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

クリストファー, アダム

CHRISTOPHER, Adam

Development of EFL Speaking Performance in the Japanese Context

石原, 美彦

イシハラ, ヨシヒコ

加藤, 知己

カトウ, トモキ

木村, 憲

キムラ, ケン

古賀, 初

コガ, ハジメ

ISHIHARA, Yoshihiko

KATO, Tomoki

KIMURA, Ken

KOGA, Hajime

Real-time monitoring and visualization of heart rate in using ICT -Heart rate measurement in PE Classes-

矢口, 俊之

大内, 克洋

大越, 康晴

本間, 章彦

内田, 夏綺

      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 Q18L-01 
課題名（和文） 外科的冠血行再建術評価のための心筋組織電気インピーダンス計測システムの研究 
課題名（英文） 
Development of an impedance analyzer for an evaluation of recirculation 
by CABG during open heart surgery 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 電子工学系 准教授 
氏名 矢口 俊之 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
東京医科歯科大学 准教授 
氏名 大内 克洋 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 電子工学系 准教授 
氏名 大越 康晴 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 電子工学系 教授 
氏名 本間 章彦 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学研究科 電子・機械工学系 修士課程 
氏名 内田 夏綺 
 
研究成果の概要（和文） 
冠動脈疾患に対する外科的な冠血行再建術である冠動脈バイパス術（CABG）により虚血から脱却できた心筋
領域を術中に電気インピーダンス計測にて定量的に可視化することが可能となれば、外科的な冠血行再建術
に対する新しい治療戦略の構築が期待される。本研究では冠動脈バイパス術中に虚血心筋領域への再灌流に
てもたらされる冠血行再建効果を、電気インピーダンス計測により定量的に評価するため、心筋組織電気イン
ピーダンス計測システムの開発を目的とする。心筋組織への再灌流による電気インピーダンスの相対変化を
確認できる計測システムを構築し、組織灌流量とインピーダンス変化との相関性を確認した。 
 
研究成果の概要（英文） 
Previous studies suggest that impedance mapping may be useful for showing significant differences 
between normal and chronically densely infarcted myocardium. The purpose of this study is to develop an 
electrical impedance analyzer to evaluate quantitative effectiveness of CABG during open heart surgery. 
To confirm the correlation between amount of recirculation on a infarcted myocardium tissue and a change 
of the impedance, we tried to develop a system of impedance analyzer to measure a relative change in the 
electro impedance due to change in freshness tissue and blood flow as basic study. 
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1.研究開始当初の背景 
 冠動脈疾患に対する外科的な冠血行再建術で
ある冠動脈バイパス術（CABG）は、他の部位か
ら採取した自家グラフトを用い、虚血の原因とな
っている冠動脈の狭窄・閉塞部位より末梢側に血
流をバイパスさせることで冠血流を再建させる
外科手術であり、経皮的冠動脈形成術（PCI）が施
行される割合が多い本邦においても病変や病態
によっては CABG の優位性が依然として存在す
る。CABG では吻合したグラフトを術中評価し場
合によっては再吻合による修正を行うために、ト
ランジットタイム血流計によるグラフト血流の
評価やインドシアニングリーン色素による蛍光
造影、高周波心外膜エコーによる吻合部の形態・
血流評価などが可能となっている。これらは非常
に有効な評価方法であるが吻合したグラフト内
の血流や吻合形態の評価に留まっており、CABG
による冠血行再建の効果そのものである心筋組
織への再灌流量の定量的評価や虚血領域と非虚
血領域を判断することこそが本来の治療効果を
評価できる重要な情報になると思われる。一方、
生体組織の電気インピーダンス測定は組織が本
来持つ電気的性質を計測することでその組織内
構成の解析や状態変化の観察に応用されてきて
おり、体組成計や心拍出量計測、腫瘍の浸潤範囲
の計測などに用いられてきている。CABG により
虚血から脱却できた心筋領域を術中に電気イン
ピーダンス計測にて定量的に可視化することが
可能となれば、外科的な冠血行再建術に対する新
しい治療戦略の構築が期待される。 
生体電気インピーダンス計測法については体外
からの無侵襲計測を目的とした報告がこれまで
も出されてきたが、様々な構造を持つ生体の電気
特性が複雑であり体内の状態変化との関係を充
分に解析することが困難であることから、精度の
高い計測が為され難いのが現状である。本研究で
は限定された心筋組織の局所領域における測定
を目的に据えることで、心外膜側微小領域での組
織血流量の増減に伴う電気インピーダンス変化
を捉えることに特化し、測定に有効な周波数スペ
クトルと電極間距離等の測定プロトコル及びそ
れらを精度良く検出できる測定回路を構築し、虚
血心筋の再灌流評価に有効なシステムの構築を
目指す。 
 
2.研究の目的 
 本研究では冠動脈バイパス術中に虚血心筋領
域への再灌流にてもたらされる冠血行再建効果
を電気インピーダンス計測により定量的に評価
するため、心筋組織電気インピーダンス計測シス
テムの開発を目的とし，以下を検討した。 
・マイコンを用いた電気インピーダンスの相対変
化計測システム試作 
・LCRメータを用いたブタ心臓に対する電気イン
ピーダンス計測 
 
3.研究の方法 
3.1 マイコンを用いた電気インピーダンスの相対
変化計測システム試作 
 本研究では、マイクロコントローラ及び AD コ
ンバータとして Arduino Due（Atmel 社）を用い
たアナライザを使用し高周波数帯域(10kHz 以上)
での測定が可能なインピーダンスアナライザの
試作を行った。低周波から高周波までブロードな
スペクトルを持つ電圧制御電流源(VCCS)及び微
小な測定信号検出のための高精度計装アンプ
(Inst.Amp)を用い，図１に示すように VCCS へは
Microcontroller（Arduino Due）より指定周波数
での正弦波信号を生成した．そして D/A 
Converter(DAC)を介して組織へと定電流通電を
行い，その際の組織電極間電位を Inst.Amp にて
高精度に検出し、 A/D Converter(ADC) にて
Microcontroller へ記録することでインピーダン
ス 計 測 を 行 う よ う 設 計 し た 。
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図 1 Aruduino Due を用いたインピーダンス計
測システム（ブロック線図） 
 
試作したアナライザの基礎評価として，正弦波電
圧源を測定対象とした周波数特性を計測した． 
 
図 2 インピーダンス測定システム  (Arduino 
Due) 
 
3.2 LCR メータを用いたブタ心臓に対するインピ
ーダンス計測 
 ここでは測定機器として LCR メータ(HIOKI
製 /IM3536)並びに４端子プローブ (HIOKI 製
/L2000)を用い，ブタの開胸実験において心臓の
インピーダンス計測の基礎検討を行った 
（１）解凍ブタ心臓を用いた測定周波数の検討 
 測定周波数の検討ではまず一般的な細胞の誘
電率、導電率を基にして細胞膜内外の導電性の特
徴を反映すると考えられる 50kHz を含む 40~8M 
[Hz]の範囲での広帯域周波数スペクトルを取得し
た。電極には銀／塩化銀 生体計測用電極パッド
を用いた（図３）． 
 
図 3 ブタ解凍心への電極パッド装着 
 
（２）ブタの開胸心とその摘出後のインピーダン
ス計測 
 東京医科歯科大学にて実施されたブタを用い
た外科的手術実験終了後の心停止直後の心臓に
対し，当システムによるインピーダンス計測の基
礎実験を行った．心停止直後（10 分以内程度）で
あるため，生存中とほぼ変わらない生理状態であ
ると考えられ，組織インピーダンスも拍動中の心
臓と同等であると思われる． 
 
図 4 LCR メータを用いた計測システム 
 
計測周波数範囲は 40~8M [Hz]とし，計測用 PC で
出力した外部トリガを計測タイミングとし，イン
ピーダンス，導電率，誘電率を記録した． 
 
4.研究成果 
4.1 マイコンを用いた電気インピーダンスの相対
変化計測システム試作 
 今回の実験では、Arduino Due 内のプログラム
の改良を行ったことにより 10 kHz 以上の周波数
が計測可能になった。サンプリング定理より、
Arduino Due に内蔵されている AD コンバータは
最大約 333 kHz までの周波数帯域が計測可能と
考えられるが，今回試作したシステムではより高
周波帯域でのサンプリングレート計測はできな
かった．また，電気的生体インピーダンスの測定
は通常 MHz オーダーで実行されるため，より高
周波数帯域での測定が必要と考えられる．さらな
る改良等も検討をしたが Arduino Due を用いて
のインピーダンス計測は今回の目的に適してい
ないことが示唆された。 
 
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4.2 LCR メータを用いたブタ心臓に対するインピ
ーダンス計測 
（１）解凍ブタ心臓を用いた測定周波数の検討 
 図５に解凍ブタ心臓に対して計測したインピ
ーダンス、導電率、誘電率をそれぞれ示す。 
 図５より、高周波になるにつれてインピーダン
ス及び誘電率の減少傾向、導電率は増加傾向が確
認された。これは、一般的な生体組織の電気的周
波数特性と一致する結果であり，本 LCR メータ
とプローブを用いた計測システムで生体インピ
ーダンス計測が行えていることが示唆される。た
だし，計測中には生体用電極パッドがはがれかけ
てしまうことがあった．今後、生体組織(心臓)を計
測する場合，血液の付着や拍動による振動が原因
で生体用電極がさらにはがれやすくなり，計測が
不正確となることが予想されるため、正確に安定
した計測を行うためには電極を接着または固定
保持する方法を検討する必要があると考えられ
た． 
 
（a）インピーダンス 
 
（b）導電率 
 
（c）誘電率 
図 5 ブタ解凍心の周波数特性 
 
（２）開胸術下での心停止直後の心筋組織に対す
るインピーダンス計測 
 ブタの開胸術後の心停止直後（5 分以内）の心
臓に対してインピーダンス計測の基礎実験を行
った．解凍心での基礎計測で用いた生体計測用の
電極パッドの心臓表面への接着固定が困難であ
ったため，一般のワニ口クリップを介してプロー
ブと心臓を接続した． 
 
図 6 ブタ開胸術でのインピーダンス計測 
 
 生体組織は，東京医科歯科大学の動物実験委員
会の承認を受けた動物実験にて，深麻酔下で塩化
カリウムを静脈内投与，心電図波形から心停止を
確認することで安楽死とした後の臓器を用いた． 
 インピーダンス計測周波数範囲は 40~8M [Hz]
とし，計測用 PC で出力した外部トリガを計測タ
イミングとし，インピーダンス，導電率，誘電率
を記録した． 
 
①心停止直後の胸腔内心臓に対する計測 
 心臓周囲が多量の電解質に囲まれている胸腔
内での心筋組織のインピーダンスと誘電率を示
す． 
 
（a）インピーダンス 
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（b）誘電率 
図 7 胸腔内ブタ心臓の周波数特性 
 
4-1-3 と同様にインピーダンスの減少傾向が確認
された、これは 4-1-4 と同様に生体組織の電気的
特性に従いインピーダンスが減少したと考えら
れる。 
また、1 MHz 以上でインピーダンスの増加が確認
された、これは誘電率が 1.5 MHz 以上で負の値を
示しているためインピーダンスが増加したと考
えられる、しかし誘電率が負の値になるとコンデ
ンサの値も負になってしまうため 1.5 MHz 以上
では正しい計測ができていないと考えられる。 
他に、左心室を 40 Hz から測定したとき豚の心臓
の拍動が一定でなくなり豚の心臓に負担がかか
ってしまった、そのため左心室は 1 kHz から測定
を行った。 
この原因としては、低周波数(1 kHz まで)を筋肉
に流すと干渉波()が発生し筋収縮が起きてしまう
ため心臓の拍動が一定でなくなってしまったと
考えられ心臓に負担がかかると心停止などが起
きてしまい正しい計測ができなくなるため細胞
が浸透すると考えられている高周波数(10 kHz)か
らの測定が適していると考えられる。 
 
②心停止直後の摘出心臓における計測 
 
図 8 電極を取り付けた摘出ブタ心臓 
 心停止直後に摘出し，心臓周囲に電解質が無い
状態でのインピーダンスと誘電率を図 9 に示す．
また摘出前後における周波数の比較を図 10 に示
す． 
 周波数特性としては解凍ブタ心筋組織と同様
に生体組織の電気的特性に従った結果と考えら
れるインピーダンスの減少が確認された。MHｚ
帯においては周波数特性にピークが現れており，
今後の詳細な検討が必要である． 
 また，再灌流状態を確認する対象範囲が変われ
ばその範囲をどのように分割し，最適な電極間距
離での計測が必要となることが考えられるので
今後の詳細な検討が必要である． 
 
 
（a）インピーダンス 
 
（b）誘電率 
図 9 摘出心における周波数特性 
 
図 10 摘出前後での周波数特性 
 
 


Development of an impedance analyzer for an evaluation of recirculation by CABG during open heart surgery

横山, 智紀

      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 Q18T-01 
課題名（和文） FPGA を用いたマルチレベルモジュラーコンバータの高精度ディジタル制御手法の開発 
課題名（英文） 
Development of high-precision digital control method of multi-level modular converter 
using FPGA 
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 横山 智紀 
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 
 
研究成果の概要（和文） 
 現在,次世代の大容量電力変換器として,モジュラーマルチレベルコンバーター（MMC）が注目されてい
る.MMC の制御には,一般に PI 制御が広く使用されている.一方,モデルベースのディジタル制御方式について
は,デッドビート制御およびモデル予測制御が適用されている.本研究では,MMC の PWM ホールド手法を使
用した疑似マルチレートデッドビート(QMDB)制御を提案した.FPGA ベースのハードウェアコントローラー
を適用することで,瞬時の制御計算を実行できるため,理想的なディジタル制御フィードバックシステムが実
現できる.提案手法の有効性を,シミュレーションと実験により示した. 
 
研究成果の概要（英文） 
Currently, modular multi-level converters (MMC) are attracting attention as the next generation of high-
capacity power converters. For the control of the MMC, PI control is widely used. On the other hand, the 
deadbeat control and/or the model predictive control was applied as for the model based digital control 
method, and the superior characteristics were obtained. In this paper, a quasi multi-rate deadbeat 
(QMDB) control for MMC was proposed using a PWM hold method. Applying FPGA based hardware 
controller, instantaneous control calculation can be carried out which result in the ideal digital control 
feedback system. The advantages of the proposed method were verified through simulations and 
experiments. 
 
 
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1.研究開始当初の背景 
 近年,大容量の電力変換器として様々なマルチ
レベル変換器の研究が進められている.マルチレ
ベル変換器の中でも,モジュラー・マルチレベル変
換器(MMC)が注目されている.MMC は,低耐圧か
つ高速のスイッチング素子を使用できるため,ス
イッチング素子の損失低減および高周波化が可
能である.また,マルチレベル波形を得られること
から,フィルタを小さくすることができ,大規模シ
ステムの小型化が実現できることから,太陽光発
電や風力発電などの大規模な発電システムへの
適用が注目されている.現在,MMC に関する様々
な研究がされており,多くの回路構成や制御手法
が提案されている.一般的な制御手法として,平均
値制御やバランス制御などの PI 制御やコスト関
数を用いた電流制御を行うモデル予測制御
(WMPC)が多く採用されている(1)(2).MMC の制御
では,主回路の制御に加えて,カスケード接続され
た各セルに含まれる直流コンデンサ電圧V𝑐𝑐の制御
が必要となる.従来の制御手法である平均値制御
やバランス制御などの PI 制御を用いる場合,パラ
メータ変動に対する応答性や指令値への追従性
などが問題となる. 
 
2.研究の目的 
これらの問題に対し,従来の研究では,2 レベル
インバータや NPC 変換器に対してデッドビート
制御の適用が提案されており,良好な応答を確認
することができた(3)(4).本研究では,疑似マルチレ
ートデッドビート(QMDB)制御を適用することに
より,パラメータ変動に対する応答性の向上と指
令値への追従性に焦点を当てた.提案するデッド
ビート制御は,正確な離散モデルに基づいて設計
されている.離散モデルを導出するために,パルス
波形の面積に注目した,PWM ホールド手法を使
用している.MMCにPWMホールド手法を採用す
ることで,新しい離散モデルを提案している.主回
路と直流コンデンサ電圧の制御が必要となる
MMC の制御性能を向上させるため,PWM ホール
ド手法による離散化モデルを用いたデッドビー
ト制御方式を提案する.サンプリングや制御演算
の遅延の影響を回避するため,全ての制御演算は
FPGA を搭載したコントローラにより実行され
る.全ての制御演算は数𝜇𝜇秒で演算でき,理想的な
高速デジタルフィードバックシステムを実現で
きる. 
 
3.研究の方法 
提案手法を検証するため,従来手法と比較して
シミュレーションと実験を行い,提案手法の利点
を検証する. 
 
(1) 回路シミュレータ(PSIM)を用いたシミュ
レーションによる検証を行う.制御対象の
シミュレーションを実装し, PI 制御と提案
手法(QMDB 制御)を比較する. 
(2) 実機システムを構築し,実機による検証を
行う.FPGA コントローラと制御対象とな
るMMC変換器の実験環境を構築し,FPGA
コントローラに VHDL を実装する.各種負
荷条件(定格抵抗負荷,負荷変動,非線形負
荷)による実機検証を行う. 
 
4.研究成果 
MMC は,主に小型化や応答性に関する研究が
進められており,回路構成や制御手法によるアプ
ローチにより改善が行われている.今回は,高精度
ディジタル制御手法を用いてMMCの応答性を向
上させることにより,実機システムの小型化を目
指す. 
 
(1)制御手法 
 Fig.1 に 9 レベル単相 MMC フルブリッジ回
路を示す.主回路は,上下各 4 つのチョッパ回路
(セル)とバッファリアクトルL𝑏𝑏により構成され
る.各セルをカスケード接続し,バッファリアク
トルL𝑏𝑏と接続する.動作原理は,各セルの直流コ
ンデンサ電圧V𝑐𝑐を均一に保ち,電圧指令値𝛥𝛥𝛥𝛥に
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よって決定されることにより,階段状のマルチ
レベル波形が生成される.次に,バッファリアク
トルL𝑏𝑏とフィルタリアクトルL𝑓𝑓 ,フィルタコン
デンサC𝑓𝑓を介して,交流電圧V𝑂𝑂が生成される. 
 
Fig. 1 MMC9 レベル単相フルブリッジ回路 
 
Fig.2 に提案手法の制御ブロック図を示す.従来
の PI 制御手法である平均値制御(2)とバランス制
御(2)にデッドビート制御を加える手法を提案す
る. 
 
Fig. 2 提案制御手法ブロック図 
 
(2)モデリング 
① マルチレベル PWM 波形 
本節では,9レベルの MMC単相フルブリッ
ジ回路のモデリング手法について述べる.
インバータ出力電圧V𝑃𝑃は通常,バッファリ
ア ク ト ル L𝑏𝑏 の 成 分 を 含 む こ と に よ
り,Fig.3(a)のようなひし形の波形となる.
ここで,Fig.4(a)に示したバッファリアクト
ルL𝑏𝑏とフィルタリアクトルL𝑓𝑓を Fig.4(b)の
ように等価回路として考慮すること
で,Fig.3(b)のような出力パルス波形と仮定
でき,提案するパルスモデルを組むことが
できる. 
 
Fig. 3 L𝑏𝑏とL𝑓𝑓を含むインバータ電圧波形 
(a) L𝑏𝑏を含む波形   (b)等価回路を含む波形 
 
Fig. 4 モデリングのためのL𝑏𝑏とL𝑓𝑓 
(a)実回路   (b)等価回路 
 
   Fig.5,Fig.6 に MMC の PWM 方式を示す.
セル数に応じて位相を変化させた三角波を
用いる変調方式を用いる.MMCのPWM制御
方法として,各セルの三角波キャリア波形が
使用される.PWM 制御は,各セル数分の三角
波キャリア波形と制御入力𝛥𝛥𝛥𝛥 をそれぞれ比
較することによって制御される. 
 
Fig. 5 𝛥𝛥𝛥𝛥 < 1/8, 𝛥𝛥𝛥𝛥 > 7/8の PWM モデル 
(a)操作量とインバータ電圧 (b)モデリング 
 
Fig. 6 3/8 ≤ 𝛥𝛥𝛥𝛥 ≤ 5/8の PWM モデル 
(a)操作量とインバータ電圧 (b)モデリング 
   
  従来の PWM ホールド手法では,サンプリン
グ周期T𝑠𝑠とキャリア周期T𝑐𝑐が等しく,1 キャリア
内に 1 つパルスが出力する,中央パルスモデル
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を適用していた.Fig.5(a)は,操作量𝛥𝛥𝛥𝛥が 1/8 以
下と 7/8 を超える場合を示している.この場合,
サンプリング周波数f𝑠𝑠を 8 倍にすることによ
り,1サンプリング周期内に中央パルスモデルを
採用することができる.Fig.6(a) は, 操作量𝛥𝛥𝛥𝛥
が 3/8 以上かつ 5/8 以下の場合を示している.こ
の場合,サンプリング周期内の両端でパルスが 2
つに分割する.この場合,各パルスを 1 サンプリ
ング周期内で合計することにより,中央パルス
モデルを採用することができる.MMC では,直
流電源𝐸𝐸を交流に変換するのではなく,各セルの
コンデンサ電圧V𝑐𝑐を均一に保つことで,任意の
交流を出力しているため,直流電源𝐸𝐸の値は出力
電圧V𝑂𝑂に影響を及ぼさない .このことから
も,Fig.5(b)の出力パルスの領域を求めるための
演算には,直流電源𝐸𝐸ではなく各セルのコンデン
サ電圧V𝑐𝑐を用いる必要がある.パルスの高さは
V𝑐𝑐,パルス幅は(𝛥𝛥𝛥𝛥[k])/8 であり,1 キャリア内の
パルス領域は,パルスが 8 つある.2 レベルイン
バータの操作量𝛥𝛥𝛥𝛥が MMC の操作量𝛥𝛥𝛥𝛥と等し
い場合,2レベルインバータの出力パルス内の領
域は,1キャリア内の MMCの出力パルス領域に
等しいといえる.Fig.6(b)についても同様に考え
ることができる.したがって,従来の 2 レベルイ
ンバータにおいて用いていたデッドビート制
御則を MMC に適用することができる. 
② 疑似マルチレートデッドビート制御 
Fig.1の主回路モデルから,連続時間状態方程
式は(1)となる。 
 
  離散時間系の PWMホールド手法に基づく状
態方程式は以下のようになる.演算内で用いる
Vcj(j=1～8)は,各セルのコンデンサ電圧をフィ
ードバック値として用いる. 
 
  (2)より,2 時点先の PWM パルス幅を求める
と,(3)のマルチレート制御式が求まる. 
 
  Fig.7(a)(b)にマルチレートデッドビート制御
と疑似マルチレートデッドビート制御の PWM
パルスモデルを示す。 
 
Fig. 7 離散モデルのための PWM パルスパター
ン 
(a)MRDB   (b)QMDB 
 
  本研究では, 提案手法として疑似マルチレー
トデッドビート制御を適用する .(4)と置き換
え,(5)を𝑢𝑢(𝑖𝑖)について求める. 
 
 
  Fig.7(b)に示したように, 𝑢𝑢(𝑘𝑘)と𝑢𝑢(𝑘𝑘 + 1)を
足し合わせ,1キャリア分の PWMパルスモデル
とする.以上より,提案手法の制御式が求まる. 
 
(3) シミュレーション結果 
PI 制御と提案手法(QMDB 制御)のシミュレ
ーションを行った.条件は,定格負荷と負荷変動
とする.パラメータは Table.1 に示す. 
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  Fig.8 と Fig.9 は,PI 制御と QMDB 制御の定
格負荷時の出力波形,Fig.10 と Fig.11 は,負荷変
動時の出力波形を示している.Table.2 より,提案
手法によって定格負荷時における THD を抑える
ことができている.また,負荷変動時における出力
電圧指令値へ追従するまでの整定時間において
も,提案手法により応答性の改善を確認できた. 
 
Fig. 8 出力波形(PI 制御：定格抵抗負荷) 
 
Fig. 9 出力波形(QMDB 制御：定格抵抗負荷) 
 
Fig. 10 出力波形(PI 制御：負荷変動) 
 
Fig. 11 出力波形(QMDB 制御：負荷変動) 
 
 
(4) 実験結果 
  シミュレーションと同様の条件で実験検証
を行った.Fig.12 と Fig.13 は PI 制御と QMDB
制御の定格負荷時の出力波形を示してい
る.Fig.14 と Fig.15 は,負荷変動時の出力波形
を示している.また,Fig.16 と Fig.17 に,拡大波
形を示す.Table.3 を見ると,提案手法では PI 制
御手法と比べて,THD が低減していることか
ら,出力電圧の追従精度の改善を確認できた. 
 
 
 
      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                     
 
Fig. 12 出力波形(PI 制御：定格抵抗負荷) 
 
 
Fig. 13 出力波形(QMDB 制御：定格抵抗負荷) 
 
 
Fig. 14 出力波形(PI 制御：負荷変動) 
 
 
Fig. 15 出力波形(QMDB 制御：負荷変動) 
 
 
 
 
 
Fig. 16 出力波形(PI 制御：整流器負荷) 
 
Fig. 17 出力波形(QMDB 制御：整流器負荷) 
 
 
 (5)まとめ 
  MMC 単相フルブリッジインバータの PWM
ホールド手法に基づくデッドビート制御手法
(QMDB 制御)を提案し,シミュレーションおよび
実験により有効性を検証した.定常時の応答に関
して,高周波成分と偏差を減らすことができた.負
荷変動時の制御精度は,QMDB 制御を用いること
で改善することができる.その結果,提案手法は定
常特性と過渡特性の両方の制御性能が良好であ
ることが確認された.応答性や THD の向上によ
り,LC フィルタの小型化に関して有用性が望め
る. 
 
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  3 件） 
① 金井なつみ, 栗田将伍, 横山智紀, “MMC 変
換器における疑似マルチレートデッドビー
ト制御の検証”, 電気学会産業応用部門大会, 
2019 年 8 月 22 日, 長崎大学 
② Natsumi Kanai, Shogo Kurita, Takashi 
Ando, Tomoki Yokoyama, “A Study of Quasi 
Multi-rate Deadbeat Control for Single-
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Phase Modular Multi-level Converter”, 
S2PC, 2019 年 10 月 26 日, 富士電機豊田工
場 
③ Natsumi Kanai, Shogo Kurita, Takashi 
Ando, Tomoki Yokoyama, “A Study of Quasi 
Multi-rate Deadbeat Control for Modular 
Multi-level Converter using FPGA based 
Hardware controller”, IFEEC, 2019 年 11 月
26 日, シンガポール 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


Development of high-precision digital control method of multi-level modular converter using FPGA

井尻, 政孝

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
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課題番号 Q19T-06 
課題名（和文） キャビテーション加工によるマグネシウム合金の耐食性向上に関する研究 
課題名（英文） Improvement of corrosion resistance of magnesium alloy by cavitation processing 
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 井尻 政孝 
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） 
本研究はメカノケミカル機能性キャビテーション技術(MC-MFC)にリン酸を加え，Mg 合金表面の耐食性向
上をもたらす皮膜形成とそのメカニズム解明を目的とした．MC-MFC 加工表面に形成された膜下の母材表面
への圧縮残留応力について調査した．また従来の技術である陽極酸化(AD)とメカノケミカルウォータージェ
ットピーニング(MC-WJP)で加工した表面の各特性を比較した．各処理した表面の SEM-EDS 分析では皮膜
の成分である P や O の元素を確認された．MC-MFC は MC-WJP や陽極酸化で処理するより耐食性皮膜が厚
い．MC-MFC や MC-WJP で処理した表面では硬さや圧縮残留応力が増加したが，陽極酸化処理した表面で
は硬さが増加したが，圧縮残留応力は加工前の試料と比較して変化しなかった． 
 
 
研究成果の概要（英文） 
The purpose of this study is to add phosphoric acid to mechanochemical multifunction cavitation MC-
MFC technology and to form a film that improves the corrosion resistance of Mg alloy surface. In addition, 
we compare the characteristics of surfaces processed using conventional anodic oxidation (AO) treatment, 
mechanochemical water jet peening (MC-WJP), and MC-MFC. SEM-EDS analysis confirmed the existence 
of P and O in the film on each treated surface; parts of the AO-treated surface did not have a film. The 
surfaces treated with MC-MFC and MC-WJP had increased hardness and compressive residual stress. 
Although the hardness of the surface treated with AO increased, the compressive residual stress did not. 
 
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1.研究開始当初の背景 
Mg は実用化されている金属の中で最も軽量で
あり，比重が Fe の 1/4，Al の 2/3 である．さらに
比強度や比剛性を持ち，電磁波遮蔽能やリサイク
ル性においても優れた性質を持っている．しかし
ながら，Mg は標準電極電位が実用金属の中で最
も低く，化学的に活性が高いため，腐食されやす
い材料である．従って，耐食性を改善するために
は Mg の表面を改善する必要がある． 
 
2.研究の目的 
Mg の表面改質・防食表面処理と言えば，陽極
酸化処理や化成処理，めっきである．陽極酸化処
理はコスト面や耐食性を向上させる皮膜を形成
するための時間などの問題がある．また化成処理
やめっきは技術面や皮膜の耐久性，強度などの問
題があり，Mg 表面の防食表面処理技術が確立さ
れていないのが現状である．本研究は機能性キャ
ビテーション技術にリン酸を加え，Mg 合金表面
の耐食性向上をもたらす皮膜形成とそのメカニ
ズム解明を目的とした． 
 
3.研究の方法 
図 1 にキャビテーション加工の概略図を示す．
WJP 加工ではタンクに水を貯め，室温下の水中に
WJ-ノズルを固定し，試料表面に向けて高圧水を
噴射し，キャビテーション気泡を発生して試料表
面を加工する技術である．MFC 加工では WJP 加
工に加え，WJ ノズルの垂直方向から超音波発信
子を取り付け，高圧水噴流に超音波を照射し，試
料表面を加工する技術である．それらの技術に加
え，図 1 に示した WJ ノズルの導管に水とリン酸
を 10:1 に混合した液体を流しながら，加工を行っ
た．評価方法は SEM-EDS，ビッカース硬さ試験
を用いた． 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図 1 MFC 加工技術 
 
4.研究成果 
 薬品を用いたキャビテーション加工した表面
では黄金色に変化した．表面を SEM-EDS 分析し
た結果，P と O の元素が認められたことから，皮
膜が形成したことを確認した．皮膜の強度を検討
した結果，未加工材表面より向上した．以上の結
果より，本技術は Mg 表面に耐食性皮膜を形成さ
せるだけでなく，表面強度を増加させることがで
きる技術である． 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 3 件） 
① D. Shimonishi, M. Ijiri, et al, Surface 
modification of Mg alloy by 
mechanochemical cavitation, The 10th 
Pacific Rim International Conference on 
Advanced Materials and Processing (2019. 
8. 18-22 China) 
② 加藤文浩，前田大作，下西大地，吉村敏彦，
井尻政孝, 高温高圧キャビテーションによる
マグネシウム合金の耐食性制御に関する研
究, 中国四国支部日本機械学会 (2020. 3. 5-
6) 
③ 井尻政孝，吉村敏彦,  機能性キャビテーショ
ン加工による金属材料表面への影響, 日本材
料学会東海支部第 14 回学術講演会 (2020. 3. 
2) 
 


Improvement of corrosion resistance of magnesium alloy by cavitation processing

日高, 浩一

野上, 祥平

成田, 祐樹

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
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課題番号 Q18T-02 
課題名（和文） 工場・倉庫内などの室内走行自律運搬ロボットのための自律型環境地図作成法の提案 
課題名（英文） 
Autonomous moving space map generation in an unknown environment for indoor 
transport robots in factories and warehouses 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 電気電子工学科 教授 
氏名 日高 浩一 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電気電子工学専攻 修士課程 
氏名 野上 祥平 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 電気電子工学専攻 修士課程 
氏名 成田 祐樹 
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） 
製造業での部品搬送や倉庫での商品搬送等での自律運搬ロボットで重要な要素技術である、(i) 自己位置推定
技術と環境認識である環境地図作成法、(ii) 作業者や作業空間で必要な静止および移動物体の回避制御法、 
に対する新しい方法を提案した。提案法をシミュレーション実験と共に実機での実験両面から確認を行い、 
有効性を示した。 
 
 
 
研究成果の概要（英文） 
This paper proposed the novel self-position estimation algorithm with Simultaneous Localization and 
Mapping and obstacle avoidance algorithm based on depth stereo camera. These methods are important 
for moving and transport in factories and storehouses. The proposed obstacle algorithm does not use 
learning algorithms but only with information from a depth camera. The self-position estimation 
algorithm uses a Kinect.  The validity of the proposed algorithms indicated via not only simulations but 
also experimental results. 
      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 
 従来稼働している、工場や倉庫での運搬で使用
されている運搬ロボットは床面の誘導ラインを
使用するライントレース方式が支流となってい
る。しかし多品種の生産や通信販売の増大に伴い
運搬場所の柔軟な変更が可能であるシステムお
よび，運搬環境での回避運動が重要な技術となっ
てきている。このような自己位置決定や回避運動
技術は自動運転技術において提案されてきてい
る。自動運転では屋外走行を想定しているため、
使用されるセンサ―は LiDAR、ステレオカメラお
よびレーザーレンジなど、複数のデータ利用を想
定したシステムとなっている。一方、多くの室内
運搬ロボットで使用されているセンサ―はレー
ザーレンジやカメラなどが低位置に設定されて
おり、サンプリング周期も自動運転に対して低周
期となっている。よって従来のセンサ―を利用し
たシステム設計はコストの点から重要となる。 
2.研究の目的 
研究背景により、本研究では製造業での部品搬
送や倉庫での商品搬送等での自律運搬ロボット
での要素技術となる (i) 自己位置推定技術と目標
位置までの経路決定のための環境地図作成法、(ii) 
作業者や作業空間で必要な静止および移動物体
の回避制御法に関する新しい方法を提案し，実機
での実験を行うことで有効性の検討性を行う。自
己位置と環境地図作成法では RGB-D カメラ（深
度カメラ）が低位置に設定されている状況でのア
ルゴリズムを提案するとともに、地図作成では作
成時間にも着目した方法を提案している。一方、
障害物回避法では静止物体だけでなく移動する
物体に対しても回避するアルゴリズムを提案し、
実機での実験結果から有効性と今後の課題を明
らかにする。 
3.研究の方法 
3.1 自己位置推定方法と環境地図作成法 
提案する方法では、RGB-D センサ情報により未
探査領域を検出後、探査候補点の検出を行う。 
その後、これまでの動作により作成した地図およ
び前方のセンサ―情報からのデ―タにより作成
した３次元点群を利用して局所地図を結合し、こ
の地図を利用して次の探査目標位置を決定する。
この動作を繰り返しながら環境探査をすること
で地図作成を行う。提案アルゴリズムは６プロセ
スで構成される[1]。 
S1) 障害物回避を伴う直進運動 
S2) 左右移動空間（分岐領域）の検出 
S3) 重複探査領域の検出 
S4) 探査領域（フロンティア領域）の検出 
S5) 探査領域への移動と地図作成 
3.2 静止および移動障害物回避法 
提案法は物体認識をせずに、回避動作を行う方法
を提案した。そのため、ディープニューラルネッ
トワークなど、機械学習と呼ばれる学習機や学習
データを使用せず RGB-D カメラのみのデータに
基づいた回避法となっている。提案法はまず
RGB-D カメラ画像より床面除去を行い、その後
静止・移動各障害物のクラスタリングを実行す
る。検出した移動障害物に対してカルマンフィル
タを利用して速度推定を行い、移動予測を考慮し
た Vector Field Histogram+(VFH+)により回避の
ための移動方向と位置を決定する。 
4.研究成果 
4-1 自己位置推定・環境地図作成法の実験結果 
実験では図１に示す Turtlebot2 にキネクトを搭
載した２輪駆動型ロボットを使用し、両側に壁が
ある空間でに対して１５回の探査を実行し、検査
環境の面積に対して作成した面積が 90%完成し
た時間で提案法と FBEおよび RRTの比較を行い
有効性の評価とした。 
 
 
 
 
 
図１実験用ロボット   図２ 実験環境 
 
 
障害物
障害物 障害物
1.70 [m]
1.85 [m]
2.00 [m] 1.40 [m]
1.30 [m]
1.05 [m]
0.55 [m]障害物
0.55 [m]
1.30 [m]
1.70 [m] 1.70 [m]
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表１提案法と FBE での平均探査時間 
  15 回実施の平均探査作成時間 
提案法      208.20[s] 
FBE         290.26 [s] 
RRT         236.60[s] 
平均時間では提案法が最短時間を得られた一方、
データに対して t 検定結果では FBE に対して有
意水準 1%以下となる一方で RRT に対して 0.5% 
となり時間のみでの有意性は得られなかった。し
かし RRT の場合、作成時間のばらつきが大きく
なる傾向がみられる一方で提案法は安定した時
間で作成できる傾向がみられた。この結果から提
案法の方が実用性の観点から有効である結果が
得られたと考える。 
4-1 自己位置推定・環境地図作成法の実験結果 
4.2 静止および移動障害物回避法 
実験では図 2 に示す２輪駆動型、ビーゴ、に RGB-
G ステレオカメラを搭載した２ロボットを使用
し、Turtlebot2 を移動物体に使用し、５方向から
等速直線移動で移動するロボットの回避実験を
各 10 回実行した。比較法には VFH*TDT を利用
した。 
 
 
 
 
 
  図 3 移動障害物回避の 実験環境 
 
 
 
 
 
図 4 回避ロボット  図 5 障害物移動ロボット 
障害物用ロボットは直進に速度 0.2m/s および 
0.3m/s で移動させた。一方回避ロボットの速度は
0.1m/s から 0.3m/s の可変速度で回避動作を行っ
た。障害物ロボットの各移動方向に対する衝突回
避の実験結果を表 2 に示す。 
表 2 可変型移動ロボットの回避可否結果 
 速度 
[m/s] 
回避率結果 [%] 
-π/2 -π/4。 0 π/4 π/2 
提
案
法 
0.2 70  70 70 50 30 
0.3 80 70 40 60 50 
比
較
法 
0.2 20 10 60 0 0 
0.3 0 0 0 10 0 
実験結果よりすべての方向に対して提案法の回
避率は比較法より高い値を得られた。一方で移動
ロボットの初期姿勢に直進および右側より進行
する場合に弱点があることも明らかになった。こ
の結果の理由として、横方向のノイズ低減がうま
くできておらず結果直進走行での衝突が横から
の進行より低回避となった。一方初期移動位置で
の違いとして、回避行動後でカメラが回転する際
に映り込む壁を障害物として認識することによ
る誤動作と考えられる。そのため、明らかになっ
た改善点の改良を行う予定でいる。 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 9 件） 
① 野上翔平,日高 浩一, 学習データを用いない
ステレオカメラによる自動運搬ロボットの
移動障害物回避法，計測自動制御学会システ
ム・情報部門大会, pp.369-372 (2019). 
② 成田 裕樹 , 日高 浩一,RGB-D センサを利
用した自律走行ロボットのための効率的な
地図作成法の提案 ,電気学会 C 部門大会 , 
pp.969-974 (2019). 
③ Shohei Nogami, Koichi Hidaka, A Stereo  
Camera Based Static and Moving Obstacles  
Detection on Autonomous Visual  
Navigation of Indoor Transportation  
VehicleThe 44th Annual Conference of the  
IEEE Industrial Electronics Society,  
pp.5421-5426 (2018) 
 
 


Autonomous moving space map generation in an unknown environment for indoor transport robots in factories and warehouses

安藤, 毅

      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-07 
課題名（和文） 粒径 45 nm 以下の PM2.5 リアルタイム計測のための QCM 表面修飾 
課題名（英文） 
QCM surface decoration for realtime measurement of PM2.5 smaller than 45 nm in 
diameter 
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 助教 
氏名 安藤 毅 
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，従来困難であった粒径 45 nm 以下のスス（PM2.5）のリアルタイムモニタリング手法の開発を
目的として，QCM（水晶振動子微量天秤：Quartz Crystal Microbalance）の表面修飾による，極小径の粒子
に対する感度向上の検討を行った。PM2.5 のような微小な粒径の物質は，その粒径が小さくなるほどにその
振る舞いがニュートン力学から離れ，ガス分子（気体）に近い特徴を示すようになる。従来ガスセンサとして
利用されてきた QCM 表面に対して，ススの粒子が自然吸着し，その慣性重量の変化によって水晶の振動数が
変化したことを確認した。また，表面修飾の状態によってススの吸着の程度に差が見られた。 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, we improve sensitivity to nano-particles by employing QCM (Quartz Crystal Microbalance) 
surface decoration in order to develop real-time measurement of soot (PM2.5) smaller than 45 nm in 
diameter. Behavior of nano-particles such as PM2.5 is far from Newtonian mechanics and the smaller 
these particles are, they show closer characteristics to gas molecule. In the result, we confirmed that soot 
adsorbed onto the surface of QCM naturally and resonance frequency of the QCM was changed by inertial 
mass of the QCM. Moreover, the degree of soot adsorption differed with surface decoration of the QCM. 
      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 
現在 PM2.5 は，粒子の慣性を利用して大気や
排出ガスから粒子径ごとに分粒，分級されてい
る。その後粒子を慣性衝突によってフィルタに捕
集し，フィルタの重量変化を測定して，粒子径毎
の PMの量を評価するフィルタ法が標準となって
いる。しかし，粒子の慣性を利用したフィルタ法
では評価可能な粒子径限界が大きく，装置規模が
大きく高価，加えて，リアルタイムモニタリング
が困難である。 
2.研究の目的 
そこで本研究では，従来ガスセンサとして利用
されてきた QCM(水晶振動子微量天秤：Quartz 
Crystal Microbalance)に着目した。QCM は，時
計などに用いられている，電圧をかけると一定の
周波数で発振する水晶そのものであり，その表面
に吸着した物質の重量によって発振周波数が減
少する。このことより，QCM 表面に吸着したガ
ス分子などの重量をナノグラムの精度で評価可
能である。 
 PM2.5 などと呼ばれる極小径の微粒子は，その
重量の小ささゆえにニュートン力学に従わず，ガ
ス分子に類似した振る舞いを持ち，拡散挙動によ
る物体表面への自然吸着を示す。そこで本研究で
は，PM ガス分子と同等の挙動を示す PM(スス)
の，QCM への自然吸着を利用したリアルタイム
モニタリング手法を提案し，その提案手法の実証
と，表面修飾による極小径の粒子に対する感度向
上を目的として研究を行った。 
3.研究の方法 
 図 1 にスス発生装置および QCM の配置模式図
を示す。ススはトルエン蒸気を拡散燃焼させるこ
とによって発生させた。QCM は多摩デバイス製
の共振周波数 9 MHz，測定感度 1.07 ng/Hz のも
のを利用し，同社製の発振回路を用いて発振さ
せ，岩崎通信機製のユニバーサルカウンタ SC-
7205A を使用して発振周波数の測定を行った。 
QCM は火炎直上の排気管内に，火炎上端より
1320 mm の位置に，円板状の QCM が排気管断
面に対し水平，もしくは垂直になるように設置し
た。QCM へのススの付着は，ユニバーサルカウ
ンタによる周波数変化と共に，電子顕微鏡(SEM)
による表面観察によって行った。 
 
図 1 スス発生装置および QCM 配置の模式図 
4.研究成果 
 図 2 にススを付着させた QCM 表面の SEM 観
察像を示す。インパクタを用いないススの捕集系
であったにもかかわらず，QCM 表面へススが吸
着していることが確認でき，その粒子径は 0.1~2 
μm ほどであった。緩やかに排気管内をファンで
掃気しているため，直径 0.1 μm 以下の粒子はその
流れに乗り，吸着できなかったものであると考え
られる。より微小径の PM の自然吸着には，より
流速の遅い雰囲気に QCM を配置する必要がある
と考える。また，QCM 表面を疎水性物質で修飾す
ることにより，ススの吸着量が増加していること
が確認でき，油脂(トルエン)が付着したススとの
親和性が向上しているためであると考えられる。
また，スス発生開始からの時間経過に伴って QCM
の発振周波数が減少してゆくことが確認できた。
これは QCM 表面へのスス吸着に由来するもので
あり，今後，総スス発生量に対する QCM 表面へ
のスス吸着量を検討することによって，実際のス
ス検出感度の評価を行う予定である。 
図 2 QCM 表面の SEM 観察像 


QCM surface decoration for realtime measurement of PM2.5 smaller than 45 nm in diameter

足立, 直也

      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 Q19P-01 
課題名（和文） 非自己組織化性π-共役オリゴマーの合成と発光色制御 
課題名（英文） Controlled of Emission Colors and Synthesis of non Self-organized π-Conjugated Oligomers 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 理工学科・理学系 准教授 
氏名 足立 直也 
 
研究成果の概要（和文） 
合成経路および共役オリゴマーの構造を見直すことで、大幅に収量・収率を改善することができた。研究当
初は一回あたりに合成できる共役オリゴマーの量は数十 mg オーダーであったのに対して、改良後は数百 mg
オーダーに達することができた。また、原料の見直しを行うことで目的とする共役オリゴマーを半分程度の低
コストで合成することができるようになった。これらの改良後も酸性ガス認識能はほとんど変わらず数 ppm
オーダーであり、酸性ガスを認識すると蛍光色が青色から緑色へと変化することが明らかとなった。さらに、
構造中にフェニルボロン酸部位を導入することで、アンモニアガスを目視認識することができる共役オリゴ
マーとなることを見出した。 
 
研究成果の概要（英文） 
We are succeeded in improvement of synthetic yields and volumes by reconsider of synthetic routes and 
structures of conjugated oligomer. In this result, the synthetic volumes are increased up to several hundred 
milligrams. Additionally, synthetic costs of conjugated oligomers are decreased about a half by changes of 
raw materials. Moreover, it was found that conjugated oligomers by introduction of phenylboronic acid 
moiety showed molecular recognition properties to ammonia gases by changes of fluorescence colors from 
green to blue. 
 
1.研究開始当初の背景 
既存のガスセンサーは、半導体型のセンサーで
対象となるガスを重量もしくは抵抗値の変化で
検出することができ、警告音で有害ガスの存在を
知らせてくれる。既存のガスセンサーは高感度で
はあるが、耳の不自由な方は十分な恩恵を得るこ
とができない。有害ガスの存在を視覚で確認する
ことができれば、既存のガスセンサーでは補えな
い耳の不自由な方や電源のない屋外への設置な
ど様々な場面に適用できるため、よりガスセンサ
ーを活用できると考えた。 
2.研究の目的 
しかしながら、本技術のガス分子認識能を持つ
共役系有機液体は、多段階の合成反応を必要と
し、収率の低いカップリング反応を経て合成でき
る。そのため、現状では多くの時間をかけても一
度に数十 mg しか合成できない。ガスセンサーと
して実用化するには、g オーダーの共役系有機液
体を低コスト、短時間で合成する必要がある。そ
のため、現在の合成量では実用化は不可能に近い
ため、合成時間・収率の向上・合成経路の最適化
は実用化のためには必要不可欠である。これらの
ことから本研究では、共役系有機液体をガスセン
サーとして実用化するために、収率・収量の改善
      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                     
 
および低コスト化を目的として、現在の合成過程
および原料の最適化を行い共役オリゴマーの実
用化を目指し研究を行う。 
3.研究の方法 
 
Scheme 1. Synthesis of OPV 1 and 2 
合成スキームを以下に示した(Scheme 1)。2,4-
dihydoroxybenzaldehyde に長鎖アルキル基を
Williamson 反応により導入した 1 を合成した。
これに対して、2,6-dimethylpyridine のメチル基
を臭素化後、トリフェニルホスフィンを反応させ
てリンイリド 2 を合成した。それぞれ合成した 1
と 2 を Wittig 反応により反応させることで目的
とする OPV 1 を得た。さらに、OPV 1 のピリジ
ン環にフェニルボロン酸部位を導入した OPV 2
を合成した。 
 合成した OPV 1 を基板上に塗布し、酸性ガス
認識能について吸収・蛍光スペクトル測定および
目視により蛍光色変化観察について検討を行っ
た。同様に合成した OPV 2 を基板上に塗布し、ア
ンモニアガス認識能について検討を行った。 
4.研究成果 
以前の方法で合成した共役オリゴマーは、一回
あたりの収量が 80mg であったのに対して、今回
の OPV 1 は収量が 200 mg と大幅に向上するこ
とができた。これは、パラジウム触媒を用いたカ
ップリング反応や官能基の保護・脱保護を行わず
合成できたためだと考えられる。また、原料を見
直し高価な触媒などを使用しなくなったため、
100 mg 合成するためのコストが約 50%削減する
ことができた。それにも関わらず OPV 1 は ppm
オーダーの酸性ガス認識能を有し、酸性ガスを認
識すると青色から緑色蛍光へと変化することが
明らかとなった。 
 次に OPV 2 についてアンモニアガス認識能を
検討した。その結果、溶液中における蛍光スペク
トル測定から 10-10 M のアンモニアに対して蛍光
強度の増加が確認できたことからppbオーダーの
認識感度を持つことが明らかとなった。さらに、
薄膜状態における蛍光スペクトル測定から、アン
モニアガスの曝露により 500 から 400nm に蛍光
ピークが変化し、目視下で緑色から青色蛍光へと
変化することが確認できた。そのため合成した
OPV 2 はアンモニアガス認識能を示すことが明
らかとなった。 
 以上の結果から酸性ガス認識能を持つ OPV 1
は、収量・収率・低コスト化に成功した。また、
アンモニアガス認識能を有する OPV 2 の合成に
成功した。 
5.主な発表論文等 
〔特許出願〕（計 1 件） 
① 足立直也「化合物、それを含んでなるアンモ
ニア検出材料及びその製造方法、並びにそれ
を用いたアンモニアの検出方法」特願 2020-
041889 
 


Controlled of Emission Colors and Synthesis of non Self-organized π-Conjugated Oligomers

黒須, 正明

クロス, マサアキ

橋爪, 絢子

ハシヅメ, アヤコ

KUROSU, Masaaki

HASHIZUME, Ayako

From Usability to UX, then to LAD -Change of Social Focus with the Progress of ICT-

黒沢, 学

クロサワ, マナブ

KUROSAWA, Manabu

A Preliminary study to construct a questionnaire under COVID-19

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