Tokyo Denki University Repository (TDU) / 学術リポジトリ

中島, 瑞

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q24T-06 
課題名（和文） ヘビ型ロボットの動的拘束変化を活用した歩容形態に関する研究 
課題名（英文） Research on the utilization of active constraint changes in gait control of snake robots 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学部 ロボット・メカトロニクス学科 助教（任期付） 
氏名 中島 瑞 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
 本研究では、摩擦の異方性を動的に変化可能な体表部ユニットの開発と、これを活用した運動制御について
検討した。摩擦特性の異なる二種類の車輪を有するユニットにおいて、環境と接触する車輪を切り替えること
で摩擦特性を変化可能な車輪ユニットを開発した。また、この特性をいかして動的に摩擦特性を切り替えなが
ら推進する動作を提案した。開発ユニットと提案動作は、数値シミュレーションならびに実機実験によってそ
の有効性を確認した。 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, the development of a body surface unit for snake robot capable of changing friction anisotropy 
and its application to motion control were investigated. A wheel unit equipped with two types of wheels 
with different friction characteristics was developed. The unit can change friction characteristics by 
switching the wheels that come into contact with the environment. Additionally, I proposed a motion that 
dynamically switches friction characteristics while propelling. The developed unit and proposed motion 
were validated through numerical simulations and experiments with an actual robot. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
1.研究開始当初の背景 
生物ヘビは非常に単純な体の形状にもかかわらず
多彩な環境での活動が可能であることが知られてい
る。その生物ヘビの形状や運動を模倣したヘビ型ロ
ボットは、細長い体形や多様な運動形態をいかした
幅広い環境での活躍が期待されている。一方で、そ
の運動自由度の高さから人による直感的な操作が難
しい。そのため、配管内外や不整地、平面上や斜面
上での歩容制御といった、動かし方について多く研
究されている。 
従来研究開発されてきたヘビ型ロボットは、横方
向には滑りにくく体幹軸方向には滑りやすいという
異方性の摩擦特性を有するタイプと、どの方向にも
滑りやすい、もしくは滑りにくい、等方性の摩擦特
性を有するタイプが存在する。これらのロボットは
その形状や運動自由度に大きな違いがない一方で、
それぞれ異なる摩擦特性を前提としているため推進
方法は大きく異なる。そのため、異なるタイプのロ
ボットの推進手法は適用できないことが多い。 
また、生物ヘビは体の一部を持ち上げることで環
境との摩擦を調整し、単純な屈曲運動以外にも様々
な歩容形態を有していることが知られている。ヘビ
型ロボットにおいても、環境との間に作用する摩擦
を動的に調整することで、様々な環境に適応した運
動を実現可能であると考えられる。 
以上の背景より、本研究ではロボットと環境との
間に作用する摩擦特性を切り替え可能なヘビ型ロボ
ットの開発と、これを活用した新たな運動制御の実
現を目指す。また、従来研究されてきた異なる摩擦
特性を前提とした歩容形態の統合についても検討す
る。 
 
2.研究の目的 
本研究における目的は、摩擦特性を変化可能なヘ
ビ型ロボット用体表部ユニットの開発と、これを用
いた運動制御の検討である。摩擦の異方性の有無や
その方向を動的に変化可能なユニットを開発し、こ
れを連結した構造のヘビ型ロボットを開発する。そ
して、動的な摩擦特性の変化を用いた新たな運動制
御の実現や、この特性をいかして従来研究されてき
た推進手法の改良を目指す。 
 
3.研究の方法 
(1)動的に摩擦特性を変化可能なユニットの開発 
ロボットが環境と接触する部分を切り替えること
で、ロボットが持つ摩擦特性を動的に変化可能なユ
ニットを開発する。滑りやすい素材と滑りにくい素
材で作成された車輪を有するユニットにおいて、環
境と接触する車輪を切り替えることで環境との間に
作用する摩擦を切り替える。また、車輪ユニットに
ブレーキを搭載することで摩擦特性を切り替える方
式も検討する。 
 
(2)摩擦特性の切り替えを活用した運動の検討 
開発ユニットを用いた動的に摩擦特性を切り替え
ながら推進する動作を検討する。生物の運動を規範
として摩擦特性を切り替えながら推進する動作の検
討と、従来提案されてきた生物の動作を規範としな
い動作を規範とした動作の検討を行う。動作の検討、
検証は数値シミュレーションならびに開発した実機
を用いた実験によって実施する。 
 
4.研究成果 
摩擦の異方性を動的に変化可能な体表部ユニット
として、環境と接触するホイールを切り替えること
で摩擦の異方性を切り替え可能なヘビ型ロボット用
車輪ユニットを開発した。開発ユニットを用いた検
証実験では、環境と接触する車輪が切り替わること
でロボット横方向の摩擦特性を大きく切り替えるこ
とが可能であることが確認された。 
動的な摩擦特性切り替えを用いた運動制御の検討
においては、生物の運動を規範として摩擦特性を切
り替えながら推進する手法を数値シミュレーション
上で検討した。また、一部の 2 次元環境上での推進
動作は、開発車輪ユニットを搭載したヘビ型ロボッ
トを用いた実機実験によってその有効性を確認し
た。 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 1 件） 
① 中島瑞， 「摩擦の異方性を切り替え可能なヘビ
型ロボット用車輪ユニットの開発」，ロボティク
ス・メカトロニクス講演会 2025， 2A2-P10， 
2025． 
 


Japanese

ヘビ型ロボットの動的拘束変化を活用した歩容形態に関する研究

石井, 聡

名嘉, 節

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q23K-01 
課題名（和文） ソーラーブラインド光に対して安定した光電流特性を示す酸化物薄膜の作製 
課題名（英文） 
Preparation of Oxide Thin Films with Stable Photocurrent Response under 
Solar-Blind Light 
研究代表者 
理工学部，理学系，教授 
 
石井 聡 
共同研究者 
物質・材料研究機構，機能材料研究拠点 機能性粉体・セラミック分野 微粒子工学グ
ループ，主席研究員 
 
名嘉 節 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では，波長 250～280 nm のソーラーブラインド光検出用デバイスとして注目される酸化物半導体
ZnGa2O4多結晶薄膜を，水熱合成ナノ粒子から 600 ℃以下の低温で作製した．UV-Vis 測定および Tauc プロ
ットにより，得られた薄膜のエネルギーギャップは 4.86 eV でナノ粒子と同等であることが確認され，PL 測
定では酸素欠損由来の欠陥準位が観測された．光電流スペクトルでは 250 nm 付近にピークを示し，価電子帯
から伝導帯への電子の直接励起が支配的であることが明らかとなった．さらに，254 nm の光照射下での温度
変化測定では 210 K を境に伝導機構が変化し，高温側では捕獲準位の寄与が示唆された． 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, polycrystalline ZnGa2O4 thin films, a promising material for solar-blind light detection 
(250–280 nm), were fabricated below 600 °C using hydrothermally synthesized nanoparticles. UV-Vis and 
Tauc plot confirmed an energy gap of 4.86 eV, and PL measurements revealed defect levels from oxygen 
vacancies. The photocurrent spectrum showed a peak near 250 nm, indicating dominant direct excitation 
from valence to conduction band. Temperature-dependent measurements under 254 nm light suggested a 
change in conduction mechanism around 210 K, with trap levels contributing at higher temperatures. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
 
1.研究開始当初の背景 
波長 250～280 nm の短波長紫外線は「ソーラ
ーブラインド光（以下，SB 光）」と呼ばれ，太陽
光に含まれるがオゾン層に吸収されるため地表
にはほとんど届かず，地表からの散乱やノイズの
影響を受けにくい．この特性から，近年は新たな
光通信用周波数帯やオゾンホール・火炎観測など
への応用が期待されている． 
SB 光の発光・検出を行うデバイスの一つとし
て，半導体フォトダイオード（以下，PD）が挙げ
られる．PD に用いる半導体材料は，対象波長に
対応する十分なエネルギーギャップ（Eg）が必要
であり，特に SB 光に対しては Egの大きなワイド
バンドギャップ半導体が不可欠である． 
我々は，Eg が 4.6～5.0 eV あり，SB 光の検出
に適した酸化物半導体の ZnGa₂O₄（以下，ZGO）
に着目した．簡便なゾル‐ゲル法を用いて低温で
ZGO 薄膜を成膜し，254 nm の SB 光照射をした
ところ，光電流を示すことを確認した（第 83 回
応用物理学会 秋季学術講演会にて発表）．一方
で，低温成膜に起因する組成や結晶構造の不均一
性が，光電流特性のばらつきの原因となっている
可能性が示唆された． 
2.研究の目的 
上記の背景を踏まえ，本研究では，600 ℃以下
の低温で形成した ZGO 薄膜を対象とし，エネル
ギーギャップ内に形成されるエネルギー準位の
位置及びその起源を解明するとともに，光キャリ
アがどの準位から伝導帯へ励起されるのかを明
らかにすることを目的とした．これにより，再現
性のある光電流特性を実現し，安定した特性を示
す SB 光検出用 PD の開発を目指すことにした． 
3.研究の方法 
（１）水熱合成ナノ粒子を用いた ZGO 多結晶薄
膜の作製 
Zn 欠損量を pH で調整した ZGO ナノ粒子を水
熱合成し，メタノールに分散させた溶液を酸化膜
付き Si 基板（SiO2：100 nm）の表面にスピンコ
ートした．続いて，本研究費で購入したランプ炉
を使用して 600 ℃で 1 h 熱処理を実施し，ZGO
多結晶薄膜を作製した．薄膜の構造は XRD，SEM
で評価した． 
（２）Eg中のエネルギー準位の解明 
はじめに，UV-Vis 透過率測定から吸収係数を算
出し，Tauc プロットにより Eg を求めた．また，
吸収端から励起波長を決定し，PL 発光スペクト
ルを測定することで，Eg中のエネルギー準位を評
価した． 
（３）ZGO 多結晶薄膜の電気特性解明 
 ZGO 薄膜表面にメタルマスクを介したスパッ
タ蒸着により Au 電極をパターニングし，照射光
の波長を 235～300 nm の範囲で変化させて光電
流スペクトルを評価するとともに，254 nm の照
射下で光電流の温度依存性を評価した． 
 
4.研究成果 
（１）図１に水熱合成した ZGO ナノ粒子と成膜
後の ZGO 多結晶薄膜の XRD スペクトルを示し
た．ZGO ナノ粒子のスペクトルにおいて ZGO の
ピークを観測した．さらに，薄膜化後のスペクト
ルでもナノ粒子と同様のピークを観測したこと
から，本手法により水熱合成ナノ粒子の構造を維
持しながら ZGO 多結晶薄膜を作製できた．また，
成膜後の基板表面を SEM で観察した結果を図２
に示したように，ZGO ナノ粒子が凝集して薄膜を
形成していることが確認できた． 
 
20 30 40 50 60 70 80
In
te
ns
ity
 (
a
. u
.)
2 (deg.)
nanoparticle
thin film
ZnGa2O4
Su
b.
図１ ZGO ナノ粒子及びその多結晶薄膜の XRD． 
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（２）図３に ZGO 多結晶薄膜の UV-Vis 透過スペ
クトルを示した．波長が約 250 nm 以下になると
透過率が減少し，光吸収端がこの付近の波長にあ
ることが明らかとなった．さらに，測定した透過
率 T と膜厚 x = 5 m から下の式（１）（２）を用
いて吸収係数を求め，これを用いて図４に示し
たような Tauc プロットを行った． 
𝐴 log
𝑇
100
1  
𝛼
𝐴
0.434𝑥
2  
 その結果，図中に示したように線形部分の横軸
への外挿から作製した ZGO 多結晶薄膜の Eg を
4.86 eV と決定出来た．この値は SB 光の波長で
ある約 255 nm に相当し，ナノ粒子とほぼ同じで
あることから本薄膜形成方法の有用性が確認で
きた． 
 そこで，250 nm の励起波長により薄膜中の電
子を価電子帯から伝導帯へ直接励起子した場合
の PL スペクトルを測定したので，その結果を図
５に示した．酸素欠損に由来すると思われる 500 
nm 付近のブロードなメインピークと，550 nm 付
近のサブピークを観測した．これらはそれぞれ，
Egより小さい 2.48 eV と 2.25 eV のエネルギーに
相当するため，Eg中に酸素欠損による欠陥準位が
形成されていると考えられる． 
 
 
（３）ZGO 多結晶薄膜に 1 V の電圧を印加した
状態で，235~300 nm の範囲で波長を変化させな
がら，出力 23 W/cm2で光照射の On と Off を 3
分ごとに繰り返して電流応答を測定した．この時
観測した光電流を波長に対してプロットするこ
とで図６の光電流スペクトルを得た．光電流は
250 nm 付近にピークをもち，UV-Vis のピーク波
長と一致することから，光電流は価電子帯から伝
導帯へ直接励起された電子によることが明らか
図２ ZGO 多結晶薄膜表面の SEM 像． 
In
te
n
si
ty
 (
a.
u
 .)
800700600500400300
Wavelength (nm)
λex  = 250 (nm)
図５ ZGO 多結晶薄膜の PL スペクトル．
励起波長 254 nm． 
0
20
40
60
80
100
200 250 300 350 400
Wavelength (nm)
%T
透過率
図３ ZGO多結晶薄膜のUV-Vis透過スペクトル．
0.0
5.0 108
1.0 109
1.5 109
2.0 109
2.5 109
3.0 109
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
(α
hμ
)^
2
E (eV)
Eg = 4.86 eV
3.0×10-9
2.0
1.0
(
h
)2
E ( )
図４ Tauc プロットと Eg． 
0
20
40
60
80
100
120
230 240 250 260 270 280 290 300
P
h
o
to
cu
rr
e
nt
 (
n
A
)
Wavelength (nm)
図６ ZGO 多結晶薄膜の光電流スペクトル． 
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となった．これは，本薄膜が高効率の PD 材料に
適していることを示している．  
 また，図７には，１ V を印加した状態の薄膜に
対して，254 nm，1013 W/cm2の光を照射し，90 
～450 K の範囲で温度を変化させた際の光電流の
温度依存性を示す．210 K 付近を境に光電流は振
る舞いが変化していること確認された．現在調査
中ではあるが，210 K 以下ではランダムなポテン
シャル揺らぎが，210 K 以上では Eg 中の捕獲準
位が伝導機構を支配していることを示唆する結
果が得られている．210 K 以上では活性化エネル
ギーが 0.21 eV と見積もられており，伝導帯近く
の捕獲準位が寄与していると思われるが，PL で
観測された酸素欠損による準位とは異なること
から，今後の調査が必要である． 
 以上より，本研究では水熱合成 ZGO ナノ粒子
から多結晶薄膜を低温形成することに成功した．
Egは 4.86 eV でナノ粒子の値を維持し，Eg内には
酸素欠損由来のエネルギー準位が確認された．光
電流は価電子帯から伝導帯への電子の直接励起
によるもので，高効率 PD への応用に適すること
が示された．今後は，新たに確認された欠陥準位
が光電流の伝導機構に及ぼす影響を詳細に検討
する予定である． 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 ２件） 
① Satoshi Ishii, Kazutoshi Fukasaku, Kouhei 
Aiba, Reiya Kase, Yasuharu Ohgoe, 
Michiyuki Yoshida, Takayuki Nakane, 
Takashi Naka “ZnGa2O4  polycrystalline 
thin-film preparation using hydrothermally 
synthesized nanoparticles” Journal of 
Materials Science: Materials in Electronics, 
35, pp.858-1-858-13 (2024). 査読有 
② Takashi Naka, Jaroslav Valenta, Takayuki 
Nakane, Satoshi Ishii, Minako Nakayama, 
Hiroaki Mamiya, Kanji Takehana, Naohito 
Tsujii, Yasutaka Imanaka, Yoshitaka 
Matsushita, Hiroya Abe, Tetsuo Uchikoshi, 
Hitoshi Yusa “Phase transitions and slow 
spin dynamics of slightly inverted A-site 
spinel CoAl2−xGaxO4” Journal of Physics: 
Condensed Matter, 36(12), pp.125801-1-
125801-15 (2023). 査読有 
 
〔学会発表〕（計 ６件） 
① 前田 竜之介，加瀬 伶也，小熊 佑弥，山本 和
貫，石井 聡“ZnGa2O4 薄膜の深紫外線照射
による光電流の減衰特性”第 72 回応用物理
学会春季学術講演会，東京理科大学野田キャ
ンパス，3 月，2025 年． 
② 加瀬 伶也，前田 竜之介，小熊 佑弥，山本 和
貫，石井 聡“深紫外線照射下での ZnGa2O4
薄膜のインピーダンス特性とその温度依存
性” 第 72 回応用物理学会春季学術講演会，
東京理科大学野田キャンパス 3 月，2025 年． 
③ Reiya Kasea, Ryunosuke Maeda, Yuya 
Oguma, Kazunuki Yamamoto, Satoshi Ishii 
“Impedance characteristics of 
polycrystalline ZnGa2O4 thin films under 
solar blind UV irradiation” Future 
Materials 2024-5th International 
Conference on Materials Science & 
Nanotechnology, Greece and online, 
October, 2024. 
④ 加瀬 伶也，前田 竜之介，小熊 佑弥，山本 和
貫，石井 聡“ZnGa2O4 薄膜における深紫外
線照射下のインピーダンス特性” 第 85 回応
用物理学会秋季学術講演会，朱鷺メッセ，9
0
2 10-9
4 10-9
6 10-9
8 10-9
1 10-8
1.2 10-8
50 100 150 200 250 300 350 400 450
P
ho
to
cu
rr
en
t (
A
)
Temperature (K)
2.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
zz
P
h
ot
o
cu
rr
en
t 
(n
A
)
図７ 光電流の温度依存性． 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
月，2024 年． 
⑤ 加瀬 伶也，中根 茂行，名嘉 節，石井 聡
“ZnGa2O4 薄膜の構造に作製時のアニール
温度が及ぼす影響”第 71 回応用物理学会春
季学術講演会，東京都市大学世田谷キャンパ
ス，3 月，2024 年． 
⑥ 石井 聡，加瀬 伶也，中根 茂行，名嘉 節“水
熱合成ナノ粒子から作製した ZnGa2O4 薄膜
における光電流の温度特性” 第 84 回応用物
理学会秋季学術講演会，熊本城ホール他，9
月，2023 年． 
 
 


ソーラーブラインド光に対して安定した光電流特性を示す酸化物薄膜の作製

宮﨑, 淳

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q23K-03 
課題名（和文） ５員複素環化合物の紫外光励起による光化学反応特性の解明 
課題名（英文） UV Photochemical Activity of Five-membered Heterocyclic Molecules 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位）  
工学部 自然科学系列 教授 
氏名 宮﨑 淳 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
5 員複素環化合物の紫外光励起による光化学反応特性を明らかにするために，チアゾールとオキサゾールの
誘導体を低温マトリックス単離し，赤外分光法により生成物キャラクタリゼ ーションと反応分岐比の決定，分
子軌道計算の 1 つである密度汎関数法 (DFT) により理論的補強を行った。生成する中間体や反応生成物を系統
的に結び付ける反応機構について検討した。 
 
研究成果の概要（英文） 
To clarify the UV photochemical activity of heterocyclic molecules, we investigated photochemistry of 
five-membered heterocycles, derivatives of thiazole isolated in solid argon matrices accompanied with the 
infrared spectroscopy and density-functional-theory calculations. From obtained spectra, we recognized 
some molecules which are assignable to photochemical species from reactant cyclic molecules. We 
discussed the reaction scheme of photochemistry of heterocyclic molecules in isolated system. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
1.研究開始当初の背景 
複素環(ヘテロ環)化合物は，環状炭化水素化合物
のいくつかの炭素原子を窒素や酸素，硫黄原子に置
換した構造をとる。そのため反応性についても環状
炭化水素化合物との類似性が期待されるが，実際は
大きく異なる。複素環化合物の光化学反応は化合物
ごとの研究報告数に差が激しく，全ての生成物が同
定されているものはほとんど無いことから，5 員複
素環化合物の光化学反応には未だに統一的な機構は
提示されていない。 
2.研究の目的 
本研究では，2 置換 5 員複素環化合物であるチア
ゾールとオキサゾールの誘導体を低温アルゴンマト
リックス中に単離し，紫外光照射により進行する光
化学反応を赤外分光法および密度汎関数 (DFT) 法
により検討した。得られた化学種の帰属と生成量の
違いから光化学反応機構を明らかにし，親分子の構
造と置換原子の違いが反応機構に与える影響につい
て検討することを目的とした。また，複素環化合物
の反応機構の関連性を議論するため，環状炭化水素
の固体パラ水素中の光化学反応，二酸化硫黄とエチ
レンのファンデルワールス錯体のアルゴンマトリッ
クス中の光化学反応についても検討した。 
3.研究の方法 
真空容器内のコールドヘッドの先端に保持した
CsI 結晶をマトリックス生成面とした。GM 冷凍機
により CsI 結晶を〜10 K まで冷却したのち，ガス
ライン中で試料(複素環化合物誘導体)とマトリック
スガス（アルゴンまたはパラ水素）の混合気体を任
意の濃度で調整し，低温基板上に吹き付けることで
低温マトリックス単離試料を得た。生成した試料に
対して，真空容器外から石英窓を通して超高圧水銀
灯で光照射を行い，光化学反応を進行させた。200 
nm より短波長側を照射する際には，真空容器に直
接低圧水銀灯を接続し，真空中で光照射を行った。 
光化学反応の進行過程は，照射時間ごとに赤外吸
収スペクトルを測定して検討した。密度汎関数法を
用いて，反応物および生成物の構造最適化と振動数
計算を行い，赤外スペクトルの帰属の裏づけとした。 
4.研究成果 
低温アルゴンマトリックス単離したイソチアゾー
ルに超高圧水銀灯 (SHPML) を用いて 5 分間光照
射を行うと，三員環構造を有するチイレン (C2H2S) 
の C–H 伸縮振動，HNCS の C≡N 伸縮振動の吸収
位置と良く一致する事から，SHPML の紫外光照射
によりイソチアゾールの光化学反応が進行したと考
えられる。光照射を続けると，エチンチオール(HC
≡CSH) の≡C–H 並びに C≡C 伸縮振動，シアン化
水素とアセチレンの≡C–H 伸縮振動が観測され，イ
ソチアゾールの光分解反応が進行したことが明らか
となった。180 分間の SHPML 光照射では，チアゾ
ールの高強度ピークとその反応物であるイソシアノ
化合物も観測されたことから，イソチアゾールから
チアゾールへの環の骨格変換反応が進行し，チアゾ
ールの光分解反応が進行したと考えられる。 
低温 Ar マトリックス単離したイソチアゾールに
低圧水銀灯 (LPML) の光を 5 分間照射すると，
SHPML 光 を 照 射 し た 際 に も 観 測 さ れ た
HC≡CSH，HC≡N，およびチイレン (C2H2S) の吸
収が観測され，LPML の長波長側の輝線である 254 
nm の光により開環反応が進行したと考えられる。
光照射を続けるとエチンチオール，シアン化水素，
チイレンの吸収強度は増加したが，3226, 3430 cm–
1 に新たな吸収が観測された。3226 cm-1 の吸収は
エチンチオールとシアン化水素の水素結合錯体の吸
収位置と一致したことから，マトリックス中で錯形
成反応が進行したと考えられる。3430 cm–1 の吸収
は，チアゾールの光反応生成物として知られる
syn-N-ethynylthiformamide HC≡C−NH−CH=S 
(syn-6) の N−H 伸縮振動とほぼ同じ位置に観測さ
れるが，≡C–H 伸縮振動に対応する 3329 cm–1 の吸
収が観測されないことから，syn-6 とは異なる新規
化学種が生成したと考えられる。また，SHPML 光
を照射した際に観測されたアセチレンの≡C–H 伸縮
振動の吸収が LPML 光を照射した場合にはほとん
ど観測されないことから，LPML の短波長側の輝線
である 185 nm 光照射による光化学反応では，250 
nm < λ の光照射とは異なる反応経路を進行する事
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
が示唆された。これらの化学種については，DFT 法
による検討を進めている。 
固体パラ水素中のシクロヘキサトリエン (CHT) 
に ArF レーザー光を照射した場合には，溶液中や
Ar マトリックス中で生成が報告されているビシク
ロ[3.2.0]ヘプタ-2,6-ジエン (BCHD の吸収が観測
され，固体パラ水素中において，ArF 光照射により
CHT から BCHD への二環化反応が進行したこと
が明らかとなった。さらに ArF 光の照射を続ける
と，生成した BCHD の吸収が減少し，新たに５員
環炭化水素化合物であるシクロペンタジエン 
(C5H6) とアセチレンの吸収が観測されたことから，
BCHD の分解によりシクロペンタジエンとアセチ
レンが生成したことを明らかにした。 
低温アルゴンマトリックス中に二酸化硫黄とエチ
レンを共凝縮して紫外光を照射すると，300 nm <λ 
nm の光を照射すると，環状構造を有する 1,2-オキ
サチエタン-2-オキシド (C2H4O2S)) の生成が確認
された。エチレンと SO2 の複合体の DFT 計算で
は，基底状態において５員環構造を有する 1,3,2-ジ
オキサチオランがエネルギー的に安定であったが，
赤外吸収ピークは観測されなかった。SO2 の光化学
反応では，励起 3 重項を経由して反応が進行するこ
とから，複合体の 3 重項状態の安定性が生成物の構
造に寄与することが示された。 
本研究により，5 員環化合物の励起状態を経由し
た様々な光化学反応生成物の同定に成功し，反応機
構解明の新たな知見を得た。 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① Taito Takahashi, Fumiyuki Ito, Jun 
Miyazaki, “Photoreactions of the C2H4–SO2 
Complex in a Low-Temperature Matrix 
Investigated by Infrared Spectroscopy and 
Density Functional Theory Calculations” 
Molecules, 2024, 29, 5362. 
〔学会発表〕（計 6 件） 
① 宮﨑 淳, 「VUV 光照射による低温マトリック
ス単離したイソチアゾールの光化学反応」，第１
７回分子科学討論会 2023 大阪，2023 年 9 月 13
日 大阪大学豊中キャンパス 
② Jun Miyazaki, “ Photochemistry of 
Matrix-isolated Isothiazole Irradiated by 
Low-pressure Mercury Lamp”, Nov. 6th, 2023, 
Asian Workshop on Molecular Spectroscopy 
(AWMS2023) held in Auditorium at Institute 
of Low Temperature Science，Hokkaido 
University. 
③ Jun Miyazaki, Shin Yi Toh, Pavle Djuricanin, 
Takamasa Momose, “UV Photochemistry of 
Cyclopentadiene Isolated in 
Low-temperature Ar Matrix and Solid 
Parahydrogen”, Nov. 7th, 2023, Asian 
Workshop on Molecular Spectroscopy 
(AWMS2023) held in Auditorium at Institute 
of Low Temperature Science，Hokkaido 
University. 
④ Jun Miyazaki, Shin Yi Toh, Brendan Moore, 
Pavle Djuricanin, Takamasa Momose, 
“Photochemistry of six-membered 
hydrocarbons in solid parahydrogen”, Nov. 
11th, 2023, Workshop on Interstellar Matter 
2023 (ISM2023) held in Auditorium at 
Institute of Low Temperature Science，
Hokkaido University. 
⑤ 宮﨑 淳，Linda Zeng，Brendan Moore，Shin 
Yi Toh，Pavle Djuricanin，百瀬 孝昌,「ArF 光
照射による固体パラ水素中のシクロヘプタトリ
エンの光化学反応」第 23 回分子分光研究会，
2023 年 11 月 11 日，福岡大学図書館多目的ホー
ル 
⑥ J. Miyazaki, L. Zeng, B. Moore, S. Y. Toh, P. 
Djuricanin, T. Momose, “Photochemistry of 
Cycloheptatriene in solid parahydrogen”, 
July 7th, 2024, Chemistry and Physics at Low 
Temperatures (CPLT2024), held in  Hilton 
Niseko Village, Hokkaido. 


５員複素環化合物の紫外光励起による光化学反応特性の解明

村松, 和明

濱崎, 奈津香

金井, 絵莉子

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q24P-01 
課題名（和文） 
免疫調節機能が高められた間葉系幹細胞の調製におけるヒト培養細胞を用いた実用化検
証 
課題名（英文） 
Investigation of immunomodulatory activity of mesenchymal stem cells using normal 
human cells in translational study for cell therapy 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 生命科学系 教授 
氏名 村松 和明 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科 生命理工学専攻 修士課程 2 年 
氏名 濱崎 奈津香 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科 生命理工学専攻 修士課程 1 年 
氏名 金井 絵莉子 
 
研究成果の概要（和文） 
間葉系幹細胞（MSCs）は炎症性サイトカインの刺激により活性化し、抗炎症作用・免疫制御作用を示すこと
が知られているため、ステロイド抵抗性の移植片対宿主病（GVHD）に対する細胞療法にも活用されている。
筆者らは、ラット MSCs を用いた実験系において、この免疫制御作用の発現には高分子量ヒアルロン酸（HA）
の存在も重要であること、その機序として HA 及び HA 誘導体が抗炎症性サイトカイン・インターロイキン-
10（IL-10）の発現を亢進することを明らかにし、免疫制御機能を高めるための細胞培養プロセスを構築して
きた。そこで本研究では、ラット MSCs で構築した細胞培養プロセスに対して、商業的に入手可能な正常ヒ
ト MSCs を適用することにより、免疫制御のための細胞療法における MSCs の高機能化が実現できるかを検
証した。その結果、HA 誘導体によるプレコンディショニングはヒト MSCs においても IL-10 mRNA の発現
を亢進させる作用を示した。 
 
研究成果の概要（英文） 
Mesenchymal stem cells (MSCs) express anti-inflammatory and immunomodulatory effects by receiving 
inflammatory cytokines, and are therefore utilized in cell therapy for steroid-resistant graft-versus-host 
disease (GVHD). In in vitro experiments using rat MSCs, the authors demonstrated that the presence of 
high molecular weight hyaluronic acid (HA) is also important for the expression of immunomodulatory 
effects, and that HA and HA derivatives enhance the expression of the anti-inflammatory cytokine 
interleukin-10 (IL-10). Based on these findings, we have developed a cell culture process to enhance the 
immunomodulatory activity of MSCs. In this study, commercially available normal human MSCs were 
applied to the cell culture process established with rat MSCs to verify the clinical feasibility. The results 
showed that stimulation with HA derivatives enhance the expression of IL-10 mRNA in human MSCs. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
1.研究開始当初の背景 
間葉系幹細胞（MSCs）は多分化能を示すだけで
なく、抗炎症作用や免疫調節作用を示す細胞であ
り、正常な組織再生において重要な役割を果たす
ことが知られる。そこで近年、例えばステロイド
抵抗性の移植片対宿主病（GVHD）の二次治療に
おいて、同種骨髄由来 MSCs（同種 BMSCs）か
らなる再生医療等製品を用いた治療が選択肢の
一つとなっている。しかしながら、もともとヘテ
ロな細胞集団を原料とする MSCs 製品は、製品ロ
ットによる特性の差や患者の個体差によって治
療効果に差違が生じる懸念を有している。この課
題を可決すべく、筆者らは MSC の免疫制御作用
を高めるため、細胞培養の過程でヒアルロン酸
（HA）誘導体を活用したプレコンディショニン
グ技術を確立した。これまでの研究では、モデル
細胞にラット BMSCs を使用していたため、臨床
研究への実用化を想定したヒト BMSCs による検
証が残されていた。 
 
2.研究の目的 
ラットBMSCsの in vitro実験モデルと同様に、
HA 誘導体によるプレコンディショニングがヒト
BMSCs においても IL-10 の発現を亢進すること
を検証する。 
 
3.研究の方法 
3-1. ラット BMSCs およびヒト BMSCs の培養 
 正常ラット BMSCs は SD ラット（4-5 週齢, 
雄）の骨髄より単離し、10%のウシ胎児血清（FBS）
を含んだ DMEM を基礎培地に用いて培養後、2
継代目の細胞を評価に使用した。ヒト正常
BMSCs（P=5）は PuREC/富士フィルム和光純薬
(株)より商業的に入手し、bFGF（20 ng/mL）と
15% FBS を含んだ DMEM を用いて 2 継代した
細胞を評価に使用した。ラットおよびヒト
BMSCs は 24 ウェルプレートの各ウェルに 105個
ずつ播種し、基材に接着を確認後、20 ng/mL の腫
瘍壊死因子 TNF-α の存在/非存在化において、1 
mg/mL の分子量 200 万の HA あるいはポリグル
タミン酸ペプチドをグラフと化した HA 誘導体
（PGA-g-HA）を BMSCs に作用させた。 
3-2. RT-PCR による IL-10 の発現解析 
ISOGENⅡ（タカラバイオ）を用いて各試験群の
BMSCs より総 RNA を抽出した後、260 nm にお
ける吸光度から検体中の RNA 濃度を算出した。
各検体の RNA を同一量とした後、SuperScriptⅡ
First-Strand Synthesis System（Invitrogen）を
用いて PCR の鋳型 DNA を合成し、特異プライマ
ーと TaKaRa Ex Taq を用いて標的遺伝子を増幅
させた。PCR 産物はアガロースゲル電気泳動を行
った後、エチジウムブロマイドで染色し、イメー
ジアナライザー（VILBER 社製 FUSION FX7. 
EDGE）でバンドの輝度を解析した。 
 
4.研究成果 
TNF-αの存在/非存在下に関わらず、HA 誘導
体によるプレコンディショニングにより、ラット
BMSCs における IL-10 mRNA の発現は顕著に亢
進された。また、ヒト BMSCs においては、ラッ
ト BMSCs で見られた程の差異は認めなかった
が、HA 誘導体を用いたプレコンディショニング
によって IL-10 mRNA の発現は亢進される傾向
が認められた。さらに、免疫チェックポイント因
子である PD-L1, PD-L2 の発現についても検証し
たところ、ヒト BMSCs では HA 誘導体の有無に
より PD-L2 に差異（発現の亢進）が見られた。 
これらの結果より、臨床応用を想定したヒト
BMSCs の培養プロセスにおいて、HA 誘導体を
用いたプレコンディショニングは免疫制御作用
の亢進に有効な手段となる可能性が示唆された。 
 
5.主な発表論文等 
〔特許〕（計 1 件） 
① 村松和明. 特開 2024-067376. 間葉系幹細胞
の抗炎症性サイトカインの発現量を亢進さ
せる方法、抗炎症剤又は免疫疾患治療剤の製
造方法、及び抗炎症剤又は免疫疾患治療剤. 


免疫調節機能が高められた間葉系幹細胞の調製におけるヒト培養細胞を用いた実用化検証

神保, 康紀

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q24T-05 
課題名（和文） 連続炭素繊維を使用した積層造形法による軽量マルチコプタ製作の研究 
課題名（英文） 
Study of fabricating lightweight multicopter in additive manufacturing using 
continuous carbon fibers. 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 先端機械工学科 助教 
氏名 神保康紀 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究では，連続炭素繊維を用いた積層造形法による軽量かつ高強度なマルチコプタ機体の製作手法の提案と
その有効性の検証を行った．軽量な連続炭素繊維を機体フレームの内部に適切に配置することで．軽量なマル
チコプタ胴体の製作が可能である．本研究では，既存の 3D プリンタを使用した繊維配置方法の研究および，
研究代表者の神保が開発した多軸 3D プリンタを使用して基礎構造の製作方法について検討した．実験結果か
ら，本研究で提案した加工方法は軽量マルチコプタの製作に有効であることを確認した． 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, we proposed and validated a fabrication method for lightweight multicopter frames using 
additive manufacturing with continuous carbon fiber. By appropriately placing continuous carbon fibers 
within the internal structure of the airframe, it is possible to manufacture a lightweight multicopter body. 
We studied fiber placement method and fabrication methods using a multi-axis 3D printer developed in our 
laboratory. The results confirmed that the proposed manufacturing method is effective for producing 
lightweight multicopter structures. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
1.研究開始当初の背景 
3D プリンタとして知られる積層造形法は，3D モデ
ルデータをもとにして薄い層を積層し，三次元形状
を造形する手法である．積層造形法の中でも Fused 
Deposition Modeling（FDM）として知られる材料
押出法は，連続繊維の CFRP などの繊維強化材料を
使用して軽量な機械部品などを製作できる．現在
様々な分野でマルチコプタが使用されているが，航
続時間や航続距離を向上し，可搬重量を増大するた
めには，機体の軽量化が必要である．従来はシート
状のCFRP材料などを使用することで本体の軽量化
が行われてきたが，連続繊維の CFRP を使用した積
層造形法で部品を製作することで，本体の大幅な軽
量化が可能になる．  
 
2.研究の目的 
連続繊維のCFRPを使用した積層造形法で軽量な部
品を製作するためには，炭素繊維材料の適切な位置
への連続配置が必要である． 
マルチコプタ製作を前提とし，炭素繊維材料の連続
配置を可能にする最適構造を設計方法および，加工
方法の確立が本研究の目的である． 
 
3.研究の方法 
・最適構造設計方法 
連続繊維のCFRPで製作される構造をフレーム要素
の集合とみなし，構造最適化の初期構造（グランド
ストラクチャ）を用意する．遺伝的アルゴリズムを
用いて，フレーム要素のグランドストラクチャから
余分な要素を除去し，構造を最適化する．ここで，
フレーム構造を 3 次元グラフとして扱うことで，そ
の辺と節点の関係から，グラフの接続性が評価でき
る．炭素繊維を複合した構造の最小要素をフレーム
要素とみなすことで，その軸方向について引張・圧
縮に対する機械的特性を設定できるため，繊維材料
の特性を考慮した構造設計が可能になる． 
・加工方法 
まず，連続繊維材料が使用可能な 3D プリンタを製
作した．ここで，連続繊維の複雑な配置を可能にす
るため，従来の 3 軸加工ではなく，造形ステージに
回転軸を 2軸追加した 5軸 3Dプリンタを開発した．
開発した 5 軸 3D プリンタおよび CFRP が使用可能
な商用の 3D プリンタを使用して，フレームの基礎
となる構造の製作を行った．その後，製作物の機械
試験（三点曲げ試験）を行い，曲げ強度を評価する
ことで，提案する製作手法の有効性を評価した． 
 
4.研究成果 
構造設計方法については，一筆書き可能なグラフ（オ
イラー路）を生成するアルゴリズムを実装した．商
用の 3D プリンタ（Anisoprint Composer A4）を使
用して提案構造の一部を実際に製作することで， 最
適化したフレーム構造の一筆書き造形が可能である
ことを確認した．また加工方法については，開発し
た 5 軸 3D プリンタを使用して，マルチコプタの基
礎構造となる構造の製作が可能であることを確認し
た．また，三点曲げ試験の結果から，従来方法より
も高強度な部材の製作が可能であることがわかっ
た．最後に，プロペラ，モータ，センサ，コンピュ
ータなどを統合したマルチコプタ製作への前段階と
して，まず提案方法をロボットハンド製作に応用し，
評価を行なったところ，機械部品の一体製作に提案
手法が有効であることを確認した． 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① 神保康紀，森田晋也，材料押出法の AM におけ
る連続炭素繊維の切断と複合押出に関する研
究，日本機械学会 2024 年度年次大会，2024 年
9月，愛媛大学． 
② 神保康紀，森田晋也，材料押出法で一体製作し
たワイヤ駆動ソフトロボットの 変形挙動に関
する研究，日本機械学会生産システム部門研究
発表講演会 2025，2025 年 3月，山口大学． 
 
 


連続炭素繊維を使用した積層造形法による軽量マルチコプタ製作の研究

小曽根, 崇

北澤, 孝史

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q23K-02 
課題名（和文） 
構造制御を目的とした固相－液相反応による二次元シート型配位高分子の合成
手法開発 
課題名（英文） 
Solid-liquid phase self-assembling process for 2-dimentional Hofmann-like 
coordination polymers 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位）理工学部 理学系 准教授 
 
氏名 小曽根 崇 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位）東邦大学大学院 理学研究科化学専攻 
 
氏名 北澤 孝史 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
固体の鉄(II)アクア錯体 Fe(H2O)2[Ni(CN)4]・2G (G = 結晶溶媒) および Fe(H2O)2[Au(CN)2]2 に対してピリ
ジンおよびピラジン誘導体系配位子 (L) の水溶液を浸潤させて配位子置換反応させる新奇合成手法の検討を
行った。反応させた浸潤サンプルについて、単結晶 X 線回折、粉末 X 線回折、熱分析、各種分光分析等からサ
ンプルの構造、組成、置換反応の進行を評価した。結果、配位子の置換反応が結晶表面付近で止まってしまう
ものと、ほぼ完全に置換が進むものがあることがわかった。合成条件は配位子のみ変えているので、配位子の
極性(ドナー数,アクセプタ数で比較) や分子構造の嵩高さ等の違いから検討していく。完全に置換した場合の各
化合物 Fe(L)2[Ni(CN)4], Fe(L)2[Au(CN)2]2 の構造エンタルピーの違いから、反応速度に影響を与えている可能
性も検討していく。置換反応に用いた配位子を従来の合成手法を使って、ホフマン型化合物の合成と構造決定
も同時に進めた。これらの化合物について学会および論文にて報告した。 
 ホフマン型構造はピリジン系配位子をメインに新規化合物の探索が進められているが、我々は５員環構造で
あるイミダゾール系配位子についても検討を行った。アクア錯体の単結晶に対し反応を試みた。いくつかイミ
ダゾール誘導についても置換反応が進行することを確認した。これらの配位子についてもホフマン型化合物の
合成と構造決定を行い学会および論文にて報告した。 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
研究成果の概要（英文） 
本文（９ポイント：Century） 
 Hofmann-like coordination polymer (CP) is one of the most convenient motifs for structural designing 
due to its strongly-defined dimensionality depending on using pyridine (py) derivatives through 
self-assembling process. Especially, Fe(II) Hofmann-like CPs displaying spin crossover (SCO) transition 
have attracted much attention from the fundamental structure-property study of molecular magnetism. In 
general, the synthesis of Hofmann-like CPs utilizes one-pot reaction including metal ions, cyano metallate 
building blocks and py derivatives. However, one-pot reaction process often occurs unexpected 
supramolecular isomerism. Therefore the ability to control of whole of the crystal structure still must be 
important synthetic challenge to further discuss and clarify structure-property relationship. In 
long-standing kinetic study of ligand exchange reaction, aqua complex M(H2O)6 (M = transition metal ion) 
in aqueous solution is the most representative model in which the water molecules are eventually replaced 
by ligand to be equilibrium M(L)x(H2O)6-x. The aqua complex models have been experimentally 
investigated by several spectroscopic studies to determine kinetic parameters. We considered that the 
basic ligand exchange reaction in aqueous solution process can be broadened solid state aqua complex. In 
this study, we choose Fe(H2O)2[Au(CN)2]2 (1) to replace the H2O with py derivatives ligands to form the 
Hofmann-like structures. The complex 1 was immersed by aqueous solution of py derivatives (X-py) (X = 
halogen, Alkyl). Ligand exchanged compounds, Fe(X-py)2[Au(CN)2]2 (1-X) are obtained (Fig. 1). 1-X shows 
the reversible change of color similar to SCO behavior. The samples are investigated by SEM/EDS, XRPD, 
time-resolved IR to purchase the reaction progress. We have previously reported the original samples of 
Fe(X-py)2[Au(CN)2]2.1 We compared the above data between 1-X and original samples. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
1.研究開始当初の背景 
【配位高分子の構造と物性開発】 : 配位高分子
(CPs) の主たる合成法は、目的構造の構成要素とな
る金属塩、配位子を溶解・混合してバラバラの状態
から溶液中で自己組織化させて構築していく。その
ため正確に意図した構造になるとは限らない。特に、
３次元骨格系に比べて、２次元層状構造の構築は設
計と異なる異性体（ゲスト分子空間の有無、積層の
位相の違い、相互貫入構造など）が構築されやすい。
実用材料開発の観点から考えると、機能の微細制御
には一定構造に修正を加えられる化合物群が必要で
ある。 
【ホフマン型スピンクロスオーバー配位高分子の構
造設計性】スピンクロスオーバー(SCO)相転移を発
現するホフマン型 CP Fe(L)2[M(CN)4] (M = Ni, Pd, 
Pt)  の構造－物性相関の研究がされてきた。SCO 
は様々な外場に応答して Fe(II) の電子配置転換を
起こす単分子磁性体であり、分子メモリーやセンサ
ーへの応用が期待されている。ホフマン型 CP は八
面体６配位の Fe2+ と平面４配位の [M(CN)4]2－ が
シアノ基で架橋した２次元シートの積層構造をと
る。このシートの垂直方向にピリジン系配位子 L が
配位する。 L の選択の幅は広く、様々なホフマン型 
SCO 化合物が報告されており、 (M. C. Muñoz, J. 
A. Réal., Coordination. Chem. Rev., 2011, 255, 
2068) 同一構造体を系統的に作成するのに有用な物
質群である。しかし実際には、シート構造とは異な
る構造異性体も出現してしまう。より多くの配位子
を、この構造に対応させる手法があれば系統的な 
SCO 化合物開発、そして構造制御による任意の 
SCO 機能設計が実現できる。このホフマン型 SCO 
化合物に対して、さらに精緻な構造制御性が機能性
材料の物性コントロールに重要となる。 
2.研究の目的 
構造制御を可能とする合成手法の開発を目的と
し、アクア配位子を用いたホフマン型 CP にピリジ
ン系配位子を置換反応で入れ替えることで、構造を
崩さずに配位子のみ変換する合成法を開発する。 
3.研究の方法 
本研究（2023 年度~2024 年度）では、以下の実験
を実施した。 
3.1. アクア錯体への配位子置換反応による合成実験 
アクア錯体 Fe(H2O)2[Ni(CN)4]・2G (G = H2O, 
1,4-dioxane) (1) および Fe(H2O)2[Au(CN)2]2 (2) を
作成し、各種溶媒に溶かしたピリジン系配位子 X-py 
(X-py = ハロピリジン、アルキルピリジン、イソニ
コチン酸誘導体、ピラジン等)溶液を滴下後、静置さ
せ反応させることで、Fe(X-py)2[Au(CN)2]2 (1-X), 
Fe(X-py)2[Au(CN)2]2 (2-X) を合成した。また、配位
子 X-py を用いて直接、単結晶を合成して、その結晶
構造を単結晶 X 線構造解析から絶対構造の決定も同
時に進めた。 
3.2. 配位子置換サンプル 1-X および 2-X の粉末 X
線回折測定による構造評価による置換反応の確認 
得られた 1-X および 2-Xは粉末X線回折 (XRD) 
測定を行い、もとのアクア錯体から 
3.3. 配位子置換サンプル 1-X および 2-X の赤外分
光(IR)測定による構造評価による置換反応の確認 
 浸潤の反応時間を変えたサンプルをそれぞれ IR 測
定することで、配位子に特有のピークの強度とアク
ア錯体に特有のピークの強度の増加と減衰を観測す
ることで反応の進行を確認した。 
4.研究成果 
Fig.1 浸潤反応サンプルの SCO の確認 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
得られた浸潤サンプル1-X および2-Xは液体窒素
温度まで冷やすと SCO 特有の色の変化を示した 
(Fig.1)。もとのアクア錯体は SCO を示さないことか
ら、配位子置換反応は少なくとも進行していること
が分かった。また、単結晶 X 線構造解析の結果から、
配位子を変えても、結晶学的に非常に類似した二次
元レイヤー構造が積層した構造を構築していること
が分かった(Fig. 2)。 
得られた 1-X および 2-X は粉末 X 線回折 (XRD) 
測定の結果から、前述の単結晶 X 線構造解析から得
られた結晶構造のデータと一致することを確認し
た。 
また、IR のピーク強度の変化から、元のアクア錯
体のシアノ基の伸縮振動由来のピーク(2160~2180 
cm-1)が浸潤後のサンプルではシアノ架橋による二
次元構造に由来するピークシフトが観測でき、リフ
ァレンスとして単結晶で作ったサンプルと一致する
ことも確認できた(Fig. 3)。 
しかしながら、配位子によってはほとんど置換は
脳が進行せず、結晶表面で反応が止まってしまうも
のもあり、反応速度、反応機構について検討を進め
ていく必要がある。 
 まとめとして、固体のアクア錯体を用いた配位子
溶液の浸潤による配位子置換反応に成功し、その構
造および反応速度について評価を行った。赤外分光
によって配位子置換反応の進行を追随できたことか
ら、今後は赤外分光の溶液セル内で浸潤反応を行わ
せ、in situ 時間分解のピーク強度変化を観察する実
験を行い、反応速度定数などのパラメータを定量的
に比較していく。 
 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔雑誌論文〕（計２件） 
① T. Kosone*, Ryota Kosuge, Shion Kitabatake, 
Mao Morioka, Takeshi Kawasaki, Kosuke 
Kitase and Takafumi Kitazawa, “Fe(II) 
spin-crossover in 2-dimensional 
Hofmann-like coordination polymers with 
sized pyridine derivatives: synthesis, crystal 
structures, and magnetic properties”, Journal 
of Coordination Chemistry, Vol. 77, 
pp.2614-2628 (2024/12/11) 
② Ryota Kosuge, Kosuke Kitase, Takeshi 
Kawasaki and Takashi Kosone*, “The 
Synthesis and Crystal Structures of New 
One- and Two-Dimensional Fe(II) 
Coordination Polymers Using Imidazole 
Derivatives”, Crystals, Vol. 13(12), 1658 
Fig. 2 Fe(X-py)2[Au(CN)2]2 (X-py = 3-フルオロピリジ
ン、イソニコチン酸アリル、イソニコチン酸フェニル)
の二重シート構造とピリジン系配位子の嵩高さとの
相関の模式図 
Fig. 3 ア ク ア 錯 体 Fe(H2O)2[Au(CN)2]2 (2), 
Fe(3-Fpy)2[Au(CN)2]2 (2-F) および単結晶で作成したリ
ファレンスサンプル Fe(3-Fpy)2[Au(CN)2]2 (2-F ref)の
赤外分光測定による CN 伸縮振動モードのピーク変化 
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(2023/11/30) 
〔学会発表〕（計２件） 
① ○ 小 曽 根 崇 「 The cooperative effect by 
substituent-substituent contact on spin 
crossover behavior in 2-dimensional 
Hofmann-like coordination polymers 」 9th 
IDMRCS, 千葉（日本）, 2023 年 8 月 (ポスタ
ー発表) 
② ○小曽根 崇・島野 柊「Study of particle size 
and water adsorption desorption properties 
for green and mass scale synthesized MOFs」 
日本化学会第 105 春季年会, 大阪, 2025 年 3 月 
(ポスター発表) 
 
 


構造制御を目的とした固相－液相反応による二次元シート型配位高分子の合成手法開発

松谷, 巌

榊原, 洋子

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総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q23S-01 
課題名（和文） 
集束衝撃波による超音波発生機構の開発とそれに基づく非接触・非破壊検査
の創生 
課題名（英文） 
Creation of a Non-Contact and Non-Destructive Inspection Method Based on the 
Development of an Ultrasonic Generation Mechanism via Focused Shock Waves 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
RM 
氏名 松谷巌 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
RM 
氏名 榊原洋子 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
衝撃波を空気中から固体に対して衝突させたときにその波動が超音波となって固体の内部を伝播し、その
入射角と屈折角の関係はスネルの法則に基づいていることをシュリーレン法によって確認した。また、第一臨
界角以上の入射角において従来知られていた横波とは異なる波動を見出した。この新しい波動は、大面積の平
面波が小さな固体に衝突したときに稜線を震源とする表面波ではないかと推察している。これらの知見を元
に今後、空気中から非接触で検査ができる収束衝撃波顕微鏡を開発してゆく。 
 
研究成果の概要（英文） 
When a shock wave was directed from air onto a solid, it was confirmed via the Schlieren method that 
the wave propagated through the interior of the solid as an ultrasonic wave, and that the relationship 
between the incident and refracted angles followed Snell’s law. Furthermore, at incident angles exceeding 
the first critical angle, a type of wave different from the conventionally known shear wave was observed. 
This newly identified wave is hypothesized to be a surface wave originating from the edge of the solid, 
generated when a large-area planar wave impinges upon a small solid object. Based on these findings, we 
aim to develop a focused shock wave microscope capable of non-contact inspection from air. 
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1.研究開始当初の背景 
人体内部の可視化やインフラの維持管理にお
いて、超音波による非破壊検査が盛んに行われて
いる。現在の超音波計測は、液体または固体から
固体に対して波動を伝播させることで成り立っ
ているが、空気中から測定対象の固体には波動を
伝播させるすべがない。ところが我々は衝撃波を
固体に当てると固体内部に超音波を伝播させら
れることを発見した。つまり衝撃波はある種の超
音波のように振る舞い、しかも空気超音波では不
可能であった空気から固体への波動の伝播が可
能という結論に至った。この結果を受けて、空気
から固体への超音波の伝導を自在に操ることを
検討する。特に、集束させた衝撃波を固体に当て
ることで、金属などの高密度な固体においても空
気中から固体への超音波の伝播を実現する。ま
た、発生した超音波をレーザ干渉計で計測するシ
ステムとして一本化して、超音波の発生と検出を
完全非接触でできる新しい非接触・非破壊検査方
法となる集束衝撃波顕微鏡を開発する。 
 
2.研究の目的 
集束させた衝撃波を固体に当てて超音波を発
生させることによって空気中から固体への超音
波の伝播を実現する。 
 
図 1 に収束衝撃波顕微鏡の概要を示す。衝撃波管
から放出された平面波状の衝撃波をパラボラ型
の反射機構によって 1 点に集束させ、エネルギー
密度を向上させた集束衝撃波を生成する。それに
よって固体内部に超音波を励起し、距離を隔てた
点でレーザ干渉計による超音波振動の時間計測
を行う。すると、超音波の伝搬経路上のインピー
ダンスの断続（材料の亀裂や人体の病変、嬰児等）
を可視化することができる。また、固体内で発生
した超音波を測定することで固体内部の可視化
や表面の粗さに関する情報、金属板状の薄膜の厚
さなどを高精度に計測できるようにする。 
 
3.研究の方法 
①収束衝撃波機構の開発 
これまでは衝撃波によって物が壊れる現象の
解明を動機として衝撃波由来の応力波を研究し
てきたが、今後はそれとは逆に、より強力な超音
波を固体の中で発生させなければならない。ま
た、空気中での衝撃波の伝搬距離を長距離化でき
れば非接触計測の価値が高まる。このような観点
から、図 1 のような集束型の強力な衝撃波をター
ゲットに照射する機構を研究開発する。 
②固体内の応力波伝搬特性の解明 
 弾性体内部の波動は厳密な弾性体理論で記述
できるが、空中から衝撃波を照射して固体中に応
力波を伝導させる系では一律で割り切れない。衝
撃波の形態や弾性体の形状、それらが衝突すると
きの条件による、波動伝搬の指向性や音速、分散
性（周波数、波数、音速の特性）を実験と解析で
解明する。衝撃波の固体内部での伝播特製を調査
した。衝撃波を空気中から固体に入射させて、固
体の内部を伝播する波動をシュリーレン法によ
って可視化した。 
 
無隔膜式衝撃波管を利用して平面衝撃波を生成
する。まずコンプレッサで圧縮された空気を一度
サージタンクに溜め、水分と油分を除去した圧縮
空気を高圧チャンバに供給する。この時の圧力比
図 1 集束衝撃波による超音波検査 
干渉計 
超音波 
集束衝撃波 
衝撃波管 
パラボラ型反射機構 
(a) 311 μs 
Wave 
Shock wave 
Specime
(b) 313 μs 
Wave 
図 2 可視化された応力波（垂直入射） 
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は大気圧との比で 5.0 になるように調節する。ソ
レノイド弁を開放することで圧縮空気が衝撃波
管（出口直径 13mm）に流入し、衝撃波が発生す
る。衝撃波を当てる固体試料として透明なポリカ
ーボネートのブロックを使用する（寸法：10×10
×200mm）。衝撃波管出口と固体試料との距離は
2mm とする。固体中の波動の可視化にはシュリ
ーレン法を用いる。図 2 に衝撃波を垂直入射させ
たときの可視化画像を示す。衝撃波の固体試料に
対する入射角に対する固体中の屈折角を調査し
その関係を検討する。入射角は0°～30°まで2°
刻みとする。衝撃波の入射角を変えたときの固体
内の波動の屈折角と伝播速度を調査する。それら
の検討により、空気中を伝播する衝撃波によって
固体内部を超音波計測できる可能性を検討する。 
 
 
 
4.研究成果 
図 2～6 に衝撃波による固体内の波動をシュリー
レン法によって可視化した画像を示す（特徴的な
画像のみ）。固体ブロックの先端角を変えること
で衝撃波の入射角を 0°から 30°まで変えてい
る。各図の（a）および（b）は衝撃波発射後の時
間を示しており、(b)は 2μs 後の画像である。た
だし、図 6 に限って発生した波動速度が遅かった
ため、（b）は（a）の 4μs 後としている。図 2 は
入射角 0°（垂直入射）の結果である。画像から
測定した固体内での波動伝播速度は 2210 m/s で
あった。5MHz の超音波探触子によってパルスエ
コー法によって測定した縦波音速は 2268 m/s で
あったことから、この波動は縦波であると考えら
れる。図 3 は入射角 6°の可視化画像である。固
体内の波動伝播速度は 2285 m/s であり、これも
縦波であると考えられる。画像から測定した縦波
の屈折角は 29°であった。このときに同時に横波
が見られてもおかしくはないのだが、それは観測
できなかった。この材料を用いた横波超音波探触
子によるパルスエコー計測でも横波は非常に強
度が弱く、この材料は横波に対する高減衰材料で
あると考えられる。図 4 に入射角 14°の可視化画
像を示す。この入射角は、後述する縦波の第一臨
界角直前の角度である。縦波の波動伝播速度は
2674 m/s、屈折角は 55.7°である。画像から分か
るように可視化した波動は強度が弱くの濃淡が
ぼやけているので、画像から測定した値には誤差
が伴う。図 5 は第一臨界角付近である入射角 15°
のものであり、固体内には波動は観測できなかっ
た。入射角がそれ以上になるとまた固体内に伝播
する波動が観測できた。図 6 に入射角 30°の可視
化画像を示す。画像から測定した固体内の波動伝
播速度は 901.5 m/s であり、これまでに検討して
きた縦波（速度：2268 m/s）よりもかなり遅い波
動が見られた。この速度は横波音速の理論値であ
る 1061 m/s よりもさらに遅く、表面波速度の理
論値である 993 m/s に近い。なお、この遅い波動
の屈折角は 61°であった。 
(a) 311 μs 
Surface of 
 specimen 
Wave 
(b) 313 μs 
Wave 
Refraction 
angle: 29° 
図 3 衝撃波入射角度 6°のときの応力波 
(b) 316 μs 
(a) 316 μs 
Slow wave 
(b) 320 μs 
Slow wave 
Refraction angle: 55.7° 
Refraction 
angle: 61° 
図 4 衝撃波入射角度 14°のときの応力波 
図 5 衝撃波入射角度 15°のときの応力波 
図 6 衝撃波入射角度 30°のときの応力波 
(a) 311 μs 
Wave 
(b) 313 μs 
Wave 
Refraction 
angle: 55.7° 
(a) 314 μs 
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図 7 に衝撃波の入射角θと固体内を伝播する波動
の屈折角φの関係を示す。媒質 1 から 2 への波動
伝播における入射角θ、屈折角φとすると、それ
らの関係は図 8 に示すようにスネルの法則（屈折
率𝑛𝑛 = 𝑣𝑣1
𝑣𝑣2
= 𝜆𝜆1
𝜆𝜆2
= sin𝜃𝜃
sin𝜙𝜙
）に従う（添字の 1 は媒質 1、
2 は媒質 2 を示す）。入射角 0～14°の領域では縦
波が支配的であり、屈折率 n1=0.2668 であった。
入射角 16～30°の領域では横波が支配的となり、
屈折率 n2=0.5521 であった。入射角 0°～15°まで
は衝撃波は固体に当たると縦波として伝播して
いると考えられる。ここで、屈折角φが 90°にな
るとき、入射した波動は固体内に存在できなくな
り、固体表面で 100%反射することになる。この
ときの入射角度を第一臨界角という。今回の場
合、入射角 15°近傍で第一臨界角となり、縦波の
屈折角が 90°となって固体内に存在できなくな
る。このように、図 2～5 で起きた現象はすべて
説明できる。問題は、入射角が臨界角を超えた角
度の領域で遅い波動が見られる現象である。この
現象を説明するために、図 8 に超音波を水から固
体に対して伝播させたときの入射角θと屈折角
φの関係を示す。まず、空気中を伝播して固体に
入射する超音波は縦波である。入射角が第一臨界
角より小さい領域では縦波と横波が見られる。こ
の横波は、縦波である入射超音波が斜めに入射す
ることでモード変換によって生じたものである。
スネルの法則により入射角の sin と屈折角の sin
は比例関係にあるため、グラフ上では直線とな
る。入射角が第一臨界角に等しくなると、固体内
の波動は縦波も横波も固体内部に存在できなく
なって消滅することが知られている。図 8 では線
形グラフの途中において「○」で表現した。入射
角が第一臨界角を超えた領域では横波が支配的
であり、入射角が第二臨界角の時に屈折角が 90°
となってそれ以上の入射角では横波も固体内に
存在できなくなる。図 7 と図 8 を比較したとき、
入射角が第一臨界角未満の領域では横波が見ら
れなかったにもかかわらず、第一臨界角を超えた
領域では「遅い波動」が観測されている。仮にこ
の遅い波動が横波であるなら、入射角が第一臨界
角未満の領域においても横波が観測されるはず
である。しかし今回そうではなかったので、この
遅い波動は横波以外の別の波動であると推察で
きる。 
 
図 9 に平面波状の衝撃波が比較的小さな物体（固
体）に衝突するときのモデルを示す。衝撃波は赤
い線において物体に力を及ぼす。だが赤い破線の
上では、臨界角未満の角度では物体の中を縦波が
透過する。臨界角以上の角度では物体内部に縦波
Refraction angle: 55.7° 
Refraction 
angle: 61° 
Incident angle（sin𝜃𝜃） 
R
ef
ra
ct
io
n 
an
gl
e（
sin
𝜙𝜙
）
 
First critical angle 
Incident angle（sin𝜃𝜃） 
R
ef
ra
ct
io
n 
an
gl
e（
sin
𝜙𝜙
）
 
First critical angle 
1 Longitudinal 
wave 
Shear wave 
図 7 入射角と屈折角の関係 
図 8 空気から水に伝播する波の入射角と屈折角 
稜線 
衝撃波の平面波 
表面波の 
起振力成分 
力 
図 9 表面波の発生メカニズム 
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が存在できなくなってエネルギーの行き場がな
くなる。そこで臨界角以上では衝撃波は赤丸で示
した稜線の上で緑の矢印の方向に縦波成分の力
を及ぼす。するとその点を起点として表面波が発
生すると考えられる。今回、第一臨界角以上の入
射角度で発生した遅い波動とはこのようなメカ
ニズムで発生した表面波でないかと予想できる。
今回の研究期間ではその証明はできなかったが、
衝撃波の平面波よりも比較的大きな面積を有す
る物体を配置すれば上記の物体と衝突する際の
稜線がなくなるので表面波は発生し得ない。した
がって今回見られたような遅い波動は消えてな
くなることが予想される。 
また今回、収束衝撃波を発生させる装置には未着
手であったが、2025 年度から研究室間の体制が整
うため、着手できる見通しである。今後、衝撃波
によって発生した超音波を非接触で測定する試
みと合わせて収束衝撃波顕微鏡の研究開発を加
速してゆく予定である。 
 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① 神山遥介、松谷 巌、榊原洋子、遠藤正樹、衝
撃波の衝突によって傾斜ブロック内に発生
する応力波に関する研究, 数理科学会論文
集、Vol.24(1), No. 24-0201 
 
〔学会発表〕（計 5 件） 
① 神山遥介、榊原洋子、遠藤正樹、松谷 巌、衝
撃波の衝突によって固体内に発生する応力
波の伝播角度、数理科学会 第 42 回数理科学
講演会 
② 松谷 巌、神山遥介、榊原洋子、遠藤正樹、衝
撃波が固体に入射した時の波動伝播特性、第
31 回超音波による非破壊評価シンポジウム 
③ 山田日向子、中城慶大、神山遥介、榊原洋子、
遠藤正樹、松谷 巌、衝撃波の空気から固体へ
の伝播に関する研究、機械学会関東学生会第
63 回学生員卒業研究発表講演会 
④ 中城慶大、山田日向子、神山遥介、榊原洋子、
遠藤正樹、松谷 巌、衝撃波を一種の超音波と
して再定義する試み、日本機械学会関東支部
第 30 期総会・講演会 
⑤ 松谷 巌、神山陽介、榊原洋子、遠藤正樹、衝
撃波を利用した空気から固体への超音波の
伝搬、日本機械学会 2024 年度年次大会 
 
〔図書〕（計 0 件） 
 


集束衝撃波による超音波発生機構の開発とそれに基づく非接触・非破壊検査の創生

勝本, 雄一朗

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総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q24P-03 
課題名（和文） 曲線を引くためのテープディスペンサのプロモーション用サンプルの制作 
課題名（英文） Developing a promotional prototype of a tape dispenser designed for drawing curves 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部、情報システムデザイン学系、教授 
氏名 勝本 雄一朗 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
研究者は 2022 年に、マスキングテープを用いて文字や図画を書くための装置「Kapeta（カペタ）」を試作した。
一般的なマスキングテープは柔軟性に欠けるため、曲線を引く際には皺や捩れが避けられない Kapeta はテー
プを短く断裁・重ね貼りすることで、近似的に曲線を引くことを可能にした。一方、当時のプロトタイプは操
作性や信頼性、複製の難しさなどの課題があった。これらを解決するため、総合研究所の助成を受け、N and R 
Foldings Japan 社との協業を行い、プロトタイプの改良と量産に成功した。 
 
研究成果の概要（英文） 
In 2022, the researcher developed Kapeta, a prototype device that writes letters on walls using masking 
tape without wrinkles or twists. It draws curves by cutting and layering short tape pieces, allowing 
complex shapes. The initial version faced issues in usability, reliability, and replication. With support from 
TDU CRC and N and R Foldings, the design was improved for 3D printing, and a standalone version was 
successfully mass-produced. 
 
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1.研究開始当初の背景 
研究代表者が開発した「Kapeta（カペタ）」は、
マスキングテープを用いて文字や図形を描くことを
目的とした装置である。近年、マスキングテープは
塗装作業における養生用途にとどまらず、日用品の
装飾やパーティ装飾など、日常的なデザイン素材と
して広く利用されている。しかしながら、紙素材を
主原料とするマスキングテープは柔軟性に乏しく、
文字や図画など曲線の多用されるイメージを描こう
とした際に、皺や捩れが生じやすい。 
この課題に対し、テープを短く断裁し、重ね貼り
することで曲線を近似的に再現する手法を考案し、
それを実現する装置の PoC（Proof of Concept）を
2021 年から 2022 年にかけて試作した。また 2022
年には国内での特許出願を行っている。 
 
2.研究の目的 
PoC を基盤として東京電機大学 研究支援推進セ
ンター（CRC）と連携し、実用化に向けた検討を進
める中で、第三者に貸与可能なプロモーション用サ
ンプルの必要性が明らかとなった。これに伴い、以
下の 3 点の課題解決が求められた。 
(1)使いやすさの向上 
PoC では操作に一定の習熟が必要であり、マスキ
ングテープや電池の交換も開発者の支援がなければ
困難であった。加えて、筐体形状やボタン配置はユ
ーザーにとって扱いやすいものとは言い難かった。 
(2)スタンドアロン化の実現 
PoC はホストコンピュータからの遠隔制御に依存
しており、単独での動作が不可能であった。 
(3)複製の容易化 
PoC の制作には 2 種類の 3D プリンタとレーザー
カッターが必要であり、複製が複雑であった。 
 
3.研究の方法 
これらの課題に対して、N and R Foldings Japan
と連携し、循環的なプロトタイピング手法により改
良を図った。機構および電装の再設計は研究代表者
が、複製性を考慮した筐体設計は N and R Foldings 
Japan が担当し、両者が成果物を相互に検証しなが
ら改善を進めた。 
 
4.研究成果 
本研究が改善したプロトタイプを図 1 に示す。 
図 1 本研究が改良したプロトタイプ 
 
前述の 3 課題に対しては、次の述べるとおりそれ
ぞれ改善を行った。 
(1)使いやすさの向上 
筐体デザインを一新し、内部に機構および電装を
全て組み込むことで、握りやすさを重視した形状へ
と変更された。これに伴い、テープの切断・貼付部
の視認性が向上し、ユーザーの操作習熟が容易とな
った。またマスキングテープおよび電池の交換に際
し、筐体の分解が不要となった。電源は LiPo 充電池
から入手性の高い乾電池へと変更し、安全性も向上
した。筐体の剛性向上により、機構の動作もより安
定化した。 
(2)スタンドアロン化の実現 
プログラムを再設計し、内蔵マイコンのみで全動
作を制御可能とした。動作モードの切り替えも筐体
に設けたスイッチにより容易に行えるようにした。 
(3)複製の容易化 
FDM方式の3Dプリンタのみで制作可能な設計と
した。また各部品の形状はサポート材を極力使用せ
ずに造形できるよう最適化されており、組立工程も
省力化された。 
 


曲線を引くためのテープディスペンサのプロモーション用サンプルの制作

佐藤, 凌

向山, 義治

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q24D-06 
課題名（和文） ステンレスの腐食電位の自発的振動現象 
課題名（英文） Corrosion Potential Oscillation of Stainless Electrodes 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科、数理学専攻 
氏名 佐藤 凌 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科、数理学専攻、教授 
氏名 向山 義治 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
腐食電位の振動は HN-NDR型の振動であった。 
リン酸を含む過酸化水素系の混合溶液中では、鉄の酸化反応と過酸化水素の還元反応の速度がつりあうことで
腐食振動が発現する。 
私たちは、鉄―リン酸―過酸化水素系の腐食電位振動のメカニズムを解明した。 
 
 
研究成果の概要（英文） 
The corrosion potential oscillation was an HN-NDR oscillator. 
Corrosion potential oscillation occurs in H3PO4 + H2O2 solutions because the rates of iron oxidation 
reaction and reduction of hydrogen peroxide are balanced. 
We elucidated the mechanism of corrosion potential oscillation in H3PO4 + H2O2 solutions. 
 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
1．研究開始当初の背景 
鉄－濃硝酸系の振動は、20 世紀初頭にオストワル
ドが発見して以来、鉄表面に形成される不働態被膜
に関心がもたれ詳しい研究がなされている。また、
鉄－リン酸－過酸化水素系、ステンレス鋼－濃硫酸
系においても、腐食電位振動の発現が報告されてい
る。それらの挙動や表面状態について積極的に研究
が行われているが、振動の発現メカニズムについて
は未だ解明されていない。 
 腐食電位振動は金属の活性溶解を伴うため、振動
の発現メカニズムを解明し、この活性溶解を抑制 
することが課題である。 
2.研究の目的 
本研究では、腐食電位振動の発現メカニズムを、
腐食電位振動発現に必要な因子である鉄の不働態化
による負性微分抵抗と局部電池機構を用いて解明す
ることを目的とする。 
3.研究の方法 
鉄－リン酸－過酸化水素系および、ステンレス鋼
－濃硫酸系の電気化学的な挙動を明らかにする。サ
イクリックボルタンメトリーおよび電気化学インピ
ーダンス測定を行う。 
 最初に、サイクリックボルタンメトリーおよび電
気化学インピーダンス測定により各系での腐食電位
振動が発現する電位領域を調べ、各電位での起きて
いる反応を考察する。また、どの電位において腐食
電位振動発現の因子である負性微分抵抗（Negative 
Differential Resistance, NDR）が現れるのかも同時
に調べる。 
さらに、高速度カメラや光学顕微鏡を用いて振動中
の表面を観察し、腐食が進行する様子を観察する。
特に不働態被膜が表面に広がる様子を観察してお
く。これは、腐食電位の振動中、不働態被膜の生成
と破壊が繰り返されていると現状考えており、生成
と破壊がどの電位で起きているのかを明らかにする
ためである。この不働態被膜の膜厚の変化が起きて
いるかどうかを、ラマン分光法および、in-situ XAFS
測定を行い、立証する。 
4.研究成果 
 鉄を 0.5 Mの濃度のリン酸と 0.5～2.5Mの過酸化
水素の混合溶液に浸すと、その腐食電位が自発的に
振動する。3 電極法を用いた電気化学測定では、(1)
腐食電位振動が HN-NDR 型の振動である。(2)鉄の
酸化による陽極部分電流は N-NDR特性を示す。(3)
過酸化水素系の還元による陰極部分電流は N-NDR
隠蔽因子であることが確認された。腐食電位振動は、
N-NDR 特性と局部電池機構によって引き起こされ
る。   
これらより、鉄ーリン酸ー過酸化水素系の腐食電
位振動の発現メカニズムを提案した。一般に、金属
は高電位で不動態化され (すなわち、陽極溶解は
N-NDRを持つ)、局部電池機構によって腐食する。 
鉄ーリン酸ー過酸化水素系の腐食電位振動は、鉄の
酸化反応と過酸化水素の還元反応の速度がつりあう
ことで発現し、腐食電位振動中には、鉄表面の被膜
の膜厚が変化している。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 4 件） 
① Ryo Sato, Terumasa Kuge, Shuji Nakanishi, 
Yoshiharu Mukouyama, Corrosion Potential 
Oscillation due to Negative Differential 
Resistance The 75th Annual Meeting of the 
ISE, Canada, S16-P-016 (2024.8.20). 
② Ryo Sato, Terumasa Kuge, Shuji Nakanishi, 
Yoshiharu Mukouyama, Corrosion Potential 
Oscillation of Iron in H3PO4 + H2O2 Solutions 
    2024秋季大会 PRiME2024, Hawaii, C01-1568 
③ 佐藤凌，久下晃雅，中西周次，向山義治, 
過酸化水素を含むリン酸溶液中における鉄の腐
食電位振動の発生機構, 表面技術協会 第 151
回講演大会(2025.3.12), p-38 
④ 佐藤凌，久下晃雅，向山義治, 
酸化性溶液中における腐食電位の自発的振動現
象 , 電気化学会第 92 回大会 (2025,3,18), 
G1_1_01(学生講演) 
 


ステンレスの腐食電位の自発的振動現象

戸塚, 圭亮

五十嵐, 洋

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
課題番号 Q24DS-01   
課題名（和文） 重回帰モデルベースのテクスチャ合成システムの開発 
課題名（英文） Development of a Multiple Linear Regression–Based Texture Synthesis System 
研究代表者 
所属: 総合研究所 
 
氏名: 戸塚 圭亮 
共同研究者 
所属: 工学部 電子システム工学科 
 
氏名: 五十嵐 洋 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究課題は、重回帰モデルを２層用いることでテクスチャモデルを統合し、様々なテクスチャを作り出し、
さらに粗さや硬さを調整できるようにすることを目的とした。成果として、システムが完成し、スペクトルの
予測精度を調査したところ参照データでは高い類似度獲得し、検証データに関してはそれほどまで高くない類
似度にとどまった。この内容については２件の国内会議で発表し１件の論文誌に投稿中である。また、追加と
して行った振動の変換については２件の国際会議と１件の国内会議で発表した。 
 
研究成果の概要（英文） 
This project set out to integrate texture models by applying a two-layer multiple-linear-regression 
framework, allowing the system to synthesize a wide variety of textures while letting users adjust 
perceived roughness and hardness. The system was fully implemented, and its spectral-prediction 
accuracy was evaluated: high similarity was achieved on the reference data, whereas the similarity on the 
validation data remained moderate. The core results have been reported at two domestic conferences, and 
a corresponding journal article is currently under review. In a supplementary line of work on vibration 
transformation, findings were presented at two international conferences and one domestic conference. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 44 号 (2024 年度に終了した研究課題)   No.44 Tokyo Denki University                   
 
1.研究開始当初の背景 
テクスチャモデルは表面をペンなどのツールでな
ぞった振動を再現するための技術である。従来の手
法では１つテクスチャを作るためには毎回の記録の
工程とモデルを必要とした。しかし、それでは膨大
なデータ数を必要とすることに加えて、微妙な粗さ
や硬さの変更ができない問題点がある。 
2.研究の目的 
本研究課題は２層の重回帰モデルを用いること
で、１つのモデルで複数のテクスチャを作り出し、
調整が可能なシステムを開発することを目的とし
た。  
3.研究の方法 
目的達成にはなぞる速度や力と振動特性を関連付
けるための１層目の回帰モデルと１層目の係数とテ
クスチャ特性を関連付けるための２層目の回帰モデ
ルで構成する必要がある。また、テクスチャ特性は
厳密に測定すると大掛かりなシステムになるため、
記録振動からの推定によって得る。つまり、下記の
ような段階的方法を必要とする。 
(1) 振動となぞり運動のモデル化 
(2) テクスチャ特性の推定 
(3) １層目の係数とテクスチャ特性のモデル化 
(4) 回帰モデルの適合度評価 
(5) 再現したスペクトルの類似度評価 
(6) ユーザ評価 
4.研究成果 
本年度の研究期間において終えた計画は，研究の
方法で挙げた(1)~(5)であり、目標とする作業はほと
んどすべて完遂した。15 種の参照テクスチャを使っ
てロバスト回帰を適合させたところ、１層目の回帰
モデルは平均して R2 score が 0.5 を上回る適合度を
得た。同様に２層目にも適合させたところ、１層目
で寄与が大きかった係数については基本的に高い適
合度が現れた。ただし、オーバーフィッティングの
影響がやや出ており、２層目の説明変数は削減しき
れていなかった。この点でもモデルの可読性はやや
低いという結果になった。ここまでの内容を１件の
①  国内会議で発表した。その後スペクトルの類似度評
価を行って解析した内容を含めて欧文論文誌に提出
した。 
さらに追加として、道具間で伝達振動に違いが生
じるという課題を解決するために、機械的なフィル
タとして同定して適用するアイディアを試験的にた
めした。その結果としてシミュレーションでは成功
し、実験においてはスペクトルの形状が変化してし
まうが全体の振幅の差は予測できた。ただし、主観
的に評価されるとスペクトル形状の方が知覚的に重
要であることが判明し、このアイディアは未だ成功
には至っていない。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計  4 件） 
① 戸塚圭亮：”振動特性と物理的特性を統合した
触覚テクスチャ生成モデル”，日本バーチャルリ
アリティ学会’2024，愛知県【査読なし】． 
② 戸塚圭亮：” 環境適応型振動提示の主観評価 ― 
ツール質量差が触覚体験に及ぼす影響”，IIP，
2025，山口【査読なし】． 
③ Keisuke Tozuka: “Toward Realism of Haptic 
Texture: Environment-Adaptive Vibrotactile 
Transformation”, IEEE IECON2024, USA, 
2024【査読あり】. 
④ Keisuke Tozuka: “Estimation of Propagated 
Acceleration for Unmeasured Tools Using 
Environment-Adaptive Vibrotactile 
Transformation”, IEEJ SAMCON, Shimane, 
2025【査読あり】. 
 
 


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