ISSN 2188-6679

110

JOURNAL OF TECHNOLOGICAL RESEARCHES
Society of Science and Engineering/Architecture and Environmental Design, Kanto Gakuin University

Vol. 63
March 2020

研

究

報

告

第 63 巻関 東 学 院 大 学 理 工 ／ 建 築 ・環 境 学 会

研

究

報

告

第 63 巻（通巻110号）
目

次

CONTENTS−研究論文−−Research Paper−

川 原 一 芳， 野 口 翔， 尾 之 上 さ く ら：Lactobacillus
fermentum のペプチドグリカンの調製と GC-MS による含有アミノ酸分析……………………………………………… 1

Kazuyoshi KAWAHARA, Sho NOGUCHI, Sakura ONOUE:
Preparation of peptidoglycan from Lactobacillus fermentum andanalysis of amino acids contained in it using GC-MS ……… 1

清 水 由 巳， 菅 原 友 好：Heparinase 遺 伝 子 ホ モ ロ グ はCryptococcus neoformans の DBB 染 色 反 応 に 必 須 で あ る………………………………………………………………… 5

Yumi SHIMIZU, Yuko SUGAWARA: Heparinase gene homolog
is essential for the DBB staining reaction in Cryptococcus
neoformans …………………………………………………… 5

髙橋 希恵，飯田 博一：anti-Bredt 化合物の合成と２次元
NMR による構造解析 …………………………………… 13

Kie TAKAHASHI, Hirokazu IIDA: Synthesis of anti-Bredt
compounds and structural analysis by 2D NMR ……………13

村山 優奈，赤瀬 麻衣，城戸 隆宏，松井 和則：大気焼
成中における SrAl2O4：Eu2＋蛍光体の作製とその発光特性……………………………………………………………… 19

Yuna MURAYAMA, Mai AKASE, Takahiro KIDO, Kazunori
MATSUI: Preparation and Photoluminescence Properties of
SrAl2O4: Eu2+ Phosphors Sintered in Air Atmosphere ………19

堀田 智哉，佐藤 純：大学のオープンキャンパスにおけるVR 技術の活用とその効果（機械学系の場合） ……… 23

Tomoya HOTTA, Jun SATO: Practical and Effect of Using VR
Contents on University's Open Day (In Case of Course in
Mechanical Engineering) ……………………………………23

山泉 凌，武田 克彦，伊東 和彦：オールド・ダットサン
から見る自動車技術の変遷（第二報）………………… 31

Ryo YAMAIZUMI, Katsuhiko TAKEDA, Kazuhiko ITO:Historical Transition of Automotive Technology Review throughthe Type 17 Datsun Second Report ……………………………31

岸田 晃直，三和 怜央，宮永 宜典：ディンプルを有する
平行平板軸受の流体潤滑特性の実験的検討…………… 39

Terunao KISHIDA, Reo MIWA, Norifumi MIYANAGA:
Experimental investigation of hydrodynamic lubrication
characteristics of dimpled parallel plate bearings ……………39

二瓶 美摘，三和 怜央，宮永 宜典：転がり軸受のトルクに及ぼすグリースレオロジーの影響…………………… 45

Mitsumi NIHEI, Reo MIWA, Norifumi MIYANAGA: Influence ofGrease Rheology on Frictional Torque of Rolling Bearings …45

小堤 望史，小松 隼人，鈴木 拓弥，内山 光夫：リン酸水溶液を用いた電解加工と陽極酸化の併用加工……… 51

Nozomi KODUTUMI, Hayato KOMATSU, Takumi SUZUKI,
Mitsuo UCHIYAMA: Combined Processing of Electrochemical
Machining and Anodic Oxidation Machining using Phosphoric
Acid Aqueous Solution ………………………………………51

石坂 雄平：ブロックチェーンに基づく学術論文アーカイブシステムの初期的検討…………………………………… 59

Yuhei ISHIZAKA: An initial consideration of an academic paperarchiving system based on blockchain ………………………59

岡本 教佳，髙橋 大介，岩佐 友希，中屋敷 かほる：可
視光画像による虹彩認証のための画像処理…………… 65

Noriyoshi OKAMOTO, Daisuke TAKAHASHI, Yuuki IWASA,
Kahoru NAKAYASHIKI: The Imaging Method for Iris
Certification Using Visible Image ……………………………65

神戸 渡，齋藤 智之：損傷を受けた筋かい耐力壁の接合部の補修方法に関する実験的研究─エポキシ系接着剤を用いた場合─…………………………………………………… 73

Wataru KAMBE, Tomoyuki SAITO: A REPAIRING METHODFOR JOINTS IN DAMAGED BRACE SHEAR WALLS-EXAMINATION USIG EPOXY ADHHESIVE- ……………73−研究ノート−−Research Note−野口 優志，山平 多恵子：神奈川県内における化学に対する高校生への意識調査と考察…………………………… 81

Yushi NOGUCHI, Taeko YAMAHIRA: A study of consciousness
investigation of chemistry among high school students in
Kanagawa prefecture …………………………………………81

Minato KAWAGUCHI, Hiroshi SATO, Iku MATSUMOTO,
Susumu TAKEMURA, Kentaro TAKAHASHI: Characteristics
of Heartbeat Activity of College-Age Shooters in Standing Rifle
Shooting ………………………………………………………89

理工 / 建築・環境学会「研究報告」投稿規程……………………………………………………………………………………………… 95

研究論文
1

Lactobacillus fermentum のペプチドグリカンの調製とGC-MS による含有アミノ酸分析
芳*
翔*
さくら *

川 原
野 口
尾之上

一

Preparation of peptidoglycan from Lactobacillus fermentum and analysis ofamino acids contained in it using GC-MS
by

Kazuyoshi KAWAHARA
Sho NOGUCHI
Sakura ONOUE
要

旨
Lactobacillus fermentum は，他の Lactobacillus 菌種のペプチドグリカン（PG）がジアミノ酸としてリシン（Lys）やジアミノピ

メリン酸（DAP）を含んでいるのに対して，PG 中のジアミノ酸としてオルニチン（Orn）を含んでいるという特有の性質を有している．L. fermentum の PG が示す免疫刺激活性を他の Lactobacillus 菌種の PG と比較するために，L. fermentum の PG を調製し，リゾチーム処理で可溶化し，その純度をアミノ酸分析を用いて調べた．アミノ酸分析はブチルエステル，N- トリフルオロア
セチル誘導体にしてガスクロマトグラフィー／マススペクトロメトリー（GC-MS）で分析した．可溶化した L. fermentum の PG
は同様に調製した L. plantarum PG と比較して，PG を構成するアミノ酸だけではなく，他のアミノ酸もいくつか含んでいたため，免疫活性をもつ何らかのタンパク質が混入していると考えられた．この研究の結果，Lactobacillus 菌種の PG の免疫活性を比較するためには，PG の調製法を検討する必要があることが示された．なお，GC-MS 分析において L. fermentum PG に含まれる Orn の誘導体はアスパラギン酸（Asp）の誘導体と分離ができないことがわかったため，
Orn を Asp と分離して検出するために，
メチルエステル，N- トリフルオロアセチル誘導体が使用された．

Abstract
Among Lactobacillus species, Lactobacillus fermentum has a unique position because it contains ornithine (Orn) in peptidoglycan (PG) as
diamino acid instead of lysine (Lys) or diaminopimelic acid (DAP), which are the constituents of that of other Lactobacillus species. In order tocompare the immunostimulating activity of PG from L. fermentum with those of other Lactobacillus species, PG of L. fermentum was prepared,solubilized by lysozyme treatment, and its purity was determined by the amino acid analysis. The amino acids were analyzed by gas-liquid chromatography/mass spectrometry (GC-MS) in the form of butyl ester, N-trifluoroacetyl derivatives. Compared with L. plantarum PG prepared by
the same procedure, the solubilized PG of L. fermentum still contained several amino acids in addition to those of PG constituents, indicating that
it is contaminated with some proteins that may have the immunostimulating activity. The present study suggested that the preparation procedureof PG should be improved for the comparative immunoactivity study of Lactobacillus PG. In GC-MS analysis, the butyl ester, N-trifluoroacetyl
derivative of Orn from L. fermentum PG could not be separated from that of aspartic acid (Asp) present in the same PG. To solve this problem,
methyl ester, N-trifluoroacetyl derivative was used to detect Orn separately from Asp.
Key Words: peptidoglycan, amino acids, GC-MS, Lactobacillus fermentum＊ 関東学院大学 ・ 理工学部 ・ 理工学科 ・ 生命学系

2019 年 12 月 24 日受理— 1 —関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

2
１．緒

言

で本研究では，ガスクロマトグラフィー（GLC）およびガ細菌の細胞表層には，グルコサミンの誘導体（N- アセチ

スクロマトグラフィー／マススペクトロメトリー（GC-MS）

ルグルコサミンと N- アセチルムラミン酸）が連なった糖鎖を用いたアミノ酸分析により PG 試料中のアミノ酸を定量とそれに結合したオリゴペプチド鎖から成るペプチドグリカ

し，試料の純度を調べることにした．

ン（PG）が存在しており，細胞構造を形作り，内部を保護する役割を担っている．特に，グラム陽性細菌では PG の層

２．材料と方法

が厚くペプチド同士が複雑な架橋構造を作っていることが２−１

使用菌株と培養方法

知られている1）．PG は免疫学分野では抗腫瘍活性やアジュ

PG の 調 製 に は L. plantarum NBRC 3070株 お よ び L.

バント活性などの多様な免疫活性を示す微生物由来成分とし

fermentum NBRC 15885株 を 用 い た． こ れ ら の 菌 株 をて古くから研究されていたが2），近年になって免疫担当細胞

Lactobacilli MRS Broth（Becton, Dickinson and Company,

内のレセプターである Nod1および Nod2により認識されて，Sparks, MD, USA）を用いて30℃で24 hr，振とう培養した．

炎症性サイトカイン産生を経て，免疫反応を活性化するこ
２−２とが知られるようになった3）．Nod2に認識される最少単位は

粗 PG の調製

N- アセチルムラミン酸（３位に乳酸が結合した N- アセチル

PG の調製は既報7）を改良した方法で行った．培養菌体をグルコサミン）の乳酸部分に結合した L- アラニンと D- イ

遠心分離により集め，蒸留水で一回洗浄した後に，約100 ml

ソグルタミン（ムラミルジペプチド，MDP）であることが培養液に相当する湿菌体を10 ml の蒸留水に懸濁し2 g のグ

わかっている．一方，Nod1は D- イソグルタミンとジアミノ

ラスビーズ（Sigma-Aldrich Co，St. Louis，MO，USA）を

ピメリン酸（DAP）が結合したジペプチド（iE-DAP）を認加えて，超音波ホモジェナイザー（超音波分散機 UH-300，

識して，炎症性サイトカイン産生へと導くことが明らかに

エスエムテー）で破砕した．破砕液を遠心分離（1500× G，なっている．ところが，全ての細菌菌種が DAP を有してい

5 min）して得られる上清を高速遠心分離（40,000× G，20

る訳ではないため，PG の種類によって，PG あるいはそのmin）し，この沈渣を凍結乾燥し，細胞壁画分とした．この部分構造が示す免疫活性に違いがあるのではないかと考えら

画分を４％ SDS に懸濁して100℃，1 hr 加熱し，その後上れる．

記の条件で高速遠心分離し，得られる沈渣を蒸留水で３回洗

我々はグラム陽性細菌のうち典型的な乳酸菌である

浄し，凍結乾燥した．次にこの試料を５％トリクロロ酢酸にLactobacillus 属の細菌を用いて PG の構造と免疫活性に関す

懸濁し100℃，1 hr 加熱した後，等量のクロロホルムを加える研究を行っているが，Lactobacillus 属細菌では PG に DAPてトリクロロ酢酸を抽出除去し，残った上清部分を高速遠心を有しているのは少数派であり，大部分は DAP の代わり分離（40,000× G，20 min）することにより得られる沈渣をのジアミノ酸として L- リシン（Lys）を有している．さら蒸留水で３回洗浄した．この沈渣をエタノールとジエチルに L. fermentum では，ジアミノ酸としては L- オルニチン

エーテルで順次洗浄し，風乾して，粗 PG とした．

（Orn）を有していることが報告されている4）．そこで我々は，
２−３

Lactobacillus PG に含まれるジアミノ酸の種類とサイトカイ

リゾチームによる可溶化とフェノール抽出による除タンパク質

ン産生誘導能の強さの関連性に興味を持ち，それぞれの PGが示す活性の比較を行ってきた．

粗 PG（約10 mg）をリゾチーム（卵白製，生化学用，富PG の免疫活性を調べる上で問題となるのは，PG が水に不士 フ イ ル ム 和 光 純 薬 ） 溶 液（1 mg/ml，50 mM Tris-HCl

溶性であり扱いが難しいこと，および PG 抽出の過程で PG

buffer，pH7.2）2 ml に懸濁し，37℃，2 hr 処理し，不溶物

5）と同様のサイトカイン産生誘導活性を示すリポペプチド がを除いた後，同じ緩衝液で3 ml に増量し，TE 飽和フェノー

混入する可能性が高いことである．この問題を解決するため

ル（富士フイルム和光純薬）1.5 ml，クロロホルム / イソアに我々はこれまでの研究で，PG をリゾチームで処理し，糖ミルアルコール（25：1）溶液1.5 ml を加えて振とうした後鎖部分を切断することで可溶化することに成功した．このに遠心分離して上清を採取した．これを透析し，フェノール

ような操作で得られる可溶化 PG はタンパク質をほとんど含を除いた後，凍結乾燥して可溶化 PG とした．

まないことが多く，PG の活性を比較する試料として適して２−４いることがわかっている．そこで Lactobacillus の３菌種（L.

アミノ酸の誘導体化

brevis，L. plantarum，L. fermentum）から得られた可溶化 PG

PG に含まれるアミノ酸の誘導体化は既報8）を参考に，以の IL-8産生誘導活性を測定し比較したところ，L. fermentum

下の方法で行った．粗 PG あるいは可溶化 PG 0.5 mg を6 M

由来の PG のみが他の２菌種由来 PG と比べて高い値を示す

塩酸中で加水分解（100℃，18 hr）して，得られた分解物の6）という意外な結果が得られた ．この原因は，L. fermentum

1/10をキャップ付き試験管にとり，ロータリーエバポレーの PG に含まれる Orn が活性に寄与しているか，あるいは

ターを用いて減圧乾固させた後，1.2 M HCl-butanol（ジー

用いた試料が他の PG に比べてリポペプチドのような活性をエルサイエンス）140 μl を加え，100℃，2 hr 加熱し，カ有するタンパク質を多く含むかであると考えられた．そこ

ルボキシル基をブチルエステル化した．反応後，減圧乾固し— 2 —Lactobacillus fermentum のペプチドグリカンの調製と GC-MS による含有アミノ酸分析

3のであることが判明した．

て試薬を除き，次にジクロロメタン400 μl，無水トリフル
オロ酢酸（ジーエルサイエンス）100 μl を加えて，150℃，

次に，Orn を Asp から分離して単独で検出するために，

10 min 加熱することによりアミノ基をトリフルオロアセチ

アミノ酸の誘導体として，カルボキシル基のブチルエステ

ル化した．反応後，ロータリーエバポレーターを用いて０℃

ル化ではなく，メチルエステル化を行うことを検討した．

で約4 min 減圧濃縮することにより未反応の無水トリフルオ

HCl-butanol の代わりに５％ HCl-methanol（国産化学）を

ロ酢酸を除き，反応生成物を適量のジクロロメタンに溶解し使用してメチルエステル化し，アミノ基はこれまでどおりトて分析用試料とした．

リフルオロアセチル化したところ，Fig.6に示したような誘

２−５

アミノ酸誘導体の分析

Glu

アミノ酸誘導体は GLC（装置：GC-2014S，島津製作所）
および GC-MS（装置：GC-MS QP2010Plus，島津製作所）

DAP

Ala

で分析した．分析には CBP1キャピラリーカラム（25 m，島津製作所）を用い，80℃から230℃までは５℃ /min，230℃
から300℃までは10℃ /min の昇温条件で分析した．
３．結

果

３−１

PG に含まれるアミノ酸の分析

Fig.1

L. plantarum と L. fermentum から得られた粗 PG と可溶化

Mass chromatogram of amino acid derivatives preparedfrom L. plantarum PG.
Ala, alanine; Glu, glutamic
Kawaharaacid;et al. DAP,
Fig. 1 diaminopimelic acid.

PG を加水分解し，含まれるアミノ酸を誘導体化して GLC
および GC-MS で分析したところ，粗 PG 画分にはどちらの菌の PG もグリシン（Gly），トレオニン（Thr），セリン（Ser），

Asp (Orn)

Ala

Glu

バリン（Val），イソロイシン（Ile）などのピークが検出され（図は省略），これらの PG に何らかのタンパク質が含まれていGlyることが示唆された．一方，L. plantarum の可溶化 PG につSerThr Val Ile

いては，Fig.1のマスクロマトグラムに示したとおり，アミノ酸誘導体としてはアラニン（Ala），グルタミン酸（Glu）
および DAP のみが検出された．なお Fig.1に見られるアミノ酸誘導体以外のピークについては，マススペクトルのデー

Fig.2

Mass chromatogram of amino acid derivatives preparedfrom L. fermentum PG.
Kawahara et al. Fig. 2
Ala, alanine; Gly, glycine; Thr, threonine; Ser, serine; Val,valine; Ile, isoleucine; Asp, aspartic acid; Orn, ornithine; Glu,glutamic acid.

Fig.3

Mass spectrum of the peak at 19.6 min in the chromatogramof amino acid derivatives prepared from L. fermentum PG.

タからアミノ酸とは異なる物質であることがわかり，試料あ
るいは試薬に含まれるタンパク質以外の不純物から生じたものであると推定された．これに対して，L. fermentum の可溶
化 PG は粗 PG と同様に，ペプチドグリカンの成分であるア
ミノ酸以外の Gly，Thr，Ser，Val，Ile などのアミノ酸を含んでいた（Fig.2）．従って，可溶化によって混入タンパク質は減少したものの，依然として混入タンパク質が含まれており，精製度が不十分であることが明らかになった．
３−２

Orn 誘導体の検出

4）L. fermentum の PG は Orn を含む ことが特徴であるが，Fig.2に示されたとおり，他の PG 由来のマスクロマトグラ
ムと比較して Orn と考えられるピークを見つけることがで

Kawahara et al. Fig. 3

きなかった．このため，Orn の標準物質（富士フイルム和光OO
F3C C HN (CH2)3 CH C O (CH2)3 CH3
NH
73
140
CO
MW 436
CF3純薬）について同様の誘導体を調製し分析したところ，マスクロマトグラムにおける保持時間は19.6 min でありアスパラギン酸（Asp）誘導体と同一であることがわかった．そこで，Fig.2でこの保持時間を示すピークのマススペクトルを再度詳細に検討した．その結果，Fig.3に示したように，
この19.6 min のピークが示すマススペクトルは Orn 誘導体

Fig.4（Fig.4）と Asp 誘導体（Fig.5）のスペクトルが重なったも— 3 —Mass spectrum of butyl ester, N-trifluoroacetyl derivative ofauthentic ornithine.

Kawahara et al. Fig. 4

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

4

H3C (CH2)3

O
O C

H2
C

73 101 240

えられる．この２つのフラグメントはメチルエステル誘導体

O
CH C
NH
CO
CF3

O (CH2)3 CH3のマススペクトル（Fig.6）にも全く同様に，同じ強度で見MW 341られるため，m/z 306はブチルエステル化あるいはメチルエ
ステル化されたカルボキシル基の脱離とフッ素の脱離で生じ240 101 73

るのではないかと推定された．このように Orn 誘導体は極めて特徴的なマススペクトルを与えるため，今後の研究におFig.5

いても L. fermentum PG の指標として使用できると考えられMass spectrum of butyl ester, N-trifluoroacetyl derivative ofauthentic aspartic acid.

る．

Kawahara et al. Fig. 5

謝OO
F3C C HN (CH2)3 CH C O CH3
NH
MW 394
CO
CF3
31
140

辞
以前の研究において大学院博士前期課程の学生として PGのアミノ酸分析法の確立に関わった宮本真理さんをはじめ，
これまでに PG の調製と免疫活性測定の研究にたずさわった
多くの学生の皆さんの協力に感謝致します．
なお，本研究の一部は理工／建築・環境学会の2017年度

Fig.6

研究補助金を用いて実施されました．この場を借りて深く感

Mass spectrum of methyl ester, N-trifluoroacetyl derivative ofornithine from L. fermentum PG.

謝致します．

Kawahara et al. Fig. 6

導体のマススペクトルが得られた．メチルエステル誘導体は

参考文献

ブチルエステル誘導体よりも低沸点の誘導体となるため，濃１）Ratledge, C. and Wilkinson, S. C.: An overview of

縮等の操作の途中で失われ易く定量的な誘導体化は難しいと

microbial lipids, In: Microbial lipids Vol. 1. （Eds

思われるが，上記の結果により，L. fermentum PG におけるRatledge, C. and Wilkins, S. G.）, pp1-22, Academic

Orn の存在を確認することができた．

Press, London,（1988）．
２）小谷尚三，高田春比古：細菌細胞壁ならびに関連する合４．考察

成標品（ムラミルペプチド）の免疫薬理作用，薬学雑誌，
103，1，pp1-27，（1983）．

Lactobacillus 属菌種の PG が示す IL-8産生誘導活性の比較
6）により，L. fermentum の可溶化 PG が高い免疫活性を示した

３）Inohara, N., Chamaillard, M., McDonald, C., Munez, G. :ため，この PG に興味が持たれたが，本研究の結果，この可NOD-LRR proteins: role in host-microbial interactions

溶化 PG にはまだ何らかのタンパク質が混入していることがand inflammatory disease, Ann. Rev. Biochem., 74, pp355-

明らかになった．調製操作の途中でフェノール抽出を行って383（2005）．

いるため，可溶化に使用したリゾチームや通常のタンパク質４）Schleifer, K. H. and Kandler, O., Peptidoglycan typesは除去できるはずである．従って，他の Lactobacillus 菌種とof bacterial cell walls and their taxonomic implications.

比べ，L. fermentum PG には PG と強く会合するタンパク質

Bacteriol. Rev., 36, 4, pp407-477（1972）．

が多いのではないかと推定される．今後 IL-8産生活性に対５）柴田健一郎：微生物由来リポタンパク質・リポペプチドする Orn の影響を調べるためには精製法の検討と改良が必の免疫生物学的活性と自然免疫系による認識，日本細菌要とされるので，プロテアーゼの使用等による精製法を検討

学雑誌，62，3，pp363-374（2007）．

していく予定である．なお，本研究により GC-MS を使用し

６）野口翔，柴田夕夏，玉置悦朗，長澤将太，有路沙織，川た PG のペプチド分析は PG の純度を評価する方法として有原一芳，尾之上さくら：乳酸菌ペプチドグリカンのペプ

効であることが示された．他の菌体成分の免疫活性を検討す

チド組成と免疫活性の関連性，2019年度関東学院大学理る際にも，本研究で確立されたアミノ酸分析の方法は純度検工／建築・環境学会研究発表講演論文集，pp4-5，（2019）．

定法として有効であると考えられる．

７）横田明，高島昌子：細胞壁およびペプチドグリカンの調

Orn 誘導体は標準物質のマススペクトルとの比較により同製，「微生物の分類・同定実験法」（鈴木健一朗、平石明、定した．Orn のブチルエステル，N- トリフルオロアセチル

横田明

誘導体は，Fig.4に示したように主要ピークが m/z 166であ編），pp100-117，シュプリンガー・フェアラー

ク東京，東京，（2001）．

り，これに加えて小さな m/z 306のフラグメントが見られる

８）吉田雅彦，米田勤，石原義雄：タンパク質構成アミノだけの単純なスペクトルであった．この両者の質量差は140酸のガスクロマトグラフィー，北大水産彙報，28，3，

マスユニットであるため，m/z 306からトリフルオロアセチ

pp165-173（1977）．

ル化されたアミノ基の脱離により m/z 166が生じていると考

— 4 —

研究論文
5

Heparinase 遺伝子ホモログは Cryptococcus neoformans の DBB 染色反応に必須である
清
菅

水
原

由
友

巳*
好*

Heparinase gene homolog is essential for the DBB staining reaction in Cryptococcus neoformansbyYumi SHIMIZU
Yuko SUGAWARA要旨
ビス o- ジアニシジン（ジアゾ化）亜鉛複塩（以下 DBB とする）による担子菌酵母の DBB 染色は，酵母分類学的手法の１つとして知られているが，この染色により担子菌酵母の何が染色されているか解明されていない．メカニズムを解明するために，
分子生物学的手法が利用可能な担子菌酵母 Cryptococcus neoformans を用いた．Agrobacterium 形質転換により C. neoformans 野生株
を用い遺伝子変異株ライブラリーを作製した．およそ10,000個の変異株のコロニーについて DBB 染色したところ，２コロニーが DBB 非染色株として得られた．得られた２コロニーうち DBB 染色がより薄かった１コロニーについて遺伝子変異部位を特定したところ，heparinase をコードする遺伝子と相同性が高い配列が破壊されていた．この遺伝子を heparinase 遺伝子ホモログとし，C. neoformans の野生株から heparinase 遺伝子ホモログの遺伝子欠失株を作製した．作製した heparinase 遺伝子ホモログ欠失株の表現型を解析したところ，DBB 非染色であり，さらに C. neoformans の特徴である莢膜の厚さが野生株と比較し薄くなることが判明した．このことから，heparinase 遺伝子ホモログは DBB 染色に関与する遺伝子であり，莢膜形成にも関わることが明らかとなった．

キーワード：Cryptococcus neoformans，DBB染色，heparinase

Abstract
3,3’-dimethoxy-[1,1’-biphenyl]-4,4’-bis (diazonium) tetrachlorozincate (DBB) can be used to distinguish basidiomycetous yeasts from ascomycetes, otherwise the molecular targets of the DBB staining has yet been unknown. We used Agrobacterium tumefaciens-mediated insertionalmutagenesis to Cryptococcus neoformans, a model basidiomycetous yeast for molecular biological study to clarify DBB staining mechanisms.
We isolated two negative DBB staining mutants from about 10,000 mutants. One of them, which showed the clearer DBB staining negative
phenotype than the other, was further analyzed. We found that a gene putatively encoding a heparinase was interrupted by the T-DNA insertion.
A complete gene knockout of the heparinase homologous gene revealed that the gene was responsible for DBB staining in C. neoformans. We
also found that the gene played a role in controlling the capsule formation.

＊ 関東学院大学理工学部

2019 年 3 月 11 日受理— 5 —関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

6
１．はじめにTable 1

Strains used in this study

Speicies

酵母分類学的手法の一つである，o- ジアニシジンビス亜Strain numbers and genotype Origin

Agrobacterium EHA105, pPZP-NEO1
tumefaciens

鉛複塩（以下 DBB とする）によるコロニー染色は，子嚢菌・担子菌の識別法として経験的に利用されてきた．DBB 染色

Walton et al.,2005 16）

Cryptococcus B4500, wild type, serotype Kwon-Chung et
neoformans
D, mating type αal., 1992 17）により子嚢菌酵母は染色されないが，担子菌酵母はいずれも赤色を呈す．ところが，この担子菌酵母の DBB 染色メカニ
ズムの詳細は明らかになっていない．そこで，DBB 染色メ
カニズムを解明することにより子嚢菌類と担子菌類の生物学的相違点を見いだすことを目的としている．
担 子 菌 酵 母 Cryptococcus neoformans は 動 物， 植 物 と 同 じ
真核生物の一つであり，真菌類の担子菌門に分類される出芽酵母である．細胞の形態が円形または卵形（直径４−８µm）の単細胞性の生物であり，出芽により無性的に増殖する．これに加え，担子胞子形成を伴う有性世代を持つ．C.
neoformans は，人獣共通感染症の一つ，クリプトコッカス症の起因菌としても知られており，特に欧米では発生率のKN3501a, wild type,
serotye D，mating type aNielsen et al.,2005 18）

KN3501α, wild type,
serotye D，mating type αNielsen et al.,2005 18）

DBB16-6, ∆hep::T-DNA,mating type αThis study

TS1, ∆hep::NEO, matingtype αThis study

TS2, ∆hep::NEO, matingtype αThis study

上昇が著しく，クリプトコッカス症が重要な問題となって，15 gL-1 agar］培地［24 gL-1 potato dextrose broth（Difco）

いる1）．本菌は細胞の周りに厚い莢膜を持つことが特徴でを用いた．

ある1）．莢膜を欠く変異株をマウスに接種すると，その病C. neoformans の形質転換体の獲得には，YPD 平板培地症が著しく現れにくくなることから，この莢膜は病原性に，10 gL-1 polypeptone，［10 gL-1 Bacto yeast extract（Difco）

2）

関係しているとされている ．莢膜の主要構成成分は，中10 gL-1 glucose，20 gL-1 agar］ 用 い た． 必 要 に 応 じ て0.2性または酸性ヘテロ多糖であるグルクロノキシロマンナン

mgL-1となるよう Geneticine selective antifiotic G418 sulfate（glucronoxylomannan：GXM）であり，細胞内で合成された後，（ThurmoFisher）を加えた．

細胞外に分泌され，糖鎖伸長により莢膜を厚くする．この厚有性生殖誘導培地には干し草煎汁寒天培地を用いた．干しい莢膜を持つことで宿主の免疫防御を回避すると考えられて草ブロック50 g を800 mL の蒸留水で30分間煮沸した後，ろいる3）．このように，C. neoformans の病原性について分子生過して得られた煎汁に2 g の K2HPO3を加え pH 6.2に調整後，物学的手法を用いた研究がなされているが，莢膜合成メカニ

蒸留水で1000 mL とした．できた干し草煎汁に寒天を20 g

ズムや病原性について不明な点がまだ多い．

加えオートクレーブ後，シャーレに分注し平板培地とした．

Heparinase は，ヘパリン，へパラン，ヘパリン硫酸を分莢膜誘導培地には，サブロー液体培地（Nippon Becton,

解する多糖リアーゼである4）～6）．ヘパリン，へパラン，ヘDickinson Company, Ltd）を10倍に希釈し用いた．

パリン硫酸は，ヘキソサミンとウロン酸よりなる酸性多糖で

A. tumefaciens, E. coli の継代には，LB 培地［5 gL-1 Bactoあり，ヒトでは，細胞表面に存在し，細胞の接着，増殖，分5 gL-1 NaCl］を用い，
yeast extract（Difco），
10 gL-1 Tryptone，化に関与するだけでなく，ウイルスの宿主細胞への接着の際，平板培地の作製にはさらに20 gL-1 agar を加えた．必要に応

宿主細胞表面のへパランがウイルスのレセプターとなるこ

じ Kanamycin を25 µgmL-1となるよう添加した．

とが明らかになっている4）～8）．これら，ヘパリン，へパラ
２．
２

ン，ヘパリン硫酸を分解する heparinase は，Flavobacterium

Agrobacterium 法による C. neoformans の形質転換

heparinum から発見されて以来，多くの研究がなされていAgrobacterium 法 に よ る C. neoformans の 形 質 転 換 はる9）～11）．真菌では，病原菌 Trichospron asahii，C. neoformans

Shimizu らの方法14） により行った．A. tumefaciens EHA105

から，プラスミンの前駆体であるプラスミノーゲンと結合す（pPZP-NEO1）は25 µgmL-1 Kanamycin 添加 LB 培地を用いるタンパク質として，heparinase が同定されている12），13）．

て24℃で一晩培養した．遠心分離により菌体を回収し滅菌蒸本研究では，分子生物学的手法を用いることができる担留水で洗浄後，液体 IM 培地に懸濁し OD（λ＝660nm）＝0.15

子菌酵母 C. neoformans の遺伝子変異株から DBB 非染色株となるように調製した．さらに24℃で OD（λ＝660nm）＝0.6

をスクリーニングし，DBB 染色に関与する遺伝子としてとなるよう約６時間培養した．

heparinase 遺伝子ホモログが得られたことを報告する．

C. neoformans B4500株は YPD 液体培地を用いて30℃で一晩培養後，菌体を遠心分離により回収した．上清を捨

２．実験方法

て，細胞を滅菌蒸留水で洗浄後，液体 IM 培地に懸濁し1

２．１

×106−1×108 cells mL-1になるよう調整した．調整した A.

使用菌株と培地

本研究で用いた菌株は Table1にまとめた．

tumefaciens と C. neoformans を等量ずつ混和し，１％から６％

C. neoformans の菌の継代には Potato Dextrose Agar
（PDA）の寒天を含む IM 培地に１枚あたり６ヶ所に100 µL ずつ植— 6 —Heparinase 遺伝子ホモログは Cryptococcus neoformans の DBB 染色反応に必須である

２．
４

菌した．24℃で９日間共培養後，培地上に出現したコロニー

7

C. neoformans の菌体からの DNA 抽出-1-1
を 掻 き 取 り PBS Buffer（0.14 molL NaCl，30 mmolL

菌を PDA 培地に植菌し３日間25℃で培養後，１白金耳

KH2PO4，70 mmolL-1 Na2HO4，pH 7.2）に懸濁した．13,200を500 µL の Extraction Buffer（0.1 M Tris-HCl，40 mMrpm，５分間の遠心分離により C. neoformans を沈殿させ，A.

EDTA，pH 9.0）に懸濁した．100 µL の10％ SDS，300 µL

tumefaciens を除いた．PBS Buffer に再懸濁したのち，G418の塩化ベンジルを加え，ボルテックスで懸濁した．懸濁液

添加 YPD 寒天培地に移植し，30℃で３日間培養した．

を65℃ 25分間処理後，４℃で10分間，12,000 rpm で遠心分離を行い，700 µL の上清を回収した．上清に70 µL の3M

２．３

TAILPCR 法による T-DNA 挿入部位の同定
15）

酢酸ナトリウムを加え，770 µL のイソプロパノールを加えに 従 っ て 行 っ た．

てボルテックスした．12,000 rpm で４℃，10分間遠心分離

DBB16-6株のゲノム DNA を鋳型として用い，任意の配列をし上清を除去後，沈殿に70％ エタノールを加え撹拌した．

有するプライマー oligoAD3，および T-DNA 内の配列から12,000 rpm，４℃，10分間遠心分離後，上清を捨て50 µL の構築したプライマー oligoTAILKS3により PCR 反応を行っ

TE（pH 8.0）に溶解した．

TAIL PCR 法 は Liu ら の 方 法

た（第一 PCR 反応）．第一 PCR 反応によって得られた反応
２．
５

液を40倍希釈し，そのうち1 µL を鋳型 DNA として用いた．

遺伝子破壊カセットの作製

プライマーは oligoAD3および oligoTAILKS4を用い PCR 反Heparinase 遺伝子欠失株作製のための遺伝子破壊カセッ

応を行った（第二 PCR 反応）．さらに第二 PCR 反応によりト を 作 製 し た．C. neoformans の ゲ ノ ム DNA を 鋳 型 に，得られた反応液を40倍希釈し , そのうち1 µL を鋳型 DNA と

heparinase 遺伝子ホモログの遺伝子座から上流およそ1 kbp

して用い，oligoAD3および oligoTAILKS5により PCR 反応と下流1 kbp を PCR 増幅した．使用プライマーは NEO 遺を行った（第三 PCR）．第三 PCR 反応終了後の反応液をア

伝子の配列を一部含むように設計したプライマー5'hepa（d）

ガロースゲル電気泳動により DNA 断片の増幅を確認し，増-Neo プ ラ イ マ ー と5'heparinase プ ラ イ マ ー， 及 び NEO 遺幅が認められたものについては BigDye ver3シーケンスキッ

伝子の配列を一部含むように設計した Neo-3'hepa-（u）プト（アプライドバイオシステムズ）を用いて塩基配列解析

ラ イ マ ー と3'heparinase プ ラ イ マ ー を 使 用 し た．NEO 遺を行った．得られた塩基配列データを用いて BLAST 解析

伝 子 の 増 幅 は，pKIS611の プ ラ ス ミ ド DNA を 鋳 型 と し，を行い，C. neoformans ゲノム塩基配列データと比較するこNATNEOHYG. LP プ ラ イ マ ー と NATNEOHYG. UP プ ラとにより T-DNA 挿入部位を特定した．PCR 反応条件は，イマーを使用した．KAPA Tag（日本ジェネティクス社）を

Shimizu らの方法14） に従った．用いたプライマーの配列は使用し，PCR 反応は95℃３分の DNA 変性処理後，95℃ 15

Table2に示す．

秒，60℃１分，72℃３分の反応を１サイクルとして，30サ
イクル行い，その後72℃ 10分の反応を行った．PCR 産物
は EZ-10 Spin Column PCR Products Purification Kit（BioTable 2

basic Inc）を使用し，その取扱説明書に従い精製した．精製

Primers used in this study.

Primers

Sequences

した３種類の DNA 断片の混合液を鋳型とし，5'heparinaseoligoAD3

WGTGNAGWANCANAGA

プライマーと3'heparinase プライマーにより KOD FX NeooligoTAILKS3

CCTGTGTGAAATTGTTATCCGCTCA（Toyobo）を用いて PCR 増幅することにより３種類の DNA

oligoTAILKS4TCACATTAATTGCGTTGCGCTCACT

断片を連結した．PCR 反応は95℃２分の DNA 変性処理

oligoTAILKS5AGAGGCGGTTTGCGTATTGGCTAGAの後，95℃１分，55℃１分，68℃３分の反応を１サイクル

5'- heparinase

ACGGTATCGATAAGCCGGTACTGGAとして，30サイクル行い，その後68℃ 10分の反応を行っ

CATGCTGACAた．得られた PCR 産物はアガロースゲル電気泳動法によ5'- hepa(d)-Neo TTTCTACATCTCTTCGGCGGACAGC
Neo-3'hepa-(u)3'heparinase

り 産 物 の 有 無 と サ イ ズ を 確 認 し た．PCR 産 物 は，EZ-10

AACGCAAGAG

Spin Column PCR Products Purification Kit で 精 製 後， 遺TCCAGCTCACATCCTAGCGGCAGAA

伝子破壊カセットとして用いた．用いたプライマーの配列は

TGAAAGGCAG

Table2に示す．

GGTGGCGGCCGCTCTGCTATCAAAC
ATGATTGTTA

２．
６NATNEOHYG. AGGATGTGAGCTGGAGAGCG
LP

C. neoformans 野 生 株（ 交 配 型 α） に パ ー テ ィ ク ル ガ ン
法を用いて破壊カセットの導入を行った．遺伝子導入に

NATNEOHYG. GAAGAGATGTAGAAACTAGC
UP
hepa_check_F

TATATACTGACATACTGCGTAGTGCA

hepa_check_R

TATCTTAAAGGAATCAGACCAGCTT

遺伝子破壊カセットの導入

は，Biolistic PDS-1000/He Particle Delivery System（BioRad）を用い，その取扱説明書に従った．C. neoformans の細胞に DNA 破壊カセットが付着している金粒子を打ち込むことにより遺伝子導入後，菌体を G418添加 YPD 寒天培地で— 7 —関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

8

25℃，48時間培養を行い，形質転換体を得た．ゲノム DNA

進めた．DBB16-6株のゲノム DNA を抽出し，TAIL-PCR

上の予定遺伝子導入位置の外側にプライマー hepa_check_F

法により T-DNA 領域の挿入部位の周辺部位を増幅した．こおよび hepa_check_R を設計し，遺伝子破壊カセットの有無の PCR 産物についてシーケンス解析を行い，ゲノム上の変を確認した．PCR 反応は KAPA Taq を用い，95℃２分の

異領域を同定した．得られた塩基配列データをクリプトコッ

DNA 変性処理の後，95℃２分，55℃１分，72℃２分30秒の

クスゲノムデータベースと比較した結果，T-DNA 領域は，反応を１サイクルとして，35サイクル行い，その後72℃ 10

第３番染色体の CNN03380とタグが付された遺伝子領域に分の反応を行った．用いたプライマーの配列は Table2に示挿入されたことがわかった．CNN03380の塩基配列を用い，す．

BLAST 検索を行った結果，CNN03380は他の生物で同定されている heparinase 遺伝子と相同性を持つことがわかった．

２．７

DBB 染色

今回同定した遺伝子を heparinase 遺伝子ホモログとし，さYPD 液体培地，1 mL で菌を72時間25℃，125 rpm で振らに解析を続けた．

とう培養後，滅菌した1.5 mL チューブに培養物全てを移３．
２

し，遠心分離により集菌した．上清を除き，沈殿に1 mL の-1

遺伝子破壊カセットの作製

0.25 molL Tris-HCl（pH 7.5）を加え，懸濁した懸濁液を

C. neoformans B4500株の染色体上にある heparinase 遺伝

14,000 rpm で５分遠心分離を行った．上清を除き，1 mL の子の遺伝子座から上流およそ1 kbp と下流1 kbp の DNA 断

DBB 染 色 液［0.25molL-1 Tris-HCl（pH 7.5），1 gL-1 o- ジ

片で G418耐性遺伝子（NEO）を中央に挟み込むように繋げアニシジンビス亜鉛複塩］を加え懸濁後，14,000 rpm, で５た heparinase 遺伝子ホモログ遺伝子破壊カセットの作製を分間遠心分離し集菌した．上清を除き，1 mL の0.25 molL

-1

行った（Fig.1）．

Tris-HCl を加え，14,000 rpm で５分遠心分離し上清を除去

C. neoformans B4500株 の heparinase 遺 伝 子 ホ モ ロ グ の後，菌体の色を観察した．

遺伝子座から上流およそ1 kbp と下流1 kbp を PCR 増幅した．NEO 遺 伝 子 は pKIS611プ ラ ス ミ ド DNA を 鋳 型 に し

２．８

交配試験

PCR 増幅した．それぞれの PCR 産物をアガロースゲル電

干し草寒天培地上で，heparinase ホモログ遺伝子破壊候

気泳動法により確認した結果，NEO 遺伝子である1.8 kbp，

補株と C. neoformans KN3501（交配型 a）の細胞を混合し，

heparinase 遺伝子ホモログの遺伝子座から上流およそ1 kbp

25℃で１週間培養した．形成された担子胞子を，G418添加と下流1 kb の DNA 断片が増幅されたことを確認した．これYPD 寒天培地に植菌し25℃で48時間培養した．培養後，コら３種類の DNA 断片を PCR により連結後，PCR 産物をア

ロニーを DBB 染色し，写真撮影した．

ガロースゲル電気泳動により確認したところ目的の産物が得られた．これを遺伝子破壊カセットとし，C. neoformans 形

２．９

莢膜の顕微鏡観察

質転換実験に用いた．

菌を10 mL の YPD 液体培地を用い，30℃で24時間，120３．
３rpm で振盪培養した．培養液を遠心分離により，上清を除

遺伝子欠失株の獲得

去し回収した菌体を10倍に希釈したサブロー液体培地で洗C. neoformans B4500に heparinase 遺伝子ホモログ破壊カ

浄後，10倍に希釈したサブロー液体培地で細胞を懸濁し，セットを導入し，G418含有培地にてスクリーニングした

O.D.600 nm で1.4に懸濁を調整した細胞懸濁液をプラスチッ

ところ，18個のコロニーを獲得した．すべてのコロニーをクシャーレに20 mL ずつ分注し30℃で24時間培養した．培G418含有培地に再度植菌後，DBB 染色を行った．その結養後，培養液と墨汁を等量混和し，顕微鏡下で観察した．

果，DBB 染色で赤色を呈さない遺伝子欠失候補株２株を獲得した（Fig.2）．それらのゲノム DNA を鋳型として hepa_

２．10

ウレアーゼ活性測定

cheak_F および hepa_cheak_R を用いて PCR を行った結果，ウレアーゼ活性はクリステンゼン尿素培地（栄研化学）を

heparinase 遺伝子ホモログがマーカー遺伝子（NEO）に置換用い，その取扱説明書に従い検出した．

されたと考えられるサイズの PCR 産物を与えた．すなわち，野生株の PCR 産物5.8 kbp が確認されたのに対し，２つの３．実験結果遺伝子欠失候補株では，heparinase 遺伝子ホモログ欠失株で３．１

DBB 非染色株の取得と TAIL PCR 法による T-DNA

は3.8 kbp であった（Fig.3）．この株を TS1，TS2とし，以挿入部位の同定

下の実験に使用した．TS1株の細胞，あるいは TS2株の細Agrobacterium 形質転換により C. neoformans B4500株を用胞と野生株の細胞を混合し交配させ，担子胞子を形成させた．

い遺伝子変異株ライブラリーを作製した．およそ10,000個の得られた担子胞子を用いて四分子解析を行った．四分子解析

変異株のコロニーについて DBB 染色したところ，２コロニー

により，heparinase 遺伝子ホモログ破壊カセットが野生株のが DBB 非染色株として得られた．これら２コロニーのうち，

ゲノム DNA 上に１か所にのみ挿入されていれば，G418添加

より DBB 染色されなった DBB16-6についてさらに解析を培地で生育できる担子胞子は，すべて DBB 染色されないは— 8 —Heparinase 遺伝子ホモログは Cryptococcus neoformans の DBB 染色反応に必須である

9

Fig.1 Construction of Heparinase homologous gene destructive cassette.

A

B

C

D

Fig.1
ConstructionofHeparinasehomologous

gene

destructive cassette.

Fig.2

Gene disruption of heparinase homologous gene in
Cryptococcus neoformans. The heparinase homologous geneof wild-type was replaced by a G418 resistant gene cassette(NEO) in the deletion strain. Those transformants were not
F i g . 2stained with DBB (A and B). Wild-type was stained with DBB(C), and Saccharomyces cerevisiae strain was not stained
G e n ewith
d iDBBs r ubecause
p t i o nthisostrainf h eispan
a rascomycetous
i n a s e h oyeastm o(D).
logous

Fig.3

Gene disruption of heparinase homologous gene in
Cryptococcus neoformans. Gene knockout was confirmed
g e n e i nby PCR with primers outside the deletion construct for 2
transformants. Positions of the respective wild-type (5.8 kbp)
F i g .(3.8
3 kbp) alleles are indicated at right. Those
ずである．TS1と野生株との交配からは30個，TS2と野生株
Cryptococcus
neoformans.
Theh e p a r i n a s eand knockouttransformants were having 3.8 kbp PCR fragments (lanesの交配からは38個の G418添加培地で生育できた担子胞子をe n e1 showsd i s r usize
p t i omarker
n o f andh e planea r i n2ashowss e h oPCR
mologous gene i3 and 4). GLane
h o m o l o g o u s DBB
g e n 染色を行った．その結果，赤色を呈
e of wild-type was replaced by a
獲得し，それぞれ
product for wild-type strain.
Cryptococcus neoformans. Gene knockout wa

したコロニーが TS1からは2コロニーであったが，TS2 からG418 resistant gene cassette (NEO) in the deletion

ぞれ培養し，墨汁染色後，莢膜を顕微鏡で観察した結果，confirmed by PCR with primers outside the deletio

は８コロニーであった（Fig.4）．よって，TS1を heparinase

TS1では莢膜の厚さの減少が確認された遺伝子ホモログ欠失株として用いることとした．
s t r a i n . T h o s e t r a n s f o r m a n t s w e r e n o t s t a i n e d野生株と比較して
withconstructfor2transformants.

Positions（Fig.5）．ウレアーゼ産生菌は尿素を加水分解し，アンモニ

ofthrespective wild-type (5.8 kbp) and knockout (3.
D B４B (heparinase
A a n d B遺伝子ホモログ欠失株の表現型解析) . Wi l d - t y p e w a s s t a i n e d w i t h D B B(C),
アを産出するため，クリステンゼン培地はピンク色に変色す
３．

C. neoformans の特徴として，莢膜形成，ウレアーゼ活性

andSaccharomyces

cerevisiae

strainを有することなどが知られている．そこで heparinase 遺伝
子ホモログ欠失株を用い，莢膜の顕微鏡観察，ウレアーゼ活

stainedwith性試験を行った．

DBB

becausethis

るが，野生型株，TS1共にピンク色を呈し，ウレアーゼ活性kbp)
allelesareindicated
atright.

was

not

Thos

が認められた（Fig.6）．このことから，heparinase 遺伝子ホ

straintransformants were having 3.8 kbp PCR fragmentiモログは，ウレアーゼ活性には関与しないが，莢膜形成に関s anTS1をそれa s10倍に希釈したサブロー液体培地で野生株とcomycetous yeast (D).

(lanes 3 and 4). Lane 1 shows size marker and lan
与することが判明した．
2 shows PCR product for wild-type strain.

— 9 —関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

10

Fig.4

Basidiospores were formed by mating wild type haploid strain and TS1 or TS2 strains. Isolated basidiospores were grown on the YPD agar
medium containing G418 at 25°C for 2d (Left picture), and then were stained with DBB (Right picture). The wild type strain of S. cerevisiae
or C. neoformans was used as negative control or positive control, respectively.

Fig.4
Basidiospores were formed by mating wild type
haploid strain and TS1 or TS2 strains. Isolated
basidiospores were grown on the YPD agar medium
containing G418 at 25C for 2d (Left picture), andthen were stained with DBB (Right picture). The
wild type strain of S. cerevisiae or C. neoformans
was used as negative control or positive control,r e s p e c t i v e l y.
Fig.5

Visualization of capsule by India ink staining. Left side shows cells of wild type strain, and right side shows cells of TS1.
A

Fig.5
B

C

４．考

察

Vi s u a l i z a t i o n o f c a p s u l e b y I n d iC.
a ineoformansn k s t a i遺
n i伝
ng
L異
e f株
t ライブラリーから選別した子. 変
DBB 非染色株，DBB16-6の遺伝子変異部位を特定したとside shows cells of wild type strain, and right side

ころ，T-DNA は C. neoformans 第３番染 色体の CNN03380

shows cells of TS1.

とタグが付された遺伝子領域に挿入されたことがわかった．
CNN03380の塩基配列を用いた BLAST 検索で，他の生物の heparinase 遺伝子が相同性のあるものとして検索されてき た． し か し な が ら，CNN03380か ら の ア ミ ノ 酸 配 列 と，
Flavobacterium heparinum の heparinase のアミノ酸配列とは16％の類似性しかなかった．また，T. asahii の heparinaseの ア ミ ノ 酸 配 列 と は26 ％ の 相 同 性 が あ っ た．T. asahii や
C. neoformans の heparinase は， プ ラ ス ミ ノ ー ゲ ン に 結 合

Fig.6

Effect of gene disruption of heparinase homologous gene on
urease activity. Wild type strain (A) and TS1 strain (B) haveFig.6
urease activities.
The media on which no cell was cultured
did not turn the color to pink (A).

するタンパク質として分離されたが，これらの酵素をコードする遺伝子の欠失株を用いた heparinase の機能解析はな
されていない12），13）．このことから，今後は，本研究で得Effect of gene disruption of heparinase homologous

g e n e o n u r e a s e a c t i v i t y. W i l d t y p e s t —r a i10n (—A) andTS1 strain (B) have urease activities. The media on
which no cell was cultured did not turn the color toHeparinase 遺伝子ホモログは Cryptococcus neoformans の DBB 染色反応に必須である

11

た heparinase ホモログ遺伝子欠損株を用い，この遺伝子が参考文献

heparinase をコードする遺伝子なのか，また，heparinase を１）Perfect, J. R. and Casadevall, A.: Cryptococcosis. Infect.
Dis. Clin. North. Am., 16, pp837-874（2002）．

コードするのであれば，プラスミノーゲンの分解，莢膜形成，

２）Chang, Y. C.，Penoyer, L. A. and Kwon-Chung, K. J.

DBB 染色との関係について解明する予定である．

: The second capsule gene of Cryptococcus neoformans,

heparinase は，ヘキソサミンとウロン酸よりなるヘパリン，
4）～6）

へパラン，ヘパリン硫酸を分解する多糖リアーゼである．

CAP64, is essential for virulence. Infect. Immun., 64,

他方，莢膜の主要構成成分は，中性または酸性ヘテロ多糖のpp1977-1983（1996）．

グルクロノキシロマンナンであり，細胞内で合成された後，３）Perfect, J. R., Wong, B., Chang, Y. C., Kwon-Chung, K. J.

細胞外へ放出され，糖鎖の伸長が行われ莢膜が厚くなる3）．

and Williamson, P. R.: Cryptococcus neoformans: virulence

本研究で，heparinase ホモログ遺伝子欠失株 TS1の莢膜のand host defences. Med. Mycol., 36, Suppl 1, pp79-86

厚さが，野生株と比較し薄くなる傾向が見られた．このこと（1998）．

から，heparinase ホモログ遺伝子産物が heparinase の機能

４）Björk, I. and Lindahl, U.: Mechanism of the anticoagulantを有するとすれば，細胞外に heparinase が分泌され，莢膜

action of heparin. Mol. Cell. Biochem., 29, 48, pp161-182の糖鎖の伸長や分解への関与が期待される．また，我々の研究室で、これまでに DBB 染色の基質となる物質について，（1982）．
５）Lindahl, U.: 'Heparin'-from anticoagulant drug into the

キチンやマンナン等を用いた DBB 染色を行ったところ，フェ

new biology. Glycoconj. J., 17, 7, pp597-605（2000）．

ノールと DBB 染色液を混合した場合に赤色を示すことが分６）Linker, A. and Hovingh, P.: Heparinase and heparitinase

かっている（未発表）．heparinase ホモログ遺伝子産物により，from flabobacteria. Methods in Enzymology., 28, pp902-

莢膜成分や細胞壁成分が分解され，フェノールに類似した物

911（1972）．

質が細胞表面上に露出し，この部分と DBB が結合し赤色を７）Michelsen, L. G., Kikura, M., Levy, J. H., Lee, M. K.,

呈するのではないかと予想される．

Lee, K. C., Zimmermann, J. J. and Szlam, F.: Heparinase

C. neoformans 野生株と heparinase ホモログ遺伝子破壊候I（neutralase）reversal of systemic anticoagulation.

補株との交配の結果，TS1株を用いた場合でも DBB 染色陽Anesthesiology., 85, 2, pp339-46（1996）．

性であった担子胞子が，30個のうち２個あった（Fig.4）．こ８）Sasisekharan, R., Bulmer, M., Moremen, K. W.,

れら DBB 染色された２個個は，担子胞子獲得の際，２個倍Cooney, C. L. and Langer R.: Cloning and expression of

体細胞を選別してしまった可能性がある．よって，TS1株のheparinase I gene from Flavobacterium heparinum. Proc.

ゲノム DNA 上では，heparinase ホモログ遺伝子のみが NEO
遺伝子と組み換えを起こしていると判断した．

Natl. Acad. Sci. U S A., 90, 8, pp3660-3664（1993）．
９）Hyun, Y. J., Lee, J. H. and Kim, D. H.: Cloning,overexpression, and characterization of recombinant

５．結言

heparinase Ⅲ from Bacteroides stercoris HJ-15. Appl.

Agrobacterium 形質転換により C. neoformans 野生株を用いMicrobiol. Biotechnol., 86, pp879-890（2010）．

遺伝子変異株ライブラリーを作製し，DBB 染色されない１

10）Sasisekharan, R., Moses, M. A., Nugent, M. A.,

コロニーについて遺伝子変異部位を特定した．その結果，Cooney, C. L. and Langer, R.: Heparinase inhibits

heparinase をコードする遺伝子と相同性が高い配列が破壊さ

neovascularization. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A., 91, 4,

れていた．C. neoformans の野生株から heparinase 遺伝子ホpp1524-1528（1994）．

モログの遺伝子欠失株を作製し，表現型を解析したところ，

11）Yang, V. C., Linhardt, R. J., Bernstein, H., Cooney, C.

DBB 非染色であり，さらに C. neoformans の特徴である莢膜

L. and Langer, R. : Purification and characterization ofの厚さが野生株と比較し薄くなることが判明した．このこと

heparinase from Flavobacterium heparinum. J. Biol. Chem.,

から，heparinase 遺伝子ホモログは DBB 染色に関与する遺260, 3, pp1849-1857（1985）．

伝子であり，莢膜形成にも関わることが明らかとなった．

12）Ikeda, R., Ichikawa, T., Miyazaki, Y., Shimizu, N., Ryoke,T., Haru, K., Sugita, T., Takashima, M. : Detection and謝辞characterization of plasminogen receptors on clinical

C. neoformans を用いた遺伝子導入実験等で，東京理科大

isolates of Trichosporon asahii. FEMS Yeast Res., 14, 8,

学清水公徳准教授にご協力いただいた．

pp1186-1195（2014）．

本研究は，2014年度関東学院大学理工／建築・環境学会

13）Ikeda, R. and Ichikawa, T.: Interaction of surfaceの研究補助費を受け実施された．

molecules on Cryptococcus neoformans with plasminogen.

この場にて，御礼申し上げる．

FEMS Yeast Res., 14, 3, pp445-450（2014）．
14）Shimizu, K., Imanishi, Y., Tho-e, A., Uno J, Chibana,H., Hull, C. M. and Kawamoto, S.: Functional— 11 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）12

characterization of PMT2, encoding a protein-O-17）Kwon-Chung, K.J., Edman, J. C., Wickes, B. L.: Genetic

mannosyltransferase, in the human pathogen Cryptococcus

association of mating types and virulence in Cryptococcus

neoformans. Fungal. Genetet. Biol. 69, pp13-22（2014）．

neoformans. Infect. Immun., 60, pp602-605（1992）．

15）Liu, Y. G., Mitsukawa, N., Oosumi, T., Whittier,18）Nielsen, K., Cox, G. M., Litvintseva, A. P., Mylonakis,

R. F.: Efficient isolation and mapping of Arabidopsis

E., Malliaris, S. D., Benjamin, D. K. Jr., Giles, S. S.,

thaliana T-DNA insert junctions by thermal asymmetric

Mitchell, T.G., Casadevall, A., Perfect, J. R., Heitman,interlaced PCR. The Plant Journal. 8, pp457-463（1995）.

J.: Cryptococcus neoformans {alpha} strains preferentially16）Walton, F. J., Idnurm, A., Heitman, J.: Novel genedisseminate to the central nervous system duringfunctions required for melanization of the humancoinfection. Infect Immun., 73, 8, pp4922-4933（2005）．

pathogen Cryptococcus neoformans. Mol. Microbil., 57,
pp1381-1396（2005）．

— 12 —

研究論文
13

anti-Bredt 化合物の合成と２次元 NMR による構造解析
髙
飯

橋
田

希
博

恵*
一*

Synthesis of anti-Bredt compounds and structural analysis by 2D NMR
by

Kie TAKAHASHI
Hirokazu IIDA
要

旨
橋頭位に２重結合を有する化合物は anti-Bredt 化合物と呼ばれている．anti-Bredt 化合物は複雑な構造を持ち，尚且つ生理活性を有するため，研究者にとって挑戦的な合成標的の一つとされる．近年ではインデノン誘導体から分子内［5＋2］付加環化反応を行い，橋頭位に２重結合を持つビシクロ［4.4.1］骨格を有するシクロシトリノールの不斉全合成が達成された．これらの複雑な構造の構造決定は極めて重要なことである．さらに１次元 NMR のみでの構造決定は困難であり，２次元 NMR や X 線結晶構造解析での構造の確認が必要である．本研究では，ピラゾールを出発原料とし，anti-Bredt 化合物を合成し，２次元 NMR による橋頭位のオレフィン炭素の13C NMR の帰属を試みたので報告する．

キーワード：Bredt則, 2次元NMR, ピラゾール

Abstract
The compounds possessing strained bridgehead double bond contradict Bredt’s rule, thus these compounds were called as “anti-Bredt”
compounds. These compounds possess complicated structure and physiological activity. Therefore, these are considered one of the most challenging targets for synthetic organic chemists. Recently, it was reported that asymmetric total synthesis of cyclocitrinol having bicyclo [4.4.1]
skeleton with double bond at the bridgehead position via [5+2] cycloaddition reaction had been achieved. The determination of these complex
structure is extremely important. Furthermore, the structural analysis is difficult when it performed using only 1D NMR. So it is necessary toconfirm the structure using 2D NMR or X-ray crystal structure analysis. In this research, we performed the synthesis of anti-Bredt compounds
using pyrazole as a starting material. Furthermore we exhibited structural analysis of synthesized anti-Bredt compounds by 2D NMR.
Key Words: Bredt’s rule, 2D NMR, pyrazole2019 年 12 月 13 日受理— 13 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

14
１．緒

言

る．この反応の際に，２等量の DMAD が反応して得られる有機化合物は単純な構造を持つ化合物のみならず，複雑な

1:2付加体は X 線結晶構造解析により anti-Bredt 化合物であ構造を持つ化合物も数多く存在している．天然物から単離することが報告されている（図２）7）．しかし，NMR によるることによりその構造を知ることができ，活性を解析するこ構造の正確な帰属はなされていない．そこで今回，1:2付加とで有用であることが明らかとなる場合もある．時には研究体である anti-Bredt 化合物を合成し，２次元 NMR を駆使し者が自ら複雑な構造をもつ化合物をデザインして合成し，活

正確な帰属を行うことを目的として，以下の研究を行ったの性の検討をすることもあり，数多くの報告がなされてきていで報告する．

る．その中でも架橋構造を持つ多環式化合物において，橋頭位に２重結合を持つ化合物は存在できないとされる経験２．測定化合物の合成

則があり，この経験則に外れる化合物を anti-Bredt 化合物

２．1

1- ベンゾイル -2- フェニルピラゾロ［1，2-a］ピラゾー
ル誘導体合成1）と呼ぶ ．このような化合物は複雑で興味深い構造と生理活性を有することから数多くの有機合成化学研究者が研究を

我々は anti-Bredt 化合物を合成するため，市販されている

行ってきている．例えば，2003年に Crews らによって海綿

ピラゾールを出発原料とし，フェナシルブロミド誘導体と反由来のペニシリウムシトリニウムから単離されたイソシクロ

応させることにより1- ベンゾイル -2- フェニルピラゾロ［1，

シトリノールは anti-Bredt 化合物であり，2018年には市販

2-a］ピラゾール誘導体の合成をすることとした（図３）．誘されているインデノン誘導体からシクロシトリノールの不斉導体合成は J．Calderazzo らの手法に従って行った8），9）．即ち，2，3）．また，抗がん剤治療に用いるパク

1，2- ジメトキシエタン中ピラゾールとフェナシルブロミド

リタキセル（タキソール）は特徴的な炭素骨格上に多くの不とを反応させ，1- フェナシルピラゾール（1）を得た．次に斉中心を有し，架橋構造の橋頭位にオレフィンを持つ anti-

1- フェナシルピラゾール１を無水アセトン中，フェナシル

Bredt 化合物であるため，これまでに数多くの合成研究者がブロミドと反応させ1，2- ジフェナシルピラゾリウムブロミ

競い合って合成を行っている（図１）4）～6）．このような複ド（2）を得た．化合物２を10% 炭酸水素ナトリウム水溶液

雑な化合物の構造決定は極めて重要である．化合物の構造決中60℃で加熱撹拌することにより1- ベンゾイル -2- フェニ

定の際に用いられる分析機器としては，主に NMR（Nuclear

ルピラゾロ
［1，
2-a］
ピラゾール（3）を得た．同様の方法によMagnetic Resonance），X 線 結 晶 構 造 解 析，IR（Infrared

りベンゼン環の p- 位にクロロ基，ブロモ基のついた前駆体

Spectroscopy），MS（Mass Spectrometry）などが使われる．

1（p-クロロベンゾイル）-2（p-クロロフェニル）ピラゾロ［1，これらの分析機器によって化合物の水素，炭素の数や位置，2-a］ピラゾール（4），1（p-ブロモベンゾイル）-2（p-ブロモ

官能基，立体的構造，分子量などの決定がなされる．

フェニル）ピラゾロ［1，2-a］
ピラゾール（5）の合成をそれぞ

全合成が達成された

1- ベンゾイル -2- フェニルピラゾロ［1，2-a］ピラゾールとれ行った．

ジメチルアセチレンジカルボキシレート（DMAD）との反応により1:1付加体であるシクロ［2．2．2］アジンが合成されBridgehead double bond
H

OH

H

OH

OH

O

HO

O

OH

O

O

H

H

O

H

H

OH

O

HO

HO

H O

NH O

O

O

OH

O
cyclocitrinolOisocyclocitrinolOpaclitaxel

Fig.1 主なanti-Bredt化合物の構造
PhOC

Fig. 1 主な anti-Bredt 化合物の構造
PhOC
N
N

Ph

Ph

+
MeO2C

CO2Me

H
MeO2C

N
N

PhOC
Pd/C
H

CO2Me

7%

Ph

N
N

CO2Me
MeO2C
1:1-adduct
1:1-addcut

MeO2C

O

Ph

Ph

N

C C

N

CO2Me
H

CO2Me

CO2Me
H
1:2-adductFig.2 1-ベンゾイル-2-フェニルピラゾロ［1，2-a］ピラゾールとDMADとの反応— 14 —a]ピラゾールと DMAD との反応
Fig. 2 1-ベンゾイル-2-フェニル-ピラゾロ[1,2-anti-Bredt 化合物の合成と２次元 NMR による構造解析

２．２

anti-Bredt 化合物の合成

15

Spectroscopy，DEPT：Distortionless Enhancement by

合成したピラゾール前駆体３，４，５を用いて anti-Bredt

Polarization Transfer，HMQC：Heteronuclear Multiple

化合物の合成を行った（図４）．即ち，1- ベンゾイル -2- フェ

Quantum Correlation，HMBC：Heteronuclear Multiple

ニルピラゾロ［1，2-a］ピラゾール３をベンゼン中，DMAD とBound Correlation Spectroscopy.

反応させることにより3- ベンゾイル -2- フェニル -8，9，10

NMR 測定方法：合成化合物（80~120 mg）を0.6 mL の重（1’，2’）- テトラメトキシカルボニル -10- エテニル -4，10- ジ

クロロホルム（CDCl3）に溶解し，測定を行った．今回は測アザビシクロ［5．2．1］デカ-1，3，5，8- テトラエン（6）を得た．

定温度を40℃に昇温し測定を行った．

同様の方法によりベンゼン環の p- 位にクロロ基，ブロモ基の つ い た3-（4-クロロベンゾイル）-2-（4-クロロフェニル）-8，3-Benzoyl-2-phenyl-8,9,10（1’,2’）-tetramethoxycarbonyl-10-9，10（1’，
2’）- テトラメトキシカルボニル -10- エテニル -4，

ethenyl-4,10-diazabicyclo［5.2.1］deca-1,3,5,8-tetraene（6）10- ジアザビシクロ［5.2.1］デカ -1，3，5，8- テトラエン（7），1- ベンゾイル -2- フェニルピラゾロ［1，2-a］ピラゾール３3（4- ブロモベンゾイル）-2-（4- ブロモフェニル）-8，9，10（1’，（0.23 g，0.8 mmol）のベンゼン（20 mL）溶液に，DMAD（0.302’）- テトラメトキシカルボニル -10- エテニル -4，10- ジアザ

mL，2.4 mmol）を加え，室温下で30分撹拌した．溶媒を減ビシクロ［5．2．1］デカ -1，3，5，8- テトラエン（8）の合成を圧下留去し，アルミナカラムクロマトグラフィー（ヘキサンそれぞれ行った．

／酢酸エチル＝3：1）に付し，再結晶を行い，化合物６（0.13
g，29%）を得た．
CDCl3）δ＝3.38（3H，s），
3.61（3H，6：1H NMR（500 MHz，

3．実験方法
本実験で合成した anti-Bredt 化合物の核磁気共鳴スペクトs），3.71（3H，s），3,75（3H，s），4.76（1H，d，J ＝2.5

ル測定は JEOL JNM-ECX500II を使用し，内部標準物質とHz），5.35（1H，s），
5.78（1H，dd，
J ＝10.0，
2.5 Hz），
7.06（1H，

1

13

してテトラメチルシラン（TMS）を用いた． H NMR と C

d，J ＝10.0 Hz），7.09（2H，d，J ＝7.0 Hz，ph），7.32−7.34

NMR の化学シフトは内部標準物質として使用した TMS か（3H，m，ph），7.37（2H，t，J ＝7.5 Hz，ph），7.50（1H，t，ら低磁場をδ値（ppm）で表し，結合定数（J ）を Hz で表した．

J ＝7.5 Hz，ph），7.99（2H，d，J ＝7.5 Hz，ph）；13C NMR

ここでは略号は以下の通りである．s：一重線 singlet，d：二，52.5（CH3），
52.6（CH3），（125 MHz，
CDCl3）δ＝51.3（CH3）重線 doublet，t：三重線 triplet，q：四重線 quartet，m：多52.8（CH3），61.7（CH），94.9（CH），117.9（CH），127.6

重線 multiplet，dd：二重に分裂した二重線 double doublet，（CH），127.8（CH），128.6（CH），129.2（CH），130.8（CH），

な ど． ま た， 以 下 の 略 語 を 用 い た．COSY：Correlation

132.5（CH），
133.9（C），
136.0（C），
136.3（CH），
138.7（C），
140.4（C），143.7（C），146.3（C），146.4（C），161.4（C），

O
H
N

O

Br

Ar

N

N
N

1,2-Dimethoxyethane
H2O, NH3 aq.

OBr

3-（4-Chlorobenzoyl）-2-（4-chlorophenyl）-8,9,10（1’,2’）

Dry acetone-tetramethoxycarbonyl-10-ethenyl-4,10-diazabicyclo［5.2.1］

1deca-1,3,5,8-tetraene（7）Ar

N
N

10%NaHCO3

H

溶液に，DMAD（0.30 mL，2.4 mmol）を加え，室温下で30

O

Ar
Ar =

クロロ前駆体４（0.28 g，0.8 mmol）のベンゼン（20 mL）

Ar

Ar

2

Br

Ar

Ar

O
N
N

161.6（C），163.2（C），163.4（C），166.6（C），189.3（C=O）．

O

分撹拌した．溶媒を減圧下留去し，アルミナカラムクロマト
Cl
,

,

3

4

グラフィー（ヘキサン／酢酸エチル＝3：1）に付し，再結Br晶を行い，化合物７（0.12 g，23%）を得た．

5

CDCl3）δ＝3.42（3H，s），
3.62（3H，7：1H NMR（500 MHz，Fig.3 1-ベンゾイル-2-フェニルピラゾロ［1，2-a］ピラゾール誘導
Fig. 3 1-ベンゾイル-2-フェニルピラゾロ[1,2-a]ピラゾール誘導
体合成s），3.68（3H，s），3,76（3H，s），4.75（1H，d，J ＝3.0

体合成

Hz）
，5.31（1H，s），5.80（1H，dd，J ＝11.0，3.0 Hz），6.99（2H，

MeOOC

MeO

Ar

N
N
Ar

O

O

Ar

OMe

O
Benzene

H

6

Cl
,

,

7

Ar

N
H

Ar =

O

N

COOMe

d，J ＝8.0 Hz，ph），7.03（1H，d，J ＝11.0 Hz），7.29（2H，d，H

J ＝8.0 Hz，ph），7.33（2H，d，J ＝8.5 Hz，ph），7.96（2H，d，CDCl3）δ＝51.6（CH3），J ＝8.5 Hz，
ph）；13C NMR（125 MHz，

COOMe
H

H

Br

8

Fig. 4 anti-Bredt 化合物の合成
Fig.4 anti-Bredt化合物の合成

COOMe

，
52.8（CH3），
53.0（CH3），
61.8（CH），
95.7（CH），
52.8（CH3）
118.4（CH），
128.3（ph），
128.9（ph），
129.0（ph），
132.4（ph），
132.6（C），134.1（C）,135.5（C），136.2（CH），136.5（C），
139.4（C），140.2（C），144.3（C），146.1（C），147.3（C），
161.3（C），161.4（C），163.2（C），163.3（C），166.5（C），
188.1（C＝ O）．
— 15 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

16

3-（4-Bromobenzoyl）-2-（4-bromophenyl）-8,9,10（1’,2’）

通常温度ではすべての炭素数が確認できなかった．そのた-tetramethoxycarbonyl-10-ethenyl-4，10-diazabicyclo［5.2.1］

め，サンプル量を80 mg 以上に増やし40℃に昇温して測定を

deca-1,3,5,8-tetraene（8）行うことで極めて小さいピークを検出することが可能とな

ブロモ前駆体５（0.36 g，0.8 mmol）のベンゼン（20 mL）

り，炭素数を一致させることができた（図６）．続いて，合溶液に，DMAD（0.39 mL，3.2 mmol）を加え，室温で１時成化合物のビシクロ環骨格は４級炭素を多く有する構造の間撹拌した．減圧下溶媒を留去し，アルミナカラムクロマト

ため２次元 NMR による測定を行い，より正確な帰属を行っグラフィー（ヘキサン／酢酸エチル＝2：1）に付し，再結た．1H-13C の２次元 NMR である HMQC 測定により水素と直接結合している炭素との相関を確定した（表１）．さらに，晶を行い，化合物８（0.18 g，32%）を得た．
8： H NMR（500 MHz，CDCl3）δ＝3.41（3H，s），3.62（3H，1s），3.67（3H，s），3,76（3H，s），4.75（1H，d，J ＝3.0

1

H-13C の２次元 NMR の１つでロングレンジカップリングが確認できる HMBC 測定を行った（図７）．その結果，ベンゼHz），5.32（1H，s），5.81（1H，dd，J ＝10.5，3.0 Hz），6.92（2H，d，J ＝8.0 Hz，ph），7.03（1H d，J ＝10.5 Hz），7.44（2H，Brd，J ＝8.0 Hz，ph），7.50（2H，d，J ＝8.5 Hz，ph），7.87（2H，Hd，J ＝8.5 Hz，ph）；13C NMR（125 MHz，CDCl3）δ＝51.5

H

H

O

Br

，
（CH3），52.7（CH3），52.8（CH3），52.9（CH3），61.7（CH）

MeOOC

H

N

95.8（CH），118.4（CH），123.6（C），128.1（C），129.2（ph），

H

5.32(s)COOMe

7.03 H131.2（ph），131.8（ph），132.4（ph），133.1（C），134.5（C）
，

COOMe

N

H

10.5 HzH 4.755.81 3.0 Hz

COOMe

136.1（CH），136.3（C），140.2（C），144.2（C），146.0（C），
147.3（C），161.1（C），161.3（C），163.1（C），163.2（C），
166.4（C），188.3（C ＝ O）．
４．結果及び考察
まず，ベンゼン環の p- 位にブロモ基のついた anti-Bredt
化合物８の1H NMR の帰属を行った．エステル部分の酸素に結合したメチル基の水素の化学シフトは3-4 ppm あたりと知られており，それに対応するピークは図５より3.41，3.62，
1
化合物 8化合物８のの 1H NMR スペクトルによる帰属予測
Fig. 5Fig.5
HNMRスペクトルによる帰属予測

3.67，3.76 ppm（singlet）の４本である．オレフィンのシスの水素同士のスピン結合定数はおおよそ7～12 Hz であることから，5.81 ppm の double doublet および7.03 ppm のDEPT135°

doublet が何れも10.5 Hz であるため，この二つのピークが隣り合うシスの水素である．また，4.75 ppm（doublet）は5.81
ppm とカップリング（結合定数：3.0 Hz）しており，これより N 原子架橋の付け根の水素由来であると推定する．さらに，

DEPT90°ベンゼン環のピークは7.0-8.0 ppm 付近に検出されることか
ら6.92，7.44，7.50，7.87 ppm がベンゼン環のピークである．
残りの5.32 ppm は二重結合の水素由来のピークであると確定できた．合成した anti-Bredt 化合物はベンゼン環を２つ有するため，COSY により隣接する水素同士の相関ピーク

13

C NMR

を確認した．6.92と7.44および 7.50と7.87 ppm が隣接していることが確認され，これらの相関から1H NMR のおおよその帰属が出来た．
次に，13C NMR と DEPT90°，135°による測定を行った．
13

C NMR では，炭素の数が合っているかと特徴的な官能基であるカルボニル炭素があることを確認した．DEPT90°測定では３級炭素（CH）のみが検出されるため，ベンゼン環

Fig. 6 化合物 8 の 13C NMR
スペクトルおよび DEPT スペクトルによる帰属予測
13

Fig.6

およびその他のメチンが13C NMR においてどのピークにあたるかを確認し，同様に DEPT135°測定ではメチル基の１13級炭素（CH3）由来が C NMR においてどのピークにあたる

化合物８の CNMRスペクトルおよびDEPTスペクトルによる帰属予測1Table
1 化合物８のHMQCによる
Hと13Cの相関
Table1. 化合物
8 の HMQC による 1H と 13C の相関かを確認した．なお，合成した３つの anti-Bredt 化合物は
— 16 —

1

H (ppm)

4.75

5.32

5.81

6.92

7.03

7.44

7.50

7.87

C (ppm)

61.7

95.8

118.4

129.2

136.1

131.8

131.2

132.4

13

anti-Bredt 化合物の合成と２次元 NMR による構造解析

17

ン環の水素（7.87 ppm）とカルボニル炭素（188.3 ppm）
，オ

−61.7
（C）ppm，5.35
（H）
−94.9
（C）ppm，5.78（H）−117.9（C）

レフィンの水素（7.03 ppm）と C ＝ N の炭素（161.1 ppm），

ppm，7.06（H）−136.3（C）ppm と な っ た． さ ら に，HMBC

N 原子架橋付け根の水素（4.75 ppm）と架橋付け根の反対側測定によるロングレンジカップリングの相関では，オレフィの炭素（147.3 ppm）およびベンゼン環の水素（6.92 ppm）

ンの水素（7.06 ppm）と C ＝ N 由来の161.6 ppm のピークとその付け根の炭素（136.3 ppm）とそれぞれのカップリン

および架橋の付け根の水素（4.76 ppm）と架橋付け根 C-N

グが確認された．これらの結果により，極めて小さいピーク

由来の146.4 ppm のピーク，ベンゼン環の水素（7.09 ppm）

はベンゼン環の付け根の炭素由来であることが決定づけられとその付け根の炭素由来の138.7 ppm が確認された（図９）．
以上により，３つの anti-Bredt 化合物を合成し，ベンゼた（図８）．
同様の方法でベンゼン環の p- 位にクロロ基のついた anti-

ン環の p 位に置換基がついている化合物８，７から順次に解Bredt 化合物７の帰属を行った．即ち，1H NMR 測定より，析することで化合物の特徴的な架橋炭素ピークを明らかにし

3.42−3.76 ppm にある４本の singlet のピークはメチル基をた．

示し，4.75 ppm に示された水素は架橋の付け根のメチンに由来し，5.80 ppm と7.03 ppm はオレフィンのシスの水素を示した．また，6.99−7.96 ppm にある４本の doublet のピー
クはベンゼン環の水素由来であると考えた．さらに，HMQC
測定により３級炭素（CH）と水素の相関は，シスオレフィ
7.50ンの炭素と水素が118.4（C）−5.80（H）ppm，136.2（C）−7.03

H（H）ppm，架橋の付け根の炭素と水素は61.8（C）−4.75（H）
ppm であり，架橋の窒素原子に結合した２重結合炭素と水

131.2

7.87

H

H
132.4

123.6

131.8

MeOOC 146.0 COOMeO 129.2
H
C
188.3

95.8

134.5

Br

C NMR の測定による161.3 ppm のピークおよび架橋の付け

C

C

161.1

N

13

136.3

C

C136.1 C

13とのロングレンジカップリングを確認し C NMR の帰属を

H

決定した．
Fig.8

C

COOMe

4.75

5.81

C COOMe

化合物８の２次元NMRによる帰属予測

Fig. 8 化合物 8 の 2 次元 NMR による帰属予測

1

合物６の帰属を行った． H NMR 測定により，架橋付け根の水素，オレフィンの水素はそれぞれ5.78，7.06 ppm となった．
COSY 測定によるカルボニル基に結合しているベンゼン環

H

128.3

合っていることが明らかとなった．続いて，HMQC 測定に

H

132.4

H

135.5

128.9

MeOOC

O 129.0
H
188.1

C

C

136.5
118.4

7.50

127.8

H132.5

5.80

MeOOC

O 127.6
H
189.3

136.3

— 17 —

C

C

117.9

Fig.9

5.35

146.4
138.7

7.06

H

N

133.9

7.09

H

COOMe

94.9

146.3

136.0

N

化合物８のHMBCスペクトル

COOMe

129.2

H 128.6

161.6

Fig. 7 化合物 8 の HMBC スペクトル

COOMe

144.3

7.32-7.34 (m) H

7.99

H

H

4.75

H

7.03

140.2
61.8

136.2

H

130.8

5.31

147.3

N

H

H

N

132.6

6.99

161.3

7.37

COOMe

95.7

146.1

134.1

Cl139.4

よりベンゼン環以外の４つの CH の相関はそれぞれ4.76
（H）

Cl

7.29

7.96

7.33

の水素同士の相関は7.37と7.50 ppm，7.37と7.99 ppm が隣り

Fig.7

144.2

H

H

7.03

最後にベンゼン環に置換基がついていない anti-Bredt 化

140.2

61.7
118.4

根の水素（4.75 ppm）と反対側の付け根の炭素（147.3 ppm）

5.32

147.3

C

NMR 測定で観測されシスオレフィンの水素（7.03 ppm）と

H

N

133.1

6.92

128.1

素は95.7（C）−5.31（H）ppm であった．HMBC 測定では，1H

Br

7.44

H

140.4
61.7

H

4.76

COOMe

143.7

COOMe

5.78

２次元NMRによる帰属予測

Fig. 9 2 次元 NMR による帰属予測関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）18
５．結Lobkovsky, J. Clarady and P. Crews, Org. Lett. 2003, 5,

論

4393.

２次元 NMR を用いることで水素数の少ない化合物のおおよその構造決定と帰属が可能であった．しかし，正確な構

３）L. Junyang, W. Jianlei, F. Jian-Hong, Y. Xin, M.

造の決定を行うには，X 線結晶構造解析による解析をするこ

Guangjian, and L. Chuang-Chuang, J. Am. Chem. Soc.
2018, 140, 5365.

とが望ましい．NMR のみによる構造解析を行うならば，２
次元 NMR の INADEQUATE（Incredible natural abundance４）R. A. Holton, H. B. Kim, C. Somoza, F. Liang, R. J.

double quantum transfer experiment）による測定及び解析を

Biediger, P. D. Boatman, M. Shindo, C. C. Smith, S.

することでより正確な帰属が可能であると推察する．また，

Kim, H. Nadizadeh, Y. Suzuki, C. T. Phong, V. S. Tang, P.

13

合成した化合物の特徴的な橋頭位の２重結合炭素 C NMR

Zhang, K. K. Murthi, L. N. Gentile and J. H. Liu, J. Am.

の化学シフトは146-147 ppm であり，ベンゼン環付け根の２Chem. Soc. 1994, 116, 1599.

重結合炭素のピークは測定試料を増やし昇温しなければ検出

５）K. C. Nicolaou, Z. Yang, J. J. Liu, H. Ueno, P. G.

が困難であることが明らかとなった．

Nantermet, R. K. Guy, C. F. Claiborne, J. Renaud, E. A.
Couladouros, K. Paulvannan and E. J. Sorensen, Nature.

６．謝辞

1994, 367, 630.

本研究は2018年度関東学院大学理工／建築・環境学会研６）K. C. Nicolaou, W. M. Dai and R. K. Guy, Angew. Chem.
Int. Ed. Engl. 1994, 33, 15.

究補助費を受けて行われました . この場を借りて感謝申し上
げます．また，合成した化合物の構造決定は，平成24年度

７）K. Matsumoto, H. Iida, H. Katsura, T. Machiguchi, H.

私立学校施設整備補助金により整備された超分子構造解析装

Uekusa and Y. Ohashi, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1,

置 JEOL JNM-ECX500II を用いて行いました．ここに感謝

1996, 2333.

いたします．

８）A . G a l b r a i t h , T . S m a l l , R . A . B a r n e s , a n d V .
Boekelheide, J. Am. Chem. Soc., 1961, 83, 453.

参考文献

９）V. Boekelheide and N. A. Fedoruk, Proc. Nat. Acad. Sci.,

１）J. Bredt, Justus Liebigs Ann. Chem. 1924, 437, 1.

1966, 55, 1385.

２）T. Amagata, A. Amagata, K. Tenney, F. A. Valeriote, E.

— 18 —

研究論文
19

大気焼成中における SrAl2O4：Eu2＋蛍光体の作製とその発光特性
村
赤
城
松

山
瀬
戸
井

優
麻
隆
和

奈 **
衣 **
宏 **
則 **

Preparation and Photoluminescence Properties of SrAl2O4: Eu2+ Phosphors
Sintered in Air AtmospherebyYuna MURAYAMAMai AKASE
Takahiro KIDO
Kazunori MATSUI
要旨
高温の固相反応で作製した SrAl2O4：Eu 蛍光体で，大気焼成下における Eu3＋から Eu2＋への還元を研究した．ホトルミネッセ

ンススペクトルは，赤色の Eu3＋のピークの他に，異なった Sr サイトに置換した青色と緑色の発光ピークを有しており，大気中
でも Eu3＋から Eu2＋への還元が部分的に起きることを示している．緑色発光のピークは，焼成温度と Sr 欠損の増加とともに増加した．青色発光・緑色発光は，ともに残光を示した．それらの結果は，Sr 欠損にともなう，O2−空孔の生成で説明される．

キーワード：残光，アルミン酸ストロンチウム，Eu(III)還元，酸素欠陥，ストロンチウム欠陥

Abstract
The reduction of Eu3+ to Eu2+ in air atmosphere was studied in SrAl2O4: Eu phosphors prepared by a solid-state reaction sintered at hightemperature. Photoluminescence spectra had blue and green emission peaks of Eu2+ due to different Sr sites as well as red peaks of Eu3+ ,indicating that Eu3+ is partially reduced to Eu2+ under air. The green emission peak increased with an increase in sintering temperature and Sr
deficiencies. Both the blue and green emission exhibited afterglow characteristics. These results are explained by the formation of O2- vacancies
induced by Sr deficiencies.
Key Words: Afterglow, Strontium aluminate, Eu (III) reduction, Oxygen vacancy, Strontium vacancy＊ 関東学院大学大学院工学研究科物質生命科学専攻 ＊＊ 関東学院大学理工学部理工学科

— 19 —

2019 年 12 月 13 日受理

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

20
１．緒

言

定して評価した．

長残光蛍光体は，紫外線や放射線によって励起されたエネ
ルギーを蓄え，励起源を遮断した後そのエネルギーを光とし

３．結果および考察て徐々に放出し長時間発光する物質である1）．災害時の避難

３. １

XRD による蛍光体構造の同定

Fig.1に Sr0.99Al2O4：Eu0.01の組成の粉末を，各温度で大気

誘導標識，ガードレール衝突防止警告板，時計の文字盤，照雰囲気中２時間焼成したときの XRD パターンを示す．これ

明機器，アクセサリーなど幅広く利用されている．
中 で も 緑 色 の 残 光（～515 nm） を 示 す SrAl2O4：Eu2＋，

らは PDF#01-076-7489のパターンと一致しておりいずれのDy3+ は，長残光蛍光体の代表例としてよく知られている2）．

温度においてもモノクリニック型の SrAl2O4結晶の生成が確

2＋

これは発光中心の賦活剤 Eu ，残光寿命を長くする共賦活認できた．また各組成で作製した試料でも同様の XRD パター

剤 Dy3+ を SrAl2O4結晶にドープした組成である．Eu2＋ の発ンが得られていることから，今回の実験条件ではいずれも

3＋

光中心は，還元雰囲気中で Eu を焼成することで還元されSrAl2O4結晶が生成できた．

て生成する．また低温での測定あるいは低濃度の Eu2＋の試料においては，緑色発光の他に青色の発光（～460 nm）が観測され3），4），緑色は SrAl2O4結晶中に存在する Sr2＋サイト(a) 1350 ºC
Intensity/a. u.

１，青色は Sr2＋のサイト２に置換した Eu2＋からの発光に帰属されていた．しかしながら，近年この帰属を緑色は Sr2＋のサイト２，青色は Sr2＋のサイト１とする説も提起され5），6），
そ の 帰 属 に つ い て は 議 論 が あ る と こ ろ で あ る． さ ら に
SrAl2O4：Eu2＋も短いながら残光特性を有しており，それが(b) 1400 ºC(c) 1450 ºC

Dy3+ の添加により飛躍的に長寿命化する現象については諸説があり，未だ十分には解明されてはいない7）～9）．
本研究室では，それらの現象の基本的な理解を深めるため，

15

SrAl2O4結晶に Eu3＋をドープし，焼成条件や SrAl2O4結晶の化学量論比による Eu2＋の発光特性について研究を進めている10），11）．本研究では，Sr の組成比を変えた SrAl2O4結晶にEu3＋ をドープし，大気中で焼成した蛍光体を作製し，大気焼成でも，Eu2＋ に由来する緑色と青色の発光中心が生成すること，およびそれらに残光特性があることを見いだした．

20

25

30

35

40

45

50

2/degree
Fig.1 XRD patterns of Sr0.99Al2O4: Eu0.01 phosphors sintered atvarious temperatures in air atmosphere for 2 h.

Fig. 1.

３. ２

XRD patterns of Sr0.99Al2O4:Eu0.01 phosphors sintered a

蛍光体の発光・励起スペクトル

atmospherefor 2 h.
Fig.2に上記の蛍光体を388 nm で励起したときの発光スペ
クトルを示す．焼成温度1350℃では460 nm にピークを示し，

２．実験方法

1400℃になると505 nm にショルダーピークが現れ，1450℃

２. １になると460 nm と510 nm はほぼ同程度の発光強度のピーク

材料

母結晶の原料として SrCO3（和光純薬工業製，95％），Alになった．これらは，Eu2＋ の青色発光および緑色発光とほ（OH）3（和光純薬工業製，95％），賦活剤に Eu2O3（和光純

ぼ一致している．今回の試料で青色発光が観測されたのは，

薬工業製，99.9％），共賦活剤に Dy2O3（和光純薬工業製，

大気焼成では効率的にエネルギー移動が起こるほど Eu2＋が99.9％）を用いた．

生成していないためと推察される4）．これは次に述べるように還元されていない Eu3＋の発光が観測されていることとも

２. ２

蛍光体の作製合致している．

各原料を様々な仕込み量で秤量し，原料粉末を遊星型ボー

この蛍光体を Eu3＋-O2−の電荷移動遷移に相当する270 nm

ルミル（Fritsch P-7）で粉砕・混合した．混合した粉末をで励起した（Fig.3）．Fig.2のスペクトルと同様に青色と緑色

大気雰囲気中で焼成して試料を得た．

発光が観測されるが，この励起条件では Eu3＋が強く励起されるため613 nm 近辺に Eu3＋の5D0→7F2遷移に由来するピー

２. ３

測定

クが観測される．通常の還元雰囲気の焼成においては，Eu3＋

作 製 し た 蛍 光 体 の 同 定 に は X 線 回 折 装 置 RINT2200（Rigaku）を用いた．励起スペクトル，発光スペクトル，残のピークは観測できないので，大気中の焼成では還元されていない Eu3＋の成分が残存していることを意味している．
Fig.4に緑色発光（～500 nm）および青色発光（～470 nm）

光強度の減衰，残光スペクトルおよび残光励起スペクトル3＋は蛍光分光光度計 FP-8500（日本分光）で測定した．Eu ，の励起スペクトルを示す。いずれも270 nm および370～400

Eu2＋を選択的に励起するため，それぞれ～270 nm および～

nm にブロードなピークを有しており，Eu2＋の励起スペクト

370 nm での発光の励起波長を用いた．残光特性は，励起光

ルとほぼ対応している．また（a）から（c）と焼成温度が高を10分間照射した後に，励起光遮断後の残光強度変化を測

くなるにつれて370 nm のピークが明確に成長している．他— 20 —

大気焼成中における SrAl2O4：Eu2＋蛍光体の作製とその発光特性

21

較的低温の焼成温度で生成するがそれ以上の温度でもほとん
ど変化せず，高温になると緑色発光の Eu2＋の生成量が増加

Intensity/a. u.

Ex=388 nm

していると推察される．これは発光スペクトルの温度変化（Figs.2および３）ともよく対応している．

1450 ºC

３. ３

Fig.5に SrxAl2O4：Eu0.01（x ＝1.05～0.80） の 仕 込 み 量 で大気雰囲気中1450℃で２時間焼成し作製した試料の蛍光ス

1350 ºC

ペクトルを示す．Sr の過剰な（a）x ＝1.05から Sr を減少し1400 ºC
450

500

550

600

650

ていくと，515 nm 付近の発光ピーク強度が増加し，（d）x ＝

700

0.85で最大強度を示すが，Sr がさらに減少するとピーク強

Wavelength/nm
Fig.2

蛍光体組成が発光特性に与える影響とその機構度も減少した．これらのスペクトル変化から，緑色発光のサ

Photoluminescence spectra of Sr0.99Al2O4: Eu0.01 phosphorssintered at various temperatures in air atmosphere for 2 h
excited at 388 nm.

イトでは，適量の Sr 欠損と温度により Eu3＋の還元が進んで，緑色発光の Eu2＋が強くなることが分かる．他方，青色発光

Fig. 2. Photoluminescence spectra of Sr0.99Al2O4:Eu0.01 phosphors sintered at various
3＋ temperatures inを示すサイトでは，Eu の還元は焼成温度や組成による影

air atmosphere for 2 h excited at 388 nm.
1450 ºC

響が少なく一定量以上は進行しないと推察できる．大気焼成により緑色発光サイトと青色発光サイトで異なった発光強度

Ex= 270 nm変化を示す理由については不明であるが，非等価である二つ

Intensity/a. u.

1400 ºCの Sr サイトにおいて，Eu3＋ と Eu2＋ の安定性が異なっているためと推測している．これらについては，さらに研究を進めている．

1350 ºC

大気中における Eu3＋ の還元は，Sr4Al14O25：Eu の系で観613 nm

測されており，次のように説明されている12）．
・
3Sr2＋＋2Eu3＋→ VSr" ＋2EuSr

450

500

550

600

650

700

Wavelength/nm
Fig.3

（1）

×
Sr

VSr" ＝ V ＋2e

（2）

・
×
＋2e=2EuSr
2EuSr

（3）

ここで上記のクレーガー・ビンクの表記は，次の欠陥を意味

Photoluminescenc spectra of Sr0.99Al2O4: Eu0.01 phosphorssintered at various temperatures in air atmosphere for 2 h
excited at 270 nm.

している．
VSr"：マイナス２価の有効電荷を持つ Sr の格子空孔

Fig. 3. Photoluminescenc spectra of Sr0.99Al2O4:Eu0.01 phosphors ・sintered at various temperatures in（Sr2＋
EuSr：Sr に置換したプラス１価の有効電荷を持つ Eu

air atmosphere for 2 h excited at 270 nm.

Intensity/a. u.

(c) 1450ºC
500 nmサイトの Eu3＋）(d) 1450 ºC
470 nm×
Sr

V ：電気的に中性な Sr の格子空孔
×：Sr に置換した電気的に中性な Eu（Sr2＋ サイトの
EuSr

Eu2＋）

(b) 1400ºC
500 nm(d)
Ex=360 nm

250
Fig.4

300

350
400
Wavelength/nm(e)Intensity/a. u.

(a) 1350ºC
500 nm450

Excitation spectra of Sr0.99Al2O4: Eu0.01 phosphors sintered atvarious temperatures in air atmosphere for 2 h monitored at
500 nm (a, b, and c), and 470 nm (d).

(c)
(b)
(a)

Fig. 4. Excitation spectra of Sr0.99Al2O4:Eu0.01 phosphors sintered at various temperatures in air
atmospherefor 2 h monitored at 500 nm (a, b, and c), and 470 nm (d).
方，青色発光の励起スペクトル（d）は，ほとんど焼成温度による変化がみられなかった．1350℃焼成の弱い緑色発光の励起スペクトル（a）と1450℃焼成の青色発光の励起スペ
クトル（d）が類似していることから，青色発光の Eu2＋は比

Fig.5

450

500
550
Wavelength/nm

600

650

Photoluminescence spectra of SrxAl2O4: Eu0.01 phosphors

O4:Eu0.01 phosphFig. 5.sintered
Photoluminescence
spectraat 1450 °C in air atmospherefor of
2 h:Srx=xAl(a) 21.05,(b) 0.95, (c) 0.90, (d) 0.85, and (e) 0.80 excited at 360 nm.

atmosphere for 2 h:x= (a) 1.05, (b) 0.95, (c) 0.90, (d) 0.85, an— 21 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

22

3＋
3＋
Eu を SrAl2O4結晶にドープするとき，Eu イオンはイオ

４．結論

ン半径の類似した Sr2＋ イオンに置換される．価数の異なる

SrAl2O4：Eu の結晶大気焼成において，Eu3＋ の他に Eu2＋

イオン同士の同形置換では電荷補償のため，２個の Eu3＋イの青色発光と緑色発光の二種類の発光が観測された．緑色発

オンが３個の Sr2＋ イオンと置換する必要がある．その結果

光は焼成温度が高いほど，Sr 欠陥が多いほど強いことをみマイナス２価の有効電荷を持つ Sr の空孔（VSr"）と Sr に置

いだした．またこれらは弱いながらも残光特性を示し，O2−

2＋

・
Sr

換したプラス１価の有効電荷を持つ Eu 欠陥（即ち Sr サ
3＋

．加熱により，Sr 空孔 VSr"
イトの Eu ）が生成する（Eq.1）
3＋

・
Sr

2＋

の生成による電子トラップの濃度が高くなるためと考えられる．さらに還元条件の影響，Dy3+ の効果，残光スペクトルから電子が放出され（Eq.2），Eu と反応して Eu は Euの測定，構造の精密解析など、欠陥構造と残光特性の関係にに還元される（Eq.3）．これらがこれまでの大気焼成での還ついて研究を進めていく予定である．

元機構で，今回の大気中における SrAl2O4：Eu2＋の発光につ謝

いても概ねこれらの還元機構で説明できる．
他方，Sr の不足した蛍光体では，Sr2＋ の空孔 VSr" が生成するが，同時に電気的中性条件により O2−空孔（プラス２価

辞
本研究は，2019年度理工／建築・環境学会研究補助費を受けたものである．

∙∙
Oの酸素空孔 V ）も生成する．生成エネルギーの理論計算によると，酸素の多い雰囲気下では，VO∙∙ の生成エネルギーは
13）

参考文献

VSr" のそれより約1.9eV 大きい ．この結果に基づくと，同

１）P. F. Smet, K. Van den Eeckhout, O. Q. De Clercq, andじ焼成温度では VO∙∙ による正孔の放出よりも，Sr の空孔 VSr"

D. Poelman: Handbook on the Physics and Chemistry ofから電子が放出され易いと説明できる．

Rare Earths, J.-C. Bünzli, and V. K. Pecharsky, eds. pp.
1–108, Elsevier（2015）．

３. ４

蛍光体の残光特性

２）T. Matsuzawa, Y. Aoki, N. Takeuchi, and Y. Murayama: J.

Fig.6に上記の蛍光体の Sr 組成（x）が0.85および0.99のElectrochem. Soc. 143, 8, pp. 2670–2673（1996）．

蛍光体における，緑色発光と青色発光の残光減衰曲線を示

３）J. Botterman, J. J. Joos, and P. F. Smet: Phys. Rev. B

す．これらは微弱ながらも目視可能な数秒の残光特性を有し，Sr 欠陥の多い試料の方が残光強度は強く，その中でも緑色

90, 8, pp. 085147（2014）．
４）J. Bierwagen, S. Yoon, N. Gartmann, B. Walfort, and発光の方が青色発光より強いことがわかる．残光の機構としH. Hagemann: Opt. Mater. Express 6, 3, pp. 793–803て，励起された Eu2＋の電子が伝導帯を介して電子トラップ（2016）．

（プラス２価の酸素空孔 VO∙∙）に捕捉され，徐々に放出されて

５）R. Shi, M. Qi, L. Ning, F. Pan, L. Zhou, W. Zhou, Y.

再結合発光するという説が有力である7），9）．今回得られた残Huang, and H. Liang: J. Phys. Chem. C 119, pp. 19326–

光減衰曲線がほぼ同一の傾きを示していることから，同一の電子トラップ（VO∙∙）に捕捉された電子が関与していると推19332（2015）．
６）L. Ning, X. Huang, Y. Huang, and P. A. Tanner: J. Mater.

測される．先ほど述べたように Sr の不足した蛍光体は，VO∙∙がより多く生成するため，電子トラップの濃度が高くなって

Chem. C 6, pp. 6637–6640（2018）．
７）F. Clabau, X. Rocquefelte, S. Jobic, P. Deniard, M.-H.

残光強度が増加したものと考えられる．

Whangbo, A. Garcia, and T. Le Mercier: Chem. Mater.
17, 15, pp. 3904–3912（2005）．
８）P. Dorenbos,: J. Electrochem. Soc. 152, 7, pp. H107–

10

H110（2005）．

(a)９）H. F. Brito, J. Hölsä, T. Laamanen, M. Lastusaari, M.

Intensity/a. u.

(b)

1Malkamäki,. and L. C. V. Rodrigues: Opt. Mater. 2, 4, pp.

(c)371–381（2012）．
10）松 井 和 則， 赤 瀬 麻 衣， 城 戸 隆 宏， 希 土 類 No. 70, pp.
26–27（2017）．

(d)11）村山優奈，城戸隆宏，松井和則，希土類 No. 72, pp.100–

0.1101（2018）
．
7 8 9

0.1

2

3

4

5 6 7 8 9

Time/s1212）M. Peng, Z. Pei, G. Hong, and Q. Su, Chem. Phys. Lett.,
pp.1–6（2003）．
13）E. Finley, A. M. Tehrani, and J. Brgochi: J. Phys. Chem.

Fig.6

Afterglow characteristics of SrxAl2O4: Eu0.01 phosphors
C 122, pp. 16309–16314（2018）．
sintered at 1450 °C in air atmosphere for 2 h: x=0.85, (a)Em=515 nm and (b) 460 nm; x=0.99, (c) Em=515 and (d)Fig. 6.Em=460
Afterglow
characteristics
of SrxAl2O4:Eu0.01 phosphors sintered at 1450 °C in air
nm. Ex=370
nm.

atmosphere for 2 h:x=0.85, (a) Em=515 nm and (b) 460 nm; x=0.99, (c) Em=515 and (d)Em=460 nm. Ex=370 nm.

— 22 —

研究論文
23

大学のオープンキャンパスにおける VR 技術の活用とその効果（機械学系の場合）
堀
佐

田
藤

智

哉*
純*

Practical and Effect of Using VR Contents on University's Open Day(In Case of Course in Mechanical Engineering)byTomoya HOTTA
Jun SATO
要

旨
VR（仮想現実）技術は，近年，様々な分野に注目されている技術である．本研究は，この VR 技術を用いた，機械学系の紹介コンテンツを制作し，その効果について検証をおこなうものである．本稿においては，制作したコンテンツをオープンキャン
パスおよび大学祭の来場者41人によって体験および評価をおこなった．その結果，体験者からの関心を得ることができることが明らかとなった．

Abstract
In recent years, VR (Virtual Reality) technology has attracted attention in various fields. The purpose of this research is to create the introduction contents of course in the mechanical engineering using the VR technology, and to verify the effect. and the effect is verified. In this paper,
the contents produced were evaluated by 41 visitors to the university's open day and the university festival. As a result, it became clear that it
was possible to gain interest from the visitors.

＊ 機械学系 

2019 年 12 月 13 日受理— 23 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）24
１．はじめにる仮想体験が活用できると考えられる．しかし，大学の広報

近年，少子化による影響から，受験生をいかに確保するか活動における VR 技術の活用は，遠隔地から，大学のキャンが重要な課題となっている．受験者数確保のためには，まずパス内部を見学できるサービス2），3） が主体であり，オープ

は受験者およびその保護者に興味を持ってもらう必要があ

ンキャンパスなどにおける大学の授業，実習および研究なる．そのために，オープンキャンパスなどにおいて，コース

どの体験を目的とした VR コンテンツの活用事例はみられな

毎に模擬授業，パネル展示および研究室見学ツアーなどの企い．したがって，VR コンテンツ導入による具体的な効果，画を実施している（図１）．しかし，これらの企画は，実施導入のための準備および必要なコストなど，不明点が多く，場所，時間および説明員（模擬授業においては教員）の確保

導入へのハードルは高い．

が必要であり，また，実施できる内容も限られる．たとえば，

そこで，本研究では，コースの実習，実験および授業を疑

模擬授業では，教室における座学の授業が中心となり，研究

似的に体験可能な VR コンテンツを制作し，受験生やその保室見学ツアーでは，研究室配属以降の研究内容の展示となる．

護者などに体験および評価をおこなった．本稿は，制作した理工系の学科・コースにおいては，実習や実験などのカリコンテンツ，機器についての導入のためのコストおよびそのキュラムに特徴を持たせていることが多く，現状実施してい効果について報告するものである．

る企画のみでは，各コースの魅力を十分にアピールすることは難しい．また，実習や実験などを実際に体験する企画を実

２．VR とは施することは，実施場所，時間および人員確保の観点から，

AR（Augmented Reality，拡張現実）とは，コンピュータ

困難である．これらの問題を解決するために，VR 技術によを使って，現実の世界に仮想的なものを追加することができる技術である．対して，VR（Virtual Reality，
仮想現実）とは，
コンピュータの中に作られた世界を現実のように見せる技術である．どちらも，VE（Virtual Environment，仮想環境）
一種であるが，これらの技術は，近年急激に進歩しており，多くの分野で普及しつつある．
VR は本来，３次元コンピュータグラフィックスなどによって人工的作られた空間を用いるものと，現実の光景や音声などをコンピュータに取り込んで利用するものが存在す
る．現実の光景をコンピュータに取り込む際には，デジタル(a) Trial lecture

カメラによって実際の光景を撮影することが一般的であり，この手法には，全天球撮影と，180度ステレオ撮影の２種類が存在する．
全天球撮影は，２個もしくはそれ以上のカメラを組み合わせた全天球カメラを用いて撮影をおこなう．たとえば，図２(a) のように，カメラを中心とした上下左右180°の超広角撮影が可能な半天球カメラを２個背面合わせ（図２（b））で撮影をおこなえば，カメラ群を中心とした全方位の撮影が可能となる．これに対し，180度ステレオ撮影は，２個の半天球カメラを並列に並べ（図２（c）），撮影をおこなうことで，(b) Panel display

カメラ全面のステレオ画像を撮影するものである．ステレオ
撮影は，対象物を複数の異なる方向から同時に撮影することによって，画像の奥行き情報の記録が可能である．この撮影方法は，医療や航空写真などの分野においては古くから利用されており，近年では，前面180度のステレオ撮影が可能なカメラが安価に入手可能となった．
VR 技術は，さまざまな分野での活用が期待されており，各分野において活用の試みがされている．とくに，防災分野
や安全教育の分野においては，実際に体験が困難な事象を仮想的に体験（図３）できることから，積極的に取り入れてい(c) Campus tour

る

1)
1)
FigureFig.1
1 Event
Open
Eventonon University's
University's OpenDayDay— 24 —

4）
，5）
，6）

．

大学のオープンキャンパスにおける VR 技術の活用とその効果（機械学系の場合）(a) Hemispheric camera

25

7)
7)
Figure4
Fig.4
VR camera
Figure4 VR
VRcamera7)(a) Hemispheric camera(b) Omnidirectional photography(b) Omnidirectional photography

7)
Figure5
Fig.5
VR goggles
Figure5 VR
VRgoggles7)7)

Table1cost asasofofDecember
December2018
2018
Table 1 Initial
Initial cost
Tax included price

Equipment(c) Stereo camera (Hemispheric)(c) Stereo camera (Hemispheric)Figure 2 VR camera systemcamerasystemsystemFigure Fig.2
2 VRVR
camera（Japanese yen）

Lenovo Mirage Camera with Daydream （ZA3A0011JP）

35,640

Lenovo Mirage Solo with Daydream（ZA3C0011JP）

49,896

AirStation WMR-433W2-BK

3,132

Chromecast GA00439-JP

5,508

PC monitor (27 inches)

24,494

FigureFigure 6
6 Captured
Captured image
image
Face mask for VR goggles

1,944

Ⓡ

Ⓡ

Ⓡ

Ⓡ

Total amounts

Fig.3 3 Accident
FigureAccidentexperience
experienceduring
duringroller
rollercleaningcleaning6)6)120,612の必要数量はそれそれ１個であり，したがって，総額12万円程度で１セットの導入が可能である．

３．使用機器と VR コンテンツの制作

コンテンツの制作は，VR カメラにより静止画および動Figure 3 Accident experience during roller cleaning 6)

画の撮影をおこない，これらのデータを保存した micro SD

３．１

カードを VR ゴーグルに差し込む．なお，撮影した画像は図

使用機器と接続

本研究では主要機器として，180 度ステレオ撮影が可６のような二つの半天球映像となる．本研究で使用した VR

能 な Lenovo 製 VR カ メ ラ「Lenovo Mirage Camera with

ゴーグルはスタンドアローン型と呼ばれる方式のものである

Daydream（ZA3A0011JP） 」（ 図 ４） お よ び Lenovo 製 ス

ため，この状態でも，VR コンテンツを体験することが可能

タンドアローン型 VR ゴーグル「Lenovo Mirage Solo withである．しかし，この状態では，外部から体験者がどの画像ⓇⓇ

Daydream（ZA3C0011JP） 」（図５）を使用した．また，副を見ているかがわからず，説明者が説明をおこなうことがで機器として Buffalo 製無線 Wi-Fi ルータ「AirStation WMR-

きない．そこで，各機器の接続は図７のように接続することⓇ

433W2-BK 」，Google 製ワイヤレスディスプレイアダプタ

で，外部からゴーグルに映し出された映像を確認することが「Chromecast GA00439-JP Ⓡ 」，PC モ ニ タ（HDMI 入 力 有 ）

でき，また，説明員が VR ゴーグルのコントローラを操作しおよび VR ゴーグル用フェイスマスクを使用した．それぞれながら，説明をおこなうことが可能となる．

の価格（2018年12月時点）は表１に示すとおり．１セット— 25 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

26
３．２

VR コンテンツの撮影および制作

祭（大学祭）の機械学系ブースへの来場者を対象に，制作しVR コンテンツは，図８に示すように，VR カメラは三脚た VR コンテンツを体験および評価をおこなった．

を用いて水平に設置して撮影をおこなった．また，体験者の体験時には，体験者を着座させ，VR ゴーグル用マスクの違和感を軽減するために，カメラの位置をおおよそ人間の目

上から VR ゴーグルを着用した状態で，説明員が VR ゴーグ

線と同じ位置になるように設定した．撮影したデータ類をルに映し出されている映像を PC モニタ上で確認をしながら

micro SD カード内に制作した１個のフォルダにまとめて保説明をおこなった（図９（a））．

存したのみである．
収録した映像データの内容は，チャペルや研究室内などの４．評価方法およびアンケートの結果

大学構内を撮影した静止画５枚，実習系科目の「工作実習」，「機械実験Ⅰ」および「総合機械・自動車・ロボティクスプ

４．
１

評価アンケート

ロジェクト」を撮影した静止画８枚，動画２本と，座学系科

VR コンテンツの評価は，体験者が VR コンテンツを体験

Figure 4 VR camera
目の「材料力学Ⅱ」および「機械数理」を撮影した動画２本，したのちに，以下の設問について，選択方式でアンケートをそして，卒業研究発表会のようすを撮影した静止画２枚であ取り（図９（b）），評価をおこなった．設問３の Q １から設る．体験時にはこれらの映像データを随伴する説明員が順次

問５の Q ３については，各選択項目の満足度が高い順に５送りながら，６分程度で説明をおこなえるものとした．なお，

ポイント［５pt］から１ポイント［１pt］までを割り振り，

この説明時間が長い場合は，体験者が VE 酔いと呼ばれる，体験者による評価をおこない，各設問における平均値を算出

顔面蒼白，冷や汗，頭痛，唾液分泌の増加，悪心，吐き気おすることによって，定量的な評価をおこなう．

7)

8）

よび嘔吐などのように，乗り物酔いに似た症状となる 可能性があるため注意が必要である．

設問１：年齢Figure 7 Connection of each equipment

選択肢（小学生，中学生，高校１年生，高校２年生，高校
３．３

VR コンテンツ体験状況

３年生，高校既卒，大学・専門学校生，20歳代，

Figure 5 VR goggles
本研究においては，実際にオープンキャンパスおよび平潟
7)

30歳代，40歳代，50歳以上）

Fig.88 Camera
room
FigureCamerainstallation
installationatatlecture
lectureroom

Figure 6 Captured
Captured image
image
Fig.6

Fig.7
Connection
eachequipment
equipment
Figure7 Connection
ofof
each

— 26 —

大学のオープンキャンパスにおける VR 技術の活用とその効果（機械学系の場合）

27

設問２：性別選択肢（男，女）
設問３：Q １．VR を使った大学紹介する企画についての印象を教えてください．
選択肢（とてもよい［５pt］，よい［４pt］，ふつう［３pt］，よくない［２pt］，とてもよくない［１pt］）
設問４：Q ２．VR による大学生活や講義を体験した印象を教えてください．
選択肢（とてもよい［５pt］，よい［４pt］，ふつう［３pt］，よくない［２pt］，とてもよくない［１pt］）(a)

設問５：Q ３．VR による大学紹介を体験したことによる，Experience

大学に対する関心の変化について教えてください．
選択肢（とても高くなった［５pt］，高くなった［４pt］，
変わらない［３pt］，低くなった［２pt］，とても低くなった［１pt］）
設問６：そのほか感想や要望に関しての自由記述
４．
２

アンケートの結果定

オープンキャンパス（２回計３日間）の来場者26 名および平潟祭（大学祭）（２日間）の来場者15名の合計41人を体験者として，アンケートによる評価をおこなった．なお，(b) Evaluation
Figure Fig.9
9 Experienceandevaluation
on University's
Open Day
Experience and evaluation
on University's
Open Day

41人の年齢層および性別の比率は，図10および図11に示すとおりであった．

(a) Number of people(b) Percentage
Figure10
The
distributiongroupsFig.10 The distribution
of ofthetheageagegroups— 27 —

Figure 11

Gender ratio among experienced people

(a) Number of people

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）28

全体験者のアンケートによる Q １から Q ３までの評価結

４．
３

自由記述の内容に関して

果を図12に示す．すべての項目において，平均値が４pt を参考として，
設問６の自由記述欄に記載された内容を一部，超え，満足度の高いものであることが，この結果から確認で以下に示す．内容は，「よかった」などの意見が多く，また，きる．

30歳以上の意見の中には「大学の雰囲気がよくわかる」な

また，高校１年生から高校３年生までの計25人（男女比

どの意見があり，保護者層にも一定の効果が見込めることがは図13に示す）の結果を抽出したものを図14に示す．高校

わかる．

生からの評価のみを抽出した場合においても，平均値がすべ

設問６の回答（一部抜粋）

・ VR で授業風景を見れることは「自分が入ったら…」といて４pt を超えており，高校生からの満足度が高く，関心を(b) Percentage

集め，かつ効果的なコンテンツであることがうかがえる．
Figure 10 The distribution うイメージが付きやすくなったのでとても良かったです．
of the age groups（高校３年生，男性）・ 他の学科もほしい．
（高校３年生，男性）

FigureGenderamong
experienced
Fig.1111Genderratioratio
amongexperienced
people people

Figure 12 Evaluation of all experience

Figure 12 Evaluation of all experienceFig.12 Evaluation of all experience
Figure12 Evaluation of all experience

Figure 13 Gender ratio among experienced people (high school student)

Figure13 Gender
ratioamong
amongexperienced
experienced
peoplestudent)
Fig.13
Gender ratio
people(high(highschoolschool
student)
Figure 13 Gender ratio among experienced people (high school student)

Evaluation
experienced person
person (highstudent)
FigureFig.14
14 Evaluation
ofofexperienced(highschool
schoolstudent)— 28 —
Figure 14 Evaluation of experienced person (high school student)

Figure 14 Evaluation of experienced person (high school student)

大学のオープンキャンパスにおける VR 技術の活用とその効果（機械学系の場合）

・ すこし酔ったけど，VR を体験できて良かった．（高校１29

祭での展示を手伝っていただいた，関東学院大学理工学部機械学系学生会の皆様に深く感謝いたします．また，アンケー

年生，男性）
・ 自分の目で見ることができて，わかりやすい．
（高校２年生，トにご協力いただいた，オープンキャンパスおよび平潟祭の参加者41人の皆様に深く感謝いたします．本稿が VR コンテ

男性）・ 昔，講義を聞いていたころを思い出しました．TV を見る

ンツの制作，活用の一助となれば幸いです．

より理解できるかなと思います．（30歳代，女性）
・ とてもわかりやすく，普段の雰囲気が伝わりました．
（40

参考文献
１）関 東 学 院 大 学 ／2019 イ ベ ン ト 情 報：http://ao.kanto-

歳代，女性）

gakuin.ac.jp/event/（参照日：2019年11月28日）
５．おわりに

２）県立広島大学を VR で体験しよう！：https://www.puhiroshima.ac.jp/soshiki/32/vr.html（ 参 照 日：2019年11

５．１

まとめ

月28日）

本稿では，市販の VR 機器を用いて，オープンキャンパス

３）成 蹊 大 学 VR 動 画 制 作 記：https://www.seikei.ac.jp/のための大学体験 VR コンテンツを制作し，一般の来場者をuniversity/special/movie/vr.html（ 参 照 日：2019年11月

対象に，その効果について評価をおこなった．その結果，来28日）

場者から満足度の高い評価を得られることが明らかとなっ

４）植野雄貴，金澤功樹，陳詩凌，近真弥，大川博史，樫山和男：た．また，来場した高校生に対しても，効果的に学系を PR

防災教育のための VR 技術を用いた津波とその避難の疑できる企画となることが証明された．

似体験システムの構築，第46回土木学会関東支部技術研究発表講演概要集，I-76，2019．

５．２

今後の課題

５）増村佳大，伊藤誠：VR（ヴァーチャルリアリティー）本研究で構成した VR システムでは，個々の映像データを技術を活用した現場への体験型安全衛生教育の取り組操作，説明するために，体験者１名に対し，説明員が１人随みについて，建設マネジメント技術，9（2018），pp.32-

伴しなければならない．そこで，今後は，映像データと説明

35．

を１ファイルにまとめた動画データの制作を試みなければな

６）凸版印刷，さまざまな労働災害を VR で体感：https://らない．この動画をループ再生すれば，体験者が VR ゴーグ

www.toppan.co.jp/news/2019/11/newsrelease191114_2.

ルを装着するだけで映像を見ることができる．これによって，html（参照日：2019年11月28日）．

各機器に１人の説明員を随伴させなくても良くなり，複数台

７）Lenovo Mirage Solo with Daydream & Lenovo Mirage

を１人の管理者が監視するのみで，コンテンツを展示するこCamera with Daydream：https://www.lenovo.com/jp/ja/
arvr#mirage（参照日：2019年11月28日）．

とが可能となるはずである．

８）中川千鶴，大須賀美恵子：VE 酔い研究および関連分野
謝辞における研究の現状，日本バーチャルリアリティ学会論

本研究の遂行にあたって，オープンキャンパスおよび平潟— 29 —

文誌，３（1998），pp.31-39．

研究論文31

オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷（第二報）
山
武
伊

泉
田
東

克
和

凌 ***
彦 ***
彦 ***

Historical Transition of Automotive Technology Review through the Type 17 Datsun Second ReportbyRyo YAMAIZUMI
Katsuhiko TAKEDA,
Kazuhiko ITO
要旨
工業製品には，それらが造られた時代の工業水準や人々の考え，社会情勢が刻み込まれている．そのため，人々の生活環境に大きな影響を与えた工業製品を遺産として保存し，展示するなどして後世に残す動態保存という考えが欧州を始め多くの国で広まっている．本研究では，こうした思考があることを考慮し，自動車を研究対象として選び，使用されている工業製品の進化を知り，技術者の視点から動態保存の方法を考えることを研究課題とした．本研究で特に着目したのは，日産自動車株式会社によるダットサン開発の背景である．日産には小型大衆車の量産経験がなかったにもかかわらず，ダットサンの機構を詳細に調査す
ると，信頼性を重視して，安全率を高く取った設計がおこなわれていることがわかった．その技術の源流を探ることを，本研究の目的とした．第一報1）では，その技術がどのように導入されたのか．また，なにか参考にした海外モデルが存在したのかを調査した2），3）．1937年製ダットサン17型ロードスターのエンジンの分解をおこない，分解したエンジンと現代のエンジンの比較をおこなった．その結果，ダットサンのエンジンには，コネクティングロッドの材料にジュラルミンが用いられていることやクラ
ンクシャフトの形状に違いがあることがわかった．また，同時代のオースチン・セブンのエンジンとの比較もおこなった．両者のエンジンは，各部の寸法が近似しておりダットサンのエンジンは，オースチン・セブンの影響を受け設計されていたことがわ
かった．これらを考慮して本研究では，ダットサン17型のエンジンに焦点を当て，燃焼室の形状，その他関連部品の分解，寸法の測定をおこない，オースチン・セブン，現代のエンジンとの比較をおこなった．また，この研究を進めるにあたり，研究車両
である1937年製ダットサン17型ロードスターは田中紀久子氏から譲り受けたものである．
Abstract
Industrial products have been engraved the industrial standard, people’s thought, and social conditions at that time. Therefore, the thought
called dynamic preservation that preserves and exhibits industrial products which had a great influence on people’s living, as heritage, are spreaded worldwide especially in Europe for the posterity. In this study, we have considered that there are these thoughts and picked up the automobile
as a subject of research due to investigate the evolution of industrial products that are used so that we have decided to consider a method ofdynamic preservation from viewpoint of an engineer. Particular attention was focused on the historical background of the Nissan Motor Co.,
Ltd., which developed Datsun in this paper because the Nissan Motor had no experience of mass production in early 1930. However, from theinvestigation of the mechanism of Datsun, it is understood that design with high safety factor is being carried out with an emphasis on reliability.
Therefore, the purpose of this study was to explore the origin of this design method. From the first report1）, it was investigated how that design
method was introduced or was there any referred model. At first, the engine of Datsun 17 type which was made in 1937 has been dismantled andcompared with Austin seven in the same era. As a result in the engine of Datsun, the connecting rod was made from duralumin and the shape ofthe crankshaft was different from the present day’s one. Also, there are many similarities with Austin seven so that the design of Datsun 17 typewas influenced by Austin seven. Therefore, we focus on inside the engine and investigate the shape of the combustion chamber or other auxiliary
equipment. In the course of study, we acquired a Datsun type 17 roadster made in 1937, which was donated by Ms. Kikuko TANAKA, and also
obtained an engine that was formally installed in the Austin Seven of the same era.
Key Words: Early Datsun, Austin Seven, Automotive Technology, NISSAN, Transition＊ 工総研研究員 ＊＊ 機械学系 ＊＊＊ 機械学系非常勤講師

2019 年 12 月 12 日受理— 31 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）32
１．はじめに

ピークの1937年には8353台に増加し，第二次大戦開戦まで

自動車は，機械工学の進化を広い視野から学ぶことができに33,872台に達した（日産自動車広報部資料「ダットサン・る好例になると考えられる．なぜなら，自動車には生産されデータベース」による）．量産により，価格も次第に引き下た当時の社会情勢や人々の要求，すなわち前者には経済の様げられ，1935年にはセダンが1900円になり5），小型輸入車と子，工業の水準や道路インフラなど社会の状況，後者には安して成功していた標準的なイギリス製のオースチン・セブン

全や環境問題などの問題解決に多くの技術が盛り込まれていと，日本の市場内で競合できるようになった6）．

るからである．
歴史的自動車（ヒストリックカー）を動態保存することは，

２．
２

ダットサン17型

産業界では自社の広報活動の重要な案件として考えられてい以下の理由から，ダットサン17型を研究対象に選んだ．

る．また，自動車会社だけでなく，国立の組織として，過去（a）神奈川県横浜市の工場で造られた純国産の自動車である
こと．

に生産された自動車本体や資料などを後世に遺すため，保存と展示をする動きが活発化している．後者では，イギリス国（b）日本で初めて量産に成功したこと．

立自動車博物館（1972年開館），フランス国立自動車博物館（c） 横浜市の大学として，横浜市に本社を置く日産自動車との情報交換が望めること．

（2006年リニューアルし開館）が設けられ，アメリカのヘン
リー・フォード・ミュージアムでは，アメリカ開拓史を馬車（d）生産台数が多いため，現存している車両が多く，入手の方法があること．

時代から自動車につながる交通体系全般を扱うことで明らかにしている．また，欧米の自動車製造会社は競うように自社（e）愛好家が多く，情報交換が望めること．

の製品を展示保存した博物館を充実させている．特にドイツが挙げられる．

のメーカ各社，ダイムラー，BMW，VW グループ，ポルシェ

本研究への賛同を受けた横浜市在住のオールド・ダットサなどは博物館の設備，展示，資料収集に多くの資金を費やし

ン所有者，田中紀久子氏から，40年近く車庫中で置かれてている．

いた，保存状態が良好（日産ヘリテージ学芸員清水栄一氏

こうした状況を背景に，1930年代，我々にとって未知のによる）といわれるダットサン17型を譲り受けることがで時代であり，欧米各社に追いつこうと日本の自動車会社や技きた．修理途中であるため，オーナーによればエンジンは不術者が開発に取り組み，製作された1937年式日産自動車製

動でオーバーホールが必要とのことだった（日本クラシック

ダットサン乗用車（オールド・ダットサン）を研究対象としカークラブ会員ダットサン研究家大村正敏氏）が，車体の状て選び，研究を進めることにした．オールド・ダットサンと態は極めて良好であった．また，静岡県の愛好家（前出の大は，第二次世界大戦以前の1930年代に生産された，ダット

村正敏氏）から，ほぼ一基分のエンジン・スペアパーツとカサンを指す俗称である．ここでは，工業製品の進化と，技術

タログのコピーを，徳島県の日本クラシックカークラブ会員

者の視点から動態保存の方法を比較検討した結果について報ダットサン研究家，木村具幸氏からは，取扱説明書やコネク

告する．

ティングロッドおよびピストンなどのエンジン部品の寄贈を受けた．

２．研究車両について
２．１

３．研究車両の検証

オールド・ダットサン

日産自動車は1933年12月に，実業家の鮎川義介によって

３．
１

オースチン・セブンとの比較創設されている．その源流は，1933年３月に鮎川が自身が研究を進めるにあたって，当時，小型大衆車の世界的なベ経営していた戸畑鋳物株式会社に自動車部を作り，ダット自ンチマークといわれていたオースチン・セブンとの比較をお動車製造株式会社より買収した大阪工場にて，小型車のダッこなった．

トサンと，米国製車両のフォードとシボレー用の部品を生産

同車は，イギリスのオースチン社が1922年に生産を開始する計画にあった．鮎川は大阪工場は量産に適していないとし，ダットサンとほぼ同時期に生産された小型乗用車であ考え，1934年には横浜に土地を取得し，橫浜工場が完成した．

り，1939年までに累計29万台を生産した．まず，英国の研

この工場では，エンジン，シャシーからボディまでの一貫生究家が指摘するように産が可能となり，日本で初となる，国産小型乗用車と商用車を受けていたのか，エンジンについて比較した．比較結果をの大量生産がはじまった．これ以前にも台数が少ないものの

Table.1に示す．なお，表のオースチン・セブンのホイール量産例があり，白楊社が小型乗用車のオートモ号を約300台

ベースは，1931年に延長されたため延長後の長さも記載す

4）

2）
，3）

，ダットサンがオースチンの影響生産していた ．しかしながら，オートモ号はダットサンとる．表より，ダットサン17型のエンジンとオースチン・セ

比較して１％にも満たないことから，橫浜工場でのダットサ

ブンでは，ボア径が若干異なるが，ダットサン13型とオーン生産を，日本における最初の本格的な量産とすることが妥

スチンセブンのエンジンのボア径およびストローク径が同一当である．ダットサンは，横浜工場で一貫生産が可能となっであり，シリンダピッチも同じであることがわかった．

た結果，1932年に，150台だったものが，1935年には3800台，— 32 —

車ではジュラルミンを用いるとこはないため記載が正しいか調査した．
オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷（第二報）

Table1

Specifications of Austin · Seven and Datsun

オースチン・
セブン

ダットサン
15型以降

ダットサン
13型
（1934-35）

4

4

4

気筒数
バルブ方式

サイドバルブ サイドバルブ サイドバルブ

ボア［mm］

56

55

56

ストローク
［mm］

76

76

76

総排気量［cc］

747.5

722.34

747.5

圧縮比

5.1

5.4

不明

最高出力
10.5
（7.83）/［BHP（kW）
2400
/rpm］

16（11.9）/3600

12（9.36）
/
3000

ホイール
1905
（2057）
ベース［mm］

2005

1980

３．２

33

当時の資料，文献の調査

我々は車両への知識を深めるため，当時の取扱書やカタロ

Fig.1 Speci f i cations from original manual7)
Fig.1 Specifications from original manual7)

グの文献調査をおこなうことにした．しかし，1937年前後に発行されたそれらは，日本語が旧かな使いであるばかりか，
エンジンや自動車の用語についても，現代に使われているもした．エンジンを降ろした後，エンジンについているディのとは異なり，完全には理解できなかった．そこで，全てのストリビュータとオルタネータなどの補機類を取り外した．

比重測定結果より，コネクティングロッドの比重

自動車用語を現代に使われているものに置き換えることにしは 2.846 と な り ， ジ ュ ラ ル ミ ン の 文 献 値 で あ る ，Fig.2にディストリビュータ，Fig.3にオルタネータを示す．

た．Fig.1に当時の資料を示す．

2 .次にエンジン下部についているオイルパンとオイルフィル
8 0 8 ) と 合 致 し た ．ま た ，通 常 ，コ ネ ク テ ィ ン グ ロ ッ

ターを取り外した．外したところ，エンジン内部からオイル
３．３

ド の 大 端 部 に は ，ベ ア リ ン グ を 用 い た 別 体 の シ ェ ル・

部品寸法の計測および材質調査と一緒にヘドロのようなものが出てきた．おそらく冷却水
ベアリングなどを備える．ところが，ダットサンで部品寸法の計測や材質調査，形状の把握と状態の確認から（クーラント）とオイルが混ざったものであり，強い刺激臭開始した．車載エンジンに手を付ける前にスペアパーツで進は，別体のベアリン
グを備えず，ジュラルミン製のがした．これは，長年，放置されたことにより変質してしまっ

めることにしたが，正確な数値を得るために，各部品の洗浄たことが原因と考えられる．
コネクティングロットが直接クランクシャフトの下取り外したエンジンの分解をおこなった．ピストンが燃焼をおこなった．

端部に接していた．

当時の仕様書に，コネクティングロッドは「H 型断面墜鍛

室内にある錆によって固着しており，クランクシャフトも回ヂュラルミン製」と記されていた．現代の車ではジュラルミ

すことができなかった．しかし，オイルを注入するなどによンを用いるとこはないため記載が正しいか調査した．

り，無事，分解することができた．Fig.4に外したピストン

比重測定結果より，コネクティングロッドの比重は2.846- 10 -とコネクティングロッドを示す．

8）となり，ジュラルミンの文献値である，2.80 と合致した．

最後に，フライホイールの取り外しを試みたが，ナットがまた，通常，コネクティングロッドの大端部には，ベアリン

潰れており，研究室内にある工具では外すことができなかっグを用いた別体のシェル・ベアリングなどを備える．ところたため，本学講師の平石先生のご協力のもと，取り外しをおが，ダットサンでは，別体のベアリングを備えず，ジュラル

こなった．この際，タガネでクランクシャフトを傷つけない

ミン製のコネクティングロットが直接クランクピンに接してように注意して作業を進めた．Fig.5に分解したフライホイー

いた．

ルを示す．
車載エンジンの分解を終え，再度使用できるかどうか検討

４．分解・修復作業をしたところ，シリンダ内の錆が酷くボーリング作業をおこ

４．１

なう必要があったため，今回は車載エンジンのシリンダブ

車載エンジンの修復第一報により，車載エンジンのシリンダには激しい損傷がロックを使うことを諦め，比較的状態が良いスペアエンジン

見受けられたため，車載エンジンの取り外しをおこなうことのシリンダブロックを使用し，足りないパーツを車載エンジにした．車載エンジンの取り外しのため，まず，エンジンとンから取り，実働可能なエンジンを作製することにした．部

車体，ギアを繋いでいるボルトを緩め，仮止めの状態にした．

品は，新品はもちろん，中古部品でも入手が困難な歴史的工実験室天井にあるクレーンにロープをつけ，そのロープをエ

業製品では，今回のように手持ち部品を有効に活用して，完ンジンに巻きつけ，仮止めのボルトを外し，エンジンを降ろ

全な一個を組み立てることが動態保存のひとつになる．

— 33 —

な歴史的工業製品では，今回のように手持ち部品を有効に活用して，完全な一個を組み立てることが動態保存のひとつになる．
関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

34

４．
２

寸法測定

車載エンジンとスペアエンジンを組み合わせるにあたり，シリンダブロックやその他パーツの寸法を測定した．また，測定した部品の図面を2D-CAD を用いて作成し，今後，動態保存をおこなうため修理や新しいパーツの作製をする際に使用できるようにした．その結果，スペアエンジンのシリンダ径の寸法は，車載エンジンのシリンダ径より１mm 程度大きいことがわかった．これは，スペアエンジンがボーリング

オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷(第二報)によってボアアップされ，オーバーサイズピストンが組み込まれていたことになる．用いられていたピストンの頭頂部に

オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷(第二報)は，＋0.4との刻印が確認できた．しかしながらスペアエン

オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷(第二報)

ジンと車載エンジン，提供を受けたピストンの全数を計測したところ，最適なサイズと判断した＋0.4オーバーサイズでFig.2 Dismantle d distributor

Fig.2 Dismantled distributor

仕様可能なものは２気筒分しか存在していないことが判明した．現在のところ，+0.4を２気筒分入手できるか，製作することが可能か検討しており，今後の課題となった．この例の- 12 -

ように，部品の調達については，産業遺産としての自動車の動態保存のひとつの問題点である．
車載エンジンとスペアエンジンについて，各部の寸法や形状に違いがないか調べたが，特に違いは見当たらなかったた

オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷(第二報)
め，パーツは流用可能であると判断した．Fig.6にシリンダブロックの図面を示す．

Fig.3 Dismantled Dynamo
Fig.3 Dismantled Dynamo
Fig.3

Dismantle d Dynamo

Fig.3 Dismantled Dynamo

Fig.4 Dismantled piston and connecting rod
Fig.4

Dismantle d piston and connecting rod

Fig.4 Dismantled piston and connecting rod

Fig.4 Dismantled piston and connecting rod

Fig.6
Fig.6 Dr a wDrawing
i n g o fo fccylinder
y l i n dblock
er blockFig.5 Dismantle d Flywheel

Fig.5 Dismantled Flywheel
Fig.5 Dismantled Flywheel- 13 - 13 -— 34 —

4.3

コネクティングロッドの清掃

本研究ではエンジン始動に向けて，コネクティン

ったため，既存するすべてのコネクティングロッド
ったため，既存するすべてのコネクティングロッド
を. 4エ ンコジネンクコテンィデンィグシロョッナドでボ清ル掃トすのる調こ達と に し た ．
を4 エ
ンジンコンディショナで清掃することにした．
コネクティングロッドの組み立ての際，コネクテ

オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷（第二報）

４．３

コネクティングロッドの清掃35ィングロッドボルトの本数が足りないことがわかっ

本研究ではエンジン始動に向けて，コネクティングロッド

た．また，ベテランメカニックから，コネクティンの清掃をした．その際，汚れが落ち，部品を傷めずに清掃をおこなうため，エンジンコンディショナ，重曹，灯油の3種

グロッドボルトには大きな負荷がかかるため分解修類を洗浄剤として選んだ．各洗浄剤は各部に付着した煤などを落とし，部品を傷めないと考え使用した．エンジンコンディ
理時には，部品交換をした方が良いとアドバイスを
ショナとは，エンジン内のスロットルバルブなどに堆積する得た．したがって，既存のボルトを測定し，図面をカーボンやスラッジの分解，除去が可能なケミカルスプレー
である．灯油は，大型機器の部品などを洗浄する際に用いら作 成 し た ．F i g . 9 に コ ネ ク テ ィ ン グ ロ ッ ド ボ ル ト の 寸れている．また，重曹は，銀など食器類の汚れや錆を落とす

i g．
. 7 C oFig.7
n n e cConnectingt i n g r rod
o d beforeb e f cleaningo r e c up
leaning up
際に使用するため，材料に悪影響を与えずに汚れが落ちる
法 を 示Fすのではないかと考えた．Fig.7に清掃前のコンロッドを示す．

Fig.7 Connecting rod before cleaning up

清掃前はカーボンやオイルによるスラッジなど汚れが多いこ 寸 法 を 測 る と ，M 8 細 目 ネ ジ で あ っ た ．そ こ で ，最とがわかる．Fig.8にエンジンコンディショナ，灯油，重曹も近似しているボルトを使い組み立てをしたが，ネで洗浄した後の様子を示す．洗浄力がもっとも高かったもの
は，エンジンコンディショナであったため，既存するすべてジが切られている部分のみしか入らず取り付けがでのコネクティングロッドをエンジンコンディショナで清掃することにした．

きなかった．そこで，再度寸法の測定をした結果，

４．４

純 正 品 よ り 0.2mm ほ ど 大 き い こ と が わ か っ た ． 純

コネクティングロッドボルトの調達

コネクティングロッドの組み立ての際，コネクティング

正品に近づけるよう加工をしたが，当研究室では作ロッドボルトの本数が足りないことがわかった．また，ベテ

ランメカニックから，コネクティングロッドボルトには大きることが出来なかったため，既存のボルトと図面をな負荷がかかるため，分解修理時には部品交換をした方が良業者に送り，製作を依頼した．
いとアドバイスを得た．したがって，既存のボルトを測定し，図面を作成した．Fig.9にコネクティングロッドボルトの寸
法を示す．

Fig.8

Connecting rod af ter c leaning up

Fig.8 Connecting rod after cleaning up
Fig.8 Connecting rod after cleaning up

寸法を測ると，M8細目ネジであった．そこで，最も近似しているボルトを使い組み立てをしたが，ネジが切られてい- 16 - 16 -る部分のみしか入らず取り付けができなかった．そこで，再度寸法の測定をした結果，純正品より0.2mm ほど大きいことがわかった．純正品に近づけるよう加工をしたが，当研究室では作ることが出来なかったため，既存のボルトと図面を業者に送り，製作を依頼した．
４．５

クランクシャフトおよびコネクティングロッドの加工

Fig.9

Dimension of connecting rod bolt

既存のコネクティングロッドボルトを用いて，研究室が所

Fig.9 Dimension of connecting rod bolt

有するコネクティングロッドの中から良品であり，形状が同業者に加工を依頼した．その結果，
クランクシャフトが回り，一のものを選び，エンジンに組み込まれているクランクシャ

ピストンが正常に動いた．

フトに装着した．装着後，クランクシャフトを回転させよう

また，専門業者に，加工した際に大端部およびクランクピと試みたが，回すことができなかった．そこで，クランクピ

ン部をどれだけ研磨したかを尋ねたところ，指や爪などでン部4か所の直径とコネクティングロッドの大端部内径の測

触ったときに感じる金属の僅かな粗さなどを加味して，五感定をおこなったところ，クランクピン部の直径が大きく，大頼りで削っていたとのことだった．これにより，すべての部

端部内径が小さかったため，クリアランスが不足しており回品で異なる値であることがわかった．そこで，加工前と加すことができないとわかった．別体のベアリングを持つ場合

工後のクランクピン部４か所を測定した．すべて約0.4から- 17 -には，ベアリングの寸法を合わせるか，これを持たないダッ0.6mm ほど研磨されていた．加工後のクランクピン部に合トサンの場合ではコネクティングロッドの大端部内径をホーわせて大端部も加工されているため，内径もすべて異なる数

ニング加工により大きくする必要がある．しかし，この加工値となった．さらに，専門業者の方から，組付けの際には，には高い精度が要求されるため，部品保護の観点から，専門

コネクティングロッドボルトを締め付けする際，規定トルク— 35 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

36

19.6N・m で締めるようにとアドバイスがあった．これは，のメタルよりも軟らかいため，充分メタルとしての機能は果締め付けトルクは，回転部分の場合には特に重要であり，締たしているといえる．

め付けすぎると焼き付きやボルトの損傷に繋がるからであ
る．

５．
２

燃焼室の変遷５．技術の変遷

成される空間のことである．バルブ配置や数，点火プラグの

５．１

位置，ピストン上面の形など多くの要素により，その形状は燃焼室とは，シリンダヘッドと上死点時のピストンとで形
コネクティングロッドの変遷

ダットサン17型のエンジンには，クランクシャフトとコ異なる．ガソリンエンジンの燃焼室には，
ウェッジ型
（楔形），

ネクティングロッドの間にメタルが用いられないため，調査

バスタブ型（湯舟形），半球形，多球形，ペントルーフ形（屋することにした．現在のエンジンには，薄肉ベアリング（シェ根型），ヘロン形などがある10）．

ル・ベアリング）が一般的に用いられているが，発明される内燃機関は，燃料を燃やした際に生じる熱エネルギーを仕以前は盛りメタルと呼ばれるものが一般的であった．盛りメ事に変換させる熱機関のひとつである．したがって，燃料とタルとは，溶融したベアリング材（バビットメタル）をコン

空気の混合気を吸い込み，圧縮し燃焼させ，排出するサイクロッド大端部に流し込み，硬化後に規定寸法まで切削する技

ルをおこなう部分の設計が，エネルギーの変換効率を決定す法である．しかし，このような盛りメタルもダットサン17

る重要な鍵となる．そのため，燃焼室の形状は，出力特性や型のエンジンには用いられていなかった．これは，盛りメタ

燃費だけでなく，燃焼騒音や排気ガス特性にまで影響をおよルの製造には，熟練した技術が必要であり，量産を開始した

ぼす．
燃焼室と吸排気ポートの形状を決定するときのポイントはばかりの日産自動車には，これらの部品を量産するための技

オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷(第二報)
いくつかあり，高速域については，混合気と燃焼後のガス術的な蓄積が少なかったことが推察される．これ以外の理由として考えられるのは，ダットサンの設計に当って，フランを，速やかに大量に流すことのできるポート形状が要求されス製のベンジャミン車を参考にしたとの元技術者の証言がる．また，圧縮された混合気が着火した際，火炎が速やかに4）ある ．ベンジャミン車がジュラルミン製のコネクティング
ロッドを用いていたと考えられる4）．ただし，ベンジャミン

燃焼室の端まで到達できるよう高い燃焼速度が望まれる．言能は果たしているといえる．

い換えれば，火炎伝播距離が短いことが重要となる．同時に車に関する資料は少なく，まだ確証はとれていない．しかし，断熱圧縮で高温になった混合気が，排気バルブなどのホット

クランクシャフトとコネクティングロッドの間にメタルが用スポットによって自己着火してしまわない，つまり耐ノック

Ta b l e . 2 r e s u l t o f Vi c k e r s h a r d n e s s
性が高いことも重要となる．また，同じ容積の燃焼室ならばいられず，両部品の硬さに差がないと，クランクピンの磨耗につながり，焼きつきの原因となってしまう9）．この防止策

表面積が小さいほうが，熱の放散が少なく効率がよくなる．

ダ ッ ト サ ン 17 型 のとして，ダットサン17型のコネクティングロッドにはベア

S2000 の メ タ ル

低速・低負荷領域では，高速域とは違い，吸入される混合リング程度の軟らかい金属が用いられていると予想を立て，

コネ
クティングロッド
気の流速が遅く，シリンダの中での運動量が小さく，効率的硬さ試験をおこなった．硬さ試験をおこなうにあたり，本学に燃焼をおこなうため，シリンダ内に動きを与える必要があ

講師の塚原先生のご協力のもと，作業をおこなった．

る．そこで，吸入された混合気に渦を巻く（スワール）様なHV107

硬さ試験とは，角錐や球などの圧子を押し付けたり，ぶつ

HV136

動きを与えたり，ヘッドとピストンの隙間を小さくして，そけたり，引っかいたりして資料に変形を与え，その変形が小
さいほど硬いと判定する試験である．今回の硬さ試験にはビッカース硬さ試験を用いた．ビッカース硬さは四角錐ピラ
ミッド圧子と呼ばれるダイヤモンドの対角面が136°の形状をしたものを，試料面に押し込んだ荷重と生じた圧痕表面積から硬さを求めるものである．
今回，ダットサン17型のジュラルミン製コンロッドがメ
タルに等しい硬さを持っていたかを判断できないため，比較対象として本田技研工業株式会社製 S2000（2003年式）のメタルも一緒に硬さ試験をおこなった．Table.2に試験結果を，Fig.10にビッカース硬さ試験でつけた圧痕を示す．この結果からダットサン17型のコネクティングロッドは S2000
Table2

result of Vickers hardness

ダットサン17型のコネクティングロッド

S2000のメタル

HV107

HV136

Fig.10 mark of Vickers hardness— 36 —

5.2

F i g . 1 0 m a r k o f Vi c k e r s h a r d n e s s

燃焼室の変遷燃焼室とは，シリンダヘッドと上死点時のピストオールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷（第二報）

37

13）

うになった ．

こに入り込んだ混合気をジェット状に押し出す ｢スキッシュ

このようにダットサン，オースチンの年代では，弁ばねにエリア｣ を設けたりする必要がある．しかし，ポート面積を絞れば，吸入空気量が少なくても流速は上がり，吸気ポート

ピアノ線が用いられており，現代ではオイルテンパ線に変えにひねりを加えるスワール流を生成することができる．とこ

オールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷(第二報)ることで，エンジンの高出力や低燃費化を可能にしているろが，こうした手法では，大量の混合気が高速で流れる場合

ことがわかった．ホンダ S2000のばね定数は，ダットサン

は，吸入抵抗を増大させてしまう11）．

およびオースチンのばね定数と大きく差があった．それはオールド・ダットサンから見る自動車技術の変遷(第二報)

以上のことを踏まえて，ダットサン17型のエンジンの形

VTEC（可変バルブ機構）にある．VTEC は，カムシャフ

状を確認すると，シリンダブロック内に吸排気バルブ，吸排トに高回転および低回転用のカムを設け，そこに接するロッ気ポートとカムシャフトを備え，バルブがシリンダの外側に

カーアームを一定の回転数に達した際に切り替え，バルブタ

配置されていることがわかる．この構造は，設計が簡単であるものの吸排気の流れが複雑で抵抗が大きく，燃焼室のコン

Ta b l e . 3 Va l v e s p r i n g

イミング・リフト量を変化させる機構である．よって，高回
ばね定数

んる
だ．
長
頼 で き る も の に元しのた長と 推 察縮され転時に，弁ばねに対する慣性力が大きくなるため，ばね定数

さ [mm]が大きいと考えた．

さ [mm][N/mm]

45.5

38.0

13.1

45.5

37.0

11.5

41.6

33.3

11.8

40.2

32.8

13.3

S2000 IN

48.8

47.0

54.5

S2000 EX

49.7

47.5

44.6

パクト化は難しい8）．また，燃焼室が広く長い扁平な形状となり，燃焼室の表面積が大きくなり，熱損失が大きくなる．
加えて，点火プラグから燃焼室末端までの距離が長いため，

ダットサ

火炎伝播にかかる時間が長く，異常燃焼が起きやすく，高圧

ン IN

縮比，高出力化には不向きであることがわかる12）．また，比較したオースチン・セブンの燃焼室形状は同じサイドバル

ダットサ

ブありながら，ダットサン17型とは異なっていた．Fig.11，

ン EX

12にダットサン17型とオースチン・セブンの燃焼室を示す．
しかし，第一報でも述べたように，1930年代の道路状況では，
高速運転の機会はなく，大きな出力が必要とされなかった．

オースチ
ン IN

また，日産は，当時量産を始めたばかりのメーカであり，ダッ
トサンのエンジンは構造が単純であるため故障も少なく，車を購入する人にとっても，初めての車であった．そこで，世オースチ

界的に実証された堅実な機構を用いて，信頼できるものにしン EXたと推察される．
５．３

弁ばねの変遷

ダットサン，オースチン・セブンおよび S2000の弁ばねの張力を比較した．測定方法は，ばねを置き，その上に平行な鉄板を乗せ，両端にダイヤルゲージを配置し，鉄板の上から

Fig.11 Combustion chamber of Datsun type 17 and Austion seven

F i g . 11 C o m b u s t i o n c h a m b e r o f D a t s u n t y p e 1 7

10kg の重りを乗せ測定した．Table.3にばねの張力，Fig.11

and Austion sevenに実際のダットサン，オースチン，S2000の弁ばねを示す．
表よりダットサンとオースチンのばねは，大きさや強度に数値の差が見られなかった．しかし，S2000は高出力なエンジンであるため，リフト量が最大時にバルブに対する慣性力 5 . 3がとても大きい．したがって慣性力をうち消すためにバルブ
スプリングの線径を大きくするなど耐荷重化を図っているのではないかと推測できる．

弁ばねの変遷

ダ ッ ト サ ン ，オ ー ス チ ン ・ セ ブ ン お よ び S 2 0 0 0 の

D AT S U N

AUSTINS2000

弁 ば ね の 張 力 を 比 較Fig.12
した．
測定
方 法 は ，ば ね を 置 き ，valve
spring

また，材質の調査をおこなったが，本大学に材質を調べる
機器がなかったため，調査できなかった．そこで，本学講師

Fig.12 valve spring

その上に平行な鉄板を乗せ，両端にダイヤルゲージ
Table3

Valve spring

縮んだ長さ
ばね定数
の原健次郎先生に聞いたところ，SWOSC-V という素材で を 配 置 し ， 鉄 板 の 上元の長さ
か ら 10k
g の重りを
乗せ測定し
［mm］
［mm］
［N/mm］
6． お わ りにはないかとの回答であり，これについて調査した．その結果，

ダットサン
INば ね の45.5
ble.3 に
張 力 ， F i38.0
g . 11 に 実 13.1
際のダット
弁ばねの歴史がわかった．1940年以前はスウェーデン製の た ． Ta
本
研
究
で
は
，
工
業
製
品
の
進
化
を
知
る
こ
と，技術者
ダットサン EX
45.5
37.0
11.5
ピアノ線が用いられていた．1940年以降はピアノ線の国産化がはかられ，航空機用弁ばね用鋼線として国産ピアノ線が

サ ン ， オ ー ス チ ン ， S2000 の 弁 ば ね を 示 す ．
オースチン IN

41.6

33.3

11.8

の視点から動態保存の方法を考えることの 2 点を実用化された．その後，自動車用弁ばね材料として使用されオースチン
EXサ ン と
40.2
表よ
りダット
オ ー ス チ32.8
ン の ば ね 13.3
は，大きさ

48.8
47.0
54.5
るようになった．戦後，欧米よりオイルテンパ線の製造技術
研 究 課S2000
題 とIN
した．この
研究対象
に自動車
を選び，生
や強度
に
数
値
の
差
が
見
ら
れ
な
か
っ
た
．
し
か
し ，S 2 0 0 0
S2000
EX
49.7
47.5
44.6
が紹介されると，徐々に自動車用弁ばねとして採用されるよ産はさ高れ出た会で状あ況る
やた要め求，，リ工
，時
安
力時
な代
エの
ン社
ジン
フ業
トの
量水
が準
最大
— 37 —

全に，バ環ル境を性広力
いが視と野てかもら大学
しっ
て，
ブ問
に題
対な
すど
る慣
きん
いだ
．．
しそ
たが
以下の結論が得られた．

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

38

また VTEC は1989年にインテグラに初めて搭載された．

サンはオースチンにはなかった進歩的な工夫が見られ1980年代後半から1990年代にかけて，可変バルブ機構のた．

技術を自動車メーカ各社が競い合い，それぞれのメーカで可変バルブ機構を採用している．これは，排ガス浄化と省エ

最後に，本研究は2016年度理工／建築・環境学会研究補

ネルギー，高出力を両立させるためであった．日産自動車

助費を受けたものである．ここに感謝の意を表す．また，田は数ある可変機構でも最も基本的な作動ある位相変化型の

中紀久子氏（車両提供），大村正敏氏（スペアエンジンおよ

NVCS を1986年にレパードに搭載し，三菱自動車は MIVEC

び資料寄贈），木村具幸氏（部品および資料寄贈），木村治夫

を1992年にミラージュに搭載した．またトヨタ自動車は氏（資料寄贈），日産自動車株式会社座間記念車庫の関係各1995年に５代目クラウンに VVT-I を初めて搭載した．

位に深謝したい．そして，各部の測定や執筆には，卒業生でしたがって，各メーカはより高い充填効率を求め，独自である神長俊基氏，西口恒平氏，織部恭輔氏，島田航平氏，中村大起氏，奥田陽歌里氏にも協力いただいたことを記して本

可変機構を開発していた．

稿を閉じたい．
６．おわりに
本研究では，工業製品の進化を知ること，技術者の視点か

参考文献

ら動態保存の方法を考えることの２点を研究課題とした．こ

１）神長俊基，武田克彦，伊東和彦：オールド・ダットサの研究対象に自動車を選び，生産された時代の社会状況や要ンから見る自動車技術の変遷（第一報），関東学院大学

求，工業の水準，安全，環境問題などを広い視野から学んだ．

工学総合研究所所報，40，2016，pp19-26．
２）C h r i s H a r v e y ： A u s t i n S e v e n s ， p . 5 0 ， H a y n e s

そして，以下の結論が得られた．

Publications Inc，（1988）．

（１）ダットサンとオースチン・セブンのエンジンの各部の寸法は近似しており，オースチン・セブンの影響を受けて

３）Bryan Purves：THE Austin Seven SOURCE BOOK，
p.414，Haynes Publishing Group，（1989）．

設計されたものと推察できる．
（２）ダットサン17型にはメタルがみられなかった．当時一４）鈴木一義：20世紀の国産車，pp82-83，三樹書房，（2000）．

般的であったのは盛りメタルだが，盛りメタルの製作作

５）小林彰太郎：写真で見る昭和のダットサン，p.21，株式会社二玄社，（1995）．

業には熟練工の存在が必要であり，量産を開始したばかりの日産には量産を可能にする技術的な蓄積が少なかっ

６）小林彰太郎：ダットサンの50年，p.2，株式会社二玄社，（1983）．

たからメタルを必要としないジュラルミン製にしたので

７）日産自動車株式会社：ダットサン乗用車取扱法，pp.2-3，

はないかと推察される．

（1937）．

（３）日産は，当時量産を始めたばかりのメーカであり，車を購入する人にとっても，初めての車であった．そこで世

８）坂上茂樹：戦前戦時～復興期のダットサン，ニッサン用界的に実証された堅実な機構を用いて，信頼できるもの

日立気化器，大阪市立大学学術機関リポジトリ，109，
09，2017．

にしたと推察される．
（４）ダットサン，オースチン・セブンおよび S2000におけ

９）日本自動車技術会：自動車技術を築いたリーディングエ

る弁ばねの張力を比較した．ダットサンとオースチンのンジニア，http//jsae.or.jp/interview/（2019年12月10日

弁ばねは，大きさや強度に数値の差が見られなかった．

参照）．

しかし S2000のような高出力なエンジンは，バルブに10）鈴 木 脩 己： 大 車 輪， 三 栄 書 房，
（2003），p.126，156，
166，200，206，219．

対する慣性力がとても大きいため，バルブスプリングの線径を大きくするなど耐荷重化を図っているのではない

11）両角岳彦：図解自動車のテクノロジー基礎編，三栄書房，（1991），pp.60-61．

かと考える．
（５）ダットサンの時代では，現代の社会的要望がなく，エンジンの簡易的な仕組みだった．また，ダットサンのエン

12）廣安博之：わかる内燃機関，日新出版，（1973），p.138．
13）弁 ば ね 用 線 材 の 発 展

ジン内部の部品はオースチンの寸法と類似していたが，明らかに設計の意図が違うことがわかった．またダット— 38 —

pp27-30.

神 戸 製 鋼 技 報，50，3，2000，

研究論文
39

ディンプルを有する平行平板軸受の流体潤滑特性の実験的検討
岸
三
宮

田
和
永

晃
怜
宜

直 **
央 **
典 **

Experimental investigation of hydrodynamic lubrication characteristics ofdimpled parallel plate bearingsbyTerunao KISHIDA
Reo MIWA
Norifumi MIYANAGA
要

旨
潤滑面にディンプルおよび／または溝を加工することは，平行平板軸受の流体潤滑特性を改善するための有効な手段として知られている．ディンプルを有するしゅう動面の流体潤滑特性は，ディンプル深さ，ディンプル密度，ディンプル形状，潤滑特性など多くのパラメータによって影響されている．しかし，これらのパラメータの効果は定量的には明らかではない．この研究では，油膜力の発生と摩擦トルクの低減に対するディンプル形状の影響を明らかにするために実験をおこなった．油膜力と摩擦トルク
は，一定の膜厚さで円形と２つの扇型ディンプルを用いて測定された．また各ディンプルで発生する流体力学的性能と，キャビテーションの関係を明確にするため摺動面の観察をおこなった．円形ディンプルは最大の油膜力を示し，最小の摩擦トルクを示した．円形ディンプルのキャビテーション領域は，回転数の増加によってわずかに増加した．一方，扇形ディンプルのキャビテー
ション領域は直線的に増加した．この結果はキャビテーションの発生とディンプル内での成長が，ディンプルを有する平行平板
軸受の流体力学的性能と関連していることが示唆された．

キーワード：流体潤滑，平行平板軸受，ディンプル

Abstract
Creating of dimples and/or grooves on lubricating surfaces is a recognized effective method for improving the lubrication performance ofparallel plate bearings. It is known that hydrodynamic lubrication characteristics of dimpled surfaces are affected by many parameters such as
dimple depth, dimple area density, dimple shape, and lubricant properties. However, the effects of these parameters are not made clear quantitatively. This study performed bearing tests for revealing the effect of dimple shape on generating fluid film forces and reducing frictional torque.
The fluid film force and frictional torque were measured in circular and two fan-shaped dimples under constant film thicknesses. The lubricating
surface was also observed for clarifying the relationship between the hydrodynamic performance and cavitation occurred in each dimple. As
the results, the circular dimple indicated the largest fluid film force, whereas the lowest frictional torque. The cavitation area within the circular
dimple slightly increased with the rotational speed, on the other hand, those of the fan-shaped dimples linearly increased. The results suggested
that the emergence of cavitation bubbles and their growth within the dimples were related with the hydrodynamic performance of the dimpledplate bearings.
Key Words: hydrodynamic lubrication, parallel plate bearings, dimples＊ 関東学院大学 工学研究科機械工学専攻＊＊ 関東学院大学 理工学部理工学科機械学系

— 39 —

2019 年 12 月 6 日受理

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

40
１．緒

言

試験片はオイルカップ内に固定されている．本装置はガラス

軸受のしゅう動面にディンプルおよび／または溝などを加ディスクと試験片との隙間（膜厚さ）を1µm の精度で一定工することは，潤滑特性を改善するための有効な手段としてに保つことができる．また，温度調整部によって，軸受試験知られている1）．ディンプルまたは溝による一つの凹部に注部と潤滑油の温度を一定に保つことができる．

目すると，くさび部で正圧が，逆くさび部で負圧が発生する．

本実験では，Fig.2に示す４つの試験片を用いた．すなわ

潤滑油が負圧に耐えられないところでは油膜が破断し，圧力ち，ディンプルが加工されていないプレーン試験片，円形，がキャビテーション圧力にまで回復するため，荷重に対抗す

扇型縦（しゅう動方向に対し縦長）および扇型横（しゅう動る油膜力を得ることができる．平行平板軸受を用いた場合，方向に対し横長）のディンプルが加工された試験片である．

荷重に対抗する油膜力を得ることができず，二面が接触して試験片の材質は黄銅製であり，外径42mm，内径24mm である．

しまう．そのため，多くの研究者によって，ジャーナル軸受2），Fig.3に三種類のディンプルの概略図を示す．ディンプルは

3）
，
4）

8）

その他機械部品等

エッチングによって，36度毎に計10個が施されている．ディにディンプルが加工され，それらの潤滑特性および適切な設ンプルの深さは30µm である．また，ディンプルの面積の総計法についての研究がおこなわれている．

和は，しゅう動面の面積に対し30% になっている．

メカニカルシール5）～7）, スラスト軸受

Etsion ら は，二次元レイノルズ方程式とハーフゾンマー

実験条件を Table 1に示す．Fig.4は一回の実験での回転

フェルト境界条件を使用した解析モデルを用いて，半球形状数の制御パターンである．各回転数での実験時間を200秒間のディンプルが加工されたメカニカルシールの解析をおことし，後半100秒間のデータを平均した．また，回転数をなっている．その結果，ディンプルの直径だけでなく，しゅ

上昇する前に100秒間の停止時間を取り，しゅう動面間のう動面に対するディンプルを配置する面積の割合を適切に設

キャビテーションの除去および冷却をおこなった．潤滑油計することが重要であると結論付けた．Qiu ら5）は，円形とには SAE30を用いた．ここで，298K 時の SAE30の粘度は楕円形のディンプルが施されたスラスト軸受について実験的0.21Pa･s である．

3）

な検討をおこなった．この研究では，ディンプルの深さ，
直径，
ならびに面積比などのパラメータが摩擦特性に影響している
ことを明らかにしている．また，しゅう動面を可視化し，
キャ
ビテーションの大きさがしゅう動速度に依存して変化することを示した．Cross ら6）は，円形ディンプルが加工されたス
ラスト軸受において，摩擦トルクの測定およびしゅう動面の観察をおこなった．摩擦係数は，ディンプル直径が大きくなるほど，またディンプル深さが浅くなる程小さくなることを示した．また，キャビテーションは，回転数が大きくなるほど，粘度が増加するほど大きくなることを示した．Shen ら7）は，ディンプルの断面形状の影響について検討したこの研究

Fig. 1 Experimental apparatus

Fig.1 Experimental apparatus

では，長方形断面と三角形断面について実験がおこなわれ，
長方形断面の方がより大きな油膜力を示すことを明らかにした．
本研究では，円形ディンプルと二種類の扇形ディンプルが加工された試験片を用いて，油膜力および摩擦トルクの測定をおこなった．また，しゅう動面を可視化し，キャビテーショ
ンが油膜力および摩擦トルクに及ぼす影響を明らかにしたの

Fig. 2 Photos of specimens

Fig.2

Photos of specimens

で，ここに報告する．
２．実験装置および実験方法
実験装置概略図を Fig.1に示す．実験装置は，コントロー
ラ部，軸受試験部および温度調整部によって構成されている．コントローラ部には，モータ，エアベアリング，ノーマ
ルフォースセンサ，トルクセンサ，ならびにギャップセンサが内蔵されている．試験軸受部は，ガラスディスクと試験片から構成されている．ガラスディスクはシャフトを介してエアベアリングによって支持されている．ディンプルを有する— 40 —

Fig.3 Schematiceach dimple
shape shape
Fig. 3 Schematicofofeach
dimpleディンプルを有する平行平板軸受の流体潤滑特性の実験的検討

Experimental conditions

0-600

Film thickness h［µm］

20-50

Lubricant

SAE30

Temperature T［K］

298

Viscosity η［Pa･s］at 298K

0.21

8

700

h=20μm

4
2
0

600

0
200 400 600 800
Rotaitional speed, n [min-1]
Fig. 5Fig.5
Effect oftheofrotational
speedsonontheEffectthe rotational
speed
thefilm
filmforce
force

500
400
300

160

200

120

100
0

Plane
CircularLongitudinal
Transverse

6

Frictional torque [mN･m]

Rotational speed, n [min-1]

Rotational speed n［min-1］

Film force [N]Table14105001000 1500 2000

Time [s]Fig.Fig.4
4 Experimental
methodExperimental method
３．実験結果および考察

各試験片における回転数と油膜力の関係を Fig.5に示す．

h=20 μm

80
40
0

Thory
Plane
CircularLogitudinal

0
200 400 600 800
Rotational speed, n [min-1]

Fig. 6 Effectthe rotational
speedson onthethefrictional
Fig.6 ofEffectof the rotational
speedfrictionaltorquetorqueFig.5より，Plane 試験片の油膜力は，いずれの回転数でも零となった．各ディンプルでの油膜力の測定結果を比較すると，回転数が100min-1時には，どのディンプルでも油膜力がほぼ発生していないことがわかる．回転数が増加すると油膜力が発生しており，本研究で用いた三種類のディンプルでは，
円形ディンプルが最も油膜力を発生した．また，円形ディン
プルは回転数の上昇に伴って油膜力が上昇しているのに対して，二つの扇型ディンプルでは400min-1以上の領域で油膜力がほとんど上昇していない．
各試験片における回転数と摩擦トルクの関係を Fig.6に示す．Fig.6に示した摩擦トルクの理論線は，Eq.（1）を用い
て求めた．
T＝

πηω（ro4−ri4）2hFig. 7 Observation results of sliding surface: circular dimple,
Fig.7 Observation results of sliding surface: circular
dimple,h=20μm, n=100, 300 and 600min-1-1（1）h=20μm, n=100, 300 and 600min

ここで，T：摩擦トルク［N∙m］，η：粘度［Pa∙s］
，ω：回転
，
r：
速度［rad/s］，
h：膜厚さ［m］，
ro：しゅう動面外半径［m］
i しゅ

線で囲われた部分がディンプル部を示し，白く塗られている

う動面内半径［m］である．Fig.6より，Eq.（1）で求めた理論部分がキャビテーションを示す．いずれのディンプルでも，回-1線と実験値はよく一致した．ただし，回転数が500min 以上で転数が100min-1の時には，キャビテーションが発生していなは，
理論値より実験値の方がわずかに低くなっている．これは，い．そのため，ディンプル周辺では反対称な圧力分布が生じ，回転数が増加することにより，摩擦熱に伴う粘度変化が生じ

Fig.5のように油膜力は零となったと考えられる．回転数が上たためと考えられる．ディンプルのある試験片は，プレーンの昇すると，ディンプルの入口側にキャビテーションが発生した．

試験片と比較して，摩擦トルクが低くなった．また，三種類のこれは，負圧がキャビテーション圧力に回復したことを意味し，

ディンプル形状でを比較すると，円形ディンプルが最も摩擦

圧力分布が非対称となって油膜力が生じたものと考えられる．

低減に効果があった．

ディンプルに発生したキャビテーションは，回転数の上昇にとしゅう動面を可視化した結果を Fig.7から Fig.9に示す．破もなって，徐々に拡大していることも確認された．

— 41 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

42

Cavitation area ratio [ % ]

70
60
50
40
30

h=20 μm

20

Circular
Transverse
Longitudinal

1000
200 400 600 800
Rotational speed, n [min-1]

Fig.
10 Relationshipbetweenarearatio
ratioandandrotationalrotational
Fig.10Relationshipbetweencavitation
cavitation area
speedsspeed
Fig.
8 Observation
results
longitudinal
dimple,Fig.8
Observation
resultsofofsliding
sliding surface:surface: longitudinal
dimple,-1h=20μm,n=100,
300
and
600min-1h=20μm, n=100, 300 and 600min
Film force [N]

8

Plane
CircularLongtitudinal
Transverse

6n=600min-1

4
2
0

10

20 30 40 50 60
Film thickness, h [μm]Fig.
11 Effectof thefilm
on thethefilm
filmforce
force
Fig.11
Effectof thefilmthickness
thickness on

Frictional torqe [mN･m]

160

Plane
CircularLongtitudinal
Transverse

120

Fig.Fig.99 Observation
resultstransverse
dimple,Observation
resultsofofsliding
slidingsurface:surface: transverse
dimple,h=20μm, n=100, 300 and 600min-1-1h=20μm, n=100, 300 and 600min

ディンプル内でのキャビテーションの面積割合を Fig.10に示す．円形ディンプルの場合，キャビテーションの面積割合は，-1n=600min-1

80
40
0

20 30 40 50 60
Film thickness, h [μm]Fig.Fig.12
12 Effectof thefilmfilm
thicknessfrictionaltorquetorqueEffectof thethicknessonon thethe frictional

-1

円形ディ
200min ～600min の範囲でほとんど変化していない．
ンプルは，ディンプル幅がしゅう動方向に対して狭くなってい
くため，それが一種のくさび作用を引き起こし，キャビテーショ

10ン領域の増加を妨げたからであると考えられる．Fig.5からも，油膜力は回転数の増加に伴って増加している．一方，二つのまた，わずかではあるが，円形ディンプルで最も摩擦トルクが扇型ディンプルの場合，キャビテーションの面積割合は，回転低下している．

数の上昇とともに増加している．これは，扇形ディンプルは，
ディンプル幅がしゅう動方法に対して一定であるため，キャビ

４．結言

テーションが下流に広がりやすかったためである考えられる．
Fig.5からも，油膜力はほとんど増加しなかった．

本研究では，形状の異なる三種類のディンプルについて，

膜厚さを変化させた場合の油膜力の結果を Fig.11に，摩擦

油膜力および摩擦トルクに及ぼす影響を検討した．また，しゅトルクの結果を Fig.12にそれぞれ示す．図より，膜厚さが大きう動面の可視化をおこない，キャビテーションとこれらの諸特い場合でも，円形ディンプルにおいて油膜力が最も大きくなっ性との関連についても検討した．得られた結果を以下にまとている．また，二つの扇型ディンプルで生じる油膜力を比較める．

すると，いずれの膜厚さにおいても，大きな差は見られない．

（１）円形ディンプルの油膜力は200−600min-1の回転数で増加

摩擦トルクは，いずれの膜厚さにおいても，ディンプルの効果

したが，扇型ディンプルの油膜力は400min-1以上ではほとが見られる．この傾向は，膜厚さが広くなるほど顕著であった．

んど増加しなかった．また，今回実験した三種類のディ— 42 —

ディンプルを有する平行平板軸受の流体潤滑特性の実験的検討

ンプルの中では，円形ディンプルが最も大きな油膜力を

43３）Etsion, I. and Burstein, L.: A model for mechanicalseals with regular microsurface structure, Tribology

発生した．

Transactions, 39, 3, pp. 677–683（1996）．

（２）本実験で用いたディンプルは，ディンプルがない場合と比較して，摩擦トルクを低下させる効果があった．三種４）Fesanghary, M.and Khonsari, M. M.: On the optimum

類の中では，円形ディンプル最も効果的であった．

groove shapes for load-carrying capacity enhancement（３）キャビテーションはディンプルの入口で発生した．円形in parallel flat surface bearings: Theory and experiment,
Tribology International, 67pp. 254–262（2013）．

ディンプルの場合，回転数が増加してもキャビテーションの割合はほとんど増加しなかった．一方，扇型ディンプ

５）Qiu, Y. and Khonsari, M. M.: Experimental investigation

ルの場合，回転数の上昇に伴ってキャビテーションの割

of tribological performance of laser textured stainless合は増加した．

steel rings, Tribology International, 44, 5, pp. 635–644（2011）．

（４）検討をおこなったいずれの膜厚さにおいても，円形ディンプルで最も大きな油膜力が発生した．一方，二つの扇

６）Cross, Andrew T. and Sadeghi, Farshid, Cao, Lijun,型ディンプルには顕著な差は見られなかった．ディンプ

Rateick, Richard G., Rowan, Scott: Flow Visualization in

ルによる摩擦トルクの低減効果は，膜厚さが薄い時によa Pocketed Thrust Washer, Tribology Transactions, 55,

り顕著であった．

5, pp. 571–581（2012）．
７）Shen, Cong. and Khonsari, M. M.: Effect of dimple’s

参考文献

internal structure on hydrodynamic lubrication, Tribology
Letters, 52, 3, pp. 415–430（2013）．

１）佐々木信也：表面テクスチャリングによるトライボロ
ジー特性の向上，表面技術，65，12，pp. 568–572（2014）．

８）Mezghani, S. and Demirci, I., Zahouani, H., El Mansori,２）Lu, Xiaobin. and Khonsari, M. M.: An experimental

M.: The effect of groove texture patterns on piston-ring

investigation of dimple effect on the stribeck curve ofpack friction, Precision Engineering, 36, 2, pp. 210–217

journal bearings, Tribology Letters, 27, 2, pp. 169–176（2012）．

（2007）．

— 43 —

研究論文45

転がり軸受のトルクに及ぼすグリースレオロジーの影響
二
三
宮

瓶
和
永

美
怜
宜

摘 **
央 **
典 **

Influence of Grease Rheology on Frictional Torque of Rolling Bearings
byMitsumi NIHEI
Reo MIWA
Norifumi MIYANAGA
要旨本論文では，リチウム石けんグリースの流動特性が小型転がり軸受のトルクに及ぼす影響について検討した．まず，コーンプ

レート型レオメータを使用して，3種類のグリースの流動特性の測定を行い，その結果を Herschel-Bulkley 方程式にフィッティ
ングさせ，機械的特性を明らかにした．さらに，グリースの粘弾性特性を測定し，G’ ＝ G” となるせん断応力である粘性移行応
力を温度に対してプロットした．次に，PIV 法を用いて，グリースが軸受玉にかき分けられた後の流れ解析を行った．最後に，これらのグリースを用いた時の転がり軸受の回転トルクを測定した．その結果，粘性移行応力が大きいグリースは流動性が低く，低い軸受トルクを示した．一方，粘性移行応力の小さいグリースは流動性が高く，比較的高い軸受トルクを示した．

キーワード：リチウムセッケングリース，転がり軸受，レオロジー，PIV解析

Abstract
In this paper, effects of flow properties of lithium soap greases on torque of rolling bearings are discussed. Firstly, in this study, flow properties of three types of greases were measured by a cone plate type rheometer. The results were fitted with the Herschel-Bulkley equation andmechanical properties were revealed. In addition, viscoelastic properties of the greases were measured. The crossover stress which is the shear
stress at G'=G" was plotted against temperature. Secondly, grease flows after a bearing ball passed were analyzed by the PIV method. Finally,
bearing torque characteristics when these greases were used were measured. As the results, the greases with the higher crossover stress showed
lower fluidity and relatively lower bearing torque. On the other hand, the greases with the lower crossover stress showed higher fluidity and therelatively higher bearing torque.
Key Words: Lithium soap greases, Ball bearings, Rheology, PIV analysis＊ 大学院機械工学専攻 ＊＊ 機械学系部

2019 年 12 月 16 日受理— 45 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

46
１．緒

言

Cone plate

転がり軸受は，産業機械の回転運動を支える機械要素としγ̇

て，多岐に使用されている．近年，機械の小型化・高効率化

ωr = 25mmに伴い，転がり軸受には，さらなる低トルク化が求められてStageいる．転がり軸受のトルク発生要因として，転がり接触部で

Testgreaseαα=2°= 2°の微小すべり摩擦抵抗，玉と保持器のすべり摩擦抵抗，潤滑剤のかく拌抵抗，潤滑剤の粘性抵抗などがあげられる1）．

Peltier element

転がり軸受は，その80％以上がグリースで潤滑されておFig. 1Fig.1
Constant
measurement
Constant flow
flow measuremen

り，これまでにもグリースの諸特性が軸受トルクに及ぼす影響についての研究がなされている2）．グリースで潤滑された
転がり軸受のトルク低減には，グリースを低粘度化すること

Table1
Testgreases
greases used
used ininthisthisstudy
study
Table
1 Testで対応することが多いが，低粘度グリースが必ずしも転がり
軸受を低トルク化できるとは限らない1）．その主な理由は，転がり軸受のトルクが，軸受内部でのグリースの挙動に大

L0
L1
L2
L0
L1
L2

きく依存するためである．軸受内部でのグリースの挙動は，チャネリングとチャーニングに分けられる．チャネリングでは，グリースが転動体よってかき分けられたままの状態を保持し，少量のグリースや分離した基油によって潤滑されていCone plate
workedApparent viscosity [Pa･s]
Table 1Base
Test
used
in(Temperature：263K，
this study
f =9HzThickener
oil greases
penetration-1
workedApparent
viscosity [Pa･s](298K)
Shear speed：10s)
penetration(Temperature：263K，Thickener
Base oil365
90
r =25mm-1(298K)
Shear speed：10s)
Lithium soap Mineral oil
320
149
271
313
365
90
Test149
Lithiumsoap Mineral oil
320
Stage
grease
271
313
α =2°

Table2
Testconditions
conditionsofof constantconstant flow
2 Testflow measurement
measurement
Table
Shear rate γ̇ [1/s]0.01～1000

Shear rate γ̇ [1/s]Peltierelement
0.01～1000

Table 2 Test
conditionsT offlow measurement
Temperature[K]constant 313

る．一方，チャーニングでは，転動体によってかき分けられ

Fig. 2 Experimental
apparatusof the oscillatory
measurements
Tof[K]oscillatory
313
Table 3 TestTemperature
conditions
flow measurement
たグリースが軌道面に再度流入し，転動体によってグリース
Frequency f [Hz]がかき分けられ続ける．そのため，チャネリング状態に比べ1600

阿久津ら は，グリースの非ニュートン性やチキソトロ
ピー性などの特異な流動特性について検討した．新田ら1）
は，増ちょう剤由来のかく拌抵抗とグリースの粘性移行応力に及ぼす影響を調査し，増ちょう剤のアルキル鎖長が流Table 4Temperature
T [K]Frequency f [Hz]293~333
9
Amplitude of shear rate γ0 [-] 0.01~100
1200
Temperature
T [K] index,293~333
Yield
stress,shear thinningand consistency factor

Shear stress [Pa]て，軸受トルクが高くなると考えられている2），3）．
4）

9

Table3
Testconditions
conditionsof oscillatory
oscillatory
flow
Amplitudeof shearrate
γ0 [-] 0.01~100
Table
3 Testofflow measurement
measurement

for each grease
L1 andL2
Greases
L0 index,
Yield800
stress,shear thinningconsistency factor
Yield stress
本 研 究 で は，Eq.（1）に示す
Herschel-Bulkley 方 程 式4）
for eachgrease44.64 65.76 120.00

Table 4

τy [Pa]Greases44.64 65.76 120.00
L1
L2
L0

によって，グリースの流動特性を近似した．
L1 L2
400
Shear
thinning
Yield
stressindex L0

ジー測定により，リチウム石けんグリースの流動特性を評

0.33 65.76
0.20 120.00
0.19
44.64
-]
τay [[Pa]Temperature：313K
factorConsistency
Shearthinning index 73.24 192.09 295.74
0.33 0.20（1）0.19
̇0a b a[Pa･s]
τ＝τy ＋ bγ[-]
0200Consistency
factor400 600 800 1000
73.24
192.09 295.74
Shearofspeed
b [Pa･s]Table 5 Test
condition
torque[1/s]measurement
ここで，
τ
［Pa］
はせん断応力，b［Pa･s］
Test bearingτy［Pa］は降伏応力，
6201VV
Fig. 3 Flow Masscurves
for
three
types
of greasesof greaseof[g]torque measurement
0.60
Table 5̇ Test condition
は塑性粘度，γ［1/s］はせん断速度，α［-］は構造粘度係
Appliedload [N]50
Test bearing
6201VV
Rotational
2000
Mass of speed
grease[min[g] -1]0.60
数である．Eq.（1）において，構造粘度係数α＝1の場合はMeasurement
time
60
Applied load
[N][min]50
ビンガム流体であることを示し，α≠1の場合は非ビンガム
Appliedvibration
frequency
Rotational
speed[min-1]
2000
0，9[Hz] time [min]Measurement60
流体であることを示す．
Applied vibration frequency
0，9
次に，Eq.（2）のような微小振動のもとでグリースの動[Hz]価した．また，PIV 法を用いてグリースの流れ解析を行い，的粘弾性測定を行った．粘弾性測定装置の概略図を Fig.2にレオロジー測定の結果との関連を検討した．さらに，これら示す．

動性に関係することを明らかにした．転がり軸受が回転している状態でのグリースの挙動を直接観察することは，極めて困難である．これに対して野田ら5）は，X 線 CT を用いて，チャーニングおよびチャネリング状態での軸受内でのグリースの分布を検討している．その他に，PIV（Particle
Image Velocimetry） 解 析6） や CFD（Computational Fluid
Dynamics）解析7）などの流体解析手法も注目されている．
本研究では，コーンプレート型レオメータを用いたレオロのグリースで潤滑された転がり軸受のトルク測定を行い，グγ（t）＝γ0ei（2πft）

リースの流動特性と軸受トルクの関係を検討した．

（2）

２．グリースのレオロジー特性の検討

ここで，γ0［-］はひずみ振幅，f［Hz］はひずみ振動の周２．１波数を表す．貯蔵弾性率 G’［Pa］，損失弾性率 G”［Pa］は，実験装置および方法

本研究では，コーンプレート型レオメータを用いて，３Eq.（3）および Eq.（4）でそれぞれ求めた．
5

種類のリチウムセッケングリースの流動特性を測定した．Fig.1にレオメータの概略図を示す．本研究では，直径G’ ＝（σ0 / γ0）cos θ

25mm，コーン角度2°のコーンプレートを使用した．測定中

G” ＝（σ0 / γ0）sin θ

1

5

（3）
（4）

のグリースの温度は，ペルチェ素子によって一定に保った．
Table 1に使用したグリースの諸元を示す．定常粘度測定のここで，σ0［Pa］は応答応力を表す．Table3に実験条件を

測定条件を Table2に示す．

示す．微小振動の周波数は，本研究で用いる転がり軸受の固— 46 —

grease

αα
=2°
α=2°
= 2°
2°
α
=

Table 2 Test conditions of constant flow measurement
Shear rate γ̇ [1/s]Temperature T [K]Peltier
Peltier element
element

Table 3 Test conditions of oscillatory flow measurement

Fig. 1
1 Constant
Constant flow
flow measurement
measurement
Fig.

転がり軸受のトルクに及ぼすグリースレオロジーの影響

Cone
Cone plate
plate

=9Hz
ff =9Hz

Table 5 Test condition of torque measurement

100000100000

Test bearing
6201VV
Mass of grease [g]0.60
10000 Applied load [N]10000
50
Rotational speed [min-1]
2000
1000
Shear
rate
1000
Sheartime
rate[min]Measurement60：0.01-1000[1/s]0.01-1000[1/s]
Applied vibration
frequency
：
100
0，9
100
[Hz]
Temperature：
Temperature
313K
：313K

G'
G' ,G",G" [Pa][Pa]

Fig.
apparatusoftheoscillatory
measurements
Fig.2 Experimental
apparatus ofoscillatory
measurements
Fig. 2
2 Experimental
Experimental
apparatus
ofthe
theoscillatory
measurements

Shear
Shearstressstress[Pa]
[Pa]

1600
1600
1200
1200
800
800
L0
L0 L1
L1 L2
L2
Temperature
313K：
Temperature：313K
0
0

200 400
400 600
600 800
800 1000
1000
200
Shear speed
speed [1/s]
[1/s]
Shear

Fig.
Flow
curves
for
three
types
of
Fig. 33 Fig.3
FlowFlow
curvesthree
types
of greases
greases
curvesfor
for three
types
of greases
有振動数から設定した8）．
２．２

10
10
1
1

G’
G’

1
1

CrossoverstressG” CrossoverG”
stress

10
100
10
100
Shear strassstrass [Pa]
[Pa]
Shear

1000
1000

Fig.
4
and
vs
shear
andG”
G” vs
stressstressFig. Fig.4
4 G’
G’G’
and
G”
vsshearshear
stress
Crossover
Crossover stressstress[Pa]
[Pa]

0
0

47

Consistency factor
73.24 192.09 295.74
b [Pa･s]

Peltier
Peltier element
element

400
400

90.01~100293~333

Greases
L0
L1
L2
Yield stress65.76
120.0044.64
τy [Pa]Shear thinning index
0.33 0.20 0.19
a [-]

Test
Test
greasegrease

α
α =2°
=2°

Frequency f [Hz]Amplitude of shear rate γ0 [-]Temperature T [K]Table4
Yield
stress,shear
shear thinning
thinning index,
index, andfactorTable
4 Yield
stress,and consistency
consistency
factorfor
eachgreasefor each grease=25mm
rr =25mm
Stage
Stage

0.01～1000313

測定結果および考察

各グリースの定常粘度測定の結果を Fig.3に示す．図中に

1000
1000

L0
L0
L1
L1
L2
L2

800
800
600
600
400
400

5

200
200
0
0

280
280

おいて，プロットは実験値，実線は近似線である．降伏応力，

340
340

Fig.5 Crossover stress of the greases
Fig.
Fig. 5
5 Crossover
Crossover stressstress ofof thethe greases
greases

構造粘度係数，および塑性粘度を比較した結果を Table 4に示す．降伏応力と塑性粘度は，グリース L0が最も低い値を示し，次いで L1，L2の順に値が大きくなった．また，構造

300
320
300
320
Temperature
Temperature [K][K]を可視化する手法である5），6）．

Raceway

Raceway
Reflow
Fig.7に解析装置の概略図を示す．ガラスプレートの上に粘度係数はいずれのグリースでもα≠1となり，本研究で使Rolling
Reflow ofof greasegreaseRolling element
element(Ball) グリースを0.5mm の厚みで均一に塗布し，直径10mm の玉を用した3種類のグリースは，いずれも非ビンガム流体であっ (Ball)
130mm/s で通過させた後のグリースの流れを，下部からハた．
Fig.4に，313K におけるグリース L0の動的粘弾性の測定

イスピードカメラで撮影した．グリースには，平均粒径50結果を示す．粘性移行応力は G’/G”=1となるときのせん断応
1

1μ m の塩化ビニル製トレーサ粒子を3wt% 混入させている．

スは弾性的なふるまいをし，高い応力が与えられた場合には，1000fps，解析時間は転動体通過直後から0.1秒間とし，実験
Fig. 6 Channeling state and churning state

力であるが，これより低い応力が与えられた場合には，
グリー
グリースは粘性的なふるまいをする1）．Fig.5に，横軸を温度，

GreaseGrease
光源にはグリーンレーザを用いた．カメラのフレーム数はGreaseGreaseFig. 6 Channeling state and churning state

は室温でおこなった．なお本実験では，玉はグリースをかき

縦軸に各グリースの粘性移行応力としたグラフを示す．グ

分けるだけとし，すべり率を100％とした．Fig.7（a）に示

リース L0が最も低い粘性移行応力を示し，次いで L1，L2

す解析領域の X 方向の流れ解析を行った．

の順になった．いずれのグリースでも，温度が高くなると粘性移行応力は小さくなった．また，グリース L0は L1，L2

３．
２

各グリースの PIV 解析結果

Fig.8に PIV 解析結果を示す．解析の結果，グリース L0と比べて，温度依存性が小さくなった．

が最も流動速度が速く，次いで L1，L2の順になった．各グ
３．PIV 法によるグリースの流れ解析

リースの粘性移行応力（Fig.5）と PIV 解析結果とを比較す

３．１

ると，粘性移行応力が小さい L0は最も流速が大きくなり，

実験装置および方法

運転時の転がり軸受内部のグリースの挙動を直接観察する

粘性移行応力が大きくなるに従い，軌道面に戻るグリースのことは困難である．そこで，PIV 法により流動を可視化す

流速が小さくなることがわかった．よって，粘性移行応力がることで，軸受内部のグリース挙動を検討した．PIV 法は，大きい方が，転動体にかき分けられた後に軌道面に再度流入

試験流体内に混入させたトレーサ粒子を追跡することで流れするグリースの量が少なくなる傾向にあると考えられる．

— 47 —

2
2

Crossov

400

L0
L1 Lithium soap Mineral oil
L2

200
0

280

300
320
Temperature [K]340(298K)
365
320
271

Shear speed：10s )
90
149
313

Table 2 Test conditions of constant flow measurement
Fig. 5 Crossover stress of the greases
関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

48

Rolling element(Ball)

Shear rate γ̇ [1/s]Temperature T [K]Raceway

Reflow of grease

0.01～1000
313

Excitation
Frequency f [Hz]motor of shear rate γ0 [-]Amplitude
Ball
EccentricTemperature T [K]GreaseGreaseTable 4

Fig. 6 Channeling state and churning stateFig.6 Channeling state and churning state

Glass plate

Ball

Glass plate

Ball

x, u
Test
greaseTestgrease

x, u

y, v

Wire

y, v

Wire

disc

table

L1
L2
Greases
L0
Yield stress Motor
44.64 65.76 120.00
τy [Pa]Shear thinning index
0.33 0.20 0.19
a [-]Fig.9 A systematicof torque measuring device
A systematicof torquemeasuring device
Consistency factor
73.24 192.09 295.74
b [Pa･s]Fig. 9Gide
Gide

Table5
Testcondition
condition ofof torquetorque measurement
Table
5 Testmeasurement
Test bearing
Mass of grease [g]Applied load [N]Rotational speed [min-1]
Measurement time [min]Applied vibration frequency[Hz]

Analysis area

Glass plate
Glass
plate
Green
laser
sheet
Green laser
sheet

Ball
2
Ball

Wire
Wire

0，9

各グリースを封入したときのトルク測定結果を Fig.10およ び Fig.11に 示 す．Fig.10は 軸 受 に 振 動 を 与 え な い 場 合，
Fig.11は軸受に振動を与えた場合のトルク測定結果である．

Test grease
High speed
cameraHigh speed
cameraPC

6201VV
0.60
50
2000
60

Fig. 10４．２
Time測定結果
history of torque measurements without vibration

WindingdeviceWinding
Testdevice
grease

PC

Load

9
cell
0.01~100293~333

Yield stress, shear thinning index, andTestconsistency factor
Vibrationfor each grease
bearing(a) Topviewarea
Analysis(a) Top view

SpringTable 3 Test conditionsof oscillatory flow measurement
Load

振動を与えない場合，グリース L2でトルクが最も低くなり，次いで L1，L0の順になった．グリース L2は粘性移行
応力が最も高く，PIV 解析からも流動を起こしにくいグリー(b) Side viewFig.
7 Experimental
deviceforPIVPIV
analysis(b) Side
viewfor
Fig.7
Experimental
deviceanalysis

スであることから，転がり軸受の内部でチャネリングのふる5まいをしたと考えられる．一方，グリース
L0は，粘性移行

Fig. 11

Fig. 7 Experimental device for PIV analysis

Time history of torque measurements with vibration

応力が最も低く，流動を起こしやすいため，チャーニングのふるまいになりやすく，高いトルクを維持したと考えられる．
Fig.10と Fig.11を比較すると，振動を与えることで，すべてのグリースで転がり軸受のトルクが上昇した．また，振動を与えた場合，グリース L0より L1の方が高いトルクを示した．振動を与えることによって，軸受内部のグリースの挙動が変わった可能性が考えられる．グリース L1は，振動を与えることにより，チャネリングのふるまいからチャーニング
Fig. 8 Results of PIV analysisのふるまいに変化し，高いトルクを示したと考えられる．まFig. 8 Results of PIV analysis

た，同じチャーニング同士では，見かけ粘度の大きなグリー

Fig.8 Results of PIV analysis

ス L1の方が粘性抵抗が大きくなり，トルクも大きくなった

４．転がり軸受のトルク測定
４．１と考えられる．

トルク測定装置および測定方法

Fig.9にトルク測定装置の概略を示す．試験軸受（6201VV）

５．結言の内輪にモータにより回転を与え，外輪の連れ回り力をロー

4
本研究では，３種類のリチウムセッケングリースの流動特

ドセルにより測定した．上部のばねによって，スラスト荷重

性が転がり軸受のトルクに及ぼす影響を検討し，以下の結論を与えた．外輪治具と荷重調節部の間を玉によって点接触さ3せており，荷重をかけた場合の摩擦等による軸受トルクへの3
影響は限りなく小さくなるようにした．また，トルク測定装を得た．
（１）定常粘度測定の結果を Herschel-Bulkley 方程式とフィッ
ティングした結果，グリースは非ビンガム流体であるこ

9）

置は，加振台 の上に設置されている．

とが示された．

Table 5にトルク測定条件を示す．振動条件は軸受から発（２）PIV 解析により，玉によってかき分けられた後のグリー生する振動周波数と共振する設定とした．また，転がり軸受

スの流れを解析した．その結果，粘性移行応力が大きく

8）の固有振動数は転動体の公転数 から定義した。

なるに従い，軌道面に戻るグリースの流速が小さくなる— 48 —

EccentricVibration
disc
table
Vibration
table

Motor

Test
bearing
Testbearing

Motor

転がり軸受のトルクに及ぼすグリースレオロジーの影響
Fig. 9 A systematic of torque measuring
deviceFig. 9 A systematic of torque measuring device

49

行応力と増ちょう剤分子構造の影響，トライボロジスト，
61巻，10号，（2016），pp.699-708.
２）日本トライボロジー学会：潤滑グリースの基礎と応用，
養賢堂，（2007），pp.123-124.
３）星野道男：グリースの流動特性と転がり軸受におけるトルク（第1報），潤滑，25巻，８号，（1980），pp.547554.

Fig. 10 Fig.10
Time historyof torquemeasurements
without
vibration
Time historyof torquemeasurements without
vibration４）阿久津智宗：潤滑グリースのレオロジー特性評価による
網目構造変化の解析，東京工業大学大学院平成18年度学Fig. 10 Time history of torque measurements without vibration

位論文，（2008），pp.30-34.
５）野田隆史，柴崎健一，宮田慎司，谷口雅人：玉軸受におけるグリース挙動の X 線観察及び多相流解析の妥当性確認，トライボロジスト，61巻，４号，（2016），pp.275284.
６）春山朋彦，澤田直規：蛍光粒子を利用したグリース流動
可視化の研究（第２報：グリース特性の影響），トライ

Fig. 11
Fig. 11

ボロジー会議2017春予稿集，pp.361-364.

Time history of torque measurements with vibration
Time history of torque measurements with vibration７）Rufei Yu, Pei Li and Wei Chen: Study of grease

Fig.11 Time history of torque measurements with vibration

lubricated journal bearing with partial surface texture，Industrial Lubrication and Tribology，68，2，（2016），

ことがわかった．

pp.149-157.

（３）転がり軸受のトルク測定を行った結果，粘性移行応力が８）日 本 精 工 株 式 会 社： テ ク ニ カ ル レ ポ ー ト，（2013），

大きいグリースは低い軸受トルクを示し，粘性移行応力の小さいグリースは比較的高い軸受トルクを示した．

pp.248-249.
９）野口昭治，金田徹，宮永宜典，堀田智哉，淺田誠司：小型玉軸受の損傷に及ぼすラジアル方向外部振動の影響

参考文献

，日
（第１報，10m/s2までのラジアル振動を与えた場合）

１）新田真理子，津田武志，新井大和，坂本清美，酒井一泉：

本設計工学会，52，4，（2017），pp.229-240.

転がり軸受のトルクにおけるジウレアグリースの粘性移

44— 49 —

研究論文51

リン酸水溶液を用いた電解加工と陽極酸化の併用加工
小
小
鈴
内

堤
松
木
山

望
隼
拓
光

史*
人*
弥*
夫*

Combined Processing of Electrochemical Machining and Anodic Oxidation Machining using
Phosphoric Acid Aqueous Solution
byNozomi KODUTUMIHayato KOMATSU
Takumi SUZUKI
Mitsuo UCHIYAMA
要

旨本研究では，電気化学的加工法である電解加工と陽極酸化加工の両立性の実現を目的とし実験をおこなった．両加工は，加工

液種の違いから一般的に別々の加工機で加工がおこなわれている．これを同一の加工液を用いて，加工条件のみを変化させることにより，両加工の実現可能性を検討した．実験では，加工液にリン酸水溶液を用いて加工電圧，加工液温度，極間距離を変化させて両加工をおこない，加工量および加工面を観察した．

キーワード：電解加工，陽極酸化加工，ナノホール，酸化膜，リン酸
Abstract
In this study, experiments were performed with the purpose of realizing compatibility between ECM and anodic oxidation. Both machining
are generally performed by different machining devices and type of the electrolyte. We confirmed that both machining could be realized bychanging the machining conditions using the same electrolyte In the experiment, both machining was performed using phosphoric acid aqueous
solutions as the electrolyte by varying the machining voltage, electrolyte temperature, anode-cathode distance, the machining volume, and wereobserved machined surface.
Key Words: Electrochemical Machining, Anodic Oxidation, Nano Hole, Oxide Film, Phosphoric acid＊ 関東学院大学 理工学部理工学科

2019 年 12 月 23 日受理— 51 —

本⽂挿⼊指定ページ：2

本⽂からの通しページ 11/28（総関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

52
１．緒

言

電解加工は電解研磨や形状加工，陽極酸化加工は耐食性や耐摩耗性の付与，塗装などさまざまな用途で用いられる表面加工である．航空機のエンジンに用いられているブリスク1）
は主に電解加工を用いて製造されているが，航空機に用いるには耐食性が必要とされる．そのほかに，アルミニウム製の真空容器や反射鏡などの高い平滑性および光沢を必要とする部品には電解研磨が利用される．また，アルミニウム合金などで製造された製品には，機械的特性付与を目的とした陽極
酸化加工が施されている．これは，アルミニウムの持つ活性
空気中での不働態皮膜の形成という特性を応用した技術であFig.1 Blisk1)

り，空気中での不働態皮膜のみでは皮膜が薄く弱いため，十分な耐食性の確保が困難となる．そこで陽極酸化加工により，は，不均一模様が表面に発生せず，陽極酸化被膜が均一に成

強固な皮膜を生成することにより十分な耐食性などを得るこ

長することを確認している4）．よって，同様の溶液で電解加とが可能となった．また，陽極酸化加工をおこなうことで，工および陽極酸化加工をおこなうことが確認できた場合に加工表面に細孔が発生するが，その細孔を利用した技術の一は，生産コストの減少，リードタイムの減少を図ることがで

例としてカラーアルマイトが挙げられる．カラーアルマイトきると考え，本研究では，溶液にリン酸水溶液を用いて同一は，陽極酸化加工後に染色液にアルミニウムを浸漬させ，封加工液中での電解加工および陽極酸化加工の実験をおこなっ

孔処理を施すことによりアルミニウムの表面を着色することた．

が可能な技術である．従来から，電解加工と陽極酸化加工は別々の装置で加工をおこなっているが，電解加工と陽極酸化

２リン酸を用いた電解加工

加工はともに電気化学的加工であり，電解液中で陽極に加工

電気化学的加工を用いた除去加工には，電解加工，電解切削，物，陰極に電極を設置し，通電するという形態は類似してい

電解研削などがある．本研究では，電解研磨においても多少る．したがって，本研究では，電解加工と陽極酸化加工を同加工物を削ることができるため，電解加工，電解切削，電解一加工機で実験条件のみを変化させ，両加工を実現すること

研削，電解研磨の４種類とも同様な加工法であると考える．
アルミニウムは電解または化学研磨に特に適している．純が可能であるか検討をおこなった．
電解加工は電気化学的加工法であり，材料の硬度に関係な

アルミ，Al-Mg 合金は研磨ができるが，銅，マンガン，シ

く加工をおこなうことが可能で，電極工具も短絡などが発生

リコンなどを多量に含む合金は研磨面に灰色の粉が残るた

しない限り消耗しない加工法として，1980年代にかけて日

め，完全な光沢を得ることが困難である．リン酸を主成分と本でも注目された．しかし，加工精度の低さや電解液ミスト

し，硫酸，クロム酸を混合させたリン酸系浴は工業的に広くが周囲の機械を腐食するなどの問題があり，多くの日本の工用いられ，リン酸の濃度が濃いほど研磨効果は著しいが，リ

作機械メーカは電解加工から撤退をした．この技術は，主ン酸はほかの酸と比較すると高価なため，薄めて用いられてに耐熱合金の加工が必要な一部の航空機部品メーカで残り，いる．Table 1に硝酸ナトリウム水溶液，塩化ナトリウム水

Fig.1に示すジェットエンジンのブリスクなどに用いられて溶液，リン酸水溶液の価格の比較を示す．また，リン酸電解

1）

いる ．近年電解加工では，電解研削や電解切削，金型に対2）加工法は，加工液温は70～80℃で加工をおこなう5）．濃リン

する曲がり穴加工でも用いられている ．電解加工と同様に酸水溶液，濃硫酸水溶液の粘性，クロム酸，リン酸による鉄

電気化学的加工法である陽極酸化加工を施すことで，先述し鋼表面への個体皮膜の生成などが研磨効果を高めるものと考たように機械的特性の向上および着色性能を付与することがえられ，アルミニウムの方が鉄より効果が見られると考えら可能である．また，陽極酸化加工では，酸性溶液中で加工をれる6）．また，電解加工を酸性溶液中でおこなうことにより，おこなう場合とアルカリ性の溶液中で加工をおこなう場合と電解生成物は液中に溶けた状態となるため，加工間隙中におでは，得られる皮膜構造が異なり，得られる機械的特性も異ける沈殿物の形成が無く，沈殿物によって加工間隙を小さくなるため，求める機械的特性に適した加工条件を設定することが重要である．Fig.2にアルミナ多孔体の構造を示す3）．そすることが妨害されないので，中性塩溶液よりも加工間隙を著者名（代表者）：
小さくできるため，加工精度を向上することができる7）．

こで，ブリスクのように電解加工と陽極酸化加工の２つの加上記より，リン酸液は高価であるが，鉄鋼における効果が工を用いた製品には，同一加工液中での加工に対するニーズ見られたと考えられているため，鉄鋼よりイオン化傾向の高があると考えられる．また，佐々木らは1次加工ではリン酸

いアルミニウムにおいてリン酸での電解加工の可能性が考え水溶液中で電解加工，２次加工では硫酸水溶液中で陽極酸化られる．

加工をおこなうことにより，電解研磨時に生成される酸化膜
厚さより陽極酸化加工で生成されるバリヤ層厚さが厚い場合— 52 —

⼊指定ページ：3

本⽂からの通しページ 12/28（総ページ）

本⽂挿⼊指定ページ：3

本⽂からの通しページ 14/28（総リン酸水溶液を用いた電解加工と陽極酸化の併用加工

指定ページ：3

３

53

本⽂からの通しページ 13/28（総ページ）
Fig.2

Structure of alumina porous body3)

Table1Price comparison of aqueous solution

本⽂挿⼊指定ページ：3 Fig.3

15/28（総SEM image of anodized film本⽂からの通しページ
using phosphoric acid8)

リン酸を用いた陽極酸化加工

アルミニウムの陽極酸化加工は，リン酸，シュウ酸，硫酸などのさまざまな電解液でおこなうことができる．陽極酸化加工を施すことにより，加工物表面にアルマイト皮膜を生成することができ．そのアルマイト皮膜には溶液によって加工
物表面に細孔が開いたポーラス型皮膜と加工物表面に細孔が開かないバリヤ型皮膜の２種類の皮膜が得られることが確認されている．アルマイト皮膜は，従来になかった機能を持たせることができる．そのために，多孔質構造の酸化皮膜が壊れている場合などは，陽極酸化加工で得られる機械的特性の本⽂挿⼊指定ページ：3
効果が十分に得られないため妨害作用がないことが必要であ

Fig.4

本⽂からの通しページ 16/28（総ペExperimental setup

る．リン酸および硫酸は妨害作用がないため最も適していると考えられる5）．Fig.3にリン酸陽極酸化で得られるポーラス

Table2皮膜を示す8）．
４

Experimental conditions

実験方法

４．１

実験装置

Fig.4に電解加工と陽極酸化加工をおこなうために用いた実験装置を示す．本実験では，電極間距離を固定するため，
ベークライトで製作した電極保持具を用いた．また，加工中に発生する気泡が陽極付近に停滞することを防止するた

4.2

実験条件

め，マグネチックスターラ（RSH-1DN）で加工液の撹拌をTable 2に実験条件を示す．本実験では，陽極に純アルミ25）を用いて陽極および陰極に電圧を印加した．加工中の温東京炭素工業）を用いて加工をおこなった．実験には，濃度度上昇の抑制および加工液を冷却するために，冷却水循環装

10% のリン酸水溶液を用い，加工電圧は75V，100V，125V

著者名（代表者）：⼩堤望史
ニウム（A1050，15×100×３），
陰極に炭素板（100×100×５，おこなった．電源には，高砂製作所製の直流電源（HX0300-

置（LTC-1200）で冷却した冷却液をステンレス蛇管（外径：８mm，内径：６mm）を介して加工液槽内を循環させた．

の3種類，加工時間は10分とした．液温・極間距離は，陽極
著者名（代表者）：
酸化加工と電解加工の棲み分けをおこなう上で重要なパラメータである．したがって，本実験では，液温を -10℃，０℃，
10℃の３種類，極間距離を１mm，17mm，35mm の３種類に設定し実験をおこなった．除去量は，電子天びんで加工前と加工後の質量を計測し，体積を求め，その差から除去量を求めた．
— 53 —

著者名（代表者）：⼩堤望史

著者名（代表者）：

⼊指定ページ：4

⼊指定ページ：4

Fig.5

⼊指定ページ：4

Fig.7

Fig.9

５

本⽂挿⼊指定ページ：4総ページ）
本⽂からの通しページ
17/28（

本⽂からの通しページ 18/28（総ペ

本⽂からの通しページ
本⽂挿⼊指定ページ
19/28（：4総ページ）

本⽂からの通しページ 20/28（総ペ関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

54

Fig.6

Relationship between temperature and quantity of removal

本⽂からの通しページ 21/28（総ページ）

Relationship between gap width and quantityof removal
本⽂挿⼊指定ページ
：4
Fig.8

（総ペ
Relationship between quantity of 本⽂からの通しページ
removal and current density 22/28(voltage:125V, distance:1mm)

Fig.10 Relationship between quantity of removal and current
density (voltage:125V, distance: 35mm)

Relationship between quantity of removal and current density(voltage:125V, distance:17mm)

実験結果および考察

５．１

Relationship between gap wigth and current density

工面が滑らかな形状になる．陽極酸化加工では，電流値が小

実験結果

さく，加工面に酸化被膜を形成するため，加工面はさまざ

Fig.5に加工液温度と除去量の関係，Fig.6に電極間距離とまな色に変化する．加工面の様子から電解加工がおこなわ

電流密度の関係，Fig.7に電極間距離と除去量の関係，Fig.8，

れたと考えられる試験片と，陽極酸化加工がおこなわれた

Fig.9，Fig.10に電圧125V の際の各極間距離における除去量と考えられる試験片を，Fig.11と Fig.12に分類した．また，と電流密度の関係を示す．

著者名（代表者）：⼩Fig.13，Fig.14に電圧125V，極間距離１mm，液温−10℃の著者名（代表者）：⼩堤望史

Fig.8，Fig.9，Fig.10よ り， 電 極 間 距 離 １ mm，17mm，試験片と電圧125V，極間距離35mm，液温−10℃の試験片の35mm を比べると，電極間距離35mm が最も除去量が増加す

SEM 画像を示す．Table 3および Table 4に Fig.11，Fig.12

ることが確認できた．また，Fig.5より電圧125V では，温度の各試験片の実験条件を示す．

が低い場合は除去量が少なく，温度が高くなるにつれて除去量は増加している傾向がみられる．したがって，印加電圧と加工液温，電極間距離のパラメータを適切に制御することで電解加工と陽極酸化加工の使い分けがおこなえると考えられる．一般的に電解加工は加工時に流れる電流値は大きく，加— 54 —

著者名（代表者）：⼩堤望史

著者名（代表者）：⼩指定ページ：5

本⽂からの通しページ
本⽂挿⼊指定ページ
23/28：（
5 総ページ）

本⽂からの通しページ 24/28（総指定ページ：5

本⽂からの通しページ
25/28
本⽂挿⼊指定ページ：（
5 総ページ）

本⽂からの通しページ 26/28（総ペリン酸水溶液を用いた電解加工と陽極酸化の併用加工

Fig.12 Test piece of after processsing (ECM)

Fig.11 Test piece of after processsing (Anodic oxidation)
Table355

Experiments conditions of Test piece (Anodic oxidation)

Table4

Experiments conditions of Test piece (ECM)酸水溶液を用いているため，電解生成物の影響は限りなく小さいため，気泡の及ぼす影響が極めて大きいと考えられる7）．
5.2

考察

よって，電極間距離を多くとることにより気泡が停滞せず，
著者名（代表者）：⼩堤望史
著者名（代表者）：

Fig.5より，除去量は電圧が最も高い125V，電極間距離35mm の場合の除去量が最大となった．その理由として，電安定した加工がおこなわれたため電極間距離35mm の場合の除去量が最大となったと考えた．

Fig.6では，電圧125V，加工液温度０℃，10℃，電極間距

極間距離が狭い場合は，加工中に発生する電解生成物や気泡7）の影響が考えられる ．それらは加工の際に加工表面付近に離が1mm の場合の電流密度より35mm での電流密度が上昇し停滞するため，加工に影響を及ぼす．本実験では，加工液をた理由として，先述したように極間に発生する気泡が影響し循環させながら，実験をおこなっていることや加工液にリン電流密度が低下したと考えられる．電圧125V，加工液温度— 55 —

⼊指定ページ：6
56

本⽂挿⼊指定ページ：6総ページ）
本⽂からの通しページ
27/28（関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

本⽂からの通しページ 28/28（総ペFig.13 SEM image of electrochemically processed surface using
phosphonic acid (125V, 1mm, -10˚C)

Fig.14 SEM image of anodized film using phosphoric acid
(125V, 35mm, -10˚C)−10℃，電極間距離35mm の場合，17mm の電流密度は低下

より Fig.13は電解加工がおこなわれ，Fig.14では陽極酸化加した．この理由として，電解加工と陽極酸化加工の加工電流工がおこなわれたと考えられる．二つの実験値の違いは極間の変化が考えられる．電解加工は，極間に停滞する気泡や電距離のみであるため，電解加工と陽極酸化加工の使い分けを解生成物の影響により電流の流れを阻害するが，電極間距離する際に極間距離は重要なパラメータになると考えられる．

を広く設定した加工でも性質上，電流は流れる

7）
，9）

．陽極酸

化加工は，加工に伴い陽極酸化被膜が生成されるため，加工

６10）が進行すると共に電流密度が低下する ．したがって，陽極酸化加工がおこなわれたため電極間距離35mm の電流密度が結

言

同一溶液中での電解加工と陽極酸化加工の併用加工をねら
いとし，実験をおこなった結果，以下のことがわかった．

電極間距離17mm の電流密度に比べ低下したと考えられる．
また，元素分析により，加工表面に酸化膜が生成されている（１）極間の気泡を除去することができれば，幅広い電圧帯での電解加工が可能である．

かを今後確認する必要がある．
Fig.7の除去量は Fig.6の電流密度と同様の傾向となってい（２）適切な極間距離，温度を確認するためには，幅広く条件を設定し，実験をおこなう必要がある．

る．極間距離が１mm の除去量より35mm の除去量が増加した理由は，先述した極間に停滞する気泡が原因と考えられ（３）加工液の劣化が電流値などに影響を及ぼすと考えられる

る7）．

ため，加工液の寿命の計測をする必要がある．

Fig.8，Fig.9，Fig.10では，電圧125V，加工液温10℃，電（４）極間距離が電解加工と陽極酸化加工の使い分けに重要な

極間距離35mm の場合の除去量が最大となった．液温０℃のパラメータだと考えられる．

場合も除去量が増加しているため，極間距離を広くとること（５）元素分析をおこない，電解加工と陽極酸化加工どちらのにより加工速度の向上を図ることが可能と考えられる．しか加工がおこなわれているか確認する必要がある．

し．電極間距離を広くとることにより加工精度に影響を及ぼすため，加工進行に伴い変化する電極間距離を一定に保ち実

参考文献

験をおこなう必要がある11）．

１）夏恒：電解加工の基礎理論と実際，精密工学会誌，81巻，

Fig.8，Fig.9，Fig.10お よ び Fig.11，Fig.12よ り 電 流 密 度

４号，（2015），pp.317-322.

が上昇しているものは除去量が増加し，除去量が増加してい２）内山光夫，中山綾太郎，山下真央：電解加工による小径

るものは Fig.12の電解加工がおこなわれていると考えられ

曲がり穴加工，精密工学会春季大会学術講演会講演論文

度が低下し，除去量が減少しているものは Fig.11の陽極酸

３）黒木泰至，福島洋一：リン酸水溶液を電解液とした陽極化加工がおこなわれていると考えられる試験片の中に含まれ酸化アルミナ多孔膜生成条件の検討，宮崎県工業技術ていることが確認できた．この結果を基に先述した元素分析

センター・宮崎県食品開発センター研究報告，（2011），をおこない，電解加工と陽極酸化加工どちらの加工がおこな

56，pp.41-45.

る試験片の中に全て含まれていることが確認できた．電流密集，（2016），pp.945-946.
著者名（代表者）：⼩堤望史

われているのか確認する必要があると考えている．

著者名（代表者）：⼩４）佐々木智憲，莚正勝：アルミニウム電解研磨後の陽極酸

Fig.13および Fig.14より，極間距離が狭い Fig.13には細孔化で発生する不均一模様について，東京都立産業技術研が見られなかったが，極間距離が広い Fig.14では，細孔が見られる．したがって，SEM 画像，除去量および電流密度

究所研究報告，８号，（2005），pp.23-26.
５）馬場宣良：アルミニウム合金の表面処理，軽金属実験技— 56 —

リン酸水溶液を用いた電解加工と陽極酸化の併用加工術講座，軽金属学会，34巻，３号，（1984），pp.205-211.
６）小川誠一郎：特殊加工および処理，株式会社誠文堂新光，（1970年７月15日），pp.32-43.
７）佐藤敏一：電解加工と化学加工，朝倉書店，（1970年），
pp.19-64.
８）小堤望史，吉森健人：陽極酸化ナノホールによる熱伝達向上の研究，関東学院大学理工学部理工学科機械学系卒
業研究概要集，（2018），pp.78-79.
９）寺田篤，國見喬嗣，夏恒：マイクロ電解加工機の極間距離の制御に関する研究，精密工学会春季大会学術講演会
講演論文集，（2009），pp.865-866.
10）星野重夫，今村武夫，松本誠臣：シュウ酸浴によるアル
ミニウムの高速陽極酸化，金属表面技術，（1984），34巻，６号，pp.19-24
11）前田祐雄，斎藤長男，荒井伸治：電解加工の研究（第１報），
精密機械，（1965），31巻，370号，pp.960-969.

— 57 —

57

研究論文
59

ブロックチェーンに基づく学術論文アーカイブシステムの初期的検討
石

坂

雄

平*

An initial consideration of an academic paper archiving system based on blockchain
by

Yuhei ISHIZAKA
要

旨
電子ジャーナル購読費用の高騰やオープンアクセス化が進展しない現状に対して，研究者や研究機関が不満を抱くことが多く，公共性を有する研究成果が研究資金の潤沢な国や機関に所属する人々しか享受できないのは深刻な問題である．この問題を解決するために，本研究では，研究者は当然のことながら世界中の誰もが学術論文の無料閲覧を可能とする，ブロックチェーンを基盤としたコンソーシアム型学術論文アーカイブシステムを提案し，初期的検討を行う．具体的には，アーカイブサーバにおけるデータ蓄積量および研究力スコアに準拠したコンセンサスアルゴリズムの概念を新たに提案する．また，メトカーフの法則を参照しながらビットコイン時価総額とアクティブユーザ数の間には正の相関があることを示し，提案システムのアクティブユーザ
数を増やす仕掛けとして査読者にインセンティブとなる暗号通貨を与える方法を提示する．

キーワード：ブロックチェーン，暗号通貨，ビットコイン，学術論文，アーカイブシステム

Abstract
Researchers and research institutions are frequently dissatisfied with the rise in e-journal subscription costs and the lack of open access. It is aserious problem that people who belong to countries or institutions without abundant research funds cannot have public research results. In orderto solve this problem, in this study, an initial study of a consortium-type academic paper archiving system based on blockchain is performed. The
system allows anyone in the world to browse academic papers for free. Specifically, we propose a new concept of consensus algorithm basedon the amount of data stored in the archive server and the research ability score. In addition, referring to Metcalfe's law, we show that there is apositive correlation between the market capitalization of bitcoin and the number of active users, and present a method to provide reviewers witha cryptocurrency as an incentive for increasing the number of active users in the proposed system.
Key Words: Blockchain, Cryptocurrency, Bitcoin, Academic Paper, Archiving System2019 年〓月〓日受理— 59 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

60

Fig.
1 1Bitcoin
Bitcoinmarketcapitalizationasasaasaafunction
function
oftime.
time.
Fig.
Fig.
1Fig.
marketmarketcapitalization
capitalizationasafunctionfunction
of
of
time.
1 Bitcoin
Bitcoinmarketcapitalization
of
time.

Fig.
Activeusers
asaaasafunctionfunction
of
time.
Fig.
Fig.
2222Active
Active
users
users
as
a function
time.
of
time.
Fig.
Activeusers
asfunction
ofof
time.

3 Scatterplotofthebitocinmarketcapitalization
versusthenumberofactiveusers,
withlogarithmic
scales.
Fig.
Scatterplot
ofthe
thethebitocinmarketcapitalization
versusthenumberofactive
activeusers,
withlogarithmic
scales.
Fig.
Fig.
33 Fig.
3Scatterplot
Scatterplot
ofofbitocinbitocinmarketmarketcapitalization
capitalization
versusversusthethenumbernumberofofactiveusers,
users,
withwithlogarithmic
logarithmic
scales.
scales.

1.1.
まま
ええ
がが
きき
１．まえがき1.
まえがきブ２．暗号通貨
とし
して
て暗
暗号
号通
通貨
貨を
を与
与え
える
る仕
仕組
組み
みを
を提
提示
示す
する
る．
．．
ブ
と
ブ
と
し
て
暗
号
通
貨
を
与
え
る
仕
組
み
を
提
示
す
る

学術誌の購読料は過去数十年の間，年率７～８％の割合で
学術
術
誌の
の購
購読
読料
料は
は過
過去
去数
数十
十年
年の
の間
間，年
，年
率率
7～
8％
の割
割割
学
学
誌
術
誌
の
購
読
料
は
過
去
数
十
年
の
間
，年
率
7～
7～
8％
8％
の
の
合で
で上昇し続けており，資金の潤沢な大学でさえ必要な学術誌を
上昇
昇し
し続
続け
けて
てお
おり
り，
，資
資金
金の
の潤
潤沢
沢な
な大
大学
学で
でさ
さえ
え必
必要
要要
合
合
上
で
上
昇
し
続
け
て
お
り
，
資
金
の
潤
沢
な
大
学
で
さ
え
必

本節では，ブロックチェーンに基づく学術論文アーカイブ

2.システムにおける暗号通貨の価値を高める指針を得るため
暗暗
号号
通通
貨貨
2.
2.
暗
号
通
貨

．そのような中，最近
な学
学全て買えないという状況である［1］
術誌
誌を
を全
全て
て買
買え
えな
ない
いと
とい
いう
う状
状況
況
であ
ある
る[1]．そ
[1]．そ
のよ
よよ
な
な
術
学
術
誌
を
全
て
買
え
な
い
と
い
う
状
で
況
で
あ
る
[1]．そ
の
の

に，ビットコインの価値について考察する．
本節
節で
では
は，
，ブ
ブロ
ロッ
ック
クチ
チェ
ェー
ーン
ンに
に基
基づ
づく
く学
学術
術論
論文
文ア
アー
ーー
本
本
節
で
は
，
ブ
ロ
ッ
ク
チ
ェ
ー
ン
に
基
づ
く
学
術
論
文
ア

うな
なでは欧州を中心に，出版社との科学誌購読契約の見直し交渉
中，
，最
最近
近で
では
は欧
欧州
州を
を中
中心
心に
に，
，出
出版
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社と
との
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科学
学誌
誌購
購購
う
う
中
な
中
，
最
近
で
は
欧
州
を
中
心
に
，
出
版
社
と
の
科
学
誌
が増加している．例えば，フランスの学術機関はシュプリン
読契
契約
約の
の見
見直
直し
し交
交渉
渉が
が増
増加
加し
して
てい
いる
る．
．例
例え
えば
ば，
，フ
フラ
ラン
ンン
読
読
契
約
の
見
直
し
交
渉
が
増
加
し
て
い
る
．
例
え
ば
，
フ
ラ

P2P
ネットワーク技術を基盤とし
カイ
イ2008年，暗号化および
ブシ
シス
ステ
テム
ムに
にお
おけ
ける
る
暗号
号
通貨
貨の
の価
価値
値を
を高
高め
める
る指
指針
針針
カ
カ
ブ
イ
ブ
シ
ス
テ
ム
に
お
け
暗
る
暗
通
号
通
貨
の
価
値
を
高
め
る
指
たビットコインの提案がサトシ・ナカモトによりなされた
を得
得る
るた
ため
めに
に，
，
ビ
ット
トコ
コイ
イン
ンの
の価
価値
値に
につ
つい
いて
て考
考察
察す
する
る．
．．
を
を
得
る
た
め
に
ビ
，ッ
ビ
ッ
ト
コ
イ
ン
の
価
値
に
つ
い
て
考
察
す
る

スの
のガー・ネイチャー社との契約を打ち切り，スウェーデンのコ
学術
術機
機関
関は
はシ
シュ
ュプ
プリ
リン
ンガ
ガー
ー・
・ネ
ネイ
イチ
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社と
との
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契契
ス
ス
学
の
学
術
機
関
は
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ュ
プ
リ
ン
ガ
ー
・
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イ
チ
ャ
ー
社
と
の

［2］
．ビットコインは取引の改ざんを防ぐために，Proof
2008
年，
，
暗
号化
化お
およ
よび
びび
P2P
ネッ
ット
トワ
ワー
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技術
術を
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盤盤
2008
2008
年
年
暗
，号
暗
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化
お
よ
P2P
P2P
ネ
ネ
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ク
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を
盤
基

約を
をンソーシアムはエルゼビア社との契約を打ち切っている．ま
打ち
ち切
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り，
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スウ
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シア
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約
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ソ
ー
シ
ア
ム
は
エ

というコンセンサスアルゴリズムが規定されている．
とWork
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たビ
ビッ
ット
トコ
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提案
案が
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トシ
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と
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よ
of[2]．ビWorkとは膨大な計算資源を用いてナンスと呼ばれなProof
され
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[2]．ビ
ット
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[2]．ビ
ッ
ッ
ト
コ
イ
ン
は
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の
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ん
を
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ぐ
た

ゼビ
ビた，研究者自身も購読料の高騰に不満を抱いていることが少
ア社
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契約
約を
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切っ
って
てい
いる
る．
．ま
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た，
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研究
究者
者自
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契
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を
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ち
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っ
て
い
る
．
ま
た
，
研
究
者
身も
もなくない．オープンアクセス化の進展が遅いことに不安を募
購読
読料
料の
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騰に
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不満
満を
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抱い
いて
てい
いる
るこ
こと
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身
購
も
購
読
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の
高
騰
に
不
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を
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い
て
い
る
こ
と
が
少
な
く

にる数字列を探し当てることであり，それを最初に見つけた挑，Proof
ofof
Work
とい
いう
うコ
コン
ンセ
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ズム
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，
に
Proof
， Proof
of
Work
Work
と
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う
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ル
ゴ
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ズ
ム

規戦者に報酬を与える取り決めとなっている．その後，Proof
定さ
され
れて
てい
いる
る．
．Proof
Proof
ofof
Work
とは
は膨
膨大
大な
な計
計算
算資
資源
源を
をを
い．
．らせている一方で，プレプリントサーバである「arXiv」や，
オー
ープ
プン
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アク
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ス化
化の
の進
進展
展が
が遅
遅い
いこ
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募募 規
定
規
定
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て
い
る
．
Proof
of
Work
Work
と
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い
い
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．
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Work
は電力がかかり過ぎることから，コイン保有量・期
用of
いて
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ナン
ン
スと
と呼
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る数
数字
字列
列を
を探
探し
し当
当て
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るこ
こと
とで
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ああ
らせ
せ海賊版サイトである「Sci-Hub」の利用が拡大しつつある．
てい
いる
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一方
方で
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バで
であ
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い
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い
て
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数
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レ
プ
リ
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で
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「
るarXiv」「
arXiv」 用
これらの状況を踏まえて，機関リポジトリの連携が進んでい
間に応じた
Proof
of
Stake
や，ネットワークにおける重要
り，
，そ
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最初
初に
に見
見つ
つけ
けた
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挑戦
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に報
報酬
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与え
える
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取り
りり
や，海
，海
賊版
版サ
サイ
イト
トで
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ある「
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Sci-Hub」の
利用
用が
が拡
拡大
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しつ
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り
，
そ
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を
最
初
に
見
つ
け
た
挑
戦
者
に
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酬
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与
え
る
取
や
や
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賊
賊
版
サ
イ
ト
で
あ
る「
Sci-Hub」のSci-Hub」の
利
利
用
が
拡
大
し
つあ
あるが，研究者にとって利便性が高いとはいえない．そこで本
る．
．こ
これ
れら
らの
の状
状況
況を
を踏
踏ま
まえ
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て，
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機関
関リ
リポ
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リの
のの
つ
つ
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あ
る
．
こ
れ
ら
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状
況
を
踏
ま
え
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，
機
関
リ
ポ
ジ
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研究では，所属機関の資金力に起因する研究格差をなくすべ
連携
携が
が進
進ん
んで
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いる
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が，
，研
研究
究者
者に
にと
とっ
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て利
利便
便性
性が
が高
高い
いと
とと
連
連
携
が
進
ん
で
い
る
が
，
研
究
者
に
と
っ
て
利
便
性
が
高
い

Proof
Importanceと呼ばれる新しいコンセン
決性に応じた
めと
とな
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って
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．そ
その
の後
後，
，Proof
Proof
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Work
は電
電力
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がか
かか
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め
決
め
と
な
っ
い
て
い
．
る
．
そ
の
後
，
Proof
of
Work
Work
は
は
電
力
が
サスアルゴリズムが誕生した［3］
．
かか
りり
過過
ぎぎ
るる
ここ
とと
かか
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，，
ココ
イイ
ンン
保保
有有
量量
・・
期期
間間
にに
応応
じじ
たた
か
り
過
ぎ
る
こ
と
か
ら
，
コ
イ
ン
保
有
量
・
期
間
に
応
じ
た

はい
いく，学術論文の無料閲覧を可能とするブロックチェーンに基
えな
ない
い．
．そ
そこ
こで
で本
本研
研究
究で
では
は，
，所
所属
属機
機関
関の
の資
資金
金力
力に
にに
は
は
え
い
え
な
い
．
そ
こ
で
本
研
究
で
は
，
所
属
機
関
の
資
金
力

次に，ビットコイン（BTC：Bitcoin）の価値についてメ
Proof
ofof
Stake
や，
，
ネ
ット
トワ
ワー
ーク
クに
にお
おけ
ける
る重
重要
要性
性に
に応
応じ
じじ
Proof
Proof
of
Stake
Stake
や
や
ネ
，ッ
ネ
ッ
ト
ワ
ー
ク
に
お
け
る
重
要
性
に
応

起因
因づくアーカイブシステムの初期的検討を行う．具体的には，
する
る研
研究
究格
格差
差を
をな
なく
くす
すべ
べく
く，
，学
学術
術論
論文
文の
の無
無料
料閲
閲覧
覧覧
起
起
す
因
す
る
研
究
格
差
を
な
く
す
べ
く
，
学
術
論
文
の
無
料
閲
を可
可メトカーフの法則を参照しながらビットコイン時価総額とア
能と
とす
する
るブ
ブロ
ロッ
ック
クチ
チェ
ェー
ーン
ンに
に基
基づ
づく
くア
アー
ーカ
カイ
イブ
ブシ
シシ
を
を
能
可
能
と
す
る
ブ
ロ
ッ
ク
チ
ェ
ー
ン
に
基
づ
く
ア
ー
カ
イ
ブ
クティブユーザ数の関係を考察した後，アーカイブサーバに
ステ
テム
ムの
の初
初期
期的
的検
検討
討を
を行
行う
う．
．具
具体
体的
的に
には
は，
，メ
メト
トカ
カー
ーフ
フフ
ス
ス
テ
ム
の
初
期
的
検
討
を
行
う
．
具
体
的
に
は
，
メ
ト
カ
ー
の法
法おけるデータ蓄積量および研究力スコアに応じたコンセンサ
則を
を参
参照
照し
しな
なが
がら
らビ
ビッ
ット
トコ
コイ
イン
ン時
時価
価総
総額
額と
とア
アク
クテ
テテ
の
の
則
法
則
を
参
照
し
な
が
ら
ビ
ッ
ト
コ
イ
ン
時
価
総
額
と
ア
ク
ィブ
ブスアルゴリズムおよび査読者にインセンティブとして暗号通
ユー
ーザ
ザ数
数の
の関
関係
係を
を考
考察
察し
した
た後
後，
，ア
アー
ーカ
カイ
イブ
ブサ
サー
ーバ
ババ
ィ
ィ
ユ
ブ
ユ
ー
ザ
数
の
関
係
を
考
察
し
た
後
，
ア
ー
カ
イ
ブ
サ
ー
にお
お貨を与える仕組みを提示する．
ける
るデ
デー
ータ
タ蓄
蓄積
積量
量お
およ
よび
び研
研究
究力
力ス
スコ
コア
アに
に応
応じ
じた
たコ
ココ
に
に
け
お
け
る
デ
ー
タ
蓄
積
量
お
よ
び
研
究
力
ス
コ
ア
に
応
じ
た
ンセ
セン
ンサ
サス
スア
アル
ルゴ
ゴリ
リズ
ズム
ムお
およ
よび
び査
査読
読者
者に
にイ
イン
ンセ
セン
ンテ
ティ
ィィ
ン
ン
セ
ン
サ
ス
ア
ル
ゴ
リ
ズ
ム
お
よ
び
査
読
者
に
イ
ン
セ
ン
テ

たトカーフの法則［4］に基づき議論を行う．メトカーフの法
Proof
ofof
Importance
と呼
呼ば
ばれ
れる
る新
新し
しい
いコ
コン
ンセ
セン
ンサ
サス
スス
た
た
Proof
Proof
of
ImportanceImportance
と
と
呼
ば
れ
る
新
し
い
コ
ン
セ
ン
サ
則は通信ネットワークや企業価値の分野［5］で有効性が認
ア
ル
ゴ
リ
ズ
ム
が
誕
生
し
た
[3]．
アル
アゴ
ルリ
ゴズ
リム
ズが
ム誕
が生
誕し
生た
し [3]．
た [3]．

められており，次式で示すようにネットワークの価値
は
次に
に，ビ
，ビ
ット
トコ
コイ
イン
ン(BTC:(BTC:
Bitcoin)の
価値
値に
につ
つい
いVて
て
メメ
次
次
に
，ビ
ッ
ッ
ト
コ
イ
ン
(BTC:
Bitcoin)のBitcoin)の
価
価
値
に
つ
い
メ
て

n法
の２乗に比例するというものである．
トユーザ数
カー
ーフ
フの
の
法則
則[4]に
[4]に
基づ
づき
き議
議論
論を
を行
行う
う．メ
．メ
トカ
カー
ーフ
フの
のの
ト
カ
ト
カ
ー
フ
の
法
則
[4]に
基
基
づ
き
議
論
を
行
う
．メ
ト
ト
カ
ー
フ
法法
則則
はは
通通
信信
ネネ
ッッ
トト
ワワ
ーー
クク
やや
企企
業業
価価
値値
のの
分分
野野
[5][5]
でで
有有
効効
法
則
は
通
信
ネ
ッ
ト
ワ
ー
ク
や
企
業
価
値
の
分
野
[5]
で
有
効

性が
が認
認め
めら
られ
れて
てお
おり
り，
，次
次式
式で
で示
示す
すよ
よう
うに
にネ
ネッ
ット
トワ
ワー
ーク
クク
性
性
が
認
め
ら
れ
て
お
り
，
次
式
で
示
す
よ
う
に
ネ
ッ
ト
ワ
ー
の価
価値
値値
はユ
ユー
ーザ
ザ数
数数
の
乗
に比
比例
例す
する
ると
とい
いう
うも
もの
ので
でで
の
の
価
VV は
V
は
ユ
ー
ザ
nn の
nの
22 乗
2に
乗
に
比
例
す
る
と
い
う
も
の

— 60 —

ブロックチェーンに基づく学術論文アーカイブシステムの初期的検討

ある．

61

は大学等の研究機関が運営することを前提とする．まとする．まず，アーカイブサーバは研究者から投稿された一

ず
，ア
ーカ
イブ
サー
バは
研t 究
者．次に，プールされた
から
投稿
され
た一
定量
ある
る．
．
は
す
(1)
定量の論文をプールする（時刻
（1）
V µn
あ
は大
大学
学等
等の
の研
研究
究機
機関
関が
が運
運営
営−1）
する
るこ
こと
とを
を前
前提
提と
とす
する
る．
．まま
の
論
文
を
プ
ー
ル
す
る（
時
刻
t1）
．次
に
，プ
ー
ル
さ
れ
た
ある．
は
大
学
等
の
研
究
機
関
が
運
営
す
る
こ
と
を
前
提
と
す
る
．
ず
，
ア
ー
カ
イ
ブ
サ
ー
バ
は
研
究
者
か
ら
投
稿
さ
れ
た
一
定
22
論文にマルウェア等の悪質なコードが混在していないかを検ず ， ア ー カ イ ブ サ ー バ は 研 究 者 か ら 投 稿 さ れ た 一 定量
量ま(1)
こ こで ， ビ ッ ト コイVンのnn時 価 総 額 を p， ア ク テ ィ ブ
ユ
(1)
Vµ
µ
論
文
に
マ
ル
ウ
ェ
ア
等
の
悪
質
な
コ
ー
ド
が
混
在
し
て
い
な
い
ず
，
ア
ー
カ
イ
ブ
サ
バ
は
究者
ら
投
さ
れ
た
一
定
2
の
t1）
．次
証し，問題がなければランダムに選ばれたアーカイブサーバ
ここで，ビットコインの時価総額を
p，アクティブユーザ数
(1)
の論
論文
文を
をプ
プー
ール
ルす
する（
るー
（時
時刻
刻研
t1）
．か
次に
に，プ
，稿
プー
ール
ルさ
され
れた
た量
V µ
ー
uと
てメ
トカ
ーnフ
の法
則 のp，
一般化
を行
うと
こザ
こ数
でを
，ビ
ビ
ッし
ト
こ
こ
で
，
ッ
トコ
コイ
イン
ンの
の時
時価
価総
総額
額を
を p，ア
アク
クテ
ティ
ィブ
ブユ
ユ
か
を
検
証
し
，
問
題
が
な
け
れ
ば
ラ
ン
ダ
ム
に
選
ば
れ
た
ア
ー
の
論
文
を
プ
ー
ル
す
る（
時
刻
t1）
．次
に
，プ
ー
ル
さ
れ
論
文
に
マ
ル
ウ
ェ
ア
等
の
悪
質
な
コ
ー
ド
が
混
在
し
て
い
な
い
のリーダーがブロックの生成を行う．その他のサーバは，生をuととしてメトカーフの法則の一般化を行うと次式となる
論 文 に マ ル ウ ェ ア 等 の 悪 質 な コ ー ド が 混 在 し て い な いた
次
[6]．
こ数
こな
でる
，
ビし
ッて
トメ
コト
イ
ン
の
時
価
総
額
を
p，
ア
ク
テ
ィ
ブ
ー式
ザ
数
を
と
般
ー
ザ
を
uu と
し
て
メ
トカ
カー
ーフ
フの
の法
法則
則の
の一
一
般化
化を
を行
行う
うと
とユ カ
イ
ブ
サ
ー
バ
の
リ
ー
ダ
ー
が
ブ
ロ
ッ
ク
の
生
成
を
行
う
．
そ
論
文
に
マ
ル
ウ
ェ
ア
等
の
悪
質
な
コ
ー
ド
が
混
在
し
て
い
な
か
成されたグロックが正しいことを点検し，問題がなければ，
［6］．
かを
を検
検証
証し
し，
，問
問題
題が
がな
なけ
けれ
れば
ばラ
ラン
ンダ
ダム
ムに
に選
選ば
ばれ
れた
たア
アー
ーい
ー
ザ
数
を
u
と
し
て
メ
ト
カ
ー
フ
の
法
則
の
一
般
化
を
行
う
と
次
式
と
な
る
[6]．
b
次 式 と な る [6]．
(2)
の
他
の
サ
ー
バ
は
，
生
成
さ
れ
た
グ
ロ
ッ
ク
が
正
し
い
こ
と
を
p = au
か
を
検
証
し
，
問
題
が
な
け
れ
ば
ラ
ン
ダ
ム
に
選
ば
れ
た
ア
カ
を
行
インセンティブとして暗号通貨が付与される（時刻
t）
．サー
カイ
イブ
ブサ
サー
ーバ
バの
のリ
リー
ーダ
ダー
ーが
がブ
ブロ
ロッ
ック
クの
の生
生成
成
を
行う
う．
．そそー
次 式 と な る [6]．
b
点
検
ンテ
ィ
カし
イ，
ブ問
サ題
ーが
バな
のけ
リれ
ーば
ダ，
ーイ
がン
ブセ
のブ
生と
成し
をて
行暗
う号
．そ
(2)
の
p = auu b
バ運営機関はブロック生成報酬として受け取った暗号通貨を
(2)
の他
他の
のサ
サー
ーバ
バは
は，
，生
生成
成さ
され
れた
たグ
グロ
ロッ
ック
クが
が正
正し
しい
いこ
こと
とをを
な お ， 対 数 で 表 す と p次=のaよう に 式 変 形 で き る ． （2）
b
通
貨
が
付
与
さ
れ
る
（
時
刻
t）
．サ
ー
バ
運
営
機
関
は
ブ
ロ
ッ
(2)
の
他
の
サ
ー
バ
は
，
生
成
さ
れ
た
グ
ロ
ッ
ク
が
正
し
い
こ
とを
p = au点
取引所経由で投資家等へ売却することにより，サーバ運営費
点検
検し
し，
，問
問題
題が
がな
なけ
けれ
れば
ば，
，イ
イン
ンセ
セン
ンテ
ティ
ィブ
ブと
と して
て暗
暗号号
なお
お，
，対
対数
数で
で表
す
と
次
の
よ
う
に
式
変
形
で
き
る
．
な
表
す
と
次
の
よ
う
に
式
変
形
で
き
る
．
log10 p = b log10 u + log10 a
ク
生
(3)
点成
検報
し酬
，と
問し
題て
が受
なけ
け取
れっ
ばた
，暗
イ号
ン通
セ貨
ンを
テ取
ィ引
ブ所
と経
し由
てで
暗号
通
．サ
用を獲得することができる．このように，運営資金を獲得す
なお，対数で表すと次のように式変形できる．
通貨
貨が
が付
付与
与さ
され
れる
る（
（時
時刻
刻 t）
t）
． サー
ーバ
バ運
運営
営機
機関
関は
はブ
ブロ
ロッッ
なお，対数で表すと次のように式変形できる．
投
資
家
等
へ
売
却
す
る
こ
と
に
よ
り
，
サ
ー
バ
運
営
費
用
を
獲
通成
貨 が酬
付 与し
さ れ受
る（時
刻た
t）．サ
ー貨
バ運取
営＋1）
機所
関経
は ブで
ロッ
log10 pp =u + logク
引ることで学術論文の無料提供を可能とする（時刻
(3)
10 a
log
= bb log
log10
ク生
生 成報
報 酬と
と して
て 受け
け取
取っ
っ た暗
暗号
号通
通 貨を
をt 取
引．以
所 経由
由で
(3)
10
10 u +
本 研 究 で は COINMETRICS
のlog
デ 10
ーaタ [7]を 用 い て ，ビ
ッ
得
す
る
こ
と
が
で
き
る
．
こ
の
よ
う
に
，
運
営
資
金
を
獲
得
す
log10 p = b log10 u + log10 a
ク
生
成
報
酬
と
し
て
受
け
取
っ
た
暗
号
通
貨
を
取
引
所
経
由で
(3)
投
資
家
等
へ
売
却
す
る
こ
と
に
よ
り
，
サ
ー
バ
運
営
費
用
を
獲
上のように，本研究では，学術論文を資産とみなし，その価（3）投資家等へ売却することにより，サーバ運営費用を獲
ト
コ
イ
ン
時
価
総額とアクティブユーザ
数 の用関い係てを，調
査
本
研
究
で
は
COINMETRICS
の
デ
ー
タ
[7]を
ビ
ッ
る
こ
と
で
学
術
論
文
の
無
料
提
供
を
可
能
と
す
る
（
時
刻
t＋
1）
本 研 究 で は COINMETRICS の デ ー タ [7]を 用 い て ，ビ ッ
投る
資家と
等 へで
売 却る
するこ の
と にう
より， 運
サ ー資
バ 運を
営 費得
用 を．
獲
値を暗号通貨という決済手段で伝搬させるという独自のエコ
得
得す
す るこ
こ とが
が でき
き る．
． こ のよよ うにに ， 運営
営 資金
金 を獲
獲 得すす
し
た
，2010
年
7テ月
18
日
か
ら
2019
年
月
9ッ
本．こ
研ン
究の
でと
はき
COINMETRICS
のユ
デー
ーザ
タ数
[7]を
用
い12
て調
，査
ビ
ト
コ
イ
時
価
総
額
と
ア
ク
ィ
ブ
の
関
係
を
以
上
の
よ
う
に
，
本
研
究
で
は
，
学
術
論
文
を
資
産
と
み
な
し
，
トコ
イ
ン
時
価
総
額
と
ア
ク
テ
ィ
ブ
ユ
ー
ザ
数
の
関
係
を
調
査
得
す
る
こ
と
が
で
き
る
．
こ
の
よ
う
に
，
運
営
資
金
を
獲
得
す
システムを形成することで，無料閲覧可能なアーカイブシス
本研究では COINMETRICS のデータ［7］を用いて，ビッ
る
（
．
るこ
こと
とで
で学
学術
術論
論文
文の
の無
無料
料提
提供
供を
を可
可能
能と
とす
する
る
（時
時刻
刻t＋
t＋1）
1）
．
日
デ
ー
タ
を
た
に
，ビ
ト
イ
トで
コの
イの
ンと
時き
価，2010総用
額いと年
ア．Fig.1
テ 18
ィブ
ザ2019
数コ
の年
関ン
係時
を
調9 査
しま
た
．こ
7ク月
日ユ
かー
らッ
12
月価
そ
通
貨
と
い
う
決
せ
る
と
い
し
た ．こ の と き ，2010 年 7 月 18 日 か ら 2019 年 12 月 9
る価
こ値
とを
で暗
学号
術本
論研
文究
ので
無は
料，
提済
供手
を段
可で
能伝
と搬
すさ
る（
テムの実現を目指す．加えて，高いスループットを達成する
トコイン時価総額とアクティブユーザ数の関係を調査した．
以の
上
の
よ
う
に
，
学
術
論
文
を
資
産
と
み時
な刻
しt＋
， 1）．
以
上
の
よ
う
に
，
本
研
究
で
は
，
学
術
論
文
を
資
産
と
み
な
し
，
総
移
を
示
す
．い
図た
よ年
り 7，月
最18
大
価
総
額イ
は年
しの
た推
．こ
日時
かッ
らト
2019
12価
月 9
日額
ま
で
の
デの
ーと
タき
を，2010用．Fig.1
にの
，ビ
コ
ン2017
時
う
テ
ム
を
形
成
す
日
ま で の デ ー タ を 用 い た ．Fig.1 に ，ビ ッ ト コ イ ン 時 価
以自
上の
のエ
よコ
うシ
にス
，本
学る
術こ
論と
文で
を，
資無
産料
と閲
み覧
な可
し，
ためには，最新のシャーディング技術［8］を導入する必要
このとき，2010年７月18日から2019年12月９日までのデー
そ独
の
価
値
を
暗
号
通
貨研
と究
いで
うは
決，
済
手
段
で
伝
搬
さ
せ
る
と
い
その価値を暗号通貨という決済手段で伝搬させるとい
年
12
月
16
日
に
記
録
し
た
3290
憶
ド
ル
で
あ
る
．
ま
た
，
日ま
ン時価
総額
ので
推の
移デ
をー
示タ
すを
．用
図い
よた
り．Fig.1， 最 大にの，ビ
時 価ッ
総ト
額コはイ 2017
能総額 の 推 移 を 示 す ． 図 よ り ， 最 大 の 時 価 総 額 は 2017
そア
のー
価カ
値イ
をブ
暗シ
号ス
通テ
貨ム
との
い実
う現
決を
済目
手指
段す
伝加
搬え
さて
せ，
る高
とい
があると考えられる．
タを用いた．Fig.1に，ビットコイン時価総額の推移を示す．
うな
独
自
の
エ
コ
シ
ス
テ
ム
を
形
成
す
る
こ
と
で．
，
無
料
閲
覧
可
う独自のエコシステムを形成することで，無料閲覧可
Fig.2
に月
示16
す移
よ
う
最．
大図
のよ
ア
ク，
テ
ィ
ブ
ユ
ー
ザ
数
は
2017
の
推
示
す
り
最
大
の
時
価
2017
年総
12額
日を
にに
記，
録
し
た
3290
憶
ド
ル
で
あ
る総
．額
まは
た，
い
ス
ル
ー
プ
ッ
ト
を
達
成
す
る
た
め
に
は
，
最
新
の
シ
ャ
ー
デ
うア
独ー
自カ
のイ
エブ
コシス テ ム の
を
形現
成を
す目
る指
こす
と．
で加
，え
無て
料，
閲高
覧可
年
12 月 16 日 に 記 録 し た 3290 憶 ド ル で あ る ． ま た ，ブロックチェーンでは，Fig.
6に示すように，トランザク
図より，最大の時価総額は2017年12月16日に記録した3290
能な
実
能なアーカイブシステムの実現を目指す．加えて，高
年
12 月
14
る
年
12 示
月す日
16
日1290363
記最録大しで
憶こ
ドで
ル，
でア
あク
るテ
．ィ
まブ
た，
Fig.2
に
よのう
に，
のたあ
ア3290
ク．
テこ
ィ
ブ
ユ
ー
ザ
数
は
2017
ィ
ン
グ
技
術
[8]を
導
入
す
る
必
要
が
あ
る
と
考
え
ら
れ
る
．
能
な
ア
ー
カ
イ
ブ
シ
ス
テ
ム
の
実
現
を
目
指
す
．
加
え
て
，高
ションと呼ばれる取引履歴や契約内容をブロックに格納し繋憶ドルである．また，Fig.
Fig.2に 示 す よ う に ，最 大2に示すように，最大のアクティの ア ク テ ィ ブ ユ ー ザ 数 は 2017
いスループットを達成するためには，最新のシャーデ
ユ
数に
は示，
Fig.2
す取
よ引
うのにあ，っ
最た
大
の
ア
ク
テ
ィ
ブ
ユ
ー
ザ
数
は
2017 い ス ル ー プ ッ ト を 達 成 す る た め に は ， 最 新 の シ ャ ー デ
年ー
12ザ月
14
日
の
1290363
でア
あド
るレ
．ス
こを
こカ
でウ
，ン
アト
クし
テた
ィも
ブ
に
う
，ト
いロ
スッ
ルク
ーチ
プェ
ッー
ト
を
達
成
す
に
は
，
新
ャ
ーデ
げていく．新しいブロックをつくる際には，悪意のあるトラ
ブユ
数 は2017年12月14日
こク
こテ
で，
年
12ー月ザ14
日 の 1290363 での1290363であ る ． こ こあ
でる．
，ア
ィブ
ィブ
ン
グ
技
術
[8]を
導ン
入で
すは
る，Fig.6
必る
要た
がめ
あ示
るす
とよ
考最
えに
らの
れシ
るラ
．ン
ィ ン グ 技 術 [8]を 導 入 す る 必 要 が あ る と 考 え ら れ る ．
の
．
Fig.3
ッ
年あ
12る
14
日に
のビ
1290363
でン
あ時
る価
．総
こ額
こと
でア
，ク
アテ
クィ
テブ
ィブ
ユで
ー
ザ
数月
は
，取
引
の
あト
っコ
たイ
ア
ド
レ
ス
を
カ
ウ
ン
ト
し
た
も
ザ
ク
シ
ョ
ン
と
呼
ば
れ
る
取
引
履
歴
や
契
約
内
容
を
ブ
ロ
ッ
ク
ンザクションがないことを検証する必要があり，この検証方アクティブユーザ数は，取引のあったアドレスをカウントし
ィ
ン
グ
技
術
[8]を
導
入
す
る
必
要
が
あ
る
と
考
え
ら
れ
る
．
ユーザ数は，取引のあったアドレスをカウントしたもブ ロ ッ ク チ ェ ー ン で は ，Fig.6 に 示 す よ う に ，ト ラ ン
ブ ロ ッ ク チ ェ ー ン で は ，Fig.6 に 示 す よ う に ，ト ラ ン
ユ
関
ユザ
ー数
ザの
数Fig.3
は係
，を
取示
引す
の．
あ図
っ中
たの
ア赤
ド線
レは
ス回
を帰
カ直
ウ線
ンを
ト表
しし
たも
のー
で
あ
る
．
に
ビ
ッ
ト
コ
イ
ン
時
価
総
額
と
ア
ク
テ
ィ
ブ
に
新取
し引
い履
ブ歴
ロや
ッ契
ク約
を内
つ容
くを
るブ
際ロ
にッ
はク
，ン
法をコンセンサスアルゴリズムと呼んでいる．従来のコンセたものである．Fig.
ブし
ロ繋
ッげ
クて
チい
ェく
ー．
ン
で
は
，Fig.6
に
示
す
よ
う
に
，ト
ラ
の
で あ る ．Fig.3 に3にビットコイン時価総額とアクティブ
ビットコイン時価総額とアクティブ
ザ格
ク納
シ
ョ
ン
と
呼
ば
れ
る
ザクションと呼ばれる取引履歴や契約内容をブロック
2.101，
て
のり
で，
あの
る=関
．Fig.3にビ=．
ッ1.7693
ト中
コの
イと
ン算
時出
価さ
総れ
額，
と決
ア定
ク係
テ数
ィブ
ユお
ー
ザ
数
係を示
す
図
赤
線
は
回
帰
直
線
を
表
し
悪
意
の
あ
る
ト
ラ
ン
ザ
ク
シ
ョ
ン
が
な
い
こ
と
を
検
証
す
る
必
ンサスアルゴリズムが抱える消費電力問題と富の格差問題をユーザ数の関係を示す．
図中の赤線は回帰直線を表しており，
ザ納
クし
シ繋
ョげ
ンて
とい
呼く
ば．
れ新るし取い引ブ履ロ歴ッやク契を約つ内く容るを際ブにロはッ，ク
ユーザ数の関係を示す．図中の赤線は回帰直線を表しに格に 格 納 し 繋 げ て い く ．新 し い ブ ロ ッ ク を つ く る 際 に は ，はR=
ユー0.9348
ザ
数 =ので
関あ
係っ
をた
示
す
．上
図よ
中り
の，
赤ビ
線ッ
はト
回コ
帰イ
直ン
線時
を価
表し
2.101，
．
=以
1.7693
と
算
出
さ
れ
，
決
定
係
数
て
お
り
，
要
を
コ
ン
セ
ン
サ
ス
ア
ル
ゴ
リ
ズ
ム
回避するために，本研究ではアーカイブサーバのデータ蓄積
α＝2.101，
1.7693と算出され，
R，＝決
0.9348
にあ
格り
納，
しこ
繋の
げ検
て証
い方
く法
．新
= 2.101， = 1.7693 決定係数は
と算出され
定係数
て
おり
，  β＝
悪が
意
の
あ
る
ト
ラ
ン
ザ
ク
シ
ョし
ンい
がブ
なロ
いッ
こク
とを
をつ
検く
証る
す際
るに
必は ，
悪意のあるトランザクションがないことを検証する必
総
額
と
ア
ブ
ユ
ー
ザ
間
に
は
ィ
=
2.101，
数=の1.7693
と正
算の
出相
さ関
れが
，あ
決る
定こ
係数
て
お
りク
，テ
は
R
=
0.9348
で
あ
っ
た
．
以
上
よ
り
，
ビ
ッ
ト
コ
イ
ン
時
価
と
呼
ん
で
い
る
．
従
来
の
コ
ン
セ
ン
サ
ス
ア
ル
ゴ
リ
ズ
ム
が
抱
量とサーバを設置する研究機関の研究力の裏付けとなる総被
であった．
以上より，
悪あ
意り
の，
あこ
るの
ト検
ラ証
ン方
ザ法
クを
シコ
ョン セ
がン
なサ
いス
こア
とル
をゴ
検リ
証ズ
すム
る必
要が
は
R = 0.9348
で あビットコイン時価総額とアクティブユー
った．以上より，ビットコイン時価
要があり，この検証方法をコンセンサスアルゴリズム
と
が
．
はわ
Rか
=る
0.9348
でユ
あー
っザ
た数
．の
以間
上に
よは
り正
，の
ビ相
ッ関
トが
コあ
イる
ンこ
時価
総
額
と
ア
ク
ティブ
え
る
消
費
電
力
問
題
と
富
の
格
差
問
題
を
回
避
す
る
た
め
に
，
引用に依存する新しいコンセンサスアルゴリズムを提案す
ザ数の間には正の相関があることがわかる．
要
が
あ
り
，
こ
の
検
証
方
法
を
コ
ン
セ
ン
サ
ス
ア
ル
ゴ
リ
ズム
と呼んでいる．従来のコンセンサスアルゴリズムが抱
総額とアクティブユーザ数の間には正の相関があること呼んでいる．従来のコンセンサスアルゴリズムが抱
総わ
額か
とる
ア．
クティブユーザ数の間には正の相関があることが本る．また，前節では，ビットコインの時価総額とアクティブ
と究
呼で
んは
でア
いー
るカ
．イ
従ブ
来サ
コバ
ンの
セデ
ンー
サタ
ス蓄
ア積
ル量
ゴと
リサ
ズー
ムバ
が抱
え研
る
消
費
電
力
問
題
と
富
のー
格
差
問
題
を
回
避
す
る
た
め
に
，
とがわかる．
える消費電力問題と富の格差問題を回避するために，とかイるブ． システムの設計指針
3.
アがーわカ
を
設
置
す
る
研
究
機
関
の
研
究
力
の
裏
付
け
と
な
る
総
被
引
用
ユーザ数の間には正の相関があることを示した．この結果か
３．アーカイブシステムの設計指針
え
る
消
費
電
力
問
題
と
富
の
格
差
問
題
を
回
避
す
る
た
め
に，
本研究ではアーカイブサーバのデータ蓄積量とサーバ
本研究ではアーカイブサーバのデータ蓄積量とサーバ
，
従
来
の
中
央
集
権
的
な
ジ
ャ
ー
ナ
ル
シ
ス
テ
ム
3.Fig.4(a)に
ア
ー
カ
イ
ブ
シ
ス
テ
ム
の
設
計
指
針
に
ら，本研究で発行する暗号通貨の価値を高めるには，ユーザ4（a）に，従来の中央集権的なジャーナルシステムを
本存
研す
究る
で新
はし
アい
ーコ
カン
イセ
ブン
ササ
ース
バア
のル
デゴ
ーリ
タズ
蓄ム
積を
量提
と案
サす
ーバ
を依
設
置
す
る
研
究
機
関
の
研
究
力
の
裏
付
け
と
な
る
総
被
引
用
3.Fig.
アー
カイブシステムの設計指針を設置する研究機関の研究力の裏付けとなる総被引用
を
示
．ー
これ
本
研
究
読
料
3.すア
カ，に
イ
ブし
シて
の
設，
計購
指
Fig.4(a)に
従対
来
の
中ス
央テ
集ム
権で
的は
な
ジ
ャ
ー針
ナの
ル高
シ騰
スに
テ起
ム
る
．
ま
た
，
前
節
で
は
，
ビ
ッ
ト
コ
イ
ン
の
時
価
総
額
と
ア
ク
数を増やすことを目的として査読者に暗号通貨を与えるとい示す．これに対して本研究では，購読料の高騰に起因する研
を存
設す
置る
す新
るし
研い
究コ
機ン
関セ
のン
研サ
究ス
力ア
のル
裏ゴ
付リ
けズ
とム
なを
る提
総案
被す
引用
に依
Fig.4(a)に ，従 来 の 中 央 集 権 的 な ジ ャ ー ナ ル シ ス テ ムに依存する新しいコンセンサスアルゴリズムを提案す
因す
研をFig.4(b)にFig.4(a)に
，
従是
来正
のす
中る
央た
集
権に
的，
な
ジ読
ャ料
ーの
ナ示
ルす
シよ
スう
テ ム うインセンティブを導入することが有効であると考えられ
を
示る
す
．究
こ格
れ差
に
対
し
て
本
研
究
で
は
，
購
高
騰
に
起
究格差を是正するために，Fig.
4（めb）に示すようなブロック
テ
ィ
ブ
ユ
ー
ザ
数
の
間
に
は
正
の
相
関
が
あ
る
こ
と
を
示
し
た
に
依
存
す
る
新
し
い
コ
ン
セ
ン
サ
ス
ア
ル
ゴ
リ
ズ
ム
を
提
案．
す
る
．
ま
た
，
前
節
で
は
，
ビ
ッ
ト
コ
イ
ン
の
時
価
総
額
と
ア
ク
を示す．これに対して本研究では，購読料の高騰に起る．また，前節では，ビットコインの時価総額とアク
な
ブ
ン
をロ
示ッ
すク
．チ
こェ
れー
にン
対を
し基
て盤
本と
研し
究た
でコ
はFig.4(b)に
，ソ
購ー
読シ
料ア
のム
高型
騰学
に 起 る．
因
す
る
研
究
格
差
を
是
正
す
る
た
め
に
，
示
す
よ
う
チェーンを基盤としたコンソーシアム型学術論文アーカイブ
こ
の
結
果
か
ら
，
本
研
究
で
発
行
す
る
暗
号
通
貨
の
価
値
を
高
るブ
．ユ
まー
たザ
，数
前の
節間
でに
はは
，正
ビの
ッ相
ト関
コが
イあ
ンる
のこ
時と
価を
総示
額し
とた
ア．
ク
ティ
因 す る 研 究 格 差 を 是 正 す る た め に ，Fig.4(b)に 示 す よ う
ティブユーザ数の間には正の相関があることを示した．
術論
ム．Fig.5
にム
，本
因文
すア
るー
研カ
究イ
格ブ
差シ
をス
是テ
正
すを
る提
た案
めす
にる
，Fig.4(b)に
示
す研
よう め
な
ブ
ロ
ッ
ク
チ
ェ
ー
ン
を
基
盤
と
し
た
コ
ン
ソーシア
型
学
システムを提案する．Fig.
5に，本研究で開発する学術論文
る
に
は
，
ユ
ー
ザ
数
を
増
や
す
こ
と
を
目
的
と
し
て
査
読
者
テ
ィ
ブ
ユ
ー
ザ
数
の
間
に
は
正
の
相
関
が
あ
る
こ
と
を
示
し
この結果から，本研究で発行する暗号通貨の価値を高 た．
なブロックチェーンを基盤としたコンソーシアム型学
この結果から，本研究で発行する暗号通貨の価値を高
究
で
を
な開
ブ発
ロす
ッる
ク学
チ術
ェ論
ー文
ンア
をー
基カ
盤イ
とブ
しシ
たス
コテ
ンム
ソの
ー概
シ
ア
ム示
型学 に
術
論
文
ア
ー
カ
イ
ブ
シ
ス
テ
ム
を
提
案
す
る
．Fig.5に要，本
研アーカイブシステムの概要を示す．ブロックチェーンネット
こ号
の通
結貨
果を
か与
らえ
，る
本と
研い
究う
でイ
発ン
行セ
すン
るテ
暗ィ
号ブ
通を
貨導
の入
価す
値る
を高
め暗
る
に
は
，
ユ
ー
ザ
数
を
増
や
す
こ
と
を
目
的
と
し
て
査
読
者
術 論 文 ア ー カ イ ブ シ ス テ ム を 提 案 す る ．Fig.5 に ，本 研
めるには，ユーザ数を増やすことを目的として査読者
す
．
性
す
術ブ
論ロ
文ッ
アク
ーチ
カェ
イー
ブン
シネ
スッ
テト
ムワ
をー
提ク
案の
す信
る頼
．Fig.5
に保
，本
究
で
開
発
す
る
学
術
論
文
ア
ー
カ
イ
ブ
シ
ス
テ
ム
のを
概担
要
を
示研 こ
ワークの信頼性を担保するために，バリデータノードとなる
と
が
有
効
で
あ
る
と
考
え
ら
れ
る
．
め
る
に
は
，
ユ
ー
ザ
数
を
増
や
す
こ
と
を
目
的
と
し
て
査
読者
に暗号通貨を与えるというインセンティブを導入する究で開発する学術論文アーカイブシステムの概要を示
に
暗
号
通
貨
を
与
え
る
と
い
う
イ
ン
セ
ン
テ
ィ
ブ
を
導
入
す
る
る
た
め
に
，
バ
リ
デ
ー
タ
ノ
ー
ド
と
な
る
ア
ー
カ
イ
ブ
サ
ー
バ
究
で
開
発
す
る
学
術
論
文
ア
ー
カ
イ
ブ
シ
ス
テ
ム
の
概
要
を
示
す
．
ブ
ロ
ッ
ク
チ
ェ
ー
ン
ネ
ッ
ト
ワ
ー
ク
の
信
頼
性
を
担
保
す
アーカイブサーバは大学等の研究機関が運営することを前提
にが
暗有
号効
通で
貨あ
をる
与と
え考
るえ
とら
いれ
うる
イ．
ンセンティブを導入する
ことす．ブロックチェーンネットワークの信頼性を担保す
こ
と
が
有
効
で
あ
る
と
考
え
ら
れ
る
．
すめ
．に
ブ，
ロバ
ッリ
クデ
チー
ェタ
ーノ
ンー
ネド
ッと
トな
ワる
ーア
クー
のカ
信イ
頼ブ
性サ
をー
担バ
保す
るた
ことが有効であると考えられる．
るために，バリデータノードとなるアーカイブサーバ
(b)
るため
に
，
バ
リ
デ
ー
タ
ノ
ー
ド
と
な
る
ア
ー
カ
イ
ブ
サ
ー
バ
(a)
(b)
(a)
(b)
(a)
(b)
(a)
2

Fig. 4 Schematics of (a) a traditional centralized journal system and (b) a consortium-typearchivingsystem basedonthe blockchain.
Fig. 4 Schematics
of (a)a traditional
centralized
systemarchiving
and (b)systema consortium-type
Fig. 4 Schematics
of (a) a traditional
centralized
journal systemand (b) ajournal
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Fig.
4
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Fig. 4 Schematics
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centralized
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onon
thetheblockchain.
archivingsystembased
blockchain.
— 61 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

62

Fig. 5

A concept of an academic paper archiving system.

Fig. 5

A concept of an academic paper archiving system.

Fig. 5 A concept of an academic paper archiving system.

6 Features
a consensus algorithm
proposedin thisinstudy.
Fig. 6 Fig.
Featuresof aofconsensus
algorithm
proposed
this study.

３．むすびFig. 6

Features of a consensus algorithm proposed in this study.
参考文献

本稿では，世界中の誰もが学術論文の無料閲覧を可能とす

１）船守美穂．オープンアクセスへの道 これからの学術情報

本む
稿す
でび
は，世界中の誰もが学術論文の無料閲覧を可
4.アーカイブシステムを提案し，その初期的検討を行った．本Today 第82号，2018．
謝 流通システムを考える．NII
辞２）Satoshi Nakamoto. Bitcoin: A peer-to-peer electronic
謝
辞究 の 一 部 は ， 2017 年 度 理 工 /建 築 ・ 環 境 学 会 研
本研

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より，サーバ運営費用を獲得することができるため，学術論究補助費を受けたものである．

文の無料提供を可能とする．また，アーカイブサーバにおけ参考文献
crypto-currency
with Proof-of-Stake. 2012. Available at
1) 考
船
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美
穂
.
オ
ー プ ン ア ク pdf.
セスへの道 これからの参文
献decred.org/research/king2012.

4.る，ブロックチェーンに基づくコンソーシアム型学術論文
むすびシステムでは，サーバ運営機関はブロック生成報酬として受け取った暗号通貨を取引所経由で投資家等へ売却することに

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アルゴリズムの概念を新たに提案した．加えて，メトカーフ

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cash system. 2008. Available at https://bitcoin.org/
bitcoin.pdf.

３）Sunny king and Scott Nadal. Ppcoin: Peer-to-peer

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の法則を参照しながらビットコイン時価総額とアクティブ

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ユーザ数の間には正の相関があることを示し，提案システム

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SatoshiNakamoto. Bitcoin: A peer-to-peer electronic
号 , 2018.
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system. Bitcoin:
2008.
Availableat2) Tencent
Satoshiand
Nakamoto.
A peer-to-peer
electronic
Facebook data vvalidate Metcalfe’s law.
https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.
cashsystem.
2008.
Available
at５）Xing-Zhou Zhang, Jing-Jie Liu, and Zhi-Wei Xu.

のアクティブユーザ数を増やす仕掛けとして査読者に暗号通

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3)

装ならびに実証実験によるシステムの有効性の検証は今後の課題である．

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験による
助費を受けたものである．

システムの有効性の検証は今後の課題である．

Journal of computer science and technology 30（2），246-

https://bitcoin.org/bitcoin.pdf.
Sunnyking and Scott Nadal. Ppcoin: Peer-to-peer

251,
2015.
crypto-currency
with Proof-of-Stake. 2012. Available

Sunny king and Scott Nadal. Ppcoin: Peer-to-peer６）Spencer
Wheatley, Didier
Sornette, Tobias2012.
Huber,
Maxatdecred.org/research/king2012.pdf.
crypto-currency
with Proof-of-Stake.
Available

し
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学 術computer
情報流通
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ム を 考 え る . NII Today 第 82IEEE
46（12），2013.

and RobertMetcalfe’s
N. Gantner.Law
Are after
Bitcoin
4) Reppen,
Bob
Metcalfe.
40bubbles
years ofat decred.org/research/king2012.pdf.
Ethernet.
IEEE
computer46(12),
2013.
predictable?
Combiningageneralized
Metcalfe’s
law
and of4) Bob Metcalfe. Metcalfe’s Law after 40 years

LPPLS model.
arXiv:1803.05663v1,
2018.
Ethernet.
IEEE
computer46(12),
5) theXing-Zhou
Zhang,
Jing-Jie
Liu,2013.
and Zhi-Wei Xu.
Tencent
andFacebookdatavvalidate７）5) https://coinmetrics.io/
Xing-Zhou Zhang, Jing-Jie Liu, andMetcalfe’s
Zhi-Wei law.
Xu.
Journalofcomputerscienceandtechnology
30(2),
Tencent andFacebook dataPhilipp
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Metcalfe’slaw.
８）Eleftherios
Kokoris-Kogias,
Jovanovic,
Linus

JournalNicolasof computer
andandtechnology
30(2),
Gasser,Gailly, science
Ewa Syta,
Bryan Ford.

— 62 —

ブロックチェーンに基づく学術論文アーカイブシステムの初期的検討

Omniledger: A secure, scale-out, decentralized ledger
via sharding. IEEE Symposium on Security and Privacy（SP）, 2018.

— 63 —

63

研究論文
65

可視光画像による虹彩認証のための画像処理
岡 本
髙 橋
岩 佐
中屋敷

教 佳 ***
大 介 ***友 希 ***
かほる * * *The Imaging Method for Iris Certification Using Visible Imageby

Noriyoshi OKAMOTO
Daisuke TAKAHASHI
Yuuki IWASA
Kahoru NAKAYASHIKI
要旨
本論文では，可視光画像による虹彩認証システムで必要となる特徴抽出法の自動化について述べる．可視光の場合，虹彩画像

入力の際に照明の条件として明度変化への対応が問題となるが，補助光を用いることで安定した入力を得ることが可能となる．
また，入力された画像から得られる虹彩認証に用いる特徴として，瞳孔中心を基準として極座標変換を用い，回転不変な特徴を利用することとし，これらの特徴を正確に自動抽出する方法を提案する．最後に実験の結果を示し，赤外線カメラでなくても虹彩認証が可能となることを明らかにする．

キーワード：虹彩認証，可視光画像，極座標変換

Abstract
This research paper states the automation of feature extraction method which is needed for iris recognition system by using visible image.
The visible light is occurred a problem about the response to the brightness change as the condition for lightning when the iris image is inputted.
However, this can be obtained the steady input using fill light. Additionally, the features by using iris recognition from input images are that thisoperated polar conversion based on the center of pupil and is utilized the advantages of rotation invariance features. Thus, the method of accurate automatic extraction for these features is suggested. Finally, referring to the result, this investigation reveals that the iris can be recognizedwithout the infrared camera.
Key Words: iris recognition, visible image, polar coordinates transformation＊ 情報学系 ＊＊ 大学院電気工学専攻修了 ＊＊＊ 工学総合研究所

2020 年 1 月 6 日受理— 65 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

66
１．諸

言

３．虹彩画像処理手法

個人認証技術は銀行の ATM や PC およびスマートフォン

本研究のように安価な可視光カメラを用いた場合，角膜にのログオンの際などに実用化され利用できる時代になっていよる鏡面反射が生じ認証に影響を与える恐れがあるため，鏡る．これらは顔，指紋，掌紋，虹彩などの生体的特徴や，音面反射が生じ難い撮影を行う必要がある．その問題を解決す

声，筆跡，キーストロークなどの行動的特徴を予め登録したるためには，まず角膜からの鏡面反射を考慮した撮影方法をデータと照合し，認証を行う手法であり，バイオメトリック

提案する．

認証またはバイオメトリクスと呼ばれている

2）～13）．

筆者等は個人認証の手段として虹彩に注目し，すでにその

３．
１14）～20）

撮影方法．虹彩認証の従来の研究の殆どは

撮影方法は，日常利用を目的としているため，撮影時の条

赤外線機器などの特殊な機器を用いており高価になってしま

件として室内外，
特に場所や時間帯の指定は無いものとする．

う傾向がある．携帯機器に虹彩認証を搭載することを目的と撮影する人物とカメラの距離は約10［cm］程度とし，椅子した最近の研究もあるが，これらも全て赤外線機器を用いてなどに座った状態で撮影を行った．安価な補助光を用い，カ成果を報告してきた

3），4）．本論文では，赤外線機器などを用いずに安価な可メラに対し正面を向いて撮影を行った．撮影における制約と視光カメラを用いた虹彩認証システムの開発を目的とする．

して厳密な正面というわけではなく，ある程度カメラの方向

これまでの成果の妥当性を再確認するとともに，これまで自に顔を向け，視線をレンズに向けてもらう形とした．また，動的にできなかった瞳孔および虹彩特徴の自動抽出法を提案

図３のようなカメラと照明の位置を設定し，鏡面反射をよりする．一方，携帯電話などで利用することを想定した場合，軽減する撮影方法を用いている．撮影方法を説明し扱いに慣

虹彩認証は撮影の際に傾きの影響を受けやすいという課題がれてもらうことで被験者自身が虹彩の撮影を行うことも十分あり5），その影響にも考慮した手法も提案する．

に可能である．以上の方法で撮影した虹彩画像を図４（a）

いる

に示す．
２．本虹彩認証システムの概要

次に，入力画像の色ヒストグラムより，瞳孔領域の抽出に

本研究の虹彩認証システムの流れを図１に示す．本論文で用いる閾値を自動で設定し，瞳孔領域を取得している． こ

提案する手法は可視光カメラによる虹彩特徴の撮影方法かれにより虹彩領域を明瞭な状態で撮影することができる．

ら，認証のために有効な個人特徴の抽出手法までである．
まず可視光カメラにて虹彩認証が可能な目領域の画像を撮

３．
２

前処理

影する．次に前処理として目領域から円形 Hough 変換1） を虹彩領域のみを抽出するため，瞼や白目の領域は除去す

用いて瞳孔中心点を求め，虹彩領域を抽出する（図２）．抽る必要がある．まず虹彩領域を含んだ目領域画像を生成す出した虹彩領域画像に極座標変換処理を行う．極座標変換画

る．虹彩領域抽出の手法は様々あるが像から虹彩の中でも瞳孔周辺の筋線維部分を抽出し，特徴画

9）～12），本研究では円1）形を抽出する円形 Hough 変換に基づく方法 で抽出を行う．

像の生成を行う．
生成した特徴画像から個人の判別すなわち個人認証を行う
が，個人認証アルゴリズムは現在開発中であり，今後報告する予定である．

Fig.2

瞳孔と虹彩位置Fig.3

提案する撮影方法

図 2. 瞳孔と虹彩位置

Fig.1 本システムの流れ
図 1 本システムの流れ— 66 —

図 3 提案する撮影方法

可視光画像による虹彩認証のための画像処理

RGB 表色系の色成分のうち瞳孔の色情報が強く残る R 成分

３．
５

67

特徴抽出画像の生成を用いて，円形 Hough 変換にて瞳孔中心点の抽出を行う．

虹彩の領域内には多数の個人特徴が含まれている．従来手次いで，抽出した瞳孔中心点を用いて虹彩画像を抽出する．

法は赤外線カメラを用いているため血管の反射などを個人特

以下，前処理の詳細について述べる．

徴として，個人認識を行っている．可視光カメラにおいては取得した目領域画像から瞳孔抽出を行う．目領域画像より血管の反射の特徴については取得できないため，筋線維や虹R（Red）成分，G（Green）成分，B（Blue）成分のそれぞ

彩の凹凸が主な個人特徴となる．そのため凹凸に注目した新れを分離させ R 成分のみ抜き出す．この処理によって瞳孔たな処理手順の開発が必要であると言える．虹彩領域画像の以外の瞼や虹彩の明度が上がり2値化の処理で瞳孔のみ，全体像が抽出できるようになる．目領域画像（撮影画像），R
成分画像を，図4（a），（b）にそれぞれ示す．R 成分画像を２値化した画像を図５に示す．この処理に関しては手動にて切り出しを行っているが，自動化については次節で述べる．
３．３

前処理の自動化

撮影方法や撮影環境などによる画像の明るさなどのバラツ

(a)

撮影画像

キに対応するため瞳孔を検出する際の２値化の閾値を自動で

(b)

Fig.4
図 4

決定する方法を検討した．目領域画像の R 成分のヒストグ

R 成分画像

撮影画像

撮影画像

ラムの調査により，R 成分のピーク値は瞳孔の色の R 成分の値に近いことが予備実験により確認され，ピーク値の半分の値が良好な閾値になることが分かった．実験に用いた入力
画像に対し，この閾値を用いて2値化した場合，良好に瞳孔が検出できることを示すことができた．入力画像の色ヒスト
グラムより，瞳孔領域の抽出に用いる閾値を自動で設定し，瞳孔領域を取得することが可能となる．これにより虹彩領域
を明瞭な状態で抽出することができる．以上の詳細な実験結
果は５．２に後述する．次に2値化画像から円形 Hough 変換
により瞳孔を求める．
３．４

Fig.5

瞳孔抽出

瞳孔の抽出には円形 Hough 変換（一般化 Hough 変換）を

図 5

R成分の２値化画像

R 成分の 2 値化画像

用 い る． 円 形 Hough 変 換 と は P.V.C.Hough に よ っ て 考 案
1）された画像から直線や円型を検出する技法である ．円形
Hough 変換の式を式（1）に示す．図５を見ると瞳孔のほぼ全体像は取得できているが，若干のノイズによって瞳孔に欠損が見られる．そのため円形を判別する円形 Hough 変換において抽出精度がかなり落ちてしまう．瞳孔をできる限り円形に近づけるため，２値化画像に収縮膨張処理を施す．収縮(a) 収縮処理(b) 膨張処理

Fig.6

収縮膨張処理Fig.7

虹彩領域画像図 6 収縮膨張処理

膨張処理を行い２値化の際にできてしまった隙間を埋め，瞳孔をできる限り円形として残す．これによって円形 Hough
変換での瞳孔抽出精度が向上する．
円形 Hough 変換によって抽出した瞳孔中心点からさらに虹彩領域を抽出する．収縮膨張処理を行った画像を図６（a），（ｂ），虹彩領域抽出の例を図７にそれぞれ示す．
2
2（Xi−CX）＋（Yi−CY）
r2＝（1）

次節では虹彩領域画像に極座標変換を行う．

— 67 —

図 7 虹彩領域画像

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

68

中に含まれる注目すべき特徴として，瞳孔周辺の筋線維とそれより外周の凹凸に個人特徴がある．なお本研究ではその二つのうち瞳孔周辺の筋線維に注目している．
まず抽出した虹彩画像から特徴画像の生成を行う．まず虹彩画像に極座標変換の処理を行う．特徴画像を平面画像（２次元画像）から極座標系に変換する理由は，顔の回転の影響（ａ）. 瞳孔部抽出処理に対応するためである．入力の際に大きく顔が傾くことは，
殆ど無いが，若干の傾きが生じても極座標に変換しておくと回転方向にずれても若干の平行移動で筋繊維形状の位置関係を安定した順序の特徴列として求めることが可能であるからである．すなわち，極座標変換後の画像は簡易な撮影により生じた傾きを左右にずらす補正だけで可能となる．また，この処理により左右の補正も必要無く，虹彩の筋線維の特徴を，
水平方向フィルタを施すだけで抽出することができ，特徴画像を生成することができる．
以上の処理の過程と生成した特徴の得られている画像を図８に示す．この特徴画像に対し，エッジの強調後２値画像を得る（図９）．この２値画像から認証に用いる特徴量を計算（ｂ）する予定である．

虹彩の特徴位置Fig.8
虹彩の特徴抽出
図 8. 虹彩の特徴抽出

４．前処理方法の改善
当初提案した手法において様々な入力画像に対する実験を重ねた結果，良好な画像が取得できないケースがあったため
以下のように前処理方法を一部改善した．
極座標変換後の瞳孔周辺部の個人認証に用いる特徴の部分は筋線維形状の影となる黒い線や点の部分である．この影の部分を，形状を崩すことなくそのまま抽出することができれば，個人の特徴部位をより正確に抽出でき，高精度な個人認証ができるものと考える．しかし，眼の撮影では補助光を用いて撮影を行っているが虹彩全体を一定の明るさで照らすことができず，図９（左）の極座標画像に示すように虹彩領域
内での明るさにむらができてしまっている．そのため２値化等の単純な方法では，特徴抽出を行うことができず，画像内
Fig.9での明るさの変化に対応できる抽出方法をとらなければならない．そこで，水平方向の輝度値差を利用し，数ピクセル以内の画素に特徴が含まれているか探索する手法を提案する．
この改良した手法では４ピクセル以内での輝度値の差に着瞳孔からの特徴抽出処理

図 9 瞳孔からの特徴抽出処理

５．実験結果５．
１

撮影方法の改善

目し，輝度値の最も高いところと最も低いところの比較を行

可視光カメラで鏡面反射を考慮せず目領域を撮影した画像

い，輝度値の差が30以上あれば低いほう，すなわち，色のの拡大画像を図11（a）に，提案手法による撮影画像の拡大

黒いほうを特徴点として抽出する．さらに，４ピクセル以内

画像を図11（b）に示す．図11（a）は筋線維の形状を視認

で輝度値の差が30以上あった場合には輝度値が最も低い場するのが困難だが，図11（b）は目で見て，認証に用いる虹所との差が10以内の部分に関しても特徴点として抽出する．

彩の筋線維の形状の取得が可能であることがわかる．

この処理を施すことで特徴を線としてではなく領域で抽出す５．
２ることができる．特徴を抽出した画像例を図10に示す．

瞳孔領域の自動抽出

一方，図10は同一人物から複数回取得した虹彩の特徴画

瞳孔抽出の実験では，図12に示すような明るさなどの異像（A-1，A-2）と別人物のもの（B-1）である．筋繊維の形なる３枚の目領域画像を用いた．この画像の R 成分のヒス状が同一人物の場合非常に似ていて，別人の場合は全く異なトグラムを図13に示す．３枚の画像が円形 Hough 変換を用ることがわかる．

いて正しく瞳孔が検出できる R 成分の２値化の閾値，瞳孔の色を手動で抽出した際の R 成分の値，R 成分のヒストグ— 68 —

可視光画像による虹彩認証のための画像処理

69

（ａ）

（ｂ）

（ｃ）

Fig.10

同一人物と他人との特徴比較

Fig.13 R成分のヒストグラム(IrfanViewによる出力)
図
13 R 成分のヒストグラム

図 10 同一人物と他人との特徴比較(Irfan View による出力)(a)（ａ）通常の撮影

Fig.14 固定閾値による瞳孔抽出（抽出失敗例）（ｂ） 提案手法

図 14. 固定閾値による瞳孔抽出（抽出失敗例）

Fig.11 撮影方法の比較
図 11 撮影方法の比較

（ａ）

(b)

表Table1
1 瞳孔部の
R 成分値と理想閾値
瞳孔部のR成分値と理想閾値

(a)

(b)

(c)

閾値

4~10

9~17

21~26

瞳孔の⾊

13

25

58

ピーク値

14

25

61

（ｂ）

瞳孔検出結果（ｃ）

R 成分のみで 2 値化

図 15 瞳孔抽出成功例
Fig.15
瞳孔抽出成功例

Fig.12 ３枚の目領域画像
図 12 3 枚の目領域画像

ラムの黒側から見て最初のピーク値を表1に示す．この結果

R 成分の２値化画像を図15に示す．図15から綺麗に瞳孔部から，ヒストグラムの最初のピーク値は手動で抽出した瞳孔分だけを残して２値化できていることが分かる．

部分の色の R 成分の値に近いことがわかる．また，良好に検出できる閾値は，ピークの終わりの値に近い値であること

５．
３

特徴抽出結果から，ピークの終わりの値を閾値設定の判別値として用いる提案手法の有効性を調査するため，10人分のデータを用ことで，自動化が可能と考える．３人分の目領域画像42枚

いて瞳孔，虹彩，特徴部位の抽出実験を行い，我々の従来手に対し，ピークの終わりの値を２値化の閾値として瞳孔検出法と比較した．結果を表２に示す．瞳孔抽出では，提案したを行った結果，32枚で正しく瞳孔が検出された．図14は従自動閾値法を用いることで，従来手法では抽出できなかった

来の固定閾値により，失敗した例を示す．提案手法による成８人中７人に対して抽出可能となることが分かった．

功例の瞳孔検出結果画像とピークの終わりの値を閾値とした— 69 —

固定閾値で失敗していた例と自動閾値で成功した例を図関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

70

れた．ここに関係各位に深く感謝を表する．

Table2
虹彩抽出と特徴抽出結果
表 2 虹彩抽出と特徴抽出結果
瞳孔抽出

No.

虹彩抽出

特徴抽出

〇

〇

〇

×

〇

〇

〇

3

×

〇

×

×

4

×

〇

×

×

２）独立行政法人情報処理推進機構：“ 電子政府行政情報化

5

×

〇

〇

〇

6

×

〇

〇

〇

事業～各国バイオメトリクスセキュリティ動向の調査

7

×

×

×

×

8

×

〇

〇

〇

9

×

〇

〇

〇

10

〇

〇

〇

〇

従来⼿法

提案⼿法

1

〇

2

参考文献
１）P.V.C.Hough:“Method and means for recognizing complex
patterns”, U.S.Patent, Vol.3, No.069，pp.654，（1962）．

～ ”，（2004）．
３）青 木 芳 人：“ 虹 彩 の バ イ オ メ ト リ ク ス セ キ ュ リ テ ィ（＜小特集＞バイオメトリクスセキュリティ）”，電子情報通信学会誌，Vol.89，No.1，pp.46-51，（2006）．
４）川嵜 剛，高野博史，中村清美：“ 虹彩模様の回転変化が及ぼす個人認証への影響 ”，電子情報通信学会技術研究
報告，NC,107（542），pp.433-438，（2008）．
５）国宗高志，高野博史，中村清美：“ 携帯情報端末のための回転拡散ネットによる虹彩認証 ”，情報科学技術フォー
ラム講演論文集，Vol.8，No.3，pp.163-164，（2009）．
６）日本自動認識システム協会編：“ よくわかるバイオメト
リクスの基礎 ” オーム社，（2005）．
７）瀬 戸 洋 一：“ バ イ オ メ ト リ ッ ク セ キ ュ リ テ ィ 入 門 ”，
SRC，
（2004）．

Fig.16

自動閾値（提案手法）と固定閾値法の比較

８）半谷精一郎：“ バイオメトリクス教科書 ”，コロナ社，

図 16. 自動閾値（提案手法）と固定閾値法の比較（2012）．

16に示す．また，虹彩領域を抽出する実験を瞳孔の抽出に

９）辻徳生：“ 視線計測のための LMedS を用いた虹彩検出
法 ”，MIRU2004，pp.684，（2004）．

成功した画像に行ったところ，10人中７人で成功した．また，
特徴領域抽出も同様となり，提案手法が従来手法よりも良好

10）K.Artem，L. Jong Soo：“Face and Iris Detection
Algorithm Based on SRF and circular Houghに抽出可能となる手法であることがわかった．

Transform”，J Inst Electron Eng Korea SP，vol.47，
６．結言

No.5，pp.664-671，（2010）．

本論文では，可視光撮影による虹彩認証システムを目的と

11）山添丈夫，内海章，米沢朋子，阿部伸治：“ 単眼カメラ

した撮影方法から特徴抽出アルゴリズムを提案し，実験によによる新鮮検出のための眼球モデルパラメータの推定 ”，

り検証した．可視光カメラを用いた場合の撮影方法や撮影環

電子情報通信学会技術研究報告，IE，Vol.107，No40，
pp.1-6，（2007）．

境などによる虹彩領域の明るさのむらに対応でき , 筋線維形

12）坂下祐輔，藤吉弘亘，平田豊，高丸尚教，深谷直樹：“ 高状の影の部分の形状をそのままに抽出する方法を示した．

速楕円検出に基づく眼球回遊運動の計測 ”，電気学会電

今後は抽出した特徴を用いて個人認証を行うために最適な認証方法の検討を行うとともに , 認証精度向上に向けたより

子・情報システム部門誌，Vol.127，No.4，pp.591-598，

良い特徴の抽出方法の検討を継続して行う予定である．

（2007）．

一方，現代社会の多くの場面で個人認証の実用化が期待さ

13）D.G.Lowe ：“Distinctive Image Features from Scale-

れてくるものと考える．様々なバイオメトリック認証技術にInvariant Keypoints”，Journal of Computer Vision，
Vol.60，No,2，pp.91-110，（2004）．

対して，最近のディープラーニングによる手法との融合などによる新しいシステムを実現することにより，個人認証の高14）岩佐友希，髙橋大介，岡本教佳：“ 虹彩を用いた個人識別のための前処理について ”，電気学会電子・情報・シ

精度化，高速化の要求はますます高まるものと考える．

ステム部門大会講演論文集，pp.596-597，（2011）．
謝辞15）岩佐友希，髙橋大介，岡本教佳：“ 虹彩認証のための特徴量について ”，電気学会電子・情報・システム部門大本研究を遂行する際に，日頃より熱心に議論した岡本研究

会講演論文集，pp.837-840，（2012）．

室の修了生および卒業生諸君に感謝する．特に，本研究で提案された手法やアルゴリズムの実験的検証を行った卒業生毛16）岩佐友希，髙橋大介，岡本教佳：“ 可視光カメラを用いた虹彩認証のための特徴抽出 ”，電気学会電子・情報・

利隆志君，野口美里君に感謝する．
本研究の一部は2010年度工学会研究補助費を受けて行わ— 70 —

システム部門大会講演論文集，pp.891-892，（2013）．

可視光画像による虹彩認証のための画像処理

7117）岩佐友希，髙橋大介，岡本教佳，“ 可視光カメラを用い

19）野口美里，毛利隆志，伊藤翔，中屋敷かほる，高橋大介，た虹彩による個人識別−特徴抽出の検討− ”，映像情報

岡本教佳：“ 鏡面反射を考慮した可視光画像による虹彩

メディア学会技術報告メディア工学研究会，ME2013-

認証の検討 ”，電気学会電子・情報・システム部門大会

105，pp.77-78，（2013）．

講演論文集，pp.713-714，（2018）．

18）毛利隆志，伊藤翔，高橋大介，中屋敷かほる，岡本教佳：“ ス20）髙橋大介，野口美里，毛利隆志，中屋敷かほる，岡本教佳：

マートフォンカメラによる虹彩認証のための特徴抽出の“ 可視光画像による虹彩認証のための特徴抽出法 ”，電気検討 ”，電気学会電子・情報・システム部門大会講演論

学会電子・情報・システム部門大会講演論文集，pp.709-

文集，pp.1029-1030，（2017）．

710，（2019）．

— 71 —

研究論文
73

損傷を受けた筋かい耐力壁の接合部の補修方法に関する実験的研究
─エポキシ系接着剤を用いた場合─
神
齋

戸
藤

智

渡 **
之 **

A REPAIRING METHOD FOR JOINTS IN DAMAGED BRACE SHEAR WALLS-EXAMINATION USIG EPOXY ADHHESIVEby

Wataru KAMBE
Tomoyuki SAITO

Abstract
For wooden houses in Japan, shear walls with brace are frequent seismic element and its joint had critical damage in past disasters such as
earthquakes. After those earthquakes, those houses need to be repaired or rebuilt. In such a case, it is considered that an easy and performance
repair methods is required.
In this study, we propose a method to repair the joint in damaged shear walls. That proposed repairing method is to fill the foundation aroundthe joint with epoxy adhesive and attach new joint hardware to it. This repairing method is applied to joint specimens and shear wall specimens.
We conducted loading test with those specimens and compared with the structural performance and confirmed a usefulness of that repairing
method.
Key Words: Timber engineering, Joint, Repairing, Epoxy adhesive＊関東学院大学建築・環境学部建築・環境学科准教授・博士（工学） ＊＊（株）エヌ・シー・エヌ— 73 —

修士（工学） 2019 年 12 月 13 日受理

よび耐力壁試験における、補修前後の構造性能を比較することで、補修方法の有用性を確認する。それらにより、補修方法の一提案をすることが本研究の目的である。

耐力壁
単
正
（補修

2. 補修方法の流れ
関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

74

既往の研究４）では 1 種の筋かい金物を用いて耐力壁の構造性能に１．はじめにはないかと考えた．
関する検討を行った。そこでの主な破壊性状は土台からのビスの引2011年３月11日に発生した東北地方太平洋沖地震，2016

Photo1に本研究における補修方法の流れを示す．最初はき抜けであった。そこで、補修によりビスを適切に打ち直すことが年４月15日に発生した熊本地震など，日本では大地震が発可能となれば、接合部を補修できるのではないかと考えた。
初期状態の筋かい接合部である．加力試験をすると（b）の生することがある．地震が発生した際に住民は避難し，自治Photo1 に本研究における補修方法の流れを示す。最初は初期状態
ようにビスが引き抜ける．試験終了後にビスを取り外した状

体等は建物の調査を行う．調査により使用することが難しいの筋かい接合部である。加力試験をすると( b )のようにビスが引き態が（c）の写真となる．このビス孔をドリルで若干大きくと判断された場合は，仮設住宅で生活を余儀なくされること

し（d），ここにエポキシ系接着剤を充填し，接着剤が硬化しがある．そのような仮設住宅での生活は住人に対して精神た後，ビスを打ち直し，金物を留め付ける．これが本研究に的・体力的な負荷になる．そのため仮設住宅より，それまでおける補修方法である．

住んでいた住宅での生活を希望することを耳にすることがある．また地震被害を受けた住宅に対して，補修工事を施すこ

3.

接着剤

抜ける。試験終了後にビスを取り外した状態が( c )の写真となる。

本研究でこのビス孔をドリルで若干大きくし( d )、ここにエポキシ系接着剤

製、505）を充填し、接着剤が硬化した後、ビスを打ち直し、金物を留め付け

まず、接50 分であるる。これが本研究における補修方法である。

また Fig.1の本研究で実施する試験の流れを示す．

であり、本また Fig.1 の本研究で実施する試験の流れを示す。

であるかはとで再び使用することが可能になることもあれば，建て替え

硬化の確認が必要なこともある．補修工事の場合，新築と同様に必要なの型枠に流耐震性能を持たせる必要がある．様々な状況が考えられ，そを確認するを 1 辺 30m

れらはどれも，住人にとって負担となることには変わりはな

生した。養

いと考えられる．建て替えよりも補修の方の経済的負担が小間に対してさかったとしても，補修により性能が十分に回復する必要が所定の時あると考えられる．よって迅速性・施工の簡易性・経済性が内部を確認優れていたり，保有する構造性能が高い技術が望ましく，そ→のような手法の社会的需要は高いものと考えられる．上記の→(a)ように地震被害を受けた住宅に対して，補修方法・補強方法

(b)

を確認した

時間とした

次に硬さ

が様々提案されている1）．施工条件に制約がある場合もあり，

テクロック

必ずしも汎用性が高いとは言えないと感じている．資料2）にタを Photo

よると日本の住宅の多くは軸組構法住宅であるため，筋かいものでありを用いた木造住宅に対する補修方法は最も必要性が高いと考～8050mN

える．

硬さを測定

体に切り出

3）

補修方法として，西野ら は筋かい部に特殊な金物を取りその表面が付けた補修方法の検討を行っている．また既往の研究4）において，筋かい耐力壁の筋かいが圧縮破壊した場合，筋かいを交換するという補修方法の検討を行った．ここでは引張力を受ける場合の検討を行っていない．そこで本研究では筋かい

消するため

→
(d)

さ測定を実

Photo1 AAflow
Photo1
flowforforrepairing
repairingmethod
methodininthis
thisstudy
study

これらの樹

(c)

が引張力を受ける場合に対する補修方法に関する検討を行う
耐力壁の筋かいが圧縮破壊した場合、筋かいを交換するという補修こととする．

方法の検討を行った。ここでは引張力を受ける場合の検討を行って筋かい耐力壁が地震力等の水平力を受けて，筋かいに引張

接着剤の硬化の確認試験

いない。そこで本研究では筋かいが引張力を受ける場合に対する補軸力が作用する場合，端部の接合部において，損傷が生じる
修方法に関する検討を行うこととする。

ことが多い．柱や土台からのビスの引抜け，筋かいに打ち付筋かい耐力壁が地震力等の水平力を受けて、筋かいに引張軸力がけたビスのせん断破壊，土台の割裂，接合金物の損傷などが接着剤の硬さ測定

作用する場合、端部の接合部において、損傷が生じることが多い。

発生しうる破壊として挙げられる．これらの破壊個所を補修
柱や土台からのビスの引抜け、筋かいに打ち付けたビスのせん断破することで耐力壁の構造性能が回復するものと考えられる．
壊、土台の割裂、接合金物の損傷などが発生しうる破壊として挙げ
そこで本研究では片筋かい耐力壁を対象とし，筋かい接合部
られる。これらの破壊個所を補修することで耐力壁の構造性能が回と耐力壁の水平加力試験を行う．接合部試験および耐力壁試
復するものと考えられる。そこで本研究では片筋かい耐力壁を対象とし、筋かい接合部と耐力壁の水平加力試験を行う。接合部試験お験における，補修前後の構造性能を比較することで，補修方
よび耐力壁試験における、補修前後の構造性能を比較することで、法の有用性を確認する．それらにより，補修方法の一提案を接合部の加力試験
単調加力：1体
正負繰り返し加力：3体（補修前と後で1回づつ加力→試験回数：8）

補修方法の有用性を確認する。それらにより、補修方法の一提案をすることが本研究の目的である．
することが本研究の目的である。

２．補修方法の流れ
2.

補修方法の流れ4）

では１種の筋かい金物を用いて耐力壁の構造
既往の研究 ４）
既往の研究

では 1 種の筋かい金物を用いて耐力壁の構造性能に性能に関する検討を行った．そこでの主な破壊性状は土台か関する検討を行った。そこでの主な破壊性状は土台からのビスの引らのビスの引き抜けであった．そこで，補修によりビスを適耐力壁の水平加力試験
単調加力：2体（筋かいが圧縮、引張）
正負繰り返し加力：1体（補修前と後で1回づつ加力→試験回数：6）

き抜けであった。そこで、補修によりビスを適切に打ち直すことが切に打ち直すことが可能となれば，接合部を補修できるので可能となれば、接合部を補修できるのではないかと考えた。

Fig.1 Flow
Fig.1
Flowininthis
thisstudy
study

Photo1 に本研究における補修方法の流れを示す。最初は初期状態— 74 —3. 接着剤の要素試験の筋かい接合部である。加力試験をすると( b )のようにビスが引き抜ける。試験終了後にビスを取り外した状態が( c )の写真となる。
このビス孔をドリルで若干大きくし( d )、ここにエポキシ系接着剤を充填し、接着剤が硬化した後、ビスを打ち直し、金物を留め付け

本研究では、2 液性のエポキシ系接着剤（アサヒボンド工業（株）
製、505）を充填剤として用いた。
まず、接着剤の硬化の確認試験を行う。この接着剤の可使時間は

ものであり

1.72

De
Photo2 Hardness meter
損傷を受けた筋かい耐力壁の接合部の補修方法に関する実験的研究─エポキシ系接着剤を用いた場合─

３．接着剤の要素試験
本研究では，２液性のエポキシ系接着剤（アサヒボンド工75

Table1に木材試験片における硬さ測定の結果，Table2にTable1 に木材試験片における硬さ測定の結果、Table2 に接着剤の接着剤の試験片の硬さ測定の結果を示す．
同表に示すように，試験片の硬さ測定の結果を示す。同表に示すように、本研究で用い

1.72

4. 接
4.1

本研究で用いた接着剤の硬さは木質材料と同じ程度であるこ
た接着剤の硬さは木質材料と同じ程度であることがわかり、それら接合

まず，接着剤の硬化の確認試験を行う．この接着剤の可使とがわかり，それらの中でもベイマツとほぼ同値となることの中でもベイマツとほぼ同値となることがわかる。接着剤の硬さがラマツ

時間は50分である．ただし，この時間は面と面を接着したがわかる．
接着剤の硬さがこれらの硬さと同程度であるため，これらの硬さと同程度であるため、金物用のビスを打ち込むことに積層材

場合の可使時間であり，本研究で対象とするような充填剤と金物用のビスを打ち込むことに支障はないと考える．よって支障はないと考える。よって本接着剤を充填剤として用いることと本農林して用いた場合のものであるかは不明である．そこで本研究

本接着剤を充填剤として用いることとする．
する。

シュウ

業（株）製，505）を充填剤として用いた．

で使用する状況に近い状態の硬化の確認試験を行う．そこで，接着剤を25×25×25mm の立方体の型枠に流し込み，試験片法はTable1
test of wood members
Table1 Hardness
test ofHardness
wood membersを製作し，その試験片の内部の硬化状態を確認することとした．主剤と硬化剤を2:1の割合で調合した溶液を1辺30mm のSpecimen

立方体の容器に流し込み，室内温度24℃の環境で養生した．

Average

Density

Hardness [Degree]（株）Average

オイル

試験

moisture[g/cm3]る。ボcontent [%]養生時間は24時間，36時間，48時間の３種類とし，各時間

Cedar_1

0.39

9.0

65

に対して３体の試験片を作製した．

Cedar_2

0.39

8.8

85

位計は
73.7

負繰り

所定の時間が終了した後，型枠より外し，試験片を切断し，Cedar_3

0.39

9.0

71

張試験

その内部を確認したところ，すべての試験体において硬化しCypress_1

0.49

9.5

78

とした

ていることを確認した．そこで，本研究では使用する充填剤

Cypress_2

0.47

9.8

80

Cypress_3

0.48

9.5

78

Pine_1

0.60

9.0

94

Pine_2

0.59

9.0

92

Pine_3

0.59

9.5

91

の養生時間を24時間とした．
次に硬さ測定を行う．硬さの測定には置針型のデュロメー
タ（（株）テクロック

製

GS-750G TypeB）を用いる．使用したデュロメータを Photo2に示す．この測定器は，スプリング荷重値で硬さを表すものであり，測定器のメモリが0

78.7

92.3

Table2Hardness
Table2 Hardness
test withepoxy test
gluewith epoxy glue

接着剤の試験片では，硬化した後25mm
角の立方体に切り出300mmの試験片を 3 つ切り出し、それぞれを
Cedar_1～3、Cypress_1

Hardness on each surface

し，その硬さ測定を行った．作製した状態の試験片では，そ～3、Pine_1～3 と名付けた。それらの試験片の板目・柾目を問わず、の表面が平滑でなかったため，硬さ測定が難しく，その問題
無作為の箇所の硬さを測定することとした。
を解消するためである．試験片の表面を上記の接着剤と木材に対して硬さ測定を実施する．樹種には，スギ・ヒノキ・ベ
5）

イマツを用いた．これらの樹種は，木質構造設計規準 における J1，J2，J3に属するものであり，構造用木材の全体的な分布を把握するために，これらの樹種を選定した．断面寸法50×50mm，長さ１m の材から長さ300mmの試験片を3つの樹種を選定した。断面寸法
50×50mm、長さ 1mの材から長さ切り出し，それぞれを
Cedar_1～3，Cypress_1～3，Pine_1
300mmの試験片を 3 つ切り出し、それぞれを Cedar_1～3、Cypress_1～3と名付けた．それらの試験片の板目・柾目を問わず，無～3、
Pine_1～3 と名付けた。それらの試験片の板目・柾目を問わず、作為の箇所の硬さを測定することとした．
無作為の箇所の硬さを測定することとした。

Photo2 Hardness meter
Table1 に木材試験片における硬さ測定の結果、Table2 に接着剤の試験片の硬さ測定の結果を示す。同表に示すように、本研究で用いた接着剤の硬さは木質材料と同じ程度であることがわかり、それらの中でもベイマツとほぼ同値となることがわかる。接着剤の硬さがこれらの硬さと同程度であるため、金物用のビスを打ち込むことに支障はないと考える。よって本接着剤を充填剤として用いることとする。
Photo2Hardnessmeter
meter
Photo2 Hardness

Table1 Hardness test of wood members

1
E_1

st

2

nd

3rd

4th

5th

6th

97

97

97

98

97

95.5

97.5

97

98

98

Density=

Average=96.9

1.728[g/cm3]
E_2

97

98

Density=

97.5

96.5

Average=97.3

1.728[g/cm3]

Table2 Hardness
test97.5
with epoxy
98 glue97.5
E_3

97.5

1.728[g/cm3]

1stHardness on each surface
Average=97.8
nd
2
3rd
4th
5th

E_1
E_4

9798

97 98

Density=Density=Density=3
1.728[g/cm] 3]
1.728[g/cm
E_2

97 97

98 97

6th

97 97 95.597.5

Average=96.9
Average=97.4
97

98

97.5

96.5

97.5

97

Density=
4. 接合部の加力試験
Average=97.3
４．接合部の加力試験
1.728[g/cm3]
4.1 試験体・試験方法
４．
１
97.5
98
97.5
97.5
98
98
E_3 試験体・試験方法
接合部の形状を Fig.2、試験の様子を Photo3 に示す。筋かいにカ接合部の形状をFig.2，試験の様子をPhoto3に示す．筋かDensity=
ラマツの単板積層材（全層のべニヤの繊維の方向が平行な
A 種単板
Average=97.8
いにカラマツの単板積層材（全層のべニヤの繊維の方向が平1.728[g/cm3]
積層材。以下、LVL と呼ぶ）を用いた。断面寸法は 45×90mm、日
行なE_4
A 種単板積層材．以下，LVLと呼ぶ）を用いた．断面
98
98
97
97
97
97.5
本農林規格６）における等級は 100E-1級である。土台と柱にはオウ
6）における等級は100E-1級
寸法は45×90mm，日本農林規格
Density=
シュウアカマツの同一等級構成集成材を用いた。土台と柱の断面寸
Average=97.4
3である．土台と柱にはオウシュウアカマツの同一等級構成集
1.728[g/cm]７）
法は 105×105mm、日本農林規格における等級は E95-F315 であ成材を用いた．土台と柱の断面寸法は105×105mm，日本農る。ボックス金物には、ジャスティガセットライト（BX カネシン

林規格7）における等級は E95-F315である．ボックス金物に

4.（株）製）を用いた。
接合部の加力試験
Table1 に木材試験片における硬さ測定の結果、Table2に接着剤のAverage
Hardness [Degree]
Density
試験体・試験方法
4.1
試験片の硬さ測定の結果を示す。同表に示すように、本研究で用いSpecimenmoisture— 75 — 試験方法は、試験体の土台をアンカーボルトで鋼基礎に固定し、[g/cm3]
Average
接合部の形状を Fig.2、試験の様子を Photo3 に示す。筋かいにカ
オイルジャッキを用いて筋かいの軸方向に加力するものである。変た接着剤の硬さは木質材料と同じ程度であることがわかり、それら
content [%]の中でもベイマツとほぼ同値となることがわかる。接着剤の硬さがCedar_1
0.39
9.065
これらの硬さと同程度であるため、金物用のビスを打ち込むことに
Cedar_2
0.39
8.8
85
73.7
支障はないと考える。よって本接着剤を充填剤として用いることと

て補修

ある。

度～100度となり，この範囲で550～8050mN を示すものである．測定物の表面に突起部を押し付け，硬さを測定する．
の樹種を選定した。断面寸法
50×50mm、長さ 1m の材から長さ

加力履

ラマツの単板積層材（全層のべニヤの繊維の方向が平行な
A 種単板
位計は筋かいの表裏に取り付け、その平均値を用いて検討する。正７） 45×90mm、日積層材。以下、LVLと呼ぶ）を用いた。断面寸法は負繰り返し載荷の加力サイクルは既往の研究を参考にし、単調引

６）本農林規格における等級は P100E-1級である。土台と柱にはオウ
張試験で得られた最大荷重
max を P として、1/8 P ずつ増やすもの

さが

とに

とと

97.5

97.5

98

98

Average=97.8
98

98

97

97

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

97

97.5

Photo3 Test conditions of joint specimens

Density=は，ジャスティガセットライト（BX カネシン（株）製）をAverage=97.4
3
用いた．
1.728[g/cm]

Photo3Tensile
Test conditionsof joint specimensload(+)

Tensile load(+) ±6P/8±7P/8

試験方法は，試験体の土台をアンカーボルトで鋼基礎に固定し，オイルジャッキを用いて筋かいの軸方向に加力するも4. 接合部の加力試験のである．変位計は筋かいの表裏に取り付け，その平均値を4.1 試験体・試験方法
用いて検討する．正負繰り返し載荷の加力サイクルは既往の接合部の形状をFig.2、試験の様子を Photo3 に示す。筋かいにカ
研究7）を参考にし，単調引張試験で得られた最大荷重 Pmax
ラマツの単板積層材（全層のべニヤの繊維の方向が平行な A 種単板
を P として，1/8 P ずつ増やすものとした．圧縮側で P 経験後，積層材。以下、LVL と呼ぶ）を用いた。断面寸法は 45×90mm、日引張側で破壊するまで加力を行った．加力履歴を Fig.3，試
本農林規格６）における等級は 100E-1 級である。土台と柱にはオウ
験体名を Table3に示す．１つの試験体に対して補修前後のシュウアカマツの同一等級構成集成材を用いた。土台と柱の断面寸ものを加力しており，試験体数は４，試験回数は８である．
法は 105×105mm、日本農林規格７）における等級は E95-F315 である。ボックス金物には、ジャスティガセットライト（BX カネシン
４．２ 試験結果（株）製）を用いた。
破壊性状を Photo4～11，補修前後の荷重─変位関係の比試験方法は、試験体の土台をアンカーボルトで鋼基礎に固定し、較を Fig.4～7に示す．最大荷重と剛性に関して，補修前後
オイルジャッキを用いて筋かいの軸方向に加力するものである。変の結果を Table4に示す．ここで用いた剛性は，最大荷重の0.1
位計は筋かいの表裏に取り付け、その平均値を用いて検討する。正倍と0.4倍の点を結んだ直線の勾配である．
７）
負繰り返し載荷の加力サイクルは既往の研究を参考にし、単調引補修した試験体の主な破壊性状は，土台の割れや，それに張試験で得られた最大荷重
Pmax を P として、1/8 P ずつ増やすもの
伴うビスの引き抜けであった．繰り返し加力を受けた試験体とした。圧縮側でP 経験後、引張側で破壊するまで加力を行った。
の中では，補修した個所ではない部分に割れが生じるものが加力履歴を
Fig.3、試験体名をTable3に示す。1つの試験体に対しあった．
その試験体（J-cy-2_re）
では，荷重があまり上昇せず，て補修前後のものを加力しており、試験体数は4、試験回数は 8 で荷重を維持したまま変形が大きくなる結果であった．土台に

Load
Load

れら

98

Density=
1.728[g/cm3]
76
E_4

±5P/8
±7P/8
±4P/8
±6P/8
±3P/8
±5P/8
±2P/8
±4P/8
±P/8
±3P/8
±2P/8
±P/8

Compressive load(+)
Compressive load(+)

Final
Final

-P
-P

Fig.3
Loading
rule
Fig.3 Loading
rule

Table3 Joint specimen

Fig.3 Loading rule

Specimen
Monotonic
loading Joint specimen
Cyclic loading
Table3
Table3
Joint specimen
InitialSpecimen

J-m-1
Monotonic
loadingJ-cy-1J-cy-2Cyclicloading J-cy-3

Repaired
InitialJ-m-1_reJ-m-1

J-cy-1_re J-cy-2J-cy-2_re J-cy-3J-cy-3_reJ-cy-1

RepairedJ-m-1_reJ-cy-1_re

4.2

J-cy-2_reJ-cy-3_re

試験結果

破壊性状を
4.2
試験結果 Photo4～11、補修前後の荷重-変位関係の比較を Fig.4
割れは生じたが，内部までは破壊していなかったものと推察～7に示す。最大荷重と剛性に関して、補修前後の結果をTable4
に
Fig.4
破壊性状を
Photo4～11、補修前後の荷重-変位関係の比較をできる．

示す。ここで用いた剛性は、最大荷重の0.1 倍と 0.4 倍の点を結ん～7に示す。最大荷重と剛性に関して、補修前後の結果をTable4 に荷重─変形関係を比較すると，J-cy-1と J-cy-3では補修前だ直線の勾配である。
示す。ここで用いた剛性は、最大荷重の 0.1 倍と 0.4 倍の点を結ん後で，その履歴が重なっていることがわかる．これらの試験補修した試験体の主な破壊性状は、土台の割れや、それに伴うビだ直線の勾配である。
体における最大荷重の比率は89％以上，初期剛性の比率はスの引き抜けであった。繰り返し加力を受けた試験体の中では、補補修した試験体の主な破壊性状は、土台の割れや、それに伴うビ74％以上であった．一方で，J-m-1と J-cy-2では最大荷重の修した個所ではない部分に割れが生じるものがあった。その試験体スの引き抜けであった。繰り返し加力を受けた試験体の中では、補比率は59~72％，初期剛性の比率は74~83％であった．最初（J-cy-2_re）では、荷重があまり上昇せず、荷重を維持したまま変修した個所ではない部分に割れが生じるものがあった。その試験体ある。

形が大きくなる結果であった。土台に割れは生じたが、内部まではの加力状態で内部に割れが発生し，それが影響した可能性と，（J-cy-2_re）では、荷重があまり上昇せず、荷重を維持したまま変破壊していなかったものと推察できる。
形が大きくなる結果であった。土台に割れは生じたが、内部までは接着剤の硬化が十分でなかったことが比率の低さの要因と予荷重-変形関係を比較すると、J-cy-1 と J-cy-3 では補修前後で、そ破壊していなかったものと推察できる。
測されるが，ここでの明言は難しい．しかしながら，接着剤の履歴が重なっていることがわかる。これらの試験体における最大荷重-変形関係を比較すると、J-cy-1 と J-cy-3 では補修前後で、そを用いて補修することで，最大荷重・剛性共に回復させるこ荷重の比率は 89%以上、初期剛性の比率は 74%以上であった。一方の履歴が重なっていることがわかる。これらの試験体における最大とが可能であることがわかった．よって，本補修方法は有用
で、J-m-1 と J-cy-2では最大荷重の比率は 59~72%、初期剛性の比率
荷重の比率は89%以上、初期剛性の比率は74%以上であった。一方であることが示唆された．ただし，接着剤の充填方法などのは 74~83%であった。最初の加力状態で内部に割れが発生し、それで、J-m-1と J-cy-2 では最大荷重の比率は 59~72%、初期剛性の比率
管理方法に関する検討を今後実施する必要があると考えられが影響した可能性と、接着剤の硬化が十分でなかったことが比率のは74~83%であった。最初の加力状態で内部に割れが発生し、それる．
低さの要因と予測されるが、ここでの明言は難しい。しかしながら、が影響した可能性と、接着剤の硬化が十分でなかったことが比率のする検討を今後実施する必要があると考えられる。
接着剤を用いて補修することで、最大荷重・剛性共に回復させるこ
低さの要因と予測されるが、ここでの明言は難しい。しかしながら、する検討を今後実施する必要があると考えられる。
とが可能であることがわかった。よって、本補修方法は有用である
接着剤を用いて補修することで、最大荷重・剛性共に回復させるこことが示唆された。ただし、接着剤の充填方法などの管理方法に関とが可能であることがわかった。よって、本補修方法は有用である
ことが示唆された。ただし、接着剤の充填方法などの管理方法に関

Fig.2
of of
Joint
mm)
Fig.2Geometry
Geometry
Jointspecimen
specimen (Unit:(Unit: mm)
する検討を今後実施する必要があると考えられる。
Photo4
Failurecondition
conditionofofJ-m-1
J-m-1
Photo4 Failure
Photo4 Failure condition of J-m-1

Photo3 Test conditions of joint specimens
Photo3 Test conditions of joint specimens

Tensile load(+)
Tensile load(+)

Load
Load

用い

97.5

E_3

±7P/8
±6P/8±7P/8±5P/8±6P/8±4P/8 ±5P/8±3P/8±4P/8±2P/8±3P/8±P/8 ±2P/8
±P/8

Final
Final

Photo4 Failure condition of J-m-1
Photo5 Failure condition of J-m-1_rePhoto5
Failurecondition
conditionofofJ-m-1_reJ-m-1_rePhoto5 Failure

Photo3
Test
conditionsofofjoint
jointspecimens
specimens
Photo3 Test
conditions

Tensile load(+)

Compressive load(+)±7P/8 -P-P
Compressive load(+)
±6P/8

d

剤の

1.728[g/cm3]

±5P/8
±4P/8
±3P/8 Fig.3 Loading ruleFig.3 Loading rule
±2P/8

±P/8Joint specimen
Table3Final— 76 —

FinalFinal
Final

損傷を受けた筋かい耐力壁の接合部の補修方法に関する実験的研究─エポキシ系接着剤を用いた場合─

77

Photo11 Failure condition of J-cy-3_rePhoto5 Failure condition of J-m-1_rePhoto5 Failure condition of J-m-1_rePhoto5 Failure condition of J-m-1_rePhoto5 Failure condition of J-m-1_re20
20

Photo11 Failure condition of J-cy-3_reLoad[kN]
Load[kN]

15
15

g
g
J-cy-3gJ-cy-3ng J-cy-3_reJ-cy-3J-cy-3_reJ-cy-3J-cy-3_reJ-cy-3_re1010Photo6
Failurecondition
conditionofof
J-cy-1
Photo6 Failure
J-cy-1
Photo6 Failure condition of J-cy-1
Photo6 Failure condition of J-cy-1
Photo6 Failure condition of J-cy-1

比較を Fig.4
比較を Fig.4
を Table4 に
比較を Fig.4
を Table4 に
の点を結ん
比較を
Fig.4
を
Table4にの点を結んをTable4
に
の点を結ん
れに伴うビ
の点を結ん
れに伴うビ
中では、補
れに伴うビ
中では、補
その試験体
れに伴うビ
中では、補
その試験体
したまま変
中では、補
その試験体
したまま変
内部までは
その試験体
したまま変
内部までは
したまま変
内部までは
前後で、そ
内部までは
前後で、そ
おける最大
前後で、そ
おける最大
った。一方
前後で、そ
おける最大
った。一方
剛性の比率
おける最大
った。一方
剛性の比率
生し、それ
った。一方
剛性の比率
生し、それ
とが比率の
剛性の比率
生し、それ
とが比率の
しながら、
生し、それ
とが比率の
しながら、
復させるこ
とが比率の
しながら、
復させるこ
有用である
しながら、
復させるこ
有用である
理方法に関
復させるこ
有用である
理方法に関
有用である
理方法に関

5
5

J-m-1
J-m-1
J-m-1_reJ-m-1_re
Displacement[mm]0Displacement[mm]
10
20
30
40
0 0
0
10
20
30
40
Fig.4
Comparisonwith
withinitial
initialandandrepaired
repairedjoint
joint(J-m-1)(J-m-1)
Fig.4 Comparison
Fig.4 Comparison with initial and repaired joint (J-m-1)
20
20 Load[kN]
15 Load[kN]
15
10
10
5
5
Displacement[mm]
0
-5 0
5
15
25 Displacement[mm]
35
-5 -5
5
15
25
35
-5
-10
J-cy-1-10J-cy-1J-cy-1_re-15
J-cy-1_re
-15
-20
-20
Fig.5 Comparison with initial and repaired joint (J-cy-1)
Fig.5
Comparisonwith
withinitial
initialandandrepaired
repairedjoint
joint(J-cy-1)(J-cy-1)
Fig.5 Comparison

Photo7 Failure condition of J-cy-1_rePhoto7
Failurecondition
conditionofof
J-cy-1_rePhoto7 Failure
J-cy-1_rePhoto7 Failure condition of J-cy-1_rePhoto7 Failure condition of J-cy-1_rePhoto8 Failure condition of J-cy-2
Photo8 Failure condition of J-cy-2
Photo8
Failurecondition
conditionofof
J-cy-2
Photo8 Failure
J-cy-2
Photo8 Failure condition of J-cy-2

-10
-15
-15
-20
-20
Fig.
Fig.
20
20 L
15 L
15
10
10
5
5
0
-5 0
-5 -5
-5
-10
-10
-15
-15
-20
-20
Fig.
Fig.

Table4 Rep

Table4 Rep

Specimen

Specimen
J-m-1
J-m-1
J-m-1_reJ-m-1_reJ-cy-1J-cy-1J-cy-1_reJ-cy-1_reJ-cy-2J-cy-2J-cy-2_reJ-cy-2_reJ-cy-3J-cy-3J-cy-3_reJ-cy-3_re

5. 耐力壁の5.
試験
5.1耐力壁の

試験
5.1
前章で検

前章で検
の構造性能

20

Photo9 Failure condition of J-cy-2_rePhoto9 Failure condition of J-cy-2_rePhoto9 Failure condition of J-cy-2_rePhoto9Failurecondition
conditionofofJ-cy-2_reJ-cy-2_rePhoto9 Failure

理方法に関

15

20 5
20 Load[kN]
15 0Load[kN]
-5
5
15
10 -5
10
5-10
5
0-15

Photo11 Failure condition of J-cy-3_reLoad[kN]

Photo11 Failure condition of J-cy-3_rePhoto11
Failurecondition
conditionofofJ-cy-3_reJ-cy-3_rePhoto11 Failure20
20 10 Load[kN]
Load[kN]
15
15 5

J-m-1

Displacement[mm]
0

10

20

30

梁にはオウ

Displacement[mm]
15

25

35
J-cy-2J-cy-2_re
Displacement[mm]Displacement[mm]
25
35
25
35

40

10
5-10

J-cy-3J-cy-3_re
5
Displacement[mm]-150Displacement[mm]
-5 0
5
15
25
35
-20
-5 -5
5
15
25
35
-5
J-cy-3
Fig.7 Comparison with initial and repaired joint(J-cy-3)-10J-cy-3— 77 —

J-m-1_re
10
10 0

関して、
筋
梁にはオウ

-5 0
5
15
-5 -5-20
5
15
-5
Fig.6
Comparison
with(J-cy-2)
Fig.6 Comparison withinitial
initialandandrepaired
repairedjoint
joint(J-cy-2)J-cy-2-10J-cy-2J-cy-2_re-10 20-15J-cy-2_reLoad[kN]-15 15-20-20 10Fig.6 Comparison with initial and repaired joint (J-cy-2)
Fig.6 Comparison with initial and repaired joint (J-cy-2)
20 5
20 Load[kN]
Displacement[mm]15 0Load[kN]
-5
5
15
25
35
15
10 -5

Photo10
Failurecondition
conditionofofJ-cy-3J-cy-3
Photo10 Failure
Photo10 Failure condition of J-cy-3

15

用いる。試
関して、筋

Load[kN]

10

Photo10 Failure condition of J-cy-3

20

の構造性能
用いる。試

水平力を加えることとした。ロードセルにより荷重、高感度変位計
水平力を加えることとした。ロードセルにより荷重、高感度変位計-5J-cy-2-10により土台の水平変位、巻取り式変位計により梁の水平変位を測定
により土台の水平変位、巻取り式変位計により梁の水平変位を測定
J-cy-2J-cy-2_re-10
した。正負繰り返し載荷は変位制御とし、加力サイクルは±1/450、した。正負繰り返し載荷は変位制御とし、加力サイクルは±1/450、-15
J-cy-2_re
1/300、1/200、1/150、1/100、1/75、1/50radでで11回ずつ行い、-1/50rad回ずつ行い、-1/50rad
1/300、1/200、1/150、1/100、1/75、1/50rad-15-20
後に圧縮側に引き切り試験終了とした。
後に圧縮側に引き切り試験終了とした。
関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）78 -20Fig.6 Comparison with initial and repaired joint (J-cy-2)
Fig.6 Comparison with initial and repaired joint (J-cy-2)

20
20
15
15
10
10
5
5
0
-5 0
-5 -5
-5

Load[kN]
Load[kN]

5
5

15
15

Displacement[mm]Displacement[mm]
25
35
25
35

除した比
除した比

J-cy-3J-cy-3J-cy-3_reJ-cy-3_re

-10
-10

m-1
m-1
m-1_rem-1_reent[mm]ent[mm]
40
40

試験に
試験に

示す。表
示す。表

-15
-15

を用いた
を用いた

単調圧
単調圧

った。変
った。変

-20
-20
Fig.7
Comparisonwith
withinitial
initialandandrepaired
repairedjoint
joint(J-cy-3)(J-cy-3)
Fig.7 Comparison
Fig.7 Comparison with initial and repaired joint (J-cy-3)

Fig.7Shear
Shearwall
wallspecimens
specimens
Fig.7
Fig.7
Shear wall
specimens

分に起因
分に起因

は、最大
は、最大

験体では
験体では

Table4 Repairing
results
in joint specimens
Table4
Repairing
results in joint specimens
Table4 Repairing
results
in joint specimens
Pmax [kN]
Stiffness [kN/mm]
Pmax [kN]
Stiffness [kN/mm]
Specimen
Specimen
ResultRatio
ResultRatio
ResultRatio
ResultRatioに、80%に、80%を

J-m-1
J-m-1
J-m-1_reJ-m-1_re

19.27
19.27
13.81
13.81

縮の試験
縮の試験

J-cy-1J-cy-1J-cy-1_reJ-cy-1_re

15.34
15.34
15.90
15.90

J-cy-2J-cy-2

15.98
15.98

J-cy-2_reJ-cy-2_re

9.38
9.38

cy-1
-cy-1

J-cy-3J-cy-3

16.40
16.40

cy-1_re-cy-1_reJ-cy-3_reJ-cy-3_re

14.63
14.63

m-1)
m-1)

nt[mm]
ent[mm]
35
35

cy-1)
cy-1)

72%
72%

5.50
5.50
4.09
4.09

74%
74%

104%
104%

4.28
4.28
3.68
3.68

86%
86%

59%
59%
89%
89%

4.14
4.14
3.42
3.42
2.99
2.99
2.20
2.20

まで回復
まで回復

次に壁
次に壁

局耐力Pu
P
局耐力

試験体で
試験体で

に比べ、
に比べ、

を算出す
を算出す

によるも
によるも

83%
83%

によるも
によるも
ない。
ない。

74%
74%

Photo12
test
situation
ofofshear
shear
wall
Photo12test
testsituation
situationof
shearwall
wall
Photo12

補修前
補修前

も大きく
も大きく

高い比率
高い比率

耐力壁の水平加力試験
5. 耐力壁の水平加力試験
５．耐力壁の水平加力試験

試験結果
5.2 試験結果
5.2

試験体・試験方法
5.1１試験体・試験方法
５．
試験体・試験方法

験終了とした．

体におい体におい前章で検討した接合部の補修方法を筋かい耐力壁にも適用し、そ破壊性状をPhoto13,14,15
Photo13,14,15に示す。1P-1cに示す。1P-1c試験体では、加力が進む
試験体では、加力が進む
破壊性状を

後の比率
後の比率

の構造性能の回復程度を検討する。本研究では片筋かいの耐力壁をの構造性能の回復程度を検討する。本研究では片筋かいの耐力壁をにつれて筋かいが面外に座屈し、材の中央で曲げ破断が生じた。筋
につれて筋かいが面外に座屈し、材の中央で曲げ破断が生じた。筋

壊モード
壊モード

かいが土台にめり込むなど接合部分での損傷を見られたが、軽微な

しも一致
しも一致

ものであった。補修部分における損傷は確認されなかった。1P-1t

討が必要
討が必要

前章で検討した接合部の補修方法を筋かい耐力壁にも適用し、そ前章で検討した接合部の補修方法を筋かい耐力壁にも適用し，その構造性能の回復程度を検討する．本研究では片筋用いる。試験体の形状を用いる。試験体の形状をFig.8、試験状況を
Fig.8、試験状況をPhoto12
Photo12に示す。部材にに示す。部材にかいの耐力壁を用いる．試験体の形状を Fig.8，試験状況を関して、関して、筋かい・土台・柱・筋かい金物は接合部試験と同様である。
筋かい・土台・柱・筋かい金物は接合部試験と同様である。

５．
２ 試験結果かいが土台にめり込むなど接合部分での損傷を見られたが、軽微な破壊性状をPhoto13，14，15に示す．1P-1c 試験体では，ものであった。補修部分における損傷は確認されなかった。1P-1t

Photo12に示す．部材に関して，筋かい・土台・柱・筋かい
梁にはオウシュウアカマツの同一等級構成集成材（断面：105×
梁にはオウシュウアカマツの同一等級構成集成材（断面：105×

加力が進むにつれて筋かいが面外に座屈し，材の中央で曲げ試験体では、補修前後ともに柱頭の筋かい側のビスの抜けによって試験体では、補修前後ともに柱頭の筋かい側のビスの抜けによって金物は接合部試験と同様である．梁にはオウシュウアカマツ

破断が生じた．筋かいが土台にめり込むなど接合部分での損の同一等級構成集成材（断面：105×180mm）を用いた．そ傷を見られたが，軽微なものであった．補修部分における損の等級は E95-F315である．

傷は確認されなかった．1P-1t 試験体では，補修前後ともに加力方法は，単調加力と正負繰り返し加力の２種類とした．

柱頭の筋かい側のビスの抜けによって荷重低下を生じた．補

単調加力は筋かいが圧縮力を受ける場合と引張力を受ける場

修部分において，ビスの抜けや土台の割裂は確認されなかっ合の２種類とした．繰り返し加力は最終的に，筋かいが圧た．1P-1cy_re は柱脚部分に若干のひび割れが確認されたが，縮加力を受けるものとした．試験体名をそれぞれ，1P-1c，破壊に直接影響はしていないと考えられる．

1P-1t，1P-1cy とし，補修後はそれらの “re” を加えたもの

試験における荷重─変位関係を Fig.9，10，11，試験結果とする．試験体数は３，試験回数は６である．繰り返し加力

を Table5に示す．表中の比率は，補修後の試験の結果を補の試験方法には，（公財）日本住宅・木材技術センターの試

修前の試験の結果で除した比率である．試験における構造性

験方法9）を参考に実施した．試験体は土台をアンカーボルト

能の評価には Pick Point10）を用いた．

で基礎鋼梁に留めつけ，その頂部にオイルジャッキを用いて単調圧縮の試験体では，最大荷重では95％，剛性では水平力を加えることとした．ロードセルにより荷重，高感度

111％であった．変位において補修前後の試験体で大きな差変位計により土台の水平変位，巻取り式変位計により梁の水が生じた．補修部分に起因したものであるかは明らかではな

平変位を測定した．正負繰り返し載荷は変位制御とし，加力い．単調引張の試験体では，最大荷重では85％，剛性ではサイクルは±1/450，1/300，1/200，1/150，1/100，1/75，

91％であった．繰り返し載荷の試験体では，最大荷重では1/50rad で1回ずつ行い，-1/50rad 後に圧縮側に引き切り試

95％，剛性では93％であった．以上のように，80％を超え— 78 —

上で述上で述した。単調した。単調合の 2 種類
合の
2 種類
受けるもの

受けるもの
し、補修後
し、補修後
試験回数は 6
験回数は 6
・木材技術

・木材技術
をアンカー
をアンカー
キを用いて
キを用いて
感度変位計

感度変位計
変位を測定
変位を測定
は±1/450、は±1/450、い、-1/50radい、-1/50radった。1P-1t
けによって
けによって

76%、平均値 83%であった。ここで、補修効果の必要量に検討する。
76%、平均値83%であった。ここで、補修効果の必要量に検討する。
83%であった。ここで、補修効果の必要量に検討する。
76%、平均値「住宅の品質確保の促進等に関する法律」では、「耐震等級」が定め

Load[kN]
Load[kN]
Load[kN]

10
8

79

1010

「住宅の品質確保の促進等に関する法律」では、「耐震等級」が定め「住宅の品質確保の促進等に関する法律」では、「耐震等級」が定められており、1.25倍の力に対して建築基準法の求める性能を有する
88
6
られており、1.25倍の力に対して建築基準法の求める性能を有する
倍の力に対して建築基準法の求める性能を有する
られており、1.25
ものを等級 2 と呼び、1.5 倍の力に対して同様の性能を有するもの
66
76%、平均値
83%であった。ここで、補修効果の必要量に検討する。
ものを等級と呼び、1.5倍の力に対して同様の性能を有するもの
倍の力に対して同様の性能を有するもの
10 476%、平均値
83%であった。ここで、補修効果の必要量に検討する。
ものを等級2 2と呼び、1.5を等級3 と呼ぶ。
10
Load[kN]「住宅の品質確保の促進等に関する法律」では、「耐震等級」が定め
44
を等級3 3と呼ぶ。
と呼ぶ。
Load[kN]「住宅の品質確保の促進等に関する法律」では、「耐震等級」が定めを等級
8 2
本研究において、構造性能が十分に回復すると判断できる程度と8られており、1.25倍の力に対して建築基準法の求める性能を有する
Displacement[mm]22
本研究において、構造性能が十分に回復すると判断できる程度とられており、1.25倍の力に対して建築基準法の求める性能を有する
本研究において、構造性能が十分に回復すると判断できる程度として、建築基準法のレベルまで回復するものと定義する。そこで、
6 0
Displacement[mm]Displacement[mm]
6
ものを等級
2
と呼び、1.5
倍の力に対して同様の性能を有するもの
-150
-100
-50
50
100
150
して、建築基準法のレベルまで回復するものと定義する。そこで、
00 0
ものを等級
22 と呼び、1.5
して、建築基準法のレベルまで回復するものと定義する。そこで、
仮に等級に相当する住宅が建築基準法の求める性能まで回復する
Photo13
1P-1c_re倍の力に対して同様の性能を有するもの
Photo14
1P-1t_re
4 -2
Photo13 1P-1c_re
Photo14 1P-1t_re
-150
-100
-50
0
50
100
150
を等級 仮に等級3 と呼ぶ。
4
-150
-100
-50
0
50
100
150
2
に相当する住宅が建築基準法の求める性能まで回復するを等級3 と呼ぶ。
仮に等級2 に相当する住宅が建築基準法の求める性能まで回復する-2-2
ための比率を計算すると3 の場合、1/1.5=0.67とPhoto13
1P-1c_re 1/1.25=0.80、等級
Photo14
1P-1t_re-4
2
本研究において、構造性能が十分に回復すると判断できる程度と1P-1cy2
ための比率を計算すると1/1.25=0.80、等級
1/1.25=0.80、等級3 3の場合、1/1.5=0.67の場合、1/1.5=0.67 と本研究において、構造性能が十分に回復すると判断できる程度とための比率を計算するとDisplacement[mm]なる。このことから、上の比率として67%以上あれば、補修方法と と-4-4
1P-1cy_re
1P-1cy1P-1cy
Displacement[mm]-60
して、建築基準法のレベルまで回復するものと定義する。そこで、なる。このことから、上の比率として67%以上あれば、補修方法と67%以上あれば、補修方法と0
して、建築基準法のレベルまで回復するものと定義する。そこで、なる。このことから、上の比率として1P-1cy_re
して有用となりうると判断できる。本研究で対象とした方法は
76%
1P-1cy_re
-6
-150
-100
-50
0
50
100
150
仮に等級
2 に相当する住宅が建築基準法の求める性能まで回復する 76%-150
-100
-50
0 -6
50
100
150
-2 -8
して有用となりうると判断できる。本研究で対象とした方法は
仮に等級2に相当する住宅が建築基準法の求める性能まで回復する
して有用となりうると判断できる。本研究で対象とした方法は76%-2以上であるため、1 つの有用な補修方法であると考えられる。しか-8-8
ための比率を計算すると1/1.25=0.80、等級
3の場合、1/1.5=0.67と以上であるため、11/1.25=0.80、等級つの有用な補修方法であると考えられる。しか-4-10
ための比率を計算すると3 の場合、1/1.5=0.67 と以上であるため、1つの有用な補修方法であると考えられる。しか1P-1cy
し、試験体数が限られているため、様々な条件における検討が必要-4
1P-1cy-10なる。このことから、上の比率として67%以上あれば、補修方法と-10
1P-1cy_re
し、試験体数が限られているため、様々な条件における検討が必要なる。このことから、上の比率として67%以上あれば、補修方法とし、試験体数が限られているため、様々な条件における検討が必要
Fig.10Comparison
withinitialandrepaired
shear
walls
(1P-1cy)-6であると考えている。
Fig.10 Comparison with initialand repaired shear walls(1P-1cy)
1P-1cy_re-6
して有用となりうると判断できる。本研究で対象とした方法は76%であると考えている。
Fig.10Comparison
Comparisonwith
withinitial
initialandandrepaired
repairedshear
shearwalls
walls(1P-1cy)(1P-1cy)
して有用となりうると判断できる。本研究で対象とした方法は76%であると考えている。
Fig.10-8-8以上であるため、1 つの有用な補修方法であると考えられる。しか以上であるため、1つの有用な補修方法であると考えられる。しかTable5 Test results of shear-10
wall test (1)10Photo15 1P-1cy_re
し、試験体数が限られているため、様々な条件における検討が必要-10results
Table5
Testoftestshear
Table5Test
Test
resultsofofshear
shear
walltest(1) wall test (1)10Load[kN]
し、試験体数が限られているため、様々な条件における検討が必要
Table5
resultswall(1)
10
Photo15
1P-1cy_reP[kN]
Stiffness [kN/mm]
Photo15
1P-1cy_remax
9Load[kN]であると考えている。
Fig.10 Comparison with initialandrepaired
shear
walls
(1P-1cy)
Load[kN]
Pmax[kN][kN]
Stiffness[kN/mm]であると考えている。
Fig.10Comparison withPinitialand repairedStiffness
shear
walls
(1P-1cy)
9Specimen[kN/mm]max
8 9
試験における荷重-変位関係を
Fig.9,10,11、試験結果を Table5 にResultRatio
ResultRatio
Specimen
Specimen8
試験における荷重-変位関係を
Fig.9,10,11、試験結果を Table5 にResultRatio
ResultRatio
Ratio
ResultRatio示す。表中の比率は、補修後の試験の結果を補修前の試験の結果で
7 8
Table5 Test results of Result
shear wall test
(1)
10
1P-1c
0.27
Table5
Test results of8.56
shear wall test (1)10示す。表中の比率は、補修後の試験の結果を補修前の試験の結果で
7１０）
Load[kN]
7111%
除した比率である。試験における構造性能の評価にはPick Point
1P-1c
8.56
0.27
Pmax
[kN] 95%
Stiffness[kN/mm]
9 6 Load[kN]
1P-1c
8.56
0.27
1P-1c_re
8.13
0.30
Pmax
[kN]
[kN/mm] 111%
995%Stiffness
111%
除した比率である。試験における構造性能の評価にはPick Point１０）95%
6Specimenを用いた。
6
1P-1c_re
8.13
0.30
1P-1c_re
8.13
0.30
Specimen
8 5
1P-1t
9.33
0.22
ResultRatio
ResultRatioを用いた。
8 単調圧縮の試験体では、最大荷重ではResultRatio
ResultRatio
95%、剛性では 111%であ
5
91%
1P-1t
9.33 85%
0.22
1P-1t
9.33
0.22
4 5
7単調圧縮の試験体では、最大荷重では
1P-1t_re
7.92
0.20
95%、剛性では111%であ
85%
91%
85%
91%
7
1P-1c
8.56
0.27
った。変位において補修前後の試験体で大きな差が生じた。補修部
4
4
1P-1t_re8.56 7.92
7.92 95%
0.20111%
1P-1c 1P-1t_re
0.27 0.20
1P-1cy
8.61
0.30
6 3
った。変位において補修前後の試験体で大きな差が生じた。補修部
95%
111%
1P-1c_re
8.13
0.30
分に起因したものであるかは明らかではない。単調引張の試験体で
6
93%
1P-1t
1P-1cy 8.13 8.61
8.61 95%
0.30
1P-1c_re0.30 0.30
33
1P-1cy1P-1cy_re
8.17
分に起因したものであるかは明らかではない。単調引張の試験体で
5 2
95% 0.220.27
93%
95%
93%
1P-1t
9.33
1P-1t_re
1P-1tは、最大荷重では85%、剛性では91%であった。繰り返し載荷の試
1P-1t
5
1P-1cy_re
8.17 85%
0.27 91%
1P-1t 1P-1cy_re9.33 8.17
0.22 0.27
22
1P-1t_reは、最大荷重では85%、剛性では 91%であった。繰り返し載荷の試
11P-1t_re85%
91%
4
1P-1t_re
7.92
0.20
験体では、最大荷重では95%、剛性では 93%であった。以上のよう
4
Displacement[mm]1P-1t_re7.92 of shear wall test (2)0.20
11Table6 Test results
験体では、最大荷重では95%、剛性では 93%であった。以上のよう
3 0に、80%を超える値を示しており、構造性能が元に状態に近い状態
8.61
0.30
Displacement[mm] 1P-1cy
Displacement[mm]3Table6
Test
results
of
shear
wall
test
1P-1cy8.61
0.30
Table6
Test
results
oftest (2)Table6 Test results of shear(2)(2) wall 93%
95% wall testshear
50
100
150 1P-1t
200に、80%を超える値を示しており、構造性能が元に状態に近い状態
00 0
95%
93%
まで回復していることが分かる。
1P-1cy_re
8.17
0.27
2
1P-1t
0
50
100
150
200
1P-1t_re0 Comparison50
8.17
0.27
2
Fig.8
with initial and100
repaired shear150
walls(1P-1t) 200 1P-1cy_reまで回復していることが分かる。
1P-1t_rePu*(2/3)*
Table6 に示す。各試験体の壁倍率は、終1 次に壁倍率の算出結果をFig.8Comparison
Comparisonwith
withinitial
initialandandrepaired
repairedshear
shearwalls
walls(1P-1t)(1P-1t)P1/120Py
Fig.8
1次に壁倍率の算出結果をPu*(2/3)*
Table6に示す。各試験体の壁倍率は、終Pu*(2/3)*
Displacement[mm](0.25/Ds)
SpecimenP
10
max test (2)P
局耐力 Pu と構造特性係数 Ds が関わる荷重で決定していた。単調圧
Table6 Test results of Py
shear
Py wall
Displacement[mm]1/120
P1/1200[kN][kN]
Table6
Test
results
of
shear
wall
test
(2)
Load[kN](0.25/Ds)
SpecimenPmax
0 9 1010
局耐力
Pu と構造特性係数
Ds が関わる荷重で決定していた。単調圧(0.25/Ds)
Specimen
Pmax
縮の試験体では76%、単調引張の試験体では83%、繰り返し載荷の
0
50
100
150
200
[kN] [kN][kN][kN][kN][kN]
Load[kN]
0 9 Load[kN]
50
100
150
200
[kN]
[kN]
縮の試験体では76%、単調引張の試験体では83%、繰り返し載荷の
[kN]
[kN]
Fig.8
Comparison
withinitial
initialandandrepaired
repairedshear
shearwalls
walls(1P-1t)(1P-1t)試験体では89%であった。単調圧縮の試験体において、他の試験体
8 9 Comparison
Fig.8
with
Pu*
(2/3)*
Fig.8
Comparison
withinitialandrepaired
shear
walls
(1P-1t)試験体ではPu*(2/3)* P1/120
Py
8 8 89%であった。単調圧縮の試験体において、他の試験体に比べ、比率は小さかった。同表に示すように、補修前後では
Ds
1P-1c
6.10 (0.25/Ds)
5.43
3.05
Py5.97 Pmax5.71 P1/120
Specimen
10 7に比べ、比率は小さかった。同表に示すように、補修前後ではDs(0.25/Ds)
Specimen
P
10
max
7
[kN]
[kN]
1P-1c
5.97
5.71
6.10
5.43
3.0576%7を算出する塑性率に大きな差があった。その要因として、補修部分
Load[kN]
1P-1c
5.97
5.71
6.10
5.43
3.05
6
1P-1c_re [kN]5.18 [kN]5.42 [kN]6.16 [kN]4.12
2.31
9 Load[kN]76%76%を算出する塑性率に大きな差があった。その要因として、補修部分
[kN]
[kN]
9
1P-1c_re 5.18
5.18 5.42
5.42 6.16
6.16
4.12
2.31
によるもの、接合部分以外も損傷を受けていること、材料の個体差
66
1P-1c_re
4.12
2.31
5
1P-1t
5.32
6.22
5.25
4.14
2.32
8
によるもの、接合部分以外も損傷を受けていること、材料の個体差
8
1P-1t
5.32 6.22
6.22 5.25
5.25
4.14
2.3283%
によるものなどが挙げられる。どの要因によるものかは明らかでは
55
1P-1t
5.32
4.14
2.32
1P-1t_re
4.58
5.28
4.56
3.43
1.92
83%
7 4
83%
1P-1c
5.97
5.71
6.10
5.43
3.05
によるものなどが挙げられる。どの要因によるものかは明らかでは7ない。
1P-1t_re
4.58
5.28
4.56
3.43
1.92
1P-1c 1P-1t_re
5.97 4.58
5.71 5.28
6.10 4.56
5.43 3.43
3.05 1.92
44
1P-1cy
5.68
5.74
6.28
4.29
2.41 76%3
76%
6
1P-1c_re
5.18
5.42
6.16
4.12
2.31
ない。
76-89%（平均値：83%）となっており、壁倍率
6 補修前後の比率は1P-1cy5.18 5.68
5.68
5.74
6.28
4.29
2.4189%1P-1c_re5.42 5.74
6.16 6.28
4.12 4.29
2.31 2.41
3
1P-1c
1P-1cy1P-1cy_re
5.52
5.45
6.03
3.81
2.14
2 3
89%
89%
補修前後の比率は76-89%（平均値：83%）となっており、壁倍率
5
1P-1t
5.32
6.22
5.25
4.14
2.32
1P-1c_re
1P-1c
1P-1c
も大きく回復していることが分かる。ただし、この比率は接合部の1P-1cy_re
5.52
5.45
6.03
3.81
2.14
5
1P-1t 1P-1cy_re5.32 5.52
6.22 5.45
5.25 6.03
4.14 3.81
2.32 2.1483%
22
1P-1c_re183%
1P-1c_reも大きく回復していることが分かる。ただし、この比率は接合部の1P-1t_re
4.58
5.28
4.56
3.43
1.92
4
高い比率のものと比べると若干小さかった。しかしながら、壁試験
Displacement[mm]1P-1t_re
5.28
4.56
3.43
1.92
4
1
7. まとめ4.58
0 1
高い比率のものと比べると若干小さかった。しかしながら、壁試験
1P-1cy
5.68
5.74
6.28
4.29
2.41
Displacement[mm]3Displacement[mm]体においても補修効果があることが見て取れた。壁倍率での補修前
7.
まとめ
1P-1cy
5.68
5.74
6.28
4.29
2.41
3
7.
まとめ
89%
では83％，繰り返し載荷の試験体では89％であった．単調
00 0
50
100
150 1P-1c
200
本研究では、1P の筋かい耐力壁を対象として、補修方法に関する体においても補修効果があることが見て取れた。壁倍率での補修前
5.52
5.45
6.03
3.81
2.14 89%2
1P-1c
後の比率と、接合部の加力試験での比率は近いものであるため、破100
150200 1P-1cy_re
本研究では、1Pの筋かい耐力壁を対象として、補修方法に関する
00
5050
100
150
200
1P-1cy_re
5.52
5.45
6.03
3.81
2.14
本研究では、1Pの筋かい耐力壁を対象として、補修方法に関する
1P-1c_re2
圧縮の試験体において，他の試験体に比べ，比率は小さかっ検討を行った。補修には、エポキシ系接着剤を用いた。補修方法を
Fig.9 Comparison with initial and repaired shear walls(1P-1c)1P-1c_re後の比率と、接合部の加力試験での比率は近いものであるため、破壊モードも同様であることが予想できるが、本研究の範囲では必ず
1
検討を行った。補修には、エポキシ系接着剤を用いた。補修方法を検討を行った。補修には、エポキシ系接着剤を用いた。補修方法を
Fig.9Comparison
Comparisonwith
withinitial
initialandandrepaired
repairedshearwalls
walls(1P-1c)(1P-1c)1
接合部試験体と耐力壁試験体に施し、その構造性能の回復程度を検
Fig.9
shear
た．同表に示すように，補修前後では
Ds を算出する塑性率
Displacement[mm]壊モードも同様であることが予想できるが、本研究の範囲では必ず
7.
まとめ
Displacement[mm]しも一致していなかった。これに関しては、試験体数を増やした検0
接合部試験体と耐力壁試験体に施し、その構造性能の回復程度を検7. 証した。本研究で得られた知見は以下の通りである。
まとめ
接合部試験体と耐力壁試験体に施し、その構造性能の回復程度を検0に大きな差があった．その要因として，補修部分によるもの，
しも一致していなかった。これに関しては、試験体数を増やした検
0
50
100
150
200
本研究では、1Pの筋かい耐力壁を対象として、補修方法に関する討が必要であると考えている。
証した。本研究で得られた知見は以下の通りである。
0
50
100
150
200
本研究では、1Pの筋かい耐力壁を対象として、補修方法に関する証した。本研究で得られた知見は以下の通りである。
１）
接合部試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、接合部分以外も損傷を受けていること，材料の個体差による討が必要であると考えている。
検討を行った。補修には、エポキシ系接着剤を用いた。補修方法を上で述べたように補修前後の比率に関して、壁倍率では下限値でFig.9 Comparison with initial and repaired shear walls (1P-1c)
１）接合部試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、検討を行った。補修には、エポキシ系接着剤を用いた。補修方法を
１）
接合部試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、最大荷重では89%以上回復し、剛性は74%以上回復した。
Fig.9 Comparison
Fig.9
Comparisonwith
withinitial
initialandandrepaired
repairedshear
shearwalls
walls(1P-1c)(1P-1c)
上で述べたように補修前後の比率に関して、壁倍率では下限値でものなどが挙げられる．どの要因によるものかは明らかでは接合部試験体と耐力壁試験体に施し、その構造性能の回復程度を検最大荷重では89%以上回復し、剛性は74%以上回復した。
接合部試験体と耐力壁試験体に施し、その構造性能の回復程度を検最大荷重では 89%以上回復し、剛性は74%以上回復した。
２）耐力壁試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、ない．
証した。本研究で得られた知見は以下の通りである。
２）
耐力壁試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、証した。本研究で得られた知見は以下の通りである。
２）
耐力壁試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、最大荷重が85%以上回復し、剛性が91%以上回復し、壁倍率は
１）接合部試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、補修前後の比率は76-89％（平均値：83％）となっており，る値を示しており，構造性能が元に状態に近い状態まで回復
最大荷重が85%以上回復し、剛性が85%以上回復し、剛性が91%以上回復し、壁倍率は
１）接合部試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、最大荷重が91%以上回復し、壁倍率は76%以上回復した。
最大荷重では89%以上回復し、剛性は 74%以上回復した。
壁倍率も大きく回復していることが分かる．ただし，この比
していることが分かる．
76%以上回復した。
最大荷重では89%以上回復し、剛性は 74%以上回復した。
76%以上回復した。
２）
耐力壁試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、率は接合部の高い比率のものと比べると若干小さかった．し次に壁倍率の算出結果を Table6に示す．各試験体の壁倍２）耐力壁試験において、補修性能が発揮したと判断できる場合は、最大荷重が 85%以上回復し、剛性が 91%以上回復し、壁倍率はかしながら，壁試験体においても補修効果があることが見て率は，終局耐力 Pu と構造特性係数 Ds が関わる荷重で決定
最大荷重が 85%以上回復し、剛性が 91%以上回復し、壁倍率は76%以上回復した。
76%以上回復した。
取れた．壁倍率での補修前後の比率と，接合部の加力試験でしていた．単調圧縮の試験体では76％，単調引張の試験体
Ratio
Ratio
Ratio
Wall strength ratioRatio
Ratio
Wall strength ratio
Wall strength ratio
WallWallstrength
strengthratio
ratio

加力が進む
加力が進む
生じた。筋
生じた。筋
が、軽微な
が、軽微な
った。1P-1t

荷重低下を生じた。補修部分において、ビスの抜けや土台の割裂は荷重低下を生じた。補修部分において、ビスの抜けや土台の割裂は確認されなかった。1P-1cy_re は柱脚部分に若干のひび割れが確認さ確認されなかった。1P-1cy_re は柱脚部分に若干のひび割れが確認されたが、破壊に直接影響はしていないと考えられる。
損傷を受けた筋かい耐力壁の接合部の補修方法に関する実験的研究─エポキシ系接着剤を用いた場合─れたが、破壊に直接影響はしていないと考えられる。

— 79 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

80

験では補修効果はあまり見られなかった．

の比率は近いものであるため，破壊モードも同様であることが予想できるが，本研究の範囲では必ずしも一致していな

補修効果が得られなかった要因として，接着剤の充填程度

かった．これに関しては，試験体数を増やした検討が必要でなど，施工管理の方法に関する検討が必要である考えられるあると考えている．

ため，今後は試験体数を増やすなど，さらなる検討が必要で上で述べたように補修前後の比率に関して，壁倍率では下あると考えている．

限値で76％，平均値83％であった．ここで，補修効果の必要量に検討する．
「住宅の品質確保の促進等に関する法律」

謝

辞本研究を進めるにあたり，接着剤の選定に対して，大分大では，「耐震等級」が定められており，1.25倍の力に対して建築基準法の求める性能を有するものを等級２と呼び，1.5

学

倍の力に対して同様の性能を有するものを等級３と呼ぶ．

験の実施にあたり，（株）
ポラス暮し科学研究所

本研究において，構造性能が十分に回復すると判断できる程度として，建築基準法のレベルまで回復するものと定義

田中圭准教授に適切なご助言をいただきました．また試
照井清貴様，

杉本泰輝様にご協力いただきました．この場にて御礼申し上げます .

する．そこで，仮に等級2に相当する住宅が建築基準法の求
める性能まで回復するための比率を計算すると1/1.25=0.80，

参考文献

等級３の場合，1/1.5=0.67となる．このことから，上の比率

１）木造［耐震工法］パーフェクトガイドブック，エクスナ
レッジ，2012．

として67％以上あれば，補修方法として有用となりうると判断できる．本研究で対象とした方法は76％以上であるた

２）杉 山 英 男

第 ４ 版， 共 立 出 版，pp．

1-6，2008．4．

め，1つの有用な補修方法であると考えられる．しかし，試
験体数が限られているため，様々な条件における検討が必要

編 著： 木 質 構 造

３）西野晃充 , 里村憲光 , 田口朝康 , 大橋好光：既存木造の同一面たすき筋かいによる耐震補強に関する研究，日本建であると考えている．

築学会大会学術講演梗概集，Ⅲ，pp．433-434，2018．9．
７．まとめ

４）神戸渡，大上渓介，斎藤智之：損傷後に筋かいを交換することによる木質構造の筋かい耐力壁の耐震補強

本研究では，1P の筋かい耐力壁を対象として，補修方法

関東に関する検討を行った．補修には，エポキシ系接着剤を用い学院大学工学総合研究所報，第45号，pp．25-30，
2017．3．

た．補修方法を接合部試験体と耐力壁試験体に施し，その構

５）日 本 建 築 学 会： 木 質 構 造 設 計 規 準・ 同 解 説， 丸 善，
2006．

造性能の回復程度を検証した．本研究で得られた知見は以下

６）単板積層材の日本農林規格，農林水産省告示第2773号 ,の通りである．

平成25年．

１）接合部試験において，補修性能が発揮したと判断できる
場合は，最大荷重では89％以上回復し，剛性は74％以７）集成材の日本農林規格，農林水産省告示第1587号，平成24年（一部改正）．

上回復した．
２）耐力壁試験において，補修性能が発揮したと判断できる

８）白須万寛，笹川明，五十田博，塩野入克征：筋かい壁の場合は，最大荷重が85％以上回復し，剛性が91％以上

履歴特性把握のための静的繰り返し実験

回復し，壁倍率は76％以上回復した．

部の実験，日本建築学会学術講演梗概集，構造Ⅲ，pp．

接合

43-44，1997．

３）本研究では，補修効果を判断する場合，補修前後の比率
として67％以上を考えた．本補修方法を施した試験体

その２９）（公財）日本住宅・木材技術センター：木造軸組工法住宅の許容応力度設計，2008．

の比率は76％以上であることから，補修効果があるものと判断した．よって，補修方法として有用なものであ10）軽部正彦，原田真樹，林知行：荷重変形曲線のモデル

ると考えることができる．よって，一補修方法として提化とその問題点共有のための提案特徴点抽出の自動化

案するものである．

ツールについて，日本建築学会学術講演梗概集，構造Ⅲ，

４）剛性に関して，接合部の加力試験，耐力壁の水平加力試— 80 —

pp．215-216，2001．

研究ノート81

神奈川県内における化学に対する高校生への意識調査と考察
野
山

口
平

優 志*
多恵子 *

A study of consciousness investigation of chemistry among high school students in
Kanagawa prefecture
byYushi NOGUCHI
Taeko YAMAHIRA
要

旨
子どもの理科嫌い・理科離れが長年，我が国において問題視されてきた．そこで本研究では，神奈川県内において，高校生に対して化学と教育に関する意識調査を行った．化学の好き嫌い，およびその理由などを調査し，よい印象を持った授業や悪い印象を持った授業などに関して意見を求めた．得られた結果を報告する．

キーワード：化学教育，高校生，意識調査

Abstract
Science phobia among the youth has been discussed as a serious problem in Japan for a long time. In this study, a consciousness investigationof chemistry among high school students was performed in Kanagawa Prefecture. Responses to questions such as what the students like and/or
dislike about chemistry and their reasoning and their opinions on the classes that left a good or bad impression on them are reported.
Key Words: chemical education, high school students, consciousness investigation＊ 関東学院大学 理工学部

2019 年 12 月 3 日受理— 81 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）82
１．はじめに→記述式

平成30年４月に国立教育研究所にて行われた小学生及び中学生対象の全国学力・学習状況調査の結果では，理科に肯以上の項目でアンケートを作成した．
神奈川県内において，定的な印象を持っている児童・生徒の割合は小学校段階から

高校生複数名に対してアンケートへの協力を求めた．回答期

中学生段階にかけて減少していることがわかる1）．「理科の限は2018年12月前半の１週間程度を設定した．アンケート

勉強は好きですか．」という問いに対し，興味を示す回答でへの協力を求める際の説明として「現在大学で「化学と教育」

ある「当てはまる」「どちらかといえば，当てはまる」と答をテーマに卒業論文を書いています．現在，理科に対する興えた児童・生徒は小学校で83.5％，中学校で62.9％と，徐々味関心が薄れているということが，全国学力テストなどの結に興味関心が薄れていることがわかる．中学校では化学式や果などから明らかになっています．そこで私は，理科の化学計算問題など，小学校と比べ内容が複雑になり理解ができな分野に関してアンケートを作成しました．このアンケートをい生徒が多くなっているのではないかと考えられる．そこで通して，化学（理科）に関して苦手意識を持っている人が，本研究では，神奈川県内においてアンケート方式で高校生のどのように克服するかを考えていきたいと思っています．ぜ

声を聞き，理科（化学）に対する意識の実態を知るとともひ，ご協力の方お願い致します．」と伝えた．得られた各項に，興味関心を持たせる授業の在り方・方法について考察を目のアンケート結果をまとめた．

行なった．
３．研究結果と考察
２．実験方法2018年12月中の１週間程度，神奈川県内において，化学「化学と教育」をテーマとし，インターネット上で回答す

教育に関して高校生に対するアンケートを行った．
その結果，るアンケートを作成した．アンケートの質問内容①～⑩と，51名から回答が得られた．各項目の問い①～⑩および集計

回答の選択肢あるいは回答方法を以下に示す．

結果を以下に示す．

①あなたの性別を教えてください．
→男性①あなたの性別を教えてください．

女性②あなたの学年を教えて下さい．
→高1

高2

この問いに対し，男性９名，女性42名という結果が得られ，

高38割近い回答者が女性となった（Fig.1）．女性の割合が多かっ③あなたは現在文系，理系どちらを専攻していますか．

た理由として，今回の調査方法がインターネット上で行われ→文系たことが原因の１つであると考えられる．性別にみた SNS

理系

まだ決めていない④あなたの好きな科目は何ですか．（複数選択可能）

利用時の行動として，女性のほうが男性よりも積極的利用→国語が高かったというデータが報告されている ．すなわち，本

英語

社会

数学

理科

4

その他

2）

4

28

⑤化学は好きですか．

アンケートへの協力依頼に関する情報伝達のツールとして，→好き

SNS が寄与した可能性が考えられる．

嫌い⑥⑤で好きと答えた方にお尋ねします．好きな理由があれば教えてください．
また，好きな範囲や実験があれば教えてください．
→記述式⑦⑤で 嫌い どちらでもない を選択された方にお尋ねしま
す．嫌いな理由や興味を持てなかった理由を教えてください．また，嫌いな範囲があれば教えてください．
→記述式⑧あなたの中学，高校での化学（理科）の授業で良い印象を持った授業はありますか．ある方は具体的に教えてく
ださい．
→記述式
⑨あなたの中学，高校での化学（理科）の授業で悪い印象を持った授業はありますか．ある方は具体的に教えてく
ださい．
Fig.1 Ratio of male to female.

→記述式⑩あなたが化学（理科）の授業対して，こうすれば印象に残る，興味が持てる．何か考えがあれば教えてください．
— 82 —

Fig.１

Ratio of male to female

神奈川県内における化学に対する高校生への意識調査と考察②

あなたの学年を教えてください．
6

10

6

10

28

83

離れが目立つ結果となった．理科に関しては4人と最も低い

28

数値であった．

この問いに対して，高校１年生８人，高校２年生36人，高校３年生７人という結果が得られた（Fig.2）．

Fig.4Fig.４
Favorite
subject(s) (multiple answers allowed).
Favorite subject(s) (multiple answers allowed).
Fig.2

Fig.２

③

⑤

Ratio of each grade.
Ratio of each grade.

あなたは現在文系，理系どちらを専攻していますか．

化学は好きですか．
この問いに対し，好き５名，嫌い26名，どちらでもない
12
12 28

20名という回答結果が得られた（Fig.5）．すなわち，
化学（理
この問いに対し，文系22人，理系16人，未定13人という科）が嫌いであると回答した生徒が全体の 51％であった．
⼭平多恵⼦

結果が得られた（Fig.3）．アンケート対象者が高校１年～２8828

年生が大きな割合を占めていたため，未定が13名と多い結果になったと考えられる．

⼭平多恵⼦

10

6

Fig.5

Like and dislike about chemistry.

Fig.５

⑥
Fig.3

Fig.３

④

Like and dislike about chemistry.

⑤で好きと答えた方にお尋ねします．好きな理由があれば教えてください．また，好きな範囲や実験があれば教えてMajor field of study.
Major field of study.

ください．

あなたの好きな科目は何ですか（複数選択可能）．
⼭平多恵⼦
この問いに対しては，アンケート対象者に記述式の回答を

この問いに対し，国語11人，英語10人，社会18人，数学10人，依頼した（Table1）．対象者は⑤の問いで化学が好きと回答

理科４人，その他17人という結果が得られた（Fig.4）．主要した５名である．化学が好きな生徒は，「実験をするのが楽12

5科目の中でも社会＞国語＞英語・数学＞理科と理数系科目

しい」「反応式など解けた時嬉しい」など，化学に関し肯定

⼭平多恵⼦— 83 —
8

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

84

的に考えていることが推測できる．これらの回答は，自己効

化学式とか反応式とかわからないし，興味がわかない，つまらないから

力感が高いことを示唆している．実験を行ったり，問題が解けたときの喜びを与えることも教師の１つの役目であると言自分の中で苦手意識があるのもそうだし，複雑なものが多いから自らしっかりと理解しようという気になれない．

える．すなわち，化学が好きと回答した生徒の割合が低い理

mol 計算由として，教師が喜びを与えられていないことも原因の１つ

計算嫌いであると考えられる．この点において，授業改善を行ってい難しい

かなければならないと言える．
Table1

理解ができない，なぜ化学があるのかわからないから，また化学で証明出来るものと出来ないものがあるから

Reason for answering.

計算系が苦手⑥ ⑤で好きと答えた方にお尋ねします．好きな理由があれば教えてください．また，好きな範囲や実験があれば教えてください．

化学式が意味わかんないから
難しいから様々なことの根本を知ったり，実験をするのが楽しい

難しいから

わかりやすいからただただ無関心のため暗記部分が苦痛，解き方が難しい

化学岩？石灰岩を使った実験です．

化学反応式や電気分解が苦手です．テストでもそんなにいい点数が取れないからです．

化学が嫌いなものは死を意味する

授業が退屈．覚えること多いし．全範囲．

反応式など解けた時嬉しい⑦

計算
化学記号が多すぎて覚えらないしよくわからないから⑤で 嫌い どちらでもない を選択された方にお尋ねしま

つまんないからす．嫌いな理由や興味を持てなかった理由を教えてください．

難しい

また，嫌いな範囲があれば教えてください．

元素記号が覚えられない
わからないから対象者は，⑤の問いで，嫌い，どちらでもない，を選択し記号とかアルファベットばかりで理解しにくいからた 46 人である．化学に対し，難しい，わからないと感じて

モルがわか（ら）りません．

いる生徒が多いことが分かった（Table2）．すなわち，難しい，

全体的によくわからない

分からない，と感じることによって興味関心が薄れているのイオン式や化学式，化学反応式，沢山の公式を覚えるのが苦手だからです．

ではないかと考えられる．また，アンケートの結果からも推測されるように，「覚えるのが大変」「暗記部分が苦痛」など，

化学式や元素記号を覚えるのが難しかった

詰め込み型の授業展開がなされていることが示唆される．そ実験はおもしろかったけど内容がよくわからなかったの結果，化学式や物質量の計算などの基礎的な部分が身につ

どこかはわからないが急についていけなくなったから．

かず，生徒が化学に対して嫌悪感を持ってしまったのではな
いかと考えられる．

化学の実験だとかは好きですけど，化学式の計算だったり，
実験結果から考察したりするるのが嫌いです．

Table2⑧

Reason for answering the question.

あなたの中学，高校での化学（理科）の授業で良い印象を持った授業はありますか．ある方は具体的に教えてくださ⑦ ⑤で 嫌い どちらでもない を選択された方にお尋ねします．嫌いな理由や興味を持てなかった理由を教えてください．また，嫌いな範囲があれば教えてください．

い．

難しい

この問いに対し，実験に関する回答が多く，実験内容まで覚えるのが大変でテストの時に忘れてしまう．計算が苦手

記載しているものも多く見られた（Table3）．すなわち，実難しくて何をしたらいいのかわからなかった

験が生徒の記憶に残りやすいことが明らかになった．

何がなんだかわからない
あまり自分に向いていないから

Table3

理解しづらい．難しい．元素記号のとこが苦手

Class of giving a good impression.

あなたの中学，高校での化学（理科）の授業で良い印象を持った授業はありますか．ある方は具体的に教えてください．

めんどくさいから
化学式が苦手なためよくわからない文字とか，
記号とかいっぱいあるので嫌です．
自分で勉強するのは好きだけど科目自体にあまり興味がない
難しいから計算が苦手だからです— 84 —

実験
中学の時は実験をしながら授業を行ってたのでわかりやすかった．高校の方では，少人数で授業だったので先生が見回りに来てわからない所を教えてくれたりしていたのでよかったと感じています．

神奈川県内における化学に対する高校生への意識調査と考察

85

学校教育において，教師が何を教えるのか，何を行うのか，反応による変化が大きい実験という教師中心の教育に対する印象が悪いことが伺える．こ実験を多くやる学校で，実験が楽しいかられらの結果から，生徒が何を学ぶのか，何を得るのかという，実験が楽しかった

生徒中心の教育へのシフトが化学教育の授業展開として望ま実験があって楽しいれる3）～5）．

いきなり実験を始めて説明してもらうやり方が私は好き
火の色が変わるやつ
金属の燃焼実験

Table4

火の実験

あなたの中学，高校での化学（理科）の授業で悪い印象を持った授業はありますか．ある方は具体的に教えてください．

ないです．
（具体的な動画サイト名）で化学関係の動画を見た方がためになります．

Class of giving a bad impression.

話ばっかする

レポート作り 科学に関することを自分で調べてレポートにまとめるのが楽しかった

中学の時はクラス全体で授業を行ったのでわからないとこ
ろが聞けない時があって，先生に聞けないことが多くあり実験の際男子がふざけてうるさかったことです．高校の時は少人数でも１部の人が分かってて先に授業をしてしまう
ので結局わからない人のことを考えないで授業を進めるのが悪いと思いました．

薬品実験
ガスバーナーとかアルコールランプとか火を使った実験
ただ話を聞くだけでなく実験を行うことで，変化する様子などを実際に見て触れることができることに関しては良い
印象がある

定期試験に間に合わず，ザックリしか教えないとき
難しい名前とか覚えるのが多かった

実験

内容に興味を持たない

液体窒素のマシュマロ

ダラダラとひたすら話す先生

実験

カルメラを作らせてくれなかったとき

液体窒素にバラなどを入れる実験

ひたすら計算してた

実験

計算をたくさんする．文字で置き換えたやつでいっぱい，
化学式

液体窒素を使った実験
中学校の理科の授業は化学，物理，地学と幅広く実験も多かったので楽しかったです．

化学式ばっか書いてその本質が見えないところ
ずっと黒板に書かれたものを淡々と書いていく授業

記号とか歌にして覚えるのが印象的

疑似用語が多くて覚えにくい

天体

ほぼ全部．化学反応の実験とか見ても分からなかった（具体的な教員名）先生の授業は楽しかった
火の色が変化する実験

化学式

中学の頃，水の電気分解の実験をした時の出来た気体に火を近づけた時の反応が，水素と酸素で違うと知った時面白いと思った．

実験の班
前の日の実験内容を忘れてしまって何をしているのかわからないところ実験の授業

酸化ナトリウムとか複雑になったとき覚えるのが難しい．
化学式に２とか３とか分からない．

実験が楽しかったです．
電気先生が適当すぎた

顕微鏡を使った実験で，顕微鏡の使い方と観察結果よく分
かりました．

分かりにくすぎるからやる気にならない
難しい

天気，月，星などの天体はおもしろく実験も楽しかった．
天気は季節ごとの前線や低気圧高気圧などは理解できたしどのように動くのかとか，目に見えるのがおもしろく分か
りやすかった

計算だらけの授業

炎色反応の実験
水の電気分解⑨

あなたの中学，高校での化学（理科）の授業で悪い印象を持った授業はありますか．ある方は具体的に教えてください．

先生の話し方がゆっくりで間が空きすぎて眠くなる
ただ聞いているだけの授業
置いていかれてしまったことです．
電流，電圧，抵抗がよく分からない，一問わからないとそのあとも分からないので授業で，問題を何回も解いたり，
詳しく解説して欲しかったです．
電流，化学反応式，係数を合わせるのが難しかった．計算が難しい．実験の準備片付けが大変．考察を書くのが大変．
イオン式の仕組みがよくわからない
モルが出てくる授業

この問いに対し「ずっと黒板に書かれたものを淡々と書いていく授業」「ただ聞いているだけの授業」など，教師中心の授業展開を示唆する回答が見られた（Table4）．すなわち— 85 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

86⑩

あなたが化学（理科）の授業対して，こうすれば印象に先生がおもしろいこと残る，興味が持てる．何か考えがあれば教えてください．

実験をたくさんするもう少し実験を増やして欲しい

この問いに対し，実験などの参加型の授業展開を望む意見

体験型授業が複数見られた（Table5）．実験以外にも，画像や動きなどありません．

の視覚を使った手法の導入に関する意見が挙がった．実験を

実験がある

中心に授業を行う場合，準備や片付け時間などの負担が大き

実験の回数が多いと，実際に目で見て，考えることが出来るので印象に残ると思います．

くなるなどの問題が挙げられる．しかし，動画などを使用す
る ICT 機器の導入により，準備時間の削減ができるととも問題練習の量を増やしてほしい．文字だけじゃなくて，動きや形か，あるもののほうが覚えやすいと感じた．教科書の答えで計算なら途中式を書いてほしいし，解説が難しすぎる解説の解説が欲しくなる．

に生徒の理解度も上がる可能性が考えられる．
Table5

Ideal teaching styles for students.

実験をするときは実験の内容についてもっと具体的に教えてほしい

あなたが化学 ( 理科 ) の授業対して，こうすれば印象に残る，興味が持てる．何か考えがあれば教えてください

楽しいを重視する実験をする．

面白い授業
実験は普段の授業よりインパクトがあって覚えられる．眠くならないし．
もっと身近に関係あることにして欲しいです
覚えて楽しい感じにする．画像などで説明して覚える．先生もう１人つける
実験を中心に学ぶ，自分たちの生活と関連させる
覚えやすく，具体的に説明して欲しかった．
図とかでわかりやすくして欲しい．
実験して調べることが増えると興味を持てる気がする
もっと簡単に計算が出来れば嬉しい
目でみてすぐわかる実験
実験をもっと意欲的に自主的に取り組む．
化学を身近に感じられるような教材が増えれば良いと考えます．
ただ先生の説明を聞いて黒板を写すだけじゃなくて自分た
ちで考える時間とかあればいいと思う

４．まとめ
アンケートの結果，生徒の多くは参加型の講義を求めていることが分かった．一般に，講義を受けるだけの受け身型の授業展開では学習定着率は低いことが示唆されている．一方，実験など行動する参加型の授業展開では，学習定着率も高いという傾向が報告されているため，アクティブ・ラーニングの導入の取り組みに関する報告は多く見られる3）～5）．しかし，実験は生徒が理科に親しみやすい一方で，事前の準備にかかる時間が多く教員の負担は大きい．教師の時間外労働はメディアでも取り上げられている通り，長い時間となっている6），7）．解決策として，部活動をインストラクターなどに委託し，少しでも授業づくりの時間を増やすなどの対応が望まれる．また，必要な薬品や器具にかかる費用に充てられる予算は限られており，実験を行いたくても行えないという状況

眠くならない様な授業も想定される．ICT 機器の活用や，国が理科教育に充てら

もっと身近にあるような例の実験だと楽しいかもしれないです．あともっとやる事を理解してから実験に移った方がいいかもしれないです．

れる費用を増やすことも大切ではないかと言える．また，参加型授業実現するためには，教師の理科に関する知識・技術

実際に触れられる機会をなるべく多く設けること．

科離れ・理科嫌いの背景には，教育内容の削減や授業時数減

日常生活での場面を交えて教えて欲しい
なんか覚えやすいワードとかこの文字が出たらこの計算だ
よなどの工夫がもっと欲しいです．
まず，興味をもたせる内容，わかりやすくすることですかね？
実験をすると印象に残ると思う
教科書を読んで暗記してから実験に取り組むところ
実験をすることで印象に残ると思う
化学がいかに必要かを生徒に知ってもらう
実験を取り入れたり，簡単なミニテストなどを行うと印象に残ると思います．
頭に残るようなのがいいと思います．歌とか協調性
一つ一つ教えてほしい
分かりやすく面白い授業の質を高めることも重要な課題であると言える．子どもの理少の問題と共に，教師の科学的教養の低下の問題が指摘されている8）．特に，実験や研究の面白さを十分に伝える実践力
向上の観点では，修士レベルの教員養成・体制の充実と改善が望まれる9）．日本学術会議においても，高度で複合的な科
学的教養を生徒に獲得させることを目的とし，大学院修了者の積極的な採用を案として挙げている8）．今後，教員の科学的教養の向上，教員の働き方改革，ICT 機器の利用，予算面の見直しなどの面において，理科教育を多方面から考える必要があると言える．
謝

辞
本報をまとめるにあたり，協力をいただいた神奈川県内の高校生の皆様に感謝申し上げます．本研究は，2018年度理工／建築 ･ 環境学会研究補助費を受けたものであり，関係各— 86 —

神奈川県内における化学に対する高校生への意識調査と考察

87６）文部科学省：教員勤務実態調査（平成28年度）の分析結位に感謝申し上げます．

果及び確定値の公表について（概要），（2018），http://
参考文献

www.mext.go.jp/b_menu/houdou/30/09/1409224.htm

１）国立教育研究所：平成30年度全国学力・学習状況調査の（2019年11月28日参照）．

結 果，（2018），www.nier.go.jp/18chousakekkahoukoku/1

７）文部科学省：学校における働き方改革に係る緊急提言，（2017），http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chukyo/

8summary.pdf（2019年11月19日参照）．

chukyo3/079/sonota/1395249.htm（2019年11月28日参２）髙橋尚也，伊藤綾花：「SNS 利用における青年の対人関照）．

係特性―Twitter と LINE 利用時の行動に注目した検討―」立正大学心理学研究所紀要，14，pp.39-50（2016）．

８）日本学術会議：これからの教師の科学的教養と教員養３）文部科学省：初等中等教育における教育課程の基準等

成 の 在 り 方 に つ い て，（2007），www.scj.go.jp/ja/info/の在り方について（諮問），（2014），http://www.mext.

kohyo/pdf/kohyo-20-y1.pdf（2020年１月７日参照）．

go.jp/b_menu/shingi/chukyo/chukyo0/toushin/1353440.

９）文部科学省：教職生活の全体を通じた教員の資質能力の総合的な向上方策について～平成24年８月28日 中央教

htm（2019年11月28日参照）．
４）大西俊弘：「アクティブ・ラーニング」と日本の学校教育，

育審議会答申～（説明用資料），（2012），https://www.
mext.go.jp/a_menu/shotou/miryoku/1326877.htm（2020

龍谷教職ジャーナル，3，pp73-82（2015）．
５）山内祐平：教育工学とアクティブラーニング，日本教育工学会論文誌，42（3），pp191-200（2018）．

— 87 —

年１月７日参照）．

研究ノート
89

Characteristics of Heartbeat Activity of College-Age Shooters in Standing Rifle ShootingbyMinato KAWAGUCHI*
Hiroshi SATO*
Iku MATSUMOTO* *Susumu TAKEMURA*
Kentaro TAKAHASHI*

Abstract
We aimed to analyze whether the heartbeat characteristics derived from electrocardiogram (ECG) can be used to assess college students’ rifle
shooting performance. Four students participated in this study, and each of them demonstrated three tasks: rest, sighting shot, and competitive
shot. During the shot tasks, each participant demonstrated the ISSF 10m beam rifle. The ECG was recorded with a sampling frequency of 200
Hz. The timing of the trigger pull was also detected using the pseudo-landing sound recorded simultaneously. The ECG demonstrated shooting
accuracy as it calculated the shortest lag between trigger pull timing and the heartbeat (R-wave) occurring time point. It was also used to analyzechanges in heartbeat intervals (RR intervals) during the aiming period. Our results could not show clearly that the high score was induced by
avoiding the R-wave occurring time point as observed in previous studies. However, the RR intervals during the aiming periods were significantly increased when shooters gained a higher score. The results of this study could be applied to coaching. In future studies, we would increase
the sample size in order to confirm reliability.
Key Words: Rifle shooting, Heartbeat, Electrocardiogram, R-wave, RR intervals

要旨
本研究では心電図から得られる心拍活動の特徴が，射撃競技における学生選手の競技力を反映しているか否かを調査した．4

名の学生が実験協力者となり，対象競技を国際射撃連盟準拠10m 立射として，それぞれ試射，本射ならびに安静をとった．心電
図はサンプリング周波数を200Hz として記録するとともに，撃発時刻を検出するために標的が発する擬似着弾音を同時に録音した．撃発時刻と隣接する心拍拍動（心電図から検出される R 波の生起）時刻の差を収集した．さらに，照準時の心拍間隔（RR間隔）の変化を観測した．その結果として，まず拍動と撃発との時間差については，先行研究で示されているように，高得点を獲得した時の撃発が拍動を避けてなされていることを明確に観測するには至らなかった．一方，照準中の心拍間隔の変化について，高得点の獲得時に心拍間隔が増大することが示された．本結果を通して射撃における学生選手の技術力の向上への貢献をもたらすことが期待される．今後は標本サイズを増やすなど，結果の信頼性に対する検討を進める．

＊College of Science and Engineering, Kanto Gakuin University ＊＊College of Human Environmental Studies, Kanto Gakuin University2019 年 12 月 13 日受理— 89 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

90
1Introduction

signals. The electrocardiogram (ECG) and the respiration

In the modern Olympic games, various sports incorporate

were simultaneously recorded by Polymate-II, a multi-

the target. It is crucial to analyze and evaluate thechannel signal recorder. The ECG was represented ascharacteristics of physiological signals in these sports

the potential difference (in volts) between the left wrist,

for coaching purposes. In rifle shooting, there are several

and the Manubrium Sterni passed through the differential

kinds of distance and postures: 300, 50, and 10m and prone,

amplifier with the earth electrode located on the rightkneeling, and standing. In particular, the 10 m rifle is used towrist. The disposable electrodes were applied for the ECG

shoot at a 45.5 mm target. The minimum required diametermeasurement. The respiration sensor was wrapped aroundis only 0.5 mm. Thus, the shooters are required to control

the abdomen using a stretchable belt. The respiration signal

posture and mental state. It is known that the heartbeat

indicated minus values in exhausting. The sampling frequency

1)

causes muzzle fluctuation . Because shooters are required

was set at 200 Hz in the ECG and 20 Hz in the respiration,

to wear a thick coat, coaches must teach shooters how torespectively. After these sensors were attached to thecontrol their heartbeat during the competitive shot. Thereparticipant, they wore their own regulation coats.

are studies that analyze heartbeat using electrocardiogram(ECG) in the context of archery2-5), pistol shooting6-7), the8)biathlon , and rifle shooting

1,9)

2.3ExperimentalProcedures. However, these studies

The experiment was conducted at the Health and Sports

have reported a disjointed collection and performance. It

Technology Laboratory at Kanto Gakuin University. The

remains unclear whether college-age shooters have these

distance between the shooter and the target was set at 10

characteristics.

m. After donning the coat, each participant demonstrated

In this study, we focused on college students using

10 minutes of sighting shots and 20 trials of competitive

standing rifles. Our objective is to quantify whether the

shot and then sat in a resting state for three minutes. The

characteristics related to the variable skill level of college-participants remained in standing posture for all shots (Figure

age shooters are correlated with heartbeat activity.

1).

2MaterialsandMethods
2.1Participants
Four members of the college shooting club participated,of whom three were men and one was a woman (n=4). The
experimental protocol was approved by the institutional
review board. All participants provided written informed
consent before participation (2019-2-5). The participants’years of shooting experience is shown in Table1.
2.2Materials
The beam rifle (MBR-201) and the target (MT-201)
used in this study were authenticated by the National Rifle
Association of Japan. The beam rifle does not use actual
bullets; rather when a shooter triggers the beam rifle, themuzzle exposes xenon light. The score is then estimatedby the target from the position using received light. The
score was represented as an integer (0 ≤ score ≤ 10).
Since the target generates the pseudo-landing sound,the sound was recorded concurrently with the following

Table1:
1:Participants’
Experienced year
year ininofparticipants
participants
Table
years
experience
Table
1:
Experienced
Table1: Participants’ years of experience

Participant ID
ID
Participant
A
A
BB
CC
D
D

Years ofof experience
experience
Years
77
33
33
11

Figure 1:
Typicalstanding
postureof participantsin the present
experiment.
Figure1:
Typicalstanding
in thepresent
Figure1: Typicalstanding postureposture inof
theparticipantspresent experiment.
experiment.

— 90 —

Table
2: ScoreScoreand heartbeat
heartbeatintervals
duringthe rest
rest
and
the
live shot(Meanshot(Mean± SD)SD)± SD)
Table Table2:
Score
and heartbeat
intervals
duringthe therest
andandthethecompetitive
shot (mean2:andintervals
duringlive±
Participant
Score
Participant
ID ID Score

R-R intervals
intervals
R-R
Rest
Live shot
Rest Competitive
shot

8Characteristics of Heartbeat Activity of College-Age Shooters in Standing Rifle Shooting

2.4DataAnalysis

91

(i)
shot

seconds before (t-T). It should be noted that the duration

The landing time was detected from the sound data (Figure

T was chosen as less than the former triggering time (T <2), in particular, the first local maximum value of enveloped

tshot(i)- tshot(i-1)) in all participants. Then, the increasing rate (IR(i)waveform. According to the principle of a beam rifle, the(twin)) was defined as the quotient of the average of RRIs justthlanding

before triggering ranged in [tshot(i) +twin, tshot(i)) by that in priortime is represented as tshot (i = 1, 2, ..., 20). Based on the

period ranged in [tshot(i) +2twin, tshot(i) +twin) with the variable, twin

landing time was equal to triggering time. The i(i)time series of the ECG, the occurring time point of the( − T/2 ≤ twin < 0). An IR > 0 in particular indicates that

R-wave, tR, which corresponds to the heartbeat, was detected

RRI increased toward shot the triggering. The correlation

by determining the maximum local value. The RR intervalof the score and the IR was further obtained using twin. The(RRI), or the so-called heartbeat interval, was defined as theappropriate value of twin was determined when the highest

difference between neighboring tR, (i.e., RRI( j ) = tR( j ) − tR( j −1)

absolute value of the correlation coefficient was obtained.

where tR( j ) stands for j th occurring time point of the R-wave)
and the R-wave occurring time point. The RRI trend was

3Results

further obtained with a sampling frequency of 20 Hz. These

3.1ScoresandAveragedRRIs

signals were collated with landing time points to determine

The score and RRI (mean ± SD) are shown in Table 2.

the relationship between triggering behavior and heartbeat

Participant A had the highest score, whereas Participant D

following two approaches.

had the lowest score. RR intervals significantly decreased

First, the shooting accuracy was quantified as the temporal

during all participant’ competitive shots. In particular,difference between the landing time and the last R-wave

the RRI of Participant D was close to that of Participant

occurring time (R-shots interval [s]). Its relative phase was

A during the competitive shot, and those two were morealso calculated (R-shot % interval [%]) 8). This analysis isextended more than those of participants B and C. The

illustrated in Figure 2. Sampled values among participants

minimum triggering interval was T = 11.7 s.

were compared statistically using Bartlett’s uniformity ofdispersion test. A one-way ANOVA was further applied

3.2ShootingAccuracy

if uniformity among participants was considered, that is,

Figure3 shows the temporal difference between triggering

if p-value of the Bartlett’s test was ≧0.05. To observe

and R-wave (R-shots interval) in (a), and the relative phase

how these variables are related to the score, a scatter plot

(R-shot% interval) in (b). The bar length indicates the mean

was drawn, and the regression curve (y = ax2 + bx + c) wasvalue, and the error bar stands for the standard deviation

obtained using the least mean squares (LMS) method toof the respective participant. From the Bartlett’s test,

test the hypothesis that the highest score is given when thevariance of R-shots interval for each participant could not

triggering action occurred far away from heartbeats. The

be uniformly distributed (p = 4.51 × 10−5), whereas that ofvalidity of the regression curve was checked by comparing

R-shot% interval could be uniformly distributed (p = 0.53).

a formula that assumes that the score is independent ( y = c)

As shown in Figure 3(a), the variance of Participant A isusing Akaike information criteria (AIC).

the smallest, implying routine behavior. The mean value

Second, changes to the RRIs during the aiming period were
3,4,9)

of R-shot % interval was then compared using a one-way. We determined the RRI trends on the basis

ANOVA, resulting in a significant difference (p = 0.035).

of the range between the triggering time point (tshot(i)) and T

The mean value of R-shot% interval in Participant A wasobserved

the highest, followed by that of Participant D（Figure3(b)).
These two participants might have been unconsciously using
strategies to control their heartbeats. The relationshipV sound

between the score and R-shot s interval (Figure 3(c)) or1000

R-shot% Interval (j)= R-shots Interval (j) / RRI(k)R-shots Interval (j)was estimated. In both cases, a convex upward curve is

500

drawn. According to the respective regression curve, the0-500

R-shot % interval (Figure 3(d)) was observed. In each
distribution, the regression curve of the quadratic equation

21.4

21.6

21.8

RRI(k-1)

22t(j) 22.4

22.2
shot

Time

RRI(k)

value R-shots interval required to reach the highest score
22.6

22.8

23

RRI(k+1)

Figure 2: Data analysis

23.2

Time

reached 0.65 s, and the R-shot% interval required to reachthe highest score was 90.9 %. The AIC was estimated to be
309 in the case of the R-shots interval and 1,686 in that of— 91 —

Figure 2: Data analysis
関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

92

(b)

(a)
1.5

100

R-shot % Interval [%]R-shot s Interval [s]p=0.0345
1

0.5

0

80
60
40
20
0

A

B

C

D

A

(c)

B

C

D

(d)

A
B
C
D

10

8

Score

Score

8

A
B
C
D

10

6
4

6
4

2

2
0

0.5

1

1.5

2

0

R-shots interval [s]

50

100

150

R-shot% interval [%]FigureFigure
3: Shooting
accuracy.
The bar length
indicates
average,and thebar indicatesSD.
(a)R-shot[s], (b) R-shots Interval%
3: Shooting
accuracywhere
thebar thelengthindicates
theerroraverageerrorbaris SD.
(a)R-shot[s]Interval[s]ɼ
Figure Interval.
3: Shooting
accuracy.
The
barlengthindicates
the average,
andandthetheerror
bar indicatesSD. (a)R-shots(c) Correlation
betweenR-shots interval [s] and score. (d) Correlation between R-shot% interval [%] and score.

(b)R-shot[%] Intervalɼ(c)correlation between R-shot[s] Interval and scoreɼ(d)correlation between R-shot[%] IntervalInterval[s]， (b) R-shot% Interval. (c) Correlation between R-shots interval [s] and score. (d) Correlation between
and score
analyzed using methods proposed in previous literatures.

the R-shot% interval. Each value exceeded the case assuming

R-shot% interval [%] and score.

that the score did not depend on said value (y = c). According

9

Initially, the distance between the triggering (landing)to the results, shooters did not control their heartbeats

time point and the R-wave occurring time was observed as(R-wave) during triggering.

R-shots interval and R-shot% interval3,8). Our results showedthat the variance of R-shots interval in Participant A was

3.3RRIntervalsintheAimingPeriod

relatively short, and the average of R-shot % interval of

Figure 4 shows averaged RR interval trends 13 s priorParticipant A was the highest. The results were complicatedto the landing time. The Trends of participant B and C

as changing order when comparing averages of R-shots

represented flat, whereas those of the other two participantsintervals (Figure 3(c)) and R-shot% intervals (Figure 3(d))

increased. The correlation between the score and the RRI

between participants. This could be due to dynamic changes

interval increasing rate (IR(twin)) was analyzed. The absoluteduring the aiming period (Figure 4). Although the fitting

value of the correlation coefficient reached a maximum value

convex upward curve could be obtained, we could notwhen the time window was set at twin = −5.45 s (Figure 5).

demonstrate that the high score was obtained as a result of

The p-value shown in the figure indicates the result of thetriggering times located avoiding heartbeats as was observed

correlation test. It is implied that an increased RRI (i.e.,

in previous studies3,8). This might be due to the difference indecreased heart rate) during the aiming period might result

events (archery and biathlon). A lack of awareness could also

in a higher score.

be a reason since the shooters who participated in this study
said they did not clearly realize that heartbeat timings were

4Discussion

analyzed in studies in archery3). Therefore, using technology

The heartbeat activity during the standing rifle shooting
was observed in young shooters. Since heartbeats disturb

9

such as biofeedback to study heartbeat could potentiallypertain to rifle shooting.

1)

precise coordination during the aiming period , they were
— 92 —

Next, we analyzed RRIs changes during the aiming

R-R Interval Trends [s]

0.8
A

B

C

D

0.75
0.7

R-R Interval Trends [s]Characteristics of Heartbeat Activity of College-Age Shooters in Standing Rifle Shooting

Table2: Score and heartbeat intervals during the rest and the
0.6
competitive shot (mean ± SD)

0.8
A

B

C

93

0.65

D

0.75

0.55
-12

-10

0.7

-8

-6

-4

-2

0

Time to Shot [s]0.65

Figure 4: RRI trends in aiming period

0.6
0.55
-12

-10

-8

-6

-4

-2

0
12

Time to Shot [s]Figure 4: Figure
RRI trends
duringtheperiod
aiming period
4: RRI trends
in aiming

10

6,9)
period . The results showed that the RRIs of Participants

8

Score

Figure 4: RRI trends during the aiming period

A and D increased just before triggering, whereas thoseof Participants
B and C did not. This cause is commonly12

p=1.17×10

6

A
B
C
D

observed in observed in the literature (Table 2). It is

4shown that the IR proposed in this study is significantly

2
0.6

10

Score

correlated8 with participants’ scores (Figure 5). Increasing
p=1.17×10

A

Participant A demonstrated exhaling more precisely
than
B
4

1

1.2

1.4

1.6

Figurebetween
5: Correlation
between
RRI
increasing
andtwinthe
Figure 5: Correlation
RRI increasingrate and thescore
when the timerate
window=−5.45[s].
Figure 5: Correlation between RRI increasing rate and the score at the time window twin = −5.45[s].

score when the time window twin=−5.45[s].

C
D, whereas B and D tried to pause. These Dresults are
2,4)
but1.4are disagreementagreement20.6
with those
0.8 of some
1 studies
1.2
1.6

0.8

RRI Increasing Rate (twin=-5.45[s])-6

RRI is thought
to be induced by exhaling in the respiration.
6-6

RRI Increasing(twin=-5.45[s]). Onepossiblereason for thiswith those of otherstudies7,9)Rate

References10

discrepancy could be shooters’ different skill levels. The

1) Gaby Buhlmann, Heinz Reinkemeier, Maik Eckhardt, andFigure 5: Correlation between RRI increasing rate and the score at the time window twin = −5.45[s].

shooters who participated in the present study were young,Bill Murray, Ways of the rifle, Dortmund, MFC, 2002.

and Participant A had competed in national rifle competition.

2) Yasukazu Hashiguchi and Yasutake Hashiguchi, The

Thus, a respiration strategy to10 increase RRI might be usefulphysiological and psychological factor analysis related

for shooters with middle to low skill level. However, few

to the results (scores) of archery athletes: The relation

10
studies have directly analyzed
respiration10), and therefore,of the scores of a sham match with the dynamics ofrespiration needs to be quantified in the future. It is also

cardiovascular system/psychological state before andworth noting that the optimized time window twin should beafter the match, Journal of Biomedical Fuzzy Systems

modified in any continuations of this study.

Association, 12(1), 29-36, 2010.
3) Kihachi Ishii, Hideyuki Kimura, Masato Sonobe, and5SummaryandFutureResearch

Noriyuki Yamamoto, Adjustment of respiration andDuring standing rifle shooting, we clearly showed that,heartbeat to a moment of releasing in archery, Bulletinin college-age shooters, changes in RRI during the aimingof Nippon Sport Science University, 26(1): 1-8, 1996.

period were significantly correlated to score. Based on the4) Filipe M. Clemente, Micael S. Couceiro, Ruben Rocha,

RRI results, a similar evaluation method was used to directly

and Rui Mendes, Study 11of the heart rate and accuracy

record respiration. Further analysis is required to quantify

performance of archers, Journal of Physical Education

respiration strategy. Our study could be expected to be

and Sport, 11(4): 434-437, 2011.

used to understand how to coach rifle shooting as well as5) Caner Açıkada, Tahir Hazır, Alper Asçı, Sinem Hazır

the mechanism of precise posture coordination. The effect ofAytar, and Cevdet Tınazcı, Effect of heart rate onthese results remains to be seen.

shooting performance in elite archers, Heliyon, 5:
e01428, 2019.

6Acknowledgements

6) Melissa J. Brown, Richard D. Tandy, Gabriele Wulf, andThe Shooting Club in Kanto Gakuin University supported

John C. Young, The Effect of Acute Exercise on Pistol

this work.

Shooting Performance of Police Officers, Motor Control,

This work was financially supported by Society of Scienceand Engineering/Architecture and Environmental Design,

17: 273-282, 2013.
7) Maurizio Bertollo, Claudio Robazza, Walter Nicola

Kanto Gakuin University in 2019.

Falasca, Massimiliano Stocchi, Claudio Babiloni, Claudio— 93 —

関東学院大学理工／建築・環境学会研究報告第63巻（2020）

94

Del Percio, Nicola Marzano, Marco Iacoboni, Francesco

in biathlon, European Journal of Sport Science, 19(5):Infarinato, Fabrizio Vecchio, Cristina Limatola, and567-575, 2019.

Silvia Comani, Temporal pattern of pre-shooting psycho-9) Niilo Konttinen, Heikki Lyytinen, and Jukka Viitasalo,

physiological states in elite athletes: a probabilistic

Preparatory heart rate patterns in competitive rifle
shooting, J. Sports Science, 16: 235-242, 1998.

approach, Psychology of Sport and Exercise, 13: 91-98,

10) Reijiro Simo, Shgeki kyougi ni okeru imeji toreiningu no

2012.
8) Germano Gallicchio, Thomas Finkenzeller, Gerold

riron to jissai, (Theory and practice of mental imagery

Sattlecker, Stefan Lindinger, and Kerstin Hoedlmoser,

training in rifle shootings), Journal of the Society of

The influence of physical exercise on the relation

Biomechanisms, 16(2): 138-143, 1992.

between the phase of cardiac cycle and shooting accuracy— 94 —

95

理工 / 建築・環境学会「研究報告」投稿規程
１．投稿資格
投稿原稿の著者（連名の場合は，その中の１名以上）は，本学理工 / 建築 ･ 環境学会会員でなければならない．
２．著作権
理工 / 建築 ･ 環境学会研究報告に掲載された論文などについての著作権は，理工 / 建築 ･ 環境学会に帰属する．
また，外部から転載・引用の申請があった場合は，本会において検討の上，許可することがある．詳しくは，理工 / 建築・環境学会著作権規程による．
３．論文などの図書館ウェブサイト上での公開掲載された論文などは，関東学院大学図書館ウェブサイト上に公開する．ただし，デ−タの公開範囲は要旨のみとする．
４．原稿の種類
原稿は，「研究論文（ResearchPaper）」，「技術論文（TechnicalPaper）」，「研究ノート (ResearchNote）」および「寄書（ShortArticle）」とし，理工学または建築・環境学に関連する領域の和文あるいは英文で書かれたものとする．
研究論文

4.1

⑴独創的な研究で，価値ある結論あるいは事実を示唆するものであること．
⑵原稿の長さは，図・表・要旨を含め，原則として刷り上がり12ページ以内とする．
⑶要旨は，内容をよく表現している英文300語以内で，本文冒頭に添付する．
技術論文

4.2

⑴理工学および建築・環境学に寄与する技術，設計，実験，試作などに関する事実あるいは結論を示唆するものであること．
⑵原稿の長さは，研究論文に準じる．
⑶要旨は，研究論文に準じる．
研究ノート

4.3

⑴速報性を有するか，また論文より内容が少ないものであること．
⑵原稿の長さは，図・表・要旨を含め，原則として刷り上がり４ページ以内とする．
⑶要旨は，内容をよく表現している英文200語以内で，本文冒頭に添付する．
寄

4.4

書

⑴本誌に掲載された記事についての討論，または本誌の関係領域に対する評論であること．
⑵原稿の長さは，図・表を含め，原則として刷り上がり４ページ以内とする．
５．投稿原稿の取扱い
5.1

原稿は，正・副各１部および別途定める指定方法で，理工 / 建築 ･ 環境学会編集委員会（学部庶務課内）に提出する．

5.2

原稿は，本投稿規程および投稿の手引き（別紙）に従って書くものとする．

5.3

投稿原稿の受理年月日は，編集委員会に提出された時点とする．ただし，原稿の書き方が「投稿の手引き」に従っていな

い場合には，受理しない．
5.4

原稿の採否は，編集委員会が決定する．なお，編集委員会は，原稿の内容について訂正を求めることがある．

5.5

理工 / 建築 ･ 環境学会研究補助費による報告は，「研究論文」あるいは「技術論文」として投稿し，本文の末尾に，「本研究は，（西暦）年度理工 / 建築 ･ 環境学会研究補助費を受けたものである．」（あるいは英文の場合は，“This work was financially
supportedbytheSocietyofScienceandEngineering/ArchitectureandEnvironmentalDesign，KantoGakuinUniversity
inXXXX.”と明記しなければならない．
６．著者校正
著者校正は，原則として１回とする．なお，この時点で，印刷上の誤り以外の字句訂正は，原則として認めない．
７．別刷
別刷は，50部を進呈する．50部以上の希望者は，原稿提出の際に，原稿表紙の該当欄に記入して申し込む．その経費は，実費を徴収する．
８．掲載後の訂正
8.1

印刷上の誤りについては，著者の申し出があった場合に限り，掲載する．

8.2

印刷上の誤り以外の訂正，追加などは，原則として取り扱わない．ただし，著者の申し出があり，編集委員会がそれを適当と認めた場合に限り，掲載することがある．

— 95 —

96
９．規程の改廃
この規程の改廃は，理工 / 建築 ･ 環境学会で行う．その後，工学部教授会に報告する．
付

則
この規程は，1998年４月１日から施行する．

付則
この規程は，2004年４月１日から改正施行する．

付

則１

この規程は，2013年10月２日から改正施行する．

２

前項の改正に係らず，2012年度までの工学会研究補助費については，なお従前の例による．

— 96 —

97

理工 / 建築 ･ 環境学会「研究報告」投稿の手引き
１．投稿の準備1.1

表紙は，本会所定のものを使用する．

1.2

本文の作成は，下記の用紙を使用する．

⑴ワープロ使用の場合，市販の A4白紙．
⑵手書きの場合，本会所定の原稿用紙．
２．原稿の書き方
2.1

最近の理工 / 建築 ･ 環境学会「研究報告」の体裁を参考にして書く．

2.2

文章は簡潔に，原則として当用漢字，現代かな使いで書く．

2.3

学術用語は，文部科学省学術用語，または JIS 用語で書く．

2.4

単位は，原則として SI 単位を使用する．

2.5

ワープロの場合の A4用紙は，縦長・横書きとする．和文の場合は，１ページあたり全角23字×27行（３ページが刷り上

がり１ページとなる），字間はベタ（英文字，数字は半角とする）でよいが，用紙左右の余白として50mm 以上を設けること．
また，英文（ワープロ）原稿の場合は，A4用紙に適当なフォントで書くものとするが，１ページあたり27行を目安とすること．
３．原稿の構成および長さ
原稿は，「原稿表紙」，「要旨」および「本文」（場合によっては「付録」も含む）からなるものとする．原則として，刷り上がり時の全体の長さは，論文は12ページ以内，研究ノート・寄書は４ページ以内とする．ちなみに，和文では，手書き原稿用紙８枚，ワープロ原稿用紙３枚，英文では A4用紙２枚が，それぞれ刷り上がり１ページに相当するので，図表等の刷り上がり寸法を考慮して，ページ数を見積ること．
４．原稿表紙4.1

原稿種別：原稿の種類（研究論文・技術論文・研究ノート・寄書）を書く．

4.2

和文題名：原稿の内容を的確かつ簡潔に表現する題名であること．例えば，「～に関する研究」などの表現はなるべく避ける．

副題がある場合は，（4.3）で括る．また続報の場合は，括弧で括り，（第 n 報，～）と表現する．

英文題名：和文題目に準じる．“Studies on ～ ” などの表現はなるべく避ける．題目中の第１文字および名詞，形容詞，

動詞の第１文字は大文字で書く．
4.4

著 者 氏 名：漢字およびローマ字で書き，学外者の場合は「所属学科」の欄に所属機関名を書く．

4.5

連

4.6

別 刷 希 望 部数：進呈される50部以外に希望する部数を50部単位で記入する．

５．要絡

先：原稿に関する連絡に当たるため，なるべく学内者とする．

旨

5.1

要旨は，本文の内容が理解できるように英文と和文で書く．

5.2

要旨は，目的，方法および成果を簡潔に示すものであること．

5.3

英文要旨の長さは，研究論文・技術論文で300語以内，研究ノートで200語以内とする．和文要旨は，英文要旨の和訳である．

5.4

英文要旨は，A4白紙に次の順序にしたがい，適当なフォントで１ページあたり50字×27行を目安に，ワープロで作成すること．和文要旨も，これに準じる．
⑴論文題名
⑵著者名
⑶所属
⑷要旨内容
⑸キーワード（５語以内）
６．本文
6.1

本文の形式は，特に限定しないが，緒言（緒論）および結言（結論）を明確にし，例えば，「１．緒言」，「２．理論」，
「３．

実験方法」
，
「４．結果および考察」，「５．結言」，次に「文献」，「付録」などの順にする．研究ノート，寄書についても，これに準じる．
6.2

文中の区分は，ポイントシステムにより明確にし，次の例による．
章

１．

２．

節

1.1

1.2

項

1.1.1

1.1.2

なお，それ以下の区分は⑴，⑵，⒜，⒝，……などとする．
— 97 —

98
6.3

脚注はなるべく避けること．

6.4

文献について
本文中の記載方法について，参考文献，引用文献は，通し番号を付け，
本文の該当箇所に上付き添字１）または２），３）あるいは４）～８）のように示し，本文の末尾にまとめて記載する．

図表の転載は，原則として原図のまま使用し，図表名の直後に［文献＊）より転載］等と記述すること（＊は文献番号）．
ただし，図表の場合，翻訳による引用は認められる．
6.5

句読点，括弧，ハイフンなどは，原稿用紙の１コマに書く．新しい行（文節）の初めは，１コマ空ける．

6.5.1

文字および用語⑴文字は黒色とし，手書きの場合には楷書で鮮明に表記する．
⑵文章の区切りには，読点（ ， ）や句点（ ．）を用い，それぞれ１字分とする．また，同格の単語を並べる場合は，中点（・）を使用する．
6.5.2

文字の大きさ

文字の大きさは，本文，図表名および図表内の文字・数字・記号とも10ポイント（14級）前後とする．
6.5.3

見誤りやすい文字や記号

印刷や校正時のミスを防止し便宜を図るために，文中および図表の余白部に朱書で以下のように指示する．
⑴ギリシャ文字を使用する場合はその箇所にギを，立体活字の場合は

立を，イタリック活字の場合は イタ と指示する．なお，ゴシック活字は量記号の場合のみとし， ゴ と指定する．
⑵まぎらわしい文字や記号は，カタカナ書きの発音を指示する．
［例］ローマ字，ギリシャ文字，数字の区別：Ｏ（オー）と０（ゼロ），r（アール）とγ（ガンマ），l（エル）と１（イチ），上ツキ・下ツキの指示，大文字・小文字の指示など．
6.6

本文中で図・表を引用する場合は，Fig.1，Fig.2，……，Table 1，Table 2，……と表現する．

6.7

数字および数式

6.7.1

数字⑴数量や序数を表す数字はアラビア数字を使用し，漢字と結合して名称や概数を表す場合は漢数字を使用する．
例：10m，第４章
三角形，数百例，一条ねじ
一つの，二，三の例，一例をあげると⑵小数点および桁区切り
小数点は，0.123のように書き，.123のようには書かない．桁区切りについては，456789のように書き，456,789のようには書かない．
6.7.2

数式⑴数式を文中に書く場合には，下記の形式Ａに示すように，１行におさまる表記法を用いる．行を改めて数式だけを書く
場合には，できるだけ形式Ｂを使用する．また，必要に応じて式番号を括弧内に付ける．代数記号は，イタリック体とする．
形式Ａ(a + b)/(c + d)

形式Ｂ
a+b
c+d

⑵文中に式番号を記載するときは，Eq. ⑴，Eq. ⑵……のように書く．
6.8

単位・量・数学・化学記号

6.8.1

単位・量記号

単位および量記号は，原則として SI による．ロマン体（立体）とする．
6.8.2

数学記号

数学記号は，「JIS Z 8201」（数学記号）による．ロマン体（立体）とする．
6.8.3

化学記号

化学記号は万国化学記号による．ロマン体（立体）とする．
6.9

使用機器，サンプル，試薬等の製造会社名，形式，提供者名などは，謝辞に記載する．

— 98 —

99
７．図（写真を含む）および表
7.1

図表の選択
図（写真を含む）および表は，類似のものが重複しないように十分検討し，本文を理解するために必要な代表的なものに限定するとともに，その内容を本文中で詳細に言及し，読者が十分に理解できるようにしなければならない．指定の図表用紙に記載すること．
図の描き方は，原則として「JIS B 0001」および「JIS Z 8310」による．
7.2

図表の内容，図番，図名，表番および表名⑴図表は，原則として A4白紙に書き，１枚１図あるいは１表とする．提出されたものが，版下となるので，鮮明な図表を用意すること．なお，図表のトレースを希望する場合は，編集委員会までその旨連絡すること．この場合の料金は実費を徴収する．
⑵図番または表番は英語で記述する．また，図番および表番は，それぞれ Fig.1，…，および Table 1，…のように通し番号とする．
⑶図表の内容はすべて英語とする．図表中の文字もそのまま縮小されて写真製版されるので，縮小されても最低２mm の高さになるように，図表中にレイアウト（切り貼りなど）すること . 線の太さ，文字の大きさなどに注意して黒インクで描く．
図中の文字・数字・記号などはレタリングガイドを使用するか，ワープロで印字したものを貼り込む．
⑷図表の刷り上がり寸法は，原則として横６cm，13cm のいずれか２種類とする．希望の刷り上がり横寸法（６cm あるいは13cm）を余白に朱書しておくこと．
⑸図番および図名は図の下部に，表番および表名は表の上部に書く．
⑹図表の挿入位置は，本文原稿の右余白に明記する．
⑺写真は図と同様に扱い，コントラストの明瞭なものを A4白紙に貼付する．カラー写真は刷り上がりは白黒となるが，特にカラーでの掲載を希望する場合は，その旨編集委員会まで連絡のこと．この場合の料金は実費を徴収する．
⑻不鮮明な図表に対しては，編集委員会から再提出を指示することがある．また，編集委員会の判断で図表のトレースを印刷所に依頼することがある．この経費は，実費を徴収する．
８．文献（引用文献・参考文献）
8.1

文献の選択
文献は，特に必要とするものにとどめ，一般に公表されていない文献，例えば配布を限定された委員会報告や社内報告などは，やむを得ない場合を除き文献としない．
8.2

著作者の許諾を得ずに引用できる範囲
執筆しようとする記事のなかで，他の著作物（文献）を引用する際は，以下の二つの条件を同時に満足する場合を除き，原則として事前に当該文献の著作者の許諾を得なければならない．
⑴自分の著述が〈主〉で，引用部分が〈従〉である場合．
⑵引用の目的が公正な範囲を逸脱していない場合．すなわち，自分の意見を補強したり，他人の意見を批評する等の目的で引用する場合．
8.3

文献を引用・参考にする際の履行義務
他の著作物を引用・参考するにあたっては，許諾の必要性の有無に拘らず，以下の事項を順守すること．

⑴出所（書誌事項）を明示すること．この際，連名の著作者を一人で代表させたり，題目を省略したりすることは，著作者人格権の立場から好ましくない．
⑵引用箇所を明確にすること．ただし，要約，翻訳による引用は認められる．
⑶図表の転載は原則として原図のまま使用し，図表名の直後に［文献＊）より転載］等と記述すること（＊は文献番号）．ただし，図表の場合，翻訳による引用は認められる．
8.4

文献の記載方法⑴雑誌の場合著者名：題目，雑誌名（省略不可），巻，号，ページ（例えば ppX-Y）（西暦発行年）の順に記載し，著者名は連名者も含
めて全員の姓名（フルネーム）を記載する．
［例］
１）設計太郎：CAD 設計論，設計工学，23, 12, pp11-18 (1994).
２）
Boyd, J., Jones, P. and Raimondi, A. A. ： Bearing Theory in Analysis and Design of Journal Bearings, J. Appl. Mech., 73, 2,
pp298-315 (1951).

— 99 —

100⑵書籍の場合著者名：書籍名，ページ（例えば ppX-Y），発行所，（西暦発行年）の順に記載する．
［例］
１）製図花子：機械設計製図の実際と理論，pp132-145，川三書房，(1978)．
２）Douglas, R. A.：Introduction to Solid Mechanics, pp53-60, Wandsworth Pub. Co., (1963).
９．付録
本文中に入れると論旨が中断したり，煩雑になる事柄は，付録として「文献」の後に入れる．付録をつける場合は，本文中に付録に記載したことを述べる．
付録に出てくる図表および本文とは関係のない数式は，本文とは独立した図・表・式番号をつける．例えば，Eq. (A-1)，
Fig. A-1，Table A-1のようにする．
10．原稿の提出
表紙や内容を確認した上で，正・副各１部（表紙，本文，図，表，英文要旨，和文要旨）を提出し，かつ，指定のメールア
ドレスへ Word データをもって提出する .
付則
この手引きは，1998年４月１日から施行する．
付則
この手引きは，2004年４月１日から改正施行する．
付則
この手引きは，2013年10月２日から改正施行する．

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研 究 報 告Vol. 632020 年３月１日

印刷・発行 ©

編集・発行

（通巻110号）

関東学院大学理工／建築・環境学会〠236-8501 横浜市金沢区六浦東１丁目50－１
印刷・製本

株式会社ポートサイド印刷☎045－786－7096

JOURNAL OF TECHNOLOGICAL RESEARCHES
Society of Science and Engineering/Architecture and Environmental Design, Kanto Gakuin University

Vol. 63
March 2020

CONTENTS
Kazuyoshi KAWAHARA, Sho NOGUCHI, Sakura

Nozomi KODUTUMI, Hayato KOMATSU, Takumi

ONOUE: Preparation of peptidoglycan fromSUZUKI,

Lactobacillus fermentum and analysis of amino

Processing of Electrochemical Machining andacids contained in it using GC-MS …………………………… 1

Anodic Oxidation Machining using Phosphoric

Yumi SHIMIZU, Yuko SUGAWARA: Heparinase
gene homolog is essential for the DBB staining
reaction in Cryptococcus neoformans ………………………… 5
Kie TAKAHASHI, Hirokazu IIDA: Synthesis ofanti-Bredt compounds and structural analysis
by 2D NMR ……………………………………………………… 13
Yuna

MURAYAMA,

Mai

AKASE,

Takahiro

KIDO, Kazunori MATSUI: Preparation andPhotoluminescence Properties of SrAl2O4: Eu2+
Phosphors Sintered in Air Atmosphere …………………… 19
TomoyaHOTTA,Jun

SATO:

Practical

andEffect of Using VR Contents on University's
Open Day (In Case of Course in MechanicalEngineering) …………………………………………………… 23
Ryo YAMAIZUMI, Katsuhiko TAKEDA, Kazuhiko
ITO:

HistoricalTransitionofAutomotive

Technology Review through the Type 17
Datsun Second Report ………………………………………… 31
Terunao

KISHIDA,

Reo

MIWA,

Norifumi

MIYANAGA: Experimental investigation ofhydrodynamic lubrication characteristics ofdimpled parallel plate bearings ……………………………… 39
MitsumiNIHEI,Reo

MIWA,

Norifumi

MIYANAGA: Influence of Grease Rheology on
Frictional Torque of Rolling Bearings ……………………… 45

MitsuoUCHIYAMA:

Combined

Acid Aqueous Solution ………………………………………… 51
Yuhei ISHIZAKA: An initial consideration of an
academic paper archiving system based onblockchain ……………………………………………………… 59
Noriyoshi OKAMOTO, Daisuke TAKAHASHI,
Yuuki IWASA, Kahoru NAKAYASHIKI: The
Imaging Method for Iris Certification Using
Visible Image………………………………………………… 65

Wataru KAMBE, Tomoyuki SAITO: A REPAIRINGMETHODFORJOINTSIN

DAMAGED

BRACE SHEAR WALLS -EXAMINATIONUSIG EPOXY ADHHESIVE- ………………………………… 73
Yushi NOGUCHI, Taeko YAMAHIRA: A studyof consciousness investigation of chemistry
among high school students in Kanagawa
prefecture ……………………………………………………… 81
MinatoKAWAGUCHI,

MATSUMOTO,
KentaroHiroshiSusumuTAKAHASHI:

SATO,

Iku

TAKEMURA,

Characteristics

ofHeartbeat Activity of College-Age Shooters inStanding Rifle Shooting ……………………………………… 89