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

山田, あすか

荻原, 雅史

オギハラ, マサシ

村川, 真紀

ムラカワ, マキ

出口, 寛子

デグチ, ヒロコ

岩波, 宏佳

イワナミ, ヒロカ

鈴木, ひかり

スズキ, ヒカリ

藤原, 卓巳

フジハラ, タクミ

岡田, 一希

オカダ, カズキ

押尾, 萌加

オシオ, モエカ

芝山, 竣也

シバヤマ, シュンヤ

太田, ひとみ

オオタ, ヒトミ

加藤, 瑞基

カトウ, ミズキ

清水, 力

シミズ, リキ

森野, 耕司

モリノ, コウジ

A study of places of “food, clothing, and shelter” where people can "just be" and community building sites

新津, 靖

五味, 健二

ゴミ, ケンジ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q19T-02 
課題名（和文） レーザー複屈折位相差顕微鏡の開発と応用 
課題名（英文） Development and application of laser birefringence phase contrast microscope 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
システムデザイン工学部 情報システム工学科，教授 
氏名 新津 靖 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 機械工学科，教授 
氏名 五味 健二 
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） 
本文 
レーザー光弾性法の複屈折計測手法を１点計測から２次元分布計測に拡張することを試みるため，高速度
カメラを用いた全視野型位相差計測装置を試作した．複屈折の大きさと方向を同時にとらえるため，電気的に
位相差を制御する光学素子「光弾性変調器」を用い，その変調周波数の 10 倍程度のフレームレートで輝度分
布を高速度カメラで撮影した．時空間フーリエ変換を使って，各ピクセル位置の光量の周波数成分を求め，平
均光量と１次と２次の振幅値からそのピクセル位置の光学的位相差（大きさと方向）を求めることに成功し
た． 
 
研究成果の概要（英文） 
本文 
In order to try to extend the birefringence measurement method of the laser photoelastic method from 
one-point measurement to two-dimensional distribution measurement, we prototyped a full-field phase 
difference measurement device using a high-speed camera. In order to capture the magnitude and 
direction of birefringence at the same time, we used an optical element "photoelastic modulator" that 
electrically controls the phase difference, and measured the brightness distribution with a high-speed 
camera at a frame rate of about 10 times of the modulation frequency. Using the spatiotemporal Fourier 
transform, we obtained the frequency component of the amount of light at each pixel position, and 
succeeded in finding the optical phase difference (magnitude and direction) of that pixel position from the 
average amount of light and the first and second amplitude values. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
複屈折測定分野の研究動向は，ここ 20 年で大
きく進歩したとは言い難い．偏光顕微鏡は依然と
して定量的評価はできず，かつ試料を回転させる
方法が一般的である．レーザー光弾性法やその他
の複屈折計測技術についても，リアルタイムで高
分解能の複屈折位相差の分布を計測できるもの
はない． 
 複屈折計測で最も進んでいるのは，米国ハイン
ツインスツルメント社と考えられる．計測分解能
は 0.001 nm/±0.008 nm(繰返し再現性)を可能と
しているが，フォトディテクターとロックインア
ンプを使う方法のため計測速度は遅く，レーザー
のスポット径は 1～3 mm もある．数千から数万
点の分布計測では測定時間は数分間にもなり，高
空間分解能の計測も困難である．計測分解能を 1
～2 nm 程度にしても，高速にかつ高空間分解能
で測定ができることの意味は大きい． 
2.研究の目的 
材料内を透過あるいは反射する光を観測して
その材料の状態を可視化する技術，すなわち顕微
鏡は昔から，科学技術の発展に貢献する技術とし
て発展してきた．光の性質上，観測できる空間分
解能はその波長により制約される．最近では近接
場光を利用 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
して，波長以下の分解能で観測できる近接場光顕
微鏡も一般的になってきている．一方，光の横波
としての機能を応用した顕微鏡として偏光顕微
鏡がある．偏光顕微鏡は物質を透過した光の位相
差を可視化する顕微鏡で，物質の屈折率の異方性
を見るものである．しかし，屈折率の異方性を定
量的に評価することは困難である上，位相差がナ
ノメートル以下の小さな異方性を計測すること
は簡単ではない．申請者らはこれまでレーザー光
弾性法を開発し，１ナノメートル以下の分解能で
計測できることを示したが，光学系の調整や，温
度管理，雑音除去など十分な注意を払って実現す
るものであった．また，２次元的に分布する位相
差分布を十分な精度で計測する技術はできてい
ない．ゼーマン安定化レーザーを使った方法で
0.01 nm の位相差を測る技術が開発されたが，こ
の方法も分布計測に応用できないという問題が
ある．本研究では，レーザー光弾性法の複屈折計
測手法を１点計測から高速度カメラを用いて２
次元分布計測に拡張することを試みる． 
3.研究の方法 
レーザー光弾性法では電気的に位相差を制御
する光学素子「光弾性変調器」を用いる．この変
調周波数は最低でも 20 kHz であるため，２次高
調波まで 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
He-Ne laser
Polarizer (90°)
PEM (45°)
Quarter wave plate (0°)
Specimen (θ °)
Analyzer (-45°)
Quarter wave plate (0°)
High-speed camera
(a) Schematic of the  equipment
(b) Photograph of the equipment
Fig.1  Schematic of the experimental equipment and
           photograph
Passing axis
Fast axis
0
10
20
30
40
50
60
70
78 83 88 93 98
Re
su
lta
nt
 bi
re
fr
in
ge
nc
e,
 nm
Relative angle θc/2 between the fast axes of the 
two quarter-wave plates, deg
 Calculation
 Experimental
Fig.2  The relation between the relative angle θC/2 
           of the fast axes of the two quarter-wave
           plates and the resultant birefringence
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分析するには毎秒 160 kHz 以上のサンプリング
が可能な高速度カメラで画像を捉える必要があ
る．測定原理としては，時空間フーリエ変換を使
って，各ピクセル位置の光量の周波数成分を求
め，平均光量と１次と２次の振幅値からそのピク
セル位置の光学的位相差（大きさと方向）を求め
る．欠点は，高い計測分解能を得ることが困難な
ことである．画像の各ピクセルの光量デジタル値
は 12ビットが限界でかつ電気的雑音も 1～2ビッ
ト含んでいることが主な原因である．本研究では
2 nm 以上の測定分解能の実現を目指した．2 nm
の測定分解能は市販の偏光顕微鏡の性能を超え
る値である．それも定量的に分布を求めることが
できる．実験装置を Fig.1 に示す． 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.研究成果 
Fig.2 は，2 枚重ねた 1/4 波長板のそれぞれの進
相軸がなす角度（横軸）とそのときの合成複屈折
の関係を表す．透過光の結像点 1 ピクセルの複屈
折を縦軸としている．以後この 2 枚重ねの波長板
をタンデム波長板と呼称する．実線が理論計算
値，プロット群が実験結果に対応する．合成複屈
折が 30 nm 以上では数 nm の誤差が散見される
ものの，30 nm 未満では理論値と実験値とのよい
一致が見られる． 
1 ピクセルでの測定に成功したため，先のタン
デム波長板の透過光の結像点における 8×8 ピク
セルの複屈折分布を求めた．Fig.3 に試料の複屈
折の測定範囲(a)と測定された複屈折γの分布図(b)
を示す． 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
34
35
36
37
38
39
          
35-36 36-37 37-38 38-39
Fig.3  The measured range of birefringence in the specimen (a) 
         and the distribution of the measured birefringence γ (b)
Tandem quarter-wave plates
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60
Measured area
10
m
m 6
0 
µm
Bi
re
fri
ng
en
ce
 γ,
 n
m
(a) The measured range of birefringence in the specimen
(b) The distribution of the measured birefringence γ
Spatial resolution is 7.5 µm pich
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Fig.3(b)では、分布図の縦軸は複屈折量を示し，他
の軸は測定位置を示している．分布図の手前から
奥に向かって，複屈折の分布が滑らかに変化して
いる．波長板は，研磨によって方解石の厚みを調
整することで，所望の複屈折量を得ている．した
がって，公称では面内で一定値とされている波長
板の複屈折分布は，実際には単調に増減する滑ら
かなそれとなる．そして実験結果も同様の傾向を
示している．以上の結果により研究の目的は達せ
られたと考えられる． 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 4 件） 
① Kenji Gomi, Yasushi Niitsu, Prototyping of 
high-speed full-field birefringence 
measurement equipment，SPIE, 2019 年 10
月 16 日, Phuket, Thailand, 2 名による査読. 
② 田沼渓太，五味健二，新津靖，高速度カメラ
を用いた複屈折分布測定，日本機械学会，
2020 年 9 月 14 日，名古屋大学大学． 
 


Development and application of laser birefringence phase contrast microscope

岩瀬, 将美

釜道, 紀浩

カマミチ, ノリヒロ

井上, 淳

イノウエ, ジュン

藤川, 太郎

フジカワ, タロウ

遠藤, 信綱

エンドウ, ノブツナ

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課題番号 Q19S-01 
課題名（和文） 
健常者と同等の移動能力を有する電動車いすの実現 
―CYBATHLON: Powered Wheelchair Race を目指して 
課題名（英文） 
Development of Electrical Wheelchair with Harmony in Welfare for Human-Life and 
Performance toward CHYBATHLON 
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 教授 
氏名 岩瀬 将美 
共同研究者 
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 教授 
氏名 釜道 紀浩 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 機械工学科 准教授 
氏名 井上 淳 
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 准教授 
氏名 藤川 太郎 
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 准教授 
氏名 遠藤 信綱 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究は，社会的背景を動機として，メカトロニクス技術を結集し，CYBATHLON 競技の一つである Powered 
Wheelchair Race を目指した電動車いすの実現を開発課題に据え，ユーザーが健常者と同等の移動能力を有
する電動車いすの研究開発を目的とする．肢体不自由者の活動範囲を拡大するべく，CYBATHLON 競技内で
与えられるスラローム，階段昇降，不整地走行，斜面走行などに対応できる移動機構と，搭乗者の身体能力に
なるべく依存せずに操縦可能なロボットチェア機構について考究し，反映した実機を開発するに至った． 
 
研究成果の概要（英文） 
Motivated by the social background, this study aims to develop an electric wheelchair with the same 
mobility capability as an able-bodied person by concentrating on mechatronics technology and aiming to 
realize an electric wheelchair for the Powered Wheelchair Race, one of the CYBATHLON competitions. In 
order to expand the range of activities of the physically challenged, we have studied a mobility mechanism 
that can handle the slalom, stair climbing, uneven terrain, and slope running given in the competition, 
and a robot chair mechanism controlled without depending on the physical abilities of the passenger. 
 
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1.研究開始当初の背景 
日本では超高齢化社会を迎え 2025 年には高齢
者率が 30％を超えると予測され，高齢者や障碍者
のためのバリアフリー対策が進められている．弱
者に対する社会の障害を現実的に取り除くテク
ノロジーの進歩は，結果的に，怪我人や妊婦，大
荷物を持つ人など一般人にとっても有益であり，
バリアフリーを追求することは，障害の有無や年
齢を問わず，皆にとって優しく安心・安全な社会
形成につながる．近年，IT や AI 技術を駆使した
Google 翻訳によって言語間バリアがかなり薄れ
たように，弱者の気持ちを慮っていたわる，とい
うよりも技術を駆使して高齢者や障碍者に対す
る社会の障害を現実的に取り除き，社会参画を可
能とする広義の意味でのバリアフリー化への重
要性が強く認識されてきている． 
ロボットに代表されるメカトロニクス技術は，
日本が世界に向けて発信した技術である．近年で
は，Cyber-Physical という coin word が意味する
ように，現実世界の問題を情報化空間とリンクさ
せ，ビッグデータ・AI といった知識・知能を利用
しながら問題解決は試み，有益な結果を現実世界
に戻して反映させる手法に注目が集まっている．
旧来の意味における機械―電気電子の融合体と
してのメカトロニクスから発展させ，現実世界と
情報空間をリンクさせる有望な媒体の意味を兼
ね備えることが嘱望されている．Google や
Amazon など AGFA は，自動運転やドローンなど
Cyber から Physical な世界へリンクを伸ばし，テ
クノロジーの幅を驚異的なスピードで膨らませ
ている． 
これらの社会的背景や要請から，広義の意味に
おけるバリアフリー化に資するロボット・メカト
ロニクス技術を，障碍者や高齢者といった弱者に
対する社会的な障害を取り除くことのできる実
用性のあるテクノロジーへと昇華させることが
できるのか，が問われていると考える．同じ問い
を発 
端として，ETH の NCCR Robotics 教授 Rober 
Riner 博士は，エンジニアが，障碍を持つ人，医
療関係者，一般の人々と対話を続けながら，障碍
者の社会参加をより可能にし，日常生活の動作の
質にこだわる技術を求める CYBATHLON の開催
を提案した．本研究も「進化するロボット・メカ
トロニクス技術を結集・再統合することによっ
て，弱者が社会参加を果たそうとするときに現れ
る障害を現実的に取り除く技術へと昇華できる
か」という問いが背景にあった． 
2.研究の目的 
本研究は，急速に進化するロボット・メカトロニ
クステクノロジーに AI・機械学習といった制御・
情報系技術を融合させた Information-Robot-
Technology (IRT)によって，障碍者や高齢者と
いった弱者の社会参画に対する障害を現実的に
取り除くというより一般的な意味でのバリアフ
リー化を目指す．この目的達成のために，ロボッ
ト・メカトロニクス学科の研究代表者と共同研究
者がこれまでに培ってきた研究力・技術力を結集
し，CYBATHLON 競技の一つである Powered 
Wheelchair Race を具体的な開発課題に据え，障
碍者（ユーザー）が健常者と同等の移動能力を有
する電動車いすを研究開発する． 
 CYBATHLON 競技の一つである Powered 
Wheelchair Race(PWR)を具体的な開発課題に据
え，障碍者・高齢者（ユーザー）が健常者と同等
の移動能力を有する電動車いすを研究開発する．
PWR は図 1 のように 6 つのステージがあり，①
デスクに着いて椅子として利用可能であること，
②テーブル間をスラローム走行できること，③傾
斜地を流れずに直進できること，④丸太材などの
悪路を走行できること，⑤スロープを登り，扉を
開け，閉め，スロープを下れること，⑥階段昇降
できること，が求められる． 
 このような用途に関する先行研究としては，階
段や不整地の走行ができる電動車椅子 Caterwil 
や B-FREE HK という機体がある．これらの機体
は駆動機構にタイヤとホイールが使われており，
平地ではタイヤ，階段や凸凹不整地などではクロ
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ーラで走行する．しかし，クローラ機構は移動速
度の面で車輪より劣り，かつ路面を傷つけてしま
うことから室内利用に不向きである．このような
視点から移動機構はタイヤを活用することが好
ましい． 
 階段や不整地が走行でき，クローラではなくタ
イヤのみを利用している電動車椅子として，中嶋
ら が 開 発 し た RT-Mover や Independence 
Technology 社の iBOT4000 がある．RT-Mover 
は 4 本の脚の先にタイヤが取り付けられている．
平地などでは 4 輪で走行し，段差や階段では多脚
ロボットの様に脚を順番に乗せることで昇降可
能である．しかし，1 段昇るのに 10 秒以上かか
り遅い．一方，iBOT4000 は機体の両側にホイー
ルが二輪一組となった機構とキャスターの計 6 
輪が取り付けられている．二輪一組の機構を回転
させることで倒立状態となり，この状態での走行
や段差・階段昇降が可能である．しかし，
iBOT4000 は補助者がいない状況下での階段昇降
で，搭乗者自身が手すりなどにつかまり重心移動
をしなければならない．そのため iBOT の利用者
は上半身が動かせる者に限定される． 
 これらの背景を踏まえ，本研究では，肢体不自
由者の活動範囲を拡大するために，クローラを用
いずとも階段昇降や段差を走破でき，かつ，なる
べく使用者の身体能力に依存しない電動車いす
の開発を目指した． 
3.研究の方法 
本研究の目的を達成するために，求められる機
体の仕様を検討し，機体のコンセプトを決定した
のち，それに基づいた設計開発を行った． 
 まず，製作する機体の仕様について述べる．機
体の全長，全高，全幅などの寸法は JIS 規格に準
じて設計する．JIS 規格で定められている寸法を
図 1 に示す．図 1 より，全長，全高，全幅はそれ
ぞれ 1200mm,1200mm, 700mm に収めるように
する必要がある．さらに室内利用を考慮して，移
動機構にはクローラは使わずタイヤのみを使い，
介助者が居なくても搭乗者のみで段差や階段昇
降ができるように設計する．利用者が上半身付随
の場合でも，必要に応じて椅子を操作するロボッ
トチェア機構も導入する．椅子として電動車いす
のまま机に着くことや，使用者の手の届く範囲を
広げるために健常者と同じ目線の高さにできる
座面昇降機能も必要となる．  
 
4.研究成果 
 検討した本研究で製作する機体のコンセプト
について述べる． 
 CYBATHLONに対応できる想定機体を図 2 に
示す．図 2 より，駆動部分は 3 輪のタイヤを一組
とした機構を両側に取り付け，これを回転させる
ことで段差や階段を走破する．さらに走行モード
の切り替えも可能となる．走行モードを図 3 に示
す．図 3 より，駆動部分を回転させることで 4 輪
状態から 2 輪の倒立状態に変形できる．倒立状態
での走行によって小回りや座面の高さを調整す
ること可能となる．また重心移動や座面の高さ，
傾きを調整するべく，座面を動かすロボットチェ
ア機構を座面の下に取り付ける．座面の高さを調
整できるようにすることで高さの異なる机に着
くことや，使用者が車椅子に乗った状態で手が届
く範囲を広げられる． 
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 図 1 やサイバスロンの課題などを参考に決定
した機体の想定寸法を図 4 に示す．階段は建物の
種類によりサイズが大きく変わってくるため，建
築基準法で決められているサイズを参考にした．
建築基準法で定められている階段の寸法を表 1 
に示す． 
 
表 1 より，住居における階段の寸法が最も厳しい
ため，本研究では蹴上 230 mm, 踏面 150 mm の
階段も昇降できるように設計する．これにより，
他の寸法の階段にも対応することが可能となる．
さらに段差や机は Cybathlon での課題を参考に
する．Cybathlon における最大の段差は 60 mm 
である．駆動部分の回転を使用せずに乗り越える
ことが出来るタイヤのサイズにする．また机では
高さが 670 mm なので，人の大腿部を考慮し，座
面の高さは 450 mm 以内の高さに収める．また使
用者の手が届く範囲を健常者と同等にするため
に座面を持ち上げる必要がある．日本人の平均座
高の高さが 921 mm であり，平均身長が 1707 mm 
である．そのため，座面を座高と身長の差である
336 mm 持ち上げる必要がある．さらに座面の前
後方向の移動については，段差や階段を乗り越え
る際に重心をタイヤの中心軸上に持ってくるこ
とで必要となるトルクを抑えられると考える． 
 次に，駆動部分について述べる．駆動部分の幾
何学図を図 5 に示す．図より，タイヤの半径を s, 
軸の長さを R とするとタイヤの中心間の距離が
与えられる．階段の寸法を蹴上 230 mm, 踏面 150 
mm として考えると軸間距離は R=158.5mm と
なる． さらに軸間距離とタイヤ半径の関係から
半径 s<137.2mm とする必要がある．タイヤ半径
は駆動機構の回転を利用せずにある程度の段差
を越えられないといけないので， Cybathlon で
は最大 60mm の高さのステップが存在すること
を考慮する．タイヤは通常直径の四分の一の高さ
まで乗り越えられるので，(2) と合わせタイヤの
半径の条件は 120 < s < 137.2 となる．以上の検
討と，階段にタイヤを載せた際に少しでも踏面の
スペースに余裕を持たせるべく，タイヤ半径を
120 mm とした．これらより決まった駆動部の設
計寸法を図 6 に示す． 
 
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 次に座面下のロボットチェア機構について述
べる．重心移動のために座面を前後方向へ動かす
状況がある．そのため，座面の前後への可動範囲
を図 7 に示す．座面の前後方向への移動は，図の
ようにタイヤの軸上までは最低限移動できる必
要がある．タイヤの軸間距離は，駆動部分の設計
から 275 mm となっている．また座面の高さは
Cybathlon で使用される机の高さと平均座高の
高さを参考に考える．まず，高さ 670 mm の机に
着く際の座面の高さは大腿部などを考慮すると，
およそ 450 mm であると考えられる．また平均身
長の高さまで座面を持ち上げた際の座面の高さ
はおよそ 778 mm であると考えられる．また駆動
部分の制御機器が座面移動機構の下に配置され
るので，座面と制御機器のクリアランスは
128mm 程度必要となる．平均身長の高さまで持
ち上げる際に座面の高さはおよそ 338 mm 持ち
上げる必要があるが，4 輪走行から倒立状態に変
形した際に座面の高さは，駆動部分の設計から
79.25 mm 高くなることがわかる．そのため，実
際に座面下の機構を使って持ち上げる高さは 260 
mm 程度である．これらから機構のモデルを作成
した．これを図 8 に示す．座面下を支える軸を二
つのパラレルリン 
ク機構を持たせる．これにより，座面を前後に動
かした際でも座面を平行に保つことが出来る．さ
らに図 8 の機構では座面を安定的に支えること
が出来る．またこのリンク機構において，下側の
リンク機構の回転動作を生み出すモータと，上側
のリンク機構の一つのリンク長を可変とする直
動アクチュエータを取り付け，さらに上側のリン
ク機構の回転運動を実現するモータ，合計３つの
アクチュエータによってリンク機構を操作する．
この機構により座面を前後，上下，ピッチ方向の
3 自由度が制御できる． 
 
図８ロボットチェア機構 
 これらの機構を統合し，最終的な電動車いすの
機体設計について述べる．これまでの寸法や機構
を基に設計した電動車いすの駆動部分の機構を
図 9 に示す．図より，タイヤを回転させる軸と 3
輪機構全体を回転させる軸を別軸とし，動力伝達
に遊星歯車機構を用いた．図の A のパーツはギア
ボックスとなっており，内部に遊星歯車機構を内
蔵する．この遊星歯車機構は B と C の内歯車用
モータと太陽歯車用モータの回転差を利用する
ことで，車輪と A のギアボックス全体を回転させ
る．また，C のモータは階段昇降時に接触しない
よう 45 度の角度をつけて取り付ける．座面下部
分の機構を図 10 に示す．図 10 より，D の直動
アクチュエータをそれぞれ上下に一つずつ取り
付ける．D の直動アクチュエータによってリンク
機構を制御できる．これより座面を前後に動かす
ことが可能となる．さらに E の直動アクチュエー
タを図 10 のように取り付けることで座面のチル
トも調節できる．また E の直動アクチュエータに
合わせて F のパーツが伸縮する．これらの機構を
組み合わせた電動車いすが完成した．二つの機構
を組み合わせた結果，当初の想定寸法内に収まる
ことも確認された．開発された実機を図 11 に示
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す． 
 
図 11 完成した実機 
5.主な発表論文等 
（研究代表者、共同研究者には下線） 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① K. Kaneta, M. Iwase, N. Endo, 
“Development of Powered Wheelchair 
Expanding Range of Independent Activities 
of Physically-handicapped Person”, 
ICAMechS2020, pp. 65-68 (2020) 
② A. Suyama, M Iwase, N. Endo, 
“Development of Powered Wheelchair 
Expanding Reach of User”, ICAMechS2020, 
pp. 74-77 (2020) 


Development of Electrical Wheelchair with Harmony in Welfare for Human-Life and Performance toward CHYBATHLON

久下, 晃雅

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課題番号 Q20D-06 
課題名（和文） 白金電極上のエタノール酸化反応における新しい反応経路の探索と反応機構の解明 
課題名（英文） Mechanism of Electrooxidation of Ethanol on Pt 
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 博士課程（後期） 
氏名 久下 晃雅 
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） 
 白金電極上に吸着した一酸化炭素（COad）は，水などの酸素種と反応することが広く知られている。最近，
表面増強赤外分光法および高速液体クロマトグラフを用いて，COad がメタノールまたはエタノールと反応す
ることでギ酸メチルとギ酸エチルをそれぞれ生成することを見出している。そこで，本研究では，Langmuir-
Hinshelwood メカニズムで COadの酸化反応が進行することを考慮して，反応の速度定数を推定することにし
た。その結果，速度定数は 0.1 s-1程度と推定された。 
 
研究成果の概要（英文） 
It is well accepted that adsorbed CO （COad） on Pt electrode reacts with water (or oxygenated species). 
We have recently found that COad also reacts with methanol and ethanol to form methyl formate (COad + 
CH3OH → HCOOCH3) and ethyl formate (COad + C2H5OH → HCOOC2H5), respectively, by using surface-
enhanced infrared absorption spectroscopy and high-performance liquid chromatography. In this study, 
the rate constants of the reactions were estimated by considering that the reactions proceed via Langmuir-
Hinshelwood mechanism. The rate constants were estimated to be in the order of 0.1 s-1. 
 
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1.研究開始当初の背景 
白金電極上における低級アルコール（メタノー
ルやエタノール）の酸化反応には，吸着 CO（COad）
を経るルート（式 1，2）と経ないルートがある。
これらのアルコールの酸化反応がスムーズに進
行するには，表面被毒種である COadが水などによ
って除去される必要がある（式 3）。 
CH3OH → COad + 4H
+ + 4e-             (1) 
C2H5OH → (CHx)ad + COad + (6-x)H+ + (6- x)e- 
(2) 
COad + H2O → CO2 + 2H
+ + 2e-    (3) 
最近，我々は，低級アルコールの酸化反応が
水の有無にかかわらず進行することを明らかに
した 1,2。これより，低級アルコールによる COad
の除去反応（式 4，5）が進行することを提案し
た。 
COad + CH3OH → HCOOCH3   (4) 
COad + C2H5OH → HCOOC2H5  (5) 
また，表面増強赤外分光法（SEIRAS）により，
式 4，5の反応速度には違いがあることも見出し
た。 
 
2.研究の目的 
 本研究では，SEIRASを用いて，式 4，5の速
度定数を見積もった。また，水による COadの除
去反応（式 3）の速度と比較し，低級アルコー
ルの酸化反応における水の役割について検討し
た。 
 
3.研究の方法 
三電極方式を用いて電気化学測定を行った。作
用電極および対極には Pt を，基準電極は標準水
素電極（SHE）とした。各アルコールの原液（24 
M メタノール，17 M エタノール）に支持電解質
として硫酸を 0.5 M となるように加えたものを
電解液とした。COadの被覆率（θCO）は SEIRASを
用いて調べた。ただし，COを飽和させた 0.5M硫
酸水溶液中で Pt の電位を 0.05 V に保持したと
きに得られたバンド強度をθCO＝１とした。 
 
4.研究成果 
電流―電位曲線より低級アルコールの酸化は
水が無くても進行した。高電位になるにつれて
θCOが減少することから，アルコールによる
COadの除去反応（式 4，5）が進行することが分
かった。θCOの時間変化より，0.8 Vにおける式
4，5の速度定数を見積もったところ，それぞれ
0.0042 s-1，0.0051 s-1であった。 
水による COad除去反応（式 3）の速度定数は
10-2～102 s-1とされている。この反応は電気化
学的酸化反応であり，電位が低いほど速度が減
少する。従って，水溶液中でのアルコールの酸
化反応の場合でも，低電位（0.5～0.7 V）では
アルコールよる COad除去反応が進行していると
考えられた。以上より，電位が低いほど水の重
要性が低下したと考えられた。 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 1件） 
① Y. MUKOUYAMA, K. IIDA, T. KUGE, 
Electrooxidation of Ethanol on Pt in the 
Absence of Water, Electrochemistry, 
88(3), 178–184 (2020). 
 
    


Mechanism of Electrooxidation of Ethanol on Pt

小笠原, 正豊

池田, 開

イケダ, カイ

三部, 玲子

サンブ, レイコ

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課題番号 Q19E-02 
課題名（和文） 屋外屋内境界環境に対する数値流体解析値と実測値の評価に関する研究 
課題名（英文） 
A Study on CFD Analysis Values and Measured Values for Outdoor and Indoor 
Boundary Environments 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学部 建築学科 准教授 
氏名 小笠原 正豊 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学研究科 建築学専攻 修士課程 
氏名 池田 開 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学部 建築学科 学部生 
氏名 三部 玲子 
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 
 
研究成果の概要（和文） 
当初の計画では、屋外屋内境界環境を対象に実測値と CFD 解析値の評価を行う予定であったが、コロナ禍
により実測が進まなかったため、深層学習を用いた風予測手法の評価を行うことにした。まず、屋外屋内境界
環境を対象に実測値と CFD 解析値の比較検討を行い、CFD 解析で付与する解析条件を抽出し、約 1,600 枚
の画像を作成した。さらに、CFD 解析の結果と深層学習の予測結果の比較を行う事で、深層学習を用いた風
予測手法を考案した。GAN の一種である pix2pix を学習モデルとして選定した。開口部の幅と位置の変化、
開口部の数の変化、部屋の寸法の変化に対しては、ある程度気流の動きを再現できたものの、部屋の位置の変
化に対しては再現することができなかった。 
 
研究成果の概要（英文） 
 In this study, we measured the outdoor and indoor boundary environments, extracted the conditions to 
be given in the CFD analysis, and created about 1,600 images. Furthermore, by comparing the results of 
CFD analysis with the prediction results of deep learning, we devised a wind prediction method using 
deep learning. We were able to reproduce the airflow motion to some extent for changes in the width and 
position of openings, the number of openings, and the room's dimensions, but not for changes in the 
position of the room. 
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1.研究開始当初の背景 
近年、環境問題に伴い省エネルギーに対する意
識が高まり、自然風や太陽光などパッシブなエネ
ルギーを利用が強く推奨されている。風環境に関
する予測手法としては、これまで風洞実験や CFD 
解析が用いられてきている。風洞実験による風環
境の評価方法については、精度の高い結果を得る
ことが可能であるが、時間やコスト、および高い
専門性の必要となる。一方、CFD 解析は、風洞実
験より費用や時間をかけずに簡易的な数値解析
の結果を出すことが可能であるが、CFD 解析に
習熟し、実際の風環境についても専門的な知識を
持つものによって評価が行われる必要性がある。 
BIM の急速な発展により、意匠設計者が自ら
コンピュータの3D モデリングを用いて設計初期
段階や途中段階において環境分野のシミュレー
ションを行う事が可能になりつつある中で、風洞
実験や CFD 解析に対する費用や時間、専門的知
識といった問題を解決しつつ、ある程度の精度を
保ちつつ瞬発的な解析結果の表示による設計補
助の役割を果たしていく事が重要であると考え
る。 
これらの解決手法として、近年では風洞実験や
CFD 解析の様な細かな設定を行うことなく、作
成した図面や3D モデルを入力することで予測結
果が出力される深層学習を使用した風環境予測
手法が着目されつつある。しかしながら、深層学
習を用いた風予測の研究は試行され始めた段階
であり先行研究では上位階層のアルゴリズムを
用いた予測手法しか示されていない。深層学習が
得意とする分野の一つである画像処理技術につ
いて、どの様なアルゴリズムが予測手法として適
しているかなどより深い階層における検討行う
事でより風予測に適した予測手法を探る必要が
ある。 
 
2.研究の目的 
本研究では、必ずしも高い専門性を有しない意
匠設計者によっても風環境の予測を短時間で出
すことを目標にした上で、屋外屋内境界環境を対
象に、実測値と CFD 解析値の比較検討を行う。
さらに、CFD 解析の結果と深層学習の予測結果
の比較を行う事で、深層学習を用いた風予測手法
を考案することを目的とする。 
 
3.研究の方法 
初めに、東京都足立区に所在する東京電機大学
千住東書庫棟の一室である実験管理室を対象と
して卓越風の測定と各開口部における部屋内部
への流出入に関して行う。次に、実測による気流
の把握にもとづき CFD 解析の条件の検討を行
う。 
深層学習による学習データの作成にあたり多
量の解析画像が必要となる。そこで、解析にか
かる時間を抑え込みつつもある程度の解析精度
を保つことの出来る解析条件を作成する。次
に、作成した解析条件を用いてデータセットを
作成し、予測手法に用いる為の学習モデルにつ
いての検討を行う。最後に、学習データによる
画像生成としての推論結果と CFD 解析の結果の
比較検討を行う。 
 
4.研究成果 
実測において、風速 3.1m/s( 地点 a) に対する
実測値と CFD 解析値との比較結果より、風速の
誤差は最大 0.5m/s であり概ね等しい値を取るこ
とを確認した。 
 
Fig.1 解析モデル 
Table1 比較結果（単位:m/s） 
 
データセット作成のためにある程度簡略化さ
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せた解析モデルを用いた場合でも、メッシュ数や
解析範囲等の解析条件に対し妥当であると仮定
し、これらの解析条件を用いてデータセットの作
成を行った。 
深層学習の中でも画像処理や言語処理、音声
認識など活用したい分野によって用いる技術が
異なる。本研究では画像処理に優れた性能を持
つアルゴリズムの中から、VAE(Variational 
Autoencoder)の NN(Neural Network) を用いた
予測手法と GAN の一種である pix2pix の
CNN(Convolution Neural Network)を用いた予
測手法を比較し、学習進度の検討を行い、
pix2pix を学習モデルとして選定した。 
次に、室内空間における気流予測として、開口
部の幅と位置の変更に対応することの出来る学
習データを作成する。データセットでは、開口部
の幅と位置を可変パラメータとし設定する。開口
は外壁に対し 1 つずつ幅と位置をずらしながら
与えた。また固定パラメータには、開口部の数や
部屋の寸法、角部屋という部屋の位置を設定す
る。さらに、その他解析範囲や風速風向等につい
ては、Table1 に示した CFD 解析で付与する解析
条件を用いる。学習用データセットは約 800 枚
用意し、反転による水増しを行い約 1600 枚のペ
ア画像を用いた。 
 
Fig.2 パラメータの設定 
 次に、学習済み画像を用いた結果と未学習画
像を用いた結果の比較を行った。学習済み画像を
用いた結果では、1epoch の時点で、壁及び開口位
置に対する形が再現され、20epoch 程度学習させ
た時点で、開口部の位置に対する風速の分布が再
現され、50epoch 程度まで学習させると、流入口
からの分布において室内に向かうにつれ濃淡が
鮮明に再現された。未学習画像を用いた結果にお
いても、学習済み画像による結果と同じく
Ground truth の結果により近づくことが確認さ
れたが 53epoch 以降正解率が低下している事か
ら、過学習を起こしており学習モデルとして不適
切と判断し 48epoch 時の学習データを採用した。 
データセット作成時のパラメータとして用いた
開口部の幅と位置に対して、未知のデータによる
予測結果と Ground truth として CFD 解析の結
果を比較した。採択した学習深度では詳細な色の
濃淡についての表現には至らなかったものの、流
入口から流出口までの気流の動きについて再現
出来る事を確認した。 
 
Fig.3 開口部の幅と位置の変化に対する対応 
さらにデータセット作成時に固定させていたパ
ラメータを用いて未学習画像の予測を試みるこ
とで、この学習データに対する汎用的な利用の可
能性について探った。 
まず初めに開口部の数の制限について、作成時
のパラメータでは外壁に対し、1 つずつ設けてい
たものを 2 つまで増やし予測を行った。予測結果
では、可変パラメータの予測時と同様に気流の動
きを予測出来る事を確認した。 
 
Fig.4 開口部の数の変化に対する対応 
次に、部屋に関するパラメータについて寸法を
変化させ予測を行った。予測結果では、開口部の
位置に対して気流予測の対応が出来ているが、対
象室内が小さいほど建物内の静穏な特徴が捉え
にくくなり、データセットより大きい室寸法に対
しては支障なく予測が行えることを確認した。 
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Fig.5 部屋の寸法の変化に対する対応 
最後に、部屋の位置を変化させ予測を行った。予
測結果では、流入位置に対する予測を再現するこ
とは出来たが、流出入を繋ぐような気流の動きは
再現できなかった。 
 
Fig.6 部屋の位置の変化に対する対応 
本研究では、想定した対象への予測に加えその
他のパラメータに対する予測と可能性も見せた。 
Table2 学習結果の精度比較 
 
-謝辞- 
東京理科大学高瀬幸造講師より実測方法や
CFD 解析への助言を、株式会社フォトラクション
より、深層学習に関する助言を賜った。 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① 池田開，小笠原正豊，深層学習を用いた建物
通風の気流予測に関する研究：東京電機大学
千住キャンパス千住東書庫棟を例として，日
本建築学会，第 43 回情報・システム・利用・
技 術シ ンポ ジウ ム論 文集 （オ ンラ イ
ン）,2020/12/10 
② 三部玲子，小笠原正豊，市街地の風環境にお
けるネスティング領域に関する研究：CFD 解
析と実測の比較を通して，日本建築学会，第
43 回情報・システム・利用・技術シンポジウ
ム論文集（オンライン）,2020/12/11 
 


A Study on CFD Analysis Values and Measured Values for Outdoor and Indoor Boundary Environments

山本, 哲也

梅田, 怜

ウメダ, レン

北原, 雄大

キタハラ, ユウダイ

小川, 勇登

オガワ, ユウト

奥田, 雄太

オクダ, ユウタ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
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課題番号 Q20E-02 
課題名（和文） 非可食バイオマスを基幹材料とする医薬品製造プロセスの開発 
課題名（英文） 
Development of synthetic process for some nitrogen-containing drugs using non-
edible biomass as a starting materials. 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 応用化学科 
氏名 山本 哲也 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 物質工学専攻 
氏名 梅田 怜 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 物質工学専攻 
氏名 北原 雄大 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 物質工学専攻 
氏名 小川 勇登 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 物質工学専攻 
氏名 奥田 雄太 
 
研究成果の概要（和文） 
現在、ファインケミカルスのほとんどは石油等の化石燃料を主原料に生産されているが、石油に依存せずに豊
富に存在する未活用の非可食性バイオマスを原料とする供給プロセスの確立が求められている。 
本研究では、非可食バイオマスから容易に供給可能なフルフラールの高度分子変換を経る、薬効成分（イソイ
ンドリノン類等のヘテロ縮環芳香族化合物）の合成法の提供に取り組んだ 
 
研究成果の概要（英文） 
Presently, most fine chemicals are produced mainly from petroleums and its derivatives. Therefore, there 
is a need to establish a novel process that uses abundant inedible biomass as the raw materials that does 
not depend on petroleum. 
Herein, we will develop the new synthetic system that enables advanced molecular conversion of furfural, 
which can be easily supplied from inedible biomass and provide the process for hetero-fused aromatic 
compounds such as isoindolinones, which are medicinal ingredients, based on furfural. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
石油は電力や燃料などのエネルギー資源とし
てだけでなく、基幹化学原料としても広く利用さ
れている。とりわけ、石油成分の一種であるナフ
サから供給されている芳香族炭化水素化合物は、
ペットボトルなどのプラスティックや医農薬品、
有機電子材料などのファインケミカルスの原料
として欠かすことはできない。しかし将来的な
“カーボンニュートラル”の実現のためには、廃
棄物を極力出さない・環境に負荷を与えない化学
プロセス（グリーンケミストリー）の思想に基づ
き、石油に依存せずに豊富に存在する未活用の非
可食性バイオマスを原料とする芳香族炭化水素
化合物の供給プロセスの確立が必須である。 
 
2.研究の目的 
本研究は、、非可食バイオマスから容易に入手
可能なフルフラールに着目し、その誘導体の分子
構造の特徴を活かして、薬理活性をもつイソイン
ドリノン類の合成プロセスへと展開することで、
非可食バイオマスを由来とする薬理活性分子製
造プロセスを開拓することを目的とした。 
 
3.研究の方法 
フルフラールを出発原料に用いて、8 段階で抗
うつ剤候補薬である PD-172938 を合成した
（Scheme 1）。 
4.研究成果 
フルフラールと光学活性アミンの脱水縮合で
得られるイミン 1 に対し、アリルグリニア試薬を
反応させることで、ホモアリルアミン 2 が収率良
く得られた（Scheme 2）。ホモアリルアミン 2 は
ほぼジアステレオ選択性は見られなかった。 
O
N
R MgCl
ZnCl2,THF
r.t. 3h
O
HN
R
a,R=Ph  b,R=PMP   c,R=Naphthyl
1 2
 
Scheme 2 
ついで塩化アクリロイルを反応させ、加熱し、分
子内 Diels-Alder 反応させることで環化体 3 が得
られた（Scheme 3）。 
O HN
R
Acryloyl Chloride
TEA
DCM
0 °C to r.t. 2h
O N
O
O N
R
O
a,R=Ph  b,R=PMP  c,R=Naphthyl
2 3
heat
 
Scheme 3 
環化体 3 は再結晶によりジアステレオマーを分割
することができた。それぞれのジアステレオマー
を芳香化し、アルケンをオゾン酸化してアルデヒ
ドとした後、ピペラジンを用いて還元的アミノ
化、脱保護することで光学活性な PD-172938 お
よび PD-172939 の不斉合成を達成した。得られ
たPD-172938およびPD-172939はキラルHPLC
によりその光学純度を確認し、どちらも光学的に
ほぼ純粋であった。 
 以上、非可食バイオマスから容易に入手可能な
フルフラールから薬理活性をもつ光学的に純粋
なイソインドリノン類の合成手法の開発を達成
した。より環境調和を志向したプロセスを目指
し、プロセス中の試薬の自然由来成分比率の向上
に取り組む。 
 
5.主な発表論文等 
該当なし 
3 stepsO O
H
O N R
O
N
O
RO
Diels-Alder reaction
H+
N
O
R
H2O
NH
O
N N
PD-172938
Total Yield
17 %
3 steps


Development of synthetic process for some nitrogen-containing drugs using non-edible biomass as a starting materials.

辻, 裕一

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
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課題番号 Q19T-01 
課題名（和文） 生産設備における腐食減肉したねじ部品の衝撃強度に関する研究 
課題名（英文） 
Impact strength of threaded fasteners subjected to corrosion and metal loss in production 
facilities 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部機械工学科教授 
氏名  辻 裕一 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科機械工学専攻 大学院生 
氏名 大隅 成人 
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） 
生産設備およびエネルギーインフラを始めとする社会基盤の安全性・信頼性確保を目指すことを目的に、設備
の老朽化に伴うねじ部品の減肉に着目し、地震や事故を想定し、減肉ねじ部品による締結部の静的および衝撃
強度を実験および数値シミュレーションによって明らかにした。実験では M6 ねじ部品を用い、準静的～10m/s
の衝撃引張試験を実施した。減肉ねじ部品の衝撃強度と破壊モードに及ぼす減肉量とひずみ速度の影響を明ら
かにした。 
 
研究成果の概要（英文） 
With the aim of ensuring the safety and reliability of social infrastructure such as production facilities and energy 
infrastructure, this study focused on the metal loss of threaded parts caused by corrosion of the aging of production 
facilities. Static and impact strength of fastening parts with metal loss was clarified by experiments and numerical 
simulations in cases of earthquakes or accidents. In the experiments, M6 bolt/nut assembly were used, and quasi-static to 
10 m/s impact tensile tests were conducted. The effects of metal loss and strain rate on the impact strength and fracture 
mode of threaded parts were clarified. 
 
 
      Annual Report 
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1.研究開始当初の背景 
鋼材料や構造物の衝突安全性、あるいは衝撃強度
の確保は、エネルギーインフラを始めとする社会基
盤の安全性・信頼性確保にとって重要な課題である。
最近では、2011 年の東北地方太平洋沖地震及び津波
による原子力発電所の重大事故を経験し、津波漂流
物、竜巻飛来物等の衝突からの防護、水素爆発によ
る構造物への影響等、検討が進められている。地震
や事故による動的荷重による、構造物のねじ締結部
の破壊、基礎ボルトの破断・過大な伸びの発生とい
った事例が多くみられ、衝撃荷重を受けるねじ締結
部の構造健全性評価が急務である。 
 一方、製造業において、生産設備、あるいは附属
施設の経年劣化を直接の原因とする労働災害、死亡
災害が多く発生している。附属施設であるデッキ、
プラットホーム、サポートなどの屋外鋼構造物では、
ねじ部品の減肉が多く見られる。ねじ部品は部材同
士の接合に用いられ、その破壊は直ちに重大な災害
に結びつく。そこで、臨海コンビナートのプラント
におけるねじ部品の減肉に着目し、減肉の実態の把
握、減肉速度の予測モデル、減肉の許容基準・余寿
命評価方法の研究・開発を進めてきた。これまでの
検討は準静的荷重を前提としており、衝撃荷重につ
いては未着手、未知の領域であった。 
 
2.研究の目的 
ねじ締結部の衝撃強度を実験および数値シミュレ
ーションによって検討し、地震や事故におけるねじ
締結部の衝突安全性、あるいは衝撃強度を明らかに
し、生産設備およびエネルギーインフラを始めとす
る社会基盤の安全性・信頼性確保を目指すことを目
的とする。特に、生産設備の老朽化に伴い問題とな
っているねじ部品の減肉が、締結部の衝撃強度に及
ぼす影響を定量的に明らかにすることを優先課題と
する。並行して進めてきたねじ部品の減肉に関する
調査研究では、減肉の許容基準を準静的荷重に対し
て決定している。本研究の成果を踏まえ、準静的荷
重の許容基準を衝撃荷重に拡大する検討を行う。 
 
3.研究の方法 
ねじ部品およびねじ締結部の衝撃強度、ならびに
ねじ部品の減肉の影響を高速引張試験および準静的
特性の数値シミュレーションの両面から検討する。 
 実験では、現有の高速衝撃負荷装置（最大荷重
50kN、最大ストローク速度 10m/sec）を用い、ねじ
部品（最大呼び径 M6）、あるいは減肉させたナット
との組合せにおける衝撃強度および破壊モードの関
連を明らかにする。試験荷重は、治具に貼付した半
導体ひずみゲージと広帯域差動増幅器によって測定
し、変位は試験機のシリンダーストロークとする。
試験結果は、準静的引張試験で得られた強度および
破壊モードとの比較を行うとともに、ストローク速
度を変化させることにより衝撃強度に及ぼす負荷速
度の影響を明らかにする。おねじ材料の引張特性と
ひずみ速度の影響を明らかにするため、軸部を細く
削り出した試験片について衝撃引張試験を実施す
る。一方、衝撃試験により破断したねじ試験体につ
いて、破壊形態を詳細に調査して破壊モードを分類
する。現在行っている準静的試験では、遊びねじ部
の破断をモード１、ねじ山のせん断破壊（ストリッ
ピング）をモード２、ナットの圧壊をモード３とし
ており、同様の分類が適用を試みる。 
 
4.研究成果 
(1) 減肉のないねじ部品の衝撃引張強度特性 
図 1 は、減肉のない M6 六角ボルトおよびボルト
軸部削り出し丸棒試験片の準静的～衝撃引張試験の
結果について，ひずみ速度と引張強さの関係を示す． 
六角ボルトおよび丸棒試験片ともに、ひずみ速度が
上昇すると引張強さが高くなり、両者の強度レベル
は等しい。山本ら(1) は切欠き試験片の R が大きいほ
ど衝撃引張強さが小さくなることを示している。ね
じの衝撃引張りでは、切欠効果を示さないことを明
らかにした。破断伸びについても両者の特性は同等
であり、切欠き効果の影響は認められない。 
 破断ねじのマクロ破面はひずみ速度により大きく
変化し、低ひずみ速度ではねじ山に沿ったらせん型
の破面であるのに対し、1.1×103 s-1 の高ひずみ速度 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
 
図 1 ボルト/丸棒試験片の衝撃強度・準静的強度と
ひずみ速度の関係 
 
 
ではせん断型の破面に変化する。SEM による破面観
察では、等軸ディンプル、あるいは伸張ディンプル
が観察された。 
(2) 減肉ねじ部品の衝撃引張強度特性 
 減肉ナットを想定して、高さ h = 4.8 mm の M6 ナ
ットを切削加工し、ナット高さ h = 4.2 mm、3.6mm、
3.0 mm の 3 種類の減肉ナットを用意した。図 2 にナ
ット高さに対するボルト/ナットの衝撃強度・準静的
強度の関係に及ぼす引張速度の影響を示す。引張速
度の上昇に伴い引張強度が高くなり、ナット高さ h
の減少に伴い引張強度は低くなる．ナットの減肉の
有無、減肉量にかかわらず衝撃強度は準静的強度を
常に上回ることが確認された。減肉ナットでは、準
静的引張試験(h = 4.2 mm) を除き，衝撃引張りにお
ける破断形態は全てねじ山のせん断破壊（ストリッ
ピング）であった．これは、ナット高さの減少，す
なわちかみ合いねじ山数の減少により， 1 山当たり
の分担荷重が増加するためである。伸びに関しては、
減肉のないナットと比較すると、引張速度が低い領
域では伸びが大きく、引張速度が高い領域では伸び
が小さい。 
(3) 衝撃荷重に対するナットの減肉許容基準の検討 
図 2 に減肉のないナットの準静的強度 18.4 kN の
レベルを示すが，減肉ナットの準静的強度は、h = 4.2 
mm 未満の場合に、この値を下回る。すなわち、設
計段階で想定した引張強度に達することなく、ねじ  
 
図 2 減肉ナットのナット高さに対する準静的強度
と衝撃強度の関係 
 
部品が破壊することを意味する。さて、弾塑性 FEM
解析により減肉ナットの静的強度を検討した結果で
は、ナット高さがねじの呼び径の 70%を下回ると破
壊モードが変化してストリッピングが生じるととも
に引張強度が低下することが示されている。この解
析結果は、準静的引張試験結果とよく一致している。
ここで、減肉ナットの衝撃引張強度が準静的引張強
度を常に上回ることから、弾塑性 FEM 解析で求めた
静的強度に基づくナットの減肉許容基準（ナット高
さ 70%）を、衝撃荷重を受ける減肉ナットに適用す
ることが可能であると考えられる。なお、強度低下
発生の境界である h = 4.2 mm において、準静的引張
りと衝撃引張りで破壊モードが変化することは興味
深い現象である。 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 3 件） 
① 大隅成人, 辻裕一, ねじの衝撃引張強度, 日本
機械学会 M&M2019 材料力学カンファレンス, 
OS1533. 
② 齋藤翔太, 齋藤博之, 辻裕一, 3D 計測を用いる
ねじ部品の減肉評価, 山梨講演会 2020 講演論文
集, No.200-3, B31. 
③ 辻裕一, 新村稔, 腐食減肉した高力ボルト・ナッ
トの３次元計測と軸力評価に基づく合否判定, 
非破壊検査, Vol.69, No.10, 507-513. 
 
 


Impact strength of threaded fasteners subjected to corrosion and metal loss in production facilities

南斉, 俊佑

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q20T-05 
課題名（和文） ガラス壁面環境における複数のセンサ系の定量比較 
課題名（英文） Quantitative comparison of different sensors on glass surface 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学，工学部，先端機械工学科，助教 
氏名    南斉 俊佑 
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） 
本申請は，ランドマークの観測条件が限定された環境下での位置制御系の設計手法を確立することで，ガラ
ス外観上での位置制御系の設計を目的とする．ガラス壁面における位置制御系の問題における環境計測問題
に対して，本申請では異なるカメラセンサによる窓枠検出精度を定量的に評価する．平面上に規則的に配置さ
れたガラス板を一般的なカメラや深度カメラで撮影し，異なる特徴量ごとの誤差や標準偏差を評価する． 
 
研究成果の概要（英文） 
The purpose of this project is to establish a method for designing a positioning control system on a glass 
exterior in an environment with limited observation conditions of landmarks. For the environmental 
measurement problem in the problem of positioning control systems on glass walls, this project 
quantitatively evaluates the accuracy of window frame detection by different camera sensors. Glass panels 
regularly arranged on a plane are captured by general cameras and depth cameras, and the errors and 
standard deviations for each different feature are evaluated. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
建設技術の向上に伴い，様々なガラス外観を持
つ高層ビルが建設されている．その一方で，ビル
壁面は人力で清掃作業されており，落下事故など
の人命に関わる重大な事故が発生している． 
このような問題を解決するためには，ロボット
が自律的にガラス壁面上をくまなく移動可能で
なければならない．特に，ガラス壁面上での高精
度な自己位置推定と地図構築が求められる． 
2.研究の目的 
本研究の目的は，異なる RGB-D カメラセンサ
を用いた窓枠の検出実験により，その性能を定量
的に比較し，それぞれのセンサの特徴を明確にす
ることである．環境に対する位置制御系は，おお
まかに①ランドマークの推定②自己位置推定③
経路生成④経路追従制御系からなる．中でも本研
究では，①ランドマークの推定に焦点を当て，窓
枠を環境データとする環境地図作成に向けて，有
効なランドマーク抽出方法の確立を目指す． 
3.研究の方法 
①環境構築 
本研究では，高層ビルのガラス外観環境を模し
た環境として，高層ビルのガラス外観を模した平
面上に規則的に配置されたガラス板を設置する
(図 1)．図 1 は，ガラスを設定するための台座の上
に“日”型の窓枠を模したアルミフレームを設置
した環境である．カメラセンサを取付用支柱に取
り付け，環境を撮影する．図 1 の環境を異なるカ
メラセンサを用いて撮影し，カラー画像および深
度画像を取得する． 
カメラセンサとして Intel RealSense D415 およ
び 
 
図 1 構築したガラス外観環境 
Intel RealSense L515 を採用する．両カメラは，
一般のカラー画像だけでなく深度画像も取得可
能センサであるが，深度画像の取得方法に違いが
ある． 
②特徴量抽出 
取得したカラー画像および深度画像からそれ
ぞれ特徴量を抽出する．抽出した特徴量のうち代
表的な例を図 2 および図 3 に示す．図 2，3 より，
窓のフレーム上にいくつかの特徴量が検出され
ているが，それ以外の特徴量も検出していること
がわかる． 
4.研究成果 
抽出した特徴量と窓枠座標との誤差平均の一
覧を表 1 に示す．表 1 よりピクセル領域では最大
5 ピクセルと比較的高精度に特徴量が検出されて
いるが，距離領域では誤差が大きいことがわか
る．したがって，高精度な特徴量抽出手法の確立
に向けてさらなるアルゴリズム開発が必要であ
ると考える． 
表 1 特徴量毎の誤差平均一覧 
 D415 L515 
特徴量 
Colo
r 
深
度 
Colo
r 
深
度 
SIFT 
Pixel[px
] 
3.26 
3.1
8 
4.49 
3.6
6 
距離[m] 0.20 
1.3
5 
0.38 
0.7
6 
GFT
T 
Pixel[px
] 
3.33 
1.8
1 
4.01 
3.6
4 
距離[m] 0.23 
0.8
7 
0.50 
0.9
8 
ORB 
Pixel[px
] 
3.77 
2.5
8 
3.87 
5.0
0 
距離[m] 0.42 
1.6
6 
0.48 
0.8
7 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
 
図 2 RealSense D415 で取得した深度画像の 
GFTT 特徴量を抽出した画像 
 
図 3 RealSense L515 で取得したカラー画像の 
SIFT 特徴量を抽出した画像 


Quantitative comparison of different sensors on glass surface

宮内, 弘太

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q20D-03 
課題名（和文） 交差点部の走行挙動に着目した高齢運転者の異常運転検知に関する研究  
課題名（英文） 
Research on anomaly driving detection focus on driving behavior at intersection for 
elderly driver 
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 建築・建設環境工学専攻 博士課程 
氏名 宮内弘太 
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） 
近年，我が国では，高齢運転者による交差点部での事故が深刻な社会問題になっている。事故を減らすために
は，新たな予防安全技術の開発が必要である．本研究では、交差点部において事故が発生する時は、異常運転
が発生していると考え，交差点部の走行挙動を用いた異常運転検知手法の構築を行った。さらに，構築した手
法の検知精度と検知タイミングに関する性能評価を行った．その結果，交差点部の走行挙動において，本手法
の有効性が確認できた． 
 
研究成果の概要（英文） 
Recently in Japan, accidents at intersections by elderly drivers have become a serious social problem. In 
order to reduce accidents, it is necessary to develop new preventive safety technology. In this study, when 
an accident occurs at an intersection, it is considered that abnormal driving has occurred, and an abnormal 
driving detection method using the driving behavior at the intersection was constructed. Furthermore, we 
evaluated the performance of the constructed method. As a result, the effectiveness of this method was 
confirmed in the driving behavior at intersections. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
近年，我が国では，高齢運転者による事故の発生
や故意な危険運転が深刻な社会問題になっている．
この問題に対し，自動ブレーキ搭載の義務化や自動
運転の実現などがあるが，前者は交差点部での作動
は制御がしきれない点，後者は一般道路への導入に
は多くの課題を有している点が挙げられる． 
したがって，交差点部に着目した新たな予防安全
技術の開発が必要である．交差点部において事故が
発生する時は，異常運転（他の運転者が行う運転と
異なる場合や運転者の普段の運転と異なる場合）が
発生しており，車両の走行挙動に特異な特徴として
表出すると考えられる． 
 
2.研究の目的 
そこで本研究では，交差点部の走行挙動を用いた
異常運転検知手法の構築を行った．手法を構築する
にあたり，二つのアプローチから手法を構築した．
一つは，運転者全体の走行挙動との乖離度合いから
異常度を定義する個人間異常運転検知（以下，個人
間検知），他方は，運転者の普段の走行挙動との変動
度合いから異常度を定義する個人内異常運転検知
（以下，個人内検知）である． 
なお，異常運転検知は，車両を制御することを目
的としたハード面，安全運転の啓発を目的したソフ
ト面への活用が期待できる．前者は素早い検知，後
者は高い検知精度が要求される．そこで本研究を通
して，構築した手法の検知精度と検知タイミングに
着目して性能評価の検証を行った． 
 
3.研究の方法 
先ず，交差点部の走行挙動の収集を目的とした観
測調査を実施した．高齢運転者を対象に，観測機器
を用いて走行挙動（車両速度，3 軸成分の加速度，
操舵角，位置情報を 0.1s 間隔で計測）を観測した．   
しかしながら，機器から出力されたデータだけで
は，異常運転検知を行うことができない．そこで分
析用データの作成を行った．道路情報を有するデジ
タル道路網マップと走行挙動を結合して，交差点部
での車両の進行方向，車両の発進方法，走行場所の
道路車線数を把握した． 
 次に，以下の観点から二つの手法を構築した．個
人間検知は既往研究で行われた手法の性能向上を目
的とした手法である．観測データの距離と密度から
異常度を考えるために，正常・異常の境界線の操作
性が良い One Class Support Vector Machine を適
用した手法を構築した．一方，個人内検知は，既往
研究では行われていなかった観点から異常運転検知
を行うことを目的とした手法である．観測された走
行挙動から普段の走行挙動との変動度合いを定量的
に把握できる，Long Short Term Memories Auto 
Encoder を適用して手法を構築した． 
 
4.研究成果 
個人間検知・個人内検知の検知精度・検知タイミ
ングを検証した結果，高い精度かつ瞬時に異常運転
の検知が出来ることを示した．また，他の手法と比
較した結果，本研究で適用した手法が交差点部の走
行挙動では最も適していることを示した． 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① 宮内弘太，高田和幸，篠原もえ子，藤生慎：交
差点内の走行挙動に深層学習を適用した異常運
転検知に関する研究，交通工学論文集特集号 A, 
Vol.7, No.2, pp.A_19-A28, 2021.（査読有り） 
〔学会発表〕（計 3 件） 
① 宮内弘太：深層学習を用いた高齢運転者の異常
運転検知に関する研究，交通工学研究会 , 
2020.9，オンライン 
② 宮内弘太：交差点部の走行挙動を用いた高齢運
転者の運転技量評価に関する基礎的研究，土木
情報学シンポジウム，2020.10，オンライン 
③ 宮内弘太：交差点部の走行挙動に機械学習を用
いた異常運転検知に関する研究，土木計画学研
究発表会，2020.11，オンライン 
 


Research on anomaly driving detection focus on driving behavior at intersection for elderly driver

馮, 庚琰

渡利, 久規

ワタリ, ヒサキ

戸塚, 穂高

トヅカ, ホタカ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q20D-10 
課題名（和文） 
高強度軽量マグネシウム合金とアルミニウム合金による Mg/Al クラッド材の製造プロセ
スとその成形性 
課題名（英文） 
Manufacturing process and formability of Mg/Al cladded material by high strength 
lightweight magnesium alloys and aluminum alloys 
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・機械システム工学専攻博士課程（後期） 
氏名 馮 庚琰 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学・理工学部・機械工学系 教授 
氏名 渡利 久規 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
先端科学技術研究科・機械システム工学専攻博士課程（後期） 
氏名 戸塚 穂高 
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） 
横型双ロール法を用いて Mg/Al 合金クラッド材を 1 プロセスで製造する実験を行い、プロセスの有効性を
明らかにした。得られたクラッド材の接合界面の組織観察、引張せん断試験、接合部の硬さ試験を行った。本
実験から溶湯の注湯温度が液相線温度に近い場合に、15%以上の圧下率で二つの材料を接合することが可能
であることを明らかにした。圧下率を増加すると接合界面に生じる金属化合物層の厚さは薄くなった。本研究
から、製造された Mg/Al クラッド材の引張せん断強さは 40MPa 以上であり、工業的に利用できる可能性が
高いことが確認できた。 
 
研究成果の概要（英文） 
A horizontal twin roll caster was used to manufacture cladded Mg/Al alloy sheets for developing a novel process to 
fabricate lightweight Mg/Al clad sheets. By conducting a microscopic observation of the cladded interface, hardness tests 
as well as tensile shear tests, it has been demonstrated that proposed process was effective for cladded Mg/Al alloy sheet 
from molten metals. The results show that the two materials can be cladded when the pouring temperature of the molten 
metal was nearly their liquidus temperatures and the roll reduction ratio was 15% or more. The thickness of the 
intermetallic compound layer at the interface became thinner with an increase in roll reduction. It has been found that the 
shearing stress in the tensile sear test of the cladded Mg/Al sheet was about 40 MPa. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報           Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
近年、CO2 の排出量を削減するために、輸送機
器産業分野では更なる軽量化技術が求められて
いる。実用金属中で最も軽量なマグネシウム（Mg）
合金は比強度に優れているため、軽量化材料とし
て注目されている。しかし、塑性加工用の Mg 合
金板材は高価で、耐食性が低く冷間成形性も劣っ
ており、これらの問題は Mg 合金の実用化への障
害になっている。そこで、溶湯から直接薄板材を
製造できる双ロールキャスターを用いて、耐食性
の高い純アルミニウム（Al）を Mg 合金の表面に
被覆させた Mg/Al クラッドを低コストで製造す
るプロセスを開発し、Mg 合金の耐食性及び冷間
成形性の改善を狙ったのが本研究である。 
2.研究の目的 
本研究では、Mg 合金の軽量性と、Al 合金の高
耐食性を生かした、Mg/Al クラッド材を溶湯から
1 工程で直接に製造する製造プロセスを開発し、
その有効性を検証することにある。 
 
3.研究の方法 
 本研究では横型双ロールキャスターを用いて、
Mg 合金と Al 合金を溶湯から直接接合し、低コス
トで二層 Mg/Al 合金クラッド材を製造するプロ
セス（図１）について検証を行う。クラッドが製
造可能な条件、接合界面の状況，ロール圧下力の
影響等について調査を行った． 
 
図 1 実験装置概略図 
図 1 のロールの寸法は直径 300mm、幅 150mm
（純銅製）である。上下の各ロールで、Mg 合金と
Al 合金を急冷凝固させ、そのまま上下ロール間で
板材を接合する。製造された Mg/Al クラッド材の
接合界面の組織観察，硬さ試験および引張せん断
試験を行い、界面の機械的特性を検証した。 
 
4.研究成果 
横型双ロールキャスターを用いて、二層 Mg/Al
クラッド材の連続鋳造が実現できた。製造された
クラッド材の一例を図 2 に示す。引張せん断試験
の結果からは、製造された Mg/Al クラッド材の接
合界面のせん断応力は目標値の 30MPa を超え、
40MPa であった。本研究から、溶湯から 1 工程
で Mg/Al クラッド材を製造する本法の有効性が
示された。また、得られたクラッド材の実用性が
確認できた。今後は得られたクラッド材の成形性
についてさらに調査を進めていく予定である。 
 
図 2 製造された Mg/Al クラッド材の一部 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① G.Y. Feng, H. Watari, M. Suzuki, T. Haga 
and T. Shimizu. Novel Direct Cladding of 
Magnesium and Aluminum Alloys Using a 
Horizontal Twin Roll Caster. KEM. 2021, 
Vol. 880, p. 17-22. 査読有． 
 
〔学会発表〕（計 1 件） 
① 馮庚琰，戸塚穂高，鈴木真由美，渡利久規，
“横型双ロールキャスターを用いた Mg/Al
合金クラッド材の製造”，第 71 回塑性加工連
合講演会(web 講演会)，2020 年 11 月． 
 


Manufacturing process and formability of Mg/Al cladded material by high strength lightweight magnesium alloys and aluminum alloys

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