課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 31 日現在

研究課題名：電動カート用教育利用を目的する汎用性有する自動運転システム研究代表者：井組裕貴
小区分：教育工学関連
１．研究計画の概要

２．課題研究の進捗状況及び達成度
図 1 のように各センサを電動カートに取り付け

本校の電気工学科では１年次科目の電気工学基礎において，工学基礎教育やものづくり教育，電 制御を行った．認識のために使用するセンサはス
気エネルギーの体験的学習による実践的な技術者 テレオカメラと LiDAR ，超音波センサとし，育成を目的とした「電動カートの製作」を導入し Jetson TX2と PC を車載し使用する．
ている．この授業を通して，問題解決を導くための論理的思考力や創造性，能動的に学ぶ積極性や体験を通した知識の定着性，グループ内で意思疎通を図るためのコミュニケーション力の向上を期待している．しかしながら，車離れが進んでいる
昨今，アトラクションの車やカートを運転したことが無い学生がおり，パニック時にブレーキ操作
やハンドル操作を過度に操作してしまい事故が発

図1

電動カートの 3Dモデルおよび実機生する危険性がある . 有用な教材として要求されることは安全性と信頼性であり , 事故が起きる前

物体認識についてに未然に防ぐ必要がある . その信頼性のボトルネ

は YOLOv3 のアルゴックとなっている運転未経験学生の運転時に自動リズムを使用し，表運転レベル 3 のシステムを付与させ，カート側が

1 のクラス数を学習自動的に「止まる」 , 「避ける」ことで衝突を回させた．認識させる

避することが期待でき , 安全性の向上や教育効果

クラスは，令和二年への反映が可能である . また，将来的にはカメラ

度から過去十年間のやセンサなどの外観認識システムやモータ , アク

警察白書記載の統計

チュエータなどの制御システムを組み合わせ , そ

データを基に，特にれぞれのセンシングを行い , 電動カートを利用し重大事故に繋がりや

表1

認識リスト

ての自動運転システムの体験型授業を考えている． すい原因を抜粋してこれにより , 今後の技術として必要な ADS を自 いる．学習枚数は 12000 枚以上で，各クラス平均
ら考え , 自ら手を動かし , 実装し「動く」「止ま して 500 枚を目安に学習させた結果，図 2 のようる」「曲がる」の体験を通して学習・理解が可能 に認識が可能となり，平均適合率は80%程となっである．また，実際にそれらのセンシングしたカ た．
ートを体験することで，体感をもって自動運転の基礎技術を自分の知識に落とし込むことができる．
そこで，本研究では教育的利用を前提とした各班で製作する電動カートに取り付け可能な汎用性を有したシステムを検討し，機械学習による画像認
識や画像処理， LiDAR を使用した SLAM や測距を行い , それらの情報を使用した操舵や制動を行うシステムの構築を目指す．

-152-

図2

標識の画像

LiDAR については， SLAMTEC の Rplidar S1/vel_publisher と /cmd_vel では， LiDAR からを使用し，周辺の認識を行った． ROS melodic 環 の出力を受け，制御の閾値や動作基準を定めてい
境下で Rplidar を動作させ，図 3 の点群データを る． /yolo_id のノードと /cmd_vel のノードを基に制御を行った．また，今回の制御には用いて/fusion_data のノードに出力し， /serial_node へいないが， Hector SLAM による地図形成が確認 の入力をまとめ，それぞれの閾値によってできた ( 図 4) ．

Arduino を動作させる．このノード入出力により，電動カートの操舵および制動が可能となった ( 図
7) ．

図3

点群データ

図4

Hector SLAM

操舵および制動の制御はアクチュエータ

図7(Firgelli FA-35S-12-4) を使用した．前左輪にアクチュエータを取り付け，ロッドを用いて左右輪

電動カ ートへ の実装

本研究では，電動カートにおける自動運転レベの接続を行った．制動に関しては，安全性の観点 ル 3 の制御を目的として各班が製作した車体に取からドライバー操作用のフットブレーキと緊急時 り付けが容易な汎用性のあるシステム開発を行っ制動用の自動ブレーキの 2 系統とした．制御用自 た． ROS 環境下において画像認識や LiDAR か
動ブレーキは前左右両輪の機械式ブレーキをそれ らの情報を基にアクチュエータによる操舵や制動ぞれのアクチュエータで制御を行った．動作の流 ができ，自動運転レベル 3 の教育的利用の基礎とれとして， ROS melodic 環境下で YOLO やなるシステムが開発できた．

Rplidar のノードを動作させ，得られた出力値をArduino にシリアル通信で送信し，制御を行った ３．代表的な研究成果( 図 5) ．

〔学会発表〕（計 1 件）
(1) 井組裕貴，風間俊哉，他“高専導入教材としての簡易電気自動車キットを用いたものづ
くり教育”第69回年次大会・工学教育研究講
演会 ,(2021), 査読なし
図5

認識・制動・制御の流れ

一連のノード入出力の例は図 6 のようになる．
画像認識した対象の Bounding Box のサイズから距離を算出し，閾値によってカートの制御が可能となった． /darknet_ros からのノードを /yolo_idのノードに送り，対象の距離算出をしている．

図6

各ノードの入出力-153-

課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 31 日現在

研究課題名：104 番元素 Rf の硫酸塩錯体同定に向けた第 4 族元素の TBP による抽出研究代表者：横北卓也
小区分：無機・錯体化学関連
１．研究計画の概要（以下10pt ）。

２．課題研究の進捗状況及び達成度

超重元素 ( 原子番号 104 番以降の元素群 ) のラ

(1) Zr と Hf の H2SO4 溶液中の化学種同定

ザホージウム (Rf) の硫酸塩錯体の化学種を同定 達成度 : 30%
Zrと Hf の H2SO4 溶液中の化学種同定のため、することを目指して研究を行う。我々の研究により、 Rf と硫酸イオンとの錯形成が、相対論的量 Zr及び Hf の TOA/H2SO4 系の溶媒抽出を行った。
子化学計算による予測よりもはるかに起こりにく 抽出化学種に含まれるTOAの数を調べるため、いことが明らかになった。しかし、 Rf の硫酸錯

H2SO4 濃度を一定とし、Zr及び Hf の分配比の形成ついての定量的な議論にまでは至っていない。TOA濃度依存性を調べた。また、抽出化学種を同さらなる研究により Rf の硫酸塩錯形成について 定するため、抽出試料の ESI-MS 測定を行いフラの定量的な議論が行うことができれば、 Rf の化 グメントの化学種の同定を行った。これらの結果
学的性質解明に加え、現在の相対論的量子化学計 を基にZrと Hf の H2SO4 中の陰イオン化学種を推算の課題発見に役立ち、将来的な量子化学計算分 定した。
野への波及効果も期待できる。 Rf の硫酸塩錯形

また、以前取得したRf、Zr、 Hf 、 Th の成を議論する上で、 Rf 及びその比較となる同族

H2SO4 系の陰イオン交換の結果と J. Inorg. Nucl.

元素の Zr 及び Hf の化学種を詳細に調べていく

Chem. 26, 965 (1964) 、 Inorg. Chem. 46, 5882, (2007)

ことが重要である。

の報告を基に、Rf、Zr、 Hf 、 Th と硫酸イオン

まず、同族元素の Zr と Hf の硫酸塩錯体を推 との錯形成反応における全安定度定数の導出した。
定するため、中性錯体を抽出することができるリ ラフな評価ではあるが、Rfの 3 段階目の全安定度
ン酸トリブチル (TBP) を抽出剤とした H2SO4 か 定数が同族元素のZrと Hf に比べて、 1 桁以上小らの溶媒抽出とエレクトロスプレーイオン化質量 さいことがわかった。現在、より詳細な全安定度
分析 (ESI-MS) を行い、フラグメントの化学種を 定数の見積もりを行っており、将来的に論文投稿
基に中性の Zr 及び Hf の硫酸塩錯体を推定する。を予定している。
次に、 Zr 、 Hf 、 Rf の TBP/H2SO4 系の固液

(2) Zr 、 Hf 、Rfの TBP/H2SO4 系の固液抽出

抽出挙動を取得し、 Zr と Hf の抽出挙動を Zr

達成度 : 5%と Hf の化学種の変化を関連付けることで、抽出

本年度は、初年度とのことで、実験に必要な物

挙動から Zr 及び Hf の硫酸塩錯形成を考察する。品の調達を行うことができた。しかし、実験まで
そして、 Rf と Zr と Hf の抽出挙動を比較し、 進めることができなかった。次年度以降、本年度
単一原子でしか存在できない Rf の硫酸塩錯体の 調達した物品を用いて研究を進捗させていく予定
錯形成及び化学種を考察する。

である。

将来的に、本研究により、同定した Rf の化学種を用いて相対論的量子化学計算を行い、実験結 ３．代表的な研究成果
果を反映するような計算パラメータを導き出すこ 〔雑誌論文〕（計 2 件）とで、今後の超重元素化学における相対論的量子 (1) T. Yokokita, S. Yano, Y. Komori, H. Haba,
化学計算の精度向上が可能となり、超重元素領域
Anion- and cation-exchange studies of Zr, Hf,
における特異な電子状態、化学結合への相対論効

and Th using ion-exchange resin and fiber in果の影響を解明を目指す。

H2SO4 media for chemical characterization of
sulfate complex of Rf, J. Radioanal. Nucl.

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Chem., 査読あり, 331, 1127 (2022).
(2) E. Watanabe, Y. Kasamatsu, T. Yokokita, S.
Hayami, K. Tonai, H. Ninomiya, N. Kondo, Y.
Shigekawa, H. Haba, Y. Kitagawa, M.
Nakano, A. Shinohara, Anion-exchange
experiment of Zr, Hf, and Th in HNO3 andquantum chemical study on the nitratecomplexes toward chemical research on
element 104, Rf, Solvent Extr. Ion Exch., 査
読あり , in press.
〔紀要〕（計 3 件）
(1) T. Yokokita, Y. Kasamatsu, E. Watanabe, Y.
Komori, Y. Shigekawa, Y. Wang, D. Mori, H.
Ninomiya, S. Hayami, K. Tonai, K. Ghosh, A.
Shinohara, H. Haba, Anion exchange of Rf in
H2SO4 using the batch-type solid-liquid
extraction apparatus AMBER, RIKEN Accel.
Prog. Rep. 査読あり , 54, 148, (2021).
(2) T. Yokokita, H. Haba, Cation- andanion-exchange behavior and UV-vis
spectroscopy of Zr in HBr for chemical
characterization of bromide complexes of Rf,
RIKEN Accel. Prog. Rep. 査読あり, 54, 151,
(2021).
(3) Y. Kasamatsu, N. Kondo, K. Nakamura, Y.
Kuboki, H. Ninomiya, Y. Shigekawa, E.
Watanabe, Y. Yasuda, K. Toyomura, M.
Nagase, T. Yokokita, Y. Komori, H. Haba, T.
Yoshimura, H. Itabashi, A. Shinohara,
Solvent extraction of Zr and Hf from HCl by
Aliquat 336 using a flow-type extraction
apparatus toward online chemical studies of
element 104, rutherfordium, RIKEN Accel.
Prog. Rep. 査読あり, 54, 150, (2021)〔学会発表〕（計１件）(1) 横北卓也 , 羽場宏光 , Zr 及び Hf のスルファ
ト錯体推定に向けた TOA/H2SO4 系の溶媒抽
出 , 日本化学会第 102 春季年会 (2022), 査読なし , JA01-apm-05.

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令和 4 年 3 月 31 日現在

研究課題名：汎用一眼カメラを用いた運動時における血行動態変化のリアルタイム計測に関する研究研究代表者：吉田 慧一郎
小区分：スポーツ科学関連
１．研究計画の概要
近年の高齢化社会の加速やアクティビティの多様化に伴い、熱中症等のアクティビティ中における事故が増加しており、簡便に身体の血行動態変化に異常がないかをリアルタイムに計測・解析する技術が必要とされている。先行研究では現在までに近赤外線カメラに改造した汎用一眼カメラを用いた運動時における血行動態変化の可視化に関する検討を行っている。しかしながら、現計測・解析システムではリアルタイムでの解析結果を被験者に示すことが出来ていない。そこで本申請研
究では、血行動態変化の可視化をリアルタイムで Fig.1 Modified IR Single-lens Camera with IR
実施、アクティビティ中における異常な血行動態 light projector.
変化を早急に検知した際には被験者に警告するシステムの構築を検討した。
２．課題研究の進捗状況及び達成度
近赤外線撮影は市販の一眼カメラに赤外線カットフィルタの除去改造を実施した EOS RP(Canon
製，撮像素子サイズ： 35mm フルサイズ

(a)

(b)

36.0mm × 24.0mm) および EOS5D Mark

Fig.2 Experimental setup for spectrometry. (a)III(Canon 製，撮像素子サイズ： 35mm フルサ Portable spectrometer. (b) Spectral measurement
イズ 36.0mm × 24.0mm) を用いた。また、近赤外 system.
線撮影では赤外線投光器 ( 秋月電子通商製，
実験では、実験前後においてヒト右足左側面部
AE-LED56V2) を光源とし、使用レンズ (Canon
製， EF24-70mm F2.8L II USM) 前面に波長840に対した画像計測 (Fig.3 (a)) ならびに、同ポイン[nm] 以下の光を遮断する可視光線カットフィル トにおける分光計測 (Fig.3 (b)) を実施した。
タ (FUJIFILM 製， IR フィルター 84 号 ) を取り付け、近赤外線領域での撮影を実施した (Fig.1) 。
分光反射率計測では、携行型分光器 (AT システ
ム製，カラーコンパス MF) を用い (Fig.2 (a)) 、3D プリンタで作製したケース内に固定、白色
LED(OptoSupply 製， OSPW5111A-Z3) を光源と(a)した反射光強度を分光器で取得した (Fig.2 (b)) 。

(b)

分光反射率計測は白色 PTFE シートを基準とした。Fig.3 Experimental condition for

Hemodynamic change measurement. (a) IR
image measurement. (b) Spectral
measurement.

-156-

本計測システムにより得られた実験結果の一例
を Fig.4 ならびに Fig.5 に示す。

今回の課題研究により、汎用一眼カメラを用いて運動時における血行動態変化の可視化が可能であることが判明した。現状の計測システムは実験室の暗室内での設備など測定を一定の場所での計測のため in situ でのリアルタイム計測が行えていない状況である。今後の予定として、可搬性を有し、どこでも測定が行えるように携帯型計測システムへ改良していく予定である。

(a)３．代表的な研究成果(b)〔雑誌論文〕（計 1 件）
Fig.4 Typical near IR image of walking(1) 吉田慧一郎，「汎用一眼カメラを用いた血行experiment in the mid-30s. (a) Before experiment.
動態変化の可視化による熱中症要望技術への(b) After experiment.
応用 」， 日本油化学会オレオサイエンス，
vol.21(2021) ， pp.19-25.
〔学会発表〕（計 2 件）
(1) 吉田慧一郎，佐藤亮太郎，「汎用一眼カメラを用いた携行型血行動態可視化システムに関する検討 」， 日本福祉工学会第 25 回学術講演会，講演論文集，査読無， pp.21-22

(a)

(b)

(2) 佐藤亮太郎，吉田慧一郎，「赤外線カメラ改造を施した汎用一眼カメラによる靴種類別のFig.5 Result of spectral measurement in the
mid-30s. (a) Before experiment. (b) After
experiment.

血行動態変化の定量評価システムの検討 」，
第 22 回計測自動制御学会システムインテグ
レーション部門講演会，予稿集，査読無，Fig.4 に画像計測で得られた近赤外線画像に対し反射率 50%のグレーカードで正規化した結果を、
Fig.5 に分光計測で得られた波長 500-750 [nm] における分光反射率の結果を示す。画像計測では、
血管部分とその他周辺組織の反射率の差が明確に
見え、血管部分の位置・分布推定が容易であることが分かる。また、運動前後を比較すると運動後の血管部分の反射率が運動前より低下していることが分かる。これらの変化は、運動により引き起こされた血行動態変化を反映したものと考えられる。また一方で、 Fig.5 に示す分光計測の結果では、運動を行う前後において、波長560 [nm]付近において分光反射率の変化が見られた。実験前では560 [nm]付近の反射率はなだらかな変化を見せているのに対して、実験後では560 [nm]付近をピークとする波形となった。これは、血液中の酸素化ヘモグロビンの吸収スペクトルのピークと一致しており、運動において血流の変化が生じたものと示唆される。

-157-

pp.1557-1558

課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 31 日現在

研究課題名：周防大島周辺における再生可能エネルギを利用した沿岸多点多層観測ネットワー
クの構築
研究代表者：吉田 将司
小区分：船舶海洋工学
１．研究計画の概要させつつ、以下の内容を実施する予定であるが、周防大島に面する大畠瀬戸は、 5 ～ 7 ノット程 今年度は①と②に絞って実施する予定である。
度の強い潮流が頻繁に発生する海域である。この ①複数の洋上ブイを用いた水温と塩濃度の多点多近隣の小松港海域付近での潮流は非常に予測が難 層観測
しく、船舶の運航に影響を及ぼす場合がある。こ ②インターネットを利用した遠隔監視システムのれら海流や潮流の予測・解明は船舶の航行安全や 構築
地域漁業など、幅広い分野での貢献が期待されて ③再生可能エネルギを利用した洋上ブイの開発検いる。しかし、実時間的に変動する海流や潮流を 討
ピンポイントに把握するためには海上を多点多層

このうち①は、沿岸もしくは沖合の三か所に海観測する必要がある。研究代表者らはこれまで沿 洋環境計測ブイを設置し、水温・塩濃度の鉛直分
岸域を多点多層観測するために、無線センサネッ 布を研究期間中に観測実験を継続する。②は伝送
トワークを構成し、富山新港及び周防大島での観 された情報を基地局である大島商船高専内や研究測に成功したが、 2 ～ 5 日間と短期に留まった。 代表者が在籍する都内でもモニタリングするため
この理由は洋上における電源確保が課題であった。に、 LPWA と外部サーバを利用した遠隔監視シス
そこで本研究は、電源に代表的な再生可能エネル テムを実装し、運用試験を実施する。③は①のブギである太陽光発電だけでなく、地域特性である イに再生可能エネルギである太陽光発電装置を設
強い潮流を生かした小型潮流発電装置を加えた洋 置し長期間観測を実施する。次に小型潮流発電装
上ノードを開発し、複数の LPWA 基地局を通じて 置を製作し、太陽光発電装置からの代替可能性を
Web Server で集約、遠隔監視可能な沿岸センサネ 検討する。①と②が達成後の課題として実施する。
ットワークを構築する。図１は観測システムの概要を示す。

２．課題研究の進捗状況及び達成度①複数の洋上ブイを用いた水温と塩濃度の多点多層観測
昨年度末に制作した水温観測用ノード 3 基、塩濃度観測用ノード 1 基を周防大島に送付し、 4 月～ 5 月まで陸上で試験した。 6 月以降水温観測 1
基と塩濃度観測 1 基が不具合のため本校にて原因調査を行い、塩濃度観測用は回路を再制作した。
9 月に水温観測用 2 基を利用した海上実験を実施した。観測地点候補である笠佐島に 1 基設置した
ところ、無事データ通信を確認することができた。

図1

観測システムの概要

一方、測定した水温データが不安定であったことから原因を調査した結果、使用していたマイコン

これまでの研究成果により、無線センサネット(ESP32) の A/D 変換器およびその関数に問題があ

ワークを用いて沿岸域の多点多層における海中情 ることが判明した。そこでベンダーから提供され報の時間変動を観測することができた。本研究は た修正を行い、その効果を調査した。図 2 は 2 つ
３年間の研究期間でこの技術をさらに洗練・充実 の A/D 変換用関数による測定値の比較結果を示す。

-158-

修正済み関数であるanalogReadMilliVolts()は入力電圧に追従できていることがわかる。そこで再び全ノードを回収し、プログラムの修正およびプロー
ブのチェックを実施した。図 3 は各ノードの水温表示と水温計との比較結果を示す。図のように水温計よりも若干高めの傾向があるものの、 0.7℃以内の偏差に収めることができた。
1 月にノードをすべて周防大島に送付し、海上試験を実施した。図 4 はノードの設置状況を示す。

図5

長期観測時の受信電界強度比較（上： C ノード、下： D ノード）
図2

A/D 変換器の入出力電圧比較
図 5 は10月25日から11月28日までの水温観測用
ノード 2 基から基地局間における受信電界強度を示す。図中の空白期間はデータが受信できていないことを示している。図の期間中の基地局における受信率は、 C ノードが 45.06[%] 、 D ノードが92.46[%] であった。受信率が異なる理由は、設置
環境や発電状況の違いが考えられる。水温観測用
3 基は停止期間も発生するものの、太陽光発電に
より 2 か月以上の連続観測が可能となった。しか
図3

水温比較実験結果し、雨の影響による測定値変化や複数のプローブの異常値が見られた。また塩濃度観測用は通信不良が発生したため、再び回収となった。今年度も現地での実地試験ができず、思うような観測ができなかった。今後は塩濃度観測用および水温観測用ノードの新規作成が必要である。
②インターネットを利用した遠隔監視システムの構築
昨年度まで使用していたデータ取得システムは遠隔で状況把握が可能であったが、案内画面の操作ボタンが小さい、スマホでの視認性が悪い、リアルタイムでデータが可視化できない等の課題が

図4

周防大島でのノード設置状況あった。そこで今年度はこれらを解決する方法として PC とスマホで操作が容易となる画面の開発-159-

及び、リアルタイムに地図表示が可能なシステムを開発した。また、現在本校のネットワーク環境に対応するため外部レンタルサーバを利用しているが、本校で使用しているGoogle driveでデータ管理する手法への移行を検討した。
図 6 はデータ表示用 WEB ページの改善結果を示す。まずディスプレイサイズによって大きさが自動変化し、次にボタンからアコーディングメニ
ューでの画面遷移に変更した。さらに各項目にカーソルが乗ると色が変わるように変更することにより、 PC だけでなくスマホでの操作が容易になった。図 7 はGoogle Java Script APIを利用した遠隔 図 8

Google App Script を利用した遠隔データ

監視システムの構成を示す。現在のシステムを止 処理システムの構成
めずに開発するため、制約条件として、センサからサーバまでの構成を変更しなかった。 Google
java script API を利用すると Google MAP のマップ
データをjava scriptで読み込むことで、 PC とスマホの両方で受信データの地図表示が可能になる。
ただし、開発画面ではなく本運用の場合、 1000リ
クエストあたり 0.76 円かかるため、現在は地図が不鮮明であるが開発状態で運用している。本研究では他にも PC 専用のフリーソフトである QGIS 、
スマホ専用であるがアプリ上で Google MAP のマ
ップデータを読み込むことができる Maps SDK でも同様に開発を検討した。
図9SNS での表示結果の例

図 8 は Google App Script を利用した遠隔データ処理システムの構成を示す。これまでのシステム
は観測、データ収集、データの保存、表示までが自動で行われていたが、保存されたデータのダウ
ンロード、データの整形処理は手動で処理してい図6

表示の改善結果た。そこで本システムでは基地局で受信したデー
タを処理し Google App Script で製作したウェブア
プリケーションへと送信、データの判断と加工を行いスプレッドシートへ書き込むことでダウンロ
ードせずにデータ処理操作が可能になる。また、
2 時間おきに最終データを Slack にて送信、特定のメッセージを LINE から受信した場合に最終データを送信することで SNS によるデータ取得が可能になる。図 9 は LINE および Slack でのデータ
通知結果を示す。上記のように、本研究課題の達図7

Google Java Script API を利用した遠隔監 成度は高い。今後はさらに地図表示機能を加える視システムの構成ことで、従来システムからの換装を目指す。

-160-

３．代表的な研究成果〔雑誌論文〕（計 1 件）
[1] 中川雅史，吉田将司，他 G 空間情報ソリュー
ションを実現する測位技術調査専門委員会編，
G 空間情報ソリューションを実現する測位技
術調査報告，電気学会技術報告，査読無，第1521号，2022年 1 月．
〔学会発表〕（計 4 件）
[1] 川島爽義，吉田将司，多点多層センシングに対応したセンサデータのリアルタイム可視化システムの検討，測位航法学会 GPS/GNSS シ
ンポジウム2021，査読無，BS-6，Oct , 2021．
[2] 塚本悟朗，吉田将司，開発サイクルを考慮したセンサネットワークシステムの検討，測位航法学会 GPS/GNSS シンポジウム2021，査読
無，BS-2， Oct , 2021 ．
[3] 中野裕紀，吉田将司，沿岸センサネットワー
クにおける観測ノードの改良，第13回大学コンソーシアム八王子学生発表会要旨集，査読無， Q233 ， Dec ，2021．
[4] 川島爽義，吉田将司，沿岸センサネットワー
ク可視化システムの検討‐多点多層センシン
グに対応したリアルタイム可視化システム‐，
第13回大学コンソーシアム八王子学生発表会
要旨集，査読無， B117 ， Dec ，2021．

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課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 28 日現在

研究課題名：阻止域減衰量を指定可能かつ通過域に平坦特性を有する可変 FIR フィルタの設計法
研究代表者：宮田統馬
小区分：通信工学関連
１．研究計画の概要
これまでに、申請者は高速高精度な計測を実現するために、阻止域の一部に高減衰量を有し、かつ、阻止域の特性が可変なディジタルフィルタの設計法を提案してきた。加えて近年、さらなる計測制度の向上を狙って通過域に平坦特性を有する
阻止域可変フィルタの設計法を開発した。しかしながら、これまでに提案してきた可変フィルタでは、高減衰量を得るために直接的に減衰量を指定するのではなく、帯域にかける重みにより減衰量を制御していたために、狙った減衰量を得ることの難しさがあった。本研究では、減衰量の値を直接的に指定可能かつ阻止域の特性が可変な通過域に平坦特性を有する直線位相 FIR フィルタの設計

図 1 ：所望特性法の開発を行う。
タの振幅特性、 M
２．課題研究の進捗状況及び達成度と P はそれぞれ通過域と阻止域の平坦度であり、等リプル特性を得るために本本研究で扱うフィルタの所望特性は図 1 のよう 研究では阻止域にも若干の平坦特性を与え、また、に、阻止域の一部に高減衰量を持たせることで、

x は、阻止域全体を高減衰量としたフィルタよりもフィx=ルタ次数が削減できる。これによりフィルタリン

1 − cos 
2(3)

グ時間を低減することが可能となる。さらに、高 である。加えて、式 (1) の H1 ( , )は阻止域にお減衰量部分に存在する大きなノイズの位置の変化 いて高減衰量の位置を変化させるために可変フィに対応するために、可変パラメータ  により、高 ルタとし、可変パラメータを用いた多項式により、減衰量の位置を可変とする。本研究では高減衰量
 を dB で与える。

N /2 LH1 ( , ) = 2 g (n, l ) l cos(n )n=0 l =0

通過域平坦かつ阻止域等リプルの低域通過フィ(4)

ルタを実現する、タイプⅠの直線位相可変 FIR フ とする。ただし、 N はフィルタ次数、 L は多項式
ィルタの振幅特性 H (, ) は、次数、 g (n, l ) は多項式係数である。また、  は 

H (, ) = 1 − (1 − H 0 ( ) ) H1 (, )
p
P


1
M
H 0 ( ) = 1 +  x p  ( M + i − 1)  (1 − x )
p
!
p =1
i =1



(1)

を −1 から 1 の範囲で正規化したものである。これは、本設計法を応用して複数要素を可変させた
際に、小さな可変パラメータの値が大きな可変パ(2)

ラメータの値に埋もれてしまい、反映されないことを防ぐためにこのように与える。

と表せる。式 (1) の第 2 項は高域通過型の特性としている。ただし、 H 0 ( ) は低域通過平坦フィル-162-

次に誤差関数を、E (, ) = D( ) − (1 − H 0 ( ) ) H1 (, )(5)とする。ただし、 D( ) は所望特性である。提案
する可変フィルタの設計問題は、最大許容誤差 を用いて、

minimize s.t. E 2 ( , )  otherwise

E 2 ( , )  (10 / 20 )2

(6)piecewise high attenuationと定義する。式 (6) の 2 つ目の制約条件により指定の高減衰量を実現する。また、式 (1) より通過
域は予め平坦特性と決定しているため、阻止域のみの近似問題である。本設計法において、式 (1)図 2 ： 振 幅 特 性  = 0.72

の右辺の第 2 項はフィルタの全体の特性としては阻止域となるが、前述の通りこの項は高域通過フ
ィルタの特性であるため、所望特性は D() = 1 とする。
最終的に式 (6) の設計問題を半正定値計画問題
として再定義すると、

minimize dxTs.t. U(x) 0(7)となる。ただし、

d = [1 0 0]
x = [ g]
g = [ g (0,0)
g ( N / 2, L)]U(x) = diag[ (,  )  (,  )] ( ,  ) =E ( ,  )E ( ,  )1

10 /20E ( ,  ) ( ,  ) =E ( ,  ) 10 /20

(8)
(9)
(10)
(11)
(12)

図 3 ： 振 幅 特 性  = 0.80
した可変フィルタの設計が行えていることがわかる。

(13)
３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計１件）[1]
宮田統馬，相川直幸，通過域平たんかつ指定
上記の手法を用いて可変フィルタの設計を行う。
減衰量を有する阻止域可変 FIR フィルタの設
フィルタ次数 N = 20 、多項式次数 L = 3 、平坦度計法，電子情報通信学会総合大会，査読無，M = 6 、 P = 3 、阻止域端角周波数 0.4 とし、高A-8-13減衰量部分について  = −80 dB 、  = 0.15 、可変
パラメータの範囲を  = 0.7 ～0.8 と設定した。図である。

1 と図 2 に、提案法によって得られた可変フィル
タの振幅特性と、その通過域を拡大したものを示す。図より明らかなように、パラメータの値を変化させても通過域および阻止域がそれぞれ平坦特性と等リプル特性を保ちつつ、高減衰量部分は指定した値を維持し位置が変化することが確認できる。
従って、提案法を用いることで、研究計画に示-163-

課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 31 日現在

研究課題名：e-スポーツの遠隔授業応用に関する検討―VR・携帯アプリを用いた体育実技の展開―
研究代表者：高野 修
小区分：身体教育
１．研究計画の概要【②本校学生のゲーム機器所有率調査】①で想定している e- スポーツを実践するための本研究では以下のプロセスを経ることにより、遠隔形式での体育授業を実施する状況下において デバイス類を体育授業に用いることを前提とするも対面形式で集団スポーツに取り組む時のように、ために、現況で本校学生が所有するビデオ・ PC
学生相互の関わり合いを持ちながらオンラインで ゲーム機器の種類を把握しておく必要がある。ま
の実技に取り組むことができるかどうか検証を行 た、スマートフォンの所有率も確認する。
Nintendo や Play Station 関連の機器をほとんどうものである。

の学生が所有しているのではないかと推察するが、【①身体活動を伴う e- スポーツ競技の調査】

数値的なデータで掌握することによりゲームに用

現在、国内外で多くの e- スポーツ競技会が実施 いる対象メディアの選定に活かしていきたい。
され、オンラインにて場所や距離を問わず参加で 【③調査対象としたアプリ・ソフトの実践】
きることから急速に普及している。また、著名な対象となったゲームソフトおよびスマホアプリ

スポーツクラブが e- スポーツ専門の選手と契約を が体育実技教材として利用できるかどうか、実際行い参入している様子も見られ、メジャースポー にプレイを重ねながら本校学生に利用させた際のツ化する気配すら感じられる。しかし、現在行わ 問題点の抽出を行う。あらかじめ本校 4 ･ 5 年生れている e- スポーツ競技会はオンライン上でコン

10 名程度に協力を依頼し、第 1 アリーナ棟内にトローラーやキーボードを用いた操作にて対戦さ プレイルームを設置して可能であればオンライン
れるものか、実際の空間に画像等を投影して参加 対戦での検証を重ねていく。また、スマホアプリ
者が身体活動を伴って参加する AR スポーツスタ については入手に費用がかからないようであればイルのものがほとんどである。この両者の特徴を 被験者数を増やし、コミュニケーション頻度につ合わせたスタイルの競技を調査し、体育教材とし いて多くのデータを収集できるよう努める。
て利用できる可能性を探る。

学生間の身体能力も考慮し、被験者の選定につ

今日まで、家庭用ゲーム機に接続し運動をする いては可能な限り多様な属性を持たせるよう努めことができるものは多数見受けられたが、通信機 る。それにより、学科・性差・運動競技歴の点に能を有するゲーム機が出始めながらも、オンライ ついて比較検討が行えるようデータ収集を行う。
ンでこれらの機器を通じて対戦をはじめとしたコ 【④実際のプレイを通じた主観的な評価の確認】
ミュニケーションを取ることができるものについ被験者に実際にプレイしてもらった感想を中心て例をあまり見ない。そこで、家庭用ゲーム機を に、体育実技と比較した評価を主観的に行っても中心に身体活動を通じてコミュニケーションが取 らう。基本的には半構造化インタビューにて各被れるものを調査し、実証研究の準備を行う。

験者の感想を集約しまとめる流れを予定している

現時点では、 VR 機器類が普及してきた点も踏 が、本研究では e- スポーツの体育授業への応用に
まえ「 PlayStation VR 」に着目し、同機の対応可 ついて可能性を模索するためのファースト・ステ
能なスポーツソフトを調査対象に含む予定である。ップとすることを目的としている。そのため効果
また、スマホアプリでも気軽にエクササイズを行 測定については次の段階で行うものとし、集約しいながらコミュニケーションが図れるものが出始 たデータを定量化して統計的な視点からの検証はめているので、それらも対象としたいと考えてい 予定していない。
る。

-164-

２．課題研究の進捗状況及び達成度

バーが古く Nintendo 系、 SONY 系いずれのゲー【①身体活動を伴う e- スポーツ競技の調査】

ム機器類も学内ネットワークに接続した際に何らインターネットでの調査を基に体育授業に援用 かの障害が発生することから、安価なタイプかつできそうなオンライン対戦形式での e- スポーツ競 所有率がそれなりにあるハードウェアが妥当と判技を探し出すことを試みたが、残念ながら国内で 断し、先述の「Wii Sports Club」を用いた調査をそのような競技が実施されている現状は確認でき 実施した。先述の通りいずれの種目も Wii リモコ
なかった。

ンプラスを用いたオンライン対戦が可能となってしかし、数年前に任天堂社製 WiiU 用ソフトと おり、実際の体育授業に援用できる部分が多いとして発売された「Wii Sports Club」においては、 見込んで、当該ソフトを用いて 3 学年情報工学科
ユーザーがフレンドやソフト内で所属するクラブ に所属している 4 名の学生の協力を得ながら実際
内の他ユーザーとテニスやベースボールを中心と のマルチプレイに取り組んでもらった。
したオンライン対戦を行う機能が付されており、 【④実際のプレイを通じた主観的な評価の確認】
ゲーム自体も Wii リモコンプラスやゲームパッド

学生にアンケートを取ったところ、ゲームでもを用いて身体動作で進める形となっているため、 体を動かすことができたかという問いに対しては調査対象として望ましいものであった。

「まあまあ」と答えた者が多く、特にボウリング

当初の予定では Play Station VR を用いて PS

は運動量が高かったとのことだった。参加者相互

Move モーションコントローラーを介したスポー のコミュニケーションが取れたかという問いに対ツ対戦を調査対象に挙げるところだったが、しては全員が「結構取れた」と答えている。本校

Play Station 対応ソフトで条件を満たせるものは の体育実技でもカリキュラムに含んでいる「テニ「みんなの GOLF 」程度しか確認できなかった。 ス」「ベースボール」について、ゲームの実施に【②本校学生のゲーム機器所有率調査】

より基本的なルールの理解に繋がるかという問い

今年度前期末に実施した授業アンケートにおい に対しては「おおいにある」「まあある」が半分て、全学生を対象に所有しているゲーム機器の種 ずつという回答となった。全体的な感想としては、類について質問し、回答をまとめた ( 図 1) 。男女 全員が「運動が苦手な学生にとって、スポーツに合わせて 486 名の学生から回答が得られたが ( 回 親しむためにいい材料になると思う 。」 といった答率 61%) 、所有率としては任天堂社製の機器類 趣旨のコメントが得られた。
が高く、 SONY 社製の機器類は高価なことが理由
なのか、あまり普及していない現状が見られた。 ３．代表的な研究成果〔雑誌論文〕（計 1 件）【③調査対象としたアプリ・ソフトの実践】

上記の調査結果を踏まえて学生の所有率が高い [1] Osamu Takano, Naoto Shoji, Motoki Mizuno,
ハードウェアを用いた調査を行うのが現実的だが、“Sports career changes in senior high school:

Nintendo Switch でオンライン対戦が実施できてA case study of volleyball club members”,

身体活動を伴うコンテンツを有したソフトウェア

JOURNAL OF HUMAN ERGOLOGY, 50(1),が確認できず、また調査を進める中で校内のサー

pp.45-46, 2021
〔学会発表〕（計 2 件）
[1] 高野修 , 大野達哉, “主体性の向上を目的とした体育授業が学生の自己効力感に及ぼす影響について－生涯スポーツを意識した授業づくり－”, 日本アプライドスポーツ科学会第 1 回
大会 , 2022[2] 高野修 , 大野達哉 , 鎌田俊司, “家庭用ゲーム
機器を利用した遠隔授業実践の可能性－身体活動を伴うオンライン対戦をベースとした予
備調査報告－ ”,

第 10 回関東信越地区高専

体育・スポーツ研究会 , 2022

図 1 ．本校学生のゲーム機器所有率 (n=486)-165-

課題研究費実績報告書
令和 4 年 5 月 6 日現在

研究課題名：ルチル型酸化チタンの薄膜化と光学的・電気的特性評価
研究代表者：黒木雄一郎
小区分：無機材料および物性関連
１．研究計画の概要

乱係数をスペクトルに重畳したクベルク・ムンカ

酸化チタンは多様な用途に使われている代表的 係数（スペクトル）からクラマース・クロニッヒ
な機能性材料であり、顔料や光触媒の他にもクロ 変換をする報告が散見されるが、これらは見かけ
ム添加により赤外発光を示すことが報告されてい の吸収係数に過ぎない。これを解決するためにはる。申請者は赤外発光を示す酸化チタンをセキュ 試料の薄膜化が有効である。
R. F. マグネトロンスパッタリングにより TiO2 膜

リティインクとして実用化するための過程で、この発光がクロム添加によるものではなく、ルチル を堆積した。ターゲットには TiO2 粉末を使用した。
型酸化チタンの真性欠陥に起因する可能性を見出 背圧 6.6 × 10-4Pa まで真空引きした後、 Ar ガス
した。一方で酸化チタンという良く知られた材料 を流入し、スパッタリングを行った。ガス圧を0.10 、 0.15 、 0.25 、 1. 0Pa に設定して 4 種類の薄のバンド構造や真性欠陥と光触媒などの機能性の発現については現在も活発に議論されており、今 膜を作成した。図 1 に得られた薄膜の XRD パタ
後も系統的な学術的研究の推進が望まれている。 ーンを示す。スパッタガス圧を減少させることに
本申請では、 R.F. マグネトロンスパッタリング法 より、ルチル相のピークが増大し、アナターゼ相によりルチル型酸化チタンを成膜し、その光学のピークが減少することが確認できた。

的・電気的特性からバンド構造（バンドギャップ
および欠陥のエネルギー準位）を実験的に明らかにすることを目的とする。効率的な欠陥の導入方
法に関する指針を得ることで、発光強度の増大など、セキュリティインクの実用化に資する試料の合成が可能となる。
２．課題研究の進捗状況及び達成度
これまでに、クロム添加、アルミニウム添加および無添加のルチル型酸化チタン粉末試料の合成、室温及び極低温フォトルミネッセンス測定による発光特性の評価、格子欠陥の推定、電子の励起・緩和過程の解明、分子動力学計算による欠陥構造の推定と安定度の評価、等について研究を推進してきた。 2021 年度は以下の 3 点について研究を

図1

推進した。
①

R.F. マグネトロンスパッタリングによる薄膜化（進捗度 80 ％）
光学特性、特に吸収係数の測定や電気特性の評価において粉末試料は不利である。具体的には粒子形状を考慮した散乱係数の波長依存性を測定する必要があり、これは実質的に不可能である。散得られた TiO2 薄膜の XRD パターン

得られた薄膜には干渉色が確認できたことから、全体的に均一な膜厚であることがわかった。膜厚は購入した表面粗さ形状測定機（東京精密、サーフコム 113B ）により求めた。試料の平均膜厚とスパッタガス圧、およびそこから算出したスパッタレート ( 時間当たりの堆積量 ) を表１、および
図 2 に示す。これらの結果よりスパッタガス圧の-166-

減少に伴い膜厚が増大し、またスパッタレートも ②増加することがわかった。

光学特性の評価（進捗度： 80 ％）得られた薄膜試料について、光学的バンドギャップを実験的に明らかにした。 UV-VIS-NIR 分光
表1

スパッタガス圧を変化させた場合の平均 光度計（島津、 UV-365 ）を用い、波長 190 ～2500 nm の範囲で透過率スペクトルを測定した結膜厚とスパッタレートの関係

果を図 3 に示す。スペクトルより、干渉による透過率の増減が確認されたことからも、薄膜試料の膜厚が均一であることが示唆された。またいずれの試料も 330nm 以下の波長で透過率が 0% となったことから、約 3.35 eV の光子エネルギーの基
礎吸収端（バンドギャップ）を有することがわかった。
次に、 フォトルミネッセンス(PL)測定装置を用いて室温での発光特性を調査した。励起光として
波長 325nmの He-Cd レーザーを用いた。図 4 に測定結果を示す。

図2

スパッタガス圧とスパッタレートの関係
図4

TiO2 薄膜試料の発光特性

スパッタガス圧が 0.15から 1.0Pa の条件で作成した薄膜は波長 420nm にピークを有する微弱な可視発光を示した。アナターゼ単相である 1.0Paの薄膜が最も強い発光を示した。アナターゼ相の減少に伴い発光強度も減少したことから、この可視発光はアナターゼ型TiO2に起因するものと考えられる。ルチル型TiO2の回折ピークが最大化した
0.10Pa の薄膜について、逆スパッタリング処理
によりルチル型 TiO2 への酸素空孔の導入を試みたが、赤外発光は確認できなかった。赤外発光の観測に資するだけの酸素空孔を導入する方法として、
水素ガスによる還元雰囲気下での真空プラズマ処
図3

薄膜試料の透過率スペクトル

理が考えられる。

-167-

③

電気特性の評価（進捗度：２０％）
薄膜試料を用いることで電極形成が可能となり、電気特性の評価による格子欠陥の情報が得られる。
2021 年度は、現有の半導体パラメータアナライザ（ HP4156A ）での測定を目指し、本体およびテストフィクスチャの調整と準備を行った。
３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計 1 件）
[1] 中里桂輔、黒木雄一郎、 R.F. マグネトロン

スパッタリングにより成膜したTiO2薄膜の発光特性、大学コンソーシアム八王子学生発表会、要旨集 (2021) C124-168-

課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 31 日現在

研究課題名：炭素繊維強化熱可塑性プラスチックスの繊維樹脂界面強度に及ぼす
大気圧プラズマ処理と結晶化収縮の影響に関する調査研究代表者：坂口 雅人
小区分：材料力学および機械材料関連
１．研究計画の概要

界面強度への影響について調査した．また，大気

炭素繊維強化熱可塑性プラスチックス( CFRTP)

圧プラズマ処理を施した炭素繊維の表面を観察し，は耐衝撃性，成形コスト，リサイクル性が従来の プラズマ処理による損傷の有無について明らかに
炭素繊維強化熱硬化プラスチックス( CFRTS) より した．
も優れるために注目されている．しかしながら，(CFRTP は母材樹脂の含浸性が低く，炭素繊維と母 ２．課題研究の進捗状況及び達成度
材の接着性が低いために炭素繊維の強度を十分に ①( ( 炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸率と界面強発現できていない．大手らは放電時のシース電圧 度に及ぼす大気圧プラズマ処理の影響( 達成度：を低下させることで炭素材料の損傷を避けて改質 ( 0％( )するプラズマ処理方法を確立している( 電気学会

今年度は大気圧プラズマ処理による曲げ強度の論文誌Ａ((114( 1994) (861)．また，辻岡らは電解酸 向上メカニズムを調査するために，プラズマ処理
化処理を施した炭素繊維を用いて(CFRTSを成形し，後の炭素繊維表面の損傷について調査した．
本研究ではフィラメント数(3000本の炭素繊維束処理による酸素原子量の増加に伴って界面せん断強度が向上することを報告した( 材料( (46( 199) ) ( ( トレカ糸(T300-3000 ，東レ製( ) を用いた平織基(163) ．そこで本研究では(CFRTP の含浸性・接着性 材に対して大気圧プラズマ処理を行った．平織基を向上させる手法として大気圧プラズマ処理によ 材の表面にはサイジング剤が塗布されており，炭る酸化処理に着目した．一方で，熱可塑性樹脂は，素繊維表面の特性に影響すると考えられることか
熱硬化性樹脂とは異なり，結晶性を有している． らアセトンに浸して除去した．大気圧プラズマ処
この結晶化によって樹脂収縮が生じることが知ら 理は雲母板に固定した平織基材にプラズマ照射装れている．この樹脂収縮が(CFRTP に生じると炭素 置( TT110 ( サーフクリーン製( ) を用いてプラズマ
繊維が周りの母材樹脂から締め付けられることに を照射して行った．プラズマ照射部の酸素量を制よって，炭素繊維と母材の接着性が向上すると考 御するためにアルゴンと酸素の混合気を吹き付けえられる．

た．大気圧プラズマ処理条件はアルゴンと酸素のこれらより，本研究では学術的「問い」として 流量をそれぞれ( (/ mi n と( 00(i / mi n とし，印加“(CFRTP の繊維樹脂界面強度の支配因子は何か” 電圧(100(V ，転送台の送り速度を(10(i mi n とした．
を設定し，この問いに答えるために①炭素繊維へ

大気圧プラズマ処理による炭素繊維の損傷を調の熱可塑性樹脂の含浸率と界面強度に及ぼす大気 査するために走査型電子顕微鏡( SEM) による表面圧プラズマ処理の影響，②(CFRTP の力学的特性に 観察を行った．図(1 に大気圧プラズマ処理を施し及ぼす母材結晶化度による樹脂収縮の影響解明を た炭素繊維の観察結果を示す．この結果，大気圧目的とした研究を行った．これらの調査を通して プラズマ処理による炭素繊維表面への損傷が見ら(CFRTP の繊維樹脂界面強度の支配因子を解明し， れないことが示された．
(CFRTP の力学的特性の向上を試みる．

これより，本研究における大気圧プラズマ処理

本研究では上記目的を達成するために(3 年間の 条件では炭素繊維を損傷させずに酸化処理できる研究計画を考えている．(1 年目は適切な成形・処 ことが示されたが，具体的な官能基の変化が明ら
理条件の検討を行い，(CFRTP の強度への影響につ かとなっていない．また，官能基の変化による母いて調査した．今年度は( 年目となり，今年度は 材と炭素繊維のぬれ性や接着性についての調査も母材結晶化による樹脂収縮率を測定し，繊維樹脂 できていない．従って，達成度を( 0% とした．

-169-

( PA ，(P/A ではそれぞれ(16 (Jmg
( ポリプリピレン
ハンドブック，( 01 ) ， 30Jmg( Theei tl((Chtetc ueenatuno(o (Polmi eenc(Mt ueentl (( (i(1) 未処理d(Ed.) (199) ) ，( 13 Jmg( Collond(t d(Polmi ee(Scne ce ( 63( 198 ) (8)

として計算した．

(2)大気圧プラズマ処理

結晶化による樹脂収縮を調査するためにアルキ

図 1 大気圧プラズマ処理の有無による炭素繊維表 メデス法による密度測定を行った．アルキメデス
面の比較画像法では空気中で測定した試験片重量を乾燥重量，
水中で測定した試験片重量を水中重量としてそれ②((CFRTP の力学的特性に及ぼす母材結晶化度に ぞれ測定し，浮力によって生じる重量の違いから試験片の密度を求める．試験片の密度  は乾燥重よる樹脂収縮の影響解明( 達成度：( 90%)

今年度は結晶化による樹脂収縮がどの程度とな 量v

dと水中重量v

w から下式の様に求めること

るかを調査し，樹脂収縮による(CFRTP の力学的特 ができる．
性への影響について考察した．結晶化による樹脂収縮を評価するために結晶化による体積収縮量𝜌=𝑀𝑑
𝑀𝑑 −𝑀𝑤𝜌𝐴𝑞( )v と結晶化前の体積vv0 との比として樹脂収縮率 ここで， Aq は水の密度である．本研究では常温v c を下式の様に定義した．
𝑆𝑐 =

Δ𝑣
𝑣0

=

𝜌0
𝜌

の精製水を使用し，水温から求めた密度を使用した．これを式( 1) に代入することで樹脂収縮率を− 1( ( 1)

求めた．ここで， 0 と  はアニーリング前後の母母材樹脂には汎用樹脂のポリプロピレン( PP)(

材密度である．

( ノバテック( PP(CC6 ，日本ポリプロ製( ) ，エン

図( に( PA ，( PP ，(P/A の各フィルムの密度を

ジニアリングプラスチックスのポリアミド( PA)(示し，図(3 に樹脂収縮率を示す．この結果，( PP( アミラン((CM101) ，東レ製() 生分解性プラスチ と(P/A はアニーリングによって密度が増加し，樹ックスのポリ乳酸(P/ A)( I geo(3001D，(atur ee(

脂化収縮率も未処理と比較して( PP では最大で(o oes 製( ) を使用した．( PP ，( PA ，(P/A の各ペ ().18(% ，(P/A では( 1.3(% に増加した．一方で，レットは平板状の金型に離型シートとして敷いた ( PA は密度や結晶化収縮率の変化は見られない．
( PTFE シートの上に設置され，ホットプレスを用 次に，図(4 に( PA ，( PP ，(P/A の各フィルムの結いて成形温度に加熱し，融解した後，( (s a の押切 晶化度を示す．この結果，( PP と(P/A ではアニー荷重を負荷してフィルムに成形された．成形され リングによって増加し，( PA では結晶化度の増加たフィルムは金型ごとホットプレスから取り出し，は見られなかった．これらより，( PP と(P/A では
ヒートシンク上で冷却した．成形温度は( PP と(P/A では( 00ºC ，( PA では(

アニーリングによる結晶化によって樹脂収縮する

0ºC とした．次に成 ことが強く示唆された．一方で，( PA ではアニー

形したフィルムを結晶化させるために乾燥炉内で リングによる結晶化及び収縮は見られなかった．
(130ºC に加熱し，一定時間静置してアニーリング これはアニーリング温度が原因と考えられる．熱を施した．

可塑性プラスチックスは温度によって結晶化速度

アニーリングを施したフィルムは示差走査熱量 が変化し，( PP と(P/A ではそれぞれ(1 3 ºC と測定( DSC) により，結晶化度が評価された．(DSC (130ºC で最も結晶化速度が高くなる．一方で，は加熱速度(10ºCmi n ，目標温度( 30ºC として行っ ( PA では約(1 0 ºC であるため，本研究のアニーリた．得られた(DSC曲線から結晶化エンタルピー

ング温度(130ºC では結晶化が変化しなかったと考Hc と融解エンタルピー Hi を算出し，下式に代 えられる．
入することによって結晶化度 c を算出した．
𝜒𝑐 =|Δ𝐻𝑐 +Δ𝐻𝑚|
Δ𝐻100( ( 1)

ここで H100 は試験片が無限大の結晶厚さを有す
る際の融解エンタルピーである． H100 は( PP ，

-170-

次に(CFRTP を構成する炭素繊維周りの母材を薄肉円筒と仮定し，樹脂収縮に生じる締付圧力を算出した．この結果，樹脂収縮率と締付圧力は図(に示す様に線形となり，( PP の最大樹脂収縮率() .18(% では( 1.88(MPt の締付圧力が得られる．これより，アニーリングによる樹脂収縮によって繊
維樹脂界面強度の向上が期待できることが示唆された．そこで，( 019年度及び( 0 0年度に報告した(CFmPP 板と( CFmP/ A 板の曲げ強度と弾性率との比
較をそれぞれ図(6 と() に示す．この結果，曲げ強度と弾性率はアニーリング時間とともに低下しており，樹脂収縮が曲げ強度・弾性率の向上に寄与していないことが示された．これは樹脂収縮による炭素繊維の締付圧力によって母材内部に残留応力が生じたことが原因と考えられる．また，結晶化によって弾性率が低下する点は繊維樹脂界面強度が低下したことを示唆している．中尾らは( PE
を接着剤として使用した場合，溶融状態から徐冷
図2 アニーリング時間によるPA，PP， PLA フィル して結晶化度を増加させることで，母材内の不純ムの密度の変化物が界面に析出して接着強度が低下することを報告している(( 高分子，(19( 19)0 ) (4) )．このことか
ら結晶化によって母材内の不純物析出が原因の可能性も考えられる．これらより，今後は母材内部の残留応力及び界面について調査する必要がある．
これらより，年度当初に予定していた樹脂収縮率及び締付圧力の解析を達成しているが，新たに母材内部の残留応力の解明や界面への調査が必要となったことから，達成度を(90% とした．

図3 アニーリング時間によるPAフィルム，PPフィルム， PLA フィルムの結晶化収縮率の変化

図 5 薄肉円筒を仮定した場合の CF/PP 複合材料に生じる締付圧力図4 アニーリング時間によるPAフィルム，PPフィルム， PLA フィルムの結晶化度の変化-171-※( ICACC( 0に関しては要項集を発行していな

い．このため，著者名，発表タイトル，学会名，査読の有無，講演番号，講演場所，講演年月を記
載※日本機械学会では講演論文集を(PDF 形式にて発行している．このため，巻やページがないことから，代わりに講演番号を記載した．

図6 各アニーリング時間における CF/PP 板の曲げ強度と弾性率の変化

図 7 各アニーリング時間における CF/PLA板の曲げ強度と弾性率の変化
３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計(3 件）(1) (Mt tuo(Sts t gr chn (Rmouteo(Fr s r chn (E ecu(o((tui o hheenc(hee r ee(hlt i t(ueet ui e u(o ((i echt nctl(heoheeune(t d(ni heeg tuno (o (hltn ((wet ee(ct eoo ( noee(een oeced(holmheohmle e (46 d((I uee tuno tl(Co eee ce(t d(Epho(o (Adet ced(
( Ceet i nc (t d(Coi ho nue( ICACC 0(Vneurtl) (( Aechnee ( 査読無 (3641940 (Vneurtl(Meeun g (( Jt r tem( 0.

(2) 坂口( ( 雅人，大黒

元暉，平田

智哉，平織

炭素繊維強化ポリプロピレンの曲げ特性に及ぼす結晶化収縮の影響，山梨講演会(( 0 1( 講演論文集，査読無，講演番号(C11.
(3) 坂口( ( 雅人，吉田

拓未，小林

訓史，ポリ

乳酸フィルムの引張強度に及ぼす熱処理温度と時間の影響，日本機械学会( 0 1年度年次大会講演論文集，講演番号(J031- 0 .

-172-

課題研究費実績報告書
令和 4 年 2 月 21 日現在

研究課題名：Ｆ０センサの構築に向けた基礎的検討
研究代表者：三輪賢一郎

小区分：知覚情報処理関連
１．研究計画の概要

つつも，同手法の心臓部である復調処理機構に，世界の IoT デバイス数が本年中にも３００億個 計算コストの大きい同期検波方式に代えて，計算に到達すると予測されており，様々な産業分野に コストが小さい非同期検波方式を新たに採用する
おいて IoT 化が急激に進展することが見込まれる．ことで，実環境中のセンサ機器に実装可能な F0
そこで重要になってくるのはセンシング技術であ 推定手法の確立を目指す．
り，現在までに様々な環境センサが開発され，実本研究の方法としては，まずは本手法の耐雑音用化されてきた．しかしながら，音センサについ 性と耐残響性を，主としてシミュレーションによては，その中身は基本的には音圧レベルを測定す り検証する．具体的には， MATLAB 上で本手法るだけのプリミティブなものにとどまっている． のアルゴリズムを実装した上で，白色雑音等を用もし環境センサに基本周波数推定の機能を実装す いた人工的な雑音環境や，人工的に生成された室ることができれば，遠隔における音信号の分析が 内インパルス等を用いた人工的な残響環境の下で，容易になり，遠隔地の野生動物の見守りや異音の 調波複合音等の人工音に対する従来法と本手法と把握など，様々な音情報の把握分析が効果的に行 の F0 推定精度をシミュレーションにより比較検えるようになる．また，音声の生データを通信す 討する．将来的には，本手法と従来手法との計算るのに比べ，基本周波数の数値データのみの通信 時間の比較も実施する．これらの検証結果を評価
は無線帯域の効率的な利用に資するものであり， することで，本手法が F0 センサの要素技術としIoT の通信インフラとの親和性も高まる筈である．て有効か否かを検討する．
基本周波数数（ F0 ）推定の研究の歴史は半世

本研究のスケジュールとしては，計算機の環境

紀に及び，その中で数多くの方法が提案されてき が整い次第すぐにアルゴリズムの実装に着手し，たが，雑音と残響の両方に対して総合的に対応で 次いで確認のための予備試験を経て，評価シミュ
きる手法は未だ確立されていないのが現状である．レーションへと進む．シミュレーション結果はそそこで筆者らは，振幅変調の復調技術を用いてヒ の都度分析を行い，本手法の有効性について検証
トのピッチ知覚を模擬するという今までに無いや を行う．得られた成果については対外発表も行う
り方により，理想的な調波信号に限るという制約 予定である．
は存在するものの，実環境を考慮した手法を提案してきた [1] ．しかしながらこの手法は，復調処 ＜文献＞
理の検波方式として同期検波方式（ダイレクトコ [1] 三輪賢一郎 , 鵜木祐史, "振幅変調音のピッチ
ンバージョン方式）を利用しているため，位相同知覚に基づいた調波複合音の基本周波数推定

期処理が必須となることから，計算量の低減が難法," 電子情報通信学会論文誌Ａ, Vol. J98-A,

しいという根本的な課題を抱えており，計算リソ

No.12, pp. 668-679, 2015 年 12 月

ースの乏しいセンサ機器に実装することは現実的ではない．
したがって本研究では， Raspberry Pi ないしはArduino 程度の計算リソースでの信号処理を前提とした，雑音残響に頑健で，かつ計算コストにも優れた F0 推定手法の基礎検討を実施することとする．実現技術としては，筆者らの手法を踏襲し-173-

２．課題研究の進捗状況及び達成度

法の耐雑音性をさらに向上させられる可能性があ【進捗状況】

る．

本研究においては，（１）

提案法の実装（４）計算時間の比較評価（２）

静音環境における評価

各種F0推定法との計算時間の比較も実施し，提（３）

雑音環境における評価

案法は同期検波方式と比べておよそ 200 分の 1 の（４）

計算時間の比較評価

計算時間となっており，計算コストの大幅な圧縮の順で実施した．今回は，基礎検討という段階で を実現できていることが確認された．一方で，そあることもあり，実際の音信号は使わず，代わり の他の従来法と比べると，その計算時間は依然とに人工的な 10 次の調波復号音を対象信号として，して10倍以上の開きがある．提案法では，対象と各種検証を実施している．以下に，順を追ってそ する基本周波数の全域に渡ってサーチを実施するの進捗状況を示す．

必要があることから，これ以上の計算量の低減はその原理上難しいと考えられる．

（１）

提案法の実装MATLAB 上に，提案法のコンセプトに則って 【達成度】
アルゴリズムを実装する．本研究では計算量の低本研究では，非同期検波方式を用いる提案法が減を目指すことから，復調処理機構に非同期検波

F0 推定法として利用可能性を持つこと，併せてを採用しているが，中でも代表的な二乗検波方式，雑音耐性を本質的に備えていることを確認した．
包絡線検波方式，ヒルベルト変換方式の計 3 方式 さらには，同期検波方式に変えて非同期検波方式の特性を明らかにするべく， 3 種類のプログラム を採用したことにより，計算コストの大幅な低減を並行して実装した．

にも成功した．
未達成なアイテムとしては，提案法の耐残響性（２）の検証が挙げられる．残響を意識した F0 推定手

静音環境における評価

提案法が F0 推定法として利用可能であるか否 法は過去にも研究事例が少なく，耐残響性で提案かを評価シミュレーションにより検証した．

法の優位性を示すことができればそのインパクト検証結果からは，今回提案している 3 手法のい は大きい．さらにその先には，より実環境を意識
ずれの方式においても 100 % の推定精度を達成し した，雑音と残響との混在環境における評価が必ており，これらの方式がF0推定法としてまずは利 要であり，それらの検証を経てはじめて提案法の用可能性を持つことが確認された．

実環境における利用可能性が推し量られることになる．以上については次年度以降に取り組む予定（３）

雑音環境における評価である．

提案法の雑音に対する耐性を，白色雑音を付加

将来的には，本研究での基礎検討を踏まえて実した評価シミュレーションにより検証した．検証 際の音信号を用いた検証に発展させ，最終的には結果から，提案法の雑音耐性は，従来法の中でもF0 センサ構築の研究開発につなげてゆくことが比較的雑音に頑健な SWIPE 法とほぼ同程度期待される．

（ SNR= 0 dB における正答率が70 %前後）である
ことが示された．しかしながら，同期検波方式の ３．代表的な研究成果
推定精度（同98 %）には達しておらず，改善の 〔学会発表〕（計１件）[1] 山川拓真 , 三堀二知加 , 三輪賢一郎, "非同期

余地は残していると言える．
特筆すべき点として，雑音対策を特に施してい検波技術を用いた基本周波数の研究 ," 大学コるわけではない提案法が， SWIPE 法に匹敵する

ンソーシアム八王子

雑音耐性を発揮しているという事実は，提案法が査読無し， Q231, Dec. 2021

雑音に対する耐性を本質的に備えている手法であることを示している．加えて，雑音抑圧処理の付加等，一部アルゴリズムを改良することで，提案-174-

第 13 回学生発表会 ,課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 26 日現在

研究課題名：次世代電力系統の高調波電流を完全に吸収できる同期調相機システムの開発研究代表者：山下健一郎
小区分：電力工学関連
１．研究計画の概要

ョンにより、システムの定常特性解析を行う。

本研究課題は再生可能エネルギーが大量に導入される「次世代の電力系統」のための「高調波電 ２．課題研究の進捗状況及び達成度
流を吸収できる同期調相機システム」を提案し、その性能や有用性を検証するものである。

当該研究で実施した①供試装置の開発、②供試装置を用いた実験的検討、③シミュレーションモ

電力系統の安定性は系統に接続される回転形発電 デルの構築、④実用規模の装置を想定したシミュ
機の回転エネルギーにより支えられている。一方、レーション、それぞれについてその詳細を説明す
再生可能エネルギーを用いた発電装置の多くは蓄 る。
電設備の無い電力変換器を介して電力系統へ接続されるため、同エネルギーの大量導入は系統の安 ①供試装置の開発
定度維持に大きな問題を引き起こすことが懸念さ （達成度 80 ％）れている。また、こうした電力変換器は高調波電サイリスタインバータを用いた装置の開発を完流の発生源となるなど、次世代の電力系統はこれ 了した。また、電圧型インバータ（ IGBT, FET ）までにない様々な課題を有している。

を用いた装置を製作したが、現時点で動作試験を

本研究では電力系統の安定度問題と高調波問題 終えていない状況である。また、電流型インバーを一度に解決することのできる「特殊な三巻線変 タを用いた装置の開発は未着手であるため、引き圧器と同期調相機（ Synchronous Condenser ：続き製作を継続していく予定である。

SC ）を組み合わせた同期調相機システム」を提案し、電力系統へ及ぼす種々な効果について検討 ②供試装置を用いた実験的検討（達成度 50 ％）を行う（実現可能性研究 ）。
本研究の基本的な手法は実験的検討と理論的検完成したサイリスタインバータを用いた装置に討であり、供試装置の製作とシミュレーションモ よる実験的検討を実施した。同実験的検討により、デルの構築が完了したら、シミュレーションモデ 種々な実験条件において所望の波形改善効果が得
ルの妥当性を実験的検討により確認し、シミュレ られることが明らかとなった。なお、他のインバ
ーションモデルを用いて、実用規模のシステムに ータに対する実験的検討については供試装置が完ついて種々な検討を行う。具体的な方法は以下の 成に至らなかったため、未着手となっている。
とおりである。
①

提案システムの有用性を検証するため、実験 ③シミュレーションモデルの構築的検討に必要となる研究室スケールの供試装 （達成度 90 ％）置（ 2kVA 程度）を製作する。

②

MATLAB を用いたシミュレーションモデルを構

同実験装置を基に実験的検討を行い、提案す 築した。インバータ（他励式、自励式の電圧型とるような波形改善効果が得られるのかを検証 電流型）のモデルも予定通り作成し、いずれのイする。

③

ンバータを用いた場合においても所望の波形改善

シミュレーションモデルの構築・改善を行い、効果が得られることが明らかとなった。実験的検
実験的検討との比較により、シミュレーショ 討が不十分であるため、他励式インバータ以外のンモデルの妥当性を明らかにする。

④

妥当性については検討を行うことができなかった。

実用規模のシステムを想定したシミュレーシ 引き続き実施していく予定である。

-175-

④実用規模の装置を想定したシミュレーション（達成度 80%）
実用規模の装置（ 300MW ）を想定したシミュ
レーションを実施した。大規模システムにおいても十分な波形改善効果が得られることが判明した。
引き続き定常特性を明らかにする必要がある。
３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計 2 件）
[1] Ken-ichiro Yamashita, Daiki Sakamoto,
Mami Tandai, A Synchronous Condenser
System Capable of Eliminating Harmonic
Distortion for Grid-Connected Inverters,
24th International Conference on Electrical
Machines and Systems (ICEMS2021) , 査読有， 2021 年 10 月
[2] Daiki Sakamoto, Syuji Tanaka, Yusaku Mori,
Ken-ichiro Yamashita, Steady-State Characteristics
of a Loop-Type Multi-Terminal HVDC
Transmission System for Series-Connected Wind
Power Plants, 24th International Conference on
Electrical Machines and Systems (ICEMS2021) ,査読有，2021年10月-176-

課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 30 日現在

研究課題名：断片的言語表示を用いた包括的英語指導に関する考察
研究代表者：松尾貴哲

小区分：外国語教育関連
１．研究計画の概要

た。

本研究は、第二言語（以下 L2 ）の発話解釈に

当調査は個別面談で実施、かつ長期的研究への関する考察である。具体的には、断片的な言語表 暫定的位置付けであり、分析に充てられる時間を示で話者の what is said 、つまり発話の「表意考慮して被験者は 10 名のみとした。全受験者の（explicature ）」 を復元できるかを実験調査した うち、準 2 級相当を 4 名、 3 級相当 4 名、 4 級相ものである。その調査結果から、学習者が L2 を 当 2 名を無作為に抽出した。
調査課題は図 1 のようなスライド表示を 6 題、解釈するにあたり、どのようなプロセスを辿っているのかを語用論的に説明することを目標とする。スクリプト付きで聞かせた。ターゲットセンテン
また、英語教育への応用にいくつかの示唆を与え スをブランク表示し「話し手は何を言っていたとることを第二の目標とする。

思いますか？」「なぜあなたはそう思ったのです

まず本研究は、理論の拠り所となる、発話解釈 か？」を共通の質問として調査した。
の理論である「関連性理論（ Relevance
Theory ）」 を概観することから始まる。ひとが発話を理解する普遍的なプロセスが、 L2 のそれにも当てはまるのかを問題提起するとともに、被験者を募って実験調査を行う。結論として、聞き手は断片的な L2 言語表示であっても、話者の「言いたいこと」に到達することが十分に可能であることを主張する。そして、本論の第二の目標

図 1: 実験調査 Phase 1 ＜会話 1 ＞スライドである、英語教育へのいくつかの示唆を与えたい。
自発的なアウトプットを促し、生産的で相互作用

表 1: 実験 Phase1 習熟度と全 6 問の総合得点

的な授業を提供するために、学習者に与えるインプットとしてどのようなものが経済的かつ効果的なのかを示唆的に述べる。
この調査の結果、いくつかの示唆を導くことが
２．課題研究の進捗状況及び達成度できた。まず、数単語のみの断片発話では正しい

関連性理論は、発話の暗示的側面のみならず明 発話解釈を導かない一方で、完全発話では平均発示的側面にも推論の役割が大きく関与すると主張 話長の増長つまり明示的表示の多さが、逆に被験する。発話解釈には「論理形式 」、 「表意 」、

者の推論稼働率を妨げることがわかった。次に、「推意」という 3 つのレベルがあるが、表意に関 表示された語の誤解読により推論の道筋が歪み、していうと、論理形式の解読演算、かつ推論によ 誤った意味論アウトプットへ導かれる事例もみらる命題拡張プロセスが重要な点といえる。ただし、れた。 L2 学習者の誤訳や的外れの回答は、誤っこれらのレベルは全てオンライン上で処理され、 た文脈想定および明示的側面の解読演算の段階で特定の推意が復元されるには、表意が確定されて 発生すると考えられる。
いなければならない。本発表の問題提起は、 L2

次に、断片発語を視覚的に表示した Phase 2 のの解釈もこのような処理で行われるか、から始ま 調査結果を示す。 Phase 1 と比較すると、表 2 にる。この表意獲得について一連の実験調査を行っ 見られるように、被験者全員に得点の向上が確認-177-

され、各級の平均得点率は準 2 が 81%、 3 級 46% 、プットが効果的であるか、そして、学習者のアウ
4 級 17%となった。

トプットをどのように促進すべきかについて、本論はひとつの示唆を与えることを期待している。

表 2: 実験 Phase2 習熟度と全 6 問の総合得点 「英語の授業は英語で」に順応しつつ、リキャス
ト、プロンプトといったオーラル指導への前提として、この研究に意義を持たせたい。断片的な発
この結果は適切なコンテクスト選択に加え、表示 話でも学生や教師は、推論を働かせて意図にたどされた語の解読演算が適切に処理されたかどうか り着くことが可能であり、いわゆるオールイングの差を示している。言語形式を視覚化した場合で リッシュ環境への参加を促すきっかけを提供するは、それらが論理形式として意味論的にアウトプ ものと期待したい。
ットされ、関連性への期待に沿って真偽判定を問える命題まで推論的に拡張されている。結果とし ３．代表的な研究成果て話者の意図した想定に到達できたと考えられる。〔雑誌論文〕（計１件）
最適な関連性を求める諸原理の認知制約が動機と [1] 松尾貴哲，断片的言語表示を用いた L2 発話
なり、 L2 の解釈においても RT が説明する表意解釈に関する一考察 , 全国高等専門学校英語の復元プロセスが同等に稼働していること、しか教育学会研究論集 , 第 41 号 , pp.37-46,

し、学習者の習熟度によって、音声表示と視覚表

2022, 査読有

示で意味論的解読の程度に差が生じることを例証している。

〔学会発表〕（計１件）

本研究は提出した仮説および実験調査から、[1] 松尾貴哲，断片的言語表示を用いた L2 発話

1) L2 解釈において表意復元までの推論プロセス

解釈に関する一考察 , 令和 3 年度第 44 回

は L1 と同等であり、 RT の解釈理論は普遍的とCOCET 研究大会 ( オンライン ) 講演論文集,

いえるが、誤った文脈想定あるいは論理形式の意

2021

味論的アウトプット次第では誤解を導くことがある。 2) どの程度の明示性をもって表意を獲得できるかに関し、概念を記号化（ conceptual
encoded ）する語を明示的（視覚的）に表示すれば、表意が復元されやすい傾向があると結論づけた。
本研究は、発話解釈における推論処理が言語問わず普遍的であることを示唆した。また、 L2 解釈においては、概念をコード化した語の知識獲得、
つまり語彙力の増強こそが正しいコンテクスト選択と推論を導くきっかけとなるのであり、文法などの統語論的な側面は、ある程度は推論で補完できることを示唆している。いわゆる「カタコト英語」が成立する一つの理論的根拠を示すものであり、英語を用いた円滑な会話ターンと授業運営を狙いとする場合、コンテクストの可視化を前提としたうえで、まずは内容語を臆せず発話させることが効果的ではないかと考える。しかしながら、本研究は broken English による英語指導を推奨するものではない。このような課題に向き合い、段階的な英語運用の授業スタイルを確立しようとする中で、初期英語学習者にとってどのようなイン-178-

課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 28 日現在

研究課題名：2×2 次元 切替スイッチの開発（２）～Sub-6 GHz 及び 28 GHz 帯低コスト 2×2 次元切替スイッチの開発～
研究代表者：水谷 浩
小区分：電子デバイスおよび電子機器関連
１．研究計画の概要
本研究では、低コスト基板を用いた Sub-6 GHz
帯及び28 GHz帯 2×2次元切替スイッチを実証することを目的とする。具体的には低コスト基板上に作製した伝送線路の28 GHz帯やミリ波帯での低損失性を評価・実証する予定である。さらに、実証 図 1. 4.5 GHz/28 GHz 帯 2 × 2 次元切替スイッチ
した低コスト基板上の低損失伝送線路を用いたマ の回路図
イクロ波混成集積回路 HIC の設計・試作・ RF 評価を行い、 Sub-6 GHz 帯や28 GHz帯 2X2 次元切替スイッチの低損失動作を実証する。
２．課題研究の進捗状況及び達成度
今年度の目標は、前年度原理実証した低損失伝送線路構造を用いて、 Sub-6 GHz と 28 GHz の
2x2 次元切替スイッチ HIC を設計・試作を行う。
作製した HIC (Hybrid IC) は電気通信大学保有設 図 2. 4.5 GHz/28 GHz 帯 2 次元切替スイッチの写
備のミリ波帯ネットワーク・アナライザ Agilent

真E8364B を借用して S パラメータの測定を DC ～50 GHz で行うことであった。研究は計画通り進捗し、以下の通り、研究目標は概ね達成できた。
前年度の研究にて伝送線路の評価方法が確立されておらず、実証が十分できていなかった FR-4を用いた新しい構造を有する伝送線路の 28GHz
以上のミリ波帯における低損失特性に関し、本研究にて実証を行った。その結果、シミュレーショ
ンで得た結果と同様に、マイクロストリップ線路と逆マイクロストリップ線路、新構造の伝送線路の順に損失が小さくなっていることを確認した。 図 3. 4.5 GHz/28 GHz 帯 2 次元切替スイッチの周
さらに、本研究では、 Sub-6 GHz と 28 GHz の 波数特性
2x2 次元切替スイッチの設計を行った。図 1 に4.5 GHz / 28 GHz 帯 2 × 2 次元切替スイッチの回

図 2 に 4.5 GHz/28 GHz 帯 2 次元切替スイッチ

路図を示した。本研究では、図 1 の回路のうち、 の写真の写真を示した。図 3 はネットワーク・ア
まず SPST 部分、すなわち 2 次元切替スイッチを ナライザを用いて実測した、 4.5 GHz / 28 GHz 帯
28 GHz でも低損失特性を示す新構造を適用した

2 次元切替スイッチの周波数特性である。FETのFR-4 基板上に HICとして作製した。

ゲートバイアスを 0.2 V と -1.0 V で切り替えることにより、スイッチの ON/OFF 特性が切り替わる。
ON/OFF のスイッチ動作をする周波数が 4.5 GHz-179-

以下と 16 GHz 付近で見られる。本来 16 GHz ではなく 28 GHz で切り替わるように設計したのであるが、設計に用いたFETのパッケージ込みの等価回路パラメータのミリ波帯での精度が十分でないことが原因であると考えている。今回のデータから正確な等価回路パラメータを抽出することができるため、次回は精度の高い設計が期待できる。
このように、完全な実証までは至らなかったが、ミリ波帯で FR-4 基板を用いて低損失スイッチ回路を作製することができることが示唆されたことは、大きな成果である。今後、 4.5 GHz/28 GHz
帯 2 × 2 次元切替スイッチ HICの低損失性を実証すると同時に、更なるミリ波回路に適用していく予定である。
３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計１件）[1] 石井岳人、水谷浩、「ミリ波アプリケー

ション向け低損失FR-4伝送線路の提案 」、電
子情報通信学会総合大会、 C-2-31 、2022年 3
月、査読無

-180-

課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 31 日現在

研究課題名：交流電池に接続するコッククロフト-ウォルトン回路に関する研究研究代表者：米盛

弘信

小区分：電力工学関連
EDLC の個数を削減できる倍電圧整流回路を用い

１．研究計画の概要

本研究は， AC Biode 社が開発した世界初の交流 てシステムを小型化，及び高効率化を目指す。本電池に接続するコッククロフト・ウォルトン回路 実験では， EDLC の容量を10，50，100Fと変動さ（ Cockcroft – Walton Circuit ：以下， CW 回路）の せて行う。
性能向上を目的としている。 AC Biode 社の交流電
V 1=8.4Vを挿入し， Anode ‐ Biode と Biode ‐ Cathode を
外部の半導体スイッチで切り替えて矩形波を出力するリチウムイオン電池の一種である。本研究のベースになる交流電池は，共同研究先の AC Biode

D1
SiC-MOS-FET1

IR2302Gate Driver

Biode とよばれる両性電極（ AC Biode 社の造語）-

V2=8.4V

12V

Function
Generator社が性能向上に取り組んでいる。申請者は，交流電池に接続する昇圧用の CW 回路の性能向上を主な研究課題とする。一般的に， CW 回路はμ A ～C1-4 +

16.8V

SiC-MOS
-FET2
16.8V

Load

池は，負極（ Anode ）と正極（ Cathode ）の間にC5-8 +

D2-

mA オーダの電流しか出力できず，電気自動車などの大容量用途には不十分である。すなわち，本 図 1

交流電池を模擬した提案システムの構成研究を達成するためには， CW 回路の高電流出力を実現する必要がある。そこで， CW 回路に電気 ➢二重層コンデンサ（ EDLC ）を使用し，大容量化

高効率化したシステムの電力変換効率を評価
本実験は，直流安定化電源を用いてV1 ，V2 共にを図ると同時に， EDLC の内部抵抗の影響，駆動 8.4V一定で提案システムを動作し，電子負荷装置
周波数の影響を明らかにし，設計指針を得る。な によって 0.1C(0.26A) ， 0.2C(0.52A) ， 0.3C(0.78A) のお，本研究の付随課題として，①交流電池用の充 各値で定電流放電した。駆動周波数は， 50Hz ～放電回路の設計，および②性能向上中の交流電池

100kHz の各値でシステム全体の電力変換効率をの代替として，既存のリチウムイオン電池を疑似 算出した。
的な交流電池として使用するための H ブリッジ回

結果より，システム全体の最大効率は 95.0% となった。本電源システムでは， H.B. 回路に使用し路の試作も遂行内容に含まれる。

た MOS-FET の特性により， 10kHz 以上の高周波
２．課題研究の進捗状況及び達成度

帯の効率は減退した。また，倍電圧整流回路に使研究成果の中から代表的な一例を示す。達成度 用したショットキーバリアダイオードは 10kHz 以
としては，概ね順調であった。

上で飽和傾向になった。以上より，本電源システ➢

ムは周波数の最適値が 10kHz 以下であることがわ

提案システムの高効率化

交流電池が特性等の改良を重ねている現在は， かった。
直流電源と 2 石式ハーフブリッジ (H.B.) 回路を用 ➢

積算電力による提案システムの優位性いることで交流電池を模擬する。図 1 は，提案シ

本実験は，リチウムイオン電池 (LiB:3.7V( 満充

ステムである。 H.B. 回路は， SiC タイプ MOS-

電時:4.2V)-2600mAh)を図 1 のように配置し，駆動

FET を採用することで低損失化を図る。さらに昇 周波数は 10kHz で提案システムを動作した。また，
圧回路は，コッククロフト - ウォルトン回路より 小型モビリティの動作を想定して電子負荷装置で-181-

10秒ごとに 0.1C ， 0.2C ， 0.3C の各値をループさせ

ラム・予稿集， B-6 ，査読無， pp.35-36 ，て負荷変動した。 LiB の放電時間はバラツキが生

八王子市学園都市センター (2021-12)

じるため，実験は 3 回行い平均値を算出する。比 （5） 中川湧貴，米盛弘信：“交流電池を模擬す
較実験として従来法は， 4 直接続した LiB に対しる電源システムを搭載した走行車の試作とて上述と同様の負荷変動をさせた際の放電時間と動作検証 ”， 第13回大学コンソーシアム八

積算電力を明らかにし，提案法と比較する。

王子学生発表会要旨集，査読無，P215

表 1 は，従来法と提案法の積算電力，及び駆動（ 2021-12 ）優秀賞受賞

時間の比較である。表 1 より，従来法②と比較し （6） 津田浩平，米盛弘信：“独立型交流電池のて提案法①の積算電力は，より多くの電力量を引Duty 比を変動させた際の充放電特性 ”，

き出した。さらに駆動時間に着目すると，従来法第13回大学コンソーシアム八王子学生発表⑤より提案法④の方が長く駆動したため提案する

会要旨集，査読無，P217（ 2021-12 ）電源システムの優位性を確認した。しかし，電源 （7） 千葉穣，米盛弘信：“交流電池に接続するシステム全体③と従来法②の積算電力を比較した

倍電圧整流回路の動作特性 ”， 第13回大学際に回路の損失によって従来法に劣った。改善案

コンソーシアム八王子学生発表会要旨集，として，倍電圧整流回路に採用しているショット

査読無，P232（ 2021-12 ）優秀賞受賞

キーバリアダイオードを SiC 化することで更なる （8） 中川湧貴，米盛弘信：“ EDLC を用いた全波整流型 CW 回路の充放電試験 ”， 2021年

システムの高効率化を図る。

（第39回）電気設備学会全国大会講演論文
表1

集，査読無， pp.123-124 ，名古屋工業大学

積算電力及び駆動時間の比較（オンライン開催） (2021-09) 全国大会優秀発表賞（9） 千葉穣，米盛弘信：“交流電池に接続する
倍電圧整流回路の出力特性 ”， 2021年（第39回）電気設備学会全国大会講演論文集，３．代表的な研究成果

査読無， pp.147-148 ，名古屋工業大学（オ〔学会発表〕（計10件）

ンライン開催） (2021-09)（1） 中川湧貴，米盛弘信：“独立型交流電池に （10） 津田浩平，米盛弘信：“独立型交流電池のよる電源システムの提案 ”， 第15回高専パ

周波数変動した際の充放電特性 ”， 2021年

ワエレフォーラム，査読無，まちなかキャ（第39回）電気設備学会全国大会講演論文

ンパス長岡 (2022-03) 優秀発表賞受賞

集，査読無， pp.149-150 ，名古屋工業大学（2） 中川湧貴，米盛弘信：“交流電池に接続す（オンライン開催） (2021-09) 全国大会優る昇圧回路に用いる EDLC の容量変動特

秀発表賞

性”
， 2021年（第 3 回）電気設備学会学生
研究発表会プログラム・予稿集， B-4 ，査 〔メディア報道〕
読無， pp.31-32 ，八王子市学園都市センタ （1） 《日刊工業新聞》充電池交流化で容量10％ー (2021-12) 優秀賞受賞

増（3） 千葉穣，米盛弘信：“交流電池に接続する
倍電圧整流回路の周波数特性 ”， 2021年

AC Biode など，充放電システム開発（ 2021/09/01 ）https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00610371（第 3 回）電気設備学会学生研究発表会プ （2） 《 PR TIMES 》 AC Biode とサレジオ高専，
ログラム・予稿集， B-5 ，査読無，電池を交流で使い昇圧回路と合わせ，従来

pp.33-34 ，八王子市学園都市センターのシステムより約 15% 高い容量を得て，電(2021-12)

動バイクにて 10km 超の試験走行（4） 津田浩平，米盛弘信：“独立型交流電池に（ 2022/03/30 ）おける放電特性の経時変化 ”， 2021年（第https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000006.000

3 回）電気設備学会学生研究発表会プログ

084759.html-182-課題研究費実績報告書
令和 4 年 3 月 31 日現在

研究課題名：Background Oriented Schlieren 法の高感度かつ境界層を含む密度分布計測に向けた実験装置の構築と三次元計測法の検討
研究代表者：廣瀬裕介
小区分：流体工学関連
１．研究計画の概要

衝撃風洞とはタンクに貯蓄した高圧ガスを急激

本研究では，超音速流中にある円錐や球体とい に放出することで超音速流や衝撃波を発生させるった超音速飛行が考えられる模型周りに発生する 装置である．昨年度は配管設計を実施したため，密度変化を境界層も含めた高感度定量計測するこ 今年度は動作確認や性能試験を実施した．まず，とを実現する．そのため， Background Oriented

動作確認では衝撃風洞の動作部であるピストン動

Schlieren 法を改良した新たな計測法である

作の確認を実施した．このピストンが動作するこDouble-Pass Background Oriented Schlierenとにより，高圧ガスを密閉，解放することが可能（ DPBOS ）法を考案した．本研究では考案した である．動作確認により，衝撃風洞のピストンが新たな計測手法に関する実験を遂行するための装 正常に動作していることが確認された．性能試験
置の構築し，その性能試験を実施することを目的 では衝撃風洞の動作により得られる超音速流の計としている．

測を圧力センサにより実施し，その実験結果を理論値と比較した．高圧ガスの圧力を0.6 MPaA，放出部圧力を0.1 MPaAとした場合，超音速流のマッ

２．課題研究の進捗状況及び達成度

上述した装置の具体案として，バリスティック ハ数は 1.42 であった．つまり，約 480 m/s 程度のレンジと衝撃風洞の 2 種類が挙げられ，両者とも 流速が計測されたことを意味する．この条件での理論マッハ数は 1.40 であることから，本計測が正構築を進めている．

まず，バリスティックレンジについて説明する．確であることを示している．
これは電気エネルギにより飛翔体を射出する装置

来年度からはバリスティックレンジから飛翔体のことを表しており，本年度はまず不具合があっ を射出することと， DPBOS 法の計測の前段階でたスイッチング回路の改良を実施した．昨年度ま ある BOS法による超音速流の計測を実施する予定
ではスイッチングのためにサイリスタを使用して である．
いたが，より高い電圧に耐えられる絶縁ゲート型
バイポーラトランジスタ（ IGBT ）を採用したと ３．代表的な研究成果
ころ，不具合が解消され，安定したスイッチング 〔学会発表〕（計 1 件）が可能となった．改良した回路を用いて飛翔体の [1] Masato YAMAGISHI, Yusuke YAHAGI, Masanori
射出実験も実施している．コンデンサの充電電圧

OTA, Yusuke HIROSE, Shinsuke UDAGAWA,

は 100V であり，飛翔体サイズは 10 × 10 × 50mm

Tatsuro INAGE, Shigeya KUBOTA, Koji FUJITA,とした．飛翔体と加速用のレールは両者ともアル

Kiyonobu OHTANI, Hiroki NAGAI, Quantitative

ミニウムを使用した．射出実験の結果，レールとdensity measurement of wake region behind reentry

飛翔体の間で通電していることが確認されたが，capsule (Improvements in accuracy of 3D

飛翔体がレールの途中で止まる結果となった．射reconstruction by evaluating the view-angle of

出の際，アーク放電が発生しており，飛翔体とレ

measurement system), Journal of Fluid Science andールがその放電の影響で溶解・固着したことが原Technology, 2021, Volume 16, Issue 3, Pages

因と考えられる．今後，飛翔体の材質やサイズの

JFST0021( 査読あり ).

変更を実施し，さらに，磁石をレールの上下に設置することでより効率的に飛翔体へ運動エネルギ 〔学会発表〕（計 9 件）が与えられる改良を続ける予定である．

[1] Jin NARAYAMA, Masato YAMAGISHI, Yusuke-183-

HIROSE, Masanori OTA, Visualization of droplets

2021年度衝撃波シンポジウム， P-10 ，発表日

due to coughing when wearing a mask by

2021年 3 月10日（査読無し ）．

Background Oriented Schlieren (BOS), ISFV-19,(September 2021) （査読無し） .
[2] Masato YAMAGISHI, Jin NARAYAMA, Masanori
OTA, Yusuke HIROSE, Shinsuke UDAGAWA,
Tatsuro INAGE, Kazuma YOMO, Koji FUJITA,
Kiyonobu OHTANI, Hiroki NAGAI,
Reconstruction of density around a flying sphere in
the ballistic range, ISFV-19, (September 2021) （査読無し） .
[3] Masato Yamagishi, Jin Narayama, Shoki Sato,
Masanori Ota, Yusuke Hirose, Kazuma Yomo, Koji
Fujita, Kiyonobu Ohtani, Hiroki Nagai, Qualitative
Density Measurement of Wake Region behind
re-entry capsule, ICFD2021, (October 2021)（査読無し） .
[4] 長谷佳紀 , 廣瀬裕介 , 無隔膜駆動部を有する
衝撃風洞の構築と性能試験 , 第１３回大学コンソーシアム八王子学生発表会, C117, 2021年
12月 4 日（査読無し ）．
[5] 高坂菜央，片桐優太郎，楢山仁，山岸雅人，

廣瀬裕介，太田匡則，野村将之，藤田昂志，
永井大樹，飛翔体模型近傍領域の高精度密度計測，令和 3 年度宇宙航行の力学シンポジウ
ム，2021年12月20日，21日（査読無し ）．
[6] 山岸雅人，高坂菜央，片桐優太郎，廣瀬裕介，
太田匡則，カメラアレイを用いた

3D-BOS法による衝撃波計測，2021年度衝撃波シンポジウム， 1A2-3 ，発表日2021年 3 月 9 日（査読無し ）．
[7] 片桐優太郎，高坂菜央，楢山仁，山岸雅人，
廣瀬裕介，太田匡則，野村将之，藤田昂志，
大谷清伸，永井大樹，再突入カプセル形状模型まわりの非定常流れ場に対する定量的密度計測，2021年度衝撃波シンポジウム， 3B3-4 ，発表日2021年 3 月11日（査読無し ）．
[8] 井上悠，石橋歩武，村松武明，片桐優太郎，
山岸雅人，廣瀬裕介，太田匡則，稲毛達朗，
宇田川真介，テレセントリック光学系を用いた BOS 法による流れ場の可視化計測， 2021
年度衝撃波シンポジウム， P-04 ，発表日2021
年 3 月10日（査読無し ）．
[9] 村松武明，石橋歩武，井上悠，太田匡則，山岸雅人，稲毛達朗，廣瀬裕介，宇田川真介，-184-