目 次

1 2020年（令和2年）度 研究助成事業概要 3

1 研究助成事業募集内容 42 研究助成事業結果概要 5

2 ２０１9年（令和元年）度 事業報告 72－1. 国民生活用機械等の生産・利用・消費に関する科学的研究に対する援助・助成 

92－2. 国民生活用機械等の生産・利用・消費に係わる科学的研究成果の普及に対する援助・助成 

122－3. 国民生活用機械等の産業或いは研究に従事する
外国人の科学的研究・研修に対する援助・助成 

152－４. 付帯事業 

15

2－5. 基本財産及び運営資金 16

3 ２０１8年（平成30年）度 研究成果報告 

173－1. 科学技術研究助成成果報告 

183－２. 課題提案型研究助成成果報告 101

■1 2020 年（令和 2 年）度 研究助成事業概要

─3─

1 2020年（令和元年）度の研究助成事業概要
当財団の2020 年度研究助成事業は、概略次の通りです。

2 研究助成事業結果概要
2020 年度研究助成事業は、概略下記を実施する。

1 研究助成事業募集内容
応募資格
大学、大学院、高等専門学校または、公共研究機関に常勤する研究者で、主たる研究が科学技術に関する研究であること。
（全助成に共通）
ただし、研究者海外研修助成については大学院生も申請可とする。
助成対象（全助成に共通）
助成の対象となる研究は、国民生活用機械等の生産・利用・消費に係る科学技術に関する研究でかつ独創的・先進的であり、学術的・社会的発展に寄与する可能性のあること。
1. 科学技術研究助成（１）助成対象は上述ですが、研究分野は以下のとおり。
①生産関連技術 ②環境・資源エネルギー関連技術 ③計測・制御・解析関連技術④材料関連技術 ⑤電気・電子・情報関連技術 ⑥人間工学・医療関連技術⑦ロボッ卜関連技術（２）助成金総額と助成件数①助成金総額 ： 年間 7,600 万円程度
②助成件数：年間合計約 50 件程度③若手向け（一律 100 万円）と一般向け（最高 300 万円）に分けて募集する。
（３）募集期間と審査結果の伝達①公募期間 ： 6月〜9月末②選考結果は12月下旬に申請者に連絡される。

１．科学技術研究助成
本年度の科学技術研究助成は、一般科学技術研究助成 87 件、35 歳以下の若手科学技術研究助
成 32 件、計 119 件の研究テーマへの応募がありました。審査委員会で審査、決定する予定である。
２．課題提案型研究助成について
本年度の課題提案型研究助成は、自動車に代表される移動体の情報・通信、および移動体の制御に関して、以下の4 件の助成を決定した。
１）「自動運転技術の物流拠点における適応を目指した移動物体認識技術の開発」、２）「ゲートウェイ
用低コスト高セキュリティSwitch-IP の開発」、３）「路面摩擦係数のリアルタイム測定が可能なインテリ
ジェントタイヤによる車両制御の実現」、
４）「次世代移動体用 磁気式内部力補償ブレーキ機構 ・制御の技術開発」
３. 科学的成果の普及助成について研究成果を普及させ、研究の更なる充実・発展を図るために、国内外で行われるシンポジウム・フォー
ラム等の開催に対して助成を行う。Web で開催するシンポジウム・フォーラム等も助成対象である。
また、研究者の海外学会等への渡航・宿泊費に対しても助成を行う。

2. 課題提案型研究助成（１）提案する課題と研究期間①毎年、現在解決を求められている或いは将来直面する問題等を課題として提案を行う。
②研究期間 ： 原則 2 年間とし、研究内容によって決定する。
（２）助成金総額と助成件数①助成金額 ： 1 件 1,000 万円とし、研究内容によって決定する。
②助成件数 ： 年間 4 件程度（３）募集期間と審査結果の伝達①公募期間 ： 毎年 4月初〜5月中旬②選考結果は7月末頃申請者に連絡される。
3. 研究成果普及助成及び研究者海外研修助成
科学技術分野の基礎的・独創的研究成果を発表し研究の更なる充実・発展を図るため、国内外で行われるシンポジウム・会議等の開催或いは海外で開催されるシンポジウム・会議への出席に対して助成する
もので、2種類の助成がある。
・研究成果普及助成（会場費等諸費用への助成）
・研究者海外研修助成（海外への交通費・滞在費への助成）（１）助成金額と助成件数及び募集期間と審査結果①その年度の予算に応じて決定する。
② 4月以降公募を開始し、予算到達時に打切る。
─4─

─5─

1 2020年（令和元年）度の研究助成事業概要
当財団の2020 年度研究助成事業は、概略次の通りです。

2 研究助成事業結果概要
2020 年度研究助成事業は、概略下記を実施する。

1 研究助成事業募集内容
応募資格
大学、大学院、高等専門学校または、公共研究機関に常勤する研究者で、主たる研究が科学技術に関する研究であること。
（全助成に共通）
ただし、研究者海外研修助成については大学院生も申請可とする。
助成対象（全助成に共通）
助成の対象となる研究は、国民生活用機械等の生産・利用・消費に係る科学技術に関する研究でかつ独創的・先進的であり、学術的・社会的発展に寄与する可能性のあること。
1. 科学技術研究助成（１）助成対象は上述ですが、研究分野は以下のとおり。
①生産関連技術 ②環境・資源エネルギー関連技術 ③計測・制御・解析関連技術④材料関連技術 ⑤電気・電子・情報関連技術 ⑥人間工学・医療関連技術⑦ロボッ卜関連技術（２）助成金総額と助成件数①助成金総額 ： 年間 7,600 万円程度
②助成件数：年間合計約 50 件程度③若手向け（一律 100 万円）と一般向け（最高 300 万円）に分けて募集する。
（３）募集期間と審査結果の伝達①公募期間 ： 6月〜9月末②選考結果は12月下旬に申請者に連絡される。

１．科学技術研究助成
本年度の科学技術研究助成は、一般科学技術研究助成 87 件、35 歳以下の若手科学技術研究助
成 32 件、計 119 件の研究テーマへの応募がありました。審査委員会で審査、決定する予定である。
２．課題提案型研究助成について
本年度の課題提案型研究助成は、自動車に代表される移動体の情報・通信、および移動体の制御に関して、以下の4 件の助成を決定した。
１）「自動運転技術の物流拠点における適応を目指した移動物体認識技術の開発」、２）「ゲートウェイ
用低コスト高セキュリティSwitch-IP の開発」、３）「路面摩擦係数のリアルタイム測定が可能なインテリ
ジェントタイヤによる車両制御の実現」、
４）「次世代移動体用 磁気式内部力補償ブレーキ機構 ・制御の技術開発」
３. 科学的成果の普及助成について研究成果を普及させ、研究の更なる充実・発展を図るために、国内外で行われるシンポジウム・フォー
ラム等の開催に対して助成を行う。Web で開催するシンポジウム・フォーラム等も助成対象である。
また、研究者の海外学会等への渡航・宿泊費に対しても助成を行う。

2. 課題提案型研究助成（１）提案する課題と研究期間①毎年、現在解決を求められている或いは将来直面する問題等を課題として提案を行う。
②研究期間 ： 原則 2 年間とし、研究内容によって決定する。
（２）助成金総額と助成件数①助成金額 ： 1 件 1,000 万円とし、研究内容によって決定する。
②助成件数 ： 年間 4 件程度（３）募集期間と審査結果の伝達①公募期間 ： 毎年 4月初〜5月中旬②選考結果は7月末頃申請者に連絡される。
3. 研究成果普及助成及び研究者海外研修助成
科学技術分野の基礎的・独創的研究成果を発表し研究の更なる充実・発展を図るため、国内外で行われるシンポジウム・会議等の開催或いは海外で開催されるシンポジウム・会議への出席に対して助成する
もので、2種類の助成がある。
・研究成果普及助成（会場費等諸費用への助成）
・研究者海外研修助成（海外への交通費・滞在費への助成）（１）助成金額と助成件数及び募集期間と審査結果①その年度の予算に応じて決定する。
② 4月以降公募を開始し、予算到達時に打切る。
─4─

─5─

■
2 2019 年（令和元年）度 事業報告

─7─

2 2019年（令和元年）度 事業報告

2－１．国民生活用機械等の生産・利用・消費に関する科学的研究に対する援助・助成【2019年度一般科学技術研究助成】…国民生活用機械等に関する様々な分野の研究

スズキ財団は、2019 年度（令和元年度）、当財団の主たる事業である科学技術研究助成 54（一般 29、
若手 25）件、課題提案型研究助成 4 件を実施した。また、研究成果発表のための会議・シンポジウム開

No.

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）千葉工業大学

准教授

青木 岳史

アオ キ

タケ シ

アキヤマ

ヨシタケ

アマ ノ

トシユキ

1

不整地走行に特化した電動車イスの開発

2

音響泳動による自動車由来マイクロプラスチックの濃縮回収技術の開発

信州大学

准教授

秋山 佳丈

3

空間拡張現実感を用いたドライバの視認性を向上する自動車照明技術

和歌山大学

教授

天野 敏之

となった。

4

好みの多様性に適応するエンジン音制御手法の開発

広島市立大学教授

石光 俊介

さらに、機関誌「年次報告書」の発行・技術者交流会の実施等による対外への情報の発信の充実を図る

5

山林や法面での安定な作業を可能にする不整地作業用小型モビリティベースの開発

静岡大学

准教授

伊藤 友孝

6

レーザ溶接のための CIP 法を用いた気液固相ユニバーサルソルバーの開発

東京工科大学准教授

大久保 友雅7

超スマート社会における夜間時の歩行者抽出法の開発と動作解析

秋田大学

教授

景山 陽一

8

部分的な安定判別による二輪車の自励振動防止設計技術の研究

近畿大学

准教授

酒井 英樹

9

金型加工面の品位の評価方法と向上手法

東京農工大学

教授

静岡大学

准教授

真田 俊之

東京都市大学

准教授

杉町 敏之

茨城大学

准教授

祖田 直也

東京工業大学

准教授

谷口 泉

旭川工業
高等専門学校准教授

千葉 誠

15 円筒ころ軸受を用いた無段変速機の変速比増大化に関する研究

近畿大学

教授

東﨑 康嘉

16 複数のメカニズムで誘発される複合型摩擦振動の体系化

大分大学

准教授

中江 貴志

17 超小型ロボットが移動する宇宙空間浮遊テザー（ロープ）の挙動解析

静岡大学

教授

能見 公博

18 植物由来モノマーを原料とする新規オレフィン系高分子機能材料の創製

首都大学東京教授

野村 琴広

19 デジタルヒューマンによるハンドル型電動車椅子操作系の最適設計

首都大学東京

教授

長谷 和徳

福井大学

教授

藤垣 元治

横浜国立大学准教授

渕脇 大海

催への支援 7 件、および海外への研究者の研修のための派遣 45 件を実施し、事業計画を達成することができた。さらに、ハンガリーとインドから留学研究者の受け入れ事業を行い、ハンガリーブダペスト工科経 済 大 学より静岡大 学 へ 1 名、インド工 科 大 学ハイデラバード校より静岡大 学 へ 2 名、インド工 科 大 学
デリー校より豊橋 技 術 科 学 大 学 へ 1 名、計 4 名の研究者を招聘した。
本年度の助成件数は昨年より16件増加し合計助成件数114件、助成総額は4,971万円増加し1億7,457万円

イ シ ミ ツ シュン ス ケ

イ トウ

トモタカ

など、財団の事業活動の強化拡充も行った。助成事業の概要を下表に示す。
2019年（令和元年）度 助成の内容

件数（１）科学技術研究助成

54件（２）課題提案型研究助成

4件
研究助成 小計

トモマサ

カゲヤマ

ヨウイチ

サカ イ

ヒデ キ

9,315万円
3,820万円
13,135万円（３）研究成果普及助成

7件

220万円

（４）研究者海外研修助成

45件

918万円

（5）海外研究研修助成4件

3,184万円

114件

1億7,457万円

10 光ファイバープローブによる高速液滴衝突時の発生圧力測定

11 操舵支援による人間機械協調型運転支援システムに対するドライバの適応

12 ベクトル磁気特性を考慮したモータ鉄心材料の最適利用に関する研究

13 硫黄 /炭素 /多孔質 V2O5複合体の合成とリチウム硫黄電池へのその応用

1420

新規手法により合成した球状 /ファイバー状混合カプセルとこれを用いた
金属防食用自己修復性塗膜の開発

ステレオカメラによる3次元形状および変形・ひずみ・回転角分布の高速計測システムの試作

21 小型精密自走ロボットの XYΘ精密位置決め制御の高速化とAFM への応用

─8─

ボ

助成額

58件

助成件数・総額オオ ク

─9─

ササ ハラ ヒロ ユキ

笹原 弘之
サナ ダ

トシユキ

スギマチ

トシユキ

ソ

ナオ ヤ

ダ

タ ニ グ チ イズミ

チ

バ

マコト

トウザキ

ヤスヨシ

ナカ エ

タカ シ

ノウ ミ

マサヒロ

ノ ムラ

コトヒロ

ハ

セ

カズノリ

フジガキ

モトハル

フチワキ

オオ ミ

2 2019年（令和元年）度 事業報告

2－１．国民生活用機械等の生産・利用・消費に関する科学的研究に対する援助・助成【2019年度一般科学技術研究助成】…国民生活用機械等に関する様々な分野の研究

スズキ財団は、2019 年度（令和元年度）、当財団の主たる事業である科学技術研究助成 54（一般 29、
若手 25）件、課題提案型研究助成 4 件を実施した。また、研究成果発表のための会議・シンポジウム開

No.

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）千葉工業大学

准教授

青木 岳史

アオ キ

タケ シ

アキヤマ

ヨシタケ

アマ ノ

トシユキ

1

不整地走行に特化した電動車イスの開発

2

音響泳動による自動車由来マイクロプラスチックの濃縮回収技術の開発

信州大学

准教授

秋山 佳丈

3

空間拡張現実感を用いたドライバの視認性を向上する自動車照明技術

和歌山大学

教授

天野 敏之

となった。

4

好みの多様性に適応するエンジン音制御手法の開発

広島市立大学教授

石光 俊介

さらに、機関誌「年次報告書」の発行・技術者交流会の実施等による対外への情報の発信の充実を図る

5

山林や法面での安定な作業を可能にする不整地作業用小型モビリティベースの開発

静岡大学

准教授

伊藤 友孝

6

レーザ溶接のための CIP 法を用いた気液固相ユニバーサルソルバーの開発

東京工科大学准教授

大久保 友雅7

超スマート社会における夜間時の歩行者抽出法の開発と動作解析

秋田大学

教授

景山 陽一

8

部分的な安定判別による二輪車の自励振動防止設計技術の研究

近畿大学

准教授

酒井 英樹

9

金型加工面の品位の評価方法と向上手法

東京農工大学

教授

静岡大学

准教授

真田 俊之

東京都市大学

准教授

杉町 敏之

茨城大学

准教授

祖田 直也

東京工業大学

准教授

谷口 泉

旭川工業
高等専門学校准教授

千葉 誠

15 円筒ころ軸受を用いた無段変速機の変速比増大化に関する研究

近畿大学

教授

東﨑 康嘉

16 複数のメカニズムで誘発される複合型摩擦振動の体系化

大分大学

准教授

中江 貴志

17 超小型ロボットが移動する宇宙空間浮遊テザー（ロープ）の挙動解析

静岡大学

教授

能見 公博

18 植物由来モノマーを原料とする新規オレフィン系高分子機能材料の創製

首都大学東京教授

野村 琴広

19 デジタルヒューマンによるハンドル型電動車椅子操作系の最適設計

首都大学東京

教授

長谷 和徳

福井大学

教授

藤垣 元治

横浜国立大学准教授

渕脇 大海

催への支援 7 件、および海外への研究者の研修のための派遣 45 件を実施し、事業計画を達成することができた。さらに、ハンガリーとインドから留学研究者の受け入れ事業を行い、ハンガリーブダペスト工科経 済 大 学より静岡大 学 へ 1 名、インド工 科 大 学ハイデラバード校より静岡大 学 へ 2 名、インド工 科 大 学
デリー校より豊橋 技 術 科 学 大 学 へ 1 名、計 4 名の研究者を招聘した。
本年度の助成件数は昨年より16件増加し合計助成件数114件、助成総額は4,971万円増加し1億7,457万円

イ シ ミ ツ シュン ス ケ

イ トウ

トモタカ

など、財団の事業活動の強化拡充も行った。助成事業の概要を下表に示す。
2019年（令和元年）度 助成の内容

件数（１）科学技術研究助成

54件（２）課題提案型研究助成

4件
研究助成 小計

トモマサ

カゲヤマ

ヨウイチ

サカ イ

ヒデ キ

9,315万円
3,820万円
13,135万円（３）研究成果普及助成

7件

220万円

（４）研究者海外研修助成

45件

918万円

（5）海外研究研修助成4件

3,184万円

114件

1億7,457万円

10 光ファイバープローブによる高速液滴衝突時の発生圧力測定

11 操舵支援による人間機械協調型運転支援システムに対するドライバの適応

12 ベクトル磁気特性を考慮したモータ鉄心材料の最適利用に関する研究

13 硫黄 /炭素 /多孔質 V2O5複合体の合成とリチウム硫黄電池へのその応用

1420

新規手法により合成した球状 /ファイバー状混合カプセルとこれを用いた
金属防食用自己修復性塗膜の開発

ステレオカメラによる3次元形状および変形・ひずみ・回転角分布の高速計測システムの試作

21 小型精密自走ロボットの XYΘ精密位置決め制御の高速化とAFM への応用

─8─

ボ

助成額

58件

助成件数・総額オオ ク

─9─

ササ ハラ ヒロ ユキ

笹原 弘之
サナ ダ

トシユキ

スギマチ

トシユキ

ソ

ナオ ヤ

ダ

タ ニ グ チ イズミ

チ

バ

マコト

トウザキ

ヤスヨシ

ナカ エ

タカ シ

ノウ ミ

マサヒロ

ノ ムラ

コトヒロ

ハ

セ

カズノリ

フジガキ

モトハル

フチワキ

オオ ミ

No.

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）22 完全レア・アースフリー硬磁性材料の高性能化

東北大学

教授

牧野 彰宏

23 粒子共存制御ラジカル重合法によるNafion®代替新規高分子電解質膜の作製

山形大学

准教授

増原 陽人

24 マイクロ・ナノスケール流動制御による飛躍的な水電解の高効率化

九州大学

教授

森 昌司

25 等温燃焼による内燃機関の熱効率改善の可能性

千葉大学

教授

森吉 泰生

26 ブレーキからの粒子排出簡易評価装置の開発

東京電機大学

教授

山田 裕之

熊本大学

助教

芳田 嘉志

27 マルチアークプラズマ照射を利用した小型触媒コンバータの開発

マキ ノ

アキヒロ

マスハラ

アキ ト

モ リ ショウ ジ

モリヨシ

ヤス オ

ヤマ ダ

ヒロユキ

ヨシ ダ

ヒロ シ

【リサイクル研究助成】
九州大学

教授

後藤 雅宏

29 電気自動車用リチウムイオン蓄電池リサイクルのための残価値評価技術の開発

立命館大学

教授

福井 正博

フク イ

1

2

3

機関名

電気自動車用ディファレンシャル機能を有するダブルロータ形誘導電動機の開発

機能性キャビテーション処理による自動車用歯車の高強度化に関する研究

ドリル摩耗のインプロセス推定によるドリル折損回避技術開発

静岡大学

東京電機大学

長崎大学

役職
助教

助教

助教

シ

アオヤマ

マサヒロ

イ ジリ

マサタカ

オオツボ

タツキ

大坪
オカフジ

ユウ キ

カ トウ

ヒデアキ

岡藤 勇希

5

炭素繊維強化プラスチックを用いた車両前部の衝撃吸収性能向上に関する研究

東海大学

講師

加藤 英晃

8

9

カ トウ

佐竹 うらら

富山県立大学

講師

佐保 賢志

大阪大学

助教

庄司 博人

15 遷移元素ドープ斑銅鉱ナノ粒子をビルディングブロックとしたサステイナブル熱電材料の創製

北陸先端科学技術
大学院大学

特別
研究員

高橋 麻里

16 非矩形鋼板の通電加熱ホットスタンピングによる超高強度鋼部材の製造プロセスの開発

東京工業大学助教

中川 佑貴

17 自動車用マイクロマシンのための製作誤差修正加工法の開発

静岡大学

助教

中澤 謙太

18 巧みな遠隔作業のための指先装着型多自由度触覚ディスプレイの開発

神戸大学

助教

永野 光

19 新興国道路渋滞の予防に用いる加減速と操舵に関する運転支援システム

立命館大学

研究助教

長濱 章仁

20 一品生産に特化した CAMソフトウェアの開発

神戸大学

助教

西田 勇

21 大気圧熱プラズマビームの局所照射技術と金属表面反応の研究

広島大学

助教

花房 宏明

22 液相法を用いた正極活物質ナノ粒子の創製と全固体電池への応用

豊橋技術科学大学

助教

引間 和浩

23 蓄積動作可能なpチャネル GaN MOSゲートスタックプロセスの開発

東京工業大学助教

星井 拓也

24 マグネシウム合金中の水素可視化技術の構築

新居浜工業
高等専門学校助教

真中 俊明

25 自動車運転中の心電図計測に向けた人体 /自動車の複合回路モデリングに基づくノイズ抑制

東京理科大学助教

村松 大陸

13 マイクロ波レーダーを用いた死角からの歩行者飛び出し予測

14 二相組織鋼の強度・延性予測のためのメゾスケール延性損傷モデルの構築

サ タケ

サ

ホ

ケン シ

ショウ ジ

ヒロ ト

タカハシ

マ

ナカガワ

ユウ キ

ナカザワ

ケン タ

ナガ ノ

ヒカリ

ナガハマ

アキヒト

ニシ ダ

イサム

ハナフサ

ヒロアキ

ヒキ マ

カズヒロ

ホシ イ

タク ヤ

マ ナカ

トシアキ

ムラマツ

タイリク

リ

助教

加藤 雅之

富山県立大学助教

木下 史也

海洋プラスチック問題を解決する自然分解高強度プラスチックの創製

東北大学

助教

栗田 大樹

第5世代移動通信システムを用いた電動車の走行学習と自動運転

東京工芸大学助教

河野

10 受動関節を有するパラレルワイヤ駆動機構による上肢の動作補助

金沢大学

助教

小塚 裕明

11 結晶方位分布に基づいた機械学習による成形性の予測

産業技術
総合研究所

研究員

権藤 詩織

キノシタ

クリ タ

【2019年度課題提案型研究助成】…現在解決を求められている課題の解決
シ

メイ

No.

研究課題

機関名

役職

氏名（50音）1

全固体アルミニウムイオン電池の基盤技術開発

静岡大学

教授

孔 昌一

2

鋳造用・塑性加工用アルミニウム合金の統合とニアネット鋳造素材による塑性加工の省工程化

大阪工業大学

教授

羽賀 俊雄

3

接着界面の分子構造・動態解析に基づく高耐久性接着材料の開発

三重大学

准教授

藤井 義久

4

増肉およびオースフォームによる組織強化を用いたテーラードホットスタンピング法の開発

横浜国立大学

准教授

前野 智美

マサユキ

茨城大学

─ 10 ─

助教

樹助教

概日リズムが胃腸の電気活動に及ぼす影響に関する研究

大阪大学

12 外科手術時の生体への熱侵襲を抑制する骨切除用研削デバイスの開発

井尻 政孝

立命館大学

7

氏名（50音）青山 真大

深層学習ドライバモデルによる運転中の知覚情報の解明

電磁式パラメトリック動吸振器による自動車駆動系ねじり振動の低減

メイ

役職

メイ

氏名（50音）

4

6

シ

機関名

マサヒロ

【2019年度若手般科学技術研究助成】…国民生活用機械等に関する様々な分野の研究
研究課題

研究課題

ゴ トウ マサヒロ

28 使用済み自動車触媒からのレアメタルの高効率分離回収プロセスの開発

No.

No.

フミ ヤ

ヒロ キ

コウ ノ

ヒトシ

コ ヅカ

ヒロアキ

ゴンドウ

シ オリ

仁

─ 11 ─

コ ウ ショウ イ チ

ハ

ガ

トシ オ

フジ イ

ヨシヒサ

マエ ノ

トモ ミ

No.

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）22 完全レア・アースフリー硬磁性材料の高性能化

東北大学

教授

牧野 彰宏

23 粒子共存制御ラジカル重合法によるNafion®代替新規高分子電解質膜の作製

山形大学

准教授

増原 陽人

24 マイクロ・ナノスケール流動制御による飛躍的な水電解の高効率化

九州大学

教授

森 昌司

25 等温燃焼による内燃機関の熱効率改善の可能性

千葉大学

教授

森吉 泰生

26 ブレーキからの粒子排出簡易評価装置の開発

東京電機大学

教授

山田 裕之

熊本大学

助教

芳田 嘉志

27 マルチアークプラズマ照射を利用した小型触媒コンバータの開発

マキ ノ

アキヒロ

マスハラ

アキ ト

モ リ ショウ ジ

モリヨシ

ヤス オ

ヤマ ダ

ヒロユキ

ヨシ ダ

ヒロ シ

【リサイクル研究助成】
九州大学

教授

後藤 雅宏

29 電気自動車用リチウムイオン蓄電池リサイクルのための残価値評価技術の開発

立命館大学

教授

福井 正博

フク イ

1

2

3

機関名

電気自動車用ディファレンシャル機能を有するダブルロータ形誘導電動機の開発

機能性キャビテーション処理による自動車用歯車の高強度化に関する研究

ドリル摩耗のインプロセス推定によるドリル折損回避技術開発

静岡大学

東京電機大学

長崎大学

役職
助教

助教

助教

シ

アオヤマ

マサヒロ

イ ジリ

マサタカ

オオツボ

タツキ

大坪
オカフジ

ユウ キ

カ トウ

ヒデアキ

岡藤 勇希

5

炭素繊維強化プラスチックを用いた車両前部の衝撃吸収性能向上に関する研究

東海大学

講師

加藤 英晃

8

9

カ トウ

佐竹 うらら

富山県立大学

講師

佐保 賢志

大阪大学

助教

庄司 博人

15 遷移元素ドープ斑銅鉱ナノ粒子をビルディングブロックとしたサステイナブル熱電材料の創製

北陸先端科学技術
大学院大学

特別
研究員

高橋 麻里

16 非矩形鋼板の通電加熱ホットスタンピングによる超高強度鋼部材の製造プロセスの開発

東京工業大学助教

中川 佑貴

17 自動車用マイクロマシンのための製作誤差修正加工法の開発

静岡大学

助教

中澤 謙太

18 巧みな遠隔作業のための指先装着型多自由度触覚ディスプレイの開発

神戸大学

助教

永野 光

19 新興国道路渋滞の予防に用いる加減速と操舵に関する運転支援システム

立命館大学

研究助教

長濱 章仁

20 一品生産に特化した CAMソフトウェアの開発

神戸大学

助教

西田 勇

21 大気圧熱プラズマビームの局所照射技術と金属表面反応の研究

広島大学

助教

花房 宏明

22 液相法を用いた正極活物質ナノ粒子の創製と全固体電池への応用

豊橋技術科学大学

助教

引間 和浩

23 蓄積動作可能なpチャネル GaN MOSゲートスタックプロセスの開発

東京工業大学助教

星井 拓也

24 マグネシウム合金中の水素可視化技術の構築

新居浜工業
高等専門学校助教

真中 俊明

25 自動車運転中の心電図計測に向けた人体 /自動車の複合回路モデリングに基づくノイズ抑制

東京理科大学助教

村松 大陸

13 マイクロ波レーダーを用いた死角からの歩行者飛び出し予測

14 二相組織鋼の強度・延性予測のためのメゾスケール延性損傷モデルの構築

サ タケ

サ

ホ

ケン シ

ショウ ジ

ヒロ ト

タカハシ

マ

ナカガワ

ユウ キ

ナカザワ

ケン タ

ナガ ノ

ヒカリ

ナガハマ

アキヒト

ニシ ダ

イサム

ハナフサ

ヒロアキ

ヒキ マ

カズヒロ

ホシ イ

タク ヤ

マ ナカ

トシアキ

ムラマツ

タイリク

リ

助教

加藤 雅之

富山県立大学助教

木下 史也

海洋プラスチック問題を解決する自然分解高強度プラスチックの創製

東北大学

助教

栗田 大樹

第5世代移動通信システムを用いた電動車の走行学習と自動運転

東京工芸大学助教

河野

10 受動関節を有するパラレルワイヤ駆動機構による上肢の動作補助

金沢大学

助教

小塚 裕明

11 結晶方位分布に基づいた機械学習による成形性の予測

産業技術
総合研究所

研究員

権藤 詩織

キノシタ

クリ タ

【2019年度課題提案型研究助成】…現在解決を求められている課題の解決
シ

メイ

No.

研究課題

機関名

役職

氏名（50音）1

全固体アルミニウムイオン電池の基盤技術開発

静岡大学

教授

孔 昌一

2

鋳造用・塑性加工用アルミニウム合金の統合とニアネット鋳造素材による塑性加工の省工程化

大阪工業大学

教授

羽賀 俊雄

3

接着界面の分子構造・動態解析に基づく高耐久性接着材料の開発

三重大学

准教授

藤井 義久

4

増肉およびオースフォームによる組織強化を用いたテーラードホットスタンピング法の開発

横浜国立大学

准教授

前野 智美

マサユキ

茨城大学

─ 10 ─

助教

樹助教

概日リズムが胃腸の電気活動に及ぼす影響に関する研究

大阪大学

12 外科手術時の生体への熱侵襲を抑制する骨切除用研削デバイスの開発

井尻 政孝

立命館大学

7

氏名（50音）青山 真大

深層学習ドライバモデルによる運転中の知覚情報の解明

電磁式パラメトリック動吸振器による自動車駆動系ねじり振動の低減

メイ

役職

メイ

氏名（50音）

4

6

シ

機関名

マサヒロ

【2019年度若手般科学技術研究助成】…国民生活用機械等に関する様々な分野の研究
研究課題

研究課題

ゴ トウ マサヒロ

28 使用済み自動車触媒からのレアメタルの高効率分離回収プロセスの開発

No.

No.

フミ ヤ

ヒロ キ

コウ ノ

ヒトシ

コ ヅカ

ヒロアキ

ゴンドウ

シ オリ

仁

─ 11 ─

コ ウ ショウ イ チ

ハ

ガ

トシ オ

フジ イ

ヨシヒサ

マエ ノ

トモ ミ

2－2．国民生活用機械等の生産・利用・消費に係わる科学的研究成果の普及に対する援助・助成【研究成果普及助成】…国内外で行われるシンポジウム・会議等の開催に助成
研修内容・国際会議名
期間

No.
1

2

The 6th Joint-Symposium on Mechanics of Advanced Materials&Structures（JSMAMS2019）令和元年11月29日～12月2日

56

令和元年11月17日～22日

島村 佳伸

主席研究員

鈴木 拓

1

教授

持続性社会のための材料とシステムに関する国際会議2019（ＩＣＭａＳＳ2019）の開催

鵜殿 治彦

教授

The 18th International Conference on Global Research and Education (Inter Academia 2019)令和元年9月4日～7日

加藤 丈佳

第4回 先進自動車技術に関する大学連携国際シンポジウム（ISAVT2019）

原 和彦

2

第20回 微粒化アジア会議

井上 秀雄

3

教授

4

5

6

7

8

9

期間

三上 真人

令和元年8月11日～8月18日

准教授

酒井 英樹

准教授

岩本 伸司

令和元年6月3日～6月9日

教授

令和元年6月16日～6月21日

教授

令和元年11月7日～11月16日

准教授

令和元年7月23日～7月27日

教授

令和元年7月7日～7月12日

修士課程

大石 昌嗣

佐藤 明

秋本 康平

教授

中塚 理
立命館大学

令和元年6月29日～7月8日

─ 12 ─

23

24

25

26

名古屋大学

交通と粒子の流れ 2019スペイン、パンプローナ

古谷 涼秋

東京理科大学

米国電気電子学会 IEEE フォトニクス分科会 夏季特別集会
アメリカ、フロリダ22

秋田県立大学

第41回 国際医療及び生物工学会議
ドイツ、ベルリン

黒田 勝彦

徳島大学

米国機械工学会 機械工学国際会議 2019アメリカ、ソルトレイクシティ

21

東京電機大学第２２回 固体イオニクス国際会議
韓国、ピョンチャン

20

長崎総合科学大学

第１２回 計測と品質管理に関する国際会議
セルビア、ベオグラード

19

群馬大学

第26回 音と振動の国際会議
令和元年7月7日～7月14日

氏名

近畿大学

第８回 アジア太平洋触媒会議
令和元年 8月3日～8月8日

17

18

所属機関

役職

第26回 自動車と鉄道の車両運動力学の国際シンポジウム

カナダ、モントリオール

16

山口大学

令和元年12月21日～23日

タイ、バンコク15

神奈川工科大学
所長・教授

研修内容・国際会議名

14

静岡大学
教授

令和元年9月4日～6日

13

研究助教

27

期間

所属機関

役職

エネルギーワークショップ国際会議および IEAエネルギー技術分析評価会合
フランス、パリ

令和元年6月2日～6月8日

カナダ、
トロント

令和元年6月24日～6月29日

准教授

時松 宏治
三重大学

助教

第２６回 音響振動国際会議
カナダ、モントリオール

令和元年7月7日～7月12日

伊丹 琢
豊橋技術科学大学

准教授

横山 博史

産業とロボットシステムに関するラテンアメリカシンポジウム
メキシコ、タンピコ

令和元年10月27日～11月3日

首都大学東京
博士課程

遠藤 優太

第13回 窒化物半導体国際会議
アメリカ、ワシントン

令和元年7月7日～7月12日

大阪大学
助教

市川 修平

第２７回 国際バイオメカニスク学会
カナダ、カルガリー

令和元年7月30日～8月5日

信州大学
教授

産業・製造工学に関する国際会議・展示会
チェコ共和国、プラハ

令和元年8月13日～8月19日

吉武 康栄
豊橋技術科学大学

教授

第15回 ヨーロッパ -アジア地盤 -車両に関する国際会議
チェコ共和国、プラハ

令和元年9月7日～9月12日

ポストドクター

令和元年7月6日～7月12日

令和元年9月4日～9月6日

教授

令和元年7月25日～8月3日

修士課程

博士課程

令和元年8月21日～8月31日

修士課程

令和元年8月17日～8月23日

令和元年8月17日～8月23日

博士課程

令和元年9月22日～9月25日

博士課程

准教授

令和元年10月27日～10月3１日

准教授

渕脇 大海
横浜国立大学令和元年10月27日～10月3１日

博士課程

人間機械システムの解析、設計、評価に関する第１４回 IFAC（国際自動制御連盟）シンポジウム
エストニア、タリン

原 健二
横浜国立大学

マイクロタス 2019スイス、バーゼル

岡 健太
九州大学

マイクロタス 2019スイス、バーゼル

竹本 圭佑
熊本大学

米国電気電子学会・画像処理国際会議 2019
台湾、台北市

田中 寛人
熊本大学

第10回 環太平洋先進材料とそのプロセスに関する国際会議
中国、西安市安田 一貴
東北大学

第10回 環太平洋先進材料とそのプロセスに関する国際会議
中国、西安市

島 遼太朗
室蘭工業大学

熱流体解析ワークショップ
アメリカ、バージニア

和田 隆広
京都大学

アメリカ機械学会、日本機械学会、韓国機械学会、合同流体工学国際会議
アメリカ、サンフランシスコ

藤原 大佑
立命館大学

メカトロニクスと非線形制御に関するシンポジウム
オーストリア、ウィーン

福本 昌宏
芝浦工業大学動揺病会議
アイスランド、アークレイリ

氏名東京工業大学

IEEE/RAS-EMBS リハビリテーションロボティクス国際会議 2019名古屋大学

令和元年11月1日～3日

スウェーデン、ヨーテボリ

12

茨城大学

令和元年7月20日～23日

場所

11

研修内容・国際会議名

場所（国研）物質・材料研究機構【研究者海外研修助成】…海外で開催されるシンポジウム・会議の出席に対して旅費を助成
No.

10

静岡大学

APAC－Silicide2019

7

氏名

教授

第23回非弾性イオン表面衝突に関する国際会議

3

4

役職

所属機関

No.

令和元年9月16日～9月21日

長濱 章仁

─ 13 ─

橘 大毅
立命館大学

専門研究員

佐藤 勇起

2－2．国民生活用機械等の生産・利用・消費に係わる科学的研究成果の普及に対する援助・助成【研究成果普及助成】…国内外で行われるシンポジウム・会議等の開催に助成
研修内容・国際会議名
期間

No.
1

2

The 6th Joint-Symposium on Mechanics of Advanced Materials&Structures（JSMAMS2019）令和元年11月29日～12月2日

56

令和元年11月17日～22日

島村 佳伸

主席研究員

鈴木 拓

1

教授

持続性社会のための材料とシステムに関する国際会議2019（ＩＣＭａＳＳ2019）の開催

鵜殿 治彦

教授

The 18th International Conference on Global Research and Education (Inter Academia 2019)令和元年9月4日～7日

加藤 丈佳

第4回 先進自動車技術に関する大学連携国際シンポジウム（ISAVT2019）

原 和彦

2

第20回 微粒化アジア会議

井上 秀雄

3

教授

4

5

6

7

8

9

期間

三上 真人

令和元年8月11日～8月18日

准教授

酒井 英樹

准教授

岩本 伸司

令和元年6月3日～6月9日

教授

令和元年6月16日～6月21日

教授

令和元年11月7日～11月16日

准教授

令和元年7月23日～7月27日

教授

令和元年7月7日～7月12日

修士課程

大石 昌嗣

佐藤 明

秋本 康平

教授

中塚 理
立命館大学

令和元年6月29日～7月8日

─ 12 ─

23

24

25

26

名古屋大学

交通と粒子の流れ 2019スペイン、パンプローナ

古谷 涼秋

東京理科大学

米国電気電子学会 IEEE フォトニクス分科会 夏季特別集会
アメリカ、フロリダ22

秋田県立大学

第41回 国際医療及び生物工学会議
ドイツ、ベルリン

黒田 勝彦

徳島大学

米国機械工学会 機械工学国際会議 2019アメリカ、ソルトレイクシティ

21

東京電機大学第２２回 固体イオニクス国際会議
韓国、ピョンチャン

20

長崎総合科学大学

第１２回 計測と品質管理に関する国際会議
セルビア、ベオグラード

19

群馬大学

第26回 音と振動の国際会議
令和元年7月7日～7月14日

氏名

近畿大学

第８回 アジア太平洋触媒会議
令和元年 8月3日～8月8日

17

18

所属機関

役職

第26回 自動車と鉄道の車両運動力学の国際シンポジウム

カナダ、モントリオール

16

山口大学

令和元年12月21日～23日

タイ、バンコク15

神奈川工科大学
所長・教授

研修内容・国際会議名

14

静岡大学
教授

令和元年9月4日～6日

13

研究助教

27

期間

所属機関

役職

エネルギーワークショップ国際会議および IEAエネルギー技術分析評価会合
フランス、パリ

令和元年6月2日～6月8日

カナダ、
トロント

令和元年6月24日～6月29日

准教授

時松 宏治
三重大学

助教

第２６回 音響振動国際会議
カナダ、モントリオール

令和元年7月7日～7月12日

伊丹 琢
豊橋技術科学大学

准教授

横山 博史

産業とロボットシステムに関するラテンアメリカシンポジウム
メキシコ、タンピコ

令和元年10月27日～11月3日

首都大学東京
博士課程

遠藤 優太

第13回 窒化物半導体国際会議
アメリカ、ワシントン

令和元年7月7日～7月12日

大阪大学
助教

市川 修平

第２７回 国際バイオメカニスク学会
カナダ、カルガリー

令和元年7月30日～8月5日

信州大学
教授

産業・製造工学に関する国際会議・展示会
チェコ共和国、プラハ

令和元年8月13日～8月19日

吉武 康栄
豊橋技術科学大学

教授

第15回 ヨーロッパ -アジア地盤 -車両に関する国際会議
チェコ共和国、プラハ

令和元年9月7日～9月12日

ポストドクター

令和元年7月6日～7月12日

令和元年9月4日～9月6日

教授

令和元年7月25日～8月3日

修士課程

博士課程

令和元年8月21日～8月31日

修士課程

令和元年8月17日～8月23日

令和元年8月17日～8月23日

博士課程

令和元年9月22日～9月25日

博士課程

准教授

令和元年10月27日～10月3１日

准教授

渕脇 大海
横浜国立大学令和元年10月27日～10月3１日

博士課程

人間機械システムの解析、設計、評価に関する第１４回 IFAC（国際自動制御連盟）シンポジウム
エストニア、タリン

原 健二
横浜国立大学

マイクロタス 2019スイス、バーゼル

岡 健太
九州大学

マイクロタス 2019スイス、バーゼル

竹本 圭佑
熊本大学

米国電気電子学会・画像処理国際会議 2019
台湾、台北市

田中 寛人
熊本大学

第10回 環太平洋先進材料とそのプロセスに関する国際会議
中国、西安市安田 一貴
東北大学

第10回 環太平洋先進材料とそのプロセスに関する国際会議
中国、西安市

島 遼太朗
室蘭工業大学

熱流体解析ワークショップ
アメリカ、バージニア

和田 隆広
京都大学

アメリカ機械学会、日本機械学会、韓国機械学会、合同流体工学国際会議
アメリカ、サンフランシスコ

藤原 大佑
立命館大学

メカトロニクスと非線形制御に関するシンポジウム
オーストリア、ウィーン

福本 昌宏
芝浦工業大学動揺病会議
アイスランド、アークレイリ

氏名東京工業大学

IEEE/RAS-EMBS リハビリテーションロボティクス国際会議 2019名古屋大学

令和元年11月1日～3日

スウェーデン、ヨーテボリ

12

茨城大学

令和元年7月20日～23日

場所

11

研修内容・国際会議名

場所（国研）物質・材料研究機構【研究者海外研修助成】…海外で開催されるシンポジウム・会議の出席に対して旅費を助成
No.

10

静岡大学

APAC－Silicide2019

7

氏名

教授

第23回非弾性イオン表面衝突に関する国際会議

3

4

役職

所属機関

No.

令和元年9月16日～9月21日

長濱 章仁

─ 13 ─

橘 大毅
立命館大学

専門研究員

佐藤 勇起

No.
28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

研修内容・国際会議名

場所

期間

所属機関

役職

IEEE 知能ロボットとシステムに関する国際会議
中国、マカオ

令和元年11月4日～11月8日

横浜国立大学
博士課程

第42回 欧州視知覚学会
ベルギー、ルーベン

博士課程

第11回 国際自動制御連盟非線形制御システムに関するシンポジウム
令和元年9月2日～9月8日

令和元年11月21日～11月25日

博士課程

令和元年9月22日～9月25日

教授

令和元年10月15日～10月21日

博士課程

令和元年10月27日～11月2日

博士課程

令和2年3月8日～3月14日

輸送現象に関する第30回国際シンポジウム
ベトナム、ハロン

令和元年10月31日～11月4日

教授

准教授

教授

修士課程

令和元年11月12日～11月20日

修士課程

令和元年12月7日～12月14日

令和元年10月28日～11月3日

博士課程

令和元年12月12日～12月19日

修士課程

博士課程

令和元年12月3日～12月9日

准教授

金崎 雅博

受入教官：静岡大学・大学院総合科学技術研究科
永吉（ながよし） 実武（さねたけ） 准教授
研究テーマ：市場動向分析と品質改善のための顧客フィードバック解析③ Roy Tathagata インド工科大学デリー校土木工学 大学院生
（期間：平成31年4月1日～令和2年3月31日）
受入教官：豊橋技術科学大学・建築・都市システム学系
齋藤（さいとう） 大樹（たいき） 教授
研究テーマ：地震台風による複合災害分析④ Nagy Balazs ハンガリー ブダペスト工科経済大学機械工学 大学院生
（期間：平成31年3月20日～令和元年9月20日）

石出 忠輝

受入教官：静岡大学・大学院総合科学技術研究科

令和元年12月11日～12月19日

令和元年12月14日～12月20日

博士課程

─ 14 ─

高瀬 悠太

橋本 渉

片山 翔吾

安達 拓矢

山脇 彰

ハジム ハサンアリ シェハブ
富山県立大学教授

第178回 米国音響学会研究発表会
令和元年12月2日～12月8日

小林（こばやし） 祐一（ゆういち） 准教授

畑澤 研太

九州大学

第17回 ER流体および MR流体に関する国際会議

アメリカ、サンディエゴ（期間：令和元年11月～令和2年10月)

研究テーマ：ニューラルネットワークによる移動体の軌道予測制御（２）国際自動車センター機構（i-ACE）への助成事業
平成 29 年度に引き続き、
インド、
グジャラート州の国際自動車センター機構に対する器材・設備の助成を実施した。
・組 織 名 ：i-ACE（International Automobile Center of Excellence、国際自動車センター機構）
・設 立 日 ：2015年9月29日
・設 立目的 ：自動車産業の最新技術に対応できる技術者の育成
・場

所 ：インド、
グジャラート州

・事業内容 ：自動車産業における設計、製造、サービスに関する訓練・訓練対象 ：①工学系大学生、②職業訓練校の教員、③自動車会社専門職

九州工業大学

第２回 環太平洋熱工学会議

オーストラリア、ウーロンゴン② Konjengbam Anand インド工科大学ハイデラバード校情報科学 大学院生

柳生 裕聖

東北大学

並列分散コンピューティングとその応用および技術に関する国際会議

アメリカ、ハワイ

福田 祐樹

群馬大学

第２回 環太平洋熱工学会議

オーストラリア、ゴールドコースト

研究テーマ：液体中のキャビテーション気泡や非凝縮気泡の素過程解明

平井 健士

首都大学東京第13回 高度な半導体集積回路に関する国際会議

アメリカ、ハワイ

三石 貴志

東京理科大学IEEE 第21回マルチメディア国際シンポジウム

中国、重慶

真田（さなだ） 俊之（としゆき）准教授

酒井 佳奈子木更津工業高等専門学校

マイクロ流体力学 2019アメリカ、サンディエゴ

受入教官：静岡大学大学院総合科学技術研究科

弘前大学

令和元年12月1日～12月13日

フランス、ルイユマルメゾン（期間：平成31年4月1日～令和元年7月31日）

首都大学東京材料研究会秋季大会
アメリカ、ボストン① Karri Badarinath インド工科大学ハイデラバード校機械航空工学 准教授

関東学院大学2020年米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）航空宇宙工学に関する会議
アメリカ、モンタナ

へ2名、インド工科大学デリー校より豊橋技術科学大学へ1名、計4名の研究者を招聘した。

広島市立大学

第23回化学と生命科学のための小型化システム国際会議
スイス、バーゼルハンガリーブダペスト工科経済大学より静岡大学へ1名、インド工科大学ハイデラバード校より静岡大学

名古屋大学

オーディオ工学会 第147回 研究発表会
アメリカ、ニューヨーク

（１）海外よりの研究者の招聘

中古賀 理

流通科学大学IEEE 第90回 自動車技術会議
アメリカ、ハワイ

2－3． 国民生活用機械等の産業或いは研究に従事する外国人の科学的研究・研修に対する援助・助成

首都大学東京第３回 フィリピンの学際的な研究に関する国際会議
フィリピン、セブ

徳井 良多

豊橋技術科学大学

令和元年8月24日～8月31日

オーストリア、ウィーン

氏名

小柳 健一

2－4． 付帯事業（１）財団機関誌「年次報告書」の発行
2019年度年次報告書の発行を行った。
（２）研究発表会等の開催
講演会を2回開催した。
開催日

筑波大学
助教

金川 哲也

テーマ

講師

１

令和元年10月25日(金 )加工原理学について

東京農工大学 名誉教授 古川 勇二 氏

2

令和2年3月16日(月 )2020年 混沌の世界を俯瞰する

愛知淑徳大学 教授 眞田 幸光 氏

─ 15 ─

No.
28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

研修内容・国際会議名

場所

期間

所属機関

役職

IEEE 知能ロボットとシステムに関する国際会議
中国、マカオ

令和元年11月4日～11月8日

横浜国立大学
博士課程

第42回 欧州視知覚学会
ベルギー、ルーベン

博士課程

第11回 国際自動制御連盟非線形制御システムに関するシンポジウム
令和元年9月2日～9月8日

令和元年11月21日～11月25日

博士課程

令和元年9月22日～9月25日

教授

令和元年10月15日～10月21日

博士課程

令和元年10月27日～11月2日

博士課程

令和2年3月8日～3月14日

輸送現象に関する第30回国際シンポジウム
ベトナム、ハロン

令和元年10月31日～11月4日

教授

准教授

教授

修士課程

令和元年11月12日～11月20日

修士課程

令和元年12月7日～12月14日

令和元年10月28日～11月3日

博士課程

令和元年12月12日～12月19日

修士課程

博士課程

令和元年12月3日～12月9日

准教授

金崎 雅博

受入教官：静岡大学・大学院総合科学技術研究科
永吉（ながよし） 実武（さねたけ） 准教授
研究テーマ：市場動向分析と品質改善のための顧客フィードバック解析③ Roy Tathagata インド工科大学デリー校土木工学 大学院生
（期間：平成31年4月1日～令和2年3月31日）
受入教官：豊橋技術科学大学・建築・都市システム学系
齋藤（さいとう） 大樹（たいき） 教授
研究テーマ：地震台風による複合災害分析④ Nagy Balazs ハンガリー ブダペスト工科経済大学機械工学 大学院生
（期間：平成31年3月20日～令和元年9月20日）

石出 忠輝

受入教官：静岡大学・大学院総合科学技術研究科

令和元年12月11日～12月19日

令和元年12月14日～12月20日

博士課程

─ 14 ─

高瀬 悠太

橋本 渉

片山 翔吾

安達 拓矢

山脇 彰

ハジム ハサンアリ シェハブ
富山県立大学教授

第178回 米国音響学会研究発表会
令和元年12月2日～12月8日

小林（こばやし） 祐一（ゆういち） 准教授

畑澤 研太

九州大学

第17回 ER流体および MR流体に関する国際会議

アメリカ、サンディエゴ（期間：令和元年11月～令和2年10月)

研究テーマ：ニューラルネットワークによる移動体の軌道予測制御（２）国際自動車センター機構（i-ACE）への助成事業
平成 29 年度に引き続き、
インド、
グジャラート州の国際自動車センター機構に対する器材・設備の助成を実施した。
・組 織 名 ：i-ACE（International Automobile Center of Excellence、国際自動車センター機構）
・設 立 日 ：2015年9月29日
・設 立目的 ：自動車産業の最新技術に対応できる技術者の育成
・場

所 ：インド、
グジャラート州

・事業内容 ：自動車産業における設計、製造、サービスに関する訓練・訓練対象 ：①工学系大学生、②職業訓練校の教員、③自動車会社専門職

九州工業大学

第２回 環太平洋熱工学会議

オーストラリア、ウーロンゴン② Konjengbam Anand インド工科大学ハイデラバード校情報科学 大学院生

柳生 裕聖

東北大学

並列分散コンピューティングとその応用および技術に関する国際会議

アメリカ、ハワイ

福田 祐樹

群馬大学

第２回 環太平洋熱工学会議

オーストラリア、ゴールドコースト

研究テーマ：液体中のキャビテーション気泡や非凝縮気泡の素過程解明

平井 健士

首都大学東京第13回 高度な半導体集積回路に関する国際会議

アメリカ、ハワイ

三石 貴志

東京理科大学IEEE 第21回マルチメディア国際シンポジウム

中国、重慶

真田（さなだ） 俊之（としゆき）准教授

酒井 佳奈子木更津工業高等専門学校

マイクロ流体力学 2019アメリカ、サンディエゴ

受入教官：静岡大学大学院総合科学技術研究科

弘前大学

令和元年12月1日～12月13日

フランス、ルイユマルメゾン（期間：平成31年4月1日～令和元年7月31日）

首都大学東京材料研究会秋季大会
アメリカ、ボストン① Karri Badarinath インド工科大学ハイデラバード校機械航空工学 准教授

関東学院大学2020年米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）航空宇宙工学に関する会議
アメリカ、モンタナ

へ2名、インド工科大学デリー校より豊橋技術科学大学へ1名、計4名の研究者を招聘した。

広島市立大学

第23回化学と生命科学のための小型化システム国際会議
スイス、バーゼルハンガリーブダペスト工科経済大学より静岡大学へ1名、インド工科大学ハイデラバード校より静岡大学

名古屋大学

オーディオ工学会 第147回 研究発表会
アメリカ、ニューヨーク

（１）海外よりの研究者の招聘

中古賀 理

流通科学大学IEEE 第90回 自動車技術会議
アメリカ、ハワイ

2－3． 国民生活用機械等の産業或いは研究に従事する外国人の科学的研究・研修に対する援助・助成

首都大学東京第３回 フィリピンの学際的な研究に関する国際会議
フィリピン、セブ

徳井 良多

豊橋技術科学大学

令和元年8月24日～8月31日

オーストリア、ウィーン

氏名

小柳 健一

2－4． 付帯事業（１）財団機関誌「年次報告書」の発行
2019年度年次報告書の発行を行った。
（２）研究発表会等の開催
講演会を2回開催した。
開催日

筑波大学
助教

金川 哲也

テーマ

講師

１

令和元年10月25日(金 )加工原理学について

東京農工大学 名誉教授 古川 勇二 氏

2

令和2年3月16日(月 )2020年 混沌の世界を俯瞰する

愛知淑徳大学 教授 眞田 幸光 氏

─ 15 ─

（３）研究助成金贈呈式及び技術者交流会の開催
令和2年2月21日、浜松市（グランドホテル浜松）
において、令和元年度科学技術研究助成者54名および課題提案型研究助成者4名への研究助成金贈呈式を行った。
引き続き、財団役員・関係技術者が出席し、助成者との研究交流会を開催した。新型コロナの影響もあり、式典は全員マスク着用で行われた。

2－5．基本財産 及び 運営資金
本年度の経常収益は、基本財産運用収入が、187,601 千円、寄附金収入が 6,500 千円、雑収入が 4 千円の合計 194,105 千円であった。
一方、経常費用は、研究助成等の事業費に189,157 千円、管理費に28,703 千円、合計 217,861 千円で、差引 △ 23,756 千円の収支となった。

■
3 2018 年（平成 30 年）度 研究成果報告

また、正 味 財 産 期 末 残 高は、保 有 株 式 の 期 末 評 価 替え等により前 期 末より4,523,764 千 円 減 少し、
6,317,119 千円であった。
⃝2019度（令和元年度）決算概要
貸借対照表（2020.3.31現在）

単位：千円

科目

金額

科目

Ⅰ. 資産の部

金額

Ⅱ. 負債の部

流動資産98,612

固定資産

6,218,521

基本財産(6,206,521)

特定資産(12,000)

資産合計

流動負債

15

負債合計

15

Ⅲ. 正味財産の部
指定正味財産4,499,567

一般正味財産1,817,552

正味財産合計

6,317,119

6,317,133

負債及び正味財産合計

6,317,133（注）単位未満四捨五入の為、内訳と合計は必ずしも一致しない。

正味財産増減計算書（2020.3.31現在）
科目

単位：千円単位金額

科目

Ⅰ. 一般正味財産増減の部
基本財産運用益
受取寄附金

評価損益等調整前当期経常増減額
187,601
6,500

雑収益

4

経常収益計

194,105

事業費

189,157

研究助成事業費(131,356)

科学的研究成果の普及助成事業(11,380)

外国人の科学的研究・研修助成事業費(31,836)

付帯事業費

金額△23,756

評価損益等計

△1,510,976

当期経常増減額△1,534,732

当期経常外増減額0

当期一般正味財産増減額△1,534,732

Ⅱ. 指定正味財産増減の部△2,989,032

Ⅲ. 正味財産期末残高

6,317,119(14,585)

管理費

28,703
経常費用計

217,861（注）単位未満四捨五入の為、内訳と合計は必ずしも一致しない。

─ 16 ─

─ 17 ─

（３）研究助成金贈呈式及び技術者交流会の開催
令和2年2月21日、浜松市（グランドホテル浜松）
において、令和元年度科学技術研究助成者54名および課題提案型研究助成者4名への研究助成金贈呈式を行った。
引き続き、財団役員・関係技術者が出席し、助成者との研究交流会を開催した。新型コロナの影響もあり、式典は全員マスク着用で行われた。

2－5．基本財産 及び 運営資金
本年度の経常収益は、基本財産運用収入が、187,601 千円、寄附金収入が 6,500 千円、雑収入が 4 千円の合計 194,105 千円であった。
一方、経常費用は、研究助成等の事業費に189,157 千円、管理費に28,703 千円、合計 217,861 千円で、差引 △ 23,756 千円の収支となった。

■
3 2018 年（平成 30 年）度 研究成果報告

また、正 味 財 産 期 末 残 高は、保 有 株 式 の 期 末 評 価 替え等により前 期 末より4,523,764 千 円 減 少し、
6,317,119 千円であった。
⃝2019度（令和元年度）決算概要
貸借対照表（2020.3.31現在）

単位：千円

科目

金額

科目

Ⅰ. 資産の部

金額

Ⅱ. 負債の部

流動資産98,612

固定資産

6,218,521

基本財産(6,206,521)

特定資産(12,000)

資産合計

流動負債

15

負債合計

15

Ⅲ. 正味財産の部
指定正味財産4,499,567

一般正味財産1,817,552

正味財産合計

6,317,119

6,317,133

負債及び正味財産合計

6,317,133（注）単位未満四捨五入の為、内訳と合計は必ずしも一致しない。

正味財産増減計算書（2020.3.31現在）
科目

単位：千円単位金額

科目

Ⅰ. 一般正味財産増減の部
基本財産運用益
受取寄附金

評価損益等調整前当期経常増減額
187,601
6,500

雑収益

4

経常収益計

194,105

事業費

189,157

研究助成事業費(131,356)

科学的研究成果の普及助成事業(11,380)

外国人の科学的研究・研修助成事業費(31,836)

付帯事業費

金額△23,756

評価損益等計

△1,510,976

当期経常増減額△1,534,732

当期経常外増減額0

当期一般正味財産増減額△1,534,732

Ⅱ. 指定正味財産増減の部△2,989,032

Ⅲ. 正味財産期末残高

6,317,119(14,585)

管理費

28,703
経常費用計

217,861（注）単位未満四捨五入の為、内訳と合計は必ずしも一致しない。

─ 16 ─

─ 17 ─

3 2018年（平成30年）度の研究成果報告
3－１．2018年（平成30年）度 科学技術研究助成成果報告〈目次〉
No.

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）頁

No.

豊橋技術科学大学

助教

石井 陽介

ヨウスケ

P.20

21

ジャイロミル型風車の性能向上に関する研究

イ ト ウ リョウ タ

イシ イ

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）東海奈良工業高等専門学校大学

教授

坂本 雅彦

P.60

サ タケ

サカモト

マサヒコ

頁

1

ガイド波を用いた薄板屈曲部の非破壊検査に関する研究

2連続発振テラヘルツ光源を用いた位相干渉法による
CFRP の非破壊検査の検討

秋田県立大学

助教

伊東 良太

P.22

22

レンズ研磨における除去能率の超安定化を実現する研磨工具の開発

大阪大学

助教

佐竹 うららP.62

3

抵抗スポット溶接部特性の In-situ評価手法の開発

大阪工業大学講師

伊與田 宗慶

イ

P.24

23

自動運転制御用ネットワークスライスに対する
高速障害復旧技術の研究開発

福井大学

准教授

橘 拓至

タチバナ タ ク ジ

P.64

4

基板上微小構造群との相互作用による動的濡れ促進機構の解明

東京理科大学

教授

上野 一郎

ウエ ノ

イチロウ

P.26

24

夜間および悪天候時における車載単眼カメラによる高速なブレーキランプ点灯検出に関する研究

福井大学

助教

チョウ チョウ

P.66

5

簡素な機構で高い不整地走破性を有する
全方向移動プラットフォームの開発

東京工科大学

助教

上野 祐樹

ウエ ノ

ユウ キ

P.28

25

硬度傾斜・厚膜化 DLC皮膜によるアルミニウム合金の耐摩擦摩耗特性の改善

茨城大学

准教授

中村 雅史

ナカムラ

マサ シ

P.68

6

微小な熱機関の構築に関する基礎研究

山梨大学

教授

内山 智香子

コ

P.30

26

軸受トルク・音響振動性能に及ぼすグリースのレオロジー特性の影響

九州工業大学

助教

西川 宏志

ニシカワ

ヒロ シ

P.70

7

高硬度材料を対象とした能動回転型
傾斜ローラバニシング加工法の開発

福井大学

准教授

岡田 将人

福井大学

講師

長谷川 達人ハ

P.72

8

金属薄膜を利用した GPa オーダの圧力分布測定法に関する研究

鳥取大学

教授

9

デジタルツインに基づく機器の状態監視および劣化予測システムの構築

大阪市立大学教授

10

CFRP 接着継手への傾斜機能接着技術の適用

東京農工大学

特任助教

川崎 翔大

11

上肢運動補助用フレキシブルパワーアシストロボットの研究

九州大学

教授

12

自動車用歯車の高強度化を目的とした軟質微粒子ピーニングの開発

静岡大学

准教授

菊池 将一

13

水素燃焼における火炎伝播加速現象の解明

広島大学

助教

14

ハードカーボン／ Si混合負極への Liイオンプレドープ深度の最適化

秋田大学

教授

熊谷 誠治

クマガイ

セイ ジ

15

車載単眼カメラと地図地形データを用いた
超遠方交通参加者の早期認識

首都大学東京助教

16

SEA を用いた制振材料の適正配置に関する研究

長崎総合科学大学

教授

17

アルミニウム粉体燃焼の基礎的解明と燃焼制御技術への応用

岐阜大学

助教

小林 芳成

18

小型歯車のための超短時間浸炭焼入れプロセスの開発

慶應義塾大学教授

19

超臨界処理を応用したサブミクロン活性炭の最適設計による
電気二重層キャパシタの高性能化

大阪府立大学准教授

20

次世代全固体電池の劣化診断技術に関する基礎研究

東海大学

教授

坂本 俊之

─ 18 ─

ヨ

タ

ウチヤマ

ムネヨシ

チ

カ

張潮

オカ ダ

マサ ト

P.32

27

教師ラベル取得に制約のある状況における行動センシングの個人適応

小野 勇一

オ

ノ

ユウイチ

P.34

28

二輪車・自転車事故死者低減に向けた
先進事故自動通報システムの開発

滋賀医科大学

教授

一杉 正仁

P.74

川合 忠雄

カワ イ

タダ オ

P.36

29

低次元ナノカーボン材料のキャリア制御による界面熱輸送制御

名古屋大学

助教

廣谷 潤

ヒ ロ タ ニ ジュン

P.76

カ ワ サ キ ショウ タ

P.38

30

液体ピストンを持つ音波エンジンの開発〜低温・低エネルギー密度の熱源の有効利用に向けて〜

東北大学

教授

琵琶 哲志

ビ

ワ

テツ シ

P.78

木口 量夫

キ グチ

カズ オ

P.40

31

局所ひずみその場測定に基づく応力腐食割れ発生の力学条件定量化

静岡大学

准教授

藤井 朋之

フジ イ

トモユキ

P.80

キク チ

ショウ イ チP.42

32

高張力鋼 /アルミニウム合金マルチマテリアル構造体の界面強度支配
因子の解明

大阪大学

助教

松田 朋己

マツ ダ

トモ キ

P.82

KIM WOOKYUNG P.44

33

熊本城の石垣アーカイブ化と複合現実を使った石垣復旧作業への応用研究

熊本大学

教授

松永 信智

マツナガ

ノブトモ

P.84

P.46

34

双安定構造を利用した高安定な展開構造体設計論の構築

山口大学

教授

南 和幸

ミナミ カ ズ ユ キ

P.86

倉元 昭季

クラモト

アキスエ

P.48

35

PHV の性能を包括的かつ簡易的に評価できる新たな手法の提案と車両設計・運用指針構築の試み

早稲田大学

助教

楊 イ翔

ヨウ

イ ショウ

P.88

黒田 勝彦

クロ ダ

カツヒコ

P.50

36

機械学習とマルチスケールシミュレーションによる原子層材料保護膜の研究

大阪大学

特任助教

劉 麗君

リュウ レ イ ク ン

P.90

コバヤシ

ヨシナリ

P.52

37

革新的軽量部材の製造をめざす
マグネシウム合金展伸材の冷間ロール成形

東京電機大学

教授

渡利 久規

ワタ リ

ヒサ キ

P.92

小茂鳥 潤

モ ト リ ジュン

P.54

38

ヘテロフローテーション法によるアルミニウムスクラップ高清浄度化のための異種粒子間差動凝集機構の解明とその適用

八戸工業
高等専門学校

准教授

新井 宏忠

アラ イ

ヒロタダ

P.94

齊藤 丈靖

サイトウ

タケヤス

P.56

39

使用済みリチウムイオン二次電池からの高選択的熱応答性ポリマーと超高回収量捕集ポリマーの段階的使用によるレアメタル完全リサイクルシステムの開発

群馬大学

助教

永井 大介

ナガ イ

ダイスケ

P.96

サカモト

トシユキ

P.58

40

バイオマス由来の硫黄担持吸着材による使用済リチウムイオン電池
溶解処理溶液からの高効率レアメタル分離回収技術の開発

千葉大学

准教授

和嶋 隆昌

ワ ジマ

タカアキ

P.98

キ ム

ウキョン

コ

─ 19 ─

セ ガワ

ヒトスギ

タツヒト

マサヒト

3 2018年（平成30年）度の研究成果報告
3－１．2018年（平成30年）度 科学技術研究助成成果報告〈目次〉
No.

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）頁

No.

豊橋技術科学大学

助教

石井 陽介

ヨウスケ

P.20

21

ジャイロミル型風車の性能向上に関する研究

イ ト ウ リョウ タ

イシ イ

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）東海奈良工業高等専門学校大学

教授

坂本 雅彦

P.60

サ タケ

サカモト

マサヒコ

頁

1

ガイド波を用いた薄板屈曲部の非破壊検査に関する研究

2連続発振テラヘルツ光源を用いた位相干渉法による
CFRP の非破壊検査の検討

秋田県立大学

助教

伊東 良太

P.22

22

レンズ研磨における除去能率の超安定化を実現する研磨工具の開発

大阪大学

助教

佐竹 うららP.62

3

抵抗スポット溶接部特性の In-situ評価手法の開発

大阪工業大学講師

伊與田 宗慶

イ

P.24

23

自動運転制御用ネットワークスライスに対する
高速障害復旧技術の研究開発

福井大学

准教授

橘 拓至

タチバナ タ ク ジ

P.64

4

基板上微小構造群との相互作用による動的濡れ促進機構の解明

東京理科大学

教授

上野 一郎

ウエ ノ

イチロウ

P.26

24

夜間および悪天候時における車載単眼カメラによる高速なブレーキランプ点灯検出に関する研究

福井大学

助教

チョウ チョウ

P.66

5

簡素な機構で高い不整地走破性を有する
全方向移動プラットフォームの開発

東京工科大学

助教

上野 祐樹

ウエ ノ

ユウ キ

P.28

25

硬度傾斜・厚膜化 DLC皮膜によるアルミニウム合金の耐摩擦摩耗特性の改善

茨城大学

准教授

中村 雅史

ナカムラ

マサ シ

P.68

6

微小な熱機関の構築に関する基礎研究

山梨大学

教授

内山 智香子

コ

P.30

26

軸受トルク・音響振動性能に及ぼすグリースのレオロジー特性の影響

九州工業大学

助教

西川 宏志

ニシカワ

ヒロ シ

P.70

7

高硬度材料を対象とした能動回転型
傾斜ローラバニシング加工法の開発

福井大学

准教授

岡田 将人

福井大学

講師

長谷川 達人ハ

P.72

8

金属薄膜を利用した GPa オーダの圧力分布測定法に関する研究

鳥取大学

教授

9

デジタルツインに基づく機器の状態監視および劣化予測システムの構築

大阪市立大学教授

10

CFRP 接着継手への傾斜機能接着技術の適用

東京農工大学

特任助教

川崎 翔大

11

上肢運動補助用フレキシブルパワーアシストロボットの研究

九州大学

教授

12

自動車用歯車の高強度化を目的とした軟質微粒子ピーニングの開発

静岡大学

准教授

菊池 将一

13

水素燃焼における火炎伝播加速現象の解明

広島大学

助教

14

ハードカーボン／ Si混合負極への Liイオンプレドープ深度の最適化

秋田大学

教授

熊谷 誠治

クマガイ

セイ ジ

15

車載単眼カメラと地図地形データを用いた
超遠方交通参加者の早期認識

首都大学東京助教

16

SEA を用いた制振材料の適正配置に関する研究

長崎総合科学大学

教授

17

アルミニウム粉体燃焼の基礎的解明と燃焼制御技術への応用

岐阜大学

助教

小林 芳成

18

小型歯車のための超短時間浸炭焼入れプロセスの開発

慶應義塾大学教授

19

超臨界処理を応用したサブミクロン活性炭の最適設計による
電気二重層キャパシタの高性能化

大阪府立大学准教授

20

次世代全固体電池の劣化診断技術に関する基礎研究

東海大学

教授

坂本 俊之

─ 18 ─

ヨ

タ

ウチヤマ

ムネヨシ

チ

カ

張潮

オカ ダ

マサ ト

P.32

27

教師ラベル取得に制約のある状況における行動センシングの個人適応

小野 勇一

オ

ノ

ユウイチ

P.34

28

二輪車・自転車事故死者低減に向けた
先進事故自動通報システムの開発

滋賀医科大学

教授

一杉 正仁

P.74

川合 忠雄

カワ イ

タダ オ

P.36

29

低次元ナノカーボン材料のキャリア制御による界面熱輸送制御

名古屋大学

助教

廣谷 潤

ヒ ロ タ ニ ジュン

P.76

カ ワ サ キ ショウ タ

P.38

30

液体ピストンを持つ音波エンジンの開発〜低温・低エネルギー密度の熱源の有効利用に向けて〜

東北大学

教授

琵琶 哲志

ビ

ワ

テツ シ

P.78

木口 量夫

キ グチ

カズ オ

P.40

31

局所ひずみその場測定に基づく応力腐食割れ発生の力学条件定量化

静岡大学

准教授

藤井 朋之

フジ イ

トモユキ

P.80

キク チ

ショウ イ チP.42

32

高張力鋼 /アルミニウム合金マルチマテリアル構造体の界面強度支配
因子の解明

大阪大学

助教

松田 朋己

マツ ダ

トモ キ

P.82

KIM WOOKYUNG P.44

33

熊本城の石垣アーカイブ化と複合現実を使った石垣復旧作業への応用研究

熊本大学

教授

松永 信智

マツナガ

ノブトモ

P.84

P.46

34

双安定構造を利用した高安定な展開構造体設計論の構築

山口大学

教授

南 和幸

ミナミ カ ズ ユ キ

P.86

倉元 昭季

クラモト

アキスエ

P.48

35

PHV の性能を包括的かつ簡易的に評価できる新たな手法の提案と車両設計・運用指針構築の試み

早稲田大学

助教

楊 イ翔

ヨウ

イ ショウ

P.88

黒田 勝彦

クロ ダ

カツヒコ

P.50

36

機械学習とマルチスケールシミュレーションによる原子層材料保護膜の研究

大阪大学

特任助教

劉 麗君

リュウ レ イ ク ン

P.90

コバヤシ

ヨシナリ

P.52

37

革新的軽量部材の製造をめざす
マグネシウム合金展伸材の冷間ロール成形

東京電機大学

教授

渡利 久規

ワタ リ

ヒサ キ

P.92

小茂鳥 潤

モ ト リ ジュン

P.54

38

ヘテロフローテーション法によるアルミニウムスクラップ高清浄度化のための異種粒子間差動凝集機構の解明とその適用

八戸工業
高等専門学校

准教授

新井 宏忠

アラ イ

ヒロタダ

P.94

齊藤 丈靖

サイトウ

タケヤス

P.56

39

使用済みリチウムイオン二次電池からの高選択的熱応答性ポリマーと超高回収量捕集ポリマーの段階的使用によるレアメタル完全リサイクルシステムの開発

群馬大学

助教

永井 大介

ナガ イ

ダイスケ

P.96

サカモト

トシユキ

P.58

40

バイオマス由来の硫黄担持吸着材による使用済リチウムイオン電池
溶解処理溶液からの高効率レアメタル分離回収技術の開発

千葉大学

准教授

和嶋 隆昌

ワ ジマ

タカアキ

P.98

キ ム

ウキョン

コ

─ 19 ─

セ ガワ

ヒトスギ

タツヒト

マサヒト

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

ガイド波を用いた薄板屈曲部の非破壊検査に関する研究
(ODVWLFJXLGHGZDYHSURSDJDWLRQLQEHQWSODWHVIRUXOWUDVRQLF
QRQGHVWUXFWLYHHYDOXDWLRQ
石井陽介 <RVXNH,VKLL
豊橋技術科学大学 7R\RKDVKL8QLYHUVLW\RI7HFKQRORJ\
7KH JXLGHG ZDYH SURSDJDWLRQ LQ D OLQHDU HODVWLF LVRWURSLF EHQW SODWH LV LQYHVWLJDWHG

図 2 を見ると，S0 モード（または A0 モード）するアルミニウム合金板（板厚 d = 1 mm，密度 ρを屈曲部に入射した場合，S0 モードと A0 モード= 2.70 × 103 kg/m3，縦波音速 cL = 6.48 km/s，横波の両方が反射波として発生し，その振幅は周波数

音速 cT = 3.14 km/s，屈曲部の曲げ角度 α = 70°，に依存することがわかる．特に，図 2 の規格化周

曲げ内半径 RI = 1.5 mm，外半径 RO = 2.5 mm）に

波数 ωd/(πcT) = 約 0.66 では，両モードの反射振幅がほぼ 0 になっている．これは，屈曲部内を伝搬するガイド波が平板部と屈曲部の境界で多重反射し干渉が起こったことに起因すると考えられる．さらに，図 2 より，“S0 モードを入射したときに発生する A0 モードの振幅”と“A0 モードを入射したときに発生する S0 モードの振幅”が等しいこと（|RS0A0| = |RA0S0|）がわかる．このよう対してガイド波の反射率を測定した．レーザドップラ振動計により入射波と反射波の時間波形を実測し，それらに高速フーリエ変換を施すことで振幅反射率と周波数の関係を算出した．その結果を図 4 に示す．
図 4 より，S0 モードを入射したときの A0 モー
ドの反射率（図 4 の RS0→A0）が，A0 モードを入射したときの S0 モードの反射率（図 4 の RA0→S0）

WKHRUHWLFDOO\ QXPHULFDOO\ DQG H[SHULPHQWDOO\ 7KH PRGDO DPSOLWXGHV RI UHIOHFWHG DQGな相反定理は，透過率においても成り立つ．
また，図 2 には，動的有限要素シミュレーショ

WUDQVPLWWHGJXLGHGZDYHVZKHQDPRQRFKURPDWLFJXLGHGZDYHLPSLQJHVRQDVPRRWKFRUQHU]RQH

ンによる結果も併せて示している．これらは理論解析で示された異種モード間の相反定理の妥当

DUHFDOFXODWHGXVLQJWKHPRGDOGHFRPSRVLWLRQPHWKRG$VDUHVXOWLWLVVKRZQWKDWWKHVLQJOH

解析の結果と良好に一致しており，モード分解法

性を示唆する結果が得られた．

PRGH LQFLGHQFH RI HLWKHU WKH ORZHVWRUGHU V\PPHWULF /DPE 6  RU WKH ORZHVWRUGHU

に基づく理論解析の妥当性が確認できる．

DQWLV\PPHWULF /DPE $  PRGH LQ WKH IUHTXHQF\ UDQJH EHORZ WKH FXWRII IUHTXHQFLHV RI WKH 実験的検討

KLJKHURUGHUPRGHVJHQHUDWHVERWK6DQG$PRGHVLQWKHUHIOHFWHGDQGWUDQVPLWWHGILHOGV

とほぼ同程度となっており，理論解析および数値

次に，図 3 に示す測定系を用いて，屈曲部を有)XUWKHUPRUH WKHVH UHIOHFWHG DQG WUDQVPLWWHG ZDYHV DUH IRXQG WR VDWLVI\ WKH UHFLSURFDOUHODWLRQ ,Q RWKHU ZRUGV WKH HQHUJ\ UDWLR RI WKH VFDWWHUHG $ WR WKH LQFLGHQW 6 PRGHVFRLQFLGHV ZLWK WKDW RI WKH VFDWWHUHG 6 WR WKH LQFLGHQW $ PRGHV 7KHVH ILQGLQJV RI WKHWKHRUHWLFDODQDO\VLVDUHYDOLGDWHGE\FRPSDULQJZLWKWKHUHVXOWVRIDWZRGLPHQVLRQDOSODQHVWUDLQG\QDPLFILQLWHHOHPHQWVLPXODWLRQDVZHOODVH[SHULPHQW.H\:RUGV：8OWUDVRQLFQRQGHVWUXFWLYHHYDOXDWLRQ*XLGHGZDYH%HQWSODWH はじめに
薄板構造は，自動車，航空機，発電所など様々な産業分野で実用されており，それらの構造健全性を確保するための超音波非破壊検査が重要である．薄板構造の非破壊検査では，板中を長手方向に伝搬する超音波（ガイド波）の伝搬挙動（伝搬速度，減衰率など）を用いた探傷や力学的特性評価が一般的であり，これまでに平板中のガイド波伝搬特性に関して多くの研究が行われている．一方で，薄板構造

図 1 平板屈曲部のガイド波反射・透過挙動の理
図 3 測定系

論解析モデル.

物では平板を屈曲させた構造が多く使用されており，このような屈曲部においてき裂などの欠陥が容易に発生する．屈曲部にガイド波を入射した場合，屈曲部が健全な状態（欠陥が無い状態）でもガイド
波の一部が反射し一部が透過すると予想され，その特性を正しく理解することは，ガイド波による屈曲部の非破壊検査を行う上で重要であると考えられる．そこで本研究では，欠陥の無い平板屈曲部におけるガイド波の反射・透過メカニズムの解明を目的に，モード分解法を用いた理論的検討，動的有限要素法を用いた数値的検討，および実験的検討を行った．

 結果概要 モード分解法を用いた理論的検討

振幅透過率）をモード分解法に基づいて理論的に

図 1 に示すような，平板部–屈曲部–平板部から

求めた．
図 2 屈曲部（曲げ角度 α = 90°，曲げ内外径比図 4 実験により測定した S0 および A0 モード

RI/RO = 0.6）における S0 および A0 モードの振幅の振幅反射率と周波数の関係（屈曲部の曲げ角度

なる等方性弾性板内において，左側の平板部から一例として，曲げ角度 α = 90°，曲げ内外径比ガイド波が屈曲部に入射する状況を考える．この（S0）
RI/RO = 0.6 における最低次対称ラム波モード

ときに反射波および透過波として発生するガイ

および最低次反対称ラム波モード（A0）の振幅反

反射率の周波数依存性（MDM：理論解析値，FEM：

ド波の入射波に対する振幅比（振幅反射率および射率の周波数依存性を図 2 に示す．

数値解析値）.

─ 20 ─

α = 80°，曲げ内半径 RI = 1.5 mm，外半径 RO = 2.5mm）.

─ 21 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

ガイド波を用いた薄板屈曲部の非破壊検査に関する研究
(ODVWLFJXLGHGZDYHSURSDJDWLRQLQEHQWSODWHVIRUXOWUDVRQLF
QRQGHVWUXFWLYHHYDOXDWLRQ
石井陽介 <RVXNH,VKLL
豊橋技術科学大学 7R\RKDVKL8QLYHUVLW\RI7HFKQRORJ\
7KH JXLGHG ZDYH SURSDJDWLRQ LQ D OLQHDU HODVWLF LVRWURSLF EHQW SODWH LV LQYHVWLJDWHG

図 2 を見ると，S0 モード（または A0 モード）するアルミニウム合金板（板厚 d = 1 mm，密度 ρを屈曲部に入射した場合，S0 モードと A0 モード= 2.70 × 103 kg/m3，縦波音速 cL = 6.48 km/s，横波の両方が反射波として発生し，その振幅は周波数

音速 cT = 3.14 km/s，屈曲部の曲げ角度 α = 70°，に依存することがわかる．特に，図 2 の規格化周

曲げ内半径 RI = 1.5 mm，外半径 RO = 2.5 mm）に

波数 ωd/(πcT) = 約 0.66 では，両モードの反射振幅がほぼ 0 になっている．これは，屈曲部内を伝搬するガイド波が平板部と屈曲部の境界で多重反射し干渉が起こったことに起因すると考えられる．さらに，図 2 より，“S0 モードを入射したときに発生する A0 モードの振幅”と“A0 モードを入射したときに発生する S0 モードの振幅”が等しいこと（|RS0A0| = |RA0S0|）がわかる．このよう対してガイド波の反射率を測定した．レーザドップラ振動計により入射波と反射波の時間波形を実測し，それらに高速フーリエ変換を施すことで振幅反射率と周波数の関係を算出した．その結果を図 4 に示す．
図 4 より，S0 モードを入射したときの A0 モー
ドの反射率（図 4 の RS0→A0）が，A0 モードを入射したときの S0 モードの反射率（図 4 の RA0→S0）

WKHRUHWLFDOO\ QXPHULFDOO\ DQG H[SHULPHQWDOO\ 7KH PRGDO DPSOLWXGHV RI UHIOHFWHG DQGな相反定理は，透過率においても成り立つ．
また，図 2 には，動的有限要素シミュレーショ

WUDQVPLWWHGJXLGHGZDYHVZKHQDPRQRFKURPDWLFJXLGHGZDYHLPSLQJHVRQDVPRRWKFRUQHU]RQH

ンによる結果も併せて示している．これらは理論解析で示された異種モード間の相反定理の妥当

DUHFDOFXODWHGXVLQJWKHPRGDOGHFRPSRVLWLRQPHWKRG$VDUHVXOWLWLVVKRZQWKDWWKHVLQJOH

解析の結果と良好に一致しており，モード分解法

性を示唆する結果が得られた．

PRGH LQFLGHQFH RI HLWKHU WKH ORZHVWRUGHU V\PPHWULF /DPE 6  RU WKH ORZHVWRUGHU

に基づく理論解析の妥当性が確認できる．

DQWLV\PPHWULF /DPE $  PRGH LQ WKH IUHTXHQF\ UDQJH EHORZ WKH FXWRII IUHTXHQFLHV RI WKH 実験的検討

KLJKHURUGHUPRGHVJHQHUDWHVERWK6DQG$PRGHVLQWKHUHIOHFWHGDQGWUDQVPLWWHGILHOGV

とほぼ同程度となっており，理論解析および数値

次に，図 3 に示す測定系を用いて，屈曲部を有)XUWKHUPRUH WKHVH UHIOHFWHG DQG WUDQVPLWWHG ZDYHV DUH IRXQG WR VDWLVI\ WKH UHFLSURFDOUHODWLRQ ,Q RWKHU ZRUGV WKH HQHUJ\ UDWLR RI WKH VFDWWHUHG $ WR WKH LQFLGHQW 6 PRGHVFRLQFLGHV ZLWK WKDW RI WKH VFDWWHUHG 6 WR WKH LQFLGHQW $ PRGHV 7KHVH ILQGLQJV RI WKHWKHRUHWLFDODQDO\VLVDUHYDOLGDWHGE\FRPSDULQJZLWKWKHUHVXOWVRIDWZRGLPHQVLRQDOSODQHVWUDLQG\QDPLFILQLWHHOHPHQWVLPXODWLRQDVZHOODVH[SHULPHQW.H\:RUGV：8OWUDVRQLFQRQGHVWUXFWLYHHYDOXDWLRQ*XLGHGZDYH%HQWSODWH はじめに
薄板構造は，自動車，航空機，発電所など様々な産業分野で実用されており，それらの構造健全性を確保するための超音波非破壊検査が重要である．薄板構造の非破壊検査では，板中を長手方向に伝搬する超音波（ガイド波）の伝搬挙動（伝搬速度，減衰率など）を用いた探傷や力学的特性評価が一般的であり，これまでに平板中のガイド波伝搬特性に関して多くの研究が行われている．一方で，薄板構造

図 1 平板屈曲部のガイド波反射・透過挙動の理
図 3 測定系

論解析モデル.

物では平板を屈曲させた構造が多く使用されており，このような屈曲部においてき裂などの欠陥が容易に発生する．屈曲部にガイド波を入射した場合，屈曲部が健全な状態（欠陥が無い状態）でもガイド
波の一部が反射し一部が透過すると予想され，その特性を正しく理解することは，ガイド波による屈曲部の非破壊検査を行う上で重要であると考えられる．そこで本研究では，欠陥の無い平板屈曲部におけるガイド波の反射・透過メカニズムの解明を目的に，モード分解法を用いた理論的検討，動的有限要素法を用いた数値的検討，および実験的検討を行った．

 結果概要 モード分解法を用いた理論的検討

振幅透過率）をモード分解法に基づいて理論的に

図 1 に示すような，平板部–屈曲部–平板部から

求めた．
図 2 屈曲部（曲げ角度 α = 90°，曲げ内外径比図 4 実験により測定した S0 および A0 モード

RI/RO = 0.6）における S0 および A0 モードの振幅の振幅反射率と周波数の関係（屈曲部の曲げ角度

なる等方性弾性板内において，左側の平板部から一例として，曲げ角度 α = 90°，曲げ内外径比ガイド波が屈曲部に入射する状況を考える．この（S0）
RI/RO = 0.6 における最低次対称ラム波モード

ときに反射波および透過波として発生するガイ

および最低次反対称ラム波モード（A0）の振幅反

反射率の周波数依存性（MDM：理論解析値，FEM：

ド波の入射波に対する振幅比（振幅反射率および射率の周波数依存性を図 2 に示す．

数値解析値）.

─ 20 ─

α = 80°，曲げ内半径 RI = 1.5 mm，外半径 RO = 2.5mm）.

─ 21 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

連続発振テラヘルツ光源を用いた位相干渉法による
CFRP の非破壊検査の検討
Continuous wave-THz interferometry phase sensing for terahertz nondestructive testing of
CFRP
伊東良太, Ryota Ito
秋田県立大学, Akita Prefectural University

2.2

図 4 の結果から 4step 法により X カット水晶

THz 帯における液晶を用いた 4step 法による位相計測システムの改良

2)の複屈折を求めると、0.046 となり、これは、THz 波を用いた非破壊検査では、THz 波の強THz 時間領域分光法で測定した X カット水晶基度の情報に加え、位相の情報を得ることが測定板の値に近い値となった。さらに、本実験では対象物の内部構造を得るうえで重要となる。本

液晶位相シフタの動作をモニタしているため、研究では、CW 光源を用いて高精度な位相計測

液晶デバイスの動作の再現性が悪い状況でも位3)が可能な、4step 法による位相シフト干渉法を

相の変化量を正確に求めることでき、サンプル利用し THz 帯での位相計測を行った。

の正確な位相計測が可能である。また、このシ

液晶は「配向秩序を有する」、「誘電率、屈折

ステムでは、液晶デバイスの位相が常にモニタ率、磁化率などに異方性を有する」、「電界や磁されているため、液晶を高電圧で高速に駆動し界などの外場に応答する」という特徴を持つ魅た場合にもサンプルの位相計測が可能であり、In this study, we investigate a terahertz imaging by using continuous wave (CW)-THz source for nondestructive

力的な材料であり、ディスプレイをはじめとし

CFRP の非破壊検査においても有効な手法であtesting of CFRP. We successfully improved measurement system of phase-shifting interferometry by using the

た様々な電磁波制御デバイスに応用されている。

ると考えられる。

LC phase shifter. Our system is effective for high-speed operations and precise phase sensing for CFRP

また、液晶材料は THz 領域においても屈折率異nondestructive testing.

方性を示す事が明らかになっており 4) 、今後

Key Words：テラヘルツ波，非破壊検査, 位相計測

THz 帯での液晶材料の利用が期待される。しかし、THz 帯での液晶デバイスは可視光に比べ液

1

はじめに

晶層が厚いため、電圧駆動時の再現性の悪さやテラヘルツ（THz）波は周波数が 10 Hz 付近の電磁波であり、発生検出の難しさから他の周波数に12応答時間の遅さが問題となっていた。

比べて利用が進んでいない領域であった。THz 波には紙やプラスチック、半導体などを透過する特徴

そこで本研究では、電圧駆動時の再現性の悪があり、様々な工業製品の非破壊検査への利用が期待されている 1)。本研究では、高出力な連続発振さの影響をなくすために、液晶デバイスの動作(Continuous Wave: CW)THz 光源を使用した位相シフト干渉法による CFRP の新たな非破壊検査の実現

状況をモニタ可能な位相計測システムの実現をを目指した。

目指した。図 3 に本研究で改良を行った 4step

図3

改良した位相計測システム

法による位相計測システムを示す。図 3 のシス

2

結果概要

2.1

テムでは、ビームスプリッタを導入し、液晶位

CW-THz 波を用いた 2 次元イメージングシ

ステムの開発CFRP の非破壊検査を念頭に、CW-THz 波を用いた 2 次元イメージングシステムの開発を行

透過率と分解能が低い条件であると考えられる。

相シフタを透過した THz 波を 2 つの光路に分け

今後、THz 波をサンプルに集光するなど測定条ている。ここで、光路 1 は 4step 法によりサン件を最適化することで透過率と分解能の改善がプルの位相計測を行う光路である。一方、光路可能であると思われる。

2 は液晶位相シフタの位相変調量を測定する光った。CW-THz 光源として光励起型サブミリ波路であり、これら 2 つの光路のデータを用いる

レーザーを使用し、周波数は 2.5THz とした。

ことで、液晶位相シフタの動作状況を確認しなサンプルをステッピングモータを用いた XY 自

がら位相の計測を行うことができる。

(a)光路 1動ステージに載せ、ラスタースキャン行い、2

図 4 には、図 3 の実験系を用いて計測した X

次元イメージを取得した。イメージングシステ

カット水晶基板の位相計測の結果を示す。この

ムの評価を行う目的で、3D プリンタを用いて図サンプルの厚さは 1141 m であり、THz 時間領

1 に示すテストサンプルを作製した。このテス域分光法による測定では、複屈折が 0.05 となっ(b)光路 2ている。ここで、図 4(a)は光路 1、(b)は光路 2

図 4 X カット水晶の位相計測の結果

トサンプルは厚さが、3mm、直径 33mm であり、

図 1 3D プリンタで作製したテストサンプル

内側に 10mm の穴が開いている。また、
素材は、における液晶位相シフタへの印加電圧と透過率

PLA 樹脂である。図 2 は CW-THz 波を用いて測の関係を示している。また、この実験では、液参考文献

定したテストサンプルの 2 次元イメージである。

晶の光学軸を LC=0°となるように配置し、ワイ

1) M. Tonouch, Nat. Photonics 1 97 (2007).

ここでのスキャンスピードは 3mm/s とした。図

ヤ ー グ リ ッ ド 偏 光 子 の 角 度 を 1 =45° 、

2) R. Ito, et al., Proceedings of SPIE, 11303, p.

2 ではテストサンプルの構造による透過率の差

2=3=-45°、X カット水晶基板の光学軸はs=90°

が表れており、10mm の穴の部分で透過率が高としている。図 4(a)、(b)では、ともに、電圧の3) M. Totzeck et al., Opt. Lett., 24, 294 (1999).

くなっている。現時点では、THz 波をレンズな増加により透過率が変化していることがわかる。

4) T. Nose, et al., Appl. Opt. 36 6383 (1997)

どで集光せずにサンプルに照射しているため、
─ 22 ─

図2113030M (2020).

CW-THz 波によるイメージング結果
─ 23 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

連続発振テラヘルツ光源を用いた位相干渉法による
CFRP の非破壊検査の検討
Continuous wave-THz interferometry phase sensing for terahertz nondestructive testing of
CFRP
伊東良太, Ryota Ito
秋田県立大学, Akita Prefectural University

2.2

図 4 の結果から 4step 法により X カット水晶

THz 帯における液晶を用いた 4step 法による位相計測システムの改良

2)の複屈折を求めると、0.046 となり、これは、THz 波を用いた非破壊検査では、THz 波の強THz 時間領域分光法で測定した X カット水晶基度の情報に加え、位相の情報を得ることが測定板の値に近い値となった。さらに、本実験では対象物の内部構造を得るうえで重要となる。本

液晶位相シフタの動作をモニタしているため、研究では、CW 光源を用いて高精度な位相計測

液晶デバイスの動作の再現性が悪い状況でも位3)が可能な、4step 法による位相シフト干渉法を

相の変化量を正確に求めることでき、サンプル利用し THz 帯での位相計測を行った。

の正確な位相計測が可能である。また、このシ

液晶は「配向秩序を有する」、「誘電率、屈折

ステムでは、液晶デバイスの位相が常にモニタ率、磁化率などに異方性を有する」、「電界や磁されているため、液晶を高電圧で高速に駆動し界などの外場に応答する」という特徴を持つ魅た場合にもサンプルの位相計測が可能であり、In this study, we investigate a terahertz imaging by using continuous wave (CW)-THz source for nondestructive

力的な材料であり、ディスプレイをはじめとし

CFRP の非破壊検査においても有効な手法であtesting of CFRP. We successfully improved measurement system of phase-shifting interferometry by using the

た様々な電磁波制御デバイスに応用されている。

ると考えられる。

LC phase shifter. Our system is effective for high-speed operations and precise phase sensing for CFRP

また、液晶材料は THz 領域においても屈折率異nondestructive testing.

方性を示す事が明らかになっており 4) 、今後

Key Words：テラヘルツ波，非破壊検査, 位相計測

THz 帯での液晶材料の利用が期待される。しかし、THz 帯での液晶デバイスは可視光に比べ液

1

はじめに

晶層が厚いため、電圧駆動時の再現性の悪さやテラヘルツ（THz）波は周波数が 10 Hz 付近の電磁波であり、発生検出の難しさから他の周波数に12応答時間の遅さが問題となっていた。

比べて利用が進んでいない領域であった。THz 波には紙やプラスチック、半導体などを透過する特徴

そこで本研究では、電圧駆動時の再現性の悪があり、様々な工業製品の非破壊検査への利用が期待されている 1)。本研究では、高出力な連続発振さの影響をなくすために、液晶デバイスの動作(Continuous Wave: CW)THz 光源を使用した位相シフト干渉法による CFRP の新たな非破壊検査の実現

状況をモニタ可能な位相計測システムの実現をを目指した。

目指した。図 3 に本研究で改良を行った 4step

図3

改良した位相計測システム

法による位相計測システムを示す。図 3 のシス

2

結果概要

2.1

テムでは、ビームスプリッタを導入し、液晶位

CW-THz 波を用いた 2 次元イメージングシ

ステムの開発CFRP の非破壊検査を念頭に、CW-THz 波を用いた 2 次元イメージングシステムの開発を行

透過率と分解能が低い条件であると考えられる。

相シフタを透過した THz 波を 2 つの光路に分け

今後、THz 波をサンプルに集光するなど測定条ている。ここで、光路 1 は 4step 法によりサン件を最適化することで透過率と分解能の改善がプルの位相計測を行う光路である。一方、光路可能であると思われる。

2 は液晶位相シフタの位相変調量を測定する光った。CW-THz 光源として光励起型サブミリ波路であり、これら 2 つの光路のデータを用いる

レーザーを使用し、周波数は 2.5THz とした。

ことで、液晶位相シフタの動作状況を確認しなサンプルをステッピングモータを用いた XY 自

がら位相の計測を行うことができる。

(a)光路 1動ステージに載せ、ラスタースキャン行い、2

図 4 には、図 3 の実験系を用いて計測した X

次元イメージを取得した。イメージングシステ

カット水晶基板の位相計測の結果を示す。この

ムの評価を行う目的で、3D プリンタを用いて図サンプルの厚さは 1141 m であり、THz 時間領

1 に示すテストサンプルを作製した。このテス域分光法による測定では、複屈折が 0.05 となっ(b)光路 2ている。ここで、図 4(a)は光路 1、(b)は光路 2

図 4 X カット水晶の位相計測の結果

トサンプルは厚さが、3mm、直径 33mm であり、

図 1 3D プリンタで作製したテストサンプル

内側に 10mm の穴が開いている。また、
素材は、における液晶位相シフタへの印加電圧と透過率

PLA 樹脂である。図 2 は CW-THz 波を用いて測の関係を示している。また、この実験では、液参考文献

定したテストサンプルの 2 次元イメージである。

晶の光学軸を LC=0°となるように配置し、ワイ

1) M. Tonouch, Nat. Photonics 1 97 (2007).

ここでのスキャンスピードは 3mm/s とした。図

ヤ ー グ リ ッ ド 偏 光 子 の 角 度 を 1 =45° 、

2) R. Ito, et al., Proceedings of SPIE, 11303, p.

2 ではテストサンプルの構造による透過率の差

2=3=-45°、X カット水晶基板の光学軸はs=90°

が表れており、10mm の穴の部分で透過率が高としている。図 4(a)、(b)では、ともに、電圧の3) M. Totzeck et al., Opt. Lett., 24, 294 (1999).

くなっている。現時点では、THz 波をレンズな増加により透過率が変化していることがわかる。

4) T. Nose, et al., Appl. Opt. 36 6383 (1997)

どで集光せずにサンプルに照射しているため、
─ 22 ─

図2113030M (2020).

CW-THz 波によるイメージング結果
─ 23 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

抵抗スポット溶接部特性のIn-situ 評価手法の開発
Development of In-situ Evaluation Method for Property of Resistance Spot Welds
伊與田宗慶, Muneyoshi Iyota
大阪工業大学, Osaka Institute of Technology

2

結果概要

2.1

発熱量によるナゲット形成予測に関する

2.2

後通電を施した抵抗スポット溶接部特性の非破壊評価に関する検討

検討
発熱量によるナゲット形成予測に関する検討にお次に後通電（テンパー通電）施工時の抵抗スポッ

いて，供試材料は 590MPa 級高強度鋼板を用い，電ト溶接部特性の非破壊評価において，供試材料は 980

流値および通電時間を変化させた溶接条件におけるMPa 級高強度鋼板を用い，後通電時の電流値変化と総発熱量とナゲット直径の関係を整理した．

硬さ分布の関係，さらに硬さ分布と溶接時の最大抵

Fig. 1 に総発熱量とナゲット径の関係を示す．図に

抗値との関係について整理を行った．

示す通り，総発熱量の増加に伴いナゲット径が増大

Fig. 3 に後通電時の電流値毎の硬さ分布をそれぞすること，および同程度の総発熱量において，電流れ示す．後通電時の電流値変化に応じて，ナゲット

In recent years, the application of high strength steel sheets has been expanded in the automotive field in order

値の違いによりナゲット径に差が生じることが確認

内部および HAZ 部における硬さ分布における焼戻し

to reduce the weight and strength of the automobile body. In addition, it is expected that its application will be

できる．次に，最大発熱量とナゲット径の関係につ軟化の領域が変化していることが分かる．この硬さ

further expanded with the development of steel materials with higher strength. Because of wide range of

いて整理を行った．Fig. 2 に最大発熱量とナゲット径

分布変化について最大軟化位置を指標として，溶接

materials to be welded, it was increased importance of quality assurance for welds. Therefore, the state ofの関係を示す．最大発熱量の増加とともにナゲット中に検出できる最大抵抗値を用いて整理を行った．

nugget formation is evaluated by destructive test and non-destructive methods. However, there is a problem that

径が増大することが確認できる．一方で，同一の電その結果を Fig. 4 に示す．図に示す通り，最大抵抗値

these methods cannot be performed during welding work. Therefore, it would be a useful method if quality

流値については，最大発熱量が概ね一定に近い値をの変化に応じて，最大軟化位置が変化していること

assurance can be done during welding works. In this study, to develop an evaluation method for nugget

とることが分かる．以上のことから，最大発熱量かが分かる．以上のことから，後通電時における抵抗

らナゲット径の限界値を推測することができ，そし

値履歴測定において最大抵抗値を測定するにより，welding were measured. First, a method that enables prediction of nugget formation based on calorific valueて，総発熱量を取得することでナゲット形成状態を

最大軟化位置を推定可能であることが示唆された．

was investigated. As a result, it is indicated that nugget formation can be predicted from the total calorific value

把握することにより，ナゲット形成予測が可能であand the maximum calorific value. Next, the evaluation of the properties of the welded part taking into accountることが示唆された．

formation and tempering, resistance value history and calorific value that can be easily acquired during

by tempering treatment was investigated. As a result, it is indicated that the softening position at tempering
treatment can be estimated from the maximum resistance value.

Key Words：Resistance spot welding, In-situ evaluation, Nugget formation, Tempering treatment

1

はじめに
近年の自動車産業においては，環境問題に配慮した自動車の燃費性能，さらには衝突安全性能や運動性能向上

Fig. 3 Vickers hardness distribution for each temperの観点から，車体構造部材への高強度鋼板の適用が拡大しており，より高い強度を有する超高強度鋼板の開発もcurrent condition.

相まって，その適用はより拡大していくものと予想される．一方，自動車構造部材の接合には，短時間に接合が可能な利点を有する抵抗スポット溶接が一般的に用いられており，その溶接部の品質保証は自動車製造時において重要なタスクとなる．抵抗スポット溶接部の品質保証としては，接合強度確保の観点から，ナゲットと呼ばれFig. 1 Relationship between total calorific value
and nugget diameter.

る溶融部の大きさが一般的に評価対象になる．しかし，近年用いられている高強度鋼板の抵抗スポット溶接部においては，剥離方向の強度が軟鋼板のそれと比較しても向上せず，さらには溶接部が脆性的に破断するなどの課
題があることから，従来のナゲット径のみならず，溶接部や熱影響部（HAZ: Heat Affected Zone）の特性も重要な評価対象になる．特に，高強度鋼板抵抗スポット溶接継手の接合強度向上には，後通電を用いた溶接部の焼戻し軟化が有効であることから，その硬さ特性の変化を非破壊的に評価することは非常に重要である．
そこで本研究では，溶接中に容易に取得可能である抵抗値履歴，およびそこから算出される発熱量に着目し，溶接後に形成されるナゲットの直径および後通電後に形成される溶接部の硬さ分布について，In-situ 評価指標を得ることを目的に検討を行った．まずナゲット形成予測に関する検討については，溶接時に測定する電流値履歴と抵抗値履歴から算出される発熱量から，ナゲット形成予測を可能とする指標について検討を行った．次に，後通電を施した抵抗スポット溶接部特性の非破壊評価については，後通電時の電流値を変化させた時の硬さ分布について，後通電施工時に得られる抵抗値履歴の最大値を用いた評価手法の検討を行った．

─ 24 ─

Fig. 2 Relationship between maximum calorificFig. 4 Relationship between maximum resistanceand maximum softening position in the spot
welds.

value and nugget diameter.

─ 25 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

抵抗スポット溶接部特性のIn-situ 評価手法の開発
Development of In-situ Evaluation Method for Property of Resistance Spot Welds
伊與田宗慶, Muneyoshi Iyota
大阪工業大学, Osaka Institute of Technology

2

結果概要

2.1

発熱量によるナゲット形成予測に関する

2.2

後通電を施した抵抗スポット溶接部特性の非破壊評価に関する検討

検討
発熱量によるナゲット形成予測に関する検討にお次に後通電（テンパー通電）施工時の抵抗スポッ

いて，供試材料は 590MPa 級高強度鋼板を用い，電ト溶接部特性の非破壊評価において，供試材料は 980

流値および通電時間を変化させた溶接条件におけるMPa 級高強度鋼板を用い，後通電時の電流値変化と総発熱量とナゲット直径の関係を整理した．

硬さ分布の関係，さらに硬さ分布と溶接時の最大抵

Fig. 1 に総発熱量とナゲット径の関係を示す．図に

抗値との関係について整理を行った．

示す通り，総発熱量の増加に伴いナゲット径が増大

Fig. 3 に後通電時の電流値毎の硬さ分布をそれぞすること，および同程度の総発熱量において，電流れ示す．後通電時の電流値変化に応じて，ナゲット

In recent years, the application of high strength steel sheets has been expanded in the automotive field in order

値の違いによりナゲット径に差が生じることが確認

内部および HAZ 部における硬さ分布における焼戻し

to reduce the weight and strength of the automobile body. In addition, it is expected that its application will be

できる．次に，最大発熱量とナゲット径の関係につ軟化の領域が変化していることが分かる．この硬さ

further expanded with the development of steel materials with higher strength. Because of wide range of

いて整理を行った．Fig. 2 に最大発熱量とナゲット径

分布変化について最大軟化位置を指標として，溶接

materials to be welded, it was increased importance of quality assurance for welds. Therefore, the state ofの関係を示す．最大発熱量の増加とともにナゲット中に検出できる最大抵抗値を用いて整理を行った．

nugget formation is evaluated by destructive test and non-destructive methods. However, there is a problem that

径が増大することが確認できる．一方で，同一の電その結果を Fig. 4 に示す．図に示す通り，最大抵抗値

these methods cannot be performed during welding work. Therefore, it would be a useful method if quality

流値については，最大発熱量が概ね一定に近い値をの変化に応じて，最大軟化位置が変化していること

assurance can be done during welding works. In this study, to develop an evaluation method for nugget

とることが分かる．以上のことから，最大発熱量かが分かる．以上のことから，後通電時における抵抗

らナゲット径の限界値を推測することができ，そし

値履歴測定において最大抵抗値を測定するにより，welding were measured. First, a method that enables prediction of nugget formation based on calorific valueて，総発熱量を取得することでナゲット形成状態を

最大軟化位置を推定可能であることが示唆された．

was investigated. As a result, it is indicated that nugget formation can be predicted from the total calorific value

把握することにより，ナゲット形成予測が可能であand the maximum calorific value. Next, the evaluation of the properties of the welded part taking into accountることが示唆された．

formation and tempering, resistance value history and calorific value that can be easily acquired during

by tempering treatment was investigated. As a result, it is indicated that the softening position at tempering
treatment can be estimated from the maximum resistance value.

Key Words：Resistance spot welding, In-situ evaluation, Nugget formation, Tempering treatment

1

はじめに
近年の自動車産業においては，環境問題に配慮した自動車の燃費性能，さらには衝突安全性能や運動性能向上

Fig. 3 Vickers hardness distribution for each temperの観点から，車体構造部材への高強度鋼板の適用が拡大しており，より高い強度を有する超高強度鋼板の開発もcurrent condition.

相まって，その適用はより拡大していくものと予想される．一方，自動車構造部材の接合には，短時間に接合が可能な利点を有する抵抗スポット溶接が一般的に用いられており，その溶接部の品質保証は自動車製造時において重要なタスクとなる．抵抗スポット溶接部の品質保証としては，接合強度確保の観点から，ナゲットと呼ばれFig. 1 Relationship between total calorific value
and nugget diameter.

る溶融部の大きさが一般的に評価対象になる．しかし，近年用いられている高強度鋼板の抵抗スポット溶接部においては，剥離方向の強度が軟鋼板のそれと比較しても向上せず，さらには溶接部が脆性的に破断するなどの課
題があることから，従来のナゲット径のみならず，溶接部や熱影響部（HAZ: Heat Affected Zone）の特性も重要な評価対象になる．特に，高強度鋼板抵抗スポット溶接継手の接合強度向上には，後通電を用いた溶接部の焼戻し軟化が有効であることから，その硬さ特性の変化を非破壊的に評価することは非常に重要である．
そこで本研究では，溶接中に容易に取得可能である抵抗値履歴，およびそこから算出される発熱量に着目し，溶接後に形成されるナゲットの直径および後通電後に形成される溶接部の硬さ分布について，In-situ 評価指標を得ることを目的に検討を行った．まずナゲット形成予測に関する検討については，溶接時に測定する電流値履歴と抵抗値履歴から算出される発熱量から，ナゲット形成予測を可能とする指標について検討を行った．次に，後通電を施した抵抗スポット溶接部特性の非破壊評価については，後通電時の電流値を変化させた時の硬さ分布について，後通電施工時に得られる抵抗値履歴の最大値を用いた評価手法の検討を行った．

─ 24 ─

Fig. 2 Relationship between maximum calorificFig. 4 Relationship between maximum resistanceand maximum softening position in the spot
welds.

value and nugget diameter.

─ 25 ─Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, China
Université Côte d’Azur, CNRS, Institut de Physique de Nice, France
Université Lille, CNRS, ECLille, ISEN, Univ. Valenciennes, UMR 8520 - IEMN, F-59000 Lille, France
Université Paris-Sud, CNRS, Lab. FAST, Bât. 502, Campus Univ., Orsay F-91405, FrancegDepartment of Mechanical Engineering, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510, JapanhResearch Institute for Science and Technology (RIST), Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510, JapandefLangmuirg r a p h i c a l a b s t r a c t

公益財団法⼈人

スズキ財団

平成30年年度

pubs.acs.org/Langmuir

ArticleTo discuss the details of its time evolution, the interface
shape of the liquid ﬁlm in the x − y section at (x, y, z) = (x, y,
zp = 0) is shown in Figure 4. As the liquid ﬁlm builds up

研究報告書概要

基板上微小構造群との相互作用による動的濡れ促進機構の解明

Local acceleration of dynamic wetting by interaction with tiny structures on smooth substrate
上野一郎 Ichiro UENO

東京理科大学理工学部機械工学科

Fig.
2 Meniscus formationa barounda particle of aa r t i c l e i n f o
s t r a c t
diameter50μm
reproducedbysimulation:(a) top
Article history:
Hypothesis: A disturbance such as a microparticle on the pathway of a spreading droplet has shown the
Received 17 September 2019
tremendous
ability to accelerate
locally
the motion of the macroscopic contact line (Mu et al., 2017).
view
and
(b)
side
view.
Vectors
indicatethevelocity
Figure 4. Temporal variation of the meniscus proﬁle around the
Revised 30 November 2019
Although this ability has been linked to the particle-liquid interaction, the physical mechanisms behind
Accepted 2 December 2019it are still poorly understood despite its academic interest and the scope of numerous industrial applicaon
themeniscusparticleson the plane at z = zp = 0 under L = 100 μm. Red dash
Available
online9 December 2019 surface (Nakamura et al., JCIS
tions in need of fast wetting.
Experiments: In order to better understand the mechanisms behind the particle-liquidinteraction,
we
proﬁlecorresponds
to the meniscus surface at t = 0.029 s. Time
(2020)).
2010 MSC:
numerically investigate the pressure and velocity fields in the liquid film. The results are compared toDept. Mechanical Eng., Fac. Science & Technology,

Tokyo University of Science
We numerically investigate the behavior of a droplet spreading on a smooth substrate with multiple obstacles. As
experimental works have indicated, the macroscopic contact line or the three-phase boundary line of a droplet
exhibits significant deformation resulting in a local acceleration by successive interactions with an array of tiny
obstacles settled on the substrate (Mu et al., Langmuir 35, 2019). We focus on the menisci formation and theresultant pressure and velocity fields inside a liquid film in a two-spherical-particle system to realize an optimal
design for the effective liquid-transport phenomenon. Special attention is paid to the meniscus formation aroundthe second particle, which influences the liquid supply related to the pressure difference around the first particle
as a function of the distance between the two particles. We find that the meniscus around the first particle plays
an additional role as the reservoir of the liquid supplied toward the second particle, which is found to enhance
the total pumping effect.
Key Words：Dynamic wetting, enhancement, meniscus, capillary

139 difH. Nakamura et al. / Journal of Colloid and Interface assessing
Science 562(2020) 133–141
the temporalshape variation of the liquid-film meniscus
from which pressureinterval
betweenthe proﬁles is 0.002 s. The inset illustrates the
Figure 2. Temporal variations ofexperiments
thearound(a)theCL
position
ferenceparticleis evaluated. XCL and (b) Fig. 5 Correlation between the maximum contactFindings: The particle-induced acceleration of the film front depends both ontemporalthe shape of the variations
meniscusof the angular position φCL of the meniscus front
L =forms
75,
100,
and
125.
CL
positionisvelocity UCL on the substrates for thataround the particle foot and the liquid ‘‘reservoir” in theline
film thatvelocity
can be pumpedand
thanks tothe pressure difference inside the
the
on
the
ﬁrst
particlein the case of L = 75, 100, and 125 μm.
derived on line (x, y = 0, z = zp = 0) passing under the particle foot on meniscus because of differencein the interparticle⇑
the substrate. Note that the CL position is not well deﬁned in the graydistance.(Nakamuraetal.,Langmuiraround the second particle, (inthepress)).
M-CL on the substrate isarea where CL is travelling around the particle foot.
00-01
99-00

Keywords:
Dynamic wetting

Corresponding authors at: Department of Mechanical Engineering, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510,
Japan (I. Ueno).
E-mail addresses: Harunori.YOSHIKAWA@univ-cotedazur.fr (H.N. Yoshikawa), ich@rs.tus.ac.jp (I. Ueno).

(Fig. of the M-CLmonotonically. The inset displays a comparison
182 contacted the second particle and accelerated and decelerated がより加速される傾向を良好に再現した

angular position φCL around the ﬁrst particle because of the
183 again. The maximum M-CL velocity after contact with the 4)．さらに，2個目の粒子と接触した後の液滴前
diﬀerence in the distance between the particles L. Regardless of
184 second particle, max(U2), was greater than max(U1). It was

縁部最大速度と2粒子間距離の相関を示した上
the value of L, after contact with the second particle, the valueof φCL increases and then converges around φCL = 120°, which
186 between the two particles L increased for L = 75, 100, and 125. で，速度が最大となる閾値が存在し，その前後
is greater than the maximum value in the case of a single187 This M-CL acceleration phenomenon by interaction with two で最大速度が減少していくことを明らかにした
27,28 upstream (at x asparticle
Fig. 9. (a) Temporal variation of pressure around a particle on plane at z ¼ z . (b) Temporal variations of pressure difference between
shown in (a))
andsystem(around φCL = 100°).26 This higher position is
188 particles
agreeswiththatobserved
intheexperiments.
The
Fig.
3
Temporalvariationsof(a)pressurearounda(Fig.
) sides in meniscus, and CL velocity U . The monitoring points inside the meniscus on the upstream and downstreamsides 5)．この最大速度と2粒子間距離の関係は，
are defined as x =downstream (x185 determined that max(U2) tended to decrease as the distance

p

CL

up

(135; 2:5; 150) [lm], xdown = (165;
Top of (b) indicates the temporal variation of the volume fraction a measured at xup (aup ) and at xdown (adown ).
189 2:5; 150) [lm], respectively.
2
1
The position of CL on the substrate cannot be well defined in the gray area.

はじめに

本研究は，基板上を濡れ拡がる液滴の動的濡れ挙動促進を目指したものである．基板上に，真球や円柱といったシンプルな形状を有する微小構造物を用意し，これら構造物との相互作用によって液膜前縁部が局所的に加速する現象 (Mu et al. (2017), Mu et al. (2019))を数値解析を通じて解析した．液滴
前縁部が構造物と相互作用をした際に自発的に形成するメニスカスの内部流動に注目し，『無動力液滴搬送機構』とその促進を明らかにした．
高効率な液体搬送技術は，『伝熱促進技術』や『化学・生体分析技術』のエネルギー 効率化，試験流体や廃棄物の少量化による低環境負荷化にとって不可欠な技術である．伝熱促進技術においては，高効率伝熱を実現するための伝熱面への冷媒となる液体の安定的かつ効率的供給，あるいは，寒冷地など特殊環境下での安定的連続運転の実現において伝熱面からの液体排除が重要な課題となってくる．また，化学・生体分析技術においては，世界規模で拡大する感染症や環境汚染に関し，極微量な液体(血液や水など) を使用した短時間かつ高精度分析の必要性 (Stone et al. (2004)) が増している．
さらに，『塗布 (コーティング)』『洗浄』『含浸』といった多岐に渡るプロセスにおいて重要となる『動的な濡れ』の新しい知見を蓄積できる．このように高効率な液体搬送技術は，この社会においてエネルギー効率化，試験流体や廃棄物の少量化による低環境負荷化にとって不可欠な技術である．

2

up

realized owing to the meniscus bridge between the two
ratio max(U) is (b)discussed
later in Figure 6.
particle)/max(Uon plane andpressureagain
difference
各粒子周りのメニスカス内に発生する上下流間
particles. Moreover, at L = 75 and 100, φCL decreases
190
We between
investigatedin detailupstream(at what
xup asoccurred
shown in within(a)) andthe meniscus
marginally and then increases immediately after contact with
191 formed
around thetwoparticles
based andon contactour numerical の圧力差によって決定することを示した．
downstream(xdown) sidesin meniscus,
thecontact
secondparticle. Conversely, no decrease occurs for L =192 simulations.
Figure3 .illustrates
theetvariationof oftheﬁlmmicroscopic
linefoot
velocity
UCL
al.,JCIS (2020)).
[1]および[2]に関する研究成果は，それぞれ以the meniscusf3forms aroundthe particle
and reaches
x (Nakamura; Dp
mentalobservations
an liquid
accelerating
line
This
result indicates that the behavior of the liquid ﬁlm
becomes positive and reaches a maximum. This is due to the asymaround the particle. In particular, the simulations 125.
similarlyshow
下の学術論文ですでに公表済み，あるいは採択
metric nature of the meniscus, which displays a greater curvaturethat the particle-liquid film interaction enables
the microscopic
around the particles depends on the distance between theon the downstream side. The CL velocity on the substrate U
contact line of a spreading of droplet to accelerate and overcome
済みである．2019年度の研究成果に基づき，新particles.
reaches the maximum value slightly after it. From these results,
locally the commonly known power laws of Tanneror Lopez
we confirm that the meniscus plays a role as a ‘pump’ to suck a liq[12–14]. This result is of primary importanceas
itIn
providesathe simulationof the single-particle system, the pressure
たな研究課題も見つかっており，2020年度以降
uid from the bulk of the film and supply it behind the particle due
numerical tool to predict the wetting dynamic of a substrate by adiﬀerence
insidethemeniscus between the upstream andto the pressure difference inside the meniscus between the front
liquid with respect to topological conditions.
においても研究を推進していく予定である．
(upstream) and rear (downstream) of the particle.
In order to unravel the physics behind the contactline acceler- sides has an important role in the acceleration
downstream[1] Hayate
Nakamura,
26 Tetsuya Ogawa, Motochika
In order to investigate the detailed behavior of the liquid insideation, a particular focus was made in studying
the processofphenomenon.
We also monitored the temporal variation of
the meniscus, the pressure, the absolute velocity U, and the velocmeniscus formation right after the contactInoue,of the contactline withHori, Lizhong Mu, Harunori N.
Takumathepressure
distribution
in themeniscusaround the particles
ities in the x-, y- and z-directions in the liquid film around the parthe particle. Three regimes of behavior for the contact line were
Yoshikawa, regime
Farzam Zoueshtiagh,
GeorgF. Dietze,
ticle on the plane at x ¼ x are shown in Fig. 10. Initially theidentified: an accelerating, a decelerating, and a converging
duringits
formation
process.
As
indicated
Takahiro
Tsukahara& Ichiro Ueno, Pumping effectin Figure 5a, the[21]. It is found that the characteristic time
for the meniscus
forvelocity in the x direction of the liquid film, U , develops in thepressure
insidethe meniscus around the second particle is lessvicinity of the gas–liquid interface near the contact line on the parmation around the particle becomes of ofthe heterogeneousorder of Oð10 sÞ meniscus formed around sphericalticle, and then the region of large U transits in the z direction as
thantheatmosphericat the initialstage (t = 28.4 ms).
which is much longer than the relaxation particle,of the Laplacepressure
Journal of Colloidpressure
and Interface
Sciencethe liquid film rises around the particle (region (i) ! region (ii)).
ofthe orderof lD acceleration=2c � Oð10 sÞ [27]. Suchalongcharacteristic
Fig.
4
Meniscusformationandresulting
Note
that
this
indicatestheresultsunder
thesame condition as
FigureMeniscusformation
resulting acceleration around the 562, 133-141, 2020.
The narrow region near theparticle3.foot(region (iii))
prevents andtime
is linked to the significant limitation of the liquid within a liqsecond
particle
in
side
view
by
simulation[2]
HayateNakamura,
VictorDelafosse,
Georg
F.
in
Figure4.
Astheliquidﬁlm
buildsaroundthe second
the liquid to be supplied forward
becausethesideviscoussecondaroundparticleofthe
invieweffect.
by simulation
in
the
case
of
L
=
75,
100,
uid film. Indeed, the pressure difference between the upstream and
The variation of the position
where
velocity
becomes
maxiDietze,
HarunoriN.pressure
Yoshikawa,FarzamZoueshtiagh,
and125.
Vectors
the100,velocityonmeniscus
downstream
regionsof the surface.
meniscus The
aroundthe particle
is behindinthe
thecase indicateof
L = 75,and125theμm.
Vectors
particle,theinsidethemeniscusincreases
toward themum corresponds to the transition of the dominant driving force
the pumping
mechanismthat
delivers
theLizhongliquid from the
bulk
to
Mu,
Takahiro
Tsukahara&
Ichiro
Ueno,
time
at
the
initialstageofmeniscusformationaroundthesecondindicatethevelocityonthemeniscussurface.
atmosphericpressure
becauseofthediminishingcurvatureto ‘pump’ the liquid toward downstream region from the pressure
contact line behind the particle. Once the pressure difference
Enhancement
ofthemeniscus
pump by multiple. the theparticleismaindeﬁnedas al.,
t = Langmuirtitodifference within the meniscus
in theflow direction(Nakamuraet(in press)).
bytillongoing advancementof the M-CL (t = 28.4−
vanishes,
the local contact line around the particlecaused
decelerates
interfacial tension acting on the interface with the curvature (redparticles,
Langmuir,in press (astheof 20200417).
it is matched by the main contact line of the
spreadingdropletthat30.0).
Simultaneously,pressure diﬀerence between thesquare in Fig. 6(a)). One finds that the distribution of U is almost
follows the Tanner’s law [13]. Those findings leads a comprehenidentical as that of U, thus the pumping
effectcontributes
theliqupstream
anddownstreamsides is generated inside the
数値解析で良好に再現した(Fig. 2)．その上で，sive descriptionof the enhancement of the droplet spreading on
uid transport almost along the x direction.
the microstructured
solid surfaces[16–20].
meniscus at the particle foot (t = 29.2 ms) and eventually
193 behavior after interaction with thesecondparticle
for
L
=
75,
基板上液滴前縁部は粒子周りのメニスカスが発
We will apply these findings and the numericalsimulations todiminishes(t = 30.0 ms). Such trends are similar to the results
194 100, and 125, as shown in Figure
2. The liquid ﬁlm driven by 3 参考文献
optimize the wetting of microstructured surfaces. It will, in partic4. Concluding remarks
26
達するにつれて駆動されること，その駆動は粒Mu, L.,
Kondo,
D., Inoue,
M.,
Kaneko,ular, be contacted
used to unravel
physicalthein behindthesingle-particle
systemandcan beT.,explained by the
195 the interaction with the ﬁrst particle
withtheandbuiltmechanism
dynamics
ofsuccessive
accelerations
experiencedbyacontactline
The physical mechanism
behindthe local
acceleration
theYoshikawa,
H. N.,
Zoueshtiagh,
F. &ofUeno,
I. Sharp and the pressure
子周りメニスカスの不均一形状に基づくメニス
correlation
between
the
shape
the
interface
196 uparoundthesecondof particle.
Then,ameniscuswithathrough an array of pillars reported by [24,28] where the local
contact line of a spreading droplet due to its interaction with a tiny
accelerationof ofaat macroscopic
contactline induced
diﬀerencethegas−liquidinterfacebased on the Young−197
negative
curvatureoftheinterfaceformed,bridging
thetwoaccelerationofthecontact
line
can
reach
up
to
100
times
that
particle as reported by Mu et al. [1,23,24]
was investigated numerカス内部の上流側および下流側での圧力差が主a particle,
J.
Fluid Mech. 830, R1, 2017.
a spreading
dropleton a smooth
substrate.by
Such
understanding
ically and experimentally.
the present
limitedour- of the
Laplaceequation.
198 Inparticles.
Atstudy
the weinitialstage
meniscusformationaround(Fig. 3) を明らかにした．
and data are of primary importance for designing
economical
andMu, L.,
Yoshikawa,
H. N., Zoueshtiagh, F., Ogawa,selves to the phenomenon in要因であること
small capillary numberstime
199 the second particle (i.e., immediately
after theliquid
liquidﬁlmdevices,
low-energy consuming
transport
for Theexample,in evolution of the pressure diﬀerence inside theCa ¼ lU =c � Oð10 Þ to Oð10 Þ and Reynolds numbers
T.,
Motosuke,M.
Ueno, I., Quick liquid【２】複数球形粒子系では，連続的に2個の微designing ofstructures for heat-pipe
wicks
meniscuson the&upstream
and downstream sides and the M200 contacted
the second particle),optimal
the velocity
onhemiwicking
the meniscus
Re ¼ U D =m � Oð10 Þ to Oð10 Þ. Thus the present system is
propagation
on a linear array of micropillars.
for improving the performance of lithium-ion
batteries by strucCL
velocity
are
shown
in
Figure5b. In this case, around the ith
quasi-static and is governedby thecapillaryeffect.
aim of at the contact part locally (t = ti
201 surface
exhibitedanTheincrease
小球形粒子が配置されている系を対象とし，液turing electrode surfaces [29].
Langmuir 35, 9139−9145, 2019.
(i)
the numerical simulations was to access the physical data such
(i
=
1,
2),
the
pressuresp
and p(i)are extracted at x(i)202 ms). The smaller the distance between the particles L, the Stone,particled A.,u
H. (i)A., Stroock, A. D.(i) &(i)uAjdari,as the pressure and velocity fields in滴前縁部加速現象に対して粒子間距離が及ぼす
the liquid film forming around(i)and xd corresponding
to (x , y Annual, z ) = Rev.
(x(i)
greater experimentally.
the interface
velocity at the region concerned. Microfluidics
the particle that were 203
not accessible
The experip ± 20 μm, 1 μm,
towardalab-on-a-chip,
影響を検証した．Mual.
の実験結果，(i)ments were conductedvalidate
the numericalsimulations
Competingshown
in Figure
204toFurthermore,regardlessof etL, Declarationas (2019)
the ofliquidﬁlmInterest
built up FluidzMech.
381-411,2004. 5a. The subscripts u and d indicatep ), as 36,
F ithroughg . 2 the(time-dependenta ) Te m p oshaper a ltaken
v abyr ithea tmeniscus
i o n oaroundf pressure
すなわち2個目の粒子との接触により液滴前縁部
upstream
anddownstream,
respectively. We deﬁne Δp(i) = p(i)205aroundthesecondparticle,
the
M-CL
on
the
substrate
spreadu(b)
a r theo uparticle’sn d p afoot.
r t iNumericalc l e o simulationsn p l a nreproduce
e o f thez experi= z p . None.
(i)− pd as the pressure diﬀerence between the upstream andT e m p o r a l v a r i 206
a t i forwardo n s o f(t =p rtie+s s10.0
u r e ms)d i fandf e rthene n c edecelerated (t = ti + 20.0
downstream sides of the meniscus around each particle. Web e t w e e n u p s t r e207
a mms).
(at xup as shown in (a)) anddown

1

driven forward, and the meniscus curvature decreases

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.12.005
0021-9797/ 2019 Elsevier Inc. All rights reserved.

down

CL

p

x

�2

x

p

�6

x

結果概要

本研究では，数値解析を用いて微小構造物周りに形成される圧力場及び対流場に着目し，動力学的な観点から，微小構造物と液膜間の相互作用による液滴前縁部の局所的な動的濡れ促進を描像した．
[1] 単一球形粒子系 (Fig. 1) では，液膜と微小球形粒子と相互作用後の液滴前縁部加速現象のメカニズム解明を試みた．Mu et al. (2017) が実
験的に明らかにしていた液滴前縁部加速現象を0. 1 geometry
C o m p uoft asingle-particle
t i o n a l d o systemmain ofFig.F1i gTarget
spreading liquid film on horizontal(Nakamura et al., JCIS (2020)).

─ 26 ─

substrate with a single particle.

CL

�4

p

�3

�6

�2

downstream(xdown) sides in meniscus, and CLv e l o c i t y U C L . To p o f ( b ) i n d i c a t e s t h etemporal variation of the volume fraction α

─ 27 ─

C

https://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03713
Langmuir XXXX, XXX, XXX−XXX

Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, China
Université Côte d’Azur, CNRS, Institut de Physique de Nice, France
Université Lille, CNRS, ECLille, ISEN, Univ. Valenciennes, UMR 8520 - IEMN, F-59000 Lille, France
Université Paris-Sud, CNRS, Lab. FAST, Bât. 502, Campus Univ., Orsay F-91405, FrancegDepartment of Mechanical Engineering, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510, JapanhResearch Institute for Science and Technology (RIST), Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510, JapandefLangmuirg r a p h i c a l a b s t r a c t

公益財団法⼈人

スズキ財団

平成30年年度

pubs.acs.org/Langmuir

ArticleTo discuss the details of its time evolution, the interface
shape of the liquid ﬁlm in the x − y section at (x, y, z) = (x, y,
zp = 0) is shown in Figure 4. As the liquid ﬁlm builds up

研究報告書概要

基板上微小構造群との相互作用による動的濡れ促進機構の解明

Local acceleration of dynamic wetting by interaction with tiny structures on smooth substrate
上野一郎 Ichiro UENO

東京理科大学理工学部機械工学科

Fig.
2 Meniscus formationa barounda particle of aa r t i c l e i n f o
s t r a c t
diameter50μm
reproducedbysimulation:(a) top
Article history:
Hypothesis: A disturbance such as a microparticle on the pathway of a spreading droplet has shown the
Received 17 September 2019
tremendous
ability to accelerate
locally
the motion of the macroscopic contact line (Mu et al., 2017).
view
and
(b)
side
view.
Vectors
indicatethevelocity
Figure 4. Temporal variation of the meniscus proﬁle around the
Revised 30 November 2019
Although this ability has been linked to the particle-liquid interaction, the physical mechanisms behind
Accepted 2 December 2019it are still poorly understood despite its academic interest and the scope of numerous industrial applicaon
themeniscusparticleson the plane at z = zp = 0 under L = 100 μm. Red dash
Available
online9 December 2019 surface (Nakamura et al., JCIS
tions in need of fast wetting.
Experiments: In order to better understand the mechanisms behind the particle-liquidinteraction,
we
proﬁlecorresponds
to the meniscus surface at t = 0.029 s. Time
(2020)).
2010 MSC:
numerically investigate the pressure and velocity fields in the liquid film. The results are compared toDept. Mechanical Eng., Fac. Science & Technology,

Tokyo University of Science
We numerically investigate the behavior of a droplet spreading on a smooth substrate with multiple obstacles. As
experimental works have indicated, the macroscopic contact line or the three-phase boundary line of a droplet
exhibits significant deformation resulting in a local acceleration by successive interactions with an array of tiny
obstacles settled on the substrate (Mu et al., Langmuir 35, 2019). We focus on the menisci formation and theresultant pressure and velocity fields inside a liquid film in a two-spherical-particle system to realize an optimal
design for the effective liquid-transport phenomenon. Special attention is paid to the meniscus formation aroundthe second particle, which influences the liquid supply related to the pressure difference around the first particle
as a function of the distance between the two particles. We find that the meniscus around the first particle plays
an additional role as the reservoir of the liquid supplied toward the second particle, which is found to enhance
the total pumping effect.
Key Words：Dynamic wetting, enhancement, meniscus, capillary

139 difH. Nakamura et al. / Journal of Colloid and Interface assessing
Science 562(2020) 133–141
the temporalshape variation of the liquid-film meniscus
from which pressureinterval
betweenthe proﬁles is 0.002 s. The inset illustrates the
Figure 2. Temporal variations ofexperiments
thearound(a)theCL
position
ferenceparticleis evaluated. XCL and (b) Fig. 5 Correlation between the maximum contactFindings: The particle-induced acceleration of the film front depends both ontemporalthe shape of the variations
meniscusof the angular position φCL of the meniscus front
L =forms
75,
100,
and
125.
CL
positionisvelocity UCL on the substrates for thataround the particle foot and the liquid ‘‘reservoir” in theline
film thatvelocity
can be pumpedand
thanks tothe pressure difference inside the
the
on
the
ﬁrst
particlein the case of L = 75, 100, and 125 μm.
derived on line (x, y = 0, z = zp = 0) passing under the particle foot on meniscus because of differencein the interparticle⇑
the substrate. Note that the CL position is not well deﬁned in the graydistance.(Nakamuraetal.,Langmuiraround the second particle, (inthepress)).
M-CL on the substrate isarea where CL is travelling around the particle foot.
00-01
99-00

Keywords:
Dynamic wetting

Corresponding authors at: Department of Mechanical Engineering, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510,
Japan (I. Ueno).
E-mail addresses: Harunori.YOSHIKAWA@univ-cotedazur.fr (H.N. Yoshikawa), ich@rs.tus.ac.jp (I. Ueno).

(Fig. of the M-CLmonotonically. The inset displays a comparison
182 contacted the second particle and accelerated and decelerated がより加速される傾向を良好に再現した

angular position φCL around the ﬁrst particle because of the
183 again. The maximum M-CL velocity after contact with the 4)．さらに，2個目の粒子と接触した後の液滴前
diﬀerence in the distance between the particles L. Regardless of
184 second particle, max(U2), was greater than max(U1). It was

縁部最大速度と2粒子間距離の相関を示した上
the value of L, after contact with the second particle, the valueof φCL increases and then converges around φCL = 120°, which
186 between the two particles L increased for L = 75, 100, and 125. で，速度が最大となる閾値が存在し，その前後
is greater than the maximum value in the case of a single187 This M-CL acceleration phenomenon by interaction with two で最大速度が減少していくことを明らかにした
27,28 upstream (at x asparticle
Fig. 9. (a) Temporal variation of pressure around a particle on plane at z ¼ z . (b) Temporal variations of pressure difference between
shown in (a))
andsystem(around φCL = 100°).26 This higher position is
188 particles
agreeswiththatobserved
intheexperiments.
The
Fig.
3
Temporalvariationsof(a)pressurearounda(Fig.
) sides in meniscus, and CL velocity U . The monitoring points inside the meniscus on the upstream and downstreamsides 5)．この最大速度と2粒子間距離の関係は，
are defined as x =downstream (x185 determined that max(U2) tended to decrease as the distance

p

CL

up

(135; 2:5; 150) [lm], xdown = (165;
Top of (b) indicates the temporal variation of the volume fraction a measured at xup (aup ) and at xdown (adown ).
189 2:5; 150) [lm], respectively.
2
1
The position of CL on the substrate cannot be well defined in the gray area.

はじめに

本研究は，基板上を濡れ拡がる液滴の動的濡れ挙動促進を目指したものである．基板上に，真球や円柱といったシンプルな形状を有する微小構造物を用意し，これら構造物との相互作用によって液膜前縁部が局所的に加速する現象 (Mu et al. (2017), Mu et al. (2019))を数値解析を通じて解析した．液滴
前縁部が構造物と相互作用をした際に自発的に形成するメニスカスの内部流動に注目し，『無動力液滴搬送機構』とその促進を明らかにした．
高効率な液体搬送技術は，『伝熱促進技術』や『化学・生体分析技術』のエネルギー 効率化，試験流体や廃棄物の少量化による低環境負荷化にとって不可欠な技術である．伝熱促進技術においては，高効率伝熱を実現するための伝熱面への冷媒となる液体の安定的かつ効率的供給，あるいは，寒冷地など特殊環境下での安定的連続運転の実現において伝熱面からの液体排除が重要な課題となってくる．また，化学・生体分析技術においては，世界規模で拡大する感染症や環境汚染に関し，極微量な液体(血液や水など) を使用した短時間かつ高精度分析の必要性 (Stone et al. (2004)) が増している．
さらに，『塗布 (コーティング)』『洗浄』『含浸』といった多岐に渡るプロセスにおいて重要となる『動的な濡れ』の新しい知見を蓄積できる．このように高効率な液体搬送技術は，この社会においてエネルギー効率化，試験流体や廃棄物の少量化による低環境負荷化にとって不可欠な技術である．

2

up

realized owing to the meniscus bridge between the two
ratio max(U) is (b)discussed
later in Figure 6.
particle)/max(Uon plane andpressureagain
difference
各粒子周りのメニスカス内に発生する上下流間
particles. Moreover, at L = 75 and 100, φCL decreases
190
We between
investigatedin detailupstream(at what
xup asoccurred
shown in within(a)) andthe meniscus
marginally and then increases immediately after contact with
191 formed
around thetwoparticles
based andon contactour numerical の圧力差によって決定することを示した．
downstream(xdown) sidesin meniscus,
thecontact
secondparticle. Conversely, no decrease occurs for L =192 simulations.
Figure3 .illustrates
theetvariationof oftheﬁlmmicroscopic
linefoot
velocity
UCL
al.,JCIS (2020)).
[1]および[2]に関する研究成果は，それぞれ以the meniscusf3forms aroundthe particle
and reaches
x (Nakamura; Dp
mentalobservations
an liquid
accelerating
line
This
result indicates that the behavior of the liquid ﬁlm
becomes positive and reaches a maximum. This is due to the asymaround the particle. In particular, the simulations 125.
similarlyshow
下の学術論文ですでに公表済み，あるいは採択
metric nature of the meniscus, which displays a greater curvaturethat the particle-liquid film interaction enables
the microscopic
around the particles depends on the distance between theon the downstream side. The CL velocity on the substrate U
contact line of a spreading of droplet to accelerate and overcome
済みである．2019年度の研究成果に基づき，新particles.
reaches the maximum value slightly after it. From these results,
locally the commonly known power laws of Tanneror Lopez
we confirm that the meniscus plays a role as a ‘pump’ to suck a liq[12–14]. This result is of primary importanceas
itIn
providesathe simulationof the single-particle system, the pressure
たな研究課題も見つかっており，2020年度以降
uid from the bulk of the film and supply it behind the particle due
numerical tool to predict the wetting dynamic of a substrate by adiﬀerence
insidethemeniscus between the upstream andto the pressure difference inside the meniscus between the front
liquid with respect to topological conditions.
においても研究を推進していく予定である．
(upstream) and rear (downstream) of the particle.
In order to unravel the physics behind the contactline acceler- sides has an important role in the acceleration
downstream[1] Hayate
Nakamura,
26 Tetsuya Ogawa, Motochika
In order to investigate the detailed behavior of the liquid insideation, a particular focus was made in studying
the processofphenomenon.
We also monitored the temporal variation of
the meniscus, the pressure, the absolute velocity U, and the velocmeniscus formation right after the contactInoue,of the contactline withHori, Lizhong Mu, Harunori N.
Takumathepressure
distribution
in themeniscusaround the particles
ities in the x-, y- and z-directions in the liquid film around the parthe particle. Three regimes of behavior for the contact line were
Yoshikawa, regime
Farzam Zoueshtiagh,
GeorgF. Dietze,
ticle on the plane at x ¼ x are shown in Fig. 10. Initially theidentified: an accelerating, a decelerating, and a converging
duringits
formation
process.
As
indicated
Takahiro
Tsukahara& Ichiro Ueno, Pumping effectin Figure 5a, the[21]. It is found that the characteristic time
for the meniscus
forvelocity in the x direction of the liquid film, U , develops in thepressure
insidethe meniscus around the second particle is lessvicinity of the gas–liquid interface near the contact line on the parmation around the particle becomes of ofthe heterogeneousorder of Oð10 sÞ meniscus formed around sphericalticle, and then the region of large U transits in the z direction as
thantheatmosphericat the initialstage (t = 28.4 ms).
which is much longer than the relaxation particle,of the Laplacepressure
Journal of Colloidpressure
and Interface
Sciencethe liquid film rises around the particle (region (i) ! region (ii)).
ofthe orderof lD acceleration=2c � Oð10 sÞ [27]. Suchalongcharacteristic
Fig.
4
Meniscusformationandresulting
Note
that
this
indicatestheresultsunder
thesame condition as
FigureMeniscusformation
resulting acceleration around the 562, 133-141, 2020.
The narrow region near theparticle3.foot(region (iii))
prevents andtime
is linked to the significant limitation of the liquid within a liqsecond
particle
in
side
view
by
simulation[2]
HayateNakamura,
VictorDelafosse,
Georg
F.
in
Figure4.
Astheliquidﬁlm
buildsaroundthe second
the liquid to be supplied forward
becausethesideviscoussecondaroundparticleofthe
invieweffect.
by simulation
in
the
case
of
L
=
75,
100,
uid film. Indeed, the pressure difference between the upstream and
The variation of the position
where
velocity
becomes
maxiDietze,
HarunoriN.pressure
Yoshikawa,FarzamZoueshtiagh,
and125.
Vectors
the100,velocityonmeniscus
downstream
regionsof the surface.
meniscus The
aroundthe particle
is behindinthe
thecase indicateof
L = 75,and125theμm.
Vectors
particle,theinsidethemeniscusincreases
toward themum corresponds to the transition of the dominant driving force
the pumping
mechanismthat
delivers
theLizhongliquid from the
bulk
to
Mu,
Takahiro
Tsukahara&
Ichiro
Ueno,
time
at
the
initialstageofmeniscusformationaroundthesecondindicatethevelocityonthemeniscussurface.
atmosphericpressure
becauseofthediminishingcurvatureto ‘pump’ the liquid toward downstream region from the pressure
contact line behind the particle. Once the pressure difference
Enhancement
ofthemeniscus
pump by multiple. the theparticleismaindeﬁnedas al.,
t = Langmuirtitodifference within the meniscus
in theflow direction(Nakamuraet(in press)).
bytillongoing advancementof the M-CL (t = 28.4−
vanishes,
the local contact line around the particlecaused
decelerates
interfacial tension acting on the interface with the curvature (redparticles,
Langmuir,in press (astheof 20200417).
it is matched by the main contact line of the
spreadingdropletthat30.0).
Simultaneously,pressure diﬀerence between thesquare in Fig. 6(a)). One finds that the distribution of U is almost
follows the Tanner’s law [13]. Those findings leads a comprehenidentical as that of U, thus the pumping
effectcontributes
theliqupstream
anddownstreamsides is generated inside the
数値解析で良好に再現した(Fig. 2)．その上で，sive descriptionof the enhancement of the droplet spreading on
uid transport almost along the x direction.
the microstructured
solid surfaces[16–20].
meniscus at the particle foot (t = 29.2 ms) and eventually
193 behavior after interaction with thesecondparticle
for
L
=
75,
基板上液滴前縁部は粒子周りのメニスカスが発
We will apply these findings and the numericalsimulations todiminishes(t = 30.0 ms). Such trends are similar to the results
194 100, and 125, as shown in Figure
2. The liquid ﬁlm driven by 3 参考文献
optimize the wetting of microstructured surfaces. It will, in partic4. Concluding remarks
26
達するにつれて駆動されること，その駆動は粒Mu, L.,
Kondo,
D., Inoue,
M.,
Kaneko,ular, be contacted
used to unravel
physicalthein behindthesingle-particle
systemandcan beT.,explained by the
195 the interaction with the ﬁrst particle
withtheandbuiltmechanism
dynamics
ofsuccessive
accelerations
experiencedbyacontactline
The physical mechanism
behindthe local
acceleration
theYoshikawa,
H. N.,
Zoueshtiagh,
F. &ofUeno,
I. Sharp and the pressure
子周りメニスカスの不均一形状に基づくメニス
correlation
between
the
shape
the
interface
196 uparoundthesecondof particle.
Then,ameniscuswithathrough an array of pillars reported by [24,28] where the local
contact line of a spreading droplet due to its interaction with a tiny
accelerationof ofaat macroscopic
contactline induced
diﬀerencethegas−liquidinterfacebased on the Young−197
negative
curvatureoftheinterfaceformed,bridging
thetwoaccelerationofthecontact
line
can
reach
up
to
100
times
that
particle as reported by Mu et al. [1,23,24]
was investigated numerカス内部の上流側および下流側での圧力差が主a particle,
J.
Fluid Mech. 830, R1, 2017.
a spreading
dropleton a smooth
substrate.by
Such
understanding
ically and experimentally.
the present
limitedour- of the
Laplaceequation.
198 Inparticles.
Atstudy
the weinitialstage
meniscusformationaround(Fig. 3) を明らかにした．
and data are of primary importance for designing
economical
andMu, L.,
Yoshikawa,
H. N., Zoueshtiagh, F., Ogawa,selves to the phenomenon in要因であること
small capillary numberstime
199 the second particle (i.e., immediately
after theliquid
liquidﬁlmdevices,
low-energy consuming
transport
for Theexample,in evolution of the pressure diﬀerence inside theCa ¼ lU =c � Oð10 Þ to Oð10 Þ and Reynolds numbers
T.,
Motosuke,M.
Ueno, I., Quick liquid【２】複数球形粒子系では，連続的に2個の微designing ofstructures for heat-pipe
wicks
meniscuson the&upstream
and downstream sides and the M200 contacted
the second particle),optimal
the velocity
onhemiwicking
the meniscus
Re ¼ U D =m � Oð10 Þ to Oð10 Þ. Thus the present system is
propagation
on a linear array of micropillars.
for improving the performance of lithium-ion
batteries by strucCL
velocity
are
shown
in
Figure5b. In this case, around the ith
quasi-static and is governedby thecapillaryeffect.
aim of at the contact part locally (t = ti
201 surface
exhibitedanTheincrease
小球形粒子が配置されている系を対象とし，液turing electrode surfaces [29].
Langmuir 35, 9139−9145, 2019.
(i)
the numerical simulations was to access the physical data such
(i
=
1,
2),
the
pressuresp
and p(i)are extracted at x(i)202 ms). The smaller the distance between the particles L, the Stone,particled A.,u
H. (i)A., Stroock, A. D.(i) &(i)uAjdari,as the pressure and velocity fields in滴前縁部加速現象に対して粒子間距離が及ぼす
the liquid film forming around(i)and xd corresponding
to (x , y Annual, z ) = Rev.
(x(i)
greater experimentally.
the interface
velocity at the region concerned. Microfluidics
the particle that were 203
not accessible
The experip ± 20 μm, 1 μm,
towardalab-on-a-chip,
影響を検証した．Mual.
の実験結果，(i)ments were conductedvalidate
the numericalsimulations
Competingshown
in Figure
204toFurthermore,regardlessof etL, Declarationas (2019)
the ofliquidﬁlmInterest
built up FluidzMech.
381-411,2004. 5a. The subscripts u and d indicatep ), as 36,
F ithroughg . 2 the(time-dependenta ) Te m p oshaper a ltaken
v abyr ithea tmeniscus
i o n oaroundf pressure
すなわち2個目の粒子との接触により液滴前縁部
upstream
anddownstream,
respectively. We deﬁne Δp(i) = p(i)205aroundthesecondparticle,
the
M-CL
on
the
substrate
spreadu(b)
a r theo uparticle’sn d p afoot.
r t iNumericalc l e o simulationsn p l a nreproduce
e o f thez experi= z p . None.
(i)− pd as the pressure diﬀerence between the upstream andT e m p o r a l v a r i 206
a t i forwardo n s o f(t =p rtie+s s10.0
u r e ms)d i fandf e rthene n c edecelerated (t = ti + 20.0
downstream sides of the meniscus around each particle. Web e t w e e n u p s t r e207
a mms).
(at xup as shown in (a)) anddown

1

driven forward, and the meniscus curvature decreases

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.12.005
0021-9797/ 2019 Elsevier Inc. All rights reserved.

down

CL

p

x

�2

x

p

�6

x

結果概要

本研究では，数値解析を用いて微小構造物周りに形成される圧力場及び対流場に着目し，動力学的な観点から，微小構造物と液膜間の相互作用による液滴前縁部の局所的な動的濡れ促進を描像した．
[1] 単一球形粒子系 (Fig. 1) では，液膜と微小球形粒子と相互作用後の液滴前縁部加速現象のメカニズム解明を試みた．Mu et al. (2017) が実
験的に明らかにしていた液滴前縁部加速現象を0. 1 geometry
C o m p uoft asingle-particle
t i o n a l d o systemmain ofFig.F1i gTarget
spreading liquid film on horizontal(Nakamura et al., JCIS (2020)).

─ 26 ─

substrate with a single particle.

CL

�4

p

�3

�6

�2

downstream(xdown) sides in meniscus, and CLv e l o c i t y U C L . To p o f ( b ) i n d i c a t e s t h etemporal variation of the volume fraction α

─ 27 ─

C

https://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03713
Langmuir XXXX, XXX, XXX−XXX

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

簡素な機構で高い不整地走破性を有する全方向移動
プラットフォームの開発
Development of Omni-Directional Mobile Platform Having High Moving
Performance on Rough Terrain by Simple Mechanisms
上野 祐樹,
Yuki Ueno
東京工科大学,Tokyo University of Technology

図 2 検討を行った受動輪

In this study, a novel omni-directional mobile platform which has high step-climbing ability

図 4 設計したフルスケール実験機

and consists of simple mechanisms is proposed. In order to construct a real-scale wheelchair-

輪キャスタ型駆動機構を提案する．

type experimental platform, we investigated the optimal mechanism of the passive wheel is

双輪キャスタ型機構は，定常走行時に駆動部がexamined. From the results, a front wheel drive mechanism with two active casters is proposed.

進行方向を向くようになる．つまり，段差には駆Key Words：Omni-directional mobile robot, Differential mechanism, Active-caster mechanism

動部の前部から進入することが多い．ここで段差乗り越えに必要な力について考えると，車輪直径

図 3 実験条件

を𝑟𝑟，段差高さをℎとすると，車輪が駆動する場合

電動車いすなどの移動支援機器は，わずかな段差でも移動の障害になることや，路面によっては乗検討がなされていなかった．そこでまず，小型のり入れられない場所があるなど，移動範囲に制限が生じる場合がある．それらを解消するための機構検証機を用いて様々な受動輪について検討を行の多くは複雑で高価，かつ実用化が困難であることが多く，簡素な機構で高い不整地走破性を実現でった．

は駆動しない場合の1 − ℎ⁄𝑟𝑟 倍のトルクで段差乗

1

はじめに

きる機構が必要とされている．また，屋内などの狭い通路などを走行する場合，通常の移動機構では，切り返し動作が必要になる場合がある．全方向移動機構はあらゆる方向への移動が可能であり，狭い場所での移動が容易になるため，利用者の移動時の精神的負担を軽減できる．
本研究では，車いす利用者の利便性や実用性の向上を目的とし，簡素な機構で高い不整地走破性を有する全方向移動プラットフォームの実現に向け，小型の検証機を用いた駆動方式の検討と，新たな駆動方式の提案を行う.

2.2

検証機では後部の駆動輪 2 輪により駆動していたが，提案方式では，後輪は 1 自由度の受動輪

受動輪の検討実験

実験に用いた受動輪を図 2 に示す．5 の操舵軸駆動キャスタのみ，操舵軸にモータを取り付け駆動する．モータの角速度は車両の指令速度とモー

運動学モデルを導出し，シミュレーションを行なった結果から，ことでこれまでと同様に全方向移
本研究では，車いすへの応用を想定し，フルス

実験条件は，図 3 に示すように，高さ 9mm と

結果概要

2.1

とし，前部の 2 輪をアクティブキャスタとする．

動が可能であることが確認できた．

タの角度に応じて制御される．
15mm のベニヤ板の段差を様々な角度で配置し，2り越えが可能である．

差動機構を有する双輪キャスタ型全方向移

全方向移動プラットフォームを提案し，図 1 に示す小型の検証機を製作し，移動性能について検証

動機構
双輪キャスタ型全方向移動機構は，受動車輪とが行った．機構には駆動部の前部に受動輪が必要しても用いられる双輪キャスタを駆動輪化したとなるが，受動輪に最適な機構についてこれまで機構で，2 つの駆動輪と旋回軸の角速度を制御す

ロボットを一定速度で真横に走行させる．このとることで全方向移動が可能な機構である ．本機が可能であることと，制御する 3 自由度に対しアクチュエータ数が 3 台となるため，冗長性を持たない特徴がある．しかしながら本機構は駆動輪が接地していない場合，全方向移動特性が損なわれ実験結果から，5 の操作軸駆動キャスタが全方向に対して最も高い段差乗り越え性能を示すこが取り付けられた自由回転するアーム間を差動機構で接続することで車輪接地性を高められる
─ 28 ─

中断したため，この目標は達成できなかった．今後は実機を完成させ，移動性能の検証を行う予定
である．
参考文献：

ができないのに対し，操舵軸を駆動させることで[1] 和田正義，"4 輪駆動式電動車椅子の設計と反作用トルクによる操舵軸の回転を抑えられ，受全方向移動制御，" 日本ロボット学会誌，vol. 27,

動輪に駆動力を効率的に伝えることができたた

no. 3, pp. 314–327, 2009.

めである．

[2] H. W. Stone, " Mars Pathfinder Microrover,

2.3

新たな駆動手法の提案とフルスケール実験" Proc. AIAA Forum on Advanced Developmentsin Space Robotics, 1996.

機の設計

図 1 検証機の外観拡大により活動が制限され，加工の途中で計画がで操舵軸が回転し，駆動力を効率的に伝えることる．そこで筆者らは，惑星探査機などにも用いられるロッカーボギー機構を参考に，左右の駆動輪

最終的には実機を製作し，実験を行うところまでを予定していたが，新型コロナウイルスの感染力を評価した．

輪キャスタは，段差に接触した際に反作用トルク

構の特徴として，通常の車輪を用いて全方向移動を図 4 に示す．

き段差乗り越えに要した時間で段差乗り越え能とがわかった．これは，通常の単輪キャスタや双[1]ケールの実験機の設計を行った．ロボットの外観

実験結果を踏まえ本研究では，前輪駆動型の双─ 29 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

簡素な機構で高い不整地走破性を有する全方向移動
プラットフォームの開発
Development of Omni-Directional Mobile Platform Having High Moving
Performance on Rough Terrain by Simple Mechanisms
上野 祐樹,
Yuki Ueno
東京工科大学,Tokyo University of Technology

図 2 検討を行った受動輪

In this study, a novel omni-directional mobile platform which has high step-climbing ability

図 4 設計したフルスケール実験機

and consists of simple mechanisms is proposed. In order to construct a real-scale wheelchair-

輪キャスタ型駆動機構を提案する．

type experimental platform, we investigated the optimal mechanism of the passive wheel is

双輪キャスタ型機構は，定常走行時に駆動部がexamined. From the results, a front wheel drive mechanism with two active casters is proposed.

進行方向を向くようになる．つまり，段差には駆Key Words：Omni-directional mobile robot, Differential mechanism, Active-caster mechanism

動部の前部から進入することが多い．ここで段差乗り越えに必要な力について考えると，車輪直径

図 3 実験条件

を𝑟𝑟，段差高さをℎとすると，車輪が駆動する場合

電動車いすなどの移動支援機器は，わずかな段差でも移動の障害になることや，路面によっては乗検討がなされていなかった．そこでまず，小型のり入れられない場所があるなど，移動範囲に制限が生じる場合がある．それらを解消するための機構検証機を用いて様々な受動輪について検討を行の多くは複雑で高価，かつ実用化が困難であることが多く，簡素な機構で高い不整地走破性を実現でった．

は駆動しない場合の1 − ℎ⁄𝑟𝑟 倍のトルクで段差乗

1

はじめに

きる機構が必要とされている．また，屋内などの狭い通路などを走行する場合，通常の移動機構では，切り返し動作が必要になる場合がある．全方向移動機構はあらゆる方向への移動が可能であり，狭い場所での移動が容易になるため，利用者の移動時の精神的負担を軽減できる．
本研究では，車いす利用者の利便性や実用性の向上を目的とし，簡素な機構で高い不整地走破性を有する全方向移動プラットフォームの実現に向け，小型の検証機を用いた駆動方式の検討と，新たな駆動方式の提案を行う.

2.2

検証機では後部の駆動輪 2 輪により駆動していたが，提案方式では，後輪は 1 自由度の受動輪

受動輪の検討実験

実験に用いた受動輪を図 2 に示す．5 の操舵軸駆動キャスタのみ，操舵軸にモータを取り付け駆動する．モータの角速度は車両の指令速度とモー

運動学モデルを導出し，シミュレーションを行なった結果から，ことでこれまでと同様に全方向移
本研究では，車いすへの応用を想定し，フルス

実験条件は，図 3 に示すように，高さ 9mm と

結果概要

2.1

とし，前部の 2 輪をアクティブキャスタとする．

動が可能であることが確認できた．

タの角度に応じて制御される．
15mm のベニヤ板の段差を様々な角度で配置し，2り越えが可能である．

差動機構を有する双輪キャスタ型全方向移

全方向移動プラットフォームを提案し，図 1 に示す小型の検証機を製作し，移動性能について検証

動機構
双輪キャスタ型全方向移動機構は，受動車輪とが行った．機構には駆動部の前部に受動輪が必要しても用いられる双輪キャスタを駆動輪化したとなるが，受動輪に最適な機構についてこれまで機構で，2 つの駆動輪と旋回軸の角速度を制御す

ロボットを一定速度で真横に走行させる．このとることで全方向移動が可能な機構である ．本機が可能であることと，制御する 3 自由度に対しアクチュエータ数が 3 台となるため，冗長性を持たない特徴がある．しかしながら本機構は駆動輪が接地していない場合，全方向移動特性が損なわれ実験結果から，5 の操作軸駆動キャスタが全方向に対して最も高い段差乗り越え性能を示すこが取り付けられた自由回転するアーム間を差動機構で接続することで車輪接地性を高められる
─ 28 ─

中断したため，この目標は達成できなかった．今後は実機を完成させ，移動性能の検証を行う予定
である．
参考文献：

ができないのに対し，操舵軸を駆動させることで[1] 和田正義，"4 輪駆動式電動車椅子の設計と反作用トルクによる操舵軸の回転を抑えられ，受全方向移動制御，" 日本ロボット学会誌，vol. 27,

動輪に駆動力を効率的に伝えることができたた

no. 3, pp. 314–327, 2009.

めである．

[2] H. W. Stone, " Mars Pathfinder Microrover,

2.3

新たな駆動手法の提案とフルスケール実験" Proc. AIAA Forum on Advanced Developmentsin Space Robotics, 1996.

機の設計

図 1 検証機の外観拡大により活動が制限され，加工の途中で計画がで操舵軸が回転し，駆動力を効率的に伝えることる．そこで筆者らは，惑星探査機などにも用いられるロッカーボギー機構を参考に，左右の駆動輪

最終的には実機を製作し，実験を行うところまでを予定していたが，新型コロナウイルスの感染力を評価した．

輪キャスタは，段差に接触した際に反作用トルク

構の特徴として，通常の車輪を用いて全方向移動を図 4 に示す．

き段差乗り越えに要した時間で段差乗り越え能とがわかった．これは，通常の単輪キャスタや双[1]ケールの実験機の設計を行った．ロボットの外観

実験結果を踏まえ本研究では，前輪駆動型の双─ 29 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

た場合について、同様のパラメータに対する数

むことが可能となった。

値計算結果を図３に示す。

次に、得られた解析解を用いて、量子オット

微小な熱機関構築に関する基礎研究

ーサイクルにおける、熱と仕事の評価を行った。

A Theoretical Treatment on Quantum Otto Engine -Role of non-Markovian effect-

その際には、注目している量子力学系の持つエ2z2+iBp+?M;2⌦

ネルギーが、古典的な熱力学における内部エネ
ルギーに対応する、という立場を採用すること

University of Yamanashiとした[3,4]。これにより、注目系の密度行列

ρ(t)、およびハミルトニアンℋS(t) に対する熱

Miniaturization of the heat engine has been attracted intensive attentions from scientificと仕事の変化量に関する、⟨dQ(t)⟩ ≡ TrS [d ρ(t)ℋS(t)]⟨d W(t)⟩ ≡ TrS [ρ(t)dℋS(t)]as well as technological viewpoints. Including the short time dynamics, the so-called
non-Markovian effect, into the quantum Otto engine, we find the parameter region to extract
the positive-work over the Carnot efficiency.

という定義を基礎とした定式化を行った。

Key Words：Quantum heat engine, Non-Markovian effect, Carnot efficiency

2.3

1

はじめに
循環型社会を推進し、低炭素社会を実現するための鍵を握る存在として、自動車駆動における電気力の重要性が急速に増し、大きな進展を遂げている。その加速をめざし、現存電池の性能を最大限に

t1

数値計算結果図３：Born-Markov 近似下での仕事抽出量
6A:X k, h?2 rQ`F 2ti`+iBQM 7`QK ZP1 rBi? BbQ+?Q`B+ T`Q@
2 依存性[2] TT`QtBKiBQM 7Q` i?2
この定義式に上述の解析解を用い、また、オ+2bb2b 2pHmi2/ mM/2`の t1,t"Q`M@J`FQp
M/
t
rBi?
?Qii2` M/ +QH/2` `2b2`pQB`b- `2@+QMi+i
iBK2t12
ットーサイクルを無限回反復した後の定常過程
bT2+iBp2HvX q2 b2i i?2 T`K2i2`b iQ T h = 5.0- λ = 0.01に対する、仕事抽出量の数値計算を行った。図⌦ = 0.4これより、Born-Markov
近似下では、正の仕事
i?2 mMBi Q7 !1 = 1 rBi?
M/ !2 /!1 = 0.18 mM/2`
t= 1- 7Q` r?B+? ⌘O = 0.82 > ⌘C = 0.8X
２は、高温熱浴接触時間 1 と低温熱浴接触時kB = ~抽出は不可能であり、古典熱力学、及び従来の発揮させるような、省資源な次次世代の新たな駆動力の候補の探索を行う時機にある。本研究では、

間 t2 に対する、仕事抽出量の依存性についてその候補として微小な熱機関に注目し、熱機関効率等の向上を目指した基礎的な検討に取り組むことの計算結果である。ここでは、ℏ = kB = 1 のとした。その際、従来見落とされてきた、短時間領域に生ずる部分可逆性（非マルコフ効果）に注目することにより、カルノー効率を上回るパラメータでも正の仕事抽出が可能となることが明らかとな
った

2

結果概要

t2

内山智香子,
Chikako Uchiyama
山梨大学大学院 総合研究部 工学域,

oAX

単位系のもとで、高温熱浴の温度をT h = 5.0,

３

低温熱浴の温度を T c = 1.0 とした。また、高LPL@J_EPoAL 1L:AL1

まとめと今後の課題

q2 M2ti
2pHmi2
i?2 rQ`F 2ti`+iBQM mM/2` MQM@
本研究では、
オットーエンジンの媒質を量子力
J`FQpBM/vMKB+bX
q2 /QTi i?2 h*G Kbi2` 2[m@
温熱浴との接触時の Larmor 振動数ω hを用いて学的２準位系に置換したモデルにおいて、短時
iBQM- r?Qb2 bQHmiBQM Bb ;Bp2M b 7QHHQrb (3k),間領域での部分可逆性（非マルコフ効果）を取
無次元化を行い、ωc /ω h = 0.18 と設定してい
✓
◆
Z t
R⌧
Rt
る 。この パラメー タ設定 は、カ ルノー効 率
り込むことにより、カルノー効率を超えるパラ
a(⌧
)d⌧
−
a(s)dsd⌧ b(⌧ )e 0⇢00 (0) −,⇢00 (t) = e 0

エンジンは、吸気・圧縮・爆発・排気という４接触させる。

つの工程を有する。比熱一定の理想気体を媒質

過程２(②→③）：２準位系を高温熱浴から切断

組み合わせにより正の仕事抽出が可能な場合のとする場合、このエンジンはオットーサイクル

後、２準位系の Larmor 振動数をωhからωcに断存在することを示している。これは、古典熱力と呼ばれ、断熱圧縮・等積加熱・断熱膨張・等

熱的に（ゆっくり）減少させる。

学では起こり得ない結果である。

積冷却の過程で構成される。本研究では、この過程３(③→④）：２準位系を t2の間、低温熱浴

オットーサイクルの媒質を微小化し、量子力学(温度T c)と接触させる。

的性質を有する場合(量子オットーサイクル)に過程４(④→①）：２準位系を低温熱浴から切断ついての検討を行った。具体的には、媒質を量した後、２準位系の Larmor 振動数をωcからωh

子力学的な２準位系とし、等温過程と量子断熱に断熱的に（ゆっくり）増加させる。

過程で構成されるサイクルを考える（図１）
。

2.2


Cold

~!c

定式化

本研究では、等温過程で２準位系と接触させ

t

t2



!c


t1

る熱浴として、無限個のボソンで構成されるも~!hのとした。このモデルに対して、時間非畳込み

Hot



!h

型量子マスター方程式を用いて、過程１,３のダ!0

イナミクスを記述する定式化を行い、２次までのキュミュラント近似下での解析解を得た。こ

図１：量子オットーサイクル[1,2]このサイクルの各過程を以下のように設定する。
過程１(①→②）： Larmor 振動数をω0(t) = ωhの解析解により、従来無視されてきた短時間領
域での部分可逆性（非マルコフ効果）を取り込

─ 30 ─

め、これに要する仕事を考慮すると、得られた
Z t

D1 (⌧ )cos(!0 ⌧ )d⌧,UkyVa(t) ⌘ −2
仕事量は減少してしまう。上述の視点から、着0

Z t
脱を必要としない量子熱機関への拡張も当初予a(t)−D2 (⌧ ) sin(!0 ⌧ )d⌧UkRVb(t) ⌘
定していたが、この検討は今後の課題として残
2
0
rBi?

t2

従来の内燃機関の代表例である、４-strokeとした２準位系をt1の間、高温熱浴（温度T )とhM/ ?2#v

研究結果[5]に帰着する結果が得られた。

ηC = 0.8、オットー効率は ηO = 0.82 に対応
メータ領域でも正の仕事抽出が可能であること
0
URNV
η
>
η
C であっても、高している。図２より、 Oを得た。しかし、このオットーサイクルでは、
温熱浴接触時間 t1 と低温熱浴接触時間 t2 のr?2`2高温および低温熱浴と２準位系の着脱を行うた

2.1 モデル設定

r?BH2
;Bp2M
⌦
h
∆HE
Z
+

されている。

Z 1⇣
h/c
D1 ４(⌧ ) 参考文献
⌘2d!J(!) coth! ⌘cos(!⌧ ), UkkV
h/c
2TKosloff,
0[1] R. Uzdin,
A. Levy, and R.
Phys.
3
⌧
4λ⌦
⌘ X 5, 031044. (2015).
UkjV
D2 (⌧ )Rev.
2 ]2
[1
+
(⌦⌧
)
[2] Y. Shirai, R. Tezuka, K. Hashimoto, C.

Uchiyama,andN. Hatano,in preparation.
AMb2`iBM; 1[XURNV BMiQ 1[bXURkVĜURjVr2 Q#iBM i?2 MQM@
J`FQpBM
2ti`+iBQMXBM Vol.93,
6B;X jUV i?2[3] T.rQ`F
D. Kieu,
Phys. q2
Rev.b?Qr
Lett.
MmK2`B+H`2bmHimM/2`
i?2+QM/BiBQM⌘>⌘
O
C - 7Q` r?B+?
t1
140403 (2004)
i?2
J`FQpBM
2M;BM2
M2p2`
T`Q/m+2b

TQbBiBp2
rQ`FX[4] H. T. Quan, P. Zhang, and C. P. Sun, Phys.
図２：仕事抽出量の t1,t2 依存性[2]AM +QMi`bir2 }M/ TQbBiBp2 rQ`F #v i?2 MQM@J`FQpBM
Vol.72,(2005).
/vMKB+bRev.
BM  E`2;BQM
Q7 t1056110. 5X h?Bb
K2Mb i?i i?2 2{@Q7 i?2
MQM@J`FQpBM+M
2t+22/
i?2 *`MQi
D. G.Klimovsky, R.ZP1
AlickiandG. Kurizki,
比較対象のため、上記で取り込んだ非マルコフ+B2M+v[5]2{+B2M+v rBi? M TT`QT`Bi2 +?QB+2 Q7 t1 M/ t2 r?BH2
Phys. Rev. E 87, 012140 (2013)
効果を無視した近似(Born-Markov 近似)を施しKBMiBMBM; TQbBiBp2 rQ`F 2ti`+iBQMX
hQ mM/2`biM/ i?2 #2?pBQ` 7Q` b?Q`i t1 #2ii2`- r2+QKTmi2 i?2 2M2`;v ~Qr U6B;X jU#V@U+VV M/ 2M2`;v
─ 31 ─
+?M;2 U6B;X 9V /m`BM; i?2 +QMi+i rBi? i?2 `2b2`pQB`- mb@
BM; i?2 7mHH +QmMiBM; biiBbiB+b (\ \ )X q2 HbQ b?Qr i?2

LQi2 ipBM 
Hi2/ #

.2iBH
BM i?2
b b
bvbi2K
i?2 J
pBM +`2b2`pQ
2`;v ~
i?Bb 2M
2z2+iBp
pQB`X 6bQ`#b 2i?2 ?Q
2t+22/
2`;v 2t
r?v r
i?2 J
G2i
#v b2iiq2 ?
K2o6B;X 9t2 ' 2

bmKK公益財団法人

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平成 30 年度

研究報告書概要

た場合について、同様のパラメータに対する数

むことが可能となった。

値計算結果を図３に示す。

次に、得られた解析解を用いて、量子オット

微小な熱機関構築に関する基礎研究

ーサイクルにおける、熱と仕事の評価を行った。

A Theoretical Treatment on Quantum Otto Engine -Role of non-Markovian effect-

その際には、注目している量子力学系の持つエ2z2+iBp+?M;2⌦

ネルギーが、古典的な熱力学における内部エネ
ルギーに対応する、という立場を採用すること

University of Yamanashiとした[3,4]。これにより、注目系の密度行列

ρ(t)、およびハミルトニアンℋS(t) に対する熱

Miniaturization of the heat engine has been attracted intensive attentions from scientificと仕事の変化量に関する、⟨dQ(t)⟩ ≡ TrS [d ρ(t)ℋS(t)]⟨d W(t)⟩ ≡ TrS [ρ(t)dℋS(t)]as well as technological viewpoints. Including the short time dynamics, the so-called
non-Markovian effect, into the quantum Otto engine, we find the parameter region to extract
the positive-work over the Carnot efficiency.

という定義を基礎とした定式化を行った。

Key Words：Quantum heat engine, Non-Markovian effect, Carnot efficiency

2.3

1

はじめに
循環型社会を推進し、低炭素社会を実現するための鍵を握る存在として、自動車駆動における電気力の重要性が急速に増し、大きな進展を遂げている。その加速をめざし、現存電池の性能を最大限に

t1

数値計算結果図３：Born-Markov 近似下での仕事抽出量
6A:X k, h?2 rQ`F 2ti`+iBQM 7`QK ZP1 rBi? BbQ+?Q`B+ T`Q@
2 依存性[2] TT`QtBKiBQM 7Q` i?2
この定義式に上述の解析解を用い、また、オ+2bb2b 2pHmi2/ mM/2`の t1,t"Q`M@J`FQp
M/
t
rBi?
?Qii2` M/ +QH/2` `2b2`pQB`b- `2@+QMi+i
iBK2t12
ットーサイクルを無限回反復した後の定常過程
bT2+iBp2HvX q2 b2i i?2 T`K2i2`b iQ T h = 5.0- λ = 0.01に対する、仕事抽出量の数値計算を行った。図⌦ = 0.4これより、Born-Markov
近似下では、正の仕事
i?2 mMBi Q7 !1 = 1 rBi?
M/ !2 /!1 = 0.18 mM/2`
t= 1- 7Q` r?B+? ⌘O = 0.82 > ⌘C = 0.8X
２は、高温熱浴接触時間 1 と低温熱浴接触時kB = ~抽出は不可能であり、古典熱力学、及び従来の発揮させるような、省資源な次次世代の新たな駆動力の候補の探索を行う時機にある。本研究では、

間 t2 に対する、仕事抽出量の依存性についてその候補として微小な熱機関に注目し、熱機関効率等の向上を目指した基礎的な検討に取り組むことの計算結果である。ここでは、ℏ = kB = 1 のとした。その際、従来見落とされてきた、短時間領域に生ずる部分可逆性（非マルコフ効果）に注目することにより、カルノー効率を上回るパラメータでも正の仕事抽出が可能となることが明らかとな
った

2

結果概要

t2

内山智香子,
Chikako Uchiyama
山梨大学大学院 総合研究部 工学域,

oAX

単位系のもとで、高温熱浴の温度をT h = 5.0,

３

低温熱浴の温度を T c = 1.0 とした。また、高LPL@J_EPoAL 1L:AL1

まとめと今後の課題

q2 M2ti
2pHmi2
i?2 rQ`F 2ti`+iBQM mM/2` MQM@
本研究では、
オットーエンジンの媒質を量子力
J`FQpBM/vMKB+bX
q2 /QTi i?2 h*G Kbi2` 2[m@
温熱浴との接触時の Larmor 振動数ω hを用いて学的２準位系に置換したモデルにおいて、短時
iBQM- r?Qb2 bQHmiBQM Bb ;Bp2M b 7QHHQrb (3k),間領域での部分可逆性（非マルコフ効果）を取
無次元化を行い、ωc /ω h = 0.18 と設定してい
✓
◆
Z t
R⌧
Rt
る 。この パラメー タ設定 は、カ ルノー効 率
り込むことにより、カルノー効率を超えるパラ
a(⌧
)d⌧
−
a(s)dsd⌧ b(⌧ )e 0⇢00 (0) −,⇢00 (t) = e 0

エンジンは、吸気・圧縮・爆発・排気という４接触させる。

つの工程を有する。比熱一定の理想気体を媒質

過程２(②→③）：２準位系を高温熱浴から切断

組み合わせにより正の仕事抽出が可能な場合のとする場合、このエンジンはオットーサイクル

後、２準位系の Larmor 振動数をωhからωcに断存在することを示している。これは、古典熱力と呼ばれ、断熱圧縮・等積加熱・断熱膨張・等

熱的に（ゆっくり）減少させる。

学では起こり得ない結果である。

積冷却の過程で構成される。本研究では、この過程３(③→④）：２準位系を t2の間、低温熱浴

オットーサイクルの媒質を微小化し、量子力学(温度T c)と接触させる。

的性質を有する場合(量子オットーサイクル)に過程４(④→①）：２準位系を低温熱浴から切断ついての検討を行った。具体的には、媒質を量した後、２準位系の Larmor 振動数をωcからωh

子力学的な２準位系とし、等温過程と量子断熱に断熱的に（ゆっくり）増加させる。

過程で構成されるサイクルを考える（図１）
。

2.2


Cold

~!c

定式化

本研究では、等温過程で２準位系と接触させ

t

t2



!c


t1

る熱浴として、無限個のボソンで構成されるも~!hのとした。このモデルに対して、時間非畳込み

Hot



!h

型量子マスター方程式を用いて、過程１,３のダ!0

イナミクスを記述する定式化を行い、２次までのキュミュラント近似下での解析解を得た。こ

図１：量子オットーサイクル[1,2]このサイクルの各過程を以下のように設定する。
過程１(①→②）： Larmor 振動数をω0(t) = ωhの解析解により、従来無視されてきた短時間領
域での部分可逆性（非マルコフ効果）を取り込

─ 30 ─

め、これに要する仕事を考慮すると、得られた
Z t

D1 (⌧ )cos(!0 ⌧ )d⌧,UkyVa(t) ⌘ −2
仕事量は減少してしまう。上述の視点から、着0

Z t
脱を必要としない量子熱機関への拡張も当初予a(t)−D2 (⌧ ) sin(!0 ⌧ )d⌧UkRVb(t) ⌘
定していたが、この検討は今後の課題として残
2
0
rBi?

t2

従来の内燃機関の代表例である、４-strokeとした２準位系をt1の間、高温熱浴（温度T )とhM/ ?2#v

研究結果[5]に帰着する結果が得られた。

ηC = 0.8、オットー効率は ηO = 0.82 に対応
メータ領域でも正の仕事抽出が可能であること
0
URNV
η
>
η
C であっても、高している。図２より、 Oを得た。しかし、このオットーサイクルでは、
温熱浴接触時間 t1 と低温熱浴接触時間 t2 のr?2`2高温および低温熱浴と２準位系の着脱を行うた

2.1 モデル設定

r?BH2
;Bp2M
⌦
h
∆HE
Z
+

されている。

Z 1⇣
h/c
D1 ４(⌧ ) 参考文献
⌘2d!J(!) coth! ⌘cos(!⌧ ), UkkV
h/c
2TKosloff,
0[1] R. Uzdin,
A. Levy, and R.
Phys.
3
⌧
4λ⌦
⌘ X 5, 031044. (2015).
UkjV
D2 (⌧ )Rev.
2 ]2
[1
+
(⌦⌧
)
[2] Y. Shirai, R. Tezuka, K. Hashimoto, C.

Uchiyama,andN. Hatano,in preparation.
AMb2`iBM; 1[XURNV BMiQ 1[bXURkVĜURjVr2 Q#iBM i?2 MQM@
J`FQpBM
2ti`+iBQMXBM Vol.93,
6B;X jUV i?2[3] T.rQ`F
D. Kieu,
Phys. q2
Rev.b?Qr
Lett.
MmK2`B+H`2bmHimM/2`
i?2+QM/BiBQM⌘>⌘
O
C - 7Q` r?B+?
t1
140403 (2004)
i?2
J`FQpBM
2M;BM2
M2p2`
T`Q/m+2b

TQbBiBp2
rQ`FX[4] H. T. Quan, P. Zhang, and C. P. Sun, Phys.
図２：仕事抽出量の t1,t2 依存性[2]AM +QMi`bir2 }M/ TQbBiBp2 rQ`F #v i?2 MQM@J`FQpBM
Vol.72,(2005).
/vMKB+bRev.
BM  E`2;BQM
Q7 t1056110. 5X h?Bb
K2Mb i?i i?2 2{@Q7 i?2
MQM@J`FQpBM+M
2t+22/
i?2 *`MQi
D. G.Klimovsky, R.ZP1
AlickiandG. Kurizki,
比較対象のため、上記で取り込んだ非マルコフ+B2M+v[5]2{+B2M+v rBi? M TT`QT`Bi2 +?QB+2 Q7 t1 M/ t2 r?BH2
Phys. Rev. E 87, 012140 (2013)
効果を無視した近似(Born-Markov 近似)を施しKBMiBMBM; TQbBiBp2 rQ`F 2ti`+iBQMX
hQ mM/2`biM/ i?2 #2?pBQ` 7Q` b?Q`i t1 #2ii2`- r2+QKTmi2 i?2 2M2`;v ~Qr U6B;X jU#V@U+VV M/ 2M2`;v
─ 31 ─
+?M;2 U6B;X 9V /m`BM; i?2 +QMi+i rBi? i?2 `2b2`pQB`- mb@
BM; i?2 7mHH +QmMiBM; biiBbiB+b (\ \ )X q2 HbQ b?Qr i?2

LQi2 ipBM 
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BM i?2
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#v b2iiq2 ?
K2o6B;X 9t2 ' 2

bmKK公益財団法人 スズキ財団 平成 30 年度 研究報告書概要

Rotation direction of tool

Inclination angle, αTool rest

高硬度材料を対象とした能動回転型

Machine vice

Tool

傾斜ローラバニシング加工法の開発
Development of inclined roller burnishing with active rotary tool for
hardened cylindrical workpiece

Pressing direction

Y
Workpieceθ

Tail stock

X

Z

Tool

Rotation directionX

図 1 開発加工法の概略図(正面)

岡田将人, Masato Okada
福井大学, University of Fukui

Spindle motor

Table

Feed direction

Y

Workpiece

Z

Feed direction

Rotation direction

図 3 開発加工法の装置外観
Workpiece

Feed direction

Newly inclined roller burnishing method with active rotary tool for hardened cylindrical workpiece was

Workpiece

developed. The developed method can obtain the sliding effect, which has intended direction, with rolling effect

Inclination angle, βsimultaneously. The tool, which has hemispherical ended shape, was applied as a burnishing tool and a chromeToolmolybdenum steel surfaces were targeted. As a result of the experiment, burnishing scar generated by sliding

Rotation directionof tooleffect was observed in the intended direction. A flattened surface can be achieved by the developed method
compared with conventional method.

Y

Z

Burnishing scar
X



A’

(a) 測定部模式図

図 2 開発加工法の概略図(平面)Key Words：Burnishing, Sliding, Rolling, Hardened steel, Cylindrical workpiece, Surface integrity

なお，この工具と高速モータスピンドルは，ばねを介して旋盤の刃物台に固定されており，ば1 はじめにねの縮み量に応じた押付力を加工点に作用させ軸形状工作物の表面仕上げ加工の一つにローラバニシング加工(以後，ローラ加工)がある．ローラ

ることができる．工具には，一般的なダイヤモ

加工では，工具-工作物間には転動のみが作用する．これに対し岡田らは，ローラ回転軸を工作物回転ンド工具に加え，著者らが先行開発した軸から傾斜させることで，転動としゅう動作用を同時に付与可能な傾斜ローラ加工を提案している 1)．

Diamond-like-carbon コーテッド超硬工具を用い

しかしながら本加工法では，しゅう動速度ならびに，しゅう動方向を制御することは困難であった．

た ． 工 作 物 に は ク ロ ム モ リ ブ デ ン 鋼 (JIS

そこで本研究では，工作物と同時に工具も能動的に回転させることで，より制御性が高く，従来法よSCM420H)を熱処理により硬度を調整しながらりも効果的に表面平滑化が可能なバニシング加工法(以後，開発加工法)を開発することを目的とした．

用いた．

加えて，本加工法の優位性を従来加工法と比較検討した．

2.3 実験結果の一例(b) 従来加工法

開発加工法により，意図した方向にしゅう動2 結果概要

作用を発現できているかを検証した．従来の一2.1 加工法の概要

般的な工作物周方向にしゅう動作用を発現させ(c) 開発加工法
図 4 無送り加工による表層材料の流動状態

バニシング加工は，主に形状創成のための切Vrsinα に分解できる．工具-工作物間のしゅう動る加工法ならびに軸方向のみにしゅう動が発現

削加工後に適用される加工法である．そのため，作用は，各方向成分の速度差により発現するたするように加工条件を設定した開発加工法にお開発加工法の対象面は，旋盤等の主軸に固定さめ，しゅう動速度は工作物周方向，軸方向それ

いて，工作物に対し工具を送らずに加工痕を生れ回転している軸形状工作物の外周面と定義しぞれ Vrcosα - Vw，Vrsinα - Vf ( Vf : 工具送り速度)

成し，その加工痕の断面形状から表層材料の流本研究は公益財団法人スズキ財団平成 30 年

た．図 1 に正面，図 2 に平面からの開発加工法となる．また，Vr は工具-工作物接触点の回転

動状態を調査した．図 4(a)-(c)に，加工痕の測定

度科学技術研究助成により実施した．関係各位の概略図を示す．開発加工法では，近年普及し

半径 ra [mm]と工具回転数 Nr [rpm]で表せる．以

部模式図ならびに両加工法における測定結果をに深謝する．

ている複合加工機内での汎用的な適用を視野に，上より，工具のしゅう動速度 Vs は，しゅう動角示す．図より，旋削で生じた定期的な凹凸に対

参考文献

工具形状にはボールエンドミルと同様の先端に

θ [°]の範囲によって理論的に求められる．

し，従来加工法では左右対称の加工痕が生成さ

1)

半球形状を有するピン形状を採用し，工作物と2.2 実験装置

れているのに対し，開発加工法では，しゅう動

Yamashita, N. Asakawa, Development and謝辞

M. Okada, S. Suenobu, K. Watanabe, Y.

工具の回転軸間に，YZ 平面と XZ 平面に対して

図 3 に本研究で製作した実験装置の加工部拡方向に選択的に材料が流動していることがわかburnishing characteristics of roller burnishing

それぞれ傾斜角 α [º]，β [º]を設けた．工具-工作

大写真を示す．実験は汎用旋盤を用い，その主る．これより開発加工法により，軸形状工作物

method with rolling and sliding effects,

物接触点における工具周速度を Vr [m/min]，工軸に軸形状の工作物を固定した．工作物に対し，に対し軸方向のしゅう動方向も実現でき，柔軟Mechatronics, 29, pp. 110-118, 2015.

作物外周面の周速度を Vw [m/min]とすると，Vr

前節で述べたように所望の α [º]，β [º]の傾斜角な制御が可能であることを明らかにした．

は工作物周方向成分 Vrcosα と工作物軸方向成分

により工具と高速モータスピンドルを固定した．

─ 32 ─

─ 33 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成 30 年度 研究報告書概要

Rotation direction of tool

Inclination angle, αTool rest

高硬度材料を対象とした能動回転型

Machine vice

Tool

傾斜ローラバニシング加工法の開発
Development of inclined roller burnishing with active rotary tool for
hardened cylindrical workpiece

Pressing direction

Y
Workpieceθ

Tail stock

X

Z

Tool

Rotation directionX

図 1 開発加工法の概略図(正面)

岡田将人, Masato Okada
福井大学, University of Fukui

Spindle motor

Table

Feed direction

Y

Workpiece

Z

Feed direction

Rotation direction

図 3 開発加工法の装置外観
Workpiece

Feed direction

Newly inclined roller burnishing method with active rotary tool for hardened cylindrical workpiece was

Workpiece

developed. The developed method can obtain the sliding effect, which has intended direction, with rolling effect

Inclination angle, βsimultaneously. The tool, which has hemispherical ended shape, was applied as a burnishing tool and a chromeToolmolybdenum steel surfaces were targeted. As a result of the experiment, burnishing scar generated by sliding

Rotation directionof tooleffect was observed in the intended direction. A flattened surface can be achieved by the developed method
compared with conventional method.

Y

Z

Burnishing scar
X



A’

(a) 測定部模式図

図 2 開発加工法の概略図(平面)Key Words：Burnishing, Sliding, Rolling, Hardened steel, Cylindrical workpiece, Surface integrity

なお，この工具と高速モータスピンドルは，ばねを介して旋盤の刃物台に固定されており，ば1 はじめにねの縮み量に応じた押付力を加工点に作用させ軸形状工作物の表面仕上げ加工の一つにローラバニシング加工(以後，ローラ加工)がある．ローラ

ることができる．工具には，一般的なダイヤモ

加工では，工具-工作物間には転動のみが作用する．これに対し岡田らは，ローラ回転軸を工作物回転ンド工具に加え，著者らが先行開発した軸から傾斜させることで，転動としゅう動作用を同時に付与可能な傾斜ローラ加工を提案している 1)．

Diamond-like-carbon コーテッド超硬工具を用い

しかしながら本加工法では，しゅう動速度ならびに，しゅう動方向を制御することは困難であった．

た ． 工 作 物 に は ク ロ ム モ リ ブ デ ン 鋼 (JIS

そこで本研究では，工作物と同時に工具も能動的に回転させることで，より制御性が高く，従来法よSCM420H)を熱処理により硬度を調整しながらりも効果的に表面平滑化が可能なバニシング加工法(以後，開発加工法)を開発することを目的とした．

用いた．

加えて，本加工法の優位性を従来加工法と比較検討した．

2.3 実験結果の一例(b) 従来加工法

開発加工法により，意図した方向にしゅう動2 結果概要

作用を発現できているかを検証した．従来の一2.1 加工法の概要

般的な工作物周方向にしゅう動作用を発現させ(c) 開発加工法
図 4 無送り加工による表層材料の流動状態

バニシング加工は，主に形状創成のための切Vrsinα に分解できる．工具-工作物間のしゅう動る加工法ならびに軸方向のみにしゅう動が発現

削加工後に適用される加工法である．そのため，作用は，各方向成分の速度差により発現するたするように加工条件を設定した開発加工法にお開発加工法の対象面は，旋盤等の主軸に固定さめ，しゅう動速度は工作物周方向，軸方向それ

いて，工作物に対し工具を送らずに加工痕を生れ回転している軸形状工作物の外周面と定義しぞれ Vrcosα - Vw，Vrsinα - Vf ( Vf : 工具送り速度)

成し，その加工痕の断面形状から表層材料の流本研究は公益財団法人スズキ財団平成 30 年

た．図 1 に正面，図 2 に平面からの開発加工法となる．また，Vr は工具-工作物接触点の回転

動状態を調査した．図 4(a)-(c)に，加工痕の測定

度科学技術研究助成により実施した．関係各位の概略図を示す．開発加工法では，近年普及し

半径 ra [mm]と工具回転数 Nr [rpm]で表せる．以

部模式図ならびに両加工法における測定結果をに深謝する．

ている複合加工機内での汎用的な適用を視野に，上より，工具のしゅう動速度 Vs は，しゅう動角示す．図より，旋削で生じた定期的な凹凸に対

参考文献

工具形状にはボールエンドミルと同様の先端に

θ [°]の範囲によって理論的に求められる．

し，従来加工法では左右対称の加工痕が生成さ

1)

半球形状を有するピン形状を採用し，工作物と2.2 実験装置

れているのに対し，開発加工法では，しゅう動

Yamashita, N. Asakawa, Development and謝辞

M. Okada, S. Suenobu, K. Watanabe, Y.

工具の回転軸間に，YZ 平面と XZ 平面に対して

図 3 に本研究で製作した実験装置の加工部拡方向に選択的に材料が流動していることがわかburnishing characteristics of roller burnishing

それぞれ傾斜角 α [º]，β [º]を設けた．工具-工作

大写真を示す．実験は汎用旋盤を用い，その主る．これより開発加工法により，軸形状工作物

method with rolling and sliding effects,

物接触点における工具周速度を Vr [m/min]，工軸に軸形状の工作物を固定した．工作物に対し，に対し軸方向のしゅう動方向も実現でき，柔軟Mechatronics, 29, pp. 110-118, 2015.

作物外周面の周速度を Vw [m/min]とすると，Vr

前節で述べたように所望の α [º]，β [º]の傾斜角な制御が可能であることを明らかにした．

は工作物周方向成分 Vrcosα と工作物軸方向成分

により工具と高速モータスピンドルを固定した．

─ 32 ─

─ 33 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

うに，画像処理ソフトにより変形した突起の底2.3

円柱と平面間の圧力分布の測定

面積 A と圧力伝達面と突起部先端の真実接触面

円柱と平面の間に微小突起を有するニッケル

積 Ar を計測した．突起密度の異なる 3 種類のニ合金薄膜を挿入し，2 種類の圧縮荷重（W0=3，

ッケル合金薄膜に対して，種々の静圧 ps を負荷

10kN）を負荷し，突起の変形量から得られた接し，突起の塑性変形量を示す Ar/A を計測するこ

触圧力分布を図 4 のプロット点で示す．なお，とにより得られた較正試験結果を図 3 に示す．

実線は弾性解，破線は後述する方法により求めいずれの薄膜でも負荷する静圧が高くなるととた実験結果の修正曲線である．図より，実験値

もに，突起の塑性変形量も増加していることがと弾性解を比較すると，接触面中心で圧力が最わかる．また，突起密度 k*が高いほど同じ静圧大となる傾向は一致しているが，実験で得られに対する塑性変形量が小さくなることから，突た最大圧力の値は弾性解の半分程度であること

Local contact areas of mechanical elements often subjected to high contact pressure. Therefore, measuring the

起密度を増加させることにより測定可能な圧力がわかる．これは，図 5 に示すように円柱の弾

contact pressure in the local area is important in designing a machine. In this study, a method to measure theの限界値も高くなり，最も密な突起を有するニ性変形と突起の塑性変形により，通常接触しな

contact pressure from the amount of plastic deformation of the micro-projections of a metal foil was examined.

ッケル合金薄膜を用いることにより最大で ps≒

い領域において薄膜表面の突起と円柱が接触す

The nickel alloy foil with micro-projections capable of measuring a pressure of about 1 GPa was fabricated by

1.2GPa の圧力測定が可能である．なお，図中のるため，接触幅が弾性解より大きくなることがthe electroplating. Then, the pressure distribution acting between a cylinder and a flat plane was measured by

曲線は本研究により得られた較正曲線であり，原因である．そこで，実験により得られた圧力

the metal foil and compared with the elastic solution. It was clarified that the maximum pressure measurement

実験値と良好な一致を示す．

分布の修正を行った．すなわち，突起のないニ

金属薄膜を利用した GPa オーダの
圧力分布測定法に関する研究
Study on pressure distribution measurement method of GPa order using metal foil
小野勇一,
鳥取大学,

Yuichi Ono
Tottori Universityof up to 1.2 GPa was possible by using the nickel alloy foil with high projection density. By using both theッケル合金薄膜を円柱と平面の間に挿入し，同nickel alloy foil with micro-projections and the foil without micro-projections, the pressure distribution

じ圧縮荷重を負荷し，光学顕微鏡で薄膜を観察

occurred in the local region of the cylinder and the flat plane was measured accurately.

することで，接触幅を正確に計測し，その接触
幅に図 4 の圧力分布を再配分させた．このよう

Key Words：Machine element, Contact problem, Electrodeposited nickelにして得られた圧力分布が図 4 の破線である．
弾性解と近い圧力分布が得られることから，本研究概要

手法のように，突起を有する薄膜と突起のない薄膜を併用することにより，1GPa 程度の高い圧軸受の内・外輪と転動体の接触部のように，固体接触部には局所的に高い圧力が発生し，破損の原因となる場合がある．本研究では，接触面に微小突起を有する金属薄膜を挿入し，突起の塑性変形量

Fig. 1 Nickel alloy foil with micro-projections (Foil Ⅲ, k*=0.55)から圧力分布を計測する手法を確立する．この手法で 1GPa 程度の圧力が測定できる薄膜を作製し，測定し，弾性解と比較した．

2.1

微小突起を有する金属薄膜の作製

本研究では，金属薄膜の材質として，ニッケ

めっき基板からめっき層を剥離して微小突起をル‐リン合金を採用した．これは，ある程度硬さ有するニッケル合金薄膜の完成とした．なお，が高く，延性もあり，めっきが比較的容易なこ銅めっきを短時間施すのは，基板からの剥離をとが主な理由である．突起を有するニッケル合

容易にすることと塑性変形部の観察を容易にす

金薄膜の作製手順は以下のとおりである．まず，るためである．本研究では突起密度（k*）の異メタルプリンタ（Roland

METAZA

MPX-95）

Ⅱ，Ⅲとした．最も密な突起を有する金属薄膜に微小な円錐状の圧痕を規則的な配列で打刻しのレーザ顕微鏡写真を図 1 に示す．薄膜の厚さた．次いで，この基板を陰極とし，陽極に銅板

はいずれも約 50m
（突起部は約 29m）
であり，を取り付け，硫酸銅を主体としためっき液にて，円錐状突起の直径は約 80m であった．
2.2

較正試験（静圧試験）

10

----

----

●

600

400

200

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

Distance from contact point [ m]0.6

flat plane in contact

実験結果

0.4

0.2

0.0

0

200

400

600

Foil

k*

I

0.25

II

0.44

III

0.55

800

1000

Symbol●●●1200

ン酸とホスホン酸を添加しためっき液にてニッ

図 2 には，静圧を負荷して先端部が塑性変形

Static pressure ps [MPa]ケル‐リン合金めっきを 45min 施した．最後に，した突起の光学顕微鏡写真を示す．図に示すよ

Fig. 3 Relationship between Ar /A and ps

─ 34 ─

3●

Fig. 4 Contact pressure distribution between circular cylinder and

銅めっきを 10min 施した．さらに，陽極をニッケル板に取替え，硫酸ニッケルを主体とし，リExp.
TheoryModified

0

800

0
-800

0.8

なる 3 種類の金属薄膜を作製し，それぞれ薄膜Ⅰ，を用いてステンレス基板（80mm×80mm×t3mm）

W0 [kN]

RollerFig. 2 Micro-projections deformed by static pressure

Ar / A

結果概要

1000

A
Ar

機械要素間への適用を想定して，ローラを模した円柱を平面に押し付けた場合に作用する圧力分布を

2

力分布を精度よく計測できるといえる．

Static pressure ps [MPa]1RollerNi alloy foil
Theoretical contact area

1400

Actual contact area

Fig. 5 Contact situation of roller and micro-projections

─ 35 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

うに，画像処理ソフトにより変形した突起の底2.3

円柱と平面間の圧力分布の測定

面積 A と圧力伝達面と突起部先端の真実接触面

円柱と平面の間に微小突起を有するニッケル

積 Ar を計測した．突起密度の異なる 3 種類のニ合金薄膜を挿入し，2 種類の圧縮荷重（W0=3，

ッケル合金薄膜に対して，種々の静圧 ps を負荷

10kN）を負荷し，突起の変形量から得られた接し，突起の塑性変形量を示す Ar/A を計測するこ

触圧力分布を図 4 のプロット点で示す．なお，とにより得られた較正試験結果を図 3 に示す．

実線は弾性解，破線は後述する方法により求めいずれの薄膜でも負荷する静圧が高くなるととた実験結果の修正曲線である．図より，実験値

もに，突起の塑性変形量も増加していることがと弾性解を比較すると，接触面中心で圧力が最わかる．また，突起密度 k*が高いほど同じ静圧大となる傾向は一致しているが，実験で得られに対する塑性変形量が小さくなることから，突た最大圧力の値は弾性解の半分程度であること

Local contact areas of mechanical elements often subjected to high contact pressure. Therefore, measuring the

起密度を増加させることにより測定可能な圧力がわかる．これは，図 5 に示すように円柱の弾

contact pressure in the local area is important in designing a machine. In this study, a method to measure theの限界値も高くなり，最も密な突起を有するニ性変形と突起の塑性変形により，通常接触しな

contact pressure from the amount of plastic deformation of the micro-projections of a metal foil was examined.

ッケル合金薄膜を用いることにより最大で ps≒

い領域において薄膜表面の突起と円柱が接触す

The nickel alloy foil with micro-projections capable of measuring a pressure of about 1 GPa was fabricated by

1.2GPa の圧力測定が可能である．なお，図中のるため，接触幅が弾性解より大きくなることがthe electroplating. Then, the pressure distribution acting between a cylinder and a flat plane was measured by

曲線は本研究により得られた較正曲線であり，原因である．そこで，実験により得られた圧力

the metal foil and compared with the elastic solution. It was clarified that the maximum pressure measurement

実験値と良好な一致を示す．

分布の修正を行った．すなわち，突起のないニ

金属薄膜を利用した GPa オーダの
圧力分布測定法に関する研究
Study on pressure distribution measurement method of GPa order using metal foil
小野勇一,
鳥取大学,

Yuichi Ono
Tottori Universityof up to 1.2 GPa was possible by using the nickel alloy foil with high projection density. By using both theッケル合金薄膜を円柱と平面の間に挿入し，同nickel alloy foil with micro-projections and the foil without micro-projections, the pressure distribution

じ圧縮荷重を負荷し，光学顕微鏡で薄膜を観察

occurred in the local region of the cylinder and the flat plane was measured accurately.

することで，接触幅を正確に計測し，その接触
幅に図 4 の圧力分布を再配分させた．このよう

Key Words：Machine element, Contact problem, Electrodeposited nickelにして得られた圧力分布が図 4 の破線である．
弾性解と近い圧力分布が得られることから，本研究概要

手法のように，突起を有する薄膜と突起のない薄膜を併用することにより，1GPa 程度の高い圧軸受の内・外輪と転動体の接触部のように，固体接触部には局所的に高い圧力が発生し，破損の原因となる場合がある．本研究では，接触面に微小突起を有する金属薄膜を挿入し，突起の塑性変形量

Fig. 1 Nickel alloy foil with micro-projections (Foil Ⅲ, k*=0.55)から圧力分布を計測する手法を確立する．この手法で 1GPa 程度の圧力が測定できる薄膜を作製し，測定し，弾性解と比較した．

2.1

微小突起を有する金属薄膜の作製

本研究では，金属薄膜の材質として，ニッケ

めっき基板からめっき層を剥離して微小突起をル‐リン合金を採用した．これは，ある程度硬さ有するニッケル合金薄膜の完成とした．なお，が高く，延性もあり，めっきが比較的容易なこ銅めっきを短時間施すのは，基板からの剥離をとが主な理由である．突起を有するニッケル合

容易にすることと塑性変形部の観察を容易にす

金薄膜の作製手順は以下のとおりである．まず，るためである．本研究では突起密度（k*）の異メタルプリンタ（Roland

METAZA

MPX-95）

Ⅱ，Ⅲとした．最も密な突起を有する金属薄膜に微小な円錐状の圧痕を規則的な配列で打刻しのレーザ顕微鏡写真を図 1 に示す．薄膜の厚さた．次いで，この基板を陰極とし，陽極に銅板

はいずれも約 50m
（突起部は約 29m）
であり，を取り付け，硫酸銅を主体としためっき液にて，円錐状突起の直径は約 80m であった．
2.2

較正試験（静圧試験）

10

----

----

●

600

400

200

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

Distance from contact point [ m]0.6

flat plane in contact

実験結果

0.4

0.2

0.0

0

200

400

600

Foil

k*

I

0.25

II

0.44

III

0.55

800

1000

Symbol●●●1200

ン酸とホスホン酸を添加しためっき液にてニッ

図 2 には，静圧を負荷して先端部が塑性変形

Static pressure ps [MPa]ケル‐リン合金めっきを 45min 施した．最後に，した突起の光学顕微鏡写真を示す．図に示すよ

Fig. 3 Relationship between Ar /A and ps

─ 34 ─

3●

Fig. 4 Contact pressure distribution between circular cylinder and

銅めっきを 10min 施した．さらに，陽極をニッケル板に取替え，硫酸ニッケルを主体とし，リExp.
TheoryModified

0

800

0
-800

0.8

なる 3 種類の金属薄膜を作製し，それぞれ薄膜Ⅰ，を用いてステンレス基板（80mm×80mm×t3mm）

W0 [kN]

RollerFig. 2 Micro-projections deformed by static pressure

Ar / A

結果概要

1000

A
Ar

機械要素間への適用を想定して，ローラを模した円柱を平面に押し付けた場合に作用する圧力分布を

2

力分布を精度よく計測できるといえる．

Static pressure ps [MPa]1RollerNi alloy foil
Theoretical contact area

1400

Actual contact area

Fig. 5 Contact situation of roller and micro-projections

─ 35 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

デジタルツインに基づく機器の状態監視
および劣化予測システムの構築
Development of Monitoring and Failure Prediction System of Machineby Digital Twin Method
川合忠雄, Tadao KAWAI
大坂市立大学, Osaka City University(a) Structure(b) non-operation state(c) operation state

Fig 1 Non-excitation operation type electromagnetic brake

All machine is damaged after long or hard usage. Sometime, this leads to serious failure, low performance, or
low reliability of machine. One of effective approaches to avoid these problems is monitoring technique basedon digital twin. In this research, we picked up an electromagnetic brake as target system and built its physicalmodel by Modelica language to estimate performance of digital twin technique.
Key Words：Machine Failure, Monitoring, Prediction, Digital Twin

1

はじめに工場で稼働している機器（特に、モータや回転機械など動機械）は、定期的あるいは常時監視・診断による適切なメンテナンスによって、緊急停止することなく効率的に運用されている。

(a) Experimental setup(b) model of experimental setup
Fig 2 Target system

一方で、現在用いられている診断技術では、機器の状態を計測し、これまであるいは現時点で、機器がどのような状態にあるかを推測することは可能であるが、今後機器がどのような状態になるかを予測することはできない。また、ある箇所に起こったトラブルが他の箇所のトラブルを引き越す場合の診断や診断に必須の箇所の計測できないために正確な診断ができない等、現状では診断手法に多くの制限がある。
本研究では上記の課題を克服するために、デジタルツインの手法を用いた機器の状態監視および劣化予測システムの開発をめざした。

2

モデル化および手法の概要

2.1 電磁ブレーキ

Fig.4 Effect of duty ratio of pulse

デジタルツインでは、対象機器のモデルをコ力学、磁気回路、電気回路から構成されるので、ンピュータ上に作成し、対象機器に取り付けた

個々の要素を Modelica 言語を用いてモデル化

センサー情報に基づいてモデルのパラメータをした。さらに、図 2 に示す電磁ブレーキを含む

Fig 3 Time variation of current

摩耗によって空隙量が 0.4mm まで増加した際に逐次更新する。これによってモデルは対象機器

実験装置（回転機械）を製作し、そのモデルもafter OFF to ON of electromagnetic brake

は入力パルス信号の周期を 0.1s，Duty 比を 65％の状態を逐次反映したものとなり、モデルからModelica 言語で構築した。実験では三相誘導モ

機器の状態を推定することが可能となる。必要

ータを回転させた状態で電磁ブレーキを PWM 制に応じて推定したモデルの状態に基づいて機器御し、モータの回転に対してブレーキトルクをの制御を最適化することも可能である。

加える実験を行った。電磁ブレーキでは、ブレ

本研究では無励磁作動系電磁ブレーキを対象

ーキに電流を流した直後の電流の立ち上がりがにして研究を行った。図 1 には無励磁作動系電アーマチャの摩耗による空隙の増加によって遅磁ブレーキを示す。図 1(a)はブレーキの構造を、くなることが予備実験で確認できている（図 3

図 1(b)は通電しない状態でブレーキが作動しを参照）。したがって、電磁ブレーキを PWM 制御ている状態を、図 1(c)は通電によってブレーキし、一定のブレーキトルクを発生させるためにが解放された状態を示す。電磁ブレーキは、動は、空隙の大きさによって PWM 制御の仕方を変─ 36 ─

with different airgapsえる必要がある。図 4 には Duty 比を変えたときに発生するブレーキトルクの平均値を示した。
この図から、Duty 比が増加すると平均トルクの値が減少し、Duty 比 65％の部分に注目するとDuty 比が同じ値でも空隙量が増加すると平均トルクの値が増加することが読み取れる。例として平均トルクを 4.4Nm 前後で制御する場合は、空隙量が 0.2mm の時は電磁ブレーキへの入力パルス信号の周期が 0.1s，Duty 比を 60％とし、とすればよいと考えられる。なお、制御の元となる空隙量については、図 3 に示すようにブレーキに通電したときの電流の立ち上がり時間から推定できる。

3

まとめ
本研究では、電磁ブレーキを対象にデジタル

ツインに基づく監視および制御手法について検討し、その有効性について示した。

─ 37 ─

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平成 30 年度

研究報告書概要

デジタルツインに基づく機器の状態監視
および劣化予測システムの構築
Development of Monitoring and Failure Prediction System of Machineby Digital Twin Method
川合忠雄, Tadao KAWAI
大坂市立大学, Osaka City University(a) Structure(b) non-operation state(c) operation state

Fig 1 Non-excitation operation type electromagnetic brake

All machine is damaged after long or hard usage. Sometime, this leads to serious failure, low performance, or
low reliability of machine. One of effective approaches to avoid these problems is monitoring technique basedon digital twin. In this research, we picked up an electromagnetic brake as target system and built its physicalmodel by Modelica language to estimate performance of digital twin technique.
Key Words：Machine Failure, Monitoring, Prediction, Digital Twin

1

はじめに工場で稼働している機器（特に、モータや回転機械など動機械）は、定期的あるいは常時監視・診断による適切なメンテナンスによって、緊急停止することなく効率的に運用されている。

(a) Experimental setup(b) model of experimental setup
Fig 2 Target system

一方で、現在用いられている診断技術では、機器の状態を計測し、これまであるいは現時点で、機器がどのような状態にあるかを推測することは可能であるが、今後機器がどのような状態になるかを予測することはできない。また、ある箇所に起こったトラブルが他の箇所のトラブルを引き越す場合の診断や診断に必須の箇所の計測できないために正確な診断ができない等、現状では診断手法に多くの制限がある。
本研究では上記の課題を克服するために、デジタルツインの手法を用いた機器の状態監視および劣化予測システムの開発をめざした。

2

モデル化および手法の概要

2.1 電磁ブレーキ

Fig.4 Effect of duty ratio of pulse

デジタルツインでは、対象機器のモデルをコ力学、磁気回路、電気回路から構成されるので、ンピュータ上に作成し、対象機器に取り付けた

個々の要素を Modelica 言語を用いてモデル化

センサー情報に基づいてモデルのパラメータをした。さらに、図 2 に示す電磁ブレーキを含む

Fig 3 Time variation of current

摩耗によって空隙量が 0.4mm まで増加した際に逐次更新する。これによってモデルは対象機器

実験装置（回転機械）を製作し、そのモデルもafter OFF to ON of electromagnetic brake

は入力パルス信号の周期を 0.1s，Duty 比を 65％の状態を逐次反映したものとなり、モデルからModelica 言語で構築した。実験では三相誘導モ

機器の状態を推定することが可能となる。必要

ータを回転させた状態で電磁ブレーキを PWM 制に応じて推定したモデルの状態に基づいて機器御し、モータの回転に対してブレーキトルクをの制御を最適化することも可能である。

加える実験を行った。電磁ブレーキでは、ブレ

本研究では無励磁作動系電磁ブレーキを対象

ーキに電流を流した直後の電流の立ち上がりがにして研究を行った。図 1 には無励磁作動系電アーマチャの摩耗による空隙の増加によって遅磁ブレーキを示す。図 1(a)はブレーキの構造を、くなることが予備実験で確認できている（図 3

図 1(b)は通電しない状態でブレーキが作動しを参照）。したがって、電磁ブレーキを PWM 制御ている状態を、図 1(c)は通電によってブレーキし、一定のブレーキトルクを発生させるためにが解放された状態を示す。電磁ブレーキは、動は、空隙の大きさによって PWM 制御の仕方を変─ 36 ─

with different airgapsえる必要がある。図 4 には Duty 比を変えたときに発生するブレーキトルクの平均値を示した。
この図から、Duty 比が増加すると平均トルクの値が減少し、Duty 比 65％の部分に注目するとDuty 比が同じ値でも空隙量が増加すると平均トルクの値が増加することが読み取れる。例として平均トルクを 4.4Nm 前後で制御する場合は、空隙量が 0.2mm の時は電磁ブレーキへの入力パルス信号の周期が 0.1s，Duty 比を 60％とし、とすればよいと考えられる。なお、制御の元となる空隙量については、図 3 に示すようにブレーキに通電したときの電流の立ち上がり時間から推定できる。

3

まとめ
本研究では、電磁ブレーキを対象にデジタル

ツインに基づく監視および制御手法について検討し、その有効性について示した。

─ 37 ─

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平成 30 年度

研究報告書概要

2.1.2 硬度分布計測結果

により塗り分け部の不連続性をなくし，応力集

CFRP 接着継手への傾斜機能接着技術の適用

図 3 のような混合比分布を持つ傾斜機能接着

中の回避を図る．重ね合わせ長さ方向に 1 mm

層に対して硬度分布の測定を行った．傾斜機能

間隔で接着剤を線上に塗布した．傾斜機能接着

Application of functionally graded technology to adhesively bonded CFRP joints

接着層の混合比は片側を硬質接着剤単体，もう層では 1 mm ごとに混合比を 10 %ずつ変えて片側を軟質接着剤単体とし，その間の混合比を

試験片を製作した．

川崎 翔大,
Shota Kawasaki
東京農工大学,Tokyo University of Agriculture and Technology

変えつつ 1 mm 間隔で接着剤を線上に塗布した．
接着剤の混合比は 4 mm 間隔で 10 %ずつ変化させた．硬度分布の製作した硬度分布測定用試For stress relief in the adhesive layer, various methods have been proposed, including the use

験片を用いて，ナノインデンテーション法によof scarf joints． However, these techniques are highly dependent on the adherend thickness and

り硬度分布を測定・解析した．接着層の幅方向

are thus of limited use． The stress concentration of the joints can be relaxed by usingの中央線において，4 mm 間隔で試験を行い，

fucntionally graded adhesive joints (FGAJ), which employ a brittle adhesive in the middle

計 11 点で試験を行った．図 4 に，測定点 1～11

portion of the overlap and a ductile adhesive at the bondline ends． The principal aim of thisのマルテンス硬度を示す．硬質接着層の混合比

study was to investigate the relationship between applied patterns of brittle and flexibleが低いほうが，マルテンス硬度が低下している

adhesives and the stress distributions of those adhesive layers．

こと，接着層重ね合わせ方向に物性が傾斜的に

図 5 傾斜機能接着継手の構造
2.2.2

変化していることを確認した．

静的荷重負荷試験

図 6 に各傾斜機能接着継手の荷重変位線図を

Key Words：Adhesive joint, Adhesive applicator, Functionally graded adhesive joints．

示す．傾斜機能接着継手である FGAJ1 のほう

1

はじめに

が，硬質接着剤単体を使用した場合（0-50-0）
よりも継手強度が 15 %ほど向上していること

接着接合は他の接合方法にない多くの利点，例えば軽量化，異種材料関接合が可能，応力集中の緩和が可能などの特徴を持ち，自動車や航空機などの大荷重が加わる機械にも頻繁に適用されつつある．

がわかる．
図 3 硬度分布測定用傾斜接着試験片

しかし，接着層の端部には応力集中が生じやすく，継手強度を相対的に低減している．このような接着層の応力集中を低減させるためには，接着層の物性を連続的に変化させる傾斜機能接着継手が有望である．本研究では，接着接合部の強度の低下の原因となる応力集中を低減するために，２種類の異なる接着剤の混合比可変塗布を行うことで傾斜機能接着継手を実現し，その機械的特性を調べることを目的とする．

2

結果概要

2．1

傾斜機能接着法とその物性分布の評価

2.1.1 試料と塗布装置
本研究では 2 種類の第 2 世代アクリル系接着剤(Second generation acrylic adhesive, SGA)

図 6 傾斜機能接着継手の荷重変位線図

図 4 接着層中の弾性率分布を使用する．硬質・脆性接着剤として
G-672-15P(デンカ㈱)，軟質・延性接着剤とし

2．2

傾斜機能接着継手の重ね合わせ継手強度2.2.1

図 1 に接着剤塗布に使用した接着剤塗布装置を接着層の物性分布の模式図を図 5 に示す．重示す．2 つのディスペンサー とスタティックミ

ね合わせ長さは 50 mm，接着層厚さは 300 μ
図 1 接着剤混合比可変塗布装置

まとめ
2 種類の SGA を用いた混合比可変塗布の実ては，LDC-141(デンカ㈱)を用いた．

キサーから構成させる接着剤塗布・混合部分と，

3

試験片形状

現および提案手法の評価を行った結果，以下のことが明らかとなった．

m とし，接着層厚さの制御のためには，直径 300

位置制御を行なう 3 軸ロボット部により構成さμm のガラスビーズを接着剤に含有させた．被・塗布装置を用いて製作した傾斜機能化接着層れている．ディスペンサーと 3 軸ロボットは同

着体の厚みは 5 mm のものを使用した．接着剤に対して，硬度分布の測定を行った結果，接着時に制御することが可能であり，この装置によの塗り分けは，接着剤混合比を変えた接着剤を

層物性の傾斜機能化を実現した．

って位置と混合比の制御を同時に実施できる．

3 軸ロボットで位置制御しながら塗布すること

・傾斜機能接着継手を製作し，強度試験を試み

また，図 2 に CRRP 被着体への接着剤塗布時ので行った．ここでは，硬質接着剤層と軟質接着た結果，傾斜機能接着継手のほうが単一接着層

写真を示す．

剤層の間に混合比が連続的に変化している傾斜の場合よりも高い強度を有していることがわか

機能接着層を配置する．この傾斜機能化接着層った．

図 2 CFRP への接着剤塗布時の様子
─ 38 ─

─ 39 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

2.1.2 硬度分布計測結果

により塗り分け部の不連続性をなくし，応力集

CFRP 接着継手への傾斜機能接着技術の適用

図 3 のような混合比分布を持つ傾斜機能接着

中の回避を図る．重ね合わせ長さ方向に 1 mm

層に対して硬度分布の測定を行った．傾斜機能

間隔で接着剤を線上に塗布した．傾斜機能接着

Application of functionally graded technology to adhesively bonded CFRP joints

接着層の混合比は片側を硬質接着剤単体，もう層では 1 mm ごとに混合比を 10 %ずつ変えて片側を軟質接着剤単体とし，その間の混合比を

試験片を製作した．

川崎 翔大,
Shota Kawasaki
東京農工大学,Tokyo University of Agriculture and Technology

変えつつ 1 mm 間隔で接着剤を線上に塗布した．
接着剤の混合比は 4 mm 間隔で 10 %ずつ変化させた．硬度分布の製作した硬度分布測定用試For stress relief in the adhesive layer, various methods have been proposed, including the use

験片を用いて，ナノインデンテーション法によof scarf joints． However, these techniques are highly dependent on the adherend thickness and

り硬度分布を測定・解析した．接着層の幅方向

are thus of limited use． The stress concentration of the joints can be relaxed by usingの中央線において，4 mm 間隔で試験を行い，

fucntionally graded adhesive joints (FGAJ), which employ a brittle adhesive in the middle

計 11 点で試験を行った．図 4 に，測定点 1～11

portion of the overlap and a ductile adhesive at the bondline ends． The principal aim of thisのマルテンス硬度を示す．硬質接着層の混合比

study was to investigate the relationship between applied patterns of brittle and flexibleが低いほうが，マルテンス硬度が低下している

adhesives and the stress distributions of those adhesive layers．

こと，接着層重ね合わせ方向に物性が傾斜的に

図 5 傾斜機能接着継手の構造
2.2.2

変化していることを確認した．

静的荷重負荷試験

図 6 に各傾斜機能接着継手の荷重変位線図を

Key Words：Adhesive joint, Adhesive applicator, Functionally graded adhesive joints．

示す．傾斜機能接着継手である FGAJ1 のほう

1

はじめに

が，硬質接着剤単体を使用した場合（0-50-0）
よりも継手強度が 15 %ほど向上していること

接着接合は他の接合方法にない多くの利点，例えば軽量化，異種材料関接合が可能，応力集中の緩和が可能などの特徴を持ち，自動車や航空機などの大荷重が加わる機械にも頻繁に適用されつつある．

がわかる．
図 3 硬度分布測定用傾斜接着試験片

しかし，接着層の端部には応力集中が生じやすく，継手強度を相対的に低減している．このような接着層の応力集中を低減させるためには，接着層の物性を連続的に変化させる傾斜機能接着継手が有望である．本研究では，接着接合部の強度の低下の原因となる応力集中を低減するために，２種類の異なる接着剤の混合比可変塗布を行うことで傾斜機能接着継手を実現し，その機械的特性を調べることを目的とする．

2

結果概要

2．1

傾斜機能接着法とその物性分布の評価

2.1.1 試料と塗布装置
本研究では 2 種類の第 2 世代アクリル系接着剤(Second generation acrylic adhesive, SGA)

図 6 傾斜機能接着継手の荷重変位線図

図 4 接着層中の弾性率分布を使用する．硬質・脆性接着剤として
G-672-15P(デンカ㈱)，軟質・延性接着剤とし

2．2

傾斜機能接着継手の重ね合わせ継手強度2.2.1

図 1 に接着剤塗布に使用した接着剤塗布装置を接着層の物性分布の模式図を図 5 に示す．重示す．2 つのディスペンサー とスタティックミ

ね合わせ長さは 50 mm，接着層厚さは 300 μ
図 1 接着剤混合比可変塗布装置

まとめ
2 種類の SGA を用いた混合比可変塗布の実ては，LDC-141(デンカ㈱)を用いた．

キサーから構成させる接着剤塗布・混合部分と，

3

試験片形状

現および提案手法の評価を行った結果，以下のことが明らかとなった．

m とし，接着層厚さの制御のためには，直径 300

位置制御を行なう 3 軸ロボット部により構成さμm のガラスビーズを接着剤に含有させた．被・塗布装置を用いて製作した傾斜機能化接着層れている．ディスペンサーと 3 軸ロボットは同

着体の厚みは 5 mm のものを使用した．接着剤に対して，硬度分布の測定を行った結果，接着時に制御することが可能であり，この装置によの塗り分けは，接着剤混合比を変えた接着剤を

層物性の傾斜機能化を実現した．

って位置と混合比の制御を同時に実施できる．

3 軸ロボットで位置制御しながら塗布すること

・傾斜機能接着継手を製作し，強度試験を試み

また，図 2 に CRRP 被着体への接着剤塗布時ので行った．ここでは，硬質接着剤層と軟質接着た結果，傾斜機能接着継手のほうが単一接着層

写真を示す．

剤層の間に混合比が連続的に変化している傾斜の場合よりも高い強度を有していることがわか

機能接着層を配置する．この傾斜機能化接着層った．

図 2 CFRP への接着剤塗布時の様子
─ 38 ─

─ 39 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

ぞれのワイヤと各関節動作との関係を図２に示

上肢運動補助用フレキシブルパワーアシストロボットのことになる．

す．

研究
A Study on a Flexible Power-Assist Robot for Upper-Limb Motion
木口量夫,
九州大学,

Kazuo Kiguchi
Kyushu University

Many studies on power-assist robots have been actively carried out in these days. However, since most of theexisting power-assist robots have exoskeleton structures, there is limitation for daily use. In this study, a flexible
upper-limb motion power-assist robot is developed. 7-DOF upper-limb motion (i.e., shoulder flexion/extension,
shoulderadduction/abduction,

shoulderinternal/external rotation,elbow

flexion/extension,

forearm

図２ ロボットによる生成動作
(a)

正面図

pronation/supination, wrist flexion/extension, wrist radial/ulnar deviation) can be assisted by muscle-like wires

2.3

which are driven with eight motors in the developed flexible robot.

フレキシブルロボットの制御

上肢 7 自由度の動作支援を行うため，リアル
タイムでユーザーの動作意思を推定し，推定し

Key Words：パワーアシスト, フレキシブルロボット，上肢運動補助

た動作を支援する力ベクトルをロボットで生成する．リアルタイム動作推定には，これまでに

1 研究概要提案した筋電信号を基にした手法を用いる．推近年，筋力弱者の動作を支援するパワーアシストロボットの研究が盛んである．これまで多くのパ定した動作を支援するための力ベクトルは．筋

ワーアシストボットが提案されているが，それらのほとんどは外骨格構造を持つものであり，小型・肉に模したワイヤを介してモータで生成する．

軽量化には限度がある．本研究では，高齢者等の筋力弱者の日常生活における上肢動作を支援するパロボットの制御では，動作支援に加え，ある程

ワーアシストロボットにおいて，硬い骨格部を最小限にとどめ，モータ等はユーザーの背部に配置し，度の重力補償を入れることで，静止時のユーザ

筋肉に模したワイヤによる駆動システムを用いることにより，小型・軽量で服の様に簡単に装着でき，(b)

ーの負担を軽減させる．フィードバックに用い背面図

上肢 7 自由度の日常生活動作を支援できるフレキシブルパワーアシストロボットの開発を行った．筋るユーザーの上肢姿勢はモーションセンサによ肉に模したワイヤによる駆動システムを用いる場合は正確な運動学モデルを生成することは困難であり計測する．フレキシブルロボットでは，ワイるが，制御においては機械学習を用いることにより運動学モデルを構築できる．

ヤ経路が装着者の体形や姿勢等により変化する
ため，正確な運動学モデルを生成することは容2 結果概要ットではユーザーの肩関節回転中心位置移動に易ではないが，本研究では機械学習を用いるこ

2.1

よる影響を排除するため，ワイヤ付着部を鎖骨とにより運動学モデルを構築できる．

上肢 7 自由度動作支援

提案するフレキシブルパワーアシストロボッ

部よりも手先方向に配置することで，ユーザー

トにより上肢７自由度（肩屈曲伸展，肩内転外の鎖骨の動きと連動させた．本ロボットは，硬転，肩内旋外旋，肘屈曲伸展，前腕回内回外，い骨格部を最小限にとどめ，筋肉に模したワイ

本研究では，硬い骨格部を最小限にとどめ，

手首屈曲伸展，手首撓屈尺屈）の動作を 8 個のヤを介してモータにより駆動させる．各モータ

筋肉に模したワイヤによる駆動システムを用いモータを用いて支援するものとする．日常生活やそれらのドライバー等はユーザーの背部に配(c)

動作を考慮して各関節の可動範囲を，肩屈曲伸置した．ただし，肘関節に関しては，ユーザー

図１ ワイヤおよびモータの配置図

展：0～120 度，肩内転外転：0～120 度，肩内旋とロボットの回転中心を一致させるため，肘関外旋：-60～60 度，肘屈曲伸展：5～135 度，前節上下においてユーザーの装着部を設けた．ま腕回内回外：-90～90 度，手首屈曲伸展：-60～

た,ワイヤを筋のように配置するため，その他に各関節角度を直接計測することは難しいので，

位置移動による影響を排除するため，ワイヤ付

60 度，手首撓屈尺屈：-25～25 度とした．

上腕部 1 ヶ所と手部 1 ヶ所に装着部を設け，ロ本ロボットでは，ユーザーの肩部，上腕部，手着部を鎖骨部よりも手先方向に配置することで，ボットをユーザーに装着する．これらの装着部

首部，および手背部に配置したモーションセン

ユーザーの鎖骨の動きと連動させた．今後は開は，ワイヤの付着部とボーデンケーブルの入出サにより 7 自由度動作の計測を行う．上腕部と発した上肢 7 自由度フレキシブルパワーアシス

上肢 7 自由度の動作では，上肢動作に応じて部の役割も果たしている．本ロボットの各ワイ

前腕部の長さは各ユーザーにより異なるため，

トロボットの有効性を複数の被験者で確認する

肩関節の回転中心の位置が移動するが，本ロボ

ヤ配置とモータ配置を図１に示す．また，それ運動学の計算には各ユーザーの実測値を用いる

予定である．

2.2

フレキシブルロボットの設計

─ 40 ─

2.4

まとめることにより，小型・軽量で服の様に簡単に装側面図着でき，上肢 7 自由度の日常生活動作を支援できるフレキシブルパワーアシストロボットの開フレキシブルロボットではフレーム部が無く，発を行った．また，ユーザーの肩関節回転中心

─ 41 ─

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スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

ぞれのワイヤと各関節動作との関係を図２に示

上肢運動補助用フレキシブルパワーアシストロボットのことになる．

す．

研究
A Study on a Flexible Power-Assist Robot for Upper-Limb Motion
木口量夫,
九州大学,

Kazuo Kiguchi
Kyushu University

Many studies on power-assist robots have been actively carried out in these days. However, since most of theexisting power-assist robots have exoskeleton structures, there is limitation for daily use. In this study, a flexible
upper-limb motion power-assist robot is developed. 7-DOF upper-limb motion (i.e., shoulder flexion/extension,
shoulderadduction/abduction,

shoulderinternal/external rotation,elbow

flexion/extension,

forearm

図２ ロボットによる生成動作
(a)

正面図

pronation/supination, wrist flexion/extension, wrist radial/ulnar deviation) can be assisted by muscle-like wires

2.3

which are driven with eight motors in the developed flexible robot.

フレキシブルロボットの制御

上肢 7 自由度の動作支援を行うため，リアル
タイムでユーザーの動作意思を推定し，推定し

Key Words：パワーアシスト, フレキシブルロボット，上肢運動補助

た動作を支援する力ベクトルをロボットで生成する．リアルタイム動作推定には，これまでに

1 研究概要提案した筋電信号を基にした手法を用いる．推近年，筋力弱者の動作を支援するパワーアシストロボットの研究が盛んである．これまで多くのパ定した動作を支援するための力ベクトルは．筋

ワーアシストボットが提案されているが，それらのほとんどは外骨格構造を持つものであり，小型・肉に模したワイヤを介してモータで生成する．

軽量化には限度がある．本研究では，高齢者等の筋力弱者の日常生活における上肢動作を支援するパロボットの制御では，動作支援に加え，ある程

ワーアシストロボットにおいて，硬い骨格部を最小限にとどめ，モータ等はユーザーの背部に配置し，度の重力補償を入れることで，静止時のユーザ

筋肉に模したワイヤによる駆動システムを用いることにより，小型・軽量で服の様に簡単に装着でき，(b)

ーの負担を軽減させる．フィードバックに用い背面図

上肢 7 自由度の日常生活動作を支援できるフレキシブルパワーアシストロボットの開発を行った．筋るユーザーの上肢姿勢はモーションセンサによ肉に模したワイヤによる駆動システムを用いる場合は正確な運動学モデルを生成することは困難であり計測する．フレキシブルロボットでは，ワイるが，制御においては機械学習を用いることにより運動学モデルを構築できる．

ヤ経路が装着者の体形や姿勢等により変化する
ため，正確な運動学モデルを生成することは容2 結果概要ットではユーザーの肩関節回転中心位置移動に易ではないが，本研究では機械学習を用いるこ

2.1

よる影響を排除するため，ワイヤ付着部を鎖骨とにより運動学モデルを構築できる．

上肢 7 自由度動作支援

提案するフレキシブルパワーアシストロボッ

部よりも手先方向に配置することで，ユーザー

トにより上肢７自由度（肩屈曲伸展，肩内転外の鎖骨の動きと連動させた．本ロボットは，硬転，肩内旋外旋，肘屈曲伸展，前腕回内回外，い骨格部を最小限にとどめ，筋肉に模したワイ

本研究では，硬い骨格部を最小限にとどめ，

手首屈曲伸展，手首撓屈尺屈）の動作を 8 個のヤを介してモータにより駆動させる．各モータ

筋肉に模したワイヤによる駆動システムを用いモータを用いて支援するものとする．日常生活やそれらのドライバー等はユーザーの背部に配(c)

動作を考慮して各関節の可動範囲を，肩屈曲伸置した．ただし，肘関節に関しては，ユーザー

図１ ワイヤおよびモータの配置図

展：0～120 度，肩内転外転：0～120 度，肩内旋とロボットの回転中心を一致させるため，肘関外旋：-60～60 度，肘屈曲伸展：5～135 度，前節上下においてユーザーの装着部を設けた．ま腕回内回外：-90～90 度，手首屈曲伸展：-60～

た,ワイヤを筋のように配置するため，その他に各関節角度を直接計測することは難しいので，

位置移動による影響を排除するため，ワイヤ付

60 度，手首撓屈尺屈：-25～25 度とした．

上腕部 1 ヶ所と手部 1 ヶ所に装着部を設け，ロ本ロボットでは，ユーザーの肩部，上腕部，手着部を鎖骨部よりも手先方向に配置することで，ボットをユーザーに装着する．これらの装着部

首部，および手背部に配置したモーションセン

ユーザーの鎖骨の動きと連動させた．今後は開は，ワイヤの付着部とボーデンケーブルの入出サにより 7 自由度動作の計測を行う．上腕部と発した上肢 7 自由度フレキシブルパワーアシス

上肢 7 自由度の動作では，上肢動作に応じて部の役割も果たしている．本ロボットの各ワイ

前腕部の長さは各ユーザーにより異なるため，

トロボットの有効性を複数の被験者で確認する

肩関節の回転中心の位置が移動するが，本ロボ

ヤ配置とモータ配置を図１に示す．また，それ運動学の計算には各ユーザーの実測値を用いる

予定である．

2.2

フレキシブルロボットの設計

─ 40 ─

2.4

まとめることにより，小型・軽量で服の様に簡単に装側面図着でき，上肢 7 自由度の日常生活動作を支援できるフレキシブルパワーアシストロボットの開フレキシブルロボットではフレーム部が無く，発を行った．また，ユーザーの肩関節回転中心

─ 41 ─

公益財団法人

研究報告書概要

れは，FPP 時に生じる加工誘起マルテンサイトと比較して高いことがわかる．これらの結果は，自動車用歯車の高強度化を目的とした変態や加工硬化によるものと考えられる．また，投射粒子硬さによらず FPP は浸炭焼入鋼の疲労表面から 20～50

特性を改善できることを示している．

軟質微粒子ピーニングの開発

C 材はほぼ同様の分布を示した．次に，投射粒

次に，浸炭焼入鋼の疲労特性に及ぼす投射粒

子硬さの影響に注目すると，硬質 FPP を施した

子硬さの影響に注目すると，2 つの FPP 材の疲

Development of soft-fine particle peening for improvement of strength ofautomobile gears

浸炭材（C+Hard-FPP）と比較して軟質 FPP を施

労寿命や 107 回時間強度は同程度であることがした浸炭材（C+Soft-FPP）に生起した圧縮残留わかる．しかし，投射粒子硬さによって FPP 材

応力値は低いことがわかる．したがって，投射に生起する圧縮残留応力値が異なることを考慮

粒子硬さは，FPP 時に生起する圧縮残留応力値

すると（図 1），C+Hard-FPP 材は期待されるほどにとって重要な因子であることを明らかとした．

の疲労特性を示していないといえる．

2.2

2.3

菊池将一,
静岡大学,

スズキ財団

平成 30 年度

Shoichi Kikuchi
Shizuoka University

m 以降の深さでは，FPP 材と回転曲げ疲労試験結果

疲労過程における残留応力解放挙動

In order to examine the effects of soft-fine particle peening (Soft-FPP) on the fatigue

疲労試験は，小野式回転曲げ疲労試験機を用疲労過程において，FPP により生起した圧縮

properties of gas carburized SCM420H steel for automobile gears, rotating bending fatigue tests

いて試験速度 30 Hz，応力比－1，室温・大気中

残留応力の解放挙動を調べることとした．具体

were conducted for carburized SCM420H steels treated with FPP using shot particles havingの条件で行った．図 2 に，FPP 材の試験結果を C

的には，応力振幅 1000 MPa において，予め表面

different hardness. The Soft-FPP treated steels pre-treated with carburizing showed higher

材の回帰曲線とともに示す．同図から，応力振の残留応力を測定した試験片に対して疲労試験

fatigue life and fatigue strength at 10 cycles than the only-carburized steels. This is

幅 1400 MPa で破断した FPP 材の疲労寿命は，Cを実施し，107 回で中途止めした後に表面残留応

attributed to the increase of surface hardness and the generation of compressive residual stress

材の回帰曲線の Factor of 2 内（図中の薄墨領力を測定した．図 3 に，疲労試験前後においてinduced by FPP. The carburized steels treated with FPP failed in the subsurface fracture mode域）に収まっていることがわかる．このことは，

FPP 材の表面残留応力値を測定した結果を示す．

from the singular microstructure beneath the carburized layer in the long life region. The

高応力域において FPP による疲労特性改善効果

測定は，試験片を 90°ごとに回転させ，同一試

transition stress for the carburized steels treated with FPP, at which the surface fractureが認められないことを示唆している．これに対験片の最小径部の同一箇所 4 点において軸方向

mode changed to the subsurface one, tended to increase with the hardness of shot particles used

して，応力振幅 1300 MPa 以下の試験においては，に実施した．同図より，両材において疲労試験

in FPP. Furthermore, the release behavior of residual stress induced by FPP during fatigue tests

FPP 材の疲労寿命は C 材と比較して長いことが後の圧縮残留応力値（図中実線）は，疲労試験

7

was also examined. There were no noticeable differences in compressive residual stress after

7

わかる．さらに，応力繰返し数 10 回の時点で7前のそれ（図中破線）と比較して低いことがわ

the fatigue tests between the two types of carburized specimens treated with FPP; therefore,

未破断であった FPP 材の負荷応力値（10 回時間

かる．このことは，FPP により生起した圧縮残the Soft-FPP treated steels exhibited same fatigue strength as the steels treated with FPP using

強度：1000 MPa）は，C 材の疲労限度（925 MPa）

留応力が疲労過程において解放したことを意味

hard shot particles. These results suggest that the effect of hardness of shot particles used

近年，機械の軽量化や小型化を目的として，機械を構成する部品の高強度化が要求されている．な
かでも機械構造物に不可欠な歯車には，繰返し応力や摺動に耐える機能が要求されるため，浸炭処理

C+Hard-FPP 材と比較して低いものの，疲労試験-200

後の値は同程度であることがわかる．したがって，疲労試験後において浸炭焼入鋼の圧縮残留

-400

-800

後に微粒子ピーニング（Fine particle peening: FPP）を施し，材料表面に圧縮残留応力を生起させれ鋼に生起する圧縮残留応力の値について検討を加えることとした．さらに，回転曲げ疲労試験を行い，浸炭焼入れ鋼の疲労特性に及ぼす FPP の効果が投射粒子硬さによってどのように変化するかという点について，疲労過程における残留応力の解放挙動と関連づけて検討を加えた．

2

結果概要

2.1

残留応力測定結果

図 1 に，浸炭焼入れを施したクロムモリブデ

同図から，FPP 処理面近傍の圧縮残留応力値は C

ン鋼（SCM420H）の残留応力分布測定結果を示す．

材（浸炭材）と比較して高いことがわかる．こ─ 42 ─

100
200
Distance from surface, mm

図1

300

残留応力分布測定結果(a)
C+Soft-FPP
C+Hard-FPP

1400
*

1300

*

1200
*

1100
1000

*

Rotating bending

S-N diagram of C series

104
105
106
107
108
Number of cycles to failure Nf, cycle

図2

44

Before fatigue test
After fatigue test
Position 11
-1000
-800
-600
-400
-200

(b)

2

2

44

Before fatigue test
After fatigue test
Position 11
-1000
-800
-600
-400
-200
0

**

Factor of 2

900 * : Fish-eye failure
800
103

わらず，両 FPP 材の疲労寿命や 107 回時間強度が同程度である要因と考えられる．

1500

Stress amplitude sa, MPa

疲労破壊起点となる場合がある．そこで本研究では，軟質の投射粒子を用いた FPP を施し，浸炭焼入とが明らかとなった．このことが，投射粒子硬さによって初期圧縮残留応力値が異なるにも関0

ることが有効である．より高い圧縮残留応力を生起させるには，高硬さの投射粒子を用いることが有効であるが，実用的観点からは基材に対して投射粒子が硬すぎると基材が摩耗したり，粒子衝突痕が応力値に及ぼす投射粒子硬さの影響は小さいこC
C+Soft-FPP
C+Hard-FPP-600

Residual stress, MPa

はじめにと ， C+Soft-FPP 材 の 初 期 圧 縮 残 留 応 力 値 は0

Residual stress, MPa

1

Residual stress, MPa

in FPP on the fatigue properties of carburized steels is not observed.

Key Words：Fatigue, Fine particle peening, Carburizing, Residual stress

している．次に，FPP 材の測定結果を比較する

200

*
33

109

図3

回転曲げ疲労試験結果

33

疲労試験前後の表面圧縮残留応力測定

結果（(a)軟質 FPP 材，(b)硬質 FPP 材）
─ 43 ─

22

公益財団法人

研究報告書概要

れは，FPP 時に生じる加工誘起マルテンサイトと比較して高いことがわかる．これらの結果は，自動車用歯車の高強度化を目的とした変態や加工硬化によるものと考えられる．また，投射粒子硬さによらず FPP は浸炭焼入鋼の疲労表面から 20～50

特性を改善できることを示している．

軟質微粒子ピーニングの開発

C 材はほぼ同様の分布を示した．次に，投射粒

次に，浸炭焼入鋼の疲労特性に及ぼす投射粒

子硬さの影響に注目すると，硬質 FPP を施した

子硬さの影響に注目すると，2 つの FPP 材の疲

Development of soft-fine particle peening for improvement of strength ofautomobile gears

浸炭材（C+Hard-FPP）と比較して軟質 FPP を施

労寿命や 107 回時間強度は同程度であることがした浸炭材（C+Soft-FPP）に生起した圧縮残留わかる．しかし，投射粒子硬さによって FPP 材

応力値は低いことがわかる．したがって，投射に生起する圧縮残留応力値が異なることを考慮

粒子硬さは，FPP 時に生起する圧縮残留応力値

すると（図 1），C+Hard-FPP 材は期待されるほどにとって重要な因子であることを明らかとした．

の疲労特性を示していないといえる．

2.2

2.3

菊池将一,
静岡大学,

スズキ財団

平成 30 年度

Shoichi Kikuchi
Shizuoka University

m 以降の深さでは，FPP 材と回転曲げ疲労試験結果

疲労過程における残留応力解放挙動

In order to examine the effects of soft-fine particle peening (Soft-FPP) on the fatigue

疲労試験は，小野式回転曲げ疲労試験機を用疲労過程において，FPP により生起した圧縮

properties of gas carburized SCM420H steel for automobile gears, rotating bending fatigue tests

いて試験速度 30 Hz，応力比－1，室温・大気中

残留応力の解放挙動を調べることとした．具体

were conducted for carburized SCM420H steels treated with FPP using shot particles havingの条件で行った．図 2 に，FPP 材の試験結果を C

的には，応力振幅 1000 MPa において，予め表面

different hardness. The Soft-FPP treated steels pre-treated with carburizing showed higher

材の回帰曲線とともに示す．同図から，応力振の残留応力を測定した試験片に対して疲労試験

fatigue life and fatigue strength at 10 cycles than the only-carburized steels. This is

幅 1400 MPa で破断した FPP 材の疲労寿命は，Cを実施し，107 回で中途止めした後に表面残留応

attributed to the increase of surface hardness and the generation of compressive residual stress

材の回帰曲線の Factor of 2 内（図中の薄墨領力を測定した．図 3 に，疲労試験前後においてinduced by FPP. The carburized steels treated with FPP failed in the subsurface fracture mode域）に収まっていることがわかる．このことは，

FPP 材の表面残留応力値を測定した結果を示す．

from the singular microstructure beneath the carburized layer in the long life region. The

高応力域において FPP による疲労特性改善効果

測定は，試験片を 90°ごとに回転させ，同一試

transition stress for the carburized steels treated with FPP, at which the surface fractureが認められないことを示唆している．これに対験片の最小径部の同一箇所 4 点において軸方向

mode changed to the subsurface one, tended to increase with the hardness of shot particles used

して，応力振幅 1300 MPa 以下の試験においては，に実施した．同図より，両材において疲労試験

in FPP. Furthermore, the release behavior of residual stress induced by FPP during fatigue tests

FPP 材の疲労寿命は C 材と比較して長いことが後の圧縮残留応力値（図中実線）は，疲労試験

7

was also examined. There were no noticeable differences in compressive residual stress after

7

わかる．さらに，応力繰返し数 10 回の時点で7前のそれ（図中破線）と比較して低いことがわ

the fatigue tests between the two types of carburized specimens treated with FPP; therefore,

未破断であった FPP 材の負荷応力値（10 回時間

かる．このことは，FPP により生起した圧縮残the Soft-FPP treated steels exhibited same fatigue strength as the steels treated with FPP using

強度：1000 MPa）は，C 材の疲労限度（925 MPa）

留応力が疲労過程において解放したことを意味

hard shot particles. These results suggest that the effect of hardness of shot particles used

近年，機械の軽量化や小型化を目的として，機械を構成する部品の高強度化が要求されている．な
かでも機械構造物に不可欠な歯車には，繰返し応力や摺動に耐える機能が要求されるため，浸炭処理

C+Hard-FPP 材と比較して低いものの，疲労試験-200

後の値は同程度であることがわかる．したがって，疲労試験後において浸炭焼入鋼の圧縮残留

-400

-800

後に微粒子ピーニング（Fine particle peening: FPP）を施し，材料表面に圧縮残留応力を生起させれ鋼に生起する圧縮残留応力の値について検討を加えることとした．さらに，回転曲げ疲労試験を行い，浸炭焼入れ鋼の疲労特性に及ぼす FPP の効果が投射粒子硬さによってどのように変化するかという点について，疲労過程における残留応力の解放挙動と関連づけて検討を加えた．

2

結果概要

2.1

残留応力測定結果

図 1 に，浸炭焼入れを施したクロムモリブデ

同図から，FPP 処理面近傍の圧縮残留応力値は C

ン鋼（SCM420H）の残留応力分布測定結果を示す．

材（浸炭材）と比較して高いことがわかる．こ─ 42 ─

100
200
Distance from surface, mm

図1

300

残留応力分布測定結果(a)
C+Soft-FPP
C+Hard-FPP

1400
*

1300

*

1200
*

1100
1000

*

Rotating bending

S-N diagram of C series

104
105
106
107
108
Number of cycles to failure Nf, cycle

図2

44

Before fatigue test
After fatigue test
Position 11
-1000
-800
-600
-400
-200

(b)

2

2

44

Before fatigue test
After fatigue test
Position 11
-1000
-800
-600
-400
-200
0

**

Factor of 2

900 * : Fish-eye failure
800
103

わらず，両 FPP 材の疲労寿命や 107 回時間強度が同程度である要因と考えられる．

1500

Stress amplitude sa, MPa

疲労破壊起点となる場合がある．そこで本研究では，軟質の投射粒子を用いた FPP を施し，浸炭焼入とが明らかとなった．このことが，投射粒子硬さによって初期圧縮残留応力値が異なるにも関0

ることが有効である．より高い圧縮残留応力を生起させるには，高硬さの投射粒子を用いることが有効であるが，実用的観点からは基材に対して投射粒子が硬すぎると基材が摩耗したり，粒子衝突痕が応力値に及ぼす投射粒子硬さの影響は小さいこC
C+Soft-FPP
C+Hard-FPP-600

Residual stress, MPa

はじめにと ， C+Soft-FPP 材 の 初 期 圧 縮 残 留 応 力 値 は0

Residual stress, MPa

1

Residual stress, MPa

in FPP on the fatigue properties of carburized steels is not observed.

Key Words：Fatigue, Fine particle peening, Carburizing, Residual stress

している．次に，FPP 材の測定結果を比較する

200

*
33

109

図3

回転曲げ疲労試験結果

33

疲労試験前後の表面圧縮残留応力測定

結果（(a)軟質 FPP 材，(b)硬質 FPP 材）
─ 43 ─

22

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

さくなる。これらの特性を利用し、本研究では、水素燃焼における火炎伝播加速現象の解明

初期圧を上げて希薄水素空気混合気を用いて実2)験を行った。

3)

Elucidation of flame acceleration in hydrogen-air mixtures 実験結果と考察
加速が始まる臨界火炎半径 rc を火炎帯厚さ δ＝4)Energy. 43: 12556-12564 (2018).
Wu F, Jomaas G, and Law CK, Proc. Combust.
Inst. 34: 937-945 (2013).
Gostintsev, Y.A., Istratov, A.G., and Shulenin,
Y.V., Combust. Explo. Shock. 24: 569-563(1988).
Molkov, V.V., Makarov, D.V., and Schneider,
H., Int. J. Hydrogen Energy. 32: 2198–2205(2007).

金佑勁, Wookyung Kim
広島大学, Hiroshima University(Tad -Tu) /(dT/dx)max で除して無次元化した臨界ペThe self-similar propagation of expanding spherical flames in lean hydrogen-air mixtures at elevated pressureは最大温度勾配である。当量比が小さくなるほ

was experimentally investigated using the dual-chamber apparatus with the quartz windows enabled to a flame

ど Pec が小さくなり、以前小さい燃焼器で行っ

700

radius with up to 110 mm. The flame images of more the fully developed cellular structure were recorded, andた結果と良く一致する。今回の燃焼容器実験で

600

the large values of r/rc and Pe for the dual-chamber apparatus were estimated. The acceleration exponent, α,

求めた火炎伝ぱの加速指数 α と小規模燃焼容器

500

corresponding to the fractal dimension in lean hydrogen-air mixtures at elevated pressure were evaluated by

実験から求めた α の比較を Fig.2 に示す[1-2]。拡400

plotting the experimental flame radius as a function of time. In the present study, the experimental values of α

散・熱不安定性により当量比が低くなるにつれて

are α = 1.25–1.43 within a wide range of r/rc = 2–15. The increasing trends of α with a decrease in  and with an

α が大きくなる。また，流体力学的不安定性によ200increase in initial pressure, Pi, were observed owing to the effects of the diffusional-thermal as well as

る影響で初期圧が高くなるほど α が大きくなる

100

Darrieus-Landau instabilities. The value of α increased with an increase in r/rc and it saturated to α = 1.43 at r/rc

ことがわかる。特に、今回の燃焼容器実験によ0> 10, and the saturated values of hydrogen-air flame are within α = 1.4–1.5. The results demonstrated that the

り求めた値は、同じ条件でも大きい値になってflame propagation in lean hydrogen-air mixtures was classified as laminar (r/rc < 1), acceleration (r/rc > 1),いることがわかる。これは火炎スケールが小さtransition (1< r/rc<10), and self-similar regimes (r/rc > 10). Consequently, the practical three-dimensional fractal

い時には、α が過小評価されているからである。

dimensions for accidental hydrogen-air explosions are D3 = 2.29–2.33.

Fig.3 に α を r/rc の関係を示す。α の値は r/rc が

大きくなるにしたがって α の値が大きくなり、

クレ数(Pec=rc/δ)を Fig.1 に示す．ここで、Tad は はじめに
本研究では、水素燃焼における火炎伝播加速現象の自己相似的な特徴と火炎伝播加速現象の発生機
構を実験的に解明することを目的としている。初期圧を上げて密度を上げることで火炎帯厚さが小さくなるという火炎の特徴を利用し、初期圧を上げて小規模実験で大規模実験に相当する火炎を評価した。また、希薄水素空気混合気では熱輸送と物質輸送（選択拡散）による拡散・熱不安定性により火炎が乱れるため、希薄水素空気混合気の球状伝播火炎の加速現象を実験的に調べた。



300
0.2 MPa
0.5 MPa
0.2 MPa (Kim, 2018)
0.5 MPa (Kim, 2018)
0.5

1.0

1.5

2.0

2.5



Figure 1. Pec as a function of .

r/rc > 10 なると α=1.43 に漸近することがわかる。

1.6

つまり、火炎半径が臨界火炎半径より 10 倍以上

1.5

大きくなると自己相似的な伝播をすることであ

1.4

り、そのときの火炎面は自己相似的な構造にな

1.3

a.H\:RUGV：水素燃焼不安定性火炎伝播加速自己相似Pec

断熱火炎温度、Tu は未燃ガスの温度、(dT/dx)max

ると考えられる。この時のフラクタル次元は、

1.2

D3 = 2.29 であり、Gostintsev らが提案した D3 =1.1

2.33 に近い値になっている[3]。特に，水素空気

0.2 MPa
0.5 MPa
0.2 MPa (Kim 2018)
0.5 MPa (Kim 2018)
0.5 MPa (Kim 2018)
0.7 MPa (Wu 2003)
0.8 MPa (Wu 2003)
1.0 MPa (Wu 2003)

1.0

混合気の大規模実験のデータと比較すると、r/rc

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5



> 100 になっても α=1.43 になっており、r/rc > 10
では自己相似的な伝播する領域であると考えら 実験装置及び条件
燃焼容器は、SUS304 製で、二重構造となってmm、厚さ 70 mm と 35 mm の石英ガラスを採用

おり、内側容器は容積 27.4 L、外側容器は容積

し、可視領域は直径 220 mm である。火炎形状

195 L である。内側容器のパイプ部分には直径や伝播挙動を取得するため、直径 250 mm の凹10 mm の穴が複数開いておりそこから気体が出

面鏡を有するシュリーレン法測定装置により観入りできるようにした。実験前に厚さ 60 μm の

測 を 行 っ た 。 高 速 度 カ メ ラ (Photron Fastcam

薄膜で穴を塞ぎ、内側容器と外側容器の圧を等

AX-50)を用い、撮影速度 5000fps、シャッター

しくした後、実験を行った。内側容器は水素空速度 10μs、解像度は 384×384 pixels で撮影した。

気混合気、外側容器は窒素を入れて着火させた。

初期圧を上げると火炎帯厚さが小さくなり、流燃焼途中の内側容器内の圧力上昇を薄膜が破れ

体力学不安定性により加速が始まる臨界火炎半ることで、内圧上昇が火炎伝播に及び影響を減径 rc が小さくなる。また、水素空気混合気ではらした状態で実験を行った。観察窓は、直径 260

当量比を下げると熱拡散不安定性により rc が小─ 44 ─

れる。
 まとめ
希薄水素空気混合気の球状伝播火炎の加速現象の領域を以下の通りにまとめることができる。
① Laminar regime (r/rc < 1)：火炎が安定、火炎伝 播 速 度 が 一 定 で あ る 。 ② Self-acceleration
regime (r/rc > 1)：火炎の不安定性により火炎面に乱れが発達し、火炎伝播速度が増加する。③
Transition regime (1< r/rc <10) ：流体力学的不安定性による影響が顕著になり、火炎伝播がより加速する。④ Self-similar regime (r/rc > 10)：自己相似的な伝播をする。
参考文献
1) Kim W, Sato Y, Johzaki T and Endo T,
Shimokuri D and Miyoshi A, Int. J. Hydrogen─ 45 ─

Figure 2. α as a function of .

1.5
1.4

a

 結果概要

1.3
1.2

0.2 MPa (0.79 L) Kim 2018
0.5 MPa (0.79 L) Kim 2018
0.2 MPa (27.4 L)
0.5 MPa (27.4 L)
0.1MPa (2094 kL) Molkov 2007

1.1
1.0

0

5

10

15

100

r /rc

Figure 3. α as a function of r/rc.

105

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

さくなる。これらの特性を利用し、本研究では、水素燃焼における火炎伝播加速現象の解明

初期圧を上げて希薄水素空気混合気を用いて実2)験を行った。

3)

Elucidation of flame acceleration in hydrogen-air mixtures 実験結果と考察
加速が始まる臨界火炎半径 rc を火炎帯厚さ δ＝4)Energy. 43: 12556-12564 (2018).
Wu F, Jomaas G, and Law CK, Proc. Combust.
Inst. 34: 937-945 (2013).
Gostintsev, Y.A., Istratov, A.G., and Shulenin,
Y.V., Combust. Explo. Shock. 24: 569-563(1988).
Molkov, V.V., Makarov, D.V., and Schneider,
H., Int. J. Hydrogen Energy. 32: 2198–2205(2007).

金佑勁, Wookyung Kim
広島大学, Hiroshima University(Tad -Tu) /(dT/dx)max で除して無次元化した臨界ペThe self-similar propagation of expanding spherical flames in lean hydrogen-air mixtures at elevated pressureは最大温度勾配である。当量比が小さくなるほ

was experimentally investigated using the dual-chamber apparatus with the quartz windows enabled to a flame

ど Pec が小さくなり、以前小さい燃焼器で行っ

700

radius with up to 110 mm. The flame images of more the fully developed cellular structure were recorded, andた結果と良く一致する。今回の燃焼容器実験で

600

the large values of r/rc and Pe for the dual-chamber apparatus were estimated. The acceleration exponent, α,

求めた火炎伝ぱの加速指数 α と小規模燃焼容器

500

corresponding to the fractal dimension in lean hydrogen-air mixtures at elevated pressure were evaluated by

実験から求めた α の比較を Fig.2 に示す[1-2]。拡400

plotting the experimental flame radius as a function of time. In the present study, the experimental values of α

散・熱不安定性により当量比が低くなるにつれて

are α = 1.25–1.43 within a wide range of r/rc = 2–15. The increasing trends of α with a decrease in  and with an

α が大きくなる。また，流体力学的不安定性によ200increase in initial pressure, Pi, were observed owing to the effects of the diffusional-thermal as well as

る影響で初期圧が高くなるほど α が大きくなる

100

Darrieus-Landau instabilities. The value of α increased with an increase in r/rc and it saturated to α = 1.43 at r/rc

ことがわかる。特に、今回の燃焼容器実験によ0> 10, and the saturated values of hydrogen-air flame are within α = 1.4–1.5. The results demonstrated that the

り求めた値は、同じ条件でも大きい値になってflame propagation in lean hydrogen-air mixtures was classified as laminar (r/rc < 1), acceleration (r/rc > 1),いることがわかる。これは火炎スケールが小さtransition (1< r/rc<10), and self-similar regimes (r/rc > 10). Consequently, the practical three-dimensional fractal

い時には、α が過小評価されているからである。

dimensions for accidental hydrogen-air explosions are D3 = 2.29–2.33.

Fig.3 に α を r/rc の関係を示す。α の値は r/rc が

大きくなるにしたがって α の値が大きくなり、

クレ数(Pec=rc/δ)を Fig.1 に示す．ここで、Tad は はじめに
本研究では、水素燃焼における火炎伝播加速現象の自己相似的な特徴と火炎伝播加速現象の発生機
構を実験的に解明することを目的としている。初期圧を上げて密度を上げることで火炎帯厚さが小さくなるという火炎の特徴を利用し、初期圧を上げて小規模実験で大規模実験に相当する火炎を評価した。また、希薄水素空気混合気では熱輸送と物質輸送（選択拡散）による拡散・熱不安定性により火炎が乱れるため、希薄水素空気混合気の球状伝播火炎の加速現象を実験的に調べた。



300
0.2 MPa
0.5 MPa
0.2 MPa (Kim, 2018)
0.5 MPa (Kim, 2018)
0.5

1.0

1.5

2.0

2.5



Figure 1. Pec as a function of .

r/rc > 10 なると α=1.43 に漸近することがわかる。

1.6

つまり、火炎半径が臨界火炎半径より 10 倍以上

1.5

大きくなると自己相似的な伝播をすることであ

1.4

り、そのときの火炎面は自己相似的な構造にな

1.3

a.H\:RUGV：水素燃焼不安定性火炎伝播加速自己相似Pec

断熱火炎温度、Tu は未燃ガスの温度、(dT/dx)max

ると考えられる。この時のフラクタル次元は、

1.2

D3 = 2.29 であり、Gostintsev らが提案した D3 =1.1

2.33 に近い値になっている[3]。特に，水素空気

0.2 MPa
0.5 MPa
0.2 MPa (Kim 2018)
0.5 MPa (Kim 2018)
0.5 MPa (Kim 2018)
0.7 MPa (Wu 2003)
0.8 MPa (Wu 2003)
1.0 MPa (Wu 2003)

1.0

混合気の大規模実験のデータと比較すると、r/rc

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5



> 100 になっても α=1.43 になっており、r/rc > 10
では自己相似的な伝播する領域であると考えら 実験装置及び条件
燃焼容器は、SUS304 製で、二重構造となってmm、厚さ 70 mm と 35 mm の石英ガラスを採用

おり、内側容器は容積 27.4 L、外側容器は容積

し、可視領域は直径 220 mm である。火炎形状

195 L である。内側容器のパイプ部分には直径や伝播挙動を取得するため、直径 250 mm の凹10 mm の穴が複数開いておりそこから気体が出

面鏡を有するシュリーレン法測定装置により観入りできるようにした。実験前に厚さ 60 μm の

測 を 行 っ た 。 高 速 度 カ メ ラ (Photron Fastcam

薄膜で穴を塞ぎ、内側容器と外側容器の圧を等

AX-50)を用い、撮影速度 5000fps、シャッター

しくした後、実験を行った。内側容器は水素空速度 10μs、解像度は 384×384 pixels で撮影した。

気混合気、外側容器は窒素を入れて着火させた。

初期圧を上げると火炎帯厚さが小さくなり、流燃焼途中の内側容器内の圧力上昇を薄膜が破れ

体力学不安定性により加速が始まる臨界火炎半ることで、内圧上昇が火炎伝播に及び影響を減径 rc が小さくなる。また、水素空気混合気ではらした状態で実験を行った。観察窓は、直径 260

当量比を下げると熱拡散不安定性により rc が小─ 44 ─

れる。
 まとめ
希薄水素空気混合気の球状伝播火炎の加速現象の領域を以下の通りにまとめることができる。
① Laminar regime (r/rc < 1)：火炎が安定、火炎伝 播 速 度 が 一 定 で あ る 。 ② Self-acceleration
regime (r/rc > 1)：火炎の不安定性により火炎面に乱れが発達し、火炎伝播速度が増加する。③
Transition regime (1< r/rc <10) ：流体力学的不安定性による影響が顕著になり、火炎伝播がより加速する。④ Self-similar regime (r/rc > 10)：自己相似的な伝播をする。
参考文献
1) Kim W, Sato Y, Johzaki T and Endo T,
Shimokuri D and Miyoshi A, Int. J. Hydrogen─ 45 ─

Figure 2. α as a function of .

1.5
1.4

a

 結果概要

1.3
1.2

0.2 MPa (0.79 L) Kim 2018
0.5 MPa (0.79 L) Kim 2018
0.2 MPa (27.4 L)
0.5 MPa (27.4 L)
0.1MPa (2094 kL) Molkov 2007

1.1
1.0

0

5

10

15

100

r /rc

Figure 3. α as a function of r/rc.

105

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

ハードカーボン／Si 混合負極への Li イオン
プレドープ深度の最適化
Optimization of Li-ion pre-doping depth for hard carbon/Si mixed negativeelectrode used in Li-ion batteries

質量を基準にし，150 mA g-1-PE を充放電電流密2C の電流密度におけるプレドープ深度の異度 1 C とした。0.1 C（15 mA g -PE），0.2 C，0.5なる負極を有する LIB セルの放電比容量のサイ

C，1 C，2 C，5 C，10 C，0.1 C と，それぞれのクル数依存性を図３に示す。プレドープ深度がC レートで 5 サイクルずつの計 40 サイクルの充

400 mAh g-1 以下の場合，そのセルの比容量はサ放電試験を行った。

イクル数の増加に従い急激に低下した。500-1

プレドープされた LIB セルの比容量は高く，mAh g-1 以上の深度で比容量の低下は緩やかに高い電流密度においても比容量は維持された。

なった。プレドープ処理を実施した LIB セルの

特にプレドープ深度 400 mAh g の LIB セルの中では，プレドープ深度 500 mAh g-1 のセルが最

比容量は最も高く維持された。表１に第 1～3も比容量を維持できており，サイクル特性におサイクルのおける各 LIB セルのクーロン効率をいては 500 mAh g-1 が最適な深度であった。しか示す。HC/Si 混合負極にプレドープ処理を実施

し，400 サイクル以上では，プレドープした HC

Hard carbon (HC)/Si mixed negative electrode (NE) of Li-ion batteries (LIBs) is expected to have greater

することで，第 1 サイクルで 85%前後，その後単独負極を用いたセルより低い比容量を示した。

specific capacity, power density, cycle-life, and economic efficiency which are not obtainable from conventionalのサイクルで 98 %前後の高いクーロン効率を

すなわち，サイクル数の増加に従い，Si 添加のgraphite-based NEs. On the other hand, a reduction of the large irreversible capacity of the HC/Si NE is an得られた。すなわち，HC/Si 混合電極の初期不効果は減衰し，長期使用を想定した LIB セルに

important technological task. We tried to reduce its irreversible capacity by optimizing the Li-ion pre-doping

可逆容量が大きく低減された。

おいては，Si の使用は注意を要すると言える。

-1

熊谷誠治，Seiji Kumagai，富岡雅弘，Masahiro Tomioka
秋田大学，Akita University

depth for the NE. The pre-doping process was found to be useful to reduce the irreversible capacity of theassembled LIB cell and to improve its rate performance. The pre-doping depth of 500 mAh g-1 for the HC/Si
NE attained the best cell cycle performance.

Key Words：Li-ion battery, anode, negative electrode, Li-ion pre-doping, hard carbon, silicon

1

はじめに
電気自動車の動力源として使用される Li イオン電池（LIB）は，それらの運転性能および製造費用に大きな影響を与える。従って，LIB の高容量化，高出力密度化，長寿命化および低価格化の実現は，

図１

HC/Si 混合電極への Li イオンのプレドープおよびコイン型 LIB セルの組立て工程

自動車産業界において極めて重要である。ハードカーボン（HC）/Si 混合負極には，従来の黒鉛系負極では得られない比容量，出力密度，サイクル寿命，経済性が期待できる。一方，HC/Si 混合負極は大きな不可逆容量を有しており，その低減が重要な技術課題となっている。本研究では，HC/Si 混合
負極に対する Li イオンプレドープ深度を最適化することで，LIB セルとしての不可逆容量の低減，レート特性およびサイクル特性の改善が見られるか検証する。

2

結果概要

2.1 研究方法
HC および Si 粉末を用いて，混合負極を製造

また，比較対象としてプレドープを行わない電した。Si については粒形 100 nm 以下のナノシ

極及び負極容量 100 %をプレドープ（電極電位

リコンを用いた。HC（3.2 mg），Si（0.8 mg），

が 0 V vs. Li/Li+に低下するまで）する電極も準導電助剤，バインダから構成される HC/Si 混合備した。さらに，Si を添加しない，HC 単独（4.0負極を製造した。正極活物質には，車載用途にmg）の電極を製造し，それに対しては 100 mAh

適した三元系正極材 NCM（Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2）

g-1 の深度でプレドープを行った。Li イオンのプを用いた。正極は NCM（7.0 mg），導電助剤とレドープした電極を負極として，また，正極おバインダから構成された。

よびセパレータを用いて，コイン型 LIB セルを

図１に HC/Si 混合負極への Li イオンのプレド

表１ 各 LIB セルの初期 3 サイクル（0.1 C）の充放電クーロン効率（単位：%）
プレドープ条件
Predope_200 mAh g-1
Predope_300 mAh g-1
Predope_400 mAh g-1
Predope_500 mAh g-1
Predope_600 mAh g-1
Predope_Full
HC_Only_Predope_100 mAh g-1
Predope_Nothing

第 1 サイクル
83.9
84.2
86.5
85.8
85.5
44.1
85.2
35.2

第 2 サイクル
96.7
98.1
99.1
98.1
97.9
96.3
97.2
76.3

第 3 サイクル
97.6
98.8
99.2
98.7
98.3
91.9
97.9
78.9

組み立てた。

ープおよび LIB セルの組立て工程を示す。電池
充放電試験装置に接続して，プレドープ処理を

2.2 研究結果行った。Li イオンのプレドープ量（深度）は 200

図２に電流密度を 5 サイクルずつ変化させた～600 mAh g と 100 mAh g ずつ変化させた。

場合の LIB セルの放電比容量を示す。正極活物-1-1

─ 46 ─

図２

負極プレドープ深度の異なる LIB セル

図３

プレドープ深度の異なる負極を有する
LIB セルのサイクル特性のレート特性─ 47 ─

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研究報告書概要

ハードカーボン／Si 混合負極への Li イオン
プレドープ深度の最適化
Optimization of Li-ion pre-doping depth for hard carbon/Si mixed negativeelectrode used in Li-ion batteries

質量を基準にし，150 mA g-1-PE を充放電電流密2C の電流密度におけるプレドープ深度の異度 1 C とした。0.1 C（15 mA g -PE），0.2 C，0.5なる負極を有する LIB セルの放電比容量のサイ

C，1 C，2 C，5 C，10 C，0.1 C と，それぞれのクル数依存性を図３に示す。プレドープ深度がC レートで 5 サイクルずつの計 40 サイクルの充

400 mAh g-1 以下の場合，そのセルの比容量はサ放電試験を行った。

イクル数の増加に従い急激に低下した。500-1

プレドープされた LIB セルの比容量は高く，mAh g-1 以上の深度で比容量の低下は緩やかに高い電流密度においても比容量は維持された。

なった。プレドープ処理を実施した LIB セルの

特にプレドープ深度 400 mAh g の LIB セルの中では，プレドープ深度 500 mAh g-1 のセルが最

比容量は最も高く維持された。表１に第 1～3も比容量を維持できており，サイクル特性におサイクルのおける各 LIB セルのクーロン効率をいては 500 mAh g-1 が最適な深度であった。しか示す。HC/Si 混合負極にプレドープ処理を実施

し，400 サイクル以上では，プレドープした HC

Hard carbon (HC)/Si mixed negative electrode (NE) of Li-ion batteries (LIBs) is expected to have greater

することで，第 1 サイクルで 85%前後，その後単独負極を用いたセルより低い比容量を示した。

specific capacity, power density, cycle-life, and economic efficiency which are not obtainable from conventionalのサイクルで 98 %前後の高いクーロン効率を

すなわち，サイクル数の増加に従い，Si 添加のgraphite-based NEs. On the other hand, a reduction of the large irreversible capacity of the HC/Si NE is an得られた。すなわち，HC/Si 混合電極の初期不効果は減衰し，長期使用を想定した LIB セルに

important technological task. We tried to reduce its irreversible capacity by optimizing the Li-ion pre-doping

可逆容量が大きく低減された。

おいては，Si の使用は注意を要すると言える。

-1

熊谷誠治，Seiji Kumagai，富岡雅弘，Masahiro Tomioka
秋田大学，Akita University

depth for the NE. The pre-doping process was found to be useful to reduce the irreversible capacity of theassembled LIB cell and to improve its rate performance. The pre-doping depth of 500 mAh g-1 for the HC/Si
NE attained the best cell cycle performance.

Key Words：Li-ion battery, anode, negative electrode, Li-ion pre-doping, hard carbon, silicon

1

はじめに
電気自動車の動力源として使用される Li イオン電池（LIB）は，それらの運転性能および製造費用に大きな影響を与える。従って，LIB の高容量化，高出力密度化，長寿命化および低価格化の実現は，

図１

HC/Si 混合電極への Li イオンのプレドープおよびコイン型 LIB セルの組立て工程

自動車産業界において極めて重要である。ハードカーボン（HC）/Si 混合負極には，従来の黒鉛系負極では得られない比容量，出力密度，サイクル寿命，経済性が期待できる。一方，HC/Si 混合負極は大きな不可逆容量を有しており，その低減が重要な技術課題となっている。本研究では，HC/Si 混合
負極に対する Li イオンプレドープ深度を最適化することで，LIB セルとしての不可逆容量の低減，レート特性およびサイクル特性の改善が見られるか検証する。

2

結果概要

2.1 研究方法
HC および Si 粉末を用いて，混合負極を製造

また，比較対象としてプレドープを行わない電した。Si については粒形 100 nm 以下のナノシ

極及び負極容量 100 %をプレドープ（電極電位

リコンを用いた。HC（3.2 mg），Si（0.8 mg），

が 0 V vs. Li/Li+に低下するまで）する電極も準導電助剤，バインダから構成される HC/Si 混合備した。さらに，Si を添加しない，HC 単独（4.0負極を製造した。正極活物質には，車載用途にmg）の電極を製造し，それに対しては 100 mAh

適した三元系正極材 NCM（Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2）

g-1 の深度でプレドープを行った。Li イオンのプを用いた。正極は NCM（7.0 mg），導電助剤とレドープした電極を負極として，また，正極おバインダから構成された。

よびセパレータを用いて，コイン型 LIB セルを

図１に HC/Si 混合負極への Li イオンのプレド

表１ 各 LIB セルの初期 3 サイクル（0.1 C）の充放電クーロン効率（単位：%）
プレドープ条件
Predope_200 mAh g-1
Predope_300 mAh g-1
Predope_400 mAh g-1
Predope_500 mAh g-1
Predope_600 mAh g-1
Predope_Full
HC_Only_Predope_100 mAh g-1
Predope_Nothing

第 1 サイクル
83.9
84.2
86.5
85.8
85.5
44.1
85.2
35.2

第 2 サイクル
96.7
98.1
99.1
98.1
97.9
96.3
97.2
76.3

第 3 サイクル
97.6
98.8
99.2
98.7
98.3
91.9
97.9
78.9

組み立てた。

ープおよび LIB セルの組立て工程を示す。電池
充放電試験装置に接続して，プレドープ処理を

2.2 研究結果行った。Li イオンのプレドープ量（深度）は 200

図２に電流密度を 5 サイクルずつ変化させた～600 mAh g と 100 mAh g ずつ変化させた。

場合の LIB セルの放電比容量を示す。正極活物-1-1

─ 46 ─

図２

負極プレドープ深度の異なる LIB セル

図３

プレドープ深度の異なる負極を有する
LIB セルのサイクル特性のレート特性─ 47 ─

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スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

車載単眼カメラと地図地形データを用いた
超遠方交通参加者の早期認識
Early recognition of far traffic participants
using an in-vehicle monocular camera and terrain data

出用 DCNN の一つである Yolo v3（9）の運用に特うことにも成功している．これらの結果は，地化させた．物体検出結果ならびに他のセンサの形地図データが使える場合，提案手法により単データはもう一台の PC で受信し，検出物体の眼カメラでも遠方から接近する対向車の存在とトラッキング計算もこちらの PC で行う．

位置を認識可能にできることを示唆している．

高精度 3D 地形地図データは申請者らのグループが独自に用意したものである．分解能は高さ方向に 7.5 cm, 平面内では 12.5cm である．

倉元 昭季,
Akisue KURAMOTO
首都大学東京,Tokyo Metropolitan University(a) 自車停止時

要旨英文（250～300 文字程度）
Earlier recognition of far traffic participants will be helpful for a safe urban driving of both autonomous andmanually driven vehicles. This paper proposes a monocular camera-based strategy to recognize oncoming
vehicle from a distance over 200 m and its 3D position. The 3D position is approximated by associating 2D
position on camera image with the 3D digital map. Extended Kalman Filter is applied to track detected objects.
The experimental results emphasize the practical ability of the proposed strategy in detection of a far oncoming
vehicle in over 150 m which was not detected by LiDAR or millimeter wave radar-based systems.

Fig. 1 提案手法のフロー．アスタリスクは，全フレームの結果を最新のフレームに関する作業へ適用していることを示す．

Key Words：Vehicle recognition, Camera, Digital map, Autonomous vehicle, Extended Kalman Filter(b) 自車走行時
図 3 200m 以上遠方から接近する
対向車の認識の時刻歴

1 はじめに交通参加者の早期からの行動予測が可能となれば，衝突リスクの管理やそれに応じた経路生成等，自動・手動を問わず自動車の市街地走行の安全性向上に大きな寄与が見込まれる．そこで本研究は，車載単眼カメラと地形地図データを用いて 200m 以上遠方の交通参加者の種別と位置を高精度に認識するフレームワークの開発を行った．具体的には，①3D 地形地図データを活用した，アイレベル画像の遠方領域の距離分解能の補償，ならびに②ノイズや検出物体種別を考慮したトラッキングの手法を開発し，従来は基本的に距離認識には不適とされてきた目線高さの単眼カメラを主とした，超遠方物
体のリアルタイム高精度位置推定を実現することを試みた．

2.3

金沢大学キャンパス内の少し起伏のある直線路において，200 m 以上遠方から接近する対向オを撮影した．なお提案手法の処理時間は 1 フ

提案手法の概要

提案手法のフローを図 1 に示す．まず，走行中

トラッキングを行う．

にカメラで周辺の画像を撮影する．同時に，自

2.2

試験

車位置と姿勢を取得する．3D 自己位置推定のの試験車両には，車両前方の撮影用カメラ（Flea

ち，カメラの可視領域について，高精度 3D 地

2, Pointgrey，1280x960, 7.5fps）をフロントガラ

形地図データを投影する（図 2(a)）．そして画像ス上部に車内側から設置した．車両上部には車の各画素に対応した可視路面の座標を得たのち，両位置測定用の RTK-GNSS システム（POS/LV

いくつかの相対距離範囲に基づいて，カメラ画

220, Applonix）, LiDAR（HDL-64E S2, Velodyne）

像から複数の ROI（Region of Interest）を抽出すがある．ミリ波レーダシステム（Millimeter waveる（図 2(b)）．各 ROI 画像に物体検出用 DCNN

radar, MWR）は車両の前方，側方，後方に計 9を適用し自動車を検出する．検出された自動車個設置してある．これらで検出された物体情報の画像上の位置に対応した地形地図データより，を，提案手法の評価に用いる．

検出された自動車の観測位置を得る．さらに、車両には 2 台の PC が搭載されている．一つ3D 位置精度を向上させるため，EKF を用いたは GPU（NVIDIA GTX-1080Ti）を用い，物体検─ 48 ─

3

おわりに
本研究では目線高さの単眼カメラを主とした，超遠方物体のリアルタイム高精度位置推定を実現することを試みた．試験を通して，提案手法

試験結果

車を①停止時，②走行時の 2 種類で試験シナリ

2 結果概要
2.1(a) 地形地図データの(b) 距離別の ROI(Region of Interest)
投例影Fig.2 画像への地形地図データの投影

レーム当たり約 0.10 sec であり，7.5 fps のカメ
ラではリアルタイム動作することが確認された．
結果の一例を図 3 に示す．高精度地形地図データと画像上の物体認識用 DCNN の活用により，200 m 以上遠方の車両を認識開始し，トラッキングを開始することに成功したものの，その後 DCNN による検出が失敗し，トラッキングが途切れた．170 m 程度の地点から近い範囲では，自車が停車中・走行中の両方で継続的に対向車の位置を把握できていた．100m 以上の範囲では推定距離の誤差は 15%程度であった．なお図は示していないが，先行車については 200
m 以上程度遠方まで継続的にトラッキングを行の適用可能性について検討した．
今回の試験において，申請者らは一つの単眼カメラ（解像度 1280x960）のみを用いて手法の検討を行った．すなわち，試験に用いたカメラ
は，その解像度の制約下で，すべての距離範囲をカバーする必要があった．今回の試験条件（カメラとレンズ）の場合，200 m 以上遠方の車両
は画像上で 10 px 四方よりも小さく映る．そのため，既存の物体認識用 DCNN をそのまま用いるだけでは検出の精度及び継続性に限界がある
こともわかった．ただしこの点に関する単純な解決策としては，より高解像度のカメラや，目標とする距離別に複数のカメラを用いることが挙げられる．この場合も，本研究で提案した手法は容易に適用可能であると予想される．
最後に，今回の研究助成でこのような研究の実施が可能になりました．機会を提供いただいたことに厚く御礼申し上げます．

─ 49 ─

公益財団法人

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平成 30 年度

研究報告書概要

車載単眼カメラと地図地形データを用いた
超遠方交通参加者の早期認識
Early recognition of far traffic participants
using an in-vehicle monocular camera and terrain data

出用 DCNN の一つである Yolo v3（9）の運用に特うことにも成功している．これらの結果は，地化させた．物体検出結果ならびに他のセンサの形地図データが使える場合，提案手法により単データはもう一台の PC で受信し，検出物体の眼カメラでも遠方から接近する対向車の存在とトラッキング計算もこちらの PC で行う．

位置を認識可能にできることを示唆している．

高精度 3D 地形地図データは申請者らのグループが独自に用意したものである．分解能は高さ方向に 7.5 cm, 平面内では 12.5cm である．

倉元 昭季,
Akisue KURAMOTO
首都大学東京,Tokyo Metropolitan University(a) 自車停止時

要旨英文（250～300 文字程度）
Earlier recognition of far traffic participants will be helpful for a safe urban driving of both autonomous andmanually driven vehicles. This paper proposes a monocular camera-based strategy to recognize oncoming
vehicle from a distance over 200 m and its 3D position. The 3D position is approximated by associating 2D
position on camera image with the 3D digital map. Extended Kalman Filter is applied to track detected objects.
The experimental results emphasize the practical ability of the proposed strategy in detection of a far oncoming
vehicle in over 150 m which was not detected by LiDAR or millimeter wave radar-based systems.

Fig. 1 提案手法のフロー．アスタリスクは，全フレームの結果を最新のフレームに関する作業へ適用していることを示す．

Key Words：Vehicle recognition, Camera, Digital map, Autonomous vehicle, Extended Kalman Filter(b) 自車走行時
図 3 200m 以上遠方から接近する
対向車の認識の時刻歴

1 はじめに交通参加者の早期からの行動予測が可能となれば，衝突リスクの管理やそれに応じた経路生成等，自動・手動を問わず自動車の市街地走行の安全性向上に大きな寄与が見込まれる．そこで本研究は，車載単眼カメラと地形地図データを用いて 200m 以上遠方の交通参加者の種別と位置を高精度に認識するフレームワークの開発を行った．具体的には，①3D 地形地図データを活用した，アイレベル画像の遠方領域の距離分解能の補償，ならびに②ノイズや検出物体種別を考慮したトラッキングの手法を開発し，従来は基本的に距離認識には不適とされてきた目線高さの単眼カメラを主とした，超遠方物
体のリアルタイム高精度位置推定を実現することを試みた．

2.3

金沢大学キャンパス内の少し起伏のある直線路において，200 m 以上遠方から接近する対向オを撮影した．なお提案手法の処理時間は 1 フ

提案手法の概要

提案手法のフローを図 1 に示す．まず，走行中

トラッキングを行う．

にカメラで周辺の画像を撮影する．同時に，自

2.2

試験

車位置と姿勢を取得する．3D 自己位置推定のの試験車両には，車両前方の撮影用カメラ（Flea

ち，カメラの可視領域について，高精度 3D 地

2, Pointgrey，1280x960, 7.5fps）をフロントガラ

形地図データを投影する（図 2(a)）．そして画像ス上部に車内側から設置した．車両上部には車の各画素に対応した可視路面の座標を得たのち，両位置測定用の RTK-GNSS システム（POS/LV

いくつかの相対距離範囲に基づいて，カメラ画

220, Applonix）, LiDAR（HDL-64E S2, Velodyne）

像から複数の ROI（Region of Interest）を抽出すがある．ミリ波レーダシステム（Millimeter waveる（図 2(b)）．各 ROI 画像に物体検出用 DCNN

radar, MWR）は車両の前方，側方，後方に計 9を適用し自動車を検出する．検出された自動車個設置してある．これらで検出された物体情報の画像上の位置に対応した地形地図データより，を，提案手法の評価に用いる．

検出された自動車の観測位置を得る．さらに、車両には 2 台の PC が搭載されている．一つ3D 位置精度を向上させるため，EKF を用いたは GPU（NVIDIA GTX-1080Ti）を用い，物体検─ 48 ─

3

おわりに
本研究では目線高さの単眼カメラを主とした，超遠方物体のリアルタイム高精度位置推定を実現することを試みた．試験を通して，提案手法

試験結果

車を①停止時，②走行時の 2 種類で試験シナリ

2 結果概要
2.1(a) 地形地図データの(b) 距離別の ROI(Region of Interest)
投例影Fig.2 画像への地形地図データの投影

レーム当たり約 0.10 sec であり，7.5 fps のカメ
ラではリアルタイム動作することが確認された．
結果の一例を図 3 に示す．高精度地形地図データと画像上の物体認識用 DCNN の活用により，200 m 以上遠方の車両を認識開始し，トラッキングを開始することに成功したものの，その後 DCNN による検出が失敗し，トラッキングが途切れた．170 m 程度の地点から近い範囲では，自車が停車中・走行中の両方で継続的に対向車の位置を把握できていた．100m 以上の範囲では推定距離の誤差は 15%程度であった．なお図は示していないが，先行車については 200
m 以上程度遠方まで継続的にトラッキングを行の適用可能性について検討した．
今回の試験において，申請者らは一つの単眼カメラ（解像度 1280x960）のみを用いて手法の検討を行った．すなわち，試験に用いたカメラ
は，その解像度の制約下で，すべての距離範囲をカバーする必要があった．今回の試験条件（カメラとレンズ）の場合，200 m 以上遠方の車両
は画像上で 10 px 四方よりも小さく映る．そのため，既存の物体認識用 DCNN をそのまま用いるだけでは検出の精度及び継続性に限界がある
こともわかった．ただしこの点に関する単純な解決策としては，より高解像度のカメラや，目標とする距離別に複数のカメラを用いることが挙げられる．この場合も，本研究で提案した手法は容易に適用可能であると予想される．
最後に，今回の研究助成でこのような研究の実施が可能になりました．機会を提供いただいたことに厚く御礼申し上げます．

─ 49 ─

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

Set initial values of someparameters

SEA を用いた制振材料の適正配置に関する研究(1) Calculate subsystem energy andinput power from vibration analysis

A Study on Structural Optimization of SEA Subsystems by Arrangement of Damping
Material

0.6 m(2) Calculate SEA parameters(3) Calculate constraint functions
from static analysis

黒田 勝彦, Kuroda Katsuhiko
長崎総合科学大学, Nagasaki Institute of Applied Science

図 4 対象構造の展開図：▲はラージマスの位
置，■は最適化の制振材配置

Comparison between some results
and target values

A structural optimization method of subsystems to realize desired SEA parameters was proposed by the authors

1.E-01

Noin the past studies. This method is based on a combination of SEA and FEM calculation, calculating repeatedly
until satisfying the value of objective functions under arbitrary constraints. However, it is difficult to apply theoriginal
optimus

Convergence?

1.E-02Yes

1.E-03End

optimal results to real machine structure because of setting the thickness of the FEM element as the design

図 1 構造最適法のフローチャート

variable. In this paper, the method is also validated through numerical analyses, using a finite element method,

1.E-0610element is set as a design variable, which should take a discrete value, the total mass is taken as a constraintfunction in order to minimize the subsystem energy, power or CLF12 at one frequency band. As a result, in

一枚平板および L 型構造を対象に有限要素法を用いて平板を任意の数のグループに分け，そのグル

2

結果概要

2.1

をそれぞれ 30 エリアと 18 エリアにグループ分

け，加振エリアを除く 29 エリアと 17 エリアでoriginal
optimus2 値が選択できる設計変数とした．制約条件は

1.E+13質量でオリジナル板では 3.60 kg と 2.17 kg であり，上限を 7 エリアと 4 エリアまでの制振材付

1.E+12

加とし，上限値は 3.86 kg と 2.31 kg である．目

1.E+11的関数は，図 5 で示す対象周波数範囲で最大値

1.E+10
10

FEM ベースの SEA パラメータの構造最適化

L 型平板を対象とした結果の一例

対象とし，境界は自由支持とする．平板 1 と 2

1.E+14
Subsystem power [W]に検証した．

1000

図 4 で示す厚さ 0.0016 m の L 型の鋼製平板を

図 2 対象構造：▲はラージマスの位置，■
は最適化の制振材配置

研究概要

を構成し，質量を制約条件，SEA パラメータを目的関数とした構造最適化を行い，その結果を実験的

2.3

0.6 m

Wordss：Statistical energy analysis, Shape design, Structural analysis, Finite element method
Key Word100
Frequency [Hz]図 5 L 型平板を対象とした数値解析による結合損失率の初期値と最適値の比較

0.3 m

comparison with experimental data, numerical analysis results are qualitatively accurate.

ープ分けした要素を設計変数として 2 値（オリジナル板と制振材）から選択できるような最適化方法

1.E-04

1.E-05of a flat plate and an L shaped plate, the subsystem is grouped into a plural elements, and the each grouped

1

0.5 m

0.3 m

CLF12 [-]

公益財団法人100
Frequency [Hz]（2.16×10-2）を示した 500 Hz 帯域の CLF12 と1000した．最適化アルゴリズムに大域的最適化手法

著者らによって開発された(1)SEA による構造

0.1 m の正方形で構成されるように 18 エリアに

図 3 一枚平板を対象とした数値解析による振動要素パワーの初期値と最適値の比較

で振動要素エネルギーと振動入力パワーが計算エリアで 2 値（ただし，板厚はどちらも 0.0016

部の節点に平板の質量に 106 倍掛けた質量を設が計算される．図中(3)では制約関数として例え支持とする．組み合わせは，217＝131072 通りと加振する．制約条件は質量でオリジナル板がば対象物の質量の判定が行われ，設定した最適なり，この中から最適配置を求める問題となる

2.17 kg であり，上限を 4 エリアまでの制振材付域でも初期値に比べて小さな値となっている．

化方法に準じて繰り返し計算が実施される．加が時間的制約から最適化アルゴリズム

振方法として，rain-on-the-roof 加振が用いられ（Differential Evolution）を用いて近似的に最適

放射音圧と相関の高い振動要素パワーで，図 3

参考論文てきたが，加振点数が多くなるため解析コスト解を求めることとした．オリジナル板と制振材

で示す対象周波数範囲での最大値（1.73×1013(1)黒田勝彦，山崎徹，鞍谷文保，所望の SEAが高いという問題がある．そこで，を全面に貼付した FRF の実験結果と計測したW）を示した 125 Hz 帯域とした．最適化結果は，パラメータを実現する要素形状の適正化，日本

最適化のフローチャートを図 1 に示す．図中(1)
された後，目的関数となる各種 SEA パラメータrain-on-the-roof 加振に代替する方法として，基グループ分けし，加振要素のエリアを除く 17m）が選択できる設計変数とした．境界は自由質量を比較することにより，オリジナル板と制の一種である Self-Adaptive Evolution を用いた

け，振動加速度が 9.8 m/s2 で平板の面外方向に加とし，上限値は 2.31 kg である．目的関数は，初期値に対し 1.01×1012 W に減少し，初期値の法の有効性が検討され(2)，本報では加振方法と振材の ILF 0.1 %と 5 %及び密度 7542 kg/m3 と9651 kg/m3 をそれぞれ決定した．ラージマス解

5.8 %の値となった．さらに，単位入力の点加振して，ラージマス解析を用いることとした．

析においては，ラージマスの設置前後での固有圧計測を行ったところ，125 Hz の周波数帯域に2.2

振動数の違いの小さい平板のある節点位置から

礎励振の一種であるラージマス解析を用いた方

一枚平板を対象とした結果の一例

図 2 で示す厚さ 0.0016 m の鋼製平板を一辺鉛直方向に 0.3 m の剛体領域を設け，その下端

─ 50 ─

で構造中央から 0.2 m の距離を評価点とした音

おいて初期値が 56.6 dB で，最適化の結果は 53.7

最 適 化 結 果 は ， 初 期 値 （ 2.16×10-2 ） に 対 し

3.84×10-4 に減少し，初期値の約 2 %の値となった．また図 4 より，500 Hz 帯域前後の周波数帯

機械 学会論文集 C 編， 79 ，799 (2013) ，pp.
1012-1023.

(2)黒田勝彦，並川修平，基礎励振による構造

SEA モデル構築に関する研究，日本機械学会論文集, 85, 879 (2019)，pp.1-15.

dB となり 2.9 dB 減少した．

─ 51 ─

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

Set initial values of someparameters

SEA を用いた制振材料の適正配置に関する研究(1) Calculate subsystem energy andinput power from vibration analysis

A Study on Structural Optimization of SEA Subsystems by Arrangement of Damping
Material

0.6 m(2) Calculate SEA parameters(3) Calculate constraint functions
from static analysis

黒田 勝彦, Kuroda Katsuhiko
長崎総合科学大学, Nagasaki Institute of Applied Science

図 4 対象構造の展開図：▲はラージマスの位
置，■は最適化の制振材配置

Comparison between some results
and target values

A structural optimization method of subsystems to realize desired SEA parameters was proposed by the authors

1.E-01

Noin the past studies. This method is based on a combination of SEA and FEM calculation, calculating repeatedly
until satisfying the value of objective functions under arbitrary constraints. However, it is difficult to apply theoriginal
optimus

Convergence?

1.E-02Yes

1.E-03End

optimal results to real machine structure because of setting the thickness of the FEM element as the design

図 1 構造最適法のフローチャート

variable. In this paper, the method is also validated through numerical analyses, using a finite element method,

1.E-0610element is set as a design variable, which should take a discrete value, the total mass is taken as a constraintfunction in order to minimize the subsystem energy, power or CLF12 at one frequency band. As a result, in

一枚平板および L 型構造を対象に有限要素法を用いて平板を任意の数のグループに分け，そのグル

2

結果概要

2.1

をそれぞれ 30 エリアと 18 エリアにグループ分

け，加振エリアを除く 29 エリアと 17 エリアでoriginal
optimus2 値が選択できる設計変数とした．制約条件は

1.E+13質量でオリジナル板では 3.60 kg と 2.17 kg であり，上限を 7 エリアと 4 エリアまでの制振材付

1.E+12

加とし，上限値は 3.86 kg と 2.31 kg である．目

1.E+11的関数は，図 5 で示す対象周波数範囲で最大値

1.E+10
10

FEM ベースの SEA パラメータの構造最適化

L 型平板を対象とした結果の一例

対象とし，境界は自由支持とする．平板 1 と 2

1.E+14
Subsystem power [W]に検証した．

1000

図 4 で示す厚さ 0.0016 m の L 型の鋼製平板を

図 2 対象構造：▲はラージマスの位置，■
は最適化の制振材配置

研究概要

を構成し，質量を制約条件，SEA パラメータを目的関数とした構造最適化を行い，その結果を実験的

2.3

0.6 m

Wordss：Statistical energy analysis, Shape design, Structural analysis, Finite element method
Key Word100
Frequency [Hz]図 5 L 型平板を対象とした数値解析による結合損失率の初期値と最適値の比較

0.3 m

comparison with experimental data, numerical analysis results are qualitatively accurate.

ープ分けした要素を設計変数として 2 値（オリジナル板と制振材）から選択できるような最適化方法

1.E-04

1.E-05of a flat plate and an L shaped plate, the subsystem is grouped into a plural elements, and the each grouped

1

0.5 m

0.3 m

CLF12 [-]

公益財団法人100
Frequency [Hz]（2.16×10-2）を示した 500 Hz 帯域の CLF12 と1000した．最適化アルゴリズムに大域的最適化手法

著者らによって開発された(1)SEA による構造

0.1 m の正方形で構成されるように 18 エリアに

図 3 一枚平板を対象とした数値解析による振動要素パワーの初期値と最適値の比較

で振動要素エネルギーと振動入力パワーが計算エリアで 2 値（ただし，板厚はどちらも 0.0016

部の節点に平板の質量に 106 倍掛けた質量を設が計算される．図中(3)では制約関数として例え支持とする．組み合わせは，217＝131072 通りと加振する．制約条件は質量でオリジナル板がば対象物の質量の判定が行われ，設定した最適なり，この中から最適配置を求める問題となる

2.17 kg であり，上限を 4 エリアまでの制振材付域でも初期値に比べて小さな値となっている．

化方法に準じて繰り返し計算が実施される．加が時間的制約から最適化アルゴリズム

振方法として，rain-on-the-roof 加振が用いられ（Differential Evolution）を用いて近似的に最適

放射音圧と相関の高い振動要素パワーで，図 3

参考論文てきたが，加振点数が多くなるため解析コスト解を求めることとした．オリジナル板と制振材

で示す対象周波数範囲での最大値（1.73×1013(1)黒田勝彦，山崎徹，鞍谷文保，所望の SEAが高いという問題がある．そこで，を全面に貼付した FRF の実験結果と計測したW）を示した 125 Hz 帯域とした．最適化結果は，パラメータを実現する要素形状の適正化，日本

最適化のフローチャートを図 1 に示す．図中(1)
された後，目的関数となる各種 SEA パラメータrain-on-the-roof 加振に代替する方法として，基グループ分けし，加振要素のエリアを除く 17m）が選択できる設計変数とした．境界は自由質量を比較することにより，オリジナル板と制の一種である Self-Adaptive Evolution を用いた

け，振動加速度が 9.8 m/s2 で平板の面外方向に加とし，上限値は 2.31 kg である．目的関数は，初期値に対し 1.01×1012 W に減少し，初期値の法の有効性が検討され(2)，本報では加振方法と振材の ILF 0.1 %と 5 %及び密度 7542 kg/m3 と9651 kg/m3 をそれぞれ決定した．ラージマス解

5.8 %の値となった．さらに，単位入力の点加振して，ラージマス解析を用いることとした．

析においては，ラージマスの設置前後での固有圧計測を行ったところ，125 Hz の周波数帯域に2.2

振動数の違いの小さい平板のある節点位置から

礎励振の一種であるラージマス解析を用いた方

一枚平板を対象とした結果の一例

図 2 で示す厚さ 0.0016 m の鋼製平板を一辺鉛直方向に 0.3 m の剛体領域を設け，その下端

─ 50 ─

で構造中央から 0.2 m の距離を評価点とした音

おいて初期値が 56.6 dB で，最適化の結果は 53.7

最 適 化 結 果 は ， 初 期 値 （ 2.16×10-2 ） に 対 し

3.84×10-4 に減少し，初期値の約 2 %の値となった．また図 4 より，500 Hz 帯域前後の周波数帯

機械 学会論文集 C 編， 79 ，799 (2013) ，pp.
1012-1023.

(2)黒田勝彦，並川修平，基礎励振による構造

SEA モデル構築に関する研究，日本機械学会論文集, 85, 879 (2019)，pp.1-15.

dB となり 2.9 dB 減少した．

─ 51 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

アルミニウム粉体燃焼の基礎的解明
と燃焼制御技術への応用
Fundamentally Understanding Aluminum Powder Combustion
and Application to Combustion Control Technique
小林 芳成 Yoshinari Kobayashi
岐阜大学 工学部 機械工学科 Department of Mechanical Engineering, Gifu UniversityThis work developed an apparatus which constantly supplies aluminum powders and investigated the
combustion behaviors under variable equivalence ratios and flow rates. A stable combustion was not achieved
when flow rate was increased or decreased, and eventually the blow off occurred at too high or too low flow
rates even at the same equivalence ratio.
Fig. 2 Flammability map of aluminum-air
mixtures. Blue line is the flammability limit
defined as 50% of the probability of combustion.
(a) Stable combustion(65 L/min., Φ =0.778)(b) Stable combustion(110 L/min., Φ =0.758)(c) Unstable combustion(185 L/min., Φ =0.767)(d) Blow off(245 L/min., Φ =0.775)

0s

0s

0s

0s

0.4 s

0.4 s

0.4 s

0.4 s

0.8 s

0.8 s

0.8 s

0.8 s

1.2 s

1.2 s

1.2 s

1.2 s

1.6 s

1.6 s

1.6 s

1.6 s

.H\:RUGV：アルミニウム粉体，燃焼挙動，可燃限界，火炎輻射輝度 はじめに
近年，化石燃料の枯渇や環境負荷低減の観点から再生可能エネルギーが注目されているが，既存の再生可能エネルギーは気象条件によって発電量が左右されやすく，安定供給が難しいという問題がある．そこで，本研究は，エネルギー密度が石油や石炭に匹敵するアルミニウム（Al）を用いたエネル
ギー生成に着目した．Al は粉体の場合，燃焼時に強い発熱と発光を伴いながら爆発的に反応し，かつ二酸化炭素（CO2）を排出しない．そのため，その際の熱・光エネルギーを回収することができれば，上記の問題のブレイクスルーとなり得る．また，燃焼後の酸化アルミニウム（Al2O3）も CO2 フリーで
Al に還元する技術が開発されており，それと組み合わせることで，再生可能エネルギーに代わる新たなエネルギーサイクルを構築することも期待できる．本研究は，それに向けた基礎的研究として Al
粉体燃焼装置を製作し，Al 粉体－酸素－窒素固気二相流の燃焼特性を調査した．

 結果概要 アルミニウム粉体燃焼装置の設計・製作
Al 粉体の燃焼を実現するために，Al 粉体および酸素・窒素を混合させ，Al 粉体－酸素－窒素
固気二相流を作成する装置を製作した．本研究で開発した Al 粉体燃焼装置の概要を Fig. 1 に示す．この装置は，容器に充填された粒径 3 μmの Al 粉体をキャリアガスである乾燥空気とともに容器上方の出口へと運搬する．均一な粉体供給を妨げるチャネリングを防止するため，容器内の攪拌装置を常時 80 rpm で回転させた．また，酸素と窒素をバイパスすることで，当量比，噴流流量，酸素濃度の調整を可能にした．流量の調整は，ガス供給ラインのレギュレータ（ヤマト産業，FR-1B-R-11N01-2204），デジタル圧力計（長野計器，GC61），流量計（Omron，
D6FZ-FGT200 ） お よ び 流 量 調 整 バ ル ブ（Swagelok，SS-1RS4）で行った．実験では，保炎器側面に空けた穴からメタン－酸素バーナーを挿入した後，Al 粉流を通風して点火させ，その後バーナーを退避させた．保炎器は SUS 製
で，管内には後向きステップが設けてある．それにより管径が急拡大し，再循環領域を形成す

Flame holder
Flow meter

Torch

Needle valve
Pressure gauge

P

P

P

Regulator
Stepping motor
Gas cylinder

O2

N2

Air

P

Storage tank
Aluminum powder

StirrerFig. 1 Schematic of the experimental apparatus toconstantly supply aluminum powders.
ることで連続的な燃焼を可能にする．
 可燃限界の特定
Al 粉体－酸素－窒素固気二相流の酸素濃度を 21%に固定し，それ以外の Al 粉体量および総流量・当量比を変化させ，Al 粉体の可燃限界を特定した．メタン－酸素バーナーを退避させた後，連続した定常燃焼が確認された場合を燃焼確率 100%，間欠的な非定常燃焼をした場合

─ 52 ─

Fig. 4 Flame radiance as a function of distancefrom the flame holder at 115 L/min. and 0.4301 g/s.

Fig. 3 Snapshots of combustion behaviors ofaluminum powders in different tested conditions.
を 50%，消炎した場合 0%とした場合の可燃マ
ップを Fig. 2 に示す．本研究では，燃焼確率が50%となる点を可燃限界として定義した．メイ
ン流量 35 L/min.以下では，燃焼を継続することが出来なかった．メイン流量 50 L/min.と 125
L/min.での同じ当量比の燃焼条件を比較すると，同当量比でも，流量が増加すると定常燃焼が困難になることが分かった．これは，流量が増加
すると火炎が伝播する前に，吹き飛んでしまうことが原因だと考えられる．また，
酸素濃度 21%では，当量比 0.6～0.8 の間で安定した定常燃焼から不安定な非定常燃焼への遷移が見られた．
 火炎挙動の観察
Figure 2 において，当量比が近い 4 条件(a) 65
L/min.， = 0.778，(b) 110 L/min.， = 0.758，(c)185 L/min.， = 0.767，(d) 245 L/min.， = 0.775の燃焼挙動をビデオカメラ(SONY HDR-CX390)で撮影した結果を Fig. 3 に示す．(a), (b)は連続した定常燃焼，(c)は間欠的な非定常燃焼，(d)は消炎時の挙動である．非定常燃焼では火炎形状が不規則で，燃焼と消炎を繰り返す挙動を示した．消炎する場合，火炎がアルミニウム粉体に伝播せず，徐々に消炎していった．

 火炎輻射輝度の計測
総流量 70 L/min.，
115 L/min.，および 150 L/min.
の 3 条件で，酸素濃度を変化させて燃焼させた
際の火炎の放射輝度を測定した．Figure 4 に総流量 115 L/min.，Al 供給量 0.4301 g/s における火炎の輻射輝度を示す．縦軸は輻射輝度，横軸は燃焼器出口からの距離を表す．Al 供給量が大きくなるにつれて燃焼火炎の放射輝度は大きくなるが，酸素濃度を増加させても放射輝度は大
きくならなかった．また，70 L/min.，115 L/min.
では燃焼器から離れるにつれて放射輝度が下降していくのに対し，150 L/min.では燃焼器から約4 cm の位置に放射輝度のピークが見られた．高流量の噴流火炎では，アルミニウム粒子が着火しながら流れていくと推測される．
 結論
本研究では，Al 粉体燃焼装置を製作し，可燃限界の特定および燃焼挙動の観察，火炎の輻射
輝度の計測を行った．そして，以下の基礎的な学術的知見を得た．
 同当量比でも流量が変化すると定常燃焼が困難になり，流量が低すぎる或いは高すぎると吹き飛びが生じる．
 酸素濃度 21%では，当量比 0.6 – 0.8 において定常燃焼から非定常燃焼への遷移過程が見られる．
 Al 供給量の増加と伴に火炎の輻射輝度は大きくなったが，酸素濃度の変化にはあまり敏感ではない．
今後は，熱流束センサーを用いて輻射エネル
ギーを計測し，Al 供給量との比較からエネルギ
ー生成効率が最大となる条件を探索する．

─ 53 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

アルミニウム粉体燃焼の基礎的解明
と燃焼制御技術への応用
Fundamentally Understanding Aluminum Powder Combustion
and Application to Combustion Control Technique
小林 芳成 Yoshinari Kobayashi
岐阜大学 工学部 機械工学科 Department of Mechanical Engineering, Gifu UniversityThis work developed an apparatus which constantly supplies aluminum powders and investigated the
combustion behaviors under variable equivalence ratios and flow rates. A stable combustion was not achieved
when flow rate was increased or decreased, and eventually the blow off occurred at too high or too low flow
rates even at the same equivalence ratio.
Fig. 2 Flammability map of aluminum-air
mixtures. Blue line is the flammability limit
defined as 50% of the probability of combustion.
(a) Stable combustion(65 L/min., Φ =0.778)(b) Stable combustion(110 L/min., Φ =0.758)(c) Unstable combustion(185 L/min., Φ =0.767)(d) Blow off(245 L/min., Φ =0.775)

0s

0s

0s

0s

0.4 s

0.4 s

0.4 s

0.4 s

0.8 s

0.8 s

0.8 s

0.8 s

1.2 s

1.2 s

1.2 s

1.2 s

1.6 s

1.6 s

1.6 s

1.6 s

.H\:RUGV：アルミニウム粉体，燃焼挙動，可燃限界，火炎輻射輝度 はじめに
近年，化石燃料の枯渇や環境負荷低減の観点から再生可能エネルギーが注目されているが，既存の再生可能エネルギーは気象条件によって発電量が左右されやすく，安定供給が難しいという問題がある．そこで，本研究は，エネルギー密度が石油や石炭に匹敵するアルミニウム（Al）を用いたエネル
ギー生成に着目した．Al は粉体の場合，燃焼時に強い発熱と発光を伴いながら爆発的に反応し，かつ二酸化炭素（CO2）を排出しない．そのため，その際の熱・光エネルギーを回収することができれば，上記の問題のブレイクスルーとなり得る．また，燃焼後の酸化アルミニウム（Al2O3）も CO2 フリーで
Al に還元する技術が開発されており，それと組み合わせることで，再生可能エネルギーに代わる新たなエネルギーサイクルを構築することも期待できる．本研究は，それに向けた基礎的研究として Al
粉体燃焼装置を製作し，Al 粉体－酸素－窒素固気二相流の燃焼特性を調査した．

 結果概要 アルミニウム粉体燃焼装置の設計・製作
Al 粉体の燃焼を実現するために，Al 粉体および酸素・窒素を混合させ，Al 粉体－酸素－窒素
固気二相流を作成する装置を製作した．本研究で開発した Al 粉体燃焼装置の概要を Fig. 1 に示す．この装置は，容器に充填された粒径 3 μmの Al 粉体をキャリアガスである乾燥空気とともに容器上方の出口へと運搬する．均一な粉体供給を妨げるチャネリングを防止するため，容器内の攪拌装置を常時 80 rpm で回転させた．また，酸素と窒素をバイパスすることで，当量比，噴流流量，酸素濃度の調整を可能にした．流量の調整は，ガス供給ラインのレギュレータ（ヤマト産業，FR-1B-R-11N01-2204），デジタル圧力計（長野計器，GC61），流量計（Omron，
D6FZ-FGT200 ） お よ び 流 量 調 整 バ ル ブ（Swagelok，SS-1RS4）で行った．実験では，保炎器側面に空けた穴からメタン－酸素バーナーを挿入した後，Al 粉流を通風して点火させ，その後バーナーを退避させた．保炎器は SUS 製
で，管内には後向きステップが設けてある．それにより管径が急拡大し，再循環領域を形成す

Flame holder
Flow meter

Torch

Needle valve
Pressure gauge

P

P

P

Regulator
Stepping motor
Gas cylinder

O2

N2

Air

P

Storage tank
Aluminum powder

StirrerFig. 1 Schematic of the experimental apparatus toconstantly supply aluminum powders.
ることで連続的な燃焼を可能にする．
 可燃限界の特定
Al 粉体－酸素－窒素固気二相流の酸素濃度を 21%に固定し，それ以外の Al 粉体量および総流量・当量比を変化させ，Al 粉体の可燃限界を特定した．メタン－酸素バーナーを退避させた後，連続した定常燃焼が確認された場合を燃焼確率 100%，間欠的な非定常燃焼をした場合

─ 52 ─

Fig. 4 Flame radiance as a function of distancefrom the flame holder at 115 L/min. and 0.4301 g/s.

Fig. 3 Snapshots of combustion behaviors ofaluminum powders in different tested conditions.
を 50%，消炎した場合 0%とした場合の可燃マ
ップを Fig. 2 に示す．本研究では，燃焼確率が50%となる点を可燃限界として定義した．メイ
ン流量 35 L/min.以下では，燃焼を継続することが出来なかった．メイン流量 50 L/min.と 125
L/min.での同じ当量比の燃焼条件を比較すると，同当量比でも，流量が増加すると定常燃焼が困難になることが分かった．これは，流量が増加
すると火炎が伝播する前に，吹き飛んでしまうことが原因だと考えられる．また，
酸素濃度 21%では，当量比 0.6～0.8 の間で安定した定常燃焼から不安定な非定常燃焼への遷移が見られた．
 火炎挙動の観察
Figure 2 において，当量比が近い 4 条件(a) 65
L/min.， = 0.778，(b) 110 L/min.， = 0.758，(c)185 L/min.， = 0.767，(d) 245 L/min.， = 0.775の燃焼挙動をビデオカメラ(SONY HDR-CX390)で撮影した結果を Fig. 3 に示す．(a), (b)は連続した定常燃焼，(c)は間欠的な非定常燃焼，(d)は消炎時の挙動である．非定常燃焼では火炎形状が不規則で，燃焼と消炎を繰り返す挙動を示した．消炎する場合，火炎がアルミニウム粉体に伝播せず，徐々に消炎していった．

 火炎輻射輝度の計測
総流量 70 L/min.，
115 L/min.，および 150 L/min.
の 3 条件で，酸素濃度を変化させて燃焼させた
際の火炎の放射輝度を測定した．Figure 4 に総流量 115 L/min.，Al 供給量 0.4301 g/s における火炎の輻射輝度を示す．縦軸は輻射輝度，横軸は燃焼器出口からの距離を表す．Al 供給量が大きくなるにつれて燃焼火炎の放射輝度は大きくなるが，酸素濃度を増加させても放射輝度は大
きくならなかった．また，70 L/min.，115 L/min.
では燃焼器から離れるにつれて放射輝度が下降していくのに対し，150 L/min.では燃焼器から約4 cm の位置に放射輝度のピークが見られた．高流量の噴流火炎では，アルミニウム粒子が着火しながら流れていくと推測される．
 結論
本研究では，Al 粉体燃焼装置を製作し，可燃限界の特定および燃焼挙動の観察，火炎の輻射
輝度の計測を行った．そして，以下の基礎的な学術的知見を得た．
 同当量比でも流量が変化すると定常燃焼が困難になり，流量が低すぎる或いは高すぎると吹き飛びが生じる．
 酸素濃度 21%では，当量比 0.6 – 0.8 において定常燃焼から非定常燃焼への遷移過程が見られる．
 Al 供給量の増加と伴に火炎の輻射輝度は大きくなったが，酸素濃度の変化にはあまり敏感ではない．
今後は，熱流束センサーを用いて輻射エネル
ギーを計測し，Al 供給量との比較からエネルギ
ー生成効率が最大となる条件を探索する．

─ 53 ─

平成 30 年度

研究報告書概要

元素分析と原子数濃度測定を行った．さらに小型歯車のための超短時間浸炭焼入れプロセスの開発作製した試験片断面に対してナイタールを用

Development of rapid carburizing process for small gears

また，ビッカース硬さ試験機を用いて断面の深さ方向のビッカース硬さ測定（荷重 100 g）(EPMA)により断面の深さ方向の炭素量を測Atmospheric-controlled Induction Heating Fine Particle Peening (AIH-FPP) treatment can make transfer anddiffusion layer on surface of a base material in a short time.

The AIH-FPP treatment can cool the heatedspecimens by blowing N2 gas. In this paper, we tried to make case-hardening using AIH-FPP treatment. First,
we prepared carbon/steel mechanical coating (MC) particles, which were used in the AIH-FPP treatment of pureiron. The treated surface was observed under a scanning electron microscope (SEM) and characterized using
Then, we observed the structure of specimens by etching using

an optical microscope and mesured carbon construction by using an Electron Probe Micro Analyzer (EPMA).
From these results, it was clarified that carbon diffused inside the base material which was treated at 1000°C or
higher. These results suggest that carbon diffusion by AIH-FPP treatment requires a treatment temperature
above the A3 transformation point.

定した．
2.2 結果Fig. 1 に試験片表面の原子数濃度測定結果を示す．なお，原子数濃度は Fe の原子数濃度

C
Fe

80
60
40
20
0

Untreated 800℃
未処理材

Fig. 1に算出している．同図より，800℃，900℃，
1000℃，1100℃の処理よりも 1200℃の処理の方が基材表面に存在する C が多いことが示された．AIH-FPP 処理において処理温度を上昇させると投射粒子成分の基材表面への移着量が増加することが報告されている．このことから
あるいはそれ以上の量の C が基材表面に移着し300

具体的には，雰囲気制御下で高周波誘導加熱した基材に微粒子を高速投射するシステムを利用した超短時間浸炭焼入れ処理法を開発し，鋼の耐摩擦・摩耗性，耐腐食や疲労特性に及ぼすその効果を調べるための基礎研究を行う．

Fig. 2 に試験片断面における深さ方向のビッ

1000

素量測定結果を示す．この図からも最表面から

2

結果概要

100~150 µm 程度まで C が侵入していることが

2.1

はじめに

分 か る ． こ れ ら の 結 果 か ら ， 炭 素 / 鋼 MC

浸炭処理は工業的に広く用いられている表面

ルゴンに置換してから回転数 400 rpm のミリ処理であるが，反応時に一酸化炭素が発生する

ング 5 分，休止 15 分のサイクルを 72 回行うこことや焼入れに油冷が用いられるため，安全性とで作製した．

（Mechanical Coating）粒子を用いて AIH-FPP 処
理を施すことにより，炭素が移着・拡散した層という観点から課題が残されている．また，処被処理材には快削純鉄 ME1F を使用した．同を創成可能なことが明らかになった．
最後に焼入れ性の検討を行った．ここには図

理には長時間を要することや大規模な設備が必

材を直径 15 mm, 厚さ 4 mm の円盤型に機械示していないが，実験で得られた冷却曲線と文要という問題点もある．

加工した後，#240~1200 の耐水研磨紙で一方の献から得られた CCT 線図との比較を行った．

本研究では，モデル材として純鉄を用いて，端面を研磨した．この試験片を IH コイルの内その結果，いずれの処理温度の冷却曲線においこれに炭素粉末を保持させた鋼粒子を用いた側に設置して，チャンバー内のゲージ圧が-0.05ても，炭素鋼の CCT 線図ではオーステナイト

AIH-FPP 処理を施し，処理による基材表面へのMPa となるまで真空引きした後，FPP ノズル

域からフェライト域とパーライト域を通過してC の移着と拡散挙動について調べ，その結果にから N2 ガスを供給することでチャンバー内のいることが明らかとなった．焼入れによりマルついて検討・考察を加えた．

雰囲気を置換した．その後，10 秒間で試験片をテンサイト組織を形成するには，冷却曲線がパ2.2

処理温度まで昇温し，その温度を保持した状態

ーライト域やベイナイト域に触れないように急方法

投射粒子には，粉体混合装置により作製した作製した試験片表面に対して走査型電子顕微

いた．炭素/鋼 MC 粒子は，炭素粉末 1 g と鋼鏡(SEM)を用いて表面の観察を行った．また，

粒子 100 g を容器に入れ，容器内の雰囲気をアエネルギー分散型 X 線分光装置(EDX)を用いて

─ 54 ─

300

0.6
1200℃
1100℃
1000℃
900℃
800℃
Untreated

0.5
0.4

0.3
0.2
0.1
0

0

100
200
Depth from the surface，µm

300Fig. 3 EPMA analysis results of thespecimen cross section
冷しなければならない．したがって今後は，焼入れ性に優れた供試材を使用した実験や冷却速度を上昇させる手段を検討する必要がある．

で AIH-FPP 処理を行った．

炭素/鋼 MC（Mechanical Coating）粒子を用

100
200
Depth from the surface，µm

cross section

上の処理では最表面から 100 µm 程度の深さま
Fig. 3 に EPMA による試験片断面深さ方向の炭

1200℃

Fig. 2 Vickers hardness of the specimen

カース硬さ測定結果を示す．同図より 1000℃以で硬さが上昇していることがわかる． また，

1100℃

1200℃
1100℃
1000℃
900℃
800℃
Untreated

200

0

たが，C が基材内部に侵入したことで試験片表

Element concentration of carbon，wt.%

研究概要

1000℃

Measurement result of atomic number

面の炭素が減少したと考えられる．

本研究では，『超短時間』『安価』『高性能』をキーワードとする，新しい表面改質プロセスを構築する．

900℃

concentration on the specimenと C の原子数濃度との合計が 100%となるよう

1200℃の処理では 1100℃以下の処理と同程度

Key Words：AIH-FPP treatment, carbon/steel mechanical coating (MC) particles

1

いて腐食させ光学顕微鏡で組織観察を行った．

を行った．さらに，電子プローブ微小分析器

小茂鳥 潤,KOMOTORI Jun
慶應義塾大学,
KEIO University

energy-dispersive X-ray spectrometry (EDX).

100

Vickers hadness，HV0.98

スズキ財団

Element concentration ，at.%公益財団法人─ 55 ─

平成 30 年度

研究報告書概要

元素分析と原子数濃度測定を行った．さらに小型歯車のための超短時間浸炭焼入れプロセスの開発作製した試験片断面に対してナイタールを用

Development of rapid carburizing process for small gears

また，ビッカース硬さ試験機を用いて断面の深さ方向のビッカース硬さ測定（荷重 100 g）(EPMA)により断面の深さ方向の炭素量を測Atmospheric-controlled Induction Heating Fine Particle Peening (AIH-FPP) treatment can make transfer anddiffusion layer on surface of a base material in a short time.

The AIH-FPP treatment can cool the heatedspecimens by blowing N2 gas. In this paper, we tried to make case-hardening using AIH-FPP treatment. First,
we prepared carbon/steel mechanical coating (MC) particles, which were used in the AIH-FPP treatment of pureiron. The treated surface was observed under a scanning electron microscope (SEM) and characterized using
Then, we observed the structure of specimens by etching using

an optical microscope and mesured carbon construction by using an Electron Probe Micro Analyzer (EPMA).
From these results, it was clarified that carbon diffused inside the base material which was treated at 1000°C or
higher. These results suggest that carbon diffusion by AIH-FPP treatment requires a treatment temperature
above the A3 transformation point.

定した．
2.2 結果Fig. 1 に試験片表面の原子数濃度測定結果を示す．なお，原子数濃度は Fe の原子数濃度

C
Fe

80
60
40
20
0

Untreated 800℃
未処理材

Fig. 1に算出している．同図より，800℃，900℃，
1000℃，1100℃の処理よりも 1200℃の処理の方が基材表面に存在する C が多いことが示された．AIH-FPP 処理において処理温度を上昇させると投射粒子成分の基材表面への移着量が増加することが報告されている．このことから
あるいはそれ以上の量の C が基材表面に移着し300

具体的には，雰囲気制御下で高周波誘導加熱した基材に微粒子を高速投射するシステムを利用した超短時間浸炭焼入れ処理法を開発し，鋼の耐摩擦・摩耗性，耐腐食や疲労特性に及ぼすその効果を調べるための基礎研究を行う．

Fig. 2 に試験片断面における深さ方向のビッ

1000

素量測定結果を示す．この図からも最表面から

2

結果概要

100~150 µm 程度まで C が侵入していることが

2.1

はじめに

分 か る ． こ れ ら の 結 果 か ら ， 炭 素 / 鋼 MC

浸炭処理は工業的に広く用いられている表面

ルゴンに置換してから回転数 400 rpm のミリ処理であるが，反応時に一酸化炭素が発生する

ング 5 分，休止 15 分のサイクルを 72 回行うこことや焼入れに油冷が用いられるため，安全性とで作製した．

（Mechanical Coating）粒子を用いて AIH-FPP 処
理を施すことにより，炭素が移着・拡散した層という観点から課題が残されている．また，処被処理材には快削純鉄 ME1F を使用した．同を創成可能なことが明らかになった．
最後に焼入れ性の検討を行った．ここには図

理には長時間を要することや大規模な設備が必

材を直径 15 mm, 厚さ 4 mm の円盤型に機械示していないが，実験で得られた冷却曲線と文要という問題点もある．

加工した後，#240~1200 の耐水研磨紙で一方の献から得られた CCT 線図との比較を行った．

本研究では，モデル材として純鉄を用いて，端面を研磨した．この試験片を IH コイルの内その結果，いずれの処理温度の冷却曲線においこれに炭素粉末を保持させた鋼粒子を用いた側に設置して，チャンバー内のゲージ圧が-0.05ても，炭素鋼の CCT 線図ではオーステナイト

AIH-FPP 処理を施し，処理による基材表面へのMPa となるまで真空引きした後，FPP ノズル

域からフェライト域とパーライト域を通過してC の移着と拡散挙動について調べ，その結果にから N2 ガスを供給することでチャンバー内のいることが明らかとなった．焼入れによりマルついて検討・考察を加えた．

雰囲気を置換した．その後，10 秒間で試験片をテンサイト組織を形成するには，冷却曲線がパ2.2

処理温度まで昇温し，その温度を保持した状態

ーライト域やベイナイト域に触れないように急方法

投射粒子には，粉体混合装置により作製した作製した試験片表面に対して走査型電子顕微

いた．炭素/鋼 MC 粒子は，炭素粉末 1 g と鋼鏡(SEM)を用いて表面の観察を行った．また，

粒子 100 g を容器に入れ，容器内の雰囲気をアエネルギー分散型 X 線分光装置(EDX)を用いて

─ 54 ─

300

0.6
1200℃
1100℃
1000℃
900℃
800℃
Untreated

0.5
0.4

0.3
0.2
0.1
0

0

100
200
Depth from the surface，µm

300Fig. 3 EPMA analysis results of thespecimen cross section
冷しなければならない．したがって今後は，焼入れ性に優れた供試材を使用した実験や冷却速度を上昇させる手段を検討する必要がある．

で AIH-FPP 処理を行った．

炭素/鋼 MC（Mechanical Coating）粒子を用

100
200
Depth from the surface，µm

cross section

上の処理では最表面から 100 µm 程度の深さま
Fig. 3 に EPMA による試験片断面深さ方向の炭

1200℃

Fig. 2 Vickers hardness of the specimen

カース硬さ測定結果を示す．同図より 1000℃以で硬さが上昇していることがわかる． また，

1100℃

1200℃
1100℃
1000℃
900℃
800℃
Untreated

200

0

たが，C が基材内部に侵入したことで試験片表

Element concentration of carbon，wt.%

研究概要

1000℃

Measurement result of atomic number

面の炭素が減少したと考えられる．

本研究では，『超短時間』『安価』『高性能』をキーワードとする，新しい表面改質プロセスを構築する．

900℃

concentration on the specimenと C の原子数濃度との合計が 100%となるよう

1200℃の処理では 1100℃以下の処理と同程度

Key Words：AIH-FPP treatment, carbon/steel mechanical coating (MC) particles

1

いて腐食させ光学顕微鏡で組織観察を行った．

を行った．さらに，電子プローブ微小分析器

小茂鳥 潤,KOMOTORI Jun
慶應義塾大学,
KEIO University

energy-dispersive X-ray spectrometry (EDX).

100

Vickers hadness，HV0.98

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Element concentration ，at.%公益財団法人─ 55 ─

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平成 30 年度

Table 1

研究報告書概要

超臨界処理を応用したサブミクロン活性炭の最適設計による電気二重層キャパシタの高性能化
High performance electric double layer capacitors by optimal design of submicron
active carbon using supercritical processingÔ¸ AÕ, Takeyasu SaitoeËs©eieiÍ ri¡§£, Graduate School of Eng., Osaka Prefecture Universityz®gÅW¹Ïj²_Ê

SBET
Vmicro Vmeso
Vtot Vmeso/tot 表面官能基量 [mmol/g]
賦活
賦活法[m2/g] [cm3/g] [cm3/g] [cm3/g] [%] 全酸性基 全塩基性基
温度
952
0.42
0.06
0.48
12.2
1.31
0.17
700ºC
800ºC KOH 1260
0.53
0.04
0.57
6.7
0.84
0.31
フラン
900ºC
2230
1.23
0.62
1.85
33.7
0.68
0.35
610ºC SCKOH 360
0.17
0.16
0.33
47.2
700ºC
1334
0.54
0.29
0.82
34.7
0.65
0.05
0.70
7.4
フェノール 800ºC KOH 1570
900ºC
2082
1.15
0.69
1.84
37.3
0.76
0.40
700ºC
1123
0.54
0.38
0.92
41.1
1.06
2.57
1.37
1.12
2.49
45.0
0.70
2.02
メラミン 800ºC KOH 2040
900ºC
2090
1.39
1.32
2.71
48.8
樹脂種

=: 2.71 cm /g) S  V (2040 m /g, 2.49 cm /g)
BET

2

tot

2

carburized furfural, phenol and melamine resin particles (10 µm in diameter), then carried out N adsorption to2

evaluate pore structure.

All three resins based active carbon after KOH activation at 800 or 900°C had

mesopore ratio more than 30% and specific surface area more than 2000 m /g.
2

Surface chemical structures andthe fraction of organic functional groups in the pore were evaluated by the Boehm titration method.

The total

basic functional groups with the melamine resin-based active carbon were ca. 5 times larger than those of

furfural and phenol resin-based ones.

The electrochemical performances by constant current charge/discharge

test with organic solution (1 M TEABF /PC) showed high-speed charge/discharge performance.
4

It was foundthat the higher mesopore ratio, the larger specific capacity was obtained and mesopore ratio has a greater effecton specific capacity than surface functional groups.

Also, high-speed charge/discharge performance was

improved due to rapid electrolyte transport due to the increase in mesopore ratio.

du{be&RÈz_Ê

電気二重層キャパシタ（Electric Double Layer Capacitor, EDLC）は活性炭電極と電解質界面に生じる電気の静電容量に影響すると考えられているが、その理解は不十分であり、特にエネルギー密度の改善が求められている。活性炭の多くが植物由来原料であるため、原料組成や粒度、形状が不均一な事が物性と性能の関係が不明朗な理由の一因である。このような不均一性を排除し、各種物性と電気特性の理解を体系的にとらえたアプローチは稀であったが、熱硬化性樹脂は高純度・高強度で形状の設計自由度が高いために、作製した活性炭の各種物性を元にして EDLC 特性を検討することは極めて有効である。また、炭素原料の C 原子を N, S, B などのヘテロ原子で置換することで静電容量が増大した報告があることから、モノマー原料中のヘテロ原子による容量に対する影響を理解することも重要である。本研究では、3 種のモノマー由来の熱硬化性樹脂を前駆体にして、炭化・賦活条件を変えて活性炭を作製した。得られた活性炭の比表面積、細孔構造、表面化学構造を評価し、水系・有機系電解液との親和性やキャパシタ性能との関係を考察することで EDLCの高容量化の実現を目指した。

¨­]´#&®gÅW Boehm k#&¹ÏRÈz_>Ra_z_Ê(¢

R³ 900ºC KOH ¾"e2

BETm /g795=: 2090 m /g)R®gm¦(V )(32

tot

9=: 1.85 cm /g3+1?;: 1.84 cm /g795

─ 56 ─

3

Fig. 2Y¥³( KOH ¾zQ}Îz

700ºC KOH I(2 F/g)Èzj²_

O[(¢795=Ra_zj²Ê_Ê(2.57, 2.02 mmol/g)Î»¿®gSc.6?/ÂÃ

39=3+1?;

q

70g

Óz[B
L

5 MGB814?ÒE N P­

Æ'&_¾w"h&X²z

2.3

&³¾z EDLC z¼K

)5=*5=2:-= N \a_z&ÓmÊ&±$'&½~kÎQ}Î½Ñ¯( Fig.1 ¢«Î»

(6M KOHaq)20 mAg ÉÊmÊ

700ºCKOH ¾(188 F/g)900ºCKOH ¾(173F/g)e800ºC KOH ¾(69 F/g) 1000ºC

CO ¾(24 F/g)p2

100 mAg mÊ 700ºC KOH ¾(15 F/g)#%" 900ºC KOH ¾
(43 F/g)e¤te

IÎotÈe(1.31 mmol/g)70g

zj²_Ê

(12.2%)700ºC KOH ¾

%ÓÎot70g
(33.7%)Èzj²_Ê

E

ÓmÊ
e

IN(0.68 mmol/g)

 900ºC KOH ¾ÓmÊ±$x$'

( Fig.2 ¢«Î»(6M KOHaq)20 mAg ÉÊmÊ3+1?;-900ºC (194 F/g)795=-800ºC (194 F/g)39=-900ºC (173 F/g), 79

5=-700ºC (111 F/g)795=-700ºC
 S

BET

F 3 ½~ÁVU&!ImÊ±$'&50 mAg GB
ÓÄQ}Î795=-800ºCmÊ(°|   @    3 + 1 ? ; -900ºC  3 9 =-900ºC (173 F/g)mÊ

ICS 5,
BET<gm¦ÖV × 3 ½~Z¤t& Ö2000
micro

m /g GB1.15 ~ 1.39 cm /g ×70gm¦ÖV ×
2

3

795=-800ºC
%70gmeso¬ 2 Me(1.12 cm /g)3

Î»¿yÄÂÃnD'& 'ÓÄQ}ÎKOH ¾#

±$'&«Î»(1M TEMABF /PC)%be&-COOH _Èzj²_

R½~ÓÄQ}ÎmÊp

¹Ï¦(S )(39=: 2230 m /g3+1?;: 2082
2

$

f±$'&3+1?;"Z&

活性炭の物性評価

SCKOH ¾JºY³z½~

qz¹Ï O \Èzj²_ 900ºC GBT¿yÄ]´

結果概要
2

KOH ¾tY¥¾x$'39=³z

はじめに

Table 1  KOH ¾WÀµ CO (x$'70g(2 ~ 50

'Q}Î½Ñ¯

2.1



2.2 ¾H EDLC zvÐ

二重層を利用したエネルギー貯蔵デバイスである。比表面積、細孔構造、表面化学構造などの因子が EDLC

2

nm)

BET

Y¥³( KOH ¾ÓmÊ

Key WordsØactive carbon, EDLC, thermosetting resin, surface chemical structure

1

Ó

SCKOH ¾360 m /g  S p
Ó70g(47.2 %)x$

3'3 ³E"70g2

We prepared active carbon by KOH activation or CO activation ranging from 700 to 1000°C for 0.5 h with

39=³(Y¥¾
x$'zQ}Îzx$'795=800ºC

3

"eFig. 1'«Î»¿(Ìl&`^@¶SCKOH ¾ÉÊmÊ¹Ï¦~p

Î»

4





·

Fz½±$'&«Î

»(1M TEABF /PC )20 mAg É4ÊmÊzÇU("!

-COOH ªÈzj²_&vÐ

900ºC KOH ÓmÊ(108 F/g)%

3

─ 57 ─

°|Î»¿ÂÃ(ÌlqX²z±$'&

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

Table 1

研究報告書概要

超臨界処理を応用したサブミクロン活性炭の最適設計による電気二重層キャパシタの高性能化
High performance electric double layer capacitors by optimal design of submicron
active carbon using supercritical processingÔ¸ AÕ, Takeyasu SaitoeËs©eieiÍ ri¡§£, Graduate School of Eng., Osaka Prefecture Universityz®gÅW¹Ïj²_Ê

SBET
Vmicro Vmeso
Vtot Vmeso/tot 表面官能基量 [mmol/g]
賦活
賦活法[m2/g] [cm3/g] [cm3/g] [cm3/g] [%] 全酸性基 全塩基性基
温度
952
0.42
0.06
0.48
12.2
1.31
0.17
700ºC
800ºC KOH 1260
0.53
0.04
0.57
6.7
0.84
0.31
フラン
900ºC
2230
1.23
0.62
1.85
33.7
0.68
0.35
610ºC SCKOH 360
0.17
0.16
0.33
47.2
700ºC
1334
0.54
0.29
0.82
34.7
0.65
0.05
0.70
7.4
フェノール 800ºC KOH 1570
900ºC
2082
1.15
0.69
1.84
37.3
0.76
0.40
700ºC
1123
0.54
0.38
0.92
41.1
1.06
2.57
1.37
1.12
2.49
45.0
0.70
2.02
メラミン 800ºC KOH 2040
900ºC
2090
1.39
1.32
2.71
48.8
樹脂種

=: 2.71 cm /g) S  V (2040 m /g, 2.49 cm /g)
BET

2

tot

2

carburized furfural, phenol and melamine resin particles (10 µm in diameter), then carried out N adsorption to2

evaluate pore structure.

All three resins based active carbon after KOH activation at 800 or 900°C had

mesopore ratio more than 30% and specific surface area more than 2000 m /g.
2

Surface chemical structures andthe fraction of organic functional groups in the pore were evaluated by the Boehm titration method.

The total

basic functional groups with the melamine resin-based active carbon were ca. 5 times larger than those of

furfural and phenol resin-based ones.

The electrochemical performances by constant current charge/discharge

test with organic solution (1 M TEABF /PC) showed high-speed charge/discharge performance.
4

It was foundthat the higher mesopore ratio, the larger specific capacity was obtained and mesopore ratio has a greater effecton specific capacity than surface functional groups.

Also, high-speed charge/discharge performance was

improved due to rapid electrolyte transport due to the increase in mesopore ratio.

du{be&RÈz_Ê

電気二重層キャパシタ（Electric Double Layer Capacitor, EDLC）は活性炭電極と電解質界面に生じる電気の静電容量に影響すると考えられているが、その理解は不十分であり、特にエネルギー密度の改善が求められている。活性炭の多くが植物由来原料であるため、原料組成や粒度、形状が不均一な事が物性と性能の関係が不明朗な理由の一因である。このような不均一性を排除し、各種物性と電気特性の理解を体系的にとらえたアプローチは稀であったが、熱硬化性樹脂は高純度・高強度で形状の設計自由度が高いために、作製した活性炭の各種物性を元にして EDLC 特性を検討することは極めて有効である。また、炭素原料の C 原子を N, S, B などのヘテロ原子で置換することで静電容量が増大した報告があることから、モノマー原料中のヘテロ原子による容量に対する影響を理解することも重要である。本研究では、3 種のモノマー由来の熱硬化性樹脂を前駆体にして、炭化・賦活条件を変えて活性炭を作製した。得られた活性炭の比表面積、細孔構造、表面化学構造を評価し、水系・有機系電解液との親和性やキャパシタ性能との関係を考察することで EDLCの高容量化の実現を目指した。

¨­]´#&®gÅW Boehm k#&¹ÏRÈz_>Ra_z_Ê(¢

R³ 900ºC KOH ¾"e2

BETm /g795=: 2090 m /g)R®gm¦(V )(32

tot

9=: 1.85 cm /g3+1?;: 1.84 cm /g795

─ 56 ─

3

Fig. 2Y¥³( KOH ¾zQ}Îz

700ºC KOH I(2 F/g)Èzj²_

O[(¢795=Ra_zj²Ê_Ê(2.57, 2.02 mmol/g)Î»¿®gSc.6?/ÂÃ

39=3+1?;

q

70g

Óz[B
L

5 MGB814?ÒE N P­

Æ'&_¾w"h&X²z

2.3

&³¾z EDLC z¼K

)5=*5=2:-= N \a_z&ÓmÊ&±$'&½~kÎQ}Î½Ñ¯( Fig.1 ¢«Î»

(6M KOHaq)20 mAg ÉÊmÊ

700ºCKOH ¾(188 F/g)900ºCKOH ¾(173F/g)e800ºC KOH ¾(69 F/g) 1000ºC

CO ¾(24 F/g)p2

100 mAg mÊ 700ºC KOH ¾(15 F/g)#%" 900ºC KOH ¾
(43 F/g)e¤te

IÎotÈe(1.31 mmol/g)70g

zj²_Ê

(12.2%)700ºC KOH ¾

%ÓÎot70g
(33.7%)Èzj²_Ê

E

ÓmÊ
e

IN(0.68 mmol/g)

 900ºC KOH ¾ÓmÊ±$x$'

( Fig.2 ¢«Î»(6M KOHaq)20 mAg ÉÊmÊ3+1?;-900ºC (194 F/g)795=-800ºC (194 F/g)39=-900ºC (173 F/g), 79

5=-700ºC (111 F/g)795=-700ºC
 S

BET

F 3 ½~ÁVU&!ImÊ±$'&50 mAg GB
ÓÄQ}Î795=-800ºCmÊ(°|   @    3 + 1 ? ; -900ºC  3 9 =-900ºC (173 F/g)mÊ

ICS 5,
BET<gm¦ÖV × 3 ½~Z¤t& Ö2000
micro

m /g GB1.15 ~ 1.39 cm /g ×70gm¦ÖV ×
2

3

795=-800ºC
%70gmeso¬ 2 Me(1.12 cm /g)3

Î»¿yÄÂÃnD'& 'ÓÄQ}ÎKOH ¾#

±$'&«Î»(1M TEMABF /PC)%be&-COOH _Èzj²_

R½~ÓÄQ}ÎmÊp

¹Ï¦(S )(39=: 2230 m /g3+1?;: 2082
2

$

f±$'&3+1?;"Z&

活性炭の物性評価

SCKOH ¾JºY³z½~

qz¹Ï O \Èzj²_ 900ºC GBT¿yÄ]´

結果概要
2

KOH ¾tY¥¾x$'39=³z

はじめに

Table 1  KOH ¾WÀµ CO (x$'70g(2 ~ 50

'Q}Î½Ñ¯

2.1



2.2 ¾H EDLC zvÐ

二重層を利用したエネルギー貯蔵デバイスである。比表面積、細孔構造、表面化学構造などの因子が EDLC

2

nm)

BET

Y¥³( KOH ¾ÓmÊ

Key WordsØactive carbon, EDLC, thermosetting resin, surface chemical structure

1

Ó

SCKOH ¾360 m /g  S p
Ó70g(47.2 %)x$

3'3 ³E"70g2

We prepared active carbon by KOH activation or CO activation ranging from 700 to 1000°C for 0.5 h with

39=³(Y¥¾
x$'zQ}Îzx$'795=800ºC

3

"eFig. 1'«Î»¿(Ìl&`^@¶SCKOH ¾ÉÊmÊ¹Ï¦~p

Î»

4





·

Fz½±$'&«Î

»(1M TEABF /PC )20 mAg É4ÊmÊzÇU("!

-COOH ªÈzj²_&vÐ

900ºC KOH ÓmÊ(108 F/g)%

3

─ 57 ─

°|Î»¿ÂÃ(ÌlqX²z±$'&

認できる．	
 次世代全固体電池の劣化診断技術に関する基礎研究	 80

数関数的に増大することが確認できる．環境温70

medium	 and	 low	
 stage	 cells.	
 (3)	
 It	
 is	
 possible	
 to	
 distinguish	
 a	
 new	
 battery	 from	 a	
 used	 battery	
 by	
 simply	 lowering	 the	
 ambient	
 temperature	 below	
 0	
 degC.	
 (4)	
 It	
 has	
 been	 found	 that	 even	 in	
 mass-produced	
 batteries,	
 since	 moisture	 mixed	 in	 during	 production	
 causes	 internal	
 condensation,	 the	
  determination	  of	  deterioration	  at	
  around	  zero	  environmental	
  temperature	  leads	  to	
 misdiagnosis.	
  (5)	
  When	  the	
  ambient	  temperature	  is	  lowered	  below	  room	  temperature,	  the	
 electrolyte	
 resistance	
 and	
 the	
 charge	 transfer	 resistance	 both	
 increase,	
 but	
 the	
 electrolyte	
 resistance	
 increases	
 remarkably.	
 It	
 is	
 appropriate	 to	
 judge	 the	 degradation	
 at	
 the	
 ambient	 temperature	  around	
  10	
  degC	  where	  the	
  charge	  transfer	  resistance,	  which	  can	
  confirm	  the	 difference	
 in	
 the	
 behavior	
 even	 in	
 the	
 battery	
 with	
 medium	 to	 low	
 degradation	
 progress,	
 has	
 risen	 to	
 about	 twice	 of	 the	
 normal	 temperature.	
 	 抗についても確認できる（800）．環境温度を零800下に下げた場合に抵抗の上昇が止まり逆に低下60することが電荷移動抵抗についても確認できる（Active）．図 2 の A 点，B 点に確認ポイントをB明記した．環境温度を下げるにしたがい電荷移50-20

動抵抗が大幅に上昇する．零下を下回る環境温
0

20

40

60

Battery temperature [degree (Centigrade)]battery,	
 and	
 the	
 following	 knowledge	
 was	
 obtained.	
 (1)	
 By	
 lowering	 the	
 ambient	
 temperature	 below	
 

that	
 the	
 deterioration	
 progress	
 made	 it	
 difficult	 to	
 discriminate	
 the	
 deterioration	
 of	
 the	
 

80

3200

changing	 the	
 measured	 environmental	
 temperature	 within	 the	
 practical	
 operation	
 range	
 of	
 the	
 

structure	 suppresses	
 the	
 increase	
 of	
 the	
 imaginary	 component	
 of	
 the	
 impedance,	
 it	
 was	
 found	 度０度で大きく抵抗変化することが電荷移動抵

1600

impedance	
 spectrum.	
 Then,	
 the	
 possibility	
 of	
 the	
 degradation	
 discrimination	
 was	
 verified	
 by	
 quantified	
 even	 in	
 the	
 battery	
 with	
 medium	
 and	
 low	
 degradation	
 progress.	
 (2)	
 Since	 the	 cell	
 ActiveAThis	
 study	 to	
 determine	 the	
 deterioration	
 state	 of	 the	
 Li-ion	 battery	 by	
 measuring	
 the	
 AC	
 

room	
  temperature,	  the	
  impedance	
  of	  the	
  battery	  increases.	
  The	
  degradation	  state	  can	
  be	
 さらに低下させると，電荷移動抵抗の増大は指度では高サイクル経過電池の実数軸成分のインピーダンス増加が顕著である．環境温度が常温

Fig. 1 Liquid electrolyte resistance (Rsol)
環境温度が常温 25℃での測定では，1600 サイク
ル経過電池でも溶液抵抗値が低サイクル経過電池（Active，80）との溶液抵抗値に差異は見ら25 ℃ で の 測 定 で は ， 中 低 サ イ ク ル 経 過 電 池（Active，80，800）の劣化レベルの判別が困難であったが，零下を下回る環境温度では判別が可能となる．	
 れない．環境温度を下げるにしたがい 1600 サイ

100

Active

クル経過電池の溶液抵抗値の上昇カーブは，他て大きく，劣化が進んでいることが確認できる．
新品電池（Active）では環境温度０度で大きく溶液抵抗が変化しているが，前後の環境温度で0

池（Active）では，環境温度を零下に下げた場代の電池である．一方サイクル寿命については実証面で未知な領域にあり，充放電サイクルに十分堪えうる性能を持った全固体電池による寿命評価が必要となる．しかしながら Li-ion 電池が全固体
Li-ion 電池に代わるとしても両者の主な違いは液体の電解液が固体に代わる点にある．電解液は充放

20

40

60

Fig. 3 Charge transfer resistance % of realpart impedance
図 3 は，実数軸成分のインピーダンスに占め

Z'_Rct[mΩ]

200

80

を下げるにしたがい電荷移動抵抗は顕著に上昇800するため，電池の劣化レベルを判別するために

1600

150

は零下を下回る環境温度まで下げる必要はない

3200

100

と考えた．環境温度が常温 25℃での測定では，

B

50
0

る電荷移動抵抗の比率を求めている．環境温度

Active電荷移動抵抗の比率は 20％を下回っているが，A-20

環境温度を 10℃程度まで低下させると電荷移
0

20

40

60

Battery temperature [degree (Centigrade)]

動抵抗の比率は 40％前後と 2 倍程度に増大する（図 3 の C 点）．この付近の環境温度では，中低サイクル経過電池（Active，80，800）の電荷移

電で化学的に劣化するが，電解液に代わる固体電解質は物理的な劣化となる．固体といっても Li イオ

Fig. 2 Charge transfer resistance (Rct)

ンを通す固体なので普通の固体とは違う．全固体 Li-ion 電池の寿命評価を視野に入れて Li-ion 電池

図 2 は環境温度を変えて測定した電荷移動抵を使っサイクル寿命試験から劣化状態を診断する基礎研究に取組んだ．	
 抗の推移を示す．環境温度が常温 25℃での測定

2	
  結果概要	 では，電荷移動抵抗は中低サイクル経過電池

図 1 は環境温度を変えて測定した溶液抵抗のており劣化に至っていることが確認できる．経（Active，80，800）に対して，1600 サイクル

推移を示す．3200 サイクル経過した電池ではど

過サイクルが 1600 サイクル以下の電池では環経過電池では 2 倍以上，3200 サイクル経過電池の環境温度で測定しても溶液抵抗が上がりきっ

境温度を下げるにしたがい溶液抵抗の上昇が確では 3 倍以上の増大が確認できる．環境温度を─ 58 ─

0Battery temperature [degree (Centigrade)]が確認できる（図 1 の B 点）．この挙動から新品250となる．全固体電池は Li-ion 電池のかかえる安全性などの問題が解消でき，優れた性能を備えた次世-20合溶液抵抗の上昇が止まり，逆に低下する挙動

300

命は避けることはできず寿命に至れば交換廃棄となる．Li-ion 電池に代わる次世代電池は全固体電池

3200

C

響と考えることができる（図 1 の A 点）．新品電	
 1	  はじめに	 り，多くの機器に実装されている．年々高性能化されるリチウムイオン電池（Li-ion）もサイクル寿

1600

50

25

と使用品の区別が判別可能となる．	
 出力密度とエネルギ密度に優れたリチウムイオン電池（Li-ion）は今や代表的な 2 次電池となってお800は元に戻っているので電槽内への水分混入の影Key	 Words ：Battery,	
 Impedance,	 Temperature,	 Diagonosis	 エネルギーストレージが主要な動力源として搭載されている自動車は近年増加の一途を辿っている．

80

75のサイクル経過電池（Active，80，800）と比べ
Z'_Rct[%]Fundamental	
 research	
 on	
 degradation	
 diagnosis	
 technology	
 of	
 next	 generation	 all-solid-state	
 battery	 	 坂本俊之,	
  	
 Toshiyuki	
 SAKAMOTO	 	
 Z'_Rsol[mΩ]

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  研究報告書概要	
 動抵抗比率が分離してくるため，劣化レベルの判別が容易となる．したがって，常温では困難
な中低サイクル経過電池の劣化判別は，電荷移動抵抗の比率が常温の 2 倍程度となる環境温度
を 10℃程度で AC インピーダンススペクトラムを測定して求めることが適切であるといえる．	
 ─ 59 ─

認できる．	
 次世代全固体電池の劣化診断技術に関する基礎研究	 80

数関数的に増大することが確認できる．環境温70

medium	 and	 low	
 stage	 cells.	
 (3)	
 It	
 is	
 possible	
 to	
 distinguish	
 a	
 new	
 battery	 from	 a	
 used	 battery	
 by	
 simply	 lowering	 the	
 ambient	
 temperature	 below	
 0	
 degC.	
 (4)	
 It	
 has	
 been	 found	 that	 even	 in	
 mass-produced	
 batteries,	
 since	 moisture	 mixed	 in	 during	 production	
 causes	 internal	
 condensation,	 the	
  determination	  of	  deterioration	  at	
  around	  zero	  environmental	
  temperature	  leads	  to	
 misdiagnosis.	
  (5)	
  When	  the	
  ambient	  temperature	  is	  lowered	  below	  room	  temperature,	  the	
 electrolyte	
 resistance	
 and	
 the	
 charge	 transfer	 resistance	 both	
 increase,	
 but	
 the	
 electrolyte	
 resistance	
 increases	
 remarkably.	
 It	
 is	
 appropriate	 to	
 judge	 the	 degradation	
 at	
 the	
 ambient	 temperature	  around	
  10	
  degC	  where	  the	
  charge	  transfer	  resistance,	  which	  can	
  confirm	  the	 difference	
 in	
 the	
 behavior	
 even	 in	
 the	
 battery	
 with	
 medium	 to	 low	
 degradation	
 progress,	
 has	
 risen	 to	
 about	 twice	 of	 the	
 normal	 temperature.	
 	 抗についても確認できる（800）．環境温度を零800下に下げた場合に抵抗の上昇が止まり逆に低下60することが電荷移動抵抗についても確認できる（Active）．図 2 の A 点，B 点に確認ポイントをB明記した．環境温度を下げるにしたがい電荷移50-20

動抵抗が大幅に上昇する．零下を下回る環境温
0

20

40

60

Battery temperature [degree (Centigrade)]battery,	
 and	
 the	
 following	 knowledge	
 was	
 obtained.	
 (1)	
 By	
 lowering	 the	
 ambient	
 temperature	 below	
 

that	
 the	
 deterioration	
 progress	
 made	 it	
 difficult	 to	
 discriminate	
 the	
 deterioration	
 of	
 the	
 

80

3200

changing	 the	
 measured	 environmental	
 temperature	 within	 the	
 practical	
 operation	
 range	
 of	
 the	
 

structure	 suppresses	
 the	
 increase	
 of	
 the	
 imaginary	 component	
 of	
 the	
 impedance,	
 it	
 was	
 found	 度０度で大きく抵抗変化することが電荷移動抵

1600

impedance	
 spectrum.	
 Then,	
 the	
 possibility	
 of	
 the	
 degradation	
 discrimination	
 was	
 verified	
 by	
 quantified	
 even	 in	
 the	
 battery	
 with	
 medium	
 and	
 low	
 degradation	
 progress.	
 (2)	
 Since	 the	 cell	
 ActiveAThis	
 study	 to	
 determine	 the	
 deterioration	
 state	 of	 the	
 Li-ion	 battery	 by	
 measuring	
 the	
 AC	
 

room	
  temperature,	  the	
  impedance	
  of	  the	
  battery	  increases.	
  The	
  degradation	  state	  can	
  be	
 さらに低下させると，電荷移動抵抗の増大は指度では高サイクル経過電池の実数軸成分のインピーダンス増加が顕著である．環境温度が常温

Fig. 1 Liquid electrolyte resistance (Rsol)
環境温度が常温 25℃での測定では，1600 サイク
ル経過電池でも溶液抵抗値が低サイクル経過電池（Active，80）との溶液抵抗値に差異は見ら25 ℃ で の 測 定 で は ， 中 低 サ イ ク ル 経 過 電 池（Active，80，800）の劣化レベルの判別が困難であったが，零下を下回る環境温度では判別が可能となる．	
 れない．環境温度を下げるにしたがい 1600 サイ

100

Active

クル経過電池の溶液抵抗値の上昇カーブは，他て大きく，劣化が進んでいることが確認できる．
新品電池（Active）では環境温度０度で大きく溶液抵抗が変化しているが，前後の環境温度で0

池（Active）では，環境温度を零下に下げた場代の電池である．一方サイクル寿命については実証面で未知な領域にあり，充放電サイクルに十分堪えうる性能を持った全固体電池による寿命評価が必要となる．しかしながら Li-ion 電池が全固体
Li-ion 電池に代わるとしても両者の主な違いは液体の電解液が固体に代わる点にある．電解液は充放

20

40

60

Fig. 3 Charge transfer resistance % of realpart impedance
図 3 は，実数軸成分のインピーダンスに占め

Z'_Rct[mΩ]

200

80

を下げるにしたがい電荷移動抵抗は顕著に上昇800するため，電池の劣化レベルを判別するために

1600

150

は零下を下回る環境温度まで下げる必要はない

3200

100

と考えた．環境温度が常温 25℃での測定では，

B

50
0

る電荷移動抵抗の比率を求めている．環境温度

Active電荷移動抵抗の比率は 20％を下回っているが，A-20

環境温度を 10℃程度まで低下させると電荷移
0

20

40

60

Battery temperature [degree (Centigrade)]

動抵抗の比率は 40％前後と 2 倍程度に増大する（図 3 の C 点）．この付近の環境温度では，中低サイクル経過電池（Active，80，800）の電荷移

電で化学的に劣化するが，電解液に代わる固体電解質は物理的な劣化となる．固体といっても Li イオ

Fig. 2 Charge transfer resistance (Rct)

ンを通す固体なので普通の固体とは違う．全固体 Li-ion 電池の寿命評価を視野に入れて Li-ion 電池

図 2 は環境温度を変えて測定した電荷移動抵を使っサイクル寿命試験から劣化状態を診断する基礎研究に取組んだ．	
 抗の推移を示す．環境温度が常温 25℃での測定

2	
  結果概要	 では，電荷移動抵抗は中低サイクル経過電池

図 1 は環境温度を変えて測定した溶液抵抗のており劣化に至っていることが確認できる．経（Active，80，800）に対して，1600 サイクル

推移を示す．3200 サイクル経過した電池ではど

過サイクルが 1600 サイクル以下の電池では環経過電池では 2 倍以上，3200 サイクル経過電池の環境温度で測定しても溶液抵抗が上がりきっ

境温度を下げるにしたがい溶液抵抗の上昇が確では 3 倍以上の増大が確認できる．環境温度を─ 58 ─

0Battery temperature [degree (Centigrade)]が確認できる（図 1 の B 点）．この挙動から新品250となる．全固体電池は Li-ion 電池のかかえる安全性などの問題が解消でき，優れた性能を備えた次世-20合溶液抵抗の上昇が止まり，逆に低下する挙動

300

命は避けることはできず寿命に至れば交換廃棄となる．Li-ion 電池に代わる次世代電池は全固体電池

3200

C

響と考えることができる（図 1 の A 点）．新品電	
 1	  はじめに	 り，多くの機器に実装されている．年々高性能化されるリチウムイオン電池（Li-ion）もサイクル寿

1600

50

25

と使用品の区別が判別可能となる．	
 出力密度とエネルギ密度に優れたリチウムイオン電池（Li-ion）は今や代表的な 2 次電池となってお800は元に戻っているので電槽内への水分混入の影Key	 Words ：Battery,	
 Impedance,	 Temperature,	 Diagonosis	 エネルギーストレージが主要な動力源として搭載されている自動車は近年増加の一途を辿っている．

80

75のサイクル経過電池（Active，80，800）と比べ
Z'_Rct[%]Fundamental	
 research	
 on	
 degradation	
 diagnosis	
 technology	
 of	
 next	 generation	 all-solid-state	
 battery	 	 坂本俊之,	
  	
 Toshiyuki	
 SAKAMOTO	 	
 Z'_Rsol[mΩ]

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  研究報告書概要	
 動抵抗比率が分離してくるため，劣化レベルの判別が容易となる．したがって，常温では困難
な中低サイクル経過電池の劣化判別は，電荷移動抵抗の比率が常温の 2 倍程度となる環境温度
を 10℃程度で AC インピーダンススペクトラムを測定して求めることが適切であるといえる．	
 ─ 59 ─

公益財団法人 スズキ財団

平成 30 年度 研究報告書概要

ジャイロミル型風車の性能向上に関する研究
A Study on Performance Improvement of a Gyro-mil Wind Turbine
坂本雅彦, Masahiko SAKAMOTO
奈良工業高等専門学校, National Institute of Technology, Nara College
The characteristics of a gyro-mil wind turbine whose rotating blades are elastically deformable

た時点で翼弦に対して約 8°内部に傾いている．

加することにより起動トルクを増大させ，かつ

平板後縁の位置は前部の FUKUTA 翼の翼弦から

低速回転時のトルクが増大する．この弾性板はそれぞれ約 40 ㎜～80 ㎜内側に位置している．

回転が上がるに従い外側に変形し，抵抗となり

奈良高専流体工学実験室内に設置した６台の風車のトルクを減少させるが，これを制御する

送風機を上下に３台ずつ，アングルでやぐらを部材を取り付けることにより，高速回転にも対組んで設置した(参照 Fig.1)．風車の起動から応可能である．既存のブレードに弾性板を配置

最終回転に至るまでの時間履歴を記録した．なしたため高速回転時の性能は従来のタイプに劣お，本実験において風車は全回転数で空回り状

るが，翼全体の抵抗を増加させず，かつソリデとし，一方自然風を模擬して送風機モータをオ

ィティを考慮して作成すれば，高速回転時の性

ン・オフする実験においては，風車の回転を減能も十分なものをすることが期待できる．自然

速させる目的で負荷を入れている．

風を模した人為的に変化する風に対し，Fig.4

are presented. The each blade consists of ordinal rigid wing and elastically deformable thin

Fig.3 に各ブレードでの効率と周速比との関に示すように提案した風車が弾性変形のない従plates. The performance tests are performed under the wind generated by 6 fans. This type of

係を示す．回転翼のブレード後部に弾性板を付来のものに比べ平均的な出力において大きく増

gyro-mill turbine has very large torque when the rotation speed is low, but the torque drops

大することが明らかとなった．

sharply when the rotating speed becomes larger. In order to prevent the sharp drop of the torque,文献

the deformation of the elastic plate in outside direction due to the centrifugal force must

[1] Nakajima T., Tsutahara M., Yamaguchi
M. 他 １ 名 , Journal of Fluid Science andbe prevented and rigid plates for preventing the deformation are shown to be successful. When
the wind is discontinuous or fluctuates like the natural wind, the performance of presented

Technology, JSME, 10, 1 (2015) 15-00142.

3000

U

wind turbine with elastic plates is shown to be much higher.

研究実績・坂本，蔦原，中内，日本機械学会第 97 期流体
Fan:NAKATOMI BF-75V
Pitot tube:MK Scientific DT-8920
Tachometer:CUSTOM RM-2000

Key Words： Wind Turbine, Darrieus Wind Turbine, Gyro-mill Wind Turbine, Torque, Elastically1000

FUKUTA BladeU

1 はじめにRectifier

1500

2000

0.15

直線型ダリウス風車とも呼ばれるジャイロミル風車は，比較的起動トルクは高いものの低速回転時

Coefficient of Power CP

Deformable Blade

工学部門講演会(豊橋)，2019 年 11 月にて講演

1800

200W/150Ω

VA

On-load:Switchのトルクや効率は低い．本研究ではジャイロミル型風車の回転翼を弾性変形させることにより低風速
830

670

時での起動性を著しく高め，かつ高風速には遠心力による変形で自動的にトルクを減少させ危険回転

Computer

速度を超えないように制御可能な風車を開発する．その第一ステップとして既存の製品（台湾 FUKUTA
製 TSW-005）のブレードそのままに弾性板としてアルミ薄板を設置し，その特性を明らかにした．

Digital manometer
Voltage converter: YAMABISHI S-130-20&30

Fig.1 Wind generating system and the wind

0.10

FUKUTA[ Aluminum Thickness=0.1㎜ ] [Aluminum Thickness=0.2㎜]
FUKUTA with elastic plates
FUKUTA with elastic plates
FUKUTA with elastic plates
FUKUTA with elastic plates
and warp restraint plates
and warp restraint plates

0.05

0.00
0.0

0.5

1.0

翼を用いることで風車の起動性を高め，低速回

第 2 の課題に対しては弾性部の材料として，今転時でのトルクを著しく高めた研究[1]に続くも回はアルミニウムの薄板(厚み 0.1 ㎜および 0.2のである．本研究の問題点は，第 1 に風車の回㎜）を用いた．今回，既存のジャイロミル風車

転が上がるに従い，弾性部（翼の後半部分）がとの性能比較を考え，既存の製品（台湾 FUKUTA

遠心力により外側へそり、流れに対する抵抗と製 TSW-005）のブレードにそのままにアルミ板なって急激にトルクを低下させる．第 2 に弾性を取り付ける形で実験を行った．

部に PET など高分子材料を用いてきたが，自風車の回転翼は Fig.1 に示すように５枚で，然環境化においては耐久性に劣る．これらの点

回 転 直 径 1.8 ｍ ， ブ レ ー ド の 断 面 形 状 はを解決すべく、第 1 の課題に対しては弾性部分

NACA0018 でブレードの翼幅 1.5ｍ，弦長は 0.23

が外側へそることを抑える工夫を行った．またｍで，ソリディティは 0.20 である．

150

200
Elastic
plate

Fig.3

Warp
restraint
plate
(t=2)
Bolt

Movingdirection
FUKUTA blade

高速回転時にトルクが落ちる特性自体は風車と弾性板は FUKUTA 製ブレードに Fig.2 のように

Fig.2

Elastic plates attached to FUKUTA

しての欠点ではなく，むしろその特性をうまく

ボルト止めした．弾性板は長方形で FUKUTA 製ブ

bladesand

利用して，強風下での風車の回転をコントロー

レードの後方，翼の曲線に沿い配し，取り付け

deformation outside.

─ 60 ─

plateswhich

prevent

Relationships

2.5

betweenPowercoefficient and the TSR

Rotation number [rpm]ルする方法として利用することを試みる．一方，

230

本研究は蔦原等が考案した弾性変形する回転

200
28

turbine2 結果概要

1.5
2.0
T.S.R. λ

the

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

FUKUTAFUKUTA with elastic plate

0

120

240

360

480

600

time [sec]Fig.4 Rotating speed and power histories ofwind turbine for wind fluctuation

─ 61 ─

公益財団法人 スズキ財団

平成 30 年度 研究報告書概要

ジャイロミル型風車の性能向上に関する研究
A Study on Performance Improvement of a Gyro-mil Wind Turbine
坂本雅彦, Masahiko SAKAMOTO
奈良工業高等専門学校, National Institute of Technology, Nara College
The characteristics of a gyro-mil wind turbine whose rotating blades are elastically deformable

た時点で翼弦に対して約 8°内部に傾いている．

加することにより起動トルクを増大させ，かつ

平板後縁の位置は前部の FUKUTA 翼の翼弦から

低速回転時のトルクが増大する．この弾性板はそれぞれ約 40 ㎜～80 ㎜内側に位置している．

回転が上がるに従い外側に変形し，抵抗となり

奈良高専流体工学実験室内に設置した６台の風車のトルクを減少させるが，これを制御する

送風機を上下に３台ずつ，アングルでやぐらを部材を取り付けることにより，高速回転にも対組んで設置した(参照 Fig.1)．風車の起動から応可能である．既存のブレードに弾性板を配置

最終回転に至るまでの時間履歴を記録した．なしたため高速回転時の性能は従来のタイプに劣お，本実験において風車は全回転数で空回り状

るが，翼全体の抵抗を増加させず，かつソリデとし，一方自然風を模擬して送風機モータをオ

ィティを考慮して作成すれば，高速回転時の性

ン・オフする実験においては，風車の回転を減能も十分なものをすることが期待できる．自然

速させる目的で負荷を入れている．

風を模した人為的に変化する風に対し，Fig.4

are presented. The each blade consists of ordinal rigid wing and elastically deformable thin

Fig.3 に各ブレードでの効率と周速比との関に示すように提案した風車が弾性変形のない従plates. The performance tests are performed under the wind generated by 6 fans. This type of

係を示す．回転翼のブレード後部に弾性板を付来のものに比べ平均的な出力において大きく増

gyro-mill turbine has very large torque when the rotation speed is low, but the torque drops

大することが明らかとなった．

sharply when the rotating speed becomes larger. In order to prevent the sharp drop of the torque,文献

the deformation of the elastic plate in outside direction due to the centrifugal force must

[1] Nakajima T., Tsutahara M., Yamaguchi
M. 他 １ 名 , Journal of Fluid Science andbe prevented and rigid plates for preventing the deformation are shown to be successful. When
the wind is discontinuous or fluctuates like the natural wind, the performance of presented

Technology, JSME, 10, 1 (2015) 15-00142.

3000

U

wind turbine with elastic plates is shown to be much higher.

研究実績・坂本，蔦原，中内，日本機械学会第 97 期流体
Fan:NAKATOMI BF-75V
Pitot tube:MK Scientific DT-8920
Tachometer:CUSTOM RM-2000

Key Words： Wind Turbine, Darrieus Wind Turbine, Gyro-mill Wind Turbine, Torque, Elastically1000

FUKUTA BladeU

1 はじめにRectifier

1500

2000

0.15

直線型ダリウス風車とも呼ばれるジャイロミル風車は，比較的起動トルクは高いものの低速回転時

Coefficient of Power CP

Deformable Blade

工学部門講演会(豊橋)，2019 年 11 月にて講演

1800

200W/150Ω

VA

On-load:Switchのトルクや効率は低い．本研究ではジャイロミル型風車の回転翼を弾性変形させることにより低風速
830

670

時での起動性を著しく高め，かつ高風速には遠心力による変形で自動的にトルクを減少させ危険回転

Computer

速度を超えないように制御可能な風車を開発する．その第一ステップとして既存の製品（台湾 FUKUTA
製 TSW-005）のブレードそのままに弾性板としてアルミ薄板を設置し，その特性を明らかにした．

Digital manometer
Voltage converter: YAMABISHI S-130-20&30

Fig.1 Wind generating system and the wind

0.10

FUKUTA[ Aluminum Thickness=0.1㎜ ] [Aluminum Thickness=0.2㎜]
FUKUTA with elastic plates
FUKUTA with elastic plates
FUKUTA with elastic plates
FUKUTA with elastic plates
and warp restraint plates
and warp restraint plates

0.05

0.00
0.0

0.5

1.0

翼を用いることで風車の起動性を高め，低速回

第 2 の課題に対しては弾性部の材料として，今転時でのトルクを著しく高めた研究[1]に続くも回はアルミニウムの薄板(厚み 0.1 ㎜および 0.2のである．本研究の問題点は，第 1 に風車の回㎜）を用いた．今回，既存のジャイロミル風車

転が上がるに従い，弾性部（翼の後半部分）がとの性能比較を考え，既存の製品（台湾 FUKUTA

遠心力により外側へそり、流れに対する抵抗と製 TSW-005）のブレードにそのままにアルミ板なって急激にトルクを低下させる．第 2 に弾性を取り付ける形で実験を行った．

部に PET など高分子材料を用いてきたが，自風車の回転翼は Fig.1 に示すように５枚で，然環境化においては耐久性に劣る．これらの点

回 転 直 径 1.8 ｍ ， ブ レ ー ド の 断 面 形 状 はを解決すべく、第 1 の課題に対しては弾性部分

NACA0018 でブレードの翼幅 1.5ｍ，弦長は 0.23

が外側へそることを抑える工夫を行った．またｍで，ソリディティは 0.20 である．

150

200
Elastic
plate

Fig.3

Warp
restraint
plate
(t=2)
Bolt

Movingdirection
FUKUTA blade

高速回転時にトルクが落ちる特性自体は風車と弾性板は FUKUTA 製ブレードに Fig.2 のように

Fig.2

Elastic plates attached to FUKUTA

しての欠点ではなく，むしろその特性をうまく

ボルト止めした．弾性板は長方形で FUKUTA 製ブ

bladesand

利用して，強風下での風車の回転をコントロー

レードの後方，翼の曲線に沿い配し，取り付け

deformation outside.

─ 60 ─

plateswhich

prevent

Relationships

2.5

betweenPowercoefficient and the TSR

Rotation number [rpm]ルする方法として利用することを試みる．一方，

230

本研究は蔦原等が考案した弾性変形する回転

200
28

turbine2 結果概要

1.5
2.0
T.S.R. λ

the

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

FUKUTAFUKUTA with elastic plate

0

120

240

360

480

600

time [sec]Fig.4 Rotating speed and power histories ofwind turbine for wind fluctuation

─ 61 ─

公益財団法人 スズキ財団

平成 30 年度 研究報告書概要

3 「加工初期における低除去能率」を抑制する研磨工具

レンズ研磨における除去能率の超安定化を実現する

研磨加工における除去能率は，圧力，研磨パ

加工初期における低除去能率を改善するには，ッドに対する工作物の相対速度，および切れ刃

レンズ表面‐プラトー部間へのスラリー流入を

研磨工具の開発である作用砥粒の数に依存する．このうち圧力

促進し，スラリー中の砥粒が直接プラトー部にと相対速度は加工条件として任意に設定できる保持されるようにすることが有効である．そこ

Development of polishing tool for achieving stable removal rate
in polishing of glass lenses

一方，作用砥粒数は任意に設定することができで，親水性を有する酸化チタン（TiO2）フィラ

ず，加工中に変動し，除去能率の経時的な変動

ーを添加することにより表面の濡れ性を向上さの要因となっている．これまでの研究により，せた新たな研磨パッドを開発した．開発研磨パ

研磨パッド上の砥粒のうちプラトー部（ポア以ッドを貼り付けた研磨工具で研磨加工実験を行外の部分）に保持された砥粒がおもに作用砥粒った際の除去能率の推移を図 3 に示す．加工初としてはたらくことを明らかにするとともに，期の低除去能率が改善され，除去能率の最大変

Polishing process of surface of glass lenses as key components of cameras has serious problems

加工初期の低除去能率が，加工初期にプラトー

動率は 13%にまで低減した．しかし，「加工途including an unstable removal rate over polishing time. In this study, we investigated mechanism

部に保持される砥粒数が少ないことに起因して中における突発的な除去能率低下」に関しては，

of the variation in the removal rate during polishing and developed new polishing tools which

いることを実験的に確認している． ここで，レ開発研磨工具を使用した際も依然として生じる

are effective in stabilizing the removal rate.

ンズ表面とプラトー部との隙間は非常に狭く，ことが確認された（Test3）．

佐竹 うらら, Urara Satake
国立大学法人 大阪大学, Osaka University

そこへのスラリーの流入量は極めて少ない．そのためスラリー中の砥粒が直接プラトー部に保持されることはほとんどなく，一度ポア部に保1 はじめに持された砥粒が，ポア部からプラトー部へ供給

サブナノメートルオーダの表面形状精度を有する高精度非球面レンズは，加工コストの高さから，されるかたちでプラトー部に保持される．加工コスト要求が厳しい産業用カメラの分野への導入が進んでいない．本研究では，高精度非球面レンズ

初期は Test 開始前のポア部の砥粒数が少なく，の加工コスト上昇の要因である“研磨加工における除去能率の変動”の抑制を目的に新たな研磨工具

ポア部からプラトー部へ供給される砥粒数も少の開発を行った．

ない．そのため Test 時にプラトー部に保持され9Removal rate mm3/h

Key Words：Polishing, Glass lenses, Removal rate

8
7
6
5
4
0
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6 Test 7 Test 8

図 3 除去能率の推移（TiO2 フィラー添加研磨工具を使用）る砥粒数，すなわち作用砥粒数も少ないと考え

2 レンズの研磨加工における除去能率の変動
非球面レンズの研磨加工では，小径の研磨工
具をレンズ面内で走査させる「スモールツール

られる．

Test8），同じく除去能率の安定性低下の要因となっていることがわかった．

研磨加工」（図 1）が行われる．はじめに，従来研磨荷重の研磨工具を使用した場合の除去能率の経時的研磨工具な変動を評価するため，ガラスレンズの研磨加工実験を行った．工作物には合成石英ガラスの平面レンズを，スラリーと研磨パッドには，ガシャフト
ガラスレンズ

研磨パッド

4 「加工途中における突発的な除去能率低下」を抑制する研磨工具
2 章の研磨加工実験において除去能率が突発や「砥粒目づまり」の除去を促進することを考的に低下した Test8 の後の研磨パッド表面を観えた．研磨荷重を周期的に変動可能な研磨工具

察した結果，研磨パッド表面に高さ 10 μm 程度（研磨パッドには TiO2 フィラーを添加したものレンズ切りくずの付着が確認された．このこのを使用）を開発し，研磨加工実験を行った際とから，「加工途中における突発的な除去能率低の除去能率の推移を図 4 に示す．
「加工初期にお下」は，研磨パッド表面へのレンズ切りくずのける低除去能率」および「加工途中における突ラス研磨で多く用いられている酸化セリウムス

付着に起因してレンズ表面と研磨パッド表面の発的な除去能率低下」がともに抑制され，研磨

ラリーおよび酸化セリウムフィラーが添加され間に大きな隙間ができることにより加工が妨げ

荷重を変動させなかった場合（図 3）よりも除られるために生じていると推測された．ここで，去能率の変動率を低減させることができた．

た発泡ポリウレタン研磨パッドをそれぞれ用い

図 1 レンズの研磨加工て ， 10 分 間 の 加 工 を 連 続 し て 8 回 行 い

これまでに行った実験において，（ⅰ）加工開始

図 2 に除去能率の推移を示す．除去能率はTest ごとに変動し，Test1~Test8 における最大変
動率は 28%であった．特に加工初期（Test1,
Test2）の除去能率が低く，除去能率の安定性低下のおもな要因となっていることがわかった．
また，除去能率が安定した後においても，突発的な除去能率の低下が見られ（本実験では

─ 62 ─

9前に実施するコンディショニングの影響により，

8

ポア外縁部に多くのバリが生じている場合（ⅱ）

7

ポアが砥粒で満たされている場合 にポア周辺

6で局所的にレンズ切りくずの付着が生じる傾向

5が確認されている．そこで，研磨荷重を周期的4に変動させることにより，研磨パッド表面に瞬0
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6 Test 7 Test 8

図 2 除去能率の推移

9Removal rate mm3/h

能率を評価した．

Removal rate mm3/h（Test1~Test8），各加工後に 10 分間の平均除去

間的ながら大きな荷重が付加されるようにする
ことで，レンズ切りくずの排出を妨げる「バリ」

8
7
6
5
4
0
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6 Test 7 Test 8

図 4 除去能率の推移（荷重を周期的に変動可能な研磨工具を使用）

─ 63 ─

公益財団法人 スズキ財団

平成 30 年度 研究報告書概要

3 「加工初期における低除去能率」を抑制する研磨工具

レンズ研磨における除去能率の超安定化を実現する

研磨加工における除去能率は，圧力，研磨パ

加工初期における低除去能率を改善するには，ッドに対する工作物の相対速度，および切れ刃

レンズ表面‐プラトー部間へのスラリー流入を

研磨工具の開発である作用砥粒の数に依存する．このうち圧力

促進し，スラリー中の砥粒が直接プラトー部にと相対速度は加工条件として任意に設定できる保持されるようにすることが有効である．そこ

Development of polishing tool for achieving stable removal rate
in polishing of glass lenses

一方，作用砥粒数は任意に設定することができで，親水性を有する酸化チタン（TiO2）フィラ

ず，加工中に変動し，除去能率の経時的な変動

ーを添加することにより表面の濡れ性を向上さの要因となっている．これまでの研究により，せた新たな研磨パッドを開発した．開発研磨パ

研磨パッド上の砥粒のうちプラトー部（ポア以ッドを貼り付けた研磨工具で研磨加工実験を行外の部分）に保持された砥粒がおもに作用砥粒った際の除去能率の推移を図 3 に示す．加工初としてはたらくことを明らかにするとともに，期の低除去能率が改善され，除去能率の最大変

Polishing process of surface of glass lenses as key components of cameras has serious problems

加工初期の低除去能率が，加工初期にプラトー

動率は 13%にまで低減した．しかし，「加工途including an unstable removal rate over polishing time. In this study, we investigated mechanism

部に保持される砥粒数が少ないことに起因して中における突発的な除去能率低下」に関しては，

of the variation in the removal rate during polishing and developed new polishing tools which

いることを実験的に確認している． ここで，レ開発研磨工具を使用した際も依然として生じる

are effective in stabilizing the removal rate.

ンズ表面とプラトー部との隙間は非常に狭く，ことが確認された（Test3）．

佐竹 うらら, Urara Satake
国立大学法人 大阪大学, Osaka University

そこへのスラリーの流入量は極めて少ない．そのためスラリー中の砥粒が直接プラトー部に保持されることはほとんどなく，一度ポア部に保1 はじめに持された砥粒が，ポア部からプラトー部へ供給

サブナノメートルオーダの表面形状精度を有する高精度非球面レンズは，加工コストの高さから，されるかたちでプラトー部に保持される．加工コスト要求が厳しい産業用カメラの分野への導入が進んでいない．本研究では，高精度非球面レンズ

初期は Test 開始前のポア部の砥粒数が少なく，の加工コスト上昇の要因である“研磨加工における除去能率の変動”の抑制を目的に新たな研磨工具

ポア部からプラトー部へ供給される砥粒数も少の開発を行った．

ない．そのため Test 時にプラトー部に保持され9Removal rate mm3/h

Key Words：Polishing, Glass lenses, Removal rate

8
7
6
5
4
0
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6 Test 7 Test 8

図 3 除去能率の推移（TiO2 フィラー添加研磨工具を使用）る砥粒数，すなわち作用砥粒数も少ないと考え

2 レンズの研磨加工における除去能率の変動
非球面レンズの研磨加工では，小径の研磨工
具をレンズ面内で走査させる「スモールツール

られる．

Test8），同じく除去能率の安定性低下の要因となっていることがわかった．

研磨加工」（図 1）が行われる．はじめに，従来研磨荷重の研磨工具を使用した場合の除去能率の経時的研磨工具な変動を評価するため，ガラスレンズの研磨加工実験を行った．工作物には合成石英ガラスの平面レンズを，スラリーと研磨パッドには，ガシャフト
ガラスレンズ

研磨パッド

4 「加工途中における突発的な除去能率低下」を抑制する研磨工具
2 章の研磨加工実験において除去能率が突発や「砥粒目づまり」の除去を促進することを考的に低下した Test8 の後の研磨パッド表面を観えた．研磨荷重を周期的に変動可能な研磨工具

察した結果，研磨パッド表面に高さ 10 μm 程度（研磨パッドには TiO2 フィラーを添加したものレンズ切りくずの付着が確認された．このこのを使用）を開発し，研磨加工実験を行った際とから，「加工途中における突発的な除去能率低の除去能率の推移を図 4 に示す．
「加工初期にお下」は，研磨パッド表面へのレンズ切りくずのける低除去能率」および「加工途中における突ラス研磨で多く用いられている酸化セリウムス

付着に起因してレンズ表面と研磨パッド表面の発的な除去能率低下」がともに抑制され，研磨

ラリーおよび酸化セリウムフィラーが添加され間に大きな隙間ができることにより加工が妨げ

荷重を変動させなかった場合（図 3）よりも除られるために生じていると推測された．ここで，去能率の変動率を低減させることができた．

た発泡ポリウレタン研磨パッドをそれぞれ用い

図 1 レンズの研磨加工て ， 10 分 間 の 加 工 を 連 続 し て 8 回 行 い

これまでに行った実験において，（ⅰ）加工開始

図 2 に除去能率の推移を示す．除去能率はTest ごとに変動し，Test1~Test8 における最大変
動率は 28%であった．特に加工初期（Test1,
Test2）の除去能率が低く，除去能率の安定性低下のおもな要因となっていることがわかった．
また，除去能率が安定した後においても，突発的な除去能率の低下が見られ（本実験では

─ 62 ─

9前に実施するコンディショニングの影響により，

8

ポア外縁部に多くのバリが生じている場合（ⅱ）

7

ポアが砥粒で満たされている場合 にポア周辺

6で局所的にレンズ切りくずの付着が生じる傾向

5が確認されている．そこで，研磨荷重を周期的4に変動させることにより，研磨パッド表面に瞬0
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6 Test 7 Test 8

図 2 除去能率の推移

9Removal rate mm3/h

能率を評価した．

Removal rate mm3/h（Test1~Test8），各加工後に 10 分間の平均除去

間的ながら大きな荷重が付加されるようにする
ことで，レンズ切りくずの排出を妨げる「バリ」

8
7
6
5
4
0
Test 1 Test 2 Test 3 Test 4 Test 5 Test 6 Test 7 Test 8

図 4 除去能率の推移（荷重を周期的に変動可能な研磨工具を使用）

─ 63 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

自動運転制御用ネットワークスライスに対する高速障害
復旧技術の研究開発
Fast Failure Recovery in Network Slices for Automatic Driving Control

スライスの障害復旧用として利用するバックア

図 3 および図 4 は，図 2 に示されているネッップ仮想網と呼ばれる仮想ネットワークを物理

トワークスライスを 1 個から 10 個まで変化させネットワーク上に構築する．このバックアップ

た場合の提案方式と従来方式で使用されるバッ用スライスは，以下のノード資源 W(di)とリンク

クアップ用資源量を示している．図 3 と図 4 で資源 W(eij)に関する使用資源量に対して，最適

は，車両用ネットワークスライスのトポロジと化問題を定式化する．

使用資源量がそれぞれ異なっている．
これらの結果から，提案方式を使用すること

橘拓至, Takuji Tachibana
福井大学, University of Fukui

で，車両用スライス数によらずに従来方式よりもいかなる場合でもバックアップ資源量を低減できることがわかる．それゆえ，提案方式を利

要旨英文 This research proposed a fast failure recovery technique for virtual network slices for automatic

用することで，バックアップ用スライスを常時

driving control in V2X communication. Our technology achieves high-speed recovery by considering both the

それから，最適化問題の解を導出することで，設定しておくことも可能であり，自動運転時のquality of V2X communication and the amount of resources used for failure recovery. Therefore, it is possible

適切な高速障害復旧用のバックアップスライス

ネットワーク側の障害から迅速に復旧できるこ

to construct a highly reliable communication network for automatic driving control by using this technology.

を構築できる．

とが期待できる．

The performance of our proposed failure recovery techniques for automatic driving control was evaluated inseveral situations. Numerical examples show the effectiveness of the proposed technology.

Key Words：ネットワークスライス，自動運転，高速障害復旧

2.2 評価環境提案方式を図 2 に示すネットワークスライス
環境（ケース 1）と，スライス 1 の資源量を変

1

はじめに

更した環境（ケース 2）に対して評価する．

現在，コネクテッドカーの自動運転制御に
向けて V2X (Vehicle-to-Everything) 通信の様々な実証実験が世界中で行われている．この V2X 通信では，「道路上の事故車両や障害物の情報」が道路に埋め込まれた通信デバイス
図 3 ケース 1 での評価結果

からコネクテッドカーへ通知され，「周辺情報
や制御情報」のコネクテッドカー間での交信
や，「遠隔制御情報」が遠隔地のサーバからコネクテッドカーへ伝送される．
コネクテッドカーの自動運転制御を実現するには，周辺情報や制御情報を通信ネット
ワーク上で超低遅延かつ高品質に伝送しなけ

図 1 本研究の概要

ればならない．そこで現在，仮想化技術に基づいたネットワークスライシングの利用が期待されている．このネットワークスライシングを用いると，物理ネットワーク上の各種資源（ノードの CPU やメモリ，伝送帯域など）を仮想化して，サービ
スごとの専用ネットワーク（以下，ネットワークスライスと呼ぶ）を要求品質に基づいて仮想的に構

図 4 ケース 2 での評価結果

築できる．ネットワークスライスは自動運転制御の実現に必要不可欠な技術として期待されているが，多数のコネクテッドカーを自動運転する環境では，より高信頼かつ高品質な V2X 通信を実現しなければならない（図 1 参照）．特に，物理ネットワークで障害が発生した場合，複数のネットワークスライ

3

スでも同時に障害が発生していまい，各スライスに対して高速な障害復旧を実行しなければならない．

本研究では，自動運転制御用 V2X 通信で利用

そのためには，障害復旧で使用するネットワーク資源量を最小限に抑制することが望まれる．

まとめされる仮想的に構築されたネットワークスライ
スに対する高速障害復旧技術を確立した．確立

2

結果概要

した自動運転制御用障害復旧技術の性能を複数

2.1 提案方式の状況で評価した．評価結果から提案技術の有本研究では，物理ネットワーク上に構築されク資源の有効利用を考慮した高速障害復旧技術た複数の車両用スライスに対して，ネットワーを提案する．提案方式は，車両用ネットワーク

─ 64 ─

効性を示した．
図 2 性能評価環境
─ 65 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

自動運転制御用ネットワークスライスに対する高速障害
復旧技術の研究開発
Fast Failure Recovery in Network Slices for Automatic Driving Control

スライスの障害復旧用として利用するバックア

図 3 および図 4 は，図 2 に示されているネッップ仮想網と呼ばれる仮想ネットワークを物理

トワークスライスを 1 個から 10 個まで変化させネットワーク上に構築する．このバックアップ

た場合の提案方式と従来方式で使用されるバッ用スライスは，以下のノード資源 W(di)とリンク

クアップ用資源量を示している．図 3 と図 4 で資源 W(eij)に関する使用資源量に対して，最適

は，車両用ネットワークスライスのトポロジと化問題を定式化する．

使用資源量がそれぞれ異なっている．
これらの結果から，提案方式を使用すること

橘拓至, Takuji Tachibana
福井大学, University of Fukui

で，車両用スライス数によらずに従来方式よりもいかなる場合でもバックアップ資源量を低減できることがわかる．それゆえ，提案方式を利

要旨英文 This research proposed a fast failure recovery technique for virtual network slices for automatic

用することで，バックアップ用スライスを常時

driving control in V2X communication. Our technology achieves high-speed recovery by considering both the

それから，最適化問題の解を導出することで，設定しておくことも可能であり，自動運転時のquality of V2X communication and the amount of resources used for failure recovery. Therefore, it is possible

適切な高速障害復旧用のバックアップスライス

ネットワーク側の障害から迅速に復旧できるこ

to construct a highly reliable communication network for automatic driving control by using this technology.

を構築できる．

とが期待できる．

The performance of our proposed failure recovery techniques for automatic driving control was evaluated inseveral situations. Numerical examples show the effectiveness of the proposed technology.

Key Words：ネットワークスライス，自動運転，高速障害復旧

2.2 評価環境提案方式を図 2 に示すネットワークスライス
環境（ケース 1）と，スライス 1 の資源量を変

1

はじめに

更した環境（ケース 2）に対して評価する．

現在，コネクテッドカーの自動運転制御に
向けて V2X (Vehicle-to-Everything) 通信の様々な実証実験が世界中で行われている．この V2X 通信では，「道路上の事故車両や障害物の情報」が道路に埋め込まれた通信デバイス
図 3 ケース 1 での評価結果

からコネクテッドカーへ通知され，「周辺情報
や制御情報」のコネクテッドカー間での交信
や，「遠隔制御情報」が遠隔地のサーバからコネクテッドカーへ伝送される．
コネクテッドカーの自動運転制御を実現するには，周辺情報や制御情報を通信ネット
ワーク上で超低遅延かつ高品質に伝送しなけ

図 1 本研究の概要

ればならない．そこで現在，仮想化技術に基づいたネットワークスライシングの利用が期待されている．このネットワークスライシングを用いると，物理ネットワーク上の各種資源（ノードの CPU やメモリ，伝送帯域など）を仮想化して，サービ
スごとの専用ネットワーク（以下，ネットワークスライスと呼ぶ）を要求品質に基づいて仮想的に構

図 4 ケース 2 での評価結果

築できる．ネットワークスライスは自動運転制御の実現に必要不可欠な技術として期待されているが，多数のコネクテッドカーを自動運転する環境では，より高信頼かつ高品質な V2X 通信を実現しなければならない（図 1 参照）．特に，物理ネットワークで障害が発生した場合，複数のネットワークスライ

3

スでも同時に障害が発生していまい，各スライスに対して高速な障害復旧を実行しなければならない．

本研究では，自動運転制御用 V2X 通信で利用

そのためには，障害復旧で使用するネットワーク資源量を最小限に抑制することが望まれる．

まとめされる仮想的に構築されたネットワークスライ
スに対する高速障害復旧技術を確立した．確立

2

結果概要

した自動運転制御用障害復旧技術の性能を複数

2.1 提案方式の状況で評価した．評価結果から提案技術の有本研究では，物理ネットワーク上に構築されク資源の有効利用を考慮した高速障害復旧技術た複数の車両用スライスに対して，ネットワーを提案する．提案方式は，車両用ネットワーク

─ 64 ─

効性を示した．
図 2 性能評価環境
─ 65 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

上記式の範囲で閾値処理を行うことで，画素

夜間および悪天候時における車載単眼カメラによる高速の値がの部分がテールランプらしい範囲，

なブレーキランプ点灯検出に関する研究

値画像を生成する．また，それぞれのテール$6WXG\RQ+LJK6SHHG'HWHFWLRQRI9HKLFOH5HDUODPSE\2QYHKLFOH&DPHUDDW
1LJKWDQGLQ%DG:HDWKHU張 潮 &KDR=+$1*
福井大学 8QLYHUVLW\RI)XNXL


を生成する．入力画像例として図２を与えた際

の部分がテールランプらしくない範囲となる
ランプらしい範囲に対してERXQGLQJER[ EE の値画像を図３を示す．


図５：矩形ペアの定義









5HDUODPSGHWHFWLRQRIDYHKLFOHLVDQLPSRUWDQWWHFKQLTXHIRUDGYDQFHGGULYHUDVVLVWDQFH



V\VWHPV:HSUHVHQWDGHWHFWLRQPHWKRGE\HPSOR\LQJDYDULDQWRIWKHJHQHWLFDOJRULWKP7KH



GHWHFWLRQWDVNLVFDVWWRDORFDOL]DWLRQSUREOHPXQGHUDQHYROXWLRQDU\RSWLPL]DWLRQIUDPHZRUN.H\:RUGV：5HDUODPS'HWHFWLRQ*HQHWLF$OJRULWKP(YROXWLRQDU\2SWLPL]DWLRQ はじめに

図２：入力画像例



図６：矩形ペアの検出例

近年，画像処理を用いた自動運転技術を搭載した自動運転車が開発されている．その機能の一つに，



ブレーキランプの点灯を認識することで先行車のブレーキを検出するものがある．これは，ブレーキが効き始める前のブレーキペダルのあそびを踏んでいる段階からの検出が可能であるため，センサで

減速を検出するものよりも早い検出ができ，先行車に追突する危険性の低下が望める．日中における

ブレーキランプの既存検出法はたくさん提案されているが，問題点として，夜間にはテールランプが

常時点灯しているため，テールランプの検出のみではブレーキの検出に不十分であることが挙げられ

る．2’0DOOH\ ら>@は，+69色空間と相互相関対称分析を用いて夜間のテールランプのペアを検出・







図３：２値画像例

追跡している．この手法の問題点として，赤信号やネオン照明等の光が自動車の後面に入射した際の

図７：出力結果例

また，EEを生成した出力結果を図４に示す．

テールランプとの誤認がある．

である．3%2 の各個体のパラメータとして，ペ緑色の矩形が生成した EE である．

アの中心位置[，\，左右矩形のサイズ 共通 Z，

ット操作SUREDELOLVWLFELWZLVHRSHUDWLRQ 3%2 >@により改良した最適化手法を組み合わせ，テ

K，矩形間の距離 OHQ，左右矩形の縦ずれ \'Lﬀのールランプの頑健な検出を行う．また，検出したテールランプの位置からハイマウントストップラン

計パラメータを用いる．また，次フレームでプの位置を推定することにより，夜間にブレーキを検出する手法を提案する．



実行を行う際に個体群の初期値として前フレームの個体を引き継いでいる．3%2 で最適化を行った後の出力結果例を図７に示す．

これらの問題を解決するために，テールランプ検出の既存手法と遺伝的アルゴリズムを確率的なビ

 結果概要 提案手法



提案手法では，マスク処理後の画像に対する

解探索と3%2を用いた最適化手法での解探索

を組み合わせ．両手法の最良の評価値 3%2で

図４：ERXQGLQJER[ 例

0DUWLQ*ODYLQ5HDU/DPS9HKLFOH'HWHFWLRQ

は適応度 を比較し，良いものを選択する．最

求めた各 EE に対し，図５に示す \'LII を条件

DQG7UDFNLQJLQ/RZ([SRVXUH&RORU9LGHRIRU

終的に選ばれたテールランプの位置からハイマにペアリングを行う．/KHLJKW，5KHLJKWは左右矩形

1LJKW &RQGLWLRQV ,((( 7UDQVDFWLRQV RQ

ウントストップランプの位置を推定し，ブレーのそれぞれの縦幅である．\'LII は矩形の<軸,QWHOOLJHQW 7UDQVSRUWDWLRQ 6\VWHPV  におけるズレの値である．ペアリング後の出力，．

キの検出を行う．提案手法のフローチャートを

図１：提案手法のフローチャート．
る：

図１に示す．

 参考文献
>@ 2’0DOOH\，5RQDQ&，(GZDUG-RQHVDQG

結果を図６に示す．左矩形がシアン，右矩形が>@ 中根拓未，明石卓也，張潮，テンプレー

 テールランプの色による閾値処理では，5*%

青，矩形同士を結ぶラインを緑としている．

トマッチングにおける確率的なビット操作を用

色空間よりも照明変化に強い +69色空間を用

次に，3%2 を用いて評価関数を最大化するこいた容易に並列化可能な進化的最適化手法の提いる．+XH 色相 ，6DWXUDWLRQ 彩度 ，9DOXH 明とで最適なペアを探索する．評価関数は，各ペ案，精密工学会誌，9RO1RSS

アに対して対称性等を加味した評価を行う関数

．

度 それぞれの範囲を下記の式によって定め
─ 66 ─

─ 67 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

上記式の範囲で閾値処理を行うことで，画素

夜間および悪天候時における車載単眼カメラによる高速の値がの部分がテールランプらしい範囲，

なブレーキランプ点灯検出に関する研究

値画像を生成する．また，それぞれのテール$6WXG\RQ+LJK6SHHG'HWHFWLRQRI9HKLFOH5HDUODPSE\2QYHKLFOH&DPHUDDW
1LJKWDQGLQ%DG:HDWKHU張 潮 &KDR=+$1*
福井大学 8QLYHUVLW\RI)XNXL


を生成する．入力画像例として図２を与えた際

の部分がテールランプらしくない範囲となる
ランプらしい範囲に対してERXQGLQJER[ EE の値画像を図３を示す．


図５：矩形ペアの定義









5HDUODPSGHWHFWLRQRIDYHKLFOHLVDQLPSRUWDQWWHFKQLTXHIRUDGYDQFHGGULYHUDVVLVWDQFH



V\VWHPV:HSUHVHQWDGHWHFWLRQPHWKRGE\HPSOR\LQJDYDULDQWRIWKHJHQHWLFDOJRULWKP7KH



GHWHFWLRQWDVNLVFDVWWRDORFDOL]DWLRQSUREOHPXQGHUDQHYROXWLRQDU\RSWLPL]DWLRQIUDPHZRUN.H\:RUGV：5HDUODPS'HWHFWLRQ*HQHWLF$OJRULWKP(YROXWLRQDU\2SWLPL]DWLRQ はじめに

図２：入力画像例



図６：矩形ペアの検出例

近年，画像処理を用いた自動運転技術を搭載した自動運転車が開発されている．その機能の一つに，



ブレーキランプの点灯を認識することで先行車のブレーキを検出するものがある．これは，ブレーキが効き始める前のブレーキペダルのあそびを踏んでいる段階からの検出が可能であるため，センサで

減速を検出するものよりも早い検出ができ，先行車に追突する危険性の低下が望める．日中における

ブレーキランプの既存検出法はたくさん提案されているが，問題点として，夜間にはテールランプが

常時点灯しているため，テールランプの検出のみではブレーキの検出に不十分であることが挙げられ

る．2’0DOOH\ ら>@は，+69色空間と相互相関対称分析を用いて夜間のテールランプのペアを検出・







図３：２値画像例

追跡している．この手法の問題点として，赤信号やネオン照明等の光が自動車の後面に入射した際の

図７：出力結果例

また，EEを生成した出力結果を図４に示す．

テールランプとの誤認がある．

である．3%2 の各個体のパラメータとして，ペ緑色の矩形が生成した EE である．

アの中心位置[，\，左右矩形のサイズ 共通 Z，

ット操作SUREDELOLVWLFELWZLVHRSHUDWLRQ 3%2 >@により改良した最適化手法を組み合わせ，テ

K，矩形間の距離 OHQ，左右矩形の縦ずれ \'Lﬀのールランプの頑健な検出を行う．また，検出したテールランプの位置からハイマウントストップラン

計パラメータを用いる．また，次フレームでプの位置を推定することにより，夜間にブレーキを検出する手法を提案する．



実行を行う際に個体群の初期値として前フレームの個体を引き継いでいる．3%2 で最適化を行った後の出力結果例を図７に示す．

これらの問題を解決するために，テールランプ検出の既存手法と遺伝的アルゴリズムを確率的なビ

 結果概要 提案手法



提案手法では，マスク処理後の画像に対する

解探索と3%2を用いた最適化手法での解探索

を組み合わせ．両手法の最良の評価値 3%2で

図４：ERXQGLQJER[ 例

0DUWLQ*ODYLQ5HDU/DPS9HKLFOH'HWHFWLRQ

は適応度 を比較し，良いものを選択する．最

求めた各 EE に対し，図５に示す \'LII を条件

DQG7UDFNLQJLQ/RZ([SRVXUH&RORU9LGHRIRU

終的に選ばれたテールランプの位置からハイマにペアリングを行う．/KHLJKW，5KHLJKWは左右矩形

1LJKW &RQGLWLRQV ,((( 7UDQVDFWLRQV RQ

ウントストップランプの位置を推定し，ブレーのそれぞれの縦幅である．\'LII は矩形の<軸,QWHOOLJHQW 7UDQVSRUWDWLRQ 6\VWHPV  におけるズレの値である．ペアリング後の出力，．

キの検出を行う．提案手法のフローチャートを

図１：提案手法のフローチャート．
る：

図１に示す．

 参考文献
>@ 2’0DOOH\，5RQDQ&，(GZDUG-RQHVDQG

結果を図６に示す．左矩形がシアン，右矩形が>@ 中根拓未，明石卓也，張潮，テンプレー

 テールランプの色による閾値処理では，5*%

青，矩形同士を結ぶラインを緑としている．

トマッチングにおける確率的なビット操作を用

色空間よりも照明変化に強い +69色空間を用

次に，3%2 を用いて評価関数を最大化するこいた容易に並列化可能な進化的最適化手法の提いる．+XH 色相 ，6DWXUDWLRQ 彩度 ，9DOXH 明とで最適なペアを探索する．評価関数は，各ペ案，精密工学会誌，9RO1RSS

アに対して対称性等を加味した評価を行う関数

．

度 それぞれの範囲を下記の式によって定め
─ 66 ─

─ 67 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成 30 年度 研究報告書概要

硬度傾斜・厚膜化 '/& 皮膜によるアルミニウム合金の
耐摩擦摩耗特性の改善
,PSURYHPHQWRIIULFWLRQDQGZHDUUHVLVWDQFHRIDOXPLQXPDOOR\E\WKLFNHQHG
'/&ILOPZLWKJUDGHGKDUGQHVV中村雅史 0DVDVKL1DNDPXUD
茨城大学 ,EDUDNL8QLYHUVLW\

図 2 積層 DLC 膜の側面 SEM 画像
表 1 硬質，軟質および積層 DLC 膜の残留応力

図 3 硬質，軟質および積層 DLC 膜の摩耗率,QWKLVVWXG\WKHPHWKRGRIUHGXFLQJWKHUHVLGXDOVWUHVVRI'/&ILOPDQGPDNLQJLWWKLFNHU

SampleResidual stress [GPa]ZDVVWXGLHG/DPLQDWHGVWUXFWXUH'/&ILOPFRPSRVHGRIDVRIW'/&ILOPZLWKVPDOOUHVLGXDO

Hard-DLC

6.7

れより，硬質 DLC 層と軟質 DLC 層を交互に同じ

VWUHVVDQGDKDUG'/&ILOPZLWKJRRGZHDUUHVLVWDQFHZDVGHSRVLWHGDQGWKHUHVLGXDOVWUHVV

Soft-DLC

4.6

厚さで積層させた積層 DLC 膜は軟質 DLC 膜と

DQGIULFWLRQDQGZHDUFKDUDFWHULVWLFVRILWZHUHHYDOXDWHG$VDUHVXOWWKHODPLQDWHG'/&

Laminate DLC

6.0

硬質 DLC 膜の中間的な耐摩耗性を呈することが分かった．

ILOPKDGVPDOOHUUHVLGXDOVWUHVVDQGORQJHUZHDUOLIHWKDQWKHVLQJOHOD\HU'/&ILOP

により測定した結果，硬質 DLC 膜は 13.6 GPa，

.H\ :RUGV ：6XUIDFH PRGLILFDWLRQ '/& ILOP 8QEDODQFHG PDJQHWURQ VSXWWHULQJ /DPLQDWHG

軟質 DLC 膜は 6.8 GPa，積層 DLC 膜は 16.5 GPa

VWUXFWXUH

であった．

で，残留応力を低減させることが可能であり，摩 はじめに 残留応力の評価

耗寿命は硬質 DLC 膜よりも低下するが，軟質

自動車分野では環境規制の強化を背景に，軽量化のために Al 合金製部材の需要が急伸している．
しかしながら，Al 合金はその軟質な機械特性から耐摩耗性に乏しいという問題点がある．一方，DLC(Diamond-Like-Carbon)膜は表面潤滑性に優れ，高硬度で優れた耐摩耗性を有しており自動車部品にも実用化が進められている．申請者らはこれまでに DLC 膜と Al 合金の中間層を制御して高密着性を得られる成膜方法を検討している(1)～(3)．本研究では DLC 被覆 Al 合金のさらなる長摩耗寿命を得るために，DLC 膜の厚膜化について残留応力に焦点をあてて検討した．

 結果概要

硬質 DLC 膜と軟質 DLC 膜を積層させること

SUS 板に成膜した試験片に対して，成膜前後でDLC 膜よりも大きく向上することが分かった．

基材のそり量を測定し，Stoney の式(1)により残このことから，積層 DLC 膜の残留応力が硬質

留応力を算出した．

DLC 膜の残留応力の大きさまで増加しても，膜の割れや剥離が起きないことが示唆される．すな

𝐸𝐸𝑠𝑠
𝑡𝑡𝑠𝑠2 11𝜎𝜎 =( − )   (1)(1 − 𝑣𝑣𝑠𝑠 ) 6𝑡𝑡𝑓𝑓 𝑅𝑅𝑓𝑓 𝑅𝑅𝑖𝑖

わち更なる厚膜化できることが示唆される．
 今後の課題

ここで，Es は成膜した基板の弾性率，νs は基板のtf は DLC 膜の膜厚，ポアソン比，ts は基板の厚さ，

Ri は成膜前の基板の曲率半径，Rf は成膜後の基板の曲率半径である．残留応力の測定結果を表 1 に DLC 膜の成膜 まとめ

今後は，積層 DLC 膜をさらに厚膜化して成膜
し，積層数や各層の厚さ，積層方法（硬さの傾斜積層）などを残留応力を考慮してさらに検討する必要がある．また，Al 合金に厚膜化した積層 DLC

Sputtering）装置を用いて，水素フリーの硬質 DLC

示すが，積層 DLC 膜は硬質 DLC 膜よりも残留応膜が適用できるかどうかを評価していく．

膜，水素および Cr を含有させた軟質 DLC 膜を成力が小さいことが分かる．

参考文献

留応力が増大により膜の割れや剥離が発生し易膜した．さらに図 1 に示すような硬質 DLC 膜と 摩擦摩耗特性の評価

1) Masashi Nakamura et al., Journal of Materials. 一方，DLC 膜に水素を含有させたり, Cr

軟質 DLC 膜を交互に積層させた DLC 膜（以降積

基材を超硬合金として DLC 膜を成膜した 3 種

層 DLC 膜と称す）を成膜した．積層 DLC 膜の側類の供試材に対してボールオンディスク型摩擦pp.3789-3797.

は低減するが，膜が低硬度となり耐摩耗性が低下

面 SEM 画像を図 1 に示す．超硬合金上に成膜し摩耗試験機を用いて摩擦摩耗試験を行った．試験

2) 中村雅史，高森悠紀，日本機械学会論文集する. そこで, 本研究では高硬度（硬質）な DLC

た皮膜の硬さをナノインデンテーション試験機

DLC 膜を厚膜化するには，残留応力を考慮する必要がある．高硬度な DLC 膜を厚くすると残い(4),(5)や Si などの金属を含有させたりすると残留応力は，相手材のボールは直径 6.0 mm の Al2O3，負荷

Engineering and Performance, Vol.24 ， No.10 ，(2016), Vol82, No.840

膜で耐摩耗性を維持し，低硬度（軟質）な DLC 膜

荷重は 10 N，回転速度 35.8rpm の条件にて行っ

で残留応力の低減させるため両者を積層するこ

た．摩擦摩耗試験の結果から得られた摩耗寿命と，

Vol85, No871とで DLC 膜を厚膜化して成膜することを検討し摩耗痕のレーザー顕微鏡による観察で得られた

4) Z. Nibennaoune, D. Gerge, S. Ahzi, D. Ruch, Y.

た．供試材に用いた基材は，Al 合金に DLC を成

摩耗深さから 1 摺動回当たりの摩耗深さを摩耗膜する前の段階として DLC 膜自体の特性を調べ率（摩耗深さ/摩耗寿命）として計算した結果を図3 に示す．各試験片の摩耗率を比較から，積層るため，残留力評価用に SUS 板および DLC 膜の

DLC 膜の耐摩耗性は軟質 DLC 膜の約 2 倍，硬質

硬さおよび摩擦摩耗試験用に超硬合金を使用した．これらの材料に UBMS（Unbalanced Magnetron
─ 68 ─

図 1 積層 DLC 膜の模式図

DLC 膜の約 0.6 倍となっていることが分かる．こ3) 中村雅史, 石井努，日本機械学会論文集(2019),

Remond, J.J. Gracio, Thin Solid Films, 518 (2010)
3260-32665) Z. Nibennaoune, D. Gerge, S. Ahzi, D. Ruch, Y.
Remond, J.J. Gracio, Thin Solid Films, 518 (2010)
3260-3266

─ 69 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成 30 年度 研究報告書概要

硬度傾斜・厚膜化 '/& 皮膜によるアルミニウム合金の
耐摩擦摩耗特性の改善
,PSURYHPHQWRIIULFWLRQDQGZHDUUHVLVWDQFHRIDOXPLQXPDOOR\E\WKLFNHQHG
'/&ILOPZLWKJUDGHGKDUGQHVV中村雅史 0DVDVKL1DNDPXUD
茨城大学 ,EDUDNL8QLYHUVLW\

図 2 積層 DLC 膜の側面 SEM 画像
表 1 硬質，軟質および積層 DLC 膜の残留応力

図 3 硬質，軟質および積層 DLC 膜の摩耗率,QWKLVVWXG\WKHPHWKRGRIUHGXFLQJWKHUHVLGXDOVWUHVVRI'/&ILOPDQGPDNLQJLWWKLFNHU

SampleResidual stress [GPa]ZDVVWXGLHG/DPLQDWHGVWUXFWXUH'/&ILOPFRPSRVHGRIDVRIW'/&ILOPZLWKVPDOOUHVLGXDO

Hard-DLC

6.7

れより，硬質 DLC 層と軟質 DLC 層を交互に同じ

VWUHVVDQGDKDUG'/&ILOPZLWKJRRGZHDUUHVLVWDQFHZDVGHSRVLWHGDQGWKHUHVLGXDOVWUHVV

Soft-DLC

4.6

厚さで積層させた積層 DLC 膜は軟質 DLC 膜と

DQGIULFWLRQDQGZHDUFKDUDFWHULVWLFVRILWZHUHHYDOXDWHG$VDUHVXOWWKHODPLQDWHG'/&

Laminate DLC

6.0

硬質 DLC 膜の中間的な耐摩耗性を呈することが分かった．

ILOPKDGVPDOOHUUHVLGXDOVWUHVVDQGORQJHUZHDUOLIHWKDQWKHVLQJOHOD\HU'/&ILOP

により測定した結果，硬質 DLC 膜は 13.6 GPa，

.H\ :RUGV ：6XUIDFH PRGLILFDWLRQ '/& ILOP 8QEDODQFHG PDJQHWURQ VSXWWHULQJ /DPLQDWHG

軟質 DLC 膜は 6.8 GPa，積層 DLC 膜は 16.5 GPa

VWUXFWXUH

であった．

で，残留応力を低減させることが可能であり，摩 はじめに 残留応力の評価

耗寿命は硬質 DLC 膜よりも低下するが，軟質

自動車分野では環境規制の強化を背景に，軽量化のために Al 合金製部材の需要が急伸している．
しかしながら，Al 合金はその軟質な機械特性から耐摩耗性に乏しいという問題点がある．一方，DLC(Diamond-Like-Carbon)膜は表面潤滑性に優れ，高硬度で優れた耐摩耗性を有しており自動車部品にも実用化が進められている．申請者らはこれまでに DLC 膜と Al 合金の中間層を制御して高密着性を得られる成膜方法を検討している(1)～(3)．本研究では DLC 被覆 Al 合金のさらなる長摩耗寿命を得るために，DLC 膜の厚膜化について残留応力に焦点をあてて検討した．

 結果概要

硬質 DLC 膜と軟質 DLC 膜を積層させること

SUS 板に成膜した試験片に対して，成膜前後でDLC 膜よりも大きく向上することが分かった．

基材のそり量を測定し，Stoney の式(1)により残このことから，積層 DLC 膜の残留応力が硬質

留応力を算出した．

DLC 膜の残留応力の大きさまで増加しても，膜の割れや剥離が起きないことが示唆される．すな

𝐸𝐸𝑠𝑠
𝑡𝑡𝑠𝑠2 11𝜎𝜎 =( − )   (1)(1 − 𝑣𝑣𝑠𝑠 ) 6𝑡𝑡𝑓𝑓 𝑅𝑅𝑓𝑓 𝑅𝑅𝑖𝑖

わち更なる厚膜化できることが示唆される．
 今後の課題

ここで，Es は成膜した基板の弾性率，νs は基板のtf は DLC 膜の膜厚，ポアソン比，ts は基板の厚さ，

Ri は成膜前の基板の曲率半径，Rf は成膜後の基板の曲率半径である．残留応力の測定結果を表 1 に DLC 膜の成膜 まとめ

今後は，積層 DLC 膜をさらに厚膜化して成膜
し，積層数や各層の厚さ，積層方法（硬さの傾斜積層）などを残留応力を考慮してさらに検討する必要がある．また，Al 合金に厚膜化した積層 DLC

Sputtering）装置を用いて，水素フリーの硬質 DLC

示すが，積層 DLC 膜は硬質 DLC 膜よりも残留応膜が適用できるかどうかを評価していく．

膜，水素および Cr を含有させた軟質 DLC 膜を成力が小さいことが分かる．

参考文献

留応力が増大により膜の割れや剥離が発生し易膜した．さらに図 1 に示すような硬質 DLC 膜と 摩擦摩耗特性の評価

1) Masashi Nakamura et al., Journal of Materials. 一方，DLC 膜に水素を含有させたり, Cr

軟質 DLC 膜を交互に積層させた DLC 膜（以降積

基材を超硬合金として DLC 膜を成膜した 3 種

層 DLC 膜と称す）を成膜した．積層 DLC 膜の側類の供試材に対してボールオンディスク型摩擦pp.3789-3797.

は低減するが，膜が低硬度となり耐摩耗性が低下

面 SEM 画像を図 1 に示す．超硬合金上に成膜し摩耗試験機を用いて摩擦摩耗試験を行った．試験

2) 中村雅史，高森悠紀，日本機械学会論文集する. そこで, 本研究では高硬度（硬質）な DLC

た皮膜の硬さをナノインデンテーション試験機

DLC 膜を厚膜化するには，残留応力を考慮する必要がある．高硬度な DLC 膜を厚くすると残い(4),(5)や Si などの金属を含有させたりすると残留応力は，相手材のボールは直径 6.0 mm の Al2O3，負荷

Engineering and Performance, Vol.24 ， No.10 ，(2016), Vol82, No.840

膜で耐摩耗性を維持し，低硬度（軟質）な DLC 膜

荷重は 10 N，回転速度 35.8rpm の条件にて行っ

で残留応力の低減させるため両者を積層するこ

た．摩擦摩耗試験の結果から得られた摩耗寿命と，

Vol85, No871とで DLC 膜を厚膜化して成膜することを検討し摩耗痕のレーザー顕微鏡による観察で得られた

4) Z. Nibennaoune, D. Gerge, S. Ahzi, D. Ruch, Y.

た．供試材に用いた基材は，Al 合金に DLC を成

摩耗深さから 1 摺動回当たりの摩耗深さを摩耗膜する前の段階として DLC 膜自体の特性を調べ率（摩耗深さ/摩耗寿命）として計算した結果を図3 に示す．各試験片の摩耗率を比較から，積層るため，残留力評価用に SUS 板および DLC 膜の

DLC 膜の耐摩耗性は軟質 DLC 膜の約 2 倍，硬質

硬さおよび摩擦摩耗試験用に超硬合金を使用した．これらの材料に UBMS（Unbalanced Magnetron
─ 68 ─

図 1 積層 DLC 膜の模式図

DLC 膜の約 0.6 倍となっていることが分かる．こ3) 中村雅史, 石井努，日本機械学会論文集(2019),

Remond, J.J. Gracio, Thin Solid Films, 518 (2010)
3260-32665) Z. Nibennaoune, D. Gerge, S. Ahzi, D. Ruch, Y.
Remond, J.J. Gracio, Thin Solid Films, 518 (2010)
3260-3266

─ 69 ─

High-speed camera

研究報告書概要
Light source

表題和文ゴシック 18pt ＸＸＸＸＸＸＸ
軸受トルク・音響振動性能に及ぼすグリースのレオロジー特性の影響
ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

Glass disc

ＸＸＸＸＸＸＸＸ

Gap sensor

流体によるせん断力が低下し，増ちょう剤相互作用がspeed, grease forms a thick film. The author found that very low speed vertical motion cause thick thickener rich grease

相対的に大きくなり流動しにくくなるためである．

要旨英文（250～300 文字程度）明朝半角 10pt XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX

film and its shear characteristics differ greatly depending on the thickener type. This study investigated the relationship

XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX

between bthickener interaction, rheological properties of grease and bearing torque value and fluctuation.

XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX

2.2

Base
Oil
Grease have been widely used but we cannot yet
predict
accurately lubricating performance of grease. Thickener
have very large influence on the film thickness of grease.
The purpose of this study is to make clear the behavior ofgrease thickener by direct observation of grease EHL film
under very low speed rolling, sliding and impact motion.

Li-A

垂直閉じ込め後 - 滑り試験

報告者のこれまでの研究で，転がり条件下と同様に，

Li-C

鋼球とガラス円板が垂直に接近する運動下においてもLi-B

方針が確立していない．本研究は，鋼球とガラス円板から構成される点接触条件でのグリース挙動のそのＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

場観察、グリースレオロジー特性評価，軸受トルク計測等により，グリース開発指針の確立を目指している．

図5

るため時間経過による膜厚変化がない．これを利用して垂直運動で厚膜を形成したのちにガラス円板を移動させることで，増ちょう剤リッチなグリース膜に滑りを与えることができる（図 7）．すなわち，増ちょう剤自体のせん断特性，相互作用の強さを評価できると2 結果概要ゴシック 12pt

22.1 結果概要
ゴシック 10pt

考えている．

2.1本文
グリースと軸受トルク
明朝 ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

図 8 はこの方法を用いて各グリースを試験した結グリースは、基油と増ちょう剤および添加剤で構成
ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

果である．変動はあるものの，接触域内で直接接触

ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸが生じない 1000 s までにおける摩擦係数は，おおよＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸにも関わらず，軸受トルクは差が大きいことがわかる．

図1

そ Li-A > Li-C > Li-B の順になっており，相互作用の強0.4

ロットしたものを図 5 に示す． 基油は速度の上昇に0.3

対して 0.67 乗で上昇する Hamrock-Dowson 式と同様

0.2な傾向である．グリースは低速ではいずれも基油より厚い膜厚となり，（厚）Li-A > Li-C > Li-B（薄）となった．
図※6 にレオメータを用いて測定したせん断速度と見図表を含めて、２ページ以内に収める。

0.0

2

かけ粘度の関係を示す．粘度も> Li-CNew> Li-B Romanの順※ 英文明朝についてはLi-A
Timesの使用も可。
図2となり，いずれのグリースも低せん断速度でより見か

3

7

8

軸受トルクの時間変化

9※ ２段組み、一頁当たり 45 行、一行当たり 20 字を目安とする。
け粘度が高くなっている．これは，増ちょう剤分子の※ その他の書式等については、学術論文で一般に要求される仕様に準ずる。
─ 70 ─

10

3

50 N

Maximum
Hertzian pressure

0.60 GPa

Hertzian diameter

400 μm

104

7s

0.03
0.02
0.01

Disc speed

0.00
-5

0

5

10
Time, sHigh speed (vim = 10 mm/s)

せん断速度による見かけ粘度の変化
Time

t = 0sud

Sliding

5s

図7

結言

Time

μ

μ

vim = 1 µm/s
uD= 10 µm/s
Li-A

0.05

Li-C

低速垂直運動下の厚膜形成を利用した増ちょう

Li-B

剤相互作用の評価とグリース流動特性，軸受トル

0.00

クとの関連性を明らかにした．

0

図8
─ 71 ─

500

1000
Time, s1500

閉じ込め後 - 滑り試験結果

20 s

In this experiment, the basic beh
speed sliding and impact motio
characteristics with the thickener w

閉じ込め後 - 滑り試験

0.10

0.94 sConclusionTime- 滑り試験を用いることで，グリース開発の指標

56Time, s25.4 mm

Contact load・di-urea・thickener concentration : 15 %・base oil viscosity : 47 mPa・s

素系グリースでも確認され，本提案の閉じ込め後

4Ball diameter

101
102
103
Used grease
Shear velocity, 1/s

uD= 10 µm/sとなる増ちょう剤特性評価が可能になる．
1

100

Contact

えられる．これらの傾向は，ウレア系グリース，フッ

Li-B

0.1

102

1s

200µm

めに 軸受トルクの変動も最も大きくなっていると考

Li-C

t=0s

0.04

Experiment Condition

LIGHT SOURCE

vim

大きな塊が形成され，これが接触域を通過するた
Li-A

vim

200µm

Experiments

103

vim = 1 µm/s

Friction cofficient μで測定した干渉像を図 4 に，膜厚を速度に対してプ

Glass

Very low speed (vim = 1.6 μm/

made clear that grease film thickness become thick on very
low speed side. This time, we research about sliding motion
10 behavior under the entrapped film.

Glass Disc

なっている．増ちょう剤相互作用が大きいために
0.5

t =0

(Disc speed : ud = 10µm/s)

4

図6mm/s での接触域内における膜厚の差が大きくに形成される膜の直接観察を行なった．純転がり条件

t = 0sIn 5 seconds, Very low speed : N
High speed : Entra

For pure sliding motion, the equivalent approaching speedv is converted with the relationship of entrainment speed

最大の Li-A では， 図 4 の干渉像 ue =1 mm/s, 100

グリースによる膜厚形成状態を調査するために光干渉法を用いた図 3 の実験装置で鋼球とガラス円板間

t = -26 s

105 uime and surface angle at the edge of contact. It has been

AMPLIFIER

度の大きさもこれと対応している．また，摩擦係数が転がり軸受とグリース200µmHigh speed(vim = 10 mm/s)

グリースおよび基油膜厚101

さを示していると考えられる．軸受トルク，見かけ粘使用したグリースを用いた軸受トルク試験結果である．基油は同じでグリースのちょう度が同程度である

Very low speed(vim = 2.7 μm/s)

106a, Pa⋅s

グリースは，転がり軸受を始めとする機械要素に使用され，多様なグリースが存在するが，明確な開発
本文 明朝 10pt ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

vim

Sliding motion

Apparent viscosity

はじめに

Glass

基油（PAO6） Impact motion

る．この現象では，増ちょう剤が流出しにくいため接1 はじめにKyushu I

ResultIntroduction

触域内にとどまり，増ちょう剤リッチな厚膜を形成すを与える。図2 は，３種のリチウム系増ちょう剤を
ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

Ayaka Nakama, Yuma Mita, Hiroshi Nishikawa

低速条件では厚い膜厚が形成されることがわかっていKey Words: Grease, Thickener, Film thickness, Friction, Bearing torque
Key Words：明朝半角 10pt, XXXXXXXXXX, XXXXXXXXXX, XXXXXXXXXXされ、増ちょう剤がグリースの流動特性に大きな影響
ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

Observation of EHL Grease Film Be
in Very Low Speed
干渉像（純転がり条件、数字は膜厚 nm）

相互作用が影響していると考えられ，速度低下によりGrease have been widely used and thickener have very large influence on the grease film thickness. At low rolling1

図4

油膜観察装置Czech-Japan Tribol

Film thickness, μm

KyushuInstitute of Technology
助成者所属英文

Piezo actuator

Friction Coefficient µ

助成者所属和文,九州工業大学，図3

2017.11.15-16

Film thickness, μm

Hiroshi Nishikawa
助成者名英文vim

Distance

西川 宏志，
助成者名和文,Cr layer
Steel ball

Strain gages

Effect of Rheological Properties of Grease on Bearing Torque and Acoustic Performance

表題英文 明朝半角 12pt

uD

Load

平成 30 年度

velocity ud

公益財団法人 スズキ財団

2000

High-speed camera

研究報告書概要
Light source

表題和文ゴシック 18pt ＸＸＸＸＸＸＸ
軸受トルク・音響振動性能に及ぼすグリースのレオロジー特性の影響
ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

Glass disc

ＸＸＸＸＸＸＸＸ

Gap sensor

流体によるせん断力が低下し，増ちょう剤相互作用がspeed, grease forms a thick film. The author found that very low speed vertical motion cause thick thickener rich grease

相対的に大きくなり流動しにくくなるためである．

要旨英文（250～300 文字程度）明朝半角 10pt XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX

film and its shear characteristics differ greatly depending on the thickener type. This study investigated the relationship

XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX

between bthickener interaction, rheological properties of grease and bearing torque value and fluctuation.

XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX

2.2

Base
Oil
Grease have been widely used but we cannot yet
predict
accurately lubricating performance of grease. Thickener
have very large influence on the film thickness of grease.
The purpose of this study is to make clear the behavior ofgrease thickener by direct observation of grease EHL film
under very low speed rolling, sliding and impact motion.

Li-A

垂直閉じ込め後 - 滑り試験

報告者のこれまでの研究で，転がり条件下と同様に，

Li-C

鋼球とガラス円板が垂直に接近する運動下においてもLi-B

方針が確立していない．本研究は，鋼球とガラス円板から構成される点接触条件でのグリース挙動のそのＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

場観察、グリースレオロジー特性評価，軸受トルク計測等により，グリース開発指針の確立を目指している．

図5

るため時間経過による膜厚変化がない．これを利用して垂直運動で厚膜を形成したのちにガラス円板を移動させることで，増ちょう剤リッチなグリース膜に滑りを与えることができる（図 7）．すなわち，増ちょう剤自体のせん断特性，相互作用の強さを評価できると2 結果概要ゴシック 12pt

22.1 結果概要
ゴシック 10pt

考えている．

2.1本文
グリースと軸受トルク
明朝 ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

図 8 はこの方法を用いて各グリースを試験した結グリースは、基油と増ちょう剤および添加剤で構成
ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

果である．変動はあるものの，接触域内で直接接触

ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸが生じない 1000 s までにおける摩擦係数は，おおよＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸにも関わらず，軸受トルクは差が大きいことがわかる．

図1

そ Li-A > Li-C > Li-B の順になっており，相互作用の強0.4

ロットしたものを図 5 に示す． 基油は速度の上昇に0.3

対して 0.67 乗で上昇する Hamrock-Dowson 式と同様

0.2な傾向である．グリースは低速ではいずれも基油より厚い膜厚となり，（厚）Li-A > Li-C > Li-B（薄）となった．
図※6 にレオメータを用いて測定したせん断速度と見図表を含めて、２ページ以内に収める。

0.0

2

かけ粘度の関係を示す．粘度も> Li-CNew> Li-B Romanの順※ 英文明朝についてはLi-A
Timesの使用も可。
図2となり，いずれのグリースも低せん断速度でより見か

3

7

8

軸受トルクの時間変化

9※ ２段組み、一頁当たり 45 行、一行当たり 20 字を目安とする。
け粘度が高くなっている．これは，増ちょう剤分子の※ その他の書式等については、学術論文で一般に要求される仕様に準ずる。
─ 70 ─

10

3

50 N

Maximum
Hertzian pressure

0.60 GPa

Hertzian diameter

400 μm

104

7s

0.03
0.02
0.01

Disc speed

0.00
-5

0

5

10
Time, sHigh speed (vim = 10 mm/s)

せん断速度による見かけ粘度の変化
Time

t = 0sud

Sliding

5s

図7

結言

Time

μ

μ

vim = 1 µm/s
uD= 10 µm/s
Li-A

0.05

Li-C

低速垂直運動下の厚膜形成を利用した増ちょう

Li-B

剤相互作用の評価とグリース流動特性，軸受トル

0.00

クとの関連性を明らかにした．

0

図8
─ 71 ─

500

1000
Time, s1500

閉じ込め後 - 滑り試験結果

20 s

In this experiment, the basic beh
speed sliding and impact motio
characteristics with the thickener w

閉じ込め後 - 滑り試験

0.10

0.94 sConclusionTime- 滑り試験を用いることで，グリース開発の指標

56Time, s25.4 mm

Contact load・di-urea・thickener concentration : 15 %・base oil viscosity : 47 mPa・s

素系グリースでも確認され，本提案の閉じ込め後

4Ball diameter

101
102
103
Used grease
Shear velocity, 1/s

uD= 10 µm/sとなる増ちょう剤特性評価が可能になる．
1

100

Contact

えられる．これらの傾向は，ウレア系グリース，フッ

Li-B

0.1

102

1s

200µm

めに 軸受トルクの変動も最も大きくなっていると考

Li-C

t=0s

0.04

Experiment Condition

LIGHT SOURCE

vim

大きな塊が形成され，これが接触域を通過するた
Li-A

vim

200µm

Experiments

103

vim = 1 µm/s

Friction cofficient μで測定した干渉像を図 4 に，膜厚を速度に対してプ

Glass

Very low speed (vim = 1.6 μm/

made clear that grease film thickness become thick on very
low speed side. This time, we research about sliding motion
10 behavior under the entrapped film.

Glass Disc

なっている．増ちょう剤相互作用が大きいために
0.5

t =0

(Disc speed : ud = 10µm/s)

4

図6mm/s での接触域内における膜厚の差が大きくに形成される膜の直接観察を行なった．純転がり条件

t = 0sIn 5 seconds, Very low speed : N
High speed : Entra

For pure sliding motion, the equivalent approaching speedv is converted with the relationship of entrainment speed

最大の Li-A では， 図 4 の干渉像 ue =1 mm/s, 100

グリースによる膜厚形成状態を調査するために光干渉法を用いた図 3 の実験装置で鋼球とガラス円板間

t = -26 s

105 uime and surface angle at the edge of contact. It has been

AMPLIFIER

度の大きさもこれと対応している．また，摩擦係数が転がり軸受とグリース200µmHigh speed(vim = 10 mm/s)

グリースおよび基油膜厚101

さを示していると考えられる．軸受トルク，見かけ粘使用したグリースを用いた軸受トルク試験結果である．基油は同じでグリースのちょう度が同程度である

Very low speed(vim = 2.7 μm/s)

106a, Pa⋅s

グリースは，転がり軸受を始めとする機械要素に使用され，多様なグリースが存在するが，明確な開発
本文 明朝 10pt ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

vim

Sliding motion

Apparent viscosity

はじめに

Glass

基油（PAO6） Impact motion

る．この現象では，増ちょう剤が流出しにくいため接1 はじめにKyushu I

ResultIntroduction

触域内にとどまり，増ちょう剤リッチな厚膜を形成すを与える。図2 は，３種のリチウム系増ちょう剤を
ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

Ayaka Nakama, Yuma Mita, Hiroshi Nishikawa

低速条件では厚い膜厚が形成されることがわかっていKey Words: Grease, Thickener, Film thickness, Friction, Bearing torque
Key Words：明朝半角 10pt, XXXXXXXXXX, XXXXXXXXXX, XXXXXXXXXXされ、増ちょう剤がグリースの流動特性に大きな影響
ＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸＸ

Observation of EHL Grease Film Be
in Very Low Speed
干渉像（純転がり条件、数字は膜厚 nm）

相互作用が影響していると考えられ，速度低下によりGrease have been widely used and thickener have very large influence on the grease film thickness. At low rolling1

図4

油膜観察装置Czech-Japan Tribol

Film thickness, μm

KyushuInstitute of Technology
助成者所属英文

Piezo actuator

Friction Coefficient µ

助成者所属和文,九州工業大学，図3

2017.11.15-16

Film thickness, μm

Hiroshi Nishikawa
助成者名英文vim

Distance

西川 宏志，
助成者名和文,Cr layer
Steel ball

Strain gages

Effect of Rheological Properties of Grease on Bearing Torque and Acoustic Performance

表題英文 明朝半角 12pt

uD

Load

平成 30 年度

velocity ud

公益財団法人 スズキ財団

2000

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

HAR’allC は本来観測できないが個人データのす研究報告書概要

べてのラベルデータで FT したものである．

教師ラベル取得に制約のある状況における

2.3

実験結果

訓練用データ 100 名でモデルを訓練し，検証

行動センシングの個人適応用データ 100 名で精度検証を行った実験結果を
図 2 に示す．基準となる HAR では平均値で精User adaptation of human activity sensing in situations
constrained by the acquisition of correct label for training data

度が 76.6%となった．FT で個人特化する場合，
HAR’StWa や HAR’rNoise はラベルの偏りにより精式(1)，(2)は各 D が与えられた波形を偽物か，度が低下した．提案手法 HAR’Gen は 78.3%でや本物であるならば 100 名中どのユーザのものでや精度向上が確認できたが，不足分をランダム

あるかを識別する際のクロスエントロピー誤差

なユーザデータで補った HAR’rData で 79.5%とIn activity recognition, the model is trained with the majority of labeled sensor data (otherである．また Cycle GAN の特徴である式(3)のなり，自動生成の有効性は確認できなかった．

data) and predicts the activity of the sensor data (personal data) of an individual user. In

Cycle Loss（Lcyc）では，変換後データを再変換

ここで，特に個人適応が必要なユーザは他者

this study, we focus on label bias, which is a feature of the activity sensing field, and develop

する処理を行った際，もとの波形に変換できるデータで訓練した HAR で精度が低いユーザでa new method for user adaptation in situations where only some labels are given to unlabeledのかを示す損失を計算している．ネットワークあると考え，HAR の精度ごとに，HAR’rNoise とindividual data, and develop an automatic method for generating missing label data based on

全体は式(4)の通りである．

HAR’Gen の制度比較を行った結果を図 3 に示す．

the CycleGAN structure. The results of the evaluation suggested the possibility of improving

2.2

長谷川 達人,Tatsuhito Hasegawa
福井大学,
University of Fukui

the accuracy of activity recognition for the featured users.

図より，HAR の精度が下位 20%に着目すると，

評価実験

行動認識のベンチマークデータセット
HASC を用いて，提案手法の有効性を評価した．

ことが確認された．

HASC はスマートフォン等で計測された加速

Key Words：Activity sensing, Deep Learning, CycleGAN

度センサ値が記録されており，ユーザの動作 61

提案手法の方がやや精度向上の振れ幅が大きい

はじめに

3

おわりに

種（停止，歩行，走行，スキップ，階段上り，本研究では特定個人に特化した行動認識モデ

行動認識では大多数のラベル付きセンサデータ（他者データ）を用いてモデルを訓練し，特定個人

下り）が記録されている．サンプリング周波数

ルの実現に向け，教師ラベルが偏って与えられのセンサデータ（個人データ）の行動を予測する．本研究では，行動センシング分野の特色であるラ100Hz のデータから窓サイズ 128 サンプルでる状況下における個人適応手法を開発した．今ベルの偏りに焦点を当て，通常ラベルのない個人データの一部のラベルのみ付与されたデータが与え切り出し，データセットを構築した．行動認識後は，ユーザ間の類似度を正しく検証する手法

られる状況における個人適応手法を新たに開発する．CycleGAN 構造をベースとした不足データの自動モデルはシンプルな 10 層の CNN を採用した．

を開発し，本モデルの改善を行っていく予定で生成手法を開発した．評価の結果，特徴的なユーザに対して行動認識精度を改善する可能性が示唆さ

比較対象モデルは 6 種類である．HAR は他ある．なお，本研究は DICOMO2019 [2]で発表れた．

2

不足ラベルデータの自動生成

2.1

者データのみで訓練した一般的なベースライン，されている．詳細は論文を参照されたい．

HAR’StWa は HAR で訓練後に個人データの停止

参考文献と歩行で Fine-tuning（FT）を行ったもの，[1] Z., Jun-Yan, et al. "Unpaired image-to-imagetranslation using cycle-consistent adversarial
networks." Proc. of the ICCV 2017.
[2] 水野 真, 長谷川 達人, "不均衡半教師あり学習を用いた行動認識モデルの個人特化",
DICOMO 2019, 福島, 2019.7.

HAR’rNoise は HAR’StWa に乱数データを加えラベ

提案手法

他者データに加えて，特定個人からは停止，

ル不均衡を改善したもの，HAR’Gen は提案手法

歩行のデータのみが与えられるといった教師ラで 自 動 生 成 し た デ ー タ で FT し た も の ，

ベル取得に制約のある環境を想定する．本研究HAR’rData は自動生成の代わりにランダムで別では，行動認識では，日常的に停止，歩行を行の 被 験者 のデ ータを FT に 利 用 した もの ，うことから，これらのデータのみ取得が容易で
図 1．訓練時モデル構造あると考えた．
提案手法は，不足するラベル（走行，スキッ
プ，階段上り下り等）を CycleGAN 構造[1]をと，*を歩行に戻す F，そして各データが G や Fから生成されたデータ（fake）なのか，実際の参考にした生成モデル（図 1）で自動生成する．

データならばどのユーザなのかを識別する D*，

すなわち，特定個人の停止，歩行データから，

Dwalk の 4 つのモデルから構成される．歩行

走行やスキップなどのデータが自動生成できれ（walk）を走行(jog)に変換する例では，損失関ば，生成データを用いて個人特化が実現できる．

数は以下で定式化される．

提案モデルは，歩行データ（Domain[walk]）を何らかのドメイン*（例：走行）に変換する G─ 72 ─

図 2．モデル間の行動認識精度比較（100 名）

図 3．HAR の推定精度ごとの精度向上具合

─ 73 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

HAR’allC は本来観測できないが個人データのす研究報告書概要

べてのラベルデータで FT したものである．

教師ラベル取得に制約のある状況における

2.3

実験結果

訓練用データ 100 名でモデルを訓練し，検証

行動センシングの個人適応用データ 100 名で精度検証を行った実験結果を
図 2 に示す．基準となる HAR では平均値で精User adaptation of human activity sensing in situations
constrained by the acquisition of correct label for training data

度が 76.6%となった．FT で個人特化する場合，
HAR’StWa や HAR’rNoise はラベルの偏りにより精式(1)，(2)は各 D が与えられた波形を偽物か，度が低下した．提案手法 HAR’Gen は 78.3%でや本物であるならば 100 名中どのユーザのものでや精度向上が確認できたが，不足分をランダム

あるかを識別する際のクロスエントロピー誤差

なユーザデータで補った HAR’rData で 79.5%とIn activity recognition, the model is trained with the majority of labeled sensor data (otherである．また Cycle GAN の特徴である式(3)のなり，自動生成の有効性は確認できなかった．

data) and predicts the activity of the sensor data (personal data) of an individual user. In

Cycle Loss（Lcyc）では，変換後データを再変換

ここで，特に個人適応が必要なユーザは他者

this study, we focus on label bias, which is a feature of the activity sensing field, and develop

する処理を行った際，もとの波形に変換できるデータで訓練した HAR で精度が低いユーザでa new method for user adaptation in situations where only some labels are given to unlabeledのかを示す損失を計算している．ネットワークあると考え，HAR の精度ごとに，HAR’rNoise とindividual data, and develop an automatic method for generating missing label data based on

全体は式(4)の通りである．

HAR’Gen の制度比較を行った結果を図 3 に示す．

the CycleGAN structure. The results of the evaluation suggested the possibility of improving

2.2

長谷川 達人,Tatsuhito Hasegawa
福井大学,
University of Fukui

the accuracy of activity recognition for the featured users.

図より，HAR の精度が下位 20%に着目すると，

評価実験

行動認識のベンチマークデータセット
HASC を用いて，提案手法の有効性を評価した．

ことが確認された．

HASC はスマートフォン等で計測された加速

Key Words：Activity sensing, Deep Learning, CycleGAN

度センサ値が記録されており，ユーザの動作 61

提案手法の方がやや精度向上の振れ幅が大きい

はじめに

3

おわりに

種（停止，歩行，走行，スキップ，階段上り，本研究では特定個人に特化した行動認識モデ

行動認識では大多数のラベル付きセンサデータ（他者データ）を用いてモデルを訓練し，特定個人

下り）が記録されている．サンプリング周波数

ルの実現に向け，教師ラベルが偏って与えられのセンサデータ（個人データ）の行動を予測する．本研究では，行動センシング分野の特色であるラ100Hz のデータから窓サイズ 128 サンプルでる状況下における個人適応手法を開発した．今ベルの偏りに焦点を当て，通常ラベルのない個人データの一部のラベルのみ付与されたデータが与え切り出し，データセットを構築した．行動認識後は，ユーザ間の類似度を正しく検証する手法

られる状況における個人適応手法を新たに開発する．CycleGAN 構造をベースとした不足データの自動モデルはシンプルな 10 層の CNN を採用した．

を開発し，本モデルの改善を行っていく予定で生成手法を開発した．評価の結果，特徴的なユーザに対して行動認識精度を改善する可能性が示唆さ

比較対象モデルは 6 種類である．HAR は他ある．なお，本研究は DICOMO2019 [2]で発表れた．

2

不足ラベルデータの自動生成

2.1

者データのみで訓練した一般的なベースライン，されている．詳細は論文を参照されたい．

HAR’StWa は HAR で訓練後に個人データの停止

参考文献と歩行で Fine-tuning（FT）を行ったもの，[1] Z., Jun-Yan, et al. "Unpaired image-to-imagetranslation using cycle-consistent adversarial
networks." Proc. of the ICCV 2017.
[2] 水野 真, 長谷川 達人, "不均衡半教師あり学習を用いた行動認識モデルの個人特化",
DICOMO 2019, 福島, 2019.7.

HAR’rNoise は HAR’StWa に乱数データを加えラベ

提案手法

他者データに加えて，特定個人からは停止，

ル不均衡を改善したもの，HAR’Gen は提案手法

歩行のデータのみが与えられるといった教師ラで 自 動 生 成 し た デ ー タ で FT し た も の ，

ベル取得に制約のある環境を想定する．本研究HAR’rData は自動生成の代わりにランダムで別では，行動認識では，日常的に停止，歩行を行の 被 験者 のデ ータを FT に 利 用 した もの ，うことから，これらのデータのみ取得が容易で
図 1．訓練時モデル構造あると考えた．
提案手法は，不足するラベル（走行，スキッ
プ，階段上り下り等）を CycleGAN 構造[1]をと，*を歩行に戻す F，そして各データが G や Fから生成されたデータ（fake）なのか，実際の参考にした生成モデル（図 1）で自動生成する．

データならばどのユーザなのかを識別する D*，

すなわち，特定個人の停止，歩行データから，

Dwalk の 4 つのモデルから構成される．歩行

走行やスキップなどのデータが自動生成できれ（walk）を走行(jog)に変換する例では，損失関ば，生成データを用いて個人特化が実現できる．

数は以下で定式化される．

提案モデルは，歩行データ（Domain[walk]）を何らかのドメイン*（例：走行）に変換する G─ 72 ─

図 2．モデル間の行動認識精度比較（100 名）

図 3．HAR の推定精度ごとの精度向上具合

─ 73 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

二輪車・自転車事故死者低減に向けた
先進事故自動通報システムの開発
Development of automated collision notification system for motorcyclists and bicyclists

30～40km/h が多く，衝突車両の危険認知速度は

A ピラー衝突の一事例における加速度の時刻歴

50km/h が多かった．

を図 3 に示す．頭部加速度であるが，X，Y 軸

2.2

方向ではライナーが完全に押しつぶされた 179

事故死剖検例によるシステム有効性の検

ms において，ピーク値となったヘルメットの加証
車両あるいは路上で頭部を強打して受傷した
自転車乗員（2 例）は，ひき逃げ例であり，事
故後しばらく発見されなかった．したがって受

一杉 正仁,
Masahito Hitosugi
滋賀医科大学,
Shiga University of Medical Science

速度波形について，Y 軸方向では頭部の加速度波形と同様の波形をとった．
YX

傷後速やかな治療を受けることができなかった．

Sensor (R)Z

Head CG

さらに，ヘルメットを着用していないことで，

Impact point

強力な外力が頭部に作用した．作用した外力にSensor (L)Effective safety measures are required for motorcyclists and bicyclists because their bodies are exposed and

応じた自動通報システムがあれば，当該事故がlacking in protective equipment other than a helmet. The analysis of real-world collisions in Shiga prefecture

直ちに通報され，治療開始時間が早まると考え(a) 加速度計の位置とbetween 2013 to 2017 revealed that fatal motorcyclists or bicyclists had suffered from severe head injuries with

られる．さらに，頭部傷害の程度がある程度予

衝突位置

contacting to the front part of the vehicle. According to the forensic autopsies of fatal bicyclists, because the

測されれば，搬送先の選定にも役立つと考えら

victims had not found immediately after the collision and delayed the initial treatment, automated collision

れた．

notification system was required for the decrease of fatalities. With the Total human Model for Safety (THUMS,

2.3

Ver 4.02) and finite element model of the helmet, bicycle and vehicle, accelerations of the helmet and the head

事故自動通報システムの開発

頭部衝突時刻二輪車・自転車事故死者低減に向けた先進

衝突時の頭部とヘルメットの加速度の関係を

A-pillar of the vehicle, obtained acceleration along with Y-axis was similar to that of the head. Furthermore,

明確化し，ヘルメットの加速度から頭部傷害リ(c) Y 方向成分

using values of accelerations obtained via the helmet, the possibility of suffering severe head injuries could be

スクを予測するシステムを考案する．自転車乗

図3

calculated. We developed a novel automated collision notification system with indicating head injury risks

員の初期姿勢や頭部の衝突位置，車両走行速度

based on the helmet. The system might contribute to shorten the time to start medical intervention and to lesser

を変化させ，対四輪車衝突解析をおこなった（図the fatalities of motorcyclists and bicyclists.

1）．

Windshield

自転車や原付自転車・自動二輪車（以下，二輪車と略す）乗員に対してはヘルメット着用の義務化以外に有効な事故予防・傷害軽減対策が講じられていないので，自転車・二輪車乗員の死者数低減に(a) 自転車乗員の初向けた効果的対策が求められる．近年，交通事故死者数低減のために，救急医療に特化した自動事故

期姿勢

通報システム（Automated collision notification: ACN）が注目されている．この ACN システムを二輪車・

図1

結果概要

2.1

実事故調査データの解析成分が最も頭部加速度と一致することが確認さ

速度とヘルメット 3 ms clip 加速度には比例関係

A-pillar

研究概要

2

そして、測定軸上に頭部重心が存在する加速度の加速度を考えることとした．頭部 3 ms clip 加

ｃ40 km/h時における頭部加速度を算出し，頭部傷害リスクを加味した事故通報システムを構築した．

A ピラー衝突時の加速度の時刻歴を予想するために，持続時間 3 ms（3 ms clip）

25 km/h
30 km/h
35 km/h

いては，有限要素法による人体及び自転車のコンピューターシミュレーションモデルを用いて，事故(d) Z 方向成分

れた．ヘルメットの応答による頭部傷害リスク

Key Words：Collision notification system, bicyclist, motorcyclist, head injury, finite element model

自転車乗員に応用して，二輪車・自転車事故死者低減に資することを考案した．システムの開発につHead CG
Sensor (L)Sensor (R)were calculated under the reconstruction of the collisions. When the head of the bicyclists collided to the1(b) X 方向成分(b) 頭部衝突位置（N=34）が確認された（相関係数 0.814）．さらに，頭部とヘルメットの 3-ms clip 加速度の算出時刻が一致しており，ヘルメットの加速度から頭部の運動と相関の高いパラメータを抽出できた．ヘル

四輪車対自転車衝突解析

メットの加速度から，頭部傷害指標を予測する

自転車乗員モデルは THUMS ver. 4.02 の AM50ことができる．つまり，ヘルメット 3 ms clip 加

乗員モデルの姿勢を自転車乗車時の姿勢に変更

速度と回帰曲線から HIC 値を予測し，予測値をした．ヘルメットの加速度を計測するため，ヘ傷害リスクカーブに当てはめることで重症度ごルメット FE モデル内の前後左右 4 点に，加速との頭部傷害発生確率を算出することが可能と度計要素を設定した（図 2）．

なる．
以上のように，計測データから頭部傷害予測

滋賀県で発生したすべての自転車及び二輪車

たが，20km/h の低速度で発生している例も多かを加味した情報とともに緊急通報するシステム

死亡事故を解析し，受傷状況や損傷の特徴を明った．車両前面左側に衝突している例が最も多らかにした．対象は 69 例で，自転車が 31 例，が考案できた．

く，主損傷部位では圧倒的に頭部が多かった．

二輪車が 38 例であった．自転車乗員であるが，なお，ヘルメット着用者はいなかった．二輪車

平均年齢は 69 歳と高齢者に多かった．走行中に乗員であるが，平均年齢は 49 歳で，事故類型は後方から追突される例が最も多く，衝突車両は出会い頭が最も多かった．衝突車両は軽自動車

普通乗用車及び軽自動車がほとんどであった．

から大型車両まで様々であり，車両前面右側に四輪車の危険認知速度は 50km/h が最も多かっ衝突する例が多かった．自車の危険認知速度は

─ 74 ─

2.4

まとめヘルメットは頭部への外力を軽減するうえで有用であり，ヘルメットで計測された加速度を
図2

ヘルメット FE モデルに設定した加速度計の位置

用いて，頭部傷害リスクを予測したうえでの事
故自動通報を行うシステムが考案できた．

─ 75 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

二輪車・自転車事故死者低減に向けた
先進事故自動通報システムの開発
Development of automated collision notification system for motorcyclists and bicyclists

30～40km/h が多く，衝突車両の危険認知速度は

A ピラー衝突の一事例における加速度の時刻歴

50km/h が多かった．

を図 3 に示す．頭部加速度であるが，X，Y 軸

2.2

方向ではライナーが完全に押しつぶされた 179

事故死剖検例によるシステム有効性の検

ms において，ピーク値となったヘルメットの加証
車両あるいは路上で頭部を強打して受傷した
自転車乗員（2 例）は，ひき逃げ例であり，事
故後しばらく発見されなかった．したがって受

一杉 正仁,
Masahito Hitosugi
滋賀医科大学,
Shiga University of Medical Science

速度波形について，Y 軸方向では頭部の加速度波形と同様の波形をとった．
YX

傷後速やかな治療を受けることができなかった．

Sensor (R)Z

Head CG

さらに，ヘルメットを着用していないことで，

Impact point

強力な外力が頭部に作用した．作用した外力にSensor (L)Effective safety measures are required for motorcyclists and bicyclists because their bodies are exposed and

応じた自動通報システムがあれば，当該事故がlacking in protective equipment other than a helmet. The analysis of real-world collisions in Shiga prefecture

直ちに通報され，治療開始時間が早まると考え(a) 加速度計の位置とbetween 2013 to 2017 revealed that fatal motorcyclists or bicyclists had suffered from severe head injuries with

られる．さらに，頭部傷害の程度がある程度予

衝突位置

contacting to the front part of the vehicle. According to the forensic autopsies of fatal bicyclists, because the

測されれば，搬送先の選定にも役立つと考えら

victims had not found immediately after the collision and delayed the initial treatment, automated collision

れた．

notification system was required for the decrease of fatalities. With the Total human Model for Safety (THUMS,

2.3

Ver 4.02) and finite element model of the helmet, bicycle and vehicle, accelerations of the helmet and the head

事故自動通報システムの開発

頭部衝突時刻二輪車・自転車事故死者低減に向けた先進

衝突時の頭部とヘルメットの加速度の関係を

A-pillar of the vehicle, obtained acceleration along with Y-axis was similar to that of the head. Furthermore,

明確化し，ヘルメットの加速度から頭部傷害リ(c) Y 方向成分

using values of accelerations obtained via the helmet, the possibility of suffering severe head injuries could be

スクを予測するシステムを考案する．自転車乗

図3

calculated. We developed a novel automated collision notification system with indicating head injury risks

員の初期姿勢や頭部の衝突位置，車両走行速度

based on the helmet. The system might contribute to shorten the time to start medical intervention and to lesser

を変化させ，対四輪車衝突解析をおこなった（図the fatalities of motorcyclists and bicyclists.

1）．

Windshield

自転車や原付自転車・自動二輪車（以下，二輪車と略す）乗員に対してはヘルメット着用の義務化以外に有効な事故予防・傷害軽減対策が講じられていないので，自転車・二輪車乗員の死者数低減に(a) 自転車乗員の初向けた効果的対策が求められる．近年，交通事故死者数低減のために，救急医療に特化した自動事故

期姿勢

通報システム（Automated collision notification: ACN）が注目されている．この ACN システムを二輪車・

図1

結果概要

2.1

実事故調査データの解析成分が最も頭部加速度と一致することが確認さ

速度とヘルメット 3 ms clip 加速度には比例関係

A-pillar

研究概要

2

そして、測定軸上に頭部重心が存在する加速度の加速度を考えることとした．頭部 3 ms clip 加

ｃ40 km/h時における頭部加速度を算出し，頭部傷害リスクを加味した事故通報システムを構築した．

A ピラー衝突時の加速度の時刻歴を予想するために，持続時間 3 ms（3 ms clip）

25 km/h
30 km/h
35 km/h

いては，有限要素法による人体及び自転車のコンピューターシミュレーションモデルを用いて，事故(d) Z 方向成分

れた．ヘルメットの応答による頭部傷害リスク

Key Words：Collision notification system, bicyclist, motorcyclist, head injury, finite element model

自転車乗員に応用して，二輪車・自転車事故死者低減に資することを考案した．システムの開発につHead CG
Sensor (L)Sensor (R)were calculated under the reconstruction of the collisions. When the head of the bicyclists collided to the1(b) X 方向成分(b) 頭部衝突位置（N=34）が確認された（相関係数 0.814）．さらに，頭部とヘルメットの 3-ms clip 加速度の算出時刻が一致しており，ヘルメットの加速度から頭部の運動と相関の高いパラメータを抽出できた．ヘル

四輪車対自転車衝突解析

メットの加速度から，頭部傷害指標を予測する

自転車乗員モデルは THUMS ver. 4.02 の AM50ことができる．つまり，ヘルメット 3 ms clip 加

乗員モデルの姿勢を自転車乗車時の姿勢に変更

速度と回帰曲線から HIC 値を予測し，予測値をした．ヘルメットの加速度を計測するため，ヘ傷害リスクカーブに当てはめることで重症度ごルメット FE モデル内の前後左右 4 点に，加速との頭部傷害発生確率を算出することが可能と度計要素を設定した（図 2）．

なる．
以上のように，計測データから頭部傷害予測

滋賀県で発生したすべての自転車及び二輪車

たが，20km/h の低速度で発生している例も多かを加味した情報とともに緊急通報するシステム

死亡事故を解析し，受傷状況や損傷の特徴を明った．車両前面左側に衝突している例が最も多らかにした．対象は 69 例で，自転車が 31 例，が考案できた．

く，主損傷部位では圧倒的に頭部が多かった．

二輪車が 38 例であった．自転車乗員であるが，なお，ヘルメット着用者はいなかった．二輪車

平均年齢は 69 歳と高齢者に多かった．走行中に乗員であるが，平均年齢は 49 歳で，事故類型は後方から追突される例が最も多く，衝突車両は出会い頭が最も多かった．衝突車両は軽自動車

普通乗用車及び軽自動車がほとんどであった．

から大型車両まで様々であり，車両前面右側に四輪車の危険認知速度は 50km/h が最も多かっ衝突する例が多かった．自車の危険認知速度は

─ 74 ─

2.4

まとめヘルメットは頭部への外力を軽減するうえで有用であり，ヘルメットで計測された加速度を
図2

ヘルメット FE モデルに設定した加速度計の位置

用いて，頭部傷害リスクを予測したうえでの事
故自動通報を行うシステムが考案できた．

─ 75 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

CVD 法）を用い CNT を合成した。(図 2)

研究報告書概要

FC-CVD 法のメリットとして、触媒ガスを供

低次元ナノカーボン材料のキャリア制御による給し続けることで連続的に合成することが可能である。CNT の成長量や質は触媒ガスの供給量

界面熱輸送制御や成長時間、合成温度などによって調整できる。
またさまざまな量の CO2 を導入することで、触Interfacial Thermal Transport Control
by Carrier Tuning of Low-Dimensional Nanocarbon Materials

媒が活性化し、カイラリティ分布や直径が制御調整可能である。
また、CNT への欠陥導入については、大気中

廣谷 潤, Jun Hirotani
名古屋大学, Nagoya Universityに置かれたサンプルへの UV 照射により、欠陥

Active thermal transport control is attracted much attention to make sustainable energy society. Nanocarbon

た G/D 比が UV 照射時間の増加とともに、G/D

materials such as carbon nanotube and graphene have high thermal and electrical conductivity, which are good

比が 15 程度まで減少すること確認した。

を生成した。UV 照射前はおよそ 90 程度であっcandidate thermal interface materials. In this work, thermal transport of carbon nanotube thin-film by

開発した熱伝導率計測手法を用いて測定した
CNT の熱伝導率の欠陥密度依存性の結果を図Raman-spectroscopy are reported. Measured thermal and electrical conductivity depends on defect density.

3 に示す。実験サンプルの少なさから誤差が多
Key Words：Nanocarbon materials, Thermal transport, Raman spectroscopy

少大きいものの、欠陥密度の上昇にともない熱伝導率が低下することがわかった。同様にして、

1

図 2. FC-CVD 法による CNT 薄膜作製

はじめに欠陥密度を変化させたときの電気伝導度について、4 端子法による測定を行った。本研究では、

本研究では主な熱輸送キャリア(フォノン、電子、正孔)に着目して、この熱輸送キャリアを自在に操るための半導体界面層の構造または化学的/電気的に制御することで、熱輸送量を自在に操る熱制御

実験測定時の温度が測定できるように熱電対

Si 基板上に転写した CNT を、G/D 比を 6 段階

デバイスの実現を目指す。今年度は界面に用いる原子層厚さのナノカーボン薄膜形成技術の構築を実を基板上に固定し、マルチメータと接続した。

変化させたときの電気抵抗を測定した。各サン

施し、さらにその薄膜の熱物性計測を可能にするラマン分光法を用いたナノカーボン材料の熱伝導率

実験は対流の影響と、輻射熱の影響を排除する

プル 3 点ずつ測定した結果を図 3 に示す。熱伝計測システムを構築した。また、界面熱輸送制御の実証に必要な 3ω法による熱伝導率計測システム

ために~10-2 Pa の真空環境で実施した。できる導率のときと同様に電気伝導度の低下が確認でを新規に構築し、その計測精度の検証を実施した。結果として、カーボンナノチューブ(CNT)薄膜をだけ分解能が高い、倍率の高い対物レンズを使きるが、電気伝導度が約 80%低下したのに対し

数 nm の厚さで大面積で均一に成膜する手法を開発した。さらにラマン分光法によりカーボンナノチ

用するのが望ましいが、サンプルは図 1 の右図て、熱伝導率は約 30％程度の変化にとどまってューブの熱伝導率を測定することに成功し、欠陥密度依存性について調査した。3ω法による熱伝導のように設置し、対物レンズの焦点距離とレンいる。これは CNT 中の界面におけるキャリア

率計測についても白金ワイヤを対象として校正実験を行い、およそ 20％程度の誤差で計測可能である

ズとガラスの距離の関係上 20 倍の対物レンズ

伝導が電子とフォノンで異なっていることを示ことが明らかとなった。本概要では紙面の関係上、CNT の物性計測に焦点を当てて概説する。

で実験を行った。本研究では、浮遊触媒化学気唆しており、今後分子動力学法を用いた比較検相合成法（FC-CVD 法 : Floating Catalyst –討などを進めていく。

2

結果概要
実験を行うにあたり、今回新たに熱伝導率測による温度制御を行った。ペルチェ素子の上に、定の実験系を立ち上げた。土台としてアルミニ

CNT を透過した光の反射防止膜をつけ、Si 基

ウムを使用し、その上に設置したペルチェ素子

板や CNT が転写された基板を設置した。

図 3. CNT 薄膜の欠陥密度(G/D 比)と(a)熱伝導率(b)電気伝導率の関係
図 1.

ラマン分光による熱伝導率計測システムの概略図

─ 76 ─

─ 77 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

CVD 法）を用い CNT を合成した。(図 2)

研究報告書概要

FC-CVD 法のメリットとして、触媒ガスを供

低次元ナノカーボン材料のキャリア制御による給し続けることで連続的に合成することが可能である。CNT の成長量や質は触媒ガスの供給量

界面熱輸送制御や成長時間、合成温度などによって調整できる。
またさまざまな量の CO2 を導入することで、触Interfacial Thermal Transport Control
by Carrier Tuning of Low-Dimensional Nanocarbon Materials

媒が活性化し、カイラリティ分布や直径が制御調整可能である。
また、CNT への欠陥導入については、大気中

廣谷 潤, Jun Hirotani
名古屋大学, Nagoya Universityに置かれたサンプルへの UV 照射により、欠陥

Active thermal transport control is attracted much attention to make sustainable energy society. Nanocarbon

た G/D 比が UV 照射時間の増加とともに、G/D

materials such as carbon nanotube and graphene have high thermal and electrical conductivity, which are good

比が 15 程度まで減少すること確認した。

を生成した。UV 照射前はおよそ 90 程度であっcandidate thermal interface materials. In this work, thermal transport of carbon nanotube thin-film by

開発した熱伝導率計測手法を用いて測定した
CNT の熱伝導率の欠陥密度依存性の結果を図Raman-spectroscopy are reported. Measured thermal and electrical conductivity depends on defect density.

3 に示す。実験サンプルの少なさから誤差が多
Key Words：Nanocarbon materials, Thermal transport, Raman spectroscopy

少大きいものの、欠陥密度の上昇にともない熱伝導率が低下することがわかった。同様にして、

1

図 2. FC-CVD 法による CNT 薄膜作製

はじめに欠陥密度を変化させたときの電気伝導度について、4 端子法による測定を行った。本研究では、

本研究では主な熱輸送キャリア(フォノン、電子、正孔)に着目して、この熱輸送キャリアを自在に操るための半導体界面層の構造または化学的/電気的に制御することで、熱輸送量を自在に操る熱制御

実験測定時の温度が測定できるように熱電対

Si 基板上に転写した CNT を、G/D 比を 6 段階

デバイスの実現を目指す。今年度は界面に用いる原子層厚さのナノカーボン薄膜形成技術の構築を実を基板上に固定し、マルチメータと接続した。

変化させたときの電気抵抗を測定した。各サン

施し、さらにその薄膜の熱物性計測を可能にするラマン分光法を用いたナノカーボン材料の熱伝導率

実験は対流の影響と、輻射熱の影響を排除する

プル 3 点ずつ測定した結果を図 3 に示す。熱伝計測システムを構築した。また、界面熱輸送制御の実証に必要な 3ω法による熱伝導率計測システム

ために~10-2 Pa の真空環境で実施した。できる導率のときと同様に電気伝導度の低下が確認でを新規に構築し、その計測精度の検証を実施した。結果として、カーボンナノチューブ(CNT)薄膜をだけ分解能が高い、倍率の高い対物レンズを使きるが、電気伝導度が約 80%低下したのに対し

数 nm の厚さで大面積で均一に成膜する手法を開発した。さらにラマン分光法によりカーボンナノチ

用するのが望ましいが、サンプルは図 1 の右図て、熱伝導率は約 30％程度の変化にとどまってューブの熱伝導率を測定することに成功し、欠陥密度依存性について調査した。3ω法による熱伝導のように設置し、対物レンズの焦点距離とレンいる。これは CNT 中の界面におけるキャリア

率計測についても白金ワイヤを対象として校正実験を行い、およそ 20％程度の誤差で計測可能である

ズとガラスの距離の関係上 20 倍の対物レンズ

伝導が電子とフォノンで異なっていることを示ことが明らかとなった。本概要では紙面の関係上、CNT の物性計測に焦点を当てて概説する。

で実験を行った。本研究では、浮遊触媒化学気唆しており、今後分子動力学法を用いた比較検相合成法（FC-CVD 法 : Floating Catalyst –討などを進めていく。

2

結果概要
実験を行うにあたり、今回新たに熱伝導率測による温度制御を行った。ペルチェ素子の上に、定の実験系を立ち上げた。土台としてアルミニ

CNT を透過した光の反射防止膜をつけ、Si 基

ウムを使用し、その上に設置したペルチェ素子

板や CNT が転写された基板を設置した。

図 3. CNT 薄膜の欠陥密度(G/D 比)と(a)熱伝導率(b)電気伝導率の関係
図 1.

ラマン分光による熱伝導率計測システムの概略図

─ 76 ─

─ 77 ─

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  研究報告書概要	
 

ĭŞ

液体ピストンエンジンを持つ音波エンジンの開発	
 Development of acoustic engine having liquid pistons

Ï

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2.3	
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Aśď¿ 20 mmŝŌ 50 mmŜ !ŝÐy2ĵò26ĦŞThis study addressed Rayleigh-Taylor instability in a liquid-piston acoustic engine and proposed the suppressionð'(°º6Ý2ĿŚ~§ŉSY9

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that use only gas as the working fluid.

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Key WordsşRayleigh-Taylor instability, Acoustic engine, Self-sustained oscillation, Energy conversion

1	
  はじめに	  2 ÿŇ

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(III)

2.4	
  まとめ	 øjOBI\9\A\

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(I)

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  実験内容	
 



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  研究報告書概要	
 

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  まとめ	 øjOBI\9\A\

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  実験内容	
 



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(I)

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─ 79 ─

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6lĈ2ČŒë%Č´ħÄ,2ŞË03Ş

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公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

局所ひずみその場測定に基づく応力腐食割れ発生の力学条件定量化
Mechanical criterion for stress corrosion crack initiation based on in situ
measurement of microscopic strains
藤井朋之,
FUJII，Tomoyuki
静岡大学工学部,
Department of mechanical engineering, Shizuoka University
This study evaluates the nucleation criterion for intergranular stress corrosion cracking on

図 2.

DIC 法の精度の確認

図3

粒界における垂直ひずみのヒストグラム

図4

粒界におけるせん断ひずみのヒストグラ

a smooth surface of austenitic stainless steel from a mechanical viewpoint. The initiation of
an intergranular crack could be characterized using only the maximum normal strain along a grainboundary.

2.1

DIC 法によるひずみ分布測定手法の確立

ランダムパターンを付与した SUS304 試験片の定荷重負荷試験をテトラチオン酸水溶液中でKey Words：Stress corrosion cracking; Crack initiation; Stainless steel; Strain

実施した．試験中には，ランダムパターン部について顕微鏡を用いてその場観察を行い，DIC

1

はじめに

法を用いてひずみ分布の算出を行った．

ステンレス鋼は優れた機械的特性と耐食性を有することから，自動車用途では特に排気系に用いらき裂の発生時間をひずみ分布の変化から推定れている．オーステナイト系ステンレス鋼は高温環境に暴露された際，粒界近傍でクロムが炭素と結し，き裂発生条件の検討を行った．図 3 および合することでクロム炭化物を形成し，周辺の母相におけるクロム濃度が減少（クロム欠乏層を形成）

図 4 にそれぞれ粒界における垂直応力およびせする．クロム欠乏層では炭素濃度が 10％を下回るため耐食性が低下（鋭敏化）し，局部腐食（粒界腐ん断ひずみのヒストグラムを示す．なお，粒界

食 IGC や応力腐食割れ SCC）が生じる．実際に，オーステナイト系ステンレス鋼 SUS304 製のエキゾーは全粒界（き裂の発生した粒界およびき裂の発

ストマニホールドには SCC による破壊が報告されている［1］.

生しなかった粒界）およびき裂が発生した粒界部材の SCC による損傷を抑制するためには，材料・環境・力学の三要素のうち一つの要素を取り除について示してある．全粒界の垂直ひずみ分布

くことが有効である．そのうち，力学因子については，圧縮残留応力が有効であることなどが報告さは，平均値が 0.01（1％）程度の釣り鐘型とな

れているものの，き裂発生条件の力学的観点からの定量化は行われていない．そこで本研究は，SUS304

った．一方垂直ひずみが 0.01（1％）よりも小において結晶粒オーダーの微視ひずみに基づき SCC き裂発生条件の検討を行う事を目的とする．腐食

さい場合にはき裂が発生した粒界はなく，液中でデジタル画像相関（DIC）法によるひずみ測定を行い，き裂発生と粒界におけるひずみの関係に0.01(1%)以上の粒界のみでき裂が発生したこと

Wanyou, Intergranular stress corro-

ついて検討を行った［2］．

が分かる．また，その分布は釣り鐘型の分布のsion cracking of acoustic-filter hooks

一部に一致している．全粒界のせん断ひずみ分

used

布も釣り鐘型となった．き裂が発生した粒界にAnalysis, 17(2010), 249-258.

2

結果概要

2.1

ついても，同様の平均値を有する釣り鐘型の分

DIC 法によるひずみ分布測定手法の確立

ム
参考文献
［1］

［2］

Yu Zhiwei, Xu Xiaolei, Liu Xuan, Tian

in

car,

Engineering

FailureTomoyuki Fujii, Yoshikatsu Hisada,

算出したひずみ分布の平均値がほぼ一致するこ

布となった．以上のことから，SCC き裂は垂直

Keiichiroとが分かった．

ひずみのみに影響を受け，せん断ひずみの影響

Shimamura, Investigation on nuclea-

痕を付けることによってランダムパターンを形は受けないことが分かった．つまり，垂直ひずtion of intergranular stress corrosion

成した（図 1）
．鋭敏化材であり粒界は腐食性にみによって，SCC き裂発生の条件を導出するこ

cracking in austenitic stainless steel

劣るため粒界が腐食されており，さらに粒内にとが可能であることが分かった．

by in situ strain measurement, Ma-

本研究では，DIC 法を用いてひずみを測定するために，試験片表面にエッチングによる腐食

Tohgo,

andYoshinobu

はエッチピットが形成されていることが分かる．

terials Science & Engineering A, Vol.

本試験片を用いて精度よくひずみが測定できる

773 （2020）, 138858（本研究の成果）.

ことを確認するために，引張試験中にひずみゲージを用いて測定したひずみと比較した．その結果，負荷ひずみが 0.6％以上であれば，ひず
みゲージにより測定したひずみと DIC 法により
─ 80 ─

図1

DIC 法用のランダムパターン
─ 81 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

局所ひずみその場測定に基づく応力腐食割れ発生の力学条件定量化
Mechanical criterion for stress corrosion crack initiation based on in situ
measurement of microscopic strains
藤井朋之,
FUJII，Tomoyuki
静岡大学工学部,
Department of mechanical engineering, Shizuoka University
This study evaluates the nucleation criterion for intergranular stress corrosion cracking on

図 2.

DIC 法の精度の確認

図3

粒界における垂直ひずみのヒストグラム

図4

粒界におけるせん断ひずみのヒストグラ

a smooth surface of austenitic stainless steel from a mechanical viewpoint. The initiation of
an intergranular crack could be characterized using only the maximum normal strain along a grainboundary.

2.1

DIC 法によるひずみ分布測定手法の確立

ランダムパターンを付与した SUS304 試験片の定荷重負荷試験をテトラチオン酸水溶液中でKey Words：Stress corrosion cracking; Crack initiation; Stainless steel; Strain

実施した．試験中には，ランダムパターン部について顕微鏡を用いてその場観察を行い，DIC

1

はじめに

法を用いてひずみ分布の算出を行った．

ステンレス鋼は優れた機械的特性と耐食性を有することから，自動車用途では特に排気系に用いらき裂の発生時間をひずみ分布の変化から推定れている．オーステナイト系ステンレス鋼は高温環境に暴露された際，粒界近傍でクロムが炭素と結し，き裂発生条件の検討を行った．図 3 および合することでクロム炭化物を形成し，周辺の母相におけるクロム濃度が減少（クロム欠乏層を形成）

図 4 にそれぞれ粒界における垂直応力およびせする．クロム欠乏層では炭素濃度が 10％を下回るため耐食性が低下（鋭敏化）し，局部腐食（粒界腐ん断ひずみのヒストグラムを示す．なお，粒界

食 IGC や応力腐食割れ SCC）が生じる．実際に，オーステナイト系ステンレス鋼 SUS304 製のエキゾーは全粒界（き裂の発生した粒界およびき裂の発

ストマニホールドには SCC による破壊が報告されている［1］.

生しなかった粒界）およびき裂が発生した粒界部材の SCC による損傷を抑制するためには，材料・環境・力学の三要素のうち一つの要素を取り除について示してある．全粒界の垂直ひずみ分布

くことが有効である．そのうち，力学因子については，圧縮残留応力が有効であることなどが報告さは，平均値が 0.01（1％）程度の釣り鐘型とな

れているものの，き裂発生条件の力学的観点からの定量化は行われていない．そこで本研究は，SUS304

った．一方垂直ひずみが 0.01（1％）よりも小において結晶粒オーダーの微視ひずみに基づき SCC き裂発生条件の検討を行う事を目的とする．腐食

さい場合にはき裂が発生した粒界はなく，液中でデジタル画像相関（DIC）法によるひずみ測定を行い，き裂発生と粒界におけるひずみの関係に0.01(1%)以上の粒界のみでき裂が発生したこと

Wanyou, Intergranular stress corro-

ついて検討を行った［2］．

が分かる．また，その分布は釣り鐘型の分布のsion cracking of acoustic-filter hooks

一部に一致している．全粒界のせん断ひずみ分

used

布も釣り鐘型となった．き裂が発生した粒界にAnalysis, 17(2010), 249-258.

2

結果概要

2.1

ついても，同様の平均値を有する釣り鐘型の分

DIC 法によるひずみ分布測定手法の確立

ム
参考文献
［1］

［2］

Yu Zhiwei, Xu Xiaolei, Liu Xuan, Tian

in

car,

Engineering

FailureTomoyuki Fujii, Yoshikatsu Hisada,

算出したひずみ分布の平均値がほぼ一致するこ

布となった．以上のことから，SCC き裂は垂直

Keiichiroとが分かった．

ひずみのみに影響を受け，せん断ひずみの影響

Shimamura, Investigation on nuclea-

痕を付けることによってランダムパターンを形は受けないことが分かった．つまり，垂直ひずtion of intergranular stress corrosion

成した（図 1）
．鋭敏化材であり粒界は腐食性にみによって，SCC き裂発生の条件を導出するこ

cracking in austenitic stainless steel

劣るため粒界が腐食されており，さらに粒内にとが可能であることが分かった．

by in situ strain measurement, Ma-

本研究では，DIC 法を用いてひずみを測定するために，試験片表面にエッチングによる腐食

Tohgo,

andYoshinobu

はエッチピットが形成されていることが分かる．

terials Science & Engineering A, Vol.

本試験片を用いて精度よくひずみが測定できる

773 （2020）, 138858（本研究の成果）.

ことを確認するために，引張試験中にひずみゲージを用いて測定したひずみと比較した．その結果，負荷ひずみが 0.6％以上であれば，ひず
みゲージにより測定したひずみと DIC 法により
─ 80 ─

図1

DIC 法用のランダムパターン
─ 81 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

高張力鋼アルミニウム合金マルチマテリアル構造体の界面強度支配因子の解明
,QYHVWLJDWLRQRQGRPLQDQWIDFWRUIRULQWHUIDFLDOVWUHQJWKLQPXOWLPDWHULDOVWUXFWXUHEHWZHHQKLJKVWUHQJWKVWHHODQGDOXPLQXPDOOR\
松田朋己 7RPRNL0DWVXGD
大阪大学 2VDND8QLYHUVLW\
7KHVWUHQJWKRIPXOWLPDWHULDOVWUXFWXUHEHWZHHQDOXPLQXPDQGVWHHOLVJHQHUDOO\GHSHQGHQWRQ
図 ：継手強度と ,0& 層厚さの関係．

図 ：界面の最大主応力と公称応力の関係．



定し，その後，同一の継手に対して微小引張試

た．接合界面の反応層は鋼$ の接合界面か験を行うことで ,0& 層厚さと継手強度の関係をら $側に .5 μm 厚として設定した．,0&導出した．

層は弾性体とし，ヤング率はナノインデンテー

WKHWKLFNQHVVRILQWHUPHWDOOLFFRPSRXQGV ,0& OD\HUIRUPHGDWWKHLQWHUIDFH7KHPHFKDQLFDO

図  は +7$ および 686$ 継手

ションにより得られた概算値（*3D）を設定

IDFWRUVVKRXOGDOVRLQIOXHQFHRQWKHIUDFWXUHEHKDYLRU,QWKHSUHVHQWVWXG\ZHLQYHVWLJDWHG

における ,0& 層厚さと継手強度の関係を示してした．解析条件は変位量を PPとし，降伏条

WKHLQIOXHQFHRIERWK,0&OD\HUWKLFNQHVVDQGGLIIHUHQFHLQWKHPHFKDQLFDOSURSHUWLHVRIEDVHいる．なお，図中の各シンボルは破断位置に対

件には 0LVHVの降伏条件を用いた．また解析に

DOOR\RQWKHVWUHQJWKRIGLVVLPLODUMRLQWEHWZHHQDOXPLQXPDQGVWHHOWKURXJKWKHH[SHULPHQWDO

応している．両継手を比較すると，強度値およ用いる材料の応力ひずみ関係は 6ZLIW則に従HYDOXDWLRQDQGILQLWHHOHPHQW )( DQDO\VLV7KHUHODWLRQVKLSEHWZHHQWKHVWUHQJWKRIWKHMRLQW

び破断箇所において差異が認められた．まず，

うものとした．

EHWZHHQDOXPLQXPDOOR\ $ DQG03DJUDGHKLJKWHQVLOHVWUHQJWKVWHHO +7 DQG

先行研究で調べられた 686$ 継手では，

図  は有限要素解析において得られた各継手

WKH,0&OD\HUWKLFNQHVVZDVFRQGXFWHGE\FRQWUROOLQJWKH,0&JURZWKSURPRWHGE\WKHDQQHDOLQJ

,0& 厚さが .5 μm 以下では $ 母材で破断の $O 側界面に作用する最大主応力と公称応力

SURFHVVIRUWKHIULFWLRQVWLUZHOGHGMRLQWV$VUHVXOWVWKHMRLQWVWUHQJWKGHFUHDVHGZLWKWKH

すること，～.5 μm の間は界面破断，そしの関係を示す．公称応力が 03D までは両継LQFUHDVHRI,0&OD\HUWKLFNQHVV7KHIUDFWXUHRI$+7MRLQWPDLQO\RFFXUUHGDWWKHMRLQW

て，μm 以上では ,0& 内部で破断することが手において最大主応力に差異は生じない．しかLQWHUIDFHLQWKHFDVHRIWKLQ,0&OD\HUWKLFNQHVVDERXWVHYHUDOQPZKHUHDVWKHMRLQWEHWZHHQ

確認されている．一方，+7$ 継手では，し，公称応力 03D 以上では +7$ 継$DQGVWDLQOHVVVWHHOZLWKORZHUSURRIVWUHVVWKDQ+7VKRZVWKHKLJKMRLQWVWUHQJWK

686$ 継手と比べ ,0& 厚さが小さい場合

手により大きな最大主応力が作用することが分VRDVWRUHVXOWLQWKHIUDFWXUHDW$)(DQDO\VLVUHYHDOHGWKDWWKHKLJKPD[LPXPSULQFLSDO

の継手強度が大きく低く，界面破断を呈するこかった．以上の結果は，鋼における降伏応力のVWUHVVZDVDSSOLHGQHDUWKHLQWHUIDFHGXHWRWKHGLIIHUHQFHRIGHIRUPDWLRQDPRXQWEHWZHHQVWHHO

とが分かった．しかしながら，,0& 層厚さが 差異に起因すると考えられる．686$ 継

DQGDOXPLQXPZKLFKVLJQLILFDQWO\DSSHDUHGIRUWKHMRLQWZLWKODUJHGLIIHUHQFHμm 以上の範囲では，686$ 継手と同様

手ではまず 686 の降伏が生じ，その後 $

に ,0& 層内部で破断が生じた．

が降伏するものの，+7$ では +7 の.H\:RUGV：,QWHUIDFLDOVWUHQJWK+LJKWHQVLOHVWUHQJWKVWHHO$OXPLQXPDOOR\,0&,0& 層内部での破壊進展は，,0& 層厚さの増大

降伏が生じないために，アルミと鋼間の変形挙に伴い層強度が低下したことに由来すると考え動の差異により界面に大きな主応力が作用する

られる．,0& 層厚が大きい場合に両継手におけと考えられた．

鋼アルミニウム合金から成る異種材料継手の強度は接合界面に形成される金属間化合物（,0&）層る破断強度が同程度となったことは，継手強度



の厚さに依存する．また，接合部の残留応力や荷重負荷下における応力場といった力学要素も継手のが層強度に支配されたためであると説明される．

 おわりに

破壊挙動に影響を及ぼすと考えられる．しかしながら，それら界面構造と力学要素が継手の界面強度

一方で，,0& 層厚が小さい場合に両継手で明確

 本研究の結果，鋼アルミニウム異種材料継手にどのように作用するか十分な理解は得られていない．本研究では，03D 級高張力鋼（+7）$

な強度差ならびに破断箇所の変化が生じた．界の界面強度は界面反応層厚さに加えて母材特性継手を対象に，反応層厚さと継手強度の関係を実験的に取得するとともに，有限要素解析による応力面に形成される ,0& 層について，厚さの均一性に大きく支配されることが分かった．本研究で場の評価を行うことで異種材料継手における界面強度支配因子を調べた．特に，先行研究（+DWDQRHW

に差があるもののその化合物種において明確なは降伏応力に着目して検討を実施したが，強度

DO0DWHU6FL(QJ  ）において 686$ 継手における反応層厚さと継手強度差異はないものと考えられた．

への作用機構を考えると異種材におけるヤングの関係が得られているため，両異種材料継手を対比することで鋼側の母材特性の影響を検討した．



率の差異もまた破壊挙動および強度に寄与する 結果概要 母材特性の影響ものと予想され，それらを考慮したマルチマテ

両継手の微小引張試験を模した有限要素解析

リアル構造体設計が重要であると考えられる．

 強度金属間化合物厚さの関係を実施した．最小要素寸法は接合界面を中心と本研究の実施にあたり，公益財団法人スズキ はじめに

摩擦攪拌接合により作製した高張力鋼$

すことで種々の ,0& 層厚さを有する継手を作製して $O，)H側にそれぞれ μPずつの 

財団より研究助成を賜りました．ここに深く御継手に対して ℃での熱処理を特定の時間施した．熱処理後の継手における ,0& 層厚さを測

μP の範囲で，その寸法は ××μPとし

礼申し上げます．

─ 82 ─

─ 83 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

高張力鋼アルミニウム合金マルチマテリアル構造体の界面強度支配因子の解明
,QYHVWLJDWLRQRQGRPLQDQWIDFWRUIRULQWHUIDFLDOVWUHQJWKLQPXOWLPDWHULDOVWUXFWXUHEHWZHHQKLJKVWUHQJWKVWHHODQGDOXPLQXPDOOR\
松田朋己 7RPRNL0DWVXGD
大阪大学 2VDND8QLYHUVLW\
7KHVWUHQJWKRIPXOWLPDWHULDOVWUXFWXUHEHWZHHQDOXPLQXPDQGVWHHOLVJHQHUDOO\GHSHQGHQWRQ
図 ：継手強度と ,0& 層厚さの関係．

図 ：界面の最大主応力と公称応力の関係．



定し，その後，同一の継手に対して微小引張試

た．接合界面の反応層は鋼$ の接合界面か験を行うことで ,0& 層厚さと継手強度の関係をら $側に .5 μm 厚として設定した．,0&導出した．

層は弾性体とし，ヤング率はナノインデンテー

WKHWKLFNQHVVRILQWHUPHWDOOLFFRPSRXQGV ,0& OD\HUIRUPHGDWWKHLQWHUIDFH7KHPHFKDQLFDO

図  は +7$ および 686$ 継手

ションにより得られた概算値（*3D）を設定

IDFWRUVVKRXOGDOVRLQIOXHQFHRQWKHIUDFWXUHEHKDYLRU,QWKHSUHVHQWVWXG\ZHLQYHVWLJDWHG

における ,0& 層厚さと継手強度の関係を示してした．解析条件は変位量を PPとし，降伏条

WKHLQIOXHQFHRIERWK,0&OD\HUWKLFNQHVVDQGGLIIHUHQFHLQWKHPHFKDQLFDOSURSHUWLHVRIEDVHいる．なお，図中の各シンボルは破断位置に対

件には 0LVHVの降伏条件を用いた．また解析に

DOOR\RQWKHVWUHQJWKRIGLVVLPLODUMRLQWEHWZHHQDOXPLQXPDQGVWHHOWKURXJKWKHH[SHULPHQWDO

応している．両継手を比較すると，強度値およ用いる材料の応力ひずみ関係は 6ZLIW則に従HYDOXDWLRQDQGILQLWHHOHPHQW )( DQDO\VLV7KHUHODWLRQVKLSEHWZHHQWKHVWUHQJWKRIWKHMRLQW

び破断箇所において差異が認められた．まず，

うものとした．

EHWZHHQDOXPLQXPDOOR\ $ DQG03DJUDGHKLJKWHQVLOHVWUHQJWKVWHHO +7 DQG

先行研究で調べられた 686$ 継手では，

図  は有限要素解析において得られた各継手

WKH,0&OD\HUWKLFNQHVVZDVFRQGXFWHGE\FRQWUROOLQJWKH,0&JURZWKSURPRWHGE\WKHDQQHDOLQJ

,0& 厚さが .5 μm 以下では $ 母材で破断の $O 側界面に作用する最大主応力と公称応力

SURFHVVIRUWKHIULFWLRQVWLUZHOGHGMRLQWV$VUHVXOWVWKHMRLQWVWUHQJWKGHFUHDVHGZLWKWKH

すること，～.5 μm の間は界面破断，そしの関係を示す．公称応力が 03D までは両継LQFUHDVHRI,0&OD\HUWKLFNQHVV7KHIUDFWXUHRI$+7MRLQWPDLQO\RFFXUUHGDWWKHMRLQW

て，μm 以上では ,0& 内部で破断することが手において最大主応力に差異は生じない．しかLQWHUIDFHLQWKHFDVHRIWKLQ,0&OD\HUWKLFNQHVVDERXWVHYHUDOQPZKHUHDVWKHMRLQWEHWZHHQ

確認されている．一方，+7$ 継手では，し，公称応力 03D 以上では +7$ 継$DQGVWDLQOHVVVWHHOZLWKORZHUSURRIVWUHVVWKDQ+7VKRZVWKHKLJKMRLQWVWUHQJWK

686$ 継手と比べ ,0& 厚さが小さい場合

手により大きな最大主応力が作用することが分VRDVWRUHVXOWLQWKHIUDFWXUHDW$)(DQDO\VLVUHYHDOHGWKDWWKHKLJKPD[LPXPSULQFLSDO

の継手強度が大きく低く，界面破断を呈するこかった．以上の結果は，鋼における降伏応力のVWUHVVZDVDSSOLHGQHDUWKHLQWHUIDFHGXHWRWKHGLIIHUHQFHRIGHIRUPDWLRQDPRXQWEHWZHHQVWHHO

とが分かった．しかしながら，,0& 層厚さが 差異に起因すると考えられる．686$ 継

DQGDOXPLQXPZKLFKVLJQLILFDQWO\DSSHDUHGIRUWKHMRLQWZLWKODUJHGLIIHUHQFHμm 以上の範囲では，686$ 継手と同様

手ではまず 686 の降伏が生じ，その後 $

に ,0& 層内部で破断が生じた．

が降伏するものの，+7$ では +7 の.H\:RUGV：,QWHUIDFLDOVWUHQJWK+LJKWHQVLOHVWUHQJWKVWHHO$OXPLQXPDOOR\,0&,0& 層内部での破壊進展は，,0& 層厚さの増大

降伏が生じないために，アルミと鋼間の変形挙に伴い層強度が低下したことに由来すると考え動の差異により界面に大きな主応力が作用する

られる．,0& 層厚が大きい場合に両継手におけと考えられた．

鋼アルミニウム合金から成る異種材料継手の強度は接合界面に形成される金属間化合物（,0&）層る破断強度が同程度となったことは，継手強度



の厚さに依存する．また，接合部の残留応力や荷重負荷下における応力場といった力学要素も継手のが層強度に支配されたためであると説明される．

 おわりに

破壊挙動に影響を及ぼすと考えられる．しかしながら，それら界面構造と力学要素が継手の界面強度

一方で，,0& 層厚が小さい場合に両継手で明確

 本研究の結果，鋼アルミニウム異種材料継手にどのように作用するか十分な理解は得られていない．本研究では，03D 級高張力鋼（+7）$

な強度差ならびに破断箇所の変化が生じた．界の界面強度は界面反応層厚さに加えて母材特性継手を対象に，反応層厚さと継手強度の関係を実験的に取得するとともに，有限要素解析による応力面に形成される ,0& 層について，厚さの均一性に大きく支配されることが分かった．本研究で場の評価を行うことで異種材料継手における界面強度支配因子を調べた．特に，先行研究（+DWDQRHW

に差があるもののその化合物種において明確なは降伏応力に着目して検討を実施したが，強度

DO0DWHU6FL(QJ  ）において 686$ 継手における反応層厚さと継手強度差異はないものと考えられた．

への作用機構を考えると異種材におけるヤングの関係が得られているため，両異種材料継手を対比することで鋼側の母材特性の影響を検討した．



率の差異もまた破壊挙動および強度に寄与する 結果概要 母材特性の影響ものと予想され，それらを考慮したマルチマテ

両継手の微小引張試験を模した有限要素解析

リアル構造体設計が重要であると考えられる．

 強度金属間化合物厚さの関係を実施した．最小要素寸法は接合界面を中心と本研究の実施にあたり，公益財団法人スズキ はじめに

摩擦攪拌接合により作製した高張力鋼$

すことで種々の ,0& 層厚さを有する継手を作製して $O，)H側にそれぞれ μPずつの 

財団より研究助成を賜りました．ここに深く御継手に対して ℃での熱処理を特定の時間施した．熱処理後の継手における ,0& 層厚さを測

μP の範囲で，その寸法は ××μPとし

礼申し上げます．

─ 82 ─

─ 83 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

定した動作が可能となる．図 1 は試作したクレ

熊本城の石垣アーカイブ化と
複合現実を使った石垣復旧作業への応用研究ーンを示すが，100kg の石材を 5 秒で 360 度回

Archiving of ISHIGAKI in Kumamoto Castle
and its application to ISHIGAKI restoration using MR松永信智 Nobutomo MATSNAGA
熊本大学，Kumamoto University

転させることができる．
 石材の ' 形状の自動計測システム 実験では，100μm の精度で石材のモデルを計測する事ができる 3D スキャナ(Artec EVA)を用いる．図 2 は石材を自動計測する装置で，手前のエレベータで EVA を上下に動作すると，動作Kumamoto Castle consisting some towers and the stone walls called ISHIGAKI were severely damaged by big
earthquake disaster in 2016. As Kumamoto Castle has some Important Cultural Properties of Japan, it is needed
to restore the stone walls and the castle promptly and correctly. For restoration works, 2D data of the collapsed
stones are used. It is difficult to estimate all collapsed stone locations since the shapes of the collapsed stones
are similar. To recognize of stone locations precisely, 3D data of the stones should be utilized. It is needed toobtain the 3D data in a short period automatically for an efficient measurement. In this study, the scanningsystem of the collapsed stones controlling control moment gyroscope crane (CMG crane) and an elevator tomove a 3D scanner is proposed. The CMG crane rotates automatically according to movement of 3D scanner(EVA). From scanning results, 3D data of the stone is acquired using the proposed system. Next, the ISHIGAKI
simulator is demonstrated using the Mixed Reality. Wearing HoloLens, the 3D data of the stones are piled up
virtually. From the experimental and simulation results, the effectiveness of proposed system is demonstrated.

図 4 Hololens を使った空間マッピングに合せ CMG クレーンが回転する．
本研究では，EVA で計測した石材の 3D モデルを使用する． HoloLens を使うと，ジェスチ
ャーやクリックによる把持，移動などの操作が可能である．図５は，左上方から石材を把持しながら順次石垣に積んでいる動作を示す．なお，
HoloLens を使うと，ジェスチャーやクリックによる把持や移動などの操作が可能となる．
本システムでは，石材の積み上げ動作は Unity

Key Words：ISHIGAKI, Control moment gyroscope, 3D scanner, Mixed reality

を使って物理空間での動きを模擬しており，任意の石材を動かしたり積んだりできる．図 5 に

 はじめにMR を使って仮想の石垣に左上方から石材を積2016 年 4 月に発生した熊本地震によって，熊本城は大きな被害を受けた．特に，城の土台となる

図 2 石材の自動計測装置

石垣も大きな被害を受けており，熊本城総合事務所によると被害を受けた石垣は 64 カ所あり全体の 3割にのぼる．熊本地震では熊本城の早急な復元が期待されているが，大きく壊れた石垣では落下した
石材の配置を特定化するのが難しい．城の石材は重く一人で動かすことができないため，効率的に 3D
データを計測する手法が求められる．石垣補修では城内の貯石場から現場まで移動する際にクレーンを使用するが，空中で石材の姿勢が自由に変更できる Control Moment Gyro （CMG）クレーンを利む様子を示している．

図 3 は，計測された 51Kg の石材である．図
中の石材の場合は，約 60 秒で全面のスキャニン
グが終了した．

用できれば，効率的な移動だけでなく高速にその 3D モデルを計測することができる．
 本研究では，CMG クレーンと高精度 3D スキャナを使って崩落石材の 3D モデルを高速で撮影するシステムを試作した．CMG クレーンはモデル誤差抑制補償器（MEC）を使って石材の姿勢をロバス
ト制御する．このシステムを使用することで，短時間で石垣データの膨大なアーカイブも期待できる．

図 5 石垣配置シミュレーション

そこでそれらのデータを用い，複合現実（MR）を使った石垣修復への応用検討を行った．本研究では HMD の空間モデリングを使用して，落下石材を使って石垣を組上げるシミュレータを試作した．

3 まとめ
本報告では，MEC で制御した CMG クレー

2 結果概要

ンと 3D スキャナを上下に動かす昇降機を使っ

図３ 計測した石材の 3D モデル

 &0*クレーンの制御

てスキャンし，51Kg の石材を約１分で自動計クレーンにワイヤで石材を吊り下げ状態では，測できることを検証した．石材が大きくなるほ 05による石垣配置シミュレーション

ワイヤを捻って石材を回転させることは難しい．

落石の位置の特定化のために，崩落石材の 3D

ど手動計測と較べ自動計測の効果は大きくなる．

CMG デバイスは，ジャイロの力を利用して機配置シミュレーションができれば有用である．

体の姿勢を制御する姿勢制御装置である．高速

また，HoloLens の空間マッピングを使って 3D

2.2 の装置で，模擬石材の 3D データを計測し，モデルを実空間上に配置し MR を用いて石垣配

MR を使って石垣を組上げるシミュレータを置シミュレーションを行った．

回転するホイールの軸を傾けることにより，強力なジャイロトルクを発生させ，水平回転の駆動トルクを発生する． 本報告で開発した CMG
クレーン装置は，MEC と呼ばれるロバスト制御機構を使うことで，石材の姿勢が変化しても安─ 84 ─

図 1 試作された小型 CMG クレーン作成した．図 4 は，実際の石材を HoloLens によ熊本城の復元には 10 年以上かかる．今後，って空間マッピングする様子を示すが，それにMR デバイスの高速・高精度化により，より臨

より，その周辺環境をシミュレーションに利用

場感の高いシステムの構築が期待できる．

できる．
─ 85 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

定した動作が可能となる．図 1 は試作したクレ

熊本城の石垣アーカイブ化と
複合現実を使った石垣復旧作業への応用研究ーンを示すが，100kg の石材を 5 秒で 360 度回

Archiving of ISHIGAKI in Kumamoto Castle
and its application to ISHIGAKI restoration using MR松永信智 Nobutomo MATSNAGA
熊本大学，Kumamoto University

転させることができる．
 石材の ' 形状の自動計測システム 実験では，100μm の精度で石材のモデルを計測する事ができる 3D スキャナ(Artec EVA)を用いる．図 2 は石材を自動計測する装置で，手前のエレベータで EVA を上下に動作すると，動作Kumamoto Castle consisting some towers and the stone walls called ISHIGAKI were severely damaged by big
earthquake disaster in 2016. As Kumamoto Castle has some Important Cultural Properties of Japan, it is needed
to restore the stone walls and the castle promptly and correctly. For restoration works, 2D data of the collapsed
stones are used. It is difficult to estimate all collapsed stone locations since the shapes of the collapsed stones
are similar. To recognize of stone locations precisely, 3D data of the stones should be utilized. It is needed toobtain the 3D data in a short period automatically for an efficient measurement. In this study, the scanningsystem of the collapsed stones controlling control moment gyroscope crane (CMG crane) and an elevator tomove a 3D scanner is proposed. The CMG crane rotates automatically according to movement of 3D scanner(EVA). From scanning results, 3D data of the stone is acquired using the proposed system. Next, the ISHIGAKI
simulator is demonstrated using the Mixed Reality. Wearing HoloLens, the 3D data of the stones are piled up
virtually. From the experimental and simulation results, the effectiveness of proposed system is demonstrated.

図 4 Hololens を使った空間マッピングに合せ CMG クレーンが回転する．
本研究では，EVA で計測した石材の 3D モデルを使用する． HoloLens を使うと，ジェスチ
ャーやクリックによる把持，移動などの操作が可能である．図５は，左上方から石材を把持しながら順次石垣に積んでいる動作を示す．なお，
HoloLens を使うと，ジェスチャーやクリックによる把持や移動などの操作が可能となる．
本システムでは，石材の積み上げ動作は Unity

Key Words：ISHIGAKI, Control moment gyroscope, 3D scanner, Mixed reality

を使って物理空間での動きを模擬しており，任意の石材を動かしたり積んだりできる．図 5 に

 はじめにMR を使って仮想の石垣に左上方から石材を積2016 年 4 月に発生した熊本地震によって，熊本城は大きな被害を受けた．特に，城の土台となる

図 2 石材の自動計測装置

石垣も大きな被害を受けており，熊本城総合事務所によると被害を受けた石垣は 64 カ所あり全体の 3割にのぼる．熊本地震では熊本城の早急な復元が期待されているが，大きく壊れた石垣では落下した
石材の配置を特定化するのが難しい．城の石材は重く一人で動かすことができないため，効率的に 3D
データを計測する手法が求められる．石垣補修では城内の貯石場から現場まで移動する際にクレーンを使用するが，空中で石材の姿勢が自由に変更できる Control Moment Gyro （CMG）クレーンを利む様子を示している．

図 3 は，計測された 51Kg の石材である．図
中の石材の場合は，約 60 秒で全面のスキャニン
グが終了した．

用できれば，効率的な移動だけでなく高速にその 3D モデルを計測することができる．
 本研究では，CMG クレーンと高精度 3D スキャナを使って崩落石材の 3D モデルを高速で撮影するシステムを試作した．CMG クレーンはモデル誤差抑制補償器（MEC）を使って石材の姿勢をロバス
ト制御する．このシステムを使用することで，短時間で石垣データの膨大なアーカイブも期待できる．

図 5 石垣配置シミュレーション

そこでそれらのデータを用い，複合現実（MR）を使った石垣修復への応用検討を行った．本研究では HMD の空間モデリングを使用して，落下石材を使って石垣を組上げるシミュレータを試作した．

3 まとめ
本報告では，MEC で制御した CMG クレー

2 結果概要

ンと 3D スキャナを上下に動かす昇降機を使っ

図３ 計測した石材の 3D モデル

 &0*クレーンの制御

てスキャンし，51Kg の石材を約１分で自動計クレーンにワイヤで石材を吊り下げ状態では，測できることを検証した．石材が大きくなるほ 05による石垣配置シミュレーション

ワイヤを捻って石材を回転させることは難しい．

落石の位置の特定化のために，崩落石材の 3D

ど手動計測と較べ自動計測の効果は大きくなる．

CMG デバイスは，ジャイロの力を利用して機配置シミュレーションができれば有用である．

体の姿勢を制御する姿勢制御装置である．高速

また，HoloLens の空間マッピングを使って 3D

2.2 の装置で，模擬石材の 3D データを計測し，モデルを実空間上に配置し MR を用いて石垣配

MR を使って石垣を組上げるシミュレータを置シミュレーションを行った．

回転するホイールの軸を傾けることにより，強力なジャイロトルクを発生させ，水平回転の駆動トルクを発生する． 本報告で開発した CMG
クレーン装置は，MEC と呼ばれるロバスト制御機構を使うことで，石材の姿勢が変化しても安─ 84 ─

図 1 試作された小型 CMG クレーン作成した．図 4 は，実際の石材を HoloLens によ熊本城の復元には 10 年以上かかる．今後，って空間マッピングする様子を示すが，それにMR デバイスの高速・高精度化により，より臨

より，その周辺環境をシミュレーションに利用

場感の高いシステムの構築が期待できる．

できる．
─ 85 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

双安定構造を利用した高安定な展開構造体設計論の構築
Construction of the design concept of the expandable structure with high stability
by using bistable structure.

南 和幸, Kazuyuki Minami
山口大学， Yamaguchi UniversityWhen the expandable structure with arranged bistable structures is changed into a development shape from a
reduction shape, it was revealed that the force to maintain a development shape facing the external force that
reduce the size of the development shape was stronger than an expected design level. In this study, therefore, theunknown mechanism to enlarge this shape retention was examined by experimental analysis based on theobservation of the deformation state of the prototype stent and by the deformation simulation by the finite
element method. As a result, it was revealed that the in-plane turn of the bistable structure or the in-plane
buckling deformation in plane were one of the mechanism to enlarge shape retention.
"'$%!&ŊExpandable structure, Large retntion, Bistable structure, Design concept


1

研究概要

 ěÊÓĀ/RÌĺÓĀFÀÓ5:<ÕF(ěÊ5:Q,C8TÁ§FÉ¶6AÌĺÓĀXÄÆF
â8T§Xč8ÌĺôĲX(°ÄÆôĲGĵ£FQSÇĂ8TČĐXĳNA+<C4V(ÚÆ6A+<ħĦG  GÌĺÓĀXâ8T§0ûÆ5U<);4B(íČĐBH4GÓĀâ§X¾Â5:TìċGz^pfyX(ĨekmGÀÓĀÛGģÈF»@2ÇłĉĤñCëļĢĖùF
QTÀÓcx|

c~FQSĤé8T4CXĨM<);GĘò(°ÄÆôĲGĿ¡¸Ĭ(Ŀ¡ÏËÀÓ0ÓĀâ§X¾Â5:Tz^pfyG 1 ?B*T4C0¢/><)

2

結果概要

２個の双安定構造

2.1 はじめに=１ユニット    ìċGz^pfyGĤéGĒöC6A(ēĝ0ĺĈ6<°ÄÆôĲXĵ£5:<¬ćĄekmôĲXÉīC6A(ĨekmGÀÓĀÛGģÈF»@2ÇłĉĤñCëļĢĖù
FQTÀÓcx| c~FQS(ÓĀâ§X¾Â5:Tz^pfyGĤéXĨM<)

2.2 ステントの試作¹ņFíČĐBĨ8TekmôĲGóą展開Xč8)ŇG°ÄÆôĲBņ?G}pjmX
ÓÝ6A+T)ekmôĲH(qĞŅX-<^kńŀkńėÔi| sŅFQ


縮小時

S(¡/RáÑ§X¨-RUAÌĺńáÔŅ
8T);GĽ(°ÄÆôĲHeojte ńŁ


展開時

図１ 双安定構造を配列したステント構造

JĎSÏËŅC·IUTÓĀÀ«FQS(O,ĉEôĲHěÊ5:TÁ§ń­Ôè¶Gº§ŅèGüÄÆEÓĀFØıFĎĠ8T)üÄÆ

FÉ6AÆGßÞ§Xč8<N(4U0Ìĺ─ 86 ─

─ 87 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

双安定構造を利用した高安定な展開構造体設計論の構築
Construction of the design concept of the expandable structure with high stability
by using bistable structure.

南 和幸, Kazuyuki Minami
山口大学， Yamaguchi UniversityWhen the expandable structure with arranged bistable structures is changed into a development shape from a
reduction shape, it was revealed that the force to maintain a development shape facing the external force that
reduce the size of the development shape was stronger than an expected design level. In this study, therefore, theunknown mechanism to enlarge this shape retention was examined by experimental analysis based on theobservation of the deformation state of the prototype stent and by the deformation simulation by the finite
element method. As a result, it was revealed that the in-plane turn of the bistable structure or the in-plane
buckling deformation in plane were one of the mechanism to enlarge shape retention.
"'$%!&ŊExpandable structure, Large retntion, Bistable structure, Design concept


1

研究概要

 ěÊÓĀ/RÌĺÓĀFÀÓ5:<ÕF(ěÊ5:Q,C8TÁ§FÉ¶6AÌĺÓĀXÄÆF
â8T§Xč8ÌĺôĲX(°ÄÆôĲGĵ£FQSÇĂ8TČĐXĳNA+<C4V(ÚÆ6A+<ħĦG  GÌĺÓĀXâ8T§0ûÆ5U<);4B(íČĐBH4GÓĀâ§X¾Â5:TìċGz^pfyX(ĨekmGÀÓĀÛGģÈF»@2ÇłĉĤñCëļĢĖùF
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2

結果概要

２個の双安定構造

2.1 はじめに=１ユニット    ìċGz^pfyGĤéGĒöC6A(ēĝ0ĺĈ6<°ÄÆôĲXĵ£5:<¬ćĄekmôĲXÉīC6A(ĨekmGÀÓĀÛGģÈF»@2ÇłĉĤñCëļĢĖù
FQTÀÓcx| c~FQS(ÓĀâ§X¾Â5:Tz^pfyGĤéXĨM<)

2.2 ステントの試作¹ņFíČĐBĨ8TekmôĲGóą展開Xč8)ŇG°ÄÆôĲBņ?G}pjmX
ÓÝ6A+T)ekmôĲH(qĞŅX-<^kńŀkńėÔi| sŅFQ


縮小時

S(¡/RáÑ§X¨-RUAÌĺńáÔŅ
8T);GĽ(°ÄÆôĲHeojte ńŁ

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展開時

図１ 双安定構造を配列したステント構造

JĎSÏËŅC·IUTÓĀÀ«FQS(O,ĉEôĲHěÊ5:TÁ§ń­Ôè¶Gº§ŅèGüÄÆEÓĀFØıFĎĠ8T)üÄÆ

FÉ6AÆGßÞ§Xč8<N(4U0Ìĺ─ 86 ─

─ 87 ─

PHV の性能を包括的かつ簡易的に評価できる
新たな手法の提案と車両設計・運用指針構築の試み

4) ∆CO2 [kg-CO2]
CS
CO

CO2CS
AE ( d )  CO2 BLD ( d )2
CD
CD
E CD 
CD  EBLD  E AE
 U Elec
 BLD


CS
CD 
F
FBLD


 constantPlug-in hybrid vehicles (PHVs) have multiple driving modes and control strategies, and the
combinations of them are also various. Furthermore, since the environmental performance of PHVs varies
significantly between charge-depleting mode (CD) and charge-sustaining mode(CS), the average performancefrom the start point to the end point also varies greatly. As a result, it is extremely complicated to evaluate theenvironmental performance of PHVs accurately. In this study, we are focusing on establishing a new method for
performance evaluation of PHVs without additional running experiments. Some new considerations about thevehicle design and control strategy based on the mathematical equations of PHVs’ environmental performanceare proposed and validated with a series type PHV simulator we constructed.

本研究では 2 種のエネルギーと 2 種の走行モードが存在することで生じる車両瞬時性能変動問題等に対処できる，包括的で正確・容易な性能評価方法の構築を試みた．また，エンジンモータ併用“BLD



(10)

 

 
 CD  CD  CS 
E
F
F
 BLD

BLD

に，国土交通省が 2009 年に定めた性能評価指標

走行距離依存性の数式化を試みる．

をベースに進めることとした．以降の数式化に

1）CD レンジ [km]CD mode range (AE control)

km

CD
R AE

CD mode range (BLD control)

km

CD
RBLD

kWh

U

CD
Elec

U

CD
Fuel

ℓ
km/kWh
km/kWh(1)

を“AE・BLD 制御間の性能逆転クロスポイ

CD
BLD

(2)

ント”と称す．

CD mode fuel economy (BLD control)

km/ℓ

CD
FBLD

CS mode fuel economy

km/ℓ

F CS

kg-CO2/kWhkg-CO2/ℓ



U

R

CD
Elec

E

CD
BLD

R

(3)

CD
AE

2) CO2 排出積算量（AE 制御）[kg-CO2]


CO2CD
d
 d  RAECD 
AE (d )
CD
EAE

CS
CD
CD
CD
F

CS

(4)

(d  RAE )  CO2 AE (RAE )CDCD  E AE
d  U Elec CS    
CS
F
F



CD
BLD

(5)

CD
AE

3) CO2 排出積算量（BLD 制御）[kg-CO2]CO─ 88 ─  (d ) 
 CD  CD  d
E
F
BLD 
 BLD

0

Fig. 1d  R CD
2 BLD

量が BLD 制御採用時より大きくなること

CD
CD
CD
RAE
 U Elec
E AE

CD
BLD

CD
E AE

E

に到達した点以降において，CO2 排出積算で両者の大小関係が逆転するポイントがなお，一般的に以下の関係が成立する．

CO2 AE (d )

Fig. 2

AE➝ CS
BLD➝ CS

CD CS

CD CS

CO2


CD
EAE

 d  R  (6)AE control
BLD control
Case1
AE  BLD
Case2
DtargetdcrossDtarget

Proposed selection policy of AE/BLD control

Fig. 3

Case 1AE

BLD

D ta rg e t

0Case 2
D t a r g e t  R BCLDD 

0Case 2
2
0

D targ e t  R BCLDD 
R AC ED

Distance traveled d [km]The optimal BLD control proposed
Case BCD
RAE

cross-pointCD
RAE

AE  BLD
dcrossCD
RBLD

DtargetCase A

Distance traveled

Distance traveled d [km]Relationship between distance traveled andCO2 emissions with various controls

CO2 排出量の走行距離依存性を考慮したエンジンの運用指針
PHV の実運用において満充電後の走行距離（ Dtarget ）が推測できるケースを想定し，CO2 排出

BLDDistance traveled d [km]   CD CD  CD  RBLD EBLD FBLD 

2.2

CD
BLD

Case 1Case 2

SOC [%]

SymbolAE 制御採用時において，これが CS モード

AE

AE➝CS
BLD ➝ CS0

AE  BLD）発生する．以降，このポイント（ d  d cross

R

Unit

算結果の例である．

BLD 制御採用時において，これが CS モー

Integrated value of CO2 emissions
CO2(d) [kg-CO2 ]Vehicle performance indices used inmathematization

BLD制御のエンジンアシスト量を変更すべきとCO2 排出積算量の差は一定値を維持する．

ここで，基本車両性能指標のみを用いてそのおいて用いる車両性能指標を表 1 にまとめる

CDとなるように，Case 2 に示すように，Dtarget  RBLD

離 d を走行した場合の AE 制御採用時との

2.1 CO2 排出量の走行距離依存性
CO2 排出量の走行距離依存性を数式化する際

CDの 場 合 は ， 同 図 の Case 2 とし て Dtarget  R AEいう結論になる．図4は本現象を証明する数式計

以降，この差分値を“ CO2 ”と称す．

2 結果概要CO2 emission factor(Fuel)

CD

E AE
CD 
U Elec   CS  F

合は当然ながらAE制御を選択すべきである．そドに到達した点以降においては，同一の距の方法論をとりまとめた．

CO2 emission factor (Electric energy)

CDの場
は，図3のCase 1に示すように， Dtarget  R AE

見を以下にまとめる．

最後に，実運用時において導入路線⾧に合わせて最適な CD モードエンジン使用方法を選択するため

CD mode electric energy economy(BLD control)

定する場合について考える．この際の解として(9)AE  BLD
AE  BLD
CO2 CD)  CO2CS)
BLD (d crossAE (d cross制御”を採用する際に，効果的なエンジンアシストが実現されているか評価できる新指標を構築した．

CD mode electric energy economy(AE control)

量を変更することが可能なPHVが存在したと仮5) AE・BLD 制御間の性能逆転クロスポイント[km]

AE  BLD
d cross

量の観点から AE / BLD 間の最適制御の検討を行う．
はじめに，運転手が AE 制御と BLD 制御を選択することが可能なPHV が存在したと仮定する場合について考える．この際の解は極めて単純であり，AE  BLDの場合
図 2 の Case 1 に示すように Dtarget  d crossAE  BLD（Case 2）の場合は AE 制御，逆に Dtarget  d crossは BLD 制御を選択すべきとの結論になる．
次に，運転手がBLD制御のエンジンアシスト

走行距離依存性を図 1 に，さらには得られた知1 はじめにCD mode fuel consumption(8)

これらの関係を用いて導出した CO2 排出量のKey Words：plug-in hybrid, greenhouse gas, evaluation, vehicle simulation, optimal control

CD mode electric energy consumption

(7)

CD
BLD

Waseda University

Performance IndicesCDCD(d  RBLD)  CO2CD
BLD (RBLD )d  R 楊イ翔, Yang Wei-Hsiang

Table 1F CS CD  1
1 
CD CS d  U Elec EBLD  CS  CD     
F
F
F
BLD 




Proposals of New Method for Performance Evaluation and Considerations about
Vehicle Design and Control Strategy of PHV
早稲田大学,CO2CS
BLD (d ) Integrated value of CO 2 emissions
CO2(d) [kg-CO2]

研究報告書概要

Integrated value of CO2 emissions CO2(d)[kg-CO2 ]平成 30 年度

[kg-CO2]

スズキ財団

CO 2 (Dtarget )公益財団法人d [km]CDCDU Elec  FBLD
Dtarget

CD
CD
E BLD
target  Dtarget U Elec

CD
Electric energy economy E BL D [km/kWh]Fig. 4

─ 89 ─

CD
CO2 emissions when RBLD
varies nearby Dtarget

PHV の性能を包括的かつ簡易的に評価できる
新たな手法の提案と車両設計・運用指針構築の試み

4) ∆CO2 [kg-CO2]
CS
CO

CO2CS
AE ( d )  CO2 BLD ( d )2
CD
CD
E CD 
CD  EBLD  E AE
 U Elec
 BLD


CS
CD 
F
FBLD


 constantPlug-in hybrid vehicles (PHVs) have multiple driving modes and control strategies, and the
combinations of them are also various. Furthermore, since the environmental performance of PHVs varies
significantly between charge-depleting mode (CD) and charge-sustaining mode(CS), the average performancefrom the start point to the end point also varies greatly. As a result, it is extremely complicated to evaluate theenvironmental performance of PHVs accurately. In this study, we are focusing on establishing a new method for
performance evaluation of PHVs without additional running experiments. Some new considerations about thevehicle design and control strategy based on the mathematical equations of PHVs’ environmental performanceare proposed and validated with a series type PHV simulator we constructed.

本研究では 2 種のエネルギーと 2 種の走行モードが存在することで生じる車両瞬時性能変動問題等に対処できる，包括的で正確・容易な性能評価方法の構築を試みた．また，エンジンモータ併用“BLD



(10)

 

 
 CD  CD  CS 
E
F
F
 BLD

BLD

に，国土交通省が 2009 年に定めた性能評価指標

走行距離依存性の数式化を試みる．

をベースに進めることとした．以降の数式化に

1）CD レンジ [km]CD mode range (AE control)

km

CD
R AE

CD mode range (BLD control)

km

CD
RBLD

kWh

U

CD
Elec

U

CD
Fuel

ℓ
km/kWh
km/kWh(1)

を“AE・BLD 制御間の性能逆転クロスポイ

CD
BLD

(2)

ント”と称す．

CD mode fuel economy (BLD control)

km/ℓ

CD
FBLD

CS mode fuel economy

km/ℓ

F CS

kg-CO2/kWhkg-CO2/ℓ



U

R

CD
Elec

E

CD
BLD

R

(3)

CD
AE

2) CO2 排出積算量（AE 制御）[kg-CO2]


CO2CD
d
 d  RAECD 
AE (d )
CD
EAE

CS
CD
CD
CD
F

CS

(4)

(d  RAE )  CO2 AE (RAE )CDCD  E AE
d  U Elec CS    
CS
F
F



CD
BLD

(5)

CD
AE

3) CO2 排出積算量（BLD 制御）[kg-CO2]CO─ 88 ─  (d ) 
 CD  CD  d
E
F
BLD 
 BLD

0

Fig. 1d  R CD
2 BLD

量が BLD 制御採用時より大きくなること

CD
CD
CD
RAE
 U Elec
E AE

CD
BLD

CD
E AE

E

に到達した点以降において，CO2 排出積算で両者の大小関係が逆転するポイントがなお，一般的に以下の関係が成立する．

CO2 AE (d )

Fig. 2

AE➝ CS
BLD➝ CS

CD CS

CD CS

CO2


CD
EAE

 d  R  (6)AE control
BLD control
Case1
AE  BLD
Case2
DtargetdcrossDtarget

Proposed selection policy of AE/BLD control

Fig. 3

Case 1AE

BLD

D ta rg e t

0Case 2
D t a r g e t  R BCLDD 

0Case 2
2
0

D targ e t  R BCLDD 
R AC ED

Distance traveled d [km]The optimal BLD control proposed
Case BCD
RAE

cross-pointCD
RAE

AE  BLD
dcrossCD
RBLD

DtargetCase A

Distance traveled

Distance traveled d [km]Relationship between distance traveled andCO2 emissions with various controls

CO2 排出量の走行距離依存性を考慮したエンジンの運用指針
PHV の実運用において満充電後の走行距離（ Dtarget ）が推測できるケースを想定し，CO2 排出

BLDDistance traveled d [km]   CD CD  CD  RBLD EBLD FBLD 

2.2

CD
BLD

Case 1Case 2

SOC [%]

SymbolAE 制御採用時において，これが CS モード

AE

AE➝CS
BLD ➝ CS0

AE  BLD）発生する．以降，このポイント（ d  d cross

R

Unit

算結果の例である．

BLD 制御採用時において，これが CS モー

Integrated value of CO2 emissions
CO2(d) [kg-CO2 ]Vehicle performance indices used inmathematization

BLD制御のエンジンアシスト量を変更すべきとCO2 排出積算量の差は一定値を維持する．

ここで，基本車両性能指標のみを用いてそのおいて用いる車両性能指標を表 1 にまとめる

CDとなるように，Case 2 に示すように，Dtarget  RBLD

離 d を走行した場合の AE 制御採用時との

2.1 CO2 排出量の走行距離依存性
CO2 排出量の走行距離依存性を数式化する際

CDの 場 合 は ， 同 図 の Case 2 とし て Dtarget  R AEいう結論になる．図4は本現象を証明する数式計

以降，この差分値を“ CO2 ”と称す．

2 結果概要CO2 emission factor(Fuel)

CD

E AE
CD 
U Elec   CS  F

合は当然ながらAE制御を選択すべきである．そドに到達した点以降においては，同一の距の方法論をとりまとめた．

CO2 emission factor (Electric energy)

CDの場
は，図3のCase 1に示すように， Dtarget  R AE

見を以下にまとめる．

最後に，実運用時において導入路線⾧に合わせて最適な CD モードエンジン使用方法を選択するため

CD mode electric energy economy(BLD control)

定する場合について考える．この際の解として(9)AE  BLD
AE  BLD
CO2 CD)  CO2CS)
BLD (d crossAE (d cross制御”を採用する際に，効果的なエンジンアシストが実現されているか評価できる新指標を構築した．

CD mode electric energy economy(AE control)

量を変更することが可能なPHVが存在したと仮5) AE・BLD 制御間の性能逆転クロスポイント[km]

AE  BLD
d cross

量の観点から AE / BLD 間の最適制御の検討を行う．
はじめに，運転手が AE 制御と BLD 制御を選択することが可能なPHV が存在したと仮定する場合について考える．この際の解は極めて単純であり，AE  BLDの場合
図 2 の Case 1 に示すように Dtarget  d crossAE  BLD（Case 2）の場合は AE 制御，逆に Dtarget  d crossは BLD 制御を選択すべきとの結論になる．
次に，運転手がBLD制御のエンジンアシスト

走行距離依存性を図 1 に，さらには得られた知1 はじめにCD mode fuel consumption(8)

これらの関係を用いて導出した CO2 排出量のKey Words：plug-in hybrid, greenhouse gas, evaluation, vehicle simulation, optimal control

CD mode electric energy consumption

(7)

CD
BLD

Waseda University

Performance IndicesCDCD(d  RBLD)  CO2CD
BLD (RBLD )d  R 楊イ翔, Yang Wei-Hsiang

Table 1F CS CD  1
1 
CD CS d  U Elec EBLD  CS  CD     
F
F
F
BLD 




Proposals of New Method for Performance Evaluation and Considerations about
Vehicle Design and Control Strategy of PHV
早稲田大学,CO2CS
BLD (d ) Integrated value of CO 2 emissions
CO2(d) [kg-CO2]

研究報告書概要

Integrated value of CO2 emissions CO2(d)[kg-CO2 ]平成 30 年度

[kg-CO2]

スズキ財団

CO 2 (Dtarget )公益財団法人d [km]CDCDU Elec  FBLD
Dtarget

CD
CD
E BLD
target  Dtarget U Elec

CD
Electric energy economy E BL D [km/kWh]Fig. 4

─ 89 ─

CD
CO2 emissions when RBLD
varies nearby Dtarget

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

は計算によって得られた弾性定数の成分である。
図中の黒の実線は直線 y = x で、この直線に近いほど文献値に近い弾性定数である。選ばれた
Fig. 5 は横軸に文献値から得た弾性定数、縦軸は MD 計算より得た弾性定数である。 エネル
ギーの情報のみから訓練した機械学習ポテンシ
ャルでは EAM ポテンシャルより精度の悪い結果となったが、エネルギーと力、さらにビリ
アルまで含めると EAM ポテンシャルと比べてかなり精度の高い結果が得られた。

機械学習とマルチスケールシミュレーションによる原子層材料保護膜の研究
Study on atomic-layer passivation based on multi-scale simulation and machine learning
劉 麗君, Lijun Liu
大阪大学, Osaka University
Preventing reactive gas species such as oxygen or water is significant to ensure the stability anddurability of materials. In this work, molecular dynamics simulations were performed to investigate
the characteristics of the gas barrier layer of graphene with defects. To perform molecular dynamics
simulations, using accurate and fast interatomic potential is critically important. Therefore, we havedeveloped highly accurate interatomic potential for metallic material based on density functional
theory and machine learning techniques.

Fig.1 Learning curves of each models.

Key Words：機械学習，マルチスケールシミュレーション，保護膜，原子層材料1

研究概要
本研究では、金属材料保護のためのグラフェン保護膜について欠陥密度を変化させた検討を実施した。さらに保護する金属材料について、機械学習と分子動力学法に基づくシミュレーションを行った。
計算で用いるポテンシャルは通常、古典力学に基づく分子動力学計算(MD)では汎関数を仮定し、第一原理計算や実験に基づくデータベースを活用した簡便な原子間ポテンシャルを用いる。この方法では多自由度系の原子モデルを比較的高速に計算ができるものの、不均質構造に対する精度保証が十分でない。加えて、二元系以上の合金に対する適切なモデル化はいまだ十分に確立していない。本誌では、金属材料のシミュレーションを高精度で実施するために、第一原理計算のデータベースに基づいた機械学習手法により、高精度な単元系マグネシウム(Mg)原子間ポテンシャルの開発を試みた結果について概説する。

2

結果概要

2.1

第一原理計算によるデータセットの作成

第一原理電子状態計算プログラムコード
VASP(1)を用いて計算を行い、単結晶 Mg の結晶構造の原子座標、全エネルギー、原子間力の情報を深層学習データセットとして準備した。用いたモデルは次のとおりである。
(1) HCP、 BCC、 FCC、 SC 構造の格子定数を最安定点から変更したもの(2) アフィン変形を最安定構造に加えたもの(3) 表面上の状態を考えたもの(4) 分布を持つひずみを加えたもの(5) 微小変位を特定の 2 原子に付加したもの
2.2 深層学習ポテンシャルの精度
2.2.1 原子モデルの影響
2.1 節に述べたデータを使用し、ディープニュ

ーラルネットワークを用いて 1、000、000 ステ
ップ訓練を行い、テストデータで評価されたエ
ネルギーと原子間力の平方平均二乗誤差を Fig.
1 に示す。その誤差が 10-2 以下であるため、十分な学習精度が得られたと判断した。
2.2.2 バッチサイズの影響
バッチサイズを大きくするとよりおおまかにフィッティングするようになり、学習速度が上がる。十分な学習が済むまでどれくらいの時間が必要かを調べるために、バッチサイズを 1、 4、64、 64~512 に変えたときの深層学習の誤差のグラフを Fig. 2 に示す。バッチサイズを大きくするとエネルギー誤差が小さくなるため、バッ
チサイズ 64~512 のポテンシャルを用いる。

─ 90 ─

Fig. 2 Learning curves of the Mg system withdifferent batch sizes.
Fig. 3 Elastic modulus of magnesium.

2.3 深層学習ポテンシャルによる弾性定数評価
機械学習で作成したポテンシャルの精度を評価するために、LAMMPS で分子動力学計算を行い、既存のポテンシャル EAM を用いて行った分子動力学計算の結果や第一原理計算の結果との比較を行う。
格子定数が a = 3.19, c = 5.2 の最安定構造を使用し、構造の最適化を行ったあとの系に変形を加え、そのときの応力を測定することによって弾性定数を算出している。この計算では、訓練に用いる 3 種類の損失関数のポテンシャル
ごとに弾性定数を求め、文献値（3）との比較を行った。計算には以下のポテンシャルの種類を用いた。
(1) エネルギーの情報を含めた損失関数を用いて作成した深層学習ポテンシャル(2) エネルギーと力の情報を含めた損失関数を用いて作成した深層学習ポテンシャル(3) エネルギーと力とビリアルの情報を含めた損失

2.4 まとめ本研究では、単元系マグネシウムの原子間ポテンシャルを機械学習で作成し、機械学習ポテ
ンシャルの計算精度の評価を行った。機械学習
ポテンシャルを用いて、構造緩和計算、動径分
布関数の算出、弾性定数の計算を行い、いずれも既存の経験的ポテンシャル並み、またはそれ以上の計算精度を出すことができた。特に、弾性定数についてはかなり精度の高い結果が得られたため、原子間の相互作用を正確に計算できていることを確認した。
参考文献(1) G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B 47,
558(1993).
(2) H. Wang, L. Han, W. Eeinan. Comput. Phys.
Commun., 228, pp.178–184 (2018).
(3) 平川賢爾, 遠藤正浩, 駒崎慎一, 松永久生，
山辺純一郎, 機械材料学, 朝倉書店 (2018).

関数を用いて作成した深層学習ポテンシャル(4) EAM ポテンシャル

Fig. 5 では計算した弾性定数を示し、横軸には文献値から得られた弾性定数の成分、縦軸に─ 91 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

は計算によって得られた弾性定数の成分である。
図中の黒の実線は直線 y = x で、この直線に近いほど文献値に近い弾性定数である。選ばれた
Fig. 5 は横軸に文献値から得た弾性定数、縦軸は MD 計算より得た弾性定数である。 エネル
ギーの情報のみから訓練した機械学習ポテンシ
ャルでは EAM ポテンシャルより精度の悪い結果となったが、エネルギーと力、さらにビリ
アルまで含めると EAM ポテンシャルと比べてかなり精度の高い結果が得られた。

機械学習とマルチスケールシミュレーションによる原子層材料保護膜の研究
Study on atomic-layer passivation based on multi-scale simulation and machine learning
劉 麗君, Lijun Liu
大阪大学, Osaka University
Preventing reactive gas species such as oxygen or water is significant to ensure the stability anddurability of materials. In this work, molecular dynamics simulations were performed to investigate
the characteristics of the gas barrier layer of graphene with defects. To perform molecular dynamics
simulations, using accurate and fast interatomic potential is critically important. Therefore, we havedeveloped highly accurate interatomic potential for metallic material based on density functional
theory and machine learning techniques.

Fig.1 Learning curves of each models.

Key Words：機械学習，マルチスケールシミュレーション，保護膜，原子層材料1

研究概要
本研究では、金属材料保護のためのグラフェン保護膜について欠陥密度を変化させた検討を実施した。さらに保護する金属材料について、機械学習と分子動力学法に基づくシミュレーションを行った。
計算で用いるポテンシャルは通常、古典力学に基づく分子動力学計算(MD)では汎関数を仮定し、第一原理計算や実験に基づくデータベースを活用した簡便な原子間ポテンシャルを用いる。この方法では多自由度系の原子モデルを比較的高速に計算ができるものの、不均質構造に対する精度保証が十分でない。加えて、二元系以上の合金に対する適切なモデル化はいまだ十分に確立していない。本誌では、金属材料のシミュレーションを高精度で実施するために、第一原理計算のデータベースに基づいた機械学習手法により、高精度な単元系マグネシウム(Mg)原子間ポテンシャルの開発を試みた結果について概説する。

2

結果概要

2.1

第一原理計算によるデータセットの作成

第一原理電子状態計算プログラムコード
VASP(1)を用いて計算を行い、単結晶 Mg の結晶構造の原子座標、全エネルギー、原子間力の情報を深層学習データセットとして準備した。用いたモデルは次のとおりである。
(1) HCP、 BCC、 FCC、 SC 構造の格子定数を最安定点から変更したもの(2) アフィン変形を最安定構造に加えたもの(3) 表面上の状態を考えたもの(4) 分布を持つひずみを加えたもの(5) 微小変位を特定の 2 原子に付加したもの
2.2 深層学習ポテンシャルの精度
2.2.1 原子モデルの影響
2.1 節に述べたデータを使用し、ディープニュ

ーラルネットワークを用いて 1、000、000 ステ
ップ訓練を行い、テストデータで評価されたエ
ネルギーと原子間力の平方平均二乗誤差を Fig.
1 に示す。その誤差が 10-2 以下であるため、十分な学習精度が得られたと判断した。
2.2.2 バッチサイズの影響
バッチサイズを大きくするとよりおおまかにフィッティングするようになり、学習速度が上がる。十分な学習が済むまでどれくらいの時間が必要かを調べるために、バッチサイズを 1、 4、64、 64~512 に変えたときの深層学習の誤差のグラフを Fig. 2 に示す。バッチサイズを大きくするとエネルギー誤差が小さくなるため、バッ
チサイズ 64~512 のポテンシャルを用いる。

─ 90 ─

Fig. 2 Learning curves of the Mg system withdifferent batch sizes.
Fig. 3 Elastic modulus of magnesium.

2.3 深層学習ポテンシャルによる弾性定数評価
機械学習で作成したポテンシャルの精度を評価するために、LAMMPS で分子動力学計算を行い、既存のポテンシャル EAM を用いて行った分子動力学計算の結果や第一原理計算の結果との比較を行う。
格子定数が a = 3.19, c = 5.2 の最安定構造を使用し、構造の最適化を行ったあとの系に変形を加え、そのときの応力を測定することによって弾性定数を算出している。この計算では、訓練に用いる 3 種類の損失関数のポテンシャル
ごとに弾性定数を求め、文献値（3）との比較を行った。計算には以下のポテンシャルの種類を用いた。
(1) エネルギーの情報を含めた損失関数を用いて作成した深層学習ポテンシャル(2) エネルギーと力の情報を含めた損失関数を用いて作成した深層学習ポテンシャル(3) エネルギーと力とビリアルの情報を含めた損失

2.4 まとめ本研究では、単元系マグネシウムの原子間ポテンシャルを機械学習で作成し、機械学習ポテ
ンシャルの計算精度の評価を行った。機械学習
ポテンシャルを用いて、構造緩和計算、動径分
布関数の算出、弾性定数の計算を行い、いずれも既存の経験的ポテンシャル並み、またはそれ以上の計算精度を出すことができた。特に、弾性定数についてはかなり精度の高い結果が得られたため、原子間の相互作用を正確に計算できていることを確認した。
参考文献(1) G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B 47,
558(1993).
(2) H. Wang, L. Han, W. Eeinan. Comput. Phys.
Commun., 228, pp.178–184 (2018).
(3) 平川賢爾, 遠藤正浩, 駒崎慎一, 松永久生，
山辺純一郎, 機械材料学, 朝倉書店 (2018).

関数を用いて作成した深層学習ポテンシャル(4) EAM ポテンシャル

Fig. 5 では計算した弾性定数を示し、横軸には文献値から得られた弾性定数の成分、縦軸に─ 91 ─

─ 92 ── 93 ─

─ 92 ── 93 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

ヘテロフローテーション法によるアルミニウムスクラッ
プ高清浄度化のための異種粒子間差動凝集機構の解明とするそれぞれの粒子の体積比で Hamaker 定数を比例配分するモデルを構築した（比例配分モデル）。いま、異種凝集体を i 個の Particle 1 と l
個を Particle 2 から成るとして、[i, l]凝集体と呼称する。この[i, l]凝集体の Hamaker 定数はその適用
Elucidation of differential aggregation mechanism
between different particles for high cleanliness of aluminum scrap
by heteroflotation method and that application

A[i ,l ][i ,l ] = A11 f v,[i ,l ] + A22 (1 − f v,[i ,l ] )(2)

ここで、A11, A22, A33 はそれぞれ粒子 1、粒子 2および媒質 3 の真空中における Hamaker 定数である。また、fv,[i,l]は異種凝集体中の Particle 1 の体積比である。

新井宏忠,
Hirotada ARAI
八戸工業高等専門学校, National Institute of Technology, Hachinohe College
It is well known that the spreadability is deteriorated due to the impurity elements and nonmetallic
inclusions when aluminum sheet materials are recycled into scrap. Therefore, we focused on the hetero flotation
method to purify aluminum melt. In present study, the hetero-aggregation theory which can analyze the actual

Fig. 1. 総粒子個数濃度の経時変化したがって、互い衝突しようとする異種凝集
体間の Hamaker 定数は次式で表される。
A[i ,l ]3[ j , m ] =(A[ i , l ][i , l ]

− A33

)( A

[ j , m ][ j , m ]

− A33

) (3)

これを既存のモデルに組み込み、精緻化を図った。

process was verified. As a result, the validity of the theoretical model for hetero aggregation was confirmed.
2.2

Key Words：介在物, 高清浄化, 異種凝集, ヘテロフローテーション

実験結果との比較

ヘテロフローテーション法の検証実験は、アルミニウム溶湯を水、介在物をプラスチック粒

1

はじめに

子、オレイン酸液滴で模擬した水モデル系で行

近年、自動車車体におけるアルミニウム展伸材の使用量が増加している。しかしながらアルミニウ
ム展伸材をスクラップ再生すると、不純物元素や非金属介在物の混入により展伸性が悪化してしまうった。凝集の進行に伴う個数濃度変化を計測し、モデル計算結果と比較した。

ため、鋳物のダウングレードリサイクルとなっているのが実情である。そこで、アップグレードリサ

Fig. 1 に Particle 1（PMMA (MX-1000), 固体粒

イクルを実現するために、ヘテロ凝集現象を利用した溶湯高清浄化法（ヘテロフローテーション法）子）とと Particle 2（オレイン酸, 液滴）を合わの開発に取り組んでいる。

せた総粒子個数濃度 Nt の経時変化を示す。また、

ヘテロフローテーション法では、第 2 粒子をあえて懸濁させることで、介在物の浮上分離速度と捕Fig. 2 には Particle 2（オレイン酸）のみの総粒

捉効率向上を同時に狙うことをコンセプトとしている。第 2 粒子として、現行プロセスで用いられる子個数濃度の経時変化 nt2 を示す。これらの図よフラックスを介在物と凝集合体させ、分離促進を図るものである。

り、計算値は実験値と比較して凝集速度が遅い

本研究では、ヘテロフローテーションの実現に係るヘテロ凝集と分離挙動に着目し、本法の基礎理論となるヘテロ凝集理論の解明および実プロセスを検討し得る解析技術の構築を目的とした。その結果、ヘテロ凝集に関する理論モデルの妥当性を確認できた。

Fig. 2. 凝集体種毎の体積分率の経時変化

Droplet(Coalesced Oleic acid droplets)

が、概ね計算値は実験値の挙動を表せていることがわかる。
計算値と実験値に差異が生じた原因として、凝集体形状の影響が考えられる。Fig. 3 に実験

2

結果概要

後の凝集体の光学顕微鏡写真を示すが、ブドウ

ヘテロ凝集（異種凝集）の解析モデル

え字の k、 n は凝集体を構成する第 1 粒子の房状に凝集体を形成しており、粗大な液滴（図著者らは、2 種類の異なる粒子を含む系にお（Particle 1）および第 2 粒子（Pariticle 2）の単中の Droplet）の周囲を Particle 1 が覆っている。

いて、以下の凝集速度式（ポピュレーションバ

位粒子の個数をそれぞれ表す。衝突頻度関数 β

このような凝集体形状が凝集速度にどのような

1)には既存のモデル式を用いればよいが、ヘテロ影響を及ぼすのか、解析した事例はなく、更な凝集で衝突粒子間の分子間力を正確に考慮できる高精度化のためには調査、研究を継続する必

2.1

ランス式）を構築した 。

dnk ,ndt=

1 n k
   ([i, l ],[ j, m])ni ,l n j ,m
2 l =0 i =0l + m=n i + j =kParticle 1(MX1000)

Fig. 3. 異種凝集体の光学顕微鏡写真

要がある。

ていなかった。これは、異種凝集の場合、各凝(1)−   ([i, l ], [k , n]) ni ,l nk ,nl =0 i =0

集体でそれを構成する物質の組成が異なるため参考文献である。そこで、Hamaker 定数は物質を構成す

1) 新井宏忠, 中村悠季, 嶋﨑真一, 谷口尚司, 鉄と鋼, 101 (2015), 129-138.

る全て原子もしくは分子間の相互作用の重ね合

ここで、nk,n は異種凝集体の個数濃度を表す。添わせで求められることから、異種凝集体を構成

─ 94 ─

50 mm

─ 95 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

ヘテロフローテーション法によるアルミニウムスクラッ
プ高清浄度化のための異種粒子間差動凝集機構の解明とするそれぞれの粒子の体積比で Hamaker 定数を比例配分するモデルを構築した（比例配分モデル）。いま、異種凝集体を i 個の Particle 1 と l
個を Particle 2 から成るとして、[i, l]凝集体と呼称する。この[i, l]凝集体の Hamaker 定数はその適用
Elucidation of differential aggregation mechanism
between different particles for high cleanliness of aluminum scrap
by heteroflotation method and that application

A[i ,l ][i ,l ] = A11 f v,[i ,l ] + A22 (1 − f v,[i ,l ] )(2)

ここで、A11, A22, A33 はそれぞれ粒子 1、粒子 2および媒質 3 の真空中における Hamaker 定数である。また、fv,[i,l]は異種凝集体中の Particle 1 の体積比である。

新井宏忠,
Hirotada ARAI
八戸工業高等専門学校, National Institute of Technology, Hachinohe College
It is well known that the spreadability is deteriorated due to the impurity elements and nonmetallic
inclusions when aluminum sheet materials are recycled into scrap. Therefore, we focused on the hetero flotation
method to purify aluminum melt. In present study, the hetero-aggregation theory which can analyze the actual

Fig. 1. 総粒子個数濃度の経時変化したがって、互い衝突しようとする異種凝集
体間の Hamaker 定数は次式で表される。
A[i ,l ]3[ j , m ] =(A[ i , l ][i , l ]

− A33

)( A

[ j , m ][ j , m ]

− A33

) (3)

これを既存のモデルに組み込み、精緻化を図った。

process was verified. As a result, the validity of the theoretical model for hetero aggregation was confirmed.
2.2

Key Words：介在物, 高清浄化, 異種凝集, ヘテロフローテーション

実験結果との比較

ヘテロフローテーション法の検証実験は、アルミニウム溶湯を水、介在物をプラスチック粒

1

はじめに

子、オレイン酸液滴で模擬した水モデル系で行

近年、自動車車体におけるアルミニウム展伸材の使用量が増加している。しかしながらアルミニウ
ム展伸材をスクラップ再生すると、不純物元素や非金属介在物の混入により展伸性が悪化してしまうった。凝集の進行に伴う個数濃度変化を計測し、モデル計算結果と比較した。

ため、鋳物のダウングレードリサイクルとなっているのが実情である。そこで、アップグレードリサ

Fig. 1 に Particle 1（PMMA (MX-1000), 固体粒

イクルを実現するために、ヘテロ凝集現象を利用した溶湯高清浄化法（ヘテロフローテーション法）子）とと Particle 2（オレイン酸, 液滴）を合わの開発に取り組んでいる。

せた総粒子個数濃度 Nt の経時変化を示す。また、

ヘテロフローテーション法では、第 2 粒子をあえて懸濁させることで、介在物の浮上分離速度と捕Fig. 2 には Particle 2（オレイン酸）のみの総粒

捉効率向上を同時に狙うことをコンセプトとしている。第 2 粒子として、現行プロセスで用いられる子個数濃度の経時変化 nt2 を示す。これらの図よフラックスを介在物と凝集合体させ、分離促進を図るものである。

り、計算値は実験値と比較して凝集速度が遅い

本研究では、ヘテロフローテーションの実現に係るヘテロ凝集と分離挙動に着目し、本法の基礎理論となるヘテロ凝集理論の解明および実プロセスを検討し得る解析技術の構築を目的とした。その結果、ヘテロ凝集に関する理論モデルの妥当性を確認できた。

Fig. 2. 凝集体種毎の体積分率の経時変化

Droplet(Coalesced Oleic acid droplets)

が、概ね計算値は実験値の挙動を表せていることがわかる。
計算値と実験値に差異が生じた原因として、凝集体形状の影響が考えられる。Fig. 3 に実験

2

結果概要

後の凝集体の光学顕微鏡写真を示すが、ブドウ

ヘテロ凝集（異種凝集）の解析モデル

え字の k、 n は凝集体を構成する第 1 粒子の房状に凝集体を形成しており、粗大な液滴（図著者らは、2 種類の異なる粒子を含む系にお（Particle 1）および第 2 粒子（Pariticle 2）の単中の Droplet）の周囲を Particle 1 が覆っている。

いて、以下の凝集速度式（ポピュレーションバ

位粒子の個数をそれぞれ表す。衝突頻度関数 β

このような凝集体形状が凝集速度にどのような

1)には既存のモデル式を用いればよいが、ヘテロ影響を及ぼすのか、解析した事例はなく、更な凝集で衝突粒子間の分子間力を正確に考慮できる高精度化のためには調査、研究を継続する必

2.1

ランス式）を構築した 。

dnk ,ndt=

1 n k
   ([i, l ],[ j, m])ni ,l n j ,m
2 l =0 i =0l + m=n i + j =kParticle 1(MX1000)

Fig. 3. 異種凝集体の光学顕微鏡写真

要がある。

ていなかった。これは、異種凝集の場合、各凝(1)−   ([i, l ], [k , n]) ni ,l nk ,nl =0 i =0

集体でそれを構成する物質の組成が異なるため参考文献である。そこで、Hamaker 定数は物質を構成す

1) 新井宏忠, 中村悠季, 嶋﨑真一, 谷口尚司, 鉄と鋼, 101 (2015), 129-138.

る全て原子もしくは分子間の相互作用の重ね合

ここで、nk,n は異種凝集体の個数濃度を表す。添わせで求められることから、異種凝集体を構成

─ 94 ─

50 mm

─ 95 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

使用済みリチウムイオン二次電池からの高選択的熱応答性ポリマーと超高回収量捕集ポリマーの段階的使用によるレアメタル完全リサイクルシステムの開発
Development of recycle system of rare metals from waste Li-ion batteries by
stepwise use of selective-recovery polymer and high-recovery polymer酸）-シアヌル酸-メラミン自己集合システムにが 0.15 mM と 0.30 mM の時に回収率は低いもの

よる Co(III)イオンの捕集の Co(III)を回収できることが分かった（表 2,

硫酸コバルト・七水和物水溶液（0.3 mM）に

runs 1 and 2）。一方、Co(III)水溶液の濃度を 1.0

ニトリルトリス（メチレントリホスホン酸（92mM に上げたところ、回収率は得られなかった

mg, 0.31 mmol）を加え室温で一時間撹拌した後、（run 3）。これは、Co(III)濃度が高いために、多シアヌル酸（40 mg, 0.31 mmol）を加え室温で一量のホスホン酸基に Co(III)が配位し、シアヌル

時間撹拌した。その後、メラミン（20 mg, 0.16

酸とメラミンの集合体と水素結合を形成するホmmol）を加え自己集合体を沈殿させ、ろ過によ

スホン酸基の量が少なかったためと考えられる。

り沈殿物を回収した。ろ液中の Co(III)イオン濃HN度を原子吸光光度計により測定することで回収

永井 大介,
Daisuke Nagai
静岡県立大学, University of Shizuoka
This study aims to separate Li（I）and Co(III) ions from waste Li-ion batteries by the stepwise
use of two-kinds of self-assembly systems. The addition of nitrile(methylenetriphosphonic acid)(NTMP) to an aqueous solution of Co(III) allows for homogeneous coordination to Co(III) ions.
After coordination, subsequent addition of cyanuric acid (CA) and melamine (Mel) resulted in
the precipitation of Co(III)-NTMP-CA-Mel self-assembly (recovery efficiency = 19 %). On theother hand, self-assembly of Mel and CA recover Li(I) ion selectively (recovery efficiency =23 %). These results suggest that the selective separation of Co(III) and Li(I) from waste Li-ion
batteries by the stepwise use of NTMP-CA-Mel and Mel-CA self-assemblies.

Key Words：waste Li-ion battery, rare metal, self-assembly, Co(III), Li(I)

1

はじめに

使用済みリチウムイオン二次電池（主に LiCoO2）からの Li と Co の選択的回収を目的に、Co(III)イ
オンに選択的に配位するホスホン酸誘導体とメラミン、及びシアヌル酸の自己集合体形成を利用した率を求めた（回収率＝19 ％）

4発に従事し、メラミンとシアヌル酸の自己集合た後、シアヌル酸とメラミンを添加することに体形成を利用することにより、超高回収量レア

より、Co(III)-ホスホン酸-シアヌル酸-メラミン

メタル捕集材料の開発に成功している。メラミ

自己集合体形成を利用した Co(III)を回収するこンを金属イオン水溶液に溶解することで効率良とを目的とした。さらに、Li(I)イオンに配位す

く金属イオンに配位させ、シアヌル酸を添加す

るメラミンで Li(I)を配位させ、シアヌン酸とのることでメラミン-金属イオン錯体と水素結合

自己集合体形成を利用した Li(I)イオンの回収を形成し、自己集合体が沈殿することを見出しを検討した。これにより、二種類の自己集合体

た。例えば、パラジウム回収の場合、使用した形成を段階的に使用することにより、使用済み

メラミンとシアヌル酸合わせて 1 g に対して 0.6

リチウムイオン二次電池からの Co と Li の選択

g のパラジウムを回収できる世界最高レベルの的回収を目的とした。

捕集能を有する。1)

3

そこで本研究では、Co(III)イオンに効率良く実験方法

3-1. ニトリルトリス（メチレントリホスホン

─ 96 ─

H2N

N
N

NH2

シアヌル酸

(20 mg/6.5 mL)

室温, 1時間

室温, 1時間

室温, 1分間

メラミン水溶液
濾過

アヌル酸を加え室温で一時間撹拌した。その後、

1

0.15

メラミンを加えたところ、自己集合体と思われ

2

0.30

3

1.0

る沈殿物が生じた。沈殿物をろ過により分離し、シアヌル酸/ mg (mmol)

メラミン
/ mg
(mmol)

回収率
/%

沈殿量
/ mg

93 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)

10

36.6

93 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)

19

37.9

93 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)

0

37.7

Co(Ⅱ)濃度NTMP/ mM/ mg (mmol)run

ろ液中の Co(III)イオン濃度を原子吸光光度計で最後に、メラミン-シアヌル酸自己集合体形成

測定することにより、回収率を決定した。回収を利用した金属イオン回収挙動を検討した。硫実験において Co(III)イオン濃度を 0.15 mM と酸コバルト・七水和物水溶液にメラミンを加え0.20 mM で試したが、いずれも Co(III)を回収す

室温で一時間撹拌した後、シアヌル酸を加え室ることが出来なかった（表 1, runs 1 and 2）。メ

温で一時間撹拌した。その結果、自己集合体がチレンジホスホン酸は Co(III)イオンに配位して沈殿し、ろ過により沈殿物を分離し、ろ液中のいると予想されるが、水素結合能が弱くシアヌCo(III)濃度を原子吸光光度計により測定し回収

ル酸とメラミンの自己集合体にうまく取り込ま率を求めたところ、回収率は 0%であった。一方、れなかったもの考えられる。

メラミン-シアヌル酸自己集合による Li(I)イオ

O

H
N

HN

ン回収においては、23 %の回収率で回収できる

NH2

O
NH

N
H2N

O

N
N

ことが分かった。

NH2

CoSO4  7H2O
水溶液（0.2 mM)

シアヌル酸(20 mg/6.5 mL)

室温, 1時間

室温, 1時間

室温, 1分間

メラミン水溶液

この結果から、NTMP-シアヌル酸-メラミン
濾過

自己集合体とメラミン-シアヌル酸自己集合体

表ϭ͘MDP-シアヌル酸-メラミン集合体形成によるCo回収

配位するホスホン酸誘導体で Co(III)を配位さNHO

表2.NTMP-シアヌル酸-メラミン自己集合体形成によるCo(II)捕集

ホスホン酸を加え室温で一時間撹拌した後、シMDP

これまでに申請者はレアメタル捕集材料の開

N

NTMP

硫酸コバルト・七水和物水溶液にメチレンジの選択回収を目的とした。

研究背景と目的

NH2

O

CoSO4  7H2O
水溶液（0.2 mM)
ニトリルトリス(メチレントリホスホン酸）

結果と考察

Co 回収と、Li(I)イオンに配位するメラミンとシアヌル酸の自己集合体形成を利用した Li(I)と Co(II)

2

H
N

O

Co(Ⅱ)濃度/ mM

MDP/ mg (mmol)

シアヌル酸/ mg (mmol)

メラミン/ mg (mmol)

回収率
/%

沈殿量
/ mg

0.15

55 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)

0

38.4

0.20

55 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)0

34.6の段階的使用により、使用済みリチウムイオン
電池からのコバルトとリチウムの選択捕集の可能性が示された。
O

H
N

HN

そこでホスホン酸誘導体の水素結合能を高めNH2Nるために、三官能性のホスホン酸誘導体を用い

H2Nて、Co(III)イオンの捕集実験を行った。硫酸コ

O

N
N

O
NH

NH2

メラミン

金属イオン水溶液（2.0 mM)

シアヌル酸（15.5 mM)

室温, 1時間

室温, 1時間

濾過

バルト・七水和物水溶液にニトリルトリス（メ表3. メラミン-シアヌル酸集合体形成によるLi(I)の回収

チレントリフォスフォン酸）（NTMP）を加え室

run

金属

1

Co

2

40 (0.31)

40 (0.31)

0

76.4

2

Li

2

40 (0.31)

40 (0.31)

23

77.5

温で一時間撹拌した後、シアヌル酸を加え室温

金属濃度 シアヌル酸
メラミン 回収率 沈殿量/ mM/ mg (mmol) / mg (mmol)/%/ mg

で一時間撹拌した。その後、メラミンを加えた
ところ、自己集合体と思われる沈殿物が生じた。
沈殿物をろ過により分離し、ろ液中の Co(II)イ
オン濃度を原子吸光光度計で測定することによ

5り、回収率を決定した。その結果、Co(III)濃度

1) Nagai, D. et al. RSC Adv. 2015, 5, 30133.

─ 97 ─

参考文献

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

研究報告書概要

使用済みリチウムイオン二次電池からの高選択的熱応答性ポリマーと超高回収量捕集ポリマーの段階的使用によるレアメタル完全リサイクルシステムの開発
Development of recycle system of rare metals from waste Li-ion batteries by
stepwise use of selective-recovery polymer and high-recovery polymer酸）-シアヌル酸-メラミン自己集合システムにが 0.15 mM と 0.30 mM の時に回収率は低いもの

よる Co(III)イオンの捕集の Co(III)を回収できることが分かった（表 2,

硫酸コバルト・七水和物水溶液（0.3 mM）に

runs 1 and 2）。一方、Co(III)水溶液の濃度を 1.0

ニトリルトリス（メチレントリホスホン酸（92mM に上げたところ、回収率は得られなかった

mg, 0.31 mmol）を加え室温で一時間撹拌した後、（run 3）。これは、Co(III)濃度が高いために、多シアヌル酸（40 mg, 0.31 mmol）を加え室温で一量のホスホン酸基に Co(III)が配位し、シアヌル

時間撹拌した。その後、メラミン（20 mg, 0.16

酸とメラミンの集合体と水素結合を形成するホmmol）を加え自己集合体を沈殿させ、ろ過によ

スホン酸基の量が少なかったためと考えられる。

り沈殿物を回収した。ろ液中の Co(III)イオン濃HN度を原子吸光光度計により測定することで回収

永井 大介,
Daisuke Nagai
静岡県立大学, University of Shizuoka
This study aims to separate Li（I）and Co(III) ions from waste Li-ion batteries by the stepwise
use of two-kinds of self-assembly systems. The addition of nitrile(methylenetriphosphonic acid)(NTMP) to an aqueous solution of Co(III) allows for homogeneous coordination to Co(III) ions.
After coordination, subsequent addition of cyanuric acid (CA) and melamine (Mel) resulted in
the precipitation of Co(III)-NTMP-CA-Mel self-assembly (recovery efficiency = 19 %). On theother hand, self-assembly of Mel and CA recover Li(I) ion selectively (recovery efficiency =23 %). These results suggest that the selective separation of Co(III) and Li(I) from waste Li-ion
batteries by the stepwise use of NTMP-CA-Mel and Mel-CA self-assemblies.

Key Words：waste Li-ion battery, rare metal, self-assembly, Co(III), Li(I)

1

はじめに

使用済みリチウムイオン二次電池（主に LiCoO2）からの Li と Co の選択的回収を目的に、Co(III)イ
オンに選択的に配位するホスホン酸誘導体とメラミン、及びシアヌル酸の自己集合体形成を利用した率を求めた（回収率＝19 ％）

4発に従事し、メラミンとシアヌル酸の自己集合た後、シアヌル酸とメラミンを添加することに体形成を利用することにより、超高回収量レア

より、Co(III)-ホスホン酸-シアヌル酸-メラミン

メタル捕集材料の開発に成功している。メラミ

自己集合体形成を利用した Co(III)を回収するこンを金属イオン水溶液に溶解することで効率良とを目的とした。さらに、Li(I)イオンに配位す

く金属イオンに配位させ、シアヌル酸を添加す

るメラミンで Li(I)を配位させ、シアヌン酸とのることでメラミン-金属イオン錯体と水素結合

自己集合体形成を利用した Li(I)イオンの回収を形成し、自己集合体が沈殿することを見出しを検討した。これにより、二種類の自己集合体

た。例えば、パラジウム回収の場合、使用した形成を段階的に使用することにより、使用済み

メラミンとシアヌル酸合わせて 1 g に対して 0.6

リチウムイオン二次電池からの Co と Li の選択

g のパラジウムを回収できる世界最高レベルの的回収を目的とした。

捕集能を有する。1)

3

そこで本研究では、Co(III)イオンに効率良く実験方法

3-1. ニトリルトリス（メチレントリホスホン

─ 96 ─

H2N

N
N

NH2

シアヌル酸

(20 mg/6.5 mL)

室温, 1時間

室温, 1時間

室温, 1分間

メラミン水溶液
濾過

アヌル酸を加え室温で一時間撹拌した。その後、

1

0.15

メラミンを加えたところ、自己集合体と思われ

2

0.30

3

1.0

る沈殿物が生じた。沈殿物をろ過により分離し、シアヌル酸/ mg (mmol)

メラミン
/ mg
(mmol)

回収率
/%

沈殿量
/ mg

93 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)

10

36.6

93 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)

19

37.9

93 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)

0

37.7

Co(Ⅱ)濃度NTMP/ mM/ mg (mmol)run

ろ液中の Co(III)イオン濃度を原子吸光光度計で最後に、メラミン-シアヌル酸自己集合体形成

測定することにより、回収率を決定した。回収を利用した金属イオン回収挙動を検討した。硫実験において Co(III)イオン濃度を 0.15 mM と酸コバルト・七水和物水溶液にメラミンを加え0.20 mM で試したが、いずれも Co(III)を回収す

室温で一時間撹拌した後、シアヌル酸を加え室ることが出来なかった（表 1, runs 1 and 2）。メ

温で一時間撹拌した。その結果、自己集合体がチレンジホスホン酸は Co(III)イオンに配位して沈殿し、ろ過により沈殿物を分離し、ろ液中のいると予想されるが、水素結合能が弱くシアヌCo(III)濃度を原子吸光光度計により測定し回収

ル酸とメラミンの自己集合体にうまく取り込ま率を求めたところ、回収率は 0%であった。一方、れなかったもの考えられる。

メラミン-シアヌル酸自己集合による Li(I)イオ

O

H
N

HN

ン回収においては、23 %の回収率で回収できる

NH2

O
NH

N
H2N

O

N
N

ことが分かった。

NH2

CoSO4  7H2O
水溶液（0.2 mM)

シアヌル酸(20 mg/6.5 mL)

室温, 1時間

室温, 1時間

室温, 1分間

メラミン水溶液

この結果から、NTMP-シアヌル酸-メラミン
濾過

自己集合体とメラミン-シアヌル酸自己集合体

表ϭ͘MDP-シアヌル酸-メラミン集合体形成によるCo回収

配位するホスホン酸誘導体で Co(III)を配位さNHO

表2.NTMP-シアヌル酸-メラミン自己集合体形成によるCo(II)捕集

ホスホン酸を加え室温で一時間撹拌した後、シMDP

これまでに申請者はレアメタル捕集材料の開

N

NTMP

硫酸コバルト・七水和物水溶液にメチレンジの選択回収を目的とした。

研究背景と目的

NH2

O

CoSO4  7H2O
水溶液（0.2 mM)
ニトリルトリス(メチレントリホスホン酸）

結果と考察

Co 回収と、Li(I)イオンに配位するメラミンとシアヌル酸の自己集合体形成を利用した Li(I)と Co(II)

2

H
N

O

Co(Ⅱ)濃度/ mM

MDP/ mg (mmol)

シアヌル酸/ mg (mmol)

メラミン/ mg (mmol)

回収率
/%

沈殿量
/ mg

0.15

55 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)

0

38.4

0.20

55 (0.31)

40 (0.31)

20 (0.16)0

34.6の段階的使用により、使用済みリチウムイオン
電池からのコバルトとリチウムの選択捕集の可能性が示された。
O

H
N

HN

そこでホスホン酸誘導体の水素結合能を高めNH2Nるために、三官能性のホスホン酸誘導体を用い

H2Nて、Co(III)イオンの捕集実験を行った。硫酸コ

O

N
N

O
NH

NH2

メラミン

金属イオン水溶液（2.0 mM)

シアヌル酸（15.5 mM)

室温, 1時間

室温, 1時間

濾過

バルト・七水和物水溶液にニトリルトリス（メ表3. メラミン-シアヌル酸集合体形成によるLi(I)の回収

チレントリフォスフォン酸）（NTMP）を加え室

run

金属

1

Co

2

40 (0.31)

40 (0.31)

0

76.4

2

Li

2

40 (0.31)

40 (0.31)

23

77.5

温で一時間撹拌した後、シアヌル酸を加え室温

金属濃度 シアヌル酸
メラミン 回収率 沈殿量/ mM/ mg (mmol) / mg (mmol)/%/ mg

で一時間撹拌した。その後、メラミンを加えた
ところ、自己集合体と思われる沈殿物が生じた。
沈殿物をろ過により分離し、ろ液中の Co(II)イ
オン濃度を原子吸光光度計で測定することによ

5り、回収率を決定した。その結果、Co(III)濃度

1) Nagai, D. et al. RSC Adv. 2015, 5, 30133.

─ 97 ─

参考文献

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

 結果概要

バイオマス由来の硫黄担持吸着材による使用済リチウム 硫黄担持炭の吸着挙動

イオン電池溶解処理溶液からの高効率レアメタル分離回合溶液からの金属回収率を )LJ に示す。単味 混合溶液で各金属を吸着した硫黄担持炭を還溶液と同様に 1L&R0Q が同様の傾向を示し、元処理した生成物の ;5' パターンを )LJ に示収技術の開発S+ まで増加し に足した。一方、/L は S+

す。混合溶液から吸着し共存する 0Q、&R、1L

 付近まで 以下で一定であり、S+ 以上でが単味溶液と同様に 0Q が R& で &R が R&+LJKHIILFLHQWSURFHVVRIVHSDUDWLRQDQGUHFRYHU\IRUUDUHPHWDOVIURPDFLGOHDFKLQJOLTXRURIVSHQWOLWKLXPLRQEDWWHU\XVLQJVXOIXULPSUHJQDWHGDGVRUEHQW
GHULYHGIURPELRPDVVZDVWH
和嶋隆昌 7DNDDNL:DMLPD
千葉大学 &KLED8QLYHUVLW\

増加する傾向が見られた。S+ 付近で 1L&R0Q

で析出する傾向が見られた。このことから還元と /L が効率的に分離できると考えられる。

温度により 0Q と &R と 1L を分離できる可能性が

硫黄担持炭の各 S+ における PPRO/ の混120示唆された。

(a)
Ni
Co
Li
Mn

1L FREDOW &R DQG0DQJDQHVH 0Q IURPOHDFKOLTXLURIGLVFDUGHGOLWLXPLRQEDWWHULHV /,%V 
XVLQJVXOIXULPSUHJQDWHGDGVRUEHQWGHULYHGIURPELRPDVVZDVWH6XOIXULPSUHJQDWHGDGVRUEHQW

80
60
40
20

S\URO\VLVDWR&5HJDUGOHVVRILQLWLDOFRQFHQWUDWLRQVZLWKLQFUHDVLQJWKHS+RIWKHVROXWLRQ

0
1.5

R

EHDOPRVWFRQVWDQW7KHDGVRUEHG0QDQG&RFDQEHSUHFLSLWDWHGE\KHDWLQJDW &DQG

Mn

Co
Co

Mn

Co

Co MnCo

Co

CoMnCo800 oC
600 oC

Mn

Mn

400 oC
200 oC

0

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Equilibrium pH

VDPH:LWKLQFUHDVLQJWKHWHPSHUDWXUHRIWKHVROXWLRQWKHDGVRUSWLRQDPRXQWVRI1L&RDQG
0QLQFUHDVHZKLOHWKHDGVRUSWLRQUDWHRI1LGHFUHDVHVWKDWRI0QLQFUHDVHVDQGWKDWRI&R

Co

Raw

LQGLFDWLQJWKHDGVRUSWLRQRI1L&RDQG0QFDQEHSUHSDUHGIURPEDPERRXVLQJ. 6LPPHUVLRQYLDWRS+WKHDGVRUSWLRQRI1L&RDQG0QLQFUHDVHDQGWKHVHDGVRUSWLRQEHKDYLRUVDUHDOPRVW

1000 oC
Co

Intensity (a.u.)

Removal (%)

100

要旨英文（～ 文字程度）1RYHOURXWHKDVEHHQGHYHORSHGWRVHOHFWLYHUHFRYHU\RIQLFNHO

 硫黄担持炭上での還元析出挙動

5

10
20
30
40
50
2θ [CuKα (degree)]60

)LJ 混合溶液で各金属を吸着した硫黄担持

炭を還元処理した生成物の ;5' パターン)LJ 硫黄担持炭の各 S+ における PPRO/



の混合溶液からの金属回収率 模擬廃液中の不純物除去

R&XQGHULQHUWDWPRVSKHUHUHVSHFWLYHO\7KHVHUHVXOWVVXJJHVWHGWKDWWKHVXOIXULPSUHJQDWHG

 模擬溶液の S+ による各金属の回収率を )LJDGVRUEHQWFDQDGVRUE1L&RDQG0QIURPWKHOLTXRURIVSHQW/,%VDWS+DQGUHFRYHU0QDQG

硫黄担持炭を添加した ℃の混合溶液中の に示す。S+ を  以上にすることで )H と &X

&RVHOHFWLYHO\DVPHWDOVXVLQJUHGXFWLRQKHDWLQJ

各金属回収率を )LJ に示す。回収率は &R 0Q

が模擬溶液から選択的に沈殿除去されることが!1L!/L であり、 分で平衡に達した。このこわかった。

.H\:RUGV：硫黄担持吸着材レアメタル分離回収リチウムイオン電池溶解処理溶液バイオマス

とより高い溶液温度で 0Q、&R と 1L を分離でき はじめにる可能性があることがわかった。
Ni
Co
Li
Mn

現在、我が国は、多くの金属資源を国外からの輸入に依存しており、使用済みの家電・工業製品のている。その中で、温暖化対策として普及が進んでいるハイブリッドカーや電気自動車に使用されて80

Removal (%)

浸出液や廃水中に含まれる金属資源を効率的に選択・濃縮・回収する技術の開発は重要な課題となっ100

いる二次電池が今後大量に排出されると予想されている。二次電池は 1L&R0Q/L などのレアメタ
ルで構成されており、その効率的なリサイクルシステムの構築が求められている。
申請者は、稲わらなどのバイオマス廃棄物に硫化物イオンを浸漬させ熱分解処理することで、一般

80Removal (%)

120

100

0

となど、これまでの活性炭にはない特異的な特性を確認している。さらに硫黄担持炭は吸着速度が速

1

2

3

4

5

6

7

8

pH

の活性炭に比べて、遷移金属に対して高容量・高選択性の吸着能をもつ吸着材（硫黄担持炭）を作成
めっき廃液からニッケルを吸着でき吸着後の還元処理で吸着材表面にニッケル金属粒子が析出するこ

40

0

40

することに成功している。硫黄担持炭は各金属に対して S+ による選択的吸着能をもつこと、ニッケル

60

20

60

20

Li
Mn
Co
Ni
Fe
Cu
Ca

)LJ 模擬溶液の S+ による各金属の回収率
0

40

80

120



160

これらの結果から、模擬廃液を S+ に調整

Reaction (min)

く、溶液の S+ 制御で選択的回収が行えるため、硫黄担持炭を用いることで廃二次電池溶解溶液のようし不純物を除いた後に、竹から作成した硫黄担な混合溶液中の各元素を簡易かつ効率的に分離回収できる新規プロセスの構築が期待できる。しかし、)LJ 硫黄担持炭を添加した ℃の混合溶液

持炭で 0Q1L&R を吸着速度により分離吸着、廃二次電池溶解溶液に含まれる 1L&R0Q に対する硫黄担持炭の吸着特性は明らかになっていない。

中の各金属回収率

または、還元温度により 0Q1L&R を分離回収

できる可能性が示唆された。

そこで本研究では硫黄担持炭の 1L&R0Q に対する吸着特性を明らかにし、廃二次電池溶解溶液か
らの各元素の分離回収プロセスの構築を行う。
─ 98 ─

─ 99 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

 結果概要

バイオマス由来の硫黄担持吸着材による使用済リチウム 硫黄担持炭の吸着挙動

イオン電池溶解処理溶液からの高効率レアメタル分離回合溶液からの金属回収率を )LJ に示す。単味 混合溶液で各金属を吸着した硫黄担持炭を還溶液と同様に 1L&R0Q が同様の傾向を示し、元処理した生成物の ;5' パターンを )LJ に示収技術の開発S+ まで増加し に足した。一方、/L は S+

す。混合溶液から吸着し共存する 0Q、&R、1L

 付近まで 以下で一定であり、S+ 以上でが単味溶液と同様に 0Q が R& で &R が R&+LJKHIILFLHQWSURFHVVRIVHSDUDWLRQDQGUHFRYHU\IRUUDUHPHWDOVIURPDFLGOHDFKLQJOLTXRURIVSHQWOLWKLXPLRQEDWWHU\XVLQJVXOIXULPSUHJQDWHGDGVRUEHQW
GHULYHGIURPELRPDVVZDVWH
和嶋隆昌 7DNDDNL:DMLPD
千葉大学 &KLED8QLYHUVLW\

増加する傾向が見られた。S+ 付近で 1L&R0Q

で析出する傾向が見られた。このことから還元と /L が効率的に分離できると考えられる。

温度により 0Q と &R と 1L を分離できる可能性が

硫黄担持炭の各 S+ における PPRO/ の混120示唆された。

(a)
Ni
Co
Li
Mn

1L FREDOW &R DQG0DQJDQHVH 0Q IURPOHDFKOLTXLURIGLVFDUGHGOLWLXPLRQEDWWHULHV /,%V 
XVLQJVXOIXULPSUHJQDWHGDGVRUEHQWGHULYHGIURPELRPDVVZDVWH6XOIXULPSUHJQDWHGDGVRUEHQW

80
60
40
20

S\URO\VLVDWR&5HJDUGOHVVRILQLWLDOFRQFHQWUDWLRQVZLWKLQFUHDVLQJWKHS+RIWKHVROXWLRQ

0
1.5

R

EHDOPRVWFRQVWDQW7KHDGVRUEHG0QDQG&RFDQEHSUHFLSLWDWHGE\KHDWLQJDW &DQG

Mn

Co
Co

Mn

Co

Co MnCo

Co

CoMnCo800 oC
600 oC

Mn

Mn

400 oC
200 oC

0

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Equilibrium pH

VDPH:LWKLQFUHDVLQJWKHWHPSHUDWXUHRIWKHVROXWLRQWKHDGVRUSWLRQDPRXQWVRI1L&RDQG
0QLQFUHDVHZKLOHWKHDGVRUSWLRQUDWHRI1LGHFUHDVHVWKDWRI0QLQFUHDVHVDQGWKDWRI&R

Co

Raw

LQGLFDWLQJWKHDGVRUSWLRQRI1L&RDQG0QFDQEHSUHSDUHGIURPEDPERRXVLQJ. 6LPPHUVLRQYLDWRS+WKHDGVRUSWLRQRI1L&RDQG0QLQFUHDVHDQGWKHVHDGVRUSWLRQEHKDYLRUVDUHDOPRVW

1000 oC
Co

Intensity (a.u.)

Removal (%)

100

要旨英文（～ 文字程度）1RYHOURXWHKDVEHHQGHYHORSHGWRVHOHFWLYHUHFRYHU\RIQLFNHO

 硫黄担持炭上での還元析出挙動

5

10
20
30
40
50
2θ [CuKα (degree)]60

)LJ 混合溶液で各金属を吸着した硫黄担持

炭を還元処理した生成物の ;5' パターン)LJ 硫黄担持炭の各 S+ における PPRO/



の混合溶液からの金属回収率 模擬廃液中の不純物除去

R&XQGHULQHUWDWPRVSKHUHUHVSHFWLYHO\7KHVHUHVXOWVVXJJHVWHGWKDWWKHVXOIXULPSUHJQDWHG

 模擬溶液の S+ による各金属の回収率を )LJDGVRUEHQWFDQDGVRUE1L&RDQG0QIURPWKHOLTXRURIVSHQW/,%VDWS+DQGUHFRYHU0QDQG

硫黄担持炭を添加した ℃の混合溶液中の に示す。S+ を  以上にすることで )H と &X

&RVHOHFWLYHO\DVPHWDOVXVLQJUHGXFWLRQKHDWLQJ

各金属回収率を )LJ に示す。回収率は &R 0Q

が模擬溶液から選択的に沈殿除去されることが!1L!/L であり、 分で平衡に達した。このこわかった。

.H\:RUGV：硫黄担持吸着材レアメタル分離回収リチウムイオン電池溶解処理溶液バイオマス

とより高い溶液温度で 0Q、&R と 1L を分離でき はじめにる可能性があることがわかった。
Ni
Co
Li
Mn

現在、我が国は、多くの金属資源を国外からの輸入に依存しており、使用済みの家電・工業製品のている。その中で、温暖化対策として普及が進んでいるハイブリッドカーや電気自動車に使用されて80

Removal (%)

浸出液や廃水中に含まれる金属資源を効率的に選択・濃縮・回収する技術の開発は重要な課題となっ100

いる二次電池が今後大量に排出されると予想されている。二次電池は 1L&R0Q/L などのレアメタ
ルで構成されており、その効率的なリサイクルシステムの構築が求められている。
申請者は、稲わらなどのバイオマス廃棄物に硫化物イオンを浸漬させ熱分解処理することで、一般

80Removal (%)

120

100

0

となど、これまでの活性炭にはない特異的な特性を確認している。さらに硫黄担持炭は吸着速度が速

1

2

3

4

5

6

7

8

pH

の活性炭に比べて、遷移金属に対して高容量・高選択性の吸着能をもつ吸着材（硫黄担持炭）を作成
めっき廃液からニッケルを吸着でき吸着後の還元処理で吸着材表面にニッケル金属粒子が析出するこ

40

0

40

することに成功している。硫黄担持炭は各金属に対して S+ による選択的吸着能をもつこと、ニッケル

60

20

60

20

Li
Mn
Co
Ni
Fe
Cu
Ca

)LJ 模擬溶液の S+ による各金属の回収率
0

40

80

120



160

これらの結果から、模擬廃液を S+ に調整

Reaction (min)

く、溶液の S+ 制御で選択的回収が行えるため、硫黄担持炭を用いることで廃二次電池溶解溶液のようし不純物を除いた後に、竹から作成した硫黄担な混合溶液中の各元素を簡易かつ効率的に分離回収できる新規プロセスの構築が期待できる。しかし、)LJ 硫黄担持炭を添加した ℃の混合溶液

持炭で 0Q1L&R を吸着速度により分離吸着、廃二次電池溶解溶液に含まれる 1L&R0Q に対する硫黄担持炭の吸着特性は明らかになっていない。

中の各金属回収率

または、還元温度により 0Q1L&R を分離回収

できる可能性が示唆された。

そこで本研究では硫黄担持炭の 1L&R0Q に対する吸着特性を明らかにし、廃二次電池溶解溶液か
らの各元素の分離回収プロセスの構築を行う。
─ 98 ─

─ 99 ─

3－2．2018年（平成30年）度課題提案型研究助成成果報告〈目次〉
No.

研究課題

機関名

役職

1

エンジン用ピストンおよびピストンリング周りの油膜形成機構の解明

群馬大学

教授

2

プラズマ応用による革新的高効率エンジンの実現とその燃焼機構研究

日本大学

准教授

3

過熱水蒸気を原料とするプラズマメンブレンリアクター
高純度水素製造装置の開発

岐阜大学

教授

4

グリーン水素利用を加速する先進型燃料電池の開発

横浜国立大学准教授

─ 101 ─

氏名

イシ マ

ツネアキ

石間 経章

イイジマ アキ ラ

飯島 晃良

カンバラ シン ジ

神原 信志

マツザワ コウイチ

松澤 幸一

頁

P.102

P.106

P.110

P.114

Power source
Nd:YAG laser

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  課題提案型研究報告書

エンジン用ピストンおよびピストンリング周りの油膜形成機構の解明

Mirror

CCD camera

Table 1 Specifications of Test Piston
Skirt Length L mm

38.1

Tp µm
Bd µm
TpL mm

400
80
23.5

BdL mmOvality µm

6460

Band-passfilterTest engine

Analysis of Oil Film Formation Mechanism around Engine Piston and Piston Rings	
 Clearance µm

石間	
  経章,	
  Tsuneaki ISHIMA
群馬大学,	
  Gunma University

Rotary encoder

Engine oil film distribution on a piston inside a test engine which has transparent sapphire cylinder is observed.
The engine is 4-stroke horizontally opposed gasoline engine. The piston and the piston rings are the same as

Sapphire cylinder

Engine controller

Computer

Tp

Bd

105

BdL

L

TpL

Table 2 Specifications of piston rings

Pulse generator

Fig. 1 Experimental Apparatus

that of commercial engine and they are made of metal. The experiments are carried out with two-kinds of

今回，スズキ財団様の援助を受けるにあたり，

engine oil and two-kinds of oil ring. The oil film thickness on the piston skirt is evaluated by means of Laser

サファイア製シリンダ更新を行い，潤滑油条件

Induced Fluorescence (LIF) method. Test oils are single grade #20 and low viscosity oil of 0W-8. Rhodamine Bとオイルリング条件が潤滑油膜に与える関係調

is added as the fluorescence dye to the oils. 3 pieces type and 2 pieces type of oil ring are tested. The engine

査と，ピストンリングの挙動の観察とを明らか

operating condition is 1500 rpm. For the firing condition, IMEP is set to 480 kPa. For motoring condition, theにすることを目標とした．

condition is WTO. When using high viscosity oil, oil film is formed widely on the piston skirt under the firingcondition which has large thrust force. On the other hand, the very thin oil film area, which is related with2	  実験装置および方法

mixed lubrication, for the low viscosity oil becomes smaller than that of high viscosity oil. These results

2．1	
  可視化エンジン仕様と油膜の可視化方法

indicate the low viscosity oil can form thin oil film easily under low load condition, but it is easily broken when

図１に実験装置概要を示す．供試機関はボア

the engine load becomes high. The piston rings motion is also observed. The piston rings can rotate during the

径 96.9 mm，ストローク 75 mm の試験用水平対

engine operation, and the rotation seems to be random behavior. In the test, the systematic rotation of rings

向 2 気筒エンジンであり，可視化を行う 2 番気cannot be evaluated.

筒のシリンダはサファイア製で燃焼運転時の内部の観察を可能にしている．クランク角度は吸Key Words：Engine Lubricant, Laser Induced Fluorescence (LIF), Engine Oil, Piton, Piston Ring

気上死点を 0 deg.とし，クランク角度信号を利Fig. 2 Schematic of piston rings

用してエンジンと計測システムを同期させた．

1	
  はじめに自動車の動力としてエンジンは今後も進歩し続ける必要がある．エンジンに対する主たる要求は低Table 3 Oil and Piston Ring condition

2．2	
  試験用ピストンおよびピストンリング

Condition

Oil

Oil ring

Condition A

0W-8

3 pieces

Condition B

Single#20

3 pieces

Condition C

0W-8

2 pieces

燃費化（高効率化）と排ガス低減であり，両者の効果的な解決方法として摩擦損失の低減が挙げられ

表 1 に供試ピストンのスカート部の主要寸法

る．エンジンにおけるピストンおよびピストンリングの摩擦損失はエンジン全体の摩擦損失の中でもを示す．ピストンの全長は 54.3 mm，スカート

大きな割合を占めており(1)，ピストンおよびピストンリングの潤滑に着目した国内外の研究も再度活

長さは 38.1mm である．本研究にはスカート全性化してきている(2),(3)．ピストンおよびピストンリングの潤滑は主として潤滑油によるが，今後の高体にコーティングが施されているピストンを用

効率エンジンのために求められる要求は，摩擦抵抗の低減，摺動面の摩耗の低減，オイル上がり防止

いた．使用したピストンリングは一般的に自動車用エンジンに使用されるものを使用し，オイルリンである．これらの諸問題は昨今の燃費向上のための低粘度潤滑油 を利用することでより問題が深刻

グは表 2 に示した 2 ピースと 3 ピースの 2 種類とした．張力は 3 ピースが 25.2 N，2 ピースが 24.0 N

化する．したがって問題解決のため，エンジン内の潤滑油挙動を把握することが重要となる．

で同程度であり，形状は図 2(c)に示すように異なる．

(4)

群馬大学ではエンジンシリンダをサファイア製とした可視化エンジンを利用し，現在までに外部と協力しながら潤滑油膜の挙動について実験的研究を継続して行っている．群馬大学の可視化エンジン

2．3	
  実験条件の最大の特徴は，実際のエンジンでも使用する金属製のピストンと金属製のピストンリングを用いて実験条件を表 3 に示す．低粘度潤滑油として 0W-8 を主たる実験条件の条件 A とし，従来のシング実験を行っていることで，ピストンおよびピストンリングの仕様変更に対して，直接的な潤滑油の油

ル#20 による確認実験を条件 B とした．低粘度潤滑油と 2 ピースのオイルリング条件は条件 C とした．

膜特性を取得することができる点である．潤滑油膜は分布領域の特定と厚さを計測することで特性を潤滑油には蛍光物質である Rhodamine B を 0.5 g/L の割合で混合した．光源には波長 532 nm の Nd:YAG

評価している．潤滑油膜特性の評価の実験手法は，蛍光剤を添加した潤滑油にレーザを照射することレーザ（Quantel, EverGreen 70, 70 mJ）を使用し，球面平凹レンズ（Sigmakoki Ltd., SLSQ-10-15N f = -15

で，潤滑油から発する蛍光パターンを観察する手法（レーザ誘起蛍光法：LIF 法 ）とした．LIF 法にmm）でピストンに照射した．撮影は CCD カメラ（Dantec Dynamics Ltd.，HiSence MkII 1344×1024 pixels）

よれば，蛍光強度は潤滑油厚さ，温度，濃度などに依存する．群馬大学では，蛍光剤濃度を一定としに Rhodamine B の蛍光波長を透過する Fluorescence Bandpass Filter（Edmund Ltd.，TS20×586）を装着

温度を正確にモニタリングすることで，エンジン内の潤滑油厚さ分布を計測できるようにした．

して撮影した．油膜厚さはクランク角度 380 deg.で撮影した画像 100 枚を平均し，油膜解析ソフト(5)─ 102 ── 103 ─

Power source
Nd:YAG laser

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  課題提案型研究報告書

エンジン用ピストンおよびピストンリング周りの油膜形成機構の解明

Mirror

CCD camera

Table 1 Specifications of Test Piston
Skirt Length L mm

38.1

Tp µm
Bd µm
TpL mm

400
80
23.5

BdL mmOvality µm

6460

Band-passfilterTest engine

Analysis of Oil Film Formation Mechanism around Engine Piston and Piston Rings	
 Clearance µm

石間	
  経章,	
  Tsuneaki ISHIMA
群馬大学,	
  Gunma University

Rotary encoder

Engine oil film distribution on a piston inside a test engine which has transparent sapphire cylinder is observed.
The engine is 4-stroke horizontally opposed gasoline engine. The piston and the piston rings are the same as

Sapphire cylinder

Engine controller

Computer

Tp

Bd

105

BdL

L

TpL

Table 2 Specifications of piston rings

Pulse generator

Fig. 1 Experimental Apparatus

that of commercial engine and they are made of metal. The experiments are carried out with two-kinds of

今回，スズキ財団様の援助を受けるにあたり，

engine oil and two-kinds of oil ring. The oil film thickness on the piston skirt is evaluated by means of Laser

サファイア製シリンダ更新を行い，潤滑油条件

Induced Fluorescence (LIF) method. Test oils are single grade #20 and low viscosity oil of 0W-8. Rhodamine Bとオイルリング条件が潤滑油膜に与える関係調

is added as the fluorescence dye to the oils. 3 pieces type and 2 pieces type of oil ring are tested. The engine

査と，ピストンリングの挙動の観察とを明らか

operating condition is 1500 rpm. For the firing condition, IMEP is set to 480 kPa. For motoring condition, theにすることを目標とした．

condition is WTO. When using high viscosity oil, oil film is formed widely on the piston skirt under the firingcondition which has large thrust force. On the other hand, the very thin oil film area, which is related with2	  実験装置および方法

mixed lubrication, for the low viscosity oil becomes smaller than that of high viscosity oil. These results

2．1	
  可視化エンジン仕様と油膜の可視化方法

indicate the low viscosity oil can form thin oil film easily under low load condition, but it is easily broken when

図１に実験装置概要を示す．供試機関はボア

the engine load becomes high. The piston rings motion is also observed. The piston rings can rotate during the

径 96.9 mm，ストローク 75 mm の試験用水平対

engine operation, and the rotation seems to be random behavior. In the test, the systematic rotation of rings

向 2 気筒エンジンであり，可視化を行う 2 番気cannot be evaluated.

筒のシリンダはサファイア製で燃焼運転時の内部の観察を可能にしている．クランク角度は吸Key Words：Engine Lubricant, Laser Induced Fluorescence (LIF), Engine Oil, Piton, Piston Ring

気上死点を 0 deg.とし，クランク角度信号を利Fig. 2 Schematic of piston rings

用してエンジンと計測システムを同期させた．

1	
  はじめに自動車の動力としてエンジンは今後も進歩し続ける必要がある．エンジンに対する主たる要求は低Table 3 Oil and Piston Ring condition

2．2	
  試験用ピストンおよびピストンリング

Condition

Oil

Oil ring

Condition A

0W-8

3 pieces

Condition B

Single#20

3 pieces

Condition C

0W-8

2 pieces

燃費化（高効率化）と排ガス低減であり，両者の効果的な解決方法として摩擦損失の低減が挙げられ

表 1 に供試ピストンのスカート部の主要寸法

る．エンジンにおけるピストンおよびピストンリングの摩擦損失はエンジン全体の摩擦損失の中でもを示す．ピストンの全長は 54.3 mm，スカート

大きな割合を占めており(1)，ピストンおよびピストンリングの潤滑に着目した国内外の研究も再度活

長さは 38.1mm である．本研究にはスカート全性化してきている(2),(3)．ピストンおよびピストンリングの潤滑は主として潤滑油によるが，今後の高体にコーティングが施されているピストンを用

効率エンジンのために求められる要求は，摩擦抵抗の低減，摺動面の摩耗の低減，オイル上がり防止

いた．使用したピストンリングは一般的に自動車用エンジンに使用されるものを使用し，オイルリンである．これらの諸問題は昨今の燃費向上のための低粘度潤滑油 を利用することでより問題が深刻

グは表 2 に示した 2 ピースと 3 ピースの 2 種類とした．張力は 3 ピースが 25.2 N，2 ピースが 24.0 N

化する．したがって問題解決のため，エンジン内の潤滑油挙動を把握することが重要となる．

で同程度であり，形状は図 2(c)に示すように異なる．

(4)

群馬大学ではエンジンシリンダをサファイア製とした可視化エンジンを利用し，現在までに外部と協力しながら潤滑油膜の挙動について実験的研究を継続して行っている．群馬大学の可視化エンジン

2．3	
  実験条件の最大の特徴は，実際のエンジンでも使用する金属製のピストンと金属製のピストンリングを用いて実験条件を表 3 に示す．低粘度潤滑油として 0W-8 を主たる実験条件の条件 A とし，従来のシング実験を行っていることで，ピストンおよびピストンリングの仕様変更に対して，直接的な潤滑油の油

ル#20 による確認実験を条件 B とした．低粘度潤滑油と 2 ピースのオイルリング条件は条件 C とした．

膜特性を取得することができる点である．潤滑油膜は分布領域の特定と厚さを計測することで特性を潤滑油には蛍光物質である Rhodamine B を 0.5 g/L の割合で混合した．光源には波長 532 nm の Nd:YAG

評価している．潤滑油膜特性の評価の実験手法は，蛍光剤を添加した潤滑油にレーザを照射することレーザ（Quantel, EverGreen 70, 70 mJ）を使用し，球面平凹レンズ（Sigmakoki Ltd., SLSQ-10-15N f = -15

で，潤滑油から発する蛍光パターンを観察する手法（レーザ誘起蛍光法：LIF 法 ）とした．LIF 法にmm）でピストンに照射した．撮影は CCD カメラ（Dantec Dynamics Ltd.，HiSence MkII 1344×1024 pixels）

よれば，蛍光強度は潤滑油厚さ，温度，濃度などに依存する．群馬大学では，蛍光剤濃度を一定としに Rhodamine B の蛍光波長を透過する Fluorescence Bandpass Filter（Edmund Ltd.，TS20×586）を装着

温度を正確にモニタリングすることで，エンジン内の潤滑油厚さ分布を計測できるようにした．

して撮影した．油膜厚さはクランク角度 380 deg.で撮影した画像 100 枚を平均し，油膜解析ソフト(5)─ 102 ── 103 ─（Library co.，Ltd.，Oil film Ver.1.311）で解析を行い，擬似カラー化した．運転はモータリング，フ3．2	
  モータリング条件での結果

ァイアリングの両条件で行った．機関回転数は 1500 rpm とし，モータリング運転はスロットル全開

	  図 4 にモータリング運転における平均油膜厚（WOT），ファイアリング運転は IMEP 480 kPa となるスロットル開度で実験を行った．

さと境界潤滑領域を示す．図 3 に示したファイ
アリング運転の結果と比較すると，全ての条件

3	
  実験結果および考察

でオイルリング直下の油膜が 20～30 µm 薄い．

3．1	
  ファイアリング条件での結果

モータリング運転は非燃焼で温度が上がらず油エンジンにおいて摩擦に大きな影響を与える要素としてピストンのスカート部とピストンリングが温も低い．そのため潤滑油粘度がファイアリン

ある．ピストンスカートを代表的な摺動面と考えると，潤滑油膜が十分な厚さで形成されなくなり部

グ運転と比較して大きくなり，ピストンスカー

分的に固体接触するいわゆる境界潤滑状態となる．境界潤滑状態を評価することは，ピストンとシリ

トの上部までオイルが流入していないと考える．

ンダ間の摩擦を改善するために必要な情報である．今回の実験では油膜厚さの計測結果から図 3 のよ

モータリング運転の条件 A，B についてスカー

うに油膜厚さを疑似カラー化し，油膜厚さが 0 から 0.5 µm の領域を境界潤滑領域と定義し黒色で表す

ト下端部から中央部で条件 B の方が境界潤滑のこととした．図 3 はファイアリング条件での結果である．

領域が大きい．油温が低いモータリング運転でオイルの粘度の影響を比較するため，条件 A と条件 B の結果に着目する．どちらの条件でも潤滑油は，粘度の低い条件 A の方がピストンとシリン

粘度によらずスカート下端部から中央部にかけて境界潤滑領域が広く分布しており，オイル粘度によ

ダ間の僅かな隙間にもオイルが流入しやすく，る違いが見られない．これは燃焼が起こった直後であるクランク角度 380 deg．ではスカートに加わる

境界潤滑領域が減少した．

(b) After 2.3 s(c) After 8 s

Fig. 5 Ring rotation of top and 2nd rings(1500 rpm, 610 deg., Firing, 480kPa)

モータリング運転で条件 A，C に着目する．スカート上部の油膜厚さが条件 C で厚くなっており，加重が大きく，油膜が形成できないためである．赤丸で示したスカートの両サイ(a) 0 s	 : 0～0.5 [µm] 	
 ドにかけては条件 B で油膜が 50 µm と厚ファイアリング運転と反する結果となった．モータリング運転ではオイル粘度が大きく，条件 C の小

0.5	
 

50 	
 

100 [µm] 	
 い．条件 B ではオイル粘度が大きく加重

さい窓からオイルを戻す 2 ピースのオイルリングでは潤滑油の粘性抵抗によりオイルがピストン裏側へと戻らず，残った潤滑油がオイルリング下に溜まったと考える．

に対して油膜圧力が発生し易いことで，
3．3	  ピストンリング挙動について

広い範囲で油膜を形成することができ，
潤滑油粘度が大きいことの優位性を示し

実験中，ピストンヘッドよりのトップリング（図右のリング）とセカンドリング（図中央のリング）が回転した時の結果を図 5 に示す．実験は，1500rpm，ファイアリング条件，IMEP480kPa の条件で行ている．
条件 A，B について白丸で示したピス

い，運転中のピストン位置を固定するためクランク角度 610 度の時だけ画像を取得した．図 5 は画像

トン上部に着目する．条件 A の方が条件

取得後，0 秒，2.3 秒，8 秒の結果である．トップリングは 0 から 8 秒まで定常的に合口（矢印）が画

B と比較して油膜が厚い．条件 A ではオ

像で下に動いているが，セカンドリングは 2.3 秒後まで画像上に動きその後下に移動している事が分

イル粘度が小さく，潤滑油はピストン上部まで流入する．オイルリング直下での必要以上の潤滑油はオイル上がりに悪影響を与える可能性がある．

かる．このことは条件が同じでもピストンリングは偶発的に回転方向を変えることを示している．

Condition A	 Condition B	 Condition C	 Fig. 3 Oil film thickness and boundary lubrication areaon piston skirt (1500 rpm 380 deg. Firing)

オイルリングの仕様変更を比較するため，条件 A と C の結果に着目する．白丸

4	
  まとめ
透明サファイアシリンダを有する試験用可視化エンジンを用い，潤滑油性状，オイルリング性状が異なる時の潤滑油膜形成と混合潤滑領域の変化について考察を行うことができた．さらに，ピストンリングの動きについて観察することで，リングの挙動を動画で取得することができた．
今後はより詳細なデータを追加していく予定である．

で示したオイルリング直下のピストンス
カート上部に着目すると条件 C の方が条件 A と比較して約 30 µm 油膜が薄い．条

5	  参考文献件 A で使用している 3 ピースのオイルリ(1) 長尾彰士，田中一行，“三種類の自動車用エンジンの摩擦分析”，自動車技術, Vol.38, No.9, (1984),
pp.1094-1099

ングはサイドレールの間に波形のエキス(2) 佐藤僚太，千葉洸，川島久宜，鈴木秀和，伊東明美，石間経章，“ピストンパターンコーティング

パンダが入っている．これに対し条件 C

形状と摩擦の関係”，自動車技術会 2019 春季大会学術講演会予稿集，20195237

で使用している 2 ピースのオイルリング(3) 馬崎政俊，中島樹志，斎藤公孝，鈴木孝男，“ピストンリング挙動の可視化解析”，デンソーテク

はサイドレールの裏にエキスパンダがあニカルレビュー，Vol. 8，No. 2(2003)，pp. 79-86

り，小さな窓から潤滑油が供給される．

(4) 仲野誠一，斎藤弘樹，小池裕介，奥田紗知子，佐川琢円，川村諭史，吉田敬介，"0W-8 低粘度省

このため条件 C では潤滑油保持量および燃費エンジン油の開発"，自動車技術会 2019 春季大会学術講演会予稿集，20195238

供給量が条件 A と比較して少なくなり，スカート上部の油膜厚さに差ができた．

Fig. 4 Oil film thickness and boundary lubrication areaon piston skirt (1500 rpm, 380 deg., Motoring, WOT)
─ 104 ─(5) 三田修三，斎藤昭則，“レーザ誘起蛍光法（LIF 法）によるピストンの油膜挙動の解析”，豊田中央研究所	
  R＆D レビュー，Vol.28，No.4(1993)，pp.37-47
─ 105 ─（Library co.，Ltd.，Oil film Ver.1.311）で解析を行い，擬似カラー化した．運転はモータリング，フ3．2	
  モータリング条件での結果

ァイアリングの両条件で行った．機関回転数は 1500 rpm とし，モータリング運転はスロットル全開

	  図 4 にモータリング運転における平均油膜厚（WOT），ファイアリング運転は IMEP 480 kPa となるスロットル開度で実験を行った．

さと境界潤滑領域を示す．図 3 に示したファイ
アリング運転の結果と比較すると，全ての条件

3	
  実験結果および考察

でオイルリング直下の油膜が 20～30 µm 薄い．

3．1	
  ファイアリング条件での結果

モータリング運転は非燃焼で温度が上がらず油エンジンにおいて摩擦に大きな影響を与える要素としてピストンのスカート部とピストンリングが温も低い．そのため潤滑油粘度がファイアリン

ある．ピストンスカートを代表的な摺動面と考えると，潤滑油膜が十分な厚さで形成されなくなり部

グ運転と比較して大きくなり，ピストンスカー

分的に固体接触するいわゆる境界潤滑状態となる．境界潤滑状態を評価することは，ピストンとシリ

トの上部までオイルが流入していないと考える．

ンダ間の摩擦を改善するために必要な情報である．今回の実験では油膜厚さの計測結果から図 3 のよ

モータリング運転の条件 A，B についてスカー

うに油膜厚さを疑似カラー化し，油膜厚さが 0 から 0.5 µm の領域を境界潤滑領域と定義し黒色で表す

ト下端部から中央部で条件 B の方が境界潤滑のこととした．図 3 はファイアリング条件での結果である．

領域が大きい．油温が低いモータリング運転でオイルの粘度の影響を比較するため，条件 A と条件 B の結果に着目する．どちらの条件でも潤滑油は，粘度の低い条件 A の方がピストンとシリン

粘度によらずスカート下端部から中央部にかけて境界潤滑領域が広く分布しており，オイル粘度によ

ダ間の僅かな隙間にもオイルが流入しやすく，る違いが見られない．これは燃焼が起こった直後であるクランク角度 380 deg．ではスカートに加わる

境界潤滑領域が減少した．

(b) After 2.3 s(c) After 8 s

Fig. 5 Ring rotation of top and 2nd rings(1500 rpm, 610 deg., Firing, 480kPa)

モータリング運転で条件 A，C に着目する．スカート上部の油膜厚さが条件 C で厚くなっており，加重が大きく，油膜が形成できないためである．赤丸で示したスカートの両サイ(a) 0 s	 : 0～0.5 [µm] 	
 ドにかけては条件 B で油膜が 50 µm と厚ファイアリング運転と反する結果となった．モータリング運転ではオイル粘度が大きく，条件 C の小

0.5	
 

50 	
 

100 [µm] 	
 い．条件 B ではオイル粘度が大きく加重

さい窓からオイルを戻す 2 ピースのオイルリングでは潤滑油の粘性抵抗によりオイルがピストン裏側へと戻らず，残った潤滑油がオイルリング下に溜まったと考える．

に対して油膜圧力が発生し易いことで，
3．3	  ピストンリング挙動について

広い範囲で油膜を形成することができ，
潤滑油粘度が大きいことの優位性を示し

実験中，ピストンヘッドよりのトップリング（図右のリング）とセカンドリング（図中央のリング）が回転した時の結果を図 5 に示す．実験は，1500rpm，ファイアリング条件，IMEP480kPa の条件で行ている．
条件 A，B について白丸で示したピス

い，運転中のピストン位置を固定するためクランク角度 610 度の時だけ画像を取得した．図 5 は画像

トン上部に着目する．条件 A の方が条件

取得後，0 秒，2.3 秒，8 秒の結果である．トップリングは 0 から 8 秒まで定常的に合口（矢印）が画

B と比較して油膜が厚い．条件 A ではオ

像で下に動いているが，セカンドリングは 2.3 秒後まで画像上に動きその後下に移動している事が分

イル粘度が小さく，潤滑油はピストン上部まで流入する．オイルリング直下での必要以上の潤滑油はオイル上がりに悪影響を与える可能性がある．

かる．このことは条件が同じでもピストンリングは偶発的に回転方向を変えることを示している．

Condition A	 Condition B	 Condition C	 Fig. 3 Oil film thickness and boundary lubrication areaon piston skirt (1500 rpm 380 deg. Firing)

オイルリングの仕様変更を比較するため，条件 A と C の結果に着目する．白丸

4	
  まとめ
透明サファイアシリンダを有する試験用可視化エンジンを用い，潤滑油性状，オイルリング性状が異なる時の潤滑油膜形成と混合潤滑領域の変化について考察を行うことができた．さらに，ピストンリングの動きについて観察することで，リングの挙動を動画で取得することができた．
今後はより詳細なデータを追加していく予定である．

で示したオイルリング直下のピストンス
カート上部に着目すると条件 C の方が条件 A と比較して約 30 µm 油膜が薄い．条

5	  参考文献件 A で使用している 3 ピースのオイルリ(1) 長尾彰士，田中一行，“三種類の自動車用エンジンの摩擦分析”，自動車技術, Vol.38, No.9, (1984),
pp.1094-1099

ングはサイドレールの間に波形のエキス(2) 佐藤僚太，千葉洸，川島久宜，鈴木秀和，伊東明美，石間経章，“ピストンパターンコーティング

パンダが入っている．これに対し条件 C

形状と摩擦の関係”，自動車技術会 2019 春季大会学術講演会予稿集，20195237

で使用している 2 ピースのオイルリング(3) 馬崎政俊，中島樹志，斎藤公孝，鈴木孝男，“ピストンリング挙動の可視化解析”，デンソーテク

はサイドレールの裏にエキスパンダがあニカルレビュー，Vol. 8，No. 2(2003)，pp. 79-86

り，小さな窓から潤滑油が供給される．

(4) 仲野誠一，斎藤弘樹，小池裕介，奥田紗知子，佐川琢円，川村諭史，吉田敬介，"0W-8 低粘度省

このため条件 C では潤滑油保持量および燃費エンジン油の開発"，自動車技術会 2019 春季大会学術講演会予稿集，20195238

供給量が条件 A と比較して少なくなり，スカート上部の油膜厚さに差ができた．

Fig. 4 Oil film thickness and boundary lubrication areaon piston skirt (1500 rpm, 380 deg., Motoring, WOT)
─ 104 ─(5) 三田修三，斎藤昭則，“レーザ誘起蛍光法（LIF 法）によるピストンの油膜挙動の解析”，豊田中央研究所	
  R＆D レビュー，Vol.28，No.4(1993)，pp.37-47
─ 105 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 30 年度

課題提案型研究報告書

プラズマ応用による革新的高効率エンジンの実現とその燃焼機構研究た（図 2.1.1）．この装置は，インバーターと昇圧回路を利用して高周波－高電圧を印加することが可能である. 放電の周波数は約 16 kHz であり，入力電圧を変化させることで，出力電圧を 3 kV から 8
kV の範囲で制御可能である．

Realization of Innovative High Efficiency Engine Applied by Plasma and its
Combustion Mechanism Research
飯島晃良, 浅井朋彦，田辺光昭，芦澤好人，梅垣哲士，齊藤允教，関口純一
Akira Iijima, Tomohiko Asai, Mitsuaki Tanabe, Yoshito Ashizawa, Tetsuo
Umegaki, Masanori Saito, Junichi Sekiguchi
日本大学理工学部, College of Science and Technology, Nihon University
This study conducted research to apply low-temperature plasma to realize "high-pressure,ultra-lean premixed combustion", which is necessary for highly efficient internal combustion
engines. A new original plasma discharge device has developed in this study and conductedto combustion experiments. Moreover, in order to clarify the mechanism of plasma-assisted
ultra-lean combustion, the optically accessible engine, spectroscopic measurement technology,
gas analysis technology, and surface analysis technology were examined.

図 2.1.1 エンジン燃焼室内プラズマ放電制御システム
このように，出力電圧を可変化できることで，エンジンの運転状況（負荷－回転速度）に応じた燃焼制御を実現することを狙っている．
図 2.1.2 に，市販の点火プラグの電極間隙にプラズマ放電を行った際の写真を示す．高圧なエンジン燃焼室内においても放電ができるように設計されている．

Key Words：Internal Combustion Engine, Plasma, Lean-burn, HCCI, Intermediate Products

1 はじめに
現在，小型自動車等の動力源としての主力はガソリンエンジンである．自動車からの温室効果ガス
排出削減のために，電気自動車（EV）へのシフトが推進されている. しかしながら，EV 用の蓄電池の性能（エネルギー密度，コスト，安全性，耐久性，リサイクル等）には課題も多く, ガソリンエンジ
ン車の完全な代替となる状況には至っていない．また，EV による CO2 排出を考える際には，使用される電力を発電する際の電源構成等も考慮した議論が必要である.そのような背景から，実用上はハイブリッド車（HEV）が市場で受け入れられている状況である．自動車は，世界中の様々な環境で用いられていることを考慮すると，できる限り低コストで信頼性の高い動力源が消費者に受け入れられると考えられる. そのような観点から，内燃機関の熱効率向上とクリーンは排気の両立は，常に社会から求められている事項である．
内燃機関の低炭素化・低環境負荷を実現するうえで必要な事項及び課題を表 1. 1 にまとめる.

表 1.1
実現すべきこと(1) エンジンの高効率化(2) 排気のクリー
ン化(3) 低炭素燃料シフト

内燃機関の低炭素化・低環境負荷を実現するための課題
対応策
高圧・超希薄燃焼
超希薄予混合燃焼
天然ガス，バイオ燃料，
合成燃料などの利用

課 題(1) 火がつかない(2) 燃焼が完結しない(3) 燃焼が遅すぎる(4) 新たな排気後処理技術を要する(5) 新 た な 燃料 に 適 用 でき る 燃 焼 シス テ ム の構築が必要

図 2.1.2 放電時の様子
2.2 可視化エンジンを用いたプラズマアシスト HCCI 燃焼特性の研究
プラズマによる超希薄燃焼アシスト効果を明らかにするために，燃焼室内全域が可視化された 2 ス
トロークの可視化エンジンを用いて燃焼実験を行った．実験装置の概略及び基本的な測定条件を図2.2.1 にまとめる．燃焼室内のボア方向に点火プラグを挿入し，その電極間にプラズマ放電を行った.
エンジンの運転条件は，燃料にはオクタン価 50 の標準燃料を用い，回転速度は 1200 rpm 一定とした．
圧縮比及び当量比は，高圧縮比での超希薄燃焼を対象としてそれぞれ圧縮比 14，当量比 0.4 とした．
プラズマアシスト条件との燃焼比較を行うため，以下の 3 方式の燃焼実験を行った.
HCCI： 一切の点火アシストを行わない，予混合圧縮着火条件
SACI（Spark Assisted Compression Ignition）：ガソリンエンジンの従来点火コイルによる火花点火でアシストを行った条件
PACI（Plasma Assisted Compression Ignition）：今回の研究で製作したプラズマ放電装置を用いたプラズマ放電アシストを行った条件

本研究では，高効率化に必須である，「高圧・超希薄予混合燃焼」を用いた革新的高効率エンジンの次の展開を切り拓くことを企図し，高圧・超希薄予混合燃焼を実現するための課題である，「安定着火（火がつかない），失火（燃焼が完結しない），遅延燃焼（燃焼に時間がかかる）」を打破するために，「プラズマ科学と燃焼科学の融合による超希薄燃焼コンセプト」を実用レベルに昇華させる研究を行った．

2 研究成果概要
2.1 エンジン燃焼室内プラズマ放電システムの開発
燃焼運転中の実機燃焼室内において，プラズマアシスト放電が可能な制御装置を独自に設計製作し─ 106 ─図 2.2.1 プラズマアシスト超希薄燃焼実験の装置及び実験条件─ 107 ─

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プラズマ応用による革新的高効率エンジンの実現とその燃焼機構研究た（図 2.1.1）．この装置は，インバーターと昇圧回路を利用して高周波－高電圧を印加することが可能である. 放電の周波数は約 16 kHz であり，入力電圧を変化させることで，出力電圧を 3 kV から 8
kV の範囲で制御可能である．

Realization of Innovative High Efficiency Engine Applied by Plasma and its
Combustion Mechanism Research
飯島晃良, 浅井朋彦，田辺光昭，芦澤好人，梅垣哲士，齊藤允教，関口純一
Akira Iijima, Tomohiko Asai, Mitsuaki Tanabe, Yoshito Ashizawa, Tetsuo
Umegaki, Masanori Saito, Junichi Sekiguchi
日本大学理工学部, College of Science and Technology, Nihon University
This study conducted research to apply low-temperature plasma to realize "high-pressure,ultra-lean premixed combustion", which is necessary for highly efficient internal combustion
engines. A new original plasma discharge device has developed in this study and conductedto combustion experiments. Moreover, in order to clarify the mechanism of plasma-assisted
ultra-lean combustion, the optically accessible engine, spectroscopic measurement technology,
gas analysis technology, and surface analysis technology were examined.

図 2.1.1 エンジン燃焼室内プラズマ放電制御システム
このように，出力電圧を可変化できることで，エンジンの運転状況（負荷－回転速度）に応じた燃焼制御を実現することを狙っている．
図 2.1.2 に，市販の点火プラグの電極間隙にプラズマ放電を行った際の写真を示す．高圧なエンジン燃焼室内においても放電ができるように設計されている．

Key Words：Internal Combustion Engine, Plasma, Lean-burn, HCCI, Intermediate Products

1 はじめに
現在，小型自動車等の動力源としての主力はガソリンエンジンである．自動車からの温室効果ガス
排出削減のために，電気自動車（EV）へのシフトが推進されている. しかしながら，EV 用の蓄電池の性能（エネルギー密度，コスト，安全性，耐久性，リサイクル等）には課題も多く, ガソリンエンジ
ン車の完全な代替となる状況には至っていない．また，EV による CO2 排出を考える際には，使用される電力を発電する際の電源構成等も考慮した議論が必要である.そのような背景から，実用上はハイブリッド車（HEV）が市場で受け入れられている状況である．自動車は，世界中の様々な環境で用いられていることを考慮すると，できる限り低コストで信頼性の高い動力源が消費者に受け入れられると考えられる. そのような観点から，内燃機関の熱効率向上とクリーンは排気の両立は，常に社会から求められている事項である．
内燃機関の低炭素化・低環境負荷を実現するうえで必要な事項及び課題を表 1. 1 にまとめる.

表 1.1
実現すべきこと(1) エンジンの高効率化(2) 排気のクリー
ン化(3) 低炭素燃料シフト

内燃機関の低炭素化・低環境負荷を実現するための課題
対応策
高圧・超希薄燃焼
超希薄予混合燃焼
天然ガス，バイオ燃料，
合成燃料などの利用

課 題(1) 火がつかない(2) 燃焼が完結しない(3) 燃焼が遅すぎる(4) 新たな排気後処理技術を要する(5) 新 た な 燃料 に 適 用 でき る 燃 焼 シス テ ム の構築が必要

図 2.1.2 放電時の様子
2.2 可視化エンジンを用いたプラズマアシスト HCCI 燃焼特性の研究
プラズマによる超希薄燃焼アシスト効果を明らかにするために，燃焼室内全域が可視化された 2 ス
トロークの可視化エンジンを用いて燃焼実験を行った．実験装置の概略及び基本的な測定条件を図2.2.1 にまとめる．燃焼室内のボア方向に点火プラグを挿入し，その電極間にプラズマ放電を行った.
エンジンの運転条件は，燃料にはオクタン価 50 の標準燃料を用い，回転速度は 1200 rpm 一定とした．
圧縮比及び当量比は，高圧縮比での超希薄燃焼を対象としてそれぞれ圧縮比 14，当量比 0.4 とした．
プラズマアシスト条件との燃焼比較を行うため，以下の 3 方式の燃焼実験を行った.
HCCI： 一切の点火アシストを行わない，予混合圧縮着火条件
SACI（Spark Assisted Compression Ignition）：ガソリンエンジンの従来点火コイルによる火花点火でアシストを行った条件
PACI（Plasma Assisted Compression Ignition）：今回の研究で製作したプラズマ放電装置を用いたプラズマ放電アシストを行った条件

本研究では，高効率化に必須である，「高圧・超希薄予混合燃焼」を用いた革新的高効率エンジンの次の展開を切り拓くことを企図し，高圧・超希薄予混合燃焼を実現するための課題である，「安定着火（火がつかない），失火（燃焼が完結しない），遅延燃焼（燃焼に時間がかかる）」を打破するために，「プラズマ科学と燃焼科学の融合による超希薄燃焼コンセプト」を実用レベルに昇華させる研究を行った．

2 研究成果概要
2.1 エンジン燃焼室内プラズマ放電システムの開発
燃焼運転中の実機燃焼室内において，プラズマアシスト放電が可能な制御装置を独自に設計製作し─ 106 ─図 2.2.1 プラズマアシスト超希薄燃焼実験の装置及び実験条件─ 107 ─

実験結果の一例を図 2.2.2 に示す．燃焼画像から明らかなように，HCCI 条件では，自着火が起こりやすい場所（この条件では排気ポートがある側）から自着火が発生している．SACI の条件では，点火によって伝播火炎が形成されている．しかし，超希薄条件のため，火炎伝播速度が非常に遅い．その後，自着火により未燃部が急速に燃焼している．PACI の条件では，印加電圧が低い「Vin1」の条件では火炎伝播がない状態で自着火が発生する．一方で，印加電圧を高めた「Vin2「Vin3」の条件では，火炎伝播が形成されているのが分かる．その結果，印加電圧が高いほうが自着火のアシスト効果が高くなった．よって，プラズマ放電における印加電圧によって燃焼形態を変化させることが可能であることを示した．また，その理由として，プラズマ放電が火炎形態に作用していることも明らかになった．

ズムを明らかにすることに寄与すると考えられる．

図 2.4.1 プラズマ反応生成物分析（ESR）用システム
2.5 Raman 分析による添加物表面堆積物評価手法の検討
プラズマアシスト燃焼によって懸念される事項の一つとして，電極への影響（堆積物，摩耗など）がある．そこで，点火電極の表面を評価する手法を構築することを目的として，Raman 分析を行った（図 2.5.1）．その結果，この手法によって点火プラグ表面の状態を評価できる可能性が示唆された．
本計測手法を用いて，放電有無の影響，耐久性などを評価していくことが有用だと考えられる．

図 2.2.2 プラズマアシスト超希薄燃焼の可視化
2.3 超急速圧縮機とイメージング分光を用いたプラズマアシスト燃焼化学種の計測
空気中へのプラズマ放電によって，オゾンが発生することで化学反応に作用をしていると推察される．オゾンが着火を促進する効果があることは知られているが，本研究では，その分布に着目することで，HCCI の課題である空間的な燃焼進行度合いの制御に係る知見を得ることを狙いとした．そこ
で，急速圧縮機とイメージング分光器を用いて，プラズマアシストを行った際の燃焼室内のオゾン分布の測定と，燃焼挙動との関係を調べた.
図 2.3.1 に示すように，波長選定，光学系をセットアップし，試験的計測を実施した．プラズマ放電の印加時間が長い条件のほうが，オゾン吸光度が高いことから，燃焼室内にオゾンが生成されていることと，その分布を評価できることが明らかになった. 今後は，それらの分布と燃焼の関係を明らかにしていきたい．

図 2.5.1 Raman 分析による点火プラグ表面の付着物分析（放電実験前の点火プラグ表面分析）3

図 2.3.1 イメージング分光を用いたプラズマアシスト燃焼化学種の計測
2.4 ESR によるプラズマ放電生成ラジカル計測手法の検討
プラズマで生成されたラジカルを ESR（電子スピン共鳴）法で計測することを目的として，計測系を検討した．図 2.4.1 に示すように，試料ガス通路内に誘電体バリア放電（DBD）を設けることで放電を与え，ESR 測定部に導くことによりラジカルの計測を試みている．ベースガス（He, Ar）の測定を基準として，空気，燃料と空気の混合気等に拡張することで，プラズマによる化学反応促進メカニ
─ 108 ─まとめ(1) エンジン燃焼室内に設置した点火電極間に連続的に放電可能なプラズマ放電制御装置を開発した．
(2) 新規開発したプラズマ放電制御装置を用いて，プラズマアシスト超希薄燃焼運転が可能なことを実証した．
(3) 本研究で用いたプラズマ放電制御装置の印加電圧を変化させることで，燃焼アシスト効果を調整できる. また，その際の火炎の形態が大きく異なることを明らかにした．
(4) 燃焼室内におけるオゾンの分布を計測するシステムを構築した．本装置を用いることで，プラズ
マによる生成物が燃焼形態に及ぼす影響を解明できると考える．
(5) 誘電体バリア放電により気体中にラジカルを生成する放電装置を開発した. 加えて，当該放電装置で生成されるラジカルを ESR（電子スピン共鳴）法及びガスクロマトグラフ法で測定するための分析系を構築してきた．
(6) 点火電極の表面状態（堆積物，摩耗など）を分析するために，Raman 法による点火電極表面の分析手法を評価し，プラズマ放電等の影響評価への適用可能性を示した．

─ 109 ─

実験結果の一例を図 2.2.2 に示す．燃焼画像から明らかなように，HCCI 条件では，自着火が起こりやすい場所（この条件では排気ポートがある側）から自着火が発生している．SACI の条件では，点火によって伝播火炎が形成されている．しかし，超希薄条件のため，火炎伝播速度が非常に遅い．その後，自着火により未燃部が急速に燃焼している．PACI の条件では，印加電圧が低い「Vin1」の条件では火炎伝播がない状態で自着火が発生する．一方で，印加電圧を高めた「Vin2「Vin3」の条件では，火炎伝播が形成されているのが分かる．その結果，印加電圧が高いほうが自着火のアシスト効果が高くなった．よって，プラズマ放電における印加電圧によって燃焼形態を変化させることが可能であることを示した．また，その理由として，プラズマ放電が火炎形態に作用していることも明らかになった．

ズムを明らかにすることに寄与すると考えられる．

図 2.4.1 プラズマ反応生成物分析（ESR）用システム
2.5 Raman 分析による添加物表面堆積物評価手法の検討
プラズマアシスト燃焼によって懸念される事項の一つとして，電極への影響（堆積物，摩耗など）がある．そこで，点火電極の表面を評価する手法を構築することを目的として，Raman 分析を行った（図 2.5.1）．その結果，この手法によって点火プラグ表面の状態を評価できる可能性が示唆された．
本計測手法を用いて，放電有無の影響，耐久性などを評価していくことが有用だと考えられる．

図 2.2.2 プラズマアシスト超希薄燃焼の可視化
2.3 超急速圧縮機とイメージング分光を用いたプラズマアシスト燃焼化学種の計測
空気中へのプラズマ放電によって，オゾンが発生することで化学反応に作用をしていると推察される．オゾンが着火を促進する効果があることは知られているが，本研究では，その分布に着目することで，HCCI の課題である空間的な燃焼進行度合いの制御に係る知見を得ることを狙いとした．そこ
で，急速圧縮機とイメージング分光器を用いて，プラズマアシストを行った際の燃焼室内のオゾン分布の測定と，燃焼挙動との関係を調べた.
図 2.3.1 に示すように，波長選定，光学系をセットアップし，試験的計測を実施した．プラズマ放電の印加時間が長い条件のほうが，オゾン吸光度が高いことから，燃焼室内にオゾンが生成されていることと，その分布を評価できることが明らかになった. 今後は，それらの分布と燃焼の関係を明らかにしていきたい．

図 2.5.1 Raman 分析による点火プラグ表面の付着物分析（放電実験前の点火プラグ表面分析）3

図 2.3.1 イメージング分光を用いたプラズマアシスト燃焼化学種の計測
2.4 ESR によるプラズマ放電生成ラジカル計測手法の検討
プラズマで生成されたラジカルを ESR（電子スピン共鳴）法で計測することを目的として，計測系を検討した．図 2.4.1 に示すように，試料ガス通路内に誘電体バリア放電（DBD）を設けることで放電を与え，ESR 測定部に導くことによりラジカルの計測を試みている．ベースガス（He, Ar）の測定を基準として，空気，燃料と空気の混合気等に拡張することで，プラズマによる化学反応促進メカニ
─ 108 ─まとめ(1) エンジン燃焼室内に設置した点火電極間に連続的に放電可能なプラズマ放電制御装置を開発した．
(2) 新規開発したプラズマ放電制御装置を用いて，プラズマアシスト超希薄燃焼運転が可能なことを実証した．
(3) 本研究で用いたプラズマ放電制御装置の印加電圧を変化させることで，燃焼アシスト効果を調整できる. また，その際の火炎の形態が大きく異なることを明らかにした．
(4) 燃焼室内におけるオゾンの分布を計測するシステムを構築した．本装置を用いることで，プラズ
マによる生成物が燃焼形態に及ぼす影響を解明できると考える．
(5) 誘電体バリア放電により気体中にラジカルを生成する放電装置を開発した. 加えて，当該放電装置で生成されるラジカルを ESR（電子スピン共鳴）法及びガスクロマトグラフ法で測定するための分析系を構築してきた．
(6) 点火電極の表面状態（堆積物，摩耗など）を分析するために，Raman 法による点火電極表面の分析手法を評価し，プラズマ放電等の影響評価への適用可能性を示した．

─ 109 ─

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  課題提案型研究報告書	
 H=100	
 mm，D=	
 12.5	 mm）で構成されている。	
 
図 2-2 は，ガス流路部の写真である。過熱水蒸

過熱水蒸気を原料とするプラズマメンブレンリアクター

気は流路をほぼ均一に流れるため，図 2-3 のような，良好なプラズマ点灯状態が得られた。	
 高純度水素製造装置の開発	
 	
 Development	 of	
 A	
 Plasma	 Membrane	 Reactor	
 for	
 Pure	 Hydrogen	
 Production	
 From	
 Superheated	
 Steam	 	 神原	  信志,	 Kambara	
 Shinji	 国立大学法人東海国立大学機構岐阜大学,	
 Tokai	
 National	
 Higher	 Education	
 and	
 Research	
 System,	
 Gifu	
 University	 	 The objective of this research is to develop an innovative hydrogen production device, which is an originalplasma membrane reactor (PMR). When superheated steam mixed with 4% ammonia was fed to the PMR, the	 energy efficiency of hydrogen production was attained 0.138 L-H2/Wh. The reaction mechanism of hydrogen	 図 2-2	
  流路付平板の外観	
 図 2-4	 水素プラズマでの水素透過率の変化	 formation from steam in the PMR was elucidated. Higher efficiency may be obtained by a pressurized plasma	 membrane reactor.

2.3	
  過熱水蒸気からの水素製造	
 	
 

図 2-5 は，過熱水蒸気流量を 0.075	
 mol/min～Key	
 Words ：Hydrogen,	 Superheated	
 steam,	 Plasma,	
 Ammonia	 0.125	
 mol/min を平板 PMR に供給し，印加電圧 10	
 1	
  はじめに	 ～18	
 kV としたときの水素生成流量の変化である。
過熱水蒸気温度は 250ºC である。	
 安価な CO2 フリー水素製造法の開発は，水素エネルギー普及の要である。しかし，電気分解によるこの結果から，過熱水蒸気をプラズマ分解する

水素製造法は，装置コストと消費電力の観点で低コストの水素を製造することは困難という本質的なことで水素を生成できること，同時に水素分離膜

課題がある。本研究は，過熱水蒸気を原料としプラズマで水素を製造すると同時に水素分離膜で水素で水素を分離・回収できることを確認できた。ま	
 を b 分離精製する革新的低コスト水素製造法の開発を目的とする。本研究の開発目標は，既存の水電解法に比較して，装置容積は半分以下，水素製造エネルギー効率（L-H2/Wh）は同等以上とした。	
 

図 2-3	
  流路にプラズマを発生させた様子	
 

	
 
2	
  結果概要	 た，印加電圧を高くするほど水素生成量は増加し
た。	
 

	
 

	
 

2.2	
  水素透過特性の確認	
 まず，水素分離膜の水素透過性能を調べた。平

2.1	
  平板型プラズマメンブレンリアクターの設計・製作	
 
省電力と低コストを実現するために，平板型プ

板 PMR に 100%水素または 75%水素を 0.1	 L/min 流

ラズマメンブレンリアクター（平板 PMR，図 2-1）し（圧力 100	
 kPa(G)），プラズマを点灯させ，印を発想した。過熱水蒸気は，幅 1	
 mm，深さ 4.5	
 mm

加電圧と水素分離膜の温度を変化させて，水素透の細い流路を流れ，ここでプラズマが発生する。

過率を調べた。水素分離膜の温度は電気ヒーター

流路の底面には水素分離膜が敷かれており，流路を用いて 150℃または 250℃に制御した。	
 内で発生した水素ラジカルは，水素分離膜に吸温度 250℃，100%水素の時，印加電圧の増加に着・拡散して膜を透過し，膜出口で再結合して高ともない水素透過率も増加し，16	
 kV で透過率は99%となった。また，水素 75％ガスでは 16	
 kV で

純度水素として回収される。水素分離膜は接地電	
 極を兼ねているが，厚さが 15µm と薄いため電力ロスとなるジュール熱の発生が少なく，省電力が

図 2-1	
 平板 PMR の組立図	
 79%となった。	
 一般に，水素分離膜で水素を 100%近く透過させ見込まれる。また，水素分離膜の加工は必要ない	 るには，温度 400℃以上，差圧 0.1	 MPa が必要とため，装置コストを安価にできる（円筒型リアク

D=2	
 mm）
，流路付平板（全長 1010	
 mm のサーペンタ

されているが，プラズマを用いると，温度 250℃，

ターでは水素分離膜の溶接などの加工が必要）。	
 イン状の溝），Pd-	
 40%Cu 合金の水素分離膜（50	 mm

差圧 0.01	
 MPa で水素が透過し，プラズマと水素分

図 2-1 は平板型 PMR の組立図である。図上部か角），分離膜支持板（SUS316,W=50	
 mm，H=50	
 mm，離膜のシナジー効果が明らかとなった。これは，

	
 ら順に，高電圧電極（SUS316 メッシュ，W=45	
 mm，

D=3	
 mm）
，スペーサー（SUS316,	
 W=50	 mm,	 H=50	
 mm，

プラズマによって H ラジカルが多量に生成するこ

しかし，水素生成量は最大でも 0.22	
 mL/min，

H=45	
 mm）
，石英ガラス（W=70	
 mm，H=70	
 mm，	
 

D=	
 3	
 mm）
，
高純度水素出口基板（SUS316,	
 W=100	
 mm，	
 とが要因であると推定している。	
 ─ 110 ─	 図 2-5	
 印加電圧に対する水素生成量の変化	
 この時の水素転換率はわずか 0.007%，水素製造エ

─ 111 ─

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  課題提案型研究報告書	
 H=100	
 mm，D=	
 12.5	 mm）で構成されている。	
 
図 2-2 は，ガス流路部の写真である。過熱水蒸

過熱水蒸気を原料とするプラズマメンブレンリアクター

気は流路をほぼ均一に流れるため，図 2-3 のような，良好なプラズマ点灯状態が得られた。	
 高純度水素製造装置の開発	
 	
 Development	 of	
 A	
 Plasma	 Membrane	 Reactor	
 for	
 Pure	 Hydrogen	
 Production	
 From	
 Superheated	
 Steam	 	 神原	  信志,	 Kambara	
 Shinji	 国立大学法人東海国立大学機構岐阜大学,	
 Tokai	
 National	
 Higher	 Education	
 and	
 Research	
 System,	
 Gifu	
 University	 	 The objective of this research is to develop an innovative hydrogen production device, which is an originalplasma membrane reactor (PMR). When superheated steam mixed with 4% ammonia was fed to the PMR, the	 energy efficiency of hydrogen production was attained 0.138 L-H2/Wh. The reaction mechanism of hydrogen	 図 2-2	
  流路付平板の外観	
 図 2-4	 水素プラズマでの水素透過率の変化	 formation from steam in the PMR was elucidated. Higher efficiency may be obtained by a pressurized plasma	 membrane reactor.

2.3	
  過熱水蒸気からの水素製造	
 	
 

図 2-5 は，過熱水蒸気流量を 0.075	
 mol/min～Key	
 Words ：Hydrogen,	 Superheated	
 steam,	 Plasma,	
 Ammonia	 0.125	
 mol/min を平板 PMR に供給し，印加電圧 10	
 1	
  はじめに	 ～18	
 kV としたときの水素生成流量の変化である。
過熱水蒸気温度は 250ºC である。	
 安価な CO2 フリー水素製造法の開発は，水素エネルギー普及の要である。しかし，電気分解によるこの結果から，過熱水蒸気をプラズマ分解する

水素製造法は，装置コストと消費電力の観点で低コストの水素を製造することは困難という本質的なことで水素を生成できること，同時に水素分離膜

課題がある。本研究は，過熱水蒸気を原料としプラズマで水素を製造すると同時に水素分離膜で水素で水素を分離・回収できることを確認できた。ま	
 を b 分離精製する革新的低コスト水素製造法の開発を目的とする。本研究の開発目標は，既存の水電解法に比較して，装置容積は半分以下，水素製造エネルギー効率（L-H2/Wh）は同等以上とした。	
 

図 2-3	
  流路にプラズマを発生させた様子	
 

	
 
2	
  結果概要	 た，印加電圧を高くするほど水素生成量は増加し
た。	
 

	
 

	
 

2.2	
  水素透過特性の確認	
 まず，水素分離膜の水素透過性能を調べた。平

2.1	
  平板型プラズマメンブレンリアクターの設計・製作	
 
省電力と低コストを実現するために，平板型プ

板 PMR に 100%水素または 75%水素を 0.1	 L/min 流

ラズマメンブレンリアクター（平板 PMR，図 2-1）し（圧力 100	
 kPa(G)），プラズマを点灯させ，印を発想した。過熱水蒸気は，幅 1	
 mm，深さ 4.5	
 mm

加電圧と水素分離膜の温度を変化させて，水素透の細い流路を流れ，ここでプラズマが発生する。

過率を調べた。水素分離膜の温度は電気ヒーター

流路の底面には水素分離膜が敷かれており，流路を用いて 150℃または 250℃に制御した。	
 内で発生した水素ラジカルは，水素分離膜に吸温度 250℃，100%水素の時，印加電圧の増加に着・拡散して膜を透過し，膜出口で再結合して高ともない水素透過率も増加し，16	
 kV で透過率は99%となった。また，水素 75％ガスでは 16	
 kV で

純度水素として回収される。水素分離膜は接地電	
 極を兼ねているが，厚さが 15µm と薄いため電力ロスとなるジュール熱の発生が少なく，省電力が

図 2-1	
 平板 PMR の組立図	
 79%となった。	
 一般に，水素分離膜で水素を 100%近く透過させ見込まれる。また，水素分離膜の加工は必要ない	 るには，温度 400℃以上，差圧 0.1	 MPa が必要とため，装置コストを安価にできる（円筒型リアク

D=2	
 mm）
，流路付平板（全長 1010	
 mm のサーペンタ

されているが，プラズマを用いると，温度 250℃，

ターでは水素分離膜の溶接などの加工が必要）。	
 イン状の溝），Pd-	
 40%Cu 合金の水素分離膜（50	 mm

差圧 0.01	
 MPa で水素が透過し，プラズマと水素分

図 2-1 は平板型 PMR の組立図である。図上部か角），分離膜支持板（SUS316,W=50	
 mm，H=50	
 mm，離膜のシナジー効果が明らかとなった。これは，

	
 ら順に，高電圧電極（SUS316 メッシュ，W=45	
 mm，

D=3	
 mm）
，スペーサー（SUS316,	
 W=50	 mm,	 H=50	
 mm，

プラズマによって H ラジカルが多量に生成するこ

しかし，水素生成量は最大でも 0.22	
 mL/min，

H=45	
 mm）
，石英ガラス（W=70	
 mm，H=70	
 mm，	
 

D=	
 3	
 mm）
，
高純度水素出口基板（SUS316,	
 W=100	
 mm，	
 とが要因であると推定している。	
 ─ 110 ─	 図 2-5	
 印加電圧に対する水素生成量の変化	
 この時の水素転換率はわずか 0.007%，水素製造エ

─ 111 ─

ネルギー効率は 0.0009	
 L-H2/Wh であり，アルカリ

気温度の変化が影響していると推定している。	
 に必要な PMR の数は約 527 台であり，PMR 総容積

水電解の水素製造エネルギー効率 0.167	
 L-H2/Wh	
 は 0.1	
 m3 となる。一方，アルカリ水電解装置は，に比較して著しく低い結果であった。	
 2.5	  水素生成メカニズムの検討	
 水素生成量	
 1000	
 L/h の場合，装置容積は 15.6	
 m3

	
 
2.4	
  アルカリ過熱水蒸気からの水素製造	
 平板 PMR で生成水素量を飛躍的に増加させるに実験と並行して，反応シミュレーションによりである（ユーティリティー含む）。PMR には高電圧

過熱水蒸気のプラズマ分解反応メカニズムについ電源も必要であるが 1.0	 m3 あれば十分であり，開て検討した 1-6)。	
 発目標である「電気分解法の装置容積の半分以下」

は，過熱水蒸気の電気伝導度をあげることが有効

過熱水蒸気をプラズマ化すると，プラズマの電であろう。これはアルカリ水電解の原理である。

子エネルギーe によって，まず電離反応とイオンプラズマも広義では電気分解と考えることができ化反応により H2O の分解が起こる。	
 H2O + e ⇄ H + OH + e

るため，過熱水蒸気にアルカリ剤を混合し電解ガ-

H2O + e ⇄ H + OH

スとすることで水素生成量増を期待できる。	
 は達成できたと評価できる。	
 
	
 
3.2	
  水素製造エネルギー効率の比較	
 (1)

図 3-1 には，過熱水蒸気中アンモニア濃度に対(2)する PMR の水素製造エネルギー効率とアルカリ水	 図 4-1	
 加圧プラズマメンブレンリアクター	 アルカリ水電解では，一般に水酸化カリウム

生成した H ラジカルは，水素分離膜表面に吸着

電解の水素製造エネルギー効率を比較した。アン	 （KOH）20～40%を純水に混合して電解液としていし，膜内を拡散し，膜出口で再結合して水素分子

モニア濃度 4％の時，水素製造エネルギー効率は5	
  原著論文	 るが，PMR の場合，混合するアルカリ剤はプラズ

となる。	
 

0.138	
 L/Wh であり，アルカリ水電解の 0.167	
 L/Wh

H + H → H2

マ内で気体でなければならないという制約がある。
KOH の沸点は 1320℃であり，過熱水蒸気の温度域(3)

電離やイオン化で生成した OH ラジカルは，気相では気体とならない。そこで，これまで研究経験

反応によって水素と酸素を生成する。	
 のあるアンモニア（沸点－33.3℃）をアルカリ剤

OH + OH ⇄ H2O2

(4)

HO2 + H ⇄ H2 + O2

(7)

OH + H2O2 ⇄ H2O + HO2 (5)とすることを発想した。	
 HO2 + HO2 ⇄ H2O2 + O2

アンモニア濃度 2～6%の低濃度アンモニア水溶液を原料として，250℃の過熱水蒸気を発生させて水蒸気のプラズマ分解反応メカニズムについて，にはまだ及ばないものの，今後，リアクターの高6 報の原著論文を公表した。	
 圧化によりアルカリ水電解の性能を超えることが

1. One-dimensional simulation of hydrogen production

できると見込んでいる。	
 kinetic models by water vapor plasmolysis in a DBD
plate reactor, Mostafa El-Shafie, S. Kambara, Y.

目標達成度は，(0.138)/(0.167)×100	
 =	
 83%と

Hayakawa, J. Theoretical & Applied Physics, 14(2),

した。	
 
(6)

pp. 181-194, 2020.

	 2. Study of the reactor temperature effect on H2

平板 PMR に供給し，プラズマによる水素生成量を

ここで生成した水素分子は，プラズマで電離しproduction from steam decomposition using DBD調べた。
プラズマの印加電圧は 18	
 kV で固定した。	
 H ラジカルとなり，(1)と同様，水素分離膜表面に

plasma, Mostafa El-Shafie, S. Kambara, Y. Hayakawa,

図 2-6 はアンモニア濃度に対する水素生成量の吸着し，膜内を拡散し，膜出口で水素分子となる。	
 Energy Reports, 6(2), pp. 45-51, 2020.

H2 + e ⇄ H + H + e

変化である。アンモニア濃度が増加するにつれ水(8)

3. Experimental analysis of plasma and heating effect

素生成量は増加し，アンモニア濃度 4%で最大の水平板 PMR においては，反応(1)の H ラジカル生成

on H2 permeation behavior through Pd–Cu40%

素生成量 1.9	
 L/h（31.7	
 mL/min）が得られた。こと膜透過による水素生成(3)が主たる水素生成反

membranes in 1mm gap length plate reactor, Mostafa

れは，図 2-5 の条件に対し，約 144 倍の水素生成応である。そのためアルカリ過熱水蒸気を用いて，El-Shafie, S. Kambara, Y. Hayakawa, Int. J. Hydrogen

量であり，アルカリ過熱水蒸気によるプラズマで電離反応を促進することで水素生成量を飛躍的にの電離促進効果は絶大であることがわかった。	
 増加できたと考察できる。	
 

図 3-1	 PMR と水電解のエネルギー効率の比較	 さらなる水素生成量増加には，(1)や(8)で生成	 した H ラジカルをいかに効率良く膜分離できるか

図 2-6	 アンモニア濃度と水素生成量の関係	
 	 Energy 45(49), pp.26310 – 26320, 2020
4. Comparative study between the simulation and	 experimental results of H2 production from water4	
  加圧 PMR の製作	 vapor plasmolysis, Mostafa El-Shafie, Shinji Kambara,
Yukio Hayakawa, Fahad Rehman, AIMS Energy, 8(5),が鍵となる。そのためには，平板 PMR を加圧でき

2.5 項で述べたように，水素生成量をさらに増るようにし，水素透過率を増加することが有効で大させるには，水素分離膜の分離効率を上げるこ

pp. 835–858, 2020.

あると考える（膜は差圧が高いほど効率が向上すとが有効であると考えられ，そのためには加圧可5. Preliminary results of hydrogen production from

る）
。	
 

能な PMR が必要である。ただし，加圧しすぎると

water vapor decomposition using DBD plasma in a	 プラズマ点灯は困難になるため，これまでの経験

PMCR reactor, Mostafa El-Shafie, S. Kambara, Y.

から 0.3	
 MPa(G)程度の加圧を見込んでいる。	
 Hayakawa, T. Miura, Int. J. Hydrogen Energy, 44(36),3	  目標達成度	
 
	
 

	
 

pp. 20239-20248, 2019.

本研究での開発目標は，水電解法に比較して，

図 4-1 は製作中の加圧 PMR の外観である。これ

装置容積半分以下，水素製造エネルギー効率

によって水素製造エネルギー効率（L-H2/Wh）は電

6. Experimental analysis of plasma and heating effect（L-H2/Wh）同等以上とした。	
 気分解法と同等以上になることが期待される。	
 on H2 permeation behavior through Pd–Cu40%
membranes in 1mm gap length plate reactor, Mostafa

3.1	
  装置容積の比較	
 一方，図 2-6 でアンモニア濃度 6%の時，生成水

図 2-1 に示した PMR の容積は 0.0002	
 m である。

El-Shafie, S. Kambara, Y. Hayakawa, Int. J. Hydrogen

素量は 4%の時に比較して減少した。この原因は追この PMR で現状 1.9	 L/h の水素を生成できる。水Energy, In press, Available online 11 September 2019.

及中であるが，プラズマ状態の変化か，過熱水蒸

素製造量	
 1000	
 L/h を比較の基準とすると，それ3

─ 112 ── 113 ─

ネルギー効率は 0.0009	
 L-H2/Wh であり，アルカリ

気温度の変化が影響していると推定している。	
 に必要な PMR の数は約 527 台であり，PMR 総容積

水電解の水素製造エネルギー効率 0.167	
 L-H2/Wh	
 は 0.1	
 m3 となる。一方，アルカリ水電解装置は，に比較して著しく低い結果であった。	
 2.5	  水素生成メカニズムの検討	
 水素生成量	
 1000	
 L/h の場合，装置容積は 15.6	
 m3

	
 
2.4	
  アルカリ過熱水蒸気からの水素製造	
 平板 PMR で生成水素量を飛躍的に増加させるに実験と並行して，反応シミュレーションによりである（ユーティリティー含む）。PMR には高電圧

過熱水蒸気のプラズマ分解反応メカニズムについ電源も必要であるが 1.0	 m3 あれば十分であり，開て検討した 1-6)。	
 発目標である「電気分解法の装置容積の半分以下」

は，過熱水蒸気の電気伝導度をあげることが有効

過熱水蒸気をプラズマ化すると，プラズマの電であろう。これはアルカリ水電解の原理である。

子エネルギーe によって，まず電離反応とイオンプラズマも広義では電気分解と考えることができ化反応により H2O の分解が起こる。	
 H2O + e ⇄ H + OH + e

るため，過熱水蒸気にアルカリ剤を混合し電解ガ-

H2O + e ⇄ H + OH

スとすることで水素生成量増を期待できる。	
 は達成できたと評価できる。	
 
	
 
3.2	
  水素製造エネルギー効率の比較	
 (1)

図 3-1 には，過熱水蒸気中アンモニア濃度に対(2)する PMR の水素製造エネルギー効率とアルカリ水	 図 4-1	
 加圧プラズマメンブレンリアクター	 アルカリ水電解では，一般に水酸化カリウム

生成した H ラジカルは，水素分離膜表面に吸着

電解の水素製造エネルギー効率を比較した。アン	 （KOH）20～40%を純水に混合して電解液としていし，膜内を拡散し，膜出口で再結合して水素分子

モニア濃度 4％の時，水素製造エネルギー効率は5	
  原著論文	 るが，PMR の場合，混合するアルカリ剤はプラズ

となる。	
 

0.138	
 L/Wh であり，アルカリ水電解の 0.167	
 L/Wh

H + H → H2

マ内で気体でなければならないという制約がある。
KOH の沸点は 1320℃であり，過熱水蒸気の温度域(3)

電離やイオン化で生成した OH ラジカルは，気相では気体とならない。そこで，これまで研究経験

反応によって水素と酸素を生成する。	
 のあるアンモニア（沸点－33.3℃）をアルカリ剤

OH + OH ⇄ H2O2

(4)

HO2 + H ⇄ H2 + O2

(7)

OH + H2O2 ⇄ H2O + HO2 (5)とすることを発想した。	
 HO2 + HO2 ⇄ H2O2 + O2

アンモニア濃度 2～6%の低濃度アンモニア水溶液を原料として，250℃の過熱水蒸気を発生させて水蒸気のプラズマ分解反応メカニズムについて，にはまだ及ばないものの，今後，リアクターの高6 報の原著論文を公表した。	
 圧化によりアルカリ水電解の性能を超えることが

1. One-dimensional simulation of hydrogen production

できると見込んでいる。	
 kinetic models by water vapor plasmolysis in a DBD
plate reactor, Mostafa El-Shafie, S. Kambara, Y.

目標達成度は，(0.138)/(0.167)×100	
 =	
 83%と

Hayakawa, J. Theoretical & Applied Physics, 14(2),

した。	
 
(6)

pp. 181-194, 2020.

	 2. Study of the reactor temperature effect on H2

平板 PMR に供給し，プラズマによる水素生成量を

ここで生成した水素分子は，プラズマで電離しproduction from steam decomposition using DBD調べた。
プラズマの印加電圧は 18	
 kV で固定した。	
 H ラジカルとなり，(1)と同様，水素分離膜表面に

plasma, Mostafa El-Shafie, S. Kambara, Y. Hayakawa,

図 2-6 はアンモニア濃度に対する水素生成量の吸着し，膜内を拡散し，膜出口で水素分子となる。	
 Energy Reports, 6(2), pp. 45-51, 2020.

H2 + e ⇄ H + H + e

変化である。アンモニア濃度が増加するにつれ水(8)

3. Experimental analysis of plasma and heating effect

素生成量は増加し，アンモニア濃度 4%で最大の水平板 PMR においては，反応(1)の H ラジカル生成

on H2 permeation behavior through Pd–Cu40%

素生成量 1.9	
 L/h（31.7	
 mL/min）が得られた。こと膜透過による水素生成(3)が主たる水素生成反

membranes in 1mm gap length plate reactor, Mostafa

れは，図 2-5 の条件に対し，約 144 倍の水素生成応である。そのためアルカリ過熱水蒸気を用いて，El-Shafie, S. Kambara, Y. Hayakawa, Int. J. Hydrogen

量であり，アルカリ過熱水蒸気によるプラズマで電離反応を促進することで水素生成量を飛躍的にの電離促進効果は絶大であることがわかった。	
 増加できたと考察できる。	
 

図 3-1	 PMR と水電解のエネルギー効率の比較	 さらなる水素生成量増加には，(1)や(8)で生成	 した H ラジカルをいかに効率良く膜分離できるか

図 2-6	 アンモニア濃度と水素生成量の関係	
 	 Energy 45(49), pp.26310 – 26320, 2020
4. Comparative study between the simulation and	 experimental results of H2 production from water4	
  加圧 PMR の製作	 vapor plasmolysis, Mostafa El-Shafie, Shinji Kambara,
Yukio Hayakawa, Fahad Rehman, AIMS Energy, 8(5),が鍵となる。そのためには，平板 PMR を加圧でき

2.5 項で述べたように，水素生成量をさらに増るようにし，水素透過率を増加することが有効で大させるには，水素分離膜の分離効率を上げるこ

pp. 835–858, 2020.

あると考える（膜は差圧が高いほど効率が向上すとが有効であると考えられ，そのためには加圧可5. Preliminary results of hydrogen production from

る）
。	
 

能な PMR が必要である。ただし，加圧しすぎると

water vapor decomposition using DBD plasma in a	 プラズマ点灯は困難になるため，これまでの経験

PMCR reactor, Mostafa El-Shafie, S. Kambara, Y.

から 0.3	
 MPa(G)程度の加圧を見込んでいる。	
 Hayakawa, T. Miura, Int. J. Hydrogen Energy, 44(36),3	  目標達成度	
 
	
 

	
 

pp. 20239-20248, 2019.

本研究での開発目標は，水電解法に比較して，

図 4-1 は製作中の加圧 PMR の外観である。これ

装置容積半分以下，水素製造エネルギー効率

によって水素製造エネルギー効率（L-H2/Wh）は電

6. Experimental analysis of plasma and heating effect（L-H2/Wh）同等以上とした。	
 気分解法と同等以上になることが期待される。	
 on H2 permeation behavior through Pd–Cu40%
membranes in 1mm gap length plate reactor, Mostafa

3.1	
  装置容積の比較	
 一方，図 2-6 でアンモニア濃度 6%の時，生成水

図 2-1 に示した PMR の容積は 0.0002	
 m である。

El-Shafie, S. Kambara, Y. Hayakawa, Int. J. Hydrogen

素量は 4%の時に比較して減少した。この原因は追この PMR で現状 1.9	 L/h の水素を生成できる。水Energy, In press, Available online 11 September 2019.

及中であるが，プラズマ状態の変化か，過熱水蒸

素製造量	
 1000	
 L/h を比較の基準とすると，それ3

─ 112 ── 113 ─

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  課題提案型研究報告書	 グリーン水素利用を加速する先進型燃料電池の開発	 ñ³gıàW]G[UcFŐĿŗcjFŧƨƚÅFfO}YRǂǤiŤǴc  «°fŧƨ«°®ŧƨÞƈ|áǣXx×ǥýžŅǷũ|ǱƎXxUd|ƑƐdWbFÃ´iyŘǊ|ƽ`]ù G

+;+1452+394,'*;'3)+*,:+1)+11,47574249/3-:9/1/?'9/434,-7++3.>*74-+3Ŕŷġ± 4/)./'98:?'<'ŠŮúơĈČ &404.'2''9/43'1$3/;+78/9>
2	
  結果概要	 B#.+-7++3.>*74-+3C/8.>*74-+39.'9/8574*:)+*,7427+3+<'(1++3+7->39./889:*><+åČƐgčĎcJx

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cFǬåſƿǹ|°¢®cƼRǀǄWF°8>89+29.'9/87+6:/7+*,4745+7'9/3-/3./-.+79+25+7'9:7+</9../-.+7;419'-+¢®¨°³gĹĺXxUdcFǬåſ

ƿǹmiǷċÆĖ|ĦıW]ǇĊ|ÌǂWKey	 Words ȃžŅǷũƠŦŚȂǬƨǫÖíĮȂǬåſƦȂǸǕǮĚ]G[iǇĊjǿįƶcJxsižŅǷũďƈ


1	
  はじめに	 åľǥéǒÅiĿôXx



2.1	
  空気極用の酸化物系電極触媒の開発	
 UypcFÊcǓēfǖŴǭ|ŎWFìl ňǮĚǬåſg

DiǙäÓ

ŢǎǾ|ƽLdFǬåſ|ǀǄWbKx°¢

ĲPúcjFĐĤƈžŅǷũP
ĖØVyFžŅǷũƸäǝs
°©®saÚđgaKb[y\ Ġuw¸ƋcÝrbĜǔVyFUypcgƩǉ
ĠuwĜāgķØVybƧ ²îÃ³P

îÃ³PǘƽWFõřƈiŧƨ

ƣĴÃ³PǱĴVybKxG®iâåguwF¬ĩiǬƨǫÖǷ

ŭPƺWRÊ´WFƵ»įgöǼ|ĸMbKxG
UUcjFǿŬįOaǿƵ»fƷƏǮǇĊ|Ì]^WF~¥«i¬°ƓjƃƁĶƾippcžŅǷũ|ǭƇXxdǷŚǇĊPÀiŜıǃ
ƨdťǟWbFƆƇiƧèÜ|êrxUd|½İWùFǸƏǮǇĊfei¿ĩiőŅǌǉ

ǂXx]rgFǬåſƿǹ|°¢®ǀǄZYgǷċÆĖ|ĦıcQxŇū|ǎq]GƮ

図 2 APD触 媒 の 担持量 を 変化さ せ た
ORR分極曲線ù G

Ļǯ|ƙW]GúÚcjF
HŧƨÿŐĳƌIiǌĎFúơƖƟǱƎū¾ņ¬°¯ƇřĶƾưïǱ

ƲįƥċcsƥċPŃ 32Ã´cJykF

p]F[iǇĊ|ƈKbDciǙäÓŢ

ƎšŜ ižŅǷũ¯ŧƨĶƾǱƎ­°£PŁǈVyF¿ĩižŅǷũƸäǝiÌäŒÄ

®¬ãŖgu`bǷċPǢǧcQxUdg

ǎǾ|ƽ`]G[iƭŖ|ùgƙXGUypi°PĿŗVy]G°XxƔƑWFǬåſƥċiÞƈ|ǎq]GciĵūcÌǂW]ƤŏƦǇĊcj 

DF % Ã³cÌäXykF¤iƎǷãƂP

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ËdiĽïūdWbF~°

WKǙäÓŢgVvVyxdFƏǮjŶǆŕÛFźƨjǬåůĉWFţĞgÌäXxUdVMÛœf

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ƀgdfxijÍƈVyxǇĊcJxGžŅǷũcjǷŚFƀgƠŦŚcōĈi¬°­x ć ě  ° ¢ ®    ¨ °  '7(43|ƇqÛWbKx]rFUiǷŚiŁƹPĬǺcJxGŁƹgaKbjƏǮïǮåtÊƏǮåĶƾ

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PJwFÊƏǮåiÂƿÎdWb~¬ĶƾPJwF~¥«i¬ÏW]G!ū|ƈKbÌǂW]ƤŏǇĊi

®úơƖƟĴtð

ĭƚĈČƢi¬°Pºgƽ`bKxG]^WF³ǡW
]ņ]f°iÌäŒ

年間1,000ユニット
生産時ĖǷįĹËgćě°¢®その他

KįƶÊ´|ƙW]PF! ūcÌǂW]ǇĊj ¬ĩcJ`bsǷŭƯĺƂPn

ėVKǬåſƥċPĹĺcQ]G[yviǬ ƨ ǫ Ö í Į  =>-+3 "+*:)9/43 "+')9/43ǂW]ǬåſƦƥċiĹĺƂiƍfxǇĊ

セパレータ
ガス拡散層

セパレータ

触媒
触媒

ğüƥċĨj  32cJwFUypcuws""iǇĊŬį|ǍÏW]dUzF! ūcÌ

構成部品

jKYysFĹË #iquwsǽǜƐgǿK
""Ŭį|ĺ_F#³g !guwĹĺW]ǬåſƦƥċPǷŦåČƐgšƶWF ""

電解質膜
電解質膜

¨°|ÞƈXxUdg
uwFǬƨǫÖŬįiǽǜƐ

構成部品

その他

ǱƎ|ƽ`bQ]GǠĠFŎ
šǮĚǰË|ÛƎſǗdWbF

年間500,000ユニット
生産時
ガス拡散層

cJxGƊǑƴvjǿčĎf
¡°dW]ǸǕǮĚǇĊi

pcűĘXxuLfƺW# Õd[yOvŨr]ƥģÜĝ|Ũr]ƭŖF

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図1 燃料電池システムのコスト構成予測
─ 114 ─ƤŏƦciǷŚǇĊgæńXxŬį|ƙW]

図3 (被覆 カーボンを含む)従来の酸化物触媒の起動停止試験前後のORR活性─ 115 ─

公益財団法人	  スズキ財団	
  平成 30 年度	
  課題提案型研究報告書	 グリーン水素利用を加速する先進型燃料電池の開発	 ñ³gıàW]G[UcFŐĿŗcjFŧƨƚÅFfO}YRǂǤiŤǴc  «°fŧƨ«°®ŧƨÞƈ|áǣXx×ǥýžŅǷũ|ǱƎXxUd|ƑƐdWbFÃ´iyŘǊ|ƽ`]ù G

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2	
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1	
  はじめに	 åľǥéǒÅiĿôXx



2.1	
  空気極用の酸化物系電極触媒の開発	
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図 2 APD触 媒 の 担持量 を 変化さ せ た
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年間1,000ユニット
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セパレータ
ガス拡散層

セパレータ

触媒
触媒

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構成部品

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電解質膜
電解質膜

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構成部品

その他

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年間500,000ユニット
生産時
ガス拡散層

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図1 燃料電池システムのコスト構成予測
─ 114 ─ƤŏƦciǷŚǇĊgæńXxŬį|ƙW]

図3 (被覆 カーボンを含む)従来の酸化物触媒の起動停止試験前後のORR活性─ 115 ─bp^p^ėVRFǷŭiǽǜƐĄáPĬǃc

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50

−

300



2.2	
  酸化物系触媒を用いたセル性能評価UypcǬåſƦőŅcj°¬¬cjįƶPÛxsiiFƎǷǎǾcjĬYWsǿKį

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2.3	
  酸化物系ナノ粒子触媒の熱力学的安定性 ňǪƛǮĚǬåſ|ƈK]ǸƏǮǇĊiǱƎWFǬƨǫÖŬį|ŎWaaǷŦåČƐgǿƵ»fǇĊ|ÌǂcQbK

1000Ǭå®ƥċiŶǆģi ;'3A94,,

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5149 iǠÈƒƱiÔQOv 

200 400 600 800 1000
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1.0

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─ 116 ─70

50

TiO2 6.0 nm
1.0 M HClO 4
TiO2 6.0 nm
0.32 M HClO4
TiO2 6.0 nm
0.10 M H2 SO4

TiO2 6.0 nm
0.10 M HClO4

-5
-6

30  

Pt black (2.9 m 2 g-1 )0.1 M HClO4

2.8
3.0
3.2
T−1 / ×10−3 K−1

3.4

図6 酸化チタンナノ粒 子の溶解度のvan’t Hoffプロット

ĂƨǬgNKbŹģ|ĆåVZ]ǵgsðŝg

W]P`bF5 P

90

-4

-7
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0.10 M HClO4

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P



10

(pH = 0.61)

ǿŲgfxneåČƐgčĎgf`]Gp]F-4.5

図4 70℃における過塩素酸の濃度を変化させた際の酸化チタンナノ粒子の溶解度ǶøŦdjƍfx]rFďǵiǦǞŒÄciǿ
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0.32 M HClO4

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30

-4.0

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Slope = −2pH
図5 各温度での 酸化チタンナノ粒子の溶解度における過塩素酸の
pH依存性



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50 ℃ HClO4

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  酸化物系ナノ粒子触媒の熱力学的安定性 ňǪƛǮĚǬåſ|ƈK]ǸƏǮǇĊiǱƎWFǬƨǫÖŬį|ŎWaaǷŦåČƐgǿƵ»fǇĊ|ÌǂcQbK

1000Ǭå®ƥċiŶǆģi ;'3A94,,

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Pt black (2.9 m 2 g-1 )0.1 M HClO4

2.8
3.0
3.2
T−1 / ×10−3 K−1

3.4

図6 酸化チタンナノ粒 子の溶解度のvan’t Hoffプロット

ĂƨǬgNKbŹģ|ĆåVZ]ǵgsðŝg

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90

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2.6

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-5.5ƨǬFƘǬ¹iŶǆģdFƏǮȀƤŏi  (pH = 1.06)

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0.10 M HClO4

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10

(pH = 0.61)

ǿŲgfxneåČƐgčĎgf`]Gp]F-4.5

図4 70℃における過塩素酸の濃度を変化させた際の酸化チタンナノ粒子の溶解度ǶøŦdjƍfx]rFďǵiǦǞŒÄciǿ
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20

0cǿŬįcJ`]ǇĊ|ƈKbƎǷǎǾ|ƽ`200
0.32 M HClO4

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30

-4.0

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Slope = −2pH
図5 各温度での 酸化チタンナノ粒子の溶解度における過塩素酸の
pH依存性



F  µ241*2 df`]ù GǬįǷǆǗ¹cƏǮȀjŲģi³ŉgÇ`bŶ

50 ℃ HClO4

-3.5

-6.0

CTi / µmol dm−3] ¯Ȅ  %;8" Ã³iŬį|ƙXǷ ìl ǧĂƨǬ¹ciŶǆģi ;'3A94,,5149 uwF-3.0

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