

照射開始から 48 時間の CO 生成量を図 8 に示す。

Fe/g-ZnPIm-9、Fe/g-ZnPIm-5、Fe/g-ZnPIm-3 はいず

Fe/g-ZnPIm-9 が最も高い活性を示すことが分かっ

れも、反応後も明瞭な X 線回折測定パターンを示さた。膜厚に応じて活性が変化したことは、CO2 はなかった（図 10）。この結果から、g-ZnPIm の再結

Fe/g-ZnPIm 表面から中に浸透して反応したことを晶化、分解によるリン酸亜鉛結晶の生成が起こらな示唆している。g-ZnPIm は分子取り込み効果を有すかったと言える。また、反応溶液の紫外可視吸収ス

る多孔性材料ではないため、現時点では CO2 の取込

ペクトルを測定したところ、Fe(TPP)Cl の溶出に伴メカニズムは明らかでない[11, 20]。非晶質であるガう 435 nm のピークは観測されなかった（図 11）。しラス材料は不規則な空孔（ボイド）構造を有するこ

たがって、Fe/g-ZnPIm は反応中に触媒成分の溶出やとが知られており、相転移がない高耐久性の触媒であると言える。

58

、Fe(0.25)/g-ZnPIm-9（▲）
、
図 9. Fe/g-ZnPIm-9（●）

図 11. Fe/g-ZnPIm-9 を用いた触媒反応後の溶媒のFe(0.1)/g-ZnPIm-9（■）に可視光を照射した場合の紫外可視（UV-Vis）吸収スペクトル

一酸化炭素（CO）生成量の経時変化

4. まとめ 本研究では、新規プロトン（H+）伝導性材料である配位高分子ガラスに鉄(III)テトラフェニルポルフィリンクロリド（Fe(TPP)Cl）を固定し、可視光応答型の CO2 還元触媒を作成した。CO2 は配位高分子ガ
ラス膜内部に浸透して還元され、一酸化炭素（CO）が生成することが分かった。ガラス膜は長時間の光照射にも安定であることを確認した。光触媒を固定できる固体材料は多種多様であるが、高い H+伝導性を有する、可視光透過性の透明な膜になる、といった特長は従来の固体材料では得難いものである。今後、配位高分子ガラスの高い H+伝導能を活かし、電気化学デバイスとの融合を試みる予定である。
謝辞
図 10. 反 応 後 の （ a ） Fe/g-ZnPIm-9 、（ b ） 本研究は、公益財団法人関西エネルギー・リサイ

Fe/g-ZnPIm-5、（c）Fe/g-ZnPIm-3 の粉末 X 線回折

クル科学研究振興財団の助成を受けて行いました。

（PXRD）パターン

また、ご指導いただいた堀毛 悟史 教授（京都大学
大学院理学研究科）、
実験の一部を共同で行った伊豆
仁 博士（京都大学高等研究院物質―細胞統合システ
ム拠点（当時））、AlShuraili Sara 氏（京都大学大学院
工学研究科（当時））に厚く御礼申し上げます。

59

参考文献：[17] S. Horike, D. Umeyama, M. Inukai, T. Itakura, S.

[1] Engineering Solutions for CO2 Conversion, 1st edition

Kitagawa, J. Am. Chem. Soc., 134 (2012) 7612-7615.

ed., Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2021.

[18] N. Ma, S. Kosasang, A. Yoshida, S. Horike, Chem. Sci.,[2] Green Carbon Dioxide: Advances in CO2 Utilization, 1st

12 (2021) 5818-5824.

edition ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, US, 2014.

[19] M. Inukai, Y. Nishiyama, K. Honjo, C. Das, S. Kitagawa,[3] Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide:

S. Horike, Chem. Commun., 55 (2019) 8528-8531.

Fundamentals and Technologies, 1st edition ed., CRC Press,[20] C. Thanaphatkosol, N. Ma, K. Kageyama, T.

New York, US, 2016.

Watcharatpong, T. Tiyawarakul, K. Kongpatpanich, S.

[4] A.M. Appel, J.E. Bercaw, A.B. Bocarsly, H. Dobbek, D.L.

Horike, Chem. Commun. 58 (2022) 6064-6067.

DuBois, M. Dupuis, J.G. Ferry, E. Fujita, R. Hille, P.J. Kenis,[21] S.L. Chan, S.R. Elliott, Phys. Rev. B, 43 (1991)

C.A. Kerfeld, R.H. Morris, C.H. Peden, A.R. Portis, S.W.

4423-4432.

Ragsdale, T.B. Rauchfuss, J.N. Reek, L.C. Seefeldt, R.K.

[22] S. Ito, T. Taniguchi, M. Ono, K. Uemura, J. Non-Cryst.

Thauer, G.L. Waldrop, Chem. Rev., 113 (2013) 6621-6658.

Solids, 358 (2012) 3453-3458.

[5] W. Lai, Z. Ma, J. Zhang, Y. Yuan, Y. Qiao, H. Huang, Adv.

[23] M. Ono, K. Hara, M. Fujinami, S. Ito, Appl. Phys. Lett.,

Funct. Mater., 32 (2022) 2111193.

101 (2012) 164103.

[6] P. Saha, S. Amanullah, A. Dey, Selectivity in, Acc. Chem.

[24] A. Pedone, G. Malavasi, A.N. Cormack, U. Segre, M.C.

Res., 55 (2022) 134-144.

Menziani, Theo. Chem. Acc., 120 (2008) 557-564.

[7] A.R. Woldu, Z. Huang, P. Zhao, L. Hu, D., Coord. Chem.
Rev., 454 (2022) 214340.

成果発表：[8] R. Francke, B. Schille, M. Roemelt, Chem. Rev., 118“Heterogenous(2018) 4631-4701.

Transparent Coordination Polymer Glass Membranes[9] C. Costentin, M. Robert, J.M. Saveant, Chem. Soc. Rev.,

Containing Metalloporphyrins”, Hitoshi Izu, Hiroyasu

42 (2013) 2423-2436.

Tabe, Yuji Namiki, Hiroki Yamada, Satoshi Horike,[10] C.D. Windle, R.N. Perutz, Chem. Rev., 256 (2012)

resubmitted after revision.

CO2

Reduction

Photocatalysisof2562-2570.

Electrolysis

byIron-Porphyrin

Complexes[11] T. Ji, Y. Song, J. Yan, Y. Sun, C. Wang, S. Chen, Y. Liu,

“CO2

Chem. Mater., 34 (2022) 7878-7885.

Incorporated in Coordination Polymer Glasses”, Sara Saif[12] J. Li, J.M. Wang, Q.Q. Li, M.X. Zhang, J.I. Li, C. Sun, S.

Ali Khalid Alshukaili, 田部博康，堀毛悟史, 第 103 日

Yuan, X. Feng, B. Wang, 60 (2021) 21304-21309.

本化学会春季年会，2023 年 3 月 23 日.

[13] J. Fonseca, T. Gong, L. Jiao, H.-L. Jiang, J. Mater. Chem.
A, 9 (2021) 10562-10611.

“ナノ空間材料を利用した複合型触媒系”, 田部博康，[14] M. Liu, R.D. McGillicuddy, H. Vuong, S. Tao, A.H.

石油学会ジュニア・ソサイアティ(JPIJS)コロキウム

Slavney, M.I. Gonzalez, S.J.L. Billinge, J.A. Mason, J. Am.

2022，2022 年 12 月 7 日.

Chem. Soc., 143 (2021) 2801-2811.
[15] L. Feng, K.Y. Wang, G.S. Day, M.R. Ryder, H.C. Zhou,“多孔性材料を利用した複合型光触媒系の構築”, 田Chem Rev, 120 (2020) 13087-13133.

部博康, 光機能材料研究会講演会第 90 回講演会,[16] T.D. Bennett, A.K. Cheetham, A.H. Fuchs, F.X. Coudert,2023 年 1 月 20 日.

Nat. Chem., 9 (2016) 11-16.

60

デジタルゲートドライバによるパワエレ機器のオンライン制御
大阪大学 大学院工学研究科
助教 福永 崇平がら, アナログ回路設計されたアクティブゲートドライ

1. 緒言

バでは, 回路を構成するトランジスタや受動部品など
人とモノが自由につながる Society5.0 を実現するのパラメータを実装後に調整することが難しい。例えため, モノの IoT 化が進んでいる。パワーエレクトロニ

ば加減速により負荷電流が頻繁に変化するような車クス（パワエレ）機器も例外ではなく, 従来の組み込

載用インバータなどでは, アナログ回路設計したアクみ型から, センサ等を用いて収集した利用状態を電ティブゲートドライバにより利点が得られる範囲が限ら

力変換回路の性能に寄与する駆動パラメータに反映れる。

してさらなる高効率駆動を行うなど, サービス型への著者らのグループではパワエレ機器の IoT 化, お転換が求められている。

よび SiC パワーデバイスの高速スイッチング動作を活また近年では, SDGs が掲げるエネルギー有効利かしたパワエレ回路開発に向けて, 搭載しているスイ用および省エネルギーの観点から, パワエレ機器のッチングデバイスを駆動するゲートドライバのフルデ高効率化が求められている。このため, 従来のパワジタル化を目指した, デジタルゲートドライバを提案

エレ機器に適用されているシリコン（Si）半導体を用いしている[4]。提案ドライバは, D/A コンバータに着想たパワーデバイスから, 物性値の優位性が高い炭化を得ており, 抵抗重みづけ型の回路構成を採用してケイ素（SiC）半導体を用いたパワーデバイスの使用いる。この回路構成によって, デジタル信号を外部かが期待されている[1]。SiC パワーデバイスは, Si パワら入力することで, 出力する電圧やパルス幅をビットーデバイスと比べ, 低オン抵抗や高速スイッチング可列の組み合わせにより任意に指定できる。デジタル

能という特長がある。したがって, SiC パワーデバイス

ゲートドライバは, 駆動するパワーデバイスや適用すを高電圧の電力変換回路に適用することで, 電力変る回路毎に必要なアナログ回路設計を必要とせず,

換回路の小型効率化を達成できる。しかし, SiC パワ

ソフトウェア開発によるパワエレ機器の動作特性改善

ーデバイスの高速スイッチングは, デバイスパッケー

やリアルタイム制御を可能にする。

ジや回路配線パターンに存在する寄生インダクタン

著者らのグループはこれまで, 提案ドライバを SiC

スと相互作用し, 大きなサージ電圧およびリンギング

MOSFET のアクティブゲート駆動に適用し, パワー

現象を引き起こす。これらはパワーデバイスの破壊や,デバイスの特性に合わせてデジタルゲートドライバの発生する電磁雑音による周辺機器への影響が懸念

出力波形を成形することで, スイッチングサージ電圧される。

が低減できることを確認している。またデジタルゲート

パワーデバイスのスイッチング動作に伴うサージ電

ドライバの出力を最適化するため, メタヒューリスティ

圧を抑制する方法として, アクティブゲート駆動方式

クスの 1 つである遺伝的アルゴリズムに基づく最適化が提案されている[2][3]。この方式は駆動するパワー

ツールを提案し, その適用効果を確認した[5]。しかデバイス内部の物理現象を考慮して, 内部状態に合し, これらはパワーデバイスの動特性評価で用いら

わせてゲート電圧を調整し, 高速スイッチングを活かれるダブルパルス試験による確認にとどまっており,したままサージ電圧を低減することができる。しかしな

デジタルゲートドライバの普及には, パワエレ機器へ

61

の適用とその性能評価が必要となる。またデジタルゲ

ライバに供与するゲート電圧である。

ートドライバの自動最適化アルゴリズムを, 電力変換回

𝑉𝑉GD =

路の動作状態の変化に合わせて全探索を毎回実行す

𝑗𝑗
∑𝑛𝑛−1
𝑗𝑗=0 𝑏𝑏𝑗𝑗 2
𝑗𝑗∑𝑛𝑛−1
𝑗𝑗=0 2

𝑉𝑉drv

本紙では𝑅𝑅 =1Ω, 𝑉𝑉drv =20 V とした 4 bit デジタル

ると, 劣解のサージ電圧や損失増加による, 故障発生が懸念される。そこで, 駆動するパワーデバイスに適ゲートドライバを使用する。ゲート信号の生成には用する最適なゲート駆動波形を事前にいくつか抽出し,

USPM コントローラを使用する[7]。本コントローラには温度や負荷電流の変化に合わせ, 解近傍で局所最適FPGA化を実行することが望ましい。

(XCZU3CG-xSFVC784E, Xilinx)を搭載しており, 信号

Zynq

UltraScale+

MPSoCschip

したがって本研究では, 提案しているデジタルゲー

源のクロック周波数を 250 MHz としている。デジタルゲ

トドライバを電力変換回路へ適用した場合の, 回路動

ートドライバに与えるゲート電圧の時系列変化のデジタ

作特性のオンライン最適化手法の提案を目的とする。

ル指令の例を図 2 に示す。時間 tx1, tx2, および 3 レベ

はじめにデジタルゲートドライバを連続動作させるため

ル動作のゲート電圧 Vx を, それぞれ 4 ビットの指令での放熱設計を行う。提案ドライバを構成する高速駆動

与える。このとき, 最小時間分解能は 4 ns であり, 区間

ゲートドライバには, キーデバイスとして GaN HEMT をの最大時間長は 60 ns である。本報告ではこれらを連用いているが, 通過電流によって生じる損失のために結した 12 ビットのバイナリ信号 g と表現する。出力信号

温度が上昇するため, 連続動作が難しい。加えて集積の自由度は, 制御信号源が出力可能な最小時間分解化により発熱密度が増大するため, 連続動作に向けた能, およびドライバの並列接続数によって決まる。

放熱設計が課題である。そこでまず, ゲート駆動回路の放熱設計を行い, 連続動作が可能なゲートドライバの改良を行う。また研究対象とする電力変換回路として,デジタルゲートドライバを適用した昇圧チョッパ回路の試験系を構築する。構築した試験系に対してデジタル
ゲートドライバの出力波形を最適化するアルゴリズムを適用し, ダブルパルスにより事前に探索した SiC
MOSFET の駆動パラメータを用いて, 電力変換回路の所望の定格動作時の動特性を改善できることを実証する。
図 1 デジタルゲートドライバの回路構成.

2. デジタルゲートドライバを適用した試験系の構築
2.1 デジタルゲートドライバの構成
本研究で提案している𝑛𝑛-bit デジタルゲートドライバ
を図 1 に示す。SiC MOSFET の高速スイッチング動作に適用するため, 各段には GaN HEMT を使用した高速ゲートドライバを使用している[6]。このゲートドライバ
を並列接続し, 抵抗で重みづけしたバイナリ抵抗型
DA コンバータを構成している。このとき, ゲート出力電圧𝑉𝑉GD は以下の式で決定できる。ただし𝑉𝑉drv はゲートド

図 2 デジタルゲートドライバの出力波形の一例

622.2 回路パターン改良によるデジタルゲートドライバの放熱性能の改善
著者らのこれまでの研究では, 提案するデジタルゲートドライバの検証をダブルパルス試験により検討してきた。このためプロトタイプ回路では, 連続動作を想定した回路設計を行っていなかった。すなわち, 抵抗分圧により出力電圧を調整する提案ドライバの方式では,アクティブ動作時の通流損失によって生じる熱が問題となり, 連続動作に課題があった。
以上を踏まえ, デジタルゲートドライバの放熱設計を
図 3 放熱設計を行ったデジタルゲートドライバ.

行った。具体的には, ゲート駆動回路の回路パターンの多層化および銅箔面積の増加により, 熱抵抗を低減した。また回路を構成する各部品を再検討し, パッケ
ージのジャンクション-ケース間熱抵抗(𝑅𝑅th(j−c) )が小さい部品を選定した。以上により, デジタルゲートドライ
バの回路基板全体を利用した放熱を可能にし, ホット
スポットの温度を低減した。この改良した回路基板によ
図 4 作製したゲートドライバ一体型昇圧チョッパ.

る, 1MHz での連続動作を達成した。

3. ゲート出力電圧波形の自動最適化アルゴリズム
2.3 デジタルゲートドライバを適用した昇圧回路の試
図5 は過去に報告しているデジタルゲートドライバの験系
図 3 は構築した昇圧チョッパ回路の回路図である。

出力波形の自動最適化アルゴリズムである[5]。このア

デジタルゲートドライバをローサイドに適用し, 非同期

ルゴリズムでは, 複数の目的関数の最適化を可能にす

整流条件においてアクティブゲート駆動を行う。スイッ

るため, 多目的遺伝的アルゴリズム NSGA-II を適用し,チング素子として SiC MOSFET SCT3105KE (ROHM)

繰り返し計算による自動最適化を Python で記述したプを用いる。回路定数は𝐶𝐶out =50 uF, 𝐶𝐶in =12 uF であり,ログラムにより行う。世代更新時の交叉および淘汰には,平滑用インダクタとして𝐿𝐿load =113.4 uH の空芯インダ

2 点交叉および混雑度トーナメント選択を使用する。こク タ を 用 い る 。 負 荷 に は 電 子 負 荷 PLZ1004WHの手法を制御するための機器の接続を図 6 に示す。

(KIKUSUI)を使用する。

PC から信号を出力する FPGA および電圧/電流の時

実装した回路を図4に示す。本報告では前述のゲー

間応答を計測するオシロスコープに命令を送信する。

ト駆動回路と, ハーフブリッジ構造の主回路を一体基

適応度を計算するフローは次の通りである。まず,板として設計した。なお実装した回路はハイサイドおよ各個体から形成したゲート駆動波形を FPGA へ送信すびローサイドにそれぞれデジタルゲートドライバを適用る。次に実機でダブルパルス試験を実施し, 電圧およ

しているが, 本報告では MOSFET のアクティブゲート

び電流の時間応答をオシロスコープで測定する。測定

駆動による回路動特性改善を目的としていることから,結果を PCに取り込み, 𝑉𝑉peak および𝑃𝑃lossをそれぞれ計

ローサイドのみを駆動し, ハイサイド側 MOSFET は短算する。本報告ではローサイドアーム駆動時のピーク

絡してダイオードとして用いる。

サージ電圧𝑉𝑉peak の低減およびスイッチング損失𝑃𝑃lossの低減を目的とする。

63

図 5 NSGA-II に基づく自動最適化アルゴリズム.

図 7 ダブルパルス試験回路.

図 6 自動最適化アルゴリズムにおける機器接続.

4. ダブルパルス試験による最適パラメータ探索
4.1 ダブルパルス試験回路
図 8 駆動パラメータのパレートフロント.

本報告では, SiC MOSFET の最適駆動パラメータを,
図 8 は 40 個体を 30 世代計算して得られた適合度を

ダブルパルス試験回路により事前探索する。 図 7 は,表している。ランダム生成した初期個体の適合度を青,自動最適化手法を適用した事前探索に用いるダブル

最終世代の適合度を赤とする。アクティブゲート駆動をパルス試験回路の回路図である。この回路は図 4 で示しない場合の結果を黒丸で示す。図8 のように, デジタ

した, スイッチング素子とデジタルゲートドライバを一体

ルゲートドライバのゲート駆動波形を最適化した結果,化したハーフブリッジ回路を用いており, 配線接続を

アクティブゲート駆動しない場合と比べて𝑉𝑉peak と𝑃𝑃loss

変更することでダブルパルス試験回路を構築している。

を共に低減できることが示された。ただし, 緑で囲んだ

電源電圧𝑉𝑉in および負荷電流𝐼𝐼loadはそれぞれ 240 V お

結果について, 得られた遺伝子が一部を除き同一とな

よび 2 A である。スイッチング素子として SiC MOSFETっている。今回, オーバーフローを起こさずピークサー

SCT3105KE (ROHM)を用いる。回路定数を𝐶𝐶in =50 uF,

ジ電圧を評価するために, オシロスコープの垂直軸を

𝐿𝐿load =113.4 uH (空芯)としている。この回路は事前の100 V/div とした。用いたオシロスコープの垂直分解能

実験結果から, 所望の動作におけるローサイドアーム

は 12 ビットであるものの, スイッチング損失を計算するのターンオフ動作時のサージ電圧は十分小さいため,

際の量子化誤差への影響を無視できないと考えられる。

本報告ではターンオン動作時のみを対象とする。

この問題は, マイコンや FPGA によるフィードバックを行う場合にさらに顕著に表れると考えられ, アルゴリズ

4.2 自動最適化アルゴリズムを用いた駆動パラメータ

ムおよび測定系の改善が必要である。

決定64

作状態の変化に追従するフィードバック制御に向け,
ダブルパルス試験により事前に求めた最適駆動パラメータを適用した動特性改善を検討した。自動最適化手法により事前に得た駆動パラメータを用いて, 回路定格動作時の動特性を改善できることを明らかにした。この結果を踏まえ, 実際の動作状態の変化に追従する
局所探索アルゴリズムを検討していく。
謝辞
本研究は, 公益財団法人関西エネルギー・リサイク
図 9 駆動パラメータを用いた電力変換回路の動特性改善.

ル科学研究振興財団の助成を受けて行った。

5. 探索パラメータを用いた昇圧回路の動特性改善
参考文献：[1] H. A. Mantooth, M. D. Glover, and P. Shepherd, IEEE

ダブルパルス試験により得られた駆動パラメータに

JESTPE, 2 (3), pp. 374-385 (2014).

よる, 図 4 の昇圧チョッパの回路動特性の改善を確認する。なお回路動作条件として, 入力電圧を120 V, デ[2] S. Musumeci, A. Raciti, A. Testa, A. Galluzzo, and M.

ューティ比を 50%として 1 A を出力とする。スイッチング

Melito, IEEE Trans. PE, 12 (4), pp. 645-653 (1997).

周波数は 500 kHz である。このとき, スイッチング素子[3] H. Huang, X. Yang, Y. Wen, and Z. Long, in Proc. of

IPEMC-ECCE 2016 (2016).

には 240 V, および 2 A の平均電流が流れ, 自動最適

[4] H. Takayama, T. Okuda, and T. Hikihara, IJCTA, 50 (1),化により求めた駆動パラメータの試験条件と一致する。

pp. 183-196 (2022).

ここで, 図 4 と図 8 の回路は配線接続を変更することで実現しており, パワーループの寄生インダクタンスが極[5] 福永, 高山, 引原, 電気学会全国大会, 4-010 (2022).

力変化しないよう注意した。

[6] K. Nagaoka, K. Chikamatsu, A. Yamaguchi, K.
Nakahara, and T. Hikihara, IEICE ELEX, 12 (11), pp.

図 9 は, 昇圧回路のローサイドアームのターンオン

1-8 (2015).

動作時の, 電圧および電流の時間応答である。ただし[7] 冨田, 芳賀, 伊東, 電気学会全国大会, 4-019 (2020).

図中の凡例は, 図8 に対応している。得られたパレート
フロントが示すように, 動作条件 I ではピークサージ電圧が低減できている。またこれに伴いピークサージ電流も低減できている。

成果発表：

損 失 評 価 の た め , パ ワ ー ア ナ ラ イ ザ PW6001“Slew rate control of SiC MOSFET in boost converter(HIOKI)を用い, 入力部と出力部の電圧および電流をusing digital active gate driver”, Shuhei Fukunaga,

それぞれ測定し, 電力変換効率ηを計算する。パワー

Hajime Takayama, and Takashi Hikihara, IET Power

アナライザを用いて得られた効率ηは, w/o AGD がElectronics, 16 (3), pp.472-482, 2023.

92.93%, I が 92.41%, II が 93.23%であった。以上は図 8に得られた結果に対応しており, 妥当であると言える。

“ダブルパルス試験による事前決定駆動パラメータを用いた電力変換回路の動特性改善”, 福永崇平, 高山
創, 引原隆士，2023 年 電気学会 全国大会, 4-020,

6. まとめ本研究では, DAGD を適用した電力変換回路の, 動2023 年 3 月 17 日.

65

66

ダイヤモンド半導体結晶の非輻射欠陥生成機構の解明と㻌
デバイス特性改善㻌㻌
大阪大学大学院工学研究科㻌
助教㻌 毎田㻌 修㻌㻌㻝㻚 緒言㻌
㻌ある輻射欠陥とバンドギャップ端近傍の浅い非輻射欠陥のみを評価することでダイヤモンド結晶の高品

ダイヤモンド半導体結晶は広いバンドギャップ

質化が検討されてきた。このような問題の解決法の>@、高い熱伝導率>@、高い絶縁破壊電界強度>@一つとして単色光照射によるバンドギャップ内欠陥等、他の半導体材料と比較し材料特性において高い準位からの電荷の光励起放出があげられ、その一つ特性を有していることから次々世代パワー・高周波が過渡光容量分光法である。この過渡光容量分光法

デバイス用半導体材料として期待されており、そのを用いると '/76 法では検出不可能な欠陥準位の光研究開発が国内外において積極的に行われている。

イオン化断面積を得ることができるが、欠陥準位か

しかし、パワーデバイス・高周波デバイス用半導体

らの電荷の熱放出が無視できるように測定温度を十材料として卓越した物性を有しているにもかかわら分低くする必要がある。しかしダイヤモンド結晶でず、そのデバイス化は未だ実現していない。その原はそのドーパントレベルがエネルギー的に深い ホ

因はいくつか存在するが、主たる原因はダイヤモン

ウ素H9リンH9 >@ため低温容

ド半導体結晶の不完全性にあり、そのポテンシャル

量測定において高周波領域では接合容量の低下が起を十分に発揮できないためである。このようにダイきる。

ヤモンドデバイスの実現のためにはダイヤモンド半

そこで本研究ではダイヤモンド結晶における結晶

導体結晶の結晶欠陥の低減および高品質化が必要不

欠陥検出に最適化した高感度過渡光容量分光評価系

可欠である。これまでダイヤモンド結晶の欠陥評価の開発を行うとともに、  および  ホウ素ドにはカソードルミネッセンス法が積極的に用いられープダイヤモンドショットキーダイオードを作製し、てきた。しかし、カソードルミネッセンス法はバン

その結晶欠陥評価を行った。


ドギャップ全域の輻射欠陥の評価が可能であるが、㻞㻚 実験方法㻌

非輻射欠陥を評価することができない。一方、シリコン等のナローギャップ半導体の非輻射欠陥に対し

㻌ては過渡容量分光 '/76 法等を用いることでバンド

本研究では 3.0×3.0×PP の高温高圧合成

ギャップの広範なエネルギー領域における欠陥準位+3+7 ,E 型  および（）ダイヤモンド結晶を測定が可能である>@。'/76 法はバンドギャップ

基板として用いた。+3+7 基板を有機物、金属不純物、

内欠陥準位からの電荷の熱放出による接合容量変化

パーティクル除去を目的とした化学洗浄後、水素雰の検出を行う。ここでダイヤモンド結晶内のアクセ

囲気下、°& の熱処理を施すことで基板表面の不プタ型欠陥の場合、正孔の捕獲断面積、熱速度、欠純物除去>@を行った。その後、マイクロ波プラズ

陥準位深さをそれぞれ FPFPVおよび

マ励起化学的気相成長装置 $67H;$; >@ H9 と 仮 定 し 、 ホ ー ル の 熱 放 出 率 をを用いて上記 +3+7 基板上にアンドープバッファ膜

6KRFNOH\5HDG+DOO モデル>@を用いて求めると、のホモエピタキシャル成長を行った。原料ガスとし





. では  V となり非現実的な測定時間が必て純度 のメタンガスおよび水素ガスを用要となる。そのため、これまでは結晶欠陥の一部でい、投入マイクロ波パワー:、成長温度 °&、67

素温度とした。
次に上記ホウ素ドープダイヤモンド膜を用いたホ
ウ素ドープダイヤモンドショットキーデバイスの作製を行った。まず、素子分離のためにホウ素ドープ
ダイヤモンド膜の一部を有磁場酸素プラズマエッチ
ングにより除去した。エッチングマスクとして $O㻌
図 1 作製したホウ素ドープダイヤモンドショットキーデバイスの(a)膜を用い、プラズマ条件を圧力 0.5×103D、マイ構造模式図および(b)光学顕微鏡図．

クロ波電源を :、コイル電流を $、5) バイ㻌㻌㻌アスを :、酸素流量を VFFP として合成したホ
メタン濃度 、成長圧力 7RUU を成長条件としウ素ドープダイヤモンド膜表面にドライエッチングた。さらにその後、水素希釈 SSP トリメチルボ処理を施した。
その後に 7L3W$X 構造からなるオー

ロンガスを不純物ソースとし、ホウ素ドープダイヤ

ミック電極膜を電子ビーム蒸着法により形成した。

モンド膜のホモエピタキシャル成長を行った。ホウ

各金属膜の膜厚は QP とし、リフトオフ

素ドープダイヤモンド膜形成時のトリメチルボロン

プロセスを用いてパターニングした後、°& 時

メタン比は SSP、総ガス流量は VFFP とした。

間の熱処理を真空中で施すことによりオーミック電レーザ変位計を用いて求めたアンドープバッファ膜極を形成した。さらに電気的絶縁性、機械的強度におよびホウ素ドープダイヤモンド膜の膜厚は P

優れる永久レジスト 68 を用いて、緩衝層を形成

および P であり、その結果、各ダイヤモンド膜

後、電子ビーム蒸着法により半透膜 $X 電極を形成すの成長速度は PK および PK と求められることでショットキー電極とした。
電極膜厚を QP、た。㻌

電極サイズを 、、、Pとし、緩衝層得られたホモエピタキシャルダイヤモンド膜の表

上の $X 厚膜にワイヤーボンディングにより $X 線を面モフォロジーはノマルスキー型微分干渉顕微鏡、結線した。作製したホウ素ドープダイヤモンドショ

走査型電子顕微鏡および原子間力顕微鏡を用いて行

ットキーデバイス構造の模式図および光学顕微鏡像った。さらに結晶品質はカソードルミネッセンス分を図  に示す。

光装置を用いて評価を行った。評価条件は加速電圧作製したホウ素ドープダイヤモンドショットキー

N9、照射電流Q$、評価温度室温および液体窒

デバイスの電気的特性評価として電流電圧特性及㻌
図 2 本研究で構築した高感度光容量分光評価系の概略図．

㻌68

び容量電圧特性評価を行った後、本研究で構築した

定に保つことが非常に重要となる。そこで流量制御

過渡光容量分光評価系を用いて欠陥評価を行った。

された窒素ガスを液体窒素デュワー内に設置した熱㻌

交換コイルを通したのちにクライオスタットに導入

㻟㻚 結果および考察㻌

し、更に温度コントローラによるヒーター制御により精密温度制御を行った。その結果、試料温度 .

㻌㻟㻚㻝 高感度過渡光容量分光評価系の構築㻌

において試料温度ドリフト  時間 . 以下を㻌達成した。
本研究で構築したダイヤモンド半導体結晶評価の㻌

ための過渡光容量分光評価系の概略図を図  に示す。

㻟㻚㻞 ホウ素ドープダイヤモンドショットキーデバイスの本評価系は励起光照射光学系、試料温度制御系およ電気的特性評価㻌

び信号検出系により構成される。本研究で開発を行㻌った過渡光容量分光評価系は非輻射欠陥にトラップ

図  に作製した  ホウ素ドープダイヤモンド

されたキャリアの光励起放出による接合容量の過渡

ショットキーダイオードの電流電圧特性を示す。
逆応答を測定するが、その容量変化は接合容量に比べ方向特性は評価電圧範囲内ではリーク電流が微小である。そのため、評価系の高感度化のために

×$ 以下に抑えられ、測定限界以下であった。

は照射フォトン密度の増加が強く望まれる。そこで一方、順方向特性は印可電圧 9 で約 ×$ で

本研究では既存過渡光容量分光評価装置の励起光照あり、整流比は  以上という良好なショットキー

射光学系に無限補正対物レンズ集光系の導入を検討

特性が得られた。また、容量電圧特性評価 測定周した。波長域 QP から QP まで補正可能かつ波数N+]測定温度. から得られたアク長作動焦点をもつ対物レンズを導入することで大幅

セプタ濃度および拡散電位は ×10FP およびな照射フォトン密度の向上を図った。

9 と求められた。

荷の熱放出を抑制するために評価温度を低温かつ一ーダイオードでは図  に示すようにかなり大きな逆

10

-7

10

-8

10

-9

10

-10

10

-11

10

-12

-0.5

Current [A]

一方、 ホウ素ドープダイヤモンドショットキ

Current [A]

また、本評価系では結晶欠陥にトラップされた電

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Voltage [V]

10

-3

10

-5

10

-7

10

-9

10

-11

10

-13

-1

0

1

2

3

4

5

6

Voltage [V]㻌

図 3 (001)ホウ素ドープダイヤモンドショットキーダイオード

図 4 (001)ホウ素ドープダイヤモンドショットキーダイオードの順方向(●)および逆方向(○)電流-電圧特性．

の順方向(●)および逆方向(○)電流-電圧特性．

㻌

㻌

69

㻌

-8

-9

Signal Intensity [arb. units]

Signal Intensity [arb. units]

10
10
10

-10

10

-11

10

-12

10

-13

10

-14

0.8

1.2

1.6

2

Photon Energy [eV]

2.4

10

-8

10

-9

10

-10

10

-11

10

-12

10

-13

0.8

1.2

1.6

2

Photon Energy [eV]

㻌

2.4

㻌

図 5 (001)ホウ素ドープダイヤモンドショットキーダイオード

図 6 (111)ホウ素ドープダイヤモンドショットキーダイオードのの過渡光容量スペクトル．

過渡光容量スペクトル．
．

㻌
方向電流が観測された。順方向特は印可電圧 9 で
約 ×$ であり、その結果、整流比は  と見積における過渡光容量応答の差は約 S) となり、こ㻌のことからアクセプタ型欠陥の結晶欠陥密度はもられた。
容量電圧特性から得られたアクセプタ濃×10FP と求められた。また、本研究では前述

度は ×10FP であり、  ホウ素ドープダイの通り、照射フォトン密度の向上を目指し、励起光

ヤモンドショットキーダイオードの値より低い。こ照射光学系に無限補正対物レンズ集光系の導入を図のことは  ホウ素ドープダイヤモンド結晶に比った。その結果、フォトンエネルギーH9 以上のべ、  ホウ素ドープダイヤモンドの結晶品質が領域において信号強度の増大が観測された。このこ劣ることを示している。

とは価電子帯上端から約H9の位置にもアクセプ㻌

タ型欠陥が存在していることを示しており、その欠㻟㻚㻟 ホウ素ドープダイヤモンド結晶の深い非輻射欠陥

陥密度は ×10FP と求められた。

評価㻌

図  に  ホウ素ドープダイヤモンドショット

㻌

キーダイオードの過渡光容量スペクトルを示す。

図  に  ホウ素ドープダイヤモンドショット

 ホウ素ドープダイヤモンドショットキーダイ

キーダイオードのフォトンエネルギーH9、オードにおいてもフォトンエネルギーH9 以上の測定温度 . における過渡光容量スペクトルを示領域において信号強度の増大が観測されており、す。フォトンエネルギーH9 以上の領域において

 の場合と同様に価電子帯上端から約 H9 の顕著な信号強度の増大が見られる。このことはホウ位置にアクセプタ型欠陥が存在していることを示し

素ドープダイヤモンド結晶の価電子帯上端から約ている。しかし、それ以上のエネルギー領域においH9 の位置にアクセプタ型欠陥が存在しているこては単調に信号強度の増大が見られた。このことはとを示唆している。さらにこのアクセプタ型欠陥の ホウ素ドープダイヤモンド結晶では欠陥準位



光イオン化断面積は 3.1×10 FP と求められた。

が局在することなく、エネルギー的に連続している

また、ホウ素ドープダイヤモンドショットキーダイ

ことを示唆している。

オードのフォトンエネルギーH9 および H9

70㻠㻚 まとめ 本研究では、次々世代パワー・高周波デバイス用記して謝意を表する。㻌

半導体材料として期待されるダイヤモンド半導体結

参考文献：㻌

晶の深い非輻射欠陥評価に最適化した高感度過渡光[1] C.D. Clark, P.I. Dean, P.V. Harris, Proc. R. Soc. London㻌A 277 (1963) 312.

容量分光評価系の開発をおこなうとともに、 および  ホウ素ドープダイヤモンドショットキ[2] G. Slack, J. Phys. Chem. Solids 34 (1973) 321.

ーダイオードを作製し、その結晶欠陥評価を行った。
[3] T.R. Anthony, W.F. Banholzer, J.F. Fleischer, L. Wei, P.K.

作製したホウ素ドープダイヤモンドショットキー

Kuo, R.L. Thomas, R.W. Pryor, Phys. Rev. B 42 (1990)
1104.

ダイオードの電気的特性評価の結果、 ホウ素ド[4] J.E. Butler, M.W. Geis, K.E. Krohn, J. Lawless, S.

ープダイヤモンドショットキーダイオードでは印可

電圧 9 における整流比  以上という良好なショ

Deneault, T.M. Lyszczarz, D. Flechtner, R. Wright,

ットキー特性が得られた。また、そのアクセプタ濃Semicond. Sci. Technol. 18 (2003) S67.



度は 4.2×10 FP と見積もられた。一方、  ホ[5] D.V. Lang, J Appl Phys. 45 (1974) 3023.

ウ素ドープダイヤモンドショットキーダイオードで[6] L.C. Kimerling, IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-23 (1976)
1497.

はアクセプタ濃度は 9.5×10FP であり、  ホ[7] G.L. Miller, J.V. Ramirez, D.A. Robinson, J. Appl. Phys.

ウ素ドープダイヤモンドショットキーダイオードの46 (1975) 2638.

値より低いにも関わらず、比較的高い逆方向リーク

電流が観測され、印可電圧 9 における整流比は [8] S. Brehme, R. Pickenhain, Physica B 145 (1987) 267.

程度と見積もられた。
このことから  ホウ素ドー[9] A.T. Collins, A.W.S. Williams, J. Phys. C: Solid State
Physics 4 (1971) 1789.

プダイヤモンド結晶に比べ、  ホウ素ドープダ[10] E. Gheeraert, S. Koizumi, T. Teraji, H. Kanda, Solid

イヤモンドの結晶品質が劣ることが示唆された。

State Commun. 113 (2000) 577.

 ホウ素ドープダイヤモンド結晶の非輻射欠[11] T. Teraji, S. Mitani, C.L. Wang, T. Ito, J. Cryst. Growth

陥評価では価電子帯上端から約H9の位置に結晶

235 (2002) 287.

欠陥密度は ×10FP 、光イオン化断面積は[12] T. Teraji, H. Wada, M. Yamamoto, K. Arima, T. Ito,

3.1×10FP のアクセプタ型欠陥が観測された。まDiamond Relat. Mater. 15 (2006) 602.

た、価電子帯上端から約 H9 の位置においても、欠陥密度 ×10FP のアクセプタ型欠陥がみら[13] I. Kiflawi, A.R. Lang, Phil. Mag. 30 (1974) 219.

れた。一方、  ホウ素ドープダイヤモンド結晶に[14] P.J. Dean, E C. Lightowlers, D.R. Wight, Phys. Rev.
140 (1965) A352.

おいても  の場合と同様に価電子帯上端から約[15] R. Zeisel, C.E. Nebel, M. Stutzmann, Phys. Rev. B 60

H9 の位置にアクセプタ型欠陥が観測されたが、(1999) 2467.

それ以上のエネルギー領域においては単調な信号強度の増大が見られた。
このことは  ホウ素ドープ㻌

ダイヤモンド結晶では欠陥準位が局在することなく、

成果発表：㻌

エネルギー的に連続していることを示唆している。

“㻯㼔㼍㼞㼍㼏㼠㼑㼞㼕㼦㼍㼠㼕㼛㼚㻌㼛㼒㻌㼐㼑㼑㼜㻌㼘㼑㼢㼑㼘㻌㼐㼑㼓㼑㼏㼠㼟㻌㼕㼚㻌㼎㼛㼞㼛㼚㻙㼐㼛㼜㼑㼐㻌㻌㻔㻜㻜㻝㻕㻌 㼍㼚㼐㻌 㻔㻝㻝㻝㻕㻌 㼐㼕㼍㼙㼛㼚㼐㻌 㼒㼕㼘㼙㼟”㻘㻌 㻻㼟㼍㼙㼡㻌 㻹㼍㼕㼐㼍㻘㻌 㻿㼔㼡㼔㼑㼕㻌

謝辞㻌㻵㼏㼔㼕㼗㼍㼣㼍㻌 㼍㼚㼐㻌 㻷㼍㼦㼡㼚㼛㼎㼡㻌 㻷㼛㼖㼕㼙㼍㻘㻌 㼀㼔㼑㻌 㻞㻝㼠㼔㻌 㻵㼚㼠㼑㼞㼚㼍㼠㼕㼛㼚㼍㼘㻌㻌 本研究は、公益財団法人関西エネルギー・リサイクル㼂㼍㼏㼡㼡㼙㻌 㻯㼛㼚㼒㼑㼞㼑㼚㼏㼑㻘㻌 㻿㼍㼜㼜㼛㼞㼛㻘㻌 㻶㼍㼜㼍㼚㻘㻌 㻿㼑㼜㻚㻌 㻝㻝㻙㻝㻢㻘㻌

科学研究振興財団の助成を受け実施したものである。

㻔㻞㻜㻞㻞㻕㻚㻌

71㻌㼇㻵㼚㼢㼕㼠㼑㼐㼉㻌 “㻯㼔㼍㼞㼍㼏㼠㼑㼞㼕㼦㼍㼠㼕㼛㼚㻌 㼛㼒㻌 㼟㼑㼙㼕㼏㼛㼚㼐㼡㼏㼠㼛㼞㻌 㼏㼞㼥㼟㼠㼍㼘㼟㻌㼎㼍㼟㼑㼐㻌 㼛㼚㻌 㼛㼙㼚㼕㼐㼕㼞㼑㼏㼠㼕㼛㼚㼍㼘㻌 㼜㼔㼛㼠㼛㼘㼡㼙㼕㼚㼑㼟㼏㼑㼚㼏㼑㻌 㻔㻻㻰㻼㻸㻕㻌㼟㼜㼑㼏㼠㼞㼛㼟㼏㼛㼜㼥”㻘㻌 㻷㼍㼦㼡㼚㼛㼎㼡㻌 㻷㼛㼖㼕㼙㼍㻘㻌 㻿㼔㼡㼔㼑㼕㻌 㻵㼏㼔㼕㼗㼍㼣㼍㻘㻌㻻㼟㼍㼙㼡㻌㻹㼍㼕㼐㼍㻘㻌㻷㼛㼔㼑㼕㻌㻿㼔㼕㼙㼍㻘㻌㼍㼚㼐㻌㻿㼔㼕㼓㼑㼒㼡㼟㼍㻌㻲㻚㻌㻯㼔㼕㼏㼔㼕㼎㼡㻘㻌㻞㻠㻝㼟㼠㻌㻱㻯㻿㻌㻹㼑㼑㼠㼕㼚㼓㻘㻌㼂㼍㼚㼏㼛㼡㼢㼑㼞㻘㻌㻮㻯㻘㻌㻹㼍㼥㻌㻞㻥㻙㻶㼡㼚㼑㻌㻞㻵㻘㻌㻔㻞㻜㻞㻞㻕㻚㻌
㻌“ホモエピタキシャル成長ホウ素ドープダイヤモンド半導体結晶の深い欠陥準位評価”㻘㻌 毎田修㻘㻌 市川修平㻘㻌
小島一信，第 㻠㻞 回ナノテスティングシンポジウム，㻞㻜㻝㻞
年 㻝㻝 月 㻤 日㻚㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌
㻌

72

低環境負荷・低摩耗・低摩擦な
全く新しい銅内包黒鉛微粒子の合成
兵庫県立大学大学院工学研究科
准教授 松本 直浩

本検討では、１年の期間で全く新しい銅内包黒鉛微有量に着目し、銅微粒子との複合化を試みた。木材は粒子の合成と、それによる低摩擦特性の発現を目指し

100μm 程度の細胞構造から成り、また細胞壁には数た挑戦的な研究を実施した結果、摩擦特性を大幅に10nm程度の微細な空隙構造を有していた。これらに液改善する微粒子が得られた。今後の課題は、自然由来状の材料を含浸することで、空隙構造に対応した粒子の原料である木材粉末の特性の不安定性にあると予が合成できた。さらに、木材の炭素成分を利用して、焼想しており、特性安定化のためには新たに前処理条件

成条件の精密な制御により低摩擦な黒鉛が生成できた。

を確立する必要性が明らかとなった。以下に、背景と研次に潤滑添加剤に最適な黒鉛／銅混合微粒子の合成

究の経緯を示す。

と、潤滑機構の解明を目的とした検討を行った。木材

近年世界規模で CO2 排出量の削減、環境悪化物質の微細構造を利用した銅単体による微粒子の合成方排出低減がこれまでになく急激に高まっており、潤滑法はすでに確立しており、本研究では黒鉛構造の追剤もクリーンで高性能なものが切望され、新しい潤滑剤

加形成を検討した。黒鉛化を促進するためには、セルが活発に開発されている。我々は石油由来の材料でロースの分解と、銅粒子表面での黒鉛化の制御が重要はなく再生可能資源である木材の微細な細胞組織をと考えられたため、セルロースの分解を熱処理により促利用して各種ナノ材料の合成を行なっており、その中進することで、炭素の拡散性を高め銅表面での黒鉛結

で銅ナノ粒子が耐摩耗潤滑として非常に高性能である晶化を促進した。さらに酸化雰囲気の導入により、脱水ことを見出した。一方、低摩擦特性の向上が課題であ

素反応による分解促進効果を検証した。一方、銅粒子った。元来、木材利用銅ナノ粒子は周りに木材炭素成

表面での炭素の黒鉛化は、セルロースの分解が十分分から黒鉛も同時に合成され、これまでそれを除去しに進んだ適切なタイミングで高温化することで、銅粒子ていたが、黒鉛は低摩擦材料であり、本研究では黒鉛表面近傍で炭素の黒鉛化が始めに進行すると予想さ成分をあえて残すことで、低摩耗な銅成分と低摩擦なれるため、昇温タイミングを検討した。
その結果、酸化雰囲気を導入することで、脱水素反

黒鉛成分のハイブリッドな新しい銅内包黒鉛微粒子の応による分解を促進し、銅粒子表面での炭素の黒鉛化合成を目的とした検討を行った（図１）。

は、セルロースの分解が十分に進んだ適切なタイミン

木材の有する微細な細胞構造の利用と、高炭素含図１ 本研究の木材由来の炭素成分による銅内包黒鉛微粒子のハイブリッド構造

73

グで高温化することで、銅粒子表面近傍で炭素の黒鉛

成分の含有によっても摩擦特性が不安定化することが化の進行を確認した（図２）。粒子径 50nm 以下の銅微明らかとなるなど、苦労の末に、原料木材の前処理に粒子の表層に黒鉛構造が析出した粒子の合成に成功

よる成分安定化が必要であることを突き止めた。

した。TEM-EDX による分析から、銅成分と炭素成分が今後は、より安定した摩擦低減効果を得るために、混合したハイブリットな微粒子の合成を確認している。

粒子合成条件の追加検討を行い、摩擦特性の安定化得られた微粒子による摩擦での効果を評価した結果、を試みる。原料木材の粒度や不純物によって、得られ低摩擦効果が得られることが明らかとなった。また潤滑

る粒子構造が微妙に変化することが摩擦特性に大きく

油への添加により、軸受鋼の摩擦損傷が低減する効果

影響している可能性があり、より精密な粒度制御や不が確認された。これらの効果はミクロな酸化銅微粒子

純物を除去する前処理条件の確立することで、要因のが摩擦面に吸着することにより、荷重を分散した効果

特定を進めていきたい。これにより、合成条件により安や、微粒子表層の黒鉛層による潤滑効果で摩擦が低定した低摩擦性を発現する微粒子の合成に繋げ、実減した効果によることが予想される。このような、メカニ用化に向けた特性の改良を目指していく。

ズム面は不明確な部分が多く、摩擦面での微粒子の吸本検討をさらに前進させることで、国内に豊富に存

着挙動や、構造変化の解明、黒鉛層によるせん断効果

在する木材を利用して工業的需要の高い、環境負荷の観察などが今後の課題として挙げられる。

が低く低価格な潤滑材料を合成し、従来にない低摩擦

一方、本検討で合成した微粒子の摩擦低減効果はな性能を有する潤滑材料が開発できる可能性がある。

不安定な挙動を示し、合成バッチによる特性の変動がこのようなクリーンで高性能な潤滑材料が開発されれ観察された。これは自然由来の木材を原料としたことで、

ば、環境汚染の改善だけでなく、省エネルギーな機械

バッチにより粒子構造にバラつきが生じたためと考えら運転が可能となり、持続可能な社会の実現に貢献するれる。改善努力としては、木材粉末をふるいをかけて技術となるため、エネルギー消費の効率化の観点から粒度をあるていど揃えた条件での試みや、洗浄強化に

今後益々重要度が増すと考えられる。

よる前処理条件改善の試みなどを行った結果、不純物

図２ 本研究で合成した銅内包黒鉛微粒子

74長寿命化を目指したモータ駆動の損失均一化を実現する
二相 PWM 法に関する研究
神戸市立工業高等専門学校 電気工学科
准教授 南 政孝

1. はじめにFig.1 のような三相インバータは分散型電源と電力系
統との系統連系や電気自動車のモータドライブなど
様々なアプリケーションで利用されている。そのため三相インバータは小型軽量化，高効率化，長寿命化が求められている[1][2]。その中で，長寿命化を図る目的では，Fig .1 Circuit topology of three-phase inverter

入力側にある電解コンデンサを使用しない三相インバ子における損失および温度の均一化が実現可能である[3]ータが開発されている 。 別の観点では，三相インバ

ことを示す。

ータを構成するモジュール内部の特性の差異や配線の

2. PWM 法

ばらつきによる配線インダクタンスのアンバランスにより，

本章では三相インバータを動作させるために基本となモジュール内部に並列接続されたチップに流れる電流るパルス幅変調(Pulse Width Modulation; PWM)法につ[4]の分流が変化することが指摘されている 。 そして，モ

いて詳述する。三相インバータの駆動に必要なスイッチ

ジュール内部の層間で電流アンバランスが発生し，表

ングパターンの生成には，提案する二相 PWM 法の基と面層の発熱が大きくなる恐れがあることも指摘されていなる，指令値と三角波(キャリア波)を比較する三角波比[5]

る 。モジュール内部の寄生インダクタンスのばらつきの較パルス PWM 法について扱う。

[6]

影響は，レグ間のキャパシタ電流のアンバランス や，ス

2.1 三相 PWM 法[7]

イッチング損失 にも影響があることが明らかにされてい本節では PWM 法の中で最も基本的な三相 PWM 法にる。これらのばらつきの影響に対して，ゲート駆動回路

ついて詳述する。三相 PWM 法とは三角波比較パルス[8][9]の改良[10]や回路構造の改良 により，スイッチング損

PWM 法において，相電圧の指令値として三相の正弦波

失のアンバランスを低減する手法が提案されている。

を用いた手法である。

本研究では，モジュール内のスイッチング素子にアン

三相 PWM 法において，各相の指令値は三相平衡電バ ランスが生じてしまった三相インバータにおいて，ア

圧波形であり，指令値の正弦波の振幅を E ref とすると，

ンバ ランスな損失を均一化することができる，可変なス

指令値は以下のようになる。

イッチ ング休止区間を有する二相PWM 法を提案し，その手法に より損失の均一化が実現可能であることを，
数値計算の面 から示した[11]。本報告では，提案している二相 PWM 法の効果を，実機の三相インバータを用

ここで上付き*は指令値を示している。また，指令値のいて検証する。具体 的には，スイッチング休止区間を

振幅 E ref とキャリア波の振幅 E car の比率を変調度 M

変更した際の，三相イン バータを構成する素子の損失といい，M=E ref /E car で定義される。この指令値と三角および温度を測定する。その 測定結果から，スイッチン

波を比較して得られたパルスパターンに従って，Fig.1

グ休止区間を適切に調整することで，各スイッチング素の三相インバータの素子 AP から CN をスイッチングす75

ることで，変調周期毎の出力相電圧の平均値を，指令値(2)では A 相の指令値について考えているが，B，C 相のと等しくすることができる。三相 PWM 法では Fig.2 で示

指令値についても同様に考えることができる。このように，されるように，キャリア波一変調周期あたりのスイッチン
グは計 6 回となる。指令値一周期の全ての区間でスイッ
チングを行なうため，スイッチング損失は指令値の一周期の全ての区間で発生する。
2.2 従来二相 PWM 法
本節では 2.1 節で紹介した三相 PWM 法に比べ，スイ

二相 PWM 法では指令値に休止区間を設けることで，ッチング損失を低減可能な手法である二相 PWM 法

Fig.3(b)のようにキャリア波一変調周期あたりのスイッチ[12][13]について詳述する。三相 PWM 法では，A，B，C 相

ングの回数が計 4 回と，三相 PWM 法に比べてスイッチのうち指令値の絶対値が最大の相において損失が三相ングの回数を抑えることができ，スイッチング損失が低のなかで最も大きくなる。そこで二相 PWM 法では，絶対減可能となる[14]。二相 PWM 法はスイッチング回数を抑値が三相の中で最大の値を取る相の指令値について，えることにより損失の低減が可能であるが，Fig.3(a)のよFig.3(a)のように指令値をキャリア波の振幅の値と等しく

うに指令値が急変することにより，三相 PWM 法に比べなるようにシフトさせ，スイッチングを休止させる区間をて高調波が低周波域で分散してしまい，インバータの負設ける。具体的には，式(1)の三相 PWM 法の指令値に荷として接続されるインダクタやモータにおいて，磁気ついて，各相の中で絶対値が最大の相を E car または-

騒音やノイズの増大を招いてしまうことが問題として指摘

E car にシフトさせることでキャリア波との大小関係が固されている[15]。そのためパルス重畳により高調波を抑え定化される。その結果，その相における状態が ON まる手法[16]や部分的に指令値を不連続に変化させる方法

たは OFF を継続するスイッチングパターンになるため，[17]

ON/OFF とスイッチングせずに休止することになる。こ2.3 提案二相 PWM 法などが提案されている．

のとき A，B，C 相すべての相電圧指令値を上下に同量提案する本節では提案する可変スイッチング休止区

シフトさせているため，線間電圧に零相成分であるシフ間を有する二相 PWM 法[11]について詳述する。2.2 節とト分の電圧は現れない。三相平衡電圧波形では絶対値

Fig.3(a)で，従来の二相 PWM 法では 60 度ずつスイッチが最大となる相は 60 度ずつ切り替わる。そのため，二相ングを休止する区間が切り替わることを述べた。理想的

PWM 法における指令値は以下のように定義される。

には各相で発生する損失はそれぞれ等しく，休止区間

式中の下線部が 0 となることで，三相指令値の各相のは各相で等しいため，各相で発生する損失は釣り合っなかで絶対値が最大となる区間において，指令値がキている。しかしながら，電流のアンバランスや，三相イン

ャリア波の振幅値 E car または-E car にシフトされる。式

バータを構成する素子の特性のばらつきなどにより，相76

ごとの損失が均一にならない場合がある。そこで一例として A 相で損失が多く発生している場合，A 相のスイッ
チングの休止区間を調整する手法を考える。通常の二相 PWM 法での休止区間は A，B，C 相で 60 度ずつであったが，A 相の休止区間を 60+2θx 180/π度に，B,C
相の休止区間を 60-θx180/π度に変更する。この条件
における指令値は以下のように定義される。
式中の下線部の範囲が式(2)に比べて 2θx 180/π度長くなっていることが読み取れる。このように A 相の休止

3.1 実機回路と回路条件

区間を増加させることにより，A 相のスイッチング損失が

本節では提案する二相 PWM 法を適用する，実機回路低減される。相ごとの損失を均一にできるθを見つけ，について詳述する。

調整すれば，相の損失の均一化が達成できると考えら

Fig.5 に対象とする三相インバータとその周辺回路を示れる。Fig.4 に，提案二相 PWM 法の例として，A 相の休す。三相インバータの負荷は，系統連系を想定して LC
フィルタと Δ 結線の抵抗としている。三相インバータを
構 成 す る IGBT モ ジ ュ ー ル (2in1 タ イ プ ) に は ，
FF50R12RT4 (1200V，50A)1 つと, PDMB50E6(600V，
50A) 2 つを使用している。三相インバータのアンバラン
スを模擬するため，三相インバータを構成する 3 つの止区間を 70 度，B，C 相の休止区間を 55 度にした場合

2in1 IGBT モジュールのうち 1 つの相のモジュールの種の指令値を示す。二相 PWM 法では，休止する相以外類を変更している。この三相インバータにおいては，の相の指令値もシフトされるため，その相の指令値が E

Fig.5 のように，FF50RT12RT4 のモジュールの相を A 相，

car を超えてしまうことがないよう，休止区間は波形の対PDMB50E6 の相を B，C 相と定義している。また，Fig.5

称性から 120 度(θ=π / 6)までに制限される。

のインバータを構成するモジュールにおいて，模擬しや

3. 対象回路と測定条件
本章では，提案手法を適用するアンバランスを模擬し

すい 2in1 の IGBT モジュールを使用している。Table.1

た三相インバータと，それを使用した提案手法の検証時

力電圧 V AC は 220V，変調率 M は 0.91，出力周波数 fにおける条件について説明する。はじめに対象回路とo は 50Hz，負荷抵抗 R は一相あたり 100Ωとしている。

その回路条件を，次に提案手法を検証する各測定におLC フィルタは L を 1.2mH，C を 10μF として，カットオフ

ける測定条件を述べる。

周波数 f cut を 1.2kHz と設定している。

に回路パラメータを示す．電源電圧 V DC は 400V，出77

3.2 損失の測定における条件のモジュールのエミッタ端子をバスバーで接続して

本節では三相インバータの素子別および三相インバ

GND とするのではなく，中央の IGBT モジュール(B 相)ータ全体の損失を測定する手法について詳述する．提のエミッタ端子のみを GND とし，その端子に向けて両側案手法を適用すると，モジュールごとの休止区間が変化のモジュールのエミッタ端子から線を結線する。これにし，それにより各モジュール内の素子において発生するより，Fig.6(a)のように両側の IGBT モジュールのエミッタ損失が増減する。本提案手法の効果を実証するため，からの電流が電流プローブによる測定が可能となる。

Fig.5 の回路を使用して休止区間の変化に対する素子

3.3 IGBT モジュール温度の測定における条件

個別の損失とインバータ全体の損失を測定する。実験

本節では IGBT モジュール温度の測定について詳述

ではスイッチング周波数が 10,15,20kHz の場合においする。提案手法における休止区間を変更すると，3.2 節て，A 相の休止区間(60+2θx 180/π)をθx 180/πを 0で説明したように，各相の IGBT モジュールを構成するから 15 度まで 1 度ずつ変化させ，変化させた休止区間

素子の損失が変化する。素子において発生する損失にでの各損失をパワーアナライザ PW8001(日置電機)によ

ついては，その大半が熱となり，外部に放出される。そり測定する。予備実験の結果から，FF50R12RT4 で発生のため，休止区間を変更すると，損失の変化によってする損失は PDMB50E6 で発生する損失より大きいこと

IGBT モジュールの温度に変化が生じると考えられる。

は 分か っ て い る た め ，休止区間を 大き く す る 相は

本提案手法の効果を実証し，IGBT モジュール内の素子

FF50R12RT4 の相(A 相)に設定する。素子個別の損失で発生する損失と温度の関係を明らかにするため，休の測定では，2in1 の IGBT モジュールの種類を変更した

止区間を変更した際の，IGBT モジュールおよびヒート

相のモジュールである FF50R12RT4 の素子 AN と，種類

シンクの温度をサーモカメラを用いて測定・評価する。

を変更していない相のモジュールである PDMB50E6 の実験ではスイッチング周波数が 15kHz の場合において，素子 CN の損失を測定する。インバータ全体の損失のA 相の休止区間を 60,68,76,84 度に設定した場合にお測定では，入力電力 P in と出力電力 P out を測定する。

ける Fig.6(b)の熱画像を撮影し，各相の IGBT モジュー全体の損失は P in - P out で求める。

ルの温度を測定する。熱時定数などを考え，温度測定

Fig.6 にインバータ本体の実体配線図およびインバー(サーモカメラの撮影)は三相インバータの動作開始から

タの写真を示す。この回路ではモジュールごとの損失

10 分経過後とする。温度測定において,IGBT モジュー

評価において，モジュール内の素子個別の損失を測定

ルごとの温度上昇を確認するため，Fig.6(b)のようにヒーするため，素子に流れる電流を電流プローブで計測でトシンクを IGBT モジュールごとに切り分けている。温度

きるようにインバータを結線している。具体的には両端

測定にはサーモカメラ Testo872(テスト−)を使用する。本

モジュールの下段の素子の電流を測定するため，3 つ

報告の実験において，温度測定は接触させる温度セン

78サなどでも可能ではあるが，将来的には 6in1 タイプ等の
IGBT モジュールを，外部から温度を測定して，測定結果から適切に休止区間を調整することによって，損失の均一化を目指す。そのため，外部からの温度測定が容易なサーモカメラを用いる。

4. 休止区間ごとの各損失の変化
本章では 3.2 節の条件の下，提案する二相 PWM 法を
アンバランスを模擬した三相インバータに適用し，提案手法における休止区間を変更した際の素子の損失の結測定した三相インバータの全損失について，Fig.8 は，果について詳述する。前章の条件により，A 相の休止区

スイッチング周波数が10,15,20kHzの場合における三相間を 60 度から 90 度まで変化させた場合の，素子別のインバータ全体の損失を示している。このグラフから，三損失の測定結果を Fig.7 に，三相インバータ全体の損失

相インバータの全体損失はいずれのスイッチング周波の測定結果を Fig.8 に示す。これらのグラフは横軸を A

数の場合においても，休止区間の変化によらず，ほぼ

相の休止区間(単位は deg.)，縦軸を損失でとっており，一定の値をとることが分かる。ここで，Fig.7 における，休

休止区間に対する損失の変化を示している。

止区間に対する素子の損失変化量を考える。各素子の，測定した損失について，Fig.7 はスイッチング周波数が10,15,20kHz における，60 から 90 度までの損失変化量

10,15,20kHz の場合における素子別(AN と CN)の損失を

は ， AN で は -0.59W,-0.99W,-1.35W で ， CN で は示している。Fig.7 の結果より，A 相の休止区間が増加に0.35W,0.55W,0.75W と読み取れる。休止区間に対する伴い，AN では損失が減少し，CN では損失が増加する

相ごと(IGBT モジュール内部の素子)の損失変化量に差ことが読み取れる。これは，A 相の休止区間の増加に伴が生じると，休止区間に対してその差だけ全体損失はい，AN ではスイッチングの回数が減り，CN では A 相の増減する。しかし，本実験ではその変化量の差がいず

休止区間の増加分，休止区間が減少するのでスイッチ

れのスイッチング周波数でも-1W 以下と，全体損失の値

ングの回数が増えるためである。そして，Fig.7(a)のと比べて無視できるほど小さいため，全体損失はほぼ一10kHz では 71 度付近で，Fig.7(b)の 15kHz では 68 度

定であると考えられる。

付近で，Fig.7(c)の 20kHz では 66 度付近で AN と CN の損失が均一となる点が存在することが分かる。素子の損

5. 休止区間ごとの温度変化
本章では 3.3 節の条件の下，提案する二相 PWM 法

失が釣り合うということは，IGBT モジュールの損失が相をアンバランスを模擬した三相インバータに適用し，提間で等しくなるということを意味している。そのため，損案手法における休止区間を変更した際の IGBT モジュ失が均一となる点付近で A 相と B，C 相の損失が均一

ール別の温度変化の結果を詳述する。Fig.9 にサーモ化されたと考えられる。

カメラで撮影した A 相の休止区間別の，三相インバータ79

よびヒートシンクの温度が相ごとで等しくなることが確認された。以上のことから，提案した手法により，三相インバータの相間の損失アンバランスが解消されることが可能であることを示した。
謝辞
本研究の一部は関西エネルギー・リサイクル科学研究振興財団の助成を受けたものである。ここに記して感謝の意を表する。また，本研究に協力いただいた神戸高
専 佐藤 駿 氏と福谷 帆香 氏に厚く御礼申し上げる。

参考文献：[1] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins,を構成する IGBT モジュールおよびヒートシンクの熱画“Power electronics: converters, applications, and像 を 示 す 。 休 止 区 間 が 従 来 の 二 相 PWM 法 のdesign", (John wiley & sons, 2003)

60(Fig.9(a))では，左上のように A 相の IGBT モジュール[2]

およびヒートシンクがより発熱して，B，C 相と比較して約“Fundamentals of power electronics", (Springer

1℃の差があることが分かる。これは，Fig.7(b)の，休止区

Science & Business Media, 2007)

間が 60 度における AN(A 相)の損失が，CN(B，C 相)の[3] 渡辺大貴・小岩一広・伊東淳一・大沼喜也・宮脇慧:

損失より大きいためであると考えられる。そこで休止区「昇圧 形アクティブバッファを有する電解コンデンサレ

間を変更し，Fig.7(b)で各相の素子の損失が釣り合う点，

ス太陽光発電用系統連系インバータの開発」, 電気学

68 度(Fig.9(b))に変更すると，IGBT モジュール相間の温会論文誌 D, Vol. 135, No. 5, pp. 467-474 (2015).

度が約35℃と，発熱がほぼ均一化されていることが分か[4] 大井健史・奥田達也・武藤浩隆・菊永敏之・松本秀る。さらに，休止区間を均一点より長くすると，Fig.9(c),(d)雄: 「パ ワーモジュール内部の配線形状に起因する分のように B，C 相の IGBT モジュールおよびヒートシンク

流アンバランスの解析 と実験的検証」, 電気学会論文

が A 相より発熱していることが分かる。これは，Fig.7(b)の，誌 D, Vol. 121, No. 3, pp. 333-339 (2001)

休止区間が 68 度以上における CN(B，C 相)の損失が，[5] 佐藤以久也・田中孝明・堀元人・山田隆二・鳥羽章

AN(A 相)に比べて大きいためと考えられる。

夫・久 保田寿夫: 「SiC MOSFET とパワー系 IVH 基

6. おわりに
本報告では，アンバランスな損失を均一化することが板を用いた高密 度モータ駆動用インバータ」, 電気学

できる，可変スイッチング休止区間を有する二相 PWM[6] 平尾高志・和田圭二・清水敏久: 「三相インバータの法の効果を実証するため，その手法をアンバランスを模

レグ間キャパシタ電流アンバランスとその抑制法」, 電気

擬した実機の三相インバータに適用した。そして提案手学会論文誌Ｄ, Vol. 138, No. 6, pp. 491-498 (2018)

法の休止区間を変更した際の，素子および三相インバ[7] 堀口剛司・塚本剛平・冨永真志・西村正・藤田英明・

ータ全体の損失と IGBT モジュールおよびヒートシンク

赤木 泰文・木ノ内伸一・大井健史・小山正人: 「物理モの温度を測定した。その結果，スイッチング周波数がデルに基づく並列接続 IGBT の PWM 連続動作時に10,15, 20kHz のいずれの場合においても，相ごとの損おける接合温度解析」, 電気学会論文誌Ｄ, Vol. 134,失の均一化が達成が可能であることを示した。また，損No. 5, pp. 486-495 (2014)

R.

W.

EricksonandD.

Maksimovic,

会論文誌Ｄ, Vol. 140, No. 7, pp. 526-533 (2020)

失が均一となる休止区間付近では，IGBT モジュールお80[8] D. Bortis, J. Biela, and J. W. Kolar, “Active gate

[16] 茂木進一: 「三相電圧形変換器のためのパルス電

control for current balancing of parallel-connected

圧重畳による新し い二相 PWM 法の提案とその効果」,

IGBT modules in solid-state modulators", IEEE

電気学会論文誌Ｄ, Vol. 138, No. 2, pp. 113-121 (2018)

Transactions on Plasma Science, Vol. 36, No. 5, pp.

[17] H. Ayano, M. Kitada, Y. Iguchi, Y. Matsui, and2632-2637 (2008)

J. Itoh, “Reduction of motor acoustic noise with

[9] Y. Xue, J. Lu, Z. Wang, L. M. Tolbert, B. J.

rampwise DPWM", 2020 23rd International

Blalock, and F. Wang, “Active current balancing forConference on Electrical Machines and Systems

parallel-connected silicon carbide MOSFETs", 2013

(ICEMS), pp. 789-794 (2020)

IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,
pp. 1563-1569 (2013)[10] 安東正登・小暮浩史・小川和俊・河野恭彦・石川勝

成果発表：

美: 「パ ワーモジュールの並列間および三相間のスイ

Shun Sato, Honoka Fukutani, and Masataka

ッチング損失アンバランスを低減する回路構造の開発」,

Minami, An Experimental Loss Analysis of Two-

電気学会論文誌 D, Vol. 140, No. 2, pp. 63-70 (2020)

phase PWM Scheme by using Variable Switching[11] M. Minami, H. Fukutani, S. Motegi, and M.

Pause Period for Unbalanced Three-phase Inverter,

Michihira, “Novel two-phase PWM scheme by

IPEC2022 Student Poster Competition, 17-1P14,

using

Himeji, Hyogo, Japan, May 17, 2022

variableswitchingpause

periodfor

unbalanced three-phase inverter", IEEJ Journal ofIndustry Applications, Vol. 12, No. 1, pp. 84-85,

Honoka Fukutani, Shun Sato, and Masataka(2023)

Minami, A Numerical Loss Analysis of Unbalanced[12] H. W. Van Der Broeck, H.-C. Skudelny, and G.

Three-phase Inverter by using Variable Switching

V. Stanke, “Analysis and realization of a pulse

Pause Period Two-phase PWM Scheme, IPEC2022

width modulator based on voltage space vectors",

Student Poster Competition, 17-2P11, Himeji,

IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.

Hyogo, Japan, May 17, 2022

24, No. 1, pp. 142-150 (1988)[13] S. Ogasawara, H. Akagi, and A. Nabae, “A

Shun Sato, Honoka Fukutani, and Masataka

novel PWM scheme of voltage source inverters

Minami, Loss Analysis of Unbalance Three-phase

based on space vector theory", Archiv fur

Inverter Driven by Two-phase PWM scheme using

Elektrotechnik, Vol. 74, No. 1, pp. 33-41 (1990)

Variable Switching Pause Period, Proceedings of[14] J. W. Kolar, H. Ertl, and F. C. Zach, “Influence2022 IEE-Japan Industry Applications Societyof the modulation method on the conduction and

Conference, Young Engineer Poster Competition, Y-

switching losses of a PWM converter system", IEEE

4, Sophia University, 2022/08/30. (Poster)

Transactions on Industry Applications, Vol. 27, No.
6, pp. 1063-1075 (1991)

佐藤 駿, 福谷 帆香, 南 政孝, 可変スイッチング休止[15] 澤田純兵・茂木進一・中村佳敬・山田正樹: 「三相区間二相 PWM 法を適用したインバータの損失および電圧形インバータの出力電圧高調波により生じる磁気温度の評価, 電気学会 産業応用部門 半導体電力変騒音の比較」, 電気学 会論文誌Ｄ, Vol. 139, No. 11,

換/家電・民生/自動車合同研究会(SPC/HCA/VT),

pp. 901-907 (2019)

SPC-22-222, HCA-22-047, VT-22-022, pp. 11-16, 東81

京海洋大学 越中島キャンパス & web ハイブリッド,
2022 年 12 月 12 日.
[ 投 稿 中 ] Masataka Minami, Shun Sato, andHonokaFukutani,

Loss

and

Temperature

Evaluation of Unbalanced Three-Phase Inverter
Driven Two-Phase PWM Scheme by Using Variable
Switching-Pause Period, IEEJ Journal of Industry
Applications82

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

83

非公開

84

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

85

非公開

86

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

87

非公開

88

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

89

(a)

非公開
(b)

樹脂

90

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、図固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力(a)装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

91

開
非公開

92

る
非公開

93

とし

非公開

94

非公開

95

非公開

抵

96

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

97

非公開

98

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

99

3.
非公開

100

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

101

非公開
F

102

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

103

非公開

104

疎水性磁気シーディング剤を用いた新奇な流出油回収プロセスの開発
大阪大学大学院工学研究科
准教授 秋山 庸子

1. 緒言

的種付け）を行ったのち、磁場を用いて回収する手法が一般的である。

石油タンカーや船舶の座礁事故に伴う、重油の海本研究で、強磁性粒子であるマグネタイトを重油が洋への流出が世界各地で問題となっている。2020 年、浮上した海面に散布し、攪拌することでピッカリング

インド洋の島国モーリシャスで日系貨物船が座礁し、エマルション化する。ピッカリングエマルションとは、固体粒子が油水界面に吸着し、界面活性剤として作非公開

約 1000 t の重油が海洋に流出した事故は記憶に新しい。このような重油流出事故は、タンカーの構造強用することで安定化されたエマルションの一種である。

化をはじめとする、海運業界等の安全管理の徹底化

このとき、界面活性剤として作用する固体粒子として、に伴って減少傾向にあるが、事故が起こった場合の酸化鉄の一種であり強磁性体であるマグネタイト

流出に伴う環境や人間生活への悪影響の大きさから、（Fe3O4 ）を用いることで、エマルション粒子の磁場に迅速で効率的な重油の回収が求められる。

よる制御が可能になる。そのうえで、ドラム型の永久

現在用いられている流出油の処理方法は、物理的磁石を用いて、ピッカリングエマルションを海面から回収と、化学的回収に分けられる。物理的回収では、回収する。最終的に目標とする磁気分離体系の概念

オイルフェンスで流出油の拡散を防いだ後、油回収

図を図 1 に示す。この手法は、強磁性粒子と磁気力装置によって回収される。油回収装置は、海面に設による物理的な回収であるため、環境への負荷が小置される回収機、動力源、ホース、簡易タンク等からさいという点で油処理剤に対し優位性がある。また、構成され、海面から流出油を吸引する。あるいは、オ

流出した重油を乳化させてから回収するため、乳化

イルフェンス設置後に、油吸着材が使用される。油吸油の回収が難しい油回収装置や油吸着材に対し優着材はポリプロピレン等の素材で構成され、海面に位性があると考えられる。

投下し流出油を吸い取った後、回収される。化学的回収では、油処理剤の散布が行われる。一般的には、処理剤として乳化分散剤が用いられる。これは界面活性剤と有機溶剤で構成されており、海中への油の分散を促進し、微生物分解などの自然浄化作用を促す。しかし、それぞれの回収方法には特有の課題があり、より環境低負荷で効率の良い流出油の回収方法が求められている。
本研究の目的は、新たな重油回収の手法として、
磁気分離法の可能性を検討することである。磁気分

図エ
エラー! 指定したスタイルは使われていません。 磁性ピッカ離法とは、磁気力を用いて対象となる物質を回収す

リングエマルション化によるる手法であり、油のような反磁性体を水中から取り除

流出油の磁気分離体系の概念図

く場合は、強磁性体を用いて磁気シーディング（磁気

105

非公開

106

人口減少社会の減災復興のための㻌
地域ガバナンスの再編についての実践研究㻌㻌
大阪大学大学院人間科学研究科㻌
准教授㻌 宮本㻌 匠㻌㻌㻝㻚 緒言㻌
㻌㻌 表１㻌 近年の豪雨災害における被災件数あたりのボラ

近年、毎年のように大きな災害が日本各地を襲うようンティア活動人数（立部・宮本、２０２１）㻌

になってきた。過去 㻡 年の主な災害をあげても、㻞㻜㻝㻢

ボランティ

年：熊本地震、㻞㻜㻝㻣年：九州北部豪雨、㻞㻜㻝㻤年：大阪北ア活動人部地震、平成 㻟㻜 年 㻣 月豪雨、胆振東部地震、㻞㻜㻝㻥 年：

災害名㻌

九州北部豪雨、台風 㻝㻡 号、台風㻝㻥 号、㻞㻜㻞㻜 年：令和㻞

数（㻟 か月間のべ）

年 㻣 月豪雨、㻞㻜㻞㻝 年：令和 㻟 年 㻣 月豪雨と、毎年どころ

住家被災件数（軒）㻌

被災件数あたりのボランティア
数㻔人㻕㻌

（人）㻌

か 㻝 年に複数の災害が起きていることが分かる。このよ平成 㻞㻥

うに災害が頻発化、広域化することで、それぞれの被年九州災地に関わることができる外部支援者も限定的なもの

北部豪になりつつある。㻌

㻢㻜、㻣㻣㻞㻌

㻟、㻝㻞㻝㻌

㻝㻥㻚㻡㻌㻞㻟㻤、㻡㻢㻣㻌

㻡㻜、㻠㻣㻜㻌

㻠㻚㻣㻌㻝㻥㻟、㻠㻟㻢㻌

㻝㻜㻝、㻢㻣㻟㻌

㻝㻚㻥㻌㻠㻟、㻝㻡㻠㻌

㻠㻟、㻝㻡㻠㻌㻞㻚㻢㻌雨㻌㻌 例えば、近年の豪雨水害におけるボランティア数に

平成 㻟㻜

ついて、被害件数あたり災害ボランティア（ボランティア

年㻣月豪

センターで受け入れたもの）が何人活動したのかをまと雨㻌

めたものをみてみよう（表 㻝）［㻝］。被害が相対的に局所

令和元的なものであった平成 㻞㻥 年九州北部豪雨に対して、

年台風被害が広域化した平成 㻟㻜 年 㻣 月豪雨や、令和元年台㻝㻥 号㻌

風㻝㻥号ではボランティア数が少なくなっていることが分令和㻞年

かる。また令和 㻞 年 㻣 月豪雨におけるボランティアの少㻣 月豪雨㻌

なさは新型コロナウイルスの感染拡大の影響と考えら動はともすれば、参加者層に偏りが生じることが多く、れる。㻌

活動が地域社会全体に広がりにくかったり、活動テー

㻌 一方で、行政による災害対応も、行財政改革の中でマ自体の広がりにも限界を抱えることが多い。そこで、職員数が減少しこれまでのような被災者支援が行われ本研究では、災害によって否応なく突きつけられた地

ない事態も残念ながら増加しつつある。近年の災害で域課題に対して、災害がなければ関わってこなかった

は「復興しない被災地」が散見されるようになってきたとような人々が台頭し、集まり、新たなグループやネットワいう指摘もあり、その背景には災害対応に十分な資源ークを形成して活動を行っている事例に着目する。本をもたない行政が、そもそも被災した事実自体を見な稿では対象として、本稿では平成 㻟㻜 年 㻣 月豪雨（以下、

かったことにして放置してしまう「集合的否認」が生じて西日本豪雨）で被災した広島県坂町の事例から、主にいることが述べられている［㻞］。㻌

住民組織のあり方に焦点をあてて考察したい。住民組

㻌 このように外部支援や行政による支援が限定的なも織を対象とした既往研究では、既存の自主防災組織やのとなる中で災害対応や災害復興をはかるときに、ど自治会による防災活動および災害対応に関する事例のような課題が生じるだろうか。官民協働や新しい公共研究がなされており、組織の平時の活動や、活動を通についての議論はこれまでも数多く展開されているし、じた住民同士のつながりの構築の重要性等が示唆さ実際に取り組まれている活動も少なくないが、地域活㻌

れている［㻟、㻠］。本稿では、このような平時と災害時の107

連続性という観点を考慮しつつ、既存の住民組織の活でも床上浸水の被害が数多く発生した。㻌

動だけでなく、長期的な復興の中で新たに立ち上げら

広島県安芸郡坂町は、広島市安芸区と呉市に隣接れた住民組織にも着目する。両者の関係やダイナミズ

している町である。「坂地区」、「横浜地区」、「小屋浦地ムを分析することで、災間の災害復興における示唆を区」の 㻟 つの地区から構成されている。高い交通利便考察していきたい。㻌

性から広島市や呉市のベッドタウンの性格ももちつつ、㻌

海と山に囲まれた自然豊かな地域である。総人口でみ㻞㻚 調査対象㻌㻌

ると 㻝㻞、㻥㻠㻟 人、高齢化率は 㻞㻥㻚㻢％と、それほど高齢化が著しく進んでいるようには見えないが、実は地区別

㻌 研究対象は、㻞㻜㻝㻥 年 㻤 月豪雨及び 㻞㻜㻞㻝 年 㻤 月豪雨

でみると大きく差がある。町の中心部であり、海面の埋の被害にあった佐賀県武雄市と、㻞㻜㻝㻤 年の西日本豪め立て地に、子育て世代向け定期借家住宅として整備

雨の被災地である広島県坂町である。佐賀県武雄市

された公営の平成ヶ浜住宅や、多数の民間の戸建ては、佐賀県の西部に位置する市であり、人口 㻠㻣、㻜㻟㻠

住宅やマンションが建設されている坂地区の高齢化率

人、㻝㻣、㻤㻜㻝 世帯である（㻞㻜㻞㻞 年 㻝㻜 月 㻝 日現在）。㻞㻜㻜㻢は 㻞㻡㻚㻡㻑と比較的低いのに対し、横浜地区は 㻟㻞㻚㻟％、年 㻟 月に、旧武雄市、山内町、北方町が合併して誕生

小屋浦地区は 㻠㻜㻚㻞％と高い高齢化率を示している。こし、㻥 つの町（武雄町、橘町、朝日町、若木町、武内町、

こからわかることは、坂町は、若年世帯の新規移住者

東川登町、西川登町、山内町、北方町）で構成されてが比較的多いような都市的な坂地区と、伝統的な共同いる。㻞㻜㻝㻥 年 㻤 月の大雨によって、武雄市では六角川体の色彩の濃い小屋浦地区のような地域が混在していが氾濫し、死者 㻟 名、全壊 㻞 棟、大規模半壊 㻟㻠 棟、半ることである。㻌

壊 㻣㻝㻞 棟、一部破損（浸水以外）㻝㻠 棟、床上浸水 㻞㻜㻞

このような地域を西日本豪雨が襲った。坂町にもたら棟、床下浸水 㻟㻟㻞 棟の被害が出た［㻡］。主に北方町、した被害について、坂町土砂災害対策有識者委員会

朝日町に大きな被害が出ており、その他の町にも局所がまとめた報告を参考に簡単に紹介したい［７］。坂町的な被害が発生した。多くの家が半壊の被害となったに限らず、広島県の山地は、広島花こう岩という岩石かことで、リフォームをして生活をするという選択をされた

らできている。この花こう岩は長い間、雨や風にさらさ

被災者が多く、工事業者が足りないなどの課題もあっれると「マサ土」と呼ばれる砂のような土に変化する。こたものの、㻞㻜㻞㻝 年 㻤 月には多くの方が自宅に戻り生活の「マサ土」は水分を含むと非常にもろく崩れやすい性を再開させていた。㻌

質をもっている。このような地質的特徴をもつ坂町を豪㻌 こうして、落ち着いた生活を取り戻しつつあった被災雨が襲った。㻌

地に再び浸水被害をもたらしたのが 㻞㻜㻞㻝 年 㻤 月の大㻌 㻣 月 㻡 日から降り始めた雨は、㻣 月 㻢 日 㻡 時 㻠㻜 分に雨である。㻞㻜㻞㻝 年 㻤 月の大雨では、六角川が大規模に

大雨警報の発令に至り、その後、断続的に降雨が続い

氾濫はしなかったものの、六角川の排水機能を上回るた。雨が急激に激しさを増したのは、㻢 日夕方からで、大雨が降ったため、各所の排水ポンプが停止し多くの坂町に隣接する呉市天応観測所では 㻢 日 㻝㻤 時 㻡㻜 分

浸水被害をもたらした。浸水被害として大規模半壊 㻤㻣から 㻝㻥 時 㻡㻜 分に 㻝 時間最大の 㻡㻤㼙㼙 の雨量が、そし棟、半壊 㻤㻟㻞 棟、一部損壊 㻢 棟、床上浸水 㻥㻢 棟、床下て 㻢 日 㻢 時から 㻣 日 㻢 時の 㻞㻠 時間に 㻟㻜㻡㼙㼙、㻡 日の浸水 㻟㻥㻜 棟の被害が出ており、㻞 年前よりも被害件数が降り始めから 㻤 日までの累加雨量㻠㻡㻥㼙㼙 が記録されて増加している［㻢］。㻞㻜㻝㻥 年よりも浸水した水位が高かっいる。坂町では、㻢 日㻝㻡時に「避難準備・高齢者等避難たという家も多く、甚大な被害をもたらした。被災エリア開始」を発令、指定避難場所を開設、㻝㻣時㻟㻡分の土砂も 㻞㻜㻝㻥 年とほぼ同一であり、北方町や朝日町で多くの災害警戒情報を受けて 㻝㻣 時 㻠㻜 分に「避難勧告」を発被害が出たほか、㻞㻜㻝㻥 年は床下浸水が多かった橘町

令、さらに 㻝㻥時㻠㻜分の大雨特別警報を受けて「避難指108示」を発令したが、㻝㻤 時 㻠㻡 分ごろ横浜地区でがけ崩れってきた女性だ。ほかには、水害時に転職活動中でボが発生、㻝㻥 時 㻞㻡 分ごろには小屋浦地区で土石流が発ランティアに参加したことがきっかけに「おもやい」に参生と、㻝㻥 時前後から町内各所で土砂崩れや土石流が加した人、コロナ禍で失業中だった人、元青年海外協

発生し、土砂や流木等によって閉塞した河川から水が力隊だった人、子育て団体を主宰していた人などがいあふれだし、大雨特別警報を前に、すでに町内全域でる。このように、災害支援の経験がある人もいればない

甚大な被害がもたらされていた。㻌

人もいるし、もともと武雄市に長く暮らし市民活動に参㻌 この豪雨により、坂町では 㻞㻜㻞㻝 年 㻤 月 㻠 日時点で、加してきた人もいれば移住者もいる。それぞれ異なる

死者 㻞㻜 名（うち災害関連死が 㻠 名）、行方不明者 㻝 名、

関心、専門性を持っている。このような多様性、ハブリッ

重傷者 㻠 名、軽傷者 㻤 名の人的被害が発生した［㻤］。

ド性を持つ人々が集っているのが「おもやい」の特徴で罹災証明交付件数に基づいた家屋の被害は、全壊がある。これら多様な人々が活動に参加することで、「お㻞㻥㻟 件、大規模半壊が 㻠㻤㻟 件、㻡㻜㻡 件であった。特に、もやい」ではさまざまな活動を水害後に展開することが土石流の発生した小屋浦地区に甚大な被害が生じできた。それをまとめたものが図 㻝 である。㻌

た。㻌
㻌㻟㻚 災害後の対応㻌㻌㻌 武雄市では、発災後に武雄市社会福祉協議会を中
心に、災害ボランティアセンターが設立されたのだが、武雄市災害ボランティアセンターが受け入れ態勢の限界があり、㻝 日 㻞㻜㻜 名以上のボランティアの受け入れは困難と判断したため、武雄市災害ボランティアセンター

㻌では受け入れきれない災害ボランティア等の外部支援

図 㻝㻌 㻞㻜㻝㻥 年の「おもやい」の活動［㻥］㻌

の受け入れ窓口として、市民有志の民間の災害ボラン㻌 一方で、坂町の災害対応で特筆すべきは、「住民協」

ティアセンター「おもやいボランティアセンター」が設立と呼ばれる住民組織の活躍である［㻝］。「住民協」とは、された。「おもやい」という言葉は、「思いやり」とは全く「住民福祉協議会」の略称である。戦後、国民健康保険

別の意味で、「舫（おもや）う」を語源とした佐賀県の方

等の社会福祉事業を展開するにあたり、地域住民自身言で、「ともに」、「一緒に〜する」、「わけあう」、という意

が福祉事業を担うための主体として、㻝㻥㻢㻜 年代前半か味がある。例えば、子どもたちに対して「お菓子をおもら設立されるようになった。現在坂町には 㻝㻣 の住民協

やいしなさい」というと、「お菓子を分け合いなさい」といが存在する。住民協は、坂町と坂町社会福祉協議会かう意味となる。団体としての「おもやい」には、災害時にらの補助金及び住民からの会費で運営されており、お大変な思いをしている被災者と苦労を「おもやい」し、およそ他地域での自治会に相当する。活動は、伝統行

地域の復興を「おもやい」しながら目指すという意味が事の継承活動（祭り、盆踊り、とんどなど）、地域の交流込められている。㻌

活動（運動会、ふれあいサロンなど）、環境維持活動

㻌 「おもやいボランティアセンター」（以下、「おもやい」）（遊歩道・河川・海岸の清掃等）、安全活動（避難訓練、に参加した人々は、実に多様である。代表は、災害支消火栓訓練、防犯パトロールなど）を行っている。㻌

援 㻺㻼㻻 での勤務経験があり、㻝㻜 年前に武雄市に移住

㻌 この度の豪雨災害における住民協の特徴的な取り組

し寺の住職になった男性である。副代表は、地元の工みとして、災害ボランティアセンターとの連携がある。

務店に勤務しつつ、市民活動に災害前から広くかかわ

被災者からのニーズと災害ボランティアのマッチングを109

行う災害ボランティアセンターでは、災害直後は、被災が動くことは見られなくなった。㻌

者からの要請が少なく、せっかく駈けつけたボランティ

㻌 つまり、地区内で発生した水害という事態に対して、アが活動できずに被災地を後にしてしまうことが少なく

既存の住民組織である住民協は平時の機能を拡張さない。これはニーズがないわけではなく、そもそもボラせて災害対応に力を発揮した。しかし長期的な復興過

ンティアセンターができたことを知らない、ボランティア

程において、それぞれの地区という地理的空間を超えに何を頼めばよいのかわからないなど、災害ボランティ

た被災住民支援や、新たなコミュニティ形成の問題にアセンターと被災者の間で十分なコミュニケーションがついて、住民協自身がそれらの問題に柔軟に対応すできていないことに起因する問題である。そのため、災るには至らなかった。㻌

害ボランティアセンターの運営には被災地域住民との㻌 長期的な復興過程において、地理的な境界を超えて連携が欠かせない。㻌

活動するために設立されたのが、住民有志による

㻌 坂町社会福祉協議会が設置した災害ボランティアセ「㻺㻼㻻 法人 㻿㻷㼅 協働センター」（以下、「㻿㻷㼅」）だった。

ンターである坂町災害たすけあいセンター（以下、た「㻿㻷㼅」が設立された背景には、災害直後から継続的に

すけあいセンター）では、各地区のボランティアへの依外部支援に入った兵庫県立大学大学院減災復興政策

頼のとりまとめとボランティアの受け入れを住民協に担研究科の存在がある。兵庫県立大学の教員と学生有ってもらうこととした。というのも、被害が広域に及んだ

志は、坂町において災害ボランティアセンターの運営

西日本豪雨では、経験豊富な外部支援者が分散して人員が不足しているという情報をもとに、「兵庫県立大しまい、災害ボランティアセンターの運営を支援する外学減災復興政策研究科災害支援チーム」を発足させ、部人材が不足していた。そこで、地域住民が住民協を㻣 月 㻝㻟 日から 㻥 月 㻝㻜 日までの 㻢㻜 日間、延べ 㻝㻟㻤 名が通してボランティアへの依頼と受け入れを行うこととな

常駐型で支援を行った。たすけあいセンターより、避難った。実際にどのように依頼をとりまとめるかは、それぞ所の環境が劣悪なため、その環境改善や避難所でのれの住民協の役員に委ねられていたため、新興住宅

ボランティアの受け入れをしてほしいと依頼されたため、地等でもともと住民協の中での結びつきが強くない地

避難所での活動が支援の中心となった。㻌

域ではうまく機能しなかったり、住民協に属さない被災

常駐型支援を終えた 㻥 月 㻝㻜 日以降は、応急仮設住世帯にボランティアが派遣されないといった課題も見ら

宅や、みなし仮設として町有住宅に入居した被災者へれたが、住民にとって身近な住民協が介在することでの支援活動を月に１～２回訪問して実施した。㻞㻜㻞㻜 年㻟

丁寧なボランティアのコーディネーションも行われた。

月ごろから、新型コロナウイルスの感染拡大により、兵さらに、地域の事情に詳しいとはいえ、住民協も災害

庫県から大学院生が訪問することが難しくなった。時期

対応や災害ボランティアの受け入れは初めての経験でを同じくして、㻞㻜㻞㻜 年 㻟 月、災害公営住宅が町内各地ある。そこで、被災地内外の社会福祉協議会の職員や区に合計 㻤㻡 戸建設された。そのため、ちょうどこのころ

外部の民間団体が住民協のサポートに入った。地域住は仮設住宅から災害公営住宅へと引っ越しをする被災民との間に住民協が存在することで、外部支援者のサ者が多いタイミングだったが、その支援を行うことがでポートも円滑に進んだ。㻌

きなかった。代わりに、坂町の地元のボランティアらが㻌 このように、豪雨直後の坂町における災害対応では、

毎日のように引っ越しの支援を行った。この地元のボラ

住民協が大きな働きをした。このような働きは、地区内

ンティアの一人が「㻿㻷㼅」の代表者となった男性だ。㻌

での共同体的な強い結びつきが発揮されたためだと

この男性は、坂地区在住で、地区の住民協役員であ言える。しかし、住民協の活動はあくまで地区内での活り、消防団の副分団長も務めていた。豪雨の際は消防動にとどまり、被災者が仮設住宅に入居したり、地区外団員として救助活動などにかかわり、その後はたすけに転居したりするようになると、その支援にまで住民協

あいセンターを通じて、週末にボランティア活動を行っ110ていた。ボランティア活動にかかわって気づいたことは、右肩下がりの状況で迎えることになる。これらの前提は、たすけあいセンターにやってくるボランティアは町外の

阪神・淡路大震災以降の災害対応の前提を変化させる

人がほとんどであることだった。坂町の問題に、地元のと考えられる。災害が頻発化し、広域化すると、西日本

住民の参加が少ないことにもどかしさを感じた。町外の豪雨における坂町がそうであったように、外部支援者

ボランティアがしていることは、本当は坂町の人がしながそれぞれの被災地に分散してしまうことになる。これければならない問題ではないかと考えた。そこで、兵までのように経験豊富な外部支援者が、さまざまな外

庫県立大学からボランティアとして現地に通っていた部資源を被災地につなげながら支援を展開することが人々と相談し、結果的には住民有志の「㻿㻷㼅」を立ち上難しくなる。兵庫県立大学のように、常駐型の外部支援げることになった。㻌

者が存在することで外部支援のネットワークの結節点と「㻿㻷㼅」は新たに立ち上がった坂町住民を中心としたなり、支援が拡大していくことも困難になるだろう。また、組織であるが、メンバーの多くはこれまで住民協のメン

人口減少に伴って行政機能も縮小している。武雄市でバーとして活動してきた人々である。だから、「㻿㻷㼅」のは、社会福祉協議会が受け入れ態勢の限界から、十活動は、これまでの人間関係を活用し、住民協や坂町

分な外部支援を受容することができないと初めから宣行政と緊密に連携し、細やかに調整しながら行われた。

言されていた。坂町においても、災害公営住宅が建設

例えば坂町の小屋浦地区にコミュニティ・ハウスを設置された後のコミュニティ形成は住民に委ねられることにする活動があったのだが、この際も、あくまで主体は小なり、行政がそれ以上の関与を積極的に行うことはな

屋浦地区の組織とし、「㻿㻷㼅」はその支援を行うという配かった。外部支援や行政の対応が限定的になる中で、慮がなされていた。㻌

被災住民自身による災害対応の比重が自然と増していこのように、坂町の災害復興では、状況が災害時かくだろう。㻌

ら平時へと移行するとき、既存の住民組織や行政が生㻌 これまでの住民組織についての支配的な見方はこう

活再建後に生じる活動に十分に働きかけられず、まただ。町内会等の伝統的な地縁組織は、高齢化も進み、外部からの支援にも限界が生じていた。そこで、これま加入率も低く、かつてのように機能しなくなっている。

で既存の住民組織の中で活動し、行政とも連携していだから、それに代わるような新しい主体が必要だ。そこた住民が新たな住民組織を立ち上げることで、災害復で阪神・淡路大震災以降に台頭してきたのが、ＮＰＯ法興の中でエアポケットのように生じてしまう新たな問題

人等の新しいアソシエーション（㼍㼟㼟㼛㼏㼕㼍㼠㼕㼛㼚）だ。ここでを、既存の住民組織や行政の働きかけを促したり、そ前提となっているのは、社会学の古典として、テンニー

れらの活動を補完しながら、解決を試みた。その問題

スが社会を主として構成する社会集団の類型をゲマイ

を新たな住民組織だけで担うのではなく、坂町内のンシャフトからゲゼルシャフトへの移行として提示したよ

様々なアクターとの協働で解決しようとしている点に坂

うに、伝統的な地縁共同体（㼏㼛㼙㼙㼡㼚㼕㼠㼥）から、アソシエ

町の災害復興の特徴がある。このような坂町の災害対ーションへの移行である。確かにこのような傾向自体が応における住民組織の活動から、今後の災害復興にあることは否めないだろう。しかし、これまでのような分向けた示唆を考察したい。㻌

厚い外部支援が期待できなくなる状況の中で、被災者

㻌自身による災害対応の比重が増すのなら、古くてもう機㻠㻚 考察㻌
㻌

能しないように思われているような従来的な住民組織にも、あらためて焦点を当てて、その得意分野で活動

私たちはこれからますます頻発化し、広域化し、激できるような環境を準備していくことも重要ではないだ

甚化する災害多発時代を生きることになる。さらに、ころうか。㻌

のような時代を日本社会は社会資源が縮小するという

例えば、坂町の事例から明らかになったことは、社

111

会資源が縮小する中での災害多発時代においては、域の境界の再考につながるだろう。つまり、今後の災素朴に伝統的な地縁共同体からアソシエーションへの害復興においては、住民組織の再編だけでなく、広い「移行」とみるのではなく、従来的な住民組織と、新しい意味での地域のガバナンスの再編がはかられるのだと

アソシエーションの共存や、協働、場合によっては混いえよう。㻌

淆を考えていく方がよいということである。住民協は地㻌

理的な境界を超えられない限界を抱えつつも、地域と謝辞㻌

外部者の媒介となり、直後の支援活動を円滑なものに

㻌 本研究は、公益財団法人関西エネルギー・リサイクルした。住民協の限界を感じた人々によって立ち上げら科学研究振興財団の助成を受けて行いました㻌

れた「㻿㻷㼅」も、コミュニティ・ハウスの設置の際に見られ㻌

た配慮のように、住民協の存在を否定するわけではな

参考文献：㻌

く協力しながら活動をしている。また、「㻿㻷㼅」のメンバ[1] 立部知保里・宮本匠 既存の住民自治組織の災害時におけーは、㻺㻼㻻 法人を立ち上げた後も、住民協や消防団る 役割に関す る研究 、 日本災害復興学会論文集 、等の住民組織における活動も続けている。このような18(2021)45-57.
[2] 宮本匠 人口減少社会の災害復興の課題－集合的否認と両「混淆」は、武雄市における「おもやい」の構成員の多様な背景や、それをもとに展開されたさまざまな活動か論併記、災害と共生、3(2019)11-24.
[3] 岡西靖・佐土原聡 地域防災力向上のための自治会町内会らも見て取ることができる。㻌
これらの事例を踏まえて、伝統的な地縁共同体の限における地域コミュニティと災害対策に関する調査研究―横界を乗り越えるために設立されるアソシエーションに求浜市内の自治会町内会を対象としたアンケートに基づく考察、められることは、地縁共同体を否定するのではなく、積日本建築学会計画系論文集、７１(2006)７７-８４.

極的に協力し合いながら、地域の中の資源が徹底的[4]柿本竜治・吉田護㻌 自主防災組織の事前の災害へのに活用されるように働くことである。衰退しつつある伝備えと災害時の活動の関係性―㻞㻜㻝㻢 年熊本地震

統的な地縁組織も重要だし、㻺㻼㻻 のような新たな主体

時の熊本市の自主防災組織の活動状況の分析、都も大切だ。さらに、平時には災害対応のために活動す市計画論文集、５４㻔㻞㻜㻝㻥㻕１０８６㻙１０９３㻚㻌

るとは想定されていないかもしれないような趣味のサー[5] 佐賀県㻌 令和元年佐賀豪雨（令和元年 㻤 月 㻞㻣 日かクル活動のように、地域内の多様なつながりを今一度らの大雨）による被害状況等（令和 㻞 年 㻥 月 㻝㻜 日 㻝㻡

洗い出しておくことが、災害への備えとしての地域防災時現在）㻌 㻔㻞㻜㻞㻞㻕㻌 㻌[6] 佐賀県㻌 令和 㻟 年 㻤 月 㻝㻝 日からの大雨による被害状況等をにとって今後ますます重要となっていくと考えられるし、
災害対応の際は既成概念にとらわれずにこれらの組お知らせします（㻤 月 㻤 日 㻝㻣 時 㻜㻜 分現在）㻌 㻔㻞㻜㻞㻞㻕㻌織、人々が地域内で協働していくことが求められていく[7] 坂町土砂災害対策有識者委員会：平成㻌 㻟㻜㻌 年㻌 㻣㻌 月豪雨災だろう。「おもやい」や「㻿㻷㼅」のようなアソシエーション

害時の坂町における避難対応等の検証と今後の適切な避難はこの協働を進めていくための媒介となったり、協働の行動の支援に向けた提言㻌 㻔㻞㻜㻞㻞㻕㻌[8] 広島県危機管理課㻌 平成 㻟㻜 年 㻣 月豪雨災害による場になったりすることが期待されている。㻌
㻌 このような新しい協働は、住民組織の中でだけでなく、人的被害について㻌 㻔㻞㻜㻞㻞㻕

地域と行政の関係も変化させるはずだ。行政の下部組[9] 頼政良太㻌 災害時の多様なボランティアのあり方についての織としての性格を濃厚に持つ伝統的な地縁組織が、こ研究㻌 兵庫県立大学大学院減災復興政策研究科博士論文

㻌れまで取り組んでこなかったような活動をしたり、ＮＰＯのような新たな主体と協働するなら、それは自然と行政が取り組んできた領域と地域住民が取り組んできた領

112



歯科パノラマ 㼄 線画像と人工知能による自然災害時の㻌 定システム 開発 㻌
身 元 不 明 遺 体 の人㻌
近畿大学病院㻌 歯科口腔外科㻌
教授㻌 榎本㻌 明史㻌


１．緒言

する必要があり、したがって、個人の死後の歯科チャートは歯科医が個々の死体から取得する必歯科情報は個人の特徴を示し、かつ腐敗しにく

要があります。得られた歯科チャートは、その後、く、死後においても安定しているため、身元不明

可能性のある他の個人と比較するために生前のの個人の特定が必要な場合、法医学・法歯学の分歯科カルテなどの資料と照合されます 5。従来の野でも効果的な情報ツールとして扱われていま

このシステムには、いくつかの問題が挙げられてす 1-3。

います。まず、生前の歯科カルテとの比較は人海

家族に何も言わずに家を出て、私物や身分証明戦術で行う必要があり、非常に労力が伴います。

書を残さずに亡くなった身元不明遺体は、日本国第二に、生前の歯科カルテは経時的に歯科治療に内に約 2 万件存在し、年々その数は増加していまより歯科チャートが変化していくため、歯科治療す。全国の警察に報告される行方不明者の総数は、により生前の歯科チャートを更新する必要があ

年間約 10 万人程度であり、ほとんどは早期に生ります。第三に、遺体の死後の歯科チャートの取存が確認されて特定されますが、毎年約千体程度

得も手作業で作成されるため、これもまた労力のの遺体が「身元不明遺体」として蓄積されていまかかる仕事となります。

す。

これらの問題に対処するために、歯科パノラマ

さて近年、日本では地震や豪雨などの大規模災

X 線写真（PR）を使用した自動個人識別ツールの害が多発しています。2011 年の東日本大震災で研究が近年なされています 6-10。しかしながら、検は、歯科医師の多大な努力により、多くの遺体が証には時間がかかり、まだ十分な識別率を示すこ歯科チャートを利用して確認されました。被災都とができていません 11。

道府県を含む全国歯科医師会の延べ 2,600 人の歯そこで、私たちは本研究で PR と深層学習手法

科医師が、5 ヶ月間で約 8,750 体から歯科所見をのみを用いた自動識別システムの開発に取り組

収集し、個人の特定に大きく尽力しました。日本

み、このシステムにより非常に迅速な識別と良好

政府は、数十年以内に発生が懸念される南海トラ

な識別率をもたらすことを可能としました。

フ地震が発生した場合、最悪の場合、推定死者数
は 32 万人を超え、経済被害は 220 兆円を超えると試算しています

２．方法

4。

身元不明者の個人の人定依頼の実施のほとん

本研究には、1,663 人 （年齢の中央値は 48 歳

どは歯科施設にて行われます。この人定において、（17～85 歳））からの 4,966 の PR を使用しまし実際の作業は人力によるもので多くの時間と労た。PR を含むデータセットは、複数の地元の歯科力が必要となっています。死亡した個人を特定す

医院から提供していただき、本研究は当学の倫理る必要がある場合、生前と死後の歯科情報を比較

審査委員会によって承認（R02-319）されています。



113




=∑𝑛𝑛𝑖𝑖=1 Ai(1-e(-t/))a+ C（C は定数値、A は振幅（データセット）
PR 検査は、パノラマ X 線撮影機器（旭レントゲ係数） を使用して適合させました。

ン（京都）あるいは、モリタ（大阪）） を使用し、画像は JPEG 形式でダウンロードされ、フィルタ

３．結果

リ ン グ の も と 、 Matlab バ ー ジ ョ ン R2021a（深層学習の所要時間）（MathWorks®、（マサチューセッツ州、米国））を使用して研究を実施しました。歯の特徴を抽出す

トレーニングデータをモデルデータセットにるために、すべての PR は 2800×1500 ピクセルにインポートするのに必要な時間は約 140 秒でしスケーリングおよびトリミング後、画像の露出過た。これらのモデルを使用して学習プロセスの度のエッジの削除処理をしています。

200～500 エポックを実行して、学習モデルを作成（深層学習手順）するために必要な時間は 3～6 時間となりました。

深層学習システムは、GeForce RTX 2060 SUPER

テストデータセットを学習モデルに適応させ、PR

グラフィックカード （NVIDIA、（カリフォルニアのラベルを検出する時間は約 15 秒で同定が可能

州、米国）） を使用して実施しました。ディープでした。

ラーニングアーキテクチャは、Vgg16、Vgg19、（深層学習システムの診断性能）

ResNet50、ResNet101、および EfficientNet のニュ

トレーニングデータセットに含まれていないーラルネットワークを転移学習として使用し、画1,663 の PR テスト画像データを使用して、 すべ

像一致の確率 （一致確率） を計算するように設てのモデル（Vgg16、Vgg19、ResNet50、ResNet101、計しました。20～500 エポックの学習回数で学習

および EfficientNet）での精度を図 1 に示します。

を実行し（バッチサイズ=16）、トレーニングフェーズの画像セット （トレーニングデータ） は4,966 枚の画像のうち 3,303 枚を使用しました。
（モデルの性能評価）
評価のために、データベース内の 1,663 人のすべて（トレーニングデータとして使用していない
1,663 個のテストデータ）にて検証を行い、検証とする各 PR が、データベース内の 1,663 のラベルのすべてと特定できるかどうかを比較検討しました。全ラベルから 1 つの候補ラベルのみを選択
して精度検証を行っています。
この検証は、各ラベルには数枚の画像しか含まないが、ラベル数は多数であるモデルであるため、

図１ 各モデル（Vgg16, Vgg19, ResNet50, ResNet101,

Precision を優先してモデル精度を検討しました。

and EfficientNet）の精度曲線を示す。

指標の計算は次の通りです。

エポック数の増加に伴い、すべてのモデルで精度

Precision （positive predictive value） = TP （trueが向上し、モデルの学習曲線は、100～200 エポッ

positive）（TP/（true positive）+ FP（false positive））。

ク後に徐々に減衰し、横ばいとなる形になりましf(t)た。最良の CNN モデルは Vgg16 で、200 エポッ

Precision 曲 線 は 、 単 一 の 指 数 関 数



114




クにて 65.6%の精度を示しました。Vgg16 のパフ

別に失敗した例を示しています。

ォーマンスについては、画像上の歯の特徴量が少信号処理時間は 1 画像あたり 5～10 秒でした。

ない個人でもうまく識別することがでるものでエポックの数が増えるにつれて、精度も上がり、した。図 2 に示すように、抜歯により歯を失った

その後は徐々に頭打ちとなっています。

個人が正常に識別できたことを示しています。一方、図 3 は歯の喪失による変化が非常に大きな識

図４ Vgg16 を使用した Top-1（solid line）と Top-10（dotted line）Precision カーブを示す。

次に Top-N Accuracy の概念を利用し、候補ラベ

図２ 個人識別が正しく実行できた症例を示す。上下の 2

ルでトップ 10 候補の一致率を検討し、結果の精画像に歯列に変化があっても正しく識別できている。

図５ 異なる最適化アルゴリズムを使用した Vgg16 を使用した Top-N（dotted line）Precision カーブを示す。上から SGD、Adam、RMSprop となる。

図３ 個人識別が正しく実行できなかった症例を示す。2度曲線を図 4 に示しています。精度は 200 エポ

画像に大きな歯列の変化があったことが原因と考える。

ックで 85.7%になりました。つまり、このモデル



115




では、5～15 の候補ラベルのもとでは、約 80～90%

ると考えます。実際の歯牙鑑定においても 10～15の一致率を示したということです。さらに 200 エ

例程度の歯牙鑑定による個体識別は適切に問題

ポックのこのモデルを使用して、SGD、Adam、なく行うことができると考えます。また、本モデ

RMSprop の 3 つの最適化アルゴリズムを使用して

ルでは、歯の特徴量が少ない個人を正常に識別す一致率を比較しました。図 5 はこれらの最適化アることができました。 以前の研究では、歯が数本

ルゴリズムの一致率を示し、SGD が最適な最適しかない症例においては識別のための十分な特化アルゴリズムとして有効となる結果となりま徴を示さないということから識別困難でした。ました。

た、生前と死後の PR 間の補綴物や抜歯による歯科チャートの変化により識別が困難ともなって４．考察いました。しかしながら、本モデルは、深層学習の手法を使用して良好な識別精度を持つことが本研究では深層学習手法を使用して PR を使用できました。

し、個人自動識別のモデルを作成しました。過去

もう 1 つの重要な成果は、計算時間が大幅に短の研究では、約 24,500 人の個人の PR による歯の縮されたことです。過去の SURF モデルシステム

特徴をエントリーし、SURF ソフトウェアでのモを使用した場合、約 44,000 の PR に対して各 PR

しかしな
デルで優れた一致率が示されました 9-11。

のマッチングを行うために 1 個人の人定に付き数

がら、これらの研究ではテスト識別の数は 100 人

時間を必要としていましたが、本モデルでは 1 個未満に制限されており、部分的な評価となってい人あたり 3,303 の PR 比較の計算時間は 5〜10 秒ました。本研究では、データ取得された全ラベルでした。これは中央処理装置（CPU）の代わりにの 1,663 人のすべての個人に対して識別テストをグラフィックスプロセッシングユニット（GPU）

実行しました。

システムを使用したディープラーニングモデル

Vgg16 は他のより新しい CNN モデルであるの開発ができたためです。 言うまでもなく、より

Vgg19、ResNet50、ResNet101、および EfficientNet

高速なコンピューター処理ユニットを使用すれよりも良好の精度を示しました 12。このニューラ

ば、もっと信号処理時間を大幅に短縮することがルネットワーク Vgg16 は、Simonyan と Zisserman

できます。

によって深層学習ニューラルネットワークとし

死後の歯科パノラマ X 線（PR）撮影は身元不明て提案されたもので、13 の畳み込みニューラルネ

の遺体を特定するのに非常に効果的です。遺体かットワークと 3 つの全層ニューラルネットワーク

ら PR を取得する際に、適切な咬合面を取得し、を組み合わせたものです。この Vgg16 は、ディー

タオルなどを使用して頭を正しい位置に保つこ

プラーニングシステムでの歯科用パノラマ画像と撮影が可能となります。つまり、死後の PR 画の使用に適したモデルである可能性が高いよう像撮影は個人識別のための効果的なツールとなです。

ると考えます 13。

さ ら に 本 研 究 の デ ー タ セ ッ ト で は 、 Top-N

患者の歯科情報は、個々の歯科医院や病院にてAccuracy にて予測結果を取得し、一致率は、5～15登録されるため、これらの情報のデジタルによるの候補ラベルで約 80～90%となりました。したが一元管理ができれば、大災害時などの身元不明のって、このモデルの微調整を追加することで、モ遺体の個人特定に非常に役に立つことが考えら

デルのパフォーマンスを向上させることができれます。大学は災害やさまざまな犯罪が発生した



116




場合に、地域社会のニーズに対応するためにさま

Dent J 2012;57 Suppl 1:24-32.

ざまな知識と専門知識を総合的な能力で提供す6.

る必要があります 14。今後、地域の歯科医師会、

Optimization technique combined with deep learning

警察、行政などと連携し、この識別システムを有method for teeth recognition in dental panoramic

事に役立てることができるよう活動していきた

radiographs. Sci Rep 2020;10:19261.

いと考えております。

7.

Mahdi FP, Motoki K, Kobashi S.

Muramatsu C, Morishita T, Takahashi R, etal. Tooth detection and classification on panoramic
radiographs for automatic dental chart filing:

５．利益相反improved classification by multi-sized input data.
Oral Radiol 2021;37:13-9.

本研究において提示する利益相反はありませ8.

ん。

Ortiz AG, Soares GH, da Rosa GC, Biazevic

MGH, Michel-Crosato E. A pilot study of an
automated personal identification process: applying

６．謝辞

machine learning to panoramic radiographs. Imaging
Sci Dent 2021;51:187-93.

本研究は、公益財団法人 関西エネルギー・リサ
イクル科学研究振興財団の 2021 年度研究助成

9.

Matsuda S, Miyamoto T, Yoshimura H,（防災科学）による支援のもと実施いたしました。

Hasegawa T. Personal identification with

ここに深く感謝いたします。

orthopantomography using simple convolutional
neural networks: a preliminary study. Sci Rep
2020;10:13559.

７．参考文献

10.

1.

Heinrich A, Guttler FV, Schenkl S, Wagner

R, Teichgraber UK. Automatic human identification
Miki Y, Muramatsu C, Hayashi T, et al.

based on dental X-ray radiographs using computer

Classification of teeth in cone-beam CT using deep

vision. Sci Rep 2020;10:3801.

convolutional neural network. Comput Biol Med

11.

2017;80:24-9.

Forensic odontology: automatic Identification of2.

persons comparing antemortem and postmortem

Adams BJ. The diversity of adult dental

Heinrich A, Guttler F, Wendt S, et al.

patterns in the United States and the implications forpanoramic radiographs using computer vision. Rofo

personal identification. J Forensic Sci 2003;48:497-

2018;190:1152-8.

503.

12.

3.

Sweet D. Why a dentist for identification?

Kim YH, Ha EG, Jeon KJ, Lee C, Han SS.

A fully automated method of human identification

Dent Clin North Am 2001;45:237-51.

based on dental panoramic radiographs using a4.

convolutional neural network. Dentomaxillofac Radiol

Disaster management in Japan.

https://www.bousai.go.jp/jishin/nankai/nankaitrough_i

2022;51:20210383.

nfo.html: 2019. [[Date accessed: 2022 Oct 08, 2022]

13.

5.

Difficulty in taking panoramic radiographs of corpses

Forrest AS. Collection and recording ofradiological information for forensic purposes. Aust

Ohtani M, Oshima T, Mimasaka S.

in a recumbent position. Res Pract Forens Med



117




2020;63:87-96.
14.

Aoki T, Ito K. What Is the role ofuniversities in disaster response, recovery, andrehabilitation? Focusing on our disaster victim
Identification project. Ieee Commun Mag 2014;52:307.



118

大規模災害後の公平性を担保したインフラネットワーク復旧モデル
大阪大学大学院工学研究科
特 任 講 師（ 常勤 ） 坂 井 勝 哉

1 . は じ めに o ∙   o (1)

災害発生後，インフラネットワークが破壊されると，平等な戦略として，都市間の消費者余剰損失の最元の状態に復旧するまで累積的な損失（resilience

大値（ ）と最小値（ ）の差を最小とするモデ

loss）が生じることとなる。大規模災害が発生した後，ルを式(2)に示す。

min  =  − 限られた資源制約の下，ネットワークを戦略的に復旧(2)させるためにあらかじめ計画を立てておくことは重要

最適化モデルとして，効率性と平等性の目的関数である。復旧計画において，resilience loss を最小化

を重みづけパラメータで連結したものを式（3）に示することは，効率性の観点では最適化といえる。しかす。

し，公平性の観点からは必ずしも良いとはいえず，合  


max  =  ∑  

意形成の観点から計画を策定することは重要である。

 

−のための公平性の枠組みを構築し，インフラネットワ

 o ∙   o  −  −  

ーク復旧問題の特徴を公平性の観点から明らかにす

公平性の定義として，本研究ではパレート改善の

本研究の目的は，災害後のネットワーク復旧計画(3)

ることである。

概念を導入する。パレード改善の定義は以下の式(4)の条件である。
 −  ≥ 0 ∀ ∈ 

2 . モデルここに， はランダムにリンクを復旧した場合のノード

本研究では，以下の問題を考える。


災害により，すべてのネットワークリンクが破壊さの消費者余剰の resilience loss であり， は提案戦

れ，交通に支障が出る。

る。

略によるノードの消費者余剰の resilience loss であ

ネットワークのリンクを回復する順序を決定する

全てのリンク順序を定める確定的モデルは，最後戦略を決める。

に接続されるノードが不利になることから，パレート改Resilience loss を消費者余剰損失の累積合計と善が達成できない。逆に，一部のリンクに優先順位をして定義する。

与え，残りのリンクは確率的に順序を決める確率的モ

各起終点ペアの交通費用は，その最短経路の

デルはパレート改善を達成できる可能性がある。

長さで定義する。
効率的な戦略として，消費者余剰を最大化（resilience loss を最小化）するモデルを式(1)に示す。
  


max  =  ∑  

(4) 

−

119

3. 数値シミュレーション

4. 結論

本章の数値シミュレーションを行うにあたり，以下の本研究は，大規模災害後の交通ネットワークの復旧仮定をおく。需要関数は最大潜在需要が であり４５戦略に焦点を当て，公平性の問題に焦点を当てた。効度の傾きの線形関数とする。リンクパフォーマンス関数

率性と公平性の両方を含む最適化モデルを使用して、について，混雑は考えないものとして一定の旅行時間

それらの間のトレードオフを示し，パレート改善の実現であり，旅行費用 は最短経路のリンク長によって定可能性を検討した。ハブアンドスポークネットワークでは、最初にハブを接続する戦略によりパレート改善を義されるものとする。

達成できた。3x3 グリッドネットワークでは，パレート改
善は，大都市が比較的近くに位置し，すべての小規模

3.1 Hub and Spokes ネットワーク

都市が優先的に接続されたノードの近くに位置する場
合に達成できた。

まずは図 1 に示すようなネットワークを用いる。式(3)の最適化モデル（MIP）を考える。最適化のフレームワークで効率性と平等性の重みを変えて出力した結果を成果発表：

図 2 と図 3 に示す。効率性と公平性との間でトレードオ“Equitable Sequence to Restore Transportation Network

フが確認された。いずれの戦略を取ったとしても，平等

Links After Extreme Disaster”, Kenny Chandra Wijaya

性を優先すると効率性が低下し，逆に，効率性を優先

and Katsuya Sakai, The 9th International Symposium on

すると平等性が低下することが示された。

Transport Network Resilience, 2023.

次に，公平性を担保する戦略（パレート改善を達成する戦略）について考える。図 4 で示すように，大都市に関連するいくつかのリンクのみを優先する戦略は、
パレート改善を達成するのに効果的であることが示された。

3.2 3x3 グリッドネットワーク
図 1 Hub and spokes ネットワーク
大都市を最短距離で結ぶリンクを優先する戦略でパレート改善を達成できるのか，3x3 のグリッドネットワー
クで検証する。
パレート改善を達成できたケースとして，ノード 4 と 6が大都市の場合であった。このときの消費者余剰損失割合の変化を図 6 に示す
パレート改善が達成できないケースとして，ノード5 と6 が大都市の場合，ノード 8 と 9 が大都市の場合，ノード 1 と 9 が大都市の場合であった。このうち例として，ノード 5 と 6 が大都市の場合の消費者余剰損失割合の変

図 2 総消費者余剰化を図 7 に示す。

120

図 3 ノード間での消費者余剰の差
図 6 ノード 4 と 6 が大都市の場合

図 4 一部リンク優先戦略の消費者余剰損失比較
図 7 ノード 5 と 6 が大都市の場合

図 5 3x3 グリッドネットワーク

121

122

補強土壁の耐震性評価に資する土圧計測システムの構築
京 都 大 学大学 院 工 学研究 科
准 教 授 澤村 康 生

1 . 緒言補強土壁とは，地盤中に別の部材（補強材）を敷設することで，垂直に近い壁面を持つ土構造物を建設可能とする工法である．過去の地震における被災図 1 実験で使用した面圧測定センサー（NITTA 社, I-SCAN 210）

調査[1,2]と既往の研究[3,4]より，補強土壁は高い耐震性能を有していることが確認されているが，補強材
周辺の壁面に作用する土圧の分布，および，それがめ，京都大学防災研究所の遠心力載荷装置を用

地震時にどのように変化するのかについては未解明

いて遠心力 50g 場において振動台実験を実施し，補である．また，現行の耐震設計では，補強土壁の高

強土壁の壁面に作用する動土圧の計測を試みた．

い耐震性能を表現するために作用外力を低減させる

2 . 重 力 場に お け る キ ャ リ ブ レ ー シ ョ ンという力学的に矛盾した設計法が採用されており，設計法の高度化に向けて大きな課題である．

2.1 実験方法

これまで筆者らは，面圧測定センサーを用いて同構造の地震時土圧の計測を試みてきた[5,6]．面圧測定センサーは，地盤分野の土圧問題を解決する新た

図 1 に実験で使用した面圧センサー (NITTA 社,

な計測装置として近年注目を集めている[7,8,9]．しか

I-SCAN 210，定価容量 : 80 kPa，最大サンプリング

しながら，現象の解明に必要となるサンプリング周波

周波数 : 628 Hz)を示す．センサーシートは 2 枚のフ数を有するセンサーは計測精度が低く，逆に計測精ィルム状の樹脂で構成されており，それぞれのシート

度がよいセンサーではサンプリング周波数が十分でには行電極と列電極（いずれも 44 本）が一定の間隔はないという問題に直面した．そこで本研究で,は，新で配置されている．それらの交点 1936 点がセンシン

たに面圧測定センサーと小型圧力計を組み合わせ

グポイント（以下，セルと呼称）となり，加圧時の電気た土圧計測システムの構築を試みる．面圧測定セン

抵抗値の変化からセルに作用する圧力を測定する．

サーは特に地震前後の壁面土圧を広範囲で計測す

Madabushi and Haigh (2018) [10]は，全てのセルにる役割を果たし，背後の小型圧力計により局所的な対して個々に校正係数を求めることで，圧力分布を

動土圧の推移を高精度で計測する．

高精度に計測することが可能であることを報告しておはじめに，重力場（1g 場）において面圧測定セン

り，本研究においても同様の手法を用いる．面圧センサーと小型圧力計を用いたキャリブレーションを行い，サーの計測結果は 0 ~ 255 のデジタル値に変換され両者の感度と適正な計測条件を検討した．特に面圧て出力される．また，感度調節機能により測定範囲を測定センサーにおいては，44×44 ケの計測点それぞ変えることができ，センサーの最大測定値は最高感

れに個別の構成係数を用いて校正することを試みる

度で 20.8 kPa, 最低感度で 468 kPa となる．本研究[10]．つぎに，実構造物の応力状態を再現するたでは，測定範囲を 0～105.2 kPa（分解能 0.413 kPa）として実験を行った．

123

図 2 に 実験で 使用し た 土圧計( 東京測器社，
PDB-100KPB，容量 100 kPa，分解能 0.0667 kPa)を示す．土圧計は T 字型で，受圧面の後ろから入出力ケー
ブルが伸びている．実験では載荷土台に T 字型の穴

図 2 実験で使用した土圧計（東京測器社，PDB-100KPB）を設けて土圧計を埋め込み，土圧計の受圧面と周囲に20

凹凸が生じないようにした．

Loading device

図 3 に静的載荷実験の機構を示す．静的載荷装置
は遠隔操作により載荷軸が昇降する仕組みあり，土槽に固定することで反力を取った．載荷板は面圧センサ

60ーの受圧部と等しい大きさ(234 mm × 234 mm)とし，載荷板と載荷土台の間に厚さ 10 mm の緩衝材 (和気産

Load gauge
Loading board

業社, NR スポンジゴム)を設置することで荷重を一様

Pressure gaugeに載荷するようにした．

50

75

70

Sponge30
10
7.6 50234

本研究では，図 3(b) に示す 3 ケースの実験を実施

290
Earth tank Tactile sensor
Loaded foundation Unit : mm(a) 載荷装置の機構（Case-3 の場合）した．はじめに，土圧計のみを用いた Case-1 より，同試
験装置の性能を確認した．つぎに，面圧センサーのみ

290を用いた Case-2 を実施し，面圧センサーの各セルにお

238

238

ける構成係数を求めた．最後に，Case-1 の条件におい

290

Case-1: Only pressure gaugesて上から面圧センサーを貼付した Case-3 を実施し，両Case-2: Only tactile sensor

者を併用した場合とそれぞれを単独で設置した際の計

Case-3: Tactile sensor andpressure gauges
Tactile sensor(b) 実験ケース(c) 土圧計の配置
図 3 載荷試験の機構と実験ケース

測結果との比較を行った．なお Case-3 では，各土圧計の設置位置と面圧センサーのセルが同じ位置になるよ
うにしている．面圧センサーと土圧計のサンプリング周Case-1 Pressure gauge
Case-2 Tactile sensor
100
100

波数はそれぞれ 628 Hz，1000 Hz であり，5 秒間の平Result of tactile sensor, earth pressure [kPa]

均値を用いて結果を評価した．
2.2 実験結果

50

0
0
100

図 4 に各ケースにおける計測器の測定結果を示す．
Case-1 における土圧計のみの計測結果から，本載荷装置の機構により，載荷面全面にほぼ均等に圧力が載では計測値が載荷圧よりわずかに小さい傾向が見られた．これは面圧センサーの受圧部と同じ大きさの載荷板と緩衝材を用いて実験を行ったため，隅角部において荷重が適切に伝わらなかったものと考えられる．

50
50

50

0
0
100

荷されていることを確認した．ただし，載荷土台の四隅

0
100 0
100

50
50

50
50

50
0
0

Case-3 Pressure gauge
Case-3 Tactile sensor
100

0
100 0
100

0
100 0

50

100

50

100

50

100

50
50

50
50

0
100 0
100

0
100 0
100
50

50

0
100 0

Loading pressure [kPa]

図 4 各ケースにおける面圧センサーと土圧計の結果

図 5 には，面圧センサーのみを用いた Case-2 のキャリブレーション結果を示す．同図には，縦軸に行電極

124Row number
Row number

50
40
30
20
10
0

Row number

50
40
30
20
10
0

50
40
30
20
10
0

装置を用いた．本実験では，壁高 12.5m の帯鋼補強

Row data
After calibration
Loading pressure
0

20

40
60
80
100
Result of tactile sensor [kPa]a) Loading pressure : 24.71 [kPa]

土壁を対象に，地震時に壁面に作用する動土圧を測定し，地震時挙動を解明することを目的に遠心力 50G

120

場において動的遠心模型実験を行った．本実験で用いた剛性土槽（長さ 450mm×高さ 500mm×奥行 300mm）である．
補強土壁の設計は，補強土壁工法設計・施工マニュ

0

20

40
60
80
100
Reslut of tactile sensor [kPa]b) Loading pressure : 59.15 [kPa]120

アル[11]に準じて行った．また，本研究では比較のために重力式擁壁を用いた実験も実施した．重力式擁壁の壁高は帯鋼補強土壁と同じとし，設計には道路土工-擁壁工指針[12]を用いた．図 6，7 に補強土壁と重力式擁

0

20

40
60
80
100
Result of tactile sensor [kPa]c) Loading pressure : 90.45 [kPa]
図 5 面圧センサーの計測結果の校正120

壁を対象とした遠心模型実験の概略図を示す．同図には，面圧測定センサーと土圧計の配置も示す．また，
本実験ではノイズ対策として土槽底面にウレタンシート
を敷き，その上に表面が滑らかな厚さ 3.0 mm のアクリの位置（44 本），横軸に各行電極におけるセルの計

ル板を設置して実験を行った．また，重力式擁壁の場

測値（44 点）を示している．実験では，載荷面には均等合において，側面にも厚さ 5.0mm のウレタンシートを設に圧力が作用していると仮定して 24.71，59.15，90.45

置し，ノイズ対策を行った．

kPa を載荷し，3 点の回帰直線から各セルにおける傾き

模型地盤は豊浦砂を相対密度 80%を目標に突き固と切片を求めて校正係数とした．図 4 における Case-2

めにより管理した．また，基礎地盤は十分な強度を持の計測値は，図 5 によるキャリブレーションを経て校正つ地盤としたため，ウレタンシート底板を基礎地盤としした値である．

て扱うこととした．

最後に図 4 に示す結果から，面圧センサーと土圧計

本実験では繰り返しの地震動による模型の挙動を把を併用した場合と，それぞれを単独で設置した場合を握するために，振動台の最大加速度を漸増させるステ比較する．同図より，面圧センサーと土圧計を併用してップ加振とした．実験では，従来のジオテキスタイル補実験を行った際のそれぞれの計測値は，面圧センサ

強土壁の動的遠心模型実験[13]を参考に，重力式擁ーと土圧計をそれぞれ単独で設置した際の計測値とほ壁，補強土壁ともに遠心加速度 50 G に達した常時のとんど同じであることが確認できる．さらに，面圧センサ

状態を Step 0 として，壁面変位が大きく変動するまで

ーと土圧計を併用した場合，両者の計測値は同様であとなるように定形波 (周波数 1.0 Hz) を 20 波ずつ与ることを確認した．つまり，土圧計を載荷土台に埋め込

え，加振を行った．

み，上から面圧センサーを貼付することで，両者を組み合わせた計測が可能であることを確認した．

3.2 実験結果

3. 遠心力載荷装置を用いた振動台実験

ここでは，はじめに重力式擁壁を対象に行った実験
結果を示し，開発した土圧測定システムの遠心場にお3.1 実験方法

ける適用性を示す．図 8 には，遠心力 50g 到達時において重力式擁壁に作用する土圧の分布を示す．同図

実験には，京都大学防災研究所所有の遠心力載荷より面圧測定センサーと土圧計でほとんど等しい土圧

125

ウレタンシート205(10.25)5.0(0.25)

10.0(0.50)

50(2.5)300(15.0)

45 (2.25)

加速度計
土圧計

240
(12.0)

300(15.0)450(22.5)(a) 実験模型の概略図と計測器の配置(a) 実験模型の概略図と計測器の配置

295(14.75)

295(14.75)

250(12.5)

120
(6.0)

ウレタンシート

450(22.5)

50.12
(2.5)

50
(2.5)

レーザー式変位計
面圧測定センサー

250 (12.5)

125(6.25)
45(2.25)

238(11.9)

250(12.5)

205(10.25)125(6.25)
45(2.25)

85
125 165(4.25) (6.25) (8.25)

205(10.25)10(0.50)

50 (2.5)

加速度計
レーザー式変位計
土圧計
面圧測定センサー50240120(2.5) (6.0)(12.0)

238(11.9)

4.0(0.20)

64.92(3.25)

34(1.70)

97.38(4.87)
81.15(4.06)
43.85(2.19)

15(0.75)

225.1(11.25)
192.6(9.63)
土圧計 160.2(8.01)
127.7
97.4(6.38)(4.87)
95.25
127.7(4.76)(6.38)
62.8(3.14)
30.35(1.52)
Unit : mm, ( )内はプロトタイプ寸法：[m]30(1.50)

19(0.95)
土圧計

補強材

Unit : mm, ( )内はプロトタイプ寸法：[m](b) 面圧測定センサーと土圧計の位置
図 6 遠心模型実験の概略図（補強土壁）(b) 面圧測定センサーと土圧計の位置
図 7 遠心模型実験の概略図（重力式擁壁）が計測されており，開発した土圧計測システムの遠Measuring point of Tactile sensor
K0 : Jaky's formula
KA : Rankine's formula
Earth pressure gauge

心場における有効性を確認した．また，壁面土圧の計

12

測値は，壁面上部から中部にかけては Jaky の式により

10よりも小さくなっている．これは，Jaky の式では底部の8Height [m]求めた理論値と一致しているが，壁面下部では理論値
摩擦を考慮していないためであると考えられる．
つぎに，補強土壁を対象とした実験結果を示す．図649 には各ステップの加振後における壁面土圧の分布を示す．同計測結果は面圧測定システムによる計測値で2ある．なお補強材取付位置で他よりも大きな土圧が計0 0測されているのは，センサーシートの上からボルトを用

40 80 040 80 0 40 80 0 40 800
Earth pressure [kPa]

図 8 面圧測定センサーと土圧計の計測結果（重力式擁壁，加振前）

いて補強材と壁面を固定しているためである．同図より，
Step 0 ~ Step 9 にかけて全体的に土圧が大きくなって

126

40 80

示す．土圧計は上から 2 段目の中央に位置する補強材の周辺に配置している．ここでは，補強材から土圧計までの距離を d とする．まず，図 10 (a)のグラフを用いて，同じ高さに設置された土圧計同士の比較を行う．
図 10 (a-1)より，補強材の取り付け位置と同じ高さに設置された土圧計では，加振中の t = 10.0 ~ 12.0 s において補強材から遠い位置 (d = 1.50 m) と近い位置 (d= 0.75 m) で時刻歴に位相ずれが生じていることが確認できる．一方で，図 10 (a-2), (a-3)より，補強材取付位置とは異なる高さ同士の土圧計では，補強材からの距離によらず位相のずれはわずかである．
つぎに，図 10 (b)を用いて同一垂直方向に並んだ
土圧計の時刻歴について整理する．図 10 (b-1)より，補強材取付位置と上下に並んだ土圧計では，補強材からの距離により時刻歴の位相ずれが発生していることが確認できる．一方，図 10 (b-2)のように補強材の取り付け位置と異なる同一垂直方向同士の土圧計では，ほとんど位相差がない．
図 9 面圧測定センサーで計測した加振後の土圧分布（重力式擁壁）最後に，図 10 (c)を用いて補強材から同距離における土圧計の時刻歴について整理する．図 10 (c-1) および (c-2) から，d = 0.75 m, 0.95 m，1.21m においていることが確認できる．一方で， Step 9 ~ Step 11 で位相がほとんどずれていないことがわかる．一方で，は壁面下部 (H = 2.19 m) から壁面上部 (H = 10.31

図 10 (c-3) から補強材から水平方向に d = 1.50 m 離m) にかけて徐々に土圧が減少している．これは，Step

れた位置と垂直方向に d = 1.70 m 離れた位置では位

10 および Step 11 では，それ以前よりも大きな壁面変相がずれていることが確認できる．また，補強材の上下位が発生したため，地盤の密度が低下したことが原因

方向における d = 1.70 m 離れた位置同士でも位相がであると考えられる．また，いずれの加振レベルにおいずれていることが確認できる．

ても底面から壁面下部 (H = 2.19 m) では土圧が徐々以上より，補強材の取り付け位置周辺では壁面に作に大きくなっている．これは，壁面中部から下部にかけ用する土圧が複雑に変化することが確認された．今後て徐々にはらみだすように変形したことで地盤の自重はより精緻に分析を進める必要がある．

が計測値に反映されていることが考えられる．また，各ステップにおいて補強材直下の計測点の値は同じ行

4. まとめのそれ以外の計測点の値よりも小さいことがわかる．
この結果から， 補強材直下では補強材底面と盛土と本研究では，面圧測定センサーと小型圧力計を用いの間で摩擦力が働き壁面に作用する土圧が小さくなって，新たな土圧計測システムの構築を試みた．はじめている と考えられる．

に，重力場（1g 場）においてキャリブレーションを行い，

図 10 には，Step10 を対象として，加振中に補強材周両者の感度と適正な計測条件を検討した．特に面圧測辺に設置した土圧計で計測した壁面土圧の時刻歴を定センサーにおいては，44×44 ケの計測点それぞれ

127

10

10.5

11 11.5
Time[s]
(a-1)

12

12
10
8
6
4
2
0
-2
-4

Earth pressure [kPa]

Earth pressure [kPa]

Earth pressure [kPa]

12
10
8
6
4
2
0
-2
-4

10

10.5

11 11.5
Time[s]
(a-2)

12

12
10
8
6
4
2
0
-2
-4

10

10.5

11 11.5
Time[s]
(a-3)

12

12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
10

Earth pressure [kPa]

Earth pressure [kPa](a) 同一水平方向に並んだ土圧計同士の比較

10.5

11 11.5
Time[s]
(b-1)

12

12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
10

計測できない土圧計
補強材位置

10.5

11 11.5
Time[s]
(b-2)

12

10

10.5

11 11.5
Time[s]
(c-1)

12

12
10
8
6
4
2
0
-2
-4

Earth pressure [kPa]

12
10
8
6
4
2
0
-2
-4

Earth pressure [kPa]

Earth pressure [kPa](b) 同一垂直方向に並んだ土圧計同士の比較

10

10.5

11 11.5
Time[s]
(c-2)

12

12
10
8
6
4
2
0
-2
-4

10

10.5

11 11.5
Time[s](c-3)12(c) 補強材からの距離が等しい土圧計同士の比較
図 10 補強材周辺の土圧計の時刻歴に個別の構成係数を用いて校正することで，特に静的謝辞な条件において精度よく土圧を計測できることを確認し本研究は，公益財団法人関西エネルギー・リサイクル

た．また，開発した土圧測定システムでは，面圧測定セ

科学研究振興財団の助成を受けて行いました．また，ンサーと小型圧力計を併用した場合も，互いに計測値

本研究に協力していただいた，元 京都大学大学院工に影響を及ぼさないことを確認した．つぎに，実構造物

学研究科大学院生の宮﨑紀光さんに厚く御礼申し上の応力状態を再現するため，遠心力50g 場において振げます．

動台実験を実施し，補強土壁の壁面に作用する動土圧の計測を試みた．その結果，壁面変位と壁面土圧の

参考文献：

関係が，補強材からの距離により異なることを確認し

[1]

た．

Kuwano, J., Miyata, Y. and Koseki, J.: Performance ofreinforced soil walls during the 2011 Tohoku earthquake,
Geosynthetics International, Vol.21, No.3, pp.179-196, 2014.

128

[2]

伊藤修二，辻 慎一朗，久保哲也，廣田慎司：熊本地震に壁工指針，2012.
[13] 榎本忠夫，中島進，佐々木哲也：分割型壁面のジオテキス

よる補強土壁の被災調査結果，ジオシンセティックス論文[3]集，Vol.31, pp.227-234, 2016.

タイル補強土壁に関する動的遠心模型実験 (その 1 実験

中島進，藪雅行，石原雅規，佐々木哲也：模型実験・地震条件および遠心力載荷時の安定性), ジオシンセティック

被害事例の解析による道路構造物としての補強土壁の耐ス論文集，Vol.25, pp. 161-168, 2010.

震性の評価，土木技術資料，Vol.54-9, pp.38-41, 2012.
[4]

[5]

Sawamura, Y., Shibata, T. and Kimura, M.: Mechanical role

成果発表：

of reinforcement in seismic behavior of steel-strip reinforced

Miyazaki, N. and Sawamura, Y.: Development of a earth

earth wall, Soils and Foundations, Vol.59, No.3, pp.710-725,

pressure measurement system using a tactile pressure

2019.

sensor and compact pressure gauges, Proc. of the 33rd

宮崎紀光，澤村康生，宮崎祐輔：動土圧の測定を目的とし

KKHTCNN Symposium on Civil Engineering, KU-037,

た面圧測定システムの遠心模型実験への適用性，2021 年

2022.

度土木学会関西支部年次学術講演会，Ⅲ-15, 2021.
[6]

宮崎紀光・澤村康生・宮崎祐輔：帯鋼補強土壁の補強材周辺に作用する動土圧に関する遠心模型実験，第 56 回地
盤工学研究発表会，No.13-7-3-05, 2021．

[7]

Palmer, M. C., O’Rourke, T. D., Olson, N. A., Abdoun, T., Ha,
D. and O’Rourke, M. J.: Tactile Pressure Sensors forSoil-StructureInteraction

Assessment,

Journalof

Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.135,
No.11, pp.1638-1645, 2009.
[8]

Olson, S. M., Hashash, Y. M. A., Muszynski, M. R., Phillips,
C., and Polito, C.: Using tactile pressure sensors to measurelateral spreading-induced earth pressures against a large rigid
foundation, Proceedings of the Fifth International Conference
on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineeringand Soil Dynamics, S. Prakash, Ed., pp.1-10, 2010.

[9]

Gillis, K., Dashti, S. and Hashash, Y. M. A.: Dynamic
calibration of tactile sensors for measurement of soil pressuresin centrifuge, Geotechnical Testing Journal, Vol.38, No.3,
pp.262-274, 2015.

[10] Madabushi, S. S. C., and Haigh, S. K.: Using pressure sensors
to measure dynamic earth pressures around dual-row walls,
International Journal of Physical Modelling in Geotechnics,
Vol.19, Issue 2, pp.58-71, 2018.
[11] 一般財団法人 土木研究センター：補強土 (テールアルメ)
壁工法設計・施工マニュアル 第 4 回改訂版，2014.
[12] 公益社団法人 日本道路協会道路土工：道路土工 ― 擁129

公益財団法人 関西エネルギー・リサイクル科学研究振興財団
大阪市西区靭本町1丁目8番4号 大阪科学技術センタービル607号室 〒550-0004
TEL：06-7506-9068 FAX：06-7506-9069

https://www.krf.or.jp

e-mail:info@krf.or.jp

2024.3