Print edition : ISSN 0385‑4124
Online edition : ISSN 2433‑2003

八戸工業高等専門学校
紀要第 56 号

令

和４

年

八 戸 工 業 高 等 専 門 学 校

八戸工業高等専門学校紀要

第56号

目次

＜教育論文＞
女性エンジニアへのキャリア支援2････ 齋-コロナ禍における八戸高専「ろぼっと娘」の社会貢献活動-

八戸高専における観光を通した文化教育とリーディングの可････ 菊能性

細吉組み込みロボット授業における地域企業と連携したものづく････ 中り技術交流の実践(4)
野
遠

麻

池

子 ････

秋

川
田
村

雅
嘉
中

田

達

夫 ････

靖昭
孝 ････
崇也＜研究論文＞
工
ダウンサンプリング処理を用いた自動運転のためのオブジェ
長
････
クト検出法
釜
田

藤

憲

谷
所

博
嘉

昌
輝
････
行
昭

ノ

勇

人 ････屋

量子力学の観測問題はなかった？
--量子力学の半分は情報理論である III--････ 中熱CVD法による二次元物質六方晶窒化ホウ素結晶の成長

中 村
小 子 内
････
角 館
鎌 田

嘉
行
俊
貴

孝
羅
････
行
晴

熱CVD法によるグラフェンの結晶成長と転写技術の開発

中
小
････
角
鎌

村
橋
館
田

嘉
正
俊
貴

孝
幹
････
行
晴

機械学習を用いた耐候性鋼材のさび外観評価モデルの開発････ 杉田尚

男 ････RESEARCH REPORTS
National Institute of Technology, Hachinohe College
No.56 2021

Contents＜Education Theses＞
Developing Career Path for Female Engineers 2-With Special Reference to the Continuous Activities of Social
Asako SAI･･････
Contribution by NIT, Hachinohe College ‘Robot Musume’ in theSocial Situation of COVID 19-･･････The Possibility of Cultural Education and Reading throughTourism at NIT, Hachinohe College･･････

Akio KIKUCHI･･････

Yasushi HOSOKAWA
Craftsmanship Tchnology Exchange which Cooperated with the
Masaaki YOSHIDA
Local Company on Handicraft Class of Line-following Robots by ･･････
Yoshitaka NAKAMURA ･･････
Microcomputers (4)Takashi NONAKA
Tatsuya TOHDA＜Research Theses＞
Norimasa KUDOH
A study on detecting movement of objects using down-sampling
Hikaru NAGAYA･･････
processing
Hiroyuki KAMAYA
Yoshiaki TADOKORO･･････

There has not been the Measurement Problem in Quantum
Mechanics?
--A half of Quantum Mechanics is an information theory (III)--

Hayato NAKANO････････････

Growth of two-dimensional material hexagonal boron nitride
crystal by thermal CVD method

Yoshitaka NAKAMURA
Takara OKONAI････････････
Toshiyuki KAKUDATE
Takaharu KAMADA

Development of Crystal Growth and Transfer Technology ofGraphene by Thermal CVD Method

Yoshitaka NAKAMURA
Masaki KOBASHI････････････
Toshiyuki KAKUDATE
Takaharu KAMADA

Development of rust appearance evaluation model forweathering steel using deep learning

Hisao SUGITA････････････

八戸工業高等専門学校紀要                                      1
第号  （）

女性エンジニアへのキャリア支援 2-コロナ禍における八戸高専「ろぼっと娘」の社会貢献活動 齋 麻子*
Developing Career Path for Female Engineers 2
With Special Reference to the Continuous Activities of Social Contribution by NIT, Hachinohe College ‘Robot
Musume’ in the Social Situation of COVID-19
Asako SAI
* 総合科学教育科

Keywords :Career paths, Female engineers, Social activities
1. はじめに
令和 3 年度に愛好会「ろぼっと娘」は結成から 4 年を迎えた。以前、拙稿「女性エンジニアへのキャリア支援－八戸高専『ろぼっと娘』の社会貢献活動を通して―」により、結成の経緯や結成初年度・平成 30 年度の活動内
容を紹介した。(注 1)
本稿では、結成 4 年目の現在に至るまで活動内容、特にコロナ禍における地域貢献活動を中心に報告する。

中心的な活動となった。この２つの取り組みをベースに現在も活動を続けている。
2 年目の活動は、初年度からさらに継続性を持たせるための地ならしの活動となった。以下の項では、本校所
在地・八戸市との地域の結びつき、および岩手大学による enpit 参加でのスキルアップについて紹介する。

2. 「ろぼっと娘」2 年目までの動き
拙稿では、結成前夜から結成初年度の活動を紹介したが、初年度の活動は、総じて言えば、活動開始の模索期であった。そのため、結成の契機となった鹿児島高専学
生主事・塚崎香織教授率いる鹿児島高専「Robogals」と交流を重ね、活動方法を学んだ。(注 2)また、結成当時の背景として、本校は COC 事業の実施時期と重なり、学生による地域貢献活動を行っていた。この実績を活かし、八戸市民向けのイベント出展や小学校への出前授業を行った。小学校への出前授業については、本校の自主探究の枠組みの中で学生が主体的に出前授業の教材を作り、活動の中核にすることができた。
地域の市民向けイベントへの出展と小学校への出前授業という初年度の取り組みは、以降の「ろぼっと娘」の

写真 1 初年度の出前授業：八戸市立西白山台小学校
2.1 地域との結びつき―八戸市学生＆高校生まちづく
りコンペティション参加－
本校所在地である八戸市では、毎年、「学生まちづくり助成金」「高等学校地域活動促進事業助成金」を交付しており、採択され活動を行った学生団体に対し、その成果報告として「学生＆高校生まちづくりコンペティション」

麻子
2齋
齋 麻子

を実施している。
「ろぼっと娘」は、結成 2 年目となる令援を継続してくださっている八戸市市民連携推進課・市
和元年度より、市内大学生対象の「学生まちづくり助成
民協同グループの皆様、八戸市教育センターの石井一二金」を申請し、八戸市の助成を受けて活動を行っている。
三様に深謝いたします。また、「ろぼっと娘」の活動の機
初年度の活動の一つであった出前授業を充実させるた会を与えてくださった八戸工業大学第二高等学校附属中
めに助成金を申請した。採択にあたり、審査会が設けら学校、八戸市立明治中学校、八戸市立西白山台小学校、れ、審査員から評価や助言を受けることができる。審査
八戸市立三条小学校、八戸市立田面木小学校、五戸町立時の助言により、八戸市内小中学校でのプログラミング
上市川小学校の教職員の皆様に感謝いたします。JST の教育必修化をけん引する立場の八戸市教育センター・石次世代人材育成事業「女子中高生の理系進路選択支援プロ
井一二三氏を紹介いただいた。以後、「ろぼっと娘」の出グラム」に「はばたけ SciTech Girls(サイテック・ガールズ)―
前授業の教材開発は、八戸市のプログラミング教育必修
北東北産業都市八戸発！青森リケジョの人材交流型育成―
写真3
西白山台小学校出前授業・講義編開始時
化の取り組みの現状を踏まえ、石井氏をはじめとする地
写真 14 enPiT 成果発表 リモートによる質疑応答
を採択に向けての申請・けん引してくだっている本校総合科
域小中学校の教育現場の方々から助言を賜りながら出前
学教育科・戸田山みどり先生、副顧問的な立場として、授業の教材づくりに取り組んでいる。
enPiT の指導など、技術的にサポートしてくださった本
令和 2 年 2 月 15 日に実施された「令和元年度・第 9校電気情報工学コース・細川先生をはじめ、活動を支援
4. おわりに回 学生＆高校生まちづくりコンペティション」におい
してくださった本校教職員の皆様にも感謝いたします。
て、活動開始「Robogals」という世界的な教育ボランティア団体へ
2 年目の活動報告を発表し、取り組みが評
この場をお借りして御礼申し上げます。
の加盟を目指して結成された「ろぼっと娘」は、地元・価され、特別賞を受賞した。(注3)
八戸市を中心に活動を模索し、実績づくりをしてきた。
この年実施した出前授業は、
注記「Robogals」に対する加盟のアプローチは、結成初年度
・八戸市立明治中学校
3 年生（1）拙稿「女性エンジニアへのキャリア支援―八戸高専に行ったが、返信がなかった。実績を積んだ後に再度ア・八戸工業大学第二高等学校附属中学校
2 年生
「ろぼっと娘」の社会貢献活動を通して―」は『八戸工プローチをすることを検討し、結成 3 年目には「Robogals」
・八戸市立三条小学校
4 年生
業高等専門学校紀要』第 54 号(2020.02)に掲載されていへの加盟を願い出る予定であった。しかし、世界を揺る・八戸市立田面木小学校
6 年生
る。
「ろぼっと娘」の結成の経緯と初年度の活動についてがすコロナ禍の影響により、加盟申請できるような状況
写真 4 西白山台小学校出前授業・実習編
・八戸市立西白山台小学校
5 年生
紹介した。
ではなくなった。だか、着実に実績を積み、少なくとも
上記 5 校で実施することができた。
https://www.jstage.jst.go.jp/browse/hnctech/54/0/_conte
地元・八戸市から高く評価され、継続的な支援を受ける
2.2 岩手大学による enPiT でのスキルアップ
出前授業の実施に当たっては、事前の教材づくりを自nts/-char/ja
ことができるようになった今、コロナ禍であっても活動
主探究として取り組む
3 年生 2 名を中心に行っている。
を止めない努力を行ってきた。
実施校の教員の助言をもとに、対象となる生徒向けの教結成初年度より、活動の中心に利用してきた
Smart
（2）
「Robogals」とは、オーストラリアのメルボルン大余談ではあるが、本校自主探究において低学年生の支材を作成し、出前授業当日は約 10 名程度の学生で活動しSmall Turtle
Robot に対する深い理解と、このロボット学の学生が結成し、運営している教育ボランティアの学
援するファシリテーターを務める学生の中に、ている。使用するロボット
1 台につき、子供たちに数名「ろぼっとを小中学校でのプログラミング教育出前授業においてよ
生団体であり、世界中に 30 を超える支部を持つ。
娘」のメンバーが多くいる。このことは、学業にとどまのグループを構成し、操作しながら考える活動時に、学り活用できるかというスキルアップのため、「ろぼっと娘」「Robogals」の HP にて活動内容が確認できる。
らず、自らの専門性を活かした「ろぼっと娘」の活動に生が 2～3 グループを見守り、助言をするというスタイルの中核メンバーである 4 年生と 3 年生の有志が、岩手大https://robogals.org/about/about-us/
より学生自らの自信につながっていると考えられる。
をとり、授業を実施している。
学による enPiTプログラムに参加し、研鑽の場としてい鹿児島高専の「Robogals Kagoshima」の活動紹介は内閣
また、結成時にリーダーを務めた学生が、本校専攻科
る。enPiT府男女共同参画局のとは、文部科学省の「国公私立大学を通じたHP 上で閲覧できる。
での特別研究に「ろぼっと娘」での経験を生かしたプロ
大学教育再生の戦略的推進」の支援事業のうち、大阪大
http://www.gender.go.jp/about_danjo/whitepaper/r01/z
グラミング教育コンテンツ開発を行っている。
学が中心となって全国で実施している「成長分野を支え
entai/html/column/clm_05.html「ろぼっと娘」の活動は、高専在学中に、学生としてる情報技術人材の育成拠点の形成」事業を略したもので専門性を学びながら、教育ボランティアとして自らの知ある。enPiT
は「ビックデータ・AI 分野」「セキュリテ（3）八戸市による「学生まちづくり助成金」は八戸市内
識や技術を実際に社会に還元し、貢献できる体験である。
ィ分野」「組込みシステム分野」「ビジネスシステムデザの高等教育機関の学生を対象に、学生の地域貢献活動に結成から 3 年が経過し、徐々にではあるが、活動に参加
イン分野」対し助成する取り組みである。年度末には「八戸市学生の 4 分野からなる｡ろぼっと娘が参加したのは、していた女子学生たちの自信をつけていく姿を筆者は目名古屋大学がリーダーとなる「組込みシステム分野」で＆高校生まちづくりコンペティション」を開催し、活動の当たりにしている。彼女たちの卒業後、女性技術者とあり、岩手大学が連携校となって北東北の学生たちが参の優劣を審査される八戸市の事業である。これまでの参してのキャリアに少なからず影響をもたらすのではない
加したものである。(注4)
加実績や審査結果などは八戸市のHP 上で確認できる。
かと期待する。少なくともコロナ禍において、逆境の中、ろぼっと娘結成初年度より、本校情報系の 4 年生有志
https://www.city.hachinohe.aomori.jp/soshikikarasaga
活動を継続できた学生たちの今後の将来に期待したい。
がこの事業に参加し、北東北の大学生・高専生と交流を
su/shiminrenkeisuishinka/kyodonomachizukuri/2/488
写真 2 令和元年度・第 9 回
持ちながら、研鑽を積んだ。2 年目からはろぼっと娘の
2.html謝辞
学生＆高校生まちづくりコンペティション
運営に携わる学生有志がこの事業に参加を継続している。
本校「ろぼっと娘」の活動を理解し、助成・助言・支専門の技術を磨く自己研鑽の活動ではあるが、enPiT（4）enPiT とは、文部科学省による「成長分野を支える女性エンジニアへのキャリア支援 コロナ禍における八戸高専「ろぼっと娘」の社会貢献活動

参加学生の中でも、継続性をもったテーマで先輩から後輩へと受け継がれていく姿は、他に類がないことにより運営側からも大きな評価を得ることができた。集団としての活動の中で、個々のスキルを磨く機会をもつ活動もこの組織ならではのものと言える。

写真 5 令和元年度 enPiT 成果報告会ポスター
3. コロナ禍における「ろぼっと娘」の活動

前節では結成 2 年目の主な活動を紹介した。結成当初は「Robogals」加盟が目標であり、その実現のための実績づくりが初年度からの取り組みであり、２年目はより地域に根差し、自らの研鑽を積む地固めの活動へと、堅実に活動の幅を伸ばして活動することができた。結成 3 年目となる昨年度、2 年目からさらに継続的な活動を強め、「Robogals」の加盟へ向
けて動き出そうとしていた。活動の場を広げ、八戸市まちづく
りコンペティションで特別賞を受賞するなどの評価を糧に、さらなる活動を広げようとした結成 3 年目を迎えるのを目前に、世界を混乱に陥れたコロナ禍に突入することとなる。結成 3年目は、コロナ禍での活動が強いられることとなった。
3.1 サイテックガールズでの活動
コロナ禍の混乱の只中にあった令和 2 年度は奇しくも本校が JST の次世代人材育成事業「女子中高生の理系進路選
択支援プログラム」に採択された。本校は「はばたけ SciTech
Girls(サイテック・ガールズ)―北東北産業都市八戸発！青森リケジョの人材交流型育成―」という企画名を掲げ、青森
県における女子中高生への理系進路選択の啓もう活動を実施することとなった。「ろぼっと娘」は女子学生を中心に活動

3する愛好会であるため、この企画の旗頭として地域の女子中高生のロールモデルとしての役割を期待されている。
コロナ禍で人が集まるイベントの開催が難しい中、感染対策を十分に行いながら、以下の催しが企画された。(注 5)・八戸高専説明会およびサイテック・フェス(青森市)8 月 23 日
・サイテック・フェス in 弘前(弘前市)9 月 26 日
本校を会場として開催予定であったサイテック・フェス in
八戸(12 月 12 日開催予定)は、残念ながら感染拡大により、開催中止となった。限られたイベント開催時にも参加し、女子中高生のロールモデルとして活動を紹介した。

写真 6 8 月 23 日の青森会場での様子
3.2 コロナ禍の出前授業
世の中の流れに違わず、本校の令和 2 年度の開始は学生を登校させない形で開始された。本校だけをとって見ても、人々が集まり活動を共にすることを制限されていたため、出前授業などという、他校を訪問する活動を行うことはかなり難しいものであった。
しかし、前年度に市内の学生団体に助成を行った八戸市
は、コロナ禍にあっても市内の学生の社会貢献活動を停止しないよう、これまでに実績のある学生団体に呼びかけた。「ろぼっと娘」も例に漏れず呼びかけられ、「可能な限り」という前提での活動を約束し、再び八戸市からの助成を受けることとなった。
3.2.1 八戸工業大学第二高等学校附属中学校出前授業
出前授業を開催するには難しさがあったが、小規模ではあっても、サイテック・フェスが開催・実施できたことを受け、十分な感染防止対策を行えば実施可能ではないかと模索し、出前授業の計画を立てた。折しも、前年度に出前授業を実施した八戸工業大学第二高等学校附属中学校(以下、附属中学校)から出前授業の依頼が舞い込み、双方の感染予防対策を話し合いながら、出前授業を実施することとなった。
附属中学校が前年度に出前授業を依頼したのは、八戸市

麻子
4齋
齋 麻子

立明治中学校への出前授業が新聞記事となって紹介された
援を継続してくださっている八戸市市民連携推進課・市ことに由来する。中学校でのプログラミング教育必修化への
民協同グループの皆様、八戸市教育センターの石井一二模索として、附属中学校は、「ろぼっと娘」に出前授業を依頼
三様に深謝いたします。また、「ろぼっと娘」の活動の機したのであった。附属中学校では、この年、「ろぼっと娘」の会を与えてくださった八戸工業大学第二高等学校附属中
出前授業のほかに、八戸工業大学のプログラミング教育出学校、八戸市立明治中学校、八戸市立西白山台小学校、
前授業を受けている。こうした実施経験より、附属中学校で
八戸市立三条小学校、八戸市立田面木小学校、五戸町立
は、低学年の導入としてのプログラミング的思考を学ぶことを
上市川小学校の教職員の皆様に感謝いたします。JST の「ろぼっと娘」に、高学年ではより専門的なプログラミング教育
次世代人材育成事業「女子中高生の理系進路選択支援プロを八戸工業大学に出前授業という形式で段階的にプログラミ
グラム」に「はばたけ SciTech Girls(サイテック・ガールズ)―
ングに触れることを理想と考えたようである。前年度は中学 2
北東北産業都市八戸発！青森リケジョの人材交流型育成―
年生を対象に出前授業の依頼を受けて実施したが、この年
写真
8
五戸町立上市川小学校への出前授業
写真 14 enPiT 成果発表 リモートによる質疑応答
を採択に向けての申請・けん引してくだっている本校総合科
は、継続的な実施を目指し、翌年度以降を中学 1 年生に実フェイスシールドでの感染予防対策
学教育科・戸田山みどり先生、副顧問的な立場として、施するため、この年は中学 1・2 年生合同での実施となった。
enPiT の指導など、技術的にサポートしてくださった本
附属中学校は土曜日にも授業が行われているが、10 月
1 月 28 日(木)五戸町立上市川小学校
6 年生を対象に出校電気情報工学コース・細川先生をはじめ、活動を支援
4. おわりに
17 日(土)に出前授業を実施した。3 名で 1 つのグループを
前授業を実施した。事前に小学校に赴いて打ち合わせを行してくださった本校教職員の皆様にも感謝いたします。
「Robogals」という世界的な教育ボランティア団体へ
構成し、ロボットを操作し、動きを見ながらロボットの動きをフい、感染防止対策を十分に講じ、体育館を会場に、個々にこの場をお借りして御礼申し上げます。
の加盟を目指して結成された「ろぼっと娘」は、地元・ローチャートにしていくという内容の授業を行った。中学生たマスクの上からフェイスシールドを装着して実施した。対象学
八戸市を中心に活動を模索し、実績づくりをしてきた。
ちは熱心に授業を受け、先生方も中学生たちとともに授業に
年は 6 年生であったが、距離をとりながら、他学年も見学に
注記「Robogals」に対する加盟のアプローチは、結成初年度
参加し、楽しんでくれた。この様子は、附属中学校のHP の訪れ、出前授業課題となるロボットとは別に持参していたロボ（1）拙稿「女性エンジニアへのキャリア支援―八戸高専に行ったが、返信がなかった。実績を積んだ後に再度ア「附中日誌」でも紹介されている。
ットも用いて、他学年にもロボットと遊ぶ体験を行うことができ「ろぼっと娘」の社会貢献活動を通して―」は『八戸工プローチをすることを検討し、結成 3 年目には「Robogals」
た。6 年生対象の出前授業では、Smart
Small Turtle
業高等専門学校紀要』第 54 号(2020.02)に掲載されていへの加盟を願い出る予定であった。しかし、世界を揺る
Robot の超音波センサを用いて超音波による障害物回避をる。
「ろぼっと娘」の結成の経緯と初年度の活動についてがすコロナ禍の影響により、加盟申請できるような状況体験する授業を実施したが、他の学年では、ライントラッキン
紹介した。
ではなくなった。だか、着実に実績を積み、少なくともグセンサでロボットを走らせてみるなどの簡単な体験会となっhttps://www.jstage.jst.go.jp/browse/hnctech/54/0/_conte
地元・八戸市から高く評価され、継続的な支援を受けるた。はからずも対象学年だけでなく、複数の学年がロボットに
nts/-char/ja
ことができるようになった今、コロナ禍であっても活動
触れる体験をしたことにより、学齢ごとの学齢に応じたロボットを止めない努力を行ってきた。
へのアプローチを垣間見ることができた。
（2）「Robogals」とは、オーストラリアのメルボルン大余談ではあるが、本校自主探究において低学年生の支学の学生が結成し、運営している教育ボランティアの学
援するファシリテーターを務める学生の中に、「ろぼっと
生団体であり、世界中に 30 を超える支部を持つ。
娘」のメンバーが多くいる。このことは、学業にとどま「Robogals」の HP にて活動内容が確認できる。
らず、自らの専門性を活かした「ろぼっと娘」の活動に
写真 7 八戸工業大学第二高等学校附属中学校
https://robogals.org/about/about-us/
より学生自らの自信につながっていると考えられる。
1・2
年生への出前授業
鹿児島高専の「Robogals Kagoshima」の活動紹介は内閣
また、結成時にリーダーを務めた学生が、本校専攻科
府男女共同参画局の HP 上で閲覧できる。
での特別研究に「ろぼっと娘」での経験を生かしたプロ
3.2.2 五戸町立上市川小学校出前授業
http://www.gender.go.jp/about_danjo/whitepaper/r01/z
グラミング教育コンテンツ開発を行っている。
entai/html/column/clm_05.html「ろぼっと娘」の活動は、高専在学中に、学生として
八戸市学生まちづくり助成金の制度は、学生の社会貢献
専門性を学びながら、教育ボランティアとして自らの知活動を金銭的に支援するにとどまらず、申請時に厳正なる審（3）八戸市による「学生まちづくり助成金」は八戸市内
識や技術を実際に社会に還元し、貢献できる体験である。
査会を開催し、終了時には、「学生＆高校生まちづくりコンペの高等教育機関の学生を対象に、学生の地域貢献活動に結成から 3 年が経過し、徐々にではあるが、活動に参加
写真 9 五戸町立上市川小学校への出前授業
ティション」を開催している。参加する学生にとっては、申請対し助成する取り組みである。年度末には「八戸市学生
していた女子学生たちの自信をつけていく姿を筆者は目
6＆高校生まちづくりコンペティション」を開催し、活動
年生対象の超音波センサを用いた授業
時と成果発表時に、有識者などで構成される審査員の助言の当たりにしている。彼女たちの卒業後、女性技術者とにより、学生による独りよがりの活動ではなく、より広い視点をの優劣を審査される八戸市の事業である。これまでの参してのキャリアに少なからず影響をもたらすのではない
また、五戸町立上市川小学校での実施は、「ろぼっと娘」
もった新たな活動となるように導き出してくれる。八戸市は加実績や審査結果などは八戸市の HP 上で確認できる。
かと期待する。少なくともコロナ禍において、逆境の中、に所属する学生の母校であることから、学生自らが母校に呼「中核市」として青森県南地区を牽引する役割を担う自治体
https://www.city.hachinohe.aomori.jp/soshikikarasaga
活動を継続できた学生たちの今後の将来に期待したい。
び掛けて実現する形となった。学生自身が母校での出前授として、「ろぼっと娘」に対し、八戸市内にとどまらず、広域でsu/shiminrenkeisuishinka/kyodonomachizukuri/2/488
業を実施するという試みは、身近な存在をロールモデルとしの活動を助言した。五戸町立上市川小学校への出前授業の2.html
謝辞て子供たちに示すこととなり、「ろぼっと娘」の出前授業のある
実現は、八戸市からの「広域での活動推進」の助言より、八本校「ろぼっと娘」の活動を理解し、助成・助言・支べき理想形となった。(注6)
戸市近隣自治体での出前授業実施となった。
（4）enPiT とは、文部科学省による「成長分野を支える女性エンジニアへのキャリア支援 コロナ禍における八戸高専「ろぼっと娘」の社会貢献活動

53.3 コロナ禍での enPiT 参加

写真 10 五戸町立上市川小学校への出前授業
卒業生が母校でロボットの動きを紹介

これまでの enPiT は、北東北の参加学生が参加期間中の幾度か一堂に会し、合宿をしてワークショップに参加したり、自らのグループの課題を発表したり、参加者が集まることで成果を積み上げてきた。しかし、コロナ禍において、これまでの実施形態のままでの開催はされなかった。そのため、リモート形式により、自らの課題の解決に向けてディスカッションを行うなどして enPiT に参加した。コロナ禍においても上市川小学校で出前授業を実施したことが評価され、岩手大学
から担当教員が出前授業の視察に訪れた。前節で紹介した
八戸市の「学生＆高校生まちづくりコンペティション」の開催
日と enPiT の成果発表会の開催日が重なったため、学生た
ちは二手に分かれて同時刻に発表することとなった。

3.2.3 学生＆高校生まちづくりコンペティション
前述のように「ろぼっと娘」は八戸市学生まちづくり助成金を活用して活動の幅を広げている。年度末に、これまでの成果として「学生＆高校生まちづくりコンペティション」が開催され、活動報告を行っている。令和 3 年 2 月 13 日(土)八戸
市総合福祉会館にて、八戸市内の大学生・高校生がこれまでの活動を報告した。「ろぼっと娘」も活動報告を行った。

写真 12 岩手大学 2020 年度 enPiT 成果発表要項

写真 11 「ろぼっと娘」による報告

写真 13 enPiT 成果発表 リモートによる発表

写真 12 出前授業で使用した教材の実演

麻子
6齋
齋 麻子

援を継続してくださっている八戸市市民連携推進課・市援を継続してくださっている八戸市市民連携推進課・市
民協同グループの皆様、八戸市教育センターの石井一二
民協同グループの皆様、八戸市教育センターの石井一二
三様に深謝いたします。また、「ろぼっと娘」の活動の機三様に深謝いたします。また、「ろぼっと娘」の活動の機会を与えてくださった八戸工業大学第二高等学校附属中会を与えてくださった八戸工業大学第二高等学校附属中学校、八戸市立明治中学校、八戸市立西白山台小学校、学校、八戸市立明治中学校、八戸市立西白山台小学校、
八戸市立三条小学校、八戸市立田面木小学校、五戸町立
八戸市立三条小学校、八戸市立田面木小学校、五戸町立
上市川小学校の教職員の皆様に感謝いたします。JSTの上市川小学校の教職員の皆様に感謝いたします。JSTの次世代人材育成事業「女子中高生の理系進路選択支援プロ
次世代人材育成事業「女子中高生の理系進路選択支援プログラム」に「はばたけSciTech Girls(サイテック・ガールズ)―
グラム」に「はばたけSciTech Girls(サイテック・ガールズ)―
北東北産業都市八戸発！青森リケジョの人材交流型育成―」
北東北産業都市八戸発！青森リケジョの人材交流型育成―を採択に向けての申請・けん引してくだっている本校総合科
写真 14 enPiT
成果発表
リモートによる質疑応答
写真 14 enPiT 成果発表 リモートによる質疑応答
を採択に向けての申請・けん引してくだっている本校総合科
学教育科・戸田山みどり先生、副顧問的な立場として、
学教育科・戸田山みどり先生、副顧問的な立場として、
enPiT の指導など、技術的にサポートしてくださった本
enPiT の指導など、技術的にサポートしてくださった本
校電気情報工学コース・細川先生をはじめ、活動を支援
4. おわりに
校電気情報工学コース・細川先生をはじめ、活動を支援
4. おわりにしてくださった本校教職員の皆様にも感謝いたします。
してくださった本校教職員の皆様にも感謝いたします。
「Robogals」という世界的な教育ボランティア団体へ「Robogals」という世界的な教育ボランティア団体へ
この場をお借りして御礼申し上げます。
この場をお借りして御礼申し上げます。
の加盟を目指して結成された「ろぼっと娘」は、地元・の加盟を目指して結成された「ろぼっと娘」は、地元・八戸市を中心に活動を模索し、実績づくりをしてきた。
八戸市を中心に活動を模索し、実績づくりをしてきた。
注記
注記「Robogals」に対する加盟のアプローチは、結成初年度「Robogals」に対する加盟のアプローチは、結成初年度（1）拙稿「女性エンジニアへのキャリア支援―八戸高専（1）拙稿「女性エンジニアへのキャリア支援―八戸高専に行ったが、返信がなかった。実績を積んだ後に再度アに行ったが、返信がなかった。実績を積んだ後に再度ア「ろぼっと娘」の社会貢献活動を通して―」は『八戸工「ろぼっと娘」の社会貢献活動を通して―」は『八戸工プローチをすることを検討し、結成 3 年目にはプローチをすることを検討し、結成「Robogals」
3 年目には「Robogals」
業高等専門学校紀要』第54 号(2020.02)に掲載されてい業高等専門学校紀要』第54 号(2020.02)に掲載されていへの加盟を願い出る予定であった。しかし、世界を揺るへの加盟を願い出る予定であった。しかし、世界を揺るる。
「ろぼっと娘」の結成の経緯と初年度の活動についてる。
「ろぼっと娘」の結成の経緯と初年度の活動についてがすコロナ禍の影響により、加盟申請できるような状況
がすコロナ禍の影響により、加盟申請できるような状況紹介した。紹介した。
ではなくなった。だか、着実に実績を積み、少なくともではなくなった。だか、着実に実績を積み、少なくともhttps://www.jstage.jst.go.jp/browse/hnctech/54/0/_conte
https://www.jstage.jst.go.jp/browse/hnctech/54/0/_conte
地元・八戸市から高く評価され、継続的な支援を受ける
地元・八戸市から高く評価され、継続的な支援を受ける
nts/-char/ja
nts/-char/ja
ことができるようになった今、コロナ禍であっても活動ことができるようになった今、コロナ禍であっても活動を止めない努力を行ってきた。
を止めない努力を行ってきた。
（2）「Robogals」とは、オーストラリアのメルボルン大（2）「Robogals」とは、オーストラリアのメルボルン大余談ではあるが、本校自主探究において低学年生の支余談ではあるが、本校自主探究において低学年生の支学の学生が結成し、運営している教育ボランティアの学
学の学生が結成し、運営している教育ボランティアの学
援するファシリテーターを務める学生の中に、「ろぼっと「ろぼっと援するファシリテーターを務める学生の中に、生団体であり、世界中に30 を超える支部を持つ。
生団体であり、世界中に30 を超える支部を持つ。
娘」のメンバーが多くいる。このことは、学業にとどま娘」のメンバーが多くいる。このことは、学業にとどま「Robogals」のHP にて活動内容が確認できる。
「Robogals」のHPにて活動内容が確認できる。
らず、自らの専門性を活かした「ろぼっと娘」の活動にらず、自らの専門性を活かした「ろぼっと娘」の活動に
https://robogals.org/about/about-us/
https://robogals.org/about/about-us/
より学生自らの自信につながっていると考えられる。
より学生自らの自信につながっていると考えられる。
鹿児島高専の「Robogals「Robogals
Kagoshima」の活動紹介は内閣
鹿児島高専のKagoshima」の活動紹介は内閣
また、結成時にリーダーを務めた学生が、本校専攻科
また、結成時にリーダーを務めた学生が、本校専攻科
府男女共同参画局のHP上で閲覧できる。
府男女共同参画局の HP 上で閲覧できる。
での特別研究に「ろぼっと娘」での経験を生かしたプロ
での特別研究に「ろぼっと娘」での経験を生かしたプロ
http://www.gender.go.jp/about_danjo/whitepaper/r01/z
http://www.gender.go.jp/about_danjo/whitepaper/r01/z
グラミング教育コンテンツ開発を行っている。
グラミング教育コンテンツ開発を行っている。
entai/html/column/clm_05.html
entai/html/column/clm_05.html「ろぼっと娘」の活動は、高専在学中に、学生として「ろぼっと娘」の活動は、高専在学中に、学生として専門性を学びながら、教育ボランティアとして自らの知
専門性を学びながら、教育ボランティアとして自らの知（3）八戸市による「学生まちづくり助成金」は八戸市内（3）八戸市による「学生まちづくり助成金」は八戸市内
識や技術を実際に社会に還元し、貢献できる体験である。
識や技術を実際に社会に還元し、貢献できる体験である。
の高等教育機関の学生を対象に、学生の地域貢献活動にの高等教育機関の学生を対象に、学生の地域貢献活動に結成から 3結成から年が経過し、徐々にではあるが、活動に参加
3 年が経過し、徐々にではあるが、活動に参加
対し助成する取り組みである。年度末には「八戸市学生対し助成する取り組みである。年度末には「八戸市学生
していた女子学生たちの自信をつけていく姿を筆者は目していた女子学生たちの自信をつけていく姿を筆者は目＆高校生まちづくりコンペティション」を開催し、活動＆高校生まちづくりコンペティション」を開催し、活動の当たりにしている。彼女たちの卒業後、女性技術者との当たりにしている。彼女たちの卒業後、女性技術者との優劣を審査される八戸市の事業である。これまでの参の優劣を審査される八戸市の事業である。これまでの参してのキャリアに少なからず影響をもたらすのではない
してのキャリアに少なからず影響をもたらすのではない
加実績や審査結果などは八戸市のHP 上で確認できる。
加実績や審査結果などは八戸市のHP 上で確認できる。
かと期待する。
少なくともコロナ禍において、
逆境の中、逆境の中、かと期待する。
少なくともコロナ禍において、
https://www.city.hachinohe.aomori.jp/soshikikarasaga
https://www.city.hachinohe.aomori.jp/soshikikarasaga
活動を継続できた学生たちの今後の将来に期待したい。
活動を継続できた学生たちの今後の将来に期待したい。
su/shiminrenkeisuishinka/kyodonomachizukuri/2/488
su/shiminrenkeisuishinka/kyodonomachizukuri/2/488
2.html
2.html
謝辞
謝辞
本校「ろぼっと娘」の活動を理解し、助成・助言・支
本校「ろぼっと娘」の活動を理解し、助成・助言・支（4）enPiTとは、文部科学省による「成長分野を支える（4）enPiTとは、文部科学省による「成長分野を支える女性エンジニアへのキャリア支援 コロナ禍における八戸高専「ろぼっと娘」の社会貢献活動

情報技術人材の育成拠点の形成」という事業であり、大阪大学を中心として、「ビックデータ・AI 分野」「セキュ
リティ分野」「組込みシステム分野」「ビジネスシステム
デザイン分野」の 4 分野からなる。本校学生は、名古屋大学がリーダーとする「組込みシステム分野」の岩手大学が実践する事業に参加している。enPiT に関する詳細は enPiT の HP 上で確認できる。

http://www.enpit.jp/
また、「ろぼっと娘」が成果発表したポスター等は、enPiT
Emb(成長分野を支える情報技術人材の育成拠点の形成
組込みシステム分野)HP より閲覧できる。
http://emb.enpit.jp/enpit2/news/（5）JST(国立研究開発法人 科学技術振興機構)の次世代人材育成事業「女子中高生の理系進路選択支援プログラム」に本校は「はばたけ SciTech Girls(サイテック・ガールズ)―
北東北産業都市八戸発！青森リケジョの人材交流型育成―」という事業名で令和 2 年度に採択された。コロナ禍で全国的に各種イベント開催が困難な中、令和 2 年度、令和 3 年度と感染防止対策を講じながら活動している。地域の感染状況を踏まえて規模を縮小しての開催や、計画するも中止に追7い込まれるなど、事業実施に困難な場面が多々あった。「女子中高生の理系進路選択プログラム」および本校「はばたけSciTech Girls(サイテック・ガールズ)―北東北産業都市八戸発！青森リケジョの人材交流型育成―」に関する情報は
JST の HP と本校 HP より「八戸高専はばたけ SciTech Girls」
情報の詳細を確認できる。
https://www.jst.go.jp/cpse/jyoshi/
https://www.hachinohe-ct.ac.jp/scitechgirls/（6）五戸町立上市川小学校での出前授業の様子は、2021
年 2 月 8 日の「東奥日報」(東奥日報社)に掲載された。
本校 HP 上で記事を確認できる。
https://www.hachinohe-ct.ac.jp/info/2021/02/001312.php（原稿受付：2021 年 11 月 26 日）

八戸工業高等専門学校紀要                                      9
第号  （）八戸高専における観光を通した文化教育とリーディングの可能性（１）菊池 秋夫*The Possibility of Cultural Education and Reading through Tourism at NIT, Hachinohe College
Akio Kikuchi*総合科学教育科

Abstract : In NIT Hachinohe College, students, who are expected to be global engineers, are required to be familiar
with various cultures. However, students are less willing to know cultures. It is necessary for us to develop theirsenses of cultures. In order to solve this problem, the attempt of using tourism as a catalyst to relate them to cultural
knowledge was carried out in a selective class called ‘Tourism and Culture’ at NIT, Hachinohe College. In addition
to the attempt, the development of reading skills was also tried with their skills of reading surveyed . According to
the questionnaires after the classes, it was confirmed that tourism can stimulate students’ interest and that active
reading was not fully carried out.
Keywords : English education, tourism, active learning, culture

1. 緒言
八戸高専の学生は、社会人ないし進学する前に多様な文化教養に対する受容の必要性がある。とりわけ、コミュ
ニケーション力、基礎となる読解力状況判断力の向上が必要とされる。一方で、そうした教養に関して、学生の受容の態度は決して積極的とはいいがたい。学生自身も関心や経験がある観光をプラットフォームにして文化教育とコミュニケーション教育のハイブリッドの可能性を試みた。その中で文章テクストの素材も活用し、リーディ
ング力の向上も図った。従来型の内容理解のためにリーディングではなく、「伝える」などの目的のために主体的に読む実践トレーニングの可能性を探った。そのために、学生の読書・読解の実態を把握する必要性があった。こうした需要にこたえるため、八戸高専  年生選択科目「観光と文化」において、観光を通じた文化教育の可能性を探るアクティブラーニングの試みを行い、18、2019 のア
ンケート比較から学生の読書や読解に対しての意識/実態を探った。

2. 実施の系譜「観光と文化」は、八戸高専  年生選択科目として、
年に実施され、翌年から途絶えたが、 年から復活し、現在に至るまで継続している。 年度から  年度にいたるまで、受講者数および特徴は以下のようにまとめられる。


表 1「観光と文化」 系譜

年度

受講者数





講義

形式





講義









講義＋プレゼンテーションの実施（グループワーク）英語でのパンフレット制作
講義＋プレゼンテーションの実施
講義＋プレゼンテーションの実施





（グループワーク） 英語でのポスター、レ
ポート提出




表に示されるように、 の講義のみの形式から、プレゼンテーションの導入、英語でのポスター・パンフ
レット製作など、グループワーク等のアクティブラーニ
ングの要素を拡大していく傾向にある。
講義のテーマとしては、主に観光の歴史、鉄道・蒸気船・航空機などの交通インフラの発達と近代観光の成立、城・文化遺跡などの観光資源、世界遺産などである。こうしたテーマに関し講義形式で説明を行い、そのあとでそうしたテーマに関連したアクティビティを実施した。こう

菊池
菊池

10

した
 年度以降は、
年度以降は、そうしたアクティビティの割合をそうしたアクティビティの割合をした 
多くし、成績評価にも反映した。
多くし、成績評価にも反映した。

秋夫
秋夫答）、 年度は年度は 
 年年  月月 
 日実施（
日実施（ 人
人 
 人回
人回
答）、
答）であった。
答）であった。

本稿では、こうした経緯を踏まえて、 年度はどのよ
年度はどのよ本稿では、こうした経緯を踏まえて、
うに実施したか、検証してみたい。
うに実施したか、検証してみたい。


施
 実
実施

年度では、講義のテーマとしては従来と共通であ 年度では、講義のテーマとしては従来と共通であるが、とりわけグループワークの課題として地域貢献のるが、とりわけグループワークの課題として地域貢献のテーマを扱った。
テーマを扱った。
・レポート１ %XLOGDQHZPXVHXPLQ$RPRUL・レポート１%XLOGDQHZPXVHXPLQ$RPRUL→プレゼン%XLOGDQHZPXVHXPLQ$RPRUL→プレゼン %XLOGDQHZPXVHXPLQ$RPRUL   自分たちのアイデアをもとにグループで各自英語
自分たちのアイデアをもとにグループで各自英語
で発表
で発表
・レポート２ 0DNH
・レポート２0DNH DD 6FKRRO6FKRRO 7ULS
7ULS 3ODQ
3ODQ IRUIRU D
D +LJK+LJK
6FKRROLQ+DFKLQRKH
6FKRROLQ+DFKLQRKH
グループディスカッションの後で各自英語で作成
グループディスカッションの後で各自英語で作成
・レポート３・レポート３ :ULWHD7UDYHO:ULWLQJDVDQ,QERXQG
:ULWHD7UDYHO:ULWLQJDVDQ,QERXQG
7RXULVW
7RXULVW 
グループで外国からの旅行客（学校、家族等）のグループで外国からの旅行客（学校、家族等）の立場になり旅行記を（自由行動を含めて各自）作成
立場になり旅行記を（自由行動を含めて各自）作成

図 2 アンケート項目１
図 2 アンケート項目１

このような課題に関してグループワークを通じてコミュ
このような課題に関してグループワークを通じてコミュ
ニケーションを図り、異なる視点を持つ意識を涵養する
ニケーションを図り、異なる視点を持つ意識を涵養する（具体的な出身国なども想定する）、博物館創設という観博物館創設という観（具体的な出身国なども想定する）、
点から活かす意識で地域の特色・歴史・文化を見直す気
点から活かす意識で地域の特色・歴史・文化を見直す気機会を設けた。また、
また、自分たちでテーマを決めさせ、自分たちでテーマを決めさせ、そのその機会を設けた。
参考資料を手配し、どのような情報をその資料から取得
参考資料を手配し、どのような情報をその資料から取得するかをディスカッションさせた。
するかをディスカッションさせた。
図 3 アンケート項目 
図 3 アンケート項目 

図 1 授業風景図 1 授業風景アンケート実施報告アンケート実施報告
・受講者の意識に関してのアンケートを実施。
・受講者の意識に関してのアンケートを実施。 年
年と 
 年度での受講後での意識の変化を探った。
年度での受講後での意識の変化を探った。
 年
年と
度アンケートは、 年
年  月月 
 日実施（日実施（ 人中
人中 
 人回
人回
度アンケートは、

八戸高専  年生クラスにおける語彙学習の助けとなるワークシートの活用
図 4 アンケート項目 

図 5 アンケート項目 

図 6 アンケート項目 

図 7 アンケート項目 

図 8 アンケート項目 

図 9 アンケート項目 

図 10 アンケート項目 

11

菊池
菊池

12

した  年度以降は、そうしたアクティビティの割合を多くし、成績評価にも反映した。

秋夫
秋夫答）、 年度は  年  月  日実施（ 人  人回答）であった。

本稿では、こうした経緯を踏まえて、 年度はどのように実施したか、検証してみたい。

 実施 年度では、講義のテーマとしては従来と共通であるが、とりわけグループワークの課題として地域貢献のテーマを扱った。

・レポート１ %XLOGDQHZPXVHXPLQ$RPRUL
図 11 アンケート項目 →プレゼン %XLOGDQHZPXVHXPLQ$RPRUL   自分たちのアイデアをもとにグループで各自英語で発表
・レポート２ 0DNH D 6FKRRO 7ULS 3ODQ IRU D +LJK
6FKRROLQ+DFKLQRKH

図 14 アンケート項目 

図 2 アンケート項目１

グループディスカッションの後で各自英語で作成
・レポート３ :ULWHD7UDYHO:ULWLQJDVDQ,QERXQG
7RXULVW 
グループで外国からの旅行客（学校、家族等）の立場になり旅行記を（自由行動を含めて各自）作成
このような課題に関してグループワークを通じてコミュ
ニケーションを図り、異なる視点を持つ意識を涵養する
図 12 アンケート項目 （具体的な出身国なども想定する）、博物館創設という観点から活かす意識で地域の特色・歴史・文化を見直す気機会を設けた。また、自分たちでテーマを決めさせ、その参考資料を手配し、どのような情報をその資料から取得するかをディスカッションさせた。

図 15 アンケート項目 

図 3 アンケート項目 

図 16 アンケート項目 
図 13 図アンケート項目１
1 授業風景アンケート実施報告
・受講者の意識に関してのアンケートを実施。 年と  年度での受講後での意識の変化を探った。
 年度アンケートは、 年  月  日実施（ 人中  人回

全体的に  年度の学生より  年度の学生のほうが文化、観光などへの関心が高い傾向がある。質問（）に見られるように 一カ月における読書量は、 年度と 年度でほとんど変わらず  冊以下が ％以上を占め

八戸高専  年生クラスにおける語彙学習の助けとなるワークシートの活用

た。→読書不足の実態が浮き彫りになった。
質問  において、読書に対して苦手意識を持つ学生の割合は  年度の学生のほうが高くなっている。またこの点に関し質問（）で、 年度の学生の方が語彙への自信がないことが示されている。

5. 結 論 地域文化、歴史、地理などに関しては  年度、  年度とも興味・関心があることが窺われる観光・旅行に関しては  年度、 年度を通じて非常に関心が高く、文化・コミュニケーションの素材として有効であることが想定される。読書量に関して、 年の調査とも低い実態が浮き彫りになった。
語彙量に関しての自信の低さは、上記の読書量の乏しさと連動すると思われる。

注

本稿は令和元年 8 月 21 日に北九州国際会議場 で行われた
令和元年度高専フォーラム での口頭発表に加筆修正をしたものである。

参 考 文 献 ）*UXHQZDOG ' $ * $ 6PLWK HG    3ODFH%DVHG(GXFDWLRQLQWKH*OREDO$JH3V\FKRORJ\3UHVV %LUG,VDEHOOD/8QEHDWHQ7UDFNVLQJapan. Traveler’s
7DOHV
 <RXQJV7LP7KH&DPEULGJH,QWURGXFWLRQWR7UDYHO:ULWLQJ
&DPEULGJH83


（原稿受付：2021 年 11 月 26 日）

13八戸工業高等専門学校紀要                                
第号  （）15

組み込みロボット授業における地域企業と連携したものづくり技術交流の実践(4)細川 靖* ・ 吉田 雅昭** ・ 中村 嘉孝* ・ 野中 崇* ・ 遠田 達也***
Craftsmanship Tchnology Exchange which Cooperated with the Local Company on Handicraft Class of Line-following Robots
by Microcomputers (4)Yasushi HOSOKAWA, Masaaki YOSHIDA, Yoshitaka NAKAMURA, Takashi NONAKA, Tatsuya TOHDA* 産業システム工学科 電気情報工学コース** 総合科学教育科*** 教育支援センター

Keywords : 鉛フリーはんだ， Arduino， はんだ付け講習会， すずメッキ線， スイッチ基板工作， 工場見学
1. はじめに
八戸工業高等専門学校 以後、本校と略す の産業シス
テム工学科電気情報工学コース第３学年では、図１に示すライントレースを自作ロボットで行う授業「ロボットエレクトロニクス」を行っており、筆者らはこれまで鉛フリーはんだ付けによるマイコン基板の工作の実践１）や、本校の鉛フリー化を推進するために各コースの協力を得て行った調査２）について述べた。前稿３）では、平成 30
年度電気情報工学コース第３学年生の鉛フリーはんだ付け技術の向上を目指し、地域企業と連携したものづくり
技術の交流の実践として、すずメッキ線を用いたスイッチ基板工作と、地域のものづくり企業の工場見学を行った。その結果として、学生の工作技術の向上と学習意欲向上が確認できたことを報告した。
本稿では、いわゆるコロナ渦の中、前稿３）に引き続き
令和２年度電気情報工学コース第３学年生の鉛フリーはんだ付け技術の向上を目指し、地域企業と連携したものづくり技術の交流の実践として、すずメッキ線を用いたスイッチ基板工作と、その評価を行った。さらに地域のものづくり企業の工場見学を行ったので報告する。


図 1 ロボットエレクトロニクス授業風景
2. 鉛フリーはんだ付けマイコンボード工作と調査

2.1 令和２年度のマイコンボード工作の実施
 電気情報工学コース第３学年では、「ロボットエレク
トロニクス」の授業にて組み込み技術を学ぶため、
Arduino４）の秋月電子通商製互換マイコンボード５）を用いる。このボードは未完成品なので、はんだ付け工作をする必要がある。本稿では前稿３）と同様に夏学期の実験
実習時間を活用して、鉛フリーはんだのはんだ付けと鉛の環境への影響についてパワーポイントで説明を行った
後、温度調節付のはんだごてと専用こて先などの工具や自作の工作マニュアルを用い、練習用基板で鉛フリーはんだ付けの練習を行い、その後にマイコンボードのはんだ付け工作を行った。
 はんだ付け工作のサポート教員は細川と、第３学年実験実習担当の野中崇先生、遠田技術職員の計３名で行った。工作実施日は令和２年 7 月 17 日 木  と 10 月 1 日（木）の 9:00～12:00 の２回で合計５時間程度と、前回と同等の時間とした。
反省点は、学生側の工作ミスとして、,& ソケットを逆にはんだ付けした者や、ジャンパピンの長い方と短い方を間違え逆にはんだ付けした者が複数名いたことである。
これらのトラブルがあった学生達もサポート教員の対処により、最終的に工作した 39 名中 38 名がマイコンボー
ドを動作させた。鉛フリーはんだ付けによるマイコンボ
ード工作後の動作率は平成 24 年度が 98％で、平成 25 年
度から６年連続で 100％であったが、令和２年度は 97％になった。

2.2 マイコンボード工作のアンケート調査項目と結果
マイコンボード工作後に、筆者らが想定した工作時間、説明などが十分で学生達が工作できたか評価を行うため、

細川 靖・吉田雅昭・中村嘉孝・野中 崇・遠田達也
細川 靖・吉田雅昭・中村嘉孝・野中 崇・遠田達也

16

電気情報工学コース第３学年の電気情報工学コース第３学年の 39
39 名を対象にアンケー
名を対象にアンケー
ト調査を行った。十分が５、不十分が１の５段階評価とト調査を行った。十分が５、不十分が１の５段階評価とし、集計を遠田技術職員が担当した。以下にその調査項し、集計を遠田技術職員が担当した。以下にその調査項３）目を示す。また、表目を示す。また、表 1
1 に前稿に前稿３）の平成の平成 3030 年度アンケー
年度アンケー
ト調査結果と令和２年度のアンケート調査結果比較を、
ト調査結果と令和２年度のアンケート調査結果比較を、
図
図22 にアンケート調査結果のグラフを示す。青は前回とにアンケート調査結果のグラフを示す。青は前回とほぼ同様、橙は平均以下、緑は前回以上である。
ほぼ同様、橙は平均以下、緑は前回以上である。
１）工作時間は十分か
１）工作時間は十分か
２）抵抗器・コンデンサ・水晶振動子の実装
２）抵抗器・コンデンサ・水晶振動子の実装
３）IC
３）IC ソケットの実装
ソケットの実装
４）ピンソケット（メス４）ピンソケット（メス 1×8，１×6）の実装
1×8，１×6）の実装
５）電源
５）電源 IC
IC とと LED
LED の実装の実装
６）スイッチとブリッジダイオードの実装
６）スイッチとブリッジダイオードの実装
７）ピンヘッダ（オス７）ピンヘッダ（オス 2×3，1×4）の実装
2×3，1×4）の実装
８）電解コンデンサと８）電解コンデンサと DC
DC ジャックの実装
ジャックの実装
９）USB
モジュールの実装
９）USB モジュールの実装
10）マイコンの装着とジャンパピンの接続
10）マイコンの装着とジャンパピンの接続
11）プレート加工と基板固定
11）プレート加工と基板固定
12）ブートローダの書き込みと動作確認
12）ブートローダの書き込みと動作確認
13）鉛フリーはんだ付け
13）鉛フリーはんだ付け
14）鉛入りはんだの環境への影響
14）鉛入りはんだの環境への影響
15）マイコン工作は楽しかったか
15）マイコン工作は楽しかったか
16）マニュアルは理解しやすかったか
16）マニュアルは理解しやすかったか
17）マニュアルははんだ付け工作に役立ったか
17）マニュアルははんだ付け工作に役立ったか

5.0
5.0

平
平均
均値
値

4.0
4.0
3.0
3.0

表 1 平成 30 年度と令和２年度のアンケート調査平均値比較
表 1 平成 30 年度と令和２年度のアンケート調査平均値比較

問
問 11
問
問 22
問
問 33
問
問 44
問
問 55
問
問 66
問
問 77
問
問 88
問
問 99
問
10
問 10
問
11
問 11
問
12
問 12
問
13
問 13
問
14
問 14
問
15
問 15
問
16
問 16
問
17
問 17
平均値
平均値

H29
H29 年度
年度
平均値
平均値
4.51
4.51
4.79
4.79
4.69
4.69
4.72
4.72
4.72
4.72
4.72
4.72
4.77
4.77
4.85
4.85
4.77
4.77
4.82
4.82
4.79
4.79
4.77
4.77
4.15
4.15
4.77
4.77
4.67
4.67
4.72
4.72
4.84
4.84
4.71
4.71

R2
R2 年度
年度
平均値
平均値
4.74
4.74
4.85
4.85
4.85
4.85
4.82
4.82
4.85
4.85
4.87
4.87
4.85
4.85
4.87
4.87
4.74
4.74
4.72
4.72
4.90
4.90
4.76
4.76
4.41
4.41
4.59
4.59
4.84
4.84
4.54
4.54
4.76
4.76
4.76
4.76

3
3.. 鉛フリーはんだ付け基礎技術習得のための基板
鉛フリーはんだ付け基礎技術習得のための基板工作練習の試行
工作練習の試行

2.0
2.0
1.0
1.0

んだ付け実演の講習を行っていないので、少し難しく感
んだ付け実演の講習を行っていないので、少し難しく感じたようである。問いじたようである。問い 14
14 の鉛の環境影響については、の鉛の環境影響については、
4.59
と平成
30
年度に比べ約
4.59 と平成 30 年度に比べ約 0.2
0.2 低下した。パワーポイン低下した。パワーポイン
トでの説明が短かったためと考えられる。問い
トでの説明が短かったためと考えられる。問い 16
16 は
は
4.54
と平成
30
年度に比べ約0.2低下した、問い
17
は4.54 と平成 30 年度に比べ約 0.2 低下した、問い 17 は4.76
4.76 と平成と平成 3030 年度に比べ少し低下したが、これらのマ年度に比べ少し低下したが、これらのマニュアルに関する評価は平成
ニュアルに関する評価は平成 30
30 年度とほぼ同等で、カ年度とほぼ同等で、カラーの写真付き工作マニュアルは有用で、十分であるこラーの写真付き工作マニュアルは有用で、十分であることが確認できた。
とが確認できた。

1
2 3
3 4
4 5
5 6
6 7
7 8
8 9
9 1011121314151617
1 21011121314151617

問
問い
い番
番号
号

図 2 令和２年度マイコンボード工作アンケート結果
図 2 令和２年度マイコンボード工作アンケート結果

 これらの結果を見ると、令和２年度は平成
30 年度に
年度にこれらの結果を見ると、令和２年度は平成 30
比べ全体的に向上し、全ての調査項目で比べ全体的に向上し、全ての調査項目で 44 以上であり、以上であり、達成度は十分である。問い１の工作時間については達成度は十分である。問い１の工作時間については 4.74
4.74と前回より向上した。実験実習の時間に工作を進めたがと前回より向上した。実験実習の時間に工作を進めたが工作時間は十分であることがわかった。問い
工作時間は十分であることがわかった。問い 13
13 の鉛フの鉛フリーはんだ付けに関しては
4.41と前回よりは向上したがリーはんだ付けに関しては 4.41 と前回よりは向上したが他の項目より低い。達成度としては十分と言えるが、マ
他の項目より低い。達成度としては十分と言えるが、マニュアルを読んで工作しており、講師による鉛フリーはニュアルを読んで工作しており、講師による鉛フリーは

3
3..1
1 基板工作練習の目的と経緯
基板工作練習の目的と経緯
鉛フリーはんだ付けは工作技術を必要とする。しかし、鉛フリーはんだ付けは工作技術を必要とする。しかし、マイコンボード工作だけでは時間も短く、比較的容易な
マイコンボード工作だけでは時間も短く、比較的容易な
両面スルーホール基板のはんだ付けなので、学生の技術両面スルーホール基板のはんだ付けなので、学生の技術向上はあまり期待できない。本研究では、すずメッキ線
向上はあまり期待できない。本研究では、すずメッキ線を用いたスイッチ基板の工作を行う事ではんだ付け技術を用いたスイッチ基板の工作を行う事ではんだ付け技術の向上を目標とするが、基本技術の習得が無い学生は、の向上を目標とするが、基本技術の習得が無い学生は、
すずメッキ線を用いたスイッチ基板工作に多く工作時間
すずメッキ線を用いたスイッチ基板工作に多く工作時間を要する。特に外部講師を招聘して工作の講習会を実施を要する。特に外部講師を招聘して工作の講習会を実施
した際、時間内に完成できない場合には自信喪失と満足した際、時間内に完成できない場合には自信喪失と満足度の低下も予想される。学生が自信喪失して鉛フリーは度の低下も予想される。学生が自信喪失して鉛フリーはんだ付けへの苦手意識を持つことは、本研究の目的と反んだ付けへの苦手意識を持つことは、本研究の目的と反する。そこで、本研究では前回と同様に、スイッチ回路する。そこで、本研究では前回と同様に、スイッチ回路
基板工作の前に、工作練習を実施した。
基板工作の前に、工作練習を実施した。

組み込みロボット授業における地域企業と連携したものづくり技術交流の実践 
組み込みロボット授業における地域企業と連携したものづくり技術交流の実践 

3
基板工作練習の計画
3..2
2 基板工作練習の計画
鉛フリーはんだ付け技術向上を目的として、令和３年
鉛フリーはんだ付け技術向上を目的として、令和３年
2月
月 12
12 日
日 金
金 の
の 1430～1600
1430～1600 に電気情報工学コース第に電気情報工学コース第2３学年の 31
31 名を対象に鉛フリーはんだ付けの練習会を名を対象に鉛フリーはんだ付けの練習会を３学年の実施した。はんだ付け技能保持者の総合科学教育科の吉実施した。はんだ付け技能保持者の総合科学教育科の吉田雅昭准教授からはんだ付けの技術講習を受け、新品の田雅昭准教授からはんだ付けの技術講習を受け、新品のユニバーサル基板にすずメッキ線での配線練習を行っユニバーサル基板にすずメッキ線での配線練習を行った。書画カメラで手元のはんだ付けを撮影し、学生が講た。書画カメラで手元のはんだ付けを撮影し、学生が講師の工作風景を見られるよう工夫した。新型コロナ感染
師の工作風景を見られるよう工夫した。新型コロナ感染症対策を取りながら、吉田先生考案の直角配線を工作す
症対策を取りながら、吉田先生考案の直角配線を工作することとした。学生への連絡は担任の中村先生に依頼しることとした。学生への連絡は担任の中村先生に依頼した。以下、作業予定と直角配線工作資料を図３に示す。
た。以下、作業予定と直角配線工作資料を図３に示す。

工作練習作業予定：
工作練習作業予定：
・準備（ 分）分）・準備（・部品配布（ 分）
分）
・部品配布（
・講師工作実演（ 分）
分）
・講師工作実演（・配線レイアウトの練習（ 分）
分）
・配線レイアウトの練習（
・休憩（
分）
・休憩（ 分）・抵抗の折り曲げとはんだ付け（ 分）
分）
・抵抗の折り曲げとはんだ付け（・抵抗のはんだ付け（ 分）
分）
・抵抗のはんだ付け（・まとめと振り返り（分）
・まとめと振り返り（ 分）
・後片付け（ 分）
分）
・後片付け（

17

習工作の優良例と不良例を図４に、真摯に取り組んでい習工作の優良例と不良例を図４に、真摯に取り組んでいる工作練習の風景を図５に示す。
る工作練習の風景を図５に示す。


図 4 工作練習用直角配線の優良例 左 と不良例 右 
図 4 工作練習用直角配線の優良例 左 と不良例 右 

図 5 工作練習風景
図 5 工作練習風景

4
4.. 地域のスペシャリストによる鉛フリーはんだ付
地域のスペシャリストによる鉛フリーはんだ付
け技術向上のための電子回路工作講習会
け技術向上のための電子回路工作講習会

図 3 工作練習用回路配線資料
図 3 工作練習用回路配線資料

3
基板工作練習の実際
3..3
3 基板工作練習の実際
工作時間は 9090 分程度で、参加者は分程度で、参加者は 31
31 名であった。
工作時間は名であった。
補充試験が近いこととや企業側の都合で日程が変更にな
補充試験が近いこととや企業側の都合で日程が変更になったため８名が欠席となった。学生は工作時間がかかったため８名が欠席となった。学生は工作時間がかかり、直角配線１つは全員できたが、時間内に２つ以上終り、直角配線１つは全員できたが、時間内に２つ以上終えたのはえたのは 31
31 名のうち名のうち 68％の68％の 2121 名であった。また、丁名であった。また、丁寧に工作できた学生と、殆ど工作できなかった学生がお寧に工作できた学生と、殆ど工作できなかった学生がおり、はんだ付け練習作品の完成度の差が大きかった。練り、はんだ付け練習作品の完成度の差が大きかった。練641 鉛フリーはんだ付け技術向上のための電子回路工作
4..1
鉛フリーはんだ付け技術向上のための電子回路工作
講習会
講習会
地域のスペシャリストによる鉛フリーはんだ付け技術
 地域のスペシャリストによる鉛フリーはんだ付け技術の向上を目的とし、冬学期到達度試験後の特別学習指の向上を目的とし、冬学期到達度試験後の特別学習指導・研修期間の令和３年 2
2月
月 16
16 日
日 火
導・研修期間の令和３年
火 にスイッチ回路にスイッチ回路
基板のすずメッキ線を使った鉛フリーはんだ付けの講習
基板のすずメッキ線を使った鉛フリーはんだ付けの講習会を実施した。鉛フリーはんだ付けにて製品を製造して会を実施した。鉛フリーはんだ付けにて製品を製造している企業の講師として、アンデス電気株式会社より、開いる企業の講師として、アンデス電気株式会社より、開発部長細川進氏、営業部海外営業課長中岫博行氏、人事発部長細川進氏、営業部海外営業課長中岫博行氏、人事総務課係長櫻田憲司氏、管理部業務支援
総務課係長櫻田憲司氏、管理部業務支援 ** 青森生産管理
青森生産管理課製品技術ユニット係長五日市悠氏に来校いただいた。
課製品技術ユニット係長五日市悠氏に来校いただいた。
講習会は新型コロナ感染症対策を取りながら実施し、講講習会は新型コロナ感染症対策を取りながら実施し、講師から環境を意識した師から環境を意識した RoHS
RoHS 対応と鉛フリーはんだ付け
対応と鉛フリーはんだ付けで生産している製品について、資料やパワーポイントをで生産している製品について、資料やパワーポイントを用いて概要説明があり、企業における鉛フリーはんだ付
用いて概要説明があり、企業における鉛フリーはんだ付
けのニーズを学んだ。また、鉛フリーはんだ付けの方法
けのニーズを学んだ。また、鉛フリーはんだ付けの方法の説明を受け、工作技術を学んだ。以下に企業提案の工の説明を受け、工作技術を学んだ。以下に企業提案の工作講習会予定を示す。図６に講師による講習風景を示す。
作講習会予定を示す。図６に講師による講習風景を示す。

細川 靖・吉田雅昭・中村嘉孝・野中 崇・遠田達也
細川 靖・吉田雅昭・中村嘉孝・野中 崇・遠田達也

18

鉛フリーはんだ付け回路工作講習会予定：
電気情報工学コース第３学年の 39 名を対象にアンケー
第１部
講義・研修     13:00～13:50(50 分)
ト調査を行った。十分が５、不十分が１の５段階評価とはんだとは、はんだの種類と極性、はんだ付けの方法とし、集計を遠田技術職員が担当した。以下にその調査項
部品、はんだの国際規格、最新はんだ技術
目を示す。また、表 1 に前稿３）の平成 30 年度アンケー
第２部
はんだ実技・動作確認 14:00～15:40(100 分)
ト調査結果と令和２年度のアンケート調査結果比較を、振り返り・アンケート・片付け15:40～16:00(20分)
図 2 にアンケート調査結果のグラフを示す。青は前回とほぼ同様、橙は平均以下、緑は前回以上である。
１）工作時間は十分か
２）抵抗器・コンデンサ・水晶振動子の実装
３）IC ソケットの実装
４）ピンソケット（メス 1×8，１×6）の実装
図 6 地域スペシャリストによる講習風景
５）電源 IC と LED の実装
６）スイッチとブリッジダイオードの実装
4.2 鉛フリーはんだ付け工作実習７）ピンヘッダ（オス 2×3，1×4）の実装
 すずメッキ線を用いた鉛フリーはんだ付け工作の実践
８）電解コンデンサと DC ジャックの実装として、吉田雅昭准教授作成の資料を参考に電気情報工９）USB モジュールの実装
学コース第３学年の授業「ロボットエレクトロニクス」
10）マイコンの装着とジャンパピンの接続で利用しているマイコンのための２ボタンスイッチ回路
11）プレート加工と基板固定の工作を講師の指導の下に行った。回路完成後には筆者
12）ブートローダの書き込みと動作確認
らが試作したサーボモータを用いた教材を使って回路基
13）鉛フリーはんだ付け
板の動作確認を行った。工作のみの時間は計 100 分程度
14）鉛入りはんだの環境への影響であった。図７に学生が実際に作成した優秀回路基板例
15）マイコン工作は楽しかったかを示す。また、基板工作の資料を資料を図８に、講師の
16）マニュアルは理解しやすかったか
指導を受けながら工作した実習風景を図９に示す。
17）マニュアルははんだ付け工作に役立ったか


5.0

平均値

4.0
3.0

2.0学生が工作した回路の部品面 左 と配線面 右 
図 7



1.0
4.3 鉛フリーはんだ付け工作におけるアンケート調査実施
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617と分析
問い番号
 地域のはんだ付けスペシャリストによる鉛フリーはん
図 2 令和２年度マイコンボード工作アンケート結果
だ付け工作実習の実施後に、工作時間の過不足や自己評
価のアンケート調査を行った。また、実践した地域企業
 これらの結果を見ると、令和２年度は平成 30 年度にと連携したものづくり技術交流によって、学生の鉛フリ比べ全体的に向上し、全ての調査項目で 4 以上であり、ーはんだ付けの技術向上が行えたかについてもアンケー
達成度は十分である。問い１の工作時間については 4.74
ト調査を行った。令和３年度の対象者は、工作に参加しと前回より向上した。実験実習の時間に工作を進めたがた電気情報工学コース第３学年
33 名で十分が５、不十工作時間は十分であることがわかった。問い13 の鉛フ分が１の５段階評価とし、集計を遠田技術職員が担当しリーはんだ付けに関しては 4.41 と前回よりは向上したがた。以下に鉛フリーはんだ付け工作実習に関する調査項
他の項目より低い。達成度としては十分と言えるが、マ目を示す。また、調査結果を図10 に示す。
ニュアルを読んで工作しており、講師による鉛フリーは

んだ付け実演の講習を行っていないので、少し難しく感じたようである。問い 14 の鉛の環境影響については、
4.59 と平成 30 年度に比べ約 0.2 低下した。パワーポイン
トでの説明が短かったためと考えられる。問い 16 は4.54 と平成 30 年度に比べ約 0.2 低下した、問い 17 は4.76 と平成 30 年度に比べ少し低下したが、これらのマニュアルに関する評価は平成 30 年度とほぼ同等で、カラーの写真付き工作マニュアルは有用で、十分であることが確認できた。
表 1 平成 30 年度と令和２年度のアンケート調査平均値比較

H29 年度

R2 年度

図 8 スイッチ回路工作用資料
平均値
平均値

問1
4.51 
4.74
問2
4.79
4.85
問3
4.69
4.85
問4
4.72
4.82
問5
4.72
4.85
問6
4.72
4.87
問7
4.77
4.85
問8
4.85
4.87
問9
4.77
4.74
問 10
4.82
4.72
問 11
4.79
4.90
問 12
4.77
4.76
問 13
4.15
4.41
問 14
4.77
4.59
問 15
4.67
4.84
問 16
4.72
4.54
図
9
スイッチ回路工作実習風景
問 17
4.84
4.76 

平均値
4.71
4.76
工作調査項目：
 １）工作時間は十分か 
3. 鉛フリーはんだ付け基礎技術習得のための基板
 ２）抵抗器の実装

工作練習の試行 ３）トグル SW1（TSW）の実装 
3.1４）プッシュ
SW2・3（PSW）の実装

基板工作練習の目的と経緯
 ５）発光ダイオード（LED）の実装

鉛フリーはんだ付けは工作技術を必要とする。しかし、
６）ピンソケット（メス1×6）の実装
マイコンボード工作だけでは時間も短く、比較的容易な ７）すずメッキ線による配線の実装

両面スルーホール基板のはんだ付けなので、学生の技術 ８）基板足の実装

向上はあまり期待できない。本研究では、すずメッキ線
 ９）Arduino ボードと工作基板との接続 を用いたスイッチ基板の工作を行う事ではんだ付け技術
 10）Arduino プログラムの実行 の向上を目標とするが、基本技術の習得が無い学生は、
 11）トグル SW 動作確認・理解 
すずメッキ線を用いたスイッチ基板工作に多く工作時間 12）プッシュ SW 動作確認・理解を要する。特に外部講師を招聘して工作の講習会を実施
 13）鉛フリーはんだ付け
した際、時間内に完成できない場合には自信喪失と満足 14）Arduino でのサーボモータの利用方法 
度の低下も予想される。学生が自信喪失して鉛フリーは
 15）アクチュエータのリンク機構の理解 
んだ付けへの苦手意識を持つことは、本研究の目的と反 16）回路工作・演習は楽しかったかする。そこで、本研究では前回と同様に、スイッチ回路
基板工作の前に、工作練習を実施した。

組み込みロボット授業における地域企業と連携したものづくり技術交流の実践 
組み込みロボット授業における地域企業と連携したものづくり技術交流の実践 

はんだ付け技術向上調査項目： １）はんだ付けが好きになったか ２）想像より楽しかったか ３）地域企業のニーズを理解したか ４）鉛の環境影響を意識するか ５）はんだ付け技術の向上
 ６）はんだ付け知識習得 ７）問題解決能力の向上
 ８）達成感があったか
図 3 工作練習用回路配線資料
 ９）リンクとサーボの理解 10）後輩も実施する方がいいか
3.3 基板工作練習の実際
工作時間は90 分程度で、参加者は 3130
名であった。
 図
11 の調査結果より、全体的に平成年度より向上補充試験が近いこととや企業側の都合で日程が変更になしており、殆どの学生が地域企業のニーズを理解し、鉛ったため８名が欠席となった。学生は工作時間がかかの環境影響を意識したことと、はんだ付け知識が習得でり、直角配線１つは全員できたが、時間内に２つ以上終き、達成感があったことが分かった。また、本研究と同えたのは 31 名のうち 68％の 21 名であった。また、丁様の取り組みを後輩達も体験した方が良いかという問い
寧に工作できた学生と、殆ど工作できなかった学生がおは、はい・わからない・いいえの３段階評価で、平均はり、はんだ付け練習作品の完成度の差が大きかった。練2.67と高く、後輩達も実施する方が良いと考えていることが分かった。平成 30 年度に比べはんだ付け好きになり、楽しく、はんだ付け技術が向上し、問題解決能力が習工作の優良例と不良例を図４に、真摯に取り組んでい向上し、達成感が得られたことが分かった。
る工作練習の風景を図５に示す。


5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
図1.5
4 工作練習用直角配線の優良例 左 と不良例 右 

1.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

平均値

平均値

5.0
3.2 基板工作練習の計画
4.5
鉛フリーはんだ付け技術向上を目的として、令和３年
4.0
2 月 12
3.5日 金 の 1430～1600 に電気情報工学コース第３学年の3.0 31 名を対象に鉛フリーはんだ付けの練習会を実施した。はんだ付け技能保持者の総合科学教育科の吉2.5
2.0
田雅昭准教授からはんだ付けの技術講習を受け、新品の1.5
ユニバーサル基板にすずメッキ線での配線練習を行っ1.0
た。書画カメラで手元のはんだ付けを撮影し、学生が講
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16師の工作風景を見られるよう工夫した。新型コロナ感染
問 い番 号症対策を取りながら、吉田先生考案の直角配線を工作す 
図 10 鉛フリーはんだ付け工作実習調査
ることとした。学生への連絡は担任の中村先生に依頼した。以下、作業予定と直角配線工作資料を図３に示す。
 図 10 の調査結果より、問い 1 では 100 分程度と工作時間を増やし、回路動作確認・振り返りの時間を含む改工作練習作業予定：
善をしたことで、平成30 年度に比べ殆どの学生が工作
・準備（ 分）
時間が十分であったことが分かった。問い
16 も 4.79 で・部品配布（ 分）
楽しく満足度も高かったことが分かる。問い
2 以外すべ・講師工作実演（ 分）
て平成
30 年度より 0.2 以上向上しており、全体的に高評・配線レイアウトの練習（分）
価であったと言える。平成30
年度は問い 13 が 3.83 と低・休憩（ 分）かったが、今回は4.55 と高い結果となった。工作練習よ
・抵抗の折り曲げとはんだ付け（分）
りも基板工作の方がよくできたためと考える。また、問・抵抗のはんだ付け（ 分）
い
15 も 4.52 とリンク機構の理解も高い結果となった。
・まとめと振り返り（分）
今後は少し評価が低かったサーボモータについての説明
・後片付け（ 分）
時間を増やすことが必要と考える。
次に、学生の鉛フリーはんだ付けの技術向上に関する調査項目を示す。

19

問い番号
図 11 学生の鉛フリーはんだ付けの技術向上に関する調査

 本研究では、技能保持者吉田先生による練習基板とス
イッチ回路基板のはんだ付け技能の評価を行った。評価
項目は、「はんだ付け 5 点」、
「メッキ線配線 4 点」、
「抵抗の折り曲げ 3 点」、
「外観（見た目） 3 点」の４項目で合計 15 点満点とした。平成 30 年度の優良工作（11 点または 10 点以上）は練習が 26％で回路が 42％であった。これに対し令和 2 年度は、練習基板は 19％、ス
イッチ回路基板は 36％が優良工作となった。この内訳は、練習ありで評価低２名(向上無)、練習ありで評価低から
図 5 工作練習風景
高へ向上が 6 名（向上有）、練習ありで評価高が 5 名（向
上有高品質）であった。全体では練習よりも回路工作で
4. 地域のスペシャリストによる鉛フリーはんだ付の評価値が17％向上した。これは平成 30 年度の 10％よけ技術向上のための電子回路工作講習会
り高い結果となった。十分時間を確保したことで、はんだ付け練習・講習の効果が確認できた。
4.1 鉛フリーはんだ付け技術向上のための電子回路工作講習会
 5地域のスペシャリストによる鉛フリーはんだ付け技術. 地域のものづくり企業工場見学の向上を目的とし、冬学期到達度試験後の特別学習指令和３年 2 月 17 日(水)の 8:50 に集合してバスに乗り、導・研修期間の令和３年 2 月 16 日 火 にスイッチ回路
地域のものづくり企業の理解のため、八戸市内の企業で基板のすずメッキ線を使った鉛フリーはんだ付けの講習
あるアンデス電気株式会社の工場見学を、電気情報工学会を実施した。鉛フリーはんだ付けにて製品を製造してコース第３学年希望者９名を対象に行った。企業側の新いる企業の講師として、アンデス電気株式会社より、開型コロナ感染対策のため、最小限の人数となった。対応
発部長細川進氏、営業部海外営業課長中岫博行氏、人事者は前日に工作指導を行った、アンデス電気株式会社人総務課係長櫻田憲司氏、管理部業務支援 * 青森生産管理事総務課係長櫻田憲司氏と製品技術ユニット係長五日市
課製品技術ユニット係長五日市悠氏に来校いただいた。
悠氏らであった。
講習会は新型コロナ感染症対策を取りながら実施し、講始めに企業紹介があり、アンデス社の製品紹介として師から環境を意識した RoHS 対応と鉛フリーはんだ付け
は、新幹線に採用された空気清浄機や、電器店の店舗にで生産している製品について、資料やパワーポイントを用いられている LED 照明など身近な製品であった。
用いて概要説明があり、企業における鉛フリーはんだ付
見学は、アンデス社の開発した製品（空気清浄機、けのニーズを学んだ。また、鉛フリーはんだ付けの方法
LED 照明等）と、製造ラインの試作工場であった。見の説明を受け、工作技術を学んだ。以下に企業提案の工学後に本校 OB によるグループディスカッションの質問
作講習会予定を示す。図６に講師による講習風景を示す。

細川 靖・吉田雅昭・中村嘉孝・野中 崇・遠田達也
細川 靖・吉田雅昭・中村嘉孝・野中 崇・遠田達也

20

会を行った。これらの様子を図
電気情報工学コース第３学年の 1239に示す。
名を対象にアンケー
ト調査を行った。十分が５、不十分が１の５段階評価とし、集計を遠田技術職員が担当した。以下にその調査項目を示す。また、表 1 に前稿３）の平成 30 年度アンケー
ト調査結果と令和２年度のアンケート調査結果比較を、
図 2 にアンケート調査結果のグラフを示す。青は前回とほぼ同様、橙は平均以下、緑は前回以上である。

平均値

１）工作時間は十分か
２）抵抗器・コンデンサ・水晶振動子の実装
３）IC ソケットの実装
４）ピンソケット（メス 1×8，１×6）の実装
５）電源 IC と LED の実装
６）スイッチとブリッジダイオードの実装
７）ピンヘッダ（オス 2×3，1×4）の実装
８）電解コンデンサと DC ジャックの実装
９）USB モジュールの実装
10）マイコンの装着とジャンパピンの接続
11）プレート加工と基板固定
12）ブートローダの書き込みと動作確認
図 12 地域のものづくり企業工場見学の様子
13）鉛フリーはんだ付け
14）鉛入りはんだの環境への影響
学生達は企業見学が初めてで、見学後のアンケート調
15）マイコン工作は楽しかったか
査の感想として、「高専生が必要とされている」、「事業16）マニュアルは理解しやすかったかの幅が広く日常生活に結び付いたものを数多く作ってい17）マニュアルははんだ付け工作に役立ったかて驚いた」、「ためになることがたくさんあった、仕事をしている風景が見れてよかった」、「OB の社員の方から5.0
話せるのはとても良い機会になりました」、等の意見から、地元企業への興味が喚起されたことが分かった。
4.0
また、「OB の方が英語を頑張れと言っていたのでやはり英語は大事だと思った」、「専門の勉強を頑張りたい」、
3.0「製図や CAD も勉強してみたい」等、学業への意識向上も確認できた。
2.0
さらに、「高専との繋がりがあり、就職に有利だと思
1.0
った」
、
「アンデスさんに興味を持った」、「アンデス電気
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1011121314151617
でアルバイトしてみたいと思った」、「仕事をしながらで
問い番号も育児ができることに魅力を感じた」、「他の企業も見てみたい」等の意見があり、地域企業就職への意識向上も
図 2 令和２年度マイコンボード工作アンケート結果確認できた。
 これらのアンケート結果から、社会に役立つ製品が八これらの結果を見ると、令和２年度は平成 30 年度に戸で開発生産されていることを知り、地域企業への興味
比べ全体的に向上し、全ての調査項目で 4 以上であり、喚起と高専出身の先輩の活躍などの刺激を受け、学生達
達成度は十分である。問い１の工作時間については 4.74の学業や、地域企業への就職の意識向上が確認できた。
と前回より向上した。実験実習の時間に工作を進めたが工作時間は十分であることがわかった。問い 13 の鉛フ
リーはんだ付けに関しては 4.41 と前回よりは向上したが
6. まとめ他の項目より低い。達成度としては十分と言えるが、マニュアルを読んで工作しており、講師による鉛フリーは

本研究では、電気情報工学コース学生の鉛フリーはん
んだ付け実演の講習を行っていないので、少し難しく感
だ付け技術の向上を目指し、地域企業と連携したものづじたようである。問い14 の鉛の環境影響については、
くり技術交流を実践し、すずメッキ線を用いたスイッチ
4.59 と平成 30 年度に比べ約 0.2 低下した。パワーポイン
基板工作と、地域のものづくり企業の工場見学を行った。
トでの説明が短かったためと考えられる。問い 16 はアンケート調査では、実際に自分ではんだ付けした難4.54と平成 30 年度に比べ約 0.2 低下した、問い 17 はしさから多数の学生が「講師のはんだ付け技術に驚いた」
4.76 と平成 30 年度に比べ少し低下したが、これらのマと答え、講習後は「はんだ付けが好きになった」と答え
ニュアルに関する評価は平成 30 年度とほぼ同等で、カており、本研究の成果が確認できた。
ラーの写真付き工作マニュアルは有用で、十分であるこ地域のものづくり企業見学では、コロナ過での対応にとが確認できた。
感謝したい。学生も「企業に初めて見学に行けてとても楽しかった」、「実際に仕事しているのを見て興味を持っ表 1 平成 30 年度と令和２年度のアンケート調査平均値比較
た」、「目標を持って勉強に励みたい」、等の肯定的な意
H29 年度
R2 年度
見が多く、教育的成果と、学習意欲向上と地域理解向上
平均値
平均値
問1
4.51
4.74
が確認できた。
問2
4.79
4.85
鉛フリーのはんだ付け工作は技術が必要だが、本研究
問
3
4.69
4.85
では事前練習により全員が完成でき、工作品質も前回度
問4
4.72
4.82
より向上できた。工作が上手なのに学生自己評価が低い
問5
4.72
4.85
学生がいるので、声掛けや褒めること大事である。
問6
4.72
4.87
「はんだ付け工作後のものづくり企業見学」が地域理
問7
4.77
4.85
解に有効なので、今後も本研究を継続して授業と地域の
問8
4.85
4.87
ものづくり企業を連携させて、環境を意識したはんだ付
問9
4.77
4.74
け教育を継続・推進したいと考えている。
問 10
4.82
4.72

問 11
4.79
4.90
問 12
4.77
4.76
謝 辞
問 13
4.15
4.41
問
14
4.77
4.59
アンケート調査にご協力いただいた学生諸君と本研究に
問 15
4.67
4.84
ご協力いただいた教職員の皆様に感謝致します。また、本
問
16
4.72
4.54
研究の一部は、公益財団法人 16. メカトロニクス技術高度
問 17
4.84
4.76
化財団 高等専門学校のメカトロニクス技術高度化のため
平均値
4.71
4.76
の「教育 % 助成」の支援により行ったものであり、援助い
ただいた関係各位に深く感謝致します。

3. 鉛フリーはんだ付け基礎技術習得のための基板工作練習の試行 参 考 文 献
1)

細川 靖，島脇良介：マイコンを用いた自走ロボット工作授業の展

3.1 基板工作練習の目的と経緯
開(3)，八戸高専紀要，第 48 号，pp.91-95(2013).
鉛フリーはんだ付けは工作技術を必要とする。しかし、
2) 細川靖，野中崇，鎌田貴晴，吉田雅昭，沢村利洋，齊藤貴之，丸マイコンボード工作だけでは時間も短く、比較的容易な
岡晃，遠田達也：校内鉛フリー化推進調査と鉛フリーはんだによる両面スルーホール基板のはんだ付けなので、学生の技術
基板工作の実践，八戸高専紀要，第 49 号，pp.37-42(2014).
向上はあまり期待できない。本研究では、すずメッキ線
3) 細川 靖，吉田雅昭，松橋信明，野中 崇，遠田達也，組み込みロボを用いたスイッチ基板の工作を行う事ではんだ付け技術
ット授業における地域企業と連携したものづくり技術交流の実践(3)，の向上を目標とするが、基本技術の習得が無い学生は、
八戸工業高等専門学校紀要，第 54 号，pp.23-28(2020).
すずメッキ線を用いたスイッチ基板工作に多く工作時間
4) Arduino 公式ウェブサイト，https://www.arduino.cc/ (2021).
を要する。特に外部講師を招聘して工作の講習会を実施
5) 秋 月 電 子 通 商 公 式 ウ ェ ブ サ イ ト ， http://akizukidenshi.com/
した際、時間内に完成できない場合には自信喪失と満足(2021)．
度の低下も予想される。学生が自信喪失して鉛フリーは（原稿受付：2021 年 11 月 26 日）
んだ付けへの苦手意識を持つことは、本研究の目的と反する。そこで、本研究では前回と同様に、スイッチ回路
基板工作の前に、工作練習を実施した。

八戸工業高等専門学校紀要   
第  号  （ ）                                  21

ダウンサンプリング処理を用いた自動運転のためのオブジェクト検出法
工藤 憲昌*・長屋 輝*・釜谷 博行*・田所 嘉昭**
A study on detecting movement of objects using down-sampling processing
Norimasa KUDOH, Hikaru NAGAYA, Hiroyuki KAMAYA, Yoshiaki TADOKORO* 産業システム工学科 電気情報工学コース** 豊橋技術科学大学 工学部

Abstract : In recent years, research on ADAS (Advanced Driver-Assistance System) has been actively conducted.
Among the sensors, millimeter wave radar is cheap and wide utilization is expected. The purpose of this study is todetect the distance and velocity to objects with high accuracy using a millimeter-wave called a chirp signal. In thisarticle, firstly, it is described that the configuration of the detection system and how to detect distance and velocity
to objects using chirp signal. And then, we propose a method for estimating the frequency difference between thetransmitted wave and the received wave using an adaptive filter. Finally, from extensive simulations, comparedwith the results of other frequency estimation methods such as FFT and MEM, the validity of the proposed method
is verified. We also show that down-sampling improves the estimation accuracy.
Key words : Adaptive frequency estimation, Chirp signal, ADAS, FMCW, Down Sampling
1. はじめに
安心・安全で高効率の次世代モビリティとして、高度運転支援システム（ADAS: Advanced Driver- Assistance
System）や自動運転技術の研究開発がさかんに進められている。これらのシステムには、適材適所の意味で、色々なセンサが相補的に用いられると考えられる。この中でミリ波チャープ信号を用いる車間距離、速度、角度の検出法は、安価なこともあり最も多く使用されると想定される 1),2)。本検討では、チャープ率等を考慮して、レーダ
間干渉を抑え距離と速度をより精度よく推定することを目標とする。本稿では、適応周波数推定法を用いた距離、速度、移動方向の検出法について検討したので報告する。
本稿の構成を以下に示す。22.ではチャープ信号を用いた
測距等の方法、3
3.では周波数推定のシステムについて、4.ではシミュレーションの結果を示している。5.は結論である。

2. 検出の概要
時間とともに周波数が増加もしくは減少するような信号をチャープ信号という。レーダにおいてこのチャープ信号を用いるのは、障害物（ターゲット）との距離、速度差および到来方向を同時に測定することが可能であるためである 3)。
検出システムのブロック図を図 1 に示す。

図  検出システム
Fig.1. Block diagram of detection system
まず、距離測定を概説する。送信アンテナ TX からチャープ信号が送信され、ターゲットから反射して受信される信号と送信信号を乗算する。LPF（Low Pass Filter）
で高周波成分を除去し、送信信号と受信信号の周波数差ｆｄから得られるビート信号の周波数分析を行う。図 2にその概要を示す。
k = (f1 − f0 )/T          (1)fd = kt − k(t − t d )        (2)
d=

ctd
2

            (3)

ここで、k はチャープ率、ｔｄは遅延時間である。送信端とターゲットの距離ｄは上述の周波数差ｆｄから式(3)のように求められる。ここで、ｆ１、ｆ０はチャープ信号の最終周波数、初期周波数、T はチャープ信号の１周期、ｃは光速である。

工藤 憲昌・長屋 輝・釜谷 博行・田所 嘉昭
22

図  送受信信号
Fig.2. TX and RX signal
次に、相対速度の測定について簡単に述べる。よく知られているように、ターゲットが高速に移動して場合、ドップラー効果により受信信号の周波数は送信信号のそれと異なる。これに対処するために、図 3 のように周波数が増加するアップチャープ信号と減少するダウンチャープ信号を併用する 3）。図 3 のｆR はターゲットの距離により決まる周波数でありｆV は速度により決まる周波数である。ｆＢＵはｆR－ｆＶ、ｆＢＤはｆR－ｆＶから、相対速度は式(4)より求められる。
VR =c(fBD −fBU )fc

         (4)図  ドップラーシフト
Fig.3. Frequency drift by Doppler effect
最後に対象物との角度の測定方法について記述する。
図 4 に角度測定のモデルを示す。角度を測定する場合、受信用のアンテナをもう 2 つ以上用意する。そして対象物からの距離の 2 つのアンテナの差とアンテナ同士の距
離を用い角度を導出する。送受信波を平面波と考えると、そのとき対象物から受信アンテナＲｘ１、Ｒｘ２までの距離の差をΔd とし、アンテナ間の距離を l(エル)とすると対象物との角度θは、以下のように求めることができる。
Δ𝑑𝑑

θ = 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠−1 ( 𝑙𝑙 )           (5)3. 周波数推定法

通常、周波数を求める際には FFT が用いられている。
サンプリング周波数をｆｓ、変換規模を N とすると、
FFT

図 4 角度の推定
Fig.4. Model of angle measurementの周波数分解能はｆｓ／N である。精度よく周波数を求めるには、N を大きくする必要があるが、N を大きくすると計測までの時間がかかることになる。例として、ｆｓ
を 400[kHz]、N を 1024 点とした場合、その周波数分解能は 390[Hz]、データの蓄積時間は 2.56[ms]となる。また、変換規模を倍にするとそれに伴ってデータの蓄積時間も倍になってしまう。これらのことからわかるのは、FFT では、推定精度を求めて周波数分解能を向上させるとデータの取得に時間を要するようになってしまうとい
うことである。これは、推定精度とリアルタイム性の両立が求められる車間距離等推定において、致命的な欠陥となる。そこで本検討では、周波数分解能が非常に小さい適応フィルタによる周波数推定を行う 4)。
図 5 に周波数差ｆｄを推定する適応フィルタの構成（単一周波数の推定）を示す。ＨＮ(z)は適応ノッチフィルタ、
ＨＳ(z)は適応バンドパスフィルタであり、それぞれ式(6)、(7)で表される。ここで、γは極半径を制御するパラメー
タで、0<γ<1 である。ＨＮ(z)とＨＳ(z)をトリー状に接続することで多周波推定も可能である 5）。

図  周波数推定のための適応フィルタ
Fig.5. Adaptive filter for frequency estimation
HN (z) =HS (z) =1−αz−1 +z−2

1−γαz−1 +γ2 z−2       (6)−(1−γ)z−1 +γ(1−γ)z−3
1−γαz−1 +γ2 z−2     (7)適応パラメータαの真値は 2cosωであり(ω = 2πfｄ)、αは次式に従って更新する。

23

ダウンサンプリング処理を用いた自動運転のためのオブジェクト検出法

α̂(𝑛𝑛 + 1) = α
̂(𝑛𝑛) − μe(n)s(n)      (8)ここで、e(n)はＨＮ(z)の出力、s(n)はＨＳ(z)の出力であり、μはステップサイズパラメータである。αの推定値𝛼𝛼̂を用いて、推定周波数は式(9)のように求められる。
𝑓𝑓 =

̂
α
2

𝑓𝑓𝑠𝑠 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐−1 ( )2𝜋𝜋          (9)本検討では、求める周波数ｆｄがサンプリング周波数に比べ非常に小さいためダウンサプリング処理も併用する。
サンプリング周波数によるαの値の概観を図 6 に示す。
周波数が小さいとαの勾配が非常に小さいため、観測雑音により推定値𝛼𝛼̂が影響を受けることが分かる。図示する
ように、ダウンサプリングにより勾配が大きくなり、改善が図られることが分かる。

の制限のため、光速 c を 3×103[m/s]、送信波を 0[ms]から 10[ms]の間に周波数が 76.5[kHz]から 77.5[kHz]へと変化するチャープ信号、受信波を送信から 5[ms]後に受信したものとした。なお、結果は 10 回の独立なシミュレ
ーションの集合平均より求めている。
4.1 定常状態における推定特性
ターゲットとの距離が一定の定常状態において、FFT、
MEM(Maximum Entropy Method)スペクトル７）と提案
方法の推定特性の比較を行った。送信信号ＴＸとターゲッ
トからの反射ＲＸは、それぞれ、式(10)、(11)で与えられる。
𝑓𝑓 −𝑓𝑓0

𝑇𝑇𝑋𝑋 (𝑡𝑡) = 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 {2𝜋𝜋 (𝑓𝑓0 + 1
𝑓𝑓 −𝑓𝑓𝑇𝑇) 𝑡𝑡}     (10)𝑅𝑅𝑋𝑋 (𝑡𝑡) = 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 {2𝜋𝜋 (𝑓𝑓0 + 1 𝑇𝑇 0 ) (𝑡𝑡 − 𝜏𝜏)} + 𝜙𝜙(𝑡𝑡) (𝜏𝜏 ≤ 𝑡𝑡) (11)ここで、Φ(t)は平均ゼロ、分散𝜎𝜎𝜑𝜑 2 の加法性ガウス雑音である。シミュレーション条件をいかに示す。
(a)without down sampling (b)with down sampling
図  ダウンサンプリングの効果
Fig.6. Effect of down-sampling
更に、通常のダウンサンプリングでは廃棄されるサンプルを推定速度向上のため、更新に用いることを提案する。
ダウンサンプリング比を M とすると、M 個のダウンサン
プリングシステムがあることになる。ｉ番目のダウンサ
ンプリングシステムでは、𝛼𝛼̂𝑖𝑖 (𝑛𝑛)は式(8)に従って、𝛼𝛼̂𝑖𝑖 (𝑛𝑛 +1)に更新したあと、次の(ｉ+1)番目のシステムの𝛼𝛼̂𝑖𝑖+1 (𝑛𝑛)としてコピーされる(図 7 参照)。このようにすることにより、単位時間当たりの更新回数はダウンサンプリング前と同一になり、収束速度が劣化しないことが分かる 6),8)。

(1)fs =400 [kHz], f0 =76.5 [kHz], f1=77.5 [kHz];(2)T=10 [msec], τ=5 [msec];(3)受信波の SNR=0 [dB];(4)μ= 0.015, γ=0.95;
上述の条件では、真値ｆｄ=500[Hz]、距離 d=7.5[m]である。推定結果を図 8 から図 10 に示す。

図 8 FFT による推定結果
Fig.8. Frequency estimation result by FFT

図  提案法の構成
Fig.7. Block diagram of the proposed method

4. 数値例
本検討では使用する計算処理ソフトの最大配列サイズ

図  0(0 スペクトルによる推定結果
Fig.9. Frequency estimation result by MEM工藤 憲昌・長屋 輝・釜谷 博行・田所 嘉昭
24

𝑇𝑇𝑋𝑋 (𝑡𝑡)={𝑓𝑓1 − 𝑓𝑓0
) 𝑡𝑡} (0 < 𝑡𝑡 ≤ 𝑇𝑇),𝑇𝑇
𝑓𝑓1 − 𝑓𝑓0
𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 {2𝜋𝜋 (𝑓𝑓1 −) 𝑡𝑡} (𝑇𝑇 < 𝑡𝑡 ≤ 2𝑇𝑇)𝑇𝑇

𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 {2𝜋𝜋 (𝑓𝑓0 +(12)

4.1 の条件に加えたものは以下のとおりである。
(1)距離は 10[m]から 4.4[m]に変化；(2)相対速度は 0[km/h]から-10[km/h]に変化；(a) without down-sampling

図 11 に MEM スペクトルによる結果を示す。データサ
イズは 256 サンプルで予測次数は 15 である。変化に対して追従できていないことが分かる。８
図 12 に提案法による距離と相対速度の推定結果（拡大図）を示す。(a)は距離の推定（丸で囲んだ部分が推定値）、(b)は相対速度の推定（丸で囲んだ部分が推定値）を示しており、破線の真値とほぼ一致していることが分かる。

(b)with down-sampling
図  提案法による距離推定結果
Fig.10. Distance estimation results of proposed method

図 8 に FFT による結果を示す。変換規模Ｎ=4096
であるため、周波数分解能は 97.65[Hz]である。従って推定周波数は 488.25[Hz]、推定距離は 7.32[m]である。よく知られているように、スペクトル漏れにより不要な成分が数多く検出されている。図 9 は MEM ス
ペクトルによるものである。ピーク周波数から求めると、ｆｄ=500[Hz]、距離 7.5[m]と定常状態では正確に求めることができる。
図 10 に提案法による結果を示す。推定距離の平均と分散は、ダウンサンプリングなしの(a)では、それぞれ 7.544、0.0115、ダウンサンプリングありの(b)では、それぞれ 7.491、0.002 であり、ダウンサンプリング
による距離推定の劣化はなく、むしろ分散が小さい推定が可能であることが示されている。
4.2 非定常状態における推定特性
送信側とターゲットの初期距離が 10[m]で両者とも60[km/h]の速度で走行している状態から、ターゲット
のみが 1 秒間に 50[km/h]に線形に減速していく場合についてシミュレーションを行った。ターゲットの速度を検出する図 3 の増減するチャープ信号を用い、送信信号ＴＸは式(12)のようになる。

図  0(0 による周波数推定
Fig.11. Frequency estimation result by MEM(a)distance
図  移動の検出
Fig.12. Movement detection results

5. 結論
適応周波数推定を用いたターゲットとの距離、相対速ダウンサンプリング処理を用いた自動運転のためのオブジェクト検出法

度、到来方向を検出する方法について述べた。シミュレーションにより、提案方法は高精度でリアエウタイムの推定ができ、FFT や MEM スペクトルなどの車載レーダで用いる周波数推定法よりも有効であることを示した。
また、ダウンサンプリング処理や通常廃棄するサンプル
も適応処理の更新に用いることで、耐雑音性の向上や収束速度の維持をはかることができた。
今後は、複数のターゲットがある場合、複数の干渉信号がある場合について検討をすすめる予定である。

25

KRZOLQJFDQFHOOHUXVLQJTXDVLZKLWHQHGLQSXWVLJQDOV”
3URFHHGLQJVRI,(((7(1&21SS  

1.XGRK <7DGRNRUR “ 3HUIRUPDQFH $QDO\VLV RI D
)RXULHU&RHIILFLHQW(VWLPDWLRQ0HWKRG8VLQJ,,5 %3)V
DQGDQ/06$OJRULWKPDQG,PSURYHPHQWRILWV3HUIRUPDQFH”
7UDQVRI,(,&($SS  

6+D\NLQ“$GDSWLYHILOWHUWKHRU\”UG(G(QJOHZRRG
1-3UHQWLFH+DOO  工藤憲昌長屋 輝釜谷博行田所嘉昭“チャープ信号を用 い た オ ブ ジ ェ ク ト の 移 動 検 出 に 関 す る 検 討 ” 電 気 学 会relative velocity[km/h]

電 子 ・ 情 報 ・ シ ス テ ム 部 門  全 国 大 会 予 稿 集

real value0（原稿受付：2021 年 11 月 2 日）

-10
0

1

2
3
iteration

44[´10 ](b) relative velocity
図  移動の検出 続 
Fig.12. Movement detection results(continued)

謝辞
本研究の一部分は JSPS 科研費 19K03043 の助成を受けたものです。

参 考 文 献M.Goppelt, H.L.Blocher, W.Menzel, “Automotive radarinvestigationofmutualinterference

mechanism”,$GYDQFHVLQ5DGLR6FLHQFH9ROSS   71R]DZD <0DNLQR 17DND\D 08PHKLUD 67DNHGD
;:DQJ+.XURGD “$QDQWLFROOLVLRQ$XWRPRWLYH)0&:
5DGDU XVLQJ 7LPHGRPDLQ ,QWHUIHUHQFH 'HWHFWLRQ DQG6XSSUHVVLRQ”3URF  RI5$'$5SS  08PHKLUD 67DNHGD ;:DQJ +.XURGD ” ,QWHUUDGDU,QWHUIHUHQFHDQG,QWHUIHUHQFH0LWLJDWLRQ7HFKQLTXHVLQ
0LOOLPHWHUZDYH )0&: 5DGDUV IRU $XWRPDWHG 'ULYLQJ$SSOLFDWLRQV ” ,(,&( 7HFK5HS65:SS .1DULWD1.XGRK+.DPD\D<7DGRNRUR”$VWXG\RQDQ
$1&6\VWHPXVLQJQDUURZEDQJVLJQDOV”SURFHHGLQJVRI
,(((7(1&21SS  *6SS  7)XMLPXUD1.XGRK+.DPD\D<7DGRNRUR“$VWXG\RQ八戸工業高等専門学校紀要                                       27
第号  （）量子力学の観測問題はなかった？ --量
量子力学の半分は情報理論である III-中ノ 勇人
There has not been the Measurement Problem in Quantum Mechanics?
- A half of Quantum Mechanics is an information theory (III) -Hayato NAKANO* 電気情報工学コース

Abstract : Recently, there are often found opinions that the Measurement Problem in Quantum Mechanics has notexisted since the origin of the field. Nevertheless, it is sure that the strangeness of QM (absence of the reality) has
never been solved. In this article we try to explain the present situation and show how we should accept the relation
between Quantum world and our Reality.
Keywords : quantum mechanics, measurement, projection, reality, absence of entity, nonlocality
1. 量子力学は不思議だ
量子力学は不思議だがパラドックスはない。この「不思議さ」を科学で解明するのがいわゆる「量子力学の観測問題」である[1-6]。半世紀前の理・工学部では、そんなものに興味をもつと時間を無駄にするだけだから「黙って計算しろ」というのが賢明な指導であった。前世紀の終わり近くから量子情報研究および量子測定の流行もあって、タブーの雰囲気がかなり緩み「不思議さ」はかなり整理されたのだが[9-19]、量子力学を日常利用する専門家たちにも流布しているとはいいがたい。そんな折、数年前から「量子力学の『観測問題』は始めからなかった」ともとれるような記事、発言などが目につくようになったので[7,8]、それはどういう意味かここで少し整理してみたい。
結論を先に述べてしまおう。
「量子力学の不思議さ」≈「観測問題」の本質は 50 年前とほとんど変わっていない。
しかし、整理された結果、射影仮説に伴う不思議さはそ
ういうものとして「公理」のように受け入れるべき絶対
必要なもので、いくら科学的研究をしても、どうしてそうなのかは説明できない、とほぼ断言できるところまで来たように見える。この過程で最も貢献した研究は、いわゆる[Bell の不等式]である[4,7,8,14,19]。
2. 量子力学の不思議さの本質
線形重ね合わせが可能な(純粋)状態、そして、この状態に対し物理量(observable)の測定をすると、特定の物理量をもつ状態に射影されてその物理量が得られる、というのが量子力学の構成である。後者は、いわゆる「コペンハーゲン解釈」あるいは「射影仮説」と呼ばれる[18]。

射影仮説を認めてしまえば無矛盾であり実験結果と相違することがないこともかなり昔から知られていた。結局のところ、量子力学の不思議さの本質は、射影仮説にともなって生じる「実在(客観性)の不在」に集約される。
かつては、この不思議さは量子力学が不完全であるために生じるもので、科学が進歩すればもっと納得のいく説明がされるものと期待された。すなわち「観測問題」は科学的問題であると認識されていた。しかし、現在に至り、この不思議さはこれ以上科学的アプローチで研究しても解答が与えられるものではなく、公理のように前提条件として必要であり導出不可能なものであると認識されるようになった[14,19]。
2.1 実在(客観性)の不在
我々が自然を物理的対象として認識するとき当然のよ
うに「実在」を仮定している。科学的議論の文脈では、「客観的に存在する」と言い換えたほうがいいだろう。つまり、存在するモノは、誰が見てもそこに同じものが存在する。もっと敷衍して、誰も見ていないときにもそこに存在する、という前提のことである。日常感覚では当たり前であるし、古典物理学でも当たり前であった。相対性理論の登場で、同時刻・同地点の概念は揺らいだが、実在は揺らがなかった。
量子力学を素直に受忍することに抵抗した Einstein は言った。
「誰も見ていないときに月は存在するのか？」まさにこの問が実在と関係する。古典物理学の世界では、誰も見ていなくても月はそこに存在し、誰にとっても同じ月が存在する、という仮定は絶対であって完全に無矛盾である。この客観性こそが「実在」である。現行の量子中ノ勇人中ノ勇人

28

３つのうちのどれが破れていてもとりあえず実験と矛
力学はこのような実在の否定を含むようだから不完全で力学はこのような実在の否定を含むようだから不完全で３つのうちのどれが破れていてもとりあえず実験と矛盾しないのだが、(通常、陰謀論はとりあえず無視して)ある、との不満があったが、前節に出てきた「Bell の不等ある、との不満があったが、前節に出てきた「Bell の不等
盾しないのだが、(通常、陰謀論はとりあえず無視して)「局所的実在」が破れていることが証明された、と考え
式」とその周辺の理論的および実験的研究はそれ(実在の式」とその周辺の理論的および実験的研究はそれ(実在の「局所的実在」が破れていることが証明された、と考えるのが多数派である。こうして、量子力学では、実在=不在)が量子力学に不可避に内在していることを明白に不在)が量子力学に不可避に内在していることを明白にるのが多数派である。こうして、量子力学では、実在=客観性、が存在しないことになった。これが、量子力学
した(2)。
(2)した 。
客観性、が存在しないことになった。これが、量子力学の不思議、すなわち、受け入れがたいところの本質であの不思議、すなわち、受け入れがたいところの本質である。実は、Schrodinger の猫や、Wigner の友人、などの2.2 「実在」の重要性
2.2 「実在」の重要性る。実は、Schrodinger の猫や、Wigner の友人、などの感覚に矛盾する喩え話も、この「実在の不在」が顕著に
この世界の物理的存在が実在している、ことは我々の認識
この世界の物理的存在が実在している、ことは我々の認識感覚に矛盾する喩え話も、この「実在の不在」が顕著に表れた例であった。
「猫」では、猫の生死、が客観的事において極めて重要である。古典物理学においては、中のにおいて極めて重要である。古典物理学においては、中の表れた例であった。
「猫」では、猫の生死、が客観的事
実=実在として定まるのはいつなのかが不明になり、「友
見えない箱の中に何が入っているかは、観測者が異なって見えない箱の中に何が入っているかは、観測者が異なって実=実在として定まるのはいつなのかが不明になり、「友人」では、Wigner とその友人にとっての事実(実在)が一も変わることはない。この当たり前のことが量子力学では成りも変わることはない。この当たり前のことが量子力学では成り
人」では、Wigner とその友人にとっての事実(実在)が一致しているかどうかの客観性が怪しくなっている。
立たない。A, B の 2 人の観測者にとって箱の中身が同じか立たない。A, B の 2 人の観測者にとって箱の中身が同じか致しているかどうかの客観性が怪しくなっている。
どうかは A, B が共有している他の情報がどんなものであるかどうかは A, B が共有している他の情報がどんなものであるか
3. 量子力学の「解釈」と観測問題の関係を規定しないと決らないのである。情報の共有が、見ていなを規定しないと決らないのである。情報の共有が、見ていな
3. 量子力学の「解釈」と観測問題の関係
い箱の中身が一致するかに関係してくる。つまり、箱の中身
い箱の中身が一致するかに関係してくる。つまり、箱の中身「実在」が諦めきれない人たちは、何とか射影仮説なし「実在」が諦めきれない人たちは、何とか射影仮説なし
が独立した存在として決まらない＝実在しているとは言えなが独立した存在として決まらない＝実在しているとは言えなに、射影仮説を導入した標準的な量子力学と同等なものに、射影仮説を導入した標準的な量子力学と同等なもの
い、という深刻な事態が量子力学では生じる。簡単に受け入い、という深刻な事態が量子力学では生じる。簡単に受け入を構築したいとしていろいろなことを考える。それが、を構築したいとしていろいろなことを考える。それが、れられるものではない。この気持ちが「観測問題は科学が進れられるものではない。この気持ちが「観測問題は科学が進
いわゆる「量子力学の解釈」である。標準的な量子力学と
いわゆる「量子力学の解釈」である。標準的な量子力学と歩すれば解決できる」と信じられてきた歴史を支えている。
歩すれば解決できる」と信じられてきた歴史を支えている。
同等なものを目指しているから「解釈」と呼ばれる。
同等なものを目指しているから「解釈」と呼ばれる。
ただし、以下のことは強調しておかなければならない。
ただし、以下のことは強調しておかなければならない。
3-1 コペンハーゲン解釈
否定しなければならない「実在」は「観測していない間の
3-1 コペンハーゲン解釈
否定しなければならない「実在」は「観測していない間の詳細な異論はあると思うが、これを、ざっくり「標準的状態」についてであって、観測された物理量(そこに存在
詳細な異論はあると思うが、これを、ざっくり「標準的状態」についてであって、観測された物理量(そこに存在な量子力学」と呼ぶことにする。潔く、射影仮説は必要不する、というのも物理量に置きなおせる)については実在な量子力学」と呼ぶことにする。潔く、射影仮説は必要不する、というのも物理量に置きなおせる)については実在
可欠な公理であって、科学的には導出不可能、という立している、として無矛盾である(3)。
可欠な公理であって、科学的には導出不可能、という立している、として無矛盾である(3)。
場が標準的な「コペンハーゲン解釈」である[12,19]。半世紀場が標準的な「コペンハーゲン解釈」である[12,19]。半世紀以上前から主流であるが、今はかつてよりずいぶん洗練
2.3 Bell の不等式とその周辺
以上前から主流であるが、今はかつてよりずいぶん洗練
2.3 Bell の不等式とその周辺されていることは忘れないでいただきたい[11,15,16]。50[11,15,16]
年
専門家に叱られないようにもう少し正確にいうと、Bellされていることは忘れないでいただきたい。50 年
専門家に叱られないようにもう少し正確にいうと、Bell
前のまま大味ではなく痒い所に手が届く。この立場では、の不等式とその周辺の理論的および実験的研究が明らか前のまま大味ではなく痒い所に手が届く。この立場では、の不等式とその周辺の理論的および実験的研究が明らか測定されて確定した[物理量]だけが実在であって、測定さにしたのは、量子力学に従う現象においては、測定されて確定した[物理量]だけが実在であって、測定さにしたのは、量子力学に従う現象においては、れる前の状態や物理量は数学的にしか存在しない、とす
＊実在
＊局所性
＊自由意志
れる前の状態や物理量は数学的にしか存在しない、とす
＊実在
＊局所性
＊自由意志
る。つまり「波動関数」は実在しない数学的概念に過ぎなのどれかが破れていなければならない、という絶対的なる。つまり「波動関数」は実在しない数学的概念に過ぎなのどれかが破れていなければならない、という絶対的ない。測定の結果、特定の状態が生き残り他の可能性が消事実である[14]。個々について詳細に説明する余裕はここ[14]い。測定の結果、特定の状態が生き残り他の可能性が消事実である 。個々について詳細に説明する余裕はここ
えてなくなる(波束の収縮)、というのは、状態＝波動関数
ではないが、前者２つは通常の感覚ではまとめて「実在」
えてなくなる(波束の収縮)、というのは、状態＝波動関数
ではないが、前者２つは通常の感覚ではまとめて「実在」
を「実在」だと思うと不自然だが、単に情報として、他のと考えられている。厳密な議論では、「非局所的な実在」
を「実在」だと思うと不自然だが、単に情報として、他のと考えられている。厳密な議論では、「非局所的な実在」
状態はない、ということを知っただけ、と考えれば変化の存在を仮定することもできるが、それは既に日常感覚状態はない、ということを知っただけ、と考えれば変化の存在を仮定することもできるが、それは既に日常感覚がたとえ超光速でも納得がいく。観測問題は(科学的議論の「実在」とはとても思えない不自然なものなのであえがたとえ超光速でも納得がいく。観測問題は(科学的議論の「実在」とはとても思えない不自然なものなのであえとしては)存在しない、という立場と共存できる。強いてて触れない。最後の「自由意志」というのは、別の言い方としては)存在しない、という立場と共存できる。強いてて触れない。最後の「自由意志」というのは、別の言い方
批判するなら、我々が世界として認識している何か、ををすると、真のランダム、というものがあり得るか、とい批判するなら、我々が世界として認識している何か、ををすると、真のランダム、というものがあり得るか、とい
無批判に自明なものとして考えているところが気になる。
う問題になる。もちろん日常感覚ではあり得るし、古典
無批判に自明なものとして考えているところが気になる
う問題になる。もちろん日常感覚ではあり得るし、古典
それゆえ、最終的に測定結果(およびそれを記録した世界)
物理学はそれ認めている。しかし、Bell の不等式がらみ
それゆえ、最終的に測定結果(およびそれを記録した世界)
物理学はそれ認めている。しかし、Bell の不等式がらみが決定する(した)のが、いったいどの時点なのかはっきりの理論・実験的研究の示すところは、もし、量子力学の世が決定する(した)のが、いったいどの時点なのかはっきりの理論・実験的研究の示すところは、もし、量子力学の世しない。理屈をこねると、いわゆる「観測の無限の連鎖」
界において「実在および局所性が確かに成立しているな
しない。理屈をこねると、いわゆる「観測の無限の連鎖」
界において「実在および局所性が確かに成立しているな[1,3,6]が、認識の主体である「私の意識」まで決着しないとらば、自由意志がありえない、すなわち、ランダムという[1,3,6]が、認識の主体である「私の意識」まで決着しないとらば、自由意志がありえない、すなわち、ランダムといういう、「強い」コペンハーゲン解釈、まで行かなければな
ものはあり得ない、としないと実験事実と矛盾する」という、「強い」コペンハーゲン解釈、まで行かなければな
ものはあり得ない、としないと実験事実と矛盾する」とらなくなる。そこ(意識)に本質がある、と考える物理学者
いう恐ろしい話である。この話は、量子力学で実在・局所
らなくなる。そこ(意識)に本質がある、と考える物理学者
いう恐ろしい話である。この話は、量子力学で実在・局所
はたぶん少ない。しかも意識とは何か、を物理学的に定性を保とうとすると陰謀論になる、などと説明されていはたぶん少ない。しかも意識とは何か、を物理学的に定性を保とうとすると陰謀論になる、などと説明されてい義するのはおそらく絶望的に難しい。
るものである。
義するのはおそらく絶望的に難しい。
るものである。

量子力学の観測問題はなかった？量子力学の半分は情報理論である,,,
29
量子力学の観測問題はなかった？量子力学の半分は情報理論である,,,

現象と数式の上ではほぼ同等である。
Zurek がこれを観測
3-3 多世界解釈
解釈
現象と数式の上ではほぼ同等である。
Zurek がこれを観測問題へ解決の手がかりとして強調し、デコヒーレンス
Everett の多世界解釈、とよく呼ばれるが彼自身は多世
多世界解釈、とよく呼ばれるが彼自身は多世問題へ解決の手がかりとして強調し、デコヒーレンス[5,24-26][5,24-26](Decoherence=干渉の消失)という語を流行させた界(Many-world)とは言っておらず、支。
d)とは言っておらず、
曖昧な部分が多い。支 曖昧な部分が多い。
(Decoherence=干渉の消失)という語を流行させた。
持者が精密化して自分の主張を「多世界解釈」と呼ぶの開放系の量子力学(注目している量子系が多自由度の外して自分の主張を「多世界解釈」と呼ぶの開放系の量子力学(注目している量子系が多自由度の外で、本当の多世界解釈がどれなのかよくわからない。測界と相互作用をもっているために、外界に流失した情報
世界解釈がどれなのかよくわからない。測界と相互作用をもっているために、外界に流失した情報
定によって確率的に実現する測定後状態を唯一の存在とが戻って来られない系)は、近似的にこの干渉項消失を示率的に実現する測定後状態を唯一の存在とが戻って来られない系)は、近似的にこの干渉項消失を示はせずに、他の可能性も同時に実現していて、量子重ねすので、観測問題への解答となる期待が高まったが、今の可能性も同時に実現していて、量子重ねすので、観測問題への解答となる期待が高まったが、今合わせのまま存在しているとする考え方である。実現しでは本質ではないことがわかっている。開放系の数理的存在しているとする考え方である。実現しでは本質ではないことがわかっている。開放系の数理的た複数の測定後状態(世界：より正確には、測定結果の状記述においては、こっそり射影仮説を用いており、結果後状態(世界：より正確には、測定結果の状記述においては、こっそり射影仮説を用いており、結果
態とエンタングルしている測定後の世界の状態)が直交として得られるデコヒーレンスは、ある意味トートロジ
ングルしている測定後の世界の状態)が直交として得られるデコヒーレンスは、ある意味トートロジ
していれば互いに全く無縁であり二度と交錯することはーである。理論的に独立していない。
簡単に述べると、外いに全く無縁であり二度と交錯することはーである。理論的に独立していない。
簡単に述べると、外ない、とする。こうすると、確率的に実現した個々の世界界に出ていった情報は外界の中でいつか測定(射影)され。こうすると、確率的に実現した個々の世界界に出ていった情報は外界の中でいつか測定(射影)されの中では測定結果は無矛盾であり、重ね合わせを考慮す
その測定結果はわからない、もしくは、出て行った情報
結果は無矛盾であり、重ね合わせを考慮す
その測定結果はわからない、もしくは、出て行った情報
ればすべての測定前後の状態(世界)が保存されて「実在」
はなぜか外界の中で失われてしまう、という論理になっ
測定前後の状態(世界)が保存されて「実在」
はなぜか外界の中で失われてしまう、という論理になっしているから、実在を諦めることなく、無矛盾な量子力ている。しかし、厳密にはトートロジーであっても、観測、実在を諦めることなく、無矛盾な量子力ている。しかし、厳密にはトートロジーであっても、観測[3,5,20,21][3,5,20,21]。
学が構成できる、という気持ちだろう問題に伴う「観測の無限の連鎖」を途中で打ち切っても。
る、という気持ちだろう問題に伴う「観測の無限の連鎖」を途中で打ち切っても近似的には正当であることを示すとともに、いろいろなどの流派の多世界にも共通の特徴は「説明不足」であ
多世界にも共通の特徴は「説明不足」であ
近似的には正当であることを示すとともに、いろいろな緩和現象が実は「(測定結果を捨ててしまう)連続測定」
と
って、
モデル、
特に
「世界」
がはっきり定義されていない、特に「世界」がはっきり定義されていない
緩和現象が実は「(測定結果を捨ててしまう)連続測定」と同じ土俵で論じられること、すなわち、情報の散逸こそので、詳細な議論ができない。筆者から見るとこれらの議論ができない。筆者から見るとこれらの同じ土俵で論じられること、すなわち、情報の散逸こそが緩和の本質であることを、かなり精密かつ定量的に示理論では、世界そのものの「実在」を認めていいのか困界そのものの「実在」を認めていいのか困が緩和の本質であることを、かなり精密かつ定量的に示した功績は大きい。
る。逆にいえば、
我々が通常、自明として認識しているこば、我々が通常、自明として認識しているこ
した功績は大きい。
注目している量子系を含むもっと大きな物理系に対しの世界とは科学理論的に何なのかを(多世界解釈と整合
科学理論的に何なのかを(多世界解釈と整合注目している量子系を含むもっと大きな物理系に対して射影仮説を使うことにより、注目している量子系のもするかたちで)説明してくれれば、「実存」)説明してくれれば、
多世界解釈は、「実存」 多世界解釈は、て射影仮説を使うことにより、注目している量子系のもっと近くで射影仮説を使ったのと(近似的に)同じ結果がを諦めない量子力学になると思う。少なくとも現時点で子力学になると思う。少なくとも現時点でっと近くで射影仮説を使ったのと(近似的に)同じ結果が得られる、すなわち、究極的には仮に観測の連鎖は認識
は「解釈」のひとつに過ぎない。
ひとつに過ぎない。
得られる、すなわち、究極的には仮に観測の連鎖は認識の主体の意識まで遡らなければいけないとしても、近似
これを補強するために近年、「量子ダーウィン淘汰論するために近年、「量子ダーウィン淘汰論の主体の意識まで遡らなければいけないとしても、近似的には、注目している量子系やそれを測定する装置くら(Quantum Darwinism)」というのが少し流行っている。個
winism)」というのが少し流行っている。個
的には、注目している量子系やそれを測定する装置くらいまでを考えて射影仮説を使ってしまっても許される、
人的には、
あとで紹介する「無矛盾歴史」の考え方と関係とで紹介する「無矛盾歴史」の考え方と関係
いまでを考えて射影仮説を使ってしまっても許される、がありそうで気になる。
気になる。
ことが示されている。 ことが示されている。
「射影仮説を使って射影仮説を導く」ことで、量子力「射影仮説を使って射影仮説を導く」ことで、量子力学(射影仮説を含む)は無矛盾である、ということを補強し3-2 D. Bohm 流「パイロット波」解釈
m 流「パイロット波」解釈学(射影仮説を含む)は無矛盾である、ということを補強しており、ミクロな世界から我々の日常のマクロな世界ま(陰謀論以外では)「局所的実在」は既に否定されている外では)「局所的実在」は既に否定されているており、ミクロな世界から我々の日常のマクロな世界まで連続的につながっていることを示唆してくれる。
ので、「非局所的実在」があるものとして量子力学を構築所的実在」があるものとして量子力学を構築
で連続的につながっていることを示唆してくれる。
[22,23][22,23]
また、繰り込み群を使うと射影仮説に似た干渉項の消しようという試みである。非局所的実在＝非局所的試みである。非局所的実在＝非局所的
また、繰り込み群を使うと射影仮説に似た干渉項の消失が導ける、という主張も散見するが、これもデコヒー
隠れた変数、としてパイロット波、なるものを仮定する。
としてパイロット波、なるものを仮定する。
失が導ける、という主張も散見するが、これもデコヒー
レンス派の中に入れておく。繰り込みは、系自身を外界
これは非局所的ではあるが「実在する実体」であって、こ的ではあるが「実在する実体」であって、こレンス派の中に入れておく。繰り込みは、系自身を外界として取り込んでいくという過程を無限回繰り返す操作
れの振る舞いによって標準的量子力学と同じ物理が実現
によって標準的量子力学と同じ物理が実現として取り込んでいくという過程を無限回繰り返す操作のようなもので、この繰り返しを通じて多自由度の粗視すると考えている。ただし、この非局所的隠れた変数＝いる。ただし、この非局所的隠れた変数＝のようなもので、この繰り返しを通じて多自由度の粗視化を行っており、粗視化(ある種の平均近似)のたびにこっパイロット波は、しばしば常識に反する超能力のようなは、しばしば常識に反する超能力のような化を行っており、粗視化(ある種の平均近似)のたびにこっ(4)(4)
そり情報を捨てているのに相当している
振る舞いをするので、これが認められる心理なら「実在。
るので、これが認められる心理なら「実在そり情報を捨てているのに相当している。
なんて存在しない」というコペンハーゲン解釈の立場もない」というコペンハーゲン解釈の立場も受け入れられるのではないか、と思ってしまう。思考実
3-5Histories)解釈
無矛盾歴史(Consistent Histories)解釈
るのではないか、と思ってしまう。思考実
3-5 無矛盾歴史(Consistent験をするときも実験の構成が少し複雑になると、計算がものすごく雑に述べると、「経も実験の構成が少し複雑になると、計算がものすごく雑に述べると、ファインマン経路積分のファインマン経路積分の「経
とてつもなく複雑になるので実利もあまりない。
路」のうち、「無矛盾」な経路だけが「無矛盾歴史(Consistent
複雑になるので実利もあまりない。
路」のうち、「無矛盾」な経路だけが「無矛盾歴史(Consistent
Histories)」であり、実現可能であるとすると、
ボルンの確Histories)」であり、実現可能であるとすると、
ボルンの確
3-4
デコヒーレンス解釈
率解釈と同等のものが出てくる。
これには波束の収縮=射ーレンス解釈率解釈と同等のものが出てくる。これには波束の収縮=射
射影仮説は、量子系の状態(密度演算子)の干渉項の消失という主張である[27,28]。一部の哲、量子系の状態(密度演算子)の干渉項の消失
影仮説を必要としない、影仮説を必要としない、という主張である[27,28]。一部の哲中ノ勇人中ノ勇人

30

学者に受けがいいようだ。「無矛盾」の中には、古典的にったとしても、これら月の影響を受けた物質や光と何ら力学はこのような実在の否定を含むようだから不完全で３つのうちのどれが破れていてもとりあえず実験と矛は存在しない状態も含む。勉強不足を棚に上げて敢えてかの物理的関係をもってしまった人間はみな、月を部分ある、との不満があったが、前節に出てきた「Bell の不等
盾しないのだが、(通常、陰謀論はとりあえず無視して)言うなら、途中、矛盾があって消えてしまった可能性は的に観測していたことになってしまい、これまでの節で式」とその周辺の理論的および実験的研究はそれ(実在の「局所的実在」が破れていることが証明された、と考え後に実現することはない、と言っているだけに見える。
暗に仮定していたように、月を見ていない、などとは物不在)が量子力学に不可避に内在していることを明白にるのが多数派である。こうして、量子力学では、実在=確率だけを扱っているように見えて、「無矛盾な歴史」を理的には考えられない。また、観測者どうしも光や気体(2)した 。
客観性、が存在しないことになった。これが、量子力学
選択するために挿入される途中の射影が結局射影仮説＝
分子、音を介して互いに弱く相互作用している。
の不思議、すなわち、受け入れがたいところの本質であ
波束の収縮と同等の作用をしているので、表に見えない
こうなるともはや、同じ月、すなわち月が「実在」
して
2.2 「実在」の重要性る。実は、Schrodingerの猫や、Wignerの友人、などのだけでこっそり射影仮説を使っているように読める。
いると考えて無矛盾な状況にある。これが、古典力学の
この世界の物理的存在が実在している、ことは我々の認識感覚に矛盾する喩え話も、この「実在の不在」が顕著にある支持者たちはこれを補強するために、先のデコヒ実在である。
において極めて重要である。古典物理学においては、中の表れた例であった。
「猫」では、猫の生死、が客観的事ーレンスを議論に持ち込む。しかし、デコヒーレンス自
見えない箱の中に何が入っているかは、観測者が異なって実=実在として定まるのはいつなのかが不明になり、「友
体がこっそり射影仮説を使っているからこれは問題の解
4
.
1
「世界」
を古典化させ「実在」を復活させる思考実
も変わることはない。この当たり前のことが量子力学では成り
人」では、Wigner とその友人にとっての事実(実在)が一決にはならない。
験
立たない。A, B の 2 人の観測者にとって箱の中身が同じか致しているかどうかの客観性が怪しくなっている。
4.1.1
立場によって異なる状態 >主体@
どうかは A, B が共有している他の情報がどんなものであるか
4. この世界とは何か？
― 普段、実在があるように暮Agatha, Brigit,3.Chiaraの 3 人によるスピン測定を考える。
を規定しないと決らないのである。情報の共有が、見ていな
量子力学の「解釈」と観測問題の関係らして困らないのはなぜか―
Chiara を真ん中に、Agatha と Brigit がいる。それぞれ 1 光
い箱の中身が一致するかに関係してくる。つまり、箱の中身
年、Agatha「実在」が諦めきれない人たちは、何とか射影仮説なしと Brigit は 2 光年離れている。彼女らは光速が独立した存在として決まらない＝実在しているとは言えなに、射影仮説を導入した標準的な量子力学と同等なもの
原理的には実在を諦めるにしても、我々が生きている
度の古典通信、および光速度の粒子転送が可能であるとい、という深刻な事態が量子力学では生じる。簡単に受け入を構築したいとしていろいろなことを考える。それが、する。3 人は別れる前に以下のような実験をすることをこの世界が通常、素朴な実在論に従っているように見えれられるものではない。この気持ちが「観測問題は科学が進
いわゆる「量子力学の解釈」である。標準的な量子力学と約束している。
るのはなぜか？量子力学がこれを説明してくれなければ歩すれば解決できる」と信じられてきた歴史を支えている。
Chiara は同等なものを目指しているから「解釈」と呼ばれる。
A, B２つの 1/2 スピン粒子を用意し、エンタ
さすがに納得いかないだろう。
ただし、以下のことは強調しておかなければならない。
ングルした状態|𝜓𝜓0 ⟩ = −(| →𝐴𝐴 ⟩| ←𝐵𝐵 ⟩ − | ←𝐴𝐴 ⟩| →𝐵𝐵 ⟩)/√2を準
メゾスコピック物理、と呼ばれる「実在」
1980 年代に主として
3-1 コペンハーゲン解釈
否定しなければならない
は「観測していない間の[33-37]備した。これは
Spin-Singlet であり、スピンの基底を何に金属の電気伝導の分野から始まった考え方がある。
詳細な異論はあると思うが、これを、ざっくり「標準的状態」についてであって、観測された物理量(そこに存在
とっても2粒子のスピンはどこも向いていない。Agatha
日常レベルでは古典物理的な性質しか示さない電子の流な量子力学」と呼ぶことにする。潔く、射影仮説は必要不する、というのも物理量に置きなおせる)については実在
も Brigit もこの状態を知っている。Chiara
は粒子 A をれが、極低温や微細加工された試料では、量子の重ね合
可欠な公理であって、科学的には導出不可能、という立している、として無矛盾である(3)。
Agatha に向かって,粒子
B を Brigit に向かって投げる。
わせ、離散状態の性質を表す。環境、外界との相互作用で場が標準的な「コペンハーゲン解釈」
である[12,19]。半世紀
Agatha,BrigitはChiaraから1光年離れたところにいるの汚れてしまった量子系では、条件によって量子性が見え以上前から主流であるが、今はかつてよりずいぶん洗練
2.3 Bell の不等式とその周辺で、粒子が届くには
1 年かかり、Agatha－Brigit 間ではい[11,15,16]
たり消えたりする。この分野での理解は、日常レベルでされていることは忘れないでいただきたい。50 年
専門家に叱られないようにもう少し正確にいうと、Bell
かなる情報も2
年以内には届かない。
どうしてこの世界が古典力学的実在をもつように見える
前のまま大味ではなく痒い所に手が届く。この立場では、の不等式とその周辺の理論的および実験的研究が明らか
粒子がAgathaと Brigit に届いた段階で 3 人にとっての 測定さのかに多くのヒントを与えてくれる。
測定されて確定した[物理量]だけが実在であって、にしたのは、量子力学に従う現象においては、
測定前の粒子A,
Bの密度演算子は ρ0 = |𝜓𝜓0 ⟩⟨𝜓𝜓0 |である。
ここでは、注目する量子系と弱い相互作用をする多自れる前の状態や物理量は数学的にしか存在しない、とす
＊実在
＊局所性
＊自由意志
予め、約束しておいた時刻にAgathaが自分に届いた粒子
由度の外界、環境が大きな働きをする。日常のレベルでる。つまり「波動関数」
は実在しない数学的概念に過ぎなのどれかが破れていなければならない、という絶対的なのスピン測定を行なった。そのスピン測定の基底は3人は注目する量子系を環境から隔離することができないのい。測定の結果、特定の状態が生き残り他の可能性が消事実である[14]。個々について詳細に説明する余裕はここで予め約束してあったとする。その測定結果をChiaraにで、量子系は環境との間でエネルギーや情報のやりとり
えてなくなる(波束の収縮)、というのは、状態＝波動関数
ではないが、前者２つは通常の感覚ではまとめて「実在」
は教えていないときのChiara にとっての密度演算子(注：をする。それゆえ、デコヒーレンスが起こり我々の世界を「実在」だと思うと不自然だが、単に情報として、他のと考えられている。厳密な議論では、「非局所的な実在」⟩および
Chiaraは|𝜓𝜓
Agathaが測定したことを知っている
0
では古典物理的実在があるように見える、と考えること状態はない、ということを知っただけ、と考えれば変化の存在を仮定することもできるが、それは既に日常感覚̂̂が、測定結果は知らない)はρ
𝐶𝐶ℎ = |Ψ⟩⟨Ψ| ⊗ 𝐼𝐼𝐵𝐵 ⊗ 𝐼𝐼𝐶𝐶 となができる。の「実在」とはとても思えない不自然なものなのであえがたとえ超光速でも納得がいく。観測問題は(科学的議論っている。としては)存在しない、という立場と共存できる。強いて
ここで、|Ψ⟩ = (| ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩ − | ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩)/これまでは、誰も見ていない＝月はなにものにも観測て触れない。最後の「自由意志」というのは、別の言い方
Chiara は Agatha が測定したことを知っている√2である。
されていない、という究極の状況を想定して議論してい批判するなら、我々が世界として認識している何か、ををすると、真のランダム、というものがあり得るか、
といので、測定後の粒子A と Agatha の状態がエンタングルしたが、現実には意図的な観測者がいなくても月は事実上無批判に自明なものとして考えているところが気になる
う問題になる。もちろん日常感覚ではあり得るし、古典ているが、測定結果を知らない(この古典情報は
1 年しな
観測されまくっている。月に反射された太陽光は地球にそれゆえ、最終的に測定結果(およびそれを記録した世界)
物理学はそれ認めている。しかし、Bell の不等式がらみ
いと届かない)ので|Ψ⟩は干渉項のある(射影のなされて到達して地面、建物、窓辺で読書している人の頬にも当が決定する(した)のが、いったいどの時点なのかはっきりの理論・実験的研究の示すところは、もし、量子力学の世いない)純粋状態である。
る。光の当たった物質は光と相互作用するだろう。ある
しない。理屈をこねると、いわゆる「観測の無限の連鎖」
界において「実在および局所性が確かに成立しているな
(5)
測定直後の
[1,3,6] Agatha, Brigit にとっての密度演算子は
いは、月の重力に伴う潮汐の変化、などいくらでも月はが、認識の主体である「私の意識」まで決着しないとらば、自由意志がありえない、すなわち、ランダムという|「強い」コペンハーゲン解釈、まで行かなければな↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩⟨𝐴𝐴↑ |⟨↑𝐴𝐴 |⟨↓𝐵𝐵 | ⊗ 𝐼𝐼̂𝐵𝐵 ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶
観測されている。デコヒーレンスの考え方では相互作用いう、
ものはあり得ない、としないと実験事実と矛盾する」と[Aagathaの結果が ↑ だったとき] と考える物理学者
は観測になれるのだ。環境の情報はいつか消失・観測さそこ(意識)に本質がある、いう恐ろしい話である。この話は、量子力学で実在・局所 ρ𝐴𝐴𝐴𝐴 [1]らなくなる。
=
⟩|
⟩|𝐴𝐴
| ↓𝐴𝐴 ↑𝐵𝐵 ↓ ⟩⟨𝐴𝐴↓ |⟨↓𝐴𝐴 |⟨↑𝐵𝐵 | ⊗ 𝐼𝐼̂𝐵𝐵 ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶
はたぶん少ない。しかも意識とは何か、を物理学的に定性を保とうとすると陰謀論になる、などと説明されていれて干渉項が消えるからである。観測者を仮に人間に限{ [Aagatha の結果が ↓ だったとき]義するのはおそらく絶望的に難しい。
るものである。

量子力学の観測問題はなかった？量子力学の半分は情報理論である,,,
31
量子力学の観測問題はなかった？量子力学の半分は情報理論である,,,

も知ることになるのだが、これで大丈夫だろうか。
ρ𝐵𝐵𝐵𝐵 = |Ψ⟩⟨Ψ| ⊗ 𝐼𝐼̂𝐵𝐵 ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶 , ρ𝐶𝐶ℎ = |Ψ⟩⟨Ψ|⊗ 𝐼𝐼̂𝐵𝐵 ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶 .
解釈
現象と数式の上ではほぼ同等である。
Zurek がこれを観測少し遅れて、約束しておいた時刻に、今度はBrigit が自分
さて、ここで 3 人にとっての状態=密度演算子が異なる
多世界解釈、とよく呼ばれるが彼自身は多世問題へ解決の手がかりとして強調し、デコヒーレンス[5,24-26]の粒子のスピンを測定する。すると
Agathaにとって3 人が今後出会った(ρ𝐶𝐶ℎ [3] ≠ ρ𝐴𝐴𝐴𝐴 [2] = ρ𝐵𝐵𝐵𝐵 [2] )のが気になる。
d)とは言っておらず、
曖昧な部分が多い。支
(Decoherence=干渉の消失)という語を流行させた
。
̂
|⟨𝐴𝐴
|⟨↑
|⟨↓
|
⟩|
⟩|𝐴𝐴
⟩|𝐵𝐵
⟩⟨𝐵𝐵
| ↑𝐴𝐴 ↓𝐵𝐵 ↑ ↓ ↓ ↑ 開放系の量子力学(注目している量子系が多自由度の外
り情報交換をしたりしなければ、異なっていても比べる
して自分の主張を「多世界解釈」と呼ぶの𝐴𝐴
𝐵𝐵 ⊗ 𝐼𝐼𝐶𝐶[Aagathaの結果が↑だったとき]
ことは絶対にないから矛盾もない。ここにもまだ「Wigner
世界解釈がどれなのかよくわからない。測界と相互作用をもっているために、外界に流失した情報
ρ𝐴𝐴𝐴𝐴 [2] =̂| ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩⟨𝐵𝐵↑ |⟨𝐴𝐴↓ |⟨↓𝐴𝐴 |⟨↑𝐵𝐵 | ⊗ 𝐼𝐼𝐶𝐶
率的に実現する測定後状態を唯一の存在とが戻って来られない系)は、近似的にこの干渉項消失を示の友人」状況がある。
[Aagathaの結果が↓だったとき]{
しかし、以降、3 人が情報をやりとりしても(出会っての可能性も同時に実現していて、量子重ねすので、観測問題への解答となる期待が高まったが、今AgathaはBrigitが測定したことを知っているが結果を知情報交換でも)矛盾は生じないだろうか？
Agatha と存在しているとする考え方である。実現しでは本質ではないことがわかっている。開放系の数理的[1]らない。しかし、自分の測定のとき既に
ρ𝐴𝐴𝐴𝐴 になってい
Brigit が自分の測定結果をもって Chiara のところへやっ
後状態(世界：より正確には、測定結果の状記述においては、こっそり射影仮説を用いており、結果たので、Brigit の測定時刻になった瞬間にρて来た。それは１年前に行われた Chiara の測定結果と一ングルしている測定後の世界の状態)が直交として得られるデコヒーレンスは、ある意味トートロジ
𝐴𝐴𝐴𝐴 はこうなる。
一方、Bright
は自分の測定結果を得た時、致してほしい。だが、ρ𝐶𝐶ℎ [3] にはそんな保証はない。
いに全く無縁であり二度と交錯することはーである。理論的に独立していない。
簡単に述べると、外[3]̂ρ[Chiaraの結果が…だったとき]が都合よく選ばれて|。こうすると、確率的に実現した個々の世界| ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩|𝐵𝐵↓ ⟩⟨𝐵𝐵↓ |⟨𝐴𝐴↑ |⟨↑𝐴𝐴 |⟨↓界に出ていった情報は外界の中でいつか測定(射影)され
⊗
𝐼𝐼
𝐶𝐶ℎ
𝐵𝐵
𝐶𝐶
[Brigitの結果が↓だったとき]
いれば無矛盾だがいつそれが選ばれたのか？このモデル
結果は無矛盾であり、重ね合わせを考慮す
その測定結果はわからない、もしくは、出て行った情報
ρ𝐵𝐵𝐵𝐵 [2] == ρ𝐴𝐴𝐴𝐴 [2]̂| ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩⟨𝐵𝐵↑ |⟨𝐴𝐴↓ |⟨↓𝐴𝐴 |⟨↑はなぜか外界の中で失われてしまう、という論理になっ𝐵𝐵 | ⊗ 𝐼𝐼𝐶𝐶
では、この問いに量子力学は答えられない。3 人の測定が測定前後の状態(世界)が保存されて「実在」[Brigitの結果が↑だったとき]{
完了し、それぞれにとっての状態が単純な混合状態にな、実在を諦めることなく、無矛盾な量子力ている。しかし、厳密にはトートロジーであっても、観測[3,5,20,21]。
これも同様で、Brigit
は Agatha の結果を知らないが、自ってしまった、というこのモデルは、こののち、3 人が情る、という気持ちだろう問題に伴う「観測の無限の連鎖」を途中で打ち切っても分の測定結果が決定した(射影が行われた)のでこうなる。
報交換をしない(それぞれの[立場]が干渉しない)という多世界にも共通の特徴は「説明不足」であ
近似的には正当であることを示すとともに、いろいろな
このとき、Chiara
にとっては仮定で使える近似である。
、特に「世界」がはっきり定義されていない
緩和現象が実は「(測定結果を捨ててしまう)連続測定」とρ𝐶𝐶ℎ [2] = |Ψ′⟩⟨Ψ′| ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶 ,ここで、後で、モデルに変更を加えて、この一致がどうしてな議論ができない。筆者から見るとこれらの同じ土俵で論じられること、すなわち、情報の散逸こそ1されるかを論じるが、とりあえず一致したとしてもまだ界そのものの「実在」を認めていいのか困が緩和の本質であることを、かなり精密かつ定量的に示(| ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩|𝐵𝐵↓ ⟩ − | ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩)|Ψ′⟩ =
問題がある。Chiara にとって Agatha, Brigit の測定結果が√2ば、我々が通常、自明として認識しているこ
した功績は大きい。
ChiaraはAgatha,Brigitの結果を知らないので|Ψ′⟩は純粋定まった(=射影された)のは、Agatha,
Brigit が測定を行な
科学理論的に何なのかを(多世界解釈と整合注目している量子系を含むもっと大きな物理系に対し状態のままである(エンタングルしているが)。Agatha,った 1 年も後だということである。
)説明してくれれば、
多世界解釈は、「実存」て射影仮説を使うことにより、注目している量子系のも
Brigit の 2 人にとっては、両粒子のスピンはこの時点で確3 人が集まって測定結果が定まったのはいつだったか
子力学になると思う。少なくとも現時点でっと近くで射影仮説を使ったのと(近似的に)同じ結果が定している(=射影が行われている)。さらには、Agatha,
議論したとしよう。
「Agatha, Brigit の測定後の状態はいつひとつに過ぎない。
得られる、すなわち、究極的には仮に観測の連鎖は認識
Brigit の状態もこの時点で確定している(=射影が行われ決まったか」と問えば、Agatha と Brigit は自分たちが測するために近年、「量子ダーウィン淘汰論の主体の意識まで遡らなければいけないとしても、近似ている)。測定結果を知らない Chiara にとってはまだ何も定したとき、すなわち、2 年前だと主張するだろう。証拠
winism)」というのが少し流行っている。個
的には、注目している量子系やそれを測定する装置くら
[2]
[2]
=
ρ
≠
確定していない(=射影されていない)。ρ
の記録もあれば提示できる。Chiara にとっては、Agatha,とで紹介する「無矛盾歴史」の考え方と関係いまでを考えて射影仮説を使ってしまっても許される、
𝐴𝐴𝐴𝐴
𝐵𝐵𝐵𝐵
[2]
ρ
に注目されたい。3
人にとっての量子状態=密度演
Brigitの測定結果は自分が 2 粒子を測定したとき(1 年前)気になる。 𝐶𝐶ℎ
ことが示されている。
算子は一致しない。ここには「Wigner の友人」と同じ構に決まったのだが、Agatha, Brigit の主張に日和る。すな「射影仮説を使って射影仮説を導く」ことで、量子力造が出現している。結果を知らない Chiara
にとって状態わち「2 粒子を測定するまで『知らなかった』だけ」と。
m 流「パイロット波」解釈学(射影仮説を含む)は無矛盾である、ということを補強しは他の2人と異なる。客観性が消失している。
そうすれば Chiara にとっても無矛盾である。
外では)「局所的実在」は既に否定されているており、ミクロな世界から我々の日常のマクロな世界ましかし、この状況は古典的にも何も矛盾はない。
Chiara「Agatha という主体」、「Brigit という主体」、があるか所的実在」があるものとして量子力学を構築
で連続的につながっていることを示唆してくれる。
[22,23]は 2 人から1 光年離れているから、この時点で状態(密度ら、Agatha にとっての量子状態、Brigit にとっての量子試みである。非局所的実在＝非局所的
また、繰り込み群を使うと射影仮説に似た干渉項の消演算子)が異なることを絶対に知ることができない。読者状態、というものがある。2 人を主体と認めなければ、としてパイロット波、なるものを仮定する。
失が導ける、という主張も散見するが、これもデコヒー
はすべてを見ているから矛盾に感じるかもしれないが、「Chiara にとっての量子状態」しかない。注意するが、こ的ではあるが「実在する実体」であって、こレンス派の中に入れておく。繰り込みは、系自身を外界
Agatha, Brigit, Chiara が矛盾を間の当たりにすることはあ
れは Agatha, Brigit が意識をもつかどうか、という話ではによって標準的量子力学と同じ物理が実現として取り込んでいくという過程を無限回繰り返す操作
り得ない。困るのはこの後である。 のようなもので、この繰り返しを通じて多自由度の粗視ない。[Agatha の立場]、[Brigit の立場]、というものを考いる。ただし、この非局所的隠れた変数＝
ここでAgatha,Brigitは測定済みの各々の粒子をChiaraえるかどうかの話である。Agatha, Brigit が心を持たないは、しばしば常識に反する超能力のような化を行っており、粗視化(ある種の平均近似)のたびにこっ(4)に送る。(送るのは粒子だけ。測定結果は付随させない)こ
ロボットだろうと単なるメモリだろうと「その立場」をるので、これが認められる心理なら「実在そり情報を捨てているのに相当している。
れには 1 年かかる。届いたところで、Chiara は 2 粒子の考えるなら「主体」である。
ない」というコペンハーゲン解釈の立場もスピンを測定する。すると、Chiara
にとっての状態はるのではないか、と思ってしまう。思考実
3-5 無矛盾歴史(Consistent Histories)解釈

Agatha,Brigit がメモリで[立場]を考えなければ、上の話| ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩|𝐵𝐵↓ ⟩|𝐶𝐶↑↓ ⟩⟨𝐶𝐶↑↓ |⟨𝐵𝐵↓ |⟨𝐴𝐴↑ |⟨↑も実験の構成が少し複雑になると、計算がものすごく雑に述べると、ファインマン経路積分の「経𝐴𝐴 |⟨↓𝐵𝐵 |[Chiara の結果が ↑, ↓ だったとき]
では「Chiaraにとっての量子状態」しかない。Chiara にと複雑になるので実利もあまりない。
路」のうち、「無矛盾」な経路だけが「無矛盾歴史(Consistentρ𝐶𝐶ℎ [3] =
|⟨↓
|⟨↑
|
| ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩|𝐶𝐶↓↑ ⟩⟨𝐶𝐶↓↑ |⟨𝐵𝐵↑ |⟨𝐴𝐴Histories)」↓
𝐴𝐴
𝐵𝐵っての量子状態では、まさに見たように、メモリの測定であり、実現可能であるとすると、
ボルンの確[Chiara の結果が ↓, ↑ だったとき]{
後の状態は干渉項をもつエンタングル状態であって、ーレンス解釈率解釈と同等のものが出てくる。
これには波束の収縮=射[27,28]
この時点で、自動的に Agatha, Brigit の測定結果をChiaraChiaraが測定するまで射影は行われない。
「Agatha, Brigit、量子系の状態(密度演算子)の干渉項の消失
影仮説を必要としない、という主張である。一部の哲中ノ勇人中ノ勇人

32の測定後の状態いつ決まったか」と問えば、「Chiara が測手の状態を知るのは、古典の情報の場合と何も変わらな力学はこのような実在の否定を含むようだから不完全で３つのうちのどれが破れていてもとりあえず実験と矛定したとき」が答である。ここに何もおかしなことはない。2 粒子のスピンに完全な負の相関があることを知っある、との不満があったが、前節に出てきた「Bell の不等
盾しないのだが、(通常、陰謀論はとりあえず無視して)い。メモリはただの物理系だから重ね合わせやエンタンていただけで、情報伝達はなされていない。
式」とその周辺の理論的および実験的研究はそれ(実在の「局所的実在」が破れていることが証明された、と考えグル状態をとっても奇妙ではないだろう。Agatha, Brigit不在)が量子力学に不可避に内在していることを明白にるのが多数派である。こうして、量子力学では、実在=が人間であったとしても、Chiara
にとっては物理系に過
4.1.2
古典情報のやりとりだけで変わる「状態」
(2)
した 。
客観性、が存在しないことになった。これが、量子力学[2]
ぎないことがρ𝐶𝐶ℎ に表れている。
Agatha, Brigit は測定の段階で、準備された 2 粒子の状態の不思議、すなわち、受け入れがたいところの本質であAgatha, Brigit の測定結果が定まった時点で 2 人の立場を知らなかったとしよう。2 人にとって、測定前の２粒子
2.2 「実在」の重要性る。実は、Schrodinger の猫や、Wigner の友人、などのでは互いの状態が古典的に定まった=射影された。これはの状態は、この世界の物理的存在が実在している、ことは我々の認識感覚に矛盾する喩え話も、この「実在の不在」が顕著に
2 人がもともとの 2 粒子の Spin-Singlet 状態を知っていた|𝜓𝜓0 (𝑐𝑐)⟩ = 𝑐𝑐1 | ↑𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩ + 𝑐𝑐2 | ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩ + 𝑐𝑐3 | ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩ +において極めて重要である。古典物理学においては、中の表れた例であった。
「猫」では、猫の生死、が客観的事ので排他的に相手の状態を知った、だけである。測定前
𝑐𝑐4 | ↓𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩ (∑4𝑖𝑖=1|𝑐𝑐𝑖𝑖 |2 =1) となる。
見えない箱の中に何が入っているかは、観測者が異なって実=実在として定まるのはいつなのかが不明になり、「友の状態に関しては「実在」はないが、自分の測定だけで相2 人の測定直後の Agatha, Brigit にとっての密度演算子はも変わることはない。この当たり前のことが量子力学では成り
人」では、Wigner とその友人にとっての事実(実在)が一(𝑐𝑐1 | ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩ + 𝑐𝑐2 | ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩)(𝑐𝑐1 ∗ ⟨↑𝐵𝐵 |⟨𝐵𝐵↑ | + 𝑐𝑐2 ∗ ⟨↓𝐵𝐵 |⟨𝐵𝐵↓ |)⊗ | ↑𝐴𝐴 ⟩⟨↑𝐴𝐴 | ⊗ |𝐴𝐴↑ ⟩⟨𝐴𝐴↑ | ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶 Aagatha の結果が ↑ だったとき[4] 立たない。A,
B の 2 人の観測者にとって箱の中身が同じか致しているかどうかの客観性が怪しくなっている。
ρ𝐴𝐴𝐴𝐴 = {(𝑐𝑐3 | ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩ + 𝑐𝑐4 | ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩)(𝑐𝑐3 ∗ ⟨↑𝐵𝐵 |⟨𝐵𝐵↑ | + 𝑐𝑐4 ∗ ⟨↓𝐵𝐵 |⟨𝐵𝐵↓ |)⊗ | ↓𝐴𝐴 ⟩⟨↓𝐴𝐴 | ⊗ |𝐴𝐴↓ ⟩⟨𝐴𝐴↓ | ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶 Aagatha の結果が ↓ だったとき
どうかは
A, B が共有している他の情報がどんなものであるか(𝑐𝑐1 | ↑𝐴𝐴 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩ + 𝑐𝑐3 | ↓𝐴𝐴 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩)(𝑐𝑐1 ∗ ⟨↑𝐴𝐴 |⟨𝐴𝐴↑ | + 𝑐𝑐3 ∗ ⟨↓𝐴𝐴 |⟨𝐴𝐴↓ |)⊗ | ↑𝐵𝐵 ⟩⟨↑𝐵𝐵 | ⊗ |𝐵𝐵↑ ⟩⟨𝐵𝐵↑ | ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶 Brigit の結果が ↑ だったときを規定しないと決らないのである。情報の共有が、見ていな
3. 量子力学の「解釈」と観測問題の関係
ρ𝐵𝐵𝐵𝐵 [4] ={(𝑐𝑐2 | ↑𝐴𝐴 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩ + 𝑐𝑐4 | ↓𝐴𝐴 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩)(𝑐𝑐2 ∗ ⟨↑𝐴𝐴 |⟨𝐴𝐴↑ | + 𝑐𝑐4 ∗ ⟨↓𝐴𝐴 |⟨𝐴𝐴↓ |)⊗ | ↓𝐵𝐵 ⟩⟨↓𝐵𝐵 | ⊗ |𝐵𝐵↑ ⟩⟨𝐵𝐵↑ | ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶 Brigit の結果が ↓ だったとき
い箱の中身が一致するかに関係してくる。つまり、箱の中身「実在」が諦めきれない人たちは、何とか射影仮説なし
このときは、Agatha にとって「Brigit の測定結果が確定せにとっての状態(密度演算子)は、が独立した存在として決まらない＝実在しているとは言えなに、射影仮説を導入した標準的な量子力学と同等なもの
ず(射影されていない)、Brigit の状態はスピンとエンタン| ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩|𝐵𝐵↓ ⟩⟨𝐵𝐵↓ |⟨𝐴𝐴↑ |⟨↑𝐴𝐴 |⟨↓𝐵𝐵 | ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶
い、という深刻な事態が量子力学では生じる。簡単に受け入を構築したいとしていろいろなことを考える。それが、グル」しており、Brigit にとって「Agatha の測定結果が確[Aagatha, Brigit の結果が ↑, ↓ だったとき]れられるものではない。この気持ちが「観測問題は科学が進ρ𝐴𝐴𝐴𝐴 [5] = ρ𝐵𝐵𝐵𝐵 [5] =いわゆる「量子力学の解釈」
である。
| ⊗ 𝐼𝐼̂𝐶𝐶
| ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩⟨𝐵𝐵↑ |⟨𝐴𝐴
定せず(射影されていない)、Agatha の状態はスピンとエ↓ |⟨↓𝐴𝐴 |⟨↑𝐵𝐵標準的な量子力学と歩すれば解決できる」と信じられてきた歴史を支えている。
同等なものを目指しているから「解釈」と呼ばれる。
{[Aagatha, Brigit の結果が ↓, ↑ だったとき]
ンタングル」したままとなっている。つまり、Agatha に
ただし、以下のことは強調しておかなければならない。
とって Brigit の測定(射影)は完了しておらず、Brigit にととなって 3 人とも無矛盾である。ここで 3 人が無矛盾に
3-1 コペンハーゲン解釈
否定しなければならない「実在」は「観測していない間のって Agatha の測定も同様である。Chiara が用意した 2 粒なったのは、Agatha と Brigit が Chiara から「𝑐𝑐1 , 𝑐𝑐2 , 𝑐𝑐3 , 𝑐𝑐4
詳細な異論はあると思うが、これを、ざっくり「標準的状態」についてであって、観測された物理量(そこに存在子状態を Agatha, Brigit が知っていた前項の場合は、2 人の値」という古典情報を与えられ、3 人がこの古典情報をな量子力学」と呼ぶことにする。潔く、射影仮説は必要不する、というのも物理量に置きなおせる)については実在のそれぞれは相手の結果を知らずとも排他的に相手の結共有したからであることに注意。古典情報の共有が観測
可欠な公理であって、科学的には導出不可能、という立している、として無矛盾である(3)。
果が決まったので相手の状態も射影され古典的に定まっ者間に無矛盾(観測結果の実在)を与える例である[8]。 [12,19]場が標準的な「コペンハーゲン解釈」である。半世紀ていたのと対照的である。
上で見た２つの場合のどちらも、3 人が集合して情報を以上前から主流であるが、今はかつてよりずいぶん洗練
2.3 Bell の不等式とその周辺
この時点で Chiara にとっての密度演算子はどうなって共有すれば無矛盾で不自然なことは何もない。ただし、されていることは忘れないでいただきたい[11,15,16]。50 年
専門家に叱られないようにもう少し正確にいうと、Bellいるだろうか。Chiara は自分の用意した 2 粒子状態が集合する前の時点を顧みると、いささか奇妙である。少前のまま大味ではなく痒い所に手が届く。この立場では、の不等式とその周辺の理論的および実験的研究が明らか
1なくとも密度演算子(すなわち全体の状態)は、誰の立場か(| →𝐴𝐴 ⟩| ←𝐵𝐵 ⟩ − | ←𝐴𝐴 ⟩| →𝐵𝐵 ⟩)|𝜓𝜓0 ⟩ = − にしたのは、量子力学に従う現象においては、測定されて確定した[物理量]だけが実在であって、測定さ√2によって異なっている。ここまでは、量子力学では素朴
1
れる前の状態や物理量は数学的にしか存在しない、とす
＊実在
＊局所性
＊自由意志
= (| ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩ − | ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩)√2な実在論が成り立たない、という例を見ているに過ぎなる。つまり「波動関数」は実在しない数学的概念に過ぎなのどれかが破れていなければならない、という絶対的ない。
であることをしっているが、Agathaと Brigit の測定結果[14]
い。測定の結果、特定の状態が生き残り他の可能性が消事実である 。個々について詳細に説明する余裕はここを知らない。すると、Agatha, Brigit が 2 粒子の初期状態
えてなくなる(波束の収縮)、というのは、状態＝波動関数
ではないが、前者２つは通常の感覚ではまとめて「実在」を知っていた場合と同じで、
4.1.3
を３人の情報交換が世界を古典化する
「実在」だと思うと不自然だが、単に情報として、他のと考えられている。厳密な議論では、「非局所的な実在」′ ⟩⟨Ψ ′ |̂|Ψ
⊗ 𝐼𝐼𝐶𝐶  ここでρ𝐶𝐶ℎ =
これを、Agatha と Brigit が測定をした時点で、すべて状態はない、ということを知っただけ、と考えれば変化の存在を仮定することもできるが、それは既に日常感覚
1が決まっている、と考えようというのが先に紹介した無がたとえ超光速でも納得がいく。観測問題は(科学的議論(| ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩|𝐵𝐵↓ ⟩ − | ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩)|Ψ′⟩ =の「実在」とはとても思えない不自然なものなのであえ
矛盾歴史の考え方に近い。過去を振り返って無矛盾な履√2としては)存在しない、という立場と共存できる。強いてて触れない。
最後の「自由意志」というのは、別の言い方である。
歴しかあってはいけない、とするのである。
批判するなら、我々が世界として認識している何か、ををすると、真のランダム、というものがあり得るか、とい
Chiara が 2 粒子のスピンを測定したら、
Chiara だけが準備された 2 粒子状態を知っている場合
無批判に自明なものとして考えているところが気になる
う問題になる。もちろん日常感覚ではあり得るし、古典| ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩|𝐵𝐵↓ ⟩|𝐶𝐶↑↓ ⟩⟨𝐶𝐶↑↓ |⟨𝐵𝐵↓ |⟨𝐴𝐴↑ |⟨↑𝐴𝐴 |⟨↓𝐵𝐵 |で考える。
3 人が 1 光年も離れているのでは無理なので、それゆえ、最終的に測定結果(およびそれを記録した世界)
物理学はそれ認めている。しかし、Bellの不等式がらみ[Chiaraの結果が↑,↓だったとき]
すぐ近くに集合して同じことをやる。
そのかわり、3 人のが決定する(した)のが、いったいどの時点なのかはっきりρ𝐶𝐶ℎ [5] = の理論・実験的研究の示すところは、もし、量子力学の世| ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩|𝐶𝐶↓↑ ⟩⟨𝐶𝐶↓↑ |⟨𝐵𝐵↑ |⟨𝐴𝐴↓ |⟨↓𝐴𝐴 |⟨↑𝐵𝐵 |間に当該の粒子以外の物質や情報のやりとりは絶対にでしない。理屈をこねると、いわゆる「観測の無限の連鎖」
界において「実在および局所性が確かに成立しているな[Chiaraの結果が↓,↑だったとき]
きないような情報隔離だけは完全に行う。
Agatha と Brigit{[1,3,6]が、認識の主体である「私の意識」まで決着しないとらば、自由意志がありえない、すなわち、ランダムというとなる。
の測定が終わった時点で、３人にとっての密度演算子は、
いう、「強い」コペンハーゲン解釈、まで行かなければな
ものはあり得ない、としないと実験事実と矛盾する」と
この後、1 年かけて 3 人が集まったとき矛盾はないだろρ𝐴𝐴𝐴𝐴 [4] , ρ𝐵𝐵𝑟𝑟 [4] , ρ𝐶𝐶ℎ [4] である。3 人のいる空間にアボガドロ
らなくなる。そこ(意識)に本質がある、と考える物理学者
いう恐ろしい話である。この話は、量子力学で実在・局所
うか。Agatha と Brigit は Chiara から𝑐𝑐1 = 𝑐𝑐4 = 0, 𝑐𝑐2 =数個の Bose 粒子をバラまいて運動させる。粒子たちは、はたぶん少ない。しかも意識とは何か、を物理学的に定性を保とうとすると陰謀論になる、などと説明されてい3 人と微小な相互作用をして、|𝐴𝐴⟩, |𝐵𝐵⟩, |𝐶𝐶⟩ などと弱いエ−𝑐𝑐3 = 1/√2であると知らされる。すると、Agatha と Brigit
義するのはおそらく絶望的に難しい。
るものである。

量子力学の観測問題はなかった？量子力学の半分は情報理論である,,,
33
量子力学の観測問題はなかった？量子力学の半分は情報理論である,,,

ンタングルをする。ただしこのエンタングル状態の情報問題としては存在しなくなった。
解釈
現象と数式の上ではほぼ同等である。
Zurek がこれを観測 射影仮説～波束の収縮、はすぐに全体系の外に捨てられて粒子たちと|𝐴𝐴⟩,|𝐵𝐵⟩, |𝐶𝐶⟩は公理のように存在しているものだ。だから「観測問題」
多世界解釈、とよく呼ばれるが彼自身は多世問題へ解決の手がかりとして強調し、デコヒーレンス[5,24-26]の相関は失われてしまうとする。残るのは粒子たちを媒は始めからなかったのだ。多世界解釈のところで触れた
d)とは言っておらず、
曖昧な部分が多い。支
(Decoherence=干渉の消失)という語を流行させた。
介として形成された
|𝐴𝐴⟩,
|𝐵𝐵⟩,
|𝐶𝐶⟩の間の相関である。粒子
して自分の主張を「多世界解釈」と呼ぶの開放系の量子力学(注目している量子系が多自由度の外ように、我々が認識している「世界」を自明とせず、科学たちの情報の消失が干渉項を小さくする。
世界解釈がどれなのかよくわからない。測界と相互作用をもっているために、外界に流失した情報
的、量子測定的に何なのかちゃんと説明できるならば、この状況はまさにデコヒーレンス解釈のモデルそのも率的に実現する測定後状態を唯一の存在とが戻って来られない系)は、近似的にこの干渉項消失を示「観測問題」は科学的問題として生き残れるが、これは、のである[25,26,33-37]。Agatha, Brigit, Chiaraすので、観測問題への解答となる期待が高まったが、今は共通の多自由度の可能性も同時に実現していて、量子重ね
俗にいう「この世界はすべての記録・記憶とともに 5 分の外界(環境・
熱浴)と弱い相互作用をしていて外界のメモ存在しているとする考え方である。実現しでは本質ではないことがわかっている。開放系の数理的前にできたのだ」を科学的に否定するのと同じくらい将リー時間が極めて短い場合に相当する。計算の詳細は述
後状態(世界：より正確には、測定結果の状記述においては、こっそり射影仮説を用いており、結果
来的にもおそらく不可能である。ただし再度強調するが、べないが、粒子たちの導入により、Agatha,
Brigit, Chiara とングルしている測定後の世界の状態)が直交として得られるデコヒーレンスは、ある意味トートロジ
量子力学で諦めなければならない「実在」は「観測してい２粒子からなる系の密度演算子は、
いに全く無縁であり二度と交錯することはーである。理論的に独立していない。
簡単に述べると、外ない間の状態」を想像したときについてであって、観測1。こうすると、確率的に実現した個々の世界界に出ていった情報は外界の中でいつか測定(射影)されされた物理量については実在している、として無矛盾で
ρ = | ↑𝐴𝐴 ⟩| ↓𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↑ ⟩|𝐵𝐵↓ ⟩|𝐶𝐶↑↓ ⟩⟨𝐶𝐶↑↓ |⟨𝐵𝐵↓ |⟨𝐴𝐴↑ |⟨↑𝐴𝐴 |⟨↓𝐵𝐵 |2
結果は無矛盾であり、重ね合わせを考慮す
その測定結果はわからない、もしくは、出て行った情報
あるから心配はいらない。
1
測定前後の状態(世界)が保存されて「実在」
はなぜか外界の中で失われてしまう、という論理になっまとめると、量子力学は原理的に「射影仮説」を公理の+ | ↓𝐴𝐴 ⟩| ↑𝐵𝐵 ⟩|𝐴𝐴↓ ⟩|𝐵𝐵↑ ⟩|𝐶𝐶↓↑ ⟩⟨𝐶𝐶↓↑ |⟨𝐵𝐵↑ |⟨𝐴𝐴↓ |⟨↓𝐴𝐴 |⟨↑𝐵𝐵 |2、実在を諦めることなく、無矛盾な量子力ている。しかし、厳密にはトートロジーであっても、観測ように導入することで、無矛盾で閉じた物理体系となる。
[3,5,20,21]。
という混合状態に急速に近づき、Agatha,
Brigit が測定をる、という気持ちだろう問題に伴う「観測の無限の連鎖」を途中で打ち切っても射影仮説に相当するものを量子力学から導くのは不可能
行った後わずかな時間で 3 人にとって密度演算子が同じ、多世界にも共通の特徴は「説明不足」であ
近似的には正当であることを示すとともに、いろいろなで、他の解釈も結局、射影仮説を認めていることになる
すなわち実在を想定して良い状態になる。これは、導入、特に「世界」がはっきり定義されていない
緩和現象が実は「(測定結果を捨ててしまう)連続測定」とだろう。Bell の不等式の破れが実験で証明されたように、したアボガドロ数個の粒子たちが 3 人の間に
1 回一回で議論ができない。筆者から見るとこれらの同じ土俵で論じられること、すなわち、情報の散逸こそ情報が完全に遮断できるような状況を人為的につくりだは弱いが何度も相互作用して多量の情報を運び合った結界そのものの「実在」を認めていいのか困が緩和の本質であることを、かなり精密かつ定量的に示せば、量子力学に従うこの世界では「実在の不在」が見え果である。別の言い方をするなら、アボガドロ数個の粒ば、我々が通常、自明として認識しているこ
した功績は大きい。
てしまう。しかし、日常世界の空間・時間スケールでは、
子たちが
3
人と
2
つのスピン粒子の状態を「測定してし科学理論的に何なのかを(多世界解釈と整合注目している量子系を含むもっと大きな物理系に対し観測の主体間で情報を伝達し合う「環境」「外界」の自由まった」のである。ただしその測定結果は捨てられてい)説明してくれれば、
多世界解釈は、「実存」て射影仮説を使うことにより、注目している量子系のも度の関与が排除できないので、主体たちにとっての「状るので混合状態になっている。そして、本人たちは、上の子力学になると思う。少なくとも現時点でっと近くで射影仮説を使ったのと(近似的に)同じ結果が態」が一致して通常の「実在」が存在する世界が近似的に2項のどちらが実現したかを知っている。
ひとつに過ぎない。
得られる、すなわち、究極的には仮に観測の連鎖は認識成立するので、日常感覚と矛盾しない。
我々の巨視的(マクロ)な世界するために近年、「量子ダーウィン淘汰論(6)にもアボガドロ個数のの主体の意識まで遡らなければいけないとしても、近似粒子に相当する自由度がいっぱいだ。これらを避けて情
winism)」というのが少し流行っている。個
的には、注目している量子系やそれを測定する装置くら注報の遮断など簡単にはできない。相対論でいうところのとで紹介する「無矛盾歴史」の考え方と関係いまでを考えて射影仮説を使ってしまっても許される、(1) 初期の「観測問題」には、雑多な疑問がごちゃごちゃに含まれ、遠い関係、すなわち光円錐の外側に3
人を互いに配置し気になる。
ことが示されている。
現在では当時の理解不足に過ぎなったことが明らかなものも多い。
「観
ないと予期せぬ自由度が情報を運んで量子実験を失敗さ「射影仮説を使って射影仮説を導く」ことで、量子力測問題」を思い出すために古い文献を読むのは害がある。下の参考文
せ、我々の通常世界にしてしまう。実際、「Bell の不等式
m 流「パイロット波」解釈学(射影仮説を含む)は無矛盾である、ということを補強し
献[4][14]くらい読めばとりあえず足りる。
の破れ」の証明実験など、光円錐の外側に２者(測定器)を外では)「局所的実在」は既に否定されているており、ミクロな世界から我々の日常のマクロな世界ま(2) 測定や状態変化についての理解はこの数十年で急速に整配置して情報のやりとりが出来ないことを保証してやっ所的実在」があるものとして量子力学を構築
で連続的につながっていることを示唆してくれる。
理された。大味な「射影測定」を部品として、現実的な測定が[22,23]と認められるものになった。情報の仲介者がごろごろし試みである。非局所的実在＝非局所的
また、繰り込み群を使うと射影仮説に似た干渉項の消どう構成されどう振る舞うかが細かく示されている現在では、ている環境ではあっという間に通常世界になってしまい、としてパイロット波、なるものを仮定する。
失が導ける、という主張も散見するが、これもデコヒー
実在の不在以外、量子力学にもう奇妙なところはない、と思え
量子力学による「実在の不在」など見えない。
的ではあるが「実在する実体」であって、こレンス派の中に入れておく。繰り込みは、系自身を外界る。今でも多くの教科書に載っている 、もとの「Heisenberg の射影仮説を認めればデコヒーレンス派の膨大な計算例
不確定性原理」は、現代的な視点からすると 何を言っているのによって標準的量子力学と同じ物理が実現として取り込んでいくという過程を無限回繰り返す操作
は近似計算として採用できる。その結果、デコヒーレン
か曖昧で、測定の反作用などをちゃんと考慮した「小澤の不等いる。ただし、この非局所的隠れた変数＝のようなもので、この繰り返しを通じて多自由度の粗視式 [16]」などまで洗練されて ようやく何を示しているのかが物理ス派が主張してきたような外界、環境の存在するようなは、しばしば常識に反する超能力のような化を行っており、粗視化(ある種の平均近似)のたびにこっ(4)
的に理解できる。測り方を特定せずに誤差を云々されても困状況では「無矛盾な歴史」しか残らない古典力学的な世るので、これが認められる心理なら「実在そり情報を捨てているのに相当している。
る。逆に、Bohrの「相補性原理」
は残念ながら愚かな私には界観が近似的に成立する。
ない」というコペンハーゲン解釈の立場も何を言っているのかいまだにわからない。
るのではないか、と思ってしまう。思考実
3-5 無矛盾歴史(Consistent
Histories)解釈(3) この「観測していない」がとても重要である。あとで議
5.
「観測問題」はなかったのか？
も実験の構成が少し複雑になると、計算がものすごく雑に述べると、ファインマン経路積分の「経論するように、日常レベルでは知らないうちに観測が行われて複雑になるので実利もあまりない。
路」のうち、「無矛盾」な経路だけが「無矛盾歴史(Consistent
科学的なアプローチでは、量子力学の不思議さ(射影測いるがゆえ、世界は古典的な実在をもっているように見えていHistories)」であり、実現可能であるとすると、ボルンの確る。
定相当の公理が必要であること)を導出できないことがーレンス解釈率解釈と同等のものが出てくる。これには波束の収縮=射(4) 場の量子論の連続無限自由度も情報をこっそり捨てるのほぼ明らかになったので、もはや「観測問題」は科学的な、量子系の状態(密度演算子)の干渉項の消失
影仮説を必要としない、という主張である[27,28]。一部の哲中ノ勇人中ノ勇人

34に便利だが、同じく本質ではない と思われる。無限小の誤差が昌寛 (講談社, 2021).

力学はこのような実在の否定を含むようだから不完全で３つのうちのどれが破れていてもとりあえず実験と矛[20] “Many Worlds?: Everett, Quantum Theory, and Reality”, edited by S.
誤差になる世界は情報に関して閉じていないだけである 。
ある、との不満があったが、前節に出てきた「Bell の不等
盾しないのだが、(通常、陰謀論はとりあえず無視して)(5) 以下 |𝐴𝐴↓ ⟩, |𝐵𝐵↑ ⟩, |𝐶𝐶↑ ⟩などは、Agatha, Brigit, Chiara の状態を表す。
Saunders et al. (Oxford Univ. Press, 2012).
式」とその周辺の理論的および実験的研究はそれ(実在の「局所的実在」が破れていることが証明された、と考え(6) 巨視的実在(Macroscopic Reality)と呼ばれる研究分野があり、本稿[21]『Schrodinger の子猫たち 実在の探究』, J. グリビン, 棲山義夫 訳不在)が量子力学に不可避に内在していることを明白にるのが多数派である。こうして、量子力学では、実在=で論じているのとは逆に、ミクロでないサイズでも量子力学的振る舞(シュプリンガー・フェアラーク東京, 1998).
(2)した 。
客観性、が存在しないことになった。これが、量子力学
いが見えて「実在」が怪しい、といえるのはどういうときか、を考え[22] “Bohmian mechanics and quantum theory”, J.T. Cushing, A. Fine, et al.
の不思議、すなわち、受け入れがたいところの本質である。Leggett-Garg の不等式、などが提案され実験もある。超伝導の「巨(Springer, 1996).
2.2 「実在」の重要性る。実は、Schrodinger の猫や、Wigner の友人、などの視的トンネル現象」など
Macroscopic Quantum Coherence の延長とし[23] M. Genovese, ‘Research on hidden variable theories: A review of recent
この世界の物理的存在が実在している、ことは我々の認識感覚に矛盾する喩え話も、この「実在の不在」が顕著にて、巨視的実在の不在を議論したいようなのだが、まだ巨視的実在のprogresses’, Physics Reports, vol. 413 (2005) pp. 319–396.
[29において極めて重要である。古典物理学においては、中の表れた例であった。
「猫」では、猫の生死、が客観的事
定義が曖昧なのであまり明確な議論になっていないように見える[24] “Quantum Measurements and Decoherence: Models and Phenomenology
32]
見えない箱の中に何が入っているかは、観測者が異なって実=実在として定まるのはいつなのかが不明になり、「友。
(Fundamental Theories of Physics Book 110)”, M. Mensky (Springer, 2000)
参 考 文 献も変わることはない。この当たり前のことが量子力学では成り
人」では、Wigner とその友人にとっての事実(実在)が一[25] “Decoherence: and the Quantum-To-Classical Transition”, M. A.
立たない。A, B の 2 人の観測者にとって箱の中身が同じか致しているかどうかの客観性が怪しくなっている。
[1] 『量子力学における観測の理論』, 柳瀬睦男,並木美喜雄,町田茂 編,
Schlosshauer (Springer, 2007).
どうかは A, B が共有している他の情報がどんなものであるか
新編物理学選集 69 (日本物理学会, 1978).
[26] “Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantumを規定しないと決らないのである。情報の共有が、見ていな
3. 量子力学の「解釈」と観測問題の関係[2] 『量子と実在―不確定性原理から Bell の定理へ』, ニック・ハーバ
Theory”, D. Giulini et al., (Springer, 1996).
い箱の中身が一致するかに関係してくる。つまり、箱の中身
ート, はやし はじめ 訳 ' (白揚社,1990).
「実在」が諦めきれない人たちは、何とか射影仮説なし[27] “Consistent
Quantum Theory”, R. B. Griffiths (Cambridge Univ. Press,が独立した存在として決まらない＝実在しているとは言えな[3] `Quantum Theory
and Measurement' edited by J. A. Wheeler and W. H. Zurekに、射影仮説を導入した標準的な量子力学と同等なもの
2003).
い、という深刻な事態が量子力学では生じる。簡単に受け入(Princeton Univ.
Press, 1983).
[28] E. Okon, を構築したいとしていろいろなことを考える。それが、D. Sudarsky, ‘On the Consistency of the Consistent Histories
れられるものではない。この気持ちが「観測問題は科学が進[4] 『マーミン 量子のミステリー』, 町田茂 訳, (丸善,1994).
いわゆる「量子力学の解釈」
である。
Approach to Quantum
Mechanics’,
Found Phys 44, 19–33(2014).標準的な量子力学と歩すれば解決できる」と信じられてきた歴史を支えている。
[5] W. H. Zurek,“DECOHERENCE AND THE TRANSITION FROM
同等なものを目指しているから「解釈」と呼ばれる。
https://doi.org/10.1007/s10701-013-9760-2
ただし、以下のことは強調しておかなければならない。
QUANTUM TO CLASSICAL”,
PHYSICS TODAY vol.44, pp. 36-44(AIP,[29] A. J. Leggett and A. Garg, ‘Quantum mechanics versus macroscopic
3-1 コペンハーゲン解釈
否定しなければならない「実在」は「観測していない間の1991).
realism: Is the flux there when nobody looks?’, Phys. Rev. Lett. 54, p.857
詳細な異論はあると思うが、これを、ざっくり「標準的状態」についてであって、観測された物理量(そこに存在[6] 『量子力学―観測と解釈問題 』, 高林 武彦, 保江 邦夫 (海鳴社,(1985).
な量子力学」と呼ぶことにする。潔く、射影仮説は必要不する、というのも物理量に置きなおせる)については実在
2001).
[30] F. Fröwis, P. Sekatski, W. Dür, N. Gisin, and N. Sangouard, ‘Macroscopic(3)
可欠な公理であって、科学的には導出不可能、という立。 八戸工業高等[7] 中ノ勇人,している、として無矛盾である「量子力学の「半分」は情報理論である」,
quantum states: Measures, fragility, and implementations’, Rev. Mod. Phys. 90,
場が標準的な「コペンハーゲン解釈」である[12,19]。半世紀
専門学校紀要 50(0), pp. 2-14, (2016).
025004 (2018).
以上前から主流であるが、今はかつてよりずいぶん洗練
2.3 Bell の不等式とその周辺[8] 中ノ勇人, 「古典情報の「共有」と量子「状態」の関係－続・
量子[31] J. Kofler and Č. Brukner, ‘Classical World Arising out of Quantum Physics
されていることは忘れないでいただきたい[11,15,16]。50 年
専門家に叱られないようにもう少し正確にいうと、
Bell
力学の半分は情報理論である―」,
八戸工業高等専門学校紀要 52, pp.
under the Restriction of Coarse-Grained Measurements’, Phys. Rev. Lett. 99,
前のまま大味ではなく痒い所に手が届く。この立場では、
57-64, (2018).の不等式とその周辺の理論的および実験的研究が明らか
180403 (2007); J. Kofler and Č. Brukner, ‘Condition for macroscopic realism
測定されて確定した[物理量]だけが実在であって、測定さにしたのは、量子力学に従う現象においては、[9] 清水明「量子測定の原理とその問題点」,
数理科学 2002 年 7 月号
beyond the Leggett-Garg inequalities’, Phys. Rev. A 87, 052115 (2013).
れる前の状態や物理量は数学的にしか存在しない、とす
＊実在
＊局所性
＊自由意志
(サイエンス社).
[32] C. Emary, N. Lambert and F. Nori, ‘Leggett–Garg inequalities’, Reports onる。つまり「波動関数」は実在しない数学的概念に過ぎなのどれかが破れていなければならない、という絶対的な[10]『量子論の基礎』,
清水明 (サイエンス社, 2004).
Progress in Physics, 77, 016001 (2014).
[14]い。測定の結果、特定の状態が生き残り他の可能性が消事実である A.。個々について詳細に説明する余裕はここ[11]『量子論の概念と手法』,
ペレス, 大場一郎ほか訳 (丸善, 2001).
[33] “Introduction to Mesoscopic Physics (Mesoscopic Physics andえてなくなる(波束の収縮)、というのは、状態＝波動関数
ではないが、
前者２つは通常の感覚ではまとめて[12] “FOUNDATIONSANDINTERPRETATION OF QUANTUM 「実在」
Nanotechnology)”, Y. Imry (Oxford Univ. Press, 2008).
を「実在」だと思うと不自然だが、単に情報として、他のと考えられている。厳密な議論では、「非局所的な実在」
MECHANICS”,
G. Auletta (World Scientific, 2001).
[34] “Fundamental Problems of Mesoscopic Physics: Interactions and状態はない、ということを知っただけ、と考えれば変化の存在を仮定することもできるが、それは既に日常感覚[13] “Testing quantum
mechanics on new ground”, P. Ghose (Cambridge Univ.
Decoherence (NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry,
がたとえ超光速でも納得がいく。観測問題は(科学的議論
Press, 1999). の「実在」とはとても思えない不自然なものなのであえ154)”, edited by I. V. Lerner, B.L. Altshuler, Y. Gefen (Springer, 2004).
としては)存在しない、という立場と共存できる。強いてて触れない。
最後の「自由意志」というのは、別の言い方[14] 『量子力学の反常識と素粒子の自由意志』, 筒井泉, (岩波書店, 2011).
[35] “The Theory of Open Quantum Systems”, H.-P. Breuer (Oxford Univ.
批判するなら、我々が世界として認識している何か、ををすると、というものがあり得るか、
とい[15] G. Kimura,‘Foundations真のランダム、of Quantum Mechanics
and Quantum Information
Press, 2002).
無批判に自明なものとして考えているところが気になる
う問題になる。もちろん日常感覚ではあり得るし、古典Theory' in “Introduction
to Quantum Information Science”, by M. Hayashi, et al.
[36] “QUANTUM DISSIPATIVE SYSTEMS”, U. Weiss (World Scientific
それゆえ、最終的に測定結果(およびそれを記録した世界)
物理学はそれ認めている。しかし、Bellの不等式がらみ(Springer, 2014).
Pub., 1993).
が決定する(した)のが、いったいどの時点なのかはっきりの理論・実験的研究の示すところは、もし、量子力学の世2016).
[16]『量子測定と量子制御』, 沙川貴大, 上田正仁 (サイエンス社,[37] “Quantum Dynamical Systems”, R. Alicki, M. Fannes (Oxford Univ.
しない。理屈をこねると、いわゆる「観測の無限の連鎖」
界において「実在および局所性が確かに成立しているな[17] S. Luo and
Y. Sun ‘Quantum coherence versus quantum uncertainty’,
Press, 2001). [1,3,6]
が、認識の主体である「私の意識」まで決着しないとらば、自由意志がありえない、
すなわち、ランダムというPhys. Rev. A 96,
022130(2017).
教科書(単行本)は多数あるが筆者の手許にあるもの限った。しばしば引いう、「強い」コペンハーゲン解釈、まで行かなければな
ものはあり得ない、としないと実験事実と矛盾する」と[18] 森田紘平「量子力学を解釈するとはどういうことだったのか」,用されている原論文は[1,3]に収録されているのでこのリストには挙げらなくなる。そこ(意識)に本質がある、と考える物理学者
いう恐ろしい話である。
この話は、量子力学で実在・局所
日本物理学会誌,
2021 年 76 巻 8 号 pp.532-534.
ない。
はたぶん少ない。しかも意識とは何か、を物理学的に定性を保とうとすると陰謀論になる、などと説明されてい[19]『入門 現代の量子力学
量子情報・量子測定を中心として』, 堀田（原稿受付：2021 年 10 月 30 日）
義するのはおそらく絶望的に難しい。
るものである。

八戸工業高等専門学校紀要   
第  号  （ ）                           35

熱 CVD 法による二次元物質六方晶窒化ホウ素結晶の成長
中村嘉孝*、小子内行羅**、角館 俊行*，鎌田 貴晴*
Growth of two-dimensional material hexagonal boron nitride crystal by thermal CVD method
Yoshitaka NAKAMURA*, Takara OKONAI**, Toshiyuki KAKUDATE*, Takaharu KAMADA** 産業システム工学科 電気情報工学コース** 産業システム工学専攻

Abstract : A buffer layer of hexagonal boron nitride was grown on Cu foil, Ni foil, and (111)Si single crystal substratein order to apply it as a base material for graphene. Raman peaks of the E2g vibration mode of h-BN were observedin each sample. Therefore, we were able to grow h-BN crystals directly on Cu foil, Ni foil, and (111)Si single crystal
substrate without using any catalyst metal.
Keywords : Hexagonal boron nitride (h-BN)、CVD、Si substrate
．研究背景・目的
六方晶窒化ホウ素 +H[DJRQDO%RURQ1LWULGH：K
%1 は、窒素とホウ素が VS 結合し六角格子上に並んでいる二次元物質である。この K%1 は F 軸方向にダングリングボンドを持たないこと、その平坦性か
ら、グラフェンとのヘテロ接合ではグラフェンのサスペンド状態に近い高特性を得られることが報告されている。そのため、グラフェンに関する研究、開発において欠かせない存在となっており、簡便かつ安価に大面積の K%1 薄膜を得る方法の確立が望まれている。本研究では熱 &9' 法による高品質な K%1の作成条件を確立することを目的とする。
B

法による +1%+ を原料に用いた場合の K%1 の成長プロセスのモデル図を示す。
アンモニアボラン +1%+ を加熱すると、+、アミノボラン +%1+ 、ボラジン %1+ に熱分解される。
その後、これらはキャリアガスによって基板まで移動し基板に吸着する。+ は電気炉による熱エネルギ
ーと遷移金属基板の触媒作用により水素原子にまで分解される。この水素原子がアミノボランティア+1%+ 、ボラジン %1+ から + を奪い、ホウ素 %と窒素 1 の %1 二量体等の活性種を生成する。この活性種が結合することにより K%1 結晶核が生成され、その結晶核に活性種が結合し成長すると言われ
ている。

N

)LJ  K%1 の結晶構造 

．熱 &9' 法による K%1 成長機構
熱 &9' 法による K%1 の合成は、原料としてアンモニアボラン +1%+ 、などのホウ素と窒素が含まれる化合物、成長基板として &X や 1L などの遷移金属、もしくは 6L ウエハが用いられる。)LJ に熱 &9')LJ 熱 &9' 法による K%1 成長機構

．結晶成長と評価
 基 板 に 6L  &X株
ニ ラ コ &X 1L 株 ニラコ 1L の三種類、原料

36

中村
中村

嘉孝・小子内行羅・角館 俊行・鎌田 貴晴
嘉孝・小子内行羅・角館 俊行・鎌田 貴晴にはアンモニアボラン +1%+ を用いた。)LJ に実にはアンモニアボラン +1%+ を用いた。)LJ に実験装置等の位置関係、)LJ に成膜プロセスを示す。
験装置等の位置関係、)LJ に成膜プロセスを示す。
加熱器は基板加熱用 IXUQDFH  とアンモニアボ
加熱器は基板加熱用 IXUQDFH  とアンモニアボ
ラン +1%+ 熱分解用 IXUQDFH  の  つを用い、そラン +1%+ 熱分解用 IXUQDFH  の  つを用い、それぞれの中心間の距離をFP に設定した。
れぞれの中心間の距離を FP に設定した。
成膜プロセスは、まず基板を加熱し ℃に達し
成膜プロセスは、まず基板を加熱し ℃に達した後、6L 基板の場合は  分、&X と 1L の基板の場合た後、6L 基板の場合は  分、&X と 1L の基板の場合
は  分間アニールし、基板表面の洗浄と表面加工傷は  分間アニールし、基板表面の洗浄と表面加工傷を除去する。その後、IXUQDFH を ℃で  分間を除去する。その後、IXUQDFH を ℃で  分間
保持し、PJ のアンモニアボラン +1%+ 粉末を熱保持し、PJ のアンモニアボラン +1%+ 粉末を熱分解させ、基板上に原料ガスを供給した。その後、分解させ、基板上に原料ガスを供給した。その後、
IXUQDFH  の電源を切り冷却した。キャリアガス流
IXUQDFH  の電源を切り冷却した。キャリアガス流
量は、加熱、アニールそして冷却時は $UVFFP、量は、加熱、アニールそして冷却時は $UVFFP、+VFFP 、 K%1 結 晶 成 長 時 は $UVFFP 、+VFFP 、 K%1 結 晶 成 長 時 は $UVFFP 、+VFFP に設定した。
+VFFP に設定した。
作成した試料はラマン分光法（レニショー 株 、
作成した試料はラマン分光法（レニショー 株 、
LQ9LD70
FRQIRFDO5DPDQPLFURVFRSH）により評価し
LQ9LD70 FRQIRFDO5DPDQPLFURVFRSH）により評価した。
た。

)LJ  実験装置の位置関係模式図)LJ  実験装置の位置関係模式図

結晶粒界も観測されているが、&X 箔に比べて、結晶
結晶粒界も観測されているが、&X 箔に比べて、結晶
粒の大きさは小さい事がわかった。また、1L 箔の表
粒の大きさは小さい事がわかった。また、1L 箔の表面モフォロジーは、&X 箔と場合と大きく異なり、気面モフォロジーは、&X 箔と場合と大きく異なり、気泡のような多数の粒状の結晶が観測され、非常に荒泡のような多数の粒状の結晶が観測され、非常に荒れた表面になっていた。 F の  6L 単結晶基板をれた表面になっていた。 F の  6L 単結晶基板を用いた場合、表面は比較的滑らかであるが、小さな用いた場合、表面は比較的滑らかであるが、小さな結晶が多数観測された。また、K%1 結晶の特徴であ結晶が多数観測された。また、K%1 結晶の特徴である三角形状の結晶粒も観測された。
る三角形状の結晶粒も観測された。
( a ) Cu
( a ) Cu( b ) Ni( b ) Ni

)LJ  成膜プロセス)LJ  成膜プロセス

．結果と考察．結果と考察)LJ D E F に &X 箔、1L 箔そして  6L 単結)LJ D E F に &X 箔、1L 箔そして  6L 単結晶基板上に成長させた K%1 結晶の光学顕微鏡像を晶基板上に成長させた K%1 結晶の光学顕微鏡像を示す。)LJ はこれらの試料のラマンスペクトラム示す。)LJ はこれらの試料のラマンスペクトラムである。このラマンスペクトラムのラベル番号は、である。このラマンスペクトラムのラベル番号は、)LJ 中に示した番号に一致する。また、各ラマン)LJ 中に示した番号に一致する。また、各ラマン
スペクトラムの半値全幅 ):+0 を 7DEOH 示す。
スペクトラムの半値全幅 ):+0 を 7DEOH 示す。
)LJ D の &X 箔基板を用いた場合、銅の結晶粒と)LJ D の &X 箔基板を用いた場合、銅の結晶粒と結晶粒界が観察される。結晶粒表面は比較的滑らか
結晶粒界が観察される。結晶粒表面は比較的滑らかであるが、若干波状の凹凸が観察された。結晶成長であるが、若干波状の凹凸が観察された。結晶成長をさせる前の &X 箔表面は銅箔の切り出しなどによをさせる前の &X 箔表面は銅箔の切り出しなどによる加工傷が観測されていたが、℃で加熱し結晶る加工傷が観測されていたが、℃で加熱し結晶成長後の表面に、加工傷は見られず滑らかになって成長後の表面に、加工傷は見られず滑らかになっていた。E の 1L 箔基板を用いた場合、&X 箔と同様に、いた。E の 1L 箔基板を用いた場合、&X 箔と同様に、
加工傷は消えて観測されなかった。また、結晶粒と加工傷は消えて観測されなかった。また、結晶粒と( c ) Si( c ) Si

)LJ  &X 箔、1L 箔そして 6L 単結晶基板上に成長させた)LJ  &X 箔、1L 箔そして 6L 単結晶基板上に成長させた
K%1 結晶の光学顕微鏡像
K%1 結晶の光学顕微鏡像

熱 &9' 法による二次元物質六方晶窒化ホウ素結晶の成長       37     

熱 &9' 法による二次元物質六方晶窒化ホウ素結晶の成長             ( a ) Cu
( a ) Cuある。また、6L 基板上では、三角形状の結晶が見られ、この結晶内外の両領域でラマンスペクトラムにある。また、6L
基板上では、三角形状の結晶が見らピークが現れていることから、K%1 が多層に成長しれ、この結晶内外の両領域でラマンスペクトラムにていると考えられる。
ピークが現れていることから、
K%1 が多層に成長していると考えられる。
．まとめ．
とめ 箔そして  6L 単結晶基板上へ K%1
&Xま箔、1L( b ) Ni( b ) Ni

（c）Si
（c）Si

を成長させる事が出来た。本研究の大きな目的は、&X 箔、1L 箔そして  6L 単結晶基板上へ K%1
K%1
上にグラフェンを転写する事により、高性能なを成長させる事が出来た。本研究の大きな目的は、グラフェンデバイスを作成する事である。その為にK%1 上にグラフェンを転写する事により、高性能なは、産業応用する上で有利となる 6L 基板上へ直接グラフェンデバイスを作成する事である。その為にK%1 を成長させる事ができれば、K%16L
基板上には、産業応用する上で有利となる
6L 基板上へ直接直接グラフェンを転写すれば良いことになる為、6LK%1を成長させる事ができれば、K%16L 基板上に
基板上に直接 K%1 結晶を成長させる事ができた事
直接グラフェンを転写すれば良いことになる為、6Lの意義は大きい。そこで今後は、6L上の K%1 の結基板上に直接K%1 結晶を成長させる事ができた事
晶の品質を向上させる為の成長技術の研究を進めての意義は大きい。そこで今後は、6L上の K%1 の結いく。
晶の品質を向上させる為の成長技術の研究を進めて
いく。
謝辞
謝本研究は
辞
JSPS 科研費 JP19K12854 の助成を受けたものです。
本研究は JSPS 科研費 JP19K12854 の助成を受けたものです。

2  
2  11  

)LJ  &X 箔、1L 箔そして 6L 単結晶基板上に成長さ
)LJ
 &X
箔、1L 箔そして 6L 単結晶基板上に成長させた K%1
結晶のラマンスペクトラム
せた K%1 結晶のラマンスペクトラム
Table 1 ラマンスペクトラムの半値全幅Table 1 ラマンスペクトラムの半値全幅

測定点
基板

 測定点 

基板
&X








1L




&X




6L


1L




6L


)LJ D の &X 箔表面のラマンスペクトラムを見ると、波数FPにピークが観測される。このラ)LJ D の&X 箔表面のラマンスペクトラムを見
マンピークはK%1
結晶の(J 振動モードのピークとると、波数 FP にピークが観測される。このラ等しいことから、&X
箔表面にK%1 結晶が成長してマンピークは K%1 結晶の (J 振動モードのピークといる事がわかった。 箔表面にE の 1L 箔表面にも同じピーク等しいことから、&X
K%1 結晶が成長してが観測される事から、1L
K%1 結晶は成いる事がわかった。
E の箔表面にも
1L 箔表面にも同じピーク
長している事がわかった。
Fの
6L 基板上にも、が観測される事から、1L 箔表面にも K%1
結晶は成
K%1
のピークが観測された事から、触媒金属を用い長している事がわかった。 F の  6L 基板上にも、なくても
6L 基板上に K%1 結晶を成長させることがK%1のピークが観測された事から、触媒金属を用い出来た。しかし、7DEOH
のラマンピークの半値全幅
なくても
6L 基板上に K%1
結晶を成長させることがから、  6L 表面に直接成長させた
K%1 のラマン出来た。しかし、7DEOH
のラマンピークの半値全幅
ピークの幅は広い事から、&X
や1L上に成長したKから、  6L 表面に直接成長させた K%1 のラマン
%1に比べて、結晶性は良くないことが分かる。しか
ピークの幅は広い事から、&X や 1L 上に成長した K
しながら、金属触媒を使用せずに 6L 基板上に直接成%1に比べて、結晶性は良くないことが分かる。しか長させる事が出来たことは、商業化する上で有利でしながら、金属触媒を使用せずに 6L 基板上に直接成長させる事が出来たことは、商業化する上で有利で
72
72

      引用・参考文献         .
),]XPL
 0RPPD  引DQG
用・参考文
献  &RPPLVVLRQ      RQ
&RPSXW
,8&U &RPPLVVLRQ1HZVOHWW RQ
 &U\VWDOORJU. 0RPPD DQG) ,]XPL
&RPSXW ,8&U 1HZVOHWW &U\VWDOORJU
 
 5HQ-LH & ;LDRFKHQ : 6KDQVKDQ :
 <XHZHQ6%HQ3+DULVK
5HQ-LH & ;LDRFKHQ : %Q-DPLH+
6KDQVKDQ ::DUQHU *URZWK RI /DUJH 6LQJOH&U\VWDOOLQH
<XHZHQ6%HQ3+DULVK%Q-DPLH+
0RQROD\HU*URZWK+H[DJRQDO%RURQ1LWULGHE\2[LGH
:DUQHU
RI /DUJH 6LQJOH&U\VWDOOLQH
$VVLVWHG&KHPLFDO 9DSRU 'HSRVLWLRQ
0RQROD\HU +H[DJRQDO%RURQ1LWULGHE\2[LGH&KHPLVWRU\ &KHPLFDO
RI 0DWHULDOV 'HSRVLWLRQ–$VVLVWHG
9DSRU
 
&KHPLVWRU\
RI 0DWHULDOV  –
 

八戸工業高等専門学校紀要                                       39
第号  （）熱 CVD 法によるグラフェンの結晶成長と転写技術の開発
中村 嘉孝*、小橋 正幹*、角館 俊行*，鎌田 貴晴*
Development of Crystal Growth and Transfer Technology of Graphene by Thermal CVD Method
Yoshitaka NAKAMURA*, Masaki KOBASHI**, Toshiyuki KAKUDATE*, Takaharu KAMADA** 産業システム工学科 電気情報工学コース

Abstract: In order to grow graphene, which is a two-dimensional material, by the thermal CVD method, the copper
foil substrate was heat-treated. As a result, the annealed twins of the copper substrate could be reduced, and more
copper (111) planes having high lattice consistency with graphene could appear on the surface of the substrate. We
also report that graphene could be peeled off from a copper foil and transferred to a silicon substrate using the bubbles
of hydrogen and oxygen gas in the electrolysis of water.
Keywords : Graphene, CVD, Cu foil
．研究背景・目的 マンチェスター大学の *HLP 等は、 年に一つの原子の厚さしか持たないグラフェンの取り出しに成功し  、 年にノーベル物理学賞を受賞した。
その後、)LJ に示すようなグラフェン、六方晶窒化ホウ素 K%1 そして遷移金属ダイカルコオゲナイ
ド 0R6、:6 等 などの２次元物質を積み重ねた、
ファンデアワールスヘテロ接合を作る事で新しい性質を有する材料を作り出せると提案した。 その後、
0,7 の 3DEOR 等は、２枚のグラフェンの一方を回転させて積み重ねた、モアレ構造を持った二層グラフ
ェンを作成する事で、超伝導現象が現れることを報告した。 また、半導体の微細化が進むにつれて限界が近づき、インテルは  年  月の国際会議 ,('0でトランジスタ技術のロードマップとして、積層させた２次元材料トランジスタの使用を発表した。こ)LJ２次元材料の結晶構造とファンデアワー
ルスヘテロ接合構造。２次元材料の片方を回転させたモアレ構造を有するヘテロ接合構造。

の様に、２次元材料の研究は大きな注目を集めている。熱 &9' 法によりグラフェンを結晶成長させる場
合、銅箔を基板として使用する事が多いが、銅箔は多結晶であるため、綺麗な結晶グラフェンを成長させる事は難しい。そこで、本研究ではグラフェンを成長させる前に銅箔基板を加熱する事で、  面が基板表面に多く現れた銅箔を合成する事を試みた。
また、水の電気分解の際に電極に発生する水素ガスの泡を利用して、銅箔上に成長したグラフェンを剥がし酸化シリコン基板上に転写する事ができたので報告する。

．実験方法 多結晶銅箔の  配向化とグラフェン成長  
グラフェンは熱 &9' 法を用いて成長させた。)LJ
にグラフェンの成膜プロセスを示す。+ 気流下℃で &X 箔多結晶基板を  時間アニールし銅の 面を形成した。その後、基板温度 ℃で &+を流入し  分保持した後、急冷却しグラフェンを成長させた。原料ガスとして &+ を VFFP、キャ)LJグラフェンの成膜プロセス

40

中村 嘉孝•小橋 正幹•角館 俊行•鎌田 貴晴
中村 嘉孝•小橋 正幹•角館 俊行•鎌田 貴晴

リアガスは + として VFFP である。作製したグラ
リアガスは+ として℃のイオン交換水中に
VFFP である。作製したグラ
フェン&Xの試料を、
時
フェン&X
の試料を、
℃のイオン交換水中に
時間含浸し銅表面を酸化させ、銅の焼きなまし双晶結
間含浸し銅表面を酸化させ、銅の焼きなまし双晶結晶を観察しやすくした。試料の評価には ; 線回折法
晶を観察しやすくした。試料の評価には ; 線回折法
及びラマン分光法を用いた。
及びラマン分光法を用いた。
 水の電気分解による 6L26L 基板への転写  水の電気分解による 基板を水の電気分解を用
6L26L 基板への転写 成膜したグラフェン&X
成膜したグラフェン&X
基板を水の電気分解を用いて、)LJ に示すプロセスによりグラフェンを剥いて、)LJ
に示すプロセスによりグラフェンを剥離し、6L26L 基板に転写した。
グラフェンを取り出
離し、
6L2
6L
基板に転写した。
グラフェンを取り出
すため、サポート材である 300$ 及びシアノアクリレ
すため、
サポート材である
300$
及びシアノアクリレートをグラフェン&X 基板表面に滴下し、スピンコートをグラフェン&X
基板表面に滴下し、スピンコータで厚膜を作製した。次にグラフェンを銅箔からータで厚膜を作製した。次にグラフェンを銅箔から剥離するため、
規定の水酸化ナトリウム水溶液中剥離するため、
規定の水酸化ナトリウム水溶液中
で電源電圧 9 を印加し、グラフェン&X
を陰極、炭
で電源電圧
9
を印加し、グラフェン&Xを陰極、炭素棒を陽極として水の電気分解を行い、発生する水
素棒を陽極として水の電気分解を行い、発生する水
素ガスの泡によりシアノアクリレートグラフェン
素ガスの泡によりシアノアクリレートグラフェンをはく離した。その後、その試料を
6L26L 基板表をはく離した。その後、その試料を
6L26L 基板表面に置いて、アセトンを用いてシアノアクリレート
面に置いて、アセトンを用いてシアノアクリレート
のみを溶解させ、基板上にグラフェンを転写した。
のみを溶解させ、基板上にグラフェンを転写した。
試料評価にはラマン分光法を用いた。

試料評価にはラマン分光法を用いた。 )LJ  水の電気分解を用いたグラフェンの)LJ  水の電気分解を用いたグラフェンの転写プロセス図
転写プロセス図．実験結果
．実験結果)LJ にグラフェンの成膜前 D と成膜後 E の ;)LJ にグラフェンの成膜前 D と成膜後 &X
E の線回折結果を示す。成膜前に優位であったの;線回折結果を示す。成膜前に優位であった&Xの 、  、そして、  のピークは、成膜時の 、  、そして、  のピークは、成膜時の)LJ 銅箔のアニール前 D とアニールし)LJ 銅箔のアニール前 D とアニールした後にグラフェンを成長させた試料
E のた後にグラフェンを成長させた試料
E の
;5'
パターン
;5' パターン

アニールにより、成膜後は相対的に小さくなった。
アニールにより、成膜後は相対的に小さくなった。
そして、&X  面のピークは非常に強くなり、配向
そして、
 面のピークは非常に強くなり、配向性が &X
面優位に変化した。
性が
面優位に変化した。
)LJ に、℃でのアニール及びグラフェンを)LJ に、℃でのアニール及びグラフェンを成長させた後の基板表面の光学顕微鏡画像を示す。
成長させた後の基板表面の光学顕微鏡画像を示す。
焼きなまし双晶結晶を観察しやすくする為、℃の焼きなまし双晶結晶を観察しやすくする為、℃のイオン交換水で銅箔表面を酸化させた。赤褐色の部
イオン交換水で銅箔表面を酸化させた。赤褐色の部分が特に強く酸化されている事から、板状の双晶部分が特に強く酸化されている事から、板状の双晶部
分は特に酸化がされ易い事が分かる。また、アニー
分は特に酸化がされ易い事が分かる。また、アニールにより板状結晶の密度が非常に小さくなる事を光ルにより板状結晶の密度が非常に小さくなる事を光学顕微鏡より確認した。板状結晶が減少した理由と学顕微鏡より確認した。板状結晶が減少した理由として、アニール温度を銅の融解温度に近づけたため、して、アニール温度を銅の融解温度に近づけたため、結晶粒が結合し基板表面全体が
 面優位に変化
結晶粒が結合し基板表面全体が 面優位に変化したためと思われる。但し、)LJE の;5' パターしたためと思われる。但し、)LJ
Eの;5' パターン中に非常に弱いが  、  のピークが観測さン中に非常に弱いが、
のピークが観測されていることから、顕微鏡で観察される板状結晶はれていることから、顕微鏡で観察される板状結晶は
 や  面配向した結晶粒と考えられる。)LJ
 や  面配向した結晶粒と考えられる。
)LJ
の各部分のラマンスペクトルを)LJ  に示す。番の各部分のラマンスペクトルを)LJ  に示す。番号①〜③は&X 板状結晶内部、④⑤は外部の任意の部
号①〜③は&X
板状結晶内部、④⑤は外部の任意の部分である。板状結晶内外において * バンド及び ' バ分である。板状結晶内外において * バンド及び ' バ
ンドが観測され、また強度比から一層または二層のンドが観測され、また強度比から一層または二層のグラフェンが成長していることが分かる。グラフェ
グラフェンが成長していることが分かる。グラフェンの結晶欠陥の存在を意味する' ピークも、強度はンの結晶欠陥の存在を意味する ' ピークも、強度は弱いが存在している事が分かる。また、板状結晶の弱いが存在している事が分かる。また、板状結晶の内外で、層数や結晶性に大きな違いや規則性は見ら内外で、層数や結晶性に大きな違いや規則性は見ら)LJ  酸化処理したグラフェンが成長して)LJ  酸化処理したグラフェンが成長している銅箔の光学顕微鏡画像。板状結晶（焼きいる銅箔の光学顕微鏡画像。板状結晶（焼きなまし双晶）が観測される。
なまし双晶）が観測される。

)LJ アニールした銅箔上に成長させた)LJ アニールした銅箔上に成長させた
グラフェンのラマンスペクトラム
グラフェンのラマンスペクトラム

熱 &9' 法によるグラフェンの結晶成長と転写技術の開発       41     

熱 &9' 法によるグラフェンの結晶成長と転写技術の開発             

(a)
(a)

①
①

②
②

③
③

④
④

⑤
⑤

⑥
⑥

謝辞
謝本研究は
辞
JSPS 科研費 JP19K12854 の助成を受けたものです。
本研究は JSPS 科研費 JP19K12854 の助成を受けたものです。

      引用・参考文献             引用・参考文献       
 1RYRVHORYN6*HLP$N0RUR]RY6
9-LDQJ'=KDQJ<'XERQRV69 1RYRVHORYN6*HLP$N0RUR]RY6
*ULJRULHYD,9DQG)LUVRY$$
9-LDQJ'=KDQJ<'XERQRV69
6FLHQFH  – *ULJRULHYD,9DQG)LUVRY$$ 6FLHQFH
$*HLPDQG,*ULJRULHYD1DWXUH9RO  – S
 $*HLPDQG,*ULJRULHYD1DWXUH9RO
 <XDQ&DR9DOOD)DWHPL6KLDQJ)DQJ.HQMLS 
 :DWDQDEH7DNDVKL7DQLJXFKL(IWKLPLRV<XDQ&DR9DOOD)DWHPL6KLDQJ)DQJ.HQML
.D[LUDV3DEOR-DULOOR+HUUHUR1DWXUH:DWDQDEH7DNDVKL7DQLJXFKL(IWKLPLRVYROXPHSDJHV–.D[LUDV 3DEOR-DULOOR+HUUHUR1DWXUHYROXPHSDJHV– 

(b)
⑥(b)
⑥
⑤
⑤
④
④
③
③
②
②
①
①
)LJ 6L26L 基板上に転写したグラフェンの光学顕微鏡画像
D とラマンスペクトル E)LJ 6L26L 基板上に転写したグラフェンの光学顕微鏡画像 D とラマンスペクトル Eれなかった。
6L26L 基板への転写後のグラフェン6L26L のれなかった。
光学顕微鏡画像を)LJ  D に示す。グラフェンシ
6L26L 基板への転写後のグラフェン6L2
6L のートの破れや穴なども無く、比較的大面積のグラフ
光学顕微鏡画像を )LJ  D に示す。グラフェンシ
ェンを転写することができた。)LJ E に各領域のートの破れや穴なども無く、比較的大面積のグラフ
ラマンスペクトルを示す。* ピークとピークが観
ェンを転写することができた。
)LJ '
E に各領域の測され、また、これらの強度比から一層または二層
ラマンスペクトルを示す。
* ピークと ' ピークが観のグラフェンが成長している事が分かる。グラフェ
測され、また、これらの強度比から一層または二層ンの欠陥の存在を意味する弱い ' ピークも観測されのグラフェンが成長している事が分かる。グラフェ
た。)LJ の転写前の銅箔上に成長したままのグランの欠陥の存在を意味する弱い' ピークも観測されフェンの ' の転写前の銅箔上に成長したままのグラ
ピーク強度と大きな差異はない事から、た。)LJ
水の電気分解による転写プロセスにおいて、グラフ
フェンの' ピーク強度と大きな差異はない事から、ェンへのダメージは少ない事が分かる。
水の電気分解による転写プロセスにおいて、グラフ
ェンへのダメージは少ない事が分かる。
．まとめ
本研究では銅箔基板のアニール、6L2．まとめ6L 基板への

転写、そしてラマン分析を行い、銅基板の配向性の本研究では銅箔基板のアニール、6L26L 基板への観点から均質なグラフェン成長の条件を検討した。
転写、そしてラマン分析を行い、銅基板の配向性のその結果、℃で銅箔多結晶基板をアニールする観点から均質なグラフェン成長の条件を検討した。
ことで、ほぼ  配向した単結晶ライクな銅基板をその結果、℃で銅箔多結晶基板をアニールする
作製することができた。今後はこの基板へのグラフ
ことで、ほぼ  配向した単結晶ライクな銅基板をェンの成長プロセスの検討、転写技術の最適化、そ作製することができた。今後はこの基板へのグラフ
して、モアレ構造を有するファンデアワールスヘテ
ェンの成長プロセスの検討、転写技術の最適化、そロ接合を作り出すための技術の開発を行う。
して、モアレ構造を有するファンデアワールスヘテ
ロ接合を作り出すための技術の開発を行う。

72
72

八戸工業高等専門学校紀要                                      43
第号  （）機械学習を用いた耐候性鋼材のさび外観評価モデルの開発
杉田 尚男*Development of rust appearance evaluation model for weathering steel using deep learning
Hisao SUGITA*産業システムデザイン工学科 環境都市・建築デザインコース

Abstract : In the construction of steel bridges, maintenance for rust and corrosion prevention, such as painting, has been
carried out as needed to prevent the deterioration of steel due to rusting, which is the fate of steel. However, most of themaintenance cost for rust and corrosion prevention is spent on painting, which is said to be 5-15% of the total cost of thesuperstructure construction. As the cost of public works is being reduced, it has become a mainstream trend to reduce theoverall cost by working on the reduction of life cycle cost (LCC) in addition to the direct reduction of construction cost.
Therefore, in this study, we will solve the problems of inspection and investigation of weathering steel bridges byapplying image processing technology and neural networks, and investigate methods to improve the objectivity andaccuracy of the rust appearance investigation method.
Keywords : atmospheric-corrosion resistant steel,neural network, convolutional neural network

1.

塩分付着による腐食が進行し続けるため、計画通りに安定さび

はじめにが形成していない状態の橋梁も存在する。このように、耐候性
近年、公共工事コストの削減が進むなか、直接的な工事コス
1)

ト低減に加え、LCC(ライフサイクルコスト) の低減に取り組み、鋼材の使用した橋が本来持った機能を損なわないようにするためにも、簡便かつ正確な点検・調査が求められる。

建設から維持管理まで費用の総計を縮減することが重要となっ耐候性鋼橋の一般的な点検・調査方法は、実際に橋梁の下てきている。鋼橋建設において、これまで鋼材の宿命であるさに足場を組んで目視によるさび外観評価４)5)を行っていくものでびの発生による鋼材の劣化を抑制   するため、塗装など防ある。これは評価者によりさびの粒径や色調の違いから、鋼材

錆・防食のメンテナンスが適宜行われている。しかし、これら防の状態をレベル 1(状態の悪いもの)～レベル 5(状態の良いも

錆・防食のための維持管理費の多くは塗装費用に当てられ、１の)に評価する方法である。これは簡便に行える調査方法であ回の塗装で上部工建設費用の約 10%にもなるといわれている。

るが、評価者の主観により評価が左右され、後のメンテナンス

LCCの低減という観点にたったとき、鋼橋の維持管理におけに影響を与えるという問題点がある。

る防錆・防食費用を低減させる必要がある。そのため鋼材自体

そこで、それらの課題を改善するために、画像処理とＡＬ手を改質することにより防錆・防食性を高め、無塗装で使用が可法を用いたさび外観評価の判別を提案する。これはカメラによ能な耐候性鋼材を採用した鋼橋建設が多くなっている。日本

る撮影によって得られた画像に画像処理を加え、AL 手法を用では 1960 年代後半から耐候性鋼材が橋梁に採用され始め、

いて客観的に評価するというものである。本研究では、さび粒

最近では年間 10 万 t を超え、橋梁全体の重量に対しても 15%子の粒径や色調の特徴を、画像処理を用いた事例写真や評を超えるようになってきている。

価基準から得て、画像処理に畳み込みニューラルネットワーク

耐候性鋼材とは、表面に緻密な表面酸化膜を生成すること
で密着性のある安定化さび層を形成し、さびや腐食の進行をを適用する手法を検討し耐候性鋼材の腐食状況を予測し評価する方法を確立しようと試みた。

遅らせる鋼材である。しかし、安定化さび層の形成は飛来塩分などの環境の影響を受けやすく、架設後の点検・調査が必要

2.

耐候性鋼材の点検・調査方法

不可欠である。一部では耐候性鋼橋はメンテナンスフリーであるという認識があるが、このような管理を必要とするミニマムメン

耐候性鋼橋において施工後の点検・調査は必要不可欠でテナンス橋である。特に海からの飛来塩分が多い地域では、ある。一般的な調査方法は目視による判別であるが、その

杉田尚男
杉田尚男

44

実施や方法にはいくつかの問題点がある。
実施や方法にはいくつかの問題点がある。
第点は、点検・調査の実施において当然ながら橋梁下
第  点は、点検・調査の実施において当然ながら橋梁下部の鋼材の状態を判定することが重要となるが、点検・調部の鋼材の状態を判定することが重要となるが、点検・調査のために足場などをその都度設置するのは時間や費用の査のために足場などをその都度設置するのは時間や費用の本研究では、このヒストグラ
本研究では、このヒストグラ

ムを利用し画像処理を行った
ムを利用し画像処理を行った

増大につながり、さらに、細部にわたる点検・調査をする
増大につながり、さらに、細部にわたる点検・調査をする
ためには足場を多く組まなければならず、非常に不経済にためには足場を多く組まなければならず、非常に不経済になってしまう。
なってしまう。
第第  点は、実際に人が足場を通って点検・調査し状態を点は、実際に人が足場を通って点検・調査し状態を判定することは、作業中の事故などの危険が伴うという点判定することは、作業中の事故などの危険が伴うという点
である。
である。
最後に第
点は、目視によるさび外観評価法で客観的な最後に第  点は、目視によるさび外観評価法で客観的な(1) レベル(1)
レベル 11

判断をすることは、評価者の主観により左右され、また経判断をすることは、評価者の主観により左右され、また経験豊富な技術者でなければ容易ではなく、初心者には正確
験豊富な技術者でなければ容易ではなく、初心者には正確な判定ができない場合もあるという点である。
な判定ができない場合もあるという点である。
目視以外の確立されている調査方法として、さび層の電目視以外の確立されている調査方法として、さび層の電気抵抗による判別  というものもあり、これは抵抗器やト
気抵抗による判別というものもあり、これは抵抗器やトランジスタをもって電気的に評価するもので客観的な評価
ランジスタをもって電気的に評価するもので客観的な評価ができるものの、目視による判別方法よりも更なるコストができるものの、目視による判別方法よりも更なるコストがかかる他、作業の危険性や、長時間かかるという課題はがかかる他、作業の危険性や、長時間かかるという課題は改善できない。
改善できない。
3.
3.

さびの外観評価レベル
さびの外観評価レベル

さびの外観調査は安定化さび形成の判定を行う点検・調査
さびの外観調査は安定化さび形成の判定を行う点検・調査であり、その一般的な方法としてさび外観評価法がある。このであり、その一般的な方法としてさび外観評価法がある。この方法は、図
方法は、図 3.1
3.1 に示すように評価者が目視でさびの外観を評に示すように評価者が目視でさびの外観を評価するものであり、その評価によって価するものであり、その評価によって 1～5
1～5 のレベルに区分さのレベルに区分される。評価基準はさびの粒径の大きさやさびの色調であり、それる。評価基準はさびの粒径の大きさやさびの色調であり、それらを調査して判定を行う。
れらを調査して判定を行う。

4.
4.

画像処理によるさび外観評価レベル判別法
画像処理によるさび外観評価レベル判別法

4.1.
4.1.

ヒストグラム
ヒストグラム
ヒストグラムとは、一枚の画像全域、または部分領域について、
ヒストグラムとは、一枚の画像全域、または部分領域について、濃淡値の出現頻度をカウントするものである。ヒストグラムの分
濃淡値の出現頻度をカウントするものである。ヒストグラムの分布状態は、グラフとして表示するとわかりやすく、その場合一般
布状態は、グラフとして表示するとわかりやすく、その場合一般に、水平軸に濃淡値、垂直軸に出現頻度を表す。ヒストグラムに、水平軸に濃淡値、垂直軸に出現頻度を表す。ヒストグラム
によって画像の濃淡値を知ることで、明るさや色の補正、コント
によって画像の濃淡値を知ることで、明るさや色の補正、コント
ラスト調整などの画像処理を行ううえでの参考となる。0～255 階
ラスト調整などの画像処理を行ううえでの参考となる。0～255
階調の256段階の画像濃度の頻度を、画像全体の頻度分布形状
調の 256 段階の画像濃度の頻度を、画像全体の頻度分布形状を確認できるようにした。
を確認できるようにした。

4.2.
4.2.

・層状剥離さびが発生あり
・層状剥離さびが発生あり
・さび厚さは 800μm 超え・さび厚さは 800μm 超え・さびは層状の剥離がある．
・さびは層状の剥離がある．
・腐食の進行にともない板厚・腐食の進行にともない板厚の減少が予測できるの減少が予測できる(2)(2)

・さびの平均的外観粒子径は・さびの平均的外観粒子径は5~25mm 程度でうろこ状の5~25mm 程度でうろこ状の剥離がある．腐食量は小さい
剥離がある．腐食量は小さい
が，層状の剥離さびに進展すが，層状の剥離さびに進展す
る可能性あり注意
る可能性あり注意・さび粒子は粗く大きく不均
・さび粒子は粗く大きく不均一である．層状剥離さびが発生一である．層状剥離さびが発生
レベル
22
あり
レベル
あり
・さび厚さは 800μm 超え・さび厚さは 800μm 超え・さびは層状の剥離がある．
・さびは層状の剥離がある．
・さびの平均的外観粒子径は・さびの平均的外観粒子径は・腐食の進行にともない板厚・腐食の進行にともない板厚
1~5mm 程度で粗く,均一性に1~5mm 程度で粗く,均一性にの減少が予測できるの減少が予測できる
欠ける．
欠ける．
・さび厚さは通常 400μm 未満
・さび厚さは通常 400μm 未満を目安とする．
を目安とする．

(3)(3) レベルレベル 33・さびの平均的外観粒子径は・さびの平均的外観粒子径は1mm 程度以下で細かく，均1mm 程度以下で細かく，均一である．緻密なさびが形成一である．緻密なさびが形成されており，非常に良好な状されており，非常に良好な状
態である．
態である．

(4)
(4) レベルレベル 44・さびは少なく比較的明るい
・さびは少なく比較的明るい
黄褐色に近い色調を呈する．
黄褐色に近い色調を呈する．
さびの厚さは通常約 200μm
さびの厚さは通常約 200μm未満を目安とする．
未満を目安とする．

平滑化処理
平滑化処理

写真やスキャナによって取り込まれた画像には画像の写真やスキャナによって取り込まれた画像には画像の劣化が生じ、これを雑音(ノイズ)という。この雑音を取り除か劣化が生じ、これを雑音(ノイズ)という。この雑音を取り除かなければ、正確な処理が行えない。
なければ、正確な処理が行えない。

(5)レベル(5)レベル 55
2)
図
図 3.1
3.1 さび外観評価の評価基準
さび外観評価の評価基準 2)

45

機械学習を用いた耐候性鋼材のさび外観評価モデルの開発

また、画像の中で隣り合った部分でも色の濃淡の差が大き

次にヒストグラムから、画素値の最大値𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙、最小値、平いところができる場合がある。特に雑音が混じっている場合均値を求め、図 4.2 に示すように𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙～𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 範囲内で、ある閾値 T を選ぶ。閾値 T でヒストグラムを 2 つのクラス

は、それが顕著に現れる。そこで、これらを取り除く方法として
3×3 メディアンフィルタを用いた。3×3 メディアンフィルタは、（Class）に分ける。

対象処理画素のピクセルとその近傍 8 ピクセルの濃度のうち中央値を求め、それを目的の画素の濃度とする処理である。
本研究では、次の図 3.2 に示すような処理を行う。

図 4.2 閾値 T によるクラス分類
図 3.2 メディアンフィルタの概要

4.3.

２値化処理

2 値化処理とは、濃淡を持つ画像の中から抽出したい部分

輝度クラス 1 の分散𝜎𝜎1 2 、平均値𝜇𝜇1、画素数𝑛𝑛1を求め、クラス 2 の分散𝜎𝜎2 2 、平均値𝜇𝜇2、画素数𝑛𝑛2を求める。

式(4.1)、式(4.2)からクラス内分散𝜎𝜎𝑤𝑤 2 とクラス間分散𝜎𝜎𝑏𝑏 2 を求める。

を画像の中で分離させ、形として抽出する方法である。これは、得られた画像の濃淡情報をある閾値で区分し、その部分だけを白としほかの部分を黒くすることで、画像を 2 階調に変換するという処理を行うものである。ここで本研究では、閾値を求める際に判別分析法を用いた。

4.4.

判別分析法

判別分析法とは、分離度が最大になる閾値𝑇𝑇を各画像ごとにプログラムで自動的に決定する手法である。実際にはプログラムを用いて自動的に導くのだが、閾値を求める
までの処理手順を説明する。図 4.1 のように輝度についての画像のヒストグラムを求める。

図 4.1 輝度についてのヒストグラム

𝜎𝜎𝑤𝑤 2 =𝜎𝜎𝑏𝑏 2 =𝑛𝑛1 𝜎𝜎1 2 +𝑛𝑛2 𝜎𝜎2 2
𝑛𝑛1 +𝑛𝑛2(4.1)

𝑛𝑛1 (𝜇𝜇1 −𝜇𝜇0 )2 +𝑛𝑛2 (𝜇𝜇2 −𝜇𝜇0 )2
𝑛𝑛1 +𝑛𝑛2(4.2)

2 つの分散から、分離度𝑆𝑆（クラス内分散とクラス間分散の比)を求め、分離度 S を𝑙𝑙𝑙𝑙𝑖𝑖𝑖𝑖～𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 の範囲内にある全ての Tの分だけ求める。最後に分離度 Sが最大になるときのT を二値化処理に用いる閾値に決定する。例として、図 4.3に閾値が 68.0 と判定され、2 値化処理されたものを示す。

図 4.3 判別分析法による閾値の決定

杉田尚男
杉田尚男

46

5.
CNN（畳み込みニューラルネットワーク）
実施や方法にはいくつかの問題点がある。
モデル構築から学習を行い推論モデルの作成を行った。
第  点は、点検・調査の実施において当然ながら橋梁下
ここでは活性化関数、損失関数、学習回数、訓練データにつ部の鋼材の状態を判定することが重要となるが、点検・調

しかし、全結合層に入力するときは3 次元データをフラッ
本研究では、このヒストグラ
トな
1次元に展開する必要がある。
・層状剥離さびが発生あり
ムを利用し画像処理を行った
画像は、3 次元の形状であり、この形状には大切な空間
・さび厚さは 800μm 超えいて説明し、モデルの学習および推論について述べる。
査のために足場などをその都度設置するのは時間や費用の的特徴量情報が含まれている。
・さびは層状の剥離がある．

増大につながり、さらに、細部にわたる点検・調査をする
5.1.
深層学習
ためには足場を多く組まなければならず、非常に不経済に・空間的に近いピクセル同士は類似値
・腐食の進行にともない板厚

全結合ニューラルネットワークは、隣接する層のすべてなってしまう。
のニューロン間で結合があった。これを全結合（fully第  点は、実際に人が足場を通って点検・調査し状態を・距離の離れたピクセル同士には深い関係

connected）と呼び、全結合層（Affine レイヤ）として構成判定することは、作業中の事故などの危険が伴うという点していた。図 5.1 に示すとおり、全結合のニューラルネッである。

トワークは，Affine
レイヤのあとに活性化関数の ReLU レ
最後に第  点は、目視によるさび外観評価法で客観的なイヤ（もしくは
Sigmoidレイヤ）が続く。ここでは，判断をすることは、評価者の主観により左右され、また経・RGB の各チャンネルの間にはそれぞれ密接な関係の減少が予測できるなど、3 次元の形状には抽出すべき本質的な特徴量が存在している。全結合層では形状を無視して、全てのニュー(1) レベル 1
ロンを同じ次元のニューロンとして入力するため、形状に関する特徴量を生かすことができない。

・さびの平均的外観粒子径は一方で、Convolution レイヤ（畳み込み層）は形状を維持
5~25mm 程度でうろこ状の「Affine - ReLU」の組み合わせを 4 層重ね、5 層目の験豊富な技術者でなければ容易ではなく、初心者には正確
Affine レイヤと続き、最後に Softmax レイヤで最終的な確な判定ができない場合もあるという点である。

データとして受け取り、形状を変えずに畳み込み演算を行率を出力する。
目視以外の確立されている調査方法として、さび層の電い、3 次元のデータとして出力するのである。そのため、するのである。つまり画像の場合、入力データを 3 次元の剥離がある．腐食量は小さい

が，層状の剥離さびに進展す
る可能性あり注意

気抵抗による判別 というものもあり、これは抵抗器やト

CNN は形状を有した画像などのデータを正しく理解でき

ランジスタをもって電気的に評価するもので客観的な評価る可能性がある。

ができるものの、目視による判別方法よりも更なるコストがかかる他、作業の危険性や、長時間かかるという課題は改善できない。


3.

・さび粒子は粗く大きく不均

5.2.

畳み込み層

・さびは層状の剥離がある．

・さびの平均的外観粒子径はを行っている。畳み込み演算を、図5.3 に示す。

・腐食の進行にともない板厚
1~5mm 程度で粗く,均一性にの減少が予測できる
欠ける．

・さび厚さは通常 400μm 未満

さびの外観調査は安定化さび形成の判定を行う点検・調査
CNN7) 8) 9)でのネットワーク構成を図 5.2 に示す。CNN でであり、その一般的な方法としてさび外観評価法がある。このを目安とする．

は新しく「Convolution
レイヤ」と「Pooling レイヤ」が加方法は、図3.1 に示すように評価者が目視でさびの外観を評わる。一般的な、CNNの層の繋がりは「Convolution
価するものであり、その評価によって1～5 のレベルに区分さ(3) レベル 3

ReLU - Pooling」という流れとなっている。CNN でほかにれる。評価基準はさびの粒径の大きさやさびの色調であり、そ注目する点は、出力層に近い層ではこれまでの「Affine れらを調査して判定を行う。
ReLU」という組み合わせが用いられることである。また・さびの平均的外観粒子径は1mm 程度以下で細かく，均
図 5.3 畳み込み演算

最後の出力層では、「Affine - Softmax」の組み合わせが用い
4.
画像処理によるさび外観評価レベル判別法
られている。これらも一般的な CNN の構成によく見られヒストグラムとは、一枚の画像全域、または部分領域について、濃淡値の出現頻度をカウントするものである。ヒストグラムの分布状態は、グラフとして表示するとわかりやすく、その場合一般

・さび厚さは 800μm 超え

畳み込み層では「畳み込み演算」という画像処理の計算

さびの外観評価レベル
図 5.1 全結合ニューラルネットワーク

る組み合わせである。
4.1.
ヒストグラム一である．層状剥離さびが発生(2) レベル
2あり

一である．緻密なさびが形成されており，非常に良好な状
畳み込み演算は、入力データに対し重み（フィルター）態である．
を適用する。入力データは縦・横・チャンネルの3 次元の形状を持ち、フィルターの形状も同じく縦・横・チャンネ
ルの 3 次元の形状となっている。畳み込み演算は、入力デ(4) レベル 4に、水平軸に濃淡値、垂直軸に出現頻度を表す。ヒストグラム

ータに対してフィルターのウィンドウを一定間隔でスライ

によって画像の濃淡値を知ることで、明るさや色の補正、コント

ドさせ適用していく。それぞれの場所でフィルターの各要

ラスト調整などの画像処理を行ううえでの参考となる。0～255 階
図 5.2 CNN
調の 256 段階の画像濃度の頻度を、画像全体の頻度分布形状を確認できるようにした。
全結合層では、隣接するニューロンがすべて連結されており、出力の数は任意に決定できる。しかし、全結合層に
4.2.
平滑化処理

は問題点がある。それは「データの形状が無視されてしま
写真やスキャナによって取り込まれた画像には画像のうこと」である。例えば、入力データが画像の場合、画像劣化が生じ、これを雑音(ノイズ)という。この雑音を取り除かは通常、縦・横・チャンネル方向のなければ、正確な処理が行えない。 3 次元の形状である。

・さびは少なく比較的明るい
素と対応するウィンドウの各要素を乗算し、その和を求め黄褐色に近い色調を呈する．
出力の対応する場所へ格納していく。この一連のプロセス
さびの厚さは通常約 200μmをすべてのウィンドウで行うことで畳み込み演算の出力を未満を目安とする．
得ることができる。3 次元の畳み込み演算では、入力デー

タとフィルターのチャンネル数は同じ値にしなければならない。一方、フィルターのサイズは任意の値に設定することができる。

(5)レベル 5
図 3.1 さび外観評価の評価基準 2)

47

機械学習を用いた耐候性鋼材のさび外観評価モデルの開発

5.3.

プーリング層Pooling レイヤ（プーリング層）には 2 つの特徴がある。
第一に学習するパラメータがないことである。プーリング

いて重みパラメータの更新を行った。学習回数については
0〜50 回まで、1 学習ごとにモデルの正解率（Accuracy）を算出し、学習過程を可視化した。

層は畳み込み層と異なり、学習するパラメータを持たない。プーリングは、対象領域の最大値を取る処理で、学習するパラメータは存在しないのである。第二に微小な変化

5.6.

最適化アルゴリズム

モデルの学習により、最適なパラメータを探索するときに対してロバスト（頑健）であることだ。入力データの微最も重要なパラメータとされる「学習率」の決定につい小なズレに対してプーリングは同じような出力をする。そて、SGD（確率的勾配降下法）、RMSProp、Adam の 3 つののため、入力データの微小変化に対してロバストであると最適化アルゴリズムの比較・検証を行った。

言える。

 6*'
5.4.

学習データ

SGD は次の式(5.1)で表される。

レベル 1〜5 の耐候性鋼材のさび画像約 800 枚を学習データとした。学習データを 8:2 に分割し、それぞれ訓練データ・テストデータとし、モデルの学習と推論用のデータに分けた。そして、訓練データをモデルの学習、テストデータ（未分類の画像）をモデルの推論に用いた。これによりモデルの汎化性能の検証を行うことができる。

𝑊𝑊 ← 𝑊𝑊 − 𝜂𝜂

𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝜕𝜕

(5.1)

ここで、更新する重みパラメータを W、W に関する損失関数の勾配を𝜕𝜕𝜕𝜕⁄𝜕𝜕𝜕𝜕 とする。∂L は誤差関数、𝜂𝜂は学習

本論では、耐候性鋼材のさび画像のサイズは、256px・率を表し、実際には 0.001〜0.01 といった値を前もって設

横 256px とした。モデルの学習には実際に生の画像を入力定するのが一般的である。式中の「←」は右辺の値で左辺することはできない。そこで画像を先の RGB 値に変換すの値を更新するということを表す。SGD は勾配方向へあるる処理を行った。この処理には、python のライブラリであ一定の距離だけ進むという最も単純な手法である。SGD にる OpenCV を用いた。RGB 値に変換後、256×256×3 の 3

よる最適なパラメータの探索経路を図 5.5 に示す。

次元行列として出力される。ここでいう「3」とは、RGBの 3 チャンネルのことを表している。各行列の値は 0〜255の数値であるため、各値を 255 で除すことで正規化を行った。こういった学習データに対する一連の処理を前処理という。本研究は、CNN の有用性を検証するものであるた
め、学習データの前処理は RGB 変換と 255 で除すことによる正規化のみ行った。

5.5.

実装 &11

本研究で実装した CNN の構成について述べる。図 5.4 がその構成を示したものである。

図 5.5

SGD による最適化の更新経路 4） 5063URSRMSProp は学習率の減衰を行う手法である。学習率の減
図 5.4 本研究で実装した CNN の構成

衰とは、学習が進むにつれ学習率を小さくしていくことである。学習のはじめのうちは学習率を大きく設定し、次第

畳み込み層が 4 層、プーリング層が 2 層、全結合層が 2層の合計 8 層の CNN を構築した。それぞれ、中間層の活性化関数には ReLU 関数、出力層にはソフトマックス関数を用いた。また、損失関数には交差エントロピー誤差を用に小さくしていくのである。探索を式（5.2）
、式（5.3）で表すと以下のようになる。
SGD と同様に、更新する重みパラメータを W、W に関する損失関数の勾配を∂L⁄∂W、ηは学習率を表す

杉田尚男
杉田尚男

48

𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝜕𝜕
実施や方法にはいくつかの問題点がある。
ℎ ←ℎ+
×
(5.2)

𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕
第  点は、点検・調査の実施において当然ながら橋梁下本研究では、このヒストグラ
ムを利用し画像処理を行った

部の鋼材の状態を判定することが重要となるが、点検・調

1 𝜕𝜕𝜕𝜕
査のために足場などをその都度設置するのは時間や費用の𝑊𝑊 ← 𝑊𝑊 − 𝜂𝜂
(5.3)√ℎ 𝜕𝜕𝜕𝜕
増大につながり、さらに、細部にわたる点検・調査をする

・さび厚さは 800μm 超え

・さびは層状の剥離がある．
・腐食の進行にともない板厚の減少が予測できる

ためには足場を多く組まなければならず、非常に不経済に
SGD と同様に、更新する重みパラメータを W、W に関なってしまう。⁄𝜕𝜕𝜕𝜕 、𝜂𝜂は学習率を表す。ℎはこする損失関数の勾配を𝜕𝜕𝜕𝜕
第  点は、実際に人が足場を通って点検・調査し状態をれまで用いた勾配の値を2 乗和として保持していることを判定することは、作業中の事故などの危険が伴うという点(1) レベル 1⁄√ℎを乗表す。パラメータの更新時には勾配と学習率に1である。
算することで学習のスケールを調整する。これにより、前最後に第  点は、目視によるさび外観評価法で客観的な・さびの平均的外観粒子径は

回更新時に大きく更新されたパラメータの要素に対する学判断をすることは、評価者の主観により左右され、また経習率が小さく調整し、再度更新を行うことができる。
験豊富な技術者でなければ容易ではなく、初心者には正確

RMSProp による最適なパラメータの探索経路図を図 5.6
な判定ができない場合もあるという点である。
に示す。
目視以外の確立されている調査方法として、さび層の電気抵抗による判別  というものもあり、これは抵抗器やトランジスタをもって電気的に評価するもので客観的な評価

・層状剥離さびが発生あり

5~25mm 程度でうろこ状の図 5.7 Adam による最適化の更新経路剥離がある．腐食量は小さい

6.

が，層状の剥離さびに進展す

モデルの学習過程における損失関数の推移
る可能性あり注意・さび粒子は粗く大きく不均

図 6.1 は各最適化アルゴリズム（optimizer）による、モ一である．層状剥離さびが発生がかかる他、作業の危険性や、長時間かかるという課題はデルの学習過程における正解率の推移を示したものである(2) レベル
2あり
SGD について、先の正解率と同様に、損失関数の値が大き改善できない。

く、振動していることがわかる。この要因として、学習率ができるものの、目視による判別方法よりも更なるコスト

・さびは層状の剥離がある．

・さびの平均的外観粒子径はが一定であるため、学習率が大きすぎると、勾配が大きい

3.

・さび厚さは 800μm 超え・腐食の進行にともない板厚

さびの外観評価レベル
さびの外観調査は安定化さび形成の判定を行う点検・調査であり、その一般的な方法としてさび外観評価法がある。この

1~5mm 程度で粗く,均一性に場合に重みパラメータを大幅に更新してしまい、損失関数の減少が予測できる

欠ける．
が最も小さくなる時の重みパラメータの探索がスムーズに行えないと考える。

・さび厚さは通常 400μm 未満を目安とする．

方法は、図 3.1 に示すように評価者が目視でさびの外観を評価するものであり、その評価によって 1～5 のレベルに区分さ
図 5.6 RMSProp による最適化の更新経路れる。評価基準はさびの粒径の大きさやさびの色調であり、それらを調査して判定を行う。
 $GDP(3) レベル 3

・さびの平均的外観粒子径はは、パラメータの要素ごとに適応的に学習率を
4. RMSProp
画像処理によるさび外観評価レベル判別法

1mm 程度以下で細かく，均調整した。一方、Momentum は物理法則に準じる動きをす一である．緻密なさびが形成る。この 2 つの手法を組み合わせたものが Adam であり式
4.1. ヒストグラム
(5.4)で表される。これらの利点を組み合わせたことで、効
ヒストグラムとは、一枚の画像全域、または部分領域について、されており，非常に良好な状

率的にパラメータ空間を探索することが期待できる。
濃淡値の出現頻度をカウントするものである。ヒストグラムの分Adamによる最適なパラメータの探索経路を図 5.7 に示
布状態は、グラフとして表示するとわかりやすく、その場合一般す。
に、水平軸に濃淡値、垂直軸に出現頻度を表す。ヒストグラム
によって画像の濃淡値を知ることで、明るさや色の補正、コント
ラスト調整などの画像処理を行ううえでの参考となる。0～255
階𝑊𝑊← 𝑊𝑊 − 𝛼𝛼∇𝜔𝜔 𝐿𝐿(𝜔𝜔) (5.4)
ｔ+1ｔ

調の 256 段階の画像濃度の頻度を、画像全体の頻度分布形状を確認できるようにした。

𝑊𝑊ｔ、𝛼𝛼、∇𝜔𝜔 、𝐿𝐿(𝜔𝜔)は、それぞれ、更新 W 回目のパラメー

タ、 学習率、 パラメータでの微分、損失関数を表す。

4.2.

平滑化処理

写真やスキャナによって取り込まれた画像には画像の劣化が生じ、これを雑音(ノイズ)という。この雑音を取り除かなければ、正確な処理が行えない。

態である．

(4) レベル 4
図 6.1 モデルの学習過程における正解率の推移
・さびは少なく比較的明るい
次に、RMSProp と Adam について考察する。この2 つの最黄褐色に近い色調を呈する．
適化アルゴリズムは、重みパラメータの各要素において学
さびの厚さは通常約 200μm
習率を調整し、より損失関数が小さくなるパラメータを探未満を目安とする．
索している。これにより、早い段階から最適なパラメータへの探索が進行し、学習が進むにつれて更新量も小さくなるため、損失関数の値が 0 に収束していると考える。
(5)レベル 5
図 3.1 さび外観評価の評価基準 2)

機械学習を用いた耐候性鋼材のさび外観評価モデルの開発

49とで複雑性の高い耐候性鋼材のさびを分類することが可能になったと考える。
特徴の微小な位置変化に対してロバストであるためと考える。学習データには、さびが画像中の左によっているものや画像中央にあるもの画像下側にあるものもある。CNN
はプーリング層によってさび（特徴量）が画像中のどこにあっても、同じような出力値を返す（完全に同じ値ではない）。これによりモデルの学習の際より最適な重みパラメータを探索しやすくなったと考える。
このように CNN は、耐候性鋼材のさび画像といった
図 6.2 モデルの学習過程における損失関数の推移「形状に意味のあるデータ」に対して、非常に有用な手法であると判断できる。

6.1.

さびレベルの分類タスクにおける CNN の有用性についモデルの推論による正解率・損失関数の比較

ての検討と、その基礎的研究を行い、さび外観評価モデル
訓練データを用いてモデルの学習を行った後、テストデの実用性と今後の発展を目的とした。CNN を用いることータ（未分類のデータ）を用いて推論を行った。表 7.1 はで高精度なさび外観評価モデルの作成が可能であることがモデルの推論における、各最適化アルゴリズムの正解率とわかった。また、効率的なモデルの最適化には Adam が有損失関数を示したものである。

用であると判断した。

それぞれの最適化アルゴリズムにおいても、正解率は高く、損失関数の値も一般的に良いモデルとされている 0.01

7.

結論に近い値となった。このことから耐候性鋼材のさびレベル
分類タスクにおける CNN の有用性は非常に高いと判断で本研究では、CNN を用いて学習したモデルの評価を「正きる。また、最も正解率が高く、損失関数の値が小さかっ解率」、「損失関数」の 2 つの指標により行った。また、モデたのは Adam となり最適な重みパラメータの探索における

ルの学習過程を可視化することで学習の効率性や安定性に有用性が高いのは Adam であると判断できる。

ついて、以下にそれぞれの各最適化アルゴリズム（optimizer）の有用性を比較・検討し、耐候性鋼材のさび外観評価におけ

表 7.1 モデルの推論による正解率・損失関数の比較

正解率
（%）
）
損失関数

SGD

RMSProp

Adam

88.5

92.4

99.4

0.028

0.020

0.0092

る CNN の有用性、各最適化アルゴリズムについてそれぞれの考察を述べる。

7.1.

6*' モデル

図 6.1 は各最適化アルゴリズム（optimizer）による、モデ
ルの学習過程における正解率の推移を示したものである。

さび分類タスクにおける &11 の有用性の検討

optimizer を SGD として作成したモデルについて、図 6.1 に耐候性鋼材のさび分類タスクにおける CNN の有用性は示すとおり正解率（精度）が激しく振動していることがわか

高いと判断した。ここで CNN の特性を踏まえて、その要る。この原因として、SGD の欠点である「偏微分する関数

因について考察する。

の形状が等方的でないと非効率な経路で最適なパラメータ6.2.

CNN はデータの形状を保持したまま学習できるというを探索してしまう」という点が考えられる。また、SGD は点が挙げられる。本研究で用いた学習データは「画像」と学習率が一定であるため、設定した学習率が大きすぎたこ

いう 3 次元のデータである。従来のモデルは全結合層のみとで偏微分の値が発散してしまい学習が安定せず、非効率で構成されていたため、3 次元のデータを次元に展開するに行われていると考えられる。

ことでデータの形状が身視されていた。一方で CNN は畳み込み層による畳み込み演算で 3 次元データの形状を変え

7.2.

5063URS モデルることなく特徴量を抽出することができる。そのため、さoptimizer をRMSProp として作成したモデルについて考察すび画像に含まれる RGB の各チャンネル間の密接な関係やる。先の SGD と比較して、学習の初期段階で正解率が 90%

隣り合うピクセルの関係など高度な特徴量まで抽出するこを超えており、早い段階で最適なパラメータの探索が正常に行われていることがわかる。この要因として、各データの

杉田尚男
杉田尚男

50

要素（重みパラメータ行列の1 要素）に対してひとつずつ
実施や方法にはいくつかの問題点がある。
学習率を調整しているというRMSPropの利点が作用したと
第  点は、点検・調査の実施において当然ながら橋梁下考えられる。
また、学習が進むにつれ、学習率を小さくして部の鋼材の状態を判定することが重要となるが、点検・調いることも要因として挙げられる。
これにより、初期段階か査のために足場などをその都度設置するのは時間や費用のら最適パラメータの探索が正常に進行し、学習の中期・後増大につながり、さらに、細部にわたる点検・調査をする
期も正解率が安定したと考える。
ためには足場を多く組まなければならず、非常に不経済になってしまう。
7.3.
$GDP モデル
第  点は、実際に人が足場を通って点検・調査し状態を

optimizer を Adam として作成したモデルについては、先判定することは、作業中の事故などの危険が伴うという点の
SGD、RMSProp と比較して、最も早い学習段階で正解率である。
が安定しその後も振動することなく収束していることがわ
最後に第  点は、目視によるさび外観評価法で客観的なかる。これは、第一にMomentum の利点である速度減衰が判断をすることは、評価者の主観により左右され、また経作用してことが挙げられる。
勾配の変化に応じて、その移動験豊富な技術者でなければ容易ではなく、初心者には正確平均をとって振動のような急激な変化に動じないというな判定ができない場合もあるという点である。

Momentumの性質が効いていると考える。第二に RMSProp
目視以外の確立されている調査方法として、さび層の電の特徴である各データの要素（重みパラメータ行列の1要
気抵抗による判別  というものもあり、これは抵抗器やト素）に対してひとつずつ学習率を調整しているという点でランジスタをもって電気的に評価するもので客観的な評価ある。
これにより、Adam が最も効率よく最適なパラメータができるものの、目視による判別方法よりも更なるコストを探索できている。
がかかる他、作業の危険性や、長時間かかるという課題は改善できない。
7.4.
 今後の課題

1 つの耐候性鋼橋から取得
3. 本研究で用いた学習データは、さびの外観評価レベル
したデータ 800 枚であるため異なる耐候性鋼橋に対しての汎化性が低い可能性が懸念される。様々な耐候性鋼橋からさびの外観調査は安定化さび形成の判定を行う点検・調査
取得したさび画像を用いて学習を行うことでモデルの汎化であり、その一般的な方法としてさび外観評価法がある。この参考文献
本研究では、このヒストグラ

1)

鋼橋における鋼橋における劣化現象と損傷の評価,
土木学会出版・層状剥離さびが発生あり
物,1997

・さび厚さは 800μm 超え

2)

無塗装橋梁用鋼材の耐候性合金指標および耐候性評価方法の提案，
・さびは層状の剥離がある． 三木千壽，土木学会論文集 2003
・腐食の進行にともない板厚3)

道路管理者のための実践的橋梁維持管理講座,
嘉門 雅史, 大成出版の減少が予測できる
社,20114)耐候性鋼橋梁の防食リスクマネジメント技術の開発，藤井 泰盛，新ムを利用し画像処理を行った

日鉄技報第 387 号，2007(1) レベル 15)耐候性鋼橋梁の手引き,一般社団法人日本橋梁建設協会,2006

6)

腐食計測法による耐候性鋼さび安定度診断,紀平 寛,溶接学会誌,第・さびの平均的外観粒子径は63 巻第 6 号,1994
5~25mm 程度でうろこ状の
機械学習のエッセンス，加藤 公一，SB クリエイティブ，2018
剥離がある．腐食量は小さい
ゼロから作るディープラーニング，オライリージャパン，斎藤 康毅，が，層状の剥離さびに進展す2016
る可能性あり注意
深層学習 Deep Learning (監修:人工知能学会),麻生英樹,近代科学
・さび粒子は粗く大きく不均社,2015一である．層状剥離さびが発生

7)
8)
9)

(2) レベル
2あり
・さび厚さは 800μm 超え・さびは層状の剥離がある．

・さびの平均的外観粒子径は（原稿受付：2021 年
11 月 4 日）

・腐食の進行にともない板厚
1~5mm 程度で粗く,均一性にの減少が予測できる
欠ける．

・さび厚さは通常 400μm 未満を目安とする．

性の向上を期待できる。
方法は、図 3.1 に示すように評価者が目視でさびの外観を評価するものであり、その評価によって 1～5 のレベルに区分さ(3) レベル 3れる。評価基準はさびの粒径の大きさやさびの色調であり、それらを調査して判定を行う。

4.

画像処理によるさび外観評価レベル判別法

4.1.

ヒストグラム

ヒストグラムとは、一枚の画像全域、または部分領域について、

・さびの平均的外観粒子径は1mm 程度以下で細かく，均一である．緻密なさびが形成されており，非常に良好な状態である．

濃淡値の出現頻度をカウントするものである。ヒストグラムの分布状態は、グラフとして表示するとわかりやすく、その場合一般(4) レベル 4に、水平軸に濃淡値、垂直軸に出現頻度を表す。ヒストグラム
によって画像の濃淡値を知ることで、明るさや色の補正、コント
ラスト調整などの画像処理を行ううえでの参考となる。0～255 階
調の 256 段階の画像濃度の頻度を、画像全体の頻度分布形状を確認できるようにした。

4.2.

・さびは少なく比較的明るい
黄褐色に近い色調を呈する．
さびの厚さは通常約 200μm未満を目安とする．

平滑化処理
写真やスキャナによって取り込まれた画像には画像の劣化が生じ、これを雑音(ノイズ)という。この雑音を取り除かなければ、正確な処理が行えない。

(5)レベル 5
図 3.1 さび外観評価の評価基準 2)

紀要編集委員会
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八戸工業高等専門学校
令和 4 年 3 月 31 日
編 集 兼
発 行 者

印 刷 所

発

紀要

第56号

行

八 戸 工 業 高 等 専 門 学 校〒039‑1192 八戸市田面木字上野平16の１
新

光

印

刷

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式

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〒031‑0813 八 戸 市 新 井 田 字 鷹 清 水

社

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