課題研究費実績報告書
令和３年３月１５日現在

研究課題名：国家建設における技術教育の役割－紛争後国家の東ティモールを事例にして－研究代表者：マルケス．ルイス
小区分：地域研究一般
１．研究計画の概要
The complexity of systemic changes and the
dynamism of the economic, ecological and social
upheavals and challenges, which we are facing inthe 21st century are altering the view of how todesign Technical Education. This research
approaches innovation policy, both national andinternational, for the future of Technical
Education in Timor-Leste and it calls for new
answers.
２．課題研究の進捗状況及び達成度
Online contacts with Technical Educations
Institutions in Timor-Leste, for a survey of theTechnical Education System.
３．代表的な研究成果
Data analysis and Conclusion of Pd.D.
Dissertation.
〔雑誌論文〕（計 1 件）
[1] Yoichi Shimakawa, Luis Marques, サレジオ
高専情報工学科における教育と研究への国際的提携の提案 , サレジオ工業高等専門学校研究紀要〔図書〕（計 1 件）
[1] Marcelo Farfan,Villagómez R. María Sol,
Soffner Renato, Rocchi Alessio and Luis
Marques (edts.) 「 Desafios de la
Educacion Salesiana ： Experienias y
Reflexions desde de las IUS 」 .
IUS-Educacion Grupo. Universidade
Politecnica Salesiana.
ISBN.978-9978-10-409-5. (2020)-111-

課題研究費実績報告書
令和３年 ３月 ３１日現在

研究課題名：曲面型太陽電池における真空低温焼結条件の解明
研究代表者：井組裕貴
小区分：地球資源工学およびエネルギー学関連
１．研究計画の概要

方向の流線のため，焼結に影響を及ぼしていると現在様々な太陽電池の研究・開発が行われてい 考えられる．焼結の真空度を変えても流れ分布にるが，エネルギー有効利用やエネルギーハーベス 大きな変化はみられていないため，真空度におけ
ティングを考慮すると，曲面形状化は重要な要素 るチャンバー内環境の変化は大きくないことが分となる．申請者は色素増感太陽電池（以下 DSC） かった．今後，引き続き解析を進め，最適な焼結やペロブスカイト太陽電池（以下 PSC ）に注目し，環境の構築を行う．
フレキシブル性に優れ，曲面形状可能な太陽電池の開発検討を行い，新たな TiO2 の焼結方法として低真空焼結法を提案した．この方法により導電フ
ィルムの形状作製後に低真空低温で TiO2 を焼結できるため，焼結後の曲げによるストレスや破損を軽減することが可能である．しかしながら，焼結
後に TiO2 の剥離や表面構造の変化が生じ，発電効a率の低下に繋がっていると考えられる．大きな影b
図1

響の一つとして，真空吸引による負圧により TiO2

チャンバー内流れ分布a:-80kPab:-120kPaの膜厚が負圧方向に引っ張られ，膜厚内部に変化が生じている可能性がある．そのため，流体解析 ②曲面形状への塗布専用のディップコータの開発
を通して真空度および真空吸引速度よるチャンバ

従来はペースト塗布時にスキージー法により塗ー内の可視化を行う．また，焼結後に平面形状か 布を行っていたため，曲面的塗布時に膜厚にムラら曲面形状への形状変化を抑えるため，曲面形状 が生じること，膜厚の細かな制御が困難であり，のまま TiO2 ペーストを塗布可能なディップコータ 焼結の条件の解明まで至らなかった．そのため，を開発する．これにより，曲面形状化での焼結に マイコンとステッピングモータを使用し，安価か加えて，更なる薄膜化および多孔質化が可能にな つ曲面形状への塗布専用のディップコータの開発ると期待できる．

を行った．

２．課題研究の進捗状況及び達成度①チャンバー内の焼結環境の可視化
チャンバー内の真空ポンプによる吸引により発生した負圧により， TiO2 ペースト間にギャップが生じ，剥離の要因なっている可能性がある．そのため，チャンバー内の CFD 解析を行った．解析ソ
フトは Ansys 社製の Fluent を用いた．図 1 は解析結果である．流入速度は 5m/s，真空度はそれぞれ-80kPa ， -120kPa で解析を行った．解析の結果，

図2

デップコータと試験片保持機構

チャンバー内に大きな渦が生じ，特に試験片を置 開発したデップコータの外観や機構，諸元を図 2
くチャンバー下部に三次元の大きな渦が発生して と表 1 に示す．試験片固定支持部を任意の距離おいるのが確認できた．下から上方向へ TiO2 の剥離 よび角度で稼働させることにより，曲面形状での

-112-

表1

なった．可能にすることを目的とした．今後，こデップコータ諸元の装置を使用し，最適な焼結条件の解明を進める．

装置サイズ

230[mm]×220[mm]×510[mm]

試験片最大寸法50[mm]×50[mm]３． 代表的な研究成果〔学会発表〕（計１件）

TiO2 塗布を可能にしている．また，膜厚とステッ 1.

鈴木裕貴，井組裕貴： “ 曲面形状焼結 DSC用

ピングモータの回転数の関係を図 3 に示す．回転ディップコータの開発および発電性能 ” ，第数を変化させることにより，膜厚の制御が可能と12回大学コンソーシアム八王子学生発表会要なり，任意の厚さでの塗布が可能となった．

旨集，査読なし（ 2020-12 ）

回転速

図3

回転速度における膜厚変化

度と膜TiO2 焼結試験片の膜厚均一性を測定した結果が
図 4 および表 2 となる．膜厚が最小の時は膜厚の厚の関最大値と最小値の差が 0.3μm であり，膜厚最大時は 2.8μm となった．スキージー法では 5.2μm の膜係厚さがあるため，ディップコーティングを行うことにより，最小でも50％の膜厚安定性が得られる
ことがわかった．

a

b
図4

a:低速時

c

膜厚分布

b:高速時

表2

c:スキージー

膜厚比較

低速時

高速時

スキージー

最小値

0.96

30

13.3

[ ㎛ ]

最大値

1.26

32.8

5.2

[ ㎛ ]

開発したディップコータにより，曲面形状でのTiO2の焼結や膜厚制御およびムラの軽減が可能と-113-

課題研究費実績報告書
令和３年 ３月 ３１日現在

研究課題名：限定空間内における非接触形状計測研究代表者：宇都木 修一
小区分：知覚情報処理関連
１．研究計画の概要
本研究は，限られた空間の上下左右および奥側からステレオ視による計測をおこない，リアルタ
イムで手や道具などの位置と形状を計測すること
により，物体に対する遠隔操作や仮想空間内の物体に対する操作を可能にする入力装置の実現を目指した．
手指の動きの追跡をおこなう装置には大まかに分けて接触方式のものと非接触式方式のものに分けられる．接触方式は主にセンサーのついたグロ

図 1. ステレオ計測システム

ーブを手に着用することで，指の曲げ具合などの状態を取得することができるが，手の位置や傾きを計測するには積分処理が必要となり，十分な精度が得られないという難点がある．
非接触方式の場合，固定された外部のセンサー
から手の状態の計測をおこなうので，接触方式に比べて手の位置や傾きを正確に取得できるが，逆に指の曲げ具合など手指の形状を正確に計測するには，手指の形状モデルを導入して推定するなどの工夫が必要になる．いずれの方式にしても，手指の計測に特化することになる．

図 2. ステレオ計測システム間におけるこれらに対し，本研究では手指だけではなく，カメラキャリブレーション

使用する道具や作業対象も計測可能な入力装置の作成を目指した．本研究で作成する入力装置も非 ョンをおこなった．それぞれのステレオ計測シス
接触方式であるが，カメラを使うことで簡便に全 テムにおいて， 1 枚のサンプル平面を基準点から方向からの計測を実現し，さらに，形状モデルを 300[mm]の位置から600[mm]の位置まで 10[mm]用いた推定に依存しないことで，手指だけではな ずつ光軸方向に移動させながら 31 枚撮影したもく，道具などのあらゆる物体を対象とした入力を のを用いてカメラキャリブレーションをおこなっている．また，ステレオ計測システム内の 2 台の実現することを目指した．

カメラで同時に同じサンプル平面を撮影すること
２．課題研究の進捗状況及び達成度

で，それぞれのカメラの焦点距離や歪み係数など

まず，カメラ 2 台で構成されるステレオ計測シ の内部パラメーターだけではなく，カメラ間の位ステムをアクリル板に 2 つ固定した計測装置を作 置や角度などの外部パラメーターを同時に求めた．
成した（図 1 ）． 2 つのステレオシステムの光軸 カメラキャリブレーションのアルゴリズムには，は互いに垂直に交差している．

消失点を利用する方式を用いている．

この装置で正確な計測をおこなうために， 4 台

次に 2 つのステレオ計測システム間の相対的なのカメラそれぞれに対してカメラキャリブレーシ 位置や角度を計測するために， 4 台のカメラで同-114-

時に同じサンプル平面を撮影してカメラキャリブ
レーションをおこなった． 4 台すべてのカメラから撮影できるように，サンプル平面はステレオ計
測システムの間をそれぞれのステレオ計測システ
ムと 45 °（あるいは -45 °）の角度をなすようにしたうえで，基準点からの距離が，500[mm]の 図 3. それぞれのステレオ計測システムにおける位置から 2000[mm] まで 50[mm] ずつ移動させた

矩形の撮影（図 2 ）． このとき，求めるのはステレオ計測シ
ステム間の相対的な位置と角度のみなので，すでに求めた内部パラメーターを用いて，画像の歪み補正などをおこなったうえで，カメラキャリブレーションをおこなった．
ステレオ計測システム間でのカメラキャリブレーションで求めた外部パラメーターは，実際にはカメラキャリブレーションにおける基準点を原点とするワールド座標系を，それぞれのステレオ計
測システムの座標系に変換するための回転行列と平行移動ベクトルに相当する．したがって，それぞれのステレオ計測システムで計測した 3 次元座

図 4. 計測結果のズレの時間変化

標を逆変換することで，共通するワールド座標系に射影し，統合することができる．

（モーションブラー）と，動画撮影時に記録処理

ステレオ計測システムで正確な計測をおこなう が追い付かなくなることで生じるコマ落ちが挙げことができ，ワールド座標系に対するステレオ計 られる．これらのズレの原因は，ハードウェアの測システムの外部パラメーターも正確に求めるこ 性能を向上させることで抑えることができるが，とができるのであれば，ワールド座標系の同一の 計測にそれほど精密性を求めないのであれば，計点を別々のステレオ計測システムで計測したうえ 測値に対して時間方向の平均を取ることでも抑えで，ワールド座標系に射影すれば，全く同一の座 ることができる．
標に射影される．逆にズレが生じれば，その度合
いが計測システムの計測の正確性を表す．

また，物体が静止している理想状態でも20[mm] 程度のズレが生じているが，これについそこで，構築した計測システムの正確性を確認 ては，キャリブレーションの際のサンプル平面のするために，白い紙に印刷された赤い矩形を 2 つ 撮影方法を変更することによって，改善できる余のステレオ計測システムで同時に撮影し（図 3 ）， 地がある．今回はステレオ計測システムの角度の計測によって求めた，その矩形の頂点の 3 次元座 算出に重点を置いたため，サンプル平面の移動量
標をワールド座標系に射影した際に生じるズレを を多めにとったが，それとは別に，平行移動量の計測した．矩形を印刷した紙を上下左右に 10 秒 算出に重点を置いた近い距離での撮影データもさほど移動させ，動画として撮影をおこなっている．らに加えることで，正確性を向上させられること
また，撮影開始時に LED を点滅させることで， が期待できる．
動画のスタート時点の同期をとっている．

今回の課題研究では，計測のずれが想定よりも各頂点で計測されたズレの平均値の時間変化を 大きく出た為，実際に手指の形状計測にまで到達表したものが図 4 である．矩形が停止していると することができなかったが，上記の問題点を解決
きはズレの大きさも 20[mm] 程度であったが，矩 することで，より正確な計測を実現できる余地が形が移動すると，ズレが大きくなり， 60[mm] 近 ある．
いズレが出ることもあった．
物体が移動している場合にズレが大きくなる原 ３．代表的な研究成果
因として，移動物体を撮影した際に生じるブレ

該当なし．

-115-

課題研究費実績報告書
令和３年３月３０日現在

研究課題名：高専学生による運動中の生体情報計測を通じた研究・教育力向上に関する研究研究代表者：吉田 慧一郎
小区分：高等教育学関連
その際に得られた実験結果の一例を図 3 に示す。

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SpO2 および HR は実験開始後から試験コースの様化に伴い、アクティビティ中における事故が増 起伏のアップダウンに伴う運動量の変化に合わせ加しており、簡便に動脈血酸素飽和度 SpO2 およ て変動していることが分かった。また、 SpO2 がび心拍数 HR などの生体情報を運動下でリアルタ 低下した際に HR が増大し、血中の酸素濃度を一イムに計測する技術が必要とされている。また、 定に保持しようとする動きも見られた。
一方で高等専門学校 ( 高専 ) においても学生側、企業側の双方から医療・福祉分野への関心は高まっており、高専教育で習得した知識・技術の医療・福祉分野への応用が求められている。そこで、本研究では高専学生、特に卒業研究等を開始していない学年が主体となり、生体情報計測機器の開発を目的として実施した。
２．課題研究の進捗状況及び達成度

図1

作製した試作機 ( 耳たぶ式 )本研究では光学センサを用いた学生の生体情報計測技術の向上を目標として、①生理学的パラメータの 1 つである動脈血酸素飽和度 SpO2 および心拍数 HR を運動下でリアルタイム計測を行う為の計測機器である耳たぶセンサ式の計測機器を製作し、計測機器で得られた結果の比較検討の実施。
②携行型分光器を用い、分光情報から食物の劣化度の定量評価を行う指標の模索の実施。以上の 2
種類の研究を行った。
研究を進めるにあたり、専攻科 2 年生・卒研生が本科生の機器製・実験の指導を行い、本科 3 年

図２

運動実験の様子

図３

運動実験結果生ならびに 4 年生が中心となり研究を実施した。
下記に行った実験を示す。
①

耳たぶ式計測機器を用いた歩行実験
耳たぶ式の計測装置は 3D プリンタで作製したセンサ取り付け用治具を用いて耳たぶにセンサを装着し、計測を行う。取り付け用治具はクリップ式になっており、耳たぶを挟み込む形で固定する( 図 1) 。実験は、サレジオ高専近辺の尾根緑道にて計測を行った。約 5 [km] のコース ( 片道
2.5[km] 往復 ) を約 55[min] で歩行した ( 図 2) 。

-116-

②

携行型分光器を用いた食物劣化度の定量評価

法の検討

これら①②の研究は学生が主となり実施した。
これら研究成果をまとめ、 4 件の学外の学生発表

携行型分光器を用いた研究では、一般家庭や小 を行った。それにより、本研究題目である生体情
規模な飲食店でも使用可能な携行型分光器を用い 報計測を通じた研究・教育力の向上が達成されたた食物の劣化度の非侵襲的検査方法の提案を行う と考える。
ことで、 SDGs 達成への手助けとなるようなシステムの検討を目標として、日常生活内における

３．代表的な研究成果

様々な食物の日ごとの劣化情報の可視化を行った。 〔学会発表〕（計 5 件）
携行型分光器は 3D プリンタで製作したケース (1) 吉田慧一郎，菅野峻矢，「汎用一眼カメラを内に固定し、光源を白色 LED(OSPW5111A-Z3) と用いた運動時における血行動態変化の可視化

して反射光強度を分光器で取得した ( 図 4) 。実験に関する検討 」， 日本福祉工学会第 24 回学は携行型分光器を机上に固定し、各対象を分光器術講演会，講演論文集，査読無， pp39-40(2) 住吉佑基，吉田慧一郎，「新しい生活様式下

採光部に接触させ分光反射率を計測した。

における生理学的パラメータのリアルタイム
計測に関する検討 」， 日本福祉工学会第 24回学術講演会，講演会講演論文集，査読無，pp41-42(3) 菅野峻矢，吉田慧一郎，「汎用一眼カメラを用いた熱中症予防技術開発に関する検討 」，
第 21 回計測自動制御学会システムインテグ
図４

携行型分光器

レーション部門講演会，予稿集，査読無，pp1520-1521(4) 伊藤倫太郎，住吉佑基，吉田慧一郎，「運動結果を図 5 に示す。共に、波長 500 [nm] から
700 [nm] の可視光領域での分光反射率の結果であ時における体調不良早期発見システムに関する。 1 日目において、分光反射率では高波長側にる研究 」， 第 21 回計測自動制御学会システ

なるにつれて反射率が高くなる傾向がみられた。

ムインテグレーション部門講演会，予稿集，加えて、波長 560 [nm] において特徴的なピークが査読無， pp1527-1528

みられた。このピークは豚肉ロースの組織中に残 (5) 米山竜平，住吉佑基，伊藤倫太郎，吉田慧一っていた酸素化ヘモグロビンの光吸収を反映した

郎，「携行型分光器を用いた日常生活内におものであると考えられ、組織内に酸素が多く含まける食物の劣化度の検討 」， 第 12 回大学コ

れ、新鮮な状態であると判断できる。対して、11ンソーシアム八王子学生発表会，プログラム

日目では波長 560 [nm] 付近でのピークは抑えられ、集，査読無， p60

脱酸素化ヘモグロビンの光吸収を反映したものとなっている。そのため、11日目の豚肉ロースは劣化がかなり進んだ状況となっていると考えられる。

図５

食物劣化の推移 ( 豚肉ロース )-117-

課題研究費実績報告書
令和３年３月２２日現在

研究課題名：高専生の快適感が向上する学習環境の検討－温熱環境と温冷感と知的生産性の視点から－研究代表者：吉田 将司
小区分：家政学及び生活科学関連
１．研究計画の概要

握する．

本研究の目的は，学校内の温熱環境を把握し， ③
学生の衣服内気候・運動強度 METs の測定と学習

衣服内気候による体調変化検出
最後に屋内外の静穏時及び運動時における学生

効率・知的生産性の関係性を調査する．その結果 の衣服内気候を観測・可視化する．衣服内温湿度と学生の温冷感・快適感に対する主観評価と比較 や鉛直方向の加速度，心拍数から，各条件下におし，高専在学学生に対する「快適な学習環境」に ける学生の体調変化を検出するための傾向を明らついて知ることである．学習温熱環境をモニタリ かにする．図 2 は取得情報を遠隔地で表示するシングし IoT 技術を活用して集約できれば，学校内 ステムの例を示す．別の場所から情報を取得できの温熱環境の変動特性が実時間で「見える化」さ れば，体育や校外活動，部活動などで学生・教員
れ，適切な空調制御方法の検討が可能となる．本 の主観だけでない客観的・定量的なデータが得ら
研究ではこれらの手法を採用してモニタリングさ れ，安全管理の一助となる．
れている温熱環境下の学生の温冷感や快適感など

ただし，今年度は学内での研究活動に大きな制の主観評価を行い，机配置や建物の方角，年齢や 約が生じたため，①と②については観測と解析方性差などの点から多角的に分析する．また学習効 法の構築を中心に実施し，③については実施しな率や知的生産性の評価から，温熱環境との関係に かった．
ついて検討する．最後に屋外・屋内の運動時・静穏時における，学生の体調変化を検出する方法について検討する．今年度に実施を計画している研究内容を以下に説明する．
①

学内観測ネットワークの構築
まず学内温熱環境観測ネットワークを構築・拡張し，教室等の温熱環境（気温・湿度・ CO2 濃度）をモニタリングする．結果は市販の観測機器（ WBGT 計）と検証する．図 1 はモニタリングシ
ステムの可視化例を示す．図のように不快指数等
を箱庭等で可視化することにより，学生に視覚的

図1

可視化システムの例

図2

遠隔表示システムの例に注意喚起する．また気象条件による建物への影
響を確認するために，温熱環境を twitter などでWEB 配信するシステムを構築する．
②

温冷感及び快適感アンケートと観測結果の解析
次に、昨年度実施した学生に対する服装や温冷感，快適感のアンケートと学内温熱環境観測結果の解析を実施する．多変量解析手法を用いた統計的処理から，アンケート結果の年齢・教室の場
所・性差などの違いから快適性に関する傾向を把-118-

２．課題研究の進捗状況及び達成度①

学内観測ネットワークの構築
今年度は数か所昨年度と観測場所を変更して室内の温熱環境観測を実施した．表 1 は観測場所一覧を示す．変更した理由は，校舎の方角と階層及び部屋の使用目的別に解析するためである．なお，
今年度は室温と湿度の観測データを蓄積することにとどめ， CO2 の観測と WBGT 計との比較は実施しなかった．

図3

データ収集及び表示システムの概要

次に温熱環境の可視化のための WEB 配信シス
テムを構築した．このシステムについては，本研究室で実施している他の観測用センサネットワー
クとの共有化を検討した．図 3 は各観測ネットワ
ークのデータ収集とその表示用システムの概要を示す． LoRa モジュールにて送信された観測デー
タは，基地局で受信されインターネットを通じて
外部サーバにて蓄積される．その結果は表示用
php ファイルが生成されて， WEB 上にて確認す

図4

基地局の構成図ることができる．図 4 は新たに構築したデータ収
集用の基地局の構成を示す．基地局はこれまでノート PC を利用していたが，小型で移動や複数化
及びインターネット接続が容易なRaspberry Piに変更した．図 5 は WEB 上の表示画面の例を示す．
このシステムにより，ノードから取得した情報をリアルタイムに定期更新し，表示できるようになった．ただし今年度は研究時間の都合上，現在の学内観測ネットワークの実装はできず，昨年度屋外に設置した微気象観測ノードのみこの表示システムを実装した．
箱庭に関しては，観測場所変更に伴う LED 点灯
位置の変更及び若干の改良を実施した．
表1

観測場所一覧

ノードNo. 変更前 変更後
1
303
306
2
320
320
3
グランド
303
4
図書館 図書館
5
401
401
第一アリーナ 第一アリーナ
6
7
306
206
8
310
241
9
422
422
10
228
228
AAC1
屋上
屋上

図5
②

WEB の表示画面の例

温冷感及び快適感アンケートと観測結果の解
析
昨年度の研究では，温冷感評価のアンケート調

査の結果から室内温熱環境の改善を図ることで学
生の学習効率が上昇することが分かった．今年度
はさらにアンケート項目を人間生活環境系に則した形式に変更して clo 値及び快適度調査を実施す-119-る予定であった．しかし遠隔授業を中心とした年
間授業であったため，実施しなかった．
そこで，今年度は昨年度に学内温熱環境観測シ
ステムで取得したデータの再解析を実施した．学
内温熱環境観測システムは本校の北東，南西の建物における 1 階から 4 階までの教室および校庭，
図書室に温湿度センサを取り付けたノードを設置
して校内の温熱環境を観測している．このシステ
ムで測定した各教室の温湿度データを用いて教室の温湿度が変化の傾向を統計的に解析する．昨年

図6

温湿度の変化 (303,310)

度も解析を実施していたが，データ量が多かった
ため，曜日，時間を限定して平均値を算出し，定性的な傾向を確認したのみであった．今年度はソフトウェアの Python を導入し，データベースと効率的な解析手法の構築を行うこととした．
まず回収したデータを統合し，データをノードごとに分けて 1 時間平均を計算するプログラムをPython で作成した．その後，室内に人がいる確率が高い時刻である， 13:00~14:00 のデータのみを取り出し月平均を求めた．今回は 3 階の南西側教室

図7

温湿度の変化 (321,310)(321) ，北東側教室 (310) 及び研究室 (303) について室温と湿度の月平均値の移動を比較した．

３．代表的な研究成果

図 6 は本校の 303 （研究室 ）， 310 （教室）に 〔学会発表〕（計 2 件）
おける月平均の温湿度分布を示す．実線が 303 ， [1] 柴田健吾，吉田将司，“ LoRa と外部サーバ
破線が 310 である．この図から研究室と教室の温を利用した遠隔地センサネットワークの監視

湿度平均値の移動は異なっていることが分かった．

システムに関する研究 ”， 第12回大学コンソ

また冬季において 310 教室は室温が低く，研究室ーシアム八王子学生発表会要旨集， D122 ，(303) と比較すると11月と12月は約 3℃ の違いがDec ，2020．

見られた．一方，湿度は若干高めの傾向があった．[2] 大庭康平，吉田将司，“学内温熱環境観測シ
図 7 は南西側の 321 教室と北東側の 310 教室を比ステムを利用した校舎の温熱環境の調査 ”，

較した温湿度分布を示す．図の点線が 321 ，破線

第44回人間－生活環境系シンポジウム報告集，が 310 である．この図から教室の温湿度平均値はpp.65-66 ， Dec ，2020．

同じような移動を示すことが分かった．しかし南西側と比較して北東側は夏季の平均室温が約 1℃高く，冬季は約 2℃ 低いことが確認できた．この結果から昼間における方角，教室，研究室による温湿度の季節変動特性の違いが確認できた．
今後は 1 日を通じた温湿度平均値分布及び，今年度実施できなかった clo 値及び快適度アンケー
トを実施する予定である．
③

衣服内気候による体調変化検出
前述の通り，今年度は研究時間の都合上実施できなかった．

-120-

課題研究費実績報告書
令和３年 3 月 15 日現在

研究課題名：アジア太平洋地域における残虐行為の予防ガバナンスに関する研究研究代表者：宮下大夢
小区分：国際関係論関連
本研究の最終成果は 2021 年度に開催するシン

１．研究計画の概要
本研究の目的は、アジア太平洋地域におけるポジウム（新型コロナウイルスの影響を受け、「残虐行為の予防ガバナンス」の構築について、2019 年度から開催が延期されている）にて発表

国家、政府間国際機構、非国家主体の相互作用に した上で、書籍として出版する予定である。
着目して考察することである。
2016年にアジア太平洋地域の主要な研究機関と ３．代表的な研究成果
非政府組織（ NGO ）が「残虐行為の予防のため 〔図書〕（計 2 件）のアジア太平洋パートナーシップ」（Asia Pacific1.

宮下大夢，難民問題をめぐる ASEAN の地域

Partnership for Atrocity Prevention: APPAP ）という国

ガバナンス―ロヒンギャ難民危機への対応を境を越えた市民社会のネットワークを設立した。

事例に，山田満・本多美樹編著，アジアにおAPPAPの設立目的は当該地域における「保護するける「非伝統的安全保障」協力に基づく平和責任」（ Responsibility to Protect ）規範の推進と残構築―イシューとアクターからみる安全保障

虐行為の予防である。2021年 3 月現在、APPAPはの位相，明石書店，2021年 6 月刊行予定

29の研究機関・ NGO で構成されている。

2.

Yasunobu Sato, Hiromu Miyashita et al., (eds., as

アジア太平洋地域にはミャンマー軍による残虐

chairs), Refugees, Migrants and Issues Related to

行為によって74万人以上の難民が発生したロヒン

Education, Employment: Seeking to Ensure Human

ギャ問題が存在しており、残虐行為の予防に取りSecurity, Journal of Human Security Studies, 10(1),組むAPPAPに関心が寄せられている。そこで、本Special Issue 2021, Forthcoming May 2021

研究では国際関係理論の一つである社会構成主義の分析概念を用いて、 APPAPが当該地域における 〔その他〕（計 2 件）
「残虐行為の予防ガバナンス」の構築においてど 1.

宮下大夢，人間の安全保障の理論と実践―のような役割を果たしているかを明らかにする。

「誰も取り残されない」社会の実現に向けて，
SYNODOS Academic Journalism，2020年12月（ https://synodos.jp/international/23969 ）２．課題研究の進捗状況及び達成度
本研究は 3 つのフェーズに分けて実施する。第 2.

宮下大夢（翻訳 ）， 第10章

未来への回帰，

1 フェーズに該当する 2020 年度は、最新の研究

アレクサンダー・ベッツ，ポール・コリアー

動向を整理しながら「残虐行為の予防ガバナン（滝澤三郎，岡部みどり，佐藤安信，杉木明

ス」の概念整理と本研究で用いる分析枠組みの構子，山田満監訳 ）， 保護―崩壊する難民制度

築と精緻化を行った。

を立て直す，明石書店，2021年 8 月刊行予定

そして、 APPAP がどのような戦略を用いて「保護する責任」の推進と残虐行為の予防に取り組んできたかを調査するために、 APPAP の年次総会やワークショップに参加した。具体的には、2020 年 9 月 22 日に開催された年次総会と 2 月
22 日に開催されたワークショップである。どちらも新型コロナウイルスの影響で Zoom を用いたオンラインでの開催となった。

-121-

課題研究費実績報告書
令和３年３月２９日現在

研究課題名：減衰量を指定可能な阻止域可変 FIR フィルタの多項式係数の削減に関する研究研究代表者：宮田統馬
小区分：計測工学関連
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、阻止域の一部に高い減衰量を有し、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。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、高い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。近年、高い減衰量の値を直接的に指定可能な阻止域の特性が可変な直線位相 FIR(Finite

図1

Impulse Response) フィルタの設計法の開発を行った。そこで、本研究では実時間処理を考慮して多項式係数すなわち乗算器の削減を考慮した設計法
及び実装法について研究を行う。

所望特性
N

H ( , ,  , )  h(0, ,  , )  2 h(i, ,  , ) cos i

(2)

i 1

L

L

L

h(i, ,  , )     g (i, ,  , ) l   
l

l

(3)

l  0 l  0 l  0

２．課題研究の進捗状況及び達成度

本研究で扱うフィルタの所望特性を図 1 に示す。と表せる。ただし 2N はフィルタ次数、また図に示すような阻止域の一部に高い減衰量を持たL , L , L は多項式次数、 g は多項式係数であり本せることで、阻止域全体を高減衰量としたフィル 可変フィルタの設計は、この係数すなわち係数乗
タよりもフィルタ次数が削減できるため、フィル 算器の値を求める問題に帰着される。また、式(3) の可変パラメータ  ,  ,  は、各パラメータに、高減衰量部分に存在するノイズなどの変化に の値が振幅特性に反映されるように、元の値から対応するために、可変パラメータ  ,  , により、 -1 から 1 の範囲で正規化して与える。さらに、本
タリング時間を低減することが可能となる。さら高減衰量の位置と大きさ ( 本研究では dB で与え 可変フィルタの設計問題は等リプル特性を得るたる ) 、さらに阻止域端周波数可変とする。ここで、めに、ミニマックス近似とする。これまでの設計法では、誤差関数に重み関数を付与することで、この可変フィルタの理想特性は、

1 0     P
0     D ( , ,  , )  
0       
0       

高い減衰量を実現していた。しかしながら、その(1)

方法では狙った減衰量を得られない場合がある。
そこで、本研究では以下のような設計問題とする。

min  ( , )となる。ただし、  は高い減衰量部分の帯域幅で sub.to e( , , , ') 2   ( , )あるが、本研究では可変させない。
0     ,     ,

(4)p

タイプ Ⅰ の直線位相可変 FIR フィルタの振幅特     性は、e( ,, , ')2   '      
ただし、 ,  , -122-

は -1 から 1 の値に正規化した可変パラメータであり、 e は誤差関数、

p 1
p 1

 K   y j if K   y j  L p
j 1
j 1

Yp  
p 1
 L if K  y  L

p
j
p

j 1


(5)
e( , ,  , ')  D( , ,  , )  H ( , ,  , ')であり、  は最大許容誤差である。このとき、 2つめの制約条件が高減衰量の値を直接指定するものである。ただし、可変パラメータ [dB] は、(14)

式 (4) の設計問題において許容誤差として扱うた として与え直す。ただし、 P は可変パラメータのめに可変できる範囲を  min から  max として、数であり、 Yp  0 の場合は Yp  0 とし、 p  1  0
 '  [ 'min , 'max ]のとき Σ の項は零値とする。また、 L1  L 、
 min

(6)

 'min  10 20

L2  L 、 L3  L である。このとき K

 max

は、

P

K   Lp

 'max  10 20

(15)

p 1

と定義している。最終的に式 (4) の設計問題を半であり、多項式次数の総和よりも K

正定値設計問題として以下のように定義する。
min dx T
(7)

の値を小さ

くすることによって多項式係数すなわち、実装のsub.to U (x)  0

際に必要な乗算器の数を削減することが可能とな

ただし、d  [11 0 0] (8)x  [ (1 , 1 )  (M  , M ) g]
U( x)  diag[ ( , ,  , ' )る。また、フィルタの構造について着目すると高



1

1

1

次の多項式係数が削減されるのみで、削減前のも(9)のと比較して大きな変化はない。故に、可変パラメータのべき乗の計算が削減可能な Farrow 構造を1

  (M ,M  , M  , 'M )用いることができるため、さらなるリアルタイム(10)

処理が望めると考えられる。

 ' (1 ,1 , 1 , '1 )

実際に上記の手法用いてフィルタの設計を行っ ' (M ,M  , M  , 'M )]た。設計した可変フィルタの仕様は、フィルタ次  ( ,, , ')  ( , )e( ,, , ') 0 (11)e( ,,  , ')1

 ' ( ,, , ') 'e( ,, , ')0e( ,, , ')1

であり、数を 2 N  50

、多項式次数 L  L  L  3 、通過端域正規化角周波数 P  0.1、阻止域端正規化角周

波   0.19 ~ 0.21 と設定した。また、高減衰量部分(12)

M は周波数の評価点数、 M  , M  , M は可変パラメータの評価点数である。

を   0.2 、可変パラメータを変化させる範囲を  0.39 ~ 0.41 、   90 ~ 70 とそれぞれ設定し、多項式次係数削減のパラメータを K=6 と設定した。

図 2 ～ 4 に得られたフィルタの振幅特性を示す。
次に、多項式係数の削減について述べる。可変 これらの図より多項式係数の削減を行っても、可フィルタにおいて、各フィルタ係数は式 (3) に示 変パラメータの値に対応して振幅特性が変化し、すとおり、可変パラメータをべき乗したものと多 かつ等リプル特性が維持されていることが確認で項式係数 g を乗算したもの和となっている。加え きる。次に、多項式係数を削減行った場合と行って、本研究では各可変パラメータを -1 から 1 で正 ていないものとで減衰量の比較を行う。設計例に規化して与えている。故に、 l , l , l が高次とな おいて多項式係数の総数は、削減を行ったものはll
ると  l     の値は小さくなる。従って、可変パ 2754であり、行っていないものは3264であり約ラメータが多数かつ高次で構成される項がフィル 15.6% の削減を行っている。まず、多項式係数のタ係数全体に与える影響は小さいと考えられる。 削減を行い設計した可変フィルタの減衰量を示す。
このことを利用して、式 (2) のフィルタ係数を、 可変パラメータの値を図 3 の振幅特性と同様なも
Y1

Y2

Y3

h(i, ,  , )     g (i, y1 , y2 , y3 ) y1  y2 ' y3
y1  0 y2  0 y3  0(13)のに設定した場合の減衰量は、高減衰量とした帯域は -80.02dB であり、そうでない帯域は -47.06dBであった。次に、多項式係数の削減を行っていな
い場合は、高減衰量とした帯域は -80.46dB であり、そうでない帯域は -46.91dB となった。故に、多項-123-

式係数の削減を行っても遜色のない減衰量が得ら ３．代表的な研究成果れており、効率的に多項式係数の削減が行われて 〔学会発表〕（計１件）
いることが確認できる。

[1] 宮田統馬 , 相川直幸，多項式次数の削減を考慮した減衰量を指定可能な阻止域可変直線位
相 FIR フィルタの一設計法，電学制御研資，

Magnitude [dB]

査読無， CT-21-041 ， pp.31-36

振幅特性  0.19,  =0.39,  =-70

振幅特性

  0.20,  =0.40,  =-80

Magnitude [dB]

図2

Magnitude [dB]

図3

図4

振幅特性

  0.21、 =0.41、 =-90-124-

課題研究費実績報告書
令和３年３月３１日現在

研究課題名：学生の統率力向上を目指した体育授業の検討～主体的なスポーツ活動実践のために～研究代表者：高野 修
小区分：身体教育学
科ごとの平均値を算出し、対応のある t 検定を実

１．研究計画の概要

本研究は、本校学生を対象に主に高等専門学校 施した。なお、全ての分析で有意水準を 5 ％未満
生（以下高専生とする）が卒業後の社会生活にお に設定した。
いて自ら主体的に運動・スポーツ活動を実践でき

その結果、学年全体の体育自己効力感尺度の合る能力の獲得を目指した体育授業の検討を行うも 計得点には有意な差がみられ、Post得点が Pre 得のである。特に運動に関心が薄い高専生が、生涯 点よりも有意に増加した ( 図 1) 。
を通じて自発的に身体を動かす機会を持つことは自身の健康を保持増進させる観点からも重要であり、また勤務先のレクリエーション活動をはじめ他者との関わり合いの中で運動・スポーツ活動を実践するためには相応のコミュニケーション能力も求められる。
かねてから高専生のコミュニケーションやリー
ダーシップに関する能力についてはその向上が求められると様々なデータを基に述べられており、学生自身もこれらについて苦手意識を持つ者が多い。身体的な部分はもとより、運動・スポーツ活動を通じて良好な人間関係を構築できるメンタル
スキルを獲得するために、本研究では体育授業を通じて学生の統率力（リーダーシップ）の向上を図る取り組みの検討を行うことを目的としている。
図 1 ． 5 年生全体の Pre-Post 比較
２．課題研究の進捗状況及び達成度
本校本科 5 年生を対象に調査を行った。対象者

また、学科ごとの体育自己効力感尺度の合計得の授業効果（学生個人の体育自己効力感の変化） 点には全学科に有意な差がみられ、学年全体の結について、既存の体育自己効力感尺度（ 10 項果と同様にPost得点が有意に増加した ( 図 2) 。

目 ) を用いた質問紙を通して年度はじめ (Pre) とこれらの結果から、学生自身が計画・運営を行学年末 (Post) にそれぞれ回答させたものを集計し う方式の授業は、学生個人の体育自己効力感尺度て分析を行った。分析項目は、学年全体及び学科 に正の効果を与えていた。つまり、学生の自信をごとの Pre-Post 間の得点比較となっている。この 向上させ、より前向きに取り組むことができ、ソ
2 つの時期を分析することにより、学生の授業前 ーシャル・スキルを高めることに寄与する可能性
後の変化が明確となるになると仮定した。また， があると考えられる。
体育自己効力感尺度各 10 項目の合計得点にて評

教員側からみた授業の様子は、どのクラスにお価することで自己効力感の全体的な傾向が明確に いても学生が協力的に取り組んでいたことから、なると仮定した。

授業を運営する際、協調性の重要さについて認識

統計処理には SPSS Statistics Ver.27を用いた。 できる機会になったと感じている。年度最初の授
Pre-Post 間の合計得点の比較は、学年全体及び学-125-

図 2 ．各学科の Pre-Post 比較
業でこの点については教員側からレクチャーしていることも要因となってはいるが、学生側も意欲的に行動に結び付けてくれたことが大きい。
また、授業後に学生に自由記述での省察を行ってもらったところ、日頃から課外活動等に積極的に取り組んでいる学生ほどポジティブな記述が多い印象を受けた。一方で、ネガティブな記載をする学生も原因を明示して改善策を提案するなど前向きな姿勢を見せてくれたことは授業効果として大きいものがあると評価できる。
このことから、学生自身が運営するスタイルの体育授業を実践することにより、自己効力感を高めソーシャル・スキルや社会人基礎力の向上に結び付く可能性があるという結論が得られた。
以上の通り、計画していた調査はコロナ禍により予定していたサンプル数は得られなかったものの、当初の仮説を検証するに十分な結果を得ることができたと判断している。
３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計 1 件）
[1] 大野達哉・高野修・鎌田俊司： ” ソーシャ
ル・スキル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：生涯スポーツを意識した授業づくり ” ，第 9 回
地区高等専門学校

関東信越

体育・スポーツ研究会

研究報告 2 ， (2021)-126-課題研究費実績報告書
令和３年 月 日現在

研究課題名：ルチル型酸化チタンにおける真性欠陥の安定性評価
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

はレナードジョーンズ型を採用し、分子動力学シ

酸化チタンは多様な用途に使われている代表的 ミュレーションソフトであるLAMMPS(Large-scale
な機能性材料であり、顔料や光触媒の他にもクロ atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)
ム添加により赤外発光を示すことが報告されてい を用いて最小化計算、スタートアップ計算およびる。申請者は赤外発光を示す酸化チタンをセキュ MD計算を行った。図 1 に各原子間に働く VdW 、クリティインクとして実用化するための過程で、こ ーロン力およびその合成ポテンシャル曲線を示す。
の発光がクロム添加によるものではなく、ルチル

Ti-Cr 間では、陽イオン同士のクーロン斥力が支型酸化チタンの真性欠陥に起因する可能性を見出 配的となることが示された。また、O-Cr間では、した。一方で酸化チタンという良く知られた材料

VdW とクーロン力の合成によりポテンシャルが極のバンド構造や真性欠陥と光触媒などの機能性の 小点 ( 結合距離に相当 ) を持つことが示された。
発現については現在も活発に議論されており、今後も系統的な学術的研究の推進が望まれている。

1000

Potential Energy / kcal/mol

チタンにおける欠陥のエネルギー準位を実験的に明らかにするとともに、理論計算による局所的欠陥構造の電子状態および安定性の解析・評価を行

Potential Energy / kcal/mol

Coulomb

本申請では、極低温 PL 測定によりルチル型酸化

500

VdW
0

Total
-500

500

Total
VdW

Coulomb

い発光種を推定することを目的とする。効率的な

-1000
0

欠陥の導入方法に関する指針を得ることで、発光

5

10

0
0

r/Å

強度の増大など、セキュリティインクの実用化に(a) 斥 力(Ti-Cr)

資する試料の合成が可能となる。

図1

２．課題研究の進捗状況及び達成度

1000

5

10

r/Å

(b) 引 力 (O-Cr)

各原子間のポテンシャルエネルギー(2) 添加物を考慮したMD計算

本年度はコロナウイルス感染症の影響により実結晶モデル構築アプリである Atomskを用いて作験時間が大幅に減縮されたため、理論計算による 成した酸化チタンにクロムを0.1%添加したモデル
欠陥の安定性および格子定数の変化に関する評価 を図 2 に示す。これは単位胞を各軸方向に 8 倍しを中心に研究を推進した。特に、クロムの添加に た 8 × 8 × 8 モデルである。各原子の電荷は、酸より真性欠陥である酸素空孔が生成される可能性 素とチタンについては形式電荷を、クロムについを検討するために、基本的な結晶構造およびクロ ては実験的に得られた有効電荷 (+1.647) を設定し
ムを添加した場合の結晶構造の変化について調査 た。粒子数、体積、温度一定の条件（ NVT アンサ
した。

ンブル）と粒子数、圧力、温度一定の条件（ NPT
アンサンブル）の両方について計算を行った。シ(1) 初期構造とポテンシャルファイルの準備

ミュレーション温度は1000℃とした。本報告では、結晶構造の可視化ソフトである VESTA を用いて より実際の実験条件に近い NPT アンサンブルの結初期結晶構造を構築した。これまでの実験により、果を示す。（図 3(a)(b) ）クロムを添加した酸化チタンの母体結晶はルチル型であることがわかっている。酸化チタンにおける各原子のファンデルワールス (VdW) エネルギー-127-Cr(0.1%)

シミュレーションステップ数の増加に応じて、トータルエネルギーは -2757 ～ -2754 kcal/mol の間で変化し、密度は約 2.8 g/cm3 を中心に振動する様子が観測された。
次にクロムの添加量に対する格子定数の変化を調査した。図 2 の a 軸方向に注目した結果を図 4
に示す。

図2

Simulation cell / Å

41.7

クロムを 0.1 ％添加したモデル

41.5

+3

[×10 ]

Total Energy / kcal/mol

-2754

41.3
0

1

2

Substitution ratio / ％
-2755

図4

クロム添加量と a 軸長の関係

初期構造におけるシミュレーションセルの a 軸-2756

長は 37.18 Åであった。クロム添加量を増加させると1.2%の時に a 軸長が大幅に増加し、 41.32 Å-2757となったが、その前後の添加率では大きな変化は

0

50000

100000

Number of steps

見られなかった。 a 軸長はクロム添加量の増加に
より単調増加すると予想していたが、予想に反し(a) トータルエネルギー

た結果が得られた。この急激な変化の要因については、ポテンシャルに起因するものとシミュレー
ション条件の双方が考えられるが、現在のところ

2.82

明らかにはなっていない。今後の継続的な検討が必要である。
Density / g/cm

3

2.81

３．代表的な研究成果〔その他〕（計 1 件）

2.8

[1] Yuichiro Kuroki, A Study on the Infrared
Emissive Rutile-type Titanium Oxide, インド
ALAGAPPA 大学物理学科における Webiner

2.79

会議（ZOOM）, June 10, 2020, Time: 11:30
0

50000

a.m. – 12:30 p.m. IST

100000

Number of steps(b) 密度図3

MDシミュレーションの結果-128-

課題研究費実績報告書
令和３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界面接着性に及ぼす
大気圧プラズマ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
れた．常温の金型に(Rg. (1 に示す様に()P R シー

１．研究計画の概要

近年，地球温暖化の改善のために温室効果ガス ト，平織基材，( ) ) フィルムを配置した．この金排出量の軽減が求められている．温室効果ガスの 型をホットプレスにセットして成形温度まで加熱
排出量削減手法の一つとして輸送機器の軽量化に し，金型が成形温度に達したら成形圧力を負荷しよる燃費向上が挙げられる．そこで，比強度や比 た．成形圧力を負荷した後，( 0(ºF 以下になるま剛性が高い，炭素繊維強化プラスチックス(CF RP)

で成形圧力を維持し，冷却した．積層構成は(00f]

が輸送機器の構造材として注目されている．特に とし，繊維質量含有率約(50(a sss ，( 110(a a ×
母材に熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化熱可塑 ( 110(a a の寸法で成形した．また，成形温度は性プラスチックス(CF RPP) は(F RP ) よりも成形性 (000(ºF ，成形圧力は(0 5(P ) s として成形を行った．
やコストの点で優位性がある．
一方で(F RPP) は母材の炭素繊維への含浸性や炭素
繊維と母材樹脂の接着性が低く，炭素繊維の力学的特性を十分に発現できていない．そこで，本研
究では炭素繊維と母材間のぬれ性や接着性を向上させる手法として大気圧プラズマ処理と結晶化収縮に着目した．そして，本研究課題の核心をなす学術的な「問い」として( プラズマ処理と樹脂収縮に両立による(F RPP) の力学的特性向上効果は両立をするのか( を設定した．この問いに答えるた
めの基礎調査として，今年度は①炭素繊維への熱 Rg. (1(Lsyout(of() PR ( seets,(csrbon(fgber(cross(textgles(
可塑性樹脂の含浸率と界面強度に及ぼす大気圧プ (sn ()) (fgla s(gn(fgla -stsckgn. (a etho
ラズマ処理の影響，②(F RPP) の力学的特性に及ぼす母材結晶化度による樹脂収縮の影響解明につい ２－１－２．大気圧プラズマ処理(F RPP) における含浸率と繊維・母材界面強度にて調査を行った．

及ぼす大気圧プラズマ処理の影響を調査するため
２．課題研究の進捗状況及び達成度に，成形前の平織基材に対して大気圧プラズマ処

２－１．成形方法理を行った．大気圧プラズマ処理は雲母板に固定

２－１－１．(FR/) ) 複合材料の成形した平織基材にプラズマ照射装置(CTP110,( サーフ

本研究ではフィラメント数(3000本の炭素繊維束 クリーン製( を用いてプラズマを照射して行った．
( Cトレカ糸(P300-3000 ，東レ製( を用いた平織基 プラズマ照射部の酸素量を制御するためにアルゴ
材とポリプロピレン(C)) (Cノバテック( )) (CF， ンと酸素の混合気を吹き付けた．大気圧プラズマ

日本ポリプロ製( を母材樹脂として用いた(F R/) )板を成形した．使用した( ) ) の融点は約(1

処理条件はアルゴンと酸素の流量をそれぞれ( 5((ºF で (L/a gn と(500(a L/a gn とし，転送台の送り速度をあった．このペレットは成形前に乾燥炉(CFR -50 ，(0 (a /a gn一定とした．そして，プラズマ照射時間
太洋製( を用いて大気圧，( 00(ºF で約(0 時間以上 を(10(s ，(00(s ，( 0s に変化させるために，転送台をそれぞれ(5 回，(10回，(00回往復させた．

絶乾された．
(F R/) ) 板はフィルムスタッキング法により成形さ-129-

２－１－３．アニーリング(F RPP) の力学的特性に及ぼす母材結晶化度の影

𝜒𝑐 =Δ𝐻𝑐 +Δ𝐻𝑚

1

238

1−𝑤𝑓

( C1

響を調査するために，成形した(F R/) ) 板に対してアニーリングを行った．アニーリングは成形した ここで値(03 (/ /. は無限大の結晶厚さを有する( ) )(F R/) ) 板を熱処理温度(130(ºF に加熱し，熱処理時 の理論的な融解エンタルピー (1 ，w f は平織基材の間(3 5(h，(0(h ，(1 (h 静置することで行った．

重量含有率( C約(50(a sss

２－２．実験方法

２－３．実験結果及び考察

２－２－１．三点曲げ試験

２－３－１．炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸率(F R/) Lである．

板の力学的特性を調査するために三点 と界面強度に及ぼす大気圧プラズマ処理の影響

曲げ試験を行った．試験片は(00(a a ×(10(a a 切り

大気圧プラズマ処理を施した炭素繊維を用いて出され，両端支持間距離( 55(a a の治具にセット 成形した(FR/) ) 板の曲げ試験における応力 - 時間
された．試験中に生じるひずみを測定するために 曲線を( Rg. (0 に示す．また，( Rg. (0 より得られた試験片中央部の引張面にひずみゲージを接着した．各処理時間ごとの曲げ強度，曲げ弾性率を( Rg. (3試験機には万能試験機(CP-500N-L550 ，(MPAに示す．これらより，曲げ弾性率に及ぼす大気圧製( を使用し，試験片中央の圧縮面に荷重を負荷 プラズマ処理の影響はほとんど見られない一方で，することで試験を行った．試験条件としてクロス 曲げ強度は(00(s の大気圧プラズマ処理によってヘッドスピードを約(0(a a /a gnとした．

(00 ( 増加することが示された．また，大気圧プ
ラズマ処理の有無による断面の比較と断面画像より得られた含浸率を( Rg. ( と(5 に示す．これらよ２－２－２．含浸率測定

プラズマ処理時間による炭素繊維の含浸性を評 り，大気圧プラズマ処理による断面や含浸率の変価するために，含浸率測定を行った．成形した化はほとんど見られなかった．

(F R/) ) 板をエポキシ樹脂( C主剤：( 0 ，三菱ケミ

大気圧プラズマ処理による曲げ強度の向上はプ

カル製，硬化剤：トリエチレンテトラミン，東京 ラズマ処理による炭素繊維表面の酸化が原因と考
化成工業製( に埋め込み，常温大気中で(10時間静 えられる．辻岡ら ( 0 の調査において，電解酸化処
置して硬化させた．その後，(F R/) ) 板を切断し， 理を施した(FR/ エポキシ複合材料の界面せん断強
切断面を粒度(8 00，(81000 ，(81500 ，(80000 のエ 度は炭素繊維表面の酸素原子量とともに増加する
メリーペーパーを用いて研磨した．その後，粒度 ことを報告している．このため，大気圧プラズマ(3 μ(a の金属磨き材( Cピカール，日本磨料工業

処理により，炭素繊維表面が酸化して曲げ強度が製( を用いてバフ研磨を行った．その後，マイク 向上したと考えられる．
ロスコープ(CHX -5000 ，(T E NF

製( を用いて断面観察を行った．撮影した画像の横繊維束の面積に対する樹脂の含浸領域の面積比を計算することで含浸率を求めた．なお，含浸・未含浸領域は明度によって区別し，面積比を算出した．
２－２－３．結晶化度測定
アニーリングによる(F R/) ) 板の母材結晶化度を調査するために示差走査熱量測定(CACF を行った．
試験機には示差走査熱量計(CACF- 0 ，
( CXM
P AU

製( を使用し，加熱速度(10(ºF /a gn， Rg. (0(Cen gn. (stress(–(testgn. (tga e(curves(of(目標温度(030(ºF として行った．得られた(ACF曲線 (sta oshhergc(hressure(hlssa s(treste (F R/) ) (coa hosgtes
から結晶化エンタルピー Hc と融解エンタルピー
Ha を算出し，下式に代入することによって結晶化度 c を算出した．

-130-

２－３－２．(F RPP) の力学的特性に及ぼす母材結晶化度の影響
アニーリングした(FR/) ) 板の曲げ試験における応力 - 時間曲線を( Rg. ( に示す．また，( Rg. ( より得られた各処理時間ごとの曲げ強度，曲げ弾性率を( Rg. (0 に示す．この結果，(FR/) ) 板の曲げ強度と弾性率はアニーリングによって低下し，(3 5(hで最も低い値となった．また，(ACFによって得られた結晶化度を( Rg. ( に示す．この結果，結晶化
度はアニーリングによって増加し，(3 5(hで最も高い値を示した．そこで，曲げ特性と結晶化度の関Rg. (3(P elstgonshgh(between(hlssa s(grrs gstgon(tga e(sn (係を( Rg. (0 に示すようにプロットした．この結果，

ben gn. (hrohertges(of(sta oshhergc(hressure(hlssa s(

曲げ強度と弾性率は結晶化度とともに低下するこ(treste (F R/) ) (coa hosgtes hlssa s(grrs gstgon(tga eとが示された．
一方で，過去の研究において，坂井ら ( 3 は母材としてポリアミド(C)を用いた(F RP) 積層板において，アニーリングによる結晶化度によって曲げ強度と弾性率が向上することを報告している．これは結晶化による樹脂収縮により，繊維・樹脂界(1) ( ) lssa s(Mrrs gstgon(Pgae(0(s面の接着強度が向上したためと考察している．結晶化による( )の収縮率は約(1 0 ～(0 0(であるのに対し，(() ) の収縮率は( 1 0 ～(0 5 とほとんど違いがない．一方で，( ) ) は極性が小さいために
炭素繊維との接着性が低い．従って，本研究の条(2) ( ) lssa s(Mrrs gstgon(Pgae(00(s件において，炭素繊維と( ) ) 間の界面接着強度はRg. ( (F ross(sectgon(of(sta oshhergc(hressure(hlssa s(

結晶化による収縮による力学的な接着強度の向上( treste (F R/) ) (coa hosgtes

よりも化学的な作用による接着強度の低下の方が支配的であることが示唆された．

Rg. (5(P elstgonshgh(between(hlssa s(grrs gstgon(tga e(sn (ga hre. nstgon(rstgo(of(sta oshhergc(hressure(hlssa s(

Rg. ( (Cen gn. (stress(–(testgn. (tga e(curves(of(a strgx(gn(( treste (F R/) ) (coa hosgtes(snnesle (F R/) ) (coa hosgtes-131-

２－４．まとめ
本研究では①炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸率と界面強度に及ぼす大気圧プラズマ処理の影響，②(F RPP) の力学的特性に及ぼす母材結晶化度による樹脂収縮の影響解明について調査を行った．
調査①の結果，大気圧プラズマ処理時間(00(s において，曲げ強度が(00 ( 増加することが示された．これは大気圧プラズマによる炭素繊維表面の酸化が原因であると考えられる．また，②の結果，曲げ強度と弾性率は結晶化度とともに低下することが示された．これは( )) の極性が小さいために
炭素繊維との接着性が低いためと考えられる．これより，炭素繊維と( ) ) 間の界面接着強度は結晶
Rg. (0(Cen gn. (stren. th(sn (a o ulus(of(snnesle (F R/) ) (化による収縮による力学的な接着強度の向上より(coa hosgtes

も化学的な作用による接着強度の低下の方が支配的であることが示唆された．
従って，今後は大気圧プラズマによる炭素繊維
表面の酸化について調査する．同時に，本研究で使用している母材樹脂における結晶化による樹脂収縮率を測定する．この結果から結晶化による界面接着強度の向上がどの程度となるかシミュレー
ションを行う．
参考文献
1) (M(Tgrshenbsua ,(U (. (. glchgnsky,(C (rr oten,(Xest((sn (entrohy(of(fusgon(of(holyhrohylene,(/ ournsl(of((shhlge (holya er(scgence,(10,(Hol ( ,(hh (( 0003-0030
Rg. ( (F rystsllgngty(of(a strgx(gn(snnesle (F R/) ) (2)(coa hosgtes

辻岡則夫，前川善一郎，濱田泰以，北條正樹，
炭素繊維表面酸化処理およびサイジセグ剤処
理の界面接着への影響，材料，(Hol (，(hh (( 1 3-1 0 ，(1000．
3)

坂井( ( 建宣(,(Nur(Csfgsh,(Cgntg(Chsa su ga ,( 福嶋
遼太(,( 蔭山健介，炭素繊維強化ポリアミドの結晶化が静的曲げ特性に及ぼす影響，日本複合材料学会誌，(0010，(Hol ( 5 ，(hh (003-000

３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計(5 件）(1) Ps ssto(Csks. uchg,(Po tokg(Asgkoku,( ffect(of(Ps trgx(F rystsllgngty(on(Pe chsngcsl() rohertges(gn(F srbon(Rgber(P egnforce () olyhrohylene(sn () olyClsctgc(scg ,( 5n (Mnternstgonsl(F onference(sn (Rg. (0(P elstgonshgh(between(snneslgn. (tga e(sn (ben gn. (xho(on((hrohertges(of(F R/) ) (coa hosgte( CM
F F F 0001(Hgrtusl ( rchgve,( 査読無,(3 00 1 ,(-132-

vsnce (F ersa gcs(sn (F oa hosgtes(

(Hgrtusl(Pe etgn. ,(Rebrusry( –10,(0001(2) 坂口( ( 雅人，赤須雄大，平織炭素繊維( / ポ

リプロピレン複合材料の含浸率に及ぼす成形時間の影響，日本機械学会関東支部

山梨講

演会(0000，査読無，() ARデータでの配布．
(3) 坂口( ( 雅人，後藤広夢，平織炭素繊維( / ポ

リ乳酸複合材料の曲げ特性に及ぼす熱処理時間の影響，プラスチック成形加工学会( ( 第(31回( ( 年次大会，査読無，()AR データでの配布．
(4) 大黒( ( 元暉，坂口( ( 雅人，炭素繊維( / ポリプ
ロピレン複合材料の力学的特性に及ぼす母材
結晶化度の影響，第(10回大学コンソーシアム
八王子学生発表会，査読無，() ARデータでの配布．
(5) 福地( ( 遼太郎，坂口( ( 雅人，炭素繊維強化ポ
リプロピレン((CF R/) ) の機械的特性に及ぼす
大気圧プラズマ処理の影響，第(10回大学コンソーシアム八王子学生発表会，査読無，() AR
データでの配布．
( (C 1 に関しては要項集等がないため，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〔図書〕（計１件）(1) (F RP ) /F RPP) の界面制御，成形加工技術と部材応用，( 第(3 章

第(3 節

ポリ乳酸を母材とした炭素繊維強化プラスチックスの引張特
性と曲げ特性に及ぼす母材結晶化の影響( ，
坂口( ( 雅人，後藤( ( 広夢，技術情報協会，(0000，(hh (00- 3 ．

-133-

課題研究費実績報告書
令和３年３月１５日現在

研究課題名：自営 LPWA 無線の小山ヶ丘地区周辺におけるカバレージに関する研究研究代表者：三輪賢一郎

小区分：通信工学関連
１． 研究計画の概要

り，その北側はさらに小高い丘陵となっているが，〇背景南側の橋本駅方面へはさながら扇状地のように下2020 年 4 月から，我が国でもついに高速大容 っており，その高低差は最大６０ｍにもなる．周量・低遅延・多端末を標榜する５Ｇサービスがス 辺は住宅街であるが，低床の住宅に加えて中規模
タートし， Society5.0 呼ばれる社会へのパラダイ の集合住宅も点在しており，バリエーションに飛ムシフトがいよいよ現実のものとなりつつある． んでいる．したがって， LoRa 通信の環境としてその中核をなす IoT 分野においては，世界の IoT

は必ずしも理想的とは言えず，そのカバレージ範

デバイス数が本年中にも３００億個に到達すると 囲も均一とはならないことが考えられる．このよの予測もあり，様々な産業分野において IoT 化が うに，高低差のある複雑な地形でかつ変化に富む
急激に進展することが見込まれる．

建築物が林立している状況は我が国の郊外の環境

ここ数年の IoT 化の進展と共に，その基盤とな の典型とも言え，今回本研究において小山ヶ丘地
るテクノロジーとして低消費電力で広域に通信が 区における LoRa 通信のカバレージ範囲を顕在化
可能な LPWA （ Low Power Wide Area ）が研究か し，周辺地域の伝搬環境のファクトデータを蓄積
ら実用まで広く用いられるようになってきている．することには大きな意味があると考えられる．まLPWA は伝送ビットレートこそ低いものの，低消 た，将来の本学における本格的な IoT 研究に備え費電力でかつ長距離伝送が可能な通信規格であり，て，本学周辺における IoT 研究環境を把握しておIoT の実現には不可欠な技術である．数ある

くことは有用であるとも考えられることから，今LPWA 規格の中でも， LoRa Alliance において仕 回本研究において小山ヶ丘地区における LoRa 通様が策定されている LoRa 規格は，そのカバレー 信のカバレージ範囲を顕在化し，周辺地域のジは最大 10 km にも及び，さらに自前で柔軟な運 LPWA 無線の伝搬環境のファクトデータを蓄積す用が可能であることから，広範囲に配置されたセ ることを試みることとした．
ンサ等の情報収集に適しており，研究用／商用をLPWA の研究開発が本格化してきたのはここ数問わず幅広く使われるようになってきている．ただし，そのカバーする通信範囲は，適用する地域 年のことであり，特に LoRa についてはこの２～の地形や周辺の建築物の状況等によって大きく違 ３年の間に論文数が急増している．その内容は基ってくる．例えば埼玉郊外におけるカバレージ評 礎研究と応用研究に大別され，そのうち基礎研究
価実験では約 6 km 程度のカバレージが可能であ には，ゲートウェイの最適配置問題を解くもの
ることが報告されているが，対して都心のビル街[1] ，メッシュネットワークに拡張するもの [2]における調査では 1 km 程度のカバレージにとど 等がある．応用研究としては， LoRa を用いた降まっている．したがって実運用の前にその地域で 雨センサーシステム [2] ，レンタサイクル管理シの LoRa 通信の可用範囲について一定の調査が必 ステム [2] ，バスロケーションシステム [3] ，稲作管理システム [4] ，院内の医療機器管理システず必要である．

本学（サレジオ高専）の立地する町田市小山ヶ ム [5] ，徘徊見守りシステム [6] など，多数提案
丘地区における LoRa のカバレージ範囲に関する されている．
ファクトデータは今のところ存在していない．本

本研究と同じように LoRa のカバレージ範囲に

学（サレジオ高専）の立地する町田市小山ヶ丘地 フォーカスしてフィールド検証したものとしては，区は，丘陵地の中腹とも言えるロケーションであ 大学キャンパス内やその周辺で実施したもの-134-

[5][7] ，郊外の比較的平坦な地形で実施したもの トーン（研究計画スケジュール）を示す．
[8] ，山岳地域で主にリーチャビリティを確認したもの [9] 等が存在している．しかしながら，丘 【 7 月】機材選定／発注
陵を含む多様な変化に富む住宅街でのファクトデ 【 8 月】実装／環境構築作業
ータと言えるものは無く，本研究の意義は決して 【 9 月】動作試験／予備試験【 10 ～ 11 月】フィールド実験，データ取得

小さくないと考えられる．

【 12 月】データ整理／分析【 3 月頃】対外発表〇目的
本学（サレジオ高専）の立地する小山ヶ丘地区

における LoRa 通信のカバレージ範囲を顕在化す ＜文献＞
ることにより，今後の同地区における IoT の実運 [1] 趙子健ほか，“ LoRa 電波伝搬評価と基地

局配置の最適化手法の研究 , ”信学技報,用に資するためのファクトデータを蓄積する．

加えて，本研究を通して，本学学生に対しこれ
ICM2018-03, pp. 33--38, 2018
ら実験に用いる IoT 機器の一部を自作させること [2] 山本寛，“ LoRa を活用した広域センサネッ
により， IoT や LPWA 通信に対して造詣を深めて

トワークシステムの研究開発 , ”信学技報,
CQ2019-71, pp. 73--78, 2019[3] 保下拓也ほか，“ LPWA を用いた IoT バスロ

もらうことも併せて狙う．
〇方法

ケーションシステムのための位置情報圧縮手

まず，基地局となる IoT ゲートウェイと，移動端末となるGPSセンサをそれぞれ実装する．移動法の提案 , ”情報処理学会第 80 回全国大会,
pp. 3-421--3-422, 2018

端末からは IoT ゲートウェイに対して定期的に現 [4] 袖見樹子ほか，“稲作管理システム , ”情報
在地の位置情報（緯度／経度）を送信するように処理， vol. 58,No.9,

pp. 810--813, 2017

しておき，周辺地域を移動端末を持って網羅的に [5] 坂元律矛ほか，“ LPWA 通信を用いた可搬型
移動する． IoT ゲートウェイ側では，移動端末か医療機器管理システムの提案と実装 , ”情報

ら受信した位置情報を地図上にプロットすること

処理学会第 81 回全国大会, pp. 4-653--4-654,

により周辺地域の LoRa 通信のカバレージ範囲を2019

可視化できるようにしておくことで， LoRa 通信 [6] 加藤学，“高齢化社会の屋外徘徊行動の監
視 , ”電気設備学会誌, vol. 37, No. 10, pp.

のカバー範囲の特定が可能となる．
本研究は，当研究室の教員１名と当研究室に配713--715, 2017

属する学生２名で実行する．学生２名はそれぞれ [7] 三好夏生，“ 920MHz 帯 LoRa 通信の半波
IoT ゲートウェイと移動端末（ＧＰＳセンサ）の

長間隔での電波伝搬測定結果 , ”信学技報,

構築を主に行う．教員は主にフィールド実験の計

RCS2019-406, pp. 411--412, 2019

画と立案，ならびに研究の実行にかかる総合的な [8] 高橋幹，國澤良雄，神谷尚保，新保宏之 ，”調整を行う．フィールド実験とその結果の評価・

アンライセンスバンドを使用する LPWA

分析は，教員と学生２名の総力で実施する．

（ Low Power Wide Area ）規格の最新動
向 ，” 電子情報通信学会誌，Vol. 102, No. 5,

pp. 388--392, 2019
本研究のスケジュールとしては，実験機材が揃 [9] 湯瀬裕昭ほか，“山間地における LPWA を活〇実施スケジュール

い次第すぐに環境構築に着手し，次いで研究室で用した防災通信に関する研究 , ”情報処理学の動作試験とフィールドでの予備試験を経て，本会第 80 回全国大会 , pp. 4-419--4-420, 2018

番の調査実験へと進む．その後，データの分析を行い，学生が主体で卒業論文として纏める．また，
ファクトデータを広く公表するべく，電子情報通信学会の総合大会において対外発表を実施する．
以下に，研究の実行に係るおおよそのマイルス-135-

２．課題研究の進捗状況及び達成度〇実験環境の構築
まず本調査実験に必要となる， LoRa 通信に対応した基地局（IoT ゲートウェイ）と移動端末（GPS センサ）とを準備した．
基地局には Dragino 社製IoT ゲートウェイ
LG01-JP を採用し， ThingSpeak に対してデータのアップロードを行うためのプログラム（オープンソース）を実装して構築した（図 1 左 ）． 基地局
用のアンテナは付属のものをそのまま用いることとし，本校の4 階建て校舎の3 階部分の中庭に基地局とともに設置した．

図2

調査実験の全体像

移動端末には， Dragino 社製の LoRa mini DevにGPS モジュール（ AEGYSFDMAXB ）を搭載し，基 〇調査実験の結果
地局ならびに ThingSpeak に対応したデータ生成

今回の調査実験においては，帯域幅を 3 種類を可能にするためのプログラム（オープンソー（7.8 kHz,125 kHz,500 kHz ）， 拡散率を 2 種類ス）を実装して構築した（図 1 右 ）．

（ 7 ，12）の計 6 条件にて実験を行った．うち，最もカバレージ範囲が広範囲となった実験条件（帯域幅 7.8 kHz ，拡散率12）での結果を図 3 に示す．地図上にピンのイメージで示した箇所が，LoRa通信が確認された地点である．

図1

基地局（左）と移動端末（右）本調査実験の全体の流れを図 2 に示す．
まず本学周辺において移動端末が獲得する緯度・経度等のデータが LoRa 通信により基地局で受信される．それらの位置情報のデータは基地局からインターネットを介して， IoT クラウドサー
ビスである ThingSpeak にアップロードされることになる． ThingSpeak においては，取得したデー
タの整理，グラフによる可視化が実行される．さらにそのデータを加工して Google Earth に入力することにより，LoRa通信が成立した地点が地図上にマッピングされる．伝搬距離や障害物等の影響

図3

LoRaカバレージ調査結果

により LoRa 通信が途切れると，移動端末からの緯度・経度の情報を基地局側で受信することが出

上記より，今回の実験条件における最大通信距来なくなるため，このことから LoRa 通信のカバ 離は 400 ｍ程度であり，そのカバレージ範囲は東ー範囲が特定できることになる．

南東方向と西北西方向に偏向している結果となった．これには，本学の建物形状が影響していると考えられ，基地局を設置した 3 階中庭の北側と南側に突き出ている校舎の 4 階部分が，電波の南北方向への伝搬に大きな影響を与えたとみられる．
このように，今回の調査実験では，本学周辺に-136-

おけるLoRa通信範囲のおおよその特定は行えた． ３．代表的な研究成果
しかしながらそのカバー範囲は当初の予測よりも以下の通り．

狭い範囲にとどまっており，また通信エリアの形状も偏っていることから，丘陵地におけるLoRaカ 〔学会発表〕（計１件）
バレージのファクトデータとしては不十分なもの [1] 吉田龍紀 , 横川颯汰 , 三輪賢一郎, ”サレジオ
高専周辺における LoRa 通信のカバレージ調となった．

査,” 電子情報通信学会

2021 年総合大会 ,査読無し , 通信講演論文集1, pp. 439,

〇まとめと今後の展望

B-15-24, March. 2021.

本研究を通して本学（サレジオ高専）周辺のLoRa通信のカバレージ範囲をおおよそ明らかにした．現条件では，その最大通信距離は 400 ｍ程度であり，本学の建物形状の影響によりその伝搬方
向は東西方向に偏っていることが示された．このように，今回の調査実験では本学周辺におけるLoRa通信範囲のおおよその特定は行えたが，丘陵地におけるLoRaカバレージのファクトデータとしては不十分なものとなった．
次年度以降，今回顕在化した課題や問題点を基に実験方法を見直したうえで，より正確な調査を実施する必要があると考えられる．それら，改良変更を検討すべき点を以下に示す．
①

基地局設置場所の見直し
本学３階中庭は基地局の設置場所として不適切であることが判明したことから，基地局の設置場
所を屋上などへ変更することを検討する．
②

移動端末の移動方法の見直し
今回は移動端末の移動に自動車を用いたが，自動車のボディが電波の送受信に影響を与えたこととも考えられることから，移動端末の移動手段を
自転車や徒歩へ変更することを検討する．
③

可視化ツールの整備
地図上に受信電界強度を表示できるように，可視化プログラムの拡張を検討する．
以上を踏まえて，引き続き次年度以降において，本学（サレジオ高専）周辺の LoRa通信のカバレー
ジ範囲についてのより網羅的な調査を実施する予
定である．

-137-

以上

課題研究費実績報告書
令和３年３月２２日現在

研究課題名：相互誘導リアクトルを用いた洋上発電システム用自励式発電装置
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

２．課題研究の進捗状況及び達成度

本研究では「洋上発電システム」のための「広当該研究では，①シミュレーションモデル
（ PSIM 、 MATLAB 、 Scilab ）の構築、②構築

範囲動作が可能なサイリスタ励磁方式の発電装置」を提案し、その性能や有用性を検証する。次 したシミュレーションモデルを用いた提案方式の世代の洋上発電システムは遠洋の発電所で得られ 有用性の確認、③研究室サイズの供試装置の製作、た電力を直流で地上のグリッドへ送電する方式が ④供試装置を用いた実験的検討を行った。以下，主流になると考えられており、種々な方式の研究 詳細を説明する。
開発が行われている。同分野で普及が進んでいる
洋上風力発電においては既に直流送電方式を採用 ①シミュレーションモデルの構築したシステムが実現されている。この様なシステ（達成度 100% ）ムに用いる発電機としては、信頼性が高く、定期シミュレーションソフトとして、 MATLAB /的なメンテナンスが不要な永久磁石同期発電機

Simulink / Simscape を購入し、同ソフトを用い（ PMSG ）が多く用いられているが、 PMSG を用 たシミュレーションモデルを構築した。提案シスいた場合、レアアースの価格変動に基因してコス テムは風力発電機となる自励式の同期発電機が研トが増加すること、直流送電と連系し、発電機を 究対象となるため、同期機の残留磁束を考慮する
制御するための電力変換器（主変換器）にキャパ 必要がある。構築したモデルには残留磁束を考慮シタが用いられるため、主変換器においては定期 した励磁回路が組み込まれており、自励式同期発的なメンテナンスを必要とする問題がある。一方、電機の種々な検討を行うことができる。また、未巻線形同期発電機（WRSG）を用いた場合、主変 発表であるが、さらに詳細な検討を行うことがで換器にシンプルで高効率なダイオード整流器を用 きるように励磁回路に磁気飽和を考慮したモデルいることができ、発電機励磁用の小容量整流器に も構築した。
サイリスタ整流器を用いればキャパシタも不要となる。さらに、同期機をブラシレス交流機とすれ ②構築したシミュレーションモデルを用いた提案
ば、発電機もメンテナンスフリーとなる。この様 方式の有用性の確認な利点を持つサイリスタ励磁方式の巻線形同期発（達成度 100% ）電機であるが、主変換器のダイオード整流器とサシミュレーションモデルを用いて、提案システ

イリスタ整流器が干渉するため、十分な動作範囲 ムの有用性の確認を行った。基本方式では同期発を確保できない問題のあることが明らかとなった。電機励磁用のサイリスタ整流器が主変換器となる
本研究課題では、ダイオード整流器と干渉せず、ダイオード整流器の転流の影響を受け、低風速域
十分な動作範囲を確保できる励磁回路としてリア において動作できなくなる問題があったが、提案クトルの相互誘導を利用する新しいタイプのサイ システムにおいては、新たに導入した相互誘導を
リスタ励磁方式を提案し、シミュレーション及び 有するリアクトルの働きにより、これを改善でき試作機を用いた実験的検討により、その性能や有 ることがシミュレーションにより明らかとなった。
用性を検証する。本研究課題により、直流送電連系用の主変換器に信頼性の高いダイオード整流器 ③研究室サイズの供試装置の製作（達成度 70%）を持つ発電装置を実現することができる。

シミュレーション結果を基に 2kVA の供試装置-138-を製作した。しかしながら、製作した供試装置は 〔学会発表〕（計 3 件）
2 つの整流器の転流に基因する高調波ひずみによ [1] Ken-ichiro Yamashita, Fujio Tatsuta, Hiroyaって正確なサイリスタ整流器のゲート信号を生成

Sugimoto, Shoji Nishikata, Improvement of

できない問題のあることが分かった。これによりDynamic Performances of a Current-source

限定された範囲でしか運転できないことから、同Converter-based Wind Power Plant

問題を解決することのできる制御回路を作製する

Composed of Series-connected Wind Turbine

こととした。

Generators, 23rd International Conference
on Electrical Machines and Systems(ICEMS2020), 査読有 ,④供試装置を用いた実験的検討（達成度 70%）2020 年 11 月

[2] Ken-ichiro Yamashita, Yuzuki Yamamoto,
Shigetaka Kobayashi, Performance

上記③の供試装置製作において問題が生じたた
め、限定された範囲での実験のみを行った。同実

Improvement of a Wind Turbine Generator

験により、限定された範囲ではあるがシミュレー

Based on Self-excited Synchronous

ション結果と同様に、提案した方法によってシスGenerator for Series-connected Wind Power

テムの動作範囲を改善できることが分かった。

Plants, 23rd International Conference on

３．代表的な研究成果

Electrical Machines andSystems(ICEMS2020), 査読有 , 2020 年〔雑誌論文〕（計 1 件）

11 月

[1] Ken-ichiro Yamashita, Gai Tsukamoto, Shoji[3] Fujio Tatsuta, Ken-ichiro Yamashita, Hiroya

Nishikata, Steady-State Characteristics of a

Sugimoto, Shoji Nishikata, Basic Studies on

Line-Commutated Converter-BasedPower Fluctuation Smoothing ofHigh-Voltage Direct Current Transmission

Series-connected Wind Power Plant, 23rd

System for Series-Connected Wind PowerInternational Conference on Electrical

Plants, IEEE Transactions on Industry

Machines and Systems (ICEMS2020), 査読有 ,Applications, 査読有 , Vol.56, 4,2020 年 11 月

pp.3932-3939, 2020 年 7 月-139-課題研究費実績報告書
令和３年３月３１日現在

研究課題名：視線検出システムを利用した読解プロセスと読解力の関係調査研究代表者：真島顕子
小区分：

学習法
の総合結果とリスニング問題の結果では、 IBA で１．研究計画の概要
本研究は、視線検出システム（ Fujitsu,

高い点数を取得した学生（ 900 点以上、 17 名）

EyeExpert ）を使用して学生の文章読解プロセス は正の相関が、低い得点を取得した学生（ 750 点を調査し、読解プロセスと読解力の関係を分析す 以下、 21 名）には低い相関が見られたことから、ることを目的とした。調査では、英語による読解 日本語の読解能力と英語運用能力にある程度の相力が日本語による読解力と関係していると仮定し、関が見られることが確認できた。一方、リーディ
日本語読解力資料ではリーディングスキルテスト ング問題では、両方のグループでほぼ同程度の相（以下、RST）のサンプル問題から得た結果と、 関係数が算出されたことから（表 1 ）、 本校の英英語読解力資料では英検 IBA テスト（以下、語カリキュラムにおいてリーディング力強化対策

IBA ）の結果を使用し、本科 2 年生の英語と日本 検討の余地の可能性を見出した。
語の読解力の相関を見る。そして、読解力ごとに受検生をグループ分けし、視線検出システムを用 表 1

IBA スコア上位層と下位層の RST スコアといて読解プロセスを比較検討し、読解力と読解プ の相関
ロセスの関係を分析する計画を立てた。RSTサン
プル問題は、インターネット上で入手できるサンプル問題から 10 問選出して作成したもので、総合900点以上750点以下リーディング リスニング

.47
-.14

.22
.14

.48
-.27

IBA は、公益財団法人日本英語検定協会が提供する IBA テスト C （ 1100 点満点）を利用した。

上記の点に加え、結果から得た考察を論文にまとめ、発表した。

２．課題研究の進捗状況及び達成度

視線検出システムを用いた読解プロセスと読解

今年度は、新型コロナウィルス感染拡大防止対 力の関係分析調査では、 2020 年度 8 月に取得し策として、サレジオ工業高等専門学校では、前期 た TOEIC IP スコアを元に、点数層が異なる 5 名
は遠隔授業を実施した。筆者の校務と遠隔授業対 の学生を選定し、日本文と英文の長文をそれぞれ応により、RSTと IBA の相関調査・分析を前期の3 分間で文章を被験者が読む視線の形跡を、うちに十分に進めることが難しかった。後期は対EyeExpert を用いて追跡した。 1 分半経過した時面授業へと切り替えることができたが、感染者数 点で問題を提示し、内容理解についても確認をしの再増加等の懸念があり、対面調査も継続するこ た。今後は実験によって取得したデータを分析すとができるか不明な状況であった。従って、後期 る予定である。
開始時に、 EyeExpert の調査対象者を TOEIC IP
テストを用いて 4 年生から選出し、できるだけ早 ３．代表的な研究成果
期に日本文と英文の読解プロセスを調査するよう 〔雑誌論文〕（計 1 件）
計画を変更した。また同時に、計画通り、昨年度 [1] 真島顕子 , 日本語の読解力が英語運用能力に
2 年生に実施したRSTサンプル問題から得た結果

与える影響‐日英テスト結果比較の一考察‐ ,と、 IBA 結果の相関を分析した。

全国高等専門学校英語教育学会研究論集 , 査

まず、RSTと IBA の相関分析では、全体としても（ 184 名 ）、 被験者の所属学科別データにも、弱い正の相関が見られた（ r =.31 ）。 また、 IBA-140-

読有 , 第 40 号 , 61-67.

課題研究費実績報告書
令和３年 4 月 1 日現在

研究課題名：多種類の細胞による組織形成を理解するための数学的枠組みの構築
研究代表者：須志田 隆道
小区分：応用数学および統計数学関連
１．研究計画の概要

種類の細胞の初期配置をランダムに与えた場合に個々の細胞は細胞内における物質等の内在的な ついて，自己組織的に細胞塊が形成され，実験観変動によってランダムな方向に運動することがし 察と同様に集団的な回転運動を示し，細胞選別がられているが，誘引物質が与えられるとその濃度 行われる様子を数値シミュレーションの結果とし勾配の高い方向に運動すること（走化性を示すこ て示すことができた．
と）が知られている．例えば，細胞性粘菌では単後半では，自己駆動粒子モデルの結果を踏まえ細胞生物としてランダムな運動を行うが，飢餓状 て，細胞膜を考慮に入れた細胞形状の変形や細胞態になると cyclic AMP と呼ばれる化学物質を拡散 内在的な物質の偏りによる細胞極性の形成を考慮
し，集団的に形成される cyclic AMP の濃度勾配の したよりリアリスティックな数理モデルの構築を高い方向に運動することで，周囲の細胞が集まり，目指した．細胞形状を表現する方法の 1 つとして，細胞塊を形成する．さらに，細胞塊内において， フェーズフィールド法（ Nonomura, PLOS ONE,
集団的な回転運動を行いながら，予定柄細胞と胞 2012）と呼ばれる反応拡散方程式を用いた数学的子細胞の 2 つの集団に細胞選別が行われることが な枠組みが知られている．本研究では，多細胞集報告されている（ Fujimori et.al., PNAS, 2019 ）． 団を取り扱うマルチフェーズフィールドモデルを本研究での主なねらいは，細胞性粘菌などの走 新たに構築する．現段階において，構築済みの自化性を示す細胞が細胞塊を形成するまでの過程や 己駆動粒子モデルの細胞機能をマルチフェーズフ
その後に示す集団的な回転運動を記述する数学的 ィールドモデルにおいて記述することに成功してな枠組みを構築し，集団運動を引き起こす本質的 いる．また，細胞形状を考慮したモデルは集団運な機能の抽出やさまざまな細胞種において観察さ 動だけでなく，代表者らが行った先行研究
れる集団運動の分類を行うことである．数学的な （ Sato et.al., submitted ）にて扱った細胞集団
枠組みの構築では，はじめに細胞を粒子として見 が示す多角形のタイリングパターンの形態形成をなすことで簡易的に集団運動を議論することがで 理解することにも役立つと期待される．
きる自己駆動粒子モデルから構築を行い，その後， 一方で，マルチフェーズフィールドモデルの数
細胞内在的な物質の変動および細胞形状を考慮し 値計算法では，計算コストの削減が大きな問題とたフェーズフィールドモデルを構築する．両者の して挙げられる．基本的に反応拡散方程式は連立枠組みにおいて，集団運動の検証を数値シミュレ 一次方程式の問題に帰着した状態で数値計算を行ーションとして示し，モデルに導入されたパラメ うが，扱う細胞数や数値計算の精度を考慮すると，ータを変更することで，どのような仕組みが集団 大規模な連立一次方程式を扱うことになる．本研
的な回転運動を起こすかどうかなどを整理する． 究においては，ネットワーク上で管理された複数台の計算機を同時に用いる並列分散処理を導入す
２．課題研究の進捗状況及び達成度ることで，大幅な計算量削減に成功している．

はじめに，細胞性粘菌が細胞塊を形成する際に，集団的な回転運動によって 2 つの細胞集団に選別 ３．代表的な研究成果される現象について，先行研究（ Akiyama et.al.,〔学会発表〕（計１件）

DGD, 2017）を参考にして，細胞間相互作用を記 [1] 前田楓太，須志田隆道，第 12 回大学コンソ
述するポテンシャルエネルギーの形状関数を新たに導入した自己駆動粒子モデルを提案し， 2 つの-141-

ーシアム八王子学生発表会 , 査読なし,
E124, 2020.

課題研究費実績報告書
令和３年３月３１日現在

研究課題名：陰影下における物体色の推定方法研究代表者：川村春美
小区分：知覚情報処理関連
１．研究計画の概要

光源であり、電球色は夕焼けのような橙の色であ

画像処理分野においてシーン中の物体の色（反 る。また、被写体は、鏡面反射の少ない木製の積射率に相当する）を取得することは、照明条件の み木とし、それぞれ、赤、緑、青、黄色に着色さ影響を受けない画像を得ることができるという点 れたものを用いる。昼光下および電球光下の赤いで重要な技術の一つである。しかしながら、画像 積み木の画像を図 2 に示す。なお、積み木の形状の色（画素値）には照明光の色が含まれており物 は 4 色とも同じとする。一眼レフのデジタルカメ
体の色を分離するには逆問題を解く必要がある。 ラ（ Canon 、EOS Kiss X8i）により、上記照明光
本研究では、この逆問題を解く代わりに陰影領域 下の積み木のシーンを黒背景下で撮影し、日向領では色相成分はほとんど変化しないことを利用し、域、陰領域および影領域の色（画素値）を比較す
色相変化を物体の違いとみなすように Retinex 理 る。画素値は、上記 3 種類の領域を目視で判断し、論 (1) を変更することで物体の色を推定する手法を 手動で選択した領域内の平均値とする。
検討する。
昨年度までは、無彩色光源下の陰を含む画像を対象としていたが、今年度は、有彩色照明下のシーンを対象とし、手法の有効性を検証する。さらに Retinex 理論のみでは照明光色の影響がシーン(a) 昼光下

全体に均一に及んでいる場合には分離できないこ(b) 電球光下
図2 実験画像

図 3 は、赤い積み木を対象に、昼光下（図3(a) ）、 電球光下（図 3(b) ）の画像から得られた、除去する。また、物体の遮蔽による影と光源が直 日向領域 ( ● ) 、陰領域（○）および影領域
接的に照射しないことによって生じる陰との違い （×）平均画素値をR-G軸上にプロットしたものの有無を実際の画像を取得し検証する。
である。この図より、陰と影領域の RGB 画素値
は完全には一致しないが、昼光下、電球光下共に
２．課題研究の進捗状況及び達成度
ほとんど同じであることが分かる。なお、この傾(1) 陰影領域の画素値特性
向は積み木の色に依らない。
とから既存の照明光色推定手法である灰色仮説に基づいて照明光色の推定を行った上でその影響を陰影には、光源からの光が直接的に照射しないことによって相対的に暗くなる陰と、光源からの光が前面にある物体に遮蔽されて生じる影の 2 種類がある（図 1 ）。この 2 種類の画素値にお(a) 昼光下ける特徴を実際の画像

図3 日向、陰影領域の平均画素値を用いて調査する。

以上のことから、陰と影は色として同じ扱いに光源には、複数の光できることが分かった。
(2) 陰影シーンからの物体色推定の検証

源色の切り替えが可能
な LED 照明（山田照(b) 電球光下

図1 陰と影の違い

有彩色光源下の陰影を含む画像を Retinex 理論

明、 Z-N1100 ）を用い、昼光色（色温度 6200K ） および灰色仮説に基づいて物体の反射率からなると電球色（色温度 3000K ）とする。昼光色は白色 画像（白色光源下における画像）に変換する手法-142-

の有効性を検証する。
Retinex 理論とは、画像の色が照明光と物体の色から構成されることを前提とし、空間的に緩やかな変化は照明光の変化によるもの、急峻な変化
は物体領域の境界によるものと仮定することで照
明光色の影響を取り除いた物体の反射率からなる(a) 強度分布

画像を得る手法である。しかしながら、物体境界(b) 照明光種類

図 5 実験で用いた照明光の判定に輝度を用いているため、同一の物体領域

図 4 の画像に、オリジナルの Retinex 理論を適に陰影が存在する場合には物体境界と見なされる 用した結果 ( 図6)と、提案手法を適用した結果という課題がある。そこで、陰影領域においては、 ( 図7)を示す。なお、図 7 は、白黒印刷での見え明るさ（＝輝度）は変化するが色相はあまり変化 やすさのため 1 .25 倍の明るさに補正した画像でしないという特性を利用することで照明光色の影 ある。図 6 では、画像中央に縦のライン、即ち、響を除去した物体の反射率からなる画像を得る。 陰影の境界が残っており、全体にオレンジがかっ
一方、照明光の空間的な分布が一定である場合 ており照明光色の影響が残っている。一方、図 7には照明光色の影響を完全に除去できるとは限ら では、画面中央の陰影による境界がなく、かつ、ない。そこで、照明光色の影響を除去するため、 全体に照明光色の影響が除去されている。
灰色仮説を利用して照明光色の推定を行った上でその影響を除去する。灰色仮説とは、シーン中の全ての物体の色を平均すると灰色になるとする仮説であり、この仮説が成立する場合には、画像の平均値を照明光色とみなすことができる。
複数の色紙を組み合わせたパターン（以下、モンドリアンパターン）に左側から照明光を照射し、

図 6 Retinex 適用

図7 提案手法の結果

右側に影が生じるよう

表１に推定照明光色と真値を各色を RGB 空間上に画像を作成する（図のベクトルとみなした際のベクトル間のなす角を4 ）。 照明光は図 5(a)誤差として示す。いずれも誤差は照明光色に依らの示すように、左端のず、誤差が10°前後となった。

強度を１とした時、中表１

央に向かって線形に減
少し、中央の位置から右端までは一定の強度

図4 実験画像例とする。この場合、右側が影領域に見える。また、

推定結果

照明光

角度（°）

タングステンランプ

10.2

3500 K昼光＋フィルタ

11.84700 K昼光＋フィルタ

11.6

照明光は、図 5(b) に示すように、タングステン電球（実線 ）、 色温度 3500 K の昼光に青フィルタ[ 参考文献 ]をかけた光源（点線 ）、 および 4700 K の昼光に (1) Land, E. H. and J. J. McCann, “Lightness and青フィルタをかけた光源（破線）の計 3 種類を用
retinex theory,” Journal of the Optical Society ofいる。図 4 の画像は、モンドリアンパターンにタAmerica, vol.61, pp.1-11, 1971.

ングステン電球（橙色）を左側から照射したシミュレーション画像であり、ここでは、白黒印刷で ３．代表的な研究成果の見えやすさのため実際の画像を 1.25倍の明るさ 〔学会発表〕（計 1 件）に補正した画像を示す。

[1]

Harumi KAWAMURA ，Recoveringreflectance of a partially shaded image undercolored scene illuminant ，Proceedings ofthe International Colour Association (AIC)
Conference 2020 ，査読有， p.458-143-

課題研究費実績報告書
令和 3 年 3 月 31 日現在

研究課題名：力学的境界条件下での全変動流方程式の時間大域解の適切性とその応用研究代表者：中屋敷 亮太
小区分：数理解析学関連
１．研究計画の概要

すれば、より多くの数理モデルに対して有効な数「全変動流方程式」は画像処理問題を起源とす 学解析であるといえる。
る様々な数理モデルへの応用が見られる偏微分方

以上を踏まえ本研究では、基礎研究の位置づけ

程式である。本研究の大きな目標は、全変動流方 として、力学的境界条件下での全変動流方程式の程式が現れる様々な数理モデルに適用できる統一 初期値問題に対して数学解析を行う。特に力学的的な数学理論を構築することである。

境界条件を含む方程式において時間局所的な先行

例えば全変動流方程式を含む数理モデルとして 研究が活発に行われている中で、数理モデルの現「結晶成長の数理モデル」が挙げられる。金属材 象として大事となる、十分時間が経過した「定常料は一般的に原子が規則正しく配列した結晶構造 状態」に関する数学的な結果はまだ少ないため、を持っている。しかし実際はすべて同じ構造を持 具体的な研究目標として次の 4 つを設定した。
っているわけでなく、物質内において原子配列が(1) 時間大域解の存在

乱れる領域をもつ。結晶成長の数理モデルは多結(2) 時間無限大での漸近挙動晶体である金属の平均的な方向場の動きを再現す(3) 解の時間的変化における収束オーダーることで、金属材料の特性から生じる様々な諸問(4) 応用問題と定常問題との関連性

題を解決する目的として作られた数理モデルであこれらの基礎研究を発展させたうえで、全変動る。近年では数学的な観点からも数値実験の有効 流方程式の初期値問題に対する一般化を目指して性や最適性を示すために、このモデルに対する研究を行う。
様々な理論解析が進められている。特に数値実験等で得られた結晶成長が安定する状態、すなわち ２．課題研究の進捗状況及び達成度
時間無限大での結晶成長の挙動や定常問題に対す
本研究の要となる手法として「抽象発展方程式
る数学的な考察が、実際の現象との適合や現象の の一般論」の枠組みを用いた。発展方程式の理論
制御に役立つと考えられている。
はとても強力であるため、数学解析の確実性を保これらの問題に対して、従来の数理モデルでは 証できるだけでなく応用の適用範囲も広い。その数学的な解析の容易さなどから「 Dirichlet 型」や ため本研究の目的を達成するために用いる手法と「 Neumann 型」といった境界条件が課されること して有効かつ合理的であると考えられる。これまが多い。しかし実際の現象では、結晶と結晶の間 での研究から全変動流方程式の適切な解のクラスに動的な力が働くことが多いため従来の境界条件 が力学的境界条件と適合するかという問いが考えではより正確な現象の再現を実現することが難し られた。これに対して力学的境界条件を非斉次い。この問題を解決する一つの方法として「力学

Dirichlet 型境界条件の「拡張」として捉え直して的境界条件」と呼ばれる境界条件を課すことを考 考えた。問題自体を拡張（極限）問題として捉ええた。固定境界上で時間発展する放物型偏微分方 直すことで「可解性」「システムの連続依存性」
程式で与えられた境界条件によって、現象をより などの定性的性質を抽象発展方程式理論より得る
リアルに再現する狙いがある。また力学的境界条 ことに成功している。本研究の最大の独自性であ件は、設定したパラメータに対して極限移行など る「力学的境界条件」を課すことであり、さらにの操作を施すことによって従来の境界条件を統一 近似議論の有効性という観点から抽象発展方程式
的に捉えなおすことができるのではないかと考え による理論を構築した点である。以下、 1 ．で挙られる。境界条件を含めた統一理論の構築に成功 げた 4 つの研究目標に対して、進捗状況及び達成-144-

度を述べる。

えた勝手な力によって結晶成長を制御できないか(1) 時間大域解の存在という思想に基づくものである。具体的には近似概ね達成されている。システムを単純な形に限 システムからの接近および抽象発展方程式による定し、先行研究[Nakayashiki / AMSA(2018) ] の一 議論から「最適制御の存在」「近似問題との関般化を目標に着手した。特に非線形発展方程式の 連」「最適制御になるための必要条件」等を明ら意味で「時間大域的な弱解」を定義し「可解性」 かにし、共同研究者とともに論文執筆および雑誌の証明に取り組んだ。ここでは時間離散化法（ =への掲載まで行った。

方程式の時間微分を線形補完によって近似し、楕

今後の課題として、一般多次元の場合の考察も

円型偏微分方程式の手法により解を構成してから 視野に入れている。また今年度は上記 (1)(2)(3)
極限移行する方法）を使用した。初期値関数によ を踏まえて「定常問題の考察」も課題として挙げる評価および定義した弱解の一意性を抽象発展方 ていたがこちらは未着手である。定常問題に関し
程式の一般論に従い証明を行った。

ても主に 1 次元に関する結果が多く一般多次元に(2) 時間無限大での漸近挙動

ついても課題である。

概ね達成されているといえる。漸近挙動を証明するためには、方程式の支配エネルギーの消散性 ３．代表的な研究成果を評価する「エネルギー不等式」の証明が必要不 〔雑誌論文〕（計 2 件）可欠ある。発展方程式の一般論を含む先行研究等 1)

Shodai Kubota; Ryota Nakayashiki; Kenの従来の方法を用いてエネルギー不等式を証明し、Shirakawa, Optimal control problems for 1D

時間離散系から極限移行によって連続系の解の漸parabolic state-systems of KWC types with

近挙動に関する結果を得た。

dynamic boundary conditions, Advances in(3) 解の時間的変化における収束オーダー

Mathematical Science and Applications, [ 査

現在、未達成の課題である。大域解の時間収束

読有 ], 29 (2), pp.583--637 (2020.11).

の時間定量オーダーに関するもので、今後着手予 2)

Yoshikazu Giga; Ryota Nakayashiki; Piotr

定である。証明の大まかな方針として比較性原理

Rybka; Ken Shirakawa, On boundaryを用いた証明法を考えているが、定量オーダーのdetachment phenomena for the total

定義として比較関数を独自に定義しなおす必要がvariation flow with dynamic boundaryあるため、ある程度の計算と検証が必要になるとconditions, Journal of Differential Equations,

考えられる。別の境界条件を課した場合の結果の[ 査読有], 269 (12), pp. 10587—10629

先行研究が適応できないか、もしくは別の関数を(2020.12).

用いることでより良いオーダーが導出できないか検討中である。

〔学会発表〕（計 1 件）

(4) 応用問題と定常問題との関連性

1)

現在進行中の課題である。力学的境界条件下に白川

健 ; 久保田

翔大 ; 中屋敷亮太，

Optimal temperature controls for 1D KWC

察した。本研究の目的である「力学的境界条件下

type systems with dynamic boundary
conditions, 日本数学会 2020 年度年会 ( 実関での全変動流方程式に関する統一的な数学理論の数論分科会 ) ， [ 査読無 ] ， 2021 年 3 月

構築」の背景や狙いには上記のような数理モデル

18 日 .

おける「結晶粒界運動の数理モデル」について考の数理解析学的な分析があげられる。
本研究に関連した上記の数理モデルに関する今
年度の数学的な結果として、 1 次元定常問題に対する力学的境界条件つきの「最適制御問題」についての研究に取り組んだ。ここでの「最適制御問
題」はコスト関数と呼ばれる汎関数の最小元を与える関数を見つけることである。ここで見つかる最小元は実際の現象では外力に相当し、外から与-145-

課題研究費実績報告書
令和３年 3 月 31 日現在

研究課題名：コッククロフト-ウォルトン回路の高出力化に関する検討
研究代表者：米盛

弘信

小区分：電力工学関連も大きくなることがわかった。これは， CW 回路

１．研究計画の概要

本研究の最終目的は，室内における太陽光発電 のキャパシタンスが影響しており，容量を小さくの実験で必須となる人工太陽光をパワー LEDによ すると改善されることがわかった。
って実現することである。本研究では，容易に直流高電圧が得られるコッククロフト - ウォルトン
回路（ Cockcroft – Walton Circuit ：以下， CW 回路）を応用して点灯回路が実現できないか検討した。一般的に， CW 回路はμ A ～ mA オーダの電流しか出力できずパワー LED を点灯させるには不十分である。すなわち，目的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。本
課題では，スイッチング回路を付加した CW 回路を構成し，高出力化を目指した特性評価を行った。
(a) 負荷抵抗を変動させた際の出力 I-V 特性
２．課題研究の進捗状況及び達成度
研究目標を達成するために，本年度は以下に示す項目について取り組んだ。代表的な成果の中か
ら重要なものを概説する。なお，詳細は研究成果の論文等を参照されたい。
【シミュレーションによる動作解析】
本解析では，全波整流型 CW 回路の段数を変動させた際の出力電圧と出力電流，およびリップル率を電子回路シミュレータLTspiceによって明らか(b) 負荷抵抗を変動させた際のリップル率にする。

図1 CW回路を段数変動させた際の出力特性

図 1 は， CW 回路の段数を変えた際の出力特性を示す。図 2 は， CW 回路 1 段時に負荷抵抗を変 【実機による動作確認】
動させた際の出力電圧波形を示す。図 1(a) の I-V

本実験回路は , 高周波トランスを介して全波整特性より，最大出力電圧： 356.7V ，最大出力電流型 CW 回路に電力を伝達する方式を採用してい流： 1331mA を得た。また， CW 回路 2 段の 500

る。本実験では , 全波整流型 CW 回路 2 段を接続

Ωでは，出力電圧： 317.4V ，出力電流： 634.4mAすることで出力電圧の増加を目指す。

であった。これは，使用するパワー LEDの駆動条

図 3 は， CW 回路の段数を変動した際の出力特件である目標値に到達したことを示す。図 1(b) の 性を示す。図 3(a) の I-V 特性より， CW 回路 2 段
リップル率より，負荷抵抗が大きくなるにつれて 時で最大出力電圧 :9.5V ，最大出力電流 :58.9mA
リップル率が低減することがわかった。図 2 より，を得た。また， CW 回路 1 段は最大出力電圧 :5V
出力波形からリップル率の低減が確認できるとと であった。この結果より， CW 回路の段数増加にもに，負荷抵抗が大きくなるとオーバーシュート 伴い , 損失はあるが倍電圧に昇圧されたことが確-146-

認できた。図 3(b) のリップル率より，負荷抵抗が大きくなるにつれてリップル率が低減することがわかった。しかし , 本提案回路におけるリップル率は最小で2.8%であるため , 目標値であるリップ
ル率 1 ％未満は得られなかった。

(b) 負荷抵抗を変動した際のリップル率
図3 CW回路を段数変動した際の出力特性
３．代表的な研究成果(a) 負荷抵抗 100 Ω時の出力電圧波形〔学会発表〕（計 5 件）
1.

中川湧貴，米盛弘信：“高周波駆動した全波
整流型コッククロフト - ウォルトン回路の動作試験 ”， 2020年（第 2 回）電気設備学会学
生研究発表会プログラム・予稿集，査読無，A-4 ， pp.7-8 ，八王子市学園都市センター(2020-12)2.

千葉

穣，米盛弘信：“交流電池に接続する

コッククロフト - ウォルトン回路の出力特性 ”， 2020年（第 2 回）電気設備学会学生研(b) 負荷抵抗 500 Ω時の出力電圧波形究発表会プログラム・予稿集，査読無， A-7 ，pp.13-14 ，八王子市学園都市センター(2020-12)3.

千葉

穣，米盛弘信：“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基礎研究 ”， 第12回大学コンソーシアム八王子
学生発表会要旨集，査読無， Q127
（ 2020-12 ）優秀賞(c) 負荷抵抗1kΩ時の出力電圧波形

4.

図2 負荷抵抗を変動させた際の出力電圧波形

中川湧貴，米盛弘信：“実機による全波整流型コッククロフト‐ウォルトン回路の高周波駆動に関するー検討 ”， 第12回大学コンソー
シアム八王子学生発表会要旨集，査読無，Q221 （ 2020-12 ）5.

中川湧貴，米盛弘信：“シミュレータによるスイッチング回路を付加した全波整流型コッククロフト - ウォルトン回路の動作解析 ”，
2020年（第38回）電気設備学会全国大会講演
論文集，査読無， pp.4-5 ，東京電機大学(2020-08)(a) 負荷抵抗を変動した際の出力 I-V 特性-147-

課題研究費実績報告書
令和 3 年 3 月 31 日現在

研究課題名：構図とそのメッセージに関する研究研究代表者：李 盛姫
小区分：デザイン学
１．研究計画の概要の向きには何らかの関連性があるはずだが，先行

美術やデザインなどで画面や空間を作り上げる 研究でははっきりと明らかにされていない．構図
ときに，画面がバランスよく見えるように配慮す が伝えるメッセージ性，また構図から我々が受けることを「構図」と呼び，その構図を決める一つ る印象について明らかにしていく．
の要素であるモチーフの向きによって，画面や空間全体から受ける印象が変化し，時にはモチーフ ２．課題研究の進捗状況及び達成度の向きから制作者の意図が推察できる．我々消費

美術やデザインなど画面や空間を作り上げると者が目にするデザインの事例から，多く使われて きに，構図設定のステップでは画面がバランスよいるモチーフの向き，構図を調べ，構図が何かを く見えるように配慮する．構図を決める一つの要伝える事，構図から何かが伝わる事を明らかにす 素であるモチーフの向きによって，画面や空間全る．それにより，モチーフの向きが持つ意味や， 体から受ける印象や意図が伝わる．構図は人に何広く構図自体が持つメッセージ性を，デザイン教 かをみて欲しいときに指差しをするのと同じよう育における教科用図書として活用することを目的 に，クリエーターの意思が反映されている．我々とする．

消費者が目にする機会の多いデザイン事例から多2020 年新型コロナウイルスの感染が日本にも く使われているモチーフの構図を調べ，構図が伝広がり，姿を描き写すと感染封じにつながると信 える事，構図からメッセージが伝わる事を明らか仰される妖怪が話題となった．特に全国各地で報 にする．分析方法として新聞広告を用いた．新聞
道された代表的な妖怪に「アマビエ」が挙げられ 広告は他の媒体より写真やイラスト表現が多く使る．アマビエは 1846 年瓦版に類する刷り物に絵 われ，向きに関する構図を明確に分析できる利点と文で記されており，肥後国（現、熊本県）の海 がある．新聞広告の中から 1931 年から 2019 年に現れた際に「病がはやる．私を写し人々に見せ までの毎日広告デザイン賞を分析対象とする．当よ」と言って消えたとされる．ここで注目したい 新聞広告賞は日本国内で新聞社が主催する広告賞のは，妖怪が写し出された向きである．向きには，の中でも最も長い歴史を持ち，一般部門の他に実正面・横・後ろ向きや真上・真下，やや斜め向き 際に新聞に掲載された広告を作品として審査する
等，様々な向きがある．アマビエの胴体はやや正 部門もあり，多角的な分析が可能であるためであ面，顔は右向きの真横で描かれてある．また，山 る．受賞作品からモチーフの構図分析が可能であ
梨県には「ヨゲンノトリ」という予言獣が伝わり，る事，単体のモチーフで構成されている事，向き
黒と白の二つの頭を持つ鳥は，右向きの真横に近 が明確である事，人物である事を条件として 10い構図で描かれてある．感染封じという人の願望 作品を選び， 5 作品を取り上げる． 10 作品の内，を表現するのに，横向きの顔が意味するものは何 正面向きが半分を示す 5 作品，横向きが 4 作品，
だろうか．さらに，洞窟壁画でも人間や動物が横 後ろ向きが 1 作品あった．下記，図 1 左画像は第を向いた構図で描かれている事が多いのは共通理

3 回（ 1933 年）商工大臣賞「髪洗い花王シャン

解として多くの人に共有されているだろう．さら プー」

齋藤梅夫の広告作品である．液状シャンにスコープを広げれば，舞台演劇においては人物 プーの初登場が 1930 年頃で花王石鹼（現在の花の向き（左右）によりその人物の感情を表すとい 王）がシャンプーを発売したのが 32 年である．
う活用もされているという．デザインにおいても，伝えたいメッセージと構図，中でも特にモチーフ-148-

で行く企業のメッセージを伝えている．視線の後ろは過去を表し，全面に広く余白をとった素直な構成に比べて，複雑なねらいが込められている印
象もしばしば受ける．

図1

構図分析 1 （正面顔）

1930 年は和装で髪をまとめて結い上げている女性が主流だった時代だが，ハイヒールに洋装，短い髪というハイカラないでたちのモダンガール（モガ）が流行した時代でもあり，特に長い髪をさらりと下ろしている人は少なかく髪を洗うことを指す「せんぱつ」ではなくて「あらいがみ」と読み，日本国語大辞典（小学館）では「洗った髪図2

構図分析 2 （横顔）を結わないで、そのまま解きさげたもの」という．
5 日に 1 回の頻度や男はシャンプーを使っていな

図 2 右画像は第 86 回（ 2018 年）広告主参加

かった時代だったため，時代を真っ直ぐに先取る 作品部最高賞，西野亮廣最新刊『新世界』である．
象徴としてターゲットイメージを描き，下ろした 本の表紙デザインと連動させ，著者本人の横顔をサラサラの髪になる商品のアピールとして，真正 大きく配置している．左右の余白を均等にせず，面向きの女性にメッセージを託していると考えら 後ろを狭くして，前を広くとり自然で素直な空間
れる．また， 1876 年頃制作されたルノワールの 落ち着いた表情になるため石膏デッサンなどの基「青い服を着た若い女」三重県立美術館所蔵のよ 本的な描写の構図ではよく使われる手法である．
うに絵画ではモチーフを見る角度で伝わるものが しかし，ここで注目したいのは，横向きである．
違うとされ，同じ高さをきりっと見つめると，乱 旧石器時代の人々が豊猟を願って描いたラスコー
れのない，理性的な強さが表現できる．しかし， 洞窟の壁画の動物たちのように横向きに配置して中立的な高さのため，表情が乏しく，曖昧になっ ある．目前の馬をモチーフに作品として描いていたりする．図 1 中央画像は第 44 回（ 1976 年） るのではなく，近い内に出会いたい狩りの情景を
公共福祉広告の部特選，テーマ「住む」の広告作 願い，イメージして表現しているかのように，こ品である．キャッチコピー「子どもたちのいる老 の作品のにも未来，新世界に対するねらいを横向人ホーム．おばあちゃんのいる保育園 ．
」 に登場 きに託していると考えられる．
するおばあちゃんを真正面向きに配置し和やかに

学生の実証実験では，本校デザイン学科 1 年生

訴え掛けている．図 1 右画像は第 45 回（ 1977

実技課題，自画像を描いてもらい検証をおこなっ

年）公共福祉広告の部特選，テーマ「教育」の広 た． 43 被験者に対し最も多い向きはやや斜め横告作品である．叱られている子供真正面全体像を 向きに正面視線であった．横向きや後ろ向きはゼ
モチーフとして捉えている．やや見上げる視線は，ロの意外の結果となった．
明るい希望や，憧れ，尊敬を表すとされている．
この場合はしっかりとお叱りを受け止め反省する
姿勢を構図で伝えている．図 2 左画像は第 78 回
（ 2010 年）経済産業大臣賞「キッコーマンしょうゆ」発売 50 周年アニバーサリー広告作品である．キッコーマンの卓上びんを擬人化し可愛らしいビジュアルに落とし込み，白い雪の背景を歩く子供の姿が印象的に映る．また，これからも歩ん

-149-

表1

自画像における構図分析

３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計1 件）[1] 芸術工学会 2021 年秋期大会にて発表予定〔その他〕（計1 件）[1]

Jilin Animation Institute （中国）特別講義
予定， 2021 年夏休み頃-150-

課題研究費実績報告書
令和３年３月３１日現在

研究課題名：Double-Pass Background Oriented Schlieren 法による超音速流中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
研究代表者：廣瀬裕介
小区分：流体工学関連
Udagawa, T. Inage, S.Kubota, K. Fujita, K.

１．研究計画の概要
本研究では，超音速流中にある円錐や球体とい

Ohtani, H. Nagai, Qualitative Density

った超音速飛行が考えられる模型周りに発生する

Measurement of Wake Region behind

密度変化を境界層も含めた高感度定量計測するこre-entery capsule: Improvements in Accuracyとを実現する．そのため，Background Orientedof 3D Reconstruction by Evaluating the

Schlieren 法を改良した新たな計測法である

View-Angle of Measurement System,

Double-Pass Background Oriented Schlieren

ICFD2020, CRF-57 , Sendai, Japan(October（ DPBOS ）法を考案した．本研究では考案した

2020)

新たな計測手法に関する実験を遂行するための装 2.

山岸雅人 , 田島滉大 , 門脇大介 , 長谷川廉 ,置の構築し，その性能試験を実施することを目的

小澤直輝 , 廣瀬祐介 , 稲毛達郎 , 太田匡としている．

則 , ”高感度定量密度場計測法の開発と風洞
実験”宇宙航行の力学シンポジウム(2020.12)

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 3.

倉田亮佑 , 廣瀬裕介 , 空き瓶パルスジェット

レンジと衝撃風洞の 2 種類が挙げられ，両者ともエンジンの燃焼時間向上を狙った実験 , 第構築を進めている．

12 回大学コンソーシアム八王子学生発表会 ,まず，バリスティックレンジについて説明する．

E122, 2020年 12 月 5 日

これは電気エネルギにより飛翔体を射出する装置 4.

森田迅亮 , 廣瀬裕介 , 電磁加速を用いたバリのことを表しており，本年度は回路設計のみなら

スティックレンジの開発 , 第 12 回大学コンず飛翔体加速用のレールや電気エネルギ貯蓄用のソーシアム八王子学生発表会 , F128, 2020 年

大型コンデンサを使用して実際にバリスティック

12 月 5 日

レンジを構築した．また，大型コンデンサ動作確
認用実験を実施し，電気エネルギの充放電が正常 〔受賞〕（計 1 件）に実施されていることを確認した．今後，更なる 1.

森田迅亮，廣瀬裕介，電磁加速を用いたバリ

事前準備を終えて，射出実験をする予定である．

スティックレンジの開発，第 12 回大学コン

衝撃風洞とはタンクに貯蓄した高圧ガスを急激に放出することで衝撃波を発生させる装置である．
本年度は配管設計を実施したため，今後は配管の接続を実施し，動作確認や性能試験を実施する予定である．
しかしながら，両者とも予定をしていた実際の動作や性能試験は未実施のため，今後も継続して同研究テーマに従事する予定である．
３．代表的な研究成果〔学会発表〕（計 4 件）
1.

M. Yamagishi, Y. Yahagi, M. Ota, Y. Hirose, S.

-151-

ソーシアム八王子学生発表会，準優秀賞