ISSN ０
２
８
６−０
５
０
３

東京工業高等専門学校

研

究

報

第 42（2）号

2011.3

告書東京工業高等専門学校研究報告書

第42（2）号

目次

Learning a Foreign Language from a Busy Person’s Perspective… ………………… John GATES―Part 1: The Method Chosen for Learning Finnish―……

１

Torsion points on elliptic curves with values in p-adic Lie extensions… ………… Hajime NAKAZATO……

９

サイズ・面方位の異なる GaN 結晶における表面再結合過程… ………………………… 尾

沼

猛

儀……

15

実践的能力としての教養…………………………………………………………………… 浅―東京高専高学年用「教養ゼミ」の導入に向けて―
津
舩
相
竹
古
河
川

野
田
戸
澤
田
屋
村
北

敬

一……
潔
美智子
俊
行
恒
美
正
俊
豊
晃
司

19

異文化理解授業における留学生と日本人学生の協働学習……………………………… 吉
竹

田
田

さ
恒

ち……
美

41

好奇心をはぐくむ物理実験教室…………………………………………………………… 潮
大

野

秀
秀

樹……
樹

49

教育専門職の倫理綱領……………………………………………………………………… 川

北

晃

司……

53

……
Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of………………………………… Sumio SAITO
Two Different Thick Blades Used as Wind Turbine Airfoils
Takahiro YAMASHINA

63

風車用翼型生成に光造形手法を適用した際に生じる翼表面上の積層痕の…………… 斉有無による薄翼および厚翼の流体力学的特性の変化と翼周りの流動状態
山

藤
科

純
貴

夫……
裕

77

頬の動きを用いた操作インターフェイスの試作………………………………………… 清
鈴

水
木

昭
啓

博……
佑

87

ひずみ応答を用いた衝撃荷重同定に関する研究………………………………………… 北
山
光
也……
白
倉
潤
Tengku Muhammad Idris Al Ariff
黒
崎
茂

91

東京高専におけるマイクロメカトロニクスの新展開…………………………………… 角田－第２報，マイクロ構造体の製作と機械的特性－
多羅尾
齋
藤
堤
志
村
北
山

陽……
進
一
貴
穣
也

95

99

浩
博
光

引張荷重下における CFRP/Aluminum alloy……………………………………………… 小
単純重ね合わせ接着継手の有限要素応力解析
志
黒

坂
村
崎

典

嵩……
穣
茂

光導波型マイクロホンにおける共振周波数のダイヤフラム厚依存性

新
大

國
河

広
正

幸…… 105
志

電力流通における無効電力の価値評価手法に関する検討

橋
土

本
井

拓

郎…… 109淳

地域企業技術者向けテクノクロス講座（電気系）講座の実施分析

大
塚
舘
泉
木
村
新
國
松
岡
新
田
三
谷
佐々木

友
雄
知
広
武
知
桂

彦…… 115
治
彦
幸
敏
父
世
一

位相限定相関法を用いた画像中のマーク位置検出

青
吉

木
澤

宏
昌

之…… 119也

実用装置製作を課した学生実験

永
小

吉
池

清

浩…… 123
之ユビキタス情報化社会の実現に向けた通信技術の一検討－スペクトル拡散を応用した長距離無線通信の研究－

土
滝

居
澤

信
尚

数…… 131
也

城
清
大
大
西
鈴
藤
降
中
新
雜

石
水
貫
塚
村
木
野
矢
村
田
賀

英
昭
繁
友

工
城
雑
高
石
三

藤
石
賀
橋
井
谷

節
英
章
三
宏
知

子…… 141伸浩
男
幸世

九八～九九）……………………………………… 津
半

田
澤

幹

潔……（１）
一「ものづくり基礎工学」における安全教育の推進とビジュアル教材の開発に向けた取り組み

全アルカリ度滴定装置の物質工学科および物質工学専攻学生実験への応用『新撰万葉集』注釈稿（上巻

冬部

伸…… 137
博
雄
彦
亮
塔
二
宏
司
源一郎
武
父
章
浩

Research Reports of Tokyo National College of Technology No. 42 (2)CONTENTSJohn GATES… ……………………Learning a Foreign Language from a Busy Person’s Perspective―Part 1: The Method Chosen for Learning Finnish―… …………………… １
Hajime NAKAZATO

Torsion points on elliptic curves with values in p-adic Lie extensions…

… ９

Takeyoshi ONUMA… ……………Size and orientation dependence on surface recombination
process in GaN crystals…………………………………………………………… 15
Keiichi ASANO… …………………Fostering practical competence through liberal arts: implementing
Kiyoshi TSUDA‘Liberal Arts Seminars’ for the senior students of TNCT…………………… 19
Michiko FUNATO
Toshiyuki AIZAWA
Tsunemi TAKEDA
Masatoshi FURUYA
Yutaka KAWAMURA
Koji KAWAKITA
Sachi YOSHIDA… …………………Collaborative Learning among Foreign and Japanese Students
Tsunemi TAKEDA
in the ‘Cross-cultural Understanding’ Class… ………………………………… 41
Hideki USHIO………………………Physical class to improve the interest of students in physics… …………… 49
Hideki OHNO
Koji KAWAKITA……………………Codes of Ethics for the Teaching Profession…………………………………… 53
Sumio SAITO………………………Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of
Takahiro YAMASHINA
Two Different Thick Blades Used as Wind Turbine Airfoils………………… 63
Sumio SAITO………………………Research on Aerodynamic Characteristics of Thin and Thick Blades
Takahiro YAMASHINA
depending on the Presence or Absence of Streaky Features formedon the Blade Surface during Creation of Wind Turbine Airfoils
with Stereolithography… ………………………………………………………… 77
Akihiro SHIMIZU
Hirosuke SUZUKI

Development of Man-Machine Interface Driven
by Deformation of Cheek… ……………………………………………………… 87

Mitsunari KITAYAMA… …………Research on Identification of Impact Force Using Strain Response………… 91
Jun SHIRAKURA
Tengku Muhammad Idris Al Ariff
Shigeru KUROSAKI
Akira KAKUTA… …………………New Twist for Micromechatronics in Tokyo KOSEN
Susumu TARAO―2nd Report, Fabrication and Mechanical Property
Hirokazu SAITO
of a Micro structure―… ………………………………………………………… 95
Hirotaka TSUTSUMIJyo SHIMURA
Mitsunari KITAYAMA
Noritaka KOSAKA…………………Finite Element Stress Analysis for Single-lap Joints
Jyo SHIMURA
Bonded CFRP and Aluminum Alloy under Tensile Loads…………………… 99
Shigeru KUROSAKI
Hiroyuki NIKKUNI…………………Dependence of Resonance Frequency on Diaphragm Thickness
Masashi OHKAWA
in a Guided-Wave Optical Microphone… ………………………………………105
Takurou HASHIMOTO… …………A Study of Evaluation Method for Reactive Power Pricing
Atsushi DOI
in Power System……………………………………………………………………109
Tomohiko OHTSUKA………………Carrier up Seminar on Electrical Engineering for Regional Engineers
Yuji TATEIZUMI
and its Case Report…………………………………………………………………115
Tomohiko KIMURA
Hiroyuki NIKKUNISatoshi MATSUOKA
Takenori NITTA
Tomoyo MITANI
Keiichi SASAKI
Hiroyuki AOKI… …………………Locating a Target in an Image Based on Phase Only Correlation… ………119
Masaya YOSHIZAWA
Hiroshi NAGAYOSHI… ……………Electronic Engineering Laboratory for Practical Electronic
Kiyoyuki KOIKE
Device Design… ……………………………………………………………………123
Nobukazu DOI… …………………A study of communication technology for realizing a ubiquitous
Naoya TAKIZAWA
information society(Study of long-distance radio communication method applying
spread spectrum)……………………………………………………………………131
Hidenobu SHIROISHI… ……………Implementation of safety education into Fundamental Engineering
Akihiro SHIMIZU
Laboratory and effort for development of visual educational material……137
Shigeo OHNUKI
Tomohiko OHTSUKA
Makoto NISHIMURA
Tohji SUZUKI
Hiroshi FUJINO
Tsukasa FURUYA
Genichiro NAKAMURA
Takenori NITTA
Akihiro SAIGA
Setsuko KUDO… …………………Application of a Total Alkalinity Titrator to Laboratory Work byHidenobu SHIROISHI
Students of Chemical Science and Engineering,
Akihiro SAIGA
and Advanced Engineering… ……………………………………………………141
Mitsuo TAKAHASHI
Hiroyuki ISHII
Tomoyo MITANI－ (18)…
－shu
Kiyoshi TSUDA… …………………The Annotation of the Shinsen-man’yo
Kan’ichi HANZAWA……………………………
（1）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

1

Learning a Foreign Language from a Busy Person’s Perspective―Part 1: Language
The Method Chosen
Finnish―s Perspective
Learning a Foreign
fromforaLearning
Busy Person’
John GATES*―Part 1: The Method Chosen for Learning Finnish―This paper shows that Kosen students learning English and Kosen teachers learning aforeign language share the same problems of lack of time and motivation.

Therefore,
John GATES*

this paper outlines how the method for learning a foreign language proposed by FarberThis paper shows that Kosen students learning English and Kosen teachers learning a foreign
cansharebe applied
to thestudy ofof Finnish.
By andusingmotivation.
this method
to study thisFinnish,languagethe same
problems
lack of time
Therefore,
papertheoutlines
how themethodforlearningaforeignlanguage
proposedbyFarbercanbeapplied
to
the
study
of
author proposes to gain useful knowledge that can be used to improve the teaching of
Finnish. By using this method to study Finnish, the author proposes to gain useful knowledge that
Kosen thestudents.
can be English
used to to
improveteaching of English to Kosen students.
’ s method,(Keywords:
Englisheducation,
Finnish,Farber(Keywords: English education,
Finnish,Farber’s
method,foreignforeignlanguage
languagelearning,learning,Kosen,
Lorayne’s memory method)

Kosen, Lorayne’s memory method)1.

Introduction
There is a common saying in English, “You can’t understand someone until

you’ve walked a mile in their shoes.” This idea is especially true for English teachers
at a national college of technology (Kosen).

Most of the Kosen students are very busy

with their classes and extra-curricular activities and also they are not highly motivatedto learn English because they can see no immediate need to use English.

However,most English teachers have a strong interest in learning English and use it on a daily
basis and therefore cannot fully appreciate the situation of most of the Kosen students.
This must naturally result in less than optimal teaching methods.

Therefore, English

teachers should try to learn a foreign language in an environment similar to that of theKosen students in order to understand the situation of the students better and there byfind an optimal teaching method.

To create this research environment, the author has

decided to study Finnish while teaching English at a Kosen.

This paper will explain

the method chosen for learning Finnish while subsequent papers will document the
progress, observations and experiences of the author.
The paper is organized as follows; the next section will compare thesimilarities between the author learning Finnish and the Kosen student learning English.
The third section will explain the method chosen for learning Finnish, which is based on
the method proposed by Farber [1].

The fourth section will present the evaluation

criteria used to measure the author’s progress in learning Finnish.
will summarize the conclusions and present the future work.

*＊ Department
of of
LiberalArts
Department
LiberalArts(English)(English)

The final section

2

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

2.

Comparison of a Student Learning English and a Teacher Learning Finnish
The two main conditions that create a successful environment for learning alanguage are motivation and time. If a person is not motivated to learn a language they
will not succeed no matter how much time they have. Also, if a person does not havesufficient time to learn a language they will not succeed regardless of how strong theirmotivation is.

However, usually motivation is the largest condition as small amountsof time may be created in a busy schedule for language learning if the motivation tolearn is great enough.
2.1. The Motivation of Kosen Students to Learn English
A small percentage of Kosen students really want to learn English for its value
in communicating with people outside of Japan.

These students may want to learn

English communication skills in order to talk with non-Japanese people.

Or they may

want to be able to read research papers written in English in order to understand thelatest technology in their field.

Also these students may want to be able to give a

presentation in English or write a research paper in English.

In any case, thesestudents will try hard to learn English and will most likely succeed.

On the other hand,a similar percentage of students strongly dislike studying English and have no
motivation to learn.

These students will most likely fail to learn anything in class andwill probably fail the class or just do enough work to pass the course.
In general the majority of the students fall in between these two extremes andthey realize that learning English could have some advantages for their future but do notbelieve it will impact their lives on a daily basis.

Also, the advancement in translation

software, such as Google Language Tools [2], further reduces the motivation forstudents to learn English.

Therefore the greatest motivation for the majority of thestudents is that English is a compulsory subject and if they do not pass their English
classes, they cannot advance to the next grade.

In this case, the students will only

really study English when it is time for a test.

The rest of their time they use only

Japanese.

These students also will not progress very far in learning English unless themethod used to teach them is interesting or they can learn a lot with little effort on theirpart.
2.2. The Motivation of a Kosen English Teacher to Learn Finnish
There is no great motivation for the author to learn Finnish.

Finnish is spoken

by approximately six million people in the world [1] and therefore learning Finnish will
not greatly increase the communication opportunities of the author.

Also, the author

John GATES：Learning a Foreign Language from a Busy Person’s Perspective

does not intend to live in Finland and so would not need to use the language for daily
life. The author’s Kosen does have an exchange program with Helsinki Metropolia
University of Applied Sciences and there is the possibility of visiting Finland or talking
with visiting students from Finland on campus.

However, even in these situations,

English could be used as most Finnish people speak English fluently.
As the author is a native speaker of English and is living in Japan, theenvironments in which English and Japanese were studied are completely different fromthe environment of a Kosen student trying to learn English. Therefore, the greatest
motivation to learn Finnish is to understand how the majority of the Kosen students feel
when learning English and to use this understanding to find an optimal teaching method.
In this case, the level of motivation of an English teacher learning Finnish is a close
approximation to the level of motivation of a Kosen student learning English.
2.3. The Busy Lifestyle of the Kosen Student
Kosen students are busy.
experiment each week.

They have at least fifteen classes and one

The classes, such as engineering and mathematics, are alsohigh level classes that are taught at a very rapid rate. For example, calculus and linear
algebra are taught in the second year at a Kosen, while engineering students who attend
a regular high school and then go to university may not study these subjects until they
have entered university.

In order for the students to advance in this environment theyneed to study very hard.

Also it takes a lot of time to write the lengthy reports for theexperiments.
Most students are also busy with extracurricular activities, such as sports orother clubs. Many students require an hour or more to commute to school each day.
Therefore most Kosen students do not have a lot of free time to devote to studying aforeign language.
2.4. The Busy Lifestyle of a Kosen English Teacher
Kosen teachers are also very busy.

They must teach seven or eight classes

each week. The classes are usually ninety minutes long but most teachers spend aconsiderable amount of time preparing for the classes.

Also, many teachers have tocheck homework or short tests or both each week.
In addition to the classes, Kosen teachers are required to supervise at least one
club, which requires the teacher to attend sporting events or other activities away fromthe Kosen. Kosen teachers also have an official duty to perform at the school, such as
being a homeroom teacher or a vice president, etc.

3

4

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

Also, there are many meetings that the teachers have to attend each week.

In

addition, Kosen teachers are encouraged to perform research and publish papers.

Infact the amount of time the teachers spend in actual teaching is only a small fraction of
the total work required.
It can be seen that most Kosen teachers have little time to study a foreign
language, such as Finnish, just as most Kosen students have little time to seriously study
English.

Also the motivation for studying Finnish is similar to the motivation of thestudents for learning English.

Thus, studying Finnish should create an environment

similar to that of the Kosen student learning English.

This also suggests that themethod chosen for studying Finnish should reflect the needs of increasing motivationand maximizing time.
3.

The Method
The method chosen for learning Finnish is the one proposed by Farber in thebook How to Learn any Language. Quickly, Easily, Inexpensively, Enjoyably and on
your Own [1].

The title indicates this method is quick and enjoyable and therefore

meets the two requirements of time and motivation.

Before describing Farber’s

method in detail, the required materials must be described.
3.1. The Materials for Learning Finnish
Farber emphasizes that grammar is very important for learning a language anda good grammar textbook is required. Therefore two Finnish grammar textbooks werepurchased [3][4]. Second, a dictionary is required, therefore a Finnish to English andEnglish to Finnish dictionary [5] was purchased and another free dictionary was
downloaded from the internet [6].
language is required.

Third, a newspaper or magazine in the target

This was satisfied by choosing an online Finnish newspaper [7].

Fourth, a phrase book [8] was purchased as well as some blank flashcards.
3.2. The Method for Learning Finnish
3.2.1. Begin with Grammar
The first step proposed by Farber is to learn the first five chapters of thegrammar textbook.

This is the most difficult part of learning the language as it is theleast interesting while at the same time it is the most important.

The student should

spend some time and effort trying to understand everything in these grammar lessons.
However, if there are ideas that are difficult to understand they may be skipped andreturned to at a later time.

John GATES：Learning a Foreign Language from a Busy Person’s Perspective

5

Therefore, the first five chapters in both Finnish grammar textbooks will be
studied thoroughly.

While studying these chapters, detailed notes will be taken of theFinnish grammar, the time required and the difficulties encountered in learning thegrammar. Also, any insights for applying similar methods to the teaching of English will
also be recorded.
3.2.2. Read the Newspaper
Once the first five chapters of the grammar textbook have been studied
thoroughly the student should start reading an article from a newspaper or magazine
written in the target language.
every unknown word.

Start with the first paragraph in the article and highlight

It is possible that every word in the paragraph may be unknown.

Next, look up the meaning of each unknown word and write it on a flashcard. Several
flashcards of unknown words will be made from the first paragraph.
should be completely memorized.

These words

Then repeat the process of reading the next

paragraph, highlighting the unknown words, looking up the meaning, and making andstudying flashcards.

Continue this process until the entire article has been read.

After reading the first article from the newspaper, the sixth chapter in the grammar
textbook should be studied.

This process of reading an article from the newspaper andthen reading the next chapter in the grammar textbook should be repeated until theentire grammar textbook has been read.
3.2.3. Studying Flashcards
Making and studying flashcards is the most important part of Farber’s method.
Reading real articles in the target language at this point will result in the student
encountering a lot of unknown vocabulary and grammar structures. So it is necessary
to organize and learn these new words effectively.

Farber suggests that the flashcards

should be studied everyday and any time the student is free, even if it is only for a few
seconds.
In order to remember the words quickly and retain the meaning he recommends
the memory technique proposed by Lorayne [9].

Lorayne’s memory technique is tomake a ridiculous mental picture linking the unknown word to its meaning.

For

example, the Finnish word for ‘cute’ is ‘söpö’ which is pronounced like ‘soupou’ andthis can be approximated as ‘soup.’ So, to remember the meaning of ‘cute’, make amental picture of a big bowl of ‘soup’ being poured on a ‘cute’ girl.

It is important thatthe mental picture actually be seen for a fraction of a second in the mind.
picture should be enough to recall the meaning of the word.

This mental

6

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

Also, Farber recommends learning vocabulary by starting with the English
word and learning the equivalent word in the target language.
usual way students learn a foreign language.

This is opposite to theUsually students try to remember themeaning of the target word in the student’s native language.

The reason for reversing

the order is that the purpose of learning a language is not to understand what the otherperson is saying but to communicate with them by speaking.

This is a more active

way to learn a language.
3.2.4. Read the Phrasebook
Once several articles from the newspaper have been read and several chaptersof the grammar textbook have been studied, the next step is to start learning thephrasebook. This again is reversed from the normal way of learning a language where
the student begins by learning some simple phrases in the language and after several
months or years of study may begin to read real articles written in the target language.
The reason Farber reverses the process is that learning basic and important phrases canbe done much easier and the phrases become more useful after gaining a solid
foundation of grammar and a large vocabulary.
3.3. The Study ScheduleLearning a foreign language takes a lot of time so it is necessary to dedicate
some time each day for studying the language.

However, determining the timerequired to learn a language and how to find this time in a busy person’s daily scheduleis the most critical point of this research. Therefore a diary will be kept each day
consisting of the total amount of study time, the quality of the study and the level ofbusyness for that day.
Arbitrary target times for daily study were chosen as a first step to find themost appropriate study times. On days when a teacher has classes the amount of study
time is reduced and therefore the target study time was set at 30 minutes per day.

On

weekdays when a teacher has no classes there should be more time for study so thetarget study time was set at 60 minutes per day.

On the weekends and holidays when ateacher is at home the target study time was set at 15 minutes per day.

Therefore a

Kosen teacher should be able to study about 210 minutes per week. A Kosen student
takes three 90 minute classes per week, which is equivalent to 270 minutes per week.
Therefore the proposed amount of study time is of the same order as that of Kosen
students.
One of the major principles of Farber’s method is to use “hidden moments.”

John GATES：Learning a Foreign Language from a Busy Person’s Perspective“Hidden moments” means using all free moments to study the language.

7

The size of a“hidden moment” may be as small as five or ten seconds, such as when waiting for anelevator. Farber suggests that the learner should study flashcards during these shortintervals.

Longer “hidden moments” may be obtained by listening to recordings of thetarget language while doing other work.

“Hidden moments” help the learner to findextra study time outside of the proposed target study times.

Also, they help to keep thelearner interested in learning the language.
4.

Evaluation Criteria
In order to evaluate the progress of learning the language and to decide at what

point it can be said that the language has been “learnt,” it is necessary to define somequantitative levels of fluency.

These levels are based on the four principle language

skills of reading, listening, speaking and writing.

The levels were arbitrarily chosen

and are much lower that those of a native speaker.

However, if these levels are

obtained then the learner will be at a sufficiently advanced level that it would be easy toincrease the level of fluency, if necessary.
Since reading is the fastest way to gain fluency in a foreign language most of
the learning activities proposed by Farber are based on reading.
level must be very advanced.

Therefore the reading

The arbitrary level for reading ability is to be able toread a 200 word article from a Finnish online newspaper in 5 minutes with at least 70%
comprehension. The target of 200 words refers to the number of words in the article
after it has been translated into English using Google translation software [2].

It isnecessary to use the number of words after the article has been translated into English toprovide a constant basis of comparison, because there is not a one-to-one
correspondence of words in different languages.

In order to measure thecomprehension level, the ratio of known words to unknown words will be calculated.
Also a qualitative estimate of the overall comprehension will be used.
doubtful that 200 words can be read in 5 minutes.

At first, it is

Therefore until the reading speed

has advanced to a sufficient level, the time taken to read the article will be used as ameasure of reading comprehension.
For listening, the fluency level will be a qualitative estimate of more than 50%
comprehension when listening to a Finnish newscast on the internet. For speaking, thefluency level will be speaking about general topics with a native speaker for 30 minutes
in Finnish with about 70% comprehension. For writing, the fluency level will be
writing a letter or email in Finnish containing relatively few grammatical and spelling
errors. The length of the letter should be equivalent to 200 English words and it

8

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

should be completed within 20 minutes.
5.

Conclusion and Future Work
This paper has compared the similar problems of lack of time and motivationthat are faced by a Kosen student learning English and a Kosen teacher learning aforeign language.

Then the language learning method proposed by Farber waspresented and adapted to the study of Finnish. This method can be summarized aslearning the basic grammatical points of the language and then reading articles written
in the language to learn new vocabulary.

This vocabulary is then memorized using thememorization techniques proposed by Lorayne.

This paper also proposes minimum

levels of fluency for the four basic skills of reading, listening, speaking and writing.
For future work, a Kosen teacher will study Finnish using the proposed method
until the proposed fluency levels have been acquired.

While studying, a detailed

record will be kept of the total amount of time used, the quality of that study time, any
problems encountered and how they were overcome and also any insights into how abusy person can learn a new language effectively.

By analyzing this data, new ideas

should be generated that can be used to improve Kosen English education.
References[1] B. Farber, How to Learn any Language. Quickly, Easily, Inexpensively, Enjoyably
and on your Own. Citadel Press, New York, NY, 1991.
[2] http://www.google.com/language_tools?hl=en[3] T. Leney, Teach Yourself Finnish Complete Course Package (Book + 2CDs).
McGraw-Hill, Blacklick, OH, 2004.
[4] F. Karlsson, Finnish: An Essential Grammar (Essential Grammars). Second Edition.
Routledge, New York, NY, 2009.
[5] V. Kataja, Finnish Dictionary & Phrasebook. Hippocrene Books, Inc., New York,NY, 2010.
[6] http://www.freelang.net[7] http://www.hs.fi/[8] A. Flint, Say It in Finnish (Dover Say It Series). Dover Publications Inc, Mineola,NY, 1983.
[9] H. Lorayne, How to Develop a Super-Power Memory. Signet Non-fiction, New York,NY, 1985.
（Received Dec. 15, 2010）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

9Torsionpointson elliptic
curves curves
with values
in p-adic
Lie
Torsionpointson elliptic
withvaluesextensions

in p-adic Lie extensions

Hajime Nakazato 1

Hajime NAKAZATO*

Abstractof the Mordell-Weil
We consider
the torsion
We consider
the torsion
part E(Lpart)tors ofE(L)the tors
Mordell-Weilgroup E(L) ofgroupan elliptic
E(L)
of
an
elliptic
curve
E/F
definedoverFwithvaluesina
L/F. If E
curve E/F defined over F with values in a compact p-adic Lie extension compact
p-adicLieextension
L/F
.
If
E
has
no
complexmultiplication,
has no complex multiplication, then there exists a finite set S of primes such thatthen therepartexistssetℓS of
E(L){aℓfinite
the ℓ-primary} = 0 forS. primes such that the ℓ-primary part
E(L){ℓ} =0 forcurve,ℓ ̸∈ S.p-adic Lie extension, torsion point)(Keywords:
elliptic

Keywords: elliptic curve, p-adic Lie extension, torsion point
1. Introduction
Let E/F be an elliptic curve over a number field F . We assume that E
has no complex multiplication over any finite extension of F .
Let p be a prime. We say that L/F is a p-adic Lie extension if L/F is
Galois and it is such that Gal(L/F ) is topologically isomorphic to a compact
p-adic Lie group G. From now on, we assume that L/F is a p-adic Lie
extension and G = Gal(L/F ).
Let E(L) be the Mordell-Weil group of E with values in L. Using thenotations of [7], for a positive integer m and a point P on E(L), we let[m]P = P + · · · + P (m terms).
Let E(L)tors be the subgroup of torsion points on E(L):E(L)tors = {P |P ∈ E(L), ∃m ∈ Z such that m > 0 and [m]P = 0}.
For a prime ℓ, E(L){ℓ} denotes the ℓ-primary part of the torsion subgroup
E(L)tors :E(L){ℓ} = {P |P ∈ E(L), ∃n ∈ Z such that n > 0 and [ℓn ]P = 0}.
We define the non-p-primary part E(L){non-p} of E(L)tors by⊕
E(L){ℓ}.
E(L){non-p} =ℓ̸=pTherefore we have E(L)tors = E(L){p} ⊕ E(L){non-p}.
As for the ℓ-primary part E(L){ℓ}, Mazur[1] obtained the following:＊ Department of Liberal Arts (Mathematics)

10

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

Theorem (Mazur). If ℓ ̸= p, then E(L){ℓ} is a finite group.
In this paper, we will obtain the following:
Theorem 1. There exists a finite set S of primes such that E(L){ℓ} = 0 foreach ℓ ̸∈ S.
Therefore E(L){ℓ} = 0 for almost all ℓ. We will describe the finite exceptional set S of primes, by the data of E, F, L and p. Using Mazur’s Theorem
and Theorem 1, we obtain the following:
Corollary 2. The non-p-part E(L){non-p} is a finite group.
On the other hand, Zerbes[8] obtained the following:
Theorem (Zerbes). If E(L){p} ̸= Ep∞ , then E(L){p} is a finite group.
Hence, by Corollary 2, we get the following corollary about the structure of
E(L)tors .
Corollary 3. (i) E(L){p} is finite ⇐⇒ E(L)tors is finite,(ii) E(L){p} is infinite ⇐⇒ E(L)tors is infinite ⇐⇒ F (Ep∞ ) ⊂ L.
In our previous paper [3], we obtained a similar theorem for the case of
G = GL2 (Zp ). Hence Theorem 1 in this paper is a generalization of the oldtheorem by another method.
Notation. Let Z be the integer ring. For a prime p, Zp denotes the p-adic
integer ring, Qp denotes the field of fractions of Zp and Fp denotes the field
Z/pZ. For a number field F , F̄ denotes an algebraic closure of F . For apositive integer m, Em denotes the kernel of multiplication by [m] on E(F̄ ).
2. Preliminary
We use the following definitions of Serre[5], IV-25. For a profinite group
G and a simple group H, we say that H occurs in G if there exists closed
subgroups G1 , G2 of G such that G1 is normal in G2 and G2 /G1 is isomorphic
to H. We denote by Occ(G) the set of classes of finite non abelian groups
occurring in G.
Our definition of standard subgroups follows Serre[4], part II, ch. IV, 8.
Let U be a p-adic Lie group of dimension d, and let X, Y denote sets ofd variables (X1 , . . . , Xd ) and (Y1 , . . . , Yd ), respectively. We say that U is a

NAKAZATO：Torsion points on elliptic curves with values in p-adic Lie extensions

standard group if it is topologically isomorphic to the set {(g1 , . . . , gd ) : gi ∈pZp } with group operation given by a formal group law F (X, Y ) ∈ Zp [[X, Y ]].
We recall the following facts about standard groups from [4].
Lemma 4 ([4], part II, ch. IV, 8). Every p-adic Lie group G has an open
subgroup U which is a standard group.
Lemma 5 ([4], part II, ch. IV, 9, Cor. 2 of Thm. 2). If p-adic Lie group U is
standard, U is a projective limit of finite p-groups {Uα } and each morphism
U → Uα is surjective.
Recall the following two facts from [5], IV-25.
Fact A. If a profinite group G is an extension of profinite groups G′ and G′′
i.e. 1 → G′ → G → G′′ → 1 is exact, then
Occ(G) = Occ(G′ ) ∪ Occ(G′′ ).
Fact B. If a profinite group G is a projective limit of {Gα } :G = lim Gα←−and each morphism G → Gα is surjective, then∪
Occ(Gα ).
Occ(G) =α

Using the above facts we get the following:
Lemma 6. If U is a standard group, then Occ(U ) = ϕ.
Proof. As a finite p-group G is solvable. Using Fact A repeatedly, we have
Occ(G) = ϕ for every finite p-group G.
By Lemma 5, U is a projective limit of finite p-groups {Uα } and eachmorphism U → Uα is surjective. Using Fact B and the fact that Uα is a finite
p-group, we have∪∪
Occ(Uα ) =ϕ = ϕ.
Occ(U ) =αα

Lemma 7. If G is a compact p-adic Lie group, then Occ(G) is a finite set.

11

12

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

Proof. Since G is a compact p-adic Lie group. By Lemma 4, there exists anopen normal standard subgroup U of G. Using Fact A and Lemma 6, wehave
Occ(G) = Occ(G/U ) ∪ Occ(U ) = Occ(G/U ).
As G/U is a finite group. The set Occ(G) is finite.
3. Proof of Theorem 1
We define the Serre set of E/F to be
S(E/F ) = {ℓ| ℓ is a prime such that Gal(F (Eℓ )/F )  GL2 (Fℓ )}.
For we assume that E has no complex multiplication. By the celebrated
theorem due to Serre[6], the Serre set S(E/F ) is finite.
The following lemma is well-known:
Lemma 8. If ℓ is a prime such that ℓ ≥ 5, then PSL2 (Fℓ ) is a non abeliansimple group.
Using this lemma, we define a set S of primes by
S = S(E/F ) ∪ {p, 2, 3} ∪ {ℓ| ℓ is a prime such that PSL2 (Fℓ ) ∈ Occ(G)}.
By Lemma 7, S is a finite set. By the definition of S, if a prime ℓ is not contained in S, then (i) Gal(F (Eℓ )/F ) ∼= GL2 (Fℓ ) and (ii) PSL2 (Fℓ ) ̸∈ Occ(G).
Lemma 9. For a prime ℓ, if ℓ ̸∈ S, then E(L)ℓ = 0.
Proof. We assume that ℓ ̸∈ S. If E(L)ℓ ̸= 0, then there exists a non-zeropoint z ∈ E(L)ℓ . We define an Fℓ vector subspace of E(L)ℓ by
V = Fℓ [Gal(F̄ /F )]z ⊂ E(L)ℓ .
As z ̸= 0, dimFℓ (V ) = 1 or 2.
Case 1: dimFℓ (V ) = 1.
The Fℓ vector subspace V ⊂ Eℓ is Gal(F̄ /F )-stable. Considering therepresentation ρ¯ℓ defined by the action Gal(F̄ /F ) on Eℓ ;ρ¯ℓ : Gal(F̄ /F ) −→ Aut(Eℓ ) ∼= GL2 (Fℓ ),we see that the image of Gal(F (Eℓ )/F ) is contained in a certain Borel subgroup of GL2 (Fℓ ). This fact contradicts (i) Gal(F (Eℓ )/F ) ∼= GL2 (Fℓ ).

p-adic Lie
NAKAZATO：Torsion
NAKAZATO：Torsion points
points onon elliptic
elliptic curves
curves with
with values
values inin p-adic
Lie extensions
extensions

13
13

Case 2: dimFℓ (V ) = 2.
Since dimFℓ (Eℓ ) = 2. We have Eℓ = V . As Eℓ = V ⊂ E(L)ℓ , we have
F (Eℓ ) ⊂ L. Thus there exists a surjective homomorphism
φ : G = Gal(L/F )  Gal(F (Eℓ )/F ) ∼= GL2 (Fℓ ).
Hence, by Fact A, we have
Occ(G) ⊃ Occ(GL2 (Fℓ )) ∋ PSL2 (Fℓ ).
This contradicts (ii) PSL2 (Fℓ ) ̸∈ Occ(G).
Therefore we have E(L)ℓ = 0.
As E(L)ℓ = 0 ⇐⇒ E(L){ℓ} = 0, Lemma 9 implies Theorem 1.
References[1] B. Mazur: Rational Points of Abelian Varieties with Values in Towers of
Number Fields. Invent. Math., 18, 183–266 (1972) .
[2] H. Nakazato: Torsion Points on Elliptic Curves without Complex Multiplication. Research Reports of Tokyo National College of Technology, No.33(1),23–27 (2001) .
[3] H. Nakazato: Torsion Points on Elliptic Curves without Complex Multiplication II. Research Reports of Tokyo National College of Technology,
No.38(1), 1–5 (2006) .
[4] J. P. Serre: Lie Algebras and Lie Groups. Benjamin, 1965.
[5] J. P. Serre: Abelian ℓ-Adic Representations and Elliptic Curves. Benjamin, 1968.
[6] J. P. Serre: Propriétés galoisiennes des points d’ordre fini des courbes
elliptiquies. Invent. Math., 15, 259–331 (1972).
[7] J. H. Silberman: The Arithmetic of Elliptic Curves. Graduate Texts in
Math., Vol. 106, Springer-Verlag, Berlin and New York, 1986.
[8] S. L. Zerbes: Selmer groups over p-adic Lie Extensions I. preprints April
27, 2004 .

Received Dec. 17, 2010.

（Received Dec. 17, 2010）

東京工業高等専門学校研究報告書 第 42（2）号，2010

第 42（2）号，2011 GaN 結晶における表面再結合過程
サイズ・面方位の異なる

東京工業高等専門学校研究報告書

15

尾沼猛儀 *

サイズ・面方位の異なる
GaN 結晶における表面再結合過程
Size and orientation dependence on surface recombination process in GaN crystals

Takeyoshi
ONUMA
尾 沼
猛 儀**

Size and orientation dependence on surface recombination process in GaN crystals

Influences of the surface recombination on the emission properties of the freestanding GaN with

ONUMA
photoluminescencedifferent polarity (+c and c orientations) and forms were investigated. The time-resolvedTakeyoshi
measurements
thesurface
GaN pieces
fabricated by
the substrateindicated
the increaseGaN
in
Influences offor
therecombination
on cleaving
the emission
propertiesof thethat
freestanding
surface/volume
leadedthe －increasein the surface
rate even at low
temperature.
The
c and
c orientations)withdifferent ratio
polarity(+toand recombination
forms were investigated.
Thetime-resolved
photoluminescencemeasurements
for
the
GaN
piecesfabricatedbycleaving
thesubstrate
indicated
excitation power density dependent photoluminescence measurements on as-received and bufferedthat the increase in surface/volume ratio leaded to the increase in the surface recombination rate
GaN surfaces
indicated
thatdependent
the surfacephotoluminescenceband bending was closely
related tohydrofluoric
acid treated c-planeeven
at low temperature.
The excitation
power
densitymeasurements
theas-received
surface recombination
processes.
onand bufferedhydrofluoric acid treated c-plane GaN surfaces indicated that the surface
band
bendingwasclosely
relatedto thephotoluminescence,
surface recombination
processes.
(Keywords: GaN, surface recombination,
time-resolved
photoluminescence)(Keywords: GaN, surface recombination, photoluminescence, time-resolved photoluminescence)
1. はじめに行う必要がある。また、(2)、(3)では、表面/体積（S/V）(Al,In,Ga)N 窒化物半導体は、バンドギャップエネル

比増加により表面再結合過程の影響が無視できない。

ギーを 6.01 eV（AlN）から 0.65 eV（InN）まで変化さ

しかし、表面状態に関しては、理論的研究の報告[10]せることができるため、遠紫外線から通信波長領域まはあるものの、実験的研究の報告は少なく、表面準位での波長の発光・受光素子へ応用が期待出来る[1,2]。

のエネルギー位置や密度など基本的なパラメーターす

しかし、発光効率が極めて高い波長は 400～520 nm 程ら明らかになっていない。

度に限られており、それよりも短波長域では AlGaN 材

以上のような背景から、本研究では、フォトルミネ

料の低転位化が困難なこと、それよりも長波長（可視）

センス（PL）法と時間分解フォトルミネセンス（TRPL）

域では、低温成長に伴う InGaN 材料の結晶性の劣化に法を用い分極の有無、S/V 比の変化が表面再結合過程

加えてウルツ鉱構造の c 軸方向に発生する分極の増大に与える影響を調査した。

によって歪量子井戸に分極電場（Fpol）[3-5]が発生し、電子と正孔の波動関数が分離されて発光遷移確率が低下してしまう（量子閉じ込めシュタルク効果）点が問(1) 非（半）極性面(2) ナノコラム・ナノピラー

題とされてきた。
一般に発光素子の外部量子効率（external）は、内部量
子効率（nt）、注入効率（inj）、光取り出し効率（extract）(1010)(1011)の積により表される。結晶そのものの品質改善は必須であるが、図 1 に示すように効率改善に向けた様々なアプローチが試みられている。例えば、(1)a、m 面など

external = int  inj  extractの非極性面や半極性面へ素子を作成し、Fpol を抑制してint 向上を試みる手法[6]。(2)ナノコラム、ナノピラーなどナノ構造を利用する手法[7]。ナノコラムには転位が含まれないためint 向上が期待できる他、幾何学配置か(3) フォトニック構造(4) 表面プラズモン
Eらextract 向上も期待できる。(3)ナノホールなどのフォトニック構造によるextract の向上[8]、(4) 表面プラズモン
によるint の向上[9]等が挙げられる。
近年、自立 GaN 基板の高品位化により、非・半極性
面素子のexternal は c 面素子のそれに迫る勢いである[6]が、さらに凌駕するためには、面方位依存性を考慮した表面再結合過程の影響等を詳細に検討し素子設計を* 一般教育科＊一般教育科k
図 1 窒化物半導体発光素子の発光効率改善に向けた様々なアプローチ

16

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 42（2）号）

た、3.35 と 3.26 eV 付近にはこれらのピークの光学フ

2. 実験

2

測定に用いた試料は、ハライド気相成長法で作製しォノン（LO）レプリカが観測された。ただし、観測した厚さ約 450 µm の c 面自立 GaN 基板である。同基板

たエネルギー間隔（56~90 meV）は GaN の LO フォノ

は、FIELO（facet-initiated epitaxial lateral overgrowth）法

ンエネルギー（A1（LO）モードは 92 meV、 E1（LO）[11]と呼ばれる横方向成長法を用い作製されており、転モードは 93 meV[15]）と一致していないため、他の発

7

17

2

3

位密度が 10 cm 以下、残留電子密度が 310 cm ま

光起源の奇与も考えられる。これらに対し、結晶粒でで低減されており光学的に優れた特性を示す[12,13]。

は 3.358 eV にバンド端発光ピークが観測され、3.4 eV

また、同基板を劈開し結晶粒（pieces）を作製した。結付近の発光は高エネルギー側の肩として現れた。また、晶粒の大きさは直径 0.1～1 m 程度で、沈降法[14]を用3.09と3.00 eVには起源の不明な発光ピークが観測され

いて Si 基板上に堆積させた。

ており、基板の劈開時に不純物や欠陥が形成されたこ

PL 測定では、励起光源に He-Cd レーザー（波長 325とを示唆している。

2nm、励起パワー密度 P=3.2~32 W•cm ）、またはチタ
再結合過程を比較するため、各試料の 4 K と 300 K

ンサファイアレーザーの第 2 高調波（波長 355 nm、平2均励起パワー密度 P=70 W•cm ）を用いた。PL は、分における TRPL 信号を図 3 にまとめる。+c（c）表面

光器で分光し、光電子増倍管を用いて位相検波した。

の TRPL 信号は二成分指数関数型の減衰特性を示し、4

TRPL 測定では、励起光源に繰り返し周波数 80 MHz、

K と 300 K での PL 寿命（PL）はそれぞれ 1.5（0.98）

パルス幅約10ピコ秒のチタンサファイアレーザーの第と 0.55（0.91）ns であった。これに対し、結晶粒の TRPL

2 高調波（波長 355 nm、1 パルスあたりの励起エネル

信号はストレッチ指数関数型の減衰特性を示し、4Kと2

ギー密度 P=0.88 J •cm ）を用いた。測定は 4 K と 300

300 K でのPL はそれぞれ 0.20 と 0.12 ns であった。たK で行った。TRPL 信号は時間分解能 0.12 ns の時間相だし、300 K でのPL=0.12 ns はシステムの時間分解能と関単一光子計数システム[13]を用い観測した。

同じであったため、実際はこれよりも短いと考えられる。以上のように、c 面基板には極性方向による差は見られなかったが、結晶粒になると低温、室温共にPL の

3. 結果と考察減少が観られた。一般に、非輻射再結合過程は低温で分極軸となる[5]。分極方向により c 面には、+c（Ga）

凍結されるため、4 K では輻射再結合寿命（r）が、300

極性、c（N）極性と呼ばれる 2 つの表面が表れる。図

K では非輻射再結合寿命（nr）が支配的となる。従っ2 に示すように、+c（c）表面で測定した 300 K におけて 300 K でのnr の減少は、劈開による非輻射性欠陥のる PL スペクトルには、3.406 eV （3.401 eV）に半値全形成を示していた。一方、4 K でのPL の減少は、単純

幅 65 meV（67 meV）のバンド端発光が観測された。まにr の減少では説明できず、S/V 比増加による表面再結

WAVELENGTH (nm)300K

3.26eV
3.35eV
3.406eV
3.401eV400

3.358eV

Ga-polar (+c)
surface

3.09eV

N-polar (-c)
surface500

3.00eVPL INTENSITY (arb. units)600

PL INTENSITY (arb. units)

窒化物半導体は c 軸方向に反転対称性がなく同軸がpiecesHe-Cd (325.0nm, 32W cm-2)

2.0

2.5

3.0

3.5

(a)

(b)

PHOTON ENERGY (eV)

TIME (ns)

図 2 c 面自立 GaN 基板の Ga（+c）と N 極性（c）表

図3面及び同基板を劈開した結晶粒（pieces）の 300 K の PL

c 面自立 GaN 基板の Ga（+c）と N 極性（c）
表面及び結晶粒（pieces）の TRPL 信号

スペクトル。×印はレーザープラズマの散乱光を示す。

2

尾沼：サイズ・面方位の異なる GaN 結晶における表面再結合過程

17

尾沼：サイズ・面方位の異なる GaN 結晶における表面再結合過程(a)Ga-polar (+c)
surface

図4

Bold: as-received
Thin: BHF treated
P=32W cm-2
10

3.2

300K
2.0

WAVELENGTH (nm)
600
500
400
PL INTENSITY (arb. units)

PL INTENSITY (arb. units)

WAVELENGTH (nm)
600
500
400

2.5
3.0
PHOTON ENERGY (eV)(b)

He-Cd 325.0nm

N-polar (-c)
surface

10

3.2

300K
2.0

3.5

P=32W cm-2

2.5
3.0
PHOTON ENERGY (eV)3.5

c 面自立 GaN 基板の（a）Ga（+c）と（b）N 極性（c）表面における BHF 処理前後の 300 K の PL スペクトルの比較。励起パワー密度 P は 3.2~32 W•cm2 で変化させた。太い線は BHF 処理前、細い線は処理後のスペクトルを示す。
合割合の増加が低温でも無視できないことを示してい項は、それぞれバルク領域での非輻射、輻射再結合レる。今回、劈開のみで、特別な表面プロセスを施すこートを表す。このレート方程式からPL はとなく表面再結合過程の存在を示唆する結果が得られたことは大きな収穫であった。今後は、沈降法[14]によ1るサイズ選択を行い表面再結合速度を定量化する予定

 PL



1



 nr

1

r



1

(2)

 nr ,surfである。
発光効率は
次に、c 面基板に BHF（buffered hydrofluoric acid）処
理を施し、処理前後の 300 K での PL 強度を比較した。



図4 に示すように①処理無しでは+c 表面の方がc 表面

1 r
1  nr  1  r  1  nr ,surf(3)

よりも 2～5 倍強度が大きかった。②BHF 処理後には+c 表面では PL 強度の減少、c 表面では PL 強度の増で表される。

加が観測された。結果①、②を図 5 に示す再結合モデ

一般に、n 型半導体表面では、深いアクセプタ型の欠ルと以下に示すレート方程式を用い考察する。表面再陥や酸素の吸着などにより表面でバンドが上に曲がる。

結合過程を加味すると光励起された電子のレート方程

このため、光励起されたキャリアのうち電子は表面か

式は下式で表される[8]。

ら結晶内部（バルク）へと拡散し、少数キャリアである正孔は表面へと拡散し表面状態に捕獲される。表面

dn
n
n
n
G
 
dt
 nr  r  nr , surf

状態には障壁を越えて捕獲されていたバルク電子が存(1)

在するため、これと拡散した正孔が表面再結合すると考えられている[16]。従って、輻射再結合はバルク領域

ここで、n、G、nr,surf はそれぞれ電子密度、生成レート、でしか起きない。これに対し、窒化物半導体では c 軸

表面再結合寿命を表す。尚、 同方程式は n を p とする方向に発生する自発分極により、+c 表面ではバンドがことにより正孔にも適用できる。(1)式の右辺第 2、第 3

上に曲がり、c 表面では n 型であっても下に曲がるEC
natural oxidation layer

(a)

EV

[0001]

Fspon

(b)

n

G

nr,surf

nrdefectrsurfacestatesEC

BHF[0001]

G

nr,surf

nr,surf

EV

p

Fspon

defectrnr

図 5 BHF 処理（a）前（b）後の c 面自立 GaN 基板の+c（c）表面における再結合モデル

3

18

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 42（2）号）

4[17]ために、より多くのバルク電子がc 表面に捕獲さ

S. Fleischer, S. Keller, J. Speck, J. Bowers, E. Hu, U.

れる。また、c 表面では Ga の未結合手が+c 表面のよMishra, L. Coldren, S. DenBaars, K. Wada, T. Sota,

りも 3 倍多いため、結晶成長時に不純物の取り込みがand S. Nakamura, Mater. Sci. Eng. B 59, 298 (1999); S.

多く[18]、表面状態を形成しやすい。これらの結果、

F. Chichibu, A. Uedono, T. Onuma, B. A. Haskell, A.

BHF 処理前の PL 強度の差（結果①）が現れたと考え

Chakraborty, T, Koyama, P. T. Fini, S. Keller, S. P.

られる。BHF 処理後は、表面状態が活性化されると同

DenBaars, J. S. Speck, U. K. Mishra, S. Nakamura, S.

時に Fpol が増強される。その結果、+c 表面では正孔はYamaguchi, S. Kamiyama, H. Amano, I. Akasaki, J.

表面側に拡散するが、c 表面ではポテンシャル障壁に

Han, and T. Sota, Nat. Mater. 5, 810 (2006); Philos.

より表面への正孔の拡散が妨げられ、BHF 処理前後のMag. 87, 2019 (2007).

PL 強度の変化の差（結果②）が現れたと考えられる。

[4] T. Takeuchi, S. Sota, M. Katsuragawa, M. Komori, H.

すなわち、c 表面への正孔の拡散の抑制が、BHF 処理

Takeuchi, H. Amano, and I. Akasaki, Jpn. J. Appl.

後の PL 強度の増加に奇与していると考えられる。以前

Phys., Part 2 36, L382 (1997).
[5] F. Bernardini and V. Fiorentini, Phys. Rev. B 57, R9427の実験報告[16]によると、光励起により生成されたキャ(1998).

リアよるバンドベンディングの減少量は高々0.1 eV 程

[6] J. S. Speck and S. F. Chichibu, MRS Bull. 34, 304

度であったため、上記の考察は妥当と考えられる。今(2009), and references therein.

後は、このモデルをさらに定量化するため、BHF 処理[7] H. Sekiguchi, K. Kishino, and A. Kikuchi, Appl. Phys.

前後の試料の TRPL 測定を行い比較する予定である。

Express 1, 124002 (2008).
[8] H. Kitagawa, T. Suto, M. Fujita, Y. Tanaka, T. Asano,

4. まとめ
分極の有無、S/V 比の変化が表面再結合過程に与えand S. Noda, Appl. Phys. Express 1, 032004 (2008).

る影響を調査するため、c 面自立 GaN 基板と、同基板の存在を示唆する結果が得られた。BHF 処理前後の c[9] K. Okamoto, I. Niki, A. Shvartser, Y. Narukawa, T.
Mukai, and A. Scherer, Nature Materials 3, 601(2004).
[10] For example, see J. E. Northrup and J. Neugebauer,
Phys. Rev. B 53, R10477 (1996).

面基板の PL 強度の比較から再結合モデルを構築した。

[11] A. Usui, H. Sunakawa, A. Sakai, and A. A. Yamaguchi,を劈開し作製した結晶粒に対しPLとTRPL測定を行った。その結果、今回は、劈開のみで、特別な表面プロセスを施すことなくGaN 表面における表面再結合過程

Jpn. J. Appl. Phys., Part 2 36, L899 (1997).

今後は、同モデルの定量化を進める予定である。

[12] A. A. Yamaguchi, Y. Mochizuki, H. Sunakawa, and A.
Usui, J. Appl. Phys. 83, 4542 (1998).

謝辞[13] A. A. Yamaguchi, M. Mochizuki, and M. Mizuta, Jpn. J.

本研究に際し、試料やフォトルミネセンス装置を提Appl. Phys., Part 1 39, 2402 (2000).

供頂いた工学院大学 本田徹教授、ならびに実験に協力いただいた工学院大学 坂井直之君、奥畠隆嗣君に感謝[14] M. Akiyama, S. Egawa, K. Matsukawa, T. Honda, and申し上げる。時間分解フォトルミネセンス装置を提供

H. Kawanishi, J. Vac. Sci. Technol. B 22, 2201 (2004).

頂いた金沢工業大学 山口敦史教授に感謝申し上げる。

[15] T. Azuhata, T. Sota, K. Suzuki, and S. Nakamura, J.
Phys.: Condens. Matter 7, L129 (1995).

本研究の一部は、科研費若手研究（B）（#21760227）[16] S. A. Chevtchenko, M. A. Reshchikov, Q. Fan, X. Ni, Y.

及び平成 22 年度東京高専・重点配分経費の援助を受け

T. Moon, A. A. Baski, and H. Morkoç, J. Appl. Phys.

た。

101, 113709 (2007).
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（平成
月 6日
日 受理）
受理）
（平成 2323 年
年 1月[3] S. Chichibu, T. Azuhata, T. Sota, and S. Nakamura, Appl.
Phys. Lett. 69, 4188 (1996); S. Chichibu, A. Abare, M.
Mack, M. Minsky, T. Deguchi, D. Cohen, P. Kozodoy,

4東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，201119

実践的能力としての教養―東京高専高学年用「教養ゼミ」の導入に向けて―
実践的能力としての教養―東京高専高学年用「教養ゼミ」の導入に向けて―
浅野敬一、津田潔、舩戸美智子、相澤俊行、
竹田恒美、古屋正俊、河村豊、川北晃司
浅野敬一 *，津田 潔 *，舩戸美智子 *，相澤俊行 *，*，古屋正俊*，河村
豊 *，川北晃司*
Fostering practical competence through Liberal竹田恒美
arts: implementing‘LiberalArts Seminars’forthe senior students of TNCT
Fostering practical competence through liberal arts: implementing‘LiberalArts
Seminars’
the senior
students
of TNCT
KeiichiASANO,
KyoshiTSUDA,forMichiko
FUNATO,
Toshiyuki
AIZAWA,
Tsunemi TAKEDA, Masatoshi FURUYA, Yutaka KAWAMURA, Koji KAWAKITA
Keiichi ASANO, Kiyoshi TSUDA, Michiko FUNATO, Toshiyuki AIZAWA,
This paper
aims toTAKEDA
report ,onthe project
designedfor improving
the quality
theMasatoshi
FURUYA, Yutaka
KAWAMURA, Koji KofAWAKITATsunemiLiberal Arts Seminars by the teachers of the Department of Liberal Arts at Tokyo National
CollegeTechnology(TNCT).
2008 “theprojectfor
team
for reinforcing
liberalofarts
This
paperofaims
to reporton the In
project
designed
improvingthe quality
theeducation”
Liberal Arts
SeminarsbytheteachersoftheDepartmentofLiberal
Arts
at
Tokyo
National
Collegeof
was formed. In 2009, intensive discussion was held in order to examine what kind ofTechnology
liberal(TNCT).
In
2008
“the
project
teamforreinforcing
liberalarts
education”
wasformed.
In 2009,
arts education was required to nurture ‘top engineers’ at TNCT and the teachers of English
intensive
discussion
was
held
in
order
to
examine
what
kind
of
liberalarts
educationwas
required
were invited to join the project. Each member of the project team worked on their own classes tonurture‘top engineers’at TNCT and the teachers of English were invited to join the project. Eachto improve the quality of teaching liberal arts. In this paper, we propose the goal of liberal arts
member of the project team worked on their own classes to improve the quality of teaching liberal
educationthat we
we propose
came up thewithgoalthroughthe discussion
and reporton thepracticeof teachingarts. In
this paper,of liberalarts educationthat wecame
up withthrough theliberalandartsreportthat wein oftheteaching
previousliberal
year. arts
Lastly,the revised
outline ofyear.
discussion
on conducted
the practicethatwewepresent
conducted
in the previous‘LiberalArts Seminars’
for theyearofof2011. Arts Seminars’for the year of 2011.
Lastly,we present
the revised
outline‘Liberal

はじめに
本稿の目的は、東京高専一般教育科教員による「教養力強化プロジェクトチーム」の研究及び授業改善への取り組みを報告することである。
高専教育における一般科目の位置づけとしては、一つには高等学校と同程度の内容を修め、かつ専
門科目履修のための基礎学力を養成することにある。一方で、高専は早くから、一般科目から専門科目への移行を段階的に進めるいわゆる「くさび型教育」を採用し、数こそ少ないが、高学年でも一般科目が配置されている。
ところが、専門科目にとっての「くさび型教育」
が専門教育の早期開始という明確な利点を認識できる一方で、学年とともに配当科目・単位が減少する一般科目については、高学年科目の位置づけは必ずしも明確ではなかった。たしかに、高専本科 4・5 年生に大学学部 1・2 年相当の教養を備えるべきとの説明も可能ではある。しかし、高専 5
年生は最高学年として卒業研究等に取り組む学生＊一般教育科たちである。大学 1・2 年と高専 4・5 年を単純に同一視すべきではない。また、これから社会に羽ばたく学生にとっての教養や教養教育とは何か、
この点も明確に定義すべきであろう。
そこで、東京高専では、2008 年に当時の一般教
科人文社会系の教員を中心とする「教養力強化プ
ロジェクト」を発足、2009 年には英語系の教員を加えながら、第一に本校の教育が目標とする「トップ・エンジニア」に必要な教養と教養教育についての研究、第二にそれの実践としての授業改善に取り組んできた。本稿では、このプロジェクト
が考える教養教育の目標を提示した後、これを達成する授業改善等の実践を報告する。
I.

高専の教養教育本プロジェクトは、2008 年の発足以来、狭義の授業改善にとどまらず、教養の概念そのものについても議論を深めてきた。結果、教養の内容を多義的に理解すべきこと、時代による内容の変化を

20

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

伴いながらも常に教養が必要とされることを確認してきた1。
同時に、われわれは、教養教育の内容は、「教養」のすそ野の広さに比して、かなり限定的にならざ
るを得ないことも確認した。教養教育は、とくに実践的な技術者教育を使命とする高専においては、必然的に授業時間等の教育資源の制約に直面する。
もちろん、教育資源の確保は重要である。
しかし、高専の過密な教育課程を勘案すれば、とりわけ授業時間の捻出はきわめて困難である。よって、高専における教養教育の目標は、職業人や技術者が必要とする能力という観点から、教養をある種の「実学」としても考える必要があるだろう。
また、教育の手段としては、「くさび型教育」の利点である教養教育と専門教育の連携に活路を見出すことができる。教養教育と専門教育との間での問いか
けは、専門教育を受ける学生の視野を広げるだけ
でなく、専門教育（工学教育）を受けたゆえの知的好奇心を刺激できるためである。
さて、教養が職業生活に有用であるという主張
は、最近の教養論においては一定の支持を得ている2。また、高等教育機関の教育においても、教養の実践性に着目した目標設定やカリキュラム設計が進んできた。たとえば、ヨーロッパ諸国共通の高等教育改革であるボローニャ・プロセスは、大学間のカリキュラムを調整する「チューニング」と呼ばれるガイドラインを提示している3。
「チューニング」は、種々の学問領域に関して、学習成
果目標、教授法及びカリキュラム等を提案しているが、専門能力だけでなく実社会で通用する「汎用能力」の育成を重視していることが特徴の一つである。ここでの「汎用能力」は、具体的には、
知的活動全般に適用される、情報収集・選択、分
析、総合、表現等の能力を指すが、教員の専門分野を基礎に、この「汎用能力」向上を意識した授業を実践することが有効とされる。歴史学に例にとれば、オーソドックスで解説の分量の多いテキストを用い、かつ小論文執筆等を課すことで、重要な事実、史料、解釈を理解しながら、「汎用能力」
としての読解力と文章力の強化を図っている。つまり、ここでの歴史教育は、学術研究のみならず教養教育としての性格も兼ね備え、知識社会に不可欠な分析・批判・コミュニケーション能力を身につけた人間育成を目指しているのである4。

ボローニャ・プロセスは一例に過ぎないが、教育資源といえる各教員の専門性を最大限活用しな
がら、「汎用能力」としての教養を強化するアプロ
ーチは、高専の教養教育にも有効と考えられる。
学生が自身の専門分野とは異なるたとえば人文科
学や社会科学の知識を獲得しながら、同時に専門分野を含む知識を用いるための能力を涵養し得るからである。
本プロジェクトでは、こうした議論の積み重ねにより、各教員の専門分野を活かしながら、「学生のコミュニケーション力や批判的思考力をはじめとする幅広い実践的能力の強化」を共通目標とする授業改善に取り組んできたのである。
II. 「日本文化論」を繞って（担当教員：津田潔）
1. 開設の背景
本校教養ゼミの一科目としての「日本文化論」の歴史をふり返ってみると、当初は専攻科科目の一つとして設定されたものであった。恐らく、技術者の海外出張を見据えて、あるいは外国人技術者との交流を念頭に、日本文化に対する一応の知
識や自覚が、国際人として求められると判断されたのだろう。それはそれで、間違った判断ではない。日本文化に対する一応の知識や自覚は、誰にでも無いよりは有った方がいいに決まっているからである。ただ、問題はその中身であることは言
うまでもない。
2. 授業内容と自己評価
今回の教養プロジェクトの一環として書かれた
川北論文を改めて読み直してみたが、「教養はエリートに特に必要で…歴史の転換点に遭遇したとき、正しい方向に導くことがエリートの責任である」（小松秀樹）から必要であるとされる判断力を養
成するところの教養、「現代社会は手段と目的の各領域での判断力を必要としており、これらの両方の判断力を結びつけ、教えるところの、一つの教養を必要としている」(Killius 他）とされる教養に対して、自分の科目の「日本文化論」がどれだ
け有効かということを省みた場合には、まったく否定的な見解しか出てこない5。しかしそうした見解に対しても先の川北論文は、「教員は、自分の施す教育で子どもの教養をこれ以上傷つけない、傷つけたままにしないという原則を採用」すればよく、「その上で、必要に応じて付加的な、あるいは浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養

代替的な教養なり知識なりを提供すべきだ」という逃げ道を用意してくれているので、とりあえずは、そこに逃げ込んでおくことにしよう6。
さて、多くの方もご存じのことと思うが、成田空港の出発ロビーには、『Hello JAPAN』というメイク・フレンズ・フォー・ジャパン・キャンペーン事務局発行の、19×10 ㎝で 72 ページほどの薄い無料の日本紹介パンフレットが置かれていた（今手にしているものは、’08/’09 NO.21）。奥付．．
には、編集が『Hello JAPAN』編集委員会、主催．．
は日本政府観光局・産経新聞社、後援が国土交通省・外務省となっている。この主催や後援が何を意味するのか筆者にはよく分からないが、表紙にも日本政府観光局（JNTO）
・産経新聞社とあるから、日本政府がその発行に関与していると考える
ことだけは許されるのだろう。その扉には、最上段に英文で、2 段目には中国文（簡体字）で、3段目にハングル（2007 年までは繁体字の中国文）で、そして最下段には「さあ、これから海外旅行へ出かけるあなたは、日本と世界の国々との架け橋となる「民間外交官」です。外国の人々と知り合い、日本のことが話題にのぼったら、この『HelloJAPAN』を開いて下さい。
」と始まる日本文が書かれている。それを読んで初めて、このパンフが日本にやってきた外国人向けに作られたものではないと知った次第だが、その内容を簡単に紹介しておく。
まず、「ごあいさつ」として、日本政府観光局理事長の言葉、次に「世界の中の日本」と題して、面積や人口、主要都市、月ごとの平均気温、日本
人の海外交流などの紹介がある。また「日本の
「今」
」
では、
百円ショップやリニアモーターカー、
サブカルチャーの発信地としての秋葉原などの記事が簡単にまとめられている。
次に、PART1 日本の四季 として、全部で 25ページほどが割かれ、春には花見、入学式、ゴールデンウィーク、雛祭りと端午の節句が取り上げられている。夏は、梅雨、お盆、高校野球が取り上げられ、更に夏の風物として、かき氷、うちわ、浴衣、風鈴、すだれが挙がっている。秋は、運動会、七五三､もみじ狩りが、冬には歳暮、正月、バレンタインデーが挙げられ、日本の伝統料理としておせち料理の紹介がある。PART2 日本を楽し21

む では、法隆寺に始まる 11 の世界文化遺産と､3つの世界自然遺産、および札幌雪祭りから博多どんたくまでの日本の各地の祭が取り上げられている。最後の PART3 日本の文化を体験しよう では、和食の代表としてのおにぎりとその握り方、書道、折り紙と鶴の折り方、温泉の正しい入り方、歌舞伎が紹介されて､全体が終わっている。
以上長々と紹介したのは、私の授業項目の設定の仕方と､その項目自体とが重なる部分が少なくないからであるが、しかし換言すれば､私の授業などはこの薄っぺらなパンフ一つで事足りるということでもある。それを先の教養を養成するための授業に変えていくためにはどうするべきかが、今回のプロジェクト（少なくとも私の授業科目）に与えられた課題であったはずだが、未だに杳としてその見通しは立っていない。
3. 今後の課題
ところで、いま「文化」とは何かと問うたとき、
小型辞書としては稀に見る定義を下す辞書があるが、それに依れば、その人間集団の構成員に共通の価値観を反映した､物心両面にわたる活動の様式（の総体）。
また、それによって創り出されたもの。
〔ただし、生物的本能に基づくものは除外する。狭義では、生産活動と必ずしも直結しない形で真善美を追求したり獲得した知恵・知識を伝達したり人の心に感動を与えたりする高度の精神活動、すなわち学問・芸術・宗教・教育・出版などの領域について言う。この場合は､
政治・経済・軍事・技術などの領域と対比され､そのこと強調するために「精神文化」と言うことが有る。また、最も広い用法では、芋を洗って食べたり､温泉に入ることを覚えた
サルの群れなど､高等動物の集団が後天的に特定の生活様式を身につけるに至った場合をも含める〕（山田忠雄（主幹）『新明解国語辞
典 第 6 版』）とあるから、文化を狭義に限らずに、今年で言えばリニア新幹線や「はやぶさ」等の衛星技術なども含めて､日本文化の一面として他の諸々の狭義の文化現象と共に受講生達がコンパクトに語ることが出来るようになれば、本校の学習・教育目標（B）日本語及び英語によるコミュニケーション
力を身につけ、国際的に活躍しうる能力を持った22

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

技術者の一部を達成することができたとしても、非難されないだろう。先のパンフの内容も、
PART3 だけが文化なのではなく､それはむしろ伝統文化とでも言うべきものであり、その他の部分も広義の日本文化に属すると言えよう。
ただ、少し真面目に「日本文化論」の話をすれば、近時はこうした通俗学問は批判の対象にこそなれ､けっして推奨されるものではなくなったということだ。時流に阿るだけのこの種の学問のいい加減さがようやく一般的にも分かってきて、以前は専門家は黙殺するだけであったものが､批判の対象とされるようになったのは（たとえば、小谷野敦『日本文化論のインチキ』幻冬舎文庫、2010
年 5 月）､個人的には好ましいことと考えている。
兎も角、今までも学生たちに課題を与える場合には、実証せよということを何度も言い続けてきたが、それに何を加えるかということが冒頭の課
題に答えることに繋がるだろうと考えている。
III. 「文章表現論」（担当教員：舩戸美智子）
1. 授業の目的「文章表現論」は専攻科の科目であるが、人文ゼミⅢとして本科５年生でも履修できるようにな
り、来年度はそれが教養ゼミとして再出発することになる。本校では、本科３年で全員が実用的な文章作法を学ぶ「文章表現法」を習得しているので、この授業ではそれを踏まえて、さらにその一歩先をめざす。
学生は３年の時点で小論文はおよそ書けるようになっているが、その小論文が読者を説得できているかどうかというと、残念ながら、そこまで辿
りつかないというのが現状である。ならば、できあがった自分の表現にもう少し向き合い、どうす
ればよりわかりやすく、相手を説得できるのかということを考えていく必要があろう。
そこでこの授業では、文章・口頭両面から、伝えたいことをどう効果的に表現するかという実用的なテクニックだけではなく、日本語表現の分析により、背後にある日本人の考え方に触れつつ、
日本語表現の特質に迫りたいと考えている。さらにこの過程で、ゼミという方式を活かし、学生たちに口頭で発表させることによって、プレゼンテーション技術としての表現力や批評し合う中で培われるコミュニケーション力を養うことができればと考えている。
2. 授業の概要
ここでは、教養をより意識した内容にブラッシ
ュアップした平成 22 年度の「文章表現論」の概要を紹介したい。
この授業には二つの柱がある。一つはこれまで習得してきた文章表現力を見直し、さらにわかりやすく伝えるにはどこをどのように直すべきか、理論から実作へと演習してもらうものである。わ
かりやすい文章の書き方の講義の後、演習として「高尾から東京高専への道案内」という宿題を課し、誰のどこがうまい表現なのか、実例を示しながら解説を加え、その上でさらに自分たちの解答に手直ししてもらった。
ものごとを説明するということは、わかっている本人にとってはけして難しいことではない。しかし、わからない相手に対して説明するにはそれなりの配慮が必要となる。ここでは土地勘のない
中学生に説明するということを意識し、人の理解のしくみに沿った日本語の語順や語彙の選択などを考慮して表現力の強化を図った。
二つめの柱は、日本語を知るということである。
ここではあえて、本校の学生たちがこれまでの工学教育の中で排除されてきた比喩表現に触れることにした。日本語を母国語としながら、日本人として日本語の豊かさをどこまで知っているかということになると、甚だ心許ない。特に本校では、日本文学や詩となると、目に触れずに過ごしてきた者が多いのではないか。
そこで取り上げたのが、
日比野克彦の「絨毯の上のカブトムシ」と題した
前衛的な詩の一群である。これらの詩は一つとして文字が整然と並べられていない。文字の大きさ・文字の配置・文字の種類などすべてが、紙面をキャンバスとした一つの作品として描かれている。それをどう読むか、学生たちに挑戦してもらった。なぜこんなことをさせられるのか、最初は戸惑っていたに違いない。しかし、明確な答えが見つからないまま、学生たちと読み合い、知恵を出し合うことは、難解な謎を一つずつ紐解いていく楽しさがある。それは、言葉の字面を追って意
味をとる「読み」とは違った、長年磨かれ続けてきた日本語という原石を「読み取る」ことの醍醐味でもあるのだ。
そして最後の締めは、広告表現という材料であ浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養る。テレビで流されるコマーシャルは、15 秒から30 秒といった短さで表現されている。その中のある広告は、その短い時間の中で言葉を投げかけ、人の意識に侵入する。それはいわば短い表現で人の頭に残るように計算されているという点で、日本語を熟知した職人による凝縮された究極の表現であるということも言えよう。
これを教材にしたのは、身近な素材の中で、日本語の知らなかった本質を学んでほしいという願いがあったからである。日本語の特質についてはある程度の予備知識はこちらから与えるが、自分たちが拾ってきた広告表現では、日本語のどんな特質がどう引き出されて使われているのか、それに各自が向き合い、分析し、発表して仲間と練り合ってもらう。それは容易いことではないが、この作業を経て、学生たちの中に日頃意識せずに使っていた日本語を、立ち止まって読み取ろうとする気持ちが生まれてくれば、この授業は一つの役割を終えたことになるのである。
3. 教養教育としての今後の課題
工学をめざす本校の学生たちにとっては、言葉は単なる道具だという意識が強い。そのため、自己表現するためには、表現方法を知りたいと望んでいる。では逆に、小手先の表現テクニックさえあれば、自分を相手に伝えることができるのだろうか。
実は、言葉をうまく操ることができれば、相手をマインドコントロールし、自分の思うように歪んだ方向へ人々を導いてしまうことができてしま
うのも確かである。ヒトラーやオウム真理教の麻原彰晃の口頭表現の巧みさ、近年ではオレオレ詐欺の手法なども、人の心の隙をうまく突いて人心を動かすことに成功した表現例として捉えることもできる。
一方、言葉というのは不思議なもので、言わなくてもいい心の本音も言い表してくれることがある。現代の政治家を例にとっても、口が災いして更迭された例は枚挙に暇がない。
言葉とは何か。それを学生と共に考えていくことが私に課せられた教養教育だと考えている。言葉はコミュニケーションの基本である。まずは、日本語を誤解なく伝えていくにはどうすればいいのか、さらに自分の気持ちを豊かに表現し、先人の智慧を真摯に受け止め、周囲の相手の気持ちの23

裏まで読み取る、そんな知恵や感性を磨くことも一つの教養なのではないか。
しかし、言葉は人の気持ちがあふれた形でもある。伝えたい気持ちがあれば、自然と形にもなるものだ。逆に中身がないのに、りっぱな言葉を引き出すのは無理なのである。
言葉を使うなら、それ以前に自分自身の中身を磨き、豊かにする必要がある。言葉はその未熟な中身ですら表してしまうからだ。その意味では、
真の教養は言葉にあるのではなく、その人間性にあるとも言えるだろう。人間性を磨けば、言葉はついてくる。そのためには、この授業に限らず、人とのコミュニケーションの中で自分を見つめる
機会を学生たちに与えることも必要だろう。その体験がひいてはグローバルな人間関係のあり方につながると信じたい。
IV. 「スポーツにおけるエスニック・マイノリテ
ィ」（担当教員：竹田恒美）
1. 「教養」の中身とゼミの方法論に関する考察
選択科目受講手引きの講義要目には、本ゼミについて次のような説明文を掲載した。
「近代のプロスポーツにおけるエスニック・マイノリティ（社会的・政治的少数集団の意味）出身のアスリートの活躍に着目し、そのアスリートの生きた時代の社会的・文化的背景、アスリートとしてその種目において成し遂げた成果、さらにアスリートの心の内面の軌跡などを関連づけながら、彼らと彼らを取り巻く時代の光と影を浮き彫りにする．青年期における自我の確立とスポーツが果たす役割、
人種差別とスポーツヒーローの緊張関係、スポー
ツビジネスにおけるマイノリティ・アスリートの果たした社会的役割等のテーマを受講者の問題関心に応じて取り扱う。
」
このゼミを本年度新たに開設するに当たっては、授業の組み立て方（方法論）と、教養ゼミ全体に通底している共通目標との整合性に腐心した。教
養ゼミI~IIIの科目群はその設置の趣旨として「学生のコミュニケーション能力や批判的思考をはじめとする幅広い実践的能力の強化」
を掲げている。
そのことを敷衍して筆者なりに次のように本ゼミの授業内容を構成した。すなわち、「スポーツ」、「エスニック・マイノリティ」などをキーワードにして、学生自身が興味に応じてテーマ（本ゼミ24

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）の場合、エスニック・マイノリティとして活躍するアスリートを選ぶことを指す）を設定させ、選んだアスリートについて「調べて、書く、発信する」という一連の課題を体験させる。そのことを最終的なゼミの目標に置くが、学期の前半では教員自身が一人のアスリートを選び、関連資料を提示しながらそのアスリートについて共に学ぶ。学生はそれをモデルとしながら各自が選んだアスリートについて「調べて書き」、学期の最後にはその成果を「発信する」というのが本ゼミのために計画した授業構成である。
この「調べて、書く、発信する」というフレーズは立花隆が東大教養学部で行った一連のゼミから借用したものである。立花は 1995 年から 2009年にかけて東大教養学部でゼミを開講したが、それらは全部で３期に分かれている。そのうちの第１期では二十歳の東大生達が各界の著名人等にアポ取りから始めて、インタビューに出かけていき、その人の運命を変えた若き日の出来事について聞き出した。インタビューは後に『二十歳の頃』として本にもまとめられた。その中で立花はコンテ
ンツとしての教養教育の中身の他に、実践的な知的能力としての「調べて書く能力」、「人を説得する能力」の重要性を説いている。本教養ゼミも立花ゼミに倣い、学生が自ら選んだテーマを「調べて、書き、」最後は「発信する」という枠組みに沿って授業を展開することとした。教養教育を行なう場合、学生はどういう学問領域を学ばなければならないかというコンテンツの議論とは別に、それを授業の中でどう取り扱うかという方法論そのものも教養教育の一部を構成していると筆者は考える。本稿のタイトルが「実践的能力としての教養」と書かれていることとも符号する。取り上げるテーマは当然のことながら個別的・限定的となるが、それを授業の中で扱う方法論は学生のモデ
ルとなることを考慮して、出来る限り客観的に記述し、再現可能なものとすることを旨とした。
2. 授業の構成
毎回の授業では、実例としてアメリカ野球界（大リーガー）の黒人アスリートを取り上げ、１次資料として New York Times 紙など当時の報道記
事、自叙伝、小説、伝記、映像資料等を使い、多面的に対象とするアスリートに迫る。またその際に、英字新聞の紙面構成や語法上の特徴などを併せて学ぶほか、聴き取り練習も取り入れる。受講者は自らの興味に応じてアスリートを選び、テーマを設定してリサーチし、学期の最後にプレゼンを行なう。
(1) 毎回の授業内容（2010 年度後期）
1 回目 概要説明、アンケート〔2～6 回目は教員によるプレゼンテーション〕
2 回目 アメリカ建国～奴隷制度廃止概観
3 回目 アメリカにおける野球の歴史概観
白人と黒人のプロ野球の歴史
4 回目 ジャッキー・ロビンソン(J.R.)年表
5 回目 英字新聞の報道記事に見る J.R.
6 回目 小説に描かれる J.R.
7 回目 プレゼンテーションのテーマ中間報告
8 回目 映画『ジャッキー・ロビンソン物語』鑑
賞
9 回目 映画『民族の祭典』鑑賞
10 回目 J.R まとめ、プレゼン予告〔以下は学生によるプレゼンテーション〕
11 回目 小グループに分かれてプレゼンテーシ
ョン練習12 回目～15 回目
プレゼンテーション(2) 成績評価方法（％は素点中の割合を示す）
i) プレゼンテーション関連：①テーマ中間報告書提出
5％②テーマ決定・報告書提出
5％③パワポ原稿提出
15％④プレゼンテーション実施
25％⑤他学生のプレゼンを聴き、適切な質問・コメントをする。
20％ii) 毎回の授業で：⑥英語資料を使った課題。
20％iii) その他：⑦映像資料を観てミニ・レポート提出 10％(3) プレゼンに含める内容
・何故そのアスリートを選んだか。
（個人的な思い入れがあれば、説明する。
）
・そのアスリートが出現した当時の社会的情況・
時代背景・歴史的情況
・そのアスリートのスポーツ上の業績（達成した
記録・成績等）・そのアスリートが社会・スポーツ界に与えた影
響・インパクト浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養(4) プレゼン実施要領
・各自には①プレゼン、②座長、③口頭質問、④
評価表記入の４つの役割あることを説明する。
・発表時間 10 分とし、その後質疑に 5 分取る。
・Youtube などの動画をプレゼンに組み込んでもよいが、最大 3 分以内とする。
・座長、質問等の運営は交代で行なう。
・評価は①内容（興味深さ、面白さ）、②パワポ原稿の出来栄え（分かりやすい仕上がりか）、③プ
レゼン・スキル（声の大きさ、明瞭さ、落ち着
き、アイコンタクト等々）、④総合（総評）の 4
項目とする。
(5) 中間報告時点で学生が選んだアスリート
・中田英寿（サッカー）２名
・アーサー・アッシュ（テニス）・マヌート・ボル（バスケット・ボール）・ベン・ジョンソン（陸上競技）
・朝青龍（相撲）
・力道山（プロレス）
・砂子義一（カーレース）・ジネディーヌ・ジダン（サッカー）・川島永嗣（サッカー）・ダドリー・ストークス（ボブスレー）・キャシー・フリーマン（陸上競技）
・石井慧（柔道・Judo）
・ターザン（バスケット ボール）・モハメッド・アリ（ボクシング）(6) プレゼンテーションの練習
11 回目の授業では、16 名いる受講者を 4 人ず
つの小グループに分けて自分のテーマについて簡潔に紹介する練習をした。それをグループのメンバーを入れ替えて 3 クール繰り返した。つまり、自分のテーマについて 3 回話す機会を持ったことになる。自分の調べているアスリートについて手短に説明することによって、プレゼンに馴れさせることを目的としておこなったが、授業終了時に書かせたアンケートでは、
その時の感想として「人の話を聞くことで調べ方や構成についてアイディアを得た」や「人に話をすることによって、頭の中が整理できた」などの積極的評価が見受けられた。

25

小グループでのプレゼンテーション練習
3. 反省と今後の検討課題
・ 授業の開始時にはアメリカ大陸入植、
独立戦争、
南北戦争、黒人奴隷制度と奴隷解放、野球の発祥、ニグロリークの興隆、などを駆け足で辿ったが、背景知識としてどれくらい歴史を遡ったらよいか見当がつかなかった。もとより世界史
は門外漢のため、資料収集も含めて手探り状態だった。背景的なことは授業外課題として参考
文献を読ませる機会をもっと設けるべきだった。
・テーマ選定時にはデータの探し方などについてより詳しいアドバイスをするべきだった。筆者
自身も初回の授業ということもあり、十分な準備を行なうことができなかった。
・本ゼミは初年度のため、本稿をまとめる時点ではまだプレゼンはおこなわれておらず、その部分については次回の報告に委ねたい。
・人数的には 16 名の受講者数は多すぎず、少なすぎず丁度よかった。
V. 「ウォーキングゼミ」（担当教員：古屋正俊）
1. ゼミの背景と目的
ウォーキングゼミでは、本稿の共通テーマである「これからのグローバル社会に対応できるトッ
プ・エンジニアの養成に必要な実践的能力（教養）」の一つとしてウォーキングをとらえ、東京高専高
学年用の「教養ゼミ」の導入に向けて、教材としてのその可能性・有効性について試行・検討した。
ゼミの教材としてウォーキングを取り上げた背景は以下の理由による。個人レベルでは、生活習
慣病や老化を予防し、スタミナをアップし、ストレスを解消し、経費のかからない、いつでもどこでも誰にでも出来る、最も身近で人気の高い生涯スポーツとして実施されていること。また企業や自治体のレベルでは、従業員や地域住民の健康管理やメンタルヘルス、職場や地域への帰属意識や

26

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

一体感の向上、地域貢献やまちづくりイベントとして、ウォーキングへの期待が高まってきている点。さらには国のレベルにおいても、急速な少子高齢化社会を迎え国民医療費が増大する中で、国家的政策として「健康づくり」の必要性が叫ばれるようになり、健康増進政策として「健康日本 21」
や「健康フロンティア戦略」等が具体化され、いかに Quality of life（生活の質や人生の質）を向上させ、健康長寿国を目指すかが大きな課題となり、その解決策の一つとしてウォーキングが注目されている点である。
このようなウォーキングへの社会的関心や期待感、必要性の高まりの中で、理系エンジニアにとっても、高専卒業後の長い生涯の中で、仕事や地域との関連で、余暇や趣味として、あるいは健康維持のためにウォーキングを様々な場面で実践し、その必要性を実感する機会は多いであろう。前述
したように、健康的なライフスタイルの実践は、今日的な喫緊の課題であり、社会的な要請ともいえる。ウォーキングは健康面への効用に加え、街や歴史や文化を再発見し、人生を楽しみ、人生を豊かにするツールでもある7。身近な散歩から、日本列島を歩いて一周するようなチャレンジまで8、その楽しみ方は幅広く奥深い。社会に巣立つ前の
東京高専高学年用の実学的な「教養ゼミ」
として、
ウォーキングの実践体験を提供することの意義は大きいといえる。
本ゼミの目的は、ウォーキングの魅力を実体験し、ウォーキングに対する理解とその実践的能力
をスキルアップすることである。具体的には、東京高専周辺や東京都心部のコースを歩き、本校が立地する周辺地域や首都東京の魅力を再発見し、ウォーキングへの理解と健康づくりの意識の向上を目指し、さらには母校や郷土へのこだわりや愛着を醸成する機会になればと考えている。本ゼミのサブテーマは「そうだったのか東京高専！ ―歩いて気づく東京(高専)の魅力 ― 」である。
2. ゼミの概要と今後の課題
東京高専の高学年用の「教養ゼミ」（選択必修科目）の導入として、平成 21 年度に実施した本ゼミの概要を資料 2 に示す。受講者は 11 名であった。
初回のガイダンスと終回のまとめの授業を除いて、全て校外での集中授業方式で実施した。限られた
授業回数の中で、本ゼミでは理論より実践を重視

し、実際に現地を歩くことによって、自らの五感での「気づきや発見」
を引き出すことを意図した。
本ゼミで歩く総歩行距離は 75 ㎞となった。
学生に万歩計を配布し、コースごとに歩数や距離、消費カロリー等のデータを記録し、体調管理と健康ウォーキングへの理解を促した。各コース
はそれぞれにテーマを持って設定しており、学生にはコース概要の資料と地図を事前配布し、集合場所への交通経路等も含め、コース概要の事前理解を促した。また各コース沿いの主要な立寄りス
ポット（名所、旧跡、歴史文化財、主要施設、特徴のある町並みや地形等）では現場での解説（辻立ちの路上プレゼン）を担当させ、そのスポットの歴史的背景や特徴等を担当者が受講者に説明し、コースへの関心を深め知見を共有した。街頭で辻立ちする路上プレゼン方式は、人気スポットでは通行人も多く、物珍しそうに立ち止まって聞き入る人もいて、事前の調査力やプレゼン力、コミュ
ニケーション力が、周囲の反応の中で実践的に試される貴重な機会となった。
路上プレゼンの担当箇所は、ガイダンス時に受講学生に選択させ、毎回 3 分程度のプレゼン内容
を事前準備させ、各担当のスポットに歩いて到着するごとに実施した。プレゼン方法は口頭での解説が多いが、学生によっては図表や写真を準備したり、中には丁寧に挿絵を描いて紙芝居風に解説し周囲の関心を引く学生や、スポットに関連する唱歌等を皆で口ずさんだり、吟遊詩人風に一句詠ませてみたりと、工夫を凝らすプレゼンもある。
本ゼミでは、単なる物見遊山的なウォーキングではなく、いくつもの街を通過しながら、各参加者
が路上プレゼンすることにより、その現場ならではの「こだわり・気づき・発見」を促し、その街の雰囲気や個性を、自らの五感でそれぞれに実感できるようなウォーキングを目指した。街角での路上プレゼンは、辻芸人の話芸を楽しむような雰
囲気もあり、和やかな休憩タイムとなった。
道中での「こだわり・気づき・発見」は、道中記として提出する事後レポートから読み取ることが出来る。学生たちの感性は鋭く豊かで、見知らぬ街の新鮮な驚きや感動が素直に記されている。
中には数行で簡潔にレポート？をまとめる学生もいるが、詳細な歩行データと共に写真入の数ペー
ジに及ぶ紀行文のような力作もある。道中記を読浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養

むと、同じコースを歩いても、学生たちの「気づき」の対象は様々で、それぞれに異なる視点や感性の違いが想起されていて興味深い。街の匂いや息づかいのようなものまで感じ取っている。車ではもちろん、
自転車やランニングでも味わえない、
歩くペースが生む「気づき」であり、非日常性の中で、五感を研ぎ澄ませて歩いているからこその「気づき」である。道中記の抜粋は資料 3 に掲載している。
本ゼミは PDCA サイクルを意識して実施した。
最初のガイダンスでゼミの目的とコースの概要を説
明し、路上プレゼン箇所を分担した。事前準備（学修時間）としてコースやプレゼン箇所の事前調査をさせ、ウォーキングに向けての体調作りや天候判断、服装や持ち物等の準備をさせた。当日は、実際に歩行データを取りながらゴールを目指して踏破し、途中の立ち寄りスポットでは路上プレゼンを行った。実施後は事後レポートとして道中記を提出させた。道中記の作成を通して、反省点や課題を整理し「気づき」を再確認させ、次回への動機付けの機会とした。授業の最終回には全員が3 分間スピーチを実施し、歩いてきたコースを振り返り、実施報告書を受講者に配布してゼミを終了した。
今回は「教養ゼミ」の導入として、教員がテーマ設定したコースを歩かせた。しかし、今後の課題として、本来のウォーキングの実践的能力を身につけさせるには、学生自らがテーマを設定しコース作りを行い、ガイドする機会を作ることも大切である。校外を歩く集中授業方式をとる本ゼミ
にとって、天候の影響は大きく、湿度や気温が高く天候が不安定な前期よりも、後期の方がウォーキングに適した気候といえる。
平成 22 年度からはゼミを後期に変更している。また狭い路地裏や人混みの多いルートでの路上観察もあり、安全上の観点からも受講者数は多くても 15 名程度が限度であり、他の選択科目の受講者数とのバランスが懸念される。ウォーキングブームのためか、学生以外の参加希望もある。可能な範囲で受け入れているが、学生以外の参加者の場合は、旅行傷害保険等の加入も必要である。社会人は、学生よりもウォーキングへのニーズは高いと考えられ、将来的にはウォーキングゼミを社会人向けに開講することも検討の余地はある。

3.

27

ウォーキングコースの概要
本ゼミでは下記の８コースを設定した。１５㎞前後の都心部を中心とした終日のロングコースと、７㎞程度の学校周辺を歩く半日のショートコースである。平成２１年度はその内の６つのコースで実施した。ロングコースは日本橋を起点にコース設定したが、コース作りには、生涯にわたって「ひとり歩き」を実践し、多くの都内散策の文学作品を著した永井荷風の「日和下駄」を始め、東京の町歩き関連の著作からヒントを得た9。特に今回の都心部コースは、東京らしさの再発見と文学作品の追体験を意図して、下町の路地を巡るコースを多く取り入れた。
（コース地図は資料 4 を参照）
◇ロングコース（終日コース：各コースは授業 4回分として実施）①大江戸・都心縦断ウォーキング（15km コース）
首都東京を代表し、日本の歴史、伝統、芸術、文化、商業、政治、経済の中心地を歩く。コースは
五街道の起点で魚河岸発祥の地の日本橋から三越
本店、三井本店、日本銀行本店、東京駅、江戸城、皇居、桜田門、警視庁、国会議事堂、最高裁判所、
国立劇場、迎賓館、神宮外苑、国立競技場、東京体育館、明治神宮、原宿駅に至る。
②両国・浅草・柴又ウォーキング（18km コース）
日本を代表する観光地の浅草を巡り、荷風の愛した路地裏を徘徊し、「男はつらいよ」のゆかりの地の柴又を目指し、江戸東京の下町情緒を満喫する。
コースは相撲の両国国技館から、隅田川沿いに浅草寺を目指し、桜橋、墨堤桜、鳩の街通り、向島
百花園、白髭神社、荒川を渡り、堀切菖蒲園、柴又帝釈天、江戸川の矢切の渡しに至る。
③隅田川リバーサイドウォーキング（13km コー
ス）
大江戸を支えた水運河川の隅田川を南下し、重要文化財の橋や江戸の運河を渡り、水の都・東京を実感しながら築地・銀座を目指す。コースは両国
周辺の相撲部屋巡りから、隅田川テラス沿いに芭蕉庵、重要文化財の万年橋、清澄橋、永代橋と通過し、佃島や月島の路地を訪ね、勝鬨橋、築地や銀座の路地を経由して東京駅に至る。
④旧甲州街道ウォーキング（15km コース）
日本橋を起点とする甲州街道の最大の難所であった小仏峠と小仏関所を越え、江戸時代の旅人に想いをはせる甲州道中の旅。高尾駅から中央線沿い

28

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）に西進し、旧甲州街道に入り、小仏関所跡、高尾梅郷、圏央道高架橋工事現場を通過し、するさしの豆腐を食し、
小仏峠、
東海道自然歩道の弁天島、相模湖を経由して相模湖駅に至る。
◇ショートコース（半日コース：各コースは授業
2 回分として実施）⑤高尾山・トワイライトウォーキング（7 ㎞コー
ス）
高尾山口駅からびわ滝コースで山頂を目指し、表参道コースを下山する。日中の三ツ星観光地の喧騒を避け、夕暮れ時の静かな高尾の自然を満喫するコース。
⑥多摩丘陵カントリーウォーキング（7km コース）
ウォーキング用のストックを使い、高専前から湯殿川を渡り、緑豊かな丘を越え、鎌倉古道を横断し、法政大学周辺の多摩丘陵の自然を満喫するカ
ントリーウォーク。
⑦浅川地下壕ウォーキング（地下壕ウォークは約1kｍコース）
高尾駅南側の初沢山山中の戦時中の地下秘密工場（総延長 10km に及ぶ地下壕）を歩く。浅川地下壕の保存をすすめる会のガイドによる定例見学会に参加10。
⑧古城めぐりウォーキング（7 ㎞コース）
高専から初沢山の椚田城に登り、湯殿川沿いに浄泉寺城、近藤城、片倉城址に至るコース。
高専から廿里古戦場経由で日本百名城の八王子城を目指すコースもある。
VI. 「科学技術論」（担当教員：河村豊）
1. 本講義の位置づけ
本講義「科学技術論」（後期）は、専攻科 2 年生対象科目であるが、2008 年度からは本科 5 年
生「人文ゼミⅢ」と同時開講という形式をとって現在に至っている。本講義の担当者（河村）は、
科学技術史系科目として 3 年次「科学技術史」以
降、4・5 年次の人文ゼミ、専攻科講義を担当しているので、「科学技術論」は同上系科目の最終段階として位置づけられている。今回の「教養力強化
プロジェクト」活動を１つのきっかけとして、教養教育に含まれる「汎用能力」を意識しながら2010 年度のゼミ科目を実施してきた。従って、人文ゼミⅠ（技術史研究（入門）：4 年後期）、人文ゼミⅡ（研究開発史：5 年前期）の講義目標と比較しながら、本講義の位置づけを説明する11。
科学技術史系科目を方法論から区分すると、「歴史系アプローチ」、「科学技術論系アプローチ」の２つのアプローチを講義内容に組み入れてきた。
前者は過去から現代にいたるまでの科学技術の発展を分析すること、後者は現代社会における科学技術の諸問題を分析することである。3 年次の「科学技術史」（通年）はこの２つのアプローチを加えた基礎・総論コースという位置づけである（詳細は省略）。それゆえ、人文ゼミは各アプローチに沿った各論という位置づけとなる。
まず、4 年次半期の人文ゼミⅠ（後期：今年度
は技術史研究（入門））では、歴史系アプローチの各論として、19 世紀から 20 世紀の電気技術史・
電子技術史を取り上げた。このゼミでの狙いは、(1)基本文献の分担講読を通して、個別分野の技術史について学習すること、および(2)電気電子技術史の個別項目（例えば電池、発電機、白熱灯など）について、学生が資料を調査・分析を行い、発表（プレゼンテーションおよび原稿執筆）を行うことである。
5 年次半期の人文ゼミⅡ（前期：今年度は研究開発の歴史）では、20 世紀後半の宇宙技術開発の歴史を事例にして、科学技術論系アプローチの 1つとして、「軍産学複合体」問題を取り扱った。このゼミの狙いは、(1)基本文献および論文の講読を通して、冷戦期（1950 年代～90 年代）における民生用・軍事用の宇宙技術の開発過程を学習する
こと、および(2)開発競争を過熱させた軍産学複合体に注目することで、科学技術を政治的要因、経済的要因と結びつけて分析できる基礎力を身につけることである。
こうした科目配置を経て、専攻科 2 年次半期の「科学技術論」（後期：5 年次半期の人文ゼミⅢと同時開講）では、学生自身の特別研究（専攻科 2年生）あるいは卒業研究（本科 5 年生）を題材にして、それについての「歴史系アプローチ」ある
いは「科学技術論系アプローチ」を試みることを目標とする。これが本講義の位置づけである12。
2. 分析のための基礎的能力（汎用能力）
ここ 3 年間の「科学技術論」では、「歴史系アプローチ」に注目し、資料収集および資料分析を主たる指導目標してきた。特に資料収集では Webを積極的に利用しかつ図書館の機能も利用する方

浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養

法を身につけることである。このためには受講生が調査テーマに「こだわり」を持つことが大切である。
(1) 関心のあるテーマを選ぶこと関連する論文を網羅的に収集し、時間のある限
り資料を読み込んでいくという「大変な作業」が存在しているからである。その大変さを乗り越える第１の工夫として、学生の特別研究テーマ、卒業研究テーマに関連づけるように指導している。
指導の内容は次のようなことである。受講生自身が執筆するであろう「研究論文」の冒頭部分に、研究テーマに関わる歴史的変遷を書くことをイメージしよう。
そして自分が研究するテーマがいつ、どのような理由で探求されて来たのか、分析対象がどう拡張したか、分析手法がどう発展してきたか、自分が扱っている素材、手法はこうした歴史的変遷の中でどのような位置にあるのか。こうしたことを意識することで、取り扱う研究テーマについて理解を深めてみよう、と。
(2) CiNii 利用の試み
Web 利用というと、ウィキペディアの利用をイメージしてしまうが、卒業研究、特別研究をテーマに選べば、ウィキペディアが無力であることがすぐ分かる。
したがって、学術論文を Web から利用することを推薦している13。例えば、国立情報学研究所
がサービス提供をしている CiNii（NII 論文情報
ナビゲータ[サイニィ]）は、学協会刊行物などを中心に過去にさかのぼって多数の学術論文を検索できる。また「機関定額制」契約をしている本校
ならば、PDF 版で多くの論文本文の閲覧ができる
14。Web 閲覧ができなければ図書館経由で論文複写を依頼すればよい。これまでに探し出した興味深い論文には以下のようなタイトルがある。
「２足歩行ロボット－その歴史と現状－」、「スパッタリングの歴史と応用」、「プラズマディスプレイパネ
ルの歴史と発展」などの学協会刊行の学術論文がある。こうした論文に紹介されている資料からさらなる情報を入手できる。
3. 今後の課題
この間の人文ゼミの内容を工夫することで、科学技術史系科目について、本科 3 年から専攻科 2
年までを見据えた段階的講義配置ができ、また教養教育に含まれる汎用能力の具体化に一つの方向

29性を見つけ出すこともできた。一方、不十分な部
分もまだ多く残っていることが見えてきた。
大きな課題が、科学技術が現代社会とどのように関わっているかを扱う「科学技術論系アプロー
チ」をどのように深めていくかである。科学技術
は、経済・経営のみならず、政治・軍事や哲学・思想などの広い領域と関わり、また地球環境問題
や安全安心問題など多くの社会問題とも関連する。
ただし、こうした広い領域を克服するには、一人の教員では対応できず、専門を異にする複数の教員との連携が大切である。すでに「技術者倫理」（専攻科 1 年）等で実施している教員間連携をさらに進展させることが必要だと考えている。
VII. 「哲学入門―市民的教養としての批判的思考」（担当教員：川北晃司）
序論で浅野による案内の通り、教養教育において学生に授けたい教養のひとつに｢批判的思考力｣があるが、その内容、意義等につき日本での理解
定着は、今後の一課題に見える。
そこで本節では、先行研究の調査を通じて批判的思考について論じるとともに、得られた理解をまず今後の教養ゼミ
授業等に生かすことにしたい。
1. 市民的教養としての CT
批判的思考（critical thinking, CT と略）とは、端的には「議論のよしあしを判断するための思考」15法である。敷衍すれば「適切な基準や根拠に基づ
く、論理的で、偏りのない思考」ないし「先入観に囚われず、論理的に考え、合理的な決定を導き出す能力と意思」16である。したがって、たとえ自分の意見と一致しない場合であっても、その気持ちを介入させることなく推論する思考でもある。
だが心理学的知見によると、われわれは、しば
しば、バイアスをもった推論、判断を行う。論理の妥当性ではなく、結論が自分の信念と一致しているかどうかによって、結論の妥当性を判断する「信念バイアス」や、自分の意見や信念を支持す
る証拠ばかりを集め、反する証拠に対しては、その価値を軽減して評価する「確証バイアス」などである17。これらにより、適切な判断に失敗する
ケースが日常生活でも多くみられ、そこで「批判」的思考の支援や教育が重要であると考えられている18。
「批判」という用語にはネガティヴな響きがあ30

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

るが、「批判」と単なる「非難」や「反対」はちがう。岩崎豪人が言うように「批判的思考」でいう「批判」とは、否定のための否定ではなく、むしろ創造や肯定のための否定であり、疑いつつも、すべての意見から学ぼうとする謙虚な態度である。
つまり、絶えずあらゆる意見に疑いを持ちながら、冷静にそれを検討し、多くの意見の中から取るべ
きは取り、否定すべきは否定して、正しい考え方をしていこうとする態度である。そして、権威に対する盲信、常識に対する盲信とともに、自己に対する盲信にも気をつけ、他人に対して批判的である以上に、自分の意見に対して、絶えずどこか
間違っていないかどうかを反省するだけの批判的精神が大切である、と念を押されたりする。
したがって、CT が現実の社会問題を考える際に有効であることは、容易に想像がつく。民主主義という現代の多くの国家が採用している政治シ
ステムにおいて、どのように意思決定をしていくべきかを考えるとき、CT は、その基礎でもある。
岩崎も言うように、自己利益や好みや感情に流されずに、「多数者の暴虐」が起こらないように社会的な合意を形成するにも、理を尽くして議論し合うことが必要である。このような技術を身につけることは、現代の教養として、市民として必要である19。
そこで「市民的教養としての批判的思考」と本節を題したわけであるが、じつは「市民」とは、ヨーロッパの歴史に裏打ちされた重い用語である。
商業の発達を背景に、封建的＝軍事的ではない文
民主体の、宗教権力からも自由な世俗的な政治権力としての「市民政府」(civil government)の確立を説いたことで有名なのは、J. Locke（1632-1704）であった。Locke によれば、人が市民であるためには理性の状態（成人）に達していなければならない20。
現代ドイツの社会学者 J. Habermas(1929-)によれば、「市民的公共圏」がヨーロッパに見出されるようになったのは 18 世紀のことであった。それは私人が形成する自発的な空間であり、そこで理性的かつ自由に意見が交換され公論が形成される。
それは国家など公権力から独立し、それに「批判」的であることが可能であった。
「市民的公共圏」の理想からは、この空間はいかなる勢力や階層の道具でもなく、古典古代とは異なり万人が等しく公論の形成に寄与すべきものである。教養を入場の資格とすれば、そこには階級に関係なく教養のある者は制限なく参加可能だったのである。フランスのサロンやイギリスのコーヒーハウスに、
Habermas はその理想の姿を見出している21。
ヨーロッパの「市民」には、共同体の公的関心や共同利益の次元から出発する「公民」としての面もある。佐伯啓思によれば、「シヴィル」が、多くの場合、国家や軍事などと対比させられた「市民」、｢文民｣を指すのに対して、「シヴィック」は、これも｢市民｣なのだが、日本語でいう「公民」に近い。
「市民意識（シヴィル・マインド）」が、近代の私的な権利を唱え、しばしば国家と対立し、また「シヴィル」の言葉にあるように、礼儀正し
く、洗練されたことをよしとするのに対して、「市
民精神（シヴィック・スピリット）」は、あくまで
公共的事項、国家的な事項に対する義務の観念が強く、勇気や名誉という古代的な美徳を重んじている22。
いずれにせよ、社会状態において何が権利で何が義務かは公衆による議論、すなわち公論があるべきで、それには自他双方に対する批判的思考能力としての教養が必要になるだろう。さもないと独善と隷従が帰結しかねず、それは市民にふさわしくないからである。
2. 学問の基礎としての CT
むろん市民(公民)たる教養としてだけでなく、学問の基礎としての重要性も CT にはある。どのような専門的学問に進んで行くにせよ、論理的、批判的に考え、論理的な文章を書き、議論することは、学問をするうえで共通の教養と考えられている23。
学問をする上で共通の教養として、CT は次のようなことを要求するだろう。すなわち、｢問題は何か明確にしてから考える｣「事実と価値を区別する」「根拠のある主張と、正当でない主張を区別する」「少数の事例が過度に一般化されていないか気をつける」｢ある主張にバイアスが含まれていないか気をつける｣｢感情的な推論を避ける｣｢他の解釈はないか考える｣｢論理的に考える｣の 8 つである
24。
別の有力な一説では、CT 能力とは、次の５つの下位能力(five sub-abilities)から成る混成体である25。

浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養(i) 問題を定義する能力(ii) 問題解決のために適切な情報(pertinent
information)を選択する能力(iii) 露わな前提と隠れた諸前提(unstatedassumptions)を認識する能力(iv) 有意有望な諸仮説(relevant and promising
hypotheses)を立てる能力（v) 妥当な諸結論を導き、推論の妥当性(validityof inferences)につき審判を下す能力
3. CT の諸限界
CT の内容に関する両説いずれにせよ、しかしながら、明解性ないし一義性に関する限界は明らかであろう。すなわち、「事実と価値の区分」、「根
拠のある主張」、「正当でない主張」「適切な情報」、、「有意有望な仮説」、これらはどれも、学問分野に相対的で曖昧な基準である。再現可能性や数量化
可能性を欠く情報や仮説は価値が基本的に低いとみなされる分野もあれば、一回限りの歴史事象を扱う分野や、審美的、哲学的、個性記述的な分野など、多様な「根拠」や「情報」を有意として認める分野も存在するのである。
伊勢田哲治によれば、教えている方が「論理的思考」だと思っている推論が、きちんと分析するとさまざまな暗黙の前提に依存しているということがあり、どういう枠組みでものを見るべきかについては簡単に結論がでない。たとえば、医療というものを治療の有効性という観点ではなく医師と患者の関係という観点から捉える人にとっては、ある薬が「効く」かどうかは必ずしも重要ではな
いということがありうる26。そうした形で問題を提起したときに、学生からどういう反応が返ってくるかを見ることで、教師の側も自分が当然視していた前提を見直すきっかけが得られるかもしれない、と伊勢田は言うのである27。
以上から予想可能なこととして、CT には、明解性だけでなく有効性ないし必要性に関して大きな限界がある。従来の研究において CT は、能力（技能・知識）と志向性（態度・意思）の 2 つを構成要素として検討されてきた28。そして CT の教育においては能力や技術を高めることよりも先に、CT に対する志向性（つまり CT を行おうと思うこと）を向上させることが重要であるとされてきた。したがって、「論理的、批判的に考えることが面白い、楽しいと感じることができ、かつ理

31

解することに喜びを覚えるようになれば、CT に対する志向性は向上する」29と考えられるのだが、自分が信じたり、することの良い理由をいちいち考えたりせずに、感じるままに好きなように行動
して人生を送る方が楽しいと考える学生も、筆者のこれまでの教育経験上、実際少なからず存在した。
そのような、「考えない楽しさ」を凌駕するに足るだけの、CT の大きな「考える楽しさ」を伝授できるだろうか。それには教師の側の多大な努力と工夫を要するだろう。ただしそれは CT の限界というより、教師の限界に、より属する話と思われる。
CT の本質的限界は、「今は批判的に考えるべきときではない」、「CT を発揮しなくてもよい」、したがって｢持っている CT 能力をあえて使わない｣30という判断が（CT 自体によって）正当化可能な個別状況が、決して例外的にではなく多数存在しそうなことであろう。つまり冷静な論理的判断が重視される場面とそうでない場面がある。CT の望ましさがどのように認知されているかについて、心理学的研究がすでに存在する。
その一研究では、 CT が｢効果的な文脈｣と「非効果的な文脈」のそれぞれについて大学生にアン
ケート調査を行った結果が報告されている。具体的には、｢効果的な文脈｣の自由記述用紙では、日常生活の中で、CT を使用すると「効果的であり、うまくいくと思う状況」を、｢非効果的な文脈｣の自由記述用紙では、その反対の状況を「･･･とき」という語尾に合うような形式でそれぞれ10 項目、
自由記述させている。
その結果、CT が効果的と判断される文脈は、
回答数の多い順に類別すると 10 カテゴリーが存在したという。すなわち、①学問的な勉強を行う
とき、②メディアに接するとき、③選択するとき、④人の話を聞くとき、⑤議論と交渉のとき、⑥心
理的に不安定なとき、⑦問題を解決するとき、⑧計画や予定をたてるとき、⑨広告や勧誘に接する
とき、⑩余裕があるとき、以上である。
それに対して、非効果的な文脈は下記の 8 カテ
ゴリーであった。①娯楽のとき、②人とつきあう
とき（友達を作るとき、どうでもいいおしゃべりをしているとき、幼い子どもと遊ぶとき、落ち込
んだ友人を精一杯励ますとき、友人の相談に乗る

32

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）＜相手がただ聞いてほしがっている＞とき）、③余
裕がないとき(時間がないときなど)、④深い思考が不要なとき（ルーティンワークをこなすとき、
スポーツをしているとき、丸暗記をしないといけないときなど）、⑤感情が重要なとき（気持ちよく
生きたいとき、恋愛をしているとき、自分を励ますとき、恋人や結婚相手を選ぶとき）、⑥趣味のとき、⑦飲酒や食事のとき、⑧信じることが重要なとき（占いを信じたいとき、宗教を信じるとき）、以上である31。
4. CT の批判的使い分けの必要
もちろん、この調査結果から何を実践的に導くかは批判的に考えねばならないが、CT の明解性・有効性・必要性に関する経験的な諸限界が予想可能なゆえに、田中優子･楠見孝が言うように、
批判的思考を行為の目標と文脈に応じて｢使い分ける｣32必要が生じるだろう。A. Fisher による標準的教科書にその種の記述は見あたらない。
Fisher は、CT は有用なスキルであり、「適切なときにはいつでもそのスキルを用いる習慣を着けることが、あなたを多くの点で助けるだろう」と述べているが、「適切でないとき」についてはあえて論及を避けている33。したがって、田中・楠見による調査報告はじつに興味深いのである。それらはいわば CT 自身に関する CT の成果だからである。
元吉忠寛が「CT のあたたかい側面に重点を置
き、あたたかい CT を育てる教育を行っていくことが必要」であると述べているのも説得的だろう
34。廣岡・小川・元吉が 2000 年の論文の中で述べていることだが、論理性や客観性を強調する CTに対する「マイナスイメージ」が CT 志向性の発達を阻害している可能性がある。したがって CT
教育では｢誠実さと他者を尊重する態度｣の側面をもっと重視すべきである、との観測が生じるのも自然だからである35。また、廣岡・元吉・小川・
斉藤は 2001 年の論文の中で、論理的で確かな証
拠から決断し他者に対してもそう接しようとする「クールでハード」な CT 志向性と、人間の多様性を認めながらそのいずれにも偏ることなく柔ら
かく人を理解しようとする「ウォームでソフト」
な CT 志向性とに大別することが可能であることを指摘しているからである36。
結局、学問においては「クールでハード」な CT志向性が、そして市民としては「ウォームでソフト」
なそれが、それぞれ基本にされてよいだろう。
学問は真理を追究し、真理は妥協の産物とは理念
上、異質なのに対して、市民生活は真理ではなく便利ないし幸福を追求し、基本的に妥協の産物と考えられるからである。社会問題などについてのディベートにおいては、相手を説得する、とりわ
け相手を論駁する技術が重視されがちであるが、市民的教養は、むしろ軽々しく相手の主張を退けないことにあるだろう。実際 Browne と Keeleyが言うように、クリティカルな質問の意義は、「相手の議論をより深く理解し、評価するために相手の助けが必要なのだ」(I am curious; I want toknow more; help me.)ということを表明することにある。このリクエストが示しているのは、他者に対するリスペクトである(This request shows
respect for the other person.)37。
他の研究者仲間に対するリスペクトが学問においても重要視されるのはもちろんである。そしてこのリスペクトは、すべての学生に対しても拡張可能であろう。
教養教育が育成を願っているのは、
少なくとも未来の市民だからである。後生可畏。
したがって、たとえば次のような CT 演習授業方
法に学べるだろう。若山昇は CT の授業では否定的なコメントを避け、「なぜそうなるの」「なにがうれしいの」｢他にはないの｣｢本当なの｣等、学生に再考を促す方法を駆使するという。そして、学生が｢無知の知｣に気がつく機会を、あえて多く設定してきたという38。
結論として、筆者は来年度担当する教養ゼミ授業（｢西洋哲学｣および｢世界の宗教文化｣）にあた
り、｢誠実さと他者を尊重する態度｣すなわち「相手の議論をより深く理解し、評価するために相手の助けが必要なのだ」との市民的態度・教養を身につけるよう、
学生を促す。
そのうえで、「論理的、批判的に考えることが面白い、楽しいと感じることができ、かつ理解することに喜びを覚える」CT
志向性をどうすれば高められるか、工夫を凝らすべきであること等が判明したように思われる。
VIII.
「経営史概論」の取り組み（担当教員：浅野敬一）
1. 授業の目標
本授業では、高度成長期の日本を対象とする経浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養

営史を考察することで、本論全体の目標とする「教養」教育に取り組んだ。具体的には、文献資料を消化したうえで、各自が設定した課題調査と複数回の発表を行うことで、読解、情報の収集・整理・分析・総合、ディスカッション等の能力向上を目指したものである。
2. 授業の概要(1) 講義高度成長期の企業経営やその環境については、工学系の学生の関心も比較的高く、かつ職業人としても一定の理解が要求されるといえる。また、本校のカリキュラムでは、授業内容の前提となる
日本経済史についての学習が必ずしも十分ではない。そこで、本授業では、全 15 回のうち 9 回は講義を中心とし、明治維新から第二次大戦後の復興期までを 3 回、高度成長期を 5 回、高度成長後を 1 回で行った。本授業の前史に相当する最初の3 回はかなり圧縮した内容で一方通行的にならざ
るを得なかったが、後半は学生の発表と連携させながら、双方向的な講義となるよう配慮した。
(2) 選択課題
本授業は、文献を消化し、これをもとに考察することを目標としている。そこで、選択課題として、学生を 3 名ずつのグループにわけ、50 ほどの文献リストから各グループで一つを選択、文献を消化しポイントや論点を発表してもらった。各グ
ループが選択した文献は資料 5 のとおりで、それぞれ教員の指定した 1～2 章について発表した。
発表担当でない文献についても、それに基づく課
題の提出を義務付け、全学生がすべての文献を消化し、かつ質疑に積極的に参加するようインセン
ティブを与えた。
このうち、英語文献は留学生のグループが選択したものだが、日本人学生の英語力では想像以上に厳しい結果となった。そのため、当該文献の理解に不可欠な部分については授業内で和訳を解説し、かつ課題として訳文を提出してもらった。一方で、受講した留学生は日本語よりも英語が堪能であった。よって、自身で発表するわけではないが、工学系ではない日本語の文献を毎回消化するには相当の努力が必要であったといえる。
(3) 自由課題
選択課題や講義を参考に、テーマの設定から、文献等の収集、発表までを各受講生単独で行った。

33

本来は受講生一人ずつが全員の前で発表して欲し
かったが、受講生数が 18 名と多かった。もちろん、一人当たりの時間を短縮する選択肢もあるが、質疑が形式的なものに終わる恐れもある。
そこで、6 名程度で発表用のグループを編成、グループ内
で発表を行い、教員はグループを見回ることとした。ただし、後掲のアンケート結果では、「自由発表もできれば全員で」「この人数よりももう少し人数が少ない方がよい」というコメントがあった。
「自由発表の準備が大変だった」と回答した学生も多いため、苦労して調べた内容を全員に聞いてほしいという気持ちは十分に理解できる。
発表内容は、レポートではなく、期末試験時（90分）に条件付きの小論文にまとめることとした。
「条件」は、①700～900 字で作成すること、②問題設定と結論が明確であること、③自身のテーマが現代の経営（または経営史）の理解に貢献する理由が説明されていることとしたが、これは当日まで伏せておいた。試験ではこの他に選択式問
題が 3 問と 400 字前後の論述問題が 2 問出題されている。よって、時間内で小論文までを作成するには、場合によってはレポート作成以上に、内容を十分に理解し準備する必要がある。アンケートには、「テストをもう少し緩くしてください」と「考
えて書くテストだったので良かったです」との両方の声があり、90 分間必死に考えて書いてもらうという教員の意図は達成できたと考えている。
3. 今後の課題等
評価は、期末試験 40％、発表 40％、課題 20％とした。受講生は 18 名でスタートしたが、3 名は課題や発表が未了のため単位修得は適わなかった。
一方、期末試験を受験した 15 名は全員が 80％以上の得点（A 評価）、うち 3 名は 95％以上の得点（S 評価）で教員が読んでも勉強になる小論文であった。試験時における留学生（2 名）への配慮
としては、英文での答案作成を認めた。
今後の改善に向けては、答案返却時にアンケー
ト調査を実施した。結果は資料 6 のとおりで、回収数は 13 名、全員が単位を修得している。Q1.
～Q.11 は本校全体で実施する授業評価アンケー
トと共通だが、Q12.以降は本授業の意図を確認するため独自に設定した。Q.15 までは 5 段階評価
（強くそう思う(5)、そう思う(4)、どちらともいえない(3)、そう思わない(2)、まったく思わない(1)）

34

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）の平均で、Q.16～17 は自由記述の抜粋である。
アンケート結果からは、学生に苦労しながら考えてもらうという意図は達成されたといえるが、同時に、次の 3 点が改善点として示唆される。第一に、受講生数の問題である。半期のうちに発表を必須とすれば、
やはり10 名程度が理想である。
一方で、「定員割れの末辿りつきました。
」という学生は、A 評価で単位を取得しているが、かなり厳しい授業であったかもしれない。第二に、学生への負荷の問題である。学生の授業外学修時間の平均は Q.16 のとおりだが、このほかに発表前には相当の時間をかけたとの回答があった。学修単位を導入しカリキュラム全体を整理しない限りにおいては、卒業研究や他の科目の準備も勘案すれば、この程度が上限であろう。第三に、本プロジ
ェクト全体の目標である「コミュニケーション力や批判的思考力」の検証方法についてである。読解、情報の収集・整理・分析・総合、ディスカッション等が重要であることは、学生に繰り返し説明した。また、発表の質疑や試験の答案は、学生の能力の一端を示している。しかし、学生の向上

心をさらに喚起するには、「ここまではできた（できなかった）」と学生自身が明確に振り返ることができるチェック方法が必要といえる。
おわりに東京高専では、2011 年度から、本プロジェクトの取り組みをもとに、「学生のコミュニケーショ
ン力や批判的思考力をはじめとする幅広い実践的能力の強化」を共通目標に計 17 講座からなる「教養ゼミ」を 4・5 年生対象に開講する。開講に際しては、教員の担当科目の変更等が生じたほか、
単位計算上の都合から学修単位導入を見送る等のカリキュラム編成上の問題も一部積み残してしまった。
しかし、より重要な点は、Ⅶで川北が述べたよ
うに、学生自身が考えていく環境を如何に創出していくかであろう。もちろん、それは教室内にとどまるものではない。2008 年度から約 2 年半に及んだ「教養力強化プロジェクト」であるが、真の実践はこれからと考えている。

【資料】
資料1 「スポーツにおけるエスニック・マイノリティ」参考文献等
参考文献
亀井俊介他『史料で読むアメリカ文化史４アメリカの世紀 1920 年代―1950 年代』東京大学出版会、
2005 年。
佐藤次高他『詳説世界史』山川出版社、2006 年。
佐山和夫『黒人野球のヒーローたち―「ニグロ・リーグ」の興亡』中央公論社、1994 年。
鈴木透『実験国家

アメリカの履歴書』慶応義塾大学出版会、2003 年。

立花隆『東大生はバカになったか』文藝春秋、2004 年。
立花隆『二十歳のころ〈１〉』新潮社、2001 年。
波部優子『背番号 42 メジャーリーグの遺産』文芸社、2009 年。

Parker, Robert B. , Double Play, 2005.（邦訳『ダブルプレー』菊池光訳、早川書房）

Robinson, Jackie. , I Never Had It Made. New York: Putnam 1972.
Scott, Richard., Jackie Robinson, 1987.（邦訳『ジャッキー・ロビンソン物語』国代忠男訳、筑摩書房、1997 年）
WebsiteThe Jackie Robinson Foundation, http://www.jackierobinson.org/
National Baseball Hall of Fame and Museum, Inc. Baseball Hall of Fame and Museum.
http://baseball hall of fame.org.
NYTimes.com's Today's Headlines newsletter, http://www.nytimes.com/indexes/浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養

資料2

35

「ウォーキングゼミ」平成 21 年度実施要項（ガイダンス時の配布資料）◇ウォーキングゼミのねらい：
健康ウォーキングについての理解を深め、生涯スポーツとしてウォーキングに親しむ機会の提供
高専周辺や都心部を歩くことによって、母校としての高専や首都東京の魅力を再発見する◇今年度の授業内容：（授業時間数）
第 1 回：ガイダンス
第 2 回：多摩丘陵のカントリーウォーキング（７km コース）
・コース：高専から近藤城、鎌倉古道、多摩丘陵の魅力を満喫するコース
・実施日：４月１６日（木）１４時～１６時

第 3 回：大江戸・都心縦断ウォーキング（１５ｋｍコース）
・コース：日本橋から江戸城、皇居、国会議事堂、外苑、明治神宮、原宿までの都心を縦断する
・実施日：５月１日（金）小雨決行

・集合場所：ＪＲ東京駅丸の内北口・改札を出た付近
・集合時間：１０時（時間厳守）

・解散場所：ＪＲ原宿駅１６時頃
第 4 回：両国・浅草・柴又ウォーキング（１８ｋｍコース）
・コース：隅田川沿いに国技館,浅草寺,向島百花園,荒川,柴又を目指し、下町情緒を満喫する
・実施日：年５月４日（月）小雨決行
・集合場所：両国駅西口
・集合時間：１０時（時間厳守）

・解散場所：柴又駅１６時頃
第５回：高尾山・トワイライトウォーキング（７㎞コース）
・コース：びわ滝コースを登り表参道コースを下山し、三ツ星高尾山の夕暮れの自然を堪能する
・実施日：５月１４日（木）16 時～19 時

第６回：旧甲州街道ウォーキング（１５ｋｍコース）
・コース：関所跡や宿場をたずね、街道一の難所の小仏峠を越えるハードな甲州道中の旅
・実施日：５月２３日（土）小雨決行
・集合場所：高尾駅南口
・集合時間：１０時（時間厳守）

・解散場所：相模湖駅１６時頃
第 7 回：隅田川リバーサイドウォーキング（１３㎞コース）
・コース：隅田川テラスを南下し、橋や運河を渡り、築地・銀座を目指し、水の都を実感する
・実施日：７月１８日（土）小雨決行
・集合場所：両国駅
・集合時間：１０時（時間厳守）

・解散場所：東京駅１６時頃
第８回：まとめ、報告書作成作業◇評価について：①出席状況、②立ち寄りスポットの解説、③歩行レポートで評価◇持ち物（高尾山トワイライトウォークは懐中電灯必携）① 必要経費（給水費用等）②

歩きやすい服装、シューズ、帽子は必ず準備、リュックサックタイプのバッグ③

雨具（天候悪化の場合：かぶるタイプのカッパがベスト）④

飲み物（ペットボトルが良い）⑤

コースガイドの資料（事前配布済み）、地図、メモ用紙・筆記具、万歩計

◇事前準備
①

配布済みのコースガイドとコースの事前理解②

路上プレゼンの資料収集、準備

36

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）③

体調の維持管理

◇参加者：

学生１１名

◇指導教員：古屋正俊◇レポート提出：ワープロ作成のレポートを実施１週間以内に(furuya@tokyo-ct.ac.jp）に提出

資料3「ウォーキングゼミ」学生道中記①隅田川リバーサイドウォーキング

M・H

今回のウォーキングは、何と言ってもコースが私の趣味にジャストマッチで全編通して楽しく満足できるものでした。趣味というか好みなのですが、私は“雰囲気”のある場所が好きなのです。タイムスリッ
プしたかのような下町の路地裏、そこから急にひらけた近代的な建物や道路、無機質でありながら温かみのある橋など、このコースでみた多くの物がとてもいい“雰囲気”を纏っていました。歴史あるものならば、その時代の人や暮らしに想いをはせ、近代的なものならば今後の展望、未来を想像し、それら一つ一
つに沢山のドラマがあると感じるのです。このウォーキングではそんな思いを抱きながら挑むことが出来ました。
思い返すとこのコースは時代を追って進んでいたように感じました。古来より国技として親しまれてきた相撲の聖地、両国から始まり、古き良き時代の香りを残す下町、佃島や月島を超え、人々の食文化を支えてきた築地をしり目に、現代日本の中心、銀座に至る。さらには技術の進歩とも言えるような橋の数々、人の手によって作りかえられ、人々の生活文化になくてはならないものとなった隅田川。まるで数百年の歴史を一挙に旅したみたいな気持ちになりました。
そして前回のコースと合わせて両国から原宿まで繋がるというにくい演出もうれしかったです。都心を横断するようなこのコースを歩き切ったことで東京を征服したかのような達成感と、都心の位置関係を感覚的に知ることができた安心感を得ることが出来ました。
歴史ある“古い”ものに“新鮮さ”を感じ、華やかで近代的なものに親近感を感じる、今回のウォーキ
ングはそんな発見と感動に満ち溢れたものでした。機会があれば個人的にでもこんなコースを歩いてみた
いなと思います。
②隅田川リバーサイドウォーキング

N・O

今回は常に五感が働くこととなったウォーキングコースであった。景色が変わってゆくことによって視覚が稼働するのはもちろん、嗅覚、味覚、触覚、聴覚も全て盛り込まれ、ボリューム満点であった。まず嗅覚として、隅田川のじめっとした臭いから始まり、隅田川沿いの佃煮のお店前を通れば香ばしくも甘い臭いに変わった。隅田川から少し離れれば、月島もんじゃの食欲をそそる臭いが漂っていた。そこで食べたもんじゃ焼きは格別においしかった。特に明太子モチもんじゃはおすすめである。昼食をとった場所も路地裏にちょっと進んだところにあり、知る人ぞ知る下町の老舗のようで、個人的にかなり好みな雰囲気のお店であった。ごちそうさまでした。^^
月島の次に向かった銀座裏通りウォークも魅力的だった。こんなところ通ってよいのかと思うほど細く、暗い道であり、それが上を見上げれば空が一直線にしか見えないほどであった。その怪しげで一人で通る
勇気もないような未知のところを歩けて、まるで冒険しているかのようで心躍らせられた。中でも、裏通りの途中に自動ドアがあることにおどろきを感じた。そこで鳴っていたモスキート音もまた、今までにない要素で魅力的であった。また、舗装された銀座の道とは違い裏通りの凸凹な道のりというのも足裏から感じとれた。前回同様 2 万歩を超えるウォークの疲れから来ていたかもしれないが、五感を活用して銀座裏通りの魅力を十分に堪能できたと思う。
メンバーと話しながら歩いたり、干し芋をいただきながら街を巡ったりしているうちに、あっという間に今回のコースが終わってしまった。意外と１３km は楽しく歩けるものだなと実感し、次回のウォークが待ち遠しく思うのであった。

浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養

資料4「ウォーキングゼミ」コース地図と授業風景①都心部コース②学校周辺部コース

皇居を歩く

国会議事堂前でプレゼン

隅田川からリバーシティへ

37

38

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

資料5「経営史概論」学生の選択課題一覧

猪木武徳『学校と工場―日本の人的資源』読売新聞社、1996 年。
沼上幹『液晶ディスプレイの技術革新史―行為連鎖システムとしての技術―』白桃書房、1999 年。
湯沢威他編『国際競争力の経営史』有斐閣、2009 年。
野村正實『トヨティズム―日本型生産システムの成熟と変容』ミネルヴァ書房、1993 年。
伊丹敬之他著『競争と革新―自動車産業の企業成長』東洋経済新報社、1988 年。
Alfred D. Chandler, Jr. eds., Big Business and the Wealth of Nations, Cambridge Univ. Press,
1997.

資料6

「経営史概論」受講生アンケートの結果

Q1.

板書は見やすい。

4.3

Q2.

授業のペースは適切だ

4.5

Q3.

説明は聞きやすい。

4.7

Q4.

学生が理解しているか確認しながら進めている。

4.2

Q5.

学生の質問に対する受け答えは満足できる。

4.7

Q6.

内容について身につけることができたと思う。

3.8

Q7.

将来役立つ知識等を身につけることができたと思う。

4.2

Q8.

成績評価の基準は適切と思う。

4.5

Q9.

この授業科目はシラバス通りであったと思う。

4.5

Q10. この授業科目は履修希望時の講義要目通りであったと思う。

4.2

Q11. この授業科目の必要性（重要性）は授業を通じて伝わったと思う。

4.2

Q12. テキストや課題の内容が難しかった。

3.8

Q13.

4.1

テキストや課題の量が多かった。

Q14. 選択発表の準備が大変だった。

4.2

Q15. 自由発表の準備が大変だった。

4.4

Q16. 課題や発表の準備にどのくらいの時間をかけましたか？

1.8/週

Q17. この授業を選択した理由を簡単に書いてください。
・経済・経営についての知識を身につけたかったから（ほか類似 5 件）
・他の授業と比べた時に一番将来役に立ちそうな授業だったから（ほか類似 1 件）。
・4 年の選択科目の米国社会経済史が面白かったので。
・定員割れの末辿りつきました。
・社会系の科目で理論的に理解しやすそうだったので。
・自分に最も不足しているものだったから。
・発表があると知ったため。
Q18. その他この授業を受けての感想や改善点があれば書いてください。
・提出課題や発表課題が多く大変でしたが、とても役に立つ授業でした（ほか類似 1 件）。
・発表回数はちょっと多かったと思った。1 回だけに減らしてもいいと思うが。
・自由発表もできれば全員で。
・1 人 1 人発表すると各々の意見がきけておもしろかった。
・この人数よりももう少し人数が少ない方がよい。もう少し他の人の感想を聞きたかった。
・人数が多くなく授業中の対話をしながらの進行はとても身に着く授業スタイルだと思う。
・はじめの方は、昔のことを多く述べていたので、もう少し最近のことに重点を置いてほしい。
・テストをもう少し緩くしてください。
・考えて書くテストだったので良かったです。

浅野，津田，舩戸，相澤，竹田，古屋，河村，川北：実践的能力としての教養

本論は、平成 20・21 年度東京工業高等専門学
校重点配分経費による研究成果の一部である。
1 これについては、プロジェクトメンバーである

川北晃司の論考を参照のこと。川北晃司「教養の概念と教養教育の目的」『東京工業高等専門学校研究報告書』41(1)号、2010 年 1 月、1-20 頁。
2 代表的な主張は、川北「教養の概念と教養教育の目的」10-15 頁が紹介している。
3 チューニング(Tuning Educational Structuresin Europe)については、次の URL を参照。
http://www.tuning.unideousto.org/
4 竹中亨他「教育改革のなかでのヨーロッパの歴
史教育実践―学生本位主義への転換」『西洋史学』
229 号、2008 年。
5 川北「教養の概念と教養教育の目的」10-12 頁。
6 川北「教養の概念と教養教育の目的」17 頁。
7 東京建築探偵団『建築探偵術入門』文春文庫、1986 年、赤瀬川原平『路上観察学』ちくま文庫、
1993 年、毛利好彰『散歩学』実務教育出版、1997
年、中江克己『江戸遊歩術』知恵の森文庫、2001
年。
8 吉村靖夫『日本列島一周徒歩の旅―270 日 8296㎞の記録―』山文社、2006 年。
9 永井荷風『日和下駄 一名東京散策記』講談社
文芸文庫、1999 年、近藤富枝監修『文学歴史８ 荷
風流東京ひとり歩き』JTB パブリッシング、2008
年、辻真先『ひとり歩きの楽しみ』1997 年、川本三郎『私の東京町歩き』1998 年、山下柚実『五感で楽しむ東京散歩』2003 年、岡本哲志『江戸東京の路地』2006 年。
10 浅川地下壕の保存をすすめる会『フィールドワーク淺川地下壕』2005 年。
11 2008 年度に実施した人文ゼミ（河村担当分）
については、以下の 2 つの論考で紹介した。本稿にもその一部を利用する。河村豊「学生による科
学技術史研究の試み－ゼミ活動の記録と今後の展
望」『東京工業高等専門学校研究報告書』第 40(2)号、2009 年、27-36 頁、河村豊「学生による科学
技 術 史 研 究 の 試 み － 経 過 と 論 文 紹 介 」『 ILSAGGIATORE』No.38、2009 年、50 頁。後者の論考では、同誌に学生の２論文を投稿した際の紹介文である。
12 なお、これまでの受講生数は 2008 年度（専攻科 3 人、本科 5 年生 4 人）
、2009 年度（0 人、2人）、2010 年度（0 人、4 人）と少数である。
13 言語を英語に拡張できれば各種のデータベー

39

スが利用できる。英語の論文を利用した本講義での事例は、以下の報告書でも２件、確認できる。
「科学技術論（人文ゼミⅢ）調査研究報告書 2008年度後期」。
この年度の報告書を以下で閲覧できる。
チケットリンクは http://xythos.tokyo-ct.ac.jp/
xythoswfs/webui/_xy-2069109_1-t_7DAIqqIQ
パスワードは「history」。
14 http://ci.nii.ac.jp なお、国立情報学研究所は、国内外の有用な学術情報資源との連携を可能とすることを目標とした“GeNii”（ジーニイ）の構築を進めており、この GeNii の機能の一つとしてCiNii が位置づけられている。
15 伊勢田哲治「科学コミュニケーションとしてのクリティカルシンキング教育」物性研究 93（4）
物性研究刊行会、2010 年、451 頁。
16 若山昇「大学におけるクリティカルシンキング
演習授業の効果」『大学教育学会誌』（31）1、大学教育学会、2009 年、146 頁。CT は米国では第二次世界大戦以前から存在する概念で、1980 年代から論理学初歩として大学教養教育の中で広まってきた。
17 T. Schick, Jr. & Lewis Vaughn が著した CT の教科書では、他に「社会的望ましさのバイアス」
について医療患者を例に、下記のように紹介している。
「ケースレポートはまた、統制された研究ではうまく処理できるいくつかの深刻なデータの偏りにも影響を受けやすい。その一つは、社会的望
ましさのバイアスと呼ばれる。これは、患者がその治療に対する『正しい反応』とみなされる反応をしたがる傾向を表している。その傾向のため、とにかく治療を受けた後には状態がよくなったと報告したがる人がいるのである。というのも、そう答えることが社会的に望まれている態度だと考えたり、そうすることで医者を喜ばせたいと願ったりするからである。
」T･シック･ジュニア＆L.ヴォーン『クリティカルシンキング 不思議現象編』
菊地聡・新田玲子訳、北大路書房、2008 年、207頁。なお、当書には頁毎に科学者・作家・哲学者などによる「名言」が紹介されており、そのなかには「単純さを求め、それを疑え」（数学者ホワイトヘッド）、「専門家とは、彼の専門領域においてなされうる最悪の誤りのいくつかと、それを避ける方法を知っている者である」（物理学者ハイゼンベルグ）など、教育的価値の高いと思われる箴言
がいくつかあった。
18 平山るみ、楠見孝「批判的思考態度が結論導出プロセスに及ぼす影響」『教育心理学研究』52（2）、40

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

日本教育心理学会、2004 年、186 頁。

るようなものは許されない。」『朝日新聞』2010年 12 月 28 日、東京本社（朝刊 14 版）。
27
も の 」『 京 都 大 学 文 学 部 哲 学 研 究 室 紀 要 』
伊勢田、前掲書、456-457 頁。
28 田中優子・楠見孝、前掲論文、515 頁。
Prospectus5、2002 年、18 頁。
20 日本イギリス哲学会編『イギリス哲学・思想事
29 若山昇、前掲論文、146 頁。
30 田中・楠見、前掲論文、515 頁。
典』研究社、2007 年、230、236 頁。
21 日本イギリス哲学会編、前掲書、166 頁。とは
31 田中・楠見、前掲論文、516-517 頁。
32 田中・楠見、前掲論文、515 頁。
いえ、18 世紀の市民は財産の所有者であり、教33 Alec Fisher, Critical Thinking, Cambridge,
育・教養すら財産によって獲得されるものであっ11th printing, 2009, p.12.
た。Habermas は書いている。18 世紀の末に教養階層の公衆が手工業的小市民層にまで拡がったが、 34 元吉忠寛「クリティカルシンキング志向性の概
念とその測定」『日本教育心理学会総会発表論文「教養ある人とは、百科全書を所有している人で集』51(2009)S45。
ある----こういう基準を次第に小売商や手工業者
35 廣岡秀一・小川一美・元吉忠寛「クリティカルも受け入れていく。
「民衆」は文化へ教育されていシンキングに対する志向性の測定に関する探究的くのであって、文化そのものが大衆文化へ格下げ
研究」『三重大学教育学部研究紀要』51（教育科られるのではなかった。
」ハーバーマス『公共性の学）、2000 年、169 頁。
構造転換』細谷貞雄訳、未来社、1982 年、221-222
36 廣岡秀一・元吉忠寛・小川一美・斎藤和志「ク頁。
22 佐伯啓思『リティカルシンキングに対する志向性の測定に関「市民」とは誰か』PHP 新書、1997
する探究的研究(2)」『三重大学教育実践総合セン
年、155-156 頁。
23 岩崎豪人、前掲論文、25-26 頁。
ター紀要』21、2001 年、97 頁。
37 M. Neil Browne＆Stuart M. Keeley, Asking
24 田中優子・楠見孝「批判的思考の使用判断に及
the Right Questions,A Guide to Critical
ぼす目標と文脈の効果」『教育心理学研究』55、Thinking,
8th ed., Pearson（平成 Prentice
23 年 1 月Hall,
7 日 2007,
受理）
日本教育心理学会、2007 年、514 頁。
p.2.
25 John E. McPeck“Critical Thinking and the38 若山昇、前掲論文、152 頁。
‘Trivial Pursuit’ Theory of Knowledge,”
Teaching Philosophy, 8, 1985, p.298. ちなみに
McPeck は、CT を「反省的懐疑」(reflective
skepticism)すなわち自覚的方法的な脱軽信として表現したことで知られている。彼によれば、「聞
いたり読んだりすることを鵜呑みにしない」のが「批判的思考者」(critical thinker)の一特徴的意
味 で あ り 、 良 き 教 養 教 育 (a good liberal
education)のイメージにそれは近いのだという(pp.296-297)。しかし筆者(川北)の考えでは、そのような包括的「懐疑」の教育は、一種のダブルバ
インド的状況（今の場合『「私の言うことを信じるな」と私が言う』ことで子供を混乱させること）を生み出しかねず、子供の精神発達段階をよく考慮して慎重に行うべきであり、少なくとも初等教育向けではなく、14、15 歳以降に導入されるべきものである。ただしネット情報やうわさ話を鵜呑みにしない教育はもっと早期から必要であろう。
26 以下の証言は、民間療法の問題に詳しい内科医の話として最近の新聞に紹介されたものである。
「多忙な医師が患者の不安や悩みを受け止めきれていない一方、民間療法の療法家はよく話を聞くようだ。
患者の心の支えになることもある。
ただ、現代医療を否定したり、高い対価を払わせたりす
19 岩崎豪人「クリティカル・シンキングのめざす東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

異文化理解授業における留学生と日本人学生の協働学習

41

異文化理解授業における留学生と日本人学生の協働学習

吉田さち*，竹田恒美**

Collaborative Learning among Foreign and Japanese Students
吉田さち *，竹田恒美 **in the ‘Cross-cultural Understanding’ Class
Collaborative Learning among Foreign and Japanese Students
Sachi YOSHIDA,
Tsunemi TAKEDA
in the‘Cross-cultural Understanding’Class
Tsunemi students
TAKEDAYOSHIDAIn this paper, we report on the collaborative learningSachi
amongforeign and Japanesein the ‘Cross-cultural Understanding’ class of Tokyo National College of Technology. The class was
In this paper,
report on
the collaborative
among
foreignand Japanesepreviously
calledwe‘Japanese
Studies’,exclusively learning
offered toforeignstudents.
In 2010students
it wasinthe‘Cross-cultural
Understanding’classof JapaneseTokyo Nationalof andTechnology.
reorganizedin such a waythat both foreignandstudentsCollege
can takethe courseThetitleclasswas
was previously called‘Japanese Studies’, exclusively offered to foreign students. In 2010 it waschanged to ‘Cross-cultural Understanding’.
reorganized in such a way that both foreign and Japanese students can take and the course title was
In the new class, where the collaborative learning among the students was possible, thechanged to‘Cross-cultural Understanding’.
chance of the exchange between foreign and Japanese students increased, and further
In the new class, where the collaborative learning among the students was possible, the chance ofunderstanding among them was fostered. Attitudes of both foreign and Japanese students seemed
the exchange between foreign and Japanese students increased, and further understanding among
to affect each other positively and meaningful interactions among them were observed.
them was fostered. Attitudes of both foreign and Japanese students seemed to affect each otherpositively and meaningful interactions among them were observed.
(Keywords
learning,
cross-cultural
understanding)(Keywords:: collaborative
collaborative learning,cross-cultural
understanding)

１．はじめにがある。それにも関わらずそのような恵まれた環「異文化理解」は，「都市型高専の特徴を活かした留学生施策と日本人チューター教育を含めた統合プログラム（TOKYO Links）」（2009-2010 年度の高専機構特別教育研究費採択事業）（以降TOKYO Links）の一環として，2010 年度に新た境を十分に活かしきれていないといった問題がある。第二に，企業活動がグローバル化された現代において，異文化接触で生じる様々な課題について体系的に学び，シミュレーションを体験しておく意義は大きいと考えられる。これらの問題解決の一助とするために，留学生と日本人学生が混在に開設された科目である。
本科目は，これまで行われてきた３年留学生対象の「日本事情」を改編したものである。これまでの「日本事情」との最も大きな違いは，日本人学生も受講できるようにした点である。
日本人学生も受講できるようにしたのは，次のような問題解決の一助になるという意義が期待されたためである。第一に，東京高専には，留学生と日本人学生が，同じキャンパスで学び同じ寮で生活するという異文化交流にとって恵まれた環境＊一般教育科非常勤講師

した「異文化理解」クラスが開設されることとなった。
本稿では，このような経緯で開設された「異文化理解」クラスの前期授業の取り組みについて報告する。

２．「異文化理解」クラスの前期授業の概要と取り組み内容２．１＊＊一般教育科（英語）TOKYO Links の概要

42

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

先に述べたように，「異文化理解」は TOKYO

Links の一環として，2010 年度に新たに開設された科目である。
「異文化理解」の授業の概要につい計画された，留学生と日本人の共通教育プログラ
ムとして，2010 年度から新たに開設されることになった。

て述べる前に， TOKYO Links の概要について竹田他（2010）に基づいて紹介する。
竹田他（2010）によると，この事業の背景には，「留学生 30 万人計画」を実現するために，高専

２．２ 「異文化理解」クラスの概要
次に，「異文化理解」クラスの概要について見ていく。
「異文化理解」クラスの前身は，高専の本科でも質の高い留学生受け入れ拡充政策が望まれるという状況がある。

3 年に編入学してきた留学生が受講する「日本事この事業では，こうした状況を踏まえて，次の学生の意識の乖離を少しでも補うことやグローバ
ルな舞台で活躍する際に求められる異文化コミュ

二つの目的を掲げている（図１参照）。第一の目的は，日本人学生と留学生が共に参加し，双方にとって魅力的な学びの仕組みを作ることである。具体的には，①留学生と日本人の共通教育プログラ
ム，②留学生と日本人学生が参加する合宿形式の異文化理解プログラムの 2 つが実施されている。
第二の目的は，首都圏で学ぶ高専編入学予定留学生のための新しい準備教育を実施することである。
具体的には，3 年時に編入することになる留学生のため，高専生の指導によるスキルアップ講座が開催されている。
「異文化理解」クラスは，上記の第一の目的（日本人学生と留学生が共に参加し，双方にとって魅力的な学びの仕組みを作ること）を果たすために情」である。先に述べたように，留学生と日本人

ニケーション能力を養うことを見据えて，日本人混在クラスに改められた。
「異文化理解」クラスの目的は次の 3 点とした。
（１）留学生と日本出身の学生が混在したクラス
で，異なる文化的背景を持つ者同士が出会う際に，どうすれば円滑なコミュニケーションができるかについてともに考えることで，相互理解を深め，
グローバルなコミュニケーション能力を身につける。
（２）文化の多様性についての理解を深め，多角的な観点から物事を考える視野や態度を養う。
（３）グローバル化された企業で活躍するために，異文化接触で生じる様々な課題について体系的に学び，グローバルなコミュニケーション能力を高めることを目指す。
対象学年については，留学生は 3 年生（編入学初年度）の必修科目とし，日本人学生は，4，5 年
生の選択科目とした。
単位数は，留学生は通年 2 単位，日本人学生は
前期 1 単位とした。日本人学生の単位を 1 単位としたのは，単位不足を補うために選択する学生が出ることを出来るだけ避けるためである。
開講時間は，火曜 9，10 限目とした。
受講者数については，初年度は，日本人学生は留学生とほぼ同じくらいの人数を想定していた。
実際に 3 名の 3 年次編入の留学生と 5 名の日本人学生が登録したため，ほぼ想定通りの人数となった。年度の授業終了後に日本人学生が最大何名くらいまでが適切かを判断し，次年度以降の受講者数に反映させる予定である。

図１

取り組みの概要（竹田他 2010）２．３「異文化理解」と「協働学習」「異文化理解」クラスの取り組みの内容につい吉田，竹田：異文化理解授業における留学生と日本人学生の協働学習て報告する前に，本科目の名称である「異文化理解」と，本科目で取り入れることとした「協働学習」の概念について確認する。

43

るということを，ここで強調しておきたい。
なお，「国際理解」という用語も「異文化理解」

本科目の名称である「異文化理解」とはそもそと似たような文脈でしばしば使われる用語である。
古田他（2001）は，「国際理解」という用語にはも何を意味する用語なのだろうか。「異文化理解」

文化を扱う上で 2 つの問題があるため，教育界でという用語は新書の題目（青木 2001）にもなっており近年定着した感のあることばであるが，一般の辞書や事典などには載っていない。
「異文化理解」をかみくだいて表すと，「異なる文化を理解すは「異文化理解」を使うのが適当であると述べている。第一の問題として，「国際」は「国家と国家の間」を意味するため，国内の異文化の存在を忘ること」となるが，その意味を正確につかむためれてしまうこと，第二の問題として，「国際理解」
は政府間の外交による理解を意味するため，市民には，「文化」についての定義を踏まえておく必要

レベルの日常生活の文化は理解の対象にならないがあるだろう。
「文化」とは何だろうか。岡部（1987）は次のということとしている。
次に，本稿のキーワードにも挙げられている「協ように定義している。

働学習（Collaborative Learning）」について見てある集団のメンバーによって幾世代にもわた

おきたい。
金田（2007）は，「協働」のポイントは「相互って獲得され蓄積された知識，経験，信念，作用」であると述べ，「協働」について「参加者ど価値観，態度，社会階層，宗教，役割，時間空間関係，宇宙観，物質所有観といった諸相

うしが互いに影響し合い，そして学び合いながらの集大成であるといえよう。

る。

八代他（1998）は，「文化」ということばについて考える際に注意すべき点を三点あげている。

共通の目的のために協力する」ことと定義してい金田（2007）によると，このような意味での「協働」は，近年，社会のさまざまな場面で使われる第一に，文化というと，音楽，絵画，哲学など，
とかく高尚なものを想像しがちであるが，挨拶やようになっているという。たとえば，地域における街づくりや福祉事業，企業による新製品の開発などでは，「協働」は欠かすことのできないキーワ

食事の仕方などの日常的な文化こそ，異文化コミュニケーションにとっては重要なものだという点ードであり，物事を考える重要な枠組みとなっている（金田 2007）。

である。
第二に，私たちは性別，年代，会社，家などの池田（2007）は，「協働学習」には二重の構造があるとし，「協働学習」の二重性を次のように述複数の集団に同時に属している。そのため，ほとんどの人とのコミュニケーションが異文化コミュ

べている。

第三に，異文化コミュニケーションでいう「違い」は絶対的な違いでなく相対的な違いであり，相手文化をステレオタイプ化するような見方は偏見につながるので避けなければならないと述べている。
八代他（1998）の主張を踏まえて，「異文化理解」を広い意味で捉えるならば，「自分とは異なる
他者の習慣や価値観などを理解すること」などのように言い替えられるだろう。
「異文化理解」と言うと，日本人にとっては日本以外の国や地域の文化を理解することが想起されやすいが，「異文化」

これまでの教室の学習は，教師主導，すなわ
ち，教師が学習者に対して知識を提供し，学習者がそれをただ受容すればいいという一方的なものでした。しかし，人間の学びというものは，本来主体的，社会的，創造的なものです。そのことに目を向けるならば，教室の学習は，学習者の社会性や主体性を最大限に発揮させることを目指してデザインされるべきです。また，教師も，ただ単に知識を伝達するだけの役割を担うのではなく，人が社会で生きていくための学びを基盤とした学習をデザインし，学習者とともに主体的・社会的ということばはもっと広い意味で捉える必要があに学びつつ，学習者の学びを支援するという

ニケーションの部分を含むと指摘している。

44

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

役割を担うべきです。ここにも，「学習者どうしの学び合い」と「学習者と教師という異なる立場の間の学び」という二重の協働が見てーションとは何か【コミュニケーションの定義】
第4回

マレービアンの実験【非言語コミュニケーショ
ンの重要性】，【非言語コミュニケーションの種

とれます。

類】，ジェスチャーの紹介【ジェスチャーの普遍性と多様性】「異文化理解」クラスを開始するにあたり，上記のような「協働学習」の考え方を取り入れるこ

第5回

違い】，
【ステレオタイプ】，会話のスタイルと文ととした。したがって，授業では，受講生同士が協力して学び，互いに刺激を与えあうことを重視する。また，教師の役割としては，受講生ととも

日韓ドラマの音声比較【パラ言語による印象の化に対する態度【自文化中心主義と文化相対主義】
第6回

カルチャー・ショックのモデル【カルチャー・に学び，受講生の学びを支援するという役割を担

ショック】，異文化への移行体験のモデル【異文うものと捉える。

化適応】
第7回

２．４

前期授業の取り組み内容

前節では「異文化理解」クラスの実践に関わる概念について確認した。先述のように，2010 年度

異文化に対する態度【同情（シンパシー）と共感（エンパシー）】，価値志向の違い【５つの基
本的な価値志向】，第8回

自分に影響を与えたことわざ【自分・クラスメの「異文化理解」クラスの前期は留学生と日本人ートの価値観を知る】，プロジェクトチームのリの合同クラス，後期は留学生のみのクラスとした。
本稿では，留学生と日本人の双方が参加した前期

ーダー決めゲーム【価値観の違い】
第9回

法務省の統計を読み解く【在日外国人】，多言語の授業の取り組みについて報告する。

社会における言語使用【ダイグロシア，言語シ

前期授業の目的としては以下の二点とした。
（１）異文化理解に関する基本的な知識を理解する。

フト，コード切り替え】
第 10 回駅や街での多言語表示【多言語景観】

第 11 回【国語と公用語の違い】，多様な英語話者【｛母（２）留学生と日本人学生の合同クラスという特徴を活かして，協働学習を多く取り入れる。それにより，基本的な知識についての理解を深めると同時に，自らのものの見方を広げる。
このような目的を達成するために，毎回の授業
では，受講生の主体性を重視し，ペアやグループでの作業やクラス全体での話し合いの機会をできるだけ多く取り入れながら進めることとした。
前期の授業で扱ったテーマは次の通りである。
表１
第1回

前期授業のテーマ

ジョハリの窓【自己開示の仕方の違い】，初対面での話題【コミュニケーション・スタイルの違い】

第2回

生活作文の評価【コミュニケーション・スタイ
ルに対する評価意識の違い】，文化と言って思いつくもの【見える文化・見えない文化】

第3回

自分に影響を与えてきた文化【社会集団と文化】，生活作文の評価(2)【コミュニケーション・
スタイルに対する評価意識の違い】，コミュニケ

語・第二言語・国際語｝としての英語】，英語使用に対するディスカッション【第二言語習得，
英語帝国主義・世界諸英語】
第 12 回【異文化交渉】，政治家のスピーチ分析【｛言語・非言語｝コミュニケーション・スタイルの特徴】

第 13 回

前期のまとめ以下では，第１回の授業の具体的な内容について報告する。
（１）第１回の授業《授業の目標》第１回目の授業では，二つの目標を設定した。
第一の目標は，初対面の受講生同士が多い初回授業の特質を生かして，自己開示の仕方，初対面の会話で選ぶ話題，コミュニケーションの仕方には文化による違いがあることを改めて確認することである。第二に，受講生同士がペアになって話し合ったり，全体でディスカッションをしたりすることの多い授業の進め方に慣れてもらうことを目標とした。

吉田，竹田：異文化理解授業における留学生と日本人学生の協働学習

45《授業の内容》
次に第１回目の授業の内容について述べる。初めに，異文化理解クラスの目的・内容・授業の進め方・評価方法についてのガイダンスを行った。
ガイダンスの後に，「自己紹介ゲーム」と称し，これまで話したことのない学生同士がペアになり，適宜メモをとりながら相手を知るための会話（話す内容は指定していない）を行ってもらった。５分経過したら，別の相手とペアを組み，再度メモをとりながら会話してもらうということを数回繰り返した。
このゲームを行った目的は，クラスメートと会話を行いお互いについて知りあうと同時に，初対

図３

授業風景（２）

面での会話において，他者はどのような話題を選のスペースのように分類したものである。①の，ぶのか，どの程度自己開示をするか，どんなコミュニケーション・スタイルをとるかなどについて，

自分も知っていて，他人にも知られている「オー振り返るための材料とすることである。

プンな部分」が広いほど，自己開示の度合いが大きいということになる。また，「オープンな部分」

自己紹介ゲームが終わったところで，どんな話題が出たか，相手のコミュニケーションの仕方での広さが違う場合，すなわち自己開示の度合いにずれがある場合には，コミュニケーション上誤解

自分と違うと感じたところはなかったかについてなどが生じる可能性がある。
「オープンな部分」の内省し，気付いた点を挙げてもらった。それぞれの受講生が，コミュニケーションの仕方や選ぶ話
題などについて，自分と他者の間には何らかの違

広さは会話の相手や状況により個人の中でも変化することと，「オープンな部分」の大きさは人それいがあったことについて気が付いていた。その際、明した。

ぞれだということを留意する必要があることを説

自分は

自分は

知っている

知らない

人に

①

②

知られている

オープンな部

盲目な部分

分

人に知ら

③

④

隠れた部分

未知の部分

れていない

図２

授業風景（１）
図４

ジョハリの窓（八代他 1998 より作成）

留学生と日本人の間での違いだけでなく，日本人
学生同士や留学生同士でも個々人により違いがあることを留意させた。
その後，ジョハリの窓（Luft, J & Ingham, H
1955）という自己開示のモデル（図３参照）について解説した。ジョハリの窓とは，自分自身について，本人が知っているかという基準と他人が知次に，「初対面での話題」についての質問紙を配布した。質問紙には，17 の話題（テレビ番組について，政党について，など）が書かれてある。それぞれの話題について，初対面の人と話すとき，話題にすると思うものには○，話題にしないと思うものには×をつけてもらった。質問紙で取り上っているかという基準により，窓のような４つげた話題は，徳井（2002）が留学生 30 名，日本

46

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

人学生 30 名に質問したものをベースに加筆したものである。受講生に○・×をつけてもらった後に，徳井（2002）の結果を提示し，それらと自ら（１）留学生と日本人学生の交流のきっかけとな
り，互いについての理解が促された。
（２）日本人学生と留学生を交互に座らせるよう文化差について全員で話し合った。

にしてから，日本人学生が留学生の日本語の理解を自然に助けるような態勢ができた。

最後に，次回の授業への橋渡しとして，「文化」ということばから連想されるものを書き，提出し（３）留学生が日本語で積極的に自分の意見を発言する姿勢に促されて，日本人学生も能動的に発てもらい，授業を終了した。
《授業のまとめ》

言をするようになった。

の回答を見比べながら，初対面の話題についての第１回の授業では，初対面のコミュニケーショ

一方で今後改善していかなければならない問題点もある。教師側の問題として，受講生たちに自ンにおける話題の選択やコミュニケーションの仕分たちの主体性を十分発揮してもらうことと，基方などさまざまな側面で文化による多様性が見られるということを，改めて確認してもらうことを本的な知識への理解を深めるために説明することの両方のバランスをとることが難しく，説明をし目的に，「自己紹介ゲーム」や初対面の話題についすぎてしまうきらいがあった。協働学習が，「異文てのディスカッションを行った。
授業中，受講生に受講の動機を話してもらった化理解」の理論に対する体系的な理解に有機的につながるようにするための一層の工夫が必要だとところ，「日本人同士のコミュニケーションでも分実感している。
また，授業を単なる異文化接触体験の場にとどかりあえないことがあると日々感じている。どうしてそのような誤解やすれちがいが起こるのかがめるのではなく，自らの視野の広がりや思考の深知りたい。」と述べた受講生がいた。この発言から，まりを意識化できるように，毎回，授業の最後に受講生自身が，他者とのコミュニケーションは広い意味で異文化コミュニケーションであると認識
し，日頃からその難しさを感じてきたことが伺えはリアクション・ペーパーを提出させたり，振り返りの時間を十分に持ったりするなどしていきた
いと考えている。

る。
文化の違いには，出身国・出身地域による違い

参考文献

も大きく関わっているが，言うまでもなく，それ以外の要素も複雑に絡み合っている。そのため「留学生」
・「日本人」というカテゴリーのみでは説明できない場合も多いことを，第１回目の授業を通じて教師を含めて改めて実感できたのではないかと思う。

３．まとめと今後の課題
本稿では，今年度から開講された「異文化理解」
クラスの前期授業の取り組みについて報告した。
前期授業では，留学生と日本人学生の合同クラスという特徴を生かして，留学生と日本人学生が一緒に作業をしたり話し合いをしたりする，協働学習の機会をできるだけ多く取り入れることを試みてきた。
留学生と日本人学生が協働学習を行うことによって，次のような効果が得られたのではないかと思われる。

青木保（2001）『異文化理解』，岩波書店
池田玲子（2007）「協働学習としてのピア・レス
ポンス」，『教室活動における「協働」を考える（日本語教育ブックレット 9）』（井上優編），
独立行政法人国立国語研究所
岡部朗一（1987）「文化とコミュニケーション」，『異文化コミュニケーション』，有斐閣
金田智子（2007）「はじめに」，『教室活動における「協働」を考える（日本語教育ブックレット 9）』（井上優編），独立行政法人国立国語研究所
竹田恒美・青木宏之・浅野敬一他（2010）「都市型高専の特徴を活かした留学生施策と日本人
チューター教育を含めた統合プログラム（TOKYO Links）の開発」，『平成 22 年度全
国高専教育フォーラム教員研究集会研究論文集』
竹田恒美・青木宏之・浅野敬一他（2010）「編入学前教育を視野に入れた留学生施策と、留学

吉田，竹田：異文化理解授業における留学生と日本人学生の協働学習

生・日本人チューター合同の教育プログラムの開発」独立行政法人国立高等専門学校機構
論文集『高専教育』第３４号（2011 年 3 月発行予定）
徳井厚子（2002）『多文化共生のコミュニケーシ
ョン‐日本語教育の現場から‐』，アルク
古田暁・石井敏・岡部朗一・平井一弘・久米昭元（2001）『異文化コミュニケーションキー
ワード［新版］』，有斐閣
八代京子・町惠理子・小池浩子・磯貝智子（1998）『異文化トレーニング‐ボーダーレス社
会を生きる‐』，三修社
Luft, J. & Ingham, H. The Johari Window: A

Graphic Model of Interpersonal Awareness.

Loss Angeles: U. of California Extension
Office, 1955
（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

47

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

好奇心をはぐくむ物理実験教室

49

潮秀樹 大野秀樹

好奇心をはぐくむ物理実験教室
Physical class to improve the interest of students in physics
潮 秀樹 *，大野秀樹 *Hideki USHIO and Hideki OHNO
Physical class to improve the interest of students in physics
The physics classes with scientific experiments have been implemented since 2009 to improve the

Hideki USHIO and Hideki OHNO

interest of student in physics. In 2010, three kinds of experiments were done as follows; “rainbow
The physics classes with scientific experiments have been implemented since 2009 to improve theexperiment”, “mirage experiment” and “polarization experiment”. The participants were impressedinterest of student in physics. In 2010, three kinds of experiments were done as follows;“rainbow
by these experiments
and gained aandcuriosityand an interestin physics.
It has been wereconcludedthatexperiment”,“mirage experiment”“polarization
experiment”. The participants
impressedthescientificexperiments
class would
be one andof effective
studyinmethod.
by
theseexperiments
and gained
a curiosity
an interest
physics. It has been concluded thatthescientific physics
experiments
class
would beone of effective study method.
(Keywords:
classes,scientificexperiments)(Keywords: physics classes, scientific experiments)
１．企画の目的

形をつかもうとすると、そこにそれは存在しない。

物理学教室では、学生に物理をより理解して貰

おもちゃの構造（断面）は Fig.2 のようになってうために実験を主体とした授業を取り入れていいる。上のふたの内側は中央に小さな穴が開いてるが、昨今のゆとり教育を受けてきた新入生に対いる凹面鏡になっており、その焦点のところに底しては、中学校・理科とのギャップを埋め、高専・がある。底の内側も凹面鏡になっている。底とふ

物理を学ぶための体験的導入教育が必要である

たの凹面鏡の焦点距離は同じであり、両者は互いと強く感じている。そして、昨年度は「低学年のの焦点の位置にある。底の中央に置いてある人形

学生に物理への興味を引き起こす試み」として、から出た光は、Fig.3 の鏡 1 で反射し、平行光線

１〜２年生を対象に物理実験教室を開催（試行）となって鏡 2 に戻ってくる。平行光線は鏡 2 で反した(1)。学生が物理の楽しさに触れる機会を設け、射して、鏡 2 の焦点に集まる。そして上部の穴を興味を持ち物理を学ぶ動機付けになるような実通って外へ出る。その光を見ると、上部の穴のと験教室である。参加した学生数は少人数であったころに像が見え、これが最初に見た浮かぶ人形とが、とても活発な活動が出来た。昨年度を踏まえなる。実際には、等倍率で正立の像が見えるが、て本年度も引き続き３つのテーマ「虹の実験」、

簡単な説明だけにし、詳しくは近似の公式を学ん「ミラージュの実験」、「偏光を使ったマジック」

だ後とし、像のできる原理などを Fig.4 の図などを実施した。

で説明するにとどめた。

２．実施概要実施した３つのテーマについて、その概要を紹介する。虹の実験については、昨年度の報告を参照して頂きたい(1)。
（１）ミラージュの実験
浮かぶ人形の玩具を使って興味を引き、凹面鏡の原理を理解させるためにパワーポイントを使って説明した。その玩具は外から見ると、Fig.1のように人形が浮かんで見える。しかし、その人＊一般教育科（物理学教室）

Fig.1 浮かぶ人形の玩具の外観

50

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

見える理由をパワーポイントを用いて説明した。

Fig.2 断面図
Fig.5 完成した偏光シート筒の外観

Fig.3 玩具の原理

Fig.6 偏光シート筒を覗いた様子
３．終わりに実験教室に参加した学生は、これらの実験テー
マに不思議さや面白さを感じているようであった。この学生達の気持ちを大切にし、その気持ちを持続させることが重要である。しかし、中間試
験を境に学生は来なくなってしまった。試験勉強
で忙しくなったためか、普段の勉強が次第に忙しくなったのか理由は分からないが、次年度は定期
試験後も学生の参加が続くように工夫する必要がある。その一つは、「好奇心をはぐくむ実験」と物理の授業を結び付ける方法である。例えば、

Fig.4 凹面鏡の仕組み

定期試験に近くになると「物理の補習」に変わるといった方法である。もうひとつの方法は、「好（２）偏光を使ったマジック

奇心をはぐくむ実験」と「先端物理のやさしい話」

異なる偏光方向にカットされた偏光シート２を結びつける方法である。多くの学生は、相対性枚を用いて Fig.5 のような筒を作成するとふたつ理論等に憧れをもっている。その興味を利用しなのシートの境目に壁が出来たように見える。

がら、相対論や量子力学の話題を織り交ぜて正課（Fig.6 のようにその筒を覗いてみるとその壁はの物理授業への関心を惹く方法である。次年度は存在しない。）そのような科学マジックの工作を

これらを組み合わせて「好奇心をはぐくむ実験」

してもらった後、偏光の説明と、実際はない壁がを拡張した形式で試行してみたと思う。

潮，大野：好奇心をはぐくむ物理実験教室

実験の写真撮影は本校技術職員の黒澤氏にお世話になった。また、今回の実験教室の企画と試みは重点配分経費によって実施することができた。ここに、感謝の意を表する。
参考文献
(1)

潮秀樹、大野秀樹、東京高専研究報告書、

41(1),pp21-22 (2010).
（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

51

東京工業高等専門学校研究報告書

教育専門職の倫理綱領

第 42（2）号，2011

53

教育専門職の倫理綱領

川 北 晃 司*Codes of Ethics for the Teaching Profession
川

北

晃

司*

Koji KAWAKITA

Codes of Ethics for the Teaching Profession
The teaching profession can learn from codes of educational ethics such as the Code of

KAWAKITA
Educational Ethics made by the Hokkaido University in 2009 and the Code of EthicsKoji
for Registered
Teachers established by the New Zealand Teachers Council in the year 2003.Meanwhile the Code of
The teaching profession can learn from codes of educational ethics such as the Code of Educational
Ethicsof the byJapan
for Engineering
canofandshoulda model caseof theEthics madethe Society
Hokkaido
University inEducation2009 and (JSEE)
the Code
EthicsforbeRegistered
Teachers
multi-professional
code Zealandof ethicsTeacherswhich includes
the engineering,
the theresearchandtheestablishedby the New
Councilatin once
the year2003.Meanwhile
Code of
Ethicsofeducational
the Japan Society
forsomeEngineering
Education(JSEE)Code
can ofandshouldbe a modelcase ofthe tomultiethics. So
revisionsof this JSEE
Ethics(declaredin 2010)seem
beprofessional
codeofethicswhich
includes
at
once
the
engineering,theresearchandtheeducational
advisable.
ethics. So some revisions of this JSEE Code of Ethics (declared in 2010) seem to be advisable.
（Keywords: Code of Ethics, Educational Ethics, Engineering Ethics）(Keywords: Code of Ethics, Educational Ethics, Engineering Ethics)

はじめにら教育者倫理を学ぶことで授業改善も期待できると思われる．

学協会における倫理綱領とは，専門家としての倫理的責任を明確にし，一般社会に表明，約束す

1．教育者倫理綱領の二例るものである．そうすることで，専門家としての社会的な地位も確立していくと信じられている（1）．

教育者倫理綱領例としては，「北海道大学教育

会員が判断や行動を誤ると，すぐ一般社会に，し倫理綱領」（4）が比較的新しく(2009 年 6 月 23 日

たがって当然，研究にも大きな悪影響（2）が広がる

制定)かつ啓発的と思われる．それによれば，北海恐れのあるような学協会では，しばしば細かい規

道大学教員は，自らを律する規範を次のように定定がある．人の生命や福祉に関わる医療・福祉系，

める (下線は引用者による）．

人の実験を行う心理学系，人の調査を行う社会学
系，人の教育に関わる教育系，人の情報を扱う情第１ 教員は，すべての学生が「高邁なる大志」を報通信係，ものの製造・廃棄を通じて人の生命・育み，新しい道を切り拓くことができるよう，模範

健康と自然環境に影響を与える工業系など．これと指針を示し，自由な学風の醸成に努める．

ら学協会の多くでは，それぞれの業務の特徴に応第２ 教員は，すべての学生に自律的個の確立を促じた倫理綱領が定められるようになってきた（3）．

し，その人格を尊重し，敬意をもって接する．

そこで本稿では，まず，教育者倫理綱領のモデ

第３ 教員は，学習目標を明確に示し，つねに授業ルを日本の内外に求め，その意義を把握する．つ改善に努め，学生の自主的な学習を支援する．

いで，筆者の所属する日本工学教育協会（日工教，

第４JSEE）が 2010 年 5 月に制定した倫理綱領につい学習目標に即した公正な評価を行う．

教員は，学生に明確な成績評価基準を示し,て論ずる．この綱領は，会員に「技術者」倫理お第５ 教員は，きめ細かな学生指導に努め，個人情よび「研究者」倫理に加えて「教育者」倫理を求報の保護に最大限の注意を払う．

める，いわば「多重専門職倫理綱領」(a multiprofessional code of ethics)として興味深い．これ＊一般教科（人文社会）-1-「大志」という言葉にこの大学の独自性（5）がうかがえる他，現代社会における高等教育機関教

54

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

員のあるべき姿がここには簡潔明瞭に記述されてNZ のこの教員倫理綱領は，以上の「前文」のいるだろう．
当たり前のことを述べたに過ぎない，後，１）学び手への責務，２）親・後見人，家族との見方も可能であるが，実際の十分な実行は難への責務，３）社会への責務，4）専門職( proしい．第３で言われた「学習目標を明確に示」す，fession)への責務，という４つの責務(Commit

についても，授業時間数，学生の学習能力や知識ment)を述べた部分が続く．

水準なども考慮しなければならないので,容易ではない．それでも，そうした困難を乗り越えるた

１） 学び手への責務

めのステップとして，こうした綱領を知り，意識教員がその専門職業的義務を最も負う相手は，学しつづけるのは大きな意義があるだろう．

び手に対してである．教員は，学び手がますます自この北海道大学教育倫理綱領は，全国における力で（with developing independence）考え，行動

高等専門学校教員の参考になるが，高専は，大学できるような力量を学び手に養い，民主的な社会のと同じく高等教育機関でありながら後期中等教育

根本的諸価値について，よく情報を与えられた上で課程（つまり高校生レベル）も担う点に大きな特支持するよう学び手を勇気づける．教員は努めて徴がある．そこで，それにふさわしい教育者（教(Teachers will strive to:)，員）倫理綱領を国内外に範を求めて探索の結果，

a) 学び手の最善の利益にもとづいて，学び手との筆者は，ニュージーランド（NZ）にその好例を発

プロフェッショナルな関係を築き，維持するb) 専門的学習を続ける姿勢，カリキュラムと教育（6）

見しえたとの結論に達した．

NZ における教員免許発行業務を担う New

方法に関する入手可能な最善の知識，加えて学

Zealand Teachers Council による，2003 年制定

び手に関する知識にもとづいて教育活動をおこの教員倫理綱領（Code of Ethics for Registered

なうTeachers）（7）における，「前文」に相当する部分c)を以下に訳出してみよう(下線は引用者による）．

教育材料を情報豊かでバランスの取れた視点から提供するd) 社会的に大きな論争がある問題については批判
NZ における活動が公認された教員は，学び手的に考えるよう学び手を勇気づける（learners）の学びの促進における，最高水準の専e) 多様な学び手の多様な学習ニーズに配慮する

門職的サービスの達成に向けた責務を負い，学び手f)

精神的な厚生を促進するの能力，文化的背景，ジェンダー，年齢，発達段階に十分な考慮を払う．この複雑な専門的職務は，他学び手の身体的，情緒的，社会的，知的そして

g) 法律による要請との整合性のもと，学び手に関して職務上知りえた秘密を守るの教員，学び手，その親･後見人，家族，そして広く
一般社会の人々との協働作業のなかで遂行される．

２） 親・後見人，家族への責務 (本稿では省略)

教員は職務上の人間関係において四つの基本原則，

３） 社会への責務

すなわち自律，正義，責任あるケア，そして誠実さ

教員は学び手たちが最も広い意味で社会人としてに従う．自律（Autonomy）とは，尊重され擁護され生きていける準備の手助けをするものとして，公衆るべき諸権利を有するものとして人々を扱うことから期待と信用と責任を託されている．社会に対す（to treat people with rights that are to be honour

る諸義務を果たすために教員は努めて，

ed and defended）である．正義（Justice）とは，力a) すべての人々の機会均等を促進する政策およびを分かち合い力の濫用を妨げること（to share pow
er and prevent the abuse of power）である．責任プログラムを積極的に支持するb) 民主主義的諸理想にかなう学校とコンテンツをあるケア（Responsible Care）とは，他者に善をなし
他者への害を最小化すること（to do good and mini

開発するために協調して働くc)

社会に広く受け入れられているような諸価値を

mize harm to others）である．誠実さ（Truth）とは，教え，実践し，それらを学び手たちも自分に当

他者および自己に対して正直なこと（to be honestてはめ，その意義を批判的に吟味鑑賞（criticallywith others and self）である．

appreciate）するよう勇気づける．

４） 専門職への責務-2-川北：教育専門職の倫理綱領

教育専門職によるサービスの質は国家と市民に影響を及ぼすとの信念のもと，教員は力を尽くして専55

ples of Biomedical Ethics (1979年初版～2008年
第6版)であった（8）．

門的技量を磨き，専門的判断のための訓練を奨励す

それによれば仁恵の原則は，その行為をなすこる環境づくりを促し，信頼に値する人物を教育職にとによって引き起こされる利益を最大にするとと惹きつける諸条件を整備させなければならない．教もに，予想される不利益を最小限度にとどめるこ

育専門職に対する諸義務を満たすために，教員は努とを求めている．これは標語「最大多数の最大幸めて，福」(J.ベンサム)で有名な功利主義原則に準じる

a) 責任ある倫理的なふるまいを通じて，教育専門

発想に見える．
しかしたとえ仁恵のためでも他者（ときには自職の利益を増進するb) 自分自身を学び手と見なし，専門能力を継続的じるのが，無危害の原則である．

に伸ばす
c)

分自身）に対して意図的に危害を加えることを禁そして自律の原則は，生命倫理学の登場以来最自らの資格と力量について申告を偽らないd) 健全な教育政策の開発促進に貢献するも強調されている原則である．患者を独立した人e) オープンで反省的な専門職文化の構築に貢献す

格として尊重し，従来医師の裁量範囲とされてきf)

るた治療法の選択についても，患者の意向を取り入

職場の仲間に敬意をもって振舞い，協力して仲れて，インフォームド・コンセントを得ていこう

間意識を有して働くことで，学生の学びを促進とするものである．それは患者を自律的に意思決する定する権利主体とみなし，｢自律的な患者の意思決g) 新人教員をアシストする定を尊重せよ｣と命じる．このことは一方で，判断h) 法令や重大な教育的目的に反しない限り，教員能力のある成人であれば，その決定が標準的な医i)

仲間に関して知り得た秘密情報を守る

療から逸脱したものであっても，他者に危害や迷もし教員仲間の行為がこの綱領に深刻に違反す

惑が及ばない限り尊重されることを意味する．

る場合は率直に意見(speak out)する

また正義の原則は，適正な医療資源の配分や，研究成果の医療応用がもたらす利益が特定の個人

NZ のこの教育者倫理綱領からわれわれは何をに偏らないようにするための配慮などである．と学べるであろうか．教師は今や，医師に準じるか

くに，自ら権利主張をすることが困難な，いわゆのような重い専門職倫理を負わねばならないようる社会的弱者の保護が課題となる．

に見える，ということがまず一つ挙げられるだろしかし，1980年代以降，原理原則だけでは個々

う．
「前文」において教員は職務上，四つの基本原の事例の独自性が汲み取れないという批判が浮上

則を大切にするとされたわけであるが，これらはしてきた．
「ケアの倫理」(ethics of care)による批

生命医学倫理で説かれるそれらと半ば以上重なり

判もそのひとつである．

合うのである．生命医学倫理上の基本原則を参考

ケア(世話)ということが再評価される大きなにして，NZ 教育者倫理綱領は作成されたようにきっかけは，心理学者キャロル・ギリガンの研究すら見える．

であった．倫理的な「善とは何か」との問いに（米

生命倫理学は，人体実験，脳死と臓器移植，安国人）男性たちの間では，他人に干渉されずに自楽死，生殖補助などの是非を決するための原理原分で決める権利，そうした基本的な権利を誰にも則群を追求してきた．患者の意思の尊重（自律），認める正義，普遍的原則を貫くこと，といった答

患者を害さない（無危害），
患者のためをはかる（仁

えが多かった．しかし女性たちは，そのつど他人恵），医療資源の公平な利用（正義）がその代表での必要としていることを気づかい，おたがいに満ある．医療における倫理原則は，仁恵（benefi

足できる関係を築くことだと考える傾向にあるこcence)・無危害（non-maleficence)・自律（autoとがギリガンの調査でわかった．従来，欧米では

nomy)・正義(justice）のこの四つであることを早倫理観というと前者の捉え方が支配的で，そこでくから提唱してきたのは，生命倫理学の代表的なは身近な人間関係を気にする女性は未熟な人間の教科書であるビーチャムとチルドレスのPrinci

ように評価されてしまう．しかし，ギリガンは，

-3-

56

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

後者は前者の「権利の倫理」に劣らぬ別の倫理だ

理に加え，「教育者」倫理を求めるユニークな「多と主張して，男性の発言とは異なる，女性が発す重専門職倫理綱領」としての，日本工学教育協会

る「もうひとつの声」を「ケアの倫理」と呼んだ(JSEE)倫理綱領を見てみよう．まず，JSEE によ

（9）

のである

る倫理綱領制定の挙それ自体が高く評価されてよ．

NZ の教育者倫理綱領では，ビーチャムとチル

い．欧米の同種機関に先んずる画期的試みである

ドレスの｢自律｣と｢正義｣原則を，学び手の人権を可能性が高いからである．比較検討のため調査を守り差別しないという理念においてそのまま受け試みたが，米国工学教育協会（ASEE）およびヨ

継ぎ，そのかわり「仁恵」と｢無危害｣の原則に代ーロッパ工学教育協会（SEFI）の会員倫理綱領にえて，「責任あるケア」と「誠実さ」を採用したよ

ついては，その参照が困難な事実が判明した（11）．

うに見える．NZ 教育者倫理綱領での「責任あるASEE や SEFI が今後，もし倫理綱領を制定する

ケア」の定義は,ビーチャムらの｢仁恵｣のそれとほとした場合，JSEE のそれが参照され，モデル綱ぼ同一だが，｢仁恵｣が不特定多数を対象になしう

領視される可能性もある．

るのに対して，｢責任あるケア｣はむしろ個別対応，

日工教（JSEE）が倫理綱領策定に当たり，原

目の前の学び手が配慮の中心にあるだろう．
「ケア

案に対する意見公募を実施したのも賢明であった．

の倫理」から直接・間接に学んだからこそ「ケア」

2010 年 4 月 2 日，
日工教は意見公募を開始した．

という用語を NZ 教育者倫理綱領は採用した可能常務理事名での通知文を要約すると,次のように性が高いと思われるからである．また，医師とちなる．すなわち，日工教では会員が果たすべき社

がい教員は手術や投薬を行わないので｢無危害｣原

会的責任を明確にするために倫理綱領を策定すべ

則は不要となるだろうが，学び手の心および学び

く，技術者倫理調査研究委員会において１年余の手からの信用を傷つけないよう，言葉の「誠実さ」

検討審議を続けてきた．今回，内外からパブリッという原則がかわりに入ったのであろう．

クコメントを得てそれを適切な内容に修正したい．

また NZ の教育者倫理綱領からは，次の諸点が倫理綱領は法令や規則ではなく罰則もないが，会

とくに学べると思われる．民主的な社会の根本的員の行動規範を昇華して纏めたもっとも重要な約諸価値について，よく情報を与えられた上で支持束ごとである．なお日工教という法人そのもののするよう，学び手を勇気づけること．社会的に大社会的責任やガバナンス，コンプライアンス，説きな論争がある問題については批判的に考えるよ明責任などについては，理事会の決議による倫理

う，学び手を勇気づけること．学び手が最も広い

規程がすでにある．

意味で社会人として生きていける準備の手助けを以上の文面から，パブリックコメント公募の背すること．すべての人々の機会均等を促進する政景として，少なくとも 3 つのメッセージを筆者は

策およびプログラムを積極的に支持すること．民汲み取りたい．すなわち，日工教では主主義的諸理想にかなう学校とコンテンツを開発するために協調して働くこと．社会に広く受け入れられているような諸価値を教え，実践し，それらを学び手たちも自分に当てはめ，その意義を批判的に，したがってドグマティックにではなく吟（10）

味鑑賞するよう勇気づけること，等である．

というのも，これらの多くは日本の学校教育では，
NZ においてほどには強調されていないように見えるからである．

1） 倫理綱領案を調査研究すべく委員会での検討審議を重ねた
2） 倫理綱領は社会に対する最重要な約束であると認知する
3） 個人にモラルを要求する以前に法人としての倫理的責任を全うする意思がある
これら 3 点は，倫理綱領策定に先立つかたちで学協会に求められてよいことであろう．なぜなら，
1）拙速は綱領の信頼性を損なう．また，2）綱領

２．日工教倫理綱領（原案）に対する意
見公募

が「最重要な約束」と認知されない場合，綱領はその存在意義を失う．綱領は法律ではないが，いわば憲法的存在と見なされるからである．そして，つぎに，会員に「技術者」倫理と「研究者」倫-4-3）個人（会員）の倫理は経営（組織）の倫理と

川北：教育専門職の倫理綱領

セットで高められるべきものだからである．

に示された価値観と規範を理解・共有した上

このパブリックコメント依頼をうけて筆者は 4
月 30 日，原案に対する代案を日工教事務局に電57

で，自律的に行動する．
⑦

また，団体会員は，この倫理綱領の趣旨を尊子メールで提出した．同日，事務局からは，わず重し，各組織内で構成員の誠実な行動を促す

かだが他にも意見が寄せられているので，技術者ための体制整備に努力する．

倫理調査研究委員会委員長に伝えて改善されたものを日工教総会に諮りたい，との返信があった．
その後，倫理綱領は 2010 年 5 月 31 日， 総会決議において正式決定されたとのことで，日工教ホ（12）ームページ上で閲覧可能である

以上の各文についてこれから順次考察を加えてみよう．
①および②について，この二文は，③の導入部
分として解釈される．すなわち①は地球規模，②．

結果的に，この倫理綱領はまだ多くの点で改善は日本について語っており，科学技術の有用性お可能性を有しているように見える．じつのところ，

よび日工教の必要性を論証するための論拠部分を筆者が提出した倫理綱領代替案に対する筆者の考構成しているものと見なせる．ただし，②についえ自体に，当初から半年以上経過した現在，いくては，期待されるほど明らかではないだろう．

つか変化が生じてもいる．そこで今回，日工教倫
理綱領に対する再修正案を考案してみよう．

③についてであるが,「科学技術創造立国日本」を実現するために，との部分は，力強い宣言ではあるが，現代民主主義社会で求められる倫理とは

３．日工教倫理綱領の前文とその検討身内に対して以上に，「他者」に対して開かれたダイアローグであるべきだとすれば，一般社会に

今回正式に制定された倫理綱領の「前文」(pre

約束する性質の倫理綱領にしては，やや特定の価

amble)に相当する箇所は，計 7 文からなる．説明

値観の押しつけが懸念されるところである．すなの便宜のため数字を冒頭に付して，一文ずつ改行

わち，日本は将来，何をもとに「立国」していく

して以下に示すとこうなる．

べきか，もし日本が成熟した民主主義国でありた
いならば，日本国民自身が今後，十分な情報開示①②③

科学技術の進展は人類および地球環境の未来と説明を受けて熟議，討議し判断していくべき事にきわめて重要な役割をはたす．

柄であろう．また，「産学官の密接な協力のもと」

日本においても，科学技術の振興は国を挙げという姿勢は，協会および日本にとって重要なこての基本方針である．

とではあるとしても，それは倫理的に，というよ日本工学教育協会は，「科学技術創造立国日

りは戦略的に，であるから，倫理綱領から外して本」を実現するために，産学官の密接な協力よいだろう．

のもと，人類の未来を担う工学・技術の実践④⑤

者，研究者，および教育者を育成する．

もさまざまな「立国」方法が存在してよい（13）．

すなわち，本協会は，工学教育のあり方を多しかも，これら他の方法・手段も併用せずには，面的に検討し，その改善向上を図り，また，たぶん「科学技術創造」自体が捗らないだろう．

時代を俯瞰し未来を見すえた工学教育施策を

科学技術者は実際，公衆には不可能な高い能力

提案し，これを実行することにより,人類の幸と特権を有している．だからこそ，その高い能力

福と我が国の発展に貢献することを使命とすと特権に見合う注意配慮義務など，特別な義務のる．

甘受が期待される．しかし，｢国家のあるべき未来

よって，本協会は，会員が，工学教育の専門

は科学技術者の特権で決める｣かのように誤解さ家としての自覚と品位の保持に常に努め，工れてはならないのは，「科学のあるべき真理は公学教育の責任ある実践，研究，開発，運営な衆や党派や宗派が決める」と考えられてはならな

どを通じて社会の発展に寄与することを目的

いのと，同様であった．
「「科学技術創造立国日本」を実現するために」として本綱領を定める．
⑥

通商，投資，観光，農業，文化芸術など，他に本協会を構成する個人会員は，この倫理綱領-5-の部分は，④との整合性も危うくする．④では，

58

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

日工教は「人類の幸福と我が国の発展に貢献する

自誠実な責任ある判断と行動に努める．また，団ことを使命とする」とあった．そこでは「科学技体会員は，この倫理綱領の趣旨を尊重し，各組織

術創造立国日本」と同等か，
もしくはそれ以上に，内で構成員の誠実な行動を促すための体制整備に「人類の幸福」への貢献が日工教の使命であると努める．

解釈可能であった．
⑤において「工学教育の専門家として」とある

４．条文とその検討のは，「工学関連分野における教育者として」等の方がよいだろう．一般教養教育担当の筆者を含

日工教倫理綱領では，さきの「前文」につづき，め，本会会員は「工学教育の専門家」に限定でき

下記のような条文が 1 から１３まである．括弧のないはずだからである．｢工学｣および｢専門家｣と部分は，いわば「見出し」としてもとの条文上段いう概念の外延は，広げすぎない方がよい．ただにそれぞれ記されているものである．

し，それらに近づく努力はすべての会員に期待されてもよいわけである．

（社会に対する責務）⑥では「本協会を構成する個人会員は，この倫１． 会員は，自らの専門知識，技術，経験を活かし理綱領に示された価値観と規範を理解・共有したて，工学・技術の実践者，研究者および教育者の育上で，自律的に行動する」とあるように，倫理綱

成と工学教育の実践，研究，開発，運営に貢献する領はあくまで抽象的なガイドラインにすぎない．

ことにより，人類の安全・健康・福利と人びとの安

複雑な個々のケースでは，各人がみずからの倫理

心の維持・向上に努める．

的責任で誠実な判断力を発揮せざるをえない．な（教育の重要性の認識と伝達）

らば「自律的に行動する」という表現よりも，「各

２． 会員は，これからの社会を切り拓いていく次世

自誠実な責任ある判断と行動に努める」等の文言

代の工学・技術の実践者，研究者および教育者を育の方がやや親切であろう．その方が，次の文章⑦成することの重要性を認識し，自ら真摯に熱意を持

における「各組織内で構成員の誠実な行動を促す」って教育・研究に当たるとともに，その重要性を他という部分とも符合する．

者に伝達する．

以上の諸事由により，この「前文」相当部分は，
下記のように書き換えてもよいだろう．

（自己研鑽）
３． 会員は，工学教育ならびに自らの専門分野にお（前文）いて，常に，自らの知識・能力・技能・技術力の維工学および技術の進展は，人類および地球環境

持・向上に努める．

の未来にきわめて重要な役割をはたすことが期待（他者の権利と価値観の尊重と協働）される．日本工学教育協会は，そのような人類と４． 会員は，工学教育の発展を目的とする活動にお地球環境の未来を担う工学・技術の実践者，研究

いては，他者の権利と価値観を尊重し，本協会の使者，および教育者を育成する．すなわち，本協会

命を理解・共有して協働する．

は，工学教育のあり方を多面的に検討し，その改（研究倫理の尊重）

善向上を図り，また，時代を俯瞰し未来を見すえ

５． 会員は，工学教育に関わる研究を行う場合，新た工学教育施策を提案し，これを実行することにしい知識を生み出す専門職業者として研究上の倫理より,人類の幸福と我が国の発展に貢献することを尊重し，とくに，人を対象とする研究を行う場合を使命とする．

は，協力者などの人格や人権などに充分配慮する．

よって，本協会は，会員が工学関連分野におけまた，データの捏造・改ざん・剽窃などの不正行為

る教育者としての自覚と品位の保持に常に努め，を行わず，これらに荷担しない．

工学教育の責任ある実践，研究，開発，運営など（情報・成果の開示）

を通じて人類・日本社会の発展に寄与することを

６． 会員は，自ら入手した情報ならびに生み出した目的として本綱領を定める．

成果を，公益に照らして積極的に開示し，工学教育

本協会を構成する個人会員は，この倫理綱領に示された価値観と規範を理解・共有した上で，各-6-の発展に寄与する．
（差別の排除と公平性の確保）

川北：教育専門職の倫理綱領

59

７． 会員は，国際社会における文化の多様性に配慮して，未来の社会がある．人類がこれまで築き上し，人種，宗教，性別，年齢，社会的身分などによげてきた既存の社会システムをどこまで，なにゆる差別を排除し，公平性を確保する．

え，どのような犠牲の上で変革するか．どのよう（公正な評価と判断）な未来社会を築き上げるか．それは工学・技術関８． 会員は，事実を重んじ，工学教育に関連する評係者を含めた国民・人類レベルで英知を集めて判価・判断に際し，公正を旨とする．

断すべきことである．また，職場をリタイアした（工学・技術関係者の地位向上）

会員の場合など，自ら教育に当たることは難しい

９． 会員は，工学教育関連活動に携わることに対し場合もある．したがって，これらの部分が修正可て誇りを持ち，工学・技術の実践者，研究者ならび能だろう．

に教育者，また，その育成に関係する人びとの社会

第 3 条において，「技能・技術力」の部分は外的評価と地位の向上に努める．

してよいだろう．「技能・技術力の維持・向上」（所属する他機関などの倫理規範との関係）

は，さまざまな経歴のもとにある本会会員にとっ１０． 会員は，自らが所属する他の機関や学協会のて必要条件とまでは言えないからであり，「能力」

倫理規範などを尊重するとともに，本綱領との矛盾の一語で包括可能だからである．
第 4 条において「他者の権利と価値観を尊重し」が生じた場合は，その解消に努める．
（利益相反への対応）とあるが,「価値観」の中には，それを尊重するこ

１１． 会員は，工学教育関連活動において，個人ととが別の他者の権利を侵害せずにはおかないもの

組織，あるいは組織間の利害の衝突ならびに責務のもある．社会的に認められた（法的）権利と，そ相反に十分に注意を払い，必要な場合はこれを回避の必要のない価値観とが両者相反する場合，あくあるいは開示するなど適切に対応する．

まで優先すべきなのは前者である．したがって「他（法令遵守）者の権利と価値観を尊重し」の部分は，「他者の１２． 会員は，各種の法令や規則を遵守し，自らの価値観に配慮の上，他者の権利を尊重し」等へと，職務と行動に対して責任を持つ．

表現を換えてよいだろう．
第 5 条において，「工学教育に関わる研究を行（本協会への貢献）
１３． 会員は，本会の倫理綱領の精神に則って積極う場合，新しい知識を生み出す専門職業者として」的に行動し，本協会の発展と社会的地位の向上に貢の部分は，「研究を行う場合」だけでよいだろう．

献する．

「工学教育に関わる研究を行う場合」と限定的に記した場合，「それ以外の研究を行う場合」はな

それでは以下に，各条文について論じていこう．

んとも言えないという，裏返しの解釈が論理的に第 1 条についてであるが，「自らの専門知識，成立してしまう余地が生じる．また，「新しい知技術，経験を活かして」のかわりに，「自らの専識を生み出す」ことだけが「研究」の名に値する

門知識，技術，経験はその源が人類社会から与えわけではない．新しい解釈や分類や評価や表現のられたものであることを認識し，それらを活かし探究などは，｢新しい知識を生み出す」こととは土て」等と補足してはどうだろう．見出しにある「社俵が異なる研究考察である．そしてまた，研究は，会に対する責務」とは，大きくはその認識から自その「専門職業者」のみに許されたギルド的特権

覚され，その認識が社会に対する利益還元をわれではないので誤解なきを期したい．
しかし第 6 条においては，「自ら入手した情報

われに促すはずだからである．
第 2 条において，「これからの社会を切り拓いならびに生み出した成果」の前に「工学教育に関ていく次世代の工学・技術の実践者，研究者およ連して」を挿入した方がよい．「工学教育の発展

び教育者を育成する」とあるが，あたかも未開のに寄与する」という後段にも，より整合する．

原野に対するかように，これからの「社会」を切

第 7 条においては，「国際社会における文化のり拓いていくというイメージが次世代の工学・技多様性に配慮し，人種，宗教，性別，年齢，社会術に，今の社会全体によってどこまで求められて的身分などによる差別を排除し」とあるが，世界いるかは疑問である．過去と現在の社会の遺産との諸文化は，それ自体さまざまな「差別」的慣行

-7-

60

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）を抱え込んでいる．自文化中心主義に陥ることな的使役などに伴い得る諸弊害が憂慮されている．

く多様な文化を尊重しはするが，しかし後段での，したがって「相反に十分に注意を払い，必要な場

世界各地の文化現象でもある各種差別には同調し合は」のかわりに，「相反による諸弊害が生じなない姿勢こそが，この条文では強く意図されてよいよう十分に注意し，工学関連教育を遂行するにいだろう．したがって，そのように解釈可能な表あたり必要に応じて」などと記すことができる．
第 12 条では，「会員は，各種の法令や規則を現が望ましい．
第 8 条についてであるが，｢事実を重んじ」と遵守し，自らの職務と行動に対して責任を持つ」

言われるときの「事実」とは，「私」が｢思う」ととされているが，「法令や規則の遵守」と，自らか「望む」とか「信じる」とか，その他，感情やの職務と行動に対して「責任を持つ」ことの間の主観に基づくような｢事実」とは範疇が異なるであ

論理的関係が問われうるところである．たぶん前ろう．したがって，「会員は，工学教育に関連す者は後者を論理的に帰結しない．つまり法令順守

る評価・判断に際し，客観的事実を重んじて公正は会員を倫理的責任から免責しない．ところが人を旨とする」などとしたほうがよい．ただし，リ類は，自分は法令（にもとづく命令）に忠実に従スクに対する主観的評価などは，軽んじてよい事っただけで，自分に責任はなく「指導者たちのみ（14）．それどころか，「安全」に加えが罰に値する」（15）との弁明を編み出してきた．

て「安心」な社会が望まれているはずである．こしかし，法令遵守にもかかわらず，さらに法律をこで「安心」や「不安」は，主観が最終判定する

超えた倫理的，道義的責任が発生しうるのである．

ほかない．

したがって法令に欠陥が疑われる場合には，この実ではない

第 9 条についてであるが，工学を学ぶ若者に対倫理綱領の理念は，可能な限り遵法精神を発揮しし，もっと誇りを持つよう呼びかけるのは有意義

つつ，法令を補って行為する倫理的責任，法令改かもしれないが，本協会会員に対して「工学教育正を積極的に訴える倫理的責任をわれわれにたぶ

関連活動に携わることに対して誇りを持」て，とん課すことになるだろう．

いうのは，的外れな要求に思える．すでに所有済

最後に第 13 条では「会員は，本会の倫理綱領

みに見えるからである．なるほど他の倫理綱領にの精神に則って積極的に行動し，本協会の発展とあってもそうした表現例はある．たとえば「会員社会的地位の向上に貢献する」とあるが，協会へ

は，原子力に従事することに誇りを持ち，その職の貢献を倫理綱領に含めるのは，倫理綱領を内輪の社会的評価を高めるよう努力する」（日本原子向けにする．むろん協会への貢献は会員にとって

力学会倫理規程）．しかしこの要求の背景には，

倫理的行為であるが，前文で「社会の発展に寄与

日本における原子力の不幸な歴史が想定されるだすることを目的として本綱領を定める」と宣言しろう．しかるに，われわれが従事している工学関たのであるから，「協会への貢献」にしてもそれ連教育において，そのような不幸な歴史はあった

は「社会の発展」のための一手段として理解されのだろうか．とくにない，とすれば，「誇り」とねばならない．

いう個人の内面について，強いて条件づける必要以上の考察にもとづき，日工教倫理綱領の１から１３までの項目は，下記の１から 10 に集約可性は薄いと考える．
第 10 条内であえて言えば，「矛盾が発生した能であることを筆者は主張したい．

場合は」を「矛盾が万一発生するような場合は」とした方が，会員は安心できるだろう．矛盾の発（社会に対する責務）

生頻度は高くないと思われるからである．

１． 会員は，自らの専門知識，技術，経験の源は第 11 条は利益相反に関する規定であるが，な

人類社会から与えられたものであることを認識し，ぜ利益相反には「十分に注意」を払う必要がある

工学・技術の実践者，研究者および教育者の育成のか，それは弊害があるからである，という示唆と工学教育の実践，研究，開発，運営に貢献するがあった方がよいだろう．他のいくつかの倫理綱ことにより，人類の安全・健康・福利と人びとの領では，利益相反の可能性がある兼業や，企業か安心の維持・向上に努める．

らの援助や，身内への利益誘導や，学生の非教育（教育の重要性）-8-川北：教育専門職の倫理綱領

61

２． 会員は，これからの社会を担う次世代の工学・技術の実践者，研究者および教育者を育成す

以上，本稿では国内外の教育者倫理綱領を閲しなることの重要性を認識し，可能な教育を実践し，がら，そこから教育者として何が学べるか再確認

その重要性を他者に伝達する．

するとともに，日本工学教育協会倫理綱領をもと（自己研鑽）に，研究者倫理および技術者倫理にも関連した考３． 会員は，工学教育ならびに自らの専門分野に察を加えた．だが一般論として，本当に倫理綱領

おいて，常に，自らの知識・能力の維持・向上には必要なのか，マイナス面もあるのではないか，

努める．

こうした根強い批判についても，すでに国内外で（他者の権利と価値観の尊重と協働）

議論の蓄積が見られる．したがって，倫理綱領一４． 会員は，他者の価値観に配慮しつつ他者の権般について，また研究者倫理について，別の機会

利を尊重し，本協会の使命を理解・共有して協働に検討を加えることにしたい．

する．
（研究倫理）
５．会員は，研究を行う場合，研究上の倫理を尊

註

重し，
とくに，
人を対象とする研究を行う場合は，（1）たとえば日本考古学協会は，委員会提案として協力者などの人格や人権などに充分配慮する．ま2003 年 5 月 24 日に「倫理綱領制定に関する基本

た，データの捏造・改ざん・剽窃などの不正行為的な考え方」として次のような意見表明を行ってを行わず，これらに荷担しない．

いる．「一般に，倫理綱領とは，専門家としての（情報・成果の開示）

倫理的責任を明確にし，社会に表明するものであ

６．会員は，工学教育に関連して自ら入手した情る．つまり，専門家の行動規範であるとともに，報ならびに生み出した成果を，公益に照らして積これを社会に表明することによって専門家の独善極的に開示し，工学教育の発展に寄与する．

を防ぐ役割も果たすもとになる，また，専門家と（差別の排除）しての地位を確立していく上で，専門家独自の行７．会員は，国際社会における文化の多様性に配動規範をもつことは必要条件の一つであろう．
」

慮しながら，人種，宗教，性別，年齢，社会的身(http://wwwsoc.nii.ac.jp/jaa2/proceedings/rinriki

分などによる差別を排除し，公平性を確保する．

honkangae030524.htm)（公正な評価と利益相反対処）（2）研究所・大学での例として，アメリカ・ベル研究

８． 会員は，工学教育に関連する評価・判断に際所で 2002 年に発覚した史上空前規模の論文捏造し，客観的事実を重んじて公正を旨とする．利益事件では，一試算によると世界中の 100 機関が 10

相反による諸弊害が生じないよう十分に注意し，億円をかけて無駄な追試に取り組まされた．また，工学関連教育を遂行するにあたり必要に応じて，2010 年に発覚した東京大学大学院工学系研究科

利益相反を回避もしくは開示するなど適切に対処

助教による業績捏造，剽窃事件では，19 の委員会

する．

の 150 名がのべ 10,000 時間を費やして事実関係（工学・技術関係者の地位向上）

調査と事後対策に当たらねばならなかったとのこ

９．会員は，工学教育関連活動に積極的に携わるとである（2010 年 11 月 27 日，日本工学会技術倫

ことで，工学・技術者やその教育者の社会的評価

理協議会第 6 回シンポジウムにおける村松秀氏とと地位の向上に努める．

北森武彦氏の講演から）．

（法令および他の倫理規範の遵守）（3）最近の電気学会倫理綱領改訂を例に，学協会にお１０． 会員は，各種の法令および自らが所属するける倫理綱領・行動規範の検討動向について論じ

機関や学協会の倫理規範を尊重するとともに，自たものとしては，川北・河村・浅野・木村・庄司らの職務と行動に対して倫理的責任を持ち，本綱「技術者倫理の諸動向および関連諸問題に関する

領との矛盾が万一生じた場合はその解消に努める．

考察」『研究報告書』41（2）東京工業高等専門学
校,2010,pp.1-18 における第 2 節（河村担当）
参照．

むすび（4）http://socyo.high.hokudai.ac.jp/ethics.html

-9-

62

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）（5）北大の前身である札幌農学校に貢献した二人のア国』を国家戦略として打ち立てた」(http://www8.

メリカ人教師（クラークとホィーラー），そして

cao.go.jp/cstp/kihonkeikaku/honbun. pdf）． しその薫陶を受けた学生（とくに広井勇）のその後

かし日本政府はこの後すぐに「立国」戦略を多重については，下記の拙稿で取り上げている．「技化しはじめる．経済産業省は2006年6月22日，ア

術者倫理解説書『技術は人なり』（日本土木学会）

ジア諸国で企業買収を行うなど海外への直接投資に関する考察」『研究報告書』40（2）東京工業高を拡大し，その利益を成長の原動力とする「投資等専門学校，2009,pp.1-15

立国」を目指すべきだとする『通商白書』をまと（6）日本教育学会（JSSE）の倫理綱領も個人的に日め発表した．また，「観光立国推進基本法」が2006

本教育学会事務局に依頼して見せてもらった（20

年12月，議員立法により成立し，2007年1月より10 年 11 月 12 日）結果，それについては教育者倫施行された．さらに2007年6月1日には，「21世紀

理というより研究者倫理に特化した倫理綱領であ

環境立国政策」なるものが閣議決定されている．

ることが判明した．

（14）リスクに関する管理とコミュニケーションに関（7）http://www.teacherscouncil.govt.nz/required/ethics/codeofethics.stm

しては下記拙稿二本で論じている．「環境リスク管理論とその価値前提―技術者倫理教育を展望し（8）ビーチャム＆チルドレス『生命医学倫理』成文堂て」『研究報告書』37（1）東京工業高等専門学校，
2005，pp.21-30，「徳育としてのリスクコミュニ

1997 年（9）Ｃ．ギリガン『もうひとつの声 男女の道徳観のケーション―技術者倫理教育のために」『研究報

ちがいと女性のアイデンティティー』川島書店

告書』39（1）東京工業高等専門学校，2008，

1986 年

pp.15-27(10)民主主義および批判的思考に関し，詳しくは本研（15）第二次大戦後逃亡先のアルゼンチンからイスラ究報告書中の別稿で記述した．浅野他「実践的能エルに 1960 年に拉致されたオットー・アイヒマ

力としての教養―東京高専高学年用「教養ゼミ」

ン(1906- 1962)がイェルサレムの法廷で述べたとの導入に向けて―」Ⅶ節．

される言葉．彼はナチ政権によるユダヤ人組織的(11) 筆者の問い合わせに対して SEFI の Dr.Zandvoo

虐殺の歯車として働き，ユダヤ人を強制収容所へ

rt（デルフト大学）からは「個人会員用にせよ大移送するにあたり指揮的役割を執った（Hannah

学会員用にせよ，SEFI は倫理綱領を有していない

Arendt, Eichmann in Jerusalem, Ein Bericht

し，その策定計画があるとも承知していない」とvon der Banalität des Bösen, 2006 Piperの返答が 2010 年 6 月 28 日に寄せられた．ASEE

München Zürich,p.365,[ハンナ・アーレント『イには 2010 年 6 月 16 日および同年 11 月 15 日に，ェルサレムのアイヒマン 悪の陳腐さについてのそれぞれ異なる部局に電子メールで，倫理綱領お報告』大久保和郎訳，2007 年，みすず書房，191

よび今後の制定予定の有無につき筆者は問い合わ頁]）．なお，邦訳書は基本的に英語版からの翻訳せを行ったが回答は得られなかった．ASEE ホー

なので｢指導者たちのみが･･･｣となっているが，ドムページでもその種の記述は発見できなかった．

イツ語版では「フューラーが」なので，アイヒマ

したがって，ASEE でも倫理綱領は未整備である

ン本人は「総統のみが･･･」を意味していた可能性と推測しても，たぶん許されるだろう．

がある．

（12）http://wwwnii.ac.jp/jsee/jseeinfo/pdf/jsee_rinri
本論文は科学研究費基盤研究(c)課題番号 22520037_kouryou.pdf（13）2006年3月に閣議決定された「科学技術基本計による研究成果の一部である．また，草稿段階で浅画」が，「はじめに」の部分でこう記しているの

野敬一・庄司良の両氏から貴重なコメントを得た．

は事実である．「資源に乏しい日本が人類社会の記して感謝申し上げる．

中で名誉ある地位を占めていくことは決して容易なことではない．日本の未来を切り拓く途は，独自の優れた科学技術を築くことにかかっている．
－こうした考えの下，我が国は『科学技術創造立- 10 -（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

63

Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of
TwoEvaluation
Different ofThick
BladesUsed as Wind
Turbine Airfoils
Inherent
Aerodynamic
Characteristicsof*
Two Different Thick Blades Used
asSAITOWind
Turbine
Airfoils **
Sumio
and
Takahiro YAMASHINAWind turbines with propeller-type rotors on a horizontal
axis
employturbineblades, **Sumio SAITO* andTakahiro
YAMASHINAthe thickness ratio ofwhich is small at the bladetip (thin blade) and is large at the blade
root (thick blade), to effectively catch aerodynamic forces commonly represented byWind turbines with propeller-type rotors on a horizontal axis employ turbine blades, the thickness

liftofand
drag
blade
and windthe (thickarea across
ratio
which
is determinedsmall at the byblade
tip rotational(thin blade)direction
and is large
at theflow
bladeonroot
blade), tothe bladefromthe tip to theroot.
The previous
paper byfocusedsmall
wind turbines,
effectively
catch
aerodynamic
forcescommonly
represented
lift andondragdeterminedby bladerotational
directionnumber
and windofflow
on theacrossof
themagnitude
blade from smaller
the tip tothan
the root.
previous
the Reynolds
whichis areaan orderthat Theof actual
paper
focusedon smallwind
turbines,
thepaperReynolds
numberwhich is thickan orderof magnitude
middleor largewind
turbines.
This
employs
twoofdifferent
bladeshavingsmallerthat ofthat
actuallikely
middleaffector large
wind turbines.
This paper employs
two different
airfoilthanshapes
aerodynamic
characteristics
and divides
thethick blades having airfoil shapes that likely affect aerodynamic characteristics and divides the

aerodynamic characteristic curve of each blade into three regions, and it examines the

aerodynamic characteristic curve of each blade into three regions, and it examines the effect of blade

effect of blade surface roughness on the characteristics in connection with the flow

surface roughness on the characteristics in connection with the flow conditions around the blades.

conditionsWindaroundthe blades.
(Keywords:
TurbineBlade, Thick Blade, Aerodynamic Characteristics, Pressure Distribution,
Flow Visualization)(Keywords: Wind Turbine Blade, Thick Blade, Aerodynamic Characteristics, Pressure Distribution,
Flow Visualization)

1. Introduction
Actual large wind turbines with propeller-type rotors on a horizontal axis employ windturbine blades, the thickness ratio δ (ratio of the maximum blade thickness T to the chord
length C) of which is small at the blade tip (thin blade) and large at the blade root (thick blade).
For wind turbine systems, the wind turbine power and the generator rotation speed arecontrolled for overall system optimization [1], [2], [3], [4]. Regarding the entire structure ofwind turbine blades, it has also been recognized that the improvement of the aerodynamic
characteristics of the airfoil at each blade portion is important.
The previous paper [5] focused on small wind turbines, the Reynolds number of which is anorder of magnitude smaller than that of actual middle or large wind turbines. As a first step in
optimizing the airfoil shape along the entire section of wind turbine blades, the paper
employed the typical airfoil shapes of actual thin and thick wind turbine blades to study theirbasic aerodynamic characteristics and flow conditions around the blades at different angles ofattack, including those before and after stalls.
*

Department of Mechanical Engineering** Tokyo Institute of Technology, Interdisciplinary Graduate School of Science andof Environmental Science and Technology＊ Engineering,
Department of Department
Mechanical Engineering＊＊ Tokyo Institute of Technology, Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering,
1

Department of Environmental Science and Technology

64

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

The previous study observed that, depending on the angle of attack, the thin blade stalled
once, while the thick blade stalled twice. It revealed that the stall was related to the flow
conditions around the blades, which were significantly affected by the geometric shape of each
airfoil from the leading edge to the thickest portion.
However, blades with the same thickness ratio may have different airfoil shapes according
to the manufacturer and produce different flow conditions at the same angle of attack,indicating different blade characteristics.
Many studies have reported how various airfoil shapes affect aerodynamic characteristics[6], [7], [8], [9],but most of them have mainly presented the results obtained with large
Reynolds numbers, and few data obtained with small Reynolds numbers are available [10].
Furthermore, while the variation of aerodynamic characteristics due to blade surface roughness
has been reported [11], its relationship to the flow conditions around blades has not been fully
explained.
This paper employs two different thick blades having airfoil shapes that likely affectaerodynamic characteristics and divides the aerodynamic characteristic curve of each blade
into three regions at the low Reynolds number condition, and it examines the effect of bladesurface roughness on the characteristics in connection with the flow conditions around theblades.
2. Airfoils under Test and Experimental Apparatus
2.1 Airfoils under Test
The previous paper [5] employed “DU97-W-300 [6]” developed by Delft University ofTechnology in the Netherlands as a thick blade. Compared with a thin blade, the paper
determined that the thick blade exhibited characteristic variations in the characteristic curvesof lift and drag coefficients in relation to the angle of attack. To clarify whether this feature isinherent in thick blades, this paper employs “Riso A-30 [7]” with the same thickness ratio anda different airfoil shape, developed by Riso National Laboratory in Denmark, as an additional
airfoil under test.
Figure 1 shows the shape of each airfoil. For the shape from the leading edge to the thickest
portion, “DU97-W-300” has a smaller curvature than that of “Riso A-30.”
Both airfoils have a thickness ratio δ of 30 %, a chord length C of 120 [mm], a spanwise
length of 298 [mm], and an aspect ratio of 2.48.
Since both airfoils were made from stereolithography resin, their blade surfaces havestreaky features, each with a thickness corresponding to the layer width. In this paper, bladeswith such features left on the blade surface are called “rough blades,” while those having asandpapered blade surface are called “smooth blades.” This paper evaluates rough blades by

2

SAITO and YAMASHINA：Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of Two Different Thick Blades Used as Wind Turbine Airfoils

Fig. 1

65

Airfoil shapes

using the surface roughness value.
Table 1 shows two surface roughness levels for each airfoil. These measurements show theaverage value of arithmetic average roughness Ra on the upper and lower surfaces of eachblade in the flow and span directions, determining that both airfoils have similar values.
Table 1 Blade surface roughness (“DU97-W-300” and “Riso A-30”)

2.2 Experimental Apparatus
Figure 2 shows the same wind tunnel model as used for the experiments in the previous
paper [5]. The small wind tunnel (1) has a cross section of 400 [mm] high and 300 [mm] wideat the outlet and is capable of performing experiments at a wind velocity of up to 20 [m/s]. The
wind velocity can be adjusted by opening and closing the damper (2) at the wind tunnel inlet.
An airfoil under test (3) has a spanwise length of 298 [mm] as described above. The airfoil
mounting shaft penetrates clear acrylic plates that surround both sides of the airfoil with the
top and bottom sides left open; the shaft is connected to a strain gauge type multi-component
load cell (5) for the measurement of lift and drag forces.
To measure the wind velocity U ∞ , a JIS-compatible pitot tube [6 mm in diameter] (6) and atilting manometer (7) are used. The lift force L and the drag force D on the blade are recorded
on a multiple pen recorder (10) and a PC from the multi-component load cell via a calibrator(8) and an amplifier (9).
In the experiments, the airfoil was set at each angle of attack with the wind tunnel fan
stopped, and then the fan was started to obtain experimental data.

Fig. 2 Experimental apparatus

3

66

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

3. Experimental Results and Discussion
3.1 Aerodynamic Characteristics of Two Different Thick Blades (Effect of Blade Surface
Roughness)
For the two surface roughness levels of “DU97-W-300” and “Riso A-30,” Figures 3 and 4
show variations in the lift coefficient C L and the drag coefficient C D with the angle of attack α
ranging from 0° to 30° and the Reynolds number Re =1.4×10 5 .
In Figure 3, the characteristic curves of “DU97-W-300” show that the smooth blade stalls
twice at α = 10° and 26° (“first stall” and “second stall”), while the rough blade stalls only
once at a high value of α = 26°.
The lift coefficient of the rough blade is smaller than that of the smooth blade at α = 0° to 8°,
but the former is larger than the latter at higher angles of attack. The drag coefficient of therough blade is smaller than that of the smooth blade up to α = 22°, but the former is larger than
1.0

Lift coefficient CL & Drag coefficient CD

0.9
0.8
0.7
0.6

CL

0.5
0.4

CD

0.3
0.2
0.1

Region Ⅰ

0.0
05

Region Ⅱ
10

15
20
Angle of attack α[deg]Region Ⅲ
25

30

Fig. 3 Aerodynamic characteristics (“DU97-W-300”)

Fig. 4 Aerodynamic characteristics (“Riso A-30”)

the latter at or above the angle of attack at which the second stall occurred.
As is the case with “DU97-W-300,” Figure 4 shows that the smooth blade of “Riso A-30”
stalls twice at α = 8° and 26°, while the rough blade stalls only once at a high value of α = 26°.
The lift coefficient of the rough blade is smaller than that of the smooth blade at α = 0° to
8°, but the former is larger than the latter at higher angles of attack. The drag coefficient of therough blade is smaller than that of the smooth blade up to α = 18°, but the former is larger thanthe latter at higher angles of attack.
In Figures 3 and 4, the aerodynamic characteristic curves of the blades represented by the
curves of lift and drag coefficients in relation to the angle of attack determine that the bladesof both types with a higher surface roughness value provide a larger lift coefficient. The
variation of the characteristic curves also shows that their gradient differs according to theblade’s surface roughness level and the region of angles of attack, indicating that this variation

4

SAITO and YAMASHINA：Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of Two Different Thick Blades Used as Wind Turbine Airfoils

67

process is characteristic of the thick blades.
Based on these observations, the aerodynamic characteristics of “Riso A-30” can be divided
into three regions, as is the case with “DU97-W-300.” This paper classifies the characteristics
of both airfoils as follows:
Region I: Region ranging from α = 0° to the angle of attack before the “first stall,”Region II: Region ranging from the angle of attack after the “first stall” to that before the“second stall,” andRegion III: Region of angles of attack after the “second stall.”
3.2 Basic Patterns of Flow behind Blades and Pressure Distribution on the Blade
Surface in Each Region
For each region classified above, the flow behind the blades and the behavior of flow on theblade surface were observed by the tuft method in addition to the measurement of pressure
distribution on the blade surface.
Specifically, as in the previous paper [5], the pressure distribution was measured byproviding eight and six pressure holes of 0.5 [mm] in diameter on the upper and lower surfacesof each blade at the spanwise cross section of the blade center. The flow behind each blade andthe behavior of flow on the blade surface were observed by the tuft grid method and thesurface tuft method, respectively [5].
Figure 5 illustrates the pressure distribution on the blade surface and the flow behind theblade at α = 4°, 20°, and 30° in the regions classified above for the smooth blades of “DU97W-300” and “Riso A-30.”
In each pressure distribution graph, the corresponding airfoil shape is shown in relation tox/C by using long dashed double-short dashed lines.
At α = 4° in Region I, the flow from the upper surface to the lower surface of the blade canbe observed at the trailing edge for both “DU97-W-300” and “Riso A-30.”
Regarding the pressure distribution, the value of the pressure on the upper surface of bothblades is maximally negative at a position about 20 % of the chord length and shifts in thepositive direction almost linearly toward the trailing edge. For both blades, the pressure on thelower surface is nearly uniform in the section beyond about 13 % of the chord length anddistributed similarly.
At α = 20° in Region II, both blades produce turbulent flow behind them; it has been
determined that the flow behind the blade becomes more turbulent as the angle of attack
increases.
The pressure distribution on the lower surface of both blades is almost the same.
However,the absolute value of the pressure on the upper surface of “Riso A-30” is higher thanthat on the upper surface of “DU97-W-300.” In particular, the pressure difference between the5

68

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

-4

-4

-4

-3

-3

-3

Pressure coefficient CP

Region III (α = 30°)

Pressure coefficient CP

Region II (α = 20°)

Pressure coefficient CP

Region I (α = 4°)

-2

-2

-2

-1

-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0
1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0
1

2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0
1

2

Position x /C

Blade ⇒

-1

2

Position x /C

Position x /C

-4

-4

-3

-3

-3

Pressure coefficient CP

Pressure coefficient CP

Pressure coefficient CP(a) Smooth blade of “DU97-W-300”
-4

-2

-2

-1

-1

0

0.2

0.4

0.6

0
1
2

-2

0.8

1

-1

0

0.2

0.4

0.6

0

0.8

1

1

Position x /C

Blade ⇒

2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0
1

Position x /C

2

Position x /C(b) Smooth blade of “Riso A-30”
Fig. 5 Pressure distribution and flow visualization(smooth blades of “DU97-W-300” and “Riso A-30”)
upper and lower surfaces of “Riso A-30” is large in the section from the leading edge to about
40 % of the chord length. This result agrees with the fact that the lift coefficient of “Riso A30” is larger than that of “DU97-W-300.”
In Region III after the stall, the flow is separated at the leading edge of both blades to cause
the formation and growth of a pair of vortices near the leading edge on the upper surface (seephotos in Figures 10 and 11). In addition, the tufts across the upper surface indicate a highly
turbulent flow. In Region III after the stall, the flow on the lower surface remains almost
unchanged from that in Region II. The tufts are in the flow direction, but it can be observedthat the flow rolls up toward the upper surface at the trailing edge.
For the pressure distribution of both blades in Region III, the absolute value of the pressure
coefficient C P on the upper surface is significantly lower than that in Region II in the section
up to about 40 % of the chord length and is nearly uniform across the entire chord length. The
pressure distribution on the lower surface of both blades is similar.

6

SAITO and YAMASHINA：Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of Two Different Thick Blades Used as Wind Turbine Airfoils

69

3.3 Aerodynamic Behavior at Low Angles of Attack
As shown in Figures 3 and 4, both thick blades “DU97-W-300” and “Riso A-30” exhibit
characteristic variations in the lift coefficient at low angles of attack depending on the surface
roughness level.
In other words, the rough blades exhibit no decrease in the lift coefficient around α = 8°,
while the smooth blades of “DU97-W-300” and “Riso A-30” cause a decrease in the lift
coefficient, or a stall, at α = 10° and 8°, respectively. As described above, the stall at theseangles of attack is called “first stall,” as distinguished from the “second stall” at α = 26°.
The following sections examine the flow behavior of each rough blade with α = 6° and 8° at
which the lift coefficient is almost the same, as well as the flow conditions of the smooth
blades at the angles of attack before and after the “first stall.”
3.3.1 Flow Mechanism on the “Rough” Blades at Low Angles of Attack(a) Flow mechanism on “DU97-W-300”
For the rough blade of “DU97-W-300,” Figure 6 shows the pressure distribution on theblade surface and the behavior of the flow behind the blade with α = 6° and 8° at which the lift
coefficient is almost the same. In the pressure distribution graph, the corresponding airfoil
shape is shown in relation to x/C by using long dashed double-short dashed lines.
At α = 6°, the behavior of the tufts indicates that the flow behind the blade is directed fromthe upper surface to the lower surface.
At α = 8°, both flows on the upper and lower surfaces travel along the blade, and the tufts
are in the flow direction behind the blade. This slight difference in flow pattern is reflected in
the pressure distribution on the blade surface.
In the section from the leading edge to about 30 % of the chord length, the pressure
difference between the upper and lower surfaces at α = 8° is larger than that at α = 6°,
resulting in a slight increase in the lift coefficient. This result agrees with the fact that the-4

Pressure coefficient CP

-3
-2
-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Blade⇒

0
1
2

Position x /C

Fig. 6 Pressure distribution and flow visualization (rough blade of “DU97-W-300”)

7

70

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

flow condition around the blade at α = 8° is better than that at α = 6° as described above.
(b) Flow mechanism on “Riso A-30”
For the rough blade of “Riso A-30,” Figure 7 shows the pressure distribution on the bladesurface and the behavior of the flow behind the blade at low angles of attack α = 6° and 8°.
At α = 6°, the pressure difference between the upper and lower surfaces is present, and theflow behind the blade is apparently turbulent.
At α = 8°, unlike the case of “DU97-W-300,” the pressure distribution curves for the upperand lower surfaces intersect at a position about 20 % of the chord length from the leading edge.

Blade ⇒

Fig. 7 Pressure distribution and flow visualization (rough blade of “Riso A-30”)
However, the lift coefficient decreases, and the flow behind the blade is less turbulent.
This result may be attributed to the fact that streaky features generated in the fabrication of
the “DU97-W-300” and “Riso A-30” airfoils from stereolithography resin act to suppress thesmall separation of flow from the blade surface.The airfoil curvature from the leading edge tothe thickest portion is different between “DU97-W-300” and “Riso A-30” , and this difference
may cause the variation in pressure distribution tendency between them.

3.3.2 Aerodynamic Behavior of the “Smooth” Blades Before and After the “First
stall”(a) Flow mechanism on “DU97-W-300” before and after the “first stall”
For the smooth blade of “DU97-W-300,” Figure 8 shows the pressure distribution on theblade surface, the behavior of the flow behind the blade (photos in the left column for eachangle of attack) and the flow on the blade surface (photos in the right column for each angle ofattack) at α = 8° and 10° before and after the first stall.

8

SAITO and YAMASHINA：Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of Two Different Thick Blades Used as Wind Turbine Airfoils

71

-4

α=8°

Pressure coefficient CP-3

α=10° Upper

-2

L.E

-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

T.E

1

0
1
2

Lower
Position x /C

Fig. 8 Pressure distribution and flow visualization (smooth blade of “DU97-W-300”)
At α = 8° before the first stall, the tufts on the upper surface are in the flow direction at theleading edge (abbreviated as L.E in the figures), indicating that the flow is almost laminar.
However, it can be seen that the tufts are directed toward the lower surface near the trailingedge (abbreviated as T.E in the figures); the generation of a pair of small vortices is found on
the lower surface.
At α = 10° after the first stall, the flow on the lower surface travels along the blade, as
determined by the observation of the flow behind the blade.
For the pressure distribution on the upper surface at α = 8° before the first stall, the pressure
increases in the negative direction in the section from the leading edge to about 20 % of thechord length and gradually shifts in the positive direction toward the trailing edge.
At α = 10° after the first stall, the absolute value of the pressure is smaller than that before
the stall in the section beyond about 10 % of the chord length. This result suggests that, at α =10°, the small separation of flow occurs close to the leading edge, but the flow is soon attachedto the blade surface and travels along the blade at the rear of the blade.
Both at α = 8° and 10° before and after the first stall, the pressure on the lower surface
decreases in the section up to about 13% of the chord length. Then, the pressure shows a nearly
uniform distribution toward the trailing edge.
(b) Flow mechanism on “Riso A-30” before and after the “first stall”
For the smooth blade of “Riso A-30,” Figure 9 shows the pressure distribution on the bladesurface, the behavior of the flow behind the blade, and the flow on the blade surface at α = 6°
and 8° before and after the first stall.
The pressure distribution on “Riso A-30” at α = 6° before the first stall is similar to that on“DU97-W-300” at α = 8°. In the vicinity of the rear of the blade, it can be observed that the
tufts are directed toward the lower surface.

9

72

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）-4

Pressure coefficient CP

-3

α=6°

α=8° Upper
L.E

-2
-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

T.E

1

0
1
2

Lower
Position x /C

Fig. 9 Pressure distribution and flow visualization (smooth blade of “Riso A-30”)
At α = 8° after the first stall, the pressures on the upper and lower surfaces are almost thesame as those before the stall in the section up to about 5 % of the chord length. Then, theabsolute value of the pressure on the upper surface after the stall is lower than that before thestall toward the trailing edge.
For both “DU97-W-300” and “Riso A-30,” these pressure distributions indicate that thepressure difference between the upper and lower surfaces after the first stall is smaller thanthat before the stall, agreeing with the decrease in the lift coefficient C L .
The small separation of flow from the upper surface occurs close to the leading edge, but theflow is soon attached to the blade surface and travels along the blade at the rear of the blade,as is the case with “DU97-W-300.”
3.4 Aerodynamic Behavior at Angles of Attack Before and Afterthe “Second stall”
For both “DU97-W-300” and “Riso A-30,” the lift coefficient C L increases at angles ofattack after the first stall, and the “second stall” occurs at higher angles of attack, that is,ranging from α = 24° to 26°.
Figures 10 and 11 illustrate the pressure distributions on the upper and lower surfaces, aswell as the flow on the blade surface, at α = 24° and 26° before and after the second stall forthe smooth blades of both types.
For both blades, the tufts on the upper surface at α = 24° before the second stall areconverging toward the center of the trailing edge. In this condition, a pair of small vortices ispresent at the rear of the blade, and it can also be observed that the tufts on the lower surfaceroll up toward the upper surface at the trailing edge.
The flow on the lower surface is laminar in the flow direction, significantly differing fromthat on the upper surface.
For both blades, the pressure on the upper surface at α = 24° before the second stall shows a

10

SAITO and YAMASHINA：Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of Two Different Thick Blades Used as Wind Turbine Airfoils

α=24°

-4

Pressure Coefficient CP

α=26°

FLOW

-3

73

L.E

-2
-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

T.E

0
1
2

Position x /C

Fig. 10 Pressure distribution and flow visualization(smooth blade of “DU97-W-300,” α = 24° & 26° around the 2nd stall)

α=24°

-4

α=26°

Pressure coefficient CP

-3

FLOW

-2

L.E

-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

T.E

0
1
2

Position x /C

Fig. 11 Pressure distribution and flow visualization(smooth blade of “Riso A-30,” α = 24° & 26° around the 2nd stall)high negative value at the leading edge and shifts in the positive direction almost linearly inthe section up to about 30 % of the chord length. The pressure is almost uniform in the section
from about 30 % of the chord length to the trailing edge.
On the lower surface, the pressure coefficient C P increases in the positive direction in thesection from the leading edge to about 5 % of the chord length, while the positive pressure
decreases in the section from about 5 % to about 30 % of the chord length and then gradually
increases toward the trailing edge. The pressure coefficient C P on the lower surface after thesecond stall remains almost unchanged from that before the stall, and the pressure distributions
on both blades are extremely similar.
For both blades at α = 26° after the second stall, the flow is separated at the leading edge,

11

74

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

causing the formation and growth of vortices near the leading edge on the upper surface. In
addition, the tufts across the upper surface indicate a highly turbulent flow.
In this condition, the stall occurs over the entire blade, and the pressure coefficient C P on
the upper surface is nearly uniform across the entire chord length.
Thus, the pressure distributions on both blades before and after the second stall are
significantly different from those before and after the first stall. In particular, as suggested by
the fact that the pressure distribution on the upper surface is drastically different, an inherent
property of the thick blades is that the shape of the airfoil from the leading edge to about 30 %of the chord length significantly affects aerodynamic characteristics.
4. Conclusions
This paper focused on small wind turbines, the Reynolds number of which is an order ofmagnitude smaller than that of actual middle or large wind turbines. For two types of thickblades having airfoils that are used in wind turbine blades and likely affect aerodynamic
characteristics, this paper divided the aerodynamic characteristic curve of each blade into three
regions. Thus, it examined the relationship between the level of blade surface roughness andthe flow condition around the blade at different angles of attack, including those before andafter stalls, to clarify the inherent properties of the thick blades.
This study has yielded the following findings.
(1) Depending on the surface roughness level, both thick blades “DU97-W-300” and “RisoA-30” exhibited characteristic variations in the characteristic curves. According to the gradientof the characteristic curves in relation to the angle of attack, the characteristic curve of eachblade can be divided into three regions. This fact is closely related to the difference of flow
conditions around the blade between the regions, which is an inherent property of the thickblades.
(2) The smooth blades of both types stall twice at low and high angles of attack, while therough blades stall only once at a high angle of attack, which is also an inherent property of the
thick blades.
(3) Regarding the inherent characteristics of the thick blades at low angles of attack, theresults of experiments with the two different thick blades show that the rough blades exhibit nodecrease in the lift coefficient around an angle of attack of 8°, while the smooth blades cause adecrease in the lift coefficient, or the first stall, around the same angle of attack. Thisdifference between the rough and smooth blades was clarified based on the flow conditions
around both blades and the pressure distributions on them.

12

SAITO and YAMASHINA：Evaluation of Inherent Aerodynamic Characteristics of Two Different Thick Blades Used as Wind Turbine Airfoils

75

NomenclatureA

Blade surface area = 3.58 × 10 -2 [m 2 ]D

Drag force [N]C

Chord length [mm]L

Lift force [N]CD

1
2
Drag coefficient  D ( U  A)
2

PS

Static pressure [Pa]Re

Reynolds number

T

Maximum blade thickness [mm]U∞

Flow velocity [m/s]xDistance from the leading edge [mm]αAngle of attack [°]δThickness ratio = T/Cρ

Air density [kg/m 3 ]

CL

CP

1
2
Lift coefficient  L ( U  A)
2
1
2
Pressure coefficient  PS ( U  )2

References[1] SAITO, Sumio, SEKIZUKA, Satoshi, SATO Kenichi and SATO, Arinobu, Performance
Comparison of Two Wind Turbine Generator Systems Having Two Types of Control Methods,
Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol. 70, No. 700 (2004),
pp. 3174 - 3181.
[2] SAITO, Sumio, SEKIZUKA, Satoshi, SATO Kenichi and SATO, Arinobu, Transient
Characteristics of Two Wind Turbine Generator Systems Having Two Types of Control
Methods, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, Vol. 71, No.
702 (2005), pp. 539 - 545.
[3] SAITO, Sumio, SEKIZUKA, Satoshi and SATO, Kenichi, Transient Characteristics of Two
Wind Turbine Generator Systems Having Two Types of Control Methods, Journal ofEnvironment and Engineering, Vol. 2, No. 1 (2007), pp. 13 - 24.
[4] SAITO, Sumio and SEKIZUKA, Satoshi, Performance Comparison of Two Wind Turbine
Generator Systems Having Two Types of Control Methods, International Journal of Fluid
Machinery and Systems, Vol. 2, No. 1, January - March 2009, pp. 92 - 101.
[5] SAITO, Sumio, YAMASHINA, Takahiro and ICHIKAWA, Tatsuya, Evaluation ofCharacteristics and Flow Patterns on

Wind Turbine Blades, Proceedings of The Seventh

JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference, October 2008, Sapporo, Japan, I114.
[6] W. A. Timmer and R. P. J. O. M. van Rooij, Summary of the Delft University Wind Turbine
Dedicated Blades, Transaction of the ASME, Vol. 125, November 2003, pp. 488 - 496.
[7] Kristian S. Dahl and Peter Fuglsang, Design of the Wind Turbine Blade Family RISO-AXX, Riso-R-1024 (EN) (1998-12), pp. 1 - 28.
[8] Peter Fuglsang, Christian Bak, Mac Gaunaa and Ioannis Antoniou, Design and Verificationof the Riso-B1 Blade Family for Wind Turbines, Transaction of the ASME, Vol. 126, November

13

76

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

2004, pp. 1002 - 1010.
[9] K. J. Standish and C. P. van Dan, Aerodynamic Analysis of Blunt Trailing Edge Blades,
Transaction of the ASME, Vol. 125, November 2003, pp. 479 - 487.
[10] Michael S. Selig and Bryan D. McGranahan, Wind Tunnel Aerodynamic Tests of Six
Blades for Use on Small Wind Turbines, Transaction of the ASME, Vol. 126, November 2004,
pp. 986 - 1001.
[11] R. P. J. O. M. van Rooij and W. A. Timmer, Roughness Sensitivity Considerations for
Thick Rotor Blade Blades, Transaction of the ASME, Vol. 125, November 2003, pp. 468 - 478.
（Received Oct. 28, 2010）14

東京工業高等専門学校研究報告書 第 42（2）号，2011
77
風車用翼型生成に光造形手法を適用した際に生じる翼表面上の積層痕の有無による薄翼および厚翼の流体力学的特性の変化と翼周りの流動状態

斉藤純夫 ，山科貴裕
風車用翼型生成に光造形手法を適用した際に生じる翼表面上の積層痕のResearch on Aerodynamic Characteristics of Thin and Thick Blades depending on
有無による薄翼および厚翼の流体力学的特性の変化と翼周りの流動状態
the Presence or Absence of Streaky Features formed on the Blade Surface during***

斉藤純夫 *，山科貴裕 **Creation of Wind Turbine Airfoils with Stereolithography

Research on Aerodynamic Characteristics of Thin and Thick Blades depending on
Sumio SAITO， TakahiroYAMASHINA
the Presence or Absence of Streaky Features formed on the Blade Surface during
Wind turbines with a propeller-type rotor on a horizontal axis employ turbine blades, have a thickness ratio (theCreation of Wind Turbine Airfoils with Stereolithography
ratio of maximum thickness T against chord length C), which is small at the blade tip (thin blade), and is large at the
Sumio
and Takahiro
AMASHINA
blade root (thick blade). The previous report selected typical airfoils that
wereSaAITO
thin blade
and a thick Y
blade
used foractualwindturbines
turbine forthe afirststep to get therotor
optimizationof the bladeaxis
constitution,
the paperpresented
Windwithpropeller-type
on a horizontal
employ andturbineblades,have theabasiccharacteristic
evaluationfrom aerodynamic
and checked
the flowC),conditions
the airfoils
T against
thicknessratio (theratio asof seenmaximum
thickness aspects
chord length
which isonsmall
at theatthesametip
angle
attack includingin theof arootstall.(thick
However,theTheaerodynamic
represented
by
blade(thinofblade),and is large
at vicinity
the bladeblade).
previouscharacteristic
report selected
typicalairfoils
were
thin
blade
and a against
thick blade
used
actualwind turbine
forprocess
the first
step toofget
thecurve thatfor thelift aanddragcoefficient
the angleof forattack, indicateda differentof changethethe optimization
the bladeandpaper
presented
thethebasiccharacteristic
angle
of attack .Thisofresearchuses constitution,
the typical thinandthethick
bladesselected byprevious
paper, and evaluation
classifies theas seen from aerodynamic aspects and checked the flow conditions on the airfoils at the same angle
process of change for aerodynamic characteristic curves, and then relates flow condition around the airfoil to influenceof attack including in the vicinity of a stall. However, the aerodynamic characteristic represented by
ofthe
thecurve
presenceor absence
streakyfeaturesformedtheonanglethe bladesurfaceduring athecreationprocessof airfoils
for thelift and of
dragcoefficientagainstof attack,indicateddifferentofwithstereolithography.
changeof the angle of attack. This research uses the typical thin and thick blades selected by theprevious
paper,and Turbine
classifies
theThinprocesschangeforaerodynamic
characteristic
curves, and then
Key Words: WindBlade,
Blade,ofThick
Blade,
SurfaceRoughness,
Lift Coefficient,
relates flow condition around the airfoil to influence of the presence or absence of streaky features
Drag Coefficient,
Angle of
Attack,Stall,ofPressure
Flow Visualization
formed on the bladesurface during
thecreation
airfoilsDistribution,with stereolithography.
(Key Words : Wind Turbine Blade, Thin Blade, Thick Blade, Surface Roughness, Lift Coefficient,
Drag Coefficient, Angle of Attack, Stall, Pressure Distribution, Flow Visualization)1.
緒言
近年，自然エネルギの有効利用が地球規模で叫

周りの流れ状態に大きく影響しているためである

ばれており，そのうち風力発電システムに関して

係数および抗力係数の曲線で代表される翼の流体は，その制御方式の最適化とあわせ(1)～(4)，風車翼

力学的特性は，迎え角の範囲によってそれぞれ異全体の翼構成において，流体力学的視点から翼のなる変化の過程を示しており，迎え角の大小の領

各部位における翼型の最適化を図ることが重要な域ごとに翼周りの流動状態に特徴的な挙動の違い課題である．

が現れるものと推測される．さらに，翼面の粗さことを明らかにした．また，迎え角に対する揚力

実際のプロペラ形水平軸風車においては，翼先による流体力学的特性の変化も示されてはいるも端部では厚み比 δ（翼弦長 C に対する翼最大厚みのの(6)，翼周りの流れとの関連については十分にT の比）の小さい薄翼が，また，翼根元部では厚明らかにされてはいない．

み比の大きい厚翼が用いられているが，風車翼全

そこで，前報(5)で選定した薄翼と厚翼の代表的体の翼型構成については，風車メーカごとに異なな翼型について，光造形手法により翼型製作したるのが現状である．

際に翼表面上に生じる積層痕の有無が，流体力学

前報(5)では，実際の中大型風車より１桁レイノ

的特性曲線の変化の過程に及ぼす影響を迎え角のルズ数の小さい小型風車に焦点をあて，風車翼全領域ごとに分類し，あわせて翼周りの流動状態と体についての翼型構成の最適化を図るための第一関連させて検討を加えた．

段階として，実際の風車翼に適用されている薄翼

2.

と厚翼の代表的な翼型を選定し，流体力学的観点

おもな記号からそれらの基本的な特性評価を行うとともに，A： 翼の代表面積 = 3.58×10-2 [m2]

失速前後を含むいくつかの迎え角における翼周りC： 翼弦長 [mm]の流動状態についても検討を加えた．

CL： 揚力係数

その結果，薄翼は迎え角の変化に伴い，一度の失速を起こすのに対し，厚翼は二度失速を起こし，その失速現象は，翼前縁部から翼の最大厚みとな

CD ： 抗力係数12
 L ( U  A)212
 D ( U  A)
2る付近までの両翼型の幾何学的形状の違いが，翼＊東京工業高等専門学校＊東京工業高等専門学校
専攻（元

機械工学科

機械工学科

東京工業高等専門学校＊＊東京工業大学＊＊東京工業大学

専攻科

総合理工学研究科

総合理工学研究科

機械情報システム工学専攻）

環境理工学創造環境理工学創造専攻（元 東京工業高等専門学校 専攻科 機械情報システム工学専攻）

78

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

1
2 PS ( U  )2

CP ： 圧力係数
D： 抗力 [N]L： 揚力 [N]PS： 静圧 [Pa]Re ： レイノルズ数
T： 翼最大厚み [mm]Table 1

Blade roughness （「NACA63217」）

Table 2

Blade roughness （「DU97-W-300」）

U∞ ： 流速 [m/s]x： 翼前縁からの距離 [mm]α

： 迎え角 [°]

δ

： 厚み比

ρ

： 空気の密度 [kg/m3]
3.

T C

3・2

実験装置

図 2 は前報(5)の実験時に使用したものと同じ小型風洞装置である．風洞①は，縦 400[mm]，横 300[mm]の吹き出し断面を有し，最大風速 20[m/s]の風速範囲での実験が可能であ供試翼型と実験装置

る．風洞吸い込み口に取り付けられた②のダンパ(5)を開閉することにより風速を調節することが可能

3・1 供試翼型

前報 と同様，風車翼全体の構成として薄翼および厚翼の翼型が採用されている現である．

状を踏まえ，薄翼としては「NACA63217」を，厚翼

供試翼型③の取り付け用軸は，翼両側の透明アとしてはオランダのデルフト工科大学で開発された

クリル側板④を貫き，揚力および抗力測定用のひ(7)「DU97-W-300 」を供試翼型として選定し，光造形樹

ずみゲージ式多分力検出器⑤に接続されている．
流速 U∞の測定には，JIS ピトー管(6mmφ)⑥と脂により製作した．
図 1 はそれぞれの翼型の形状を示す．厚み比 δ につ

傾斜マノメータ⑦を用いた．翼が受ける揚力 L お

いては，薄翼の「NACA63217 」は 17%，厚翼のよび抗力 D は，多分力検出器から較正器⑧，増幅「DU97-W-300」
は30%で，ともに翼弦長Cは120[mm]，器⑨を介して多ペンレコーダ⑩およびパソコンでスパン方向長さは 298[mm]である．

記録した．

薄翼および厚翼の両者とも，光造形樹脂により翼型を製作したため，積層幅に応じた筋状の積層痕が翼表面に現れる．本報では，製作後の積層痕が残っている表面の状態の翼を「粗い（rough）翼」と称し，また，この翼を紙やすりを用いてペーパー掛けしたものを「滑らかな（smooth）翼」と呼ぶことにする．
ここでは積層痕のある状態の翼についても，表面粗さの値によって評価することとし，表 1 および表 2 に，
薄翼「NACA63217」と厚翼「DU97-W-300」について

Fig.2

Experimental apparatusの翼の上面および下面で測定した算術平均粗さ Ra の平均値を，流れ方向およびスパン方向について示す．

4.

実験結果と考察

4・1 薄翼および厚翼の流体力学的特性（光造形手法による積層痕の有無の影響）

図 3 と図 4 は，薄翼「NACA63217」および厚翼「DU97-W-300」について，光造形手法により製作した際に翼表面上に生じる積層痕の有無による 2 種類の表面粗さの状態におい
Fig.1

Shape of airfoilsて，レイノルズ数Re=1.4×105 の条件下で，迎え角α を斉藤，山科：風車用翼型生成に光造形手法を適用した際に生じる翼表面上の積層痕の有無による薄翼および厚翼の流体力学的特性の変化と翼周りの流動状態

1.0

1.0

CL

0.8

0.9

Lift Coefficient C L & Drag Coefficient C D

Lift Coefficient C L & Drag Coefficient C D

0.9

0.8
0.7

0.7
0.6

Region Ⅰ

0.5

Region Ⅱ

0.4

0.6

Region Ⅲ

0.2

CL

0.5
0.4

CD

0.3

CD

0.3
0.2
0.1

0.1
0.0

Region Ⅰ

0.0

0

Fig.3

79

5

10

15
20
Angle of Attack α[deg]25

30

Aerodynamic characteristics（「NACA63217」）

図 3 より，薄翼の「NACA63217」の場合，実験を行った迎え角の範囲において，積層痕を有する粗い翼の方が滑らかな翼と比べ，揚力係数は大きく現れている．
また，翼表面粗さによらず一度のみ失速を起こしており，その時の迎え角は α=20°である．抗力係数に

0

Fig.4

5

15
20
Angle of Attack α[deg]2530を示していることが確認できる．
以上の観点から，薄翼および厚翼について，以下のように流体力学的特性の領域を分類する．
すなわち，薄翼の「NACA63217」の場合には，迎え角 α=10°と 18°を境に三つの領域に分類できる．
領域Ⅰ：迎え角 α=00°～10°

で，揚力曲線の傾きの大きい領域
領域Ⅱ：迎え角 α=10°～18°

で，揚力曲線の傾きが多少小さくなる領域

者の場合とも急増するものの，粗い翼の方がその値は大きく現れている．

10

Aerodynamic characteristics（「DU97-W-300」）

ついては，失速前までの迎え角の領域においては，粗さによらずほぼ同じ値を示し，失速後には，両Region Ⅱ-1 Region Ⅱ-2 Region Ⅲ

領域Ⅲ：迎え角 α=20°以降，失速後の領域

一方，図 4 より，厚翼の「DU97-W-300」について

また，厚翼の「DU97-W-300」については，α=8°とは，表面粗さにより特性曲線に特徴的な変化が見られ24° を境に三つの領域に分類でき，さらに領域Ⅱる．

は揚力曲線の傾きにより二つの領域に分けること

すなわち，滑らかな翼の場合には，迎え角 α=10°と26°において，二度の失速が発生しているのに対し，ができる．
領域Ⅰ-1： 迎え角 α=00°～08°で，揚力曲線の傾きの小さい領域

表面粗さ値が大きくなると，迎え角の小さい領域での失速は消え，迎え角の大きい α=26° においてのみ失速

領域Ⅱ-1： 迎え角 α=08°～16°で，揚力曲線の傾が発生している．
粗い翼の場合，滑らかな翼と比べ，迎え角が α=0°

きが多少大きくなる領域
領域Ⅱ-2： 迎え角 α=16°～24°で，揚力曲線の傾～8°までの範囲では揚力係数は小さいが，それ以降

きが大きくなる領域の迎え角の領域においては，大きな値となっている．

領域Ⅲ-1： 迎え角 α=24°以降，失速後の領域

また，抗力係数については，α=22°までは滑らかな翼以上のように，迎え角の変化に対する揚力係数およと比べ小さいものの，失速発生以降の迎え角の範囲で

び抗力係数の変化の過程は，各領域ごとに翼周りの流は，大きい値を示している．

動状態の特徴的な変化と密接な関連があることを確

以上のように，図 3 および図 4 の迎え角に対する揚認している．

力係数および抗力係数の曲線で代表される翼の流体

そこで，以下の節においては，薄翼と厚翼の両者の力学的特性曲線より，薄翼の「NACA63217」および翼型における各領域ごとの流体力学的特性の変化と厚翼の「DU97-W-300」とも，積層痕を有する状態，

翼周りの流れの挙動との関連について，翼面上の圧力すなわち表面粗さ値が大きい翼の場合ほど揚力係数

分布の結果も含め考察する．

が大きく，さらに，特性曲線の変化の過程をみると，

4・2 薄翼「NACA63217」における翼周りの流れ

薄翼と厚翼の両者とも，翼の表面粗さとそれぞれの迎の挙動

前節で分類した各領域において，翼面上え角の大きさの範囲に応じ，特性曲線上で異なる傾きの圧力分布とあわせ，翼後方の流れと翼面上の流れ

80

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

右側半分の図の上部は表面タフト法により観察したの挙動をタフト法により観察した．
(5)

圧力分布は前報 と同様，翼スパン方向の中心断

翼上面側の流れの様子を，下部は翼下面側の流れの可面において，翼上面の 8 箇所，下面の 6 箇所の位視化結果を示す．また，粗い翼については，翼後方の置に，直径 0.5[mm]の圧力孔を設けて測定した．

流れ状態のみを示した．

翼後方の流れの観察には，タフトグリッド法を適用

薄翼の「NACA63217」の場合，翼表面粗さの違い

し，縦 600[mm]，横 300[mm]のアルミ製の型枠にによる流れの挙動は，同じ領域であればほとんど変化

15[mm]間隔でテグス（ナイロン製）を張り，その交点が見られない．

にタフト（綿製）を取り付けたものを翼の後方 20[mm]すなわち，領域Ⅰについては，一例として迎え角の位置に設置し，翼の下流方向から流れの状態を撮影

α=6°の場合の翼周りの流れの挙動を示したが，2した．この時，翼上面と下面の流れの様子が判別しや種類の翼表面粗さの場合とも，翼上面側の流れは，翼すいように，翼上面側にあたるタフトは赤色を，翼下前縁部（Leading Edge :以後，図中に L.E と記載）

面側のタフトは白色のものを使用した．

から後縁部（Trailing Edge : 以後，図中に T.E と記

また，翼面上の流れの観察には，滑らかな翼につい載）まで，翼面に沿っていることを確認している．

て表面タフト法を適用し，具体的には，縦 100[mm]，また，翼下面のタフトの挙動についても，翼スパン

横 250[mm]の方眼紙上にタフト（綿製）を取り付けた

全面にわたり，翼に沿った一様な流れ状態を示していものを翼上面および下面に貼り付け，それぞれの方向

る．

(5)

さらに，一例として滑らかな翼の場合について，翼から流れの挙動を撮影した ．
さらに，翼後方の流速分布の測定に際しては，滑らかな翼を対象として，翼スパン中心の翼後方 24[mm]

後方での後流分布を図 6(a)に示したが，翼上面側においてわずかながら速度の欠損部が見られる．

の位置（翼弦長の 20％）において，上下方向 60[mm]次に，領域Ⅱにおいては，迎え角 α=14°について 2の範囲で熱線プローブ（標準直線プローブ，型式

種類の翼表面粗さの影響の有無を見ると，両者とも，

0251R-T5，KANOMAX 製）を移動させて測定した．

翼面上の流れは翼に沿っているものの，翼後方の流れ

4・2・1 各領域における翼周りの流れの基本構造にわずかながらではあるが上下の変動が生じ始めて

図 5 は 2 種類の翼表面粗さの場合について，前節でいることがわかる．

分類した各領域における翼後方および翼面上の流れ

また，図 6(b)の翼後方での後流分布から，領域Ⅱにの挙動をそれぞれ同じ迎え角において示したものでおいては，領域Ⅰのそれと比べ，後流の幅はほぼ同程ある．

度であるが，速度の欠損量が増加していることがわか

滑らかな翼の場合，図中の左側の写真は，タフトグ

る．この領域Ⅱにおいては，図示は省略したが，さらリッド法により観察した翼後方流れの様子を，また，に迎え角が大きくなると，翼上面側の流れは，翼表

Upper

Lower

L.E
T.E
L.E
T.E
Fig.5

Upper

Lower

L.E
T.E
L.E
T.E

Flow visualization（「NACA63217」）

Upper

Lower

（平成 23 年 1 月 6 日

L.E
T.E
L.E
T.E

受理）

斉藤，山科：風車用翼型生成に光造形手法を適用した際に生じる翼表面上の積層痕の有無による薄翼および厚翼の流体力学的特性の変化と翼周りの流動状態(a) RegionⅠ

α=6°

Fig.6

(b) RegionⅡα=14°(c) RegionⅢ

81

α=26°

Wake distribution （「NACA63217」，smooth）

面粗さにかかわらず，後縁両端付近のタフトが全は一例として滑らかな翼の場合について，分類した三体的に翼スパン中央による傾向を示し，翼後方部

つの領域における代表的な迎え角での翼上面およびにおいては徐々に小さな一対の渦を形成し始め，下面の圧力分布を示す．図中には x/C に対する翼型

翼下面のタフトの挙動からは，翼後方部における形状を二点鎖線で記載した．

タフトが翼上面側に廻り込む現象が確認できた．

領域Ⅰの迎え角 α=6°の場合，翼上面および下面のさらに，領域Ⅲにおける失速後の迎え角 α=26°の状

圧力の差は，他の領域の迎え角の場合と比べ小さ

態での流れの様子を観察すると，表面粗さによらず，く，揚力係数が小さいことと対応する．また，翼翼後方においてタフトが上下に激しく変動し，大き後方部においては，翼厚さが薄くなるため，x/C

な乱れが生じている．また，翼上面の流れの様子の 75％までの範囲の圧力分布しか測定できなかについては，翼弦長の約 50%付近から，翼スパン

ったが，この点における翼上面および下面の圧力方向の中心を境に明確な一対の渦が形成され，翼がほとんど同じ値を示していることは，前述のよ下面からの流れの巻き返しの領域も拡大している．

うに翼面上の流れが翼に沿っていることを裏付け

図 6(c)は領域Ⅲにおける滑らかな翼の場合の翼後方ている．

での後流分布を示したもので，翼の失速後の状態を示

次に，領域Ⅱにおいては，迎え角が大きくなるため，しており，翼上面側での速度欠損の領域が大きく拡大

揚力係数の増加と対応して，翼上面の圧力係数 CP

し，その絶対値も極めて小さな値となっている．

は，翼の前縁部の近傍において負の大きい値を示

以上のように，薄翼の「NACA63217」については，し，それ以降，翼の後縁部にかけてなだらかに減

各領域においては翼表面粗さの影響による顕著な流少している．また，翼下面の圧力係数は，翼前縁れの変化は見られないものの，各領域ごとに特徴的な部から 30%付近にかけて正圧が低下しているもの

流れの挙動を示すことが明らかになった．

の，領域Ⅰの圧力よりは大きく，それ以降後縁部

4・2・2 各領域における翼面上の圧力分布

図7にかけて，ほぼ一定の値を示している．

Region Ⅲ, α=26°

Region Ⅱ, α=14°

Region Ⅰ, α=6°
-3

-3

-3

-2

-2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0
1
2

-2

-1

-1
1

-1

0

0.2

0.4

0.6

0
1
2

Position x /C

Fig.7

Pressure Coefficient CP-4

Pressure Coefficient CP-4

Pressure Coefficient CP

-4

0.8

1

0

0.2

0.4

0.6

0
1

Position x /C

2

Pressure distribution （「NACA63217」, smooth ）Position x /C

0.8

1

82

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

さらに，領域Ⅲにおいては，失速後の迎え角 α=26°

し，滑らかな翼については翼後方の流れに変動が生じの状態のため，翼上面の圧力分布は，領域ⅠおよびⅡ始めている．図 4 に示したように，領域Ⅱより迎え角のそれらと比べ，極めて大きく異なっている．すなわが大きい範囲において，粗い翼の方が滑らかな翼と比

ち，翼上面の圧力係数 CP は，翼前縁部より後縁部

べ，揚力係数が大きく現れているが，それは両者の圧にかけて一定の値を示している． これに対し，翼力分布の違いからも判断できる．すなわち，粗い翼の下面の圧力分布は，領域Ⅱの迎え角の α=14°の時よ場合，光造形樹脂により翼型を製作した際の積層痕にりは多少大きな値となってはいるが，ほぼ似た分

よる翼面上の流れに及ぼす効果は横渦によるもので布の傾向を示し，領域ⅡおよびⅢにおいては，それはあるが，たて渦に関するボルテックスジェネレータ

ほど大きな変化がないことがわかる．

(6)以上のことから，薄翼「NACA63217」については，による効果と同様，翼前縁部付近での流れのはく離を抑制する作用をしているものと考えられる．

迎え角の大小の領域ごとの流れの変化は，光造形手

さらに，領域Ⅱ-2 の迎え角 α=20°においては，粗い法により製作した翼表面上に生じる積層痕の有無に翼の場合，翼後方流れに変動が見られるようになり，

よる表面粗さにかかわらず翼上面側の流れの挙動

迎え角の増加に伴い，その規模は大きくなっている．

に大きく依存しているものといえる．

滑らかな翼についても，領域Ⅱ-1 に引き続き，迎え

4・3 厚翼「DU97-W-300」における翼周りの流れ角が大きくなるにつれて，翼後方流れの変動が増大し

図 4 の厚翼の「DU97-W-300」の特性曲線ている．圧力分布については，領域Ⅱ-1 およびⅡ-2 により，滑らかな翼の場合には，迎え角 α=10°と 26°において，表面粗さによらず，それぞれ翼下面の圧力はおいて，二度の失速が発生しているのに対し，表面粗ほぼ同じ値を示しているが，粗い翼の場合の方が，翼さ値が大きくなると，迎え角の小さい領域での失速は上面側の圧力の絶対値が大きく，そのため特に，翼前消え，迎え角の大きい α=26° においての失速が発生し縁部より翼弦の約 50％までの範囲での翼上面と下面ていることを確認した．また, α=8°と 24° を境に三との圧力差が大きく現れている．これに対し，滑らかつの領域に分類でき，さらに領域Ⅱは揚力曲線の傾な翼の場合，翼弦長のこの範囲では, 翼上面と下面ときにより，二つの領域に分けられることを示した．

の圧力差はかなり小さく，揚力係数が粗い翼より小さの挙動

そこで，本節においては，厚翼の「DU97-W-300」

いことと対応している．

について，各領域ごとの流れの構造を薄翼の失速後の領域Ⅲにおいては，翼面上の流れの挙動「NACA63217」の場合と同様，翼面上の圧力分布とを表す図示は省略したが，翼表面粗さにかかわらず

翼後方の流れの測定とあわせ，翼後方の流れを可視化

翼の前縁部から流れのはく離を起こすため，図 5

することにより検討した．

に示した薄翼の場合と同様，翼上面の前縁部に近4・3・1 各領域における翼周りの流れの基本構造

い位置で一対の渦を形成し，その規模は拡大して

図 8 は，2 種類の翼表面粗さいる．さらにタフトが激しく変動していることもの場合について，前項で分類した各領域の代表的な迎確認している．翼下面側の流れについては，失速

え角の状態における翼後方流れの挙動と翼面上の圧後においても領域Ⅱ-2 と比べほとんど変化はない

力分布をまとめて示したものである．圧力分布の図中が，翼後縁部において翼上面側へ向かう流れの巻には x/C に対する翼型形状を二点鎖線で記載した．

き上がりの領域が拡大している．

と翼面上の圧力分布

領域Ⅰの迎え角 α=4°では，粗い翼および滑らかな領域Ⅲにおける圧力分布に関しては，翼表面粗

翼とも，翼後縁部において翼上面から下面に向かさによる大きな違いは見られず，両者とも翼上面

う流れが観察できる．圧力分布については，光造の圧力係数 CP は，翼弦長の約 30％までは，領域Ⅱ形手法により製作した翼表面上に生じる積層痕の有-2 のそれと比べ大きく低下し，翼全長にわたりほ無による表面粗さによらず，ほぼ同じ変化をしてぼ一定の値を示している．これは迎え角が大きい

いるが，揚力係数が多少大きい滑らかな翼の方が状態のため，翼の前縁部から流れがはく離し，翼

粗い翼と比べ，翼上面と下面の圧力差が大きく現全体にわたり失速を起こしているためである．

れている．
領域Ⅱ-1 の迎え角 α=12°では，粗い翼の場合には，翼面上の流れは翼に沿ったものとなっているのに対一方，翼下面の圧力分布は，翼表面粗さによらず，ほぼ同じ変化をしていることがわかる．

斉藤，山科：風車用翼型生成に光造形手法を適用した際に生じる翼表面上の積層痕の有無による薄翼および厚翼の流体力学的特性の変化と翼周りの流動状態

Region Ⅰ α=4°

Region Ⅱ-1

α=12°

Region Ⅱ-2

Region Ⅲ

α=20°

83

α=30°

(a) roughFig.8(b) smooth
Flow visualization and pressure distribution （「DU97-W-300」）

4・3・2 表面上の積層痕の有無による厚翼に関す

この流れの微妙な違いは，翼面上の圧力分布に厚も現れている．すなわち，翼前縁から約 30％まで翼の場合，図 4 に示したように，迎え角の小さい領域の範囲において，α=8°の場合の翼上面と下面とのにおいて，光造形手法により製作した翼表面上に生じ圧力の差が，α=6°のそれと比べ大きくなっており，る積層痕の有無による翼表面粗さの違いにより，それその結果，揚力係数の低下はなく，逆にわずかなぞれ特徴的な揚力係数の変化が見られる．

増加を示している．これは上述のように翼周りのる小迎え角領域における特徴的な流れの挙動

すなわち，粗い翼では，迎え角 α=6°および α=8°の流れが良好な状態となっていることとも対応して領域で揚力係数の低下は見られないのに対し，滑らかいる．

な翼では，迎え角 α=10°で揚力係数の低下，すなわ（b） 翼表面が滑らかな場合の迎え角 α=8°および

ち失速を起こしていることがわかる．
この迎え角で

α=10°の一次失速前後の状態での流れ構造の失速は，α=26°での「二次失速」に対し，「一次10 は厚翼の滑らかな翼の場合について，一次失速(5)前後の迎え角における翼後方での流れの様子を観そこで，翼表面が粗い翼の場合には，迎え角 α=6°および α=8°の状態での流れの挙動を，また，滑らかな翼の場合には，迎え角 α=8°および α=10°の一次失速前後の流れの状態を以下検討する．
（a） 翼表面が粗い（光造形手法により製作した際に翼表面上に生じる積層痕を有する）
場合の迎え角 α=6°および α=8°の状態での流れ構造

図 9 は厚翼の粗い翼の場合，迎え角が小さい α=6°および α=8°の状態での流れの挙動と翼面上の圧力分布を示す．
迎え角が α=6°の場合，翼後方の流れにおけるタフ察したものである．
-4-3

Pressure coefficient CP

失速」と呼ぶことにする ．

図Blade ⇒

-2
-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0
1

トの挙動から，翼上面から下面に向かう流れが確
2

認できる．これに対し α=8°では，翼上面および下面の流れはともに翼に沿っており，翼後方でのタフトの動きも流れ方向に向いている．

Fig.9

Position x /C

Flow visualization and pressure distribution（「DU97-W-300」，rough ）84

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

Upper

L.E

Lower

T.E
L.E

(a) α=8°
Upper

L.E

Lower

T.E
L.E

(b ) α=10°Fig. 10

T.E

Fig.11

Wake distribution, RegionⅠ（「DU97-W-300」(smooth), α=8°）

T.E

Flow visualization （「DU97-W-300」,
smooth ）一次失速前の迎え角 α=8°においては，翼上面のタフトはほとんど乱れることなく整って流れ方向に向いているものの，翼後縁付近ではタフトが翼下面側に廻り込んでいる現象が確認できる．その影響により，翼下面側では一対の小さな渦の発生

Fig.12

Wake distribution, RegionⅡ-1が見られる．

（「DU97-W-300」(smooth), α=10°）

図 11 はこの時の翼後方での後流分布を示したもの
で，翼下面側において速度の欠損領域が確認できる．

-4

一次失速後の迎え角 α=10°では，翼下面側の流れの観察からも判断できる．
また，図 12 に示す翼後方での後流分布から，α=8°の流れと比較し，α=10°の時の翼下面側の流れは改善されているのに対し，翼上面側に速度の欠損領域が移動していることがわかる．
このように，失速後には失速前に見られた翼下面側の後流領域が翼上面側に移動しており，この迎え角付
近では，迎え角のわずかな変化が，翼周りの流れの挙動に微妙な変化をもたらしているものと言える．

-3

Pressure coefficient CP

も翼に沿ったものとなっていることが翼後方流れ

-2
-1
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0
1
2

Position x /C

Fig. 13

次に，一次失速前後の迎え角である α=8°および 10°

Pressure distribution（「DU97-W-300」, smooth ）における翼上面および下面の翼中心断面での圧力分布を図 13 に示す．図中には x/C に対する翼型形

が，それ以降，翼後縁付近まで失速前の状態より小さ

状を二点鎖線で記載した．

い値を示している．

翼上面の圧力分布については，一次失速前の迎え角

図 12 に示した後流分布からもわかるように，翼上

α=8°において，翼前縁部から翼弦長の約 20%付近

面側に速度欠損域が存在し，上面側の流れのはくにかけて負の圧力値が大きくなり，その後，後縁離が，圧力の減少に影響を及ぼしているものと考部にかけて徐々に減少する分布となっている．

えられる．

これに対し，失速後の α=10°の圧力分布は，翼一方，翼下面の圧力分布については，翼前縁から翼弦長の約 10％までは失速前の場合とほぼ同じである

弦長の約 5％までは，失速前後の状態とも圧力が増加斉藤，山科：風車用翼型生成に光造形手法を適用した際に生じる翼表面上の積層痕の有無による薄翼および厚翼の流体力学的特性の変化と翼周りの流動状態

85

するものの，その後すぐに減少する．翼弦長の約 13％（4）厚翼の場合，迎え角の小さい領域において，積以降は，失速前の状態ではほぼ一定の値を示している層痕の有無による翼表面粗さの違いにより，それぞれのに対し，失速後の状態では，翼弦長の 50％を境に多特徴的な揚力係数の変化を示すことを提示した．

少，圧力分布の変化の傾向が異なっている．

すなわち，粗い翼では，迎え角 α=6°および α=8°の以上の圧力分布より，一次失速後の α=10°において領域で揚力係数の低下は見られないのに対し，滑らかは，翼上面と下面の圧力の差が，失速前の α=8°の場合な翼では，迎え角 α=10°で揚力係数の低下，すなわと比べ小さくなっており，これは揚力係数 CL の減少

ち失速を起こしていることを示し，両者の翼周りとも対応していることがわかる．

の流れと圧力分布の結果から，その相違を明らか

5.

結

言

にした．
文

本報では風車用翼型として用いられている薄翼と厚翼の代表的な翼型について，光造形手法に(1)

より翼型を製作した際に翼表面上に生じる積層痕の有無が，流体力学的特性曲線の変化の過程に及ぼす影響を迎え角の大小の領域ごとに分類し，あ
わせて翼周りの流動状態と関連させて検討を加え(2)た．
その結果，明らかになった点は，以下のとおりである．
（1）薄翼の「NACA63217」と厚翼の「DU97-W-300」の両者とも，光造形手法により製作した際に生じ(3)る積層痕の有無による翼表面粗さと迎え角の大きさの範囲における特性曲線の異なる傾きに応じ，三つの領域に大別できることを示した．これはそ(4)

れぞれの領域に応じ，翼周りの流動状態の違いと密接に関連することを明らかにした．
（2）薄翼の「NACA63217」の場合，積層痕を有する
場合，すなわち表面粗さが粗い翼の方が滑らかな翼と(5)比べ，揚力係数は大きく現れている．また，失速に関しては，粗さによらず迎え角の大きい α=20°でのみ失速が発生している．
（3）厚翼の「DU97-W-300」については，積層痕の有(6)無による表面粗さの違いにより特性曲線に特徴的な変化が見られる．
すなわち，滑らかな翼の場合には，迎え角 α=10°と26°において，二度の失速が発生しているのに対し，積層痕を有する翼の場合，迎え角の小さい領域での失速は消え，迎え角の大きい α=26° においてのみ失速が発生する．
さらに，粗い翼の場合，領域Ⅱ以降，滑らかな翼と比べ揚力係数が大きく現れており，これは光造形による積層痕が，翼前縁付近での流れのはく離を抑制する
効果をもたらしているものと言える．

(7)

献

SAITO, Sumio, SEKIZUKA, Satoshi, SATO
Kenichi and SATO, Arinobu, Performance
Comparison of Two Wind Turbine Generator
Systems Having Two Types of Control Methods,
Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers, Series B, Vol.70, No.700 (2004),
pp.3174-3181．
SAITO, Sumio, SEKIZUKA, Satoshi, SATO
Kenichiand
SATO,
Arinobu,
TransientCharacteristics of Two Wind Turbine Generator
Systems Having Two Types of Control Methods,
Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers, Series B, Vol.71, No.702 (2005),
pp.539-545．
SAITO Sumio, SEKIZUKA, Satoshi and SATO,
Kenichi, Transient Characteristics of Two Wind
Turbine Generator Systems Having Two Types ofControl Methods, Journal of Environment andEngineering, Vol.2, No.1(2007), pp.13-24.
SAITO,Sumio, SEKIZUKA, Satoshi, Performance
Comparison of Two Wind Turbine Generator
Systems Having Two Types of Control Methods,
International Journal of Fluid Machinery and
Systems, Vol.2, No.1, January-March 2009,
pp.92-101.
SAITO Sumio, YAMASHINA Takahiro and
ICHIKAWA Tatsuya, Research of Aerodynamic
Characterstics and Flow Patterns on Thin and Thick
Blades of Wind Turbines, Research Reports ofTokyo National College of Technology No.41(2),2010, pp.19-27.
R.P.J.O.M. van Rooij, W.A.Timmer, Roughness
Sensitivity Considerations for Thick Rotor Blade
Airfoils, Transaction of the ASME, Vol.125,
November 2003, pp.468-478.
W.A.Timmer, R.P.J.O.M. van Rooij, Summary of
the Delft University Wind Turbine DedicatedAirfoils, Transaction of the ASME, Vol.125,
November 2003, pp.488-496.

（平成 22 年 12 月 28 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

87

頬の動きを用いた操作インターフェイスの試作
頬の動きを用いた操作インターフェイスの試作
清水昭博*，鈴木啓佑**

清水昭博 *，鈴木啓佑 **Development
by Deformation
DeformationofofCheek
Cheek
DevelopmentofofMan-Machine
Man-MachineInterface
Interface Driven
Driven by
Akihiro SHIMIZU and Hirosuke SUZUKI

Akihiro SHIMIZU* and Hirosuke SUZUKI,**

Two kinds of man-machine interface using a deformation of cheek which is able to input pluralchannels
havebeen developed
and usingtested.a deformation
One is an interface
gettingis On-Off
signals
withchannels
normally
Two kinds
of man-machineinterfaceof cheek which
able to input
pluralopenbeen
switches,
and andthe other
an interface
getting
increasing
decreasingof voltage
correspondinghave
developed
tested.isOne
is an interface
getting
On-Offorsignalswith normallyopen
switches, andto thedeformationof cheeka straingauge.“Pointing
operation”on toa desktop
in the display
the
other
is an interface
gettingutilizing
increasingor decreasingof voltage corresponding
the deformationof cheekof a personalhas been
evaluateda developed
exclusive
evaluating
program.
With
utilizinga straincomputergauge. “Pointing
operation”
on a bydesktopin the displayof a personal
computerhas been
comparison“operation
by mouse”, operating
speed
established
to 16% ofoperationbyevaluatedby aofdeveloped
exclusive
evaluating
program.
Withwascomparisonof “operation
bythe
mouse”,
operatingmouse.
the othertohand,for analoguestrainhasforbeen
foundsignal
to needspeed
wasOn
established
16% ofinterface
the operation
by mouse.signal
On thewith
otherhand,gaugeinterfaceanaloguewithreduction
thermalcharacteristics
change ofofthermal
the working
strain gauge.
straingaugeofhasbeen foundto need reduction
characteristics
change of the working strain gauge.
(Keywords:
Cheek,
Tongue,Man-MachineInterface,
Deformation,
Normally
Open Switch,(Keywords:
Cheek,
Tongue,Man-MachineInterface,
Deformation,
Normally
Open Switch,
PersonalPersonal
Computer,
StrainGauge)
Computer, Strain Gauge)
１．はじめに人 の 器官 の中 で最 も細 かい 動 きが 可能 な器 官は 手 であ り ,多 く の機 器は 手 によ って 操作 され る
よ う に設 計さ れて いる .し か し ,手 が使 用 でき ない状 況 に置 かれ た場 合や 手に 障 がい のあ る人 の場 合 ,手 以 外の 入力 手段 が必 要と な る .
手 や 足に 替わ る入 力手 段の 一 つと して 舌を 利
用 し た操 作イ ンタ ーフ ェイ ス が存 在す るが ,既 存

Fig.1 An input not to be intendedの 研 究に 見ら れる 舌を 用い た イン ター フェ イス で

ま た ,こ の プ ロ ト タ イ プ を 用 い て パ ソ コ ン 操 作 をは 口 内に 物を 含ん だり ，舌 に ピア スを する 必要 が行 え るよ うに して ，そ の評 価 を行 った .

あ る ため ，導 入へ の抵 抗感 が 考え られ る． 一方 ，

2-2 機構口 内 に物 を含 まず に， 舌で 頬 の内 側を 押し て， 頬人 が 普段 生み 出す 舌の 力は 0.4～ 1.8 Ｎ (1) と 小の 外 面の 動き を用 いた イン タ ーフ ェイ スは 障が い

さ い ため ,入力 の 検出 には マ イク ロス イッ チ（ 以下 ，者 向 けの ナー スコ ール など で 実用 化さ れて いる が，「 ス イッ チ」 と呼 ぶ） を用 い た .ま た ,隣接 した ス

2 つ 以 上の ス イッ チを 持つ も のは まだ ない .

イ ッ チを 押し 分け るた めに Fig. 2 に 示 すシ ーソ ー

そ こ で本 研究 では 複数 スイ ッ チを 持つ 頬の 動機 構 を設 けた .こ れに より 片 方の スイ ッチ に入 力

き を 用い たイ ンタ ーフ ェイ ス を試 作し てパ ソコ ン

が あ った 場合 ,他 方は 軸を 支 点に 板が 持ち 上が る

操 作 での 操作 性を 評価 する こ とを 目的 とす る .

こ と で隣 接す るス イッ チが 同 時に 入力 され るこ とを 防 いだ .本機 構 を ,ア ルミ 合 金製 平板 を加 工し て

2.プロ トタイプの試作と評価
2-1 概要複数のスイッチを持つ頬の動きを用いたイン
タ ー フ ェ イ ス で 問 題 と な る の が 誤 入 力 で あ る .ス
イ ッ チ を 頬 の 表 面 に 隣 接 し て 配 置 す る と ,Fig. 1に 示 すよ うに 意図 しな い入 力 が生 じて しま うこ とが 考 え ら れ る .そ こ で こ の 問 題 を 取 り 除 く こ と のできる機構を考案し，プロトタイプを試作した.
*機 械工 学科 ， **機 械工学 科 卒業 生

＊機械工学科＊＊機械工学科卒業生

Fig.2 The contrived mechanism to preventan unnecessary simultaneous input

88

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

作 成 した フレ ーム によ り頬 の 脇に 2 つ（上 下方 向実行するとパソコンのディスプレイ上に正方

及 び 左右 方向 用）固定 した .試 作し たプ ロ トタ イプ

形 の タ ー ゲ ッ ト を 表 示 し ,ク リ ッ ク す る た び に ラ
ン ダ ム な 座 標 へ 移 動 す る .移 動 の 度 に 一 辺 の 長 さが 20,30,40 pixel の い ず れ か に変 化す る .
2-5 評価 方法
ポインティング操作性評価ツールを用いて, ター ゲ ッ ト を ク リ ッ ク す る ま で に 移 動 し た 距 離 (移動 距 離 ),理 想 的 な 移 動 を し た と 仮 定 し た と き の 距
離 (最 短 距 離 )お よ び 実 際 に 移 動 に 要 し た 時 間 を 測
定 し ,プ ロ ト タ イ プ の 操 作 性 を 評 価 し た .測 定 はFig.3 Wearing the prototype interface

1024×600 pixel の 範 囲 で 行 い ,タ ーゲ ッ トの クリ
ッ クを 1 回 とし てこ れ を一 人 50 回 , 4 名 の被 験者の 外 観を Fig. 3 に 示 す .

で 行 った .

2-3 パソ コン 操作 へ の利用

2-6 評価 結果 およ び 考察

プ ロ トタ イプ をパ ソコ ン操 作 に利 用す るた め

最 短 距離 に対 する 平均 速度 の グラ フを Fig.6 にに ,Fig. 4 に 示 す よう にマ イ コン を介 して パソ コ

示 す .曲 線 は 非 線 形 回 帰 分 析 に よ っ て 各 被 験 者 の

ン と 接続 し ,プ ロ トタ イプ に 取り 付け られ た全 て

実 測 値 か ら 求 め た 回 帰 曲 線 で あ り ,凡 例 項 目 内 のの ス イッ チの 入力 状況 を 50 ms ご と に パソ コン へ
送 信 した．ま た ,パ ソコ ン上 で は受 信し た信 号に 応
じ て デス クト ップ 上で ポイ ン タを 移動 する プロ グ
ラ ム を C#.NET で 作 成し ,こ れを 用い て パソ コン
操 作 (ポ イ ンテ ィン グ操作 )を可 能 にし た .な お クリッ ク 操作 に関 しては 1 秒以 上 ポイ ンタ を停 止さ せる と 自動 で行 われ るも のと し た .

Fig.6 Relationship between the beeline andFig.4 Composition of Hardware
2-4 ポイ ンテ ィン グ 操作性 評 価ツ ール
プロトタイプのポインティング操作性を評価
す る た め ,佐 藤 ら (2) の ポ イ ン テ ィ ン グ 操 作 能 力 評
価 ツ ール を模 した プロ グラ ム を C#.NET で 作 成 した .本 プ ロ グ ラ ム に よ る パ ソ コ ン 画 面 の 変 化 の 概
要 を Fig.5 に 示 す .

theaverage

speedofoperationbytheprototype interface
数 字 は 実 測 値 と 回 帰 曲 線 の 相 関 係 数 を 表 す .こ のグ ラ フか ら平 均速 度は 最短 距 離の 増加 とと もに 非
線 形 に 増 加 し ,最 大 速 度 に 向 け て 収 束 す る こ と が分 か る .し か し プ ロ グ ラ ム 上 で 設 定 し た 速 度 が100 pixel/s で あ る の に 対 し て ,回 帰曲 線 は最 短距
離 が 大の 範囲 で 80 pixel/s 前 後 の 値と なっ てい る .
こ れ は斜 め移 動が でき ない た めに 余分 な時 間を 要
す る こと が原 因と 考え られ る .
実 測 値 と 近 似 曲 線 と の 相 関 が 弱 い の は ,最 短 距

Fig.5 Outline of the experimental procedure by
the developed evaluation program

離 以 外 に タ ー ゲ ッ ト の 大 き さ や 熟 練 な ど ,他 の 因子 の 影 響 が あ る た め と 考 え ら れ る .ま た タ ー ゲ ッ清水，鈴木：頬の動きを用いた操作インターフェイスの試作

89

ト が 斜 め の 位 置 に 出 現 し た 際 に ,迂 回 し た 経 路 を

出 部 と し て 用 い た 場 合 ,入 力 の 強 さ に 応 じ た 出 力と る 必要 があ るた め結 果に ば らつ きが 生じ るこ とが 得 ら れ る と 考 え ら れ る .こ の 結 果 を 受 け て ,試 作

も 原 因 の ひ と つ と 考 え ら れ る .対 策 と し て プ ロ グ

し た ロ ー ド セ ル に よ る 検 出 を 試 み た .マ イ コ ン の

ラ ム によ り最 高速 度を 大き く 設定 する こと があ げ

A/D 変 換 器を 介し て出 力を パ ソコ ンに 取り 込ん だら れ る が ,加 減 速 が で き な い た め 細 か い 操 作 が 困

結 果 ,時 間 経 過 に よ っ て 出 力 が 変 化 し て し ま い ,利

難 に なる こと が考 えら れる .

用 は 困 難 で あ る と 判 断 し た .原 因 と し て ,熱 に よ る
特 性 変 化 な ど が 考 え ら れ ,熱 補 償 や 出 力 感 度 の 増

3.ア ナ ロ グ 入 力 タ イ プ の試 作

加 な どが 対策 とし てあ げら れ る .

前 章 よ り ,ポ イ ン テ ィ ン グ 操 作 に お け る 操 作 速
度 の 向上 には 加減 速が 必要 で ある こと がわ かっ た.
そこで入力の強さを速度に変換することを考え,
シ リ コー ン樹 脂に ひず みゲ ー ジを 埋め 込ん だロ ー
ド セ ルを 作成 して ポイ ンテ ィ ング 操作 への 利用 を
試 み た.作成 し たロ ードセ ル を Fig.7 に 示 す .これに Fig.8 に 示 す 様 に垂 直方 向 から 荷重 を加 え ,負荷
前 後 の ひ ず み 変 化 量 を 測 定 し た .結 果 を Fig.9 に
示 す .こ の グ ラ フ か ら 入 力 荷 重 と ひ ず み 変 化 量 は
比 例 し て い る こ と が わ か る .こ れ よ り シ リ コ ー ン
樹 脂 を用 いた ロー ドセ ルを イ ンタ ーフ ェイ スの 検

Fig.9 Relation between the applied load and thestrain change
4.改 良 タ イ プ の 試 作 お よび 評 価
4-1 概要ロ ー ド セ ル の 利 用 が 困 難 で あ る こ と か ら ,プ ロ
ト タ イプ に斜 め移 動お よび ポ イン タの 加速 の機 能を 付 加 し ,改 良 を 図 っ た .こ れ を 改 良 タ イ プ と し ,前

Fig.7 A load cell using silicone
rubber and a strain gauge

述のポインティング操作性評価ツールで評価し,結 果 を比 較し た .
4-2 改良 点
ま ず シー ソー 機構 を直 行さ せ ,4 方 向へ の入 力が可 能 な ジ ン バ ル 機 構 を 作 成 し た .機 構 の イ メ ー ジ
を Fig. 10 に 示 す .本 機構 は ,片方 の軸 を 中心 に板

Fig.10 The contrived mechanism for the
inputs corresponding to four directions for
Fig.8 Experimental set-up for the analogue

the pointer moving on the desktop of a

type interface

personal computer

90

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

を 傾 け た 状 態 で ,も う 一 方 の 軸 を 中 心 に 機 構 全 体

で の 範囲 でマ ウス の操 作速 度 に対 して 改良 タイ プ

を 傾 け る こ と が で き る .こ れ に ス イ ッ チ を 4 つ 内

は 8~16%程 度 で あ っ た .こ れ は 加 速 度 一 定 で 意 図

蔵 さ せ ,ポ イ ン タ の 移 動 方 向 の 入 力 に 用 い た .プ ロ

し た 速度 に達 する まで に時 間 がか かる こと が原 因

グ ラ ムに より ,2 方 向へ 同時 に 入力 され た際 にポ イ

だ と 考え られ る .

ン タ を 斜 め 方 向 へ 移 動 す る 機 能 と ,移 動 方 向 の ス
イ ッ チを 押し 続け ると 400 pixel/s 2 で 加 速 する機
能 を 付 加 し た .改 良 タ イ プ の イ ン タ ー フ ェ イ ス を
装 着 した 様子 を Fig.11 に 示 す．

Fig.13 Relationship between the beeline andthe average speed of operation by a mouse
Fig.11 The improved interface which is able
to operate the pointer on the desktop to

5.ま と め舌 で 押さ れた 頬の 動き を用 い た， 複数 のチ ャン

diagonal directions

ネ ル の入 力が 可能 な操 作イ ン ター フェ イス を， マ

4-3 評価 結果 およ び 考察

ジ に よ る ア ナ ロ グ 式 の 2 種 類 を 試 作 し ,パ ソ コ ン

Fig.12 に 被 験 者 7 名に よ る評 価結 果を 示し た .

イ ク ロス イッ チを 用い たオ ン オフ 式と ひず みゲ ーに お ける ポイ ンテ ィン グ操 作 に関 して 評価 実験 をグ ラ フ 中 の 曲 線 は 回 帰 曲 線 を ,凡 例 項 目 内 の 数 字

実 施 した 結果 ,以 下の 結論 を 得た .

は 回 帰 曲 線 と 実 測 値 の 相 関 係 数 を 表 す .相 関 が 全(1)マ イ ク ロ ス イ ッ チ を 用 い た 斜 め 移 動 が で き な
い タ イプ の操 作速 度は ,マ ウ ス の 1 割 程 度 で あ る ．
(2)マ イ ク ロ ス イ ッ チ を 用 い た 斜 め 方 向 が で き るようにしたタイプの操作速度は最大でマウスの16％ 程 度 で ある ．
(3)ひ ず みゲ ージ によ るア ナ ログ 式で は ，試 作した
シ リ コー ン樹 脂を 用い たロ ー ドセ ルが 検出 部と して 利 用で きる こと がわ かっ た ．
今 後 の 課 題 と し て ,ロ ー ド セ ル や 圧 電 フ ィ ル ム
な ど を 用 い た ポ イ ン タ 移 動 速 度 調 節 の 検 討 ,イ ン

Fig.12 Relationship between the beeline andthe average speed of operation by the
improved type

タ ー フェ イス の評 価基 準を よ り明 確に する こと があ げ られ る .
参考文献
(1)

体 的 に弱 くプ ロト タイ プと 比 べ他 の要 因に 影響 さ
れ や す い こ と が う か が え る .し か し 全 体 的 に プ ロ
ト タ イプ 以上 の速 度で 操作 す るこ とが でき た .
マ ウ スと の比 較を Fig.13 に 示 す .1000 pixel ま

久 保 , 嶌 田 , 藤 野 , 大 塚 , 信 学 技 報(2000),pp.29-36.
(2) 佐 藤 ,福田 ,縄 手 ,信 学技 報 (2005),pp.23-28.

（平成 23 年 1 月 6 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

91

ひずみ応答を用いた衝撃荷重同定に関する研究

ひずみ応答を用いた衝撃荷重同定に関する研究

北山 光也＊， 白倉 潤＊＊， Tengku Muhammad Idris Al Ariff＊＊＊， 黒崎 茂＊＊＊＊北山光也 *，白倉 潤 **，Tengku Muhammad Idris Al Ariff***，黒崎Research on Identification of Impact Force Using Strain Response
Research on Identification of Impact Force Using Strain Response

茂 ****

Mitsunari KITAYAMA，Jun SHIRAKURA，
Mitsunari KITAYAMA, Jun SHIRAKURA,
Tengku Muhammad Idris Al Ariff，Shigeru KUROSAKI
Tengku Muhammad Idris Al Ariff, Shigeru KUROSAKI
Recently,
many
serious accidents
accidents to to
the theaircraftby the bird
strikebird
have strike
happened.
Therefore,
it is important
Recently,
many
seriousaircraftby thehave
happened.
Therefore,
to measure theforce thethat actson theforce
structure.
this study,
whether
identificationof thestudy,
impact whether
force
it is important
toimpact
measureimpactthatIn actson thestructure.
In thisto the elastic
plateswas experimentally
examinedby using the strainpossible
response. was
It experimented
identificationof theimpactforce to thepossible
elasticwas
plateswas experimentally
examined bymodel toIt request
the conditionof the best model
identification.
The twodimension ofmodels'usingonethe dimension
strain response.
experimented
one dimension
to request
the condition
the best
identification
were conducted
applying the result.
The position
the impact force
was able theidentification.
Theexperiments
two dimension
models’ byidentification
experiments
wereofconductedby applying
be identified
the errorforceof 20%.
result.toThepositionbecauseof theofimpact
was able to be identified because of the error of 20%.
(Keywords:
StrainResponse,Impact
Impact Force,
Analysis,
NeuralNetwork)(Keywords:
StrainResponse,
Force,Inverse
InverseAnalysis,
NeuralNetwork)

２．ニューラルネットワーク

１．緒 言
バードストライクといわれる構造物に鳥が衝突す

ニューラルネットワーク 2) は，人間の脳の仕組みる現象があり，航空機へのバードストライクによるをまねた情報処理機構である．人間の脳はコンピュ

重大事故が何件も起こっている．そこで，構造物にータでは実現が困難な処理でさえ容易に達成する優作用する衝撃荷重を測定することが，損傷等を推定れた能力を持っている．現在，一般的に使われていする上で重要となる．しかしながら，衝撃荷重の直るコンピュータはノイマン型と呼ばれ，演算速度が接の計測は困難であり，様々な推定方法が研究され非常に速く，定式化された問題などを解く場合にはており，衝撃荷重により発生したひずみ応答を逆解抜群の威力を発揮するが，人間が普段行っているパ

1)

．従来

ターン認識などの問題を解く場合，問題の定式化がの衝撃荷重の推定に関する研究は構造物全体にセン

難しく，実装するのが非常に困難となる．そこで，

サを配置して行われているため，計測器等のコスト

人間の脳内の情報処理機構をヒントにして，神経細がかさむ．そこで，本研究では，少数のひずみゲー

胞ニューロンを数理モデル化し，人間の基本機能でジにより実験的に測定したひずみ応答を用いて実際ある認識や記憶，判断といった処理をコンピュータの衝撃荷重に対する同定精度について検討すること上で実現させるために誕生したのがニューラルネッ

を目的とした．衝撃荷重によって生じるひずみ応答

トワークである．ニューラルネットワークは相互結から，衝撃荷重の作用位置と，大きさを求める逆解合型と階層型の 2 種類があるが，本研究で採用する析の手法として，ニューラルネットワークを用いた．

のは階層型ニューラルネットワークである.

析して衝撃を推測する研究が行われている

本研究では，まず，一次元弾性はりモデルを使用して衝撃実験を行い，得られたひずみ応答をもとにして，衝撃荷重の位置と大きさの同定を行った．そこ

x1
x2
xi

おいて衝撃荷重の位置と大きさの同定を行なった結xn＊長野高専 ＊＊機械工学科卒業生（現 日本造船技術センター）＊＊機械工学科卒業生（現日本造船技術センター）＊＊＊機械工学科卒業生（現 茨城大学） ＊＊＊＊機械工学科＊＊＊機械工学科卒業生（現

wi
wn



図 1 ニューロン

果について報告する．

＊長野高専

w1

・
・
・

で得られた結果を応用し，二次元弾性平板モデルに

w2

茨城大学）

＊＊＊＊機械工学科y

92

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

号）

ニューラルネットワークは，図 1 に示すような，多片持ちはりとした．固定端から 40mm，120mm，入力，単一出力のニューロン（ユニット）と呼ばれ250mm の位置にひずみゲージを貼り付け，センサーる機能素子から構成されている．階層型ニューラル

インターフェイス（KYOWA 製 PCD-3000）を介しネットワークは，多数のユニットが入力層，中間層，て，衝撃荷重に対するひずみ応答を記録した．衝撃

出力層という複数の階層で構成されているネットワ

荷重は直径 34mm，質量 21.9g のゴムボールを自由落ークである．このネットワーク構造では，各ユニッ

下させることにより作用させた．図 3 に一次元はり

トを層状に配置し，同じ階層同士のユニットは互い

モデル試験片を示す．

に結合せず，異なる階層同士のユニットが相互に結500合している．そのため，信号の伝播は前の層から次の層への一方向のみに行われる．図 2 に階層型ニューラルネットワークのモデルを示す．階層型ニューラルネットワークの特徴は，信号の伝播処理を繰り返し行うことにより，与えられた問題に対する望ま250：教師データに用いる点：同定に用いる点

120
60
40
20

：ひずみゲージ

しい入出力パターンを得ることができるということ
である.

入力層

中間層

出力層

図 3 1 次元はりモデル試験片４．１ 実験方法
試験片の各点に衝撃荷重を加え，それぞれのひずみを測定した．ひずみ測定の適切なサンプリング周
波数を調べるために，SolidWorks Simulation を用いて，固有値解析を行った． 衝撃荷重同定には，統計解析
ソフト R3) のニューラルネットワークパッケージ
nnet を使用し，衝撃荷重位置の同定，落下高さの同図 2 階層型ニューラルネットワーク
３．衝撃荷重の同定手順
衝撃荷重の同定は，次の３段階の手順に沿って行定，衝撃荷重位置と落下高さの同時同定を行なった．
４．２ 同定結果および考察（１）固有値解析

う．①衝撃実験を行い，衝撃ひずみ応答を記録する．

SolidWorks Simulation による固有振動数解析の結

次に周波数解析を行い，適切なサンプリング周波数

果を表 1 に示す．また，フーリエ変換により，ひずを調査する．②ひずみ応答を入力値，衝撃荷重の位

みの周波数解析を行い，実験的に試験片の固有振動

置及び大きさを出力値とする教師データを，ニュー数を求めた．その結果，15Hz，90Hz，190Hz，360Hz

ラルネットワークに学習させる．③任意の衝撃荷重となり，解析結果とほぼ一致した．

によるひずみ応答を，ニューラルネットワークに入力し，衝撃荷重の位置及び大きさを同定する．

４．一次元はりモデルの衝撃荷重同定

表 1 一次元はりモデルの固有振動数解析
Mode

1

2

3

4

5

固有振動数 [Hz]

11

71

97

200

355

固有周期 [ms]

88

14

10

5

3

二次元弾性平板モデルにおいて，衝撃荷重の位置及び大きさの同定を行うために，まず，一次元はり（２）サンプリング周波数

モデルを用いて同定を行い，各種条件の検討を行う．

適切なサンプリング周波数を調べるためにサンプ

一次元はりモデル試験片として，幅 30mm×長さ

リング周波数を 166Hz，250Hz，333Hz，
500Hz，1000Hz

620mm×板厚 2mm のアルミ合金板を使用し，はりの 5 条件で同定を行った．サンプリング周波数と同

構造力学試験装置を用いて，片端 120mm を固定し，定の平均誤差率の関係を図 4 に示す．

北山，白倉，Tengku Muhammad Idris Al Ariff，黒崎：ひずみ応答を用いた衝撃荷重同定に関する研究
80

12

落下高さ

10

60

8

誤差 [mm]

誤差率[%]

93

落下高さ（同時同定）

6
4
2

位置

20

位置（同時同定）

0

0
0

200

40

400

600

800

1000

0

1200

周波数[Hz]

20

40

60

80

100

120

教師データの間隔[mm]140

図 6 教師データの間隔と誤差

図 4 サンプリング周波数と誤差率学習させる教師データの間隔を小さくすると誤差がサンプリング周波数 500Hz と 1000Hz とではほぼ変少なくなることが確認できた．学習させるパターン

化がなく，他のサンプリング周波数に比べ，誤差がを多くすれば，誤差を減らすことが可能であると考少なくなることが分かった．
これは，500Hz と 1000Hzえる．

は高次のモードの固有振動数が含まれているからであると考えられる．ただし 500Hz と 1000Hz では，

５．二次元弾性平板モデルの衝撃位置の同定

誤差の変化がほとんどないためサンプリング周波数

５．１ 実験装置および実験方法
試験平板として，800mm×800mm×板厚 2mm のは 500Hz で十分だと考える

冷間圧延鋼板を使用し，水平に固定した．

（３）ひずみ測定時間
ひずみの測定時間の影響を調べるために，測定時

実験方法は一次元はりモデルと同様に行い，衝撃間を 0.03 秒，0.07 秒，0.13 秒の 3 条件で同定を行っ荷重は直径 68mm，質量 130ｇの軟式野球ボールを使た．図 5 に測定時間と誤差率の関係を示す．測定時用し自由落下させて加えた．

間が 0.03 秒と 0.07 秒において，若干誤差が少なくなったが，誤差率にほぼ変化がない．これは 0.03 秒と0.07 秒でも一次モード以外のモードの固有振動数の５．２ 同定結果および考察
一次元はりモデルと同様にサンプリング周波数及一周期分の振動が含まれているからである．測定時

び測定時間の影響について調べた．

間は一次モードの 1/4 周期程度で十分だと考える．

（１）サンプリング周波数
サンプリング周波数を 166Hz，250Hz，333Hz，

12

す．一次元はりモデルと同様にサンプリング周波数8

落下高さ（同時同定）

6500Hz で誤差が少なくなることが分かる．
50

4

位置

2

40

位置（同時同定）

0
0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

測定時間[s]

図 5 測定時間と誤差率（４）ひずみ測定間隔：
学習させる教師データの間隔の影響も調べた．教師データのひずみ測定の間隔を 40mm，80mm，120mm として同定を行った．
その結果を図 6 に示す．

誤差率[%]

誤差率[%]

500Hz，1000Hz として同定を行った結果を図 7 に示

落下高さ

10

30
20
10
0
0

200

400

600

800

1000

1200

周波数[Hz]

図 7 サンプリング周波数と誤差率（二次元）

94

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

号）（２）測定時間①

測定時間は，0.003 秒，0.006 秒，0.012 秒の 3 条件
で同定を行った．結果を図 8 に示す．測定時間 0.012

サンプリング周波数は，高次のモードの固有振動数を含む周波数を用いるべきである．

②

ひずみの測定時間は，固有振動数の一周期分秒で誤差が少なくなった．一次元はりモデルにおいの振動が含まれた測定時間を用いるべきでて測定時間 0.03 秒では，ほとんどの固有振動数に対ある．

する一周期分の振動が含まれた．しかし二次元弾性

これらの条件を用いて，二次元弾性平板モデルの平板モデルの測定時間 0.003 秒では，高次の固有振

衝撃荷重の位置と落下高さの同時同定が可能である

動数に対する一周期分の振動が含まれないため，一ことが確認できた．また，教師データとして学習さ次モードの一周期程度の測定時間が必要だと考える．

せるパターンを多くすることで，さらに誤差率を向上させることができると考える．

50

謝辞

誤差率[%]

40

本研究は，筆者の一人が平成 21 年度高専間教員交30

流で東京高専在任中，共同研究で行った一部であり

20ます．関係各位に記して謝意を表します．

10

参考文献

0
0

0.002 0.004 0.006 0.008

0.01 0.012 0.014

測定時間[s]1) 小野将，中村正行：機講論，0671(2006)，3133142) 熊沢逸夫：学習とニューラルネットワーク，森北

図 8 測定時間と誤差率（二次元）
６．衝撃荷重位置と落下高さ同時同定

出版，(1998)
3) 熊谷悦男ら：R で学ぶデータマイニングⅡ，オーム社，(2008)

６．１ 実験装置および実験方法
5.1 節で示した実験装置及び実験方法を用いて，二次元弾性平板モデルの衝撃荷重位置及び落下高さの同時同定を行なった．
６．２ 同定結果および考察
5.2 節の結果からサンプリング周波数を 500Hz，測定時間を 0.012 秒，中間ユニット数を 28 として同定を行った．結果を表 2 に示す．衝撃荷重位置の同定については平均誤差率 20％，落下高さの同定については平均誤差率 30％以内で同定を行うことができた．
表 2 衝撃荷重位置と落下高さの誤差率

平均誤差 [%]

衝撃荷重位置

落下高さ

20.1

29.6

７．結 論
実験的に測定したひずみ応答を用いて，一次元はりモデル及び二次元弾性平板モデルに対する，衝撃荷重の同定を行い，精度向上のために最適な条件を検討し，次のような結論を得た．

（平成（平成2323年年1 1月月7 7日日 受理）
受理）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

95

東京工業高等専門学校研究報告書 第 42(2)号，2011

東京高専におけるマイクロメカトロニクスの新展開
東京高専におけるマイクロメカトロニクスの新展開—第２報，マイクロ構造体の製作と機械的特性—－ 第２報，マイクロ構造体の製作と機械的特性 －角田陽*，多羅尾進*，齋藤浩一*，堤博貴*，志村穣*，北山光也**
角田 陽 *，多羅尾 進 *，齋藤浩一 *，堤 博貴 *，志村 穣 *，北山光也 **NewTwistforforMicromechatronics
Micromechatronics inin Tokyo
New
Twist
TokyoKOSEN
KOSEN
2nd
Report,Fabrication
andMechanical
Propertyofa－ 2nd Report, Fabrication and Mechanical Property of a Micro
Microstructure
structure- －Akira KAKUTA, Susumu TARAO, Hirokazu SAITO,
Hirotaka
TSUTSUMI, Jyo SHIMURA andAKUTA, Susumu TARAO, Hirokazu SAITO,
Akira K
Mitsunari KITAYAMA

Hirotaka TSUTSUMI, Jyo SHIMURA, Mitsunari KITAYAMA(要旨) is one of the important technologies in the mechanical engineering field of 21ct. This study
MEMS
MEMS
is one ofimportanttechnologies
the mechanicalfield ofmicro-mechanical21ct. This study triedstructure
to foundtried
to foundthetheMEMS
technology
ininTokyo
KOSEN.engineering
In this study,
the byMEMSTokyo toKOSEN.
study,
micro-mechanicalstructure
made by SiC
made
SiC technology
film were inappliedMEMSInforthis
hard
environment
becausesingle-crystal
SiC film
thin werefilms
applied to MEMS for hard environment because single-crystal SiC thin films have excellent mechanical properties
have excellent mechanical properties such as high young modulus, durability, etc. Micro cantileversuch as high young modulus, durability, etc. Micro cantilever beams were fabricated with single-crystal SiC thinbeams were fabricated with single-crystal SiC thin film on a single-crystal Si substrate. And
film on a property,
single-crystal
Si substrate.
mechanicalproperty,such asreal
Young’smodulusreal’s modulus
mechanicalsuch
as YoungAnd
wasinvestigatedbending
testwasandinvestigated
FEM analysis.
bending test andFEM analysis.
(Keywords,
MEMS,
Micro structure, SiC thin film)
Keywords, MEMS, Micro structure, SiC thin film
るには限界があるので，新たな加工技術の適用や１．はじめに機械構造体の軽薄短小化の追求は従来より盛んであり，その成果のもたらす効果は大きい．とり

開発も必要となる．そして，それらが横断的連携
されることも必要となる．

わけ環境負荷の低減が最重要課題のひとつである

つまり，機械要素部品の製作関連技術である設

現在，機械の超精密化，高精度化や微細化は，例

計・材料・加工・計測・制御にいたる一連の機械

えば摩擦の低減，省スペース化，軽量化などによ工学関連分野を総合化し，マイクロレベル対応しって省エネルギ化がはかれる結果として環境負荷た新たな工学として再構築・統合化する必要があの低減も期待できるため，従来にもまして重要とる．
さらに，この微小化・微細化は，研究レベルになっている．
しかし，機械構造体の微小化に際して，これまとどまらず，実用レベルで利用することも同時にでの大きさの時には無視できた摩擦などの影響が進められており，実際の機械製作に不可欠な地域

相対的に大きくなるなど，それらを考慮した設計，企業レベルを含む，機械要素部品の製造関連企業

解析，製作が必要となる．これは，これまでの部

全体で対応がせまられつつある．

品を単純に縮小化するだけでは微小化は達成でき

そこで，本研究では，地域連携を視野にいれ，ないことを意味し，設計や解析において新たな知東京高専におけるマイクロメカトロニクスの新展

見を構築・体系化することが必要となる．
さらに，開をはかるために，機械工学分野技術(駆動系・制切削加工などの力学的除去加工をはじめとする従御系・筐体作製系)をマイクロ化対応統合システム

来の加工技術で微小かつ微細な機械部品の製作すとして構築する基礎研究の第１段階として，第１＊機械工学科＊＊機械工学科（現・長野高専）

96

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

報ではマイクロ駆動体の試作を通じて，マイクロ３．マイクロ構造体の製作化技術の顕在化をはかった．本報では，それをさ３．１ マイクロ構造体はりの設計

らに進めて，構造体としての製作ならびに機械的本研究におけるマイクロ構造体の代表寸法は，
SiC 薄膜の膜厚などを考慮して，数 10m オーダ

特性の検証を行った．

とした．
また形状は，
三角形のはり型構造とした．
マイクロ構造体の製作(3.2 節で述べる)において，

２．マイクロ構造体材料
これまでのところ，MEMS 等の微小機械の材料

等方性エッチングなどのウエットプロセスを使用

として Si(ケイ素)が多用されている 1)．これは，するが，その際の問題点として，溶液の乾燥時に微小機械の製造技術が，半導体集積回路の加工技

構造物が液体の表面張力によって基板に張り付く術であるエッチングなどの転用・応用で行われて現象(スティクション)がある．三角形のはりの場

きており，集積回路材料として多用されている Si合，同じ長さの長方形のはりに比べて面積が 1/2

もそのまま転用することにより，加工条件などもであるため，スティクションを回避する上で有利転用が容易になるからである．本研究では，MBEであると考えられる．

(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシ)法
によって，単結晶 Si(111)基板上に単結晶炭化ケ
イ素(SiC)薄膜を成長させたものを構造体材料と３．２ 製作方法
マイクロ構造体の作製方法は以下のとおり(図して用いた．SiC は Si に比べて格子定数が 20%１)．

ほど小さいが，MBE 法で適切な加工方法や加工（１） 単結晶 Si 基板上に成膜された SiC 薄膜の条件を設定することにより，界面において結晶格

上 に ネ ガ 型 フ ォ ト レ ジ ス ト (SU-8 50;

子が歪みながら Si 基板上に SiC を成長させるこMicroChem)を塗布後，ガラスマスク上のとが可能である 2)．SiC は Si よりも機械的特性やマイクロ構造体はりのパターンを露光に耐熱性に優れ(表 1)，Si で作製されている MEMS

より転写する．

を SiC で置き換えられれば，長寿命化や高強度化，（２） そのレジストをマスクとし，反応性イオン

高温環境での MEMS の利用が可能になると考えエッチングによる方向性エッチングを表られる．

2 の条件で行い，マイクロ構造体はりのパターンを SiC に転写する．

ところで，一般に機械構造体の設計には，使用する材料の特性をあらかじめ把握する必要がある（３） 液相等方性エッチングを表 3 の条件で行が，SiC 薄膜の機械的特性に関する報告例は少な

い，SiC の下の Si を除去する．

い．また，薄膜の評価法には基板を含めた評価方（４） 最後にレジストマスクをピラニア溶液法が多く，薄膜単独での応用を考える MEMS に(H2SO4:H2O2=3:1 の溶液)に溶かして除は向いていない．そこで本研究ではエッチング技

去する．

術を用いて SiC 薄膜ではりを作製し，それをマイクロ構造体として曲げ試験を行うことで SiC 薄膜

SiC
Si(111) sub.

の機械的特性を評価した．
Table1 Characteristics of SiC, Si and Diamond
3)

Crystal structure

Melting point[°C]4)Max. Operating Temp.[°C]3 3)
4)Young's modulus[GPa]3)

SiC(3C-SiC)

Si

DiamondZinc blende

Diamond

Diamond

Sublimes at 1825

1415

Phase change

873

300

1100

-3

Density[kg/m ]Mohs hardness

4)(4) Development(1) Cleaning
substrate-3SU-8(2) Coating SU-8

Etching-32.329×10

3.515×10

448

190

1035

9.2 - 9.3

7

10Lithography

UV
Glass mask

3.211×10(5) Anisotropic etching(patterning SiC)

(6) Isotropic etching(under cut)(3) Exposure(7) Removing SU-8

Fig.1 Fabrication process of SiC micro
cantilever beam

角田，多羅尾，齋藤，堤，志村，北山：東京高専におけるマイクロメカトロニクスの新展開

97

Table2 Conditions of SiC etching
Etchant gas

CF4(80%), O2(20%)

Flow rate

25 sccm(total)

RF Power

50 W

Pressure

0.048 TorrTime

15 minTable3 Conditions of Si etching
Etchant

HF(9%), HNO3(68%),
CH3COOH(23%)

Etch rate

2-6 m/min

Displacement CCD Camera
gauge
Force
Field lenscontroleraIndenterhead
Samplestaga

W

Si sub.

l

SiC

XYZ stage
Nano indenter

Fig.3 Schema of evaluation setup
Table4 Specification of SiC micro cantilever [°] l [m] b0 [m] h [nm] a (= x)[m]Cantilever A 30.5

SiC/Sisub.

18.6mSiC

38.2m

66

36

511

30

Cantilever B 45.0

41

34

511

10

Cantilever C 54.4

35

36

511

10

４．機械的特性試験

29.4°

72.3m

４．１ 試験方法
機械的特性試験として，マイクロ構造体はりの(a) Top view

曲げ試験を行った．試験装置には，ナノインデン
ター(エリオニクス社 ENT-1100a)を用いた．ナノ
インデンターとは，試料表面に微小な圧子を押し

SiC/Si sub.

込み，その押し込み荷重-押し込み深さ特性から微Si sub.

小領域でのヤング率や硬さを測定する装置である．

SiC

圧子の負荷する荷重と押し込み深さを制御・測定する装置であるので，圧子ではりに集中荷重を加え，そのときのはりのたわみを測定することがで
20m

き，薄膜で作製された微小なはりの曲げ試験が行(b) Bird’s eye view

えると考えられる．はりの自由端から a だけ離れFig.2 Fabricated SiC cantilever beam

W=175mN を加えた(図 3)．曲げ試験には先端角 a

た場所をナノインデンターの圧子で押して荷重が異なる 3 種類のはりを使用した(表４)．

３．３ 加工形状評価
上述の手法で加工したマイクロ構造体をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察した結果を図 2 に示す．三角形はりは等方性エッチングを行う時間
によって長さが変わり，同図のはりは 7 分間エッチングしたものである．SiC 薄膜の厚さは推定値
で 511nm である．先端角は設計上は 30°である．
同図(b)は鳥瞰図であり，はりが上向きに反っている様子がわかる．エッチングで Si 基板が取り去られたことによって残留応力が解放され，その影響
ではりが反り上がってしまったと考えられる．

４．２ 試験結果とヤング率の計算
ヤング率を計算するために作製したマイクロ構
造体はりをモデル化し，曲げ試験を材料力学の問
題に置き換えた(図 4)．自由端から a[m]だけ離れた 点 に 荷 重 W[N] を 加 え た と き ， 自 由 端 か ら
x[m](a≦x≦l)だけ離れた点のたわみを v[m]とするとヤング率 E[Pa]は次式で表される．ただしb0[m]は固定端でのはりの幅，h[m]ははりの厚さとする．
図 5 に曲げ試験で得られた荷重-たわみ曲線，計算されたヤング率を示す．計算には荷重-たわみ曲
線を一次近似した近似式から得られた v を使用し

98

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）ており，図 5 にはその値が示してある．典型的なバルクの SiC のヤング率は 400～450GPa 程度であり，それに近いヤング率が得られた．
５．考察

b0

バルク SiC のヤング率に近い値が得られたが，

本研究の測定には次の誤差が含まれると考えられる．表 5 は誤差の内容と仮にそれを補正できたとh

きのヤング率 E の増減(+:増加, -:減少)を表していW
laる．寸法の誤差のうち最も影響が大きいのは厚さである．ヤング率の計算式には 3 乗で効き，直接Fig.4 Model to calculate Young’s modulus

測定する方法がなく，長さ幅に比べて桁が 2 桁小
さい．等方性エッチングで SiC は多少エッチング
固定端の形状の違いについては有限要素法を用
いて解析を行った(図 6)．その結果，マイクロ構造
体はりの形状のほうがわたみが大きいという結果が得られた．解析によると固定端の後ろの SiC 薄膜も曲がるため，実際には見かけの長さより長い

Displacement v[nm]されるので膜厚は減少し，断面形状も変化する．

2500

Typical bulk SiC

E=400 ～450GPa

2000
1500

Cantilever A

W

E=341GPa
v=2352nm

Cantilever Bv

E=325GPa
v=1819nm

1000

Cantilever C

500

E=389GPav=738nm

はりを曲げていることになってたわみやすくなったと考えられる．

0

0

0.02

0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

Load W[mN]

Fig.5 Results of bending test

６．まとめ
本研究ではマイクロ構造体として，MBE でSi(111)基板に成膜された SiC 薄膜を材料としたはり構造の製作と機械的特性を評価を行った．単結晶 SiC 薄膜はバルク SiC に近いヤング率を持ち，MEMS 部材として有用であることを示した．
含まれる誤差の低減が今後の課題である．
具体的にはエッチングによる膜厚の減少と断面形状の変化の見積もり，固定端形状のモデル化である．また，曲げ試験の途中でごく弱い荷重で折Table5 Affect of measurements error
Compensation of E

Error details
Measurement error of length and width of cantilever
Measurement error of thickness of cantilever
Error of indent position
Assumption that SiC thin film is not etched
Difference of fixed end of cantilever between sample and model
Decrease of apparent length because of cantilever's warping

Strain of crystal lattice because of residual stress

±
±
±
+
+
-

れてしまったはりもあったが，プロセスのどの段階で折れる原因が生じたのかを突き止めることはできなかった．それを突き止め，改善することによって SiC 薄膜をさらに機械的特性に優れたMEMS 部材にすることができると考えられる．
なお，本研究の一部は，東京高専における重点配分経費(学科等研究活動経費)によって行われた．
参考文献
1)佐藤一雄:シリコンウエハ上の微小な機械要素の加工，精密工学会誌，54，9，1988
2)松波弘之:半導体 SiC 技術と応用，日刊工業新聞社，2003(a) Sample shape(b) Model shapeFig.6 Example of Finite Element Method
analysis（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書 第 42(2)号，2010

第 42（2）号，2011
引張荷重下における
CFRP/Aluminum alloy
単純重ね合わせ接着継手の有限要素応力解析

東京工業高等専門学校研究報告書

99

引張荷重下における CFRP/Aluminumalloy
小坂典嵩＊，志村穣＊＊，黒崎 茂＊＊
単純重ね合わせ接着継手の有限要素応力解析
Finite Element Stress Analysis for Single-lap Joints*，志村 穣 **，黒崎 茂 **Bonded CFRP and Aluminum Alloy under小坂典嵩
Tensile Loads.
Finite Element Stress Analysis for Single-lap Joints
NoritakaAlloy
KOSAKA,SHIMURA,
Bonded CFRP and Aluminum
underJyo
TensileLoadsShigeru KUROSAKI, JyoandSHIMURA, Shigeru
KUROSAKI
Noritaka
KOSAKAIn this study, mechanical properties in single-lap
joint bonded
UD-CFRP
Aluminumalloy A6063

subjected
static tensile load
were analyzed,
using finite joint
elementbonded
method. FEM
analysesand
to clarify
stressIn thisstudy,tomechanicalproperties
in single-lap
UD-CFRP
Aluminum
alloy
filed
at
adhesiveinterfaceanddeformation
state
of
joint
in
whole
carriedout.
Toconfirmthereliabilityoftheanalyses
A6063 subjected to static tensile load were analyzed, using finite element method. FEM
analyticalexperiments
aboutstrain distribution
by using strain
gaugesaddition, out. To
to clarify
stress results,
field atadhesiveinterfaceand deformation
stateof werejointperformed.
in wholeIncarriedconfirm effects
the reliability
the analyticalexperiments
strainand
distribution
by using strainof adhesiveof
thickness,lap length, results,
Young’s modulusof metal aboutside adherend
intensity of anisotropic
gauges were
performed.
In addition,of adhesive
thickness,lap length,
modulus ofadherend
were examined.
As a result, effects
by applying
UD-CFRP on
one side adherend,
it wasYoung’s
found that peal
metal side
adherend
andintensityofanisotropic
adherend
were
examined.
Asaresult,bystress decreases at interface edge in adhesive layer. Furthermore, singular characteristic of stress distributionapplying
UD-CFRP on one side adherend, it was found that peel stress decreases at interface edge in adhesive
became reduced with increasing adhesive thickness and decreasing lap length. Besides, singular stresslayer. Furthermore, singular characteristic of stress distribution became reduced with increasing
at adhesiveinterface relaxed
Young’s Besides,
modulus ofsingular
metal material
adherends
and intensity
adhesivedistribution
thicknessand decreasing
lapaslength.
stressdistribution
at ofadhesive
anisotropic
adherend
increased.
It
wasprovedthatthestraindistribution
byanalyticalresultisconsistentinterface relaxed as Young’s modulus of metal material adherends and intensity of withanisotropic
thatincreased.
measured withstrain proved
gauges. that the strain distribution by analytical result is consistent withadherend
It was(Keywords:
Finite Element Method, Single-lap Joint, CFRP)
that measured
withAdhesion,
strain gauges.
(Keywords: Adhesion, Finite Element Method, Single-lap Joint, CFRP)
1.緒言b

接着剤の性能向上により，接着接合はその利点を生かし輸送機械などの機械構造への適用が進んでいLる。昨今，これらの構造部材は鋼，アルミニウム合

h

t

L

h

金などの金属材料から炭素繊維強化プラスチック

c(CFRP)をはじめとする複合材料への置き換えが進められており，CFRP と金属をはじめとする異種材
料間の接着接合も試みられている。また，CFRP は
その構造から異方性を有する材料であるが，繊維方向の組み合わせにより材料特性は変化し，接着部のlcFig.1 Dimensions and geometry ofadhesive bonded single-lap joint.
Upper adherend

応力状態に影響を及ぼすことが想定される。本研究では引張せん断荷重を受ける単純重ね合わせ接着継手を対象とし，金属材料と CFRP をエポキシ系構造用接着剤で接合した接着継手モデルについて，被着Lower adherend

Fig.2 Model for analysis.

材の材料特性および形状特性が接着部の応力状態に定義し，引張方向の縦弾性係数についてはアングル

及ぼす影響を明らかにすることを目的とする。有限

プライによる変化を想定した。金属材料は等方性と要素応力解析により接着部の応力状態を示すとともして扱い，接着剤は二液混合型のエポキシ系構造用に接着部周辺のひずみ分布を実験的に求め，解析結接着剤である住友スリーエム製 SW1838B/A を使用

果と比較，検証する。

するものとした。
有限要素応力解析における境界条件および座標系

2.解析方法を Fig. 2 に示す。本解析は，平面ひずみ状態を仮定

継手形状および各部の寸法を Fig. 1 に示す。また，した 2 次元モデルによる弾性解析である。境界条件

基本寸法はそれぞれ被着材長さ L = 100mm，被着材として，一方のつかみ部上下端の節点を完全拘束し，厚さ h = 3mm，幅 b = 25mm，継手両端つかみ部 c =他方のつかみ部上下端の節点を引張方向の並進運動

37.5mm，接着層厚さ t = 0.1mm および重ね合わせ長以外の自由度を拘束した上で，上下に各 500N ずつ，

さ l = 12.5mm としている。CFRP は一方向性

合計 1000N の引張荷重を与えるものとした。要素分

CFRP(UD-CFRP)を基本形とした異方性材料として

割は接着層および応力集中が考えられる接着部近傍＊機械工学科卒業生(現，専攻科機械情報システム工学専攻) ＊＊機械工学科＊機械工学科卒業生（現，専攻科機械情報システム工学専攻）＊＊機械工学科

100

東京工業高等専門学校研究報告書

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）（第 42(2)号

Fig.3 An example of mesh division in FEM analysis.
Table 1 Material properties of adherend and adhesive.
Young’s modulus
E (GPa)Ex
Adherend
Adhesive

UD-CFRP
A6063-T5
SW1838B/A

115

Poisson’s
ratio

Ey

ν

7.6

0.35
0.33
0.39

68.94
3.4

Fig.4 Single-lap joint bonded by structural adhesive.

を用いた研磨を行った。調整箇所の算術平均粗さ Ra
は 2μm 程度である。粗さの測定にはミツトヨ製小形
表面粗さ測定器 サーフテスト SJ-201 を用いた。表における要素が最小となるように設定した。厚さ

面調整後，アセトンにより表面の洗浄および脱脂を0.1mm の接着層厚さに対して厚さ方向に 4 要素が並行い，十分に乾燥させている。その後，被着材の接ぶように設定し，最小要素サイズは 0.025mm である。

着部に接着剤を塗布し，ジグを用いて接着層厚さおFig.3 に接着層周辺における要素分割の一例を示す。

よび接着面積を定め，万力および弾性ゴム製保護パ

本解析モデルにおける要素は平面プレート要素としッドを用いて固定しつつ，そのまま室温にて 24 時間て設定し，四節点四辺形の 1 次要素を用いている。

放置し硬化させた。継手部の接着後，つかみ部とし

また，要素数は 12560 個，節点数は 12953 個である。

て接着継手両端に被着材と同一材料の部材を接着す

継手を構成する材料は，上側被着材を CFRP，接る。また，接着部よりはみ出した接着剤は，硬化後着剤を挟んだ下側のそれを金属材料とし，各領域のにデザインナイフおよび電動リュータを用いて除去

要素は境界面において固着とした。材料特性値

1-3),した。Fig.4 に製作した接着継手の外観を示す。

は，それぞれ UD-CFRP: Ex = 115GPa, Ey = 7.6GPa, Gxy= 4.84GPa, ν = 0.35; 金属材料 (アルミニウム合金

3.2 ひずみ分布測定

A6063) : E = 68.94GPa, ν = 0.35; 接着剤 1838B/A : E =解析結果の妥当性を確認するためのひずみ分布測3.4GPa, ν = 0.39 を基本としている。解析に用いた材

定箇所は，着目する応力分布箇所と一致させること

料定数を Table 1 に示す。

が望ましい。しかしながら，接着厚さ 0.1mm という微小領域では，ひずみゲージを用いたひずみ測定に

3.実験方法

多くの制約が生じることから，本実験では接着層両3.1 試験片製作

側の被着材におけるひずみ分布を測定し，有限要素解析結果の妥当性の検証を目的として，接着継手

応力解析結果と比較することにより解析結果の妥当の接着部近傍におけるひずみ分布測定実験および解性を判断するものとした。ひずみ測定には微小なひ析結果との比較を行うこととした。

ずみゲージを用い，また x 方向垂直ひずみおよび yUD-CFRP 材，アルミニウム合金 A6063-T5 材およ方向垂直ひずみの 2 種類について測定を行うものとびエポキシ系構造用接着剤を用いて，単純重ね合わした。これらの条件から，ひずみゲージの形状・寸せ接着継手試験片を製作した。UD-CFRP は，強化繊法を考慮してひずみ測定点を決定した。Fig.5 は y 方

維に東レ製炭素繊維トレカ T700SC，母材にエポキ

向垂直ひずみ用のひずみゲージ貼り付け位置を，

シ樹脂(#2592)を用いたプリプレグを 12 プライし成Fig.6 に同様のひずみゲージの貼り付け状態を示す。

形したものである。エポキシ系構造用接着剤には住ひずみゲージは東京測器研究所製複合材料用ひずみ

友スリーエム製構造用接着剤 SW1838B/A を用いた。

ゲージ UBFLA-03 および共和電業製箔ひずみゲージ

本接着剤は二液室温硬化型接着剤であり，主剤およ

KFRP-5-120-C1-1 を 1 つの試験片あたり各 4 枚ずつ

び硬化剤を重量比 1 : 1 で混合することにより，接着

計 8 枚用いた。
ひずみゲージの貼付された試験片を鷺宮製作所製剤としての機能を発揮するものである。

電気サーボ式疲労試験機に取り付け，変位制御によ接着面の表面調整として，サンドペーパー(#240)

2

小坂，志村，黒崎：引張荷重下における CFRP/Aluminum alloy 単純重ね合わせ接着継手の有限要素応力解析
小坂，志村，黒崎：引張荷重下における CFRP/Aluminum alloy 単純重ね合わせ接着継手の有限要素応力解析

101

Fig.10 は接着界面における垂直応力 σy の分布であり，縦軸は垂直応力 σy[MPa]，横軸は Fig.8 と同様である。
単純重ね合わせ接着継手において，接着界面の垂直応力 σy は剥離応力として作用し，継手強度に及ぼす影響が大きいとされている。また，被着材と接着剤の弾性係数比がこの剥離応力に影響を及ぼすことが知られており，被着材の剛性が高くなると接着面端部の応力勾配が緩やかになる，すなわち，応力特(UD-CFRP)
Fig.5 Strain gauges of glued positions
for normal strain in the y-direction.

(Aluminum alloy; A6063)(a) UD-CFRP ― A6063(Aluminum alloy; A6063)(Aluminum alloy; A6063)(b) A6063 ― A6063

Fig.6 Photograph of glued strain gauges.

Fig.7 Contour of shearing stressτxy and deformation.

り引張速度 3mm/min となるように操作し，試験片が破断するまで引張荷重を作用させた。この際の変位，荷重およびひずみ(8ch)を共和電業製センサインタ
フェース PCD-300A を介し，PC へ入力，記録した。
4.解析結果4.1 接着接合部周辺の変形および応力状態l

被着材の組み合わせとして，UD-CFRP―A6063 お
よび A6063 同士について解析を行った。接着界面にx/l

生じる応力は，せん断応力と垂直応力が支配的であ(a) Upper boundaryる 4)ことから，これらに着目して接着継手の力学特性を評価する。せん断応力 τxy および変形状態のコン
ター表示を Fig.7 に示す。コンター表示のスケール
は，白色の部分で 10MPa 以上，黒色の部分で-4MPa
以下を指している。変形量は 10 倍の拡大表示とした。
Fig.8 は接着界面におけるせん断応力 τxy の分布であlる。縦軸はせん断応力 τxy[MPa]，横軸は位置 x を重ね合わせ長さ l で無次元化した値を示す。また，Fig.9に垂直応力 σy および変形状態のコンター表示を示す。

x/l

白色の部分で 15MPa 以上，黒色の部分で-4MPa 以下(b) Lower boundaryを示している。変位量は 10 倍の拡大表示である。

Fig.8 Shearing stressτxy distribution at both boundary.

3

102

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42(2)号が緩和されることを確認した。したがって，単純重(UD-CFRP)

ね合わせ接着継手において UD-CFRP の異方性は曲げ剛性に対して有利に働き，剥離応力を緩和するものと考えられる。
4.2 接着層厚さが応力分布に及ぼす影響(Aluminum alloy; A6063)

上側被着材 UD-CFRP と下側被着材 A6063 により構成される継手を基本モデルとし，接着層厚さ 0.05,(a) UD-CFRP ― A6063

0.1, 0.3 および 0.5mm の 4 種類について解析を行い，(Aluminum alloy; A6063)

接着部の応力状態を比較した。Fig.11 に接着層厚さを変化させた場合における接着層上側界面のせん断
応力 τxy 分布を示す。縦軸，横軸は Fig.8 と同じである。いずれの接着層厚さの場合でも，接着界面端部(x / l=0, 1)付近でせん断応力の増大が見られ，接着層(Aluminum alloy; A6063)

厚さが小さくなるにつれ，その挙動が顕著になることがわかる。この応力分布の傾向は接着層下側界面(b) A6063 ― A6063

においても同様である。

Fig.9 Contour of normal stressσy and deformation.

Normal Stress σy [MPa]3530

4.3 重ね合わせ長さが応力分布に及ぼす影響

UD-CFRP ― A6063

25

UD-CFRP と A6063 による基本モデルについて，

A6063 ― A6063

20

重ね合わせ長さ l を 6.25mm から 25mm まで変化さ15せて解析を行った。接着層上側界面におけるせん断10

応力 τxy 分布を Fig.12 に示す。重ね合わせ長さが変化

5

すると接着面積が変動するため，せん断応力 τ x y

l

0

20

-5
0

0.2

0.4

xx // Ll

0.6

0.8

1

Shear stress τxy [MPa](a) Upper boundary

Normal Stress σy [MPa]3530

UD-CFRP ― A6063

25

A6063 ― A6063

20
15

12

10
5

4
0
0

0.2

0.4

xx// lL

0.6

0.8

0.2

0.4
0.6
Positionx / l x/L

0.8

1

Fig.11 Effect of adhesive thickness t
on shearing stressτxy distribution.

-5
0

l

t=0.05mm
t=0.1mmt=0.3mm
t=0.5mm

8

l

0

t

16

1

6

(b) Lower boundary5

Fig.10 Normal stressσy distribution at both boundary.

τxy/τm4異性が小さくなるとされている 5)。これは被着材の剛性向上により，接着部周辺の曲げ変形が抑制され

l

3

25
[mm]
l=25mm18.75[mm]
l=18.75mm
12.5[mm]
l=12.5mm
l=6.25mm
6.25
[mm]

2

応力集中を緩和するものと考えられる。

1

UD-CFRP は繊維方向に高い縦弾性係数を有して0いるが，繊維方向以外では母材樹脂の特性が影響し0

著しく剛性の低い状態となる。本解析結果では，片方の被着材に UD-CFRP を適用した場合，応力集中

4

0.2

0.4
0.6
0.8
1
Positionx / l x/L
Fig.12 Effect of lap length lon shearing stressτxy distribution.

小坂，志村，黒崎：引張荷重下における CFRP/Aluminum alloy 単純重ね合わせ接着継手の有限要素応力解析

103

小坂，志村，黒崎：引張荷重下における CFRP/Aluminum alloy 単純重ね合わせ接着継手の有限要素応力解析

を平均せん断応力 τm で除して無次元化した値を縦軸とし14ている。重ね合わせ長さ l が短くなるほど接着界面にわた12る応力分布が均一化し，応力の特異的な分布が緩和され

10

ることがわかる。重ね合わせ長さを長く，すなわち，接8

着面積を大きくすることは平均せん断応力の低減に寄与

6

するが，接着界面端部における応力値は相反して増大す4ることから，重ね合わせ長さの増大が単純に継手強度向E

E=50[GPa]
E=68.94[GPa]E=115[GPa]E=200[GPa]l2上に有効であるとは言及できないと考えられる。

00

4.4 金属被着材の縦弾性係数が応力分布に及ぼす影響

0.2

0.4

x/l

0.6

0.8

1

Fig.13 Effect of Young’s modulus E of metal adherendon shearing stressτxy distribution.

被着材がUD-CFRP とA6063 による基本モデルに対し，上側被着材を UD-CFRP で固定し，下側被着材 A6063 の25

Shearing τxy [MPa]縦弾性係数 E の値を 50GPa から 200GPa まで変化させ，それぞれ解析を行った。UD-CFRP との界面に接する接着
層上端のせん断応力 τxy の分布を Fig.13 に示す。接着層には引張荷重によるせん断応力 τxy および被着材の変形によって剥離方向に作用する垂直応力 σy が生じる。接着層端部では応力が増大する特異な分布となるが，一般に被着材剛性の増加に伴いこの特異な分布は緩和されることが

2525

20

Ex=50[GPa]Ex=50[GPa]Ex=68.94[GPa]Ex=68.94[Gpa]

1515

15

0

10

0

Ex=115[GPa]Ex=200[GPa]Ex=100[GPa]Ex=115[GPa]

55
0.005

0.005

Ex

5

l

Ex

0
0

知られている。本解析結果から，強い異方性を有する被着材で構成される接着継手においても同様の傾向となる

0.2

0.4

x/ l

0.6

0.8

1

Fig.14 Effect of Young’s modulus Ex
in load direction on shearing stressτxy distribution.

Normal strain εy [μ strain]

ことが示された。
4.5 CFRP の異方性が応力分布に及ぼす影響
CFRP の荷重方向の縦弾性係数が他方の金属材料と同一であるアングルプライ材を想定し，双方の縦弾性係数を変化させた場合における応力状態について考察する。
CFRP の積層方向の縦弾性係数はUD-CFRP の場合と同一である。接着層上側界面におけるせん断応力 τxy の分布を
Fig.14 に示す。
両被着材の縦弾性係数が増加するにつれ接着層における応力分布の特異性が緩和されており，等方

200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200

Exp. 1
Exp. 2Num.

0性同種材料の組み合わせで知られている傾向と同様の結2.5果が得られた。この結果は垂直応力 σy の分布についても

5
7.5
10
Position x[mm]12.5(a) Upper adherend

同様である。せん断応力 τxy の最大値が生じる箇所は接着

Normal strain εy [μ strain]

界面両端部であり，上側界面では x / l = 0，下側界面では
x / l =1 付近となっている。
5.解析結果と実験結果の比較
解析結果の妥当性の検証として，接着継手の接着部近傍におけるひずみ分布の測定実験および解析結果との比較を行った。UD-CFRP―アルミニウム合金 A6063 単純重
ね合わせ接着継手を製作し，静的引張荷重下における被着材の長手方向ひずみ εx および板厚方向ひずみ εy の分布

200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200

Exp. 1
Exp. 2Num.

0を小型ひずみゲージにより測定するものである。ひずみの測定点は Fig.5 に示されるように，上下被着材のそれぞれ 4 点ずつ，合計 8 点となっている。

5

2.5

5
7.5
Position x [mm]

10

12.5

(b) Lower adherend
Fig.15 Comparisons of strain distribution
between analytical and experimental results.

104

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 42(2)号

Fig.15(a)は上側被着材 UD-CFRP における板厚方向ひず(2) 接着層厚さを小さくするほど，接着界面端部の最大

み εy の分布を，(b)は下側被着材 A6063 のそれを示す。縦応力が上昇し，特異的な挙動が顕著になる。

軸は被着材の板厚方向ひずみ εy [μ strain]，横軸は位置 x(3) 重ね合わせ長さが短くなるほど，接着界面にわたる[mm]である。ひずみ分布測定実験は長手方向ひずみ εx の応力分布が均一化し，特異的な分布が緩和される。

測定を 2 回，板厚方向ひずみ εy の測定を 2 回，合計 4 回(4) 金属材料の被着材における縦弾性係数を大きくする

実施しており，実験結果は図中に実線で示している。解ほど，また，異方性材料の被着材が強い異方性を有析結果と実験結果は若干，数値的に差異が見られるが，するほど，接着界面の特異な応力分布が緩和される傾向にある。

ひずみ分布の傾向は概ね一致しており，本解析結果は妥(5) 接着部近傍における被着材のひずみ分布測定実験を当であると考えられる。

行い，解析結果と比較することで，その妥当性を確
認した。

6.結言
本研究では，被着材が一方向炭素繊維強化プラスチック(UD-CFRP)とアルミニウム合金 A6063 で構成される単参考文献

純重ね合わせ接着継手の引張荷重下における力学特性を

1) 小坂・他3 名：山梨講演会講演論文集，pp.150 -151(2010).

有限要素法により明らかにし，接着層厚さ等の諸因子が2) 日本アルミニウム協会：アルミニウムハンドブック(第6 版)，pp.27 (2001).

接着部の応力場および変形状態に及ぼす影響について検3) 松井真一・志村 穣：東京工業高等専門学校研究報告討を行った。くわえて，継手接合部付近における被着材

書，41, 1, pp.29-33 (2010).

のひずみ分布測定実験を行い，解析結果の妥当性を確認

4) 宮入裕夫：構造接着の基礎と応用，pp.143 (2006).

した。以下に得られた知見を記す。

(1) 被着材が共にアルミニウム合金 A6063 の場合に対し， 5) 日本接着学会：接着ハンドブック(第 4 版)，pp.162-163(2007).

片方の被着材に UD-CFRP を用いると，接着界面端部のせん断応力および剥離応力の集中が抑制される。

（平成 23 年 1 月 7 日

6受理）東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011105

光導波型マイクロホンにおける共振周波数のダイヤフラム厚依存性

光導波型マイクロホンにおける 新國広幸 ，大河正志
共振周波数のダイヤフラム厚依存性
Dependenceof Resonance Frequency on Diaphragm Thickness＊

in a Guided-Wave Optical Microphone＊＊

新國広幸 *，大河正志 **Dependence of Resonance Frequency on Diaphragm Thickness
Hiroyuki NIKKUNI＊，Masashi OHKAWA＊＊in a Guided-Wave Optical Microphone
Hiroyuki NIKKUNI and Masashi OHKAWA
We experimentally investigated the relationship between resonance frequency and diaphragm thickness in a
We experimentally investigated the relationship between resonance frequency and diaphragmglass-based guided-wave optical microphone. The optical microphone consists of a diaphragm and a single-mode
thickness in a glass-based guided-wave optical microphone. The optical microphone consists of a
optical waveguide.
resonance frequency
is theoreticallyknown
to be proportional
thetheoreticallydiaphragm thickness.
diaphragm
and a The
single-mode
optical waveguide.
The
resonance
frequencyto is
known
In be
thisproportional
study, to examine
this diaphragm
relationship, three
microphones
withdiaphragm
thicknesses
0.15 mm, 0.21threemmtoto thethickness.
In thisstudy,
to examine
thisofrelationship,
microphones
withdiaphragm
thicknessesof
0.15mm,0.21mmand
0.30mmwerefabricated.
The
and 0.30 mm were fabricated. The area of the diaphragm was 20 mm20 mm. In the experiment, sound pressureareaof the todiaphragm
wasmicrophones
20mm × 20mm.
In theexperiment,sound aspressure
was applied
to thewas applied
the fabricatedto evaluatefrequency
characteristic
well as resonancefrequency.
fabricated microphones to evaluate frequency characteristic as well as resonance frequency. The
The measured results supported the theoretical predictions.
measured results supported the theoretical predictions.
(Keywords:
opticalmicrophone,diaphragm,
resonance
frequency)(Keywords:guided-wave
guided-wave
opticalmicrophone,diaphragm,
resonance
frequency)
１．はじめに
MRI において医者と患者がコミュニケーションを

周波数特性，共振周波数のダイヤフラムサイズ依とる場合，マイクロホンが必要であるが，MRI 装置

存性は理論的には知られているが，実験的には明は強磁界を発生するため，MRI 内では電磁誘導を利らかになっていない．そこで，本研究では，光導用したマイクロホンや金属部品を含んでいるマイク

波型マイクロホンにおける共振周波数とダイヤフ

ロホンを使用できない。一方，光波を利用した光マラム厚の関係について実験的に考察した．

イクロホンは電磁誘導の影響を受けることがないた
め，
MRI のような強磁界環境下でも使用可能である。

２．理論

光マイクロホンには，個別光学部品を組み合わせ

２．１ マイクロホンの構成および動作原理

たバルク型，光ファイバをベースとした光ファイ

図 1 は光導波型マイクロホンの概形である．光

バ型，
光集積回路構成を利用した光導波型がある。

導波型マイクロホンは音圧感知部としての正方形

光導波型マイクロホンは，光学素子や音波センシ

ダイヤフラムと，単一モード直線光導波路で構成

ング部を同一基板上に集積化させた光集積回路構される．導波路はダイヤフラム上に設けられ，最成を用いているため，堅ろう，小型・軽量，光軸

低次の TM-like，TE-like モード光のみを伝搬させ調整不要などの利点を有する．

導波路

我々の研究グループでは，音圧感知部にダイヤフ
ラムを利用した光導波型マイクロホンの研究を行っている(1)．光導波型マイクロホンの評価指標に感度，
周波数特性，共振周波数があるが，これらはダイ

偏光子

検光子

ヤフラムサイズに依存する．これらの依存性を明
ダイヤフラムらかにすることは，マイクロホンの設計指針を確立する上で必要不可欠であり，これまでの研究で，感度とダイヤフラムサイズの関係性については理論・実験の両面から考察されてきた(2)(3)．一方，＊電気工学科＊＊新潟大学工学部福祉人間工学科＊電気工学科 ＊＊新潟大学工学部福祉人間工学科

小孔付き基板図 1 光導波型マイクロホンの概形

106

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

る．また，音の回折の影響を減らすために，音圧

はポアソン比を表す．ダイヤフラムの周辺状態

がダイヤフラムの片側にのみ当たるように，マイを 4 辺固定として，この式を解くと，ダイヤフラ

クロホンの下面は小孔付基板で覆われている．な

ムサイズとダイヤフラムの共振周波数 f の関係式

お，小孔は，ダイヤフラム下部の密閉空間と周囲は以下のようになる(4)．

雰囲気をつなぐことによって大気圧の変動による影響をなくす役割を果たしている．
光導波型マイクロホンは，2 つの直交した偏光f 

3.646
2Yh2
12  (1   ) a 2(2)子と検光子の間に置かれる．TM-like，TE-like モ

ここで，a はダイヤフラム辺長を示す． 式(2)から，ード光を同強度で励起させるために，図 1 のよう共振周波数はダイヤフラムの厚さに比例し，ダイに偏光子の偏光方向をマイクロホン基板面に対しヤフラム辺長の 2 乗に反比例することが分かる．

て 45°に傾け，導波路端面に直線偏光波を入射す
る．ダイヤフラムに音圧が作用すると，ダイヤフ

３．実験

ラムにたわみが起こり，歪みが生じる．この歪み

本研究で試作する光導波型マイクロホンは，ダは光弾性効果により，ダイヤフラム上の導波路にイヤフラム材料としての Corning #0211 ガラスと，屈折率変化を引き起こす．屈折率変化により，導ダイヤフラム支持基板としての穴あきソーダライ

波路を伝搬する光波の位相が変化する．
このとき，ムガラスから構成される．

TM-like，TE-like モード光は，それぞれ異なる位

まず，Corning ガラス上にアルミニウム薄膜を蒸相変化量を得るため，音圧印加時には両モード間着させた．次に，アルミニウム薄膜上に導波路パに位相差が生じる．出力端では，この位相差に応ターンをフォトリソグラフィ技術を利用して転写

じて，直線，楕円，円偏光のいずれかの偏光状態した．その後，Corning ガラスを 400℃の硝酸カリとなる．最後に，マイクロホンの出力側に置かれウムに浸し，イオン交換法を用いて単一モード導た検光子により，印加音圧に対応した出力光強度波路を基板上に作りつけた．
導波路を作製した後，が得られる．

導波路がダイヤフラム支持基板の端に平行になる
ように位置合わせを行い，Corning ガラスとダイ

２．２ 共振周波数

ヤフラム支持基板を貼り合せた．なお，貼り合せ

ダイヤフラムの共振周波数付近では光導波型マには紫外線硬化樹脂を使用した．最後に．音の回

イクロホンの感度が著しく高くなり，また，共振

折からダイヤフラムの片面をシールドするために，

周波数以上の周波数では，感度が低下する．その小孔付き基板を光導波型マイクロホンの底部に取ため，マイクロホンは通常，共振周波数より十分り付けた．

低い周波数帯域で動作させる．光導波型マイクロ共振周波数のダイヤフラム厚依存性を実験的にホンを設計する際には，ダイヤフラムの共振周波明らかにするために，ダイヤフラム厚の異なる 3

数をマイクロホンの動作周波数の上限よりも高く種類の光導波型マイクロホンを試作した．作製ししなければならない．共振周波数はダイヤフラム

たマイクロホンのダイヤフラムの大きさは全ての自由振動についての微分方程式

20 mm20 mm として，それぞれのマイクロホンのダイヤフラム厚を 0.15 mm (マイクロホン#1)，0.21

 4w
4w
 4 w h 2 2
t
y 2 z 2 z 4 
12(1   2 )  y 4
(1)
0
2w

Yh 3

mm (マイクロホン#2)，0.30 mm(マイクロホン#3)とした．
それぞれの光導波型マイクロホンの共振周波数
は周波数特性を測定することで評価した．図 2 にから求められる．ここで，w は音波印加によるダイヤフラムのたわみ，  はダイヤフラムの密度，測定系を示す．それぞれの光導波型マイクロホン

h はダイヤフラムの厚さ，t は時間，
Y はヤング率，マイクロホンに音波を印加し，周波数特性を評価を試作した後，直径 80 mm のスピーカを利用して

新國，大河：光導波型マイクロホンにおける共振周波数のダイヤフラム厚依存性

107

した．音圧レベルは 100 dB-SPL (音圧 2Pa)，周波不十分だったために，ダイヤフラム端が完全な固数範囲は 1 kHz ～ 20 kHz とした．なお，感度が定端となっていなかったことが考えられる。マイ

あらかじめ分かっているエレクトレットコンデン

クロホン #3 に関しては，測定値と理論値の差がサマイクロホンを使用して，印加音圧の調整を行見られたが，ガラス基板どうしの接着の不十分さった．光源には波長 633 nm の He-Ne レーザを使で説明できる程度の差であり，理論を支持する結用した．マイクロホン出力光は光検出器で電圧に果を得ることができたと言え，共振周波数がダイ

変換し，その電圧を帯域幅 1 Hz のディジタルロッ

ヤフラム厚に比例することが確かめられた．

クインアンプ を使用して測定し，印加音波の周波

アンプ

発振器

スピーカ
光検出器

He-Ne レーザ

検光子

対物レンズ

20
15
10
5
0
1000

10000

周波数 (Hz)45°
検光子の偏光方向

図 2 周波数特性測定のための測定光学系
図 3 (a) ～ (c) は，それぞれマイクロホン #1～ #3 の周波数特性を示す．出力信号に変動が見られたが，その最大値と最小値の差が無視し得る程度だったため，図では，マイクロホン信号の平均値をプロットしている．図において，マイクロ(a) マイクロホン #1 (20 mm20 mm0.15 mm)
20

マイクロホン信号 (mV)

密閉基板

45°
レーザの偏光方向

ロックインアンプ
ピンホール

25

マイクロホン信号 (mV)

数で同期検波した．

ホン信号が高くなっている周波数が共振周波数で

15
10
5
0
1000

周波数 (Hz)ある．図 3 から，マイクロホン #1 ～ #3 の 1 次
共振周波数は，それぞれ，3.6 kHz，4.8 kHz，5.7 kHz(b) マイクロホン #2 (20 mm20 mm0.21 mm)であることが分かる．
フラム厚依存性の理論値と測定値をまとめたものである．理論値は，式(2)により算出し，Corning
10#0211 ガラスのヤング率 7.44×10 Pa，ポアソン
比 0.22，密度 2.53×103kg/m3 を使用した(5)．図 4の■，●，▲はそれぞれ，マイクロホン #1 ～ #3の測定値で，実線は理論値である．図と表から，
センサ #1 と#2 の測定値は理論値とほぼ同じ値に

50

マイクロホン信号 (mV)

表 1 と図 4 は，1 次共振周波数に関するダイヤ

10000

40
30
20
10
0
1000

10000

周波数 (Hz)なっていることが分かる．しかし，ダイヤフラム
厚 0.30 mm のマイクロホン #3 に関しては，測定(c) マイクロホン #3 (20 mm20 mm0.30 mm)

値が理論値よりも 1.2 kHz 低い値となっている．
この原因として，紫外線硬化樹脂による Corning#0211 ガラスとダイヤフラム支持基板との接着が

図 3 試作マイクロホンの周波数特性

108

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

表 1 各マイクロホンにおける共振周波数の計算値と測定値
マイク

ダイヤフラム

ロホン

サイズ

#

(mmmmmm)

1

計算値

測定値

(kHz)

(kHz)

20200.15

3.4

3.6

2

20200.21

4.8

4.8

3

20200.30

6.9

5.7

共振周波数 (kHz)10

マイクロホン #1
マイクロホン #2
マイクロホン #3

Sato, “Sensitivity dependence with respect todiaphragm thickness in guided-wave opticalpressure sensor based on elasto-optic effect,” Opt.
Eng. 47, pp. 044402-1 ～ 044402-5 (2008).
(3) H. Nikkuni, Y. Watanabe, M. Ohkawa, and T.
Sato, “Sensitivity dependences on side length andaspect ratio of a diaphragm in a glass-based
guided-wave optical pressure sensor,” Opt.
Express 16, pp. 15024-15032 (2008).
(4) 松平 精，”基礎振動学,”共立出版(株)，pp.
266 ～ 270 (1951).
(5) M. Ohkawa, K. Hasebe, S. Sekine, and T. Sato,“Relationship between sensitivity and waveguide
position on the diaphragm in integrated optic
pressure sensors based on the elasto-optic effect,”
Appl. Opt. 41, pp. 5016-5021 (2002).
（平成 23 年 1 月 6 日

1

0.1

1

ダイヤフラム厚 (mm)
図 4 共振周波数のダイヤフラム厚依存性

４．結論
本研究では，光導波型マイクロホンにおける共振周波数のダイヤフラム厚依存性について実験的に考察を行った．実験で得られた共振周波数のダ
イヤフラム厚依存性は計算結果とほぼ一致し，共振周波数がダイヤフラム厚に比例することが分かった．
謝辞
本研究の一部は，東京工業高等専門学校の平成
21 年度重点配分経費により行われた．
参考文献(1) H. Nikkuni, Y. Mogi, M. Hayashi, M. Ohkawa, S.
Sekine, and T. Sato, “Improvement of thesignal-to-noise ratio in a glass-based guided-wave
optical microphone,” Proc. SPIE 6475, pp.
647519-1 ～ 647519-8 (2007).
(2) H. Nikkuni, Y. Watanabe, M. Ohkawa, and T.

受理）東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011109

電力流通における無効電力の価値評価手法に関する検討
電力流通における無効電力の価値評価手法に関する検討
橋本 拓郎*，土井 淳**
A Study of Evaluation Method for Reactive Power Pricing in Power System

橋本拓郎 *，土井淳 **Takurou HASHIMOTO, Atsushi DOI

A Study of Evaluation Method for Reactive Power Pricing in Power System

In a deregulated power system, the main responsibility of anTakurou
independent
system operator(ISO) D
is OI
toand Atsushi
HASHIMOTO

maintain system reliability and security by using ancillary services. To maintain the power flow limits on

In a deregulated
power
system,limits
the mainan independent
systemoperator(ISO)transmission
lines as well
as voltage
at busresponsibility
bars, sufficientofreactive
power is vitalfor thepower system.

is to maintain system reliability and security by using ancillary services. To maintain the power
flow limits on transmission lines as well as voltage limits at bus bars, sufficient reactive power is
specialfeature,and cannot
beTherefore
travel veryreactive
far in thepower
networkbecauseof mostits losses.
So in aancillary
deregulated
power
vital forthe powersystem.
is oneof theimportantservices.
system,reactive
power
pricing
all participantscancannot
agree isdifficult.
Thisinpaper
considersbecause
various
However,reactive
power
hasthata specialfeature, andbeverytravelvery farthe networkof its losses.
So in aforderegulated
power
system,reactive
pricingthat allparticipants
agreeevaluation
methods
reactive power
pricing,
and this
paperpower
presents
evaluation
methodbased oncan
reductionisverydifficult.
This
paper
considersvariousevaluation
methods
forreactive
power
pricing,andthisof active power loss.
paper
presents
evaluation
based ancillary
on reductionof active
powerloss. power loss)(Keywords:
reactive
power,method
deregulation,
service,reductionof active(Keywords: reactive power, deregulation, ancillary service, reduction of active power loss)
Therefore reactive power is one of the most important ancillary services. However, reactive power has a

シラリーサービスとしての価格決めは容易である [2] 。

１．はじめに電力系統(power system)とは、電気エネルギーをしかし、周波数制御などと違い無効電力供給及び電発生してから消費するまでの一連のプロセス、すな

圧制御に関しては、無効電力の発生及び消費が局所

わち燃料などのエネルギー資源から電気エネルギー的であるため全系統参加者が納得する価格決めが非を発生し、輸送し、分配し、かつそれを需要家で消常に難しい問題となる。

費するまでの流れをつかさどるシステムである。よ

本稿では、無効電力供給及び電圧制御に関わるアって、電力系統は電力の流通をつかさどる役目をもンシラリーサービスにおいて価格決めの様々な手法っているが、この電力には、有効電力(active power)

を紹介し、それら手法の利点や問題点などを考察すと無効電力(reactive power)の二つがある。有効電力る。また、本研究で検討している有効電力損失低減を送るためには、無効電力が電力系統の各部に必ずに基づく無効電力評価手法について述べる。

一定量ずつ存在しなければならない。
電力系統を運用する上で系統運用者は、電力自由

２．総燃料費削減効果による地点別価値評価 [3]

化前においても、自由化後においても系統周波数やこの手法は、各母線に設置された無効電力供給源

電圧の一定維持、電力供給の継続性などいわゆる電の無効電力出力が、電源の総燃料費の削減にどれだ

力品質を保証することになる。しかし、電力自由化

け貢献しているかに基づき評価を行う手法である。

の進展に伴って様々な問題が発生する。かつて電力電源の総燃料費の削減に対する母線 i の貢献度は、

自由化前には、電気事業者が電力品質維持のための

無効電力限界費用 MCq i によって表され、MCq i は総費用を総括的に把握し、電気料金により回収してい燃料費最小化を目的関数とした最適潮流計算た。しかし自由化後は、各事業者が応分のサービス(Optimal Power Flow)により導出されるラグランの提供や、費用負担を行うことになる [1] 。この電力

ジュ乗数を用いて表される。

系統の安定な運用制御に関わるサービスとして、アンシラリーサービス(Ancillary Service)を考えることが重要となる。アンシラリーサービスには、周波

まず、式(1)~(7)より、OPF 問題を定式化する。

Minimize F ( Pg , Q g ,V , δ)

数制御、予備力の確保、無効電力供給及び電圧制御、Suject to

ブラックスタートが挙げられる。周波数制御は系統

Pgi  Pdi  g Pi (V , δ)

全体の問題であり、電力市場に深く関わるためアン＊電気電子工学専攻＊電気電子工学専攻＊＊電気工学科＊＊電気工学科

(1)

(2)

110

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

Q gi  Qdi  g Qi (V , δ)

(3)



n

n 1

n

i 1

i 1 j i 1

 VHi (V Hi  Vi )     fij ( f max ij  f ij )PLi  Pgi  PHi

(4)

(10)

Q Li  Q gi  Q Hi

(5)

母線 i の無効電力出力 Qgi に関する限界費用 MCq i は

VLi  V gi  V Hi

(6)

f ij (V , δ)  f max ij(7)

ここで式(1)の目的関数は電源の燃料費の総和で式(11),(12)のように表される。

L  Qi   QLi   QHi  0
Q gi

(11)

MCq i   Qi    QLi   QHi(12)

無効電力出力 Qgi に関する MCqi は、ラグランジュ

あり、式(8),(9)のように表される。

F ( Pg , Q g , V , δ ) 

式(10)のラグランジュ関数が最小となる条件から、

関数 L が最小のときに、Qgi が追加的に単位量増加しng

 f i ( Pgi )(8)たときの電源燃料費の変化F を表している。従って、(9)ときの、その単位無効電力の価値を表すことになる。

但し、発電機の燃料費特性は有効電力に対する二

母線 i において得られる MCqi を積分することによっ次関数として近似し、ai, bi, ci は定数である。式(2),(3)て得られることがわかる。 VEqi の導出式を式(13)には母線 i に対する潮流方程式を表し、V,  は母線電

示す。

i 1

f i ( Pgi )  a i Pgi2  bi Pgi  ci

MCq i は母線 i に無効電力を単位量追加的に注入した
よって、母線 i に接続される無効電力の価値 VEqi は圧の大きさと位相角を表す n 次元ベクトル、 Pgi, Pdi
はそれぞれ母線 i に接続している電源の有効電力出力と負荷の有効分である。また、 Qgi, Qdi は母線 i に

Qgi

VEq i 

 MCq i (Q gi )dQ gi

Qg 0 i(13)

接続している無効電力供給源の無効電力出力と負荷

但し、 Qg0i は無効電力供給源導入前の無効電力出の無効分である。式(4)と(5)は、それぞれ Pgi と Qgi力である。また、系統に設置された全無効電力供給の上下限、式(6)は母線 i の電圧 Vi の上下限、式(7)源の価値を以下の式(14)で定義することができる。

は母線 i と母線 j を結ぶ送電線の潮流制約を表す。
式(1)~(7)の OPF 問題は、次のラグランジュ関数
を最小化する問題に置き換えることができる。

L( Pg , Q g , V , δ, λ P , λQ , μ P , μ Q , μV , μ f )

F





(14)

i 1

３．送電能力向上効果による地点別価値評価 [4]この手法は、各母線に設置された無効電力供給源n  Pi Pgi  Pdi  g Pi の無効電力出力が、最大輸送電力の増大にどれだけ

i 1



n

TVEq   VEq i

貢献しているかに基づき評価を行う手法である。無

n

n

i 1

i 1

 Qi Q gi  Qdi  g Qi    PLi ( Pgi  PLi )
n

n

i 1

i 1

効電力供給源の効果により母線 i の最大輸送電力 Pdi
を延ばすことが出来、その評価は負荷増加係数 の最大化を目的関数とした OPF により導出される無効
電力需給バランス式に関わるラグランジュ乗数を用 PHi ( PHi  Pgi )   QLi (Qgi  QLi )
n

n

i 1

i 1

  QHi (QHi  Q gi )   VLi (Vi  V Li )いて行っている。
まず、式(15)~(21)より、OPF 問題を定式化する。

 n
Minimize F ( )    Pdi  i 1

(15)

橋本，土井：電力流通における無効電力の価値評価手法に関する検討

Suject to

Pgi  Pdi  g Pi (V , δ)

(16)

Q gi  Qdi  g Qi (V , δ)(17)PLi  Pgi  PHi(18)

Q Li  Q gi  Q Hi

(19)

VLi  V gi  V Hi

(20)

f ij (V , δ)  f max ij(21)

式(15)~(21)で表される問題は、ある負荷増加シナ





111

n

ng

i 1

i 1

  QHi (Q Hi  Q gi )   VLi (Vi  VLi )
ng

n 1

i 1

i 1 j  i 1n

 VHi (V Hi  Vi )     fij ( f max ij  f ij )(22)

式(22)のラグランジュ関数が最小となる条件から、
母線 i の無効電力出力 Qgi に関する増分輸送電力-Qi
は式(23),(24)のように表される。

L  Qi   QLi   QHi  0
Q gi

(23)

 Qi   QLi   QHi(24)

リオを設定し、そのシナリオの下で各種制約を満足

無効電力出力 Qgi に関する-Qi は、ラグランジュ

する範囲で各負荷を最大限増加させて各母線におけ関数 L が最小のときに、Qgi が追加的に単位量増加しる最大輸送電力量を求めるものである。この手法でたときの最大総負荷需要(最大輸送電力と等価)の変は各負荷の力率は一定であり、総需要に対する各負化 F を表している。従って、-Qi は母線 i に無効電荷の分配率は一定であるという負荷増加シナリオを

力を単位量追加的に注入したときの、その最大輸送設定している。

電力の増分を表すことになる。よって、母線 i に接式(16),(17)は母線 i に対する潮流方程式を表し、続される無効電力供給源の地点別価値 VTqi は母線 i

V, は母線電圧の大きさと位相角を表す n 次元ベクにおいて得られる-Qi を積分することによって得ら

トル、 Pgi, Pdi はそれぞれ母線 i に接続している電源れることがわかる。 VTqi の導出式を式(25)に示す。

の有効電力出力と負荷の有効分である。また、 Qgi,

Qdi は母線 i に接続している無効電力供給源の無効電

Q g max i

VTq i   Qi (Q gi )dQ gi

Qg 0 i

力出力と負荷の無効分である。式(18)と(19)は、そ(25)

れぞれ Pgi と Qgi の上下限、式(20)は発電機母線 i の

但し、 Qg0i は無効電力供給源導入前の無効電力出

電圧 Vgi の上下限、式(21)は母線 i と母線 j を結ぶ送力で Qgmaxi は母線 i の無効電力最大出力である。ま電線の潮流制約を表す。式(15)~(21)の OPF 問題は、た、系統に設置された全無効電力供給源の価値を以次のラグランジュ関数を最小化する問題に置き換え

下の式(26)で定義することができる。

ることができる。

L( Pg , Q g , V , δ, λ P , λQ , μ P , μ Q , μV , μ f ,  ) F 

n VTqi
i 1

(26)

n

  Pi Pgi  Pdi  g Pi 

４．無効電力調達コストによる アンシラリーサー

i 1



TVTq 

ビスの 価値評価 [5]

n

n

i 1

i 1

 Qi Q gi  Qdi  g Qi    PLi ( Pgi  PLi )
n

n

i 1

i 1

 PHi ( PHi  Pgi )   QLi (Qgi  QLi )この手法は、独立系統運用者(ISO)が発電事業者
から無効電力を調達する際にかかるコストを算出し、適切な配分ルールに基づいて価格を決定する手法である。ここで、無効電力価格を算出するための有効電力調達コスト最小化問題は以下のように式(28)~(34)の制約条件のもと、(27)式を最小化する問題として定式化される。

112

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

Minimize C 

 C g ( Pg )

gG

(27)

Suject to

Pi 
Qi 

d Di

 Q g   QdgGiと基準値である C1 との差が負担度として評価できる。

 Pg   PdgGi

大きいほど C1 よりコストは減る。これらのコスト

d Di

(28)
(29)

Pg ,min  Pg  Pg ,max

(30)

Pg 2  Q g 2  S g ,max 2(31)

 i ,min   i   i ,max

(32)以上より、貢献度の算出を全ての事業者に行って、負担度の比率で調達コストを回収し、貢献度の比率
で調達コストを按分することになる。

５．電圧制御地域による局地的な無効電力市場形
成 [6]
この手法は、電気的距離という概念を用いて電力システムをいくつかの重複しない電圧制御地域に分けることで、局所的な無効電力市場を形成するものである。

Vi ,min  Vi  Vi , max(33)

Pij ,min  Pij  Pij ,max

(34)の逆数である V/Q であり、無効電力の母線注入による電圧変動の伝達を反映するものである。二つの母線間の電圧変動の大きさは母線間電圧の最大減少

ただし

C g ( Pg )  a g Pg2  bg Pg  c g

電気的距離が意味するのはヤコビ副行列の Q/V(35)

で式(35)の ag, bg, cg は定数である。
式(28),(29)は母線 i に対する潮流方程式を表し、

Pg, Qg は発電機 g の有効無効電力出力、Pd, Qd は負荷
d が必要とする有効無効電力である。また、i, j は母
線番号を示し、Gi, Di は母線 i に接続する発電機、負荷の集合である。式(30)は Pg の上下限、式(31)の Sg,max
は発電機 g の最大皮相電力、式(32)は母線 i におけ量で表せることができ、これらの減少は V/Q によって簡単に決められる。
システムの母線全体の間での減少行列を式(36)に示す。

 Vi  Q j  ij 
 V j  Q j 

(36)る電圧位相角 i の上下限、式(33)は母線 i の電圧 Vi

一般に ij ji であるため、電気的距離において対の上下限、式(34)は母線 i と母線 j 間の送電線潮流

称特性を持たせるため二つの母線 ij 間で電気的距離

Pij の上下限を表す。

を定義する。

式(27)~(35)において系統内における電圧、無効電力に関する制約を考慮する場合のコストを C1 とし、Dij  D ji   log( ij   ji )(37)

考慮しない場合のコストを C2 とし、それぞれ 2 つ式(37)で求めた電気的距離を系統の中で最大のもの場合に対して有効電力調達コスト最小化を目的関ので割ることで標準化を行い、電気的距離に従った

数とした OPF 問題を解き C1、C2 を算出する。こ

区域の決定を行うことが出来る。

こで C1 は無効電力調達コストの配分を行う際に各発電機母線を i、それ以外の母線を j とした電気的事業者の貢献度を評価する基準値として用い、 C1

距離 Dij をいくつかの範囲にわける。これらの関係から C2 を引いたものを無効電力調達コスト Cr と定を具体的に示すと義する。

0  Range1  R1

そして貢献度については、算出の対象が発電機 g

R1  Range 2  R2の場合 Qg=0 として計算を行い、無効電力が供給さR 2  Range3  R3 ...

れないことによる影響により、基準とする C1 より

R1  R 2  R3  ...

コストは増加する。基準値からの差を発電機 g の貢となる。まず、Range1 から区域の決定を行い、母線献度とする。

j と母線 i が R1 よりも短いなら、言い換えれば、 Dij

次に負荷 d の負担度を考えると、負荷 d の負担がが Range1 に含まれるならその母線は発電機 i のグル橋本，土井：電力流通における無効電力の価値評価手法に関する検討

113

ープとなる。このグルーピングを Range1 の全てのまうことが考えられる。また、市場を分割するため発電機母線について繰り返す。もし、まだいくつか分割された市場と市場を結ぶ送電線の潮流が不明瞭の母線がどのグループにも入らなければ、 Range2、になり、系統全体の状態が見えにくくなってしまう

Range3 とグルーピングを繰り返す。そして全ての母という欠点もあると考えられる。

線が最低限一つのグループに入るようにすることで、電圧制御地域を分けることができる。

７．本研究で提案する価値評価手法
本研究では、有効電力損失の低減効果による無効

６．紹介した手法の考察

電力供給源の地点別価値評価法を提案する。無効電2 章で紹介した総燃料費削減効果による無効電力

力の地点別価値を、電力ネットワーク全体の有効電源の地点別価値評価法の利点は、電源の総燃料費を

力損失を力率改善によってどれだけ低減出来たかと低減するという考えに基づいているため、系統参加

いった観点から評価を行うため、市場全体で無効電者にとって無効電力供給源の設置による効果が明確

力の価値評価を行える。また、無効電力供給源の設であり、価値が非常に明確であると考えられる。し置による効果が非常に明確となり、系統参加者にとかし、文献[7]によると発電機母線において初期状態っては納得しやすく、より公平な価値決めが出来るですでに無効電力出力が最大となっている場合評価のではないかと考えられる。

できないという欠点が示されている。

スラ ックノード を除く各発電 機母線に供 給され3 章で紹介した送電能力向上効果による評価した

る有効・無効電力を PG, QG とし、各負荷母線で消費

無効電力供給源の地点別価値評価手は、増分輸送電する有効・無効電力を PL, QL とし、ネットワーク全力の増大に焦点を当て無効電力の価値評価を行って体の有効電力損失を Ploss、調相設備などの無効電力いる。そのため、系統運用者から見れば無効電力に源から供給される無効電力を Qc とするとよる送電能力の向上という明確な価値を見出すことが出来ると考えられるが、系統参加者にとっては増分輸送電力の増大効果は不明瞭であり、納得するの

PG  PL  f P V , δ (38)Ploss  g V , δ 

(40)

(39)

QG  Q L  Q C  f Q V , δ は難しいと思われる。また、限界費用に基づく地点を得る。式(38),(39),(40)において、 V,  の変化に対別価値評価と同様に、文献[7]によると発電機母線にして、各発電機母線に供給される有効・無効電力 PG,

おいて初期状態ですでに無効電力出力が最大となっ

QG 及び各負荷母線で消費する有効・無効電力 PL, QLている場合評価できないという欠点が示されている。

が変化しないとすれば4 章で紹介した無効電力調達コストによるアンシ
ラリーサービスの価値評価法は、ISO が発電事業者
から無効電力を調達する際にかかるコストを算出し配分する手法であるため、発電側は利益を得て、負荷側はコストを負担する形になっている。そのため、コストの決め方に関しては透明度が高いという利点

0

f P
f
V  P δVδQ C Ploss 

f Q

f Q

δ

(42)

g
g
V 
δ
V
δ

(43)

V

V 

(41)

δ

が存在するが、負荷側がコストを全て負担しているを得る。ところで、式(41),(42),(43)において変数は状況であるため、負荷側から見れば納得の行かないV、 であるため、これらを消去することができる。

配分になっていると考えられる。また、コストに関心が余りに行き過ぎることで、系統の状態が見えにくくなってしまうという欠点もあると考えられる。

 g g  f  1 f 
P 
Ploss   P V δ  δ  V 


5 章で紹介した電圧制御地域による局地的な無効1

場を分割しているため、発生と消費が局所的な無効 f Q f Q  f  1 f 
P 


Q C
 P
 V
δ  δ  V 

電力と非常に相性の良い市場を形成できると考えら

ここで、式(44)を簡単にするために Qc の係数を

電力市場形成法では、電気的距離を用いることで市れる。しかし、分割の方法によっては、発電機が少なすぎるような地域が出てしまう問題が発生してしと置くとPloss  αQ C

(44)

(45)

114

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）と表すことが出来る。
式(45)より、電力系統の各地点における無効電力
供給源の設置による有効電力損失の低減効果が算出
でき、初期値によって決まる係数ベクトル  の要素の大小により、無効電力の地点別価値評価を行うことができる。

８．今後の展望
今後は、本研究で提案する有効電力損失の低減効
果による無効電力供給源の地点別価値評価法の実用

付録．潮流方程式
電力系統のアドミタンス行列を次のように表す。

Ykm  G km  jBkm

また、各母線電圧を次のように極座標表示で表す。

Vk  V k  k

(A2)

すると、各母線に流れ込む有効・無効電力及び母線電圧は式(A1),(A2)を用いて化に向けて以下の検討を行う予定である。
（1） 式(45)の係数ベクトル が、様々な運用状態

(A1)

N

Pk  Vk  Vm Gkm cos k   m   Bkm sin  k   m m 1

においてどのように変化するかを解析し、価(A3)

値評価の評価指標としての汎用性について検討する。
（2） 全系統参加者の合意形成が可能な損失を含

Qk  VkN Vm Gkm sink   m   Bkm cosk  m 

m 1

(A4)

めた有効電力の需給分担を考慮できる電力
潮流計算モデルについて検討する。
（3） 価値評価のための詳細アルゴリズムを決定する。
（4） 大規模実系統に適用し、本手法の有効性を検証し、大規模系統における計算効率向上のための数値計算法を検討する。

V k  Vk

(A5)と表すことが出来る。また、各母線電圧を式(A6)のように直角座標表示で表した場合を考える。

Vk  ek  jf k

(A6)

この場合、各母線に流れ込む有効・無効電力及び参考文献[1] 系統運用・制御の動向：林 秀樹、電学誌 127 巻
2 号、pp.85-88(2007)[2] 電力系統の新しい計画・運用の動向：宮内 肇、
平成 19 年電気学会全国大会、pp.19-22(2007)[3] 限界費用に基づいた無効電力供給源の価値評価
手法：山下 透、斎藤 浩海、平成 18 年電気学会全国大会、pp.205-206(2006)[4] 電圧アンシラリーサービスの地点別価値評価に関する理論的検討：山下 透、斎藤 浩海、電気学会研究会資料、PSE-06-121、pp.31-36(2006)[5] 無効電力アンシラリーサービスのコストベース
プライシング手法に関する検討：植木 悠次、原亮一、北 裕幸、田中 英一、長谷川 淳、平成 19年電気学会全国大会、pp.311-312(2007)[6] Localized Reactive Power Markets Using theConcept of Voltage Control Areas：Jin Zhong,
EmiliaNobile,Anjan
Bose,
KankarBhattacharya 、 IEEE TRANSACTIONS ON
POWER
SYSTEMS,VOL.19,NO.3,AUGUST
2004、pp.1555-1561[7] ラグランジュ乗数の積分値に基づく無効電力供給源の地点別価値評価：山下 透、飛田 雄一、斎 藤 浩 海 、 平 成 19 年 電 気 学 会 全 国 大 会 、
pp.313-314(2007)

母線電圧は式(A1),(A6)を用いて
Pk 

Qk 

n

 (Gkm em ek  Bkm ek f m  Bkm em f k  Gkm f m f k )

m 1

(A7)

n

 ( Bkm em ek  Gkm ek f m  Gkm em f k  Bkm f m f k )

m 1

(A8)

Vk 2  e k 2  f k 2(A9)と表すことが出来る。
（平成 23 年 1 月 7 日

受理）（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

115

地域企業技術者向けテクノクロス講座(電気系)講座の実施分析
大塚友彦 、舘泉雄治 、木村知彦 、新國広幸 、松岡 敏 、
地域企業技術者向けテクノクロス講座（電気系）
講座の実施分析新田武父 、三谷知世 、佐々木桂一
1

2

2

2

3

4

3

5

Carrier up Seminar on ElectricalEngineering
for **，木村知彦
Regional Engineersand **，松岡
its Case Report
大塚友彦*，舘泉雄治**，新國広幸
敏 ***，
2
3
Tomohiko OHTSUKA1, Yuji Tateizumi2, Tomohiko新田武父
KIMURA2, Hiroyuki
NIKKUNI,Satoshi
MATSUOKA,***，三谷知世 ****，佐々木桂一 *****
3

4

NITTA , Tomoyo MITANI , Keiichi SASAKI
Carrier up Seminar on Electrical Engineering forTakenori
Regional
Engineers and its Case Report

5

HTSUKA
Yujirecurrent
TATEIZUMI, Tomohiko
IMURA, Hiroyuki
NIKKUNI,
Tomohiko
In this paper, a summaryof a O
trialof ,theeducation
for Kelectronicand electronics
engineering for regional enterprises
around ,Tokyo
National
Collegeof Technology
is reported.
Takenori
NITTA, Tomoyo
MITANI, Keiichi
SASAKI
Satoshi MATSUOKAIn In
thethisreeducation,
there
are
2
courses,i.e.
thefundamental
designofembeddedsystems
andpaper, a summary of a trial of the recurrent education for electronic and electronics
engineering forenterprisesfor
aroundTokyoof Technology
is reported.
In thefundamentals
ofregional
infrastructures
servers
andNational
networkCollege
systems.
Every engineer
from regional
reeducation, there
areall2 courses,
fundamental
designembeddedsystems
fundamentals
enterprises
studiescoursesi.e.tothestudy
fundamental
ofofthese
topics.
It wasandfoundfrom theof infrastructures for servers and network systems. Every engineer from regional enterprises studies
analysisquestionnairea lotof them
understandit theis importantthe
all coursesoftothe
study
fundamentalthatof these
topics.
It wasfound fromanalysis of totheunderstandquestionnairethat a lot of themis importantto understandthe fundamentals
in a variety of areas offundamentals
in aunderstandvariety ofit areasof engineering
to becomegood engineers.
engineering reeducation,
to become goodengineers.type practice, fundamental engineering)(Keywords:
experience(Keywords: reeducation, experience type practice, fundamental engineering)

１．はじめに
平成２０年度に地域企業の本校に対する期待

２．電気電子工学系テクノクロス講座の概要

や 要 望を 調査 する ため 、八 王 子市 内の 企業 を中 心

テ クノ クロ ス講 座 (電気 系 )の 日程 概 要を 表１にに ア ンケ ート 調査 を行 った 。 その 結果 、市 内企 業

示 す 。今 年度 は、 「 PIC マ イ コン を用 いた 入出 力の 半 数以 上が 通常 勤務 を継 続 しつ つ、 社内 の専 門

制 御 実験 」(１ 日間 )、 「社 内 向け サー バの 構築 」

的 ・ 技術 的な 実務 担当 者に 短 期で 基礎 修得 でき る

（ 1 日間 ）、並 びに「 PIC マ イ コン を用 いた シリ ア

講 座 を本 校に 要望 して いる こ とが 明ら かに なっ た。

ル 通 信実 験」 （１ 日間 ）を 実 施し た。

一 方 、リ ーマ ンシ ョッ ク以 降 、現 在も なお 経済「 PIC マ イコ ンを 用い た入 出 力制 御実 験」 は昨

激 変 は八 王子 市内 の製 造業 に も深 刻な 影響 を及 ぼ

年 度 に引 き続 き開 講し た講 座 で、 今年 度も マイ コ

し 続 けて いる 。現 状を 打破 す るた め、 多く の製 造

ン 初 心者 を対 象に 、マ イコ ン の仕 組み から LED 点

業 は 下請 けか らの 脱却 を試 み 、製 品開 発型 企業 を灯 制 御や モー タ制 御の 基礎 ま でを 実習 した 。受 講

目 指 し始 めて いる 。し かし 、 多く の中 小規 模の 製者 に は、 昨年 度と 同様 にマ イ コン を初 めて 使用 す

造 業 では 、適 切な 基礎 知識 を 有す る後 継技 術者 育る 多 数含 まれ てい た。 今年 度 は昨 年度 の経 験を 活

成 に 苦労 して いる のも 実情 で ある [1][2]。

か し 、初 心者 にも 理解 を深 め やす くす るた め実 験

こ う した 地域 の実 情を 踏ま え 、本 校で は、 昨年

実 習 時間 を多 く組 み込 んで い る。 その 結果 、後 述

度 よ り、 夏季 休業 期間 中（ ８ ～９ 月） を利 用し ての 受 講者 アン ケー トか らも 分 かる よう に概 ね高 いも の づく りを 担う 地域 の社 会 人技 術者 向け にテ ク

満 足 度を 得る こと が出 来た 。

ノ ク ロス 講座 を開 講し た[3]。本講 座は 、主 に講 師

「 社内 向け サー バ構 築」 は 、今 年度 新規 に開 講

は 本 校教 職員 、本 校施 設を 活 用し た実 験実 習を 中し た 講座 で、 サー バの 基礎 知 識か らサ ーバ の構 築

心 と する 講座 で、 機械 系、 電 気系 、化 学系 の３ 分や 運 用に 至る 基本 的な 実務 能 力向 上を 目的 とし た

野 か ら構 成さ れる 。各 分野 共 に基 礎知 識修 得を 主

講 座 であ る。 初心 者の 受講 者 も少 なく ない と想 定

眼 と した 講座 内容 とし てい る 。ま た 、本 講座 では 、し 、 講座 の大 半を 実習 時間 に 割り 当て 、実 習を 通

参 加 企業 間の 情報 交換 、参 加 受講 者と 高専 教職 員

じ て 理解 を深 めら れる よう に した 。実 習項 目は 、と の ネッ トワ ーク 作り も試 み てい る。

Ｌ ｉ ｎｕ ｘ系 サー バＯ Ｓの 構 築、 グル ープ ウエ ア

本 報 告で は、昨年 度に 引き 続 き開 講し た今 年度

Ａ ｉ ｐｏ の構 築、 仮想 環境 構 築で 、こ れら 実習 をの 電 気電 子系 分野 のテ クノ ク ロス 講座 につ いて 、通 じ て社 内向 けサ ーバ の構 築 から 運用 に至 る基 本

実 施 状況 と効 果測 定の 結果 に つい て分 析・ 考察 を的 業 務を 体験 学習 でき るよ う にし た。 後述 の受 講

行 っ たの で、 これ につ いて 報 告す る。

者 ア ンケ ート から も分 かる よ うに 概ね 高い 満足 度

1)電 子 工 学 科 、 2)電 気 工 学 科 、 3)教 育 研 究 技 術 セ ン タ ー 、 4)物 質 工 学 科 、 5)産 業 技 術 セ ン タ ー＊電子工学科＊＊電気工学科＊＊＊＊物質工学科＊＊＊教育研究技術センター＊＊＊＊＊産業技術センター

116

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

を 得 るこ とが 出来 た。
「 PIC マ イコ ンを 用い たシ リ アル 通信 実験 」では 、 昨年 度も 開講 した 講座 で 、シ リア ル通 信の 仕組 み から C 言 語に よる シリ ア ル通 信の 基礎 知識 を
修 得 する こと を目 的と して い る。 昨年 度の 経験 か
ら 、 初心 者の 受講 者に も理 解 を深 めや すく する た
め 、 専門 用語 の説 明や 実験 実 習時 間を 十分 確保 す
る 等 の工 夫を 施し てい る。 そ の結 果、 後述 の受 講
者 ア ンケ ート から も分 かる よ うに 概ね 高い 満足 度
を 得 るこ とが 出来 た。
本 講座 の出 席者 は計 １２ 名 で、 講座 の内 容に より 出 席者 が多 少変 動し てい る 。図 １～ ３に 各テ ー
マ の 実習 風景 を示 す。
図 １ ．PIC マ イコ ン を用い た 入出 力制 御実 験
表 １ ．テ クノ クロ ス講 座(電 気電 子工 学 系)の日 程
講座名

PICマイコンを用いた入出力制御実験

概要

PICマイコンを用いて簡単な回路を作製し、入出力（スイッチ入力による、LEDの点灯点
滅・モータの制御）制御実験を通して、基礎的なマイコンの扱い方を学習する。

担当

電気工学科：木村(知)、新國、電子工学科：大塚、技術職員：松岡、新田

講座時間

７時間/日×１日＝ ７ 時間

会場

第３棟３階システム・デザイン実験室(３３０１号室)

9月6日●マイコンを用いた回路製作の基礎
・開発ツールの使用法を修得する。
・アセンブリ言語による組込みソフトウエアの作り方
・マイコンを用いた基本的な入出力
・PICマイコンによるLEDの点灯・点滅実験
制御の基礎を修得する。
・PICマイコンによるモータの制御実験

研修内容

到達目標

講座名

社内向けサーバの構築

概要

サーバに関する基礎知識を修得すると共に、実際にＯＳのインストール実習、グループウ
エアサーバ構築実習、仮想環境構築実習を通じ、実務的な能力を向上させる。

担当

電気工学科：舘泉、木村(知)、新國、電子工学科：大塚、技術職員：松岡、新田

講座時間
会場

７時間/日×１日＝ ７ 時間
研修内容

9月7日

図 ２ ．社 内向 けサ ーバ 構築

第３棟３階システム・デザイン実験室(３３０１号室)●社内向けサーバの構築
・サーバに関する基礎知識
・ＯＳのインストール実習
・グループウエア構築実習
・仮想環境の構築実習

到達目標
・社内サーバ向けサーバＯＳ運用のための基礎的な能力を修得する。
・社内向けグループウエアサーバ構
築の基礎的な実務能力を修得する。
社内向け仮想環境整備の基礎的な

講座名

PICマイコンを用いたシリアル通信実験

概要

C言語を用いたPICマイコン設計実験を通じ、シリアル通信の基礎を学習する。

電子工学科：大塚、電気工学科：木村(知)、新國、技術職員：松岡、新田担当
講座時間
７時間/日×１日＝ ７ 時間

会場

第３棟４階情報系実験室(３４０２号室)

研修内容●マイコン・シリアル通信の基礎
9月13日 ・C言語による組込みソフトウエアの作り方
・シリアル通信回路の使い方
・PICマイコンによるシリアル通信実験

到達目標
・C言語による組込みソフトウエア
技法の基礎を学ぶ。
・シリアル通信の基礎を学ぶ。

３．受講者アンケート調査とその分析
３．１．受講者の専門・業務経験について
受 講 者の 専門 分野 ・業 務経 験 に関 する アン ケー

図 ３ ．PIC マ イコ ン を用い た シリ アル 通信 実験

ト 結 果を 表２ に示 す 。専門 分 野は 昨年 同様 、電気・た 。 また 、本 講座 に期 待す る こと とし て、 全員 が電 子 系の 方が 最も 多い 結果 と なっ てい るが 、機 械

基 礎 の学 び直 しを 挙げ てい た 。こ れは 昨年 度と 同系 技 術者 の割 合が 昨年 以上 に 増え てい るこ とも 特様 の 結果 であ る。 この こと か ら、 受講 者は 、本 講

徴 的 であ る。 また 、参 加者 全 般的 にマ イコ ンや サ

座 を 通じ 、こ れま で業 務経 験 した こと がな い新 たー バ に関 する 業務 経験 はあ ま りな いこ とが 分か っな 分 野の 基礎 知識 修得 を目 指 して いる こと が伺 え117

大塚，舘泉，木村，新國，松岡，新田，三谷，佐々木：地域企業技術者向けテクノクロス講座（電気系）講座の実施分析

る 。 業務 経験 のな い受 講者 が 主と なる ため 、講 座

た 、 本講 座の 最中 も担 当講 師 は注 意深 く受 講者 ので は 出来 るだ け具 体的 な題 材 を取 り上 げ、 基本 的

反 応 を確 認し なが ら説 明方 法 を工 夫し てい た。 こ

な 考 え方 をイ メー ジし やす く 工夫 し、 受講 者の モ

う し た努 力や 配慮 も受 講者 の 理解 深化 に影 響し て

チ ベ ーシ ョン 維持 を図 った 。

い る もの と考 えら れる 。

一 方、 申込 みの 契機 は、 今 年度 も全 て会 社・ 知

表２のように受講者の専門分野や業務経験は

人 の 勧め であ った 。本 講座 の 募集 は、 ポス ター 等

幅 広 かっ ただ けに 、全 ての 項 目に 受講 者が 理解 を様 々 な方 法で 広報 した が、 広 報戦 略の 改善 はな お

示 し てく れた こと は予 想以 上 の成 果と 言え る。

も 課 題と して 残っ てい るこ と が浮 き彫 りと なっ た。

表 ３ ．受 講者 の理 解度 ・満 足 度に 関す る集 計

表 ２ ．受 講者 の専 門分 野・ 業 務経 験の 集計 (人)
選択肢欄
③
④

設

問

受講前アンケート①②③④

受講後アンケート
①
②
③
④

３

３

１

０

０

０

５

３

３

２

２

０

０

０

２

６

１

４

３

０

０

０

２

６

３

３

２

０

０

０

２

６

４

２

１

０

０

０

４

４

６

１

０

０

０

０

４

４

５

３

０

０

０

０

５

３

６

１

１

０

０

０

４

２

５

１

２

０

０

０

４

２

６

１

１

０

０

０

３

３

ケ ー トの 段階 で明 らか にな っ た受 講者 の予 備知 識

(1) マ イ コ ン の 使 い 方 をご存知ですか。
①
全く知らない②あまり知らない③
少し知っている④
良く知っている(2) ア セ ン ブ ラ に よ る マ
イコンのプログラミング
技法をご存知ですか。
①
全く知らない②あまり知らない③
少し知っている④
良く知っている(3) マ イ コ ン を 使 っ てLED を 制 御 す る 方 法 を ご存知ですか。
①
全く知らない②あまり知らない③
少し知っている④
良く知っている(4) マ イ コ ン を 使 っ て モータを制御する方法をご存知ですか。
①
全く知らない②あまり知らない③
少し知っている④
良く知っている(5) マ イ コ ン を 使 っ て PCとシリアル通信する方法をご存知ですか。
①
全く知らない②あまり知らない③
少し知っている④
良く知っている(6) C 言 語 に よ る マ イ コ ンのプログラミング技法をご存知ですか。
①
全く知らない②あまり知らない③
少し知っている④
良く知っている(7)UNIX を ご 存 知 で す か 。
① 全く知らない② あまり知らない③ 少し知っている④ 良く知っている(8)Web サ ー バ を ご 存 知 ですか。
① 全く知らない② あまり知らない③ 少し知っている④ 良く知っている(9)グ ル ー プ ウ エ ア を ご 存
知ですか。
① 全く知らない② あまり知らない③ 少し知っている④ 良く知っている(10) グ ル ー プ ウ エ ア の 設
定方法をご存知ですか。
① 全く知らない② あまり知らない③ 少し知っている④ 良く知っているを 前 提に 、当 初の 予定 より も テキ スト や講 義の 説

※表の数値は回答人数を表す。

明 を 初心 者向 けに 組み 直し た 。受 講者 の予 備知 識

３．３．本講座の日程等について設問

ご 専 門 を お 聞 か せ 下 さ い（ 最 も 近 い も の を １ つ
選 択 し て 下 さ い ）。
①電気・電子系
②機械系
③情報系
④化学系
⑤その他
講座にお申し込みをされたきっかけは何ですか。
①ホームページ②ポスター③会社・知人の勧め④商工会議所の紹介⑤その他
本 講 座 に 期 待 す る こ と は 何 で す か（ 最 も 近 い もの を １ つ 選 択 ）。
①基礎を学び直したい②応用を学びたい③新分野進出のため④高専の教職員と知り合いたい⑤その他
業務でマイコンを使われたご経験はありますか。
①全くない②あまりない③少しある④頻繁に行っている
業務で各種サーバ構築またはその管理を使われたご経験はありますか。
①全くない②あまりない③少しある④頻繁に行っている

①

４

０

11

②

３

０

０

１

10

０

０

０

０

⑤

３

１

０

８

２

１

０

０

８

１

２

０

０

※表の数値は回答人数を表す。

３．２．本講座の効果測定について
本 講 座の 効果 測定 を行 うた め 、受 講前 と受 講後に お いて 、本 講座 に関 連の 深 い専 門知 識に つい て
受 講 者の 理解 度ア ンケ ート を 調査 した （表 ３） 。
表 ３ の受 講前 アン ケー トに よ ると 、受 講生 はマ
イ コ ン、 サー バ構 築の いず れ に関 して も殆 ど予 備
知 識 を持 って いな かっ たこ と が確 認で きる 。
し か し、 受講 後の アン ケー ト 調査 では 、表 ３に 示
す １ ２項 目全 てに つい て理 解 が深 まっ たと の印 象
を 得 てい たこ とが 確認 され た 。昨 年度 以上 に全 般
的 に 予備 知識 のな い参 加者 が 増え てい るこ とが 確
認 さ れる 。本 講座 の講 師陣 は 、初 日の 受講 前ア ンに 応 じた 対応 が迅 速だ った た め、 結果 とし て受 講

本講座の日程、講座のレベル、講師の教え方、者 の 理解 を助 ける に至 った も のと 考え られ る。 まテ キ スト 等に 関す るア ンケ ー ト結 果を 表４ に示 す。

118

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

い ず れの 項目 につ いて も、 受 講者 は概 ね満 足を 示

４．まとめ

し て いた 。一 方、 日数 に関 し ては もう 少し 講座 時

本 報 告で は、 地元 企業 技術 者 向け に開 講し たテ

間 の 余裕 を望 む受 講者 もい た 様子 であ った 。傾 向ク ノ クロ ス講 座の うち 、電 気 系分 野の 講座 の実 施と し ては 昨年 度と 同様 であ っ た。

概 要 につ いて 報告 した 。講 師 は本 校教 職員 が担 当

表 ４ ．本 講座 の日 程等 に関 す る集 計設問

1 日 7 時 間 と い う 講 義 時 間 (実 験 実 習 含 む )は適切でしたか。
① 不適切② 少し不適切③ やや適切④ 適切
開 催 日 数（ ３ 日 間 ）と い う 日 数 は 適 切 で し
たか。
① 不適切
② 少し不適切③ やや適切④ 適切
午 前 10 時 開 始 、 午 後 5 時 終 了 と い う 講 義
時間は適切でしたか。
① 不適切② 少し不適切③ やや適切④ 適切
講 義 の 内 容 (レ ベ ル )は 適 切 で し た か 。
① 不適切② 少し不適切③ やや適切④ 適切
講師の教え方は適切でしたか。
① 不適切② 少し不適切③ やや適切④ 適切
講義はあなたの仕事に役立ちそうですか。
① 全く役立たない② あまり役立たない③ 少し役立つ④ 大いに役立つテキストや教材は適切でしたか。
① 不適切② 少し不適切③ やや適切④ 適切

し 、 本校 施設 を活 用し て今 年 度９ 月に 計３ 日間 開

①

選択肢欄
②
③

④

１

１

９

講 し た。 日常 の業 務か ら離 れ 、自 身の 専門 外の 基
礎 実 習や もの づく り講 習が 受 講で きる とあ って 、

１

受 講 生は 開始 時刻 前か ら予 習 ・復 習に 余念 がな い様 子 で、 講義 終了 後も 講師 に 熱心 に質 問を して いる 真 剣な 姿が 見ら れた 。ま た 、受 講前 のア ンケ ー

０

３

４

４

ト 調 査か ら、 受講 者の 多く は 自身 の専 門分 野の 裾
野 を さら に広 げる ため 、業 務 体験 のな い分 野の 基
礎 知 識修 得に 強い 意欲 を持 っ てい るこ とも 確認 さ

０

１

２

９

れ た 。本 講座 の効 果測 定結 果 から 受講 者の 理解 度
向 上 も計 測さ れた こと から そ の有 効性 が確 認さ れて い る。 この 点は 昨年 度の 調 査と ほぼ 一致 する 結

０

１

４

６

果 と なっ た。 以上 のこ とか ら 、本 講座 は、 地域 企
業 に 人材 養成 の絶 好の 機会 を 提供 でき たと 判断 で

０

０

０

12

き る 。今 回の 経験 を今 後の 社 会人 向け 講座 に活 か
し て いき たい 。

０

０

８

４

今 後 の課 題と して 、主 催者 側 の準 備期 間の 調整 、
申 込 段階 で受 講者 の予 備知 識 や業 務経 験調 査、 受
受 講 者の その 後の 自学 自習 状 況の 追跡 調査 等が 挙

０

０

３

９

※表の数値は回答人数を表す。

３ ．４．参加企業間ネットワーク構築について
本講 座で は、講座 毎に開 講 式を 行い 、そ の際 に講 師 や受 講生 の所 属や 自己 紹 介を 行っ てい る。 この た め、 お互 い初 対面 であ る が、 講義 内や 休憩 時
間 に 情報 交換 を行 える 切欠 を 設け るこ とが でき た。
ま た 、講 師と も名 刺交 換等 を 通じ 、講 座終 了後 の質 問 窓口 等に つい ても 連絡 し てい る。 今年 度の 場
合 、講座 終了 後に 受 講生か ら の質 問(「 社内 向けサー バ 構築 」の講 座)に講 師が 回 答す る場 面も あっ た。

３．５．更なる技術向上のための試み
本講 座で は、各 講座 共に 基 礎的 な内 容に つい て、実 験 実習 を交 えな がら 体系 的 に学 習し ても らっ た。
テ キ スト には 、講 座に 関す る 内容 の他 に発 展的 内
容 や 参考 文献 等も 掲載 し、 受 講者 が講 座修 了後 に
自 学 自習 しや すく する ため の 配慮 も設 けた 。更 なる 技 術向 上を 支援 する には 、 参加 者の その 後の 学
習 状 況な ども 追跡 調査 する 、 イン ター ネッ トを 活
用 し た発 展的 な教 材提 供等 も 検討 する 必要 があ る。

げ ら れる 。

謝辞
本 講 座は 、八 王子 市委 託事 業 とし て助 成を 受けた も ので ある 。講 座の 開講 ・ 実施 に当 り、 電子 工
学 科 や電 気工 学科 の先 生方 、 技術 職員 の皆 様、 並
び に 総務 課企 画係 の皆 様に は 大変 お世 話に なり ま
し た 。こ の場 をお かり して 御 礼申 し上 げま す。

参考文献[1] 馬 越 幹 男 ,中 嶌 裕 之 ,平 川 靖 之 ,笈 木 宏 和 ,鳥 井昭美，“高専と地域産業・市民との連携”，
平 成 21 年度 工 学・工業 教育 研 究講 演会 講演 論
文 集 ，pp.88-89[2] 大 曽 根正 紀，“ も のづ くり企 業 技術 者を 創る ”，
平 成 21 年度 工 学・工業 教育 研 究講 演会 講演 論
文 集 ，pp.108-109[3] 大 塚 ,永 吉 ， 木 村 ， 小 池 ， 新 國 ， 松 岡 ， 新 田 ，
三 谷 ，佐 々木 ，“地 元企 業技 術 者向 け電 気電 子
工 学 系公 開講 座の 実施 とそ の 分析 ”，東 京高 専
研 究 報告 書第 41(2)号，2010，pp.47-50（平成 22 年 11 月 11 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011
位相限定相関法を用いた画像中のマーク位置検出119

青 木 宏 之, 吉 澤 昌 也
位相限定相関法を用いた画像中のマーク位置検出
Locating a Target in an Image Based on Phase Only Correlation

青木宏之 *，吉澤昌也 *Abstract:

Hiroyuki AOKI, Masaya YOSHIZAWA

Locating a Target in an Image Based on Phase Only Correlation

Locating a target in an image is usually done by both getting
the edge
informationof theentireHiroyuki
AOKI
and Masaya
YOSHIZAWA

image and identifying it with the shape of the target. Therefore, the locating algorithm needs to be
Locating a target in an image is usually done by both getting the edge information of the entire
modified when the shape of the target changes. This paper deals with a target locating algorithm
image and identifying it with the shape of the target. Therefore, the locating algorithm needs to be
using
Phase-Only(POC).
approachthe deals
meritwiththat athelocating
algorithm
ismodified
when theCorrelation
shape of thetargetThischanges.
Thishaspaper
targetlocating
algorithm
thesameeven if the
shape of thetargetvaries.
Furthermore,
POC hasperformance
in is
using
Phase-Only
Correlation(POC).
This
approach
has the meritthatexcellent
the locating
algorithm
the
same
even
if
the
shape
of
the
targetvaries.
Furthermore,POC
has
excellent
performance
estimating the displacement between an input and a registration image. Therefore, given that a inestimating thedisplacement
an inputandtargeta registration
image.
Therefore,
given that
registration
image
is preparedbetween
by placing
only thein a blank
image,
target locatingisa registration image is prepared by placing only the target in a blank image, target locating is
expected to be done successfully from the displacement of the input and the registration image. This
expected to be done successfully from the displacement of the input and the registration image. Thispaper
paper shows
showsthethebasic
basicperformance
performanceand
andeffectivenesseffectivenessofofthis
thisapproach
approachthroughthroughsome
somesimulations.
simulations.
(Keywords:
targetlocating,
phase
only
correlation,
registration
image,
blank
image)(Keywords: target locating, phase only correlation, registration image, blank image)
１．はじめにッジ情報からマークの形状を認識し，その位置を

近年の携帯電話やデジタルカメラ，マイコン・

割り出すというような手法は頻繁に用いられてき

パソコン等の高性能化・低価格化により画像デー

た．しかしながら，この手法では検出すべきマー

タの取り扱いが容易になり，さまざまな目的や用クの形状が代わる毎に検出アルゴリズムに手を加途に画像処理を行う機会が爆発的に増えてきた．

える必要が生じる．また，近年の撮像装置の高性

例えば，顔や指紋，静脈等の画像認識はもとより，能化に伴い，大規模・高精細な画像を扱うことがロボットや自動車における画像認識，莫大な画像容易になってきているが，画像サイズが大きくな

データベースの中から目的の画像を探し出す画像

れば処理時間も増大するという問題も含んでいる．

検索，工業用途の分野では画像による製品欠陥検

こうした問題を解決するために，本報告では POC

査・品質チェック，あるいは部品実装のための位の手法を適用したマーク位置の検出について検討

置合わせ制御等，様々な応用がなされている．

する．

そうした目的や用途に応じてこれまで様々な画像処理技術が開発されてきているが，その中で近２．位相限定相関（POC）

年 ， 位 相 限 定 相 関 （ Phase-Only Correlation;

図１に POC 処理の流れを示す．登録画像 g とPOC）を用いた画像照合技術がその性能の高さと入力画像 f をそれぞれ 2 次元離散フーリエ変換

応用範囲の広さから注目を集めている[1],[2],[3]．

（2-Dimensional Discrete Fourier Transform ;POC は 2 枚の画像の一致判別を行うと同時に，一2-D DFT）して得られる振幅成分と位相成分のう致と判別した場合には両画像の位置ずれ量を精度

ち位相成分のみを用いて相関演算を行う．

よく検出できる優れた性能を有している．
そこで本報告では，POC のこの優れた性質を活かして，ある背景画像の中に埋もれている特定なマークの存在ならびにその位置を検出する課題を検討する．これは様々な工業製品等の製造過程において画像の中から特定なマークを検出し，位置
合わせの制御を行おうとするような場面を想定している．従来，マークの位置検出として画像のエ＊電子工学科
電子工学科

以下に，POC の具体的な計算式を示す．画像サ
イズ N1  N 2 の画像 f ( n1 , n2 ), g ( n1 , n2 ) に対して，
その 2D-DFT を F (k1 , k 2 ), G (k1 , k 2 ) とすると，

F ( k1 , k 2 ) f ( n , n )el1 , l 2

12

 AF ( k1 , k 2 )e

i

2
2
k1 n1  i
k 2 n2N1
N2i F ( k 1 , k 2 )

e

(1)

120

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

DFT
登録画像
g

振幅

DFT : フーリエ変換
IDFT : フーリエ逆変換

位相

I DFT
相関画像

合成画像

DFT
入力画像
f

位相

図２ ’＋’マークを埋め込んだ入力画像 f

図１ POC 処理の流れ

G(k1 , k 2 ) g (n , n )el1 ,l 2

1

i

2

2
2
k1n1 ik 2 n2
N1
N2

e

(2)

 AG (k1 , k 2 )eiG ( k1 ,k2 )k1  0,, N1  1, k 2  0,, N 2  1
ここで，l1 ,l 2は，

 N 2 1N1 1l2  0l1  0e i F ( k1 ,k2 ) , e iG ( k1 ,k2 ) が各位相成分である．
相互パワースペクトルは次式で与えられる．
 F (k1 , k 2 )G (k1 , k 2 ) AF (k1 , k 2 ) AG (k1 , k 2 )e

(3)i  ( k ,k ) ( k ,k )
F

1

部分拡大

の意味であ

り ， ま た AF (k1, k2 ), AG (k1, k2 ) が 各 振 幅 成 分 ，R(k1 , k 2 )

部分拡大

振幅

2

G

1

2

図３ ’＋’マークのみを描いた登録画像 g（背景画像を真っ白とした場合）
３．POC を用いたマーク位置の検出
今，入力画像 f として図２に示すように縦 256
×横 256 pixel で，画像左上部分に’＋’のマークが埋め込まれている画像を考える．ここで，’＋’マー

ここで， G (k1 , k 2 ) は G (k1 , k 2 ) の複素共役を表す．まクは線幅を 1pixel，縦線と横線の長さを 5pixel として描いている．そして登録画像 g として真っ黒た，位相成分のみの相互パワースペクトル Rˆ (k1 , k 2 )（画素値=0）を背景として，0 でない任意の画素は次のように表される．

値で’＋’マークを左上端部に描いた画像（または，Rˆ (k1 , k 2 )F (k1 , k 2 )G(k1 , k 2 )(4)

F (k1 , k 2 )G(k1 , k 2 )ei  F ( k1 , k2 )G ( k1 ,k 2 )次元離散逆フーリエ変換(2-D IDFT)を行うこと
により次式で与えられる．
i

2

k n

i

2

k n

1
N 11 N 2 2 Rˆ (k1 , k 2 )e 1 e 2
N 1 N 2 n1 ,n2(5)

図１に示す POC 処理の流れで，最終的に得られる相関画像とは，この rˆ( n1 , n2 ) の絶対値をとったものとして与えられる．

電子工学科

い，得られた相関画像のピーク位置より画像 f の中の’＋’マークの位置を検出することを試みる．

位相限定相関関数 rˆ (n1 , n 2 ) は，この Rˆ (k1 , k 2 ) を 2

rˆ(n1 , n 2 )真っ白を背景として’＋’マークを描いた画像（図３））を用意して，画像 f との間で POC 処理を行

４．シミュレーション結果［シミュレーション 1］
図２の入力画像 f と図３の登録画像 g で POC処理を行った．得られた相関画像を図４に示す．
きれいなピークが表れており，このピークの位置
より’＋’マークの位置を正しく検出することができた．ここで，画像 f の最大輝度値は 163 で，最小輝度値は 16，全画素の平均輝度値は 87 である．
また，’＋’マークの縦線と横線は輝度値を 60 として描いている．図２の画像 f の場合，’＋’マーク

青木 , 吉澤：位相限定相関法を用いた画像中のマーク位置検出

この円内に‘＋’マークが描かれているきれいなピーク（ａ）検出不可の場合
図６
図４ 入力画像 f （図２）と登録画像 g （図３）121（ｂ）検出可能の場合’＋’の位置検出が不可の場合と可能な場合の画像例

を POC 処理して得られた相関画像
はたまたま背景画像の白い部分の上に来ているた
め，背景とのコントラストが強く表れていて検出は比較的容易な場合と考えられる．
［シミュレーション２］‘＋’マークの位置検出の難易度は，’＋’が置かれる背景画像部分とのコントラストに関係すると予想される．そこで，’＋’マークを画像 f に書き込
むときの画素値を変えながら，’＋’マークが正しく（ａ）図６（ａ）の画像に対する相関画像検出できるかを調べてみる．’＋’マークを書き込む
ときのひとつの画素値に対して，’＋’マークの書き込み位置をランダムに 100 回変えて，その位置が正しく検出できるか試行し，’＋’マークの画素値に対する検出成功率を求めてみた．その結果を図５に示す．
全体的な傾向として，画像 f の平均値に近い画
素値で’＋’マークが書き込まれるとき，検出成功率が一番低くなっている．また，’＋’マークが平均値（ｂ）図６（ｂ）の画像に対する相関画像
図７ 図６の画像に対する相関画像のようす%の倍程度の画素値で書き込まれた場合は，ほぼ100%で位置検出が可能となっている．図６に’＋’マークの位置検出が不可の場合と可能な場合の画像例を示す．図６（ａ）（ｂ）とも’＋’マークは同じ位置に置かれているが，（ａ）の場合は輝度値
輝度値
図５60 で書かれていて検出不可，（ｂ）の場合は輝度
値 100 で書かれていて検出可能となった例である．

’＋’マークの輝度値変化に対する検出成

図７にそれぞれの画像に対応する相関画像のよう功率の変化のようすすを示す．図７（ａ）ではクリアなピークは現れ

電子工学科

122

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）ていないが，図７（ｂ）ではクリアなピークが表
この円内に‘＋’マークが描かれている。‘＋’マークがこの明るさの場合，100％の確率で位置検出が可能である。

れている．
［シミュレーション３］
POC を用いたマークの位置検出の手法において，マークの形状に対する依存性がないかを確認する．
［シミュレーション２］と同じことをマークの形状を変えて‘◇’マークについて行う．
‘◇’の大きさは対角線の長さが’＋’の縦線，横線と同じ

図 10 背景を一様乱数とした場合の’＋’マーク検出の画像例

長さとなるよう設定した．その結果を図８に示す．
図５とほぼ同様のグラフが得られ，マークの形状に依存せずに位置検出が可能なことが確認できる．

５．まとめ
POC を用いたマーク位置の検出手法について
その基本的な性能・性質について検証した．本手法は画像全体のサイズに対してかなり小さなサイ％ズのマークでも位置検出が可能であり，また，マークの形状に依存せず同一処理で様々なマークの検出が可能である．また，図５，８，９の結果において，検出成功率が低下している部分は，本報
告では相関画像の最大ピークのみから位置を判定するという最も単純な見方をした結果であり，ピ
輝度値

ーク値の見方を工夫することにより，今後，更に検出成功率が高められる可能性がある．また，位図８ ‘◇’マークの輝度値変化に対する検出成功率の変化のようす

置検出の精度の点でもサブピクセル単位での精度向上が十分期待される．今後，更に詳細な検討が必要である．

［シミュレーション４］
背景の画像を一様乱数とした場合についても

参考文献［シミュレーション２］と同じ内容をみておく．
背景画像の輝度値の範囲は図２の画像 f の輝度[1] K. Takita, T. Aoki, Y. Sasaki, T. Higuchi, K.

値の範囲とほぼ合わせて，0 から 160 の範囲としImage Registration Based on Phase-Only

た．その結果を図９に示す．この場合の画像例をCorrelation”, IEICE Trans, Fundamentals,

図 10 に示す．

Vol.E86-A, No.8,pp.1925-1934, Aug. 2003.

Kobayashi,“High-Accuracy

Subpixel[2] K. Takita, MA. Muquit, T. Aoki and T.
Higuchi,“A

Sub-Pixel

Correspondence

Search Technique for Computer Vision％

Applications”, IEICE Trans, Fundamentals,
Vol.E87-A, No.8, pp.1913-1923, Aug. 2004.
[3] K.Ito, H. Nakajima, K. Kobayashi, T. Aoki,
T. Higuchi, "A Finger Matching Algorithm
Using Phase-Only Correlation," IEICE
輝度値

図９Trans, Fundamentals, Vol.E87-A, No.3,
pp.682-691, March 2004.

背景が一様乱数とした場合の’＋’マークの輝度値変化に対する検出成功率のようす

電子工学科（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書 第第42(2)号，2011
東京工業高等専門学校研究報告書
42（2）号，2011

123

実用装置製作を課した学生実験
実用装置製作を課した学生実験
永吉 浩＊、小池清之＊

永吉

浩 *，小池清之 *Electronic
Engineering
Laboratory
PracticalElectronic
Electronic
deviceElectronic
Engineering
Laboratoryfor
for PracticaldeviceDesignDesign

Hiroshi Nagayoshi and Kiyoyuki Koike

Hiroshi NAGAYOSHI and Kiyoyuki KOIKE
An
electric
engineeringfor practicalelectronic
deviceanddesignhaveto developedAnelectric
engineeringlaboratorylaboratory
program for program
practical electronic
device design
have developed
introduced
the 5th yearthandintroduced
the 5 year
studentclass in Intheof Electronic
Engineering.
In thestudentclass in theto
Department
of Electronic
Engineering.
the Department
program, each student
must design
and build an original
program,each student must design and build an original electronic device under limited conditions
electronic device under limited conditions to encourage their creativity and practical manufacturing technique. To achieve thisto encourage their creativity and practical manufacturing technique. To achieve this program
program successfully, teachers must support each design process in detail. Various kind of electronic devices have createdsuccessfully, teachers must support each design process in detail. Various kind of electronic devices
through this program, suggesting that they have affluent potential in electronic circuit design and creativity.
have created through this program, suggesting that they have affluent potential in electronic circuitdesign and creativity.
(Keywords:
Electronic
Engineering
Laboratory,
Electronic
circuit,creativity,
design)design)(Keywords:
electronicengineeringlaboratory,
electronic
circuit,creativity,
１． はじめにる方が望ましいと考えている。

電子工学科では創造性と実務能力を育むものづ

従来、学生実験は実験テキスト通りに進めてレポ

くり教育を強く推し進めるために、これまで整備しートにまとめる形式が多かったが、実態は作業的なてきた学生実験設備を最大限に生かしつつ学生実要素が多く、レポートの課題にしてもインターネッ

験、講義に様々な方法を試みている。現在の実験設トを利用するようになり従来とは環境が変わって

備は各自が基本的な回路系実験をこなせる様に以きた。このため従来の学生実験方式では近年の学生下の様な実験セットをクラス人数分用意している。

に対する教育的効果に疑問がある。創造性を伸ばすには、能動的に自分で考えてアイディアを出し、試

１） オシロスコープ

行錯誤しながら実現していく過程の経験が必要だ

２） トラッキング正負直流電源と考えられる。従来は卒業研究が各自の創造性を発

３） 直流電源揮する場であったのであるが、卒研やマニュアル的

４） オシレータ

なものづくり教育はどこの大学でもやっている。高５） 交流電圧計

専ではものづくりに関して、大学ではできない様な

６） ディジタルマルチメータ

中身の濃い指導をすることが可能であり独自のやり方で効果的に学生の潜在能力を引き出したいと以上の様な設備を利用して各学年にものづくり関連実験/講義を整備してきた。(1,2,3)

考えている。
とはいえ、学生実験の全テーマを一度白紙に戻して最初から構築することは難しいところがあるの2年

電子工学実験ＩＩ

で、電子工学科では３，４年の講義の中にものづく

3年

ディジタル回路・コンピュータ工学り的な内容を含めることから始まった。材料系は回電子回路Ｉ路系に比べてやりにくいところがあるが、４年電子プロジェクト演習・コンピュータ応用、材料の講義において感覚的に物性の特性を理解で電子回路ＩＩ、電子材料

きるような実験内容を導入し、２０１０年度からは電子工学実験ＩＶ

液晶デバイスの作製実験を組み込んでいる。(3) さ４年
５年

らにものづくりに早い段階から慣れて興味を持て
従来からあるようなマニュアル的な実験は、初期にるように２年の学生実験の内容を一新し、早い段階

おいてはではレポート作成の訓練として必要と考から回路工作的な要素を取り込めるようにした。以えるが、高学年になるにつれて能動的に自由な発想

上の様にして５年まで系統的に物づくり的なセンを巡らせ、かつそれを実現する実務訓練にシフトす

スを身に付けられるようにカリキュラムの整備を＊電子工学科＊電子工学科124

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）
東京工業高等専門学校研究報告書 （第 42(2)号）

では数えるほどしか残っていないが、その代わり進めつつある。

2

ものづくり教育の総仕上げとして５年学生実験にインターネットオークションで様々なものを入（電子工学実験ＩＶ）ではデジタル回路、アナログ

手することができる。エレクトロニクス工作系の雑回路の基本回路を含むオリジナル装置の設計・製作

誌も復活してきた。自在にエレクトロニクス装置がを課している。このような内容の学生実験を始めて作れるようになれば、ＴＶゲームなどをやるよりず

から５年が経過したので、これまで得られた知見にっと面白いはずである。しかし今の学生を見ている

ついて報告をする。

と講義や実験などで興味を持つきっかけ作りをしてやらないと、ほとんどは永久に何かを作ろうという気にならないように思える。そういう意味で早い

アナデジ混在オリジナル製作課題導入の背景

時期にオリジナル製作に興味を持たせるような環

ラジオ少年という言葉が使われなくなって久し境を作りたいと考えている。

い。現在は機能が充実して高性能な製品が安価で手に入り、かつ中身はブラックボックス化しているせ５年の電子工学実験は当初、全員でステレオパワ

いか自分で装置を作るモチベーションがわかない

ーアンプの製作をするものであった。回路的な改良のかもしれない。筆者が十代の頃は、ほしくなるよを加えて回路設計の基礎を理解しながら製作し、最うな電子装置は概して値段が高く容易に手に入る

後は各自が持ち帰って使用できるようにしたが、結ものではなかった。そのようなものに対するあこが果的に作品を持ち帰らないものが多く出てしまっ

れ、渇望感は大変強く、常に何かの装置を自らの手た。ＲＣＡ端子の入力を備えた従来のステレオアン

で実現するために努力していた。買うことはできな

プの形をとっていたために使いにくかったことがいが、自分で努力して作れば手に入れることができ一因であると考えられるが、誰もがステレオアンプたのである。マランツ＃７のコピー、２トラ３８、を必要としているわけではない。これをきっかけに３ヘッドカセット、高性能レコードプレーヤー、大内容の大幅な見直しを行い現在のような形になっ

容量スピーカー、ＤＣアンプ、高性能ＦＭチューナ、た。

ラジオコントロール装置、高性能トランシーバ、カ
実験の内容

ラーパターンジェネレータ、ホッケーＴＶゲーム
等々、今思うと実に様々なものを製作したものであ

従来のマニュアル的な内容から抜け出して自由る。秋葉原のジャンク屋をあさり、粗大ごみで使え

課題的なものづくりをテーマにしたが、教育的効果

そうなものを見つけ持ち帰っては分解・修理、あるを考慮して以下の様な条件を設けている。

いはそれらを利用して何かを製作するのが日常であった。高度成長時代を支えた電子技術者の多くは

１） 予算は原則４０００円以下

似たような経験を持っているはずである。当時はエ２） ３種以上のアナログ基本回路を含むこと。

レクトロニクス工作系の雑誌や解説書がいくつも

３） デジタル回路を含むこと。ただしデジタルロ刊行され、電子装置の多くがディスクリート部品でジックがＩＣ４つ以上となる場合はＰＩＣな作られており、系統的に中身を理解しやすかった。

どのマイコンを用いてよい。単純なロジック

テレビは個人や電気屋が修理するのが当たり前、テ回路の実現に安易にＰＩＣマイコンを用いる

レビやオーディオ装置などの回路図やサービスマ

ことは認めない。

ニュアルはオープンで入手が容易であった。現在の

４） アナログ回路、デジタル回路は機能的にリン学生はそういう意味でのモチベーションがなく、物クしていること。異なる回路を単純に合わせ

質的には満たされている。エレクトロニクス製品がただけの構成は認めない。

安くなりすぎたために、自分で部品を集めて何か作

５） 機能的に完成した装置であり、きちんと実装

るとかえってお金がかかる時代である。学生の質はされ、外観もきちんとしていること。

年々変化しており、以前はクラスに数人電子回路に

６） オリジナルな設計であること。回路中に使わ強い“回路おたく”がいたものであるが、最近は個れる部品を選択した理由、抵抗やコンデンサ

人でものを作る学生は希少になってしまった。とはなどの値をどのように決めたか説明すること。

いえ、現在は高度な機能を持った様々な部品が比較引用した回路を使う場合でもきちんと動作説

的安価に入手可能で、かつインターネットで容易に明ができて抵抗、コンデンサなどの値がどの情報を得ることができる。秋葉原のジャンク屋は今ようにして決められたか説明すること。

2

永吉，小池：実用装置製作を課した学生実験
永吉、小池：実用装置製作を課した学生実験

７） スペシャルファンクション IC の使用は認める

125する装置について具体的な設計内容を要求している。

が、アナログ、デジタルの条件にはカウントしない。

１）装置の概要、機能、外観についての説明

８） ジャンク部品は活用してよく、かつ費用に含２）ブロック図

めない。
９）持ち帰って自分で使いたいものであること。

３）信号のレベルダイアグラム

１０）自分の能力を認識して手の届くレベルの範囲

４）各ブロックの回路設計
５）フローチャート（マイコンを使用する場合）内で計画すること。
アナログ/デジタル基本回路のカウントについては、以上の様な設計レポートの内容を確認して設計の回路によってカウント数があいまいにならないよ

中で不備な点、間違っている点などの指摘を行う。

うに基準を作成して、あらかじめ学生に配布してい使用するパーツが入手しやすいものかどうかも配る。実験テキストはないので、自分の考えたアイデ

慮する必要がある。さらに学生は製作する回路につィアを実現するためには、４年までに習った回路技

いてどのように測定データをまとめればよいかわ

術の範疇を越えて様々な回路技術を調べて理解しからないことが多いので、最終レポートにまとめる

なければならない。独自に考えているか、どこからにあたって必要な測定項目を指示するようにしてか引用した回路であるかは、回路図を見れば大体わいる。以上の指摘事項を表にまとめて配布する。コ

かる。最近は Web を参考にすることが多いが、アメントの例を表２に示す。

マチュアによる中途半端な設計であったり、回路が
表１

間違っているのに指摘されるまで本人が気付かな

2010 年度スケジュール

いことがある。いずれにしても、他人の設計した回内容路をまねて作るだけの内容は認めていないので、各自の理解できる範囲で設計を進めることになる。このため設計レポートの内容は各学生の実力が強く反映され、基礎のできている学生は理論計算などが1

4月6日 オリエンテーション

アイディアのまとめ
プレゼン資料作成(費用の概算見積もり含む）

2

4月13日 プレゼン資料提出

設計開始
プレゼン資料保護者へ送付

3

4月20日

4

4月27日 第1回買出し

5

5月11日

6

5月18日 第2回買出し

7

5月25日

理路整然とまとめられている。ジャンク部品は大いに活用してもらいたい。ジャンク部品を活用するにはそれなりの知識や評価技術が必要であり回路技

基本設計
パーツリスト作成

内容確認

製作開始

術に関する能力向上に有効である。
スケジュール
表１に全体のスケジュール例を示す。５年前期で6月1日～7日 中間試験

設計から製作・評価まで行い、椚田際で作品の発表をする。
１．保護者向けプレゼン資料提出

製作費用は原

動作理論、設計に関するレポート提出

8

6月8日

9

6月15日

10

6月22日

11

6月29日

12

7月6日

13

7月13日 特性測定

14

7月27日

修正項目指摘・評価項目指示

則４０００円以内としているが、費用を出すのは保護者である。そこで出資者である保護者から実験内容の理解を得るために、学生が保護者向けに内容の説明を行い出資の承諾を得るところから始める。製作するものの概要をまとめた資料を作成し、実験の案内資料と併せて保護者宛に郵送する。
２．設計レポート提出

8月2日
～8月9日

プレゼン資料では製作す

前期末試験

8月10日 レポート・作品提出

る物の概要だけであったが、設計レポートでは製作

3

126

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）
東京工業高等専門学校研究報告書 （第 42(2)号）

4

品が揃うことはほとんどなく、買い残しや設計

３．秋葉原への買い出し
最近は電子の学生でも秋葉原に電子部品を購入

変更などにより２回以上行く必要が出てくる。このしに行った経験のないものが多いことから、クラス

ためゴールデンウィークの前後に２回買い出しに全員で秋葉原に部品の買い出しに行くようにした。

出かけることにした。買い物は各自がばらばらにな

秋葉原のパーツショップは減ってきているが、駅周って行動するが、どの店に行けばよいか、部品が見辺ではまだ健在である。図１の様なマップを配布しつからなかった場合どのような対策をすればよいて当日各自に買いに行かせる。中途半端な準備で買かなど、現地で相談に乗れるように１時間ごとに待い物に行くと、時々パーツショップのベテラン店員

ち合わせ場所で質問を受け付けるようにしている。

から質問や説教を受け、時には部品についてうんち

点呼は朝と夕方に取っている。

くを長く語られることがあるが、学生にとっては貴４．製作

重な経験である。最初の買い出しですべての部

設計・製作を行う場所は特に指定していないが、
表２

設計レポートに対するコメント例

基本的に各研究室あるいは電子工学実験室で進め

レベル
ダイア
グラム

測定項目

る。

＊Ｒ１７左より直流電圧をかけ、入力電圧ｖｓフォトカプラ
受講側抵抗値＊発信回路出力波形＊正弦波入力時 入力波形 vs 移相器各ＯＰＡMP出力波形＊実使用テスト＊消費電力

５．作品のデモ・プレゼンテーション

カラオケ効果音アダプタ ○

照度計

イコライザ―アンプ

○

○

ブロック
コメント
図

○

○

○

＊抵抗だけで仮想アースにしていて、ＬＥＤの電流まで流すわけですが、R27,28が10kΩだと無理がある。抵抗を十分小さくすれば可能だが無駄なエネル
ギーを消費する。ＯＰＡMPのバッファを入れた方がよい。
＊電源スイッチなし＊電源部にはコンデンサ必要。パスコンも記入する。
電源電圧不明＊ＬＦＯの動作原理説明する＊ディジタル部未完成、作品とレポート提出に加えて最後にプレゼンテーションを行うことにしている。当初は各自スライ＊動機は面白いけれども、オーロラの観測なら照度ではなく光度測定？照度としてはあまりにも小さいので秋葉原の小売店で見つけた程度のセンサで測定するのは難しい。蛍光灯の影響を考慮しているので、とりあえず室内用照度計？
＊照度の定義について説明。
＊センサを２個用いて差動増幅にする理由を説明
dark時の補償をするだけなら２回路必要ない。温度補＊光強度 vs I-V変換出力
償も考えてのことですか？もっと詳しく説明する＊フィルタ周波数統制＊最近の蛍光灯はほとんどがインバータ方式なので発＊消費電力
光の周波数は数十kHz。フィルタ設計の再検討必要。
蛍光灯下でのセンサ出力をスペアナで計測しておくとよい。
＊I-V変換の感度切り替えは配線の引き回しに注意。
長くなると不安定になる。
＊電源回路、ディジタル部未記入。電源電圧不明、装置の外観、使用部品不明、 追加して再提出＊入力（IC3 (1/2)) はチャージによりＤＣバイアスがかかるので、10-100kΩ程度の抵抗で接地する＊出力にゾーベルフィルタを入れてＳＰのインピーダン
ス変化に対応する＊ディジタル部で何をやろうとしているか説明なし

ストレーションを行っていたが、スケジュール的に難しくなってきたことから、現在は椚田際で展示とデモンストレーションを行うようにしている。Ａ３
サイズ２枚程度のポスター制作を行い装置ととも＊各共振エレメントの周波数特性＊イコライザー部 いくつかの設定における周波数特性＊消費電力

マルツパーツ秋月電子通商ドを使ったプレゼンテーション及び作品のデモンに展示する。椚田祭中はシフト表を作って入場者に説明をするようにしている。

ヒロセ（地下1F）
ラジオデパート

千石電子

若松通商本店
3F電子パーツ

鈴商

日米商事

ニュー秋葉原センター

ラジオガーデン
ラジオセンター
ラジオ会館
若松通商他（4F)

図１

買い物マップ4

永吉，小池：実用装置製作を課した学生実験
永吉、小池：実用装置製作を課した学生実験

127

そこに使われている部品に関する調査をするテー

６．評価
実用装置の製作ということなので、製作した装置

マを４学年に導入したいと考えている。分解する装とレポートの内容で評価している。内部の実装技術、

置はアンプでも洗濯機でもよく、ジャンク装置は容パネルの仕上げ、デザイン、機能性などを評価し、易に手に入る。

各部がきちんと固定されているかなど、中をあけて効果と今後の方針確認する。さらにレポート通りの動きをするか等、
必要に応じて本人立ち会いのもとで動作試験を行

大半の学生は自分なりに考え、調査しそれなりのう。レポートについては理論計算、オリジナリティ、物を製作する。一方、少数ではあるがどうしてもモチャレンジ性、測定結果と考察などについて評価をチベーションが上がらない者や工作に向いていな行う。図２～図２１にこれまで提出された作品例をい者が存在する。今後はそのような学生が増える可示す。作品の内容はバラエティに富んでおり、クラ能性を考慮する必要があると考えており、一つの案

ブ活動や音楽などの趣味に関連したもの、日常生活として２～４年の学生実験等でアンプなどの機能に関連したもの、オーディオ、ゲームなどさまざまユニットを製作させ、５年ではそれまでに製作したである。個人での製作経験が無い学生でも電子ボリユニットを組み合わせても条件をクリアできるよュームやＰＩＣを使用するなどしてそれなりに動うにすることを検討している。

くものを実現しており、３年、４年の物づくり系授

本学生実験は５年前期であるために受験や就職業でやった経験が多くの作品に反映されているのを控えた学生からはこの時期にやるのはきついとを感じる。

いう意見が時折聞こえる。新しい物を創造し実現させる作業は学生にとって大変であることは分かっ

実装技術についてている。一方、指導する側も各学生の設計を個別に３,４年で回路工作的な内容を学んでいるが、現理解していかなければならない。提出される設計レ状では実装技術に関して指導する機会がほとんど

ポートは回路技術の広い範囲にわたっており全てない。製作の経験がないものに実装技術について講に対応する必要がある。しかし学生の創造性を養う義で説明しても身につくものではなく、シャーシのために効果があると信じて続けてきた。学生が製作

加工法などの基本的工作技術などは５年で実用装するものなので、実用機を目指しているといっても置を作る際に個別に対応することにしている。アー

限度はある。製作し終わってからやけにノイズが多スについても同様である。通常の学生実験の電子回いなどの相談を時々受ける。アースの取り方や部品

路では回路図通りに配線すれば動くものを扱う。しの配置が悪いことに気付かずに進めてしまったた

かし高周波やパワーエレクトロニクス回路、アナロめである。ケース加工や配線を終えた後なので手遅グ/デジタル混在回路などでは回路図に表れていなれになっていることがあるが、しかしそれでいいのいノウハウを知らなければ動かないことが多いのである。そのようなことに気づいてくれればこの学である。実務に強い学生として、そのようなことに

生実験は成功である。学生は異口同音に、今度作る

気づいて卒業していってもらいたいものである。アときはもっといいやり方でもっと良いものを作りースの取り方は実用回路を構築するにあたって極たいと言う。実際に作るかどうかはともかく、レポ

めて重要であり、アースが悪いとまともに動かないートには多くのことが身に着いたと、前向きな感想ことが多い。旧海軍戦闘機の無線機は飛行中に使いが多く述べられており、苦労しただけの効果は上物にならなかったが、単にアースの取り方が悪かっがっていると考えている。

ただけなのである。アース設計のコツは回路によっ
参考文献て様々であり、このようなノウハウ的なものは実際に製作している者には重要性が認識されるので個[1] 小池“小さな失敗の積み重ねを経験させるものづく
り教育の試み”工学教育、52-5、(2004)37.
[2]青木、小池“ものづくりに根ざした創造性を引き出す
マイコン技術教育の試み”平成１５年度工学・工業教育
研究講演会、(2003)271.
[3]永吉、小池“半導体物性に親しむための実験授業”東京工業高等専門学校研究報告書、41、 (2010)65.

別に対応するようにしている。実装技術はプロの設計を見て学ぶ方がよいと考えている。筆者は様々な装置の分解・修理を通して実装技術について経験的に身につけてきたところがある。そこで今後の学生実験として実用装置の分解をおこない、実装技術や

5

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東京工業高等専門学校研究報告書（第東京工業高等専門学校研究報告書 （第42（2）号）
42(2)号）

図２ ＶＨＦ帯レシーバ ボーイスカウトのキャンプで各テントに連絡をするための装置。受信していないときは自動的にスタンバイモードになり電力消費を抑える。
最初は整然と部品を基板上に並べて作ったが動作せず、３回目に作り直したときは空中配線だらけになったがな
んとか動作した。

6

図５ 水泳競技のタイム測定器。スタートのピストル音を検知してカウントを開始し、タッチボードに触れたら時間を表示する。タッチボードのセンサーは圧電スピーカーを利用。マイコンを使わずハードロジックで組み上げた。

蟲笛

図６ 乗車中に感じるＧをバーグラフで表示する車の乗り心地表示装置。ドライバーの運転技術が判断できる。
３軸方向の表示が可能。半導体加速度センサーを用いた。

図３ 風の谷のナウシカに出てくるウォームをイメージした。蟲笛に反応してＬＥＤの発光色を変化させながら動き回る。蟲笛だけに反応するように音響スペクトル測定を行い、適切なフィルタ設計を行っている。モーターの発する音声ノイズに悩まされたが何とかクリアした。

図７ 勉強していて眠くなると警告音を出す装置。ペンを握る力が緩むとＩＲ通信で筆箱にあるアラームに信号が送られる。ペンの中に回路を組み込む工作に大変苦労した。

図４ ＬＥＤの上下方向の位置に合わせてマイクに入力する声の大きさを調節するとＬＥＤの点灯が前に進みゴールできる。ゴールするまでの時間を競うゲーム。シン
プルだがアイディアが良い。

6

図８ 毎年数名は真空管アンプの設計に挑戦する。レベルメーター、ボリュームの表示、タイマー電源などにデジタルの機能を適用することが多い。コストを抑えるのに苦労する

永吉，小池：実用装置製作を課した学生実験
永吉、小池：実用装置製作を課した学生実験

129

図１３ トイレでノックされたときに自動的にロックをかけノックを返してくれる装置。女子学生の作品。時に想像を絶するアイディアに出くわすことがある。

図９ 楽器用サウンドエフェクタ。ボリュームの大きさをＬＥＤ表示するなど、製作者のこだわりが出ている作品。

図１０ BBD IC を用いたサラウンドアンプ。アナログ
遅延 IC の使い方にとまどったが、最後はきれいにまとめた。写真はスピーカーを鳴らしてデモンストレーションしている様子。

図１４ 食品保温装置。ハロゲンランプで加熱、温度はマイコン制御。

図１５ FM ステレオトランスミッタ アクリルをていね
いに加工しコンパクトなケースにまとめた。フォト
MOSFET を使用して一定時間入力がない場合オートパワ
ーOFF する機能を備える。参考にした回路図が間違っていて最初は苦労した。

図１１ マジックアイとステップモータを用いたオーディ
オレベルメーター。ステップモーターをレベルメーター表示に使うところが面白い。コミカルな動きをする。

図１２ オーディオスペクトラムアナライザ dsPIC 使用。
表面実装部品を用いてコンパクトにまとめた。ドットマト
リクスカラー液晶を使用し操作はタッチパネル式。

7

図１６ 温度分布をカラーＬＥＤで表示する装置。各ユニ
ットの LED に温度センサが取り付けられている。

130

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）
東京工業高等専門学校研究報告書 （第 42(2)号）

8

図１９ フェイズシフターによるカラオケ用ボーカルエフ
ェクター。

図１７ ２０１０年椚田際における展示の様子。

IR通信オセロゲーム (2/2)
傾き方向用LED○遊び方

ドットマトリクスLED
電源用LED

図２０ 気圧・高度計 圧力センサの取り扱いと校正に苦労した。校正のための真空容器を作製して実験データ取得。

電源スイッチ
赤外線LED

フォトトランジスタ

選択用スイッチ

表示部

操作部①電源スイッチを入れます。電源用LEDが光り始めます。
②ドットマトリクスLEDがオセロの駒の位置に点灯します。
③操作部を傾けると、その方向に駒が動きます。動かしている駒と逆の色を挟める位置に置
き、選択用スイッチを押すと、挟まれた駒の色が反転します。
④２人で交互に③を繰り返します。オセロのルールと同じように、全て打ち終わるとゲーム終了です。
※隠し機能について
動かせる駒が盤上にある駒と重ならないところで、選択スイッチを押しながら、左、右と傾けます(傾ける順番はどちらが先でも可です)。
この状態でスイッチを離しても、本来は何も起こらずゲームが続きますが、表示部の赤外線
LEDとフォトトランジスタを向かい合わせた状態でスイッチを離すと、隠しコマンドを使用したプレイヤーが２回続けて打つことができます。
なお、オセロ本来の機能ではない上、初手で行うと相手の駒がなくなるので、本当にピンチの時のみ使用できる隠し機能として加えました。

図２１ ディジタルチューニングＡＭラジオ。電子同調回路を実現するためにバリキャップダイオードのＣＶ特性を実測して設計をしている。

今回は隠しコマンドとして赤外線LEDの送受信機能を使用しています。なお、前述の通り自然光などは遮断される設計なので、通常の遊び方で誤ってこの機能が働くことはありません。

図１８ IR 通信オセロゲーム。IR 通信にこだわった。

8（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011131

ユビキタス情報化社会の実現に向けた通信技術の一検討
ユビキタス情報化社会の実現に向けた通信技術の一検討－スペクトル拡散を応用した長距離無線通信の研究－—スペクトル拡散を応用した長距離無線通信の研究—
土居信数
土居信数
*，滝澤尚也**A study of communication technology for the realization of ubiquitous information society(Studyof long-distance radio
communication
methodapplying spread
spectrum)
A studyof communication
technology
for realizing
a ubiquitous
informationsociety
Nobukazu
DOI(Long-distance radio communication method applying spread spectrum)

Nobukazu DOI and Naoya TAKIZAWA
Long-distance radio communication technology is required to achieve ubiquitous information society
using
information fromembeddedtechnology
in any place
thing. Intothispaper, ubiquitous
the relationshipbetweenLong-distanceradiosensors
communication
is or
requiredachieveinformationsociety with distancesensors andembeddedin fromany placeor thing. theorem
In this paper,
the relationshiptransmission
data rate
the Shannon’s
is derived.
Applying thisbetween
modifiedtransmission distance and data rate from the Shannon’s theorem is derived, and applying thistheorem, we propose a new method of long-distance radio communication on spread spectrum
modified theorem, we propose a new method of long-distance radio communication on spread
technologies.
It can be realized
by realized
simply changing
the radiosignalsignal
processingin theincontrol
centerspectrum technologies.
It can be
by changing
the radio
processing
the control
center without
in sensors.
the radioTherefore,
sensors which
lower-costand smaller-sizearea
withoutchangingchanging
that in thethat
radio
this researchis considered
useful featuresin realizing
strictly required.
Therefore,
research
is considered
useful incommunication
realizing a ubiquitous
informationubiquitous
informationsociety,thisespeciallywherethat long-distanceis needed.
society, especially where that long-distance communication is needed.
(Keywords: Ubiquitous, Shannon's theorem, spread spectrum, long-distance communication)(Keywords: Ubiquitous, Shannon's theorem, spread spectrum, long-distance communication)
つ い て検 討す る．

１．はじめに
情報通信技術の発達は社会の情報化を加速し，
あ ら ゆる モノ や場 所に 埋め 込 まれ た通 信機 能の 付

２ ． シ ャ ノ ン の 定 理 の から の 考 察シ ャ ノン の定 理で は ，通信 容 量 C の 理論 限界 は

い た セン サー から 得ら れる 情 報を 活用 する ユビ キ
タ ス 情報 化社 会が 実現 され よ うと して いる ．

次 式 で規 定さ れる ．

センサーに搭載する通信装置はその用途によS� � W � ��� � �1 � � �Nり 異 なる が， 小型 化， 低コ ス ト化 ，低 消費 電力 化

(1)

等 の 条件 の厳 しい 普及 タイ プ とし ては ，現 在の とこ こ で， W は 通 信路 の帯 域 幅， S は 信 号電 力，

こ ろ RFID(Radio Frequency IDentification)が 有

N は 雑 音電 力で ある ．いま ，受信 電 力が 通信 距離

望 視 され てい る．

D の α乗 に 比例 して 減衰す る と仮 定す ると き， 式

RFID に は ，電池 を 内蔵し な いパ ッシ ブタ グと ，
電 池 を内 蔵す るア クテ ィブ タ グの ２種 類が あ る
2)(1)か ら 次の 関係 が導 出で き る．

1)，

．そ れぞ れの 通信 距 離は ，パッ シブ タグ が約 １m，a�� � � � �N

ア ク ティ ブタ グが 数十 m で あ る．
し か し， 例え ば農 業へ の応 用 等 3) のよ うに ，現1�C��W � 1��
�

(2)

実 に はさ らに 長距 離の 通信 を 必要 とす るケ ース がこ こ で， a は 定数 であ る． し たが って ，通 信距

多 数 存在 する ．し たが って ， RFID の メリ ット を

離 D は，C を小 さく（通信 速 度を 低く ）す るこ と

生 か した まま 通信 距離 を拡 大 させ るこ とが でき れで 拡 大で きる こと が分 かる ．

ば ， ユビ キタ ス情 報化 社会 の 実現 は一 層促 進さ れる と 思わ れる ．

３ ． ス ペ ク ト ル 拡 散 通 信の 応 用

本 報 告で は， 条件 の厳 しい セ ンサ ーに 搭載 する

３ ． １ ． 周 波 数 ず れ に よる 性 能 劣 化

無 線 機は 変更 する こと なく ， 比較 的自 由度 のあ る

式 (2)に 示す シャ ノン の変 形 定理 を帯 域 幅 W の

管 理 セン ター にあ る無 線機 の 信号 処理 を変 更す るス ペ クト ル拡 散通 信に 当て は める と， 拡散 系列 長だ け で， 長距 離通 信を 可能 と する 無線 通信 方法 にを 長 く（ 通信 速度 を小 さく ） する こと で， 通信 距

＊情報工学科＊＊専攻科機械情報システム工学専攻

132

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

離 D を 拡大できることが分かる．
1

しかし，実際の通信機では，送受信機間には僅
逆拡散期間に受信信号の位相が回転する．その結果，正しい処理利得が得られなくなり，通信距離
D が制限される 4 ）．
ス ペクトル拡 散の正規化 処理利得 G p は， 逆拡
散期間に発生する位相回転をθとするとき次式で正 規 化 処 理 利 得 Gp

かなキャリア周波数のずれがあり，これが原因で

0.8
0.6
0.4

与えられる．

0���� ������� ������� � ��
�G� � �� ����1����� � � �1 � ������
�

拡 散 系 列 長 L (chip)

図 1. 周 波数ずれによる性能劣化(3)���� � �
2 �
� �
�
2

図１にキャリア周波数を 40KHz，チップ速度を1kc/s， 周波数安定度 を 10ppm とした場合の，拡散系列長 L と正規化処理利得 G p の関係を示す．

1

正 規 化 処 理 利 得 Gp

�

キャリア周 波 数 40 (kHz)
1 (kcps)
チップ速 度周 波 数 安 定 度 10 (ppm)

0.2

0.8
0.6
0.4
0.2

キャリア周 波 数 40 (kHz)
1 (kcps)
チップ速 度周 波 数 安 定 度 10 (ppm)

0３ ． ２ ． 時間 ず れ に よる 性 能 劣 化
拡 散 系 列キャリア周波数以外にも，送受信機間には僅かなデータクロック周波数のずれが生じる．その結果，逆拡散期間に拡散系列のチップずれが起こり ，

図 2. 時 間ずれによる性能劣化
受信信号

逆拡散
（マッチドフィルタ）

同様に正しい処理利得が得られなくなり，通信距
離 D が 制限される．
図２に送受信機間に逆拡散期間に生ずるチッfH
逆拡散（マッチドフィルタ）

プずれと処理利得の関係を示す．実際の通信では ，fH   fる．

…
逆拡散（マッチドフィルタ）４ ． ス ペ クト ル 拡 散 を応 用 し た 長距 離 無 線 通信
（ １ ） 周 波数 軸 ア プ ロー チ

比較器

受信
データ

…

周波数ずれと時間ずれの両方の影響を同時に受け

４ ． １ ． 周波 数 ず れ 補償

L (chip)fL

図 3.周波数軸アプローチのフロー

キャリア周波数ずれを周波数軸から見てずれ補償する周波数軸アプローチについて検討する．

A[ppm]， チ ッ プ 速 度 を R C [cps]， 拡 散 系 列 長 を送受信機間の周波数は，発振器の製造バラツキやL[chip]， 逆 拡 散 過 程 で 許 容 さ れ る 位 相 回 転 を α

温度等の使用環境が原因で変動する．しかし，逆[rad]とす る．

拡散期間は十分短く，ここでは逆拡散期間内の周波数変動はないと仮定する．
周波数アプローチでは，キャリア周波数ずれを
周波数軸から補償する．いま，送受信機のキャリ
ア 周 波 数 を F[Hz] ， 発 振 器 の 周 波 数 安 定 度 をこのとき，キャリア周波数 F の上限 f H および 下
限 f L は次式で表わされる．
fH � �1 � 2��F
fL � �1 � 2��F

�Hz�

�Hz�

(4)
(5)

周波数軸アプローチは， f H から f L までのずれ土居：ユビキタス情報化社会の実現に向けた通信技術の一検討

133

拡散系列 L

周 波 数 を ， 周 波 数 ピ ッ チ Δf 間 隔 に 分 割 し ， 各 周
波数で受信信号のキャリア復調及び逆拡散を行い ，最大値を受信データとして検出する．図３に周波数軸アプローチのフローを示す．
周波数軸アプローチの正規化処理利得 G ps は，

部分系列１
(⊿L)

逆拡散過程で位相がα回転する場合，式(3)のθに

部分系列2
(⊿L)

・・・

部分系列n
(⊿L)

図 4. 拡 散系列の分割

αを代入することで与えられる．

部分系列 1

L

つぎに，周波数軸アプローチの演算量を求める ．
拡散系列長 L は，Δ f を用いると，
α1�� R� � 2L�
2π∆f�chip�

2
(6)

+α

-α

で与えられる．これからΔf は，
∆f �

αR �
πL

�chip�

(7)となる ．帯域 4AF のずれ周波数はΔ f によりｎ分
割される．

��

n
図 5. 二 分木の構成

4AF
∆f

(8)

4πAFL
�
αR �

Q

したがって，逆拡散にマッチドフィルタを使用するとき，周波数軸アプローチの演算 量 N S は次式で与えられる．
N� � � � L�L � 1�
� �

4πAF
� � L�
αR �

�回 �

(9)

1

周波数軸アプローチの演算量は，L の 3 乗に比

+α
-α
2

…

n
I

例して増加する．
図 6. 時 間軸アプローチの動作（ ２ ） 時 間軸 ア プ ロ ーチ
つぎに，キャリア周波数ずれを時間軸から見てずれ補償する時間軸アプローチについて検討する ．
式 (3)で与 えられる正規化処理利得 G p は，逆拡

理利得 G p の劣化が許容できる位相回転である．
図４に拡散系列の分割を示す．
（ ⅱ ） 部 分系 列 の 逆 拡散

散過程に発生する位相回転θが小さいとき，ほと

受信信号に対して，各部分系列ごとに I,Q 直交

んど 劣化しない ．例えば， θがπ/4 のときの G p

軸で逆拡散を行う．逆拡散結果は I,Q 軸上のベクは約 0.974 である．時間軸アプローチはこの特徴

トルとして扱う．

を利用する．

（ ⅲ ） 二 分木 の 構 成
部 分系 列の逆 拡散 ベクト ルは ，位相 を±α回転

時間軸アプローチの動作手順を説明する．図６

した２本の枝に分岐される．この操作を拡散系列にその動作を示す．

の最後まで続け二分木を完成させる．図５に二分（ ⅰ ） 拡 散系 列 を 部 分系 列 に 分 割

木の構成を示す．

長さ L の拡散系列を，位相回転がα[rad]となる
長さΔ L の部分系列に分割する．ここで，αは処（ ⅳ ） ベ クト ル 和 の 最大 値 の 検 出
二分木の初期状態から最終枝までの n 個のパス

134

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）の逆拡散ベクトルのノルムを求める．最後に，ノぞれ別個の発振器で生成する場合もあるが，ここルムが最大となるパスを逆拡散データとして検出では同じ発振器で生成する場合を考える．

する．

こ の と き ， 周 波 数 が Δf ず れ る と き ， 送 受 信 機
間の拡散系列の時間軸は，送信キャリア周波数を

時間軸アプローチの正規化処理利得 G pt は，部

f S ，受信キャリア周波数 f R とする とき，(f R －Δf)/f R

分 系 列 ご と に 位 相 を +α ， － α 交 互 に 回 転 す る 場

倍に伸縮する．したがって，周波数軸アプローチ

合に対応し，式 (3)で求めたのと同様に次式で与えでは，周波数のずれに応じて時間軸を伸縮させたられる．

のち逆拡散することで，周波数ずれ及び時間ずれ��

の補償が可能となる．

��� ������� ������� �� �
���� � �� �
�
�
�

���

���

一方，部分系列ごとする位相回転αに伴う時間ずれΔ t は，

���

���

�
��� � ��� � � 2 � � ���� � ��
2
2

�� �

�

1
� �i� ��� ����� � ��� � ���� � �� ����� � ��� � ����
��� �

1
αR C
α
�
�
4πAF
RC
2π

α�
� �
8π AF

(10)

(13)

となる．したがって，時間軸アプローチでは，位相回転の累積による時間軸変化がマッチドフィル
タの最小スライド間隔に達したとき，部分系列の

� 1
� � � ����� � ������
2 2

マッチドフィルタへの入力をずらせばよいことが� |�����|分かる．

つぎに，時間軸アプローチの演算量を求める．
Δ L は，拡散系列長 L を式 (8)で 規定するｎ個に分割する．すなわち，
�L �

�

４ ． ３ ． 性能 比 較（ １ ） 周 波数 軸 及 び 時間 軸 ア プ ロー チ 特 性
キャリア周波数を 40KHz，チップ速度を 1kc/s，

L
n

αR �
4πAF

(11)
�chip�

周波数安定度を 10ppm と した場合の，周波数軸アプローチ及び時間軸アプローチの各特性の計算
結果を，それぞれ図７，８に示す．

となる．時間軸アプローチの演算量 N T は，各部

周波数軸アプローチ及び時間軸アプローチと分相関のマッチドフィルタ演算，二分木の構成，もに，拡散系列長を大きくしたときの性能劣化はベクトルノルムの最大値の検出から求まる．ここなく，キャリア周波数ずれ及び時間ずれを補償出で，各部分相関のマッチドフィルタの演算量の総来ていることが分かる．また，性能の劣化量は許和は，拡 散系列長 L のマッチドフィルタの演算量

容位相回転αにより調整できる．

に等しく，残りの演算はこれに比べると十分小さ
い ． し た が っ て ， 時 間 軸 ア プ ロ ー チ の 演 算 量 NT

図９に，それぞれ式(9)と式 (12)に示す周波数軸は，次式で近似できる．
NT � L�L � 1�

（ ２ ） 演 算量 の 比 較(12)アプローチと時間軸アプローチの演算量を示す．

時間軸アプローチの演算量は，L の 2 乗で与えローチ式は L の 3 乗に比例するのに対し，時間軸

られ， L の 3 乗に比例する周波数軸アプローチにアプローチは L の 2 乗で与えらる．また，時間軸

比べ，管理センター側の信号処理負荷は小さい．

アプローチの演算量は，許容位相回転αに依存し

�

� L

�回�

拡散系列長 L を大きくするとき，周波数軸アプ

ない．
４ ． ２ ． 時間 ず れ 補 償

したがって，拡散系列長を大きくした長距離通

つぎに，この時間ずれ補償について検討する．

信では，時間軸アプローチに必要な演算量は周波

キャリア周波数とデータクロック周波数は，それ数軸アプローチの数桁分の１になり，管理センタ

Hashimoto, R. Ito, R.
R Ehsani, H. Shimamura,ー 側 の信 号処 理負 荷は 小さ く 済む こと
こ が分 かる ．

“ Field Server Projjects” , Proc. of
５．まとめ

Practical Applicatiions of Sensor

土居：ユビキタス情報化社会の実現に向けた通信技術の一検討

シャノンの定理から通信距離と通信速度の関係 を 導出 し， 通信 速度 を低 く する こと
こ で通 信距 離
ー 側 の信 号処 理負 荷は 小さ く 済む こと
こ が分 かる ．
が 拡 大で きる こと を示 した ． しか し，
し この 変形 シ

参考文献
謝辞１ ）三 次 仁，“総 論 とパ ッシブ RFIDD 技術 の動 向” ,本 研 究の 一部 は， 平成 21 年 度 の 東京 工業 高等
電 気 学 会 誌 , Vol.126, No.88, pp.521-524
専 門 学校 重点 配分 経費 によ る ．
(2006).
２ ）清 水 雅 史 ,“ ア ク テ ィ ブ タ グ 技 術 の 動 向 ” ,
参考文献
電次
気 仁，
学会
誌論
, とパ
Vol.126,
No.88, pp.534-537
１ ）三“総
ッシブ RFID
D 技術 の動 向” ,(2006) .
電 気 学 会 誌 , Vol.126, No.88, pp.521-524
３
）M.
S. 小さ
Ninomiya,
T . Kiura,
T. ．
ー 側(2006).
の信Hirafuji,
号処 理負 荷はく 済む ことこが分 かるFukatsu, H. Hu, H. Yoichi, K.
K Tanaka, K.
２ ）清 水 雅 史 ,“ ア ク テ ィ ブ タ グ 技 術 の 動 向 ” ,T. Watanabe, T. Kaameoka, A.
５ ．Sugahara,
まと電気め
学 会 誌 , Vol.126, No.88, pp.534-537

正 規 化 処 理 利 得 Gp 正 規 化 処 理 利 得 Gp

正 規 化 処 理 利 得 Gp 正 規 化 処 理 利 得 Gp

“ Field Server Projjects” , Proc. of

演 算 回 数 N （回 ）上 で 有用 であ ると 考え られ る ．
謝辞
今 後 は， シミ ュレ ーシ ョン 及 び無無 線機 の試 作実本 研 究の 一部 は， 平成 21 年 度 の 東京 工業 高等験 に より ，本 報告 で検 討し た 内容 を検を 証す る予 定
専 門 学校 重点 配分 経費 によ る ．
で あ る．

Hashimoto, R. Ito, R.
R Ehsani, H. Shimamura,

演 算 回 数 N （回 ）ャンの 定理 をス ペク トル 拡 散通 信に信 応用 する と，
５ノ
．まとめ
送受
れと
時通 信
時間
ずれ
が問
速度
の題
関
シ 信機
ャ ノ間に
ン の生ず
定 理る周
か ら波数
通 信ず距
離と
と な るこ とが 分か った ．
係 を 導出 し， 通信 速度 を低 く する こと
こ で通 信距 離
そ こ で， スペ クト ル拡 散を 応 用しし た長 距離 無線が 拡 大で きる こと を示 した ． しか し，
し この 変形 シ
通 信 とし て， 周波 数軸 アプ ロ ーチ と時と 間軸 アプ ロ
ャ ノ ンの 定理 をス ペク トル 拡 散通 信に信 応用 する と，ー チ によ る周 波数 ずれ と時 間 ずれ の補の 償方 法に つ
送 受 信機 間に 生ず る周 波数 ず れと 時間
時 ずれ が問 題
い て 検討 した ．こ れら 補償 方 法は ， 拡 散系 列を 長と な るこ とが 分か った ．
く し ても 性能 劣化 はほ とん ど なく ， 劣 化量 は調 整
そ こ で， スペ クト ル拡 散を 応 用しし た長 距離 無線
で き るこ とが 分か った ．
通 信 とし て， 周波 数軸 アプ ロ ーチ と時と 間軸 アプ ロ
ま た ，ず れ補 償に 必要 な演 算 量はは ，周 波数 軸アー チ によ る周 波数 ずれ と時 間 ずれ の補の 償方 法に つプ ロ ーチ は拡 散系 列長の 3 乗に 比例
例 する のに 対し ，
い て 検討 した ．こ れら 補償 方 法は ， 拡 散系 列を 長
時 間 軸ア プロ ーチ は拡 散系 列 長の 2 乗 で済 むこ と
く し ても 性能 劣化 はほ とん ど なく ， 劣 化量 は調 整
が 分 かっ た． 技術 革新 の著 し い CP
PU 性 能 の向 上
で き るこ とが 分か った ．
を 考 慮す ると ，特 に時 間軸 ア プロ ーチ
ー は十 分に 実
ま た ，ず れ補 償に 必要 な演 算 量はは ，周 波数 軸ア
用 可 能と 思わ れる ．ま た， 本 提案 方法
方 は， セン サ
プ ロ ーチ は拡 散系 列長の 3 乗に 比例
例 する のに 対し ，ー に 搭載 する 無線 機は その ま ま使 用で用 きる ため 有
時 間 軸ア プロ ーチ は拡 散系 列 長の 2 乗 で済 むこ と利 で ある ．
が 分 かっ た． 技術 革新 の著 し い CP
PU 性 能 の向 上
以 上 の検 討か ら， 本研 究成 果 は， 特に 長距 離通を 考 慮す ると ，特 に時 間軸 ア プロ ーチ
ー は十 分に 実
信 を 必要 とす るユ ビキ タス 情 報化 社会社 を実 現す る
用 可 能と 思わ れる ．ま た， 本 提案 方法
方 は， セン サ
上 で 有用 であ ると 考え られ る ．
ー に 搭載 する 無線 機は その ま ま使 用で用 きる ため 有
今 後 は， シミ ュレ ーシ ョン 及 び無無 線機 の試 作実
利 で ある ．
験 に より ，本 報告 で検 討し た 内容 を検を 証す る予 定
以 上 の検 討か ら， 本研 究成 果 は， 特に 長距 離通で あ る．
信 を 必要 とす るユ ビキ タス 情 報化 社会社 を実 現す る

135

Networking, SAINT20007 (2007).

Practical Applicatiions of Sensor
Networking, SAINT20007 (2007).

図 7. 周 波数 軸ア プ ローチ 特 性 (計算 ）図 7. 周 波数 軸ア プ ローチ 特 性 (計算 ）図 8. 時 間軸 アプ ロ ーチ特 性 (計 算）

図 8. 時 間軸 アプ ロ ーチ特 性 (計 算）図 9．演 算量
算 の比 較４ ）石井 裕丈 ，土矢野 隆 ，“ク トル
Hashimoto,R.居信
Ito,数，
R， Ehsani,R.
H.スペ
Shimamura,
拡 Field
散 通信 Server
方法 及びProj
通信
信 装置 ”, ，日
本国of特許 ，“
jects”
Proc.
特 開 平9-93217(19977). of Sensor
Practical
Applicati
図9．演 算量算ionsの比較シ(2006)
ャノンの. 定理から通信距離と通信速度の関Networking, SAINT20007 (2007).
４ ）石 井 裕丈 ，土 居信 数，， 矢野 隆 ，“ スペ ク トルが 拡Fukatsu,
大で きる ことを示H.
した
． しか し，しこの 変形K.
シ
H. Hu,
Yoichi,K Tanaka,
K.

拡 散 通信 方法 及び 通信
信 装置 ” ，日 本国 特許 ，ャ ノSugahara,
ンの 定理 をス
トル 拡 散通
信
信に
応用 する
T. ペク
Watanabe,T. Ka
ameoka,A. と，

特 開 平9-93217 (19977).

送 受 信機 間に 生ず る周 波数 ず れと 時間
時 ずれ が問 題と な るこ とが 分か った ．
そ こ で， スペ クト ル拡 散を 応 用しし た長 距離 無線
通 信 とし て， 周波 数軸 アプ ロ ーチ と時と 間軸 アプ ロ
ー チ によ る周 波数 ずれ と時 間 ずれ の補の 償方 法に つ

正 規 化 処 理 利 得 Gp

係
導出Hirafuji,
し， 通信 速度
く する こと
こ
で通 信距
３を
）M.
S. を低
Ninomiya,
T . Kiura,T. 離（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011「ものづくり基礎工学」における安全教育の推進と137

ビジュアル教材の開発に向けた取り組み「ものづくり基礎工学」における安全教育の推進と
城石 英伸 1，清水ビジュアル教材の開発に向けた取り組み
昭博 2，大貫 繁雄 3，大塚 友彦 4，西村 亮 5， 鈴木塔二 6，藤野宏 6，降矢司 6，
中村源一郎 6，新田武父 6，雜賀章浩 6

城石英伸 *，清水昭博 **，大貫繁雄 ***，大塚友彦 ****，西村 亮 *****，鈴木塔二 ******，
藤野 宏 ******，降矢 司 ******，中村源一郎 ******，新田武父 ******，雜賀章浩 ******

Implementation of safety education into Fundamental Engineering Laboratory and effort for

Implementation of safety
education
into educational
Fundamental
Engineering Laboratory
developmentof visualmaterialand effort fordevelopmentof visual
educational
1, Akihiro
2, Shigeo
3, Tomohiko OHTSUKA4,
Hidenobu SHIROISHISHIMIZUOHNUKImaterial
56, Hiroshi FUJINO6, Tsukasa FURUYA6,
MakotoNISHIMURASUZUKI
AkihiroSHIMIZU, Shigeo OHNUKI, Tomohiko OHTSUKA,
Hidenobu
SHIROISHI,, Tohji

6, Takenori NITTA6, Akihiro SAIGA6NAKAMURA
MakotoGenichiro
NISHIMURA, Tohji SUZUKI, Hiroshi FUJINO, Tsukasa FURUYA,Genichiro NAKAMURA, Takenori NITTA, Akihiro SAIGA

The safety education was introduced in Fundamental Engineering Laboratory. The devices
The safety education was introduced in Fundamental Engineering Laboratory. The devices
such asas liquid
liquid crystal
crystal displays
displays were
were set
set upsuch
up intointo thethe experimental
experimental classroomclassroom inin thethe Department
Department ofof
Electronic
National College
ElectronicEngineering
Engineeringand
andthethePractical
PracticalTraining
TrainingFactory
FactoryofofTokyo
Tokyo National
College ofof Technology.
Technology.
(Keywords: safety education, visual educational material, Fundamental Engineering Laboratory)(Keywords: safety education, visual educational material, Fundamental Engineering Laboratory)
1. はじめに横断的に見通せる知識を有することが必須である

各地の高専・大学ひいては工場などの生産現場と考え，5 学科の基礎的内容を 1 年間で実習するにおいても，事故がたびたび繰り返されている．

「ものづくり基礎工学」という実験科目を導入し大事故に至らないまでもいわゆる「ヒヤリハット」

た．各学科の創意工夫によって，年々内容や実施

事象は数限りなく日常的に起こっている[1～4]．

方法がブラッシュアップされてきており，我々はこれらの事故は，作業者の操作に対する無知や，

工学基礎実験の模範というべきレベルに到達しつ

疲労や体調不良などに起因する注意力の欠如，安つあると自負している．しかしながら，自分の希全管理者の作業者に対する過信などによって引き望する学科ではない学科の実習に対しては，実習起こされる．

意欲が低い学生がいることも否めない．このよう本校は将来の日本を支えるトップエンジニアのな学生が少しでも減ることを祈念しつつ，「ものづ養成を目標としており，そのために最も重要視しくり基礎工学」の趣旨をガイダンスで説明していなければならない事の一つは，「事故を起こさない」というスキルを持った技術者を育成すること物質工学科である．しかしながら，安全に対する高い見識を化学薬品・ ガラ ス器具

醸成するためには，数多くの経験を積ませる必要がある事から，膨大な時間が必要である．また，これらの事柄は，強調しすぎてしまうと学生が工全体学に対して近寄りがたいという認識を持ってしま

基本的安全教育

う可能性もある．よって，工学基礎教育段階から
ゆっくりと時間をかけて安全教育を推進する必要がある．
本校では 6 年前にくくり相当入試を実施するとともに，これからの日本を支える技術者は，分野

図１ 安全教育における各学科の分担

1)物質工学科，2)機械工学科，3)電気工学科、4)電子工学科、5)情報工学科、6)産業技術センター＊物質工学科＊＊機械工学科＊＊＊＊＊情報工学科＊＊＊電気工学科＊＊＊＊＊＊産業技術センター＊＊＊＊電子工学科

138

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

図２ 安全教育で使用したスライドの例(物質工学分野).

城石，清水，大貫，大塚，西村，鈴木，藤野，降矢，中村，新田，雜賀：「ものづくり基礎工学」における安全教育の推進とビジュアル教材の開発に向けた取り組み 139(a) 実習工場での活用

図３ 「ものづくり基礎工学」実習項目 C3 において実施している安全教育テキスト．
るが，それだけでは限界があることもまた事実である．
このような現状を鑑み，「ものづくり基礎工学」
において，安全教育を推進すべく，ガイダンスや実験実習時において，安全教育を導入すると共に，卒業研究開始時における安全教育教材への応用を計った．また，学生が実験実習の内容に対して興味を増大させ，理解を助けることを目的として，(b)電子工学科の実験室での活用
写真 1 ビジュアル教材推進のために導入した液晶ディスプレイ活用
おいて全部を掲載するのは困難であるため，一例
として物質工学分野のスライドの一部を図 2 に示す．また，これらの教材をベースに物質工学科の２階の研究室に配属されている学生を対象とした卒業研究時における安全教育教材も作成し，昨年度の 3 月に実施した「匠の技」の予算を活用した
日産自動車(株)の竹川氏による講演会の前座として安全教育を実施した．
教材のビジュアル化を推進するための設備導入と，また，物質工学分野の 3 回目のテーマにおいて教材開発にむけた取り組みを行った．
は「インターネットを使って物質の情報を集めよう」と題し，薬品の有害性や応急処置，火災時の
2. 「ものづくり基礎工学」への安全教育の推進
対 応 に つ い て 薬 品 会 社 が 提 供 す る MSDS

これまでは，各学科が実験直前に個別に安全教育を行っていたが，本年度より，ガイダンスの時に，各学科毎に分担して安全に関するガイダンスを実施した(図１)．ただし情報工学科に関しては，
1 年生の科目「工学基礎演習」において，メール
やインターネットなどに関する情報リテラシー教
育を既に実施していることから「ものづくり基礎
工学」ガイダンス時の実施は見送った．本報告に(Material Safety Data Sheet)を検索する実習を導入している(図３)．
3. ビジュアル教材の開発に向けた取り組み
実習工場では，旋盤，フライス盤，ボール盤などの工作機械や鋳造などで高温の溶融金属などを使用する．これらの説明は従来工場内のホワイト
ボードを用いて行われていたが，46 型の液晶ディ140

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

4. まとめ事故を起こさない技術者を養成するには，低学
年から長期的な視点に立ち，安全教育をすることが重要である．本研究においては「ものづくり基礎工学」のガイダンスに安全教育を導入することにより，トップエンジニアリング養成の礎とした．
また，ビジュアル教材推進のために液晶ディスプレイ等を導入し，学生の実験内容への理解と興味を増進させることに成功した．
謝辞
本研究は平成 21 年度校長裁量経費の支援を受けて実施した．関係各位に感謝申し上げます．
参考文献
写真 2 ビジュアル教材推進のために導入した顕微鏡とデジタルカメラ
スプレイと PC を用いる事により，説明が円滑にかつインタラクティブに行うことができるようになった(写真 1(a))．
電子工学科の実験室にも 24 型の液晶ディスプ
レイ 4 台を導入することにより，従来プロジェク
タースクリーンの死角となっていた場所においても説明が見やすくなり，ビジュアル教材の導入を推進しやすくなった(写真 1(b))．
また，物質工学分野においては光学顕微鏡，デジタルカメラ，液晶ディスプレイを各 1 台導入し，ものづくり基礎工学における応用だけでなく，本校の学外向けの行事であるサイエンスフェスタ等への適用も計画している(写真 2)．
また，新たな試みとして，ビジュアル教材の作成を推進するために，昨年度の物質工学科 2 年生の情報処理 I の冬休みの宿題として「フリーウェ
アを使って，科学的に興味深い動画を作る．
」というテーマを設けた．その結果，「ミョウバンの結晶のできていく様子」，「さよなら、ゆっきー(雪だる
まの溶けていく様子)」，「氷が溶ける様子」，「お湯を入れたペットボトルがへこむ様子」，「氷が解ける動画と雲の動く様子の動画」などの作品が寄せられた．本年度も同様の課題を実施し，ビジュア
ル教材の作成を推進していきたいと考えている．

[1] 化学同人編集部編，実験を安全に行うために，
化学同人(2006).
[2] 続–化学同人編集部編，実験を安全に行うために，化学同人(2007).
[3] 西脇 永敏著，教科書にない実験マニュアル
よくある失敗・役だつ NG 集，講談社(2006)[4] 田中 陵二, 松本 英之著，実験室の笑える？
笑えない！事故実例集，講談社(2001).
（平成 23 年 1 月 6 日

受理）

東京工業高等専門学校研究報告書 第 42(2)号, 2011
東京工業高等専門学校研究報告書

第 42（2）号，2011

141

全アルカリ度滴定装置の物質工学科および

全アルカリ度滴定装置の物質工学科および物質工学専攻学生実験への応用
物質工学専攻学生実験への応用
工藤節子*，城石英伸*，雑賀章浩**，高橋三男*, 石井宏幸*，三谷知世*

工藤節子 *，城石英伸 *，雑賀章浩 **，高橋三男 *，石井宏幸 *，三谷知世 *Application of a Total Alkalinity Titrator to Laboratory Work by
Application of a Total Alkalinity Titrator to Laboratory Work byStudents of Chemical Science and Engineering, and Advanced Engineering
Students of Chemical Science and Engineering, and Advanced Engineering

UDO, Hidenobu
SHIROISHI, Akihiro
SAIGA,,
SetsukoSetsuko
KUDO,KHidenobu
SHIROISHI, Akihiro
SAIGA
TAKAHASHI, Hiroyuki
ISHII, Tomoyo
ITANI
MitsuoMitsuo
TAKAHASHI, Hiroyuki
ISHII,TomoyoMM
ITANI

At the Tokyo
of Technology,
Technology, aa total
total alkalinity
alkalinity titrator
titrator was used
Tokyo National
National College
College ofused inin laboratorylaboratory
Scienceand andEngineering
Department
and bywork byby second-year
second-year students
studentsininthetheChemical
ChemicalScienceEngineering
Department
andfirstby
year
students
intheAdvancedEngineering
Course.
The
experimentconsistedessentiallyoffirst-year students in the Advanced Engineering Course. The experiment consisted essentially of
calibration ofof theautomated buretteburette andand measurements
measurementsofofthe
thepH,
pH,total
totalalkalinity
alkalinity(A( AT),), andand total
total
calibration
the automatedT
dissolved inorganic carbon (CT) of seawater. Advanced Course students analyzed the titration data,
dissolved inorganic carbon (CT) of sea water. Advanced Course students analyzed the titration data,
and then calculated pH and f (CO ) by using the A and C values obtained experimentally.
and then calculated pH and f(CO22) by using the ATT and CTT values obtained experimentally.
(Keywords: chemistry education, total alkalinity titrator, sea water)(Keywords: chemistry education, total alkalinity titrator, sea water)

1.

はじめに
炭酸系は工業化学や環境分野で昔から分析されてきたが，一般の人々の関心や注意をよぶものではなかったように思われる．最近，地球温暖化，
二酸化炭素の吸収源である海洋の酸性化，二酸化炭素のリサイクル，健康面から炭酸鉱泉や人工炭酸水に対する関心が高まっている．海洋の炭酸系測定では，実験室での僅かな誤差が地球規模では大きな誤差となるため，極めて高い精密さが要求される．平成 9～11 年頃にメーカーが二研究グループと協同で全自動精密炭酸計[1] を世界で初めて開発したが，特定の専門家のみが操作・保守・
データ解析可能であり，高価であった．その後のメーカーの努力で小型化・簡易化が実現し，高専・大学など教育現場への普及が期待されている．本
装置にはまだ改良要素があり，より高い完成度を目指してメーカーとユーザーによる研究が進められている．
上記の小型化・簡易化された全アルカリ度滴定装置[2]を用いて，ビュレット係数の決定，pH 電極の応答性試験，分析精度・正確さなど基礎的実験を行った上で，高専物質工学科および物質工学
専攻学生実験での活用について検討したので報告

する．
2. 理論[3]2.1 炭酸系の化学平衡
二酸化炭素は水に溶解し，次のような化学平衡を生じる．

CO2(g) ⇌ CO2(aq)(1)

CO2(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq)(2)+

H2CO3(aq) ⇌ H (aq) + HCO3 (aq)

(3)

+

(4)

-

HCO3 (aq) ⇌-H (aq) + CO32-(aq)CO2(aq)と H2CO3(aq)の化学種を分析的に区別する
こ と は 困 難 で あ る た め ， 通 常 は CO2(aq) とH2CO3(aq)の濃度の和を仮想的化学種 CO2*(aq)の濃度とし， (1)～(3) 式を次のように表わす．
CO2(g) ⇌ CO2*(aq)
+

(5)
-

CO2* (aq) + H2O(l) ⇌ H (aq) + HCO3 (aq) (6)これらの化学種の濃度間の平衡定数は次のように与えられる．
(7)
K0 = [CO2*]/f(CO2)+K1 = [H ][HCO3 ]/[CO2*](8)＊ 物質工学科＊＊教育研究技術支援センター第三グループ＊＊教育研究技術支援センター第三グループ＊物質工学科

142

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

K2 = [H+][CO32-]/[HCO3-](9)

ここで，f(CO2)は気相中の二酸化炭素のフガシテ
ィーである．これらの平衡定数は温度，圧力，溶液（例えば，海水）の塩分の関数であり，これま
でに種々の研究で測定されてきた．
2.2 炭酸系の実験的パラメータ
溶液中における炭酸系の個々の化学種濃度を直接測定することはできないが，測定し得る四つのパラメータがある．すなわち，全溶存無機炭素 CT，
全アルカリ度 AT，海水と平衡状態にある f (CO2)，
全水素イオン濃度 [H+]である．
CT は次式で与えられ，試料を酸性にすることによって直接測定できる．
CT = [CO2*] + [HCO3-] + [CO32-](10)
AT は，海水試料 1kg 中におけるプロトン受容体の過剰分と当量の水素イオンのモル数として定義される．したがって，AT は(11)式のように表わされる．
AT = [HCO3-] + 2[CO32-] + [B(OH)4-] + [OH-]+ [HPO42-] + 2[PO43-] + [SiO(OH)3-]+ [NH3] + [HS-] + … - [H+]F - [HSO4-]- [HF] - [H3PO4] …
(11)
ここで，25℃でイオン強度 0 のとき，酸解離定数K ≤ 10-4.5 の弱酸から生成する塩基をプロトン受容体，K > 10-4.5 の酸をプロトン供与体としている．
[H+]F は遊離の水素イオンを示す．
海水の水素イオン濃度は通常，pH として表わされる．
pH = -log[H+](12)全水素イオン濃度の概念には幾分混乱があるが，海水中では酸解離定数を正確に定義する必要がある[4]．全水素イオン濃度は次のように定義される．
(13)[H+] = [H+]F (1+ST/Ks)
ここで，ST = [SO42-] + [HSO4-]，Ks は HSO4- に対する酸解離定数であり，pH > 4 で(13)式は次のように近似できる．
[H+] = [H+]F + [HSO4-](14)
2.3 滴定データの解析
本法では，試料水を 0.1mol/L HCl で自動的に滴定し，滴定量と起電力(E)の変化から AT，CT の算出を行う．滴定の各点において，水素イオンの全濃度 CH は次式によって与えられる．
CH = [H+]F + [HSO4-] + [HF] + [H3PO4] - [HCO3-]- 2[CO32-] - [B(OH)4-] - [OH-] - [HPO42-]- 2[PO43-] - [SiO(OH)3-] - [NH3] - [HS-] (15)濃度 C [mol/kg-soln]，質量 m の塩酸を質量 m0 の
試料水 に滴加したとき次式が成り立つ．

CH =mC − m0 AT
m0 + m(16)(15)式と(16)式から，次式が導かれる．

mC − m0 AT= [H+]F + [HSO4-] + [HF] + [H3PO4]
m0 + m- [HCO3-] - 2[CO32-] - [B(OH)4-] - [OH-]- [HPO42-] - 2[PO43-] - [SiO(OH)3-] - [NH3]- [HS-](17)(17)式は本法における演算の基礎となり，ネルン
スト式と共に用いられるが，最小二乗法を用いてE0 を直接調整するよりも，次のような f を定義すると便利である．[H′]は E0 の初期値(E0′)から計算され，プログラムでは平方和を最小にするように
f を調整する．
f = [H+]/[H′](18)⎛ E 0 '− E ⎞⎟[ H ' ] = exp ⎜⎜ RT / F ⎟
⎠
⎝

(19)

(17) 式は次のように書き換えることができる．
⎞⎛⎛⎞
K1 f [H'] + 2K1K2
1⎟⎟ − B T ⎜⎜⎟⎟AT − CT ⎜⎜2⎝1+ ( f [H']) /KB ⎠⎝ ( f [H']) + K1 f [H'] + K1K2 ⎠⎞⎛K1PK2P ( f [H']) + 2K1PK2PK3P − ( f [H'])3⎟⎟− P T ⎜⎜32
⎝ ( f [H']) + K1P ( f [H']) + K1PK2P ( f [H']) + K1PK2PK3P ⎠
⎞
⎛
⎞
⎛
1
1
⎟⎟
⎟⎟ − NH3 T ⎜⎜− Si T ⎜⎜⎝1+ ( f [H'])/KNH3 ⎠⎝1+ ( f [H'])/KSi ⎠
⎛
⎞
⎛
⎞
1
1
⎟⎟
⎟⎟ + S T ⎜⎜− H2 S T ⎜⎜⎝1+ KSZ / ( f [H']) ⎠⎝1+ ( f [H'])/KH2S ⎠⎛⎞ ⎛ m0 + m ⎞ ⎛ f [H'] KW ⎞ m
1⎟⎟ ⎜⎜⎟⎟ + ⎜⎜⎟−+ FT ⎜⎜−
C =0
f [H'] ⎟⎠ m0⎝1+ KF / ( f [H']) ⎠ ⎝ m0 ⎠ ⎝ Z(20)

工藤，城石，雑賀，高橋 , 石井，三谷：全アルカリ度滴定装置の物質工学科および物質工学専攻学生実験への応用

ここで，Z = 1+ ST/Ks，H2ST = [H2S] + [HS-]である
る．
(20)式は，密密閉セル法で
で非線形最小小二乗法によより
AT と CT を求めるのにを用いられる．
．すなわち，有効な滴定点点をプロットし，決定係数
数 r2 が最大にになるように最最適化し，そのの近似式の傾傾きから CT，切片から AT を求める．
を一
一方，開放セルル法では pHH 3.0～3.5 の滴定
定データのみみ使用し，予め試料水を酸酸性にして CO2 を除くのでで，(17)式は単単純化されるる．
さらに，試
試料水によっては濃度が無無視し得る化化学
種の項を省省略することができる．遊遊離の水素イイオ
ン濃度は全全水素イオン濃度から直接接計算できる
る．
+
+
(
(21)
[H ]F = [H ]/Z
計算
2.4 平衡計
一定の温
温度と圧力条件下で， ① (7)式の K0，②
溶液中に存存在する酸塩
塩基対の平衡
衡定数，③ CO2
以外の全てての酸塩基対対の総濃度，④④ 2.2 で述べ
べた
炭酸系の四四パラメータのうち少なくても二つががわ
かれば，海
海水試料中の炭酸系は理論論的に完全にに記述することができる．
する炭酸系化
化学種の寄与与を示す炭酸酸ア
AT に対すルカリ度 AC は(22)式でで定義され，(23)式が成り立つ．
AC = [HCO3-] + 2[CO32-]
(
(22)
-

-

AC = AT - ([B(OH)4 ] + [OH ] + [HPPO42-] + 2[POO43-]
HS-] + …
+ [SiO(OH)3-] + [NH3] + [H
- [H[ +]F - [HSO4-] - [HF] - [HH3PO4] - …) (23)(組み合わせから，平衡計算
算に
種々のパラメータの組
残りのパラメータおよび炭炭酸系化学種
種の
よって，残
濃度を求め
めることができる．これままでに異なるる研究者によって，いくつかの平衡計算
算プログラムムが発表されてている．ここでは，Lewiss と Wallacee [5]によるプログラムを使用した．
3. 実験
3.1 装置
全アルカリ度滴定装置 ATT-05（紀本電子工
工業）
および密度
度比重計 DA
A-500（京都電電子工業）をを使用した．
全アルカリ度滴定装置の構成概略
略を図 1 に示示す．
密閉セル)またたはトールビビー
本装置は，分析瓶(擬密カー（開放放セル），スタターラ，ビュレット（マイイク
ロシリンジ
ジポンプ），温温度センサーー，滴定ノズズル，
pH 電極で構構成される．分析瓶は形状
状やサンプリン143法において酸酸素瓶と類似似しているがが，約 100gg
グ法の試
試料水（天秤秤で秤量）をを 0.1mol/L HC
Cl（2.3 に示
示
されれた濃度に換換算）で滴定定した場合，あふれずにに試料
料水と滴定液液の合量がちちょうど収ままるように設設計さされている．また，液面
面から蓋まででのヘッドスペーースは分析開開始前においいて全体積のの約 7 %であある．蓋は測定直直前に専用ののものと交換換される．測測用試料水を攪攪拌しながらら，滴定条件件にしたがっ定用て滴滴定ノズルかから滴定液がが滴下され，温度と pH
Hをモ
モニタリング
グする．装置
置を使用しな
ない期間はビビュレレットのシリリンジ（5mL
L）中に純水
水を満たして
て
おい
いた．

③

②
①
スター
ーラ

CPU

図1

全
全アルカリ度滴滴定装置の構成
成概略図①

ビ
ビュレット，②③

分
分析瓶(滴定ノズル，pH 電極
極，温度

滴定液 (0.1m
mol/L HCl)，

センサ
サー，試料水，攪拌子)密度比重計は密
は，ビュレッット係数の測測定に必要なな
純水
水，滴定液でである 0.1 mool/L HCl の密密度測定に用いた
た．
3.2 pH 電極
用いた用
pH 電極はいずれ
電
れも複合電極極であり，ラジオ
オメータ社のの pHC2401-88（液絡部：アニュラーータイイプ）3 本，2 種類の国内
内社（液絡部
部：ポーラスピンンタイプ）各
各 1 本である
る． 海水の測測定では pHH
電極
極を購入時にに比較電極用用内部液と KCl
K 結晶を入入れ換
換えた後，液絡部も浸るように純水中中に約 10 h，
0.1 mol/L HCl に約に 20 min，次いで pH 1～3 に調整整した
た海水に 24 h 以上浸漬しした．最後にに超純水で洗洗浄しした後，pH 4 に調整した
た海水およびび pH 8 の海海水中中において，1 s 間隔で測測定した起電電力の経時変変化かから，pH 電極極の応答性をを調べた．塩水以外の測
塩
測定ででは，電極感感応部と液絡絡部を 0.1 moll/L HCl 中にに
20～～60 min 浸漬
漬した後，超超純水で洗浄浄した．

144

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

3.3 試薬および分析用海水など
0.1 mol/L 塩酸（容量分析用），炭酸水素ナトリ
ウム（特級），塩化ナトリウム（特級），塩化カリ
ウム（電気伝導度測定用）の和光純薬工業の各試薬を用いた．試料水と標準海水については以下に述べる．
1) 濾過海水平成 20 年 6 月および 21 年 8 月に，沖縄県本部町瀬底島桟橋近くの水中二酸化炭素観測システム
CO2-2000T（紀本電子工業）に汲み上げられた海
水の一部を採取した．海水の塩分として，そのシステムに備え付けの塩分計によって指示された値(33.77，34.05) を記録した．その海水を実験室で吸引しながらメンブレンフィルター (Millipore，
Durapore® 0.45μm HV) で濾過した．それをポリエ
チレン製容器にできるだけヘッドスペースを大きくし（例えば，全体積の約 70%）
，2 週間以上保存
した後に用いた．
2) 擬似海水（NaHCO3-NaCl 水溶液）
CT の繰り返し精度検討のために，炭酸水素ナト
リウムと塩化ナトリウムを超純水に溶解し，塩分
35，AT が 2000 μmol/kg の擬似海水を調製した．
3) CRM (Certified Reference Material)
分析値が保証された海水 CRM をスクリップス
海洋研究所から購入した．これはスクリップス海洋研究所にて調製，精密に値づけされたもので，微量の塩化水銀(II)を含む．本研究で使用した
CRM は同一バッチ (Batch 99) [6]であり，保証値
は塩分 35.185，AT が 2356.78±0.66 μmol/kg，CT が 2115.04±0.56 μmol/kg であった．栄養塩類の分析値も記載されている．
4) 天然水
市販の天然水（湧水，硬度 38 mg/L）を海水との比較に用いた．
3.4 分析方法
実験室内の温調をはじめ，ガラス容器の恒量
化条件，浮力補正などは，精密分析法 に準じて行った．
ビュレットからの正確な送液量を得るため，
ビュレット係数を求めた．純水をビュレットに導入し，ガラス瓶に 5 mL 吐出させ，その質量を体積に換算した． この操作を 5 回行い，(平均値/5 mL) をビュレット係数とした．
pH 電極の応答性試験では本装置の機能を利用した．分析値の誤差評価には，予めラジオメータ社の pH 電極と CRM を用いて滴定条件（スタート待ち時間，初期待ち時間，初期滴定量，
滴定間隔，滴定量，初期 pH など）の最適化を行った．
4．学生実験への応用
平成 20 年度と 21 年度において，全アルカリ度滴定装置を主として物質工学科 2 年（2C）の「分析化学実験」，専攻科物質工学専攻 1 年（1AC）の「物質工学特別実験」の授業に応用した．
4.1 2C「分析化学実験」
本学生実験では，従来の定性分析および定量分
析後に機器を用いる定性・定量分析を実施するように組まれている．
本装置を用いるテーマは容量分析の発展学習として位置づけ，機器分析の一つに加えた．配布プ
リントでは従来の容量分析法を概説し，目的によっては機器を用いて滴定を自動的に行うこと，ATと CT の定義，ビュレット係数の求め方，機器の各部名称と構成を記した．本装置は地球温暖化の研究のために海水中の炭酸に関わる分析用に開発されたことを簡単に説明した． 2C 学生では化学の基礎を重視し，炭酸系の分析値については関心をもってもらえればよしとした．この学年でも CTの定義である(10)式を理解する能力はあると考えた．
具体的な実験の目的と要旨をまとめて以下に示
す．
(a) 試料水に含まれる気体を分析する際のサンプ
リング法を学ぶ．
(b) 海水の pH を測定し，その液性を知る．
(c) 滴定中に装置の動作を観察し，自動滴定の仕組みを理解する．
(d) ビュレット係数を求め，体積計の校正法を知る．
学生には次の課題に取り組むように指示し，通常の実験レポートを書かせなかった．(1)以外は検定教科書「化学 II」に記載されている基礎知識である．
(1) 今回の実験で得られた結果をまとめよ．（ビュレット係数に関する実験では生データおよび計算過程を示すこと．
）(2) 一般に水に対する気体の溶解度は，水温および水と接する気体の圧力とどのような関係

工藤，城石，雑賀，高橋 , 石井，三谷：全アルカリ度滴定装置の物質工学科および物質工学専攻学生実験への応用

4.2 1AC「物質工学特別実験」
本学生実験では，実験に先立って約 90 分間の講義を行った．内容は地球温暖化現象と海の CO2 吸収源としての役割，海の酸性化とその生態系への影響，本装置の開発の経緯などを導入とし，前述した理論の概要，データ解析の原理，実験内容の説明である．水溶液中の化学種の分布に及ぼす pHの影響，イオン強度の定義，気体の分圧とフガシティーの関係など復習を含む．一般に自動滴定装
置はカールフィッシャー水分滴定をはじめとする
多くの精密分析に利用され，オートサンプラーと接続することによってシステムの自動化・省力化にも役立つことを説明した．
平成 21 年度の実施例について具体的な実験の目的と要旨をまとめて以下に示す．
(a) 複合 pH 電極の構造を理解し，液性の異なる
海水中で pH 電極の応答性を調べる．
(b) 自動滴定の原理を理解し，ビュレット係数を求める．
(c) 本装置によって海水および市販の天然水（軟水）の滴定データを得て，滴定曲線の違いをみる．
(d) 滴定データの解析によって得られた海水の ATと CT を用いて平衡計算を行う．
平衡計算については，レポート作成前に文献[7] [8]にしたがって演習を行えるようにした．
実験レポートは下記内容を含むものとし，様式や考察を各自に任せた．
(1) 海水中の炭酸系平衡，AT および CT の定義，炭酸系分析法に関する理論の概要(2) 水中における炭酸系化学種の分布を pH の関数として表わした理論曲線(3) ビュレット係数(4) pH 電極の応答性(5) 海水および天然水の滴定曲線(6) 平衡計算の際に入力したパラメータと平衡計
算結果（プログラムの適用範囲を確認）(7) f(CO2)，pH，化学種の分布などに関する可能な考察
5. 結果と考察
5.1 ビュレット係数
ビュレット係数は 4 日間にわたって相対標準偏差（RSD）が 0.03%以下であり，1 日以内の繰り返し標準偏差はさらに良好であった．1AC 学生実
験でも同様の結果を得た．
5.2 pH 電極の応答性
pH 電極の応答性は滴定条件の最適化に必要な要素の一つである．pH 4 においてはどのメーカーの pH 電極も 10～12s 後には起電力が 200 mV 前後
で一定値（RSD≤1%，n=5）に達した．図 2 に弱塩
基性（pH 8）における各 pH 電極の応答性を示す．
国内二社の pH 電極が約 35s で起電力が一定値に達したのに対し，ラジオメータ社の電極では約23s で一定値を示した．ラジオメータ社の pH 電極
は弱塩基性においても応答性に優れることが確認
できた．
300

ラジオメータ社
国内メーカーA
国内メーカーB

200

E/m V

があるか述べよ．また，これらを示す身近な例を一つずつあげよ．
(3) 気体の溶解度に関するヘンリーの法則とは
何か．
(4) 水中で酸素は O2 として溶存するが，二酸化炭素について考えられる化学平衡を三段階で示せ．
課題用紙の最後に，学生が自由に感想を記述できる欄を設けた．

145

100

0

-100

0

5

10

15

20

25

30

t/s

図 2 pH 8 の海水中における各 pH 電極の応答性

5.3 AT，CT の分析精度と正確さ
ラジオメータ社の同一 pH 電極を用いて濾過海
水，擬似海水，CRM を分析した結果を表 1 に示す．
国際標準レヴェルにおける AT と CT の精度は，標準偏差にして，それぞれ約 2 μmol/kg，約 1.5 μmol/kg [9]である．表 1 の結果は繰り返し精度であるか

146

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

ら，単純に国際標準レヴェルと比較するのは問題と思われるが，擬似海水と CRM では AT，CT ともによい結果といえる．一方，濾過海水の CT の繰り返し精度がよくなかった一つの原因として，操作中に外気の影響を受けたことが考えられる．
表 1 各試料水と CRM の AT, CT 分析値の繰り返し精度*AT/μmol kg-1

CT/μmol kg-1

ろ過海水2222.2 ± 1.3

1982.4 ± 2.7

擬似海水1917.8 ± 0.4

1836.1 ± 1.0

CRM2347.3 ± 1.2

2119.3± 1.0*平均値±SD，n=5

更に検討が必要である．本件については，本プロ
ジェクト実施期間中に Dickson 教授の研究室でも検討段階にあった．
5.4 学生実験への応用
5.4.1 2C「分析化学実験」
4.1 の課題に対する正答率を表 3 にまとめた．
正答率は 1 回目に提出されたレポートでは極めて低かったが，再レポートではほぼ 100%であった．
表 3 課題レポートにおける正答率*
要 点

正答率(%)
初回

再提出

試料の均一性や安定性の点でも信頼できる CRMの分析において，良好な繰返し精度が得られたので，CRM を用いて正確さの検討が可能と判断した．

ビュレット係数の決定

696

海水の液性（弱塩基性）

096

気体の溶解度と身近な例

30

100

表 2 に，ラジオメータ社の pH 電極 3 本を用い

CO2 の水中での溶存状態

498て得られた CRM 分析結果と分析値の正確さを示* n=47 (学生数)す．
表 2 異なる pH 電極による CRM の AT, CT 分析
値と正確さ*

pH
電極

AT

ΔAT

CT

ΔCT:

A

2347.2-9.6

2119.0+4.0

B2348.2-8.6

2116.5+1.5

C

2348.3-8.5

2120.7+5.7*単位：μmol/kg. Δ:CRM の保証値との差国際標準レヴェルにおける AT と CT の正確さは，それぞれ約 4 μmol/kg 以内，約 2 μmol/kg である[9]．
各 pH 電極における AT は，正確さの点で -8～-10μmol/kg の偏り（電極の個体差では説明困難）がみられた． CT の正確さは pH 電極 B のみ，国際
標準レヴェルをほぼ満たしたが，この電極が他の2 本より優れているとは限らない．CT の場合には擬密閉セルやサンプリングが分析値にどのように影響するか見積れないためである．先に述べた全自動精密炭酸計[10]では，適切な pH 電極が選択されれば，密閉セル法で AT，CT ともに国際標準レ
ヴェルに達していたので，簡易型装置については

1 回目のレポート内容を分析すると，ビュレット
係数を求めるのに，水の密度を用いて質量から体積への換算が必要であるが，ほとんどできなかった．学生は海水の pH を測定したが，その液性が弱塩基性であることに気づかなかった．（沿岸で河川水が流入するなどの影響がある場合には，pHが低下する．）また，気体の溶解度に関わる身近な現象についてもヒントが必要であった．学生が様々な現象に興味と関心をもって自ら考えるようになるには，現代の便利な生活の中で如何にして経験値を上げてゆくかが課題と思われる．
自由記述欄の感想は以下のようなものであった．
(ァ) 仕組みを理解するのは難しいが，自動化した機器に感動した．
(ィ) 将来，自分もこのような機器を開発できるよ
うな技術者になりたい．
(ゥ) 地球温暖化の研究に役立ちそうな機器であることがわかって，嬉しかった．
(ェ) 自動化してもよいが，手で滴定する方がやりがいはある．
(ォ) 自動化しているので楽でよい．
本機器の製作を担当した技術者が高専出身の女性（20 代）であり，学生に希望を与えたことは二次的効果といえよう．いずれも低学年らしい感想で工藤，城石，雑賀，高橋 , 石井，三谷：全アルカリ度滴定装置の物質工学科および物質工学専攻学生実験への応用

ある．

147

説明しておらず，詳細過ぎるので，ここでは省略
する.]
250
200
150
E /mV

5.4.2 1AC「物質工学特別実験」
平成 21 年度に本実験を行った中西弘貴君（現在，2AC）の許可を得て，レポートの中から結果と考察の一部分を紹介する．[ ] は本実験を担当した教員によるコメントである．
濾過海水を滴定したときの起電力変化を時間の関数として図 3 に示す．起電力の増加は pH 低下に対応しており，滴定液が導入されたところでは起電力が大きく変化している．測定開始直後の弱塩基性海水では，起電力の安定に時間を要していることがわかる．滴定が進行するにつれて，pH 電極の応答性はよくなるので，滴定時間の短縮も考慮して滴定条件が設定されている．[異常値が出た場合には，メーカーにより準備された再計算プロ
グラムを利用することもできる.]

100
50
0

海水1
海水2
天然水

-50
-100
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

V /mL

図 4 0.1 mol/L HCl による濾過海水と天然水の滴定曲線250

表 4 炭酸系パラメータの分析値と計算値*

E /mV

200
150

パラメータ

100

温度/℃

-50
-100

0

200

400

600

800

1000 1200

t /s

図 3 0.1 mol/L HCl による濾過海水 の滴定時間に対する起電力変化

図 4 に濾過海水（同一ロットを 2 回測定）と天
然水の滴定曲線を示す．海水は天然水よりも（起電力が低く）pH が高く，起電力がジャンプするのに要する滴定量が多いことを示している．このことから，海水は天然水よりも全アルカリ度が高い
ことがわかる．
表 4 に，濾過海水の 2 回の分析値（CT，AT），
平衡計算によって得られた NBS スケールの pH とf(CO2)の計算値を分析時の液温とともに示す．
[平衡計算の入力に必要な諸条件が正しく記されていた．また，pH，f(CO2)の差についても考察されていたが，学生には AT と CT の正確さについて

海水 1

海水 2

海水 1

海水 2

19.7

19.3

－

－

2235.3 2233.7

－

－

-1

2073.7 2071.4－－

pHNBS /-

7.968

7.968

7.976

7.984

f(CO2) /μatm

－

－

670.6

655.9

CT/μmol kg

0

計算値

-1

AT/μmol kg

50

分析値

* 海水 1,海水 2 の数字は 1 回目，2 回目を意味する．

学生には塩分の関数として与えられている炭酸系の平衡定数 [3] を紹介していなかった．しかし，5 名中 4 名の学生は，平衡計算プログラムを用いて濾過海水の炭酸系化学種の濃度を計算し，別に
天然水についても計算して比較した．その結果，海水の方がより解離平衡が右に移動することを見出した．それは海水の pH とイオン強度の影響であり，海水が二酸化炭素の吸収源といわれることが理解できたと結論づけている．
実験後にアンケートを実施しなかったが，他のテーマと比べて難し過ぎるという意見となかなか体験できない実験ができてよかったという意見が出された．難し過ぎるという学生もレポート作成にはよく取り組み，総じて目的は達成された．

148

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

5.4.3 今後の展望と課題
炭酸系分析の正確さが国際レヴェルに達しなくても，実験目的を適切なものにすることにより，本装置は高専の低学年から高学年の教育に活用できると考えられる．また，座学の中で話題として取り上げることも可能である．以下に活用のためのキーワードを示す．
キーワード：容量分析と自動滴定装置，自動滴定装置の仕組み，ビュレット係数，密度による体積・質量の換算，
気体の溶解度，
水中での炭酸系平衡，
全溶存無機炭素，電荷均衡とアルカリ度，炭酸系
化学種の生成分率（pH とイオン強度の影響），pHとネルンスト式，分圧，フガシティー，平衡計算，
非線形最小二乗法の応用，海水の特徴，二酸化炭素の吸収源，炭素循環，海洋の酸性化，生物代謝と炭酸系，海水と生命の起源
琉球大学の水中二酸化炭素観測システムによる連続データの使用許可を得ていたので，それを環境科学の演習に利用する計画であったが，本プロ
ジェクト期間内には実施できなかった．今後は淡水用にデータ解析プログラムを作成することが望まれる．これまでのデータ蓄積によって密度は測定しなくてもよくなったが，塩分測定は必要である．しかし，同一ロットの海水を 20～40 L 確保したときに，塩分測定を他機関に 1 回（70～100 mL）
協力依頼すれば，今回のような学生実験はスタッ
フによる予備実験を含めて 2～4 年間実施可能である．あるいは導電率計を利用する方法もある．
6. 結論
簡易型全アルカリ度滴定装置は，現段階では分析の正確さの点で国際レヴェルには達しなかったが，繰り返し精度の点で優れていることがわかった．学生実験への応用実施例から，本装置は高専の低学年から高学年まで，内容に応じて活用できると考えられる．
本研究は，平成 20 年度重点配分経費（東京高専
学内予算，学科研究活動名称「実験と計算によって地球温暖化を学ぶ－海洋の炭酸系平衡－」代表者：工藤節子）および平成 21 年度重点配分経費（東京高専学内予算，研究課題「全アルカリ度滴定装置の高専教育への応用」申請者：工藤節子）によって実施されました．さらに本装置の開発者による講演会ならびに製作技術者による講習会は，平成 21 年度「企業技術者等活用プログラム」によって御支援いただ

きました．平成 21 年度，物質工学科 5 年の山下 淳
君は，炭酸系の精密測定ならびにデータ処理に精力的に取り組み，学生実験指導にも協力してくれました．ここに深く感謝致します．
水中二酸化炭素観測システムに連続的に導入される海水の採取を快諾された琉球大学理学部海洋自然科学科 大森 保教授(現在，名誉教授)，密度の精密測定に便宜を図っていただいた東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻 茅根 創教授に謝意を表します．

参考文献および注釈[1] 当時のプロジェクトによって機器名称が異なり，クーロメトリー用機器との接続も可能であった．
[2] 分析の原理においては，簡易型であっても全自動型と同様である．
[3] A. G. Dickson, C. L. Sabine, J. R. Christian(Eds.), Guide to Best Practices for Ocean CO2
Measurements, PICES Special Publication 3,
IOCCP Report No.8, October 12, 2007.
[4] A. G. Dickson, J. Chem. Thermodyn. 22, 113-127,
1990.
[5] E. Lewis and D. Wallace, Program Developed for
CO2 System Calculations. http://cdiac.ornl.gov/
oceans/co2rprt.html (2010 年 2 月 3 日現在).
[6] A . G . D i c k s o n , S c r i p p s I n s t i t u t i o n o f
Oceanography, University of California, San
Diego. http://andrew.ucsd.edu/co2qc/ (2010 年 2
月 3 日現在).
[7] H. Hata, S. Kudo, A. Muramoto, K. Nozaki, K.
Kato, A. Negishi, H. Saito, H. Yamano, A.
Watanabe, and H. Kayanne, Galaxea, JapaneseCoral Reef Society, 6, 21-42, 2004.
[8] A. Watanabe, H. Kayanne, H. Hata, S. Kudo, K.
Nozaki, K. Kato, and A. Negishi, Y. Ikeda, and H.
Yamano, Limnol. Oceanogr., 51(4), 1614-1628,
2006.
[9] R. Wanninkhof, E. Lewis, R. A. Feely, and F. J.
Millero, Mar. Chem., 65, 291-301, 1999.
[10] 渡邉 敦，
平成 12 年度東京大学大学院修士論
文, 2001.

（平成 23 年 1 月 7 日

受理）

『新撰万葉集』注釈稿 （上巻
冬部

九八～九九）
一般科目

津

田

潔

・

’ yo- shu- (18)The Annotation of the Shinsen-man

共立女子大学半澤幹

更訝梅花満苑時。 更に訝かる梅花苑に満つる時。

山野偸看堪奪眼。 山野偸かに看れば眼を奪ふに堪へたり。

深春風景豈無知。 深春の風景は豈に知ること無からんや。

文庫本・久曽神本は「之」を挟む。第四句の「拆」を、類従本・藤波家

箇所の右に「砥カ」と注する。第三句の「梅花」の間に、類従本・永青【通釈】を異本注記する本がある。

他本に従う。
「更訝」を、林羅山本・無窮会本「更訶」に作り、またそれ北からの冷たい風がビュービュー吹いて、雪が木々の枝に積もっている。どうしてそれを今は梅の花が御苑一杯に咲き乱れている時節であっ道明寺本・無窮会本は「おもへば」とするが、元禄九年版本・元禄十二ら）人の目を引きつけるのに十分だろう。
（初春の風景ならまだしも）そ

遙か彼方の山野のそれをちらっと見ただけであれば、（梅花と見紛うか

た っ け と 怪 し ん だ り す る こ と が あ ろ う か、 そ ん な こ と は な い。 し か し、

年版本・文化版本・下沢文庫本から「おもへど」と改める。また、結句

ろうか。

れが春爛漫の風景であるならば、どうして見分けられないことがあるだ

同歌は、歌合や他の歌集に見当たらない。

の「てれる」にたいして、林羅山本・無窮会本は「ふれる」とする。

訓では、第二句の「おもへど」を、底本および藤波家本・林羅山本・

句では「拆留」および「見」を欠き、「曽」の後に「湯留」を加える。

庫本・久曽神本は、第二句の「思」の後に「者」を補ういっぽう、第四本・和学講談所本・道明寺本・無窮会本は「折」とする。また、永青文「粛粛」を、底本・文化写本・藤波家本・永青文庫本「隶隶」に作るも、

【校異】

一

’ ichi HANZAWA
Kiyoshi TSUDA and Kan

寒風粛粛雪封枝。 寒風粛粛として雪枝に封ず。

’ yo- shu- edited in 893 ?
This paper is the annotation of the Shinsen-man（ Key-word:the Shinsen-man’ yo- shu
）梅花 拆留砥曽見 雪之照礼留者

本文では、第二句の「沼」の後に、永青文庫本・久曽神本が「砥」字【校異】

霜枯れに 成りぬと思へど 梅の花 さけるとぞ見る 雪の照れるは

霜枯丹 成沼雖思98を補い、元禄九年版本・元禄十二年版本・文化版本・下沢文庫本が該当

98

第 42（2）号，2011
東京工業高等専門学校研究報告書
（1）

【通釈】
【語釈】

冬に北方から吹く冷たい風。九一・九四番詩【語釈】該項参照。

謝恵連「雪賦」に「歳将暮、時既昏。寒風積、愁雲繁」（『文選』巻一三）寒風（枝に降り積もった）雪が光り輝いているのは。

とあり、菅原道真「文章院漢書竟宴各詠史得公孫弘」詩に「何忌牧童疲

霜枯れになったと思うのに、梅の花がまさに咲いているようである、【語釈】

風 の 音、あるいは羽音などを表す重言の擬音語。魏・王仲宣「贈蔡子篤詩」に「烈粛粛れの」の項を参照。「霜枯れ」という名詞形は万葉集から見られるが、動

烈冬日、粛粛淒風」（『文選』巻二三）、晋・陶淵明「答龐参軍詩第六章」

望 海、 不 愁 布 被 耐 寒 風 」（『 菅 家 文 草 』 巻 五 ） と あ る。

詞としては「はぎはらもしもがれにけりみかりのはあさるきぎすのかくに「惨惨寒日、粛粛其風」、盧綸「冬日登城楼有懐因贈程騰」詩に「風声霜枯れに 「霜枯（しもが）れ」については、八二番歌【語釈】「霜枯三九五）「しもがるるはじめとみずはしらぎ

粛粛雁飛絶、雲色茫茫欲成雪」とある。異文「隶隶」は、恐らくは「粛れなきまで」（後拾遺集六一二七）あたりから見るか、万葉集では「冬の柳」（一〇 一八四六）の一例、八代集ではほとに来ることが多く、四季歌としては冬歌のみに現れる。何が霜枯れになられる。「霜枯れに」あるいは「霜枯れの」という形で、本歌同様、初句

雪封上枝」とあり、多治比真人「和菅祭酒賦朱雀衰柳作」詩に「寒霜着枝」（『藝文類聚』梔子）、梁・ 虞羲「見江辺竹詩」に「秋波漱下趾。冬に積もること。梁簡文帝蕭綱「詠梔子花詩」に「疑為霜裹葉、復類雪封粛」の誤写だろう。その用例を知らない。 雪封枝

くのうつろふいろをなげかざらまし」（詞花集三

んどが草葉であるが、「霜がれの枝となわびそ白雪のきえぬ限は花とこそ

樹非真葉、霏雪封枝是偽花」（『凌雲集』）、菅原道真「寄白菊四十韻」詩一一五五）のように、本歌と同じく、れる。後者については、「雖」の字義に対応するのは逆接の「ど」であり、とも訓まれるので、「「ともへど」というつながりを想定したとも考えらかもしれない。なお別解として、「雖」は万葉集では接続助詞の「とも」られている。これらからはあるいは適宜、訓みやすいほうを省略したの「の」も補読である。同様に「さけると」の「と」にも「砥」字が当てにおいては「雪の」の「の」には「之」字があるものの、「梅の花」のる。前者については、単なる欠字と見るのが普通であろう。ただ、本歌する漢字を欠いていること、もう一つは「思へど」か「思へば」かであるうえで、本文との関わりから二つ、問題がある。一つは「と」に対応

ウメの木と思しき例も認められる。 成りぬと思へど この句を確定すの 広 さ と 用 途 の 基 本 認 識 は、「満苑」の用例が六朝詩・ 唐詩を含めて確

果樹を植えて周囲に牆をめぐらせた、いわば労働する場所であった。こするところであった。それに対して同じ発音でも「園」は、基本的にはあり、鳥獣を養って狩りをしたり、美しい草花を見に遠足に出かけたり天子や高級官僚の営む広大な遊楽のための場所をいい、中には林や湖が写だろう。 梅花

きない。
「訶」は、叱る、怒鳴りつける意。文意不通であり、「訝」の誤句には必ず風に関わる描写がある。異文「更訶」は、その用例を確認で「松風緒張韻類曲、更訝邕良琴瑟響」（一七四番詩）と、本詩も含めて前【語釈】該項参照。
「蘆花日々得風鳴、更訝金商入律声」（五一番詩）・「 更 」 は、「 豈 」 と 同 義 の 俗 語。「 訝 」 は、 怪 し み 疑 う こ と。 五 一 番 詩

更訝

後続文脈との関係からも、順接としての「ば」はとりがたい。ただし、認できないのに対して、「満園」は、唐詩に多数確認できるというように、

満苑時 「苑」は、「ば」にも逆接確定条件を表す場合もあり、日本国語大辞典（第二版）

中国ではよく守られており、その実際のスケールはもちろん違うけれど

二・八一番詩【語釈】該項参照。

にはその例として「秋萩の恋も尽きねばさ雄鹿の声い継ぎい継ぎ恋こそも、日本漢詩でも同様である。本集においても「苑」は二・八番詩と本－増され」（万葉集一〇 二一四五）「巻向の檜原もいまだ雲居ねば小松がに「 地 疑 星 隕 宋、 庭 似 雪 封 袁 」（『 菅 家 文 草 』 巻 四 ） と あ る。

雪が枝を掩うようみれ」（後撰集八 四七六）「霜がれに見えこし梅はさきにけり春にはわ－－が身あはむとはすや」（拾遺集一七

－

－

－

九八～九九）（2）冬部
津田，半澤：『新撰万葉集』注釈稿（上巻

の花」は一例のみで、ウメの枝に降り積もった雪を見立てる例が主となっは鶯のはかぜにちるも花かとぞ見る」（千載集一二五六）「むめがえにふりつむ雪八）「梅がえにふりつむ雪はひととせにふたし」（古今集六 三三七）「春立ちて猶ふる雪は梅の花さくほどもなくち

集 で は「 雪 ふ れ ば 木 ご と に 花 ぞ さ き に け る い づ れ を 梅 と わ き て を ら まと同じく枝に積もっている雪を見立てるのは最初の一例しかない。八代一八四一）とあり、
本歌一六四七）「山高み降り来る雪を梅の一六四五）「梅の花枝にか散ると見るまでに風に少ない。万葉集では「我がやどの冬木の上に降る雪を梅の花かとうち見

万葉集・八代集を通して数多くあるが、ウメの花であると明示するのは八四五）見られる。本歌は、雪を花に見立てたものであり、その例は八三七、五「梅の花」は本集二番歌にも出ている。八代集には、この形のみである

じとぞ思ふ」（後撰集一三 九二三）という類例も見られる。 梅の花に」と結び付き、「事のはもみな霜がれに成りゆくはつゆのやどりもあら法と見れば、 その可能性も否定できない。「成りぬ」は初句の「霜枯れ末ゆ沫雪流る」（万葉集一〇一七）などあり、「梅

かりに明るくなった）、
皮日休「以紫石硯寄魯望兼酬見贈」詩に「騷人白

でその宝石は心に従って正しくなり、キズが消えたので目を奪われるば

虚舟「賦得琢玉成器」詩に「玷滅随心正、
瑕消奪眼明」（キズが消えたの

辞書に項目が無く、六朝詩にも用例がないが、唐詩には四例見える。浩が、少なくとも、前者には当てはまらないだろう。一方「奪眼」は、諸日中の諸辞書は、この「奪目」を、光で目をくらませることと解釈する

り、李徳裕「南梁行」詩に「澗底紅光奪目燃、揺風有毒愁行客」とある。

人倩「春日詩」に「林有驚心鳥、園多奪目花」（『玉臺新詠』巻八）とあいで、対象に奪われるようになること。類語に「奪目」があり、梁・聞とは、注意がそこに引きつけられること。 眼が自分の自由意志で動かな詩の【語釈】「偸見」の項と【補注】も参照のこと。 堪奪眼 「奪眼」

詩【語釈】該項およびその【比較・対照】を参照のこと。なお、一九番になる女性の表情をちらっと盗み見るように、素早く見ること。六七番

近景の宮中に対比される遠景としての「山野」である。 偸看 男が、気該項参照。また、「野山」（五六番詩）もあった。ここは、「苑」すなわちる以外は植物を特定できない。 山野 六六・ 八七・ 九三番詩【語釈】

場するが、九六番が孝子・孟宗の私邸の筍を栽培する場所として描かれ流行した観賞用樹木であった。一方「園」は、九・九六・九七番詩に登までもなく、奈良時代に舶来した植物であり、宮廷に移植されて大いに詩に用例があるが、いずれも梅花の咲く場所として登場する。梅はいう二三一四）などを挙げる。本歌も同様の用ている。 さけるとぞ見る 「梅の花」が「さく」に「る」という完了の

芷傷心暗、
狎客紅筵奪眼明」（文人達はハナウドに心を傷つけられて暗く、
八五〇）
「我が

のにたいして、万葉集には「梅が花」というのも二例（五つるかも」（万葉集八
乱れて雪そ降り来る」（万葉集八花散りかも来ると思ひつるかも」（万葉集一〇

るかとぞ見る」（拾遺集一
たびさける花かとぞ見る」（拾遺集四

－

三五二）

一六四〇）など四例が見られるが、八代集には一例もなく、「春くればや

岡に盛りに咲ける梅の花残れる雪をまがへつるかも」
（万葉集八

奪眼紅、
開時先合占東風」（一本の木のたくさんの花房は目を奪われんばなって、黄黒かと疑われる）、李九齢「山舍南溪小桃花」詩に「一樹繁英

目を奪われんばかりに明るく、蜀の錦江の水で洗った錦の彩りと一体にに「晩日春風奪眼明、蜀機錦彩渾疑 」（赤い薔薇は夕陽と春風に揺れてどにまづさく梅花君がちとせのかざしとぞ見る」（古今集七「おそくとくつひにさきぬる梅の花誰がうゑおきしたねにか有るらん」－－
四一九九）しか見られないのにたいして、
古今集

春たけなわ。 唐かりに赤く、咲くときは先を合わせて東風が吹くかどうかを窺う）とあが見る」（万葉集一九－目がくらんで見えないというのではあるまい。 深春（新古今集一六 一四四三）の二例が見られる。「～とぞ見る」という見ひて咲ける梅の花今盛りなり見む人もがも」（万葉集五－るのがそれであるが、玉石や花に対して言うのであるから、少なくとも親しい人は赤いむしろに目を引きつけられて明るい）、
王轂「紅薔薇歌」

助動詞が加わった表現を連体修飾にとる例は、万葉集には「雪の色を奪－立て表現は、万葉集には「藤波の影成す海の底清み沈く石をも玉とそ我

－

－

－

－

－

－

－

－

－

－

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）（3）

以降は前項にも例を挙げたごとく、「～かとぞ見る」の形で多く見られる。

に満ちた春の景色。一八・六八・八九番詩【語釈】該項参照。 豈無知

代からの詩語。二一・八七番詩【語釈】該項参照。 風景 風と光。光どうして分からないことがあろうか、いや無い。四八番詩【語釈】該項

雪の照れるは 「照る」については、六八番歌【語釈】「袖さへぞ照る」の項を参照。その主体は月あるいは日がほとんどで、雪にたいして用い花に見立てる歌であるから、この「照る」は「花」を通じて「雪」に結

韻字は、
「枝」
（上平声五支韻）、「時」（上平声七之韻）、「知」（上平声五支韻）で、支韻は之韻と同用。平仄にも基本的な誤りはない。

季節的に近い初春の光景である梅花と見紛うはずはないと言い、第三句

第 一 句 の み 宮 中 の 冬 景 色 と い う 眼 前 の 実 景 を 詠 ん だ も の。 第 二 句 は、

び付いているといえる。この点については、八一番歌【語釈】「光まつ」「いさりせしあまのをしへしいづくぞやしまめぐるとてありといひしは」（拾遺集七 四〇〇）など見られるが、けっして多くはない。ちなみを押すという構成になっている。

結局、この漢詩は見立ての合理性をあれこれ述べたものということに本歌の特色は結句の「雪の照れるは」という表現にある。他の冬の見なる。
※

表現により、鑑賞の対象としている。
「霜枯れに成りぬ」という状態は、

立て歌においては、雪を花と見立てることにより、その鑑賞の価値が生
一〇一七）
「思ひきや

形式が定型的に用いられ、八代集では「ちはやぶる神世もきかず竜田河
唐紅に水くくるとは」（古今集五

心もて君を思ひのなかにもゆとは」（後撰集一四

雪さえもない殺風景をいうとすれば、その中にあって、日の光を浴びた「雪の照れる」さまが目に付いたのである。その意味では、「梅の花」への見立ても、そのさまを形容するために用いられたにすぎないという感

かれるえだに鶯の鳴く」（二一番）「光まつえだに懸かれる雪をこそ冬のの対象とするような歌いぶりが一般になじまなかったからではないかと

本歌が他集に見られないのも、花の見立てよりも、雪そのものを鑑賞もある。

花とはいふべかりけれ」（八一番）「霜枯れの枝とな侘びそ白雪を花と雇考えられる。

いのは八二番歌となろう。

ひて見れど飽かれぬ」（八二番）など見られるが、措辞のうえで本歌と近※↘

－雪を花に見立てる歌は、本集上巻に「春来れば花とや見らむ白雪の懸【補注】

わがまつ人はよそながらたなばたつめのあふを見むとは」（拾遺集一二－－

まれることを詠むものであったが、本歌は雪そのものを「照る」という我が恋ふらくは」（万葉集八一四四九）などのようなク語法＋「は」のくは」（万葉集四 七六〇）「茅花抜く浅茅が原のつほすみれ今盛りなりに、万葉集では「うち渡す竹田の原に鳴く鶴の間なく時なし我が恋ふら－二九四）「しられじなわがひとしれぬ－－らあり得るけれども、深春であれば、間違うことはないと第四句でダメで、でも遠い山野の光景で、しかもちらっとしか見ないのであれば、間漕ぎ出らし天の川原に霧の立てるは」（万葉集八

三九二五）
、

の項も参照。動詞句＋助詞「は」で歌末となる表現は、「彦星し妻迎へ舟の初めに豊の稔しるすとならし雪の降れるは」（万葉集一七

違う可能性は十分にあると述べる。しかしそれも、時期的に近い初春な

七七一）などのように、助詞「と」＋「は」で結ぶ形式が目立つ。

－

－

一五二七）
「新しき年

九八～九九）

【補注】

参照。

二三三五）
「磯影の見ゆる例は見当たらない。ただ、万葉集には「咲き出照る梅の下枝に置く露の消ぬべく妹に恋ふるこのころ」（万葉集一〇－四五一三）などのように、「花」にたいする例が認められる。本歌は雪をる 池 水 照 る ま で に 咲 け る あ し び の 散 ら ま く 惜 し も 」（ 万 葉 集 二 〇

－

冬部

（4）
津田，半澤：『新撰万葉集』注釈稿（上巻【比較・対照】

本詩【補注】に述べるように、「この漢詩は見立ての合理性をあれこれ述べたもの」にすぎないとするならば、詩は、見立てそのものがねらいではな
い歌の趣意をとりそこなっているかのように見える。

しかし、実景を詠むのが起句だけならば、その美しさを、承句以降で表現しようとしたと見ることもできなくはない。そこでのあれこれの検討の結果として見立てを否定し、やはり「雪封枝」という苑の風景がそれ自体として美しいのだということを言おうとしたのならば。

そもそも厳密にいえば、本詩は意図的な見立ての表現としては成立していない。現実にたいする錯覚を自覚し、疑い、打ち消しているからである。そのことに詩全体の四分の三を費やしてまでこだわるのは、それでもそのように錯覚してしまうほどに、実景が美しいということを強調しようとしたためと考えざるをえない。つまり、梅花に見立てられるから美しいのではなく、そのものが美しいということである。

この解釈が妥当だとすれば、本詩はまさに歌の趣意どおりを見事に写し替えているといえる。それに、時期や場所などの具体的な条件を重ねるといゆたけ

永青文庫本・久曽神本は、第四句の「宿」の後に、「礼」を補い、「留」文化写本・藤波家本・和学講談所本・道明寺本が「枝ィ」と傍注する。

とし、底本および元禄九年版本・元禄十二年版本・文化版本・類従本・とする。第三句の「葉」を、林羅山本・無窮会本・下沢文庫本が「枝」

禄九年版本・元禄十二年版本・文化版本・日本詩紀本・下沢文庫本「回永青文庫本に従う。「素蘂」を、久曽神本「素 」に作る。
「廻眸」を、元本・文化版本・日本詩紀本・下沢文庫本・藤波家本・天理本・無窮会本・「斑斑」を、底本等「班班」に作るも、元禄九年版本・元禄十二年版

永青文庫本・久曽神本「猶誤噵」に作る。

所本・道明寺本・京大本・大阪市大本・天理本・林羅山本・無窮会本・の「葉」を「枝」とする下沢文庫本が「えだ」、林羅山本 ・ 無窮会本が【通釈】

白い花が咲く時季でないのに枝の上にたくさん咲いたかのよう。その光冬になって松葉に雪が積もって白と青のまだら模様に見える。それは九年版本・類従本・道明寺本が「みれ」と、京大本・大阪市大本・天理

きっと白鶴がまだ舞わずに枝に止まっている姿だと。

景は、山に住む仙人ならばあたりを見回してやはり間違えて言うだろう、も、四七五番）にあり（ただし、第三句「松がえに」、第四句「かかれ同歌は歌合には見られないが、後撰集（巻八、冬、第しらず、よみ人

本・無窮会本が「みず」とする。

和学講談所本が左傍に「かヽれる」と訓ずる。結句の「みめ」を、元禄「え」とする。第四句の「やどれる」にたいして、底本および藤波家本・

訓では、第三句の「の」を、林羅山本・無窮会本が「が」とし、同句眸」に作る。
「猶誤道」を、元禄九年版本・類従本・藤波家本・和学講談【校異】

応斯白鶴未翩翻。 斯れ白鶴の翩翻せざるなるべしと。

山客廻眸猶誤道。 山客眸を廻らして猶ほ誤りて道ふ、い素蘂非時枝上寛。 素蘂時に非ずして枝上に寛し。

99の後の「雪」を欠く。

本文では、初句の「歴年」を、京大本・大阪市大本・天理本が「年歴」

冬来松葉雪斑斑。 冬来りて松葉雪斑斑たり。

う、漢詩らしさも添えて。この点は、本歌の「霜枯れに成りぬと思へど」という表現と、間接的に呼応していると見ることができる。
歴年砥 色裳不変沼 松之葉丹 宿留雪緒 花砥許曽見咩

年ふれど 色も変はらぬ 松の葉に 宿れる雪を 花とこそ見め

99【校 異 】

東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）（5）

る 雪 を 」、 結 句「 花 と こ そ 見 れ 」）、 ま た 古 今 和 歌 六 帖（ 巻 一、 天、 雪、【語釈】

冬来 冬になる。八四番詩【語釈】該項参照。 松葉 松の、細くて鋭い棘を持つ青葉。松に懸かる雪を花と見立てることは、本集八七番詩

七四〇番）にも見られる（ただし、第三句「松がえに」、第四句「かかれる雪を」、結句「花かとぞ見る」）。

に「青松残雪似花鮮…咲殺寒梅万朶連」とすでに見えており、梅花よりも美しいものと詠まれていた。ただし、「松葉」と更に観察が細かくなる

八代集にも同歌所載の後撰集以降に見られ、すべて初句に位置する。どする例も他に見当たらない。「年ふれど」という表現は万葉集にはなく、万葉集にも見られない。また本集上巻には、付属語との関係以外で返読

年ふれど 漢語「歴年」を返読して「としふ」と訓む例は、本集にも「松葉酒」の意も含ませる。 雪斑斑風銜松葉雅琴清」（『和漢朗詠集』露、『類題古詩』気）とあり、前者は山程」（『本朝麗藻』巻下）、源英明「秋気颯然新」詩に「露滴蘭叢寒玉白、する光景。具平親王「唯以酒為家」詩に「戸牖梨花松葉裏、郷園藍水玉

朝」詩に「無多白玉階前湿、積漸青松葉上乾」とあるのは、本詩と類似と、例えば、陳・曇瑗「遊故苑詩」に「丹陽松葉少、白水黍苗多」とあの歌でも、一年ではなく何年も経つの意。そのうち、松とともに詠まれ集 九 〇 番 詩 に も「 雪 後 朝 朝 興 万 端、 山 家 野 室 物 斑 斑 」 と あ っ た。 鄭 愔と見ることにしよう。

九八～九九）る の を 初 出 と し て、 唐 詩 か ら 用 例 は 増 え て、 王 建「 和 少 府 崔 卿 微 雪 早るのは「としふれどかはらぬ松をたのみてやかかりそめけんいけの藤な「折揚柳」詩に「風花滾成雪、羅綺亂斑斑」、白居易「以鏡贈別」詩に雪がまだらに残っている様。本一二〇）のみ。逆接仮定条件の「年ふとも」でも、「住み」（千載集二…祢」、そして「ぬ」の場合、一六例中六例が「不」および「不…沼」、が「不」、一例が「栖」、「ね」の場合、五例中四例が「不」、一例が「不の各活用形で訓む例における本文表記は、「ず」の場合、一〇例中九例

ぞ へ に け る 」 の 項 も 参 照。

釈】該項参照のこと。

知らない。 非時梁・劉孝綽「於座応令詠梨花詩」に「詎匹龍楼下、素蕋映朱扉」以外に

釈】「萼初開」の項を参照のこと。ただし、この語の用例は極めて稀で、の用例を知らない。 素蘂「我慚貌醜老、繞鬢斑斑雪」とあるが、用例は極めて少ない。ちなみに、三例が「沼」、残り一例が無表記となっていて、連体形「ぬ」における「不釈】を参照のこと。ただし、ここはそれと語義が異なり、「枝上」という吉のわが身なりせば年ふとも松より外の色を見ましや」（後撰集九…沼」という併用表記が目立つ。色が「かはる」という表現については、局所におけるものであることに注意。あるいは、「ユタカ」という訓に引

中国詩には雪の形容としての異文「班班」の用例なく、日本漢詩にも他

七 八 番 歌【 語 釈 】「 変 は ら ざ り け る 」 の 項 を 参 照。 ま た、 マ ツ の「 色 」

かれた、和習に近い用例かもしれない。僅かに類似する訓詁を探し得た

白い花。
「蘂」は、
花のこと。六三番詩【語についても、同歌【補注】を参照。「色も変はらぬ」という表現自体はとするならば、杜甫「遣悶戯呈路十九曹長」詩に「晩節漸於詩律細、誰本集上巻の、助動詞「ず」万葉集にはなく、八代集には同歌も含め九例、見られる。その対象とな

家數去酒杯寛」とある「寛」で、仇兆鰲注に「多也」とするものである

色も変はらぬるのは、同歌以外にマツはなく、「さか木ば」と「くれたけ」が二例ずつ、（『漢語大詞典』該項の指摘）。そもそも「寛」のいう「ユタカ」は、心多さを意味することはないはずであり、その意味でも、嵯峨天皇「贈綿枝上寛 「寛」は、九〇番詩「月色寛」の【語しかるべき、正しい時節でないこと。八一番詩【語他に「もみぢ」「事のは」「月のかつら」「やまぶき」が各一例である。
「も」く花の色は変はらずももしきの大宮人ぞ立ち変はりける」（万葉集六の豊かさ（＝心の広さ・寛大さ）をいうのであって、物の豊富さ、数の五九七）という、松の色に関わる歌がある。本集七九番歌【語釈】「年－

以外の助詞あるいは「ぬ」以外の活用形にまで広げると、万葉集にも「咲－－冬部【語 釈 】

何年も経つけれど色のちっとも変らない松の葉に留まっている雪を花【通 釈 】（6）
津田，半澤：『新撰万葉集』注釈稿（上巻東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）

四四四二）のように、花に関する例はあり、八一〇六一）や「我が背子がやどのなでしこ日並べて雨は降れども色も変はらず」（万葉集二〇基本義は、山中に住む人だが、それは時に隠寄空法師」詩の「禅関近日消息断、京邑如今花柳寛」
（
『凌雲集』
）の例に
も違和感がある。 山客者となり、仙人・道士となる。ここは、恐らく仙人の意。本集一〇番詩「跡を絶ちて幽山に入った」のだから、「山客」「山人」となったのだろには、「山人」とあったが、それとほぼ同じ。本集九二番詩の「遊人」は、

二六四）「神山の松ふくかぜう。六朝詩には、漢 ・ 古辞「豫章行」に「涼秋八九月、山客持斧斤」、

一一〇〇）「ちはやぶるひらのの松の枝しげみ

千世もやちよも色はかはらじ」（拾遺集五
二三二）
「千と

たように、「葉」を「枝」とする諸本があり、後撰集や古今和歌六帖も「松については、八七番歌【語釈】「松の葉に」の項を参照。
【校異】に示し七一六）など、マツに関する例が多く見られる。 松の葉に 「松の葉」

せふる尾上の松は秋風のこゑこそかはれ色はかはらず」（新古今集七司空曙「薬園」詩に「独有深山客、時来辨薬名」、王建「尋李山人不遇」

有懐」詩に「久臥青山雲、遂為青山客」とあるのは、山中に住む人の意、

楽七首其六」詩に「花落家童未掃、鶯啼山客猶眠」、李白「日夕山中忽然

浜」の二例を見るのみで、前者は基本義、後者は隠者の意。王維「田園梁・江淹「感春氷遥和謝中書詩二首其二」詩に「若作商山客、寄謝丹水

もけふよりは色はかはらでおとぞ身にしむ」（千載集四がえ」としている。雪との関係でいえば、葉については「松の葉にかか

詩に「山客長須少在時、渓中放鶴洞中棋。生金有気尋還遠、仙薬成窠見即移」、王建「送山人二首其二」詩に「山客狂来跨白驢、袖中遺卻潁陽書。

れる雪のそれをこそ冬の花とはいふべかりけれ」（後撰集八がくれきえせぬ雪のわびしきは君まつのはにかかりてぞふる」（後撰集一四

人間亦有妻児在、 向嵩陽古観居」等とあるのは、仙人・道士の意だが、－一〇七三）「見わたせば松のはしろきよしの山いくよつもれる雪－四九二）「山－－かはらじ」（古今集二〇代集には「ちはやぶるかものやしろのひめこまつよろづ世ふともいろは－－てのことであろうが、一人称主語で推量はありえない。見ることにしよ現でない」と説く。「だろう」という訳からは「む」を推量の意ととっ㈡』は「見るだろうよの意であって、（略）「こそ見れ」ほどの直截な表の已然形が付いた表現であるが、これについて『新撰万葉集注釈 巻上および【補注】を参照。「見め」は動詞「見る」の未然形に助動詞「む」

を花に見立てる歌については、二一番歌【語釈】「花とや見らむ」の項についても、八七番歌【語釈】「花とこそ見れ」の項を参照。また、雪異訓「かかれる」との違いにも言及してある。 花とこそ見め この句と い う 表 現 に つ い て も、 八 七 番 歌【 語 釈 】「 宿 れ る 雪 は 」 の 項 を 参 照。

思ひに」
（後撰集一二 八五一）のみである。 宿れる雪を 「宿れる雪」

して、枝のほうは「こぬ人を松のえにふる白雪のきえこそかへれくゆる二五〇）などの類例が挙げられるのにたい

浙西李大夫伊川卜居」詩に「徒令双白鶴、五里自翩翻」とあり、雪を鶴

鶴賦」に「嗟皓麗之素鳥兮、含奇気之淑祥」（『初学記』鶴）、劉禹錫「和れは～に違いない。本集一三・九七番詩に既出。 白鶴 魏・曹植「白違って言う。本集一三番詩【語釈】該項参照のこと。 応斯

関 し て は、 六 八 番 詩 の【 補 注 】 を 参 照 さ れ た い。

きっとそ

やはり間

本集一三・五六・六八・七六番詩に既出。あたりを見回すこと。語義に

言身世浮雲虚」（『経国集』巻一〇）とあり、前者は隠者の意。 廻眸巻下）、源常「七言奉和太上天皇問浄上人病」詩に「山客尋来若相問、自「山亭聴琴」詩に「山客琴声何処奏、松蘿院裏月明時」（『文華秀麗集』

は、王建「尋李山人不遇」詩との類似から、仙人と解釈する。良岑安世

身を「山客」と呼ぶので、山野に遊ぶ人という意味にとっていい。ここ

日日一年年雑言見贈」詩に「山客硯前吟待月、野人尊前酔送春」と、自白居易は、「春遊二林寺」詩に「朝為公府吏、暮作霊山客」、「和裴令公一に見立てることは、例えば『初学記』雪には、謝恵連「雪賦」に「皎鶴－「見れ」と同等もしくは、より強い歌末表現である。なお、【校異】には－奪鮮、白 失素」、陳・張正見「潔圃観春雪詩」に「払鶴伊川上、飄花桂※↖

猶誤道うという意志が示されているのであって、「直截」かどうかはともかく、にかあるらん」（拾遺集四－「みず」という異訓があるが、片仮名の「メ」を「ス」と誤写したもの（7）

九八～九九）であろう。

※明月詩」詩に「洲晴舞鶴疑廻雪、底徹遊魚似上氷」、源為憲「奉和藤賢才にもかかわらず眼目はまったく異なる。同じ見立てであっても、八七番にして時まどはせる花とこそ見れ」（八七番）にきわめて類似している。

【語釈】で明らかなように、本歌の措辞は「松の葉に宿れる雪はよそ

標「聞雲中唳鶴」詩に「翩翻縈碧落、 唳入重雲」とあり、滋野貞主「雑選』巻二）、王昌齢「灞上間居」詩に「庭前有孤鶴、欲啄常翩翻」、章孝

ら飛ぶ様を表す双声の語。張衡「西京賦」に「衆鳥翩翻、群獣巻下）とあるのは鶴の白さを雪に喩えたもの。 翩翻子登天台山之什」詩に「鶴閑翅刷千年雪、僧老眉垂八字霜」（『本朝麗藻』

歌は「よそにして時まどはせる」点においてであるのにたいして、本歌

言臨春風效沈約体応制」詩に「黄鶯雑踏誰求媒、素蝶翩翻不倦廻」（『経の雪が花に似ているということではなく、この意志表現によって、留まは、結句の「とこそ見め」という表現による。すなわち、単にマツの葉間、長く留まっているからである。それでも、この見立てが成り立つののは妥当とは言えない。実際に降り積もった雪は、花とは異なり、冬のう」（四一〇頁）のように、雪にも「はかなさ」をそのままあてはめるが咲いているような雪のはかなさとの対比も、詠み込んでいると言えよ

永久不変であることと、〔宿れる〕つまり冬のわずかな間とどまって花

さゆえである。しかし、『新撰万葉集注釈

巻上㈡』の「松の葉の緑がすぎない。本歌において雪を花に見立てるのも、そのような花のはかな（『田氏家集』巻下）、菅原道真「感金吾相公冬日嵯峨院即事之什聊押本時留羽駕仙人過、日長精神道士瞻。何必乗軒終表質、願従君子得無厭」

星客乗査逡」（『懐風藻』）、島田忠臣「鶴棲松」詩に「千年松与千年鶴、…

控鶴入蓬瀛」（『懐風藻』）、藤原史「遊吉野二首其二」詩に「霊仙駕鶴去、て道ふ」と考えるのである。葛野王「五言遊龍門山」詩に「安得王喬道、人の乗り物とされた鳥であるばかりでなく、仙人だからこそ、「猶ほ誤り「山客」を仙人とするのは、白鶴との関連による。鶴が仙境に棲み、仙押韻に傷がある。平仄に基本的な誤りはない。

平声二二元韻）で、それぞれ隣接する韻ではあるが、同用ではないので

韻字は、
「斑」
（上平声二七刪韻）、「寛」（上平声二六桓韻）、「翻」（上」（『文

ひるがえりながは「年ふれど色も変はらぬ松の葉」との対比においてという、見立ての国集』巻一一）とある。

る雪が花のように早くなくなってほしいという、春の到来を待ち望む気韻」詩に「老鶴従来仙洞駕、寒雲在昔妓楼衣」（『菅家文草』巻五）等と【補注】持ちが表されているのである。その意味では、冬部の掉尾を飾るのにふあり、菅原道真「賦木形白鶴」詩の題下注には、源能有の四十歳の祝賀の法会にそれが飾られていたことが記されている。

本詩の構成に就いてみるならば、まず【語釈】でも多く挙げたように白鵠懸」（『経国集』巻一〇）、 菅原道真「賦木形白鶴」詩に「清唳無期未辨名花五彩斑。 名花の五彩に斑なるとを辨ぜず。

霞光片片錦千端。 霞光片片として錦千端。

本集一三番詩との類似を取り上げねばならないだろう。

何歳月、金吾願得一声聞」（『菅家文草』巻二）とある。ちなみに、前者

遊客廻眸猶誤道、第二句は、「未辨」と言うが、本詩では「非時」と言って、比喩である※↖

遊客眸を廻らして猶ほ誤りて道ふ、の「白鵠」は、「瀑布」の比喩。雪を鶴に見立てることに関しては、楊泰

応斯丹穴聚鵷鸞。 斯れ丹穴に鵷鸞の聚まるなるべしと。

集』巻一三）とあり、大江匡衡「暮秋左相府東三条第守庚申同賦池水浮※↘

師「五言奉和紀朝臣公詠雪詩」詩に「昨夜龍雲上、今朝鶴雪新」（『経国

和良将軍題瀑布下蘭若簡清大夫之作」詩に「四時毎聴奔雷響、遠近同看※苑中」とある二例が収載されるが、『藝文類聚』雪には無い。源弘「七言さわしい歌といえよう。

マツの葉の色が永久不変であるのに比べれば、花の色はほんの一時にポイントが違うのである。

【補 注 】（8）冬部
津田，半澤：『新撰万葉集』注釈稿（上巻であれば、両者の作者が同一人でないならば、恐らく剽窃問題になるだ

おまけに押韻まで上平声二七刪韻と上平声二六桓韻を用いている。現代※ことを匂わせるだけで暗喩としている。後半の類似は述べるまでもない。
がある。

の作の比喩については、小島憲之『古今集以前』二六一頁以下にも言及

なお、雪と花の比喩については、八七番詩を参照されたい。また、ころう。
【比 較 ・ 対 照 】

和歌と漢詩との対応で言えば、漢詩は和歌の「年ふれど色も変わらぬ」の部分はまったく無視して、前半の二句を制作したということになるだろう。

和歌の【補注】に言うように、雪を花とする見立てにおける本歌の眼目が、「年ふれど色も変わらぬ松の葉」にあるにもかかわらずである。しかも面白いことに、和歌が類似する八七番詩では、その【比較・対照】に言及があるように、和歌の「よそにして」と「時まどはせる」という、見立てであることを際立たせる趣向、その和歌の生命線であるはずのものが反映されなかったという指摘である。本詩にはその「時まどはせる」を映したとおぼ

しき、「非時」が挿入されているという皮肉もある。恐らく、漢詩部分の前半だけなら、八七番と九九番は入れ替えた方がよりうまく和歌に対応するのではないか。「青松」という語も、「年ふれど色も変わらぬ」というニュアンスを、少なくとも「松葉」よりは伝えているように思われる。

さて、後半は和歌の内容にない、漢詩独自の付加部分であるが、これは単に余計な比喩を付け足したということではないように思われる。和歌の【補注】に、「とこそ見め」という意志表現が「春の到来を待ち望む気持ち」を表しており、「冬部の掉尾を飾るのにふさわしい歌」だというが、その新年の到来を予祝する意味で、わざわざ鶴の比喩が選ばれたのではないかということである。
「山客」を仙人とするのも、漢詩の【補注】の用例にもある

ように、松も鶴もそして仙人も、永遠の命を持つものであり、春という歳月の再生を意味する季節の到来を強く待ちわびる和歌の含意を、具現化していると言えるのではなかろうか。

を参照されたい。

（平成二十三年一月七日受理）

二六号～第四二（一）号（平成六年一二月～平成二二年一二月）の続稿である。なお「凡例」については『共立女子大学文芸学部紀要』第四〇集〔注〕本稿は、『共立女子大学文芸学部紀要』第四〇集～第五六集（平成六年二月～平成二二年一月）および『東京工業高等専門学校研究報告書』第東京工業高等専門学校研究報告書（第 42（2）号）（9）

東京工業高等専門学校研究報告書
第 42（2）号
平成 22 年度
平成23年3月31日発行
編

集者

東京工業高等専門学校図書委員会

発

行

者

東 京 工 業 高 等 専 門 学 校
東京都八王子市椚田町 1220の２
TEL

八王子（042）668－5111〒193－0997
印

刷所

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長野県松本市筑摩１－11－30
TEL

松本（0263）25－4329〒390－0821

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Reports of Tokyo National Technical College”into“Research Reports ofTokyo National College of Technology”since the 1984 issue.

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