令和２年度
都城高専専攻科研究発表会・梗概集
日時

令和 2 年 12 月 18 日

場所

専攻科棟 2 階多目的ホール

日程表
時刻

内

容

10:30
10:45

開会

主催者挨拶

10:45
12:00

セッションⅠ
機械電気（機械）工学専攻

12:00
13:00

休憩

13:00
13:45

セッションⅡ
機械電気（電気）工学専攻

13:45
13:50

休憩

13:50
14:50

セッションⅢ
物質工学専攻

14:50
15:00

休憩

15:00
16:00

セッションⅣ
建築学専攻 口頭発表（15 分×4 件）

16:00
16:10

閉会

口頭発表（15 分×5 件）

口頭発表（15 分×3 件）

口頭発表（15 分×4 件）

主催者挨拶

1

セッションⅠ 口頭発表（15 分×5 件） 機械電気（機械）工学専攻
番
号

時刻

タイトル

発表者
ページ番号

1

10:45

ソフトロボティクスを用いた新しいロボットハンドグリッパ

専攻1年 荒武大地
P4～P5

の開発
2

11:00

多軸鍛造を施した AZ31 マグネシウム合金の極低温下における引張破壊特性3

11:15

AZ31Mg 合金の円周切欠き付近における応力三軸度による延性
破壊特性

11:30

4

矩形サーモサイフォン凝縮部に着目した熱伝達特性に関する
研究

5

11:45

専攻1年 野中海杜
P6～P7
専攻1年 廣池敬太
P8～P9
専攻1年 福島聖P10～P11
専攻2年 結城秀麻P12～P13飫肥杉晩材部における引張挙動

セッションⅡ 口頭発表（15 分×3 件） 機械電気（電気）工学専攻
番号

時刻

タイトル

発表者
ページ番号

1

13:00

LPWA 及び ToF センサを用いた飼料の残量測定及び回路の低専攻2年 遠矢健太
P14～P15

消費電力化の検討
2

13:15

戦略的な地産地消のための就農支援ツールの開発のためのデータ分析に関する研究

3

13:30

スマートミラーを用いた表情認識による体調推定法の確立

専攻2年 湯之前翔大
P16～P17
専攻2年 吉永一樹
P18～P19

セッションⅢ 口頭発表（15 分×4 件） 物質工学専攻
番号

時刻

タイトル

1

13:50

細胞骨格関連タンパク質の構造変化と機能について

専攻2年 岩川凌
P20～P21214:05

酸化水酸化鉄を固定化したマイクロカプセルを用いたヒ素専攻2年 黒木慎一
P22～P23

の吸着
3

14:20

TiO2 によるスチレン誘導体とアセトニトリルからのγ-ケト
ニトリルの合成

4

14:35

Pt/TiO2存在下でのアセトニトリルを用いたインドールの直接的シアノメチル化反応

2

発表者
ページ番号

専攻2年 後藤光貴
P24～P25
専攻2年 中村隼人
P26～P27

セッションⅣ 口頭発表（15 分×4 件） 建築学専攻
番号

時刻

タイトル

1

15:00

地方都市に建つ免震建物における免震層内の調査研究

専攻2年 甲斐大也
P28～P292

15:15

400N級建築構造用鋼材のひずみエネルギー量のばらつきに関

専攻2年 徳留光祐
P30～P31

する基礎的研究3

15:30

地方都市における空間的ストック発生要因に関する研究―宮崎県
都城市を対象として―

4

15:45

ローマとアウグストゥス神殿におけるモールディングの復元

3

発表者
ページ番号

専攻2年 長友駆
P32～P33
専攻2年 匹田瑛志
P34～P35

ソフトロボティクスを用いた新しいロボットハンドグリッパの開発
Development of a new robot hand gripper by use of soft robotics
機械電気工学専攻 荒武 大地（指導教員：土井 猛志）
ARATAKE Daichi, Advanced Course of Mechanical and Electrical Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
In recent years, soft robotics based on flexible structures and materials is spotlighted again. In soft robotics, soft
materials such as rubber are used. Most of the soft robot gripper used for the end actuator of the robot arm have ashape such as the human hand. However, it is difficult to grip a long object such as a pot and a bottle using it, andan exclusive gripper is necessary. In this paper, a gripper shaped like an elephant's trunk is proposed so that it canstably grip objects of various shapes including long objects. This gripper is made of silicone rubber and runs oncompressed air. Through the experiment of the gripper which I produced experimentally, the relationship between
positions of the load pressure and deformation direction and the relationship between pressure and deformation
were investigated. As a result, it was confirmed to be able to deform the prototype gripper like an elephant's trunk.
In addition, this gripper was able to grip the object of several kinds of different shapes.

Key Words : Soft robotics, Soft pneumatic gripper, Compressed air

１．はじめに膨張していない部分と膨張している部分の体積差によってシリコン棒が曲がるように変形する（図 1.b）。

これまでのロボットは，硬質な手触りの金属で作られているものが大半である。一方で，ソフトロボ
ティクスは柔らかい素材を用いてロボットを作ろうとする学問であり，近年注目を集めている[1]。

空気穴

この学問は食品加工現場や介護現場など，様々な分野への応用が期待されている。本研究ではロボッ
トアームに取り付けられる物をつかむための新しい
グリッパについて研究開発を行う。

(a)軸方向の断面図
図1２．研究内容２．１

本研究の主な概要(b)加圧時の変形
動作原理

本研究で製作するグリッパは，人間の手のような提案するグリッパは 3 段のシリコン棒を用いるこ

形ではなく，象の鼻のような構造を持っている。そとから，圧縮空気を送る空気穴は全部で 12 個（一段れをロボットアームの先端に取り付け，様々な形状

あたり 4 穴×三段）あり，圧縮空気の流路と弁はそのものを巻き取るように把持，運搬することを目的

れぞれ 12 個ある。図 2 に試作した三段式グリッパとしている。

の構造および寸法を示す。

２．２

動作原理および全体の構造

本研究で開発するグリッパは，同一曲率で曲がる
シリコン棒を三段で連結させた構造とする。1 つ 1
つのシリコン棒には，その軸方向（長手方向）に同
心円状に偏心配置した 4 つの空気穴（図 1.a：片側端部は閉鎖）を設け，開放側から圧縮空気を送り加圧する。その結果，空気穴部分が膨張し，この部分が(a)全体の構造(b)各部寸法
図 2 全体の構造および寸法

シリコン棒の軸中心より偏心していることにより，

4

２．３

連結について４．２

シリコン棒の圧力と変形量の関係

シリコン棒同士の連結は，シリコンゴムで製作しシリコン棒の空気穴に圧縮空気を送ると，ほぼ同たパーツを用いる。高い伸縮性を有するシリコンゴ

一曲率で変形をする。送る圧縮空気の圧力を高くす

ムの特性を生かして，脱着が可能なようにはめ合わると，変形量は大きくなる（図 7，8）。また，圧縮空せて連結している。各段のエアチューブは，シリコ

気を送る空気穴の数を 1 つではなく 2 つにすると，

ン棒の中空部を通している。連結部と配管について，同じ圧力でも変形量が大きくなる。

図 3 に示す。
0.25M
一段目のエアチューブ

固定側

a

最上段

二段目の
エアチューブ

0.15MPa

中段

三段目のエアチューブ(a)連結部P

0.20MPa

0.10MPa

最下段
先端部

図7

0.10MPa 加圧

図80.05MPa

0MPa

圧力と変形量(b)エアチューブの配管
図3４．３

連結部と配管

三段連結時のグリッパの動作

シリコン棒を三段連結させ動作させたときのグリ

３．製作

ッパの様子を図 9 に示す。製作したグリッパは象のグ リ ッ パ は シ リ コ ンゴム で 製 作 し ， 全 長 は 約

鼻のような動きを実現できている。

460mm で重量は 173g である。表 1 にグリッパの仕様，図 4 に完成したグリッパを示す。
表1

グリッパの仕様

圧縮空気の使用範囲

ゴム硬度

流路

0~0.35MPa

18

12 本

(a)動作の様子
図9４．４(b)把持の様子

グリッパの動作の様子

電磁弁を用いたときのグリッパの動作

電磁弁とジョイスティックコントローラを用いてグリッパの操作を行った。以前より動作が滑らかで，自由度の高い操作性を実現できた。
図4完成したグリッパ
５．結言

４．評価と考察
４．１

成形したシリコンゴムと圧縮空気を用いることで，シリコン棒の加圧穴と変形方向の関係

象の鼻のような動きをするグリッパを作成すること

シリコン棒に加圧した際に変形する方向は圧縮空ができた。また，その一部に対しコントローラを用気を送る空気穴の反対の方向となる（図 5）。2 つのいて操作することもできた。今後，グリッパ全体に

空気穴に圧縮空気を送ると，圧縮空気を送った 2 つ対しコントローラを用いて制御し，さらにグリッパの空気穴の反対の方向へ変形する（図 6）。

に各種センサを取り付けることで，より正確に物体の把持が実現できるよう能力向上を図る予定である。
参考文献[1] Sangbae Kim ほか 2 名，Soft robotics :a bioinspired

●：加圧穴

図5

1 つの空気穴●：加圧穴

図6

evolusion in tobotics，Cell press

2 つの空気穴

5多軸鍛造を施した AZ31 マグネシウム合金の極低温下における引張破壊特性
Tensile Mechanical Properties of MDFed AZ31 Magnesium Alloyat Cryogenic Temperature
機械電気工学専攻 野中 海杜（指導教員：高橋 明宏）
Kaito Nonaka, Advanced Course of Mechanical and Electrical Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract

Magnesium (Mg) alloys are low density and have higher specific modulus and strength than several metallic
materials such as aluminum alloy，steel and other engineering materials．Demand for Mg alloys is increasing inmany industrial fields．In particular，Mg is weight saving of traffic transportation expected to improve the fuelefficiency．However，Processing of Mg at room temperature is difficult because the crystal structure of Mg is theclosest hexagonal crystal phase．In recent years，researches on improving properties of plastic processing due tograin refinement are actively studied．As researches on the grain refinement of Mg and Mg alloy，MDF(Multi
Directional Forging) is attracting the most attention．
Therefore，aims of this work are to investigate the quasi-static tensile property and fracture behavior of the hotextruded and MDFed Mg alloys at two testing temperature points of 77K and room temperature．Quasi-static
tensile test was carried out at room temperature (298K，20 ℃) and liquid nitrogen temperature (77K，-196 ℃)．
After tensile test ， fracture surface of each tested specimens was observed by SEM (Scanning Electron
Microscope)．

Key Words : Magnesium Alloy, MDF, Cryogenic Temperature, Tensile Property, Fracture behavior
１．はじめに形態および引張特性に及ぼす試験温度の影響についマグネシウム(Mg)合金は実用金属中最も軽い金て調査したので，それを報告する。

属であることから，構造用材料としての利用が期待されている 1)。特に自動車、航空宇宙，船舶，鉄道な

２．実験方法どの交通輸送機器の軽量化が達成できれば，当然燃

２．１

試験材料

費向上に大きく貢献できる。しかしながら Mg の結試験材料は熱間押出製 AZ31Mg 合金である。
また，晶構造は最密六方格子であり，室温での塑性加工が本研究では MDF を施していない試料（熱間押出材）困難であるという欠点がある。そのため，体心立方および, MDF を 1 回から 5 回まで施した MDF 材を格子（スチール）や面心立方格子（Al）に比べて，用いた。以後これらの試料を初期材，1pass 材，2pass

Mg 合金への実用的な冷間圧延や押出加工への適用

材，3pass 材，4pass 材，5pass 材と略記する。

に制限がある。しかしながら機械構造・機構の軽量化が期待されているため，Mg 合金の塑性加工性の

２．２

引張試験片

図 1 に引張試験片の形状及び寸法を示す。

改善とそのための加工技術開発が一層重要になってきている。
近年，強加工を施して高ひずみを金属・合金内に導入し，結晶粒微細化によるミクロ組織や塑性加工
特性改善を目指した研究が盛んに行われている 2)。
Mg およびその合金の結晶粒微細化に関する研究として多軸鍛造(Multi-Directional Forging, MDF)3)があり，最も実用的な強加工技術として注目されている。

図1

本研究では多軸鍛造を施した AZ31Mg 合金の破壊

6

引張試験片の形状及び寸法（mm）

２．３

引張試験方法プルが支配的な破面が確認された。これに対して，

常温下における引張試験には, 万能試験機を用い

図 3（c）の極低温下での初期材の破面では, 常温とた。 荷重の計測にはロードセル, 変位の計測にはビは異なり, ディンプルは確認されず，一部の領域に

デ オ 式 非 接 触 伸 び 計 を用い た ， 荷 重 負 荷 速 度 は脆性破壊を示すへき開が支配的な破面が確認された。

1mm/min として実施した。

また，図 3（b），（d）の常温及び極低温下での 5pass

極低温下における引張試験では，試験温度を 77K

材の破面では，どちらも粒界破壊を示唆する平滑なに保つための冷媒に液体窒素を使用し, 温度測定に破面であると確認された。これらのことから，結晶は白金系熱電対を使用した。液体窒素を保持するた

粒微細化に伴い，粒界すべりが活発になったためにめに, 自作のクライオスタット容器を作製した。

4)，破壊形態が粒内破壊から粒界破壊に変化したと考

えられる。
２．４

破面観察

引張試験後の試験片の破面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope / SEM）で観察した。
試験片破面に付着したコンタミネーションを除去するため, SEM 観察前にエタノールを用いて 5 分間の超音波洗浄を行った。
３．実験結果及び考察
３．１

引張試験

図 2 に極低温下における初期材及び MDF 材の応力―ひずみ線図を示す。この結果より，すべての試
験片において, 常温下と比較すると延性が著しく低
図3

下し, 引張強さ, 0.2%耐力, ヤング率が著しく増加し常温及び極低温下での引張試験後の初期材
及び 5pass 材の破面ていることに加え, 最大応力点での破断が確認された。また，1pass 材から 4pass 材を見ると，鍛造回数が増える毎に引張強さが増加していることが確認さ４．まとめれた。さらに，常温下での応力―ひずみ線図では確（1） 応力－ひずみ線図より，すべての試験片にお認されなかったセレーションが確認された。

いて, 常温下と比較すると延性が著しく低下
し, 引張強さ, 0.2%耐力, ヤング率が著しく増加していることに加え, 最大応力点での破断が確認された。
（2） 破面観察より，結晶粒微細化に伴い，粒界すべりが活発になったために，破壊形態が粒内破壊から粒界破壊に変化したと考えられる。
５．参考文献1） 日本塑性加工学会，マグネシウム加工技術，（2004），16.
2） M. Umemoto ， Nanocrystallization of Steels by
Severe Plastic Deformation，Matter．Trans．Vol．

図2

極低温下における初期材及び MDF 材の44，（2003）， 1900‐1911．
3） J．Xing，X．Yang，H．Miura and T．Sakai，

応力―ひずみ線図

Mechanical Properties of Magnesium Alloy AZ31
３．２

after Severe Plastic Deformation，Matter．Trans．

破面観察

J，Vol．49，（2008），69‐75．

図 3 は常温及び極低温下での引張試験後の初期材

4） H. Miura，G. Yu，X. Yang，Mater. Sci. Eng. A 528

及び 5pass 材の破面を示している。図 3（a）より，（2011） 6981.

常温下での初期材の破面では延性破壊を示すディン

7

AZ31Mg 合金の円周切欠き付近における応力三軸度による延性破壊特性
Ductile Fracture Characteristic by Stress Triaxiallyaround the Circumferential Notch in AZ31 Magnesium Alloy
機械電気工学専攻 廣池 敬太（指導教員：高橋 明宏）
Keita HIROIKE, Advanced Course of Mechanical and Electrical Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
Magnesium alloys are expected to be applied to complex shapes to improve fuel consumption from the point of
global environmental protection. Ductile fracture characteristics were evaluated based on the effect of stresstriaxiality on the ductility and fracture behavior of the circumferential notch at the time of fracture, which has notbeen clarified. The load-unload test was carried out the tensile test, and the comparison was made by changing thecircumferential notch radius to R = 1, 3, 6 and 12. As a result, it was found that the effect of stress triaxiality increased
with decreasing the notch radius, and the fracture mode changed from ductile fracture to shear fracture.

Key Words : Magnesium alloy, Ductile fracture characteristics , Stress triaxiality

1．はじめに

2．実験方法マグネシウム（Mg）合金の比重は鉄鋼材料の 22%、

2.1 供試材料

Al 合金の 63%である。構造用材料の軽量化に寄与す

本 研 究 で用 い た 供 試 材料 は 、 熱 間 押 出 し 製 のるとともに、強度、放熱性、電磁波遮熱性や切削加AZ31Mg 合金である。なお、ミクロ組織観察の結果

工性にも優れた特性を有する。そのため、デジタルより一部粗大粒の形成が確認され、第二相粒子の存

ビデオカメラ、ノートパソコン、スポーツ用品など

在がそれほど多くないことが分かった。

[1]の民生分野への用途が広がりつつある 。しかしながら、Mg 合金は鉄鋼材料や Al 合金に比べて室温延2.2 引張試験片性や靭性に劣っている。その他、加工性、耐食性、本研究で使用した円周切欠き付き試験片の形状お耐熱性などの諸特性の低さが挙げられる。特に室温よび寸法を図 1 に示す。円周切欠きはマシニングセ

での低延性の要因は、Mg 合金の結晶構造が六方最ンタを利用して導入した。円周切欠き R は R=1,3,6密構造であるため、室温付近で活動する結晶学的すおよび 12 とし、応力三軸度を変化させた。また、比べり系が限られるためである[2]。しかしながら Mg 合較のために平滑な丸棒引張試験片を準備した。

金は軽量でリサイクル性に優れた環境配慮材料として注目され、需要や適用拡大が予測される。軽量化
達成の手段として、材料置換と同時に部品点数を少なくした合理化設計が行われると、新規部品は複雑な曲線形状を成すものが多くなってくる。そのために、延性および破壊挙動などの材料特性に及ぼす応力集中現象を明らかにすることが重要になる。しかし Mg 合金の延性および破壊挙動に及ぼす応力三軸

図1

円周切欠き丸棒試験片の形状および寸法度の影響に関する研究は多くはない。そこで本実験
では、AZ31Mg 合金の円周切欠き丸棒試験片を用い

2.2 引張試験て引張試験を行い、有効塑性ひずみに基づく真応力

引張 試験 には 、万 能引 張試験 機 ( 島 津製作 所 ,-真ひずみ線図を取得し、破壊発生時の強度に及ぼす

AUTOGRAPH, AG-1, 容量 250kN)を用い、荷重負塑性拘束の基礎的検討を行った。

荷速度 1mm/min で実施した。
なお、荷重負荷は load-8

unload を繰返し行い、一旦試験を中断するごとに試

Al-Li 合金とは似た減少傾向を示したが、球状黒鉛

験片の最小直径と荷重の測定を行った。この時に計鋳鉄よりは緩やかであった。これは、球状黒鉛鋳鉄

測した最小直径は、真応力を計算するときに用いらの方が応力三軸の影響を強く受けていることが考えれる最小断面積となる。荷重の測定にはロードセル、られる。

円周切欠きにおける最小直径の測定には透過型レー
ザー変位計(KEYENCE, IG-028)を使用した。有効塑性ひずみ𝜀𝑝 は、下式(1)の Bridgman の解[3]に基づいて計算した。
𝑑0
𝜀𝑝 = 2𝑙𝑛 ( )⋯ (1)𝑑
ここで、d0 は円周切欠き部の初期直径、d は各停止時における最小直径の実測値である。
図3

有効塑性ひずみに及ぼす応力三軸度の影響

実験結果および考察
3.1 有効塑性ひずみと応力三軸度の関係

3.2 破面観察

各円周切欠き丸棒試験片および平滑な丸棒引張試

図 4 に R=1 及び R=12 の破面写真を示す。R=1 で験片の引張試験結果を図 2 に示す。真応力は、時々は結晶構造平面すべりが発生していると考えられる

刻々の荷重を最小断面積で除することで求めた。な

破面が確認できた。これは、R=1 では引張軸方向及

お真ひずみは引張変形中の体積不変の法則によって、

び円周方向応力の影響を強く受けており、円周切欠

最小直径部の変化量を基に算出できる。図 2 の結果

き付近は多軸応力状態となり、破壊形態がせん断的より、円周切欠き丸棒試験片では、円周切欠き R の破壊に及んだと考えられる。それに比べ、R=12 では低下に伴い真応力は増加し、変形抵抗が増大した。

R=1 とは異なり、ほぼ一軸応力状態となっていると

これは、円周切欠き R が低下すると、より大きな塑

推察できるため、ディンプルを中心に延性破壊に及性拘束が作用するからであると考えられる。本研究んだと考えられる。

では、塑性変形に対する応力三軸度の影響を基に延性破壊特性を評価した。応力三軸度𝜎𝑚 /𝜎は、円周切欠きの最小断面半径 a と円周切欠き R を用い、下式(2)の Bridgeman の式[3]より算出した。
𝜎𝑚 1
𝑎= + ln (1 + )
𝜎
3
2𝑅

⋯ (2)
図4

引張試験後の破面観察結果

4.まとめ
1.円周切欠き R の低下に伴い、有効塑性ひずみと延性の低下し、応力三軸度の影響は増加する。
2.円周切欠き R=1 は、せん断的破壊を呈し、R=12
は、ディンプル支配型の延性破壊が生じた。
図2

各円周切欠き丸棒試験片と平滑引張試験片

参考文献[1]工業材料, 日刊工業新聞, vol.50, No.8, pp.18-24の真応力-真ひずみ線図[2]服部敏雄, 川田宏之, 田川哲哉, 東郷敬一郎, 中有効塑性ひずみに及ぼす応力三軸度の影響を図 3

井善一, 三浦秀男:破壊力学大系(2012), 株式会社エに示す。結果として、円周切欠き R の減少及び応

ヌ・ティー・エス, pp.454-462

力三軸度の増加に従い、有効塑性ひずみが減少する[3]T.Kobayashi, Y.Muranaka and S.Yamada, Effect of

傾向を示す。つまり円周切欠き R が小さいほど、Stress Triaxially and Matrix Microstructure on Ductile

円周切欠き周辺では、応力三軸度の及ぼす影響に敏Fracture in Ductile Cast Iron, Journal of Japan Foundry

感であり、低延性であることが考えられる。なおEngineering Society, vol.69, No.11(1997), pp.924-929

9矩形サーモサイフォン凝縮部に着目した熱伝達特性に関する研究
Heat Transfer Characteristics on Condensation Section of Rectangular Thermosyphon
機械電気工学専攻 福島 聖（指導教員：白岩 寛之）
AKIRA Fukushima, Advanced Course of Mechanical and Electrical Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
This paper describes experimental investigations of how the inclination angle in parallel direction to the plate ofa rectangular thermosyphon affects the heat transfer characteristics. In this study, we first designed andmanufactured an experimental device that imitates a rectangular thermosyphon condensation section. Then we
considered the effect on the heat transfer characteristics when the inclination angle of the heat transfer plate ischanged. Steam is supplied from the boiler, and cooled by cooling water flowing through the back of the heattransfer plate. The cooling water temperature and its flow rate were kept at 10℃ and 5.0 L/min. The experimental
device was insulated and the temperature was measured at 27 points in the heat transfer plate using a K-type
thermocouple. The heat transfer coefficients tilted at every 15 degrees from 0 to 90 degrees were evaluated, and theheat transfer characteristics of each inclination angle were compared with one another.
Key Words : Rectangular thermosyphon, Inclination angle, Heat transfer characteristics

１．はじめに部を模擬した凝縮

近年の省エネルギー化推進の一つの方法として，器④，伝熱板⑤，冷温泉などの地熱や工場の排熱を再利用するために少却水循環装置⑨とない熱損失で大量の熱を輸送できるヒートパイプがその他の装置より注目されている。

構成される。ボイラ

サーモサイフォン型ヒートパイプ(以下，サーモサに付属された各ゲ

イフォン)は，容器に少量の液体を入れ，真空にしてートバルブを調整密封し，下部の蒸発部を加熱して内部の液体を蒸発することにより，実させ，上部の凝縮部に運ぶことで，外部動力を使わ

験中の凝縮器内部ずに非常に高速で熱を輸送させることのできる装置に流入する蒸気流である。設置費用が安価であること，メンテナンス量を任意の範囲内[1]

性が高いこと ，矩形型にすることによる省スペーで調整できる構造

ス化によってバイナリー発電などの熱輸送装置としとした。配管，凝縮ての普及が期待される。

器は断熱しており，

本研究では，重力の作用による凝縮液の還流を行

図 1 実験装置全体図

冷 却 水 は 冷 却 水循うことにより，ウィック等の毛細管構造を必要とせ

環装置⑨内の水槽より凝縮器内に供給され，伝熱板ず，構造が単純であるサーモサイフォンに着目し，⑤を冷却する。冷却水流量は流量計，ゲートバルブ

水を作動流体とする矩形サーモサイフォン凝縮部をⅣによって調節し，冷却水循環装置⑨により温度調模擬した実験装置を設計，製作し，伝熱板に対し平節を行っている。

行方向の傾斜角を変化させた場合の熱伝達特性への

２．２

凝縮器

図 2 に図 1 中の凝縮器④の詳細図を示す。サーモ

影響を検討する。

サイフォン内部を模擬するため，厚さ 10 mm の透明
２．実験装置および方法

ポリカーボネート板で製作した角型容器（70 × 220 ×

２．１

105 mm）により，伝熱板全体を覆う構造とした。凝実験装置

図 1 に実験装置全体図を示す。実験装置は，水蒸

縮器内部の伝熱面液膜，水蒸気流観測のため透明板

気ボイラ①，減圧弁③，矩形サーモサイフォン凝縮を用いることにより可視化を行っている。実験時に10

はドレンが内部に滞留

３．実験結果および考察
図 4 は，平均熱伝達率 hm と傾斜角 θ の関係を示しするため，ドレン排出口ている。図の縦軸の平均熱伝達率 hm は，各傾斜角 θを設けた。
また，凝縮器は固定装における図 3 中の温度測定位置①～⑨各点の局所熱置に取り付け，傾斜角固伝達率 hx の平均値である。図中の実線は実験値の傾定のため，伝熱面に対し向曲線である。

平行方向に 0 °（鉛直方

図 4 より，傾斜角 θ が大きくなるに従って平均伝向）から 90 °（水平方向）

達率 hm は大きくなることが分かる。
傾斜角 θ=0°(鉛まで 15°毎に変更可能な直)の場合と比較して，θ=75°の場合では平均熱伝傾斜固定板を凝縮器背達率 hm は約 72.3％増加した。傾斜角 θ が増加するこ

図 2 凝縮部詳細図[2]面に設置した。 凝縮器とにより平均熱伝達率 hm が大幅に増加する理由との固定装置は今後の研究を考慮し，伝熱板のアスペして，伝熱板を傾斜させることにより液膜の流下距

クト比を変更した場合でも取り付け可能な設計を行

離が短くなり，伝熱板全体の平均液膜厚さが薄くなった。

るためであると考えられる。

２．３

伝熱板

図 3 に伝熱板の温度測定位置を示す。
凝縮器④内の伝熱板⑤は 200 × 50 × 10mm（アスペクト比
4 : 1）の銅板（無酸化銅製）を使用し，正面図の左上端を原点として，y 方向に
30，100，170 mm の位置で 3 地点ずつ測図4

図 3 伝熱板温度測定位置

平均熱伝達率 hm と傾斜角 θ の関係定するため，合計 9 地点に穴加工を行った。また，それぞれの地点で z 方向に 2.5，5.0，7.5 mm の 3 点

４．おわりにずつ設け，伝熱板全体で 27 箇所に熱電対挿入穴を加実験により，伝熱面に対し平行方向に伝熱板を傾工し，温度の測定を行った。

斜させた場合，傾斜角 θ の増加とともに平均熱伝達率２．４hm が増加することが分かった。

評価方法

温度変化周期が安定している 1000 秒間におけるまた，本研究ではドレンの滞留により傾斜角 θ=90°

測定結果をデータ解析に用いる。伝熱板厚さ方向のにおいて実験データが十分に測定できなかったこと，

測定点 3 点の温度から，温度Tと測定位置zのグラフ

および凝縮器への水蒸気の流入流速が速すぎること

による近似直線を作成し，傾きaと切片bを求める。

が課題として挙げられた。現在，傾斜角が大きくなっ

切片bが伝熱板における水蒸気側の表面温度となる。

た場合のドレンの排出方法の改善や，蒸気流入口に傾きaから，式(1)を用いてフーリエの法則より局所整流板を設けることによる流れ模様の一様化を検討

2

熱流束 qx[W/m ]を求める。
qx  

中である。

dT
d (az  b)   a
dz
dz

(1)

参考文献

局所熱流束 qx から，式(2)を用いてニュートンの冷[1] 池田義雄,伊藤謹司,槌田昭:ユーザーのためのヒ

2

却則より局所伝達率 hx[W/(m ・K)]を求める。
hx qx(Tv  Tw )ートパイプ応用,(1981),学献社,pp.11-13.
[2] 中岡裕貴,細川力,白岩寛之,密閉型矩形傾斜サー(2)

モサイフォンの熱輸送特性に関する実験的検討,日本機械学会講演論文集,(2009), pp. 11-19.

11飫肥杉晩材部における引張挙動
Tensile Behavior in Latewood of Obi-Cedar
機械電気工学専攻 結城 秀麻（指導教員：高橋 明宏）
Shuma YUKI, Advanced Course of Mechanical and Electrical Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract

Wood is used as a structural material for houses even nowadays when advanced materials have been developed.
To achieve the demand for domestic wood and its effective industrial application, it is required to improve the design
technology of wood products. However, wood is less ductile than metal material, and its mechanical properties are
significant anisotropy and individual differences. Therefore, it is important to investigate tensile properties of eachtissue microstructure in detail to establish the basic data of mechanical properties and to elucidate the deformationand fracture behavior from the initiation to propagation. In this study, a new method for preparing tensile specimen
was proposed for latewood in wood, and mechanical properties and fracture behavior were investigated. As a result,mechanical properties of the latewood depend on the orientation of tracheid and ray tissue.

Key Words : Latewood, Tensile Test, Mechanical Property, Japanese Cedar, Fracture Behavior
引張特性の試験方法（JIS R7606：2000）を参考にし

１．はじめに
木質材料は古くから建物、橋梁、船舶等の構造材てきたが、今回、新たに引張試験片の作製方法を提料として利用されてきた。先進材料が発達した現在案する。そして、その試験片を用いたときの力学的においても、家屋などの数多くの軽構造は木造であ性質および変形破壊挙動について調査を行ったので、る。今以上に木材の需要と工業的な有効活用を高め

それらについて報告する。

るため、木材製品の意匠技術向上が求められている[1]

2．実験方法2.1 引張試験片。しかし木材は金属材料に比べて延性に乏しく、力学的性質の個体差と異方性が著しい材料である。そのため加工の適正さ、すなわち成形加工限界を把握

本実験で使用した木材は樹齢 40 年の国産飫肥杉

し高い意匠性を可能にする設計指針が定めるには、である。その木材を柾目方向に 5mm 幅の切断を行

組織構造ごとの引張諸特性を詳細に調査し、力学的い、続けてカンナ盤で 3mm 幅になるように加工を性質の基礎データを構築するとともに、変形応答と施した。次に、3mm 幅に加工した木材からカッター

破壊発生から伝播までの破壊挙動を解明することがとサンドペーパーを用いて放射方向に厚さ 0.2±重要である。更にこれらの包括的な知見が、木材製

0.05mm、接線方向に幅 3±0.5mm、繊維方向に長さ

品の耐久性や機能性を高め、国連が掲げる SDGs の達130mm、標点間距離 70mm である。晩材引張試験片成に寄与すると考えられる。本研究室では長年にわを慎重に作製した。加工ひずみを取り除くことを目たって木材組織、特に早材と晩材の機械的性質を明的として、常温の水に 3 時間以上浸し、その後大気らかにし、各学協会で研究発表を行ってきた[2]-[4]。両中にて一昼夜乾燥を行った。引張試験片の端部をエ

者の高精度な力学的性質を評価するにあたり、これ

ポキシ系樹脂接着剤にて一様な厚さで固定した。図まで規格化されていない試験方法の確立、そして成2.1 は最終的な引張試験片の形状および寸法である。

果として得られたデータは有限要素解析などの構造解析の入力値として重要であり、新たな木材利用技術への期待が高まると予想される。
本研究では、木材の晩材に関する引張試験方法が
図 2.1

確立されていないため、これまで炭素繊維-単繊維の12引張試験片の形状および寸法（mm）

2.2

引張試験

図 3.2 は引張試験後の代表的な破壊形態を示した

引張試験は万能試験機((株)島津製作所,EZ-SX,容ものである。これは前述の図 3.1 と対応するもので、

量 500N)を用いて実施した。荷重の測定はロードセ(a)主応力破壊は引張方向に対して垂直に、(b)せん

ル、変位の測定はビデオ式非接触伸び計((株)島津製

断破壊は引張方向から 10～20 度の角度を持って、せ作所,DVE-101/201)を用いて行った。縦ひずみは、得ん断的に破壊した。晩材内部の仮道管が、繊維方向られた変位を標点間距離 70mm で除することで求めに螺旋状に破壊しているものが多く見られた。これた。また、ヤング率は変形過程のひずみが 0.0005 かは、仮道管二次壁には細胞のまわりを螺旋状に配向

ら 0.0025 の弾性変形領域内に示される応力-ひずみするミクロフィブリルに沿って破壊したためと考え

線図から線形近似によって求めた。引張負荷速度はられる。

1mm/min とし、室温大気中にて引張試験を実施した。

晩材の破壊形態の観点に基づき変形破壊挙動を考察する。晩材は引張作用を受けると、晩材内部の放3．実験結果および考察
3.1 応力-ひずみ線図

射組織の周りに応力集中が発生し、仮道管と放射組織の界面がはく離しやすくなり、空隙の生成と成長、

図 3.1 に晩材の破壊形態から（a）
主応力破壊と（b）

そしてそれらの合体によって破壊したと考えられる。

せん断破壊を呈した代表的な応力-ひずみ線図を示

また、2 種類の破壊形態に大別できた理由として、す。破壊形態によらず、初期応力から応力 50MPa 付

引張方向に対する仮道管と放射組織の配向異方性が近まで線形的な力学応答を示し、最大応力に達した

大きく相違するほど、低応力で破壊する傾向が見ら直後に破断したことが認められた。破壊形態によっれた。

て、応力-ひずみ応答、ヤング率および最大引張応力

4．まとめが大きく異なった。横山らは、板紙やライナーボー
ドのヤング率、ポアソン比、引張強度が材料の繊維本研究において明らかになった事項を以下に示す。
(1) 本研究で作製した晩材引張試験片によって、信方向が引張方向から垂直方向になるにつれて低下す[5]ることを報告 している。したがって、晩材内部組織

頼性の高い引張特性が得られた。
(2) 晩材の破壊形態は、仮道管と放射組織の配向にの方向と引張負荷方向の関係が、巨視的に 2 種類のよって大きく異なる。

破壊形態に影響していることが考えられる。

参考文献[1]K.Kojiro, M.Ohno, K.Tanaka, Y.Miyoshi and Y.Furuta:
Effects of Drying Temperature and Drying Rate on
Occurring Behaviors of Microcracks during Wood Drying,
Journal of the society of Materials Science, Japan, Vol. 69,
No. 4, (2020) , 323-328.
[2]S.Yuki, A.Takahashi, N.Yamamoto and T.Toyohiro:
Tensile Behavior on Dried Latewood in Japanese Cedar,
Proceedings of 13th ISEM, (2018), 88.
[3]S.Yuki, A.Takahashi, N.Yamamoto and T.Toyohiro: A
図 3.1

Study on Evaluation for Tensile Properties of Latewood in

晩材の応力-ひずみ線図

Cedar, Proceedings of IJSEE 2018, (2018), 111-116.
[4]S.Yuki, A.Takahashi, N.Yamamoto and T.Toyohiro:

3.2 破面観察

Two types of Tensile Fracture morphologies on Latewood
in Japanese cedar, Proceedings of 14th ISEM, (2019), 78.
[5]T.Yokoyama, K. Nakai, Orientation Dependence of Inplane Tensile Properties of Paperboard and Linerboard:
Application of Composite Theories, Proceedings of the
3rd JSME/ASME International Conference on Material(a)主応力破壊
図 3.2(b)せん断破壊

and Processing ICM&P 2008

引張試験後の晩材の破面

13

LPWA 及び ToF センサを用いた飼料の残量測定及び回路の低消費電力化の検討

The livestock feed remaining amount measurement combining LPWA network
and ToF sensor, and an examination of low power consumption of the circuit
機械電気工学専攻 遠矢 健太（指導教員：臼井昇太）
TOYA Kenta, Advanced Course of Mechanical and Electrical Engineering,
NIT(KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
This study will develop the livestock feed remaining amount measurement system, combining a ToF(Time of
Flight) sensor and LPWA(Low Power Wide Area) network. And we examination of low power consumption of
the circuit. If the remaining amount of feed can be measured, it will save farmer’s labor and solve the aging problem and labor shortage. Moreover, useful the circuit’s low power consumption can be used in places where it isdifficult to secure power. In that case, the generation of power supply noise also can be suppressed. We will aim
for the farmer’s aging problem and low power consumption of the circuit by developing this system. Currently,
we develop a basic measurement system and do a demonstration experiment, We confirmed that it has measured
correct data from the sensor and sending for the server using LPWA. Furthermore, we were able to visualize by
websystem the remaining amount.
In this paper, we report the background of livestock farmer’s problems, an overview of the system we willdevelop, and experimental results. Moreover, we explain the method of low power consumption of the circuit.
Further, we explain the plan for the future.

Key Words : ToF sensor, Low power consumption, LPWA, Data visualization

1. はじめに本校の所在する南九州地方では、近年、畜産業従事者の高齢化が問題となっている。特に宮崎県
においては、2005 年から 2015 年にかけて、畜産業従事者の平均年齢が 3.7 歳上昇しており、今後も若年層の就農者が増加しない限り、この傾向は続いていくものと考えられる。この高齢化の進行には、様々な要因があるが、家族経営の小規模な農家に限ると、他の仕事に比べ休みが取得しづら

農家では飼料の残量確認による定期的な見回りに労力を割かれているという問題を抱えている。この飼料の残量確認については、従来、農家の方が自らサイロを叩き、おおよその残量を音で確認していた。すなわち、叩いた際に生じた音が乾いた
高い音であれば空に近いと判断し、電話でメーカーに発注して補給してもらうのが一般的であった。我々はこの作業に関して、残量検知について
はセンサを用いた常時監視を、発注については予

いため、若者が家業を継ぐことを敬遠していることが最も大きな要因となっている。この休みが取得しづらい要因の 1 つとして、飼料の残量確認作
業が挙げられる。この作業は、毎朝晩に必ず行わなければならず、これが畜産業従事者の大きな負担となっている。そのため、ICT/IoT 技術で解決して欲しいとの相談があった。そこで、本研究では LPWA と ToF センサを用いて、この問題の解決を目指すこととした。

め設定したしきい値を下回った際に、メーカーに自動で発注するシステムを構築することで、自動化を図ることができるのではないかと考えた。なお、このシステムを実現するためには、インター
ネットへの接続が必須であるが、畜舎には通信環境が備えられていないのが一般的である。この問
題は、インターネット回線を畜舎に引くことで解決することができるが、センサで取得される少容量のデータ通信のためだけに導入することを考えるとコストはかなり高くなる。そこで我々は、通信部に、LPWA(Low Power Wide Area)を使用す
ることを考えた。さらに、飼料サイロ付近にて電2. 研究目的
前述したように家族経営のような小規模な畜産

14

源確保が困難である場合への対応も求められた。
そして、実証実験で明らかになった電源ノイズによる測定データの乱れも軽減する必要も出できた。そこで、回路の低消費電力化を図り、多電源化の機能についても実装を行う。本研究では、畜産農家が抱える問題を解決するためのシステムを提案・構築し、長期実証実験を経て実用化を目指す。併せて、データの取得の安定性や消費電力の低減などに関しての評価及び考察も行う。
3. 研究方法
3.1. ToF センサ及び LPWA を用いた飼料の残量測
定と可視化
ここでは、まず、ToF センサを用いた飼料の残量測定について述べる。図 1 に示すように、サイロ上部に ToF センサを設置し、センサから飼料までの距離を測定し、残量を導出する。次に、図 2に示すように 10 分おきに残量データを LPWA の一つである NB-IoT を経由して、ネットワークサーバへと送信する。そして、別のクラウドサーバ
上で、PHP を実行して、ネットワークサーバよりデータを取り出し、MySQL データベースにデー
タを保存する。最後に、MySQL に保存されたデータを視覚化する Web アプリケーションである
Grafana を用いて可視化する。なお、Grafana 上では、測定距離のしきい値の設定を行い、その値を下回ったら、予め設定した宛先に、メールを送信する。本研究では、上記動作を行うシステムを構築し、実験を通して、測定データの正確性と安定性、そして、装置の耐環境性について検証する。

図 1. 飼料残量の測定方法

図 2. 飼料残量監視システムの概要

15

3.2. 回路のスリープによる低消費電力化
回路の低消費電力化については、データの取得
時及び送信時以外はスリープさせるための回路を設計し、実装する。その後、実験を通して、消費電力の削減量を検証する。そして、電源ノイズ軽減の影響についてもその効果を検証する。
4. 研究結果
現時点で、飼料残量計測においては、実証実験を重ね、飼料残量データを正確に取得し、クラウド上に送信、可視化することができた。また、7月から実証実験を開始したが、猛暑、台風など環境の変化があっても安定的に取得できており、耐環境性は問題ないと言える。しかし、実証実験では、以下のような問題が出てきた。まず、センサ部と回路部は、飼料サイロの構造上、有線で接続しなければならず、我々は LAN ケーブルを用いた I2C 通信を考案した。しかしながら、ノイズの影響により正確なデータを取得することができなかった。そこで、耐ノイズ性の高いオーディオケ
ーブルを使用した I2C 通信に変更した結果、正確なデータを取得することができ、この問題を解決することができた。また、毎日決まった時間に測定データの乱れが発生することが判明した。この問題については、現在対応中である。
5. 考察と今後の展望
実証実験を行った際に発生した残量データの乱れは、サイロ内の高温化あるいは太陽光の透過による影響であると考えられる。そのため、今後擬似環境を構築し、実験により原因を究明する予定である。併せて、電源ノイズ等による影響も調査
し、対策法を検討する。また、現在粉塵が舞わないペレット状の飼料を使用してデータの取得を行っているが、今後は粉塵が舞う飼料を使用した場
合についての影響に関して、正確に測定できるかの検証も行う。さらに、飼料サイロの構造上、飼料がすり鉢状に減少し、測定値と真の残量値に誤差があることは既知の問題である。この問題についても今後対策を検討する。次に、回路の低消費電力化については、設計した回路をシステムへ実装し、電力削減量の効果を検証する予定である。
なお、具体的な検証方法としては、回路起動時とスリープ時の消費電力を電圧値と電流値から算出し、どの程度削減できたかを検証する。そして、実証実験システムをバッテリーによる稼働に変更
し、比較検討を行う予定である。

戦略的な地産地消のための就農支援ツールの開発のためのデータ分析
に関する研究Research on data analysis for strategic farming support toolson the production and consumption of local food
機械電気工学専攻 湯之前 翔大（指導教員：臼井 昇太）
YUNOMAE Shota, Advanced Course of Mechanical and Electrical Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
We will develop strategic farming support tools on the production and consumption of local food in thisstudy. This study will aim to increase farmers' income and support for new farmers using the developed
tool. Recently, local production for local consumption is spreading in Japan. However, Japanese farmers
have decreased because aging and young farmers are not increasing. Therefore, the local production for local consumption in Japan has not spread. One of the reasons for young farmers not increasing is low income. In recent years, the utilization of ICT and IoT is advancing in the agricultural field to eliminate labor
short-ages. However, it has not approached to increase farmers' incomes and increase farmers so far in Japan. Therefore, this study will develop a tool that solves these problems. In this paper, we report for an investigation result of the Environment surrounding Japanese agriculture and an overview of the system to be
developed. Moreover, we explain the plan for the future.

Key Words : Dara Analysis, Agricultural support, Business Intelligence tool, Time series analysis
1.

はじめに

2.

近年、消費者の農作物に対する安全、安心志向の高まりや、生産者の販売の多様化の取り組みが進む中で、「地産地消」への期待が高まっている。地
産地消の取り組みを推進するためには、消費者の拡大を進めることも大切であるが、それと共に生産者側である農業従事者の高齢化の進行と担い手不足という問題も解決する必要がある。事前調査
から、若者の就農が進んでいないその最も大きな
原因は収入面に関する不安であると言うことが判明している。なお、地方自治体や農協が行っている就農支援では、作物の育成方法の指導は行われているが、収入を増加させるための取り組みは行われていない。そこで、我々はオープンデータから新規就農者が容易に任意の作物の最適出荷時期や出荷価格を予想し、就農後の収入増加につなげることができるツールの開発を行うことで新規就農者数の減少に関する問題の解決を目指すことにした。

16

研究方法

2.1. 研究目的

本研究では、任意の作物の最適な出荷時期や出荷価格を予想する手段として、過去の時系列デー
タの規則性やパターンを学習させ、未来の値を推論する時系列分析を用いる。具体的には、まずインターネット上に公開されている地方市場における作物毎の価格データと気象庁が公表している天候
データを取得する。このデータから、予測モデルを作成し、最も値が上がる日付の予測と、そこに出荷するために最適な作付時期の導出を目指す。また、
これらのオープンデータを基にどのような作物が売れやすいか、また値崩れしやすいか、気候と価格の相関関係はどうなっているのかなどを可視化することで、新規就農者の作物決定の支援も併せて行う。
2.2. 研究方法
まず、Web スクレイピングでインターネット上で公開されているオープンデータを抽出する。本研
究で用いるオープンデータは、宮崎県小林市にある小林青果市場の日付ごとの作物毎の取引価格のデータ[1]と、同県同市の気象情報に関するデータ[2]を対象とし、それぞれのデータを 6 年分抽出する。その後データのクリーニングを行い、データセットを生成する。生成したデータセットは BI ツールである Tableau で読み込み、データ分析を行う。
また、作成した取引価格のデータセットから
Prophet を用いてモデル作成部分と予測部分に分け、そのモデル作成部分に対して時系列分析を行い予測データを導出する[3]。そして、実際の価格データと予測されたデータを比較し、その精度を検証する。その後、各作物に対し、最適な作付時期を導出する処方を検討する。さらに、オープンデー
タを作物ごとに様々な視点で可視化し、作物決定の支援ツールを構成する。最後に開発したツール
を実際に新規就農者に使用してもらい、実用性を高めていく。
3. 研究結果
まず、実装する予定の機能について新規就農者にヒヤリングしたところ、このようなツールは今までなく必要性を感じる。過去のデータとともに、今後の価格予測データと最適な作付時期を知りた
いとの声を得た。このことから、作物ごとの価格予測を求めることについては必要性があり、研究の方向性としては問題ないと言える。
次に 6 年分のデータセットを用いて Tableau の標準機能により、価格予測を行ったところ、以下のような結果を得た。

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図 2 価格と気象の関係
図 2 は生産地の降水量、平均気温、作物の入荷量、平均価格の時系列データを示したものである。これより、作物の価格には気象データと連動性があるため、データセットも気象情報を加味したものに修正する必要があることがわかった。
4.

考察と今後の展望今回得られた予測値は天候や気候などを考慮した予測ではないため、実用性のない予測結果となった。また、Tableau に標準で備わっている機能を用いて予測を行っており、条件の設定などの自由度が低いためこのような結果になったと考えられる。前述した通り、作物の価格は気象データと密接な関係があるためこれらの情報を考慮したデータセットに修正し、Prophet を用いたモデルを適用することで精度の高い予想価格が得られると考える。
また、最適な作付時期については、予測値の最も価格が高くなる日から標準生育日数と気象データを考慮することで導出できると考えられる。今後、このツールが概ね完成したら実際に新規就農者に使用してもらい、フィードバックをもらって実用性を高める予定である。
参考文献[1] 宮崎県青果市場連合会:
http://www.miyaseren.com/sikyo_pub/sikyo/sik

    



図 1 Tableau の機能による価格予測
図 1 の横軸は時間、縦軸は価格を示しており、2019 年の価格を予測したものである。この図より、作物の価格にも大まかな季節的な周期があることがわかった。一方、図において 2019 年の予測線の背景は予想される誤差の範囲を示しているが、価 

 !"#$

格が低くなる地点では、予想される誤差の範囲が大きくなり、予測精度が粗いことがわかる。

17

yo_view.php?typekbn=1&sel_market=9[2]気象庁:https://www.data.jma.go.jp/obd/stats/etrn/in
dex.php[3]岩橋智宏・今西航平・増田啓志:Tableau で始めるデータサイエンス,株式会社秀和システ
ム,2019

スマートミラーを用いた表情認識による体調推定法の確立
Establishment of the physical condition estimation method by facial expression
recognition using a smart mirror
機械電気工学専攻 吉永 一樹（指導教員：臼井 昇太）
YOSHINAGA Kazuki, Advanced Course of Mechanical and Electrical Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
In recent years, the number of single-person households has increased in Japan due to the increasing rate ofunmarried people and nuclear families' trend. It is predicted that if this trend continues, about 40% of all households
will be single-person households by 2040. People who live alone are reportedly at higher risk of developing diseases
attributed to low lifestyle and reduced health awareness. Therefore, we propose a system that enables people toview themselves objectively using a mirror. We developed a smart mirror system in our laboratory last year. Thissystem can estimate the physical and mental state of a subject from his or her facial expressions. However, theaccuracy of this system was not very high. To solve this problem, we aim to improve and establish the physicalcondition estimation accuracy in this study. We report our previous research, our improvement method, and ourexperiments' results in this paper. Besides, we discuss the prospects of this study.

Key Words : Smart Mirror, Machine Learning, Hearth, Recognition

１．はじめに法を提案し、実験によりその精度を評価、考察する

近年、未婚率の増加や核家族化の影響を受けて単ことを目的とする。

独世帯が増加しており、この傾向が続けば 2040 年には全世帯の約 4 割が単独世帯になるという予測が出

２．先行研究されている。［1］［2］また、一人暮らしの人は高血

本節では、まずこれまで本研究で開発を進めてき

圧やうつ病といった様々な病気の発病リスクが高い

たスマートミラーシステム「KYO」について述べる。

という研究報告があり［3］、これは、社会的な孤立、

図 1 に「KYO」の外形を示す。この「KYO」はユー

生活習慣の乱れ、健康意識の低下などが原因である

ザが鏡の前に立つと表情を取得し、それより心身のと考えられている。このうち、特に生活習慣の乱れ、状態を推定、その結果を鏡面上に表示するシステム

健康意識の低下に着目すると、一人暮らしの生活でとなっている。また、その他に時刻、天気やスケジ

は自らを客観的に見ることが少ない。そのため、自ュールなどの情報も鏡面に表示することができる。

らの心身の変化に気づきづらく、前述のような病気

この「KYO」の表情認識にはリアルタイム表情の発症につながっているものと考えられる。そこで、認識CNNを使用している。このCNNでは、入力し我々はこれらの問題について、自身を客観視できる

た動画像から7種類の表情（angry、disgust、fear、

ようなツールがあれば解決できるのではないかと考

happy、sad、surprise、neutral）のどれに分類されるえた。そこで着目したのが鏡である。鏡は私たちのかの確率値（以下、表情分析値）を得ることができ生活に深く関わっており、また、自分自身を客観視る。「KYO」では、取得したhappy、sadとneutralをできる手段として適しているツールである。本研究用いて重回帰分析を行い、心身状態を推定してい室では、現在鏡の前に立った人の表情から心身状態た。

を推定し、鏡面に表示させるスマートミラーシステ
ムの開発を進めている。これまで開発してきたシス
テムでは心身状態の推定は実現できていたが、その精度はあまり高くなかった。そこで、本研究では表情から心身状態を推定する方法について、新たな手

18

図 3. 自己評価値 physical の分布
図 1. スマートミラー「KYO」
３．手法「KYO」に実装した表情分析は前述の通りオープ
ンソースとして公開されているリアルタイム表情認
識 CNN をベースとした分類器を用いていた。しか図 4. 自己評価値 tired の分布

し、表情分析値の種類が少なく、また、その結果にも若干の偏りがあった。そこで、本研究では表情分
析値が多く、既に多方面で活用されている Microsoft

５．考察と今後の展望

Azure の Face API と Amazon Web Service の Face

現状、分類器の精度が向上していないのは前述のRecognition を用いることとした。また、先行研究で通り、学習データが不足しているのと、似たようなは、動画を分類器にかけ、表情分析値を得ていたが、自己評価値のデータが多いことが要因と考えられ本研究で利用する API では動画の利用が出来ない。

る。そこで、まずこれらの問題を改善し精度の向上

そのため、10 枚の静止画を撮影し、そこから生成しを目指す。また、学習させる際に使用する表情分析たタイル画像と平均顔画像を API に送信し、表情分

値の組み合わせを変えることも効果的であると考え

析値を得る。そして得られた表情分析値を Support

る。さらに現在分類器を Support Vector Machine でVector Machine で構成した分類器にかけ、心身状態構成しているが、このパラメータ調整についても検を推定し、評価する。

討及び改善を行う予定である。そして、学習データの構成要素である自己評価値の項目も抜本的に見直４．研究結果すなど精度向上に向けて様々な手法を検討したい。

これまで、Python と Web カメラを用いて被験者の顔の静止画を撮影、その画像からタイル画像と平均

参考文献

顔画像を生成して API に送信し、表情分析値を得る[1] 厚生労働省 , "平成 29 年 国民生活基礎調査の概ことができた。また、R 言語を用いて Support Vector

況", 2018,

Machine による分類器を構成することができた。しhttps://www.mhlw.go.jp/toukei/saikin/hw/k-tyosa/k-

かしながら、作成した分類器で導出した心身状態のtyosa17推定結果はある一定値に集中してしまった。これは[2] 内閣府, "平成 27 年度 第 8 回高齢者の生活と意

分類器を構成する際の学習データの量が少なく、ま識に 関す る国 際 比較 調査 結果 （全 文） ", 2016,

た、比較的同じような表情で撮影していたため、似https://www8.cao.go.jp/kourei/ishiki/h27/zentai/index.

通った表情分析値が返ってきたことが原因であると

html

考えられる。また、図 2～4 に示すように、自己評価[3] Satoh A, Arima H, Ohkubo T, Nishi N, Okuda N, et all,

値も同じような値に集中していたのも原因であると“Associations of Socioeconomic Status with Prevalence,

考えられる。

Awareness, Treatment, and Control of Hypertension in a
General Japanese Population ” , NIPPON DATA2010,
Journal of Hypertension 2017 Feb ,35(2),401-408

図 2. 自己評価値 mental の分布19細胞骨格関連タンパク質の構造変化と機能について
Structural changes and functions of cytoskeletal protein
物質工学専攻 岩川 凌（指導教員：野口 太郎）
IWAKAWA Ryo, Advanced Course of Chemical Science and Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract

Actin, a cytoskeletal protein, exist in all eukaryotic cells and involved in many cell functions such as cell
migration and muscle contraction. These functions are achieved by interacting with various actin-binding proteins.
Actin takes multiple structural states. The polymorphism of actin structure is thought to be involved in affinity withactin-binding protein. Furthermore, it is suggested that actin structure is changed by force. Thus, actin may function
as a "mechanosensor" that plays an important role in the mechanical response of cells. These lead to the hypothesisthat structural change of actin induced by force affects affinity for actin-binding proteins.
To test this hypothesis, we first determined the observation conditions for detecting the function of actin as amechanosensor. Therefore, actin labeled with two fluorescent dyes (FRET actin) were prepared. After that, theobservation conditions for detecting the structural changes due to tension using FRET actin. As a result, we decided
the observation conditions to minimize the factors that inhibit the structural change of actin.
Key Words : Actin, Mechanosensor, FRET
これまでの研究において、蛍光標識したアクチン

１．はじめに1-1. アクチンに in vitro で張力負荷を与えると、蛍光強度が変化す[1]

アクチンは全ての真核細胞に存在する細胞骨格タることが示され、力によるアクチンの構造変化が示ンパク質であり、細胞運動や細胞分裂、細胞の形態

唆された[3]。また、細胞性粘菌の一部をアスピレー

維持など多くの細胞機能に関係している。アクチン

ターで吸引するとアクチンと ABP の一つであるミは単量体（G アクチン）と、単量体が可逆的に重合

オシンⅡとの親和性が上昇することが確認されていし二重らせんを形成したフィラメント（F アクチン）る[4]。これらの結果より、アクチンがメカノセンサの状態で存在する。アクチンが関係する多くの機能ーとしての機能を有している可能性が考えられた。

は、アクチン結合タンパク質（ABP）と相互作用す1-3. 蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）
FRET とは、一つの蛍光分子(ドナー)から近くにることで発揮する。
アクチンは様々な構造状態を取り、その構造の違存在する他の蛍光分子（アクセプター）にエネルギ

いが ABP との親和性に影響を与えることが示唆さ

ーが距離依存的に移動する現象のことをいう。

れている。例えば、F アクチンのらせんピッチ長がこの現象を利用しアクチンの構造変化を検出する

短くなると、ABP の一つであるコフィリンとの親和ため、本研究室ではこれまでに FRET アクチンが開性が高くなる 。また、この構造変化は ABP が結合発された[5]。FRET アクチンとは、構造変化を検出でしたアクチン分子だけでなく隣接したアクチン分子

きるようアクチン分子にドナーとアクセプターとなにまで及び、遊離の ABP に対する親和性が変化する

る蛍光色素を結合させたアクチンである。

可能性が示唆されている。このようなアクチンの構

1-4. 本研究の目的[2]

造変化が細胞内の ABP の局在化や F アクチンの機

アクチンは、物理的刺激を感知し機能を変化させ能分化に関係していると考えられる。しかし、アクる「メカノセンサー」としての働きを有しているとチンの構造変化がどのようにそれらの機能に関与し考えられる。アクチンのメカノセンサーとしての働ているのかは解明されていない。

きを調べるため、FRET アクチンを用いて張力依存1-2. メカノセンサー

的な F アクチンの構造変化の検出や、それに伴うABP との親和性の変化を測定する。そのため本研究

メカノセンサーとは力学的な刺激を感知するこでは、まず測定条件の検討を行なった。

とができる構造体である。このメカノセンサーは細胞にも存在し、我々の生命維持に役立っている。

20

２．研究の方法

3. 実験結果

2-1. 実験の概要

3-1. F アクチンの蛍光観察

FRET アクチンを用いた張力負荷実験の概要図を調製した 9 種類の F アクチンを蛍光顕微鏡で観察

Fig.1 に示す。この実験では FRET アクチンを含む Fした結果を Table.1、2 に示す。ファロイジンを加え

アクチンの一端をビーズに、もう一端側はニードル

ないとフィラメントが形成されないことがわかった。

を結合させ、マニピュレーターを用いて張力を加えまた、Biotin 化アクチンの組成が 1/10 の時にのみビる。そのためには生体内に存在しない FRET アクチーズとフィラメントの結合を確認した。

ンや Biotin 化アクチンを使用するほか、F アクチン

Table.1 各 F アクチン組成でのフィラメントの確認を安定化させるためにファロイジンを使用する必要がある。しかし、これらはアクチンの構造変化に影響する可能性があるため、これらの要因を可能な限り取り除いた観察条件を決定する。

なし：アクチンフィラメントが確認されなかった
確認：アクチンフィラメントが確認されたTable.2 各 F アクチン組成でのビーズへの結合確認

なし：ビーズと結合したアクチンフィラメントが確認されなかった
確認：ビーズと結合したアクチンフィラメントが確認された

Fig.1 F アクチンの張力負荷試験
スライドガラスを Biotin 化 BSA でコートし、Avidin 化
ビーズを固定する。その後、Biotin 化アクチン及び FRET
アクチンを含む F アクチンの一端をビーズに結合させる。F アクチンのもう一端側に Avidin 修飾されたニードルを結合させ、マニピュレーターを用いて張力を加える。張力により FRET が変化するか測定することでア
クチンの構造変化を検出することができる。

4. 考察
4-1. F アクチンの蛍光観察
各組成の F アクチンを観察した結果、アクチンフィラメントはファロイジンが 1/400 濃度以上の場合に確認され、ビーズへの結合は Biotin 化アクチンの組成が 1/10 のときのみ確認された。ファロイジンやBiotin 化アクチンの濃度は低いほどアクチンの構造変化に与える影響が小さくなるため、ファロイジン

2-2. FRET アクチンの調製がアクチン濃度の 1/400 かつ Biotin 化アクチンの組

変異アクチン発現プラスミドを導入した細胞性粘成比が 1/10 の F アクチンが張力負荷試験で使用で菌から Ni 樹脂とイオン交換カラムを用いて変異ア

きる最適条件だと考えられる。

クチンを精製した。精製後、Alexa488 cadaverine とAlexa546 maleimide により変異アクチンを標識した。
2-3. Biotin 化アクチンの調製

5. 結論
張力負荷試験に最適な F アクチンの組成を決定し野生型アクチンに Biotin-Maleimide を加えることた。今後、ニードルによるアクチンの引張り試験やで Biotin 化アクチンを調製した。

それに伴う ABP との親和性変化を観察していく。

2-4. F アクチンの調製
野生型アクチン、FRET アクチン、Biotin 化アクチ

参考文献

ンとファロイジンを混合し重合させた。混合の際、[1] Albert, B. et al., (2004) 細胞の分子生物

全体のアクチンのモル濃度に対する Biotin 化アクチ

第 3 版,ニュートンプレス, 787-825

ンの濃度比を 1/10、1/100、1/1000 とした F アクチン

[2] McGough et al., (1997) J. Cell. Biol., 138(4), 771-781

をそれぞれ用意した。また、ファロイジンに関して[3] Shimozawa et al., (2009) Biophys. J., 96, 1036-1044

もアクチンのモル濃度に対して等濃度、1/400、ファ[4] Uyeda, T. Q. P. et al., (2011) PLoS One, e26200

ロイジンなしの 3 種類を作成し、合計 9 種類の F ア[5] Noguchi T. Q. P. et al., (2015) PLoS One, e0126262

クチンを調製した。

21

酸化水酸化鉄を固定化したマイクロカプセルを用いたヒ素の吸着
Arsenic adsorption using FeOOH immobilized microcapsules
物質工学専攻 黒木 慎一（指導教員：清山 史朗）
KUROKI Shinichi, Advanced Course of Chemical Science and Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
Microcapsules containing iron hydroxide oxide (FeOOH) particles as the absorbent were preparedby trimethylolpropane trimethacrylate (Trim) with hexaglycerin ricinoleic acid (818SX) as surfactant
and 2,2’-azobis(2,4-dimethyl valeronitrile) (ADVN) as polymerization initiator in the study. The
microcapsules started from (W/O/W) emulsion. FeOOH were formed by mixing iron (III) chloride
solution (FeCl3) and sodium carbonate (Ca2CO3). The amount of particles in the microcapsules waschanged depend on the concentration of 818SX, the concentration of FeOOH, the rotation speed of thehomogenizer and the properties of the contained particles. The microcapsules immobilized FeOOH
particles successfully adsorbed As(V) at low pH. Adsorption isotherm shows best fit for BET adsorption
model. The results of adsorption experiments using various microcapsules showed that the lower thesurfactant concentration, the higher the efficiency of As(V) adsorption. (W/O/W) Emulsions starting
microcapsules showed higher As(V) adsorption efficiency as decrease of FeOOH. The microcapsules
starting from the (W/O/W) emulsion had a larger amount of As(V) adsorption than the starting statefrom the (S/O/W) emulsion.

Key Words : Arsenic, Adsorption, microcapsules, iron hydroxide oxide

1M-Na2CO3 と 1M-FeCl2 を体積比 3:2 で混合し，24 時間

１．はじめに
ヒ素は地球の土壌に見られる自然の元素である．
ヒ素は，攪拌して FeOOH を合成した．
2.2 FeOOH 固定化マイクロカプセルの調製

主に無機ヒ素として飲料水中に存在する．
それらは非常に有毒で，すぐに体内に吸収され作用し得る．天然水には主界面活性剤として縮合リシノレイン酸ヘキサグリセリに亜ヒ酸（As(III)）とヒ酸（As(V)）の 2 つの無機ヒ素状態

ン(以下 818SX と略記)，骨格成分としてトリメチロール

で存在し，As(III)はAs(V)よりも有毒で除去が難しい

プロパントリメタクリレート(以下 Trim と略記)を混合し，[1][2]．

水中のヒ素によって引き起こされる環境および健康問

重合開始剤の 2,2'-アゾビス(2,4-ジメチルバレロニトリ

題を解決するために，様々な処理技術が研究されてきた．

ル)を上記の有機相の 1wt%となるように添加した．内包

中でも吸着は操作の容易さや再生の可能性という利点の物質である粉末状あるいは沈殿状のFeOOHと有機相をホ[2][3]．

モジナイザーで 10 分間攪拌してエマルションを調製後，吸着において重要なのは最適な吸着剤を開発すること

丸底型反応容器に仕込んだ外水相である2wt%ポリビニルである．本研究では，マイクロカプセルに吸着剤として酸アルコール中にエマルションを添加し，300rpm，333K で化水酸化鉄を固定化させ，As(V)の吸着特性を明らかにす

2 時間 in-situ 重合し，マイクロカプセルを調製した．調製ることを目的とする．

したマイクロカプセルは吸引ろ過後，乾燥機(343K)で乾燥ために一般的な方法である

させた．
2. 実験

2.3 内包量測定
調製したマイクロカプセルをサンプル瓶に 0.5g 取り

2.1 FeOOH の合成

22

6N-HCl を 20ml 加えて 24 時間振盪した．その後ろ過し，

出した．
Ceq
1
1
=
× Ceq +
q qmaxKqmax

原子吸光光度計で鉄の濃度を測定した．
内包量 E’ は以下の式で計算した．
88.8[g/mol]CFe [ppm] × 0.020[L] ×
55.8[g/mol]
E' =0.5[g]

2.4 吸着実験（W/O/W）エマルションを出発状態とし，界面活性剤で[mg/g] (1)ある 818SX の濃度を変化させて調製したマイクロカプセ
ルの吸着等温線より,界面活性剤濃度が低いものほど高効率に As(V)の吸着を行う事が分かった．これは界面活性剤

2.4.1 吸着特性に及ぼす pH の影響
所定 pH の 1 ppmAs(V)水溶液 20ml を作成し，マイクロである818SX がFeOOH にAs(V)が吸着されるのを妨害するためであると思われる．

カプセルを0.1g ずつ加え303K で24 時間振盪後，ろ過し，ICP 発光分光分析装置でAs(V)の初濃度CAs,o と抽残液の濃また界面活性剤濃度を一定として，内包物質である
FeOOH の添加量を変化させて調製したマイクロカプセル

度 Ceq を測定した．
抽出率 Ef は以下の式で算出した．
Ef =

(4)

の吸着等温線より,FeOOH の添加量が少ないものほど高CAs,o －Ceq
×100 [%]
CAs,0

効率に As(V)の吸着を行うことがわかった．添加量が少な(2)

2.4.2 吸着等温線の作成

い場合 FeOOH は離散状態で担持され，溶液との接触面積は大きくなり高効率で吸着が進むと考えられる．一方，添

pH=2 に調整した所定濃度の As(V)水溶液 20ml に，種々加量が多い場合 FeOOH は凝集した状態で担持され，溶液のマイクロカプセルを 0.5g ずつ加え 303K で 24 時間振盪との接触面積は小さくなるため吸着が低効率になると考後，ろ過し，ICP 発光分光分析装置で As(V)の初濃度 CAs,o

えられる．

と抽残液の濃度 Ceq を測定した．
4. 今後の課題

吸着量 q を以下の式で算出し，平衡ヒ素濃度 Ceq 毎にプ

FeOOH内包マイクロカプセルは低pHで高効率にAs(V)

ロットして吸着等温線を作成した．
q=(CAs,o －Ceq )[mg/L]×0.020[L]74.9216[g/mol]×0.5[g]×E' [g/g]の吸着が行うことができた．FeOOH 内包マイクロカプセ[mmol/g](3)

ルは BET 型の吸着等温線を示し，さらに FeOOH の添加量と As(V)の最大吸着量 qmax には関係性が見られ，（W/O/W）エマルションを出発状態とした場合は添加量3. 結果及び考察の増加とともに最大吸着量 qmax は減少した．

3.1 内包量測定

今後の課題として，（W/O/W）エマルションを出発状態

様々な調整条件を変化させた MC を調製し，それぞれとしたマイクロカプセルのFeOOH添加量をさらに減少さの鉄の内包量を測定した．界面活性剤濃度が低いものほどせて調製した場合の最大吸着量 qmax を検討することがあ内包率E'が低くなったが,これはFeOOH微粒子がin-situ 重げられる．

合の際に 818SX による界面活性作用を受けられずに外水相に漏れ出したためと考えられる．

5. 参考文献

3.2 吸着実験

[1] A.I.A.Sherlala, A.A.A.Raman, M.M.Bello, A.Buthiyappan,

3.2.1 吸着特性に及ぼす pH の影響“Adsorption of arsenic using chitosan magnetic graphene oxide

内包量の最も多いマイクロカプセルを用いて As(V)のnanocomposite”, 2019

吸着実験を行い,低 pH で効率的に吸着が行われることが[2] Richa Soni, Dericks Praise Shukla, “Synthesis of fly ash based

わかった．

zeolite-reduced graphene oxide composite and its evaluation as an

3.2.2 吸着等温線の作成

adsorbent for arsenic removal”, 2019

算出した吸着等温線は langmuir 型ではなく BET 型を示[3] Fangnan Xu, Huxing Chen, Yuxia Dai, Shuanglei Wu, Xianjin

したが,解析ではLangmuir 型の吸着等温線と見なせる範囲

Tang, “Arsenic adsorption and removal by a new starch stabilized

を決め，以下の(4)式で最大吸着量 qmax と平衡定数 K を算

ferromanganese binary oxide in water”, 201923

TiO2 によるスチレン誘導体とアセトニトリルからのγ-ケトニトリルの合成
Synthesis of γ-ketonitrile from styrene derivatives and acetonitrile over TiO2
物質工学専攻 後藤 光貴（指導教員：山下 敏明）
Goto Koki, Advanced Course of Chemical Science and Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
The first example of carbonylcyanomethylation with titanium oxide (TiO2) photocatalyst is
described. Styrene derivatives react with acetonitrile activated by TiO2 to form γ-ketonitrile in one pot.
Oxygen in the air can serve as the carbonyl oxygen source in this reaction. This protocol features simple
operations, metal and base free, and atom and step economy.

Key Words : Cyanomethylation , TiO2, styrene, radical addition, photocatalyst, aerobic oxidation
ルボニル化したγ-ケトニトリルが得られることを見出した(図１c)。また、触媒や雰囲気を変更し、γ-ケトニトリルを得るための最も効率の良いシアノ
メチル化の条件を検討した。さらに、マイクロオー
ダーの流路でフロー反応を行うマイクロリアクター(MCR)で反応を行うことで反応機構の調査を行った。

１．はじめに１－１．研究の背景

シアノ基はケトンやカルボン酸、アミドなどに変換が可能であるため、医薬品をはじめとした有機材
料、全合成の中間体として利用されている。最も単純なシアノ化剤である青酸化合物は毒性が高く、代替法が盛んに研究されており、光レドックス触媒による反応 (図１a) 1)や過酸化物を用いた反応 (図１b)2)など均一系触媒の改良が多く報告されている。しかし、それらはシアノ源が複雑で高価なことや有機過
酸化物を加熱することによる危険性の懸念などの課題を抱えている。そのような中、吉田らにより白金担持酸化チタン(Pt/TiO2）を用いたアセトニトリルによるシアノメチル化が報告 3)された。酸化チタンはPrevious method(a)Cyanomethylation by photoredox catalyst
fac-Ir(ppy)3
C6F5SH, blue LEDs
+ Ph3P CHCN
R
ascorbic acidKHSO4
CH3CN/H2O(b) Cyanomethylation by peroxide
R
+
Ph
H
CN

不均一系の光触媒であり、人体に無害で、紫外光照
射により活性種を生成するため高温などの過酷な条件を必要としない。そのため、グリーンケミストリ
ーの観点から有機合成における利用を期待されている。しかし、まだ一般的ではない。また、アセトニ
トリルは最も単純なシアノメチル源で、溶媒として

H
R

O

t-BuOOH
DBU, 110℃

CN

Ph

R
CN

This method(c)Cyanomethylation by TiO2

O

TiO2, UV
Ph

+

CH3CN

CH3CN/H2O, Air

PhCN

図１ 先行研究および本研究のシアノメチル化反応

広く利用されるほど安価であり、シアノメチル化した際に失われるのは H 原子のみであるため、アトム
エコノミーの観点からもアセトニトリルによるシアノメチル化は優れた反応である。酸化チタンを用いた新規なシアノメチル化反応の開発は安全かつ安価で低エネルギーなシアノ化反応の実現に寄与できる

２．実験
２－１．アルケン類のシアノメチル化

反応は、スチレン（1a、0.02 mmol）、TiO2 粉末 0.020
g を含むアセトニトリル：水＝24：１の溶液 5 mL を試験管中で 100 W 高圧水銀灯を用いて 4 時間光照射して行った。光照射後、反応溶液から TiO2 を濾過操作して除き、ガスクロマトグラフで分析した。また、
基質をα-メチルスチレン(1b)、インデン (1c）、1ヘプテン(1d)、アクリロニトリル(1e)に変更してそれと期待される。
本研究では、スチレン誘導体に対して酸化チタンを用いたシアノメチル化を行うことで二重結合部の末端炭素がシアノメチル化されるとともにβ位がカ24

ぞれ反応を行った。
２－２．MCR でのスチレンのシアノメチル化
バッチ反応で用いた 1a 溶液を、流路幅 2 mm、深さ 50 μm、長さ 168.27 mm の微小流路に 1 μL/min
で流しながら、Pt/TiO2 薄膜に接触させ、400 W 高圧
水銀ランプで光を照射した。
３．結果および考察

反応の結果、1a の末端炭素がシアノメチル化し、α炭素がカルボニル化した生成物 2a が得られた。反応条件を変更して最適化を行った結果を表１に示す。
空気雰囲気下で TiO2 触媒を用いたときに収率が最も高くなった。Ar 雰囲気中では α 位がさらにシアノ
メチル化した生成物(3a)、中間体ベンジルラジカル
同士がカップリングした生成物(4a)が副生成物として得られた。

た(図３)。これは、MCR ではバッチ反応と異なり、反応液と空気の界面がないため O２が系中に供給されず 2a ができなかったためだと考えられる。これらの結果から、生成するγ-ケトニトリルのカルボニル
酸素は溶媒の水由来でなく、空気中の酸素由来だと考えられる。
以上の検討結果から本反応の反応機構を次のように考察した(図４)。まず、酸化チタンによってアセ
トニトリルの不活性な C-H 結合が解離してシアノメ
チルラジカル(5)が生成し、それがスチレンの電子豊富なβ炭素に付加して中間体のベンジルラジカル(6)が生じ、酸素がトラップされることでペルオキシラジカル(7)、次いでペルオキシド(8)ができて生成物のγ-ケトニトリル(2a)ができると考えられる。3a、4a は系中に酸素の供給が十分でない時に 6 と 5 の反応、および 6 同士のカップリング反応が起こること
によって生成すると考えられる。

表１ スチレンのシアノメチル化反応の最適化
catalyst(0,02 g), UV
Ph

Ph

CN
2a

触媒

雰囲気

2a収率(%)

1

CH3CN(5)

TiO2

air

15

2

CH3CN(4.5)+H2O(0.5)

TiO2

air

26

3

CH3CN(4.8)+H2O(0.2)

TiO2

air

51

4

CH3CN(4.9)+H2O(0.1)

TiO2

air

32

5

CH3CN(4.8)+H2O(0.2)

TiO2

Ar

23

6

CH3CN(4.8)+H2O(0.2)

Pt/TiO2

air

10

Ar

2

7

CH3CN(4.8)+H2O(0.2)

Pt/TiO2

H CH2CN

CH2CN ＋
5

CH2CN

Ph
1a

H

Ph

CN

O2

O

OH

Ph

CN
7

-H2O
CN

8

O

Ph

6
H

O
Ph

CN
2a

図４ スチレンのシアノメチル化反応の反応機構
４．総括

れた生成物が得られた。スチレン誘導体のα位に置換基がある場合はヒドロキシシアノメチル化された生成物が得られた。

CN

2
O

OH

UV
TiO2

スチレン誘導体と TiO2 をアセトニトリル、水混合溶液中で反応させるとカルボニルシアノメチル化さ

R

CH3CN/H2O(24:1)

4a

3a

O

O

1 (0.02 mmol)

1 μL/min

Ph

Ph

CN

図３ MCR を用いたスチレンのシアノメチル化反応なかった。
TiO2(0.02 g), Air
UV

Ph

CN

次に基質を 1a から 1b-e に変更してシアノメチル化を行った(図２)。スチレン誘導体の 1b からはシアノメチル化とヒドロキシ化した 2b、1c からはカルボニル化した 2c が得られた。しかし、脂肪族アルケンの 1d、1e からは対応する生成物 2d、2e は確認され

R

CH3CN/H2O(24:1)

1a (0.02 mmol)

溶媒(mL)

entry

CN

Pt/TiO2-MCR, UV

Phsolvent4h

1a (0.02 mmol)

CN

O

CN

2b

2c

O
4

2d, 0%

CN

５．参考文献１ ） T. Miura, D. Moriyama, Y. Funakoshi, M.
Murakami,Synlett, 2019, 30, 511-514
２）X. Lan, N. Wang, C. Bai, C. Lan, T. Zhang, S.
Chen, Y. Xing, Org. Lett. 2016, 18(23), 5986-5989
３）E. Wada, T. Takeuchi, Y. Fujimura, A. Tyagi, T. Kato,
H. Yoshida, Catal. Sci. Technol., 2017, 7(12), 2457-2466

O
CN

NC

CN

2e, 0%

図２ 1b-e のシアノメチル化反応
MCR では 2a は確認されず、3a、4a のみが生成し25

Pt/TiO2 存在下でのアセトニトリルを用いた
インドールの直接的シアノメチル化反応
Direct cyanomethylation of indole with acetonitrile using Pt/TiO2 photocatalyst
物質工学専攻 中村 隼人（指導教員：山下 敏明）
NAKAMURA Hayato, Advanced Course of Chemical Science and Engineering,
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
The direct cyanomethylation of indole with acetonitrile using a platinum-loaded TiO2 (Pt/TiO2) photocatalyst
was achieved in batch conditions to yield indole-3-acetonitrile, a substitution product. In this study, theappropriate composition of water/acetonitrile solution, the additive effects of sodium bicarbonate as a base or Pd
black as a metal catalyst, and initial concentration of indole were examined to improve the product yield. The
cyanomethylation of indole (0.1 mmol) in 25 mL of 6:4 (v/v) acetonitrile-water solution with Pt/TiO2 under UV
irradiation afforded the substitution product in 20% yield, which was the highest value in this study. In addition,
it was confirmed that Pt/TiO2 particles adsorbed indole and indole-3-acetonitrile at a certain rate. Furthermore, it
was found that indole and indole-3-acetonitrile photochemically underwent the decomposition under UV
irradiation even without the use of photocatalysts.

Key Words: Cyanomethylation, Pt/TiO2, Indole, Indole-3-acetonitrile, Chemisorption, Decomposition
1. はじめにの混合物を用いてアセトニトリルからシアノメチル

1-1. 研究の背景

ラジカルを生成させ、ベンゼンをベンジルシアニド

インドールは、抗炎症薬、抗 HIV 薬、抗マラリアへと化学変換する方法を報告している [3]。この方法

薬、抗うつ薬などの化学構造の骨格として、医薬品で得られるベンジルシアニドの収率は 1％未満であ[1]をデザインする上で重要な位置を占めている 。例り、発展途上の段階である。

えば、7-ヒドロキシ-1-メチルインドール-3-アセトニトリル(7-HMIA、図 1)は、カラギーナン誘発炎症性1-2. 本研究の目的

足浮腫を抑制する効果がある。7-HMIA を合成する

本研究は、Pt/TiO2 の存在下でアセトニトリルをニために、インドールの 3 位にホルミル基を導入し、トリル源としたインドール(1)からのインドール-3-

シアン化ナトリウム(NaCN)を用いてシアノメチル

アセトニトリル(2)の合成(スキーム 1)における反[2]化する方法が知られている 。NaCN は、有機合成に応収率の向上を目的とした。本研究により、インド

おいてシアノ基を導入するための試薬としてよく用ール骨格を持つ医薬品等の新規合成手段を提案する。

いられる一方で、毒劇物取締法で毒物に指定されており、非常に毒性が高い試薬である。この問題を解決するために、近年、比較的毒性の低いアセトニト
リルをニトリル源として用いる手法が開発されている。また、本研究は不均一系光触媒の Pt/TiO2 を採用

スキーム 1

している。Pt/TiO2 は、均一系光触媒反応に比べて、いた 1 の直接的シアノメチル化反応による 2 の合成

Pt/TiO2 存在下でのアセトニトリルを用反応混合物からの触媒の分離が2. 研究成果容易であり、再使

2-1. 各溶媒混合比における光触媒存在下での 1 の用が可能となる。

シアノメチル化反応による 2 の合成
1(0.1 mmol, 0.0117 g)を含むアセトニトリル/水混

Yoshida らは、
Pd/TiO2 あ る い は

図1

Pt/TiO2 と Pd/Al2O3の構造合溶液 25 mL を様々な混合比で調製し、Ar ガスで脱インドールと 7-HMIA

気した。
反応は、溶液 5 mL に対して TiO2 粉末 0.0200 g、

26

Pt/TiO2 粉末 0.0200 g、Pt/TiO2 粉末 0.0200 g と Pd 黒

0.1, 0.2, 0.3, 0.4 mmol の 1 を含むアセトニトリル/

0.0050 g をそれぞれ別のパイレックス試験管に加え、水(CH3CN:H2O = 8:2)混合溶液 25 mL を調製し、Ar ガ

900 rpm で撹拌しながら 25℃を保ち、100 W 高圧水

スで脱気した。反応は、溶液 5 mL に対して Pt/TiO2

銀灯で 6 時間照射して行った。光照射後、内部標準

粉末 0.0200 g、Pt/TiO2 粉末 0.0200 g と Pd 黒 0.0050 g

物質のドデカンを加え、適当な溶媒で溶かし GC でをそれぞれ別のパイレックス試験管に加え、900 rpm

分析し、1 の転化率、2 の収率と選択率を算出した。

で撹拌しながら 25℃を保ち、100 W 高圧水銀灯で 6アセトニトリルと水を様々な混合比で溶媒とした

時間照射して行った。光照射後、2-1 と同様に 1 の転ときの 1 からの 2 の合成の結果を図 2 に示す。反応

化率、2 の収率と選択率を算出した。

の結果、Pt/TiO2 存在下でアセトニトリルと水の混合反応の結果、1 の初濃度 0.2 mmol/25 mL で Pt/TiO2

比が 6:4 のとき、1 の転化率(88%)、2 の収率(20%)おを添加したとき、転化率(71%)、収率(11%)および選よび選択率(23%)が最も高かった。Pd 黒は、反応中択率(16%)が最も高かった。2-1 と同様に、Pd 黒を添間体からの水素引き抜きのために添加した。Pd 黒を加したことによる収率の向上は見られなかった。

添加したことで、光の透過が阻害され、収率が減少したと考えられる。

3. 総括
Pt/TiO2 存在下でのアセトニトリルを用いた 1 の直接的シアノメチル化反応は、1 の初濃度
0.1 mmol/25 mL、CH3CN:H2O = 6:4 のとき、2 の収率が最大となった。このシアノメチル化反応には、水の存在が必要不可欠であることが分かった。
NaHCO3 と Pd 黒は、収率の向上に効果がなかった。
4. 今後の課題
本研究の大きな課題は、2 の収率が非常に低いことである。解決策として、適切な塩基の探索が考えられる。スキーム 1 の律速段階は、TiO2 の励起により生じた正孔がアセトニトリルの C-H 結合を解離させ、シアノメチルラジカルを生成させるステップであると考えられる。適切な塩基の添加により、アセ
トニトリルの C-H 結合解離を誘導し、2 の収率の向上が期待される。また、MCR が 1 と 2 の光分解の抑制に有効であると考えられる。MCR とは、一辺が1 mm～数十 µm からなる微小空間で化学反応を行う
フロー式反応器である。短い光路長による高い光透過性、触媒全体への均一な光照射により、MCR の利
用 は 一 般 的 に 反 応 効 率を向 上 さ せ る 。 流 路 内 の
Pt/TiO2 薄膜側から反応溶液の順に光を当てると、1と 2 に直接当たる光が減少し、それらの光分解の抑制が期待できる。
5. 参考文献

図 2[1] P. V. Thanikachalam, R. K. Maurya, V. Garg, V. Monga,

溶媒の混合比と転化率(conv.)、収率(yield)

Eur. J. Med. Chem. 2019, 180, 564

および選択率(select.)の関係 (a) TiO2, (b) Pt/TiO2,(c) Pt/TiO2 + Pd 黒[2] T. H. Kwon, I. H. Yoon, J.-S. Shin, Y. H. Lee, B. J.
Kwon, K.-T. Lee, Bioorg. Med. Chem. Lett. 2013, 23,2571

2-2. 1 の各初濃度における Pt/TiO2 存在下での 1 の[3] H. Yoshida, Y. Fujimura, H. Yuzawa, J. Kumagai, T.

シアノメチル化反応による 2 の合成

Yoshida, Chem. Commun. 2013, 49, 3793

27

地方都市に建つ免震建物における免震層内の調査研究
The Research on a Base-Isolation Layer of a Base-Isolation Building in Local Cities
建築学専攻 甲斐 大也（指導教員：加藤 巨邦）
KAI Hiroya, Advanced Course of Architecture, NIT(KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
In order to investigate how the difference in air permeability of the vertical clearance of the base isolated building
influences the environment inside the base-isolated layer, we measured temperature and relative humidity for about
28 months from early May 2018 to the end of August 2020. In this study, first, we compared outside temperature
with observation data. Second, we compared the observed data with data observed in other spots.
The following results were obtained: 1) In summer, the temperature in the base-isolated layer is lower than theoutside temperature on the other hand, in winter is higher. 2) Some space inside the base-isolated layer are affectedby outside air, and others are not. 3) It was confirmed that when the vertical clearance has air permeability, thehumidity tends to decrease. 4) Some hygrometers have measurement errors, so the measurement method needs tobe changed.
For more accurate discussions, it is imperative to investigate other base isolated buildings.

Key Words : Base-isolation Building ,Measurement survey, Temperature, Relative humidity, Absolute Humidity
１．はじめに確保されているが、図１の実線で示す箇所において阪神淡路大震災以降、大地震時には免震建物が有効であることが証明されてから、国内には免震建物が数多く建設されている。また、免震構造には積層ゴムを用いるため、温度変化による剛性に関する研究がなされてきた。しかしながら、免震建物の免震部材には鋼材を使用しているため、高湿化した免震層内において結露が繰り返し発生すると鋼材部の発錆が危惧されている。そのため、免震層内の湿度をは外周部にウッドデッキが設置されている。免震層内から確認したところ、この実線部では日差しは遮られていたため、通気性はないと思われる。また、
図１の破線で示す部分においては植え込みが施されている状態ではあるが、光の差し込みが確認されため、通気性があると思われる。免震層内における測定は、目視確認を行うとともに、温度計および温湿度計を用いて測定した。図１に測定位置を示す。温把握することは、免震建物の維持管理に不可欠である。また、地方都市に建つ免震建物は、建物相互の隣棟間隔を比較的広い状態にできると考えられる。
そのため、地方都市に建つ免震建物は、外部風が建度の観測は 2018 年 5 月 11 日から開始し、相対湿度の測定は同年 8 月 16 日から開始して、現在も継続中である。但し、測定途中で装置（温湿度計）に不具合があり測定できなかった期間が一部生じていた。

物外壁に正圧をかけやすい状態となり、免震層内の鉛直クリアランスから免震層内に外気が入って層内部の自然換気が行われやすくなっている箇所もあると思われる。そこで本研究では、地方都市に建つ既存免震建物の免震層内を測定することより、免震層の内部環境をより詳細に把握し、免震建物のメンテ
ナンス作業を極力減らすことのできる維持管理の方法を考察する。

図 1 免震層の平面図兼測定位置

2. 建物概要および測定概要
本対象建物は宮崎県日向市に建設された地上４階

3. 測定結果および考察
3.1 冬・夏季の表面結露の目視確認結果
梅雨時に目視確認を行ったところ、免震層内の北部（図１参照）に位置する免震部材およびその取付建ての免震建物である。図１に免震層の平面図を示部や設備配管等の表面には、多量の結露が見られた。

す。鉛直クリアランスは、全周において 15cm 程度

但し、冬季においても前述の部分を目視確認した際

28

は結露が確認できなかった。また、免震層内の南部においては、今回測定した全期間おいて上述のような結露は見られなかった。
3.2 外部風との関係
目視確認による結露発生の有無より、外部風が免震層内にどのような影響を与えているのかを考察するために、測定位置③と⑧の比較を行った。なお、の比較を行った。図 3 には、免震層内の絶対湿度変動と気象庁 1）で観測された 1 時間降水量を示す。これより、夏季の絶対湿度変動幅は冬季より小さくなっているが、絶対湿度の値そのものは大きくなっている。これは、外部風よって免震層内に湿った空気が侵入した結果、夏季免震層内の空気中に含まれている水蒸気量が多くなったと考えられる。また、冬抽出日は日最高気温が 35℃を超えた夏日であり、かつ降水が観測されていない日を抽出した。表 1 には、2020 年 8 月 16 日の気象庁 1）で観測された風速と風向を示す。図 2 には、図 1 中に示した測定位置③、⑧の空気温度・絶対湿度、気象庁 1）で観測された外気温の日変化を示す。図 2（1）より、測定位置⑧の空気温度は外気温とほぼ同様の変化を示し、9 時頃から上昇し正午付近で最高温度に達している。測定

季の免震層内は夏季より降水による絶対湿度上昇が大きくなる傾向がみられた。これは、降水前の冬季の免震層内温度の飽和水蒸気量に対して、層内部の水蒸気量が少ないためと考えられる。この結果より、夏季と冬季の免震層内空気に含まれている水蒸気量は差が出ると推測される。また、梅雨時の免震層内南部において結露発生がみられなかった要因の一つ
として、風の通り抜けが挙げられる。そのため、免位置③の空気温度は 1 日を通してほぼ一定である。
一方、図 2（2）より、測定位置⑧の絶対湿度は 9 時頃から上昇し 10 時頃から低下に転じている。その後の測定記録においても、同様の変化がみられた。なお、測定位置⑧の温度・絶対湿度の上昇が観測された 9 時という時間は気象庁発表の風向観測（表 1）
が東北となった時間と等しい。これより、海から陸

震層内に外部風を取り込んだほうが、梅雨時の免震層内の結露発生を抑制することができるのではないかと考えられる。

に向けて吹く湿った暖かい風が免震層内に侵入したことより、測定位置⑧の空気温度上昇および絶対湿度上昇・下降が生じたと考えられる。また、測定位
置③は⑧と同様の変化を示しているが、変動幅が小さくなる傾向がみられた。これは、建物外周部に設置されているウッドデッキの下地材により、風が通
り抜けないため、外部風による影響を受けにくかったと考えられる。この結果より、鉛直クリアランス

図 3 免震層内の絶対湿度変動の通気性がある免震建物では、外部風による自然換気が行える可能性を示唆している。
表 1 抽出日における気象庁で観測された風向

上：冬季(2019/12/1～31)、下：夏季(2020/8/1～27)

4.

2020年8月16日
1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00
西南西 西北西 西北西 北西
西 西北西 西北西 北西 北東 東南東 東
東
13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 24:00
南東 東南東 東南東 東南東 南東 南南西 南南西 西南西 西南西 静穏 西南西 西南西まとめ
本報では、地方都市に建つ免震建物の免震層内の環境について実測調査を行い、以下の知見を得た。
（1）冬季と夏季の免震層内空気に含まれる水蒸気量は差が出るという結果を得られた。

（1）空気温度（2）絶対湿度
図 2 測定位置③,⑧の空気温度・絶対湿度の時間変化
3.3 冬・夏季の免震層内の絶対湿度変動（2）免震層内では、通気性がある鉛直クリアランスを用いることより、外部風による自然換気が行える可能性を示唆した。
今後は本対象建物の観測を継続して行い、自然換
気の有用性および免震層内の環境変化について検討を行う予定である。また、地方都市に建つ免震建物においても同様の観測を行い、免震層内環境に違いが生じるのか検討を行う予定である。

冬季（2019 年 12 月 1 日～31 日）および夏季 (2020年 8 月 1 日～27 日)において、それぞれの免震層内

参考文献

1） 気象庁 ホームページ

29

400N 級建築構造用鋼材のひずみエネルギー量のばらつきに関する基礎的研究
Basic study on variations of strain energy of steel for building structuure
建築学専攻 徳留 光祐（指導教員：加藤 巨邦）
TOKUDOME Kosuke, Advanced Course of architecture
NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
In this study, a comparative study on the variation of elasto-plastic strain energy between SS400 and SN400B
was conducted. First, in this method, tensile tests were performed on two steel types, SS400 and SN400B. Second,
we calculated the amount of strain energy based on the stress-strain curve obtained by the test and investigate its
variations. And third, the strain energy was simply calculated using the “yield point” , ”tensile strength” and“elongation” obtained in the tensile test. The validity of the calculation of the amount of strain energy obtained by
the equation is shown, The result shows that the amount of strain energy obtained by the tensile test and that obtainedby our proposed equation are roughly the same. At the present stage, the average value of the strain energy of the
SN material is larger than that of the SS material. However, regarding variations, it was found that those of SN
materials are smaller.

Key Words : Yield point, Tensile strength, Mill sheet, Strain energy

１．はじめに過去に発生した大震災の被害状況から 1981 年に
新耐震基準が制定された。現在、大地震時には地震
時の振動エネルギーを鋼材の弾塑性変形を利用したエネルギー吸収量で消費させて建物の倒壊を免れようとする設計が行われている。その設計思想を元にして、SN 材が開発された。しかし現在も、従来の SS

SS 材：8 体、SN 材：9 体、全 17 体についての引張試験を行った。まず、引張試験結果と引張試験に用いた鋼材のミルシートに記載されている値の主要な三つの値(降伏点、引張強さ、伸び)について比較した。
２項種ともに降伏点、引張強さ、伸びの平均値はほぼ同程度であることが分かった。次に、降伏比について検討を行った。降伏比に関しては、JIS 材におい材が比較的多く用いられている。これらの鋼材の弾塑性変形性能の特徴を表すパラメーターとして、降伏点、引張強さ、伸び、降伏比の 4 つが挙げられ、既往の研究１)によって、それぞれの値に関するばらつきの比較検討が行われている。しかしながら、設計思想を元にすると、エネルギー吸収量の面で、SNては SS 材の規定はないが、SN 材は板厚 16mm を超える鋼材で規定されている。今回の試験体に関して
は、降伏比が 80％を超える鋼材が数体確認できたが、これらの鋼材は板厚 6mm の鋼材であったため、試験体として大きな支障のないものと考えた。

材の優位性、安定性を示し、普及につなげることが重要であると考えた。そこで、鋼材のエネルギー吸３．引張試験によるひずみエネルギー量の算出
引張試験で得られた σ-ε 曲線からひずみエネルギ

収量を実験により算出し、SS 材と SN 材の比較検討を行うこととする。それに加え、ミルシートの値を元にしてエネルギー吸収量を簡易的に算出する方法
を考え、比較検討を行うこととする。
２．引張試験による比較検討
今回比較検討を行う両鋼材のうち、主要な板厚のー量(Eev)を算出した。その際、ひずみエネルギー量を算出するひずみ度に関しては、標点距離のひずみを元にしているため、標点距離の破断時ひずみ度と試験機のクロスヘッド間の距離を元にしたひずみ度との関係を用いて求めた比例係数をかけることにより実情に合わせることにする。これにより得られた
応力度―ひずみ曲線からひずみエネルギーを算出し鋼材より、JIS で規定されている形状の試験体を切り出して破断時までの引張試験を行った。本年度は、比較検討を行う。3 年前に引張試験が行われた 26 体については、上記の比例係数による修正が行われて30

いなかった。そのため、本年度の試験体と併せて 43
体のデータについて算出し比較を行った。各鋼材のひずみエネルギー量に関する正規分布図を図 1 に示す。これらの 2 鋼種は、平均値は SN 材の方が大き
く、ばらつきは SN 材の方が小さいことが分かった。
図3

簡易算出方法によるひずみエネルギー量(Esc)の正規分布曲線
５．実建物に使用された鋼材のひずみエネルギー量
実建物に使用されるすべての鋼材を用いて引張試
験を行うことは不可能である。そのため、Eev と Esc
が概ね 1 対 1 で対応していることから、実建物に使用された鋼材のミルシートを元にして主要な機械的性質の値より、簡易的に算出する方法でひずみエネ

図 1 各鋼材のひずみエネルギー量(Eev)の正規分布曲線
４．簡易的に算出する方法による比較検討
簡易的に算出する方法とは、引張試験で得られた降伏点を上底、引張強さを下底、伸びを高さとする
台形の面積で算出する方法である。各試験体において、引張試験で得られた主要な三つの値(降伏点、引張強さ、伸び)を用いて、簡易的に算出する方法を用
いてひずみエネルギー量(Esc)を算出し、Eev との比

ルギー量を算出し、比較検討を行った。その結果、SN 材の方が SS 材よりもばらつきが小さいことが分かった。今回検討を行ったサンプル数を表 1、2 鋼種に関する正規分布図を図 4 に示す。
表1

サンプル数

鋼材

炉

数

電炉

888

高炉

433

電炉

322

高炉

160

SS400

較検討を行った。
はじめに、Eev と Esc との相関関係を図 2 に示す。
図中の破線は最小二乗法で算出した一次関数式である。図中の R²で示されている決定係数が 2 鋼種ともに 1 に近い値となっており、2 鋼種ともに良い相関関係であるため Eev と Esc は概ね 1 対 1 で対応していると考えられる。従って、今回検討を行った簡易的に算出する方法を用いてひずみエネルギー量を算

SN400B

合計
1321
482

図4

2 鋼種の正規分布曲線

６．まとめ
本研究では、まず引張試験から得られた σ-ε 曲線
を用いてひずみエネルギー量を算出した。次に 400N級鋼材に関して、その機械的性質のうち主要な値である降伏点、引張強さ、伸びの三つの値を用いて簡出しても大きな遜色はないものと思われる。

易的に算出する方法でひずみエネルギーを算出した。
上記の 2 つの算出方法によるひずみエネルギー量が概ね 1 対 1 で対応していることから、簡易的に算出する方法の妥当性を示した。この考えを元に、実建物に使用された鋼材のミルシートを用いて簡易的に算出する方法でひずみエネルギー量を算出した。上記の三つの算出方法を用いたひずみエネルギー量を比較したところ、平均値は SN 材の方が大きく、ばらつきに関しては、SN 材の方が小さかった。これより、SS 材よりも SN 材の方が安定性があると思われるため、SN 材を普及させる一助になると考える。

図 2 Eev と Esc の相関図
主要な三つの値を用いて算出したひずみエネルギ
ー量の正規分布図を図 3 に示す。その結果、図 1(Eev)と図 3(Esc)は同等の傾向が見られたが、ばらつきは
若干図 3 の方が小さくなった。また、ひずみエネル
ギー量の平均値は 2 鋼種ともに Esc の方が大きく、

参考文献
1)建築構造用鋼材特性の現況とその活用,2013 年度
日本建築学会大会(北海道),構造部門(鋼構造),パネ

ばらつきは SS 材が Esc の方が安定しており、SN 材
は若干ではあるが Eev の方が安定していた。

ルディスカッション資料 pp.7,pp.11,pp.12 2013.9

31

地方都市における空間的ストック発生要因に関する研究―宮崎県都城市を対象として―Study on the Factors that Cause Vacant Houses and Vacant lots in local cities-Miyakonojo city in Miyazaki Prefecture as study object建築学専攻 長友 駆 (指導教員：杉本 弘文)
NAGATOMO Kakeru, Advanced Course of Chemical Science and Engineering,
NIT(KOSEN), Miyakonojo College

Abstract
In recent years, due to the declining birthrate and aging population, the declining, population, and the aging ofexisting houses, there has been a problem of increasing the number of unoccupied houses and buildings
nationwide. In this study, in order to curb the occurrence of vacant houses in local cities, we consider the factor of
vacant house generation and the problems in community planning and housing development in local cities due tothe actual situation of local residents’ living and community awareness. Those who answered that it is comfortable
to live in, with the willingness to transfer and sell more strongly than the willingness to protect their homes, withwomen tending to be higher. It was found that changes in life stages, such as employment, marriage, and buying ahouse, were related to the background of the move. In terms of living comfort, it is expected that the enhancementof soft aspects such as medical / welfare, security, work, and human friendliness is important. It was found that thelocation condition was the most important for the resident’s consciousness of residence.

Key Words : Provincial city, Vacant house occurrence factor, Settlement consciousness, Living comfort
１．背景及び目的

２．２

属性

地方都市では、広大な敷地を所有している世帯が世帯主、同居家族に分けて集計を行った。回答者多い反面、都市部への人口流出による後継者不在や、の男女比を表 2 に、回答者の年齢層を表 3 に示す。

高齢化に伴い、住宅や庭の手入れが行き届かないと

表 1 アンケート調査回収状況

いった問題が起き、その結果、整備不十分な住居が多くなり、まちなかの空き家は増加傾向にある。
本研究では地方都市の空き家発生の抑制に向けて、対象者配布数(件)
回答数(件)
回収率(％)

近年種々の取り組みが行われている宮崎県都城市の市

同居家族
748
171
22.9

全体
1122
368
32.8

表 2 回答者の男女比

街地を対象として、地域居住者（全世帯配布・同居家

性別
男
女
合計

族）
に対するアンケート調査を実施した。
これを基に、地域居住者の生活・コミュニティ意識の実態を明らかにし、居住者の定住・移住意識との相関から、空間的

世帯主
人数(人)
割合(％)
138
68.9
59
31.1
197
100.0

同居家族
人数(人)
割合(％)
37
21.6
134
78.4
171
100.0

表 3 回答者の年齢層

ストックの発生要因について考察し、活用に至るまで
年齢
10代
20代
30代
40代
50代
60代
70代
80代
90代以上
不明
合計
平均年齢

のプロセスを検討することを目的とする。
２．調査概要
２．１

世帯主
374
197
52.7

調査方法

アンケートは各世帯に、世帯主 1 部、同居家族に
2 部配布した。公民館加入者は回覧板、未加入者には直接配布・回収とした。回収状況を表 1 に示す。

32

世帯主
同居家族
人数(人) 割合(％) 人数(人) 割合(％)
0
0.0
11
6.4
0
0.0
10
5.8
4
2.0
15
8.8
14
7.1
22
12.9
27
13.7
30
17.5
37
18.8
32
18.7
44
22.3
24
14.0
24
12.2
9
5.3
5
2.5
1
0.6
42
21.3
17
9.9
197
100.0
171
100.0
62.6
49.0

３．調査結果
３．１

世帯主(n=161)
2)

定住意識 と居住快適性評価

3)

定住意識あり(n=253)

定住意識と居住快適性評価の相関（図 1）では、世定住意識なし(n=22)ており、居住性が良いと回答していることから、定住意識を持っている人は居住快適性評価が高い傾向

5.9
3.1
2.9
3.1

未定
(n=22)があると言える。

0

1.2

0

定住意識と将来的な住まいへの意思

8.8

20

定住意識と将来的な住まいへの意思の相関（図 2）

40

60

80

100

居住性良い（世帯主）

居住性良い（同居家族）

居住性悪い（世帯主）

居住性悪い（同居家族）(%)

図 1 居住快適性と定住意識

では、定住意識の有無に関わらず、「荷物置きとして利用」する意識が強い傾向がみられた。また、「定住

定住意識あり思う

意識無し」である人の方が、「定住意識あり」の人に思わない比べ「先祖代々守りたい」という意思が強い傾向が

1.0

分からない
定住意識なし

得られた。
３．３

81.6

0.6
0.8

87.0

帯主・同居家族共に 70％以上の人が定住意識を持っ３．２

同居家族(n=136)

思う

定住理由

0

思わない

中心市街地への定住理由（表 4）に関して、世帯分からない

主・同居家族共に、「医療・福祉関係」
「治安」
「人が

34.0
46.9
31.0 38.8
27.9
30.6
20.4 25.9 35.0
25.2
51.9
30.6
37.5
12.5
14.3
25.0
37.5
28.6
14.3
28.6
37.5

0
20
荷物置きとして利用
住まなくなったら売却
先祖代々守りたい

優しい」の項目を重視する傾向が見られる。他の項目に関して比較しても、世帯主と同居家族間で大きな差

78.6

22.2

28.6

71.4
57.1

57.1 50.0

4060
他人に貸すのは不安がある
住まなくなったら譲渡80(%)

図 2 定住意識と将来的な住まいへの意思（世帯主）

は見られなかった。

表 4 定住理由
世帯主（n=164）
順位

定住理由

1 4.医療・福祉関係
2 5.人が優しい
3 11.治安4 12.仕事
5 1.自然6 9.店舗7 8.公共交通機関
8 3.子育て環境
9 14.その他
10 6.飲食
11 2.風景12 13.農業
13 10.娯楽
14 7.物価総計

４．まとめ・考察
本稿において得られた知見を以下に示す。
①住まいを他人に貸すことや活用への不安・抵抗が低いにも関わらず、将来的に荷物置きとして使用する予定の人が多い。これは、住居の老朽化に伴う改修コスト増大や庭の手入れ等、ハード面（物的環境要因）の問題はもとより、相続・不動産手続き
等、ソフト面（人（意識）的環境要因）の問題が大回答数(件)
61
50
47
34
33
33
28
20
18
13
11
6
5
4
363

同居家族(n=124)
割合(％)

定住理由

37.2 4.医療・福祉関係
30.5 11.治安
28.7 5.人が優しい
20.7 1.自然
20.1 12.仕事
20.1 9.店舗
17.1 8.公共交通機関
12.2 3.子育て環境
11.0 6.飲食
7.9 14.その他
6.7 2.風景
3.7 7.物価
3.0 10.娯楽
2.4 13.農業
221.3 総計

回答数(件)

割合(％)

46
38
26
26
25
22
18
17
17
15
8
5
4
4
271

37.1
30.6
21.0
21.0
20.2
17.7
14.5
13.7
13.7
12.1
6.5
4.0
3.2
3.2
218.5

参考文献
[1]平田陽子「空き家発生の未然防止に関する研究－寝屋
川市における居住者調査をもとにして」日本建築学会計画
系論文報告集第 2016 号，pp267～268，2016[2]伊藤侑美,井上えり子「空き家発生要因の地域特性に関する研究」日本建築学会計画系論文報告集第 2007 号，pp49～50，2007[3]的野康一，友枝竜一，平山義雄，池添昌幸，岡俊江，竹下輝和「空き家・空宅地の発生と居住世帯の変化 : 郊外戸建住宅地における住宅・宅地の更新に関する研究 その 2」
日本建築学会学術講演梗概集（九州）第 2007 号， pp261～262，2007[4]清水陽子，中山徹，前根美穂「市街地に発生した空き家への対策について : 長崎市の取り組み」日本建築学会学術講演梗概集（関東）第 2011 号，pp1063～1064，2011
平成 27 年 3 月[5]都城市「都城市市民意識調査（ふれあいアンケート）」
注釈1）図 1 に示す中心市街地活性化区域と都城市中心市街地
中核施設整備支援事業基本計画区域を「中心市街地」と定義する。
2) 「住み続けたい・どちらかというと住み続けたい」を「定住意識あり」、「どちらかというと住み続けたくない・
住み続けたくない・いずれ引越しをしたい」を「定住意識なし」として定義し、分析を行った。
3) 居住快適性評価では、「住みやすい・どちらかというと住みやすい」を「居住性が良い」、「どちらかというと住みにくい・住みにくい」を「居住性が悪い」として定義する。

きく起因していると考えられる。
②クロス集計より、定住意識のある人と同じように、定住意識の低い人でも居住性に関しての評価は比較的良い傾向がみられる。このことから、住まいの周辺環境（生活基盤施設、近隣住民との関係）は充実していると考えられる。
上記の考察を踏まえると、空間的ストック発生要因として、単身世帯の高齢者が施設に入ること、仕事の関係上やむを得ず引っ越しすることなど、回避が困難な事由があると考える。
５．今後の課題
今後の展開として、空間的ストックに対する意識の高まりや発生抑制に向けて、地域コミュニティ基
盤の強化が必要と考える。また、地方都市の中でも中心市街地と郊外では居住者の地域コミュニティ意識が異なると考えられるため、同様の調査を郊外でも実施し、中心市街地との比較・検討を行う。

33

ローマとアウグストゥス神殿におけるモールディングの復元
Restoration of molding in Rome and Temple of Augustus
建築学専攻 匹田 瑛志（指導教員：中村 裕文）
HIKITA Eishi, Advanced Course of Architecture, NIT (KOSEN), Miyakonojo College

Abstract"The Temple of Rome and Augustus" is a temple that was allegedly built in B.C.19 / 18.The remaining ruinelements were severely degraded over time. For this reason, the shape and dimensions before the restoration of thetemple are unknown. Based on this fact, in this study, we will try to recover the shape using 3D survey data for darts
and tongues, which are the decorative belts of the Architrave, among the remaining ruin elements. The researchused a method of creating and restoring a columnar body from darts and tongues contour data, and a method ofcreating a surface from darts and tongues contour data and restoring by converting it to solid model. A summary of
the study is provided below. 1) In the restoration method, the missing part of each data was able to be performed bysynthesizing the solid model created from the four darts and tongues contour data. 2) “Method of restoring bycolumnar body model” and “Method of restoring by converting surface to solid model”. With these two methods,
it can be considered that the latter has higher shape restoration performance. Was. 3) It is considered that darts andtongues and beads and reels are not necessarily arranged in the same arrangement pattern. In the future, we willplace darts and tongues in the Architrave and promote restoration.

Key Words : Ancient Roman architecture, circular temple, electeion

１．研究の目的
遺跡の研究では遺跡を構成する遺構の復元を進めるにあたり、その遺構を形づくっている部材の形状や寸法の復元は不可欠なものである。
「ローマとアウグストゥス神殿」は B.C.19/18 年に建設されたとされる神殿であり、残存している部材は経年による劣２．２ 柱状体による復元
柱状体モデルはダーツ＆タンを正面から等間隔で切断して得られた等高線データを基に作成されているが、これはそれぞれの高さの断面データに高さを与えた柱状体で構成されている。そのため、凹凸のある階段のような形状となっている。

化が激しく現れている。そのため、神殿の復元に用いる以前の形状や寸法が分からない状態である。このことを踏まえたうえで本研究では、残存している部材の中でも特にアーキトレーブ（柱の柱頭に乗る梁材）の装飾帯であるダーツ＆タンを対象とし、3D測量データ用いて形状復元に取り組む。
２．研究の方法

この方法では複数の部位の柱状体モデルの重ね合わせを行うことで欠損部の補填を行う。柱状体モデ
ル作成に使用する等高線データは目視で形状の劣化が少ないと判断した 4 つのダーツ＆タンから取り出しを行った。さらに、一般的にダーツ＆タンは左右対称の彫刻であると考えられるため、最終的には作成したそれぞれの柱状体モデルを合成し左右対称化を行う。ここでいう左右対称化は、合成した柱状体

２．１ 復元方法
研究は、ダーツ＆タンの測量データからソリッド
モデルを作成し合成を行うことでそれぞれのダーツ＆タンの欠損部を補うことができるのではないかと考えた。このことから、ダーツ＆タンの等高線デー
タから柱状体を作成し復元する方法と、同じくダーツ＆タンの等高線データからサーフェスを作成し、モデルを鏡像反転したものをさらに合成することで行う。鏡像反転を行った柱状体モデルを合成することで、合計 8 個のモデルを合成した事と同じ効果を得ることができると考えた。
２．３ サーフェスデータによる復元
CAD の機能でサーフェスデータを押し出すことによりソリッドモデルを作成し合成を行うことでそソリッドモデルに変換することで復元する方法を使用し研究を行った。

れぞれのダーツ＆タンの欠損部を補う。
そのため、まず初めに等高線データからサーフェス34

データ作成を行う。等高線データからサーフェスを作成することで細かい凹凸の平均化やポリゴンの数を減らすことができる。しかし、合成を行う際に「タン」の中心に合わせてダーツ＆タンの重ね合わせを行うと大きさの違いからズレが生じてしまう。そこで、ダーツ＆タンは相似の関係にあると仮定して「タン」の中心線から左右の「ダーツ」の中心線までの比較のため、図 3 のように二つの方法で作成された柱状体モデルとソリッドモデルの目視による比較と 2 つのモデルの重ね合わせを行った。

寸法を求め、平均化を行い、それぞれの倍率を求め
拡大縮小で修正を行う。
３．考察
３．１ 合成したソリッドモデルと左右対称化及び修正したソリッドモデルの比較
ダーツ＆タンの等高線データは 4 つであり、左右対称化を行うことで実質的にはデータ量が 2 倍にな

図 3 2 つのモデルの重ね合わせ
両者の重ね合わせの図から、ソリッドモデルでは柱状体モデルでは補うことのできなかった欠損部をり、より細密なモデルを作成することができると考える。合成したソリッドモデルと左右対称化及び修正したソリッドモデルを比較することでより細密なモデルが作成できたのか検討を行った。

図1

復元できていると考えられる。
４．まとめ
1）復元方法ではダーツ＆タンの 4 つの等高線データから作成されたソリッドモデルを合成することでそれぞれのモデルの欠損部を行うことができた。左右対称化も行うことによって、実質 8 つ分のモデルの合成を行うことができ、より細密なモデルの復元ができたと考えられる。
2）2.2 と 2.3 の二つの方法では後者の方が形状の復元性能が高いと考察できた。
3）ダーツ＆タンとビード＆リールは同じパターンで配置されていると考えていたが、タンの中心線を基準に合成したソリッドモデルではビード＆リールは形状の再生がなされていなかった。このことから両合成したソリッドモデル

者は必ずしも同じ配列パターンで配置されているわ
けではないと考えられる。
参考文献（1）藤岡達夫・渡辺保忠・桐敷慎次郎・平井聖・
河東義之・斎藤哲也,エレクテイオン アーキトレーブ（2010）『建築史 増量改訂版』,市ヶ谷出社（2）J.M PATON,THE ERECHTHEUM, Cambridge(USA) 1927, plate 16
図 2 左右対称化及び修正したソリッドモデル
図 1 と図 2 を目視で比較した際、図 2 の方が形状の凹凸が少なく、より滑らかな形状になったと考える。
３．２ 柱状体モデルとソリッドモデルの比較「柱状体を作成し復元する方法」と、「サーフェス
を作成し、ソリッドモデルに変換することで復元す（3）林田義伸，アテネのアクロポリスにあるローマとアウグストゥス神殿に関する研究 その 1 :2011 年の実測調査の概要(歴史・意匠),日本建築学会（4）中村裕文, 3D 形状データを用いたローマとア
ウグストゥス神殿の柱頭の復元に関する研究,2018,
日本建築学会る方法」、この二つの方法で作成したモデルの比較をおこなった。

35