目 次

1 2019年（令和元年）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 ２０１８年（平成30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 

112－3. 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 

142－４. 付帯事業 

142－5. 基本財産及び運営資金 

15

3 ２０１７年（平成29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 87

■1 2019 年（令和元年）
度 研究助成事業概要

─3─

1 2019年（令和元年）度の研究助成事業概要
当財団の2019 年度研究助成事業は、概略次の通りです。

1 研究助成事業募集内容（2019 年 6月末時点）
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。

４. 外国人研究者への助成（１）インド工科大学（ハイデラバード校）から静岡大学工学部、インド工科大学（デリー校）から豊橋技術科学大学への研究留学に対する支援事業を行う。
（２）
ブタペスト工科・経済大学（ハンガリー）から静岡大学工学部への研究留学に対する支援事業を行う。
（３）
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機材設備の助成を実施する。

2 研究助成事業結果概要
2019 年度研究助成事業は、概略下記を実施しました。

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 ： 7,000 万円程度
②助成件数：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。
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
助成金額 ： 1 件 1,000 万円とし、研究内容によって決定する。
助成件数 ： 4 件（３）募集期間と審査結果の伝達①公募期間 ： 4月初〜5月末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、下記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─

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 29 件、35 歳以下の若手科学技術研究助
成 25 件、計 54 件の研究テーマへの助成を決定した。いずれも独創的、先進的な研究開発テーマで、
総額 9,315 万円を助成した。
２．課題提案型研究助成について
本年度は、地球環境の保全やエネルギー資源の節約のため、自動車に代表される移動体の革新的な軽量化につながる取り組みにおいて、解決すべき課題とその解決方法に向けた方策の提案を受けた。
具体的には、
１）「全固体アルミニウムイオン電池の基盤技術開発」、
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」、
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」、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」を採択した。
新規決定の4 件と昨年度までの4 件の継続分をあわせ、総額 3,820 万円を助成した。
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、今年度は7 件の助成を行った。また研究者の海外学会等への渡航・宿泊費に対しても45 件の助成を実施した。
４. 海外研究研修助成について
インドグジャラート州の国際自動車センター機構（i-ACE）の2020 年 3月開校に向けて今年度は2,300万円の助成を実施した。
また、インド工科大学ハイデラバード校から2 名静岡大学へ、インド科学大学デリー校から1 名豊橋技術科学大学へ、ハンガリーブタペスト工科経済大学から1 名静岡大学へ研究留学者の招聘を実施した。
2019年度研究助成事業（2020年３月末見込み）
令和元年度 助成の内容

件数

助成額

（１）科学技術研究助成

一般

29件

6,815万円



若手

25件

2,500万円

4件

3,820万円

58件

1憶3,135万円

52件

1,138万円

4件

3,255万円

114件

1億7,528万円（２）課題提案型研究助成
研究助成 小計（３）科学的成果の普及助成（４）海外研究研修助成

助成件数・総額─5─

1 2019年（令和元年）度の研究助成事業概要
当財団の2019 年度研究助成事業は、概略次の通りです。

1 研究助成事業募集内容（2019 年 6月末時点）
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。

４. 外国人研究者への助成（１）インド工科大学（ハイデラバード校）から静岡大学工学部、インド工科大学（デリー校）から豊橋技術科学大学への研究留学に対する支援事業を行う。
（２）
ブタペスト工科・経済大学（ハンガリー）から静岡大学工学部への研究留学に対する支援事業を行う。
（３）
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機材設備の助成を実施する。

2 研究助成事業結果概要
2019 年度研究助成事業は、概略下記を実施しました。

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 ： 7,000 万円程度
②助成件数：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。
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
助成金額 ： 1 件 1,000 万円とし、研究内容によって決定する。
助成件数 ： 4 件（３）募集期間と審査結果の伝達①公募期間 ： 4月初〜5月末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、下記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─

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 29 件、35 歳以下の若手科学技術研究助
成 25 件、計 54 件の研究テーマへの助成を決定した。いずれも独創的、先進的な研究開発テーマで、
総額 9,315 万円を助成した。
２．課題提案型研究助成について
本年度は、地球環境の保全やエネルギー資源の節約のため、自動車に代表される移動体の革新的な軽量化につながる取り組みにおいて、解決すべき課題とその解決方法に向けた方策の提案を受けた。
具体的には、
１）「全固体アルミニウムイオン電池の基盤技術開発」、
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」、
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」、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」を採択した。
新規決定の4 件と昨年度までの4 件の継続分をあわせ、総額 3,820 万円を助成した。
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、今年度は7 件の助成を行った。また研究者の海外学会等への渡航・宿泊費に対しても45 件の助成を実施した。
４. 海外研究研修助成について
インドグジャラート州の国際自動車センター機構（i-ACE）の2020 年 3月開校に向けて今年度は2,300万円の助成を実施した。
また、インド工科大学ハイデラバード校から2 名静岡大学へ、インド科学大学デリー校から1 名豊橋技術科学大学へ、ハンガリーブタペスト工科経済大学から1 名静岡大学へ研究留学者の招聘を実施した。
2019年度研究助成事業（2020年３月末見込み）
令和元年度 助成の内容

件数

助成額

（１）科学技術研究助成

一般

29件

6,815万円



若手

25件

2,500万円

4件

3,820万円

58件

1憶3,135万円

52件

1,138万円

4件

3,255万円

114件

1億7,528万円（２）課題提案型研究助成
研究助成 小計（３）科学的成果の普及助成（４）海外研究研修助成

助成件数・総額

─5─■2 2018 年（平成 30 年）度 事業報告─7─

2 2018年（平成30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【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、2018 年（平成 30 年）度、当財団の主たる事業である科学技術研究助成 41 件、課題提案

No.

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・シンポジウム開催への支援 10 件、および

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

海外への研究者の研修のための派遣 41 件を実施し、概ね初期の事業計画を達成することができた。

研究課題

シ

役職

氏名（50音）豊橋技術科学大学

助教

石井 陽介

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

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

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

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

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

小野 勇一

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

川合 忠雄

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

木口 量夫

イシ イ

助成総額は2,369 万円増加し1 億 2,410 万円となった。

審査委員会・企画委員会の活動も積極的に行い、機関誌「財団ニュース」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など、財団の事業活動の強化拡充を行った。助成事業の概要を下表に示す。

2018年（平成30年）度 助成の内容

件数

助成額

10 CFRP 接着継手への傾斜機能接着技術の適用

ヨウスケ

イ ト ウ リョウ タ

さらに、本年度よりインドからの受け入れ事業を開始し、インド工科大学より静岡大学、インド科学大学より豊橋技術科学大学へ研究者を招聘した。本年度の助成件数は昨年より33 件増加し合計助成件数 98 件、

メイ

機関名

イ

ヨ

タ

ムネヨシ

ウエ ノ

イチロウ

ウエ ノ

ユウ キ

ウチヤマ

チ

カ

コ

オカ ダ

マサ ト

オ

ノ

ユウイチ

カ ワ イ

タダ オ

カ ワ サ キ ショウ タ（１）科学技術研究助成41件

5,250万円（２）課題提案型研究助成4件

2,992万円

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

45件

8,242万円

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

KIM WOOKYUNG

50件

1,120万円

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

首都大学東京助教

倉元 昭季

長崎総合科学大学

教授

黒田 勝彦

岐阜大学

助教

小林 芳成

慶應義塾大学教授

小茂鳥 潤

大阪府立大学

准教授

齊藤 丈靖

東海大学

教授

坂本 俊之

奈良工業
高等専門学校教授

坂本 雅彦

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

福井大学

助教

張潮

研究助成 小計（３）科学的成果の普及助成（４）海外研究研修助成

3件
助成件数・総額

98件

3,048万円
1億2,410万円

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
16 SEA を用いた制振材料の適正配置に関する研究
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
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
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

20 次世代全固体電池の劣化診断技術に関する基礎研究
21 ジャイロミル型風車の性能向上に関する研究

24

─8─

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

─9─

キ グチ

カズ オ

キク チ

ショウ イ チ

キム

ウキョン

クマガイ

セイ ジ

クラモト

アキスエ

クロ ダ

カツヒコ

コ バヤシ ヨ シ ナ リ

コモ ト リ ジュン

サイトウ

タケヤス

サカモト

トシユキ

サカモト

マサヒコ

サ タケ

タチバナ タ ク ジ

チョウ チョウ

2 2018年（平成30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【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、2018 年（平成 30 年）度、当財団の主たる事業である科学技術研究助成 41 件、課題提案

No.

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・シンポジウム開催への支援 10 件、および

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

海外への研究者の研修のための派遣 41 件を実施し、概ね初期の事業計画を達成することができた。

研究課題

シ

役職

氏名（50音）豊橋技術科学大学

助教

石井 陽介

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

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

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

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

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

小野 勇一

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

川合 忠雄

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

木口 量夫

イシ イ

助成総額は2,369 万円増加し1 億 2,410 万円となった。

審査委員会・企画委員会の活動も積極的に行い、機関誌「財団ニュース」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など、財団の事業活動の強化拡充を行った。助成事業の概要を下表に示す。

2018年（平成30年）度 助成の内容

件数

助成額

10 CFRP 接着継手への傾斜機能接着技術の適用

ヨウスケ

イ ト ウ リョウ タ

さらに、本年度よりインドからの受け入れ事業を開始し、インド工科大学より静岡大学、インド科学大学より豊橋技術科学大学へ研究者を招聘した。本年度の助成件数は昨年より33 件増加し合計助成件数 98 件、

メイ

機関名

イ

ヨ

タ

ムネヨシ

ウエ ノ

イチロウ

ウエ ノ

ユウ キ

ウチヤマ

チ

カ

コ

オカ ダ

マサ ト

オ

ノ

ユウイチ

カ ワ イ

タダ オ

カ ワ サ キ ショウ タ（１）科学技術研究助成41件

5,250万円（２）課題提案型研究助成4件

2,992万円

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

45件

8,242万円

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

KIM WOOKYUNG

50件

1,120万円

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

首都大学東京助教

倉元 昭季

長崎総合科学大学

教授

黒田 勝彦

岐阜大学

助教

小林 芳成

慶應義塾大学教授

小茂鳥 潤

大阪府立大学

准教授

齊藤 丈靖

東海大学

教授

坂本 俊之

奈良工業
高等専門学校教授

坂本 雅彦

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

福井大学

助教

張潮

研究助成 小計（３）科学的成果の普及助成（４）海外研究研修助成

3件
助成件数・総額

98件

3,048万円
1億2,410万円

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
16 SEA を用いた制振材料の適正配置に関する研究
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
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
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

20 次世代全固体電池の劣化診断技術に関する基礎研究
21 ジャイロミル型風車の性能向上に関する研究

24

─8─

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

─9─

キ グチ

カズ オ

キク チ

ショウ イ チ

キム

ウキョン

クマガイ

セイ ジ

クラモト

アキスエ

クロ ダ

カツヒコ

コ バヤシ ヨ シ ナ リ

コモ ト リ ジュン

サイトウ

タケヤス

サカモト

トシユキ

サカモト

マサヒコ

サ タケ

タチバナ タ ク ジ

チョウ チョウ

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】…国際シンポジウム等の開催に助成
No.

研究課題

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

シ

機関名

役職

氏名（50音）

茨城大学

准教授

中村 雅史

ナカムラ

No.

マサ シ

1
26 非対称積層を用いた複合材板ばねに関する研究

岐阜大学

助教

ナ ナミ

ノリミチ

ニシカワ

ヒロ シ

九州工業大学助教

西川 宏志

28 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

福井大学

講師

長谷川 達人

ハ

セ ガワ

ヒトスギ

タツヒト

滋賀医科大学教授

一杉 正仁

30 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

東北大学

教授

琵琶 哲志

32 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

ビ

ワ

テツ シ

フジ イ

トモユキ

マツ ダ

トモ キ

33 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

34 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

ミナミ カ ズ ユ キ

教授

南 和幸

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

37 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

38 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

ヨウ

イ ショウ

ワタ リ

島村 佳伸
静岡大学

教授

第17回 塑性加工国際会議

原 和彦

豊橋技術科学大学

平成30年9月16日~19日

教授

10th International Workshop on Combinatorial Materials Science and technology の開催
平成30年10月3日~5日

森 謙一郎

東京理科大学准教授

日本のロボット工学技術の世界への発信とロボット技術者の国際交流
平成30年9月5日~7日

教授

大日方 五郎
東京農工大学

平成30年7月30日~8月3日

教授

桑原 利彦

自動運転セミナー inバンコク

8

名古屋大学

平成30年10月2日~4日

教授

小型自動車の燃料タンク開発に資する研究成果発表会
平成30年10月15日~平成31年9月30日

武田 一哉

大阪大学産業科学研究所
標準化委員会理事長

シンポジウム「農業革新」

10

藤本 憲次郎中部大学

NUMISHEET2018 国際会議

7

9

静岡大学
教授

平成30年9月24日~27日

リュウ レ イ ク ン

田村 進一

立命館大学

平成31年1月23日

教授

深尾 隆則

ヒサ キ

【研究者海外研修助成】…研究者海外研修等に助成【リサイクル研究助成】
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

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
40
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
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

八戸工業高等
専門学校

准教授

アラ イ

ヒロタダ

No.

ナガ イ

ダイスケ

1

新井 宏忠

群馬大学

助教

永井 大介

千葉大学

准教授

和嶋 隆 昌ワ ジマ タカアキ

研究課題

機関名

役職

シ

イシ マ

ツネアキ

イイジマ

アキ ラ

カンバラ

シン ジ

群馬大学

教授

石間 経章

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

飯島 晃良

4

グリーン水素利用を加速する先進型燃料電池の開発

─ 10 ─

期間

所属機関

役職

スモールサイエンスに関する国際会議 2018
ローマ・イタリア

平成30年6月30日~7月8日

ダブリン・アイルランド

平成30年7月29日~8月5日

2018静電気学合同会議
ボストン・アメリカ

氏名

弘前大学
准教授

第37回 国際燃費シンポジウム

氏名（50音）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

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

研修内容・国際会議名

場所

千坂 光陽
岐阜大学

助教

小林 芳成

豊橋技術科学大学

平成30年6月15日~6月23日

助教

西川原 理仁

メイ

1

3

2

3

【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
No.

6

福田 充宏

The 17th International Conference on Global Research and Education

4

5

教授

平成30年11月26日~27日

ノブトモ

山口大学

41

3

氏名

静岡大学

成形加工シンポジア ’18（第26回プラスチック成型加工学会 秋季大会）

ヒ ロ タ ニ ジュン

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

39

平成30年8月18日~20日

マサヒト

29 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

36

2

所属機関

役職

15th Joint Symposium among Sister Universities in Mechanical Engineering (JSSUME2018)

名波 則路

27 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

35 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

研修内容・国際会議名
期間

メイ

岐阜大学

教授

神原 信志

横浜国立大学

准教授

松澤 幸一

マツザワ

コウイチ

4

5

6

複合材料に関する欧州会議
アテネ・ギリシャ

平成30年6月24日~6月28日

九州大学
助教

第19回国際電子顕微鏡会議

名生 一貴

シドニー・オーストラリア

平成30年9月8日~9月14日

ヒューマンコンピューターインタラクションに関する国際会議
ラスベガス・アメリカ

平成30年7月17日~7月21日

─ 11 ─

富山県立大学
助教

赤嶺 大志
茨城大学

博士前期課程木下 史也

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】…国際シンポジウム等の開催に助成
No.

研究課題

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

シ

機関名

役職

氏名（50音）

茨城大学

准教授

中村 雅史

ナカムラ

No.

マサ シ

1
26 非対称積層を用いた複合材板ばねに関する研究

岐阜大学

助教

ナ ナミ

ノリミチ

ニシカワ

ヒロ シ

九州工業大学助教

西川 宏志

28 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

福井大学

講師

長谷川 達人

ハ

セ ガワ

ヒトスギ

タツヒト

滋賀医科大学教授

一杉 正仁

30 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

東北大学

教授

琵琶 哲志

32 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

ビ

ワ

テツ シ

フジ イ

トモユキ

マツ ダ

トモ キ

33 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

34 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

ミナミ カ ズ ユ キ

教授

南 和幸

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

37 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

38 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

ヨウ

イ ショウ

ワタ リ

島村 佳伸
静岡大学

教授

第17回 塑性加工国際会議

原 和彦

豊橋技術科学大学

平成30年9月16日~19日

教授

10th International Workshop on Combinatorial Materials Science and technology の開催
平成30年10月3日~5日

森 謙一郎

東京理科大学准教授

日本のロボット工学技術の世界への発信とロボット技術者の国際交流
平成30年9月5日~7日

教授

大日方 五郎
東京農工大学

平成30年7月30日~8月3日

教授

桑原 利彦

自動運転セミナー inバンコク

8

名古屋大学

平成30年10月2日~4日

教授

小型自動車の燃料タンク開発に資する研究成果発表会
平成30年10月15日~平成31年9月30日

武田 一哉

大阪大学産業科学研究所
標準化委員会理事長

シンポジウム「農業革新」

10

藤本 憲次郎中部大学

NUMISHEET2018 国際会議

7

9

静岡大学
教授

平成30年9月24日~27日

リュウ レ イ ク ン

田村 進一

立命館大学

平成31年1月23日

教授

深尾 隆則

ヒサ キ

【研究者海外研修助成】…研究者海外研修等に助成【リサイクル研究助成】
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

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
40
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
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

八戸工業高等
専門学校

准教授

アラ イ

ヒロタダ

No.

ナガ イ

ダイスケ

1

新井 宏忠

群馬大学

助教

永井 大介

千葉大学

准教授

和嶋 隆 昌ワ ジマ タカアキ

研究課題

機関名

役職

シ

イシ マ

ツネアキ

イイジマ

アキ ラ

カンバラ

シン ジ

群馬大学

教授

石間 経章

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

飯島 晃良

4

グリーン水素利用を加速する先進型燃料電池の開発

─ 10 ─

期間

所属機関

役職

スモールサイエンスに関する国際会議 2018
ローマ・イタリア

平成30年6月30日~7月8日

ダブリン・アイルランド

平成30年7月29日~8月5日

2018静電気学合同会議
ボストン・アメリカ

氏名

弘前大学
准教授

第37回 国際燃費シンポジウム

氏名（50音）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

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

研修内容・国際会議名

場所

千坂 光陽
岐阜大学

助教

小林 芳成

豊橋技術科学大学

平成30年6月15日~6月23日

助教

西川原 理仁

メイ

1

3

2

3

【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
No.

6

福田 充宏

The 17th International Conference on Global Research and Education

4

5

教授

平成30年11月26日~27日

ノブトモ

山口大学

41

3

氏名

静岡大学

成形加工シンポジア ’18（第26回プラスチック成型加工学会 秋季大会）

ヒ ロ タ ニ ジュン

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

39

平成30年8月18日~20日

マサヒト

29 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

36

2

所属機関

役職

15th Joint Symposium among Sister Universities in Mechanical Engineering (JSSUME2018)

名波 則路

27 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

35 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

研修内容・国際会議名
期間

メイ

岐阜大学

教授

神原 信志

横浜国立大学

准教授

松澤 幸一

マツザワ

コウイチ

4

5

6

複合材料に関する欧州会議
アテネ・ギリシャ

平成30年6月24日~6月28日

九州大学
助教

第19回国際電子顕微鏡会議

名生 一貴

シドニー・オーストラリア

平成30年9月8日~9月14日

ヒューマンコンピューターインタラクションに関する国際会議
ラスベガス・アメリカ

平成30年7月17日~7月21日

─ 11 ─

富山県立大学
助教

赤嶺 大志
茨城大学

博士前期課程

木下 史也

No.
7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

研修内容・国際会議名

場所

期間

所属機関

役職

インターナショナルカンファレンス オン パワーエレクトロニクス アンド モーションコントロール
ブタペスト・ハンガリー

平成30年8月26日~8月30日

茨城大学
博士前期課程先進材料の加工および製造に関する国際会議（サーメック2018）
パリ・フランス

平成30年7月7日~7月15日

平成30年6月17日~6月24日

第6回 ヨーロッパ結晶成長会議
ヴァルナ・ブルガリア

平成30年9月14日~9月21日

講師

阪本 辰顕
岐阜大学

助教

名波 則路

国立研究開発法人 物質・材料研究機構
NIMSポスドク研究員

第37回 中国制御会議
武漢市・中国教授（特任）

第20回 先進鉄鋼材料に関する国際会議
平成30年8月13日~8月14日

平成30年8月19日~8月23日

教授

岡安 光博
千葉大学

准教授

第16回 国際伝熱学会
北京・中国

糸井 貴臣

室蘭工業大学

平成30年8月9日~8月16日

教授

今井 良二

ER流体 MR流体等電磁流体に関する国際会議 2018
メリーランド・アメリカ

平成30年7月16日~7月20日

国際高分子学会、MACRO 2018
ケアンズ・オーストラリア

平成30年7月1日~7月5日

静岡大学
准教授

本澤 政明

名古屋工業大学
助教

信川 省吾

第7回ヨーロッパ計算流体力学会議
グラスゴー・イギリス

平成30年6月9日~6月17日

信州大学
准教授

吉田 尚史

第2回アジア国際テスト会議
ハルビン・中国

平成30年8月14日~8月18日

群馬大学
修士1年

先端材料プロセス及び製造に関する国際会議
パリ・フランス

平成30年7月7日~7月15日

平成30年9月15日~9月23日

准教授

平成30年9月2日~9月7日

サンアンドレス･ボリビア国立大学科学技術学部主催「国際芸術シンポジウム」
ラパス・ボリビア多民族国

平成30年9月6日~9月18日

第47回 国際騒音制御工学会議
シカゴ・アメリカ

平成30年8月25日~8月31日

教授

佐々木 一哉
弘前大学

教授

新村 潔人

大分県立芸術文化短期大学教授

綾部 誠
広島市立大学

大学院生

フォトニック通信における信号処理会議
チューリッヒ・スイス

平成30年7月2日~7月8日

─ 12 ─

佐藤 英樹
弘前大学

第69回 国際電気化学学会
ボローニャ・イタリア

町田 恒介
三重大学

第30回核融合技術シンポジウム
シシリア・イタリア

渡辺 桂吾

岡山大学

第13回 先端材料の超塑性に関する国際会議
サンクトペテルブルグ・ロシア

森 雄飛

岡山大学

平成30年7月23日~7月28日

プラハ・チェコスロバキア

吉野 功司

愛媛大学

北米における生産技術に関する国際会議
テキサス・アメリカ

氏名

山際 納月

No.
25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

研修内容・国際会議名

場所

期間

第32回 ヨーロッパセンサ会議（ユーロセンサ 2018）
グラーツ・オーストリア

平成30年9月8日~9月13日

ハワイ・アメリカ

平成30年11月3日11月9日

博士前期課程平成30年10月12日~10月21日

第20回 音声・コンピュータ国際会議
ライプチィヒ・
ドイツ

平成30年9月17日~9月24日

研究助手

李 鎬式
東北大学

講師

藤原 宏平

北陸先端科学技術大学院
学生

磯山 拓都

第11回 光励起プロセスとその応用に関する国際会議
ヴィロニュス・リトアニア

平成30年9月10日~9月14日

静岡大学
修士1年

第11回 先端燃料電池技術に関するサマースクール
グラーツ・オーストリア

平成30年8月21日~8月25日

水野 文菜

横浜国立大学
博士課程前期

第61回 IEEE 回路とシステムに関するミッドウエスト国際会議
ウインザー・カナダ

平成30年8月13日~8月10日

准教授

小川 覚美
東京大学

平成30年9月30日10月6日

博士課程

第29回 国際輸送現象シンポジウム
ハワイ・アメリカ

平成30年10月28日~11月3日

2018年 材料研究学会秋季大会
ボストン・アメリカ

平成30年11月24日~12月1日

2018年 MRS秋季会議 &展示会
ボストン・アメリカ

平成30年11月24日~12月2日

電子材料およびパッケージングに関する国際会議
香港・中国

平成30年12月16日~12月20日
アジア結晶学連合会議 2018

オークランド・ニュージーランド

平成30年12月2日~12月6日

平成30年10月29日~11月4日

助教胡

平成31年1月6日~1月12日

博士後期課程平成30年11月4日~11月8日

博士前期課程平成30年11月25日~11月30日

山里 敬也

─ 13 ─

宮本 大

大阪府立大学大学院
博士前期課程加島 初徳

東京工業大学助教

藤井 孝太郎
東京理科大学

修士課程2年

山口 賢悟

東北大学
助教

藤田 昂志
東京工業大学講師

第6回 オーストラリア連合材料学会講演会
ウーロンゴン・オーストラリア

森本 凌平

豊橋技術科学大学

国際材料学会連盟（IUMRS）若手先進材料研究者会議
アデレート・オーストラリア

杰

豊橋技術科学大学

米国航空宇宙学会サイテックフォーラム
カリフォルニア・アメリカ

浅川 純

北見工業大学

第29回 輸送現象に関する国際シンポジウム
ハワイ・アメリカ

角 恭伍

山梨大学

第69回 国際宇宙会議
ブレーメン・
ドイツ

王 遠偉

早稲田大学

第7回 透明導電性材料に関する国際シンポジウム
クレタ島・ギリシャ

氏名

関東学院大学

第21回 高速道路交通システム国際会議

名古屋大学
教授

所属機関

役職

松田 晃史
熊本大学

教授

安藤 新二

No.
7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

研修内容・国際会議名

場所

期間

所属機関

役職

インターナショナルカンファレンス オン パワーエレクトロニクス アンド モーションコントロール
ブタペスト・ハンガリー

平成30年8月26日~8月30日

茨城大学
博士前期課程先進材料の加工および製造に関する国際会議（サーメック2018）
パリ・フランス

平成30年7月7日~7月15日

平成30年6月17日~6月24日

第6回 ヨーロッパ結晶成長会議
ヴァルナ・ブルガリア

平成30年9月14日~9月21日

講師

阪本 辰顕
岐阜大学

助教

名波 則路

国立研究開発法人 物質・材料研究機構
NIMSポスドク研究員

第37回 中国制御会議
武漢市・中国教授（特任）

第20回 先進鉄鋼材料に関する国際会議
平成30年8月13日~8月14日

平成30年8月19日~8月23日

教授

岡安 光博
千葉大学

准教授

第16回 国際伝熱学会
北京・中国

糸井 貴臣

室蘭工業大学

平成30年8月9日~8月16日

教授

今井 良二

ER流体 MR流体等電磁流体に関する国際会議 2018
メリーランド・アメリカ

平成30年7月16日~7月20日

国際高分子学会、MACRO 2018
ケアンズ・オーストラリア

平成30年7月1日~7月5日

静岡大学
准教授

本澤 政明

名古屋工業大学
助教

信川 省吾

第7回ヨーロッパ計算流体力学会議
グラスゴー・イギリス

平成30年6月9日~6月17日

信州大学
准教授

吉田 尚史

第2回アジア国際テスト会議
ハルビン・中国

平成30年8月14日~8月18日

群馬大学
修士1年

先端材料プロセス及び製造に関する国際会議
パリ・フランス

平成30年7月7日~7月15日

平成30年9月15日~9月23日

准教授

平成30年9月2日~9月7日

サンアンドレス･ボリビア国立大学科学技術学部主催「国際芸術シンポジウム」
ラパス・ボリビア多民族国

平成30年9月6日~9月18日

第47回 国際騒音制御工学会議
シカゴ・アメリカ

平成30年8月25日~8月31日

教授

佐々木 一哉
弘前大学

教授

新村 潔人

大分県立芸術文化短期大学教授

綾部 誠
広島市立大学

大学院生

フォトニック通信における信号処理会議
チューリッヒ・スイス

平成30年7月2日~7月8日

─ 12 ─

佐藤 英樹
弘前大学

第69回 国際電気化学学会
ボローニャ・イタリア

町田 恒介
三重大学

第30回核融合技術シンポジウム
シシリア・イタリア

渡辺 桂吾

岡山大学

第13回 先端材料の超塑性に関する国際会議
サンクトペテルブルグ・ロシア

森 雄飛

岡山大学

平成30年7月23日~7月28日

プラハ・チェコスロバキア

吉野 功司

愛媛大学

北米における生産技術に関する国際会議
テキサス・アメリカ

氏名

山際 納月

No.
25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

研修内容・国際会議名

場所

期間

第32回 ヨーロッパセンサ会議（ユーロセンサ 2018）
グラーツ・オーストリア

平成30年9月8日~9月13日

ハワイ・アメリカ

平成30年11月3日11月9日

博士前期課程平成30年10月12日~10月21日

第20回 音声・コンピュータ国際会議
ライプチィヒ・
ドイツ

平成30年9月17日~9月24日

研究助手

李 鎬式
東北大学

講師

藤原 宏平

北陸先端科学技術大学院
学生

磯山 拓都

第11回 光励起プロセスとその応用に関する国際会議
ヴィロニュス・リトアニア

平成30年9月10日~9月14日

静岡大学
修士1年

第11回 先端燃料電池技術に関するサマースクール
グラーツ・オーストリア

平成30年8月21日~8月25日

水野 文菜

横浜国立大学
博士課程前期

第61回 IEEE 回路とシステムに関するミッドウエスト国際会議
ウインザー・カナダ

平成30年8月13日~8月10日

准教授

小川 覚美
東京大学

平成30年9月30日10月6日

博士課程

第29回 国際輸送現象シンポジウム
ハワイ・アメリカ

平成30年10月28日~11月3日

2018年 材料研究学会秋季大会
ボストン・アメリカ

平成30年11月24日~12月1日

2018年 MRS秋季会議 &展示会
ボストン・アメリカ

平成30年11月24日~12月2日

電子材料およびパッケージングに関する国際会議
香港・中国

平成30年12月16日~12月20日
アジア結晶学連合会議 2018

オークランド・ニュージーランド

平成30年12月2日~12月6日

平成30年10月29日~11月4日

助教胡

平成31年1月6日~1月12日

博士後期課程平成30年11月4日~11月8日

博士前期課程平成30年11月25日~11月30日

山里 敬也

─ 13 ─

宮本 大

大阪府立大学大学院
博士前期課程加島 初徳

東京工業大学助教

藤井 孝太郎
東京理科大学

修士課程2年

山口 賢悟

東北大学
助教

藤田 昂志
東京工業大学講師

第6回 オーストラリア連合材料学会講演会
ウーロンゴン・オーストラリア

森本 凌平

豊橋技術科学大学

国際材料学会連盟（IUMRS）若手先進材料研究者会議
アデレート・オーストラリア

杰

豊橋技術科学大学

米国航空宇宙学会サイテックフォーラム
カリフォルニア・アメリカ

浅川 純

北見工業大学

第29回 輸送現象に関する国際シンポジウム
ハワイ・アメリカ

角 恭伍

山梨大学

第69回 国際宇宙会議
ブレーメン・
ドイツ

王 遠偉

早稲田大学

第7回 透明導電性材料に関する国際シンポジウム
クレタ島・ギリシャ

氏名

関東学院大学

第21回 高速道路交通システム国際会議

名古屋大学
教授

所属機関

役職

松田 晃史
熊本大学

教授

安藤 新二

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

2－5．基本財産 及び 運営資金

（１）海外よりの研究留学者の受け入れ

本年度の経常収益は、基本財産運用収入が、233,526千円、寄附金収入が5,500千円、雑収入が4千円の本年度よりインドからの受け入れ事業を開始し、インド工科大学より静岡大学、インド科学大学より豊橋技

合計239,030千円であった。

術科学大学へ研究者を招聘した。

一方、経常費用は、研究助成等の事業費に136,014 千円、管理費に18,351 千円、合計 154,365 千円で、

① Sushmee Badhulika（スシミー・バドリカ）インド工科大学ハイデラバード校電子工学科 助教授

差引84,666 千円のプラス収支となった。

（期間：平成30年4月1日～平成30年7月31日）

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1,512,826千円減少し、10,840,883

受入教官：静岡大学大学院総合科学技術研究科千円であった。

孔

（こう）

昌一

教授

（しょういち）研究テーマ：グラフェン複合材料を用いたフレキシブル高感度電気化学センサーの開発② Tikas Gaurav Dilip（ティカス・ガウラブ・デリップ）インド科学大学バンガロール校大学院⃝2018年度（平成30年度）決算概要
貸借対照表（2019.3.31現在）

経営学研究科博士課程

科目（期間：平成30年4月～平成31年3月）

金額

科目

Ⅰ. 資産の部

受入教官：豊橋技術科学大学・総合教育院
藤原（ふじわら） 孝男（たかお） 教授
研究テーマ：バンガロールと日本との IT・自動車部品・光工学等の技術系ベンチャー生態系の
			

単位：千円

強靭性の技術管理的比較研究（２）国際自動車センター機構（i-ACE）への助成事業についてを実施した。

Ⅱ. 負債の部

流動資産

91,353

固定資産

10,749,530

基本財産(10,591,030)

特定資産(158,500)

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

金額

資産合計

流動負債

0

負債合計

0

Ⅲ. 正味財産の部
指定正味財産7,488,599

一般正味財産3,352,284

正味財産合計10,840,883

10,840,883

負債及び正味財産合計

10,840,883（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。

・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

正味財産増減計算書（2019.3.31現在）
・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

科目

所 ：インド、
グジャラート州

基本財産運用益・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

受取寄附金

2－4． 付帯事業

経常収益計（１）財団機関誌「財団ニュース」の発行

事業費第45号は「エンジン・ハイブリッド・EV の将来─自動車用パワートレインのベストミックスを考える」を特集として平成30年8月に発行、大学を始めとする研究機関・関係部署に配布した。
（２）研究発表会等の開催

2

平成31年2月4日(月 )レーザ計測によるピストン周りの油膜評価
可視化画像から見たオイル上がり経路
高張力鋼板の冷間プレス成形技術および、抗張力鋼板の機械的接合

講師
群馬大学

石間 経章 教授／鈴木 秀和 講師

豊橋技術科学大学

233,526

239,030
136,014

研究助成事業費(82,420)

科学的研究成果の普及助成事業(11,200)

外国人の科学的研究・研修助成事業費(31,242)△560,586△475,921

当期経常外増減額△27

当期一般正味財産増減額△475,948

Ⅱ. 指定正味財産増減の部

1,036,877

Ⅲ. 正味財産期末残高

154,365（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。

森 謙一郎教授（３）研究助成金贈呈式及び技術者交流会の開催
平成 31 年 2月１5日、浜松市（グランドホテル浜松）において、平成 30 年度科学技術研究助成者 41 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・関係技術者が多数出席し、助成者との研究交流会を開催した。

─ 14 ─

84,666

当期経常増減額

18,351
経常費用計

金額

評価損益等計(11,151)

管理費

テーマ

評価損益等調整前当期経常増減額

4

付帯事業費

研究助成者等の発表研究会及び講演会を2回開催した。

平成30年7月26日(木 )

科目

5,500

雑収益

１

金額

Ⅰ. 一般正味財産増減の部

・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

開催日

単位：千円単位─ 15 ─

10,840,883

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

2－5．基本財産 及び 運営資金

（１）海外よりの研究留学者の受け入れ

本年度の経常収益は、基本財産運用収入が、233,526千円、寄附金収入が5,500千円、雑収入が4千円の本年度よりインドからの受け入れ事業を開始し、インド工科大学より静岡大学、インド科学大学より豊橋技

合計239,030千円であった。

術科学大学へ研究者を招聘した。

一方、経常費用は、研究助成等の事業費に136,014 千円、管理費に18,351 千円、合計 154,365 千円で、

① Sushmee Badhulika（スシミー・バドリカ）インド工科大学ハイデラバード校電子工学科 助教授

差引84,666 千円のプラス収支となった。

（期間：平成30年4月1日～平成30年7月31日）

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1,512,826千円減少し、10,840,883

受入教官：静岡大学大学院総合科学技術研究科千円であった。

孔

（こう）

昌一

教授

（しょういち）研究テーマ：グラフェン複合材料を用いたフレキシブル高感度電気化学センサーの開発② Tikas Gaurav Dilip（ティカス・ガウラブ・デリップ）インド科学大学バンガロール校大学院⃝2018年度（平成30年度）決算概要
貸借対照表（2019.3.31現在）

経営学研究科博士課程

科目（期間：平成30年4月～平成31年3月）

金額

科目

Ⅰ. 資産の部

受入教官：豊橋技術科学大学・総合教育院
藤原（ふじわら） 孝男（たかお） 教授
研究テーマ：バンガロールと日本との IT・自動車部品・光工学等の技術系ベンチャー生態系の
			

単位：千円

強靭性の技術管理的比較研究（２）国際自動車センター機構（i-ACE）への助成事業についてを実施した。

Ⅱ. 負債の部

流動資産

91,353

固定資産

10,749,530

基本財産(10,591,030)

特定資産(158,500)

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

金額

資産合計

流動負債

0

負債合計

0

Ⅲ. 正味財産の部
指定正味財産7,488,599

一般正味財産3,352,284

正味財産合計10,840,883

10,840,883

負債及び正味財産合計

10,840,883（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。

・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

正味財産増減計算書（2019.3.31現在）
・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

科目

所 ：インド、
グジャラート州

基本財産運用益・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

受取寄附金

2－4． 付帯事業

経常収益計（１）財団機関誌「財団ニュース」の発行

事業費第45号は「エンジン・ハイブリッド・EV の将来─自動車用パワートレインのベストミックスを考える」を特集として平成30年8月に発行、大学を始めとする研究機関・関係部署に配布した。
（２）研究発表会等の開催

2

平成31年2月4日(月 )レーザ計測によるピストン周りの油膜評価
可視化画像から見たオイル上がり経路
高張力鋼板の冷間プレス成形技術および、抗張力鋼板の機械的接合

講師
群馬大学

石間 経章 教授／鈴木 秀和 講師

豊橋技術科学大学

233,526

239,030
136,014

研究助成事業費(82,420)

科学的研究成果の普及助成事業(11,200)

外国人の科学的研究・研修助成事業費(31,242)△560,586△475,921

当期経常外増減額△27

当期一般正味財産増減額△475,948

Ⅱ. 指定正味財産増減の部

1,036,877

Ⅲ. 正味財産期末残高

154,365（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。

森 謙一郎教授（３）研究助成金贈呈式及び技術者交流会の開催
平成 31 年 2月１5日、浜松市（グランドホテル浜松）において、平成 30 年度科学技術研究助成者 41 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・関係技術者が多数出席し、助成者との研究交流会を開催した。

─ 14 ─

84,666

当期経常増減額

18,351
経常費用計

金額

評価損益等計(11,151)

管理費

テーマ

評価損益等調整前当期経常増減額

4

付帯事業費

研究助成者等の発表研究会及び講演会を2回開催した。

平成30年7月26日(木 )

科目

5,500

雑収益

１

金額

Ⅰ. 一般正味財産増減の部

・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

開催日

単位：千円単位─ 15 ─

10,840,883

■
3 2017年（平成 29 年）度 研究成果報告

─ 17 ─

3 2017年（平成29年）度の研究成果報告
3－１．2017年（平成29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）豊橋技術科学大学

助教

青葉 知弥

東京都市大学

准教授

No.

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）

頁

千葉大学

教授

田中 学

ガク

P.54

和歌山工業
高等専門学校

助教

田邉 大貴

タ ナベ

ダイ キ

P.56

アオ バ

トモ ヤ

P.20

18

相変化マイクロカプセル懸濁液を利用した振動型熱輸送管の開発研究

伊東 明美

イ トウ

アケ ミ

P.22

19

ハイブリッド融着接合法による熱可塑性 CFRPと金属の融着接合挙動の評価

イワモト

シン ジ

P.24

20

高耐久酸化物担体の高速低温合成とこれを用いた全酸化物燃料電池触媒の高性能化

弘前大学

准教授

千坂 光陽

チ サカ

ミツハル

P.58

トモマサ

P.26

21

乱流予混合火炎の光学計測における革新的な精度向上を目指す DNS数値計測

岡山大学

助教

坪井 和也

ツボ イ

カズ ヤ

P.60

トモ

P.28

22

能動的流れ制御技術を用いた3次元ブラフボディに作用する空気力の安定化

広島大学

助教

中島 卓司

ナカシマ

タク ジ

P.62

カド イ

コウ タ

P.30

23

Li金属二次電池用 Liデンドライト析出検知セパレータの析出検知過程の可視化

早稲田大学

准教授

奈良 洋希

ナ

ラ

ヒロ キ

P.64

カ トウ

フミヒト

P.32

24

1指駆動形インテリジェント装飾電動手指義手の研究開発~ステアリング操作によりドライバビリティを実感できる
新たな義手を目指して ~静岡理工科大学

准教授

野﨑 孝志

ノ ザキ

タカ シ

P.66

木口 賢紀

キ グチ

タカノリ

P.34

25

乱流熱流動場における革新的トポロジー最適化手法の開発と実証

東京大学

准教授

長谷川 洋介

ハ

P.68

ク

アキヒサ

P.36

26

アモルファス合金ナノ粒子の創製と自動車触媒・電子実装への応用

東北大学

准教授

林 大和

河野 仁

ヒトシ

P.38

27

ラマン分光法を用いたプラスチック材料の非破壊劣化診断技術の開発

金沢大学

助教

比江嶋 祐介ゴ トウ ダ

P.40

28

多次元情報からの知識獲得による自動車乗員拘束システム設計の高度化

山梨大学

助教

堀井 宏祐

ホリ イ

ヒロスケ

P.74

小西 啓治

ケイ ジ

P.42

29

永久ヒューズ用導電フィラー分散ポリマーに関する研究

大阪市立大学

教授

堀邊 英夫

ホリ ベ

ヒデ オ

P.76

小林 謙一

コ バヤシ ケ ン イ チ

P.44

30

燃費向上を指向したファインバブル含有燃料の定量的評価

静岡大学

教授

間瀬 暢之

マ

セ

ノブユキ

P.78

斎藤 隆泰

サイトウ

タカヒロ

P.46

31

異方性 CFRP積層板の落錘衝撃アシストによるパンチプレス加工法の開発

香川大学

講師

松田 伸也

マツ ダ

シン ヤ

P.80

島村 佳伸

シマムラ

ヨシノブ

P.48

32

高齢者の自律神経機能モニターによる交通事故と心血管イベント発症予防

東北大学

教授

山家 智之

ヤン ベ

トモユキ

P.82

杉原 達哉

スギハラ

タツ ヤ

P.50

33

予混合圧縮着火機関におけるシリンダ内イオン電流分布の計測

北九州市立大学

教授

吉山 定見

ヨシヤマ

サダ ミ

P.84

タカハシ

マサカズ

P.52

1

希土類元素含有高強度アルミニウム合金の開発

2エンジンの燃焼室壁面から蒸発する潤滑油消費に関する研究

3

ソルボサーマル法による高機能環境浄化触媒材料の創製

群馬大学

准教授

岩本 伸司

4

レーザを用いた金属材料の3Dプリンタ技術の現象理解と最適化のための多相流解析

東京工科大学講師

大久保 友雅5

マルチマテリアル化のための実用高強度アルミニウム合金と鋼の異材接合技術の開発

大阪大学

准教授

小椋 智

6

凝固過程制御によるステンレス鋼の溶接割れ発生防止と特性制御

大阪大学

准教授

門井 浩太

7

磁性流体シールド型スラスト軸受けを搭載した
電磁駆動マイクロポンプの開発

日本工業大学

准教授

加藤 史仁

8

弾性的拘束を利用した準安定斜方晶相 ZrO2-HfO2
新奇強誘電体薄膜の創製

東北大学

准教授

9

次世代車載用パワー半導体基板の高能率加工方法

熊本大学

准教授

久保田 章亀

10

学習ロボットにおける知識の再利用度合い
オートチューニング手法の開発

東京工芸大学助教

11

機械学習を用いた燃焼不安定の早期検知技術の開発

東京理科大学

准教授

後藤田 浩

12

結合発振器の同期現象を活用した車両群の自己修復フォーメンション制御

大阪府立大学教授

13

極微小サンプル試験片による高温部材のクリープ強度
および余寿命評価法

千葉大学

教授

14

レーザー超音波を用いた定量的 visualized
非破壊検査システムの開発

群馬大学

准教授

15

自動車エンジン用ばね鋼の超高サイクルねじり疲労強度に及ぼす
平均ねじり応力の影響の評価

静岡大学

教授

16

“材料組織構造 ”と“微細表面構造 ”に着目した
次世代 CBN工具の開発

大阪大学

講師

17

FMEA,FTA,HAZOPを連携させた組込み制御ソフトウェアの安全性解析手法

山梨大学

教授

高橋 正和

─ 18 ─

頁

オオ ク

ボ

オ グラ

ボ

タ

コウ ノ

コ ニシ

ヒロシ

─ 19 ─

タ ナカ

セ ガワ

ハヤシ

ヒ

ヨウスケ

ヤ マ ト

エ ジマ

ユウスケ

P.70

P.72

3 2017年（平成29年）度の研究成果報告
3－１．2017年（平成29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）豊橋技術科学大学

助教

青葉 知弥

東京都市大学

准教授

No.

研究課題

シ

メイ

機関名

役職

氏名（50音）

頁

千葉大学

教授

田中 学

ガク

P.54

和歌山工業
高等専門学校

助教

田邉 大貴

タ ナベ

ダイ キ

P.56

アオ バ

トモ ヤ

P.20

18

相変化マイクロカプセル懸濁液を利用した振動型熱輸送管の開発研究

伊東 明美

イ トウ

アケ ミ

P.22

19

ハイブリッド融着接合法による熱可塑性 CFRPと金属の融着接合挙動の評価

イワモト

シン ジ

P.24

20

高耐久酸化物担体の高速低温合成とこれを用いた全酸化物燃料電池触媒の高性能化

弘前大学

准教授

千坂 光陽

チ サカ

ミツハル

P.58

トモマサ

P.26

21

乱流予混合火炎の光学計測における革新的な精度向上を目指す DNS数値計測

岡山大学

助教

坪井 和也

ツボ イ

カズ ヤ

P.60

トモ

P.28

22

能動的流れ制御技術を用いた3次元ブラフボディに作用する空気力の安定化

広島大学

助教

中島 卓司

ナカシマ

タク ジ

P.62

カド イ

コウ タ

P.30

23

Li金属二次電池用 Liデンドライト析出検知セパレータの析出検知過程の可視化

早稲田大学

准教授

奈良 洋希

ナ

ラ

ヒロ キ

P.64

カ トウ

フミヒト

P.32

24

1指駆動形インテリジェント装飾電動手指義手の研究開発~ステアリング操作によりドライバビリティを実感できる
新たな義手を目指して ~静岡理工科大学

准教授

野﨑 孝志

ノ ザキ

タカ シ

P.66

木口 賢紀

キ グチ

タカノリ

P.34

25

乱流熱流動場における革新的トポロジー最適化手法の開発と実証

東京大学

准教授

長谷川 洋介

ハ

P.68

ク

アキヒサ

P.36

26

アモルファス合金ナノ粒子の創製と自動車触媒・電子実装への応用

東北大学

准教授

林 大和

河野 仁

ヒトシ

P.38

27

ラマン分光法を用いたプラスチック材料の非破壊劣化診断技術の開発

金沢大学

助教

比江嶋 祐介ゴ トウ ダ

P.40

28

多次元情報からの知識獲得による自動車乗員拘束システム設計の高度化

山梨大学

助教

堀井 宏祐

ホリ イ

ヒロスケ

P.74

小西 啓治

ケイ ジ

P.42

29

永久ヒューズ用導電フィラー分散ポリマーに関する研究

大阪市立大学

教授

堀邊 英夫

ホリ ベ

ヒデ オ

P.76

小林 謙一

コ バヤシ ケ ン イ チ

P.44

30

燃費向上を指向したファインバブル含有燃料の定量的評価

静岡大学

教授

間瀬 暢之

マ

セ

ノブユキ

P.78

斎藤 隆泰

サイトウ

タカヒロ

P.46

31

異方性 CFRP積層板の落錘衝撃アシストによるパンチプレス加工法の開発

香川大学

講師

松田 伸也

マツ ダ

シン ヤ

P.80

島村 佳伸

シマムラ

ヨシノブ

P.48

32

高齢者の自律神経機能モニターによる交通事故と心血管イベント発症予防

東北大学

教授

山家 智之

ヤン ベ

トモユキ

P.82

杉原 達哉

スギハラ

タツ ヤ

P.50

33

予混合圧縮着火機関におけるシリンダ内イオン電流分布の計測

北九州市立大学

教授

吉山 定見

ヨシヤマ

サダ ミ

P.84

タカハシ

マサカズ

P.52

1

希土類元素含有高強度アルミニウム合金の開発

2エンジンの燃焼室壁面から蒸発する潤滑油消費に関する研究

3

ソルボサーマル法による高機能環境浄化触媒材料の創製

群馬大学

准教授

岩本 伸司

4

レーザを用いた金属材料の3Dプリンタ技術の現象理解と最適化のための多相流解析

東京工科大学講師

大久保 友雅5

マルチマテリアル化のための実用高強度アルミニウム合金と鋼の異材接合技術の開発

大阪大学

准教授

小椋 智

6

凝固過程制御によるステンレス鋼の溶接割れ発生防止と特性制御

大阪大学

准教授

門井 浩太

7

磁性流体シールド型スラスト軸受けを搭載した
電磁駆動マイクロポンプの開発

日本工業大学

准教授

加藤 史仁

8

弾性的拘束を利用した準安定斜方晶相 ZrO2-HfO2
新奇強誘電体薄膜の創製

東北大学

准教授

9

次世代車載用パワー半導体基板の高能率加工方法

熊本大学

准教授

久保田 章亀

10

学習ロボットにおける知識の再利用度合い
オートチューニング手法の開発

東京工芸大学助教

11

機械学習を用いた燃焼不安定の早期検知技術の開発

東京理科大学

准教授

後藤田 浩

12

結合発振器の同期現象を活用した車両群の自己修復フォーメンション制御

大阪府立大学教授

13

極微小サンプル試験片による高温部材のクリープ強度
および余寿命評価法

千葉大学

教授

14

レーザー超音波を用いた定量的 visualized
非破壊検査システムの開発

群馬大学

准教授

15

自動車エンジン用ばね鋼の超高サイクルねじり疲労強度に及ぼす
平均ねじり応力の影響の評価

静岡大学

教授

16

“材料組織構造 ”と“微細表面構造 ”に着目した
次世代 CBN工具の開発

大阪大学

講師

17

FMEA,FTA,HAZOPを連携させた組込み制御ソフトウェアの安全性解析手法

山梨大学

教授

高橋 正和

─ 18 ─

頁

オオ ク

ボ

オ グラ

ボ

タ

コウ ノ

コ ニシ

ヒロシ

─ 19 ─

タ ナカ

セ ガワ

ハヤシ

ヒ

ヨウスケ

ヤ マ ト

エ ジマ

ユウスケ

P.70

P.72

公益財団法人 スズキ財団 平成 29 年度 研究報告書概要

希土類元素含有高強度アルミニウム合金の開発
Development of high strength aluminum alloy containing rare earth element
青葉 知弥, Aoba Tomoya
豊橋技術科学大学 機械工学系, Department of Mechanical Engineering, Toyohashi
University of Technology, Toyohashi 441-8580

微視組織観察と機械的特性試験を行った。組織
観察には、結晶方位分散分析装置（SEM-EBSD）を用いた。機械的特性試験は、引張試験を実施した。
2.3 実験結果
両合金の MDF 材(低累積ひずみ域 ΣΔε = 0.6)の EBSD マップを Fig.1 に示す。両合金ともにFig. 2 SEM-EBSD maps of (a) Al-Mg-Sc and (b)結晶粒内に変形帯が観察された。Al-Mg-Sc と

The changes in microstructure and mechanical properties of Al-Mg-Sc and Al-Mg alloys duringmulti-directional forging (MDFing) were systematically investigated. The average grain size after MDFing of

Al-Mg の変形帯の幅は、それぞれ 2-20 μm と 3-30

Al-Mg alloys MDFed to ΣΔε=1.8.

μm であり、Al-Mg-Sc の変形帯の幅は Al-Mg と

Al-Mg-Sc and Al-Mg alloys to a cummulative strain of ΣΔε = 6.0 was reduced from 182 µm and 158 µm down

比較して狭い。変形帯内外の結晶方位差は小角

両合金の引張試験で得られた降伏応力のto 0.91 μm and 1.5 μm. Addition of Sc induced more effective grain fragmentation due to shear banding. The

粒界が主であり、一部は大角粒界であった。そMDF による変化を Fig.3 に示す。両合金の降伏

yield strengths gradually increased with increasing cumulative strain of MDFing. Those alloys MDFed to ΣΔε =れに加えて、Al-Mg-Sc では、結晶粒を斜め 30-35

応力は、MDF による累積ひずみ増加に伴い単調

6.0 exhibited yield strengths of 403 MPa and 376 MPa, respectively. The higher tensile strength of the MDFed

度方向に横断する幅 2 μm 以下のせん断帯が多増加した。ΣΔε = 6 の MDF により、Al-Mg-Sc

Al-Mg-Sc alloy was attributed to finer grain size than that of Al-Mg one as well as solid-solution hardening due

数観察された。Al-Mg の MDF 材（ΣΔε = 0.6）と Al-Mg の降伏応力はそれぞれ 403 MPa と 376

to Sc.

では、粒界を横切るせん断帯は確認されない。

MPa まで増大した。これは、MDF による加工
硬化と結晶粒超微細化によると考えられる。まKey Words：aluminium alloy, scandium, multi-directional forging, shear band, severe plastic deformation

た、両合金の降伏応力の増加度合は、低累積ひずみ域で顕著に差が表れた。特に、ΣΔε = 1.8 で

1 研究概要

は、Al-Mg-Sc の降伏応力は Al-Mg に比べ 66 MPa

巨大ひずみ加工による種々の合金の超高強度化が様々な手法により達成されているが、その多くが高い値を示した。この Al-Mg-Sc と Al-Mg の指先サイズの小さな試験片であり実用的でない。実用サイズの高強度バルク材が作製可能な多軸鍛造

MDF による強度増加の違いは、組織観察の結果

法により、高強度と高延性を有する超微細粒 Al 合金を作製するため、多軸鍛造時の結晶粒微細化機構

から分かるように、Sc の固溶がすべり変形を抑を調査した。

制することで微細かつ多数のせん断帯が結晶粒を分断し、かつその帯内部で新粒が形成し、結Fig. 1 SEM-EBSD maps of (a) Al-Mg-Sc and (b)2 結果概要

晶粒微細化を促した結果である。

Al-Mg alloys multi-directionally forged to ΣΔε=0.6.

多量の資源を使用する車両や航空機にとって、大きいスカンジウムを添加することで転位運動

軽くて強い材料開発は、資源・エネルギー問題を阻害し、結晶粒微細化を促すことが期待されに直結する課題である。アルミニウム合金は、る。本研究では、スカンジウム添加したアルミ

高比強度材料であるため輸送機器分野での需要

ニウム合金において、MDF 時の結晶粒微細化機が高い。近年では、巨大ひずみ加工法による結構を調査することで、高強度アルミニウム合金

晶粒超微細化による母相強化が試みられており、の開発を目標とした。

高圧ねじり加工(HPT)等の各手法により高強度化が達成されている。しかしながら、HPT で得2.2 実験方法

られた試料では、i)厚さ 1mm に満たない硬貨サ

供試材の Al-2.93mass%Mg-0.2mass%Sc 合金とイズに限定される、ii)原理的に不均一組織が出Al-2.93mass%Mg 合金の熱間圧延板を使用した。

来やすく均一伸びが数%しかない、という問題

以後、これら合金を Al-Mg-Sc と Al-Mg と呼称があり実用は困難である。多軸鍛造法(MDF)は、する。これらの合金をソルトバス中、863 K、7.2

三軸方向からの均等鍛造により、結晶粒組織を

ks の溶体化処理後、ただちに水冷し、時間をあ均一超微細化させ、高強度材料が作製可能であ

けず MDF を行った。MDF 条件は、パス間ひずる。この手法により、マグネシウム合金や純チ

み Δε = 0.6、初期ひずみ速度 1.0×10-2 s-1、最大累タンにおいては、飛躍的な高強度化が報告され

積ひずみ ΣΔε = 6（10 パス）とし、アムスラーている 1,2)。また、アルミニウムと原子半径差の型万能試験機を用いて行った。MDF 前後にて、

─ 20 ─

次に、中累積ひずみ域（ΣΔε = 1.8）の結果を
Fig.2 に示す。Al-Mg-Sc の ΣΔε = 1.8 では、数 μm

Yield stress,  / MPa

2.1 背景

幅のせん断帯が多方向かつ高密度に発生しており、これにより組織全域が数 μm の領域に分断されている。Al-Mg の ΣΔε = 1.8 では、Al-Mg-Scの ΣΔε = 0.6 で観察されたような微細なせん断

400
350
300
250
200
150

帯の形成が確認されたが、Al-Mg-Sc に比べその100

密度は低く、組織の断片化は一部の領域に留ま

50

0

2

3

4

5

6

7

Cumulative strain,  っている。Al-Mg-Sc の MDF 材に形成したせん

Fig. 3 Results of tensile test of the MDFed

断帯を高倍率で観察した EBSD マップを見ると、
せん断帯内部には 1 μm 以下のほぼ等軸の微細1Al-Mg-Sc and Al-Mg alloys.

粒が大角粒界を介して数多く存在することが観察される。これは、せん断帯が新粒形成の優先

参考文献

サイトとなっているためである。Al-Mg-Sc と

1) H. Miura et al., Phil. Mag. Lett., 93 (2013) p.601.

Al-Mg の MDF 材（高累積ひずみ ΣΔε = 6.0）の

2)三浦ら, チタン, 62 (2015) p.191.

平均結晶粒径はそれぞれ 0.91 μm および 1.5 μmであった。

─ 21 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成 29 年度 研究報告書概要

希土類元素含有高強度アルミニウム合金の開発
Development of high strength aluminum alloy containing rare earth element
青葉 知弥, Aoba Tomoya
豊橋技術科学大学 機械工学系, Department of Mechanical Engineering, Toyohashi
University of Technology, Toyohashi 441-8580

微視組織観察と機械的特性試験を行った。組織
観察には、結晶方位分散分析装置（SEM-EBSD）を用いた。機械的特性試験は、引張試験を実施した。
2.3 実験結果
両合金の MDF 材(低累積ひずみ域 ΣΔε = 0.6)の EBSD マップを Fig.1 に示す。両合金ともにFig. 2 SEM-EBSD maps of (a) Al-Mg-Sc and (b)結晶粒内に変形帯が観察された。Al-Mg-Sc と

The changes in microstructure and mechanical properties of Al-Mg-Sc and Al-Mg alloys duringmulti-directional forging (MDFing) were systematically investigated. The average grain size after MDFing of

Al-Mg の変形帯の幅は、それぞれ 2-20 μm と 3-30

Al-Mg alloys MDFed to ΣΔε=1.8.

μm であり、Al-Mg-Sc の変形帯の幅は Al-Mg と

Al-Mg-Sc and Al-Mg alloys to a cummulative strain of ΣΔε = 6.0 was reduced from 182 µm and 158 µm down

比較して狭い。変形帯内外の結晶方位差は小角

両合金の引張試験で得られた降伏応力のto 0.91 μm and 1.5 μm. Addition of Sc induced more effective grain fragmentation due to shear banding. The

粒界が主であり、一部は大角粒界であった。そMDF による変化を Fig.3 に示す。両合金の降伏

yield strengths gradually increased with increasing cumulative strain of MDFing. Those alloys MDFed to ΣΔε =れに加えて、Al-Mg-Sc では、結晶粒を斜め 30-35

応力は、MDF による累積ひずみ増加に伴い単調

6.0 exhibited yield strengths of 403 MPa and 376 MPa, respectively. The higher tensile strength of the MDFed

度方向に横断する幅 2 μm 以下のせん断帯が多増加した。ΣΔε = 6 の MDF により、Al-Mg-Sc

Al-Mg-Sc alloy was attributed to finer grain size than that of Al-Mg one as well as solid-solution hardening due

数観察された。Al-Mg の MDF 材（ΣΔε = 0.6）と Al-Mg の降伏応力はそれぞれ 403 MPa と 376

to Sc.

では、粒界を横切るせん断帯は確認されない。

MPa まで増大した。これは、MDF による加工
硬化と結晶粒超微細化によると考えられる。まKey Words：aluminium alloy, scandium, multi-directional forging, shear band, severe plastic deformation

た、両合金の降伏応力の増加度合は、低累積ひずみ域で顕著に差が表れた。特に、ΣΔε = 1.8 で

1 研究概要

は、Al-Mg-Sc の降伏応力は Al-Mg に比べ 66 MPa

巨大ひずみ加工による種々の合金の超高強度化が様々な手法により達成されているが、その多くが高い値を示した。この Al-Mg-Sc と Al-Mg の指先サイズの小さな試験片であり実用的でない。実用サイズの高強度バルク材が作製可能な多軸鍛造

MDF による強度増加の違いは、組織観察の結果

法により、高強度と高延性を有する超微細粒 Al 合金を作製するため、多軸鍛造時の結晶粒微細化機構

から分かるように、Sc の固溶がすべり変形を抑を調査した。

制することで微細かつ多数のせん断帯が結晶粒を分断し、かつその帯内部で新粒が形成し、結Fig. 1 SEM-EBSD maps of (a) Al-Mg-Sc and (b)2 結果概要

晶粒微細化を促した結果である。

Al-Mg alloys multi-directionally forged to ΣΔε=0.6.

多量の資源を使用する車両や航空機にとって、大きいスカンジウムを添加することで転位運動

軽くて強い材料開発は、資源・エネルギー問題を阻害し、結晶粒微細化を促すことが期待されに直結する課題である。アルミニウム合金は、る。本研究では、スカンジウム添加したアルミ

高比強度材料であるため輸送機器分野での需要

ニウム合金において、MDF 時の結晶粒微細化機が高い。近年では、巨大ひずみ加工法による結構を調査することで、高強度アルミニウム合金

晶粒超微細化による母相強化が試みられており、の開発を目標とした。

高圧ねじり加工(HPT)等の各手法により高強度化が達成されている。しかしながら、HPT で得2.2 実験方法

られた試料では、i)厚さ 1mm に満たない硬貨サ

供試材の Al-2.93mass%Mg-0.2mass%Sc 合金とイズに限定される、ii)原理的に不均一組織が出Al-2.93mass%Mg 合金の熱間圧延板を使用した。

来やすく均一伸びが数%しかない、という問題

以後、これら合金を Al-Mg-Sc と Al-Mg と呼称があり実用は困難である。多軸鍛造法(MDF)は、する。これらの合金をソルトバス中、863 K、7.2

三軸方向からの均等鍛造により、結晶粒組織を

ks の溶体化処理後、ただちに水冷し、時間をあ均一超微細化させ、高強度材料が作製可能であ

けず MDF を行った。MDF 条件は、パス間ひずる。この手法により、マグネシウム合金や純チ

み Δε = 0.6、初期ひずみ速度 1.0×10-2 s-1、最大累タンにおいては、飛躍的な高強度化が報告され

積ひずみ ΣΔε = 6（10 パス）とし、アムスラーている 1,2)。また、アルミニウムと原子半径差の型万能試験機を用いて行った。MDF 前後にて、

─ 20 ─

次に、中累積ひずみ域（ΣΔε = 1.8）の結果を
Fig.2 に示す。Al-Mg-Sc の ΣΔε = 1.8 では、数 μm

Yield stress,  / MPa

2.1 背景

幅のせん断帯が多方向かつ高密度に発生しており、これにより組織全域が数 μm の領域に分断されている。Al-Mg の ΣΔε = 1.8 では、Al-Mg-Scの ΣΔε = 0.6 で観察されたような微細なせん断

400
350
300
250
200
150

帯の形成が確認されたが、Al-Mg-Sc に比べその100

密度は低く、組織の断片化は一部の領域に留ま

50

0

2

3

4

5

6

7

Cumulative strain,  っている。Al-Mg-Sc の MDF 材に形成したせん

Fig. 3 Results of tensile test of the MDFed

断帯を高倍率で観察した EBSD マップを見ると、
せん断帯内部には 1 μm 以下のほぼ等軸の微細1Al-Mg-Sc and Al-Mg alloys.

粒が大角粒界を介して数多く存在することが観察される。これは、せん断帯が新粒形成の優先

参考文献

サイトとなっているためである。Al-Mg-Sc と

1) H. Miura et al., Phil. Mag. Lett., 93 (2013) p.601.

Al-Mg の MDF 材（高累積ひずみ ΣΔε = 6.0）の

2)三浦ら, チタン, 62 (2015) p.191.

平均結晶粒径はそれぞれ 0.91 μm および 1.5 μmであった。

─ 21 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成 29 年度 研究報告書概要

図２に蒸発試験結果と計算結果をあわせて示

昇行程ではそれ以上の量のオイルが摺動面に供す。横軸はオイルを構成する分子の炭素数であ給されていることを示している。下降行程でピり、縦軸は各分子のオイル中のモル分率を示す。

ストンが通過した後のシリンダ上ではオイルが

なお黒線で示すのは試験前のオイルのモル分率

蒸発すると考えられるため、次の上昇行程で摺である。図より、蒸発試験前の炭素数分布に対動面にオイルが供給されるメカニズムの解明は$6WXG\RQ(QJLQH2LO&RQVXPSWLRQLQRUGHUWR(YDSRUDWLRQIURP&\OLQGHU:DOO伊東 明美 $NHPL,WR
東京都市大学 7RN\R&LW\8QLYHUVLW\

し試験後は炭素数が高い側にシフトしているこ

大きな課題である。ここで、油膜からのオイルとが分かる。これは蒸発しやすい分子数の小さ

蒸発計算は、まず油膜厚さを計算したのちに行

い分子がより多く蒸発した結果、このような分われる。そのためこの結果は、オイルの蒸発計布になったと考えられる。また多成分を考慮し算以前に摺動部に残される油膜の厚さを精度よた計算では、熱伝達率 KJ を適切に設定することく予測できる手法の確立が必要であることを示&DOFXODWLRQPHWKRGIRUHVWLPDWLQJHQJLQHRLOFRQVXPSWLRQLVVWURQJO\UHTXLUHG7KHPHFKDQLVP

により、蒸発後のモル分率を予測できることがしている。

RIRLOHYDSRUDWLRQIURPDF\OLQGHUERUHZKLFKLVRQHRIWKHLPSRUWDQWIDFWRUVRIHQJLQHRLO

分かった。

FRQVXPSWLRQZDVDQDO\]HGLQWKLVVWXG\

エンジンの燃焼室壁面から蒸発する潤滑油消費に関する研究



.H\:RUGV：エンジンオイル消費オイル性状蒸発 研究概要
エンジンの潤滑油消費を予測する計算手法の確立は重要な課題である。その一環として、シリンダ壁に付着した油の蒸発メカニズム解明を図る。独自開発の蒸発試験器により混合物である油の蒸発特性を明らかにする。さらに、シリンダに付着した油膜厚さの測定手法を開発し、実機における実際の蒸発の状況を調べ、計算を試みた。
 結果概要

図４ 油膜厚さ測定例（2000 rpm, full load）
 まとめ

図２ 蒸発試験前後のオイル成分変化

 オイルの蒸発試験および多成分を考慮した蒸 蒸発試験
エンジンオイルの蒸発特性を調査するため、

および 0R は式（３）（４）により求められた。

図１に示す装置により蒸発試験を行った。この  

装置の容器内に J のオイルを入れ、℃で（１）

熱した際の試験後のオイル質量を調べた。

Cp:Specific heat at constant pressure of gas
mi:Ratio of evaporation mass fluxes
i:Oil species i in oil

Ysi  NPvi xiWi

 Pv x W P W
i 1

i i

i

g

g



 シリンダに付着した油膜

発計算により、以下のことが分かった。

 図３に示すようにオイルリングに光ファイバ

１）オイルの分子は全ての分子が等しく蒸発すーを埋めレーザー誘起蛍光法（/,) 法）により、るのではなく、分子量の小さい分子がより多く

摺動面の油膜厚さを測定した。ピストンリング

蒸発する。そのため、オイルの蒸発を予測するが通り過ぎた後には摺動部の油膜厚さの約半分

際には、オイルを構成する分子の炭素数毎のモの油膜がシリンダ上に残されることになる。

ル分率を事前に調査し、これを考慮した計算を行うことが必要であることが分かった。

２）多成分を考慮したオイルの蒸発計算により、     （２）蒸発試験により観察されたオイル成分の変化を

精度よく予測できることが分かった。なお計算に用いる熱伝達率の決定については課題を残し



ている。

Ysi:mass fraction of oil species i, Pv:Vapor Pressure,x:mass fraction, W:molecular weight

図１ オイル蒸発試験装置

油膜厚さは異なっており、下降行程より上昇行（３）

オイル蒸発試験装置における蒸発量を理論的

 オイルリング摺動面の油膜厚さ測定により、オイルリング摺動面では下降行程と上昇行程の

図３ オイルリングに埋められた光ファイバー







に求めるため、オイルを構成する分子の炭素数 図４に油膜厚さ測定例を示す。図より油膜厚程の方が、行程中央部では厚い油膜を示した。

分布を考慮した計算を行った。このとき分子は        （４）

さはピストン下降行程（0～180°，360～540°）

シリンダに付着した油膜の厚さはオイルの蒸発で小さく、上昇行程で高い値を示していること

量に影響を及ぼすため、これを精度よく予測でが分かる。これは、下降行程でシリンダ上にはきる手法の確立が必要であることが分かった。

Mi:Evaporation mass of oil species i, A:Evaporation area,
Mo:Total evaporation mass

全て直鎖であると仮定した。式（１）により炭
素数 L の分子の蒸発割合を求めた。式中の <VL
は式（２）により求めた。なお式（２）中の 0L─ 22 ─

薄い油膜しか残されていないにも関わらず、上─ 23 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成 29 年度 研究報告書概要

図２に蒸発試験結果と計算結果をあわせて示

昇行程ではそれ以上の量のオイルが摺動面に供す。横軸はオイルを構成する分子の炭素数であ給されていることを示している。下降行程でピり、縦軸は各分子のオイル中のモル分率を示す。

ストンが通過した後のシリンダ上ではオイルが

なお黒線で示すのは試験前のオイルのモル分率

蒸発すると考えられるため、次の上昇行程で摺である。図より、蒸発試験前の炭素数分布に対動面にオイルが供給されるメカニズムの解明は$6WXG\RQ(QJLQH2LO&RQVXPSWLRQLQRUGHUWR(YDSRUDWLRQIURP&\OLQGHU:DOO伊東 明美 $NHPL,WR
東京都市大学 7RN\R&LW\8QLYHUVLW\

し試験後は炭素数が高い側にシフトしているこ

大きな課題である。ここで、油膜からのオイルとが分かる。これは蒸発しやすい分子数の小さ

蒸発計算は、まず油膜厚さを計算したのちに行

い分子がより多く蒸発した結果、このような分われる。そのためこの結果は、オイルの蒸発計布になったと考えられる。また多成分を考慮し算以前に摺動部に残される油膜の厚さを精度よた計算では、熱伝達率 KJ を適切に設定することく予測できる手法の確立が必要であることを示&DOFXODWLRQPHWKRGIRUHVWLPDWLQJHQJLQHRLOFRQVXPSWLRQLVVWURQJO\UHTXLUHG7KHPHFKDQLVP

により、蒸発後のモル分率を予測できることがしている。

RIRLOHYDSRUDWLRQIURPDF\OLQGHUERUHZKLFKLVRQHRIWKHLPSRUWDQWIDFWRUVRIHQJLQHRLO

分かった。

FRQVXPSWLRQZDVDQDO\]HGLQWKLVVWXG\

エンジンの燃焼室壁面から蒸発する潤滑油消費に関する研究



.H\:RUGV：エンジンオイル消費オイル性状蒸発 研究概要
エンジンの潤滑油消費を予測する計算手法の確立は重要な課題である。その一環として、シリンダ壁に付着した油の蒸発メカニズム解明を図る。独自開発の蒸発試験器により混合物である油の蒸発特性を明らかにする。さらに、シリンダに付着した油膜厚さの測定手法を開発し、実機における実際の蒸発の状況を調べ、計算を試みた。
 結果概要

図４ 油膜厚さ測定例（2000 rpm, full load）
 まとめ

図２ 蒸発試験前後のオイル成分変化

 オイルの蒸発試験および多成分を考慮した蒸 蒸発試験
エンジンオイルの蒸発特性を調査するため、

および 0R は式（３）（４）により求められた。

図１に示す装置により蒸発試験を行った。この  

装置の容器内に J のオイルを入れ、℃で（１）

熱した際の試験後のオイル質量を調べた。

Cp:Specific heat at constant pressure of gas
mi:Ratio of evaporation mass fluxes
i:Oil species i in oil

Ysi  NPvi xiWi

 Pv x W P W
i 1

i i

i

g

g



 シリンダに付着した油膜

発計算により、以下のことが分かった。

 図３に示すようにオイルリングに光ファイバ

１）オイルの分子は全ての分子が等しく蒸発すーを埋めレーザー誘起蛍光法（/,) 法）により、るのではなく、分子量の小さい分子がより多く

摺動面の油膜厚さを測定した。ピストンリング

蒸発する。そのため、オイルの蒸発を予測するが通り過ぎた後には摺動部の油膜厚さの約半分

際には、オイルを構成する分子の炭素数毎のモの油膜がシリンダ上に残されることになる。

ル分率を事前に調査し、これを考慮した計算を行うことが必要であることが分かった。

２）多成分を考慮したオイルの蒸発計算により、     （２）蒸発試験により観察されたオイル成分の変化を

精度よく予測できることが分かった。なお計算に用いる熱伝達率の決定については課題を残し



ている。

Ysi:mass fraction of oil species i, Pv:Vapor Pressure,x:mass fraction, W:molecular weight

図１ オイル蒸発試験装置

油膜厚さは異なっており、下降行程より上昇行（３）

オイル蒸発試験装置における蒸発量を理論的

 オイルリング摺動面の油膜厚さ測定により、オイルリング摺動面では下降行程と上昇行程の

図３ オイルリングに埋められた光ファイバー







に求めるため、オイルを構成する分子の炭素数 図４に油膜厚さ測定例を示す。図より油膜厚程の方が、行程中央部では厚い油膜を示した。

分布を考慮した計算を行った。このとき分子は        （４）

さはピストン下降行程（0～180°，360～540°）

シリンダに付着した油膜の厚さはオイルの蒸発で小さく、上昇行程で高い値を示していること

量に影響を及ぼすため、これを精度よく予測でが分かる。これは、下降行程でシリンダ上にはきる手法の確立が必要であることが分かった。

Mi:Evaporation mass of oil species i, A:Evaporation area,
Mo:Total evaporation mass

全て直鎖であると仮定した。式（１）により炭
素数 L の分子の蒸発割合を求めた。式中の <VL
は式（２）により求めた。なお式（２）中の 0L─ 22 ─

薄い油膜しか残されていないにも関わらず、上─ 23 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成２９年度 研究報告書概要

ソルボサーマル法による高機能環境浄化触媒材料の創製
Preparation of High Performance Environmental Catalyst Materials by The Solvothermal Method
岩本伸司，Shinji Iwamoto
群馬大学大学院理工学府，Graduate School of Science and Technology, Gunma University
Sold catalytic materials are used for environmental purification of air and water, and the developmentof preparation methods thereof is of great importance. In this study, synthesis of ZrO2 nanocrystals by

図1 ソルボサーマル処理で得られた ZrO2 試料の SEM像

the solvothermal method and preparation of rutile-type TiO2 photocatalysts modified with the FeOx
and phosphoric acid were examined. It was found that spherical ZrO2 particles with large surface areas

ター状から高分散した状態に変化したことを示していand large pore volumes in the mesopore region were directly obtained by the thermal treatment of

ると考えられる。酸化チタンの表面に存在するFeOx

zirconium n-propoxide in 1,4-butanediol at 300°
C. The thermal reactions at lower temperatures afforded

種は酸化チタンの光励起により生じた励起電子を捕捉

intermediate compounds having a layered structure, which attributed to the formation of the unique pore

することが報告されている [1]。UV-vis の結果よりリン

system of the products obtained in 1,4-butanediol. As for the rutile-type TiO2 photocatalysts, we found

酸の添加により，
リン酸鉄種が生成し，Fe 種は原子状にthat the photocatalytic activity under visible-light irradiation were significantly enhanced by the addition

高分散化したものと考えられるが，このようなFe 種が光of FeOx and phosphoric acid. It was suggested that the improved photocatalytic activities were due tothe effective charge separation attributed to the dispersed Fe species on the surface of the catalysts.

励起により生じた電子を効率よく捕捉し，励起電子と正図2 得られた ZrO2 球状粒子の細孔径分

孔との再結合を抑制するため，光触媒活性が向上したものと推測される。

Key Words : spherical ZrO2 particles, pore structure, solvothermal method, rutile-type TiO2 photocatalyst,

種の分解・脱離を伴い，ジルコニア微結晶が生成するた

visible-light responsibility, FeOx and phosphate modification

めと推測された。得られた試料は，大きな比表面積と細孔容積を有するため，触媒材料として高性能を示すことが期待される。

1

研究概要 

申請者は，原料成分を有機溶媒中で加熱処理するという独特な無機材料合成法（ソルボサーマル法）について種々研究を進めている。本研究では，ソルボサーマル法の特徴を最大限活用することで，従来品を凌駕する高機能な
新規ナノ触媒材料を新たに創製し，環境浄化触媒として大幅な特性向上を目指す。

2

2.2.	ヘテロ元素ドープルチル型酸化チタンの合成とその可視光応答型光触媒活性
本研究では，
ルチル型酸化チタンナノ結晶に酸化鉄
およびリン酸を含浸法により担持して触媒を調製し，その可視光照射下での光触媒活性を調べた。図 3には，酸化鉄とリン酸を添加した種々のルチル型酸化チタン

結果概要 

図3 FeOx-リン酸修飾ルチル型 TiO2 の光触媒活性

触媒の可視光照射下でのアセトアルデヒド光触媒反2.1.	ソルボサーマル法によるジルコニアナノ結晶の合成

図 2には，
焼成後の試料の窒素吸着測定から得られた

応結果を示す。ルチル型酸化チタンに酸化鉄あるい

吸着等温線と細孔径分布の結果を示す。1,4-BG 中はリン酸のいずれかを添加した試料でも活性の向上

ジルコニウム（IV)テトラ-n-プロポキシドZr（O-n-で合成した試料では，IV 型に分類される吸着等温線が認められたが，酸化鉄の担持後に少量のリン酸担持

4C3H7)（ZNP）
を種々の有機溶媒中（エチレングリコールが得られ，メソ孔域にのみ細孔を有する特異な細孔構を行った試料では，光触媒活性が大幅に向上し，
またリ

（EG），
1,4-ブタンジオール（1,4-BG），
1,5- ペンタンジオー

造をもつことがわかった。メソ細孔をもつ球状 ZrO2 粒ン酸の添加量を増やした試料ではさらに光触媒活性

ル（1,5-PG））に加え，
オートクレーブ中，300°
C で加熱処子の形成機構を明らかにするため，ZNP の 1,4-BG 中，の向上が認められた。図 4には得られた試料の UV-理を行い，結晶子径が約5 nmのZrO2ナノ結晶を得た。

低温でのソルボサーマル処理について検討したところ，

visスペクトルを示す。酸化鉄のみを担持した試料は

図 1には，生成物の SEM 観察の結果を示す。EG や

200 ℃付近では，1,4-BG 由来の有機種とZrO2 からな

400–700 nmに吸収がみられたが，酸化鉄を担持した

1,5-PGを用いて合成した試料では，一次微粒子が凝集る層状の中間体が生成することを見出された。1,4-BG

後にリン酸を担持した試料では可視光域の吸収が小した大きな二次粒子が生成したが，特定の形態は認め

中での反応で得られた生成物が特異な形態と細孔構

さくなり，リン酸の添加量を増やした試料ではさらに可られなかった。これに対し1,4-BGを用いて合成した試造が有するのは，低温域で生成した層状の中間体が，視光域の吸収が減少した。この結果はリン酸の添加に

1. H. Ozaki, S. Iwamoto, M. Inoue, J. Phy. Chem.

料では，粒子径が 5μm 前後の球状粒子が得られた。

高温域で溶融して液滴となり，その後，粒子内部で有機よりルチル型酸化チタン表面にある酸化鉄種がクラス

C, 111, 17061 (2007).

─ 24 ─

図4 FeOx-リン酸修飾ルチル型 TiO2 の UV-Visスペクトル─ 25 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成２９年度 研究報告書概要

ソルボサーマル法による高機能環境浄化触媒材料の創製
Preparation of High Performance Environmental Catalyst Materials by The Solvothermal Method
岩本伸司，Shinji Iwamoto
群馬大学大学院理工学府，Graduate School of Science and Technology, Gunma University
Sold catalytic materials are used for environmental purification of air and water, and the developmentof preparation methods thereof is of great importance. In this study, synthesis of ZrO2 nanocrystals by

図1 ソルボサーマル処理で得られた ZrO2 試料の SEM像

the solvothermal method and preparation of rutile-type TiO2 photocatalysts modified with the FeOx
and phosphoric acid were examined. It was found that spherical ZrO2 particles with large surface areas

ター状から高分散した状態に変化したことを示していand large pore volumes in the mesopore region were directly obtained by the thermal treatment of

ると考えられる。酸化チタンの表面に存在するFeOx

zirconium n-propoxide in 1,4-butanediol at 300°
C. The thermal reactions at lower temperatures afforded

種は酸化チタンの光励起により生じた励起電子を捕捉

intermediate compounds having a layered structure, which attributed to the formation of the unique pore

することが報告されている [1]。UV-vis の結果よりリン

system of the products obtained in 1,4-butanediol. As for the rutile-type TiO2 photocatalysts, we found

酸の添加により，
リン酸鉄種が生成し，Fe 種は原子状にthat the photocatalytic activity under visible-light irradiation were significantly enhanced by the addition

高分散化したものと考えられるが，このようなFe 種が光of FeOx and phosphoric acid. It was suggested that the improved photocatalytic activities were due tothe effective charge separation attributed to the dispersed Fe species on the surface of the catalysts.

励起により生じた電子を効率よく捕捉し，励起電子と正図2 得られた ZrO2 球状粒子の細孔径分

孔との再結合を抑制するため，光触媒活性が向上したものと推測される。

Key Words : spherical ZrO2 particles, pore structure, solvothermal method, rutile-type TiO2 photocatalyst,

種の分解・脱離を伴い，ジルコニア微結晶が生成するた

visible-light responsibility, FeOx and phosphate modification

めと推測された。得られた試料は，大きな比表面積と細孔容積を有するため，触媒材料として高性能を示すことが期待される。

1

研究概要 

申請者は，原料成分を有機溶媒中で加熱処理するという独特な無機材料合成法（ソルボサーマル法）について種々研究を進めている。本研究では，ソルボサーマル法の特徴を最大限活用することで，従来品を凌駕する高機能な
新規ナノ触媒材料を新たに創製し，環境浄化触媒として大幅な特性向上を目指す。

2

2.2.	ヘテロ元素ドープルチル型酸化チタンの合成とその可視光応答型光触媒活性
本研究では，
ルチル型酸化チタンナノ結晶に酸化鉄
およびリン酸を含浸法により担持して触媒を調製し，その可視光照射下での光触媒活性を調べた。図 3には，酸化鉄とリン酸を添加した種々のルチル型酸化チタン

結果概要 

図3 FeOx-リン酸修飾ルチル型 TiO2 の光触媒活性

触媒の可視光照射下でのアセトアルデヒド光触媒反2.1.	ソルボサーマル法によるジルコニアナノ結晶の合成

図 2には，
焼成後の試料の窒素吸着測定から得られた

応結果を示す。ルチル型酸化チタンに酸化鉄あるい

吸着等温線と細孔径分布の結果を示す。1,4-BG 中はリン酸のいずれかを添加した試料でも活性の向上

ジルコニウム（IV)テトラ-n-プロポキシドZr（O-n-で合成した試料では，IV 型に分類される吸着等温線が認められたが，酸化鉄の担持後に少量のリン酸担持

4C3H7)（ZNP）
を種々の有機溶媒中（エチレングリコールが得られ，メソ孔域にのみ細孔を有する特異な細孔構を行った試料では，光触媒活性が大幅に向上し，
またリ

（EG），
1,4-ブタンジオール（1,4-BG），
1,5- ペンタンジオー

造をもつことがわかった。メソ細孔をもつ球状 ZrO2 粒ン酸の添加量を増やした試料ではさらに光触媒活性

ル（1,5-PG））に加え，
オートクレーブ中，300°
C で加熱処子の形成機構を明らかにするため，ZNP の 1,4-BG 中，の向上が認められた。図 4には得られた試料の UV-理を行い，結晶子径が約5 nmのZrO2ナノ結晶を得た。

低温でのソルボサーマル処理について検討したところ，

visスペクトルを示す。酸化鉄のみを担持した試料は

図 1には，生成物の SEM 観察の結果を示す。EG や

200 ℃付近では，1,4-BG 由来の有機種とZrO2 からな

400–700 nmに吸収がみられたが，酸化鉄を担持した

1,5-PGを用いて合成した試料では，一次微粒子が凝集る層状の中間体が生成することを見出された。1,4-BG

後にリン酸を担持した試料では可視光域の吸収が小した大きな二次粒子が生成したが，特定の形態は認め

中での反応で得られた生成物が特異な形態と細孔構

さくなり，リン酸の添加量を増やした試料ではさらに可られなかった。これに対し1,4-BGを用いて合成した試造が有するのは，低温域で生成した層状の中間体が，視光域の吸収が減少した。この結果はリン酸の添加に

1. H. Ozaki, S. Iwamoto, M. Inoue, J. Phy. Chem.

料では，粒子径が 5μm 前後の球状粒子が得られた。

高温域で溶融して液滴となり，その後，粒子内部で有機よりルチル型酸化チタン表面にある酸化鉄種がクラス

C, 111, 17061 (2007).

─ 24 ─

図4 FeOx-リン酸修飾ルチル型 TiO2 の UV-Visスペクトル─ 25 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

レーザを用いた金属材料の ' プリンタ技術の現象理解と最適化のための多相流解析
0XOWLSKDVHIORZDQDO\VLVIRUXQGHUVWDQGLQJDQGRSWLPL]DWLRQRIDGGLWLYHPDQXIDFWXULQJXVLQJODVHU

マクロな視点での検討においては有用な結果で

謝 辞あると考えられる．

本研究は公益財団法人スズキ財団の科学技術研 粉末の充填率と吸収パワー密度分布との究助成によっておこなわれたことを付記すると関係

ともに，ここに深く感謝の意を表する．

次に，粉末の充填率𝑝𝑝を変化させ，粉体の集合
体内部での吸収パワー密度分布の計算を行った．
現 実 的 な 充 填 率 の 最 低 値 と し て 想 定 し た 𝑝𝑝 =0.66 の場合と，最密充填構造時にかなり近い充大久保 友雅7RPRPDVD2KNXER
東京工科大学7RN\R8QLYHUVLW\RI7HFKQRORJ\

填率𝑝𝑝 = 0.72の場合の比較を図 2 に示す．横軸はレーザの半径方向への距離であり，縦軸は粉末の深さ方向の距離である．また，横軸及び縦軸の,WLVQHFHVVDU\IRURSWLPL]DWLRQRIWKHSURFHVVRIDGGLWLYHPDQXIDFWXULQJXVLQJODVHUDQG

スケールは粉体の直径を  としている．

PHWDOSRZGHUVWRXQGHUVWDQGZKDWRFFXUVZKHQSRZGHUVDUHKHDWHGE\ODVHU7KHREMHFWLYHRI

図 2 D に示されるように，充填率が低い場合

WKLVVWXG\LVWRGHYHORSVLPXODWLRQFRGHIRUWKHSKHQRPHQD ,QWKLVVWXG\RIWKLV\HDUZH

は粉体  個分の深さまでレーザが到達している．

SURSRVHGDVLPSOHHVWLPDWLRQPRGHOWRFDOFXODWHDEVRUEHGSRZHUGLVWULEXWLRQLQFOXGLQJGHSWK

しかし，実際に十分な吸収パワー密度分布が存在

GLUHFWLRQ)XUWKHUPRUHVLPXODWLRQFRGHIRUPXOWLSKDVHIORZDQDO\VLVLVXQGHUFRQVWUXFWLRQ

する領域（図中の赤い部分）は，粉体  個分程度

図 1 バルクでの吸収率と粉末での吸収率との

の厚さまでであり，それは充填率が高い場合の図関係

.H\:RUGV：レーザ加工，付加製造技術，多層流解析

2 E と比較してほぼ変わらない．


 研究概要

そのため，今後の粉体内での吸収パワー密度分
布はおよそ粉体  個分程度の厚さを考慮すれば金属粉末を材料とした ' プリンタ技術について，レーザと粉末との相互作用の計算及び，相変化に十分であることがわかった．

よる圧力変化と固体液体気体の三相を同時に計算する手法を開発し，大規模計算のための計算プログ 多層流解析の実装

ラムの実装を行い，スパッタの飛び方や表面粗さと言った実際の加工に重要な現象を説明，把握する 溶融した物質がスパッタとして飛散する現象

ことを目指す．当該年度においては，金属粉末とレーザとの相互作用を計算するモデルの提案と計算を解明するために，今年度は溶融・凝固を計算モプログラムの実装を行った．また，多層流解析の計算コードを現在実装中である．

デルに入れたマクロな視点での数値計算コードの開発を行った．実装には有限体積法のライブラ

結果概要

期的に配置されていると仮定し，それらの平均値

リである 2SHQ)2$0を用いた．計算結果の例を図

レーザを用いた ' プリンタ技術は，SRZGHUEHG

を求めた．レーザは照射領域でフラットトップの に示す．下部に配置した固体表面にレーザを走IXVLRQ 法とODVHUPHWDOGHSRVLWLRQ法の二つ

パワー密度分布で，粉体の集合体の表面に垂直に査することにより加熱した結果，高温領域がレーに大別されるが，どちらも金属粉末をレーザで溶入射すると仮定した．

ザの軌跡に沿って形成される様子を再現した．

融し，凝固させることによって成形を実現する．

 バルクでの吸収率と粉末としての吸収率

結論と今後の予定

本研究では，特にSRZGHUEHGIXVLRQ法においとの関係

レーザと粉体との相互作用というミクロな視点
での計算コードと，マクロな視点での熱流体の挙て，敷き詰められた金属粉末にレーザを照射する

球体一個一個の吸収率，すなわちバルク状態でモデルについての計算コードの構築を行った．

の物質の吸収率を変化させ，粉体の集合体として動を計算するコードとの実装を行った．

当該年度においては，個々の粉体とレーザとのの吸収率を計算した結果を図 1 に示す．

 今後はそれらの成果を融合し，ミクロな視点で

図 2 充填率が低い(𝒑𝒑 =0.66)場合(a) と高い(𝒑𝒑 =0.72)場合(b)との吸収パワー密度分布の計
算結果

相互作用というミクロな視点での計算コードを

図 1 に示されるように，バルクでの吸収率をの影響がマクロな挙動にどのような影響を与え実装した．更に，熱流体の挙動というマクロな視𝑥𝑥 粉末としての吸収率を𝑦𝑦とすると以下の式るのかを計算出来る計算コードの実装を引き続

粉末中の各粉体を真球と仮定し，光線追跡によ

すなわち，粉末としての吸収率はほぼバルク材

る蒸発過程についてはまだ熱流体解析のコード

り粉体の集合体である粉末へのレーザの吸収パ

𝑦𝑦 = 1.0279𝑥𝑥 0.4769 

料の吸収率の平方根で示されることが示唆されへの実装途中である．今後は蒸発過程の実装を完

ワー密度分布の計算を行った．粉末は粉体の集合

た．この結果を用いることにより，多数の粉体に了し，三相での計算を実現する予定である．

体であるが，多数の粉体に対して光線追跡を実施

対する光線追跡という計算負荷の高い計算を実 その後，*38 を用いたハイパフォーマンスコン

図 3 現在実装中の熱流体解析コードの計算

するのは計算負荷の上で実用的ではない．そこで，施しなくても，粉末としての平均吸収率を簡単に

ピューティングのための実装を行う．

結果例

粉体は面心立方格子状及び体心立方格子状に周見積もることが出来る．そのため，今後行うべき



点での計算コードを実装中である．

でフィッティングできることがわかった．

 レーザと粉末の相互作用─ 26 ─

き行う予定である．
また，相変化としてスパッタ等に最も影響のあ─ 27 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

レーザを用いた金属材料の ' プリンタ技術の現象理解と最適化のための多相流解析
0XOWLSKDVHIORZDQDO\VLVIRUXQGHUVWDQGLQJDQGRSWLPL]DWLRQRIDGGLWLYHPDQXIDFWXULQJXVLQJODVHU

マクロな視点での検討においては有用な結果で

謝 辞あると考えられる．

本研究は公益財団法人スズキ財団の科学技術研 粉末の充填率と吸収パワー密度分布との究助成によっておこなわれたことを付記すると関係

ともに，ここに深く感謝の意を表する．

次に，粉末の充填率𝑝𝑝を変化させ，粉体の集合
体内部での吸収パワー密度分布の計算を行った．
現 実 的 な 充 填 率 の 最 低 値 と し て 想 定 し た 𝑝𝑝 =0.66 の場合と，最密充填構造時にかなり近い充大久保 友雅7RPRPDVD2KNXER
東京工科大学7RN\R8QLYHUVLW\RI7HFKQRORJ\

填率𝑝𝑝 = 0.72の場合の比較を図 2 に示す．横軸はレーザの半径方向への距離であり，縦軸は粉末の深さ方向の距離である．また，横軸及び縦軸の,WLVQHFHVVDU\IRURSWLPL]DWLRQRIWKHSURFHVVRIDGGLWLYHPDQXIDFWXULQJXVLQJODVHUDQG

スケールは粉体の直径を  としている．

PHWDOSRZGHUVWRXQGHUVWDQGZKDWRFFXUVZKHQSRZGHUVDUHKHDWHGE\ODVHU7KHREMHFWLYHRI

図 2 D に示されるように，充填率が低い場合

WKLVVWXG\LVWRGHYHORSVLPXODWLRQFRGHIRUWKHSKHQRPHQD ,QWKLVVWXG\RIWKLV\HDUZH

は粉体  個分の深さまでレーザが到達している．

SURSRVHGDVLPSOHHVWLPDWLRQPRGHOWRFDOFXODWHDEVRUEHGSRZHUGLVWULEXWLRQLQFOXGLQJGHSWK

しかし，実際に十分な吸収パワー密度分布が存在

GLUHFWLRQ)XUWKHUPRUHVLPXODWLRQFRGHIRUPXOWLSKDVHIORZDQDO\VLVLVXQGHUFRQVWUXFWLRQ

する領域（図中の赤い部分）は，粉体  個分程度

図 1 バルクでの吸収率と粉末での吸収率との

の厚さまでであり，それは充填率が高い場合の図関係

.H\:RUGV：レーザ加工，付加製造技術，多層流解析

2 E と比較してほぼ変わらない．


 研究概要

そのため，今後の粉体内での吸収パワー密度分
布はおよそ粉体  個分程度の厚さを考慮すれば金属粉末を材料とした ' プリンタ技術について，レーザと粉末との相互作用の計算及び，相変化に十分であることがわかった．

よる圧力変化と固体液体気体の三相を同時に計算する手法を開発し，大規模計算のための計算プログ 多層流解析の実装

ラムの実装を行い，スパッタの飛び方や表面粗さと言った実際の加工に重要な現象を説明，把握する 溶融した物質がスパッタとして飛散する現象

ことを目指す．当該年度においては，金属粉末とレーザとの相互作用を計算するモデルの提案と計算を解明するために，今年度は溶融・凝固を計算モプログラムの実装を行った．また，多層流解析の計算コードを現在実装中である．

デルに入れたマクロな視点での数値計算コードの開発を行った．実装には有限体積法のライブラ

結果概要

期的に配置されていると仮定し，それらの平均値

リである 2SHQ)2$0を用いた．計算結果の例を図

レーザを用いた ' プリンタ技術は，SRZGHUEHG

を求めた．レーザは照射領域でフラットトップの に示す．下部に配置した固体表面にレーザを走IXVLRQ 法とODVHUPHWDOGHSRVLWLRQ法の二つ

パワー密度分布で，粉体の集合体の表面に垂直に査することにより加熱した結果，高温領域がレーに大別されるが，どちらも金属粉末をレーザで溶入射すると仮定した．

ザの軌跡に沿って形成される様子を再現した．

融し，凝固させることによって成形を実現する．

 バルクでの吸収率と粉末としての吸収率

結論と今後の予定

本研究では，特にSRZGHUEHGIXVLRQ法においとの関係

レーザと粉体との相互作用というミクロな視点
での計算コードと，マクロな視点での熱流体の挙て，敷き詰められた金属粉末にレーザを照射する

球体一個一個の吸収率，すなわちバルク状態でモデルについての計算コードの構築を行った．

の物質の吸収率を変化させ，粉体の集合体として動を計算するコードとの実装を行った．

当該年度においては，個々の粉体とレーザとのの吸収率を計算した結果を図 1 に示す．

 今後はそれらの成果を融合し，ミクロな視点で

図 2 充填率が低い(𝒑𝒑 =0.66)場合(a) と高い(𝒑𝒑 =0.72)場合(b)との吸収パワー密度分布の計
算結果

相互作用というミクロな視点での計算コードを

図 1 に示されるように，バルクでの吸収率をの影響がマクロな挙動にどのような影響を与え実装した．更に，熱流体の挙動というマクロな視𝑥𝑥 粉末としての吸収率を𝑦𝑦とすると以下の式るのかを計算出来る計算コードの実装を引き続

粉末中の各粉体を真球と仮定し，光線追跡によ

すなわち，粉末としての吸収率はほぼバルク材

る蒸発過程についてはまだ熱流体解析のコード

り粉体の集合体である粉末へのレーザの吸収パ

𝑦𝑦 = 1.0279𝑥𝑥 0.4769 

料の吸収率の平方根で示されることが示唆されへの実装途中である．今後は蒸発過程の実装を完

ワー密度分布の計算を行った．粉末は粉体の集合

た．この結果を用いることにより，多数の粉体に了し，三相での計算を実現する予定である．

体であるが，多数の粉体に対して光線追跡を実施

対する光線追跡という計算負荷の高い計算を実 その後，*38 を用いたハイパフォーマンスコン

図 3 現在実装中の熱流体解析コードの計算

するのは計算負荷の上で実用的ではない．そこで，施しなくても，粉末としての平均吸収率を簡単に

ピューティングのための実装を行う．

結果例

粉体は面心立方格子状及び体心立方格子状に周見積もることが出来る．そのため，今後行うべき



点での計算コードを実装中である．

でフィッティングできることがわかった．

 レーザと粉末の相互作用─ 26 ─

き行う予定である．
また，相変化としてスパッタ等に最も影響のあ─ 27 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

マルチマテリアル化のための実用高強度アルミニウム合
金と鋼の異材接合技術の開発
Development of dissimilar joining technology of practical high strength
aluminum alloy and steel for multi-materialization

された．微細硬さ試験を行った結果，接合界面の微細粒や粗大粒は近傍の硬さと同等であり，粒径は硬さに影響がないことがわかった．超高強度アルミニウム合金について引張試験を行った結果を Fig.3 に示す，継手効率が接合まま材
では 72 %から T6 処理材では 89 %に改善された．
また溶体化処理なしの時効材でも強度は増加したが，T6 材の方が回復することがわかった．破小椋 智,
Tomo Ogura
大阪大学,
Osaka University

断縦断面の観察をした結果，破断は熱処理の有無に関わらず接合界面層の近傍で発生しており，

Fig.3 Tensile strength of the friction
welded joints.

横断面の観察をした結果，脆性破面を呈していIn this study, the similar and dissimilar friction welding of ultra high strength 7000 series

た．横断面観察をしたところ，ディンプルが確

aluminum alloy was carried out, and the joint characteristics of the alloy were evaluated. The

認された．

2.2

異材材接合の継手特性評価

tensile test of the similar joint in an ultra-high strength aluminum alloy showed that the joint

異材接合性の評価として，超高強度アルミニ

efficiency was improved from 72% for the as-welded joint to 89% for the T6 treated joint. The

ウム合金の鉄鋼材料との摩擦圧接を行った．各

observation of the fractured longitudinal cross section has clarified that fracture occurred

プロセスパラメータを変化させた結果，本研究in the vicinity of the bonding interface layer regardless of the heat treatment. The dissimilar

では 25MPa 程度の強度を得られた．マクロ断面

friction welding of ultra-high strength aluminum alloy to steel material was carried out to

観察結果を Fig.4 に示す．接合界面部ではアルevaluate the dissimilar jointability. As a result of changing each process parameter, the

ミニウム合金と鉄鋼材料の界面に反応層は認め

strength of about 25MPa was obtained in this research. It is believed that this is because theられなった．これは摩擦圧接中の入熱が小さく，

heat input during friction welding is small, so the Al / Fe interface did not react, resulting

Al/Fe 界面は反応しなかったことによる未接合

in a large unjoined rate. Therefore, it was shown that the parameter control to increase the

率が大きかったことによるものと考えられた．

heat input is necessary.

そのため，入熱量を増やすパラメータ制御が必
Fig. 1 Macrostructure of the interface of

Key Words：Aluminum alloy, Similar and dissimilar joining,

要であることが示された．

the friction welded joints.(a) As-welded and(b) T6 heat treatment.

1

研究概要
アルミニウム合金は添加元素の内，析出強化を目指し Zn，Mg をさらに添加することで超高強度となる 7000 系アルミニウム合金の開発が進められている．本研究では超高強度アルミニウム合金の同材および異材摩擦圧接を行い，超高強度 7000 系アルミニウム合金の継手特性について評価した．

2

結果概要

2.1

同材接合の継手特性評価

Al-11%Zn-3%Mg(mass%)超高強度アルミニウム化した結晶粒の層，白色の層は微細化された粒合金の同材摩擦圧接を行った．継手に対しマイが熱処理により異常粒成長をしたものであるこ

クロスコープによる接合界面の外観観察を行っとがわかった．TEM による析出物の観察およびFig. 4 Macrostructure of the interface of the

た結果を Fig.1 に示す．なお，摩擦圧接条件は元素分析を行った結果，母材，接合まま材，T6

friction

摩擦時間 1s，
摩擦圧力 100MPa，回転数 4200rpm，

処理材の全てにおいて Al-Mn-Cu 系の棒状化合aluminium alloy and SUS304.

アップセット圧力 160MPa であり，Fig.1(a)は接物が認められた．母材，T6 処理材には微細な析

Fig.2 IPF map of the interface of the

合まま材，(b)はその後，T6 熱処理を行った結出物η’が認められ，接合まま材には粗大化しfriction welded joints. (a) As-welded and (b)果である．接合まま材の攪拌部に黒色を呈する

た析出物η’が認められた．

T6 heat treatment.

層が認められ，T6 処理によってその領域が白色

超高強度アルミニウム合金の接合界面軸心部を呈していることがわかった．それらの領域にから硬さ試験を行った結果，接合まま材には 4て EBSD による結晶粒観察を行った結果を Fig.2〜5 mm 程度の軟化域が認められた．T6 処理材でに示す．黒色の層は攪拌により形成された微細は軟化域が認められず，母材同等の硬さに改善

─ 28 ─

─ 29 ─

welded

ultra

high

strength公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

マルチマテリアル化のための実用高強度アルミニウム合
金と鋼の異材接合技術の開発
Development of dissimilar joining technology of practical high strength
aluminum alloy and steel for multi-materialization

された．微細硬さ試験を行った結果，接合界面の微細粒や粗大粒は近傍の硬さと同等であり，粒径は硬さに影響がないことがわかった．超高強度アルミニウム合金について引張試験を行った結果を Fig.3 に示す，継手効率が接合まま材
では 72 %から T6 処理材では 89 %に改善された．
また溶体化処理なしの時効材でも強度は増加したが，T6 材の方が回復することがわかった．破小椋 智,
Tomo Ogura
大阪大学,
Osaka University

断縦断面の観察をした結果，破断は熱処理の有無に関わらず接合界面層の近傍で発生しており，

Fig.3 Tensile strength of the friction
welded joints.

横断面の観察をした結果，脆性破面を呈していIn this study, the similar and dissimilar friction welding of ultra high strength 7000 series

た．横断面観察をしたところ，ディンプルが確

aluminum alloy was carried out, and the joint characteristics of the alloy were evaluated. The

認された．

2.2

異材材接合の継手特性評価

tensile test of the similar joint in an ultra-high strength aluminum alloy showed that the joint

異材接合性の評価として，超高強度アルミニ

efficiency was improved from 72% for the as-welded joint to 89% for the T6 treated joint. The

ウム合金の鉄鋼材料との摩擦圧接を行った．各

observation of the fractured longitudinal cross section has clarified that fracture occurred

プロセスパラメータを変化させた結果，本研究in the vicinity of the bonding interface layer regardless of the heat treatment. The dissimilar

では 25MPa 程度の強度を得られた．マクロ断面

friction welding of ultra-high strength aluminum alloy to steel material was carried out to

観察結果を Fig.4 に示す．接合界面部ではアルevaluate the dissimilar jointability. As a result of changing each process parameter, the

ミニウム合金と鉄鋼材料の界面に反応層は認め

strength of about 25MPa was obtained in this research. It is believed that this is because theられなった．これは摩擦圧接中の入熱が小さく，

heat input during friction welding is small, so the Al / Fe interface did not react, resulting

Al/Fe 界面は反応しなかったことによる未接合

in a large unjoined rate. Therefore, it was shown that the parameter control to increase the

率が大きかったことによるものと考えられた．

heat input is necessary.

そのため，入熱量を増やすパラメータ制御が必
Fig. 1 Macrostructure of the interface of

Key Words：Aluminum alloy, Similar and dissimilar joining,

要であることが示された．

the friction welded joints.(a) As-welded and(b) T6 heat treatment.

1

研究概要
アルミニウム合金は添加元素の内，析出強化を目指し Zn，Mg をさらに添加することで超高強度となる 7000 系アルミニウム合金の開発が進められている．本研究では超高強度アルミニウム合金の同材および異材摩擦圧接を行い，超高強度 7000 系アルミニウム合金の継手特性について評価した．

2

結果概要

2.1

同材接合の継手特性評価

Al-11%Zn-3%Mg(mass%)超高強度アルミニウム化した結晶粒の層，白色の層は微細化された粒合金の同材摩擦圧接を行った．継手に対しマイが熱処理により異常粒成長をしたものであるこ

クロスコープによる接合界面の外観観察を行っとがわかった．TEM による析出物の観察およびFig. 4 Macrostructure of the interface of the

た結果を Fig.1 に示す．なお，摩擦圧接条件は元素分析を行った結果，母材，接合まま材，T6

friction

摩擦時間 1s，
摩擦圧力 100MPa，回転数 4200rpm，

処理材の全てにおいて Al-Mn-Cu 系の棒状化合aluminium alloy and SUS304.

アップセット圧力 160MPa であり，Fig.1(a)は接物が認められた．母材，T6 処理材には微細な析

Fig.2 IPF map of the interface of the

合まま材，(b)はその後，T6 熱処理を行った結出物η’が認められ，接合まま材には粗大化しfriction welded joints. (a) As-welded and (b)果である．接合まま材の攪拌部に黒色を呈する

た析出物η’が認められた．

T6 heat treatment.

層が認められ，T6 処理によってその領域が白色

超高強度アルミニウム合金の接合界面軸心部を呈していることがわかった．それらの領域にから硬さ試験を行った結果，接合まま材には 4て EBSD による結晶粒観察を行った結果を Fig.2〜5 mm 程度の軟化域が認められた．T6 処理材でに示す．黒色の層は攪拌により形成された微細は軟化域が認められず，母材同等の硬さに改善

─ 28 ─

─ 29 ─

welded

ultra

high

strength公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

凝固過程制御によるステンレス鋼の溶接割れ発生防止と特性制御
Prevention of Weld Cracking of Stainless Steels
by control of Solidification Sequence
門井 浩太,
Kota Kadoi
大阪大学 接合科学研究所,
Institute

Osaka university, Joining and Welding Research

Fig. 2 に各試験片の溶接金属の組織を示す．Nb

らかにする必要がある．
そこで本研究では，ステンレス鋼における Nb

や Ti，Zr の含有により母相であるオーステナイ

や Ti，Zr の炭化物生成元素と C の含有量を系統

トのデンドライトセル境界に塊状や膜状の生成

的に変化させ，第二相の積極的な晶出によって溶物が認められる．TEM- EDX 分析の結果，膜状が接時の凝固割れ感受性評価や組織形態の詳細な

MC 型炭化物，塊状が Laves 相であることが判明

調査を行った．

した（Fig. 3）．2Nb では MC 型炭化物と Laves 相

2.2 供試材料および実験方法が同程度存在するのに対し，2Ti では主として供 試 材 の 化 学 組 成 は ， Fe-24 mass%Cr-26

Laves 相が，2Zr では主として MC 相が生成して

mass%Ni（以下単純に%）を基本組成とし，合金

いた．合金元素の種類によって，第二相の種類や元素である Nb，Ti，Zr を 2%添加した．Table 1 に生成量，MC 型炭化物と Laves 相の比率が異なる

供試材料の化学組成を示す．試験片は真空高周波傾向を示した．

溶解，熱間圧延により作製した．溶接凝固割れのAbstract

評価ではトランスバレストレイン試験を実施し，Stainless steels are known to be high susceptible to weld solidification cracking. Thus, theSEM により割れ長さや割れ数を測定した．また，prevention of the cracking by understanding the influencing factors on the susceptibility.

溶接金属部の温度履歴を計測し，凝固脆性温度領The effect of alloy elements such as niobium, titanium, and zirconium on the weld

域（BTR）を求めた．加えて，室温組織，凝固凍

solidification cracking susceptibility in fully austenitic stainless steel was investigated.

結組織に対して光学顕微鏡，SEM，XRD，TEM-

2% of alloy element of Niobium, titanium, or zirconium was added as an alloy element to Fe-

EDX により，組織形態や炭化物や Laves 相等の24%Cr-26%Ni stainless steel. Depending on the addition of the alloy element, the crack length

形態を調査した．

increased; the length ordering tendencies between the total crack length (TCL) and theTable 1 Chemical compositions. (mass%)
Fig. 2 Microstructures of weld metal.

maximum crack length (MCL) differed with the alloy addition. The brittle temperature range(BTR) was also increased by the addition of the alloy element. The maximum BTR for the
specimen with titanium was 267 ºC, which was three times that of FE-24%Cr-26%Ni. The MC
carbide and the Laves phase formed at the dendrite cell boundaries as secondary phases.

2.3 実験結果および考察

Depending on the type of the alloy element, the solidification temperature range varied. A

トランスバレストレイン試験後の割れ長さを

significant difference was found between the solidification temperature range and BTR in the測定したところ，合金元素の添加により，割れ長case of the specimen with niobium.

さ，BTR ともに増大し総割れ長さは，2Nb> 2Ti>2Zr の順で，最大割れ長さは 2Ti>2Zr>2Nb の順

Key Words：溶接割れ，凝固割れ，ステンレス鋼，溶接凝固で低下し，総割れ長さと最大割れ長さで異なる傾向を示した．Fig. 1 に各試験片の BTR を示す．

1

24Cr-26Ni は 92.0 °C ，2Nb は 143.6 °C，2Ti は研究概要

Fig. 3 TEM-EDX result of secondary phase in 2Ti.

本研究では，ステンレス鋼溶接時の凝固・組織形成現象や，これらが溶接凝固割れ感受性や耐食性に

266.9 °C，2Zr は 194.1 °C となり，合金元素の添対する影響を明らかにする．これを基に割れ発生防止や機械的特性向上に有効な凝固現象・組織形態

加によって増加することがわかる．合金元素の種

Scheil モデルによる凝固シミュレーションをを見出すことで，割れ発生のない健全かつ所望の特性を有する溶接部を得るための組織制御法や材料類によってその増加幅は異なり，
Ti が凝固割れ感

行ったところ，凝固温度範囲 ΔT は，2Ti では B

設計指針の構築を目指す．

受性及ぼす影響は大きいと考えられる．

TR と同等の値を示したが，2Nb は BTR との差は約 200 ºC と著しく大きな値を示した．一方 2Nb

2では，組織観察では MC 型炭化物や Laves 相が観結果概要察されたが，凝固シミュレーションでは Laves 相

2.1 背景ステンレス鋼は，耐食性や耐熱性に優れること

ため，溶接凝固割れ感受性を増大させる．これらの生成のみであった．実験とシミュレーションでから，エキゾーストマニホールドをはじめとしたの元素は凝固過程で炭化物等の共晶相として生異なる結果を示した．シミュレーションを用いた自動車排気系部品，発電や化学プラントなど様々

成し，これにより割れ感受性が低減することも報

凝固割れ感受性の予測には，合金元素の添加に伴な機械製品・構造物で適用されている．が，溶接告されている．しかし，これらの合金元素の添加

う凝固現象の変化などを詳細に理解する必要が中に高温割れ，特に凝固割れがしばしば発生する．

量や組合せ等によって共晶相形態が変化するこあり，そのためには合金元素の種類や量に応じた

また，溶接時の耐食性の確保のために Nb や Ti がとから，割れ感受性の改善や耐孔食性の確保には，

凝固偏析偏析や共晶反応の変化を十分に解析可添加されるが，これらの元素は分配係数が小さい

これらの特性に有効な共晶相の生成や形態を明─ 30 ─

Fig. 1 BTR of each specimen.

能な計算モデルの構築が求められる．

─ 31 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

凝固過程制御によるステンレス鋼の溶接割れ発生防止と特性制御
Prevention of Weld Cracking of Stainless Steels
by control of Solidification Sequence
門井 浩太,
Kota Kadoi
大阪大学 接合科学研究所,
Institute

Osaka university, Joining and Welding Research

Fig. 2 に各試験片の溶接金属の組織を示す．Nb

らかにする必要がある．
そこで本研究では，ステンレス鋼における Nb

や Ti，Zr の含有により母相であるオーステナイ

や Ti，Zr の炭化物生成元素と C の含有量を系統

トのデンドライトセル境界に塊状や膜状の生成

的に変化させ，第二相の積極的な晶出によって溶物が認められる．TEM- EDX 分析の結果，膜状が接時の凝固割れ感受性評価や組織形態の詳細な

MC 型炭化物，塊状が Laves 相であることが判明

調査を行った．

した（Fig. 3）．2Nb では MC 型炭化物と Laves 相

2.2 供試材料および実験方法が同程度存在するのに対し，2Ti では主として供 試 材 の 化 学 組 成 は ， Fe-24 mass%Cr-26

Laves 相が，2Zr では主として MC 相が生成して

mass%Ni（以下単純に%）を基本組成とし，合金

いた．合金元素の種類によって，第二相の種類や元素である Nb，Ti，Zr を 2%添加した．Table 1 に生成量，MC 型炭化物と Laves 相の比率が異なる

供試材料の化学組成を示す．試験片は真空高周波傾向を示した．

溶解，熱間圧延により作製した．溶接凝固割れのAbstract

評価ではトランスバレストレイン試験を実施し，Stainless steels are known to be high susceptible to weld solidification cracking. Thus, theSEM により割れ長さや割れ数を測定した．また，prevention of the cracking by understanding the influencing factors on the susceptibility.

溶接金属部の温度履歴を計測し，凝固脆性温度領The effect of alloy elements such as niobium, titanium, and zirconium on the weld

域（BTR）を求めた．加えて，室温組織，凝固凍

solidification cracking susceptibility in fully austenitic stainless steel was investigated.

結組織に対して光学顕微鏡，SEM，XRD，TEM-

2% of alloy element of Niobium, titanium, or zirconium was added as an alloy element to Fe-

EDX により，組織形態や炭化物や Laves 相等の24%Cr-26%Ni stainless steel. Depending on the addition of the alloy element, the crack length

形態を調査した．

increased; the length ordering tendencies between the total crack length (TCL) and theTable 1 Chemical compositions. (mass%)
Fig. 2 Microstructures of weld metal.

maximum crack length (MCL) differed with the alloy addition. The brittle temperature range(BTR) was also increased by the addition of the alloy element. The maximum BTR for the
specimen with titanium was 267 ºC, which was three times that of FE-24%Cr-26%Ni. The MC
carbide and the Laves phase formed at the dendrite cell boundaries as secondary phases.

2.3 実験結果および考察

Depending on the type of the alloy element, the solidification temperature range varied. A

トランスバレストレイン試験後の割れ長さを

significant difference was found between the solidification temperature range and BTR in the測定したところ，合金元素の添加により，割れ長case of the specimen with niobium.

さ，BTR ともに増大し総割れ長さは，2Nb> 2Ti>2Zr の順で，最大割れ長さは 2Ti>2Zr>2Nb の順

Key Words：溶接割れ，凝固割れ，ステンレス鋼，溶接凝固で低下し，総割れ長さと最大割れ長さで異なる傾向を示した．Fig. 1 に各試験片の BTR を示す．

1

24Cr-26Ni は 92.0 °C ，2Nb は 143.6 °C，2Ti は研究概要

Fig. 3 TEM-EDX result of secondary phase in 2Ti.

本研究では，ステンレス鋼溶接時の凝固・組織形成現象や，これらが溶接凝固割れ感受性や耐食性に

266.9 °C，2Zr は 194.1 °C となり，合金元素の添対する影響を明らかにする．これを基に割れ発生防止や機械的特性向上に有効な凝固現象・組織形態

加によって増加することがわかる．合金元素の種

Scheil モデルによる凝固シミュレーションをを見出すことで，割れ発生のない健全かつ所望の特性を有する溶接部を得るための組織制御法や材料類によってその増加幅は異なり，
Ti が凝固割れ感

行ったところ，凝固温度範囲 ΔT は，2Ti では B

設計指針の構築を目指す．

受性及ぼす影響は大きいと考えられる．

TR と同等の値を示したが，2Nb は BTR との差は約 200 ºC と著しく大きな値を示した．一方 2Nb

2では，組織観察では MC 型炭化物や Laves 相が観結果概要察されたが，凝固シミュレーションでは Laves 相

2.1 背景ステンレス鋼は，耐食性や耐熱性に優れること

ため，溶接凝固割れ感受性を増大させる．これらの生成のみであった．実験とシミュレーションでから，エキゾーストマニホールドをはじめとしたの元素は凝固過程で炭化物等の共晶相として生異なる結果を示した．シミュレーションを用いた自動車排気系部品，発電や化学プラントなど様々

成し，これにより割れ感受性が低減することも報

凝固割れ感受性の予測には，合金元素の添加に伴な機械製品・構造物で適用されている．が，溶接告されている．しかし，これらの合金元素の添加

う凝固現象の変化などを詳細に理解する必要が中に高温割れ，特に凝固割れがしばしば発生する．

量や組合せ等によって共晶相形態が変化するこあり，そのためには合金元素の種類や量に応じた

また，溶接時の耐食性の確保のために Nb や Ti がとから，割れ感受性の改善や耐孔食性の確保には，

凝固偏析偏析や共晶反応の変化を十分に解析可添加されるが，これらの元素は分配係数が小さい

これらの特性に有効な共晶相の生成や形態を明─ 30 ─

Fig. 1 BTR of each specimen.

能な計算モデルの構築が求められる．

─ 31 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

磁性流体シールド型スラスト軸受けを搭載した
電磁駆動マイクロポンプの開発†

















CH3

CH3

PDMS Sub.

OH

OH

PDMS Sub.

Flow rate
[m/s]

(a)

Fig. 2 Flow distribution calculated by simulation:

bonding with covalent bond.

(a) with spindle, (b) without spindle.

 デバイス送液性能評価

,QWKLVVWXG\WKHPLFURSXPSZKLFKFDQEHGLUHFWO\ERQGHGZLWKWKH/DERQDFKLSZKLFKLV

NQRZQDVDSDOPVL]HGPHGLFDODQDO\VLVV\VWHPZDVGHYHORSHGDQGLQYHVWLJDWHGDERXWOLTXLGGHOLYHU\SHUIRUPDQFH7KHGHYHORSHGPLFURSXPSKDVWKHPDJQHWLFIOXLGVHDOPHFKDQLVPZKLFK

SUHYHQWVWKHIHHGLQJVROXWLRQIURPHQWHULQJWKHLQVLGHRIWKUXVWEHDULQJ,QDGGLWLRQWKH

OLTXLGGHOLYHU\ZLWKORZSXOVDWLRQLVSRVVLEOHEHFDXVHWKHOLTXLGIHHGLQJURWRULVWXUQHGLQDQRQFRQWDFWE\WKHHOHFWURPDJQHWLFIRUFH

Rotor torque (mN·m)

IULFWLRQSRZGHUIURPWKHWKUXVWEHDULQJGRHVQRWPL[LQWRWKHVROXWLRQPRUHRYHUWKHVWDEOH

O

H2O

O

H2O

PDMS Sub.

treatment: (a) initial, (b) plasma treatment, (c) direct(b)加藤史仁 )XPLKLWR.DWR
日本工業大学 1LSSRQ,QVWLWXWHRI7HFKQRORJ\

Thermoplastic resin

(a)
(b)
(c)
Fig. 5 Direct bonding via oxygen atoms by plasma

(OHFWURPDJQHWLF'ULYH0LFUR3XPSZLWK0DJQHWLF)OXLG6HDO7KUXVW%HDULQJ

O2 Plasma

2.645

ステータと送液ロータに取り付けた対を成す

2.64

リング状ネオジム磁石間にフッ素系磁性流体を2.635

満たし保持することで磁性流体シールを実現した．これにより，スラスト軸受け内部への溶液

2.63

侵入，および，溶液への軸受けの磨耗粉混入を

2.625
2.62
0

防ぐ．駆動コイルへ電流密度 $PP を上限と
1

2

3

4

5

6

して交流電流を印加し，ロータの回転数 
PLQ 程度を上限として，～数 POPLQ の純水送Rotor angle (deg.)
Fig. 3 Relationship between rotor angle and rotor.H\:RUGV：0LFURSXPS0DJQHWLFIOXLGVHDO7KUXVWEHDULQJ(OHFWURPDJQHWLFGULYH

torque.

転数では脱調を生じた．上限回転数は，現在の
 研究概要



円柱型ネオジム磁石から，セグメント型に変更

 マテリアルジェッティング法による試作

することで改善できると考えられる．磁性流体

小型医用分析システムとして知られる /DERQDFKLS との直接接合を想定した小型ポンプを開発しポンプを構成する部品は，' プリンタ技術のシールは，回転数 PLQ 以下においてシール

た．特徴として，溶液がスラスト軸受け内部へ進入することを防ぐ磁性流体シール機構を有し，また，

マテリアルジェッティング法で製作した．マテ

機能が有効であることを確認した．磁性流体を送液ロータを電磁力で非接触に回転させるため，軸受けからの摩擦粉が溶液中に混入することがなく，リアルジェッティング法は，熱可塑性樹脂をピ保持するリング状ネオジム磁石の面積と磁石間低脈動の安定した送液が可能である．

ッチ PP 以下で高精度に制御しつつ積層造形

ギャップを見直すことで，より高いシール性を 結果概要

できることから，インペラ構造の小型送液ロー実現できると考えられる．

タも容易に製作できる．)LJ は，マテリアル 流体解析と電磁場解析による構造設計

ジェッティング法で製作したステータと送液ロ まとめ

本研究において，磁性流体シールを有する電を選定した．

液が可能であることを確認した．これ以上の回ータの例である．)LJ に示すように，基材の磁性流体シールスラスト軸受けを有する磁気磁駆動小型ポンプを提案し，流体解析と電磁場

電磁場解析では，磁石と駆動コイルの位置が熱可塑性樹脂と 3'06 は，接着剤等の接着媒体を駆動ポンプを提案し，流体解析と電磁場解析に解析を通じて，小型ポンプの構造設計を行った

同位相となる GHJの範囲についてロータト使用せず，材料同士の直接接合が可能であるたより構造設計した．マテリアルジェッティング)LJ ．

ルクを算出し，純水の送液において，十分なト

め>@，3'064&0 バイオセンサチップ>@と本小法により構成部品を製作した．送液実験を通じ流体解析では，送液ロータのブレードを束ねルクが得られることを検証した )LJ ．

型ポンプとの集積化が期待できる．

て，磁性流体シール性能と送液性能を評価した．
Neodymium magnet Outlet Thrust bearingるスピンドルの有無によって，ポンプ内部の流

れを評価した．
流体解析の結果を )LJ に示す．



スピンドルを有する構造では，溶液は，ポンプ[1] F. Kato, H. Noguchi, Y. Kodaka, N. Oshida, and内部の全体で撹拌されつつ，送液口から廃液口

H. Ogi, Japanese Journal of Applied Physics 57,に向かって流れる．一方，スピンドルの無い構

07LD14-1-07LD14-1-9 (2018).

造では，溶液は，送液口から廃液口に向かって[2] B. Pečar, M. Možek, and D. Vrtačnik, Journal of

直線的に流れ，ポンプ内部の外壁近傍においてMicroelectronics, Electronic Components and

溶液の停滞を生ずる．これらの結果から，小型Materials 47, 3, 147-154 (2017).

ポンプの送液ロータは，スピンドルを有する構造を選定した．次に，送液ロータのブレード形

 Rotor Spindle
Shut out


状を薄板状の平板として，廃液口における圧力

Fig. 1 Cross-section of electromagnetic drive microFig. 4 Stators and Rotor manufactured by material 回応用物理学会春季学術講演会  」，雑誌「超音波と流速を算出し，ブレード枚数とブレード角度

pump with magnetic fluid seal thrust bearing.

jetting method.

7(&+12 9RO 1R 」にて発表した．

─ 32 ─

Ring magnet

Blade

Inlet

Magnetic fluid

Stator

Neodymium magnet

参考文献

Rotor

†

本論文内容は，国際会議「7KHVW(PHUJLQJ7HFKQRORJLHV

LQ0HFKDQLFDO(QJLQHHULQJ (70( 」，国内講演会「第─ 33 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

磁性流体シールド型スラスト軸受けを搭載した
電磁駆動マイクロポンプの開発†

















CH3

CH3

PDMS Sub.

OH

OH

PDMS Sub.

Flow rate
[m/s]

(a)

Fig. 2 Flow distribution calculated by simulation:

bonding with covalent bond.

(a) with spindle, (b) without spindle.

 デバイス送液性能評価

,QWKLVVWXG\WKHPLFURSXPSZKLFKFDQEHGLUHFWO\ERQGHGZLWKWKH/DERQDFKLSZKLFKLV

NQRZQDVDSDOPVL]HGPHGLFDODQDO\VLVV\VWHPZDVGHYHORSHGDQGLQYHVWLJDWHGDERXWOLTXLGGHOLYHU\SHUIRUPDQFH7KHGHYHORSHGPLFURSXPSKDVWKHPDJQHWLFIOXLGVHDOPHFKDQLVPZKLFK

SUHYHQWVWKHIHHGLQJVROXWLRQIURPHQWHULQJWKHLQVLGHRIWKUXVWEHDULQJ,QDGGLWLRQWKH

OLTXLGGHOLYHU\ZLWKORZSXOVDWLRQLVSRVVLEOHEHFDXVHWKHOLTXLGIHHGLQJURWRULVWXUQHGLQDQRQFRQWDFWE\WKHHOHFWURPDJQHWLFIRUFH

Rotor torque (mN·m)

IULFWLRQSRZGHUIURPWKHWKUXVWEHDULQJGRHVQRWPL[LQWRWKHVROXWLRQPRUHRYHUWKHVWDEOH

O

H2O

O

H2O

PDMS Sub.

treatment: (a) initial, (b) plasma treatment, (c) direct(b)加藤史仁 )XPLKLWR.DWR
日本工業大学 1LSSRQ,QVWLWXWHRI7HFKQRORJ\

Thermoplastic resin

(a)
(b)
(c)
Fig. 5 Direct bonding via oxygen atoms by plasma

(OHFWURPDJQHWLF'ULYH0LFUR3XPSZLWK0DJQHWLF)OXLG6HDO7KUXVW%HDULQJ

O2 Plasma

2.645

ステータと送液ロータに取り付けた対を成す

2.64

リング状ネオジム磁石間にフッ素系磁性流体を2.635

満たし保持することで磁性流体シールを実現した．これにより，スラスト軸受け内部への溶液

2.63

侵入，および，溶液への軸受けの磨耗粉混入を

2.625
2.62
0

防ぐ．駆動コイルへ電流密度 $PP を上限と
1

2

3

4

5

6

して交流電流を印加し，ロータの回転数 
PLQ 程度を上限として，～数 POPLQ の純水送Rotor angle (deg.)
Fig. 3 Relationship between rotor angle and rotor.H\:RUGV：0LFURSXPS0DJQHWLFIOXLGVHDO7KUXVWEHDULQJ(OHFWURPDJQHWLFGULYH

torque.

転数では脱調を生じた．上限回転数は，現在の
 研究概要



円柱型ネオジム磁石から，セグメント型に変更

 マテリアルジェッティング法による試作

することで改善できると考えられる．磁性流体

小型医用分析システムとして知られる /DERQDFKLS との直接接合を想定した小型ポンプを開発しポンプを構成する部品は，' プリンタ技術のシールは，回転数 PLQ 以下においてシール

た．特徴として，溶液がスラスト軸受け内部へ進入することを防ぐ磁性流体シール機構を有し，また，

マテリアルジェッティング法で製作した．マテ

機能が有効であることを確認した．磁性流体を送液ロータを電磁力で非接触に回転させるため，軸受けからの摩擦粉が溶液中に混入することがなく，リアルジェッティング法は，熱可塑性樹脂をピ保持するリング状ネオジム磁石の面積と磁石間低脈動の安定した送液が可能である．

ッチ PP 以下で高精度に制御しつつ積層造形

ギャップを見直すことで，より高いシール性を 結果概要

できることから，インペラ構造の小型送液ロー実現できると考えられる．

タも容易に製作できる．)LJ は，マテリアル 流体解析と電磁場解析による構造設計

ジェッティング法で製作したステータと送液ロ まとめ

本研究において，磁性流体シールを有する電を選定した．

液が可能であることを確認した．これ以上の回ータの例である．)LJ に示すように，基材の磁性流体シールスラスト軸受けを有する磁気磁駆動小型ポンプを提案し，流体解析と電磁場

電磁場解析では，磁石と駆動コイルの位置が熱可塑性樹脂と 3'06 は，接着剤等の接着媒体を駆動ポンプを提案し，流体解析と電磁場解析に解析を通じて，小型ポンプの構造設計を行った

同位相となる GHJの範囲についてロータト使用せず，材料同士の直接接合が可能であるたより構造設計した．マテリアルジェッティング)LJ ．

ルクを算出し，純水の送液において，十分なト

め>@，3'064&0 バイオセンサチップ>@と本小法により構成部品を製作した．送液実験を通じ流体解析では，送液ロータのブレードを束ねルクが得られることを検証した )LJ ．

型ポンプとの集積化が期待できる．

て，磁性流体シール性能と送液性能を評価した．
Neodymium magnet Outlet Thrust bearingるスピンドルの有無によって，ポンプ内部の流

れを評価した．
流体解析の結果を )LJ に示す．



スピンドルを有する構造では，溶液は，ポンプ[1] F. Kato, H. Noguchi, Y. Kodaka, N. Oshida, and内部の全体で撹拌されつつ，送液口から廃液口

H. Ogi, Japanese Journal of Applied Physics 57,に向かって流れる．一方，スピンドルの無い構

07LD14-1-07LD14-1-9 (2018).

造では，溶液は，送液口から廃液口に向かって[2] B. Pečar, M. Možek, and D. Vrtačnik, Journal of

直線的に流れ，ポンプ内部の外壁近傍においてMicroelectronics, Electronic Components and

溶液の停滞を生ずる．これらの結果から，小型Materials 47, 3, 147-154 (2017).

ポンプの送液ロータは，スピンドルを有する構造を選定した．次に，送液ロータのブレード形

 Rotor Spindle
Shut out


状を薄板状の平板として，廃液口における圧力

Fig. 1 Cross-section of electromagnetic drive microFig. 4 Stators and Rotor manufactured by material 回応用物理学会春季学術講演会  」，雑誌「超音波と流速を算出し，ブレード枚数とブレード角度

pump with magnetic fluid seal thrust bearing.

jetting method.

7(&+12 9RO 1R 」にて発表した．

─ 32 ─

Ring magnet

Blade

Inlet

Magnetic fluid

Stator

Neodymium magnet

参考文献

Rotor

†

本論文内容は，国際会議「7KHVW(PHUJLQJ7HFKQRORJLHV

LQ0HFKDQLFDO(QJLQHHULQJ (70( 」，国内講演会「第─ 33 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成２９年度 研究報告書概要

弾性的拘束を利用した準安定斜方晶相 ZrO2-HfO2
新奇強誘電体薄膜の創製
Stabilization of Novel ZrO2–HfO2 Thin Films with metastable Orthorhombic Phase by Elastic Constraint
木口賢紀 , Takanori Kiguchi
東北大学 , Tohoku University

た HZO薄膜の XRDプロファイルとシミュレーションにが挙げられるが、XRDパターンのみではこれ以上の判よる単斜晶相、直方晶相、正方晶相、立方晶相のプロ別は困難である。そこで、Fig.2に薄膜断面構造を観ファイルをFig.1に示す。YSZ基板002,004ピークの低

察した HAADF-STEM像と制限視野電子回折図形

角側のテールに重なる形で薄膜のブロードなピークがを示す。制限視野電子回折図形からYSZ基板に帰属見られる。このピーク位置に相当するピークとしては、
シされるスポットに加え、複数相のスポットが観察され、基ミュレーションパターンの2θ=34-35 degに存在する単板に対して特定の方位関係を示しCube-on-cubeライ

斜晶相002/020、直方晶相200、正方晶002 の可能性

クなエピタキシャル成長している。Fig.3 は、HZO薄膜の (a)原子分解能 HAADF-STEM像と各ドメインに拡大像と対応した (b)拡大像とDiffractogramを示す。

Recently, HfO2-based novel phase without spatial symmetry, which is interesting ferroelectric material

薄膜は Pca21 の直方晶相とP21/c の単斜晶相の2相

as Pb-free and non-perovskite-type structure. HfxZr1-xO2 (x=0–1) (HZO) thin films are one of the

共存組織を形成し、いずれの相も数 nm-10nm程度のrepresentative materials with the orthorhombic phase Pca21 in the wide compositional range. We have

ドメインに分かれていることが分かった。直方晶相のド

attempted and realized the epitaxial growth of HZO thin films with the orthorhombic phase Pca21

メイン境界は (110)、(100),(001)等の特定の結晶面にusing solid-state epitaxy with ion-beam sputtering followed by rapid thermal annealing. We have also

平行に入り、境界は原子レベルで急峻であることから、

described the nanoscale morphology and the domain structure of orthorhombic (Pca21) and coexisting

軸比に伴うドメイン境界の歪みは小さい。直方晶相のmonoclinic (P21/c) phases in HZO thin films using the aberration-corrected scanning transmission electron

長軸であるa軸が約8°傾斜して単斜晶相の長軸であmicroscopy. These results indicate that two effects, the solute and the elastic constraint effects, areるc軸に変化することから、単斜晶相の核生成・成長に

necessary for the stabilization of the orthorhombic phase.

Key Words : (Hf,Zr)O2, エピタキシャル薄膜 , ２次元弾性場 , 強誘電相

は巨大な応力が発生する。その結果、単斜晶相のみ
ならず、周囲の直方晶相も大きく変形し、結晶面の回Figure 1 (a) XRD 2θ/ω profile of an Hf0.5Zr0.5O2 thin film
deposited on YSZ (100) substrates followed by annealed
at 1073 K, (b) enlarged profiles of (a) around 35 deg,and (c) simulated powder diffraction patterns.

転が起きている。その結果、エピタキシャル薄膜の結晶
完全性の低下をもたらしたと考えられる。したがって、単斜晶相の抑制により単相化や配向の完全性の向上のためにも重要となる。
以 上のように、本 研 究では固 相エピタキシーによる

1

HZO薄膜のエピタキシャル成長を初めて実現し、添研究概要 

加元素と弾性的拘束の二つの効果が直方晶相形成

申固相エピタキシー法で準安定 ZrO2-HfO2 薄膜を作製し、強誘電性斜方晶相安定性に及ぼす弾性場の効果とドーパントの効果を解明し、強誘電性斜方晶相の安定化、ドメイン配向制御について明らかにした。

2に不可欠であることを明らかした。エピタキシャル薄膜
Figure 2 (a) HAADF-STEM image of Hf0.5Zr0.5O2 thin filmand (b) selected area electron diffraction pattern.

においては、既往の研究で重視されていた薄膜表面
キャッピング効果は直方晶相安定化の本質ではなく、基板による弾性的拘束も同等の効果を示す。また、ナ

結果概要 

ノサイズの直方晶相ドメイン構造を持つと同時に単斜

近年、HfO2 基固溶体において斜方晶強誘電相が報

究は多結晶膜に限られ、構造や誘電物性発現の基礎

晶相が共存すること、単斜晶の成長が直方晶相の結告された [Böscke,APL 99(2011)]。ペロブスカイト型

学理の究明が急務である。本研究では、唯一の全率

晶完全性を低下させることを初めて明らかにした。添

強誘電体の課題であったサイズ効果を本質的に解決

固溶系であるHZO薄膜にフォーカスし、強誘電性斜方

加元素と弾性的拘束の二つの効果を最適化することし、新奇な強誘電性発現機構の可能性が注目されて晶相安定性に及ぼす弾性場の効果とドーパントの効によって、直方晶相の更なる安定性向上が期待でき、いる。しかし、単相エピタキシャル薄膜は得られなかっ果を明らかにし、有害な単斜晶相への相転移を制御し本研究はその方向性を示唆する先駆け的な成果であたため、結晶構造、誘電物性、サイズ効果の起源を調た固相エピタキシーによって、この新奇蛍石型強誘電ると言える。本研究成果を発展させ、非鉛・非ペロブス

べることが困難であった。最近、YO1.5-HfO2 固溶体で体薄膜の創製と強誘電性の起源であるドメイン構造、

カイト型の強誘電体超薄膜材料創製を実現できれば、強誘電性斜方相のエピタキシャル成長を実現したが結晶相制御、結晶性の向上、微細組織について検討

サイズ効果や絶縁性の問題が無く、Siプロセスへの適[Shimizu,Kiguchi,APL 107(2015)]、単斜晶相の共した。SiO2ガラス基板上に成膜・結晶化した HZO薄合性を活かして、強誘電・圧電デバイスと半導体デバイ

存やドメイン配向制御が課題となっている。また、HfO2-

膜の XRDプロファイルからは主に±111配向した単斜

ZrO2 固溶体では Zr/Hf組成比により強誘電性から反晶相が形成され、111配向の斜方晶相は僅かであっ強誘電性までの物性制御が可能になるが、既往の研た。これに対し、YSZ単結晶基板上に成膜・結晶化し─ 34 ─

Figure 2 (a) HAADF-STEM image of Hf0.5Zr0.5O2 thinfilm and (b) selected area electron diffraction pattern.

スと融合させた新奇電子デバイスの創出への展開が期待される。

─ 35 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成２９年度 研究報告書概要

弾性的拘束を利用した準安定斜方晶相 ZrO2-HfO2
新奇強誘電体薄膜の創製
Stabilization of Novel ZrO2–HfO2 Thin Films with metastable Orthorhombic Phase by Elastic Constraint
木口賢紀 , Takanori Kiguchi
東北大学 , Tohoku University

た HZO薄膜の XRDプロファイルとシミュレーションにが挙げられるが、XRDパターンのみではこれ以上の判よる単斜晶相、直方晶相、正方晶相、立方晶相のプロ別は困難である。そこで、Fig.2に薄膜断面構造を観ファイルをFig.1に示す。YSZ基板002,004ピークの低

察した HAADF-STEM像と制限視野電子回折図形

角側のテールに重なる形で薄膜のブロードなピークがを示す。制限視野電子回折図形からYSZ基板に帰属見られる。このピーク位置に相当するピークとしては、
シされるスポットに加え、複数相のスポットが観察され、基ミュレーションパターンの2θ=34-35 degに存在する単板に対して特定の方位関係を示しCube-on-cubeライ

斜晶相002/020、直方晶相200、正方晶002 の可能性

クなエピタキシャル成長している。Fig.3 は、HZO薄膜の (a)原子分解能 HAADF-STEM像と各ドメインに拡大像と対応した (b)拡大像とDiffractogramを示す。

Recently, HfO2-based novel phase without spatial symmetry, which is interesting ferroelectric material

薄膜は Pca21 の直方晶相とP21/c の単斜晶相の2相

as Pb-free and non-perovskite-type structure. HfxZr1-xO2 (x=0–1) (HZO) thin films are one of the

共存組織を形成し、いずれの相も数 nm-10nm程度のrepresentative materials with the orthorhombic phase Pca21 in the wide compositional range. We have

ドメインに分かれていることが分かった。直方晶相のド

attempted and realized the epitaxial growth of HZO thin films with the orthorhombic phase Pca21

メイン境界は (110)、(100),(001)等の特定の結晶面にusing solid-state epitaxy with ion-beam sputtering followed by rapid thermal annealing. We have also

平行に入り、境界は原子レベルで急峻であることから、

described the nanoscale morphology and the domain structure of orthorhombic (Pca21) and coexisting

軸比に伴うドメイン境界の歪みは小さい。直方晶相のmonoclinic (P21/c) phases in HZO thin films using the aberration-corrected scanning transmission electron

長軸であるa軸が約8°傾斜して単斜晶相の長軸であmicroscopy. These results indicate that two effects, the solute and the elastic constraint effects, areるc軸に変化することから、単斜晶相の核生成・成長に

necessary for the stabilization of the orthorhombic phase.

Key Words : (Hf,Zr)O2, エピタキシャル薄膜 , ２次元弾性場 , 強誘電相

は巨大な応力が発生する。その結果、単斜晶相のみ
ならず、周囲の直方晶相も大きく変形し、結晶面の回Figure 1 (a) XRD 2θ/ω profile of an Hf0.5Zr0.5O2 thin film
deposited on YSZ (100) substrates followed by annealed
at 1073 K, (b) enlarged profiles of (a) around 35 deg,and (c) simulated powder diffraction patterns.

転が起きている。その結果、エピタキシャル薄膜の結晶
完全性の低下をもたらしたと考えられる。したがって、単斜晶相の抑制により単相化や配向の完全性の向上のためにも重要となる。
以 上のように、本 研 究では固 相エピタキシーによる

1

HZO薄膜のエピタキシャル成長を初めて実現し、添研究概要 

加元素と弾性的拘束の二つの効果が直方晶相形成

申固相エピタキシー法で準安定 ZrO2-HfO2 薄膜を作製し、強誘電性斜方晶相安定性に及ぼす弾性場の効果とドーパントの効果を解明し、強誘電性斜方晶相の安定化、ドメイン配向制御について明らかにした。

2に不可欠であることを明らかした。エピタキシャル薄膜
Figure 2 (a) HAADF-STEM image of Hf0.5Zr0.5O2 thin filmand (b) selected area electron diffraction pattern.

においては、既往の研究で重視されていた薄膜表面
キャッピング効果は直方晶相安定化の本質ではなく、基板による弾性的拘束も同等の効果を示す。また、ナ

結果概要 

ノサイズの直方晶相ドメイン構造を持つと同時に単斜

近年、HfO2 基固溶体において斜方晶強誘電相が報

究は多結晶膜に限られ、構造や誘電物性発現の基礎

晶相が共存すること、単斜晶の成長が直方晶相の結告された [Böscke,APL 99(2011)]。ペロブスカイト型

学理の究明が急務である。本研究では、唯一の全率

晶完全性を低下させることを初めて明らかにした。添

強誘電体の課題であったサイズ効果を本質的に解決

固溶系であるHZO薄膜にフォーカスし、強誘電性斜方

加元素と弾性的拘束の二つの効果を最適化することし、新奇な強誘電性発現機構の可能性が注目されて晶相安定性に及ぼす弾性場の効果とドーパントの効によって、直方晶相の更なる安定性向上が期待でき、いる。しかし、単相エピタキシャル薄膜は得られなかっ果を明らかにし、有害な単斜晶相への相転移を制御し本研究はその方向性を示唆する先駆け的な成果であたため、結晶構造、誘電物性、サイズ効果の起源を調た固相エピタキシーによって、この新奇蛍石型強誘電ると言える。本研究成果を発展させ、非鉛・非ペロブス

べることが困難であった。最近、YO1.5-HfO2 固溶体で体薄膜の創製と強誘電性の起源であるドメイン構造、

カイト型の強誘電体超薄膜材料創製を実現できれば、強誘電性斜方相のエピタキシャル成長を実現したが結晶相制御、結晶性の向上、微細組織について検討

サイズ効果や絶縁性の問題が無く、Siプロセスへの適[Shimizu,Kiguchi,APL 107(2015)]、単斜晶相の共した。SiO2ガラス基板上に成膜・結晶化した HZO薄合性を活かして、強誘電・圧電デバイスと半導体デバイ

存やドメイン配向制御が課題となっている。また、HfO2-

膜の XRDプロファイルからは主に±111配向した単斜

ZrO2 固溶体では Zr/Hf組成比により強誘電性から反晶相が形成され、111配向の斜方晶相は僅かであっ強誘電性までの物性制御が可能になるが、既往の研た。これに対し、YSZ単結晶基板上に成膜・結晶化し─ 34 ─

Figure 2 (a) HAADF-STEM image of Hf0.5Zr0.5O2 thinfilm and (b) selected area electron diffraction pattern.

スと融合させた新奇電子デバイスの創出への展開が期待される。

─ 35 ─

研磨定盤と被加工物の接触部近傍に供給されつぎに，研磨定盤と GaN 基板の接触領域近傍

次世代車載用パワー半導体基板の高能率加工方法

たオゾンガスは，摩擦熱によって，酸素と原子状に供給するオゾンガスの濃度と加工能率の関係

酸素に分解され，原子状酸素が研磨定盤表面と被を調査した結果を図 3 に示す．オゾンガス濃度のHigh efficiency processing for next generation automotive power semiconductor
substrate

加工物基板表面の両表面の親水化・清浄化を促進

増加に伴い，加工能率が大きくなる傾向が確認でし，安定な化学反応場を形成する．この効果によきた．また，オゾンガスを供給することによって，って，両表面間でのトライボケミカル反応が大幅

加工能率がおよそ 1.7 倍（約 3 µm/h）になることに促進されて，加工能率の向上と表面粗さの改善も確認できた．オゾンガス濃度と表面粗さについが実現する．

ては，強い相関は見られず，オゾンガス濃度に関

2.3

係なく，常に良好な表面粗さを持つ GaN 基板が公益財団法人

スズキ財団

平成２９年度

研究報告書概要

久保田章亀,
Akihisa Kubota
熊本大学,
Kumamoto University

実施内容と結果

要旨英文: In this study, we developed a novel polishing technique for SiC and GaN substrate using ozone (O 3 )本研究では，オゾン援用研磨による GaN 基板

gas. To examine the removal characteristics of GaN substrate, the material removal rate and surface integrity wereの加工特性の評価として，① 表面粗さの改善効

図 4 は，研磨前後の GaN 基板表面直下の損傷

measured and analyzed by scanning white light interferometry. The experimental results show that the polished果，② オゾンガス濃度が加工能率に及ぼす影響，をカソードルミネッセンス（CL）法で評価した結GaN surfaces were improved markedly and material removal rate was enhanced using O 3 gas.

③ カソードルミネッセンス（CL）による GaN 基果である．研磨前の GaN 基板表面には，前処理板面直下のダメージ評価を実施した．実験条件は，で行った機械研磨に起因する無数のダメージが表 1 に示すとおりである．

残存していることが確認された．一方，研磨後のKey Words：GaN, Polishing, ozone gas, smooth, damage-free得られた．

図 2 にオゾン援用研磨前後の走査型白色干渉

GaN 基板表面には，前処理に起因するダメージが顕微鏡像を示す．研磨前の表面粗さが PV: 20.848

大幅に減少し，高品質な面が得られていることが本研究では，シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN），ダイヤモンドを用いた次世代車載

nm，Rms: 3.315 nm，Ra: 2.665 nm であるのに対しわかった．加工時間をさらに増やせば，ダメージ用パワー半導体の実現に向けて，オゾンの化学的作用を援用した新しい加工方法を開発し，半導体デて，研磨後の表面粗さは，PV: 4.749 nm，Rms: 0.409

フリーな基板を獲得できる可能性があり，オゾンバイス作製時に必要とされるダメージフリーな高品位な SiC や GaN 表面を実現する．

nm，Ra: 0.305 nm であり，1 時間の研磨で表面粗援用研磨法によって GaN 基板の高能率・高精度

さが大幅に改善した．

加工を実現できる可能性を示せた．

1

研究概要

2

結果概要

2.1

今後，本研究で得られた知見をもとにして，2

表 1 実験条件

研究背景と目的

現在，太陽光発電や風力発電などの自然エネル

ト化と品質の安定化が強く求められている．このギーを利用した，二酸化炭素を排出しない再生可

ような背景のもと，本研究では，SiC や GaN など

能エネルギーの利用拡大とともに，エネルギー消のパワー半導体デバイス基板の加工に対応でき費量を削減することによる省エネルギー化が強る加工技術の構築を目指して，オゾンを効果的にく求められている．この省エネルギー化のカギを利用した新しいドライ加工法の開発を試みた．

握るのがパワー半導体である．パワー半導体は，

2.2

オゾン援用研磨

電流を直流から交流に変えたり，電圧を低下させ

本研究では，研磨定盤と被加工物の接触部近傍

たり，電気の流れを内部で使いやすいように整えにオゾンガスを供給しながら加工する，オゾン援る役割を担う電子デバイスであり，電気自動車や用研磨法を開発した．図 1 は，オゾン援用研磨装ハイブリッド自動車，鉄道車両，産業機器，空調置の概念図である．回転テーブル上に固定された機器などのモーター制御や太陽光発電，風力発電，研磨定盤と被加工物とを荷重をかけながら，接白物家電の電力制御などで利用され，その応用範

触・相対運動させるとともに，研磨定盤と被加工囲が極めて広い．特に，環境対応車であるハイブ

物の接触点近傍にオゾンガスを供給しながら加リッド自動車（HV），電気自動車（EV），燃料電

工できる機構になっている．

池自動車（FCV）へ SiC や GaN 製パワーデバイ

SampleSample size
Load
Polishing table
Rotating speed(sample)
Rotating(table)
Reciprocating
Reciprocating speed
Process timeO 3 concentration
Gas

GaN
10 mm×10 mm
0.5 kg
Soda lime glass
31.25 rpm
200 rpm
3 mm
0.1 mm/s
1h0，7，13，20，27 g/m3
O 3 （5 L/min）

インチサイズの GaN ウエハ研磨技術の開発を進めていく予定である．

図 3 オゾンガス濃度と加工能率

荷重スが搭載されれば，各種モーター駆動や電力変換

スピンドル

回路の小型化かつ高能率化が実現でき，自動車シ

オゾンガス

試料ホルダ

ステムの大幅な小型化と軽量化，燃費改善が期待

研磨定盤

試料

されている．しかしながら，次世代パワーデバイ
スが自動車に搭載されるためには，高信頼性，安全性，低コスト化が課題になっており，そのなかでも，特に，ウエハの製造・加工における低コス─ 36 ─

回転テーブル

図 1 オゾン援用研磨法の概念図

図 2 研磨前後の GaN 表面粗さ

図 4 研磨前後の GaN 表面の CL 像

─ 37 ─

研磨定盤と被加工物の接触部近傍に供給されつぎに，研磨定盤と GaN 基板の接触領域近傍

次世代車載用パワー半導体基板の高能率加工方法

たオゾンガスは，摩擦熱によって，酸素と原子状に供給するオゾンガスの濃度と加工能率の関係

酸素に分解され，原子状酸素が研磨定盤表面と被を調査した結果を図 3 に示す．オゾンガス濃度のHigh efficiency processing for next generation automotive power semiconductor
substrate

加工物基板表面の両表面の親水化・清浄化を促進

増加に伴い，加工能率が大きくなる傾向が確認でし，安定な化学反応場を形成する．この効果によきた．また，オゾンガスを供給することによって，って，両表面間でのトライボケミカル反応が大幅

加工能率がおよそ 1.7 倍（約 3 µm/h）になることに促進されて，加工能率の向上と表面粗さの改善も確認できた．オゾンガス濃度と表面粗さについが実現する．

ては，強い相関は見られず，オゾンガス濃度に関

2.3

係なく，常に良好な表面粗さを持つ GaN 基板が公益財団法人

スズキ財団

平成２９年度

研究報告書概要

久保田章亀,
Akihisa Kubota
熊本大学,
Kumamoto University

実施内容と結果

要旨英文: In this study, we developed a novel polishing technique for SiC and GaN substrate using ozone (O 3 )本研究では，オゾン援用研磨による GaN 基板

gas. To examine the removal characteristics of GaN substrate, the material removal rate and surface integrity wereの加工特性の評価として，① 表面粗さの改善効

図 4 は，研磨前後の GaN 基板表面直下の損傷

measured and analyzed by scanning white light interferometry. The experimental results show that the polished果，② オゾンガス濃度が加工能率に及ぼす影響，をカソードルミネッセンス（CL）法で評価した結GaN surfaces were improved markedly and material removal rate was enhanced using O 3 gas.

③ カソードルミネッセンス（CL）による GaN 基果である．研磨前の GaN 基板表面には，前処理板面直下のダメージ評価を実施した．実験条件は，で行った機械研磨に起因する無数のダメージが表 1 に示すとおりである．

残存していることが確認された．一方，研磨後のKey Words：GaN, Polishing, ozone gas, smooth, damage-free得られた．

図 2 にオゾン援用研磨前後の走査型白色干渉

GaN 基板表面には，前処理に起因するダメージが顕微鏡像を示す．研磨前の表面粗さが PV: 20.848

大幅に減少し，高品質な面が得られていることが本研究では，シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN），ダイヤモンドを用いた次世代車載

nm，Rms: 3.315 nm，Ra: 2.665 nm であるのに対しわかった．加工時間をさらに増やせば，ダメージ用パワー半導体の実現に向けて，オゾンの化学的作用を援用した新しい加工方法を開発し，半導体デて，研磨後の表面粗さは，PV: 4.749 nm，Rms: 0.409

フリーな基板を獲得できる可能性があり，オゾンバイス作製時に必要とされるダメージフリーな高品位な SiC や GaN 表面を実現する．

nm，Ra: 0.305 nm であり，1 時間の研磨で表面粗援用研磨法によって GaN 基板の高能率・高精度

さが大幅に改善した．

加工を実現できる可能性を示せた．

1

研究概要

2

結果概要

2.1

今後，本研究で得られた知見をもとにして，2

表 1 実験条件

研究背景と目的

現在，太陽光発電や風力発電などの自然エネル

ト化と品質の安定化が強く求められている．このギーを利用した，二酸化炭素を排出しない再生可

ような背景のもと，本研究では，SiC や GaN など

能エネルギーの利用拡大とともに，エネルギー消のパワー半導体デバイス基板の加工に対応でき費量を削減することによる省エネルギー化が強る加工技術の構築を目指して，オゾンを効果的にく求められている．この省エネルギー化のカギを利用した新しいドライ加工法の開発を試みた．

握るのがパワー半導体である．パワー半導体は，

2.2

オゾン援用研磨

電流を直流から交流に変えたり，電圧を低下させ

本研究では，研磨定盤と被加工物の接触部近傍

たり，電気の流れを内部で使いやすいように整えにオゾンガスを供給しながら加工する，オゾン援る役割を担う電子デバイスであり，電気自動車や用研磨法を開発した．図 1 は，オゾン援用研磨装ハイブリッド自動車，鉄道車両，産業機器，空調置の概念図である．回転テーブル上に固定された機器などのモーター制御や太陽光発電，風力発電，研磨定盤と被加工物とを荷重をかけながら，接白物家電の電力制御などで利用され，その応用範

触・相対運動させるとともに，研磨定盤と被加工囲が極めて広い．特に，環境対応車であるハイブ

物の接触点近傍にオゾンガスを供給しながら加リッド自動車（HV），電気自動車（EV），燃料電

工できる機構になっている．

池自動車（FCV）へ SiC や GaN 製パワーデバイ

SampleSample size
Load
Polishing table
Rotating speed(sample)
Rotating(table)
Reciprocating
Reciprocating speed
Process timeO 3 concentration
Gas

GaN
10 mm×10 mm
0.5 kg
Soda lime glass
31.25 rpm
200 rpm
3 mm
0.1 mm/s
1h0，7，13，20，27 g/m3
O 3 （5 L/min）

インチサイズの GaN ウエハ研磨技術の開発を進めていく予定である．

図 3 オゾンガス濃度と加工能率

荷重スが搭載されれば，各種モーター駆動や電力変換

スピンドル

回路の小型化かつ高能率化が実現でき，自動車シ

オゾンガス

試料ホルダ

ステムの大幅な小型化と軽量化，燃費改善が期待

研磨定盤

試料

されている．しかしながら，次世代パワーデバイ
スが自動車に搭載されるためには，高信頼性，安全性，低コスト化が課題になっており，そのなかでも，特に，ウエハの製造・加工における低コス─ 36 ─

回転テーブル

図 1 オゾン援用研磨法の概念図

図 2 研磨前後の GaN 表面粗さ

図 4 研磨前後の GaN 表面の CL 像

─ 37 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

実際の学習シミュレーションにより得られた研究報告書概要

転移曲面上で転移率推定を行った結果，図３の学習ロボットにおける結果が得られた．転移曲面上で一番勾配が低く安定している転移率の条件が推定可能となった．

知識の再利用度合いオートチューニング法の開発
Estimation Method of Policy Reuse Ratio for Transfer Learning
in Reinforcement Learning
河野 仁,
Hitoshi Kono
東京工芸大学,Tokyo Polytechnic University
This paper presents automatic estimation method of transfer ratio for transfer learning in
reinforcement learning. In recent years, learning robot system has been discussed for the actual
application. To reduce the learning time, transfer learning is proposed. In particular,
effectiveness of transfer evaluation method is proposed in reinforcement learning andadjustment method of transfer rate is also proposed. However, decision of transfer rate depends
on human intuition and experience. In this paper, automatic transfer rate estimation method
is proposed and confirmed effectiveness using computer simulations.

Key Words：強化学習, 転移学習, 転移曲面，転移率，勾配降下法

1

研究概要
近年，Deep learning や強化学習などで学習の効率を高めるために，過去に獲得した知識を再利用する手法（転移学習）が提案され，自律ロボットなどへの実装もなされている．しかし，過度に知識を再利用すると新たな環境に適応できない．本研究では，知識の再利用度合いのパラメータを自動で探査する手法を開発する．

2

結果概要

2.1

目的

図１ 転移曲面の例
つの軸で構成される曲面であり，転移率の変更に応じた転移学習の効果が確認できる．
2.2

転移率調整における学習進度遡行性検証
図３

まず初めに，転移曲面が再利用方策の学習進度をロールバックしているか検証を行った．実2.4

転移率の推定結果

まとめと今後の課題

際に学習進度別に転移学習を行った学習結果を本研究では，強化学習における転移学習での基に構成した転移曲面（STR）と，転移率を調転移曲面を用いた転移率推定法を提案し，まず整して転移学習を行った転移曲面（TTR）をヒエピソードベースでの転移曲面と転移率ベース

ストグラム交差法により類似性を評価した．実での転移曲面の類似性を評価し，転移率が再利

験条件は 3 種類の最短経路問題を採用し，ヒス

用方策の学習進度をロールバックできることをトグラム交差法により算出された値の平均値と実験的に示した．次に，初期値ランダムの多数

標準偏差を図２に示す．比較として，まったく決型勾配降下法を用いた最適な転移率を探査す

異なる形状の転移曲面からヒストグラム交差法

る手法を開発し，転移曲面上で過学習を防止でにより算出された値も記されている．これによきる転移率の推定が可能であることを示した．

り，STR と TTR では曲面の類似性があり，すな

これにより，提案手法を学習シミュレータやロ

わち転移率の調整を行うと再利用する方策の学

ボットに実装することで転移率のオートチュー

習進度を調整できることが示された．

ニングが可能である．
今後の課題として，学習シミュレーションと実ロボットを用いた提案手法の評価がある．本

転移学習では，過学習を防止するために，再時間の短縮が期待できる．転移学習は強化学習利用方策を割り引く転移率というパラメータがエージェントが転移元環境(Source task)にて学

提案されている．転移率の決定はヒトによる経習した方策を転移先(Target task) で再利用する．

験と直感に依存しており，本研究では転移曲面

Target task においても強化学習エージェントはという評価手法と勾配降下法を基にした探査手学習を継続して行う．

フォークリフトを開発した．今後，図４を用いて倉庫内マルチロボット荷物搬送をテストベッ
ドとした実験を行う．

転移学習は新たな環境に適応できなくなる過法を用いて，効果的な転移率を自動で推定する手法の開発を目的とする．

学習状態に陥る可能性もあり，それを抑止する

2.2

ために転移率というパラメータが提案されてい強化学習と転移学習

研究では図４に示す小型のコンテナ搬送用小型

強化学習は目的達成時に得られる報酬をもとる．転移率は再利用する方策の行動価値を割りに試行錯誤的に最適解を探査する学習アルゴリ

引くため，過学習を防止し，さらには再利用すズムであり，本研究では Q 学習を用いる．強化る方策を獲得した過程（学習進度）をロールバ

学習は試行錯誤的に解（方策）を獲得し，報酬ックする効果があると考えられる．しかし，転が多く受け取れるように行動を学習する．

移率はヒトの経験と直観により決定されるため，転移学習は，強化学習で獲得した方策を再利

転移学習の効果の可視化のため，転移曲面が提用する手法であり，環境適応性能の向上や学習案されている．転移曲面は図 1 に示すような 3

─ 38 ─

図２
2.3

学習進度遡行性検証の結果

最適な転移率の自動的な探査

転移曲面では，転移率ごとの学習結果が見て取れるため，ヒトでは最適なしいは準最適な転移率の判断が行いやすい．そこで，転移率の決定を自動化するために，本研究では初期値ラン
ダムの勾配降下法により多数の転移曲面上での転移率推定を行い，一番多い推定結果を効果的な転移率とする手法を提案した．

図４ 小型フォークリフトロボット

─ 39 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

実際の学習シミュレーションにより得られた研究報告書概要

転移曲面上で転移率推定を行った結果，図３の学習ロボットにおける結果が得られた．転移曲面上で一番勾配が低く安定している転移率の条件が推定可能となった．

知識の再利用度合いオートチューニング法の開発
Estimation Method of Policy Reuse Ratio for Transfer Learning
in Reinforcement Learning
河野 仁,
Hitoshi Kono
東京工芸大学,Tokyo Polytechnic University
This paper presents automatic estimation method of transfer ratio for transfer learning in
reinforcement learning. In recent years, learning robot system has been discussed for the actual
application. To reduce the learning time, transfer learning is proposed. In particular,
effectiveness of transfer evaluation method is proposed in reinforcement learning andadjustment method of transfer rate is also proposed. However, decision of transfer rate depends
on human intuition and experience. In this paper, automatic transfer rate estimation method
is proposed and confirmed effectiveness using computer simulations.

Key Words：強化学習, 転移学習, 転移曲面，転移率，勾配降下法

1

研究概要
近年，Deep learning や強化学習などで学習の効率を高めるために，過去に獲得した知識を再利用する手法（転移学習）が提案され，自律ロボットなどへの実装もなされている．しかし，過度に知識を再利用すると新たな環境に適応できない．本研究では，知識の再利用度合いのパラメータを自動で探査する手法を開発する．

2

結果概要

2.1

目的

図１ 転移曲面の例
つの軸で構成される曲面であり，転移率の変更に応じた転移学習の効果が確認できる．
2.2

転移率調整における学習進度遡行性検証
図３

まず初めに，転移曲面が再利用方策の学習進度をロールバックしているか検証を行った．実2.4

転移率の推定結果

まとめと今後の課題

際に学習進度別に転移学習を行った学習結果を本研究では，強化学習における転移学習での基に構成した転移曲面（STR）と，転移率を調転移曲面を用いた転移率推定法を提案し，まず整して転移学習を行った転移曲面（TTR）をヒエピソードベースでの転移曲面と転移率ベース

ストグラム交差法により類似性を評価した．実での転移曲面の類似性を評価し，転移率が再利

験条件は 3 種類の最短経路問題を採用し，ヒス

用方策の学習進度をロールバックできることをトグラム交差法により算出された値の平均値と実験的に示した．次に，初期値ランダムの多数

標準偏差を図２に示す．比較として，まったく決型勾配降下法を用いた最適な転移率を探査す

異なる形状の転移曲面からヒストグラム交差法

る手法を開発し，転移曲面上で過学習を防止でにより算出された値も記されている．これによきる転移率の推定が可能であることを示した．

り，STR と TTR では曲面の類似性があり，すな

これにより，提案手法を学習シミュレータやロ

わち転移率の調整を行うと再利用する方策の学

ボットに実装することで転移率のオートチュー

習進度を調整できることが示された．

ニングが可能である．
今後の課題として，学習シミュレーションと実ロボットを用いた提案手法の評価がある．本

転移学習では，過学習を防止するために，再時間の短縮が期待できる．転移学習は強化学習利用方策を割り引く転移率というパラメータがエージェントが転移元環境(Source task)にて学

提案されている．転移率の決定はヒトによる経習した方策を転移先(Target task) で再利用する．

験と直感に依存しており，本研究では転移曲面

Target task においても強化学習エージェントはという評価手法と勾配降下法を基にした探査手学習を継続して行う．

フォークリフトを開発した．今後，図４を用いて倉庫内マルチロボット荷物搬送をテストベッ
ドとした実験を行う．

転移学習は新たな環境に適応できなくなる過法を用いて，効果的な転移率を自動で推定する手法の開発を目的とする．

学習状態に陥る可能性もあり，それを抑止する

2.2

ために転移率というパラメータが提案されてい強化学習と転移学習

研究では図４に示す小型のコンテナ搬送用小型

強化学習は目的達成時に得られる報酬をもとる．転移率は再利用する方策の行動価値を割りに試行錯誤的に最適解を探査する学習アルゴリ

引くため，過学習を防止し，さらには再利用すズムであり，本研究では Q 学習を用いる．強化る方策を獲得した過程（学習進度）をロールバ

学習は試行錯誤的に解（方策）を獲得し，報酬ックする効果があると考えられる．しかし，転が多く受け取れるように行動を学習する．

移率はヒトの経験と直観により決定されるため，転移学習は，強化学習で獲得した方策を再利

転移学習の効果の可視化のため，転移曲面が提用する手法であり，環境適応性能の向上や学習案されている．転移曲面は図 1 に示すような 3

─ 38 ─

図２
2.3

学習進度遡行性検証の結果

最適な転移率の自動的な探査

転移曲面では，転移率ごとの学習結果が見て取れるため，ヒトでは最適なしいは準最適な転移率の判断が行いやすい．そこで，転移率の決定を自動化するために，本研究では初期値ラン
ダムの勾配降下法により多数の転移曲面上での転移率推定を行い，一番多い推定結果を効果的な転移率とする手法を提案した．

図４ 小型フォークリフトロボット

─ 39 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29
30 年度

研究報告書概要

機械学習を用いた燃焼不安定の早期検知技術の開発
Development of early detection technology of combustion instability using machine learning
助成者 後藤田 浩, Hiroshi Gotoda
助成者所属 東京理科大学 工学部 機械工学科
Department of Mechanical Engineering, Tokyo University of Science
We conduct an experimental study on the early detection of combustion oscillations using a method combining
complex networks and machine learning. The probability distribution of the transition patterns in ordinal
partition transition networks effectively captures the subtle changes in the combustion state during a transition
to combustion oscillations with increasing equivalence ratio. A feature space consisting of the principal
component plane estimated from the probability distribution of the transition patterns, which is obtained by asupport vector machine and the k means method, allows us to detect a precursor of combustion oscillations.
Key Words：燃焼振動, 複雑ネットワーク, サポートベクトルマシーン

1

研究概要

情 報 論 的 学 習 理 論 に基 づく機 械 学 習 の体 系 化 が著 しく進 展 し, 機 械 学 習 の熱 工 学
分 野 への積 極 的 な導 入 が切 望 されている. 他 方 , 非 線 形 科 学 の分 野 では, スモールワ
ールド・スケールフリー性 をキーワードとした複 雑 ネットワークの体 系 化 が進 んでいる. 本 研
究 では, 複 雑 ネットワークと機 械 学 習 を融 合 させた燃 焼 振 動 の新 たな早 期 検 知 技 術 を開
発 する.

2

研究背景
ガスタービンエンジン内の燃焼振動の発生は,燃焼器の深刻な破損に繋がることから, 燃焼振動の予兆検知と回避は重要な課題である．最近, 研究代表者らのグループでは, 乱流予混合燃焼器で発生する燃焼振動の予兆検知を行っている[1].
しかしながら, 複雑ネットワークに着目して, 燃焼
振動の形成に重要となる圧力変動と発熱率変動の相互作用を考慮に入れた検知手法は提案されていない. 他方, 情報論的学習理論に基づく機械学
習の体系化が著しく進展し, 近年, 機械学習の熱工学分野への積極的な導入が切望されている.
本研究では, 複雑ネットワークと機械学習を組み合わせた独自の方法論を用いて, 燃焼振動の予兆検知と回避を行うことを目的とする. 複雑ネット
ワークには, 圧力変動と OH*自発光強度変動から構築される遷移ネットワークを用い, 機械学習の一つであるサポートベクトルマシーンを導入する.

3

実験装置及び方法
本研究で使用する予混合燃焼器は従来の研究と同一とする[1]. 燃焼室内の圧力変動 p′は圧力ト
ランスデューサ(JTECT 製 PD104K-10kPa)を用いて測定される. OH*自発光強度変動 I′OH∗はバンド
パスフィルタ(ASAHI SPECTRA Co. UZ0310)が取り 付 け ら れ た フ ォ ト マ ル チ プ ラ イ ヤ (Hamamatsu
Photonics K. K. H10722-210)によって測定される.
p′と I′OH∗のサンプリング周波数を 6000 Hz とする.
空気流量 Qmain,air を 152.4 L/min (断面平均流速 U= 6.0 m/s)で固定し, メタン流量を変化させることで
当量比 ϕ を変化させる. 本研究では, ϕ を増加させることで, 燃焼状態を燃焼騒音から燃焼振動へ遷移させる. 燃焼振動の予兆を検知した後, 二次空
気噴射による燃焼振動のオンライン回避を行う.

3

複雑ネットワークと機械学習

遷移ネットワークの構築では, p′と I′OH∗のそれぞれを, 埋め込み次元 D と遅れ時間 τ を考慮した順
列パターンに変換する．順列パターンの組み合わせを Πi (Π1, Π2, Π3, Π4)に分類をしたのち, Πi  Πjに遷移する確率 Wij = p(Πi  Πj)を算出する. 本研
究では, D = 2, τ = 1 とする. サポートベクトルマシ
ーンでは, N 個の教師データの集合{xn, yn}(n = 1,
─ 40 ─

2, ..., N)を作る. ここで, xn を教師データのベクトル,yn = −1,1}を教師データのラベルとする. 本研究では式(1)で示される分類境界の決定関数 f(x)を与える.
Nf ( x )    i yi K ( x i , x )(1)i

ただし, をラグランジュ乗数, K(xi, x)をカーネル関数とする. y·f(x) > 0 のとき二つのラベルの境界は適切に分類される. ソフトマージンを考慮し, 式(1)のは式(2)の最適化問題を解くことで決定される.

arg max( 1 N  i j yi y j K (xi , x j )  i  i )2 i(2)s.t .  i yi 0, 0   i  1

わかる. これらの結果から, 本研究で提案する方法論が燃焼振動の予兆検知・オンライン回避に有用であることと言える.

文献[1] S. Murayama et al., Phys. Rev. E, vol. 97,
022223, 2018.

本研究課題の研究実績[1] T. Kobayashi et al., Phys. Rev. Appl, vol. 11,064034, 2019.
[2] 後藤田ら, 複雑ネットワークと機械学習を用いて燃焼振動の予兆検知に成功 -燃焼工学におけるヘルスモニタリング技術の新展開-, 東京理科大学プレスリリース, 2019.

i

本研究では, Wij の主成分平面に k 平均法を適用し, 3 つの燃焼状態(燃焼騒音, 燃焼騒音から燃焼振動への遷移, 燃焼振動)にクラスタリングする.
クラスタリングされた平面にサポートベクトルマシー
ンを適用し, 分類境界を求める.

3

結果及び考察図 1 に遷移ネットワークのランクオーダパターンの存在確率 Wij に主成分分析を適用した結果を示
す. 燃焼振動領域では, W11 と W44 が支配的となり,
p′と I′OH∗は同期状態である. このことは, 圧力変動と発熱率変動の位相同期が燃焼振動の維持に重要な役割を果たしていることを意味する. また, 燃
焼騒音から燃焼振動にかけて放物状の軌道が描
かれ, 当量比ごとの燃焼状態を分類することが可能である. 遷移ネットワークと主成分分析を組み合わせた方法は, 燃焼振動の事前検知に対して有用であると思われる．図 2(A)に図 1 で得られた主成分平面に k 平均法を用いてクラスタリングを行い，サポートベクトルマシーンを用いて分類境界を求めた結果を示す. 図 2(A)で示されるように, 燃焼状
態を燃焼騒音領域(青色), 遷移領域(黄色)，燃焼
振動領域(赤色)の 3 つの領域に分類が可能である.
図 2(B)は燃焼騒音から燃焼振動へ遷移させたときの p′, I′OH∗と ϕ の時間変化を示す. 燃焼状態は燃焼騒音から, 16 s  t  29 s で遷移領域に入ったのちに, 燃焼振動へ至る. このことは, 本研究で提案した手法が燃焼状態の重要な遷移過程を的確に捉えていることを示している. 図 3 に燃焼振動の制御時の特徴空間, p′，I′OH∗, ϕ と二次燃料流量
Qsecondary,air の時間変化を示す. 燃焼状態が遷移領域に入ったことを検知した後(t = 21.3 s), 二次空気噴射を行うことで燃焼振動が十分抑制されたことが

図 1 遷移ネットワークの遷移確率 Wij の第 1 主成
分と第 2 主成分の関係.

図 2 サポートベクトルマシーンによって得られた
状態空間.

図 3 二次空気噴射による燃焼振動のオンライン回避.

─ 41 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29
30 年度

研究報告書概要

機械学習を用いた燃焼不安定の早期検知技術の開発
Development of early detection technology of combustion instability using machine learning
助成者 後藤田 浩, Hiroshi Gotoda
助成者所属 東京理科大学 工学部 機械工学科
Department of Mechanical Engineering, Tokyo University of Science
We conduct an experimental study on the early detection of combustion oscillations using a method combining
complex networks and machine learning. The probability distribution of the transition patterns in ordinal
partition transition networks effectively captures the subtle changes in the combustion state during a transition
to combustion oscillations with increasing equivalence ratio. A feature space consisting of the principal
component plane estimated from the probability distribution of the transition patterns, which is obtained by asupport vector machine and the k means method, allows us to detect a precursor of combustion oscillations.
Key Words：燃焼振動, 複雑ネットワーク, サポートベクトルマシーン

1

研究概要

情 報 論 的 学 習 理 論 に基 づく機 械 学 習 の体 系 化 が著 しく進 展 し, 機 械 学 習 の熱 工 学
分 野 への積 極 的 な導 入 が切 望 されている. 他 方 , 非 線 形 科 学 の分 野 では, スモールワ
ールド・スケールフリー性 をキーワードとした複 雑 ネットワークの体 系 化 が進 んでいる. 本 研
究 では, 複 雑 ネットワークと機 械 学 習 を融 合 させた燃 焼 振 動 の新 たな早 期 検 知 技 術 を開
発 する.

2

研究背景
ガスタービンエンジン内の燃焼振動の発生は,燃焼器の深刻な破損に繋がることから, 燃焼振動の予兆検知と回避は重要な課題である．最近, 研究代表者らのグループでは, 乱流予混合燃焼器で発生する燃焼振動の予兆検知を行っている[1].
しかしながら, 複雑ネットワークに着目して, 燃焼
振動の形成に重要となる圧力変動と発熱率変動の相互作用を考慮に入れた検知手法は提案されていない. 他方, 情報論的学習理論に基づく機械学
習の体系化が著しく進展し, 近年, 機械学習の熱工学分野への積極的な導入が切望されている.
本研究では, 複雑ネットワークと機械学習を組み合わせた独自の方法論を用いて, 燃焼振動の予兆検知と回避を行うことを目的とする. 複雑ネット
ワークには, 圧力変動と OH*自発光強度変動から構築される遷移ネットワークを用い, 機械学習の一つであるサポートベクトルマシーンを導入する.

3

実験装置及び方法
本研究で使用する予混合燃焼器は従来の研究と同一とする[1]. 燃焼室内の圧力変動 p′は圧力ト
ランスデューサ(JTECT 製 PD104K-10kPa)を用いて測定される. OH*自発光強度変動 I′OH∗はバンド
パスフィルタ(ASAHI SPECTRA Co. UZ0310)が取り 付 け ら れ た フ ォ ト マ ル チ プ ラ イ ヤ (Hamamatsu
Photonics K. K. H10722-210)によって測定される.
p′と I′OH∗のサンプリング周波数を 6000 Hz とする.
空気流量 Qmain,air を 152.4 L/min (断面平均流速 U= 6.0 m/s)で固定し, メタン流量を変化させることで
当量比 ϕ を変化させる. 本研究では, ϕ を増加させることで, 燃焼状態を燃焼騒音から燃焼振動へ遷移させる. 燃焼振動の予兆を検知した後, 二次空
気噴射による燃焼振動のオンライン回避を行う.

3

複雑ネットワークと機械学習

遷移ネットワークの構築では, p′と I′OH∗のそれぞれを, 埋め込み次元 D と遅れ時間 τ を考慮した順
列パターンに変換する．順列パターンの組み合わせを Πi (Π1, Π2, Π3, Π4)に分類をしたのち, Πi  Πjに遷移する確率 Wij = p(Πi  Πj)を算出する. 本研
究では, D = 2, τ = 1 とする. サポートベクトルマシ
ーンでは, N 個の教師データの集合{xn, yn}(n = 1,
─ 40 ─

2, ..., N)を作る. ここで, xn を教師データのベクトル,yn = −1,1}を教師データのラベルとする. 本研究では式(1)で示される分類境界の決定関数 f(x)を与える.
Nf ( x )    i yi K ( x i , x )(1)i

ただし, をラグランジュ乗数, K(xi, x)をカーネル関数とする. y·f(x) > 0 のとき二つのラベルの境界は適切に分類される. ソフトマージンを考慮し, 式(1)のは式(2)の最適化問題を解くことで決定される.

arg max( 1 N  i j yi y j K (xi , x j )  i  i )2 i(2)s.t .  i yi 0, 0   i  1

わかる. これらの結果から, 本研究で提案する方法論が燃焼振動の予兆検知・オンライン回避に有用であることと言える.

文献[1] S. Murayama et al., Phys. Rev. E, vol. 97,
022223, 2018.

本研究課題の研究実績[1] T. Kobayashi et al., Phys. Rev. Appl, vol. 11,064034, 2019.
[2] 後藤田ら, 複雑ネットワークと機械学習を用いて燃焼振動の予兆検知に成功 -燃焼工学におけるヘルスモニタリング技術の新展開-, 東京理科大学プレスリリース, 2019.

i

本研究では, Wij の主成分平面に k 平均法を適用し, 3 つの燃焼状態(燃焼騒音, 燃焼騒音から燃焼振動への遷移, 燃焼振動)にクラスタリングする.
クラスタリングされた平面にサポートベクトルマシー
ンを適用し, 分類境界を求める.

3

結果及び考察図 1 に遷移ネットワークのランクオーダパターンの存在確率 Wij に主成分分析を適用した結果を示
す. 燃焼振動領域では, W11 と W44 が支配的となり,
p′と I′OH∗は同期状態である. このことは, 圧力変動と発熱率変動の位相同期が燃焼振動の維持に重要な役割を果たしていることを意味する. また, 燃
焼騒音から燃焼振動にかけて放物状の軌道が描
かれ, 当量比ごとの燃焼状態を分類することが可能である. 遷移ネットワークと主成分分析を組み合わせた方法は, 燃焼振動の事前検知に対して有用であると思われる．図 2(A)に図 1 で得られた主成分平面に k 平均法を用いてクラスタリングを行い，サポートベクトルマシーンを用いて分類境界を求めた結果を示す. 図 2(A)で示されるように, 燃焼状
態を燃焼騒音領域(青色), 遷移領域(黄色)，燃焼
振動領域(赤色)の 3 つの領域に分類が可能である.
図 2(B)は燃焼騒音から燃焼振動へ遷移させたときの p′, I′OH∗と ϕ の時間変化を示す. 燃焼状態は燃焼騒音から, 16 s  t  29 s で遷移領域に入ったのちに, 燃焼振動へ至る. このことは, 本研究で提案した手法が燃焼状態の重要な遷移過程を的確に捉えていることを示している. 図 3 に燃焼振動の制御時の特徴空間, p′，I′OH∗, ϕ と二次燃料流量
Qsecondary,air の時間変化を示す. 燃焼状態が遷移領域に入ったことを検知した後(t = 21.3 s), 二次空気噴射を行うことで燃焼振動が十分抑制されたことが

図 1 遷移ネットワークの遷移確率 Wij の第 1 主成
分と第 2 主成分の関係.

図 2 サポートベクトルマシーンによって得られた
状態空間.

図 3 二次空気噴射による燃焼振動のオンライン回避.

─ 41 ─

公益財団法人

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平成 29 年度

研究報告書概要

結合発振器の同期現象を活用した車両群の自己修復フォーメンション制御

2.2 実機実験システムを描いている．t=0〜120 s では，安定なフォー

本研究で製作した実機実験システム[3]の概メーションが形成されており，各位相差も 2π略図を図 3 に示す．本システムは，Web カメラ，

/9 に収束している．t=120 s で 8,9 番を削除しPC，送信用 XBee，受信用 XBee，車両型ロボット

た．その後，各位相差が 2π/7 に収束しており，群の 5 つのユニットで構成されている．Web カ

フォーメーションは自己修復している．

メラは，車両型ロボット群を上から撮影し，画次に，連なった 3 台のロボットを削除した

像情報を PC へ送る．PC は，画像情報から，各(図 5(右))．t=120 s で 7,8,9 番を削除すると，ロボットの位置情報を算出し，送信用 XBee から，

フォーメーションは崩れ，自己修復は失敗してその位置情報を送信する．各車両型ロボットは，いる．ここで，自己修復の成功/失敗の境界とな受信した位置情報から制御入力を算出し，モーる削除台数を調べることにする． N 台がフォータの制御を行う．上記の手順が繰り返される．

メーションを形成している状態から，自己修復

5 台の車両型ロボットによるフォーメーショに失敗しない最大の削除台数を n，それらがフ

要旨英文 Our study experimentally implements two-wheeled mobile vehicles controlled by coupled oscillators.

ン実験の結果を図 4 に示す．図中の■は初期時

ォーメーションに占めていた角度をηとし， N

The main result of our study is to show that circular formations on the two-wheeled mobile vehicles can be

刻での位置を，●は時刻 120 s での位置を表しに対する n とηの関係を図 6 に示す．角度η<ている．図中の数字は車両型ロボットの番号でπ/2 を満たすように削除を行えば，台数 N に依ある．5 台の走行半径は目標走行半径に収束し，存することなく自己修復に成功することが実験

また位相差もおおむね一定値に収束しており，

によってわかった [4]．

Self-organized formation of two-wheeled mobile vehicles controlled by coupled oscillators
小西啓治, Keiji Konishi
大阪府立大学 工学研究科, Graduate School of Engineering, Osaka Prefecture University

maintained without changing control law even when some vehicles are removed due to trouble.

Key Words：結合発振器, 同期現象, 自己組織化, ロボット群

1

安定なフォーメーションが形成されている．

研究概要
複数の発振器を相互作用させると，様々な同期現象が自己組織的に生じる．我々は，各車両に発振器を組込み，同期現象に基づく車両群のフォーメーション制御を試みている．本研究では，フォーメーションを実現する実機実験システムを構築し，フォーメーションにおける車両の故障に対する自己修復能力を調査した．
図 5: 2 台(左)，3 台(右)の削除実験

2

結果概要

2.1

結合発振器による車両群制御

自励振動する発振器の挙動は，2 次元の非線

図 3: 実機実験システム

形微分方程式で記述できる(図 1 上段)．この発振器に生じる振動はリミットサイクルと呼ばれており，微分方程式の解軌跡はこのリミットサ
イクルに引き込まれてゆく．我々は，この非線形微分方程式を小型車両の制御則に組込むと，車両の挙動が解軌跡のように，円周上を一定速

図 1: 車両と発振器

図 6: 削除台数 n，削除角度ηと総数 N の関係

度で走行することを見出している[1]．
複数の発振器を相互作用させると(図 2 上段)，

参考文献

発振器には様々なタイプの同期現象が生じる．
図 4: フォーメーションの形成

同期現象のタイプは，発振器の数や相互作用の[1] N. Hara, H. Kokame, K. Konishi, Proc.
American Control Conf., pp.4271-4276 (2010)

様式に依存する．我々は，図 2 上段のように，2.3発振器をリング状に結合することで，各発振器

故障車両の削除と自己修復性能[2] T. Nakamura, M. Tsukiji, N. Hara, K. Konishi,の位相が等間隔に分布すること，さらに，図 29 台の車両型ロボットがフォーメーションを

Proc. IFAC Workshop NecSys pp. 187-191 (2016).

下段のように，各発振器を車両の制御則に組込形成している状態から，連なった 2 台が故障の[3] 山嵜，藤井，小西，大谷，原: 電子情報通信

むと，等間隔の円状のフォーメンションが形成ため削除された状況を考える．図 5(左)では，

学会 技報 NLP2018-76, 2018

されることを明らかにしている[2]．

ロボット間の位相差がプロットされており，下[4] 藤井，小西，原: 電子情報通信学会 総合大部には，形成されるフォーメーションの概略図

会, N-1-14, 2019

図 2: 結合発振器による車両群制御

─ 42 ─

─ 43 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

結合発振器の同期現象を活用した車両群の自己修復フォーメンション制御

2.2 実機実験システムを描いている．t=0〜120 s では，安定なフォー

本研究で製作した実機実験システム[3]の概メーションが形成されており，各位相差も 2π略図を図 3 に示す．本システムは，Web カメラ，

/9 に収束している．t=120 s で 8,9 番を削除しPC，送信用 XBee，受信用 XBee，車両型ロボット

た．その後，各位相差が 2π/7 に収束しており，群の 5 つのユニットで構成されている．Web カ

フォーメーションは自己修復している．

メラは，車両型ロボット群を上から撮影し，画次に，連なった 3 台のロボットを削除した

像情報を PC へ送る．PC は，画像情報から，各(図 5(右))．t=120 s で 7,8,9 番を削除すると，ロボットの位置情報を算出し，送信用 XBee から，

フォーメーションは崩れ，自己修復は失敗してその位置情報を送信する．各車両型ロボットは，いる．ここで，自己修復の成功/失敗の境界とな受信した位置情報から制御入力を算出し，モーる削除台数を調べることにする． N 台がフォータの制御を行う．上記の手順が繰り返される．

メーションを形成している状態から，自己修復

5 台の車両型ロボットによるフォーメーショに失敗しない最大の削除台数を n，それらがフ

要旨英文 Our study experimentally implements two-wheeled mobile vehicles controlled by coupled oscillators.

ン実験の結果を図 4 に示す．図中の■は初期時

ォーメーションに占めていた角度をηとし， N

The main result of our study is to show that circular formations on the two-wheeled mobile vehicles can be

刻での位置を，●は時刻 120 s での位置を表しに対する n とηの関係を図 6 に示す．角度η<ている．図中の数字は車両型ロボットの番号でπ/2 を満たすように削除を行えば，台数 N に依ある．5 台の走行半径は目標走行半径に収束し，存することなく自己修復に成功することが実験

また位相差もおおむね一定値に収束しており，

によってわかった [4]．

Self-organized formation of two-wheeled mobile vehicles controlled by coupled oscillators
小西啓治, Keiji Konishi
大阪府立大学 工学研究科, Graduate School of Engineering, Osaka Prefecture University

maintained without changing control law even when some vehicles are removed due to trouble.

Key Words：結合発振器, 同期現象, 自己組織化, ロボット群

1

安定なフォーメーションが形成されている．

研究概要
複数の発振器を相互作用させると，様々な同期現象が自己組織的に生じる．我々は，各車両に発振器を組込み，同期現象に基づく車両群のフォーメーション制御を試みている．本研究では，フォーメーションを実現する実機実験システムを構築し，フォーメーションにおける車両の故障に対する自己修復能力を調査した．
図 5: 2 台(左)，3 台(右)の削除実験

2

結果概要

2.1

結合発振器による車両群制御

自励振動する発振器の挙動は，2 次元の非線

図 3: 実機実験システム

形微分方程式で記述できる(図 1 上段)．この発振器に生じる振動はリミットサイクルと呼ばれており，微分方程式の解軌跡はこのリミットサ
イクルに引き込まれてゆく．我々は，この非線形微分方程式を小型車両の制御則に組込むと，車両の挙動が解軌跡のように，円周上を一定速

図 1: 車両と発振器

図 6: 削除台数 n，削除角度ηと総数 N の関係

度で走行することを見出している[1]．
複数の発振器を相互作用させると(図 2 上段)，

参考文献

発振器には様々なタイプの同期現象が生じる．
図 4: フォーメーションの形成

同期現象のタイプは，発振器の数や相互作用の[1] N. Hara, H. Kokame, K. Konishi, Proc.
American Control Conf., pp.4271-4276 (2010)

様式に依存する．我々は，図 2 上段のように，2.3発振器をリング状に結合することで，各発振器

故障車両の削除と自己修復性能[2] T. Nakamura, M. Tsukiji, N. Hara, K. Konishi,の位相が等間隔に分布すること，さらに，図 29 台の車両型ロボットがフォーメーションを

Proc. IFAC Workshop NecSys pp. 187-191 (2016).

下段のように，各発振器を車両の制御則に組込形成している状態から，連なった 2 台が故障の[3] 山嵜，藤井，小西，大谷，原: 電子情報通信

むと，等間隔の円状のフォーメンションが形成ため削除された状況を考える．図 5(左)では，

学会 技報 NLP2018-76, 2018

されることを明らかにしている[2]．

ロボット間の位相差がプロットされており，下[4] 藤井，小西，原: 電子情報通信学会 総合大部には，形成されるフォーメーションの概略図

会, N-1-14, 2019

図 2: 結合発振器による車両群制御

─ 42 ─

─ 43 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要o

試料面内の結晶粒長径方向は、90 材はほぼ DS 方o

極微小サンプル試験片による高温部材のクリープ強度
および余寿命評価法向となったが、0 材に規則性は認められなかった。
2.2

極微小 SP クリープ試験結果

図 3 は極微小 SP クリープ試験で得られた試験荷重と破断時間の関係であり、別途実施した単軸クリー

Creep strength and assessment of remaining life of high temperature components
using very small sample specimens
小林謙一,
千葉大学,

o

プ試験結果（○、△）も併記した。90 材（△、△、o△印）のクリープ破断時間は、0 材（〇、〇、〇印）と比較して 1.5～2 倍の長寿命側となった。

Ken-ichi KOBAYASHI
Chiba University

2.3

破断時間に及ぼすデンドライト・アーム・スペ

ーシング（Dendrite Arm Spacing）の影響
DS 材のクリープ強度を支配する組織要因にデCreep damage in structural components under elevated temperatures leads to a severe failure / fracture. Small

ンドライト・アーム・スペーシング（DAS）があ

Punch (SP) creep test has been proposed as a semi-destructive testing method which employs small disc specimen.

る。柱状晶の DAS は、DS 方向に伸びた枝（1 次Volume of the SP creep specimen is a few hundredth of conventional uniaxial specimen. Features of the SP creepアーム）に対して直交方向に張り出した枝（2 次strength of a Ni-base directionally solidified (DS) superalloy were examined in this study. The very small disc SPアーム）の間隔であり、デンドライト組織の粗さ

creep specimen that has 5 mm in diameter and 0.25 mm in thick was cut out along longitudinal direction (LD) andを定量的に表す示度である。

transverse direction (TD) from the Ni-base DS ingot. Experimental results showed that the creep rupture lives cut
along the LD were longer than that of the TD due to the hardness of breakage across the directionally crystalline,
and depended on Dendrite Arm Spacing. SP creep specimens were interrupted to examine the process of rupture
at several times. Then, initial cracks produced on the outer surface of the disc SP creep specimen under the loadingball along grain or dendrite boundaries. The deformation in the SP creep tests progress with the width of the maincrack expand, and then the main crack and secondary crack near it connected together.
Key Words：Small Punch Creep Test, Ni-base Directionally Solidified Superalloy, Anisotropic Materials, DASo(a) 0 specimen.

o(b) 90 specimen.

Fig.2 IPF（Inverse Pole Figure）maps on the surface of
SP creep specimen before the test.

図 4 は極微小 SP クリープ試験での破断時間と各試料の DAS の関係を負荷荷重と採取位置で表oしたものである。0 材（〇、〇、〇印）の SP ク
リープ破断強度は DAS に依存しなかった。一方、
o

90 材（△、△、△印）の極微小 SP クリープ試験

Fig.3 Relationship between the load in the SP creep
tests, the stress in the uniaxial creep tests andtheir rupture lives.

結果は、DAS に強く影響し、試料間の DAS の差
異が最大で 10 µm 程度であったが、破断時間は
DAS が小さくなると指数関数的に増加した。 DS材を用いた SP クリープ試験結果には DAS を十

1

研究概要

分留意する必要がある。

高温構造機器では、クリープ損傷が重大な事故に至るのを未然に防ぐ信頼性の高い検査法として、
スモールパンチ（SP）クリープ試験がある。本研究では、従来の SP 試験片寸法を半減させた極微小 SP

2.4

単軸クリープ試験結果との相関

SP クリープ試験と単軸クリープ試験との対比にはクリープ試験片を用いて、Ni 基超合金の一方向凝固（DS）材料（Inconel 713C）の異方性と SP クリー

荷重応力係数（F /σ）が用いられる。これは両試験のプ破断強度との関係を検討した。その結果、DS 方向に垂直となる面でクリープ破断寿命に著しい異方

破断時間が一致するときの SP クリープ試験荷重 F と性を生じたが、これはデンドライト二次アーム間隔に依存することが分かった。

2

結果概要

2.1

単軸クリープ試験応力 σ の比を算出し、両者の相関を求める考え方である。
DS 材の極微小 SP クリープ試験の F /σ 値を算出し

極微小 SP クリープ試験および供試材

SP クリープ試験には、直径 5 mm、厚さ 0.25mm の極微小試験片を用いた。極微小 SP クリー〇、△印）の破断時間と同一となる荷重 F を極微小プ試験では、試験片を上下ダイで固定し、試験片

SP クリープ試験結果の近似線より求め、これと単軸クリープ試験応力 σ との比を求めた。

中心に直径 1 mm の Si3N4 製ボールを介して試験
荷重 F を負荷する(図 1)。試験中、試験片中央が採取方向ごとに F /σ 値を求めると次式になる。

負荷ボールに沿って下方に張り出し、負荷ボール
が極微小 SP クリープ試験片を貫通する。試験荷重は 160 N、180 N、200 N とし、試験雰囲気は大気中、試験温度は 720℃とした。
供試材は Ni 基超合金 Inconel 713C による DS 材である。極微小 SP クリープ試験片は、DS 材の凝固方o

向（LD：以下、0 材）とこれに垂直な方向（TD：以Fig.4 Dependency of DAS on time to rupture in the
SP creep tests.

た。
F /σ 値は個々の単軸クリープ試験結果（図 3 中、

Fig.1 Schematic illustration of the SP creep test.
o

下、90 材）から採取した。一連のクリープ試験前には試料の面内を EBSD 測定し、結晶方位マップを取得した。図 2 は供試材の EBSD 測定結果である。

─ 44 ─

0# 材：𝐹𝐹/𝜎𝜎 = 0.25~0.26 mm.

(1)90# 材：𝐹𝐹/𝜎𝜎 = 0.24 mm.

(2)
今回、採取方向に拘わらず F /σ 値は 0.25 mm2 程度にあり、異方性の有意な影響は認められなかった。

のことが明らかになった。
(1) SP クリープ破断時間は、90o 材より 0o 材で顕著に長寿命となった。
(2) 90o 材の SP クリープ破断時間は DAS に強く依存し，DAS 微細化とともに破断時間は長寿命となった。
(3) 個々の実験結果を用いて採取方向ごとの F /σ 値に有意な異方性は認められなかった。

2.4 まとめNi 基超合金 Inconel 713C に SP クリープ試験を適用

謝辞

し異方性のマクロ挙動を実験的に検討した結果、以下から多大な援助を得たことを付し、深く謝意を表します。

─ 45 ─

本研究遂行にあたり公益社団法人･スズキ財団

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要o

試料面内の結晶粒長径方向は、90 材はほぼ DS 方o

極微小サンプル試験片による高温部材のクリープ強度
および余寿命評価法向となったが、0 材に規則性は認められなかった。
2.2

極微小 SP クリープ試験結果

図 3 は極微小 SP クリープ試験で得られた試験荷重と破断時間の関係であり、別途実施した単軸クリー

Creep strength and assessment of remaining life of high temperature components
using very small sample specimens
小林謙一,
千葉大学,

o

プ試験結果（○、△）も併記した。90 材（△、△、o△印）のクリープ破断時間は、0 材（〇、〇、〇印）と比較して 1.5～2 倍の長寿命側となった。

Ken-ichi KOBAYASHI
Chiba University

2.3

破断時間に及ぼすデンドライト・アーム・スペ

ーシング（Dendrite Arm Spacing）の影響
DS 材のクリープ強度を支配する組織要因にデCreep damage in structural components under elevated temperatures leads to a severe failure / fracture. Small

ンドライト・アーム・スペーシング（DAS）があ

Punch (SP) creep test has been proposed as a semi-destructive testing method which employs small disc specimen.

る。柱状晶の DAS は、DS 方向に伸びた枝（1 次Volume of the SP creep specimen is a few hundredth of conventional uniaxial specimen. Features of the SP creepアーム）に対して直交方向に張り出した枝（2 次strength of a Ni-base directionally solidified (DS) superalloy were examined in this study. The very small disc SPアーム）の間隔であり、デンドライト組織の粗さ

creep specimen that has 5 mm in diameter and 0.25 mm in thick was cut out along longitudinal direction (LD) andを定量的に表す示度である。

transverse direction (TD) from the Ni-base DS ingot. Experimental results showed that the creep rupture lives cut
along the LD were longer than that of the TD due to the hardness of breakage across the directionally crystalline,
and depended on Dendrite Arm Spacing. SP creep specimens were interrupted to examine the process of rupture
at several times. Then, initial cracks produced on the outer surface of the disc SP creep specimen under the loadingball along grain or dendrite boundaries. The deformation in the SP creep tests progress with the width of the maincrack expand, and then the main crack and secondary crack near it connected together.
Key Words：Small Punch Creep Test, Ni-base Directionally Solidified Superalloy, Anisotropic Materials, DASo(a) 0 specimen.

o(b) 90 specimen.

Fig.2 IPF（Inverse Pole Figure）maps on the surface of
SP creep specimen before the test.

図 4 は極微小 SP クリープ試験での破断時間と各試料の DAS の関係を負荷荷重と採取位置で表oしたものである。0 材（〇、〇、〇印）の SP ク
リープ破断強度は DAS に依存しなかった。一方、
o

90 材（△、△、△印）の極微小 SP クリープ試験

Fig.3 Relationship between the load in the SP creep
tests, the stress in the uniaxial creep tests andtheir rupture lives.

結果は、DAS に強く影響し、試料間の DAS の差
異が最大で 10 µm 程度であったが、破断時間は
DAS が小さくなると指数関数的に増加した。 DS材を用いた SP クリープ試験結果には DAS を十

1

研究概要

分留意する必要がある。

高温構造機器では、クリープ損傷が重大な事故に至るのを未然に防ぐ信頼性の高い検査法として、
スモールパンチ（SP）クリープ試験がある。本研究では、従来の SP 試験片寸法を半減させた極微小 SP

2.4

単軸クリープ試験結果との相関

SP クリープ試験と単軸クリープ試験との対比にはクリープ試験片を用いて、Ni 基超合金の一方向凝固（DS）材料（Inconel 713C）の異方性と SP クリー

荷重応力係数（F /σ）が用いられる。これは両試験のプ破断強度との関係を検討した。その結果、DS 方向に垂直となる面でクリープ破断寿命に著しい異方

破断時間が一致するときの SP クリープ試験荷重 F と性を生じたが、これはデンドライト二次アーム間隔に依存することが分かった。

2

結果概要

2.1

単軸クリープ試験応力 σ の比を算出し、両者の相関を求める考え方である。
DS 材の極微小 SP クリープ試験の F /σ 値を算出し

極微小 SP クリープ試験および供試材

SP クリープ試験には、直径 5 mm、厚さ 0.25mm の極微小試験片を用いた。極微小 SP クリー〇、△印）の破断時間と同一となる荷重 F を極微小プ試験では、試験片を上下ダイで固定し、試験片

SP クリープ試験結果の近似線より求め、これと単軸クリープ試験応力 σ との比を求めた。

中心に直径 1 mm の Si3N4 製ボールを介して試験
荷重 F を負荷する(図 1)。試験中、試験片中央が採取方向ごとに F /σ 値を求めると次式になる。

負荷ボールに沿って下方に張り出し、負荷ボール
が極微小 SP クリープ試験片を貫通する。試験荷重は 160 N、180 N、200 N とし、試験雰囲気は大気中、試験温度は 720℃とした。
供試材は Ni 基超合金 Inconel 713C による DS 材である。極微小 SP クリープ試験片は、DS 材の凝固方o

向（LD：以下、0 材）とこれに垂直な方向（TD：以Fig.4 Dependency of DAS on time to rupture in the
SP creep tests.

た。
F /σ 値は個々の単軸クリープ試験結果（図 3 中、

Fig.1 Schematic illustration of the SP creep test.
o

下、90 材）から採取した。一連のクリープ試験前には試料の面内を EBSD 測定し、結晶方位マップを取得した。図 2 は供試材の EBSD 測定結果である。

─ 44 ─

0# 材：𝐹𝐹/𝜎𝜎 = 0.25~0.26 mm.

(1)90# 材：𝐹𝐹/𝜎𝜎 = 0.24 mm.

(2)
今回、採取方向に拘わらず F /σ 値は 0.25 mm2 程度にあり、異方性の有意な影響は認められなかった。

のことが明らかになった。
(1) SP クリープ破断時間は、90o 材より 0o 材で顕著に長寿命となった。
(2) 90o 材の SP クリープ破断時間は DAS に強く依存し，DAS 微細化とともに破断時間は長寿命となった。
(3) 個々の実験結果を用いて採取方向ごとの F /σ 値に有意な異方性は認められなかった。

2.4 まとめNi 基超合金 Inconel 713C に SP クリープ試験を適用

謝辞

し異方性のマクロ挙動を実験的に検討した結果、以下から多大な援助を得たことを付し、深く謝意を表します。

─ 45 ─

本研究遂行にあたり公益社団法人･スズキ財団

─ 46 ── 47 ─

─ 46 ── 47 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

自動車エンジン用ばね鋼の超高サイクルねじり疲労強度に及ぼす平均ねじり応力の影響の評価
Effect of Mean Torsional Stress on Very High Cycle Torsional Fatigue Strengthof Spring Steel for Automobile Engine

2.4

試験結果

り破壊起点が遷移することを意味している．そ平均ねじり応力を作用させない場合の疲労破の結果，超高サイクル域における疲労強度が低壊の起点はすべて表面であったが，平均ねじり下する傾向が見られたことから，ばね鋼などの応力を作用させた場合の起点はすべて内部であ高強度鋼においては平均ねじり応力の作用によった．このことは，平均ねじり応力の作用によりねじり疲労強度が低下する可能性が示された．

島村佳伸，Yoshinobu Shimamura
静岡大学工学部, Faculty of Engineering, Shizuoka University
It is thought that torsional fatigue strength is slightly affected by mean torsional stress.
However, a few researchers have recently reported that torsional fatigue strength in the very
high cycle region of spring steels having shot peening decreased with increasing mean torsional
stress. In this study, an ultrasonic torsional fatigue testing machine having the capability
to apply mean torsional stress was utilized to investigate the effect of mean torsional stresson spring steels without case hardening. The results imply that mean torsional stress might
have adverse effect on torsional fatigue strength in the very high cycle region.

Key Words：Torsional fatigue, Very high cycle fatigue, Spring steel, Mean stress1

研究概要
自動車エンジン用ばね鋼では 107 回以上の繰返しねじり荷重の作用による疲労破壊の発生が懸念されるが，従来の試験機では 1 年超の評価時間が必要となり実用的でない．そこで本研究は，申請者が開発した迅速ねじり疲労試験装置を用いて，実際の力学条件を模擬した状態で超高サイクルねじり疲
労強度の評価を行なった．

2

結果概要

2.1

実験装置

本研究で用いる超音波ねじり疲労試験機の概当)である．機械的特性を表 1 に示す．本研究で略図を図 1 に示す．発振機から試験機の超音波は表面硬化処理は実施していない．試験片表面

振動子に交流電圧を加え，共振周波数（約の処理は鏡面研磨とした．試験片の研磨方向は20kHz）において変位振幅が数 µm のねじり振動

周方向とし，試験で予き裂となる傷が残らないを発生させる．共振周波数と同じねじり振動モ

ように光学顕微鏡を用いて試験片表面の確認をードの固有振動数を持ち，ねじり角振幅を増幅行った．

可能な形状を持つホーンおよび試験片を設計す

2.3

疲労試験

ることで，試験片中央部に大きな繰り返しせん

本研究の疲労試験で用いた試験片の寸法を図

断応力を作用させている．試験片形状にもよる

2 に，試験片に作用するせん断応力振幅とねじが，現有装置では 600 MPa 以上の高いせん断能

れ角振幅の分布を図 3 にそれぞれ示す．試験片

力振幅の作用が可能である．本研究では，試験は，共振周波数が約 20kHz で試験片中心が振動片下側に取り付けた振幅現象ホーンのねじり角の節となり，両端がそれぞれ逆向きにねじれる

振動の節にトルクを作用させることで，平均ね

モードとなるように設計した．また，試験片はじり応力を作用させたまま試験片の共振を可能

試験片中心で高いせん断応力を得るために砂時としている．

計型形状とした．

2.2

疲労試験は R=-1（両振り）と R=0（片振り）供試材本研究で使用する供試材はばね鋼(SUP12 相の 2 種類について実施した．

─ 48 ─

─ 49 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

自動車エンジン用ばね鋼の超高サイクルねじり疲労強度に及ぼす平均ねじり応力の影響の評価
Effect of Mean Torsional Stress on Very High Cycle Torsional Fatigue Strengthof Spring Steel for Automobile Engine

2.4

試験結果

り破壊起点が遷移することを意味している．そ平均ねじり応力を作用させない場合の疲労破の結果，超高サイクル域における疲労強度が低壊の起点はすべて表面であったが，平均ねじり下する傾向が見られたことから，ばね鋼などの応力を作用させた場合の起点はすべて内部であ高強度鋼においては平均ねじり応力の作用によった．このことは，平均ねじり応力の作用によりねじり疲労強度が低下する可能性が示された．

島村佳伸，Yoshinobu Shimamura
静岡大学工学部, Faculty of Engineering, Shizuoka University
It is thought that torsional fatigue strength is slightly affected by mean torsional stress.
However, a few researchers have recently reported that torsional fatigue strength in the very
high cycle region of spring steels having shot peening decreased with increasing mean torsional
stress. In this study, an ultrasonic torsional fatigue testing machine having the capability
to apply mean torsional stress was utilized to investigate the effect of mean torsional stresson spring steels without case hardening. The results imply that mean torsional stress might
have adverse effect on torsional fatigue strength in the very high cycle region.

Key Words：Torsional fatigue, Very high cycle fatigue, Spring steel, Mean stress1

研究概要
自動車エンジン用ばね鋼では 107 回以上の繰返しねじり荷重の作用による疲労破壊の発生が懸念されるが，従来の試験機では 1 年超の評価時間が必要となり実用的でない．そこで本研究は，申請者が開発した迅速ねじり疲労試験装置を用いて，実際の力学条件を模擬した状態で超高サイクルねじり疲
労強度の評価を行なった．

2

結果概要

2.1

実験装置

本研究で用いる超音波ねじり疲労試験機の概当)である．機械的特性を表 1 に示す．本研究で略図を図 1 に示す．発振機から試験機の超音波は表面硬化処理は実施していない．試験片表面

振動子に交流電圧を加え，共振周波数（約の処理は鏡面研磨とした．試験片の研磨方向は20kHz）において変位振幅が数 µm のねじり振動

周方向とし，試験で予き裂となる傷が残らないを発生させる．共振周波数と同じねじり振動モ

ように光学顕微鏡を用いて試験片表面の確認をードの固有振動数を持ち，ねじり角振幅を増幅行った．

可能な形状を持つホーンおよび試験片を設計す

2.3

疲労試験

ることで，試験片中央部に大きな繰り返しせん

本研究の疲労試験で用いた試験片の寸法を図

断応力を作用させている．試験片形状にもよる

2 に，試験片に作用するせん断応力振幅とねじが，現有装置では 600 MPa 以上の高いせん断能

れ角振幅の分布を図 3 にそれぞれ示す．試験片

力振幅の作用が可能である．本研究では，試験は，共振周波数が約 20kHz で試験片中心が振動片下側に取り付けた振幅現象ホーンのねじり角の節となり，両端がそれぞれ逆向きにねじれる

振動の節にトルクを作用させることで，平均ね

モードとなるように設計した．また，試験片はじり応力を作用させたまま試験片の共振を可能

試験片中心で高いせん断応力を得るために砂時としている．

計型形状とした．

2.2

疲労試験は R=-1（両振り）と R=0（片振り）供試材本研究で使用する供試材はばね鋼(SUP12 相の 2 種類について実施した．

─ 48 ─

─ 49 ─

Inconel 718 を超高速切削加工（切削速度 500

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

“材料組織構造”と“微細表面構造”に着目したm/min，送り量 0.10 mm/rev）した際の工具摩耗量を示している．同図に示すように，熱的な拡散摩耗が摩耗の主要因となる高速切削加工条件

次世代 &%1 工具の開発

下においては，いずれのクーラント圧力条件下

Development of novel CBN cutting tool focusing on material and surface structures

においても，耐熱性に優れる L-CBN が優れた耐摩耗性を示している．一方で，図 2 に示す工具

杉原達哉, Tatsuya SUGIHARA
大阪大学, Osaka University

Fig. 3 Mechanism for thermal crack generation under highpressure coolant condition

すくい面の状態からわかるように，クーラントを高圧化した場合（3 MPa → 20 MPa），L-CBN

でのみすくい面上に亀裂が発生することが明ら

Nickel-based superalloys such as Inconel 718, are known to be among the most difficult-to-cut materials

かとなった．これは，高圧クーラントが膜沸騰

because of their mechanical and chemical properties, and tools used for this purpose have extremely short

領域を打ち破ることで冷却効果が増大する一方

lifetimes. In order to overcome this issue, we have developed new cubic boron nitride (CBN) cutting tool

で，工具-切りくず界面の発熱域，およびクーラ

focusing on its material structure and micro surface texture. Experimental results showed that high CBN content

ント供給による冷却域が近づくことによって，

cutting tool with micro textured flank face exhibits excellent performance in high speed machining of Inconel

工具母材内での温度勾配が大きくなり，熱膨

718 under high pressure coolant conditions.

張・熱ひずみに起因する熱亀裂が発生したと予

想される（図 3）．一方で，H-CBN のように熱Key Words：Cutting, Inconel 718, CBN, surface texture, tribology

膨張率の小さな CBN 粒子の含有率を大きくし， 研究概要

CBN 粒子同士が結合する状態にすることによFig. 4 Developed tool with textured flank face

Conventional toolって，亀裂の発生が抑制できたといえる．

Developed tool

近年様々な分野で需要が急増しているニッケル基超耐熱合金は，加工が極めて困難な難削材として

以上のように，Inconel 718 の超高速切削にお知られており，これらを高速・高精度で加工する技術の確立が強く求められている．本研究ではこのいて，切りくず分断などを目的としてクーラン

現状を打破するために，“CBN 工具の材料組織構造”と“CBN 工具の微細表面構造”という二つの側面かトを高圧化した場合，工具の熱亀裂という新たFig. 5 Changes of tool retreat amountらのアプローチを行うことによって，ニッケル基合金の超高速切削加工を可能とする革新的な次世代な問題が発生すること，さらにそのような条件

カー効果を発現することによって，その脱落を

CBN 工具の開発を目指す．

下においては，CBN の適切な材料組織構造の設抑制することが期待できる．

 結果概要

計指針が大きく変化することが明らかとなった．
 &%1 工具の微細表面構造の検討
L-CBN

図 5 は，通常工具および開発工具を用いてInconel 718 の加工を行った際の，工具後退量の

前節で述べたとおり，高圧クーラント条件下

推移を示している．同図に示すように，通常のにおける Inconel 718 の超高速切削加工では，工具では，被削材の凝着およびその剥離を繰り

CBN 含有率を大きくすることによって，熱亀裂返しながら，不規則に工具刃先が大きく後退し短命となることが課題となっている．本研究での発生を抑制できることが明らかとなった．そている．一方で，開発工具は表面テクスチャがは，切削工具として優れた特性を示す CBNの一方で，Inconel 718 との親和性が高い CBN

凝着物の脱落抑制効果を発揮することによって，（Cubic Boron Nitride）について，CBN 工具の粒子を多く含有する H-CBN では，被削材であ安定的に刃先の摩耗が進行しており，切削距離

る Inconel 718 が工具逃げ面に凝着し，その凝着

200 m の時点で，刃先後退量を通常工具の約 1/3

物が脱落する際に刃先が欠損してしまうという程度に抑制できることが明らかとなった．

問題が生じることが明らかとなった．そこで本 おわりに

研究では，CBN 工具表面への微細構造（表面テ 本研究では，CBN 工具の“材料組織構造”とクスチャ）の導入によって，凝着剥離にともな“微細表面構造”に着目した検討を行い，CBN

う工具欠損の抑制を試みた．

の高含有率化によって高圧クーラント使用時の はじめに
 加工が極めて困難な難削材である Ni 基合金

H-CBN

は，特に高速切削速度域での工具寿命が極めて“材料組織構造”と“微細表面構造”に着目した検討を行い，Ni 基合金の超高速切削加工を可Fig. 1 Relationship between coolant pressure and depth ofcrater wear for each cutting tool
500 μm能とする CBN 工具の実現を目指した．
 &%1 工具の材料組織構造の検討

500 μmCrack CBN は，CBN 粒子径，CBN 含有率，バイン
ダ種類を変えることによって，熱的・機械的特性を大きく変えることができる．そして，耐熱性に優れる Ti 系セラミックスをバインダとし(a) L-CBN(b) H-CBN
Fig. 2 SEM images of tool rake face

図 4 に，本研究で開発した CBN 工具を示す．

熱亀裂が抑制可能であること，逃げ面側への表

同図に示すように，工具逃げ面の切れ刃から 30

面テクスチャの導入によって，凝着剥離に伴うて含有する低 CBN 含有率切削工具（L-CBN）する Ni 基合金の高速切削加工においては，耐熱μm の位置に，幅・間隔 20 μm の一方向からな

工具欠損を著しく抑制可能であることを明らか

は耐熱性に，CBN 粒子同士が結合している高性に優れる L-CBN が一般的に用いられる．

る周期溝構造を，フェムト秒レーザを用いて加にした．最後に，本研究の遂行にあたり多大な

ここで，図 1 は L-CBN，H-CBN を用い，異工した．工具逃げ面に形成された微細周期溝構

ご助力を賜りました公益財団法人 スズキ財団

なるクーラント圧力条件下において，Ni 基合金

造は，逃げ面側に生成した凝着物に対してアン様に深く御礼申し上げます．

CBN 含有率切削工具（H-CBN）は熱伝導率・機械的特性に優れ，特に熱的な負荷が著しく増大

─ 50 ─

─ 51 ─

Inconel 718 を超高速切削加工（切削速度 500

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

“材料組織構造”と“微細表面構造”に着目したm/min，送り量 0.10 mm/rev）した際の工具摩耗量を示している．同図に示すように，熱的な拡散摩耗が摩耗の主要因となる高速切削加工条件

次世代 &%1 工具の開発

下においては，いずれのクーラント圧力条件下

Development of novel CBN cutting tool focusing on material and surface structures

においても，耐熱性に優れる L-CBN が優れた耐摩耗性を示している．一方で，図 2 に示す工具

杉原達哉, Tatsuya SUGIHARA
大阪大学, Osaka University

Fig. 3 Mechanism for thermal crack generation under highpressure coolant condition

すくい面の状態からわかるように，クーラントを高圧化した場合（3 MPa → 20 MPa），L-CBN

でのみすくい面上に亀裂が発生することが明ら

Nickel-based superalloys such as Inconel 718, are known to be among the most difficult-to-cut materials

かとなった．これは，高圧クーラントが膜沸騰

because of their mechanical and chemical properties, and tools used for this purpose have extremely short

領域を打ち破ることで冷却効果が増大する一方

lifetimes. In order to overcome this issue, we have developed new cubic boron nitride (CBN) cutting tool

で，工具-切りくず界面の発熱域，およびクーラ

focusing on its material structure and micro surface texture. Experimental results showed that high CBN content

ント供給による冷却域が近づくことによって，

cutting tool with micro textured flank face exhibits excellent performance in high speed machining of Inconel

工具母材内での温度勾配が大きくなり，熱膨

718 under high pressure coolant conditions.

張・熱ひずみに起因する熱亀裂が発生したと予

想される（図 3）．一方で，H-CBN のように熱Key Words：Cutting, Inconel 718, CBN, surface texture, tribology

膨張率の小さな CBN 粒子の含有率を大きくし， 研究概要

CBN 粒子同士が結合する状態にすることによFig. 4 Developed tool with textured flank face

Conventional toolって，亀裂の発生が抑制できたといえる．

Developed tool

近年様々な分野で需要が急増しているニッケル基超耐熱合金は，加工が極めて困難な難削材として

以上のように，Inconel 718 の超高速切削にお知られており，これらを高速・高精度で加工する技術の確立が強く求められている．本研究ではこのいて，切りくず分断などを目的としてクーラン

現状を打破するために，“CBN 工具の材料組織構造”と“CBN 工具の微細表面構造”という二つの側面かトを高圧化した場合，工具の熱亀裂という新たFig. 5 Changes of tool retreat amountらのアプローチを行うことによって，ニッケル基合金の超高速切削加工を可能とする革新的な次世代な問題が発生すること，さらにそのような条件

カー効果を発現することによって，その脱落を

CBN 工具の開発を目指す．

下においては，CBN の適切な材料組織構造の設抑制することが期待できる．

 結果概要

計指針が大きく変化することが明らかとなった．
 &%1 工具の微細表面構造の検討
L-CBN

図 5 は，通常工具および開発工具を用いてInconel 718 の加工を行った際の，工具後退量の

前節で述べたとおり，高圧クーラント条件下

推移を示している．同図に示すように，通常のにおける Inconel 718 の超高速切削加工では，工具では，被削材の凝着およびその剥離を繰り

CBN 含有率を大きくすることによって，熱亀裂返しながら，不規則に工具刃先が大きく後退し短命となることが課題となっている．本研究での発生を抑制できることが明らかとなった．そている．一方で，開発工具は表面テクスチャがは，切削工具として優れた特性を示す CBNの一方で，Inconel 718 との親和性が高い CBN

凝着物の脱落抑制効果を発揮することによって，（Cubic Boron Nitride）について，CBN 工具の粒子を多く含有する H-CBN では，被削材であ安定的に刃先の摩耗が進行しており，切削距離

る Inconel 718 が工具逃げ面に凝着し，その凝着

200 m の時点で，刃先後退量を通常工具の約 1/3

物が脱落する際に刃先が欠損してしまうという程度に抑制できることが明らかとなった．

問題が生じることが明らかとなった．そこで本 おわりに

研究では，CBN 工具表面への微細構造（表面テ 本研究では，CBN 工具の“材料組織構造”とクスチャ）の導入によって，凝着剥離にともな“微細表面構造”に着目した検討を行い，CBN

う工具欠損の抑制を試みた．

の高含有率化によって高圧クーラント使用時の はじめに
 加工が極めて困難な難削材である Ni 基合金

H-CBN

は，特に高速切削速度域での工具寿命が極めて“材料組織構造”と“微細表面構造”に着目した検討を行い，Ni 基合金の超高速切削加工を可Fig. 1 Relationship between coolant pressure and depth ofcrater wear for each cutting tool
500 μm能とする CBN 工具の実現を目指した．
 &%1 工具の材料組織構造の検討

500 μmCrack CBN は，CBN 粒子径，CBN 含有率，バイン
ダ種類を変えることによって，熱的・機械的特性を大きく変えることができる．そして，耐熱性に優れる Ti 系セラミックスをバインダとし(a) L-CBN(b) H-CBN
Fig. 2 SEM images of tool rake face

図 4 に，本研究で開発した CBN 工具を示す．

熱亀裂が抑制可能であること，逃げ面側への表

同図に示すように，工具逃げ面の切れ刃から 30

面テクスチャの導入によって，凝着剥離に伴うて含有する低 CBN 含有率切削工具（L-CBN）する Ni 基合金の高速切削加工においては，耐熱μm の位置に，幅・間隔 20 μm の一方向からな

工具欠損を著しく抑制可能であることを明らか

は耐熱性に，CBN 粒子同士が結合している高性に優れる L-CBN が一般的に用いられる．

る周期溝構造を，フェムト秒レーザを用いて加にした．最後に，本研究の遂行にあたり多大な

ここで，図 1 は L-CBN，H-CBN を用い，異工した．工具逃げ面に形成された微細周期溝構

ご助力を賜りました公益財団法人 スズキ財団

なるクーラント圧力条件下において，Ni 基合金

造は，逃げ面側に生成した凝着物に対してアン様に深く御礼申し上げます．

CBN 含有率切削工具（H-CBN）は熱伝導率・機械的特性に優れ，特に熱的な負荷が著しく増大

─ 50 ─

─ 51 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要UMLシステム仕様

FMEA，FTA，HAZOP を連携させた組込み制御ソフトウェア

分析対象
システム

遮断機を
操作する

開始
セン サー

クラス図

EBSWの
ｸﾗｽ毎
のHCF
ﾘｽﾄ

ﾊｻﾞｰﾄﾞｼﾅﾘｵ
に対応するｼｰｹﾝｽ図の作成とHCFのｸﾗｽ
への割り当て

ハザード
シナリオ

HCF毎の
FMEAの
実施

HCFを
発生させ
ない対策

作成データ

ﾊｻﾞｰﾄﾞｼﾅﾘｵに対応したｼｰｹﾝｽ図の作成

： 遮断機
制御装置

列車

：遮断機・
警報機

開始センサ：セ ンサー

終止センサ：セ ンサー

作業・手続き通過（）
列車存在（）
遮断・鳴動（）

要旨英文

終止
セ ンサー

ユースケース図STPAを用いたﾊｻﾞｰﾄﾞ
ｼﾅﾘｵの作成

高橋 正和,
Masakazu Takahashi
山梨大学大学, University of Yamanashi

遮断機・
警報機

セ ンサー

列車

の安全性解析手法
A Safety Analysis Method for Embedded Control Software
Coordinating with FMEA, FTA, and HAZOP

遮断機制御
装置

遮 断機システム

UMLシステム仕様の作成

The software that controls the actions of industrial products is called embedded

通過（）
列車不在（）

シーケンス図図 1 提案手法の概要

control software (ECSW). This research proposes a method for hazard analysis using
System-Theoretic Process Analysis (STPA). The outline of the proposed method is as follows.
(1) The hardware and ECSW are designed using the Unified Modeling Language (UML), such asuse-case diagrams and class diagrams. (2) The hazard scenarios are developed using STPA. (3)表 1 標準故障モードと標準故障対策（抜粋）た．
なお，図 3 に著者らが想定した遮断機の EBSW

標準故障モードを示す．提案手法を適用して分析した結果，遮The sequence diagrams corresponding to the hazard scenarios are developed, and the hazard causal
factors are assigned to the methods of the classes. (4)

メソッドの
起動

FMEA is conducted to each hazard causal

factors and countermeasures are planned and applied.

特定のハザー
ド発生要因の防止

Key Words：Embedded Control Software, Safety Analysis, FMEA, FTA, HAZOP, STPA

1

ハザード対策の方針

入力／出
力

研究概要

標準ハザード防止対策
起動時の条件の再検討
メソッドの起動条件を再検討する． 起動時の条件の多重確認
起動確認の実施
非起動時の条件の再検討
メソッドを起動させない条件を再検
非起動時の条件の多重確認
討する．

非起動時の確認の実施
標準作業手順書（SOP）を誤読しな SOPの多重確認の実施
いようにする．
SOPの読解性の向上
HMIの多重確認の実施
操作画面（HMI）を誤読しないように
HMIの視認性の向上
する．
HMIの内容の確認
誤ったデータを入力しないようにす
入力データの多重確認
る．

遮断機・
警報装置

制御装置

代表的な安全性解析手法である FMEA，FTA，HAZOP，STPA を組込み制御ソフトウェアに適用するための線路用し，妥当性を評価する．

警報終止
センサーC

図2

警報開始
センサーB

Train

析（Fault Tree Analysis: FTA），HAZOP（HAZard

は分析対象システムのアクシデント，ハザード，and OPerability study ）， STPA （ System-

制約条件，ハザードシナリオを決定する．三番

Theoretic Process Analysis）をオブジェクト

目に「ハザードシナリオに対応するシーケンス

Start alarm sensor
A：start alarm
sensorRailroad crossing
control system

要素、構成、制御に関する情報を記述する．次に「STPA を用いたハザードシナリオの作成」で不在メソッドは列車存在メソッドとペアで使用

ラスに状態遷移を追加した．そして，列車通過

Controlrailroadcrossing

Stop alarm
sensor C：stop
alarm sensor

existTrain()existNotrain()nStart alarm sensor
A：start alarm
sensorpass()Start alarm
senor

Stop alarm
sensor

maskStart()

：遮断機
制御装置

：遮断機、
警報機

開始センサ
A：センサ

待ち状態時に列車不在メッセージを受けた場合には，安全監視担当者に連絡する，遮断機の遮1
Railroad crossing&alarm device

Sensor

Use-Case Diagram

train

1

Railroadcrossing
controlcloseBar&startAlarm()
openBar&stopAlarm()maskStop()Class
Diagram

図の作成と Hazard Causal Factor (HFC)のクラ断と警報機の鳴動を行うなどの対策を行った．
他の事例についても，提案手法の適用によりハザードを回避できることが確認できた．

終了センサ：
センサ

2.3

通過（）

指向で設計された組込みソフトウェアに適用すード防止対策を立案した.その結果，通常，列車動時の条件の再検討」を適用し，遮断機制御ク

分析対象の概要
1

Mode and Effects Analysis: FMEA），故障木解モードを EBSW の当該メソッドに適用してハザった．そこで，表 1 の標準ハザード防止策の「起

駅
警報開始
センサーA

本 研 究 で は故 障 モー ド 影響 解 析 （Failure

しないことが明らかになった．表 1 の標準故障

ッドは交互に実施されるべきであることが分か
駅

できるようにする．さらに，それらの手法を自動車業界，医療機器業界等の組込みソフトウェアに適研究成果の概要

断機に開放と警報機に鳴動の指示をしても動作され，かつ，列車不在メソッドと列車存在メソ

進行方向

手法，およびそれらを連携させた高度な安全性解析手法を確立し，安全な組込みソフトウェアを開発

2

断機が開放で警報機が鳴動停止の状態の時，遮今後の課題

列車存在（）
遮断・鳴動（）FTA，HAZOP と STPA を連携させた手法は期間通過（）る手法，および，それらを連携させたハザード

スへの割り当て」では EBSW のユースケース図と解析手法について研究した．ここでハザードはクラス図の情報をもとにハザードシナリオに相複数の悪条件が重なるとアクシデントになるシ

当するシーケンス図を作成する．そして，ハザステム状態と定義する．そして，アクシデント

ードの原因となるメソッドと HCF を明らかにすは使用者，環境，ミッション，当該システムへ

る．最後に「HCF 毎の FMEA の実施」では HCF にの悪影響と定義する．

対して FMEA を実施してアクシデントの影響度

提案手法の評価を行うために図 2 に示す踏切ようにした．HAZOP については，EBSW の挙動とを評価し，必要に応じてハザードを発生させなにおいて列車が警報終止センサーC を通過した操作に関する HAZOP を提案し，EBSW が正常な状いための対策を実施する．FMEA を実施する際に後，列車の一部が切り離され，それが反転して態か逸脱した際の挙動を明らかにすることがで

図 1 に提案手法の概要を示す．提案手法は 4

は既存の EBSW の FMEA 結果を分析考にして導出

警報終止センサーC を通過するというハザード

きるようにした．今後はこれらの手法と STPA

つの作業で構成されている．はじめに「UML シ

した標準故障モードと標準故障対策を使用する．

について原因の分析を行った．この事例は IPAとの連携について研究することで，さらに高度ステム仕様の作成」では分析対象のシステムの表 1 に標準故障モードと標準故障対策示す．

の「はじめて STAMP/STPA」3 章の事例と同様しな安全性解析を実現できるようにしていく．

2.1

提案する安全性解析手法

─ 52 ─

列車不在（）

中に完成しなかった．しかし FTA については故シーケンス図図3

障事象を出発点として EBSW の実行経路を遡り遮断機制御システムの概要ながら実行される命令に対応した FT ひな型を2.2接続していくことで自動的に FT を作成できる提案手法の適用と評価─ 53 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要UMLシステム仕様

FMEA，FTA，HAZOP を連携させた組込み制御ソフトウェア

分析対象
システム

遮断機を
操作する

開始
セン サー

クラス図

EBSWの
ｸﾗｽ毎
のHCF
ﾘｽﾄ

ﾊｻﾞｰﾄﾞｼﾅﾘｵ
に対応するｼｰｹﾝｽ図の作成とHCFのｸﾗｽ
への割り当て

ハザード
シナリオ

HCF毎の
FMEAの
実施

HCFを
発生させ
ない対策

作成データ

ﾊｻﾞｰﾄﾞｼﾅﾘｵに対応したｼｰｹﾝｽ図の作成

： 遮断機
制御装置

列車

：遮断機・
警報機

開始センサ：セ ンサー

終止センサ：セ ンサー

作業・手続き通過（）
列車存在（）
遮断・鳴動（）

要旨英文

終止
セ ンサー

ユースケース図STPAを用いたﾊｻﾞｰﾄﾞ
ｼﾅﾘｵの作成

高橋 正和,
Masakazu Takahashi
山梨大学大学, University of Yamanashi

遮断機・
警報機

セ ンサー

列車

の安全性解析手法
A Safety Analysis Method for Embedded Control Software
Coordinating with FMEA, FTA, and HAZOP

遮断機制御
装置

遮 断機システム

UMLシステム仕様の作成

The software that controls the actions of industrial products is called embedded

通過（）
列車不在（）

シーケンス図図 1 提案手法の概要

control software (ECSW). This research proposes a method for hazard analysis using
System-Theoretic Process Analysis (STPA). The outline of the proposed method is as follows.
(1) The hardware and ECSW are designed using the Unified Modeling Language (UML), such asuse-case diagrams and class diagrams. (2) The hazard scenarios are developed using STPA. (3)表 1 標準故障モードと標準故障対策（抜粋）た．
なお，図 3 に著者らが想定した遮断機の EBSW

標準故障モードを示す．提案手法を適用して分析した結果，遮The sequence diagrams corresponding to the hazard scenarios are developed, and the hazard causal
factors are assigned to the methods of the classes. (4)

メソッドの
起動

FMEA is conducted to each hazard causal

factors and countermeasures are planned and applied.

特定のハザー
ド発生要因の防止

Key Words：Embedded Control Software, Safety Analysis, FMEA, FTA, HAZOP, STPA

1

ハザード対策の方針

入力／出
力

研究概要

標準ハザード防止対策
起動時の条件の再検討
メソッドの起動条件を再検討する． 起動時の条件の多重確認
起動確認の実施
非起動時の条件の再検討
メソッドを起動させない条件を再検
非起動時の条件の多重確認
討する．

非起動時の確認の実施
標準作業手順書（SOP）を誤読しな SOPの多重確認の実施
いようにする．
SOPの読解性の向上
HMIの多重確認の実施
操作画面（HMI）を誤読しないように
HMIの視認性の向上
する．
HMIの内容の確認
誤ったデータを入力しないようにす
入力データの多重確認
る．

遮断機・
警報装置

制御装置

代表的な安全性解析手法である FMEA，FTA，HAZOP，STPA を組込み制御ソフトウェアに適用するための線路用し，妥当性を評価する．

警報終止
センサーC

図2

警報開始
センサーB

Train

析（Fault Tree Analysis: FTA），HAZOP（HAZard

は分析対象システムのアクシデント，ハザード，and OPerability study ）， STPA （ System-

制約条件，ハザードシナリオを決定する．三番

Theoretic Process Analysis）をオブジェクト

目に「ハザードシナリオに対応するシーケンス

Start alarm sensor
A：start alarm
sensorRailroad crossing
control system

要素、構成、制御に関する情報を記述する．次に「STPA を用いたハザードシナリオの作成」で不在メソッドは列車存在メソッドとペアで使用

ラスに状態遷移を追加した．そして，列車通過

Controlrailroadcrossing

Stop alarm
sensor C：stop
alarm sensor

existTrain()existNotrain()nStart alarm sensor
A：start alarm
sensorpass()Start alarm
senor

Stop alarm
sensor

maskStart()

：遮断機
制御装置

：遮断機、
警報機

開始センサ
A：センサ

待ち状態時に列車不在メッセージを受けた場合には，安全監視担当者に連絡する，遮断機の遮1
Railroad crossing&alarm device

Sensor

Use-Case Diagram

train

1

Railroadcrossing
controlcloseBar&startAlarm()
openBar&stopAlarm()maskStop()Class
Diagram

図の作成と Hazard Causal Factor (HFC)のクラ断と警報機の鳴動を行うなどの対策を行った．
他の事例についても，提案手法の適用によりハザードを回避できることが確認できた．

終了センサ：
センサ

2.3

通過（）

指向で設計された組込みソフトウェアに適用すード防止対策を立案した.その結果，通常，列車動時の条件の再検討」を適用し，遮断機制御ク

分析対象の概要
1

Mode and Effects Analysis: FMEA），故障木解モードを EBSW の当該メソッドに適用してハザった．そこで，表 1 の標準ハザード防止策の「起

駅
警報開始
センサーA

本 研 究 で は故 障 モー ド 影響 解 析 （Failure

しないことが明らかになった．表 1 の標準故障

ッドは交互に実施されるべきであることが分か
駅

できるようにする．さらに，それらの手法を自動車業界，医療機器業界等の組込みソフトウェアに適研究成果の概要

断機に開放と警報機に鳴動の指示をしても動作され，かつ，列車不在メソッドと列車存在メソ

進行方向

手法，およびそれらを連携させた高度な安全性解析手法を確立し，安全な組込みソフトウェアを開発

2

断機が開放で警報機が鳴動停止の状態の時，遮今後の課題

列車存在（）
遮断・鳴動（）FTA，HAZOP と STPA を連携させた手法は期間通過（）る手法，および，それらを連携させたハザード

スへの割り当て」では EBSW のユースケース図と解析手法について研究した．ここでハザードはクラス図の情報をもとにハザードシナリオに相複数の悪条件が重なるとアクシデントになるシ

当するシーケンス図を作成する．そして，ハザステム状態と定義する．そして，アクシデント

ードの原因となるメソッドと HCF を明らかにすは使用者，環境，ミッション，当該システムへ

る．最後に「HCF 毎の FMEA の実施」では HCF にの悪影響と定義する．

対して FMEA を実施してアクシデントの影響度

提案手法の評価を行うために図 2 に示す踏切ようにした．HAZOP については，EBSW の挙動とを評価し，必要に応じてハザードを発生させなにおいて列車が警報終止センサーC を通過した操作に関する HAZOP を提案し，EBSW が正常な状いための対策を実施する．FMEA を実施する際に後，列車の一部が切り離され，それが反転して態か逸脱した際の挙動を明らかにすることがで

図 1 に提案手法の概要を示す．提案手法は 4

は既存の EBSW の FMEA 結果を分析考にして導出

警報終止センサーC を通過するというハザード

きるようにした．今後はこれらの手法と STPA

つの作業で構成されている．はじめに「UML シ

した標準故障モードと標準故障対策を使用する．

について原因の分析を行った．この事例は IPAとの連携について研究することで，さらに高度ステム仕様の作成」では分析対象のシステムの表 1 に標準故障モードと標準故障対策示す．

の「はじめて STAMP/STPA」3 章の事例と同様しな安全性解析を実現できるようにしていく．

2.1

提案する安全性解析手法

─ 52 ─

列車不在（）

中に完成しなかった．しかし FTA については故シーケンス図図3

障事象を出発点として EBSW の実行経路を遡り遮断機制御システムの概要ながら実行される命令に対応した FT ひな型を2.2接続していくことで自動的に FT を作成できる提案手法の適用と評価─ 53 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

相変化マイクロカプセル懸濁液を利用した振動型熱輸送管の開発研究
Development of oscillating heat transport tube
using microencapsulated phase change material suspension

9 °C の MPCMS が熱輸送管内に流出入する．他
端 にはコ イルヒー ターが 巻かれ ，温度が 約
40°C に保持された．
振動流の周波数は f = 0.5，
1.0，1.5，2.0 Hz，振幅は S = 0.057，0.10，
0.15，0.19 m と変化させた．熱輸送管の熱輸送
性能は，管軸方向の実効熱伝導率λeff により評価した．λeff は，ヒーター加熱量から測定され田中 学,
Gaku TANAKA
千葉大学大学院工学研究院,

た熱流束と，管内の 8 ヶ所の熱電対により測定

Graduate School of Engineering, Chiba University

Fig. 1 Microphotograph of MPCMS（cm = 5 wt%）

された温度勾配から算出された．
図 3 に振幅 S を変化させた場合の実効熱伝導

Heat transport experiments were conducted for several oscillating heat transport tubes (length,率λeff と S の関係を示す．図 3 より，全ての500 mm; inner diameter, 3.0, 6.0, and 13.5 mm). The working fluid was microencapsulated phase

MPCMS 質量濃度 cm において，λeff は S の増加とchange material suspension (MPCMS) consisting of microencapsulated paraffin (diameter, 10 μm;

ともに増加した．また，図 4 に MPCMS と水の実

melting point, 32 °C) and water. The MPCMS mass concentration was varied from 0 (water only)

効熱伝導率の比λeff /λeff_w と S の関係を示す．

to 5 wt%. An oscillation generator installed at one end of the tube generated sinusoidal

図 4 より，λeff /λeff_w は S = 0.10 m のときに

oscillatory flow, and MPCMS working fluid with a uniform temperature of 9 °C flowed into the

大きく増加し，特に cm = 3 wt% のときλeff はtube. At the other end of the tube, a coil heater was installed to maintain the temperature

水と比較して 22 % 増加した．一方，S ≧ 0.10

at 40 °C. Frequency and displacement amplitude of oscillatory flow were varied from 0.5 tom では S の増加とともにλeff /λeff_w は減少傾

2.0 Hz and 0.057 to 0.19 m, respectively. The heat transport was evaluated by determining the

向を示し，MPCMS を用いて熱輸送を向上させる

effective thermal conductivity based on the measured heat transport rate and temperature

ためにはこれらのパラメータを注意深く選択す

gradient. The results confirmed that MPCMS enhances heat transport depending on the flow

る必要のあることがわかった．

conditions. The effective thermal conductivity increased at lower frequencies of 0.5-1.0 Hz,

全ての実験条件範囲において，MPCMS を用い

middle displacement amplitudes of 0.10-0.15 m, and a larger particle diameter of 13.5 mm; at

た振動型熱輸送管のλeff は，cm = 5 wt%，f = 1.0

its maximum, the value was 1.4 times greater than that of water only.

Hz，S = 0.19 m，d = 13.5 mm のときに水と比Fig. 2 Experimental setup

較して最大 41 % 増加することがわかった．まKey Words：Oscillatory flow, Heat transport, Microencapsulated phase change material suspension,

た， MPCMS によるλeff の向上効果が高い範囲は，Effective thermal conductivity

f = 0.5～1.0 Hz，S = 0.10 ～0.15 m，および
d = 13.5 mm であった．

1

Fig. 3 Relationship between λeff and S

研究概要(f = 1.0 Hz，d = 6 mm)

近年の電子機器等における発熱密度の増大に対処する新たな高効率熱輸送デバイスとして，作動流

発表論文等

体に相変化マイクロカプセル懸濁液を利用した振動型熱輸送管を開発する．相変化マイクロカプセル

山田翔太，大原佑一，田中 学，相変化マイクによる潜熱輸送の効果を最大化するために，振動流の周波数・振幅等の設計パラメータを最適化する．

ロカプセル懸濁液を利用した振動流による熱輸送向上，第 55 回日本伝熱シンポジウム講演論文

2

結果概要

集，1-4, 2018

本実験で使用した相変化マイクロカプセル懸

ネイコサン，n-ドコサンのパラフィンワックス

S. Yamada, Y. Ohara, G. Tanaka, Enhancement

濁 液 （ Microencapsulated

Change（相変化温度 32°C），シェル材としてメラミンof heat transport by oscillatory flow using

Material Suspension: MPCMS）は，マイクロカ

樹脂で構成されている．コア材とシェル材の質

microencapsulated phase change material

プセルに封入されたパラフィンワックスと純水

量比率は 3：1 であり，シェル材の厚さは約 0.1

suspension, Proceedings of ICONE-27, 1-6,の固液二相液体である（三木理研工業社製，μm である．

2019 (to appear)

Phase

PMCD-32）．図 1 に光学顕微鏡（Olympus，BX60）

図 2 に実験装置の概略図を示す．熱輸送管ので撮影した質量濃度 5 wt% の MPCMS を示す．マ

長さは 500 mm であり, 内径は d = 3，6，13.5 mm

Fig.4 Relationship between λeff /λeff_w and S

イクロカプセルの粒子径は 1〜20 μm である．

を用いた．MPCMS の質量濃度は cm = 0（水），1，(f = 1.0 Hz，d = 6 mm)

MPCMS はコア材として n-ヘプタデカン，n-オク

3，5 wt% と変化させた．熱輸送管の一端には振タデカン，n-ノナデカン，n-エイコサン，n-へ動流発生装置が設置され，恒温槽を通して約─ 54 ─

─ 55 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

相変化マイクロカプセル懸濁液を利用した振動型熱輸送管の開発研究
Development of oscillating heat transport tube
using microencapsulated phase change material suspension

9 °C の MPCMS が熱輸送管内に流出入する．他
端 にはコ イルヒー ターが 巻かれ ，温度が 約
40°C に保持された．
振動流の周波数は f = 0.5，
1.0，1.5，2.0 Hz，振幅は S = 0.057，0.10，
0.15，0.19 m と変化させた．熱輸送管の熱輸送
性能は，管軸方向の実効熱伝導率λeff により評価した．λeff は，ヒーター加熱量から測定され田中 学,
Gaku TANAKA
千葉大学大学院工学研究院,

た熱流束と，管内の 8 ヶ所の熱電対により測定

Graduate School of Engineering, Chiba University

Fig. 1 Microphotograph of MPCMS（cm = 5 wt%）

された温度勾配から算出された．
図 3 に振幅 S を変化させた場合の実効熱伝導

Heat transport experiments were conducted for several oscillating heat transport tubes (length,率λeff と S の関係を示す．図 3 より，全ての500 mm; inner diameter, 3.0, 6.0, and 13.5 mm). The working fluid was microencapsulated phase

MPCMS 質量濃度 cm において，λeff は S の増加とchange material suspension (MPCMS) consisting of microencapsulated paraffin (diameter, 10 μm;

ともに増加した．また，図 4 に MPCMS と水の実

melting point, 32 °C) and water. The MPCMS mass concentration was varied from 0 (water only)

効熱伝導率の比λeff /λeff_w と S の関係を示す．

to 5 wt%. An oscillation generator installed at one end of the tube generated sinusoidal

図 4 より，λeff /λeff_w は S = 0.10 m のときに

oscillatory flow, and MPCMS working fluid with a uniform temperature of 9 °C flowed into the

大きく増加し，特に cm = 3 wt% のときλeff はtube. At the other end of the tube, a coil heater was installed to maintain the temperature

水と比較して 22 % 増加した．一方，S ≧ 0.10

at 40 °C. Frequency and displacement amplitude of oscillatory flow were varied from 0.5 tom では S の増加とともにλeff /λeff_w は減少傾

2.0 Hz and 0.057 to 0.19 m, respectively. The heat transport was evaluated by determining the

向を示し，MPCMS を用いて熱輸送を向上させる

effective thermal conductivity based on the measured heat transport rate and temperature

ためにはこれらのパラメータを注意深く選択す

gradient. The results confirmed that MPCMS enhances heat transport depending on the flow

る必要のあることがわかった．

conditions. The effective thermal conductivity increased at lower frequencies of 0.5-1.0 Hz,

全ての実験条件範囲において，MPCMS を用い

middle displacement amplitudes of 0.10-0.15 m, and a larger particle diameter of 13.5 mm; at

た振動型熱輸送管のλeff は，cm = 5 wt%，f = 1.0

its maximum, the value was 1.4 times greater than that of water only.

Hz，S = 0.19 m，d = 13.5 mm のときに水と比Fig. 2 Experimental setup

較して最大 41 % 増加することがわかった．まKey Words：Oscillatory flow, Heat transport, Microencapsulated phase change material suspension,

た， MPCMS によるλeff の向上効果が高い範囲は，Effective thermal conductivity

f = 0.5～1.0 Hz，S = 0.10 ～0.15 m，および
d = 13.5 mm であった．

1

Fig. 3 Relationship between λeff and S

研究概要(f = 1.0 Hz，d = 6 mm)

近年の電子機器等における発熱密度の増大に対処する新たな高効率熱輸送デバイスとして，作動流

発表論文等

体に相変化マイクロカプセル懸濁液を利用した振動型熱輸送管を開発する．相変化マイクロカプセル

山田翔太，大原佑一，田中 学，相変化マイクによる潜熱輸送の効果を最大化するために，振動流の周波数・振幅等の設計パラメータを最適化する．

ロカプセル懸濁液を利用した振動流による熱輸送向上，第 55 回日本伝熱シンポジウム講演論文

2

結果概要

集，1-4, 2018

本実験で使用した相変化マイクロカプセル懸

ネイコサン，n-ドコサンのパラフィンワックス

S. Yamada, Y. Ohara, G. Tanaka, Enhancement

濁 液 （ Microencapsulated

Change（相変化温度 32°C），シェル材としてメラミンof heat transport by oscillatory flow using

Material Suspension: MPCMS）は，マイクロカ

樹脂で構成されている．コア材とシェル材の質

microencapsulated phase change material

プセルに封入されたパラフィンワックスと純水

量比率は 3：1 であり，シェル材の厚さは約 0.1

suspension, Proceedings of ICONE-27, 1-6,の固液二相液体である（三木理研工業社製，μm である．

2019 (to appear)

Phase

PMCD-32）．図 1 に光学顕微鏡（Olympus，BX60）

図 2 に実験装置の概略図を示す．熱輸送管ので撮影した質量濃度 5 wt% の MPCMS を示す．マ

長さは 500 mm であり, 内径は d = 3，6，13.5 mm

Fig.4 Relationship between λeff /λeff_w and S

イクロカプセルの粒子径は 1〜20 μm である．

を用いた．MPCMS の質量濃度は cm = 0（水），1，(f = 1.0 Hz，d = 6 mm)

MPCMS はコア材として n-ヘプタデカン，n-オク

3，5 wt% と変化させた．熱輸送管の一端には振タデカン，n-ノナデカン，n-エイコサン，n-へ動流発生装置が設置され，恒温槽を通して約─ 54 ─

─ 55 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

ハイブリッド融着接合法による熱可塑性ＣＦＲＰと金属の融着接合挙動の評価
(YDOXDWLRQRIZHOGLQJEHKDYLRURIFDUERQILEHUUHLQIRUFHGWKHUPRSODVWLFVDQG
PHWDOE\K\EULGZHOGLQJPHWKRG
田邉大貴 'DLNL7DQDEH
和歌山工業高等専門学校 1DWLRQDO,QVWLWXWHRI7HFKQRORJ\:DND\DPD&ROOHJH

抵抗発熱体を接合面に挿入した後，超音波融着わせることで，接合面が強固に接合され，引張装置を用いてスポット融着接合を行った．そのせん断強度が向上することが分かった．

後，抵抗発熱体に任意の印加電流を印加し，抵

ハイブリッド融着接合により，織物 &)336

抗融着接合を行った．

積層板とアルミ板を融着接合した際の，引張せん断試験の比較を図  に示す．接合面のアンカ

加圧 金属(アルミ, 鋼等)，熱硬化性CFRP
ホーン

ー効果を発現させるため，＃ の研磨紙を用

エナジーダイレクター

いてアルミ板の接合面を予め粗面化した．ガラ

超音波振動

ス繊維による絶縁を行わない場合は，引張せん

樹脂フィルム

融着層の繊維強化効果7KLV VWXG\ DLPV WR UHYHDO WKH PXOWLPDWHULDO ZHOGLQJ EHKDYLRU RI PHWDO DQG FDUERQ ILEUH

断強度が 03D 程度と極めて低く，:RYHQ*) を

超音波とエナジー
ダイレクターによる樹脂溶融の促進効果

開繊炭素繊維用いた場合でも接合強度の向上は見られなかった．一方，8'*) を絶縁層に用いた場合では，

銅電極

熱可塑性CFRP

引張せん断方向にガラス繊維で強化されたため，


UHLQIRUFHGWKHUPRSODVWLFV &)573 E\K\EULGIXVLRQMRLQLQJPHWKRGV7KHPDWHULDOXVHGIRU

接合強度がわずかに向上することが分かった．

H[SHULPHQWZDVZRYHQ&)336ODPLQDWHVDQGDOXPLQLXPSODWH,QRUGHUWRVXEVWDQWLDOL]HWKHMRLQW

図 超音波加熱と抵抗加熱を組み合わせた

また，接合強度を向上させるために，融着層をRIGLIIHUHQWNLQGRIPDWHULDOVSROLVKLQJDQGLQVXODWLQJZHUHSHUIRUPHGRQWKHMRLQLQJVXUIDFH

ハイブリッド融着接合方法

熱可塑性エポキシ樹脂に置き換えた場合では，

RIWKHPHWDOSODWHV,QWKLVVWXG\&)573DQGPHWDOSODWHVZHUHERQGHGE\WKHUHVLVWDQFHZHOGLQJ

引張せん断強度は 03D 以上に向上することが

DQGXOWUDVRQLFZHOGLQJPHWKRGXVLQJFDUERQILEUHDQGJODVVILEUHKHDWLQJHOHPHQW7KHHIIHFWV 融着接合結果

分かった．さらなる接合強度の向上のために，

RISURFHVVLQJFRQGLWLRQVVXFKDVDSSOLHGFXUUHQWDQGSUHVVLQJIRUFHZHUHLQYHVWLJDWHGWRLPSURYH

超音波融着接合と抵抗融着接合を組み合わせて

今後は金属表面への表面処理と抵抗発熱体やエ

WKHMRLQLQJVWUHQJWK7KHFRQWHQWVIRUHYDOXDWLRQDUHVLQJOHODSVKDUHVWUHQJWKFURVVVHFWLRQDO

織物 &)336 積層板同士をハイブリッド融着しネルギーダイレクタの最適化が必要である．

REVHUYDWLRQDQGZHOGLQJWHPSHUDWXUHREVHUYDWLRQ)URPWKHH[SHULPHQWDOUHVXOWVWKHYDULRXV

た際の引張せん断強度の比較を図  に示す．ハ

SURFHVVLQJFRQGLWLRQZDVLQYHVWLJDWHGWRLPSURYHWKHMRLQLQJVWUHQJWK

イブリッド融着接合の手順として，任意の超音

波出力で織物 &)336 積層板を超音波スポット.H\:RUGV：&)573&)3368OWUDVRQLFZHOGLQJ5HVLVWDQFHZHOGLQJ-RLQLQJVWUHQJWK

融着接合した後，抵抗融着接合を行うことでハ 研究概要

イブリッド融着接合を行った．全体的な傾向として，抵抗融着接合時の印加電流が , $ の場

近年，金属と &)53，セラミックス等の異種材料を適材適所に組み合わせて部材の設計・製造を行う

合では，超音波出力が増加するほど，引張せん“マルチマテリアルデザイン化”が軽量化と製造コスト削減が求められる欧州諸国の自動車製造業を断強度が向上することが分かった．一方，, $

筆頭に進められている．国内でもマルチマテリアル化の研究が始まりつつあるが，欧州諸国と比較しの場合では，印加電流が低く，十分な樹脂溶融て遅れている．その理由の一つに，異なる材料同士の接合が困難であることが挙げられ，高い接合強が生じなかったため，引張せん断強度は 03D

度信頼性を実現可能な接合手法の確立が急務である．本研究では，熱可塑性 &)53 の抵抗融着接合と超程度であることが分かった．これは，, $ で音波融着接合を融合したハイブリッド融着接合を提案することを目的に，熱可塑性 &)53 の抵抗融着接

抵抗融着接合のみを実施した場合の引張せん断

合および超音波融着接合を試みて融着挙動を評価し，ハイブリッド融着接合を試みた際の融着現象や強度とほぼ同値である．これらの実験的事実に接合強度を評価した．また，アルミ板と熱可塑性 &)53 の異種材接合を試みた結果について報告する．

より，超音波融着接合と抵抗融着接合を組み合 結果概要

融着接合対象はに示す織物炭素繊維強化ポリ®

レカ . 平織），336 フィルム（東レ㈱製，ト®

フェニレンサルファイド樹脂積層板（7HQ&DWH

レリナ ，厚さ PP）を用いた．また，抵抗発

社製，&HWH[，朱子織，9I YRO，厚さ PP，

熱体の絶縁層の有無による融着接合挙動を調査

以下織物 &)336）である．超音波融着接合にするため，絶縁層として平織ガラス繊維（坪量用いるエネルギーダイレクタには，336 フィル

JP厚さ PP）および一方向ガラス繊維

ム（東レ㈱製，トレリナ®，以下)ODW('）と，を用いた．

シート状の開繊炭素繊維（㈱ミツヤ製，以下

超音波加熱と抵抗加熱を組み合わせたハイブ&)('）の  種類を用いた．抵抗融着接合に用い

リッド融着接合の模式図を図  に示す．任意のる抵抗発熱体は，織物炭素繊維（東レ㈱製，ト

積層構成で作製したエネルギーダイレクタ兼，

─ 56 ─

図 3 種々の抵抗発熱体を用いた際の織物
CF/PPS 積層板とアルミ板の引張せん断強度のTensile shear strength, τap[MPa] 使用材料および融着接合方法



40

比較

35



30

 結論

25

本研究は，熱可塑性 CFRP の抵抗融着接合と超Resistance
Welding （I=12A)20

音波融着接合を融合したハイブリッド融着接合

15を提案することを目的に，織物 CF/PPS 積層板

100同士の超音波スポット融着接合および抵抗融着△ I=12A〇 I=11A

5

50

60
70
Ultrasonic power, P[%]接合を試み，ハイブリッド融着接合を行った．
80

図 ハイブリッド融着接合時の接合強度

その結果，超音波融着接合と抵抗融着接合を組み合わせることで，接合面が強固に接合され，引張せん断強度が向上することが分かった．

─ 57 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

ハイブリッド融着接合法による熱可塑性ＣＦＲＰと金属の融着接合挙動の評価
(YDOXDWLRQRIZHOGLQJEHKDYLRURIFDUERQILEHUUHLQIRUFHGWKHUPRSODVWLFVDQG
PHWDOE\K\EULGZHOGLQJPHWKRG
田邉大貴 'DLNL7DQDEH
和歌山工業高等専門学校 1DWLRQDO,QVWLWXWHRI7HFKQRORJ\:DND\DPD&ROOHJH

抵抗発熱体を接合面に挿入した後，超音波融着わせることで，接合面が強固に接合され，引張装置を用いてスポット融着接合を行った．そのせん断強度が向上することが分かった．

後，抵抗発熱体に任意の印加電流を印加し，抵

ハイブリッド融着接合により，織物 &)336

抗融着接合を行った．

積層板とアルミ板を融着接合した際の，引張せん断試験の比較を図  に示す．接合面のアンカ

加圧 金属(アルミ, 鋼等)，熱硬化性CFRP
ホーン

ー効果を発現させるため，＃ の研磨紙を用

エナジーダイレクター

いてアルミ板の接合面を予め粗面化した．ガラ

超音波振動

ス繊維による絶縁を行わない場合は，引張せん

樹脂フィルム

融着層の繊維強化効果7KLV VWXG\ DLPV WR UHYHDO WKH PXOWLPDWHULDO ZHOGLQJ EHKDYLRU RI PHWDO DQG FDUERQ ILEUH

断強度が 03D 程度と極めて低く，:RYHQ*) を

超音波とエナジー
ダイレクターによる樹脂溶融の促進効果

開繊炭素繊維用いた場合でも接合強度の向上は見られなかった．一方，8'*) を絶縁層に用いた場合では，

銅電極

熱可塑性CFRP

引張せん断方向にガラス繊維で強化されたため，


UHLQIRUFHGWKHUPRSODVWLFV &)573 E\K\EULGIXVLRQMRLQLQJPHWKRGV7KHPDWHULDOXVHGIRU

接合強度がわずかに向上することが分かった．

H[SHULPHQWZDVZRYHQ&)336ODPLQDWHVDQGDOXPLQLXPSODWH,QRUGHUWRVXEVWDQWLDOL]HWKHMRLQW

図 超音波加熱と抵抗加熱を組み合わせた

また，接合強度を向上させるために，融着層をRIGLIIHUHQWNLQGRIPDWHULDOVSROLVKLQJDQGLQVXODWLQJZHUHSHUIRUPHGRQWKHMRLQLQJVXUIDFH

ハイブリッド融着接合方法

熱可塑性エポキシ樹脂に置き換えた場合では，

RIWKHPHWDOSODWHV,QWKLVVWXG\&)573DQGPHWDOSODWHVZHUHERQGHGE\WKHUHVLVWDQFHZHOGLQJ

引張せん断強度は 03D 以上に向上することが

DQGXOWUDVRQLFZHOGLQJPHWKRGXVLQJFDUERQILEUHDQGJODVVILEUHKHDWLQJHOHPHQW7KHHIIHFWV 融着接合結果

分かった．さらなる接合強度の向上のために，

RISURFHVVLQJFRQGLWLRQVVXFKDVDSSOLHGFXUUHQWDQGSUHVVLQJIRUFHZHUHLQYHVWLJDWHGWRLPSURYH

超音波融着接合と抵抗融着接合を組み合わせて

今後は金属表面への表面処理と抵抗発熱体やエ

WKHMRLQLQJVWUHQJWK7KHFRQWHQWVIRUHYDOXDWLRQDUHVLQJOHODSVKDUHVWUHQJWKFURVVVHFWLRQDO

織物 &)336 積層板同士をハイブリッド融着しネルギーダイレクタの最適化が必要である．

REVHUYDWLRQDQGZHOGLQJWHPSHUDWXUHREVHUYDWLRQ)URPWKHH[SHULPHQWDOUHVXOWVWKHYDULRXV

た際の引張せん断強度の比較を図  に示す．ハ

SURFHVVLQJFRQGLWLRQZDVLQYHVWLJDWHGWRLPSURYHWKHMRLQLQJVWUHQJWK

イブリッド融着接合の手順として，任意の超音

波出力で織物 &)336 積層板を超音波スポット.H\:RUGV：&)573&)3368OWUDVRQLFZHOGLQJ5HVLVWDQFHZHOGLQJ-RLQLQJVWUHQJWK

融着接合した後，抵抗融着接合を行うことでハ 研究概要

イブリッド融着接合を行った．全体的な傾向として，抵抗融着接合時の印加電流が , $ の場

近年，金属と &)53，セラミックス等の異種材料を適材適所に組み合わせて部材の設計・製造を行う

合では，超音波出力が増加するほど，引張せん“マルチマテリアルデザイン化”が軽量化と製造コスト削減が求められる欧州諸国の自動車製造業を断強度が向上することが分かった．一方，, $

筆頭に進められている．国内でもマルチマテリアル化の研究が始まりつつあるが，欧州諸国と比較しの場合では，印加電流が低く，十分な樹脂溶融て遅れている．その理由の一つに，異なる材料同士の接合が困難であることが挙げられ，高い接合強が生じなかったため，引張せん断強度は 03D

度信頼性を実現可能な接合手法の確立が急務である．本研究では，熱可塑性 &)53 の抵抗融着接合と超程度であることが分かった．これは，, $ で音波融着接合を融合したハイブリッド融着接合を提案することを目的に，熱可塑性 &)53 の抵抗融着接

抵抗融着接合のみを実施した場合の引張せん断

合および超音波融着接合を試みて融着挙動を評価し，ハイブリッド融着接合を試みた際の融着現象や強度とほぼ同値である．これらの実験的事実に接合強度を評価した．また，アルミ板と熱可塑性 &)53 の異種材接合を試みた結果について報告する．

より，超音波融着接合と抵抗融着接合を組み合 結果概要

融着接合対象はに示す織物炭素繊維強化ポリ®

レカ . 平織），336 フィルム（東レ㈱製，ト®

フェニレンサルファイド樹脂積層板（7HQ&DWH

レリナ ，厚さ PP）を用いた．また，抵抗発

社製，&HWH[，朱子織，9I YRO，厚さ PP，

熱体の絶縁層の有無による融着接合挙動を調査

以下織物 &)336）である．超音波融着接合にするため，絶縁層として平織ガラス繊維（坪量用いるエネルギーダイレクタには，336 フィル

JP厚さ PP）および一方向ガラス繊維

ム（東レ㈱製，トレリナ®，以下)ODW('）と，を用いた．

シート状の開繊炭素繊維（㈱ミツヤ製，以下

超音波加熱と抵抗加熱を組み合わせたハイブ&)('）の  種類を用いた．抵抗融着接合に用い

リッド融着接合の模式図を図  に示す．任意のる抵抗発熱体は，織物炭素繊維（東レ㈱製，ト

積層構成で作製したエネルギーダイレクタ兼，

─ 56 ─

図 3 種々の抵抗発熱体を用いた際の織物
CF/PPS 積層板とアルミ板の引張せん断強度のTensile shear strength, τap[MPa] 使用材料および融着接合方法



40

比較

35



30

 結論

25

本研究は，熱可塑性 CFRP の抵抗融着接合と超Resistance
Welding （I=12A)20

音波融着接合を融合したハイブリッド融着接合

15を提案することを目的に，織物 CF/PPS 積層板

100同士の超音波スポット融着接合および抵抗融着△ I=12A〇 I=11A

5

50

60
70
Ultrasonic power, P[%]接合を試み，ハイブリッド融着接合を行った．
80

図 ハイブリッド融着接合時の接合強度

その結果，超音波融着接合と抵抗融着接合を組み合わせることで，接合面が強固に接合され，引張せん断強度が向上することが分かった．

─ 57 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

物燃料電池触媒の高性能化
Rapid and low temperature synthesis of durable oxide supports and activity enhancement of
the all oxide catalysts for fuel cells-2jO - jN / mA cm

高耐久酸化物担体の高速低温合成とこれを用いた全酸化0a倍を超える 31 mA/cm2 の電流密度が 0.9 V のセ
(III) Pt-C
(II) NH3-pyrolyzed (I)(I) N-doped TiO2-Ti4O7-1-2トン輸送に大きく影響される。白金触媒を用いた触媒層においても、反応サイトである白金粒-4子への酸素・プロトン輸送と生成水の排出に起-5千坂 光陽, Mitsuharu Chisaka
国立大学法人 弘前大学, National University Cooperation, Hirosaki University

因する過電圧は無視できず、これらを考慮したinternal combustion vehicle engines. The advantages of PEFC-powered vehicles are longer travel distance,
above 300 miles, and higher power density to drive high load vehicles such as buses and tracks, when comparedwith battery-driven electric vehicles. Earth abundant cathode catalysts free from platinum group metals (PGMs)
have been of particular interest as they can put PEFCs into global vehicle markets. Most of the works on

0.4

0.6

0.8

電解質の添加量[5]や触媒スラリー作製時に添E vs. RHE / V-20
jO - jN / mA cm

electrolyte fuel cells (PEFCs) have received an increasing attention in recent years to replace the conventionalのの性能のみならず、触媒表面への酸素とプロ

-3

0.2

Owing to the worldwide trend in regulating the vehicle emissions, rechargeable batteries and polymer

ル電圧で得られている。発電性能は触媒そのも-1

加する溶媒[6,7]等による触媒層構造の最適化はb必要不可欠である。本触媒を利用した触媒層にinitialafter 3k cycles
after 10k cycles

対しての構造最適化は未実施であり、触媒そのものの性能向上とあわせて現在取り組んでいる。

-2

謝辞

-3

本研究は公益財団法人 スズキ財団 平成 29-4

年度研究助成を受けて実施されました。関係各
0.2

0.4

0.6

0.8

位に謝意を表します。

non-PGM catalysts have focused on a graphitic carbon-based catalyst, so-called Fe/N/C, as it displays highE vs. RHE / V

initial activity while the stability remains insufficient. In this study, durable Ti4O7 supports were synthesized to

図 1 a (I)窒素原子を置換導入した TiO2-Ti4O7 触媒、

参考文献

boost the activity of all oxide catalysts free from both PGMs and carbon supports. The synthesis conditions(II)(I)をアンモニア焼成した触媒、市販白金担持カ[1] 千坂光陽, 特開 2017-043521

were systematically optimized to reveal that active sites were produced by oxygen vacancy in rutile TiO 2 layers

ーボンブラック(Pt-C)触媒の 0.1 M 硫酸溶液におけ[2] A. Ohma, K. Shinohara, A. Iiyama, T. Yoshida

formed on TiN. Furthermore, co-doping of phosphor and nitrogen atoms on the active rutile successfully

る回転電極ボルタモグラム b (II)の初期ならびにand A. Daimaru, ECS Trans., 41, 775–784 (2011).

enlarged the surface area, decreased the charge transfer resistance and thus enhanced the activity.

3000、10000 サイクル後の特性[3] A. Ishihara, M. Tamura, Y. Ohgi, M. Matsumoto,
K. Matsuzawa, S. Mitsushima, H. Imai, and K. Ota,

Key Words：固体高分子形燃料電池, カソード, 酸素還元反応, 非白金触媒

J. Phys. Chem. C, 117, 18837–18844 (2013).

2.2 全酸化物触媒の高比表面積化
触媒の高比表面積化のため、当初計画に加え[4] C. Sotelo-Vazquez, N. Noor, A. Kafizas, R.

新たにリン原子を置換導入した。そのラマン分

Quesada-Cabrera, D. O. Scanlon, A. Taylor, J. R.

燃料電池車は 2014 年より一般販売されたが、国内累計販売台数は約 2900 台に留まる。本研究の最光スペクトルより、触媒表層にはルチル型 TiO2

Durrant and I. P. Parkin, Chem. Mater., 27,

終目的は、現行の正極用白金-コバルト担持炭素触媒の希少性・低耐久性を解決することにより、その相が形成され、活性発現に必要不可欠な酸素欠

3234–3242 (2015).

本格普及に貢献することである。上記二課題を同時に解決するため、全酸化物触媒の組成制御と高比損の数はチタンに対するリンの原子比 RP によ[5] P. Gode, F. Jaouen, G. Lindbergh, A. Lundblad,

表面積化を実施した。

らず同等であることがわかった。アルゴンスパ

andッタリングを併用した X 線光電子分光分析結果

4175–4187 (2003).

2 結果概要

より、バルクならびに表層に 5 価のリン(P )が[6] M. Uchida, Y. Aoyama, N. Eda, and A. Ohta, J.

2.1 高耐久 Ti4O7 担体の合成とこれを用いた全酸化物触媒の合成、反応サイトの探索

存在し、X 線回折パターンのピークシフトから

Electrochem. Soc, 142, 463–468 (1995).

1 研究概要

5+G.

Sundholma,

Electrochim.

Acta,

48,

従来は水熱処理と高温での還元処理を組み合が定めた自動車運転モード[2]で 1 万サイクルのチタンサイトへ P が置換導入されたと考えら[7] M. Chisaka, E. Matsuoka, and H. Daiguji, J.

わせ一週間かけて合成していた Ti4O7[1]を、出

加速劣化試験後も活性は大きく低下せず、炭素れる。窒素とチタンの化学状態は RP に依存しなElectrochem. Soc., 157, B1218–B1221, (2010).

発材料のスクリーニングと雰囲気制御により、担体を用いないことにより高い耐久性を示した

かった。アナターゼ型酸化チタン光触媒の導電数時間で合成することに成功した。さらにこれ(図 1b)。

率が、リン置換により向上することは報告され発表論文ている[4]。本触媒でも同様にリン置換による導1.

を用いて合成した触媒の諸特性から、明確でなかった活性点が、Ti4O7 担体ではなく窒素原子がさらに触媒を低温でアニールすることにより、酸素欠損量を制御した。窒素フリーの酸化物系

5+M. Chisaka, Phys. Chem. Chem. Phys., 20,
15613–15617 (2018). Highlighted as inside

電率向上もしくは P 由来の新しい活性点発現5+置換導入された TiO2 相にあることがわかった。

触媒においては、酸素欠損が永らく反応サイト

により、従来の 2.00 mg cm と比べ半値以下の窒素原子の置換導入量制御により、過電圧はとして考えられてきた[3]が、窒素原子を酸素サ大幅に低い触媒使用量で活性が向上し、比表面従来の半値以下に低減され、市販の白金担持カ

イトへ置換導入したルチル型酸化チタン触媒の積も倍以上増加したことが示唆された。単セル

Technol., 9, 611–619 (2019). Highlighted asーボンブラック触媒に比べ僅か 0.06 V 高い値を反応サイト形成にも必要不可欠であることが解発電実験においても本触媒が最も高い性能を示

outside back cover.

示した(図 1a)。また燃料電池実用化推進協議会

明された。

し、目標値には僅かに及ばないものの従前の 10

─ 58 ─

back cover.

–22.

─ 59 ─

M. Chisaka and H. Morioka, Catal. Sci.

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

物燃料電池触媒の高性能化
Rapid and low temperature synthesis of durable oxide supports and activity enhancement of
the all oxide catalysts for fuel cells-2jO - jN / mA cm

高耐久酸化物担体の高速低温合成とこれを用いた全酸化0a倍を超える 31 mA/cm2 の電流密度が 0.9 V のセ
(III) Pt-C
(II) NH3-pyrolyzed (I)(I) N-doped TiO2-Ti4O7-1-2トン輸送に大きく影響される。白金触媒を用いた触媒層においても、反応サイトである白金粒-4子への酸素・プロトン輸送と生成水の排出に起-5千坂 光陽, Mitsuharu Chisaka
国立大学法人 弘前大学, National University Cooperation, Hirosaki University

因する過電圧は無視できず、これらを考慮したinternal combustion vehicle engines. The advantages of PEFC-powered vehicles are longer travel distance,
above 300 miles, and higher power density to drive high load vehicles such as buses and tracks, when comparedwith battery-driven electric vehicles. Earth abundant cathode catalysts free from platinum group metals (PGMs)
have been of particular interest as they can put PEFCs into global vehicle markets. Most of the works on

0.4

0.6

0.8

電解質の添加量[5]や触媒スラリー作製時に添E vs. RHE / V-20
jO - jN / mA cm

electrolyte fuel cells (PEFCs) have received an increasing attention in recent years to replace the conventionalのの性能のみならず、触媒表面への酸素とプロ

-3

0.2

Owing to the worldwide trend in regulating the vehicle emissions, rechargeable batteries and polymer

ル電圧で得られている。発電性能は触媒そのも-1

加する溶媒[6,7]等による触媒層構造の最適化はb必要不可欠である。本触媒を利用した触媒層にinitialafter 3k cycles
after 10k cycles

対しての構造最適化は未実施であり、触媒そのものの性能向上とあわせて現在取り組んでいる。

-2

謝辞

-3

本研究は公益財団法人 スズキ財団 平成 29-4

年度研究助成を受けて実施されました。関係各
0.2

0.4

0.6

0.8

位に謝意を表します。

non-PGM catalysts have focused on a graphitic carbon-based catalyst, so-called Fe/N/C, as it displays highE vs. RHE / V

initial activity while the stability remains insufficient. In this study, durable Ti4O7 supports were synthesized to

図 1 a (I)窒素原子を置換導入した TiO2-Ti4O7 触媒、

参考文献

boost the activity of all oxide catalysts free from both PGMs and carbon supports. The synthesis conditions(II)(I)をアンモニア焼成した触媒、市販白金担持カ[1] 千坂光陽, 特開 2017-043521

were systematically optimized to reveal that active sites were produced by oxygen vacancy in rutile TiO 2 layers

ーボンブラック(Pt-C)触媒の 0.1 M 硫酸溶液におけ[2] A. Ohma, K. Shinohara, A. Iiyama, T. Yoshida

formed on TiN. Furthermore, co-doping of phosphor and nitrogen atoms on the active rutile successfully

る回転電極ボルタモグラム b (II)の初期ならびにand A. Daimaru, ECS Trans., 41, 775–784 (2011).

enlarged the surface area, decreased the charge transfer resistance and thus enhanced the activity.

3000、10000 サイクル後の特性[3] A. Ishihara, M. Tamura, Y. Ohgi, M. Matsumoto,
K. Matsuzawa, S. Mitsushima, H. Imai, and K. Ota,

Key Words：固体高分子形燃料電池, カソード, 酸素還元反応, 非白金触媒

J. Phys. Chem. C, 117, 18837–18844 (2013).

2.2 全酸化物触媒の高比表面積化
触媒の高比表面積化のため、当初計画に加え[4] C. Sotelo-Vazquez, N. Noor, A. Kafizas, R.

新たにリン原子を置換導入した。そのラマン分

Quesada-Cabrera, D. O. Scanlon, A. Taylor, J. R.

燃料電池車は 2014 年より一般販売されたが、国内累計販売台数は約 2900 台に留まる。本研究の最光スペクトルより、触媒表層にはルチル型 TiO2

Durrant and I. P. Parkin, Chem. Mater., 27,

終目的は、現行の正極用白金-コバルト担持炭素触媒の希少性・低耐久性を解決することにより、その相が形成され、活性発現に必要不可欠な酸素欠

3234–3242 (2015).

本格普及に貢献することである。上記二課題を同時に解決するため、全酸化物触媒の組成制御と高比損の数はチタンに対するリンの原子比 RP によ[5] P. Gode, F. Jaouen, G. Lindbergh, A. Lundblad,

表面積化を実施した。

らず同等であることがわかった。アルゴンスパ

andッタリングを併用した X 線光電子分光分析結果

4175–4187 (2003).

2 結果概要

より、バルクならびに表層に 5 価のリン(P )が[6] M. Uchida, Y. Aoyama, N. Eda, and A. Ohta, J.

2.1 高耐久 Ti4O7 担体の合成とこれを用いた全酸化物触媒の合成、反応サイトの探索

存在し、X 線回折パターンのピークシフトから

Electrochem. Soc, 142, 463–468 (1995).

1 研究概要

5+G.

Sundholma,

Electrochim.

Acta,

48,

従来は水熱処理と高温での還元処理を組み合が定めた自動車運転モード[2]で 1 万サイクルのチタンサイトへ P が置換導入されたと考えら[7] M. Chisaka, E. Matsuoka, and H. Daiguji, J.

わせ一週間かけて合成していた Ti4O7[1]を、出

加速劣化試験後も活性は大きく低下せず、炭素れる。窒素とチタンの化学状態は RP に依存しなElectrochem. Soc., 157, B1218–B1221, (2010).

発材料のスクリーニングと雰囲気制御により、担体を用いないことにより高い耐久性を示した

かった。アナターゼ型酸化チタン光触媒の導電数時間で合成することに成功した。さらにこれ(図 1b)。

率が、リン置換により向上することは報告され発表論文ている[4]。本触媒でも同様にリン置換による導1.

を用いて合成した触媒の諸特性から、明確でなかった活性点が、Ti4O7 担体ではなく窒素原子がさらに触媒を低温でアニールすることにより、酸素欠損量を制御した。窒素フリーの酸化物系

5+M. Chisaka, Phys. Chem. Chem. Phys., 20,
15613–15617 (2018). Highlighted as inside

電率向上もしくは P 由来の新しい活性点発現5+置換導入された TiO2 相にあることがわかった。

触媒においては、酸素欠損が永らく反応サイト

により、従来の 2.00 mg cm と比べ半値以下の窒素原子の置換導入量制御により、過電圧はとして考えられてきた[3]が、窒素原子を酸素サ大幅に低い触媒使用量で活性が向上し、比表面従来の半値以下に低減され、市販の白金担持カ

イトへ置換導入したルチル型酸化チタン触媒の積も倍以上増加したことが示唆された。単セル

Technol., 9, 611–619 (2019). Highlighted asーボンブラック触媒に比べ僅か 0.06 V 高い値を反応サイト形成にも必要不可欠であることが解発電実験においても本触媒が最も高い性能を示

outside back cover.

示した(図 1a)。また燃料電池実用化推進協議会

明された。

し、目標値には僅かに及ばないものの従前の 10

─ 58 ─

back cover.

–22.

─ 59 ─

M. Chisaka and H. Morioka, Catal. Sci.

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

2.2

解析対象

向に平行な，格子点で構成される 128 断面をレ

本研究では，8mm×4mm×4mm の計算領域におーザシートと仮定し，レーザシートの厚さも考いて，十分に発達した一様等方性乱流である水慮する．厚さのある各レーザシート内に含まれ革新的な精度向上を目指す DNS 数値計測

素―空気予混合気を周期的に流入させて燃焼さているトレーサ粒子の中心輝度値をガウス分布を用いる．

に基づいて算出し，この値から各レーザシート

DNS measurement towards progressive accuracy on optical measurement of
turbulent premixed flames

時間進展には 3 段 3 次精度 Runge-Kutta 法，空におけるトレーサ粒子の輝度分布を算出する．

間の離散化には 6 次精度中心差分法と，フーリ得られたトレーサ粒子の輝度値から，判別分

エスペクトル選点法またはポイントスペクトル析法を用いた二値化処理を行う．判別分析法は，法を用いており，境界条件には主流方向に分離度が最大となるしきい値を求め，自動的に

NSCBC

Characteristic

二値化を行う手法である．この際，重要となる

Boundary Conditions)，側面境界に周期境界条のが，画素の考え方である．本研究で用いる DNS

The flame displacement speed is one of the major characteristics in turbulent premixed combustion.

件を用いた．このデータベースにはサンプリン

データに基づけば，全てのトレーサ粒子の輝度

In this study, construction of numerical measurement technique was considered towards progressive

グ間隔 0.0517ms ごとのデータが，統計計算が可値を算出できるが，現実の計測では画素ごとに

accuracy on optical measurement of turbulent premixed flames. In the numerical measurement, a flame

能な時間範囲において 512×128×128 個の格子しか計測できないため，トレーサ粒子の輝度値

surface is defined by using the evaporation of silicon oil droplets due to combustion. In the real

点ごとに記録されている．これらのデータは，を画素の輝度値に変換する必要がある．そこで，

laser tomography method, a flame surface is defined in consideration of binarisation processing,

乱流燃焼場の質量保存，運動量保存，エネルギ

画素の大きさを一辺 10m と設定し，画素の中

which is discriminate unburned mixture from burned products. As the first step to consider the

保存，化学種保存に関する支配方程式により計に含まれるトレーサ粒子の輝度値を積算するこ

binarisation processing, the brightness of tracer particles was computed, and subsequently the

算され，解析ではこれらのデータを利用する．

とで，画素ごとの輝度値を算出する．

obtained brightness of tracer particles was converted into the brightness of a pixel.

このデータベースには，ルイス数 Le が 1.0 で既

2.4

乱流予混合火炎の光学計測における

坪井 和也,
岡山大学,

TSUBOI Kazuya
Okayama University

せた乱流予混合火炎の DNS データ(Navier-Stokes

(1-3)

解析結果

燃生成物と未燃混合気の密度比がそれぞれFig.1 にレーザシート内のトレーサ粒子の輝7.53，5.00，2.50 の Case Hm，Case Mm，Case Lm

度値分布を，Fig.2 にレーザシート内のトレーと，Case Mm のルイス数 Le をそれぞれ 0.8，1.2

サ粒子の輝度値を画素の輝度値に変換した分布とした Case Mh，Case Ml の，計 5 種類のデータ

を，それぞれ示す．図の右側の赤枠はそれぞれ，ベースが存在する．本研究では Case Hm を対象

計測領域内の同じ部分の範囲を拡大したものでよる誤差が生じる．当申請研究では，厳密な計算が可能な DNS（直接数値シミュレーション）を用いて光学計測をに数値レーザトモグラフィ法を行った．

ある．Fig. 1 の輝度値分布と比べると，Fig. 2

数値的に実行し，計測精度の飛躍的な向上に必要な，計測手法や条件等を定量的に検討し，その指針を与える．

2.3の輝度値分布はトレーサ粒子の輝度値が画素のKey Words：Numerical measurement, DNS, Turbulent premixed flame1

研究概要
自動車等に用いられる内燃機関で発生する乱流予混合火炎をレーザ等で光学的に測定する際，さまざまな要因に

数値レーザトモグラフィ法の構築

輝度値に変換できていることが分かり，より現本研究で構築した数値レーザトモグラフィ法

2

結果概要

2.1

緒言

実に近い数値レーザトモグラフィ法を構築するの手法を以下に示す．

ことができたと考える．

まず，計算領域（計測領域）内の未燃領域全内燃機関などの実用燃焼器において主な燃焼比較することができず，これまで両者の関係は不体にシリコン油滴と仮定したトレーサ粒子を散2.5

形態は乱流予混合燃焼であるが，これを制御する明であった．そこで，理論的に正しい計算が可能

布し，トレーサ粒子が蒸発する時刻まで DNS デ

1. Nishiki, S., Hasegawa, T., Borghi, R., Himeno,

ためには燃焼器内の流れや燃焼の状態を詳細にな数値計算と実際の現象を捉える実験の両者をータのサンプリング間隔である 0.0517ms ごと

R., Combustion Theory and Modeling 10: 39-55 (2006).

把握する必要がある．乱流予混合燃焼は熱エネル

厳密に比較することができれば，より高精度な実に，DNS データの局所流速に従ってトレーサ粒

2. Nishiki, S., Doctoral Thesis, Nagoya Institute

ギを取り出す重要な現象であるが，現象自体が持験計測のための適切な測定条件や解析手法を提子を繰り返し移動させる．トレーサ粒子の蒸発of Technology, (2003).

つ複雑さから未解明な部分が多く残されている．

案する事が可能となり，今後の乱流燃焼の研究や乱流予混合火炎の構造を決定する重要なパラメ

燃焼装置の研究開発に役立つものとなる．

タの一つに火炎変位速度がある．火炎変位速度は，

本研究では，厳密な計算が可能な DNS（直接数

流れに対する火炎面の微小面積の法線方向への値シミュレーション）により構築されたデータを相対速度として定義される．数値計算では，燃焼用いてレーザトモグラフィ法を数値的に実行す反応の進行度を示す反応進行度変数の輸送方程る数値レーザトモグラフィ法を新たに考案した．

式から厳密に算出することができる．一方，実験

より現実に近い数値レーザトモグラフィ法の構

では光学的な手法により火炎面の移動量と火炎築を目指し，火炎面の未燃側と既燃側を明確にす

近傍の流速を計測し，幾何学的に局所的な火炎変る二値化処理を行うのに必要な，トレーサ粒子の位速度が算出される．このように算出方法が異な輝度値から画素（ピクセル）の輝度値への変換なることから，数値計算と実験により得られる量をどを組み込んだ．

─ 60 ─

2

時間は d 則を用いて求める．

参考文献

3. Tsuboi, K., Nishiki, S., Hasegawa, T., Journalof Thermal Science and Technology 3: 103-111 (2008).

計測は 2 次元で行うため，計測領域の主流方

Fig. 1. Brightness distribution of tracer particles.
─ 61 ─

Fig. 2. Brightness distribution of pixels.

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

2.2

解析対象

向に平行な，格子点で構成される 128 断面をレ

本研究では，8mm×4mm×4mm の計算領域におーザシートと仮定し，レーザシートの厚さも考いて，十分に発達した一様等方性乱流である水慮する．厚さのある各レーザシート内に含まれ革新的な精度向上を目指す DNS 数値計測

素―空気予混合気を周期的に流入させて燃焼さているトレーサ粒子の中心輝度値をガウス分布を用いる．

に基づいて算出し，この値から各レーザシート

DNS measurement towards progressive accuracy on optical measurement of
turbulent premixed flames

時間進展には 3 段 3 次精度 Runge-Kutta 法，空におけるトレーサ粒子の輝度分布を算出する．

間の離散化には 6 次精度中心差分法と，フーリ得られたトレーサ粒子の輝度値から，判別分

エスペクトル選点法またはポイントスペクトル析法を用いた二値化処理を行う．判別分析法は，法を用いており，境界条件には主流方向に分離度が最大となるしきい値を求め，自動的に

NSCBC

Characteristic

二値化を行う手法である．この際，重要となる

Boundary Conditions)，側面境界に周期境界条のが，画素の考え方である．本研究で用いる DNS

The flame displacement speed is one of the major characteristics in turbulent premixed combustion.

件を用いた．このデータベースにはサンプリン

データに基づけば，全てのトレーサ粒子の輝度

In this study, construction of numerical measurement technique was considered towards progressive

グ間隔 0.0517ms ごとのデータが，統計計算が可値を算出できるが，現実の計測では画素ごとに

accuracy on optical measurement of turbulent premixed flames. In the numerical measurement, a flame

能な時間範囲において 512×128×128 個の格子しか計測できないため，トレーサ粒子の輝度値

surface is defined by using the evaporation of silicon oil droplets due to combustion. In the real

点ごとに記録されている．これらのデータは，を画素の輝度値に変換する必要がある．そこで，

laser tomography method, a flame surface is defined in consideration of binarisation processing,

乱流燃焼場の質量保存，運動量保存，エネルギ

画素の大きさを一辺 10m と設定し，画素の中

which is discriminate unburned mixture from burned products. As the first step to consider the

保存，化学種保存に関する支配方程式により計に含まれるトレーサ粒子の輝度値を積算するこ

binarisation processing, the brightness of tracer particles was computed, and subsequently the

算され，解析ではこれらのデータを利用する．

とで，画素ごとの輝度値を算出する．

obtained brightness of tracer particles was converted into the brightness of a pixel.

このデータベースには，ルイス数 Le が 1.0 で既

2.4

乱流予混合火炎の光学計測における

坪井 和也,
岡山大学,

TSUBOI Kazuya
Okayama University

せた乱流予混合火炎の DNS データ(Navier-Stokes

(1-3)

解析結果

燃生成物と未燃混合気の密度比がそれぞれFig.1 にレーザシート内のトレーサ粒子の輝7.53，5.00，2.50 の Case Hm，Case Mm，Case Lm

度値分布を，Fig.2 にレーザシート内のトレーと，Case Mm のルイス数 Le をそれぞれ 0.8，1.2

サ粒子の輝度値を画素の輝度値に変換した分布とした Case Mh，Case Ml の，計 5 種類のデータ

を，それぞれ示す．図の右側の赤枠はそれぞれ，ベースが存在する．本研究では Case Hm を対象

計測領域内の同じ部分の範囲を拡大したものでよる誤差が生じる．当申請研究では，厳密な計算が可能な DNS（直接数値シミュレーション）を用いて光学計測をに数値レーザトモグラフィ法を行った．

ある．Fig. 1 の輝度値分布と比べると，Fig. 2

数値的に実行し，計測精度の飛躍的な向上に必要な，計測手法や条件等を定量的に検討し，その指針を与える．

2.3の輝度値分布はトレーサ粒子の輝度値が画素のKey Words：Numerical measurement, DNS, Turbulent premixed flame1

研究概要
自動車等に用いられる内燃機関で発生する乱流予混合火炎をレーザ等で光学的に測定する際，さまざまな要因に

数値レーザトモグラフィ法の構築

輝度値に変換できていることが分かり，より現本研究で構築した数値レーザトモグラフィ法

2

結果概要

2.1

緒言

実に近い数値レーザトモグラフィ法を構築するの手法を以下に示す．

ことができたと考える．

まず，計算領域（計測領域）内の未燃領域全内燃機関などの実用燃焼器において主な燃焼比較することができず，これまで両者の関係は不体にシリコン油滴と仮定したトレーサ粒子を散2.5

形態は乱流予混合燃焼であるが，これを制御する明であった．そこで，理論的に正しい計算が可能

布し，トレーサ粒子が蒸発する時刻まで DNS デ

1. Nishiki, S., Hasegawa, T., Borghi, R., Himeno,

ためには燃焼器内の流れや燃焼の状態を詳細にな数値計算と実際の現象を捉える実験の両者をータのサンプリング間隔である 0.0517ms ごと

R., Combustion Theory and Modeling 10: 39-55 (2006).

把握する必要がある．乱流予混合燃焼は熱エネル

厳密に比較することができれば，より高精度な実に，DNS データの局所流速に従ってトレーサ粒

2. Nishiki, S., Doctoral Thesis, Nagoya Institute

ギを取り出す重要な現象であるが，現象自体が持験計測のための適切な測定条件や解析手法を提子を繰り返し移動させる．トレーサ粒子の蒸発of Technology, (2003).

つ複雑さから未解明な部分が多く残されている．

案する事が可能となり，今後の乱流燃焼の研究や乱流予混合火炎の構造を決定する重要なパラメ

燃焼装置の研究開発に役立つものとなる．

タの一つに火炎変位速度がある．火炎変位速度は，

本研究では，厳密な計算が可能な DNS（直接数

流れに対する火炎面の微小面積の法線方向への値シミュレーション）により構築されたデータを相対速度として定義される．数値計算では，燃焼用いてレーザトモグラフィ法を数値的に実行す反応の進行度を示す反応進行度変数の輸送方程る数値レーザトモグラフィ法を新たに考案した．

式から厳密に算出することができる．一方，実験

より現実に近い数値レーザトモグラフィ法の構

では光学的な手法により火炎面の移動量と火炎築を目指し，火炎面の未燃側と既燃側を明確にす

近傍の流速を計測し，幾何学的に局所的な火炎変る二値化処理を行うのに必要な，トレーサ粒子の位速度が算出される．このように算出方法が異な輝度値から画素（ピクセル）の輝度値への変換なることから，数値計算と実験により得られる量をどを組み込んだ．

─ 60 ─

2

時間は d 則を用いて求める．

参考文献

3. Tsuboi, K., Nishiki, S., Hasegawa, T., Journalof Thermal Science and Technology 3: 103-111 (2008).

計測は 2 次元で行うため，計測領域の主流方

Fig. 1. Brightness distribution of tracer particles.
─ 61 ─

Fig. 2. Brightness distribution of pixels.

平成 29 年度

研究報告書概要

また，図２にはヨー角 0°, 5°,および 10°の 3

能動的流れ制御技術を用いた条件における数値解析（CFD）の結果も併せて

３次元ブラフボディに作用する空気力の安定化

ー角依存性を定性的に再現しており，=5°~10°

Planer jet(steady)Top示した． CFD は風洞計測における CD, CL のヨで係数値が急変する傾向を捉えている．

Stabilization of aerodynamic forces acting on a three-dimensional bluff bodyusing active flow control technique中島 卓司,
広島大学,

10

=32

Slant

2.2 流れの可視化

図４．噴流噴出し概念図とノズル部概観

図２に示した準定常的なヨー角依存性に見られた空力の急変と履歴影響について，関連する

Takuji Nakashima
Hiroshima University

0.5

流れ現象を調査した．モデル表面圧と後流総圧の風洞計測結果と CFD 解析結果から，小ヨー角

In this research, the investigator focused on the hysteresis phenomenon in the aerodynamic characteristics ofで見られる低 CD 状態では後部傾斜面上で流れ

an automobile and developed the method to reduce aerodynamic drag and lift by active flow control. Aが完全に剥離する一方，大ヨー角で見られる高simplified vehicle model (Ahmed model with a slant angle of 32 degrees) was investigated. This model has aquasi-steady aerodynamic characteristic where the aerodynamic force suddenly changes at a certain yaw angle,

ことが確認された．これらの傾斜面上の流れのand it shows also a hysteresis of the aerodynamic characteristic caused by the yaw angle change. Based on a

差異はモデル後流のパターンを変化させ，空力

flow visualization of the transient phenomena related to the hysteresis, a steady planer jet blowing from the

特性にも大きな差異を生じる原因と考えられた．

slant surface was designed. The jet successfully eliminated the hysteresis, and the wake of the model shiftedfrom the high drag state to the low drag state and the aerodynamic drag and lift decreased.

0.45

Exp. (ReH = 3.5 x 105)
Controlled
w/o control

0.6

0.4

CFD (ReH = 3.0 x 105)
Controlled
w/o control

0.4

0.35
0.3

CD 状態では流れが傾斜面上に再付着している

0.8
Lift coefficient CL

スズキ財団

Drag coefficient CD

公益財団法人

0.2

0
5
10
15
Yaw angle  [deg.]

0

0
5
10
15
Yaw angle  [deg.]

図５．流れ御による CD 値のヨー角依存性変化

本研究で目指す流れの制御は，高 CD 状態か L /(U0/L)
20

ら低 CD 状態へ上述の後流パターンを変化させ0る制御である．そこで，回流水槽において，高CD 状態を示すヨー角から準定常的に低 CD 状態

Key Words：Aerodynamic drag reduction, bluff body, vehicle aerodynamics, active flow control.

を示すヨー角へとヨー角を動的に減少させ，ヨ1

ー角変化後に生じる後流パターンの遷移過程を

研究概要

-20

図６．速度等値面（主流 50%）とモデル前後軸周り渦度分布（=10°, 左：原型, 右：制御あり）

走行する自動車を想定した地面効果中を進行する３次元ブラフボディにおいて、外乱影響や形状特可視化した（図３）．その過程では，あるタイミ加えた単位時間当たりの運動量は，車両モデルに性によって生じる不安定ないしは双安定な空気力特性を対象に、これを選択的に安定化するアクティ

ングから後部傾斜面上方の剥離域が拡大し，背作用する空気抵抗の力積の 0.01％以下であり，効ブ空力制御技術について実験と数値解析の両面から検討し、同技術の確立を目指した。

面後方の剥離循環域からの流れが傾斜面上方へ

率的な空力制御であった．また，その空力変化は流入して（図中 2.），傾斜面上方から背面後方に

図６に示す異なる後流パターンの発現によるも大規模な剥離循環領域が形成された．

のであった．

結果概要

2.1

Rear

研究対象の基本空力特性

制御の検討対象として，自動車の代表的な後Slant angle  :32 deg.

Height:230mm

流構造を再現可能な簡易モデルである Ahmed
モデル 1)とした．同モデルは後背角 φ が臨界角

Front

30°を越えるモデルにおいて，準定常的ヨー角変

2.5 まとめ

Flow

Floor height:
40 mm
Width:
311 mmLength: 835 mm

図１．対象車両モデルとヨー角の定義.

化に対して，あるヨー角で空力特性が急変する

(2)遷移
過程

(1)高CD状態(3)低CD状態

Drag coefficient CD

角 φ=32°の形状（図１）を対象とした．
風洞で模型をターンテーブルにより回転させ，0°~±15°の範囲の一定ヨー角を与えた準定常空力計測を行った．模型高さに基づく Reynolds 数
は 3.0×105 とした．計測された空気抵抗係数 CD

0.55

0.8

0.5

0.6

0.45
0.4
0.35
0.3
0.25

0
5
10
15
Yaw angle  [deg.]

CFD
Exp.

0.4
0.2
0

-0.2

0
5
10
15
Yaw angle  [deg.]

本研究では，特定の簡易車両モデルが，風向（ヨー角）変化に対して示す双安定な空気力特図３．流速分布と鉛直断面上流線による性を対象に，これを選択的に安定化するアクテ

後流パターンの遷移過程の可視化

ィブ空力制御技術を検討した．双安定な状態間

2.3 空力制御

ことが報告 2), 3)されている．本研究では，後背Lift coefficient CL2

前項で示した後流パターン遷移過程に見られた後部傾斜面上方の剥離域の拡大を促すため，の遷移過程の可視化から制御方法を決定し，僅
かな入力で低空気抵抗状態を選択的に生じさせる空力制御技術を提案，実証した．

図４のようにスリット状のノズルを傾斜面に組

2.6 参考文献

込み，傾斜面に沿って前端方向へと吹き出す平

1) 橋口真宜ら, 日本機械学会論文集 B 編，60

面噴流による流れ制御を加えた．その結果，風巻，580 号, p.4066-4073, 1994.

図２．空力係数 CD, CL のヨー角依存性

洞試験では，ヨー角減少時に高 CD 状態が維持

2) G. Bonnavion et al., J. Wind Eng. Ind. Aerodyn.,

される履歴影響が消失した（図５）．数値解析でVol.164, p.22–33, 2017.

行ったところ，ヨー角変化の方向に依存して，本研究では，このような同一条件で異なる空も，高 CD 状態を示した = 10°の定常解析中に，

3) S.R. Ahmed et al., SAE paper no.840300, 1984.

同一ヨー角でも異なる空力係数値を示す履歴効力特性を示す双安定な流れ場に対し，CD, CL がスリット開口部へ一様流速の吹出しを与えるこ

4) W. Meile et al., Int. J. Heat Fluid Flow, Vol.57,

果が確認された（図中矢印はヨー角変更方向）．

より低い状態を安定的に得る制御法を検討した．

とで，同様の空力低減が得られた．噴流として

p.34–47, 2016.

と揚力係数 CL のヨー角依存性を図２に示す．送風を継続しながらヨー角を順次変更して計測を─ 62 ─

─ 63 ─

平成 29 年度

研究報告書概要

また，図２にはヨー角 0°, 5°,および 10°の 3

能動的流れ制御技術を用いた条件における数値解析（CFD）の結果も併せて

３次元ブラフボディに作用する空気力の安定化

ー角依存性を定性的に再現しており，=5°~10°

Planer jet(steady)Top示した． CFD は風洞計測における CD, CL のヨで係数値が急変する傾向を捉えている．

Stabilization of aerodynamic forces acting on a three-dimensional bluff bodyusing active flow control technique中島 卓司,
広島大学,

10

=32

Slant

2.2 流れの可視化

図４．噴流噴出し概念図とノズル部概観

図２に示した準定常的なヨー角依存性に見られた空力の急変と履歴影響について，関連する

Takuji Nakashima
Hiroshima University

0.5

流れ現象を調査した．モデル表面圧と後流総圧の風洞計測結果と CFD 解析結果から，小ヨー角

In this research, the investigator focused on the hysteresis phenomenon in the aerodynamic characteristics ofで見られる低 CD 状態では後部傾斜面上で流れ

an automobile and developed the method to reduce aerodynamic drag and lift by active flow control. Aが完全に剥離する一方，大ヨー角で見られる高simplified vehicle model (Ahmed model with a slant angle of 32 degrees) was investigated. This model has aquasi-steady aerodynamic characteristic where the aerodynamic force suddenly changes at a certain yaw angle,

ことが確認された．これらの傾斜面上の流れのand it shows also a hysteresis of the aerodynamic characteristic caused by the yaw angle change. Based on a

差異はモデル後流のパターンを変化させ，空力

flow visualization of the transient phenomena related to the hysteresis, a steady planer jet blowing from the

特性にも大きな差異を生じる原因と考えられた．

slant surface was designed. The jet successfully eliminated the hysteresis, and the wake of the model shiftedfrom the high drag state to the low drag state and the aerodynamic drag and lift decreased.

0.45

Exp. (ReH = 3.5 x 105)
Controlled
w/o control

0.6

0.4

CFD (ReH = 3.0 x 105)
Controlled
w/o control

0.4

0.35
0.3

CD 状態では流れが傾斜面上に再付着している

0.8
Lift coefficient CL

スズキ財団

Drag coefficient CD

公益財団法人

0.2

0
5
10
15
Yaw angle  [deg.]

0

0
5
10
15
Yaw angle  [deg.]

図５．流れ御による CD 値のヨー角依存性変化

本研究で目指す流れの制御は，高 CD 状態か L /(U0/L)
20

ら低 CD 状態へ上述の後流パターンを変化させ0る制御である．そこで，回流水槽において，高CD 状態を示すヨー角から準定常的に低 CD 状態

Key Words：Aerodynamic drag reduction, bluff body, vehicle aerodynamics, active flow control.

を示すヨー角へとヨー角を動的に減少させ，ヨ1

ー角変化後に生じる後流パターンの遷移過程を

研究概要

-20

図６．速度等値面（主流 50%）とモデル前後軸周り渦度分布（=10°, 左：原型, 右：制御あり）

走行する自動車を想定した地面効果中を進行する３次元ブラフボディにおいて、外乱影響や形状特可視化した（図３）．その過程では，あるタイミ加えた単位時間当たりの運動量は，車両モデルに性によって生じる不安定ないしは双安定な空気力特性を対象に、これを選択的に安定化するアクティ

ングから後部傾斜面上方の剥離域が拡大し，背作用する空気抵抗の力積の 0.01％以下であり，効ブ空力制御技術について実験と数値解析の両面から検討し、同技術の確立を目指した。

面後方の剥離循環域からの流れが傾斜面上方へ

率的な空力制御であった．また，その空力変化は流入して（図中 2.），傾斜面上方から背面後方に

図６に示す異なる後流パターンの発現によるも大規模な剥離循環領域が形成された．

のであった．

結果概要

2.1

Rear

研究対象の基本空力特性

制御の検討対象として，自動車の代表的な後Slant angle  :32 deg.

Height:230mm

流構造を再現可能な簡易モデルである Ahmed
モデル 1)とした．同モデルは後背角 φ が臨界角

Front

30°を越えるモデルにおいて，準定常的ヨー角変

2.5 まとめ

Flow

Floor height:
40 mm
Width:
311 mmLength: 835 mm

図１．対象車両モデルとヨー角の定義.

化に対して，あるヨー角で空力特性が急変する

(2)遷移
過程

(1)高CD状態(3)低CD状態

Drag coefficient CD

角 φ=32°の形状（図１）を対象とした．
風洞で模型をターンテーブルにより回転させ，0°~±15°の範囲の一定ヨー角を与えた準定常空力計測を行った．模型高さに基づく Reynolds 数
は 3.0×105 とした．計測された空気抵抗係数 CD

0.55

0.8

0.5

0.6

0.45
0.4
0.35
0.3
0.25

0
5
10
15
Yaw angle  [deg.]

CFD
Exp.

0.4
0.2
0

-0.2

0
5
10
15
Yaw angle  [deg.]

本研究では，特定の簡易車両モデルが，風向（ヨー角）変化に対して示す双安定な空気力特図３．流速分布と鉛直断面上流線による性を対象に，これを選択的に安定化するアクテ

後流パターンの遷移過程の可視化

ィブ空力制御技術を検討した．双安定な状態間

2.3 空力制御

ことが報告 2), 3)されている．本研究では，後背Lift coefficient CL2

前項で示した後流パターン遷移過程に見られた後部傾斜面上方の剥離域の拡大を促すため，の遷移過程の可視化から制御方法を決定し，僅
かな入力で低空気抵抗状態を選択的に生じさせる空力制御技術を提案，実証した．

図４のようにスリット状のノズルを傾斜面に組

2.6 参考文献

込み，傾斜面に沿って前端方向へと吹き出す平

1) 橋口真宜ら, 日本機械学会論文集 B 編，60

面噴流による流れ制御を加えた．その結果，風巻，580 号, p.4066-4073, 1994.

図２．空力係数 CD, CL のヨー角依存性

洞試験では，ヨー角減少時に高 CD 状態が維持

2) G. Bonnavion et al., J. Wind Eng. Ind. Aerodyn.,

される履歴影響が消失した（図５）．数値解析でVol.164, p.22–33, 2017.

行ったところ，ヨー角変化の方向に依存して，本研究では，このような同一条件で異なる空も，高 CD 状態を示した = 10°の定常解析中に，

3) S.R. Ahmed et al., SAE paper no.840300, 1984.

同一ヨー角でも異なる空力係数値を示す履歴効力特性を示す双安定な流れ場に対し，CD, CL がスリット開口部へ一様流速の吹出しを与えるこ

4) W. Meile et al., Int. J. Heat Fluid Flow, Vol.57,

果が確認された（図中矢印はヨー角変更方向）．

より低い状態を安定的に得る制御法を検討した．

とで，同様の空力低減が得られた．噴流として

p.34–47, 2016.

と揚力係数 CL のヨー角依存性を図２に示す．送風を継続しながらヨー角を順次変更して計測を─ 62 ─

─ 63 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

Li 金属二次電池用 Li デンドライト析出検知セパレータの析出検知過程の可視化
Visualization of Detection Process on Li–Dendrite–Detectable Separator for Li
Metal Secondary Battery
奈良洋希,
Hiroki NARA
早稲田大学 ナノ・ライフ創新研究機構,
Innovation, Waseda University

Research Organization for Nano & Life

図 1 Li/SP-porous Al-SP/Li の Li 析出時の電圧挙動（⻘⾊線：作⽤極—対極間の電圧，橙⾊線：多孔質アルミ層に対する作⽤極の電位，灰⾊線：多孔質アルミ層に対する対極の電位）．

図 3 operando 断⾯観察セルによるデンドライト
析出過程の顕微鏡像 (a)試験開始前の像，(b)試験開始約 8 時間後の像，(c) Li/SP-porous Al-SP/Li のLi 析出時の電圧挙動．

Li dendritic deposition is critical barrier for realization of Rechargeable Li metal battery(LMB). This work is to investigate a Li-dendrite detectable separator as a failsafe system forLMB. Li-dendrite detectable separator is porous Al film sandwiched by polymer separators. WhenLi dendrite reached to the porous Al film, the porous film is lithiated, forming LiAl alloy.

電位を測定することで，電気化学的に LiAl 合金

Thus, Li dendrite is supposed to be detected by voltage shift from the potential of Li to thatの形成を確認した．(図 1) エージングの後，作of LiAl. In the development of the Li-dendrite detectable separator, it is necessary to visualize

用極溶解を行った結果，エージング過程では，

detection process of dendritic deposition in order to clarify the detection process. In this

多孔質アルミ層に対する作用極および対極の電research, I attempted to visualize the process detection of dendritic deposition by using

位は約-2.5 V を示し，Al の状態であることが示

operando observation on the cross section of Li symmetric cell with the Li-dendrite detectable

された．さらに作用極溶解過程に入ると，多孔separator. The alloying of porous Al film with Li was confirmed by the electrochemical

質アルミ層に対する作用極および対極の電位はmeasurement and X-ray diffractometry. However, a voltage shift expected in Li symmetric cell

徐々に上昇し，エージング開始から 5 時間経っ

was not detected even though the Li dendrite reached to the porous Al film. This is considered

たところで，-0.3 V の電位に到達した．この電位は，LiAl の α＋β 層の電位に相当し，デン

図 2 充放電前後の多孔質アルミ層の XRD 測定結果．(a)充放電前，(b)充放電後，(c)Al の標
準データ(d)LiAl の標準データ．

ドライト析出が多孔質アルミ層に到達し接触す

知することで，電池の発火・爆発といった最悪

れた．また，XRD（図 2）からも LiAl 合金の形の事態を未然に防ぐ必要がある．

成が確認できたことから Li デンドライト析出

本研究ではリチウム金属二次電池の安全性向上

が多孔質 Al 層に到達することで LiAl 合金形成

Li 金属二次電池用デンドライト析出検知セパレータの開発において，検知機構を明らかにすべく，に向けた，Li デンドライト析出検知セパレータが可能であると実証した．一方で，デンドライ

デンドライト析出検知過程を可視化する必要がある．本研究では，デンドライト析出初期から析出検を開発すべく，従来のセパレータに多孔質アルト析出検知機構を機能させるためには，LiAl 相知までの過程をオペランドで断面観察可能なセルを用いて追跡し，電圧変化によるデンドライト析出

ミ層を導入することで Li デンドライト析出をと Li 電極を電気的につなぐ十分なデンドライ

検知までの過程を可視化する．

検知する仕組みを考案した．本手法では，Li デト析出が必要であることが示唆された．また，ンドライト析出が多孔質アルミ層に到達した際

operando 断面観察セルを用いて検知過程の可に LiAl 合金化することで，電池電圧が 300 mV

視化について，Li 電極間の微小短絡が起こるま

to be because the electric contact between Li electrode and porous Al film was not kept due
to rapid alloying of Li into Al.

Key Words：リチウム金属二次電池, デンドライト析出検知, セパレータ, operando 観察

1

2

研究概要（１５０字以内）申請書の研究概要と同じで結構です。

結果概要

ることで LiAl 合金が形成されたことが示唆さリチウムイオン二次電池（LIB）は，携帯機器やながる．このような致命的な危険性から二次電シフトすることを期待する物である．そこで，での過程の可視化およびその時の電圧変化は確

電動工具に始まり，今では電気自動車や電力平池における Li 金属負極の実用化には至ってい本手法において LiAl 合金の形成の確認は，本手認できたが，Li デンドライトが多孔質アルミ層

準化用途など大型蓄電デバイスとしての役割をない．Li のデンドライト析出抑制の手法として，法の実証において重要であり，operando 断面観に到達する過程およびその際の電圧変化は検出果たすまでに至っている．LIB の更なる高容量

人工 SEI 形成や電解液や添加剤によるアプロー

察セルを用いて検知過程の可視化を試みた．

出来なかった（図 3）．しかし，今回作動中にお化のため，最も卑な酸化還元電位，および極めチがなされており，将来的にデンドライト析出

Li 金属対称セル（Li/SP-porous Al-SP/Li）をける 300 mV vs. Li/Li+の電圧シフトは検出出て高い理論容量を有する Li 金属が究極の負極抑制が実現し，Li 金属二次電池（LMB）が実用作製し，充放電サイクル試験を行った結果，期来なかったが，レスト電圧のシフトを利用した材料と期待されている．しかし，Li 金属負極は，化されることが期待される．ここで問題となる

待される電池電圧のシフトが検出されなかった．

デンドライト析出検知の可能性が示唆され，今充放電を繰り返すとデンドライト（樹状）析出

のが安全性の担保である．万が一デンドライト

そこで，多孔質アルミ層の LiAl 合金の形成を確

後の検討課題として抽出された．

がおこり，最悪の場合，電池の発火・爆発につ析出が起こった場合に，短絡の兆候を事前に検認するため， 作用極，または，対極と参照極の─ 64 ─

─ 65 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

Li 金属二次電池用 Li デンドライト析出検知セパレータの析出検知過程の可視化
Visualization of Detection Process on Li–Dendrite–Detectable Separator for Li
Metal Secondary Battery
奈良洋希,
Hiroki NARA
早稲田大学 ナノ・ライフ創新研究機構,
Innovation, Waseda University

Research Organization for Nano & Life

図 1 Li/SP-porous Al-SP/Li の Li 析出時の電圧挙動（⻘⾊線：作⽤極—対極間の電圧，橙⾊線：多孔質アルミ層に対する作⽤極の電位，灰⾊線：多孔質アルミ層に対する対極の電位）．

図 3 operando 断⾯観察セルによるデンドライト
析出過程の顕微鏡像 (a)試験開始前の像，(b)試験開始約 8 時間後の像，(c) Li/SP-porous Al-SP/Li のLi 析出時の電圧挙動．

Li dendritic deposition is critical barrier for realization of Rechargeable Li metal battery(LMB). This work is to investigate a Li-dendrite detectable separator as a failsafe system forLMB. Li-dendrite detectable separator is porous Al film sandwiched by polymer separators. WhenLi dendrite reached to the porous Al film, the porous film is lithiated, forming LiAl alloy.

電位を測定することで，電気化学的に LiAl 合金

Thus, Li dendrite is supposed to be detected by voltage shift from the potential of Li to thatの形成を確認した．(図 1) エージングの後，作of LiAl. In the development of the Li-dendrite detectable separator, it is necessary to visualize

用極溶解を行った結果，エージング過程では，

detection process of dendritic deposition in order to clarify the detection process. In this

多孔質アルミ層に対する作用極および対極の電research, I attempted to visualize the process detection of dendritic deposition by using

位は約-2.5 V を示し，Al の状態であることが示

operando observation on the cross section of Li symmetric cell with the Li-dendrite detectable

された．さらに作用極溶解過程に入ると，多孔separator. The alloying of porous Al film with Li was confirmed by the electrochemical

質アルミ層に対する作用極および対極の電位はmeasurement and X-ray diffractometry. However, a voltage shift expected in Li symmetric cell

徐々に上昇し，エージング開始から 5 時間経っ

was not detected even though the Li dendrite reached to the porous Al film. This is considered

たところで，-0.3 V の電位に到達した．この電位は，LiAl の α＋β 層の電位に相当し，デン

図 2 充放電前後の多孔質アルミ層の XRD 測定結果．(a)充放電前，(b)充放電後，(c)Al の標
準データ(d)LiAl の標準データ．

ドライト析出が多孔質アルミ層に到達し接触す

知することで，電池の発火・爆発といった最悪

れた．また，XRD（図 2）からも LiAl 合金の形の事態を未然に防ぐ必要がある．

成が確認できたことから Li デンドライト析出

本研究ではリチウム金属二次電池の安全性向上

が多孔質 Al 層に到達することで LiAl 合金形成

Li 金属二次電池用デンドライト析出検知セパレータの開発において，検知機構を明らかにすべく，に向けた，Li デンドライト析出検知セパレータが可能であると実証した．一方で，デンドライ

デンドライト析出検知過程を可視化する必要がある．本研究では，デンドライト析出初期から析出検を開発すべく，従来のセパレータに多孔質アルト析出検知機構を機能させるためには，LiAl 相知までの過程をオペランドで断面観察可能なセルを用いて追跡し，電圧変化によるデンドライト析出

ミ層を導入することで Li デンドライト析出をと Li 電極を電気的につなぐ十分なデンドライ

検知までの過程を可視化する．

検知する仕組みを考案した．本手法では，Li デト析出が必要であることが示唆された．また，ンドライト析出が多孔質アルミ層に到達した際

operando 断面観察セルを用いて検知過程の可に LiAl 合金化することで，電池電圧が 300 mV

視化について，Li 電極間の微小短絡が起こるま

to be because the electric contact between Li electrode and porous Al film was not kept due
to rapid alloying of Li into Al.

Key Words：リチウム金属二次電池, デンドライト析出検知, セパレータ, operando 観察

1

2

研究概要（１５０字以内）申請書の研究概要と同じで結構です。

結果概要

ることで LiAl 合金が形成されたことが示唆さリチウムイオン二次電池（LIB）は，携帯機器やながる．このような致命的な危険性から二次電シフトすることを期待する物である．そこで，での過程の可視化およびその時の電圧変化は確

電動工具に始まり，今では電気自動車や電力平池における Li 金属負極の実用化には至ってい本手法において LiAl 合金の形成の確認は，本手認できたが，Li デンドライトが多孔質アルミ層

準化用途など大型蓄電デバイスとしての役割をない．Li のデンドライト析出抑制の手法として，法の実証において重要であり，operando 断面観に到達する過程およびその際の電圧変化は検出果たすまでに至っている．LIB の更なる高容量

人工 SEI 形成や電解液や添加剤によるアプロー

察セルを用いて検知過程の可視化を試みた．

出来なかった（図 3）．しかし，今回作動中にお化のため，最も卑な酸化還元電位，および極めチがなされており，将来的にデンドライト析出

Li 金属対称セル（Li/SP-porous Al-SP/Li）をける 300 mV vs. Li/Li+の電圧シフトは検出出て高い理論容量を有する Li 金属が究極の負極抑制が実現し，Li 金属二次電池（LMB）が実用作製し，充放電サイクル試験を行った結果，期来なかったが，レスト電圧のシフトを利用した材料と期待されている．しかし，Li 金属負極は，化されることが期待される．ここで問題となる

待される電池電圧のシフトが検出されなかった．

デンドライト析出検知の可能性が示唆され，今充放電を繰り返すとデンドライト（樹状）析出

のが安全性の担保である．万が一デンドライト

そこで，多孔質アルミ層の LiAl 合金の形成を確

後の検討課題として抽出された．

がおこり，最悪の場合，電池の発火・爆発につ析出が起こった場合に，短絡の兆候を事前に検認するため， 作用極，または，対極と参照極の─ 64 ─

─ 65 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

流体駆動式手指義手
さらなる人間親和性を考慮し，円滑なステア

１指駆動形インテリジェント

リング操作性を実現するため，ソフトな感覚を装飾電動手指義手の研究開発

有する流体式の手指義手（無動力形及びポンプ

5HVHDUFKDQGGHYHORSPHQWRIRQHILQJHUGULYHW\SHLQWHOOLJHQWGHFRUDWLYHHOHFWULFSURVWKHVLV

義手の有用性を解析及び実験により検証する．

野﨑 孝志 7DNDVKL12=$.,
静岡理工科大学 6KL]XRND,QVWLWXWHRI6FLHQFHDQG7HFKQRORJ\

タとポンプを一体化させた。駆動流体としては駆動形）を提案する．これら提案する能動手指
無動力形手指義手（図 6）は，アクチュエー
水を使用することで圧縮性の影響を受けないた
め空圧式と比較して大きな発生力を得られる。

Fig. 3 Movable range of mechanism of X-Finger
driving force assist mechanism type prosthesis,QWKLVUHVHDUFKDQGGHYHORSPHQWZHFRQVWUXFWRQHILQJHUGULYHW\SHLQWHOOLJHQWGHFRUDWLYHHOHFWULFSURVWKHVLVWKDWVHQVHGILQJHUMRLQWPRWLRQQHDUWKHGHIHFWZHFRQVLGHUHG

 動作解析

DFDVHZKHUHWKHLQGH[ILQJHU',3MRLQWDQG3,3MRLQWZHUHPLVVLQJGHYLVHGDQHOHFWULFKDQG

これらの手指義手の設計指針（3 次元的な手

ILQJHUSURVWKHWLFPHFKDQLVPZLWKVWURQJJULSSLQJSRZHUVPDOOVL]HDQGOLJKWZHLJKW:LWKWKLV

指可動範囲，手指の摘み等の力，及び可動部剛PHFKDQLVPZHDLPWRUHVWRUHSLQFKDQGJUDVSZKLFKLVWKHPRYHPHQWIXQFWLRQRIWKHKDQG

性等）を得る上で，指骨モデルを用いて動作解,QWKLVSDSHUZHPHDVXUHGWKHIRUFHDQGWKHPRYDEOHUDQJHRIWKLVSURVWKHVLVDQGFRPSDUHGLW析を行った．解析ソフトウェアは Adams，手指ZLWKPRWLRQRIDFWXDOILQJHUVDQGPRWLRQDQDO\VLVPRGHORIILQJHUV$OVRDFWLYHSURVWKHWLF

の指骨モデルは ZYGOTE BODY を用いた．動KDQGVDUHQRWSRSXODULQJHQHUDO,QRUGHUWRVROYHWKLVSUREOHPZHGHYHORSWKUHHW\SHVDFWLYH

作解析結果の一例（PIP 関節角度 55deg 時）を

ILQJHUVLQWHQGHGIRUWKRVHZKRKDYH03MRLQWV MRLQWVDWWKHEDVHRIWKHILQJHUV UHPDLQLQJ

図 4 に示す．徐々に関節を曲げた場合の DIP 関$WILUVWZHGHYHORSHGDSRZHUW\SHILQJHUVWKDWXVHVDQH[WHUQDOSRZHUVRXUFH1H[WZHLPSURYHG

節及び PIP 関節の相対位置及びそれぞれの指骨;)LQJHUPDGHE\$LZD3URVWKHWLFV0DQXIDFWRU\)LQDOO\ZHSURSRVHVHOISRZHUHGW\SHILQJHU

の角度を解析により定量的に確認した．

(a) initial state    (b) compressed stateFig.6 Fluid type prosthesis (powerless)
動力型義指は小型の真空ポンプを利用することで蛇腹型アクチュエータを負圧状態にすることで，蛇腹が収縮し，屈曲動作を実現する。ア
クチュエータの圧力はメータアウト方式によって制御する．

WKDWLVGULYHQZLWKIOXLGFRPSUHVVHGE\XVHU’V03MRLQWPRYHPHQW:HYHULI\WKHXVHIXOQHVVRIWKHVHDFWLYHSURVWKHVHVWKURXJKDQDO\VLVDQGH[SHULPHQWV.H\:RUGV：3URVWKHVLV2QHILQJHU'ULYH7\SH03-RLQW',3-RLQW3,3-RLQW3LQFK*UDVS

 研究概要

(a) initial state    (b) bend state

手指の欠損が生じた場合、電動手指義手を使用することで、機器の操作も可能になる。しかし現在

Fig.7 Fluid type prosthesis (pump dorive)

は、人間が意図する随意運動を可能にし、かつ機器の状態を実感することのできる手指義手は少ない。



そこで、伸縮センサ、セルフロック機構、及び把持制御を採用し、将来的には自動車運転を実感できる従来にない手指義手の研究開発を行う。

 結言Fig. 4 Analysis result (PIP joint angle 55deg)

 結果概要 電動手指義手の構造研究開発した電動手指義手の機械的な基本機機構として適用した構成を図 2 に示す．

新たな機構を有する 1 指駆動形装飾電動手指図 5 に動作解析を行った際の示指の末節骨

義手及び X-Finger 駆動力電動アシスト機構を発(Distal phalanx)及び中節骨(Middle phalanx)の角案し，製作評価した．指骨モデルによる示指の構を図 1 に示す．この機構を無動力形手指義手

X-Finger の MP 関節部付近を駆動し，動力ア度変化の関係を示す．中節骨の角度変化に対し動作解析を行い，実際の指や手指義手との比較

X-Finger（㈱愛和義肢製作所）の動力アシスト

シスト機構を実現した．図 3 は自動車ステアリて，末節骨はほぼそれに追従して変化しており，検証を行った．

手指義手の可動域の広さを示す．

Distalphalanx

Middlephalanx

Worm gear

Worm
wheel
Fig. 2 X-Finger driving force assist

Fig. 1 Mechanism of one-finger drive type
intelligent decorative electric prosthesis

mechanism type

─ 66 ─

さらに，動力源についてもソフトな感覚を有する流体式を考案し，製作評価した結果，アシスト力も現在の機構で最大で約 3[N] であることを確認した．

(deg)

 DC coreless motor

DIP 関節が曲がっていないことが確認できる．
Angle of distal phalanx andmiddle phalanx (deg)

ングの円滑な把持が可能な動力アシスト機構の 今後の課題
今後は，手指義手のアシスト力や可動域を適切に制御可能な機構改良を実施する．また，手Time (s)Fig. 5 Result of index finger motion analysis

指義手の機構に関しては，より大きなアシスト
力の発生のために，機構改善やより効率の良いアクチュエータ機構を検討する．

─ 67 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

流体駆動式手指義手
さらなる人間親和性を考慮し，円滑なステア

１指駆動形インテリジェント

リング操作性を実現するため，ソフトな感覚を装飾電動手指義手の研究開発

有する流体式の手指義手（無動力形及びポンプ

5HVHDUFKDQGGHYHORSPHQWRIRQHILQJHUGULYHW\SHLQWHOOLJHQWGHFRUDWLYHHOHFWULFSURVWKHVLV

義手の有用性を解析及び実験により検証する．

野﨑 孝志 7DNDVKL12=$.,
静岡理工科大学 6KL]XRND,QVWLWXWHRI6FLHQFHDQG7HFKQRORJ\

タとポンプを一体化させた。駆動流体としては駆動形）を提案する．これら提案する能動手指
無動力形手指義手（図 6）は，アクチュエー
水を使用することで圧縮性の影響を受けないた
め空圧式と比較して大きな発生力を得られる。

Fig. 3 Movable range of mechanism of X-Finger
driving force assist mechanism type prosthesis,QWKLVUHVHDUFKDQGGHYHORSPHQWZHFRQVWUXFWRQHILQJHUGULYHW\SHLQWHOOLJHQWGHFRUDWLYHHOHFWULFSURVWKHVLVWKDWVHQVHGILQJHUMRLQWPRWLRQQHDUWKHGHIHFWZHFRQVLGHUHG

 動作解析

DFDVHZKHUHWKHLQGH[ILQJHU',3MRLQWDQG3,3MRLQWZHUHPLVVLQJGHYLVHGDQHOHFWULFKDQG

これらの手指義手の設計指針（3 次元的な手

ILQJHUSURVWKHWLFPHFKDQLVPZLWKVWURQJJULSSLQJSRZHUVPDOOVL]HDQGOLJKWZHLJKW:LWKWKLV

指可動範囲，手指の摘み等の力，及び可動部剛PHFKDQLVPZHDLPWRUHVWRUHSLQFKDQGJUDVSZKLFKLVWKHPRYHPHQWIXQFWLRQRIWKHKDQG

性等）を得る上で，指骨モデルを用いて動作解,QWKLVSDSHUZHPHDVXUHGWKHIRUFHDQGWKHPRYDEOHUDQJHRIWKLVSURVWKHVLVDQGFRPSDUHGLW析を行った．解析ソフトウェアは Adams，手指ZLWKPRWLRQRIDFWXDOILQJHUVDQGPRWLRQDQDO\VLVPRGHORIILQJHUV$OVRDFWLYHSURVWKHWLF

の指骨モデルは ZYGOTE BODY を用いた．動KDQGVDUHQRWSRSXODULQJHQHUDO,QRUGHUWRVROYHWKLVSUREOHPZHGHYHORSWKUHHW\SHVDFWLYH

作解析結果の一例（PIP 関節角度 55deg 時）を

ILQJHUVLQWHQGHGIRUWKRVHZKRKDYH03MRLQWV MRLQWVDWWKHEDVHRIWKHILQJHUV UHPDLQLQJ

図 4 に示す．徐々に関節を曲げた場合の DIP 関$WILUVWZHGHYHORSHGDSRZHUW\SHILQJHUVWKDWXVHVDQH[WHUQDOSRZHUVRXUFH1H[WZHLPSURYHG

節及び PIP 関節の相対位置及びそれぞれの指骨;)LQJHUPDGHE\$LZD3URVWKHWLFV0DQXIDFWRU\)LQDOO\ZHSURSRVHVHOISRZHUHGW\SHILQJHU

の角度を解析により定量的に確認した．

(a) initial state    (b) compressed stateFig.6 Fluid type prosthesis (powerless)
動力型義指は小型の真空ポンプを利用することで蛇腹型アクチュエータを負圧状態にすることで，蛇腹が収縮し，屈曲動作を実現する。ア
クチュエータの圧力はメータアウト方式によって制御する．

WKDWLVGULYHQZLWKIOXLGFRPSUHVVHGE\XVHU’V03MRLQWPRYHPHQW:HYHULI\WKHXVHIXOQHVVRIWKHVHDFWLYHSURVWKHVHVWKURXJKDQDO\VLVDQGH[SHULPHQWV.H\:RUGV：3URVWKHVLV2QHILQJHU'ULYH7\SH03-RLQW',3-RLQW3,3-RLQW3LQFK*UDVS

 研究概要

(a) initial state    (b) bend state

手指の欠損が生じた場合、電動手指義手を使用することで、機器の操作も可能になる。しかし現在

Fig.7 Fluid type prosthesis (pump dorive)

は、人間が意図する随意運動を可能にし、かつ機器の状態を実感することのできる手指義手は少ない。



そこで、伸縮センサ、セルフロック機構、及び把持制御を採用し、将来的には自動車運転を実感できる従来にない手指義手の研究開発を行う。

 結言Fig. 4 Analysis result (PIP joint angle 55deg)

 結果概要 電動手指義手の構造研究開発した電動手指義手の機械的な基本機機構として適用した構成を図 2 に示す．

新たな機構を有する 1 指駆動形装飾電動手指図 5 に動作解析を行った際の示指の末節骨

義手及び X-Finger 駆動力電動アシスト機構を発(Distal phalanx)及び中節骨(Middle phalanx)の角案し，製作評価した．指骨モデルによる示指の構を図 1 に示す．この機構を無動力形手指義手

X-Finger の MP 関節部付近を駆動し，動力ア度変化の関係を示す．中節骨の角度変化に対し動作解析を行い，実際の指や手指義手との比較

X-Finger（㈱愛和義肢製作所）の動力アシスト

シスト機構を実現した．図 3 は自動車ステアリて，末節骨はほぼそれに追従して変化しており，検証を行った．

手指義手の可動域の広さを示す．

Distalphalanx

Middlephalanx

Worm gear

Worm
wheel
Fig. 2 X-Finger driving force assist

Fig. 1 Mechanism of one-finger drive type
intelligent decorative electric prosthesis

mechanism type

─ 66 ─

さらに，動力源についてもソフトな感覚を有する流体式を考案し，製作評価した結果，アシスト力も現在の機構で最大で約 3[N] であることを確認した．

(deg)

 DC coreless motor

DIP 関節が曲がっていないことが確認できる．
Angle of distal phalanx andmiddle phalanx (deg)

ングの円滑な把持が可能な動力アシスト機構の 今後の課題
今後は，手指義手のアシスト力や可動域を適切に制御可能な機構改良を実施する．また，手Time (s)Fig. 5 Result of index finger motion analysis

指義手の機構に関しては，より大きなアシスト
力の発生のために，機構改善やより効率の良いアクチュエータ機構を検討する．

─ 67 ─

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

乱流熱流動場における革新的トポロジー最適化手法

J =-

U
Nu
µ- b
fReb
Qb

1

形状最適化を 2 種類のピンフィンに施し，コスト関数の低減が確認された．形成された形状を Fig.1 に⽰の開発と実証Development and Its Validation of Innovative Topology Optimization Algorithm
in Turbulent Thermal Fields

す．

thermal fields by combining high-fidelity numerical simulation techniques and advanced optimization theory.

The developed scheme is applied to optimal design of heat transfer surface in a heat exchanger. The obtained

optimal shape is fabricated by an additive manufacture technology. Finally, the characteristics of heat transfer
and pressure loss for the optimal heat transfer surface are experimentally evaluated in order to validate thepresent optimization approach.

Key Words：乱流，伝熱促進，圧力損失，トポロジー最適化

1

研究概要
本研究では、熱流体数値シミュレーションと最適化数理を融合することにより、革新的な形状最適化アルゴリズムを開発し、これを熱交換器に適用した。得られた最適伝熱面形状を３D プリンタにより試作し、その伝熱・圧力損失特性を風洞実験により実証した。

0.6
0.4
0.2
0

長谷川洋介, HASEGAWA Yosuke
東京大学生産技術研究所,
Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
要旨英文 In the present study, we develop an innovative shape/topology optimization scheme for turbulent

inlet
outletNu 1-100.8
Temperature[%]

公益財団法人0

0.2 0.4 0.6 0.8

1Time[s]1.2 1.4 1.6 1.8

2

Fig.3 Transient behavior of outlet temperature
Fig.1 Pin-fins optimized from two initial shapes

2.6 実験結果

2.4 熱伝達率計測

Fig. 4 に初期形状と最適形状における圧力損失と伝本実験で用いる非定常法の概要を Fig. 2 に示す．実験開始段階では，全ての領域が一定温度に保たれており，今時刻 t = t0 において，ヒーターにより供試体の流路入り口にてステップ関数状の温度変化を与える．入り口の温度上昇に伴って，供試体を通過した
後の出口空気温度も時間とともに増加するが，流路との熱交換の影響で，出口温度の応答は入口温度と比べると滑らかになる．非定常法では，入口と出口の温度応答の違いから熱伝達率を推定する．

熱性能の変化を示す．横軸は圧力損失，縦軸は伝熱

この手法では，壁表面の温度計測をすることなく，を過大評価する結果となった．その原因としては，流路の入口出口の温度計測のみから熱伝達率を計測

伝熱性能に関しては DNS では等温壁を仮定して評できるため，本研究で対象とするような複雑な流路価を行なったが，実際には表面温度が上昇している形状の熱伝達率を計測する際に有利となる．

可能性があること，圧力損失に関しては， Re 数が性能を示す．数値計算における最適化では，アナロ
ジーファクター(Nu/fRe)の最大化を目的としていたため，その等値線を点線でプロットした．本実験においても，最適形状では，アナロジーファクターが初期形状に対して向上したことが分かる．一方で，DNS に対しては，伝熱性能を過小評価し，圧力損失小さい領域であるため，圧力計測の誤差が大きいこ

2

結果概要

2.1

計算手法

と，供試体の表面粗さの影響などが挙げられる．

本研究では，伝熱面としてピンフィンを対象とし，伝熱性能の向上および圧力損失の低減を目的とした形状最適化を行う．平行平板間流れを考えて，千鳥
格子状に周期的に配置されるピンフィンの 1 周期分を 計 算 対 象 と す る ． 支 配 方程 式 は ， 連 続 の 式，
Navier-Stokes 方程式，
エネルギー輸送方程式である．

2.3

DNS 統計場から渦粘性係数の算出

形状最適化に用いる随伴解析では，速度場と温度¶U

ンソル ¶x i を乗じて縮約を取ることで
j

Rij

æ ¶U
¶U j ö ¶U i
¶U i
÷= 2vt ç i +ç ¶x j¶x j¶xi ÷ø ¶x j
èと変形でき， vt の空間分布を一意に定めることができる．同様に渦拡散係数は場の直接数値シミュレーション(DNS)により得られ-Ti

る統計から，レイノルズ平均方程式(RANS)で用いる
渦粘性/渦拡散係数を決定する．用いる渦粘性モデル
は， Boussinesq(1877)によって提唱されたモデルで，乱流応力 Rij と分子粘性の相似性の仮説に基づき予測するモデルであり，次式で表される．

¶Q
¶Q ¶Q
= at
¶xi
¶xi ¶xiから求めることができる．ただし，Q を平均温度，Ti
を乱流熱流束とする．これらの渦粘性，渦拡散係数の値は，局所の乱流エネルギーおよび温度変動の生成を再現するように決定した．

2.4 形状最適化

æ ¶U¶U j ö 2
÷ - d ij k
Rij = -ui¢u¢j = 2vt ç i +ç ¶x j¶xi ÷ø 3
è

DNS の情報をもとに，その平均場と渦粘性係数，

ただし，U を平均速度，k を乱流運動エネルギー，vt
を渦粘性係数とする．本来， vt は方向 i と j によって定まるテンソルであるが，両辺に平均速度勾配テ

渦拡散係数を算出し，これを⽤いた随伴解析を⾏う
ことで，トポロジー最適化⼿法を提案した．なお，
ここではコスト関数を伝熱性能と圧⼒損失の⽐としFig.2 Principle of heat transfer measurement
in a single-blow method

2.5 過渡応答曲線
出口過渡応答曲線から熱伝達率の無次元化数である Nusselt 数を求めるために，固体流体間の 2 次元連成問題の数値計算を事前に行い，出口の温度応答とFig.4 Comparison between numerical and experimental
results for initial and optimal shapes

熱伝導率の関係を求めた．
実際に，数値計算より推定される異なる熱伝達率に3 結論

おける応答曲線と実際の計測結果の比較を Fig. 3 に

乱流熱流動場の時空間発展を再現する直接数値シミ示す．これより実験で得られた出口の温度変化は，

ュレーションを実施し，これに基づき伝熱面の形

数値計算結果に沿うようにして増加していることが状・トポロジー最適化を行う新たな手法を開発した．

分かる．この際，最も数値計算結果に一致する Nu

得られた最適形状を３D プリンタで製作し，非定常数により供試体の熱伝達率を算出した．

法によってその高い伝熱性能を実証した．

て，次式で与えた．

─ 68 ─

─ 69 ─

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

乱流熱流動場における革新的トポロジー最適化手法

J =-

U
Nu
µ- b
fReb
Qb

1

形状最適化を 2 種類のピンフィンに施し，コスト関数の低減が確認された．形成された形状を Fig.1 に⽰の開発と実証Development and Its Validation of Innovative Topology Optimization Algorithm
in Turbulent Thermal Fields

す．

thermal fields by combining high-fidelity numerical simulation techniques and advanced optimization theory.

The developed scheme is applied to optimal design of heat transfer surface in a heat exchanger. The obtained

optimal shape is fabricated by an additive manufacture technology. Finally, the characteristics of heat transfer
and pressure loss for the optimal heat transfer surface are experimentally evaluated in order to validate thepresent optimization approach.

Key Words：乱流，伝熱促進，圧力損失，トポロジー最適化

1

研究概要
本研究では、熱流体数値シミュレーションと最適化数理を融合することにより、革新的な形状最適化アルゴリズムを開発し、これを熱交換器に適用した。得られた最適伝熱面形状を３D プリンタにより試作し、その伝熱・圧力損失特性を風洞実験により実証した。

0.6
0.4
0.2
0

長谷川洋介, HASEGAWA Yosuke
東京大学生産技術研究所,
Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
要旨英文 In the present study, we develop an innovative shape/topology optimization scheme for turbulent

inlet
outletNu 1-100.8
Temperature[%]

公益財団法人0

0.2 0.4 0.6 0.8

1Time[s]1.2 1.4 1.6 1.8

2

Fig.3 Transient behavior of outlet temperature
Fig.1 Pin-fins optimized from two initial shapes

2.6 実験結果

2.4 熱伝達率計測

Fig. 4 に初期形状と最適形状における圧力損失と伝本実験で用いる非定常法の概要を Fig. 2 に示す．実験開始段階では，全ての領域が一定温度に保たれており，今時刻 t = t0 において，ヒーターにより供試体の流路入り口にてステップ関数状の温度変化を与える．入り口の温度上昇に伴って，供試体を通過した
後の出口空気温度も時間とともに増加するが，流路との熱交換の影響で，出口温度の応答は入口温度と比べると滑らかになる．非定常法では，入口と出口の温度応答の違いから熱伝達率を推定する．

熱性能の変化を示す．横軸は圧力損失，縦軸は伝熱

この手法では，壁表面の温度計測をすることなく，を過大評価する結果となった．その原因としては，流路の入口出口の温度計測のみから熱伝達率を計測

伝熱性能に関しては DNS では等温壁を仮定して評できるため，本研究で対象とするような複雑な流路価を行なったが，実際には表面温度が上昇している形状の熱伝達率を計測する際に有利となる．

可能性があること，圧力損失に関しては， Re 数が性能を示す．数値計算における最適化では，アナロ
ジーファクター(Nu/fRe)の最大化を目的としていたため，その等値線を点線でプロットした．本実験においても，最適形状では，アナロジーファクターが初期形状に対して向上したことが分かる．一方で，DNS に対しては，伝熱性能を過小評価し，圧力損失小さい領域であるため，圧力計測の誤差が大きいこ

2

結果概要

2.1

計算手法

と，供試体の表面粗さの影響などが挙げられる．

本研究では，伝熱面としてピンフィンを対象とし，伝熱性能の向上および圧力損失の低減を目的とした形状最適化を行う．平行平板間流れを考えて，千鳥
格子状に周期的に配置されるピンフィンの 1 周期分を 計 算 対 象 と す る ． 支 配 方程 式 は ， 連 続 の 式，
Navier-Stokes 方程式，
エネルギー輸送方程式である．

2.3

DNS 統計場から渦粘性係数の算出

形状最適化に用いる随伴解析では，速度場と温度¶U

ンソル ¶x i を乗じて縮約を取ることで
j

Rij

æ ¶U
¶U j ö ¶U i
¶U i
÷= 2vt ç i +ç ¶x j¶x j¶xi ÷ø ¶x j
èと変形でき， vt の空間分布を一意に定めることができる．同様に渦拡散係数は場の直接数値シミュレーション(DNS)により得られ-Ti

る統計から，レイノルズ平均方程式(RANS)で用いる
渦粘性/渦拡散係数を決定する．用いる渦粘性モデル
は， Boussinesq(1877)によって提唱されたモデルで，乱流応力 Rij と分子粘性の相似性の仮説に基づき予測するモデルであり，次式で表される．

¶Q
¶Q ¶Q
= at
¶xi
¶xi ¶xiから求めることができる．ただし，Q を平均温度，Ti
を乱流熱流束とする．これらの渦粘性，渦拡散係数の値は，局所の乱流エネルギーおよび温度変動の生成を再現するように決定した．

2.4 形状最適化

æ ¶U¶U j ö 2
÷ - d ij k
Rij = -ui¢u¢j = 2vt ç i +ç ¶x j¶xi ÷ø 3
è

DNS の情報をもとに，その平均場と渦粘性係数，

ただし，U を平均速度，k を乱流運動エネルギー，vt
を渦粘性係数とする．本来， vt は方向 i と j によって定まるテンソルであるが，両辺に平均速度勾配テ

渦拡散係数を算出し，これを⽤いた随伴解析を⾏う
ことで，トポロジー最適化⼿法を提案した．なお，
ここではコスト関数を伝熱性能と圧⼒損失の⽐としFig.2 Principle of heat transfer measurement
in a single-blow method

2.5 過渡応答曲線
出口過渡応答曲線から熱伝達率の無次元化数である Nusselt 数を求めるために，固体流体間の 2 次元連成問題の数値計算を事前に行い，出口の温度応答とFig.4 Comparison between numerical and experimental
results for initial and optimal shapes

熱伝導率の関係を求めた．
実際に，数値計算より推定される異なる熱伝達率に3 結論

おける応答曲線と実際の計測結果の比較を Fig. 3 に

乱流熱流動場の時空間発展を再現する直接数値シミ示す．これより実験で得られた出口の温度変化は，

ュレーションを実施し，これに基づき伝熱面の形

数値計算結果に沿うようにして増加していることが状・トポロジー最適化を行う新たな手法を開発した．

分かる．この際，最も数値計算結果に一致する Nu

得られた最適形状を３D プリンタで製作し，非定常数により供試体の熱伝達率を算出した．

法によってその高い伝熱性能を実証した．

て，次式で与えた．

─ 68 ─

─ 69 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

アモルファス合金ナノ粒子の創製と自動車触媒・電子実装への応用ƈ69 6Ɖ
7(59 (5 VÄĞāQũƂ

Tn@ŚáFeihs¶@ļÆFeĞĩãfœOL8ũƂĞĩãòVqW7

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2.3 メカニズム考察!0)4/'/+"#)#!0.,+'!/-!(%'+%,3#2#.'0'/"'$$'!1)00,/4+0&#/'5#3'0&),3!,/0+"Ê  ũƂĞ¿ûŖŋēĳÊ),3 0#*-#.01.#+ 0&'//01"4 *,.-&,1/ )),4 ++,-.0'!)# 3/0.'#" 0, /4+0&#/'5# 4

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2.1

研究概要

結果

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結果概要

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─ 70 ─


PtPdRh XVũƂĞĩã²òVſƄĲªç¿Ŷ}ńØ@QAdMCQTB7ihsĬúV¸Ŷç¿Ŷ}ńØ@İûHdŘÈ

まとめ

ċüĝW7ŧŶç¿ŶMCQTB7¸Ŷç¿Ŷ

実験方法

|

─ 71 ─

fćű¶HdERUaOP7ĆTdôŇ

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

アモルファス合金ナノ粒子の創製と自動車触媒・電子実装への応用ƈ69 6Ɖ
7(59 (5 VÄĞāQũƂ

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2.3

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2.1

研究概要

結果

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結果概要

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─ 70 ─


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まとめ

ċüĝW7ŧŶç¿ŶMCQTB7¸Ŷç¿Ŷ

実験方法

|

─ 71 ─

fćű¶HdERUaOP7ĆTdôŇ

145°C Air
135°C Air
110°C Air
100°C Air
80°C Air
145°C N2

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

ラマン分光法を用いたプラスチック材料の非破壊劣化診断技術の開発$ĊÉ~º÷Àģ(t /tRamanĳ%uÄm$ĊÉ

75~éüÂ¦%)Ĥl9 2 (ð đı70

Ù¦(34 3º÷Àģ 6 .$* écRaman /wt%

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We studied structural and morphological changes of isotactic polypropylene (iPP) during thermal degradation

Â~ÍË* uÄ*īÂà²4)4:~)under various conditions. From the in-situ Raman spectral changes, it was found that the crystallinity shows a3'sqĩà²)~(36üÂ~¼ě

stepwise increase accompanied by the increase of helical chains for iPP exposed in air. The increase of theç$ 6 )« sĠt¿)a

crystallinity owing to the formation of the helical chains of iPP is followed by the decrease of the amorphous

'6%Ā476

thickness, as observed by the in-situ small-angle X-ray scattering measurements. Since the increase of the WT\soÖ*sZQY)Ëė±9a

crystallinity leads to volume contraction, it is suggested that the crystallization leads to the formation of surface

6 č X þ½bÚ$* VDCA]Y)

cracks and embrittlement of the specimen. While the increase of the crystallinity and decrease of the amorphousWVWÂËė ^ĕ§iđı'&)yÚ2layer are accelerated at high temperatures, these morphological changes precede the decrease of the tensileČČ4*£ċç'Ëė)~(Ĥ6±

toughness and the following drop of the molecular weight owing to chain scission by oxidation. Then, it is¬476 Ĩ¡Ëė( #Ý{~(3suggested that in-situ observation of these morphological changes is suitable for predictive detection of thermal

6~İĂ%'63'{~ĢÀģt9

degradation in the early stages.

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 ĴIn situ Raman spectroscopy, Thermal degradation, Isotactic polypropyleneüÂ¦)z(¨ý WVWËė(16īÂ(La))Ø

60

50
0

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12

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Č7

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1.4

1.2

1.1

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-2
10



10

-1

10

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tcSAXS0-1

t (tc) /-tToughness
tCracktYellow

10

1

10

2



図 2 相対結晶度の換算時間依存性
3log(t /h)Æ¾){~Đ¿9á6 Ì'Çg${~đ¾(# WT\soÚ%8# Ĳ

48

145°C Air
135°C Air
120°C Air
110°C Air
100°C Air
80°C Air
145°C N2

1£ċ)ã³ĉ47 )%* iPP )Ý{~36

図 1 結晶度の曝露時間依存性c /-Â~%Ďĝ$6 '8

Åíó$* {~uÄÏĨ$Ĕ6­ċç'Ëė~9WT\soÖ(35¸· PWCFG@

2

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Toughness
La

cRaman
Mw

1

0
2.0

Ö(35Êì6%$ {~)cĥçĐ¿

2.2

2.4
3 -1

2.6

10 T /K

ā%'6%9ð# 6

2.1 熱劣化過程のその場ラマン分光測定

24

Time /hç'yÞ°(EOLC))j`2ąĬ@WG@

結果概要

145°C Air(measured at 145°C)
135°C Air(measured at 135°C)
120°C Air(measured at 120°C)
110°C Air(measured at 110°C)
100°C Air(measured at 100°C)
80°C Air(measured at 80°C)

55

Non-destructive diagnostics of degradation of plastics by using Raman spectroscopyÑÓ¢ ñd, Yusuke Hiejima


研究概要

65

145°C Air
135°C Air
110°C Air
100°C Air
145°C N2

-1

2.8

3.0



  3 (ð3( CA]Y(6ß®

図 3 各階層における劣化現象の特徴的な時間

 1 ( Çg(6üÂ¦cRaman )ûÀ

çÀģ*;ZK=C)Ù¦k°9ð

と試験温度との関係

đ¾(*Ğğ¥sğ

~9ð cRaman * 145°C ôÒ`$ÃĪ)|ě$ 6×°~>LY?]* ­ċç'sğs¤ Mw/Mnĵ4.9 ) iPP 9

đ¾$*đıÀģ 1 Àģò¦$¯Ü(6üÂ¦$* 21.1 kJ/mol VDCA]Y)īÂ

1) T. Kida, Y. Hiejima, K.-H.Nitta, Express Polym.

zĖçÇg`$Ý{~đı9Ą0( jÙà²( #* üÂ¦)Ę§* 32.5 kJ/mol £ċç'EOLC* 70.3 kJ/mol

Lett., 10, 701-709 (2016).

pÕÐ(35x9ħ ) iPP 9

6%%1(zğ1µw76 . 145°C$ 5 CA]Y -&'m%'62) A. S. Nielsen, D. N. Batchelder, R. Pyrz, Polymer,_RGIPZCÍ(#ÛăPZC6%(õù`$ÃĪđ¾$* üÂ¦)İĂ'

7* T@['áē-&Ù¦k°

43, 2671-2676 (2002).

35 /ø 100 μm ) iPP B]I9ĒćČ7'!%4 )üÂ~(0zĖđı)ªĭ %9ą# 6

3) R. Khafagy, J. Polym. Sci. Polym. Phys., 44,*Ĝù(36sĠ)t¿Ĥa# 6% )×°~>LY?]%ĲÙà²(62173-2182 (2006).

8!

zĖđı)üÈ9ú/86%$ ć4) M. S. Rabello and J. R. White, Polym. Degrad.

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─ 72 ─

)cÚā%'6%9ð# 6

Stab., 56, 55-73 (1997).

─ 73 ─

145°C Air
135°C Air
110°C Air
100°C Air
80°C Air
145°C N2

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

ラマン分光法を用いたプラスチック材料の非破壊劣化診断技術の開発$ĊÉ~º÷Àģ(t /tRamanĳ%uÄm$ĊÉ

75~éüÂ¦%)Ĥl9 2 (ð đı70

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We studied structural and morphological changes of isotactic polypropylene (iPP) during thermal degradation

Â~ÍË* uÄ*īÂà²4)4:~)under various conditions. From the in-situ Raman spectral changes, it was found that the crystallinity shows a3'sqĩà²)~(36üÂ~¼ě

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crystallinity owing to the formation of the helical chains of iPP is followed by the decrease of the amorphous

'6%Ā476

thickness, as observed by the in-situ small-angle X-ray scattering measurements. Since the increase of the WT\soÖ*sZQY)Ëė±9a

crystallinity leads to volume contraction, it is suggested that the crystallization leads to the formation of surface

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cracks and embrittlement of the specimen. While the increase of the crystallinity and decrease of the amorphousWVWÂËė ^ĕ§iđı'&)yÚ2layer are accelerated at high temperatures, these morphological changes precede the decrease of the tensileČČ4*£ċç'Ëė)~(Ĥ6±

toughness and the following drop of the molecular weight owing to chain scission by oxidation. Then, it is¬476 Ĩ¡Ëė( #Ý{~(3suggested that in-situ observation of these morphological changes is suitable for predictive detection of thermal

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degradation in the early stages.

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図 2 相対結晶度の換算時間依存性
3log(t /h)Æ¾){~Đ¿9á6 Ì'Çg${~đ¾(# WT\soÚ%8# Ĳ

48

145°C Air
135°C Air
120°C Air
110°C Air
100°C Air
80°C Air
145°C N2

1£ċ)ã³ĉ47 )%* iPP )Ý{~36

図 1 結晶度の曝露時間依存性c /-Â~%Ďĝ$6 '8

Åíó$* {~uÄÏĨ$Ĕ6­ċç'Ëė~9WT\soÖ(35¸· PWCFG@

2

Crack
Toughness
La

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Mw

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2.2

2.4
3 -1

2.6

10 T /K

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2.1 熱劣化過程のその場ラマン分光測定

24

Time /hç'yÞ°(EOLC))j`2ąĬ@WG@

結果概要

145°C Air(measured at 145°C)
135°C Air(measured at 135°C)
120°C Air(measured at 120°C)
110°C Air(measured at 110°C)
100°C Air(measured at 100°C)
80°C Air(measured at 80°C)

55

Non-destructive diagnostics of degradation of plastics by using Raman spectroscopyÑÓ¢ ñd, Yusuke Hiejima


研究概要

65

145°C Air
135°C Air
110°C Air
100°C Air
145°C N2

-1

2.8

3.0



  3 (ð3( CA]Y(6ß®

図 3 各階層における劣化現象の特徴的な時間

 1 ( Çg(6üÂ¦cRaman )ûÀ

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と試験温度との関係

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─ 72 ─

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Stab., 56, 55-73 (1997).

─ 73 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

題と定義して，評価計算を機械学習で構築した

2.3.2 自己組織化マップ
本研究ではウォード法によってパレート解集

多次元情報からの知識獲得による近似モデルで代替し，処理速度の向上を図った．

自動車乗員拘束システム設計の高度化

2.3 多変量解析を用いた多次元情報の可視化

Advancement of Vehicle Occupant Restraint System Designby Knowledge Acquisition from Multi-dimensional Information

進化的多目的最適化による大域的探索から抽ップを示す．パレート解集合を構成する個体は出されたパレート解集合に対して多変量解析を

6 設計変数値+2 目的関数値の 8 変数(8 次元)の適用し，多次元情報の可視化と設計に有用な知情報を持ち，2 次元のマップ上に類似する個体

識の獲得を試みた．クラスタ分析によりパレー同士は近傍に，似ていない個体は遠くに配置さト解集合のクラスタ分析を行い，各クラスタをれている．図 4 では，配置された個体の設計変

自己組織化マップによって可視化し，各クラス

数値または目的関数値の 8 変数のカラーコンタ

タの特徴を分析することで設計変数と目的関数

ー図を表示し，さらに 8 変数間の類似度に基づ

investigates the reduction of computational cost on simulation and the improvement of間の相互作用を明らかにした．

いて 2 次元のマップ上にカラーコンター図を配large-scale

2.3.1 クラスタ分析

置している．この図によって各パレート解集合

堀井宏祐
国士舘大学

合のクラスタ分析を行った結果に基づいて，各In order to advance the vehicle occupant restraint system design method,
searchcapability,

andmultivariate

analysis

methodfor

よって分析した．図 4 に作成した自己組織化マと知識獲得

Hirosuke Horii
Kokushikan University
this researchunderstanding

クラスタを構成する要因を自己組織化マップに

combinatorial interaction among design variables and objective functions. The following three

本研究では階層的クラスタ分析手法の 1 つでにおける変数間の相関関係を視覚的に把握する

issues were considered, (1) constructing accurate estimation model of vehicle occupant response

あるウォード法によってパレート解集合のクラことができる．各クラスタにおける目的関数間

at a car crash by using machine learning method, (2) improvement of large-scale search capability

スタ分析を行った結果，パレート解は 4 つのクのトレードオフを制御する要因が視覚的に理解

by using the evolutionary multi-objective optimization,and (3) visualization of

ラスタに分類された．パレート解をクラスタご

でき，視覚情報に基づいて仮説を立て，統計分

multi-dimensional information and knowledge acquisition by using the multivariate analysisとに色分けして目的関数空間上にプロットした

析により検証することで定量的な設計情報を獲

method.

結果を図 3 に示す．

得することができる．

Key Words ： Machine learning, Evolutionary computation, Multi-objective optimization,
multivariate analysis

1

研究概要
本研究では自動車乗員拘束システム設計手法の高度化を図るためには，シミュレーションの計算負荷の低減と大域的探索能力向上，また，設計変数と目的関数間の複合的な相互作用を理解するための分析手法を検討し，さらに相互を融合することが必要であると考え，(1)機械学習による高精度な近似モデルの構築，(2)進化的多目的最適化による大域的探索能力の向上，(3)多変量解析手法を用いた多次元情報の可視化と知識獲得の 3 点を融合し，自動車乗員拘束システム設計に適用した．設計探索フ
ローを図 1 に示す．まず衝突解析モデルを用いて実験計画法により必要最小限の実計算サンプルを取図 3: 目的関数空間上にプロットしたパレート

得し，そのサンプルを用いて機械学習によって高精度な近似モデルを構築した．次に構築した近似モ

解集合のウォード法によるクラスタ分析結果

デルを用いて進化的多目的最適化によって設計空間内で大域的な探索を行い，目的関数間のトレード
オフ関係を考慮したパレート解集合を取得した．最後にパレート解集合を対象にクラスタ分析と自己組織化マップによる多変量解析を行った．クラスタ分析によってパレート解集合をクラスタに分割し，

図 1: 設計探索フロー

分割されたクラスタの自己組織化マップによって，目的関数間のトレードオフを制御する要因や設計
変数間の相互作用を視覚情報として提示した．

2

結果概要
2.2 進化的多目的最適化による大域的探索

2.1 機械学習による近似モデルの構築
設計空間内で膨大な設計変数の組み合わせの大域的探索能力に優れた進化的多目的最適化

中から大域的な探索を行うためには，計算負荷手法の 1 つである領域適応型多目的遺伝的アルを低減することが求められる．そこで衝突解析

ゴリズムによって，自動車乗員拘束システムのモデルを用いて実験計画法により最小限の実計

多目的設計最適化を行った．頭部傷害基準値と算サンプルを取得し，そのサンプルを用いて機

胸部合成加速度を目的関数，大腿部圧縮荷重を械学習によって高精度な近似モデルを構築した．

制約条件として，6 設計変数の 2 目的最適化問

─ 74 ─

図 4: 各パレート解集合の自己組織化マップ
図 2: 探索結果(全探索点)
─ 75 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

研究報告書概要

題と定義して，評価計算を機械学習で構築した

2.3.2 自己組織化マップ
本研究ではウォード法によってパレート解集

多次元情報からの知識獲得による近似モデルで代替し，処理速度の向上を図った．

自動車乗員拘束システム設計の高度化

2.3 多変量解析を用いた多次元情報の可視化

Advancement of Vehicle Occupant Restraint System Designby Knowledge Acquisition from Multi-dimensional Information

進化的多目的最適化による大域的探索から抽ップを示す．パレート解集合を構成する個体は出されたパレート解集合に対して多変量解析を

6 設計変数値+2 目的関数値の 8 変数(8 次元)の適用し，多次元情報の可視化と設計に有用な知情報を持ち，2 次元のマップ上に類似する個体

識の獲得を試みた．クラスタ分析によりパレー同士は近傍に，似ていない個体は遠くに配置さト解集合のクラスタ分析を行い，各クラスタをれている．図 4 では，配置された個体の設計変

自己組織化マップによって可視化し，各クラス

数値または目的関数値の 8 変数のカラーコンタ

タの特徴を分析することで設計変数と目的関数

ー図を表示し，さらに 8 変数間の類似度に基づ

investigates the reduction of computational cost on simulation and the improvement of間の相互作用を明らかにした．

いて 2 次元のマップ上にカラーコンター図を配large-scale

2.3.1 クラスタ分析

置している．この図によって各パレート解集合

堀井宏祐
国士舘大学

合のクラスタ分析を行った結果に基づいて，各In order to advance the vehicle occupant restraint system design method,
searchcapability,

andmultivariate

analysis

methodfor

よって分析した．図 4 に作成した自己組織化マと知識獲得

Hirosuke Horii
Kokushikan University
this researchunderstanding

クラスタを構成する要因を自己組織化マップに

combinatorial interaction among design variables and objective functions. The following three

本研究では階層的クラスタ分析手法の 1 つでにおける変数間の相関関係を視覚的に把握する

issues were considered, (1) constructing accurate estimation model of vehicle occupant response

あるウォード法によってパレート解集合のクラことができる．各クラスタにおける目的関数間

at a car crash by using machine learning method, (2) improvement of large-scale search capability

スタ分析を行った結果，パレート解は 4 つのクのトレードオフを制御する要因が視覚的に理解

by using the evolutionary multi-objective optimization,and (3) visualization of

ラスタに分類された．パレート解をクラスタご

でき，視覚情報に基づいて仮説を立て，統計分

multi-dimensional information and knowledge acquisition by using the multivariate analysisとに色分けして目的関数空間上にプロットした

析により検証することで定量的な設計情報を獲

method.

結果を図 3 に示す．

得することができる．

Key Words ： Machine learning, Evolutionary computation, Multi-objective optimization,
multivariate analysis

1

研究概要
本研究では自動車乗員拘束システム設計手法の高度化を図るためには，シミュレーションの計算負荷の低減と大域的探索能力向上，また，設計変数と目的関数間の複合的な相互作用を理解するための分析手法を検討し，さらに相互を融合することが必要であると考え，(1)機械学習による高精度な近似モデルの構築，(2)進化的多目的最適化による大域的探索能力の向上，(3)多変量解析手法を用いた多次元情報の可視化と知識獲得の 3 点を融合し，自動車乗員拘束システム設計に適用した．設計探索フ
ローを図 1 に示す．まず衝突解析モデルを用いて実験計画法により必要最小限の実計算サンプルを取図 3: 目的関数空間上にプロットしたパレート

得し，そのサンプルを用いて機械学習によって高精度な近似モデルを構築した．次に構築した近似モ

解集合のウォード法によるクラスタ分析結果

デルを用いて進化的多目的最適化によって設計空間内で大域的な探索を行い，目的関数間のトレード
オフ関係を考慮したパレート解集合を取得した．最後にパレート解集合を対象にクラスタ分析と自己組織化マップによる多変量解析を行った．クラスタ分析によってパレート解集合をクラスタに分割し，

図 1: 設計探索フロー

分割されたクラスタの自己組織化マップによって，目的関数間のトレードオフを制御する要因や設計
変数間の相互作用を視覚情報として提示した．

2

結果概要
2.2 進化的多目的最適化による大域的探索

2.1 機械学習による近似モデルの構築
設計空間内で膨大な設計変数の組み合わせの大域的探索能力に優れた進化的多目的最適化

中から大域的な探索を行うためには，計算負荷手法の 1 つである領域適応型多目的遺伝的アルを低減することが求められる．そこで衝突解析

ゴリズムによって，自動車乗員拘束システムのモデルを用いて実験計画法により最小限の実計

多目的設計最適化を行った．頭部傷害基準値と算サンプルを取得し，そのサンプルを用いて機

胸部合成加速度を目的関数，大腿部圧縮荷重を械学習によって高精度な近似モデルを構築した．

制約条件として，6 設計変数の 2 目的最適化問

─ 74 ─

図 4: 各パレート解集合の自己組織化マップ
図 2: 探索結果(全探索点)
─ 75 ─

─ 76 ─

─ 77 ─

─ 76 ─

─ 77 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

と 30・12[ の低減が達成されたと考えられる。

燃費向上を指向したファインバブル含有燃料の

しかし、空気を微細化したときの気泡直径にバブル発生装置
ノズル

バラツキがあるために、数百μP の大径バブル

定量的評価

が混入した場合、インジェクターからの燃料噴

4XDQWLWDWLYHHYDOXDWLRQRIILQHEXEEOHFRQWDLQLQJIXHOIRULPSURYLQJIXHOFRQVXPSWLRQ

れ、燃焼が一時的に停止するリスクがある。ま

１）熱膨張
２）破裂

燃焼

微細化燃料

出圧力が低下、エンジンへの燃料噴射が遮断さた、大径バブルによりインジェクターの潤滑性
間瀬暢之 0$6(1REX\XNL
静岡大学 グリーン科学技術研究所
6KL]XRND8QLYHUVLW\5HVHDUFK,QVWLWXWHRI*UHHQ6FLHQFHDQG7HFKQRORJ\

が損なわれ、摩耗損傷のリスクが高まるなどの課題がある。さらに、従来の 0% 発生装置の最低作動流量が P/／PLQ であり、エンジンの作動に必要な軽油量に対して ～ 倍程度大きい
ため、迂回ルートで燃料供給をしなければなら,IWKHIXHOHIILFLHQF\RIWKHLQWHUQDOFRPEXVWLRQHQJLQHLVLPSURYHGWKHHQHUJ\VDYLQJHIIHFW

ない。また、シングルパスではバブル含有度が

ZLOOEHJUHDWHUZRUOGZLGH,QRUGHUWRVROYHWKLVSUREOHPZHKDYHGHYHORSHGIXHOVIRULQWHUQDO

低いため循環型でシステムを構築する必要があ

FRPEXVWLRQHQJLQHV,IDLURUR[\JHQFDQEHILQHO\GLVSHUVHGLQWKHIXHODWKLJKFRQFHQWUDWLRQ

り、エンジン始動までに時間がかかる。以上のDVQDQRVL]HGILQHEXEEOHVFRPSOHWHFRPEXVWLRQRIWKHIXHOZLOOLPSURYHIXHOHIILFLHQF\:LWK

理由より、極めて高い燃費改善効果が期待され

WKHFRPELQDWLRQRIWKHQHZO\GHYHORSHGILQHEXEEOHJHQHUDWRUDQGWKHQR]]OHSDUWLFOHVP/

ているにもかかわらず、バブル含有燃料の開発

RIEXEEOHVFRXOGEHJHQHUDWHGLQWKHIXHOHYHQLQDVLQJOHSDVVV\VWHP $SURWRW\SHRIDILQH

は実用化ステージにないのが現状である。

燃焼効率向上 ⇒ 燃費向上、PM・NOx低減

図 ．バブル含有燃料による燃焼効率の向上
燃料（軽油）
液体
気液混合
デバイス
空気（酸素）
気体

バブル
発生装置

エンジン・燃焼図 ．噴霧実験装置図

ン有機合成手法の開発を推進し、従来の水系 )%

.H\:RUGV：ファインバブル内燃機関微細化ナノ粒子トラッキング解析

技術をモノづくりの基盤の一つである有機合成

だし、8)% 含有のとき脈流がある）。（３）低波 研究概要

化学に適用し、反応性を指標として )% の利点を長側に蛍光を持つ各種燃料に対して、光源を赤明らかにしてきた。さらに、未解明であった有色レーザー光に変更することにより 8)% 個数測

産業用多用途内燃機関であるディーゼルエンジンの燃費改善が達成されれば、その省エネ効果はグ

機溶媒中の )% の挙動についてナノ粒子トラッ定できた。（４）検討した媒体すべてにおいて

ローバルに大きい。内燃機関そのものではなく内燃機関用燃料の開発という戦略により、燃焼に必要

キング解析（1DQRSDUWLFOH7UDFNLQJ$QDO\VLV

8)% が  個P/ レベルで観測された。（５）発な酸素をナノサイズのウルトラファインバブル（8)%）として高濃度に分散させ、気泡を核とした燃料

17$）などの最新分析法を駆使することにより、生機構は未解明だが、ノズルだけでも 8)% が発

微粒子燃焼効果により燃費を改善することを目的とした。新たに開発したファインバブル（)%）発生

定量化してきた。軽油やガソリンを代表とする

生した。
（６）8)% によって液滴が小粒径となる



燃料油も有機溶媒であることから、これまで開可能性が示唆された。

個／P/ レベルで発生することに成功した。)% 含有燃料生成装置のプロトタイプが構築された。

発してきた技術・知見がグローバルなエネルギ 結果概要

ー問題に貢献できると考えた。

燃料消費率改善に対して、１．車両の軽量化、微粒子化は限界を迎えつつある。
「内燃機関用燃料の開発」として、燃料中の２．内燃機関の高度化が重点的に取り組まれて本技術を深化するために、①噴霧領域を高温にして微粒子径を測定し、液滴中 8)% が膨張破上述した課題を解決し、)% 含有燃料による高裂し、微粒子化するかの確認、②8)% のライフ

効率内燃機関を構築するために（図 ）、①)%

タイム（分散期間）の追跡、③)% 含有燃料の発生装置の開発（高濃度 )% 発生（目標値：シン

燃焼試験、燃料消費率測定、排ガス測定などに



おり、実用化されている。さらに、車体のデザ

溶存酸素量を高めることによって燃費を改善すグルパスで  個／P/）、迂回ルートを必要としついて検討する必要があるが、据置型または車インによる空気抵抗の削減、タイヤの転がり抵る研究が  年に報告されているが、装置の複ない小流量（目標値：P/／PLQ 以下））と②)%

載型 )% 含有燃料発生装置の原型が構築された。

抗の削減（エコタイヤの装着）など、多くのハ雑さなどの問題から期待できる効果が得られな含有燃料の定量化（17$ による 8)% サイズ分布、

また、この技術は、有機溶媒中で )% を形成し、ードからのアプローチがある。一方、エンジンかった。しかし、 年代になってマイクロサ個数の定量）を研究した。

内の燃焼における燃料消費率改善の鍵は燃料のイズの気泡であるマイクロバブル（0%）を利用

新たに開発した )% 装置（)%*267\SH）にきたものである。有機溶媒の一つである軽油を微粒子化にある。ノズルから噴射された燃料がしたディーゼルエンジンの燃費の改善が研究さ

小型ミスティングノズルを接続することにより、

流量 P/／PLQ 程度で、長期安定的に高圧送液

不完全燃焼することにより、パワーが低下し、れ始めた。その結果、平均で 、最大で )% 含有微粒子噴霧システムを構築した（図 ）。

できる可能性が検証されれば、現在化学分野で燃費も低下するとともに、粒子状物質 30 の発生

燃費が向上し、黒煙濃度も検出限界以下まで低

その結果、本研究課題により以下のことが明ら

世界的に注目を集めているフロープロセス、特が促進される。もし燃料を極限まで微粒子化で減された。0% の効果は燃料の微細化に寄与するかになった。
（１）～μP のサイズで水をに特殊化成品の生産工程（ 年に  億円

きるならば、完全燃焼させることにつながる。

と考えられており、0% を内包した燃料は熱膨張噴霧できた。メタノール、ガソリン、軽油、灯市場）への応用可能性が見えてくる。従来の水しかし、様々な形状・特性を有するノズルが入により破裂して、微細化燃料となり燃焼する（図油など、様々な液体も噴霧可能であった。（２）

系市場用途以外に対する )% の新規用途への応手できるにもかかわらず、ノズルによる燃料の）。その結果、燃焼効率が向上し、燃費の向上

液体流量 P/PLQ で安定して送液できた（た

用促進が期待される。

─ 78 ─



図 ．)% 含有燃料による高効率内燃機関の構築



装置とノズルを組み合わせることにより、シングルパス方式で燃料中に QP オーダーの微細気泡を 我々は、)% ならびに 8)% を用いた新規グリー

EXEEOHIXHOJHQHUDWRUZDVGHYHORSHG

バブル含有燃料

有機合成・気液混合反応のため開発を推進して

─ 79 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

と 30・12[ の低減が達成されたと考えられる。

燃費向上を指向したファインバブル含有燃料の

しかし、空気を微細化したときの気泡直径にバブル発生装置
ノズル

バラツキがあるために、数百μP の大径バブル

定量的評価

が混入した場合、インジェクターからの燃料噴

4XDQWLWDWLYHHYDOXDWLRQRIILQHEXEEOHFRQWDLQLQJIXHOIRULPSURYLQJIXHOFRQVXPSWLRQ

れ、燃焼が一時的に停止するリスクがある。ま

１）熱膨張
２）破裂

燃焼

微細化燃料

出圧力が低下、エンジンへの燃料噴射が遮断さた、大径バブルによりインジェクターの潤滑性
間瀬暢之 0$6(1REX\XNL
静岡大学 グリーン科学技術研究所
6KL]XRND8QLYHUVLW\5HVHDUFK,QVWLWXWHRI*UHHQ6FLHQFHDQG7HFKQRORJ\

が損なわれ、摩耗損傷のリスクが高まるなどの課題がある。さらに、従来の 0% 発生装置の最低作動流量が P/／PLQ であり、エンジンの作動に必要な軽油量に対して ～ 倍程度大きい
ため、迂回ルートで燃料供給をしなければなら,IWKHIXHOHIILFLHQF\RIWKHLQWHUQDOFRPEXVWLRQHQJLQHLVLPSURYHGWKHHQHUJ\VDYLQJHIIHFW

ない。また、シングルパスではバブル含有度が

ZLOOEHJUHDWHUZRUOGZLGH,QRUGHUWRVROYHWKLVSUREOHPZHKDYHGHYHORSHGIXHOVIRULQWHUQDO

低いため循環型でシステムを構築する必要があ

FRPEXVWLRQHQJLQHV,IDLURUR[\JHQFDQEHILQHO\GLVSHUVHGLQWKHIXHODWKLJKFRQFHQWUDWLRQ

り、エンジン始動までに時間がかかる。以上のDVQDQRVL]HGILQHEXEEOHVFRPSOHWHFRPEXVWLRQRIWKHIXHOZLOOLPSURYHIXHOHIILFLHQF\:LWK

理由より、極めて高い燃費改善効果が期待され

WKHFRPELQDWLRQRIWKHQHZO\GHYHORSHGILQHEXEEOHJHQHUDWRUDQGWKHQR]]OHSDUWLFOHVP/

ているにもかかわらず、バブル含有燃料の開発

RIEXEEOHVFRXOGEHJHQHUDWHGLQWKHIXHOHYHQLQDVLQJOHSDVVV\VWHP $SURWRW\SHRIDILQH

は実用化ステージにないのが現状である。

燃焼効率向上 ⇒ 燃費向上、PM・NOx低減

図 ．バブル含有燃料による燃焼効率の向上
燃料（軽油）
液体
気液混合
デバイス
空気（酸素）
気体

バブル
発生装置

エンジン・燃焼図 ．噴霧実験装置図

ン有機合成手法の開発を推進し、従来の水系 )%

.H\:RUGV：ファインバブル内燃機関微細化ナノ粒子トラッキング解析

技術をモノづくりの基盤の一つである有機合成

だし、8)% 含有のとき脈流がある）。（３）低波 研究概要

化学に適用し、反応性を指標として )% の利点を長側に蛍光を持つ各種燃料に対して、光源を赤明らかにしてきた。さらに、未解明であった有色レーザー光に変更することにより 8)% 個数測

産業用多用途内燃機関であるディーゼルエンジンの燃費改善が達成されれば、その省エネ効果はグ

機溶媒中の )% の挙動についてナノ粒子トラッ定できた。（４）検討した媒体すべてにおいて

ローバルに大きい。内燃機関そのものではなく内燃機関用燃料の開発という戦略により、燃焼に必要

キング解析（1DQRSDUWLFOH7UDFNLQJ$QDO\VLV

8)% が  個P/ レベルで観測された。（５）発な酸素をナノサイズのウルトラファインバブル（8)%）として高濃度に分散させ、気泡を核とした燃料

17$）などの最新分析法を駆使することにより、生機構は未解明だが、ノズルだけでも 8)% が発

微粒子燃焼効果により燃費を改善することを目的とした。新たに開発したファインバブル（)%）発生

定量化してきた。軽油やガソリンを代表とする

生した。
（６）8)% によって液滴が小粒径となる



燃料油も有機溶媒であることから、これまで開可能性が示唆された。

個／P/ レベルで発生することに成功した。)% 含有燃料生成装置のプロトタイプが構築された。

発してきた技術・知見がグローバルなエネルギ 結果概要

ー問題に貢献できると考えた。

燃料消費率改善に対して、１．車両の軽量化、微粒子化は限界を迎えつつある。
「内燃機関用燃料の開発」として、燃料中の２．内燃機関の高度化が重点的に取り組まれて本技術を深化するために、①噴霧領域を高温にして微粒子径を測定し、液滴中 8)% が膨張破上述した課題を解決し、)% 含有燃料による高裂し、微粒子化するかの確認、②8)% のライフ

効率内燃機関を構築するために（図 ）、①)%

タイム（分散期間）の追跡、③)% 含有燃料の発生装置の開発（高濃度 )% 発生（目標値：シン

燃焼試験、燃料消費率測定、排ガス測定などに



おり、実用化されている。さらに、車体のデザ

溶存酸素量を高めることによって燃費を改善すグルパスで  個／P/）、迂回ルートを必要としついて検討する必要があるが、据置型または車インによる空気抵抗の削減、タイヤの転がり抵る研究が  年に報告されているが、装置の複ない小流量（目標値：P/／PLQ 以下））と②)%

載型 )% 含有燃料発生装置の原型が構築された。

抗の削減（エコタイヤの装着）など、多くのハ雑さなどの問題から期待できる効果が得られな含有燃料の定量化（17$ による 8)% サイズ分布、

また、この技術は、有機溶媒中で )% を形成し、ードからのアプローチがある。一方、エンジンかった。しかし、 年代になってマイクロサ個数の定量）を研究した。

内の燃焼における燃料消費率改善の鍵は燃料のイズの気泡であるマイクロバブル（0%）を利用

新たに開発した )% 装置（)%*267\SH）にきたものである。有機溶媒の一つである軽油を微粒子化にある。ノズルから噴射された燃料がしたディーゼルエンジンの燃費の改善が研究さ

小型ミスティングノズルを接続することにより、

流量 P/／PLQ 程度で、長期安定的に高圧送液

不完全燃焼することにより、パワーが低下し、れ始めた。その結果、平均で 、最大で )% 含有微粒子噴霧システムを構築した（図 ）。

できる可能性が検証されれば、現在化学分野で燃費も低下するとともに、粒子状物質 30 の発生

燃費が向上し、黒煙濃度も検出限界以下まで低

その結果、本研究課題により以下のことが明ら

世界的に注目を集めているフロープロセス、特が促進される。もし燃料を極限まで微粒子化で減された。0% の効果は燃料の微細化に寄与するかになった。
（１）～μP のサイズで水をに特殊化成品の生産工程（ 年に  億円

きるならば、完全燃焼させることにつながる。

と考えられており、0% を内包した燃料は熱膨張噴霧できた。メタノール、ガソリン、軽油、灯市場）への応用可能性が見えてくる。従来の水しかし、様々な形状・特性を有するノズルが入により破裂して、微細化燃料となり燃焼する（図油など、様々な液体も噴霧可能であった。（２）

系市場用途以外に対する )% の新規用途への応手できるにもかかわらず、ノズルによる燃料の）。その結果、燃焼効率が向上し、燃費の向上

液体流量 P/PLQ で安定して送液できた（た

用促進が期待される。

─ 78 ─



図 ．)% 含有燃料による高効率内燃機関の構築



装置とノズルを組み合わせることにより、シングルパス方式で燃料中に QP オーダーの微細気泡を 我々は、)% ならびに 8)% を用いた新規グリー

EXEEOHIXHOJHQHUDWRUZDVGHYHORSHG

バブル含有燃料

有機合成・気液混合反応のため開発を推進して

─ 79 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

バリの面積 A および層間はく離長さ L を加工品

る加工条件，すなわち E および m を大きくする

位との関係をそれぞれ議論した．

ことは，層間はく離長さ L を小さくすることが 力学的解析結果

できるが，バリの面積 A の増加を与える．

パンチプレス加工法の開発

加工品位と最大せん断応力との関係

 まとめ'HYHORSPHQWRISXQFKLQJSURFHVVPHWKRGDSSOLHGWRGURSLPSDFWRIDQLVRWURSLF&)53ODPLQDWH

Fig.2 および Fig.3 にバリ面積 A および層間は

層間はく離を抑制するためには，大きな E お

く離長さ L と最大公称せん断応力 τmax との関係

よび m を与えて吸収エネルギが小さくなるようを示す．Fig.2 に示すように，A と τmax との関係にすると効果的である．またバリについては，

において，τmax が 200MPa 以上のデータについ高いせん断応力を与えることで除去できる．しては，τmax が大きくなるにつれて A が小さくな

たがって，パンチの形状を可変することはバリる傾向が見られた．すなわち，高い τmax はバリを減らして高い加工品位を与えることにつながの量を減らす効果がある．その一方で Fig.3 にると考えられる．パンチ形状と衝撃吸収エネル示すように，L と τmax との関係においては，相ギとの相関は明らかにされていないため，この関は見られなかった．したがって層間はく離は，ことを明らかにすれば層間はく離の抑制にもつ

最大公称せん断応力に支配されない．

ながることが期待される．

異方性 &)53 積層板の落錘衝撃アシストによる松田 伸也，6KLQ\D0DWVXGD
香川大学創造工学部創造工学科先端材料科学領域
3URJUDPLQ$GYDQFHG0DWHULDOV6FLHQFH'HSDUWPHQWRI(QJLQHHULQJDQG'HVLJQ)DFXOW\RI(QJLQHHULQJDQG'HVLJQ.DJDZD8QLYHUVLW\
7KHSXUSRVHRIWKLVVWXG\LVWRTXDQWLWDWLYHO\FODULI\WKHHIIHFWRIGURSZHLJKWLPSDFWRQPDFKLQLQJ TXDOLW\ DIWHU SXQFKLQJ SURFHVV RI DQLVRWURSLF &)53 ODPLQDWHV 7KH SURFHVVLQJFRQGLWLRQVZHUHTXDQWLWDWLYHO\HYDOXDWHGIURPWKHUHODWLRQVKLSEHWZHHQWKHSURFHVVLQJTXDOLW\DQGPHFKDQLFDOSDUDPHWHUV DEVRUEHGHQHUJ\ .H\:RUGV：&)53ODPLQDWHV3XQFKLQJSURFHVV'URSLPSDFW0DFKLQLQJTXDOLW\
 研究概要加工品位と吸収エネルギとの関係
Fig.4 および Fig.5 にバリ面積 A および層間はく離長さ L と吸収エネルギ Eab との関係をそれぞれ示す．Eab は，位置エネルギ E および錘質量m が大きくなるほど小さくなる傾向が得られた．
Fig.4 より A と Eab との関係において，Eab が大き

本研究では，異方性 &)53 積層板に対して定量的にパンチプレス穿孔加工品位に及ぼす落錘衝撃効果

くなるほど A が小さくなる傾向が見られた．一方，Fig.5 より L と Eab との関係において，Eabを解明することを目的とする．落錘衝撃を援用して加工した穿孔に対して，加工品位と力学的パラメ

が大きくなるほど L が大きくなる傾向が見られータ（吸収エネルギ）との関係より加工条件を定量的に評価した．

た．したがって，吸収エネルギ Eab が小さくな

Fig.1 Images of surface and cross-section of the specimen
after piercing processes under drop impact load.

 結果概要 実験方法
試 験 片 と し て ， 一 方 向 CFRP プ リ プ レ グ

Eab = Edis + Ecut + Ed   (2)（T700SC/#2592，厚さ 0.14mm）から成形した

ここで，Edis は加工開始時の音や熱などの散逸

直交積層板[0°2/90°2]s を用いた．試験片を固定しエネルギ，Ecut は切断面の形成と穿孔付近の損た冶具（ダイφ10.1，押え板のパンチ通し穴φ

傷発生に必要なエネルギ，Ed は試験片全体の損

10H6）に平パンチ（φ10m5）を設置し，パンチ

傷エネルギである．本加工では試験片に対してに錘を自由落下させて穿孔加工した．クリアラ

局所的に穿孔を加工している．また加工中に局

ンスは 0.05mm である．落錘条件として，位置

所的な熱や音などの散逸は確認されなかった．

エネルギ E=mgh を基に E=10~15J，錘の重さ
m=2.2~4.0kg，落錘高さ h=0.25~0.70m の範囲をよって式(2)の右辺第 2 項と第 3 項は，Edis  Ed  0   (3)加工条件とした．またロードセルおよび加速度として近似することができるため，式(2)は最終センサを用いて荷重および加速度を測定した．

的に次式で与えられる．
Eab = Ecut   (4) 力学的解析
m(kg)の錘が任意の高さ h(m)の時に有する位

Fig.2 Plots of burr area and maximum nominal shear stress.

Fig.4 Plots of burr area and absorbed impact energy.

したがって，試験片が吸収するエネルギは，

置エネルギ E=mgh は，次式で表す CFRP 積層板

主に穿孔の形成（切断面の形成）と穿孔周りのが吸収するエネルギ Eab とパンチ加工後の落錘バリや層間はく離などの損傷発生に必要なエネの運動エネルギ Ek の総和で表される．
=
E mgh= Eab + Ek   (1)ルギのみと考えることができる．以上のことよ

加工開始から終わりまでにおいて CFRP 積層板た面積から台形近似により数値積分することでが吸収するエネルギ Eab は次式で表すことがで

衝撃吸収エネルギ Eab を算出した．これより，

きる．

Fig.1 に示す落錘衝撃加工後の試験片に生じるり，実験より取得した荷重—変位曲線に囲まれ─ 80 ─

Fig.3 Plots of delamination length and maximum nominal shear stress.

Fig.5 Plots of delamination length and absorbed impact energy.

─ 81 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

バリの面積 A および層間はく離長さ L を加工品

る加工条件，すなわち E および m を大きくする

位との関係をそれぞれ議論した．

ことは，層間はく離長さ L を小さくすることが 力学的解析結果

できるが，バリの面積 A の増加を与える．

パンチプレス加工法の開発

加工品位と最大せん断応力との関係

 まとめ'HYHORSPHQWRISXQFKLQJSURFHVVPHWKRGDSSOLHGWRGURSLPSDFWRIDQLVRWURSLF&)53ODPLQDWH

Fig.2 および Fig.3 にバリ面積 A および層間は

層間はく離を抑制するためには，大きな E お

く離長さ L と最大公称せん断応力 τmax との関係

よび m を与えて吸収エネルギが小さくなるようを示す．Fig.2 に示すように，A と τmax との関係にすると効果的である．またバリについては，

において，τmax が 200MPa 以上のデータについ高いせん断応力を与えることで除去できる．しては，τmax が大きくなるにつれて A が小さくな

たがって，パンチの形状を可変することはバリる傾向が見られた．すなわち，高い τmax はバリを減らして高い加工品位を与えることにつながの量を減らす効果がある．その一方で Fig.3 にると考えられる．パンチ形状と衝撃吸収エネル示すように，L と τmax との関係においては，相ギとの相関は明らかにされていないため，この関は見られなかった．したがって層間はく離は，ことを明らかにすれば層間はく離の抑制にもつ

最大公称せん断応力に支配されない．

ながることが期待される．

異方性 &)53 積層板の落錘衝撃アシストによる松田 伸也，6KLQ\D0DWVXGD
香川大学創造工学部創造工学科先端材料科学領域
3URJUDPLQ$GYDQFHG0DWHULDOV6FLHQFH'HSDUWPHQWRI(QJLQHHULQJDQG'HVLJQ)DFXOW\RI(QJLQHHULQJDQG'HVLJQ.DJDZD8QLYHUVLW\
7KHSXUSRVHRIWKLVVWXG\LVWRTXDQWLWDWLYHO\FODULI\WKHHIIHFWRIGURSZHLJKWLPSDFWRQPDFKLQLQJ TXDOLW\ DIWHU SXQFKLQJ SURFHVV RI DQLVRWURSLF &)53 ODPLQDWHV 7KH SURFHVVLQJFRQGLWLRQVZHUHTXDQWLWDWLYHO\HYDOXDWHGIURPWKHUHODWLRQVKLSEHWZHHQWKHSURFHVVLQJTXDOLW\DQGPHFKDQLFDOSDUDPHWHUV DEVRUEHGHQHUJ\ .H\:RUGV：&)53ODPLQDWHV3XQFKLQJSURFHVV'URSLPSDFW0DFKLQLQJTXDOLW\
 研究概要加工品位と吸収エネルギとの関係
Fig.4 および Fig.5 にバリ面積 A および層間はく離長さ L と吸収エネルギ Eab との関係をそれぞれ示す．Eab は，位置エネルギ E および錘質量m が大きくなるほど小さくなる傾向が得られた．
Fig.4 より A と Eab との関係において，Eab が大き

本研究では，異方性 &)53 積層板に対して定量的にパンチプレス穿孔加工品位に及ぼす落錘衝撃効果

くなるほど A が小さくなる傾向が見られた．一方，Fig.5 より L と Eab との関係において，Eabを解明することを目的とする．落錘衝撃を援用して加工した穿孔に対して，加工品位と力学的パラメ

が大きくなるほど L が大きくなる傾向が見られータ（吸収エネルギ）との関係より加工条件を定量的に評価した．

た．したがって，吸収エネルギ Eab が小さくな

Fig.1 Images of surface and cross-section of the specimen
after piercing processes under drop impact load.

 結果概要 実験方法
試 験 片 と し て ， 一 方 向 CFRP プ リ プ レ グ

Eab = Edis + Ecut + Ed   (2)（T700SC/#2592，厚さ 0.14mm）から成形した

ここで，Edis は加工開始時の音や熱などの散逸

直交積層板[0°2/90°2]s を用いた．試験片を固定しエネルギ，Ecut は切断面の形成と穿孔付近の損た冶具（ダイφ10.1，押え板のパンチ通し穴φ

傷発生に必要なエネルギ，Ed は試験片全体の損

10H6）に平パンチ（φ10m5）を設置し，パンチ

傷エネルギである．本加工では試験片に対してに錘を自由落下させて穿孔加工した．クリアラ

局所的に穿孔を加工している．また加工中に局

ンスは 0.05mm である．落錘条件として，位置

所的な熱や音などの散逸は確認されなかった．

エネルギ E=mgh を基に E=10~15J，錘の重さ
m=2.2~4.0kg，落錘高さ h=0.25~0.70m の範囲をよって式(2)の右辺第 2 項と第 3 項は，Edis  Ed  0   (3)加工条件とした．またロードセルおよび加速度として近似することができるため，式(2)は最終センサを用いて荷重および加速度を測定した．

的に次式で与えられる．
Eab = Ecut   (4) 力学的解析
m(kg)の錘が任意の高さ h(m)の時に有する位

Fig.2 Plots of burr area and maximum nominal shear stress.

Fig.4 Plots of burr area and absorbed impact energy.

したがって，試験片が吸収するエネルギは，

置エネルギ E=mgh は，次式で表す CFRP 積層板

主に穿孔の形成（切断面の形成）と穿孔周りのが吸収するエネルギ Eab とパンチ加工後の落錘バリや層間はく離などの損傷発生に必要なエネの運動エネルギ Ek の総和で表される．
=
E mgh= Eab + Ek   (1)ルギのみと考えることができる．以上のことよ

加工開始から終わりまでにおいて CFRP 積層板た面積から台形近似により数値積分することでが吸収するエネルギ Eab は次式で表すことがで

衝撃吸収エネルギ Eab を算出した．これより，

きる．

Fig.1 に示す落錘衝撃加工後の試験片に生じるり，実験より取得した荷重—変位曲線に囲まれ─ 80 ─

Fig.3 Plots of delamination length and maximum nominal shear stress.

Fig.5 Plots of delamination length and absorbed impact energy.

─ 81 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29
30 年度

研究報告書概要

高齢者の自律神経機能モニターによる交通事故と心血管イベント発症予防
Monitoring for the autonomic nervous system during

適な運転行動を行い得る状態に自律神経を維持

ハンドルを握り、指先を接触させるだけで、わすることができれば、高齢者の安全運転に資す

ずか一心拍の記録時間にて、反射波に現れる動ることができる軽自動車が具現化できる可能性

脈にスティッフネス情報から自律神経機能をカがある。

ーナビのディスプレイなどに表示できることに東北大学は健康を増進できる軽自動車の可能なる。東北大学の試作システムでは、ドライバ性の研究開発に着手し、様々な方向性を探ってーシートにはエアバッグ式のセンサが内蔵されいるが、そのコンセプトの具現化の１形態を図る。このシステムにより、運転者の呼吸及び脈１に提示する。

波を計測することができる。
運転中に、脈波情報、心電図情報、心拍変動、脈波伝播速度、呼吸センシングから計算される

Minicar driving

自律神経・血行動態時系列データに基づき、体調に応じた適切なアロマ刺激を空調で供給し、また、自律神経機能の状態に応じて、経穴に対山家智之

Tomoyuki Yambe, 白石泰之 Yasuyuki Shiraishi, 井上雄介 Yusuke Inoue、
山田昭博 Akihiro Yamada, 吉澤誠 Makoto Yoshizawa
東北大学 Tohoku University

する適切なマッサージ刺激や、温灸、冷灸などの東洋医学、あるいは、統合医療における治療原理に準じた適切な刺激を与えることで、循環制御機能をコントロールする機能を持つ自動車

図 1 運転中の心拍変動、脈波変動を自動解析し、運転者

Traffic accident of the elderly people become one of the important issues in the advancedにフィードバックすると同時に、ネットワークで自動診断

countries. If the cardiovascular function of the driver will be embodied, it will be good news

し、アロマ加療、あるいは経穴を適切に刺激（特許 5390851）が具現化できる可能性がある。

for the society. Monitoring system for the car driver was developed in this study. Patentapplication had been carried out. This methodology will become one of the useful factor in
future.

Key Words：minicar, traffic accident, elderly people, autonomic nervous system

1

研究概要
高齢者の交通事故が問題になっている。運転中の心血管機能、自律神経等、医学情報を計測して、定量診断してデータベース化できれば、認知機能の影響による事故を予防し、心血管イベントを予防することができる。更にネットワークで、交感・副交感神経を、「証」に応じ刺激することで、安全な
高齢者の運転環境を具現化する。

2

結果概要
本研究計画では、高齢者の自律神経機能モニに対して、不自然に対抗しようとする「アンチターによる交通事故と心血管イベント発症予防

エイジング」ではなく、高齢者の英知を大事にをめざし、自律神経機能、及び、血圧反射機能し、残された肉体能力を十二分以上に発揮させなどに着目して、乗車すればより自律神経機能て、社会・経済・政治的な活動を、豊富な経験が改善する方向性について可能性を検討する。

に則って、できる範囲で頑張っていただこうとこのような方向性の開発により、高齢者、あるいう「スマートエイジング」の方向性を探求し

いは肉体的ハンディキャップを持つ運転者におている。

いて、自律神経機能を整え、残存する肉体能力

軽自動車の多い高齢者の健康を増進し、かを十全に発揮させ、あるいは、更に向上させる

つ運転能力を向上させる循環制御系コントロー

ことで、若年者に匹敵する安全運転。あるいは、

ルプログラムの研究に着手した。

自律神経へのインターヴェンションにより運転者をよりバランスがとれた健康な方向へシフ

指尖容積脈波を使うことで、「血管年齢指数」

トさせ、運転者の運転能力を十分に引き出し、などのパラメータに代表される体調モニターを

安全運転を遂行するだけでなく、健康を維持す

具現化できるという方向性は多くの研究者によることができるシステム開発の方向性が考えらって進められ、さまざまな方法論が提案されてれる。

いる。基本的には、脈波の波形における反射波

例えば空調から供給できるアロマには、様々の影響を計測し、定量化された血管年齢指数とな鎮静効果や興奮効果の存在が指摘されており、して表示するシステムであり、動脈圧波形に観ローズ、ラベンダー、ベルガモットなどのアロ測される反射波は、末梢の動脈系から戻ってく

マには鎮静効果が、レモン、オレンジ、ジャス

る波形を反映しているので、動脈硬化の影響や、ミンなどには興奮効果が報告されており、交感

自律神経支配による動脈壁の緊張度が共に影響

神経、副交感神経のバランスコントロールに有する。従って、加速度脈波加齢指数に反映され効である可能性がある。この作用を応用すれば、る血管のスティッフネスから血管の年齢として自律神経を自動的にアロマで制御する軽自動車

翻案することもできるが、自律神経支配によるが具体化できる理論になる。経穴に対する東洋動脈系の緊張度の表れとして、体調のモニタリ

医学的な施術はある程度確立され、欧米では医ングデバイスとしても機能することができるこ

療費削減の切り札として注目されている。シーとになる。そこで、この脈波のパラメータを応ト内蔵プログラムで経穴に対する指圧刺激、温用すれば、運転中の心臓血管機能の診断と同時

灸刺激を与えれば、これも自律神経のリハビリに、自律神経機能診断を試みることができる原

テーションに有効であることは自明と思われる。

理となる。そのために動脈圧波形の計測結果に

現在、空調、アロマ、及び、シート内蔵経穴

よる時系列曲線を二回微分して加速度脈波とし刺激プログラムによる循環制御機能をコントロ

それを若年者の運転の安全性を凌駕するような高齢者が軽自動車の運転中に、軽自動車が運て解析すれば、トレンド成分を除去することがール機能を保持する自動車の方法論開発を進め運転能力を発揮させることができる将来性が期

転者の心臓血管機能、高次機能、及び自律神経

でき、動脈の脈波波形に含有される反射波の影

ている。

待される。

機能を適切に定量的に判定し、循環制御機能を

響を定量的に評価できる。このような方法論に文献）特許 5390851【出願人】^東北大学他【発明者】山

最適な状態へコントロールする刺激を与え、最より、血管年齢指数に代表されるようなパラメ

家 智之他、「車両用自律神経機能診断装置、車両用自律神ータが計算できるので、自動車のドライバーは、

経機能診断方法」

生体に必ず発生する自然現象である「加齢」

─ 82 ─

─ 83 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29
30 年度

研究報告書概要

高齢者の自律神経機能モニターによる交通事故と心血管イベント発症予防
Monitoring for the autonomic nervous system during

適な運転行動を行い得る状態に自律神経を維持

ハンドルを握り、指先を接触させるだけで、わすることができれば、高齢者の安全運転に資す

ずか一心拍の記録時間にて、反射波に現れる動ることができる軽自動車が具現化できる可能性

脈にスティッフネス情報から自律神経機能をカがある。

ーナビのディスプレイなどに表示できることに東北大学は健康を増進できる軽自動車の可能なる。東北大学の試作システムでは、ドライバ性の研究開発に着手し、様々な方向性を探ってーシートにはエアバッグ式のセンサが内蔵されいるが、そのコンセプトの具現化の１形態を図る。このシステムにより、運転者の呼吸及び脈１に提示する。

波を計測することができる。
運転中に、脈波情報、心電図情報、心拍変動、脈波伝播速度、呼吸センシングから計算される

Minicar driving

自律神経・血行動態時系列データに基づき、体調に応じた適切なアロマ刺激を空調で供給し、また、自律神経機能の状態に応じて、経穴に対山家智之

Tomoyuki Yambe, 白石泰之 Yasuyuki Shiraishi, 井上雄介 Yusuke Inoue、
山田昭博 Akihiro Yamada, 吉澤誠 Makoto Yoshizawa
東北大学 Tohoku University

する適切なマッサージ刺激や、温灸、冷灸などの東洋医学、あるいは、統合医療における治療原理に準じた適切な刺激を与えることで、循環制御機能をコントロールする機能を持つ自動車

図 1 運転中の心拍変動、脈波変動を自動解析し、運転者

Traffic accident of the elderly people become one of the important issues in the advancedにフィードバックすると同時に、ネットワークで自動診断

countries. If the cardiovascular function of the driver will be embodied, it will be good news

し、アロマ加療、あるいは経穴を適切に刺激（特許 5390851）が具現化できる可能性がある。

for the society. Monitoring system for the car driver was developed in this study. Patentapplication had been carried out. This methodology will become one of the useful factor in
future.

Key Words：minicar, traffic accident, elderly people, autonomic nervous system

1

研究概要
高齢者の交通事故が問題になっている。運転中の心血管機能、自律神経等、医学情報を計測して、定量診断してデータベース化できれば、認知機能の影響による事故を予防し、心血管イベントを予防することができる。更にネットワークで、交感・副交感神経を、「証」に応じ刺激することで、安全な
高齢者の運転環境を具現化する。

2

結果概要
本研究計画では、高齢者の自律神経機能モニに対して、不自然に対抗しようとする「アンチターによる交通事故と心血管イベント発症予防

エイジング」ではなく、高齢者の英知を大事にをめざし、自律神経機能、及び、血圧反射機能し、残された肉体能力を十二分以上に発揮させなどに着目して、乗車すればより自律神経機能て、社会・経済・政治的な活動を、豊富な経験が改善する方向性について可能性を検討する。

に則って、できる範囲で頑張っていただこうとこのような方向性の開発により、高齢者、あるいう「スマートエイジング」の方向性を探求し

いは肉体的ハンディキャップを持つ運転者におている。

いて、自律神経機能を整え、残存する肉体能力

軽自動車の多い高齢者の健康を増進し、かを十全に発揮させ、あるいは、更に向上させる

つ運転能力を向上させる循環制御系コントロー

ことで、若年者に匹敵する安全運転。あるいは、

ルプログラムの研究に着手した。

自律神経へのインターヴェンションにより運転者をよりバランスがとれた健康な方向へシフ

指尖容積脈波を使うことで、「血管年齢指数」

トさせ、運転者の運転能力を十分に引き出し、などのパラメータに代表される体調モニターを

安全運転を遂行するだけでなく、健康を維持す

具現化できるという方向性は多くの研究者によることができるシステム開発の方向性が考えらって進められ、さまざまな方法論が提案されてれる。

いる。基本的には、脈波の波形における反射波

例えば空調から供給できるアロマには、様々の影響を計測し、定量化された血管年齢指数とな鎮静効果や興奮効果の存在が指摘されており、して表示するシステムであり、動脈圧波形に観ローズ、ラベンダー、ベルガモットなどのアロ測される反射波は、末梢の動脈系から戻ってく

マには鎮静効果が、レモン、オレンジ、ジャス

る波形を反映しているので、動脈硬化の影響や、ミンなどには興奮効果が報告されており、交感

自律神経支配による動脈壁の緊張度が共に影響

神経、副交感神経のバランスコントロールに有する。従って、加速度脈波加齢指数に反映され効である可能性がある。この作用を応用すれば、る血管のスティッフネスから血管の年齢として自律神経を自動的にアロマで制御する軽自動車

翻案することもできるが、自律神経支配によるが具体化できる理論になる。経穴に対する東洋動脈系の緊張度の表れとして、体調のモニタリ

医学的な施術はある程度確立され、欧米では医ングデバイスとしても機能することができるこ

療費削減の切り札として注目されている。シーとになる。そこで、この脈波のパラメータを応ト内蔵プログラムで経穴に対する指圧刺激、温用すれば、運転中の心臓血管機能の診断と同時

灸刺激を与えれば、これも自律神経のリハビリに、自律神経機能診断を試みることができる原

テーションに有効であることは自明と思われる。

理となる。そのために動脈圧波形の計測結果に

現在、空調、アロマ、及び、シート内蔵経穴

よる時系列曲線を二回微分して加速度脈波とし刺激プログラムによる循環制御機能をコントロ

それを若年者の運転の安全性を凌駕するような高齢者が軽自動車の運転中に、軽自動車が運て解析すれば、トレンド成分を除去することがール機能を保持する自動車の方法論開発を進め運転能力を発揮させることができる将来性が期

転者の心臓血管機能、高次機能、及び自律神経

でき、動脈の脈波波形に含有される反射波の影

ている。

待される。

機能を適切に定量的に判定し、循環制御機能を

響を定量的に評価できる。このような方法論に文献）特許 5390851【出願人】^東北大学他【発明者】山

最適な状態へコントロールする刺激を与え、最より、血管年齢指数に代表されるようなパラメ

家 智之他、「車両用自律神経機能診断装置、車両用自律神ータが計算できるので、自動車のドライバーは、

経機能診断方法」

生体に必ず発生する自然現象である「加齢」

─ 82 ─

─ 83 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

予混合圧縮着火機関におけるシリンダ内









イオン電流分布の計測









Measurement of Ion-current Distribution in Cylinder of HCCI Engine
吉山定見, Sadami Yoshiyama
北九州市立大学, The University of Kitakyushu














 In order to apply the ion current method for sensing the HCCI combustion, the relationship between the rate

図 3 O 点におけるシリンダ内圧力，
熱発生率，

of heat release and the ion current characteristics are discussed in this study. The ion probes were installed the

イオン電流，イオン電流時間微分波形

piston head of HCCI test engine. The intake mixture temperature was varied from 50 degree to 80 degree. The

optimized equivalence ratios were chosen for the intake temperature. Ion current signals of multiple locations

そこで，熱発生率とイオン電流時間微分波形とwere measured near the center of combustion chamber. The experiments proved that the rising time of timeを比較すると，上死点付近の高温酸化反応に関differential of ion current corresponds the timing of high temperature oxidation in RHR from in-cylinder

係するイオン電流の発生時期は熱発生率の発生pressure signals.

時期よりも若干遅れているように見える．



図 4 にシリンダ中心から±10mm の a 点および b.H\:RUGV：Combustion, Ion current, Homogeneous Charge Compression Ignition Engine

点におけるイオン電流信号およびイオン電流時
 研究概要

間微分波形を示す．b 点におけるイオン電流信

号が a 点に比べて 10 倍近く高い値を示している．



イオンセンシング技術を 㻴㻯㻯㻵 機関の燃焼診断に適用するためには，予混合圧縮着火燃焼時の熱発生過また，b 点のイオン電流信号が長い時間流れて

図 6 高温酸化反応における熱発生率開始時期

程とシリンダ内のイオン電流分布との定量的な関係を調査する必要がある．明確な運転条件のもとでイオン電いることがわかる．熱発生率とイオン電流時間とイオン電流時間微分波形の立上り時期との関流分布を測定する手法を確立し，運転条件がイオン電流に及ぼす影響を明らかにする．

微分波形とを比較すると，上死点付近の高温酸係 結果概要

化反応に関係するイオン電流時間微分波形の立率波形にはHSR，イオン電流時間微分波形では

上り時期は熱発生率の立上り時期よりも若干遅HIS とした．さらに低温酸化反応および高温酸 実験装置および実験方法

れていることがわかる．このような傾向を定量

化反応のそれぞれのピーク値を図中に示すよう

図 5 熱発生率およびイオン電流時間微分の特

性値

実験には試験用単気筒可視化エンジンを用い

的に比較するために図 5 に示すような特性値をに LR，HR，LI，HI としている．そのピーク時

た．ピストン上部にイオンプローブを装着させ，

定義した．低温酸化反応開始時期として，熱発期をそれぞれLR，HR，LI，HI と定義した．

シリンダ内の中心部分の O 点，a 点，b 点の計 3



生率波形にはLSR，イオン電流時間微分波形で

図 6 にシリンダ中心位置の O 点では熱発生率開点の測定位置においてイオン電流の測定を行っ

図 2 イオンプローブ形状および挿入位置

はLSI，高温酸化反応開始時期として，熱発生

始時期とイオン電流時間微分の立上り時期とはた．図 1 に測定位置を示す．過去の研究では測燃料にはノルマルヘプタンを用い，機関回転速ある程度，相関が見られる．測定位置 a 点では定できなかった燃焼室中心部分における測定を

度 1000rpm 一定となるようにモーターアシスト



同様に両者に相関が見られるが，イオン電流時可能にした．ピストン上面のイオンプローブ形

し，吸気温度を 50℃～80℃の範囲で変化させ，



間微分の立上り時期が若干遅くなる傾向が見ら状および挿入位置を図 2 に示す．

安定燃焼できる運転条件においてイオン電流信

れる．一方，測定位置 b 点では両者の相関はほ号と筒内圧力信号を，クランク角 0.5 度間隔で

とんど見られない．

100 サイクル分をデジタルレコーダに記録した．







 実験結果および考察 まとめ シリンダ中心 O 点におけるシリンダ内圧力， 単気筒可視化エンジンのピストンにイオンプ



熱発生率，イオン電流，イオン電流時間微分波



ローブを挿入させ，HCCI 燃焼機関におけるイ形の測定例を図 3 に示す．イオン電流値を局所

オン電流計測を可能にした．測定点が 3 点と少

的なイオン濃度と仮定すると，イオン濃度が熱ないため，イオン電流分布の測定までは至って



発生量に比例するものと考えると，イオン電流

図 (a) 過去の測定位置 (b) 本報告の測定位置の時間微分波形，すなわち，イオンの発生速度

熱発生率，イオン電流，イオン電流微分波形

図 1 イオンプローブの測定位置

は局所的な熱発生率を捕えていると考えられる．



─ 84 ─

a 点および b 点におけるシリンダ内圧力，

いないが，さらに測定点を増やし，運転条件による影響を明らかにしていく予定である．

─ 85 ─

公益財団法人 スズキ財団 平成  年度 研究報告書概要

予混合圧縮着火機関におけるシリンダ内









イオン電流分布の計測









Measurement of Ion-current Distribution in Cylinder of HCCI Engine
吉山定見, Sadami Yoshiyama
北九州市立大学, The University of Kitakyushu














 In order to apply the ion current method for sensing the HCCI combustion, the relationship between the rate

図 3 O 点におけるシリンダ内圧力，
熱発生率，

of heat release and the ion current characteristics are discussed in this study. The ion probes were installed the

イオン電流，イオン電流時間微分波形

piston head of HCCI test engine. The intake mixture temperature was varied from 50 degree to 80 degree. The

optimized equivalence ratios were chosen for the intake temperature. Ion current signals of multiple locations

そこで，熱発生率とイオン電流時間微分波形とwere measured near the center of combustion chamber. The experiments proved that the rising time of timeを比較すると，上死点付近の高温酸化反応に関differential of ion current corresponds the timing of high temperature oxidation in RHR from in-cylinder

係するイオン電流の発生時期は熱発生率の発生pressure signals.

時期よりも若干遅れているように見える．



図 4 にシリンダ中心から±10mm の a 点および b.H\:RUGV：Combustion, Ion current, Homogeneous Charge Compression Ignition Engine

点におけるイオン電流信号およびイオン電流時
 研究概要

間微分波形を示す．b 点におけるイオン電流信

号が a 点に比べて 10 倍近く高い値を示している．



イオンセンシング技術を 㻴㻯㻯㻵 機関の燃焼診断に適用するためには，予混合圧縮着火燃焼時の熱発生過また，b 点のイオン電流信号が長い時間流れて

図 6 高温酸化反応における熱発生率開始時期

程とシリンダ内のイオン電流分布との定量的な関係を調査する必要がある．明確な運転条件のもとでイオン電いることがわかる．熱発生率とイオン電流時間とイオン電流時間微分波形の立上り時期との関流分布を測定する手法を確立し，運転条件がイオン電流に及ぼす影響を明らかにする．

微分波形とを比較すると，上死点付近の高温酸係 結果概要

化反応に関係するイオン電流時間微分波形の立率波形にはHSR，イオン電流時間微分波形では

上り時期は熱発生率の立上り時期よりも若干遅HIS とした．さらに低温酸化反応および高温酸 実験装置および実験方法

れていることがわかる．このような傾向を定量

化反応のそれぞれのピーク値を図中に示すよう

図 5 熱発生率およびイオン電流時間微分の特

性値

実験には試験用単気筒可視化エンジンを用い

的に比較するために図 5 に示すような特性値をに LR，HR，LI，HI としている．そのピーク時

た．ピストン上部にイオンプローブを装着させ，

定義した．低温酸化反応開始時期として，熱発期をそれぞれLR，HR，LI，HI と定義した．

シリンダ内の中心部分の O 点，a 点，b 点の計 3



生率波形にはLSR，イオン電流時間微分波形で

図 6 にシリンダ中心位置の O 点では熱発生率開点の測定位置においてイオン電流の測定を行っ

図 2 イオンプローブ形状および挿入位置

はLSI，高温酸化反応開始時期として，熱発生

始時期とイオン電流時間微分の立上り時期とはた．図 1 に測定位置を示す．過去の研究では測燃料にはノルマルヘプタンを用い，機関回転速ある程度，相関が見られる．測定位置 a 点では定できなかった燃焼室中心部分における測定を

度 1000rpm 一定となるようにモーターアシスト



同様に両者に相関が見られるが，イオン電流時可能にした．ピストン上面のイオンプローブ形

し，吸気温度を 50℃～80℃の範囲で変化させ，



間微分の立上り時期が若干遅くなる傾向が見ら状および挿入位置を図 2 に示す．

安定燃焼できる運転条件においてイオン電流信

れる．一方，測定位置 b 点では両者の相関はほ号と筒内圧力信号を，クランク角 0.5 度間隔で

とんど見られない．

100 サイクル分をデジタルレコーダに記録した．







 実験結果および考察 まとめ シリンダ中心 O 点におけるシリンダ内圧力， 単気筒可視化エンジンのピストンにイオンプ



熱発生率，イオン電流，イオン電流時間微分波



ローブを挿入させ，HCCI 燃焼機関におけるイ形の測定例を図 3 に示す．イオン電流値を局所

オン電流計測を可能にした．測定点が 3 点と少

的なイオン濃度と仮定すると，イオン濃度が熱ないため，イオン電流分布の測定までは至って



発生量に比例するものと考えると，イオン電流

図 (a) 過去の測定位置 (b) 本報告の測定位置の時間微分波形，すなわち，イオンの発生速度

熱発生率，イオン電流，イオン電流微分波形

図 1 イオンプローブの測定位置

は局所的な熱発生率を捕えていると考えられる．



─ 84 ─

a 点および b 点におけるシリンダ内圧力，

いないが，さらに測定点を増やし，運転条件による影響を明らかにしていく予定である．

─ 85 ─

3－2．2017年（平成29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

氏名

1

運転者や同乗者の気分に応じて自動運転走行特性を変えられる
眼球計測システム

筑波大学

教授

星野 聖

2

自動運転車と人間の相互理解に基づく協調型自動運転技術

立命館大学

教授

和 田 隆広─ 87 ─

ホシ ノ

ワ ダ

キヨシ

タカヒロ

頁

P.88

P.92

公益財団法人 スズキ財団

平成29年度 課題提案型研究報告書

運転者や同乗者の心理および生理状態をモニタリング
できるセンシング技術の開発
velopment of Sensing Technology for Monitoring the Psychological and Physiological Conditions of a
Car Driver and a Passenger

個人差に応じて，あるいは外部光源の眼球への映り込みがあっても，高精度かつ頑健に眼球運動推定ができる白目領
域テンプレート血管像の選択アルゴリズムの開発であった．
具体的な研究内容は，
以下の通りである．
最適なテンプレート血管像選択のため，第一に，白目領域と血管像の濃淡コントラストを大きくするためのヒストグラム
平坦化処理を導入した．
これにより図１に例示するように血管像が強調される．
第二に，
血管像テンプレートマッチングに適した領域，
すなわち，多少の照明変化にも頑健な領域を得るため，
局所特徴量の１つであるOriented FAST and Rotated BRIEF（以後 ORBと略す）
による特徴点検出を導入した．
ここで，

星野 聖，Kiyoshi Hoshino
筑波大学，University of Tsukuba

ORB の中の FAST の検出器は，隣接点において特徴点を多重に検出する特徴を持つため，血管の太さの情報を特徴点の個数に反映させることが可能である．
また，ORB は特徴量の大きさの上位から閾値を設定して検出が可能でThis report introduces an innovative method, which enables a car driver and a passenger to measureboth eye-tracking and rotational eye movement using a small camera installed diagonally in front of his/あるため，特徴が強い点，
すなわち血管の色の濃さ情報を反映させることが可能である．図２に，
ORB 特徴量の検出例を示す．

her eye by tracking the captured blood vessel image of the eye. Even at night or in a bright environmentof light, our proposed system works robustly.

Key Words : rotational eye movement, eye-tracking, tracking of characteristic blood vessel image.

図1 眼球の撮像画像の例．
元画像（左図）と，
左図枠内においてヒストグラム平坦化処理により濃淡コントラストが強調された眼球画像の例（右図）．

1

はじめに 

自動運転技術が実用に供するレベルに達したら，
自動車は「行きたい目的地へ運んでくれる列車」となる．
しかし列車と違うのは，
自動車では，
同乗者と同じように運転者も「車酔い」を起こす可能性も出てくる．
また，気分が悪くなったり
快適感がなくなったりして，「もっとゆっくりと走行してほしい」
とか，「急発進・急減速をなるべく少なくしてほしい」と願ったり，
右折左折・追い越しの仕方を穏やかにしてほしいと望むようになるかもしれない．反対に，
もっと爽快な走行を期待
するかもしれない．本研究は，自動運転技術の開発段階において，運転者や同乗者の心理および生理状態を簡易に
モニタリングできるセンシング技術の開発を目指している．
本研究の具体的な目的は，
昼夜や観視対象の明暗を問わず，自動車運転者や同乗者の眼球運動を，装置装着者の心理的負荷なしに，高精度に測れるようにすることで，
とくに，
第一に，
どこを見ているか（視線）．第二に，めまいや気持ち悪さなどの体調不良およびその予兆の検出（眼球回旋），の推定を可能にすることである．本課題の達成方法としては，眩しさを感じない微弱な短波長光を補助光として眼球周辺に提示し，眼球の白目部分（強膜や結膜）に存在する血管像の濃淡コントラストを向上させ，テンプレート血管像を追跡する手法を採る．本課題の具体的な達成項目は，以下に述べる通りである．

2

図2 ORB特徴量の検出．白目画像にORB特徴点を重畳した例（左図）と，
特徴点の分布を白色ドットで描画した例（右図）．

第三に，血管像中の輝度勾配によって生じた特徴点のみを残す処理を導入した．図１の画像に対して，
適応的二値
化処理と，
細線化処理を行うことで，
図３のように血管像を抽出した画像を得ることができる．同図中の血管像画像（輝度値 255）の周囲 5×5pixelに存在する図２右の特徴点のみを残すことで，図４のような画像を得ることができる．同図がテンプレート画像を選択する際の候補特徴量となる．
第四に，特徴点の密度を利用して，
テンプレートマッチングに使用する血管画像の選択を行う．すなわち，図４で得られた血管以外の特徴点分布の中から，一定の小領域（50×50pixel）
ごとに，特徴点数の多い順に順位付けを行う．上

達成項目 

位の画像であるほど，照明変化に頑健な領域となる．

2.1	トラッキングに最適な眼球白目血管像を選択する手法

最後に，周囲の比較的強い光源からの映り込みが眼球表面に発生した場合，その光によって生じた輝度勾配に特

眼球白目領域からテンプレート血管像を選び，テンプレートマッチングにより眼球運動を推定する研究代表者の従来徴点が集まってしまう．
その悪影響を除去するため，
図１右の眼球白目領域の輝度値ヒストグラムを作成し，そのヒストグ

手法では，選択の容易さから，虹彩付近の血管もしくは血管端をテンプレート画像として使用することが多かった．
マッ

ラムの累積度数が上位から10％までの輝度値を調べる．
その輝度値の領域が，テンプレート画像候補内にテンプレー

チングのためには，色が濃かったり，
太い血管や特徴的な形状の血管がある方が好都合であるが，眼球の血管像にはト画素総数の１%（25pixel）以上含まれている場合，その画像は環境光による照り返しが存在していると判断し，次の個人差があり，
また，
虹彩付近の血管が必ずしも色が濃かったり太かったりはしなかった．
さらには，たとえば屋内で実験候補に移るようにした．

を行う場合，
天井の蛍光灯などの外部光源が眼球表面に写り込むことがあるため，常時，複数の血管テンプレート画像
によりトラッキングしておき，撮像状況に応じてマッチング結果を選択できると好都合である．

３種類の背景照明環境における計測値（ground truth）と，
本提案手法による推定値の結果とを図５と図６に示す．
図５は眼球回旋運動推定の結果例であり，図６は視線推定の結果例である．通常仕様の PCを使用した場合の処理

それゆえ，本研究において解決すべき課題，
あるいは解決が難しい課題の第一は，装置装用者の眼球血管映像の速度は 28fps であった．得られた結果から，
本提案手法が，背景の明暗に関係なく，高い推定精度が得られていること

─ 88 ─

─ 89 ─

公益財団法人 スズキ財団

平成29年度 課題提案型研究報告書

運転者や同乗者の心理および生理状態をモニタリング
できるセンシング技術の開発
velopment of Sensing Technology for Monitoring the Psychological and Physiological Conditions of a
Car Driver and a Passenger

個人差に応じて，あるいは外部光源の眼球への映り込みがあっても，高精度かつ頑健に眼球運動推定ができる白目領
域テンプレート血管像の選択アルゴリズムの開発であった．
具体的な研究内容は，
以下の通りである．
最適なテンプレート血管像選択のため，第一に，白目領域と血管像の濃淡コントラストを大きくするためのヒストグラム
平坦化処理を導入した．
これにより図１に例示するように血管像が強調される．
第二に，
血管像テンプレートマッチングに適した領域，
すなわち，多少の照明変化にも頑健な領域を得るため，
局所特徴量の１つであるOriented FAST and Rotated BRIEF（以後 ORBと略す）
による特徴点検出を導入した．
ここで，

星野 聖，Kiyoshi Hoshino
筑波大学，University of Tsukuba

ORB の中の FAST の検出器は，隣接点において特徴点を多重に検出する特徴を持つため，血管の太さの情報を特徴点の個数に反映させることが可能である．
また，ORB は特徴量の大きさの上位から閾値を設定して検出が可能でThis report introduces an innovative method, which enables a car driver and a passenger to measureboth eye-tracking and rotational eye movement using a small camera installed diagonally in front of his/あるため，特徴が強い点，
すなわち血管の色の濃さ情報を反映させることが可能である．図２に，
ORB 特徴量の検出例を示す．

her eye by tracking the captured blood vessel image of the eye. Even at night or in a bright environmentof light, our proposed system works robustly.

Key Words : rotational eye movement, eye-tracking, tracking of characteristic blood vessel image.

図1 眼球の撮像画像の例．
元画像（左図）と，
左図枠内においてヒストグラム平坦化処理により濃淡コントラストが強調された眼球画像の例（右図）．

1

はじめに 

自動運転技術が実用に供するレベルに達したら，
自動車は「行きたい目的地へ運んでくれる列車」となる．
しかし列車と違うのは，
自動車では，
同乗者と同じように運転者も「車酔い」を起こす可能性も出てくる．
また，気分が悪くなったり
快適感がなくなったりして，「もっとゆっくりと走行してほしい」
とか，「急発進・急減速をなるべく少なくしてほしい」と願ったり，
右折左折・追い越しの仕方を穏やかにしてほしいと望むようになるかもしれない．反対に，
もっと爽快な走行を期待
するかもしれない．本研究は，自動運転技術の開発段階において，運転者や同乗者の心理および生理状態を簡易に
モニタリングできるセンシング技術の開発を目指している．
本研究の具体的な目的は，
昼夜や観視対象の明暗を問わず，自動車運転者や同乗者の眼球運動を，装置装着者の心理的負荷なしに，高精度に測れるようにすることで，
とくに，
第一に，
どこを見ているか（視線）．第二に，めまいや気持ち悪さなどの体調不良およびその予兆の検出（眼球回旋），の推定を可能にすることである．本課題の達成方法としては，眩しさを感じない微弱な短波長光を補助光として眼球周辺に提示し，眼球の白目部分（強膜や結膜）に存在する血管像の濃淡コントラストを向上させ，テンプレート血管像を追跡する手法を採る．本課題の具体的な達成項目は，以下に述べる通りである．

2

図2 ORB特徴量の検出．白目画像にORB特徴点を重畳した例（左図）と，
特徴点の分布を白色ドットで描画した例（右図）．

第三に，血管像中の輝度勾配によって生じた特徴点のみを残す処理を導入した．図１の画像に対して，
適応的二値
化処理と，
細線化処理を行うことで，
図３のように血管像を抽出した画像を得ることができる．同図中の血管像画像（輝度値 255）の周囲 5×5pixelに存在する図２右の特徴点のみを残すことで，図４のような画像を得ることができる．同図がテンプレート画像を選択する際の候補特徴量となる．
第四に，特徴点の密度を利用して，
テンプレートマッチングに使用する血管画像の選択を行う．すなわち，図４で得られた血管以外の特徴点分布の中から，一定の小領域（50×50pixel）
ごとに，特徴点数の多い順に順位付けを行う．上

達成項目 

位の画像であるほど，照明変化に頑健な領域となる．

2.1	トラッキングに最適な眼球白目血管像を選択する手法

最後に，周囲の比較的強い光源からの映り込みが眼球表面に発生した場合，その光によって生じた輝度勾配に特

眼球白目領域からテンプレート血管像を選び，テンプレートマッチングにより眼球運動を推定する研究代表者の従来徴点が集まってしまう．
その悪影響を除去するため，
図１右の眼球白目領域の輝度値ヒストグラムを作成し，そのヒストグ

手法では，選択の容易さから，虹彩付近の血管もしくは血管端をテンプレート画像として使用することが多かった．
マッ

ラムの累積度数が上位から10％までの輝度値を調べる．
その輝度値の領域が，テンプレート画像候補内にテンプレー

チングのためには，色が濃かったり，
太い血管や特徴的な形状の血管がある方が好都合であるが，眼球の血管像にはト画素総数の１%（25pixel）以上含まれている場合，その画像は環境光による照り返しが存在していると判断し，次の個人差があり，
また，
虹彩付近の血管が必ずしも色が濃かったり太かったりはしなかった．
さらには，たとえば屋内で実験候補に移るようにした．

を行う場合，
天井の蛍光灯などの外部光源が眼球表面に写り込むことがあるため，常時，複数の血管テンプレート画像
によりトラッキングしておき，撮像状況に応じてマッチング結果を選択できると好都合である．

３種類の背景照明環境における計測値（ground truth）と，
本提案手法による推定値の結果とを図５と図６に示す．
図５は眼球回旋運動推定の結果例であり，図６は視線推定の結果例である．通常仕様の PCを使用した場合の処理

それゆえ，本研究において解決すべき課題，
あるいは解決が難しい課題の第一は，装置装用者の眼球血管映像の速度は 28fps であった．得られた結果から，
本提案手法が，背景の明暗に関係なく，高い推定精度が得られていること

─ 88 ─

─ 89 ─

が分かる．以上の結果から，
眼球白目血管像に個人差があっても，また周囲の光環境の明暗に関係なく，さらには眼球左に例示するように，
ほぼ暗闇では，
補助光がないと，血管像だけでなく眼球像がほとんど見えない．
ところが，
周囲が暗

表面への外部光源の映り込みがあったとしても，頑健な眼球運動推定を実現するための構成は実現できたと結論づ

くても，
紫外線補助光を照射した図８右では，眼球白目部分の血管像がはっきりと見える．

けて良い．

生体に対する安全性に関しては，
現状では，
かなりの大電流を流して，
紫外線 LEDを明るく輝かした場合でも，340nm以上の波長を遮断する可視光カットフィルタを介することで，光の明るさは非常に小さくなっている．
今後のさらなるデー
タ蓄積と詳細な検討が必要ではあるが，現状では，選定した最終の紫外線 LED，民生用カメラ，
可視光カットフィルタの組み合わせにより，第一に，装着者に眩しさを感じないようにしつつ，とくに暗闇や暗い映像コンテンツ観視下での計測
では，できれば補助光照射そのものを意識させないようにしつつ，第二に，眼球の白目部分に存在する血管像の濃淡コントラストを強調して，注目した血管像を，高精度かつ頑健に追跡できるようにするための基本構成は明らかにできたと結論づけて良いと考える．
表１ 小型カメラと紫外線 LEDとの組み合わせ

図３ 濃淡コントラストが強調された眼球画像に対して，適応的二値化
処理と細線化処理とを行うことで抽出された血管像の例

図４ 血管の周囲に存在する特徴点のみを残した画像の例

370~380nm

380~390nm

390~395nm

410~420nm

カメラ（１）○△

××カメラ（２）△△

××

上表において，○：自然環境下と比較して，血管像が強調されている△：眼球は撮像されるが，血管像が強調されるほどではない×：眼球が見えない， をそれぞれ表している．

図５ 眼球回旋運動の推定結果の例

図６ 視線推定の例

2.2 装置装用者に眩しさを感じさせずに眼球血管像の濃淡コントラストを強調するための手法
本研究において解決すべき課題，
あるいは解決が難しい課題の二つ目は，第一に，装着者に眩しさを感じないようにしつつ，とくに周囲が暗闇だったり暗い映像等の観視下だったりする場合は，できれば補助光照射そのものを意識させないようにしつつ，第二に，それとは相反して，眼球の白目部分に存在する血管像の濃淡コントラストを強調して，注目し

図７ 自然光下で，
紫外線 LED補助光無し，あるいは有りで撮像した
眼球血管像の例．それぞれ左図が補助光無し，
右図が補助光有り，である

図８ 室内暗所で，
紫外線 LED補助光無し，あるいは有りで撮像した
眼球血管像の例．それぞれ左図が補助光無し，
右図が補助光有り，である．

た血管像を，
いかに高精度かつ頑健に追跡できるようにするかである．
もちろん生体への安全性は担保されている前

3

提である．
本研究システムの今後の実装を考えれば，原理において，高価な特殊専用機器は用いず，廉価な民生機器でも実今後の計画等について
今後１年間程度のうちに達成しようとしている研究課題は，次の通りである．

装可能な構成にすることが望ましい．
ところが，市販されている比較的小型の民生用カメラでは，
規格表に400nm 以下

第一に，
プロトタイプ試作と実証実験により，自動車運転時の利用可能性についてPOCを実現する．
プロトタイプ機の感度が記されていない場合が多く，また，予備的検討の結果でも，短波長帯域がカットされている製品が大半であっの複数台製作と無償貸し出しとにより，システムの問題点の洗い出しと改良，
データ蓄積などが可能となる．第二に，夕た．
そこで本研究では，多くの民生用カメラで予備的検討を行った結果，以下の２製品を最終候補として選定した．

焼け時間帯でも眼球運動計測を可能にする．本研究の成果により，夜間での眼球運動計測は可能となったが，
比較的（１）iDS UI-3241-LE-M（モノクロ）

強い外部光が横方向から入射する場合でも，安定した計測が見込めるようにする．
たとえば背景光強度に応じて露光（２）iDS UI-3271-LE-M（モノクロ）

時間を可変にするといった対応を想定している．第三に，眼球運動推定の高精度化のためのキャリブレーション手法

この２つのカメラを用いて，次のような実験を行った．表１の１行目に示す４種類の波長にピークを持つ紫外線 LEDを検討し，計測可能なダイナミックレンジの拡張と，推定精度の向上を実現する．すでに区間線形を想定した誤差低減

により，短波長光を眼球付近に照射し，可視光カットフィルタ（340nm 以上の波長を遮断，COLORED OPTICAL

キャリブレーションの有効性を見出しているので，さらなる改良により，眼球のほぼ横に設置したカメラでも，従来技術よりGLASS U340 HOYA 社）
を介して可視光を遮断する．
それを，上述の２種類のカメラでそれぞれ眼球撮像した．

も広いダイナミックレンジの視線推定を実現する．

カメラ２種類，LED４種類の，合計８つの組み合わせについて実験を行い，最適な組み合わせを検討した．
その結果を表１に示す．
実験の結果，
ピーク波長が370 ～380nm の紫外線 LEDを用いて，
カメラ（１）iDS UI-3241-LE-M で撮影するのが最適だとの結果が得られた．
（なお，
本予備実験でのシャッター速度は6.4ms である）．以下に，その具体例を図示する．
自然光下において，
紫外線 LED補助光無しと有りとで撮像した眼球血管像を図７に示す．図７左に例示するように，
自然
光下では，補助光がなくても，
眼球白目の血管像は比較的鮮明に見える．補助光を照射した図７右の方が，濃淡コントラストは向上している．次に，室内暗所での，紫外線 LED補助光無しと有りとで撮像した眼球血管像を図８に示す．図８
─ 90 ─

─ 91 ─

が分かる．以上の結果から，
眼球白目血管像に個人差があっても，また周囲の光環境の明暗に関係なく，さらには眼球左に例示するように，
ほぼ暗闇では，
補助光がないと，血管像だけでなく眼球像がほとんど見えない．
ところが，
周囲が暗

表面への外部光源の映り込みがあったとしても，頑健な眼球運動推定を実現するための構成は実現できたと結論づ

くても，
紫外線補助光を照射した図８右では，眼球白目部分の血管像がはっきりと見える．

けて良い．

生体に対する安全性に関しては，
現状では，
かなりの大電流を流して，
紫外線 LEDを明るく輝かした場合でも，340nm以上の波長を遮断する可視光カットフィルタを介することで，光の明るさは非常に小さくなっている．
今後のさらなるデー
タ蓄積と詳細な検討が必要ではあるが，現状では，選定した最終の紫外線 LED，民生用カメラ，
可視光カットフィルタの組み合わせにより，第一に，装着者に眩しさを感じないようにしつつ，とくに暗闇や暗い映像コンテンツ観視下での計測
では，できれば補助光照射そのものを意識させないようにしつつ，第二に，眼球の白目部分に存在する血管像の濃淡コントラストを強調して，注目した血管像を，高精度かつ頑健に追跡できるようにするための基本構成は明らかにできたと結論づけて良いと考える．
表１ 小型カメラと紫外線 LEDとの組み合わせ

図３ 濃淡コントラストが強調された眼球画像に対して，適応的二値化
処理と細線化処理とを行うことで抽出された血管像の例

図４ 血管の周囲に存在する特徴点のみを残した画像の例

370~380nm

380~390nm

390~395nm

410~420nm

カメラ（１）○△

××カメラ（２）△△

××

上表において，○：自然環境下と比較して，血管像が強調されている△：眼球は撮像されるが，血管像が強調されるほどではない×：眼球が見えない， をそれぞれ表している．

図５ 眼球回旋運動の推定結果の例

図６ 視線推定の例

2.2 装置装用者に眩しさを感じさせずに眼球血管像の濃淡コントラストを強調するための手法
本研究において解決すべき課題，
あるいは解決が難しい課題の二つ目は，第一に，装着者に眩しさを感じないようにしつつ，とくに周囲が暗闇だったり暗い映像等の観視下だったりする場合は，できれば補助光照射そのものを意識させないようにしつつ，第二に，それとは相反して，眼球の白目部分に存在する血管像の濃淡コントラストを強調して，注目し

図７ 自然光下で，
紫外線 LED補助光無し，あるいは有りで撮像した
眼球血管像の例．それぞれ左図が補助光無し，
右図が補助光有り，である

図８ 室内暗所で，
紫外線 LED補助光無し，あるいは有りで撮像した
眼球血管像の例．それぞれ左図が補助光無し，
右図が補助光有り，である．

た血管像を，
いかに高精度かつ頑健に追跡できるようにするかである．
もちろん生体への安全性は担保されている前

3

提である．
本研究システムの今後の実装を考えれば，原理において，高価な特殊専用機器は用いず，廉価な民生機器でも実今後の計画等について
今後１年間程度のうちに達成しようとしている研究課題は，次の通りである．

装可能な構成にすることが望ましい．
ところが，市販されている比較的小型の民生用カメラでは，
規格表に400nm 以下

第一に，
プロトタイプ試作と実証実験により，自動車運転時の利用可能性についてPOCを実現する．
プロトタイプ機の感度が記されていない場合が多く，また，予備的検討の結果でも，短波長帯域がカットされている製品が大半であっの複数台製作と無償貸し出しとにより，システムの問題点の洗い出しと改良，
データ蓄積などが可能となる．第二に，夕た．
そこで本研究では，多くの民生用カメラで予備的検討を行った結果，以下の２製品を最終候補として選定した．

焼け時間帯でも眼球運動計測を可能にする．本研究の成果により，夜間での眼球運動計測は可能となったが，
比較的（１）iDS UI-3241-LE-M（モノクロ）

強い外部光が横方向から入射する場合でも，安定した計測が見込めるようにする．
たとえば背景光強度に応じて露光（２）iDS UI-3271-LE-M（モノクロ）

時間を可変にするといった対応を想定している．第三に，眼球運動推定の高精度化のためのキャリブレーション手法

この２つのカメラを用いて，次のような実験を行った．表１の１行目に示す４種類の波長にピークを持つ紫外線 LEDを検討し，計測可能なダイナミックレンジの拡張と，推定精度の向上を実現する．すでに区間線形を想定した誤差低減

により，短波長光を眼球付近に照射し，可視光カットフィルタ（340nm 以上の波長を遮断，COLORED OPTICAL

キャリブレーションの有効性を見出しているので，さらなる改良により，眼球のほぼ横に設置したカメラでも，従来技術よりGLASS U340 HOYA 社）
を介して可視光を遮断する．
それを，上述の２種類のカメラでそれぞれ眼球撮像した．

も広いダイナミックレンジの視線推定を実現する．

カメラ２種類，LED４種類の，合計８つの組み合わせについて実験を行い，最適な組み合わせを検討した．
その結果を表１に示す．
実験の結果，
ピーク波長が370 ～380nm の紫外線 LEDを用いて，
カメラ（１）iDS UI-3241-LE-M で撮影するのが最適だとの結果が得られた．
（なお，
本予備実験でのシャッター速度は6.4ms である）．以下に，その具体例を図示する．
自然光下において，
紫外線 LED補助光無しと有りとで撮像した眼球血管像を図７に示す．図７左に例示するように，
自然
光下では，補助光がなくても，
眼球白目の血管像は比較的鮮明に見える．補助光を照射した図７右の方が，濃淡コントラストは向上している．次に，室内暗所での，紫外線 LED補助光無しと有りとで撮像した眼球血管像を図８に示す．図８
─ 90 ─

─ 91 ─

公益財団法人

スズキ財団

平成 29 年度

課題提案型研究報告書

権限共有モードを基盤とし，人間が自動車に対して自身の状況認識結果等を自動運転車に伝達するこ

自動運転車と人間の相互理解に基づくとで，自動車の知能を，人間にとって使いやすい方向に促進する手法を開発する．また自動運転車も協調型自動運転技術

間の自動運転システムに対する信頼感を向上させると共に，人間の状況認識を強化する手法を開発す

自身の周辺環境認識結果や，機能限界に近づいていることなどを積極的に人間に伝達することで，人る．

Automated Driving Technique based on Mutual Understanding
between Automated Vehicle and Human User2

障害物回避軌道の嗜好性を学習する個人適合型自動運転

2.1

和田隆広,

Takahiro Wada

目的

先行研究から，ドライバの好みの挙動を ADS が行うことで快適性の向上を見込まれる．そこで本研
究では，障害物回避軌道の嗜好性を回避行動毎に学習する自動運転を提案する．ADS が呈示する回避

要旨英文（250～300 文字程度）In the level 3 of driving automation (SAE), the driver is expected to

軌道に対して，介入操作によりドライバが所望する軌道を ADS に教示・学習させる．呈示と教示，学

respond appropriately against an request to intervene (RTI), which shall be issued by automated

習を繰り返しドライバが所望する走行軌道を得ることで，ADS の快適性の向上を目指す．

driving systems (ADS9 when it is necessary. It is pointed out that the appropriate intervene is,

なお本研究が提案するシステムは，ドライバが障害物回避軌道に違和感を覚えた際にオンデマンド

however, difficult to achieve. In this research, we propose a shared authority mode, in which bothで介入操作が行えるものとする．これにより従来から提案されてきたオフライン学習のように，事前a human driver and an ADS perform driving operation to promote mutual understanding of both.

の走行データ収集が不要となり，加えて，好みや状況の変化にも対応しやすくなる．

Based on this shared authority mode, we propose a new style of the automated driving in which
the automated driving is achieved in a form that is easy for humans to use, naturally encourages
the driver in the control loop, leading to high receptiveness for control authority transfer fromADS.

2.2 想定シナリオ
本研究が想定するシナリオを図 2 に示す．自車が 2 車線の左車線を自動運転により走行し，自車前方に他車が停止している状況を想定する．

Key Words：Automated driving systems, shared authority mode, haptic shared control

ドライバが走行軌道に違和感を覚えた際，介入と教示を行う．

1

図 2 想定するシナリオ

はじめに
米国自動車協会(SAE)の自動運転レベル２では常時監視が求められるが，移動中の生産性向上などの，

2.3 提案システムのフロー

自動運転の目的そのものに反しており，またドライバが監視だけを長時間行う事は人間特性上，大き本研究提案するシステムのフローチャートを Fig.2

な困難を伴う．自動運転レベル３の自動運転では，システムが機能限界に陥った場合などには，自動に示す．初めに，ポテンシャル関数 U を用いて走行環化システムが出した操作権限委譲要求（Request to Intervene: RTI）に対してドライバが適切に反応境に対するドライバのリスク感を推定する．次に，ポし，運転を引き継ぐ（権限委譲）ことが求められる．しかし，一度制御ループから離れた人間が運転

テンシャル関数の勾配ベクトルを用いて障害物，ここ操作に戻る際には，相応の準備と時間が必要と考えられ，急な権限委譲に対する不安がある．一方，

では駐車している他車を回避する目標軌道を生成する．

時間余裕を持った TRI 発行が有効であるが，このためには環境情報の予測が必要である．ダイナミッ

経路追従制御法を用いた操舵制御により，ADS は目標

クに変化する環境ではこれは容易ではない．

軌道に追従するように自動運転を行う．自動運転中に一方で著者らはこれまでに，人間と機械が同一の操作（ハンドル操作など）を協力しながら同時に回避軌道が不適切に感じた場合に，ドライバは操舵に行う haptic shared control (HSC)に関して，人間と機械の協調制御における協調状態の判定手法や，より ADS に介入する．操舵権限委譲手法により，操舵

その制御手法，さらに運転支援システムへの応用などを研究している．HSC は，人間を制御ループ内を検知した ADS は制御強度を減少させ，ドライバの回に留めることができる，人間と機械が互いの避行動に追従する．ドライバによる回避が終了した後，状況認識強化，警戒心維持
信頼感向上
スムーズな権限委譲

操作入力やその他の情報を触覚という高速な人間

感覚チャンネルを介して共有できる，という利点を有する． 申請者はこの利点を活かし，自動運転と手動運転の間に，HSC を活用した，
人間と機械の【権限共有モード】を配置する

ADS は計測した走行データを基に他車ポテンシャルの①車両情報提示インタ
フェース
・機械の状況認識結果
・AI作動状態（機能限界等）
・権限委譲度

Shared controlを用いた【権限共有モード】の導入

パラメータを更新し，この更新値を基にポテンシャル②人間による車両運動の教示手法
・快適性向上・信頼感向上・人間の制御ループへの引き戻し／維持自動運転車

ことを提案し，スムーズな権限委譲の実現に貢献しつつある．

人間にとって使いやすい形の知能化，車両運動獲得

そこで本研究ではこの権限共有モードを活

図１ 人間ー自動車間のコミュニケーションに基づく
協調型自動運転技術

用し，人間と自動車間の相互理解を促すこと

Fig.2 提案手法のフローチャート
図 3 提案手法のフローチャートを再生成する．以上の手順により，ドライバの好みの回避軌道を学習することが可能になる．
2.4 ドライビングシミュレータ実験
2.4.1 実験条件
実験要因は介入条件 2 水準と初期回避パターン条件 3 水準とした．介入条件の内訳は介入なし条件と介入あり条件である．介入なし条件は常に自動運転で走行する条件で，介入あり条件はドライバの介入操作により所望の軌道を得る提案法を用いる条件である．

で，高度な自動運転を人間にとって使いやすい形で実現することを目的とする（図１）．具体的には，一方，初期回避条件の内訳は near 条件，middle 条件，far 条件である．near 条件は他車をかなり

─ 92 ─

─ 93 ─

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課題提案型研究報告書

権限共有モードを基盤とし，人間が自動車に対して自身の状況認識結果等を自動運転車に伝達するこ

自動運転車と人間の相互理解に基づくとで，自動車の知能を，人間にとって使いやすい方向に促進する手法を開発する．また自動運転車も協調型自動運転技術

間の自動運転システムに対する信頼感を向上させると共に，人間の状況認識を強化する手法を開発す

自身の周辺環境認識結果や，機能限界に近づいていることなどを積極的に人間に伝達することで，人る．

Automated Driving Technique based on Mutual Understanding
between Automated Vehicle and Human User2

障害物回避軌道の嗜好性を学習する個人適合型自動運転

2.1

和田隆広,

Takahiro Wada

目的

先行研究から，ドライバの好みの挙動を ADS が行うことで快適性の向上を見込まれる．そこで本研
究では，障害物回避軌道の嗜好性を回避行動毎に学習する自動運転を提案する．ADS が呈示する回避

要旨英文（250～300 文字程度）In the level 3 of driving automation (SAE), the driver is expected to

軌道に対して，介入操作によりドライバが所望する軌道を ADS に教示・学習させる．呈示と教示，学

respond appropriately against an request to intervene (RTI), which shall be issued by automated

習を繰り返しドライバが所望する走行軌道を得ることで，ADS の快適性の向上を目指す．

driving systems (ADS9 when it is necessary. It is pointed out that the appropriate intervene is,

なお本研究が提案するシステムは，ドライバが障害物回避軌道に違和感を覚えた際にオンデマンド

however, difficult to achieve. In this research, we propose a shared authority mode, in which bothで介入操作が行えるものとする．これにより従来から提案されてきたオフライン学習のように，事前a human driver and an ADS perform driving operation to promote mutual understanding of both.

の走行データ収集が不要となり，加えて，好みや状況の変化にも対応しやすくなる．

Based on this shared authority mode, we propose a new style of the automated driving in which
the automated driving is achieved in a form that is easy for humans to use, naturally encourages
the driver in the control loop, leading to high receptiveness for control authority transfer fromADS.

2.2 想定シナリオ
本研究が想定するシナリオを図 2 に示す．自車が 2 車線の左車線を自動運転により走行し，自車前方に他車が停止している状況を想定する．

Key Words：Automated driving systems, shared authority mode, haptic shared control

ドライバが走行軌道に違和感を覚えた際，介入と教示を行う．

1

図 2 想定するシナリオ

はじめに
米国自動車協会(SAE)の自動運転レベル２では常時監視が求められるが，移動中の生産性向上などの，

2.3 提案システムのフロー

自動運転の目的そのものに反しており，またドライバが監視だけを長時間行う事は人間特性上，大き本研究提案するシステムのフローチャートを Fig.2

な困難を伴う．自動運転レベル３の自動運転では，システムが機能限界に陥った場合などには，自動に示す．初めに，ポテンシャル関数 U を用いて走行環化システムが出した操作権限委譲要求（Request to Intervene: RTI）に対してドライバが適切に反応境に対するドライバのリスク感を推定する．次に，ポし，運転を引き継ぐ（権限委譲）ことが求められる．しかし，一度制御ループから離れた人間が運転

テンシャル関数の勾配ベクトルを用いて障害物，ここ操作に戻る際には，相応の準備と時間が必要と考えられ，急な権限委譲に対する不安がある．一方，

では駐車している他車を回避する目標軌道を生成する．

時間余裕を持った TRI 発行が有効であるが，このためには環境情報の予測が必要である．ダイナミッ

経路追従制御法を用いた操舵制御により，ADS は目標

クに変化する環境ではこれは容易ではない．

軌道に追従するように自動運転を行う．自動運転中に一方で著者らはこれまでに，人間と機械が同一の操作（ハンドル操作など）を協力しながら同時に回避軌道が不適切に感じた場合に，ドライバは操舵に行う haptic shared control (HSC)に関して，人間と機械の協調制御における協調状態の判定手法や，より ADS に介入する．操舵権限委譲手法により，操舵

その制御手法，さらに運転支援システムへの応用などを研究している．HSC は，人間を制御ループ内を検知した ADS は制御強度を減少させ，ドライバの回に留めることができる，人間と機械が互いの避行動に追従する．ドライバによる回避が終了した後，状況認識強化，警戒心維持
信頼感向上
スムーズな権限委譲

操作入力やその他の情報を触覚という高速な人間

感覚チャンネルを介して共有できる，という利点を有する． 申請者はこの利点を活かし，自動運転と手動運転の間に，HSC を活用した，
人間と機械の【権限共有モード】を配置する

ADS は計測した走行データを基に他車ポテンシャルの①車両情報提示インタ
フェース
・機械の状況認識結果
・AI作動状態（機能限界等）
・権限委譲度

Shared controlを用いた【権限共有モード】の導入

パラメータを更新し，この更新値を基にポテンシャル②人間による車両運動の教示手法
・快適性向上・信頼感向上・人間の制御ループへの引き戻し／維持自動運転車

ことを提案し，スムーズな権限委譲の実現に貢献しつつある．

人間にとって使いやすい形の知能化，車両運動獲得

そこで本研究ではこの権限共有モードを活

図１ 人間ー自動車間のコミュニケーションに基づく
協調型自動運転技術

用し，人間と自動車間の相互理解を促すこと

Fig.2 提案手法のフローチャート
図 3 提案手法のフローチャートを再生成する．以上の手順により，ドライバの好みの回避軌道を学習することが可能になる．
2.4 ドライビングシミュレータ実験
2.4.1 実験条件
実験要因は介入条件 2 水準と初期回避パターン条件 3 水準とした．介入条件の内訳は介入なし条件と介入あり条件である．介入なし条件は常に自動運転で走行する条件で，介入あり条件はドライバの介入操作により所望の軌道を得る提案法を用いる条件である．

で，高度な自動運転を人間にとって使いやすい形で実現することを目的とする（図１）．具体的には，一方，初期回避条件の内訳は near 条件，middle 条件，far 条件である．near 条件は他車をかなり

─ 92 ─

─ 93 ─

接近した状態で回避する軌道，far 条件は他車を大きく回避する軌道，middle 条件はその中間の軌道

そのため，本研究では，機能限界が発生しうる可能性がある”不確実状況”下での”事前の権限委譲”をである．この条件により，各 ADS が持つであろう挙動の特徴を模擬している．

検討し，ドライバ負担を最小化する手法としての”Shared mode”（システムと人間が運転権限を共有

2.4.2 評価項目

するモード）を提案する．権限委譲の内容としては，不確定状況において権限委譲の準備を促すよう

学習の達成を ADS の目標軌道と実際の走行軌道の二乗誤差（RMS e 値）で評価する．この指標によに”ハンドル保持”を要求する手法である．これは低コストで，ドライバを制御ループに復帰させる画

り，ドライバが満足する走行軌道を提案法は学習できたかを確認する．ADS の快適性についてはアン期的な手法であると考えられる．ドライビングシミュレータを用いた実験結果により，提案手法が低ケートで確認する．

負荷かつ高い車両安定性をもたらすことを示した．

2.4.3 測定結果
Number of learninga.学習軌道の収束
2

near 条件と far 条件の RMS e に注目する（図 4）
．両条件

0

1

2

3

3.2 実験内容

5では，２つのパターンがありえる：（ａ）霧が深くなり機能限界に陥る，（ｂ）霧が濃くならずかつ機

1.5

ドライバは学習初期に大きく介入し，その後，学習結果に一方，middle 条件に注目すると，有意差は認められなかったものの，平均値の現象から最終的な学習結果に満足し能限界に陥らない．実験シナリオとして，
1

RMS e [m]満足して介入量が減少したことが示されている．

不確定状況として，高速道路にて”うすい霧”が発生している状況を想定した（図 7 上）．この状況下

far

middlenearの走行 1 回目と走行 6 回目で有意に値が減少しているため，

4

両者のケースを想定し，他の権限委譲手法と比較した．

0.5

図 7 下に，４つの実験条件（手法）を示
0

たと思われる．
b. ADS の快適性

-0.5

介 入 条 件 間 を 比 較 す る と ， 介 入 あ り 条 件 の near ・す．一番上は，権限共有モード(提案手法)
1

2

3

4

5

6

Trial number

middle・far 条件で有意に評価が向上したことが確認でき

Deep fog

Thin fog

図 4 学習による軌道誤差の収束る（図 5）．このことから，ドライバが所望する回避軌道をである Proposed 条件． 2 つ目は，不確定Proposed

状況に陥ったときに警告を生成する Pre 条Pre

件．3 つ目は，不確定状況では何も実行せOnce

ずに機能限界時に入って初めて介入要求をADS が学習したことにより，ADS の快適性が向上したと言える．

表示する Once 条件．4 つ目は，不確定状

c. ADS への信頼感

況で即時に介入要求を生成する Sensitive

介入無し条件の結果から，走行軌道が信頼感に影響していることがわかる（図 6）．また，介入条件

Uncertainty Situation

Functional Limit

Shared authority mode

Manual driving

ADS
ADS

Manual driving

ADS

Manual driving

ADS

Sensitive

Manual driving

Manual driving: Handle Hold Request: Alert: RTI

図 7 実験条件

条件である．

間を比較すると，介入あり条件の near・middle・far 条件で有意に評価が向上したことが確認できる．
このことから，ドライバが所望する回避軌道を ADS が学習した走行軌道にて走行することにより，ADS

3.3 結果の信頼感が向上したと言える．

提案手法が，予測したように，他の手法と比べて有意な差を示した．車両安定性を示す SDLP では，
Pre および Once 条件よりも優れていることがわかった（図 8）．また，ドライバ負担の示す WWL では，Pre および Sensitive 条件よりも負荷が小さいことがわかった（図 9）．これらの結果から，提案した Shared Mode を用いた権限委譲手法の有効性が確認された．
*

*
80
70

WWL score60

図 6 システム（介入）の有無
図 5 システム（介入）の有無による

40
30
20
10

による信頼感評価

快適性評価

0

1

Proposed

図8

3

50

SDLP

図9

2

Pre

3

Once

4

Sensitive

WWL スコア

不確実状況における権限共有モード

3.1

目的

ADS の機能限界時の権限委譲をスムーズに行うため，できるだけ早い段階での権限委譲が望ましい

4

まとめ
本研究では人間にとって使いやすい自動運転を目指し，ドライバからシステムに介入して学習させが，これには不確実性の高い状況における状況変化の長期予測が必要となり大変な困難が伴う．判断る車両運動快適か手法，システムからドライバへ不確実性を早めに伝達すると共に運転への介入準備の制度が低い場合には，システムがドライバの信頼を低下させるリスクもある．これは，介入要求がを促す手法を提案し，シミュレータ実験を実施した．両手法において，運転行動や車両挙動の適正化

機能制限なしに何度も発生した場合，ドライバに無駄にコストを支払わせる可能性があるためである．

のみならず，ドライバの快適性，信頼感そして，精神負担軽減効果を確認することができた．

─ 94 ─

─ 95 ─

接近した状態で回避する軌道，far 条件は他車を大きく回避する軌道，middle 条件はその中間の軌道

そのため，本研究では，機能限界が発生しうる可能性がある”不確実状況”下での”事前の権限委譲”をである．この条件により，各 ADS が持つであろう挙動の特徴を模擬している．

検討し，ドライバ負担を最小化する手法としての”Shared mode”（システムと人間が運転権限を共有

2.4.2 評価項目

するモード）を提案する．権限委譲の内容としては，不確定状況において権限委譲の準備を促すよう

学習の達成を ADS の目標軌道と実際の走行軌道の二乗誤差（RMS e 値）で評価する．この指標によに”ハンドル保持”を要求する手法である．これは低コストで，ドライバを制御ループに復帰させる画

り，ドライバが満足する走行軌道を提案法は学習できたかを確認する．ADS の快適性についてはアン期的な手法であると考えられる．ドライビングシミュレータを用いた実験結果により，提案手法が低ケートで確認する．

負荷かつ高い車両安定性をもたらすことを示した．

2.4.3 測定結果
Number of learninga.学習軌道の収束
2

near 条件と far 条件の RMS e に注目する（図 4）
．両条件

0

1

2

3

3.2 実験内容

5では，２つのパターンがありえる：（ａ）霧が深くなり機能限界に陥る，（ｂ）霧が濃くならずかつ機

1.5

ドライバは学習初期に大きく介入し，その後，学習結果に一方，middle 条件に注目すると，有意差は認められなかったものの，平均値の現象から最終的な学習結果に満足し能限界に陥らない．実験シナリオとして，
1

RMS e [m]満足して介入量が減少したことが示されている．

不確定状況として，高速道路にて”うすい霧”が発生している状況を想定した（図 7 上）．この状況下

far

middlenearの走行 1 回目と走行 6 回目で有意に値が減少しているため，

4

両者のケースを想定し，他の権限委譲手法と比較した．

0.5

図 7 下に，４つの実験条件（手法）を示
0

たと思われる．
b. ADS の快適性

-0.5

介 入 条 件 間 を 比 較 す る と ， 介 入 あ り 条 件 の near ・す．一番上は，権限共有モード(提案手法)
1

2

3

4

5

6

Trial number

middle・far 条件で有意に評価が向上したことが確認でき

Deep fog

Thin fog

図 4 学習による軌道誤差の収束る（図 5）．このことから，ドライバが所望する回避軌道をである Proposed 条件． 2 つ目は，不確定Proposed

状況に陥ったときに警告を生成する Pre 条Pre

件．3 つ目は，不確定状況では何も実行せOnce

ずに機能限界時に入って初めて介入要求をADS が学習したことにより，ADS の快適性が向上したと言える．

表示する Once 条件．4 つ目は，不確定状

c. ADS への信頼感

況で即時に介入要求を生成する Sensitive

介入無し条件の結果から，走行軌道が信頼感に影響していることがわかる（図 6）．また，介入条件

Uncertainty Situation

Functional Limit

Shared authority mode

Manual driving

ADS
ADS

Manual driving

ADS

Manual driving

ADS

Sensitive

Manual driving

Manual driving: Handle Hold Request: Alert: RTI

図 7 実験条件

条件である．

間を比較すると，介入あり条件の near・middle・far 条件で有意に評価が向上したことが確認できる．
このことから，ドライバが所望する回避軌道を ADS が学習した走行軌道にて走行することにより，ADS

3.3 結果の信頼感が向上したと言える．

提案手法が，予測したように，他の手法と比べて有意な差を示した．車両安定性を示す SDLP では，
Pre および Once 条件よりも優れていることがわかった（図 8）．また，ドライバ負担の示す WWL では，Pre および Sensitive 条件よりも負荷が小さいことがわかった（図 9）．これらの結果から，提案した Shared Mode を用いた権限委譲手法の有効性が確認された．
*

*
80
70

WWL score60

図 6 システム（介入）の有無
図 5 システム（介入）の有無による

40
30
20
10

による信頼感評価

快適性評価

0

1

Proposed

図8

3

50

SDLP

図9

2

Pre

3

Once

4

Sensitive

WWL スコア

不確実状況における権限共有モード

3.1

目的

ADS の機能限界時の権限委譲をスムーズに行うため，できるだけ早い段階での権限委譲が望ましい

4

まとめ
本研究では人間にとって使いやすい自動運転を目指し，ドライバからシステムに介入して学習させが，これには不確実性の高い状況における状況変化の長期予測が必要となり大変な困難が伴う．判断る車両運動快適か手法，システムからドライバへ不確実性を早めに伝達すると共に運転への介入準備の制度が低い場合には，システムがドライバの信頼を低下させるリスクもある．これは，介入要求がを促す手法を提案し，シミュレータ実験を実施した．両手法において，運転行動や車両挙動の適正化

機能制限なしに何度も発生した場合，ドライバに無駄にコストを支払わせる可能性があるためである．

のみならず，ドライバの快適性，信頼感そして，精神負担軽減効果を確認することができた．

─ 94 ─

─ 95 ─