工 学 研 究 所 所 報 第 32 号 目 次

巻

頭

言

今年度の活動計画 ···················································· 許総

瑞邦 ··· １

説
賞味期限切れ食品再販を防ぎ売り上げ向上を図るための仕入れ・在庫管理································································ 上野俊夫 ··· ２
サプライチェーンにおける鞭効果（ブルフィップ効果）の測定と制御法 ···· 北岡正敏 ··· 10
経営工学の役割 ······················································ 松浦春樹 ··· 20
わが国戦前期の近代住宅にみられる設計手法について－1935 年及び 1939 年発行の清水組『住宅建築図集』掲載の住宅建築を中心として－ ···················· 内田青蔵 ··· 27
集落の空間，その持続的自律的空間構造と近代主義計画モデルとの矛盾 ···· 重村
構造信頼性解析の４次モーメント法 ··························· 趙衍剛､盧力 ··· 38
朝輝 ··· 44

磁性研究の最前線―希土類化合物の新しい秩序状態 ······················ 椎名亮輔 ··· 51
テレスコープアレイ実験による最高エネルギー宇宙線の探索 ·············· 有働慈治 ··· 58
共 同 研 究酸性霧の樹冠への沈着と森林衰退 ················ 井川

学、松本

潔、大河内

博 ··· 67

出会い頭事故未然防止の研究－交差点カーブミラー視認性評価と再設計マニュアル開発－·································· 堀野定雄、森みどり、久保登、北島

創 ··· 77

計画支援を意図した空間情報視覚化システムの開発·········· 山家京子、荏本孝久、曽我部昌史、山本俊雄、佐々木一晋、飯澤清典 ··· 84
構造相転移によるカルコゲン系熱電材料の高性能化に関する研究···························· 米田征司、山口栄雄、大杉功、Ravhi S. Kumar ··· 93

講演会記録
2008 年ノーベル物理学賞と加速器科学の進展 ··························· 渡邊靖志 ··· 103
随想メモリー効果 ························································ 佐藤祐一 ·· 109
IE の理論と実際の統合教育 40 年 ······································ 上野俊夫 ··· 114
何でも見える磁気共鳴（ＮＭＲ）に魅せられて ·························· 高山俊夫 ··· 118

年 次 報 告 ········································································ 123
神奈川大学工学研究所所報執筆規定 ···················································· 135
編 集 後 記 ········································································ 136

CONTENTS
Preface2009 Annual Activity··············································· Zuihou

KYO ··· １

Review
Purchase Planning and Inventory Control for Preventing Resale on Out of Freshness Date Foods andImproving Sales ····················································Toshio UENO ··· ２
Measuring and Controlling the Bullwhip Effect in Supply Chain······ Masatoshi KITAOKA ··· 10
The Role of Industrial Management ······························ Haruki MATSUURA ··· 20
A Study on the Design Technique of Modern Dwelling of Prewar Japan······ Seizo UCHIDA ··· 27
Space of Hamlet,Sustainable and Autonomous Spatial Order,A Contradiction to Modern Planning Theory····················································· Tsutomu SHIGEMURA ··· 38
A Fourth Moment Method for Structural Reliability Analysis··········································· Yan-Gang ZHAO
Zhao-Hui LU ··· 44
A Frontier in Studies of Magnetism - New Ordered State in Rare-earth Compounds························································· Ryousuke SHIINA ··· 51
Search for the Ultra High Energy Cosmic Rays with the Telescope Array Experiment··························································· Shigeharu UDO ··· 58
Joint Research
Acid fog deposition on canopy and forest decline····················· Manabu IGAWA Kiyoshi MATSUMOTO Hiroshi OKOCHI ··· 67
Ergonomics study on prevention of crossing collisions at urban intersections-Visibility evaluation and manual development of re-installing traffic convex mirrors················ Sadao HORINO Midori MORI Noboru KUBO Sou KITAJIMA ··· 77
Spatial Information Visualization System with for Planning Support
Kyoko YAMAGA Takahisa ENOMOTO Masashi SOGABE Toshio YAMAMOTO··········································· Isshin SASAKI Kiyonori IISAWA ··· 84
Possibility of improving thermoelectric performance of chalcogen compounds by structural phasetransition ··· Seiji YONEDA Shigeo YAMAGUCHI Isao J. OHSUGI Ravhi S. KUMAR ··· 93
Lecture Series
Nobel Physics prize in 2008 and Development of Accelerator Science ···Yasushi WATANABE ··· 103
Essay
The Memory Effect ················································ Yuichi SATO ··· 109
Forty Years Doing Synthetic Education Between Theory and Practice of Industrial Engineering··························································· Toshio UENO ··· 114
Being attracted to NMR in which it is possible to see even in what ······ Toshio TAKAYAMA ··· 118
Annual Reports of the Institute ······················································· 123
Manuscript Submission Instruction ··················································· 135
Letters from the Editors ····························································· 136

1

巻頭言

今年度の活動計画
許 瑞邦＊

2009 Annual Activity
Zuihou KYO＊

工学研究所は工学部・工学研究科と協力をし、「社会に開かれた工学研究所」実現を目指して努力しております

４．工学研究所共同研究
工学研究所では毎年１３００万円の予算で次年度の共ので、その現状を報告いたします。∗

同研究題目を募集しております。今年度は昨年度に決定

１．白川筑波大名誉教授による「若者と語る」講演会

した４件の研究題目が進行しており、内２件は昨年度よ大学主催で 2000 年ノーベル化学賞受賞の白川英樹筑波大学名誉教授をお迎えし、７月２５日にセレンディピ

りの継続です。今年度も従来同様題目を募集中です。
５．工学研究所プロジェクト研究（A, B, C）

リティの意味・導電性プラステック発見の経緯等についプロジェクト研究（A,B,C）の制度は、平成１８年度てご講演いただきました。
当日は２００人前後の若者（生の発足以来順調に進展し、
現在プロジェクト研究 A５件、徒・学生）が集まり、蘊蓄を傾けての講演は彼等に大きB１件、C４件が工学研究所で承認され研究が進行していな感銘を与えました。特に、若者からの質疑には時間をます。新たに１０月よりプロジェクト研究 A３件の開始

超えてお付き合いくださり、ご自身の経験を踏まえて丁が予定されています。また、今年度は従来の沼田先生に寧にお答えになる真摯な対応が印象に残りました。

加えて大熊先生、坂田先生、塚田先生、西先生の４名が２．テクノサイエンス連続講演会の開催予定

本研究所の客員教授に着任し、９月現在５名の客員教授、

社会への還元の一環として以下の連続講演会を開催いたします。
１）「暮らしの中のサイエンス」：暮らしの中の音

１５名の客員研究員、２名の特別研究員が在籍となります。現在、４件のプロジェクト研究 C に関連して４つの課題研究所が開設されています。研究所名（責任者）は

コーディネーター：原村教授、講師４名

以下の通りです。町づくり研究所（山家教授）
、大気環境

２）
「科学と工学の最前線」：生命の化学ともの作り

化学研究所（井川教授）、高安心・超安全交通研究所（堀コーディネーター：内藤教授、講師４名

野准教授）、
防災まちづくり支援研究センター（荏本教授）。

３． 神大テクノフェスタ２００９の開催計画

特に今年度発足の高安心・超安全交通研究所設立記念シ

神大テクノフェスタの１０月１６日開催を原村実行委

ンポジウムは日本全国よりドライブレコーダに関心のあ員長の下で計画中です。テクノフェスタは、外部との交る方に多数ご参加いただきました。今後の交通安全に貢流を図るために、研究成果の公開（講演・展示）、企業展

献できること期待しています。本記念シンポジウム開催

示の開催を企画し、産学共同、求人・求職に有意義なイ

にあたり、国土交通省及びふくおか IST よりご後援を、ベントであると考えています。院生・研究室・プロジェ

学長事務室よりご支援を賜りました事御礼申し上げます。

クト研究の展示のほか、「暮らしとまち」（ｺｰﾃﾞｨﾈｰﾀｰ：山６．工学部・工学研究科・工学研究所紹介冊子の更新

家教授）「暮らしと環境」（ｺｰﾃﾞｨﾈｰﾀｰ：山村教授）を主題

本学工学関係の研究活動をご理解頂くため、今年度もとした６教授による講演会と「風と建築物」の特別講演

成田編集委員長の下で標記冊子の内容を更新・発行しまが予定されています。

した。神大テクノフェスタ等内外のイベント開催時に配布予定です。尚、ご入用の方は工学研究所または産官学*所長，工学研究所
Director, Research Institute for Engineering連携推進室ご連絡下さい。
（本原稿は９月時点での実施済みおよび計画中の話題を纏めました）2

賞味期限切れ食品再販を防ぎ売り上げ向上を図るための仕入れ・在庫管理
上野 俊夫＊

Purchase Planning and Inventory Control for Preventing Resale on Out of Freshness
Date Foods and Improving Sales
Toshio UENO＊

1．はじめに∗近年、食品を販売する店舗において、賞味期限切れの処分したときその損失は、100 円×100 個＝10000 円

食品を販売し続けて問題となっている事件が頻発していとなる。このようなことが 1 年間平均的に続くとするなる。なぜこのような事件が起きるのか。それは食品を顧らば、1 年を 300 日（休日を除く）とする場合、その損

客の需要以上に仕入れて賞味期限切れの在庫を多量に出失が 3 日に 1 回発生するので、年間にすると、してしまうからである。そしてこの賞味期限は食品の味

10000 円×300 日÷3 日＝100 万円の損失を保証する期限であって、必ずしも腐って食べられなくということになる。もし賞味期限を改ざんして（賞味期なる期限ではないので、店舗によっては廃棄損失を防止

限を延ばしてしまう）売れ残りがなくなれば、これらのするために、賞味期限を変えてそのまま売り続けてしま

損失は防げるわけであるが、このことが発覚して営業停うからである。また販売店では顧客に少しでも多く購入止させられれば、その食品だけでなく、他のすべて販売

してもらって売り上げを上げたいとの願望から、食品のできなくなるので、たとえば平均 100 円の食品を 50 種

品切れによる顧客購買の機会損失を防ぐためにも、余計類 50 個ずつ仕入れている店であるならば、20 日間の営に仕入れる傾向があると考えられるからである。しかし業停止させられるとすると、このような賞味期限改ざんによって廃棄損失を一時的に100 円×50 種類×50 個×20 日＝500 万円

防止したとしても、結局そのことがわかってしまうこととなり、大きな損失を被るだけでなく、店の信用失墜とにより、却って大きな損失を蒙ることになるのである。

いう、より大きな損害を被るのである。このように賞味したがって食品販売店では顧客を偽るような賞味期限改

期限を改ざんして表向き廃棄損失を防いだとしても、結ざんをせず、売り上げ利益向上のための方法を考えるこ

局割に合わないということである。

とが重要である。本稿ではそのひとつの方法について論ずるものである。

しかしこの例のように年間 100 万円の廃棄損失は、店の売り上げ利益にとってかなり大きな損失であり、もしこのような食品が 10 種類あるとするならば、年間 1000

2．賞味期限改ざんの得失
たとえば、1 個 100 円する賞味期限 3 日の食品を 1 日万円という大きな損失となるわけである。
そこで賞味期限を守りながら損失をできる限り防止し、に 500 個仕入れ、そのうちの 2 割に当たる 100 個が賞味

売り上げを向上させるには、店舗としてどんな考え方を期限切れまでに売れ残った場合、これらのすべてを廃棄すればよいのか。それに応える方策として「必要な食品を、必要なときに、必要なだけ仕入れる」ということが*教授 情報システム創成学科
Professor, Dept. of Information Systems Creation

考えられる。いわゆる食品販売に対する「JIT(Just InTime)」的な考え方である。このような JIT の考え方を

賞味期限切れ食品再販を防ぎ売り上げ向上を図るための仕入れ・在庫管理具体的実現させるには、食品販売店ではどのようなやり方を行う必要があるのか。

3方で仕入計画を行うには、（1）仕入計画に用いるデータの期間の決定（2）データの更新期間の決定

3．顧客の購買動向の把握をすることが必要である。すなわち更新期間ごとにそのJIT を実現させるためには、まず顧客の各食品に対する購買動向がどのようになっているかを知ることが必要

期間分の新旧のデータを入れ替えたものを（1）式に入れて販売数量を算出することである。

である。このためにはある期間にわたる各食品の売上数量を把握することが重要である。各店舗は各食品に対する売上数量の状況を POS データなどから把握すること

4.1 仕入計画に用いるデータの期間の決定法
仕入計画に用いるデータの期間は、以下の手順によっができる。ある期間にわたって把握された売上数量の状て決定することができる。

態を時系列的に分布させ、さらにそのような分布をさせ

手順 1：仕入計画に用いる種々の期間（Li）に対するデている要因を把握しておけば、それぞれの食品に対するータを（1）式に代入し、各予測対象日の予測値を求め

売上数量がどのようになるかを知ることができ、このこる。
Yi(Li)=a0(i)+a11x11(i)+a12x12(i)+・・・+a21x21(i)とから各食品に対する顧客の購買動向を前もって予測することができると考えられる。売上数量を増減（分布）+a22x22(i)+・・・+an1xn1(i)+・・・

させるのは、顧客が店舗にやってくる人数と関係してい

Yi(Li)：第 i 日目のデータ期間 Li の仕入れ予測値(2)るので、たとえばその要因として、

a0(i),a11x11(i),a12x12(i),・・・,an1xn(i),・・・：データ期間Ｌi から求めた値

・天候（晴れ、曇り、雨）・曜日（平日、土、日、祭日）

手順 2：Yi(Li)に対する実績値 Si(Li)を求める。

・宣伝（宣伝あり、宣伝なし）

手順 3：Yi(Li)と Si(Li)の差から求めた相対誤差 Ei(Li)を・コスト（安い、普通、高い）求める。
Ei(Li)=Yi(Li)－Si(Li)などが考えられる。これらの要因をある期間の売上数量(3)と関係させた統計式に導入することによって、対象日の手順 4：得られた各期間に対する予測値と実績値から求売上数量を予測することができるのである。いわゆる各められた各相対誤差の分散 Vi(Li)を求める。

食品に対する需要予測を行うことができるわけである。

Vi(Li)={(ΣEi(Li)－Hi(Li)) / (i－1)}2

もちろんこの需要予測はできる限り精度の高いものでな

Hi(Li)：期間 Li に対する予測値と実績値の誤差の平均値ければならない。それには前述した各期間に対する状況の把握が重要である。すなわち天候や曜日や宣伝などの(4)

手順 5：Vi(Li)の中で最小値となるデータに対する期間（Ｌ）を求める。

売上高と関係している要因（これを説明変数と呼んでいる）を適切に把握し、次式に示す需要予測を算出する式

4.2 データの更新期間の決定法に導入することが必要である。
Y=a0+a1x1+a2x2+・・・＋anxn(1)

仕入計画に用いるデータ期間が決定されたならば、そ

Y：需要予測値の期間中のデータをどのような期間によって更新すれば

a0：誤差項

よいかについては、以下の手順によって決定することが

a1~an：重み付け係数できる。

x1~xn：説明変数

手順 1：仕入計画で決定した期間（Ｌ）のデータを用いて、種々の更新期間（ｄ）によって更新されたデータか

4．ダイナミックな仕入計画
予測精度を確率高くするためには、（1）式に用いるデら予測値 Yid(L)を求める。
Yid(L)=a0(d)+a11x11(d)+a12x12(d)+・・・+a21x21(d)ータを、その時々の状況に最も適合するように選定する+a22x22(d)+・・・+an1xn1(d)+・・・ (5)ダイナミックな仕入計画をすることである。すなわち販

a0(d),a11x11(d),a12x12(d),・・・, an1xn1(d), ・・・：

売仕入数量の予測精度をできる限り高めるために、時系

更新期間（ｄ）によって更新されたデータ

列的に変化する説明変数のデータを常にそのときの状況

手順 2：各予測対象日の実績値 Sid(L)を求める。

に適合するように、それらのデータを更新しながら日々

手順 3：予測値と実績値の差から相対誤差（Eid）を求めの販売仕入数量を決定することである。このような考える。

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

4
Eid=Yid(L)－Sid(L)(6)

Qi=Qm－Qoi・・・（食品の場合Ｍ＞Ｒ）

手順 4：各ｄの Eid に対する相対誤差の分散（Vd）を求

Qm=(M+R)Qh+Qs

める。

Qi：第 i 期の発注量(7)

Vd={(ΣEid－Hid) / (i－1)}2

(8)
(9)

Qm：最大在庫量

Hid：予測値と実績値の誤差の平均値

Qoi：第 i 期の現在在庫量

手順 5：Vd 中の最小値のデータに対する期間（di）を選

Qs：安全在庫量
定期発注方式の在庫管理の状況を示すと、図 1 のよう

ぶ。

になる。
5．店舗における在庫管理

通常の定期発注方式の場合、図 1 に示すように最大賞味期限が 2 日以上の食品に対しては在庫が可能なの発注量（Qm）が常に一定であるため、各期間におけるで、次のような事柄を考慮することによって、仕入れ・需要状況に応じた発注が必ずしもなされない。このため在庫管理を行うことが必要である。

図１にあるような賞味期限切れが、かなり生じると考え（1）できる限り賞味期限内に完売すること。

られる。賞味期限切れをできる限り少なくするには、各（2）需要変動に適合したダイナミックな発注方式にす

期間の在庫量を前節で述べた需要予測量（Yi）から直接ること。

求めるような在庫管理を行うことが有効と考えられる。

（3）発注・在庫保管・在庫廃棄・品切れの総費用は、

また安全在庫（Qs）は、それだけ全体の在庫量を増加さ最小であること。

せることになるので、在庫をできる限り最小化しようと需要状況に対応させ、賞味期限までに在庫・品切れのする JIT 的な思想に反する。したがってそれを入れて品発生を少なくする発注方式として、一定の発注期間＋リ切れを少なくした方が有利か、入れないで在庫を少なくードタイムとした定期発注方式が考えられる。通常、定した方が有利かについて、総費用の観点から考えること

期発注方式においては、発注期間（Ｍ）、在庫補充のためが必要である。そこでいま、（1）安全在庫を入れない場のリードタイム（Ｒ）、計画期間中の単位あたりの（通常合と（2）入れた場合のコスト比較をしてみると、まず1 日あたりの）平均需要量（Qh）によって、各期の発注（1）と（2）の場合の総費用を構成する発注費用（C1）

量は以下のように求められる。

は、計画期間中に発生する回数に 1 回あたりの発注費（Cs）を乗じることによって与えられる。
M

M

M

Qm

R

R

Qo1

R
Q1
Qo2

Q2

Q3

在庫量

賞味期限
Qo3
Qs
賞味期限切れ在庫
賞味期限切れ在庫

賞味期限
期間
図１

定期発注方式の在庫管理

賞味期限切れ食品再販を防ぎ売り上げ向上を図るための仕入れ・在庫管理

C1 = Cs・(D / M)

(10)

次に在庫保管費用は、（1）の場合のそれを C2 とする
ならば、計画期間中の平均在庫 1 個あたりの在庫保管費

5C4 = Co・ΣMax{(R・Qh－Qoi), 0}(17)

C4′= Co・ΣMax[{R・Qh－(Qoi+Qs)} , 0](18)以上より総費用(Tc または Tc′)は、C1～C4 またはC1’～C4′を合計した次式によって与えられる。

用(Cv)を乗じることによって与えられる。
C2=Cv[(１/２)Σ{(N+R)Qh －Qoi}](11)

Tc = Cs・(D / M)+Cv[(1/ 2)Σ[{(M+R)Qh－Qoi}]+(2)の場合(C2’)は在庫保管量に安全在庫(Qs)を合計しCo・ΣMax[{(Qoi－R)・Qh－(Tsi－M)・D},0]+ Co・ΣMax{(R・Qh－Qoi),0}

た量に、１個あたりの在庫費用を乗じることによって与(19)

Tc′= Cs・(D / M)+Cv[(1 / 2)Σ{(M+R)Qh－Qoi+

えられる。
C2’= Cv[(1/2)Σ{(N+R)Qh－Qoi+Qs}](12)Qs}]+CoΣMax[{(Qoi+Qs)－R・Qh－(Tsi－

廃棄損失費用（C3 または C3′）は、計画期間中の各M)・D},0]+Co・Max[{R・Qh－(Qoi+Qs)},0]

期において 在庫補充される直前の最小在庫量（Qbi また(20)

は Qbi′）の状態にある食品の賞味期限を超える量に 1（19）式と（20）式を比較すると、両式右辺第 1 項は個あたりの廃棄損失費用（Co）を乗じた次式によって与同一であり、第 3、第 4 項は、双方で相殺されるので、えられる。

結局第 2 項の比較において小さい値の方がコスト的に有C3 = Co・ΣQbi

利であるから、それは Tc、すなわち安全在庫を導入しな(13)

Qbi = Max[{Qoi－R・Qh－（Tsi－M）・D} , 0]い方が有利であることがわかる。

(14)

以上によって本研究では、安全在庫を持たないで各期

D：賞味期限（Tsi）と発注間隔(M)間の平均需要量

間の発注量（Qi）が、仕入れで求められた予測量（Yi）

C3′=Co・ΣQbi′から決定されるような在庫管理方式が提案される。

(15)

Qbi′=Max[{(Qoi+Qs)－R・Qh－(Tsi－M)・Ｄ} ,0]

なお各期間の発注量（Qi）は、予測量（Yi）と現在在(16)

庫量（Qoi）から、次式であたえられる。

品切れ損失費用（C4 または C4′）は、計画期間中にQi = Yi－Qoi

おいて、品切れの発生した期間の品切れ量の合計に 1 個(21)

図 2 は本提案方式の在庫管理の状況についての管理図

あたりの品切れ損失費用（廃棄損失費用と同様 Co）を乗を示している。

じることによって与えられる。
M

Qo1

M

M

Q1
Q2
Q3

Qo2
在庫量

Qo3

R
R
R
賞味期限切れ在庫

賞味期限
期間
賞味期限
図２ 本提案方式の在庫管理図

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

6
6．品切れが生じないような店頭補充在庫

まず各食品補充が店員によって時間的に確実にできる

前述した在庫管理については、その店舗の全体の在庫、ようにするためには、店員が一定時間間隔（L）で補充

即ちバックヤードの在庫（店頭にある数量も含む）のこできるようなルールを確立することが必要である。そのとであるが、さらに店舗では顧客に購入してもらえるよ

ためには次式によって最大補充量（Qsm）を求める。

うに、バックヤードから店舗に各食品を補充在庫しなけ

Qsm = L・d

ればならない。しかしバックヤードに在庫があるのに店

ｄ：時間間隔（L）あたりの平均需要量(22)

これより各時間間隔時点での店頭補充量（Qsi）を、頭品切れが生じてしまうというような状態をよく見かけることである。図 3 はこの例として、ある店舗のある食次式によって求める。

品の売り上げ状況を時系列的に示したものである。図 3

Qsi = Qsm－Qri(23)

Qri：現在時点での商品店頭残量

は、この食品が 10 時には 40 個店舗にあったものが徐々に売れて行き、13 時 30 分で品切れ状態となり、その状以上によって、L という等時間間隔で各時点において態は 14 時まで続き、この時点で補充（32 個）がなされ、Qsi という店頭補充のやり方を提案することができる。

さらに 15 時、16 時と売れて行くという状況を示していこの補充方式を示すと図４のようになる。
この補充方式を具体的な数値例で示すと、次のとおり

る。
ここで問題なのは、バックヤードに在庫があるにもかである。

かわらず、13 時 30 分から 14 時に渡って品切れが生じ

・数値例ているということである。13 時 3０分以前に店舗補充さあるスーパーのある食品の 1 日あたりの平均需要量はれるべきであったのに、されなかったため 30 分も品切100 個であり、また 1 日における 2 時間毎の需要量は、れが生じ、その間の売り上げ損失を招いているのである。

次のとおりであった。

このような状態が度々起こるならば、この店舗での補充

10 時～12 時：60 個についてのルールが十分でなく、店員がこれまでの経験

12 時～14 時：80 個と勘でやっているということになると思われる。そこで

14 時～16 時：125 個

このような品切れ状態を可能な限り防ぐには、次のよう

16 時～18 時：135 個

な店頭補充ルールを考えることが必要である。

18 時～20 時：100 個

40
32

33
30

23
20

18

店頭量

10

0
10 時

10

9

11 時
時刻

12 時

13 時

14 時
１３時３０分

図３ ある食品の売り上げ時系列状況図

15 時

16 時

賞味期限切れ食品再販を防ぎ売り上げ向上を図るための仕入れ・在庫管理

L

L

L

7

L

Qsm

Qs1

Qs3

Qs4

Qs2
Qr1

Qr3
Qr4

補充量

Qr2

時間
図４ 本提案補充方式による補充管理図

125

100

75
Qs1

50

Qs2

補充量

Qs3

25
店頭品切れ
0
10 時

12 時

14 時

時刻

16 時

15 時 30 分

18 時

20 時

17 時 30 分

図５ ある店舗での食品の補充状況

この食品の担当店員によるバックヤードから補充状況

店頭での店員が補充時刻や補充数量を明確に決めないで、は図 5 のとおりであり、2 度にわたって店頭での品切れ

従来の経験と勘で適当に補充していたことによると考えが生じていた。すなわち、15 時 20 分から 16 時までのられる。

40 分間と 17 時 30 分から 18 時までの 30 分間、店頭

そこでこのような店頭品切れを防止するために、前述にない状況（店頭品切れ）を呈していた。この原因は、した提案方式を適用し、以下のような補充量の算定を行神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

8

200
(Qsm)

Qs2 = 80150
Qs4 = 135
Qs1 = 160

120

Qs3 = 125

100

補充量

75

65

16 時

18 時

50
40

0
10 時

12 時

14 時

20 時

時刻
図６ 本提案方式による補充状況

い、2 時間に 1 回の定期補充を行うことにより、図 6 に示されるような品切れの生じない補充管理が可能になるのである。
まずこの場合の最大補充量（Qsm）を次のように算出する（L= 2 時間, d = 100 個）。
Qsm = 2×100＝200 個

7．結言
本稿では賞味期限改ざんを防止し、売り上げを向上させるためには、「必要な食品を必要なとき必要なだけ仕入れる」という、Just In Time の考え方をとり入れた次のような食品の仕入れ・在庫管理および店頭補充管理のやり方を提案した。

したがってこの最大補充量を用いて、前述した 2 時間・仕入計画については、対象食品の日々の販売量を顧客毎の各時点における店頭残から補充量を求めると、次のの購買に関する要素によって予測し、その予測量によっように算出される。

て毎日の仕入れ量を計画する。

・12 時での店頭残量(Qr1) = 100－60 = 40 個

・最適な予測期間とデータの更新期間によって予測し、・12 時での補充量(Qs1) = 200－40 = 160 個

期間中の各要素の重み付け係数を常に最新の値にし、ダ・14 時での店頭残量(Qr2) = 200－80 = 120 個

イナミックに毎日の仕入れ量を算出する。

・14 時での店頭補充量(Qs2) = 200－120 = 80 個・在庫管理については、各期間に対する顧客の需要量に・16 時での店頭残量(Qr3) = 200－125 = 75 個反応するように、在庫量を仕入計画で決定した最適な予・16 時での店頭補充量(Qr3）= 200－75 = 125 個

測期間とデータ更新期間に応じて決定するようなダイナ

・18 時での店頭残量(Qr4) = 200－135 = 65 個

ミックな定期発注方式をとることが、賞味期限切れの在・18 時での店頭補充量(Qs4) = 200－65 = 135 個

庫廃棄や品切れを少なくする。

図 6 より、現状（図 5）では 2 回の品切れが生じてい・店頭における品切れ状態を防止するための店頭補充管

たが、本提案方式によれば、品切れが発生しないように

理は、補充を行う店員が一定間隔で補充できるように改善されている。しかも補充間隔が一定であり、各時点

し、一定の最大補充量を決定して、それによってバックでの補充量もその時点での店頭残量を200 個から引けばヤードからの補充を行うようにして行くことが適切であよいので、補充担当店員にとってもやりやすくなるといる。

う利点もある。

賞味期限切れ食品再販を防ぎ売り上げ向上を図るための仕入れ・在庫管理

9

参考文献

[4] 清水功次：「マーケテイングのための多変量解析」, 産[1] Haksever, C., Render, Russel, R.S. and Murdick,

能大学出版部, pp.90-110(1998)

R.G.: Service Management and Operations, Prentice[5] 橋本文雄, 黒澤敏郎, 他：「新版・生産管理システム」,

Hall International,Inc. pp.552-561(2000)

共立出版株式会社, pp.137-147(1993)[2] J. Nevan Wright and Perter Race : The[6] 上野俊夫, 三林洋介：“食品販売店における仕入計画

Management of Service Operatuions, Second Edition,と在庫管理に関する研究”, 日本経営工学会秋季研究大

Tomson Learning pp.149-175(2004)

会予稿集, pp.52-53(2006)[3] 菅 民郎：
「多変量解析の実際 上」, 現代数学社,[7] 三林洋介, 上野俊夫：“店舗商品の適正数量と補充管

pp.36-42(2000)

理に関する研究”, 日本経営工学会秋季研究大会,
pp.262-263(2007)

10

サプライチェーンにおける鞭効果(ブルフィップ効果)の測定と制御法北岡 正敏

Measuring and Controlling the Bullwhip Effect in Supply Chain
Masatoshi KITAOKA*
１．はじめにプライチェーンの構造と鞭効果発生のメカニズムをシス

世界経済を混乱に陥れているサブプライムローム問題

テムダイナミクスにより解明する.あわせてサプライチの 現 象 は サ プ ラ イ チ ェ ー ン に お け る 鞭 効 果 (Theェーンにおいて企業で使用している管理手法である情報

Bullwhip Effect:ブルフィップ効果)と同じ現象である.

システム,生産システム,在庫管理,需要予測,輸配送など

これまでのサプライチェーンにおける最大の問題は鞭効の各手法から鞭効果発生のメカニズムを明らかにする.

果である。
鞭効果とは生産流通システムにおいて,消費者

最後に,サプライチェーンにおける鞭効果低減の方法にのような末端で起きた小さな変動による小波は最終の生ついて整理してみる.

産工場においては大波の変動を起こすことである.経済面では景気変動とかビジネスサイクルとも言われている.

２．鞭効果(The Bullwhip Effect)

これまで鞭効果による需要の周期変動,需要の増幅,時間

２．1 鞭効果の内容

差(time-lag)は企業の経営を大きく混乱させ,悪化させ鞭効果は.たとえば衣料分野に関して,顧客から小売店へてきた(1).同じ業界の中で他企業を巻き込んで産業界全の需要変動が±5％になると.小売店から衣類メーカ

体の経営を悪化させる原因となり,中には企業衰退の原(Garment maker)への需要変動は±10％になる.さら衣類

因になっている.今回のアメリカで発生したサブプライ

メーカから織物メーカへの需要変動を±20％に増大さ

ムローン問題もその現象から判断して鞭効果の一種と見せる.次に織物メーカから毛糸メーカへの需要変動は±なせる。特に基幹産業における技術の衰退はその国の40％に増大することが Stalk and Hout によって報告されGDP を下げるだけでなく国力の低下をまねき.国家の衰ている(2).このように下位のエシェロン階層から上位の退へと導く.その良い例がアメリカの工作機械業界であエシェロン階層にいくほど変動は拡大される.この現象

る(1).アメリカの工作機械業界は 1970 年代に衰退し多はあらゆる産業や企業経営に見られる.たとえば,図１のくの企業が倒産した.その原因を日本の工作機械産業に

上段はアメリカにおける工作機械の受注量と自動車産業

技術的,品質的,コストの面で敗北したためだといわれての販売高と GDP の関係を示したものである(3).GDP の変

いる.しかし.直接の原因は鞭効果により需要の変動に対動は自動車産業の販売に大きな影響を与えて変動を起こ応できなくなったためである.その波及効果が経営問題

す.さらに,自動車生産において先行投資として工作機械

から技術問題にまで影響し,日本の工作機械メーカに対は欠かせないものである.このため,自動車の生産量が変抗できなかった.鞭効果は食品産業,繊維,産業自動車産

動すると工作機械の受注量の変動は自動車販売高を大き業,半導体業界などあらゆる産業で発生している.鞭効果

く上回ってくる.このように GDP の変化に対して自動車による影響は不必要な設備投資をし,過剰在庫を保管し産業の受注変動から最終的に工作機械の受注量に影響をて一国の経済に悪影響を与えてきた.この報告では鞭効与えて需要量の変動を大きくしている.過去のデータに果に関するこれまでの研究成果を整理してみた.そして,

よればアメリカでは 1961 年から 1991 年までの国内総生

鞭効果の発生メカニズムをシステムダイナミクス

産（GDP）は±2%から 3％の範囲で変動してきた.これに(System Dynamics)により実際の生産企業をモデル化しともなって自動車産業は±20%の範囲で変動してきた.

て解析した.さらに,現在の生産メーカが採用しているサ

これにたいして,工作機械産業の受注量の変動は±60%

教授 情報システム創成学科
Professwor.Dep.of Information Systems Creation

から 80％の範囲で変動してきた.周期変動の大きさに比例して,アメリカの工作機械産業は生産計画に対応できず経営が悪化し多くの企業が倒産をした.図 1 の下段は

サプライチェーンにおける鞭効果（ブルフィップ効果）の測定と制御法

11

アメリカにおける半導体産業の生産高と工業製品の生産場である.多くの企業はそれぞれの会社の歴史,文化,経高を示している(4).半導体業界の鞭効果による変動は周験,業種,技術のような要素に依存しながら独自の構造を辺の産業や半導体装置製造業にも影響が及び企業経営に展開させている.

混乱をきたした(4).
4.システムダイナミクスによるサプライチェーンシステ
ムの要因解析
4.1 システムダイナミクスの応用
1960 年代に日本では食品産業において鞭効果により受注量は大きく変動し生産工場の稼動状況は不規則な周期変動をきたし,稼働率の低下,原料の確保,従業員の一時解雇などいろいろな問題点が発生した.このような現象がなぜ起きるのかこの時代にはまだ原因は不明であった.
このような中で 1960 年代の食品業界を対象にして生産工程から流通工程にいたる詳細な工程をモデル化して鞭効果の分析をした報告がある(15).
4.2 生産過程の詳細記述モデル
図１ サプライチェーンにおける需要変動と増幅効果

ここでは食品業界の詳細なモデルを用いて鞭効果を分析( 出 典 ： US Federal Reserve.series G211 andする.生産工程はバッチ処理方式にしたがって原材料を

N213111)

撹拌し,混合する.次の工程でそれぞれの製品に必要な加工を実施して製品を生産し.最終工程で完成した製品を

３.鞭効果の研究

個々に包装する.そして,包装された製品を必要な単位に鞭効果の原因を科学的に分析したのはインダストリア

まとめて輸送・配送に適した形に包装する.使用する機械

ル・ダイナミクス(Industrial Dynamics)を開発したフォは加工機械と包装機械から構成されている.生産統制のレスターである(5).フォレスタの後に同じ手法を用いて研流れは平滑化された注文,本社からの注文,適正在庫,受究したのが Streman(6),Senge(7)である.この問題を別

注情報にもとずいた生産計画が立てられる.包装材料在の手法で検討したのは Magee(8)である.Magee は在庫管

庫は生産計画指示により,望ましい包装材料在庫から計理を中心に生産と在庫管理から在庫変動を解析している.

算する.加工機台数は生産指示量と加工機能力から求めマクロ経済面では Holt etal(9),Blinder(10),Blanchard

る.原材料に対する加工能力は加工工程の作業者数と加(11)の研究がある.経営工学の面からはLPW(Lee.Padmanabhan

工機械台数それに加工能力から求める.製品が加工されand Whang,Cachon,Chen と Samtorengraja(12)がある.特て完成した品物の包装能力も包装機械の能力と作業者数に LPW は数学的に鞭効果を証明した.初期の研究ではから求める.図 2 はこの関係をブロック図で示し,図 3 はStreman はビールゲーム(Beer Games)からシステムダイ

フローダイアグラムで示したものである.レベルに相当

ナミクスの変動と遅れの現象から鞭効果を解明した.サするのが原材料在庫.生産計画生産量,加工工程遅れによ

プライチェーンの管理者の意思決定の特性を Simon

るものと注文中の外装材料と注文中の内装材料,外材料（13）,Forrester,Sterman は 4 段階のエシェロン構造か

在庫と内装材料在庫,包装工程作業者人数,加工工程作業

らでモデル化している.Sterman の研究は小売店から工者人数,加工機台数.製作中の加工機,包装機台数.製作中

場まで品物の流れを対象にして在庫変動を解析している.

の包装機台数があげられる.

特殊なサプライチェーンの構造に関する最近の研究とし

4.3 流通過程の詳細記述モデルては Dejonckheere や Towill(14)の論文がある. Towill

流通過程の中でメーカ側としては配送センター（デポ,は最適制御を求めるという目的で研究し,多くの要因が倉庫など）までであるが,分析の対象として卸店までとし

なぜサプライチェーンの構造に影響を与えているかを分た.小売店から卸店への受注にしたがってシステムに変析している.サプライチェーンの構造は Bullwhip 効果と動が生じる,卸店での受注残は小売店からの受注と卸店して特色づけられ Lee,Chen 等は統計モデルを用いた研からの出荷量に応じて変化する.メーカの地域別の販売究をしている.しかし,ここで重要な点は Bullwhip を発部に対して卸店から発注がなされる.地区販売部での受生させている原因は構造であって要因ではないという立

注残は卸店からの発注レイトと配送センターからの出荷

12神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

量により変化する.地区販売部は受注残と卸店からの発サプライチェーンを対象にして解析するためできるだけ

注レイトにより本社に対して発注する.本社では地区

サプライチェーンのモデルを簡略化して分析する.

図 2 生産システムのブロックダイアグラム
販売部の発注レートにしたがって工場に発注する.
本社の受注残は販社からの発注レートと工場からの生産計画にしたがって変化する.工場では生産計画が立案されるが,工場での受注残は工場倉庫からの出荷レートと本社からの発注レートにより変化する.工場で生産された製品は工場倉庫に入庫され出荷要求と出荷能力にしたがって配送センターに輸送される.出荷要求量は発注レートと工場在庫により求める. 図 4 はこれらの関係を
ブロック図で示し.図５は流通過程のフローダイアグラ
ムで示す.
4.4 シミュレーション結果
ここではステップ需要のみを取り上げる.ステップ型需要に対して生産システムは図 6 のようなり,流通システ
ムは図 7 のようになった.加工工程は 55 週目にピークになった後で変動を繰り返しながら定常状態になる.包装工程も 60 週目にピークになった.包装材料の在庫は 70
週目にピークに達した.加工機や包装機の台数は 40 週目

図 3 生産システムフローダイアグラム

から定常状態になった.流通システムも卸点の受注残と地区販売部の受注残は 40 週目にピークになった後は変動しながら定常状態になった.以上のようなシミュレー
ション結果の特性結果は情報の遅れ,生産の遅れ,輸送の遅れ,事務処理の遅れなどから発生する現象である.シス
テムダイナミクスを工程分野にまで詳細に分析しても解析の結果は企業内の,生産在庫変動,流通変動などの単純化したモデルの結果と同じ現象になった.このため,鞭効果を発生させている要因を追求するには図3,図5 のような詳細なモデルを利用する必要はなく,単純化したモデ
ルでも解析は可能である.鞭効果をサプライヤを含めたサプライチェーン面から解析するにはより単純化されたモデルでおこなっても同じ現象が得られる.

図４流通システムのブロックダイヤグラム
鞭効果を測定するために対象として工作機械,自動車などのサプライヤから部品を購入して工場で組み立てて製

5.サプライチェーンの構造解析品にする商品をとりあげる.すなわち,サプライヤから部

5.1 詳細モデルから簡易モデルによる分析

品や半製品を購入し,中心となる工場で組立て加工する

サプライチェーンにおける鞭効果（ブルフィップ効果）の測定と制御法

13ものとする.図 8 のような３つのエシェロン階層をもつ工場での事務処理量(CP1),工場への輸送量(MT1),工場でサプライチェーンモデルを対象にして解析をおこなう.

受け取る在庫量(SR1),工場での生産中の生産量(OP1).2)
補助方程式とレイト方程式：工場の在庫限度(NI1),適正在庫量(ID1),遅れ変数(DF1),流出レイト(ST1),適正受注残(UN1),適正パイプライン注文(LD1),実際のパイプライ
ン注文(LA1),生産決定レイト(MW1)などを用いた.
2)サプライヤ（セクター２）におけるフローダイグラム
は図 10 のようになる.サプライヤのシステム方程式は工場の方程式と同様の形式になる.生産規模などの違いはパラメータにより変化させることができる.注文処理とモノの流れによる処理の異なった遅れの間隔や在庫調整速度に関する政策もパラメータの変更で可能になる.

図 8 ３つのエシェロン構造から構成されるサプライチ
ェーンシステム
図 5 流通システムのフロー・ダイアグラム

図 6 生産工程のシミュレーション結果

図 9 工場（セクター１）におけるフローダイグラム
3) サブサプライヤにおけるフローダイグラムは図 11 のようになる.サブサプライヤにおけるシステム方程式はサプライヤや工場と同様の式で表現できる.サプライチ
図 7 流通システムのシミュレーション結果

ェーンにおいてはサブサプライヤの遅れが工場に大きな

１） 工場セクタ-モデル：

影響を与える.

工場セクターにおけるフローダイアグラムは図 9 のよう

5.2 システム・ダイナミクスによる要因解析の結果になる.1)レベル方程式はつぎのようなレベルから構成

鞭効果発生は多くの要因が影響をしている.ここではつされる.工場での受注残(UO1),工場での在庫量（IA1）,

ぎの２つの要因を解析してみる.

工場での平均需要量（RS1）工場への生産注文量(MO1),

1)需要パターン：需要パターンがサプライチェーンシス

14

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

テム（以下 SCS と略する）にどのような影響を与えるかン階層に順番に拡大しながら影響をあたえていく.このを分析する.

表 1 初期値から在庫量増加(％)
レベル
工場
サプライヤ
サブサプライヤ

ステップ関数
15.07
29.59
44.74

周期性
18.54
28.56
50.82

ランダム
3.60
5.42
8.98

表 2 初期値からの在庫量低下(％)
レベル
工場
サプライヤ
サブサプライヤ

ステップ関数-12.21-12.08-14.62

周期性-11.99-29.72-33.63

ランダム
-3.74
-6.22
-9.27

ため.部品調達をするサプライヤでも中小の部品メーカ
では鞭効果が大きく出る.これは経営にも大きな影響をあたえ,部品メーカや中小企業は厳しい状況に立たされ図 10 サプライヤーにおけるフローダイグラムていることが理解できる.
5.3 各エシェロン階層の在庫
1)工場での在庫変動
工場における在庫変動を図 12 に示す.３つの入力パター
ンにより在庫変動が大きく異なる.Case1 はステップ型
需要が一時的に増加後に変動が激しくなるが,時間の経過とともに収束していく.Case2 は周期型需要量の変動に比例して,在庫変動にも周期性が出ている.この周期は変動も大きく,一定の周期で変動している.Case3 はCase2 と比較して全体に振幅は小さいが,在庫変動は不安定になる.

図 11 サブサプライヤーにおけるフローダイグラム
2)在庫調整速度：SCS では各工程において在庫や受注残が滞留するため,各プロセスにおける生産レートの修正をしながら決定していく必要がある.生産レートを決定
するうえで在庫調整速度に対する因果関係を明らかにしていく.３種類の需要パターンを用いてシミュレーショ
ンを行った.
1)Case1:ステップ関数による需要系列(15%増加)
図 12 工場における在庫変動

2)Case2:周期性のある需要系列(周期:24,振幅:150)
3)Case3:ランダムな需要系列(平均:1000,標準偏差:150)

2)サプライヤの在庫変動

ステップ関数による需要パターンを SCS に入力すること

図 13 から各 Case における在庫変動は工場とほぼ同様のによりシステムの応答を明らかにする.もし,SCS が振動特徴がある.しかし,Case1 ではステップ入力の後に発生するような応答ならばステップ関数は振動の自然周期のする需要量の増加による在庫量の減少率が工場に比べて減衰などを判断する目安になる.Case2 の周期変動はラ低くなっている.また,Case2 について工場と比較すると

イフサイクルが短く,製品開発の周期が短いものにたい

在庫量が周期的に変動しているが位相のずれが発生してしてどのような反応を示すかを明らかにした.ランダムいる.

な需要系列は予期できない外乱にたいして SCS がどのよ3)サブサプライヤの在庫変動

うな修正行動をおこなうかを分析する.各 Case においてサブサプライヤにおいてもサプライヤ,工場と同様に在シミュレーションを行った結果を表 1,表 2 に示す.表 1

庫変動を示すが,値は大幅に異なる.特に Case3 のランダより周期性における在庫量の変動が大きい.そして,工場,

ムな需要に対して工場では在庫変動は不規則な状態にな

サプライヤ,サブサプライヤの順に変動が大きくなる.つっている.しかし,サブサプライヤでは在庫は不規則であまり,SCS が多段階になると需要パターンは各エシェロ

るが値は平滑化された変動になっている.これは顧客のサプライチェーンにおける鞭効果（ブルフィップ効果）の測定と制御法

ランダムな注文に対して工場,サプライヤを通して,いわ15

5.5 待ち行列理論によるサプライチェーンの解析
マクロ面からみると図 8 のようなサプライチェーンは図15 のような待ち行列理論におきかえることができる.サ
プライチェーン上の各ステージにおける製品のリードタ
イム（滞留時間）は待ち行列に相当し,処理時間（生産能力）はサービス時間に相当する.このため,図 8 のようなサプライチェーンはオープン型待ち行列理論で解析できる.

図 13 サプライヤにおける在庫変動
ゆる２つのエシェロン階層により変動が滑らかになっている.
5.4 在庫調整速度が与える影響
在庫調整速度の要因が SCS にどのように影響を与えているかを分析する.在庫調整速度は次式で決定される.
MW = RR +⎡ 1 ⎤ ( EIA + ELA + EUN )⎢⎣ DI ⎥⎦

図 15 サプライチェーンのオープン型待ち行列
図 8 のサプライチェーンシステムにおいて到着率λ,サここで,MW:適正生産レート,DI:在庫調整速度,EIA:在庫ービス率μ,分岐確率を P とすると図 15 のようなオープ

量誤差,ELA:パイプライン誤差,EUN：受注残誤差.

ン型待ち行列のネットワークになる.ここでは到着率λ上式より在庫調整速度(DI)は適正生産レートに影響を与＝10.0,サービス率をそれぞれサービス窓口の順番に決える要因である.各ステージにおける在庫調整速度(DI)めて,分岐確率を 0.25 としてシミュレーションをおこなが在庫とパイプラインのモノの流れを調整する場合の速った.図 16 はサプライヤのリードタイムである.図 16 よさを決定する.つまり,発注レートに導入される在庫やパり各ステーションにおけるリードタイムは出力個数が少イプライン誤差の日を表す重要な要因である.ここではないと振幅が大きな状態が続くが,個数が増えると理論

各ステージにおける在庫調整速度の値を変化させて SCS

式に収束する.Quequ3.Queqe5 が他の値に比べて振幅がにどのような影響をあたえるかを３個の Case によりシ大きく収束までの時間がかかっている.Quequ3.Queqe5

ミュレーションをおこなった.図 14 より在庫調整速度のはサブサプライヤから部品を調達してモジュール生産す

値が小さいときはサブサプライヤにおける生産レートのるため,サブサプライヤからの影響を大きく受けている.

振幅が大きく,変動が安定しないために収束が遅れてく

以上のようにサプライチェーンのリードタイムの変動はる.在庫調整速度が大きくなるにつれて誤差に対する調鞭効果と同じ現象を示す.定常状態になっても受注率が整がゆるやかになり生産レートの振幅が小さくなる.以

変化すると再び同じような変動が発生する.

上から在庫調整速度は SCS に大きな影響をあたえる要因である(16).

6．サプライチェーンの構造とモデル
6.1 システムの構造
5 章はフォレスターの提案したシステムダイナミクスを基本にしている.しかし.現実の鞭効果を分析するにはこの基本モデル以外に多くのモデルが現実に適用されている.ここでは F.V.Moran と P.Barrar(17)の提案した
RUS,OUT,CSI,SRS,DSC,AFC の 6 個のモデルの中から 4 つのモデル特性を STELLA に変形し調べてみる.

図 14 在庫調整時間によるサブサプライヤの生産レー
トの変化神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

16

おこなう.
SRS model

Supplier to f actory

Factory to DC

Factory

DC to RDCDC

RDC to retailer
RDC

Retailer to customer
RetailerMarket

Ops f orecast
Season demand

Random demand

図 18 SRS モデル（出典：F.V.Moran and P.Barrar を
STELLA に変形)
図 16 サプライヤーにおけるリードタイム

6.4 需要情報共有調整構造モデル Full Demand-sharing

6.2 制約型システム入力の構造モデル：Constrained
System’s Input structure (CSI)

Coordination structuremodel (FDC)
FDC モデルとはERP システムを含んでおり,従来の古典

CSI は.Goldratt(18)によって提案された制約理論

的なモデルになつている.この原理は,サプライチェーン（Theory of Constraints） を拡張したものである.これですべての管理者がリアルタイムに需要情報を共有するらの研究から多くの変形モデルが提案されている.しかということである.現在の在庫と安全在庫の情報に基づし,基本はすべて CSI を拡張したものである.CSI モデル

いて.注文量を決定する.図 19 に示すように,それぞれのは図 17 のように『ロープとドラム』システムとして表示

決定は1週遅れで実行される.FDCモデルでは1)需要予測できる.『ロープ』は売上高による市場情報と工場を直接も未来予想もおこなわないという前提と,2)在庫管理で接続したもので,工場ではリアルタイムに市場の需要がは受注残を認めないという前提に立っている.FDC モデ

オンラインで入る.このロープにより,工場と結合した市ルにおいて,すべての管理者は ERP により需要情報を共場に必要な品物を流しその途中にある流通センターと地有する.

域流通センター（DC-RDC）へは何も流さない.在庫量は市FDC model

場の需要量で決定される.
Supplier to f actory

CSI model

Factory to DC

Factory

Supplier to f actory

Factory to DC
Factory

RDC to retailer

DC to RDC
DC

RDC

DC to RDC
DC

Supplier delay

Retailer orders
MarketP
R
E

Saf ety stock

Retailer to customer
Retailer

Retailer to customer
Retailer

Factory delay

DC delay
DC orderRDC orders

RDC to retailer
RDC

RDC delay
RDC order

Retailer order

Saf ety stockMarketMarket demand delay

図 17 CSI モデル（出典：F.V.Moran and P.Barrar を

図 19 FDC モデル（出典：F.V.Moran and P.Barrar を

STELLA に変形)

STELLA に変形)

6.3

6.5 予測共有調整モデル Advanced Forecasting-sharing

簡 易 補 充 構 造 モ デ ル Simple Replenishment

Structure models (SRS)

coordination model (AFC)SRS モデルはパイプラインシステムとして表現できる.

AFC モデルは.サプライチェーン管理者が市場需要の製品の注文が工場レベルで出されと,最終的には小売店情報を使うだけでなく管理者が将来の需要予測をする.

まで,サプライチェーンの中を直接流れる.SRS モデルは

そして,この予測値を管理者の間で共有する.このモデル

サプライチェーンで意思決定をするために市場からの情では,調達担当は市場から輸送配送保管などのロジステ報をとる.しかし,CSI モデルとは異なり市場からの情報

ィクス時間について既知とする.たとえば DC と RDC がそはジャストインタイムの構造をしている.そして,部品のれぞれ2 週と1 週の予測をする間に,管理者は4 週先の予調達と生産指示を出すのに需要予測をおこなう.図 18 は測をおこなう.予測値は実際値と異なるため,管理者は目SRS モデルで,予測は過去のデータを用いて線形予測を

標在庫に近づけるために現在の在庫量の過不足を修正す17

サプライチェーンにおける鞭効果（ブルフィップ効果）の測定と制御法

る.図20はAFCモデルであり,市場での需要予測値は各週入荷する.このとき小売店は在庫管理を発注点法を用い,前にそれぞれのエシェロン階層間で管理者によって販売発注量は需要予測により予測量を発注する.発注点法で予測をおこなう.意思決定における要因としては現在のは期間 t の補充目標点は次式になる

在庫数と安全在庫量である.そして,意思決定者は市場に影響を与える時間を考慮しなければならない.

y = μˆ L + ασ
t
t
t

L

(1)

ここでμt は需要の平均値でσt は需要の標準偏差である.
AFC model

小売店は売り上げ情報から平均値と標準偏差から計算する.小売店は売り上げ予測を k 期間の移動平均法（指数平Supplier to f actory

DC to RDC

Factory to DC

FactoryDC

RDC to retailer
RDC

Retailer to customer

滑法もこの一種になる）
を用いるものとする.需要の平均

Retailer

値と分散は次式になる(19)(20)(21).
Factory order

DC orderRDC order

Retailer order

t −1
S
P
A
P
R
E

∑ Si

Saf ety stock

Season demandμˆt = i =t − kk

Ops f orecast 4

Ops f orecast 3

Ops f orecast 2

t −1

Ops f orecast 1
Random demand

P
D
MarketVt =∑ ( Si − μˆt )2i =t − k

k −1

(2)

図 20 AFC モデル（出典：F.V.Moran and P.Barrar を

小売店は発注点法と k 期の移動平均予測式を用いて生産

STELLA に変形)工場に発注をしている.小売店は需要の平均値と分散式

6.6 SCM 構造の比較を用いて発注点を計算する.このため,在庫水準は毎期変

F.V.Moran and P.Barrar(17)は 6 個のモデルの特性をシ化する.小売点の発注量が変化するため工場での生産計

ミュレーションから比較している.比較はステップ型需

画は大きく変動する.SRS モデルで小売店における需要

要.季節型需要.ランダム型需要から分析している.分析の分散を VR(S)とする.小売店から工場に対する発注量のの結果 AFC,SRS,CSI が良い結果が出ている.しかし,FDC

分散を VF(Q)とするとその比は次式になる.

モデルも情報を共有しているためモデル構造の改良でSRS,CSI と同じような結果が得られる.1)SRS のような単V F (Q )
2L
2 L2
≥ 1+
+
V R (S )kk 2

純なモデルが FDC のような複雑なモデルよりも優れた結

この式は小売店から工場への発注変動と小売店での需要

果を出ている.2)正確な需要予測ができない場合に,CSI

変動の比率Ｐである.移動平均の期間 k を大きな値にし,は需要予測を用いないで生産システムの処理とその反応

リードタイム L を小さい値にすると予測誤差による変動をするようなシステムになっている.このため,予測に依比率 P の値は小さくなる.すなわち鞭効果は減少する.逆存しないときは CSI モデルが参考になる.とくに季節変にリードタイムLを長くして,移動平均の期間kを小さく動のある需要において AFS,SRS よりも優れた結果が出てすると比率は大きくなる.

いる.

2)情報集中による鞭効果減少の効果(3)2.1)情報集中化による効果
7.鞭効果の発生原因とその対策

情報共有化は AFC モデルと FDC モデルになる.FDC モデル

7.1 SRS モデルにおける鞭効果の理論的解析

は各エシェロン階層の需要予測はサプライチェーンの１

鞭効果の変動を起こす原因の中でサプライチェーンの構

つ下流のエシェロン階層の注文情報でなく,顧客の情報

造における業務内容からみると,特に影響の大きいのがを共有することになる.小売店は移動平均により過去 k1)リードタイム,2)予測法,2)情報集中化である.ここで期の実績データを用いて予測をする.予測結果により目はこの３つの要因からその原因を整理した.

標在庫レベルを計算する.その情報から卸店に発注する.

1)リードタイムと予測期間による鞭効果の原因

１階層上の卸業者は小売業者の注文とともに小売店の実小売業者は過去のデータから売上高の動向を知ることが績データを受け取る.卸業者 はこのデータを用いて予測できる.そのデータにより工場に発注を出す.工場は注文をして流通センターDC に発注を出す.以下,流通センタ

量にしたがって生産をおこなう.小売業者が工場に発注

ーも小売店の情報を共有化して予測する.在庫管理方式

を出して品物が入荷するまでのリードタイムを L とする.

は発注点と移動平均法による予測を用いる.ここで顧客ある時点 t 期で小売業者が発注をすると商品は t+L 期にの需要変動の分散を VR(S)でサプライチェーン内での e神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

18

番目のエシェロン階層の業者からの注文の分散 V(Qe)と有化しないときは共有化したときに比べて L=4 で 15

するとつぎのような式が導入できる.

倍,L=3で8倍,L=2で４倍以上の変動が起きる.すなわち.

2

小売店から工場に向かって鞭効果は大きくなっているこ

V

F

(Q )
≥ 1 +

e
2 ∑ Lii =1

VR (S )

e
⎞
∑
L ⎟
i
=
i
1
⎠
⎝

⎛

2⎜
+

(4)

とを示す.

k2

k

400
350

i+1 との間のリードタイムである.小売店と卸店の間で300のリードタイムは L1=1 とする.以下同様に卸店から配送

250

センター(DC)の間は L2,配送センター(DC)から工場の間
は L3 とする.FDC モデルでは小売店から工場までは
L=L1+L2+L3 となる.図 21 はリードタイムが 3 個のエシェ

V(Qe)/V(S)リードタイム Li はエシェロン階層 i とエシェロン階層

L=7

200
150

L=3

100

50

L=2

ロンの中で L の値と移動平均の期間の関係を示す.リー0

ドタイムが大きくなると変動比率は大きくなる.すなわ
ち FDC モデルでは小売店から工場と上流になるほど変動

3

4

5

6

7

8

9

10

Moving Average k

図 22 小売店の情報を非共有化したときの変動比率

は大きくなるという現象を示す.

7.2 サプライチェーンにおける鞭効果低減の方法

2.2)個別情報による非集中化の効果

鞭効果低減の中で有効な手法にインダストリアル・エンジ

サプライチェーンの中で顧客の需要情報が小売店のみに

ニアリング(IE)があり,その手法が広く利用され効果をあしか伝わらないものである.このため各階層では前のエげている.その代表的なIE 手法は1)ジャストインタイム

シェロン階層の売り上げ予測をする.小売店の売り上げ(JIT),2)カンバン方式,3)MRPⅡ方式,4)APS(Advanced
Planning Systems),5)TOC(Theory of Constraints)であ20

る.その効果の大きさはケース研究などで報告されてい18
16

V(Qe)/V(S)る.情報は共有化すると鞭効果は減少できることを明ら

L=5

14

かにした.小売店での需要情報を卸店,流通センター,工

12

L=7

場で共有化することで鞭効果は下流の階層ほど少なくな

10

L=3

8

る.しかし.情報を完全に共有化し,科学的管理法を適用

6

L=2

4

0

しても鞭効果は小さくなるが完全になくならない.エシ

L=1.5

2

2

3

ェロン階層があるところには必ず鞭効果が発生する.サ
4

5

6

7

8

9

10

プライチェーンにおける鞭効果を減少させるのに IE 手

Moving Average k

図 21 小売店の情報共有化による変動比率

法以外に次のような方法が提案されている.

情報は卸店 RDC には届かない.卸店は小売店からの注文

1)需要情報を共有化するためにはサプライチェーンの中

情報から独自に需要予測をする.以下同様に流通センタ

で不確定要素をなくすることで鞭効果を減少させること

ーでは卸店での予測をし,工場も流通センターでの売りができる.

上げ予測をする.予測は移動平均を用いる.各エシェロン

2)小売店での需要の変動を減少させることで鞭効果を減

階層では望ましい在庫を発注点と移動平均予測で決定す

少させることができる.特に小売店での売り上げ変動はる.各階層では前段階のエシェロン階層の売り上げ予測

卸店,流通センター,工場に行くほど拡大される.このたを k 期の移動平均で求める.このとき先と同様に顧客のめ.小売店での変動をできるだけ小さくすることで鞭効

需要変動の分散を VR(S)でサプライチェーン内での e 番

果を減少できる.

目のエシェロン階層の業者からの注文の分散 V(Qe)とす

3)図 21.22 で示したようにリードタイムは短くなると鞭るとつぎのような式が導入されている.

効果は減少する.このためリードタイムをできるだけ短

V R (Q e )V R (S )

≥

e ⎛⎜
2 Li
2 L 2i ⎞⎟+∏ ⎜1 +⎟kk 2 ⎟⎠
i = 1 ⎜⎝

縮させることが鞭効果を減少させることができる.
(5)
8.結論

図 22 は小売店から工場までのリードタイムが L=2,3,4

鞭効果の産業への波及効果についてその一例としてアメのときの小売店の情報を共有化しないときの変動比率でリカの工作機械産業を例にとり検討した.しかし,アメリある.図21 と図22 を比較すると移動平均k=5 で情報を共カの工作機械業界は衰退したとはいえ宇宙航空などの高サプライチェーンにおける鞭効果（ブルフィップ効果）の測定と制御法

19

度な工作機械技術では世界一である.つぎに,鞭効果のこ(9)C.Holt..F.Modigliani.J.Muth and H.A.Simon.”Planning

れまでの研究成果について整理してみた.ここでは 1960

Production.Inventories and Work Force”. Englewood.

年代後半の食品企業を例にして詳細なシステムダイナミ(1987).

クスモデルを構築して鞭効果を測定した.遅れが原因で(10)A.Blinder.”Retail Inventory Behavior and Business

システムの変動が大きくなる.また,生産と流通システム

Fluctuations”.Brooking Papers on EconomicActivity.

の詳細化なモデル化をして分析した.単純化したモデル

Vol.2.(1982).p.443-520

で分析した結果と詳細なモデルも同じ内容が得られた.

(11)O.Blanchard.”The Production and Inventory Behavior

詳細なシステムダイナミクスモデルのかわりに基本とな

of the American Automobile Industry”.Journal Political

る要因のみをとらえた単純なモデルでサプライチェーン

Economy. Vol.91. (1983).p.365-400の構造を記述できる.そして,サプライチェーンにおける(12)H.V.Lee.V.Padmanabhan and S.Wang.”Information

需要変動と生産調整の特性について検討した.また,同じDistortion on a Supply Chain.:The Bullwhio Effect”.

システムをネットワーク型の待ち行列理論により解析し,Management Science.Vol.43(4).(1997).Vol43. No.4. p.

鞭効果発生の原因を示した.つぎにサプライチェーンに

546-58おける構造を明確にするために 6 つの代表的なモデルの(13)H.A.Simon.“On the Application of Servomechanism

特徴について検討した(17).さらに鞭効果の原因を理論

Thoery in the Study of Pruduction Control”. Econometrica.

式から明確にするために文献(20)(21)を用いて在庫理論.

(1952).Vol.20.p.247-67

予測理論からその理由を明らかにした. 最後に鞭効果(14)J.Dejonckheere.S.M.Disney.M.R.Lambrecht and低減の方法を整理した.

D.R.Towill.”Transfer Function Analysis of Forecasting
Induced Bullwhip in Supply Chains”.International Journal

参考文献

of Production Economics.(2002).Vol.78.p.133-44(1)C.Fines.小幡照雄訳”サプライチェーンデザイン”.

(15)北岡正敏.”バッチ処理工程をともなった製造工業

日経 BP 社(1999)

での生産と流通システムに関するシステム・ダイナミク(2)G.H.Stalk

and

T.H.Hound.”Competing

Againstスによる分析”.神奈川大学工学部研究報告.第１７

Time:How Time Based Competition is Reshaping Global号.(1979).pp.49-58.

Markets” .New York.Fress Press.(1990)(16) 北 岡 正 敏 ,” フ ァ ジ イ 物 流 管 理 ”, 中 央 経 済(3)US Federal Reserve.Series G211 and N213111

社.(1993),p.24-76(4)de Kok.T..F..Janssen..et al.”Phillips Electrics(17)F.M.Moran and P.Barrar.”Supply Chain Dynamics:

Synchronizes Its Supply Chain to End the Bullhips”.

Structural Causes of the Bullwhio Effect”.The Bullwhip

Interfaces.35(1). (2005).p.37-48

Effect in Supply Chainjs.(2006).p.71-92(5)J.W.Forrester”.Industrial(18)E.Golddraft.”Theory of Constraints”.North

Dynamics”.Cambridge.MA:MIT Press.(1961)

Croton-on Hudson.NY.North River Press.(1999).

(6) J.D.Sterman.”Operational and Behavioral Causes(19) 久 保 幹 雄 ,” ロ ジ ス テ ィ ク ス 工 学 ” 朝 倉 書

of Supply Chain Instability”.Palgrave Macmillan.

店.(2003).p.47-62(2006).p.17-56(20)H.L.Lee.V.Padamanabhan.and S.Whang.” Information(7)P.Senge.”The Art and Practice of the Learning

distortion in a supply chain”.The Bullwhip Effect.

Organization”.New York.Double Currency(1990)

Management Science.Vol43(4).(1997).p.546-558(8)J.F.Magee and D.Boodman.”Production Planning and(21)D.Simichi-Levi and P.Kaminsky.”Designing andInventory Control.2ndedn”.New York:McGraw-Hill.(1967)

Managing the Supply Chain”. McGraw-Hill .(2000)

20

経営工学の役割
松浦 春樹＊The Role of Industrial Management
Haruki MATSUURA＊

１．はじめに∗論を動員して総体的に分析・設計してゆこうとする．

小文の目的は，経営工学の役割を，筆者の生産の計画

3）
経営管理を支援するための工学的アプローチであるとと管理に関する研究の紹介を通じて明らかにすることでする立場．経営の諸機能を場として，固有の要因間の因ある．このために，「経営工学とは何か」について検討を

果関係を明らかにして，設計論に高めようとしたねらい．

加えた後，「経営工学はどのように社会に貢献するのか」

1）の立場は，古典的なインダストリアル・エンジニアについて整理する．その後に，筆者の行ってきた研究をリング（IE）の定義にあてはまる．テイラーやギルブレ

その中で位置づけし，経営工学の目指すものの一例を示スを代表とする科学的管理法から発展してきた諸技法をしたい．

中心として，現場に密着して現場を良くしてゆくことでこの種の問題の取り上げ方，また重点の置き方は，産社会に貢献しようとする．実践的であって，必要なこと

業界の実務家，高等教育機関の教員（学部・大学院），研なのである．しかしながら，経営工学をこのように規定

究者などの立場によって当然異なってくるであろう．小してしまうことに筆者は満足できない．それは，技法の文は，研究者としての立場からであることをお断りして寄せ集めのきらいがあり，自然科学に基礎を置く工学とおく．

しての観点から限界があることへの危惧を抱くためである．

２．経営工学とは何か

2）の立場は，複雑な相互関係をもつ経営活動を構成す

1977 年に（社）日本経営工学会から本節と同じ題名のる諸機能を総合的に見て，しくみを設計してゆこうとい

書物（1）が出版されている．当時は国公立を含む全国 34

うマネジメントの視点からの本来的なものであり，実務の大学に「経営工学科」が設置されていた．同書の中でとして必須のものである．システムエンジニア（SE）と当時の主導的立場にあった 30 名の教育研究者が，書名のの職種の本来的な役割は，このような視点からシステム

主旨に答える形で論考を寄せている．神奈川大学からはを設計することであろう．しかしながら，実務的にはノ大村実名誉教授が寄稿されている．当時も今も，経営工

ウハウの集大成，学術面では他分野と共有のシステム工学と何かという問いかけは続いている．表現は様々なの学の援用となって，経営工学独自としての積み重ねに弱であるが，それらの回答は以下の 3 通りにまとめられる．

いとの認識から，この立場にも筆者は満足できない．ま

1）現場の効率化のノウハウ・技術の集大成の延長線上でた，一部に始めにコンピュータありきの視点で，マネジ

経営工学をとらえる立場．

メントの視点が後退する現象が生まれていることも事実

2）企業の諸業務を個別ではなく，全体としてシステムとと思う．

とらえるシステムズアプローチを強調する立場．企業を3）の立場は，経営工学の固有の場として経営管理活動

社会環境の中の経営システムと見て様々な角度から方法をすえて，経営工学を工学の一分野として確立してゆこ*教授 情報システム創成学科（経営工学コース）
Professor，Dept. of Information Systems Creation

1）の立場による経営活動への経営工学の貢献は，現場にうとのねらいが込められている．1）の立場との違いは，近いオペレーショナルな活動が主対象となる．これに対して，3）の立場は，より上位の経営管理や経営戦略とい経営工学の役割った活動にまで対象範囲を広げている．同様に 2）の立21

３．経営工学と組織デザイン

場との違いは，2）の立場が，ノウハウの集大成あるいは

これまで経営工学の諸分野が，どのようにして社会にシステムツールの応用例になるのにたいして，経営諸機貢献してゆくのかという一貫してかつ簡潔なわかりやす

能について，工学的なアプローチによって諸機能の構造

い表現が不足していたように思われる．多くの表現は，を明らかにし，それを積み重ねることによって設計に結

積み木細工の印象で，要素間の論理的関係の提示に不足

び付けたいとの視点が強調されることである．

していて，経営工学が雑多な技法の寄せ集めのように見筆者は，村松林太郎教授・十代田三知男教授の研究グえしまう．全体の使命にたいして部分がどのような役割

ループに入門し，生産管理を学んだが，故村松早稲田大をもち，どのような因果関係にあるのか．さらに，変動

学理工学部教授（当時工業経営学科）は同書に寄せた論する環境に対しての動きを生き生きと感じさせる表現が考の中で経営工学は「経営活動のしくみを研究し発展さ必要である．筆者は，前述の経営工学の定義において，せる学問」と述べ，さらに「具体的･工学的な方法で研究

経営工学諸分野の全ての一貫した目的は，組織にその使し，成果を得ようという立場」であると経営学との違い

命を効果的かつ効率良く達成させることであるとした．

を説明している．さらに，同教授は，研究室の目指すも

図 1 に経営学の源流を示す（4）．経営学の源流と経営工学

（2）

のとして
「生産管理の理論体系の構築」
を掲げていた ．

の源流には共通部分が少なくない．第一に，テイラーや故千住鎮雄慶應義塾大学工学部教授（当時管理工学科）

ギルブレスたちを始祖とする科学的管理法である．経営も，簡潔には「経営のための工学」，よりていねいに「企工学では科学的管理法が技術として，作業研究などとし業の経営・管理に関するこのような密接不離な 2 種類のて発展した．第二は，ファヨールたち（5）に始まる工場管問題に対して，工学的側面から援助するのが経営工学で理論として，
組織論の源流を共有していた．
この部分は，

ある」と論じている．「このような密接不離な 2 種類の

余り工学としての取り扱いはされなかったと思う．その問題」とは，「全社的な立場からの企業の進路を決める

ような事情もあるか，科学的管理法の発展系として経営こと」と「決められたその方向に向かって企業内の有形･工学の体系を説明することが多かったように考える．実

無形の力を効率的に結集して効果をあげること」
である．

は，第二の源流である組織論の流れの中で，経営工学の併せて，同書および別な論考（3）で，問題の実体を正しく体系を説明する方が，前述の理由から筆者はわかりやす

とらえ，枝葉を切り落として，問題を簡略化して，こと

いのではと考えている．

にあたる経営工学の活用技術が必要だと指摘している．
筆者は，3）の主旨を理解するまでに時間を要したが，理解に及んで以後 3）の立場から生産管理の場の構造を明らかにする研究を目指してきた．以下に筆者なりの経営工学の定義をまとめておきたい．
「組織の経営管理機能のしくみとその相互関係を，自然科学とくに工学的思考および方法論によって明らかにし，組織体がその使命を効果的かつ効率良く達成することに貢献することを目的とする学問分野」
組織体が製造企業であれば，中核的な経営管理機能は，

図 1 経営工学と経営学の源流（宮川（4）の図を参考に筆者作成）

開発，調達，生産，販売などであり，その目的は，市場競争力を高め利益を確保することによって，製品・サー

現代の組織論は，不確実な環境に対して組織がうまくビスの供給を通じて社会に貢献すると共に，利害関係者

適応してその目的を達成するためにはどのようなしくみにその利益を公平に配分することである．経営工学は，を組織に組み込めばよいかを，環境に不確実性がある故

開発，調達，生産，販売など経営管理機能のしくみを工に必要となる情報処理の観点から論ずる立場が主流とな

学的に明らかにするとともに，機能間の相互関係を明らっている．その枠組みを図 2 に示す．ここでの情報処理

かにして，それらの機能が連携してシステムとして競争とは，事前に起きることが想定されておらず，対応策が力を高め，社会および利害関係者に報いる方策を提供す

事前に用意されていないときの対応に要するための情報ることに存在意義がある．

の処理のことを言っている（6）．コンピュータによる情報処理よりも非常に広い範囲の人間によるものを含む情報の処理のことを意味している．

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

22

理由から，経営工学の社会への貢献を説明するために敢えて使うことにする．
処理プロセス，
投入物および産出物の標準化は，
「生産
工学」
，
「人間工学」，「統計工学」，「原価工学」の使命の大きな部分である．現代的な分野であるサプライチェー
ン･マネジメント（8）もトヨタ生産方式（9）も制約条件の理（10）も，標準化のねらい論（TOC：Theory of Constraints）

として処理プロセスの各段階が円滑に連結するようにしてゆくことを強調したものと位置づけられる．さらに，
製品アーキテクチャ（11）に関する議論も，根幹は投入物
および産出物の標準化の問題であると考えられる．柔軟性の問題（12）も関わっている．
階層化は，「経営管理」そのものの問題である．
「生産
図 2 不確実な環境下での組織目的の達成に向けた経営工学の貢工学」では，階層化された計画と管理が体系の枠組みの献（沼上（6）の図を参考に筆者作成）

一つとなっている．例外処理能力の向上（13）は，柔軟性と関わり，今日的な課題である．

図 2 に基づいて，ガルブレイスらを代表とする情報処

情報処理負荷の削減のための，スラック資源の創出は，（7）の枠組みを説明する．組織

長い間の「生産工学」の課題であった．緩衝はスラック

設計論の目的は，組織がその使命を，不確実性を伴う環資源であるからである．緩衝とは，たとえば在庫，ゆと境下で，効果的かつ効率良く達成できるようにするにはりとして用意される時間，予備的に準備されている能力

しくみをどのようにすればよいかを明らかにすることにである（14）（15）．この視点に立つと，トヨタ生産方式は，ある．フランク・ナイトは、不確実性とリスクを区別しスラック資源をシステム内に置くことを嫌って，システて、リスクを確率分布の情報があるもの、不確実性を確

ムに柔軟性を組み込むことに意を注ぐ立場であることが率分布がわからず、主観的に推測しかないものとした。

わかり興味深い．自己充足目標の創出は，「経営管理」，

ここでの不確実性は後者に近い。以下，沼上幹氏の著作「人間工学」の課題であるだろう．

理の観点からの組織設計論（6）を参考にして概略を述べよう．ある目的を達成するた

情報処理能力の増大を図るための情報技術の装備は，

めには，人を集めることに加えて，集めた人を効果的に「システム工学」の使命であろう．この部分の発展は著編成する必要がある．これが組織である．編成には，各しい．
水平関係の創設は，「経営管理」の守備範囲である．

人の仕事の分担（分業化）と分担した仕事の，組織全体

以上のように組織設計の具体的な方法論を支える足腰としての目的へ向けての統合（調整）のためのルールづの多くを経営工学の諸理論，諸技法が提供しているのでくり（標準化）が必要になる．加えて，組織の置かれたある．経営工学は，組織がその目的を効果的かつ効率良

環境は完全に予測可能ではないので，ルール（標準）にく果たすための工学的アプローチを提供する．

あてはまらない例外処理のための階層化も必要になってくる．以上が図 2 の左側，基本モデルの部分である．

表 1 経営工学科に設置すべき主要科目（1965 年）（文献(1)より）

環境の不確実性が大きくなると，ルール（標準）と階層化に加えて，調整の手段をしくみに入れる必要がある．
これには，情報処理負荷を削減する方法と情報処理能力を増大する方法がある．
以上が図 2 の右側の部分である．
次に，図 2 の枠組みが，経営工学の諸分野が社会に貢献する枠組みになっていることを説明しよう．経営工学の諸分野を規定するために，
かつて 1965 年に大学基準等研究協議会が文部大臣に答申した「経営工学科で主要科
目として開設するもの」を使うことにする．これを表 1

４．生産管理システム設計の枠組みに示す．この表 1 には 1）の立場が色濃く，筆者自身が筆者は生産の計画と管理，すなわち生産管理を専攻し賛成するものではなく，かつて公的に近いものであったている．表 1 の枠組みでは，「工程管理」が最も近い．

経営工学の役割

23

工程管理との表現は，前述の 1）の立場の色彩が強いの

製品構造の型の概念であるモジュール型とインテグラ

に対して，生産管理といった場合，現場の運用の問題だ

ル型がある．モジュール型とは，製品の機能間に相互関けでなく，上位の戦略的な計画まで対象範囲が及び，強係をなくすように切り分けて別々なユニット部品化した

いて言えば 3）の立場が含まれる．

上で，それらを組み合わせて最終製品とする製品構造で筆者は，生産管理の構造を明らかにすることを通じて，ある．これに対してインテグラル型は，製品の互いに関実務に役立ちたいと念じて研究を進めてきた．小文の主連する機能を総合的に発揮できるように設計された独自題である筆者の研究の紹介に先立ち，その位置づけのた部品群からなる製品構造である．見込生産の特長を生かめに生産管理システム設計の枠組みを図 3 に提示していし得る製品構造はインテグラル型であり，受注組立生産

る．文献（29）を使って説明する。

に適合するのはモジュール型である．受注生産では，方針によってモジュール型もインテグラル型もとり得る．
見込生産では量産効果を狙うため品種数は限られるのに対して，受注生産では多様な製品を提供できる．
平準化には，数量面と品種面がある．数量の平準化とは，生産計画を実施するために必要な日々の所要能力がばらつかないようにすることである．
品種の平準化とは，複数の品種を同一設備で連続的に生産するときに，同じ品種が連続しないようにすることである．レートベース
ドによる資材計画と JIT 的な活動管理の前提条件は，高度な平準化である．
このような生産形態の選択は市場の要件と事業規定を受けた製造戦略によって決まってくる．最も生産性を高

図 3 生産管理システム設計の枠組み（文献（16）を参考に筆者作成）

くできる可能性があるのは，レートベースドによる資材計画と JIT 的な活動管理の採用である．市場の要件と事（16）

Vollmann ら

は，生産の計画と管理システムを基本

業規定を受けた製造戦略が許す限り，このような方向性

生産計画，
詳細資材計画，製造活動管理の 3 層に分けて，を目指すのが現時点での共通認識であるように思われる．

第 1 層では，受注生産，受注組立生産，見込生産の，第もちろん，これに対して必須となる単純化と平準化の観2 層では，タイムフェーズド，レートベースドの，第 3点への考慮を抜きにした JIT 化一辺倒の流れに 警鐘を層では，MRP 的，JIT 的のそれぞれ選択肢があると述べ鳴らす論者もいる．

ている．これらは，生産戦略に基づき決まるものも，政策によって選択できるものもある．受注組立生産とは，

５．生産管理の構造を明らかにする試み

製品は受注によるが，組立に要する部品群は見込生産し5.1 研究の出発点ておくといった生産形態である．

筆者の研究は，需要予測のツールである指数平滑法（17）

詳細計画層のタイムフェーズドは，MRP のように計画から始まった（18）．指数平滑法は，重み付け移動平均法の期間を区切って資材を計画するアプローチであるのに対一種で，現在も株価の平滑化などに使われ，組み込み関して，レートベースドは，供給速度および消費速度によ数の一つしてマイクロソフトの表計算ソフトウェアって資材を計画するアプローチ（見込生産向き）である．

Excel に搭載されている．研究グループ出身の大先輩か

製造活動管理層の MRP 的管理とはワークセンタごとにらこの方向で予測の研究を続けたらどうかとも誘いを受

ディスパッチングによって進行を管理する伝統的アプロ

けたが，経営工学の枠内での予測はあくまでツールに過ーチであって，JIT 的とは，プルシステムを使ったトヨぎず，生産管理の構造を明らかにすることにはならない

タ生産方式的アプローチである．JIT は Just-In-Time（ジと感じて，脱皮したいと考えていた．

ャストインタイム）のアクロニムである．受注生産であ5.2 プッシュ方式とプル方式の研究

れば，タイムフェーズドによる資材計画で，MRP 的な活

当時は，現在の生産管理実務の 2 大潮流である MRP

動管理の選択が一つの典型であろうし，見込生産であれシステム（19）（現在は ERP パッケージに発展している）

ば，レートベースドによる資材計画と JIT 的な活動管理が日本に紹介されると同時に，トヨタ生産方式が脚光をが典型となる．

浴び始めていた．当時，細かい手法は別として，生産管神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

24

理で共通しているのは概念のみで，生産の計画と管理のう問題が，プッシュ，プル問題よりも，生産管理の構造

論理は各社各様であったように思う．論理を捜し求めてに関わる中核的問題であると考えていた．リードタイム

いた筆者は，MRP システムの論理構造に深い印象を受けを正面から扱った研究は現時点にいたるも極めて少ない．

た．MRP システムの情報も少なかったので，日本への計画に用いるリードタイムの根幹は負荷期間であるとの

MRP システムの導入に奮闘しておられた早稲田大学吉解釈から，負荷期間の長さを一定に抑えた上で，負荷量

谷龍一教授（故人）と中根甚一郎教授（当時）主宰の実

分散を最小化する計画リードタイムの決定方法を導く研

務家中心の研究会に先輩の紹介で入れてもらった．この究（26）（27）がまとまり，外国誌に掲載された．これは，個々

研究会には長い間お世話になった．この研究会では，のジョブの負荷量の分布形に依存しない結果であり，密MRP システムのみならずトヨタ生産方式に関する議論

かに自己評価している研究である．同時に，リードタイ

も活発に行われた．また，早い時期から TOC も話題に

ムに深く関わる，負荷計画のあり方を論ずる目的で，能上っていた．これらの生産管理方式からの抽象である，

力有限負荷と能力無限負荷を比較するシミュレーション

プッシュ（押し出し）型，プル（引っ張り）型の生産指による研究（28）も手がけている．リードタイムに関して

示方式の特徴整理が中根教授によって行われていた．

は，実務家向けのサーベイ論文（29）がある．これらの研これらをヒントにして，また，恩師である十代田三知（20）

男教授の学位論文を下敷きとしてプッシュ型とプル

究は，図 3 では，詳細資材計画層と製造活動管理層の相互関係を明らかにすることを狙ったと位置づけることが型の生産指示方式を，多段の生産在庫システムとして定できる．図 2 では，主として標準化の部分に貢献するも式化して，在庫量分散評価尺度から，生産指示量の決定のである．

ルールを導いた研究（21）をまとめることができた．この5.4 変動する環境下におけるスケジュールの頑健性の論文で，生産管理の構造を明らかにする研究を職業的に研究進めてゆくことに自信をもてた．この論文の派生論文（22）

能力無限負荷とはある計画期間の能力の所要量を計画

で経営工学会の論文奨励賞を受けた．当時の経営工学会

する際に，当該計画期間の計画された能力に厳密に合わ長は，トヨタ生産方式のパイオニア，大野耐一トヨタ自せることを目的として，山崩しと言われる過負荷分の仕動車副社長であって，同氏から授与されたのも思い出で事を前後の計画期間に移動させることが，現実的に意味

（23）
（24）
（25）

をまとめて，がないと主張する立場である．その理由は，生産活動を工学博士号を取得し，修業時代を終えることができた．

取り巻く環境は，安定させようという努力にも拘わらず

これらの研究は，図 3 においては見込生産で期間ごとに流動的な要素が少なからず残る．顧客からの納期変更，資材を計画する際の資材の所要量の算定方式を明らかに

数量変更，工程内の機械故障，
計画上の誤差などである．

したものと位置づけできる．また，図 2 では，スラック

これに対して能力有限負荷では，山崩しを行いの計画能資源である在庫量を最小にする運用方式を明らかにした

力内で負荷された仕事の実行可能性を「保証」する．

ことになる．また，各処理プロセスの円滑な連結のため

このような実務家の論議に解答を示そうとして開始したの工学的基礎を提供したものである．しかしながら，最のが，変動する環境下で最適化スケジュールがどれほども基礎となる論文（21）を英文誌に投稿する機会を逸して有効かを調べる研究である．古典的なジョブショップモ

しまったことを残念に思っている．プッシュ，プルの研デルにおいて，最適化手法で生成させたスケジュールと究は世界的にその後広まって行ったが，その基礎となる

極めて単純な優先番号法によるスケジュールが，機械故研究ではなかったかと考えているためである．また，研障の発生，特急ジョブの追加投入の条件下で，どちらが究の原点の一つに，状態空間表現の制御理論をツールと優れているかをシミュレーション実験した．この論文（30）して使いたいとの思いがあった．このことが，経営工学

は外国誌掲載の 10 余年後にサーベイ論文（31）によって半分野の研究の動機として不純であるとの反省があり，以ページにわたって紹介され，高い評価を得た．筆者にと後徐々に，手法へのこだわりを捨てている．同時に，プっては意外であった．先に示した論文（21）（26）の方が評価

ッシュ，プルの研究からこれ以上多くは得られないと考されてしかるべきだと考えていたためである．筆者がこえ，この方向の研究を自然に打ち切ることとなった．

のサーベイ論文での取り上げに気づいたのは 2 年後であ

5.3 負荷計画と計画用リードタイムの研究ったが，大いに励みとなっている．
この論文については，ある．なお，これらと一連の論文

MRP システムにおいては計画リードタイム，TOC に研究者からの参照回数が年々増えている．

おいてはタイムバッファと呼ばれるリードタイム（先行このような変動する環境下での頑健なスケジュールの計画期間）の長さをどのように決定すればよいのかとい研究について，最近研究を再開し，より構造に迫った結経営工学の役割

25

果を得たもの（32），あるいはより実践的な結果を得たもの

軟性や緩衝が適切に組み込まれるならば，図 3 の選択肢

（33）などがある．たとえば，図 4 に示す結果は，ジョブを選べる条件範囲が広がり，設計を行いやすくなる．図

ショップ・スケジューリング環境を支配する最も重要な

2 においては，緩衝はスラック資源に相当し，柔軟性は

要因はジョブの加工経路であることの事実確認，すなわ

例外事項の処理能力を向上させる．

ち生産管理の場の構造の性質を示すものである．この構

5.6 今後の展開造の認知によって実務がどのように変わり得るかについ今後の研究の展開であるが，第一に，「変動する環境下て述べれば，スケジューリングの条件を良くするためにで頑健なスケジュール」
について．
この方向での研究は，は，加工時間を問題にするよりも先に加工経路を問題と有望な鉱脈に当たっていると感じているので今後も研究すべきということである．改善するなら加工経路の検討

室を挙げて大いに推進したいと考えている．
この分野は，

が先で，最も有効な要因だということである．これは，

世界的に急速に立ち上がりつつある．第二に，生産シス

現時点での生産マネジメントの実務が，ランダムショッ

テムの頑健性，柔軟性，緩衝の相互関係の定量的研究でプをフローショップに向けて改善してゆくとの方向にあある．物による緩衝，時間による緩衝，能力による緩衝ることを下支えするのである．

間の定量的相互関係は明らかになっていない．柔軟性と緩衝の関係も未開拓なテーマである．これも大いに推進したいと思う．先のスケジュールの頑健性も，言い方を変えると計画の柔軟性の問題なのである．第一と第二のテーマはつながりをもっている．
６．おわりに
小文では，筆者の研究活動の紹介と意義付けを通じて，経営工学とは何であって，どのように社会に役立ってい
るかを再確認することを目的として，以下の内容について述べた．まず，その性格から，決定版がない経営工学の定義について検討した．これを受けて，経営工学がど

図 4 ジョブショップの条件とスケジュールのタイプの関係（文のように社会に貢献するのかを，経営活動の根幹問題で献（32）より）ある組織デザインの枠組みを通じて説明すること試みた．
このような枠組みによれば，生きている環境の中で組織

これらの研究は，図 3 では，受注生産，タイムフェーがその使命を動的に果たすための，経営工学の貢献を一

ズド詳細資材計画，MRP 的製造活動管理に相当する．図貫した論理の下，生き生きと表現できると感じているた

2 では，基本モデルおよび情報処理必要量の削減に貢献めである．
もとよりはじめての試みとして不十分であり，している．

今後，おさめ切れなかった経営工学の多様な側面をとら

5.5 生産システムの柔軟性と緩衝の研究

えきるように検討を進めたい．

わが国製造業は，柔軟性を重視してきた．米国ほどの経営工学分野の研究者としての筆者は，経営の工学と国内需要がないとの認識から，多品種少量生産でなけれしての経営工学が対象とする経営活動の構造を明らかにば立ち行かないとの判断があったものと思われる．日本

しようとする意図で，多段階の生産指示方式の研究，リの製造業が好調である原因の一つを柔軟性と見て，各方

ードタイムと負荷計画の研究，変動する環境下で頑健な面から柔軟性の研究が行われている．筆者は日米欧の製スケジュールの研究，柔軟性と緩衝の研究などを行って造業未来プロジェクトに参加して，アンケート調査を分きた．これらを概説すると共に，意義を明らかにし，今

（34）

析している

．この一つの結論が日本製造業の柔軟性重

後の展開を示唆した．

視であった．また，共同研究であるサーベイ論文（35），柔軟性と緩衝の違いを明瞭にして，柔軟性と緩衝を生産シ（36）

ステムへ組み込むための考え方を提示した

がある．

参考文献
（1）
（社）日本経営工学会編，“経営工学とは何か”，開

多段階の生産指示方式の研究は，緩衝の研究としての側

発社（1977）．

面もあったわけである．

（2）早稲田大学理工学研究科，“学修要項 1975”，p. 349．

これらの研究の意義付けであるが，生産システムに柔（3）千住鎮雄，“学位を目指す研究について”
，日本経営

26

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

工学会誌，Vol.26，No.4（1977）， pp.368-370．

pp.405-409．

（4）宮川公男，“意思決定論”，丸善（1975）．

（24） H．Matsuura and H．Tsubone，“Determining Net（5）上野一郎，“マネジメントの発展系譜 テイラーかRequirements for Material Requirements Planning”，J．Opl．

ら現代まで”，産業能率大学出版局（1976）．

Res．Soc．
，Vol.42，No.11（1991），pp.981-990．

（6）沼上幹，“組織デザイン”，日経文庫（2004）．

（25） H． Matsuura and H．Tsubone，“A Comparison of(7) Jay R ． Galbraith ，“ Organization Design ”，

Centralized and Decentralized Control Rules in Push-type

Addison-Wesley（1977）．

Production Ordering System”， Eur．J．Opl．Res．
，Vol.70，（8）D. J. バワーソクス，D. J. クロス，M. B. クーパー

No.2，
（1993），pp.199-211．

著，松浦春樹，島津誠訳者代表，“サプライチェーン・ロ

（26）H．Matsuura and H．Tsubone，“Setting Planned

ジスティクス”，朝倉書店（2004）．

Leadtimes in Capacity Requirements Planning”，J．Opl．Res．

（9）門田安弘，“トヨタプロダクションシステム その

Soc．
， Vol.44， No.8 （1993）， pp.809-816．

理論と体系”，ダイヤモンド社（2006）．

（27） H．Matsuura， H．Tsubone and M．Kanezashi，（10） R．E．Stein，“Re-engineering the Manufacturing“Setting Planned Lead Times for Multi-Operation Jobs”，

System Applying the Theory of Constraints ”， Dekker

Eur．J．Opl．Res．
，Vol.88， No.2（1996）， pp.287-303．

（1996）．

（28） H．Matsuura，H．Tsubone and K．Kataoka，（11）藤本隆宏，“生産マネジメント入門（Ⅰ）（Ⅱ）”，“Comparison between Simple Infinite Loading and Loading

日本経済新聞社（2001）．

Considering a Workload Status under Uncertainty in Job

（12）
坪根斉，
“製造戦略としての柔軟性設計のためのフ，Operation Times”，Int．J．Prod．Econ．
，Vol.40，No.1（1995）

レームワーク”，日本経営工学会誌， Vol.51， No.5（2000），

pp.45-55．

pp.504-517．

（29）松浦春樹，“リードタイムの類型化とその短縮方

（13）
小池和男，
“日本企業の人材形成 不確実性に対処

策”， IE レビュー， IE レビュー， Vol.44，No.1，229

するためのノウハウ”，中公新書（1997）．

号（2003）， pp.6-11．

（14）村松林太郎，“生産管理の基礎”，
国元書房（1979）．

（30）H．Matsuura， H．Tsubone and M．Kanezashi，（15）市村隆哉，村松林太郎，“弾力的スケジューリング

“Sequencing， Dispatching， and Switching in a Dynamicへの考察”，事務と経営，1969 年 4 月号（1969），pp.17-23．

Manufacturing Environment”， Int．J．Prod．Res．
， Vol.31，（16）T．E．Vollmann， W．L．Berry， and D．C．

No.7（1993），pp.1671-1688．

Whybark，“Manufacturing Planning and Control Systems”，（31） Aytug Haldun， Lawley Mark A．
，McKay Kenneth，

4th Ed.， Irwin （1997）．

Mohan Shantha ， Uzsoy Reha ，“Executing production（17）R．G．ブラウン著，“関根智明訳，”在庫管理のた

schedules in the face of uncertainties: A review and some

めの需要予測”，紀伊国屋書店（1964）．

，Vol. 161 Issue 1 （2005），
future directions”，Eur．J．Opl．Res．

（18）
松浦春樹，
“加法的な周期変動を含む需要系列の指pp.86-110．

数平滑法による予測”， 日本経営工学会誌，Vol.30， No.1

（32）
松浦春樹，
“加工時間変動に対して頑健なジョブシ（1979）， pp.72-77．

ョップ・スケジュールの新しいタイプ”，国際経営フォー（19）中根甚一郎編著，“統合化 MRP システム”，日刊

ラム，No.19（2008），pp.209-224．

工業新聞社（1984）．

（33）松浦春樹，“NEH アルゴリズムに基づくジョブシ（20）十代田三知男，“定期発注システムの解析（Ⅰ）

ョップ・スケジューリングのためのヒューリスティッ

（Ⅱ）
（Ⅲ）
”
，インダストリアル・エンジニアリング，

ク” ，国際経営論集，No.36（2008），pp.1-13．

Vol.11，Nos.8-10（1969），
pp.51-58，pp.93-100，pp.67-74．

（34）J．Nakane， S． Kurosu， H．Matsuura，“Creating（21）松浦春樹，“多段階生産指示方式の設計”，日本経

Customer-driven Flexibility”， Chapter of “Benchmarking

営工学会誌，Vol.31， No.1（1980）， pp.88-93．

Global Manufacturing ”， Business One Irwin (1992 ），

（22）
松浦春樹，
“製品需要水準の変化と多段階生産工程

pp.111-128．

における生産指示方式”，日本経営工学会誌，Vol.31，（35）坪根斉，松浦春樹，“生産システムの柔軟性についNo.4（1980）， pp.458-463．

て”，日本経営工学会誌，Vol.46，No.1，（1995），pp.1-12．

（23）
松浦春樹，
“多段階生産工程における発注量変動の（36）松浦春樹，“生産システムの緩衝と柔軟性についコントロール”，日本経営工学会誌，Vol.31， No.4（1980），て”，国際経営論集”，No.35（2008），pp.1-12．

27

わが国戦前期の近代住宅にみられる設計手法について－1935 年及び 1939 年発行の清水組『住宅建築図集』掲載の住宅建築を中心として－
内田 青蔵＊A Study on the Design Technique of Modern Dwelling of Prewar Japan
Seizo UCHIDA＊

１．緒言∗

で筆者も小論「『彩色図集』に見られる近代上流住宅の設

文化庁では，近年に国費補助事業として「近代和風建

計手法について」を論じている（３）．この小論の目的は，築」と称される建築の調査を全国で展開している．こう

近代以降に建設された建築・・・いわゆる「近代建築」

した全国を対象とした事業の進展とともに，調査対象で（４）ある「近代和風建築」をテーマとする研究熱も高まりつなる特徴や性格の一端を解明し，ついで，その解釈を提つある．

示することであった．すなわち，現在の清水建設株式会

・・・における独自性としての近世以前の建築とは異ところで，この「近代和風建築」とはいかなる建築を社には，前身である清水組（５）の手掛けた建築作品のう

指すのであろうか．これまで発行された報告書を散見す

ち，
明治40年
（1907）
から関東大震災前の大正11年（1922）

る限り，明快に建築様式などを定義したものはなく，一までの住宅建築 45 件の彩色された図面・・・「彩色図

般には幕末から終戦までの間に建設された建築を指し，

面」
・・・が残されている（６）．これらは当時の建築図面

また，様式的には伝統的意匠や技法といった要素を持つとして貴重なばかりではなく，関東大震災前に存在して（１）．より噛み砕いて言えば，「近いた住宅建築の姿を知ることのできる貴重な歴史的資料

代和風建築というものは，それ自体で建築的な様式をもともいえるのである．そこで，筆者らは，こうした貴重

つわけではない．日本が近代化を果たしつつある時期にな歴史資料としての図面の存在を広く周知させるために，建築ということになる（２）生み出された伝統的建築すべてを含むもの」 といった図面の紹介を主とした出版を行い，加えて，筆者はこれ

広義の解釈が一般的である．

らの建築図面を史料として，当時の住宅作品の設計手法

ただ，このように極めてあいまいな定義ではあるものの，「近代」という時代に建てられた「和風建築」をひとに着目し，近世以前とは異なる設計方法が見出されることを示唆したのである（７）．

つの様式として区別するのは，近世までのいわゆる伝統

本稿は，この小論の続報で，清水組が自ら手掛けた住建築とは異なる時代背景の中で造られたものゆえ，その宅建築を取り上げて紹介している 2 冊の『住宅建築図集』

様相もその建築の持つ意味も近世以前のものとは明らか（８）を資料とし，その設計手法（1935 年版，1939 年版）に異なる近代特有の特徴を有するものという解釈があるについて考察を試みたものである．

からに他ならない．その意味では，現在，この文化庁主導による「近代和風建築」の全国の遺構調査が進行中で

２．拙稿「『彩色図集』に見られる近代上流住宅の設計手あることからも分かるように，様式的特徴もその意味も法について」で指摘した内容

解明途上にあるといえるのである．
ところで，筆者は 2009 年 5 月に『明治・大正の邸宅－
清水組作成彩色図の世界』を監修し，上梓した．この中本稿を進める前に，先に提示した拙稿の内容を整理しておきたい．既に紹介したように清水組の手掛けた明治40 年から大正 11 年までの住宅建築 45 例の設計手法について分析を試みた結果，その事例は少ないものの，以下*教授 建築学科
Professor, Dept. of Architectureの諸点が明らかとなった．すなわち，① ひとつの同一の建物でありながら「田舎間」と「京神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

28間」の 2 種の設計寸法が並存して使用されている事
例が 6 例確認される② 「田舎間」と「京間」が並存される場合，「京間」
は接客の場である「座敷・次之間」にみられる

代特有のものであった可能性を示唆するのである．
いずれにせよ，このことの解釈の私見を述べれば，近代以降，わが国の上流層の住宅の近代化は在来の和館に
（10）
，その際の
洋館を並存させることから始まり（図１）③「田舎間」「中京間」「京間」の 3 種の設計寸法が見

使い方を大別すれば，明治期では，和館は日常生活ゾー

られる場合もあり，この場合は「京間」は接客の場

ン・洋館は接客ゾーンとして使い分け，また，和館もさと主人の生活の場，「中京間」は家族の生活の場，

らに家族の生活ゾーン，接客ゾーン，使用人が働く台所「田舎間」は使用人の場にみられるを中心としたサービスゾーンにうまく分けられて配置さこうした 2 種類，あるいは 3 種類の異なった設計寸法れていたのである．こうした明治期の伝統的な住宅建築

を同時に並存させる設計手法は，後藤久太郎博士によれの間取りに見られるゾーニングは，機能的な分離というば，例外的に元禄から享保期の津軽家江戸屋敷に確認さよりも武家住宅の中で培われてきた身分制を根幹としたれるものの，他の各藩の江戸藩邸はすべて 6.5 尺の「京差別化の表現として生まれてきたものを受け継いだもの間」という単一の設計寸法を用いて設計されるのが一般と考えている．そして，筆者はこの「京間」と「田舎間」的であり．江戸期の一般的な考え方によるものではなかのようにひとつの建物の中で「京間」を接客ゾーンに，った．ちなみに，津軽家江戸屋敷のみが書院などの主要「田舎間」を家族の生活ゾーンやサービスゾーンにそれ

建物は 1 間 6.5 尺，付属屋は 1 間 6.3 尺と 6 尺で設計されぞれ使い分けるという設計手法は，近代という新しい時ている．後藤博士は，この津軽藩にみられる 3 種の設計

代の中で，近世以来の接客性を重視した生活思想を受け寸法の並存は設計上・作事技術上の利点はなく，津軽家継ぎながら新たに発展的に創り出された表現方法なのでの国許の木材の規格が 1 間 6 尺であった可能性が高いこはないかと考えているのである．

とから，経済的な諸事情から主要建物の部材のみを購入

このように本稿では，近世以前の建築とは異なる近代

し，一部を寸法体系の異なる国許の規格材を用いたこと特有の建築特性の一端を明らかにすることを目的とし，によるものであろうと推測している（９）．すなわち，繰り先に手掛けた「彩色図面」以降の作品，具体的には『住返しになるが，同一建物で 2 種・3 種の設計寸法を用い

宅建築図集』に掲載されている大正 12 年（1923）以降かるのは江戸時代に建設された武家住宅である各藩の江戸ら昭和 13 年 6 月（1938）までの清水組の手掛けた住宅建藩邸の中では例外的な存在で，あくまでも当時は「京間」

築を通して，「京間」「田舎間」などの異なった基準寸法という 1 つの設計寸法で設計することが一般的手法であの並存という設計手法の様相を整理し，その知見を報告ったのである．このことは逆に彩色図面に散見される 2するものである．

種あるいは 3 種の設計寸法を並存させる設計手法は，近図１ 日本住宅の近代化の系譜

わが国戦前期の近代住宅にみられる設計手法について

３．
『住宅建築図集』にみられる数種の設計寸法が確認される住宅事例について
改めて『住宅建築図集』を見てみよう．昭和 10 年 4
月 1 日発行，編集・合資会社清水組の『住宅建築図集』（以下，昭和 10 年度版，と称する）には「本住宅建築図集は昭和九年十二月末迄に弊社清水組が施工いたしました住宅建築の一部を輯録したものであります」とあり，邸宅として 196 件の住宅建築が集録されており，大正 1229

表１ 数種の設計寸法が確認される住宅リスト
住宅建築名

施 主 名

設 計

竣工年代

設計寸法の

建設地 書き込み

H邸
堀越角次郎
清水組
大正13年9月 東京市 ｢京間｣
Ａ邸
浅見又蔵
清水組
大正14年7月 東京市 「京間」
Ｋ邸
(柏原)
桜井小太郎 昭和3年2月 東京市 ｢京間｣
Ｋ邸
熊谷直之
清水組
昭和6年
京都市 「京間」
Ｓ邸
鈴木三千代
清水組
昭和7年12月 兵庫県 「中間」
Y邸
山田三次郎
清水組
昭和8年7月 東京市 「中間」
T邸
(田中)
清水組
昭和9年12月 新潟県 「京間」
I男爵邸 伊藤文吉男爵 （清水組） 昭和10年7月 東京市 「京間」「中間」
I邸
磯村豊太郎
清水組
昭和11年3月 東京市 「京間」
K邸増築 木村茂男
清水組
昭和12年10月 東京市 「京間」
K邸
古賀政男
清水組
昭和13年4月 東京市 「京間」

年以降のものは 184 件となる（11）．同様に昭和 14 年 5 月

K 邸（昭和 13 年：1938 年）の 4 件をそれぞれ確認する

25 日発行，編輯兼発行者・株式会社清水組の『住宅建築ことができた．この結果をまとめたのが表 1 である．こ

図集』（以下，昭和 14 年度版，と称する）には 165 件のれによれば，「京間」と記された部屋が存在する事例は 9住宅建築が集録されている．このことから資料とするの

例，「中間」と記された部屋があるのは 3 例であり，「京は 349 件の住宅建築となる（12）．

間」と「中間」が同時に記された事例が 1 例みられる．

さて，これらの住宅は，竣工年，構造，様式，屋根形

以下，各住宅建築の設計寸法について確認したい．

状，内外仕様は明記されているものの，施主名や住所は明記されてはおらず，図面も掲載されているものと掲載

H 邸（堀越邸）：：この住宅は，東京市内に大正 13 年

されていないものがある（13）．また，図面があっても設計

9 月に竣工した木造 2 階建ての建築である．その規模は寸法を確認できるものは極めて少ない．そこで，本稿で延坪約 350 坪の大規模な伝統色の強い和風建築で，洋館

は平面図上の「京間」や「中間」という寸法に関する書も併設していた和洋館並列型住宅である．間取りは，三き込みを手掛かりに分析を試みた．

つの中庭を取り囲むように各部屋が配されている．部屋

その結果，同一建物で異なった設計寸法が用いられて配置から見て，玄関側は東面と考えられる（14）．この東側いると考えられる事例は，昭和 10 年度版では，H 邸(大の玄関側を表とすれば，式台に続いて 6 畳の「表玄関」，

正 13 年：1924），A 邸（大正 14 年：1925），K 邸（昭和

その横には寄木張りの洋風の
「応接室」
があり，
「表玄関」

3 年：1928），K 邸（昭和 6 年：1931），S 邸（昭和 7 年：を挟んで反対側には 8 畳の「執事室」があり，大きな中1932），Y 邸（昭和 8 年：1933），T 邸（昭和 9 年：1934）

庭側には畳廊下がある．洋館と和館の間部分には南面しの 7 件，昭和 14 年度版では I 男爵邸（昭和 10 年：1935），て「離レ座敷・次之間」と「御仏間」，中庭の南側には「御I 邸（昭和 11 年：1936），K 邸増築（昭和 12 年：1937），

居間・次之間・参之間」が配されている．大きな中庭南図２ Ｈ邸（堀越邸）平面図

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

30

はみられず，残りの諸室の設計寸法は「田舎間」と考えられる（図２）．なお，「京間」の「執事室」と「田舎間」の「書生室」が隣接するため，その柱間寸法の違いの処理のためと考えられるが，「書生室」と接する「執事室」
側の壁面に柱が 2 本隣接して配置されている部分がみられ，興味深い（図３）．いずれにせよ，玄関周辺の接客ゾーンは，基本的には「京間」で設計され，他の諸室は「田舎間」で設計されていたと考えられる．
Ａ邸（浅見邸）：：この住宅は，東京市内に大正 14 年７月竣工した木造 2 階建て一部地階及び屋根裏部屋付きの「英国風」と記された洋風住宅である．間取りはコン
パクトにまとめられており，広間と廊下を介して和室と洋室が並存している．このうち，2 階には「座敷・次之間」が設けられており，この和室だけに「京間」の記述
図３ Ｈ邸（堀越邸）「執事室」と「書生室」の納まりがある．また，この図面では寸法も読み取れる．すなわ
ち，「座敷」は二間が真々で 13 尺とあり，1 間が 6.5 尺の側の「御居間・次之間・参之間」の「御居間」は二畳の真々で設計されていることがわかる（図４）．一方，1 階上段を備えており，主人の日常生活の場と考えられる．

と 3 階には「女中室」があり，その寸法は二間で真々12

また，家族の生活の場は，もうひとつ奥の中庭の南側で尺とあり，1 間 6 尺で設計されている．このことから「座あり，その奥は台所などの使用人の働くサービスゾーン

敷・次之間」のみが 1 間 6.5 尺の「京間」の真々で設計といえる．なお，中庭を挟んで北西側には鉄筋コンクリ

され，他は 1 間 6 尺の「田舎間」の真々で設計されていート構造による「御倉庫」が配されている．

ることがわかる．

さて，玄関周りに配された和室を見ていくと，畳廊下

Ｋ邸（柏原邸）：：この住宅は，東京市内に昭和 3 年を含め「京間」と記されている．具体的には，玄関周りに竣工した木造 2 階建ての妻面にハーフチィンバ―風のの「表玄関」「執事室」「台子之間」「洗面之間」及び畳廊装飾を配する英国風の洋風住宅で，設計はロンドン大学

下，洋館と和館の間にある「離レ座敷・次之間」「御仏間」

を首席で卒業した桜井小太郎である（15）．洋館の背後に和および畳廊下，南側の「御居間・次之間・参之間」，そし館を付設した形式の建物で，この付設された和館の 1 階て「御倉庫」である．図面には寸法の記述がなく，具体の続き間部分の部屋に「京間」の記述がみられる．これ的な寸法は明らかではないが，「執事室」の横に位置するらの二間は部屋名称がないためその用途が不明だが，こ

「書生室」
「内玄関」
「下男室」などには「京間」の記述の住宅では唯一の入側つきの床・棚・付け書院を配した

図４ Ａ邸（浅見邸）平面図

わが国戦前期の近代住宅にみられる設計手法について

31

続き間であり，最も質の高い座敷に相当する部屋と考え

6.3 尺を意味していたことがわかるし，
この寸法は一般的られる．寸法は，平面図から真々で 1 間 6.5 尺であるのに「中京間」と称されるものに近いといえる（17）．なお，に対し，他の和室は真々で 1 間 6 尺の「田舎間」である

他の和室は真々で 1 間 6 尺の「田舎間」である．

ことがわかる．

Y 邸（山田邸）：：この住宅は，東京市内に昭和 8 年に

K 邸（熊谷邸）：：この住宅は，京都市内に昭和 6 年竣工した木造二階建てのスパニッシュ様式の影響を受け竣工した鉄筋コンクリート構造三階建てのスパニッシュ

た洋風住宅である．内部は和室と洋室が混在して配され様式を基調とした洋風住宅で，洋風住宅の背面には木造ているが，1 階では「御居間・次之間」，「御茶之間」お2 階建ての和風住宅が並存している．この背面の木造住よび「納戸」，2 階では「予備室」が「中間」と記されて宅は 1 階が 4 室の「御居間」，2 階が「御客間・次之間」

おり，他の「女中室」などの和室には何も記されていなで，すべての部屋が「京間」と記されている．一方，鉄い．この住宅の建設関連図面が清水建設株式会社に所蔵

筋コンクリート構造の建物の中に設けられた和室のうち，されており，寸法がわかる．すなわち，「平面図」と記さ「内玄関・控室」が「京間」とあり，「女中室」は何も記れた図面をみると，「中間」の寸法は真々で 1 間 6.3 尺，

されていない．ちなみに，この住宅の建設関連図面が清他の諸室は真々で 1 間 6 尺の「田舎間」である．

水建設株式会社に所蔵されており（16），寸法が確認できる．

T 邸（田中邸）：：この住宅は，新潟県内に昭和 9 年にすなわち，「弐階御客間次之間詳細」と記された図面によ竣工した木造二階建ての和風住宅である．この住宅には

れば，
「御客間」
の床の間部分は真々1 間 6.5 尺である
（図「茶室」があり，その部屋が「京間」と記されている．

５）．一方，「平面図」と記された図面によれば，鉄筋コ

具体的な寸法はわからない．

ンクリート構造の建物の中の和室のうち，
「京間」
とある

I 男爵邸（伊藤男爵邸）：：この住宅は，東京市内に昭「内玄関・控室」は鉄筋コンクリート構造の躯体の中に

和 10 年に竣工した木造二階建ての和風住宅である．
この

和室を入れ込むことによるためか真々で 1 間 6.66 尺（１住宅の設計寸法は複雑で，「京間」と「中間」の両方が確

間半で 10 尺），「女中室」は真々で 1 間 6 尺の「田舎間」

認される．また，この住宅の建設関連図面が清水建設株である（図６）．

式会社に所蔵されており，寸法がわかる．すなわち，「一・二階平面図」と記された図面によれば，「京間」と記された部屋は，1 階では「寄付」と「夫人室」，2 階で
は「小座敷」で，「中間」は 1 階では「御主人室・次之間」，
2 階では「客間・次之間」である（図８）．
その寸法は，図面によれば「京間」は，1 階の「夫人室」は 1 間が真々で 6.48 尺，2 階の「小座敷」は 1 間が真々で 6.53 尺と 6.61 尺で，
1 間真々で 6.5 尺前後となる．
「中間」は，1 階「御主人室・次之間」では 1 間真々で
6.19 尺，2 階「客間・次之間」では 1 間真々で 6.19 尺あるいは 6.25 尺であり，1 間真々で 6.2 尺前後となる．

図５ Ｋ邸（熊谷直之邸）の関連図面

S 邸（鈴木邸）：：この住宅は，兵庫県内に昭和 7 年竣工した木造二階建ての和風を基調とした住宅である．1
階平面の「御居間・御茶之間」の続き間部分に「中間」の記述がある．
『住宅建築図集』
では 1 階の平面図しかな
いが，この住宅の建設関連図面が清水建設株式会社に所蔵されており，他の様子もわかる．すなわち，所蔵関連
図面の「平面図」によれば 2 階には「児童室」「予備室」
とともに「御客間・次之間」の続き間があり，この「御客間・次之間」には「中間」の記述がみられる（図７）．
また，寸法をみると「中間」と記された各部屋は真々で
1 間 6.3 尺である．このことから，「中間」は真々で 1 間

I 邸（磯村邸）：：この建物は茶室で，具体的な寸法は不明だが「京間」と記されている．茶室は，現在でも京間が一般的であり，そうした流れを汲んだものと思われる．
K 邸増築（木村邸）：：この建物は，東京市内に昭和
12 年に竣工した，木造平屋建ての和風の小住宅の増築である．
「仏間」のみ「京間」で設計された．建設関連図面が清水建設株式会社に所蔵されており，これによれば寸法は，
1 間真々で6.5 尺である．
他の和室はすべて1 間真々で 6 尺の「田舎間」である．
K 邸（古賀邸）：：この建物は，東京市内に昭和 13 年に竣工した木造 2 階建ての伝統色の残る和風住宅である．
1 階の最も格の高い「客間・次ノ間」が「京間」と記さ

32

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

図６ Ｋ邸 (熊谷邸) の関連図面 「平面図」

図７ Ｓ邸 (鈴木邸) の関連図面 「平面図」 (昭和７年２月１５日製図)より

わが国戦前期の近代住宅にみられる設計手法について

図８ Ｉ男爵邸 (伊藤男爵邸) の関連図面 「一、二階平面図」 (製作年代未記入)

図９ Ｋ邸（古賀邸）平面図

33

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

34

れている．寸法は確認できないものの，階段の柱位置な

敷・次之間」の接客の場だけを「京間」としているこのどと対応せず，柱間寸法が異なっている様子が窺える（図

2 例に端的に示されているように「京間」が採用され最９）。

も格式の高い場に用いられていることが窺える．

４．
「京間」「中間」と記された諸室にみられる傾向

また，H 邸（堀内邸）
・A 邸（浅見邸）
・K 邸（熊谷邸）

次に，この時期の住まいの間取りは概ね＜接客ゾーンにみられるように家族生活の場にも「京間」が採用され＞，＜生活ゾーン＞，＜サービスゾーン＞の 3 つのゾーている事例がみられる．しかしながら，接客の場が「田（18），これらの 11 例の住宅建築の和室に舎間」で家族生活の場だけが「京間」といった逆の事例

注目し，その部屋名称から 3 つのゾーンのいずれに属すはみられない．このことから，基本的には住宅建築の中るかを分類し，かつ，その設計寸法毎に整理したものがでも格の高い部屋である座敷部分，そして，家族の使用

表 2 である．

する部屋に順次「京間」が優先的に採用されていると考ンからなるため

これによれば，「京間」と記された部屋の事例のうち，えられる．

「茶室」あるいは「茶席」のみを「京間」としたものが同様に，「中間」と「田舎間」が併用されている事例を

11 例中 2 例存在する．これは，現在でも茶室は「京間」

みると，S 邸（鈴木邸）では「中間」は「座敷・次之間」

で設計する事例がみられることからも明らかなように，の接客の場と家族の生活の場であり，また，Y 邸（山田伝統的な風習を踏襲したものといえるであろう．

邸）では接客の場と家族生活の場が「中間」を採用して一方，「京間」と「田舎間」が併用されている事例 7いる．また，Y 邸（山田邸）では「中間」で設計された例をみてみると，「座敷・次之間」のように最も格の高い「御居間・次之間」は，名称から家族生活の場に相当す

接客の場を
「京間」
としているものは 7 例中 5 例であり，るものの，住宅内の唯一の続き間で，かつ，離れ的な場

このうち K 邸（柏原邸）と K 邸（古賀邸）の 2 例は「座所に立地し，「御居間」には床と棚が備わるなど隠居部屋

表２ 各住宅の和室の設計寸法から分類表
住宅名
H邸（堀越)

A邸（浅見）

K邸（柏原）

K邸（熊谷）

S邸（鈴木）

Y邸（山田）

T邸（田中）

I男爵邸
（伊藤）
I邸茶席
K邸増築
（木村）
K邸（古賀）

各ゾーン「京間」の部屋名称「中間」の部屋名称「田舎間」の部屋名称
接客ゾーン「表玄関」「離レ座敷・次之間」「御仏間」「御居間・次之間・参之間」「台子之間」「洗面之間」「御化粧室」「脱衣室」「食堂次之間」等
生活ゾーン「書生室」「下男室」「女中室」等
サービスゾーン 「執事室」「御倉庫」
接客ゾーン「座敷・次之間」「日本間」？
生活ゾーン「茶ノ間」「女中室」「書生室」
サービスゾーン
接客ゾーン「座敷・次之間」？
「茶ノ間」等
生活ゾーン「執事室」「書生室」「女中室」等
サービスゾーン
接客ゾーン「御客間・次之間」
生活ゾーン「御居間」「内玄関・控室」「女中室」「女中寝室」
サービスゾーン「御客間・御次之間」
「表玄関」
接客ゾーン
「御居間・御茶之間」「内玄関」「児童室」「予備室」
生活ゾーン
「女中室」
サービスゾーン「予備室」
接客ゾーン「御居間・次之間」「御茶之間」 「内玄関」
生活ゾーン「裁縫火熨斗部屋」「女中部屋」「納戸」
サービスゾーン
接客ゾーン「客間・次之間」など
生活ゾーン
「茶室」
サービスゾーン「女中室」等「客間・次之間」
接客ゾーン「寄付」「小座敷」「取次ノ間」「御主人室・次之間」
生活ゾーン
「夫人室」
サービスゾーン「女中室」「納戸」等
茶席
接客ゾーン
生活ゾーン
「仏間」
「寝室」「居間」等
サービスゾーン「女中室」等
接客ゾーン「客間・次之間」
生活ゾーン「茶の間」「仏間」等
サービスゾーン「女中室」「書生室」等

わが国戦前期の近代住宅にみられる設計手法について

35

座敷的割も兼ね備えていたとも推察され，基本的にはや

なお，近代和風建築の寸法に着目した研究は極めて少はり住宅内で最も格の高い部屋に採用されていたと考えなく，佐賀県の近代和風建築調査を終え，その特徴をまることができる．

とめた伊東龍一博士らの研究が知られる．伊東博士らはまた，「京間」と「中間」と「田舎間」の 3 種類を並存

伝統的な佐賀間畳と京間畳の存在に注目し，「建築家がさせている I 男爵邸（伊藤男爵邸）は，「京間」は「寄付」

設計した建物や近代になって現われた新しい用途の建物，という簡単な接客の場と「夫人室」に採用されている．

（20）
と述べてい
新たに興った企業家の家には京間が多い」

そして，「中間」は続き間の「客間・次之間」と「御主人る．ここでは，異なった設計寸法の同一建物内での併用

室・次之間」に採用されている．この住宅で最も格の高に関する報告ではないが，近代以降に建築家が関与した

い部屋は「客間・次之間」であり，次いで「御主人室・建物に設計寸法を「京間」とした事例が増えたことを指次之間」と考えられる．その意味では，「京間」と「中間」

摘している．この指摘は，「京間」が近代以降に「建築家」の使い方は，
これまでの事例にみられる傾向とは異なる．

にとって重要な意味を持っていたことを窺わせるもので

ただ，
それでも，
接客の場や主人や夫人の生活の部屋が，あり，興味深い．また，同様に伊東博士らは調査物件に「田舎間」による他の部屋と区別されて「京間」や「中ついて「如蘭塾は寄宿舎，迎賓館とも建築家・遠藤新の間」で設計されていたことは明らかである．このように設計であるが，寄宿舎は田舎間（6 尺）の心々制のよう

11 例とその事例は少ないものの，意図的に同一建物のなであるが，迎賓館の方は，京間（6 尺 5 寸）畳割で設計かで，その部屋の用途や役割に準じて「京間」と「中間」されている」と報告している．これは，読み換えれば，と「田舎間」の設計寸法を使い分ける設計手法が存在し如蘭塾の施設として，寄宿舎と迎賓館を手掛けた建築家ていたことが窺えるのである．

の遠藤新が，その建物の用途にふさわしい表現を追求す

なお，具体的な寸法をみてみると，「京間」は 11 事例

る中で，接客の場である迎賓館を京間，学生の寄宿舎ををみる限り，
1 間を真々で 6.5 尺とするのが標準であった

田舎間でそれぞれ設計したことを意味している．
それは，といえる．一方，「中間」は 1 間を真々で 6.3 尺ならびにこれまでの住宅建築にみてきたひとつの住宅のなかで座

その前後の値を指していたようである．この「中間」の敷部分のみに京間を用いる設計方法と共通した設計姿勢

寸法は，従来「中京間」と称していた寸法と近いが，こといえるように考えられるのである．いずれにせよ，この「中間」を「中京間」と称すべきかどうかはもう少しうした事例の存在からも窺えるように，設計寸法を意図検討が必要であろう（19）．

的に使い分ける新しい設計手法が近代において試みられていたと考えられるのであり，こうした設計手法に近代

５．結言 ・・・異なった基準寸法を同一建築で用いる建築特有の特徴のひとつをみることができると考えてい設計手法についてる．

本稿では，清水組の手掛けた住宅建築 349 件を対象に，各住宅の平面図の記述を手掛かりにして，同一建物であ注りながら「田舎間」と「京間」のように異なった設計寸(1) 例えば，1996 年に発行された『佐賀県の近代和風建法を併用している事例を取り上げ，その報告を行った．

築』（佐賀県教育委員会）
では，「幕末から昭和 20 年まで

現段階では，異なった寸法を併用していると確認できたに建設された諸建築のうち次の条件を満たすもの．
」と述事例は 349 件中 11 件，既報でも 45 件中 6 件と少なく，べられている．また，条件としては特徴と種類に大別さ例外的な存在との判断も可能である．しかしながら，筆れ，特徴は「１．伝統的様式や技法で建てられた木造建者は，この異なった基準寸法を同一建築で併用する設計

造物，２．一部洋風の様式や技法が用いられているが，手法は，極めて意図的な新しい設計手法であったと考え

主に伝統的様式や技法で建てられた建築物」
，
種類は
「１．

ている．すなわち，江戸期においても，「座敷・次の間」

住宅等，２．公共建築等，３．宗教建築等，４．以上のを特別な素材や技術，あるいは，意匠を用いて備えるこほか，これらと一体となって保存されるべき門，塀，蔵とは一般的に行われていた設計方法であった．
「京間」
やなどを含む」とある．

「中間」が「座敷・次の間」に優先して用いられている

なお，この定義は，平成 16 年の『千葉県の近代和風建築』

傾向から考え，異なった設計寸法を同一建築で用いるの（千葉県教育委員会），平成 19 年の『北海道の近代和風は，この従来の「座敷・次の間」を意匠的に重視する方

建築』（北海道教育委員会）にもそのまま踏襲され用いら法を，新たに寸法を用いて表現したものと推測できるの

れている．

である．

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

36(2) 鈴木博之「近代和風建築を味わう 7 つのキーワード」

寸法を割り出すことも可能である．ただ，その図面数は『東京人』（2009 年 10 月号）pp20-25．

膨大で，今後の課題としたいと考えている．なお，施主(3) 内田青蔵監修，住宅総合研究財団編，柏書房 2009の氏名は，現在清水建設株式会社に保管されている「工年 5 月．

事竣工報告書」などから明らかになる場合がある．

(4) 「近代建築」の定義もいろいろ解釈が見られるが，(14) この当時，座敷は南面するように配されるのが一般

そのひとつに「近代」という時代に建てられた建築すべ的であった．そのため，「離レ座敷・次之間」，「御居間・てを指すという解釈もある．

次之間」の縁側が設けられているほうが南面と判断され(5) 清水建設株式会社の社名は，「清水喜助（文化元年～

る．

明治一四年三月），清水満之助/清水満之助店（明治一四(15) 桜井の経歴は『建築人物群像』（土崎紀子・沢良子

年三月～大正四年一〇月），合資会社清水組（大正 4 年一編 住まいの図書館出版局 1995 年）pp60-61 に詳しい．

〇月～昭和一二年二月），株式会社清水組（昭和一二年一(16) 図面はマイクロフィルムとして所蔵されている．ち

一月～昭和二三年一月），清水建設株式会社（昭和二三年

なみに，熊谷邸の関連図面は 18 枚で，配置図，平面図・

二月～現在）」（『明治・大正の邸宅』凡例 p6）と変更さ

立面

れている．

図・断面図などが確認される．

(6) 「彩色図集」は，文字通り着色された平面図・立面(17) 『建築用語辞典』（建築用語辞典編集委員会 技法

図・断面図などからなる図面集である．こうした見せる

堂出版 1995 年）によれば中京間は「柱割については，ことを意識した図集が何ゆえ作成されたのかは明らかで

1 間を 6.2 尺とし，畳割については，畳の基準寸法を 6はないが，極めて精緻な図面で，資料的な価値に加え，尺×3 尺としている」とあり，真々1 間 6.3 尺は中京間よ美術品としての価値も高いものと思われる．45 作品が集り少し大きいことがわかる．本稿ではこの「中間」は一録されており，その内訳は個人住宅 31 件，別邸 7 件，貸応「中京間」と称することにする．なお，江戸時代の 1

家 2 件，寄宿舎 1 件，その他 4 件である．

間の長さに関しては，西和夫は江戸時代の建築の修理工(7) 前掲３）参照．pp167-178．

事報告書をもとに「中部から関東にかけて六尺が分布し(8) 昭和 10 年度版（1935 年度版）は「昭和九年十二月末ている．しかし，栃木・千葉に六尺二寸五分が，茨城か迄」，昭和 14 年度版（1939 年版）は「昭和九年七月より

ら北には六尺三寸が，盛岡から岩手には六尺五寸が，秋

昭和十三年六月末迄」に清水組が施工した住宅建築を収

田には七尺がある．一方近畿から中国・四国には六尺三録している．本書発行の目的は，1935 年版によれば，住寸が分布し，奈良と四国北部には六尺五寸がある」（『建宅建築の過渡的な状況の中で，「完全なる住宅建築の発

築技術史の謎を解く』p73 彰国社 1986 年）と述べて達を期し，設計並に施工上好個の資料に供せんとするもいる．この建物は，兵庫県に建てられた建物であり，1の」と記されている．

間 6 尺 3 三寸は伝統的な寸法を採用した可能性も考えら(9) 後藤久太郎「近世指図の作図技法と図面表現－諸藩

れる．

江戸藩邸指図を中心に」『生活科学研究所研究報告』第(18) 明治後期の住宅設計論を記したものとして知られ

23 巻

る『和洋住宅建築学 下』（駒杵勤治著・越本長三郎編

pp50-69

宮城学院女子大学生活科学研究所

1991．

須原屋 1907 年）では，当時の住宅について「大なる住(10) ひとつの仮説として理解していただきたい．

宅には数棟を以て一家を為し其間を連続するに渡り廊下(11) なお，196 件の中には大正 12 年以前の事例が 12 件を以てするを普通とせり．其区分する部を大別すれば三含まれている．この中には「彩色図面」に含まれるものとす．玄関，応接，控室，客室等を一括したるもの其一もあるため 12 件の事例は除外した．また，付録としてこなり．
家族の居間を一括したるもの其二なり．
下卑部屋，

れら住宅建築以外に料亭や旅館が 7 件紹介されている．

台所等雇人占用の部を一括したるもの其三なりとす．
」と(12) 作品の内訳は，個人住宅とともに，別荘建築，茶室

し，住宅を接客ゾーン，家族の生活ゾーン，使用人の働や増築などもそれぞれ 1 件として含まれている．

くサービスゾーンの 3 つの機能からなることを述べてい(13) 清水組には『住宅建築図集』に集録されている住宅

る．これから，こうした捉え方が当時の一般的認識であ事例を含む住宅建築に関する図面がマイクロフィルムとったことが窺える．

して保存されている．設計施工した作品全ての図面が存(19) 拙稿「『彩色図集』に見られる近代上流住宅の設計

在するかどうかは検討を要するが，これら 349 件の図面

手法について」（注３参照）では，「中間」を「中京間」の存在を確認し，存在するものに関しては図面から設計として扱っているが，詳細な検討を加えて再考したい．

わが国戦前期の近代住宅にみられる設計手法について(20) 久保田貴紀・北野隆・伊東龍一「佐賀県の近代和風

料新聞社（1935）p.21

建築に関する研究―和室の柱間基準寸法について」日本建図３：同上，p.21

築学会中国・九州支部研究報告 pp621-624 1996 年 3 月．

図４：同上，p.35

37

図５：清水建設株式会社所蔵資料
出典

図６：同上

図１：内田青蔵（監修）住宅総合研究財団（編）
『明治・

図７：同上

大正の邸宅 清水組作成彩色図の世界』柏書房（2009）

図８：同上

p.167

図９：株式会社清水組（編）『住宅建築図集』株式会社清図２：合資会社清水組編集『住宅建築図集』土木建築資水組（1939）p.224

38

集落の空間，その持続的自律的空間構造と近代主義計画モデルとの矛盾
重村 力＊Space of Hamlet, Sustainable and Autonomous Spatial Order,
A Contradiction to Modern Planning Theory
Tsutomu SHIGEMURA＊

１．集落の自然的性格∗

２．集落の社会的形成過程と持続性

集落という言葉は本来都市集落や農村集落など居住地

近代的な計画によって大きく改変されていない集落空間は，の集積一般を指すのが正しいがここでは通例に従い集落

近代以降に形成された居住地と異なる特徴を持っている．自然について，村落の意味で用いる．集落とはひとまとまり

は微細な単位まで豊かに集落空間に編み込まれている．住居相の居住地を意味する．だが集落が，近代以降の計画やイ互の関係はよく吟味調整され，配置は幾何学的ではないが時にンフラストラクチャーに規定され短期に形成された居住フラクタルな構造をもち，一定の多様性を容認する暗黙の大き

地と大きく異なるのは，自然的条件に規定されさらに時な規則性を内包し，地域の住宅様式を単位とする町並み・家並

間をかけ社会的条件に関係づけられて居住地空間が形成

みを形成している．

されてきた点である．集落空間は居住地として人為的に集落は社会的な単位でもある．住戸＝家族を単位として，基形成され，時間をかけて調整されてきたのだが，あたか

礎集合としての群＝数戸から二十戸弱までの群を形成し，さらも自然に形成されてきたかのように見える．集落には豊にこれらが１～数群集まって一つの集落を形成する．この数値

かに自然が介在している．居住地内にも緑地の占める率については多くの研究者がすでに指摘しているが，一般の人間は高く，さらに圃場などの生産緑地や生活の持続を支え

組織＝会社・軍隊・スポーツゲームなどを通じた個人からなるる里山などの緑地が居住地を包んでいる．集落の立地に組織単位の人間数とも近似し，また指の数に起因する脳の数値

おいては地形を選択し，地形の庇護や地形を利用した生認識に基礎があると推察されている．これらは居住を通じたさ

業・生活の利点などを大いに重視し，それらが植生の選

まざまな協同の単位である．
土地や環境を管理する単位であり，択操作や土地利用（海岸や河川の利用）に反映している．

産業生産の単位であり，かつてはより広域の社会に対する意思

したがって自然地形と植生・土地利用・集落居住域の関表示の単位でもあった．近代的空間と大きく異なる点は，これ係が包摂関係として成立している．同時にこの関係は有らは住居を単位とする社会の単位（家族）を基礎に形成されて機的に生産空間や生活空間を内包した構造を形成しておいる長期の参加型環境管理の秩序であることである．すなわち

り，その大きな拠点である住宅および屋敷地はその構造

個々の住宅の形は物的な劣化陳腐化に応じ，また世代変化などの要となっている．集落の空間構造のありようが散村・の居住者の内部事情を反映し数十年単位で個々に変化する．時

集村の違いなどとして表現されるのだが，これらを構成に単位の消滅や新設も行われるのだが，これらからなる住宅群する要素と自然に対応したあらわれ方は実に多様である．

と集落の関係は相互に調整され，更新が行われるがそのつど新たな平衡を見いだし，調和が更新され，持続的に充実してゆく構造を持っている．これらの社会的な単位の維持・持続的更新*教授 建築学科
Professor, Dept. of Architectureが損なわれると，集落は衰退の道を歩む．

集落の空間、その持続的自律的空間構造と近代主義計画モデルとの矛盾

３．意識空間としての集落の構造

39

間の連続する空隙（にわ）が道路となるのは近代以降のこうした物的な構造，社会的な構造に加えて，もう一

乗り物の登場からであるという．ここではいわば浦（湾）つ大きな空間構造として，意識構造をあげなければならが第一の構造であり，そこにとりついた舟屋と母屋がなない．集落空間はさまざまな信仰的な空間性を帯び,そこす道の構造が第二の構造である．そこから山の方へ農地には意識と結びついた多くのオブジェクトがある．さらや寺社や学校などの施設が発展しまた浜に沿って第三第に平常の空間でも生活の節目や場面によっては特別な意

四の構造が発展している．

味が付与されることがあり，日常もそのことが心の底に

より複雑化した構造ではどうであろう？同じく地井講

意識されている．その意識がまた空間を際だたせ強調す

義資料に登場する下関市豊北町島戸集落では，小さな湾

ることになる．鎮守の森は伐らないなどの行為によってを取り巻く緩斜面を住居が埋め尽くしているが，浜辺の鎮守はひときわ異なる植生をもち目立つ存在となる．こ道から居住地を形成する道筋がほぼ三重の格子状で単位のような構造は，日常の活動に基礎づけられているのだを形成されている．また寺院や神社に向かって放射状のが，これに加えて非日常＝年中行事や生死や成長や老い主要道が中央の市場などの漁港施設から延びており，そに関わる通過儀礼・天候・豊不作，さらには長周期の出こに公共施設がとりつくと共に先の居住地の単位を結び来事（開拓や災害など）に起源を発するさまざまな祈りつけている．

願い想いが加わっている．
このような意識空間の構造（心的空間構造）は，社会的な空間構造とともに物的な空間構造の背後からこれらを強化し保持している．日本では今日消滅する集落，あるいは消滅の危機にある集落が，いわゆる「限界集落」として議論されるようになった．
しかし内田多喜生によれば 2005 年農林業センサスでは
これまででもっとも狭義に定義して調べた結果，集落機（１）
能のある農業集落はまだ 11 万１千も存在している．

ここでは集落機能とは合意形成を経て，農業生産に関わる環境資産を共同管理している活動の存在することとして厳密に定義されている．集落の消長はこの社会的単位による集落空間の管理に関わっており，それらの背後には集落意識空間の保持も含まれていると筆者は考える．
４．集落の骨格的構造とその発展
さてこのように形成されてきた集落空間における個々の公的空間は，一空間や一施設に単一の機能を期待し，足し算的積み上げ的に計画され形成されてきた近代都市

図１ 京都府伊根町伊根浦

計画のそれとは大きく異なり，複合的意味が付与されており，（たとえば道と水路と農地のように）同時に集落に存在するさまざまな空間と密接不可分な共存関係を構築している．これらが形成する骨格的構造について見てみる．
2006/6/28 に逝去した地井昭夫博士元日本建築学会農村計画委員長（元広島大学教授 広島国際大学教授）に敬意を表し，
地井の漁村に関する講義資料を参照しつつ，筆者自身がこの集落を観察して見る．伊根浦（京都府伊根町平田亀島地区）の浜沿いの舟屋と母屋からなる配置
構造は，干満の差が著しく少なく平地や緩斜面がないこの浦の自然的構造と，浜辺に接する社会的権利＝株によって規定されている．立地した舟屋とその奥の母屋との図２ 下関市豊北町島戸

40

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

５．骨格構造の複合的性格

前の地図を取り出して確認してみると，隠れていた構造

これらの骨格構造はさまざまに複合的役割を果たしてが一時復活したのだとようやく納得することができる．

いると考えられる．居住に関わる生活の機能や産業的生

古い住み手から見れば日常の都市空間の方が異常なのか

産の行為の場となると共に，交通などの複合的な機能がも知れない．

互いに互いを制約する形でいわば融通しあって存在している．だから道とはいっても通過交通は大いに制御されている．また集落内の内部交通や内外の交通も非交通の７．広域骨格の暴力性
70 年代に沖縄県北部の西海岸の恩納村・名護市の計画

機能たとえば市やこどもの遊び，産物や漁具の乾燥とい（２）った機能が成立しあう範囲で成立している．非日常の行

１号線という道路が集落を突っ切って走り，この騒音や事，祭りや葬儀はこれらの骨格を全面的に変換して共同危険を何とかしなければならないという課題があった．

空間としての性格をあらわにする．このような非日常の近代以前では海岸線の集落は必ずしも海岸縁の道路によ節目において，これが「天下の公道」のように無限定なって結ばれていたのではなく，古い道は尾根道など山道公共空間ではなく，集落の社会的単位によって管理され，でむしろ海辺の移動は珊瑚礁で波も穏和な海路に頼って集落の意識空間の構造に強く組み込まれ，視覚的にもいいただろうし，台風などの暴風雨時には海辺は不安定稲っそう強調された共同空間の構造として明らかになる．

荷黒であったことが推察される．海岸縁の道路骨格は明60 年代末期から 70 年代に歩車共存の考えが近代都市計

治以降も未発達であり，後に広域を結ぶ道が必要になっ画にもようやく取り入れられるが，集落はもともともったとき，集落の中に海岸線に沿った水平軸となる道路がと複合的であった．もうすこし正確に言えば近代以前のあり，これらをつなぐ形で広域道路が形成された．だが都市空間も含めて集住空間はそのような複合性を帯びて軍用道とはもとあった道路にアスファルトを簡易舗装しいた．都市では部分的に空間が継承されることはあってただけの道路である．ヴェトナム戦争中戦車や戦闘車両

もかつてあった構造性を失っているのに対し，多くの集を積んだ大型車両が北部の演習場と中南部の中枢を結ん落ではその中心性と全体性を含めて現代でも読み取れるで疾走するので道路は傷む．そうするとまたその上にア構造をこれまで持続してきたといえるであろう．

スファルトをつぎたし舗装することになる．72 年の復帰を行っていた時に直面した問題に，（米軍）軍用道路

時点で，道路は周囲の家から数十センチ，時に一メート
６．都市に残る集落のなごり
関西には地蔵盆という習慣が広く強く残り，関西の都市を８月 24 日前後に注意深く歩いていると，こんなにも多いかと思うほど密度濃く地蔵が分布していることに気づく．だいたい小学校区や幼稚園分布などのスケール
よりずっと細かく，先に述べた数戸から二十戸までの基
礎単位（都市では隣保）のスケールまたはそれ以上細かい密度で地蔵が分布している．地蔵堂などは独自の境内などをもっていることは少なく，たいがいは道路に向かった小さな祠（ほこら）として存在している．地蔵盆の日が来ると，それまで隠れていた広がりが突然見えてくる．神戸市などで比較的近年（戦後）まで集落の骨格が残っていた地区（たとえば灘区・東灘区）では，区画整理や都市計画道路などのつくった秩序に対して，まった
くこれを無視したしつらえと利用の形態が出現することがある．たとえば突然道路をまたいで竹とよしずのルー
バーがかけられ，車道にゴザ（うすべり）が敷かれ，ベンチや座卓がおかれて，こどもたちをもてなす空間や大人たちの待機場所が作られる．道路占有の許可などとは無縁に至極当然の行為としていわば無礼講のようにこの空間が現れる．失われていた集落空間の出現に驚き，戦図 3 恩納村基本構想 名喜真バイパス

集落の空間、その持続的自律的空間構造と近代主義計画モデルとの矛盾

41

ルも高いものとなっていた．復帰以降の計画でこれら交通の集落分断進入を回避する計画を策定する必要があった．だが集落に接しながら集落内交通を回避する的確な通過ルートはない．珊瑚礁の浜と集落の関係，集落と背後の山（くさてのもり・うたき）との関係を注意深く吟（３）
やがて正解は味しなければならないことがわかった．

海側バイパス・山側バイパスのいずれにもないことに気づいた．必要に応じ広域バイパスを遠隔ルートに設置しつつ，集落をサービスしつつ広域をつなぐバスルートとなる国道などは，場所ごとに吟味してルートを集落分断型ではない形を選ぶ必要があった．集落の意識空間構造の根幹をなすヤマとムラ，ハマとムラの伸びやかなアクセスが確保される場合においてのみ，部分的な迂回路が許されるのである．沖縄本島北部＝山原（やんばる）において集落の前の浜，後ろの山も集落空間の大事な要素である．
浜は漁労や海産物採集の場となるだけではなく，
ハマシビ＝浜遊び＝海辺の歌垣ともいえる民俗行事の場であり，後背の森はクサテヌムイ＝腰宛の森＝集落抱護林として重視される里山であり，内部にウタキ＝御嶽など信仰の対象となる聖域＝鎮守を持っている．
８．集落空間と防災区画整理
1995 年阪神淡路大震災に際してきわめて被災の程度が大きかった北淡町（現淡路市）富島地区には震災復興事業として区画整理がかけられることになった．淡路島の北西の沿岸の漁村集落であるが，集落規模が大きく，
集落内道路は２m 程度の狭いものが多く，広域道路もまた狭かったため，災害に安全な居住地をつくるという名
目と，接道条件をみたした建築基準法上の適格宅地をつくり出すという大義名分のもとに区画整理がかけられた．
賛成反対入り乱れての紛糾の末，区画整理事業は何度も原案を変更して難航し，10 年後ようやく仮換地が終了，12 年を経た現在ようやく完成像が見える形になってきた．ここでは 15ｍの幅員の広域道路をはじめ，6m を超す広幅員の街路が縦横につくられ，たしかに道路率は増
えたが，広がった道路はかつての漁師町のようではない様相を呈した．
広い道はただ意味もなく駐車空間になり，それまで軒を接するようにたてられていた漁師町の住居は，車道歩道を介し小さな塀を回して建てられる都市型
戸建て住宅のように変わった．
かつて狭い漁村の街路は，おびただしく存在した地蔵や稲荷，恵比寿，弁天などの祠（ほこら）や社（やしろ），寺を結節点として編み目のように組み立てられていたが，いまではこれらの祠の多くが道路から切り離された場所に取り残されたり失われたりしている．人口は３割，住戸数は２割減った．
（21ha

図４ 富島震災復興土地区画整理事業計画

震災以前 720 戸）．まだ十分な社会調査が行われてはい
ないが，社会的構造がシャッフルされると共に，共同空間が消滅し，公共空間が肥大化し，社会単位ごとの空間管理が行われる構造が失われたのは明らかであり，信仰空間の減少と後退は意識空間の破壊にもなっていると共に，集落を結びつけていた構造が失われた．かつての細街路（＝網道とよばれた）にそって民家がひしめき合っていたときは近隣の人が誰それはどの部屋で寝ていると言うことがわかっていたため，大半の家屋が倒壊するという惨事の中でほとんどの人が生きて救出されるという不幸中の幸いがあったのはこの空間構造のおかげでもあった．車社会にはなったが人づきあいと鍵をかけずにすむコミュニティが失われたと嘆かれている．区画整理は
ドイツにおいて相続を重ねて利用不可能なほどに細分割された街村状の土地権利を清算し，必要なインフラを均等負担により生み出し，新しい付加価値の大きい都市空間を作り出す不動産経済的観点にもとづく近代主義の手法であった．都市計画においては何がえられるかという視点も大切であるが，持続してきた何が失われるかという視点はもっと大切である．一方で現状の持続を尊重しながら不足分を補う手法をとった島の反対側北東部の東浦町（現淡路市）仮屋地区では漁村集落整備事業と密集住宅市街地整備促進事業の合併施工を行い，顕著な成果をあげ従前の延長線上に集落生活が復活したことと富島地区は対比的である．集落の空間がもっていた複合的機

42

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

能はそれを清算して単能的近代空間を足し算によって付は内水からの増水に備えて古くからある堤と可動の堰板

加しても回復しにくいこと，社会空間と意識空間に裏付を常に皆がレクリエーションなどで意識する場所におくけられた空間の改編は容易ならざる結果をもたらすことことにした．集落を取り巻く大きな自然の中に墓地もあを，この結果は示している．

る山を公園として整備し，そこに至る道を特別な道としてつくるなどの計画を行った．山間部にある棚田とため

９．土地改良と集落計画

池を伝統農法保存農地として保存整備する提案をしたが1988-89 年に関わった滋賀県蒲生郡蒲生町横山集落に

これはかなわず，通常の圃場整備がなされた．

おいては，琵琶湖総合整備事業に関連して集落農業のた

現在この集落は集落単位で営農を共同化し，先進的有めの大規模区画の土地改良事業の実現が目的とされてい機農業を行い，こどもたちのにぎやかな声も聞こえる集

た．それまでの土地改良事業であると，優良な圃場の実

落として知られる．ここでは近代的手法と集落空間の持現のために，集落周りの空間やお墓・社寺などの信仰空続発展を強く意識した計画が実現できたが，第一にムラ

間，集落近傍に通常ある菜園用地，農村のさまざまなレづくり委員会という 40 代の後継者世代と共同で作業しクリエーション空間が犠牲になることが少なくない．こたこと，さらにはムラに泊まり込みわかりやすく絵で示

こでは徹底した調査と参加型の計画立案を行うことにより，これらの空間とその発展形を計画に盛り込むことに（４）
約 50 戸の集落の居住域近傍ではレクリエ
成功した．

ーション空間や立地可能性のある共同施設の用地を留保
し，集落の外周に自動車道路，バス停用地駐車場大型農
機具庫用地を確保すると共に，塊村状の集落内部への自動車の進入路は縦横一筋ずつの最小限とした．集落の内部は基本的に自動車進入のための若干の拡幅を行うほか，社寺やここでも随所にある祠や住宅を含めて大きくは変
えず，むしろ現在の景観的空間的特徴を変えずに住宅を改良し，また建て替えるにはどうしたらよいかというガイドラインを作ることにした．集落の後継者が新宅を造る住宅保留地を集落の外周道路の内部に確保し，広域で図６ 横山集落の当時の現況図

図 5 横山集落空間計画概念図

集落の空間、その持続的自律的空間構造と近代主義計画モデルとの矛盾

43

図１０ 大島計画 海岸計画図しながら合意に導いたことなど，ワークショップとフィ

どの信仰と共同行事に関わる空間を，復興区画整理に盛ールドワークを重ね，住民と専門家が共に集落空間を読（６）
元町の海浜整備計画は地井昭夫によって描
り込んだ．

（５）

み解き，発展形を探る手法がそれを可能にした．

かれたもので，浜における朝市や祭り，
早朝や夕方の人々の振るまい，桟橋に着いた観光客の行動観察などからそ

10．大島計画と発見的方法の空間性を読み取り，浜辺の空間の使われ方と潜在ニー

これら紹介した事例からも明らかなように，自律的にズいわば期待され方を観察発見し，それを計画案にした形成され持続的に充実してきた結果構成された集落空間ものである．集落空間の多義的性格とその全体的構造性には，個別機能の集合によって都市空間を構築しようとを洞察し，その発展形を発見してゆく手法こそ近代的計する近代主義都市計画モデルでは置き換えることのでき画の呪縛を解く道であろう．

ない文化的豊かさが内包されており，逆に生活空間一般
を私たちが計画対象にするときに大いに学ばなければな「近
本稿は2007. 8 の日本建築学会大会研究協議会資料らない内容を持っている．まことに「集落は生活空間の代の空間システムと日本の空間システムの形成と評価 」

学校」である．このような集落空間が都市空間とは別に

pp.9-13 における重村力「集落の空間 その構造をどう

国土に 11 万もあるという豊かさは日本の国土を保持す

読むか 持続的充実の理論と近代主義モデルとの乖離」

る重要な拠点網であり，また地域社会を持続的に継承しを加筆修正したものである．

て行く上での重要な社会的基層を構成しているとも言える．
このような集落に対する空間整備の方法は漸進的で空間文脈を読み取りながら持続的に充実して行く方法を住民やステークホルダーの参加によって進めなければならないのは多くの事例から明らかである．そして実は都市

参考文献（１）内田多喜生，「調査と情報」，2006年６月（２）恩納村基本構想案 象設計集団 重村 大竹 地井
名護市土地利用基本計画 策定グループ 大竹 重村 地井（1977年日本都市計画学会石川賞受賞）

空間をその生活文化的背景を損なうことなく充実しなが（３）仲松弥秀，「神と村」，琉球大学沖縄文化研究所刊，1968年

ら環境整備して行く方法も実はこの方法によらなければ（４）農村地域における整備技術調査 昭和 63 年度報告書「横山ならにことも集落における経験から学ぶことができる．

地区農業集落計画」,農村地域における整備技術調査検討会

私たちはこのような方法を発見的方法と名付けている．

近畿地方部会 全国土地改良事業団体連合会,1989 年

発見的方法とは前述の地井昭夫（のち広島大学教授）や（５）李瑛一,重村力，横山集落の共同空間とその性格 －コミ

大竹康一（のち象設計集団）が吉阪隆正（早大教授）にュニティの共同空間の場所性－，神戸大学大学院自然科学

率いられて 1960 年代に，伊豆大島元町の大火後の復興

研究科紀要９－B, p61-73，1991 年３月

計画を練った大島計画の際につくられた言葉である．筆者は最末端の支援スタッフであった．ここではボンエルフに先立つ歩車共存の手法や，神社参道や聖水，墓地な（６）大島元町復興基本計画 1965 早稲田大学吉阪研究室 吉阪隆正，大島元町環境計画 1966 同44

構造信頼性解析の４次モーメント法趙 衍剛＊盧 朝輝＊＊A Fourth Moment Method for Structural Reliability Analysis
Yan-Gang ZHAO＊

１．はじめに∗

Zhao-Hui LU＊＊

くつかの考察が行われているが 11,13,14,15)、現状では信頼性

信頼性設計法では、想定した限界状態に対して適切な信指標のパラメータを計算するために非線形方程式を解い頼性を確保することが目標となり、破壊確率を効率よく計たり、積分を行う必要がある。そこで、本稿文では限界算することが重要な命題である。破壊確率を計算するため状態関数の 4 次モーメント標準化に基づいて信頼性指標に、一次信頼性解析法(FORM)は一般的な手法として広くの簡単計算式を提示し、その精度、適用性などを明らか認識されているが1)、信頼性指標は標準正規空間におけるにすることを目的とする。

原点から限界状態曲面への最短距離として定義され、限界状態関数の導関数を求めなければならず、設計点を求める
時に局部収束などの問題点がある2)。

２．モーメント法の概要
限界状態関数Z=G(X)に対して破壊確率Pf は次式のよう

FORMの問題点改善を目的とし、2次信頼性解析法に定義することができる。

(SORM)3)、応答曲面法(RSA)4)、重点サンプリング(IS)5)、高0
f (z)dz = FZ (0)−∞ Z

P f = P[Z = G(X) ≤ 0] = ∫次積率標準化(HOMST)6) 及び一次近似3次モーメント法(1)(FOTM)7)など多くの手法が提案されたが、設計点に関わる

ここでは fZ(z)と FZ(z)はそれぞれ Z=G(X)の確率密度関数

問題は線形計画法を用いる繰返し計算に固有な問題点で(PDF)及び累積分布関数(CDF)である。

あり、改善することは難しい。また、FORMでは限界状態関数の1次テーラー展開に基づいているため、その精度はまず、限界状態関数の関数値 Z を次式により標準化す
る。

テーラー展開近似の精度に依存する。
こうした FORM 設計点に関する問題点を回避するた
めに、限界状態関数の確率モーメントを利用して破壊確率を計算するモーメント法が提案されている 8,9,10,11)。モーメント法では設計点の概念を用いないため、繰り返し計算、導関数及び設計点に係わる問題が存在しないが、Zs == Prob[Z s ≤ −の適用範囲以外では、無視できない誤差が生じる可能性があり、その場合には 4 次モーメントを用いる必要がある。４次モーメント信頼性指標についても現在までにい*教授 建築学科
Professor, Dept. of Architecture** JSPS ポスドク研究員 建築学科
JSPS Postdoctoral Research Associate, Dept. of ArchitectureμG] = Prob[Z s ≤ − β 2M ]σG

(3)

より、破壊確率は次式のように表される。
Pf = ∫− β2M−∞

度よく評価する必要がある。3 次モーメント信頼性指標については既に簡便な計算式が提案されている が、そ

(2)

σG

ただし、μG とσG は Z=G(X)の平均値と標準偏差である。
P f = Prob[G ≤ 0] = Prob[Z sσ G + μG ≤ 0]

代わりにモーメントの情報だけを用いて信頼性指標を精12)Z − μGfZs (z s )dz s

(4)

ただし、

β 2M =μGσG(5)は 2 次モーメント(2M)信頼性指標である。
限界状態関数G(X)は複数の確率変数の関数であり、その関数値Zの確率密度関数を求めることは一般に困難である
ので、Zの平均値、標準偏差、歪度、尖度などのモーメン
トを利用して式(1)及び(3)の破壊確率を求めることが構造信頼性解析の４次モーメント法

45

式(7)は限界状態関数の3次までのモーメントを利用してお

α4G=4り、限界状態関数の非正規性が強くない場合には十分な精-β2M度を有する。また、α3Gは次式の範囲に収める必要がある12)。
(8)−120r β 2M ≤ α 3G ≤ 40r β 2M

α4G=2.4
P

限界状態関数の 4 次モーメント a4G が破壊確率に与えFる影響を Fig.1 に示す。限界状態関数の歪度 a3G が同じであっても、a4G の違いによる破壊確率への影響が大きいこ
-4.0

-2.0

0.0

2.0

z

4.0

とが分かる。即ち、破壊確率のより高精度な計算には限s

界状態関数の尖度を考慮する必要がある。

(a) α3G=0.0
α4G=4３．分布システムによる 4 次モーメント法-β2M

4次までのモーメントを用いて確率変数の確率分布を表
α4G=2.4

Pすことは確率統計学における大きな命題で、多くの変換式が提案されている16)。Gram-Charlier級数とEdgeworth級数はF限界状態関数の累積分布関数(CDF)の展開の陽的で簡単な
-4.0

-2.0

0.0

2.0

z

式として考察されているが、ほとんどの場合に適切な結果

4.0が得られないことがすでに判明している2,17)。限界状態関数sのPDFとして、Johnsonシステム、Burr システム、Lambda(b) α3G=-0.3

分布等の分布システム（systems of frequency curves）を利用

α4G=8

して適切な信頼性解析結果を得ている研究があるが8,17,18)、-β2M

これらのシステムのパラメータを得るには複雑な非線形
α4G=2.9

方程式を解く必要があり、パラメータを簡単に計算できる

P

Pearsonシステムを用いるのが一般的である。

F

Pearson システムでは、式(2)で表す標準化限界状態関数
-4.0

-2.0

0.0

2.0

z

Zs の PDF, f は次式の微分方程式を満足することによって4.0求められる。
1 df
az s + b=−
f dz sc + bz s + dz s2
ただし、2
a = 10α 4G − 12α 3G− 18
b = α 3G (α 4G + 3)s(c) α3G=-0.6
Fig. 1 Effects of the kurtosis on probability of failure
モーメント法の基本である。
限界状態関数の平均値と標準偏差のみを利用する方法
は2次モーメント法である。Zが正規確率変数以外の場合に

(9)

(10a)
(10b)

2
c = 4α 4G − 3α 3G

(10c)

2
d = 2α 4G − 3α 3G
−6

(10d)

は信頼性解析結果に誤差が大きいことは周知の事実であ

α3G とα4G の値によって、式(10)のパラメータが得られ、り、限界状態関数の歪度a3Gは次式に示す範囲に収まらなけ

式(9)を解くことによって、Zs の PDF, f が得られる。式(4)によって破壊確率を計算することができ、4M 信頼性指標

ればならない12)。
6r
α 3G ≤(β 2M − 1 β 2M )(6)

ただし、α3GはＺ=G(X)の無次元3次モーメント、即ち、歪度である。rは許容する誤差である。

α3Gは式(6)の範囲を越えると、限界状態関数の歪度を考慮する必要がある。3次モーメント法については様々な手

は次式により表される。
⎡ −β⎤
β = −Φ −1 ⎢ ∫−∞ 2M fZs (z s )dz s ⎥
⎣
⎦

(11)

上述の方法では、パラメータが簡単に得られるが、α3Gとα4G の値の相対的な大きさにより、式(9)の解は十数種類が存在し、各種類の PDF の陽的表現を得るには数値積分法が提案されており、筆者は次式の簡単な3次モーメントが不可避であり、破壊確率を計算するにも数値積分が必(3M)信頼性指標を提案している。
⎞
1 ⎛2
β 3M =⎜ 3− 9 + α 3G − 6α 3G β 2M ⎟⎠α 3G ⎝要となる。

(7)

3.2 標準正規化関数による4M信頼性指標の一般式

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

標準化限界状態関数 Zs と標準正規確率変数 U の関係を

解 く こ と を 回 避 す る た め に 、次式の標準正規化関数
22)

を用いる。

次式のように仮定する。
Z s = S(U,M)(12a)

U = S −1 (Z s ,M)(12b)

ただし、M は Z=G(X)の統計モーメントであり、S-1 は Sの逆関数で、限界状態関数の標準正規化関数ともいう。
次式が成り立つことが分かる。
Zs の CDF を F とすると、(13)
F(Z s ) = Φ(U ) = Φ[S −1 (Z s ,M)]
ただし、Φは標準正規確率変数の累積確率分布関数である。
式(3)により、破壊確率は次式のように表され、信頼性指標は式(15)のように計算される。

P f = F(− β 2M ) = Φ[S −1 (− β 2M ,M)](14)

β = −Φ −1 (P f ) = −S −1 (−β 2M ,M)(15)

ここでは、F は式(14)を導出することのみに使用しており、実際の信頼性指標の計算には用いる必要はない。即ち、モーメント信頼性指標は限界状態関数の標準正規化関数のマイナス 2M 信頼性指標の関数値のマイナスである。

(20)
Z s = −l1 + k1U + l1U 2 + k2U 3
ただし、
⎞
α 3G
1 ⎛
2
, l2 =
l1 =⎜ 6α 4G − 8α 3G − 14 − 2⎟ (21a)⎠6(1 + 6l2 )36 ⎝1− 3l2l2
k1 =, k2 =(21b)(1+ l12 − l22 )(1+ l12 + 12l22 )式(20)は陽的表現を保ちながらも式(16)より適切な標準正規化結果を得ることができる。なお、式(20)は分布形が分からない確率変数を標準正規変換するために提案された 22)ものであり、ここでは、限界状態関数に適用し、限界状態関数の４次までのモーメント情報を利用して破壊確率を求める。
式(20)と式(16)と比較すると、式(16)の係数 l1、k1 及びk2 は次式で表される。
α11(α 4G − 3) (22)l1 = 3G , k1 = (11− α 4 ), k2 =6
8
24
Fig. 2 にα3G とα4G が次式に示す４つの関係を満足する
ときの式(20)と式(16)の係数を示す。これらの関係を満足
すると、α3G が 0 に近づくと、 α 4G → 3 となり、限界状
態関数の正規性が強くなることが分かる。

限界状態関数の標準正規化関数が求めることができれば、モーメント信頼性指標を計算することができる。
限界状態関数の標準正規化関数としては多くの式が提。正規確率変数に近づくとき、次式のZ s = a1 + a 2U + a 3U 2 + a 4U 3

(17)

ただし、未定係 数 a 1 , a 2 , a 3 , a 4 は確定的な係数で、式(17)の左右両辺の 4 次までのモーメントが等しくするよ
うにして得られる。
式(17)の逆関数を式(15)に代入すれば、4M信頼性指標が求められるが、未定係数a 1 , a 2 , a 3 , a 4 を 決めるには次の複関数が正規関数に近づくとき、式(20)は式(16)で近似する
ことができることが分かる。
ここで、式(20)により、4M 信頼性指標を導出する。式(20)の逆関数を式(15)に代入することにより、次式の 4M
信頼性指標が得られる。
1
β 4M = Dp − + l
(24a)
D
ただし、
⎛
⎞−1/ 3
D = 3 2⎜ q 2 + 4 p3 − q⎟
, q = l(2l 2 − k − 3) + β 2M / k2⎝⎠

p = k / 3− l 2 , k = k1 / k2 , l = l1 / k2 / 3(24b)
式(24)は本論文で提示する 4M 信頼性指標である。限界状態関数が正規関数に近づくとき、式(22)を代入すること

雑な連立非線形方程式を解く必要があり、大変煩雑となる。

(19a)

A 2 = 2 + a 22 + 24a 2 a 4 + 105a 42(19b)

A 3 = 5 + 5a 22 + 126a 2 a 4 + 675a 42(19c)

A 4 = a 24 + 20a 23 a 4 + 210a 22 a 42 + 1260a 2 a 43 + 3465a 44 (19d)
である。

1

0.08

0.95

0.06

0.9

0.04

0.04
k

A1 = 1− a 22 − 6a 2 a 4 − 15a 42

1.05

Accurate
Simplification

1

(18a)
(18b)

1.1

0.1
l

2A1 A 2 = α 32G
3A1 A 3 + 3A 4 = α 4G
ただし、

(23c)

1

Fleishman21)より、次式の簡単な多項式が提案されている。

2
α 4G = 3+ α 3G

0.02
0

0.02

-0.02

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

α

0.5

3G

3.3 陽的4次モーメント信頼性指標の提示
式 (18) と (19) の よ う な 複 雑 な 非 線 形 方 程 式 をAccurate
Simplification2

Cornish-Fisher級数がよく用いられる。
1
1
Z s = S(U ) = U + α 3G (U 2 − 1) +(α 4G − 3)(U 3 − 3U )
6
24
(16)
式(16)は限界状態関数の正規性に要求がかなり厳しく、

(23a)
(23b)

2
α 4G = 3+ 2α 3G(23d)Fig. 2 により、 α 3G → 0 と α 4G → 3 、即ち、限界状態

19,20,21)

案されている2
α 4G = 3− α 3G
α 4G = 3k46(a) l1 Coefficient

-0.04

0

0.1

0.2

0.3

0.4

α

0.5
3G

(b) k1 and k2 Coefficients

Fig. 2 Coefficients changed with skewness and kurtosis

構造信頼性解析の４次モーメント法

により、更に簡単化することができる。

47

される。

G( X ) = X1 + 4X 2 + X 3 − 5X 4 − 5X 5Fleishmanpresent

β2M=4

3

1
3.5

β2M=2

4.0

4.5

β2M=2

2

5.0

5.5

α

6.0

1
3.5

X2

X2

X1

X3
10

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

α

4G

4G

(a) a3G =-0.6(b) a3G =-0.3

4.0

Fig. 4 A mechanism of a one-story one-bay frame

Fleishmanpresent

β2M=4

3.0

β4M

β4M

5

3.5

4

Fleishmanpresent

β2M=4

ただし、Xi は互いに独立な対数正規確率変数であり、平

β2M=3
β2M=2

2.0

均値と変動係数はそれぞれμ1=μ2=μ3=120, μ4=50, μ5=40,

β2M=3

3

2.5

V1=V2=V3=0.1, V4=V5=0.3. で、歪度と尖度はそれぞれα31=

β2M=2

2

α32=α33=0.301, α34=α35=0.927 である。FORM 信頼性指

1.5
1.0
3.0

X5

X4

β2M=3

β2M=3
2

Fleishmanpresent

β2M=4

(28)

5

3

β4M

4

β4M

4

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

α

6.0

1
3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

α

6.0

4G

4G

(c) a3G =0(d) a3G =0.3

標はβF=2.297 と得られ、対応する破壊確率は Pf=1.08×

10-2 となる。
付録の式(34)より限界状態関数の４次までのモーメン

Fig. 3 Comparisons between simple and accurate reliability
indices
3.4 4次モーメント信頼性指標の考察
提示した4M信頼性指標を考察するために、
α3G =-0.6, -0.3,

0.0, 0.3の場合に4M信頼性指標がα4Gの変化により受ける影
響をFig. 3に示す。図中、細い実線はFleishman式による4M
信頼性指標の正確値であり、太い点線は本論文で提示した

4M信頼性指標である。考察範囲内では、提示した4M信頼性指標は厳密な4M信頼性指標を精度よく追従していることが分かる。

3.5 限界状態関数の確率密度関数

ト は μG = 270 ,σ G = 108.706 ,α 3G = −0.434 ,α 4G = 3.506 となる。
式(7)により 3M 信頼性指標はβ3M=2.205 となり、対応する破壊確率は Pf=1.374×10-2 となる。
式(21)および式(24b)により、各係数は次のように得られる。
l1 = −0.06826 , l2 = 0.00979 , k1 = 0.966 , k2 = 0.00973,
k = 99.265 , l = −2.337 , p = 27.625 , q = 468.665 ,D = 0.289
式(24a)により 4M 信頼性指標は β 4 M = 2.195 となり、対応する破壊確率は Pf=1.410×10-2 となる。
サンプル数が 500,000 の Monte-Carlo Simulation (MCS)の計算結果は破壊確率が Pf=1.422×10-2、信頼性指標がβ=2.191 であり、4M 信頼性指標の結果とほぼ一致していることが分かる。

式(20)より一つの確率変数として、限界状態関数Zの確率密度関数は次のように求められる。
FZ (z) = Φ(u)fZ (z) =(φ (u)σ k1 + 2l1 u + 3k2 u 2)

例題 2 Fig. 5 に示す両端ピンの部材の座屈信頼性を評価(25)する。限界状態関数は次式で表す。

(26)− D− L(29)
H2
ただし、E, I, H, D と L はそれぞれヤング率、断面 2 次モ

ただし、
u = S −1 (z − μGσG)=

1− D' p − l
D'

(27)

⎛
⎞−1/ 3z − μGD'= 3 2 ⎜ q' 2 +4 p 3 − q'⎟, q'= l(2l 2 − k − 3) +
⎝
⎠
k2σ G
いうまでもなく、z=0のとき、 q = q' 、 D = D' となり、uの絶対値は4M信頼性指標となる。

G(X) =ーメント、柱の長さ、固定荷重及び積載荷重であり、確率特性は Table 1 に示す。FORM 信頼性指標はβF=2.918
として得られ、対応する破壊確率は Pf=1.760×10-3 となる。
Y = 1/ H 2 , Z = EIY とし、 G(X) = Z − D − L となる。

式(38)により、Y の４次までのモーメントは次のように得られる。

μY = 0.0630 ,4. 計算例
例題1 Fig. 4に示す崩壊機構の限界状態関数は次式で表わ

π 2 EIσ Y = 0.00629 ,α 3Y = −0.302 ,α 4Y = 3.162
式(36)により、Z の４次までのモーメントは次のように

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

48

荷重、積載荷重及び積雪荷重、E, I, H と L はそれぞれヤ

D+L

ング率、断面２次モーメント、階高及びスパン長さであり、確率特性は Table 2 に示す。

FORM より、信頼性指標はβF=3.740 となり、対応する破壊確率は Pf =9.21×10-5 となる。

X = D + L S + S , Y = L3 ,Q = 1/ E ,W = 1/ I ,Z = XHYQW , とし、 G (X) = Δ A − Z /12 となる。X, Y, Q,

D+L

Fig. 5 A buckling problem Fig.6 Histogram and PDF in Ex. 2
Table 1 Properties of Random Variables in Ex. 2
確率変数

平均値

標準偏差

分布

E

2×1011N/m2

2×1010N/m2

正規分布

I

2.24×10-4m44m
9×106N
4×106N

2.24×10-5m4
0.2m
1.8×106N
2×106N

正規分布

H
D
L

対数正規分布
対数正規分布
グンべル分布得られる。

μZ = 2.821× 10 6 ,σ Z = 491376 ,α 3Z = 0.407 ,α 4Z = 3.290
式(34)により、限界状態関数 G(X)の４次までのモーメ
ントは次のように得られる。

W, Z, G の４次までのモーメントは Table 3 に示す。
式(5)により２次モーメント信頼性指標はβ2M=4.396 となり、対応する破壊確率は Pf=5.513×10-6 となる。
式(7)により３次モーメント信頼性指標はβ3M=3.859 が得られ、対応する破壊確率は Pf=5.697×10-5 となる。
式(21)および式(24b)により、各係数は次のように得られる。
l1 = −0.0458 ,l2 = 0.00745 , k1 = 0.9756 ,k2 = 0.00743
k = k1 / k2 = 131.25 ,Pf=2.526×10-3, β=2.804 が得られ、4M 信頼性指標の結果と一致していることが分かる。なお、MCS で得られたヒストグラムと式(26)で得られた確率密度関数の比較を

Fig.6 に示し、両者が精度よく対応していることが分かる。
例題 3 Fig. 7 に示すラーメンの A 点の水平変位の信頼性

p = 39.53 ,式(24a)により 4M 信頼性指標は β 4M = 3.715 となり、対応する破壊確率は Pf=1.015×10-4 となる。
サンプル数が 1,000,000 の MCS の計算結果として

Pf=1.15×10-4, β=3.684 が得られ、4M 法の結果と一致していることが分かる。なお、MCS で得られたヒストグラムと式(26)で得られた確率密度関数の比較を Fig.8 に示し、両者が精度よく対応していることが分かる。

μG = 1.484 × 10 7 , σ G = 5.546 × 10 6 , α 3G = 0.1978 ,α 4G = 3.217
式(5)により 2M 信頼性指標はβ2M=2.676 として得られ、対応する破壊確率は Pf=3.722×10-3 となる。
式(7)により 3M 信頼性指標はβ3M=2.925 として得られ、対応する破壊確率は Pf=1.720×10-3 となる。
式(21)および式(24b)により、各係数は次のように得られる。
l1 = 0.0317, l2 = 0.00651, k1 = 0.980 , k2 = 0.00649
k = k1 / k2 = 150.770, l = 1.628 , p = 47.606 ,q = 170.190 , D = 0.1579
式(24a)により 4M 信頼性指標は β 4M = 2.808 として得られ、対応する破壊確率は Pf=2.490×10-3 となる。
サンプル数が 500,000 の MCS の計算結果として

l = −2.0535 ,q = 849.76 , D = 0.2458

D+L +S
S

EI

A
L

Fig. 7. A frame

Fig.8 Histogram and PDF in Ex. 3

Table 2 Properties of Random Variables in Ex. 3
確率変数

Δ．

平均値
3cm

標準偏差
0.3cm

E
I
H
L
D
LS

2×1011N/m2
6.06×10-4m4
3m
6m
2×104N/m
2×103N/m

2×1010N/m2
3.03×10-5m4
0.15m
0.3m
4×103N/m
8×102N/m分布
正規分布
対数正規分布
対数正規分布
対数正規分布
対数正規分布
正規分布
対数正規分布

S

3×103N/m

1.5×103N/m

グンべル分布を評価する。限界状態関数は次式で表す。
(D + L S + S)HL3
(30)
12EI
ただし、ΔAは A 点の許容変位、D, L と S はそれぞれ固定
G(X) = Δ A −例題 4 次の二つの限界状態関数に対応する信頼性を評価する。

G(X) = 9 + (X1 − 10) 2 − X 2(31a)

構造信頼性解析の４次モーメント法

G (X) = 9 − ( X1 − 10) 2 − X 2(31b)

ただし、X1, X2 は相互独立の正規確率変数であり、平均値と変動係数をそれぞれμ1=10, μ2=5, V1=0.1, V2=0.4 とする。
式(31a)に対して、FORM 信頼性指標は Fig. 9 に示すよ対応する破壊確率は Pf=0.0228 となる。
うにβF=2 となり、本論文の提案手法で解析すると次のような結果が得られる。

μG = 5 , σ G = 2.45 , α 3G = 0.5443 , α 4G = 4.3333
β 4M = 2.2266 ，PF=0.01299
サンプル数が 100,000 の MCS の計算結果は PF=0.0125，

β=2.242 であり、4M 法の結果とほぼ一致していることが分かる。また、この例題では限界状態関数の非線形性が強いため、FORM の結果に誤差が大きいことも分かる。

49

Table 4 Results of Moment methods of Ex. 5
G
G1
G2
G3
G4

μG

σG

α3G

α4G

β2M

β3M

β4M

8.6×10-6
21394.5
88.8
271.7

2.4×10-65240.324.5
66.5-0.198-0.603-0.454-0.605

3.689
4.329
3.467
4.332

3.584
4.083
3.628
4.085

3.265
3.172
3.016
3.172

2.975
2.963
2.957
2.963

定義される。
1
G1 (X) = πD 2 Fy − N （圧縮荷重基準）
41G 2 (X) = πD 2 − N Fy （断面積基準）
44N
G 3 (X) = D −（直径基準）πFy

G 4 (X) = Fy −

4N

πD 2

（応力基準）

(32a)
(32b)
(32c)
(32d)

式(31b)に対して、初期計算点の選択によって Fig. 10 に

ただし、D, Fy, N は相互独立な対数正規であり、平均値は示すように三つの設計点が得られ、対応する三つのそれぞれμD=200mm, μFy=400N/mm-2 とμN=4×106N であり、FORM 信頼性指標はβF1=1.732,
2, βF2=1.732,
2, βF3=2 となり、破壊確率を求める事は困難となる。本論文の提案手法で解析すると限界状態関数の４次までのモーメントは簡単に求められ、信頼性指標も式(24)により次のようになる。

μG = 3 , σ G = 2.45 , α 3G = −0.544 , α 4G = 4.333
β 4M = 1.245, PF=0.1067

標 準 偏 差 は そ れ ぞ れ σD=10mm, σFy=40N/mm-2 とσN=1.6×106N である。
各限界状態関数に対して、４次までのモーメント及び２、３、４次モーメント信頼性指標はTable 4に示す。Table 4より、限界状態関数の違いによって、2M信頼性指標に大差があるが、4M信頼性指標はほぼ一定であることが分かる。

サンプル数が100,000のMCSの計算結果としてPf = 0.1046,

β=1.258が得られ、4M法の結果とほぼ一致していることが分かる。

5. まとめ

1)限界状態関数の４次モーメント標準化に基づく4M信頼性指標を提示した。提示式は陽的式で、従来指標におけTable 3 Moment computation for Ex. 3
μ

σ

α3

α4

X = D + LS + S

式
(34)

2500

4346.3

0.055

3.038

3

(38)

217.64

32.81

0.456

3.371

(38)
(38)
(36)
(34)

5.05 × 10 −12

5.05 × 10 −13

1654.30.13640.01860.05
0.03590.0042

0.301
0.150
0.658
-0.232

3.162
3.040
3.805
3.201

関数
Y =L
Q = 1/ E

W = 1/ I
Z = XHYQW
Z
G(X) = Δ A −12精度で追従している。

3)限界状態関数の違いによって、2M信頼性指標に大差があるが、提示した4M信頼性指標はほぼ一定である。

1) Bjerager, P.: “Methods for Structural Reliability Computation.”,3
u

4

Failure3

2

Mechanics of Solid and Structures, ed. by F. Casciati, Springer Verlag
β

1

2

0

β

1

-1

F

-1.0

0.0

1.0

u

1

2.0

-2
-2.0

Reliability Problems: General Principles and Applications in

Failure22u2)提示式が3M信頼性指標の精度を改善し、厳密式に十分な

参考文献

5

0
-2.0

る積分や、非線形方程式を解くことを回避した。

Wien-New York, 89-136,1991.

F3

β

β

F1

2) 趙 衍剛，小野徹郎: “構造信頼性解析における３、４次モーメン

F2(-1.4, 1.02) (1.4, 1.02)

ト法の考察.”，日本建築学会構造系論文集，No.530, 21-28, 2000.4.
3) Tvedt, L.: "Distribution of quadratic forms in the normal space -

-1.0

0.0

1.0 u 2.0
1

Fig. 9 Limit state of Eq. 31a Fig. 10 Limit state of Eq. 31b
例題 5 圧縮を受ける円型断面圧縮材の信頼性を評価する。 設計の基準によって、四つの限界状態関数は次式でapplication to structural reliability." Journal of Engrg. Mech., ASCE,
116(6), 1183-1197, 1990.
4) Faravelli, L.: "Response surface approach for reliability analysis." J.
Engrg. Mech., ASCE, 115(12), 2763-2781, 1989.
5) Mori, Y. and Ellingwood, B. R.: “Time-dependent system reliability

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

50

analysis by adaptive importance sampling.”, Structural Safety,
12(1),59-73, 1993.

付録：限界状態関数のモーメント計算
一般に限界状態関数のモーメントは点推定法23)などによ

6) 小野徹郎、井戸田秀樹: “高次積率標準化手法の提案とそれに基づり得られる。ここで、本稿で用いている互いに独立な確率

く信頼性指標の設定.”, 日本建築学会構造系論文報告集, No.359,

変数の和、積などの常用される関数のモーメント計算式を

43-49, 1986.1.

要約する。

7) Tichy, M.:"First-order third-moment reliability method." Structural
Safety, 16, 189-200, 1994.

付 1、相互独立確率変数の和のモーメントn8) Grigoriu, M. and Lind, N.C.: "Optimal estimation of convolution

Y = Σ ai X i

integrals", J. of Eng. Mech., ASCE, 106(6), 1349-1364, 1980.
9) 米澤政昭等:１次元４次モーメント近似による構造物の信頼性解

(33)

i=1

の４次までのモーメントは次のように得られる。
n

析、材料、Vol. 31, No. 351, 82-88, 1982.
10) Ugata, T. and Moriyama, K.: "Simple method of evaluating the failure
probability of a structure considering the skewness of distribution."
Nuclear Engineering and Design, 160, 307-319,1996.
11) Zhao, Y.G. and Ono, T.: “Moment methods for structural reliability.”,
Structural Safety, Vol. 23, No. 1, 47-75, 2001.

μY = Σ a i μi
i=1
n

(34a)

σ = Σa σ

2
i

(

3
i

2
Y

2
i

i=1
n

α 3Y = Σα 3i a σ
i=1

α 4Y =

1

(34b)
3
i

)σ

n

3
Y

(34c)
n−1 n

( Σ α 4i a σ + 6 Σ Σ a a σ σ )

σ Y4

4
i

i =1

4
i

i =1 j >i

2
i

2
j

2
i

2
j

(34d)

ただし、Xi, i=1, ..., n は相互独立確率変数であり、ai, i=1, ...,

12) Zhao, Y.G., Lu, Z.H., and Ono, T.: “A simple third-moment method forn は確定的係数である。μi (μY), σi (σY), α3i (α3Y) とα4i

structural reliability.”, Journal of Asian Architecture and Building(α4Y) はそれぞれ Xi (Y),の平均値、標準偏差、歪度及び尖Engineering, 5(1). 129-136, 2006.

度である。

13) Winterstein, S. R.: “Nonlinear vibration models for extremes andfatigue.” J. Engrg. Mech., ASCE, 114(10), 1772-1790,1988.

付 2、相互独立確率変数の積のモーメントn14) Hong, H. P. and Lind, N. C.: “Approximation reliability analysis

Y = Π Xi

using normal polynomial and simulation results.” Struct. Safety,
18(4), 329-339, 1996.

の４次までのモーメントは次のように得られる。
nμY = Π μi15) Chen, X. and Tung, Y. K.: “Investigation of polynomial normal

i=1transform.” Struct. Safety, 25(4), 423-455, 2003.

17) Hong, H. P.: “Point-estimate moment-based reliability analysis.” Civil
Engineering System, 13, 281-294, 1996.
18) Zhao, Y.G., Lu, Z.H., and Ono, T.: “4P-Lambda distribution and its
application to structural reliability.”, Journal of Structural &Construction Engineering, AIJ, No.604, 61-67, 2006.
19) Withers, C. S.: “Asymptotic expansions for distributions and quantiles
with power series cumulants.”, J. R. Statist. Soc. B, 46, 389-396, 1984.
20) Zhao, Y.G. & Ono, T.: “Third-moment standardization for structuralreliability analysis.”, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.

(36a)

⎡n

⎤

(
⎣

) ⎦

σ Y2 = μY2 ⎢Π 1 + Vi2 − 1⎥16) Stuart, A. and Ord, J. K.: Kendall's advanced theory of statistics.
London, Charles Griffin & Company LTD., Vol.1, 210-275,1987.

(35)

i=1

i=1

⎡n

(
⎣

)

⎤

(

) ⎦

α 3Y = ⎢Π α 3i Vi3 + 3Vi2 + 1 − 3 Π 1 + Vi2 + 2⎥ VY3 (36c)i=1

α 4Y =n1i=1[Π (α 4 i Vi + 4α 3i Vi + 6Vi2 + 1)

VY4

4

3

i=1

n

n

i=1

i=1

(36d)

− 4 Π (α 3i Vi3 + 3Vi2 + 1) + 6 Π (1 + Vi2 ) − 3]
ただし、Vi と VY はそれぞれ Xi と Y の変動係数である。
付 3、対数正規確率変数の任意乗のモーメント

Y = Xa(37)の４次までのモーメントは次のように得られる。

126, No. 6, 724-732, 2000.
21) Fleishman, A. L.: “A method for simulating non-normal

n

(36b)

μY = μ Xa (1+ VX2 )a( a−1)2(38a)distributions.” Psychometrika, 43(4), 521-532, 1978.
22) Zhao, Y.G. & Lu, Z.H. “Fourth-moment standardization for structuralreliability assessment.”, Journal of Structural Engineering, ASCE,
Vol. 133, No. 7, 916-924, 2007.
23) Zhao, Y.G. and Ono, T.: "New point estimates for probability
moments." J. Engrg. Mech., ASCE, 126(4), pp433-436,2000.

2

VY2 = (1+ VX2 ) a − 1
α 3Y = 3VY + VY3

α 4Y = 3+ 16VY2 + 15VY4 + 6VY6 + VY8
ただし、a は任意の実数である。

(38b)
(38c)
(38c)

51

磁性研究の最前線―希土類化合物の新しい秩序状態
椎名 亮輔＊

A Frontier in Studies of Magnetism - New Ordered State in Rare-earth Compounds
Ryousuke SHIINA＊

１． はじめに∗までに定性的な理解に到達したと考えられています。

古来より鉄の磁性は神秘的な現象として知られていた

一方で、磁性が極めて多彩な現象であることが分かっようです。しかしながら、実際に磁石のミクロな起源にてきたのも、そのころからでした。物質内部の格子状態

メスが入り始めたのは、量子力学が誕生して間もない今の情報を得るためのいろいろな実験手段が考案されてき世紀初頭のことでした。それは磁性が本質的に量子現象たからです。なかでも、磁性の規則配列を観測する強力そのものだからです。以来、固体磁性を巡って膨大な研な方法が中性子散乱で、
1950 年頃から実用化され始めま究成果が蓄積され、現在その恩恵は磁気ディスクなど、した。中性子は、電荷をもたずスピンを持つ素粒子で、様々な先端技術の中に見出すことができます。
本稿では、物質中の磁性のみと相互作用するからです。こうした実基礎物理としての磁性研究を振り返りながら、現在その験研究によって、20 世紀の後半に、夥しい数の強磁性以最前線として集中的な研究が進められている希土類・ア外の磁性が見つかってきました [1]。

クチナイド化合物の新奇な磁性を紹介したいと思います。

すぐに明らかになったのは、隣り合う原子に属する電子の磁気モーメントの向きが互い違いに並んだり、ある

２．問題の背景
われわれの身の回りにある物質は、原子や電子がアボ
23

いは、さらに複雑な磁気配列を持つ物質が存在することです。このような現象は反強磁性と呼ばれており、しばほど集まって構成された凝縮体です。
ガドロ数（10 個）

しば強磁性にはない特異な性質を示します。反強磁性に磁性を含む物性物理の問題とは、極言すれば、凝縮体全おける強い量子ゆらぎは現在も活発に研究されている体の示すマクロな性質が、ミクロな構成粒子の性質とど問題の一つです。なお、こうしたミクロな整列現象は、う関連しているか、を明らかにすることなのです。
では、常に何らかの秩序形成と関連しているという意味合いで、こうした観点から、磁性の問題とは何でしょうか？

秩序状態と総称されています。

固体は、大雑把に言って、堅く結合し合ったイオンと、

上記の磁性研究は、主に、鉄族と呼ばれる、鉄に近いイオンから離れて動き回ることのできる電子から構成さ性質を持つ元素（コバルト、ニッケルなど）を含む化合れています。しかしながら、後述するように、鉄などの物を舞台に行われてきました。一方、鉄族同様に磁性を磁性を示す物質では、強い電子間のクーロン相互作用の示すことが予想される物質が、周期表の下端に位置する

ため電子はイオンの近傍に局在していることが多く、孤希土類およびアクチナイド元素を含む化合物群です（図立原子の性質がある程度保たれています。そして、こう

１）。希土類の磁性研究は、鉄族の研究がほぼ一段落した

した局在電子が磁性の担い手となるのです。

1980 年ごろから盛んになり、
多くの異常現象が見いださ

強磁性（すなわち固体全体が大きな磁石になること）れました。特に、鉄族に比べて原子構造が複雑で、電子は、この局在電子の持つ小さな磁石が一斉に同じ方向にの持つミクロな磁気モーメントの性質に関する、より根整列することだと考えられます。こうした強磁性の問題

本的な問題が研究対象になっています。こうした希土類

は、量子力学の発展とともに解明が進み、20 世紀半ば頃

化合物の理論は、私が長年取り組んできた課題の一つであり、本稿後半に詳しく取り上げます。

*准教授 物理教室
Associate Professor, Institute of Physics

52

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

図１．元素の周期表：原子番号 26 が鉄（Fe）で、下から 2 段目（57-70）が希土類系列、下端（89-102）がアクチナイド
系列．

l ＋１)×２個の量子状態のセットを殻と呼びます。
３．原子と固体の量子力学
3.1 電子軌道

3.2 多電子系における不完全殻磁性の問題を正確に扱うには、量子力学に基づく議論

一般の原子の場合、n、ｌ、ｍ、ｓで指定されるエネが不可欠になります。そこで、以下に原子核に束縛されルギー準位が多数の電子によって占有されることになりた一電子問題（水素原子と等価）を復習しましょう。上ます。ここで重要なのがパウリの排他原理です。すなわ

述のように、磁性を引き起こす電子は局在性が強く、固ち、「同一の量子状態を複数の電子が占有することはでき

体中でも孤立原子に近い状態にあると考えられているかない」というものです。このため、電子は、エネルギーらです。
一般に量子力学では、シュレディンガー方程式の解との低い状態すなわち n、l の小さい殻から順次占有してゆくことになります。

して与えられるエネルギー準位と波動関数により粒子

このとき、一つの殻にはエネルギーが等しい(２l ＋１)の運動状態が決まります。中心力場中における電子に関×２個の状態があるので、高エネルギー領域に、電子がして最も重要なポイントは、量子状態を表す波動関数が部分占有しているが充満していない殻が現れます。これ

以下の 4 つの指数（量子数）により特徴づけられることが、いわゆる不完全殻であり、原子の性質を決める要因

です。

なのです。

主量子数 n = １，２，３,・・・

不完全殻は n、ｌで指定されるわけですが、なかでも方位量子数 ｌ = ０，１，２，３,・・・

このこと
波動関数の角度変化を表すｌ の値が重要です。

磁気量子数 ｍ = －ｌ, －l ＋１, ・・・, l －１, ｌ,は、原子が結合して分子や固体を構成しても同様であり、スピン量子数 s = －１/２, １/２

n、ｌ、ｍ は波動関数の空間変化に関連した指数で、特大雑把に言えば、電子物性は指数 l によって決まっていると言っても過言ではありません。

にｌ は軌道角運動量の大きさ、ｍ は軌道角運動量のｚｌ の値には、伝統的にｓ殻（l = 0）、ｐ殻（l = 1）、

成分という物理的意味があります。一方、スピン量子数

ｄ殻（l = 2）、ｆ殻（l = 3）などと名前が付けられていｓ は大雑把に言えば、定まった大きさ１/２を持つ電子ます。電子数が 20～30 個の鉄族原子の不完全殻はｄ殻の自転による角運動量（の z 成分）に対応します。中心であり、50～100 個もの多数の電子を持つ希土類原子や力場では、実空間およびスピン空間の対称性のために、。こ
アクナイド原子の不完全殻はｆ殻となります（図１）エネルギー準位がｎ、ｌだけに依存し、ｍ、ｓ によらなのことが、鉄族元素や希土類元素を含む化合物をｄ電子

n、ｌで指定される (２いことが分かっています。
そして、系あるいはｆ電子系と呼ぶことの由来となっているのです。

磁性研究の最前線―希土類化合物の新しい秩序状態

53

図２．鉄原子の電子配置： 矢印は、状態を占有した電子のスピンの向きを表す。4 個の不対電子が 3d 殻に現れることが分かる。
3.3 不対電子と原子磁性

図３．原子と結晶の電子状態の模式図．

さて、電磁気学によれば、荷電粒子の回転運動は磁石と等価であることが分かっています。したがって、電子置されることで、磁石を打ち消しあう対を作ることになの軌道角運動量とスピン角運動量は、それぞれ軌道磁気ります。ｓ、ｐ電子系で磁性が生じない理由は、まさにモーメントとスピン磁気モーメントに対応するという

この点、すなわち固体におけるバンド形成にあるのです。

ことができます。電子は 2 種類の磁石を持っているわけ

では逆に、ｄ電子系やｆ電子系でなぜ磁性が発生しやです。しかしながら、パウリ原理に基づいて電子を内殻

すいのでしょうか？この問題の鍵は電子同士にはたらくから詰めていくと、多くの場合、逆向きの磁性を持つ電クーロン反発力にあります。ｄ、ｆ軌道は原子核の周囲子同士が対になって現われ、磁性が消えてしまいます。

での広がり方がｓ、ｐ軌道に比べて小さく、クーロン反

唯一、不完全殻のみで磁性が消えない不対電子が生じる発力の影響が非常に大きくなるからです。
（希土類元素のです（図２）。

Ce の波動関数を例として図４に示します。
）そして、そのためｄ、ｆ電子系の固体では、電子が原子間を自由に

3.4 固体のバンド形成

行き来できなくなり、バンドを組めなくなることがしば

このように、不完全殻の電子が磁性に関与しているこ

しば起こるのです。これを、電子の相互作用による局在とは確かなのですが、固体における磁性の機構はそう簡化と呼びます。その結果として、固体中で局在したｄ、単ではありません。例えば疑問点として、多くの原子がｆ電子は不対電子に近い状態となり、原子での性質をあ

不対電子を持つにもかかわらず、なぜｄ、ｆ電子系でのる程度保ちながら、集団的な磁性を示すことになるので

み磁性が発生し、ｓ、ｐ電子系では見られないのでしょす [3]。

うか？この問いの答えは、原子の集団としての固体における電子状態に関連しているのです。
一般に固体中では、隣接した原子の周りの電子軌道がこのように、固体の磁性は、端的に言えば、原子における電子状態、バンド形成、電子間の相互作用（力の及ぼし合い）
といった３要素によって決まっているのです。

混ざり合って、固体全体にわたる電子の通り道として、
新たな電子軌道すなわちバンドが形成されます（図３、４．ｆ電子系における多極子秩序の物理

より詳しくは文献 [2]など参照）。ｓ軌道が重なってでき

4.1 隠れた磁性るバンドをｓバンド、ｐ軌道に由来するものをｐバンド

電子が 2 種類の磁石を持つことはすでに記しました。

と呼んだりします。

軌道とスピンです。しかしながら、1970 年頃まで主に研バンド内には、異なるエネルギーをもつ多くの量子状態

究されていたのはスピンによる磁性でした。
その理由は、が存在します。そこにパウリ原理に基づいてエネルギー

その当時に見つかっていた物質や現象が比較的単純だっの低い状態から電子を詰めてゆくことで、固体全体の性たこと、現象の定性的理解が目標となっていたこと、そ質が決まるわけです。このとき、バラバラの原子では不して軌道磁性を考慮した解析が通常かなり複雑な理論に対電子だったもののほとんどが、バンド内状態に再配なること、などです。例えば、古典的な鉄の強磁性は、

54

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

な例が、いくつかのｆ電子系化合物で見つかったのです。
それらは、実験的に磁性が“見えない”という意味合い
で、隠れた磁性の問題と呼ばれるようになり、物性物理学における謎の一つとして盛んに研究されるようになりました。このような新奇な磁性の理解が一気に進んだのが最近の 10 年ほどのことで、そこではｆ電子状態の特性を考慮した理論が大きな役割を果たしました。以下に
かい摘んでまとめてみます。
4.2 多極子とは？
前述したとおりｆ軌道の半径は大変小さいため（図４）、ｆ電子の磁気的性質には２つの特徴が現れます。一つ目
は、電子間のクーロン反発力の影響が非常に大きくなり、

ｄ電子系と比べてより明確な電子の局在化が実現するこ
図４．希土類元素セリウム（Ce）の動径波動関数の計算とです。
そしてその結果、
大きな角運動量 l = 3 が保たれ、値（ｒは原子核の中心からの距離）：ｆ軌道が内殻に局軌道磁性が現れやすい状況となっています。小さな軌道

在していることが分かります [3]．

半径に起因する二つ目の重要な特徴は、スピンと軌道の間の相互作用が非常に大きくなることです。そのため、スピンによる磁性としてかなり良く理解できる現象であ

例えばセリウム（Ce）イオンでは、1 電子が持つスピン

ることが分かっています。それでは軌道は磁性に関与しと軌道が互いに逆向きになって結合し、全体で一つの磁ないのでしょうか？

石として振舞うようになるのです [4]。

1980 年代になって、それまで未踏領域であった希土類

このようにスピンと軌道が混然一体となったｆ電子の化合物（すなわちｆ電子系）の物性研究が大規模に行わ

磁性が際立った性質を持っていることが、近年徐々に分れるようになりました。その結果、鉄やその類似物質（すかってきました。ｆ電子系では、規則配列する微小磁石

なわちｄ電子系）とは全く性質の異なる磁性がぞくぞくが、単純な磁石ではなく、多極子と呼ばれる複雑なかつと見つかってきたのです。結論から言えば、希土類の磁興味深い形態の磁石になることです [5,6,7,8]。この点を性では軌道が極めて重要かつ面白い役割を果たすのです

少し詳しく説明するために、ｆ電子の全角運動量をＪ =が、その前に問題点を少し詳しく説明しましょう。

と定義しましょう。
単純な磁気モーメントは、（Jx, Jy, Jz）

一般に、磁性を示す物質は、加熱すると、ある温度をこれに定数をかけたＭ = α*Ｊ（αはボーア磁子μB と境に磁性を失います。整列していた電子の磁石が、温度ｇ因子の積）と与えられます。これは Jz の符号±（２つ上昇によって、バラバラの向きになったということです。

の極）に合わせて双極子と呼ばれています。

磁性のあるなしが切り替わる境目の温度を転移温度、こ一方、J の積例えば JxJy のような量を四極子、JxJyJz

うした現象全般を相転移現象と呼びます [1]。相転移にのような量を八極子と呼びます。J の符号変化に応じてはいくつかの普遍的な性質があって、例えば比熱やその四極子なら４個の極、八極子なら 8 個の極を持つからで他の物理量の温度変化が、転移点で発散や折れ曲がりなす。これら多極子は、数学的にはテンソルとして記述さど、共通の異常を示すことが知られています。ｆ電子系

れ、その階数（ランク）や結晶中の対称性によって分類の磁性研究も、こうした相転移特有の熱力学的異常が実されています。いくつかの例を図５に示します。ｆ電子

験的に観測されたことから始まりました。

系では、こうした高次多極子の整列現象が実現すること

相転移が磁性の発生によることを証拠づけるための最も直接的な実験手段は、冒頭でも触れた中性子散乱です。

が明らかになったのです。その理由は、やや込み入っていますが、以下の通りです。

電荷を持たずスピンのみを持つ中性子は、結晶中の不対

通常、磁気モーメントの整列をもたらすのは、隣接す電子により散乱されるので、その様子を観測することでる原子に局在した電子を量子力学的なメカニズムで交換

磁性を含めた不対電子の様々な性質を知ることが出来るすることによって生じる相互作用、すなわち交換相互作のです。しかしながら、相転移による明確な異常にもか用であることが分かっています。電子はスピン 1/2 を持

かわらず中性子散乱で磁性が観測できない、という奇妙っているので、スピン交換によって生じる相互作用は、s磁性研究の最前線―希土類化合物の新しい秩序状態

55

図５．様々な多極子：Ｊ は双極子、O は四極子、Ｔ は八極子、Ｈ は十六極子を表し、対称性に応じて様々な添字を付けることになっています．高次になればなるほど、金平糖のような複雑な分極となります．
= 1/2 を-1/2 に、あるいはその逆に反転させる性質を持ち

4.3 多極子の秩序化ます。このように角運動量が１だけ変わる過程が、通常

高次多極子の整列状態は様々な不思議な性質を呈しまの双極子の相互作用に対応するのです。一方、軌道角運

す。通常、磁石が互い違いに並ぶ反強磁性は磁場をかけ動量の交換が許される場合、l の大きな変化（Δl > 1）

ると容易に破壊されますが、互い違いに並んだ多極子（反が１電子の入れ替えに際して可能になります。ｆ電子系

強多極子状態）は、しばしば磁場に対して強い耐性を示

では、この軌道交換がスピン交換と同様な頻度で生じるすばかりか、磁場による安定化すら見られる場合がありので、高次の多極子相互作用が大きな値で存在することます。

が可能になるのです。
（若干説明に飛躍がありますので、詳細については文献[7,9]などを参照ください。
）

最も有名な物質であるセリウム・ヘキサボライド（CeB6）を例として取り上げましょう。図 6 は、温度と磁場に関して、この物質の秩序相の領域を表す相図です[10]。5Ｋ以下の極低温領域で顕著な多極子現象が見られます。無磁場では反強四極子相（II 相）と反強磁性相（III相）の転移温度はそれぞれ TQ = 3.3 K、TN = 2.3 Ｋで、かなり近接しています。しかし、反強磁性相は弱い磁場ですぐに消滅し、その反対に四極子相の転移温度は磁場とともにぐんぐん上昇していくことが分かります。これは、大雑把に言えば、複数の多極子が磁場によって誘発され、整列状態を安定化してゆく面白い現象であることが解明されています [5,11]。こうした磁場効果は、近年、他の多くの物質でも見出されており、多極子秩序の重要な特性の一つとして広く知られています。
多極子には、図５に一例を示したように、多くの種類が存在し、我先に秩序状態を形成しようとひしめき合っています。しかし、通常は、同時に整列できず競合関係となってしまいます。こうした機構によって、ｆ電子系

図６．セリウムヘキサボライド（CeB6）の磁場‐温度相

では、お互いに秩序化を妨げ合い、多極子の局所的整列

図：II 相が反強四極子秩序、III 相が反強磁性秩序を表が揺らぎながら起こっている状態がしばしば実現します。

します．

つまり、多極子は強い揺らぎをもたらすわけです。一例
として CeB6 の比熱のデータを図６に示しますが [12]、56

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

図８．ネプツニウム・ダイオキサイド（NpO２）の八極子秩序状態の模式図：丸は酸素（O）サイトを表し、円盤がネプツニウム（Np）サイト上の八極子を表します．
図７．様々な磁場における比熱の温度変化：ゼロ磁場の3.4Ｋの小さなカスプが四極子転移、2.3Ｋ以下の大きな則整列していることが分かります。実は、この物質の奇ピークが磁気転移を表します。四極子転移による異常は

妙な磁性は半世紀も前から知られた未解決問題だったの

磁場とともに大きくなっていくことが分かります．

ですが、その多くの謎が八極子モデルによって見事に統一的に解明されたのです。このように、現在、多方面の相転移による比熱の異常が磁場とともに顕著になってゆ「隠集中的な研究によって、複雑かつ神秘的なｆ電子系のく様子がよく分かります。この現象は、ゼロ磁場で存在れた磁性」のベールが徐々に剝 されているのです。

する多極子の競合と強い揺らぎが、磁場の印加により緩和されてゆく機構によって理解されています [13,14]。
このように、多極子の秩序と揺らぎは、通常の磁性とは大きく異なる熱力学的性質を導くのです。

５．まとめと展望
30 年ほど前からスタートしたｆ電子系の磁性研究は、従来の鉄族の磁性と明らかに異なる現象の発見と、それに伴う様々な謎の提示から始まりました。ｆ電子系では

4.4 多極子の観測

電子軌道の重要性が指摘されていましたが、近年、それ多極子整列が実現していることを実験的に証明するにが多極子という新概念によって一貫して記述されることはどうしたら良いのでしょうか？中性子のスピンは電子が示され、謎の多くを解明することができました。このの双極子と強く相互作用するので、双極子がなければほように、ｆ電子系の磁性は、現在では全く新しい普遍性

とんど散乱されません。この意味で、高次多極子は確かを持った物理現象として位置付けられ、さらに活発な研に「隠れた磁性」の資格を有するのです。

究がなされている分野なのです。

しかしながら、ごく最近、中性子散乱による多極子整

最後に、今後の研究の展望として、超伝導との関連に列の観測が不可能ではないことが分かってきました。短

ついて簡単に記したいと思います。超伝導とは、ある温波長中性子線を用いた高強度の実験により初めて八極度以下で突然電気抵抗が厳密にゼロになる現象です。技子散乱が観測されたのです [15,16]。短波長領域では、

術応用の面で大きな期待が集まる一方で、基礎物理の問

原子の周囲の微妙な磁気分布の変化による弱い散乱が可題としても量子効果がマクロに現れる現象として研究者能となるからです [17]。

を魅了し続けている問題です。また、超伝導の機構を完

そのほか、核磁気共鳴（NMR）や共鳴Ｘ線散乱といっ全に理解し、半導体のように自由自在に制御すること、た先端技術も、多極子整列の同定に極めて有効な手法でこれは基礎と応用の研究者に共通した長年の夢なのです。

あることが示され、応用が広がっています。
一例として、では、超伝導がなぜ多極子と関係するのでしょうか？

共鳴 X 線散乱により決定されたネプツニウム・ダイオキ

従来、超伝導は磁性とは相性が良くないと考えられてきサイド（NpO２）という物質の八極子秩序状態の模式図たのですが、ｆ電子系では、多くの超伝導が、磁性相のを図８に示します [18]。Np イオンは体心立方格子を構近傍で現れたり、磁性と共存したりするのです。このこ成し、その上に縞模様の円盤として描かれた八極子が規とは超伝導と磁性の密接な協力関係を示唆しています

磁性研究の最前線―希土類化合物の新しい秩序状態

が、注目度の高さの一方で、難問として理解が遅れてき

57(5) R. Shiina et al., J. Phys. Soc. Jpn. 66 (1997) 1741.

ました。しかしながら、ｆ電子磁性の理解が飛躍的に進(6) 椎名亮輔，固体物理 43 (2008) 249-263．

んだ現在、こうした風変わりな超伝導の解明も視野に入(7) P. Santini et al., Rev. Mod. Phys. 81 (2009) 807.

ってきました。実際、多極子効果による超伝導と思われ(8) Y. Kuramoto et al., J. Phys. Soc. Jpn. 78 (2009) 072001.

る例が報告され始めています。多極子研究が、壁に突き(9) H. Shiba et al., J. Phys. Soc. Jpn. 68 (1999) 1988.

当たっている超伝導解明のブレークスルーとなることを(10) D. Hall et al., Phys. Rev. B 62 (2000) 84.

期待しつつ、筆を置きたいと思います。

(11) 椎名亮輔，酒井治，固体物理 33 (1998) 631-643.

参考文献(13) R. Shiina: J. Phys. Soc. Jpn. 70 (2001) 2746.

(12) M. Hiroi et al., Phys. Rev. B 55 (1997) 8339.
(1) 芳田奎，“磁性”，岩波書店，1991．磁性の教科書は(14) N. Fukushima and Y. Kuramoto: J. Phys. Soc. Jpn. 67

数多いが、現実的な固体電子の磁性を量子力学的に扱っ(1998) 2460.

た良書。

(15) K. Kuwahara et al., J. Phys. Soc. Jpn. 76 (2007) 093702.

(2) 斯波弘行，“基礎の固体物理学”培風館，2007．固体(16) 現在、大強度陽子加速器施設 J-PARC の建設が国内

電子論の基礎に関する良い教科書。

で進められており、中性子散乱に用いるビーム強度がさ(3) 上田和夫，大貫惇睦，“重い電子系の物理”裳華房，

らに 10 倍以上も高まるとされています。したがって、

1998．ｆ電子系の物理全般の教科書。

近い将来、さらに多くの未解明の秩序状態の検証が可能(4) 軌道角運動量 l = 3、スピン s = 1/2 であるため、ｆ電になるはずです。

子一個が局在する Ce イオンでは、全角運動量は J = 5/2(17) R. Shiina et al., J. Phys. Soc. Jpn. 76 (2007) 094702.

となる。

(18) J. A. Paixão et al., Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 187202.

58

テレスコープアレイ実験による最高エネルギー宇宙線の探索
有働 慈治＊

Search for the Ultra High Energy Cosmic Rays with the Telescope Array Experiment
Shigeharu, UDO＊

1 宇宙線
宇宙線とは地球の外から到来する放射線の総称で，陽子やヘリウム（α線）などの原子核が主な成分だが，容易なこと，また前述のように素粒子物理学としての関心もあり，相補的に観測が進められている．

広義には γ線やニュートリノを含めることもある．∗

そもそも宇宙線のような高エネルギー粒子が「どこ宇宙線なるものの存在が初めて確認されたのは二十世で」「どのように」加速され，どんな経路を辿って地球

紀初頭のことで，オーストリアの物理学者ヘスが箔検へとやってきたのかは，宇宙線発見当初から現在に至電器によってその存在を明らかにした．それから 100

るまで謎のままである．近年では，国際宇宙ステーシ

年あまり経った今でも， 我々の修士論文の多くはョンの利用など, 一次宇宙線観測の大面積化・高性能“1912 年ヘスが，”と書き出されている．ヘスは後に，化によって～1012 eV の領域で詳細なエネルギースペ

宇宙線の発見によってノーベル物理学賞を受賞していクトルが測定できるようになってきたこと，また，Xる．その後の様々な観測により，宇宙線が地磁気によ

線天文学の延長としてのγ線天文学によって宇宙線加って跳ね返される 10 eV から 10 eV に及ぶ広いエネ

速源の探索・観測が数多く行われるようになったこと

ルギー領域にわたって地球に飛来していることが分かから，銀河系内に起源を持つ宇宙線の加速機構についって来た．人類が加速器によって原子核に与えられるては詳細な議論がなされている．

9

20

最大のエネルギーは現在でも～10 eV であり，宇宙線

あるエネルギーを持った宇宙線の起源が銀河系内で観測は素粒子理論の検証実験という側面も持っている．

あるか系外であるかの判断は，銀河系内の磁場の強さ

宇宙線実験において実際に観測される
“宇宙線”
は，

による．銀河磁場はおおよそ 3μG 程度と推測されて

必ずしも宇宙空間から飛来する原子核そのものではな

おり，1018 eV 程度のエネルギーを持った宇宙線のラー

13

く，大きく一次宇宙線と二次宇宙線とに分けられる．

モア半径は数百 pc となる．これは銀河円盤の厚みと一次宇宙線は宇宙からやってくる宇宙線そのものであほぼ同程度なので，これよりも低いエネルギーの宇宙り，人工衛星，気球などによって，地球に到達する直線は磁場によって銀河円盤内に捕らえられることにな

前に観測されている．これらの一次宇宙線が地球大気

る．地球で観測される宇宙線は，このようにして銀河に突入すると，大気中の原子・分子と核相互作用，ま系内を旅してきたものであり，そのため一様等方に飛たは電磁相互作用を起こして様々な二次粒子を作る．

来するように観測される．逆に，1018 eV よりも高いエ

これが二次宇宙線で，無数に増殖した二次宇宙線粒子

ネルギーの宇宙線が銀河系内で生み出された場合，そがシャワーのように地表に降り注ぐ現象を空気シャワの宇宙線は加速源からまっすぐにやってくるはずであーと呼ぶ．空気シャワー現象は地表に設置した荷電粒る．しかしながら，現在までの観測ではそのような異子検出器群（アレイと呼ばれる）やチェレンコフ望遠

方性（非等方性）は確認されておらず，1018 eV を超え鏡などで観測される．二次宇宙線からは一次宇宙線のる宇宙線の起源は銀河系外であると考えられている．

情報の多くが失われてしまうが，衛星などによる一次

宇宙線のエネルギースペクトルは 109～1020 eV にわ

宇宙線の直接観測に比べて大面積化や長時間の観測がたっておおよそ E－3 の冪で滑らかに繋がっている．ス∗

特別助手 物理学教室
Research associate, Institute of Physics

ペクトルが冪関数で表せるということは，宇宙線が非熱的な加速によって作られていることを示している．

テレスコープアレイ実験による最高エネルギー宇宙線の探索

59

もし宇宙線の起源が 1018 eV を境に銀河系内から系外背景輻射光子とのπ中間子光生成の平均自由行程は,に変わっているならば，加速機構が異なることも予想

光子密度 550cm－3 の仮定の下におよそ 3Mpc と予想さされ，その場合は当然スペクトルの冪も変化するはずれた. これは銀河間の距離スケール(～10Mpc)より少

（膝）
，
である．
図１に示すように，
10 eV 付近に Knee

し小さい程度であり, 銀河系外を起源と考えた場合,

1018～19 eV 付近には Ankle（踵）と呼ばれる微かな折

最高エネルギー宇宙線が我々の銀河に到達するまでにれ曲がりが見られるが，明確に冪が変わる程ではない．

衝突を起こす可能性は非常に高い. 1 回の反応で陽子

このように滑らかに繋がったスペクトルも，宇宙線をは 1/10 程度のエネルギーを失うとされ, また反応の断めぐる大きな謎の一つである．

面積は 3×1019 eV 以下では十分に小さい. つまり,

151020 eV 以上の宇宙線は 1019 eV 程度にエネルギーを失っ た 後に 地球へ 到 達す る .これ を , 提 唱 した 3 人(Greisen, Zatsepin, Kuz'min) の名をとって GZK カットオフと呼ぶ.
3 AGASA, HiRes からハイブリッド観測へ
1998 年 , 日 本 の 大 型 空 気 シ ャ ワ ー ア レ イ 実 験
AGASA(Akeno Giant Air Shower Array) は, 1020 eV
を 超 え る 最 高 エ ネ ル ギ ー 宇 宙 線 が 1 event/100
km2/year の頻度で観測され, GZKカットオフの予想に反してエネルギースペクトルが延びているとする論文を発表した[3]. また, 2000年には1019.6 eV以上の宇宙線の中で, 2.5°以内の同一方向から2イベントない
しは3イベントが到来していると考えられる6組を報告している[4]. 銀河磁場による曲がりが少ないという
図 1: 地磁気カットオフ以降の宇宙線エネルギースペ

最高エネルギー宇宙線の性質から, 複数の事例の到来

クトル．

方向に加速源があると考えるのは自然であるが, 10年近く経った現在でもAGASAの示す方向に電磁波（電2 最高エネルギー宇宙線と GZK カットオフ

波～γ線）で同定できる天体は見つかっていない.
AGASA から数年遅れて 2004 年, アメリカ・ユタ

広範なエネルギーにわたって観測される宇宙線であ州で大気蛍光法によって最高エネルギー宇宙線を観測るが，その到来頻度はエネルギーの 3 乗に比例して減していた HiRes(High Resolution Fly's Eye)実験は,少しており，図 1 中に示されているように, 1020 eV で

AGASA とは逆に GZK カットオフを再現するエネルは 1 km2 あたり 100 年に 1 イベントという低頻度にな

ギースペクトルを発表した[5]. 図 2 に示されるように,ってしまう．従って観測例も少なく，低エネルギー領

GZK カットオフが予想される 5×1019 eV 以上で域に比べて統計誤差も大きくなっている．観測の難し

AGASA とは異なる振る舞いを見せている. 両者の到い領域ではあるが，現在までに観測された中で最も高来頻度の絶対値のずれは～25%で, 二つの実験があげいエネルギーとされるものが 1020 eV のオーダーであているエネルギーの系統誤差(～20%) にほぼ等しい.

ることから, この領域を最高エネルギー領域と呼び,

仮にどちらかのエネルギースケールを 25%ずらすと,

100 km を越える大型の空気シャワーアレイによる観1020 eV 以上での差異は残るが, 到来頻度の絶対値は2測が進められている.

おおよそ一致する. このことから, 両者の観測方法,

1966 年, 宇宙線エネルギースペクトルの上限に関

特にエネルギー決定に系統的なずれがある可能性が高する論文が発表された[1] [2]. 1020 eV 領域の宇宙線をいが, どちらがより正しい結果を示しているのかを判考えると, 2.7K の宇宙背景輻射光子は相対論的には断することは難しい.

（宇宙線の静止座標系では）～108 eV の高エネルギー

HiRes 実験で用いられている大気蛍光法は, 前身でγ線と等価となる. 宇宙線粒子が陽子であるとして,ある Fly's Eye 実験によって確立された. 大気蛍光法

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

60

では,大気中で発生した宇宙線空気シャワー中の電子

いずれも俄かには受け容れがたいものであるが, こが窒素分子を励起することで発せられる微かな蛍光にれらの説が 2，3 年のうちに続々と提案されたことが,よって宇宙線を検出する. この大気蛍光は二次粒子か

AGASA の観測結果が驚きをもって迎えられたことをら等方に発せられるため, 広視野・高感度の望遠鏡を物語っている.

用い, 空気シャワーを真横から観測する方法がとられこれらの素粒子論・宇宙論的な興味も尽きないが,る. AGASA のように, 二次粒子そのものを地表に設置

まずは実験的な不一致を解消し, GZK カットオフの在した装置で検出する地表検出器アレイと比べて,否に決着をつけなければならない. そのために計画さ● 1 ヶ所に設置した装置で, 広範囲を観測できる

れたより大規模な実験が, 南半球で行われている● 空気シャワーの縦方向発達が観測できる

Pierre Auger 実験と , 北半球で行われている TA(Telescope Array) 実験である. どちらも大規模地表検出器アレイと大気蛍光望遠鏡の両方を備えており,
一つの空気シャワーを二つの装置で同時に観測することによって AGASA と HiRes の差異を明らかにしようしている. その規模は, Auger が 3000km2, TA で700km2 とされており, どちらも AGASA の有効面積（100 km2 ; 最高エネルギー宇宙線を年間に 1 例検出できる大きさ）を上回っている. Auger 実験は 2008 年の完成を前に, 一部の検出器を用いた観測で既に
AGASA の 3 倍のデータを取得し, 解析結果を発表している. エネルギースペクトルについては HiRes 同

図 2: HiRes 実験によって発表された 10 ～10 eV の様 1019.5 eV から先で到来頻度が減少するようなスペク

宇宙線エネルギースペクトル. 冪の変化が分かりやす

ト ル を 公 表 し て い る [9] が , 到 来 頻 度 の 絶 対 値 はくなるよう, 縦軸にはエネルギーの 3 乗がかけられて

HiRes よりも 20%程度低い. また, 6×1019 eV 以上のいる. 紗のかかった領域は系統誤差を表す.

宇 宙 線 到 来 方 向 に つ い て , AGN (Active Galactic

17

21

Nuclei : 活動銀河核) と相関が見られると報告したが● 一次宇宙線エネルギーの見積もりにシミュレー
ション依存が少ない[10], 統計量が増えるにつれて相関は弱くなっている
ようだ.

などの利点がある. 反面,● 月のない晴れた夜しか観測できない

4 テレスコープアレイ実験● 蛍光の発光効率に不定性がある● 蛍光減衰量は大気透明度に左右されやすい

テレスコープアレイ(Telescope Array : TA) 実験は,
AGASA, HiRes の結果を受けて日本とアメリカの研といった点では地表検出器アレイに劣る.

究者の協力の下に 2004 年に建設が開始された. 先行

AGASA と HiRes の不一致は単に二つの実験の齟齬する Auger 実験との大きな違いは, 地表検出器アレイというだけではなく, GZK カットオフの有無によってに AGASA と同じプラスチックシンチレーターを用い素粒子論・宇宙論にまで大きな影響を及ぼす話題となていること, HiRes 実験と同じ大気状態を期待できるった.仮に AGASA の観測結果が正しいとして, 宇宙背アメリカ・ユタ州を実験地に選んだことである. 更に,景輻射の存在, 銀河系近傍に加速源が見つからないこ

HiRes 実験で実際に使用されていた大気蛍光望遠鏡とを説明するために次のような可能性が考えられている.

をそのまま移設し, 新たに製作した望遠鏡と同時に観測しているため,TA 実験と HiRes 実験の比較が可能と● ビッグバンの生き残りの超重粒子の崩壊[6]● 超高エネルギーニュートリノから生成されたウィークボゾン(Z0) の崩壊[7]● 超高エネルギー領域での特殊相対論（ローレンツ変換）の破れ[8]なっている.
大 気 蛍 光 望 遠 鏡 は HiRes 実 験 か ら の 移 設 も 含
め,2007 年末に全数が完成し観測を開始した. 地表検出器アレイも, 2008 年春にほぼ全数の設置が完了し大気蛍光望遠鏡とのハイブリッド観測を続けている.

テレスコープアレイ実験による最高エネルギー宇宙線の探索

4.1 地表検出器アレイ
4.1.1 検出器

61ーと呼ばれるホスト・エレクトロニクスにそのトリガーのタイムスタンプを送る.コミュニケーションタワ
ーはアレイ全体で 3 ヶ所に設置されており, それぞれ

TA 実験の地表検出器アレイは, 507 台の検出器をが 100～200 台の検出器からトリガーのリストを受け

およそ 700km2 の領域に 1.2 km の格子状に配置した取り, “隣接する 3 台” が 8μs 以内に信号を検知しものである(図 3). 各検出器は 3m2 のプラスチックシ

た場合に空気シャワーと判断する. 3MIP トリガーはンチレーター二層からなり, シンチレーター上に 2cm

20 Hz, 空気シャワートリガーは 0.01Hz 程度で, ト

間隔で波長変換ファイバーを這わせることよって効率

リガー効率は 1018.7 eV 以上で 100 %である[11]. 図 4

的に光を光電子増倍管(PMT) に集めている. データ

はユタ州の砂漠に設置された地表検出器である. 左側
手前から右奥に向かって数台の検出器が整然と並んでいる様子がわかる.

図 4: 南から北へと並ぶ地表検出器. 黒く格子模様が入ったように見えるのはソーラーパネルで, シンチレ
図 3: TA 実験サイト俯瞰図. 小さな黒四角は地表検出

ーターは暗箱に入れられてテーブルの天板の位置に置器, その周囲には 3 ヶ所(北, 南東, 南西) の大気蛍光かれている. 検出器右側のポールに取り付けられた無望遠鏡ステーションがある. 望遠鏡ステーションの少線 LAN アンテナはコミュニケーションタワーの方向をし内側, 地表検出器アレイの縁の丸印はコミュニケー

向いている.

ションタワーを示す.
地表検出器にはプラスチックシンチレーターの他
収集には無線 LAN を使い, PMT やエレクトロニクスに Auger 実験にも採用されている水チェレンコフ検に必要な電力は全て太陽電池によって賄われ, 日中の出器が良く使われる. 空気シャワー粒子を平面で検出

余剰電力はバッテリーに蓄えられ, 夜間の動作電力にするプラスチックシンチレーターに比べ, 背の高いタなる.

ンクを使う水チェレンコフ検出器は, 天頂角の大きな各 検 出 器 は 個 別 の ト リ ガ ー に よ っ て 0.3MIP

空気シャワーに対しても高い感度を維持できるという(Minimum Ionization Particle : 物質中での電離損失利点がある. しかし, 体積の大きさ故に, 空気シャワ

が最小の状態にある粒子, またはその電離損失量) 以

ー中の電磁成分(電子やγ線など) による信号に比べ上の信号を検知すると, PMT の波形を FADC によって, 高エネルギーμ粒子からの信号を強く検知してして記録する. 個別トリガーの頻度は 750Hz にのぼり,

まう. 空気シャワー中でμ粒子に分配されるエネルギ

後述するシャワートリガーのために一時保存される他,

ー量は核相互作用や一次宇宙線の核種に依存するため,検出器のキャリブレーションデータとしても使われる.

電磁成分に強い感度を持つプラスチックシンチレータ

個別トリガーの中で 3MIP 以上の信号を検知した検ーに比べてエネルギー決定が困難である. そのため,出器は, 無線 LAN を通じてコミュニケーションタワ

Auger 実験では大気蛍光望遠鏡によってのみ一次宇宙神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

62

線のエネルギーを決定しており, AGASA と HiRes のて利用できる[13].

エネルギースケールの違いについて, 本質的な理解をモンテカルロ・シミュレーションによるエネルギー得られないと思われる. また, 一次宇宙線がγ線であ推定において, 最も不定性が高い部分は核相互作用モった場合にはμ粒子はほとんど発生しないため, エネ

デルである. 現在, 代表的なモデルがいくつか存在す

ルギーの見積もりには電磁成分に感度の高いシンチレ

るが, いずれも加速器実験(1014 eV 程度) からの外挿ーターが有利である.

であり, モデル毎の違いは高エネルギーになるにつれ

4.1.2 モンテカルロ・シミュレーション
水チェレンコフ検出器であれプラスチックシンチレーて大きくなる.これらのモデルを比較するために, 異なる核相互作用モデルによる複数のデータベースを構築中である.

ターであれ, 地表検出器アレイによるエネルギー決定にはシミュレーションが不可欠である. 空気シャワー中の二次粒子の約 90%は電磁成分と考えられており, これらの粒子は臨界エネルギー(それ以上他の粒子と反応せず,増殖に寄与しなくなるエネルギー) になるまで制動輻射

4.2 大気蛍光望遠鏡
4.2.1 検出器
大気蛍光法は大気をシンチレーターとした巨大な全と電子対生成によってエネルギーを失い, 増殖していく.

吸収型カロリーメータと考えることができる. 空気シ

その過程は計算によってよく再現できることが知られてャワーの縦発達を観測でき, 全発光量からエネルギー

いる. しかし, 空気シャワー中には電磁成分に比べて寿を見積もるために地表検出器アレイと比べてエネルギ

命が長く, 高いエネルギーを保持したまま地表に到達すー決定精度が高いとされる. しかし, 大気蛍光は非常るμ粒子や, 稀には核子も存在する. これらの粒子がどに弱い光であるため, どれだけ集光力があるかが光学のくらい生成されるかは確率的に決まるため, モンテカ

系の重要な性能のひとつである. TA 実験で新たに開発

ルロ・シミュレーションによってたくさんの仮想空気シした大気蛍光望遠鏡は 40 km 遠方の 1018 eV の空気シ

ャワーを生成し, 観測量から統計的にエネルギーを推定

ャワーを検出できるよう設計された.
大気蛍光望遠鏡は広範囲を観測するために 12～14

する.
最高エネルギー宇宙線による空気シャワーのシミュ

台が 1 ヶ所に設置され, 風雨をしのぐためのステーシ

レーションには, 大容量の HDD と高速な CPU が必要

ョンと呼ばれる建物に収容されている. TA 実験では,となる. 空気シャワー中の二次粒子数は, 1020 eV の場

地表検出器アレイの北西, 南東, 南西の 3 ヶ所にステ合でおおよそ 10 コであり, それら膨大な数の粒子一ーションが設置されている. それぞれは約 30km 離れ

つ一つについてエネルギーなどの物理量を全て記録すており, 100°以上の広い方位角を観測することで, 地ることは難しい. 従来はモンテカルロ・シミュレーシ

表検出器アレイで検出される空気シャワーを必ず 1 ヶョンに近似計算を混ぜ, 例えば検出される粒子数だけ所以上のステーションで検出することができる.

11を記録するなどの方法で簡易シミュレーションが行われていた.

北西の MD (Middle Drum) と呼ばれるステーショ
ンには, HiRes 実験で使用されていた望遠鏡がそのま

TA 実験では, 空気シャワーシミュレーションコード

ま移設されている. MD ステーションに設置された 14

COSMOS [12] を用い, 近年の高速な CPU を並列化す

台の望遠鏡は 4 分割された直径 2 m の鏡と 256 本のることによって 1019 eV の空気シャワーシミュレーショ

PMT からなり, 方位角 16°, 仰角 14°の視野をもっンを 10 日程度で生成することを可能とした. この方法ている. 後述する他の 2 ヶ所のステーションと同程度によって, エネルギー, 到来天頂角, 一次宇宙線核種別の視野になるよう, 7 列 2 段に配置されて 112°×28°に 100 例以上のシミュレーションを行い, 空気シャワを観測している[14]. 南側の 2 つのステーションは BR

ーの発達段階毎に二次粒子の物理量(粒子種別, エネル(Black Rock) と LR (Long Ridge) と呼ばれ, 日本でギー,距離, 到来方向, 到来遅延時間など) のデータベー開発されたより大型の望遠鏡が 12 台ずつ設置されてスを作成した. それとは別に, 大量生成が可能な簡易シいる. 各望遠鏡の視野は方位角 18°, 仰角 15°で, こミュレーションから各粒子ではなくシャワー全体の情れを 6 列 2 段に配置し,108°×30°の視野を観測して報(全粒子数など) のデータベースを用意し, この二ついる. 反射鏡は 18 枚の分割鏡によって構成される直のデータベースから適宜, 詳細な物理量を呼び出すこ

径 3m の球面鏡で, 焦点面には六角形の光電面をもつとで“疑似”フルモンテカルロ・シミュレーションとし

PMT 256 本を蜂の巣状に並べたカメラを設置していテレスコープアレイ実験による最高エネルギー宇宙線の探索

る. 図 5 に BR ステーションの外観を示す. 3 つの開口

63

● PMT ゲイン較正

部からそれぞれ 4 台の望遠鏡が夜空を観測している.

BR, LR ステーションの全 6144 本の PMT は二ステーションは高さおよそ 10 m, 開口部は 8 m 四方

段階のゲイン較正によって感度を調整されてい

である.

る.
ま ず , 絶 対 光 量 測 定 シ ス テ ム CRAYS(Caliblationusing RAYleigh Scattering) [18]によって, 印加電圧とゲインの関係が測定された. CRAYS は波長 337.1nm の窒素レーザーを窒
素ガスを充填した暗箱に通して, 暗箱中のレイリー散乱光を PMT で検出するもので, レーザー
強度とバッフルによる PMT 視野の調整によって入射光量を制御することができる. 入射光量は 8%の精度で制御され, 測定した 75 本の PMTの光電子 1 コあたりの FADC カウント値は, 印
加電圧の調整によって RMS 1%で揃えられた.
これら 75 本の PMT は, 基準 PMT として 1 カ

図 5: 観測前の BR ステーション. 反射鏡と梯子状のメラに 3 本ずつが取り付けられている. 基準

架台に載せられたカメラが開口部から見えている.

PMT 以外の PMT のゲインは, 反射鏡中央に設置された一様光源 Xe フラッシュによって基準

各 PMT からの信号は FADC でデジタル化され, バ

PMT と同じゲインになるよう調整される. 全

ックグラウンド光量の移動平均・標準偏差と比較する

PMT のゲインは, Xe フラッシュの光源の一様性,

ことで光の入射を検知する. 光を検知した PMT の情

幾何学的な補正も含めて 2%の精度で調整され

報は 1 カメラ毎にまとめられ, 隣接する 5 本以上のている.

PMT が空気シャワーらしき軌跡を構成しているかど

この他, 基準 PMT の劣化などを発見するために,うかの判定が行われる. もし軌跡が検出されれば, ス

PMT 中央部に YAP (YAlO3:Ce+241Am) と呼ばテーション全体にトリガーが送られ, 隣接するカメラ

れる密封放射線源による定常光源が取り付けらでもデータが保存される. 空気シャワーの軌跡が 2 つ

れ ,観測中も常時モニターされている . また ,(以上) のカメラにまたがっている場合には, カメラ周Xe フラッシュでは PMT 光電面の積分値によっ

辺部で隣接する 4 本以上の PMT が判定基準となる.

てゲインが調整されているが, 光電面の感度はステーション全体にトリガーを送るエレクトロニクス

必ずしも一様ではない. そこで光源に UV LEDには GPS が組み込まれており, 内部クロックと連携を用いた X-Y ステージを作成し, 光電面の相対

して全カメラを 2.5μs 以内に同期させている. この的な感度を 4mm 間隔で測定した. これらのキャ

GPS による同期は 3 ステーション全てで行われておリブレーションによって, 全 PMT の出力が 3%

り, 複数のステーションによる同時観測(ステレオ観測) を可能にしている. また, 同じ精度の GPS が地表以内で安定していることが確認されている.
● 大気モニター

検出器にも搭載されており, ハイブリッド観測に役立

大気蛍光は空気シャワーから望遠鏡に届くまでてられている.

に散乱され, 光量を失う. 光量の減衰は空気分

4.2.2 キャリブレーション

子によるレイリー散乱と, 塵や埃, エアロゾル
によるミー散乱にわけて考えられる. このうち,

大気蛍光法は光学的な観測であるため, PMT で検出

レイリー散乱による減衰は, 大気の温度分布なする光量がエネルギー決定精度に直接影響する. そのどを考慮することで 5%程度の精度で計算できため,TA 実験では PMT ゲインの絶対較正と相対較正る. 温度分布は観測サイト近傍で打ち上げられ[15],大気による減衰量の見積り[16] および電子ビーているラジオゾンデのデータを利用し, 極端なムを用いた蛍光発光量測定[17] を行っている.

天候の日を除いた毎月の平均値からレイリー散乱の寄与を計算している.

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

64

大気透明度は大気蛍光の波長に近い紫外線レー電子加速器を用いて, エネルギーの分かっていザ ー を 用 い た LIDAR(LIght Detection And

る電子ビームを大気中に射出し, そこから発生

Ranging)によって測定する. LIDAR は BR ステ

する空気シャワーによる大気蛍光を大気蛍光望ーションに設置されており, 大気中に射出した

遠鏡で直接測定する. これによって, 電子のエレーザーの後方散乱光を小型の望遠鏡と PMT

ネルギーと蛍光光量, PMT 信号までの絶対較正で受光し, 距離毎の減衰の変化から微分的に大を行う. これまでの大気蛍光観測では, 別に測

気透明度を導く. 透明度の指標は消散係数αと定された蛍光の発光効率を仮定し, 更に鏡の反呼ばれ, 指数関数で表される減衰量 exp(－αR)

射率・PMT 感度などを積み重ねる必要があったの形で現れる. レイリー散乱による消散係数はが, ELS によって発光効率・望遠鏡感度などをま地表付近ではおおよそ 0.06km－1 で,10km 遠方

とめて較正することが可能となる. ELS は BR ス

からの光は exp(－0.06×10) ≃54.9 %に減衰すテーションの正面, 100 m 離れた場所に設置され,る. 仮にミー散乱成分が 0.01km－1 だけ上乗せさ

最大で 4×107 eV の電子ビームを射出できる. 1

れたとすると減衰量は 49.7 %となり,5.2%の差

μs のパルス中には 109 コの電子が含まれ, これが生じる. 実際のαの値は高度によって変化すは 4×1016 eV のエネルギー損失に相当し, 10km

るため, できるだけ精度良く高度の関数として先の 4×1020 eV と等価である. 電磁成分のエネ求める必要がある. 2007 年秋からの定常的な観

ルギー損失はシミュレーションで良く再現でき測によって消散係数の分布が求められ, その最るため,実際に観測された光量と比較することで頻値は 0.09 km

であった.

絶対較正ができる. ELS は高エネルギー加速器

LIDAR と同様に紫外線レーザーを使用した研究機構の協力によって製作され, 現在は実験

CLF(Central Laser Facility) が実験サイト中央

サイトに設置されて最終調整が行われている.

－1に設置されている. CLF は 3 つの大気蛍光望遠
鏡ステーションからほぼ等距離となるような地

4.3 観測状況点に設置され, 垂直に射出したレーザーの側方TA 実験は, 2008 年より地表検出器と大気蛍光望遠

散乱をすべてのステーションで観測する. ある鏡によるハイブリッド観測を開始した. 2007 年末から高度(LIDAR での観測によれば～5km) 以上で続けられている大気蛍光望遠鏡の観測時間は実稼働率

はレイリー散乱が支配的であるという仮定の下およそ 10%で 2000 時間を越えた. 地表検出器の観測で, 計算で求めたレイリー散乱量と実際に観測は 1 年半にわたって 96%以上の稼働率を保ち, AGASA

された光量との差がミー散乱による減衰を表す

実験の全観測量の 2/3 に達しようとしている.

こ と になる. ここでの透明度の指標は

図 6 に, 3 ヶ所の大気蛍光望遠鏡と地表検出器で観VAOD(Vertical Aerosol Optical Depth) と呼ば測された空気シャワーの例を示す. 空気シャワーの中れ, 減衰量は exp(－VAOD) で表される. ミー散

心は BR ステーションに近い領域で地表に到達してお乱の消散係数αmie との関係は VAOD(R) =αり, BR ステーションではっきりと大気蛍光イメージ

mie(r)dr であり, 一次元大気(大気状態が高さのが捉えられている. MD, LR の両ステーションからはみに依存する)と考えた場合には LIDAR によっ

それよりも 2 倍程遠いが, MD ステーションでは空気て求められた消散係数と比較することが可能でシャワーが 3 つのカメラの視野を横切っている様子ある. CLF と同様の観測は HiRes 実験でも行わがわかる. このようなハイブリッドイベントは, 2008

れており, その際に求められた VAOD は高度 2.5

年 5 月～2009 年 5 月の 1 年間で 2000 例以上が観測さ～3.5 km で 0.034～0.036 であった. TA 実験サ

れ, そのうち 200 例が 2 ヶ所以上の大気蛍光望遠鏡でイトでは 10%程度の違いがあると予想される.

観測されたステレオ・ハイブリッドイベントである

現在, LIDAR は大気蛍光観測の開始前と終了直[19].

前に水平と垂直の消散係数を測定している.
CLF は大気蛍光観測中, 30 分毎にレーザーを射

5 最高エネルギー宇宙線観測の今後

出し大気蛍光望遠鏡で観測している.
● 電子線形加速器
ELS (Electron Light Source) と呼ばれる小型

近年, γ線天文学の発展によって銀河系近傍に宇宙線加速源が次々と発見され, 宇宙線加速のメカニズムテレスコープアレイ実験による最高エネルギー宇宙線の探索

65

図 6: 2008 年 10 月に観測されたトリプル・ハイブリッドイベント. 中央の図は実験サイトの俯瞰図で, 図中の矢印
は空気シャワーの地表到達点と到来方向の方位角を表している. 右上は地表検出器のイベント・ディスプレイで,円の大きさは各検出器の検出粒子数に比例している. 点線は検出器アレイの縁を表す. 右下と左側の 2 つの図は,それぞれ BR, MD, LR の大気蛍光望遠鏡で捉えられた空気シャワーのイメージである.
についても徐々に解明されつつある. しかし, 観測さを狙う TALE (Telescope Array Low Energy extension)

れている高エネルギーγ線は～1012 eV までの領域で,を計画している[20]. その他にも, 新たな試みとして,これらの観測から予想される粒子加速では超高エネル

空気シャワーが発する大気蛍光を宇宙から観測する

ギースペクトルを説明できない. GZK カットオフ問題

JEM-EUSO 計画[21]が進行中である. JEM-EUSO 計から始まった最高エネルギー宇宙線観測であるが, 銀

画は地上の検出器を凌駕する 200,000km2 の領域を観河磁場による曲がりが無視できるという特徴から, γ測でき, 圧倒的な統計量による GZK カットオフ問題

線天文学の先の超高エネルギー宇宙粒子線天文学とし以後の宇宙粒子線天文学を目的としている.今後 5 年ての可能性も含んでいる.

の間にはこれらの実験によって GZK カットオフ問題

また, Auger 実験が発表しているエネルギースペク
トルは 1019.5

eV での冪の変化を示唆してはいるが,が決着し, 宇宙粒子線天文学によって最高エネルギー領域での物理過程の理解が深まることが期待される.

1020 eV を越える宇宙線の存在は否定していない. つまり, GZK カットオフが正しいとしても, スペクトル

参考文献

はさらに高いエネルギー領域に続いており, そこから

[1] Greisen, K., Physical Review Letters, 16, 748,

宇宙線化学組成などの情報が得られるはずである. 同(1966)

時に, 十分な統計量によって少し低い Ankle 領域のス

[2] Zatsepin, G. T. and Kuz'min, V. A., Soviet

ペクトルを詳細に調べることも, 宇宙線加速の謎に近Journalof Experimental and Theoretical Physics
Letters,4, 78, (1966)

付く鍵のひとつかも知れない.
現在稼働中の Auger 実験と TA 実験は, それぞれ南半球と北半球を観測しており, 銀河系外からの宇宙線を観測する上では相補的と言える. Auger 実験では北天を観測する北 Auger 計画が進められている. TA 実
験では, Ankle 領域よりも低い 3×10 eV から 10 eV
1618[3] Takeda, M. et al., Physical Review Letters,
81,1163, (1998)[4] Uchihori, Y. et al., Astroparticle Physics, 13,151,(2000)[5] Abbasi, R. U. et al., Physical Review Letters,

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

66
92,151101, (2004)[6] Kuzmin, V. and Tkachev, I., Soviet JournalofExperimental and Theoretical Physics Letters,
68(1998), p.271[7] Weiler, T.J., Astroparticle Physics, 3, 303, (1999)[8] Sato, H. and Tati, T., Progr. Theor. Phys.,
47,1788, (1972)[9] Yamamoto, T. et al., in Proc. of the 30th ICRC,4,
335, (2007)[10] Abraham, J. et al., Science, 318, 938, (2007)[11] Nonaka, T. et al., in Proc. of the 31st
ICRC,(2009)[12] Kasahara, K., http://cosmos.n.kanagawa-u.ac.jp/[13] Kido, E. et al., in Proc. of the 31st ICRC, (2009)[14] Jui, C.C.H. et al., in Proc. of the 31st ICRC,(2009)[15] Tokuno, H. et al., Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A, 601, 364, (2009)[16] Tomida, T. et al., in Proc. of the 31st
ICRC,(2009)[17] Shibata, T. et al., Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A, 597, 61, (2008)[18] Kawana, S. et al., in Proc. of the 31st
ICRC,(2009)[19] Ikeda, D. et al., in Proc. of the 31st ICRC,(2009)[20] Matthews, J.N. et al., in Proc. of the 31st
ICRC,(2009)[21] http://jemeuso.riken.jp/

67

酸性霧の樹冠への沈着と森林衰退
井川 学＊、松本 潔＊＊、大河内 博＊＊＊

Acid fog deposition on canopy and forest decline
Manabu IGAWA,＊ Kiyoshi MATSUMOTO,＊＊ and Hiroshi OKOCHI＊＊＊

１．緒言∗
かつてわが国は、1960 年をピークとする高い二酸化硫
黄濃度のために森林が衰退したが、その後は二酸化硫黄

霧の特徴とその酸性化機構を解明した。特に霧水の粒径
分布の時間変動を検討した。
2.丹沢大山の林内雨と樹幹流の分析による激しい衰退は終了した。その典型例が丹沢大山の

丹沢大山のモミ、ブナおよび被害を受けていないスギモミである。しかし、1980 年以降、これとは別の地域での樹冠下で林内雨、樹幹流を採取分析し、溶脱する金属の新たな衰退が始まり、丹沢山塊山頂のブナ林は枯木のイオンごとの特徴を明らかにした。

オブジェと化している。一方で、丹沢山塊北側斜面では

3.実験室における疑似酸性霧暴露実験

美しいブナ林が今も広がっており、衰退の地理的依存性

正常なブナ苗木に酸性溶液を暴露し、枝葉からの溶脱は極めて大きい。このような森林衰退の及ぼす環境影響成分をフィールドと同様な手法で分析した。また、膜には極めて大きく、生態系破壊、水資源の枯渇ばかりでな結合したカルシウムは酸によりどれだけ溶脱するかを、く、山塊の崩壊にもつながる。この地域では玄倉川での蛍光顕微鏡を用いて明らかにした。

急な出水のために、多くの犠牲者を出した水難事故が記
憶に新しいが、ブナは保水能力が大きいのでその衰退を

平成 20 年度はさらに、次のテーマの研究を行った。
1. 酸性霧の成分分析と濃度支配要因の解明

放置するなら同様な事故は今後もさらに頻発するであろ新たに測定項目を増やすとともに、霧沈着量の支配要う。このように森林衰退は極めて深刻な問題であるにも因について解析を進めた。また、視程の変化も常時観測かかわらず、その原因解明はこれまでなされておらず、した。

適切な改善策も得られていない。

2.丹沢大山のモミの林内雨と樹幹流の分析による酸性霧研究代表者は既に、酸性霧の実態と森林衰退への影響

へのモミの応答の把握に関する研究を 20 年近く続けている。
これまでの研究か

初年度の分析に加えて、林内雨液量と組成を、雨のとら、丹沢で起こりうる pH3 の酸性霧の長期暴露により、き、霧のとき等で詳細に検討した。また、有機物の成分

ブナが枯れることを明らかにした。このような事象の発分析も行った。

生機構を明らかにすることは極めて重要な課題であるた

3.実験室における疑似酸性霧暴露に対する苗木の応答

め、これを 19 年度から 20 年度までの工学研究所の共同研究として行った。
平成 19 年度には、次のような研究を行なった 1)。
1. 酸性霧の成分分析と濃度支配要因の解明
丹沢大山をフィールドとして霧水の成分分析によってこれまでの曝露条件に加えて、オゾンの曝露も開始した。曝露後に、葉の内部構造、組成の変化について
SEM-EDX、IR 等の機器により詳細に解明した。
この研究遂行により目標とする到達点としては、丹沢
大山における大気汚染物質および酸性霧沈着実態の把握、発生源ごとの汚染の寄与度の解明、酸性霧による衰退の*教授 物質生命化学科
Professor, Dept. of Material and Life Chemistry**准教授 山梨大学
Associate professor, Yamanashi University***教授 早稲田大学
Professor, Waseda University

メカニズムの解明、樹種による酸性霧への抵抗性の違いの解明である。以下に、今年度の研究成果を中心にこれまでに明らかになったことを述べる。
将来的にはさらに、汚染源からどのように酸性物質が生成し拡散しているか、

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

68

その山岳地形依存性はどうなのか、丹沢にはこれまでにびホウ素は、フィールド試料と同様に測定した。また、酸どれだけ汚染物質が沈着したのか、このまま汚染物質の性霧処理した針葉から細胞壁をアルコール不溶性画分影響が継続するなら生態系はどのように変わるのか、健(AIR)として抽出し、細胞壁内のホウ素の存在形態をSEC

全な生態系を維持するためにどの程度まで大気汚染に対により測定した5)。

する規制を強めることが必要なのか、等についても明らかにしていきたい。

2.3 モミおよびスギ針葉中のmCa、全葉内カルシウム(tCa)に対する酸性霧の影響
9年生モミ苗木に対し2007年5月から2008年7月 (1− 3月、

2.実験
2.1 大山でのフィールド観測
霧水試料は関東平野南西部に位置する丹沢山塊の東端、8月を除く)まで、硝酸でpH調整したSAFを大型チャンバー(2.4 m×2.4 m×高さ1.8 m)の中で１週間に4時間の曝露を大山(標高 1252 m)の中腹に位置する大山阿夫利神社下行った。また、比較検討のために大山で衰退が確認されて社(標高 680 m)で、自動霧水採取装置とパッシブ霧水採いないスギ (7年生苗木)についても同様な処理を行った。

取装置を用いて採取した。
得られた試料は吸引ろ過(孔径酸性霧処理した針葉は、ミクロトームにより断面厚50 μm

0.2μm メンブランフィルター)し分析に供した。また、にカットし、この断面を蛍光プローブであるクロルテトラ

気象状況を把握するため、中腹において降雨強度、風向

サイクリン (CTC)により染色した。画像撮影は、一定条件

風速、気温、湿度を観測した。麓の大気汚染物質濃度に下で正立型蛍光顕微鏡システムと自動露光制御備えたカ

ついては伊勢原市役所の常時監視測定データを用いた。

メラにより行い、画像解析ソフトで撮影した画像の蛍光輝

また、大山の南東斜面、標高 400 m〜1252 m (山頂)間の度を測定することにより葉内のmCa変化を評価した6）。ま

各標高において、林外雨、スギおよびモミの林内雨と樹

た、tCaについては湿式分解法により測定した7）。

幹流、霧、ガスを約 1 ヶ月毎に採取した。また、890m 地
点ではモミ林内雨の方角による沈着量差について検討す2.4 酸性霧の単独或いはO3との複合ストレスに対するブナるため、1 本のモミの樹幹の周囲の 3 ヶ所(北、南、西)

苗木の生長および生理応答に林内雨採取器を設置した。680 m 地点では沢水を約 1
週間毎に採取した。

酸性霧の単独影響を調査するために、7年生ブナ苗木に対し2004年9月から2006年7月 (1− 3月、8月を除く)まで硝

これらの試料は吸引濾過処理を行った後に、導電率お酸でpHを調整した溶液を大型チャンバー (1.8 m×1.5 m×

よび pH は、それぞれ伝導率計、pH 計により測定を行っ

高さ1.6 m)の中で１週間に4時間の曝露を行った。その影た。
また、主要無機イオンはイオンクロマトグラフ (IC)、響については、樹高、幹直径、葉数、葉面積、炭素蓄積量

中性糖 (アルジトールアセテート誘導体)はガスクロマ

および乾物生長量を測定することにより評価した。また、トグラフ (GC)2) 、ウロン酸は紫外可視分光光度計

酸性霧とO3との複合影響を調査するために、3年生ブナ苗

3)(UV-VIS) 、ホウ素は誘導結合プラズマ発光分光光度計

木に対し2007年5月から2008年7月 (1− 3月、8月を除く)(ICP-AES)により定量した。また、気象場の把握を行なうまで、硝酸でpH調整したSAFを大型チャンバー(2.4 m×2.4

ために、風向風速、降雨強度、温湿度の観測も行なった。

m×高さ1.8 m)の中で１週間に4時間の曝露を行った。また、O3の曝露は2007年9月から2008年7月 (1− 3月を除く)に行

2.2 エピクチクラワックスや植物細胞壁成分に対する酸い、60 nl l-1で１週間に28時間の曝露を行った。なお、複性霧の影響

合ストレスに対するブナ苗木の応答は、乾物生長量、デン葉面を保護するエピクチクラワックスの流亡や変質過程、植物細胞壁成分への酸性霧の影響を調査するために、

プン含有量および葉内の無機イオン濃度の測定等により評価した。

9年生モミ苗木から採取した枝葉に対し硝酸でpH調整した
擬似酸性霧 (SAF)を小型チャンバー(0.6 m×0.6 m×高さ

3. 結果および考察

0.9 m)の中で曝露し、接触溶液を一定時間毎に回収した。

3.1 大山で観測される雨と霧の特徴

葉表面におけるワックスの状態を走査型電子顕微鏡

図1に林外雨（以下全て、試料は特に断らない限り2007(SEM-EDX)により観察した後に、ワックスをクロロホルム

年12月12日から2008年12月21日まで）の体積加重平均によにより抽出し4)、フーリエ変換赤外分光光度計 (FT-IR)やる沈着量、pH、成分割合、降水量を示した。大山での降水

サイズ排除クロマトグラフ (SEC)、GCにより分析した。な

量は940 m地点でやや低いものの、標高による変化は小さ

お、接触溶液中の塩基性陽イオンや中性糖、ウロン酸およかった。沈着量をみると890 m地点の沈着量が多いが、こンの影響を受ける890 m地点以外は、ほぼ同じpH を示した。
図2に林内雨の体積加重平均による沈着量、pH、成分割
合、降水量を示した。林外雨の降水量は標高依存性を示さなかったが、林内雨はモミ、スギ共に標高の増加により降水量の増加が確認された。これは霧水によるもので、高い

0.8

SO42NO3Cl-

2000
0
1.0

7
6

0.6
5

0.4

4

0.2

標高では霧の発生頻度が増すことと風速が増大するため0だと考えられる。大山では1062 m地点は後述するように、

400

890

存する結果となった。
モミ、スギともに林内雨のpHは標高の上昇と共に低下し3ていた。これは標高の上昇に伴いSO やNO といった大気汚染物質を含み酸性度の高い霧水の影響が増すためだと

Oyama in 2008.

る．
図3に霧水の成分濃度、pH、成分割合、採取量を示した。

Deposition(meq/m 2/day)

考えられる。モミとスギではスギの方が沈着量が大きくpHも低いのは、衰退したモミとの樹勢の違いによると思われ採取量は1062 m地点において一番多かった。1062 m地点は尾根上にあり地形的な影響で霧の影響を受けやすく、このSO42NO3Cl-

3000
2000
1000
0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0

ため採取量が極端に多かったと考えられる。

fir

Ca2+
Mg2+
K+
NH4+
Na+
H+

cedar
5

4

680

890

680

890

1062

1252

3

Altitude (m)

前面に樹木があるため、採取地点で霧が薄くなることによると思われる。化学組成では大きな標高依存性がなかった。
940 m地点と1252 m地点における霧水量の差はあまりないが、成分濃度では、1252 m地点の方が高く、高い標高の霧でも高濃度であることがわかる。
-

どの標高の試料にも海塩粒子であるNa 、Cl が多く含まれているが、本研究では霧水採取をパッシブサンプラーで採取しているため粗大な海塩粒子の乾性沈着の影響を受け易いと考えられる。
湿性沈着物中には有機炭素だけでなく有機窒素が溶けており、この溶存有機窒素はタンパク質、ぺプチド、アミノ酸、尿素などが主であるがその詳しい成分はよく知られていない．図 4 に 2008 年 4 月 22 日から 12 月 21 日までの間に採取した各試料中の溶存有機物質と溶存無機
イオンの濃度を示す。溶存有機物質は特に樹幹流から多く検出された。有機窒素は樹幹流や林内雨で高く、季節ごとに見ると 7 月を中心に高い値が示された。有機窒素
は植物由来であると思われるが、７月は林外雨や霧でもMt. Oyama in 2008.
Sample volume(mL/day)

南側の方が成分濃度は高く液量は少ない。これは、北側はFig. 2 Deposition of throughfall at different altitudes inConcentration(meq/L)

pHでは、標高が高くなると低下する傾向が見られた。また、1252 mの北側と南側ではpHに大きな違いが無かったが、

+

3

45

SO42NO3Cl-

30
15
0
1

Ca2+
Mg2+
K+
NH4+
Na+
H+

5.0

0.8
0.6

4.5

0.4
pH

24

1252

Fig. 1 Deposition of rainfall at different altitudes in Mt.

Precipitation(mm/year)

量はモミ、スギ共に標高依存性を示し、林内雨降水量に依

1062

940
Altitude (m)パッシブサンプラーによる霧水採取量が非常に多いため、霧の影響が強いものと思われる。また、林内雨による沈着

Ca2+
Mg2+
K+
NH4+
Na+
H+

1000

pH

着量変化は見られない。pHについても樹冠からの溶脱イオ

3000

69

pH

着量が増加したためである。890 mを除くと標高による沈Precipitation(mm/year)

れは採取器の上方に樹木の枝葉があり、この影響でK+の沈

Deposition(meq/m 2/day)

酸性霧の樹冠への沈着と森林衰退

0.2
0

940

1062

1252S

1252N

4.0

Altitude (m)Fig. 3 Fog-water concentration at different altitudes in Mt.
Oyama in 2008.

高い濃度になった。
ガス成分濃度の標高分布については、全体にばらつきがあるがNH3ガス濃度は標高の上昇に伴って減少している。
NH3ガスは都市部や農村部で濃度が高く、これらの地域か70

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号
3

標高の上昇に伴い減少していた。これはNOxの酸化により生じたHNO3ガスが斜面を上っていく際に霧などに沈着し、除去されていることを示唆している。SO2とHClガスは標高の上昇に伴い増加する傾向を示した。SO2は乾性沈着速度が小さく、沈着しにくいこと、HClガスは酸性ガスと海塩粒子との反応による発生が考えられるが，都市部の上層気

Concentration (meq/L)

ら離れるにつれて減少するものと考えられる。HNO3ガスはも考えられる。
3.2 大山の気象要因

TOC

2

Ca2+
Mg2+
K+
NH4+
Na+
H+

1

0

塊の移流が標高の高いところほど影響を与えていること

SO42NO3Cl-

TON

Rainfall Throughfall Stem-flow Fog-water

Fig. 4 Concentration of various components at different
wet deposition in Mt. Oyama (Apr. 2008 to Dec. 2008).

大山では標高680 m（谷部）、1062 m（尾根上）、1252 m
100

おける風向には特徴があり、680 mでは谷に沿う方向、106280m（尾根上）では尾根を横切る方向からの風が多く、1252 m（山頂）では風向が南側にまとまっており特に南西と南東からの風が多い。1252 m地点において風向が南側にまとまっているのは、観測装置が山頂の南斜面側に設置されていRatio (%)

（山頂）の3地点に風向風速計を設置している。各地点に

rain
rain
+ fog

60

fog
clear

40
20

るためと考えられるが、谷に沿って流れてきた風を観測していることによる。
各標高の平均風速は1062 mが大きい場合がほとんどである。季節別の平均風速を見ると、夏季において1252 m

0
0-6

6 - 1212 - 18

18 - 24

Time

Fig. 5 Frequency of fog and rain at the top of Mt. Oyama.

の風速が1062 mよりも若干高くなる傾向を示したが、その他の季節では1252 mの風速よりも1062 mが上回る。1062m
における風向は、冬季から夏季にかけては南西、南南西からの寄与が大きいが、秋季には北東からの寄与が大きくなる。北東からの風は南西、南南西からの風よりも風速が強い傾向があり、秋季の平均風速は風向の頻度の違いの影響を受けたと考えられる。
大山の標高400 m、680 m、890 m、1062 m、1252 mの5地点で温度測定も行った。一般に山間部での気温は標高の上昇とともに低下する。しかし大山では日中において逆転している地点があった。890 m地点は森の中のため，他の地点に比べ、日中と夜間と気温差が小さかった。また、400m地点と山頂1252 m地点の温度差は夜間よりも日中の方がFig. 6

Contribution of each deposition pathway tothroughfall chemistry besed on the measurement for a fir
stand at 680 m altitude.

大きかった。
図5に2008年後期(9/5-9/18、11/2-12/21)の山頂における視程計のデータによる霧発生イベントの時間帯別発生

3.3 森林樹冠への沈着寄与度

頻度を示した。一般に霧は夜間の方が発生しやすいと言わ

森林床に到達した降水の化学組成は、(1) 森林樹冠かられているが、大山では日中の方が霧発生時間が長い。これの水分蒸発、(2) 葉表面に付着した乾性沈着物の洗浄、(3)は、大山では夜間よりも日中の方が山頂と麓との気温差が樹冠への成分吸収或いは樹冠からの成分溶脱により影響大きいことが関係していると考えられる。

を受ける8）。2004年のフィールド観測結果に基づき、大山山頂における霧イベント発生と風向との関係では、無風

中腹 (標高700 m)におけるモミ樹冠下の林内雨成分沈着時の発生が一番多かったが、風向判別可能な時では南西の量に対する霧水、林外雨、エアロゾルおよびガスの寄与度

風が一番多く、次いで北西の風が多かった。

を樹冠収支法により見積もり、その結果を図6に示した。

酸性霧の樹冠への沈着と森林衰退

71

H+およびNH4+はそのほとんどが大気ガス由来であり、林内処理区ではワックスの層厚が減少し下層部位が露出して雨沈着フラックスの70%以上を占めていた。一般的に、NH3いることも確認された。このような変質は葉表面の親水性

ガスは畜産、化学工場、生物呼吸および微生物分解を発生

また、を増加させ、
結果として濡れ性上昇の要因となる9)。

源としており、雨水や霧水の酸性度を低下させる最も重要

紫外線に対する防御力の低下や病害虫・微生物に対する抵な成分である。NO3-およびSO42- は湿性沈着、乾性沈着共に抗力の低下、クチクラ蒸散や栄養塩類の溶脱等が促進されほぼ同程度の割合を占めており、これらのイオン種の排出ると考えられる。一方、スギ針葉では著しい流亡や変質現源は主に工業地帯の固定発生源や自動車をはじめとする

象が確認されなかった。このことから、ワックスの流亡や交通手段の移動発生源からのNOXやSO2である。現在、我が変質の度合は、霧水の酸性度に依存すると共に樹種により国において観測される霧水の酸性度にはHNO3が大きく関大きく異なることが新たに明らかとなった。

与しているが、これに対する沈着寄与は大山中腹で低い方

図8にはSAFのpHと抽出したエピクチクラワックス量とからエアロゾル (PM2, 1%)、エアロゾル (PM2-10, 14%)、の関係を示した。モミ針葉中のワックス量は、SAFの酸性林外雨 (14%)、霧水 (29%)、ガス (42%)の順であった。樹度の増加に伴い減少傾向を示しており、pH 5処理区に比べ

+

2+

2+

冠から溶脱した無機イオン成分はK , Mg およびCa であpH 2処理区で有意に減少した (P<0.05)。これは、葉面へり、これらの総溶脱量(K++Mg2++Ca2+)は、H+吸収量 とほぼの酸性霧液滴の沈着によりワックスが溶解したためであ等しい。また、林内雨沈着フラックスへの各溶脱成分が占るが、スギではpHの低下によるワックス量の減少は確認さめる割合は、K+, Mg2+およびCa2+でそれぞれ92, 35, 46%でれなかった。図9にモミおよびスギ針葉から抽出したワッあった。

クスのSECクロマトグラムを示した。モミではSAFのpHの低下に伴い主に低分子量領域の成分が溶解しており、これら

3.4 エピクチクラワックスに対する酸性霧の影響
植物葉が空気に触れる表面部分は、エピクチクラワック
スと呼ばれるクロロホルム可溶な非揮発性の脂質層で覆われている。このワックス層は、水分の損失を抑制しており、これによって植物は陸上での生存が可能となっている。
pH 2, 3, 5に調整したSAFの曝露後、モミおよびスギ針葉の表面エピクチクラワックスの状態をSEMにより観察し、その結果を図8に示した。これより、SAFのpH低下に伴いモ
ミ針葉表面の損傷が大きくなることが観察され、特にpH 2

Fig. 8 Effect of pH of SAF on the amount of epicuticularwax.

Fig. 7 Scanning electron micrographs of the leaf surfaceof fir (A) and cedar (B) exposed to SAF at pH 2, 3, and 5.

Fig. 9 SEC chromatogram of the epicuticular wax in fir

The SAF were nitric acid with ammonium sulfate and(A) and cedar (B) treated with SAF at pH 2, 3, and 5.

sodium chloride. Scale bar is 10 μm.

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

72

Fig. 11 Effect of SAF pH on Ca2+ and boron contents in
dRG-II-B. *, significant at P<0.05.

Fig. 12

Digitally acquired images showing treatment

Fig. 10 Effect of pH of SAF on the concentrations ofeffects on mCa in current-year fir needles. (A) pH 5base cations (A), uronic acid (B), and neutral sugars (C)(control); (B) pH 3.

leached from the needles.

の溶解成分は親水性の低級アルコールであろうと推測される。一方、スギではワックス量に変化が見られなかった
ように、分子量分布でも霧水酸性度の影響は確認されなかった。また、分子量較正曲線を使用して算出されたモミおよびスギの分子量分布は、それぞれ200− 3500、100− 800 g
mol-1であった。このように、酸性霧によるワックスの溶解性やその構成成分がモミとスギで異なっており、このことが樹種による耐酸性の違いとして現れると考えられる。
3.5 溶脱量や植物細胞壁成分に対する酸性霧の影響
モミ針葉に対するSAFの曝露終了後に、枝葉に接触した
SAF溶液を回収し、葉からの成分溶脱量を測定した。6時間
曝露処理後のSAFのpHと無機イオン、中性糖およびウロン

酸溶脱量との関係を図10に示した。溶脱現象はpH 5付近でも確認されるが、SAFの酸性度の増加に伴いこれらの成分の溶脱量は増加した。図にはHNO3に(NH4)2SO4およびNaClを添加した系だけでなくHNO3単独系の溶脱量変化についても示した。HNO3単独系に比べ2種の塩を添加した系では、
モミ針葉からの各成分の溶脱量が明らかに増加し、特にpH
3.0− 3.5付近でその増加率は顕著となった。大山でのフィールド観測でも林内雨中のpNO3が3.0− 3.5の時に樹冠からの成分溶脱量が急増することを確認しており、このこと
は酸性霧の植物影響について検討する上で重要な情報と成り得る。溶脱は葉内の塩基性陽イオンと霧水中のH+やNH4+とのイオン交換現象であるので、無機イオンや糖類の溶脱量は表面エピクチクラワックスの流亡の度合いに依酸性霧の樹冠への沈着と森林衰退73存すると推測される。実際、塩を添加した系ではエピクチ

dRG-II-B検出時におけるCa2+およびホウ素含有量を各処理

クラワックスの損傷が大きいことを確認しており、このこ

区毎に示したが、これらの成分含有量はSAFの酸性度の上とが葉からの成分溶脱量を増加させる一因となっている。

昇に伴い明らかに減少した。酸性霧により引き起こされる2+

このように、酸性霧の影響によりモミ針葉からCa や糖細胞壁からのホウ素やCa2+の溶脱がdRG-II-Bによる架橋を類が溶脱することは確認されており、細胞壁への影響が懸切断させ、その結果として細胞構造が弱まったことが予想念される。そこで、モミ針葉の細胞壁からdRG-II-ホウ酸される。

錯体 (dRG-II-B)を可溶化し、次にdRG-II-Bの形態やその分子量に対する影響を新たに調査した。SAF曝露したモミ

3.6 葉肉細胞内のmCaに対する酸性霧の影響

針葉からAIRを分画し、これにエンド型ポリガラクツロナ

植物葉に酸性霧液滴が付着すると、イオン交換作用によーゼ (EPG)を処理することで細胞壁のdRG-II-B領域を可りCa2+を葉表面に分泌することはよく知られており、霧水

溶化することができる。モミ針葉から抽出したEPG可溶性の酸性度が高いほどその溶脱量は増加する。特に葉肉細胞

成分のSECクロマトグラフィー分析を行った。どの処理区内に局在するmCaは、細胞膜構造とその機能を維持する上においても、dRG-II-Bと単量体RG-II (mRG-II)が検出されで重要な役割を担い、また環境ストレスに対して強い応答た。各成分の分子量はdRG-II-Bで12.0 kDa、mRG-IIで6.2を示すことも報告されている6)。このようなCaが酸性霧にkDaであり、mRG-IIの分子量はdRG-II-Bのそれに比べ半減よりどの程度減少するかを調査することは重要である。こしていた。また、総RG-II (= dRG-II-B + mRG-II)に占めこで使用したCTCは、生体膜と結合しているCaと特異的なるdRG-II-Bの割合はpH 5処理区で82.6%であったのに対し、親和性を有する選択的蛍光プローブである。図12にはCTC

pH 2処理区では76.1%まで減少していた。図11にはで染色したモミ当年生針葉のCa2+-CTC錯体の蛍光発光を示

Fig. 13 Seasonal variations in mCa and tCa from current-year needles exposed to SAF of pH 3 and pH 5 (control). (A) Fir needles; (B)Cedar needles. *, significant at P<0.05; **, significant at P<0.01; ns, not significant.

Fig. 14 Effect of SAF treatment on number of leaves during July-December 2005 and during April-October 2006 (A) andrelationships between the normalized leaf number index and temperature during July-December 2005 (B). *, significant at P<0.05;**, significant at P<0.01; ns, not significant.

74

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

Fig. 15 Effects of long-term exposure to acid fog on
beech seedlings relative to the number of winter buds andthe weight (A), evolution of sprouts (B), and dry matter

Fig. 16 Effect of long-term exposure to acid fog and/or

weight in parts of beech seedlings (C). *, significant at

O3 on beech saplings relative to the top-root (T/R) ratio (A)P<0.05; **, significant at P<0.01

and total plant biomass (B). Data are presented as
average values and standard errors (n=8).

す。図中に表示したダイアグラムより、葉肉細胞に隣接した細胞膜上で蛍光輝度強度が強くなること、つまりmCaが検出されていることを確認した。上下の蛍光画像の大きな違いは、蛍光輝度強度がpH 5処理区に比べpH 3処理区で低いことである。2007年5月から2008年3月までにおけるモミ
針葉中のmCaおよびtCaの季節変化を図13に示した。晩夏から初冬にかけてpH 5処理区ではpH 3処理区に比べmCaレベルが大幅に増加しており (P < 0.01)、2007年12月には最頂点に達した。植物組織は低温のような環境ストレスに曝された時、アポプラストのCa2+を細胞内のプールに輸送することがこれまでに明らかとなっている10)。それ故に、初秋から冬にかけて気温が下がる時に、pH 5処理区における両樹種の当年生針葉中のmCaレベルは増加したと予想される。図にはスギ針葉中のmCaの季節変化も示したが、モミ
針葉の場合と同様に、pH 5処理区における当年生針葉のmCaレベルは冬季に最も高くなった。しかしながら、モミ
針葉で観測された結果とは対照的にSAF曝露の影響は確認できなかった。このことは、スギに比べモミは酸性霧に対する高い感受性を保有していることを示している。なお、
tCaの季節変化はmCaとは異なりモミおよびスギ針葉共に観測されておらず、このことはH+とmCaのイオン交換反応の方がtCaのそれよりも重要であることを示している。
3.7 酸性霧の単独或いはO3との複合ストレスに対するブナ
苗木の生長および生理応答
丹沢山地で観測されるブナ林枯損に対する酸性沈着物の役割を明らかにするために、ブナ苗木に対して2004年9月から2006年7月までの長期間にわたるSAFの曝露実験を行い、その影響について調査した。可視障害 はpH 3処理区の大半の苗木で発生しており、液滴が滞留する葉脈沿い或いは葉縁の先端で特に著しかった。また、pH 3処理区では2005年4月に2個体が、2006年4月にはさらに1個体が枯死した。 次に葉の展開パターンに対する酸性霧の影響を調査するために、芽吹き以降に各苗木の葉数を測定し、その結果を図14に示した。2005年7月時点の葉数は、pH 3処理区および対照区でそれぞれ510±48 (n = 10)、775±86 (n= 12)であり、両処理区間の差は有意であった (P < 0.05)。
2006年7月にはこの傾向が一段と明確化し、pH 3処理区の葉数は381±93 (n = 9)まで減少し、対照区 (n = 11)の約53％になった。各処理区における葉数の測定結果から落葉

酸性霧の樹冠への沈着と森林衰退速度を算出したところ、pH 3処理区では9月頃から落葉が75減少が主な原因であると考えられる。

始まっており、この時点の落葉速度は3.04 day-1でありpH 5

2006年12月に各SAF処理区から全てのブナ苗木を収穫し処理区の1.75 day-1と比べ約2倍高く、葉数は7月当初の80%たところ、pH 3処理区の冬芽は対照区に比べほとんど生長程度まで減少した。また、同じく80%となった時期をpH 5

しておらず、冬芽の数とその質量は、pH 5処理区に比べpHと比較すると落葉時期は約1.5ヶ月早まっていた。

3処理区で有意に減少していた (P < 0.05)（図15）。また、幹内の栄養供給状態を把握するために、2006年12月の収2006年10月時点における総冬芽数に占める未展開冬芽数

穫時に幹根元から3 mm厚の切片を切り出し、ヨウ素デンプの割合を示したが、その割合はpH 3処理区で著しく高くン反応を利用してデンプン存在域を青紫に呈色した11)。な(P < 0.01)、このことが葉数の減少の一因であると推測さ

お、幹内のデンプン蓄積量は、幹断面積に対する染色面積れる。さらに、葉や枝、幹、根 といった各部位の乾物生の割合として算出した。その結果、pH 3処理区およびpH 5

長量を測定したところ、pH 5処理区に比してpH 3処理区で処理区における平均デンプン蓄積量は、それぞれ生長量の減少が観測され、 特に葉部や根部で有意に低下

7.73±1.6 (n = 9)、21.4±2.3% (n = 11)であった 。落した (P < 0.05)。以上のような実験的研究により、丹沢

葉樹は冬芽を形成するために、秋季から冬季にかけて枝や山地で進行しているブナ林衰退の原因の一つとしての酸

幹中の柔細胞に蓄積したデンプンを材料として使用する。

性霧の影響が明らかになった。しかしながら、丹沢山地でここで観測された幹内のデンプン蓄積量の減少は、葉数のは光化学オキシダントの主成分であるO3の大気濃度も高Table 1 Effect of long-term exposure to acid fog and/or
O3 stress on the concentration of starch in roots, leaves,and winter buds and the number of leaves of beech
saplings harvested in August 2008.

く、衰退に関与している可能性が指摘されている12)。現在、
フィールドで観測される濃度レベルの酸性霧やO3が樹木の衰退に関与している可能性を検討するには、ブナ苗木に対する長期間の曝露実験が不可欠であり、このような実験例はまだ報告されていない。そこで、2007年5月から2008
年7月までブナ苗木に対して長期間の酸性霧とO3の曝露実験を行い、生長および生理応答の評価を行った。
図16には総乾物生長量 (=冬芽重量+葉重量+枝重量 +幹
重量+根重量)および地上部 (=冬芽重量+葉重量+枝重量 +幹重量)と地下部重量 (根重量)の比 (Top-root ratio,T/R)を示した。酸性霧或いはO3の影響によりT/Rは減少、すなわち根の生長が抑制されたが、その他の部位について
は酸性霧単独処理と酸性霧-O3複合処理区間との間に有意な差は見られなかった。酸性霧やO3の単独曝露による乾物
生長量の低下はこれまでにも報告されているが13,14)、酸性
霧とO3の相加作用についても本実験で設定した条件下において確認された。
表1に各部位におけるデンプン含有量の測定結果を示す。
植物体内に貯蔵されるデンプンは次年度の新芽の準備や葉のフラッシュの原動力となるばかりでなく、環境ストレスにより傷付いた箇所の修復に用いられるなど非常に重要な役割を果たす。酸性霧やO3の曝露が招いた葉の減少により、植物体内のデンプン含有量は有意に減少した。特にpH 3 SAF-O3 (AF3-O3)処理区において相加効果が観測され、根や葉内のデンプン濃度は他処理区に比べ著しく減少していた。根部におけるデンプン蓄積量の測定は、植物全体の炭水化物含有量を予測する上でよい指標となることが知られており15)、それ故に、根部のデンプン含有量の低下
はブナ苗木の寿命を縮めることが予想される。

76

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

以上のように、フィールド観測および長期にわたる環境(2) P.Albersheim, DJ.Nevins, PD.English, A.Karr, Carbohydr.

ストレス負荷実験により、酸性霧が森林樹木に及ぼす影響

Res., 5, 340-345 (1967).

について総合的に明らかにされた。酸性霧ストレスを樹木(3) N.Blumenkranzt, G.Asboe-Hansen, Anal. Biochem., 54,に負荷することにより、水分ストレスや低温ストレスを招484-489 (1973).

く可能性を示し、また、植物に有害な大気汚染ガスとして(4) H.Sase, T.Takamatsu, T.Yoshida, Can. J. For. Res., 28,

知られるO3の感受性を高めていることが明らかとなった。

87-97 (1998).

さらに、大山で衰退が観測されるモミと観測されないスギ(5) T.Ishii, T.Matsunaga, N.Hayashi, Plant Physiol., 126,とで樹種間の比較を行った結果、エピクチクラワックスや

1698-1705 (2001).

mCaレベルに著しい樹種間差異が見出された。

(6) M.Jiang, R.Jagels, Tree Physiol., 19, 909– 916 (1999).
(7) M.Igawa, H.Kameda, F.Maruyama, H.Okochi, I.Otsuka, Environ.

本研究の実施により、緒言で掲げた目的はほぼ達成した

Exp. Bot., 38, 155-163 (1997).

と考えられるが、今後はさらに、酸性霧の沈着がフィール(8) GG.Parker, Advances in Ecological Research, 13, 57-133

ドにどのように影響を及ぼしているか，丹沢山塊全体およ(1983).

び日本全体に把握し、今後の対策を検討していく必要があ(9) H.Sase, Y.Takamatsu, T.Yoshida, K.Inubuki Can J For Res

る。

1998; 28: 546-556.
(10) PG.Schaberg, DH.DeHayes, GJ.Hawley, PF.Murakami,

謝辞
以上、2008 年度の研究成果を中心にこの共同研究で明GR.Strimbeck, SG.McNulty, Can. J. For. Res., 32, 1351-1359(2002).

らかになったことをまとめて示した。なお、この研究は(11) A.Peirs, N.Scheerlincl, AB.Perez, P.Jancsók, BM.Nicolaï.

当研究室構成員全員でサンプリングや分析を協力して行

Postharvest Biol. Technol., 26, 199-207 (2002).

っており，
この報告は 2008 年度の鴫原亜土君の博士論文(12) M.Takeda, K.Aihara, J. Jpn. Soc. Air Pollut., 42, 107-117と桜井 怜君の卒業論文を元にしている。また、採取や(2007)[in Japanese].

データ取得に当たっては大山阿夫利神社や伊勢原市役所(13) M.Igawa, T.Kase, K.Satake, H.Okochi, Environ. Pollut.,のご協力を頂いた。ここに記して謝意を表する。

119, 375-382 (2002).

4. 引用文献

Physiol., 17, 805-811 (1997).

(1) 井川 学、 松本 潔、大河内 博、神奈川大学工学研究所報、(15) P.Ziegler, Advances in phloem transport and assimilate

31, 58-63 (2008).

compartmentation, Presses Academiques (1991) p.196– 203.

(14) CP.Andersen, R.Wilson, M.Plocher, WE.Hogsett, Tree

77

出会い頭事故未然防止の研究－交差点カーブミラー視認性評価と再設計マニュアル開発－
堀野 定雄＊

森 みどり＊＊

久保 登＊＊＊

北島 創＊＊＊＊

Ergonomics study on prevention of crossing collisions at urban intersections-Visibility evaluation and manual development of re-installing traffic convex mirrorsSadao HORINO＊

Midori MORI＊＊

１ はじめに∗わが国では，以前より交通事故件数の 1/4 を出会い頭事故がNoboru KUBO＊＊＊

Sou KITAJIMA＊＊＊＊

工学研究所所報)(6)においても報告しており，あわせてご参照頂
ければ幸甚である．

占める状況が続いている．本研究室は神奈川県警の依頼で横浜市鶴見区の事故多発交差点でフィールド調査を行い，無信号交

２．研究目的差点における出会い頭事故の要因が，一時不停止や安全不確認

全国に 224 万本以上設置されている（2009-7）カーブミラーを生み出す「見えない交差点環境」にあることを見出した(1)(2)(3)は視認性に問題があるものが少なくない．本研究は，これらの無信号交差点の左右の視界は，一般に道路隅部の建物などにカーブミラー設置の適否を容易に総点検できるような手法の開よって遮られている．このため，特に非優先道路から交差点に発，および新設・改修工事に際して，現場での設置・調整方法

差し掛かった車両に対して，左右の視界を補助し，安全確認をを標準化・簡易化することを目的とした．また同時に，3 次元円滑にするよう，反射鏡（以下カーブミラーと呼ぶ）が設置さコンピュータグラフィックス(CG) を活用したシミュレーショ

れる場合がある(4)(5). 上記フィールド調査では，このカーブミン手法を開発し，カーブミラーの視認性評価方法と適切な補助

ラーが映し出す鏡像の視認性の適否によって，出会い頭事故の視界を得るために有効な設置基準を明らかにして，カーブミラ発生に差があることがわかった．

ー再設計・調整の指針を道路管理者に提案する事も企画した．

本稿では，無信号交差点でのカーブミラー鏡像による補助視界に着目し，適切な補助視界が得られるようなカーブミラー設

３．研究方法

置条件を整理・評価し，このような条件を容易に実現できるよ

筆者らが提案する，カーブミラー視認性の人間工学 3

うなカーブミラー設置・調整方法について検討を行った．
また，原則(図 1)(1)(2)(3)を満たすミラーの設置条件(位置・角度)

これらの結果をもとに，カーブミラー設置作業に用いることがを迅速かつ正確に測定し調整する方法について，特に実できるような指針の策定も考慮した．

際の交差点で最小限の交通阻害で安全円滑に実施できる

本稿は，2007・2008 年度にわたって研究助成を受けた，工学

ことを前提条件とし，フィールド研究および 3 次元 CG研究所共同研究の成果概要を報告するものである．研究方法・

ソフトウェアを用いたシミュレーション研究を併用した

経過の詳細については，2007 年度共同研究中間報告( 2008 年度

実証的な研究開発を試みた．
研究に際しては，必要に応じて，国土交通省道路局，横浜市*准教授 情報システム創成学科
Associate Professor, Department of Information Systems Creation**助手 情報システム創成学科
Research Associate, Department of Information Systems Creation***客員研究員 工学研究所高安心超安全交通研究所
Guest Researcher, Research Institute for Well-informed andRisk-free Transportation (KU-WIRF)****特別研究員 工学研究所高安心超安全交通研究所
Research Fellow, Research Institute for Well-informed andRisk-free Transportation (KU-WIRF)

鶴見・港南土木事務所，(社)全国道路標識標示業協会，警察庁，神奈川県警など，関係行政機関のご協力を得た．
3.1 カーブミラー視認性評価のフィールド実証実験(財)日本自動車研究所(JARI) 模擬市街路実験施設および同研究所城里屋外実験施設(テストコース)で，ミラーの設
置位置・角度(水平角・俯角)と視認距離の関係を測定す神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

78

るため，以下の実験を行った(図 2, 図 3）．
(1)カーブミラーによる接近車両の視認距離測定

3: 中心

3: 無

3: 有

高齢者3 名・非高齢者3 名を被験者とした，乗用車・50cc 原付バイクの視認距離実測に基づき，ミラーの直径・曲率と視界の有効性を検討した．
(2)カーブミラー設置条件(許容範囲)の測定と評価
乗用車/小型トラック運転者視点から，ミラーで視認できる車両の視距離かつ衝突回避可能な安全視距離を満たす条件(設置位置・角度)を測定，整理した．最終的に，
直接視界/ミラー間接視界の連続性確保(隅切り･妨害物

2004 f2004 j2004 f

①道路位置
鏡面内中心

②死角要因
なし

③距離感支援路面
表示あり④性能を維持のための継続的保守効果)の視点から，ミラー設置条件を基準化する．
(3)カーブミラー位置決め・調整方法の開発と評価

図 1 カーブミラーの人間工学設置基準

実路・テストコースなどで視環境の適否を検討するため，可搬型組立式ミラーやミラー位置決め用マーカーランプなどを製作し，実用性を確認した後，これらの実験装置・器具を用いた視認性実験を実施した．ミラー設置条件を道路における設
置位置・角度(水平角・俯角)条件で表すこととし，設置角度測定法を開発し，精度・効率を実験的に評価した．
3.2 3 次元 CG ソフトウェアを用いたカーブミラー設置
シミュレーション
高速画像処理コンピュータを駆使し，3 次元 CG ソフ
トウェアを用いたシミュレーション手法を実践的に開発した．シミュレーションの再現性を検証後，典型的な交差点環境におけるミラー設置条件をシミュレーションし，
ミラー視認性評価，調整手順の標準化・簡易化に資する．

図 2 カーブミラー視認性評価実証実験の状況(JARI 模擬市街路施設)

４．研究成果4.1 カーブミラー視認性評価のフィールド実証実験
実際の交差点環境を模擬した実験路等において，以下の項目を確認，観察した(JARI つくば模擬市街路：2007-8,
JARI 城里屋外実験場：2007-12, 2008--3, 神奈川大学体育館：2008-2)．
4.1.1 カーブミラーの大きさ・曲率と接近車両の視認性
ミラーの大きさ・曲率（①直径 600mmφ：曲率半径フィット
全長：3.9m
全幅：1.55m
全高：1.49m
ミラー位置：左クラウン
全長：4.69m
全幅：1.695m
全高：1.445m

60m

10m

φ

2200mm，ステンレス製、②800mm ：曲率半径 3000mm，ガラス製)と接近車両(①乗用車セダン、②原付バイク)のミラーによる視認距離の関係を測定する実車走行実験を行った．被験者 6 名対象に，交差路右方の交差点境界線より 200m 遠方から 0m 地点まで車両を低速走行させ，交差

ミラー高さ：2.5m
曲率半径：3000mm
直径：800mm
道路幅員：3.5m
横断歩道：4m

点左方コーナーに交互に設置した 2 種類のカーブミラーによる見え方(視認距離)を比較測定した(図 2, 図 3）．

図 3 3 次元 CG シミュレーション結果

視認距離実測値と安全視距離(理論値)に基づき，
ミラー視界[事例 1]カーブミラー視認性実証実験の再現(見え方・視認距離)の有効性・妥当性を検討した．対象が乗(JARI 模擬市街路施設)用車の場合，大型ミラー（800mmφ)での視認距離は平均

出会い頭事故未然防止の研究

86m，レンジ（66, 101 m）に対し，小型ミラー(600mmφ)

79

車およびトラックの運転者視点から測定し，ミラー鏡像

は 58m（49, 70 m）と縮小した．原付バイクの場合，大型を写真記録した．
その結果，上記の条件を満たす範囲は，ミラーでの視認距離は 50m（40, 56m）
，小型ミラーでの左では水平角 43-46°，俯角 4-9°，中央で水平角 33-36°，

視認距離は 39m（30, 55m）であった．ミラーの大きさ・

俯角 6-9°，右で水平角 21°，俯角 10°程度で，調整可能な水曲率や車両の種類による視認距離など大まかな傾向が確

平角・俯角の許容範囲は狭いことが実証された(図 4)．

認でき，ミラーを介して接近車両を安全に発見する有効性・妥当性が予備的に検討できた．

4.1.3 カーブミラー設置位置検討・調整方法の開発と評

ミラーの主要な素材としては，ガラス，ステンレス，

価：可搬型・組立式カーブミラー

メタクリル樹脂，ポリカーボネート樹脂があり，各々反実路・テストコースなどで視環境の適否を検討するため，新射率などの特性が異なる(4)(5)．ミラーの大きさ・曲率や車たに可搬型組立式カーブミラーや位置決め用マーカーランプ

両の要因に加えて，ミラー材質，実験条件・手順，被験などの実験装置・器具を製作した．

者属性など諸要因の効果を実証すること，実際の交通場(1)組立式カーブミラー(1 号機)の試作と実用性評価

面での視認性の推定と安全視距離確保の検討等が今後の普通乗用車で簡易に搬送でき，実際のカーブミラー

課題と確認できた．継続研究として，ミラー視認距離測（800mmφ および 600mmφ）を設置できる実験用の組立式定実験を実施し検討する予定である．

ミラー(1 号機)を，市販のアルミ製伸縮式脚立と特注のアルミ製支柱を使用して製作した．屋外組立試験・テスト
コース実験により，学生４人程度の協同作業で短時間で4.1.2 カーブミラー設置条件(許容範囲)の測定・評価
交差点の左・中央・右の 3 箇所に設置したカーブミラの組立・分解が可能であること，安定性・強度など実用ーで，安全視距離を確保できる条件として，右方の遠点(境上の問題がないことを確認した．

界線から 60m)と近点(0m)の車を同時に映す角度を乗用(2)水平角調整式カーブミラー (2 号機)の試作と機能評価

乗用車 (セダン)

小型トラック
中央

左右水平角 45°水平角 46°水平角 33°水平角 36°

俯角 4°

俯角 9°

俯角 6°

俯角 9°

図 4 カーブミラーの視認性評価実験：設置条件(位置・角度)の検討(乗用車とトラック運転者視点の比較)

水平角 21°俯角 10°

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

80

ミラーの水平角を調整できる実験用カーブミラーとし

ミラーは反射光全てを反射せず一部吸収するが、その度て，アルミ製の筒状ポール 2 本をつなぎ，水平角 1 度刻

合いは素材によってばらつくことを示している。また，

みの目盛りを付けて＋（時計回り），－（反時計回り）方

光源の種類によって減衰程度にばらつきがあり，実際の向に微調整が出来る構造の 2 号機を設計・製作した．本交差点ミラーに当てはめると，接近車両が発する光の種

ミラーの組立をテストコースで行い，構想どおりに容易

類で視認距離が左右されることを示唆している．

に組み立て，角度が変化できることを確認した．1 号機・2 号機を利用して，実際のミラーと同様の鏡像をフィールドで容易に得られることを確認，いつ，どこでも簡便

4.1.5 可搬型カーブミラー・位置決め用マーカーランプを用いたカーブミラー視認性評価実験にミラー実証実験を実施する手法を整えることができた．

(1)カーブミラーの設置角度の簡便で正確な測定法

4.1.4 カーブミラー設置位置検討・調整方法の開発と評

ーブミラー中心の接平面における法線）を求めることで

価：カーブミラー位置決め用マーカーランプ

測定できる．
光軸は，光軸上の観測者が鏡面中心に映る，

ミラー設置角度（水平角・俯角）は，ミラーの光軸（カ

工事現場を想定して工事中の交通阻害を最少化し，ミあるいは鏡面中心の像をなす物体とその観測者を結ぶ線

ラーが確保すべき見通し距離を検証するため，実際の車分は光軸と交わることを利用して求めることができ，テ両を使用せず，高輝度マーカーランプで道路上の交差車

ストコースにおいて確認した．鏡面中心は、ミラー直径方向両を代替する手法を開発した．ミラー位置決め・調整時に張ったゴム紐 2 本の交点で特定し、マーキングした．

の視界確認方法として，視界限界となる遠・近距離２点(2)カーブミラー設置角度による鏡像範囲の変化を特定するため，ミラー反射で視認可能な高輝度光源をミラー鏡面に映し出すべき路面領域は，ミラー設置角

市販品から選定あるいは自作し，視認性・実用性を実験

度（水平角・俯角）のわずかな変化で大きく変化する．

的に評価した．

このため，ミラー設置角度を少しずつ変化させ，鏡像に(1)ミラー位置決め用マーカーランプの視認性評価

映る領域がどのように変化するかをテストコースで観察

マーカーランプの候補として，高輝度光源４種類各２
色計７種類の，①TV 局照明用 LED ランプ（DC12V

した．その結果，適切な鏡像を得られる範囲は，水平角・俯角の双方とも数度以内であることがわかった．

LED1.2w[A1 白･A2 黄])，②100V 用白熱灯（100W ハロ

今後は，ミラー設置角度（水平角・俯角）や光軸角度

ゲンランプ）[B1 白])，③回転灯（パトライト）35w[C1を簡便かつ高精度に測定する方法の検討が必要である．

黄･C2青]，④反射鏡つきLEDランプ3LED直列型DC12V，
3w[D1 白･D2 緑]を用意し，テストコースの交差道路中央線の高さ１ｍに設置し，被験者７名を対象に視認距離を4.2 3 次元 CG ソフトウェアを用いたカーブミラー設置
シミュレーション

測定，各ランプが直接目視およびカーブミラー鏡像内でテストコース・実路を対象に，3 次元 CG ソフトウェア

確認できる距離を測定した．各ランプを連続光，点滅光を用いたシミュレーション環境・手法を開発した．交差の 2 モードで実験した結果，視認距離が最長だった光源点に設置されたカーブミラー反射像を，実際の道路交通

は回転灯（C1 黄色），反射鏡つき 3LED 直列型（D1 白・

状況に合わせて再現できるシミュレーターを構築し，カD2 緑）の 3 種類で，境界線から 150m の位置で点滅させーブミラー視認性評価・調整手順の確立を図った．

ても全員が見えた．全ての光源が，最短でも 90m 以上視認可能で実用上問題はなかった．電源確保などの使いやすさ，コスト面を考慮すると，今回自作した反射鏡つき
3LED 直列型が最適であった．
(2)ミラー位置決め用マーカーランプの輝度測定

4.2.1 [事例 1] カーブミラー視認性評価実験状況と実験
用カーブミラー視界の再現：模擬市街路実験施設
第１段階として， JARI 模擬市街路実験施設で実施した，カーブミラー視認性評価実験の実験状況と実験用カ

神奈川大学体育館内で，(1)の実験で視認性の高かったーブミラー視界の再現を行った．CG ソフトウェアとし

回転灯，反射鏡つき LED ランプ，100V 用白熱灯について，モデリング・レンダリング等の手法が多様で高速処て，70m の距離から直接およびカーブミラー（600mmφ，理が可能，比較的安価で汎用性が高いことから，「Shadeφ

800mm ）鏡像内における輝度を測定した．輝度について9」を選定した．

は，カーブミラー反射により，ガラス製 800mmφ では平開発したシミュレーションツールに実験状況（道路形

均 22%，レンジ（8%，73%），ステンレス製 600mmφ で状・諸元，車両・ミラー・路面表示・実験設備の位置・は平均 15%，レンジ（7%，51%）に減衰した．これは、距離・寸法等）を入力し，実データの再現性を検証した

出会い頭事故未然防止の研究

81

結果，これらの条件をほぼ正確に再現でき（図 2, 図 3），
実用性があることが実証できた．
図 5 は，交差点右に設置し，ミラー視認性 3 基準を満たすよう右方視界を写した実験用カーブミラー視界（左）とシミュレーションしたカーブミラー視界（右）の一例
で，鏡像の形状・大きさや見え方の細部に若干の相違が見られるものの，道路・路面表示・車両等の位置・距離はどの事例でもほぼ一致した．
図＊ 3 次元 CG シミュレーション結果
4.2.2 [事例 2] カーブミラー設置交差点におけるミラー鏡

図 5 [事例 1] カーブミラー鏡像の再現

像シミュレーション：横浜市鶴見区芦穂崎交差点

左：実際，右：シミュレーション

人間工学研究室では，2004 年より，横浜市鶴見区芦穂

車の位置，大きさが一致している．

崎地区の市街地交差点でミラー設置状況および改善提案の実施状況をフィールド調査し，改善効果を検討してきた(1)(2)(3)(7) ．横浜市道路局鶴見土木事務所は，芦穂崎交差点に設置した死角のあるミラーに対して，電柱による死角が道路を遮蔽しないようにミラー取付方法を微調整(支柱からアームを延長)し実質的に死角を解消する改善を実施した（2007-7，図 6）(7) ．この改善効果を確認す
るフォローアップ調査を行い，事例 2 として開発した 3
次元 CG シミュレーションを適用，この交差点の視環境と改善後のミラー設置状況を模擬し，鏡面内実鏡像と視界や死角発生状況の再現性・一致度が高い事を確認した．
以上，3 次元 CG シミュレーション法を活用し，既設ミラーの点検・補修工事の計画段階で，ローコストで点検・改修効果を詳細に検討することが可能になった．
4.2.3 [事例 3] カーブミラー未設置交差点におけるミラー
設置シミュレーション：横浜市港南区日野交差点
事例 3 として，横浜市港南区の住民が危険性を認識しているミラー未設置の十字路無信号交差点で，3 次元 CG
シミュレーションを実施した．すなわち，交差点環境を再現し(図 7, 図 8)，各方向の乗用車運転者視点から，直接視界と視認性が最大となるミラー設置案(交差道路の

電柱死角

ミラー角度調整で
死角、道路を外す

目視距離最大、死角なし)を検証した．また，可搬型組立式ミラー(800mmφ)を現場に設置してシミュレーション(8)

案を再現し，鏡面内実鏡像との整合性を確認した．

(1)ミラー設置最適解シミュレーションおよびフィール

図 6 カーブミラー視認性の改善(横浜市鶴見区芦穂崎交差点， 2007-7 補修)
死角は残るが、道路を遮蔽していない

ド実験
4 方向各々の乗用車 EP（運転者視点）からミラー視認性が最大となる最適設置案をシミュレーションした．例

高い事を確認できた(図 9) ．
(2)ミラー角度微調整と鏡像の変化

えば，③車ミラー視界では，
交差点中心からC 方向70m，コーナーAD 設置ミラーの水平角を 1°調整すると、鏡D 方向 50m 程度の視認距離を確保できた．実験用ミラー

面内車両②の後方視認距離は約 10m 変動することが実を用いたフィールド実験でこの案を再現したところ、視証できた(図 10)．同様の傾向は俯角でもみられ，俯角･認距離･死角発生状況を含め，
鏡面内実鏡像との一致度は水平角の微調整は、適切なミラー視界の確保上重要な要

82

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

因であるとわかった．
以上，3 次元 CG シミュレーション法の活用により，ミラー未設置交差点においてミラー新設後の鏡像の状況を模擬し，設置案の適否を詳細に検討することで，安全視認距離確保、交差車両の早期発見が実現，フィージビ

公園

民家①
A優先

リティの高いミラー設置最適解を導くことが可能になる．
D非優先

4.3 カーブミラー設置，調整用マニュアル開発

C非優先

カーブミラー設置・改修計画段階で利用できる資料作
成の第 1 段階として，複数の交差点環境でカーブミラー
視認性基準を満たす一定の設置位置・角度条件(許容範囲)を整理し基準化を進めた．一方，現場で短時間に調整

図 7 [事例 3] カーブミラー未設置交差点におけるミラー設置シミュレーション

出来るカーブミラー位置決め，設置角度測定・調整簡便法と標準化手順を開発・検討し，マニュアルの骨子の整

横浜市港南区日野交差点の視環境：備を進めた．

③→① 優先側(坂下) の交差点視界

５．まとめ
本研究では，カーブミラー総点検および新設・改修工事に利用できるミラー設置・調整の標準的簡便法を提案するために，(1)交差点視環境の定量評価，(2)視環境検討用の可搬型

B 非優先

②

組立式カーブミラー・位置決め用マーカーランプなどの開発，③ C 優先/坂下(3)これらの実験装置・器具を用いたミラー視認性評価フィールド実験，(4)コンピュータ上でミラー視界を含む視環境を再現
する3 次元CG ソフトウェアを用いたシミュレーターの開発，(5)開発したシミュレーターによる最適な視環境やミラー設置
位置の検討，などを実施してきた．
この結果，これまでのカーブミラー設置・調整法は現場適用

D 非優先

①
A 優先/坂上

公園④

が容易な基礎的方法論が不足し現場作業は感覚と経験に多く依存していること，不良な交差点視環境の原因が種々の視覚的障

図 8 [事例 3] カーブミラー未設置交差点における害物や不適切に設置したミラー等にあること，ミラーにより良ミラー設置シミュレーション

好な補助視界を得るための調整範囲（位置・角度）は予想外に

横浜市港南区日野交差点の再現

狭いこと，鏡像内に映る接近車両の視認距離がミラーの大きさ
等によって変化すること，などが明らかになった．
また，現場での設置・調整方法の標準化・簡易化以前に，一ーブミラー視認性シミュレーションを系統的に展開していく予定である．

定の視界・視認性を確保するカーブミラーの設置条件を検討すカーブミラーによる間接視界の改善は，既設ミラーについて

る基礎的データベース，特に良好な補助視界を得るために有効は角度の調整，新設ミラーについては適切な設置位置・角度のな交差点ミラーの指針が土木工学分野の産官学いずれにおいて決定で十分であるため，基本的にローコストで実現できる．今も存在しないことも明らかになった．この事実を関係諸機関に後は，本研究内容を理解し，協力体制を取りつつある国・県レ

指摘した結果，現在は国・県レベルで現状改善の真剣な動きがベルの行政組織に働きかけて，カーブミラー視環境改善を全国起こっている．

展開することにより，カーブミラーの間接視界不良による出会

以上，これまでの研究成果として，カーブミラーの視認い頭事故の低減を図りたい．

性評価方法と適切な補助視界を得るために有効な設置基準，カーブミラー再設計・調整の指針を抽出する第１段階として，

謝 辞

研究方法論と基礎的知見が整備できた．今後は，これら本研究を進めるに当たり，人間工学研究室所属の卒業の成果を活かし，カーブミラー視認性評価実験およびカ

研究生であった，猪股裕二，笹山博樹，廣田祐子，杉山出会い頭事故未然防止の研究

83

洋紀，小野雅史，福永佳洋，渡邉修平の各氏にフィール
ド調査，3 次元 CG シミュレーションなど熱心な協力を得た．さらに，行政として国土交通省道路局地方道・環境課，関東地方整備局，神奈川県警，横浜市道路局，同
鶴見土木事務所，同港南土木事務所、川崎市道路整備課など交通管理・道路管理関係各氏，(社)全国道路標識標
示業協会関係各氏，産業界として道路反射鏡協会関係各
氏，学術研究者として(財)日本自動車研究所安全研究部，予防安全部，研究管理部関係各氏，（独）国土技術政策総合研究所土木工学研究者各氏、更に地域住民として、横浜市港南区日野住宅地自治会長以下会員各氏に多大の助言やご協力を得た．心からの謝意を表すものである．
参考文献(1) M. Mori, S. Horino, S. Kitajima, M. Ueyama, T. Ebara, T.
Itani, “Ergonomics solution for crossing collisions based on afield assessment of the visual environment at urban
intersections in Japan”, Applied Ergonomics 39, (2008-8) , pp.
697-709.

左：コーナーAD

図 9 [事例 3] カーブミラー未設置交差点における(2) M. Mori, S. Horino, Y. Inomata, H. Sasayama, Y. Hirota,“Low-cost and low-technology oriented improvement of visual

右：コーナーAC

ミラー設置シミュレーション
横浜市港南区日野交差点：

environment at intersections by ergonomic installation of③車からみたミラー設置最適解

traffic convex mirrors for preventive safety against crossing(上：フィールド実験、下：シミュレーション)

collisions”, Proceedings of the 10th Korea-Japan Joint
Symposium on Ergonomics, CD-ROM, (2007-5).
(3) 堀野定雄，森みどり，猪股裕二，笹山博樹，廣田祐子，“カーブミラー視認性改善と出会い頭事故削減－横浜市内生活道路広域交差点でのフィールド調査－」日本
人間工学会誌第 43 巻特別号，(2007-6)，pp. 62-63.
(4) (社)日本道路協会，“道路反射鏡設置指針”，丸善出版，（1980）．
(5) 国土交通省道路局監修，(社)全国道路標識標示業協会
編,“道路反射鏡ハンドブック”，(社)全国道路標識表示業
協会，（2001）．

図 10 [事例 3] カーブミラー未設置交差点におけるミラー設置シミュレーション(6)堀野定雄，森みどり，久保登，北島創，平成 19 年度
神奈川大学工学研究所共同研究中間報告“出会い頭事故

横浜市港南区日野交差点：

未然防止の研究－交差点カーブミラー視認性評価と再設③車→②方向 ミラー設置案の検討

計マニュアル開発－”，神奈川大学工学研究所所報，第31 巻，(2008-11)，pp.78-84.

ミラー水平角と②車後方視認距離の変化(左：－42°/ 約 60m、右：－43°/ 70m 以上)
設置最適解(7) M. Mori, S. Horino, N. Kubo, S. Kitajima, “Ergonomics
proposal for visibility requirements at urban intersections in[俯角：7゜(左右共通)、白黒マーク各 10m]

Japan for preventing frequent crossing collisions”, Proceedingsof the Applied Human Factors and Ergonomics 2nd“市街地無信号交差点における視環境評価と出会い頭事

International Conference, CD-ROM (2008-7).

，日本人間工学会誌第 45 巻特別号，(2009-6) ，故防止”(8)森みどり，堀野定雄，久保登，福永佳洋，渡邉修平，pp.286-287.

84

計画支援を意図した空間情報視覚化システムの開発
山家 京子＊ 荏本 孝久＊ 曽我部昌史＊
山本 俊雄＊＊ 佐々木一晋＊＊＊ 飯澤 清典＊＊＊＊Spatial Information Visualization System with for Planning Support
Kyoko YAMAGA＊ Takahisa ENOMOTO＊ Masashi SOGABE＊
Toshio YAMAMOTO＊＊ Isshin SASAKI＊＊＊ Kiyonori IISAWA＊＊＊＊

1. はじめに細密な 3 次元的地盤構造モデル（市町村単位）を作成し,物理データやシミュレーション結果から得られた数字

震源断層モデルにより生成される地震波の波動伝播特性

や文字列で構成された無機質で大規模な情報群を理解すを簡単な差分法によるシミュレーションを用いて実施するためにさまざまな視覚化手法が開発されてきた. 近年,

ることにより, これまで不可能であった細密な地震予測

地理情報システム（Geographic Information System）の普が可能となり, 地域の地震防災活動に有益な情報を提供

及により, 誰もが大量な空間情報（空間の位置データとすることが可能となっている. また, 2008 年度からは横属性データを合わせもつデータ形式）をコンピュータで浜市神奈川区と鎌倉市O地区を対象として防災に関連し扱うことが可能になってきている. 主に, GIS の 1 つの入た空間情報の整備・検証を進め, 横須賀市 S 地区・I 地区

力ツールとして GPS(Global Positioning System)機能が付の郊外住宅地を対象として日常生活の行動域の空間情報

属した小型コンピュータや GoogleMap にみられる位置化の作業を進めてきた.

情報の検索サービスが進展することによって, 大量な空以下, 3 つのケーススタディを通じて, 地域コミュニテ

間情報を個別に俯瞰できようになってきている.こうしィにおいて共有化され得る地域固有の空間情報の可能性た状況下において, 空間情報の活用の場が単なる 1 ユーを探ると共に, 空間情報視覚化手法の開発経過の報告をザーに限定したものではなく, 地域に根ざしたコミュニ行う.

ティの内縁で共有される有用な情報として積極的に活用されていくことが期待されている. 地方公共団体や研究

2. 空間情報視覚化のケーススタディ

機関を通じて整備された空間情報を傍観するだけではな

i) 地域防災力の総合的可視化

く, 地域住民と一緒に地域固有の空間情報を画策して横浜市神奈川区を対象として区内全自治会町内会へ配いくことによって応用的理解を手助けできるような開示

布した防災活動・意識に関連するアンケートの集計結果

的なプロセスおよび視覚的で分かりやすい表現技法が望の指標化を進め, GIS データに基づく地震災害危険度とまれている.

併せて災害に対する地域防災力の総合的評価の視覚化を著者らは, 2007 年度から神奈川県域を対象として GIS行った.

システムを活用して地盤関連情報のデータベース化作業を進めてきた. これらのデータを利用して市町村単位でii)避難経路情報の可視化
鎌倉市 O 地区全域を対象として, 災害時に想定される＊教授 建築学科
Professor, Dept. of Architecture＊＊助手 建築学科, ＊＊＊特別助手 建築学科
Research Associate, Dept. of Architecture＊＊＊＊株式会社パスコ
PASCO corporation

移動経路の困難度を経路ネットワークの重み付けとして設定することにより避難経路網の可視化を行った. 本年度末に予定している住民参加型ワークショップにおいて,O 地区の各自治会から回収した現地特性に基づく避難経路情報と避難経路全域のシミュレーション結果の検証作

計画支援を意図した空間情報視覚化システムの開発

業を進める予定である.

85

住民との［インタラクション］の有無にみられる表現と住民との関係から, 表現の目的は従来のような作成者

iii)郊外住宅地における生活行動域パターンの可視化

側からの一方的な情報提供から, 住民の主体的な関与を

横須賀市 S 地区・I 地区の郊外住宅地を対象として「生促す方向へと変わりつつあることが伺える. 一方で地域活支援施設と住民意識に関するアンケート調査」を行い,の危険度を評価・分析した表現では, その評価内容が災日常生活の行動域パターンと生活支援施設の分布域の視覚化作業を通じて少子高齢化が進む郊外住宅地居住の現況を明らかにすることを目的とする.
3. 空間情報視覚化システム
3-1. 空間情報視覚化の現状
はじめに空間情報の視覚化手法の現状把握,および防災に関連した空間情報視覚化の既往研究の概観を行った.
空間情報視覚化システムは地図のデジタル化による共有管理機能の向上, およびデータベース化への実利性から,社会的需要を受けて災害対策に関連した研究事例が数多

図 1 データシート

く報告されている. そのため, 今後の表現手法を検討していく上で, 「どのようなプロセスを経て空間情報が可視化されているのか」, あるいは「空間情報がどのようにして地域住民に還元されているのか」, 現状と課題の整理を行った.
3-2. 防災に関連した空間情報視覚化の現状・課題
阪神・淡路大震災や新潟中越大地震の経験以降, 「潜在的な防災力」として地域に根ざしたコミュニティの重要性が再認識され, これらコミュニティ同士の連携的な防災活動を支援する仕組みが求められている. 一方で,
近年地図は進展し, 地域の災害危険度がハザードマップ
として広く一般に普及するようになった. しかし, これらの危険度情報は, 地域全体の危険度が漠然と表現されたものに過ぎず, 前述した現状において, 日常生活レベ
ルでの具体的な防災活動を支援する表現としてふさわし
いものとは言い難い.
日本建築学会学術講演梗概集（F：都市計画）の 2001
年から 2008 年に掲載された防災に関する研究事例の収集を進め, その中から空間情報化の目的が明確に読み取

表 1 防災空間情報の表現方法調査項目

れる60の表現を対象に, 基本情報として以下の項目について調査を行った. 表現の［目的］, 表現内容を示す［コ

害そのものの危険度や避難所配置等, 災害へのハード面

ンテンツ］, 対象とした地域の［スケール］, 表現されたにおける対応であることが多く, 地域の防災活動やコミ

空間情報を閲覧・使用する［使用主体］, 最終的な表現

ュニティのつながりといった災害に対する主体（住民）方法としての［アウトプット（媒体, 表現）］, 住民との側の能動的な活動を評価し, 表現したものは見られない.

［インタラクションの有無］, さらに研究概要, 表現イメ

［意識啓発］や［活動支援］を目的にした表現はインタージを加え, これらをデータシート（図 1）にまとめた.

ラクションに富んだものになる傾向が強い. しかしなが以下, 表１に調査結果の要旨を項目別に示す.

ら, ここでのインタラクションとは数値入力等, 個人単位での入力作業のプロセスが結果的に自治会内における

86

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

活動を支援しているのが現状であり, 自治会内の作業や各評価項目の値を５段階に分類し, その各評価点を乗算,

合意形成を直接支援するものや, 自治会間の連携等を促

引算することで地域防災力評価を行う. 表４に評価項目

すものは見られなかった.

を示し, 表５に各評価項目の算出方法を示す.

以上の考察を踏まえ, 地域住民および地方自治体の協(3) 地域防災力評価の結果

力の下で対象地域に相応する空間情報の検討を行ってき「基礎的活動力」では, 六角橋地区, 松見地区, 菅田地

た. 以下の 3 地区におけるケーススタディの経過報告を

区を中心に高い活動力を示し, 三枚地区, 白幡地区, 青示す.

木第一・第二地区周辺では活動力が低い. 「災害対応力」
では, 六角橋周辺と三枚地区で比較的安定した対応力を

4. ケーススタディⅠ

示し, 羽沢・菅田地区, 白幡地区では自治会によって対応

4-1. 地域防災力の総合的視覚化

力の差が顕著に現れた. 「危険度想定力」では, 菅田地区,

横浜市神奈川区では, 武石によってハードの観点から,

六角橋地区周辺がまとまって高い想定力を示し, 白幡地

地震災害危険度評価が行われ, 地域によって危険度に差区, 新子安地区, 青木第一・第二地区では想定力の低さががあることが明らかにした１）. ここでは, アンケート調伺えた. 「総合地域防災力」では, ３つの評価において,

査から, 災害に対する地域の防災力を指標化し, ソフト

安定して高い値を示していた六角橋地区を中心に高い防の観点から評価を行い, さらにハード・ソフト 2 つの評

災力を示し, また菅田地区, 松見地区周辺でも防災力の価を重ね合わせた総合的な視覚化を行った.

高さが伺えた. 一方で青木第一・第二地区, 新子安地区
周辺, 白幡地区東部で低い値を示した. 全体として, 基

4-2. 地域防災に関する意識調査
神奈川区連合町内会のご協力の下, 区内全自治会町内会１８６団体を対象に, 郵送によるアンケート調査を実礎的活動力が示す傾向と総合地域防災力との傾向には類似性が見られ, コミュニティにおける日常の活動や人々のつながりが防災力に影響しているといえる.

施した*１. 調査の概要は表２に示し, 結果については,
地域防災力評価項目に係る内容について, その要点を表３に示す.
4-3. 地域防災力の評価(1)地域防災力の定義
地域防災力の定義は様々である. しかし, 現時点で地域がどのような被害を受け, それに対してどの程度の

表 2 調査概要「備え」ができているかを知ることは, 具体的な対策へ向けての判断基準となり, さらには地域内での継続的な防災活動につながると考えられる. 本研究では, 既往研
究２）と総務省消防庁が示す地域防災力評価指標３）を参考に, 「基礎的活動力（潜在的な防災力）」, 「災害対応力（実践的な防災力）」, 「危険度想定力（意識的な防災力）」, 「総合地域防災力」の４つの地域防災力を設定した. 評価項目には, アンケート調査結果を基に, 地域住民の活動実態に加え, 災害に対する認識や災害との関
わり方といった住民の主観的な地域事情を取り込んでいる.
(2)地域防災力評価マップの作成
GIS を利用して地域防災力を概観する. まず, 自治会
ごとの傾向を明確にするため, 神奈川区を自治会区域に区切り, 区域ごとに評価項目の情報入力を行った. 次に

表 3 アンケート結果

計画支援を意図した空間情報視覚化システムの開発87らである. そこで, 今後の方向性として, 表現の精度そのものではなく, 描かれた表現に操作性をもたせ, 住民
が自ら自分たちの活動や地域の状況を評価し, 地図に反映させていくような表現が望ましいだろう.

表 4 地域防災力評価項目

表 5 評価項目の算出方法

図２：ハード・ソフトを融合した総合評価

4-4. ハード・ソフトを融合した総合評価「4-3」で行った地域防災力を基に, どれだけ地震災害
危険度が軽減されるかを見るため, ２つの評価結果を重5. ケーススタディⅡ
5-1.避難経路情報の視覚化

ね合わせ, 評価ランクの差（地震災害危険度―地域防災

鎌倉市 O 地区は, ９つの自治会で構成され, 地区の半力）から総合的な評価を行う. まず, 地震災害危険度を分が谷戸であるという地理的特性から, 避難経路と避難自治会区域単位で今一度概観する. 神奈川区中部から東場所について図３に示すような問題を抱えている.

部にかけて高い危険度が伺え, 白幡地区, 大口・七島地
区を中心に最高ランクの危険度を示した.
総合評価では, 地域防災力で低い値を示していた青木
第一・第二地区, 白幡地区, 新子安地区において, 高い
危険度がそのまま維持され, 地震災害危険度で低い値を示していた神奈川区西部では, 防災力の低さから危険度がプラスに変化した自治会がみられた. 一方で, 高い地
域防災力を示していた六角橋地区及び周辺の自治会では,
災害危険度が軽減される傾向にあり, 地域コミュニティにおける防災力が, 実際の危険度に対して影響を与えることが視覚的に確認できたと言える. 尚, 評価結果は図２に示す.

図３ O 地区と避難場所との地理的関係

今回は地域防災力を空間情報として視覚化する上で,自治会ごとの防災力特性を重視して, 自治会区域単位で5-2. 住民に主眼をおいた防災空間情報の抽出評価を行ったが, アウトプット（表現方法）としては, い防災マップ作成ワークショップ*2 と世帯を対象としまだ住民にとって「漠然とした表現」の領域から発展でたアンケート調査*3 から, 住民の考える避難場所と避難

きてはいないと言える. しかし, ただ表現の精度を上げ経路を抽出し, また想定している災害危険についての調ればよいというわけでもないだろう. なぜなら, 地域防査を行った. 調査結果は要点を表６にまとめ, 抽出した

災力の評価項目には自治会内でのローカルな情報が多く

避難場所と避難経路を図４に示す.

含まれているため, 住民の合意なくして, こうした自治

アンケート調査結果では, 過去の津波による浸水被害会の情報を詳細に公開することは難しいと考えられるかの経験からミニ防災拠点（第一小学校）の安全性を懸念88

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

し, 高台や他の自治会の一時集合場所を含め, 地区内に5-3 避難困難度評価

複数の避難場所を設定しているという回答が目立ち, 谷

ワークショップとアンケート調査から, 避難に関する

戸の自治会においては, 避難距離と避難経路上の危険性

地域住民の意向が自治会によって様々であり, 地区全体を意識して, 自宅周辺での対処を考えているという意見として鎌倉市が指定するミニ防災拠点への避難を懸念すが見受けられた. また, 想定している災害では, 谷戸のる傾向があることが明らかとなった. そのため, 今後の自治会において「地域の孤立」（地区全体では 20%）を

避難計画を考える上で, まずは地域住民が想定している

強く懸念する傾向がみられ, 他の自治会との間に意識のこれらの危険度を視覚的に把握する必要があると考えら差が伺えた.

れる. そこで, アンケート調査から得られた避難に関す

今後はこの結果を踏まえ, 自治会間の連携を促し, O

る不安要素（弱者の避難・避難経路の混乱・木造倒壊）

地区全体としての具体的な防災計画を考える必要があを評価値として道路に与え, 避難にかかる時間を避難困る.

難度の指標として, 各自治会の一時集合場所への到達圏評価を行い, 次に各自治会の一時集合場所から鎌倉市が指定する防災拠点までの最短経路検索行う.
［評価方法］
災害時における住民の避難速度を設定し, O 地区と鎌倉市が指定する避難所を含むエリアの道路を抜けるのに要する時間の累積から避難困難度評価を行う. その際,
避難速度は高齢者を想定して設定し, 道路幅員及び木造倒壊（図５）による道路閉塞から各ノード区間に通過困難度を与えた（図 6）. 次に, 道路ネットワークにルート検索をかけて, 各自治会の一時集合場所から鎌倉市が指定する防災拠点までの最短経路検索を行った.

表６ 調査結果［避難困難度の設定］
避難速度の設定方法と通過困難度指標を以下に示す.
・避難速度
災害時は歩行により避難するものとした. 文献 1)で一般成人の場合, 歩行速度は 1. 1 m/sec なので, 高齢者を考慮し, 本研究では 0. 55 m/sec として設定している.
したがって, 各ノード区間を通過するのに要する時間は,［ノード区間長］／［避難速度］で算出する.
・道路幅員による困難度
道路幅員は, 建物倒壊などによる経路の閉塞性や人々が集中した場合の混乱度に直接関わる指標である. そこで, 既存道路の幅員に重み付けを行い, 困難
さを設定する.

図４ 抽出した避難場所と避難経路

計画支援を意図した空間情報視覚化システムの開発

89［最短経路］
鎌倉市が指定する避難所への最短経路は, 八雲自治会
を除いた全ての自治会が国道を経由して「御成小学校」
へ向かうという結果であった. 避難時間は米町自治会がおおよそ２７分と最短時間を示し, O 地区６・７丁目自治会ではおおよそ９０分の避難時間を要する. 一方で,
辻町自治会と名越自治会では, 辻町自治会の一時集合場
所の方が御成小学校に近いにも関わらず, 一時集合場所
が国道に面している名越自治会の方が２０分近く早く到達するという結果が出ている.
経路上の危険度による避難時間に着目して, 各自治会
及び O 地区全体の避難困難度を概観した. その結果, 避
図 5 倒壊危険箇所

難困難度は道路ネットワークによるところが大きく, ミ
ニ防災拠点や広域避難場所への避難に際し, 住民の移動負荷が大きい自治会や道路状況によっては自分の自治会の一時集合場所よりも他の自治会の一時集合場所への避難の方が容易である地域があることが明らかとなった.
また, 津波による浸水被害を考慮すれば, 他の自治会同
士での災害情報の共有, また避難場所の共同運営などを連携して行っていく体制が必要であると考えられる.

図 6 道路ネットネットワーク図5-4. 評価結果
避難困難度評価及び最短経路検索結果を概観的に示し,自治会の評価マップ例を次頁図 7 に示す.
［避難困難度］
道路のネットワーク性に富み, 幅員の広い道路を有している自治会ほど一事集合場所への避難が容易であり,地区内を東西に通る国道に沿って到達圏域が広がる傾向にある. 特に谷戸側の自治会ではその傾向が一層強く, O
地区４丁目自治会, O 地区５丁目自治会, 松葉町内会では, 国道を経由して互いの一時集合場所が結びついてい
る. 一方で, O 地区３丁目自治会, O 地区６・７丁目自治会では狭隘道路が多く, ネットワーク性が乏しいことから, ２０分以内の到達圏が自治会内に収まっている. また, 市街地側の自治会では, ２０分以内の到達圏が他の自治会域にまたがり, 比較的避難困難度は低い傾向にあるが, 辻町自治会では自治会域のおおよそ４分の１が２０分以内に一時集合場所へ到達できないという結果が出ている. JR の線路で自治会域が分断され, また他の市街
地側の自治会に比べて道路ネットワーク性が乏しいことが要因として考えられる.

図 7 自治会の評価マップ例（O 地区 5 丁目）

90

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

6. ケーススタディⅢ
6-1. 郊外住宅地における生活行動域パターンの可視化
郊外住宅地の多くは 1960 年代〜1970 年代にかけて丘陵地を切り開いて開発された. 戦後の出生数の増加や高度経済成長などを背景にして, 都市圏では大量の郊外住

表 8 アンケート配布数および回収率

宅地が形成されてきた. その立地から, 生活者が利用する生活支援施設となる商業施設への移動手段も自動車主

6-2-3. 調査結果体としたものが多くみられる. しかし, 開発から 30〜40

以下, アンケート結果の概要を以下に記す. 結果の詳細年が経過した今日, 生活者の高齢化に伴って郊外住宅地

は原田の論文(6)を参照のこと.

の生活パターンが変化しつつあり,住宅地の空洞化により区画内に多くの空き地や空き家, 駐車場が増加傾向に[住民の居住動向について]ある. 郊外住宅地が開発された当初の計画概要とは異な

交通アクセスが不憫などの問題はあるが, 現在住んでって現在の生活層や生活様式は大きく変化しており, 新いる地区に住み続けたいという回答が 2 地区においてたな用途への転換等の検討策が必要となってきている.

60%程（S 地区 60%,I 地区 59%）であった. 現在の地区環以降, 神奈川県南部の郊外住宅地を対象に, 生活支援

境（自然環境, 住宅環境, 地域交流など）が良好である

施設と移動手段及び居住動向に関するアンケート調査をために定住希望があることが伺える. しかし, 老後の居行ない, 郊外住宅地における日常生活の行動域パターン

住環境については交通アクセスが良い場所（S 地区 21%,Iと生活支援施設の分布域の視覚化を通じて現状の課題を地区 20%）や利便性の高い場所（S 地区 21%,I 地区 14%）

明らかにすることを目的とする.

に移住したいと考えている回答が多い.

6-2. アンケート調査[今後必要と考える施設について]

6-2-1. 調査対象地区

地区ごとに差はあるものの, 共通して高齢化に対して調査対象地区の選定は, 神奈川県南部に位置し, 1980

住民の意識が高いことから「医療・福祉」施設があげら

年以前に民間により開発され, 形成時期が異なる郊外住れる. 地区別では, I 地区は防犯を意識している回答者

宅地を対象として「生活支援施設と住民意識に関するアが多く, 「派出所」が必要と考えている回答者が多かっンケート」調査を行うにあたっては横須賀市役所市民部

た. S 地区は「レストラン・料理店」「カフェ・喫茶店」

市民生活課と相談の上, アンケート調査協力の得られるが今後必要という回答者が多く, 身近な場所に飲食店が地区に決定した. 地区は横須賀市 S 地区と横須賀市 I 地

ないことから手軽に食事やお茶を楽しむ場所が求められ

区の２地区を対象とし, 調査対象範囲は世帯数の多い,ている. I 地区の生活圏は最低限の生活支援施設が整っ横須賀市 S 地区５丁目, 横須賀市 I 地区３丁目とした.

ているといえる. 一方, S 地区は他地区への生活支援施
設への依存が高く, I 地区と比べ生活圏が広いことが確

6-2-2. 調査概要

認できる.

S 地区・I 地区の２地区を対象に「生活支援施設と住民意識に関するアンケート調査」を行った. アンケートは

6-3. 郊外住宅地における生活行動域パターンの視覚化

各地区の町内会長に配布の協力を得て 2008 年 10 月初旬

6-3-1 自己組織化マップによる分類マップに各世帯に配布, 最終期限を10月末日とし郵送にて回収

S 地区および I 地区のアンケートから生活行動域に関した. 設問の項目は主に選択形式をとり, 必要なところする設問項目の集計を行い,行動域パターンの可視化作

は記述形式の設問を採用した. アンケート設問項目およ業を行った.なお,ここでの行動域パターンとは,生活支び回収率を表 7,表 8 に示す.

援施設への「交通手段」とその「施設区分」,および施設の所在を示す「移動地区（生活支援施設を単位とするではなく移動地区を単位とする）」の組み合わせのことを示す. 生活支援施設の属性データとして「施設区分:12 属性」と「移動地区:9 属性」の区別を行った後に(表 9), 各
属性項目は 103 次元のマップ作成時において実数値と表 7 アンケート調査の設問項目

して規格化を行った. なお, 特定の施設区分に対応する

計画支援を意図した空間情報視覚化システムの開発

91

交通手段の属性項目数はアンケートの有効回答数に応じて調整を行った.

表 9 生活行動域に関する属性区分

6-3-2. 行動域パターンの類似度
生活行動域に関する属性区分の入力内容をコホネン型
ネットワーク(6)に学習させた後に,2 次元マップで可視化を行った（図 8）. 行動域パターンの類似度に従って
113×103（S 地区）, 225×103（I 地区）の 2 次元ニュ
ーロンユニットをもつ SOM に射影を行った.各地区における生活行動パターンの類似度に基づいてグループ化されていることが確認できる.
以下,2 地区における行動域パターンの類似性について要旨を示す.
図 8 2 次元 SOM の分類マップ(i)I 地区における行動域パターン特性について
I 地域内への行動域パターンの類似性が高い施設には

上図：I 地区,下図：S 地区,マップサイズ(x,y)および近傍半径初期値：30,学習率係数α1=0.05,α2=0.02,学習回数 1000 回,「スーパー,ドラッグストア」に続いて[病院/クリニック,
クリーニング,理容室,生鮮食品,電気,電気店, 酒/米以上, 郊外住宅地における生活支援施設の現状把握お店,]が確認できる. 一方で,[書店]の行動域パターンは I

よびアンケートの実態調査を踏まえ, 現状の研究経過を

地区内および近隣地区のさまざまな書店に足を運ぶ傾向引き継いで行動域パターンの視覚化手法の検討および課があると同時に[その他]の地域において依存度が高くな

題の抽出作業を進めていく.

っている.また,[コンビニ]においては隣接地区および[その他]の地域へのさまざま行動域パターンが確認できる一方で,地区内の[コンビニ]への行動パターンの依存度が低くなっている.
(ii)S 地区における行動域パターン特性について

7. まとめ空間情報視覚化手法の目的は, 一方的な空間情報の提供から, 地域住民の主体的な活動を支援する方向へと移S 地区の行動域パターンは,[スーパー,クリーニング,

行しつつある.しかし,同時に,これらの手法が抱えてい病院,生鮮食品,理容室,酒/米店]への類似度が高く S 地

る現状の課題は, 対象地域の住民の方々と共同して空間

区内での依存度が高い. 一方,[ドラッグストア]の行動

情報を拾い上げる作業プロセスを具体的手法として提示

域パターンにおいては近隣地区のさまざまな地区へ分散することである.今後も地域住民および地域行政の方々していることが確認できる.また, [飲食店,コンビニ,酒と共同して研究を進めていく.

/米店]においては近隣の Oi 地区への依存度が高く,S 地
区内の[電気店]を訪れる住民の行動域パターンと類似傾
向にある.

以上, 2008 年度の研究の経過報告を行った. 空間情報
視覚化の概観を進め, 3 つのケーススタディを通じてコ

92

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

ミュニティの主体的かつ継続的な活動を支援する防災空期間は 2008 年 10 月 25 日から 11 月上旬までとし, 回収総数は間情報表現の検討を行ってきた. 当該研究は2009年度も127 票であった.

引き続き実施していく予定であり,次年度以降に成果報
告はまとめて示させていただく予定である. なお, 本稿

参考文献（ケーススタディⅠ,Ⅱ）におけるケーススタディⅠおよびⅡは山家研究室の齋藤(1)武石遥：横浜市における自主防災活動に関する研究

千夏君の修士論文（2008 年度）, ケーススタディⅢは原

平成１８年度 神奈川大学大学院 工学研究科建築学専攻修士

田佳幸君によっている.ワークショップの開催およびア

論文

ンケート配布・回収の補助に当たっては鎌倉市市役所市(2) 岡西他：地域防災力向上のための自治会町内会における地域

民経済部市民活動課の方々, 鎌倉市 O 地区自治会町内会

コミュニティと災害対策に関する調査研究 日本建築学会計画の方々, 神奈川区全自治会町内会の方々, 横須賀市役所

系論文集 pp. 77-84 2006 年 11 月

市民部市民生活課の方々, I 地区３丁目の町内会長様, S(3) 総務省消防庁「地方公共団体の地域防災力・危機管理対応力

地区５丁目の町内会長様および住民の方々にはご協力を評価指標」2002 年 10 月

頂いた. ここに謝意を表する.

倉田和四生：「防災コミュニティ地域福祉と自主防災組織の統合」［補注］

参考文献（ケーススタディⅢ）＊1：横浜市では「町の防災組織（自主防災組織）」を自治会町内(4)郊外住宅地における生活支援施設と住民意識に関する研究,会単位で結成することを奨励していることから, 自治会町内会と原田佳幸

自主防災組織はほぼ一致するため, 本研究では同一のものとして(5)越智 正和, “都市郊外住宅地における施設利用実態に関する扱う.

研究 : 熊本市武蔵ヶ丘周辺の住環境に関する意識調査“, 学術講＊2：神奈川大学都市計画研究室では 2008 年 7 月から 10 月にか

演梗概集. E-2, 建築計画 II, 住居・住宅地, 農村計画, 教育, (1999),

けて鎌倉市と共同で「O 地区防災マップ作成ワークショップ」を

pp.365-366

行い, 避難経路と鎌倉市が推奨している地域内の災害時における(6) T. コホネン, 徳高平蔵 他(監修), 自己組織化マップ, シュプ

一時集合場所を自治会毎に抽出した.

リンガーフェアラーク東京, (2005)＊3：O 地区９自治会に 220 票を均等になるよう配布した. 調査

93

構造相転移によるカルコゲン系熱電材料の高性能化に関する研究
米田 征司＊

山口 栄雄＊＊

大杉 功＊＊＊

Ravhi S. Kumar＊＊＊＊Possibility of improving thermoelectric performance of chalcogen compounds
by structural phase transition
Seiji YONEDA＊

Shigeo YAMAGUCHI＊＊

１．緒言∗

Isao J. OHSUGI＊＊＊

Ravhi S. KUMAR＊＊＊＊の化合物は発電システム構築上，優れた適応性を有する熱電発電とは熱を電気に直接変換するエネルギー変換

ことから，世界で広く研究開発が行われている．最新のである．これは未利用熱や排熱をリサイクリングするこ

研究動向においても，アメリカやドイツで PbTe 熱電モとによって，エネルギーの有効利用が可能となり，CO2

ジュールを用いた自動車からの廃熱回収のための研究が排出量削減にも繋がることからエネルギー・環境問題の行われている(1), (2)．

切札として期待が高まっている．この効果は，熱電発電

一方，本執筆者らは過去の研究において AgSbTe2 系化のエネルギー変換効率を上げることで，さらにその効果合物が最大性能指数 Zmax = 1.8 × 10-3 K-1（Z：性能指数，を増すことが期待できる．現在の高効率熱電変換発電モ

熱電材料の良否を決める指標．熱電能の二乗を比抵抗とジュールのエネルギー変換効率の開発目標は最大で熱伝導率で割ったもの）を示すことを報告してきた(3)．

15 %程度となっているが，我々は 15 %を超える高性能な

このときの無次元性能指数は ZT = 1.2（T：絶対温度，性

熱電変換発電モジュールの開発を１つの目標としている．

能指数に絶対温度を掛けたもの．
）に到達した．この数値

このためには，高性能な新規熱電変換材料の創生が必要

は他の材料と比較して高く，高性能なｐ型熱電材料としである．

て有望である．ここで，AgSbTe2 を含む一般的な式 ABX2

カルコゲン系熱電材料，特にテルル化物熱電材料は，(A = Cu，Ag ; B = In，Ga，Sb ；X = S，Se，Te)で表され非常に性能が高いことで知られている．室温近傍で最もる三元系の半導体は，黄銅鉱もしくは岩塩構造を有する．

性能が優れ，熱電冷却・加熱では産業・商業等の用途に

この系の材料はデバイスの応用として広く使われている．

実用されているのは Bi2Te3 系化合物である．この化合物

Ag 系の化合物は，
光学式相変化製品および周波数変換装の発見から 50 年以上も様々な材料研究が行われている

置など利用が広がっている(4), (5)．In や V を添加したにも関らず，未だにそれを凌ぐ材料は現れていない．まAgSbTe2 は，局部的な融解で急速な結晶-アモルファス相

た，
500℃近傍の中温度領域で発電用熱電材料として実用への相転移が生じることから CD や DVD のような書きされているものとして PbTe 系化合物が挙げられる．こ換え可能なディスクにも広く利用されている(6), (7)．これ
らの材料の相変化は，熱によって引き起こされている．

*助教 電子情報フロンティア学科
Assistant Professor, Dept. of Electronics and Informatics
Frontiers**教授 電子情報フロンティア学科
Professor, Dept. of Electronics and Informatics Frontiers***教授 サレジオ工業高等専門学校
Professor, Salesian Polytechnic****ネバダ大学
Associate Research Professor, University of Nevada Las Vegas

AgSbTe2 の結晶構造は，岩塩構造型 II - VI カルコゲナイ
ドに類似している． II - VI 化合物の岩塩構造を持つほとんどの化合物は，圧力に敏感で B1 相 から B2 相に変化する．このことは AgSbTe2 単体においても圧力下で構造相転移の発生が期待される．
また，2004 年に学術雑誌 Science で AgPb18SbTe20 化合

94

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

物の熱電性能に関する論文が発表された(8)．この論文でAgPb18SbTe20 化合物の無次元性能指数 ZT は 2.2 に達する
ことが報告された．性能指数向上の主な要因は，ナノサ
イズにおける Ag と Sb の構造にあることが述べられている．この無次元性能指数は現在までに最高値を示しており，この材料系の研究が広く行われている(9), (10), (11)．
カルコゲン系熱電材料は，圧力による結晶構造の変化が報告されているが，その熱電特性については調べられてこなかった．近年の薄膜・ナノ物性の研究の広がりに伴って，微細な試料の熱電特性についても評価できるようになり，結晶構造が変化したカルコゲン系熱電材料にanvil

ついても評価は可能となってきた．

cell

そこで，本研究ではカルコゲン化合物でも高い性能を有する化合物として AgSbTe2，AgPb18SbTe20 を取り上げて，圧力誘起構造相転移について調べ，その熱電特性にgonio-

ついても評価し，熱電特性向上の可能性について調べる

meter

ことを目的とした．
２．実験方法高純度（6N）の Ag, Sb, Te 各原料を希望組成に秤量し，
透明石英アンプルに入れて，油拡散真空装置と酸水素バーナーを用いて真空封入した．アンプルを攪拌溶解ロッキング炉内に配置し，一方向性凝固法を用いて AgSbTe2
インゴットを作製した．得られたインゴットは，粉末 X
線回折を用いて単相であることを確認した．各高圧実験
はインゴットから小片サンプルを切り出し，ルビーチッ
プとともに，
ダイアモンドアンビルセルの中に設置した．
また，
圧力伝達媒体としてシリコン溶液で行う他に窒素，

inciedent
X-ray

メタノール・エタノール混合液でも行った．X 線回折実
験は，回転対陰極Ｘ線発生装置（Rigaku Mo-Kα) とシン
クロトロン X 線を使って行った．X 線回折パターンは，
イメージングプレートカメラを使って検出した．
次に AgPb18SbTe20 の実験について述べる．圧力下における長周期的な構造や局在的な構造を調べるために，高分解能粉末 X 線回折，EXAFS，XANES を使用した．さらに，結晶構造に関して得られた結果と高圧下で行われた比抵抗の熱電特性の結果を比較した．作製した
AgPb18SbTe20 の粉末試料は，ダイアモンドアンビルセル
を用いて加圧した．圧力媒体としてシリコン溶液と圧力
マーカーとしてルビーチップを用いた．次にメタノー
ル・エタノール混合液を圧力透過媒体として使用した．
回折像は30GPaまでイメージングプレートを用いて検出
し，Fit2D ソフトウェアを用いて統合し，解析を行った．

図 1 ダイアモンドアンビルセル概観．

構造相転移によるカルコゲン系熱電材料の高性能化に関する研究

95

３．結果および考察
AgSbTe2 の圧力誘起構造相転移について述べる．

(Fm3m)で結晶化していた．大気圧において，回折ピーク作製した AgSbTe2 は，大気圧では金属原子が位置するから格子定数 a = 6.0780（1）Åの fcc 格子で同定された．

（0,0,0）と Te 原子位置の（0.5,0.5,0.5）で岩塩構造

次に圧力を増加させたときの様子を図 2 に示す．

図 2 30GPa までの AgSbTe2 の圧力増加にともなう X 線回折パターン変化．
それぞれ、(a) 2.9GPa, (b) 16GPa, (c) 24GPa, (d) 30GPa．(b)の挿入図は，
アモルファスになる前の(200)回折線で観測された回折線の分離の様子を示している(c)の(i)は 24GPa でバックグランドを含めた回折パターン．(ii)は背景差分法適用後の回折パターン．

96

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

図の回折線に示されるように，圧力の増加とともに鋭い相に相転移する間，欠陥の入った立方体構造と Te 原子のピークは維持され，また対称性を維持しながら高角度側

動きから配位フラストレーションが起きていることを明にシフトしている．Ag/Sb-Te 間距離が 0.0118 Å/GPa のらかにした．減圧時の回折パターンを図 3 の(a)に示す．

割合で減少するのに対して，0.024 Å/GPa の割合で格子

CsCl 相に対応している回折ピークは，
12GPa に下がるま

定数 a は減少した．Ag/Sb-Te 間距離の変化がわずかなので，そのまま保持されていた．12GPa 以下では，ピーク

は，金属―カルコゲン原子の強い結合を示しているもの

は広がり CsCl 相からアモルファス相への相転移でヒスと考えられる．15GPa まで岩塩構造相は安定していた．

テリシスを示しながら，
アモルファス状態に相転移した．

シリコン圧力媒体とともに 16GPa で(200)と(420)の回折

このアモルファスの特徴は，B1 相へ部分的な結晶化部をピークが分離（図 2_b の挿入図）し，他の回折ピークは有しながら，ダイヤモンドアンビルセルの圧力を開放し広がることがわかった．これらの特徴的な変化は，明らた後でもアモルファスは残っていた．このダイヤモンド

かに構造相転移の発現を示している．さらに，17GPa でアンビルセルを 100 ℃以上１時間加熱した後，図 3 の(b)はすべての回折線の強度が突然低下するのを確認した．

に示されるように， B1 相に対応している鋭い回折ピー

この圧力における X 線回折パターンは，アモルファス化

クが再び現われた．この B1 相の格子定数は，はじめの合物の典型的なパターンに似ていた．図 2_c に示される大気圧の値と一致した．これらのことは，AgSbTe2 では

ようなアモルファス相は 25GPa まで維持された．窒素と圧力誘起によるアモルファス化は可逆性であることを示

メタノール－エタノール混合液の圧力媒体での実験では，した．また，熱処理によってアモルファス―結晶のエネ

24GPa でアモルファスが確認され，圧力媒体に依存しなルギー障壁を越えるエネルギーを供給したことを示した．

いことが示された．過去に行われた II-VI カルコゲナイ

このことは AlPO4 と KH2PO4 で観察されたものと全く同ドに関する高圧構造相転移の研究では，斜方晶系の相じ B1 相に戻る再結晶過程が生じた(16), (17)．

(12), (13), (14)（Cmcm あるいは Pbnm）への相転移が示された．

そこで，Cmcm と Pbnm 構造を持つ歪んだ類似型に対して，16GPa で得られた X 線回折パターンを調べた．
Pbnm と Cmcm の両方の構造を考慮し，リートベルトで解析した．その結果，4a サイト（0, 0, 0）を Ag / Sb 原子が位置し，8d サイト（0.75, 0.25, 0.5）を Te 原子で占めている Cmcm 空間群が，良い一致を示した．斜方晶系の相に対して得られた格子定数は，a = 3.7974（3）Å，b =4.238（4）Åと c = 5.6358（1）Åであった．２つの相が共存し相転移が連続的であることがわかり，B1 と斜方晶の相の間では著しい体積変化は見られないことがわかった．
結晶相とアモルファス相の共存が FePO4 で見られ，また局部的なアモルファス化が Nguyen らによって Co（OH）2 で報告されていることから(15)，アモルファス領域での結晶相の相対存在量を調べた．しかしながら，図2（c）に示されるように結晶的な特徴を認識することはできなかったが，26GPa で結晶性を示す回折線が現われ始めた．これはアモルファス状態から新しい結晶相に相転移していることを示す．この X 線回折パターンを解析したところ，格子定数 a = 3.4500(a) Åを持った CsCl 相であることがわかった．
この CsCl 相は本実験において到図 3 (a) AgSbTe2 の減圧時の各圧力における X 線回折達した最高圧力である 62GPa まで安定していることが

パターン．

わかった．

(b) 大気圧で 100℃，1 時間熱処理後，B1 相と一Cmcm 斜方晶の歪みと中間のアモルファ相の観測によって，6 倍に配位された B1 相から 8 倍に配位された B2

致した X 線回折パターン．

構造相転移によるカルコゲン系熱電材料の高性能化に関する研究97観察された B1 と B2 相の安定性を知るために，理論

次に AgPb18SbTe20 に対する高圧 X 線回折実験で得られ計算を行なった．結合エネルギーは図 4 の上段に示された結果を図5に示す．
この結晶構造は，
Pb-Te母相とAg-Sb

るように，大気圧条件において，B2 相に対して 0.18 eV/のわずかな領域から構成される PbTe 二元化合物に非常

atom 程度 B1 相が低く，B1 相がエネルギー的に生じやすに良く似た立方晶，空間群 Fm-3m であった．5.5GPa まいことを示した．B1 相に対して計算された格子定数はでの回折パターンは，
この圧力までは Fm-3m 構造が安定

5.93 Åであった．これは 6.08 Å の実験値と非常に良く一していることを示している．また，圧力の増加にともな致した．

い全ての回折ピークは高角度側にシフトする傾向を示した．これは格子定数が減少することを示している．すな
わち，圧力によって結晶が収縮する様子を示している．
次に 6.4GPa 近傍では，2θ = 7 ～ 10°の間に新たな回折ピークが現れることがわかった．特に 2θ = 7.4°で立方晶の相を示す高い強度のピークが分離した．これらの結果から，この圧力で圧力誘起構造相転移が発生していることを示している．この新たに出現した相は，11GPaまで安定だった．12.1GPa 以上で得られた回折パターン
は，単純なパターンを示した．この圧力で，2 回目の圧力誘起構造相転移が発生した．この第二相は，さらに30GPa までの圧力でも安定であった．また，第一相と大気圧での相は，セルからの圧力を開放する過程で，わずかなヒステリシスをともなって戻ることがわかった．すべてのプロファイル調整を行うことで，高圧相の第一相と第二相の結晶構造の情報を得ることができた．それらのパターンから，Pnma 型斜方晶と CsCl 型立方晶が同定された．斜方晶として 7.3GPa で得られた格子定数，a =8.1178(6) Å，b = 4.4566(4) Åであった．また，立方晶として 14.4GPa での格子定数は，a = 3.6115(7) Åであった．
AgPb18SbTe20 はその多くの割合を占めるPbTe を母相としている．また大気圧での結晶構造は PbTe に非常に類似していることから，PbTe の高圧下における結晶構造の振る舞いと今回得られた結果について比較することができると考える．PbTe の中間高圧相は，いくつかのグループで研究されている(18), (19)．Pnma 型斜方晶への相転移はPbTe でも明らかとなっている．今回実験で得られた高圧下での相転移において，構造的特性はホスト格子内の Agもしくは Sb 原子によって影響されないことを示しており，多数を占めている PbTe 母相によって主に影響されているので PbTe の結果と比較できる．

図 4 AgSbTe2 の体積の圧力依存性．
○：B1 相の実験データ，●：B1 相の計算値，♢ ：B2 相の実験データ， ♦ ：B2 相の計算値

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

98

図530GPa までの AgPb18SbTe20 の圧力増加に伴う X 線回折パターン変化．
HPI （6.4 ～ 12.1GPa の圧力領域）： Pnma 型斜方晶
HPII（14.4 ～ 30GPa の圧力領域）： CsCl 型立方晶

20GPa まで検出された入射 Ag-K 端エネルギーと Pb-L3

スペクトルと大きく異なっていたが，このことは 5.1GPa

端エネルギーのＸ線吸収端近傍構造（XANES）スペクト

まで立方晶の相が存在し，その後に Pnma 型斜方晶の相

ルを図 6 と 7 に示す．分析の結果，圧力の増加とともにが現われる回折実験結果と一致した．Pb の局所構造が圧異なる Ag-端スペクトルを比較したが，著しい違いは見力による変化に敏感であり，それに反して Ag の局所構

られなかった．大気圧，4GPa，9.6GPa で得られた Pb-L3

造は，圧力に対して敏感ではなかった．高圧下での回折

端 XANES スペクトルにおいて，大気圧と４GPa でのス実験から得られた結果と XANES の実験結果に基づくと，ペクトルは非常に良く類似していた．しかしながら，高圧下での AgPb18SbTe20 の振舞いは PbTe 単体の振舞い

9.6GPa のスペクトルは，大気圧および 4GPa で得られたに類似しているものと言える．

構造相転移によるカルコゲン系熱電材料の高性能化に関する研究

図620GPa まで測定された AgPb18SbTe20 の Ag-K 端 XANES スペクトル．
大気圧，12GPa，20GPa で得られた XANES スペクトルを比較したが，圧力の増加とともに Ag-端スペクトルには，著しい違いは見られなかった．

99

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

100

図7

9.6GPa まで測定された AgPb18SbTe20 の Pb-L3 端 XANES スペクトル．
大気圧，4GPa，9.6GPa で得られた Pb-L3 端 XANES スペクトルにおいて，
大気圧と４GPa でのスペクトルは非常に良く類似していた．しかしながら，9.6GPa のスペクトルは，大気圧および 4GPa で得られたスペクトルと大きく異なっていたが，このことは 5.1GPa まで立方晶の相が存在し，その後に Pnma 型斜方晶の相が現われる回折実験結果と一致した．Pb の局所構造が圧力による変化に敏感であり，それに反して Ag の局所構造
は，圧力に対して敏感ではなかった．高圧下での回折実験から得られた結果と XANES の実験結果に基づくと，高圧下での AgPb18SbTe20 の振舞
いは PbTe 単体の振舞いに類似しているものと言える．

構造相転移によるカルコゲン系熱電材料の高性能化に関する研究

101

20GPa までの比抵抗を圧力の関数として図 8 に示す．

わち体積収縮を生じることがわかったが，これによって比抵抗は5GPaまで圧力に依存して急激な減少を示した．

格子欠陥の低減などの影響によって，移動度の増加によ

構造相転移を示した 4.7GPa 近傍で，比抵抗は突然大きくるものと考察する．移動度の変化にともない，キャリア減少した．
この測定結果はX線実験結果に一致している．

の散乱パラメータの変化が期待でき，熱電能に対しても２回目の構造相転移が現れる 14GPa 近傍では，著しい変影響を及ぼしていることが示唆される．したがって，比化は確認されなかった．

抵抗の低減化によって，熱電特性の向上の可能性が示さ

比抵抗の減少は，圧力によって格子定数の減少，すな

図8

れたと言える．

20GPa までの AgPb18SbTe20 の比抵抗の圧力依存性．
比抵抗は 5GPa まで圧力に依存して急激な減少を示した．構造相転移を示した 4.7GPa 近傍で，比抵抗は突然大きく減少した．この測定結果は X 線実験結果に一致した．２回目の構造相転移が現れる 14GPa 近
傍では，著しい変化は確認されなかった．

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

102
４．まとめ

ダイアモンドアンビルセルを用いて AgSbTe2 の圧力誘起構造相転移について調べ，AgSbTe2 の構造相転移を示すことができた．これは圧力伝達媒体に依存しない中間のアモルファス相をともなったB1 からB2 への相転移であった．AgSbTe2 の高圧誘起アモルファス化に関する結果では，高い再現性が得られた．
次に X 線回折およびＸ線吸収端近傍構造（XANES）
を用いて，30GPa までの圧力に対する AgPb18SbTe20 の結晶構造について調べた．圧力下における比抵抗についても調べた．AgPb18SbTe20 の立方晶 Fm-3m 相から 6.4GPa
近傍で Pnma 型斜方晶の相に構造相転移し，さらに14.4GPa 近傍で CsCl 型立方晶の相へと構造相転移することが明らかになった．Ｘ線吸収端近傍構造実験の結果では，X 線回折実験と一致し，構造相転移において Pb 局
所構造が著しく変化することを示した．圧力増加にともなう比抵抗の減少傾向から，熱電特性向上の可能性が示された．
５．参考文献(1) D. Crane and J. LaGrandeur, “Progress report on BSSt
Led, US DOE automotive waste heat recovery program”,
Abstracts of ICT2009, (2009), p.52．
(2) G.. Buschmann, “Thermoelectric goes Automotive”,
Abstracts of ICT2009, (2009), p.42．
(3) S. Yoneda, Y. Ohno, E. Ohta, N. Yuhashi, I. Shiota, Y.
Shinohara, H.T. Kaibe, I.J. Ohsugi and I.A. Nishida, IEEJ
Trans. FM, Vol.124, No.4, (2004), p. 312.
(4)

J. Feinleib, J. de Neufville, S. C. Moss, and S. R.
Ovshinsky, Appl. Phys. Lett. 18 (1971), p.254.

(5)(6) J. Tominaga, T. Kikukawa, M. Takahashi, and R. T.
Phillips, J. Appl. Phys. 82 (1997), p.3214.
(7) W. K. Njoroge and M. Wuttig, J. Appl. Phys. 90 (2001) ,p. 3816.
(8) K. F. Hsu, S. Loo, F. Guo, W. Chen, J. S. Dyck, C. Uher, T.
Hogan, E. K. Polychroniadis, and M. G. Kanatzidis,
Science 303 (2003), p. 818.
(9) L.J. Wu, J.C. Zheng, J. Zhou, Q. Li, J.H. Yang, Y.M. Zhu, J.
Appl. Phys. 105 (2009), p. 094317.
(10) A. Kosuga, M. Uno, K. Kurosaki, S. Yamanaka, J Alloy
Compd. 387 (2005), p. 52.
(11) KF. Cai, C. Yan, ZM. He, JL. Cui, C. Stiewe, E. Muller, H.
Li, J Alloy Compd. 469 (2009), p. 499.
(12) H. Luo, R. G. Greene, K. Ghandehari, T. Li, and A. L.
Ruoff, Phys. Rev. B 50 (1994), p.16232.
(13) R. J. Nelmes, M. I. McMahon, N. G. Wright, and D. R.
Allan, Phys. Rev. B 51 (1995) , p.15723.
(14) M. I. McMahon, N. G. Wright, D. R. Allan, and R. J.
Nelmes, Phys. Rev. B 53 (1996), p.2163.
(15) J. H. Nguyen, M. B. Kruger, and R. Jeanloz, Phys. Rev.
Lett. 78 (1997), p. 1936.
(16) M. B. Kruger and R. Jeanloz, Science 249 (1990), p. 647.
(17) Y. Kobayashi, S. Endo, L. C. Ming, and T. Kikegawa,Phys. Rev. B 65 (2002), p. 132105.
(18) G. Rousse, S. Klotz, A. M. Saitta, J. Rodriguez-Carvajal,
M. I. McMahon, B. Couzinet, and M. Mezouar,
Phys.Rev.B., 71 (2005) , p. 224116.
(19) S.V. Ovsyannikov, V.V. Shchennikov, A.Y. Manakov, A.Y.

R. Detemple, D. Wamwangi, M. Wuttig, and G.

Likhacheva, I.F. Berger, A.I. Ancharov, and M.A.

Bihlmayer, Appl. Phys. Lett. 83 (2003), p.2572.

Sheromov, Phys. Stat. Solidi (b), 244 (2007) , p. 279.

1032008 年ノーベル物理学賞と加速器科学の進展
渡邊 靖志＊

Nobel Physics prize in 2008 and Development of Accelerator Science
Yasushi WATANABE＊

１．はじめに∗2008 年ノーベル物理学賞が日本の 3 氏に授与された．
南部陽一郎氏の理論は 1960 年初頭に，小林・益川理論はその検証に至るまでの道のりを概説する．そこには加速器科学の進展が不可欠であったことを見る．最後に南部理論について簡単に紹介する．

1972 年に発表されたものである．受賞までなぜこのような長い年月を要したのであろうか．ここでは主に小林・

３．CP 非保存とは？

益川理論の内容と意義について概説し，受賞までに要し

CP 対称性とは，一言で言うと物質・反物質間の対称

た年月の陰にあった加速器科学の進展について述べる．

性である．反物質とは何だろうか？まず物質について考
えよう．物質は分子から，分子は原子から，原子は原子
核と電子からできている．原子核は陽子と中性子（核子と総称する）が結びついてできている．陽子，中性子，電子などを「素粒子」を呼んでいる．素粒子には反粒子も存在する．陽子，中性子，電子の反粒子はそれぞれ，
反陽子，反中性子，反電子である．陽子はプラスの電荷，電子はマイナスの電荷をもっているが，反陽子はマイナ
ス，陽電子はプラスの電荷をもつ．すなわち，粒子と反粒子の量子数（質量，電荷，寿命など）の絶対値は等し
く，符号は逆である．電荷をもたない反中性子は中性子

図１益川敏英，小林誠，南部陽一郎の各氏とどう違うのであろうか？実は，陽子や中性子はバリオン数という量子数をもっていて，バリオン数=1 と定義さ２．2008 年ノーベル物理学賞れる．バリオン数保存則が非常によい精度で成り立って2008 年10 月，
日本中うれしいニュースに沸き立った．

．
いるため，陽子の寿命はとてつもなく長い（>1034 年）

2008 年ノーベル物理学賞を日本の3 氏が独占したのであ

バリオン数保存則が破れているかどうかを実験的に探ろる（図 1）．そのキーワードは「対称性の破れ」であり，うというのが，核子崩壊の探索実験である（1）．その探索

南部陽一郎氏は「自発的対称性の破れ」，小林誠・益川敏が，
小柴昌俊氏の 2002 年ノーベル物理学賞受賞に至る実英両氏は「CP 非保存」である．南部氏の仕事を一言で験の主目的であった．反中性子はバリオン数=－1 で，中言うと「素粒子に質量を与える機構を発見した」こと，

性子と全く同じ質量，寿命等をもつ粒子である．これら

小林・益川理論は「CP 非保存を標準理論の枠内にピタ反粒子から構成される物質が反物質である．たとえば水リと収めた」ことになる．

素原子は陽子のまわりに電子が雲のように存在している

本稿では主に小林・益川理論の内容と意義，および，が，反水素原子は反陽子のまわりに陽電子がまわっている．反物質と物質が出会うと互いに消滅して膨大なエネ*教授 機物理学教室
Professor, Institute of Physics

ルギーを放出する．
CPT 定理というものがある（2）．CPT 定理は，物質・反神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

104

物質間の対称性を完全に保証する．C 変換（Charge
Conjugation）は粒子を反粒子に，反粒子を粒子に置き換

P 変換
左巻きニュートリノ⎯⎯⎯⎯→

右巻きニュートリノ

える変換，P 変換（Parity Transformation）は空間反転（鏡(存在する）（存在しない）に映した世界），T 変換（Time Reversal）は時間反転，す

↓ C変換

↓ C変換

なわち t →－t の変換である．CPT 定理は，これらの変換の積に対する不変性が自然界で厳密に成り立っていることを主張し，実験的にも非常に高精度で確かめられて

P 変換→ 反右巻きニュートリノ
反左巻きニュートリノ⎯⎯⎯⎯(存在しない）（存在する）

図 2 ニュートリノの P,C 変換

いる．CPT 定理の帰結として，粒子には必ず反粒子が存在し，その量子数の絶対値は等しく，符号は逆であることが保証される．
CP 不変性は，C と P の積の変換に対する不変性で，自然界はこの不変性を破っていることが 1964 年に実験

CP 非保存の理論的説明は困難だった．すぐに現象論的にこれを説明する理論が提唱されたが，その現象だけを新しい相互作用を仮定して説明する理論であり，魅力
的ではなかった（6）．

（3）

で発見された．このことは，CPT 定理によれば，自然

界は T 不変性，すなわち時間反転不変性をも破っている

４． 小林・益川理論ことになって驚きをもって迎えられた．そもそも，1950

やっと 1972 年になって，CP 非保存を説明する，理論

年代半ばまでは，C 不変性，P 不変性，Ｔ不変性はそれらしい理論が提唱された．小林・益川理論である（7）．しぞれ別々に成り立つと思われていた．

かし，世界ではこの理論はしばらく全く注目を浴びなか

1956 年末にリー（T.D. Lee）とヤン（C.N. Yang）は Pった．それは当時としてはかなり大胆な仮定をしていた

不変性が破れている可能性を指摘した（4）．ウー（C.S. Wu）

からである．しかし，後にその仮定も正しいことがわか

女史らはすぐに実験によって P 非保存を確かめ，世界をり，小林・益川理論が的をついた理論であるという定評

（5）

驚かせた

．若きリーとヤンがその翌年の 1958 年ノーを得るに至った．

ベル物理学賞を受賞したのは，その驚きの大きさを表し

しかし，それを実際に実験で確かめるのは容易ではている．P 不変性が破れていると，C 不変性も破れていなかった．物理ではどんなすばらしい理論でも，自然がることは自明であった．すぐにわかったことであるが，そうなっていること，すなわち，実験で検証されてはじ

ニュートリノという粒子の存在自身が P 非保存，C 非保

めて意味がある．その検証には長い年月と工学技術の進存を示している．ニュートリノとは一言で言うと，電子歩が必要だったのである．

から電荷を取り去った粒子である．電荷がないので電磁小林・益川理論のエッセンスは「6 個以上のクォーク

力を感じず，物質とほとんど相互作用しない．そのためが存在すると CＰ非保存を説明できる」というものであ

大変捕まえにくい粒子で，よく幽霊粒子とも言われる．

る．クォークとは何だろうか？実は，陽子や中性子は本

実際，身の回りに多数存在しているが，見えない．ニュ来の意味での素粒子ではなく，クォークと名付けられたートリノは，進行方向に左回転している（左巻きニュー

基本粒子からできていることが 1960 年代半ばからわか

トリノという）ことがわかった．それを P 変換すると，ってきた．電子やニュートリノなどはクォークと並んで進行方向に右回転する（右巻き）ニュートリノになって基本粒子と思われている．1972 年当時には，クォークに

自然界には存在しない．同じくニュートリノに C 変換を

は 3 種類あることが知られていた．小林・益川理論は，

すると，左巻き反ニュートリノになり，やはり自然界にクォークの種類が一気に 2 倍以上存在するとしたのであ存在しない．すなわち，P 不変性，C 不変性は破れている．実はクォークは，姉妹のように非常に似ていて，電る．そこで考えられたのが CP 不変性である．ニュート

荷が 1 だけ違う「対」として存在している．これは，陽リノに関しては CP 不変性は成り立っている．すなわち，子と中性子が電荷だけが違っていて質量等は似ているこ

ニュートリノを CP 変換した右巻き反ニュートリノは存とに対応している．また，ニュートリノと電子とは同じ在する（図 2）
．まさか T 不変性も破れているとはとうてく姉妹のようである．すなわち，小林・益川理論は，ク

い思えないから，CPＴ定理によって CP 不変性も破れてォーク対が 3 種類（3 世代という）以上あると，CP 非保はいないだろうと理論家たちは確信していた．
ところが，

存が説明できるという理論である．

実験家は何でも疑い，測定してみようとする人種であり，クォークは相互作用によって姉から妹に，またその逆

上記の大発見となったのである．やはり，すべては実験にも変わることができる．さらに確率は小さいが，別ので確かめられなければならないという好例である．

世代のクォークに変わることもできる．この「クォーク2008 年ノーベル物理学賞と加速器科学の進展

105間の変換行列が 3 行 3 列，またはそれ以上であると，そク，電子，ニュートリノなどの相互作用を矛盾なく記述の行列要素に複素数が必ず含まれる」というのが小林・する．小林・益川理論は，標準理論の中に CＰ非保存を

益川両氏の発見であった(8)．クォークが 3 世代の場合，ピタリと組み込む役割をした．すなわち小林・益川理論

妹クォークの d,（ダウン），s（ストレンジ），ｂ（ボトム）によって標準理論が完成したとも言える．

から姉クォーク u（アップ），c（チャーム），t（トップ）（それぞれ左巻き（L））への変換は W 粒子により媒介され，相互作用ラグランジアンは次のように書ける．

⎛ Vud⎜
Lint = g (u c t ) L γ μ ⎜ Vcd⎜V⎝ td

Vus Vub ⎞ ⎛ d ⎞⎟⎜ ⎟Vcs Vub ⎟ ⎜ s ⎟ W μ
Vus Vub ⎟⎠ ⎜⎝ b ⎟⎠ L

ここで，g は結合定数，γμ はγ行列，V は3 行3 列の小林・益川行列（または CKM（Cabibbo-Kobayashi-Maskawa)行列）である．行列 V はユニタリー行列であり，その行列要素の自由度は 4 個である．そのうち 3 個は実数で，回転角度に相当する．もう一つ，「複素数の位相の自由度が

図 3 KEK と KEKB 加速器

残る」というのが小林・益川理論の真髄である．
複素数は，反粒子（CP 変換）では虚数部分が符号を５． B ファクトリーと小林・益川理論

変える．したがって，粒子と反粒子の振る舞いに違いが小林・益川理論によって CP 非保存の存在を説明でき生じる．すなわち CＰ非保存である．このように小林・ることはわかったが，果たしてそれは正しいのだろう

益川理論は CP 非保存を説明するために，間接的に，6か？それを検証するためには，小林・益川理論のもとで種類以上のクォークの存在を予言したが，まず 4 番目のの新たな予言が必要である．その計算を行ったのが三田クォークが 1974 年 11 月に 2 か所の研究所でほぼ同時に

氏らであり，1980 年初頭のことであった（9）．3 行 3 列の発見された．このニュースは衝撃的で，この発見は変換行列ではたった一つの複素数が存在するため，この「1974.11 革命」と呼ばれている．それまで，クォークの複素数だけで全ての CP 非保存等を説明しなければなら実在について半信半疑だった物理学者も少なくなかった

ず，それだけ小林・益川理論に対する制限が厳しい．

が，この発見でクォークが実際に存在することを確信す1964 年に発見された CP 非保存は第 2 世代のクォークるに至った．その後，1986 年に 5 番目，1995 年に 6 番目が関与する過程であったが，三田氏らは第 3 世代のクォのクォークが発見された．これらのクォークの質量は大ークからなる「B 中間子」に注目した．B 中間子は生成

きいため，十分高いエネルギーの加速器と注意深い検出後約 10－12 秒で崩壊してしまう．三田氏らはその崩壊の方法を必要としたのである．その後の実験で，クォーク

時間依存性を測ると数十%の CP 非対称が期待できるこの種類は 6 種類（3 世代）であり，それ以上ではないらとを発見した．

しいということもわかった．
素粒子の理論として「標準理論」（Standard Model）が1970 年代に完成した．標準理論は，自然界に存在する 4
つの力のうち重力を除く 3 つの力を記述する理論である．
3 つの力とは，クォークを結びつける「強い力」（固有名詞；核力ともいう），マクスウェルによって定式化された
電磁力，そして，ベーター崩壊などで働く「弱い力」（固有名詞）である．実は小林・益川理論で説明しようとした「クォークが別のクォークに変わるときに働く力」が弱い力である．また，ニュートリノは弱い力と重力しか感じないため，ほとんど物質と相互作用しない．標準理論は，美しい対称性（ゲージ対称性等）をもち，クォー

図 4 KEKB 加速器の模式図

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

106

しかしそれを実験的に検証するには二つの困難があった．一つは輝度（ルミノシティという）がこれまでの百倍以上の加速器が必要であること．二つ目はそのような短寿命の崩壊の時間依存性を測る方策と測定技術である．
大輝度の加速器が要る理由は，大量の B 中間子が必要だからである．
生成される B 中間子の数は輝度に比例する．
年間108 個以上もの大量のB 中間子を生成することがCP
非保存の研究のために必要である． なぜなら，CP 非保存研究のために B 中間子の特定の崩壊モードを見る必要ためである．
があり，その崩壊確率が大変小さい（<10－4）
図 6 B 中間子に於ける CP 非保存

B 中間子を大量に作るには重心系のエネルギーが 10.58
GeV の電子・陽電子衝突型加速器が必要である．その輝度は従来の加速器の最大輝度 1032 cm－2s－1 の 100 倍，す
34

－2 －1

1999 年に実験が始まり 2001 年夏の国際会議で最初のなわち 10 cm s が必要である．B 中間子と反 B 中間

CP 非保存の結果が両グループから発表された（11）．その子は，その重心系では生成から崩壊までに約 10 μm しか

結果は，三田氏らの計算結果，すなわち小林・益川理論

走らない．そこで陽電子と電子を異なるエネルギーで衝による予言と矛盾しないものであった．その後さらに統突させる非対称エネルギー方式が提案された．すると生計をためて得られた結果を図 6 に示す．図 6 上は，B 中成された B 中間子は平均 200 μm 走って崩壊する．進展

間子（実線）と反 B 中間子（点線）の崩壊確率の時間依

著しい半導体検出器を用いれば，その崩壊点を数十ミク存性を，図 6 下は，その差の，和に対する比をプロット

ロンの精度で測定できる．

したものである．B 中間子と反 B 中間子の振る舞いの違三田氏らは加速器をもつ研究所に B ファクトリー（B
中間子を大量に生成する加速器）の建設を説いてまわっいを見てとれる．すなわち B 中間子系での CP 非保存の発見である．

た．その結果，1990 年代になってやっと，日本の KEK（現在の高エネルギー加速器研究機構）とアメリカのSLAC（Stanford Linear Accelerator Center）の 2 箇所に B（図ファクトリーの建設が決まった．それぞれ KEKB（10）3，図 4）と PEP-Ⅱと呼ばれる．そしてそこで CP 非保存等を測る実験グループ Belle（10）と BaBar が結成された．
測定器に対する要請は，生成される粒子を高効率，高分解能で検出し，粒子識別に優れていること，B 中間子の崩壊点を精度よく測定することなどである．Belle（図 5）と BaBar はそれぞれ独自の工夫を凝らした測定器を建設
図 7 加速器とルミノシティの発展

した．

KEKB-BelleとPEPⅡ-Babarはともに同じ目的をもつ仲間であるとともに大変なライバル関係にもある．PEPⅡ
加速器は既存の設備をうまく使った結果，ビームコミッ
ショニングは KEKB より半年ほど早かった．KEKB とPEPⅡのデザインの違いを表 1 にまとめる．従来の 100倍の輝度を達成するために，数々の独創的なアイデアが考案され，実際に採用された．たとえば，PEPⅡでは電子・陽電子のビームを正面衝突させる「安全な」方式を
図 5 Belle 測定器

採ったのに対し，KEKB では±11 mrad の有限角度で交差させる「野心的な」方式を採用した．ビーム交差後の2008 年ノーベル物理学賞と加速器科学の進展

107

ビームの分離を容易にするためであったが，輝度が低下する恐れがあった．入念なシミュレーション計算によって，その効果は大きくないとの結論からの重大な決定であった．しかしながら，当初なかなかピークルミノシテ
ィは上がらず，PEPⅡの後塵を拝していた．蓄積ルミノ
シティも Belle は BaBar に遅れを取っていて Belle グルー
プ関係者をはらはらさせた．しかし，加速器グループ，
そして実験グループの不断の努力が実り，KEKB は世界
一のルミノシティを更新し続け（図 7），KEKB-Belle の
積分ルミノシティは PEPⅡ-Babar を追い越し，そしてはるかに抜き去るに至った．PEPⅡ-Babar は所期の目標に達したとして 2008 年にシャットダウンすることになったが，KEKB-Belle の後塵を拝することになったこともシ

図 8 小林・益川理論の複素平面と各種実験結果

ャットダウンの一因であろう．
ところで，物質・反物質の対称性について，宇宙規模
表１ KEKB と PEPⅡのデザイン（達成）パラメータの非対称性がある．宇宙を見渡す限り，反物質から成る銀河は存在しないという事実である．どうしてそんなこ

PEPⅡ
カリフォルニア州，米国

もの銀河が存在し，その銀河の間の空間は空虚である．

8

9子等が存在する．銀河と銀河の空間には膨大な数の物質

3.5

3.1

設計（最高）輝度(1032cm-2s-1)

100
(210)

30
(120)

量の物質と反物質が出会い，大爆発を起こしているはず

リング周長(km)3

2.2って，見える限りの宇宙には反物質から成る銀河は存在

衝 突 角 度
(mrad)±110

衝突点収束マグ
ネット

超伝導

永久磁石

超伝導と常伝導

超伝導

諸元

KEKB

場所

つくば，日本エ ネ ル ギ ー(GeV)（電子）エ ネ ル ギ ー(GeV)（陽電子）

加速空洞とがわかるのであろうか？見える限りの宇宙には 1 兆個
しかし，空虚と言っても 1m3 当たり 1 個くらいの水素原
または反物質が存在する．もし，反物質から成る銀河（反銀河）が存在すると，物質から成る銀河との境界では大である．そういう爆発現象は発見されていない．したがしない．ビッグバン宇宙論と CPT 定理に依れば，宇宙誕
生の初期には物質と反物質は等量生成された．宇宙が冷えるにしたがって物質と反物質は互いに消滅し合い，十分な量の物質（または，反物質）は残らない．計算に依ると実に 11 桁も足りない．とても現在のような，銀河で一杯の宇宙にはならなかった．そこで「宇宙初期に CP
非保存が働いたはずである」とサハロフが指摘した（12）．

さて小林・益川理論であるが，CP 非保存を標準理論

そのエッセンスを簡単に説明しよう．宇宙誕生の後，非の中に収めることに成功したものの，CP 非保存の大き常に重い X 粒子と反 X 粒子は同じ数だけ生成されたが，さまでは予言できない（すなわち，たった一つ現れる複CP 非保存によって，その崩壊生成物の粒子と反粒子の素数の数値自身は予言できない）．
だからいろいろな実験数に違いが生じたとする．小林・益川理論は，残念なが値を総合して，小林・益川理論に矛盾がないかどうかをらこの宇宙規模の物質・反物質の対称性の破れを直接説判断する必要がある．図 8 は，小林・益川行列に現れる

明するものではない．しかし，小林・益川理論は標準理

複素数の値について，いろいろな実験結果を総合したも論の枠内で CP 非保存を説明することに成功し，宇宙規のである．小林・益川理論では，全ての値がこの複素平模の物質反物質の非対称性への謎解明に大きな手掛かり

面上の 1 点に集中するはずである．図 8 では，三角形（ユを与えたことも事実である．

ニタリティ三角形と言う）の頂点付近が全ての測定結果を満足する領域であり，現在のところ数％の精度でそれが正しいことが見てとれる．

６． 南部理論について
最後に南部陽一郎氏の業績について概説する．南部氏

108

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号の業績は数多く，もっとずっと早くノーベル物理学賞に定式化した「自発的対称性の破れ」を応用した「基本粒

輝いても不思議ではないと皆思っていたが，今回の受賞

子の質量生成機構」の正否は 2009 年 11 月実験開始予定

で「遅かったけれどよかった」と皆納得した．でもなぜの LHC での実験で明らかにされるであろう．そして，

こんなに受賞まで時間がかかったのだろうか？まずはそさらに，標準理論では説明できない新物理現象の発見がの仕事について見てみよう．1911 年にカメリング・オネ

期待されている．標準理論は，小林・益川理論の CP 非ス（Kamerling-Onnes）によって発見された超伝導現象は保存パラメータをはじめ，25 個の任意のパラメータを内

やっと 1957 年に BCS（Bardeen, Cooper and Schrieffer）理蔵する．
そのような理論が究極の理論であるはずがなく，論によって説明されるに至った（13）．南部氏はこの理論を重力をも含む究極の理論に向けての発見が待たれる．

「場の理論」に書き直し，そこに「自発的対称性の破れ」

このような物理学の進歩は，工学技術の進歩と切ってが働いていることを発見した．
自発的対称性の破れとは，も切り離せない．物理学での理論と実験との切り離せな系のもつ対称性が自発的に破れる現象を言う．簡単な例

い関係と同じように，物理学と工学との関係も切り離せ

として，棒をまっすぐ立てたとしよう．棒は不安定で倒ない関係にある．すなわち，工学技術の発展が物理学のれてしまう．立っている状態でもっていた棒のまわりの発展に大きく寄与し，その成果が，直接的または間接的

回転対称性は，棒がある方向に倒れることによって破れに新たな工学技術の発展を促すのである．

た．物理的な例としては磁石がある．磁石をキュリー温
度以上に熱すると磁石の性質が無くなってしまう．すな

参考文献

わち方向性をもたない．磁石が冷えてくると，ある方向(1) 渡邊靖志，“核子崩壊の探索―物質の安定性”，工学に磁化する（実際は磁化の向きがそろった磁区の集まり

研究所所報，30 号（2007－11），p.19．

となる）．すなわち，自発的に方向性が現れた．

(2) G. Lűders, kgl, Danske Videnkab, Selskab, Mat-Fys.

この自発的対称性の破れによって，南部氏は，陽子やMedd. ,28, No.5 (1954); W. Pauli, “Niels Bohr and the中性子などに質量をもたせることが可能であることを発Development of Physics”, Pergamon, London, 1955.

見した（14）．粒子が質量をもっていることは実験的事実だ(3) J.H. Christenson, J.W. Cronin, V. L. Fitch and R. Turlay,

から，この理論は基本的過ぎて，ノーベル賞への道は遠Phys.Rev.Lett.13,138(1964)

かったのかも知れない．しかし，この「自発的対称性の(4) T.D. Lee and C.N. Yang, Phys. Rev. 104, 254 (1956).

破れ」を応用して，基本粒子であるクォークや電子など(5) C.S.Wu et.al., Phys. Rev. 105, 1413 (1957).

に質量をもたせる機構が発見され，標準理論が確立され(6) L. Wolfenstein, Phys. Rev. Lett. 13, 562 (1964).

るに至った．この機構（ヒッグス機構）が正しいかどう(7) M. Kobayashi and T. Maskawa, Prog, Theor. Phys. 49,

かはまだ明らかではない．2009 年 11 月に実験を開始す

652 (1973).

る LHC（Large Hadron Collider）での検証が待たれる．

(8) 三田一郎，“CP の破れー新しい物理を探る“，工学研究所所報，29 号（2007－11），p.35 を参照のこと．

７．終わりに(9) A.B. Carter and A.I.Sanda, Phys. Rev. D 23, 1567 (1981);

以上，2008 年ノーベル物理学賞受賞に輝いた小林・益I.I. Bigi and A.I. Sanda, Nucl. Phys. B 193, 85 (1981).

川理論，南部氏の理論の概要，意義，そしてなぜ受賞ま(10) S. Kurokawa and E. Kikutani, Nucl. Instr. and Meth. A

で時間がかかったかについて概説した．物理学と数学の499, 1 (2003)およびその中の論文．

大きな違いの一つは，物理学の対象が自然そのものであ(11) A. Abashian et.al. (Belle Collab.) Nucl. Instr. and Meth.

ることである．数学では美しい理論はそれだけで評価さA 479, 117 (2002).

れる．しかし，物理学では，それを「自然が採用」して(12) B. Aubert et.al. (BaBar Collab.) Phys. Rev. Lett. 89,

いなければ全く意味がない．それを検証するのが実験で201802 (2002).; K.Abe et al. (Belle Collab.) Phys. Rev. D

ある．実験では，ハイテクを駆使した装置や工夫によっ

66, 071102 (2002).

て「自然」に問いかける．理論の予言を検証するのに，(13) A.D. Sakharov. Pisma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 5,32 (1967)

工学技術の進歩を待たねばならないことも多い．小林・(JETP Lett. 5 (1967)).

益川理論の検証はまさにその典型例であった．逆に実験(14) J. Bardeen, L.N. Cooper and J.R. Schrieffer, Phys. Rev.

が新たな難題を発見することも多い．CP 非保存の発見

108, 1175 (1957).

はその好例である．発見された CP 非保存を説明しよう(15) Y. Nambu, and G. Jona-Lasino, Phys. Rev. 122, 345 (1961).;

として小林・益川理論が生まれた．また，南部氏が発見，ibid. 124, 246 (1961).

109

メモリー効果佐藤 祐一＊The Memory EffectYuichi SATO＊

はじめに

果とは、ニッケル・カドミウム電池(Ni-Cd 電池) やニッ

23 年間お世話になった工学部を来年3 月には去らなけ

ケル・水素電池(Ni-MH 電池、M：水素吸蔵合金)のようればならない。
この間、約 300 名の卒研生諸君とともに、な Ni 極を用いるアルカリ系二次電池において、全容量研究に励んできた。その成果の中身には忸怩たるものがを使用しきらないで、短時間使用しては充電する操作をあるが、とにかく何の制約もなく思う存分研究をやらせ続けていると放電電圧が低下し、使用時間が短くなるとていただいたことに感謝の気持ちでいっぱいである。赴いう困った現象のことである。あたかも電池が短い使用任した最初の年に研究室立ち上げのためにと、応用化学

時間を記憶したように見えるので、これをメモリー効果

科予算の中から皆さんが出し合って、確か 500 万円ほどいう。不思議なことにこのような電池は強制放電して空余分の予算をいただいた。これで最新の電気化学計測装にした後、充電することを数回繰り返すと正常の電池に置を購入することができ、おかげで 1 年目の終りには学復活する(リコンデショニングという)。しかし、電池は会発表もすることができた。ありがたいことに研究予算

一般に機器に組み込まれており、ユーザーには強制放電は潤沢だった。これで研究費が少ないので研究ができななど出来ないから、その機器は故障したと思われ破棄さいなどと言ったら罰が当たると思った。電気化学をベーれてしまう。

スに電池とめっきの研究を続けてきた。さて、研究内容

ところで、今年は月に宇宙船アポロ 11 号が到着してにはいろいろのタイプがある。不思議な現象、新しい現から 50 年になる。当時から宇宙船には太陽電池で発電

象を見出し、その原因を究明する研究、新しい物質を合された電力の貯蔵のために Ni-Cd 電池が使用されてい成して、そこに新機能を見出し、材料として実用化にまた。このころからメモリー効果は問題となっており、リで持っていくような研究、
データとしては貴重であるが、コンデショニングの方法が検討された。その原因についこうやったらこうなりましたといったあまり面白くないては、当初、この現象が Ni-Cd 電池に認められ、Cd 極研究など様々である。物質合成が得意でなく、推理小説に原因があるとされた 1, 2, 3) 。すなわち、充放電を繰りの好きな私にはおのずから解析的な謎解きのような論文返すと Cd 極が変形して、Cd の突起部がセパレータを圧が多くなった。その中でも研究の話をするとき、比較的迫し、正極との間でセミショートのような状態になるた

多くの方から興味を持って聞いていただいたのが、表題

め、電圧が低下する。強制放電によって突起部を溶解さのメモリー効果である。私としても思いの深いテーマだ

せれば、容量は復活すると言われていた 1) 。あるいはったので、ここで紹介したい。

Cd 極で集電体の Ni と負極活物質の Cd との間に金属間化合物が生成するためであるとも言われていた 4) 。した

メモリー効果とはがって、Cd の代わりに負極として、水素吸蔵合金を使充電可能なアルカリ系二次電池内蔵のシェイバーや音用する Ni-MH 電池ではメモリー効果はなくなると信じ

響機器、電動ハブラシ等を使用中に、以前はもっと永くられていたが、やはりメモリー効果が現れた 5) 。これら

使えたのにと感じられた事はないだろうか。メモリー効の様子を放電曲線で示すと図 1 のようになる 6) 。曲線 A＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿

は正常の Ni-MH 電池の放電曲線、B は浅い充電と放電＊ 教授を300回繰り返したあとの放電曲線で放電電圧が低下し物質生命化学科

Professor、 Dep. of Materials and Life Chemistryており、たとえば 1. 1 V まで使用可能な機器では作動時

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

110

間が短縮される。しかし、0. 8 V までの深い放電を行な

電圧低下は解消され正常な状態(A) に近づき、メモリー

ったあと、再び充電することを繰り返すと正常な放電曲効果が解消されることを確認した。

線(C, D)に近づくことがわかる(リコンデショニング)。これらのことより、メモリー効果の原因は Ni 極側にあると考えられていたが、その詳細は不明であった。

1.5
A

1.4

D

1.3

1.5

1.2

1.4

A

1.1

D

1.3

C

1.0

1.2

0.9

1.1

0.8

1.0

B

0.7

C

B

0.9

A

0.6
0

0.8
0.7

D C B

50 100 150 200 250 300 350 400
Time/min.

図 2 ニッケル容量規制 Ni-Cd 電池の放電曲線

A BC D

0.6
0

30

60
90
Time/min.

120(4.4 mA cm－2, 30℃)

150(A) 正常電池，(B)-(D) 放電電流 2. 22 mA cm－2 で
1. 2 V まで放電後，充電電流 2. 22 mA cm－2 で 7 h

図 1 単 4 形 Ni-Cd 電池の放電曲線(250 mA, 30℃)

充電することを 50 サイクル繰り返した後，(B)１(A) 正常電池, (B) - (D) 放電電流 50 mA で 1. 2 V ま回目，(C) 2 回目, (D) 3 回目の放電曲線. (A)- (D) ので放電後，充電電流 25 mA で 10 h 充電することを 50

放電終止電圧 0.8 V，充電は 2. 22 mA cm－2 で 7 h

サイクル繰り返した後，(A)１回目, (B) 2 回目, C) 3 回目, (D) 4 回目の放電曲線. (A)- (D) の放電終止電圧 0.8

実施.
一方、Cd 極容量規制 Ni-Cd 電池の放電曲線は図 3 のよう

V，充電は 25 mA で 16h 実施.

である。充放電サイクルテスト後の曲線 B には正常な場合に比べ、約 40 mV の電圧低下が見られるが、Ni 極容量

メモリー効果原因の究明 6, 7, 8)

規制電池の場合ほど著しい低下ではない。また、深い放電

1)

過充電によって発生するメモリー効果の原因 6、7、8)と充電を繰り返しても電圧の復帰は見られない(C, D)。こメモリー効果の原因をさぐるためには確実にこの現象のような Cd 極表面の SEM 観察を行うと Cd の粒子径がを起こさなければならないが、その条件を見出すのが難

大きく成長しているのが認められ、電圧低下は電極表面積しかった。
市販電池では、充放電に長時間を要するので、低下に基づく電流密度の増大による iR 降下の増大による短時間にメモリー効果を発現させるために、市販のものと考えられる。充放電サイクルテスト後の Ni 極と

Ni-Cd 電池から Ni 極と Cd 極をとりだし、小型の電池をCd 極の充電状態の電位を酸化水銀電極に対して測定する作製した。図 2 には Ni 極容量規制の Ni-Cd 電池についと Ni 極の電位のみ正常値より約 75 mV 低下していたが、て、種々の状態の放電曲線を示す。正常な充放電を 5 サ

深い放電を行った後充電すると正常の電位に復活した。
こイクル繰り返した後の正常な放電カーブ(A) に比べて、れらの現象はメモリー効果の原因が主に Ni 極にあること

浅い放電と充電を 50 サイクル繰り返した後の放電カーを示唆している。図 4 は、充電状態の Ni 極の XRD 回折ブ(B)では、明らかに放電電圧が低下し、メモリー効果のパターンである。浅い放電と充電を 5 サイクル繰り返す発生が示唆される。一見放電時間が長くなっていることと放電曲線は低下し、メモリー効果が表れるが、その Ni

から、容量は劣化していないように見えるが、作動電圧

極 B の XRD パターンは、正常状態の Ni 極 A のそれとほが低下していることから、本電池使用の機器に設定されとんど一致しており、主として Ni, β- Ni(OH)2 とβ-ている作動電圧の閾値(例えば 1. 2 V)までの作動時間は

NiOOH に基づく回折ピークのみである。しかし、この電短縮されることになる。次に浅い放電と充電を繰り返し

極 B の表面を細かいメッシュのエメリー紙で削り取るとた後、0. 8 V までの深い放電と充電を繰り返すと(C、D)、

約 13 度、26 度付近にγ- NiOOH に基づく(003)、(006)メモリー効果

回折ピークが現れ，さらに削るとそれらのピーク強度は増111

充放電サイクルの進行に伴って、溶液方向に向かって成加した(BD)。以上の事実は、浅い放電と充電を繰り返した長していくことを示唆している。これはγ- NiOOH がとき、
γ-NiOOH が Ni 極の集電体/活物質界面に生成し、Ni 電極において過充電により、β- NiOOH を経由して生成すると考えられていること 9、10、11) とも矛盾しない。
放電状態にあるβ- Ni(OH)2 は次のように変化する 12) 。

chargeβ-Ni(OH)2

discharge

β-NiOOH
overcharge

unstablechargeα-Ni(OH)2

γ-NiOOH
discharge

すなわち、充電過程では、まず、電解液中の水酸化物イ
オンが活物質内部より拡散してきたプロトンと結合して、水分子となり、β- Ni(OH)2 はβ- NiOOH に酸化される。
放電過程はその逆である。
正常状態ではβ- Ni(OH)2 とβ- NiOOH の間で充放電が行なわれるが、β- NiOOH がさらに充電されるとγ- NiOOHに変化する。
γ- NiOOH
図 3 カドミウム容量規制 Ni-Cd 電池の放電曲線(4. 4

この物質はアルカリは放電によりα- Ni(OH)2 となるが、mA cm , 30℃)

水溶液中では非常に不安定ですばやくβ- Ni(OH)2 に変－2(A) 正常電池、(B)- (D) 放電電流 2. 22 mA cm－2 で 1.2 V化する。γ- NiOOH とβ- NiOOH では化学ポテンシャ

まで放電後、充電電流 2. 22 mA cm－2 で 7 h 充電するこルが異なり、γ- NiOOH を含む Ni 極の放電はβ-とを 50 サイクル繰り返した後、(B)１回目, (C) 2 回目,

NiOOH の放電より負電位で進行することが知られてい(D) 3 回目の放電曲線. (A)- (D) の終止電圧0.8 V, 充電は

これは Ni 極と Cd 極と組み合わせたとき、る 13、14、15) 。

2. 22 mA cm で 7 h 実施.

γ- NiOOH が存在すると作動電圧が低くなることを意－2味する。浅い充放電をくりかえした Ni 極を作用電極としてサイクリックボルタングラムを測定すると、βNiOOH の還元に対応する還元ピークとそれより負の電位にγ- NiOOH の還元に対応すると考えらピークが現れた 16) 。γ- NiOOH には Ni4+が含まれるため、その平
均酸化数は 3 より高く、3. 6- 3. 67 に近いことが知られており 10、17、18)、β- NiOOH の酸化数は 2. 8 から 3. 2 である 10、17、18、19) 。したがって、より Ni の酸化数の高い
γ- NiOOH が存在すれば放電電圧は低いものの放電容量は大きくなり 12) 、実験結果をよく説明している(Fig.2,
B)。この試作電池のみならず、メモリー効果を示した市
販単 4 形の Ni- Cd 電池および Ni-MH 電池においても、
おのおの充電状態の Ni 極からは、γ- NiOOH が確認された 8) 。また、数回の深い放電と充電を繰り返すことに
図 4 充電状態のニッケル極の X 線回折図

よって、メモリー効果は消失し、γ- NiOOH も検出されA) 正常状態, (B) 浅い放電と充電を 5 サイクル繰り返なくなった。
したがって、
メモリー効果発生の主原因は、した後の電極, (Bs) (B)の表面を 0.11 mm 削り取った

過充電により Ni 極の集電体界面に生成するγ- NiOOH

電極, (BH) (B)の表面を 0.17 mm 削り取った電極.

によるものと考えられ、深い放電と正常な充電を数回以上繰り返すことにより消滅する。

112

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

2) 部分充放電過程で発生するメモリー効果とその抑制たことを意味している。さらに、電池 A, B の放電曲線 bの可能性 20、 21）を見ると a より、電圧が低下している。すなわち、100

ここ数年、ハイブリッド自動車(HEV)の普及が著しい

サイクルの部分充放電により、メモリー効果が発生してが、その駆動電源として Ni-MH 電池が搭載されている。

いるが、作動電圧の低下度合いは

HEV は発進・低速走行、また急速加速時には電池からの電力をモーターに供給して走行する。一方、定常走行時には充電されると共に減速時にはブレーキの回生エネルギーを電池に蓄積するエネルギー変換システムが採用され、電池は充電されることになる。したがって
HEV 搭載の電池は、電力受け入れ、放出特性を高める
ために、満充電にならないように未充電部分を残しつつ一定の電気量を保持しながら、部分的な充放電を繰り返すことになる。そのため、過充電とはならないのでメモリー効果は発生しないと予想されたが、やはり発生し、
γ- NiOOH が検出された。これは、見掛け上過充電とはならなくても、導電材が均一に分散していないため、局部的に過充電になるためであろう。Ni(OH)2 は電導性に乏しいから、一般に Co 化合物が導電材として添加されている。もし、Ni(OH)2 粒子の中に、導電性粒子である
Co 化合物と未接触の孤立したβ- Ni(OH)2 粒子が存在す

図 5 ニッケル容量規制 Ni-Cd 電池の SOC 50 %からると仮定すると、充電時には先ず Co 化合物と接触しての放電曲線(0. 2 C レート, 30℃)

いるβ-Ni(OH)2 粒子がβ- NiOOH に酸化されよう。そa) 正常電池, b) SOC 50- 70 %で 100 サイクル充放電後の後、Co 化合物と接触していないβ- Ni(OH)2 が電極中(0. 2 C)、 A) ニッケル極にマイクロメータサイズとナに存在するにもかかわらず、そのβ- Ni(OH)2 がβ-ノメータサイズのコバルト化合物を含む, B) ニッケルNiOOH へ酸化されるより先に、導電性ネットワークの極にナノメータサイズのコバルト化合物を含む.

発達した部分で先に生成したβ- NiOOH がさらにγNiOOH へ優先的に酸化されると予想される。したがっ電池 B の方が少ない。これら二つの事実は、ナノサイて、部分充放電サイクルを行なうと導電性ネーッとワー

ズ導電材の方がマイクロサイズ導電材より均一に活物クの発達した部分における充電電流の局所集中化によ

質内に分散しており、電極 B の方がより優れた導電性

り Ni 極のある部分のみにγ- NiOOH が生成し、メモリ

ネットワークを形成しているので、電極 B を用いた電ー効果が発生するものと考えられる。この機構を確認す

池の方が電極 A を用いた電池よりメモリー効果が起こるために、Ni(OH)2 中にナノメータから、マイクロメー

りにくいだろうという予想を裏付けた。したがって、

タの異なる粒子径の Co(OH)2 を一定量添加した数種類

Ni 極内に導電材を均一に分散させ Ni 極活物質の利用の Ni 極を作製し、充電深度 50～70%の部分充放電サイ率を高めることによって、過充電により発生するメモリ

クル試験を行った結果、粒子径の小さい Co(OH)2 を含む

ー効果は阻止できないが、部分充放電サイクル使用時にNi 極ほどメモリー効果が起こりにくいことが確認され発生するメモリー効果はある程度抑制できる可能性がた。図 5 はマイクロメータオーダとナノメータオーダのあることがわかった。以上の内容は、Elsevier 社から

導電材(Co(OH)2)を含む2種類のNi-極を用いた電池の放著書として 10 月発行される予定である 22) 。

電曲線で、a は正常状態、b は充電深度 50-70 %で 100
サイクルの部分充放電テストを行なった後の放電曲線

メモリー効果から連想されることである。Ni 極内の Ni(OH)2 含有量は同一であるにもか

われわれ人間社会にもこのようなメモリー効果が存在かわらず、ナノメータオーダの導電材を使用した Ni 極するような気がしてならない。毎年、卒業研究のためにからなる電池 B の方がマイクロメータオーダ導電材を研究室に入ってくる学生諸君をみていると、永年にわた使用した Ni 極からなる電池 A よりはるかに高容量を示って、君の力はこのくらいと思い込まされた、あるいはしている。これは電池 B の方が活物質の利用率が高まっ

自分で勝手に思い込んできた学生のなんと多いことか。

メモリー効果113

もっとやればできるのにと歯がゆい思いをすることがた

9) P. Oliva，
J. Leonardi，
J. F. Laurent，C. Delmas，J. J. Branconnier，

びたびである。このような学生を変身させるチャンスが

M. Figlarz， F. Fivet，and A. de Gulbert，J. Power Sources，8，「卒業研究ではないか」と考え、種々試みるのであるが、229-255 (1982).

力およばずということを繰り返してきた。中には時々大化けする学生がいる。組織においても同じであろう。うまくいった方式を永年にわたって安易に繰り返してきた
結果、周囲の状況が変わって制度疲労を起こし、これをなんとかしなければと必死なのが昨今の諸状況ではないだろうか。失礼ながら我が工学部もその範ちゅうにいる
ような気がしてならない。工学部再構築のために変身しようではありませんか。

10) D. A. Corrigan， and S. L. Knight，J. Electrochem. Soc.，136，
613-619 (1989).
11) A. N. Mansour，C. A. Melendres，and J. Wong，J.

Electrochem. Soc.，145，1121-1125 (1998).
12) H. Bode，K. Dehmelt，and J. Witte，Electrochim.

Acta， 11， 1079-1087(1966).
13) N. Yu. Uflyand and S. A. Rozentsveig， Sbornik
Rabot po Khimicheskim Istochnikam Toka，p. 180，
No. 3， Energiya，Leningrad (1986).

文献1) C. Lurie，Extended Abstract of 15th Intersociety

Energy Conversion Engineering Conference，p.
634 (1980).
2) S. F. Penseabene and J. W. Gould，IEEE Spectrum，Sept. p.33
(1976).
3) R. Barnard，G. T. Crickmore，J. A. Lee，and F. Y. Tye，Power
Sources (ed. D. H. Collins)，Vol. 6，p. 161 (1976).
4) T. R. Crompton，Battery Reference Book，19.1.2，Butterworths，
London (1990).

14) R. Barnard，C. F. Randel，and F. L. Tye，J.

Electrochem. Soc.，119，17-24 (1981).
15) L. H. Thaller，A. H. Zimmerman，and G. A. To， J.

Power Sources，114，309-319 (2003).
16) M. Morishita，K. Kobayakawa， and Y. Sato， ITE

Letters， 6， 22-26 (2005).
17) R. Barnard，C. F. Randell，and F. L. Tye，J. Appl.

Electrochem. 10，109-125 (1980).
18) A. V. D. Ven，D. Morgan，Y. S. Meng，and G. Ceder，

J. Electrochem. Soc.，153，A210-A213 (2006).

5) S. Venkatesan，M. Feteenko， B. Reichman，D.

19) W. E. O’Grady， K. I. Pandya， K. E. Swinder andMagnuson，and S. K. Dhar，Proceedings of the 33rd

D. A. Corringan，J. Electrochem.，Soc.，143，

International Power Sources Symposium，Cherry
Hill，NJ，June 13-16，p. 476- 488 (1988).
6) Y. Sato，S. Takeuchi，S. Magaino，and K. Kobayakawa，Bull.
Chem. Soc. Japan， 73， 1699-1773 (2000).
7) Y. Sato，
K. Ito，T. Arakawa，and K. Kobayakawa，J. Electrochem.
Soc.，143， L225-L228 (1996).
8) Y. Sato，S. Takeuchi，and K. Kobayakawa，
J. Power Source，93，
20-24 (2001).

1613-1616 (1996).
20) M. Morishita ，S. Shikimori ，Y. Shimizu，A.
Imasato，H. Nakamura，K. Kobayakawa，and Y.
Sato. Electrochemistry，74，532-535 (2006).
21) M. Morishita，Y. Shimizu，K. Kobayakawa，and Y.
Sato，Electrochim. Acta，53，6651-6656 (2008).
22) Y. Sato, Memory effect of nickel electrode,“Encyclopedia of Electrochemical Power Sources”,
ed., J. Garche et al., Elsevier, 2009.

114

IE の理論と実際の統合教育 40 年
上野 俊夫＊

Forty Years Doing Synthetic Education Between Theory and Practice of Industrial
Engineering

Toshio UENO＊

１．はじめに∗

2．駆け出しのころの私と IE

神奈川大学が IE 関係の学科を創設したのが、昭和１

私が助手として大学に残った頃の本学の IE(Industrial

４年（１９３９年）ということであるが、これは日本でEngineering)教育は、狭義の IE (作業研究)を中心としたは早稲田大学と並んで最も古い伝統を持っている学科とカリキュラムで行われていた。したがって私も助手としいうことになる。この学科を具体的に実施に移したのはて駆け出しの頃、教授の先生からまず作業研究に関する上野陽一先生であると聞いている。私はこの事実を知っ

研究をしなさいと言われ、すなおにその方向で研究を始たとき、運命みたいなものを感じた。すなわち、私は昭めたと記憶している。ただ私がそのころ IE に関して一

和１４年生まれであり、名前は上野である。だから私がつ不安を感じていたことは、IE はアカデミック的な研究

大学に残った頃、よく上野先生の関係者ではないかと言ではなさそうだ、せっかく大学に残ったのであるからアわれた。しかし全く関係はないのである。それでも生まカデミックな研究をしたいという考えを持っていたので、れ落ちたときから、何か上野先生と見えない糸でつなが

その点でやや不満でもあった。しかしそのことについてっているのではないかと思うほど、因縁めいたものを感教授から「上野君、IE は実際の企業の業務から発生してぜずにいられないのである。

きたものだから、実際の現場も知らないで理論研究した

それはさておき、私は神奈川大学の経営工学科（当時って無意味であり、真の研究にはならないよ」と言われ、は工業経営学科）に入学して以来、今日まで約５０年間

最初は半信半疑であったが、ある時ある工場の現場を観（半世紀）IE 関係の学問に接してきたのである。学生時測していたとき、ふとその観測の従来からの理論が実際代の４年間と助手時代の６年間を経て、専任講師以上のに欠けている面があることに気づいたのである。そこで教員になり、学生への教育に本格的に関与して今日まで

その実際をよく観察してそれにより適合する理論を開発の４０年間、この IE に関する教育を一貫して理論と実することによって、その理論が従来の理論よりも実際に際を通して行ってきた。４０年間といえばかなり長いよ

かなっていることが証明され、若手研究者に与えられる

うであるが、私にとっては無我夢中の４０年であり、研「論文奨励賞」という研究のスタートとして励みとなる

究や教育には、
まだかなりやり残したという印象である。

賞をとることができたのである。それ以来私の IE に対

ここで特に、私が学生に対して関与した IE 教育の理論

する不満、不安は解消し、積極的に現場を見ることによと実際を振り返り、私の学生との大学生活のまとめとしって研究を進めるという考えを持ったのである。この考たい。

え方が専任講師に昇格して卒業研究という科目を持った
とき、卒論生に対して「理論と実際の統合教育」という*教授 情報システム創生学科
Professor, Dept. of Information Systems Creation

形で、約４０年間実行してきたと思っている。

IE の理論と実際の統合教育 40 年

3．初期の理論と実際教育

115

れた企業(私が知っていて実習のお願いができる企業)し卒論生を持ってしばらくの間、私は学生に対して狭義

か学生へ提供できなかったが、そのうち学生の就職の決の IE である作業研究の技法を指導しながら実際の製造定が早く(５月末まで)なってきたころ、それぞれ就職が現場にそれらの技法を適用させ、学習した理論が実際を決まった企業へ実習のお願いをしたところ、快く引き受

通してどのくらい理解できたか、また実際との違いや問けてくれるところがほとんどであったので、そのとき以題点はどこにあるのかを考えさせることによって、理論

来私は基本的に学生の就職した企業にお願いすることにと実際の統合教育をスタートさせた。現場に入った学生したのである。

は当初、当然のことであるが実際を知らないので、これまで本や黒板から学習した知識と理解が、いかに不十分

5．実際教育の難しさなものであったかを思い知らされ戸惑いの境地に陥って

企業実習調査研究の指導で難しいことは、理論と実際いたが、何日も現場に入って実習調査研究(通常夏休みのに逆の乖離がある場合、学生はあくまでも理論と対応さ１ヶ月間)しているうちに、本に書いてあったこと、黒板せて自己の研究を進めているので、もし自分の改善案がで習ったことが次第にわかるようになり、実習期間が終

実際よりもよい数値になれば、うまく改善したという結了するころには学習した理論を実習工場に応用した資料論を出してしまうことである。しかし会社側からするとをまとめられるところまでできるようになっていた。こそのような実際の数値になっているのは、理論とは別のれらの資料と学習した理論を基にして卒業論文の作成が会社の方策からのもので、やむを得ずそのような結果と終了するころ、多くの学生から｢先生、もし自分があともなっていると主張された場合、学生にはその事を理解す

う１年卒業論文をやったら、もっといろいろなことがわるのは難しい。なぜ理論的にはそうでならなければなら

かりすばらしいものに仕上げられます｣という言葉を聴ないのに、それとは逆の結果になってしまっているのだ

くたびに、スタートさせた自分の理論と実際の教育は、

ろうかというような疑問を払拭することができず、悶々

よかったのだと確信することができた。しかし最初のことしているのを見かけるにつけ、わたしは授業で教えてろは、自分の方もまだ企業の実際には十分精通しているいる理論の限界を感ぜざるを得なかった。このような時とはいえず、自信を持って学生を指導するには不十分で

私は学生に対して、「企業の問題には理論を超越したそあると反省せざるを得ない日が多々あった。

の企業の政策（たとえば、協力企業との関係、政治的・政策的な関係など）があるので、そのような結果となる

4．IE 教育の拡大

場合もあるが、このことは君たちが実際に企業で働くよ

上述するように私の初期の IE に対する研究・教育は、

うになればわかるでしょう」ということで、その場を凌作業研究という狭義の IE に属するものであったので、いでいるのである。

かなりその範囲が限られていた。しかし企業の実際を見またこのような状態とは逆の現象が起きることもある。

ているうちに、もっと範囲を広げる必要を感じはじめて

それは学生があまりにも企業の実際を表面的に捉えて、いたのである。学生教育をはじめて１０年以上経ち理論

自ら「そんなことは実際にはムリだ」「そんな改善は実際と実際教育も板についてきたころ、引退する先生の科目にはできない」と考えてしまうような、せっかく企業人を担当する番が回ってきた。それは｢生産管理｣という科とは異なる新鮮な目で見て問題点を指摘し、改善案を出

目で、IE の学問ではより広い範囲を扱う科目であったのすという芽を摘んでしまうような状態が生ずるのである。

で、私にとって渡りに船であった。この時点から私は自このようなときには私は、「そんな否定的なことは言わ己の研究と学生への理論と実際の統合教育を、より広い

ず、とにかくどんな改善案でも（それが実際的でなくて範囲の IE によって行うことになったのである。

も）よいから出して見なさい」と言って、学生の改善欲

学生の企業実習調査研究に対する実習先企業の反応は、を失わせないようにしている。それによって学生が出し

おおむね良好であり、特に「自分たち企業人は、ともす

た改善案は、たいてい企業人に否定されることはないの

ると日常の業務に埋没していろいろな問題点を見過ごしである。
問題解決の科学的アプローチの手順中にも、「問てしまっているが、素人であるが学生がまったく違った題に対する改善案を出すとき、まずこんな案は不可能だ

新鮮な目で見てくれることによって、思わぬところの問とか、実際的でないなどと最初から制約条件を課しては題点を指摘してくれるという点に価値が見出せる」とよ

ならない」ということが述べられている。したがって私く言われた。
このような評価に私はますます自信を持ち、は学生に対して、科学的アプローチのことを思い出させ、企業実習を積極的に進めたのであるが、最初はある限ら説得するようにしている。これに対して直に納得する学116

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

生もいれば、なかなか納得しない学生もおり、この点でるような改善を行うのは容易であった。そこで平成の時理論と実際の双方から統合して教えることは、それほど代になって製造業の他に、旅館業にまで学生の実際教育

容易ではないと実感した。

を拡大したのである。

６．対象企業の拡大などの販売サービス業や病院などの医療サービス業など

さらにそれと前後してスーパーやコンビニ、デパート
IE の考えはどんな企業にも適用できることは以前よ
りわかっていたが、昭和の時代は、学生の実際教育の対にも適用し、学生への実際教育を広げていったわけである。

象は製造業であった。もちろん IE は第２次産業である製造業から発生したのであり、したがって多くの製造企

７．IE の理論と実際の統合教育の重要性

業では生産性の向上を図るべく、大いに IE の考えを採IE は単に机上の理論だけで教育しても不十分であり、り入れていたので、学生への実際教育も製造業中心にな

あまり学生に実力を付けることはできないし、新たな方ったのは必然的な帰結なのである。しかし将来は別な業向へと応用・拡張させることはできないと考えている。

種にも適用したいと、かなり以前から思っていた。

理論を学び実際を知ることによってのみ、それを達成す

私は若い頃から旅行好き温泉好きで、いろいろな地方ることができると思っている。

のいろいろな旅館に泊まることが好きだったので、これ

たとえば、IE の技法の中に「ラインシステムの設計」

までにかなり多くの温泉旅館に泊まった経験がある。そというものがあり、この技法を単に机上だけの理論とし

れらの旅館に泊まったとき、私の専門である IE の考えて習うとすると、その基本理論は、対象作業の全体（たがつい頭をもたげて来て、そこで働く従業員の仕事ぶり

とえばある組立製品を作る場合のその組立作業の全体）を見るにつけ、何と非効率的なやり方をしているのだろをいくつかの工程に分割し、各工程を遂行する作業時間

うか、だから顧客に対するサービスも悪くなるのは当然をできる限り同じ時間になるように、全体の作業をうまであると思ったのである。いくつかの旅館でそのようなく割り当てるという考え方である。学生がこの理論を学ことを考えている内に、何とか旅館業にも IE を適用しんで企業の実際に適用したとき、確かに理論上はうまくて作業の改善を行い、そこで働く従業員にもっと仕事（顧割り当てられたのに、実際にその案を作業者にやっても客への直接的なサービスとは関係しない仕事）を効率的らうと、期待していた効率とはかなり違って、効率がダにやってもらい、楽になり余った時間を顧客の直接的なウンしている状況を呈した。そこでなぜこのようなことサービスに振り向けたら、顧客満足が向上し、その旅館が起こるのかという疑問が出てくるわけである。このよの評価も上昇するのではないかと考えたのである。昭和

うな疑問は単なる机上の理論だけでは生じないのである。

の終わり頃、ふとしたきっかけである大きな旅館の社長

そこでこの疑問を解決するための実際上の探求が行われ、が、「ウチの旅館にも製造業のような進んだ仕事のやり

それは作業者の技量の違いや心理的なことに原因してい方を適用し、もっと効率を上げるために IE を適用した

るということが明らかにされるのである。そのことは学い」と言うことを聞いて、運よくその社長とお会いする

生に単なるライン設計の純粋理論だけでなく、ものづくことができ、早速そこで私の考えている IE のやり方をり技術や心理学の方向まで拡張して考えなければ、実際適用したのである。そのころの現状の多くの旅館（現在にはうまく適応できないことを学修させることができる

でもそうと思われる）では、残念ながら IE の適用などのである。

考えている経営者はいないようで、その実態は従業員がだから IE は多くの場合、問題解決に単なる純粋な単汗水流して一生懸命働いている割には、能率は上がらず、

一理論だけでなく、他のいくつかの理論や考えを導入ししたがって顧客に対する直接的なサービスも十分できず、なければならず、そのことを見いだすには、実際を見な

顧客不満足の原因になっていたと思われた。

ければならないのである。ここに IE の理論と実際の統旅館業の仕事を見てみると、顧客への直接的なサービ

合教育の重要性があると考えている。

ス（例えば、フロントでの挨拶、種々な案内、食事でのなぜそのような統合的な考えを使って解決しなければもてなし、など）以外はかなり製造業と共通している部ならないのか。それは IE が解決する企業問題の多くに分があることがわかった。すなわち、夕食や朝食などのは、「人間」という要素が絡むからであり、その人間は単料理作り、それを客室や宴会場や食堂に持って行く運搬

なる純粋理論では解決できない要因をはらんでいるから作業など、大いに製造業と共通しているのである。したである。このような点からも学生に理論と実際の統合教

がってこれらの仕事に IE の適用によって、効率を上げ育をする難しさはあったが、やってよかったと思っていIE の理論と実際の統合教育 40 年

る。

117

ものを、完全に配慮して学生に教育することは、至難なことと言わねばならない。しかしそうであるからこそ問

８．おわりにIE の理論と実際の統合教育を４０年あまりやってき

題解決の更なる探求の必要性を、実際を通して私自身は、身をもって体験できたと考えている。

たが、必ずしも十分な教育ができたとは思っていない。

最後に私がこれまでやってきた理論と実際の教育が、それは前述した IE の問題解決には、複数の理論・考え

社会に出て行った学生たちから、少しでも役に立ってい方が必要となるからと考えられる。そのような複数的なることを聞けたことは、なによりも嬉しく思っている。

118

何でも見える磁気共鳴（ＮＭＲ）に魅せられて
高山 俊夫

Being attracted to NMR in which it is possible to see even in what
Toshio TAKAYAMA＊＜はじめに＞∗
私の研究の一つに、固体 NMR（Nuclear Magnetic
Resonance）を用いた解析があります。NMR というのは、核磁気共鳴という現象を利用した分光法の一種で、液体を対象とした溶液 NMR と、固体を対象とした固体
NMR とがあります。身近な例では、病院で利用されている、体を輪切りにした画像が撮影できる MRI があります。あれは、まさに NMR の原理を利用した装置です。
つまり、あんなふうに液体や固体の分子構造などを、さまざまな角度から知ることができるのです。ですから、
私はNMRのことを“何でも(N) 見える(M)レゾナンス(R)”なんて呼んだりしています。
＜NMR の歴史＞
NMR が出現してから６５年間、この装置は物質を扱600MHzＮＭＲ装置

う研究者にすばらしい情報を与えつづけています。とりわけ超伝導磁石とフーリエ変換法の出現は NMR 装置に画期的な性能を付与したといえます。このような装置上の装置の発展によって周期表のほとんどの元素核（多核の発展（高磁場、高出力装置）に加えて最近では高性能種）の NMR が測定可能となりました。

コンピュータを駆使したソフトウエア技術も飛躍的に発展し、低濃度の試料および感度のわるい核種の観測をも＜NMR の背景＞

可能にしてきました。さらには固体状態でも高分解能

多核種 NMR を理解するためには「錯体化学の基礎」

NMR スペクトルが測定できるようになってきています。

の知識は必要であります。このことを裏返ししてみると錯体化学を理解するためには多核種 NMR の知識が必要＜多核 NMR>になるということでもあります。私が NMR に魅せられこれまで NMR といえば１H,13C 核を中心とする NMR

たのも錯体化学を深く理解したいがためであったともい法が主体であり、それ以外には１９F,３１P 核が感度のよいえます。

ことから早くから観測されていましたが、その他の核種はほとんど観測が行われませんでした。しかし、最近＜NMR の原理＞
NMR スペクトルを測定して得られる情報はきわめて*准教授 神奈川大学物質生命化学科
Associate Professor, Material and Life Chemistry

豊富であります。観測される信号または共鳴線には化学
シフト、スピンースピン結合定数、緩和時間の３つの情何でも見える磁気共鳴（ＮＭＲ）に魅せられて

119＜２９Si 核について＞報量が含まれています。
化学シフトは注目する核の周りの電子状態に依存してSi 核は核ピン I=-1/2 で、天然存在比は 4.67％であ２９変わります。たとえば最も単純である１H 核の場合には、

１３
Cに対する総合相対感度は2.09であります。
I=-1/2り、

s 電子の影響しか受けませんが、これよりもっと質量数の核種の緩和時間(T1)は一般に長く、29Si の T1 は 2～150

C 核では、s 電子のほかに p 電子の影響を秒と特に長いため繰り返し測定時間に注意を払う必要が

１３

の大きい

受けるので、両者の化学シフトの様相は、当然異なったあります。

ものになります。 HNMR の化学シフトの範囲は、約 15
１ｐｐｍ程度でありますが、１３CNMR のほうは、約 300＜固体 NMR の特徴＞

ｐｐｍにも及びます。１３C 核よりさらに質量数の大きな

JEOL 製 EX-270 装置を用いて固体状態での ２９

PNMR も比較的広いシフト範

SiNMR 測定を行いました。固体状態で測定するのはあ３１

核の NMR, たとえば

囲（820ｐｐｍ）をもちます。一方、金属核の５９Co

りのままの PDMS の真の姿を見るためであります。溶NMR(1800ｐｐｍ）、１９５Pt(15000ppm),１９９Hg(3000ｐ

液状態では得られない構造や固体状態での構造変化など

ｐｍ）等はきわめて広いシフト範囲を有しています。

を明らかにするために、室温から 150℃までの範囲で測定を繰り返し行いました。

＜測定した核種＞
私は、この多核種 NMR を利用して、1H,
N,

15

Sn,

119

Na,

23

Al,

PDMS は 29SiNMR の基準物質として安定な物質であ

Pb 核の測定を対象に解析してりますが、室温で高磁場（右側）側にブロードなピーク

P,

29

Pt,

195

＜PDMS の 29SiNMR スペクトルの問題点＞

Cu, 113Cd,

Si,

27

Hg,

119

H, 7Li, 13C,

2

31

V,

51

Co,

59

65

207

きました。

が観測されていてピークの左右の位相が決めにくいことが欠点として指摘されていました。このブロードなピー＜抗がん剤の研究＞

クが一体何なのかと長い間、謎として残っていました。

研究成果の一例を示しますと、抗がん剤である白金化合この謎の解明に挑戦したのがこの研究です。

物をつくり、その抗がん剤の中心にきちんと白金が配位合成した PDMS の化学構造を図１に示します。

しているかどうかを固体 NMR を測定し明らかにし、抗がん効果を裏づけることができました。
このようにNMR
による解析は、製品の裏づけをとり、後押しすることにも活用できるのです。
＜さめない魅力＞
学生時代からずっと NMR を使った研究をしてきましたが、今もその魅力は尽きません。非破壊で構造が見られる点と、多核を見ることができる点に、何よりも面白みを感じています。
＜機能性シリコンの構造解明＞
無機高分子であるポリジメチルシラン（ＰＤＭＳ）の構造解析に固体 29SiNMR を効果的に利用した例をスペ

図１ ＰＤＭＳの化学構造

クトルを交えて紹介します。
＜固体 NMR 測定条件＞＜PDMS について＞

PDMS を専用のセラミックス製測定試料管に入れ、試ＰＤＭＳは紫外線を照射すると Si-Si 結合が切断され料管を 6,000 回／秒に高速回転(MAS)して、室温からることを利用してレジスト等の材料として使用されてい徐々に昇温し、一定の温度になるまで十分な時間を保持るものでありますが、固体 29SiNMR の基準物質としてもしてから、クロスポーラリゼーション(CP)パルス条件に利用されています。

て測定を開始しました。そのスペクトルを図２に示します。この測定方法を２９SiCP/MAS NMR 測定といいます。

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

120

CH3 基に置換している１Ｈ核の磁気効率を２９Ｓｉ核に移分子軌道法（FPT/CNDO2）を開発し、そのプログラム

して２９Si 核の感度向上に役立てている方法です。この方を用いて化学シフトの計算を大型計算機にて行いました。

法の発見によって固体 NMR 法が飛躍的に進展しました。
＜モデル化合物での理論計算＞
計算は数多くのモデル化合物を想定して長時間の計算を行いました。その結果の一例として、モデル化合物として n-デカシラン(n-Si10H22)を用いての計算結果を図３に示します。n-デカシラン(n-Si10H22)のほぼ真ん中のSi(4)-Si(5)-Si(6)-Si(7)の Si-Si 結合軸(5,6 位)の角度を少しずつ変化させて、量子化学計算を行いました。横軸に結合角度、縦軸に計算化学シフト値を示してあります。

図２ 29Si-CP/MASNMR スペクトル
図３ 量子化学計算による 29SiNMR 化学シフト＜29Si-CP/MASNMR スペクトルの特徴＞
110℃付近で高磁場にブロードなピークが出現し始め、その角度がゴーシュ角度(600)の化学シフトはトラン

さらに温度を上昇すると、高磁場側のピークが大きくな

ス角度(1800)より高磁場シフト（負の値が小）することりました。測定が終了後、降温したときのピークはまたが分かりました。すなわち、Si-Si-Si-Si 結合のコンフォ

室温のピークと同じになりました。このことは PDMS

メーションによって化学シフトが異なることが分かりまの構造が温度可逆であることを示しています。

した。
なお、角度 90～1200 間では量子化学計算値が発散し＜量子化学計算の必要性＞ていました。これは Si(4)-Si(5)-Si(6)-Si(7)結合による立

このピークの変化は構造の変化によっていることは明

体障害のためと考えられます。

らかでありますが、それが何に由来するのかを理論的に理解する必要があります。そこで、量子化学法を用いた

何でも見える磁気共鳴（ＮＭＲ）に魅せられて＜量子化学計算から得られた結論＞
この量子化学計算の結果から、高磁場シフト(右側)はゴーシュ構造に起因していることが分かりました。

121＜むすびに＞
以上のように、大学、メイカーまでも巻き込んで論争した、「PDMS の高磁場側のブロードピークは何なのか？」の長年の論争・疑問に対して温度可変固体２９SiNMR 測
定、スペクトルの理論的解明に量子化学計算の導入を行って決着をつけることが出来ました。
これは固体 NMR 研究者の多くが参加している国際学会でも認められた、画期的な発見であったと自負しております。

２３号館Ｂ１ＮＭＲ室
この部屋で何百時間、何千時間過ごしたことかと思うと感無量になります（涙、喜び）。
一人でも多くの学生、研究者がこの部屋を訪ねて、化合物が出来た！ 嬉しい！
残念！ よしまたやるぞ！！
図４ ガウス関数を用いて計算した NMR シグナルの線形解析と喜び、悩んで・・・、
一喜一憂することを願って私の随筆のお開きと致します。

量子化学計算の結果、このモデル化合物の２９SiNMR
化学シフトはトランス構造とゴーシュ構造の２成分からご精読に感謝申し上げます。

なることが分かりました。

高山 俊夫＜スペクトルの線形解析＞[参考文献]

そこで、NMR スペクトルの線形解析プログラムのう１）Toshio Takayama, “Solid State NMR of

ちのガウス関数を用いて計算した NMR シグナルの線形

Polymers ”,Chapter 17, Inorganic Polymers,

解析結果を図４に示しました。

p.613-666, Elsevier (Amsterdam), 1998.

その結果、昇温に伴ってゴーシュ構造の割合が増加していることが定量的に得ることが出来ました。

1232008 年度（ 平成 20 年度）工学研究所年次報告
１．人事
１）運営委員
所

長

許

瑞邦

教 授

伊藤

勝悦

教 授

電子情報フロンティア学科 山口栄雄

教

物質生命化学科

池原

飛之

准教授

情報システム創成学科

瀬古沢照治

建 築 学 科

鎌田

元康

教

授

物理学教室

大成

逸夫

教

授

物質生命化学科

山村

博

機械工学科

教

授
授

教 授（所長指名）

２）研究所客員教授
沼田

俊一（2008.4～2009.3）

３）研究所客員研究員
藤田正則（2006.11～2010.3）

李徳成（2008. 4～2010.3）

武田重喜（2007.10～2009.9）

南部

洋子（2008. 4～2010.3）

篠原

嘉一（2008. 4～2010.3）

石川博敏（2008.10～2010.9）

磯田幸弘（2008. 4～2010.3）

大和裕幸（2008.10～2010.9）

堀康彦（2008. 4～2010.3）

久保

登

小原

晴彦（2008. 4～2010.3）

龍重法（2008.10～2010.9）

山本

淳

石倉

理有（2008.10～2010.9）

北島創（2008. 4～2010.3）（2008.10～2010.9）

４）研究所特別研究員
小川隆博（2007.10～2009.9）

５）研究所職員
教務技術職員 萩原健司
技術員 八高優勝
２．予算

平成 20 年度の予算・決算額を表－１に示す。
表－１

業 務 項 目研究所運営費
大型共同設備管理運営
工学研究所共同研究*（特）テクノフェスタ
合計（単位：千円）

予 算 額 決 算 額
3,026
3,174
4,600
4,201
12,95012,7933,500
2,990
24,07623,158*工学研究所共同研究内訳
共同研究代表者

予算額（千円）

井川

教

授

4,500

堀野

教

授

1,600

山家

准教授

1,850

米田

教

授

5,000

計

12,950（2008.10～2010.9）

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

124
３．共同研究／プロジェクト研究平成 20 年度の工学研究所共同研究／プロジェクト研究を表－２に示す。
表－２
共同研究
計画支援を意図した空間情報視覚化システムの開発

構造相転移によるカルコゲン系熱電材料の高性能化に関す
る研究

山家

米田

酸性雨の樹冠への沈着から森林衰退までのプロセスの解明

出会い頭自己未然防止の研究交差点カーブミラー視認性評
価と再設計マニュアル開発

征司／電子情報フロンティア

井川と森林再生のプログラムの検討

京子／建築

学

／ 物質生命化学

堀野定雄／情報システム創成

大野吉弘／電子情報フロンティア

プロジェクト研究
Ａ

Ａ

A

Ａ

熱電発電システム構成のための基礎研究

次世代自動車高性能蓄電システム技術開発事業／要素開発／高容量電池の開発

高性能高分子膜材料の開発と評価

高周波回路の解析・設計理論の整備と対応ソフト開発―固有モードに基づく厳密な等価回路を適用して―許佐藤祐一／物質生命化学

西久保

忠臣／物質生命化学

瑞邦／電子情報フロンティア

Ｂ

建築鋼構造のリユースシステムに関する研究

岩田

衛

Ｃ

町づくり研究所

西

和夫／建築

Ｃ

大気汚染環境化学研究所

Ｃ

高安心・超安全交通研究所

井川

堀野

学

／建築

／物質生命化学

定雄／情報システム創成

125
４.講演会
「暮らしの中のサイエンス」連続講演会
テーマ：安全・安心社会の実現―交通と生活―
場所：ＫＵポートスクエア
第１回2008 年 11 月 7 日（金）14:00～16:00

人間中心設計による交通安全―安全・安心社会を実現するための道すじ―
神奈川大学工学部準教授
第２回

堀野定雄

2008 年 11 月 14 日（金）14:00～16:00

事故現場に見る疲労と安全の関係―安全・安心社会を支える基礎―
労働科学研究所所長
第３回

酒井一博

氏

2008 年 11 月 21 日（金）14:00～16:00

21 世紀の安全を考える―責任追及から原因究明へ―
元ＮＨＫ解説委員
第４回

吉村秀實

氏

2008 年 11 月 28 日（金）14:00～16:00

ユーザー視点に立つ交通行政―世界一の安全・安心社会実現へ―
自動車事故対策機構理事長

金澤

悟

氏

「科学と工学の最前線」連続講演会
テーマ：環境・エネルギー問題解決の最前線
場所：神奈川大学横浜キャンパス
第１回

2008 年 11 月 8 日（土）13：00～16：30

1. 環境とエネルギーのかかわりについての問題の切り口
神奈川大学工学部教授

大野吉弘

2. CO2 排出権取引―京都議定書からの出発
日本カーボンファイナンス㈱特別顧問
第２回

田中弘

氏

2008 年 11 月 15 日（土）13：00～16：30

1. 温暖化対策技術の切り札―太陽エネルギー―
再生可能エネルギー協議会代表

黒川浩助

氏

2. 低炭素社会実現のための基幹エネルギー技術―水素燃料電池
電力中央研究所上席研究員

渡辺隆夫

氏

創立 80 周年記念講演会（主催：神奈川大学
テーマ：研究者が若者に語る

共催：工学研究所）

宇宙・人間・素粒子

場所：神奈川大学セレストホール
2008 年 7 月 29 日（火）14:00～15:30
東京大学特別栄誉教授

小柴昌俊

氏（2002 年ノーベル物理学賞受賞）

５．神大テクノフェスタ 2008
日時： 2008 年 10 月 17 日（金） 11 時より
内容：研究成果発表（2 号館）
私学助成 2 件／重要機器整備費 10 件／プロジェクト研究 4 件
ポスター発表・作品展示
企業展示

116 件（2 号館）

13 社（2 号館）

招待講演（16 号館セレストホール）『Ｆ１参戦と技術開発』
元

本田技研研究所（現

東洋電装株式会社

常務取締役

保坂

武文

代表取締役副社長）

氏

神奈川大学工学研究所所報 第 32 号

126
懇親会（ラックスホール）
６．大型装置使用実績

平成 20 年度の大型装置装置使用実績を表－３に示す。
表－３

（時間）

研究室名

TEM

SEM

XRD

XPS

ICP

CCD

機械工学科

0

26

259

0

0

0

11

0

0

384

664

243

工藤研究室
竹村研究室
電子情報
フロンティア学科

0

大野研究室

11

64

17

45

446
19

11

599

371

624

150

69

32

90

92

3

91

126

50

20

86

54

井川研究室
池原研究室

619

152

山口研究室
物質生命化学科

16

4

中山研究室
平手研究室

26

小出研究室

312
8

6

佐藤(憲)研究室
佐藤(祐)研究室

5

内藤研究室

469

5

引地研究室
56

山村研究室
共通教室

32

9

西久保研究室

横澤研究室

0

16

22

22
80

376

14

16

36

0

0

0

36

0

0

9

22

194

9

22

110

50
50

亀山研究室
田島研究室
理学部

636

0

森研究室

0

20
20

84

山口研究室
合計時間

610

1052

969

355

384

664

機械工学科（％）

0.0

2.5

26.7

0.0

0.0

0.0

電気工学科（％）

1.8

58.8

6.6

3.1

0.0

0.0

応用化学科（％）

98.2

35.3

64.4

42.3

100.0

83.3

共通教室（％）

0.0

3.4

0.0

0

0.0

11.9

理学部（％）

0.0

0.9

2.3

54.6

0.0

4.8

工学研究所だより

127

128

神奈川大学工学研究所所報 第32号

工学研究所だより

129

130

神奈川大学工学研究所所報 第32号

工学研究所だより

131

132

神奈川大学工学研究所所報 第32号

工学研究所だより

133

134

神奈川大学工学研究所所報 第32号

135

神奈川大学工学研究所所報執筆規程
1978 年（昭和 53 年）2 月 ５日
改訂 1988 年（昭和 63 年）4 月 13 日
改訂 1990 年（平成 ２年）7 月 18 日
改訂 1991 年（平成 ３年）5 月 29 日
改訂 1994 年（平成 ６年）1 月 26 日
改訂 2005 年（平成 17 年）1 月 27 日

１．投稿資格４．提出期日投稿筆頭者は原則として神奈川大学工学部属教職員とする．ただし原稿を編集委員会が依嘱する場合はこの限りではない．また連名者については制限しない．
２．記事の種類巻

頭論

説 学問・技術・本研究所の事業・動向などに

内容概要（1 頁以内）〕をつけることができる．

骨子として，著者の一連の研究をまとめ，これにその分野における地位を明らかにするような解説を若干つけたもの．
共同研究報告 発足時点では〔共同研究の紹介〕，中間時点

論説・随想 原則として 4 頁以内．
総説・トピックス・その他の記事 原則として 8 頁以内．
６．原稿の書き方
原稿の書き方は，この〔規程〕ならびに〔神奈川大学 工学研究所 所報 執筆要領〕による．
７．原稿の責任と権利

では〔共同研究の現況〕，研究終了または一掲載された論文などの内容についての責任は著者が負う

段落の時点では〔共同研究の成果要約〕とものとする．またその著作権･編集出版権は〔神奈川大学

して，その現状が報告される．

工学研究所〕に属する．

説 総合論文と略同一性格の記事であるが，解説的色彩の強いもの．

ト ピ ッ ク ス その時々のトピックスについての展望あるいは解説．
想 研究・開発などの思い出，意見，感想，経験談など．
国際交流研究 学外（国内，国外）における研究・講義・出張に関する経験談など．
特

総 合 論 文 原則として 20 頁以内．和文の場合は〔欧文内容概要（1 頁以内）〕
，欧文のときは〔和文関する論説，意見．

随以下の頁数はすべて〔刷り上り〕のものを示す．

言

総 合 論 文 専門の学協会などに発表された研究論文を総その年度により定める．
５．頁数

集 その号の特集として特別記事を設けること
がある．

３．用語
用語は和文とする．
ただし総合論文に限り欧文でもよい．
また〔英文目次〕作成のため，原稿には〔英文題目〕のほか〔著者氏名〕および〔職名，所属〕の英語名をつける．

８．採否
原稿の採否および分類は〔神奈川大学 工学研究所 編
集委員会〕において行う．
９．原稿の提出先
原稿の提出先は〔神奈川大学 工学研究所 事務室〕とする．そこで受領した日を原稿受付日とする．
１０．その他（１） 原稿の枚数が規定限度を超過する場合は委員会の承認を要するが，状況により超過分の実費を徴することがある．
（２） 図が印刷に不適当な場合は，専門家に依嘱して書直すことがある．この場合の経費は著者負担とす
る．

136

編集後記

編集委員ならびに工学研究所事務職員のご協力のもと、工学研究所所報第３２号が刊行となりました。お忙しいところ、進んで原稿をお寄せ下さいました先生方に厚くお礼申し上げます。
所報の編集にあたっては、所報を通して工学研究所の年間活動および所員の研究分
野の紹介を兼ね研究のポテンシャルの高さを発信できるよう配慮しました。新任の教員には、これまでやってこられた専門分野の研究を存分にアピールして頂けるように、総説を執筆頂きました。また、本年度をもって退職される教員には大鑑を短く纏めた
随想を執筆頂きました。さらに、工学研究所共同研究の成果報告に加えて工学研究所の年間活動が一目で分かる年次報告等が記載されております。
なお、今年度から所報をホームページにも掲載しておりますので、より多くの方々にお読み頂けるものと期待しております。発刊にあたりご協力頂きました方々に改めて敬意を表するとともに、ご協力に感謝申し上げます。
（物質生命化学科佐藤憲一）

工学研究所
工学研究所所長

所報（No.32）

許 瑞邦

工学研究所 所報 編集委員会
委 員 長 佐藤 憲一 （物質生命化学科）
委員 江上

正 （機械工学科）

山口 栄雄 （電子情報フロンティア学科）
山村

博 （物質生命化学科）

北岡 正敏 （情報システム創成学科）
重村

力 （建築学科）

大成 逸夫 （物理学教室）

SCIENCE REPORTS（No. 32）
ofInstitute for Engineering (KANAGAWA University)

Research
Director of the InstituteZuihou KYO

Chief Editor

Kenichi SATO

(Dept. of Material and Life Chemistry)

EditorTadashi EGAMI(Dept. of Mechanical)

Shigeo YAMAGUCHI(Dept. of Electronics and Informatics Frontiers)

Hiroshi YAMAMURA(Dept. of Material and Life Chemistry)

Masatoshi KITAOKA(Dept. of Information Systems Creation)

Tsutomu SHIGEMURA (Dept. of Architectonics)
Itsuo OONARI(Dept. of Fhysics)

神奈川大学工学研究所所報第32号
2009年11月25日

印 刷

2009年11月30日

発 行

編集兼発行者〒221-8686

印

刷所

神奈川大学工学研究所
横浜市神奈川区六角橋 3-27-1

共立速記印刷株式会社
東京都千 代田区 飯 田橋 3-11-24

RESEARCH INSTITUTE FOR ENGINEERING
KANAGAWA UNIVERSITY
3-27 Rokkakubashi, Kanagawa-ku, Yokohama, 221-8686, Japan