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

佐藤, 慶介

森山, 悟士

立花, 孝通

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22S-01 
課題名（和文） リチウム系二次電池のサイクル寿命を劇的に向上させる革新的負極材料の開発 
課題名（英文） 
Development of innovative anodes for purpose of significantly enhancing the cycle life 
of lithium-based secondary batteries 
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 佐藤 慶介 
共同研究者 
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 森山 悟士 
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 
氏名 立花 孝通 
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、シリコン負極を用いたリチウム系二次電池に対してリチウム化/脱リチウム化過程でのシリコ
ン内への大量のリチウムイオンの取り込み/放出の際に生じるシリコンの体積膨張を緩和させる技術の構築を
行った。具体的には、シリコンナノ多孔粒子表面に形成した空隙空間である細孔部分に導電性の高い多層グラ
フェン片を被覆し、さらに粒子内にリンを添加することで導電性を付加させることで高容量を保持した状態
で充放電サイクル寿命を向上させることに成功した。以上の取り組みにより、シリコンの体積膨張を緩和させ
ることで、リチウム系二次電池の高容量化と長サイクル寿命化の両立を可能にする技術を構築できた。 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, we developed a technology to mitigate the volume expansion of silicon that occurs when a 
large amount of lithium ions are taken in and released from the silicon during the lithiation/delithiation 
process for lithium secondary batteries using a silicon anodes. Specifically, we have succeeded in improving 
the charge-discharge cycle life while maintaining high capacity by coating the pores formed on the surface 
of silicon nanoporous particles with highly conductive multilayer graphene fragments and adding 
conductivity by doping phosphorus to the particles.  
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
 
1.研究開始当初の背景 
リチウム系二次電池（リチウムイオン二次電
池、全固体電池）は、2050年のカーボンニュート
ラル社会の実現、SDGsの達成へのキーテクノロジ
ーとなっている。同電池開発では電力貯蔵の高容
量化と長期安定化は必須であり、現在、環境省が
推進しているゼロ・エネルギー・ハウス（ZEH）/
ビル（ZEB）の事業、家電用途、輸送機関用途等で
使用されるバッテリーの性能向上が求められて
いる。高容量化と長期安定化への取り組みとし
て、従来より使用されている黒鉛負極材料に比べ
て 11 倍以上の高い理論容量密度（4200mAh g-1）
を示すシリコン負極を用いたリチウム系二次電
池が研究されている。この二次電池では 50 サイ
クルの充放電の繰り返しサイクル数に対して
2500mAh g-1以上の高容量を得ているが、100サイ
クル後での容量保持率が低く、高容量化と長サイ
クル寿命化の両立が課題となっている。容量低下
の主な原因として、充電時のリチウム/シリコン
の合金化に伴いシリコンの体積膨張（4倍に膨張）
が徐々に進行することで生じるシリコンの亀裂
崩壊が挙げられる。リチウム系二次電池の高容量
を保持した状態でサイクル寿命の向上を図るこ
とは、民生や輸送部門で必須となる二次電池によ
る長期安定供給を可能にでき、電子・動力機器の
長期利用・駆動を見越せるため、我が国が推進す
る 2050 年のカーボンニュートラル社会の実現な
らびに SDGs 達成に向けた長期安定バッテリーへ
の要素技術として重要な取り組みである。 
 
2.研究の目的 
本研究では、シリコン負極の体積膨張の緩和を
図るために、粒子表面に膨張空間である細孔構造
を確保したシリコンナノ多孔粒子に対して、導電
性の高い多層グラフェン片を被覆し、さらに粒子
自体に導電性を付加させるために、リンを添加し
たシリコン負極材料の創製を目的とする。以上に
より、リチウム系二次電池（リチウムイオン二次
電池、全固体電池）の高容量化と長サイクル寿命
化の両立を目指す。 
 
3.研究の方法 
シリコンナノ多孔粒子は、産業廃棄物であるシ
リコンスラッジ粉末をボールミル処理した後、金
属援用化学エッチング処理により粉末表面に細
孔構造を有したシリコンナノ多孔粒子を形成し
た。細孔構造は、フッ化水素酸/硝酸銀からなるエ
ッチング液と過酸化水素を用い、粉末表面への銀
ナノ粒子の形成と銀ナノ粒子によるシリコンの
局所酸化層の形成ならびに局所酸化層の選択性
エッチングにより形成した。最後に、濃硝酸溶液
で細孔内部に存在する銀ナノ粒子の残留物を完
全に除去した。一方、リン添加シリコンナノ多孔
粒子はリン拡散剤を用いて加熱処理することで
作製した。リン添加有無のシリコンナノ多孔粒子
は、多層グラフェン片を有した分散液に添加し、
攪拌処理することで粒子表面に多層グラフェン
片を被覆させた。 
多層グラフェン片被覆したリン添加有無のシ
リコンナノ多孔粒子は、リチウム系二次電池（リ
チウムイオン二次電池、全固体電池）の負極材料
に使用した。負極電極は、ポリアクリル酸/ポリア
クリル酸ナトリウム混合バインダー、導電助剤、
多層グラフェン片被覆したリン添加有無のシリ
コンナノ多孔粒子を分散させたスラリーを銅集
電体上に塗工し、その後、加熱処理することで作
製した。 
リチウムイオン二次電池は、対極にリチウム金
属箔、負極に多層グラフェン片被覆したリン添加
有無のシリコンナノ多孔粒子、電解液にヘキサフ
ルオロリン酸リチウム/炭酸エチレンと炭酸エチ
ルメチル/炭酸フルオロエチレンの混合液を用
い、ハーフセルとして作製した。全固体電池は、
対極にインジウム/リチウム合金、負極に多層グ
ラフェン片被覆したリン添加有のシリコンナノ
多孔粒子、電解質に硫化物系固体電解質を用い、
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
ハーフセルとして作製した。 
 
4.研究成果 
多層グラフェン片被覆したリン添加有無のシ
リコンナノ多孔粒子の形態を調べるために、走査
型電子顕微鏡、BET 窒素ガス吸着装置による評価
を行った結果、粒子表面に多層グラフェン片が一
様に被覆されていることを確認できた。また、粒
子表面に形成した細孔構造は、リン添加無の粒子
では 35.6nm の細孔径、58.5m2 g-1 の比表面積、
64.6%の多孔度を示したのに対して、リン添加有
の粒子では 16.2nm の細孔径、134.8m2 g-1の比表
面積、62.6%の多孔度を示しており、いずれの粒子
において高い多孔度を得ることができた。 
次に、多層グラフェン片被覆したリン添加有無
のシリコンナノ多孔粒子負極材料を用いたリチ
ウムイオン二次電池（ハーフセル）の電気化学的
性能を調べるために、電気化学的試験による評価
を行った結果、多層グラフェン片被覆したリン添
加粒子負極材料に対して、1689mAh g-1の初期比充
電容量（理論容量：2292 mAh g-1）を得ることがで
きた。この比充電容量は、13サイクル目まで 90%
以上の保持率を確保しており、それ以降の繰り返
しサイクル数の増加においても緩やかな減衰を
示した。100 サイクル目の比充電容量保持率は
38.4%の値を示した。多層グラフェン片被覆した
リン添加粒子は、SEM 観察により明らかにしたよ
うに、粒子が多層グラフェン片で包囲された状態
になっていた。この形態では、粒子表面の細孔構
造を多層グラフェン片で保護できるため、リチウ
ム化/脱リチウム化過程でのシリコン内への大量
のリチウムイオンの取り込み/放出の際に生じる
シリコンの体積膨張を細孔構造部分での膨張/収
縮作用により緩和させることができた。また、粒
子自体にはリン添加により導電性を付加したこ
とで高い導電パスを実現でき、良好な電子移動を
確保することができた。以上の作用により、多層
グラフェン片被覆とリン添加の組み合わせは、リ
チウム化/脱リチウム化過程でのリチウムイオン
の安定した取り込み/放出ならびにそれらのアク
セスの著しい向上をもたらすため、サイクル寿命
を向上できた。 
一方、多層グラフェン片被覆とリン添加を組み
合わせた負極材料を用いた全固体電池（ハーフセ
ル）の電気化学的試験による評価を行ったとこ
ろ、2149.6mAh g-1の初期比充電容量（理論容量：
2292 mAh g-1）を示し、2サイクル目以降約 80%程
度の安定した比充電容量保持率を得ることがで
きた。液体の電解質を用いるリチウムイオン二次
電池の場合、繰り返しサイクル数の増加に伴いシ
リコンの体積膨張の発生に加え、シリコン表面に
電解質溶液の分解により生成される高抵抗の保
護被膜（SEI：Solid Electrolyte Interface）が
形成され、サイクル寿命の低下に大きく影響して
いる。一方、電解質を液体から固体に代えること
で、シリコンと電解質が固体の粒子同士の接触と
なるため、SEI の反応はなくなる。そのため、全
固体電池では 2サイクル目以降においてサイクル
寿命を劇的に向上させることに成功した。 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 1 件） 
① 佐藤慶介、岩本和樹、リチウムイオンバッテ
リーの蓄電容量を向上させるシリコン負極、
産廃シリコンスラッジ粉末への表面加工技
術と不純物添加技術、日本工業出版 クリー
ンエネルギー、Vol.32、No.4、pp.63-69、2023
年 
 
〔学会発表〕（計 14 件） 
① 佐藤慶介、シリコン負極への不純物添加でリ
チウムイオン電池の蓄電容量を劇的に改善、
第 2 回産学連携技術シーズ発表会「環境・新
エネルギー領域」、2022 年 8 月 22 日～31 日 
② 立花孝通、佐藤慶介、シリコンナノ多孔粒子
負極を用いたリチウムイオン二次電池の高
容量化、2022 年電気化学秋季大会、2022 年
9 月 8 日 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
③ 立花孝通、佐藤慶介、シリコンナノ多孔粒子
負極を用いたリチウムイオンバッテリーの
サイクル寿命改善、第 83 回応用物理学会秋
季学術講演会、2022 年 9 月 21 日 
④ 佐藤慶介、シリコン負極への不純物添加で
LIB 蓄電容量を劇的に改善、イノベーション・
ジャパン 2022、2022 年 10 月 4 日～31 日 
⑤ 佐藤慶介、リチウムイオンバッテリーの蓄電
容量を向上させるシリコン負極、JST 新技術
説明会、2022 年 11 月 10 日 
⑥ 佐藤慶介、太陽電池とバッテリーの性能向上
を見据えた機能性無機ナノ構造体、第 2 回フ
ォトニックデバイス・応用技術研究会、2023
年 8 月 4 日 
⑦ 佐藤慶介、シリコン負極への 2 次元材料包囲
で LIB 寿命を改善、イノベーション・ジャパ
ン 2023、2023 年 8 月 24 日、25 日 
⑧ 野村英生、立花孝通、佐藤慶介、シリコンナ
ノ多孔粒子負極の粒径制御によるリチウム
イオン二次電池の性能改善、2023 年電気化学
秋季大会、2023 年 9 月 11 日 
⑨ 立花孝通、深田直樹、佐藤慶介、シリコンナ
ノ多孔粒子負極の粒径制御によるリチウム
イオンバッテリーのサイクル寿命改善、第 84
回応用物理学会秋季学術講演会、2023 年 9 月
20 日 
⑩ 立花孝通、佐藤慶介、リチウムイオンバッテ
リーのサイクル寿命改善を目指したリン添
加シリコンナノ多孔粒子負極の開発、日本材
料学会 第 9 回材料 WEEK「若手学生研究
発表会」、2023 年 10 月 10 日 
⑪ 立花孝通、佐藤慶介、リチウムイオンバッテ
リーのサイクル寿命改善を目指したリン添
加及び鉄被覆シリコンナノ多孔粒子負極の
開発、材料技術研究協会討論会 2023、2023
年 12 月 2 日 
⑫ 佐藤慶介、リチウムイオン電池の高性能化に
向けたシリコン負極、第 5 回産学連携研究シ
ーズ発表会（環境・エネルギー分野）、2024 年
3 月 8 日 
⑬ 佐藤慶介、リチウムイオン電池の基礎と高性
能化を実現する最新技術、R&D 支援センタ
ー リチウムイオン電池セミナー、2024 年 3
月 12 日 
⑭ 佐藤慶介、リチウムイオン電池の高性能化に
向けた新規シリコン負極、AndTech リチウ
ムイオン電池セミナー、2024 年 3 月 15 日 
 


Japanese

リチウム系二次電池のサイクル寿命を劇的に向上させる革新的負極材料の開発

橋本, 侑知

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q23J-02 
課題名（和文） 同種写像の計算効率と安全性帰着の改良による同種写像暗号の効率化 
課題名（英文） 
Improving isogeny-based cryptography by improving both the computational 
efficiency and security reduction in isogeny-based cryptography  
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
理工学部 情報システムデザイン学系 助教 
氏名 橋本 侑知 
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） 
本課題の主目的である同種写像暗号の効率化に関して 2つ程成果をあげた。より具体的には、超特異性判定ア
ルゴリズムと CGL ハッシュ関数の計算効率化に関する成果を出した。どちらの成果も同種写像計算の繰り返し
計算コストの削減をしている。 
 
研究成果の概要（英文） 
We achieved two results regarding the main purpose of this project, which is the improvement of 
efficiency of isogeny-based cryptography. More specifically, we improve the computational efficiency of the 
supersingularity testing algorithm and the CGL hash function. Both achievements contribute to reducing 
the iterative computation costs in isogeny-based computations. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
現在広く利用されている RSA 暗号や楕円曲線暗
号は将来開発されるであろう大型の量子コンピュー
タによって破られてしまうことが示唆されている。 
そのため現在はその量子コンピュータに耐性のあ
るような耐量子計算機暗号が活発に研究されてい
る。その耐量子計算機暗号の有力候補の１つとして
同種写像暗号が提案されている。同種写像は他の耐
量子計算機暗号に比べて公開鍵サイズが最小であ
る。そのため、同種写像暗号は例えば小型 IoT デバ
イスなどに埋め込んで利用出来ることが期待され
る。一方で、計算効率が悪いことが大きな課題とな
っている。そのため、同種写像暗号の計算効率化に
関する研究は重要な研究テーマの一つとなってい
る。 
 
2.研究の目的 
  同種写像暗号の大きな課題である同種写像暗号の
効率性に関して、安全性帰着の改良や同種写像暗号
やそれに関連するアルゴリズムやプロトコル等の中
の繰り返し計算コスト削減を目的とする。 
 
3.研究の方法 
  既存研究の調査を行い、現状の研究動向を把握す
る。その後に、同種写像暗号の効率化に関して、暗
号学的な側面と数学的な側面の両方から効率化の可
能性を探っていく。また、効率的なアルゴリズムを
構成した際は計算機実験等をして、理論値のみなら
ず実測値でもどの程度計算時間の削減が出来ている
かを検証する。 
 
4.研究成果 
まず 1 つ目の成果は、超特異性判定アルゴリズム
の効率化に関する研究である。このアルゴリズムは、
同種写像暗号において楕円曲線のデータを送るフェ
ーズにおいて、不正な楕円曲線を検知するために役
立たせることが出来る。 
本研究ではその決定性アルゴリズムの効率化をし
た。既存アルゴリズムでは、ある楕円曲線が与えら
れたとき、その楕円曲線が通常楕円曲線であるか超
特異楕円曲線であるかを同種写像グラフのグラフ構
造の違いを利用して判定する。そのグラフ構造を調
べるために同種写像の繰り返し計算を必要とした。
本研究では、そのグラフ構造を調べるための同種写
像計算回数を約半分にまで削減した。また、p = 1 mod 
4 の素数と p = 3 mod 4 の素数の場合に分けて計算
機実験を行い実測値の評価も行なった。その結果、
実測値でも計算コストが約半分になっていることが
確かめられた。 
2つ目の成果は、CGLハッシュ関数の計算効率化に
関する研究である。CGL ハッシュ関数は証明可能安
全性かつ耐量子性を持つ同種写像を用いたハッシュ
関するであり、将来暗号方式等の安全性の向上等に
利用出来ることが期待される。 
本研究では、Legendre 曲線固有のパラメータと
Edwards 曲線固有のパラメータの関係を用いて構成
された 2-同種写像の合成に関する性質を明らかに
した。また、有限体の 2 次拡大体上の 2 の累乗根計
算の効率化も行なった。上記の結果を用いて新たな
効率的な CGLハッシュ関数を構成した。 
 
5.主な発表論文等 
〔雑誌論文〕（計 2 件） 
① Yuji Hashimoto and Koji Nuida, “Efficient 
Construction of CGL Hash Function Using 
Legendre Curves”, IEICE Transactions on 
Fundamentals of Electronics, Communications and 
Computer Sciences, Vol. E106.A, pp. 1131–1140, 
2023.  
② Yuji Hashimoto and Koji Nuida, Efficient 
Supersingularity Testing of Elliptic Curves Using 
Legendre Curves, IEICE Transactions on 
Fundamentals of Electronics, Communications and 
Computer Sciences, Vol. E106.A, pp. 1119–1130, 
2023.  
 


同種写像の計算効率と安全性帰着の改良による同種写像暗号の効率化

東京電機大学博士（情報学）2023doctoral thesi

藤田, 喜広

学位論文審査の結果の要旨 
報告番号 先端科学技術乙 78号 氏 名 藤田 喜広 
論文題目 UXデザインに基づく AIニーズ抽出法を活用した AI実習法の提案と 
実践評価 
論文審査委員会 
委員（主査）Ｄ○合 神戸 英利 特定教授（情報学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 中山 洋  教授  （情報学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 秋山 康智 教授  （情報学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 小林 春美 特定教授（情報学専攻） 
委員（副査）    小泉 寿男 名誉教授（東京電機大学名誉教授） 
  
 研究の背景 
人工知能（Artificial Intelligence 以下、AI）技術の進展に伴い、様々な産業での AI 開発と
利用が進展している。産業分野において新しいビジネスを創り出すには、AI 専門技術者の
関与だけでなく、顧客との接点を持つ営業スタッフの協力が不可欠である。内閣府は AI
戦略 2019 を策定し、人材育成と持続的な AI 適用を目指している。文部科学省は大学の全
学部において AI 教育をカリキュラム化する計画がある。AI 技術を広範な領域に導入する
には、研究者や開発者だけでなく、利活用者のデジタル人材の育成も急務とされている。 
                研究の目的 
AI 技術の本質を理解するには数学的・統計的スキルが必要であり、利活用者にとっては
難解である。利活用者に求められるスキルは実社会での課題や事例を把握し、進化する AI
技術を活用してアイデアを創出することであり、彼らに合わせた教育法があると考える。 
本研究では、AI の応用事例から入り、初めて学ぶ人にわかりやすくアプローチする手法
と、ユーザエクスペリエンス（User Experience 以下、UX）デザインを活用したユーザ思考
の実習で AI の理解を深める手法の組み合わせた教育法を提案し、文系学生・理系学部生お
よび企業の営業スタッフ向けに実践評価をする。 
研究の内容 
UX デザインに基づく AI ニーズ抽出法を活用した AI 実習法を提案し、文系学生・理系
学部生および企業の営業スタッフ向けの実践評価を研究した。 
文系大学生・理系学部生の利活用者が AI の理解度を向上する方法として、最初に事例か
ら入り、AI 技術の基礎から始め、身近なテーマでの実習を通じて学習効果を高め、最終的
に専門分野でのアイデア創出をする提案をした。 
本方式の評価として、AI 利活用向けには応用事例から学習に入ることが関心を高めるポ
イントになることを確認している。また、事例から入る AI 基礎と UX ペルソナ手法を活
用したワークショップで大学生の身近なテーマと専門分野のテーマで 6 つの機能（分類・
回帰・クラスタリング・ディープラーニング・データマイニング・強化学習）との結びつ
きを 3 回繰り返し学習することで、AI 技術の理解度向上を確認している。この成果は、 
［1］ 藤田喜広，石原正仁，荻野正，大江信宏，秋山康智，清尾克彦，神戸英利，井上雅
裕，小泉寿男： 「事例から入る利活用者向け AI 学習法と UX デザインのペルソナ
手法による実習評価」，電気学会論文誌 C, Vol.143 No.11, pp.1062-1072 (2023) 
［2］ Yoshihiro FUJITA，Masahito ISHIHARA，Tadashi OGINO，Tsuyoshi NAKAJIMA，
Hidetoshi KAMBE，Masahiro INOUE，Hisashi KOIZUMI: “AI Education based on Case 
Studies and its Practical Evaluation using Persona Method in User Experience Design“, 
Information & Education Technology(1) in 2023 IEEE 12th Global Conference on 
Consumer Electronics (GCCE2023)，Oct 10th, 2023，pp. 7-11 (2023/10) 
としてまとめられている。 
文系及び理系学部生を対象とする利活用者向けに AI 理解度を高めるために、事例から入
る AI 学習から始め、UX デザインに基づくペルソナ手法を用いてアイデアを出す手法に、
メタバースの要素を取り入れて、AI 基礎技術の学習効果を高める方式を提案した。 
本教育法の評価として、UX ペルソナ手法を使ってメタバース空間をテーマに実習形式
でアイデアを出した結果、メタバース空間ならではの AI 利活用案を創出し、6 つの主要な
機能を結びつけ、AI 理解度が向上することを確認している。この成果は、 
［3］ 藤田喜広，石原正仁，荻野正，大江信宏，秋山康智，清尾克彦，神戸英利，井上雅
裕，小泉寿男： 「UX デザインに基づく AI オンライン学習におけるメタバース活
用の実習法」，電気学会論文誌 C, Vol.143 No.11, pp.1034-1044 (2023)  
としてまとめられている。 
学生向けの AI 教育法を企業に所属する営業スタッフにも適用し、AI の理解を深め、顧
客の期待に応える AI ニーズを抽出する方式を提案した。事例から AI 基礎学習を行い、ペ
ルソナ手法を用いてアイデアを創出し、AI プロトタイプを作成して AI ニーズを具現化す
る。これにより、営業スタッフの AI 利活用力向上を狙いとする方法を提案する。 
本教育法の評価として、営業スタッフの AI 理解度が向上し、AI を活用した提案力が強
化された。企業向けの営業スタッフも AI 時代に適応できるようになり、自社製品に適用す
ることで競争力を維持向上する助けとなったことを確認している。この成果は、 
［4］ 藤田喜広，堂坂辰，秋山康智，大江信宏，吉井誠，荻野正，井上雅裕，小泉寿男： 「UX 
デザインに基づく AI ニーズ抽出法を活用した AI 研修コースの提案と営業スタッ
フ向け実習評価」，電気学会論文誌 C, Vol.142 No.7, pp.719-728 (2022) 
としてまとめられている。 
以上、本論文において著者が検討して得た結論に記された事柄は、文系大学生・理系学
部生や企業の営業スタッフの利活用者向け AI 教育に極めて有用であると判断できること
から、本論文の価値は教育的、社会啓発の観点からも十分に評価できる。よって、本論文
は博士（情報学）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。 


UX デザインに基づくAI ニーズ抽出法を活用したAI 実習法の提案と実践評価

東京電機大学博士（工学）2024doctoral thesi

熱田, 俊文

学位論文審査の結果の要旨    
報告番号 先端科学技術乙第 79 号 氏 名 熱田 俊文 
論文題目 低剛性被削材の旋削加工におけるびびり振動抑制工具に関する研究 
論文審査委員会 
 委員（主査） 教授  松村 隆  
 委員（副査） 教授  田村 昌一 
委員（副査） 教授  深沢 剛司 
委員（副査） 教授  森田 晋也 
  
 研究の背景 
製造業において、機械加工の高度化とともに加工効率の向上とコストの削減が求められ
ている。その中で切削は形状の制御性の観点から多くの部品加工に適用されているが、剛
性の低い被削材では、加工中の振動が問題となる。特に、自励的に振動が発散する再生び
びり振動は、仕上げ面の悪化だけでなく工具損傷を引き起こすため、作業を中断しなけれ
ばならない。旋削におけるびびり振動に関しては、従来から多くの研究がなされ、その基
本的な発生メカニズムが明らかにされてきた。さらに多くの振動モデルと解析技術も開発
され、びびり振動の発生の有無はこれらに基づく安定限界線図によって判別されている。
一方、びびり振動を抑制する技術についても多くの研究がなされ、機械装置系の剛性や減
衰性を制御する技術、工具系に負荷する荷重の周期性を制御する技術などが提案されてい
る。しかし、被削材が細くて長い形状の旋削においては有効な抑制方法が少ないため、加
工現場では熟練技能者の試行錯誤によって部品が仕上げられている。 
 
                研究の目的 
本論文は、低剛性材料の旋削加工を対象としてびびり振動を抑制する手法を提案し、そ
の妥当性を示すことを目的としている。まず、振動の加振源となる切削力の変動に関して、
先行切れ刃の波面を制御するための切れ刃システムを開発し、振動抑制効果のメカニズム
とそのモデル化を試みている。次に、工具系の剛性を制御し、加工時の切削力と振動方向
の視点からびびり振動の抑制を試みている。 
 
研究の内容 
本論文では低剛性の被削材の旋削において、動的切削過程を制御してびびり振動の抑制
するために、「Double inserts 工具」と「平行板ばね構造シャンク」を提案している。 
びびり振動の原因の一つとして被削材に負荷する切削力の変動が挙げられるが、その周
期性の観点から再生効果を抑えるために、Double inserts 工具を考案している。この工具で
は、工具シャンクに 2 つのインサートを異なる高さで取り付け、それらが同時切削するこ
とで周期性を崩して、びびり振動を抑制している。再生効果の抑制に関するこれまで研究
では、例えば、旋盤の主軸速度を変動させる技術が提案されているが、速度制御に対して
応答性の高い主軸が必要であるため、設備費が高価となり適用が困難な場合も少なくない。
これに対して、提案されている切れ刃システムは、加工現場でも比較的容易に導入できる
独創的な手法である。本論文では、Double inserts 工具の有効性を解析および実験によって
明らかにし、提案する手法が妥当であることを示している。以上の成果は、文献[3](Impact 
factor 3.5)と文献[4](Impact factor 1.1)で報告されている。 
びびり振動の抑制に対するもう一つの手法として工具シャンク構造に着目し、平行板ば
ね構造のシャンクを提案している。これは、加工現場の熟練者によるびびり振動対策の一
つである「逆さバイト法」から着想を得たものである。これは切削力の方向を変えること
でびびり振動を抑制するものであり、低剛性の被削材に対する旋削でびびり振動の抑制効
果が確認されている。しかしながら、この方法は勝手違いのシャンクが必要であり、さら
に刃物台と工具の保持における制約によっては刃先の高さ調整ができない場合がある。こ
れの実用化に対する課題に対して、通常の旋削作業で逆さバイト法と同様の効果が得られ
るシャンク構造を考案している。まず、逆さバイト法における動的挙動を調べ、それと同
様の効果を発現するためのシャンク構造を設計した。これに対して解析および実験により、
設計したシャンク構造がびびり抑制に対して十分に効果が得られることを示している。以
上の成果は、精密工学会の学術雑誌(査読有り)である文献[1]と文献[2]に公表されている。 
以上、本論文において著者が検討して得た結論は、学術性とともに実用的にも極めて有
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] 熱田 俊文、 吉村 英徳、 松村 隆、“びびり振動抑制のための工具シャンク形状の検討
－逆さバイト法によるびびり振動抑制効果－”、精密工学会誌、Vol86、No。6 (2020) pp。
468-473。 
[2] 熱田 俊文、 吉村 英徳、 松村 隆、“びびり振動抑制のための工具シャンク形状の検討
（第 2 報）―平行板ばね構造シャンクによるびびり振動抑制効果―”、精密工学会誌、
Vol88、No。3 (2022) pp。291-296。 
[3] Toshifumi Atsuta、 Hidenori Yoshimura、 Takashi Matsumura、 “Control of chatter vibration 
in double inserts turning with phase difference of modulations”、 Precision Engineering、 Vol。
82、 No。 7 (2023) pp。106-115。 
[4] Toshifumi Atsuta、 Hidenori Yoshimura、 Takashi Matsumura、 “Inner Modulation Controlled 
Process for Suppression of Chatter Vibration in Double Inserts Turning”、 International Journal 
of Automation Technology、 Vo1。 8、 No3 (2024) pp。 374-381。 


低剛性被削材の旋削加工におけるびびり振動抑制工具に関する研究

村田, 隼人

三井, 和幸

石川, 龍

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q23D-03 
課題名（和文） EHD ポンプを応用した空気圧制御システムの開発に関する研究 
課題名（英文） Study on development of air pressure control system which applied the EHD pump 
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 先端技術創成専攻 博士後期課程 
氏名 村田 隼人 
共同研究者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学部 先端機械工学科 教授 
氏名 三井 和幸 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
工学研究科 先端機械工学専攻 修士課程 
氏名 石川 龍 
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） 
 空気圧機器は構造が単純でありながら柔軟な動作が可能なため様々な分野で利用されている。しかし、空気
圧の制御には複数の弁が必要となるため、騒音が発生するだけでなく、システムの大型化による複雑な制御が
求められる。本研究では、印加電圧のみで吐出圧の調整が可能な EHD ポンプを応用した新たな空気圧制御シ
ステムを開発した。開発したシステムは、構造がシンプルでありながら音が発生しない特徴を有している。さ
らに印加電圧のみで空気圧を制御可能であり、外乱に対しても制御なしで一定の圧を維持可能である。 
 
研究成果の概要（英文） 
Pneumatic devices are used in various fields due to their simple structure and flexible operation. 
However, the control of air pressure requires multiple valves, which not only generates noise, but also 
requires complex controls due to the large size of the system. In this project, a new air pressure control 
system was developed by applying an EHD pump that can adjust the discharge pressure only by the 
applied voltage. The developed system has a simple structure and generates no noise during operation. 
Furthermore, the air pressure can be controlled only by the applied voltage and a constant pressure can 
be maintained without control against external disturbances. 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
 空気圧機器は構造が単純でありながら空気の圧
縮性によって柔軟な動作が可能であるため、様々
な分野で利用されている。しかし、空気圧を制御
するためのシステムは空気圧縮機で生成した圧縮
空気を複数の弁で調整する必要があるため、大き
な騒音や振動が発生するだけでなく、システムの
大型化による複雑な制御が求められる。そこで、
申請者らが開発してきた電圧の調整のみで吐出圧
力の発生と調整が可能でありながら、駆動時に音
が発生しない絶縁性液体を作動液とする EHD ポ
ンプを利用することで、これらの問題を解決した
空気圧制御システムが開発できると考え、本研究
の着想に至った。 
 
2.研究の目的 
 本研究では、音が発生せず構造がシンプルであ
りながら制御が容易な空気圧制御システムを開発
することを目的とした。 
 
3.研究の方法 
図 1 に考案した空気圧制御システムの基本構造
を示す。考案したシステムは、絶縁性液体と気体
を膜で仕切った圧力変換器によって EHD ポンプ
が吐出する絶縁性液体の圧力を空気圧に変換し、
センサによって空気圧を確認するものであり、バ
ルブを必要としないシンプルな構造である。なお、
EHD ポンプは印加電圧のみで吐出圧力を調整可
能であるため、考案したシステムは電圧に応じて
空気圧を制御することができると考えた。 
 
 
図 1 考案した空気圧制御システム 
 
本研究はこのシステムを実際に製作し、以下に
示す 2 段階に分けて動作特性評価実験を行った。 
（１）電圧印加時の動作特性評価実験 
 考案したシステムが電圧の制御のみで空気圧を
調整可能か確認するために、製作したシステム内
部の EHD ポンプに電圧を印加した時の EHD ポ
ンプの吐出圧と、システムが制御する空気圧を測
定し、評価した。 
（２）外乱を与えた時の動作特性評価実験 
考案したシステムにはバルブが存在せず、駆動
源の EHD ポンプにも機械的駆動部が存在しない
ため、システム内部で絶縁性液体や空気が逆流可
能である。そのため、考案したシステムには外乱
に対して空気圧を制御なしで一定に維持する機能
があると考えた。そこで、製作したシステム内部
の EHD ポンプに一定の電圧を印加し、外乱を与
えた時の空気圧の変化を測定し、評価した。なお、
外乱はシステムの外部からシリンジを一定速度 
(60[mm/min]、30[mm/min]、12[mm/min]) で押
し込むことによって、常に一定量の空気を送るこ
ととした。また、参考として EHD ポンプと圧力
変換器との接続を切り、システムを機能させない
場合においても測定を行った。 
 
4.研究成果 
 図 2 に実際に製作した空気圧制御システムを示
す。まず、製作したシステムの動作確認を行った
結果、システム内部の EHD ポンプに印加する電
圧の上昇や下降に応じて空気圧を変化させること
が可能であることを確認した。さらにシステムの
動作中に音や振動が発生しないことも確認した。 
 
 
図 2 実際に製作した空気圧制御システム 
 
 次に、製作したシステムの動作特性評価実験を
行った結果、以下の成果が得られた。 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
（１）電圧印加時の動作特性 
 図 3 にシステム内部の EHD ポンプに印加する
電圧に対する EHD ポンプの吐出圧および空気圧
の測定結果を示す。実験の結果、製作したシステ
ムが制御する空気圧は、EHD ポンプに印加する電
圧に関わらず常に EHD ポンプの吐出圧と等しく
なることが確認できた。なお、EHD ポンプは電圧
のみで吐出圧力を調整可能であるため、開発した
システムは電圧の制御のみで空気圧を制御可能で
あるといえる。 
 
 
図 3 印加電圧に対する EHD ポンプの吐出圧お
よび空気圧の測定結果 
 
（２）外乱を与えた時の動作特性 
 図 4 にシステムの動作中に外乱を与えた時の空
気圧の変化の測定結果を示す。なお、グラフはシ
ステム内部の EHD ポンプに 4 [kV]を印加した時
のものである。実験の結果、システムを機能させ
ない場合は外乱によって空気圧が上昇し続けてい
るが、システムを機能させた場合はシリンジの押
込み速度に関わらず外乱による空気圧の上昇は発
生せず、一定の空気圧を維持できることが確認で
きた。なお、この現象は EHD ポンプに印加する
電圧に関わらず発生することが確認できた。この
ことから、開発したシステムは外乱に対して空気
圧を制御なしで維持する機能があるといえる。 
 
 
図 4 システムの動作中に外乱を与えた時の空 
気圧の変化の測定結果(4 [kV]印加時) 
 
 以上の成果により、今までにない空気圧制御シ
ステムを開発できたため、新たな機能を持つ空気
圧機器の開発ができることが期待される。また、
国内外の研究を調べてみても EHD 現象を応用し
た研究は行われているが、EHD 現象を別の流体の
エネルギーに変換し、応用することは現在までに
試みられていないため、開発したシステムは空気
圧機器が一般的に用いられている分野にだけでな
く、空気圧機器を今まで応用できなかった分野に
も発展していくことが期待される。今後は開発し
たシステムの応用を目指し、既存の空気圧システ
ムへの組み込みを進めていくことを考えている。 
 
5.主な発表論文等 
〔学会発表〕（計 2 件） 
① 石川龍、村田隼人、武井祐輔、寺阪澄孝、下
大川丈晴、三井和幸：EHD ポンプを応用した
空気圧制御機構の開発に関する基礎的研究、
2023 年春季フルードパワーシステム講演会， 
2023 年 5 月 25 日、26 日、東京 
② 村田隼人、石川龍、武井祐輔、前田浩行、前
田睦浩、寺阪澄孝、下大川丈晴、長妻明美、
安齊秀伸、三井和幸：EHD ポンプを駆動源と
した空気圧式ターニケットの開発に関する基
礎的研究、2024 年春季フルードパワーシステ
ム講演会、2024 年 6 月 20 日、21 日、東京 


EHDポンプを応用した空気圧制御システムの開発に関する研究

ミャッ, エンダラ ,スュエ

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q23DS-03  
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 (抗原抗体反応及びウ
イルス検査) 
課題名（英文） 
Correlation between porosity and antibody binding to silicon nanoporous particles 
toward clinical application of enzyme-antibody method (antigen-antibody reaction 
and viral testing). 
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） 
本研究では、酵素抗体法に用いられるマイクロウェルプレートの代わりになる診断基材の開発を目的とし、
シリコンナノ多孔粒子と作製とそれに対する官能基の修飾及び抗体の結合に成功した。表面加工シリコンナ
ノ粒子では多孔形状、凹凸形状、多孔と凹凸を持ち合わせたハイブリッド形状の 3 つの形状を作製し、それぞ
れの形状に対する抗体の結合量を比較したところ、表面積が大きくなるにつれ、官能基の修飾面積を大きくな
り、それに伴い、抗体の結合量も増えていることが確認できた。官能基にはアミノ基とチオール基を用いるこ
とでさまざまなタンパクをもつ抗体の結合を可能にし、酵素抗体法の感度を向上させる。 
 
研究成果の概要（英文） 
In the present study, silicon nanoporous particles were prepared, modified with functional groups and 
successfully bound with antibodies, with the aim of developing a diagnostic substrate that could replace 
the microwell plates used in enzyme-antibody assays. Three shapes of surface-processed silicon 
nanoparticles were prepared: porous, concavo-convex and hybrid shapes with both porous and concavo-
convex shapes, and the amount of antibody binding to each shape was compared. This was confirmed. The 
use of amino and thiol groups as functional groups enables the binding of antibodies with various proteins 
and increases the sensitivity of the enzyme-antibody method. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 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ＥＬＩ
ＳＡ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。 
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（抗原抗体反応及びウイルス検査）

東京電機大学博士（工学）2023doctoral thesi

本多, 由佳

 
東京電機大学大学院 
学位論文内容の要旨   
報告番号 先端科学技術乙第 76 号 氏 名 本多 由佳 
論文題目 近世町村から地方自治体への形成過程に着目した 
歴史的地域の継承に関する研究 
  
本研究は、現在の地方自治体の起点である明治初期の町村編成に着目し、地方自治体が
確立した過程から地域形成の文脈を考証し、現都市計画への継承と消失を明らかにする。
行政による形式的な地域再編に留まらない、実質的な地域を如何に現代へ適用するか、そ
の視点を導出することを研究意義とする。論文は全 6章の構成である。 
1章 序論 都市再編に向けた“地域”の再認識 
都市の拡大・成長の時代から縮小・集約の時代へと折り返した現代において、都市の再
編は急務であり、縮退の結果に追随するのではなく、先行して都市集約をコントロールす
ることが望まれる。そのためには、計画の策定から実施まで自治体と住民らが“都市・地
域・まちの形や範囲などの在り方”について、根幹的に共有できる概念と認識が必要とな
ると考える。そこで本研究は、地方自治体の起点である明治初期の地域形成に着目し、地
域の形成過程における組成要素の抽出と現在に至るまでの変容および継承について明らか
にすることで、今後の都市・地域の将来像に必要となる共通認識の導出を目的とする。 
2章 都市部に位置する城下町を核とした明治初期の町村編成 
 城下町を起源として発展した全国の地方自治体 70 市を選定し、地方自治体が市町村合併
による拡大・成長に至る起点として、江戸幕末期から明治 22 年の市制町村制に伴う市町村
合併（明治の大合併）までに注目し、近世町村が幕藩体制の被支配階級から中央集権国家
の末端組織として地方自治体に変革した過程を整理分類する。明治初期の編成では中央集
権の末端組織(町村)に城下町・城下町内の町丁・周辺の近世町村が用いられ、当時の行政
機能に見合った規模の町村に再編された。ここで着目する点は、城下町を含む近世町村が
明治初期の行政組織形成の取り組みによって、その範囲を変化させていることである。大
区小区制や連合町村の組織形成の試行錯誤から明治の大合併によって、城下町の実質的な
地域から地方自治体の形式的な地域への変化に応じて、地域を再編する状況を確認した。 
3章 地方自治体の形成過程と現在の中心地域の実態 
明治の大合併で構築された地方自治体がその後の市町村合併によって拡大・成長する過
程を把握し、現代の都市マスタープラン（都市 MP）における地域別構想が示す地域との
比較考証を行う。これは、市町村合併にともなう行政区域拡大の過程から、旧城下町と周
辺市町村との関係性を整理するためである。その上で、都市 MP における現在の中心地域
 
と行政区域拡大の過程を比較することで、現都市計画における地域文脈の継承を検証する
と共に、旧城下町のような地域の起源に対する位置づけを明らかにする。都市 MPにおける
中心地域は、行政組織の歴史的地域(旧市町村区域)の踏襲が 22都市で見られ、その他都市
で生活圏(学校区等)や地形地物を組み合わせることで現況に適合させている。現在の地域
設定では旧城下町を核としつつ、現況の生活単位を用いる事で地域の範囲が変化している。 
4章 明治初期の近世町村を基盤とした形式地域の形成過程 
城下町を起源とする 70 都市の中から、地方自治体の創成、拡大・成長の過程、現在の都
市計画において城下町の地域を色濃く継承する埼玉県川越市を抽出し、現市域全域におけ
る近世町村から地方自治体への変容を考察する。これは、実質的な共同体であった城下町
及び藩政村の近世町村が明治初期の形式的な枠組みに対して提出した意見や要望、その結
果である地域範囲や中心地域の設定から、現在の起点となる地域の形成方法を見出すもの
である。近世町村が行政単位の町村へ編成される過程より、上位行政である府県郡の指示
によって町村を区分した大区小区制に対し、連合町村や明治の大合併では近世町村の住民
意見が考慮されるようになる。これによって形式的な行政単位に対して実質的な地形地物
や共同体の関係性が影響を与え、現在に継承する地域の組成要素を構成した。 
5章 明治初期の形式地域における組成要素の現都市計画への継承 
明治初期における実質地域から形式地域への変容から、地域形成に用いられる組成要素
を提示する。それらの組成要素が、現市域に至るまでの地域の拡大・成長、現在の将来像
に示される地域設定において、継承・消失する様態を確認する。現在の地域が明治初期の
組成要素を現代においても継続して適用することを可能としているのか、断絶して新たな
地域を形成しているのかを明らかにし、地域の認識に対する視点を導出する。行政単位を
区分する分断要素として、周辺地域では人口過疎地である農業・森林地域、中心地域では
近代の人口増加によって連担した市街地の縁端部を抽出した。また行政単位の拠点要素と
して、城下町の他に街道などの交通軸が挙げられる。これら組成要素は明治の大合併以降
の市町村合併によって、部分的に継承・消失している。川越市では江戸時代から存在する
郡界の河川、街道、地形に伴う市街地の縁端部が現在に継承する組成要素であった。 
6章 総括 
 江戸末期の城下町及びその周辺の藩政村を起源とした明治初期における地方自治体への
変容に着目し、地方自治制度が恒常し行政役割の拡大による都市の成長、その後の現代に
おける都市将来像の設定との比較考証によって得られた組成要素の継承と消失の視点から、
都市再編に向けた地域の再認識の可能性と課題について考察を加えて取り纏める。継承す
る地域文脈は特定の時期に存在した地域の組成要素ではなく、近代日本の法整備・改正に
伴った地域の組織又は構造が累積し、各時点の行政組織が取捨選択する事で継承している
事を導出した。現代の地域において地域文脈を継承する要素と変化に対応する柔軟な範囲
の存在が明らかとなり、この柔軟性が都市再編に向けた共通認識とすべきことを提示する。 


近世町村から地方自治体への形成過程に着目した歴史的地域の継承に関する研究

津國, 和泉

物理モデルを用いた初期室内インパルス応答の空間外挿に関する研究

大高, 謙二

学位論文審査の結果の要旨    
報告番号 先端科学技術乙第 77号 氏 名 大高 謙二 
論文題目 ディープラーニングプロトタイプ開発手法の研究と DX推進及び 
デジタルツイン応用への展開 
論文審査委員会 
委員（主査）Ｄ○合 神戸 英利 特定教授（情報学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 中山 洋  教授  （情報学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 秋山 康智 教授  （情報学専攻） 
委員（副査）Ｄ○合 小林 春美 特定教授（情報学専攻） 
委員（副査）    小泉 寿男 名誉教授（東京電機大学） 
  
 研究の背景 
 ディープラーニング（DL）の普及により、大量のデータを学習することで日常の発生デ
ータから有用な知見を得ることが可能となり、企業の業務などへの DL 応用、DL を中心と
したデジタル技術を活用して業務改革を図るデジタルトランスフォーメーション（DX）推
進、物理システムをサイバー空間上で複製して DL 技術で将来を予測し、物理システムの
運用効率化を図るデジタルツインのニーズが高まってきている。一方、これらの基盤技術
である DL においては、学習データ準備の優先順位の曖昧さ、機械学習において人間が指
定するハイパーパラメータによるチューニング手順の曖昧さ、認識すべきデータの局所的
要件に対する評価手法の曖昧さの課題があると認識している。また、普及促進のためには、
所謂情報システム部門のみでなく、IT 技術者ではない事業部門の技術者育成が重要との指
摘があり、理解し易い技術者育成の手法も課題となる。これらの課題を解決することが、
DL 応用、DX 推進、デジタルツイン応用の促進にとって重要な課題となる。 
                研究の目的 
 DLシステム構築の課題である、学習データ準備の優先順位の明確化、ハイパーパラメー
タによるチューニング手法、認識すべきデータの局所的要件に対する評価手法、さらに DL
システム構築の技術者育成手法を研究し、その成果を活用してプロトタイプを開発し、DL
応用、DX 推進、デジタルツイン応用の普及促進を図ることを目的とする。本目的達成の
ために、DL 応用プロトタイプ開発手法の研究、DX 推進プロトタイプ開発と技術者育成手
法の研究、デジタルツインプロトタイプ開発と技術者育成手法の研究を実施した。 
研究の内容 
DL 応用プロトタイプ開発手法の研究は、データ準備における DL モデルの推論時に発生
するデータを想定した学習データ準備手法、DLモデルの汎化性能を活用した学習データ準
備手法、DL モデルチューニングにおけるハイパーパラメータによるチューニング手法、認
識すべきデータの局所的要件に対する評価手法について研究し、さらに理解しやすいシス
テム構築の技術者育成手法を提案し、これらの成果を実装した DL応用プロトタイプを開発
した。それらの成果は、DLモデルの検証、実際の講座の実践を行うことで、システム構築
技術者育成と DL応用促進に有効であることを確認している。この成果は、 
［1］ 大高謙二、清尾克彦、大江信宏、澤本潤、井上雅裕、小泉寿男 「応用プロトタイ
プによるオンライン実習型ディープラーニング教育方式とその実践評価」、 
電気学会(IEEJ ) 論文誌 C Vol.143 No.6 pp.597-607（2023） 
［2］ Kenji Ohtaka, Nobuhiro Ohe, Katsuhiko Seo, Tsuyoshi Nakajima, Masahiro Inoue, 
Hisao Koizumi 「Online Deep Learning Education Method Based on Prototype 
Construction and Its Practical Evaluation」, IEEE GCCE2023 pp.666-670（2023） 
としてまとめられている。 
 DX推進プロトタイプ開発と技術者育成手法の研究においては、DL応用プロトタイプをベ
ースとして、DX推進の重要な技術基盤となる AI、IoT、ビックデータ、クラウドの利用技
術を単体及び統合的に活用した DX推進プロトタイプを開発し、技術者育成手法の提案を行
っている。これらの成果は、講座の実践によって DX推進のシステム構築技術者育成と DX
推進の普及に有効であることを確認している。この成果は、 
［3］ 大高謙二、大江信宏、清尾克彦、井上雅裕、神戸英利、小泉寿男 「プロトタイプ
構築をベースとした DX推進教育法の提案と実践評価」、工学教育(J. of JSEE), 第
71巻 4号 pp.53-61(2023) 
としてまとめられている。 
 デジタルツインプロトタイプ開発と技術者育成手法の研究においては、デジタルツイン
の教育で課題となる物理システムをサイバー空間上にモデリングする物理システム固有の
技術に対して仮定を設定することを提案し、DL応用プロトタイプをベースにデジタルツイ
ンプロトタイプを開発し、DLによる将来予測の技術習得基盤を開発した。さらに技術者育
成手法を提案し、講座を企画することで、これらの成果がデジタルツインのシステム構築
技術者育成とデジタルツインの普及に有効であることを確認している。その成果は、 
［4］ 大高謙二、中島毅、大江信宏、清尾克彦、井上雅裕、神戸英利、小泉寿男 「サイ
バーフィジカルシステムを基盤とするデジタルツインプロトタイプ構築実習型教育
法」、電気学会（IEEJ） 論文誌 C Vol.143 No.11 pp.1045-1055（2023） 
としてまとめられている。 
以上、本論文において著者が検討して得た結論に記された事柄は、DL応用、DX推進、デ
ジタルツインの技術者育成と普及促進の点で極めて有用であると判断できることから、本
論文の価値は情報工学的、理学的な観点からも十分に評価できる。よって、本論文は博士
（情報学）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。 


ディープラーニングプロトタイプ開発手法の研究とDX 推進及びデジタルツイン応用への展開

釜道, 紀浩

      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
課題番号 Q22T-01 
課題名（和文） 機能性高分子を用いた可変摩擦機構の開発と蠕動運動ロボットへの応用 
課題名（英文） 
Development of variable friction mechanism using functional polymer and its 
application to peristaltic mobile robots 
研究代表者 
所属（学部、学科・学系・系列、職位） 
未来科学部 ロボット・メカトロニクス学科 教授 
氏名 釜道紀浩 
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、ミミズの剛毛による摩擦調節機能に着想を得て、可変摩擦を実現するための方法および機構を
検討した。機能性高分子である形状記憶ポリマーと誘電エラストマを用いる 2 つの方法について、デバイスを
設計・試作し、実験により摩擦特性の変化を評価した。また、路面環境変化に応じた蠕動運動型ロボットの適
応的動作を実現するため、滑りを検知して運動パターンを調整する制御方法を検討し、数値シミュレーション
により有効性を確認した。 
 
 
研究成果の概要（英文） 
In this study, variable friction methods and mechanisms are investigated inspired by the friction 
regulation function of earthworms, which adjust friction by pushing and pulling small bristles. For two 
methods using functional polymers, shape memory polymer and dielectric elastomer, devices were 
designed and fabricated, and friction properties were evaluated through experiments. In addition, to 
realize adaptive motion of peristaltic robots in response to changes in the environment, a control method of 
the motion pattern was investigated, and its effectiveness was confirmed through numerical simulations. 
 
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
1.研究開始当初の背景 
ミミズは、筋肉の伸張・収縮動作を後方へ伝播さ
せることで進行波を生成する蠕動運動により移動を
実現している。体の断面が入る空間があれば動作で
き、細い空間での移動に適している。そのため、狭
小空間や細い配管内の探索や検査などへの応用を目
指して、ミミズの移動様式を規範にして、蠕動運動
型ロボットの研究開発が行われている。 
蠕動運動ロボットで効率的な移動を実現するため
には、環境との間の摩擦をうまく利用して滑りを回
避することが重要である。環境との間に生じる摩擦
力は、路面の摩擦係数の変化やロボットの質量分布、
運動パターンによっても変化する。摩擦が減少する
状況や外力が加わる状況では、動作パターンしだい
で滑りが発生し、移動量や移動効率の低下を招く。 
生物のミミズに着目すると、体節表面に剛毛を有
している種類（フトミミズ科やツリミミズ科など）
が存在し、摩擦を調節していると言われている。こ
の剛毛は、長さ 1mm 程度の硬い毛で、普段は剛毛
鞘の中に納まっており、先端がわずかに出ている程
度である。土の中を移動する場合などに、体節を膨
らませると同時に、剛毛を押し出して土に食い込ま
せて抵抗を増加し、移動に利用しているとのことで
ある。 
これまでは、ロボットの運動パターン制御のみに
注目してきたが、上記のミミズの摩擦調節を規範に
した可変摩擦機構が実現できれば、より多様な路面
環境の変化に適応した効率的な移動を実現できると
考えられる。理想的には、路面環境が変化した際に、
その変化に瞬時に反応してロボットの摩擦特性を変
化させることができれば、滑ることなくスムーズに
推進が可能であると考えられる。 
 
2.研究の目的 
本研究の目的は、移動ロボットの表面に設置可能
な「可変摩擦機構」を設計・開発することである。
そして、開発した機構を蠕動運動ロボットに適用し、
環境の変化に適応した運動制御の実現を目指す。十
分な摩擦特性の変化を生み出すと同時に、ロボット
の表面に設置可能な小型・薄型のデバイスを実現す
るために、機能性高分子材料を適用する。 
 
3.研究の方法 
(1) 可変摩擦機構の設計・製作 
形状記憶ポリマーを用いて粘弾性特性を変化させ
る方法と、電場応答性高分子である誘電エラストマ
を用いて突起物を出し入れする方法について、それ
ぞれ構造および製作方法を検討して、試作デバイス
を製作する。ロボットへの装着を前提に、厚さ 10 
mm 以内の試作デバイスを構築する。 
(2) 摩擦特性評価 
 試作したデバイスの摩擦変化の特性を、摩擦力測
定装置を用いて測定する。 
形状記憶ポリマーを用いたデバイスに対しては、
表面の形状を変えた複数の試作を行い、特性の違い
を評価する。測定実験で、ヒートベッドを利用して
温度を変化させたときの摩擦力を測定する。 
誘電エラストマを用いたデバイスに対しては、事
前実験として突起の突出量を調整できる装置を構築
し、突出量に対する摩擦力の変化を測定する。 
(3) 蠕動運動型ロボットの制御方法の検討 
 滑り状態の推定方法と、状態変化に応じた運動パ
ターンの制御方法を検討し、数値シミュレーション
により運動性能を評価する。 
 
4.研究成果 
形状記憶ポリマーを用いた方法では、3Dプリンタ
ーを用いて試作デバイスを製作した。比較のため、
形状記憶ポリマーと PLA樹脂で製作して、加熱時の
摩擦特性変化を摩擦特性測定装置で測定した。測定
の結果、PLA樹脂よりも形状記憶ポリマーの方が最
大静止摩擦係数の増加率が大きいことがわかった。 
誘電エラストマを用いた方法では、突起物として
ポリプロピレン、ナイロン、熱可塑性ゴムを用いて
素子を製作し、突起物の高さに対する動摩擦係数を
測定した。また、ゴム製の突起物と誘電エラストマ
を用いて可変摩擦機構を製作し、動作検証を行った。 
蠕動運動型ロボットの運動制御では、各体節の滑
      Annual Report 
東京電機大学           The Research Institute for Science and Technology 
総合研究所年報 2023          No.43 Tokyo Denki University                     
 
り量を推定する方法と、その滑り量に応じて各質点
の摩擦係数を逐次変化させる運動制御方法を検討し
た。数値シミュレーションにより、路面環境変化時
の滑り抑制効果があることを確認した。 
 
5.主な発表論文等 
 
〔学会発表〕（計２件） 
① 秋葉智貴, 釜道紀浩, 「蠕動運動型ロボットの滑
り抑制制御のための基礎検討」, 第 10 回計測
自動制御学会制御部門マルチシンポジウム , 
1PS1-20, 2023. 
② 片桐涼太, 釜道紀浩, 「誘電エラストマを用いた
可変摩擦機構の基礎検証」, ロボティクス・メ
カトロニクス講演会, 1A1-E18, 2023. 
 
 


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