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

神力, 幹

      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-08 
課題名（和文） 人間の意思決定傾向を取り入れた高速な深層強化学習 
課題名（英文） First deep reinforcement learning incorporating human decision-making tendencies 
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 情報学専攻 学生 
氏名 神力 幹 
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 
 
研究成果の概要（和文） 
本年度は、日本語論文を 1 本執筆・投稿したが、リジェクトとなった。しかし、その過程で研究内容を見直す
機会を得られ、提案手法の課題や改善点への理解が深まった。これを踏まえて、目標志向探索アルゴリズム RS
の再評価を行い、新たな実験結果を取得した。現在は、RS の理論的導出に向けた検討を進めており、論文化に
向けて試行錯誤している。また、卒業論文も執筆したが、ジャーナル論文が卒業要件であったため卒業には至
らず、現在はその修正作業の準備中である。 
 
研究成果の概要（英文） 
This year, a research paper written in Japanese was submitted to a journal but was unfortunately rejected. 
However, the feedback provided valuable insights, leading to a deeper understanding of the proposed 
method and its areas for improvement. Based on this, we re-evaluated the target-oriented exploration 
algorithm RS and obtained new experimental results. Currently, we are exploring theoretical formulations 
of RS and iterating on how to structure the next paper. Additionally, although a bachelor’s thesis was 
completed, graduation was not achieved due to the journal publication being a graduation requirement. 
The revision of the thesis is currently in preparation. 
 
  
      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 
深層強化学習は、ゲームプレイなどの領域で人間
を凌駕する成果を挙げているが、実世界への応用は
探索時間の長さなどから未だ限定的である。そこで
本研究では、より効率的かつ自然な探索行動を実現
するため、満足化（satisficing）という意思決定原
理に基づいた「目標志向探索モデル RS」に注目し
た。RS は、特定の基準（希求水準）を満たす行動
が見つかった時点で探索を打ち切る特性を持ち、安
全性や現実適応性の高い探索行動を可能にする点が
特徴である。 
2.研究の目的 
本研究の最終的な目的は、RS を深層強化学習へ
と発展させることである。そのために必要な前提条
件として、RS の行動選択方策を確率論的に表現可
能とし、off-policy型の学習手法とも整合する形に再
構成する必要があった。さらに、連続状態空間や関
数近似を扱うため、RS の文脈付きバンディット問
題への拡張も不可欠であった。 
3.研究の方法 
まず、RS の決定論的な方策を確率論的に一般化し
た SRS（Stochastic Risk-sensitive Satisficing）を
理論的に導出し、実装を行った。次に、SRS を文脈
付きバンディット問題へ適用するために、線形回帰
と近傍探索を用いた Regional LinSRS モデルを構
築した。 
さらに、RS を深層強化学習へ拡張するプロトタイ
プモデル RS2 を開発した。RS2 では、大局的な希求
水準と価値推定から各状態の希求水準を算出する変
換手法（GRC）と、試行割合の近似に基づいた確率
的方策を導入し、IMPALA アーキテクチャ上での動
作を想定した実装を行った。 
4.研究成果 
SRS および Regional LinSRS はいずれも、従来の
RS と同等あるいはそれ以上の学習性能を示し、確
率論的方策への拡張が有効であることを実証した。
特に文脈付きバンディット問題では、RS の拡張に
より行動選択の柔軟性と探索の安定性が向上した。
 
RS2 については、深層強化学習タスク（Pyramid 
task）において学習の収束性と探索効率の向上を確
認し、RS の深層環境への応用可能性を実証した。
これにより、RS が持つ目標志向探索の特性を保ち
ながら、より複雑な環境に対応できることが確認さ
れ た 。
 
5.主な発表論文等 
ジャーナル論文がリジェクトされたため発
表論文なし 


Japanese

人間の意思決定傾向を取り入れた高速な深層強化学習

MYAT, ENDRA, SWE

      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-02 
課題名（和文） 酵素抗体法への臨床応用を目指した抗体結合ナノ多孔粒子の開発 
課題名（英文） 
Correlation between porosity and antibody binding to silicon nanoporous particles 
toward clinical application of enzyme-antibody method 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
総合研究所 
氏名 MYAT ENDRA SWE 
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） 
本研究は抗原や抗体を定量する手法として利用される ELISA 法(Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay)
のより良い感度を間出するための材料開発であり、太陽電池の変換 効率向上やリチウムイオンバッテリの体
積膨張などの課題のために研究されている技術を用いて医療の検査試薬として利用するための材料開発であ
る。シリコンナノ粒子の表面加工を行うことで従来使用されるマイクロウェルプレートより高い面積率を確
保し、さらに官能機を修飾させる事でシリコンなの表面加工粒子に抗体等のタンパク標識が結合させること
に成功した。さらに異なる官能基の修飾方法を確立させ、タンパク以外でのさまざまな標識に結合が可能とな
った。 
 
研究成果の概要（英文） 
This research focuses on the development of materials aimed at improving the sensitivity of the ELISA 
(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) method, which is commonly used for quantifying antigens and 
antibodies. The material development leverages technologies originally studied for improving solar cell 
conversion efficiency and addressing issues such as volume expansion in lithium-ion batteries, with the 
goal of applying them to medical diagnostic reagents. By modifying the surface of silicon nanoparticles, 
we achieved a higher surface area ratio compared to conventional microplate wells. Furthermore, by 
introducing functional groups, we successfully enabled the binding of protein markers such as antibodies 
to the surface-modified silicon nanoparticles. Additionally, we established methods to introduce various 
functional groups, allowing the binding of a wide range of markers beyond proteins. 
 
 
      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 
病原である抗原と病原を対抗する抗体との結合反
応により、病気を簡便かつ効率よく診断できる手法
が用いられている。この手法では、主に体内から病
原性のある抗原を含んだ細胞を摂取し、抗体が固相
された物質に検体を添加させ、抗原と抗体を反応さ
せることで病原体を診断する技術である。抗原や抗
体を定量する手法として酵素抗体法（ELISA 法：
Enzyme-Linked Immuno Sorbent Assay）、二重免
疫拡散法、ラテックス凝集法などが利用されている。
中でもＥＬＩＳＡ法では、抗体や抗原を固相化した
マイクロウェルプレートが使用され、これに検体を
添加することで抗原抗体反応させてから、酵素標識
された抗体を添加して検体に含まれる抗体や抗原を
定量する。その手法が簡便であり、また様々な病原
体に対応できることからＥＬＩＳＡ法は広く用いら
れる。しかし、マイクロウェルプレートでは、抗体
や抗原といったタンパク質の吸着量や表面積の制限
があるため、検体中の抗原や抗体の濃度があまりに
高いと反応が飽和してしまい、広範囲の濃度に対す
る抗原抗体反応には対応が難しいという課題もあ
る。そのためあらかじめ固相化した抗原または抗体
に対し ELISA で対応できる濃度で抗原抗体反応を
させるために、事前に検量線を確かめながら検体を
適切な濃度に希釈して使用する必要がある。 
2.研究の目的 
本研究では様々な病原体に対応でき、手軽に広く用
いられている ELISA 法に着目し、前述の課題を改
善するために、固相化する抗原あるいは抗体の量を
多くしておくことが必要である。そのためにはマイ
クロウェルプレートにかわる表面積の膨張できる材
料の開発と生体物質と結合させる方法に取り組む必
要があり、表面積の拡張が可能な試薬の開発を行う
こととした。材料には表面加工が容易なシリコンナ
ノ粒子に着目した。シリコンナノ粒子は太陽電池用
途に使用されている材料で、シリコンナノ粒子を多
孔質化することで表面積が増え、発電に必要なキャ
リアを多数生成できることでエネルギー変換効率を
向上させることが可能であるが、本研究では多孔質
化による表面凹凸形態の形成により表面積を拡張し
たシリコンナノ粒子に対してより多くの抗体を結合
させることで体外での抗原抗体反応が高感度で検知
できることを想定し、本研究計画を着想するに至っ
た。本研究では検査医学分野において多種多様な癌
細胞やウィルスを高感度で検知できる試薬の開発を
目指している。 
3.研究の方法 
シリコンナノ粒子の表面積を拡張させるため、ナノ
粒子に対し、3 種類の形状になるように表面加工を
実施する。 
①表面孔シリコン微粒子（Si-NPPs）の作製  
・シリコンナノ粒子の表面積だけでなく、内部も有
効活用を考え、多孔形状を作製し、細孔内部への抗
体結合が可能かどうか検討する。 
・マイクロウェルプレートの課題である表面積の制
限を考え、ナノ粒子では多孔形状より表面積の大き
い金平糖形状の粒子を作製し、多孔形状（表面孔） 
と金平糖形状（微細突起）のどちらが抗体の結合量
が多いか検討する。 
 
・多孔形状と金平糖形状の両方の利点を兼ね揃えた
ハイブリッド形状も作製し、抗体結合量の増加を確
認する。 
②Si-NPPs に対するアミノ基(NH 基)修飾 
・シリコンナノ表面加工粒子と抗体結合のため最適
な官能基の修飾条件を確認する。本研究ではアミノ
基の修飾を行なう。 
③Si-NPPs に対し JT-95 抗体の結合 
・甲状腺乳頭がんに特異的に結合する抗体を結合さ
せ抗体結合の変化を確認する。 
4.研究成果 
３-①作成したナノ多孔粒子の形態を走査型電子顕
微鏡(SEM)、多孔構造の細孔径 BET窒素ガス吸着法
を用いて評価した。表面加工した粒子にはそれぞれ
多孔形状、凹凸形状、多孔形状と凹凸形状両方を持
ち合わさったハイブリッド形状の３種類が形成さ
れ、多孔形では 100nm の粒子に対し約 20〜30nm
の細孔が確認できた。凹凸形状では凹凸間が約
15nm であることが確認できた。ハイブリッド形状
においては、凹凸間約 15nm と約 20nm の細孔両方
の確認ができた。 
3-②におけるアミノ基修飾状態は縮合反応の完結度
テスト（ニンヒドリン試験）より評価した。アミノ
基の縮合反応により、アミノ基を修飾していない粒
子は無職透明だが、アミノ基を修飾している全ての
粒子において紫色に発色した。発色をマイクロプレ
ートリーダによりλ570nm で吸光度を測定した無
多孔粒子をアミノ基修飾した。無多孔の粒子に比べ、
表面加工を施したシリコンナノ粒子、多孔形状より
凹凸形状、コンペイト形状よりハイブリッド形状の
方がアミノ基の修飾量が多いことがわかった。それ
は表面積が増えたことによるアミノ基修飾可能面積
も増加認めだと考えられる。多孔質に関しては細孔
の内部にアミノ基が就職できていない可能性があ
る。しかし、同形状においては、表面積は下がるが、
細孔径のサイズが大きくなることにより修飾しやす
くなったと考えられる。また、アミノタンパク以外
を持つ標識の検出のためにチオール基の修飾も行な
った。チオール基の修飾は FTIR のスペクトルより
確認できた。 
3-③ではシリコンナノ粒子にアミノ基修飾ができた
ことから、アミノ基と抗体との結合を行ったところ、
アミノ基架橋剤 BS3 を用いることで抗体と結合さ
せることに成功した。それぞれの形状の粒子におい
て抗体の結合量はアミノ基の修飾量と似たような結
果になった。これによりアミノ基の有無によって、
結合できる抗体の量も変化するという位置付けにな
る。しかし、多孔コンペイトウ形状には、多孔質や、
コンペイトウよりは抗体の結合量が増えたがアミノ
基修飾結果とは一致しない。その理由として、細孔
径が小さいがために粒子内部にアミノ基はあるが、
抗体が結合できなかったと考えられる。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 4件） 
① 2020 年材料学会 
② 2021 年バイオマテリアル国際学会 
③ 2021 年材料学会 
④ 2023 年 NanoMed International Conferece 
and Exhibition 2023 
 


酵素抗体法への臨床応用を目指した抗体結合ナノ多孔粒子の開発

前田, 英作

知能創発研究所　年度末報告書

西川, 正

宍戸, 彩光

三橋, 正太郎

三橋, 秀人

      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 Q23E-01 
課題名（和文） 
自動車排出ガスのリアルタイム計測に向けたデュアル電気光学変調コム分
光装置の開発 
課題名（英文） 
Development of a Dual Electro-Optic Comb Spectrometer for Real-Time Measurement 
of Automotive Emissions 
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、電子システム工学科、教授 
氏名 西川 正 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学工学研究科、電気電子工学専攻、大学院生 
氏名 宍戸彩光 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学工学研究科、電気電子工学専攻、大学院生 
氏名 三橋正太郎 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学工学研究科、電気電子工学専攻、大学院生 
氏名 三橋秀人 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
 
氏名 
 
研究成果の概要（和文） 
我々が独自に開発して来た複雑な制御技術を必要としない為に誰でも何処でも扱えるロバストな半導体レー
ザーベースのデュアル電気光学コム分光計測装置の高精度化、広帯域化を行った。高精度化は、SSB 変調器
を自動補間の定量的な周波数シフタとして用いる事で、従来法と比較し、標準偏差誤差で 537 MHz から 249 
MH への高精度化を達成した。広帯域化は光増幅器と、分散補償の為の SMF及び高非線形ファイバーを用い
ることで、光周波数コム光源の帯域幅を 2.93THzに広げ、計測範囲を 2 倍以上に拡大する事が出来た。 
 
研究成果の概要（英文） 
We have developed a robust semiconductor laser-based dual electro-optic comb spectrometer that can be 
handled by anyone anywhere without the need for complex control technology. The accuracy was improved 
from 537 MHz to 249 MH in standard deviation error by using an SSB modulator as a quantitative 
frequency shifter for automatic interpolation compared to the conventional method. The bandwidth of the 
optical frequency comb light source was extended to 2.93 THz by using an optical amplifier, SMF for 
dispersion compensation, and a highly nonlinear fiber, thereby more than doubling the measurement 
range. 
      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 
近年、繰返し周波数が僅かに異なる２台のモー
ドロックレーザーを用いたデュアルコム分光法
が、広いスペクトル領域にわたる高分解能分光を
高速に行う手段として注目されている。しかしな
がら、２台のレーザーの位相を複雑な制御機構を
用いて高精度に同期する必要があり、優れた性能
を持つ本分光法を世の中に広く普及させる為の
障害となっていた。そこで我々は、フリーランニ
ング連続発振半導体レーザーと多段の電気光学
変調器を用いた新たなデュアルコム分光システ
ムの研究開発を実施してきた。２台のレーザーの
高度な位相同期を必要としないのでレーザーの
専門家以外でも手軽に扱え、フィールド環境での
使用も可能という特徴を持っている。我々はさら
に電気光学(EO)コムの広いモード間隔の欠点を
克服する為の独自の自動補間法の開発によって、
標準ガスであるシアン化水素ガス吸収線スペク
トルの 9.32ms でのシングルショット計測に成功
している。 
2.研究の目的 
本研究計画では、これまで我々が独自に開発し
て来た複雑な制御技術を必要としない為に誰で
も何処でも扱えるロバストな半導体レーザーベ
ースのデュアル電気光学コム分光計測装置を改
良して、自動車排出ガス計測に求められる、高精
度化、高感度化、高速化、広帯域化を達成し、自
動車からの環境影響ガスの排出濃度を複数ガス
種同時にかつエンジン１サイクル毎の変動まで
計測する事を可能とする事を狙いとする。 
3.研究の方法 
先行研究の自動補間システムでは、レーザー駆
動電流を変化させレーザー発振波長自体を制御
する事で光コム全体の周波数をシフトする自動
補間法を実現した、しかし駆動電流とレーザー波
長の関係は温度等の環境に依存し、制御の正確性
に欠けていた。本研究では、レーザー発振波長は
固定し SSB変調器(SSBM)を定量的な周波数シフ
タとして用いる事で、自動補間システムの構築を
行う事で自動補間波長の高精度化を図り、標準ガ
スの HCNの吸収線スペクトルを取得した。 
図１に本研究での実験系を示す。シードレーザ
ーとして波長 1532 nm の DFB レーザー光を
SSBMに入力し、SSBM出力光を二分岐させて、
それぞれに強度・位相変調を加えて EOコムを生
成する。各モード間隔は EOM を駆動する信号発
生器の出力周波数で決まり、ここでは 25 GHzお
よび 25 GHz + 0.35 MHz とした。 
 
図１ SSBMを用いた自動補間の実験系 
高性能に分子分光分析を行うためには、光周波数
コムのモード間隔を広く保つことで波長帯域幅
を確保しながら広い輝線スペクトルの間を補間
する必要がある、そこで、SSBMを駆動する信号
発生器周波数を 10〜20 GHz線形に変化させ、EO
コム全体の周波数をシフトしながら、それに対応
し て マ イ ク ロ 波 領 域 の シ フ ト を 担 う
AOM(Acousto-Optic Modulator)駆動周波数信号
発生器の同期を取ってスキャンを行った。 
 また、複数ガス種同時計測を可能にする為に、
光源の広帯域化を行った。本研究の実験系を図２
に示す。 
 
図２ コム光源の広帯域化の実験系 
はじめに、中心波長1532nmのレーザー出力を、
強度変調器で強度を変調した後、2 連の位相変調
器で位相を変調する。その後、光増幅器で増幅し、
分散補償用ファイバ（SMF）の長さを調整し、出
力される光パルスを最短パルス化し、ピーク強度
を高める。その次に高非線形ファイバ(HNLF)を
組み込むことで、強度を高めた後の光パルスを自
SSBM
AOM EOM
EOM
Gas 
Cell
Detector
DFB 
Laser
25GHz + 0.35MHz
80MHz 
± 0.07 MHz
10~20GHz
25GHz
Detector
99
1
Waveform
Generator
Laser Driver
Signal
Generator
Signal
Generator
Signal
Generator
Wavelength
Meter
      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                   
 
己位相変調効果によって広帯域化させた。 
4.研究成果 
図３にガスセルとして光路長 16.5 cm、25 
Torr(0.0329 atm)の HCN を用いて光検出器で取
得した信号をフーリエ変換し、ガスセル透過光を
参照光で除算して吸収線スペクトルを算出した
結果を示す。データの取得には、サンプル数とサ
ンプリングレートから算出される 84 msec に
SSBM駆動信号発生器のセトリング時間 24 msec
を加算した 108 msecを要した。 
図３ HCN吸収線スペクトルの測結果 
比較の為に。図４と図５に先行方式及び今回
計測した HCNの各吸収線の中心周波数の
HITRANデーターベースとの差を示す。SSB変
調器を用いて定量的な周波数シフトを行う事
で、標準偏差誤差で 537 MHz から 249 MH への
高精度化を達成した。 
 
図４ 先行研究の HITRANとの光周波数差 
 
図５ 本研究の HITRANとの光周波数差 
図２の実験系で HNLFの入射光パルス幅が最短
パルスとなるように、SMFの長さを 130m に調
整した際の自己相関波形を図６に示す。ガウス
型波形を仮定すると半値幅は 0.97 ps であった。 
 
図６ SMF 130 m 時の自己相関波形 
光増幅器で増幅し HNLF を通した際の光周波数
コムのスペクトルを図７に示す。 
図７ 増幅器ありの光周波数コムスペクトル 
 位相変調器後の光周波数コムのピークから
30dB落ちの帯域幅は 1.25 THzであったが、ファ
イバーと光増幅器を用いることで光周波数コム
の帯域幅は 2.93 THz に迄広がり、光周波数コム
光源の帯域幅を 2 倍以上拡大する事が出来た。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計２件） 
① 宍戸彩光、野坂将、石澤淳、西川正、「SSB変
調器を用いた自動補間デュアル EOコム分光
システムによる吸収線の取得」、第 72 回応用
物理学会春季学術講演会、2025年 3月 15日、
千葉県野田市、東京理科大学野田キャンパ
ス、15a-K304-3。 
② 宍戸彩光、野坂将、日達研一,石澤淳、西川正、
「SSB変調器を用いた自動補間デュアル EO
コム分光システムによる吸収線スペクトル
の測定」、第 7 回超高速光エレクトロニクス
研究会、2025年 4 月 18 日、東京都調布市、
電気通信大学、ポスターセッション 8 
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
T
ra
n
s
m
it
ta
n
c
e
195.8195.6195.4195.2195.0
Frequency[THz]


自動車排出ガスのリアルタイム計測に向けたデュアル電気光学変調コム分光装置の開発

東京電機大学博士（工学）2024doctoral thesi

田中, 一眞

学位論文審査の結果の要旨    
報告番号 先端科学技術甲第 196号 氏 名 田中 一眞 
論文題目 ころがり要素の特性を考慮した物理モデルによる送り駆動系の摩擦力推定 
論文審査委員会 
委員（主査）Ｄ○合 山崎 敬則 教授（機械システム工学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 渡利 久規 教授（機械システム工学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 遠藤 正樹 教授（機械システム工学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 小林 宏史 教授（機械システム工学専攻） 
委員（副査）    佐藤 隆太 特任教授（名古屋大学大学院工学研究科） 
  
                研究の背景 
 機械を作る機械、工作機械には、いつの時代も高速、高精度化が求められている。工作
機械送り駆動系の駆動源は、基本的にはモータであり、モータのベアリングに始まり、  
動力を伝達するねじ、そして案内（ガイド）にも、ボールねじ、ころがり案内が多く用い
られている。近年では、リニアモータなど物理的接触のない要素も実用に供されているが、
ころがり要素は、依然として送り駆動系に欠くことのできない機械要素となっている。 
 送り駆動系に求められる基本的な性能に位置決め精度がある。送り駆動機構に多く用い
られるころがり要素は、変位量に応じて異なる３つの特性を持つことが知られている。  
この特性は、変位量の小さいほうから線形ばね、非線形ばね、定常ころがり状態の３領域
に分類でき、1 µm 以下の位置決めを目指す場合には、この非線形系ばね特性によって  
生じる摩擦力が問題となってくる。 
 
                研究の目的 
 静止状態から変位の小さい領域の摩擦力を表現する物理モデルはいくつか提案されて 
いる。中でも LuGre モデルは、簡便で摩擦補償にも使われているが、すべり案内を想定  
したもので、ばね特性を１つのブラシでモデル化しており、複数領域を表現することが  
難しい。本研究では、LuGre モデルにころがり要素の特性を考慮した条件を課し、複数  
領域の摩擦力を推定する方法を提案する。 
 
                研究の内容 
 本論文では、ころがり要素のうち特にリニアガイドに着目し、転動体の大きさ、材質、
変位量を変えて実験を行い、得られた特性を基に改良した摩擦モデルを提案、有効性を  
示している。 
 第 3 章では、駆動源として円筒型リニアモータを用いることにより、ころがり要素を  
リニアガイドのみに限定した実験を行っている。実験には、幅の異なるガイドレール   
3 種類と転動体 2 種類（鋼球とセラミック）を用い、連続ステップ応答で評価を行った。
変位量を 10 nm から 100 µm まで変えた実験の結果、いずれの条件でも、100 nm 以上の  
位置決めは問題なく行えたが、測定された駆動力には違いが見られた。微小領域では、  
駆動力は位置決め完了後も 0 にならず蓄積され、この蓄積量は、変位量にかかわらず   
レール幅に依存することが明らかとなった。また、鋼球とセラミック球とでは蓄積する  
駆動力が異なることが分かった。以上の成果は、文献[1]、[2]で報告されている。 
 第 4 章においては、第 3 章の結果と比較を行うため、駆動源をボールねじに変えた実験
を行っている。ボールねじ駆動でも 100 nm 以上は位置決めできているが、連続ステップ後
に蓄積した駆動力（駆動トルクより換算）は非常に大きくなっている。例えば、100 nm では、
リニアモータ駆動に比べて 10 倍ほど大きくなりボールねじの摩擦が大きいことが伺える。
一方、大変位の入力に対しては、駆動力はほぼ蓄積せず、変位量に応じたピークトルク  
のみで位置決めが完了している。この成果は、文献[4]で公表されている。 
 第 5 章では、まず 3、4 章で得られた実験結果に対し、既存の摩擦モデル（LuGre モデル）
ならびにスティックスリップを考慮した LuGre モデルでは、特に駆動力の蓄積が表現でき
ないことを示している。LuGre モデルは 1 つのばねで構成され、複数領域の特性を表現  
することが難しいが、提案した物理モデルでは、ばねが伸び切ったときにばねの固定部を
移動させる条件を課すことでこれを表現している。送り駆動機構に摩擦がない場合、微小
ステップに必要な駆動力は、非常に小さな値である。したがって、変位の小さい領域で  
実際に測定された駆動力は、ほぼ摩擦に抗う力であり、駆動力から摩擦力を推定できると
考えられる。これらの成果は、一部を文献[3]で報告し、精密工学会誌に投稿中である。 
 以上、本論文において著者が検討して得た結論は、精密位置決め技術において極めて  
有用であると判断できることから、本論文の価値は工学的、工業的な観点からも十分に  
評価できる。よって、本論文は博士（工学）の学位論文として十分な価値を有するものと
認められる。 
 
[1] Kazuma Tanaka, Takanori Yamazaki, Dynamic force behavior for linear guideways with balls of 
different materials, Measurement: Sensors, Vol. 18 100280 (2021) 
[2] Kazuma Tanaka, Takanori Yamazaki, Dynamic Behavior Analysis of Feed Drive System Using 
Linear Guideways with Different Ball Diameters, IOP Conference Series: Materials Science and 
Engineering, Vol. 811 012049 (2019) 
[3] Kazuma Tanaka, Takanori Yamazaki, Experimental analysis of friction behaviour for different 
linear guideways, IMEKO 24th TC3, 14th TC5, 6th TC16 and 5th TC22 International 
Conference, IMEKO-TC3-2022-064 (2022) 
[4] Kazuma Tanaka, Takanori Yamazaki, Experimental Analysis of Friction Behavior by 
Microscopic Step Displacement for Feed Drive System with Ball Screws, Proceedings of the 
SICE Annual conference 2023, pp. 178-181 (2023) 


ころがり要素の特性を考慮した物理モデルによる送り駆動系の摩擦力推定

小松, 聡

坂口, 平

原, 航太

後河内, 駿介

丸山, 尚哉

      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 Q23T-02 
課題名（和文） 環境発電動作に向けた超低消費電力センサノード SoC の実現 
課題名（英文） An Ultra-Low Power Sensor Node SoC for Energy Harvesting Operation 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 電子システム工学科 教授 
氏名 小松 聡 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電子システム工学専攻 修士課程 
氏名 坂口 平 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電子システム工学専攻 修士課程 
氏名 原 航太 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電子システム工学専攻 修士課程 
氏名 後河内 駿介 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電子システム工学専攻 修士課程 
氏名 丸山 尚哉 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究は、環境発電（エナジーハーベスティング）によって動作可能な IoT センサノードの実現を目的とし、
超低消費電力 SoC（System-on-a-Chip）の開発に取り組んだ。特に、センサノードの主要構成であるクロッ
ク源回路と A/D 変換回路の低消費電力化技術を提案し、シミュレーションおよび試作チップの実測により評
価を行った。さらに、人体の脈波信号を取得・処理する応用実験を通じて、提案技術の有効性を示した。 
 
研究成果の概要（英文） 
This study aims to realize an ultra-low power System-on-a-Chip (SoC) for IoT sensor nodes powered by 
energy harvesting. In particular, low-power circuit techniques for key components such as clock generators 
and analog-to-digital converters (ADCs) were proposed and evaluated through both simulation and 
measurements using a prototype chip. Furthermore, the effectiveness of the proposed techniques was 
demonstrated through an application experiment in which the prototype chip was used to acquire and 
process human pulse wave signals. 
 
      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 
近年の IoT (Internet of Things)社会では、様々
な環境情報を感知するために膨大な数の「セン
サ」が室内外を問わず動作することになる。一般
にこれらのセンサは加速度、温度、光の強度、湿
度、などのそれぞれの物理量に特化した「センサ
モジュール」とそれらの制御や出力信号の処理を
行う「コントローラ」が別々の部品として供給さ
れ、プリント基板上で「センサシステム」が構築
される。必然的に、センサシステムの大きさは各
部品のサイズによって制限があり、また、個別の
部品間の通信のオーバーヘッドにより性能上の
制限も存在する。加えて、大きなサイズのシステ
ムはそれだけ多くの電力を消費し、特にバッテリ
駆動型のシステムでは大きな問題となりえる。ま
た、医療向けや身体トレーニング向けの生体計測
デバイスにおいても IoT のセンサノード向けデバ
イスに対する要求と同様に小型化、低消費電力化
が強く求められている。 
一方、環境中に存在するエネルギーを電力に変
換する環境発電（エネルギーハーベスティング）
技術も注目されており、可視光・電波などの電磁
波による太陽電池、振動などの力学的エネルギー
を電磁誘導や圧電素子によって発電する技術、物
体間の温度差による熱エネルギーを電気エネル
ギーに変換する熱電発電技術、などの技術が開発
されている。これらの発電技術をセンサノードの
デバイス内に集積することで、外部からの電源に
よるエネルギー供給が不要なセンサノードを構
築することが可能であると考えられる。このよう
な背景から、社会に存在する膨大な数のセンサを
できるだけ低い消費電力で、かつ、小さなサイズ
で実現することによって、今後の IoT 社会のさら
なる発展を促すことができるといえる。 
 
2.研究の目的 
上記のような背景を踏まえ、本研究課題では以
下のような「問い」に対して、今後の IoT 社会の
発展のために、環境発電動作に向けた超低消費電
力センサノード SoC の実現を目的とする。 
①センサノードにおける環境発電動作を目指し
たセンサ‐コントローラ間のインタフェース回
路（ADC 回路、CVC 回路、TDC 回路）の超低消
費電力化 
②環境発電動作に向けたコントローラ回路（マイ
コン、水晶発振器に代わる弛張発振回路）の超低
消費電力化 
③非接触でのセンサノードと外部機器との通信
による完全無線化の実現 
 
3.研究の方法 
環境発電動作に向けた超低消費電力センサノ
ード SoC の提案・実現とその実証評価を行うため
に、センサノードにおける環境発電動作を目指し
たセンサ‐コントローラ間のインタフェース回
路（ADC 回路、CVC 回路、TDC 回路）の超低消
費電力化について重点的に研究を行った。 
より低消費電力な ADC 回路の設計、評価を行
うために CMOS 集積回路として設計を行い、東
京大学 d.lab(旧 VDEC)のチップ試作サービスに
CMOS 集積回路の製造を委託し、試作したチップ
の測定を行うことで環境発電での動作可能性に
ついての検討を行った。 
 
4.研究成果 
超低消費電力なセンサ向け回路として大きく
わけて以下の項目について研究を行った。 
発振周波数範囲が可変な VCOを用いた超低消費電
力周波数同期回路 
IoT 機器や生体埋め込み機器では、クロック源
として主に水晶振動子が用いられている。PVT 
（製造プロセス、電源電圧、温度）のばらつきに
対する耐性が非常に高く、消費電力の少ないクロ
ック源が実現可能である。しかし、水晶振動子は
ドライバや負荷容量などの周辺回路が必要であ
り、更には PCB の適切なアートワークも求めら
れる。小型軽量化が進んでいる IoT デバイスでは、
今後の大きな課題の一つになると考えられる。 
      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                   
 
ここでは、水晶振動子を用いずに、発振周波数
範囲が可変な VCO（電圧制御発振器）を用いた周
波数同回路を用いた超低消費電力なクロック源
を提案した。 
図 1 に提案する周波数同期回路、図 2 に発振周
波数範囲が可変な VCO をそれぞれ示す。ROHM 
0.18μm CMOS プロセスを用いて周波数同期回
路を設計し、Synopsys HSPICE でシミュレーシ
ョンを行った。他研究と比較すると低い消費電力
で動作させることが可能であることを示すこと
ができた。 
センサ入力信号の AD 変換に向けた低消費電力Δ
Σ変調器（DSM） 
身体に装着し生体信号の観測を行うウェアラブ
ル機器の需要が高まっている。生体信号は直流か
ら、数十 kHz 程度の周波数帯域を持ち、数μV ∼ 
数 mV 程度の微小な信号である。また、通常、ウ
ェアラブル機器はバッテリによって駆動される。
そのため、ウェアラブル機器に搭載される Analog 
to Digital Converter (ADC)には、低消費電力と、
高い分解能が求められている。ADC の中でもΔΣ 
変調器(DSM)はオーバーサンプリング、ノイズシ
ェーピングによって、高い分解能を実現すること
ができるため、ウェアラブル機器によく用いられ
る。しかしながら、他の ADC と比較して、高い
サンプリングレートで信号をサンプリングする
ため、低消費電力な変調器の設計に課題がある。
そこで本研究では、ウェアラブル機器搭載に向け
て、低消費電力な DSM の設計を行う。 
図 3 に提案する定電圧動作可能な DSM に用い
るトランスコンダクタンスアンプ（OTA）を示す。
通常、MOSFET のゲート端子に入力信号を接続
するのに対し、この回路では MOSFET のボディ
端子に入力信号を接続することで、低い電源電圧
で動作が可能となっている。ROHM 0.18μm 
CMOS プロセスを用いて周波数同期回路を設計、
Synopsys HSPICE でシミュレーションを行っ
た。シミュレーション結果より、他研究と比較し
て低い消費電力で動作可能なことを示した。 
図 4 に提案した低消費電力 DSM を用いて人体
 
図 3. バルク入力低電源電圧 OTA 
 
 
図 1. 提案する周波数同期回路
 
図 2. 発振周波数範囲が可変な VCO 
 
VCO
OUT
OUT
VctrlVREF
VSW
nIREF mIREF
RREF
CSW
CIN+CIN-
ディジタル
補償回路
4
VH
VL
VBN
VBP VBN
Vctrl
VSS
VDD
A B
AB
A B
AB
A B
fo
MP2
MN2
MP1
MN1
IREF
Cadj
IREF
VC VG
VSS
VC
C1 C4
CAL1 CAL4
C0
 
図 4. 低消費電力 DSM による容積脈波の測定 
      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                   
 
の脈波の波形を取得した例を示す。提案手法が超
低消費電力センサノードに応用可能であること
がわかる。 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 11 件） 
① 原 航太，小松 聡, “オンチップ発振回路に向
けた PVT ばらつき耐性の高い VCO の検討,” 
LSI とシステムワークショップ 2023, 2023
年 5 月． 
② 原 航太，小松 聡, “発振周波数範囲をディ
ジタル制御可能な電圧制御発振器,” 2023 年
電子情報通信学会ソサイエティ大会 C-12-4, 
2023 年 9 月． 
③ 丸山 尚哉，小松 聡，”ウェアラブル機器搭載
に向けたパッシブ型マルチビットΔΣ変調
器,” 2023 年電子情報通信学会ソサイエティ
大会 C-12-5, 2023 年 9 月． 
④ 坂口 平，小松 聡， “差動対の電流制御によ
るコンパレータのオフセット電圧のばらつ
き制御手法とその応用 ,” デザインガイア
2023 -VLSI 設計の新しい大地-, 2023 年 11
月． 
⑤ K. Hara, S. Komatsu, “A PVT Variation 
Dependencies of VCO in Frequency Locked 
Loop,” 2023 30th IEEE International 
Conference of Electronics, Circuits and 
Systems (ICECS), Dec. 2023. 
⑥ 丸山 尚哉，小松 聡，”ウェアラブル機器搭載
に向けた低消費電力なパッシブ型マルチビ
ットΔΣ変調器 ,” 信学技報 , vol. 123, no. 
389, DC2023-94, pp. 1-6, 2024 年 2 月． 
⑦ T. Sakaguchi, S. Komatsu “A Comparator 
with Controllable Offset Voltage Variation 
for Stochastic Flash ADC,” Proc. of The 
25th Workshop on Synthesis And System 
Integration of Mixed Information 
Technologies, Mar. 2024. 
⑧ N. Maruyama, S. Komatsu, “A Low Power 
Multi-Bit Passive ΔΣ Modulator for 
Wearable Devices,” 2024 13th International 
Conference on Communications, Circuits 
and Systems (ICCCAS), May 2024. 
⑨ 丸山 尚哉，小松 聡，”ウェアラブル機器に向
けた低電源電圧 OTA とそれを用いた低消費
電力ΔΣ変調器 ,” デザインガイア 2024 -
VLSI 設計の新しい大地-, 2025 年 11 月． 
⑩ N. Maruyama, S. Komatsu, “A Low Power 
ΔΣ Modulator with Low Voltage OTA for 
Wearable Applications,” 2024 International 
Conference on Microelectronics (ICM), Dec. 
2024. 
⑪ 丸山 尚哉，小松 聡，”ウェアラブル機器に向
けた低電源電圧 OTA とそれを用いた低消費
電 力ΔΣ変調器とその実測による評価,” 電
子情報通信学会 ディペンダブルコンピュー
ティング研究会, 2025 年 2 月． 
 


環境発電動作に向けた超低消費電力センサノードSoCの実現

東京電機大学博士（工学）2025doctoral thesi

鳥居, 暖華

 
東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術甲第 199 号 氏 名 鳥居 暖華 
論文題目 
多次元有向コヒーレンス解析とニューラルネットワークによる 
脳波を用いた情動推定と脳活動解析 
 近年，生体情報を用いた情動状態の客観的評価実現に注目が集まっており，ニューロマ
ーケティングなど，幅広い分野での応用が期待されている．脳活動を調査する研究では，
functional magnetic resonance imaging (fMRI) を用いることが多い．しかしながら fMRIは非
常に高価な計測機器であり，情動に関する脳活動を広く様々な分野に応用していく場合に
は適していない．一方，fMRIより安価であり，既に広く普及している脳活動を計測可能な
機器として脳波計がある．そのため，脳波により情動の推定ができれば有用である． 
従来の手法では脳波から得られた電極間の相関情報を利用することで特徴を抽出し，深
層学習手法を組み合わせることで情動の推定を試みていた． 
本研究では，電極間の各周波数の相関だけでなく，向きといった情報の流れを可視化す
る多次元有向コヒーレンス解析と，Neural Network(NN)を組み合わせることで情動の推定を
行う．さらに，NN の重みを解析することでブラックボックス化を回避しつつ，情動と脳
波の対応関係が解析可能な手法を提案することを目的とする． 
 
本論文は全 8章からなっている． 
第 1 章では，情動推定が注目を集めている背景について概説した．脳波計は，脳活動を
計測する比較的安価な機器であり，既に広く普及しているため，脳波計で情動推定が可能
になれば有用である．脳波を用いて情動推定を行う先行研究の手法について整理し，本研
究の位置づけについて明らかにした． 
第 2 章では，脳波の特性や計測機器についての基礎知識，及び情動の定義について述べ
る． 
第 3 章では，本論文で使用される信号処理手法である，多次元有向コヒーレンス解析に
ついて数式を用いて詳細を説明している．本手法を用いることで，先行研究では扱われて
いなかった脳内の情報の流れを可視化することが可能である． 
第 4章では，本論文で使用される統計的手法である，t 検定や一元配置分散分析などの手
法について，違いや使用方法について述べる． 
第 5 章では，実験方法の詳細と提案手法のしょき検討について述べた．特定の情動状態
の脳波を計測後，第 3 章で紹介した解析手法を用いて解析する．その後，統計的に有意な
特徴を抽出し，その特徴と多数決の原理を用いて情動推定を行う．電極間の相関値は求め
 
るが情報の流れを可視化しないコヒーレンス解析を用いた手法と比較することで，脳内の
情報の流れを可視化する手法が，情動推定に有効であることを確認した． 
第 6章では，第 5章で抽出した統計的に有意な特徴に対し，多数決の原理の代わりに NN
を用いて重みづけすることで，より情動推定に重要な特徴の抽出を試みる．NN の学習に
用いなかったテストデータに対し推定した結果，一部の情動で先行手法や第 5 章で提案し
た手法よりも高い正答率がえられた．さらに，NN の重みを解析することで，情動と関連
が深い脳活動について明らかにした．解析の結果得られた脳活動と，fMRIでの情動に関す
る研究の結果を比較したところ，同様の傾向が得られていることが分かった． 
第 7章では，第 6章まででは推定に用いなかった，統計的に有意でない特徴も用いて NN
による情動推定を試みた．第 6 章の結果から，一部の情動に対して正答率の向上が確認で
きたが，向上が確認できなかった情動も存在する．そのため，統計的に有意でない特徴も
情動推定には重要である可能性も考え本手法を検討する．また，NN の学習時に，情動と
関連する周波数帯域の不確実性やばらつきの学習を期待してノイズを加えることで，正答
率の向上を試みる．その結果，テストデータにおいて全ての情動で先行手法より高い正答
率を得る結果となった．さらに NN の重みを解析することで，統計的に有意ではないが情
動と関連の深い脳活動について明らかにした．この結果を情動と脳波の関係について報告
している研究と比較したところ，同様の傾向が得られていることが分かった．さらに，本
手法の汎用性を確認する為に，公開されているデータセットを用いて学習を行った．テス
トデータに対して推定した結果，先行研究と比較して高い正答率が得られることが分かっ
た． 
第 8 章では，本論文全体の流れを整理しまとめるとともに，今後の課題や展望について
述べる． 
 


多次元有向コヒーレンス解析とニューラルネットワークによる脳波を用いた情動推定と脳活動解析

荻原, 雅史

高村, 祐未

星名, 敬太

      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 Q24E-02 
課題名（和文） 分散型ホテルを中心とした住文化維持と福祉や雇用創出に関わる街づくりに関する研究 
課題名（英文） 
Research on urban development related to the maintenance of residential culture and 
the creation of welfare and employment centered on scattered hotels 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学未来科学部建築学科 講師（当時） 
東洋大学福祉社会デザイン学部人間環境デザイン学科 准教授 
氏名 荻原 雅史 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学大学院未来科学研究科修士課程建築学専攻 大学院生 
氏名 高村 祐未 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学未来科学部建築学科 学生 
氏名 星名 敬太 
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，近年事例が増えている滞在型宿泊施設に関する，歴史的経緯の整理，組織的に取り組みを行う
協会などの設定された条件や，協会に属さない事例の実態整理を行った。その結果，既存建物を利活用した滞
在型宿泊施設の多様な取り組みを，立地，周辺の建物状況などに着目し，13 タイプに分類した。これにより「分
散型ホテル」や「まちホテル」などの曖昧な定義のもとで展開される多様な活動の全貌を横断的に整理し，比
較可能な基盤を提示することができた。 
 
研究成果の概要（英文） 
 In this study, we have organized the historical background, the conditions set by the associations that 
are systematically involved, and the actual conditions of the cases that do not belong to any associations, 
regarding the accommodation facilities that have been increasing in recent years. As a result, various 
approaches to accommodation facilities utilizing existing buildings were classified into 13 types, focusing 
on location, surrounding buildings, and other factors. This enabled us to organize the entire picture of 
various activities developed under ambiguous definitions such as “scattered hotels” and “town hotels” in a 
cross-sectional manner, and to present a basis for comparison. 
      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 
 covid-19 が落ち着きある現在，インバウンド需要
が回復しつつあり宿泊・観光の分野においても経済
的に好循環をもたらしている。一方，京都にみられ
るようなオーバーツーリズムが改めて課題となって
きており，地方部への観光地の魅力向上や受入環境
整備を通じて，都市部を中心とした一部地域への集
中を是正，地方誘客の拡大も取り組みの一貫として
挙げられている。地方の中山間部においては産業や
移動構造の変化，人口減少を伴う急激な少子・高齢
化などの複合的な課題に直面している。このような
社会情勢の中で，一時的な経済振興等の政策やイベ
ントに依拠するのではない持続可能な地域の連帯維
持・再構築が緊喫の課題として対応が求められ，宿
泊分野に目を向けると空き家を利用し住文化の保全
や地域の維持に取り組む「町ホテル」「まちやど」な
どの事例がみられ，近年国内では日本まちやど協会
や NIPPONIA といった分散型ホテルの活動を組織的
に展開をおこなう動きも見られる。加えて 2022 年に
はイタリアの先行事例であるアルベルゴ・ディフー
ゾ（AD）日本極東支部（ADi）による持続可能な
農村ツーリズムの国内事例の認証などまち
の持続性に着目した試みも見られ，各地で同
時多発的に活動が行われ，定義付けが曖昧な
ままとなっており，多様な形態や活動の全貌
理解や類似した取組相互の参照において支
障のある状態である。  
 
2.研究の目的 
 本研究では，地域の既存建物を利活用し，短期～
中期の宿泊と地域の文化・生活体験を提供し，これ
による地域の維持・活性化を企図する宿泊施設を『滞
在型宿泊施設』と定義し，その歴史的経緯を整理し，
団体・協会で活動を行っている事例の設定条件や非
加盟事例の実態を分析することで，取り組みを横断
的に比較可能な資料とすることを目的とする。具体
的には，国内の事例を中心としつつ，AD の活動が行
われるイタリアでの取り組みとの関連性を踏まえ，
運営実態を整理し条件に基づくタイプ分けにより分
類する枠組みを提案する。 
 
3.研究の方法 
 研究の方法は次に示す手順による。 
（1）集落に施設が点在し，地域の食や文化に価値を
見出し宿泊自体を目的とする「滞在型宿泊施設」と
「まちなみ・景観・生業や経済規模の維持」を関連
付けた取り組みや特徴的な事例，旅館業法などの制
度の歴史的経緯について整理する。 
（2）国内において，組織的に理念を掲げ滞在型宿泊
施設の活動を行うグリーン・ツーリズムや ADi，日
本まちやど協会，NIPPONIA の条件の比較を行い，そ
れぞれの取り組みの違いを明らかにする。 
（3）組織的な取り組みから逸脱する事例を含め，具
体的な施設事例の実態整理を行う。 
（4）（1）～（3）を踏まえ，比較考察を行う。 
 
4.研究成果 
（1）本研究では，既存建物を利活用した滞在型宿泊
施設の取り組みを，立地，周辺の建物状況，改修利
用されている建物棟数とその分布，宿泊機能の独立
性 / 周囲との関係に着目し，以下に示す 13 タイプ
に分類する枠組みを構築した（表 1）。 
タイプ 1：市街地－一棟－完結型 
タイプ 2：市街地－一棟－推奨型 
タイプ 3：市街地－一群－完結型 
タイプ 4：市街地－一群－推奨型 
タイプ 5：市街地－分散－完結型 
タイプ 6：市街地－分散－推奨型 
タイプ 7：集落－一棟－完結型 
タイプ 8：集落－一群－完結型 
タイプ 9：集落－分散－完結型 
タイプ 10：集落－建物棟数・分布によらず－推奨型 
タイプ 11：散居－一棟型 
タイプ 12：散居－一群 
タイプ 13：散居－分散 GT・農村民泊 
（2）これによって「分散型ホテル」「まちホテル」
などの曖昧な定義のもとで展開される多様な活動の
全貌を横断的に整理し，比較可能な基盤を提示した
      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                   
 
（図 1，2）。 
 その結果，滞在型宿泊施設が成立した制度的・社
会背景としては，イタリアなどのアグリツーリズモ，
ADi などの近代工業化以降の農村中山間部の見直
し，再評価の影響，バブル崩壊後の空き家問題，観
光立国戦略によるインバウンド需要増加を受け，国
内で農泊や分散型ホテルが広まったことがわかっ
た。また旅館業法改正や農林漁業体験民宿業推進に
よる施設整備に係る面積要件や必要諸室の緩和が既
存建物の活用を後押ししたことも読み取れる（図
3）。 
（3）滞在型宿泊施設の枠組み整理の意義として，異 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
なるコンセプトや地域特性に基づく取り組みを統一
的な視点で整理した点が挙げられる。事例を横断し
た類似の取り組みの整理により，多様な活動の拡が
りの全貌を整理することができた。この枠組みは，
地域活性化や持続可能なまちづくりの議論に新たな
視点を提供する。具体的には，タイプごとの立地や
宿泊機能の特徴が，地域の経済規模や文化資源の活
用戦略にどう影響するかを捉える枠組みとなる。 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 6 件） 
① 荻原雅史，山田あすか，佐藤栄治, サン・クイ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
表 1 事例の施設概要（抜粋） 
      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                   
 
ーリコ・ドルチャ（San Quirico d'Orcia）の分
散型ホテル 一時的な居住者として中世の街を
体験する, 日本建築学会 第 42 回地域施設計画
研究シンポジウム発表論文集『地域施設計画研
究 42』, 42 巻,p133-p140 
② 高村祐未，星名敬太，荻原雅史, 竹田のまちづ
くりと改修も活用した福祉・宿泊の呼び込み, 
日本建築学会 第 42 回地域施設計画研究シンポ
ジウム発表論文集『地域施設計画研究 42』, 42
巻,p123-p132 
 
6.研究組織 
研究代表者： 
荻原雅史，東京電機大学未来科学部建築学科 講師( 
当時）東洋大学福祉社会デザイン学部人間環境デザ
イン学科 准教授 
共同研究者： 
高村祐未，東京電機大学大学院未来科学研究科修士
課程建築学専攻 大学院生 
星名敬太，東京電機大学未来科学部建築学科 学生 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 1 事例調査施設毎の食事の有無と価格帯の相関関係 
図2 調査施設棟数とレセプションからの距離の相関関係 
図 3 開業年と開業・空き家活用の経緯 


分散型ホテルを中心とした住文化維持と福祉や雇用創出に関わるまちづくりに関する研究

本間, 章彦

塚原, 彰彦

宇佐見, 洸樹

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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-02 
課題名（和文） 複数の蝶番を備えた空気圧ソフトアクチュエータの開発 
課題名（英文） Development of a pneumatic soft-actuator using hinge mechanism 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学理工学部、理工学科、電子情報・生体医工学系、教授 
氏名 本間章彦 
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、理工学科、電子情報・生体医工学系、准教授 
氏名 塚原彰彦 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京電機大学理工学部、研究員 
氏名 宇佐見洸樹 
 
研究成果の概要（和文） 
本研究は、空気圧ソフトアクチュエータを用いた手指関節リハビリテーション機器の実用化を目的とする。
空気圧ソフトアクチュエータにおけるひずみ変形要素は弾性体でできた連通する複数の空気室で構成してい
る。また、空気圧ソフトアクチュエータにおけるひずみ変形抑制要素は複数の蝶番機構で構成している。本研
究では、手指関節リハビリテーション機器の実用化における各要素技術の問題点や課題の抽出を行った。後付
け可能な蝶番機構を用いることによって、空圧アクチュエータの動作のカスタマイズや蝶番機構の持つ機能
付加の実現が期待される。 
 
研究成果の概要（英文） 
The purpose of this study is to commercialize a finger joint rehabilitation device using pneumatic soft 
actuators. The strain deformation element in the pneumatic soft actuator is composed of multiple air 
chambers that are connected together and made of an elastic material. In addition, the distortion 
suppression element in the pneumatic soft actuator is composed of multiple hinge mechanisms. In this 
study, problems and issues regarding each component technology in the practical application of finger joint 
rehabilitation equipment were identified. The use of a retrofittable hinge mechanism is expected to enable 
customization of the operation of the pneumatic actuator and the addition of functions to the hinge 
mechanism. 
 
      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 
空気圧アクチュエータは動作がなめらかで、安
全性が高いという特徴を持っている。しかしなが
ら、空気圧という 1つの入力に対し，出力である
動作が複数とならないために、使用用途に合わせ
て動作を制限する機構や構造を最初から組み込
む必要がある。この空気圧アクチュエータは、流
体の圧力により膨張、伸縮などのひずみ変形をす
るひずみ変形要素と、圧力によるひずみ変形を抑
制するひずみ変形抑制要素から構成されている
（図１）。 
図１ アクチュエータの変形について 
本研究では、空気圧ソフトアクチュエータに、
後付け可能な蝶番機構を組みあわせることによ
って、空気圧ソフトアクチュエータの動作のカス
タマイズや蝶番機構の持つ機能付加の実現を目
指している。 
今回、この空気圧ソフトアクチュエータの特徴
を生かした、手指関節リハビリテーション機器へ
の応用、実用化に関する検討を行った。 
2.研究の目的 
本研究では、要素技術（空圧アクチュエータ、
蝶番機構、空気圧発生機構）の統合による手指関
節リハビリテーション機器の実用化を目的とす
る。実用化における各要素技術の問題点や課題の
抽出を行った。 
3.研究の方法 
本研究で提案する空気圧ソフトアクチュエー
タは、空気室、蝶番機構、空気圧発生機構から構
成される。 
ひずみ変形要素は弾性体であるシリコーンで
できた連通する複数の空気室から成り、ひずみ変
形抑制要素は複数の蝶番機構から成っている（図
２）。 
図２ アクチュエータの概要 
蝶番機構は、複数の蝶番がつながった腕時計の
バンドのような構造をしており、ひずみ変形要素
である連通する複数の空気室に空気が送り込ま
れると、この後付け可能な蝶番機構によりひずみ
変形が抑制される仕組みとなっている。具体的に
は、蝶番機構の取り付け側は膨らまず，取り付け
られていない側が膨らみ，アクチュエータはねじ
れずに丸まるように変形をすることになる（図
３）。 
図３ アクチュエータの動作例 
空気室へ空圧を供給する空気圧発生機構は、空
気の吐出、吸引を行う小型 DC ダイアフラムポン
      Annual Report 
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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                   
 
プ（電装産業, SA-2FT-24）、空気流路の切り替え
を行うソレノイドバルブ（SMC,VT307K）、流路
中の空気を大気開放する高真空用電磁弁（CKD, 
HVB112）から構成される。ソフトアクチュエー
タの変形具合は、ポンプの稼働時間および空気室
内圧によって調節がされる仕組みになっている。 
4.研究成果 
手指関節リハビリテーション機器のプロトタ
イプを作成し、実用化における各要素技術の問題
点や課題の抽出を行った（図４）。 
図４ プロトタイプによる動作例 
連通する複数の空気室については、シリコーン
素材を用いて注型により作成している。実用化に
あたり、大きな力を発生させる場合には、高圧に
耐えられる空気室が必要となる。今後、材料に関
する改良、検討が必要と考えられる。 
蝶番機構については、３Dプリンタを用いて製
作を行っている。実用化にあたり、蝶番機構の強
度や耐久性の向上が必要となる。３Dプリンタで
使用できる素材だけでは、強度向上に限界がある
ため、今後、材料に関する検討だけではなく、製
作方法についても見直しが必要と考えられる。ま
た、市販されているヒンジを流用して作成する方
法についても検討が必要と考えられる。 
市販の小型 DC ダイアフラムポンプ、3 ポート
ソレノイドバルブ、高真空用電磁弁を用いた空気
圧発生機構の製作を行った。実用化にあたり、使
用する空気室の耐圧に応じた、駆動陽圧・陰圧の
制御方法の検討が今後必要と考えられる。 
手指リハビリテーション装置のプロトタイプ
において、空圧アクチュエータと蝶番機構を、手
指関節に取り付けるための固定具やグローブの
フィッティングに関する検討、手指関節において
具体的にどのような動作を行わせるかに関する
詳細な検討が今後必要と考えられる。 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 2件） 
① 本間章彦, 塚原彰彦, 宇佐美洸樹：蝶番機構
を有する空気圧ソフトアクチュエータ, 精密
工学会誌, Vol.90, No.11, pp835-838, 2024. 
② 本間章彦, 塚原彰彦, 宇佐美洸樹：複数の蝶
番を備えた空気圧ソフトアクチュエータ, 油
空圧技術, Vol.63, No.3, pp23-26, 2024. 


複数の蝶番を備えた空気圧ソフトアクチュエータの開発

小林, 航大

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 Q24D-07 
課題名（和文） 学習者モデルの提案による教示者アシストシステムの構築 
課題名（英文） Building a Trainer Assist System Based on a Proposed Trainee Model 
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 電気電子システム工学専攻 
氏名 小林航大 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部電子システム工学科 教授 
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） 
ロボットによる教示への代替が困難な分野で教示をアシストするために人間―人間間の教示をアシストする
必要がある．一方で，同一学習者における複数回の実験が困難であるなどの理由から解析はされてこなかった． 
人間―人間間教示を解析するために，一定の教示環境となりうる学習者モデルを人間の脳を模した機械学習
手法であるニューラルネットワークを用いて構築し，人間の学習者の代替として利用・実験ができないかにつ
いて検討を行った．その結果，人間の教示力に応じた学習率の調整が有効であることが示唆され人間に近い学
習者の再現を実現した． 
 
研究成果の概要（英文） 
In fields where robot substitution for instruction remains challenging, assistance for 
human-to-human teaching is necessary. However, analysis has been limited due to 
difficulties in conducting multiple experiments with the same trainee. We constructed a 
trainee model using neural networks, a machine learning method that mimics the human 
brain, to provide a consistent instructional environment and examined its viability as a 
substitute for human learners. Results suggest that adaptive learning rate according to the 
teaching force effectively reproduces learning behaviors similar to humans. 
 
      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 
ロボット技術やLLM等によるAI技術が発達した
今日においても，医療分野等ロボットに代替するこ
とが困難な分野が存在し，並びに人間による教示の
重要性が存在する．ロボットによる教示や作業代替
に関する研究は多く行われているが，人間―人間間
教示に関する研究例は少ない．これは，教示者と学
習者の相性の影響や，同一学習者に対する複数回の
実験の困難さが原因として考えられる． 
2.研究の目的 
本研究では教示者の教示手法を一定の環境で解析
を行うため，人間の学習者を学習者モデルに置き換
えることを提案する．人間の学習者のように徐々に
学習していく学習プロファイルを模することで，教
示者がどのようなアプローチで教示を実施している
か，効率の良い教示手法などが解析可能になると考
えられる．この学習者モデルを提案，構築し実験を
行ってきたが，過学習の影響と考えられる人間とは
異なる学習プロファイルなどモデル構造に対する改
善が必要であった．本研究では，学習者モデルを解
析等に利用可能なモデルへと改善することを目的と
する， 
3.研究の方法 
人間の学習過程を模したモデルを構築するため
に，人間の脳を模した構造をしているニューラルネ
ットワークを使用した．ニューラルネットワークは
繰り返し学習によって徐々に精度を向上させていく
構造であり，人間の学習者の再現に最適であると考
えた． 
教示者―学習者モデル間教示や教示者―学習者間
教示の実験のために到達方法教示タスクを構築し
た．これは同一の目標に対して「到達方法」（あえて
ゆっくりと到達する，オーバーシュートする等）を
教示するものである． 
リアルタイム学習の実現のため，追従ごとのデータ
を過去 3追従分のデータ窓でスライドさせながらデ
ータセットを作成し，学習を行う．そして，追従ご
とに学習済みの新しいモデルに上書きされていくシ
ステムを構成した．この窓や，学習係数を調整する
ことによって学習者の覚えの良さ等の振る舞いを調
整可能であると考えられる．また，人間の教示につ
いて解析した結果，教示力と学習結果に相関がある
ことが判明し，教示力に応じた学習率の調整を行う
モデル構造に改善した． 
4.研究成果 
改善したモデルが過学習の問題を解決しているか
確認するため，シミュレーションによる検証を実施
した．学習者モデルの教示時に過学習によって失敗
したデータによるオフラインシミュレーションを実
施した結果すべての被験者で問題なく学習が可能と
なった． 
シミュレーションの結果を受けて，実際に被験者実
験を実施した．3 通りの学習率ゲインに関して被験
者実験を行った結果，最も高いゲイン以外の条件で
は人間と同様の学習プロファイルが得られ，ゲイン
に応じて学習の進行速度が変化することが確認でき
た．このことから，学習者の特性の再現も可能であ
ると考えられる．また，ある被験者では最も高いゲ
インにおいても過学習が発生しなかったことから教
示者の特性によっても学習結果が影響することが示
唆された． 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 3 件） 
① Kota Kobayashi, Hiroshi Igarashi: 
“Evaluation of Machine Learning-Based 
Trainee Model for Human-Robot Teaching 
Interaction”, SAMCON 2024 - The IEEJ 
International Workshop on Sensing, 
Actuation, Motion Control, and Optimization, 
Shimane, Japan, March 22, 2025 
② Kota Kobayashi, Hiroshi Igarashi, “Modeling 
Human Learning Characteristics for 
Analyzing Human Teaching Methods,” 
IECON 2024 – 50th Annual Conference of 
the IEEE Industrial Electronics Society, 
Chicago, USA, Nov. 6, 2024 
 


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