Ⅱ．研究活動状況
CURRENT RESEARCH ACTIVITIES
メディア・コンテンツラボ
相澤・山崎研究室
苗村研究室
Media Contents Lab.
Aizawa & Yamasaki Laboratory
Naemura Laboratory
知能インターフェース
石塚研究室
広瀬（啓）・峯松研究室
杉本研究室
………………………..
………………………..
………………………..
27
31
39
………………………..
………………………..
………………………..
………………………..
45
49
51
53
Chikayama & Tsuruoka Laboratory………………………..
Taura Laboratory
………………………..
Sakai & Goshima Laboratory
………………………..
Iba Laboratory
………………………..
58
61
64
68
Network Lab.
Asami & Kawahara Laboratory
Aida Laboratory
Esaki Laboratory
Morikawa & Lee Laboratory
コンピューティングラボ
近山・鶴岡研究室
田浦研究室
坂井・五島研究室
伊庭研究室
Computing Lab.
システム・エレクトロニクスラボ
柴田・三田研究室
池田研究室
浅田・名倉・飯塚 研究室
藤田研究室
竹内研究室
量子フォトニクスラボ
大津・八井研究室
菊池研究室
中野・種村研究室
ナノ物理・デバイスラボ
高木・竹中研究室
田中・大矢研究室
田畑研究室
染谷研究室
杉山研究室
System Electronics Lab.
Shibata & Mita Laboratory
………………………..
Ikeda Laboratory
……Not submitted…..…
Asada, Nakura and Iizuka Laboratory ………………….
Fujita Laboratory
………………………..
Takeuchi Laboratory
……Not submitted…..…
フォトニクス＆ワイヤレスラボ
保立・何研究室
廣瀬（明）研究室
山下研究室
22
Intelligent Human-Computer Interface Lab.
Ishizuka Laboratory
Hirose & Minematsu Laboratory
Sugimoto Laboratory
ネットワークラボ
浅見・川原研究室
相田研究室
江崎研究室
森川・李研究室
………………………..
……Not submitted…..…
71
77
82
Photonics and Wireless Lab.
Hotate & He Laboratory
Hirose Laboratory
Yamashita Laboratory
………………………..
………………………..
………………………..
86
93
98
Quantum Photonics Lab.
Ohtsu & Yatsui Laboratory
Kikuchi Laboratory
Nakano & Tanemura Laboratory
………………………..
………………………..
………………………..
101
108
111
Nanophysics and Devices Lab.
Takagi & Takenaka Laboratory
Tanaka & Ohya Laboratory
Tabata Laboratory
Someya Laboratory
Sugiyama Laboratory
20
………………………..
………………………..
………………………..
………………………..
……Not submitted…..…
121
129
138
142
加藤研究室
Kato Laboratory
プラズマ・エネルギーフロンティアラボ
………………………..
Plasma and Energy Frontier Lab.
小田・小野（亮）研究室 Oda & Ono Laboratory
………………………..
日高・熊田，池田（久）研究室 Hidaka, Kumada & Ikeda Laboratory
…………..
小野（靖）・井研究室
Ono & Inomoto Laboratory
……Not submitted…..…
エネルギーシステム・制御ラボ
堀・藤本研究室
横山研究室
大崎研究室
古関研究室
馬場研究室
関野研究室
谷口研究室
149
151
156
Energy Systems and Control Lab.
Hori & Fujimoto Laboratory
Yokoyama Laboratory
Ohsaki Laboratory
Koseki Laboratory
Baba Laboratory
Sekino Laboratory
Taniguchi Laboratory
21
………………………..
………………………..
………………………..
………………………..
………………………..
………………………..
………………………..
165
174
179
183
186
190
193
相澤・山崎研究室
Aizawa Yamasaki Laboratory
is dynamic mesh model with dynamic texture: a moving three
dimensional object, for example, a person is captured and
modeled. We are investigating various topics such as three
dimensional reconstruction by making use of handheld digital
cameras, motion analysis of a moving person, depth camera
based modeling, segmentation and video composition etc.
(http://www.hal.t.u-tokyo.ac.jp/ja/index.html
研究現況
Current Research Projects
1.
ライフログ 食ログ 体験の情報処理
3. CGM and Social Media
相澤清晴, 山崎俊彦，入江豪，ヘネ テイシェイラ，
呉志鵬，フーチェン，松本尚也，蔵野達也
Processing of Consumer Generated Media
K.Aizawa, T.Yamasaki, G.Irie, Rene Teixeira, F.
Chen, N.Matsumoto, K.Kurano, N.Matsumura,
Y.Watanabe, N.Baidar
相澤清晴, 森川茶民，宮崎達也，杉山春樹，李賀,
天野宗佑
Life Log Technology and FoodLog
K.Aizawa, C.Morikawa, T.Miyazaki, H.Sugiyama,
E.Li,, S.Amano
センシングデバイスと情報処理機器の小型化が進み，個
人の生活体験を長期間記録することが可能になった．携
帯電話や iPhone などの普及により，写真・映像，コメン
ト，GPS による位置情報などで自分の行動を記録・公開
するユーザも増え，ライフロギングは始まっている．
先々には，膨大なデータの処理，複合的なログの集約と
連携，直感的なユーザインタフェースへの可視化とイン
タラクティブな検索等が技術的な課題になる．汎用的な
ライフログから，特定応用に向けたライフログを集約的
に処理，利用する形態を追求しており，食事ログの研究
開発とその社会展開に取り組んでいる．
We are pioneering a new area that is called life log. PCs and
storage media are improving in their size and capacity. In not
a too distant future, we will have the computing power and
storage capacity to cheaply record a person’s lifetimes worth
of details. Life logging is already beginning to happen:
photographs, locations, blogs, health records and more are
bring recorded digitally online. We think our life log will be a
composite of various application-oriented logs. Among them,
we are particularly focusing on Multimedia Food Logging:
Our Foodlog system is made open to public use.
2.
近年，Youtube やニコニコ動画，フェースブックなど，
ユーザ主導のマルチメディアデータ（ＣＧＭ）が多数閲
覧，共有されるようになった．マルチメディアにとって
はあらたな興味の宝庫である．これらに対して，映像内
容を考慮した順位付けの問題，準同一映像検出，映像内
容に関する人の印象や感情に見合う映像評価手法，さら
には，ソーシャルメディアのデータを利用した新たなア
ノテーション利用の枠組みを検討している．
CGM and social media, for example, YouTube, Niconico
Douga and Facebook are widely used on the Internet. They
are the new target for multimedia technology. We are
investigating topics such as new ranking schemes taking into
account content, near duplicate image retrieval,
summarization using of tags and comment descriptions,
affective evaluations, and a new framework of annotations
using social media, etc.
4. 漫画・デジタルミュージアム
相澤清晴, 山崎俊彦, 大谷智子，オゥグ オストル
ク, 河治寿都，松濤智明，松井勇祐，河村聡一郎
Creative Applications, Digital Museum
K.Aizawa, T.Yamasaki, T.Ohtani, O.Ozturk, ,
H.Kawaji, T.Matsunami, Y.Matsui, S.Kawamura
3 次元映像処理
相澤清晴, 山崎俊彦, 趙志鎬 羅衛蘭，池畑諭，
ビウェイ，多田和広, バイダルニマ
3D Video Processing
K. Aizawa, T. Yamasaki, S. R. Han, J.H.Cho, L.
Weilan, S. Ikahata, B. Wei, K.Tada, N.Baidal
ミュージアムや漫画といった文化のためのメディア処
理も進めている．デジタルミュージアムというプロジェ
クトの中でナビログという来館者への情報提供を行うと
ともに，その位置記録を画像を用いて行い，ミュージア
ム内での体験を支援する仕掛けを作っている．また，漫
画は，日本を代表するコンテンツであるものの，画像処
理の対象にされることがとても少なかった．リターゲテ
ィングや検索といった観点からの研究を進めている．
We are investigating technology for culture. For example,
in our digital museum project, we are developing Navilog
which navigate a museum visitor as well as it detects and
records his movement inside the museum to assist both the
visitor and the museum.
Manga, our unique culture, is our new research target, which
has rarely been discussed in the field of image processing. We
実世界を動的な 3 次元グラフィックオブジェクトとし
て取込む技術(3 次元映像)が進展しており，3 次元映像で
は，自由に視点を変えて視聴することができる．その一
方，3 次元映像は，幾何情報，テクスチャとも時間的に
変化し，情報量は膨大で,将来３次元ビデオの利活用が進
むためには技術的な課題は多い。身近なデジカメを利用
した複数視点からの 3 次元復元，人物の動き解析，Kinect
などのデプスカメラ画像を用いたモデリングや精細な映
像合成といった課題に取り組んでいる．
We are investigating new technologies for capture and
archive of three dimensional video. Three dimensional video
22
are investigating image processing techniques such as
retrieval, retargeting, etc. to enhance the reading experience.
論文・書一覧
Publications List
5.
研究論文
高ダイナミックレンジイメージング
相澤清晴, ヘネ テイシェイラ
High Dynamic Range Imaging
K.Aizawa, Rene Teixeira
デジタルカメラは利便性と高解像度化を進め，広く普
及してきた．ＣＣＤやＣＭＯＳといった固体撮像素子で
は高密度化は比較的進みやすいものの，感度については
本質的な限界が低く，ダイナミックレンジの広い撮像は
依然として難しい．光学系と処理を組み合わせることに
より，そのダイナミックレンジを拡大することができる
可能性を見出し，その探求を行っている．
Now digital cameras are highly convenient, and they are
widely in use. Although the solid state imaging device such as
CCD and CMOS has evolved in their resolution, their
sensitivity is intrinsically limited. Thus, high dynamic range
(HDR) imaging is still difficult. We found a possibility that
combination of the optical system and image processing can
resolve the difficulty of HDR imaging which we are
investigating.
[1]
Gamhewage Chaminda de Silva, Kiyoharu Aizawa,
Makoto Ogawa, Yohei Sato, FoodLog: Using Computer
Vision and Social Networking to Support Dietary
Assessment ,The Journal of the Federation of Societies
for Experimental Biology, FASEB J March 17, 2011
[2]
相澤清晴，小川誠,IT を活用した栄養・食事指導の
可能性： FoodLog 写真で簡単食事日記,臨床栄
養,pp.124-128, Aug.2011
[3]
相澤清晴，小川誠,"マルチメディア食事記録と画像
処理による食事内容解析 Multimedia Food Record
for Dietary Assessment by Image Processing)",情報処
理学会誌,Vol.52, No.11, pp.1382-1387, Nov. 2011
[4]
杉山春樹，森川茶民，相澤清晴,極値点情報と GrabCut
に よ る 食 事 画 像 領 域 分 割 (Segmentation of Food
Images by Local Extrema and GrabCut),映像情報メデ
ィア学会,Vol.66, No.5, pp.J179-J181, May 2012
[5]
Ji-Ho Cho, K.H.Lee, K. Aizawa, Enhancement of Depth
Maps with Alpha Channel Estimation for 3D Video,
IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,
Vol. 6, 2012
国際会議論文
[6]
Gamhewage Chaminda de Silva, Kiyoharu Aizawa,
Makoto Ogawa, Yohei Sato",FoodLog: Using Computer
Vision and Social Networking to Support Dietary
Assessment, Experimental
Biology2011 (EB2011),
Minisymposium on Innovative Dietary Assessment
Tools,Apr.12 2011, Washington D.C. USA
[7]
Chaminda De Silva, Kiyoharu Aizawa, Yuki Arase, Xing
Xie,Capturing, Using and Sharing a Liflog Dataset,2nd
Workshop on Information Access for Personal Media
Archives (IAPMA2011) pp.4-7, Apr.18, 2011, Dublin,
Ireland
[8]
Shuichi AOKI, Katsunori AOKI, Hiroyuki HAMADA,
Yasuaki KANATSUGU, Makoto YAMAMOTO, and
Kiyoharu AIZAWA,A New Transport Scheme for
Hybrid Delivery of Content over Broadcast and
Broadband, IEEE International Symposium on
Broadband Multimedia Systems and Broadcasting
2011,June 2011
[9]
Gamhewage De Silva, Kiyoharu Aizawa, Yuki Arase and
Xing Xie ,Interactive Social, Spatial and Temporal
Querying for Multimedia Retrieval, International
Workshop on Content-Based Multimedia Indexing
(CMBI2011),13-15 June 2011 Madrid, Spain
[10] Ji-Ho Cho, Toshihiko Yamasaki, Kiyoharu Aizawa,
23
Kwan H. Lee, Depth Video Camera Based Temporal
Alpha Matting For Natural 3D Scene Generation, 3DTV
Conference (3DTV-CON) 2011,May 16-18, 2011,
Turkey
Mobile Devices, ACM Multimedia, International ACM
Workshop on Interactive Multimedia on Mobile and
Portable Devices (IMMPD'11),pp.22-26, Nov.29, 2011,
Scottsdale, AZ
[11] Ji-Ho Cho, Min Ki Park, Kwan H. Lee, Kiyoharu
Aizawa, Automatic Alpha Matting with Adaptive Trimap
Generation using Depth Camera,3DSA(3D Systems and
Applications),pp.233-236, June 20-22, 2011, Seoul,
Korea
[22] Tatsuya Miyazaki, Gamehewage C. de Silva, Kiyoharu
Aizawa, Image‐based Calorie Content Estimation for
Dietary Assessment,ISM11, Workshop on Multimedia
for Cooking and Eating Activities,pp.363-368, Dec.5
2011, Dana Point, California USA
[12] Chaminda De Silva, Kiyoharu Aizawa, Clustering Meal
Images in a Web-based Dietary Management System,
ICME Workshop Multimedia Services and Technologies
for E-health ,July 11, 2011 Barcelona, Spain
[23] Chamin Morikawa, Kiyoharu Aizawa, Automated
Acwareness
and
Visualization
of
Online
Presence,HCCE2012 Joint International Conference on
Human-Centered Computer Environments ,pp.156-161,
Mar.8-13, 2012, Aizu, Japan
[13] Kiyoharu Aizawa,Next generation inovvartion and
invention in Japan, Foodlog: Image retrieval for
specific needs (invited),Student Forum ICME 2011,July
11, 2011 Barcelona, Spain
[24] Chamin Morikawa, User Interaction Techniques for
Multimedia Retrieval (invited talk),The Twelfth
International Symposium on Spatial Media, Mar 8-10,
2012, Aizu, Japan
[14] Yusuke Matsui, Toshihiko Yamasaki, Kiyoharu Aizawa,
Interactive Manga Retargeting, SIGGRAPH poster
paper (ACM Student Research Competition 3rd
place),Aug.7-11, 2011
総説・解説論文
[25] 相 澤 清 晴 , 展 望 (Thoughts on the Post Digital
Broadcasting), 映像情報メディア学会誌，ポスト地
上デジタル放送特集,Vol.65, No.9, pp.1246-1247, Sep.
2011
[15] Weilan Luo, Toshihiko Yamasaki, Kiyoharu Aizawa,
Marker-less Human Pose Estimation and Surface
Reconstruction Using a Segmented Model, IEEE Int.
Conf. Image Processing
(ICIP2011), MP.PB.10
pp.901-904, Sep.11-14 Brussels Belgium
[26] 相澤清晴，井手一郎,食とコンピューティング （巻
頭言）,情報処理学会誌,Vol.52, No.11, pp.1368-1369,
Nov. 2011
[16] Rajlaxmi Chouhan, Rajib Kumar Jha, Apoorv
Chaturvedi, Toshihiko Yamasaki, Kiyoharu Aizawa,
Robust Watermark Extraction Using SVD-based
Dynamic Stochastic Resonance, IEEE Int. Conf. Image
Processing
(ICIP2011),
WA.PB.9
pp.901-904,
Sep.11-14 Brussels Belgium
シンポジウム・研究会・大会等発表
[27] 青木秀一、浜田浩行、青木勝典、相澤清晴,ハイブリ
ッド型放送におけるメディアのトランスポート方
式,情報処理学会 オーディオビジュアル複合情報
処理研究会（AVM),Mar.11 2011, Okinawa
[17] Makoto Ogawa, Yohei Sato, Kiyoharu Aizawa, A Smart
Phone Based Calorie Counting System with Food Photo
Analysis, Health 2.0,Sept. 27, 2011, San Francisco
[28] Zhipeng Wu, Kiyoharu Aizawa, Mining Self-Similarity
for Near-Duplicate Video Retrieval, 電子情報通信学会
パターン認識とメディア理解研究会,PRMU2011-36,
pp.25-30, June 6 2011
[18] S.Kawamura, T.Ohtani, K.Aizawa, Interactive Museum
Guide with Image Based Indoor Localization, Next
Generation of Virtual Reality, Todai Forum 2011,Oct. 18,
2011, IRCAM, Paris, France
[29] 相澤清晴,FoofLog と画像処理,食メディア研究会 第
1 回研究会「食事科学と食メディア研究の接
点」 ,May 25, 2011, Kyoto
[19] K. Aizawa, Life log for specific needs, Next Generation
of Virtual Reality, Todai Forum 2011,Oct. 18, 2011,
IRCAM, Paris, France
[30] 宮崎達也、デシルヴァ、ガムヘワゲチャミンダ、相
澤清晴,食事画像からのカロリー推定 -複数の低次
特徴に基づく辞書照合と重回帰分析によるアプロ
ー チ -, 画 像 の 認 識 ・ 理 解 シ ン ポ ジ ウ ム
（MIRU2011),IS1-14, pp.170-176, July 20-22, 2011
[20] Han-Ping Cheng, Yun-Chung Shen, Ja-Ling Wu,
Kiyoharu Aizawa, High Efficient Distributed Video
Coding with Parallelized Design for Cloud Computing,
ACM Multimedia 2011,pp.1257-1260, Nov.28-Dec.1,
2011, Scottsdale, AZ
[31] Zhipeng Wu, Kiyoharu Aizawa,Two Geometric
Constraints for Bundled Features in Partial-Duplicate
Image Retrieval, 画 像 の 認 識 ・ 理 解 シ ン ポ ジ ウ ム
（MIRU2011),IS1-19, pp.204-209, July 20-22, 2011
[21] Go Irie, Takashi Satou, Akira Kojima, Toshihiko
Yamasaki, Kiyoharu Aizawa, Image Collection
Summarization for Search Result Overviewing on
[32] Zhipeng Wu, Kiyoharu Aizawa, Vicept: Visual Concept
24
for Image Understanding,画像の認識・理解シンポジウ
ム(MIRU2011),IS1-20, pp.210-217, July 20-22, 2011
報処理研究会,Vol.2012-AVM-76, No.6, PP.1-2, Feb.23,
2012, Tokyo
[33] 河村聡一郎、相澤清晴,博物館来館者の疎な位置から
の経路推定 －デジタルミュージアムでの鑑賞記録
作成に向けて－,画像の認識・理解シンポジウム
(MIRU2011),IS2-13, pp.586-592, July 20-22, 2011
[45] 相澤清晴,食に関わるライフログ共有技術基盤プロ
ジェクトについて,食に関わるライフログ共有技術
基盤シンポジウム,Mar. 16 2012, Tokyo
[46] 相澤清晴,FoodLog: 食事画像のマルチメディア処理,
食に関わるライフログ共有技術基盤シンポジウ
ム,Mar. 16 2012, Tokyo
[34] Weilan Luo, Toshihiko Yamasaki, Kiyoharu Aizawa,
Markerless Human Motion Extraction And Surface
Estimation Based on Model Segmentation,画像の認
識 ・ 理 解 シ ン ポ ジ ウ ム (MIRU2011),IS4-8,
pp.1332-1339, July 20-22, 2011
[47] 松井勇佑，山崎俊彦，相澤清晴,インタラクティブな
漫画のリターゲティング,映像情報メディア学会年
次大会 ,10-1, Aug. 24-26, 2011, Musashino, Tokyo
[35] 杉山 春樹, デシルヴァ ガムヘワゲ チャミンダ,
相澤 清晴,極値点情報と GrabCut を利用した食事画
像の領域分割,画像の認識・理解シンポジウム（ＭＩ
RU2011),IS4-38, pp.1538-1544, July 20-22, 2011
[48] 河村聡一郎，山崎俊彦，相澤清晴,博物館来館者の疎
な位置からの経路推定,映像情報メディア学会年次
大会 ,1-4, Aug. 24-26, 2011, Musashino, Tokyo
[36] 松井勇佑、山崎俊彦、相澤清晴,漫画に対するリター
ゲティング,画像の認識・理解シンポジウム
(MIRU2011),IS4-56, pp.1661-1668, July 20-22, 2011
[49] 杉山春樹・デシルヴァガムヘワゲチャミンダ・相澤
清晴,極値点情報と GrabCut による食事画像の領域
分割,映像情報メディア学会年次大会 ,6-7, Aug.
24-26, 2011, Musashino, Tokyo
[37] 池畑諭、山崎俊彦、相澤清晴,多視点ステレオのため
の信頼度に基づく高精度デプスマップの推定と融
合 , 画 像 の 認 識 ・ 理 解 シ ン ポ ジ ウ ム
(MIRU2011),IS4-19, pp.1405-1412, July 20-22, 2011
[50] 宮崎達也、小川 誠、デシルヴァガムヘワゲチャミ
ンダ，相澤清晴,辞書画像群を用いた食事画像からの
カロリー推定,映像情報メディア学会年次大会 ,9-2,
Aug. 24-26, 2011, Musashino, Tokyo
[38] 岩舘祐一, 相澤清晴, 苗村健, 広田光一, 山崎眞見,
及川道雄, 小池崇文, 片山美和, 久富健介, 池谷健
佑, 趙志鎬, 久保友香, 宇都木契,インテグラル立体
コンテンツ生成のための要素技術の開発 (特別講
演）,メディア工学,Vol..35 No.42, pp.1-4, Oct.14.2011
[51] Weilan Luo ， Toshihiko Yamasaki ， Kiyoharu
Aizawa,Surface
Estimation
Based
on
Model
Segmentation,映像情報メディア学会年次大会 ,6-8,
Aug. 24-26, 2011, Musashino, Tokyo
[52] Zhipeng Wu ・ 相 澤 清 晴 ,Appearance-based Friend
Recommendation for Social Network Service,映像情報
メ デ ィ ア 学 会 年 次 大 会 ,1-1, Aug. 24-26, 2011,
Musashino, Tokyo
[39] 相澤清晴，小川誠,ＦｏｏｄＬｏｇにおけるクラウド
とパターン認識(特別講演）,電子情報通信学会 パタ
ーン認識とメディア理解研究会,pp.57-60, Oct. 7,
2011, Makuhari
[53] 松村成朗・関口頌一朗・相澤清晴,単回帰と重回帰の
複合による複数の低次特徴からの画像中の人数予
測,映像情報メディア学会年次大会 ,6-6, Aug. 24-26,
2011, Musashino, Tokyo
[40] Rene M A Teixera, Kiyoharu Aizawa, Camera Noise
Compensation by Coded Aperture,画像符号化・映像メ
ディア処理シンポジウム(PCSJ・IMPS2011) pp.37-38,
Oct. 26-28, 2011, Yugawara
[54] 青木秀一, 浜田浩行, 青木勝典, 相澤清晴,コン
ポーネントを組み合わせ可能なトランスポート方
式の多重機能,電子情報通信学会ソサイエティ大
会,B-6-18, Sep. 14 2011, Sapporo
[41] Chamin Morikawa，Kiyoharu Aizawa, Yuki Arase，Xing
Xie,Interactive Multi-dimensional Queies for Retrieving
Social, Spatial and Temporal Multimedia,画像符号化・
映像メディア処理シンポジウム(PCSJ・IMPS2011)
pp.79-80, Oct. 26-28, 2011, Yugawara
[55] 河村聡一郎 ,相澤清晴,博物館来訪者による写真を
用いた位置・経路推定,日本バーチャルリアリティ学
会 第 16 回大会, 32B-6, pp.558-661, Sep.20-22,2011
Hakodate
[42] Ji-Ho Cho, Kiyoharu Aizawa,3D Video Aquired by
Kinect,画像符号化・映像メディア処理シンポジウム
(PCSJ・IMPS2011),I5-9, pp.103-104, Oct. 26-28, 2011,
Yugawara
[56] 相澤清晴,パネル討論： デジタルミュージアムの課
題,日本バーチャルリアリティ学会 第 16 回大会,
34A-1, Sep.20-22,2011 Hakodate
[43] Chamin Morikawa, Kiyoharu Aizawa,Designing
Interactive Queries for Multimedia Retrieval,Proc.
GCOE Symposium on Secure-Life Electronics ,Jan.
17-18, 2012, Tokyo
[57] 青木秀一, 浜田浩行, 青木勝典, 相澤清晴,メデ
ィアトランスポート方式 ATS における AL-FEC の機
能検証 , 映像情報メディア学会冬季大会 ,3－1,
Dec.21-22, 2011, Tokyo
[44] 相澤清晴，馬場口登,ACM マルチメディア国際会議
の動向,情報処理学会オーディオビジュアル複合情
[58] 佐藤和博・松井勇佑・相澤清晴,参照画像を利用した
25
マンガキャラクタの彩色,電子情報通信学会
大会,D-11-47, Mar.20-23, 2012, Okayama
総合
点映像技術の勉強会」 がんばろう日本！ 超臨場
感のこの先，多視点からのアプローチ (パネ
ル）,May 19 2011
[59] 蔵野達也・森川茶民・相澤清晴,パーソナル写真コレ
クションにおける注目領域の面積を利用したタグ
推薦手法,電 子情報通信 学 会 総合大 会,D-12-29,
Mar.20-23, 2012, Okayama
[72] 相澤清晴,Kinect を使ったプログラミング授業につ
いて,Microsoft Kinect for Windows Workshop, Mar. 15,
2012
[60] 天野宗佑・森川茶民・相澤清晴,食事画像のための重
み付き空間ピラミッドに基づく段階クラスタリン
グ,電子情報通信学会 総合大会,D-12-36, Mar.20-23,
2012, Okayama
[73] ス マ ー ト フ ォ ン ア プ リ ケ ー シ ョ ン ,Table for
Two ,Dec. 2011
[74] 相澤清晴,CREST「食に関わるライフログ共有技術基
盤」 シンポジウム展示, Mar.16 2012
[61] 河村拓哉・趙 志鎬・相澤清晴・酒澤茂之,デプスカ
メラからの距離画像の統合による高速な形状復元,
電子情報通信学会 総合大会,D-12-60, Mar.20-23,
2012, Okayama
[62] 新井俊宏・松井勇佑・相澤清晴,漫画画像からの顔検
出,電子情報通信学会 総合大会,D-12-67, Mar.20-23,
2012, Okayama
[63] 青木尚久，河村聡一郎，大谷智子，相澤清晴,博物館
内での展示物認識でのクラウドソーシングの利用,
電子情報通信学会 総合大会,D-12-98, Mar.20-23,
2012, Okayama
[64] 蔵野達也・森川茶民・相澤清晴,パーソナル写真コレ
クションにおける注目領域の面積を利用したタグ
推薦手法,電 子情報通信 学 会 総合大 会,D-12-29,
Mar.20-23, 2012, Okayama
[65] 天野宗佑・森川茶民・相澤清晴,食事画像のための重
み付き空間ピラミッドに基づく段階クラスタリン
グ,電子情報通信学会 総合大会,D-12-36, Mar.20-23,
2012, Okayama
[66] 河村拓哉・趙 志鎬・相澤清晴・酒澤茂之,デプスカ
メラからの距離画像の統合による高速な形状復元,
電子情報通信学会 総合大会,D-12-60, Mar.20-23,
2012, Okayama
[67] 新井俊宏・松井勇佑・相澤清晴,漫画画像からの顔検
出,電子情報通信学会 総合大会,D-12-67, Mar.20-23,
2012, Okayama
[68] 青木尚久，河村聡一郎，大谷智子，相澤清晴,博物館
内での展示物認識でのクラウドソーシングの利用,
電子情報通信学会 総合大会,D-12-98, Mar.20-23,
2012, Okayama
[69] 河村聡一郎・大谷智子・相澤清晴,写真中の物体認識
を用いた博物館ガイド,電子情報通信学会 総合大
会,A-16-4, Mar.20-23, 2012, Okayama
[70] 森 川 茶 民 ・ 杉 山 春 樹 ・ 相 澤 清 晴 ,User Assisted
Segmentation of Meal Images Using Touch Points
Entered on a Smart Phone,電子情報通信学会 総合大
会,A-20-2, Mar.20-23, 2012, Okayama
その他
[71] 相澤清晴,災害と超臨場感,ＵＲＣＦセミナー「多視
26
石塚研究室
Ishizuka Laboratory
(http://www.miv.t.u-tokyo.ac.jp/)
以前には，高次人工知能機能の利用に向けて，不完全
な知識を操作することで有用な枠組みである仮説推論，
アブダクション（発想的推論）の高速化推論メカニズム
について研究してきた．ここ数年は，Web 上のテキスト
文 が 表 す 意 味 概 念 と 共 通 的 に 記 述 す る CDL(Concept
Description Language)を中心にして，次世代 Web 基盤構
築に向けた研究を行っている．これは日本オリジナルな
アプローチであり，米国，欧州を中心に次世代 Web 基盤
として研究開発されてきた Semantic Web とは異なってい
る．他機関とも連携し，日本発の意味計算(Semantic
Computing)技術に基づく次世代 Web 基盤の研究と国際標
準化を進めている．
Previously, we worked, toward advanced artificial
intelligence functions, on hypothetical reasoning or abduction,
especially on its fast inference mechanisms. In recent years,
we are working toward a next-generation Web foundation
based on CDL (Concept Description Language), which allows
to describe the concept meaning expressed in natural language
texts. This approach is original in Japan and different from
the “Semantic Web” which has been pursued primarily in the
US and Europe toward a next-generation Web foundation. In
cooperation with other organizations, we are pushing our
original approach based on the semantic computing of
natural-language texts, and making efforts to standardize it
internationally.
研究現況
Current Research Projects
1.
Web インテリジェンス
石塚
満
Web Intelligence
M. ISHIZUKA
情報・知識の流通と共有の重要なインフラストラクチ
ャになってきている WWW(Web)を，より利用価値の高い親
しみやすい情報空間にするための知能機能の研究を行っ
ている．特に Web のテキスト部の情報を重視し，そのテ
キスト処理手法に基づく知能化を図っている．関連する
基礎技術として，キーワード抽出法，重要文抽出法，関
係語の抽出法，テキスト要約法，テキストマイニング法,
エンティティペア間の類似性計算法，などを研究開発し
ている．これらに基づき，指定した話題に関する所定期
間の Web 新規情報を整理して提示するシステム，
複数 Web
ページの要約，Web からピンポイントで必要な情報を探
り当てる質問応答，Web からの人間関係ネットワーク抽
出，Web 情報の分類や推薦システム，潜在的関係検索エ
ンジン，などの研究を進めている．
The World Wide Web (WWW or Web) is now an important
infrastructure for information/knowledge distribution and
sharing. In order to make the Web more valuable and more
friendly to us, we have been investigating and exploiting Web
intelligence functions. Specifically, we focus on the text
parts of the Web, and are aiming at the Web intelligence based
on text processing. As its basic technologies, we have
developed our methods for keyword extraction, important
sentence extraction, synonym extraction, text summarization,
text mining, a similarity computation method between two
entity pairs, etc. Based on these methods, we have carried
out, for example, the fallowing system developments. 1) A
system for summarizing new information appeared on the
Web associated with a set of given keywords, 2) A
summarization system of multiple Web pages, 3) Q&A system
for finding pin-pointed information from the Web, 4) An
extraction system of human network from the Web, 5)
Systems for classification and recommendation of Web
information, and 6) A latent relational search engine.
2.
3.
生命的エージェントとマルチモーダル・メデ
ィア
石塚 満・土肥 浩
Life-like Agents and Multimodal Media
M. ISHIZUKA and H. DOHI
顔と姿，音声対話機能，感情，知能を有する生命的エ
ージェントと，これによるマルチモーダル・メディアに
関する研究開発を行っている．HTML で誰でもが容易に作
成できることにより Web コンテンツが膨大になったよう
に，上記のマルチモーダルコンテンツも誰でもが使用で
きる記述言語が重要であるのとの考え，MPML(Multimodal
Presentation Markup Language)の開発を行ってきている．
この MPML は各種の機能を統合するコアの役割も果たし
ている．MPML は実用的なプレゼンテーション記述，制作
ツールとして使用でき，ソフトウェアを公開している．
Web コンテンツを対象とするバージョンに加えて，3 次元
VRML 空間，セカンドライフ空間，携帯電話，ヒューマノ
イドロボットを対象とするバージョンも開発している．
エージェントの自律性向上の観点から，テキストからの
感情抽出，発話テキストからのジェスチャの自動生成，
モノローグテキストからのダイアローグ（対話）の自動
生成の研究も行っている．
We are developing life-like agents with face, body, voice
communication capability, emotion and intelligence, and
multimodal media systems using these life-like agents. Like
HTML has allowed many people to produce Web contents
自然言語テキスト意味概念の共通的記述に基
づく次世代 Web 基盤
石塚 満
A Next-generation Web Foundation based on a
Common Description of the Concept Meaning
expressed in Natural Language Texts
M. ISHIZUKA
27
論文・著書一覧
Publications List
easily and thus expanded Web information space
tremendously, we consider that a common and easy-to-use
description language is required for the multimodal contents,
and have been developing such a description language called
MPML (Multimodal Presentation Markup Language).
MPML also serves as a core of integrating a variety of
functionalities. It is provided as free software, and can be
used to describe and produce practical multimodal
presentations. In addition to its main version for Web
contents, other versions for 3D VRML space, Second-Life
space, mobile phones and humanoid robots are developed.
For enhancing the autonomy of the agents, we are also
studying on the topics of emotion extraction from text,
automatic gesture generation from speech text, and automatic
dialogue generation from monologue text.
研究論文
[1] Alena Neviarouskaya, Helmut Prendinger and Mitsuru
Ishizuka: SentiFul: A Lexicon for Sentiment Analysis,
IEEE Trans. on Affective Computing, Vol.2, No.1,
pp.22-36 (2011)
[2] Helmut Prendinger, Sebastian Ullrich, Arturo Nakasone
and Mitsuru Ishizuka: MPML3D: Scripting Agents for the
3D Internet, IEEE Trans. on Visualization and Computer
Graphics, Vol.17, No.5, pp.655-668 (2011.5)
[3] Danushka Bollegala, Yutaka Matsuo, and Mitsuru
Ishizuka: Automatic Discovery of Personal Name Aliases
from the Web, IEEE Trans. on Knowledge and Data
Engineering (TKDE), Vol.23, No.6, pp.831-844 (2011.6)
[4] Danushka Bollegala, Yutaka Matsuo, and Mitsuru
Ishizuka: A Web Search Engine-based Approach to
Measure Semantic Similarity between Words, IEEE Trans.
of Knowledge and Data Engineering (TKDE), Vol.23,
No.7, pp.977-990 (2011.7)
[5] Danushka Bollegala, Yutaka Matsuo and Mitsuru Ishizuka:
A Supervised Classification Approach for Measuring
Relational Similarity between Word Pairs, IEICE Trans.
on Information and Systems, Vol.E94-D, No.11,
pp.2227-2233 (2011.11)
[6] Yingzi Jin, Ching-Yung Lin, Yutaka Matsuo and Mitsuru
Ishizuka: Mining Dynamic Social Networks from Public
News Articles for Company Value Prediction, Social
Network Analysis and Mining (Springer Wien), Vol.2,
No.1, 12 pages (2012.1)
[7] Xiaokan Wang, Xia Mao, Catalin-Daneil Caleanu and
Mitsuru Ishizuka: Statistical Shape Analysis for Face
Movement Manifold Modeling, SPIE Optical Engineering,
Vo.51, No.037004, 8 pages (2012.3)
[8] グェン トアン ドゥク，ボレガラ ダヌシカ，石塚
満： エンティティペア間類似性を利用した潜在関係
検索，情報処理学会論文誌，Vol.52, No.4, pp.1790-1802
(2011.4)
[9] 後藤友和，グェン トアン ドゥク，ボレガラ ダヌシ
カ，石塚 満： 関係の対称性および予測語を用いた関
係検索の性能向上法， 人工知能学会論文誌, Vol.26,
No.6, pp.649-656 (2011.9)
[10] 渡部啓吾，Danushka Bollegala，松尾 豊，石塚 満： 検
索エンジンを用いた関連語の自動抽出， 知能と情報
（ 日 本 知 能 情 報 フ ァ ジ ィ 学 会 誌 ） , Vol.23, No.5,
pp.739-748 (2011.10)
Book Chapter
[11] Mostafa Al Masum Shaikh, Keikichi Hirose and Mitsuru
Ishizuka: Recognition of Real-World Activities from
Environmental Sound Cues to Create Life-Log, in "The
28
Systemic Dimension of Globalization (Piotr Pachura
(Ed.)", Chapter 9, pp.173-190, InTech, (ISBN
978-953-307-384-2) (2011.8)
pp.34-37 (2011.11)
[21] Ken-ichi Yokote, Shohei Tanaka and Mitsuru Ishizuka:
Effects of Using Simple Semantic Similarity on Textual
Entailment Recognition, RTE-7(Recognizing Textual
Entailment) Workshop Note at Text Analysis
Conf.(TAC2011), NIST, Gaitherburg, Maryland, USA
(2011.11)
[22] Lijiang Chen, Xia Mao, Yu-Li Xue, and Mitsuru
Ishizuka: Speech Emotional Features Measured by
Power-law Distribution based on Electroglottography,
BIOSIGNAL 2012 -- Proc. Int'l Conf. on Bio-inspired
Systems and Signal Processing (SciTePress 2012),
Vilamoura, Algarve, Portugal, pp.131-136 (2012.2)
[23] Mamdouh Farouk and Mitsuru Ishizuka: Mapping DB to
RDF with Additional Discovered Relations, Proc. of the
11th WSEAS Int'l Conf. on Artificial Intelligence,
Knowledge Engineering and Data Bases (AIKED'12),
Cambridge, UK , pp.195-200 (2012.2)
[24] Mamdouh Farouk and Mitsuru Ishizuka: An Extensible
Approach for Mapping Relational DB to RDF, Proc. of the
2012 Japan-Egypt Conf. on Electronics, Communications
and Computers, Alexandria, Egypt, pp.179-183 (2012.3)
[25] Mamdouh Farouk and Mitsuru Ishizuka: An Inference
based Query Engine for RDF Data, Proc. of 2012 Int'l
Conf. on Information Retrieval & Knowledge
Management, Kuala Lumpur, Malaysia (2012.3)
国際会議論文
[12] Mamdouh Farouk and Mitsuru Ishizuka: Semantic
Structure Content for Dynamic Web Pages, Proc. 2011
Int'l Conf. on Semantic Technology and Information
Retrieval (STAIR'11), Putrajaya, Malaysia, pp.48-52
(2011.6) (Best Paper Award)
[13] Hiroshi Dohi and Mitsuru Ishizuka: Automatic 3-D
Facial Fitting Technique for a Second Life Avatar, Virtual
and Mixed Reality -- Systems and Applications, Part II
(Proc. Int'l Conf. on Human-Computer Interaction (HCII
2011), R. Shumaker (ed.), Orlando, Florida, USA),
Springer LNCS 6774, pp.227-236 (2011.7)
[14] Nozomi Nori, Danushka Bollegala and Mitsuru Ishizuka:
Exploiting User Interest on Social Media for Aggregating
Diverse Data and Predicting Interest, Proc. 5th Int'l AAAI
Conf. on Weblogs and Social Media (ICWSM-2011),
Barcelona, Spain, pp.241-248 (2011.7)
[15] Nozomi Nori, Danushka Bollegala and Mitsuru Ishizuka:
Interest Prediction on Multinominal, Time-Evolving
Social Graphs, Proc. 22nd Int'l Joint Conf. on Artificial
Intelligence
(IJCAI-2011),
Barcelona,
Spain,
pp.2507-2512 (2011.7)
[16] Yingzi Jin, Ching-Yung Lin, Yutaka Matsuo and Mitsuru
Ishizuka: Mining Longitudinal Network for Predicting
Company Value, Proc. 22nd Int'l Joint Conf. on Artificial
Intelligence
(IJCAI-2011),
Barcelona,
Spain,
pp.2268-2273 (2011.7)
[17] Danushka Bollegala, Yutaka Matsuo and Mitsuru
Ishizuka: Relation Adaptation: Learning to Extract Novel
Relations with Minimum Supervision, Proc. 22nd Int'l
Joint Conf. on Artificial Intelligence (IJCAI-2011),
Barcelona, Spain, pp.2205-2210 (2011.7)
[18] Nguyen Tuan Duc, Danushka Bollegala and Mitsuru
Ishizuka: Cross-Language Latent Relational Search:
Mapping Knowledge across Languages, Proc. 25th AAAI
Conf. on Artificial Intelligence (AAAI 2011), San
Francisco, USA, pp.1237-1242 (2011.8)
[19] Andre Kenji Horie and Mitsuru Ishizuka: Feature
Distance-based Framework for Classification of
Low-Frequency Semantic Relations, Proc. 5th IEEE Int'l
Conf. on Semantic Computing, Palo Alto, CA, USA,
pp.59-66 (2011.9)
シンポジウム・研究会・大会等発表
[26] 田中翔平，岡崎直観，石塚 満：カテゴリ情報を考
慮した Wikipedia からの含意関係の抽出，人工知能学
会全国大会予稿，No.2F2-4 (2011.6)
[27] Horie Andre Kenji ， 石 塚 満 ： Set Expansion of
Low-Frequency Semantic Relations，人工知能学会全国
大会予稿，No.3F1-1 (2011.6)
[28] 金 英子，Lin Ching-Yung，松尾 豊，石塚 満：動的
ネットワークのマイニングと企業価値の予測，人工知
能学会全国大会予稿，No. F1-2 (2011.6)
[29] 則のぞみ，Bollegala Danushka，石塚 満：多項関係
を活用した行為データからの興味予測，人工知能学会
全国大会予稿，No.3E3-OS20-2 (2011.6)
[30] 山口清弘，石塚 満：自然言語テキストからの概念
記述言語 CDL 構造の半自動抽出，情報処理学会全国
大会予稿，No.4R-7 (2012.3) (学生奨励賞受賞)
[31] 堀内暢之，高山智史，石塚 満：概念記述言語 CDL
データの意味的検索法，情報処理学会全国大会予稿，
No.2P-2 (2012.3)
[32] 田中翔平，岡崎直観，石塚 満：イベント共参照関
係を利用した因果関係知識の獲得，情報処理学会全国
大会予稿，No.1V-8 (2012.3)
[20] Pascal Kuyten, Hugo Hernault, Helmut Prendinger and
Mitsuru Ishizuka: Evaluating HILDA in the CODA
Project: A Case Study in Question Generation Using
Automatic Discourse Analysis, 2011 AAAI Fall Sympo.
Technical Reports, FS-11-04, Arlington, Virginia, USA,
[33] 横手健一，田中翔平，ダヌシカ ボレガラ，石塚 満：
テキスト含意認識に有用な概念意味情報，情報処理学
29
会全国大会予稿，No.4R-5 (2012.3) (推奨卒業論文認
定)
[34] 信田頼宏，Nguyen Tuan Duc，Bollegala Danushka，
石塚 満：潜在関係検索における Indexing 対象の拡張，
情報処理学会全国大会予稿，No.1V-5 (2012.3)
[35] 平嶋一貴，河崎 翔，Nguyen Tuan Duc，Bollegala
Danushka，石塚 満：潜在関係検索エンジンにおける
根拠となる文のランキング，情報処理学会全国大会予
稿，No.1V-6 (2012.3)
[36] 落合伸彦，Nguyen Tuan Duc，Bollegala Danushka，
石塚 満：否定文認識による潜在関係検索の精度向上
手法，情報処理学会全国大会予稿，No.6T-6 (2012.3)
その他
[37] 石塚満：コンピューティング分野--概要，電子情報
通信分野：科学技術・研究開発の国際比較・2011年度
版（科学技術振興機構・研究開発戦略センター）,
2.3.1節，pp.53-55 (2011.6)
30
広瀬・峯松研究室
Hirose and Minematsu Laboratory
nucleus parts (showing stable features) of syllable F0 contours.
Similar work is now going on for Thai speech, which is also a
tonal language. Rules of word accent sandhi, indispensable
for text to speech conversion, were also investigated using a
large text corpus with accurate accent labeling, and a
CRF-based module for predicting the accent sandhi was
developed with increased consistency as compared to former
modules.
(http://www.gavo.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1. 柔軟な音声合成のための韻律制御
広瀬啓吉・峯松信明・橋本浩称・川口拓也・Oraphan
Krityakien・池島純
Control of Prosody for Flexible Speech Synthesis
K. Hirose, N. Minematsu, H. Hashimoto, T.
Kawaguchi, O. Krityakien, and J. Ikeshima
HMM 音声合成における韻律制御の高度化
広瀬啓吉・峯松信明・橋本浩称
Improving Prosodic Control in HMM-Based Speech
Synthesis
K. Hirose, N. Minematsu, and H. Hashimoto
2.
種々の発話スタイル・声質が可能な柔軟な音声合成に
ついて、主に韻律の観点から研究を進めている。基本周
波数パターン生成過程モデルの枠組みでコーパスベース
韻律制御手法を開発し、HMM 音声合成と統合したシステ
ムを構築した。このシステムをベースとして、少量の音
声コーパスを用いた学習でモデルの指令の大きさを変更
することにより、焦点制御、発話スタイル変換を行う手
法を開発した。また、同様の手法により韻律変換を行い、
GMM による分節的特徴の表現と組み合わせた話者変換手
法を開発した。HMM 音声合成で生成される基本周波数パ
ターンをモデルで表現する手法と組み合わせ、種々の発
話スタイル・声質の音声合成を行う手法などの開発を進
めている。さらに、中国語に関しては、音節の中で安定
した基本周波数パターンを有する声調核に着目して韻律
制御・変換を行う手法を開発した。同様に声調言語であ
るタイ語についても同様の研究を進めている。テキスト
からの音声合成で特に重要な、アクセント変形の統計的
規則化についても研究を進め、従来よりも見通しの良い
規則を開発した。
Researches are being conducted to realize “flexible”
speech synthesis, where various speaking styles and voice
qualities are possible, with a special focus on prosody. A
corpus-based method was developed to control F0 contours of
speech in the framework of generation process model, and a
speech synthesis system has been constructed by combining
this method with HMM-based speech synthesis. Using the
system, and by modifying the magnitudes/amplitudes of the
model commands through a training using a small-sized
“additional” corpus, control of prosodic focus and conversion
of speaking styles were realized. Speaker conversion was
also realized by converting prosodic features in a similar way.
GMM-based conversion was adopted for segmental feature
conversion. We combine the method with a scheme, where
F0 contours generated by the HMM-based speech synthesis
are represented in the frame work of the generation process
model, to develop methods for realizing synthetic speech with
various speaking styles and/or voice quality. Furthermore, a
method for prosody control and conversion was developed for
Mandarin, typical tonal language, by focusing only on tone
柔軟な音声合成として HMM 音声合成の研究が盛んに行
われているが、そのフレーム単位での韻律表現には問題
がある。これを、生成過程モデルの枠組みで解決するこ
とを進めている。HMM の学習に用いる音声コーパスの基
本周波数をモデル近似する手法、HMM 音声合成で生成し
た基本周波数パターンを生成過程モデルにあてはめ、言
語情報に対応しない動きを制御する手法、を開発し、そ
の効果を確認した。生成される基本周波数パターンがモ
デルで表現されるため、焦点付与などの柔軟な韻律制御
が可能という特徴がある。関連して、観測される基本周
波数パターンに対して、モデルの指令を高精度で自動推
定する手法を開発した。さらに、テキストの自動処理に
よって得られる高次の言語情報を用いたコーパスベース
時間長制御等を開発し、その有効性を確認した。
HMM-based speech synthesis has attained special
concern among researchers for its ability of realizing flexible
speech synthesis. However, it has an inherent problem in its
frame-by-frame-based control of prosodic features. A possible
way to solve this problem is to use the generation process
model of F0 contours: using the model-generated F0 contours
for HMM training instead of originally extracted F0 contours,
and reshaping F0 contours generated by speech synthesis
using the model. Both methods are shown to be effective to
improve the quality of synthetic speech. Since the generated
F0 contours are in good match with the model, flexible
controls of prosody, such as narrow focuses, are easily
realized. As a related work, a method of automatically
extracting the model parameters from observed F0 contours is
developed for Japanese, with significantly improved
performances as compared to the former methods. Research
was also conducted for duration control, where higher order
linguistic information, automatically extracted by parsers, was
used for phone duration prediction.
3.
31
高頑健性音声認識
峯松信明・広瀬啓吉・鈴木雅之・柏木陽佑
・甲斐常信・正木大介
High-Robustness Speech Recognition
N. Minematsu, K. Hirose, M. Suzuki, Y. Kashiwagi,
T. Kai, and D. Masaki
音声は収録環境によってその音響的特徴は容易に変化
するため，音響モデル学習時と利用時の音響的ミスマッ
チが生じ，精度の劣化を招くことになる。このミスマッ
チに対して二つの方法論で高頑健性音声認識を検討して
いる。一つは特徴量強調と呼ばれる枠組みであり，雑音
化の音声特徴を雑音の無い（クリーンな）音声特徴へと
変換する枠組みである。SPLICE (Stereo-based Piecewise
Linear Compensation for Environments)は，雑音音声・クリ
ーン音声のパラレルデータを用いて両者の写像を学習し，
これを使って音声強調を行なう。本研究ではこれを拡張
し，視覚情報を用いた強調や，特徴量正規化処理との融
合を検討し，高い精度を得ている。もう一方は，不変特
徴量と呼ばれる枠組みである。位相や調波構造と同様に，
話者性までも音声特徴から削除することで，より抽象的
な音声特徴量を得る。話者の違いは空間写像として捉え
られるため，写像不変量のみで音声特徴量を構成すれば，
これが話者不変特徴となる。分布間距離の f-divergence
は可逆かつ連続は如何なる変換に対しても不変であり，
これだけを用いた音声の表象方式である音声の構造的表
象を提案し，リランキングの枠組みにおいて，連続音声
認識の高精度化を実現している。
Acoustic features in speech are easily changed and this
causes acoustic mismatch between training and testing
conditions, resulting in performance degradation. To handle
this issue, two approaches are investigated. One is feature
enhancement and the other is use of invariant features. In the
former, noisy speech is enhanced to be clean speech and this
is implemented by SPLICE (Stereo-based Piecewise Linear
Compensation for Environments), where parallel data of clean
speech and its noisy version are used to estimate a transform
function between the two. In our study, SPLICE is augmented
by using visual features and by integrating it into feature
normalization. In the latter, transform-invariant features are
detected and used as common features among any speech
conditions. As well as phase and pitch harmonics,
non-linguistic factors such as speaker identity are irrelevant to
speech recognition. F-divergence between two distributions is
found to be invariant among any continuous and convertible
transform and only this is used to represent speech, called
speech structure. This framework is integrated into large
vocabulary speech recognition systems as effective reranking
module.
WFST を用いた大規模連続音声認識
峯松信明・広瀬啓吉・Josef Novak
WFST-based large vocabulary speech recognition
N. Minematsu, K. Hirose, and J. Novak
4.
大語彙連続音声認識は，音響モデル，言語モデル，発
音辞書，デコーダーというモジュールを組み合わせると
こで構成することが多い。この場合，個々のモジュール
32
が単体として高い性能を持っていたとしても，システム
全体として必ずしも高い性能を示す訳では無い。システ
ム全体としての最適化を行う必要があるが，その場合，
個々のモジュールの構成方法が異なると，最適化が擬似
的にしか行えないという問題が生じる。WFST(Weighted
Finite State Transducer)は，状態遷移を通してシーケンス
データの変換を行う非常に柔軟な変換器であるが，これ
を用いると各種モデルを，共通の枠組みで記述すること
が可能となる。その結果，システム全体としての最適化
が容易になる。本研究では，この WFST による音声認
識を基盤として，そのメモリー消費量の削減や，動的な
WFST 構成の制御などを検討し，よりコンパクトかつ高
精度な WFST に基づく音声認識を実現している。また，
WFST-based な書記素・音素変換を実現している。これ
らのツールキットを世界中に発信している。
Large-vocabulary speech recognition systems are composed
of several modules such as acoustic model, language model,
pronunciation lexicon, and decoder. Even though each module
has high performance in itself, an integrated system of these
modules does not necessarily show a good performance. What
is important is to optimize the integrated system as a whole
but this is difficult because each module is often built based
on different frameworks. WFST (Weighted Finite State
Transducer) is a transducer of input sequence to another
(output) sequence through state transition and it has a very
high flexibility of modeling any sequential data. With WFST,
the four modules can be represented in a single framework
and then, it becomes possible to optimize the integrated
system as a whole based on that single framework. In this
study, performance improvement of WFST-based speech
recognition is aimed at by introducing dynamic control of
WFST networks and more efficient use of memory. Further,
WFST-based grapheme-to-phoneme conversion systems are
also proposed. Our WFST toolkit, which enables the above
speech applications, is distributed worldwide as free software.
5.
外国語・方言を対象とした音声応用システム
峯松信明・広瀬啓吉・沈涵平・鈴木雅之・Greg
Short・趙童牧・加藤集平・ランイ
Development of Language Learning CAI Systems
Using Speech Technologies
N. Minematsu, K. Hirose, H. Shen, M. Suzuki, G.
Short, T. Zhao, S. Kato, and Y. Luan
音声分析，認識，合成技術を利用し，外国語学習者の
「なまった」発音を自動的に検出して発音矯正のための
指示を与える高度な計算機支援による語学学習システム
の開発を進めている。例えば (1)シャドーイング音声の
自動評定とそれに基づく TOEIC スコアの予測，(2)学習
者の発音の状態の移り変わりをカルテとして保存，記録
する技術，(3)学習者が指定したモデル話者と比較し，発
音のどの部位から矯正するのかを特定する技術，(4)学習
者の年齢や性別に依存しない形で学習者を分類する（全
世界の学習者の英語を話者単位で分類する）技術，(5)学
習者の動機付けを高めるユーザーインタフェース, (6)留
学生の日本語音声から単語アクセント型を同定する技術，
(7)教師音声の韻律的特徴を学習者音声にコピーするこ
とで，学習者自身の音声で教示音声を提示する技術，(8)
母語話者の音声知覚過程の特性に基づいた発音評価シス
テム，(9) オンライン日本語アクセント辞書， (10) テキ
ストには明示的に表現されない韻律情報をシンボリック
に付与する読み上げチュータ，を開発している。また，
これらシステム開発に必要な大規模音声データベースの
作成も行ない，コーパスに基づく日本人英語音声の聞き
誤り分析も行なっている。
Advanced computer aided language learning systems
have been developed, in which accented pronunciation in
foreign language learners is automatically detected with
instructions for its correction using speech analysis,
recognition and synthesis techniques. Several systems and
modules were already developed, including: (1) automatic
assessment of a leaner’s shadowed utterances and its use for
automatic prediction of TOEIC score of that learner (2)
logging a history of pronunciation development of individual
learners, i.e. pronunciation portfolio (3) automatic
clarification of which part of pronunciation should be
corrected at first for individual learners based on comparison
between each learner and a model speaker (4) automatic
clustering of learners’ pronunciations irrespective of gender
and age (the ultimate goal is clustering all the English learners
on this planet) (5) creation of very motivating user-interfaces
for CAI systems, (6) automatic identification of accent types
in foreign students’ pronunciation of Japanese words, (7)
automatic generation of corrected utterances of a learner by
copying prosodic features of a teacher’s utterance into those
of that learner’s, (8) pronunciation assessment systems based
on native listeners’ perceptual characteristics, (9) online
Japanese accent dictionary, and (10) a reading tutor, which
assigns accent and intonation marks to text. To build these
CAI systems, a large speech database of non-native speech is
required. A project of collecting non-native speech is also
carried out. Using this database, error analysis of non-native
speakers’ pronunciation, Japanese-English, Chinese-Japanese,
is conducted. Recently, miscommunication analysis is done
using this database.
6.
音声の構造的表象に基づく単語獲得プロセス
のモデル化
峯松信明・広瀬啓吉・尾崎洋輔
Use of Speech Structure for Modeling Word
Acquisition Process of Infants
N. Minematsu, K. Hirose, and Y. Ozaki
人間のような音声情報処理過程を機械に授けることは
音声工学の究極の目的であるが，幼児の言語獲得のプロ
33
セスの一部を計算機上に実装することを検討している。
ここでは連続的に呈示される音声を分節し，単語として
獲得するプロセスに着眼する（単語発見プロセス）。この
場合，体格の異なる話者（例えば父と母）の同一単語音
声は音としては大きく異なるが，これを同一の対象物で
あると認識させる必要がある。幼児の場合音韻意識が希
薄であるため，話者性の違いを超えた音声表象を音韻表
象（シンボル列）に求めることは不適切である。本研究
では 1)音声分節の問題，2)不変性の問題の二つの問題を，
音声の構造的表象に基づいて解き明かすことを検討して
いる。既に構造的表象に基づく単語認識系に対して，幼
児が敏感に反応すると言われる言語のリズムに着眼する
ことで，単語認識精度の向上に成功している。
The ultimate goal of speech engineering is
implementation of human processing of speech on machines
and we’re making attempts to simulate the process of human
infants’ word acquisition. Here, we’re focusing on the process
of word segmentation from continuous speech streams, called
word discovery. What is technically challenging is that speech
samples of the same word uttered by two speakers of different
heights, e.g. father and mother, are “acoustically different” but
they have to be treated as “identical”. Since infants’ phonemic
awareness is very immature, phonemic representation
(symbolic representation) cannot be accepted as their
speaker-independent representation. In this study, the two
problems of word segmentation and speaker independence are
attacked through the use of speech structure. We already have
shown that structure-based word recognition systems gained
performance improvement by using rhythmic structure in
utterances, to which infants are known to be very sensitive.
7.
非言語的情報のモデル化とその応用
峯松信明・広瀬啓吉・Teeraphon Pongkittiphan・王
程碩・池島純・グェンドゥックズイ
Modeling non-linguistic information in speech and
its application
N. Minematsu, K. Hirose, T. Pongkittiphan, T. Wan,
J. Ikeshima, and D. D. Nguyen
音声の話者性，性別性などを非言語的情報と呼ぶが，
これに関連する音声特徴を抽出，モデル化し，各種の応
用アプリを実装している。1)話者情報に着眼すれば音声
の話者情報のみを変形する話者変換技術となり，2)性別
情報に着眼すれば，女声度の推定技術となり，3)マイク
特性に着眼すれば，高域復元技術となる。変換元話者及
び変換先話者のパラレルデータを用いれば，両話者の結
合特徴量分布に対するモデルは GMM で構成できる。こ
れを用いれば，話者間写像が推定できる。一人の話者か
ら様々な架空の話者音声を生成することを実現している。
また，話者モデリング技術の応用として，男声モデル，
女声モデルを複数構築し，これらを用いて，入力された
声の女声度を推定する技術を構築している。これは MtF
bases. It leads to a benefit of data adaptability, but in turn
causes a problem know as mode mixing. Ensemble EMD,
which adds noises before analysis and suppresses them after
analysis, can solve the problem. By using pair of white
noises with inverse phases, we realized a facilitated process of
Ensemble EMD.
We are applying EMD for; Source
separation in severe conditions (when number of sources is
larger than their mixtures, and when no priori information is
available on the sources), high-precision pitch extraction,
robust v/u detection, and medical applications.
（性同一性障害者）を対象とした音声セラピーで使われ
ている。更には，電話帯域の声に対して高域を推定して
復元し，より自然な声へと拡張することも検討している。
The information of speaker identity, gender identity,
body size, etc, which is inevitably involved in speech is often
called non-linguistic information. We’re conducting several
studies of extracting acoustic features corresponding to this
kind of information, modeling them, and using them to realize
useful speech applications. 1) A focus on speaker identity
links to speaker conversion techniques, 2) if gender difference
is of interest, femininity estimation techniques are a research
target, and 3) investigation of microphone difference results in
high-band restoration techniques. If parallel data of two
speakers is available, a distribution of joint features of the two
can be modeled as GMM (Gaussian Mixture Model), using
which speaker conversion systems can be built. We built a
system that can generate various speaker identities from a
single speaker’s voices. By building male models and females
models, we built a femininity estimation system, which is
actually used in speech therapy for gender identity disorder
clients. Hi-band restoration techniques can improve the
naturalness of telephone speech.
8.
高調波位相関係に着目した信号の振幅低減
広瀬啓吉・峯松信明
Reduction of dynamic ranges of signals through
controlling phase relations between harmonics
K. Hirose and N. Minematsu
信号のハーモニクスの位相関係を制御することにより、
音質を保ったまま、最大振幅を低減する手法の開発を進
めている。知覚実験により、音質に影響を与えにくい、
位相関係を明らかにし、それを効率的に探索するための
手法を開発した。Automatic Gain Control との組み合わ
せなどを検討している。この他、データ適応型の信号解
析手法である Empirical Mode Decomposition（EMD）を
用いた信号処理の研究も進めており、マイクロフォンの
数が音源の数より少ない劣条件下での音源の特徴に関す
る事前知識の無いブラインド音源分離手法の開発、ピッ
チの高精度抽出、有声/無声の判定の高度化、医療信号の
解析、等を進めている。
A method has been developed for reducing dynamic
ranges of waveforms keeping their sound/voice quality
unchanged. The method is based on changing relation of
phrases of harmonics of the signal. Relation of phases, which
is less affective to sound/voice quality, was clarified through a
perceptual experiment, and a method was developed to search
the relation effectively. Ways for combining the method
with conventional methods, such as automatic gain control,
are investigated. Also, we are focusing on a data-adaptive
technique for signal analysis, called empirical mode
decomposition (EMD). It can analyze signals without any
34
論文・著書一覧
Publications List
研究論文
[1]
鈴木雅之，峯松信明，広瀬啓吉，"音声の構造的
表象と多段階の重回帰を用いた外国語発音評価"，
情報処理学会論文誌，vol.52，no.5，pp.1899-1909
(2011-5)
[2]
D. Saito, N. Minematsu, K. Hirose, "Rotational
properties of vocal tract length difference in cepstral
space," Journal of Research Institute of Signal
Processing, vol.15, no.5, pp.363-374 (2011-9)
[3]
[13] M. Suzuki, G. Kurata, M. Nishimura, N. Minematsu,
"Continuous digits recognition leveraging invariant
structure," Proc. INTERSPEECH, pp.993-996
(2011-8)
国際会議論文
Md. K. I. Molla, K. Hirose, S. K. Roy, and S. Ahmad,
“Adaptive thresholding approach for robust
voiced/unvoiced
classification,”
Proc.
IEEE
International Symposium on Circuits and Systems
(ISCAS2011), pp.2409-2412 (2011-5).
[5]
S. Das, Md. E. Hamid, K. Hirose, and Md. K. I. Molla,
“Weighted
noise
subtraction
and
adaptive
soft-thresholding approach to speech enhancement,”
Proc. IEEE International Symposium on Circuits and
Systems (ISCAS2011), pp.2413-2416 (2011-5).
[6]
S. K. Roy, Md. K. Hasan, K. Hirose, and Md. K.
Islam Molla, “Dominant harmonic modification with
data adaptive filter based algorithm for robust pitch
estimation,” Proc. IEEE International Symposium on
Circuits and Systems (ISCAS2011), pp.2417-2420
(2011-5).
[7]
[14] M. Wen, M. Wang, K. Hirose, N. Minematsu,
"Prosody conversion for emotional Mandarin speech
synthesis using the tone nucleus model," Proc.
INTERSPEECH, pp.2797-2800 (2011-8)
[15] K. Hirose, K. Ochi, R. Mihara, H. Hashimoto, D.
Saito, N. Minematsu, "Adaptation of prosody in
speech synthesis by changing command values of the
generation process model of fundamental frequency,"
Proc. INTERSPEECH, pp.2793-2796 (2011-8)
[16] Y. Qiao, T. Tong, N. Minematsu, "A study on bag of
Gaussian models with application to voice
conversion," Proc. INTERSPEECH, pp.657-660
(2011-8)
[17] D. Saito, K. Yamamoto, N. Minematsu, K. Hirose,
"One-to-many voice conversion based on tensor
representation of speaker space,"
Proc. INTERSPEECH, pp.653-656 (2011-8)
A. Kunikoshi, Q. Yao, F. Soong, N. Minematsu,
"Improved F0 modeling and generation in voice
conversion," Proc. Int. Conf. Acoustics, Speech, &
Signal Processing (ICASSP'2011), pp.4568-4571
(2011-5)
[8]
D. Saito, S. Watanabe, A. Nakamura, N. Minematsu,
"High accurate model-integration-based voice
conversion using dynamic features and model
structure optimization," Proc. Int. Conf. Acoustics,
Speech, & Signal Processing (ICASSP'2011),
pp.4576-4579 (2011-5)
[9]
J. R. Novak, N. Minematsu, K. Hirose, "Open-source
WFST tools for LVCSR cascade construction," Proc.
Int. Workshop on Finate-State Methods and Natural
Language Processing, CD-ROM (2011-7)
[11] S. Kato, G. Short, N. Minematsu, C. Tsurutani, K.
Hirose, "Comparison of native and non-native
evaluations of the naturalness of Japanese words with
proosdy modified through voice morphing," Proc.
Int. Workshop on Speech and Language Technology
in Education (SLaTE), CD-ROM (2011-8)
[12] G. Short, K. Hirose, N. Minematsu, "Rule-based
method for pitch level classification for a Japanese
pitch accent CALL system," Proc. Int. Workshop on
Speech and Language Technology in Education
(SLaTE), CD-ROM (2011-8)
峯松信明，鎌田圭，朝川哲，牧野武彦，西村多寿
子，広瀬啓吉， "音声の構造的表象に基づく学習
者分類の検証と発音矯正度推定の高精度化"，情
報処理学会論文誌，vol.52，no.12，pp.3671-3681
(2011-12)
[4]
[10] S. Kobayashi, S. Shimizu, M. Suzuki, N. Minematsu,
K. Hirose, H. Hirano, "Automatic generation of accent
dictionary of conjugational words for any Japanese
text," Proc. Int. Conference on Japanese Language
Educatoin, pp.784-786 (2011-8)
[18] J. R. Novak, N. Minematsu, K. Hirose, "Painless
WFST cascade construction for LVCSR Transducersaurus,"
Proc.
INTERSPEECH,
pp.1537-1540 (2011-8)
[19] N. Minematsu, K. Okabe, K. Ogaki, K. Hirose,
"Measurement of objective intelligibility of Japanese
accented English using ERJ (English Read by
Japanese)
database,"
Proc.
INTERSPEECH,
pp.1481-1484 (2011-8)
[20] A. Kunikoshi, Y. Qiao, D. Saito, N. Minematsu, K.
Hirose, "Gesture design of hand-to-speech converter
derived from speech-to-hand converter based on
35
probabilistic integration model,"
Proc. INTERSPEECH, pp.3025-3028 (2011-8)
[30] N. Sunada, S. Shimizu, K. Hirose, and N. Minematsu,
"Efficient phase optimization for sounds with
condenced energy density," Proc. RISP International
Workshop on Nonlinear Circuits, Communication and
Signal Processing (NCSP), pp.716-719 (2012-3)
[21] T. Isei-Jaakkola1, T. Naka, and K. Hirose, "Problems
encountered by Japanese EL2 with English short
vowels as illustrated on a 3D Vowel Chart," Proc.
INTERSPEECH, pp.1625-1628 (2011-8).
[31] S. Shimizu, M. Suzuki, N. Minematsu, and K. Hirose,
"An experimental study on dynamic features of speech
structure," Proc. RISP International Workshop on
Nonlinear Circuits, Communication and Signal
Processing (NCSP), pp.166-169 (2012-3)
[22] K. Hirose, T. Matsuda, H. Hashimoto, N. Minematsu,
"Representing fundamental frequency contours
generated by HMM-based speech synthesis using
generation process model," Proc. IEEE Int. Workshop
on Machine Learning for Signal Processing (MLSP),
CD-ROM (2011-9).
[32] N. Minematsu, "A modulation-demodulation model
for speech communication and its emergence," In The
Evolution of Language, edited by T. C. Scott-Phillips,
M. Tamariz, E. A. Cartmill, and J. R. Hurford,
pp.234-241, World Scientific (2012-3)
[23] A. Warsi, T. Basu, K. Hirose, and H. Fujisaki,
“Prosodic
Comparison
of
Declarative
and
Interrogative Utterances in Standard Colloquial
Bangla,” Proc. Oriental COCOSDA, pp.56-61
(2011-10).
[33] M. Suzuki, T. Yoshioka, S. Watanabe, N. Minematsu,
K. Hirose, "MFCC enhancement using joint corrupted
and noise feature space for highly non-stationary noise
environments," Proc. Int. Conf. Acoustics, Speech, &
Signal Processing (ICASSP), pp.4109-4112 (2012-3)
[24] A. Saha, T. Basu, A. Warsi, K. Hirose, and H. Fujisaki,
“Subjective Evaluation of Joint Modeling of Pause
Insertion and F0 Contour Generation in
Text-to-Speech Synthesis of Bangla,” Proc. Oriental
COCOSDA, pp.6-9 (2011-10).
[34] K. Chijiiwa, M. Suzuki, N. Minematsu, K. Hirose,
"Unseen noise robust speech recognition using
adaptive piecewise linear transformation," Proc. Int.
Conf. Acoustics, Speech, & Signal Processing
(ICASSP), pp.4289-4292 (2012-3)
[25] Y. Qiao, M. Suzuki, N. Minematsu and K. Hirose,
"Structure constrained distributions matching using
quadratic programming and its application to
pronunciation evaluation", Proc. Asian Conference on
Pattern Recognition (ACPR), (2011-11)
[35] R. W. M. Ng and K. Hirose, “Syllable: a
self-contained unit to model pronunciation variation,”
Proc. Int. Conf. Acoustics, Speech, & Signal
Processing (ICASSP), pp.4457-4460 (2012-3).
[26] D. Lu, T. Nishimoto, N. Minematsu, "Decision of
response timing for incremental speech recognition
with reinforcement learning", Proc. IEEE Workshop
on Automatic Speech Recognition and Understanding
(ASRU), pp.467-472 (2011-12)
[36] S. Nilufar, N. Ray, M. K. Islam Molla, and K. Hirose,
“Spectrogram based features selection using multiple
kernel learning for speech/music discrimination,” Proc.
Int. Conf. Acoustics, Speech, & Signal Processing
(ICASSP), pp.501-504 (2012-3).
[27] K. Hirose, “Fundamental frequency contour
generation process model for improved and flexible
control of prosodic features in hmm-based speech
synthesis,” Proc. International Symposium on
Frontiers of Research on Speech and Music
(FRSM-2012), Gurgaon, pp.302-306 (2012-1).
(Invited Speech)
著書
[37] M. Al M. Shaikh, K. Hirose and M. Ishizuka,
“Recognition
of
real-world
activities
from
environmental sound cues to create life-log,” The
Systemic Dimension of Globalization, Edited by: Piotr
Pachura,
ISBN
978-953-307-384-2,
Intech,
pp.173-190 (2011-8).
[28] T. Kai, M. Suzuki, K. Chijiiwa, N. Minematsu, and K.
Hirose, "Combination of SPLICE and feature
normalization for noise robust speech recognition,"
Proc. RISP International Workshop on Nonlinear
Circuits, Communication and Signal Processing
(NCSP), pp.253-256 (2012-3)
[38] N. Minematsu, "A modulation-demodulation model
for speech communication and its emergence," In The
Evolution of Language, edited by T. C. Scott-Phillips,
M. Tamariz, E. A. Cartmill, and J. R. Hurford,
pp.234-241, World Scientific (2012-3)
[29] G. Short, K. Hirose, and N. Minematsu,
"Perceptually-based lexical accent recognition for a
Japanese CALL system," Proc. RISP International
Workshop on Nonlinear Circuits, Communication and
Signal Processing (NCSP), pp.389-392 (2012-3)
総説・解説論文
36
シンポジウム・研究会・大会等発表
[51] 千々岩圭吾，鈴木雅之，峯松信明，広瀬啓吉，
"Eigen-SPLICE を用いた雑音環境下における音声
認識の実験的検討"， 日本音響学会秋季講演論文
集，2-Q-19，pp.113-116 (2011-9)
[39] M. Wang, M. Wen, K. Hirose, and N. Minematsu,
"Prosody improvement form HMM-based Mandarin
speech synthesis using the tone nucleus model," IPSJ
Technical Report, 2011-SLP-87-1, pp.1-6 (2011-7)
[52] 國越晶，喬宇，峯松信明，広瀬啓吉， "手の動き
を入力とした音声生成系における有声／無声の
明確化に関する検討"， 日本音響学会秋季講演論
文集，3-Q-33，pp.433-436 (2011-9)
[40] M. Wen, M. Wang, K. Hirose, and N. Minematsu,
"Prosody conversion for emotional Mandarin speech
synthesis using the tone nucleus model," IPSJ
Technical Report, 2011-SLP-87-2, pp.1-6 (2011-7)
[53] D. Erickson, Y. Tanaka, K. Hirose, N. Minematsu,
"Acquisition of L2 rhythm," Proc. Autum Meeting of
Acoust. Soc. Japan, 1-8-6, pp.241-244 (2011-9)
[41] G. Short, K. Hirose, and N. Minematsu, "A
preliminary perceptual analysis on the relationship of
phoneme duration and speaking rate," IPSJ Technical
Report, 2011-SLP-87-7, pp.1-6 (2011-7)
[54] 櫻庭京子，堤剛，峯松信明，田山二朗，工藤翔永，
今泉敏， "性同一性障害者(MtF)の音声に対する
話者認識技術を用いた女声度の自動推定とその
臨床"，日 本 音声言語医 学 会学術講演 会 ，101
(2011-10)
[42] 千々岩圭吾，鈴木雅之，齋藤大輔，峯松信明，広
瀬啓吉， "Eigen-SPLICE を用いた雑音環境下にお
ける音声認識"， 情報処理学会音声言語情報処理
研究会，2011-SLP-87-15，pp.1-6 (2011-7)
[43] 齋藤大輔，山本敬介，峯松信明，広瀬啓吉， "話
者空間のテンソル表現を用いた一対多声質変換"，
日 本 音 響 学 会 秋 季 講 演 論 文 集 ， 1-8-13 ，
pp.263-266 (2011-9)
[44] G. Short, K. Hirose, N. Minematsu, "Pitch level
transition equations for bimoraic units", Proc. Autumn
Meeting of Acoust. Soc. Japan, 3-Q-8, pp.365-368
(2011-9)
[55] 齋藤大輔，山本敬介，峯松信明，広瀬啓吉， "話
者空間のテンソル表現に基づく任意話者声質変
換"， 電子情報通信学会音声研究会，SP2011-70，
pp.7-12 (2011-11)
[56] G. Short, K. Hirose, N. Minematsu, "Pitch level fall
transition probability for bimoraic units in Japanese
words," Technical report of IEICE, SP2011-80,
pp.67-72 (2011-11)
[57] 小林俊平，清水信哉，峯松信明，広瀬啓吉，平野
宏子， "規則処理と CRF に基づくアクセント予測
の高精度化"， 電子情報通信学会音声研究会資料，
SP2011-172，pp.95-100 (2012-3)
[45] 加藤集平，ショート・グレッグ，峯松信明，鶴谷
千春，広瀬啓吉， "日本語単語の韻律モーフィン
グ音声に対する母語話者と学習者による自然性
評価の比較"， 日本音響学会秋季講演論文集，
1-Q-19，pp.579-582 (2011-9)
[46] 鈴木雅之，吉岡拓也，峯松信明，広瀬啓吉， "非
定常雑音環境における線形判別分析を用いた静
的・動的 MFCC の強調"， 日本音響学会秋季講演
論文集，1-10-6，pp.15-18 (2011-9)
[58] G. Short, K. Hirose, N. Minematsu, "Preliminary
study on speaking rate normalization of vowel length
for building a Japanese language learning
application,"
Proc. Spring Meeting of Acoust. Soc. Japan, 1-R-27,
pp.497-498 (2012-3)
[47] 鈴木雅之，倉田岳人，西村雅史，峯松信明， "音
声の構造的表象を用いた連続数字音声認識"， 日
本音響学会秋季講演論文集，1-10-14，pp.41-44
(2011-9)
[59] 鈴木雅之，吉岡拓也，渡部晋司，峯松信明，広瀬
啓吉， "クリーン音声状態の識別に基づく特徴量
強調"， 日本音響学会春季講演論文集，1-7-10，
pp.23-26 (2012-3)
[48] 清水信哉，鈴木雅之，峯松信明，広瀬啓吉， "音
声の構造的特徴の動的特徴に関する実験的検討"，
日本音響学会秋季講演論文集，1-10-2，pp.3-6
(2011-9)
[60] 砂田宣宏，清水信哉，広瀬啓吉，峯松信明， "音
源のエネルギー密度向上を目的とした位相最適
化"， 日本音響学会春季講演論文集，2-Q-20，
pp.947-950 (2012-3)
[49] T. Zhao, M. Suzuki, C. Wang, N. Minematsu, K.
Hirose, "Chinese language pronunciation proficiency
estimation," Proc. Autumn Meeting of Acoust. Soc.
Japan, 3-Q-24, pp.411-414 (2011-9)
[61] 千々岩圭吾，鈴木雅之，峯松信明，広瀬啓吉，
"主成分分析を用いた GMM に基づく耐雑音音声認
識フロントエンドの高精度化"， 日本音響学会春
季講演論文集，1-P-17，pp.161-164 (2012-3)
[50] J. Novak, N. Minematsu, K. Hirose, "Open-source
WFST tools for LVCSR cascade construction," Proc.
Autumn Meeting of Acoust. Soc. Japan, 3-P-29,
pp.225-226 (2011-9)
[62] 清水信哉，鈴木雅之，峯松信明，広瀬啓吉， "ト
ラジェクトリモデルを用いた音声の構造的表象"，
日本音響学会春季講演論文集，1-P-3，pp.123-126
(2012-3)
37
[63] 小林俊平，清水信哉，峯松信明，広瀬啓吉， "数
詞句アクセントを考慮した CRF による日本語のア
クセント型変形予測モデルの改良"， 日本音響学
会春季講演論文集，1-11-11，pp.319-322 (2012-3)
工業大学音響情報フォーラム「音声の情報性」
(2011-11)
[75] 峯松信明， "情報分離と音声表象 ～隠すべきか
分けるべきか～"， NTT サイバーコミュニケーシ
ョン総合研究所講演会 (2011-12)
[64] T. Pongkittiphan, N. Minematsu, D. Saito, K. Hirose,
"Character conversion based on eigenvoice
technique," Proc. Spring Meeting of Acoust. Soc.
Japan, 1-R-2, pp.427-430 (2012-3)
[65] 甲斐常伸，鈴木雅之，峯松信明，広瀬啓吉， "特
徴量正規化と SPLICE を組み合わせた雑音環境下
音声認識" ， 日 本音 響学会 春季講 演論 文 集，
1-7-15，pp.37-40 (2012-3)
[66] 加藤集平，鈴木雅之，峯松信明，広瀬啓吉， "GOP
と重回帰分析を用いたシャドーイング評価の高
精度化"， 日本音響学会春季講演論文集，3-11-18，
pp.417-420 (2012-3)
[67] 橋本浩弥，広瀬啓吉，峯松信明， "音声合成のた
めの言語情報を利用した基本周波数パターン生
成過程モデルパラメータの自動抽出の高精度化"，
日本音響学会春季講演論文集，1-R-7，pp.441-444
(2012-3)
[68] 寺井真，ショート・グレッグ，広瀬啓吉，峯松信
明， "日本語発話教育のための発話末イントネー
ションを対象とした疑問意図判定の知覚的検討"，
日本音響学会春季講演論文集，1-R-9，pp.447-448
(2012-3)
[69] 黒瀧夏子，鈴木雅之，峯松信明，広瀬啓吉， "構
造的表象を用いた話者間の発音距離行列の可視
化に関する検討"， 日本音響学会春季講演論文集，
1-R-25，pp.491-494 (2012-3)
[70] Nguyen Duc Duy，鈴木雅之，齋藤大輔，峯松信明，
広瀬啓吉， "構造的表象を用いた音声認識におけ
る状態数決定に関する実験的検討"， 日本音響学
会春季講演論文集，1-P-6，pp.131-132 (2012-3)
[71] 池島純，橋本浩弥，広瀬啓吉，峯松信明， "基本
周波数パターン生成過程モデルを用いた音声合
成の焦点制御の検討"， 日本音響学会春季講演論
文集，1-R-8，pp.445-446 (2012-3)
招待講演・依頼講演
[72] T. Kawahara and N. Minematsu, "Tutorial on
Computer-assissted language learning (CALL) based
on speech technologies," Tutorial session of
Asia-Pasific Signal and Information Prosessing
Asssociation (APSIPA) Conference (2011-10)
[73] 峯松信明， "音声の構造的表象とそれに基づく外
国語発音評定"， 筑波大学留学生センター講演会
(2011-11)
[74] 峯松信明， "音声の音響的多様性と認知的容易性
～言葉は音の何が伝えるのか？～"， 第五回千葉
38
杉本研究室
Sugimoto Laboratory
テーブルトップコンピューティングの研究が，世界的
に注目を浴びている．本研究で構築される RoboTable と
呼ばれるテーブルトップ環境では，物理的なロボットお
よび仮想的なオブジェクトの指による操作が可能である．
さらに，ロボットを直接掴んで行うタンジブルな操作に
より，その動きを記録，再生することができる．RoboTable
では，Frustrated Total Internal Reflection (FTIR)
および Diffused Illumination (DI)と呼ばれる手法とを
統合することで，安定したマルチタッチ認識とロボット
トラッキングを実現している．我々は，RoboTable を拡
張し，プログラミングやロボットの知識に乏しいユーザ
でも簡単にロボットプログラミングを行うことができる
手法や，ロボットを入力としてだけでなく出力として利
用できるよう形状を変化させるロボットを実装した．さ
らに直感的な操作が可能という特徴を生かし，交通シミ
ュレータやストーリ作成支援システム等のアプリケーシ
ョンを構築した．
Tabletop computing is one of the hottest researches in
human computer interaction communities. We have
developed a tangible tabletop platform called RoboTable,
which supports both multi-touch and physical robot tracking.
RoboTable integrates two tracking techniques (FTIR and DI)
so that we leverage the strong points of each and improve
their tracking performance. We have extended the RoboTable
system so that a user with less knowledge or experiences on
robots or programming can easily conduct robot programming
tasks. We also proposed a novel concept called Actuated
Tangible User Interface, where robots can be used not only for
input but also for output by changing their shape to convey
appropriate information. By fully utilizing the feature that
allows user to conduct intuitive manipulations, we developed
an applications such as a transportation simulator,
storytelling support system and so on.
(http://www.itl.t.u-tokyo.ac.jp/)
研究現況
Current Research Projects
1.
超音波計測
杉本 雅則, 中村 成希, 蟹江 教佳,
橋爪 宏達
Mobile and Ubiquitous Computing
M. SUGIMOTO, S.NAKAMURA, N., KANIE,
K.TERABAYASHI, H.HASHIZUME
我々はこれまでの研究で，安価な超音波センサのみを
用いることで，端末間の相対位置，方向認識を行うため
の技術の構築してきている．この手法を発展させ，1 対
の送信機，受信機のみで，ユーザの 3 次元位置を知るこ
とができるようにした．さらに，移動するユーザの速度
を 0.1mm/s の精度で測定できるという性能を確認した．
提案技術の更なる性能向上のためには，超音波センサの
指向性を考慮した位相特性の補償が求められる．そこで，
超音波信号の入射角を変えつつ測定を行い，位相特性の
最適補正平面を推定した．得られた補正平面を用いるこ
とで，測定精度の改善が見られることを確認した．さら
に，距離と速度の同時計測が可能であるという提案手法
の特徴をモデルに組み込んだ粒子フィルタを適用するこ
とで，移動体の位置認識精度が向上することも実験を通
して確認した．
We have been developing an innovative technology for
detecting relative positions and orientations among multiple
devices by using ultrasonic communication. The remarkable
feature of this technology is that a 3D position of a node is
identified only one pair of a transmitter and a receiver.
Therefore, it is cost effective and scalable, which allows us to
deploy in an easy way. We have also applied this technology
to a robot tracking system and extended it for precise velocity
detection by compensating the Doppler effect. The experiment
proved that we can estimate the velocity of a moving node
within the error of 0.1 mm/s. In order to achieve higher
performance, we measured phase characteristics of ultrasonic
transducers by changing incoming angles, and generated a
phase characteristics curved surface. We confirmed that the
measurement accuracy was improved by compensating phase
characteristics of transducers using the obtained surface.
Furthermore, we devised a particle filter algorithm using the
estimated distance and velocity information and confirmed its
improved accuracy through experiments.
3.
高速高画質超音波イメージング
杉本 雅則，Laokulrat Natsuda,
水谷 享平, 橋爪 宏達
Ultrasonic Imaging
M. SUGIMOTO, N.LAOKULRAT, K.MIZUTANI,
H.HASHIZUME
超音波イメージングにおいて，高速かつ高画質のイメ
ージング技術を確立すれば，ロボットビジョン，海底資
源探査，医療など，広い分野での応用が期待される．本
プロジェクトでは，イメージング手法についての理論と
実践の両面から研究を進めている．理論面では，受信セ
ンサアレイを用い，CT (Computer Tomography)等でも用
いられる逆投影法(back propagation)によるイメージン
グ手法を提案し，その理論的解析および従来のビームフ
ォーミングによるイメージング手法との比較検討，さら
には逆畳み込みフィルタ(deconvolution filter)の効果
について，シミュレーションを通して明らかにした．
実装面では，マルチキャリアの超音波信号および合成
2. テーブルトップインタフェース
杉本 雅則, 米 海鵬, AMARO Saphyra, 井上 雅典
Tabletop Interface
M. SUGIMOTO, H.MI, S. AMARO, M. INOUE
39
a voxelized 3D model of a character such as animals. The
algorithm could automatically and rapidly elicit skeletons
from the 3D voxel model and estimate the positions and
features of joints. Moreover, we developed an interaction
technique that allows users to input and edit motions of
characters in an easy and intuitive manner. Experiments
related to the rigging algorithm showed that it achieved the
accurate rigging performance retaining low computational
complexity in comparison with conventional algorithms. Also
through user studies of the proposed interaction technique, it
showed more positive responses from users than a
conventional keyframe based method.
送信開口の手法を用いることで，実時間でのイメージン
グを行った．ノイズ低減のための送信信号のパラメータ
を最適化することで，取得される画質の改善と高速化を
実現した．さらに，独自に開発した３次元イメージング
用デバイスに用いられている超音波送受信機の振幅特性
および位相特性の補償することで，さらなる画質向上が
可能であることを示した．
Techniques for rapid and high quality ultrasonic imaging
have been developed because they have huge impacts on
many research areas such as robotics, underwater resource
exploration, medical purposes, and so on. Thus, we are
investigating ultrasonic imaging studies from viewpoints of
theory and implementation. As for the theoretical aspect, we
used a static array sensor and proposed a novel imaging
technique using the back-propagation method to be applied to
the CT (computer tomography) imaging. Then, we conducted
theoretical analyses and comparisons with conventional
imaging techniques such as beamforming, and clarified effects
of the proposed convolution filters through simulations.
From a practical point of view, we implemented a realtime
and high-quality ultrasonic imaging system using the
synthetic transmit aperture technique with optimized multicarrier ultrasonic signals. We also conducted amplitude and
phase compensation of ultrasound transducers mounted on a
3D imaging device developed by our group and confirmed
that its imaging quality was improved.
5.
4.
コンピュータアニメーション
杉本 雅則，Natapong Pantuwong,,
成川 弘樹
Computer Animation
M. SUGIMOTO, N.PANTUWONG, H.NARUKAWA
コンピュータアニメーションの作成は，専門のアニメ
ーションデザイナでも非常に時間がかかるタスクである．
本研究では，コンピュータアニメーションの知識や経験
の少ないユーザでも簡単にコンピュータアニメーション
を作成できるシステムを構築することである．本研究で
は，voxel 表現された動物等の 3 次元モデルからの
skeleton 抽出，関節位置の推定を行う自動リンギングア
ルゴリズム(rigging algorithm)を提案した．さらに，キ
ャラクタの動きの入力や編集を容易に行うためのインタ
ラクション手法を提案，実装した．リンギングアルゴリ
ズムについてはリギングの精度と計算量，動き編集手法
については従来手法であるキーフレームに基づく手法と、
それぞれ比較実験を行った．それにより，我々の提案手
法が従来手法よりも優れていることを示せた．
Creating computer animation is a laborious and
time-consuming task even for a professional designer. The
target of this project is to allow a novice user who doesn’t
have sufficient skills and knowledge on computer animation
to create computer animation artworks in an easy and intuitive
manner. We have implemented a novel rigging algorithm from
40
光学測距手法
杉本 雅則，中村 成希，井上 裕貴,
橋爪 宏達
Optical Ranging Technique
M. SUGIMOTO, S.NAKAMURA, Y.INOUE,
H.HASHIZUME
我々のグループでは，超音波を用いたこれまでの研究で
極めて高い測距性能を持つ手法を構築した．しかし，超
音波測距には，気温，風などの環境変化の影響を受けや
すく，利用状況が制限される可能性がある．そこで本研
究では，超音波測距で構築した原理に基づく光学測距手
法およびシステムを構築した．提案手法は，２つの異な
る周波数の変調光を重畳して送信機から送信し，それを
受信機で受信された各変調光の位相差から，正確な距離
を特定する．実験の結果，20μ秒の計測で，標準偏差
0.2mm を達成した．これは，チャープ信号を用いた光学
測距システムよりも４桁程度高速でかつ同レベルの精度
を示している．
Our ultrasonic ranging technique showed very accurate
performance thought experiments. However, the technique
was not often so robust to temperature or wind, which may
restrict its usage. In this study, we proposed an optical ranging
technique based on the same principle as the proposed
ultrasonic ranging. The proposed technique transmits two
amplitude-modulation lights whose frequencies are different
from a transmitter, calculates a phase difference of the
received lights at the receiver to identify the distance between
the transmitter and receiver. Experimental results showed that
the proposed technique achieved the standard deviations with
less than 0.2 mmm in the 20 micro second measurement. This
proved that the proposed method could conduct ranging
measurements approximately 10,000 times faster than existing
methods using chirp signals retaining the same level of
accuracy.
6.
モバイルプロジェクタカメラシステム
杉本 雅則， Siriborvornratanakul
Thitirat, 竹内 優介
Mobile Projector-Camera System
M. SUGIMOTO,
論文・著書一覧
Publications List
T.SIRIBORVORNRATANAKUL,
Y. TAKEUCHI
プロジェクタの小型化が進み，プロジェクタを搭載し
た携帯電話も市場に出始めている．本プロジェクトでは，
携帯プロジェクタシステムによって実現される新しいイ
ンタラクション技術を開拓することを目的として進めた．
本プロジェクトで構築されたモバイル拡張現実感システ
ムでは，視覚的なマーカ等を使うことなく周囲の環境の
物体を認識して映像を重ね合わせることができる．また，
DLP プ ロ ジ ェ ク タ の 特 性 を 生 か し た ”nonintrusive
projection”と呼ばれる手法を構築し，その有用性を示
した．さらに，複数のモバイルプロジェクタ間の同期を
とりつつ対象物に対して適応的に投影を行うシステムの
基本的な技術の構築を進めた．
Due to the miniaturization of projections, a projector
built-in mobile phone has begun to appear in the market. The
main purpose of this research project is to explore possibilities
of new systems or techniques using a mobile projector-camera
system. A mobile augmented reality system is one of our
research prototypes. In order to identify physical objects in
environments and appropriately overlay information onto
them, a non-intrusive projection method by utilizing a feature
of a DLP projector is investigated and evaluated. The system
is extended to use multiple mobile projectors. We have
investigated several challenging research issues, such as
synchronization among the projectors to adaptively project
images onto 3D objects.
研究論文
[1]
Pantuwong, N., Sugimoto, M.: A Novel Template-Based
Automatic Rigging Algorithm for Articulated-Character
Animation, Computer Animation and Virtual Worlds
(2012, to appear).
[2]
Sugimoto, M., Fujita, T., Mi, H., Krzywinski, A.:
RoboTable2: A Novel Programming Environment using
Physical Robots on a Tabletop Platform, ACM
Computers in Entertainment (2012, to appear).
[3]
Pantuwong, N., Sugimoto, M.: Skeleton Growing: An
Algorithm to Extract a Curve Skeleton from a
Pseudonormal Vector Field, The Visual Computer, Vol.
23, pp.125-141 (2012).
[4]
藤田 智樹, 米 海鵬, 杉本 雅則: テーブルトップ環
境における新しいロボットプログラミング手法の
提 案 , 情 報 処 理 学 会 論 文 誌 , Vol. 53, No. 3, pp.
1101-1109 (2012).
[5]
Mi, H., Krzywinski, A., Fujita, T., Sugimoto, M:
RoboTable: An Infrastructure for Intuitive Interaction
with Mobile Robots in a Mixed Reality Environment,
Journal of Advances in Human-Computer Interaction,
Volume 2012, ID 301608, 10 pages (2012).
[6]
Mizutani, M., Ito, I., Sugimoto, M., Hashizume, H.:
TSaT-MUSIC: A Novel Algorithm for Rapid and
Accurate Ultrasonic 3D Localization, EURASIP Journal
on
Advances
in
Signal
Processing
2011:101 (doi:10.1186/1687-6180-2011-101).
[7]
Ito, T., Sugimoto, M., Hashizume, M.: Evaluation of
Acoustic Imaging System using Correlation Division
in Synthetic Transmit Aperture with Multicarrier Signals,
IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics,
Communications and Computer Sciences, Vol. E94-A,
No. 10, pp. 1907-1919 (2011).
[8]
Sugimoto, M.: A Mobile Mixed Reality Environment for
Children's Storytelling using a Handheld Projector and a
Robot, IEEE Transactions on Learning Technologies,
Vol. E94-A, No. 10, pp. 1907-1919 (2011).
[9]
Siriborvornratanakul, T., Sugimoto, M.: ipProjector: A
Vision-Based Framework for Unsupervised Ubiquitous
Object Augmentation Using a Portable Projector-Camera
System, EURASIP Journal on Advances in Signal
Processing, Volume 2011 (2011), Article ID 572596, 17
pages, (doi: 10.1155/2011/572596).
解説記事
[10] 杉本 雅則：携帯プロジェクタカメラシステムを用
いたモバイルヒューマンインタフェースのための
41
幾何学補正手法，画像ラボ, Vol. 22, No.8, pp.54-59,
2011.
Transmit Aperture 3D Image Reconstruction Using 2D
Transmitter Array, In Proceedings of IEEE IUS 2011,
Orlando, FL, October 2011.
[22] Nakamura, S., Sato, T., Terabayashi, K., Sugimoto, M.,
Hashizume, H.: An Accurate and Compact 3D
Positioning System for a Moving Target by Integrating
Extended Phase Accordance Method and Particle Filter,
In Proceedings of IEEE IPIN 2011, Guimaraes, Portugal,
September 2011.
国際会議論文
[11] Pantuwong, N., Sugimoto, M.: A Novel Framework for
3D Computer Animation Systems for Nonprofessional
Users Using an Automatic Rigging Algorithm, In
Proceednigs of IEEE ICME 2012, Melbourne, Australia
(2012, to appear).
[23] Sato, T., Nakamura, S., Terabayashi, K., Sugimoto, M.,
Hashizume, H.: Design and Implementation of a Robust
and Real-time Ultrasonic Motion-capture System, In
Proceedings of IEEE IPIN 2011, Guimaraes, Portugal,
pp.1-6, September 2011.
[12] Pantuwong, N., Sugimoto, M.: Automatic Rigging
Algorithm for 3D Character Animation, In Proceedings
of SIGGRAPH ASIA 2011, Hong Kong 2011. .
[13] Siriborvornratanakul, T., Sugimoto, M.: Cooperative
Personal Projection Using Multiple DLP Projectors In
Proceedings of SIGGRAPH ASIA 2011, Hong Kong
2011.
[24] Mi, H., Sugimoto, M.: Design, Implementations and
Applications of Bidirectional Tangible Interfaces in a
Tabletop Computing Platform, In UbiComp 2011
Workshop on the Role of Design in UbiComp Research
and Practice, Beijing, China, September 2011
(http://211.151.90.25/ubicomp2011/dates.html)
[14] Mi. H., Sugimoto, M.: HATs: Interact Using
Height-Adjustable Tangibles in Tabletop Interfaces, In
Proceedings of ACM ITS 2011, Kobe, Japan, pp. 71-74,
November, 2011.
[25] Deguchi, A., Takeda, Y., Kusunoki, F., Tanaka, M.,
Inagaki, S., Yamaguchi, E., Sugimoto, M.: Development
and Evaluation of a Digital Environmental Learning
Game for Children, In Proceedings of ESERA2011, Lyon,
France, September 2011.
[15] Ali, A., Kunz, A., Sugimoto, M. , Fjeld, M.: Dual Mode
IR Position and State Transfer for Tangible Tabletops, In
Proceedings of ACM ITS 2011, Kobe, Japan, pp.268-269,
November, 2011.
[16] Sangsuriyachot, N., Mi, H., Sugimoto, M.:Novel
Interaction Techniques by Combining Hand and Foot
Gestures on Tabletop Environments, In Proceedings of
ACM ITS 2011, Kobe, Japan, pp. 278-279, November,
2011.
[26] Kusunoki, F., Takeda, Y., Tanaka, M., Yamaguchi, E.,
Deguchi, A., Kamiyama, S., Inagaki, S., Sugimoto, M.:
Evaluation of the User Interface Design on Vegetation
Interaction Game for Children, In Proceedings of ACM
VINCI 2011, Hong Kong, China, August 2011.
[17] Sugimoto, M., Fujita, T., Mi, H.: RoboTable2: A Novel
Programming Environment using Physical Robots on a
Tabletop Platform, In Proceedings of ACM ACE2011,
Lisbon,
Portugal,
November,
2011
(http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2071423.2071436).
[27] Deguchi, A., Kusunoki, F., Takeda, Y., Tanaka, M.,
Inagaki, S., Yamaguchi, E., Sugimoto, M.: Improvement
and Evaluation of Vegetation Interaction Game, In
Proceedings of IADIS GET 2011, Rome, Italy, pp.
114-118, July 2011.
[18] Nakamura, S., Sugimoto, M., Hashizume, H.: Measuring
Phase Characteristics of Ultrasonic Microphones for
Accurate Ultrasonic Localization Systems, In
Proceedings of IEEE IUS 2011, Orlando, FL, October
2011.
[28] Deguchi, A., Kusunoki, F., Inagaki, S., Takeda, Y.,
Yamaguchi, E., Sugimoto, M.: Vegetation Interaction
Game: Digital SUGOROKU to Learn Vegetation
Succession for Children, In Proceedings of CSCL 2011,
Hong Kong, China, pp.896-897, July 2011
[19] Mizutani, K., Sugimoto, M., Hashizume, H.: 3D
Reconstruction from Adaptive Matrix Microphone Array
Signals using Back Projection Algorithm, In
Proceedings of IEEE IUS 2011, Orlando, FL, October
2011.
[29] Sugimoto, M., Dao, V.N., Seki, E.: An Adaptive
Projection Technique for Monochromatic Non-flat
Surfaces using a Handheld Projector-Camera System, In
Proceedings of Mobile and Personal Projection 2011,
Vancouver,
Canada,
May
2011.
(http://www.mhci.uni-due.de/mp2/pdf/sugimoto_mp2.pd
f).
[20] Maeda, Y., Sugimoto, M., Hashizume, H.: A Robust
Doppler Ultrasonic 3D-imaging System with MEMS
Microphone Array and Configurable Processor, In
Proceedings of IEEE IUS 2011, Orlando, FL, October
2011.
[30] Mizutani, K., Sugimoto, M., Hashizume, H.: Acoustic
Imaging Reconstruction from Adaptive Microphone
Array Signals using Back Projection, In Proceedings of
[21] Laokulrat, N., Sugimoto, M., Hashizume, H.: Synthetic
42
31st International Acoustical Imaging Symposium
(AI-31), Warsaw, Poland, April 2011 (in press).
るテーブルトップ環境での新しいインタラクショ
ン手法の提案, エンタテインメントコンピューティ
ング 2011, 日本科学未来館，東京 (2011 年 10 月)．
[31] Maeda, Y., Sugimoto, M., Hashizume, H.: MEMS
Microphone Array and Signal Pocessor for Realtime
Acoustic Object Detection, In Proceedings of 31st
International Acoustical Imaging Symposium (AI-31),
Warsaw, Poland, April 2011 (in press)..
特許
シンポジウム・研究会・大会等発表
その他
[32] 垣内 紀明, 杉本 雅則, 尾崎 憲幸, 菅原 良一：幾何
光学モデルに基づくフロントガラス状の雨滴検出，
情報処理学会コンピュータビジョンとイメージメ
ディア(CVIM)研究会, 東工大, 東京 (2012 年 3 月).
[43] Sugimoto, M.: Policy, Practices and Research on
WMUTE/DIGITEL in Formal and Informal Learning
Contexts, IEEE DIGITEL 2012 Panel, Takamatsu, Japan
(panelist).
[33] 中村 成希,井上 裕貴, 杉本 雅則, 橋爪 宏達：位相
一致法を用いた光学的距離測定手法の設計と実装,
電子情報通信学会信号処理研究会, 新潟大学, 新潟
(2012 年 3 月).
[44] 杉本 雅則: スウェーデン滞在記, 人工知能学会誌,
Vol. 26, No. 6, pp.692-693, 2011.
[42] 距 離 測 定 方 法 及 び レ ー ダ ー 装 置 ， 特 許 出 願
2012-036383（2012 年 2 月 22 日）, 国内，出願中.
[45] Sugimoto, M.: Adding New Dimension to Mobile and
Tabletop Systems, Invited Lecture, University of Bergen,
Bergen, Norway, September, 2011.
[34] 成川 弘樹, パントゥオング ナタポン, 杉本 雅
則：物理的なキャラクターを操作することによるア
ニメーション生成, 電子情報通信学会東京支部学生
会 研 究 発 表会, 東 海大 学 高輪 キ ャ ン パス， 東 京
(2012 年 3 月).
[46] Sugimoto, M.: Adding New Dimension to Mobile and
Tabletop Systems, Invited Lecture, University of Oslo,
Oslo, Norway, September, 2011.
(http://www.uv.uio.no/intermedia/english/research/newsand-events/events/guest-lectures/sugimoto.html)
[35] 井上 裕貴, 中村 成希, 杉本 雅則, 橋爪 宏達：高速
変調光を用いた高速高精度測距手法の実装と評価,
電子情報通信学会東京支部学生会研究発表会, 東海
大学高輪キャンパス，東京 (2012 年 3 月).
[47] Sugimoto, M.: An Localization Technique for Smart and
Secure Environments, Public Lecture, Chalmers
University of Technology, Gothenburg, Sweden,
September, 2011.
[36] 橋爪 宏達, 杉本 雅則：超音波チョッパ・レーダー
の提案, 電子情報通信学会超音波研究会, 日野, 東
京 (2012 年 2 月).
(http://www.chalmers.se/ait/EN/news-events/event-secti
on/guest-talks-in6833)
[37] 蟹江 教佳, 中村 成希, 杉本 雅則, 橋爪 宏達：単眼
カメラと超音波による高精度三次元位置認識手法,
電子情報通信学会超音波研究会, 日野, 東京 (2012
年 2 月).
[48] Sugimoto, M.: Adding New Dimension to Mobile and
Tabletop Systems, Public Lecture, Chalmers University
of Technology, Gothenburg, Sweden, September, 2011.
(http://www.chalmers.se/ait/EN/news-events/event-secti
on/guest-talks-in2206)
[38] Laokulrat, N., Sugimoto, M., Hashizume, H.:
Improvement of Synthetic Transmit Aperture 3D
Acoustic Imaging Using Compensation of Transmitter’s
Radiation Pattern, 電子情報通信学会超音波研究会,
日野, 東京 (2012 年 2 月).
[49] Sugimoto, M.: Communicating Research: From Idea to
Prototype to Paper ～ from my experiences ～ , PhD
Workshop in Multimodal UIs, Augmented Reality,
Handheld & Tabletops, Chalmers University of
Technology, Gothenburg, Sweden, September, 2011.
[39] 水谷 享平, 杉本 雅則, 橋爪 宏達：1 次元センサア
レイを用いた超音波画像化における Deconvolution
Filter の基礎検討, 電子情報通信学会超音波研究会,
日野, 東京 (2012 年 2 月).
(http://www.ait.gu.se/english/current/news/news-detail/?
languageId=100001&contentId=1039185&disableRedir
ect=true&returnUrl=http%3A%2F%2Fwww.ait.gu.se%2
Faktuellt%2Fnyheter%2Ffulltext%2F%2Fworkshop-kri
ng-interaktionen-mellan-det-digitala-och-det-fysiska-sa
mlar-forskare-och-studenter.cid1039185)
[40] Laokulrat, N., Maeda, Y., Sugimoto, M., Hashizume, H.:
Evaluation of Synthetic Transmit Aperture 3D Acoustic
Imaging Using 2D Transmitter Array, 超音波エレクト
ロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム（USE
2011), Kyoto University, Kyoto, pp.309-310,
November (2011).
[50] 「特集 若手研究者が選ぶ学会で見つけた注目研
究：送受信信号処理により，音響計測の精度向上」：
超音波テクノ 2011 年 5-6 月号, pp.32-33.
[41] サンスリヤチョット ナタポル, 米 海鵬, 杉本 雅
則: 手および足ジェスチャを組み合わせることによ
[51] ダオ ヴィンニン：A 3D Acquisition Technique in
Dynamic Environments Using Structured Light Patterns,
43
特集「研究会推薦博士論文速報」,情報処理 53 巻 3
号, 2012.
[52] Sugimoto, M.: Rapid and Precise Localization Methods
for Interaction Technology, INRIA-Univ. of Tokyo GCOE
Symposium
on
Information
Technologies,
Paris-Rocquencourt, France, January 2012.
[53] Sugimoto, M.: Ultrasound Localization and Imaging, In
Proceedings of International Symposium on Secure Life
Electronics, Tokyo, Japan, January 2012.
[54] 「両面タッチの試作品 HybridTouch (東京大学杉本
研究室)」
：タッチパネルがわかる本, オーム社, p.79,
2011.
44
浅見・川原研究室
Asami & Kawahara Laboratory
インターネットスケールでエンド・ツー・エンドのネッ
トワーク制御を目指して新世代ネットワーク制御管理ア
ーキテクチャの検討を進めている．具体的には，プロト
コル変換，管理情報の加工，双方向データキャッシュ，
アクセス制御，負荷分散機能を持つ Active Proxy と REST
をベースとしたアーキテクチャの研究開発を進めている．
All the nodes joining an application on the Internet are
connected relaying through several network management
domains, which makes it difficult to manage/control the
overall network resources optimally. To cope with the
demands for internet-scale network management/control from
these applications, we are investigating new generation wide
area network management architecture to enable end-to-end
network management and control in the Internet. Our
REST-based architecture is based on nodes, called Active
Proxies, which provides protocol conversions for existing
network management protocols, conversions/modifications of
managed information, bi-directional data caching, access
controls and load balancing.
(http://www.akg.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1.
ネットワークアーキテクチャ
浅見徹・川原圭博
New Generation Network Architecture
Tohru Asami, Yoshihiro Kawahara
情報ネットワークは産業や科学技術の発展，そして国
民の生活の安心安全を支える最も重要な技術基盤の一つ
である．携帯電話の所有者数は人口の数を超え，いつで
もどこでも通信できるような錯覚さえ覚えるが，近年，
人が送りあうメッセージよりも，モノが発するメッセー
ジの方が多くなるという予想すらある．人が立ち入れな
いような海中や環境や電源供給が定かでないような人里
離れた環境でも自立的に動作し続ける環境でもロバスト
に情報を送り続けられるか，大規模災害といった，想定
することすら難しい状況でもいかにレジリエントな通信
チャンネルを確保できるかという問いに対して，現在明
確な解を一意に与えるネットワークは残念ながら存在し
ない．本研究では Disaster Recovery, Energy Proportional
といった観点から，新世代ネットワークアーキテクチャ
のあり方を模索中である．
Information Network is one of the most important
infrastructures for industrial development, advance in science,
and secure life of nations. Even tough the number of mobile
phone subscribers exceeds the population, it is too much to
say to say communication is realized at anytime and anywhere.
Recent trends show that the number of messages exchanged
by “things” exceeds that of human. Unfortunately, so far,
existing communication network technologies are not be able
to provide a resilient communication channel at severe
circumstances such as under-water, unmanned area where
there’s no constant power supply is expected, and disaster
situations which is even difficult to imagine. In this research,
we try to seek for what a new generation network should be
like by proposing a disaster recovery protocol and energy
proportional architecture of communication systems.
3.
エネルギーハーベスティングとセンサネット
ワーク
川原圭博・浅見徹
Energy Harvsting and Sensor Network
Yoshihiro Kawhaara, Tohru Asami
自然を理解し，人を理解するためにはまず観測対象を
センシングシステムが必要不可欠である．時間的にも空
間的にも多様なセンシング領域を統一的にカバーするス
ケーラブルなセンサネットワークを作るためには，通信
品質のみを考えるのではなく，ノードの動作に必要な電
力と性能をどう折り合いをつけるかという新たな観点か
らの検討が必要不可欠になる．本研究では，環境中にわ
ずかに存在する各種エネルギーに着目し，このエネルギ
ーを電力に変換して用いるエネルギーハーベスティング
技術に着目し，永続的に動作することができる無線セン
サネットワークの実現を目指している．
Sensor Networks is a vital system to understand nature and
human. In order to realize a scalable sensor network that
covers temporary and spatially diverse sensing region, it is
essential to design the network not only for maximizing the
communication quality but also from a new aspect that how
the network performance should be balanced with energy
consumption. In this research, we exploit small amount of
energy existing in ambient environment to realize a wireless
sensor network that operates perpetually.
2.
新世代広域ネットワーク管理アーキテクチャ
浅見 徹・川原 圭博
New Generation Wide Area Network Management
Architecture
Tohru Asami, Yoshihiro Kawahara
4.
インターネット上のアプリケーションに参加している
ノードはいくつかのネットワークをリレーして相互接続
しているため，通信リソースの最適な制御が難しい．こ
のため，インターネット規模でネットワーク制御する要
求がアプリケーション側から高まっている．本研究では，
マルチホップ型無線電力伝送
川原圭博・浅見徹
Multi-hop Wireless Transmission
Yoshihiro Kawhaara, Tohru Asami
携帯電話やノートパソコンのバッテリーの持ち時間は，
利便性を大きく左右する性能の一つと言える．本研究で
45
論文・著書一覧
Publications List
は磁界共振結合技術に着目し，高効率で長距離が充電可
能な無線電力伝送技術に関して研究を進めている．現在
進んでいる無線電力伝送技術は物理的な電源コードを無
線化するいわばポイントツーポイントの置き換え技術で
ある．しかし，無線電力伝送の真の利便性が発揮される
のは，電力を 2 次元あるいは 3 次元空間上で自由自在に
経路制御できる時であると考える．本研究では，磁界共
振結合に用いるコイルを複数並べ，その共振状態を制御
することにより平面上で自在に仮想的な送電経路を設定
することを目指した研究を進めている．
Battery life is one of the most important factors that affect the
usability of the portable devices such as mobile phones and
laptop PCs. In this paper, we focus on wireless power
transmission technology that are possible to transmit energy
for a long distance at high efficiency. Existing wireless power
transmission technology is expected to replace power cords by
wireless technology, which is a replacement of a
point-to-point power supply. However, we believe that
advantage of wireless power transmission system is
maximized when the route of the power is controlled in 2D or
3D spaces. In this research, we place multiple magnetic
resonators and control the resonance state of the resonators to
establish a virtual path for power supply.
研究論文
[1] A. K. A. Hamid, Y. Kawahara and T. Asami, “Web
Cache Design and Implementation for Efficient
SNMP Monitoring towards Internet-scale Network
Management,”
IEICE
Transaction
on
Communications, Vol.E94-B,No.10, Oct. 2011.
[2]
楠慶，川原圭博，浅見徹，山口和彦，”P2P 動
画 共 有 シ ス テ ム に お け る Multiple Secret
Sharing を用いたコンテンツ不正利用の低減手
法，” 信学論 B，Vol.J94-B,No.10, pp. 1270-1282,
Oct. 2011.
[3]
磯村 学, 今井 尚樹, 吉原 貴仁, 川原 圭博,
浅見 徹，”映像コンテンツ配信サービスのため
の動的サービス制御方式，” 信学論 B，
Vol.J94-B, No.4, pp.514-529, April 2011.
国際会議論文
46
[4]
T. Kurosu, K. Tanizawa, S. Namiki, R. Akimoto, H.
Kuwatsuka, T. Hasama, H. Ishikawa, T. Nakatogawa, K.
Oyamada, Y. Tanaka, S. Ide, H. Onaka and T. Asami，”
Dynamic optical path switching of 172-Gbit/s OTDM
ultra-high definition video signals using fast
channel-identifiable clock recovery and integratable
devices，” Optical Fiber Communication Conference
and Exposition (OFC/NFOEC) 2012，pp.1 -3， Anaheim,
USA, March 2012.
[5]
M. Tentzeris and Y. Kawahara, “Inkjet Printing,
Nanotechnology and Energy Harvesting: The Final Step
to Cognitive Intelligence and Ubiquitous Wireless
Sensor Networks,” Energy Harvesting and Storage USA
2011 , pp. -, Boston, U.S.A., Nov. 2011 (Invited Talk).
[6]
R.Shigeta, Y.Kawahara, T.Asami, “Capacitor Leakage
Aware Duty Cycle Control for Energy Harvesting
Wireless Sensor Networks,” Proc. of the 9th ACM
Conference on Embedded Networked Sensor Systems
(SenSys 2011), pp. 387–388, Seattle, USA, Nov. 2011
(demo).
[7]
R. Vyas, V. Lakafosis, M. Tentzeris, H. Nishimoto, and Y.
Kawahara, “A Battery-less, Wireless Mote for
Scavenging Wireless Power at UHF (470-570 MHz)
Frequencies,”
Proc.
2011
IEEE
International
Symposium on Antennas and Propagation (AP-S) ,
pp.1069 – 1072, Washington, USA, July 2011.
[8]
A. Viratanapanu, A. K. A. Hamid, Y. Kawahara and T.
Asami, “Pantau : A Monitoring System for KVM-based
Server Consolidation Environment,” Proc. IEEE SAINT
2011, pp. 178 – 183 , Munich, Germany, July 2011.
[9]
A. K. A. Hamid, W. Zhu, Y. Kawahara and T. Asami,
“Design and Implementation of an AR-assisted Tool for
Basic Home Network Management,” Proc. IEEE SAINT
2011, pp. 208 – 213, Munich, Germany, July 2011.
IN2011-195, pp. 347-352, March 2012.
[20] 楠慶，川原圭博，浅見徹，”Named Data Networking に
おけるコンテンツ管理アプリケーションの 評価，”
信学技報，vol. 111, no. 469, IN2011-183, pp. 275-280,
March 2012.
[10] H.Nishimoto, M. Tentzeris, “Harvesting RF Energy with
a Paper-based Rectenna,” Proceedings of the Fifth
European Conference on Antennas and Propagation
(EuCAP) 2011, Rome, April 2011.
[21] 浅見徹,池田尚哉,西村信治,尾中寛,並木周，”次世代
高効率ネットワークデバイス技術開発プロジェク
ト ～ 終了報告 ～，” 信学技報， IA2011-68,
pp.19-24, Feb. 2012.
[11] D. Akimura, Y. Kawahara, T. Asami, “Reducing Power
Consumption of Human Activity Sensing using
Compressed Sensing,” Proc. of the 9th ACM Conference
on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys 2011),
pp. 355–356, Seattle, USA, Nov. 2011 (poster).
[22] 辻伸二,篠田和典,李英根,山下寛樹,蔵田和彦,仁道正
明,柳町成行,渡辺義則,日高睦夫,鈴木秀雄,石坂政茂,
西村信治,池田尚哉,浅見徹，”省電力大規模エッジル
ータに向けた技術開発 ～ NEDO プロジェクト
「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」成
果 ～，” 信学技報， IA2011-69, pp.25-27, Feb. 2012.
[12] Y. Nishida, Y. Kawahara, T. Asami, “Enhanced
Collaborative Sensing Scheme for User Activity
Recognition,” Proc. of the 9th ACM Conference on
Embedded Networked Sensor Systems (SenSys 2011),
pp. 343–344, Seattle, USA, Nov. 2011 (poster).
[23] 並木周,尾中寛,井出聡,富澤将人,石川浩,田中有,有賀
博,江川満,黒須隆行,小山田公之,荒川泰彦,浅見徹，
”
次世代超高精細映像に向けた超高速 LAN-SAN シス
テム化技術とその要素技術開発，” 信学技報，
IA2011-70, pp.29-33, Feb. 2012.
[13] R. Vyas, V. Lakafosis, H. Nishimoto, L. Yang,, M.
Tentzeris and Y. Kawahara, “Kinetic, Solar & Far-Field
RF Energy Harvesting Technologies for Battery-less
Operation of Wireless Sensor Modules,” Energy
Harvesting and Storage USA 2011, Boston, U.S.A., Nov.
2011.
[24] T. Kato, Y. Kawahara, and T. Asami, “A Prototype of a
Solar Powered Energy Proportional Web Server
Cluster, ” 信 学 技 報 , vol.111, no.409, IN2011-132,
pp.71-76, Jan. 2012.
[14] R. Vyas, V. Lakafosis, H. Lee, M. Tentzeris and Y.
Kawahara, “Inkjet printed, Battery-less CNT based
remote wireless sensors,” Energy Harvesting and
Storage USA 2011, Boston, U.S.A., Nov. 2011.
[25] 浅見 徹, 磯村 学, Wei Zhu, 川原圭博，”携帯電話
からのメール転送の即時性に関する調査報告，” 信
学技報，vol. 111, no. 409, IN2011-125, pp. 29-34, Jan.
2012.
[26] 水谷昌彦，楠 慶，川原圭博，浅見 徹，”分断さ
れたアクセス網における自律分散型認証技術の検
討，” 信学技報，vol. 111, no. 409, IN2011-123, pp.
17-22, Jan. 2012.
総説・解説論文
[15] 戸辺義人, 川原圭博, 木實新一，
”情報爆発時代
のセンサ情報処理，” 電子情報通信学会誌，
Vol. 94, No. 8, pp. 684-688, Aug. 2011.
[27] 水谷昌彦, 楠慶, 川原圭博, 浅見徹，”分断されたア
クセス網における自律分散型認証技術の検討，” 信
学技報，Vol. 111, No. 409, IN2011-123, pp. 17-22, Jan.
2012.
[16] 川原圭博，
”UHF 帯電波を利用したエナジーハ
ーベスティング技術，” 技術総合誌 OHM，Vol.
98, No. 7, pp. 6-7, July 2011.
[17] T. Asami, “Development of Next-Generation
Highly-Efficiency Network Device Technology,”
Science & Technology In Japan, No.107, pp.15-20, Feb.
2012.
[28] W. Zhu, A. K. A. Hamid, M. Mizutani, M. Isomura, Y.
Kawahara and T. Asami, “A Damage Analysis and
Possible Services of IMS Network in Disaster
Situations,” 信学技報, vol. 111, no. 245, IN2011-89, pp.
57-62, Oct. 2011.
シンポジウム・研究会・大会等発表
[29] 河口 信夫, 小川 延宏, 岩崎 陽平, 梶 克彦 , 寺田
努, 村尾 和哉, 井上 創造, 川原 圭博, 角 康之, 西
尾 信彦，”HASC Challenge2010 :人間行動理解のた
めの装着型加速度センサデータコーパスの構築，”
マルチメディア，分散，協調とモバイル
(DICOMO2011)シンポジウム，1E-2, pp. 76-82, July
2011.
[18] 上田北斗, 川原圭博, 浅見徹，
”海中音響通信におけ
る移動速度推定手法に基づくチャネル利用効率最
大化手法とその評価，” 信学技報，IN2011-179, pp.
253-258, March 2012.
[19] W. Zhu, A. K. A. Hamid, M. Mizutani, M. Isomura, Y.
Kawahara and T. Asami, “ Automatic Originator
Regulation of IMS Voice Traffic by Stateless Signaling
Prioritization, ” 信 学 技 報 , Vol. 111, No. 469,
[30] 川原圭博，”［招待講演］センサネットワークとエナ
ジーハーベスティング，” マルチメディア，分散，
47
検討，” 信学総大，B-7-85, March 2012.
協調とモバイル(DICOMO2011)シンポジウム，2A-1,
p.189, July 2011 (招待講演).
[44] 繁田亮，川原圭博，浅見徹，”キャパシタの漏れ電
力を考慮した Energy Harvesting センサネットのた
めのデューティサイクル制御手法，” 信学ソ大，
B-19-29, Sept. 2011.
[31] 中島 直哉, 西本 寛, 川原 圭博, 浅見 徹，”Sensing
through Harvesting: センサとハーベスタの統合可能
性に着目した無線センシング手法，” マルチメディ
ア，分散，協調とモバイル(DICOMO2011)シンポジ
ウム，3E-2, pp. 483 – 492, July 2011.
[45] 成末義哲，宮坂拓也，川原圭博，浅見徹，”磁界共
振結合を利用した直線状マルチホップ無線電力伝
送における通信速度の試算，” 信学ソ大，B-7-14,
Sept. 2011.
[32] Yun Li,Trung Tran Quang,Yoshihiro Kawahara,Tohru
Asami, “ WiFi Frequency Utilization Analysis by
SpectrumMap Database,” 信学技報, Vol. 111, no. 67,
IN2011-28, pp. 57-62, May 2011.
[46] 明村大登，川原圭博，浅見徹，”行動センシングの
ための圧縮センシングによるデータ転送量削減手
法，” 信学ソ大 ，B-19-7, Sept. 2011.
[33] 川原圭博，西本寛，Rushi Vyas，Manos M. Tentzeris，
浅見徹，”紙に印刷する無線センサノード，” 情処
研報，Vol.2011-UBI-30 No.2, May 2011.
[47] W. Zhu, A. K. A. Hamid, M. Mizutani, M. Isomura, Y.
Kawahara and T. Asami, “Possible Overload Protection
of IMS Network at Emergent Situation,” 信学ソ大,
BS-6-47, Sept. 2011.
[34] 加藤拓也，川原圭博，浅見徹，”低消費電力機器を
用いた Energy Proportional Web サーバクラスタの設
計と実装，” 信学総大，B-7-82, March 2012.
[48] 西田祐木，川原圭博，浅見徹，”加速度センサを用
いた同一電車内の乗客検出手法の検討，” 信学ソ大，
B-15-6, Sept. 2011.
[35] 繁田亮，川原圭博，浅見徹，”キャパシタの漏れ電
力を考慮した Energy Harvesting センサネットのた
めの通信制 御手法，” 信学総大，B-19-35, March
2012.
[49] 森澤雄太，川原圭博，浅見徹 ，”帯域制限による無
線 LAN アクセスポイントの消費電力制御手法の一
検討，” 信学ソ大，B-7-22, Sept. 2011.
[36] 森澤雄太，川原圭博，浅見徹，”残余電力を考慮し
た無線オンデマンドスリープ制御を用いた無線ル
ー タの消費電力制御手法，” 信学総大，B-7-74,
March 2012.
[50] A. K. A. Hamid, Y. Kawahara and T. Asami,
“Large-scale SNMP Monitoring Profiles on Network
Devices,” 信学ソ大 , BS-6-35, Sept. 2011.
[37] 上田北斗, 川原圭博, 浅見徹，
”海中音響通信におけ
るチャネル利用効率を改善する自動再送制御手
法，” 信学総大，B-7-5, March 2012.
[51] 加藤拓也，川原圭博，浅見徹，
”Web サーバクラス
タの太陽光発電による運用に向けた蓄電池容量の
試算，” 信学ソ大，B-7-34, Sept. 2011.
[38] W. Wei, N. Kobayashi, H. Fukuda, T. Tsukagoshi, Y.
Kawahara, T. Asami, “ Characteristic Analysis of
Double-Side Spiral Resonators for Wireless Power
Transmission Applications, ” 信 学 総 大 , BCS-1-11,
March 2012.
その他
[52] 川原圭博，”無線電力伝送とエナジーハーベスティ
ングで変わるセンサネットの電力管理，” QualNet
ユーザカンファレンス 2011，招待講演, June 2011.
[39] 成末義哲，川原圭博，浅見徹，”磁界共振結合型無
線電力伝送システムにおける任意ホップで高効率
給電可能な共振器配置手法，” 信学総大，BCS-1-9,
March 2012.
[53] 川原圭博，”［招待講演］ユビキタスコンピューティ
ングのためのエナジーハーベスティング技術，” 信
学技報，vol. 111, no. 53, AN2011-4, pp. 17-20，東京,
May 2011 (招待講演).
[40] 明村大登，川原圭博，浅見徹，”圧縮センシングを
用いた行動センシング手法における復元誤差の認
識精度への影響評価，” 信学総大，B-15-7, March
2012.
[54] 浅見 徹, “次世代高効率ネットワークデバイス技
術開発”, 平成２３年度光産業技術シンポジウム，
Feb., 2012 (招待講演).
[41] W. Zhu, A. K. A. Hamid, M. Mizutani, M. Isomura, Y.
Kawahara and T. Asami, “Overload Protection with
Dynamic Queuing Structure for SIP Voice Call,” 信学
総大, BS-3-5, March 2012.
[42] L. Valnarov, Y. Kawahara, T. Asami, “Evaluation of
Accelerometer-based User Identification Regardless of
User Activity,” 信学総大, BS-3-15, March 2012.
[43] 楠慶，川原圭博，浅見徹，”Named Data Networking に
おける コンテンツ管理アーキテクチャに関する一
48
相田研究室
Aida Laboratory
ラヒックと輻輳に伴う再呼トラヒックを合わせたもので
あるが、従来これらの内訳がわからないため各種の輻輳
対策の効果を評価することが困難であった。そこで本研
究では災害発生時のトラヒックを 3 種類に分類するとと
もに、アンケート調査を行って新規発生トラヒックの時
間変化をモデル化し、シミュレーションを通じて災害時
における再呼行動のモデル化を行った。
In case of disaster, massive traffic is input to the networks
resulting congestion.
This traffic consists of newly
generated traffic and retrials. In the past, this breakdown
was not known and therefore it was difficult to evaluate the
effectiveness of countermeasure against the congestion. In
this research, we classified the disaster-time traffic into three
categories, modeled the time variation of newly generated
traffic through questionnaire survey, and built retrial model at
disaster time through simulation.
(http://www.aida.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1.
協調ゲーム理論に基づく無線センサネットワ
ーククラスタ構成
相田 仁・景 輝
Cluster Formation in Wireless Sensor Networks
based on Cooperative Game Theory
H. Aida and H. Jing
無線センサノードは、乾電池や太陽電池などを電源と
して動作するため、消費電力を抑えることが極めて重要
である。本研究では、ゲーム理論に基づいてクラスタを
形成することで高エネルギー効率を実現する方式を提案
し、現在それをテストベッド上に実装して有効性の確認
を行っている。
Saving energy in wireless sensor network is extremely
important because wireless sensor nodes use batteries or solar
cells as their power sources. In this research, we proposed a
novel clustering algorithm based on cooperative game theory
to achieve high energy efficiency, and are now implementing
it on a testbed to show its effectiveness.
4.
無線通信路の品質予測に基づく複数経路への
パケット分配
相田 仁、坪井 祐樹、寺村 理
Packet Distribution based on Quality Estimation of
Radio Communication Channel
H. Aida, Y. Tsuboi and S. Teramura
複数の無線インタフェースを有する端末において、電
波強度の時系列から各通信路の品質を予測し、それらの
経路にパケットを適切に分配する方式を提案・評価した。
In this research, we predicted the quality of each
communication channel from the time sequence of radio
strength at a terminal having more than one radio interface,
proposed a method to distribute packet appropriately to those
routes, and evaluated its effectiveness.
2. Web サーバの安全な秘匿による DDoS 回避
相田 仁、モハマド サミル アビデラヒマン エイド
DDoS Avoidance by Securely Hiding Web Servers
H. Aida and M. S. A. Eid
インターネットバンキングのような SSL(Secure Socket
Layer)を用いるサービスにおける DDoS(Distributed Denial
of Service)攻撃対策として、真のサーバを VPN(Virtual
Private Network)の中に安全に秘匿し、公開サーバに対す
るアクセスを複数用意したアクセスノードの 1 つを経由
して真のサーバに転送することで、SSL との互換性を有
する DDoS 攻撃対策を提案し、プロトタイプを作成して
その有効性を確認した。
As a defense against DDoS attacks for services such as
internet banking which use SSL(Secure Socket Layer), we
proposed a method in which real server is securely hidden in
VPN(Virtual Private Network) and accesses to public server is
forwarded to real server through one of several access nodes.
This scheme provides SSL compatibility and its effectiveness
is confirmed by the prototype we built.
3.
5.
無線 LAN の電界強度確率分布を用いた位置推
定手法
相田 仁、碇 壮太、渡邉 圭寿
Positioning Method based on Probability
Distribution of Radio Strength in Wireless LAN
H. Aida, S. Ikari and K. Watanabe
屋内で無線 LAN の電波強度が部屋ごとに単一のガウ
ス分布となっているという仮定の下に、確率分布に基づ
いて端末の所在地を推定する手法に関して、実際に取得
したデータに基づきその有効性を確認した。
In this research, we proposed a method to estimate the
position of wireless LAN terminal based on probability
distribution under the assumption that the radio strength
follows single Gaussian distribution, and showed its
effectiveness by applying it to real field data.
災害時におけるトラヒックモデルの検討
相田 仁、足立 恵理子
Study of Traffic Model at Disaster Time
H. Aida and E. Adachi
6.
802.11n 無線 LAN におけるシームレスハンドオ
ーバー手法
相田 仁、出水 達也
Seamless Handover Method for 802.11n Wireless
災害時には大量のトラヒックがネットワークに入力さ
れ、輻輳状態となる。この入力トラヒックは新規発生ト
49
論文・著書一覧（2011 年度）
Publications List
LAN
H. Aida and T. Demizu
無線 LAN 上でマルチメディア通信を行う際には、ハン
ドオーバーの際の瞬断が大きな問題となる。そこで本研
究では、802.11n 無線 LAN において、SISO(Single Input
Single Output)で通信を継続しながら他のアンテナでハン
ドオーバー先との通信を確立することで、無瞬断のハン
ドオーバーを実現する方式を提案した。
Instantaneous disconnection at the time of handover is large
problem when wireless LAN is used for multimedia
communication. In this research, we proposed a seamless
handover method for 802.11n wireless LAN which keeps
SISO(Single Input Single Output) connection while searching
and establishing association to new base station by using other
antenna.
国際会議論文
[1]
Hitoshi Aida: Japan’s IT Strategy: Next-Generation
Network and Computing Architecture, Japan
Information
Technology
Workshop,
Berkeley
Roundtable on the International Economy, University of
California, Berkeley (2012.2.6).
シンポジウム・研究会・大会等発表
再生可能エネルギーを電源とする災害に強い
通信インフラストラクチャー
相田 仁、田中 貴大
Disaster Resilient Communication Infrastructure
Powered by Renewable Energy
H. Aida and T. Tanaka
[2]
坪井 祐樹, 相田 仁: 無線環境における複数経路通
信プロトコルの検討, 情報処理学会第 148 回マルチ
メティア通信と分散処理研究会 (2011.9.16).
[3]
相田: 災害からの安全性向上に役立つ科学技術（通
信確保）, 第 10 回産学官連携推進会議パネル「災害
か ら の 安 全 性 向 上 に 役 立 つ 科 学 技 術 」, 内 閣 府
(2011.9.22).
[4]
坪井 祐樹, 相田 仁: RSSI を利用した複数経路利用
時のパケット分配手法, 情報処理学会第 60 回モバ
イルコンピューティングとユビキタス通信研究会
(2011.11.11).
[5]
足立 恵理子, 相田 仁: 災害時におけるトラヒック
モデルと通信確保手法について, 信学技報,
IN2011-109 (2011.12.15) (第 18 回情報ネットワーク
研究賞受賞).
[6]
Mohamad Eid, and Hitoshi Aida: Overlay Based,
Distributed Defense-Framework against DDoS Attacks,
信学技報, IA2011-51 (2011.12.16).
[7]
碇 壮太, 相田 仁: 無線 LAN の受信電波強度分布を
利用したユーザ参加型屋内位置推定手法, 電子情報
通信学会総合大会, B-19-6 (2012).
7.
東日本大震災では停電や中継伝送路断により携帯電話
の基地局をはじめとする多くの通信設備が使用できなく
なった。一方、スマートフォンの普及により、携帯電話
における通信需要が急増し、トラフィックを無線 LAN
や WiMAX にオフロードすることが期待されている。そ
こで本研究では、これら双方を解決する手段として、公
衆無線 LAN のアクセスポイントに太陽光や風力発電設
備と蓄電池を設け、平常時はスマートフォンのトラフィ
ックをオフロードするとともに、停電・中継伝送路断時
でもメッシュネットワークとして動作させることのでき
る通信インフラストラクチャーについて、価格妥当性を
検証した。
In Great East Japan Earthquake, many communication
infrastructure including mobile base stations stopped
operation due to blackout and/or broken trunk. On the other
hand, because of rapid increase of mobile communication
demand caused by the increase of smart phones, offloading
traffic to wireless LAN or WiMAX is expected. In this
research, we showed cost-effectiveness of a new
communication infrastructure in which base stations of public
wireless LAN have solar panels, wind power generators and
batteries, offload smart phone traffic in normal time, and keep
operation as a mesh network even in case of power failure or
trunk disconnection.
その他
50
[8]
相田: 大規模災害等における通信確保に関する総務
省での検討状況について, 新世代ネットワーク推進
フォーラム第５回総会, 新世代ネットワーク推進フ
ォーラム (2011.12.21).
[9]
相田: 東日本大震災等における通信サービスの状況
とユーザの挙動について, 「複雑系情報の社会への
発 信 シ ス テ ム 」 フ ォ ー ラ ム, 海 洋 研 究 開 発 機 構
(2012.2.19).
江崎 研究室
Esaki Laboratory
行った。
Peer-to-Peer (P2P) technology and architecture is to
achieve distributed and effective contents delivery
platform , that is sitting on the IP infrastructure, i.e.,
overlay network on Internet. P2P architecture is
message oriented data delivery system, with the
introduction of various component technologies, such
as network cache, network DMA and network virtual
memory. In this research activity, we have proposed and
evaluated the inter-domain routing control for P2P
system.
(http://www.hongo.wide.ad.jp)
研究現況
Current Research Projects
1.
次世代インターネットアーキテクチャ
江崎 浩, 落合秀也
Next Generation Internet Architecture
H.ESAKI, H.OCHIAI
21 世紀の情報通信システムに資するインターネットア
ーキテクチャの要求条件を整理し、そのアーキテクチャ
を検討し提案している。P2P 技術、DTN 技術、クラウド
技術、NDN 技術など、新しく必要となる要素技術の研究
のみならず統治アーキテクチャを含む研究を推進した。
The existing Internet architecture can not provide sufficient
functionalities that the next generation Internet is going to
require. The new architecture must have interoperability and
migration capability for practical operation. We have
proposed new architecture paradigm and framework.
2.
4.
ブロードバンドインターネット環境の整備と進展は、
アプリケーションの動作がインターネットへの接続性の
存在を前提としており、インターネットへの接続性を喪
失した環境では、ほとんどのアプリケーションが事実上
動作しない。 本研究では、このような問題を実践的に、
あるいは根本的に解決するシステムアーキテクチャの研
究開発を推進している。
The success of broadband Internet leads to the system
assumption for the major applications, where the computer
has been always on the net. Therefore, without internet
connectivity, most of useful applications do not work. In this
research activity, the practical and fundamental system
architecture to solve this issue.
東大グリーン ICT プロジェクト
江崎 浩, 落合 秀也, 川口紘典
Green University of Tokyo Project
Hiroshi ESAKI, Hideya OCHIAI, H.KAWAGUCHI
インターネットアーキテクチャに基づいた次世代オー
プン ファシリティーネットワークのアーキテクチャな
らびに実装・評価、国際標準化を推進した。 プロジェク
トの推進にあたっては、60 以上の組織から構成される産
学連携コンソーシアムを創成して研究開発を推進した。
We have established a R&D consortium, with more than 60
organizations from industry and academia, for next generation
open facility network system. It includes not only
architectural aspect, but also practical implementation using
our live building (Engineering Building No.2) or global
standardization activities.
3.
アドホックネットワークアーキテクチャ
江崎浩, 落合秀也, 小坂良太, 朴成軍
Ad Hoc Network Architecture
H.ESAKI, H.OCHIAI, R.KOSAKA, S.BOKU
5.
仮想マシンを用いた広域分散基盤
江崎浩, 浅井大史, 石橋尚武, 林東權, 東浦成良
Wide Area Inter-Domain Cloud Network Platform
H.ESAKI, H.ASAI, N.ISHIBASHI, D.LIM,
Y.HIGASHIURA
Peer-to-Peer システムアーキテクチャ
江崎 浩, 浅井 大史, 土井 裕介
Peer-to-Peer System Architecture
H.ESAKI, H.ASAI, Y.DOI
インターネット通信の信頼性向上と負荷分散、さらに、
より高度な通信サービスを提供するために必要となる
Peer-to-Peer システムアーキテクチャの研究開発を行っ
ている。ファイル共有を実現するために研究開発された
P2P 技術は、近年、インターネットにおける新しいアー
キテクチャパラダイムの実現に向けた要素機能を提供し、
さらに効率的なデータ配信を実現するアーキテクチャフ
レームワークとしての利用の可能性が認識されつつある。
P2P システムにおけるトラフィックエンジニアリングを
Inter-ISP で実現するための経路制御技術の提案と評価を
51
仮想化技術は計算機システムの信頼性向上と省エネ・
環境改善に資するシステム技術である。本研究では、東
大グリーン ICT プロジェクトと連携しながら、スマート
オフィス・キャンパスの実現に向けたクラウドコンピュ
ーティングに関する基盤研究を行っている。
The virtual machine and cloud computing platform
contributes both on the improvement of BCP and on energy
saving, using the advanced ICT. We are collaborating with
GUTP, in order to establish and to deliver the smart office and
smart campus while the strategic introduction of state-of-arts
cloud platform.
6.
Live E! プロジェクト
江崎浩, 落合秀也
Live E! Project; Large Scale Sensor Network
H.ESAKI, H.OCHIAI
インターネット上に展開する大量のセンサーノードや
論文・著書一覧
Publications List
ホストが生成するデジタル情報が、自律的にかつ自由に
流通し再利用される基盤を構築するアーキテクチャの研
究開発を実証実験を進めている。
Deployment of sensor network generate huge amount of
digital information ubiquitously, and we need a new internet
architecture to handle these digital information, while
preserving the original architecture of Internet.
7.
研究論文
[1] Hideya Ochiai, Hiroki Ishizuka, Yuya Kawakami,
Hiroshi Esaki, "A DTN-Based Sensor Data Gathering in
Agricultural Applications", Invited Paper, IEEE Sensors
Journal, Vol.11, No.11, pp.2861-2868, November 2011.
[2] 江崎、落合、”東大グリーンICTプロジェクト”, 招待
論文, 電子情報通信学会 和論文誌B, スマートな社
会を支えるインターネットアーキテクチャ特集,
Vol.J94-B, No.10, pp.1225-1231, October 2011.
[3] 江崎、"スマートグリッドを支えるICTシステムアー
キテクチャ", 電子情報通信学会 学会誌、Vol.94,
No.5, pp.391-395, May 2011.
DTN アーキテクチャ
江崎 浩, 落合 秀也
DTN(Delay Tolerant Network) Architecture
H.ESAKI, H.OCHIAI
モバイルネット、アドホックネットにおいては、特に
大きな遅延に対応可能なシステムアーキテクチャが必要
となる。 これまでの UNIX システムにおけるデータ通
信モデルは、小さな遅延時間と常時接続を前提としてお
り、ほとんどのアプリケーションは、DTN 環境では良好
に動作することが難しい。本研究では、DTN アーキテク
チャの検討を行い、プロトタイプシステムの実装を行う。
In the mobile and ad hoc network environment, the
computer system must come up with large delay. In other
words, the delay tolerant system architecture must be newly
introduced. The existing legacy UNIX system could not aooly
to such a large delay communication and does need new
architecture framework. In this research, a new
communication model must be proposed and be implemented.
国際会議論文
[4] Hirochika Asai, Kensuke Fukuda, Hiroshi Esaki, "Traffic
Causality Graphs: Profiling Network Applications
through Temporal and Spatial Causality of Flows",
IEEE/ACM The 23rd International Teletraffic Congress
(ITC2011), San Francisco, September 2011.
[5] Luciano Aparicio, Rodney Van Meter, Hiroshi Esaki,
"Protocol Design for Quantum Repeater Networks",
ACM AINTEC (Asian Internet Engineering Conference)
2011, Bangkok, Thailand, November 2011.
[6] Hiroshi Esaki, Hideya Ochiai, "GUTP and IEEE1888 for
Smart Facility Systems using Internet Architecture
Framework", 1st IEEE Workshop on Holistic Building
Intelligence through Sensing Systems (HOBSENSE),
cooperating with IEEE DCOSS, Barcelona, Spain, June
2011.
[7] Hideya Ochiai, Masaya Nakayama, Hiroshi Esaki,
"Hop-by-Hop Reliable, Parallel Message Propagation for
Intermittently-Connected Mesh Networks", IEEE
International Symposium on a World of Wireless Mobile
Multimedia Networks (WoWMoM) 2011, Lucca, Italy,
June 2011.
[8] Hideya Ochiai, Masahiro Ishiyama, Tsuyoshi Momode,
Noriaki Fujiwara, Kosuke Ito, Hirohito Inagakim Akira
Nakagawa, Hiroshi Esaki, "FIAP: Facility Information
Access Protocol for Data-Centric Building Automation
Systems",
Workshop
on
Machine-to-Machine
Communications and Networking (M2MCN) 2011, IEEE
INFOCOM2011, Shanghai, April 2011.
8. インターネットトラフィックの計測と解析
江崎浩, 浅井大史, 本舘拓也, 美嶋勇太郎, 木下僚
Measurement and Analysis of Internet Traffic
H.ESAKI, H.ASAI, T.MOTODATE, Y.MISHIMA,
R.KINOSHITA
インターネットのトラフィック特性は、急速に変化し
ており、それに対応するトラフィック制御フレームワー
クが確立されなければならない。 本研究では、WIDE プ
ロジェクトおよび商用 ISP のトラフィックの実データを
測定・解析し、その特性を把握し、セキュリティー対策
など資する制御手法への応用を展開する。また、インタ
ーネットの接続トポロジーを測定データから推察する有
効な手法の提案・評価も行った。
The Internet traffic has been always changed and is not easy
to measure. In this research, we collaborate with WIDE
project and commercial ISPes to measure and analyze the real
Internet traffic. Based on the real Internet traffic, we have
proposed an effective traffic engineering method. Also, the
publish of these analyzed traffic data is useful and unique data
to research and business community. Also, we proposed and
evaluated the topology estimation using the actual traffic and
routing information obtained by live networks.
52
森川・李研究室
Morikawa and Lee Laboratory
J. Li, T. Kuroiwa, T. Shimojo, M. Masanori,
S. Theerat, and Y. Yamashita
(http://www.mlab.t.u-tokyo.ac.jp)
都市・環境・農業・医療などへの情報通信技術の利活
用に向けては，「実世界情報」が鍵となる．センサネット
ワークの研究では，実世界情報の時代におけるコア技術
の明確化に向け，ネットワーク技術，無線通信技術，セ
ンサ技術，信号処理技術について，応用を強く意識しつ
つ研究を進めている．具体的には，実運用時の誤差を容
易に推定可能な高精度時刻同期，建設的干渉利用型フラ
ッディングを用いたデータ収集機構，地震／構造モニタ
リングなど膨大なデータ収集に必要となる一括高速デー
タ収集機構，農業の環境データ及び植物の生育状況見え
る化のための ICT 農業技術，環境から取得したエネルギ
ーで駆動する無線センサノード技術，省電力とリアルタ
イム性とを必須要件と捉えることによる無線センサノー
ド向けのハードリアルタイムオペレーティングシステム
および省電力マルチコア CPU などの研究を進めている．
‘Real-world information’ is the key for using information
and communication technology in various fields such as
environment, city, agriculture and medical care. In order to
clarify the core technologies of a future real-world
information era, we are working toward implementing
applications
by
developing
networking,
wireless
communication, sensor and signal processing technologies.
Specifically, we are conducting researches on high-precision
earthquake monitoring systems, data collection protocols
using constructive interference flooding, high throughput bulk
data collection protocols for applications such as earthquake
monitoring, ICT-based agriculture for enhancing productivity
by monitoring environment and growth status, wireless sensor
nodes powered by harvesting ambient energy, hard real-time
operating systems and energy-efficient multi-core CPU’s for
wireless sensor nodes.
研究現況
Current Research Projects
1.
ストリームデータ
森川 博之・李 斗煥・鈴木 誠・森戸 貴・
浅井 光太郎・加美 伸治・ギョーム ブロジ・
田代 諭拡・デイビッド ゴンザレス
Stream Data
H. Morikawa, D. Lee, M. Suzuki, T. Morito, K. Asai,
S. Kami, G. Brogi, Y. Tashirro, and D. Gonzalez
社会のすみずみに渡る膨大なセンサなどから得られ
る時系列データ「ストリームデータ」を収集し解析する
ことで，環境，都市，農業，資源，流通，医療などの産
業に寄与する新しい情報社会を実現することができる．
このような観点から，ストリームデータを収集・蓄積・
共有・マイニングする「ストリームデータプラットフォ
ーム」実現のための研究課題を明らかにすることを最終
ゴールとし，実際にアプリケーション開発を行いながら
研究開発を進めている．具体的には，ヘルスモニタリン
グ，ソーシャルモニタリング，スマートグリッド，農業
ICT，地震／構造モニタリングといったアプリケーション
を開発しながら研究を進めている．また，アプリケーシ
ョン開発と並行して，ストリームデータの管理に適した
分散 NoSQL データベースアーキテクチャ，プラグインに
よって多様なアプリケーションに適応するデータベース
システム，位置情報に基づく階層型分散データベースシ
ステム，実世界情報の活用に重要となる映像データの構
造的記述方式の設計をも進めている．
This project envisions a world where a wide range of
applications is created by processing stream data obtained
from sensors embedded in a physical world. This project aims
to identify grand research challenges for designing a “stream
data platform” for collecting, distributing, and mining stream
data by developing applications such as healthcare, radio
spectrum visualization, earthquake monitoring, social
modeling, smart grid, and smart agriculture. In parallel to
develop a wide variety of applications, we are designing a
distributed NoSQL database architecture suitable for stream
data management, plugin-based database systems for coping
with various applications, location-based distributed database
systems, and late bind name resolution architecture.
2.
3.
無線通信システム
森川 博之・李 斗煥・鈴木 誠・長谷 良裕・
金 昊俊・諸橋 知雄・彭 園園・岩元 啓・
奥井 寛樹・田代 諭拡・坂本 敬太
Wireless Communication Systems
H. Morikawa, D. Lee, M. Suzuki, Y. Hase, H. Kim,
T. Morohashi, Y. Peng, K. Iwamoto, H. Okui,
Y. Tashiro, and K. Sakamoto
携帯電話や無線 LAN の登場によって加速されたモバイ
ル端末の発展により，無線通信技術は新しい局面を迎え
ている．無線通信システムの研究では，無線通信の新し
い応用分野の創出を目指すと同時に，電波政策などの俯
瞰的な視点からも研究を進めている．具体的には，広範
囲・高密度かつ高精度に電波の利用状況を収集する分散
スペクトラムセンシング技術及び低価格スペアナの開発，
産業用ロボットなどを同期制御するために往復数ミリ秒
以内の高速なデータ送受信を実現するリアルタイムワイ
ヤレス，単一チャネルでの同時送受信により 2 倍の帯域
センサネットワーク
森川 博之・李 斗煥・鈴木 誠・石田 繁巳・
劉 進志・黒岩 拓人・下城 拓也・井上 雅典・
サクデーシャヨン ティラット・山下 靖貴
Sensor Networks
H. Morikawa, D. Lee, M. Suzuki, S. Ishida,
53
a power grid platform which efficiently provides various
power supply services, scalable V2G system capable to cope
with a huge number of EVs, and optical Internet technologies
which reduces backbone power consumption by omitting
optical/electrical conversions.
利用効率を実現する同一チャネル全二重ワイヤレス，遅
延や負荷の可視化によりソフトウェア無線機の開発を支
援するソフトウェア無線プロファイリング，広帯域信号
の低コスト処理を実現する圧縮センシングなどの研究を
行っている．
Wireless communication technology has moved forward to a
new phase with the evolution of mobile devices, such as cell
phones and WiFi PCs. We are widely studying not only the
new application areas for wireless communication, but also
spectrum management policies. We are currently working on
distributed spectrum sensing for collecting accurate spectrum
usage information from densely placed sensor nodes and
development of low-cost spectrum analyzer, a real time
wireless system enabling submilliseconds round trip time for
wireless control networks, a single channel full-duplex
wireless system for doubling spectral efficiency, a software
defined radio (SDR) profiler for supporting the development
of SDR systems by retrieving information such as load and
delay, and compressed sensing that enables wideband signal at
low processing burden.
4.
グリーンネットワーク
森川 博之・李 斗煥・鈴木 誠・今泉 英明・
山本 享弘・石田 繁巳・白 先暳・米川 慧
Green Networks
H. Morikawa, H. Imaizumi, M. Suzuki, H. Imaizumi,
T. Yamamoto, S. Ishida, S. Baek, and K. Yonekawa
消費電力の急増している ICT 分野において，省電力化
は喫緊の課題となっている．また，震災を機に，消費電
力への問題意識は，かつてないほど高まっている．この
ような背景を踏まえ，グリーンネットワークの研究では，
Green by ICT，Green of ICT の双方の観点から，様々な
システムの消費電力問題に対して包括的に取り組んでい
る．具体的には，無線 LAN やセンサネットワークなどの
無線通信の待機電力を削減するウェイクアップ型無線通
信方式，携帯端末上でユーザの操作に影響を与えずにセ
ンサデータをアップロードする可能とする
Participatory Sensing 向け基盤技術，効率よく多彩な
サービスを提供する電力網プラットフォーム，膨大な数
の EV を制御可能な V2G システム，光電変換を省略しバッ
クボーンでの消費電力を大幅に削減する光インターネッ
ト技術などの研究を進めている．
Actions are required to reduce ICT-related power
consumption. A big earthquake disaster raises much interest in
the increase of the power consumption, and gives an
opportunity to reconsider the power supply. Based on these
considerations, we are studying power management systems
for various systems in view of "Green by ICT" and "Green of
ICT." We are currently working on a wake-up wireless
communication system which reduces listening power
consumption, low power participatory sensing which provides
a background communication scheme for sensor data upload,
54
論文・著書一覧
Publications List
Computational Models for Life Sciences (CMLS-11),
Toyama, Japan, Oct. 2011.
[11] H. Kim, M. Suzuki, M. Minami, and H. Morikawa:
“Spectrum sensor for distributed spectrum sensing,”
IEEE Consumer Communications & Networking
Conference (CCNC), Jan. 2012.
研究論文
[1]
[2]
猿渡 俊介, ヨハン イェルム, 小田 稔周, 森川 博
之:“DLNA Probe: DLNA デバイスの操作履歴取得シ
ステム,” 情報処理学会論文誌, vol. 52, no. 4, pp.
1693-1705, Apr. 2011.
山田 直治, 磯田 佳徳, 南 正輝, 森川 博之:“屋外
行動支援のための GPS 搭載携帯電話を用いた移動
経路の逐次的精錬手法,” 情報処理学会論文誌, vol.
52, No. 6, pp. 1951-1967, Jun. 2011.
[3]
猿渡 俊介:“GNU Radio ～ 私の研究開発ツール
～ ,” 映像情報メディア学会誌, vol. 65, no. 8, pp.
1186-1189, Aug. 2011.
[4]
石田 繁巳, 瀧口 貴啓, 猿渡 俊介, 南 正輝, 森川
博之:“ブルームフィルタを用いたウェイクアップ型
通信システム,” 電子情報通信学会論文誌, vol.
J94-B, no. 10, pp.1397-1407, Oct. 2011.
[5]
[12] C. Gao, M. Suzuki T. Kuroiwa, and H. Morikawa:
“Sensor Data Collection Using Constructive Interference
Flooding,” 9th European Conference on Wireless Sensor
Networks (EWSN 2012), Trento, Italy, Feb. 2012.
[13] G. Brogi, M. Suzuki, H. Imaizumi, H. Morikawa, R.
Suzuki, and T. Nagata: “Reducing Idle Power
Consumption in MapReduce using Low-Power
Heartbeats,” 17th International Conference on
Architectural Support for Programming Languages and
Operating Systems (ASPLOS 2012), London, UK, Mar.
2012.
[14] H.Suganuma, M.Suzuki, and H. Morikawa: “A Buffer
Size Tuning Mechanism for Software-defined Radios,”
IEEE 31st International conference on computer
communication (INFOCOM 2012), Florida, United
states, Mar. 2012.
山本 享弘，猿渡 俊介，南 正輝，森川 博之:
“Piggyback Transport Protocol: Participatory Sensing
における低消費電力なアップロードエンジン,” 情
報処理学会論文誌, vol. 53, no. 1, pp. 274-285, Jan.
2012.
シンポジウム・研究会・大会等発表
[6]
猿渡 俊介，高木 潤一郎，川島 英之，倉田 成人，
森川 博之:“センサデータベースマネージャにおけ
る問合せ処理とデータ圧縮の同時最適化,” 情報処
理学会論文誌, vol. 53, no. 1, pp. 320-335, Jan. 2012.
[15] 猿渡 俊介, 長縄 潤一: “［招待講演］電波資源有効
利用に向けた分散スペクトラムセンシング,” 電子
情報通信学会技術研究報告, ユビキタスセンサネッ
トワーク研究会, USN2011-6, May 2011.
[7]
S. Saruwatari, M. Suzuki, and H. Morikawa:
“PAVENET OS: A Compact Hard Real-Time Operating
System for Precise Sampling in Wireless Sensor
Networks,” SICE Journal of Control, Measurement,
and System Integration, Vol. 5, No. 1, pp. 24-33, Jan.
2012 .
[16] 猿渡 俊介: “［招待講演］オープンソースソフトウ
ェア無線「GNU Radio」のインパクト,” 電子情報
通信学会技術研究報告, 情報ネットワーク研究会,
IN2011-23, May 2011.
[17] 森川 博之: “スマートグリッドが与える新しい社会
システム,” 電子情報通信学会 ICT スマートグリッ
ド技術研究会，Jun. 2011.
国際会議論文
[8]
[9]
[18] 猿渡 俊介, 菅沼 久浩:“GNU Radio に関する調査,”
森川研究室 技術研究報告書, No. 2011001, Jun. 2011.
J. Naganawa, H. Kim, S. Saruwatari, H. Onaga, and H.
Morikawa: “Distributed Spectrum Sensing Utilizing
Heterogeneous Wireless Devices and Measurement
Equipment, ” the 2nd IEEE International Symposium on
New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks
(DySPAN'11), pp. 173-184, May 2011.
[19] 金 昊俊，長縄 潤一，鈴木 誠，猿渡 俊介，翁長 久，
南 正輝，森川 博之: “分散スペクトラムセンシン
グに向けたスペクトラムセンサの設計,” 電子情報
通信学会技術研究報告, 無線通信システム研究会,
RCS2011-40, Jun. 2011.
S-C. Wang and H. Morikawa: “[Invited Paper]
Self-Stabilization in Energy-Constraint Wireless Ad Hoc
Networks, ” Tenth International Symposium on
Autonomous Decentralized Systems, pp.462-470, Kobe,
Japan, June/July 2011.
[20] 角田 仁, 鈴木 誠, 森川 博之: “無線センサネット
ワークにおける分散同期サンプリング機構の評価,”
電子情報通信学会技術研究報告, ユビキタスセンサ
ネットワーク研究会, USN2011-17, Jul. 2011.
[21] 山本 享弘, 猿渡 俊介, 森川 博之: “モバイル端末
における低優先度通信のための低負荷パケットス
ケジューリング方式,” 情報処理学会研究報告, モ
バイルコンピューティングとユビキタス通信研究
[10] G. Brogi, P. Grandjer, T. Morito, M. Suzuki, and H.
Morikawa:
“Using sensor networks for medical
applications,” 2011 International Symposium on
55
会, MBL-59-19, Sep. 2011.（優秀論文賞受賞）
[34] 岩元 啓, 長縄 潤一, 鈴木 誠, 森川 博之, 高田 潤
一: “同一チャネル全二重無線通信に向けた複数送
信アンテナの利用による相殺的干渉性能の周波数
特性評価,” 電子情報通信学会ソサイエティ大会,
B-17-7, Sep. 2011.
[22] 森川 博之: “新たな社会創出に資する M2M,” 電
子情報通信学会東京支部 CEATEC2011 シンポジウ
ム，Oct. 2011.
[23] 森川 博之: “[招待講演]ストーリーとしての ICT 研
究開発,” 電子情報通信学会情報ネットワーク研究
会，IN2011-97, MoMuC2011-31, Nov. 2011.
[35] 金 昊俊, 長縄 潤一，石田 繁巳, 鈴木 誠，翁長 久，
森川 博之: “可変 RBW を用いた周波数占有率の測
定精度の向上の初期的評価,” 電子情報通信学会ソ
サイエティ大会, B-17-8, Sep. 2011.
[24] 森川 博之: “[特別招待講演]ストーリーとしての
ICT 研究開発：社会基盤としての ICT,” 電子情報
通信学会通信方式研究会，CS2011-88, 光通信システ
ム研究会, OCS2011-114，Jan. 2012.
[36] 菅沼 久浩, 長縄 潤一, 鈴木 誠, 猿渡 俊介, 森川
博之: “ソフトウェア無線機開発支援プロファイラ
の設計とバッファリングによる最大遅延時間の測
定,” 電子情報通信学会ソサイエティ大会, B-17-15,
Sep. 2011.
[25] 山本 享弘, 猿渡 俊介, 森川 博之: “携帯電話セン
シングに向けた低優先度通信機構の実装と評価,”
電子情報通信学会技術研究報告, ユビキタス・セン
サネットワーク研究会, USN2011-58 , Jan. 2012.
[37] 中嶋 毅彰, 米川 慧, 石田 繁巳, 鈴木 誠, 森川 博
之: “多様なサービス電力の発見・割当て・制御機
構,” 電子情報通信学会総合大会, BS-4-2, Mar. 2012.
[26] 森 皓平, 中村 隆幸, 柏木 啓一郎, 荒川 豊, 中村
元紀, 松村 一, 東島 由佳, 石田 繁巳, 猿渡 俊介,
翁長 久, 森川 博之: “uTupleSpace を用いたセンサ
利用サービスの開発を支援する「実世界開発スタジ
オ」の提案と評価,” 電子情報通信学会技術研究報
告, ユビキタス・センサネットワーク研究会,
USN2011-72, Jan. 2012.
[38] 岩元 啓, 鈴木 誠, 森川 博之: “同一チャネル全二
重無線通信のためのダイポールアンテナを用いた
Self-diplexing アンテナ,” 電子情報通信学会総合大
会, B-1-77, Mar. 2012.
[39] 森川 博之: “ICT × 農業,” 電子情報通信学会総
合大会, BP-1-1, Mar. 2012.
[27] 石田 繁巳, 鈴木 誠, 森川 博之: “サブスレッショ
ルド特性を利用するウェイクアップ受信機用ミキ
サの初期的検討,” 電子情報通信学会ソサイエティ
大会, C-12-16, Sep. 2011.
[40] ブロジ ギョーム, 鈴木 誠, 今泉 英明, 鈴木 亮平,
永田 智大, 森川 博之: “Low Power Heartbeat を利
用した Hadoop の電力管理手法,” 電子情報通信学
会総合大会, B-7-78, Mar. 2012.
[28] 黒岩 拓人, 鈴木 誠, 長山 智則, 森川 博之: “無線
センサネットワークにおける高速バルク転送向け
Busy ACK 利用型 MAC プロトコルの設計,” 電子
情報通信学会ソサイエティ大会, B-19-3, Sep 2011.
[41] 菅沼 久浩, 鈴木 誠, 森川 博之: “ソフトウェア無
線機開発支援に向けたバッファサイズ調整機構,”
電子情報通信学会総合大会, B-17-32, Mar. 2012.
[29] 中村 元紀, 中村 隆幸, 荒川 豊, 東島 由佳, 柏木
啓一郎, 森 皓平, 松村 一, 石田 繁巳, 猿渡 俊介,
翁長, 久, 森川 博之: “uTupleSpace を利用した
CO2 排出量可視化の実証実験,” 電子情報通信学会
ソサイエティ大会, B-19-21, Sep 2011.
その他（講演）
[42] 森川 博之: “研究開発戦略委員会,” 総務省情報通
信技術審議会研究開発戦略委員会，Apr. 2011.
[43] 森川 博之: “次世代ワイヤレスネットワークの標準
化について,” 総務省 情報通信審議会 情報通信分
野における標準化政策検討委員会，May 2011.
[30] 鈴木 誠, 森川 博之: “無線センサネットワークに
おけるクロック周波数変動の時刻同期誤差伝播の
解析,”電子情報通信学会ソサイエティ大会, B-19-9,
Sep 2011.
[44] 森川 博之: “X（エックス）農業,” 東京大学アン
ビエント社会基盤研究会，Jun. 2011.
[31] 山本 享弘, 猿渡 俊介, 森川 博之: “携帯電話にお
ける低消費電力低優先度通信の実装評価,” 電子情
報通信学会ソサイエティ大会, B-15-16, Sep. 2011.
[45] 森川 博之: “社会基盤としての ICT,” 情報通信政
策研究会，Jun. 2011.
[46] 森川 博之: “未来のワイヤレス,” ブロードバンド
ワイヤレスフォーラム未来構築ワイヤレス 特別部
会，Jun. 2011.
[32] 高 超，黒岩 拓人，鈴木 誠，森川 博之: “Efficient
Collection Using Constructive-Interference Flooding in
Wireless Sensor Networks,” 電子情報通信学会ソサイ
エティ大会，B-19-10，Sep. 2011.
[47] 森川 博之: “M2M が切り拓くアンビエント社会基
盤,” JEITA ナノエレクトロニクス研究会，Jul. 2011.
[33] 加美 伸治, 池田 聡, 馬場 輝幸, 吉川 隆士, 森川
博之: “LSH を用いた空間分割による滞留点推定の
理論的考察,” 電子情報通信学会ソサイエティ大会,
B-19-46, Sep. 2011.
[48] 森川 博之: “センサーネットワークが切り拓く世
界,” オープンソルーション研究会，Jul. 2011.
[49] 森川 博之: “ワイヤレスで未来を創る,” ワイヤレ
ス・テクノロジー・パーク 2011，Jul. 2011.
56
Mar. 2012.
[50] 森川 博之: “2020 年頃の社会像実現に向けた方向
感,” 総務省情報通信審議会 ICT 基本戦略ボード，
Nov. 2011.
その他（取材協力）
[51] 森川 博之: “センサネットワークの展開,” 横須賀
市民大学，Nov. 2011.
[68] 森川 博之: “「テレビの波を開放せよ」TV ホワイ
トスペースに脚光,”日経エレクトロニクス，pp.71-80,
2011.10.31.
[52] 森川 博之: “社会基盤としての ICT,” 電子情報技
術産業協会次世代センシングソ リューション技術
分科会, Nov. 2011.
[69] 森川 博之: “5 年後の未来を探せ：センサネットワ
ークが生み出す実空間と仮想空間の融合,”
Nextcom, vol.8, pp.44-47, 2011.12.01.
[53] 森川 博之: “ビッグデータ,” 総務省情報通信審議
会 ICT 基本戦略ボード，Jan. 2012.
[70] 森川 博之: “M2M 市場の最前線,”週刊東洋経済，
2012 年 3 月 17 日号, Mar. 2012.
[54] 森川 博之: “未来を創るセンサネットワーク,”
JEITA ナノエレクトロニクス技術 フォーラム，Feb.
2012.
その他（受賞）
[55] 森川 博之: “[特別講演]ICT 未来構築のためのアン
ビエント社会基盤,” ENEX 2012 / Smart Energy
Japan 2012，Feb. 2012.
[71] 森川 博之: 功労顕彰状, 電子情報通信学会通信ソ
サイエティ, Sep. 14, 2011.
[72] 山本 享弘, 猿渡 俊介, 森川 博之: 第 59 回 MBL 研
究会優秀論文賞, 情報処理学会 モバイルコンピュ
ーティングとユビキタス通信研究会, Sep. 6, 2011.
[56] 森川 博之: “ICT 未来構築,” 知的資産経営新ビジ
ネス塾，Mar. 2012.
[57] 森川 博之: “クラウドが支えるビッグデータ,”
YRP 特別セミナー，Mar. 2012.
[58] 森川 博之:“未来を創る M2M とビッグデータ,”エ
ネルギーハーベスティングコンソーシアム総会，
Mar. 2012.
[59] 森川 博之: “総括,” アンビエント社会基盤研究会
成果報告会，Mar. 2012.
[60] 森川 博之: “デマンドレスポンスは日本の電力不足
を救うか,” マルチメディア推進 フォーラム，Mar.
2012.
その他（記事）
[61] 森川 博之: “【巻頭言】社会基盤としての ICT,” 東
芝レビュー，vol.66, no.4, p.1, Apr. 2011.
[62] H. Morikawa: “Foreword: Special Section of Emerging
Technologies of Ubiquitous Computing Systems, ”
IEICE Trans. Information and Systems, vol.E94-D, no.6,
p.1121, Jun. 2011.
[63] 森川 博之（分担執筆）: “電子情報通信分野 科学
技 術 ・ 研 究 開 発 の 国 際 比 較 2011 年 版 , ”
CRDS-FY2011-IC-03，独立行政法人科学技術振興機
構研究開発戦略センター，Jun. 2011.
[64] 森川 博之: “ストーリーとしての ICT 未来構築,”
KKEVision 2011, Oct. 2011.
[65] 森川 博之: “ストーリーとしての研究開発,” NTT
DOCOMO テクニカル・ジャーナル, vol.19, no.3,
pp.4-5, Oct. 2011.
[66] 森川 博之（分担執筆）: “東京大学アンビエント社
会基盤研究会提言書,” Mar. 2012.
[67] 森川 博之（分担執筆）: “東京大学アンビエント社
会基盤研究会農林環境ワーキンググループ報告書,”
57
近山・鶴岡研究室
Chikayama & Tsuruoka Laboratory
Unsupervised Learning has been used in various fields
recently as the performance of computers has been improved.
In particular, Non-negative Matrix Factorization (NMF) is
used for extracting various patterns from unlabelled data
because of the ease of the implementation. It is known that
NMF is useful for Blind Source Separation (BSS) and
analyzing musical phrases in Speech and Musical Information
Processing. We propose extracting speech base patterns with
Convolutive NMF (CNMF) from unlabelled speech data. In
addition, we evaluate the utility for Speech Recognition by
Phone Classification using the extracted patterns.
(http://www.logos.ic.i.u-tokyo.ac.jp/)
研究現況
Current Research Projects
1.
投機を用いたゲーム木探索の大規模並列化
浦 晃・近山 隆
Large-Scale Parallelization of Game Tree Search
using Speculative Execution
A. URA and T. CHIKAYAMA
大規模環境を用いてゲーム木探索を並列化することは、
強いコンピュータゲームプレイヤをつくるための有力な
手段である。しかし、逐次処理と同じような枝刈りを行
おうとすると、先に探索する部分木の結果を待たなくて
はならず、タスクがプロセッサ数に対して少なくなり並
列度が出ない。そこで本研究では、プロセッサがアイド
ル状態ならばその時点では探索しなければいけないかど
うかがわかっていないタスクを投機的に実行し、この投
機的実行を行うタスクの順序を制御することで大規模並
列化の性能向上を目指している。
It is a promising approach to parallelize game tree search
with large-scale distributed environments. However, pruning
as the sequential manner makes processors wait for results of
the preceding search. Because of this, the number of tasks
becomes small compared to the number of the processors.
This makes the parallelization inefficient. We propose
speculative execution to resolve this problem. When
processors are idle, processors execute tasks even if
processors don't know that the tasks must be searched into at
the time. We aim for the efficient parallelization by
controlling the ordering of the speculative tasks.
3.
2.
4.
畳み込み非負値行列因子分解を用いた音声パ
ターンの教師無し学習と音素分類
針谷 航・近山 隆
Unsupervised Learning of Speech Patterns and
Phone Classification using
Convolutive Non-Negative Matrix Factorization
W. HARIYA and T. CHIKAYAMA
不確定不完全情報多人数ゲームでの考慮すべ
き相手の選択
古居 敬大・近山 隆
Selection of Opponents to be Considered on
Multiplayer Imperfect Information Games
K. FURUI and T. CHIKAYAMA
ポーカーなどの多人数のゲームではより多くのプレイ
ヤが参加することで状態が複雑になるが、注目すべき要
素や相手の行動については人数によってそれほど変化し
ないことが予想される。そこで本研究では特定のプレイ
ヤを除外して考え行動することを提案し、その有効性と、
どのプレイヤの行動に着目するかについての検討を行な
う。
Multiplayer games such as poker become more complicated
as the number of players increases, but the actions of the
opponents and the elements that should be considered for
finding the optimal strategy do not change significantly. In
this study, we propose to take actions that are computed by
removing some of the opponents from the game and discuss
the effectiveness of the proposed method and which
opponents should be considered.
将棋におけるモンテカルロ木探索の特性の解
明
関 栄二・近山 隆
Analysis of the Monte-Carlo Tree Search in Shogi
E. SEKI and T. CHIKAYAMA
モンテカルロ木探索は 2006 年の登場以降、囲碁を中心
として大きな成功を収め、ゲーム・非ゲームを問わず様々
な応用が模索されている。そうした中でチェスや将棋な
ど、従来評価関数を利用した探索が大きな成果を収めて
きた一部のゲームにおいて、従来法に大きく劣る棋力し
か得られていないことが指摘されている。このため、モ
ンテカルロ木探索がどういった局面を得手・不得手とす
るのかを解析することは、今後の適用範囲の拡大を考え
ても重要なことだといえる。本研究では、従来法の発展
した将棋において、従来法との比較を通したモンテカル
ロ木探索の長所短所の解明を目的とする。
Since the advent of Monte-Carlo tree search (MCTS),
strong computer players using the MCTS have been built for
計算機の性能の向上に伴い、様々な分野において教師
無し学習が使われている。その中でも、非負値行列分解
(NMF)は実装の手軽さからラベル無しのデータから様々
なパターンを抽出に用いられている。音声処理や音楽情
報処理の分野においてはブラインド音源分離や音楽のフ
レーズの解析に用いられている。本研究では NMF を発
展させた畳み込み非負値行列分解 (CNMF) という手法
を用いてラベルが付いていない連続音声から音声の基底
となるパターンを抽出し、その抽出した音声を用いて音
素分類の実験を行う事で、抽出した音声パターンが音声
認識に役立つか評価を行っている。
58
the game of go. Thus, the applications of the MCTS are
widely investigated in games and non-games. However, the
MCTS is said to be much inferior to previous methods in
games such as chess and shogi in which the search methods
using evaluation functions have achieved significant results.
Therefore, analyzing what kind of positions the MCTS is
good at or bad at is beneficial, given that it will be used more
widely. We purpose revealing strong and weak points of the
MCTS by comparing with previous methods in shogi.
"Gekisashi" and a computer Go player. Gekisashi is drawing
much attention in the community as one of the strongest shogi
player programs.
5.
人間は、日常生活の中で日本語や英語といった自然言
語をごく当たり前のように使用しているが、コンピュー
タにそれと同じようなことをさせるのは容易ではない。
これまで、世界中で多くの研究者が半世紀以上にわたっ
て研究を積み重ねてきたが、言葉の「意味」をコンピュ
ータ上でどのように表現するべきかといった基本的な問
題さえまだ手探りの状態である。我々は、自然言語処理
と呼ばれる研究分野を中心にして、コンピュータで自然
言語を自由に扱えるようにするための様々な技術の研究
を行っている。
Humans have no difficulty using natural languages such as
English and Japanese in everyday life. However, researchers
don't even know how to represent the meaning of natural
language in computer programs despite the several decades of
research in the field. We develop machine learning-based
algorithms and techniques for natural language processing,
with the goal being to create robust systems for text
processing.
7.
機械学習とその応用に関する研究
針谷 航・浦 晃・鶴岡慶雅・近山隆
Research on Machine Learning
and Its Applications
W. HARIYA, A. URA, Y. TSURUOKA
and T. CHIKAYAMA
機械学習は過去の事例を元に隠された知識や規則を獲
得する手法である。現在 WWW や計算を通じた収集可
能な事例の増大や計算能力の向上に伴い、機械学習の手
法を適用できる場が広がっている。我々はこの学習につ
いて学習可能性や自動化について理論的・経験的側面か
ら研究を行っている。また、コンピュータゲームプレイ
ヤ・音楽・言語処理など様々な分野において、機械学習
を通じて得た知識を基にした問題解決手法についても研
究を行っている。
Machine learning is a field of science that aims to develop
computers capable of acquiring rules and knowledge from
examples. Today, the application areas of machine learning
are expanding rapidly, largely due to the increase of
computing power and data available from the WWW. We
develop machine learning algorithms for a range of
applications.
6.
コンピュータゲームプレイヤの研究
古居 敬大・関 栄二・鶴岡 慶雅・近山 隆
Research on Computer Game Players
K. FURUI, E. SEKI, Y. TSURUOKA,
and T. CHIKAYAMA
計算機によるゲームプレイヤの研究は、人工知能を含
むコンピュータサイエンス の多くの分野に応用できる
実用的な題材として多くの成果を挙げてきた。我々は、
その中で、大量の棋譜からの知識獲得や並列化による、
より効率的な探索手法について研究を行っている。その
応用例として、将棋プレイヤ「激指」および囲碁プレイ
ヤを設計・実装した。激指は世界でも屈指の強い将棋プ
レイヤとして高い評価を得ている。
Research on game-playing programs has yielded practical
results in many areas of computer science, including artificial
intelligence. We are investigating methods for searching
game-trees more efficiently by parallelization and utilizing
knowledge acquired from game records, and so on. Applying
these methods, we have developed a computer shogi player
59
自然言語処理に関する研究
佐藤 美沙・板持 貴之・成川 弘樹・
鶴岡慶雅・近山隆
Research on Natural Language Processing
M. SATO, T. ITAMOCHI, H. NARUKAWA,
Y. TSURUOKA and T. CHIKAYAMA
論文・著書一覧
Publications List
ークショップ, pp. 104--108, Nov. 2011.
[10] 林伸也, 浦晃, 三輪誠, 田浦健次朗, 近山隆: 自己対
戦棋譜を利用した半教師あり学習による将棋の評
価関数の学習. 第 16 回ゲームプログラミングワー
クショップ, Nov. 2011.
研究論文
[1]
[2]
矢野友貴, 三輪誠, 横山大作, 近山隆: ゲーム構成
要素を組み合わせた特徴の最適化, 情報処理学会論
文誌, Vol.52, No.12, pp. 3828--3838 (2011).
[11] 板持貴之，三輪誠，田浦健次朗，近山隆: イラスト
の作者同定アルゴリズムの提案, 情報処理学会第
74 回全国大会, Mar. 2012（大会学生奨励賞受賞）
Yoshimasa Tsuruoka, Makoto Miwa, Kaisei Hamamoto,
Jun'ichi Tsujii, and Sophia Ananiadou: Discovering and
visualizing indirect associations between biomedical
concepts, Bioinformatics, Vol. 27, Issue 13, pp.
i111-i119 (2011).
[12] 藤田晃史，田浦健次朗，近山隆: 大域アドレス空間
における GC とリージョンによるメモリ管理, 情報
処理学会第 74 回全国大会, Mar. 2012
[13] 中谷翔，田浦健次朗，近山隆，中島潤: 再帰的に生
成したタスクに対するデータ局所性を考慮するス
ケジューラの実装と評価, 情報処理学会第 74 回全
国大会, Mar. 2012（大会学生奨励賞受賞）
国際会議論文
[3]
[4]
[5]
[6]
Nhung T. H. Nguyen and Yoshimasa Tsuruoka:
Extracting Bacteria Biotopes with Semi-supervised
Named Entity Recognition and Coreference Resolution,
Proceedings of BioNLP Shared Task 2011 Workshop,
Portland, USA, pp. 94-101 (2011).
[14] 中澤隆久，林伸也，鶴岡慶雅: コンピュータ将棋に
おける合議アルゴリズムを用いた学習，第 27 回ゲ
ーム情報学研究会, Mar. 2012.
[15] 水野悠，鶴岡慶雅，近山隆: キングメーカーノード
を含むゲーム木の均衡点，第 27 回ゲーム情報学研
究会, Mar. 2012.
Yoshimasa Tsuruoka, Yusuke Miyao, and Jun'ichi
Kazama: Learning with Lookahead: Can History-Based
Models Rival Globally Optimized Models? Proceedings
of the 15th Conference on Computational Natural
Language Learning (CoNLL), Portland, USA, pp.
238-246 (2011).
その他
[16] 鶴岡慶雅: コンピュータ将棋の最前線, 宮崎大学
先導的 IT セミナー, Jul. 2011.
Wenliang Chen, Jun'ichi Kazama, Min Zhang,
Yoshimasa Tsuruoka, Yujie Zhang, Yiou Wang, Kentaro
Torisawa and Haizhou Li: SMT Helps Bitext
Dependency Parsing, Proceedings of the 2011
Conference on Empirical Methods in Natural Language
Processing (EMNLP), pp. 73-83 (2011).
[17] 鶴岡慶雅: コンピュータ将棋の最前線, 豊田工業大
学 第 7 回ジョイント CS（情報科学）セミナー, Sep.
2011.
[18] 鶴岡慶雅: 情報抽出のための自然言語処理入門,
ALAGIN 技術開発部会 自然言語処理分科会セミナ
ー, Mar. 2012.
Yiou Wang, Jun'ichi Kazama, Yoshimasa Tsuruoka,
Wenliang Chen, Yujie Zhang and Kentaro Torisawa:
Improving Chinese Word Segmentation and POS
Tagging with Semi-supervised Methods Using Large
Auto-Analyzed Data, Proceedings of 5th International
Joint Conference on Natural Language Processing
(IJCNLP), pp. 309-317 (2011).
シンポジウム・研究会・大会等発表
[7]
浦晃, 三輪誠, 横山大作, 田浦健次朗, 近山隆: 探索
が必要となる確率を用いた並列αβ探索のスケジ
ューリング, 第 16 回ゲームプログラミングワーク
ショップ, pp.68-75 Nov. 2011.（優秀論文賞）
[8]
古居敬大, 三輪誠, 近山隆: 不確定不完全情報展開
型多人数ゲームにおける相手モデル化による搾取
相手の選択. 第 16 回ゲームプログラミングワーク
ショップ Nov. 2011.（研究奨励賞）
[9]
関 栄二, 三輪 誠, 近山 隆: モンテカルロ将棋にお
ける方策の学習, 第 16 回ゲームプログラミングワ
60
田浦研究室
Taura Laboratory
ッドからの I/O 処理を効率的に行うこと, の 2 つを満た
すことがソフトウェアに要求されている.
この状況を踏まえ, 我々は上に挙げた 2 つの要求を満
たし, さらに既存のアプリケーションにも容易に適用可
能なマルチスレッド処理系, MassiveThreads を提案する.
本研究の目標は, MassiveThreads の実装を通じて, 次世代
超並列計算機上で, 高生産言語の処理系や, データ集中
型計算, 高並列サーバといったアプリケーションを簡潔,
かつ高性能に記述, 実行するための基盤ソフトウェアを
構築することである.
Next-generation parallel computer have more CPU
cores, multiple threads on one core for hiding network and
memory latency, more computational nodes, and faster
networks. Thus in designing software, both handling I/O from
many threads to cooperate between nodes and hide latency,
and executing more threads than the number of CPU cores
efficiently, are essential to utilize next-generation massively
parallel computer hardware.
With this background, we purpose MassiveThreads: a
multithread framework not only meets the two requirements
described above, but also can apply to existing software easily.
The goal of our research is to construct middleware for
writing and executing high-performance application such as
high-productivity language runtime, data-intensive computing
application,
and
high-concurrency
server
through
implementation of MassiveThreads.
(http://www.eidos.ic.i.u-tokyo.ac.jp/)
研究現況
Current Research Projects
InTrigger 広域分散テストベッドの構築
田浦健次朗, 中島潤, 加辺友也, 河野瑛,
池上克明, 堀内美希, アムガラン・ガンバト
Design and implementation of InTrigger Widely
Distributed Testbed
K. Taura, J. Nakashima, T. Kabe, A. Kono, K.
Ikegami, M. Horiuchi, G. Amgalan
1.
18 拠点, 2,000 以上の CPU コアからなる広域分散プラ
ットフォームを構築した. システムソフトウェア, デー
タマイニングや自然言語研究者のためのリソースとして,
数十グループに使われている. その目的のため, 全拠点
にまたがった統一されたソフトウェアの構成管理, OS カ
ーネルを含めたソフトウェアの自動インストール, OS が
起動不能になった際の IPMI による遠隔管理などを行う
ことができる環境を構築した.
We have built a widely distributed platform consisting of
eighteen sites and more than 2,000 CPU cores. The platform
is used by many groups of researchers in various fields
including system software, data mining, and natural language
processing. To this end, we have designed and built an
environment that maintains software of all sites in an identical
state, automatically installs all software including operating
systems, and remotely manages broken nodes including those
that do not boot.
3. 巨大データ処理のためのユーザフレンドリな
システム
陳婷, 堀内美希, 頓楠, 林伸也, 田浦健次朗
T. Chen, M. Horiuchi, N. Dun, S. Hayashi, K. Taura
生物情報学(ゲノム解析), 天文学, 高エネルギー物理
学, 環境モニタリング, 情報検索, 情報抽出など様々な
分野で, 大量のデータをネットワークで共有し, それら
のデータから計算機を用いて新たな知識の発見を目指す,
「データ集約的計算」と呼ばれる方法論が発展している.
本研究ではそのようなデータ集約的計算を大量の計算機
でスケーラブルに並列処理できる枠組みおよび実際のシ
ステムの構築を目指している. システムは主にワークフ
ロー記述・実行系および分散・並列ファイルシステムか
らなっている.
(1) GXP make という make に基づくワークフローシステ
ムを構築し, クラスタ, 各種スーパーコンピュータ(8000
並列)上で, ゲノム断片のアラインメント, 天文画像のモ
ザイキング, 生物医学文献データベースからのたんぱく
質相互作用抽出などの実応用への適用及びそれらを用い
た評価を行っている. また, 新言語やその高性能ディス
パッチャに間する研究が進行中である.
(2) 分散したデータをファイルシステムとして統合し,
どのような環境でもワークフローが簡便に実行できるフ
ァイルシステム GMount を設計・実装している. また, 大
量の並列性に対してスケーラブルな性能を示し, データ
2. 次世代超並列計算機のためのマルチスレッド
処理系
中島潤, 秋山茂樹, 頓楠, 池上克明, 河野瑛,
中谷翔, 中澤隆久, 田浦健次朗
A Multithread Framework for Next-Generation
Massively Parallel Computer
J. Nakashima, S. Akiyama, N. Dun, K. Ikegami, A.
Kono, S. Nakatani, T. Nakazawa, and K. Taura
今後の並列計算機は,
(1) 各計算ノードに, より多くの CPU コアを搭載する
(2) 1 つの CPU コア内で複数のスレッドを実行し, 通信
やメモリアクセスのレイテンシを隠蔽する
(3) 計算ノードの台数を増加させる
(4) 計算ノード間を接続するネットワークを高速化す
る
の 4 つの方向に発展していくと予想されている. した
がって, 次世代超並列計算機のハードウェア性能を引き
出すためには, 多くの CPU コアに, そのコア数よりも多
くのスレッドを適切に割り当てて並列実行することと,
ノード間の協調とレイテンシの隠蔽のために多くのスレ
61
論文・著書一覧
Publications List
が広く分散し, ネットワークの遅延が大きくても良好な
性能を示すファイルシステムの構築を目指している.
“Data-Intensive Computing” is an emerging computing
paradigm that aims at scientific discovery by processing
massive amount of data. It is becoming a mandatory
methodology in various fields including bioinformatics
(genomics), astronomy physics, high energy physics,
environmental monitoring, information search, and
information extraction. In this work, we aim at establishing
a framework and building systems for executing large scale
data-intensive computing on massively parallel computers.
The system consists of two components---a workflow engine
and a distributed and parallel file system.
(1) We designed and built a workflow engine based on the
unix 'make', called GXP make. The system has been
implemented on various platforms including clusters and
several supercomputers (up to 8,000 parallelism). We run
several real applications including genome reads alignments,
astoronomy image mosaicing, and extraction and
classification of protein interaction events from all available
PubMed abstracts. Work is in progress on new languages for
data-intensive computing and its high-throughput dispatchers
and schedulers.
(2) We designed and implemented a distributed file
system that can easily integrate local file systems distributed
across many sites and thus enable workflow execution on
distributed set of data. Work is in progress on file systems
that show robust performance in widely distributed
environment that have high latencies.
研究論文
[1]
Kenjiro Taura, Takuya Matsuzaki, Makoto Miwa,
Yoshikazu Kamoshida, Daisaku Yokoyama, Nan Dun,
Takeshi Shibata, Choi Sung Jun, and Jun’ichi Tsujii.
Design and Implementation of GXP Make---A
Workflow System Based on Make. Future Generation
Computer Systems in Press
[2]
Kentaro Hara, Kenjiro Taura. Parallel Computational
Reconfiguration Based on a PGAS Model. IPSJ Journal
of Information Processing. Vol.20, No.1. January 2012.
[3]
Kentaro Hara, Kenjiro Taura. Half-process: A Process
Partially Sharing its Address Space with Other Processes.
IPSJ Journal of Information Processing. Vol.20, No.1.
January 2012.
国際会議論文
[4]
Nan Dun, Kenjiro Taura, An Empirical Performance
Study of Chapel Programming Language. 17th
International Workshop on High-Level Parallel
Programming Models and Supportive Environments
(HIPS '12) collocated with IPDPS 2012, Shanghai China,
May 2012.
シンポジウム・研究会・大会等発表
[5]
加辺友也, 田浦健次朗. PARP: データベースを用い
た並列アプリケーションのプロファイル比較. 先進
的計算基盤システムシンポジウム(SACSIS2011).May
2011. Poster Publication
[6]
堀内美希, 田浦健次朗. Mogami: 高遅延環境にお
いて広帯域を達成する分散ファイルシステム,先進
的計算基盤システムシンポジウム（SACSIS2011）,
May 2011. Poster Publication
[7] Ting Chen, Kenjiro Taura. A Easy and Scalable Data
Processing Model based on Single-node Database
System. The 1st Data Intensive Science Workshop,
March 2010. Poster Publication
[8] Ting Chen, Kenjiro Taura. Supporting Collective
Queries in Database System for Data-intensive Workflow
Applications．並列／分散／協調処理に関するサマー
ワークショップ（SWoPP2011）.July 2011.
[9]
加辺友也, 田浦健次朗. PARP: プロファイル比較
に基づく並列アプリケーションの性能解析. 並列／
分散／協調処理に関するサマーワークショップ
（SWoPP2011）. July 2011.
[10] 堀内美希, 田浦健次朗. Mogami: 高遅延環境にお
いて広帯域を達成する分散ファイルシステム. 並列
／分散／協調処理に関するサマーワークショップ
（SWoPP2011）, July 2011.
4. 分散共有メモリ上の UCT の並列化
吉本晴洋，田浦健次朗
Parallelization of UCT on distributed shared
memory
H. Yoshimoto and K. Taura
将棋，チェス，オセロなどのゲームは精度の高い評価関
数による探索が成功を収めている．その一方，囲碁は
精度の高い評価関数が作りにくいゲームであるため，上
記の手法はうまくいかない．そこで近年 UCT というモン
テカルロ法を利用した木探索手法が囲碁に導入され，目
覚ましい成果を収めている．本研究では分散共有メモリ
システム上で UCT を並列化し，性能向上を目指す．
The  game tree search combined with a precise evaluation
function is a successful method in games such as shogi, chess,
and othello. However constructing precise evaluation function
is difficult in game of Go. Therefore game tree search
algorithm using the Monte Carlo method called UCT is
applied to game of Go and made a remarkable success. We
will try to speedup UCT algorithm by parallelizing it on
distributed shared memory system.
62
[11]
池上克明, 田浦健次朗. 並列科学技術計算に対し
て自動的な通信の集約を行う高い生産性を持つ言語
の設計と実装. 並列／分散／協調処理に関するサマ
ーワークショップ（SWoPP2011）.July 2011.
[12] 河野瑛，田浦健次朗．重心ボロノイ分割を用いた
並列粒子法のための動的負荷分散法．並列／分散／
協調処理に関するサマーワークショップ
（SWoPP2011）．July 2011
[13] 林伸也, 浦晃, 三輪誠, 田浦健次朗, 近山隆. 自
己対戦棋譜を利用した半教師あり学習による将棋の
評価関数の学習. 第 16 回ゲームプログラミングワー
クショップ, Nov.2011.
[14] 板持貴之, 三輪誠, 田浦健次朗, 近山隆. イラスト
の作者同定アルゴリズムの提案. 情報処理学会第 74
回全国大会,March 2012
63
坂井・五島研究室
Sakai & Goshima Laboratory
As the feature size of LSI becomes smaller, random
variation of each element becomes more influential. The
variation of elements decreases the yield, and makes
conventional design based on worst-case estimation too
pessimistic.
Recently, statistical static timing analysis is introduced to
design based on actual delays. It is also tried to adjust the
skew based on the actual delays measured when testing the
chips.
And in the end, some dynamic techniques are proposed.
They detect timing faults and recover from faulty state. These
techniques enable operation at the highest frequency and the
lowest voltage, because it operates based on the most actual
delays according to variations not only of Process, but also of
Aging, Voltage, Temperature, and Input.
We proceed with our research on the following two levels,
i.e., circuit and architecture.
Circuit Technology
We proposed a technique that enables dynamic time
borrowing combining two-phase latch system with dynamic
timing-fault detection. Existing scheme must detect only one
dynamic timing fault and start recovery process from it. On
the other hand, the proposed scheme allows dynamic time
borrowing.
As a result, this scheme doubles the clock frequency. We
verified that it can really double the clock frequency by
implementing test circuits on an FPGA chip.
Architectural Technology
We proposed a recovering method aware of faults on the
control paths for out-of-order superscalar processors. This
method makes fault information propagated along the pipeline
and prevents the machine state updated by faulty results. And
the pipeline is initialized on fault remaining the machine state.
This makes it possible to recover from any timing faults
occurred in any part on the chip.
This year, we implemented an out-of-order superscalar
processor with this method on an FPGA chip, and verified that
the processor can recover correctly.
(http://www.mtl.t.u-tokyo.ac.jp/)
研究現況
Current Research Projects
1.
故障耐性を持つ VLSI
坂井 修一・五島 正裕・有馬 慧・吉田 宗史・
広畑 壮一郎
Fault-Tolerant VLSI
S. SAKAI, M. GOSHIMA, S. ARIMA, S. YOSHIDA,
and
S. HIROHATA
半導体の微細化に伴い、素子ごとのランダムなバラつ
きの影響が大きくなっている。素子性能がバラつくと、
歩留まりが低下するほか、従来のワースト・ケースに基
づいた設計では遅延の見積もりが悲観的になりすぎる。
そこで現在では、実際に近い遅延に基づいて設計を
行うため、統計的静的タイミング解析の導入が進められ
ている。また、出荷時に、実際の遅延を計測してスキュ
ーを調整することなども試みられている。
そして、動作時にタイミング故障を検出し回復する動
的な手法が提案されている。この手法では、Process に加
え、Aging、Voltage、Temperature、更に、Input の実際の
状態に応じて、最高周波数、最低電圧での動作が可能に
なる。
我々は、以下の 2 つのレベルにおいて研究を進めてい
る。
回路技術
二層ラッチと動的タイミング故障検出を組み合わせ、
動的タイム・ボローイングを可能とするクロッキング方
式を開発した。従来手法では、1 回でも時間の「赤字」
が発生すると、タイミング故障として検出し、回復処理
を行わなければならない。提案手法では、時間の「借金」
が許される。
この結果、動作周波数を最大 2 倍にすることができる。
簡単な回路を FPGA に実装し、実際に動作周波数が 2 倍に
なることを確認した。
アーキテクチャ技術
Out-of-order スーパスカラ・プロセッサ向けに、デー
タ系のみならず、制御系も考慮した回復機構を提案した。
タイミング故障の発生の情報をパイプラインに沿って伝
播し、故障に基づく結果によってはマシン・ステートを
更新しないようにする。その上で、故障発生後にマシン・
ステートを残して初期化を行う。このことによって、チ
ップ上のいかなる場所にタイミング故障が発生しても、
正しく回復を行うことができる。
本年度は、本手法を適用した out-of-order スーパスカ
ラ・プロセッサを FPGA 上に実装し、正しく回復できるこ
とを確認した。
2.
耐故障 FPGA アーキテクチャ
坂井 修一・五島 正裕・堀口 辰也
Fault-Tolerant FPGA Architecture
S. SAKAI, M. GOSHIMA, T. HORIGUCHI
航空宇宙や医療、制御といった分野では、高信頼の LSI
が求められている。しかし、MIL 規格品に代表される高
信頼専用 LSI は、生産量が少ないため、高価格・低性能・
低入手性といった問題を抱えている。
我 々 は 、 TMR (Triple-Modular Redundancy) と DPR
(Dynamic Partial Reconfiguration) を組み合わせ、故
障を検出し回復する FPGA (Field-Programmable Gate
Array) の研究を行っている。
64
Dynamic Information Flow Tracking (DIFT) has been
proposed as a promising platform for detecting a wide range
of injection attacks. Nevertheless, current DIFT systems do
not have high accuracy and will produce a mass of false
positives and false negatives.
We proposed SWIFT, a string-wise tracking method. We
verified that SWIFT cause neither positive nor negative false
when executing server programs with known vulnerabilities.
This year, we implemented SWIFT on PHP.
追加のハードウェア・コストを最小限に抑えれば、単
一の FPGA を、通常用途にも、高信頼用途にも用いること
ができ、市販品と同様のスケール・メリットを享受する
ことができる。
このことは、TMR において出力の多数決を行う回路を
ハード・ワイアードで実装する一方で、DPR において回
復を行うコントローラをユーザ・ロジックで実装するこ
となどによって実現される。
Highly-dependable LSIs are needed in the fields of
aerospace, medical, and control systems.
But
highly-dependable LSIs such as MIL products suffer from
high cost, low performance, and low availability because they
are produced on a small scale.
We are studying FPGA (Field-Programmable Gate Array)
architecture that detects and recover from faults with TMR
(Triple-Modular Redundancy) and DPR (Dynamic Partial
Reconfiguration).
We proposed FPGA architecture with minimum extra
hardware cost. If the extra cost is the minimum, the same
FPGA chip can be used both in the usual use and dependable
use, and can enjoy the equal scale merit as usual LSIs.
This is partly realized by implementing the voter logic for
TMR with hard-wired logic, while the reconfiguration
controller for DPR with user logic.
3.
4.
情報漏洩防止プラットフォーム
坂井 修一・五島 正裕・早川 薫・山田 剛史
Platform against Information Leakage
S. SAKAI, M. GOSHIMA, K. HAYAKAWA,
and T. YAMADA
情報技術が浸透するに伴い、情報漏洩や著作権侵害な
どの事件も多発するようになっている。情報漏洩の原因
は多岐に渡るため、個々のアプリケーションの信頼性に
依拠しない包括的な手法が求められる。
その答えの一つとして DIFT があるが、条件分岐に由来
する情報フローを追跡することは困難であった。
そこで本研究では、条件分岐に由来する情報漏洩も防
止できるプラットフォームとして、コンテクスト・スイ
ッチとページ・プロテクションを拡張する手法を提案し
た。
また、プラットフォームが所望の性質を満たしている
ことを遠隔から認証する方法を提案した。
With penetration of information technologies, serious
accidents and incidents — such as information leakage and
copyright infringement — are increasing. Since information
can leak through various applications, a comprehensive
technique is expected, which is independent of dependability
of individual applications.
DIFT gives a solution to it, but it is hard to track
information flow through conditional branches.
We proposed a new platform to prevent information leakage
even through conditional branches, based on context
switching and page protection.
We also proposed a scheme of remote attestation which
attests that the platform has desired features from a remote
site.
インジェクション・アタックの検出
坂井 修一・五島 正裕・都井 紘
Injection Attack Detection
S. SAKAI, M. GOSHIMA, and H. TOI
インジェクション・アタック とは、コンピュータシ
ステムの脆弱性を利用して、外部から注入 (inject) し
た攻撃コード・コマンドなどを実行させることをいう。
最近では、クロスサイト・スクリプティングや SQL イン
ジェクションなど、サーバ上のスクリプトに対する攻撃
が深刻になっている。
動的情報フロー追跡 (DIFT) は、Perl の taint mode
をプロセッサに応用したものと考えてよく、スクリプト
への攻撃に対しても効果がある。プロセッサで攻撃が検
出できれば、個別の言語ごとに対策を行うより、包括的
な対策となる。しかし既存の DIFT は、その伝播精度が十
分ではなく、誤検出や検出漏れが生じていた。
本研究室では、「プログラマの制御の下でのユーザの
選択」が実現されている場合には、文字列から文字列へ
の直接的な変換が行われないことを見出した。そこで、
命令ごとではなく、文字列操作を認識して文字列ごとに
taint bit を伝播させる SWIFT (String-Wise Information
Flow Tracking) を提案した。SWIFT 上で脆弱性のあるサ
ーバプログラムを動作させ、誤検出も検出漏れも発生し
ないことを確認した。
また本年度は、SWIFT の PHP への実装を行った。
Now attacks by exploiting security vulnerabilities such as
SQL injection and cross-site scripting are becoming seriously.
5.
高効率スーパスカラ・アーキテクチャ
五島 正裕・坂井 修一・伊達 三雄・浅見 公輔
Highly-Efficient Superscalar Architecture
M. GOSHIMA, S. SAKAI, M. DATE,
and K. ASAMI
プログラムには並列化不能な部分が不可避的に含まれ
る。アムダールの法則が示唆するように、メニーコアの
時代においても、そのような逐次部分を実行するシング
ル・コアの性能は重要であり続ける。最近のスーパスカ
ラ・プロセッサ・コアにおいては、消費エネルギーとそ
65
image processing is an example with high data parallelism.
Recently, the algorithms of these applications tend to become
more complex, and conventional architecture such as SIMD
processors cannot deal with these applications efficiently.
Switch-on-Future-Event Multithreading (SoF MT) aims
to process these applications with high data parallelism. SoF
MT creates threads mainly for loop iterations, and switches
them before they cause branch prediction misses or cache
misses. This enables SoF-MT processors have both high peak
performance and high programmability.
This year, we evaluated the performance of SoF MT on a
simulator "Onikiri 2" described below.
の結果として生ずる熱がクロック速度を制約しており、
効率、すなわち、回路面積あたり、消費電力あたりの性
能が、最も重要な指標となる。
スーパスカラ・プロセッサ・コアは、言わば、マルチ
ポート RAM のかたまりであり、性能を落とすことなくこ
れらのポート数を削減することが、効率の向上に直結す
る。このことを踏まえ、我々は、(1) ディスパッチ・イ
メージ・キャッシュ、(2) 非レイテンシ指向レジスタ・
キャッシュ・システム、(3) マトリクス・スケジューラ、
(4) ツインテール・アーキテクチャ など、数々の技術を
提案してきた。現在、これらの技術を組み込んだプロセ
ッサ・コアを設計中であり、それらの有効性を実証して
いく予定である。
Programs essentially contain fragments that cannot be
parallelized. As Amdahl's law suggests, speed-up of a single
core which executes sequential portion of programs will
remain to be important even in the era of many-core
processors. Since energy consumption and resulting heat are
ones of the most serious factors that limit the clock frequency,
efficiency, i.e., performance per circuit area, or energy is the
most important measure of recent processor cores.
A superscalar processor core is composed of a bulk of
multi-port RAMs. Therefore, reducing the number of these
ports while maintaining the performance leads to high
efficiency.
We have proposed such techniques as
(1) Dispatched image cache, (2) Non-latency-oriented register
cache system, (3) Matrix scheduler, and (4) Twin-tail
architecture. We are now designing a processor core with
these techniques, and will prove their effectiveness.
6.
7.
プロセッサ・シミュレータ「鬼斬弐」の開発
五島 正裕・坂井 修一・倉田 成己
Processor Simulator “Onikiri 2”
M. GOSHIMA, S. SAKAI, and N. KURATA
スーパスカラ・プロセッサの研究においては、プロセ
ッサの 1 サイクルごとの挙動を正確に再現する
cycle-accurate なシミュレータが必要となる。
本研究室で開発した「鬼斬弐」では、特に以下のよう
な点を重視している：
・ 拡張性： 様々なアーキテクチャの構成への対応
・ 再現性： 正確なプロセッサの挙動の再現
・ デバッガビリティ： 性能バグの発見の容易さ
現在、鬼斬弐は Web 上で公開されている。
In research of superscalar processors, cycle-accurate
simulators, which precisely reproduce cycle-by-cycle
behavior of processors, are required.
Onikiri 2, which are being developed in our lab, has the
following important aspects:
・Extensibility: to simulate various architectures
・Reproducibility: to precisely reproduce the behaviors
・Debuggability: to easily find performance bugs
Now, Onikiri 2 is available on the WWW.
Switch-on-Future-Event マルチスレッディン
グ
五島 正裕・坂井 修一・倉田 成己
Switch-on-Future-Event Multithreading
M. GOSHIMA, S. SAKAI and N. KURATA
データ並列性とは、異なるデータに対してほぼ同様の
処理を行う際に生じる並列性である。データ並列性の高
い処理としては画像処理などのメディア処理が挙げられ
る。近年、これらの処理ではループ内に分岐を含むなど、
そのアルゴリズムが複雑化する傾向にあり、従来の SIMD
などでは対応が困難となっている。
Switch-on-Future-Event マルチスレッディング (SoF
MT) は、このデータ並列性の高い処理をターゲットとし
た方式である。SoF MT は主にループ・イタレーションに
対してスレッドを生成し、キャッシュ・ミスや分岐予測
ミスが起こる前にスレッドを切り替える。これにより、
SoF MT では複雑なアルゴリズムを処理できる柔軟性と高
いピーク性能を両立することが可能になると考えられる。
今年度は、後述する鬼斬弐を用い、SoF MT の性能評価
を行った。
Data parallelism is derived from almost the same
operations to different data streams. Media processing such as
66
論文・著書一覧
Publications List
[12]
国内会議論文（査読付き）
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
倉田 成己，塩谷 亮太，五島 正裕，坂井 修一:
Switch-on-Future-Event マルチスレッディングの改良
と評価, 先進的計算基盤システムシンポジウム
SACSIS2011, Vol. 2011, pp. 82—91 (2011).
Hiroshi TOI， Ryota SHIOYA， Masahiro GOSHIMA，
and Shuichi SAKAI: Yet Another Taint Mode for PHP,
先進的計算基盤システムシンポジウム SACSIS2011,
Vol. 2011, pp. 160—169 (2011).
赤松 雄一，五島 正裕，坂井 修一: 固定長インタ
ーバルを用いないフェーズ検出手法, 先進的計算基
盤 シ ス テ ム シ ン ポ ジ ウ ム SACSIS2011, Vol. 2011,
pp. 271—278 (2011).
伊藤 悠二，塩谷 亮太，五島 正裕，坂井 修一: 最
適なロールバック・ポイントを選択するトランザク
ショナル・メモリ, 先進的計算基盤システムシンポ
ジウム SACSIS2011, Vol. 2011, pp. 324—331 (2011).
堀部 悠平，三輪 忍，塩谷 亮太，五島 正裕，中條
拓伯: ロード/ストアの命令アドレスによる選択的キ
ャッシュ・ライン・アロケーション, 先進的計算基
盤 シ ス テ ム シ ン ポ ジ ウ ム SACSIS2011, Vol. 2011,
pp. 316—323 (2011).
招待講演
[13]
坂井 修一: 安全・安心社会と電子情報技術 ～ 何
をどうやって守るか～, 電子情報通信学会
CPSY2011–42, pp. 1—2 フェロー記念講演会 (2011).
[14] 塩谷 亮太: Register Cache System not for Latency
Reduction Purpose, IEEE Computer Society Japan
Chapter Young Author Award 受賞記念講演会 (2011).
受賞
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
口頭発表
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
山田 剛史，早川 薫，都井 紘，五島 正裕，坂井
修一: 情報漏洩防止プロセッサ,情報処理学会
第 74 回全国大会, pp. 1-65—1-66 (2012).
有馬 慧, 岡田 崇志, 塩谷 亮太, 五島 正裕, 坂井
修一: 耐過渡故障耐性を持つ Out-of-Order スーパス
カラ・プロセッサ, 電子情報通信学会技術報告
CPSY2011–5, pp. 23—28 (2011).
吉田 宗史, 有馬 慧, 倉田 成己, 塩谷 亮太, 五島
正裕, 坂井 修一: 動的タイムボローイングを可能に
するクロッキング方式の予備実験, 電子情報通信学
会技術報告 CPSY2011–7, pp. 13—18 (2011).
早川 薫, 塩谷 亮太, 五島 正裕, 坂井 修一: プラ
ットフォーム部分認証, 電子情報通信学会技術報告
CPSY2011– 12 , pp. 19—24 (2011).
伊達 三雄, 倉田 成己, 塩谷 亮太, 五島 正裕, 坂
井 修一: レジスタ・リネーミングとディスパッチ・
ネットワークを不要とするトレース・キャッシュ・
アーキテクチャ,情報処理学会研究報告 2011– ARC
– 196 , No. 25, pp. 1—10 (2011).
浅見 公輔，倉田 成己，塩谷 亮太，三輪 忍，五島
正裕，坂井 修一: キャッシュの利用効率の向上に関
す る 研 究 , 情 報 処 理 学 会 第 74 回 全 国 大 会 ,
pp. 1-61—1-62 (2012).
広畑 壮一郎, 吉田 宗史, 五島 正裕, 坂井 修一:
動的タイム・ボローイングを可能にするクロッキン
グ方式の CLA への適用, 情報処理学会 第 74 回全国
大会, pp. 1-63—1-64 (2012).
[20]
[21]
塩谷 亮太: 面積効率を指向するプロセッサの研究,
博士論文, 東京大学 大学院 情報理工学系研究科
研究科長賞 (2011).
伊藤 悠二: 最適なチェックポイントを選択するト
ランザクショナル・メモリ, 情報処理学会 第 73 回
全国大会, 情報処理学会学生奨励賞 (2011).
吉田 宗史: 動的タイムボローイングを可能にする
クロッキング方式, 情報処理学会 第 73 回全国大会,
情報処理学会学生奨励賞 (2011).
岡田 匡志: 耐永久故障 FPGA アーキテクチャ,
2010 年度 ISS スクエアシンポジウム, ISS スクエア賞
(2011).
早川 薫: プラットフォーム遠隔認証, 情報処理学
会 第 73 回全国大会，情報処理学会推奨卒業論文認
定 (2011).
坂井 修一: 電子情報通信学会 平成 23 年フェロー,
新世代コンピュータシステムに関する研究開発
(2011).
塩谷 亮太: Register Cache System not for Latency
Reduction Purpose, IEEE/ACM Int'l Symp. on
Microarchitecture (MICRO43), IEEE Computer Society
Japan Chapter Young Author Award 2011 (2011).
著書
[22]
67
坂井 修一: IT が守る、IT を守る―天災・人災と情
報技術, NHK ブックス, NHK 出版 (2012).
伊庭研究室
Iba Laboratory
changes. EHW is implemented on a programmable logic
device (PLD), whose architecture can be altered by
downloading a binary bit string, i.e., architecture bits. These
bits are adaptively acquired by genetic algorithms (GAs). We
study the fundamental principle of the gate-level. The
effectiveness of our approach is shown by comparative
experiments and successful applications.
(http://www.iba.t.u-tokyo.ac.jp/)
研究現況
Current Research Projects
4.
進化型計算と遺伝的プログラミングの研究
伊庭斉志
Evolutionary Computation and Genetic
Programming
H. IBA
6.
本研究では, 進化型計算手法の１つとして主に遺伝的
プログラミングの理論的解析と実際的応用を試みている。
遺伝的プログラミングは個体の遺伝子としてプログラム
を扱い、生殖や選択によって望ましいプログラムを進化
させる。これにより、従来は人手でプログラムを書くこ
とが困難であったような領域（例えば動的な環境でのロ
ボットの制御）での大規模なプログラム合成が可能にな
った。我々は遺伝的プログラミングを用いたマルチエー
ジェント学習、システム同程問題の解法、金融データの
予測、ロボットプログラム、及び並列実装などを研究し
ている。
The theoretical and practical aspects of Genetic
Programming (GP) have been studied for the purpose of
establishing genetic-based evolutionary learning. The goal of
GP is to enable the automatic generation of computer
programs. It combines biological metaphors of evolution with
computer science approaches, such as machine learning or
artificial intelligence. Our experiments show the promising
results for various applications, such as multi-agent learning,
system identification tasks, financial data prediction, robot
programming, and parallel processing.
5.
進化するハードウェアに関する研究
伊庭斉志
Evolvable Hardware
H. IBA
本研究では, 進化型計算手法を用いてハードウェア進
化(Evolvable Hardware, EHW)の実験とその応用を試みて
いる。EHW の基本的なアイディアは、プログラム論理素
子（ソフトウェアの書き換えで内容が可変な素子）を用
いてハードウェア構成を適応的に変化させていこうとい
うものである。従来のハードウェアは設計後の変更がで
きないため動的な環境にはうまく適応できない。しかし
ながら、設計者が予期しない新たな環境にも適応できる
点が EHW の大きな特長である。我々は、遺伝的アルゴ
リズムを用いた EHW の実現、PAC 学習法などによる探
索能力の解析、およびパターン認識への応用を研究して
いる。
Evolvable Hardware (EHW) is a hardware, which modifies
its own hardware structure according to the environmental
68
ゲノム情報処理と合成生物学
伊庭斉志
Genome-informatics and Synthetic biology
H. IBA
21 世紀は遺伝子（ゲノム）の世紀と言われている。ヒ
トゲノム計画はあと数年で終了するが、遺伝子に関する
情報処理にはまだ多くの未解決問題が残っている。当研
究室では、ゲノム解析グループとの共同研究などを通し
て、遺伝子・蛋白質系のダイナミクス、蛋白質ネットワ
ークモデルの進化論的手法による解析などを目指してい
る。
The 21st century is said to be that of Genome and Biology.
Human Genome Project has been finished successfully, i.e.,
most of the DNA arrangements have been analyzed and
identified. However, many problems remain to be solved.
Among them is the understanding and control of the
dynamical behavior of gene regulatory networks. We are
currently working on the simulation and inference of these
dynamics by means of several methods. More precisely, our
target tasks include inferring of gene networks by using DNA
microarray data, simulating inter- and intra-cellular signaling
loops of the mRNA products, and analyzing the metabolic
pathways.
schemes in baldwinian evolution", Proceedings of the
Genetic and Evolutionary Computation Conference
(GECCO2011), pp. 553- 560, 2011.
論文・著書一覧
Publications List
研究論文
[1]
Watanabe,A., Iba,H.: "Creating singing vocal
expressions by means of interactive evolutionary
computation", International Journal of Knowledge
Engineering and Soft Data Paradigms, vol.3, no.1,
pp.40-56,2011.
[2]
Noman,A.., Iba, H..:" ε constrained differential
evolution for economic dispatch with valve-point effect",
International Journal of Bio-inspired Computation, vol.3,
no.6, pp.346-357, 2011.
[3]
Liu,S., Iba,H.: “A Study on Computational Efficiency
and Plasticity in Baldwinian Learning”, Journal of
Advanced Computational Intelligence and Intelligent
Informatics, vol.15, no.9, pp.1300-1309, 2011.
[4]
[5]
[12] Tserenchimed,B., Liu,S., Iba, H..: "A trading method in
FX using evolutionary algorithms: extensions based on
reverse trend and settlement timing", Proceedings of the
Genetic and Evolutionary Computation Conference
(GECCO2011), pp. 139- 140, 2011.
[13] Hiruma,H.,
Fukunaga,A.,
Komiya,K.,
Iba,H..:
"Evolving an effective robot tour guide",
Proceedings of IEEE Congress on Evolutionary
Computation 2011 (CEC2011), pp. 137- 144, 2011.
Bollegala.D., Iba,H..: "An adaptive
differential evolution algorithm", Proceedings of
[14] Noman,N.,
IEEE Congress on Evolutionary Computation 2011
(CEC2011), pp. 2229- 2236, 2011.
[15] Hiruma,H., Fukunaga,A., Komiya,K., Iba,H..: "Solving
dynamic economic dispatch problems using
cellular differential evolution", Proceedings of
Fukunaga,A., Hiruma,H., Komiya,K., Iba, H.: “Evolving
controllers for high-level applications on a service robot:
a case study with exhibition visitor flow control”,
Genetic Programming and Evolvable Machines, vol.13,
no.2, pp.239-263, 2011.
IEEE Congress on Evolutionary Computation 2011
(CEC2011), pp. 2633- 2640, 2011.
[16] Noman,N., Iba, H..: "Reconstruction of gene regulatory
networks from gene expression data using recurrent
neural network model", Proceedings of 6th International
Workshop on Natural Computing (IWNC6), 2011.
Aranha,C., Azevedo,C., Iba,H.: “Money in trees: How
memes, trees, and isolation can optimize financial
portfolios”, Information Sciences, vol.182, no.1,
pp.184-198, 2011.
[6]
丹治信, 伊庭斉志: “関係クリーク推定を用いた確率
モデル遺伝的プログラミング”,進化計算学会論文誌,
vol.2, no.1, pp.41-52, 2011.
[7]
Iba,H. Aranha,C.: “Composition of Music and Financial
Strategies via Genetic Programming”, Genetic
Programming Theory and Practice VIII, Riolo,R.,
McConaghy,T., (eds.), pp.211-226, 2011.
[17] Palafox,L., Iba, H..: "Study on the use of Evolutionary
Techniques for inference in Gene Regulatory Networks",
Proceedings of 6th International Workshop on Natural
Computing (IWNC6), 2011.
著書
[18] 伊庭斉志:"金融工学のための遺伝的アルゴリズム",
オーム社, 2011.
[19] Iba,H. and Noman,N..: “New Frontiers in Evolutionary
Algorithms: Theory and Applications”, World Scientific
Publishing Company, ISBN-10: 1848166818, 2011.;
国際会議論文
[8]
[9]
Noman,N., Bollegala.D., Iba, H..: "Differential evolution
with self adaptive local search", Proceedings of the
Genetic and Evolutionary Computation Conference
(GECCO2011), pp. 1099-1106, 2011.
[20] Iba,H. and Aranha,C.: “Practical Applications of
Evolutionary Computation to Financial Engineering:
Robust Techniques for Forecasting, Trading and
Hedging”, Springer-Verlag New York Inc., ISBN-10:
3642276474 2011.
Vatanutanon,J.,
Noman,N.,
Iba,H..:"Polynomial
selection scheme with dynamic parameter estimation in
cellular genetic algorithm", Proceedings of the Genetic
and
Evolutionary
Computation
Conference
(GECCO2011), pp. 1171- 1178, 2011.
総説・解説論文
[21] 伊庭斉志: “遺伝的プログラミングの理論的展開”,
日本知能情報ファジィ学会誌, vol.23, no.1, pp.3-11,
2011.
[10] Bollegala.D., Noman,N., Iba, H..: "RankDE: learning a
ranking function for information retrieval using
differential evolution", Proceedings of the Genetic and
Evolutionary Computation Conference (GECCO2011),
pp. 1771- 1778, 2011.
[22] 伊庭斉志: “GP の過去、現在、未来”, 進化計算学会
論文誌, vol.1, no.1, pp. 340- 350, 2011.
[23] 伊庭斉志: “進化型計算の金融分野への応用”, 電気
学会学会誌, vol.132, no.4, pp.212-215, 2011.
[11] Liu,S., Iba, H..: "Imitation tendencies of local search
69
Retrieval using Differential Evolution",第 7 回進
シンポジウム・研究会・大会発表等
化計算フロンティア研究会(SIG-ECF), 第１回進化
計算学会研究会, 合同研究会, 2011/09/09-10, 2011.
[24] 今川哲矢, 伊庭斉志:"売買ルールを自動更新する為
替トレードステム",第 6 回ファイナンスにおける人
工知能応用研究会 (SIG-FIN006-06), 2011.
[36] Liu,S., 伊庭斉志:"Learning Imitation Tendencies
in Baldwinian Evolution",第 7 回進化計算フロン
ティア研究会(SIG-ECF), 第１回進化計算学会研究
会, 合同研究会, 2011/09/09-10, 2011.
[25] 渡辺晃生, 伊庭斉志:"対話型環境における 1 点局所
探索の必要性",進化計算シンポジウム 2011, 進化計
算研究会, モンタナリゾート岩沼, 2011.
[37] Noman,N., 伊 庭 斉 志 :"Inferring SOS Network
with Recurrent Neural Network Model using
Differential Evolution}",第 7 回進化計算フロンテ
[26] 佐藤浩之, 伊庭斉志:"Belief Propagation を取り入れ
た確率的関数進化アルゴリズム",進化計算シンポジ
ウム 2011, 進化計算研究会, モンタナリゾート岩沼,
2011.
ィア研究会(SIG-ECF), 第１回進化計算学会研究会,
合同研究会, 2011/09/09-10, 2011.
[38] Palafox,L., 伊庭斉志:"On the use of Dissipative
[27] 小宮一樹, ノマン・ナシムル, ダヌシカ・ボレガラ,
伊庭斉志:"環境に対して頑健な発振特性を示す遺伝
子制御ネットワーク構造の探索",進化計算シンポジ
ウム 2011, 進化計算研究会, モンタナリゾート岩沼,
2011.
Particle Swarm Optimization to infer the
parameters of a Gene Regulatory Network",第 7
回進化計算フロンティア研究会(SIG-ECF), 第１回
進化計算学会研究会, 合同研究会, 2011/09/09-10,
2011.
伊 庭 斉 志 :"Inference on Gene
Regulatory Networks using Evolutionary
Computation",進化計算シンポジウム 2011, 進化計
[28] Palafox,L.,
算研究会, モンタナリゾート岩沼,
[39] 渡辺晃生, 伊庭斉志:"対話的パラメータ最適化
のための集団探索打ち切り型探索アルゴリ
ズムの提案",第 8 回進化計算フロンティア研究会
2011.
(SIG-ECF), 第２回進化計算学会研究会, 合同研究
会, 2012/03/09-10, 2011.
[29] Liu,S., 伊庭斉志:"Genetic Operators May Break
Inherited Learning Potential in Baldwinian
Evolution",進化計算シンポジウム 2011, 進化計算
研究会, モンタナリゾート岩沼,
2011.
[30] Soam,V., 伊 庭 斉 志 :"Multi-objective Portfolio
Optimization and Re-balancing using Genetic
Algorithms",進化計算シンポジウム 2011, 進化計算
研究会, モンタナリゾート岩沼,
2011.
[31] 渡辺晃生, 伊庭斉志:"対話型環境における 1 点探索
の 効 果 ", 第 7 回 進 化 計 算 フ ロ ン テ ィ ア 研 究 会
(SIG-ECF), 第１回進化計算学会研究会, 合同研究
会, 2011/09/09-10, 2011.
[32] 小宮一樹,ノマン・ナシムル,ダヌカ・ボレガラ, 伊庭
斉志:"進化計算手法による発振特性を示す遺伝子制
御ネットワークの探索",第 7 回進化計算フロンティ
ア研究会(SIG-ECF), 第１回進化計算学会研究会,
合同研究会, 2011/09/09-10, 2011.
[33] ソ ー ム ・ ヴ ィ シ ャ ル , 伊 庭 斉 志 :"Portfolio
Optimization and Re-balancing using Genetic
Algorithm",第 7 回進化計 算 フロンティ ア 研究会
(SIG-ECF), 第１回進化計算学会研究会, 合同研究
会, 2011/09/09-10, 2011.
[34] 比留間英, 福永アレックス, 小宮一樹, 伊庭斉志:"
遺伝的プログラミングによる展示案内ロボットコ
ントローラーの自動作成",第 7 回進化計算フロンテ
ィア研究会(SIG-ECF), 第１回進化計算学会研究会,
合同研究会, 2011/09/09-10, 2011.
Noman,N., 伊 庭 斉 志 :"RankDE:
Learning a Ranking Function for Information
[35] Bollegala,D.,
70
柴田・三田研究室
intelligent
Semiconductor Microsystems
Laboratory (iSML)
architecture that "association" is the very computing primitive,
we are pursuing human-like intelligence system
implementation directly in silicon integrated circuits.
Currently research is in progress for robust image recognition
and voice recognition processing. The sate-of-the-art silicon
technology has been utilized to implement such associative
processors in both analog and digital CMOS VLSI chips. As a
practical application of the circuit technology developed for
the associative processor chips, CDMA matched filter chips
have also been developed..
(http://www.if.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1. 右 脳 型 ソ フ ト コ ン ピ ュ ー テ ィ ン グ VLSI:
連想プロセッサ・システム
柴田直，張任遠，夏文軍，和泉亮介
Right-Brain-Computing Integrated Circuits:
Associative Processing Systems
T. Shibata, R. ZHANG, B. Ka, R. Izumi
2. 画像の特徴ベクトル抽出VLSI及びそのパター
ン認識への応用
柴田直, 森川重毅，韓丹丹, 山下直也，王哲也, 孫
理天，福田和巳，和田真
A Robust Feature-Vector Generation VLSI’s and
their Application to Human-Like Image Recognition
T. Shibata, S. Morikawa, D. Han, N. Yamashita,
Z. WANG, L. Sun, K. Fukuda, M. Wada
現在のコンピュータは四則演算の超高速処理に特化し
たマシンであり、人間のように「ものを見て柔軟に判断・
理解し、即座に適切な行動をとる」といった情報処理は
非常に不得手である。入力情報に対し、過去の膨大な記
憶の中から最も近しい事例を瞬時に想起しこれによって
次の行動を決定する。こんなアーキテクチャを持つコン
ピュータの基本ハードウェアを、シリコン超ＬＳＩ技術
で実現する研究を進めている。論理演算を得意とする現
在のマイクロプロセッサに対し、直感・連想・推論とい
った処理を得意としたＬＳＩチップを設計・試作してシ
ステムを構成する。単体で脳細胞ニューロンと類似の機
能を持つ高機能トランジスタ（ニューロンＭＯＳ､
neuMOS）を導入、膨大な template 群の中から最短距離ベ
クトルを完全並列探索するアナログ連想プロセッサ、
0.18 ミクロンＣＭＯＳ技術を用いた超高速ディジタル連
想プロセッサ等を、これまで開発した。今後連想を階層
的に連鎖させヒトのように思考できるシステムをこれら
のチップ用いて構築して行く。そのために我々の思考過
程を柔軟に記述できる APROL (Association Programming
Language) の 開 発 も 行 う 。 四 則 演 算 に 代 わ り 連 想 を
“computing primitive”とする実時間事象認識知能システ
ム実現を目指す研究である。現在、画像認識・音声認識
をテーマに研究を進めている。ここで開発した VLSI 回
路技術は、実用的な応用として、CDMA マッチトフィル
タへの応用技術等も開発している。
Digital computers are dedicated machines for vary fast
execution of numerical calculations. However, their
performance is extremely poor in such tasks like seeing,
recognizing, and taking immediate actions, which are
effortless tasks in our daily life. This research aims at building
intelligent VLSI systems based on the psycho-logical model
of a brain. In our system past experience is stored as template
vectors in non-volatile vast memories and the
maximum-likelihood event to the current event is recalled in
real time by a fully parallel processing. The key ingredient of
the system is a new functional device called “Neuron MOS
Transistor” (neuMOS or νMOS) which mimics the action of a
nerve cell neuron at a single transistor level. Based on such
我々の連想プロセッサアーキテクチャを画像認識に
用いるには、２次元の画像情報を特徴ベクトル、即ち一
次元の数値列で表現しなければならない。我々はこの目
的 で 、 主 方 向 線 分 投 影 法 （ PPED: Pro-jected
Principal-Edge Distribution）と呼ぶ新たな特徴ベクト
ル表現法を開発した。２次元画像に対し、縦・横・斜め
２方向、計４方向の線分を抽出してフィーチャーマップ
を作成、そのビットフラッグを線分検出方向に垂直な主
軸上にそれぞれ投影加算して４組の一次元数値列を形成
する。これらをつなぎ合わせて６４次元ベクトルとし、
６４×６４ピクセルの画像を表現する。これは、元画像
の特徴を実にうまく表現しており、手書きによるパター
ンの変形、歪みに対しほとんど影響を受けない。従って、
単純なテンプレートマッチングの手法で手書き文字やパ
ターンの認識が大変ロバストに実行できる。特にこれま
で認知の問題として困難だった重なりパターンの分離認
識もできることがわかった。さらにこの手法を矯正歯科
診療におけるセファロＸ線写真解析に応用、歯学部学生
にとっても高度な訓練を必要とする解剖学的特徴点抽出
の困難な作業が、専門医と同様にできることがわかった。
今後、連想プロセッサと統合し、一般的な知的画像認識
システム構築へと発展させていく。このベクトル抽出は
ソフトウェアでは非常に時間のかかる処理であり、
neuMOS を用いたアナログ CMOS 回路技術、および最先端
のディジタル CMOS 回路技術の両方を用いて、独自のアー
キテクチャを持つ特徴ベクトル生成 VLSI チップの開発
を行っている。
Since image data are massive in quantity, an effective
dimensionality reduction technique is quite essential in
recognition problems. The maximum-likelihood search VLSI
chips we are developing accept image data in the form of a
vector. Therefore we need to generate a feature vector, well
representing the characteristic features of the original image.
71
In the representation, human perception of similarity among
images must be preserved in the vector space. A robust image
representation technique for recognition has been developed
based on a hardware intensive algorithm. An input image
either in a binary or grayscale format is subjected to adaptive
spatial filtering to generate feature maps, which are reduced to
a 64-dimension vector by "Projected Principal-Edge
Distribution (PPED)" algorithm. The representation has been
applied to handwriting pattern recognition and the
cephalometric landmark identification (the clinical practice in
orthodontics in dentistry), to investigate the performance.
Interestingly, in hand written pattern recognition, it is shown
the separation of handwritten overlapping patterns has been
successfully carried out based on the representation, although
it is a difficult problem in artificial intelligence. Using a
simple template matching technique, identification of Sella
(pituritary grand), Nasion, and Orbitale has been successfully
carried out. Since the vector formation processing is
computationally very expensive, dedicated VLSI chips have
been developed both in digital CMOS technology and analog
CMOS technology.
extracts three-dimensional information from the object of
interest has also been developed. Since charge redistribution
among multiple capacitors are utilized for computation, it
enables us to build very low-power systems. In these two
VLSI systems, neuron MOS technology has been utilized in
realizing flexible hardware processing.
4. 動画像認識システム
柴田直，西山未央，包蕊寒, 木田裕一郎
Moving Image Recognition System
T. Shibata, M. Nishiyama, R. Bao, Y. Kida
方向性エッジ情報が、静止画の認識に重要な働きをす
ることを我々はこれまで様々な事例で実証してきた。本
研究テーマは、動画像シーケンスから動きの情報を取り
出し、これによって動作の理解を行う研究であり、これ
もエッジ情報を用いて行っている。人間の脳は、まず第
一視覚野で様々な方向性エッジ情報が抽出し、これを用
いて形状認識と動き認識を、それぞれ別々の pass way
で実行している。我々もこれに習った。エッジ情報によ
って物体の形状を認識し、その形状を順次追いかけて行
く手法でオブジェクトトラッキングシステムを開発した。
追跡物体が複雑な背景の中に入っても、途中で形状や動
作速度を変えても、また照明条件が変化しても正確に追
跡していける。環境の中で人が移動すると環境の視覚画
像もそれに応じて変化するが、その変化から自分の動き
を理解するいわゆる ego motion perception も、方向性
エッジ情報を用いて実現した。照明条件の変化や、明確
なテクスチャの少ない環境、あるいは視野内に別の動き
をする物体が存在する場合にも、ロバストな ego motion
検出ができる。さらに、画面の中で動作する人物のジェ
スチャーを認識するシステムも開発中である。各時刻に
おけるオプティカル・フローをベクトル表現し、ベクト
ルの時間シーケンスを隠れマルコフモデル（HMM）を用い
て理解するシステムである。この目的のため、相対評価
ではなく絶対評価可能な、新たな隠れマルコフモデルを
考案し、その有効性を実証した。
So far we have shown directional edge information plays
an essential role in a variety of still image recognition
applications. In this project, we are developing moving image
recognition systems also utilizing directional edge information.
In the human brain, it is known that edges of various
orientations are firstly extracted from retinal images and then
being processed through separate pass ways for motion
recognition and object shape recognition. We have followed
such a biological principle. As an example, we have
developed an object tracking system utilizing the edge
information to represent the object appearance. Our system
shows a very robust tracking performance for an object
moving under variety of disturbing conditions such as
changing illumination, con-fusing busy background, object
shape transformation, changing speed, partial occlusion etc. A
robust ego-motion perception algorithm has also been
3. 実時間動画像処理プロセッサ
柴田直，趙普社，土屋和哉
Real-Time Moving Image Processing VLSI Systems
T. Shibata, P. Zhao, K. Tsuchiya
リアルワールド画像の実時間情報処理を目標に、視
野中の運動物体を着目・連続追尾する Saliency Catcher、
及びキャッチした物体の 3 次元計測を瞬時に行える
VLSI プロセッサの研究を行っている。Saliency Catcher
については、擬似二次元処理と呼ぶ新たな手法を導入、
すべての処理回路をフォトダイオードアレイの周辺部に
配置する構成がとれるため、各画素部では大きなフィル
ファクタが実現できた。フィルファクタとは、各ピクセ
ルプロセッサ内でフォトダイオードが占める面積の割合
で、これが大きいほど多くの画像情報が処理に取り込め
る。このチップは、複雑な背景の中から複数の動いてい
る物体を、動きの大きさとともに検出できる。さらにカ
メラ自身がブレて背景が動いていても検出できるという
特徴をもつ。実際にチップで基本性能を確認した。さら
に運動物体の３次元計測をリアルタイムで行うチップも
開発した。これはキャパシタ間での電荷の再配置のみを
演算に使う回路であり、究極の低消費電力システム実現
の可能性を秘めている。
Aiming at real time processing of moving images, a
saliency catcher chip that detects objects in motion in
nonstationary complicated background sceneries has been
developed. Due to the new quasi-two dimensional processing
algorithm we have developed, the chip contains the
processing circuit only at the peripheries of the photo sensor
array. As a result, a very large fill factor has been obtained in
each pixel processor. Furthermore, a VLSI system that
72
developed based on the edge information. In order to
understand the gesture of a person form motion pictures, a
vector representation of an instantaneous motion has been
developed. A temporal sequence of such vectors is analyzed
by Hidden Markov Models (HMMs). For this purpose, a new
HMM has been developed which we call Self-Evaluating
HMM. With this new model, it is possible for a single
Self-Evaluating HMM to judge if an input sequence matches
to the model without referring to other models. Preliminary
experiments of simple gesture recognition have confirmed the
effectiveness of this approach.
standard. Based on the technology, several new-concept
devices are appearing such as: (1) a “vertical photodiode” that
is made by thermal diffusion on the vertical wall of Si Deep
Reactive Ion Etching (DRIE) and showed from 25% to 80%
of photocurrent increase and crosstalk suppression as
compared to conventional planar photodiode, (2)
“Polarization-sensitive
photo-detector”
that
shows
photocurrent dependence on polarization angle of incident
light due to the submicron deep-silicon grating photodiode
structure. Studies on the physical understanding and system
application are underway.
5. サブミクロン開口の深掘りエッチングを応用
したMEMS-LSI融合デバイス
三田吉郎，澤村智紀，森功，平川 淳，
保坂航太，星野英二郎
フレデリック・マーティー(仏電子技術高等学院)
LSI-MEMS integrated device by deep reactive ion
etching technology
Y. Mita, T. Sawamura, I. Mori, A. Hirakawa,
K. Hosaka, E. Hoshino, F. Marty (ESIEE, France)
6. マイクロ構造の自由な断面形状制御法とそれ
を活用する電気機械システム
三田吉郎，澤村智紀，チャンナムビン，木原泰樹，
馬少駿（東大杉山研），久保田雅則（杉山研）,
ジャン=ベルナール・プーシエル（仏計測自動制御
技術研究所）
，増沢隆久（東大名誉教授）
LSI-MEMS integrated device by submicron-wide
opening deep reactive ion etching technology
Y. Mita, T. Sawamura, T.-N. Binh, T. Kihara,
S. Ma, M. Kubota, J.-B. Pourciel, T. Masuzawa
東京大学武田先端知ビルスーパークリーンルームの
VDEC 所有 EB 装置を利用してリソグラフィを行ない、
DRIE
装置でエッチングを行なって、深掘りナノサイズ構造す
なわち、電子デバイスサイズ（１ミクロン以下）のパタ
ーン幅でかつマイクロマシンサイズ（40 ミクロン以上）
の深さを持つ垂直深掘り構造を作製し、機械的な深掘り
構造に起因した物理効果によって量的・質的な向上がも
たらされる新世代の電気機械デバイスを研究している。
深掘り加工技術としては最小サイズ 170 ナノメートル、
深さ 15 ミクロンのトレンチ構造を作製することができ
るようになった。MEMS 用サブミクロンサイズの深掘り構
造は、これまでせいぜいアスペクト比 1:10 程度であった
が、本研究ではそれより一桁優れた結果を出している。
このエッチング技術を基礎に、シリコンの垂直面の表面
から不純物拡散を行って PN 接合とした「垂直フォトダイ
オード」を作製、既存の平面型ダイオードに比較して 25%
～80%の効率向上ならびにクロストーク軽減ができるこ
とを示した研究を進めているが、開口幅を光の波長より
も狭くした細長いスリット構造を並べることで、直線偏
光に対して感度のある電子デバイスが作製できることが
示されたので、その原理ならびに応用 LSI システムにつ
いて研究を進めている。
Silicon deep nano-fabrication technology of structures
having both electron-device-scale (10µm down to less than
1µm) lateral resolution and MEMS-scale (more than 40 µm)
depth, and application to electron devices are developed.
VDEC’s EB writer performs lithography and Deep RIE at
Takeda Building performs etching. Our recent performance
provides trenches of 170nm-width and or 15µm-depth. The
feature scale is ten times smaller in lateral direction while
keeping DRIE-standard depth as compared to Deep-RIE
シリコン深掘り微細加工技術は絶え間ない進歩をつ
づけており、それに伴い微小電気機械(MEMS)に関する新
しい応用分野が広がりを見せている。現在主流となって
いる微細加工技術によって実現可能なマイクロ構造は、
平面方向に矩形パターンを組み合わせてそのまま深さ方
向に転写する作製プロセスで決定される直方体構造であ
る。しかしながら、例えばレンズの形状を考えるとわか
るように、直方体が形状として最適でない機械素子は多
数存在するので、理想的なマイクロ加工技術というもの
は本来、電子機械素子の性能からトップダウン要請され
る任意曲面を自在に実現できなくてはならない。本研究
はこのような、「任意形状の曲面を実現するマイクロ加
工技術」に関する総合的知見を得るための試みであり、
(1)具体的なトップダウンアプリケーション、(2)最先端
技術とアイディアによる作製テクノロジ、さらに(3)マ
イクロ三次元構造の非破壊評価技術という三正面からの
アプローチを行っている。具体的なトップダウンアプリ
ケーションとして、(1-1) 集積回路チップの垂直方向に
埋め込んだインダクタや、(1-2)発電機能付きシリコン
偏光薄膜素子、(1-3)非破壊神経系の動作電位分布を測
定するためのやわらかい電極アレイを、加工技術として
は(2-1) 深掘りエッチングの特性を生かしたえぐれ構造
作製法ならびに(2-2)部分的に薄層化することで曲率の
制御を可能とした曲面生成法、測定技術としては(3)断
面に対して直交して探針を当てられる新型スイング式垂
直表面プロファイリングシステムの研究を行っている。
Narrow and deep structures such as microholes and
trenches are playing key roles in modern electro and
mechanical systems. In standard micro fabrication technology,
patterns are composed of rectangles and vertically transferred
73
to the depth direction, yielding long-cubic structures.
However, just by thinking of lens shape, one can realize that
cubic shape is not necessarily the optimum shape for all kinds
of applications. Hence it can be said that the ideal micro
fabrication technology must be capable of realizing surfaces
having arbitral curvatures that are top-down requested by
applications. The team aims at acquiring comprehensive study
on such “arbitral curvature providing micro fabrication
technologies” from three aspects: (1) Top-down concrete
applications, (2) Enabling micro fabrication methods by
cutting-edge technologies and ideas, and (3) non-destructive
profiling method of such surfaces. Top-down applications
include (1-1) vertically-buried microinductor, (1-2) Silicon
photovoltaic polarizer for energy harvesting, and (1-3) A
Curvature Controlled Flexible Silicon Micro Electrode Array
to Wrap Neurons for Signal Analysis. As fabrication
methods, (2-1) Micro entrant shape etching method by
isotropic and anisotropic etching combination and (2-2)
Digital thickness variation induced out-of-plane curvature
control method are developed. To evaluate above-mentioned
structures without breaking, (3) a swing-probing surface
profiler that can tap vertical surface perpendicularly is under
development.
7. 集積化水上走行ロボットを通じたエネルギー
自立型分散マイクロシステム
三田吉郎，森下賢志，イファン・リ（英エジンバラ
大），アントニー・ウォルトン（英エジンバラ大）
Study on LSI-MEMS integrated pond-skating robot
for energy-autonomous distributed Microsystems
Y. Mita, S. Morishita, Y. Li, A. J. Walton
新しい応用分野を拓くものと近年期待が高まってい
る集積化 MEMS（微小電気機械システム）のトップダウン
アプリケーションとして、環境からエネルギーを取得し
て自立移動できる、完全自走型のマイクロシステムの研
究を行っている。「Engineered Nature」すなわち、動物
の実装をデッドコピーするのではなく動物に見られる機
能を抽出してそれを工学的に最適な形で実現することを
通じて工学の発展に寄与することを指導原理としている。
大きさ 1cm 以下のマイクロロボットを多数環境に放出し、
個々のロボットは近傍のロボットと通信を行いながら、
協調的に環境測定などの高度な機能を実現するという自
律分散システムを目指している。1cm 角サイズという小
型なマイクロロボットとして知られているものは、安宅
（東大）らによるマイクロ繊毛（1992）、Ebefords（KTH）
らによるマイクロ尺取虫、三木（東大）らによるマイク
ロヘリコプターなどがあるが、電源供給用に電線が必要
であるとか、ミリワット級のエネルギーを投入しなくて
はならないとかいった問題のため完全自立というには程
遠かった。
既存研究の最大の課題である電力消費を抑えて自立
移動するための動力原理として、筆者らはエレクトロウ
74
ェッティング(EWOD)現象に注目している。むきだしの絶
縁電極に電荷を注入して表面エネルギーを変調すること
で、表面の濡れ性を制御する、19 世紀半ばから知られ
ている原理で、2000 年代になってマイクロ化学システ
ムの液滴移動原理として再発見されたものである。濡れ
性制御に必要なエネルギーが 1µm/cm2 と非常に小さいた
め、世界初の自立移動マイクロロボットの駆動原理とし
て好都合であると考えている。現在までに、磁気誘導に
よって電力を伝送して自走（一掻き）するロボットのデ
モンストレーションに成功している。
As one example of integrated MEMS that is expected to
open new research and industrial application fields, the
authors are trying to show a top-down application of
energy-autonomous distributed microrobots. The research
belongs to the “top-down” research category and through the
research the team looks forward to provide the “Engineered
Nature”; the team does not intend to just copy how nature
works in implementation level, but to realize with
cutting-edge technologies what nature is aiming at in
highly-functional level. Recent top-down activities include
autonomous distributed mobile robot: “Pond Skater”, which to
date had not been realized by any other microsystems group.
The availability of a leading low voltage technology at the
Scottish Microelectronic Centre (SMC) the University of
Edinburgh that could electrically change surfaces from
hydro-phobic to hydrophilic proved to be crucial to achieving
this goal as was the previous involvement of SMC staff in
wireless technology. The major challenge is propulsion, and it
is clear that directly mimicking the pond skating insect’s
propulsion mechanism would be problematic. The idea that
was developed was to propel the device using Electro-Wetting
Of Dielectric (EWOD) to move air bubbles, which had the
significant advantage that there we no moving mechanical
parts, which simplified the construction and helped to
minimize the weight which was important if the pondskating
device was to float using surface tension. Based on the
world’s first wireless pond-skating propulsion, the team is
developing VLSI control circuit and integration technology
for continuous skating.
Speed-Adaptive Multiple-Frame Single-Pixel-Shift
Block Matching", in Proceedings of the 14th IEEJ
International Analog VLSI Workshop, pp. 87-90,
Bali, Indonesia, November, 2011.
[9] Renyuan Zhang and Tadashi Shibata, "An Analog
K-means
Learning
Processor
Employing
Fully-Parallel Self-Converging Circuitry", in
Proceeding of the 14th IEEJ International Analog
VLSI Workshop, pp. 91-96, Bali, Indonesia,
November, 2011.
論文・著書一覧
Publications List
研究論文
[1]
Naoya Yamashita and Tadashi Shibata, " Efficient
Image-Vector-Generation Processor for Edge-Based
Complementary Feature Representations,” Japanese
Journal of Applied Physics, vol. 51, no. 2, pp. 02BE05,
2012.
[2]
Renyuan Zhang and Tadashi Shibata, " Fully-Parallel
Self-Learning Analog Support Vector Machine
Employing Compact Gaussian-Generation Circuits,”
Japanese Journal of Applied Physic, vol. 51, no.4 April
2012 (to appear)
[10] Robert Grou-Szabo and Tadashi Shibata, "A
国際会議論文
[3]
[4]
Yoshio Mita, Satoshi Morishita, Isao Mori, and
Masanori Kubota, "Value-Added VLSI devices by
MEMS technology (Invited)", AWAD 2011, June 28-July
1, Daejeon, Korea, (2011.07) .
[11]
Naoya Yamashita and Tadashi Shibata, "An
Efficient Image-Vector-Generation Processor for
Edge-Based
Complementary
Feature
Representations,” in Extended Abstracts of the
2011 International Conference on Solid State
Devices and Materials, pp.1073-1074, Nagoya,
September 28-30, 2011.
[12]
[5]
Renyuan Zhang and Tadashi Shibata, "A
Fully-Parallel Self-Learning Analog Support
Vector
Machine
Employing
Compact
Gaussian-Generation Circuits” in Extended
Abstracts of the 2011 International Conference on
Solid State Devices and Materials, pp.174-175,
Nagoya, September 28-30, 2011.
[6]
Isao Mori, Satoshi Morishita, Masanori Kubota,
Kentaroh Watanabe and Yoshio Mita, "A
Monolithically-Integrated, Batch Post-Processed
17.8 V Silicon Solar Cell for Remote MEMS
Driving", Extended Abstracts of the 2011
International Conference on Solid State Devices
and Materials, September 28-30, Nagoya, Japan pp.
1041-1042 (2011.09).
[7]
Wenjun Xia and Tadashi Shibata, ”Critical
Boundary Vector Concept in Nearest Neighbor
Classifiers using K-means Centers for Efficient
Template Reduction”, in Proceedings of
International Conference on Neural Computation
Theory and Applications 2011 (NCTA 2011), pp.
93-98, Paris, France, October 24-26, 2011.
[8]
Takemasa Komori and Tadashi Shibata, "A CMOS
Optical-Flow
Image
Sensor
Based
on
[13]
[14]
Dominant-Noise Discrimination System For
Images Corrupted by Content-Independent Noises
Without A Priori References," in Proceedings of
The IEEE International Conference on Signal
Processing and Communication Systems 2011
(ICSPCS 2011), Honolulu Hawaii, USA,
December 12-14, 2011.
Ruihan
Bao
and
Tadashi
Shibata,
“Spatio-Temporal Motion Field Descriptors for
The Hierarchical Action Recognition System," in
Proceedings of The IEEE International Conference
on Signal Processing
and Communication
Systems 2011 (ICSPCS 2011), Honolulu Hawaii,
USA, December 12-14, 2011
Masanori Kubota, Yoshio Mita, Takeshi Momose,
Aiko Kondo, Yukihiro Shimogaki, Yoshiaki
Nakano and Masakazu Sugiyama, "A 50 nm-Wide
5 μm-Deep Copper Vertical Gap Formation
Method by a Gap-Narrowing Post-Process with
Supercritical Fluid Deposition for Pirani Gauge
Operating over Atmospheric Puressure", in Proc. of
IEEE
International
Conference
on
MicroElectroMechanical Systems (MEMS 2012),
Paris, France, January 30 - Feburary 2, (2012.01).
Satoshi Morishita, Masanori Kubota, and Yoshio
Mita, "Integration of EWOD Pumping Device in
Deep
Microfluidic
Channels
using
a
Three-Dimensional Shadowmask", in Proc. of
IEEE
International
Conference
on
MicroElectroMechanical Systems (MEMS 2012),
Paris, France, January 30 - Feburary 2, (2012.01).
Satoshi Morishita, Masanori Kubota, and Yoshio
Mita, "A Blur-Range Test Structure of
Collimation-Controller-Integrated Silicon Shadow
Mask for Three-Dimensional Surface Patterning
with Sputtering", 25th IEEE International
Conference on Microelectronic Test Structures
(ICMTS), 19-22 March, Sand Diego, CA, USA,
(2012.03)
[15] Shigetaka Morikawa and Tadashi Shibata, “Scene
75
Image Recognition Based on The Sequence of
Local Image Vectors Represented by Oriented
Edges" in Proceedings of 2012 IEEE International
Conference on Acoustics, Speech, and Signal
Processing (ICASSP 2012), pp.1313-1316 Kyoto,
March 25-30, 2012.
総説・解説論文
シンポジウム・研究会・大会等発表
[16] Yoshio Mita, "MEMS, More-than-Moore, and Test
Structures", Tutorial Talk at 2011 IEEE International
Conference on Microelectronic Test Structures (24th
ICMTTS), 4-7 Apr 2011, Amsterdam, the Netherlands
(2011.04)
[17] 三田吉郎、「オンチップ光発電回路と MEMS の集
積化研究動向（招待講演）」、電子情報通信学会ソサ
イアティ大会、札幌 (2011.09.15)
[18] Yoshio Mita, "MEMS-integrated VLSI Foundry Scheme
in the University of Tokyo VDEC and its Application to
Particle Sensor", International Workshop on High Energy
Geophysics 2011 - Muon and Neutrino Radiography -,
Oct. 27-28, 2011, Happon-en, Tokyo, p.38 (2011.10.28).
著書
[19] 柴田直（著）
，「半導体デバイス入門‐その原理と動
作 の し く み ‐ 」，（ 昭 晃 堂 刊 ）， Ｉ Ｓ Ｂ Ｎ
978-4-7856-1229-0, 2011.
[20] （分担執筆）Yasufumi Suzuki and Tadashi Shibata, “A
Directional-Edge-Based Face Detection Algorithm
Adapted to the VLSI Image Recognition System, ”
Chapter 11 in Image Fusion and Its Applications, Ed. By
Yufeng Zheng, pp.203-228. Published by InTech, May
2011.
76
浅田・名倉・飯塚 研究室
Asada, Nakura and Iizuka Laboratory
(http://www.mos.t.u-tokyo.ac.jp)
Beam Direct Writing
K. Asada, T. Iizuka, and Y. Nakamura
極微細プロセスにおける次世代のリソグラフィ技術
として電子ビームによる直接描画法がある. さ ら に ,
高騰するマスクコストを低減し同時に描画のスルー プ
ットを向上させるため,ステンシルマスクを用いた キャ
ラクタプロジェクションを用いた電子線描画が注 目 さ
れている.本研究では電子ビームキャラクプロ ジェクシ
ョン法において,総 EB 露光ショット数を削 減しスルー
プットを向上させる手法として,複数セル を一つのステ
ンシル上に搭載するステンシルパターン の自動生成方
法を提案する.本手法では通常の自動配 置配線フローか
ら得られたレイアウトデータから,近 接するセル群を選
択しステンシルとして採用する手法 を取っており,本手
法によって全てのセルを 1 セル 1 ショットで描画する
場合に比べ約 80 %のショット数 削減が実現できた.
Electron Beam Direct Writing (EBDW) is one of the
promising lithography methodologies for the future
nano-scale LSI fabrication. Recently, a character projection EBDW utilizing stencil masks is developed to
reduce the mask cost and improve the throughput for pattern
writing. In this study, we proposed an automatic stencil mask
pattern optimization method to reduce the total EB shot count.
This method selects the cells from the place-and-routed LSI
layout through the com- mon automatic LSI design flow
utilizing the placement distance between the cells, and
automatically generates the stencil mask set with several
standard-cells in a single stencil. We implemented the
proposed method and the experimental results show that the
proposed method reduces about 80% total shot count
compared with the single-cell by single-shot case.
研究現況
Current Research Projects
1. 電源雑音測定・低減手法
浅田邦博, 名倉 徹, 飯塚哲也, 金 鎮明, 齊藤 総
Supply Noise Monitoring and Reduction Method
K. Asada, T. Nakura, T. Iizuka, J. Kim and S. Saito
電源雑音は LSI において回路遅延増加,雑音余裕低
下,ゲート劣化などを引き起こし,LSI の性能を低下 させ
る重大な原因の一つである.LSI の信頼性と安定 性を保
証するために,チップ内部の電源雑音を低減す る必要が
ある.本研究では,発生した電源雑音を既存 のデカップリ
ングコンデンサではなく回路のスリープ ブロックに寄
生する容量を用いて低減する手法を提案 した.回路技術
を用いて能動的に電源雑音を低減する ため,小面積かつ
効率的に電源雑音低減可能である. また,動的電圧制御や
パワー & クロックゲーティン グの際に発生する電源
雑音を,キャパシタを用いた チャージシェアリングによ
り低減する手法を検討中である.
Supply noise degrades circuit performance because it
causes timing violation, decreases noise margin, and causes
oxide breakdown. So supply noise is one of the serious
problems for LSI. In order to ensure signal integrity and
reliability of nano-scale LSIs, it is impor- tant to monitor,
analysis, and suppress on-chip supply noise. This research
presents an on-chip supply noise canceller utilizing parasitic
capacitance of sleep blocks instead of conventional large
decoupling capacitance (decap). If canceller detects supply
noise, current according to the amount of supply noise flows
through supply line. Proposed method can save chip area and
reduce the noise efficiently because it is active method to use
circuits technique. Test chip was fabricated in a 0.18 um
CMOS process. Proposed method requires only 1.5% area
overhead. Measurement result show 43% supply noise
reduction and achieves 47% improvement of settling time
comparing with the conventional pas- sive decap. Now we are
considering new supply noise reduction method for dynamic
voltage scaling and power gating as well as clock gating. This
method uses charge sharing utilizing decap, but this needs
small decap comparing with passive decap. This method
injects charge in changing supply voltage or turning on switch
for power & clock gating, so this expects small supply noise
and fast settling.
3. THz 帯の電波を用いたイメージング
浅田邦博, 名倉 徹, 飯塚哲也, ゲエンカンゴクマ
イ, 吉川俊之, パリットカンジャナビロクル
THz-wave Imaging
K. Asada, T. Nakura, T. Iizuka, NN. Mai Khanh, H.
Kikkawa and P. Kanjanavirojkul
本研究では,THz 帯の電波を用いたイメージングの
効率化・感度向上に向けた,電波の指向性制御を目指 し
たアンテナアレイに関する提案と実装を行った.狭 帯域
アレイ向けには,DLL 構造を用いた制御,広帯域 アレイ
送信器向けオンチップ・パルス・アンテナアレ イ の 検
討を行った.前者は,信号加算前に位相差を検 知しアレイ
間の信号が同相となるように制御すること で,ばらつき
や動作状況の影響を校正した最適な加算 を行う.本手法
を,2 アンテナ向け回路として 65 nm CMOS を用いて設
計・試作し,測定により利得の向上 を示した.パルスアレ
イ送信機に関する研究では,8 本のオンチップダイポー
ルアンテナを用いることで, 117-130GHz のミリ波パル
スの制御を実現した.ここで は,プログラマブル遅延制御
回路およびジッター測 定 回路を集積することで制 御 性
2. ステンシルマスクを用いた電子線直接描画向
け設計手法
浅田邦博, 飯塚哲也,中村陽二
Design for Character Projection Based Electron
77
の向上を目指している. また,オンチップ搭載に適したパ
ッチアンテナ―ダイ ポールアンテナ組み合わせ型のア
ンテナの提案も行っ た.8 本のダイポールアンテナによ
るアンテナアレイと 1 本のメアンダーアンテナに,衝撃
波発生器とジッター 測定回路を有する遅延制御回路を
搭載したチップによ り ,遅延制御回路への制御コードに
対応するビームが 形成されていることを実測により確
認した.
In order to realize THz imaging efficiently, it is necessary not only to control direction of the wave but also to
improve the sensitivity of the detector. One solution for these
problems is the employment of phased array. In this study, we
proposed and implemented for both integrated narrow-band
array and wide-band array. The former is the realization of a
control scheme of phased array receiver using DLL-like
architecture while the latter is the implementation of pulse
array transmit- ter with on-chip antenna array. Regarding the
control scheme using DLL-like architecture, this proposed
scheme realizes an optimal in-phase combination of the
signals by means of detecting phase difference of the signals
and controlling them to be in-phase just before the
combination. Additionally, this proposed scheme calibrates
the effect of the variability of cir- cuit components and their
operation conditions. This proposed scheme is implemented in
65 nm CMOS on the assumption of 2 input signals. The
measurement results show that 2 input signals are controlled
to be in-phase and the gain of the combination is improved.
Concerned to the pulse array transmitter, we proposed and
implemented an on-chip antenna array including 8-dipole
elements operating with 117-130GHz fre- quency bandwidth
to achieve pulse beam-formability and controllability of
mm-wave pulse beam. The key improvement is the
integration of programmable delay monitoring and controlling
system with on-chip jitter measuring circuit for the whole
array into the same chip. Also, we proposed a new on-chip
dipole antenna, which is the combination of patch, and dipole
antenna. An 8-element dipole array with programmable delay
monitor/control circuit, a single meandering dipole antenna, a
single shock-wave generator with this antenna and an on-chip
jitter measuring circuit are integrated in this chip. In each of
pulse antenna ele- ment, an on-chip delay adjustment circuit is
operated with digital input codes to adjust delays of
transmitting shock waves. Measured radiation pattern results
illus- trate beam-forming angles obtained versus input codes.
Our measurement results prove that the 65-nm CMOS
proposed antenna array could be employed for beamformability of mm-wave active imaging transmitter.
Monitor
K. Asada, T. Nakura, T. Iizuka and T. Nakasato
近年の微細・低電圧プロセスでは, 時 間 方 向 の 情 報
を用いた TDC 等の回路が注目を浴びている.本研究
では,1ps 以下の時間解像度を有する TDC を提案し,
さらに時間領域の情報を使用した新規な PLL 回路を提
案した.またパルス幅による制御を行うことでディジ タ
ル制御発振器の周波数解像度を向上させる回路につ い
て新たに提案を行った.一方で,極微細プロセスに おいて
は ,ばらつきや経年劣化が回路の特性に及ぼす 影響が著
しく大きくなっている.本研究では,リング 型のバッファ
チェインを使用してトランジスタの特 性 ばらつきをモ
ニタする回路を提案し,同リング型回路 を応用した経年
劣化モニタを提案した.さらに,経年 劣化効果による回路
中の DFF の誤動作を避けるため, 冗長性を持つ回路構
造を採用した新規な DFF 回路の 提案を行った.
In the recent high-speed and low-voltage technolo- gies, a
time-domain processing becomes more and more attractive
due to the limited voltage-domain resolution. We proposed the
fine time resolution TDC, and a low-power and low-jitter
phase locked loop (PLL) with small occupation area by
utilizing the time-domain processing. We also proposed a
time-domain controlled oscillator using a pulse width
modulated signaling to improve the frequency resolution of a
conventional digi- tally controlled oscillator. On the other
hand of a steady performance improvement of the VLSI, a
smaller fea- ture sizes degrade the tolerance to the PVT
variabilities and the aging effects. In this study, we proposed a
small-area buf fer-ring-based all-digital process variabil- ity
and aging effect monitors. These techniques allow us to
collect the data easily in wafer or package form due to its
all-digital nature. We also proposed a novel DFF with
redundancy to avoid a timing error due to the aging effects.
5. 半導体フォトダイオードを用 い た 放 射 線 検 出
器
浅田邦博,名倉 徹,飯塚哲也,久保田透
Radiation Detector Utilizing Semiconductor
Photodiode Based on Standard CMOS Technology
K. Asada, T. Nakura, T. Iizuka and T. Kubota
現在,放射線量測定のため,ガイガーカウンターなど
の手頃な放射線検出器が一般向けに普及している. しか
し,ガイガーカウンターは測定精度が悪く,特に 放射線
量が高い場合に測定欠落を起こしやすいという ことと,
放射線のエネルギーを測定できないといった 課題があ
る.一方で,主に研究向けに使用されている シンチレー
ション検出器は,測定精度は高いものの, 大型かつ高消
費電力で実用化には向かないといった課 題がある.本研
究では高精度かつ小型の放射線検出 器を実現するた
め,SPAD(Single Photon Avalanche Diode)を用いた半導
体検出器を標準 CMOS プロセス で実現する.標準 CMOS
プロセスにおける SPAD の 特 性評価を行うためのフォ
4. 時間領域制御を利用した設計・プロセスモニ
ター
浅田邦博,名倉 徹,飯塚哲也,中里輝希
Time-Based LSI Design and On-Chip Process
78
detection was implemented and it was fabricated as a
magnetic probe. The proposed magnetic probe was tested and
verified its fine spatial resolution.
.
トダイオード TEG を試作し, 更にクエンチング動作を実
現するためのフィードバッ ク回路を設計し試作した.
For the purpose of measuring radiation dose, reason- able
radiation detectors like Geiger counter are widely
used. However, the measurement accuracy of the Geiger
counter is low especially in case of high radia- tion dose, and
it cannot measure radiation energy. On the other hand,
scintillation detector mainly utilized for researches has high
measurement accuracy, but it is not suitable for practical use
because of its large size and high power consumption. In this
research, we real- ize the SPAD(Single Photon Avalanche
Diode)-based radiation detector with high measurement
accuracy and small size. The SPAD-based radiation detector
in this research is fabricated in standard CMOS pro- cess. We
designed and fabricated photo-diode TEG to characterize
various types of SPAD design, and also implemented
feedback circuit for testing the quenching operation of the
pixel.
6. マイクロ磁界プローブを用いた LSI の表面磁
界計測
浅田邦博,名倉 徹,飯塚哲也,
Nguyen Ngoc Mai Khanh,王 楠
LSI Magnetic Emission Monitoring using MicroMagnetic Probe
K, Asada, T. Nakura, T. Iizuka, NN. Mai Khanh and
N. Wang
近年,暗号化 LSI 内部の秘密情報を取得するための
サイドチャネル攻撃が発達しており,セキュリティ対 策
が急務となっている.また,製造過程で LSI を偽造品とす
り替えることにより秘密情報を不正に入手される危険性
が指摘されている.本研究では,LSI から放射される磁場
を高精度に計測するためのマイクロ磁界 研究報告 プロ
ーブを提案し試作する.本磁界プローブにより取 得され
る高精細の磁界マップを利用することで LSI の 動作状
態を解析できると共に,これを人間における指 紋のよう
に利用することで LSI の偽造品の検出を行う ことも可
能となる.マイクロ磁界プローブの実現のた め,低ノイズ
アンプと磁界検出用コイルを一体化した LSI を設計・試
作し,これを磁界プローブとして実装 した.実装された磁
界プローブの性能試験から高い空
間解像度が確認できた.
In recent years, side channel attack has been developed to
expose the secret data in encryption LSI. Moreover, the
possibility of the illegal access through the fake LSI is also
pointed out recently. In this research, a micro magnetic probe
using on-chip coil with amplifier is implemented and applied
to the accu- rate measurement of the magnetic field from the
LSI. Using the magnetic field from the LSI, we can evalu- ate
a detailed activity of the LSI and also distinguish the fake LSI
from the genuine one using the field map as a fingerprint. The
low noise amplifier with on-chip coil for magnetic field
79
論文・著書一覧
Publications List
国際会議論文
[10] J. Kim, T. Nakura, H. Takata, K. Ishibashi, M. Ikeda and
K. Asada, "Decoupling Capacitance Boosting for
On-Chip Resonant Supply Noise Reduction,"in
Proceedings of IEEE International Symposium on
Design and Diagnostics of Electronic Circuits and
Systems (DDECS), pp. 111-114, Apr. 2011.
研究論文
[1]
T. Iizuka, J. Jeong, T. Nakura, M. Ikeda and K. Asada,
"All-Digital On-Chip Monitor for PMOS and nmOS
Process Variability Utilizing Buf fer Ring with Pulse
Counter," IEICE Trans. on Electronics, Vol. E94-C, No.4,
pp. 487-494,Apr. 2011.
[2]
J. Kim, T. Nakura, H. Takata, K. Ishibashi, M. Ikeda and
K. Asada, "On-Chip Resonant Supply Noise Canceller
Utilizing Parasitic Capacitance of Sleep Blocks for
Power Mode Switch," IEICE Trans. on Electronics, Vol.
E94-C, No.4, pp. 511- 519,Apr. 2011.
[11] T. Iizuka and K. Asada, "An All-Digital On-Chip PMOS
and nmOS Process Variability Monitor Utilizing Shared
Buffer Ring and Ring Oscillator," in Proceedings of
IEEE International Symposium on Design and
Diagnostics of Electronic Circuits and Systems
(DDECS), pp. 115-120, Apr. 2011.
[3]
S. Mandai, T. Nakura, T. Iizuka, M. Ikeda and K. Asada,
"Cascaded Time Difference Amplifier With Differential
Logic Delay Cell, "IEICE Trans. on Electronics, Vol.
E94-C, No.4, pp. 654-662,Apr. 2011.
[12] N.N.M. Khanh, M. Sasaki and K. Asada, “A
Millimeter-Wave Resistor-less Pulse Generator with a
New Dipole-Patch Antenna in 65-nm CMOS,” IEEE
International NEWCAS conference, June 2011.
[4]
S. Mandai, T. Iizuka, T. Nakura, M. Ikeda and K. Asada,
"1.0ps Resolution Time-to-Digital Converter based on
Cascaded
Time-DifferenceAmplifier
utilizing
Differential Logic Delay Cells," IEICE Trans. on
Electronics, Vol. E94-C, No.6, pp. 1098-1104, June
2011.
[13] B.S. Devlin, M. Ikeda and K. Asada ,“Energy Minimum
Operation in a Reconfigurable Gate- level Pipelined and
Power-Gated Self Synchronous FPGA,” in Proceedings
of International Symposium on Low Power Electronics
and Design (ISLPED), pp. 3-8, Aug. 2011.
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[14] T. Kikkawa, T. Nakura and K. Asada,“An Automatic
Phase Control Circuit with DLL-like Architecture for
Phased Array Antenna Systems” Asia Symposium on
Quality Electronic Design (ASQED), Kuala Lumpur,
Malaysia, Sep. 2011.
N. N. Mai Khanh, M. Sasaki and K. Asada, "A 0.25-um
Si-Ge Fully Integrated Pulse Transmitter with On-chip
Loop Antenna Array towards Beam- Formability for
Millimeter-Wave Active Imaging," IEICE Trans. on
Electronics, Vol. E94-C, No.10, pp. 1626-1633, Oct.
2011.
[15] J. Kim, T. Nakura, H. Takata, K. Ishibashi, M. Ikeda and
K. Asada,“On-Chip Resonant Supply Noise Reduction
Utilizing Switched Parasitic Capacitors of Sleep Blocks
with Tri-Mode Power Gating Structure,” IEEE European
Solid-State Circuit Conference (ESSCIRC), pp.183-186,
Sep. 2011.
B. Devlin, M. Ikeda and K. Asada, "A 65 nm GateLevel Pipelined Self-Synchronous FPGA for High
Performance and Variation Robust Operation," IEEE
Journal of Solid-State Circuits, Vol. 46, No.11, pp.
2500-2513, Nov. 2011.
[16] K. Kodama, T. Iizuka and K. Asada,“A High Frequency
Resolution Digitally Controlled Oscillator Using
Single-Period Switching Scheme,” IEEE European
Solid-State Circuit Conference (ESSCIRC), p.399-402,
Sep. 2011.
T. Iizuka, M. Ikeda, and K. Asada, "Timing-Aware Cell
Layout Regularity Enhancement for Reduction of
Systematic Gate Critical Dimension Variation," AICIT
Journal of Next Generation Information Technology, Vol.
2, No. 4, pp. 1-9, Nov. 2011.(invit- ed)
[17] [Invited] K. Asada,“Solutions for Side Effect of Low
Voltage Operation in Deep Sub ‐ micron VLSI
Circuits, ” Plenary Talk in IEEE International SoC
Design Conference 2011, Nov. 2011.
N. N. Mai Khanh, M. Sasaki and K. Asada, "A 65-nm
CMOS Fully Integrated Shock-WaveAntenna Array with
On-chip Jitter and Pulse-Delay Adjustment for
Millimeter-Wave Active Imaging Application," IEICE
Trans. on Electronics, Vol. E94-A, No.12, pp. 2554-2562,
Dec. 2011.
[18] T. Nakasato, T. Nakura and K. Asada,“Stress- Balance
Flip-Flops for NBTI Tolerant Circuit based on
Fine-Grain
Redundancy,”
in
Proceedings
of
International SoC Design Conference (ISOCC),
pp.150-153, Nov. 2011.
T. Nakura and K. Asada,“Low Pass Filter-less Pulse
Width Controlled PLL Using Time to Soft Thermometer
Code Converter,” IEICE Trans. on Electronics,
Vol.E95-C No.2, pp.297-302, March. 2012.
[19] B. Devlin, M. Ikeda and K. Asada,“Gate- Level
Autonomous Watchdog Circuit for Error Robustness
80
Based on a 65 nm Self Synchronous System,”
International Conference on Electronics, Circuits, and
Systems, ICECS 2011. pp. 53-57, Dec.2011
[20] S. Bushnaq, M. Ikeda and K. Asada,“All-digital 400 ~
900 MHz power amplifier consuming 0.03 mW/MHz
using 0.18μm CMOS,” 18th IEEE International
Conference Electronics, Circuits and Systems (ICECS),
2011, pp.607-610, 11-14 Dec. 2011.
[21] J.S. Tandon, M. Sasaki, M. Ikeda and K. Asada,“A
Design-For-Test Apparatus for Measuring On-Chip
Temperature with Fine Granularity,” Proc. 12 th Int.
Symp. On Quality Electronic Design, pp. 27-32, March
2012.
著書
[22] 名倉 徹, LSI 設計常識講座, 東京大学出版会, 2011
年 12 月.
シンポジウム・研究会・大会等発表
[23] T. Iizuka and K. Asada,“All-Digital PMOS and nmOS
Process Variability Monitor Utilizing Shared Buffer
Ring and Ring Oscillator,” IEICE Technical Report, vol.
111, no. 151, pp. 63-68, July 2011.
J. Kim, T. Nakura, H. Takata, K. Ishibashi, M. Ikeda,
and K. Asada,“On-Chip Resonant Supply Noise
Reduction Using Active Decoupling Capacitors,” IEICE
Technical Report, vol. 111, no. 151, pp. 69-72,July 2011.
[24] A. Kamitani and M. Ikeda,“Optimization of the low
voltage operation Circuits for the Self- Synchronous
System,” IEICE Technical Repor t, vol. 111. No. 188,
ICD2011-64, pp. 133-138, Aug. 2011 (in Japanese).
[25] T. Kikkawa, T. Nakura and K. Asada, "An Automatic
Phase Control Circuit for Phased Array Antenna
Systems," IEICE Society Conference, C-12-28, p. 103,
Sep. 2011, (in Japanese)
[26] B. Devlin, M. Ikeda and K. Asada,“40 nm Self
Synchronous Pipeline Stages with Autonomous Error
Detection and Faulty Circuit Disabling for Robust
Operation,” IEICE General Conference 2012, C-12-33,
p. 105, March 2012 (in Japanese).
[27] T. Kikkawa, T. Nakura and K. Asada, "An Effect of
Variability to RF Circuits for Phased Array Systems,"
IEICE General Conference 2012, C-12- [1] 71, p. 143,
March 2012 (in Japanese).
[28] T. Nakasato, T. Nakura and K. Asada,“Stress-Balance
Flip-Flops for NBTI Tolerant Circuit based on
Fine-Grain Redundancy,” IEICE General Conference
2012, D-10-2, p. 177, March 2012 (in Japanese).
81
藤田研究室
Fujita Laboratory
(http://www.cad.t.u-tokyo.ac.jp)
the transaction-level model of the system. We employ the chip
transaction trace to find the execution path on the extracted
state machine. The design properties are checked on the
extracted path to find the bugs as well as the constraints that
caused the error. To show the effectiveness of our method, we
have selected a distributed deadlock detection and resolution
algorithm as our case study. We can successfully backtrack at
transaction-level as well as finding constraints on the internal
variables that has leaded to the error.
研究現況
Current Research Projects
1. パッチ可能ハードウェアとその設計手法
藤田 昌宏, 吉田 浩章
Patchable Hardware and Its Design Methodology
M. FUJITA and H. YOSHIDA
3. インターコネクト合成
藤田 昌宏, 張 嘉懿
Interconnect Synthesis
本研究では小規模の機能修正を対象に、制御回路の大
部分を結線論理で実現した上で部分的にパッチを当てる
ことで制御を修正することのできるパッチ可能ハードウ
ェアを提案した。また、パッチコンパイラの主要技術で
ある、修正前後の設計記述から最小機能差分を求める手
法を提案した。これによりパッチの大きさが必要最小限
になるため、パッチ適用時の効率低下を最小限にできる。
In this research, we propose a patchable hardware that
enables post-silicon engineering change in an energy-efficient
way. The proposed hardware achieves high efficiency by
implementing the controllers mostly by hard-wired logic and
providing a control patching mechanism. We also propose a
minimum difference computation technique between two
design descriptions. Since this technique minimizes the
patch size, the efficiency degradation when a patch is applied
can be minimized.
M. FUJITA and J. ZHANG
メニコアの System-on-Chip においては、性能と信頼
性が十分に高いインターコネクトのシステムが必要であ
り、Network-on-Chip (NoC)は要求を満たす候補と一つで
ある。本研究では、NoC 設計過程の自動化を研究開発し
ている。提案する自動設計手法は、既存設計資産(IP:
Intellectual Property)のインタフェースのプロトコルと IP
間の通信で行われる処理のデータフロー仕様を入力とし、
通信する IP 間のプロトコルに互換性を持たせるための
プロトコル変換器が挿入されたメッシュ型の NoC を生
成する。
The emerging many-core system-on-chip design requires
high performance, high reliable interconnect system.
Network-on-Chip (NoC) is one of the candidates which may
meet this requirement best. We are developing a tool which
will automate NoC design processes. It uses the protocols of
desired IPs and the specification of data flows among these
IPs as input information. It is able to automatically output the
optimal interconnect with mesh network-on-chip as back bone
and insert protocol converters for the mismatched IP pairs.
2. トランザクションレベルにおけるポストシリ
コンデバッグ
藤田 昌宏, アミル マスード ガラバギ
Post-silicon Debugging of Designs at Transaction
Level
M. FUJITA and A. GHAREHBAGHI
4. 動的ウェブアプリケーションの検証
藤田 昌宏, 谷田 英生
Verification Techniques for Dynamic Web
Applications
M. FUJITA and H. TANIDA
SoC 内のコア間の通信を利用したポストシリコン（チ
ップ製造後）検証手法を提案した。提案手法では、コア
間の通信の観測とそれを用いた現状態から過去の状態へ
のバックトラックによって不具合の原因を探す。バック
トラックはシステムのトランザクションモデルに対して
行われる。まず、システムのトランザクションレベルに
おける状態遷移機械を抽出し、実行トレースから抽出さ
れた状態列において、システムが満たすべき性質を満た
しているかどうかを形式的手法により検査することによ
り、不具合の原因を推定する。デッドロック検出・回復
の分散アルゴリズムを Network-on-Chip 上で実装して提
案手法を提供し、実際にバグを特定できることを示した。
We introduce a post-silicon debug method that employs
transactions among cores in a SoC. Our method is based on
monitoring the communication behavior of the cores (i.e.
transactions that are sent/received) and using them to
backtrack from the current state of the system to the previous
states to find the cause of errors. Backtracking is performed in
近年、ウェブブラウザ内で動作するウェブアプリケ
ーションでは、動的なアプリケーションの実装を可能と
する Ajax などの技術が普及している。本研究では、モデ
ル検査を応用することにより、網羅性の高い検証手法を
提案している。今年度は、動的ウェブアプリケーション
の画面間遷移からモデルを抽出する際に、サーバー側の
状態を制御することにより、より正確なモデルの抽出を
可能とした。その結果、従来手法では発見できていなか
った不具合を発見することができた。
Recently, technologies that enable to implement dynamic
applications to Web applications are in wide spread use. In
this work, we propose a verification method for such dynamic
Web applications. Our proposed method can perform more
82
論文・著書一覧
Publications List
exhaustive verification by utilizing model checking
techniques. In extracting inter-screen transition models, we
achieve extracting more exact models by introducing
extended control on server-side state. As a result, we could
target increased number of applications and detected
additional bugs.
研究論文
5. FPGAとGPGPUを利用した計算高速化・高効率化
に関する研究
藤田 昌宏, 吉田 浩章, 谷田 英生, 福井 啓
Fast and Efficient Computation Techniques with
FPGA and GPGPU
M. FUJITA, H. YOSHIDA, H. TANIDA,
and A. FUKUI
FPGA と GPGPU を利用した高速・高効率な計算の実現
を目的として、スミスウォーターマンアルゴリズムおよ
び津波伝搬シミュレーションの実装を行った。これらの
2 例題の実装により、類似な科学技術計算の高速化にど
のような手法が有効であるかの示唆が得られた。また、
これらの 2 種類の例題の実装において、FPGA と GPGPU を
使用したときの処理時間・消費電力・開発効率に関して
も比較を行ない、トレードオフについて評価を行った。
GPGPU and FPGA are now considered to be one of
attractive alternatives for obtaining high-performance at lower
cost, in comparison with parallel general purpose computers.
We have implemented Smith-Watermann algorithm and
Tsunami propagation simulation on FPGA and GPGPU
platforms. Run-time, power consumption, and development
productivity on the example on the two platforms were also
studied.
[1]
Y. Lee, T. Matsumoto, and M. Fujita, “An Automatic
Method of Mapping I/O Sequences of Chip Execution
onto High-level Design for Post-Silicon Debugging,”
IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics,
Communications and Computer Sciences, Vol.E94-A,
No.7, pp.1519-1529, July 2011.
[2]
R. Krishnamoorthy, S. Das, K. Varadarajan, M. Alle, M.
Fujita, S K Nandy, and R. Narayan, “Data Flow Graph
Partitioning Algorithms and Their Evaluations for
Optimal Spatio-temporal Computation on a Coarse
Grain Reconfigurable Architecture,” IPSJ Transations on
System LSI Design Metholodogy, Vol.4, pp.193-209,
Aug. 2011.
国際会議論文
[3] M. Fujita, “Programmability based approach to
post-silicon debug and rectification,” IEEE 29th
VLSI Test Symposium, May 2011.
[4] M. Fujita, “Patchable Hardware Design,” 3rd IEEE
Design for Reliability and Variability Workshop,
May 2011.
[5] M. Fujita, “Formal Verification of Timing Error
Recovery Algorithms for Pipelined Processors,”
IEEE International Workshop on Processor
Verification, Test and Debug (IWPVTD'11), May
2011.
[6] H. Yoshida and M. Fujita, “A Highly
Energy-Efficient Accelerator Enabling Post-Silicon
Engineering Changes and Its Patch Compilation
Method,” Work-In-Progress Session, ACM/IEEE
Design Automation Conference (DAC), June 2011.
6. 設計検証・デバッグに関する研究
藤田 昌宏・松本 剛史・小野 翔平・
李 在城・大島 浩資・陳 果・杉山 勝久
Design Verification and Debugging
M. FUJITA, T. MATSUMOTO, S. ONO, J.S. LEE,
K. OSHIMA, C. GUO, and K. SUGIYAMA
[7] G. Di Guglielmo, M. Fujita, F. Fummi, G.
Pravadelli, “Model-Based Concolic Testing for
Embedded Software,” Work-In-Progress Session,
ACM/IEEE Design Automation Conference
(DAC), June 2011.
SAT ソルバから得られる UNSAT コアや設計への追加
回路挿入により、ハードウェア設計に対する検証・デバ
ッグを効率的に行う手法を提案した。UNSAT コアの利用
によりデバッグのために解析すべき範囲を非常に小さな
範囲に絞ることができた。また、デバッグ対象の設計中
の信号・変数が自由変数を選択できるような回路追加を
行うことにより、バグ位置特定および修正が効率的に可
能であることを示した。
We propose methods to efficiently verify/debug hardware
designs utilizing UNSAT cores in SAT problem and additional
circuits. UNSAT cores enable to localize an area to be
analyzed in debugging. Also, by adding circuits each of which
can replace the original values of a signal/variable with a free
variable, we show that possible locations of bugs and
corrections for them can be efficiently found.
[8] H. Tanida, M. Fujita, M. Prasad, and S. P. Rajan,
“Client-Tier Validation of Dynamic Web
Applications,” Proc. of 6th International
Conference on Software and Data Technologies,
pp.86-95, July 2011.
[9] G. Di Guglielmo, M. Fujita, F. Fummi, G.
Pravadelli, and S. Soffia, “EFSM-based
model-driven approach to concolic testing of
system-level design,” Proc. of 9th IEEE/ACM
International Conference on Formal Methods and
83
Conference, pp.232-237, Jan. 2012.
[20] Y. Yang, A. Veneris, N. Nicolici, and M. Fujita,
“Automated Data Analysis Techniques for a
Modern Silicon Debug Environment,” Proc. of
17th Asia and South Pacific Design Automation
Conference, pp.298-303, Jan. 2012.
Models for Codesign, pp.201-209, July 2011.
[10] H. Yoshida and M. Fujita, “An Energy-Efficient
Patchable
Accelerator
For
Post-Silicon
Engineering Changes,” Proc. of IEEE/ACM/IFIP
International Conference on Hardware/Software
Codesign and System Synthesis, pp.13- 20, Oct.
2011.
[21] H. Mangassarian, H. Yoshida, A. Veneris, S.
Yamashita, and Masahiro Fujita, “On Error
Tolerance and Engineering Change with Partially
Programmable Circuits,” Proc. of 17th Asia and
South Pacific Design Automation Conference,
pp.695 - 700, Jan. 2012.
[22] M. Fujita and H. Yoshida, “Post-silicon Debugging
Targeting Electrical Errors with Patchable
Controllers,”
ACM/SIGDA
International
Symposium on Field Programmable Gate Arrays,
Feb. 2012.
[11] M. Fujita, “Synthesizing, Verifying, and
Debugging SoC with FSM-Based Specification of
On-Chip Communication Protocols,” Proc. of 9th
International
Symposium
on
Automated
Technology for Verification and Analysis, pp.43-50,
Oct. 2011.
[12] M. Fujita, “High Level Verification and its Use at
Post-Silicon Debugging and Patching,” Proc. of
20th Asian Test Symposium, pp.464-469, Nov.
2011.
[23] A.M.
Gharehbaghi
and
M.
Fujita,
“Transaction-Based Post-Silicon Debug of
Many-Core
System-on-Chips,”
Proc.
of
International Symposium on Quality Electronic
Design, pp.703-709, Mar. 2012.
[13] M. Fujita, “Structural and functional test
generation from RTL/behavioral descriptions,”
IEEE Twelfth Workshop on RTL and High Level
Testing 2011, Nov. 2011.
[14] B. Alizadeh and M. Fujtia, “Modular equivalence
verification of polynomial datapaths with multiple
word-length operands,” Proc. of 16th IEEE
International High Level Design Validation and
Test Workshop, pp. 9-16, Nov. 2011.
シンポジウム・研究会・大会等発表
[24] 福 井 啓 , 藤 田 昌 宏 , “ FPGA を 用 い た
Smith-Waterman Algorithm の高速化,” 電子
情報通信学会技術研究報告, Vol.111, No.31,
pp.67-72, 2011 年 5 月.
[25] 福井啓, 藤田昌宏, “高位合成ツールを利用
したハードウエアアルゴリズムの最適化,”
情報処理学会研究報告, Vol.2011-SLDM-150,
No.10, pp.1-6, 2011 年 5 月.
[26] 清水修一, 松本剛史, 藤田昌宏, “形式的検
証を用いたプロセッサエラー回復機構の耐
性評価手法の検討,” 情報処理学会研究報告,
Vol. 2011-SLDM-150, No.11, pp.1-6, 2011 年 5
月.
[27] 原田裕基, 松本剛史, 藤田昌宏, “反例と設
計分割に基づく高位設計に対する効率的な
設計修正支援手法,” Vol.2011-SLDM-150,
No.12, pp.1-6, 2011 年 5 月.
[28] 李在城, 松本剛史, 藤田昌宏, “論理関数の
充足不可能性に注目した論理回路デバッグ
手法の検討,” 情報処理学会研究報告,
Vol.2012-SLDM-155, No.5, pp.1-6, 2012 年 3
月.
[29] 吉田浩章, 藤田昌宏, “動作レベル・レジス
タ転送レベル混在設計記述向け高位合成手
法,” 電子情報通信学会技術研究報告,
Vol.111, No.450, pp.49-54, 2012 年 3 月.
[15] A. M. Gharehbaghi and M. Fujita, “ Formal
Verification Guided Automatic Design Error
Diagnosis and Correction of Complex Processors,”
Proc. of 16th IEEE High Level Design Validation
and Test Workshop, pp.121-127, Nov. 2011.
[16] A.M. Gharehbaghi and M. Fujita, “Post-Silicon
Debugging of Many-Core Systems by Identifying
Execution Paths Through Constraint Refinement,”
International Workshop on Constraints in Formal
Verification, Nov. 2011.
[17] M. Fujita, “Accelerating Tsunami simulation with
FPGA and GPU through automatic compilation,”
International Conference on Wireless Technologies
for Humanitarian Relief, Dec. 2011.
[18] R. Krishnamoorthy, M. Fujita, K. Varadarajan, and
S K Nandy, “Interconnect-topology independent
mapping algorithm for a Coarse Grained
Reconfigurable
Architecture,”
Proc.
of
International Conference on Field-Programmable
Technology 2011, pp.1-5, Dec. 2011.
[19] M. Fujita and H. Yoshida, “Post-Silicon Patching
for Verification/Debugging with High-Level
Models and Programmable Logic,” Proc. of 17th
Asia and South Pacific Design Automation
84
その他
[30] 西 原 祐 , “ Formal Verification of High-Level
Design Based on Control/Data Separation,” 情報
処理学会誌 情報処理, 研究会推薦博士論文速
報, Vol. 52, No. 10, p. 1303, 2011 年 10 月.
[31] 李蓮福, “エラートレース解析に基づく VLSI
設計のデバッグ支援,” 情報処理学会誌 情報
処理, 研究会推薦博士論文速報, Vol. 53, No. 3,
p. 275, 2012 年 3 月.
85
保立・何研究室
Hotate and He Laboratory
(http://www.sagnac.t.u-tokyo.ac.jp)
which study of a countermeasure has been started.
Aiming at cost-reduction of BOCDA system, a simplified
BOCDA (S-BOCDA) with time-division pump-probe
generation scheme has been developed through direct current
modulation of the laser source. In this year, time-division
pump-probe generation scheme was applied to the
measurement of BDG distribution besides the BFS
distribution measurement, and succeeded in the discrimination
of strain- and temperature-distribution.
研究現況
Current Research Projects
1. ブリルアン光相関領域解析法によるフ光ファ
イバ神経網
保立和夫・何 祖源・岸 眞人
山下健二ﾎﾄﾞﾘｰｺﾞ・芦田哲郎・李 睿智・鷲山和希
2. 光波コヒーレンス関数の合成法：機能向上と
応用開拓
Fiber Optic Nerve Systems Based on
Brillouin Optical Correlation Domain Analysis
K. HOTATE, Z. HE, M. KISHI, R. K. YAMASHITA
T. ASHIDA, R. LI, K. WASHIYAMA
保立和夫・何 祖源・岸 眞人･
ｼﾃｨﾎﾟﾝ ﾏﾉﾀﾑ・森憲太郎・渡辺隆嗣・松岡 大
Synthesis of Optical Coherence Function and its
Applications
K. HOTATE, Z. HE, M. KISHI, S. MANOTHAM
K. MORI, R. WATANABE, O. MATSUOKA
光ファイバに沿う歪分布を測定する手法として，ポン
プ光・プローブ光の相関を制御することにより，誘導ブ
リルアン散乱を光ファイバに沿って局在発生させる光相
関領域解析技術（BOCDA）の高速化，高機能化と，応用
に関する研究を進めている．偏波維持光ファイバ（PMF）
の片方の偏波モードで誘導散乱を発生させつつ，直交偏
波モードで複屈折を測定するブリルアンダイナミックグ
レーティング（BDG）技術を提案・実証し，ブリルアン
周波数シフト（BFS）と複屈折を測定して温度と歪を同
時・分離・分布測定できる技術を提案してきた．本年度
は，相関領域手法により局在化した BDG のスペクトル
を計算する手法を導出した．その結果，BDG 分布測定の
空間分解能が BFS 分布測定の空間分解能の 20 倍になる
ことを解明した．この結果は実験結果と一致している．
さらに，この問題の改善技術の研究も開始した．
BOCDA のコストを低減するために，レーザへの注入
電流の変調によりポンプ・プローブを時分割で発生する
手法に関する研究も進めている．今年度は，ポンプ・プ
ローブ時分割発生法を BFS 測定とともに BDG の分布測
定に応用し，温度と歪分布の分離測定に成功した．
光波コヒーレンス関数の合成（SOCF）による光リフ
レクトメトリに関する研究も進めた．今年度は，任意の
周期波形を用いて光源の周波数変調を行った場合に関し
て，周波数変調波形に相似な位相変調を行うことで光波
コヒーレンス関数の零次ピークの掃引が行えた．
ブリルアン光相関領域リフレクトメトリ(BOCDR)の
性能向上にも努めた．BOCDR の出力スペクトルは，測
定光ファイバにおける相関ピーク位置に発生するローレ
ンツ型ピークとファイバの他の位置から生じる背景雑音
からなる．相関ピークのところに歪がかけられたとき，
ピークがシフトされるが，背景雑音は変化しない．この
現象が歪測定のダイナミックレンジを制限する．この問
題は強度変調（IM）を導入する手法により解決できる．
今年は，シミュレーションと実験により，この強度変調
手法の有効性を確認できた．背景雑音は相関ピーク近辺
のサイドローブによるものであることを解明し，サイド
ローブを抑えることにより背景雑音を低減できることも
確認した．最適化した IM を用いて，背景雑音が抑えら
れ，信号ピークが鮮明に分離できた．
ブリルアンダイナミックグレーティングにおける二次
ブラッグ回折の研究，および BOCDA 法を用いた光導波
路の中の歪分布の測定に関する研究も行った．
The study on the optical reflectometry by synthesis of
optical coherence function continued. In this year, we propose
and demonstrate a method to synthesize and sweep the 0th
coherence peak by phase modulation with the same waveform
as that for the laser frequency modulation. Basic experiments
of optical reflectometry are successfully demonstrated with
the proposed method.
The research on the improvement of the measurement speed
and other performances as well as the applications of
fiber-optic distributed sensing system based on Brillouin
optical correlation domain analysis (BOCDA) has been
advanced. In polarization maintaining fibers (PMFs), acoustic
waves excited in stimulated Brillouin scattering (SBS) process
in one of the polarization axes can reflect lightwaves that are
launched through the orthogonal polarization axis. The
refractive index corrugation created by the acoustic wave in
this phenomenon has been called Brillouin dynamic grating
(BDG), and its use in distributed sensing permitted the precise
simultaneous measurement of strain and temperature. To
analyze this situation, in this year, we proposed a method to
calculate the BDG spectrum when it is localized by the
correlation domain technique. The spatial resolution in
distributed BDG measurement has been estimated to be about
20 times longer than that in distributed BFS measurement, on
In this year, we also continued studying on the improvement of the Brillouin optical correlation-domain reflectometry
(BOCDR). The output of the BOCDR system is composed
of a Lorentzian shaped spectrum generated at the correlation
peak position and background noise generated at all the other
86
positions along the fiber under test. When a tensile strain is
applied at the correlation peak position, only the signal with
the Lorentzian shape is shifted from the original BFS, while
the background noise is still unchanged. This phenomenon
limited the dynamic range in strain measurement, which can
be solved by the intensity modulation (IM) scheme. We show
the effectiveness of the IM scheme in modifying and
suppressing the background noise both in the simulation and
the experiment. It has been found that the background noise is
caused by the side lobes near the correlation peak. Therefore,
it is expected that the noise can be suppressed by reducing the
side lobes. With the optimized IM, the relative amplitude of
the background noise is properly modified and suppressed;
meanwhile the signal peak is also clearly distinguished.
In this year, the 2nd order Bragg diffraction at the Brillouin
dynamic grating was also studied, and the research on the
strain distribution inside the planar lightwave circuit was
performed by use of BOCDA.
light source, the modulation index of the phase modulator was
optimized to increase the number of sidebands of the
generalized optical frequency comb, and thus enhance the
spatial resolution. To further increase the number of the comb
sidebands, multiple phase modulations was adopted so that
the spatial resolution and S/N ratio can be improved
expectedly. In this year, by introducing a time-gating scheme,
scanning of high-order coherence peaks can be employed so
that the measurement range broadened.
Studies on the improvement of frequency-modulated
continuous wave (FMCW) optical reflectometry have also
been advanced. We propose a high-reflectivity-resolution
coherent OFDR with a novel scheme of delay shift averaging
(DSAV) by using an optical frequency comb source and a
tunable delay line to suppress the fading noise. We show
theoretically and experimentally that the novel DSAV scheme
is equivalent, in realizing a high reflectivity resolution, to our
previously reported frequency shift averaging (FSAV) of the
same number of teeth of the optical frequency comb, but does
not need the expensive narrow-pass-band tunable optical filter
required in the previous scheme. Furthermore, by using this
new method in combination with FSAV, better reflectivityresolution is obtained compared to using only conventional
FSAV with a single-wavelength laser source.
3. 高性能光リフレクトメトリに関する研究
何 祖源・保立和夫・橋本章太郎・田口直樹
High Performance Optical Reflectometry
Z. HE, K. HOTATE,
S. HASHIMOTO, N. TAGUCHI
光ファイバ加入者系（FTTH）ネットワークの診断のた
めの高速・高精度光リフレクトメトリの研究を進めてい
る．光周波数コム（OFC）光源を用いた光コヒーレンス
領域リフレクトメトリ（OCDR）において，位相変調器
の変調指数を最適化し，光周波数コムのサイドバンド数
を増加させ，空間分解能を向上させた．多重位相変調を
用いた光周波数コムの発生を行い，光周波数コムのサイ
ドバンド数をさらに増加させ，空間分解能と S/N 比の改
善を図った．また，本年度は，タイムゲートにより高次
のコヒーレンスピークの掃引も行うことで測定範囲の拡
大を実現した．
光周波数領域リフレクトメトリ（OFDR）の性能向上
についての研究も進めた．反射率測定精度を向上するた
めに，光源として多波長光源である光周波数コムを利用
した波長平均法を提案した．本研究では，OFDR の参照
光経路側に可変光遅延線を用い，OFDR の光源として光
周波数コムをまとめて掃引し，可変光遅延線によって参
照光経路側にコムの本数と周波数間隔の積の逆数に相当
する遅延を測定の度に与えながらコム本数と同じ回数の
測定を行なうことによって，コム本数分の周波数平均効
果が得られる．実験では，間隔 9.8GHz，23 本の平坦性
の良い光周波数コムを得た．時間平均と周波数平均を併
用することで，理論上 0.42dB の測定精度を得ることが期
待できる．
4. 超高分解能光ファイバ歪センサに関する研究
何 祖源・保立和夫・劉 慶文・李 琳・松本 豪
Ultra-High Resolution Fiber Optic Strain Sensors
Z. HE, K. HOTATE, Q. LIU, L. LIN, T.
MATSUMOTO
地球科学研究の要求に応えるナノストレインという従
来技術より三桁も高い歪分解能を提供できる光ファイバ
歪センサの研究を進めている．光ファイバブラッググレ
ーティング（FBG）及び光ファイバ Fabry-Perot 干渉計
（FFPI）を用いた多重化超高感度静的歪センサを開発し，
潮汐と地震による地殻変動の検出に世界で初めて成功し
た．また，FFPI センサにおいて精密可変ファイバレーザ
を用いた周波数変調検波手法を提案し，5.8 nε の静的歪
分解能を実現し，続いて 0.05 nε の歪分解能をリアルタイ
ムで実証した．さらに，光周波数領域リフレクトメトリ
技術に基づいた超高感度歪センサの多重化，および多重
化能動型超高感度歪センサの実現も検討している．
In responding to the request from geophysics research, the
research on ultra-high resolution fiber optic strain sensors
with nano-strain resolution, which is 3 figures more sensitive
than conventional systems, progressed this year. Static strain
sensors based on fiber Bragg gratings (FBGs) and fiber
Fabry-Perot interferometers (FFPIs) are developed,
respectively. With the multiplexed FBG sensor, crustal
deformations induced by oceanic tide and earthquakes were
clearly observed with resolution better than 10 nε, for the first
time to the best of our knowledge. FFPI strain sensor
The research on the high-speed high-accuracy optical
reflectometry for diagnoses of fiber optic subscriber access
networks (FTTH) has been put forward. In the coherence
domain reflectometry (OCDR) using optical frequency comb
87
interrogated by a finely tuned fiber laser is proposed with a
frequency modulation technique. Static strain resolution of 5.8
nε was demonstrated with a small laser tunable range and
large dynamic range, and 0.05 nε resolution was demonstrated
further in real-time. Furthermore, the multiplexing of
ultra-high sensitive fiber optic strain sensors by use of optical
frequency domain reflectometry, and active fiber optic strain
sensors with ultra-high resolution were developed,
respectively.
Studies on optical devices using photonic bandgap
fiber
Z. HE, K. HOTATE, M. KIKUCHI
5. 共振器型光ファイバジャイロに関する研究
保立和夫・何 祖源・岸 眞人・王 希晶
Studies on Resonator Optical Fiber Gyroscope
K. HOTATE, Z. HE, M. KISHI, X. WANG
共振器型光ファイバジャイロ（R-FOG）に関する研究
を展開している．R-FOG におけるデジタルセロダイン波
形の振幅の誤差，光源周波数の揺らぎ，偏波変動などに
よる雑音に関する対策を取入れ，実証実験を行った．本
年度では，利得可変増幅器とオーバーサンプリング技術
を用いてデジタルセロダイン波形の振幅を自動制御する
手法を提案し，デジタルセロダイン波形の振幅の誤差に
よる雑音を抑えた．制御精度をさらに向上するために，
90 度位相差を有する参考信号を用いた同期検波手法も
提案し，その効果を実証した．また，自作したデジタル
プロセッサーを用いて閉ループジャイロ実験系を構成し，
回転実験を行い，よい線形性を実現した．
Resonator fiber optic gyro (R-FOG), detecting rotation
signal based on the resonant frequency difference between the
clockwise (CW) and the counter clockwise (CCW)
propagating lightwaves in a fiber ring resonator according to
the Sagnac effect, is expected to satisfy the Inertial Navigation
System (INS) requirement (10-7rad/s). However, the
performance of R-FOG achieved to date is still below
expectation. One of the major sources of performance
degradation factors is the imperfect amplitude of the bipolar
digital serrodyne phase modulation waveform. In this year, we
developed a new amplitude control scheme using a gain
controllable amplifier together with the oversampling
technique to reduce the imperfect amplitude induced
performance degradation. Then, to further improve the
controlling accuracy, a 90o out-of-phase reference
synchronous detection scheme was proposed, with its
effectiveness verified experimentally as well. Finally, to
increase measurement accuracy and linearity over the whole
dynamic range of the R-FOG, closed loop operation was
realized with the self-made digital processor. Rotation
measurements were carried out with the results demonstrating
good linearity.
フォトニックバンドギャップファイバ(PBF)はクラッ
ドに周期的な屈折率分布を持たせることでフォトニック
バンドギャップを発生させて光を閉じ込め，伝搬させる
光ファイバである．光の閉じ込めを屈折率差によって行
わないためにコアの屈折率が空気のように低くても導波
でき，中空ファイバの実現が可能となる．光が中空を伝
搬することにより低非線形性や温度安定性，低後方散乱
などの様々なメリットをもつため，ハイパワー伝送やフ
ァイバセンサの安定化に役立つと考えられる．伝搬損失
の要因についての解明や製造技術の向上も大きく進んで
おり，現在では 1.2 dB/km の低損失 PBF が報告されてい
る．しかしながらファイバそのものの製造技術が進む一
方で光カプラを初めとした PBF システム構築に必要不可
欠となる基本デバイスの開発はほとんど行われていない．
そこで，PBF を用いた光カプラの開発に向けてデュア
ルコア PBF(DC-PBF)のモード解析を行い，その実現性の
確認を行った．また，その解析結果から結合長を概算し，
PBF カプラ実現に向けた方向性の検討を行った．具体的
には長手方向に均一なデュアルコア PBF 構造について平
面波展開法(PWE)とフルベクトル有限要素法(FEM)によ
る解析を行った．その結果，それぞれのコアでの電界の
向きが同方向(イーブンモード)と逆方向(オッドモード)
のもの，電界の向きが X 方向(X 偏波)のモードを確認す
ることができた．また，その伝搬定数の差から結合長を
見積もることにより，現実的なコア間の距離で PBF カプ
ラの作製が可能であることを確認することができた．
Photonic bandgap fibers (PBFs) confine light waves with
photonic bandgap effect in periodic structures. They have
many valuable features such as low nonlinearity, low
dispersion, and high temperature stability. In addition, they
can be used as capillaries of gas and liquid to make highly
sensitive and compact optical sensors. Therefore, PBFs can
have various applications in communication and sensing areas.
As techniques for making different PBFs are being improved
rapidly, there are very limited discussions for developing
connecting devices for PBFs, such as PBF couplers. We
evaluate the feasibility of PBF couplers by calculating the
mode-coupling characteristics of a dual-core PBF with respect
to the interval between two cores, and find the optimized
structure of the dual-core PBF for mode coupling. We
analyzed a PBF-based optical coupler by evaluating the
mode-coupling characteristics in a dual-core PBF with respect
to the interval between the two cores. We showed that the
interval suitable for making an optical coupler is 4 times of
the cladding pitch; under this condition, a reasonable 10mm
coupling length can be obtained.
6. フォトニックバンドギャップファイバを用い
た光デバイスに関する研究
何 祖源・保立和夫・菊池雅
88
論文・著書一覧
Publications List
[11] Q. Liu, T. Tokunaga, and Z. He; “Sub-nano resolution
fiber optic static strain sensor using a sideband
interrogation technique,” OSA Optics Letters, Vol. 37,
No. 3, pp. 434-436 (2012).
研究論文
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
X. Wang, Z. He, and K. Hotate: “Resonator fiber optic
gyro with bipolar digital serrodyne scheme using an
fpga-based digital processor,” Japanese Journal of
Applied Physics, Vol. 50, pp. 042501.1-6 (2011).
[12] K. Kajiwara, Z. He, and K. Hotate: “Distributed sensing
inside long-length FBG at region beyond laser
coherence length based on synthesis of optical
coherence function,” CLEO 2011, Baltimore, CThL1
(May 1-5, 2011).
K.-Y. Song, M. Kishi, Z. He and K. Hotate:
“High-repetition-rate distributed Brillouin sensor based
on optical correlation-domain analysis with differential
frequency modulation,” OSA Optics Letters, Vol. 36, No.
11, pp. 2062-2064 (2011).
[13] X. Wang, Z. He, and K. Hotate: “Precise signal
processing schemes in resonator fiber optic gyro with
bipolar digital serrodyne phase modulation technique,”
CLEO 2011, Baltimore, CThL4 (May 1-5, 2011).
Y. Mizuno, M. Kishi, K. Hotate, T. Ishigure and K.
Nakamura: “Observation of stimulated Brillouin
scattering in polymer optical fiber with pump-probe
technique,” OSA Optics Letters, Vol. 36, No. 12, pp.
2378-2380 (2011).
[14] W. Zou, Z. He, and K. Hotate: “Enlargement of
measurement range by double frequency modulations in
one-Laser Brillouin correlation-domain distributed
discrimination system,” CLEO 2011, Baltimore, CThL5
(May 1-5, 2011).
水口 周, 中村達也, 灘部岳晃, 西川雅章, 武田展
雄, 岸 眞人, 保立和夫: “埋め込み光ファイバの分
布型 BOCDA 計測による CFRP ボルト接合部の損傷
検知,”日本航空宇宙学会論文集, Vol. 59, No. 690, pp.
176-182 (2011).
[15] K. Hotate: “Brillouin scattering accompanied by
acoustic grating in an optical fiber and applications in
fiber distributed sensing,” 21th International Conference
on Optical Fiber Sensors (OFS-21), Ottawa, 7753-477
(May 15-19, 2011) <Invited>.
X. Wang, Z. He, and K. Hotate: “Analysis of
polarization-fluctuation induced bias error in resonator
fiber optic gyro with twin 90° polarization-axis rotated
splices,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 50,
No. 7, pp. 072501.1-4 (2011).
[16] K. Kajiwara, Z. He, and K. Hotate: “Single coherence
peak extraction among synthesized periodical peaks by
different beat frequencies for elongation of measurement
range in multiplexed long-length distributed FBG
sensors,” 21th International Conference on Optical Fiber
Sensors (OFS-21), Ottawa, 7753-193 (May 15-19,
2011).
Q. Liu, T. Tokunaga, and Z. He: “Realization of nano
static strain sensing with fiber Bragg gratings
interrogated by narrow linewidth tunable lasers,” OSA
Optics Express, Vol. 19, No. 21, pp. 20214-20223
(2011).
[7]
Q. Liu, T. Tokunaga, and Z. He: “Ultra-high-resolution
large-dynamic-range optical fiber static strain sensor
using Pound-Drever-Hall technique,” OSA Optics
Letters, Vol. 36, No. 20, pp. 4044-4046 (2011).
[8]
K. Kajiwara and K. Hotate: “Multiplexing of
long-length fiber Bragg grating distributed sensors based
on synthesis of optical coherence function,” IEEE
Photonics Technology Letters, Vol. 23, No. 21, pp.
1555-1557 (2011).
[9]
国際会議論文
[17] R. K. Yamashita, W. Zou, Z. He and K. Hotate:
“Measurement range elongation based on a temporal
gating scheme in Brillouin correlation domain
distributed discrimination system for strain and
temperature operated by a single laser,” 21th
International Conference on Optical Fiber Sensors
(OFS-21), Ottawa, 7753-203 (May 15-19, 2011).
[18] Q. Liu, Z. He T. Tokunaga and K. Hotate: “Realization
of nano-order static strain resolution in FBG sensors
using narrow linewidth tunable laser sources:
Theoretical analysis,” 21th International Conference on
Optical Fiber Sensors (OFS-21), Ottawa, 7753-227
(May 15-19, 2011).
Z. He, T. Kazama, Y. Koshikiya, X. Fan, F. Ito, and K.
Hotate: “High-reflectivity-resolution coherent optical
frequency domain reflectometry using optical frequency
comb source and tunable delay line,” Optics Express,
Vol. 19, No. 26, pp. B764-769 (2011).
[19] K. Y. Song, M. Kishi, Z. He and K. Hotate:
“High-repetition-rate distributed Brillouin sensor by
correlation domain analysis with differential frequency
modulation,” 21th International Conference on Optical
Fiber Sensors (OFS-21), Ottawa, PD-1 (May 15-19,
2011).
[10] Z. He and K. Hotate: “Dynamic gratings in optical
fibers: synthesis and sensing applications,” Photonic
Sensors, Vol. 2, No. 1 pp. 60–64 (2012).
89
[20] K. Hotate: “Distributed fiber sensing technology:
Currents and challenges,” OPTOEL 2011, Santander
(Spain) (Jun. 29 - July 1, 2011).
[30] K. Hotate, M. Numasawa, M. Kishi, and Z. He: “High
speed random accessibility of Brillouin optical
correlation domain analysis with time division
pump-probe generation scheme,” 3rd Asia Pacific
Optical Sensors Conference (APOS 2012), Sydney,
Australia, APO12-99, WB-3 (Jan. 31- Feb. 3, 2012).
[21] Q. Liu, Z. He T. Tokunaga and K. Hotate: “An
ultra-high-resolution large-dynamic-range fiber optic
static strain sensor using pound-drever-hall technique,”
IQEC/CLEO-RR 2011, Sydney (Aug. 28 - Sept. 1, 2011)
<Invited>.
[31] S. Manotham, M. Kishi, Z. He, and K. Hotate: “1-cm
spatial resolution with large dynamic range in strain
distributed sensing by Brillouin optical correlation
domain reflectometry based on intensity modulation,”
3rd Asia Pacific Optical Sensors Conference (APOS
2012), Sydney, Australia, Th-C24, APO12-51 (Jan. 31Feb. 3, 2012).
[22] K. Hotate: “Fiber optic nerve systems for smart
materials and smart structures,” Symposium on Optics
Engineering, Tulk (Finland) (Sept. 8-10, 2011)
<Invited>.
[23] Y. Mizuno, M. Kishi, K. Hotate, T. Ishigure and K.
Nakamura: “First observation of stimulated Brillouin
scattering in polymer optical fiber,” The 20th
International Conference on Plastic Optical Fibers
(POF2011), Bilbao (Spain) (September 14-16, 2011)
<Invited>.
[32] Q. Liu, T. Tokunaga, K. Mogi, H. Matsui, H. F. Wang, T.
Kato, and Z. He: “Field demonstration of 10-nano static
strain resolution multiplexed FBG sensor for
geophysical applications,” 3rd Asia-Pacific Optical Fiber
Sensors Conference (APOS 2012), Sydney, Tu-C2 (Jan.
31-Feb. 3, 2012).
[24] T. Kazama, Z. He, Y. Koshikiya, X. Fan, F. Ito and K.
Hotate: “Fading-noise suppressed OFDR using optical
frequency comb source and tunable delay line,” ECOC
2011, Geneva (Switzerland), Tu.6.LeCervin.3 (Sept.
18-22, 2011).
[33] K. Hotate: “Distributed and Multiplexed Optical Sensing
by Synthesis of Optical Coherence Function,”
OFC/NFOEC 2012, Los Angeles, OTu1C.5 (Mrach 4-8,
2012) <Invited>.
[25] Q. Liu, Z. He, T. Tokunaga and K. Hotate: “Sub-nano
resolution static strain fiber sensor using a novel
sideband interrogation technique,” IEEE Photonic
Conference, the 24th Annual Photonics Society Meeting
(IPC2011), Arlington, VA, ThEE 3 (Oct. 9-13, 2011)
<Invitde>.
[34] Q. Liu, T. Tokunaga, Z. He: “A sideband interrogation
[26] S. Manotham, M. Kishi, Z. He, and K. Hotate:
“Background noise suppression in Brillouin optical
correlation domain reflectometry based on optimized
intensity modulation,” 17th Microoptics Conference
(MOC’11), Sendai, Japan, B-4 (Oct. 30 - Nov. 2, 2011).
[35] 保立和夫： “痛みの分かる材料・構造のための光
ファイバ神経網技術の進展,” 応用物理，Vol. 80, No.
12, pp. 1034-1041 (2011).
method for precise measurement of resonance frequency
difference between interferometers,” OFC/NFOEC 2012,
Los Angeles, OTu1C.1 (Mar. 4-8, 2012).
総説・解説論文
[36] 保立和夫: “連続光波の相関制御法による光ファイ
バ神経網技術,” 計測と制御, 特集『光ファイバセ
ンサによる計測と制御 －安全・安心から宇宙応用
まで－』, Vol. 51, No. 3, pp. 208-216 (2012).
[27] K. Hotate: “Fiber optic nerve systems for materials and
structures that can feel pain,” International Forum on
Mechanoluminescence and Novel Structural Health
Diagnosis 2011, Fukuoka, No. 1-04, p. 7 (Nov. 11-12,
2011) <Invited>.
シンポジウム・研究会・大会等発表
[37] 菊池 雅, 久保田寛和, 何 祖源, 保立和夫: “フォト
ニックバンドギャップファイバを用いた光カプラ
に関する検討,” 電子情報通信学会光ファイバ応用
技術研究会（OFT）, 屋久島環境文化村センター,
OFT2011-1, pp.1-4 (May 26-27, 2011).
[28] T. Tokunaga, Q. Liu, Z. He, K. Mogi, H. Matsui, H. F.
Wang, T. Kato: “Application of an ultra-high-resolution
FBG strain sensor for crustal deformation measurements
at the Aburatsubo Bay, Japan,” 2011 American
Geophysical Union Fall Meeting, , San Francisco,
H13H-07 (Dec. 5-9, 2011).
[38] 保立和夫: “光ファイバ神経網技術の機能進化,” 応
用物理学会第 47 回光波センシング技術研究会, 東
京理科大学, LST-47-6, pp. 41-48 (Jun. 14-15, 2011).
[29] X. Wang, M. Kishi, Z. He, and K. Hotate: “Closed loop
resonator fiber optic gyro with precisely controlled
bipolar digital serrodyne scheme,” 3rd Asia Pacific
Optical Sensors Conference (APOS 2012), APO12-76,
Sydney, Australia, Th-C34, (Jan. 31- Feb. 3, 2012).
[39]
90
沼澤正和, 岸 眞人, 何 祖源, 保立和夫: “ポン
プ・プローブ時分割発生方式 BOCDA におけるラン
ダムアクセス機能の高速化,” 応用物理学会第 47
回光波センシング技術研究会, 東京理科大学,
LST-47-5, pp. 35-40 (Jun. 14-15, 2011).
情報通信学会ソサイエティ大会, 北海道大学,
B-13-20, p. 357 (Sep. 13-16, 2011).
[40] Q. Liu, Z. He, T. Tokunaga and K. Hotate: “Nano-strain
resolution FBG static strain sensors for geophysics
applications using narrow linewidth tunable laser
sources,” 応用物理学会第 47 回光波センシング技術
研究会, 東京理科大学, LST-47-2, pp. 17-22 (Jun.
14-15, 2011).
[41]
[50] 何 祖源, 鷲山 和希, 橋本 章太郎, 保立和夫: “周
波数間隔可変光コム光源を用いた多点型 FBG セン
シングシステム,” 2011 年電子情報通信学会ソサイ
エティ大会, 北海道大学, C-3-72, p. 194 (Sep. 13-16,
2011).
[51] X. Wang, M. Kishi, Z. He and K. Hotate: “Closed-loop
Resonator Fiber Optic Gyro with All Digital Signal
Processing,” 電子情報通信学会光ファイバ応用技術
研 究 会 （ OFT ） , 信 州 大 学 上 田 キ ャ ン パ ス ,
OFT2011-46, pp. 80-84 (Oct. 20-21, 2011).
李 琳, 何 祖源, 保立和夫: “SSB 変調器による光
周波数コムを用いた OCT の空間分解能向上,” 応用
物理学会第 47 回光波センシング技術研究会, 東京
理科大学, LST-47-31, pp. 209-214 (Jun. 14-15, 2011).
[42] X. Wang, M. Kishi, Z. He and K. Hotate: “Performance
improvement of the resonator fiber optic gyro by
precisely controlling the bipolar digital serrodyne
scheme,” 電子情報通信学会光ファイバ応用技術研
究会（OFT）, 帯広とかちプラザ, OFT2011-29, pp.
63-68 (Aug. 24-25, 2011).
[52] 保立和夫: “痛みの分かる材料・構造を実現する光
ファイバ神経網技術,” 光産業技術振興協会 フォ
トニックデバイス・応用技術研究会, 産業技術総合
研究所 臨海副都心センター別館 (Nov. 22, 2011)
<Invited>.
[53] S. Manotham, M. Kishi, Z. He, and K. Hotate: “1-cm
spatial resolution with large dynamic range in strain
distributed sensing by Brillouin optical correlation
domain reflectometry based on intensity modulation
scheme,” 応用物理学会第 48 回光波センシング技術
研究会, 東京理科大学, LST-48-9, pp. 67-74 (Dec. 6-7,
2011).
[43] Q. Liu, Z. He, T. Tokunaga and K. Hotate: “ An
ultra-high-resolution large-dynamic-range fiber optic
static
strain
sensor
using
pound-drever-hall
demonstration technique,” 電子情報通信学会光ファ
イバ応用技術研究会（OFT）, 帯広とかちプラザ,
OFT2011-28, pp. 59-62 (Aug. 24-25, 2011).
[44] 王 希 晶 , 何 祖 源 , 保 立 和 夫 : “ Closed Loop
Resonator Fiber Optic Gyro Using Bipolar Digital
Serrodyne Scheme with Digital Signal Processing,”
2011 年電子情報通信学会ソサイエティ大会, 北海道
大学, B-13-18, p. 355 (Sep. 13-16, 2011).
[54] 何 祖源，劉 慶文，徳永朋祥: “地殻変動計測のた
めのナノストレイン分解能光ファイバ歪センサ,”
第 59 回応用物理学関係連合講演会, 早稲田大学
(Mar. 15, 2012)（招待講演）
[45] 芦田哲郎, 岸 眞人, 何 祖源, 保立和夫: “ポンプ・
プローブ時分割発生法によるブリルアンダイナミ
ックグレーティングの観測,” 2011 年電子情報通信
学会ソサイエティ大会, 北海道大学, C-3-69, p. 191
(Sep. 13-16, 2011).
[55] R. K. Yamashita, Z. He and K. Hotate: “Simulation for
Estimation of Spatial Resolution in Distributed
Measurement of Brillouin Dynamic Grating by
Correlation Domain Technique,” 2012 年電子情報通
信学会総合大会, 岡山大学, B-13-9, p. 513 (Mar.
20-23, 2012).
[46] S. Manotham, K. Kajiwara Y. Mizuno Z. He, K.
Hotate: “Background Noise Suppression in Brillouin
Optical Correlation Domain Reflectometry based on
Optimized Intensity Modulation Scheme,” 2011 年電子
情報通信学会ソサイエティ大会, 北海道大学,
C-3-27, p. 149 (Sep. 13-16, 2011).
[56] S. Manotham, M. Kishi, Z. He and Kazuo Hotate:
“ Simulation and experiment for verifying intensity
modulation scheme in Brillouin optical correlation
domain reflectometry,” 2012 年電子情報通信学会総
合大会, 岡山大学, B-13-12, p.516 (Mar. 20-23, 2012).
[47] 野口宗隆, 岸 眞人, 何 祖源, 保立和夫: “BOCDA
による平面光回路内のブリルアン周波数シフト分
布測定,” 2011 年電子情報通信学会ソサイエティ大
会, 北海道大学, B-13-17, p. 354 (Sep. 13-16, 2011).
[57] 芦田哲郎, 岸 眞人, 何 祖源, 保立和夫: “ポン
プ・プローブ時分割発生法を用いた BOCDA 法によ
るブリルアンダイナミックグレーティングに基づ
く温度と歪の分離・分布測定,” 2012 年電子情報通
信学会総合大会, 岡山大学, B-13-10, p.514 (Mar.
20-23, 2012).
[48] 劉 慶文, 何 祖源, 徳永朋祥, 保立和夫: “Sub-Nano
Resolution Fiber Optic Static Strain Sensor Using a
Novel Sideband Interrogation Technique,” 2011 年電子
情報通信学会ソサイエティ大会, 北海道大学,
B-13-16, p. 353 (Sep. 13-16, 2011).
[58] 森憲太郎, 梶原康嗣, 岸 眞人, 何 祖源, 保立和
夫: “周波数変調に相似な位相変調により零次ピー
クを掃引する光波コヒーレンス関数の合成技術,”
2012 年 電 子 情 報 通 信 学 会 総 合 大 会 , 岡 山 大 学 ,
B-13-38, p.542 (Mar. 20-23, 2012).
[49] 李 琳, 保立和夫, 何 祖源: “広帯域光周波数コムを
用いた光コヒーレンストモグラフィ,” 2011 年電子
91
[59] 菊池 雅, 久保田寛和, 岸 眞人, 何 祖源, 保立和夫:
“フォトニックバンドギャップファイバカプラに
おける結合長のコア間隔による変化,” 2012 年電子
情報通信学会総合大会, 岡山大学, C-3-72, p.221
(Mar. 20-23, 2012).
[60] 橋本章太郎, 何 祖源, 保立和夫: “タイムゲートを
用いた光周波数コムによる光コヒーレンス領域リ
フレクトメトリ,” 2012 年電子情報通信学会総合大
会, 岡山大学, B-13-36, p.541 (Mar. 20-23, 2012).
[61] 松本 豪, 関 柏鴎, 保立和夫, 何 祖源: “DBR ファ
イバレーザを用いた多点化能動型光ファイバセン
サ,” 2012 年電子情報通信学会総合大会, 岡山大学,
B-13-34, p.538 (Mar. 20-23, 2012).
92
廣瀬（明）研究室
Hirose Laboratory
(http://www.eis.t.u-tokyo.ac.jp/)
antiterrorism screening
A.Hirose, and S.Onojima
本年度はわれわれが提案する EPD 方式による受信機
を 1 次元アレイとし複素自己組織化マップ
(Complex-valued self-organizing map: CSOM)によるイメー
ジングシステムの構築を進めた。アクティブなミリ波イ
メージングは、広範な応用が期待されている。しかし、
ミリ波回路は一般的に損失が大きく、またアンプは高価
になりがちであるって、特にアレイ化に際して問題にな
る。低損失で安価なミリ波フロントエンドを実現するた
めに、EPD 方式を提案している。それは、アンテナで受
信した後すぐに検波を行うものでありミリ波アンプを持
たず、回路全体として高感度が望まれる。本論文でわれ
われは、フィンが厚いバルク直線テーパスロットアンテ
ナ（bulk TSA）を用いる高感度なミリ波イメージング用
フロントエンドを提案する。TSA が低インピーダンスで
あるため、受信パワーを大きくできる。このため、ミリ
波検波器を直結でき、ミリ波損失を提言できて、ミリ波
アンプを使わない回路構成が実現できる。CSOM による
可視化の予備実験を行い、移動する物体の 1 次元アレイ
によるイメージングが可能であることが確認できた。今
後、定量的な評価を行ってゆく予定である。
This year we concentrated upon the construction of a
Millimeter-wave (MMW) imaging system based on our
complex-valued self-organizing map (CSOM) and envelope
phase detection (EPD) method by employing one-dimensional
EPD front-end. MMW active imaging has potentially a
variety of applications. However, MMW circuits are often
lossy and amplifiers are costly, which is a serious problem in
particular in arrays using many front-end circuits in parallel.
To overcome this point, there have been some proposals such
as the EPS method where MMW is directly detected without
amplification just after received at the antenna. To realize a
high sensitivity, this paper proposes a MMW imaging
front-end using a bulk tapered slot antenna (bulk TSA). Since
bulk TSAs possess an intrinsically low impedance
characteristic, we can obtain a high detection power., resulting
in low loss in the MMW circuit. Then the parallel front-end
can be free from expensive MMW amplifiers. Preliminary
experiment demonstrated that the CSOM imaging system
realizes imaging of moving targets with the one-dimensional
array antenna. We are going to evaluate the imaging ability of
the system quantitatively.
研究現況
Current Research Projects
1. 対人プラスチック地雷可視化システム
廣瀬 明・江尻礼聡・松山和正
Antipersonnel Plastic Landmine Visualization
System
A.Hirose, A.Ejiri and K.Matsuyama
現在、地中レーダを利用した埋設地雷の可視化方法の
研究が活発に行われている。われわれのグループもこれ
ま で に 、 複 素 自 己 組 織 化 マ ッ プ (Complex-valued
self-organizing map: CSOM)を利用する新しい地中レーダ
を利用したシステムを提案している。そのシステムの概
要は、空間領域および周波数領域の複素テクスチャに着
目してその特徴量を抽出し、これを複素自己組織化マッ
プにより適応区分して、地雷埋設箇所を可視化するもの
である。これまでに、さまざまな困難な場合での可視化
に成功している。しかし、メカニカル高周波スイッチを
多用しているため、その寿命が短いという欠点があった。
また 2 次元アレイは高密度の配線を必要とし、保守作業
が難しかった。今年度はこれを解決するため、次の 2 点
について検討を進めた。(1)電子的な高周波スイッチも利
用する。(2)アレイを 1 次元化し機械式移動と組み合わせ
る。前者については、電子スイッチが高損失・高漏洩と
いう問題も持つため、高周波回路中の使用箇所と個数を
最適化した。これらに基づき新たな可視化システムを設
計し、政策に取り掛かった。
The complex-valued self-organizing map (CSOM)
realizes an adaptive distinction between plastic landmines and
other objects in landmine visualization systems. Previously
we developed our walled linearly tapered slot antenna (walled
LTSA) to construct a high-density array. We conducted field
experiments to confirm the high ability to visualize plastic
landmines buried in laterite soil. This year, we designed a new
visualization system to overcome the short lifetime of the
mechanical radio-frequency switches and the difficulty in
maintenance of the system using a large number of bundled
cables. To solve these problems, we considered (1)an
appropriate use of electronic switches and (2)the development
of one-dimensional array antenna combined with mechanical
motion. Since electronic switches have drawbacks of high loss
and leakage, we optimized the switching circuit by using both
of mechanical and electronic switches appropriately. Then we
designed the
3. 合成開口レーダ
廣瀬 明・夏秋 嶺・尚 方・押山 元
Synthetic Aperture Radars
A.Hirose, R.Natsuaki, F.Shang and G.Oshiyama
合成開口レーダ(SAR) は、人工衛星や航空機のよう
な、搭載できるアンテナのサイズに制限がある環境で等
価的にアンテナサイズを大きくして高分解能を得るため
の技術である。特に干渉合成開口レーダ(InSAR) は、地
2. ミリ波・マイクロ波イメージング
廣瀬 明・小野島 昇吾
Millimeter wave and microwave imaging for
93
震や火山による地形変動などを観測する際の重要な技術
であり、近年積極的に研究がなされている。InSAR の干
渉画像は、同一地域を 2 箇所ないしは時間を置いて 2 回
観測して得られた、 master と slave とよばれる 2 つの
複素振幅データを用い、お互いの位相差を取ることによ
って得られる。この干渉画像の周期性を解消することで
デジタル地形図(Digital Elevation Model: DEM) が得ら
れる。標高は本来保存場であるはずだが、実際の干渉画
像には位相特異点(Singular Point: SP)と呼ばれる回転
成分を持つ地点が多数存在し、正確な DEM の作成におけ
る深刻な障害となっている。本年は、より正確な干渉画
像を作成する手法として干渉像中の SP の数を指標にし
た新しい位置合わせと、振幅情報を元に崖の位置を推定
し、その崖を再現するのに必要な SP を残す方策を提案し
た。具体的には、位相特異点数を指標とした位置合わせ
手法、および Shape-from-Shading を応用した振幅情報か
らの崖の推定を提案した。提案手法を用いた干渉画像を
アンラップした DEM の SN 比には、改善が認められた。ま
た、偏波情報も利用したコヒーレンス最大化についても
実験を進めた。
Synthetic aperture radar (SAR) is a technology to construct
an equivalently large antenna to obtain high resolution with an
airborne or satellite-borne physically small antenna.
Interferometric SAR (InSAR) observes phase difference
between phase measurements of slightly different paths for a
target area, by which we can get the landscape (height and its
changes) information., resulting in digital elevation map
(DEM). It extends its applications to observations of
earthquakes and volcanic activities. Theoretically, SAR
interferogram should be a conservative field which mirrors the
geologic distribution. However, actual interferograms contain
a mass of rotational points named singular points (SPs). They
prevent creating accurate digital elevation model (DEM). We
think that many singular points indicate the local distortion in
the interferogram. To solve this problem, we proposed local
coregistration and phase correction by using amplitude
information. The signal-to-noise ratio has increased by this
method. In parallel we are conducting theoretical and
experimental research on coherence optimization for
full-polarimetric interferometric observation data obtained by
ALOS (Advanced Land Observation Satellite) of JAXA.
4.
ク受信信号によって決定した荷重をダウンリンクにも利
用できる可能性がある。そのためにはユーザ方向の移動
の予測が必要となるが、ダウンリンク時間が長いため、
これまで十分な性能を得ることが難しかった。昨年度ま
でにわれわれは、チャープ z 変換(CZT)を利用する、正確
な予測が可能で計算量が少ない新たな手法を提案してい
る。その計算量は、ゼロ埋め込み法や自己回帰法、高分
解能法などより小さいく優れている。また、周波数領域
で時間的な一時推定を行うことにより、予測の性能を向
上させることに成功している。この手法は、周波数領域
での解析の高い精度と時間領域での効果的な予測との両
特長を併せ持つ方式である。本方式によって、複数散乱
体が接近して位置している場合でも、高い精度でチャネ
ルを予測できることを示した。本年は、これをさらに発
展させ、非線形な予測を行うシステムの開発を進めた。
現在その性能を評価している。
This theme investigates adaptive channel prediction mthods
combining time- and frequency-domain signal processing.
Channel prediction is one of the most important issues for
dealing with fading environment. If a future channel response
is predicted, adaptive techniques such as pre-equalization and
beam forming can be employed before transmission in order
to avoid the degradation of communication quality. Previously
we proposed a highly accurate method to predict time-varying
channels by using a linear prediction of Fourier-domain
channel parameters. The method combines frequency-domain
and time-domain techniques. Simulation assuming a time
division duplex (TDD) system demonstrates that the proposed
method predicts varying channels very accurately. We also
presented the dependence of the prediction error on the length
of observation window and on the distance between scatterers.
It is found that our method reduces the prediction error even
when the scatterers are located very closely. This year, we
developed the above method to a nonlinear prediction method.
The evaluation is now under way.
5.
アダプティブ アンテナ システム
廣瀬 明・松井裕明
Adaptive Antenna Systems
A.Hirose and H.Matsui
高機能アンテナ
廣瀬 明・北澤清子・武本絵里加・
ニコラ ラドノビッチ
Highly functional antenna elements
A.Hirose, S.Kitazawa, E.Takemoto
and N.Radnovic
可変指向性を得るための典型的な方法は、フェーズ
ドアレイである。しかし、超広帯域(ultra wideband: UWB)
通信では波長が広く広がっているため、それを利用でき
ない。複数のアンテナをスイッチすることも、システム
が小型化するにしたがい、アンテナ間直接結合が大きく
なってうまく働かなくなる。以前にわれわれのグループ
はスイッチングとスタガ同調を用いた UWB 適応アンテ
ナを提案した。それを放射状アレイアンテナ(radially
arrayed gingko antenna, RAGA)と名づけた。しかしそれは
立体型であり、平面型ではなかった。平面型のものがで
本研究では、時間領域処理と周波数領域処理を組み
合わせるチャネル予測方式を探求している。移動体通信
でアダプティブアンテナを基地局に用いる場合、基地局
は受信したアップリンク信号からユーザ端末の方向を推
定してアンテナ荷重を決定し、空間分割多重を実現でき
る。その際、特に時分割二重通信方式では、アップリン
94
noise.
きれば、たとえばフレキシブル基板も利用して、ウエア
ラブルなアンテナができるなどの可能性も出てくる。提
案したものは 4 つのテーパスロットアンテナ(TSA)を放
射状に並べたものであり直接結合を低減している。ただ、
給電点での反射を十分小さくすることが難しかった。こ
れら問題を解決するため、本年は曲線形状と幅広給電線
による新たなアンテナを設計し、より高いマッチングと
より少ないサイドローブを実現した。
Phased array, which is a typical method for variable
directivity, cannot be applied to ultra wideband (UWB)
communications having widely distributed wavelength.
Switching several antenna elements to various directions
neither can work well since the direct coupling between the
elements gets stronger when the entire antenna system needs
to be miniaturized. Previously we realized a UWB adaptive
antenna based on switching and stagger tuning. However it
was not a planar antenna. Planar antennas also lead to
wearable antenna systems in combination with flexible
substrate. Then we proposed an antenna (radially arrayed
gingko antenna, RAGA) in which four tapered slot antenna
(TSA) elements are set radially to weaken the direct coupling.
Diode switching enables variable directivity. However,
reflection of the antenna is not small enough, and its side
lobes are intricate and complicated. To solve these problems
this year, we propose a novel antenna having slot fins with
curved outline and wide roots. We realize better impedance
matching and lower as well as smooth side lobes.
6.
7.
フラクショナル ブラウン運動の生成と利用
廣瀬 明・ダヌディルジョ ドニー
Generation and application of fractional Brownian
motion
A.Hirose and D.Danudirdjo
フラクショナル ブラウン運動(fractional Brownian
motion: fBm)は、自然界のさまざまな現象を記述するモデ
ルとして有効であり、その生成についてもさまざまな研
究が行われている。今年度は 2 次元あるいはそれ以上の
次元の fBm 新たな生成方法として、巡回埋め込みによる
生成アルゴリズムを提案した。巡回埋め込みについては、
1 次元の fBm の場合にはすでに報告例があるが、これを
2 次元に拡張することはこれまで簡単ではないと考えら
れてきた。われわれはこれを、最終目標 fBm の 2 次の差
分を考えることによりラプラス方程式を周波数領域で解
く問題に帰着させ、厳密解を得ることに成功した。2 次
元以上の多次元に容易に拡張可能なこととも、この解法
の利点である。本年は特に、合成開口レーダのデータを
補完する方法を提案し、実験によりその有効性を確認し
た。
Fractional Brownian motion (fBm) is a useful model to
represent various natural phenomena and its synthesis has
been a topic of interest in literature. We presented an
algorithm to generate two-dimensional fBm based on
circulant embedding method. Although this method has been
proven in simulating one-dimensional fBm, its extension into
two-dimensional is not straightforward. To solve the problem,
we use circulant embedding as an exact method to synthesize
the second-order increments of fBm, and recover the desired
fBm via integration in frequency domain. The advantage of
using second-order increments is its direct extensibility to any
dimension. Experimental results show that the proposed
method works efficiently fast and offers acceptable results
when compared to the theoretical statistics of fBm. We also
proposed an interpolation method of interferometric synthetic
aperture radar (InSAR) data based on the two-dimensional
fBm. Experiments proved the effectiveness in realizing more
precise co-registration and generating digital elevation map
(DEM) having higher signal-to-noise ratio.
アダプティブな超音波イメージング
廣瀬 明・寺林 光太郎
Adaptive ultrasonic imaging
A.Hirose and K.Terabayashi
音響イメージングにおける従来のアダプティブアレ
イは、ホイヘンスの原理によるため、狭帯域信号の場合
にのみ用いることができる。しかし、音響イメージング
においても、時間幅が非常に狭いパルスを利用したり広
帯域に周波数を掃引したりすることによって、分解能な
どを強化することができる。われわれは、このような広
帯域信号にも利用可能な音響イメージング方式の開発を
進めている。複素ニューラルネットワークに基づく適応
的な手法を使ってパワーインバージョン・アダプティブ
アレイ(PIAA)を実現しようと試みている。これによって
より高い解像度と低いスペックルノイズを実現できると
考えている。
In conventional adaptive array acoustic imaging, only
narrowband signals has been used because of the narrowband
characteristics of beamformers based on the Huygens'
principle. This year we started to investigate a new acoustic
imaging method suitable for ultra wideband signals. We used
a wideband beamforming technique based on complex-valued
neural networks to expand the power inversion adaptive array
(PIAA) method to realize high resolution and low speckle
8.
ニューラルネットワークのダイナミクスの基
礎解析
廣瀬 明
Fundamental analysis of neural network dynamics
A.Hirose
ニューラルネットワークの最も特徴的で重要な機能
の一つは、汎化である。本稿は、複素ニューラルネット
ワークと実数ニューラルネットワークの汎化特性を比較
した。特に、複素ニューラルネットワークが波動的なデ
ータを扱う際の汎化特性が、信号の波動性によってどの
ように変化するか調査した。複素および倍次元の実数ニ
95
ューラルネットワークとしてフィードフォワード型層状
ニューラルネットワークを取り上げた。簡潔な例として、
それらが時間信号に対して関数近似あるいはフィルタ的
な動作をするときの汎化特性を調べた。計算機実験の結
果、複素ニューラルネットワークは倍次元実数ニューラ
ルネットワークに比べて、その汎化特性が良好であり、
特に信号の波動性が高い場合にその差が顕著であること
が確認された。また、汎化が悪化する時の位相と振幅の
関係について調査した。
Generalization is one of the most important functions of
neural networks. We compared the generalization
characteristics in complex-valued and real-valued neural
networks. Assuming that a network deals with wave-related
data, we paid attention to the generalization variation
dependent on the degree of wave nature. We considered
feedforward layered neural networks in complex and real
domains. To elucidate the operation difference in the domains,
we investigated a simple case where the networks function for
function approximation or filtering of temporal signals.
Computer experiments demonstrated that the generalization
ability of the complex-valued neural network is better than
that of real-valued one in particular when the signal possesses
higher degree of wave nature. We also investigated the
relationship between the phase and amplitude values when the
generalization characteristic degrades.
論文・著書一覧
Publications List
研究論文
[1]
D.Radenamad T.Aoyagi A.Hirose, "High-sensitivity
millimeter-wave imaging front-end using a low
impedance linearly-tapered slot antenna," IEEE Trans.
on Antennas and Propagation, 59, 12 (2011) 4868-4872
[2]
Y.Nakano A.Hirose, "Taper-walled linearly tapered slot
antenna," IEEE Journal of Selected Topics in Applied
Earth Obervations and Remote Sensing, 4, 4 (2011) 779
- 784
[3]
S.Ozawa S.Tan A.Hirose, "Errors in Channel Prediction
Based on Linear Prediction in Frequency Domain -Combination of time-domain and frequency-domain
techniques --," URSI Radio Science Bulletin, 337 (2011)
25-29
[4]
A.Hirose "Nature of complex number and
complex-valued neural networks," Frontiers of Electrical
and Electronic Engineering in China, 6, 1 (2011)
171-180
国際会議論文
[5]
A.Hirose S.Yoshida, "Comparison of Complex- and
Real-Valued Feedforward Neural Networks in Their
Generalization Ability," Int'l Conf. on Neural Inform.
Processing (ICONIP) 2011 Shanghai, Proc. (Nov. 13-17,
2011, Shanghai) 526-531
[6]
A.Hirose
R.Natsuaki,
"Circular
Property
in
Complex-Valued Correlation Learning Observed in
CMRF-Based Singular Unit Restoration for Phase
Unwrapping, "Int'l Workshop on Intelligence Science
and Intelligent Data Engineering (ISciDE) 2011 Xi'an,
Proc. (Oct. 23-27, 2011, Xi'an) Researches from Japan
Paper 4
[7]
D.Danudirdjo A.Hirose, "Synthesis of two-dimensional
fractional Brownian motion via circulant embedding,"
Int'l Conference on Image Processing (ICIP) 2011
Brussels, Proc. (Sept.. 11-14, 2011, Brussels) 1109-1112
[8]
I.Aizenberg D.Mandic A.Hirose, "Complex-valued
neural networks: New trends and applications
(Tutorial)," Int'l Joint Conference on Neural Networks
(IJCNN) 2011 San Jose, Proc. (July 31 - Aug. 5, 2011,
San Jose) Tutorial T-5
[9]
A.Hirose, "Complex-valued neural networks in remote
sensing and imaging," Int'l Geosci. and Remote Sens.
Symposium (IGARSS) 2011 Vancouver, Proc. (July
25-29, 2011, Vancouver) Tutorial HD-3
[10] R.Natsuaki A.Hirose, "Local co-registration for
distortion reduction in SAR interferogram using
96
その他
amplitude information -- Combination of SPEC method
and shape-from-shading --," Int'l Geosci. and Remote
Sens. Symposium (IGARSS) 2011 Vancouver, Proc.
(July 25-29, 2011, Vancouver) TUP-B.4
[21] 廣瀬 明、吉田 昭太郎、「関数近似におけるフィ
ードフォワード複素ニューラルネットワークの汎
化特性」、東北大学・電気通信研究所「複素ニュー
ラルネットワークの実用化」共同プロジェクト研究
会、(Dec. 26, 2011, Sendai)
解説
[11] 廣瀬 明、
「"IEICE Transactions on Electronics"は誰
を幸せにするか」、電子情報通信学会エレクトロニ
クスソサイエティ・ニュースレター、No.145 (2011)
3-4
[22] Alan Yuille, Akira Hirose, Andrey S. Krylov, Wai-Kiang
YEAP, Yanning Zhang, Xinbo Gao, Enhong Chen,
Xiang Li, Changyin Sun, "Sino-foreign-interchange
special panel on graduate education and research," Int'l
Workshop on Intelligence Science and Intelligent Data
Engineering (ISciDE) 2011 Xi'an, Proc. (Oct. 23-27,
2011, Xi'an) Sino-foreign-interchange special panel
[12] 廣瀬 明、宮森 高、「小特集「五感情報処理」 編
集にあたって」、電子情報通信学会誌 94, 6 (2011)
447
[23] 廣瀬 明、「人道的地雷除去技術研究に対する柔軟
で親身のご支援の有り難さ」、立石科学技術振興財
団・助成研究成果集、No.20 (2011)
シンポジウム・研究会・大会等発表
[13] 江尻礼聡、廣瀬明、「別モード情報の統合を行う複
数複素 SOM を用いた地雷可視化システムの構築」、
信学会ニューロコンピューティング研究会、
NC2011-136 (March 14, 2012, Tokyo)
特許
[24] 廣瀬明、谷澤 健、波形劣化補償方法及び装置、特
許取得(2011-8-1)、特許 4820984
[14] 廣瀬明、吉田昭太郎、「波動的なデータを扱う際の
複素ニューラルネットワークの汎化特性」、信学会
ニューロコンピューティング研究会、NC2011-135
(March 14, 2012, Tokyo)
受賞
[25] A.Handayani A.B.Suksmono T.L.R.Mengko, A.Hirose,
IGI Global's Excellence in Research Journal Award for
"Blood Vessel Segmentation in Complex-Valued
Magnetic Resonance Images with Snake Active Contour
Model," International Journal of E-Health and Medical
Communications, 1(1) , 26-Aug-11
[15] 夏秋嶺、廣瀬明、「陰影からの形状知覚と位相特異
点観測による SAR 干渉画像の修正」
、信学会電磁界
理論研究会、EMT11-135 (Nov. 17, 2011, Takaoka)
[16] 小野島昇吾、廣瀬明、「ミリ波イメージングシステ
ム用 Ka 帯直線テーパスロットアンテナとフロント
エンド」
、信学会電磁界理論研究会、EMT11-124 (Nov.
17, 2011, Takaoka)
[26] 夏秋嶺（廣瀬明研）、電子情報通信学会 平成 22 年
度電磁界理論研究会学生優秀発表賞、電子情報通信
学会電磁界理論研究専門委員会、28-May-11
[17] 江尻礼聡、廣瀬明、「多モード情報を統合する複数
の複素 SOM による地雷概念形成」
、コンピューテー
ショナル・インテリジェンス研究会(September 30,
2011, Kyoto)
[18] 小野島昇吾、廣瀬明、「位相感受型ニューラルネッ
トワークを用いたミリ波イメージングシステム」、
コンピューテーショナル・インテリジェンス研究会、
(September 30, 2011, Kyoto)
[19] 夏秋嶺、廣瀬明、「振幅からの位相差推定と位相特
異点を利用した SAR 干渉画像の修正」、信学会宇
宙・航行エレクトロニクス研究会、SANE2011-23
(June 23, 2011, Tsukuba)
著書
[20] R.Natsuaki A.Hirose, "Local, fine co-registration of
SAR interferometry using the number of singular points
for
the
evaluation,"
Interferometry,
In-Tech
Interferometry
/
Book
1
(ISBN
979-953-307-376-6)
97
山下研究室
Yamashita Laboratory
(http://www.sagnac.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1. ナノカーボンモード同期レーザ
山下真司・マルチネス アモス・徐博・王宇・
長谷川雄大
Mode-Locked Lasers using Nano-Carbons
S. YAMASHITA, A. MARTINEZ, B. XU, Y. Wang,
Y. HASEGAWA
カーボンナノチューブ(CNT)およびグラフェンの可飽
和吸収性を用いたモード同期レーザの研究を進めている。
CNT およびグラフェンが超小型であるという特長を生
かし、超小型モード同期光ファイバレーザの研究を進め
た。長さ 2cm から 0.5cm の Er:Yb 光ファイバレーザを試
作し、波長 1.55m で繰り返し周波数 5-20GHz の超高繰
り返しモード同期動作を確認した。パルス幅約 1ps で、
安定に発振しており、高非線形光ファイバに入力するこ
とにより 300nm 以上の広がる広帯域スーパーコンティニ
ウム(SC)光の発生にも成功している。現在は実験・シミ
ュレーションによる詳細な検討を進めると共に、波長
1m の Yb 光ファイバレーザの試作、および導波路型レ
ーザの試作を進めている。
また、これまでのモード同期光ファイバレーザは異常
分散領域でのソリトンモード同期であったが、パルスエ
ネルギーを上げるのが難しい。それに対し、正常分散を
利用するシミラリトンもしくは散逸(Dissipative)モード
同期では出力パルスはチャープするもののパルスエネル
ギーを上げることができる。本研究では、CNT またはグ
ラフェンを用いてこのような超高強度モード同期光ファ
イバレーザの実現に向けた研究も進めている。CNT また
はグラフェンは超高強度にも耐えられる光ファイバ型デ
バイスとしている。リングまたは 8 の字型構成で共振器
内の分散をコントロールすることにより、さまざまなモ
ード同期ができることを明らかにしている。現在は、偏
波維持光ファイバでの安定な 8 の字型モード同期光ファ
イバレーザの実現、波長 1m での Yb 光ファイバレーザ
の実現を目指している。
We are studying the mode-locked fiber lasers (ML-FL)
using carbon nanotubes (CNT) and graphene as a saturable
absorber (SA). Taking advantage of small size of the SA, we
have been studying short-cavity ML-FL. We realized short (2
to 0.5cm) Er:Yb-doped fiber lasers, and confirmed stable ML
operation at high (5 to 20GHz) repetition rate with pulse
duration of ~1ps at wavelength of 1.55 m. We also
demonstrated supercontinuum (SC) generation spanning over
300nm in highly nonlinear fiber. We are now conducting more
detailed study of the operation in experiment and simulation,
trials of Yb-doped ML-FL at 1 m, and ML waveguide lasers.
98
Soliton ML-FLs have been used for ultra-short pulse
generation, whose net cavity dispersion is anomalous.
However, output pulses are stable only at a given power,
normally low. Advanced ML-FLs, such as similariton or
dissipative ML-FLs, can generate high-energy pulses though
they are chirped, with the aid of normal dispersion. We are
trying to realize these advanced ML-FLs using CNT and
graphene. The SAs are designed to be a fiber-type so that they
can endure high power. By controlling net cavity dispersion in
the ring laser or figure-of-eight laser (F8L) configurations, we
have shown that various types of ML pulses are generated.
Currently, we are trying to realize polarization-maintaining
(PM) F8L, and Yb-doped ML-FL at 1 m.
2. ナノカーボン非線形デバイス
山下真司・マルチネス アモス・徐博
Nano-Carbon based Nonlinear Photonic Devices
S. YAMASHITA, A. MARTINEZ, B. XU
カーボンナノチューブ（CNT）およびグラフェンは可
飽和吸収性のみならず、高い３次光非線形性を持ってい
る。これを用いた全光信号処理のための CNT／グラフェ
ン非線形デバイスの研究を進めている。CNT については
昨年度までに四光波混合(FWM)に基づく波長変換に成功
している。本年度はグラフェンと CNT の FWM 効率の比
較を行った。CNT およびグラフェン薄膜を光ファイバ端
面に載せたサンプルでの FWM を観測し、両者ともほぼ
同じ効率をもつこと、光照射法によるグラフェンよりも
機械的剥離によるグラフェンのほうが効率が高く、また
光ダメージも少ないことを見出した。また、テーパー光
ファイバ型 CNT デバイスを試作し、10Gb/s 光信号の波
長変換を実現している。
CNT and graphene have been known to have high 3rd-order
nonlinearity along with saturable absorption. We are studying
the photonic functional devices using the nonlinearity. By the
last year, we have realized four-wave mixing (FWM) based
wavelength conversion. This year, we compared FWM
efficiencies of CNT and graphene. We observed FWM in both
CNT and graphene thin films on the fiber end surfaces, and
found that they have similar level of efficiencies, and
mechanically-exfoliated graphene has higher efficiency and
better endurance against high power than the
optically-deposited one. We also fabricated tapered-fiber
-type CNT device and demonstrated wavelength conversion
of 10Gb/s signal.
3. 高速・広帯域波長可変光ファイバレーザとその
OCT 応用
山下真司・田久保勇也・永井宏和
Fast and Widely Tunable Fiber Lasers for OCT
Applications
S. YAMASHITA, Y. TAKUBO, H. NAGAI
光コヒーレンストモグラフィ(OCT)への応用を目的と
して、共振器中の分散を利用することで広帯域かつ高速
に波長を掃引できるモード同期ファイバレーザの研究を
進めている。共振器中に用いる分散媒質として長尺の分
散補償ファイバ(DCF)に代えて短尺のチャープ光ファイ
バグレーティング（CFBG）を利用し、さらに反射型半
導体光増幅器(RSOA)との組み合わせにより短共振器化
を図り、1MHz 近くまでの高速スキャンを実現すること
ができた。また、高速スキャン時の干渉特性は SOA の自
己位相変調効果(SPM)により劣化し、これは異常分散を
用いることで打ち消すことができることを確かめた。更
なる性能改善に向けて努力している。非線形性を補償し
ながら超高速処理が可能な SS-OCT システムを構成し、
高速での OCT 画像を取得することにも成功した。さらに、
OCT システムを利用した医療分野（耳鼻科領域）の研究
者との共同研究を進めている。
We are studying widely and fast wavelength tunable ML-FL
using dispersion tuning for optical coherence tomography
(OCT). We realized a short-cavity ML-FL by using a chirped
fiber Bragg grating (CFBG) as a dispersive element instead of
long dispersion compensating fiber (DCF), and by using
reflective semiconductor optical amplifier (RSOA), and
achieved very fast sweep rate up to ~1MHz. We also
confirmed that the coherence at fast sweep is degraded by
self-phase modulation (SPM) in SOA, which can be
compensated by use of anomalous dispersion. We are trying to
improving their performances. We also composed a fast
SS-OCT system with nonlinearity compensation, and
succeeded in taking OCT images at high speed. We are also
collaborating with medical doctors in otorhinolaryngology for
clinical applications.
4. ナノカーボンモード同期レーザからの SC 光の
OCT 応用
山下真司・マルチネス アモス・山内智裕
SC Sources using Nano-Carbon Mode-Locked
Lasers for OCT Applications
S. YAMASHITA, A. MARTINEZ, T. YAMAUCHI
CNT およびグラフェンを利用した種々の受動モード同
期光ファイバレーザからの短パルス光(パルス幅 1ps 以
下）をシードパルスとして用いることにより、高非線形
光ファイバにおいてスーパーコンティニウム(SC)光の発
生ができることを確認した。SC 光の平坦化・高出力化に
向けて実験及びシミュレーションを進めている。また、
高速処理が可能な SD-OCT システムを構築し、OCT 画像
取得に向けた基礎実験を進めている。
We demonstrated supercontinuum (SC) generation in
highly nonlinear fiber using nanocarbon-based ML-FL (pulse
width < ~1ps) as a seed source. We are investigating toward
high-power and flat SC generation in experiment and
simulation. We composed a fast SD-OCT system, and
conducting experiments toward taking OCT images.
論文・著書一覧
Publications List
研究論文
[1]
A. Martinez and S. Yamashita, “Mechanical exfoliation
of graphene for the passive mode-locking of fiber
lasers,” Applied Physics Letters, vol.99, no.121107, Sept.
2011.
[2]
S. Yamashita, “A tutorial on nonlinear photonic
applications of carbon nanotube and graphene (Invited
Tutorial),” IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology,
vol.30, no.4, pp.427-447, Feb. 2012.
国際会議論文
[3]
S. Yamashita, and Y. Takubo, “Fast wavelength-swept
dispersion-tuned fiber laser over 500kHz using a
wideband chirped fiber Bragg grating,” Int. Conf. on
Optical Fiber Sensors (OFS2011), Toronto, Canada,
no.7753-196, May 2011.
[4]
S. Yamashita, “Nonlinear photonics in carbon nanotubes
and graphenes (Invited),” European Conference on
Lasers and Electro-Optics (CLEO-EU 2011), Munich,
Germany, no.CD1.1, May 2011.
[5]
A. Martinez and S. Yamashita, “Fiber Fabry- Pérot laser
mode-locked by graphene for the generation of
supercontinuum with 0.08nm mode spacing,”
Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2011,
Baltimore, USA, no.CMAA4, May 2011.
[6]
K. Fuse, A. Martinez, and S. Yamashita, “Stability
enhancement of carbon-nanotube-based mode-locked
fiber laser by Nitrogen sealing,” Conference on Lasers
and Electro-Optics (CLEO) 2011, Baltimore, USA,
no.CMK5, May 2011.
[7]
B. Xu, A. Martinez, K. Fuse, and S. Yamashita,
“Generation of four wave mixing in graphene and
carbon nanotubes optically deposited onto fiber
ferrules,” Conference on Lasers and Electro-Optics
(CLEO) 2011, Baltimore, USA,no.CMAA6, May 2011.
[8]
B. Xu, M. Omura, M. Takiguchi, A. Martinez, T.
Ishigure, S. Yamashita, T. Kuga, “Four-wave-mixing
based wavelength conversion in a tapered fiber coated
with
carbon
nanotubes/polymer
composite,”
Micro-optics Conference (MOC2011), Sendai, Japan
no.H-16, Nov. 2011.
[9]
A. Martinez and S. Yamashita, “Stretch-pulse
mode-locking employing a carbon nanotube saturable
absorber,” Micro-optics Conference (MOC2011), Sendai,
Japan, no.J-4, Nov. 2011.
[10] S. Yamashita, “Nonlinear photonic applications of
carbon nanotube and graphene (Invited),” Asia
99
Communications and Photonics Conference (ACP2011),
Shanghai, China, no. 8307-41, Nov. 2011.
mode-locking employing carbon nanotubes and
graphene,” 電子情報通信学会光エレクトロニクス
研究会(OPE), 機械振興会館, 東京, no.OPE2011-204,
2012 年 3 月 2 日.
シンポジウム・研究会・大会等発表
[11] 山下真司, “マルチコア伝送に向けた光信号処理技
術（招待講演）,” 光通信インフラの飛躍的な高度
化に関する時限研究専門委員会研究会, とかちプラ
ザ, 北海道, 2011 年 8 月 25 日.
[22] 田久保勇也, 山下真司, “反射型 SOA とチャープ
FBG を用いた分散チューニングファイバレーザの
OCT 応用,” 電子情報通信学会 2012 年総合大会, 岡
山大学, 岡山, no.B-13-33, 2012 年 3 月 20-23 日.
[12] 山下真司, “カーボンナノチューブ/グラフェンを利
用した光学デバイス（招待講演）,” 光産業技術振
興協会 第 2 回光材料･応用技術研究会, 機械振興会
館, 東京, 2011 年 8 月 26 日.
[23] Amos Martinez, Shinji Yamashita, “ Stretched-Pulse
fiber laser using mechanically exfoliated graphene,” 電
子情報通信学会 2012 年総合大会, 岡山大学, 岡山,
no.B-13-17, 2012 年 3 月 20-23 日.
[13] 山下真司, “カーボンナノチューブ／グラフェンの
非線形フォトニクス応用（依頼講演）,” 電子情報
通信学会 2011 年ソサエティ大会, 北海道大学, 北海
道, no. C-4-1, 2011 年 9 月 13-16 日.
[14] 田久保勇也, 山下真司, “チャープ FBG を利用した
高速・広帯域分散チューニングファイバレーザ,” 電
子情報通信学会 2011 年ソサエティ大会, 北海道大
学, 北海道, no. B-13-21, 2011 年 9 月 13-16 日.
[15] Bo Xu, Amos Martinez, Shinji Yamashita,
“ Four-wave-mixing based tunable wavelength
conversion in mechanically exfoliated graphene,” 電子
情報通信学会 2011 年ソサエティ大会, 北海道大学,
北海道, no. B-10-44, 2011 年 9 月 13-16 日.
[16] Amos Martinez, Kazuyuki Fuse, Shinji Yamashita,
“Fiber lasers modelocked by mechanical exfoliated
graphene,” 電子情報通信学会 2011 年ソサエティ大
会, 北海道大学, 北海道, no. C-4-35, 2011 年 9 月
13-16 日.
[17] 山下真司, “カーボンナノチューブ/グラフェンの非
線形光デバイス応用（招待講演）,” 日本学術振興
会光電相互変換第 125 委員会第 214 回研究会, 静岡
大学浜松キャンパス, 静岡, 2011 年 10 月 14 日.
[18] 山下真司, “カーボンナノチューブ／グラフェンの
非線形光学とその応用（招待講演）,” 応用物理学
会・量子エレクトロニクス研究会「非線形光学 50
年 その基礎と材料・デバイスおよび応用」, 上智大
学軽井沢セミナーハウス, 長野, 2011 年 12 月 9-11
日.
[19] 山下真司, “カーボンナノ材料を用いた光源とセキ
ュアライフ応用（招待講演）,” 電子情報通信学会
研究会「グリーン＆ライフイノベーションに向けた
次世代ナノ材料・デバイス」, 産業技術総合研究所・
臨海副都心センター, 東京, 2012 年 1 月 16 日.
[20] 山下真司, “カーボンナノチューブ／グラフェンの
光学特性とその応用（招待講演）,” 光産業技術振
興協会マンスリーセミナー, 光産業技術振興協会,
東京, 2012 年 2 月 21 日.
[21] A. Martinez and S. Yamashita, “ Stretch-pulse
100
大津・八井研究室
Ohtsu & Yatsui Laboratory
(http://uuu.t.u-tokyo.ac.jp)
(http://www.lux.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
低環境負荷なデバイス材料として広く用いられている。
例えば Si フォトダイオード（Si-PD）は近赤外から近紫
外までの広い感度帯域を持ち、一般的な光電変換素子で
ある。その長波長側の感度限界はバンドギャップエネル
ギーEg によって制限され、波長 1.1 μm 以上では感度
が急激に低下する。この感度帯域を例えば 1.3 μm 帯ま
で拡大することができれば、InGaAs 等を用いた光通信
帯用の受光素子を Si に置き換えることが可能になり、
レアメタル問題にも貢献しうる。
この波長域拡大のため、本研究ではドレスト光子を利
用した赤外 Si-LED の作製・発光の原理を応用し、禁制
されたフォノン凖位への遷移を介して電子・正孔対を生
成し、1.3 μm 帯の Si-PD の実現を試みた。
Si-PD は B イオン打ち込みをすることでホモ接合を
形成した Si 基板に電流を流し、ジュール熱によるアニ
ールとレーザー光照射による誘導放出を利用した冷却を
同時に行うことで作製される。作製された素子は照射す
るレーザーの波長に対して高い感度を有することが予想
されるので、作製には波長 1.32 μm の半導体レーザー
を用いた。なお、素子表面にはスパッタリング法により
p 側表面に ITO、裏面に Cr/Al を堆積させ電極を形成し
た。
Si-PD の赤外領域の感度特性の結果から、Eg によっ
て決まる波長 1.1 μm より長波長まで感度が広がって
おり、アニール後の素子は 1.16 μm 以上の波長では参
照用の市販 PD（浜松ホトニクス製 S3590）の約 3 倍高
感度であった。この感度特性の評価はゼロバイアスで行
ったが、アニール時と同様に順方向電流 Ib を加えると
波長 1.32 μm にも高い感度有していることが分かった。
これは素子内で誘導放出による増幅が起きているためで
あると思われる。
We fabricated a novel photodetector by subjecting a Si
crystal having a p–n homojunction to phonon-assisted
annealing. The photosensitivity of this device for incident
light having a wavelength of 1.16 μm or greater was about
three times higher than that of a reference Si-PIN photodiode.
The photosensitivity was increased for incident light with a
wavelength of 1.32 μm by applying a forward current. When
the forward current density was 9 A/cm2, a photosensitivity of
0.10 A/W was achieved. This value is at least 4000 times
higher than the zero-bias photosensitivity. This remarkable
increase was due to the manifestation of optical amplification
cause by the forward current injection. For a forward current
density of 9 A/cm2, the small-signal gain coefficient of the
optical amplification was 2.2×10−2, and the saturation power
was 7.1×102 mW.
1. ホモ接合Si-LEDを用いた光・電気弛張発振器
大津元一・川添忠・和田 直樹
An optical and electrical relaxation oscillator using a
Si homojunction structured light emitting diode
M. OHTSU, T. KAWAZOE, and N. WADA
我々はこれまでに、バルク Si 結晶のホモ接合を用いド
レスト光子により動作する LED の作製に成功している。
これは As をドープした Si 基板に B(ボロン)をイオン打ち
込み法でドープした後、バンドギャップ以下の光子エネ
ルギーを持つ光を照射しながら電流を加えてアニールす
ることにより作製され、波長 1.1～1.7m 以上に広がる
EL 発光スペクトルを持つ。また素子中の pn 接合部には
ドレスト光子の発生源となる B の不均一分布が存在し、
結晶基板面積と厚さがある程度以上のとき、この不均一
分布から S 型の負性抵抗が生じる。負性抵抗を持つ素子
は例えばコンデンサを並列に接続する等の簡単な回路に
よって発振し、これは弛張発振(relaxation oscillation)と呼
ばれる。
今回、3 mm × 3 mm の面積を有する Si-LED を用いて
動作検証を行った。発生する光と電圧の発振は高い安定
性を示し、100:1 以上の光変調深さと 70[V]の振幅を持つ
電圧の発振が得られた。また 34[kHz]までの周波数で動
作することを確認している。
We propose an optical and electrical relaxation oscillator
making use of an S-shaped negative resistance characteristic
of a recently developed light-emitting diode using a bulk
silicon crystal homojunction. From simulations, we found that
the voltage and optical power oscillated synchronously, and
their oscillation frequency increased with increasing injection
current. The synchronous oscillation was also confirmed by
experimental measurements. The amplitude of the voltage was
50 Vp-p, the amplitude of the optical power was 3 mWp-p, and
the maximum oscillation frequency was 34 kHz. The
measured value of the spontaneous emission lifetime of a Si
wafer was 900 ps, which was as short as that of direct
transition-type semiconductors.
2. メサ構造 InAs 量子ドットを用いたナノ光論
理ゲートの室温動作
大津元一・川添忠・田中肇
Two-dimensional array of room-temperature
nanophotonic logic gates using InAs quantum dots
in mesa structures
M. OHTSU, T. KAWAZOE, and H. TANAKA
3. 光化学気相堆積法を用いたZnO の室温成長
大津元一・八井崇・北村心・中西康輔
Room-temperature growth of high-quality ZnO
nanocrystals using a dressed-photon-assisted
near-field process
地球上に豊富に存在し、毒性の低い Si は低コスト、
101
ダイオード（LD）材料としても不適である。しかしなが
ら電子素子へオンダイで実装が容易にできるため LD 動
作のための多くの応用研究が行われている。Si ラマンレ
ーザや量子サイズ効果を利用したレーザの成果報告があ
るが、動作温度、効率、発信波長など実用化にはまだ問
題が存在する。我々はドレスト光子を利用した Si-LED[2]
を利用した Si-LD の開発に着手しており、その動作確認
した。
n 型 Si 基板に p ドーパントをイオン打ち込み法で導
入した後、光を照射しながら電流を加えてアニールする、
という手 法に よって作 製さ れた寸法 1mm× 2mm の
Si-LED に波長 1.32μm のレーザを 0.9mW の光パワーで
照射した時に得られる信号利得の電流密度依存性結果か
ら、透明電流密度 Jtr=26.3A/cm2 を得た。この値は他の直
接遷移型半導体素子から得られる結果よりも 1 桁ほど
小さく十分レーザ媒質として機能することが分かった。
次にこのホモ接合 Si 基板をリッジ構造に加工し LD 素
子を作製した。素子両端の劈開面で構成される共振器長
は 250μm であった。電流が閾値電流以下（I＜Ith）の場
合、リッジ構造部分を中心に素子全体から散乱光が観測
された。電流が閾値電流を越えると（I＞Ith）光の放射パ
ターンが急激に変化し、リッジ構造からの光放射が急激
に大きくなり、指向性を示した。この時の出力光スペク
トル変化を観測したところ、1280～1340nm の平坦な領
域には縦モードと思われる干渉が現れ、その振幅が電流
の増加に従って大きくなっており、ASE ノイズであるこ
とが分かる。また閾値電流 60mA の時、波長 1358nm に
レーザ発振を示す鋭いピークが現れ、ASE ノイズが 5%
小さくなった。60mA でレーザ発振のため出力光が急速
に大きくなっている。レーザ発振時の出力光パワーは 52
μW 以上（検出器の飽和のため正確な値は不明）であっ
た。なお、電流 40mA～55mA の間、出力光増加が一度
緩 や か に な っ て い る が 、 こ れ は 観 測 領 域
（1220nm-1380nm）以外の波長でレーザ発振が起こって
いるためであると考えている。
M. OHTSU, T. YATSUI, and Y. NAKANISHI
ZnO は 3.37eV のワイドバンドギャップを持つ直接遷
移型半導体であることから光学材料として期待されてい
るだけでなく、励起子結合エネルギーが 60meV と非常
に大きな値を持つことから室温動作可能な光スイッチな
どのナノフォトニックデバイスへの応用が有望視されて
いる。ナノフォトニックデバイス作製の為にはその半導
体量子ドットのナノスケールの位置・寸法制御が必要と
されているが、従来の MBE 法による作製では横方向の
制御が原理的に困難である。横方向のナノスケール制御
を可能とする方法としてプローブをはじめとする近接場
光による結晶成長法が有効であると考えられる。しかし
ながら、光を用いて良好な発光特性を持つ半導体を成長
したという報告は少ない。そのため、本研究では近接場
光を用いる前にまず伝搬光のエネルギーによって成長を
行う光化学気相堆積法(PCVD 法)により室温で良好な発
光特性をもつ ZnO の作製を試みた。
原料ガスとしてジエチル亜鉛(DEZn)と O2 を、またこ
れら原料ガスを解離させる為の入射光源として Q スイ
ッチパルスレーザ(波長 213nm、0.5mJ、20Hz、5ns)を使
用した。DEZn の吸収端波長は 270nm、O2 の吸収端波長
は 240nm であることから、レーザ光を吸収し原料分子の
解離反応を起こすことによって ZnO の成長反応が進む
と考えられる。3 時間の成長の結果、レーザ照射部に堆
積物が確認された。6K において 3.361eV での発光、ま
た室温においても半値幅 173meV という良好な発光特性
であった。XRD によるθ/2θ測定の結果から、ZnO の
(100)、(002)、(101)面に対応する値においてピークが観測
された。
上記結果を基に、近接場光発生用にナノ構造パターン
基板を用い、波長 325nm の光を用いて堆積を行ったとこ
ろ、ナノ構造パターンがある場所にのみ ZnO ナノ結晶
の体積が確認された。本結果は、ナノ構造パターンに発
生した近接場光によってのみ、原料ガスのかい離が進み、
選択的な堆積が実現したことを意味している。
Single-crystalline ZnO nanocrystals were fabricated by
room-temperature photo-chemical vapor deposition (PCVD).
We further enhanced the growth of high-quality
single-crystalline ZnO nanocrystals using dressed photons and
phonons (DPPs). This resulted in greater position control and
the growth of high-quality ZnO nanocrystals. The ZnO
nanocrystals produced with DPPs had excellent
cathodoluminescence characteristics, indicating that the
near-field PCVD process could be a promising technique for
nanophotonic integrated circuit production.
We fabricated several near-infrared Si laser devices
(wavelength ∼ 1300 nm) showing continuous-wave
oscillation at room temperature by using a
phonon-assisted process induced by dressed photons.
Their optical resonators were formed of ridge
waveguides with a width of 10 μm and a thickness of 2
μm, with two cleaved facets, and the resonator lengths
were 250–1000 μm. The oscillation threshold currents
of these Si lasers were 50–60 mA. From near-field and
far-field images of the optical radiation pattern, we
observed the high directivity which is characteristic of a
laser beam. Typical values of the threshold current
density for laser oscillation, the ratio of powers in the
TE polarization and TM polarization during oscillation,
the optical output power at a current of 60 mA, and the
external differential quantum efficiency were 1.1–2.0
kA/cm2, 8:1, 50 μW, and 1 %, respectively.
4. ホモ接合Si を用いたSi レーザの動作検証
大津元一・川添忠
Si homojunction structured near-infrared laser
based on a phonon-assisted process
M. OHTSU, T. YATSUI, and Y. Liu
間接遷移型半導体の Si は LED の場合と同じくレーザ
102
Emission from a dipole-forbidden energy state in a
ZnO quantum dot induced by a near-field
interaction with a fiber probe
M. OHTSU, and T. YATSUI
5. 超高速第二高調波顕微鏡を用いた光の空間
的・時間的局在化の直接観測
大津元一・八井崇・北村心
Observing the localization of light in space and time
by ultrafast second-harmonic microscopy
M. OHTSU, T. YATSUI, and K. KITMURA
回折限界を超えた微細化を実現するために、近接場光
による量子ドット間のエネルギー移動を利用したナノフ
ォトニックデバイスが研究されており、その材料として、
室温で励起子が安定に存在できる ZnO の量子ドット
（QD）の使用が検討されている。
QD は、量子閉じ込めの効果により、バルク半導体とは
異なる様々な光学的性質を示す。閉じ込め領域の波動関
数の対称性から生じる電気双極子禁制遷移もその１つで
ある。そして、QD の電気双極子禁制遷移を利用したデ
バイスとして、QD 列を用いたエネルギー伝送路などが
提案されている。
しかし、ZnO QD の電気双極子禁制遷移における励起子
の光学的性質はあまり知られていない。そのため本研究
では走査型近接場光学顕微鏡による分光を通じて、電気
双極子禁制遷移における励起子の光学的特性を調査する
ことを目的としている。近接場光学顕微鏡による分光で
はファイバプローブとの近接相互作用によって、通常で
は発光しない電気双極子禁制遷移からの励起子からの発
光が期待される。
ファイバプローブを ZnO QD に近接させた状態で分光
測定を行った。ファイバプローブを離した状態 (Far:
d>1m)と近接させた状態(Near: d~10nm)のスペクトルを
比較した。その結果、3.50eV 付近のメインのピークは電
気双極子許容である最低励起準位の励起子からの発光で
あるが、ファイバを近接させることによって 3.62eV 付近
に新たなピークがあらわれていることがわかった。これ
はファイバプローブとの近接場相互作用によって電気双
極子禁制遷移の励起子からの発光が誘起されたものと考
えられる。
さらに最低励起準位からの発光強度、禁制である励起
準位からの発光強度の空間分布をそれぞれ比較したとこ
ろ、強度比が大きく変化する結果が得られた。本結果は、
QD 膜厚の不均一性、ファイバ表面の凹凸などによって
生じる、QD－ファイバプローブ間距離の不均一性による
起因するものであると推測される。
The emission intensity from the dipole-forbidden state in a
spherical quantum dot (QD) was enhanced by introducing an
aperture fiber probe close to the ZnO QD to induce a
near-field interaction between the probe tip and the QD. The
cross-sectional profiles of the photoluminescence intensities
of the ground exciton state and the excited exciton states
varied spatially in an anti-correlated manner.
原子が規則正しく配列している媒質（理想的な結晶）
は世の中には存在しないため、理想的な結晶とは対照的
なランダム媒質における電気や光の振る舞いを知ること
が重要となっている。ランダム媒質中の電子に関するア
ンダーソン局在の予言から 50 年以上が経過し、近年は、
その類推から光における局在についても注目が集まって
いる。しかしながら、光の特性である高速性と非局在性
から、局在化過程の時間空間ダイナミクスの直接観測は
依然として困難なものとなっている。
そこで、ナノ構造における滞在時間よりも短い時間分
解能（数フェムト秒）を有する、第二高調波顕微鏡法を
開発した。ランダム媒質には、高品質な単結晶酸化亜鉛
（ZnO）ナノニードル（ナノ寸法の針状の構造）を用い
た。上記を組み合わせることによって、ランダム誘電体
媒質中（ZnO ナノニードル）の光波の時間的・空間的局
在化を観測することに世界で初めて成功した。
本成果は、光のアンダーソン局在の可視化という、基
礎研究であるが、本成果を発展させることにより、光局
在を有効利用可能となるため、新規光源や、太陽電池に
おける太陽光の有効活用が可能となるなど、様々な応用
が期待される。
Multiple coherent scattering and the constructive
interference of certain scattering paths form the common
scheme of several remarkable localization phenomena of
classical and quantum waves in randomly disordered media.
Prominent examples are electron transport in disordered
conductors, the localization of excitons in semiconductor
nanostructures, surface plasmon polaritons at rough metallic
films or light in disordered dielectrics and amplifying media.
However, direct observation of the fundamental
spatiotemporal dynamics of the localization process remains
challenging. This holds true, in particular, for the localization
of light occurring on exceedingly short femtosecond
timescales and nanometre length scales. Here, we combine
second harmonic microscopy with few-cycle time resolution
to probe the spatiotemporal localization of light waves in a
random dielectric medium. We find lifetimes of the photon
modes of several femtoseconds and a broad distribution of the
local optical density of states, revealing central hallmarks of
the localization of light.
6. ファイバプローブとの近接場相互作用により
誘起されたZnO 量子ドットの電気双極子禁制遷
移からの発光
大津元一・八井崇
103
論文・著書一覧
Publications List
mesa structures ,” Appl. Phys. B-Lasers and Optics, Vol.
103, No. 3, pp. 537-546 , (2011).
[10] K. Akahane, N. Yamamoto, M. Naruse, T. Kawazoe, T.
Yatsui, and M. Ohtsu, “Energy Transfer in
Multi-Stacked InAs Quantum Dots,” Jap. J. Appl. Phys.,
Vol. 50, No.4, pp.04DH05 1-4, (2011).
研究論文
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
M. Naruse, F. Peper, K. Akahane, N. Yamamoto, T.
Kawazoe, N. Tate, and M. Ohtsu, “Skew Dependence of
Nanophotonic Devices based on Optical Near-Field
Interactios,” ACM Journal on Emerging Technologies in
Computing Systems, Vol. 8, No. 1, pp. 4:1-4:12, (2012).
T. H. H. Le, K. Mawatari, Y. Pihosh, T. Kawazoe, T.
Yatsui, M. Ohtsu, M. Tosa, and T. Kitamori, “Optical
near-field
induced
visible
response
photoelectrochemical water splitting on nanorod TiO2,”
Appl. Phys. Lett., Vol. 99, Issue 21, pp. 213105 1-3,
(2012).
M. Naruse, K. Leibnitz, F. Peper, N. Tate, W. Nomura, T.
Kawazoe, M. Murata, and M. Ohtsu, “Autonomy in
excitation transfer via optical near-field interactions and
its implications for information networking,” Nano
Communication Networks, Vol. 2, No. 4, pp. 189-195,
(2012).
M. Naruse, T. Kawazoe, T. Yatsui, N. Tate, and M.
Ohtsu, “A Stochastic Modeling of Morphology
Formation by Optical Near-Field Processes,” Appl. Phys.
B-Lasers and Optics, Vol. 105, No. 4, October 2011, pp.
185-190, (2012).
H. Matsui, W. Nomura, T. Yatsui, M. Ohtsu, and M.
Tabata, “Optical dynamics of energy-transfer from a
CdZnO quantum well to a proximal Ag nanostructure,”
Optics Letters, Vol. 36, Issue. 19, pp. 3735–3737, ,
(2012).
T. Kawazoe, M. A. Mueed, and M. Ohtsu, “Highly
efficient and broadband Si homojunction structured
near-infrared light emitting diodes based on the
phonon-assisted optical near-field process,” Appl. Phys.
B-Lasers and Optics, Vol. 104, No. 4, pp747-754,
(2012).
N. Tate, M. Naruse, W. Nomura, T. Kawazoe, T. Yatsui,
M. Hoga, Y. Ohyagi, Y. Sekine, H. Fujita, and M. Ohtsu,
“Demonstration of modulatable optical near-field
interactions between dispersed resonant quantum dots,”
Optics Express, Vol. 19, Issue. 19, pp. 18260–18271,
(2012).
T. Yatsui, K. Hirata, Y. Tabata, Y. Miyake, Y. Akita, M.
Yoshimoto, W. Nomura, T. Kawazoe, M. Naruse, and M.
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sidewalls of glass corrugations,” Appl. Phys. B-Lasers
and Optics, Vol. 103, No. 3 , pp.527-530, (2011).
T. Kawazoe, M. Ohtsu, S. Aso, Y. Sawado, Y. Hosoda, K.
Yoshizawa, K. Akahane, N. Yamamoto, M. Naruse,
“Two-dimensional
array
of
room-temperature
nanophotonic logic gates using InAs quantum dots in
国際会議論文
[11] R. Teki, A. J. Kadaksham, M. House, J. H. Jones, A. Ma,
S. V. Babu, A. Hariprasad, P. Dumas, R. Jenkins, J.
Provine, A. Richmann, J. Stowers, S. Meyers, U. Dietze,
T. Kusumoto, T. Yatsui, M. Ohtsu, and F. Goodwin,
“Alternative Smoothing Techniques to Mitigate EUV
Substrate Defectivity,” Proceedings of the Society of
Photo-optical Instrumentation Engineers (SPIE), SPIE,
San Jose, CL, USA, Vol. 8322, pp. 1-12, (2012).
[12] M. Ohtsu, “Dressed Photon Technology for Novel
Devices and Fabrications,” Proceedings of Global COE
International
Symposium
on
Secure-Life
Electronics, Global COE in Secure-life Electronics, The
University of Tokyo, Tokyo, Japan, , pp.120-124, (2012).
[13] T. Yatsui, H. Fujita, and M. Ohtsu, “Self-assembled QD
based nanophotonic device,” Proceedings of IDW’11,
The Institute of Image Information and Television
Engineers (ITE) and the Society for Information Display
(SID), International Display Workshop, Tokyo, Japan,
Nagoya, Aichi, Japan, pp. 1189 -1190, (2012).
[Invited presentation]
[14] M. Naruse, N. Tate, M. Ohtsu, “Nanophotonic system
based on localizedand hierarchical optical near-field
processes,” CD-ROM of The 1st EOS Topical Meeting
on Micro- and Nano-Optoelectronic Systems, Ringhotel
Munte am Stadtwald, Bremen, Germany, Paper Number
4730, (2012).
[15] M. Ohtsu, “Dressed Photon Technology,” Abstracts,
Symposium on Global Research in Advanced Photonics
and Energy(GRAPE) , University of Yamanashi, Kofu,
Yamanashi, Japan , p. 9, (2012).
[Invited presentation]
[16] T. Yatsui, W. Nomura, and M. Ohtsu, “Nanophotonic
Fabrication Using a Dressed Photon,” Proceedings,
Research Institute of Electronics, Shizuoka University,
Hamamatsu Shizuoka, Japan, Vol. 2, pp. S3-1-1 - S3-1-18,
(2012).
[Invited presentation]
[17] T. Kawazoe, and M. Ohtsu, “Efficient light emitting
diodes using indirect-transition semiconductors driven by
dressed photons,” Technical Digest of The 2nd
France-Japan Workshop on Nanophotonics, NICT,
Triangle de la Physique, CNRS, Ambassade de France au
Japon, Toba, Mie, Japan, p.13-14, (2011).
104
[18] T. Yatsui, M. Tsuji, Y. Liu, T. Kawazoe, A. Neogi, and M.
Ohtsu, “Emission from a dipole-forbidden energy state in
ZnO quantum dots induced by the near-field interaction
Photo-Assisted Sol-Gel Method,” Technical Digest of
The 2nd France-Japan Workshop on Nanophotonics,
NICT, Triangle de la Physique, CNRS, Ambassade de
France au Japon, November 7-9, 2011, Toba, Mie, Japan,
p.38-39, (2011).
International Symposium on Optical Memoroy & Optical
Data Storage (ISOM/ODS 2011), Optical Society of
America, Washington D. C., USA, Kauai, HI, USA,
paper number OTuA1, (2011).
[Invited presentation]
[26] Y. Liu, T. Yatsui, T. Kawazoe, and M. Ohtsu,
“Controlling the size and variance of ZnO quantum dot
using photo-assisted Sol-Gel method,” Program &
Abstract of 5th TU-SNU-UT Joint Symposium, Beijing,
China, p. 57, (2011).
[19] M. Ohtsu, “The Magic of the Dressed Photon,” Technical
Digest & Conference Program, 30th International
Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics
(ICALEO), Orlando, FL., USA, Laser Institute of
America, Orlando, FL., p. 58, OP4, (2011).
[27] T. Yatsui, W. Nomura, and M. Ohtsu, “Nanophotonic
etching of glass substrate for A-scale surface roughness,”
Abstract of the 12th International Symposium on Laser
Precision Microfabrication (LPM2011), Japan Laser
Processing Society, Tokyo, Japan, Takamatsu, Kagawa,
Japan, paper number Fr2-I-1, (2011).
[Plenary presentation]
[20] M. Naruse, T. Kawazoe, T. Yatsui, N. Tate, and M. Ohtsu,
“Stochastic Modeling of Morphology Formation by a
Phonon-Assisted Optical Near-Field Process,” Abstract
book of The 8th Asia-Pacific Workshop on
Nanophotonics and Near-Field Optics (APNFO-8),
Sydney, Australia, St, McLaren Vale, S.A., Australia, p.3,
abstract ID-3, (2011).
[Invited presentation]
[28] A. Ishikawa,T. Yatsui, K. Kobayashi, M. Ohtsu, J. Yoo,
G.-C. Yi, and H. Ishihara, “Theory of Superradiance by
Nano-Array of Quantum-Well Dots,” Abstract of The
European Conference on Lasers and Electro-Optics and
the XIIth European Quantum Electronics Conference
(CLEO/EUROPE-EQEC 2011), European Physical
Society, Mulhouse, France, Munich, Germany, paper
number CK.P.14 TUE, (2011).
[21] Y. Liu, T. Yatsui, T. Kawazoe, and M. Ohtsu,
“Controlling the size and variance of ZnO quantum dot
diameter using photo-assisting sol-gel method,” Abstract
book of The 8th Asia-Pacific Workshop on
Nanophotonics and Near-Field Optics (APNFO-8),
Sydney, Australia, St, McLaren Vale, S.A., Australia, p.5,
abstract ID-5, (2011).
[29] M. Naruse, H. Hori, K. Kobayashi, T. Kawazoe, and M.
Ohtsu “Optical Pulsation Based on Near-Field
Interactions at the Nanoscale by Continuous-Wave Light
Excitation,” Proceedings of 2011 ICO International
Conference on Information Photonics (IP2011), IEEE, NJ,
USA, Ottawa, Canada, paper number SIPN-18-1-4,
(2011).
[22] N. Tate, Y. Liu, T. Kawazoe, M. Naruse, T. Yatsui, and M.
Ohtsu, “Nanophotonic droplet: Autonomous capsulation
of sort-selective quantum dot pairs based on
phonon-assisted process,” Abstract book of The 8th
Asia-Pacific Workshop on Nanophotonics and Near-Field
Optics (APNFO-8), Sydney, Australia, St, McLaren Vale,
S.A., Australia, p.6, abstract ID-6, (2011).
[30] N. Tate, W. Nomura, M. Naruse, T. Kawazoe, T. Yatsui,
M. Hoga, Y. Ohyagi, Y. Sekine, H. Fujita, and M. Ohtsu,
“Demonstration of Modulatable Nanophotonics based on
modulatable optical near-field interactions between
dispersed quantum dots,” Proceedings of 2011 ICO
International Conference on Information Photonics
(IP2011), IEEE, NJ, USA, Ottawa, Canada, paper
number PI-19-1-5, (2011).
[23] Y. Fujiyoshi, M. Haraguchi, T. Okamoto, T. Yatsui, M.
Ohtsu, K. Hirata, Y. Tabata, “Numerical simulation for
non-adiabatic optical near-field etching,” Abstract book
of The 8th Asia-Pacific Workshop on Nanophotonics and
Near-Field Optics (APNFO-8), Sydney, Australia, St,
McLaren Vale, S.A., Australia, p.7, abstract ID-7, (2011).
[31] K. Kitamura, T. Yatsui, H. Yasuda, T. Kawazoe, and M.
Ohtsu, “Visible light hydrogen generation using ZnO
nanorods in a phonon-assisted optical near-field
process, ,” Abstract of European Materials Research
Society Spring Meeting 2011 (E-MRS Spring Meeting
2011), European Materials Research Society, Strasbourg,
France, Nice, France, paper number 14-8, (2011).
[24] W. Nomura, T. Yatsui, T. Kawazoe, M. Naruse, M. Ohtsu,
“Long-range optical energy transfer between randomly
distributed resonant quantum dots,” Abstract book of The
8th Asia-Pacific Workshop on Nanophotonics and
Near-Field Optics (APNFO-8), Sydney, Australia, St,
McLaren Vale, S.A., Australia, p.19, abstract ID-19,
(2011).
[32] T. Yatsui, Y. Liu, and M. Ohtsu, “Optimizing the energy
transfer between near-field optically coupled ZnO
quantum dots,” Abstract of European Materials Research
Society Spring Meeting 2011 (E-MRS Spring Meeting
[25] T. Yatsui, W. Nomura, and M. Ohtsu, “Nanophotonic
Polishing of Substrate for Application to Hard-Disk and
Optical-Disk Processing,” Technical Digest of Joint
105
シンポジウム・研究会・大会等発表
2011), European Materials Research Society, Strasbourg,
France, Nice, France, paper number 11-1, (2011).
[41] 成瀬 誠，竪 直也，松本 勉，大八木康之，関根
陽子，法元盛久，大津元一、「相互作用利用型セキュ
リティの一般構造とナノ光学的考察」（30 分）、「光
分科内招待講演」、2012 年春季 第 59 回 応用物理学
関係連合講演会、新宿区、東京、（発表番号：16ｐＢ10-2） 、(2012)
[33] Y. Liu, T. Yatsui, and M. Ohtsu, “Size control of
sol-gel-synthesized
ZnO
quantum
dots
using
photo-assisted desorption,” Abstract of European
Materials Research Society Spring Meeting 2011
(E-MRS Spring Meeting 2011), European Materials
Research Society, Strasbourg, France, Nice, France,
paper number C-2, (2011).
[42] 竪 直也、シッダルタ シャンカル、劉 洋、川添 忠、
成瀬 誠、八井 崇、大津元一、「量子ドットペアの選
択形成に基づくナノ光デバイスの自律的作製手法」、
2012 年春季 第 59 回 応用物理学関係連合講演会、
新宿区、東京、（発表番号：16ｐ-Ｂ10-3） 、(2012)
[34] T. Yatsui and M. Ohtsu, “Self-Organized Nanophotonic
Device,” Abstract of 219th Electrochemical Society
Meeting (219th ECS Meeting), Electrochemical Society,
Pennington, NJ, USA, Montreal, QC, Canada, paper
number 1265, (2011).
[43] 田内宏直、竪 直也、川添 忠、八井 崇、大津元一、
「金コロイド微粒子を近接場光源とするフォノン援
用過程によるチミンダイマーの形成」、2012 年春季
第 59 回 応用物理学関係連合講演会、新宿区、東京、
（発表番号：16p-GP1-17） 、(2012)
[Invited presentation]
[35] M. Naruse, F. Peper, K. Leibnitz, K. Akahane, N.
Yamamoto, W. Nomura, T. Kawazoe, T. Yatsui, M.
Murata, and M. Ohtsu, “Autonomous Excitation Transfer
in Quantum Dot Mixtures via Network of Optical
Near-Field Interactions at the Nanoscale,” Proceedings of
The 30th IEEE Internacional Conference on Computer
Communications Workshops (IEEE Infocom 2011),
Shanghai, China , pp. 490-494, (2011).
[44] 中西康輔、北村 心、八井 崇、大津元一、
「光化学気
相堆積法を用いた ZnO の室温成長」、2012 年春季 第
59 回 応用物理学関係連合講演会、新宿区、東京、（発
表番号：16p-E4-5） 、(2012)
[45] 川添 忠，大津元一，赤羽浩一，山本直克、ホモ接
合 Si を用いた Si レーザの動作検証」
（30 分）、「光
分科内招待講演」、2012 年春季 第 59 回 応用物理学
関 係 連 合 講 演 会 、 新 宿 区 、 東 京 、（ 発 表 番 号 ：
17p-B11-6） 、(2012)
著書
[36] Naydenova (ed.), “Holograms - Recording Materials and
Applications, N. Tate, M. Naruse, T. Yatsui, T. Kawazoe,
M. Hoga, Y. Ohyagi, Y. Sekine, T. Fukuyama, M.
Kitamura, and M. Ohtsu, chapter 15, “Nanophotonic
Hierarchical Holograms: Demonstration of Hierarchical
Applications Based on Nanophotonics,” Holograms Recording Materials and Applications, InTech, Rijeka,
Croatia, open access publisher, pp. 341-356, (2012).
[46] 川添 忠、大津元一、「ドレスト光子を利用したホモ
接合 Si-LED の作製および動作原理と検証実験」、
2012 年春季 第 59 回 応用物理学関係連合講演会、
新宿区、東京、（発表番号：17p-B11-1） 、(2012)
[47] 和田直樹、川添 忠、大津元一、「ホモ接合 Si-LED を
用いた光・電気弛張発振器」、2012 年春季 第 59 回 応
用物理学関係連合講演会、新宿区、東京、（発表番
号：17p-B11-2） 、(2012)
[37] M. Ohtsu (ed.), Progress in Nanophotonics I,
Springer-Verlag, Berlin, September. (236 pages) , (2011).
[48] 田中肇、川添 忠、大津元一、「ホモ接合 Si を用い
た 1.3μm 帯のフォトダイオード」、2012 年春季 第
（発
59 回 応用物理学関係連合講演会、新宿区、東京、
表番号：17p-B11-3） 、(2012)
総説・解説論文
[37] 大津元一、「総論」、『OPTRONICS』、Vol. 31、 No.363、
2012 年 3 月、p. 76-79
[49] 林拓朗、川添 忠、大津元一、「ホモ接合 GaP を用い
た緑- 近赤外広帯域発光ダイオード」、2012 年春季
第 59 回 応用物理学関係連合講演会、新宿区、東京、
（発表番号：17p-B11-4） 、(2012)
[38] 八井崇、平田和也、「省エネルギー・レアメタル不要
の加工技術」、『OPTRONICS』、Vol. 31、 No.363、2012
年 3 月、p. 80-84
[50] 北村心、川添 忠、大津元一、「ホモ接合 ZnO による
紫外・青色発光ダイオード」、2012 年春季 第 59 回 応
用物理学関係連合講演会、新宿区、東京、（発表番
号：17p-B11-5） 、(2012)
[39] 川添忠、大津元一、「バルク結晶シリコンを用いた高
効率・高出力発光ダイオード 」、『OPTRONICS』、Vol.
31、 No.363、2012 年 3 月、p. 85-88
[40] 成瀬 誠、竪 直也、関根 陽子、大八木 康之、法
元 盛久、「ナノ寸法の光を用いた情報システムの進
展」、『OPTRONICS』、Vol. 31、 No.363、2012 年 3 月、
p. 89-94
[51] 飯島一憲、北村心、八井崇、大津元一、「近接場光効
果による溶液中電気化学過程の活性化」、2012 年春
季 第 59 回 応用物理学関係連合講演会、新宿区、東
京、（発表番号：17p-B11-7） 、(2012)
106
[52] 望月崇宏、北村心、八井崇、大津元一、
「フォノン援
用光触媒電極の自律的作製手法の開発」、2012 年春
季 第 59 回 応用物理学関係連合講演会、新宿区、東
京、（発表番号：17p-B11-8） 、(2012)
[63] 田内宏直、竪 直也、川添 忠、八井崇、大津元一、
「フォノン援用過程を用いたチミンダイマーの形
成」、The 21st MRS-Japan Academic Symposium、横
浜、神奈川、（発表番号：M-P03-M） 、(2011)
[53] 劉洋、八井崇、大津元一、「ドレストフォトンフォノ
ンを用いた ZnO QD の寸法制御」、2012 年春季 第 59
回 応用物理学関係連合講演会、新宿区、東京、（発
表番号：17p-B11-9） 、(2012)
[64] 中西康輔、北村 心、 八井 崇、大津 元一、
「光化学
気相堆積法を用いた酸化亜鉛の室温成長」、The 21st
MRS-Japan Academic Symposium、横浜、神奈川、（発
表番号：M-11-M） (2011)
[54] 森垣文博 、八井 崇、川添 忠、鳥本 司、大津元一、
「光エッチング法を用いた ZAIS ナノ結晶の粒径と
スペクトル制御」、2012 年春季 第 59 回 応用物理学
関 係 連 合 講 演 会 、 新 宿 区 、 東 京 、（ 発 表 番 号 ：
17p-B11-10） 、(2012)
[65] 森垣文博、 八井崇、川添 忠、鳥本 司、大津 元一、
「ナノフォトニックデバイスのための ZAIS ナノ結
晶のスペクトル制御」、The 21st MRS-Japan Academic
Symposium、横浜、神奈川、（発表番号：M-12-M） 、
(2011)
[55] 成瀬 誠 、劉 洋、野村 航、八井 崇、会田雅樹 、
大津元一、「近接場光過程援用のナノ微粒子形成の
確率過程」、2012 年春季 第 59 回 応用物理学関係連
合講演会、、新宿区、東京、（発表番号：17p-B11-11） 、
(2012)
[66] レ ハク ホゥン ツー、Yuriy Pihosh、馬渡和真、北
村心、八井崇、川添忠、大津元一、北森武彦、「酸化
チタンナノ構造体に発生した近接場光を用いた可視
光応答触媒反応とその応用」、第 24 回化学とマイク
ロ・ナノシステム研究会、大阪府立大学中百舌鳥キ
ャンパス（発表番号：2A 15）、(2011)
[56] 八井 崇、野村航 、大津元一、「ドレストフォトンフ
ォノンエッチングによるダイヤモンド基板の平坦
化」、2012 年春季 第 59 回 応用物理学関係連合講演
会、新宿区、東京、（発表番号：17p-B11-12） 、(2012)
[67] 野村航、八井 崇、川添忠、成瀬 誠、大津元一、「ラ
ンダム量子ドット群による光励起輸送システムの動
的特性 II」、2011 年秋季 第（発表番号：30p-P13-4）
(2011)
[57] 森本隆志、平田和也、多幡能徳、野村航 、川添忠、
八井 崇、大津元一、「近接場光エッチングによる樹
脂基板の平坦化」、2012 年春季 第 59 回 応用物理学
関係連合講演会、2012/3/15-18、新宿区、東京、（発
表番号：17p-B11-13） 、(2012)
[68] 川添忠、大津元一、「近接場光相互作用による金属ナ
ノ寸法構造体の非対称偏光変換」、 2011 年秋季 第
72 回 応用物理会学術講演会、山形, 30p-P13-4）
(2011)
[58] 野村航 、八井 崇、川添忠、大津元一、「レーザー光
照射による HDD 用ガラス基板側面のレアアースフリ
ー平坦化」、2012 年春季 第 59 回 応用物理学関係連
合講演会、新宿区、東京、（発表番号：17p-B11-14） 、
(2012)
[69] レ ハク ホウン ツー，Yuriy Pihosh，馬渡和真，北
村心、八井 崇，，川添忠，成瀬誠，大津元一，北森
武彦、「ナノ構造体に発生した近接場光効果による
酸化チタンの可視光応答光触媒反応 」，第 23 回化学
とマイクロ・ナノシステム研究会，千葉大学（発表
番号：PC13）(2011)
CHEMINAS 23rd ポスター賞 、2011/6/11
[59] 大津元一、「公的資金ベースによる方式『ナノフォト
ニクス総合的展開』」、 平成 23 年度文部科学省「大
学等産学官連携自立化促進プログラム【機能強化支
援型】」シンポジウム、-中長期的な視点に立った多
対多型産学連携モデル-、文京区、東京、(2012)
[70] 大津元一, “ドレスト光子とその応用”,第 75 回レ
ーザ加工学会講演会,第７５回レーザ加工学会講演
論文集, 関西大学, 大阪, (特別講演) (2011)
[60] 竪直也、「ナノフォトニクスに基づく階層型ホログ
ラムの原理とその展開に関する検討」、 レーザー学
会学術講演会第 32 回年次大会、仙台、宮城、 (招待
講演) 、(2012)
[61] 成瀬誠、「近接場光相互作用を用いた光機能デバイ
スとシステム」、2011 年度第 4 回フォトニックデバ
イス・応用技術研究会、横浜,、神奈川、(2012)、 (招
待講演)
[62] 飯島一憲、北村 心、八井崇、大津元一、「近接場効
果による溶液- 電極間電子移動素過程の活性化」、
The 21st MRS-Japan Academic Symposium、横浜、神
奈川、（発表番号：M-P01-M） 、(2011)
107
菊池研究室
Kikuchi Laboratory
雑音や中間周波数オフセットによって，安定性が著しく
劣化する。今年度はこの問題を回避する新しい手法を提
案し，実験的検証を行った。
光ファイバ伝送によって生じるカー効果は，信号の
伝送可能距離を厳しく制限する。このため，長距離伝送
システムを構築するためには，カー効果によって生じた
信号劣化を補償しなければならない。今年度は，最も簡
易な構成である単一のスプリットステップを持つ補償法
を提案した。また，冗長な２系統の信号伝送により光パ
ワーを下げ，非線形効果を低減する方法についても検討
している。
Since the digital coherent receiver measures the complex
amplitude of the optical electric field, any linear impairment
can be equalized in the digital domain. We have investigated
electrical equalization of fiber chromatic dispersion (CD),
polarization-mode dispersion (PMD), and polarizationdependent loss (PDL).
(http://www.ginjo.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1. 多値光変復調方式
菊池和朗・加藤一弘・森洋二郎
Multilevel optical modulation/demodulation
schemes
K. Kikuchi, K. Katoh, and Y. Mori
今後，光周波数利用効率の極限的な改善をはかる場合，
変復調方式に関する再検討を行うことが重要である。
我々は，デジタルコヒーレント光受信器を提案し，これ
を用いた多値光変復調方式の研究を進めている。
10Gsymbol/s で，２，４，８相 PSK および 16 相, 32 相
QAM 信号の変復調に成功している。
しかしこれらの多値光伝送特性は，多値度があがるに
つれて符号間干渉に弱くなる。現在，光/電気フィルタの
帯域制限，WDM チャンネル間クロストーク，光ファイ
バの分散分布，光ファイバの非線形性を考慮した多値光
伝送用シミュレータを作製し，多値信号の長距離伝送特
性を解析している。また，実験的検証も進めている。
The efficient use of the optical spectrum is one of the most
important issues in the next-generation broadband optical
network. We have proposed the digital coherent receiver and
demonstrated demodulation of 2, 4, 8 phase-shift keying
(PSK)，and 16，32 quadrature amplitude modulation (QAM)
signals.
However, transmission characteristics of such high-level
modulation formats suffer from inter-symbol interference. We
have completed a simulation program including
optical/electrical bandwidth limitation, crosstalk between
WDM channels, dispersion allocation of the link, and fiber
nonlinearity, and analyzed transmission characteristics of
multi-level modulation formats. Experimental verifications
are now under way.
The decision-directed least-mean-square (DD-LMS)
algorithm seriously degrades the filtering performance
through fast phase fluctuations caused by the phase noise
of the transmitter laser and the local oscillator (LO) and
the frequency offset between them. In order to eliminate
such instability, we propose a novel configuration of FIR
filters.
The Kerr effect induces waveform distortion of
polarization-multiplexed signals and strictly limits the
maximum transmission distance of such signals. We
optimize the performance of a single split-step
compensator employing dispersive elements and filters.
In addition, we study the dual signal transmission
scheme, where dual signals on two polarization states
are transmitted through a link. The reduction of the
transmitted power may reduce nonlinear impairments.
3. コヒーレント光通信用半導体レーザ
菊池和朗・加藤一弘
Semiconductor lasers for coherent optical
communications
K. Kikuchi and K. Katoh
2. 光信号等化技術
菊池和朗・Faruk Md. Saifuddin・森洋二郎・
陸弘波
Equalization techniques for optical signals
コヒーレント光通信では，位相雑音特性の良好な半導
体レーザが要求される。デジタルコヒーレント受信器を
用いて，半導体レーザのスペクトル線幅，FM 雑音，位
相雑音を解析する装置を試作し，コヒーレント光通信用
各種半導体レーザの評価を進めている。
また，ナイキスト WDM 信号の波長間隔を，エタロン
の FSR にロックさせる波長安定化手法についても研究を
行っている。
K.Kikuchi, Faruk Md. Saifuddin, Y. Mori,
and Hongbo Lu
デジタルコヒーレント光受信器は，光の電界を測定し
ているため，デジタル領域において受信信号を等化する
ことができる。このような電気段での光ファイバの群速
度分散および偏波依存損失，偏波分散の等化技術に関し
て研究を進めている。
判定帰還 LMS アルゴリズムに基づく信号等化法につ
いて検討した。一般にこのアルゴリズムは，高速な位相
Coherent optical communication systems require
semiconductor lasers with superior phase-noise
characteristics. We have constructed a phase-noise
analyzer based on an offline digital coherent receiver,
108
論文・著書一覧
Publications List
and measured field spectrum, FM noise, and PM noise
of various kinds of semiconductor lasers for coherent
optical communications..
In addition, we have developed an AFC circuit, which
locks the frequency separation between Nyquist WDM
channels to an FSR of an etalon.
研究論文
[1] K. Kikuchi, "Characterization of semiconductor- laser
phase noise and estimation of bit-error rate performance
with low-speed offline digital coherent receivers,'' Optics
Express, vol.20, no.5, pp.5291-5302 (Feb. 2012).
4. ナイキスト波長多重技術
菊池和朗・平岡大希・韓 燦教
[2] K. Kikuchi and M. Osaki, "Highly-sensitive coherent
optical detection of M-ary frequency- shift keying
signal," Optics Express, vol.19, no.16, pp.B32-B39 (Dec.
2011).
Nyquist WDM technologies
K. Kikuchi, D. Hiraoka, and Han Changyo
矩形状光スペクトルを隙間なく波長多重する技術は，
ナイキスト WDM と呼ばれ，1 symbol/s/Hz の周波数利用
効率が実現可能となる。
電気段デジタル信号処理（DSP）とデジタル・アナロ
グ変換（DAC），そして光直交振幅変調器（IQM）を用い
て，10 GHz 帯域の矩形状光スペクトル波形を有する
40-Gsymbol/s 偏波多重（PM）QPSK 光信号を生成し，そ
れらを 10 GHz 間隔で波長多重することで，周波数利用
効率 4 bit/s/Hz のナイキスト WDM を実現した。
このようなナイキスト WDM 信号は隣接チャンネルか
らのクロストークの影響を強く受ける。今年度は,クロス
トークによる符号誤り率の劣化を最小化するフィルタリ
ング手法についても研究している。
また，ナイキスト WDM 光信号は，送信端での DAC
による波形整形によって生成されるが，時間インターリ
ーブ構成の DAC におけるスキューにより，信号の劣化
が生じることが示された。
When rectangular-shaped spectra are multiplexed in the
wavelength domain with no space between WDM channels,
this method of multiplexing is called Nyquist WDM, and we
can achieve the spectral efficiency of 1 symbol/s/Hz.
We generate a 20-Gsymbol/s QPSK signal having a
rectangular-shaped spectrum with a 10-GHz bandwidth, using
digital-to-analog conversion (DAC) following digital signal
processing (DSP) at the electrical stage and IQ optical
modulation. Multiplexing such signals with channel spacing
of 10 GHz, we achieve the spectral efficiency of 4 bit/s/Hz.
[3] K. Kikuchi, “Digital coherent optical communication
systems: Fundamentals and future prospects,” IEICE
Electronics Express, vol.8, no.20, pp.1642-1662, (Oct.,
2011).
[4] K. Kikuchi, “Analyses of wavelength- and
polarization-division
multiplexed
transmission
characteristics
of
optical
quadrature-amplitudemodulation signals,” Optics Express, vol.19, no.19,
pp.17985–17995 (Sept. 2011).
[5] Md. S. Faruk and K. Kikuchi, “Adaptive
frequency-domain equalization in digital coherent
receivers,”
Optics
Express,
vol.19,
no.13,
pp.12789-12798 (June 2011).
[6]
K. Kikuchi, “Performance analyses of polarization
demultiplexing based on constant-modulus algorithm in
digital coherent optical receivers,” Optics Express，vol.19,
no.10, pp. 9868--9880 (May 2011).
国際会議
[7] Y. Mori, C. Zhang, and K. Kikuchi, "Novel FIR-filter
configuration tolerant to fast phase fluctuations in digital
coherent receivers for higher-order QAM signals,''
Optical Fiber Communications Conference (OFC 2012),
Los Angeles, CA, USA, OTh4C.4 (4-8 March 2012).
[8] K. Kikuchi and M. Osaki, “Highly-sensitive coherent
optical detection of M-ary frequency-shift keying signal,”
European Conference on Optical Communication (ECOC
2011), Geneva, Switzerland, Tu.5.A1 (18-22 Sept. 2011).
Nyquist WDM signals are strongly degraded by
crosstalk from adjacent channels. We investigate how
we should filter out a desired channel to minimize the
crosstalk effect.
Nyquist WDM signals are also degraded by the
performance of time-interleaved DACs at the
transmitter. We evaluate the effect of time-delay skew
on the Nyquist-WDM signal quality.
[9] Md. S. Faruk and K. Kikuchi, “Monitoring of optical
signal-to-noise ratio using statistical moments of
adaptive-equalizer output in coherent optical receivers,”
Opto-Electronics and Communications Conference
(OECC 2011), Kaohsiung, Taiwan, 6B4-3 (4-8 July
2011).
[10] Y. Mori and K. Kikuchi, “Carrier-phase- insensitive
operation of FIR filters adapted by the decision-directed
LMS algorithm in digital coherent optical receivers,”
Opto-Electronics and Communications Conference
109
解説
(OECC 2011), Kaohsiung, Taiwan, 7B2-4 (4-8 July
2011).
[22] 菊池和朗，“デジタルコヒーレント光ファイバ通信，”
超高速フォトニックネットワーク開発推進協議会
（ＰＩＦ）/電子情報通信学会フォトニックネットワー
ク研究会 フォトニックネットワーク チュートリ
アル講演会, 日本女子大学目白キャンパス 百年
館，2011 年 6 月 17 日.
[11] K. Kikuchi, “Analyses of polarization-multiplexed WDM
transmission characteristics of high-order optical QAM
signals,” Conference on Lasers and Electro-Optics
(CLEO 2011), Baltimore, MA, USA, CThH2 (1-6 May
2011).
[23] 菊池和朗，“デジタルコヒーレント光ファイバ通信の
基礎，”第 11 回光通信技術展(FOE2011) 専門技術セ
ミナー，東京ビッグサイト，2011 年 4 月 13-15 日.
[12] Md. S. Faruk and K. Kikuchi, “Frequency-domain
adaptive equalization in digital coherent receivers,”
Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2011),
Baltimore, MA, USA, CThH7 (1-6 May 2011).
国内学会
[13] 森洋二郎, 菊池和朗, “ディジタルコヒーレント受信
器におけるカー効果の補償技術,” 電子情報通信学
会総合大会，B-10-61, 岡山大学, 2012 年 3 月 20 日-23
日.
[14] 平岡大希, 森洋二郎, 菊池和朗, “コヒーレント光受
信器のクロストーク耐力,”電子情報通信学会総合大
会，B-10-52, 岡山大学, 2012 年 3 月 20 日-23 日.
[15] 渋下要, 五十嵐浩司, 加藤一弘, 菊池和朗, “ナイキ
スト波長分割多重および単一波長 QPSK 光信号の伝
送シミュレーション,”電子情報通信学会総合大会，
B-10-58, 岡山大学, 2012 年 3 月 20 日-23 日.
[16] 菊池和朗, “低速デジタルコヒーレント光受信器を用
いたレーザ位相雑音および符号誤り率特性の評価,”
電子情報通信学会総合大会，B-10-60, 岡山大学, 2012
年 3 月 20 日-23 日.
[17] 菊池和朗，“コヒーレント光ファイバ通信の新たな展
開，” フォトニックネットワークシンポジウム 2012,
YRP センター，2012 年 3 月 15 日,
[18] 菊池和朗, “ディジタルコヒーレント光通信技術,” 電
子情報通信学会の第二種研究会第３回集積光デバイ
スと応用技術研究会, 神奈川県逗子市，2012 年 2 月
2，3 日.
[19] 森洋二郎, 菊池和朗, “ディジタルコヒーレント光受
信器における判定指向型最小平均二乗法を用いた適
応ＦＩＲフィルタの構成法,”電子情報通信学会光通
信システム研究会, OCS2011-52, 北海道帯広市, 2011
年 8 月 25-26 日.
[20] Md. S. Faruk and K. Kikuchi, “Multi-impairment
monitoring from adaptive frequency-domain equalizer in
digital coherent optical receivers,” 電子情報通信学会
光通信システム研究会, OCS2011-53, 北海道帯広市,
2011 年 8 月 25-26 日.
[21] 菊池和朗，“コヒーレント光ファイバ通信の最新動向
,” 日本学術振興会 光エレクトロニクス 130 委員会
創立 50 周年記念シンポジウム，2011 年 5 月 13 日，
森戸記念館
110
中野・種村研究室
Nakano and Tanemura Laboratory
applications, since they could provide complicated functions
that cannot be obtained with discrete devices.
More specifically, we have developed all-optical
flip-flops, the essential elements for the photonic digital
processing, and demonstrated in various optical packet routing
experiments. Starting with the fabrication of the first
multi-mode interference (MMI) all-optical flip-flop with
distributed Bragg reflectors (DBRs), we have successfully
achieved polarization-independent operation by introducing
tensile strain into the multi-quantum-well (MQW) active
layers, wavelength tuning by current injection, and low-power
high-speed operation by employing Mach-Zehnder
interferometer (MZI) configuration. At the same time, we
have developed the fabrication technique to realize the
world-first monolithic integration of an all-optical flip-flop
with an all-optical switch based on semiconductor optical
amplifier Mach-Zehnder interferometer (SOA-MZI). More
recently, we have proposed and demonstrated a novel
structure to realize optically clocked flip-flop operation.
In addition, we have also been working on scalable
integrated matrix optical switches that enable fast routing of
optical signals. We have proposed a novel type of photonic
integrated switch based on optical phased array. We have
realized the first 1x5 switch, polarization-insensitive 1x8
switch, and 116 switch on InP substrates and demonstrated
the wide operating optical bandwidth as well as fast switching
response. Using these switches, we have also demonstrated
optical-time-division and wavelength-division multiplexed
packet switching as well as all-optical buffering experiments,
showing the potential applicability to optical routers. In
addition, we have succeeded in fabricating the world-first
monolithically integrated 1100 switch and demonstrated the
scalability of the phased-array scheme. More recently, we
have demonstrated the first 88 switch based on the similar
phased-array structure, proving the applicability of our
scheme to realize NN switch matrices on chip.
(http://www.ee.t.u-tokyo.ac.jp/~nakano/lab/)
研究現況
Current Research Projects
1. 半導体モノリシック光集積回路とフォトニック
ネットワーキング
中野義昭・種村拓夫・郭命俊・財津優・
崔洙赫・崔成漢・陳超・曾宇骁・野尻悠平
Monolithically Integrated Semiconductor
Photonic Circuits and Photonic Networking
Y. NAKANO, T. TANEMURA, M. KWACK,
M. ZAITSU, S. CHOI, S. CHOI, C. CHAO, Y.
ZENG, and Y. NOJIRI
モノリシック集積された半導体光デバイス／回路は、
単体素子では得られない多くの機能や高い性能が実現さ
れ得るため、高度な光通信、光情報処理・記録、光計測
を行う際の切り札として期待されている。本課題では、
新しいモノリシック光集積回路(光 IC)の試作・開発を行
うとともに、能動素子／受動素子一括集積技術を研究し
ている。
具体的には、光回路でデジタル信号処理を可能にする
全光フリップフロップを開発し、光パケットルータへの
適用実験を行っている。これまでに、分布ブラッグ反射
（DBR）多モード干渉計（MMI）全光フリップフロップ
の試作・検証を初めとして、多重量子井戸（MQW）活性
層に伸張歪みを導入した偏波無依存化、電流注入による
波長可変動作、マッハチェンダー干渉計（MZI）構造を
用いた低消費電力・高速動作化など、特性改善を進めて
きた。同時に、他光素子との一括集積技術を構築し、全
光フリップフロップと半導体増幅器マッハチェンダー干
渉計（SOA-MZI）全光スイッチのモノリシック集積に世
界で初めて成功した。また、光クロックへの同期動作を
可能にする新構造を提案し、原理実証に成功した。
一方、光信号の高速ルーティングを可能にするスケー
ラブルな集積マトリクス光スイッチの研究開発も進めて
いる。フェーズアレイを用いた半導体光スイッチを新た
に提案し、InP 基板上に集積した 1×5 光スイッチ、低偏
波依存 1×8 スイッチ、1×16 光スイッチを相次いで実現
し、広波長帯域性、高速応答性などを実証した。また、
開発した光スイッチを用いて、時間分割・波長多重光パ
ケットスイッチング実験や全光バッファ実験を行い、光
ルータへの適用性を明らかにした。さらには、世界最大
規模となる 1×100 光スイッチの作製に成功し、本手法の
スケーラビリティを実証した。最近では、同様の手法を
用いた 8×8 スイッチを試作・実証し、オンチップ N×N
スイッチマトリクスへの拡張可能性を示した。
Monolithically integrated semiconductor optical devices
and circuits are the key to advanced optical communication,
optical information processing, and optical measurement
2. 高度量子マイクロ構造に基づく全光スイッチと
光制御デバイス
中野義昭・杉山正和・種村拓夫・
H. ソダーバンル・伊藤成顕
All-Optical Switches and Light-Controlling Devices
Based on Advanced Quantum Microstructures
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, T. TANEMURA,
H. SODABANLU, and N. ITOH
半導体量子井戸／超格子構造のポテンシャル形状を
人工的に原子層オーダで制御すると、本来半導体の持っ
ていた光物性を大幅に改変することができる。本研究で
は、そのような人工光物性を利用して、半導体光変調器
／光スイッチ／受光器や光制御デバイスの性能革新を行
うことを目的としている。
特に、将来の超高速全光スイッチや高効率光変調器・
111
受光器の実現に向けて、窒化物ヘテロ構造におけるサブ
バンド間遷移(ISBT)デバイスの研究を行っている。パル
スインジェクション法を用いて AlN/GaN 多重量子井戸
を低温で有機金属気相エピタキシー（MOVPE）成長する
ことで、世界で初めて、全 MOVPE による 1.55m 帯 ISBT
量子井戸を実現し、過飽和吸収特性の測定に成功した。
同時に、ウェット／ドライハイブリッドエッチング技術
による AlN リッジ導波路の伝搬損失低減手法を提案し、
また、新規光スポットサイズ変換器を開発し、挿入損失
とスイッチングパワーの更なる低減化に向けて研究を進
めている。
By artificial manipulation of potential profiles in
semiconductor quantum well and super lattice structures with
accuracy of atomic order, one may significantly alter inherent
optical properties of semiconductors. The purpose of this
research is to bring about innovation in semiconductor optical
modulators/switches/detectors and light-controlling devices
by making use of such artificial optical properties.
More specifically, our research focuses on intersubband
transition (ISBT) in Nitride-based heterostructures for the
future ultrafast all-optical switches as well as highly efficient
modulators and detectors. By using the pulse-injection
metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) technique for
low-temperature growth of AlN/GaN multi-quantum-wells
(MQWs), we have, for the first time in the world, realized
all-MOVPE-grown 1.55-m ISBT MQW structures and
demonstrated its saturable absorptive characteristic. At the
same time, we have also developed a wet/dry hybrid etching
technology to reduce the propagation loss of AlN ridge
waveguides as well as novel type of spot-size converter to
achieve further reduction of insertion loss and switching
power.
進めている。これまで、TE/TM 偏波モード導波路型光ア
イソレータの開発を始めとして、DFB レーザと TE モー
ド光アイソレータのモノリシック集積化など、顕著な成
果を挙げてきた。さらに、リングレーザに光アイソレー
タを集積することで、外部磁場により発振方向を制御す
ることに世界で初めて成功した。最近では、非対称導波
路構造を持つ非相反偏波コンバータを新たに提案し、デ
バイスの試作・原理検証に成功した。
一方、将来の光インターコネクション技術の確立に向
けて、レーザ等の光能動素子をシリコンプラットフォー
ムにヘテロ集積する研究も進めている。シリコン細線導
波路上に InP 能動素子を貼り付けた構造を新たに提案し、
酸素プラズマ処理による直接接合デバイスの試作を行っ
ている。シリンコン層からの電流注入によりレーザ発振
させることに初めて成功し、シリコンチップ上発光素子
としての可能性を明らかにした。
これと並行して、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)
を用いて、III-V 化合物半導体光デバイスを直接シリコン
基板上に集積する研究も行っている。マイクロチャンネ
ル選択成長技術を用いることで、シリコン基板上に
InGaAs 層を横方向成長させる技術を確立し、1.55m 帯
で強いフォトルミネッセンスを観測することに成功した。
For the next-generation optical communication and
optical information processing applications, we have been
developing compact and high-performance light sources as
well as optical interconnecting devices. Starting with the
gain-coupled (GC) distributed feedback (DFB) semiconductor
laser and the wavelength-multiplexed monolithically
integrated laser array for coarse WDM applications, we have
been working on various types of highly functional lasers and
optical interconnection devices.
Proposal and fabrication of an integratable waveguide
optical isolator consisting of a ferromagnetic metal and a
semiconductor optical amplifier have been carried out in
recent years, resulting in significant achievements, such as the
monolithic integration of a DFB laser with TE-mode optical
isolator, a TM-mode optical isolator with epitaxially grown
MnAs or MnSb ferromagnetic layer, and the world-first ring
laser with integrated isolator, whose lasing direction could be
controlled by an external magnetic field. More recently, we
have proposed a novel type of nonreciprocal polarization
converter with asymmetric waveguide structure and
demonstrated its operation experimentally.
In addition, we have also been working on
hetero-integration of lasers and active devices on silicon
platform for the future optical interconnection. We have
proposed a novel structure of bonding InP active devices onto
silicon wire waveguides and demonstrated the device
fabrication using the oxygen-plasma-assisted direct bonding
technique. For the first time, lasing was achieved by
injecting current from the silicon layer, which supports the
potentials of using the proposed structure for light source on a
3. 次世代半導体レーザ・光インターコネクト・光
能動機能素子
中野義昭・杉山正和・種村拓夫・
J.O.ヒェルマン・藤本悠・渡邉翔大・
宋学良・F.-C. イット・堀口勝正
Next Generation Semiconductor Lasers, Optical
Interconnection and Active Optical Devices with
Advanced Functionalities
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, T. TANEMURA,
J. O. KJELLMAN, Y. FUJIMOTO, S. WATANABE
X.-L. SONG, F.-C. YIT, and K. HORIGUCHI
次世代光通信・光情報処理を担う小型高性能光源や光
インターコネクション技術の開発を目的に研究を行って
いる。これまで世界に先駆けて行ってきた利得結合(GC)
分布帰還型(DFB)半導体レーザ、低密度 WDM（CWDM）
用波長多重モノリシック集積レーザアレイを始めとし、
各種高機能レーザや光配線技術を開発している。
特に、強磁性金属と半導体光アンプから形成される集
積化可能な導波路型光アイソレータの提案と試作実証を
112
silicon chip.
Concurrently, we have also been working on direct
integration of III-V semiconductor opto-electronic devices on
silicon substrates by using the metal-organic vapor phase
epitaxy (MOVPE). We have developed the micro-channel
selective-area MOVPE technique to grow InGaAs layer
laterally on a silicon substrate. The fabricated structure
successfully exhibited strong photoluminescence at the
1.55-m wavelength range.
we have successfully grown up of InGaAs/GaAsP MQW
layers, which showed the extend the absorption edge
wavelength up to 1 µm. Currently we have achieved over
24% of energy conversion efficiency by applying such a
MQW structure in the i-region of GaAs p-i-n solar cell.
At the same time, we have also proposed a novel
light-trapping structure using a light scattering at the back
surface of the solar cell, which has actually improve the
conversion efficiency by up to 25% for the MQW inserted
GaAs solar cell. In addition, we have been developing the
monolithic integrated series-connected solar cells for highly
concentrated photovoltaic (CPV) systems. We have
successfully fabricated a GaAs-based solar cell with
10-element series connection with bypass diode.
4. 化合物半導体量子構造を用いたポストシリコン
超高効率太陽電池
中野義昭・杉山正和・種村拓夫・渡辺健太郎・
王云鵬・H. ソダーバンル・馬少駿・劉才・王宏波・
M. マニシュ・藤井宏昌・B. キム・瀬能未奈都
Post-Silicon Highly Efficient Solar Cells with
Compound Semiconductor Quantum Structures
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, T. TANEMURA,
K. WATANABE, Y. WANG, H. SODABANLU,
S. MA, C. LIU, H. WANG, M. MATHEW, H. FUJII,
B. KIM, and M. SENOU
将来の低炭素サステイナブル社会の構築に向けて、
40％以上のエネルギー変換効率を持つポストシリコン太
陽電池の実現が期待されている。本課題では、従来から
の化合物半導体タンデム太陽電池の効率向上をめざして、
多重量子井戸（MQW）構造を導入した新型太陽電池の研
究を進めている。MQW 構造を用いることで、格子整合
条件を保ちながら歪みを緩和し、効果的に中間層のエネ
ルギーバンドギャップを長波長化することが可能になる。
その場歪みモニタリング機能を装備した有機金属気相エ
ピタキシー（MOVPE）装置を用いることで、GaAs 基板
との横方向格子歪みを完全に補償した InGaAs/GaAsP
MQW 構造を導入することにより、吸収端を 1m まで長
波長化することに成功し、24%を超えるエネルギー変換
効率を実現している。
並行して、太陽電池の裏面における太陽光の散乱を利
用した光閉じ込め構造を提案し、上記の MQW 構造挿入
型太陽電池に適用して、変換効率 25%を達成した。さら
に、超高倍率集光型太陽光発電の実現へ向けて、直列構
造モノリシック集積太陽電池の開発を進め、バイパスダ
イオード集積型 10 素子の直列接続 GaAs 太陽電池の試作
を行った。
The post-silicon solar cells with the energy conversion
efficiency exceeding 40% are highly desired for the future
low-carbon sustainable human society. To this end, we have
been working on a novel type of multi-junction solar cells
based on compound semiconductor.
More specifically,
strain-balanced multi-quantum-well (MQW) layers were
introduced to a conventional tandem solar cell, which allows
the effective bandgap narrowing of the middle cell while
keeping the lattice matching condition. Using metal-organic
vapor phase epitaxy (MOVPE) with in-situ strain monitoring,
113
論文・著書一覧
Publications List
AlN-based waveguide with GaN/AlN multiple quantum
wells grown by metalorganic vapor phase epitaxy”,
Applied Physics Letters, vol. 99. no. 15, pp. 151102-1-3,
October 10 (2011).
研究論文
[1]
[2]
[3]
[4]
Masafumi Yokoyama, Hideki Takagi, Tetsuji Yasuda,
Hisashi Yamada, Noboru Fukuhara, Masahiko Hata,
Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano, Mitsuru
Takenaka, and Shinichi Takagi: “Ultrathin body
InGaAs-on-insulator
metal–oxide–semiconductor
field-effect transistors with InP passivation layers on Si
substrates fabricated by direct wafer bonding”, Applied
Physics Express vol. 4, no. 5, pp. 054202-1-3, April 14
(2011).
Momoko Deura, Yoshiyuki Kondo, Mitsuru Takenaka,
Shinichi Takagi, Yukihiro Shimogaki, Yoshiaki Nakano,
and Masakazu Sugiyama : “High-temperature annealing
effect of Si in group-V ambient prior to heteroepitaxy of
InAs in metal-organic vapor phase epitaxy”, Japanese
Journal of Applied Physics, vol. 50, no. 4, pp.
04DH07-1-5, April (2011).
[8]
Yu Wen, Yunpeng Wang, Kentaroh Watanabe, Masakazu
Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “Effect of GaAs step
layer on InGaAs/GaAsP quantum well solar cells”,
Applied Physics Express, vol. 4, no. 12, pp. 122301-1-3,
November 22 (2011).
[9]
Shaojun Ma, Hassanet Sodabanlu, Kentaroh Watanabe,
Masakazu
Sugiyama,
and
Yoshiaki
Nakano:
“Strain-compensation measurement and simulation of
InGaAs/GaAsP multiple quantum wells by metal organic
vapor phase epitaxy using wafer-curvature”, Journal of
Applied Physics, vol. 110, no. 11, pp. 113501-1-5,
December 1 (2011).
[10] Katsushi Fujii, Shinichiro Nakamura, Satoshi Yokojima,
Takenari Goto, Takafumi Yao, Masakazu Sugiyama, and
Yoshiaki Nakano: “Photoelectrochemical properties of
In(x)Ga(1-x)N/GaN multiquantum well structures in
depletion layers”, Journal of Physical Chemistry C, vol.
115, pp. 25165-25169, December 22 (2011).
Tatsuki Fujiwara, Yoshiaki Nakano, and Masakazu
Sugiyama : “Continuous wavelength modulation of
semi-polar plane InGaN/GaN MQWs based on
vapor-phase-diffusion-based selective-area pyramidal
growth”, Physica Status Solidi A, vol. 208, no. 5, pp.
1203-1205, May (2011).
[11] Yu Wen, Yunpeng Wang, and Yoshiaki Nakano :
“Suppressed indium diffusion and enhanced absorption
in InGaAs/GaAsP stepped quantum well solar cell”,
Applied Physics Letters, vol. 100, no. 5, pp. 053902-1-3,
January 30 (2012).
Takuo Tanemura, Krishna C. Balram, Dany-Sebastien
Ly-Gagnon, Pierre Wahl, Justin S. White, Mark L.
Brongersma,
and
David
A.
B.
Miller,
“Multiple-wavelength focusing of surface plasmons with
a nonperiodic nanoslit coupler,” Nano Lett., vol. 11, no.7,
pp 2693-2698, May (2011).
[12] Sooheuk Che, Masaru Zaitsu, Akio Higo, and Yoshiaki
Nakano: “Design and simulation of InP 1xN planar
optical switch based on beam deflection”, IEICE
Transactions on Electronics, vol. E95-C, no. 2, pp.
213-217, February (2012).
[5]
Ling-Han Li, Akio Higo, Masakazu Sugiyama, and
Yoshiaki Nakano: “Monolithically integrated low-loss
three-dimensional spot-size converter and silicon
photonic waveguides constructed by nanotuned Bosch
process
and
oxidation”,
Journal
of
Micro/Nanolithography, MEMS, and MOEMS, vol. 10,
no. 2, pp. 023002-1-7, April-June (2011).
[13] Masaru Zaitsu, Akio Higo, Takuo Tanemura, and
Yoshiaki Nakano: “All-optical flip-flop based on
coupled-mode DBR laser diode for optically clocked
operation”, IEICE Transactions on Electronics, vol.
E95-C, vol. 2, pp. 218-223, February (2012).
[6]
Masafumi Yokoyama, Ryo Iida, Sanghyeon Kim,
Noriyuki Taoka, Yuji Urabe, Hideki Takagi, Tetsuji
Yasuda, Hisashi Yamada, Noboru Fukuhara, Masahiko
Hata, Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano, Mitsuru
Takenaka, and Shinichi Takagi: “Sub-10-nm extremely
thin body InGaAs-on-insulator MOSFETs on Si wafers
with ultrathin Al2O3 buried oxide layers”, IEEE
Electron Device Letters, vol. 32, no. 9, pp. 1218-1220,
September (2011).
[14] Shaojun Ma, Hassanet Sodabanlu, Kentaroh Watanabe,
Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “In-situ
measurement and simulation of wafer curvature of
InGaAs/GaAsP strain-compensated multiple quantum
wells”, Conference Proceedings, 38th International
Symposium on Compound Semiconductors (ISCS 2011),
P1.10, Berlin, Germany, May 23 (2011).
[7]
国際会議論文
[15] Yuki Ikku, Masafumi Yokoyama, Ryo Iida, Masakazu
Sugiyama, Yoshiaki Nakano, Mitsuru Takenaka, and
Shinichi Takagi: “ALD Al2O3 activated direct wafer
bonding for III-V CMOS photonics platform”,
Hassanet Sodabanlu, Jung-Seung Yang, Takuo Tanemura,
Masakazu Sugiyama, Yukihiro Shimogaki, and Yoshiaki
Nakano: “Intersubband absorption saturation in
114
Conference Proceedings, 23rd International Conference
on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM
2011), Mo-2.2.2, pp. 220-223, Berlin, Germany, May 23
(2011).
Noriyuki Taoka, Yuji Urabe, Tatsuro Maeda, Hideki
Takagi, Tetsuji Yasuda, Hisashi Yamada, Osamu
Ichikawa, Noboru Fukuhara, Masahiko Hata, Masakazu
Sugiyama, Yoshiaki Nakano, Mitsuru Takenaka, and
Shinichi Takagi: “CMOS integration of InGaAs
nMOSFETs and Ge pMOSFETs with self-align Ni-based
metal S/D using direct wafer bonding”, Symposium on
VLSI Technology (VLSIT 2011), 4A-3, pp. 60-61,
Honolulu, Hawaii, June 14 (2011).
[16] Ling-Han LI, Ryo Takigawa, Akio Higo, Eiji Higurashi,
Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “Electrical
pumping Febry-Pérot lasing of III-V layers on highly
doped silicon micro rib by plasma assisted direct
bonding”, Conference Proceedings, 23rd International
Conference on Indium Phosphide and Related Materials
(IPRM 2011), Mo-2.2.5, pp. 232-235, Berlin, Germany,
May 23 (2011).
[23] Yu Wen, Yunpeng Wang, Kentaroh Watanabe, Masakazu
Sugiyama, and Yoshiaki Nakano : “Enhanced carrier
escape in MSQW solar cell and its impact on
photovoltaic performance”, Conference Record, the 37th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC 37),
928, Seattle, Washington, June 19 (2011).
[17] Hassanet Sodabanlu, Shaojun Ma, Kentaroh Watanabe,
Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “Structural
evaluation of InGaAs/GaAsP multiple quantum wells via
in-situ wafer's curvature measurement and ex-situ X-ray
diffraction”, Conference Proceedings, 23rd International
Conference on Indium Phosphide and Related Materials
(IPRM 2011), P07, pp. 87-90, Berlin, Germany, May 24
(2011).
[24] Kentaroh Watanabe, Yasushi Hamamoto, Akio Higo,
Masakazu
Sugiyama,
and
Yoshiaki
Nakano:
“Fabrication of graded refractive index 3-dimensional
anti-reflection structure using self-assembled SiO2 nano
particles”, Conference Record, the 37th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference (PVSC 37), G40,
168, Seattle, Washington, June 19 (2011).
[18] Yunpeng Wang, Yu Wen, Masakazu Sugiyama, and
Yoshiaki Nakano: “Analysis of in situ surface
reflectance spectra and performance of InGaAs/GaAsP
quantum-well solar cells: towards a comprehensive
understanding of strain accumulation influence on solar
cell properties”, Conference Proceedings, 23rd
International Conference on Indium Phosphide and
Related Materials (IPRM 2011), Th-9.1.4, pp. 464-467,
Berlin, Germany, May 26 (2011).
[25] Hiromasa Fujii, Yunpeng Wang, Yoshiaki Nakano, and
Masakazu Sugiyama: “Effects of quantum wells position
and background doping on the performance of multiple
quantum well solar cells”, Conference Record, the 37th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference(PVSC 37),
A16, 737, Seattle, Washington, June 19 (2011).
[26] Masakazu Sugiyama, Yunpeng Wang, Kentaroh
Watanabe, Takayuki Morioka, Yoshitaka Okada, and
Yoshiaki Nakano: “Photocurrent generation by two-step
photon absorption with quantum-well superlattice cell”,
Conference Record, the 37th IEEE Photovoltaic
Specialists Conference (PVSC 37),
931, Seattle, Washington, June 19 (2011).
[19] Yu Wen, Yunpeng Wang, Masakazu Sugiyama, and
Yoshiaki Nakano: “Evidence for enhanced carrier escape
from multiple stepped quantum well (MSQW) and its
impact on photovoltaic performance”, Conference
Proceedings, 23rd International Conference on Indium
Phosphide and Related Materials (IPRM 2011), Th-9.1.5,
pp. 468-470, Berlin, Germany, May 26 (2011).
[20] Linghan Li, Akio Higo, Ryo Takigawa, Eiji Higurashi,
Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano :
“Silicon/III-V material active layer heterointegrated
vertical PIN waveguide photodiode by direct bonding”,
16th International Solid-State Sensors, Actuators and
Microsystems Conference (Transducers), W3P.133, pp.
2502-2505, Beijing, China, June 5 (2011).
[27] Louise C Hirst, Markus F Führer, Arthur LeBris,
Jean-François Guillemoles, Murad J Y Tayebjee,
Raphael G C R Clady, Timothy W Schmidt, Yunpeng
Wang, Masakazu Sugiyama, and Nicholas J
Ekins-Daukes: “Hot carrier dynamics in InGaAs/GaAsP
quantum well solar cells”, Conference Record, the 37th
IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC 37),
927, Seattle, Washington, June 19 (2011).
[21] Taelim Lee, Akio Higo, Hiroyuki Fujita, Yoshiaki
Nakano, and Hiroshi Toshiyoshi: “Transmissive color
shift through layered sub-wavelength gratings based on
plasmon enhanced coupling”, 16th International
Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems
Conference (Transducers), T3P.136, pp. 1542-1545,
Beijing, China, June 5 (2011).
[28] Yunpeng Wang, Yu Wen, Hassanet Sodabanlu, Kentaroh
Watanabe, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano:
“A superlattice solar cell with enhanced short circuit
current and minimized drop in open circuit voltage”,
Conference Record, the 37th IEEE Photovoltaic
Specialists Conference (PVSC 37),
C9, 758, Seattle, Washington, June 19 (2011).
[22] Masafumi Yokoyama, Sang-Hyeon Kim, Rui Zhang,
[29] Masaru Zaitsu, Akio Higo, Takuo Tanemura, and
115
Yoshiaki Nakano: “Optically clocked flip-flop operation
based on coupled DBR laser diode”, 16th
Opto-Electronics and Communications Conference
(OECC 2011), 6D4_2, pp. 291-292, Kaohsiung, Taiwan,
July 6 (2011).
beam deflection”, Extended Abstracts of the
International Conference on Solid State Devices and
Materials (SSDM 2011), P-7-18, Nagoya, Japan,
September 29 (2011).
[37] ShaoJun Ma, Hassanet Sodabanlu, Kentaroh Watanabe,
Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “Gas
sequence effect on in situ wafer curvature behavior in
InGaAs/GaAsP strain-balanced MQWs”, Technical
Digest of 21st International Photovoltaic Science and
Engineering Conference (PVSEC-21), 2D-4P-10,
Fukuoka, Japan, November 28 (2011).
[30] Masakazu Sugiyama, Yunpeng Wang, Hassanet
Sodabanlu, Shaojun Ma, Hiromasa Fujii, Kentaroh
Watanabe, and Yoshiaki Nakano: “Optical in situ
monitoring of strain evolution and relaxation in
lattice-mismatched InGaAs/GaAsP multiple quantum
wells by MOVPE”, 15th U.S. Biennal Workshop on
Organometallic Vapor Phase Epitaxy, Monterey,
California, July 31 (2011).
[38] Hiromasa Fujii, Yunpeng Wang, Kentaroh Watanabe,
Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “Effects of
increasing well number on carrier transport in Eg =
1.2eV InGaAs / GaAsP multiple quantum well solar
cells”, Technical Digest of 21st International
Photovoltaic Science and Engineering Conference
(PVSEC-21), 2B-4O-06, Fukuoka, Japan, November 28
(2011).
[31] Shaojun Ma, Yunpeng Wang, Hassanet Sodabanlu,
Kentaroh Watanabe, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki
Nakano: “Effect of hetero-interfaces on in situ wafer
curvature behavior in InGaAs/GaAsP strain-balanced
MQWs”, 15th U.S. Biennal Workshop on
Organometallic Vapor Phase Epitaxy, Monterey,
California, July 31 (2011).
[39] Hiromasa Fujii, Yunpeng Wang, Masakazu Sugiyama,
and Yoshiaki Nakano: “A large number stack of
Eg=1.2eV InGaAs / GaAsP multiple quantum wells with
graded buffer layers for enhanced infrared response”,
Technical Digest of 21st International Photovoltaic
Science and Engineering Conference (PVSEC-21),
2D-4P-13, Fukuoka, Japan, November 28 (2011).
[32] Yunpeng Wang, Hassanet Sodabanlu, Kentaroh
Watanabe, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano:
“Management of highly-strained hetero-interfaces in
InGaAs/GaAsP
strain-balanced
superlattice
for
photovoltaic application”, 15th U.S. Biennal Workshop
on Organometallic Vapor Phase Epitaxy, Monterey,
California, July 31 (2011).
[40] Hassanet Sodabanlu, Shaojun Ma, Kentaroh Watanabe,
Masakazu Sugiyama and Yoshiaki Nakano: “Effects of
background Zn doping on the performance of
MOVPE-grown InGaAs / GaAsP multiple quantum
wells solar cells”, Technical Digest of 21st International
Photovoltaic Science and Engineering Conference
(PVSEC-21), 4D-4P-05, Fukuoka, Japan, November 28
(2011).
[33] Akio Higo, Taelim Lee, Satoshi Maruyama, Hiroyuki
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Turkey, August 8 (2011).
[41] Hassanet Sodabanlu, Shaojun Ma, Kentaroh Watanabe,
Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “Impact of
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Technical Digest of 21st International Photovoltaic
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4D-4P-06, Fukuoka, Japan, November 28 (2011).
[34] Mitsuru Takenaka, Kiyohito Morii, Masakazu Sugiyama,
Yoshiaki
Nakano,
and
Shinichi
Takagi
:
“Ultralow-dark-current Ge photodetector with GeO2
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International Conference on Group IV Photonics (GFP),
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[35] Taketo Aihara, Yosuke Nakano, Atsuhiko Fukuyama,
Yunpeng Wang, Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano,
and Tetsuo Ikari : “Non-radiative carrier recombination
in the strain-balanced InGaAs/GaAsP multiple quantum
wells for solar cell application”, Extended Abstracts of
the International Conference on Solid State Devices and
Materials (SSDM 2011), L-1-2, Nagoya, Japan,
September 28 (2011).
[42] Yunpeng Wang, Kentaroh Watanabe,Hiromasa Fujii,
Shaojun Ma, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki
Nakano: “Carrier transport through super-lattice region
in a multiple quantum well solar cell”, Technical Digest
of 21st International Photovoltaic Science and
Engineering Conference (PVSEC-21), 4D-4P-07,
Fukuoka, Japan, November 28 (2011).
[36] Soohyeck Choi, Masaru Zaitsu, Akio Higo, Takuo
Tanemura, and Yoshiaki Nakano: “Numerical
demonstration of InP 1xN planar optical switch based on
[43] Yu Wen, Yunpeng Wang, Kentaroh Watanabe, Masakazu
Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “Deep multiple
116
stepped quantum well (MSQW) solar cell”, Technical
Digest of 21st International Photovoltaic Science and
Engineering Conference (PVSEC-21), 4D-4P-09,
Fukuoka, Japan, November 28 (2011).
Mechanical Systems (MEMS), pp. 204-207, Paris,
France, January 29 (2012).
総説
[50] Yoshiaki Nakano: “Principle and frontier of epitaxial
compound semiconductor photovoltaic cells toward
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Forum on Nano and Giga Challenges in Electronics,
Photonics, and Renewable Energy (NGC 2011), p. 139,
Moscow, Russia, September 12-16 (2011).
[44] Kentaroh Watanabe, Yugo Yamada, Minato Senou,
Masakazu
Sugiyama,
and
Yoshiaki
Nakano:
“Fabrication of monolithic integrated series-connected
GaAs PV cells for concentrator application”, Technical
Digest of 21st International Photovoltaic Science and
Engineering Conference (PVSEC-21), 4D-4P-21,
Fukuoka, Japan, November 28 (2011).
[51] Yoshiaki Nakano: “Ultra-high efficiency photovoltaic
cells for large scale solar power generation”, AMBIO: A
Journal of the Human Environment, vol. 41, Supplement
2, pp. 125-131 (2012).
[45] Masafumi Yokoyama, Rena Suzuki1 , Noriyuki Taoka,
Wipakorn Jevasuwan2 , Tatsuro Maeda, Tetsuji Yasuda,
Osamu Ichikawa, Hisashi Yamada, Noboru Fukuhara,
Masahiko Hata, Masakazu Sugiyama, Yoshiai Nakano,
Mitsuru Takenaka, and Shinichi Takagi: “Surface
cleaning effect on III-V oxide for InGaAs(100), (111)A,
and (111)B surfaces and their Al2O3 MOS interfaces by
using (NH4)2S solution”, 42nd IEEE Semiconductor
Interface Specialist Conference (SISC 2011), P.22, pp.
1-2, Arlington, Virginia, December 1 (2011).
[52] Yoshiaki
Nakano:
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integrated
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Photonics Conference and Exhibition (ACP 2011),
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[53] 横山正史, 金相賢, 張睿, 田岡紀之, 卜部友二, 前田
辰郎, 高木秀樹, 安田哲二, 山田永, 市川磨, 福原昇,
秦雅彦, 杉山正和, 中野義昭, 竹中充, 高木信一:
“ 次 世 代 高 性 能 CMOS 実 現 に 向 け た 高 移 動 度
III-V/Ge チャネル MOSFET の集積化 (Integration of
high-mobility III-V/Ge channel MOSFETs for
high-performance CMOS)”, 第 59 回応用物理学関係
連合講演会講演予稿集, 16a-A1-1, 早稲田大学, 3 月
16 日 (2012).
[46] Masakazu Sugiyama, Yunpeng Wang, Yu Wen, Kentaroh
Watanabe, and Yoshiaki Nakano: “Exploring the
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Photonic Engineering of Photovoltaic Devices (Part of
SPIE Photonics West OPTO 2012), Paper 8267-11, San
Francisco, CA, USA, January 23 (2012).
[47] Louise C. Hirst, Markus Furher, Daniel J. Farrell, Arthur
Le Bris, Jean-François Guillemoles, Murad J. Y.
Tayebjee, Raphael Clady, Timothy W. Schmidt,
Masakazu Sugiyama, Yunpeng Wang, and Nicholas J.
Ekins- Daukes: “InGaAs/GaAsP quantum wells for hot
carrier solar cells”, Abstract, Physics, Simulation, and
Photonic Engineering of Photovoltaic Devices (Part of
SPIE Photonics West OPTO 2012), Paper 8267-31, San
Francisco, CA, USA, January 23 (2012).
シンポジウム・研究会・大会等発表
[54] 中野義昭: “大規模太陽光発電に向けた超高効率太
陽電池の研究開発”, JIEP 最先端実装技術シンポジ
ウム, 6 月 2 日 (2011).
[55] Katsushi Fujii, Takashi Kato, Keiichi Sato, Tsutomu
Minegishi, Takahiro Yamada, Hisanori Yamane,
Takafumi Yao, Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki
Nakano: “Difference of GaN photoelectrochemical
properties in growth method”, Extended Abstracts of the
30th Electronic Materials Symposium (EMS-30),
We1-19, Biwako, Shiga, June 29 (2011).
[48] Myung-Joon Kwack, Tomofumi Oyama, Yasuaki
Hashizume, Shinji Mino, Masaru Zaitsu, Takuo
Tanemura, and Yoshiaki Nakano : “Integrated optical
buffer using InP 1x8 switch and silica-based delay line
circuit”, Technical Digest CD, Conference on Optical
Fiber Communication (OFC/NFOEC2011), OTh4D, 2,
pp. 1-3, Los Angeles, CA, March 8 (2012).
[56] Masakazu Sugiyama, Yunpeng Wang, Kentaroh
Watanabe, and Yoshiaki Nakano: “A superlattice solar
cell as a middle cell of 3-junction solar cells for
improved current matching and higher efficiency”,
Extended Abstracts of the 30th Electronic Materials
Symposium (EMS-30), Th1-2, Biwako, Shiga, June30
(2011).
[49] Masanori Kubota, Yoshio Mita, Takeshi Momose, Aiko
Kondo, Yukihiro Shimogaki, Yoshiaki Nakano, and
Masakazu Sugiyama: “A 50 nm-wide 5μm-deep copper
vertical gap formation method by a gap-narrowing
post-process with supercritical fluid deposition for Pirani
gauge operating over atmospheric pressure”, 2012 IEEE
25th International Conference on Micro Electro
[57] Shaojun Ma, Hassanet Sodabanlu, Kentaroh Watanabe,
Masakazu Sugiyama, and Yoshiaki Nakano: “Growth
optimization of InGaAs/GaAsP strain-compensated
multiple quantum wells using in-situ curvature
117
measurement and simulation”, Extended Abstracts of the
30th Electronic Materials Symposium (EMS-30), Th1-3,
Biwako, Shiga, June 30 (2011).
井戸の MOVPE におけるヘテロ界面の影響の in situ
ウエハー曲率によるモニタリング”, 第 72 回応用物
理学会学術講演会講演予稿集, 31a-ZA-15, 山形大学,
8 月 31 日 (2011).
[58] Yu Wen, Yunpeng Wang, Masakazu Sugiyama, and
Yoshiaki Nakano: “Enhanced-depletion-width MSQW
solar cell by metal-organic vapor-phase epitaxy”,
Extended Abstracts of the 30th Electronic Materials
Symposium (EMS-30), Th1-4, Biwako, Shiga, June30
(2011).
[66] 穴澤風彦, ハッサネット ソダーバンル, 藤井克司,
中野義昭, 杉山正和: “MOVPE 法による InGaN/AlN
多重量子井戸の結晶成長および評価”, 第 72 回応用
物理学会学術講演会講演予稿集, 31a-ZE-8, 山形大
学, 8 月 31 日 (2011).
[59] Hiromasa Fujii, Yunpeng Wang, Yoshiaki Nakano, and
Masakazu Sugiyama: “Effects of quantum wells position
on carrier transport in multiple quantum well solar cells
with p-type background doping”, Extended Abstracts of
the 30th Electronic Materials Symposium (EMS-30),
Th1-5, Biwako, Shiga, June 30 (2011).
[67] 横山正史, 金相賢, 張睿, 田岡紀之, 卜部友二, 前田
辰郎, 高木秀樹, 安田哲二, 山田永, 市川磨, 福原昇,
秦雅彦, 杉山正和, 中野義昭, 竹中充, 高木信一:
“基板貼り合わせ法を用いた III-V/Ge CMOS トラン
ジスタ集積化”, 第 72 回応用物理学会学術講演会講
演予稿集, 1a-P7-7, 山形大学, 9 月 1 日 (2011).
[60] Taketo Aihara, Atsuhiko Fukuyama, Yunpeng Wang,
Masakazu Sugiyama, Yoshiaki Nakano, and Tetsuo
Ikari: “Non-radiative carrier recombination in the
strain-balanced InGaAs/GaAsP multiple quantum wells
for solar cell application by using a piezoelectric
photothermal method InGaAs/GaAsP”, Extended
Abstracts of the 30th Electronic Materials Symposium
(EMS-30), Th1-6, Biwako, Shiga, June 30 (2011).
[68] 渡辺健太郎, 渡邊良祐, 杉山正和, 宮野健次郎, 中
野義昭: “集光錐と光キャピティによる集光型太陽
電池用 2 次光学素子の検討”, 第 72 回応用物理学会
学術講演会講演予稿集, 1a-H-3, 山形大学, 9 月 1 日
(2011).
[69] 王云鵬, 文瑜, 相原健人, 福山敦彦, 碇哲雄, 杉山正
和, 中野義昭: “InGaAs/GaAsP 歪み補償超格子セル
によるキャリア輸送の効率化”, 第 72 回応用物理学
会学術講演会講演予稿集, 1a-H-6, 山形大学, 9 月 1
日 (2011).
[61] 李凌瀚, 多喜川良, 肥後昭男, 日暮栄治, 杉山正和,
中野義昭: “直接接合法による光発振と光子センシ
ン グ た め の Silicon/InGaAsP ヘ テ ロ 構 造
(Silicon/InGaAsP heterostructure for Fabry-Perot lasing
and photon sensing by plasma assisted direct bonding)”,
第 36 回日本光学会光学シンポジウム, 講演番号 2,
pp. 5-6, 東京大学, 7 月 7 日 (2011).
[70] 文瑜, 王云鵬, 杉山正和, 中野義昭: “階段ポテンシ
ャル量子井戸セルの空乏層拡張による性能向上”,
第 72 回応用物理学会学術講演会講演予稿集, 1a-H-7,
山形大学, 9 月 1 日 (2011).
[71] 相原健人, 福山敦彦, 王云鵬, 杉山正和, 中野義昭,
碇哲雄: “InGaAs/GaAsP 歪補償量子井戸太陽電池吸
収層でのキャリア再結合損失評価”, 第 72 回応用物
理学会学術講演会講演予稿集, 1a-H-8, 山形大学, 9
月 1 日 (2011).
[62] 横山正史, 金相賢, 張睿, 田岡紀之, 卜部友二, 前田
辰郎, 高木秀樹, 安田哲二, 山田永, 市川磨, 福原昇,
秦雅彦, 杉山正和, 中野義昭, 竹中充, 高木信一:
“ 基 板 貼 り 合 わ せ 法 に よ る 自 己 整 合 型 InGaAs
nMOSFET/Ge pMOSFET 集 積 化 CMOS の 実 現
(CMOS integration of InGaAs nMOSFETs and Ge
pMOSFETs with self-align Ni-based metal S/D using
direct wafer bonding)”, 応用物理学会シリコンテク
ノロジー分科会第 139 回研究集会, 1, 産総研臨海副
都心センター, 7 月 21 日 (2011).
[72] ハッサネット ソダーバンル, 馬少駿, 渡辺健太郎,
杉山正和, 中野義昭: “MOVPE 成長 InGaAs/GaAsP 多
重量子井戸における Zn コンタミの影 響”, 第 72 回
応用物理学会学術講演会講演予稿集, 1a-H-9, 山形
大学, 9 月 1 日(2011).
[73] 大和文彦, 財津優, 肥後昭男, 種村拓夫, 中野義昭:
“光集積回路における InGaAsP/InP 偏波コンバータ
の 作 製 (Fablication of InGaAsP/InP polarization
converter for photonic integrated circuits)”, 電子情報
通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会(北海
道大学)講演論文集 1, C-3-14, p. 136, 9 月 13 日
(2011).
[63] 財津優, 肥後昭男, 種村拓夫, 中野義昭: “結合モー
ド DBR レーザを用いた緩和振動低減全光フリッ
プ・フロップ動作”, 第 72 回応用物理学会学術講演
会講演予稿集, 31a-ZN-8, 山形大学, 8 月 31 日
(2011).
[64] 藤 井 宏 昌 , 王 云 鵬 , 杉 山 正 和 , 中 野 義 昭 :
“GaAs/InGaAs 緩衝層を用いた InGaAs/GaAsP 多重量
子井戸の成長”, 第 72 回応用物理学会学術講演会講
演予稿集, 31a-ZA-14, 山形大学, 8 月 31 日 (2011).
[74] 崔洙赫, 財津優, 肥後昭男, 種村拓夫, 中野義昭:
“ビーム曲折型 1xN 光スイッチの部分エッチング
に よ る ク ロ ス ト ー ク 低 減 (Reducing crosstalk by
partially etched InP 1xN planar optical switch based on
[65] 馬少駿, ハッサネット ソダーバンル 渡辺健太郎,
杉山正和, 中野義昭: “InGaAs/GaAsP 歪み補償量子
118
beam deflection)”, 電子情報通信学会エレクトロニ
クスソサイエティ大会(北海道大学)講演論文集 1,
C-3-42, p. 164, 9 月 13 日 (2011).
(2012).
[83] 横山正史, 鈴木麗菜, 田岡紀之, ウィパコーン ジ
ェパスワン, 前田辰郎, 安田哲二, 市川磨, 山田永,
福原昇, 秦雅彦, 杉山正和, 中野義昭, 竹中 充, 高
木 信 一 : “硫化アンモニウム溶液で表 面 処 理 し た
InGaAs(100), (111)A, (111)B の MOS 界 面 特 性
(Surface cleaning effect for InGaAs (100), (111)A, and
(111)B by an (NH4)2Sx solution and their MOS
interface properties)”, 第 59 回応用物理学関係連合講
演会講演予稿集, 17p-A4-17, 早稲田大学, 3 月 17 日
(2012).
[75] 郭命俊, 橋詰泰彰, 美野真司, 財津優, 種村拓夫, 中
野義昭: “フェーズアレイ 1×8 集積光スイッチと石
英 系 PLC 遅 延 回 路 を 用 い た 小 型 光 バ ッ フ ァ
(Compact optical buffer using integrated phased-array
1×8 switch and silica-based PLC delay line)”, 電子情
報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会(北
海道大学)講演論文集 1, C-3-73, p. 195, 9 月 13 日
(2011).
[76] 杉山正和, 王云鵬, 渡辺健太郎, 中野義昭: “高効率
太陽電池用 InGaAs/GaAsP 超格子の MOVPE におけ
るヘテロ界面制御”, 化学工学会第 43 回秋季大会研
究発表講演要旨集(名古屋工業大学), U215, 9 月 14 日
(2011).
[84] 中野陽介, 相原健人, 藤井宏昌, 福山敦彦, 杉山正
和, 中野義昭, 碇哲雄: “圧電素子光熱変換分光法に
よる InGaAs/GaAsP 歪補償量子井戸太陽電池のキャ
リア再結合損失過程の積層数依存性”, 第 59 回応用
物理学関係連合講演会講演予稿集, 17a-E1-3, 早稲
田大学, 3 月 17 日 (2012).
[77] 馬少駿, Hassanet Sodabanlu, 渡辺健太郎, 杉山正和,
中野義昭: “Using in-situ curvature measurement and
simulation to optimize growth of InGaAs/GaAsP
strain-compensated multiple quantum wells”, 化学工学
会第 43 回秋季大会研究発表講演要旨集(名古屋工業
大学), U216, 9 月 14 日 (2011).
[85] 藤井宏昌, 渡辺健太郎, 杉山正和, 中野義昭: “補償
ドーピングによる InGaAs/GaAsP 量子井戸太陽電池
のキャリア回収効率向上”, 第 59 回応用物理学関係
連合講演会講演予稿集, 18a-C1-5, 早稲田大学, 3 月
18 日 (2012).
[78] 渡辺健太郎, ハッサネット ソダーバンル, 馬少駿,
杉山正和, 中野義昭: “InxGa(1−x)P の MOVPE にお
けるその場曲率観察による組成決定の手法”, 化学
工学会第 43 回秋季大会研究発表講演要旨集(名古屋
工業大学), U217, 9 月 14 日 (2011).
[86] 瀬能未奈都, 渡辺健太郎, 杉山正和, 中野義昭: “高
集光発電用マイクロ集積直列接続 GaAs 太陽電池の
試作 (Fabrication of the monolithic iIntegrated micro
series-connected GaAs solar cells for concentrator
photovoltaics)”, 第 59 回応用物理学関係連合講演会
講演予稿集, 18a-C1-7, 早稲田大学, 3 月 18 日 (2012).
[79] Akio Higo, Taelim Lee, Hiroyuki Fujita, Yoshiaki
Nakano, and Hiroshi Toshiyoshi : “A color-changing
pixel by wavelength dependent nanowire grid
polarizer’s”, Book of Abstracts, The 28th Sensor
Symposium on Sensors, Micromachines, and Applied
Systems/the 3rd Integrated MEMS Symposium, D1-3, p.
40, Tokyo, Japan, September 26 (2011).
[87] ハッサネット ソダーバンル, 馬少駿, 渡辺健太郎,
杉山正和, 中野義昭:” InGaAs/GaAsP 多重量子井戸
太陽電池における歪み蓄積量とセル特性の相関
(Correlation between performance of InGaAs/GaAsP
multiple quantum wells solar cell and accumulating stain
inside the structure)”, 第 59 回応用物理学関係連合講
演会講演予稿集, 18p-C1-4, 早稲田大学, 3 月 18 日
(2012).
[80] 渡辺健太郎, 王云鵬, Hassanet Sodabanlu, 文喩, 馬少
駿, 劉才, 藤井宏昌, Kim Boram, 瀬能未奈都, 杉山
正和, 中野義昭: “タンデム型太陽電池の高効率化へ
向けた量子井戸構造の開発”, 第 3 回薄膜太陽電池
セミナー, PP-30, p. 1, ラフレさいたま, 埼玉, 10 月
24 日 (2011).
[88] 渡辺健太郎, 王云鵬, ハッサネット ソダーバンル,
馬少駿, 杉山正和, 中野義昭: “InGaAs/GaAsP 歪み補
償超格子太陽電池における開放電圧の集光依存性
(Effect of concentration ratio on the open-circuit voltage
of InGaAs/GaAsP strain-balanced super-lattice solar
cells)”, 第 59 回応用物理学関係連合講演会講演予稿
集, 18p-C1-6, 早稲田大学, 3 月 18 日 (2012).
[81] 財津優, 肥後昭男, 種村拓夫, 中野義昭: “結合モー
ド DBR レーザを用いた光クロック同期全光フリッ
プ ・ フ ロ ッ プ の 数 値 解 析 (Numerical analyses of
optically-clocked all-optical flip-flop using a
coupled-mode DBR laser diode)”, 電子情報通信学会
技術研究報告(レーザ・量子エレクトロニクス研究会,
OCS, OPE 共催), vol. 111, no. 267, LQE2011-71, pp.
87-92, 10 月 27 日 (2011).
[89] 渡 邉 翔 大 , 渡 辺 健 太 郎 , 杉 山 正 和 , 中 野 義 昭 :
“Si(111)上 InAs の選択ヘテロエピタキシャル成長に
おける界面電気伝導特性”, 第 59 回応用物理学関係
連合講演会講演予稿集, 16a-A8-2, 早稲田大学, 3 月
16 日 (2012).
[82] Yoshiaki Nakano: “Post-silicon solar cells for ultra-high
efficiency”, Abstracts, 4th International Symposium on
Innovative Solar Cells, pp. 1-25, Tokyo, Japan, March 5
[90] 馬少駿, ハッサネット ソダーバンル, 渡辺健太郎,
杉山正和, 中野義昭: “InGaAs/GaAsP 歪み補償量子
井戸における界面 In 偏析のウエハ曲率観察による
119
定量 (Investigation of indium segregation effect via
wafer curvature monitoring in InGaAs/GaAsP
strain-compensated MQWs)”, 第 59 回応用物理学関係
連合講演会講演予稿集, 16a-A8-12, 早稲田大学, 3 月
16 日 (2012).
[91] 久保田雅則, 三田吉郎, 百瀬健, 近藤愛子, 霜垣幸
浩, 中野義昭, 杉山正和: “高アスペクト比垂直ナノ
ギャップを用いた高圧対応 MEMS ピラニーゲージ”,
第 59 回応用物理学関係連合講演会講演予稿集,
16a-E3-9, 早稲田大学, 3 月 16 日 (2012).
[92] 崔成漢, 郭命俊, 財津優, 崔洙赫, 肥後昭男, 種村拓
夫, 中野義昭: “フェーズドアレイを用いた半導体光
偏向素子の設計”, 電子情報通信学会総合大会(岡山
大学)エレクトロニクス講演論文集 1, C-3-80, 3 月 23
日 (2012).
[93] 菊田和孝, 肥後昭男, 中野義昭: “垂直出射型光導波
路素子のための InP 斜めドライエッチングの開発”,
平成 24 年電気学会全国大会講演論文集, 3-135, 広島
工業大学, 3 月 21 日 (2012).
その他
[94] エネ政策抜本見直しを，東大先端研が討論会，技術
開発の必要性訴え, 日本経済新聞(朝刊), 5 面, 6 月 16
日 (2011).
[95] 中野義昭, “未来を紡ぎ出す「新エネルギー」の選択
−太陽光発電”, 東京大学広報誌「淡青」, vol. 25, p. 48,
10 月 7 日 (2011).
120
高木・竹中研究室
Takagi & Takenaka Laboratory
strained SOI wafer, a highly-strained SiGe-on-Insulator has
been successfully demonstrated, which exhibits 8x higher hole
mobility than that of Si.
The ultrathin body SiGe-On-Insulator (SGOI) structure
with high compressive strain and high Ge content is a
promising channel material for pMOSFETs under future
technology nodes. One of the promising techniques for
fabricating the SGOI structures is Ge condensation technique.
It is known, however, in Ge condensation using conventional
unstrained SOI substrates that strain relaxation occurs when
Ge content becomes ~0.6 and strain significantly decreases
with an increase in Ge content. This strain relaxation has been
attributed to crystal defect generation during Ge condensation,
induced by large strain in the SGOI due to the lattice
mismatch between Si and Ge. Recently we have demonstrated
the high mobility enhancement of SGOI pMOSFETs through
the larger compressive strain by employing strained SOI
substrates in Ge condensation process. The strain relaxation in
sSGOI on sSOI occurs in much higher Ge content region than
that on SOI. As a result, the amount of strain on sSOI is
higher in Ge content over 0.60 than on SOI. The mobility
enhancement of as high as 8 is obtained for SGOI on sSOI.
(http://www.mosfet.k.u-tokyo.ac.jp/)
研究現況
Current Research Projects
Ge Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) FET に関
する研究
高木信一・竹中充・張 睿・Junkyo Suh・岩崎敬志・
林汝静・黄博勤・忻宇飛
Ge Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) FETs
S. Takagi, M. Takenaka, Rui Zhang, T. Iwasaki, J.
Rin, Po-Chin Huang, U. Kin
1.
高性能 Ge MOSFET を実現するため研究を行っている。
原子層堆積法（ALD）を用いて Ge 表面に Al2O3 膜を堆積
後、ECR プラズマ酸化して Ge MOS 界面を形成する研究
を進めている。プラズマ酸化で良好な Ge MOS 界面を形
成したのち HfO2 を堆積することで、良好な界面を維持し
たまま EOT を 0.98 nm にまでスケーリングすることに成
功した。この界面を用いて、高性能 Ge nMOSFET と
pMOSFET の実証にも成功した。酸化濃縮法を用いて
Ge-on-Insulator (GOI)基板を作製する研究も進めている。
歪 SOI 基板を用いて酸化濃縮することで、より Ge 組成
の 高 い SiGe に お い て も 大 き な 歪 を 有 す る
SiGe-on-Insulator 基板を実現し、Si に対して 8 倍程度の移
動度の向上を実証した。
高い Ge 組成を持った圧縮歪薄膜 SiGe-on-Insulator 構造
は、将来のテクノロジーノードにおける pMOSFET とし
て期待されている。我々はこれまで酸化濃縮プロセスに
より SGOI 構造を作製する研究を進めてきた。しかし、
通常の無歪 SOI 基板上における酸化濃縮では、Ge 濃度が
60%を越えたところで歪緩和が起き、SiGe 中の歪が急激
に減少してしまうことが問題となっている。この歪緩和
は、Si と Ge 間の格子不整合により酸化濃縮中に欠陥が
形成されることが原因と考えられる。我々はこの問題を
解決する為、歪 SOI 基板上で酸化濃縮を行う研究を進め
ている。歪 SOI 基板を用いることで、通常の無歪 SOI 基
板と較べてより高い Ge 組成まで歪緩和が起きないこと
を明らかにし、これにより高い歪を有した SGOI 基板を
酸化濃縮プロセスで実現し、Si 比 8 倍の移動度を有する
高性能 SiGe pMOSFET を実証することに成功した。
We have conducted the research on high-peformance Ge
MOSFETs. We have investigated ECR plasma oxidation after
depositing Al2O3 on Ge by the ALD to form high-quality Ge
MOS interface. The high-quality Ge MOS interface with EOT
of 0.98 nm has been successfully demonstrated by using HfO2
deposition after the ECR post plasma oxidation. The
high-performance Ge nMOSFETs and pMOSFETs with EOT
of 0.98 nm have also been demonstrated by using same post
plasma oxidation method. We have also investigated Ge
condensation to form Ge-on-Insulator wafers. By using a
III-V
族
化
合
物
半
導
体
Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) FET に関す
る研究
高木信一・竹中充・田岡紀之・横山正史・キムサン
ヒョン・鈴木麗菜・野口宗隆・張志宇・朝倉佑吏・
高島成也
III-V compound semiconductor
Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) FET
S. Takagi, M. Takenaka, N. Taoka, M. Yokoyama,
S.H. Kim, R. Suzuki, M. Noguchi, Chih-Yu Chang, Y.
Asakura, S. Takashima
2.
高性能 III-V MOSFET を実現する研究を行っている。
原子層堆積法（ALD）を用いて良好な InGaAs MOS 界面
を形成する研究を進めている。高誘電率絶縁膜である
HfO2 においては、MOS 界面特性が堆積温度に大きく依
存し、200 度で堆積したときに最も良好な界面特性が得
られることを明らかにした。また HfO2 と InGaAs の間に
Al2O3 界面層を 2 サイクル挿入することで、良好な界面特
性を維持したまま CET を 1.08 nm までスケーリングする
ことに成功した。また InGaAs MOS 界面においては、伝
導体内における界面準位がトランジスタ特性に大きく影
響することをホール測定と C-V 測定から明らかにした。
Ni-InGaAs 合金を用いたメタルソース／ドレインの研究
も進めている。自己形成 Ni-InGaAs メタルソース／ドレ
イン形成プロセスとウェハーボンディングを組み合わせ
ることで、超薄膜 InGaAs-OI MOSFET を実証することに
成功した。
We have conducted the research on high-performance III-V
MOSFETs. The InGaAs MOS interface has been investigated
121
by using atomic layer deposition (ALD). We found that the
HfO2/InGaAs MOS interface properties was strongly
dependent on the deposition temperature of HfO2. The
HfO2/InGaAs MOS interface with 200 C deposition
exhibited lowest interface trap density. We also found that
interfacial layer of 2-cycle Al2O3 between HfO2 and InGaAs
improved the interface properties, and MOS interface with
CET of 1.08 nm has been successfully demonstrated. The
interface traps inside the conduction band of InGaAs have
also been investigated. We have clarified that the interface
traps inside the conduction band affected the transistor
performances by using Hall measurements and C-V
measurements. InGaAs metal S/D formation process has been
investigated by using Ni-InGaAs alloy. We have demonstrated
ultra-thin body InGaAs-OI MOSFETs by using the self-align
Ni-InGaAs metal S/D formation process in conjunction with
the wafer bonding technology.
S. Takagi, M. Takenaka, Y. Chen, Y. Ikku, M.
Kuramochi
ウェハーボンディングにより Si 基板上に形成した
III-V-OI ウェハを用いた光電子集積回路に関する研究を
進めている。これまで III-V-OI 基板上に形成した InGaAsP
フォトニックワイヤー導波路の導波損失が Si と比較し
て大きいのが問題であった。酸素プラズマ表面処理によ
るボンディングを ALD で堆積した Al2O3 を介したボンデ
ィングに変更することで、貼り合わせ界面を改善して、
導波損失を 50%程度減らすことに成功した。また貼り合
わせ界面や導波路側壁のラフネスが導波損失の主要因で
あることを明らかにし、InP や Al2O3 による表面パッシベ
ーションにより Si 並みの低損失が実現可能であること
を明らかにした。
High-performance electronic-photonic integrated circuits
using III-V-OI wafer have been investigated. One of the
technology issues of InGaAsP photonic-wire waveguide is
large propagation loss as compared with that of Si. Instead of
wafer bonding with oxygen plasma treatment, we have
developed ALD Al2O3-based wafer bonding, and the 50%
reduction in propagation loss has been obtained. We have also
found that surface roughness of the bonded interface and
waveguide sidewalls affect the propagation loss, and the
propagation loss can be reduced to that of Si photonic-wire
waveguides by InP and Al2O3 surface passivation.
3. Si CMOS photonics に関する研究
高木信一・竹中充・キムヨンヒョン・ハンジェフン
Si CMOS photonics
S. Takagi, M. Takenaka, Y. Kim, J. Han
高感度 Ge フォトディテクターの研究を進めている。
Ge フォトディテクターは InGaAs フォトディテクターと
比較して暗電流が非常に大きいことが問題であった。こ
れまでの研究によって、気相ドーピングにより良好な
n+/p 接合を形成することで、イオン注入法で作製した場
合と比較して、1 桁～2 桁程度暗電流が提言可能であるこ
とを明らかにした。さらに Ge 表面を熱酸化で形成した
GeO2 でパッシベーションすることで表面リーク電流も
低減可能であることを初めて明らかにした。SiGe を利用
した光変調器の研究も進めている。歪 SiGe においてキャ
リアプラズマ効果が 3 倍以上増大することを理論的に明
らかにするとともに、MOS 構造を利用した光変調器で
10 倍程度の変調特性向上が可能であることを理論的に
明らかにした。
High-sensitivity Ge photodetectors (PDs) has been
investigated. One of the critical issues of Ge PDs is large dark
current as compared with InGaAs PDs. We have successfully
reduced the dark current of the Ge PDs by forming n+/p
junction instead of ion implantation. In addition, it was found
that the GeO2 surface passivation was effective to reduce the
surface leakage current. We have also investigated SiGe
optical modulators. We have theoretically predicted that
strained SiGe exhibits 3x larger carrier plasma effect than that
of Si, and 10x enhancement in modulation efficiency is
achievable in conjunction with a MOS structure.
4. III-V CMOS photonics に関する研究
高木信一・竹中充・Cheng Yongpeng・一宮佑希・
倉持美沙
III-V CMOS photonics platform technology
122
論文・著書一覧（2011 年度）
Publications List
Takagi, “Impact of GeOx Interfacial Layer Thickness on
Al2O3/Ge MOS Interface Properties”, Microelectron.
Eng., 88, Issue 7 (2011) pp. 1533-1536
研究論文
[9]
S. Takagi, S. Dissanayake and M. Takenaka, “High Mobility
Ge-based CMOS Device Technologies”, Key Engineering
Materials, Vol. 470 (2011) pp 1-7
[1]
R. Zhang, T. Iwasaki, N. Taoka, M. Takenaka and S.
Takagi, “Suppression of ALD-Induced Degradation of
Ge MOS Interface Properties by Low Power Plasma
Nitridation of GeO2”, J. Electrochem. Soc., 158 (8)
(2011) G178-G184
R. Zhang, T. Iwasaki, N. Taoka, M. Takenaka and S.
Takagi, “Al2O3/GeOx/Ge Gate Stacks with Low
Interface Trap Density Fabricated by Electron Cyclotron
Resonance Plasma Post Oxidation”, Appl. Phys. Lett.,
vol. 98, 112902 (2011)
[10] Y. Zhao, M. Takenaka and S. Takagi, “Suppression of
Interface State Generation in Si MOSFETs with
Biaxially-Tensile Strain”, IEEE Electron Device Lett.,
32, no. 8, (2011) pp. 1005-1007
[2]
M. Yokoyama, T. Yasuda, H. Takagi, H. Yamada, N.
Fukuhara, M. Hata, M. Sugiyama, Y. Nakano, M.
Takenaka
and
S.
Takagi,
“Ultrathin
Body
InGaAs-On-Insulator
Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistors with InP Passivation Layers on
Si substrates Fabricated by Direct Wafer Bonding”, Appl.
Phys. Exp., vol. 4, 054202 (2011)
[11] M. Yokoyama, R. Iida, S.-H. Kim, N. Taoka, Y. Urabe,
H. Takagi, T. Yasuda, H. Yamada, N. Fukuhara, M. Hata,
M. Sugiyama, Y. Nakano, M. Takenaka and S. Takagi,
“Sub-10-nm extremely-thin body InGaAs-on-insulator
MOSFETs on Si wafers with ultrathin Al2O3 buried
oxide layers”, IEEE Electron Device Lett., 32, no. 9,
(2011) pp. 1218 – 1220
[3]
N. Taoka, W. Mizubayashi, Y. Morita, S. Migita, H. Ota,
and S. Takagi, “Nature of Interface Traps in Ge
Metal-Insulator-Semiconductor Structures with GeO2
Interfacial Layers”, J. Appl. Phys., vol. 109, 084508
(2011)
[12] N. Taoka, K. Ikeda, W. Mizubayashi, Y. Morita, S.
Migita, H. Ota and S. Takagi, “Accurate evaluation of
Ge
metal—insulator—semiconductor
interface
properties”, J. Appl. Phys., vol. 110, no. 6, 064506
(2011)
[4]
M. Deura, Y. Kondo, M. Takenaka, S. Takagi, Y.
Shimogaki, Y. Nakano and M. Sugiyama, “High
Temperature Annealing Effect of Si in Group-V Ambient
prior to Heteroepitaxy of InAs in Metal-organic Vapor
Phase Epitaxy”, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 50, 04DH07
(2011)
[5]
S.-H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, R. Iida, S.-H. Lee,
R. Nakane, Y. Urabe, N. Miyata, T. Yasuda, H. Yamada,
N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S. Takagi,
“Self-aligned
metal
Source/Drain
InP
n-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors
MOSFETs using Ni-InP metallic alloy”, Appl. Phys.
Lett., 98, 243501 (2011)
[13] S.-H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, R. Iida, S.-H. Lee,
R. Nakane, Y. Urabe, N. Miyata, T. Yasuda, H. Yamada,
N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S. Takagi,
“High
performance
Extremely-thin
Body
In0.7Ga0.3As-On-Insulator MOSFETs on a Si substrate
with Ni-InGaAs metal S/D”, Appl. Phys. Exp., vol. 4,
No. 11, 114201 (2011)
[6]
[14] J.-K. Suh, R. Nakane, N. Taoka, M. Takenaka and S.
Takagi, “Highly-Strained SGOI p-Channel MOSFETs
Fabricated by Applying Ge Condensation Technique to
Strained-SOI Substrates”, Appl. Phys. Lett., vol. 99,
142108 (2011)
[15] R. Iida, S.-H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, S.-H. Lee,
M.
Takenaka
and
S.
Takagi,
“Planar-type
In0.53Ga0.47As channel band-to-band tunneling
Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors”, J.
Appl. Phys., vol. 110, 124505 (2011)
N. Taoka, M. Yokoyama, S.-H. Kim, R. Suzuki, T.
Hoshii, R. Iida, S. Lee, Y. Urabe, N. Miyata, T. Yasuda,
H. Yamada, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S.
Takagi, “AC response analysis of C–V curves and
quantitative analysis of conductance curves in
Al2O3/InP interfaces”, Microelectron. Eng., 88, Issue 7
(2011) pp. 1087-1090
[7]
Y. Urabe, T. Yasuda, H. Ishii, T. Itatani, N. Miyata, H.
Yamada, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S.
Takagi, “On the Mechanisms Limiting Mobility in
InP/InGaAs Buried Channel nMISFETs”, Microelectron.
Eng., 88, Issue 7 (2011) pp. 1076-1078
[16] S.-H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, R. Iida, S.-H. Lee,
R. Nakane, Y. Urabe, N. Miyata, T. Yasuda, H. Yamada,
N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S. Takagi,
“Electron Mobility Enhancement of Extremely Thin
Body
In0.7Ga0.3As-on-Insulator
Metal–Oxide–
Semiconductor Field-Effect Transistors on Si Substrates
by Metal–Oxide–Semiconductor Interface Buffer
Layers”, Appl. Phys. Exp. 5, 014201 (2012)
[8]
R. Zhang, T. Iwasaki, N. Taoka, M. Takenaka and S.
[17] M. Takenaka and S. Takagi, “Strain Engineering of SiGe
123
Optical Modulators”, IEEE J. Quantum Electronics, vol.
48, no. 1 (2012) pp. 8-16
[26] M. Takenaka and S. Takagi, “III-V CMOS technologies
on Si platform (invited)”, MRS spring meeting (2011)
[18] Y. Zhao, H. Matsumoto, T. Sato, S. Koyama, M.
Takenaka and S. Takagi, “Effect of Sample Thickness on
SiO2/Si Interface Roughness Characterization through
Transmission Electron Microscope Measurements in
Strained-Si MOSFETs”, J. Electrochem. Soc., vol. 159
H57 (2012)
[27] S. Takagi and M. Takenaka, “Prospective and critical
issues of III-V/Ge CMOS on Si platform (invited)”,
219th Electrochemical Society Meeting, Symposium E3:
International Symposium on Graphene, Ge/III-V,
Nanowires and Emerging Materials for Post-CMOS
Applications –3, Montreal, Canada, 1-6 May 2011, ECS
Trans. 35(3) (2011) pp. 279-298
[19] S.-H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, R. Nakane, T.
Yasuda, O. Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M.
Takenaka
and
S.
Takagi,
“In0.53Ga0.47As
Metal-oxide-semiconductor Field-effect Transistors with
a self-aligned metal Source/Drain using Co-InGaAs
alloy”, Appl. Phys. Lett. 100, 073504 (2012)
[28] S. H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, R. Iida, S. Lee,R.
Nakane, Y. Urabe, N. Miyata, T. Yasuda, H. Yamada, N.
Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S. Takagi,
“Self-aligned metal S/D InP MOSFETs using metallic
Ni-InP alloy”, 23rd International Conference on Indium
Phosphide and Related Materials (IPRM) (2011)
[20] R. Zhang, T. Iwasaki, N. Taoka, M. Takenaka and S.
Takagi, “High Mobility Ge pMOSFET with 1 nm
Al2O3/GeOx/Ge Gate Stack Fabricated by Plasma Post
Oxidation”, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 59, no. 2,
(2012) pp. 335-341
[29] Y. Ikku, M. Yokoyama, R. Iida, M. Sugiyama, Y. Nakano,
M. Takenaka and S. Takagi, “ALD Al2O3 Activated
Direct Wafer Bonding for III-V CMOS Photonics
Platform”, 23rd International Conference on Indium
Phosphide and Related Materials (IPRM) (2011)
[21] W. Jevasuwan, Y. Urabe, T. Maeda, N. Miyata, T.
Yasuda, H. Yamada, M. Hata, N. Taoka, M. Takenaka
and S. Takagi, “Initial Processes of Atomic Layer
Deposition of Al2O3 on InGaAs: Interface Formation
Mechanisms
and
Impact
on
Metal-Insulator-Semiconductor Device Performance”,
Materials, vol. 5, pp. 404-414 (2012)
[30] M. Takenaka and S. Takagi, “III-V on Silicon for
High-Speed Electronics and CMOS Photonics (invited)”,
23rd International Conference on Indium Phosphide and
Related Materials (IPRM) (2011)
[31] T. Yasuda, N. Miyata, T. Maeda, Y. Urabe, W.
Jevasuwan, H. Ishii, T. Itatani, H. Takagi, A. Ohtake, O.
Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M. Yokoyama, N.
Taoka, M. Takenaka, and S. Takagi, “Recent
Developments in III–V MISFET Technology:
On-Silicon Integration and Optimization of MIS
Interfaces”, 5th International Workshop on high-k
dielectrics on high carrier mobility semiconductors,
Hsinchu, Taiwan, June 8-10 (2011)
[22] R. Suzuki, N. Taoka, S. Lee, S. H. Kim, T. Hoshii, M.
Yokoyama, T. Yasuda, W. Jevasuwan, T. Maeda, O.
Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S.
Takagi, “1 nm capacitance equivalent thickness
HfO2/Al2O3/InGaAs
metal-oxide-semiconductor
capacitance with low interface trap density and low gate
leakage current density”, Appl. Phys. Lett., 100, 132906
(2012)
[32] S. Takagi and M. Takenaka, “High Mobility Material
Channel CMOS Technologies based on Heterogeneous
Integration (Keynote Speech)”, 11th International
Workshop on Junction Technology (IWJT2011), June 9 10, 2011, Kyoto University (Uji Campus), Kyoto, Japan,
pp. 1-6
[23] M. Takenaka, K. Morii, M. Sugiyama, Y. Nakano, and S.
Takagi, "Dark current reduction of Ge photodetector by
GeO2 surface passivation and gas-phase doping," Optics
Express Letters, vol. 20, no. 8, pp. 8718-8725, 2012.
国際会議論文
[33] R. Zhang, T. Iwasaki, N. Taoka, M. Takenaka and S.
Takagi, “High Mobility Ge pMOSFETs with ~ 1nm Thin
EOT using Al2O3/GeOx/Ge Gate Stacks Fabricated by
Plasma Post Oxidation”, VLSI symp. (2011) p. 56-57
[24] S. Takagi and M. Takenaka, “Advanced CMOS
Technologies using III-V/Ge Channels (invited)”, 11th
International Symposium on VLSI Technology,
Sysmtem and Applications (VLSI-TSA), Hsinchu,
Taiwan (2011), p. 20-21
[34] S. H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, R. Iida, S. Lee, R.
Nakane, Y. Urabe, N. Miyata, T. Yasuda, H. Yamada, N.
Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S. Takagi, “High
performance Extremely-thin Body III-V-On-Insulator
MOSFETs on a Si substrate with Ni-InGaAs metal S/D
and MOS Interface Buffer Engineering”, VLSI symp.
(2011) p. 58-59
[25] W. Jevasuwan, Y. Urabe, T. Maeda, N. Miyata, T.
Yasuda, H. Yamada, M. Hata, N. Taoka, M. Takenaka,
and S. Takagi, “Optimizing initial cycles of Al2O3 ALD
on InGaAs: impact of Al(CH3)3 dosage and in-line
monitoring by Auger electron spectroscopy”, MRS
spring meeting (2011)
124
[35] M. Yokoyama, S. H. Kim, R. Zhang, N. Taoka, Y. Urabe,
T. Maeda, H. Takagi, T. Yasuda, H. Yamada, O.
Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M. Sugiyama, Y.
Nakano, M. Takenaka and S. Takagi, “CMOS integration
of InGaAs nMOSFETs and Ge pMOSFETs with
self-align Ni-based metal S/D using direct wafer
bonding”, VLSI symp. (2011) p. 60-61
[44] T. Hoshii, S. H. Lee, R. Suzuk, N. Taoka, M. Yokoyama,
H. Yamada, W. Jevasuwan, M. Hata, T. Yasuda, M.
Takenaka and S. Takagi, “Effects of Nitrided-InGaAs
Interfacial Layers formed by ECR nitrogen plasma on
Al2O3/InGaAs MOS Properties”, SSDM (2011) E-8-4,
p. 943-944
[45] R. Suzuki, S. Lee, S. H. Kim, T.Hoshii, M. Yokoyama,
N. Taoka, T. Yasuda, W. Jevasuwan, T. Maeda, O.
Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S.
Takagi, “Effect of sulfur treatment on HfO2/InGaAs
MOS interfaces properties”, SSDM (2011) E-8-3, p.
941-942
[36] T. Maeda, Y. Urabe, T. Itatani, H. Ishii, N. Miyata, T.
Yasuda, H. Yamada, M. Hata, M. Yokoyama, M.
Takenaka and S. Takagi, “Scalable TaN Metal
Source/Drain & Gate InGaAs/Ge n/pMOSFETs”, VLSI
symp. (2011) p. 62-63
[46] R. Iida, S. H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, S. H. Lee,
M. Takenaka and S. Takagi, “Device characteristics of
planar-type In0.53Ga0.47As channel band-to-band
tunneling MOSFETs”, SSDM (2011) D-4-1, p. 843-844
[37] R. Zhang, T. Iwasaki, N. Taoka, M. Takenaka and S.
Takagi, “Impact of GeOx Interfacial Layer Thickness of
Al2O3/Ge MOS interface Properties”, 17th Conference
on "Insulating Films on Semiconductors", 21-24 June
2011 Grenoble - France
[47] S. Takagi, “(III-V/Ge)-On-Insulator CMOS Technology”,
37th IEEE International SOI Conference, Tempe
Mission Palms Hotel and Conference Center, Tempe,
Arizona, USA, 3 - 6 October, 2011
[38] N. Taoka, M. Yokoyama, S. H. Kim, R. Suzuki, T.
Hoshii, R. Iida, S. Lee, Y. Urabe, N. Miyata, T. Yasuda,
H. Yamada, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka, and S.
Takagi, “Quantitative Analysis of Conductance Curves
in Al2O3/InP Interfaces”, 17th Conference on
"Insulating Films on Semiconductors", 21-24 June 2011
Grenoble – France
[48] S. Takagi, R. Zhang, T. Hoshii and M. Takenaka, “MOS
interface control technologies for III-V/Ge channel
MOSFETs”, Symposium on High Dielectric Constant
and Other Dielectric Materials for Nanoelectronics and
Photonics 9, Symposium E4 of the 220th
Electrochemical Society (ECS) Meeting, Boston,
Massachusetts, on October 10-14, 2011, ECS Trans.
41(3) (2011) pp. 3-20
[39] Y. Urabe, T. Yasuda, H. Ishii, T. Itatani, N. Miyata, H.
Yamada, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S.
Takagi, “On the Mechanisms Limiting Mobility in
InP/InGaAs Buried Channel nMISFETs”, 17th
Conference on "Insulating Films on Semiconductors",
21-24 June 2011 Grenoble – France
[40] J.-K. Suh, R. Nakane, N. Taoka, M. Takenaka and S.
Takagi, “Highly-Strained SGOI p-Channel MOSFETs
Fabricated by Applying Ge Condensation Technique to
Strained-SOI Substrates”, 37th Device Research
Conference (DRC) (2011) p. 235-236
[49] S. Takagi, M. Yokoyama, Y.-H. Kim and M. Takenaka,
“Device and integration technologies of III-V/Ge
channel CMOS”, Symposium on ULSI Process
Integration 7, Symposium E4 of the 220th
Electrochemical Society (ECS) Meeting, Boston,
Massachusetts, on October 10-14, 2011, ECS Trans.
41(7) (2011) pp. 203-218
[41] M. Takenaka, K. Morii, M. Sugiyama, Y. Nakano, and S.
Takagi, "Ultralow-dark-current Ge photodetector with
GeO2 passivation and gas-phase doped junction,"
International Conference on Group IV Photonics
(GFP’11), WB-5, London, September 2011, pp. 36-38
[50] S. Takagi, “High Mobility Channel MOS Device
Technologies toward Nano-CMOS era (plenary talk)”,
IEEE Nanotechnology Materials and Device Conference
(NMDC), The Shilla Jeju, Korea, 21 October (2011) pp.
281-290
[42] S. Takagi, “Channel Engineering for Advanced CMOS
Devices”, 2011 International Conference on Solid State
Devices and Materials (SSDM 2011), Short Course,
Noyori Conference Hall, Nagoya University, Nagoya,
Japan, September 27, 2011, pp. 65-78
[51] S. Takagi, M. Yokoyama, S.-H. Kim, N. Taoka and M.
Takenaka,
“Ultra-thin
body
III-V-On-Insulator
MOSFETs on Si platform”, 15th International
Conference on Thin Films (ICTF), Kyoto, Japan, 8-11,
November (2011), O-S2-02, pp. 40
[43] W. Jevasuwan, Y. Urabe, T. Maeda, N. Miyata, T.
Yasuda, A. Ohtake, H. Yamada, M. Hata, S. Lee, T.
Hoshii, M. Takenaka and S. Takagi, “Controlling anion
composition at MIS interfaces on III-V channels by
plasma processing”, SSDM (2011) E-8-5, p. 945-946
[52] M. Takenaka, K. Morii, M. Sugiyama, Y. Nakano, and S.
Takagi, "GeO2 surface passivation and gas phase doping
for reducing dark current of Ge photodetector," 1st
International Symposium on Photonics and Electronics
Convergence (ISPEC’11), P-8, Tokyo, November 2011
125
[53] Y. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, M. Takenaka, S.
Takagi, "Fabrication of Ge-rich SiGe-On-Insulator by
Ge Condensation and Regrowth Technique and
Waveguide for Optical Modulator," 1st International
Symposium on Photonics and Electronics Convergence
(ISPEC’11), P-10, Tokyo, November 2011
Takagi, “Enhancement Technologies and Physical
Understanding of Electron Mobility in III-V
n-MOSFETs with Strain and MOS Interface Buffer
Engineering”, IEDM (2011) p. 311-314
[63] R. Zhang, N. Taoka, P. Huang, M. Takenaka and S.
Takagi, “1-nm-thick EOT High Mobility Ge n- and
p-MOSFETs with Ultrathin GeOx/Ge MOS Interfaces
Fabricated by Plasma Post Oxidation”, IEDM (2011) p.
642-644
[54] Y. H. Kim, M. Yokoyama, N. Taoka, M. Takenaka and S.
Takagi , “Fabrication of Ge-rich SiGe-On-Insulator
Waveguide for Optical Modulator”, accepted in 2011
IEEE Photonics Conference (IPC), (2011), pp. 465-466
[64] S. Takagi and M. Takenaka, “Non-Si Channel MOS
Device Technologies in Nano-CMOS era”, 2011
Tsukuba Nanotechnology Symposium (TNS’11),
University of Tsukuba, December 15-17 (2011) p. 13
[55] Y. Urabe, N. Miyata, W. Jevasuwan, T. Maeda, T.
Yasuda, O. Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M.
Yokoyama, N. Taoka, M. Takenaka and S. Takagi,
“Improved Electron Mobility and On/Off Ratio of
InGaAs MISFETs by New Surface Treatments Utilizing
Selenite Adsorption”, SISC (2011) 6. 5
[65] S. Takagi and M. Takenaka, “High Mobility CMOS
Technologies using III-V/Ge Channels on Si platform”,
13th International Conference on Ultimate Integration
on Silicon (ULIS 2012), Grenoble, France, 5-7th of
March, 2012
[56] N.Taoka, M.Yokoyama, S.H.Kim, R. Suzuki, R. Iida, S.
Lee, T. Hoshii, W. Jevasuwan, T. Maeda, T. Yasuda, O.
Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M.Takenaka, and
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Conduction Band on C-V Characteristics of InGaAs
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総説・解説論文
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semiconductor
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499-527, Edited by Yasuhiro Shiraki and
Noritaka Usami), Woodhead Publishing Limited,
2011 (ISBN 978-1-84569-689-4)
[57] R. Suzuki, N. Taoka, S. Lee, S. H. Kim, T.Hoshii, M.
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Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka, and S.
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[58] M. Yokoyama, R. Suzuki, N. Taoka, W. Jevasuwan, T.
Maeda, T. Yasuda, O. Ichikawa, H. Yamada, N.
Fukuhara, M. Hata, M. Sugiyama, Y. Nakano, M.
Takenaka and S. Takagi, “Surface cleaning effect on
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(NH4)2Sx solution”, SISC (2011) P. 22
シンポジウム・研究会・大会等発表
[67] 横山正史、金相賢、張睿、田岡紀之、卜部友二、前
田辰郎、高木秀樹、安田哲二、山田永、市川磨、福
原昇、秦雅彦、杉山正和、中野義昭、竹中充、高木
信一, “基板貼り合わせ法による自己整合型 InGaAs
nMOSFET/Ge pMOSFET 集積化 CMOS の実現”, 応
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バイス・プロセス技術）」, 2011 年 7 月 21 日, 産業
技術総合研究所 臨海副都心センター
[68] 張睿 岩崎敬志 田岡紀之 竹中充 高木信一,
“ プ ラ ス マ 後 酸 化 法 に よ る 1 nm EOT
Al2O3/GeOx/Ge ゲートスタックを用いた高移動度
Ge pMOSFET”, 応用物理学会シリコンテクノロジ
ー分科会第 139 回研究集会, 「VLSI シンポジウム特
集 （先端 CMOS デバイス・プロセス技術）」, 2011
年 7 月 21 日, 産業技術総合研究所 臨海副都心セ
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Lee, T. Hoshii, W. Jevasuwan, T. Maeda, T. Yasuda, O.
Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S.
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M. Ichikawa, N. Fukuhara, M. Hata, M. Takenaka and S.
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2011 年 7 月 28 日（木）慶応大学、日吉キャンパス,
p. 1-9
卜部友二, 安田哲二, 宮田典幸, 前田辰郎, 大竹晃
浩, 市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 横山正史, 田岡紀之,
竹中充, 高木信一,“InGaAs 表面の亜セレン酸溶液
処理による MISFET 特性改善”, 第 72 回応用物理学
関係連合講演会、山形大学、2011 年 9 月.
Junkyo Suh, Ryosho Nakane, Noriyuki Taoka, Mitsuru
Takenaka, and Shinichi Takagi, “Mobility Enhancement
of Strained-SGOI p-Channel MOSFETs by Applying Ge
Condensation Technique to Strained-SOI Substrates”,
第 72 回応用物理学関係連合講演会、山形大学、2011
年 9 月.
横山正史, 金相賢, 張睿, 田岡紀之, 卜部友二, 前田
辰郎, 高木秀樹, 安田哲二, 山田永, 市川磨, 福原昇,
秦雅彦, 杉山正和, 中野義昭, 竹中充, 高木信一,
“基板貼り合わせ法を用いた III-V/Ge CMOS トラ
ンジスタ集積化”, 第 72 回応用物理学関係連合講演
会、山形大学、2011 年 9 月.
前田辰郎, 卜部友二, 板谷太郎, 石井裕之, 宮田典
幸, 安田哲二, 前田辰郎, 山田永, 秦雅彦, 横山正
史, 竹中充, 高木信一, “共通メタル S/D & ゲート
を用いた微細 III-V/Ge CMOS 技術の開発”, 第 72
回応用物理学関係連合講演会、山形大学、2011 年 9
月.
鈴木麗菜, 李成薫, 金相賢, 星井拓也, 横山正史, 田
岡紀之, ジェバスワン・ウィパコーン, 前田辰郎, 安
田哲二, 市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 竹中充, 高木信一,
“ALD Al2O3 界面層を用いた HfO2/InGaAs MOS 界
面特性の改善”, 第 72 回応用物理学関係連合講演会、
山形大学、2011 年 9 月.
Rui Zhang, Noriyuki Taoka, Takashi Iwasaki, Mitsuru
Takenaka and Shinichi Takagi, “ High Mobility Ge
pMOSFETs with ~ 1nm Thin EOT Al2O3/GeOx/Ge
Gate Stacks”, 第 72 回応用物理学関係連合講演会、
山形大学、2011 年 9 月.
金相賢, 横山正史, 田岡紀之, 飯田亮, 李成薫, 中根
了昌, 卜部友二, 宮田典幸, 安田哲二, 山田永, 福原
昇, 秦雅彦, 竹中充，高木信一,“メタル S/D 構造及
び MOS interface buffer 層 の 導 入 に よ る ETB
InGaAs-OI MOSFET の高性能化”, 第 72 回応用物理
学関係連合講演会、山形大学、2011 年 9 月.
金栄現, 横山正史, 田岡紀之, 竹中充, 高木信一,“光
変調器応用に向けた高 Ge 組成 SiGe-on-Insulator 導
波路の製作”, 第 72 回応用物理学関係連合講演会、
山形大学、2011 年 9 月.
ジェバスワン・ウィパコーン, 卜部友二, 前田辰郎,
宮田典幸, 安田哲二, 市川磨, 秦雅彦, 田岡紀之, 竹
中充, 高木信一,“Improved MIS characteristics for
ALD-Al2O3/InP(111)B interfaces”, 第 72 回応用物理
学関係連合講演会、山形大学、2011 年 9 月.
田岡紀之, 鈴木麗菜, 横山正史, 飯田亮, 李成薫, 金
127
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[89]
相賢, 星井拓也, ジェバスワン ウィパコーン, 前田
辰郎, 安田哲二, 市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 竹中充,
高木信一, “Al/ALD-Al2O3/InGaAs MOS 構造におけ
る蓄積容量の解析”, 第 72 回応用物理学関係連合講
演会、山形大学、2011 年 9 月.
SangHoon Shin，N. Taoka, M. Takenaka and S. Takagi,
“Effect of Positive Fixed Charges at MOS interfaces on
Surface Potential Fluctuation Determined by
Conductance Method”, 第 72 回応用物理学関係連合
講演会、山形大学、2011 年 9 月.
田岡紀之, 横山正史, 金相賢, 鈴木麗菜, 飯田亮, 李
成薫, 星井拓也, ジェバスワン・ウィパコーン, 前田
辰郎, 安田哲二, 市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 竹中充,
高木信一, “InGaAs MOS キャパシタにおける伝導
帯内界面準位の C-V 特性への影響”, ゲートスタッ
ク研究会 ― 材料・プロセス・評価の物理 ―（第
16 回研究会）, 2012 年, 東レ総合研修センター, pp.
17-20
シン・サンフン, 田岡紀之, 竹中充, 高木信一, “Si
MOS キャパシタのコンダクタンス測定における表
面ポテンシャル揺らぎの実験的評価”, ゲートスタ
ック研究会 ― 材料・プロセス・評価の物理 ―（第
16 回研究会）, 2012 年, 東レ総合研修センター, pp.
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高木信一, 異種材料（Si/Ge/化合物半導体）集積化技
術, Electronic Journal 第 984 回 Technical Seminar,
2012 年 1 月 30 日、総評会館、東京
竹中充, 高木 信一, “光配線 LSI 実現に向けた Ge
ナノ光電子集積回路の開発”, 第 59 回応用物理学関
係連合講演会、早稲田大学、2012 年 3 月.
金相賢，横山正史、田岡紀之, 中根了昌, 安田哲二,
市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 竹中充，高木信一, “二軸
引っ張りひずみによる InGaAs MOSFET の移動度向
上とそのメカニズム”, 第 59 回応用物理学関係連合
講演会、早稲田大学、2012 年 3 月.
金相賢，横山正史、田岡紀之, 中根了昌, 安田哲二,
市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 竹中充，高木信一, “MOS
interface buffer 層の導入、チャネル In 組成変調によ
る極薄膜 InxGa1-xAs-OI MOSFET の高性能化とそ
のメカニズム”, 第 59 回応用物理学関係連合講演会、
早稲田大学、2012 年 3 月.
Rui Zhang, Noriyuki Taoka, Po-Chin Huang, Mitsuru
Takenaka and Shinichi Takagi, “High Mobility Ge nand p-MOSFETs with ~ 1nm EOT Al2O3/GeOx/Ge
Gate Stacks”, 第 59 回応用物理学関係連合講演会、
早稲田大学、2012 年 3 月.
和田章良, 张睿, 高木信一, 寒川誠二, “低温・超低損
傷中性粒子ビーム酸化(NBO)を用いた高品質 GeO2
膜の電気特性評価”, 第 59 回応用物理学関係連合講
演会、早稲田大学、2012 年 3 月.
鈴木麗菜, 李成薫, 金相賢, 星井拓也, 横山正史, 田
岡紀之, ジェバスワン・ウィパコーン, 前田辰郎, 安
[90]
[91]
[92]
[93]
田哲二, 市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 竹中充, 高木信一,
“極薄膜 Al2O3 界面層を挿入した HfO2/InGaAs
MOS 構造の CET 薄膜化”, 第 59 回応用物理学関係
連合講演会、早稲田大学、2012 年 3 月.
田岡紀之, 横山正史, 金相賢, 鈴木麗菜, 飯田亮, 李
成薫, 星井拓也, ジェバスワン ウィパコーン, 前田
辰郎, 安田哲二, 市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 竹中充,
高木信一, “InGaAs MOS 構造における伝導帯内界
面準位によるフェルミレベルピニング”, 第 59 回応
用物理学関係連合講演会、早稲田大学、2012 年 3
月.
田岡紀之, 横山正史, 金相賢, 鈴木麗菜, 飯田亮, 李
成薫, 星井拓也, ジェバスワン ウィパコーン, 前田
辰郎, 安田哲二, 市川磨, 福原昇, 秦雅彦, 竹中充,
高木信一, “InGaAs MOS 界面における伝導帯内界
面準位の物理的起源”, 第 59 回応用物理学関係連合
講演会、早稲田大学、2012 年 3 月.
横山正史, 金相賢, 張睿, 田岡紀之, 卜部友二, 前田
辰郎, 高木秀樹, 安田哲二,山田永, 市川磨, 福原昇,
秦雅彦, 杉山正和, 中野義昭, 竹中充, 高木信一,
“ 次 世 代 高 性 能 CMOS 実 現 に 向 け た 高 移 動 度
III-V/Ge チャネル MOSFET の集積化”, 第 59 回応
用物理学関係連合講演会、早稲田大学、2012 年 3
月.
横山正史, 鈴木麗菜, 田岡紀之, ジェバスワン・ウィ
パコーン, 前田辰郎, 安田哲二, 市川磨, 山田永, 福
原昇, 秦雅彦, 杉山正和, 中野義昭, 竹中充, 高木信
一, “硫化アンモニウム溶液で表面処理した
InGaAs(100), (111)A, (111)B の MOS 界面特性”, 第
59 回応用物理学関係連合講演会、早稲田大学、2012
年 3 月.
128
devices including spin MOSFETs, spin injection and transport
in Si-MOS channels, and spin detection.
田中・大矢研究室
Tanaka and Ohya Laboratory
2.
III-V 族ベースの強磁性半導体およびその超
薄膜・量子ヘテロ構造
田中雅明・大矢忍・宗田伊理也・ファムナムハイ
III-V Based Ferromagnetic Semiconductors
(GaMn)As, (InGaMn)As, Mn-delta-doped GaAs,
and their Ultrathin Quantum Heterostructures
M. TANAKA, S. OHYA, I. MUNETA, and P. N. HAI
(http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp)
(http://www.cryst.t.u-tokyo.ac.jp/index.en.html)
研究現況
Current Research Projects
1.
我々は 1996 年以降、比較的低温（200 ｰ 300℃）の強い
非平衡成長条件下で MBE 成長を行うことにより、GaAs
中に固溶限界を越えた Mn 原子をドーピングさせ、新し
い希薄磁性半導体(Ga1-xMnx)As を作製できることを示し
てきた。最近は、結晶作製条件の最適化により、最大で
x=21％もの高濃度の Mn をドープすることに成功してお
り、この組成領域において高品質な閃亜鉛鉱型の単結晶
が保たれることを明らかにしている。これらの試料に対
する磁化および磁気輸送特性などの測定により、170 K
程度に及ぶ高い強磁性転移温度 TC が得られた。四元混晶
磁性半導体(InGaMn)As の作製も行っており、低温（TC
は約 130 K）強磁性が発現すること、In 組成を変えるこ
とにより、格子定数、バンドギャップ、磁気異方性を制
御できること、光通信用デバイスと整合性の良い InP 基
板上に格子整合できることなどを明らかにした。これら
の系は、III-V 族化合物半導体と強磁性体の性質を併せ持
つ新しい物質であり、スピンとキャリアの相互作用を調
べる上で極めて興味深い対象である。これらの材料を用
いたヘテロ構造の研究も行っており、強磁性(GaMnAs)/
非磁性(AlAs)半導体超格子構造や、GaMnAs 量子井戸二
重障壁へテロ構造などを作製し、磁気光学効果やスピン
依存トンネル伝導特性の測定により、GaMnAs 層中に量
子準位が形成されていることを初めて示した。一方、Mnデルタドーピングと選択ドーピング構造を作製し、III-V
族化合物半導体では最高の強磁性転移温度である
TC=172 K- 250 K を観測した。最近、これらの系における
プレーナホール効果を用いた磁気異方性の研究を進めて
おり、Mn-delta-doped GaAs / p-AlGaAs ヘテロ構造におい
て巨大プレーナホール効果が観測されることや、
(InGaMn)As において面内一軸異方性が支配的であるこ
となどを明らかにしている。
Since 1996, we have successfully grown a new III-V based
magnetic semiconductor (GaMn)As by low-temperature
molecular beam epitaxy (LT-MBE), in which strong
non-equilibrium growth conditions allow a large amount of
Mn atoms to be incorporated into the host lattice of GaAs.
Recently, heavily Mn doped GaMnAs with the Mn
concentration up to 21% has been successfully fabricated by
improving the growth condition. It was revealed that these
films have a high-qualified zinc-blende-type single-crystal
structure.
By the magnetization, magneto-optical and
magneto-transport studies, it was clarified that high Curie
temperature (TC) values up to 170 K were obtained in these
films. We also have tried to fabricate a new quaternary alloy
magnetic semiconductor (InGaMn)As, and have found that it
is ferromagnetic with TC ～ 130K. In (InGaMn)As, the
lattice constant, the bandgap, and magnetic anisotropy can be
changed, and it can be grown on lattice-matched InP
substrates, thus having good compatibility with optical
強磁性金属/半導体ヘテロ構造とスピントラ
ンジスタの研究
田中雅明・中根了昌・佐藤彰一・菅原聡
Ferromagnetic Metal / Semiconductor
Heterostructures and Spin Transistors
M. TANAKA, R. NAKANE, S. SATO, and S.
SUGAHARA
Si や GaAs 半導体基板上に高品質単結晶の強磁性薄膜
を成長させることができれば、半導体エレクトロニクス
と磁性材料の機能（不揮発性メモリや光学的非相反性な
ど）を融合させた新しい物質科学や応用技術、またはス
ピン自由度を使ったエレクトロニクスを創造できる可能
性がある。我々はこの分野で 90 年代初めから先駆的研究
を進めているが、本研究では、六方晶の結晶構造を持つ
強磁性金属 MnAs 薄膜を、分子線エピタキシー(MBE)法
を用いて半導体(Si, GaAs)基板上にエピタキシャル成長
さ せ る こ と に 成 功 し た 。 ま た 、 MnAs/III-V
(GaAs,AlAs)/MnAs から成る３層の強磁性／半導体多層
ヘテロ構造の形成に成功し、良好な品質を保ったエピタ
キシャルヘテロ構造を得た。磁気センサや固体磁気ラン
ダムアクセスメモリ(MRAM)の基本原理となるスピンバ
ルブ効果による磁気抵抗効果、および最近では大きなト
ンネル磁気抵抗効果の観測に成功した。さらに、スピン
依存伝導を積極的に用いた新しいシリコンベースのスピ
ントランジスタ（Spin MOSFET）を提案し、そのデバイ
ス物理の解析、高密度不揮発性メモリおよび再構成可能
な論理回路の設計を行った。シリコンベースのスピンデ
バ イ ス の 実 現 に 向 け て デ バ イ ス プ ロ セ ス と Spin
MOSFET 作製、Si-MOS チャネルへのスピン注入と伝導、
スピン検出の研究も行っている。
It is expected that the feasibility of growing
monocrystalline high-quality ferromagnetic thin films on
semiconductors leads to a new class of materials which
combines the properties both of semiconductors and of
ferromagnets, giving rise to new applications. We have
successfully grown ferromagnetic MnAs films with hexagonal
NiAs-type crystal structure on Si and GaAs substrates by
MBE.
Furthermore, we have successfully grown
MnAs/III-V(GaAs,AlAs)/MnAs trilayer structures having
good crystalline quality on Si(111) and GaAs (111) substrates,
and have observed the spin-valve effect and tunneling
magnetoresistance (TMR), which can lead to the application
to magnetic-field sensors and magnetic random access
memory (MRAM). Furthermore, we proposed and analyzed
a new class of silicon-MOS based spin transistors (Spin
MOSFET) and their application to ultrahigh density
nonvolatile memory and reconfigurable logic devices. We
are investigating device processes for realizing Si-based spin
129
communication devices. They are a new class of materials
having properties both of III-V semiconductors and of
ferromagnetic materials, providing new opportunities to study
the interaction between carriers and local spins. Furthermore,
we have grown GaMnAs/ AlAs super lattices (SLs) and
GaMnAs/ AlGaAs/ GaMnAs/ AlAs quantum heterostructures,
and have shown that the quantum levels are formed in
GaMnAs. Also, we have realized high TC of 172－250 K in
Mn-delta-doped GaAs / p-AlGaAs heterostructures, which are
the highest values ever reported in III-V based materials.
More recently, we have developed a technique to investigate
the in-plane magnetic anisotropy in the magnetic
semiconductor systems by using the planer Hall effect. We
have found out a giant planar Hall effect in the
Mn-delta-doped GaAs / p-AlGaAs heterostructures and
clarified their magnetic anisotropy. Also, its technique has
been applied to InGaMnAs, and we have clarified that the
uniaxial magnetic anisotropy is dominant in InGaMnAs.
thickness, which is explained by calculations assuming that
the parallel wave vector k// of carriers is conserved in
tunneling. Recently, we have observed the larger TMR
values up to 175% at 2.6 K in GaMnAs/AlMnAs/GaMnAs
tunnel junctions. This is the highest TMR value ever
reported in the semiconductor-based tunnel junctions in the
same temperature region,
In the GaMnAs/ AlGaAs/
GaMnAs/ AlAs quantum heterostructures, we have found that
the TMR is enhanced by the quantum-size effect in the
GaMnAs QW.
More recently, we have grown a
three-terminal devices containing an electrode connected to
the GaMnAs QW, and successfully controlled the quantum
levels and the spin-dependent tunneling. These findings are
very significant steps towards future spintronics, in which one
tries to use the spin degree of freedom in semiconductor
devices.
4.
グ ラ ニ ュ ラ ー 強 磁 性 金 属 (MnAs) ／ 半 導 体
(III-V)ハイブリッド構造の形成と磁気光学
物性、磁気抵抗効果、スピン起電力、および
デバイス応用
田中雅明・ファムナムハイ・秋山了太・大矢忍
Semiconductor-Based Magneto-Photonic Crystals:
Ferromagnet(MnAs)/III-V Semiconductor Hybrid
Multilayer Structures: Fabrication,
Magneto-optical , Magnet-resistive Properties, and
Device Applications
M. TANAKA, P. N. HAI, R. AKIYAMA,
and S. OHYA
3.
強磁性半導体ヘテロ構造を用いた量子効果ト
ンネル接合デバイスとトンネル磁気抵抗効果
田中雅明・大矢忍・宗田伊理也・寺田博・
ファムナムハイ
Magnetic Tunnel Junctions using Ferromagnetic
Semiconductor Quantum Heterostructures and
Tunneling Magneto-Resistance
M. TANAKA, S. OHYA, I. MUNETA, H. TERADA,
and P. N. HAI
低温 MBE 成長により GaMnAs/AlAs/GaMnAs から成る
強磁性半導体トンネル接合を作製し、半導体ヘテロ構造
では初めてトンネル磁気抵抗効果を観測していた(1998
年)が、2000 年に構造と磁場の印加方向を最適化するこ
とにより大きなトンネル磁気抵抗効果(TMR)が得られる
ことを明らかにした。Ga1-xMnxAs (x=4.0%, 50nm) / AlAs
(1.3-2.8nm) / Ga1-xMnxAs (x=3.3%, 50nm)から成る単一障
壁強磁性半導体トンネル接合に、磁場を面内で[100]方向
に印加してトンネル抵抗を測定したところ、TMR 比は最
大 75%にも達した。また、TMR の AlAs 障壁厚さ依存性
の実験結果を、界面に平行方向のキャリア波数ベクトル
k//が保存するとして強結合近似で求めた理論計算により
説明した。最近では、AlMnAs 障壁をトンネル障壁に用
いることにより、2.6 K において、同測定温度領域におい
ては半導体系で最も大きな TMR 比 175%を観測した。ま
た、GaMnAs/ AlGaAs/ GaMnAs/ AlAs/ GaAs:Be 量子へテ
ロ構造において、スピン依存共鳴トンネル効果により、
TMR が増大することを示した。一方、このような系を用
いて、GaMnAs 量子井戸に電極を有する３端子素子を作
製し、量子準位とスピン依存トンネル伝導の制御にも成
功している。このようなスピンに依存するトンネル現象
は、不揮発性メモリや磁気センサの基本原理であり、半
導体ヘテロ接合においてこのような現象が明瞭に観測さ
れたことの意義は大きいと考えている。
We have observed very large tunneling magnetoresistance
(TMR) in epitaxially grown GaMnAs/AlAs/GaMnAs
ferromagnetic semiconductor tunnel junctions. Large TMR
ratios more than 70% were obtained in junctions with a very
thin (<1.6 nm) AlAs tunnel barrier when the magnetic field
was applied along the [100] axis in the film plane. The TMR
was found to rapidly decrease with increasing the barrier
低温 MBE 成長した混晶半導体(GaMn)As を 500-800℃
で熱処理すると、強磁性金属 MnAs のクラスター（微粒
子）が析出し、グラニュラー強磁性金属(MnAs)が半導体
(GaAs)中に埋め込まれた GaAs:MnAs 複合構造が形成さ
れる。MnAs クラスタの大きさは数 nm であり、アニール
温度によって変えられ、全体としては超常磁性を示す。
このような強磁性体/半導体複合構造の形成技術を確立
し、その磁気光学効果を明らかにしつつある。特に最近
では、GaAs/AlAs 半導体多層膜から成る分布ブラッグ反
射鏡（Distributed Bragg Reflector, DBR）と組み合わせ、
DBR/GaAs:MnAs /DBR 構造をエピタキシャル成長によ
って形成し、光を磁性層に局在させることによって、室
温で磁気光学効果が数倍増大することを見出し、III-V 族
化合物半導体をベースとしたスピン機能光デバイスの実
現へ向けて研究を進めている。一方で、MnAs クラスタ
ーを介した非常に興味深い伝導特性も観測され始めてい
る。GaAs:MnAs 複合構造において、室温で 600%にも達
する大きな正の磁気抵抗効果を見出し、さらなる評価と
解明を進めている。また、GaAs:MnAs 微粒子構造を含む
強磁性トンネル接合を作製し、明瞭なスピン依存トンネ
ル現象を観測した。さらに MnAs 微粒子が閃亜鉛鉱型結
晶構造である場合には、静磁場による起電力の発生と
100,000%にもおよぶ巨大な磁気抵抗効果が得られるこ
とを発見した。静磁場による起電力の発生は、1831 年に
確立したファラデーの電磁誘導の法則を、このような強
磁性ナノ構造においてはより一般化する必要があること
を示すものである。
We
have
fabricated
ferromagnet(MnAs)/III-V
semiconductor(GaAs)
granular
structures,
hereafter
130
GaAs:MnAs, by annealing (GaMn)As at 500 - 800oC.
During the annealing process, MnAs ferromagnetic clusters
with diameters of a few nm were formed in a matrix of GaAs
(or GaMnAs), exhibiting a superparamagnetic behavior. We
have established the fabrication process and have measured
magneto-optic properties. Furthermore, we have fabricated
GaAs:MnAs sandwiched by GaAs/AlAs distributed Bragg
Reflectors (DBRs), and have showed significant enhancement
of magneto-optical effect by using multiple interference and
localization of light in the GaAs:MnAs magnetic layer. This
structure offers new opportunity for the application to
spin-controlled photonic devices based on III-V compound
semiconductors. Recently, we have found extremely large
positive magnetoresistance of 600 % at room temperature in
the GaAs:MnAs granular structures, and further investigations
are underway. Furthermore, we found that an emf can be
induced by a static magnetic field in magnetic tunnel
junctions (MTJs) containing zinc-blende (ZB) MnAs
nanoparticles. As a consequence, a huge magnetoresistance
effect of up to 100,000% was observed at certain bias voltages.
Our results show, for the first time, that Faraday’s Law of
induction given in 1831 must be generalized to take into
account spin effects in magnetic nanostructures [Nature 458,
489 (2009)].
5.
microscopic structure and magneto-optical properties.
Recently, we have successfully fabricated ferromagnetic Fe3Si
on silicon-on-insulator (SOI) substrates, and developed spin
MOS devices.
6.
新しい電子誘起ｎ型強磁性半導体の研究
田中雅明・ファムナムハイ・レデゥックアイン・
佐々木大輔
A New Electron-Induced Ferromagnetic
Semiconductor
M. TANAKA, P-N. HAI, LE DUC ANH,
and D. SASAKI
キャリア誘起強磁性半導体は、ゲート電圧や光照射に
よる強磁性の制御をはじめ他の材料系で得られないユニ
ークな特色を持ち、半導体スピントロニクス研究におけ
る中心的な材料である。しかし、これまで最も研究され
てきた Mn 系キャリア誘起強磁性半導体 (In,Mn)As や
(Ga,Mn)As は常に p-型であるため、実用的なデバイスの
材料として使いにくい。Mn 系強磁性半導体では Mn 原子
がスピン磁気モーメントを提供すると同時に、アクセプ
タとして正孔を供給するため p-型になる。また、最近の
光および電気伝導による研究により、Mn 系の強磁性半
導体においては p 軌道と d 軌道の混在による不純物バン
ドが形成され、正孔がその不純物バンドを伝導する「不
純物バンド伝導モデル」が示された。Mn 系強磁性半導
体の性質をよく説明できた「価電子帯伝導モデル」に基
いた Zener モデルの適用が難しくなり、強磁性のメカニ
ズムの解明が困難となった。我々は理想的な強磁性半導
体は次の特性を満たすべきだと考える。1)スピンとキャ
リアの分離ができること。つまり、スピン磁気モーメン
トを提供する原子とキャリアを提供する原子を独立に制
御可能であること。これにより、p-型だけではなく、n型キャリア誘起強磁性半導体も作製できる。2)キャリア
が不純物バンドではなく伝導帯あるいは価電子帯を伝導
すること。これにより、強磁性の発生メカニズムの解明
や量子へテロ構造の設計も可能になる。本研究では、以
上の条件を満たす可能性がある新規強磁性半導体として、
鉄 (Fe)系の n 型電子誘起強磁性半導体(In,Fe)As を提案し、
低温 MBE による作製に成功した。
Carrier-induced ferromagnetic semiconductors (FMSs)
have been intensively studied for decades as they have novel
functionalities that cannot be achieved with conventional
metallic materials. These include the ability to control
magnetism by electrical gating or light irradiation, while fully
inheriting the advantages of semiconductor materials such as
band engineering. Prototype FMSs such as (In,Mn)As and
(Ga,Mn)As, however, are always p-type, making it difficult to
be used in real spin devices. This is because manganese (Mn)
atoms in those materials work as local magnetic moments and
acceptors that provide holes for carrier-mediated
ferromagnetism. We have shown that by introducing iron (Fe)
IV 族ベース・スピントロニクス材料とデバイ
スプロセスの研究
田中雅明・矢田慎介・秋山了太・岡崎亮平・伴芳祐・
中根了昌・大矢忍
Group-IV-based Spintronics Materials and Device
Processes
M. TANAKA, S. YADA, R. AKIYAMA,
R. OKAZAKI, Y. BAN, R. NAKANE, and S. OHYA
Si を中心とする IV 族半導体は大規模集積回路・MOS
トランジスタの主材料であり、将来にわたってその重要
性は疑う余地が無い。Si や Ge など IV 族ベースの磁性半
導体や IV 族半導体と整合性の良いハーフメタルなど高
スピン偏極材料の創製とデバイスプロセスの研究を行っ
ている。これまでに GeMn の強磁性の起源の解明と GeM
アモルファス強磁性半導体の作製、自己組織化 GeMn ナ
ノコラム構造の作製、新しい強磁性半導体 GeFe の作製
と微視的構造および磁気光学効果などの物性評価、SOI
(silicon on insulator) 基板上への FexSi の作製とそのスピ
ン MOS デバイスプロセス開発などを進めている。
It is no doubt that Si and group-IV semiconductors will be
continuously important in the future, because they are used for
MOS transistors and integrated circuits. We study the
fabrication of group-IV (Si and Ge) based magnetic
semiconductors and ferromagnets with high spin polarization,
such as half metals, which are compatible with group-IV
semiconductors, and their applications to spin-device
processes. We have grown GeMn and clarified the origin of
its ferromagnetism, successfully fabricated ferromagnetic
amorphous semiconductor GeMn and self-organized GeMn
nanocolumns. Also, we have successfully grown a new
ferromagnetic semiconductor GeFe and clarified its
131
論文・著書一覧
Publications List
into InAs, it is possible to fabricate a new FMS with the
ability to control ferromagnetism by both Fe and independent
carrier doping. Despite the general belief that the tetrahedral
Fe-As bonding is antiferromagnetic, we demonstrate that
(In,Fe)As doped with electrons behaves as an n-type
electron-induced FMS, a missing piece of semiconductor
spintronics for decades. This achievement opens the way to
realize novel spin-devices such as spin light-emitting diodes
or spin field-effect transistors, as well as helps understand the
mechanism of carrier-mediated ferromagnetism in FMSs.
研究論文
Shinobu Ohya, Kenta Takata, and Masaaki Tanaka,
"Nearly non-magnetic valence band of the
ferromagnetic semiconductor GaMnAs", Nature
Physics 7, pp.342-347 (2011).
[2] Shinobu Ohya, Kenta Takata, Iriya Muneta, Pham
Nam Hai, and Masaak Tanaka, "Comment on
"Reconciling results of tunnelling experiments on
(Ga,Mn)As" arXiv:1102.3267v2 by Dietl and
Sztenkiel",
cond-mat
arXiv:1102.4459v3,
http://arxiv.org/abs/1102.4459v3
[3] Pham Nam Hai, Shinsuke Yada and Masaaki
Tanaka, "Phase decomposition diagram of
magnetic alloy semiconductor", J. Appl. Phys. 109,
pp.073919/1-9 (2011).
[4] Shinsuke Yada, Pham Nam Hai, Satoshi Sugahara,
and Masaaki Tanaka, "Structural and magnetic
properties of Ge1-xMnx thin films grown on Ge
(001) substrates", J. Appl. Phys. 110,
pp.073903/1-8 (2011).
[5] Ryota Akiyama, Shinobu Ohya, Pham Nam Hai,
and Masaaki Tanaka, "Magnetoresistance Induced
by Spin-Dependent Inelastic Cotunneling in a
Ferromagnetic
MnAs
Nanoparticle
with
Non-Magnetic Electrodes", J. Appl. Phys. 111,
063716/1-5 (2012).
[1]
総説論文、解説論文、編著
田中雅明 "スピントロニクスとその材料"
未踏科学技術 451 号 pp.8-11 (2011).（2011 年 4
月 1 日発行）.
[7] ナノテクノロジー・材料分野 科学技術・研究
開発の国際比較 2011 年版 田中雅明「磁性
材料」 科学技術振興機構研究開発戦略センタ
ー、2011 年 6 月発行.
[8] 田中雅明 "研究ノート 半導体スピントロニ
クスとその材料"
Annual Report 2010,
Cryogenic Research Center, University of Tokyo
(平成 22 年度東京大学低温センター年報), Vol.2,
pp.6-11, October 2011.
[6]
国際会議論文
[9]
132
Shinobu Ohya, Iriya Muneta, Kenta Takata, Pham
Nam Hai, and Masaaki Tanaka (invited),
"Resonant
tunneling
spectroscopy
and
valence-band picture of the ferromagnetic
semiconductor GaMnAs", International Magnetics
Conference 2011 (Intermag 2011), Taipei, April
25-29, 2011.
(In,Fe)As", 6th International School and
Conference on Spintronics and Quantum
Information Technology (SPINTECH6), Matsue,
July 31- August 6, 2011.
[19] L. D. Anh, P. N. Hai, and M. Tanaka, "Correlation
between magnetic circular dichroism, anomalous
Hall effect and magnetization in (In,Fe)As", 6th
International School and Conference on
Spintronics and Quantum Information Technology
(SPINTECH6), Matsue, July 31- August 6, 2011.
[10] S. Sato, R. Nakane, S. Kokutani, and M. Tanaka,
"Influence of anisotropic magnetoresistance on
nonlocal signals in multi-terminal lateral devices
with a Si channel and Fe electrodes",
Three-University-Symposium
on
Nano-manufacturing
and
Nanotechnology,
Nanotechnology for Advanced Electronics,
Photonics, and Sensing, Beijing, China, June 6-7,
2011.
[11] Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai, Iriya Muneta,
and Shinobu Ohya (invited), "III-V based magnetic
heterostructures and nanostructures: Bandstructure,
spin dependent tunneling, and magnetoresistance",
Sweden-Japan
Workshop
on
Quantum
Nanoelectronics (QNANO 2011), Visby, Sweden,
June 12-14, 2011.
[20] Ryota Akiyama, Shinobu Ohya, Pham Nam Hai,
and Masaaki Tanaka, "Magnetoresistance induced
by spin-dependent inelastic cotunneling in a
ferromagnetic
MnAs
nanoparticle
with
non-magnetic electrodes", 6th International School
and Conference on Spintronics and Quantum
Information Technology (SPINTECH6), Matsue,
July 31- August 6, 2011.
[21] I. Muneta, S. Ohya, and M. Tanaka, "Tunneling
magnetoresistance in GaMnAs and GaAs
double-quantum-well
heterostructures",
6th
International School and Conference on
Spintronics and Quantum Information Technology
(SPINTECH6), Matsue, July 31- August 6, 2011.
[12] Shinobu Ohya, Kenta Takata, Yufei Xin, and
Masaaki Tanaka, "Universal valence-band picture
of the ferromagnetic semiconductor GaMnAs
obtained by the resonant tunneling spectroscopy",
53rd Electronic Materials Conference 2011 (EMC
2011) June 22-24, 2011, University of California,
Santa Barbara, USA.
[13] S. Ohya, K. Takata, I. Muneta, P. N. Hai, Y. Xin,
and M. Tanaka (invited), "Valence-band structure
of the ferromagnetic semiconductor GaMnAs", 5th
International Workshop on Spin Currents 2011,
Sendai, July 25-28 (2011).
[14] I. Muneta, S. Ohya, and M. Tanaka,
"Spin-dependent tunneling transport in GaMnAs
and GaAs double-quantum-well heterostructures",
5th International Workshop on Spin Currents 2011,
Sendai, July 25-28 (2011).
[22] Y. Ban, R. Akiyama, S. Ohya, and M. Tanaka,
"Photo-induced anomalous Hall effect in the
group-IV based ferromagnetic semiconductor
Ge1-xFex", 6th International School and
Conference on Spintronics and Quantum
Information Technology (SPINTECH6), Matsue,
July 31- August 6, 2011.
[23] P. N. Hai, L. D. Anh and M. Tanaka, "(In,Fe)As: A
Fe-based n-type ferromagnetic semiconductor",
5th International Workshop on Spin Currents 2011,
Sendai, July 25-28 (2011).
new
Fe-based
n-type
electron-induced
ferromagnetic semiconductor", 56th Annual
Magnetism and Magnetic Materials (MMM)
Conference, paper DF3, Scottsdale, Arizona, USA,
October 30 - November 3, 2011.
[16] Masaaki Tanaka (invited), "Valence-band picture
[24] L. D. Anh, P. N. Hai and M. Tanaka, "Intrinsic
of GaMnAs obtained by resonant tunneling
spectroscopy", 6th International School and
Conference on Spintronics and Quantum
Information Technology (SPINTECH6), Matue,
Japan, July 31 - August 6, 2011.
[17] S. Ohya, Y. Xin, I. Muneta, K. Takata, and M.
Tanaka, "Valence-band structure of (III,Mn)As
ferromagnetic semiconductors", 6th International
School and Conference on Spintronics and
Quantum Information Technology (SPINTECH6),
Matsue, July 31- August 6, 2011.
ferromagnetism in (In,Fe)As and its dependence
on Fe concentration", 56th Annual Magnetism and
Magnetic Materials (MMM) Conference, paper
DF11, Scottsdale, Arizona, USA, October 30 November 3, 2011.
[25] Pham Nam Hai and Masaaki Tanaka (invited),
"Top-down and bottom-up fabrication of
nano-scale spintronic devices
and
their
spin-dependent transport characteristics", 3rd
International Workshop on Nanotechnology and
application (IWNA 2011), Vietnam National
University, Ho Chi Minh City, Vietnam, November
10-12, 2011.
[15] L.D. Anh, P.N. Hai, and M. Tanaka, "A new
[18] P. N. Hai, L. D. Anh, and M. Tanaka, "A new
Fe-based n-type ferromagnetic semiconductor
133
(30th Electronic Materials Symposium)、ラフォー
レ琵琶湖、2011 年 6 月 29 日-7 月 1 日.
[26] S. Ohya, I. Muneta, K. Takata, Y. Xin, P. N. Hai,
and M. Tanaka (invited), "Valence-band structure
of (III,Mn)As ferromagnetic semiconductors",
Joint Polish-Japanese Workshop "Spintronics from new materials to applications", Warsaw,
Poland, 15-18 November 2011.
[34] 田中雅明（招待講演）, "電気と磁気の新しい交
わり －スピンを用いたエレクトロニクスの研
究", SOC 新人研修会特別講演、東京高輪、2011
年 6 月 6 日．
[27] M. Tanaka, P. N. Hai,and L. D. Anh (invited), "A
[35] 田中雅明（招待講演）, "電気と磁気の新しい交
new
Fe-based
n-type
electron-induced
ferromagnetic semiconductor:(In,Fe)As", 2nd
International Workshop on Magnetic Materials and
Nanostructures, Tokai, Japan, January 10-13, 2012.
[28] Le Duc Anh, Pham Nam Hai, and Masaaki Tanaka,
"Properties of n-type ferromagnetic semiconductor
(In,Fe)As: Fe concentration and thickness
dependence", 2nd International Workshop on
Magnetic Materials and Nanostructures, Tokai,
Japan, January 10-13, 2012.
わり －スピントロニクス研究の現状と展望
－", サイエンステクノフロンティアフォーラ
ム講演、東京大学駒場キャンパス、2011 年 7
月 23 日.
[36] S. Ohya, L. Feigl, B. D. Schultz, D. G. Ouellette, N.
S. Wilson, S. J. Allen, C. J. Palmstrøm, "MBE
growth of PrNiO3, LaAlO3, and LaNiO3", 2011
Mott MURI Review and Oxide Interfaces Meeting,
IBM Research Almaden, August 29-31, 2011.
[37] ファムナムハイ、レデゥックアイン、田中雅明,
"鉄系 n 型電子誘起強磁性半導体(In,Fe)As",
2011 年秋季第 72 回応用物理学会学術講演会、
山形大学、2011 年 8 月 29 日-9 月 2 日; Pham Nam
Hai, Le Duc Anh, Masaaki Tanaka, "Iron-based
N-type
Electron-Induced
Ferromagnetic
Semiconductor (In,Fe)As", 2011 Fall Meeting of
the Japan Physical Society, Yamagata University,
Auguat 29 - September 2, 2011.
[29] Masaaki Tanaka, Shinobu Oyha, Ryosho Nakane,
Pham Nam Hai, Shinsuke Yada, Ryota Akiyama,
Ypshisuke Ban, Shoichi Sato, Iriya Muneta,
Ryohei Okazaki, and Le Duc Anh, "Spintronics:
Materials and Devices: A New Spin on
Semiconductors - Spintronics Research Opens the
Way to New Semiconductor Technology",
International
Symposium
on
Secure-Life
Electronics, Takeda Hall, University of Tokyo,
January 17-18, 2012.
[38] レデゥックアイン、ファムナムハイ、田中雅明,
"N 型強磁性半導体 InFeAs における磁気円二色
性、異常ホール効果および磁化特性の相関",
2011 年秋季第 72 回応用物理学会学術講演会、
山形大学、2011 年 8 月 29 日-9 月 2 日; Le Duc
Anh, Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka,
"Correlation between magnetic circular dichroism,
anomalous Hall effect, and magnetization in
InFeAs", 2011 Fall Meeting of the Japan Physical
Society, Yamagata University, Auguat 29 September 2, 2011.
[39] （論文奨励賞記念講演）
（招待講演）矢田慎介,
“Single-Crystalline
Ferromagnetic
Alloy
Semiconductor Ge1－xMnx Grown on Ge(111)”,
Shinsuke Yada, Ryohei Okazaki, Shinobu Ohya,
and Masaaki Tanaka, Appl. Phys. Express 3 (2010)
123002, 2011 年秋季第 72 回応用物理学会学術
講演会、山形大学、2011 年 8 月 29 日-9 月 2 日．
[40] 田中雅明、
レデゥックアイン、ファムナムハイ、
"鉄系 n 型電子誘起強磁性半導体(In,Fe)As の作
製と評価", 東北大学省エネルギー・スピント
ロニクス集積化システム研究センター(CSIS)
平成 23 度全体会議、東北大学、2011 年 9 月 15
日.
[30] Masaaki Tanaka, Pham Nam Hai, Le Duc Anh,
Shyam Mohan, and Tsuyoshi Tamegai,
"Spintronics: Materials and Devices", International
Symposium on Secure-Life Electronics, Takeda
Hall, University of Tokyo, January 17-18, 2012.
[31] Pham Nam Hai, Le Duc Anh and Masaaki Tanaka,
N-type
electron-induced
ferromagnetic
semiconductor with tetrahedral Fe-As bonding,
International
Symposium
on
Secure-Life
Electronics, Takeda Hall, poster 4-7, University of
Tokyo, January 17-18, 2012.
[32] Pham Nam Hai, Le Duc Anh and Masaaki Tanaka,
"Intrinsic ferromagnetism in (In,Fe)As and its
dependence on Fe concentration", International
Symposium on Secure-Life Electronics, Takeda
Hall, poster B-7, University of Tokyo, January
17-18, 2012.
シンポジウム・研究会・国内学会等発表
[33] Yufei Xin, Shinobu Ohya, Kenta Takata, and
Masaaki Tanaka, "Valence-band structure of the
III-V-based
ferromagnetic-semiconductor
InGaMnAs investigated by resonant tunneling
spectroscopy"; 第 30 回電子材料シンポジウム
[41] 田中雅明（招待講演）, "電気と磁気の新しい交
わり -スピンを用いたエレクトロニクスの研
134
Sasaki, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, Masaaki
Tanaka, "Anisotropic Magnetoresistance and
Magnetic Anisotropy in (In,Fe)As", 16th Meeting
on the Physics and Applications of Spin-related
Phenomena in Semiconductors (PASPS-16), Tokyo
Institute of Technology, Ookayama, Tokyo,
November 28-29, 2011.
[48] 宗田伊理也、寺田博、大矢忍、田中雅明, "II-V
族強磁性半導体 GaMnAs 量子ヘテロ構造にお
けるスピントンネル依存伝導", 第 16 回「半導
体スピン工学の基礎と応用」研究会(PASPS-16)、
東京工業大学博物館・百年記念館(大岡山キャ
ンパス)、2011 年 11 月 28 日－29 日; Iriya Muneta,
Hiroshi Terada, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka,
"Spin-dependent tunneling transport in III-V
ferromagnetic-semiconductor
GaMnAs
heterostructures", 16th Meeting on the Physics and
Applications of Spin-related Phenomena in
Semiconductors (PASPS-16), Tokyo Institute of
Technology, Ookayama, Tokyo, November 28-29,
2011.
究-", 北海道大学グローバル COE「知の創出を
支える次世代 IT 基盤拠点」シンポジウム、北
海道大学大学院情報科学研究科、2011 年 10 月
5 日～6 日．
[42] 田中雅明（招待講演）, "半導体スピントロニク
スー材料とデバイス研究", 「スピンに関連す
る最近の展開～基礎科学から応用展開まで～」
シンポジウム、真空協会主催 2011 年度第 52
回真空連合講演会、学習院大学 100 周年記念会
館、2011 年 11 月 16 日-18 日．
[43] 田中雅明（招待講演）, "スピントロニクス研究
の現状と展望", Semicon Japan, SEMI テクノロ
ジーシンポジウム(STS) 2011、幕張メッセ国際
会議場、2011 年 12 月 7 日～9 日.
[44] 小林正起, 丹羽秀治, 原田 慈久, 尾嶋正治, 竹
田幸治, 藤森淳, 田中新, 大矢忍, 田中雅明, "
共鳴軟Ｘ線非弾性散乱による希薄磁性半導体
Ga1-xMnxAs における磁性イオンの電子構造
解析", 第 25 回日本放射光学会、鳥栖、2012 年
1 月 6 日～1 月 9 日．
[45] ファムナムハイ、レデュックアィン、 田中雅
明, "新しいｎ型電子誘起強磁性半導体
(In,Fe)As", 第 16 回「半導体スピン工学の基礎
と応用」研究会(PASPS-16)、東京工業大学博物
館・百年記念館(大岡山キャンパス)、2011 年
11 月 28 日－29 日; Pham Nam Hai, Le Duc Anh,
Masaaki Tanaka, "(In,Fe)As: a new n-type
electron-induced ferromagnetic semiconductor",
16th Meeting on the Physics and Applications of
Spin-related Phenomena in Semiconductors
(PASPS-16), Tokyo Institute of Technology,
Ookayama, Tokyo, November 28-29, 2011.
[46] レ デゥック アイン、ファム ナム ハイ、田中
雅明, "極薄 InFeAs における磁気円二色性スペ
クトルのブルーシフトの観測", 第 16 回「半導
体スピン工学の基礎と応用」研究会(PASPS-16)、
東京工業大学博物館・百年記念館(大岡山キャ
ンパス)、2011 年 11 月 28 日－29 日; Le Duc Anh,
Pham Nam Hai, Masaaki Tanaka, "Observation
and analysis of the blue shift in magnetic circular
dichroism spectra of ultrathin InFeAs films ", 16th
Meeting on the Physics and Applications of
Spin-related Phenomena in Semiconductors
(PASPS-16), Tokyo Institute of Technology,
Ookayama, Tokyo, November 28-29, 2011.
[47] 佐々木大輔、Pham Nam Hai、Le Duc Anh、田中
雅明, "強磁性半導体(In,Fe)As における異方性
磁気抵抗効果と磁気異方性", 第 16 回「半導体
スピン工学の基礎と応用」研究会(PASPS-16)、
東京工業大学博物館・百年記念館(大岡山キャ
ンパス)、2011 年 11 月 28 日－29 日; Saisuke
135
[49] 岡崎亮平、秋山了太、伴芳祐、田中雅明, "Mn
リッチナノカラム構造を有する Ge1-xMnx 薄
膜における光照射効果", 第 16 回「半導体スピ
ン工学の基礎と応用」研究会(PASPS-16)、東京
工業大学博物館・百年記念館(大岡山キャンパ
ス)、2011 年 11 月 28 日－29 日; Ryohei Okazaki,
Ryota Akiyama, Yoshisuke Ban, Masaaki Tanaka,
"Light irradiation effect on the magnetic properties
of Ge1-xMnx films with Mn-rich nanocolumns",
16th Meeting on the Physics and Applications of
Spin-related Phenomena in Semiconductors
(PASPS-16), Tokyo Institute of Technology,
Ookayama, Tokyo, November 28-29, 2011.
[50] 佐藤彰一、中根了昌、國谷瞬、田中雅明, "強磁
性電極を有する半導体ベース多端子デバイス
における電気伝導：デバイス構造が非局所信号
へ与える影響", 第 16 回「半導体スピン工学の
基礎と応用」研究会(PASPS-16)、東京工業大学
博物館・百年記念館(大岡山キャンパス)、2011
年 11 月 28 日－29 日; S. Sato, R. Nakane, S.
Kokutani, and M. Tanaka, "Transport in
semiconductor-based multi-terminal devices with
ferromagnetic electrodes: Structural influence on
nonlocal signals", 16th Meeting on the Physics and
Applications of Spin-related Phenomena in
Semiconductors (PASPS-16), Tokyo Institute of
Technology, Ookayama, Tokyo, November 28-29,
2011.
[51] Masaaki
Tanaka
(Invited
seminar),
"Semiconductor Spintronics", Seminar at Applied
Materials Japan, Tokyo, January 23, 2012.
[52] S. Ohya, N. S. Wilson, B. D. Schultz, and C. J.
Palmstrøm,"MBE growth of LaAlO3 and LaNiO3",
Semi-annual MURI meeting, University of
California Santa Barbara, February 16, 2012.
[53] 宗田伊理也、寺田博、大矢忍、田中雅明, "強磁
性半導体 GaMnAs 量子井戸二重障壁構造にお
ける共鳴トンネル分光法を用いたフェルミ準
位の観測", 東京大学低温センター研究交流会、
東京大学本郷キャンパス小柴ホール、2011 年 3
月 5 日．
[54] レデゥックアイン、ファムナムハイ、佐々木大
輔、田中雅明, "n 型強磁性半導体(In,Fe)As の成
長と物性", 東京大学低温センター研究交流会、
東京大学本郷キャンパス小柴ホール、2011 年 3
月 5 日．
[55] 伴芳佑、田中雅明, "IV 族強磁性半導体 GeFe に
おける異常ホール効果とキャリア誘起強磁性
の検証", 東京大学低温センター研究交流会、
東京大学本郷キャンパス小柴ホール、2011 年 3
月 5 日．
[56] 佐藤彰一、中根了昌、田中雅明, "磁性体電極を
持つ半導体デバイスの磁気伝導特性", 東京大
学低温センター研究交流会、東京大学本郷キャ
ンパス小柴ホール、2011 年 3 月 5 日．
度年度末研究報告会、東京大学工学部 2 号館、
2012 年 3 月 13 日．
[61] ファム ナム ハイ,レ デゥック アイン, Shyam
Mohan, 為ヶ井 強, 田中 雅明, "電子誘起強磁
性半導体(In,Fe)As における強磁性ドメイン構
造", 第 59 回応用物理学関係連合講演会、早稲
田大学、2012 年 3 月 15 日-18 日; Pham Nam Hai,
Le Duc Anh, Shyam Mohan, Tsuyoshi Tamegai,
Masaaki Tanaka, "Ferromagnetic domain structure
in electron-induced ferromagnetic semiconductor
(In,Fe)As", 59th Spring Meeting of the Japan
Society of Applied Physics, Waseda University,
March 15-18, 2012.
[62] 佐々木大輔、ファム ナム ハイ、レ デゥック
アイン、田中雅明, "電子誘起強磁性半導体
(In,Fe)As における異方性磁気抵抗効果と磁気
異方性", 第 59 回応用物理学関係連合講演会、
早稲田大学、2012 年 3 月 15 日-18 日; Daisuke
Sasaki, Pham Nam Hai, Le Duc Anh, Masaaki
Tanaka, "Anisotropic Magnetoresistance and
Magnetic Anisotropy in (In,Fe)As", 59th Spring
Meeting of the Japan Society of Applied Physics,
Waseda University, March 15-18, 2012.
[63] 岡崎亮平、秋山了太、伴芳祐、田中雅明, "Mn
リッチナノカラム構造を有する Ge1-xMnx 薄
膜における光照射効果", 第 59 回応用物理学関
係連合講演会、早稲田大学、2012 年 3 月 15 日
-18 日; Ryohei okazaki, Ryota Akiyama, Yoshisuke
Ban, Masaaki Tanaka, "Light irradiation effect on
the magnetic properties of Ge1-xMnx films with
Mn-rich nanocolumns", 59th Spring Meeting of
the Japan Society of Applied Physics, Waseda
University, March 15-18, 2012.
[57] 秋山了太、大矢忍、田中雅明, "Magnetic and
transport properties of Mn-doped magnetic
semiconductors:
Influence
of
structural
homogeneity and inhomogeneity（Mn ドープ磁性
半導体における磁性と伝導特性：構造的均一性
と不均一性の影響）", 東京大学固体エレクト
ロニクス研究会・光エレクトロニクス研究会、
東京大学工学部 2 号館、2012 年 3 月 13 日．
[64] 寺田 博、宗田伊理也、大矢忍、田中雅明, "共
[58] 伴芳祐、田中雅明, "IV 族磁性半導体 GeFe の磁
鳴トンネル分光法を用いた III-V 族強磁性半導
体 GaMnAs における価電子帯構造解析：Mn 濃
度依存性", 第 59 回応用物理学関係連合講演会、
早稲田大学、2012 年 3 月 15 日-18 日; Hiroshi
Terada, Iriya Muneta, Shinobu Ohya, Masaaki
Tanaka, "Analysis of the valence band structure of
the III-V ferromagnetic-semiconductor GaMnAs
studied by resonant tunneling spectroscopy: Mn
content dependence", 59th Spring Meeting of the
Japan Society of Applied Physics, Waseda
University, March 15-18, 2012.
性と光照射効果", 東京大学固体エレクトロニ
クス研究会・光エレクトロニクス研究会、東京
大学工学部 2 号館、2012 年 3 月 13 日．
[59] 佐藤彰一、中根了昌、田中雅明, "磁性体電極を
持つ半導体デバイスの磁気伝導特性
(Magnetotransport properties of semiconductor
devices with a ferromagnetic electrode)", 東京大
学グローバル COE「セキュアライフ・エレク
トロニクス」平成 23 年度年度末研究報告会、
東京大学工学部 2 号館、2012 年 3 月 13 日．
[60] 宗田伊理也、大矢忍、田中雅明, "III-V 族強磁
[65] 松倉文礼、白井正文、田中雅明, "革新的スピン
性半導体 GaMnAs 量子ヘテロ構造におけるス
ピン依存伝導 (Spin-depedent transport in III-V
ferromagnetic-semiconductor GaMnAs quantum
heterostructures)", 東京大学グローバル COE
「セ
キュアライフ・エレクトロニクス」平成 23 年
トロニクス材料・デバイス研究開発", 東北大
学省エネルギー・スピントロニクス集積化シス
テム研究センター平成 23 年度研究報告会、大
手町サンケイプラザ、2012 年 3 月 19 日.
[66] 小林正起, 丹羽秀治, 原田慈久, 尾嶋正治, 竹
136
田幸治, 藤森淳, 田中新, 仙波泰徳, 大橋治彦,
大矢忍, 田中雅明, "軟Ｘ線共鳴非弾性Ｘ線散
乱による強磁性半導体 Ga1-xMnxAs における
電子構造解析", 日本物理学会第 67 回年次大会、
関西学院大学、2012 年 3 月 24 日～27 日; M.
Kobayashi, H. Niwa, Y. Harada, M. Oshima, Y.
Takeda, A. Fujimori, A. Tanaka, Y. Senba, H.
Ohashi, S. Ohya, M. Tanaka, "Soft X-ray Resonant
Inelastic X-ray Scattering Study on Ferromagnetic
Semiconductor Ga1-xMnxAs", 67th Annual
Meeting of the Physical Society of Japan,
Kwansei-Gakuin University, March 24- 27, 2012.
[67] 寺田博、宗田伊理也、大矢忍、田中雅明, "共鳴
トンネル分光法を用いた III-V 族強磁性半導体
GaMnAs における価電子帯構造解析:Mn 濃度
依存性", 超微細リソグラフィー・ナノ計測拠
点終了シンポジウム、東京大学武田ホール、
2012 年 3 月 27 日.
[68] 佐々木大輔、Pham Nam Hai、Le Duc Anh、田中
雅明, "強磁性半導体(In,Fe)As における異方性
磁気抵抗効果と結晶磁気異方性", 超微細リソ
グラフィー・ナノ計測拠点終了シンポジウム、
東京大学武田ホール、2012 年 3 月 27 日.
[69] 伴芳祐、岡崎亮平、秋山了太、田中雅明, "IV
族磁性半導体 GeFe の磁性と光照射効果", 超
微細リソグラフィー・ナノ計測拠点終了シンポ
ジウム、東京大学武田ホール、2012 年 3 月 27
日.
特許、受賞、報道、記事、その他
[70] 田中・大矢研究室の「強磁性半導体 GaMnAs
においてフェルミ準位の位置とバンド構造を
系統的に解明した研究成果」が英国科学誌ネイ
チ ャ ー ・ フ ィ ジ ッ ク ス に 掲 載 さ れ (Nature
Physics 7, pp.342-347 (2011)）、Nature Physics
誌の news & views で取り上げられた。"Dilute
magnetic semiconductors, Hidden order revealed",
Nature Physics 7, pp.285-286 (2011).
[71] 東京大学グローバル COE の代表的な研究成果
として、当研究室のスピントロニクスに関する
研究成果が東京大学のホームページ
http://www.u-tokyo.ac.jp/coe/english/achievement
s/report01.html に掲載された。”A New Spin on
Semiconductors - Spintronics Research Opens the
Way to New Semiconductor Technology”.
[72] 応用物理学会論文賞「応用物理学会論文奨励
賞」, 2011 年 8 月 30 日 第 72 回秋季応用物理
学会学術講演会にて授賞式 論文名：
Single-Crystalline
Ferromagnetic
Alloy
Semiconductor Ge1－xMnx Grown on Ge(111), 著
者名： Shinsuke Yada, Ryohei Okazaki, Shinobu
137
Ohya, and Masaaki Tanaka, 掲載誌： Appl. Phys.
Express 3 (2010) 123002; JSAP OUTSTANDING
PAPER AWARD 2011, APEX/JJAP YOUNG
SCIENTIST
AWARD
http://www.ipap.jp/apex/article/showArticle.cgi?se
c=award&year=2011
田畑研究室
TABATA Laboratory
(http://www.bioxide.t.u-tokyo.ac.jp/index.html)
研究現況
Current Research Projects
1.
自然超格子構造を用いた機能融合材料の創製
関宗俊・岩本藤行・山原弘靖・田畑仁
Fabrication of Multifunctional Materials based on
Natural Superlattice structure
M. Seki, F. Iwamoto, Y. Ono, and H. Tabata
遷移金属酸化物は電子スピンが強く相互作用する強相
関電子系であり、高温超伝導や室温強磁性あるいは巨大
磁気抵抗などの多彩な物性が発現する。われわれは、異
なる複数の副格子からなる自然超格子構造を用いて、一
つの材料の中で光・磁気・電子物性が融合した新しい機
能性酸化物材料の創出を目指し研究を行っている。今年
度は、このような自然超格子型の結晶構造を有するスピ
ネル型フェライトの薄膜形成およびその電気・磁気特性
について研究を推進した。スピネル型フェライト(AB2O4)
は室温を超える強磁性転移温度を示すが、その殆どは絶
縁性のフェリ磁性体でありスピントロニクス応用に有望
とは言えない。例外として、マグネタイト(Fe3O4)は比較
的高い電気伝導性を持つことが知られており、バンド計
算によりキャリアが完全にスピン偏極しているハーフメ
タル（スピン偏極率 100%）であることが示唆されてい
る。しかしながら、Fe3O4 はその化学的不安定性によって、
ヘテロ接合を形成した際に界面が化学反応を起こして不
純物層が形成されるために、スピン散乱が生じてスピン
偏極率が減少しまうことが指摘されている。また、その
多大なキャリア密度(~1022cm3)の制御が困難であること
も Fe3O4 のデバイス応用を図る上で大きな障害となって
いる。さらに Fe3O4 は、低温(～400℃)・還元雰囲気中(真
空)でしか結晶成長せず、一般的に高温・酸素雰囲気中で
作製される他の酸化物層との組み合わせに不向きであり
デバイス化には適さない。本研究では安定な絶縁体スピ
ネル型フェライトに遍歴電子系（4d 電子系）を持つ Ru
イオンを導入することによって電気伝導性を付与し、母
体材料の多彩な磁気特性を保持したまま、Fe3O4 のような
高いスピン分極率を発現する新規材料の開発を目指した。
第一原理計算に基づく電子状態計算により、フェルミ準
位上のスピン偏極率は 82.5%という結果が得られた。フ
ェルミ準位の Ru イオンの DOS の寄与により偏極率が若
干下がっているが、一般的な強磁性金属(Fe:40％,Co:35%
等)に比べて極めて高い値である。実験ではこのような
Ru 置換スピネル型フェライト薄膜をパルスレーザー蒸
着法(PLD 法)により作製した。Co0.5Ru0.5Fe2O4 薄膜は、
CoFe2O4 特有の大きな保磁力を有するヒステリシスを室
温において示すことが分かった。また、室温における異
常ホール効果の曲線と M-H 曲線の形が一致しているこ
とから、キャリアの高スピン偏極が示唆されている。こ
138
のように 4d 電子系の導入は、母体材料（絶縁体）の特徴
的な磁気特性（室温フェリ磁性、保磁力、磁気異方性、
耐酸化性等）を活かした新しい磁性半導体の創製に極め
て有効な手段であると考えられる。
Room-temperature ferromagnetic semiconductors are desired
for the construction of spintronics devices. Magnetite (Fe3O4)
with the spinel-type crystal structure is one of the most
promising compounds due to its high Neel temperature
(TN~860K) and half-metallic character. However, Fe3O4 thin
films can be grown only in an extremely narrow window of
the temperature (300~400 °C) and oxygen pressure (10-6~10-5
Pa). In addition, it is reported that Fe3O4 oxidizes to form
Fe2O3 (hematite) at the interface of Fe3O4-based
heterojunctions such as Fe3O4/MgO and Fe3O4/Al2O3. These
problems have been a severe barrier to the application of
Fe3O4 to the spintronics devices. It is well known that divalent
cation-doped spinel-type ferrites (M2+Fe3+2O4; M = Mn, Co,
Ni, Zn) are thermodynamically stable compared to Fe3O4.
However, most of them show very high electronic resistivity
more than 104 Ωcm because all the Fe ions are in +3 vallence
(d5; S = 5/2) and the 3d electron of Fe3+ cannot to transfer to
nearest B-site Fe3+ when the B-site spins align in parallel
below TN. This makes a considerable contrast to Fe3O4 with
mixed-valent B-site Fe ions (Fe2.5+) resulting in the electron
hopping in the Fe 3d band. From this viewpoint, we focused
on the Ru-substituted CoFe2O4 sysytem (Co1-xRuxFe2O4; x =
0.2 ~ 1.0). It is reported that Ru4+ possesses the preference for
the B-site in the spinel structure. When the Co2+ ions in the
B-site are substituted Ru4+, a part of B-site Fe3+ ions are
expected to convert to Fe2+ due to the charge neutrality
causing the Fe2+-Fe3+ electrons hopping. The epitaxial thin
films of Ru-substituted CoFe2O4 were fabricated using a
pulsed laser deposition and their magnetic and electronic
properties were investigated. The magnetic properties of the
Ru-substituted films were similar to those of non-substituted
films. On the other hand, the electronic conductivity of the
films was drastically increased by the substitution of Ru.
Spin-polarization of carriers was suggested at room
temperature by the examination of anomalous Hall effect
constant.
2.
酸化物プラズモンによる近赤外表面センシン
グ機能の開発
田畑仁・松井裕章・バダラワワサンタマーラー
Development of surface sensing in the near-infrared
region based on oxide plasmons
H. Tabata, H. Matsui and W. Badalawa
酸化物半導体表面上に出現する低次元プラズモン現象
を利用して、近赤外域における高感度センシング機能を
提案し、その実証を行った。母体内の電子密度を制御す
ることにより近赤外域に表面プラズモン共鳴を出現させ
ることに成功した。更に、水及びグルコース水溶液を用
いて、表面吸収振動分光、及び屈折率応答分光を実施し
た。その結果、貴金属材料を凌ぐセンシング感度を有す
ることを見出した。
(red) emissions from Eu3+ ions with 4f electronic levels that
were supplied excitonic energy from the host. As a
mechanism, we suggested energy transfer from excitonic
levels and high 4f energy ones based on resonance coupling at
room temperature. This work has a possibility of development
for near-infrared light emissions by same energy transfer
mechanism.
We suggested high-sensitive sensing functionalities in the
near-infrared region using low-dimensional plasmon
phenomena induced on oxide semiconductor surfaces. Surface
plasmon resonance (SPR) was tuned by controlling electron
density in a host. Besides, from surface oscillation absorption
and refractive spectroscopes, it was found that surface sensing
used oxide plasmons showed high-sensitive surface properties
beyond noble metal materials such as gold.
5.
3.
非極性ZnO歪量子井戸から励起子光の高偏光
性
田畑仁・松井裕章
Highly polarized excitonic emissions from
anisotropically strained quantum wells based on
nonpolar ZnO
H. Matsui and H. Tabata
金属・半導体ヘテロナノ構造における高効率
な光エネルギー輸送
田畑仁・松井裕章
High-efficiency light energy transport on
metal/semiconductor nanostructures
H. Tabata and H. Matsui
金属・半導体ナノヘテロ構造は、表面センシング及
び光電変換技術の基本要素として注視されている。CdZnO
量子井戸構造と Ag ナノ構造を融合したナノヘテロ構造
を形成し、励起子とプラズモン間の光エネルギー結合を
実証した。時間分解分光法から、量子井戸内の生成され
た励起子エネルギーの 53%が、金属表面上に誘起される
局在プラズモンに移動していることを見出した。更に、
光エネルギー移動に必要な時定数（1.0 ns-1）も抽出し
た。
Recently, metal/semiconductor nanostructures have been
attracted much attention for surface sensing and light-electric
conversion as a basic element. We fabricated heterostructures
consisting of CdZnO quantum wells (QWs) and Ag
nanostructures in nano scale, and demonstrated energy
coupling between excitons and plasmons. From time-resolved
PL, we found that excitonic energy of 53% generated in the
QWs was transferred to local plasmons excited on metal
nanostructures. Furthermore, we estimated energy transfer
rate (1.0 ns-1) from the QWs to metallic plasmons.
近年、高偏光性を有する可視光放出は、液晶光学の
応用として必要不可欠な性質である。本研究では、量子
井戸内に異方的な格子歪を導入し、結晶対称性に基づく
電子バンド構造の変調を利用して、高偏光性を発現させ
た。偏光性の度合いは、格子歪、井戸幅を上手く制御す
ることで最大、78%に達した。非極性な異方的な格子歪
は、自発分極・ピエゾ分極に影響を及ぼす。今後、面内
分極制御を利用した光電変換への可能性も視野に入れる。
Recently,
highly-polarized
visible
emissions
are
indispensable for applying of liquid crystal displays. In this
work, we introduce anisotropic lattice distortion in a quantum
well (QW), and observed excitonic emissions with high
polarization by a modification of electronic band structure
based on crystal space symmetry in a QW. Degree of
polarization achieved as large as 78% at room temperature by
tuning lattice distortion and a well width. Anisotropic lattice
strains give an influence to self-and piezo-polarizations along
surface lateral directions, which may contribute to
light-electric conversion in the ultra-violet and blue regions
based on a lateral polarization technique in future.
4.
透明酸化物半導体材料から可視光放出：励起
子と希土類イオン間のエネルギー結合
田畑仁・松井裕章・バダラワワサンタマーラ―
Visible emissions from transparent oxide
semiconductor materials: energy coupling between
excitons and 4f rare-earth ions
H. Tabata, H. Matsui and W. Badalawa
生体や光情報通信への応用展開を目指して透明酸化
物半導体材料（ZnO）からの高輝度な可視光放出を実施し
た。酸化物母体内の高い励起子結合エネルギーを希土類
イオン（Eu3+）に上手く伝達させることで、室温下で可
視光放出に成功した。Eu3+イオンの高い 4f 電子励起準位
と励起子エネルギーの共鳴結合が伝達機構として提案し
た。本成果は、高輝度近赤外光放出への応用に発展させ
る。
We demonstrated high-brightness visible-emissions from
oxide semiconductor materials (ZnO). We observed visible
139
論文・著書一覧
Publications List
and Quantum Wells(Invited) ” , Nano-S&T 2011,
Dalian, China, Oct. 26, 2011（Oct.23-26, 2011）
[12] T. Hasebe, H. Tabata：
“Analysis of Sharp Dip Structures
on THz Transmission Spectra of Metallic Meshes”, 2011
International Conference on Solid State Devices and
Materials
(SSDM
2011)
,
Nagoya,
Japan,
Sep.28-30,2011
研究論文
[1]
M. Seki, H. Tabata, H. Ohta, K. Inaba, K. Kobayashi:
“Epitaxial strain-induced magnetic anisotropy in Sm3Fe5O12
thin films grown by pulsed laser deposition”,
Appl.Phys.Lett, 99、242505（3pages）(2011)
[2]
H. Yamahara, M. Mikami, M. Seki, H. Tabata: “Epitaxial
strain-induced magnetic anisotropy in Sm3Fe5O12 thin films
grown by pulsed laser deposition”, J. Mag. Mag. Mat.,
32, pp.3143-3146 (2011)
[3]
T. Hasebe, Y. Yamada, and H. Tabata: “Label-free THz
sensing of living body-related molecular binding using a
metallic mesh”, Biochem.Biophys.Res. Comm., 414,
pp.192-198 (2011)
[4]
H. Matsui, W. Nomura, T. Yatsui, M. Ohtsu, and H.
Tabata: “Optical dynamics of energy transfer from a
CdZnO quantum well to a proximal Ag nanostructure”,
Optics Letters, Vol. 36 N0. 19 ，pp.3735-3737 (2011)
[5]
M. Seki, H. Tabata,H. Ohta, K. Inaba, K. Kobayashi:
“Epitaxial strain-induced magnetic anisotropy in Sm3Fe5O12
thin films grown by pulsed laser deposition”, Appl. Phys.
Lett., 99 2420505（3pages）(2011)
[6]
“Surface plasmon modes guided by Ga-doped ZnO
layers bounded by different dielectrics ”，W. Badalawa,
H. Matsui, A. Ikehata, and H. Tabata， Appl. Phys. Lett.,
99, 011913 (2011): DOI:10.1063/1.3608313 (3 pages)
[7]
H. Matsui, H. Tabata：“In-plane light polarization in
nonpolar m-plane CdxZn1-xO/ZnO quantum wells”，
Appl.
Phys.
Lett.,
98,
261902(2011)
:
DOI:10.1063/1.3603931 (3 pages)
[8]
[13] H. Tabata：“Plasmon-assisted Energy Conversion of
Photon to Electron and Spin in Oxide Semiconducting
Quantum Wells (Invited) ” , The 18th International
Workshop on Oxide Electronics (WOE18), Napa Valley,
U.S.A., Sep. 27, 2011
[14] W. Badalawa, H. Matsui, A. Ikehara, H. Tabata ：
“ Observation of surface plasmon propagation on
dielectric/metallic conducive oxide semiconductors
interface in near infrared region(Poster)”, The 18th
International Workshop on Oxide Electronics (WOE18),
Napa Valley, U.S.A., Sep. 27, 2011
[15] H. Matsui, W. Badalawa, A. Ikehata and H. Tabata,：
“ Exploitation
of
sensing
applications
at
dielectric/metallic oxide interface based on transparent
oxide plasmonics(Poster) ” , The 18th International
Workshop on Oxide Electronics (WOE18), Napa Valley,
U.S.A., Sep. 27, 2011
[16] M. Seki, h. Yamahara, F, Iwamoto, H. Tabata ：
“Fabrication of RFe2O4 (R = In, Yb, Lu) thin films
with 2-dimensional triangular lattices and their
magnetic/electrical properties(Poster) ” , The 18th
International Workshop on Oxide Electronics (WOE18),
Napa Valley, U.S.A., Sep. 26, 2011
[17] H. Tabata ＊ , H. Matsui and M. Seki ： “ Energy
Conversion between Photon-Electron & Spin in Oxide
Semiconducting Super Lattices and Quantum Wells
(Invited)”, 24th International Conference on Amorphous
and Nanocrystalline Semiconductors (ICANS 24)，Nara,
Japan，Aug. 21-26, 2011
W. Badalawa, H. Matsui, T. Osone, N. Hasuike, H.
Harima, and H. Tabata：“Correlation between structural
and luminescent properties of Eu31-dopedZnO epitaxial
layers” J. Appl. Phys.，109, 053502 (7 pages) (2011)
国際会議論文
著書
[9]
H. Tabata:
“ Terahertz Surface Plasmonics for
Bio-sensing（Invited）”, International Symposium on
Terahertz Nanoscience (TeraNano 2011) Workshop of
International Terahertz Research Network (GDR-I),
Osaka, Japan, Nov. 24-29, 2011
[18] H.Matsui and H.Tabata ： “HIGHLY POLARIZED
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and Materials Research, Editor: J. I. Jang,pp.59-81.
Nova Science Publishers, Inc.(2011)
[10] H. Matsui：“Nano-optics for Biological and Medical
Fields “Surface Plasmons on Oxide Semiconductors”
（ Invited） ”, BIT 2nd Annual World Congress of
NanoMedicine-2011, Nov.03-05, 2011(Nov. 04),
Shenzhen, China
[19] H.Matsui
and
H.Tabata ： “Growth
and
electro-magneto-optics of oxide quantum structures
based on ZnO”,
Springer book.(2011) pp.46
解説、総説
[11] H.Tabata ：“ Energy Conversion between Surface
Plasmon and Exciton in Functional Oxide Superlattices
[20] 田畑 仁：“暮らしの安心・安全を支えるテラヘル
ツ波技術〜薬理効果測定，食品検査から検査マテリ
140
アルまで〜”
日（2011）
マテリアルステージ，11，8 月 12
シンポジウム・研究会・大会等発表
[21] 小埜 洋輔，松井 裕章，田畑 仁：“ZnO薄膜のガー
ネット基板上へのヘテロエピタキシャル成長 ”，
2012年春季第59回応用物理学関係連合講演会，早稲
田大学，東京，Mar. 16, 2012
[22] 関 宗俊，真下 達也，田畑 仁：
“Fe3O4薄膜のp型化
と室温スピン偏極伝導”, 2012年春季 第59回応用物
理学関係連合講演会，早稲田大学，東京，Mar. 16,
2012
[23] 山原 弘靖、王 震、関 宗俊、田 畑仁：“自己組織
化あるいはEB加工ナノ構造表面と幹細胞との相互
作用”, 2012年春季 第59回応用物理学関係連合講演
会，早稲田大学，東京，Mar. 16, 2012
[24] 川辺 駿佑，田畑 仁：
“テラヘルツ波分光によるゼ
ラチンSol-Gel転移に伴う水和状態評価 ”, 2012年春
季 第59回応用物理学関係連合講演会，早稲田大学，
東京，Mar. 16, 2012
[25] 長谷部 貴之，田畑 仁：
“テラヘルツ領域における
金属メッシュの透過ディップの解析”, 2012年春季
第59回応用物理学関係連合講演会，早稲田大学，東
京，Mar. 17, 2012
[26] 加地 弘樹，山原 弘靖, 小林 未明, 関 宗俊, 山下
一郎, 田 畑仁：“バイオミネラリゼーションを用い
て作製したCo-Ptナノワイヤの電気・磁気特性Ⅱ”,
2012年春季 第59回応用物理学関係連合講演会，早
稲田大学，東京，Mar. 17, 2012
[27] 松井 裕章，Wasanthamala Badalawa1，山崎 隆之，
古田 晋也，田畑 仁,：
“希薄電子系及び強相関電子
系を有する金属伝導酸化物の局在表面プラズモン
の微小光学応答”, 2012年春季 第59回応用物理学
関係連合講演会，早稲田大学，東京，Mar. 18, 2012
[28] 松井 裕章：
“機能性酸化物材料における表面プラ
ズモンと応力発光（招待）
”，応力発光による構造体
の新しい診断技術ファーラム2011，福岡国際会議場，
福岡，Nov. 11，2011
[29] 山原 弘靖，王 震，関 宗俊，田畑 仁：
“バイ
オセンシングを目指したGa2O3ナノワイヤの作製”，
2011年秋季 第72回 応用物理学会学術講演会，山形
大学，山形，Sep.02, 2011
[30] Wasanthamala Badalawa, 松井 裕章，池羽田 昌文，
蓮池 則之，播磨 弘，田畑 仁：“ワイドギャッ
プ酸化物半導体表面上における表面プラズモン光
波：バイオセンシング応用への展開”， 2011年秋季
第72回 応用物理学会学術講演会，山形大学，山形，
Sep.02, 2011
[31] 長谷部 貴之，田畑 仁：
“金属ナノ粒子を利用し
たタンパク質のTHzセンシング感度向上”， 2011年
秋季 第72回 応用物理学会学術講演会，山形大学，
山形，Sep.01, 2011
141
[32] 加地 弘樹，山原 弘靖，小林 未明，関 宗俊，
山下 一郎，田畑 仁：“バイオミネラリゼーショ
ンを用いて作製したCo-Ptナノワイヤの電気・磁気特
性”， 2011年秋季 第72回 応用物理学会学術講演会，
山形大学，山形，Sep.01, 2011
[33] 関 宗俊，山原 弘靖，田畑 仁：“三角格子反強
磁性体InFe2O4の薄膜形成と電気・磁気特性の制御”,
2011年秋季 第72回 応用物理学会学術講演会，山形
大学，山形，Aug.31, 2011
[34] Wasanthamala Badalawa, 松井 裕章，池羽田 昌文，
蓮池 則之，播磨 弘，田畑 仁：“近赤外での伝
導性金属酸化物半導体薄膜界面における表面プラ
ズモン（SP）伝搬モード”， 2011年秋季 第72回 応
用物理学会学術講演会，山形大学，山形，Aug.30,
2011
[35] 関 宗俊, 田畑 仁：“スピン・電荷競合系自然超
格子フェライト薄膜の作製と電気磁気特性”, 第28
回 強誘電体応用会議(FMA28), 京都, May 27,
2011
染谷研究室
Someya Laboratory
(http://www.ntech.t.u-tokyo.ac.jp/)
0.60 から 0.52 まで低下はあったが、依然として比較的
高い値を示していた。このことから本研究に用いた SAM
は高温でもその配向を保ち、耐熱性が高いといえる。こ
の特性が SAM を絶縁膜に用いた有機トランジスタの耐熱
性の実現に寄与していると考えられる。
We fabricated heat-resistant dinaphtho-thieno-thiophene
(DNTT) field-effect transistors (FETs) with self assembled
monolayer
(SAM)
gate
dielectric
and
poly-chrolo-para-xylylene (parylene) encapsulation layer. The
DNTT-FETs could operate within 2 V and stand up to 150
ºC-sterilization. We investigated thermal stability on SAM
with near edge X-ray absorption fine structure. Averages of
tilt angles on alkyl chain of SAM changed from 14 º to 18 º by
200 º C-annealing. While, according to dichroic ratio of SAM
which shows alignment of the molecule, SAM kept its good
alignment after annealing although the ratio decrease from
0.60 to 0.52, slightly. Our heat-resistant organic transistors
were realized with this thermally stable SAM.
研究現況
Current Research Projects
1.
サブフェムトリッターインクジェットを用い
た低電圧駆動、短チャネル有機トランジスタ
染谷隆夫・関谷毅・横田知之・加藤裕
Low voltage operated short channel organic
transistors with subfemtoliter inkjet
T. Someya, T. Sekitani, T. Yokota, and Y. Kato
我々は 4 V 駆動で 0.76 S/m を示す有機トランジスタの
作製に成功した。この値は、印刷技術を用いたデバイス
としては世界最高である。作製したトランジスタは自己
組織化単分子膜を絶縁膜として用いており、有機半導体
層には大気安定で高移動度の DNTT を用いた。また、ソ
ースドレイン電極はサブフェムトリッターインクジェッ
ト装置により作成しており、線幅 1 m，チャネル長 1 m
と非常に微細な電極となっている。液滴の大きさを 0.5 fl
まで微細化することができるために、90℃での焼成が可
能となり、有機半導体層にダメージを与えることなく電
極を形成することができた。
We have successfully achieved a transconductance of 0.76
S/m for organic thin-film transistors with 4 V-operation,
which is the largest value reported for organic transistors
fabricated using printing methods. Using a subfemtoliter
inkjet, silver electrodes with a linewidth of 1 µm and a
channel length of 1 µm were printed directly onto an air-stable,
high-mobility organic semiconductor that was deposited on a
single-molecular self-assembled monolayer-based gate
dielectric. With reducing the droplet volume (0.5 fl) ejected
from inkjet nozzle, which reduces sintering temperatures
down to 90 °C, the inkjet printing of silver electrodes was
accomplished without damages to the organic semiconductor.
3.
スタンプ法による局所的な有機トランジスタ
の閾値電圧制御
染谷隆夫・関谷毅・平田郁恵・横田知之・栗原一徳
Spatial control of the threshold voltage of
low-voltage organic transistors by microcontact
printing of alkyl- and fluoroalkyl-phosphonic acids
T. Someya, T. Sekitani, I. Hirata, T. Yokota, K. and
K. Kuribara
2.
医療用殺菌条件に耐える高耐熱性有機トラン
ジスタ
染谷隆夫・関谷毅・栗原一徳・内山直哉
Thermal stability of organic transistors for medical
sterilization.
T. Someya, T. Sekitani, K.Kuribara, and
N.Uchiyama
有機半導体にヂナフトチエノチオフェン(DNTT)、ゲー
ト絶縁膜に自己組織化卖分子膜(SAM)を利用した高移動
度・2V 駆動の有機トランジスタを作製し、パリレンによ
る封止膜により 150℃の滅菌まで耐熱性を改善した。こ
の有機トランジスタに使用した SAM の熱安定性を、吸収
端近傍 X 線吸収微細構造を用いて調べた。200℃までの加
熱によりチルト角は 14 ºから 18ºまで変化した。一方で、
分子の配向性を示す二色偏光値(dichroic ratio)の値は、
142
自己組織化単分子膜（SAM）をゲート絶縁膜に用いるこ
とで、有機トランジスタの閾値電圧を局所的に制御する
ことに成功した。有機トランジスタの閾値電圧の制御方
法の一つとして、アルミ酸化膜によるゲート絶縁膜を、
ホスホン酸の H 基をフッ素で置換した SAM 分子で修飾す
る方法が知られているが、SAM の成膜が浸漬法によって
基板一面に行われるため、一基板上のトランジスタを
個々に操作することが不可能であった。今回は、SAM の
成膜に PDMS エラストマーを用いたスタンプ法を適用す
ることで、一基板上での SAM 塗り分けを実現した。本研
究 で は 、 SAM に tetradecylphosphonic acid と
perfluorooctylphosphonic acid を用い、-2 V の駆動電
圧で-1.20 V と-0.36 V の閾値電圧を持つトランジスタを
一基板上に作製した。
We have invented a method to control organic transistors on
a substrate spatially by using self-assembled monolayers
(SAMs) as gate dielectric. It is known that the threshold
voltage of organic transistors is controlled by modifying AlOx
gate dielectric with F-terminated phosphonic acid SAMs,
however, spatial control was not feasible because of the
dipping process to form SAM. Here we demonstrated the
spatial formation of SAMs by stamping method with PDMS
stamps. We used two species of SAMs, tetradecylphosphonic
acid and perfluorooctylphosphonic acid, and fabricated
transistors with threshold voltages of -1.20 V and -0.36 V,
under driving voltage of -2 V.
論文・著書一覧
Publications List
4.
容量結合型フローティングゲート構造を用い
た有機トランジスタの閾値電圧制御
染谷隆夫・関谷毅・横田知之・徳原健富
Control of threshold voltage in organic transistors
with floating gate structures
T. Someya, T. Sekitani, T. Yokota, and T. Tokuhara
研究論文
[1] Koichi Ishida, Tsung-Ching Huang, Kentaro Honda,
Tsuyoshi Sekitani, Hiroyoshi Nakajima, Hiroki Maeda,
Makoto Takamiya, Takao Someya, and Takayasu
Sakurai: “A 100-V AC Energy Meter Integrating 20-V
Organic CMOS Digital and Analog Circuits With a
Floating Gate for Process Variation Compensation and a
100-V Organic pMOS Rectifier”, Journal of Solid-State
Circuits, Vol. 27, pp. 301-309 (2012).
200 nm の厚さのパリレンをゲート絶縁膜に用いて、容
量結合型フローティングゲート構造との有機トランジス
タを作製し、閾値電圧を制御した。フローティングゲー
ト構造では、ゲート電極に電圧を印加し、ソース・ドレ
イン電極から注入した電荷をフローティングゲート電極
にトラップさせることで閾値電圧を制御する。本研究で
は、フローティングゲートと容量結合をなす電極を追加
し、電荷の注入に利用することで、半導体によるショッ
トキー障壁をなくし、電子と正孔のどちらでも扱えるよ
うにした。これにより、正負両方向への制御が可能とな
り、20 V で駆動する有機トランジスタに対して、30 V
を超える範囲で閾値電圧の制御が可能となった。
We have fabricated organic transistors, which have
floating-gate structure using 200 nm thick parylene as a gate
dielectric layer. In the floating gate structure, the threshold
voltage can be controlled by injecting the charges from source
and drain electrodes to the floating gate electrodes by
applying a high voltage to the gate electrodes. In this study,
we added the electrodes, which is capacitive-coupled with the
floating gate electrodes. This enables us to inject both
electrons and holes because of no schottky barrier between
semiconductor and electrode layers. Therefore, the threshold
voltage of organic transistors can be controlled in both
positive and negative direction. Using this structure, the
threshold voltage of 20 V operated organic transistors was
successfully controlled beyond the range of 20 V to -10 V.
[2] F. Ante, D. Kälblein, T. Zaki, U. Zschieschang, K.
Takimiya, M. Ikeda, T. Sekitani, T. Someya, J. N.
Burghartz, K. Kern, H. Klauk: “Contact Resistance and
Megahertz Operation of Aggressively Scaled Organic
Transistors”, Small, Vol. 8, No. 1, pp. 73-79 (2012).
[3] Ikue Hirata, Ute Zschieschang, Frederik Ante, Tomoyuki
Yokota, Kazunori Kuribara, Tatsuya Yamamoto, Kazuo
Takimiya, Masaaki Ikeda, Hirokazu Kuwabara, Hagen
Klauk, Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “Spatial
control of the threshold voltage of low-voltage organic
transistors by microcontact printing of alkyl- and
fluoroalkyl-phosphonic acids”, MRS Communications,
Vol. 1, pp.33-36 (2011).
[4] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “Human-friendly
organic integrated circuits”, Material Today, Vol. 14,
pp.398-407 (2011).
[5] U. Zschieschang, F. Ante, D. Kälblein, T. Yamamoto, K.
Takimiya, H. Kuwabara, M. Ikeda, T. Sekitani, T.
Someya,
J.
Blochwitz-Nimoth,
H.
Klauk:
“Dinaphtho[2,3-b:2',3'-f]thieno[3,2-b]thiophene (DNTT)
thin-film transistors with improved performance and
stability” , Organic Electronics Vol. 12, No. 8, pp.
1370-1375 (2011).
[6] Kenjiro Fukuda, Tsuyoshi Sekitani, Ute Zschieschang,
Hagen Klauk, Kazunori Kuribara, Tomoyuki Yokota,
Takushi Sugino, Kinji Asaka, Masaaki Ikeda, Hirokazu
Kuwabara, Tatsuya Yamamoto, Kazuo Takimiya,
Takanori Fukushima, Takuzo Aida, Makoto Takamiya,
Takayasu Sakurai, Takao Someya: “A 4 V operation,
flexible Braille display using organic transistors, carbon
nanotube actuators, and organic SRAM”, Advanced
Functional Materials, Vol. 21, pp. 4019-4027 (2011).
[7] Kenjiro Fukuda, Tsuyoshi Sekitani, Tomoyuki Yokota,
Kazunori Kuribara, Tsung-Ching Huang,
Takayasu
Sakurai, Ute Zschieschang, Hagen Klauk, Masaaki Ikeda,
Hirokazu Kuwabara, Tatsuya Yamamoto, Kazuo
Takimiya, Kwang-Ting Cheng, and Takao Someya:
“Organic Pseudo-CMOS Circuits for Low Voltage, Large
143
Gain, High-Speed Operation”, IEEE Electron Device
Letters, Vol. 32, pp. 1448-1450 (2011).
(2012).
[16] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “Organic
electronics”, Book chapter of “Flexible electronics”,
Edited by Ali Javey (2011).
[8] Tomoyuki Yokota, Tsuyoshi Sekitani, Yu Kato, Kazunori
Kuribara, Ute Zschieschang, Hagen Klauk, Tatsuya
Yamamoto, Kazuo Takimiya, Hirokazu Kuwabara,
Masaaki Ikeda, and Takao Someya: “Low-voltage
organic transistor with subfemtoliter inkjet source-drain
contacts”, MRS Communications, Vol.1 pp.3-6 (2011).
総説・解説論文
[17] 関谷毅、染谷隆夫:“伸縮自在な有機エレクトロニク
ス” ゴム学会誌, 総説 2012 年 3 月.
[9] Wen Liu, Juin J. Liou, Kazunori Kuribara, Kenjiro
Fukuda, Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya, and Zhixin
Wang: “Study of organic thin-film transistors under
electrostatic discharge stresses”, IEEE Electron Device
Letters, Vol. 32, No.7, pp. 967-969 (2011).
[18] 関谷毅、染谷隆夫:“大面積エレクトロニクス”、高
分子、高分子学会、2012 年 3 月.
[19] Takao
Someya,
Tsuyoshi
Sekitani:
“Emergin
Applications and Future Prospects of Printed Transistors
and Memories”, Printing Science and Technology, Vol.
48, pp.41-43 (2011).
[10] Tomoyuki Yokota, Takashi Nakagawa, Tsuyoshi Sekitani,
Yoshiaki Noguchi, Kenjiro Fukuda, Ute Zschieschang,
Hagen Klauk, Ken Takeuchi, Makoto Takamiya,
Takayasu Sakurai, and Takao Someya: “Control of
threshold voltage in low-voltage organic complementary
inverter circuits with floating gate structure”, Applied
Physics Letters, Vol. 98, pp. 193302 -193302-3 (2011).
[20] 関谷毅、染谷隆夫:“アンビエント・エレクトロニク
ス”応用物理学会誌「フレキシブルエレクトロニク
ス」総合報告記事, 2011 年 6 月．
シンポジウム・研究会・大会等発表
[21] Tsuyoshi Sekitani: “Ambient Electronics Using Organic
Integrated Circuits”, 13th Printed Wiring Boards Expo,
Session: Front-line Technology of Further Developing
Printed Electronics (2012). <Invited>
[11] Frederik Ante, Daniel Kalblein, Ute Zschieschang, Tobias
W. Canzler, Ansgar Werner, Kazuo Takimiya, Masaaki
Ikeda, Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya, and Hagen
Klauk: “Contact doping and ultrathin gate dielectrics for
nanoscale organic thin-film transistors”, Small, Vol. 7,
pp.1186-1191 (2011).
[22] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “Large-area,
ultraflexible organic integrated circuits for bio/medical
sensor applications”, E-MRS 2012 Spring Meeting
(2012).<Invited>
[12] Yi Li, Qi Liu, XiZhang Wang, Tsuyoshi Sekitani, Takao
Someya and Zheng Hu: "Pentacene thin film transistor
with low threshold voltage and high mobility by inserting
a thin metal phthalocyanines interlayer ", SCIENCE
CHINA Technological Sciences, Vol.55 No.2,
pp.417–420 (2012).
[23] Tsung-Ching Huang, Koichi Ishida, Tsuyoshi Sekitani,
Makoto Takamiya, Takao Someya, and Takayasu
Sakurai: “A Floating-Gate OTFT-Driven AMOLED Pixel
Circuit for Variation and Degradation Compensation in
Large-Sized Flexible Displays”, The 18th International
Display Workshops (IDW), (2011).<Invited>
[13] Ute Zschieschang, Myeong Jin Kang, Kazuo Takimiya,
Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya, Tobias W. Canzler,
Ansgar Werner, Jan Blochwitz-Nimoth and Hagen Klauk:
"Flexible low-voltage organic thin-filtransistor sand
circuits based on C10-DNTT†", Journal of Materials
Chemistry, Vol. 22, pp.4273–4277 (2011).
[24] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “Ultraflexible
organic integrated circuits for bio/medical sensors”,
Session: Flexible Displays (FLX), The 18th International
Display Workshops (IDW), (2011).<Invited>
[25] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “A Large-Area,
Flexible Active Matrix Display Circuit Using
High-Definition Screen Printing”, Session: OLED
Displays and Related Technologies (OLED), The 18th
International Display Workshops (IDW) (2011).
<Invited>
[14] Kazunori Kuribara, He Wang, Naoya Uchiyama, Kenjiro
Fukuda, Tomoyuki Yokota, Ute Zschieschang, Cherno
Jaye, Daniel Fischer, Hagen Klauk, Tatsuya Yamamoto,
Kazuo Takimiya, Masaaki Ikeda, Hirokazu Kuwabara,
Tsuyoshi Sekitani, Yueh-Lin Loo & Takao Someya:
"Organic transistors with high thermal stability for
medical applications.", Nat. Commun. Vol.3, No.723
(2012).
[26] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “High-definition,
High-speed Printing for Large-area, Organic Integrated
Circuits”, Material Research Sociately (MRS) Fall
meeting, Symposium T: large-area processing and
patterning for active optical and electronic devices II,
(2011). <Invited>
著書
[15] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “Stretchable and
conformable organic electronic systems”, Topics:
Materials for Stretchable Electronics, MRS Bulletin
[27] Takao Someya and Tsuyoshi Sekitani: “Ultraflexible,
144
heat-resistant, large-area organic transistor integrated
circuits for sensors and medical applications”, Material
Research Sociately (MRS) Fall meeting, Symposium R:
Compliant electronics and phononics, (2011). <Invited>
foldable integrated circuits”, (2011). <Invited>
[39] Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya: “Organic Integrated
Circuits using High-Definition Screen Printing”, Material
Research Society (MRS) Spring Meeting, Symposium T,
“Low-Temperature-Processed Thin-Film Transistors”,
(2011). <Invited>
[28] Takao Someya, Tsuyoshi Sekitani, Tomoyuki Yokota, Ute
Zschieschang, and Hagen Klauk: “Subfemtoliter Inkjets
and Organic Transistor Integrated Circuits for Low
Voltage, Large Gain, High-Speed Operation”, Material
Research Society (MRS) Fall meeting, Symposium U:
Charge Generation/Transport in Organic Semiconductor
Materials, (2011). <Invited>
[40] Tsuyoshi Sekitani, Tomoyuki Yokota, Kazunori Kuribara,
Takao Someya: “Simultaneous characterization of
mechanical and electrical performances for ultraflexible
and stretchable organic integrated circuits”, IEEE 2012
The International Conference on Microelectronic Test
Structures (ICMTS), (2012). <Oral>
[29] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya, “Stretchable and
Foldable and Organic Integrated Circuits for Robotics
and Medical Sensor Applications”, 24th International
Conference on Amorphous and Nanocrystalline
Semiconductors (ICANS24) (2011). <Invited>
[41] Koichi Ishida, Tsung-Ching Huang, Kentaro Honda,
Yasuhiro Shinozuka, Hiroshi Fuketa, Tomoyuki Yokota,
Ute Zschieschang, Hagen Klauk, Gregory Tortissier,
Tsuyoshi Sekitani, Makoto Takamiya, Hiroshi Toshiyoshi,
Takao Someya, and Takayasu Sakurai: “Insole Pedometer
with Piezoelectric Energy Harvester and 2-V Organic
Digital and Analog Circuits”, 2012 International
Solid-State Circuits Conference (ISSCC), (2012). <Oral>
[30] Wen Liu, Juin J. Liou, Kazunori Kuribara, Kenjiro
Fukuda, Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya, “Study of
Organic Thin-Film Transistors under Electrostatic
Discharge Stresses”, International Conference on
Materials for Advanced Technologies (ICMAT) (2011).
<Invited>
[42] Tomoyuki Yokota, Tsuyoshi Sekitani, Takeyoshi
Tokuhara, Ute Zschieschang, Hagen Klauk,Tsung-Ching,
Makoto Takamiya, Takayasu Sakurai, and Takao
Someya: “Sheet-type Organic Active Matrix Amplifier
System using Vth-Tunable, Pseudo-CMOS Circuits with
Floating-gate Structure”, 2011 IEEE International
Electron Devices Meeting (IEDM), (2011). <Oral>
[31] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: “Ultraflexible
CMOS for ambient electronics”, SPIE meeting, (2011).
<Invited>
[32] Takao Someya and Tsuyoshi Sekitani: “Ultraflexible and
Stretchable Organic Transistor Active Matrix for
Displays and Sensors”, The Eighteenth International
Workshop on Active-Matix Flatpanel Displays and
Devices (AMFPD2011), (2011). <Keynote address>
[43] Yiying Zhao, Martin Kaltenbrunner, Tsuyoshi Sekitani,
Siegfried Bauer, and Takao Someya: “High performance
top-contact organic thin-film-transistors using screen
printed source and drain electrodes”, Material Research
Sociately (MRS) Fall meeting, Symposium T: large-area
processing and patterning for active optical and
electronic devices II, (2011). <Oral>
[33] Tsuyoshi Sekitani and Takao Someya: The Collaborative
Conference on 3D & Materials Research (CC3DMR)
(2011).<Invited>
[34] Takao Someya and Tsuyoshi Sekitani: “Foldable and
Stretchable Organic Integrated
Circuits for Robotics
and Medical Sensor Applications”, International
Coference on Materials for Advanced Technologies
(ICMAT2011) (2011). <Invited>
[44] Tsuyoshi Sekitani, Tsung-Ching Huang, Koichi Ishida,
Kazuo Takimiya, Makoto Takamiya, Takayasu Sakurai,
and Takao Someya: “Compliant, large-area organic
active-matrix LED pixel circuits driven by organic
floating-gate transistors”, Material Research Sociately
(MRS) Fall meeting, Symposium R: Compliant
electronics and photonics, (2011). <Oral>
[35] Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya: “Stretchable and
foldable
electronics”,
2011
CMOS
Emerging
Technologies Workshop, (2011). <Invited>
[45] Yiying Zhao, Martin Kaltenbrunner, Tsuyoshi Sekitani,
Siegfried Bauer, and Takao Someya: “High performance
top-contact organic thin-film-transistors using screen
printed source and drain electrodes”, 2011 International
Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM
2011), (2011). <Oral>
[36] Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya: “Printed Organic
Transistors for Ultraflexible and Stretchable Electronics”,
Session: Printed Devices and Large Area Interconnect
Technologies for New Electronics, (2011). <Invited>
[37] Tsuyoshi Sekitani, Takao Someya: “Stretchable and
foldable displays using organic transistors with high
mechanical stability”, the Society for Information
Display (SID), (2011). <Invited>
[46] Takeyoshi Tokuhara, Tsuyoshi Sekitani, Tomoyuki
Yokota, and Takao Someya: “Bending test of organic
TFTs with a soluble polycrystalline semiconductor”,
2011 International Conference on Solid State Devices
[38] Takao Someya, Tsuyoshi Sekitani: “Stretchable and
145
and Materials (SSDM 2011), (2011). <Oral>
[54] Kazunori Kuribara, He Wang, Naoya Uchiyama, Kenjiro
Fukuda, Tomoyuki Yokota, Tsuyoshi Sekitani, Ute
Zschieschang, Cherno Jaye, Daniel Fischer, Hagen Klauk,
Tatsuya Yamamoto, Kazuo Takimiya, Masaaki Ikeda,
Hirokazu Kuwabara, Yueh-Lin Loo, and Takao Someya:
"Thermal Stability of Organic Transistors with
high-mobility
Dinaphtho-[2,3-b:2,3-f]-thieno-[3,2-b]-thiophene
(DNTT).", 2012 Material Research Society Spring
Meeting & Exhibit, MM1.4, (2011).<Oral>
[47] Yu Kato, Tsuyoshi Sekitani, Tomoyuki Yokota, Ute
Zschieschang, Hagen Klauk, Tatsuya Yamamoto, Kazuo
Takimiya, Masaaki Ikeda, Hirokazu Kuwabara, and
Takao Someya: “3V-Operation Organic Transistors on
Shape-Memory Film with Polyimide Planarization
Layer”, 2011 International Conference on Solid State
Devices and Materials (SSDM 2011), (2011). <Oral>
[48] Ikue Hirata, Ute Zschieschang, Frederik Ante, Tomoyuki
Yokota, Kazunori Kuribara, Tatsuya Yamamoto, Kazuo
Takimiya, Masaaki Ikeda, Hirokazu Kuwabara, Hagen
Klauk, Tsuyoshi Sekitani, and Takao Someya: “Spatial
Control of the Threshold Voltage of Low-Voltage Organic
Transistors by Microcontact Printing of Alkyl- and
Fluoroalkyl-phosphonic Acids”, 2011 International
Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM
2011), (2011). <Oral>
[55] Tomoyuki
Yokota,
Takao
Someya:
“Organic
Complementary Circuits with Floating-gate Structure”,
Material Research Society (MRS) Spring Meeting,
Symposium T, “Low-Temperature-Processed Thin-Film
Transistors”, (2011). <Oral>
[56] Tsuyoshi Sekitani, Koichi Ishida, Tsung-Ching Huang,
Kentaro Honda, Hiroyoshi Nakajima, Hiroki Maeda,
Tatsuya Yamamoto, Kazuo Takimiya, Masaaki Ikeda,
Hirokazu Kuwabara, Makoto Takamiya, Takayasu
Sakurai, and Takao Someya: “Power Meter System
Integrating 100-V Organic PMOS Rectifier with 20-V
Organic CMOS Digital and Analog Circuits”, Material
Research Society (MRS) Spring Meeting, Symposium T,
“Low-Temperature-Processed Thin-Film Transistors”,
(2011). <Poster>
[49] Kazunori Kuribara, Takashi Nakagawa, Kenjiro Fukuda,
Tomoyuki Yokota, Tsuyoshi Sekitani, Ute Zschieschang,
Hagen Klauk, Tatsuya Yamamoto, Kazuo Takimiya, and
Takao Someya: “Oxygen Plasma Process of
Self-assembled Monolayer Gate Dielectric for 2-V
Operation High-mobility Organic TFT”, 2011
International Conference on Solid State Devices and
Materials (SSDM 2011), (2011). <Oral>
[57] Takeyoshi Tokuhara, Tsuyoshi Sekitani, Tomoyuki
Yokota, and Takao Someya: "Characterization of Organic
Transistors with a Self-Organizing Polycrystalline
Semiconductor", 1st International Symposium on
Self-Organizing Molecular Semiconductors, (2012).
<Oral>
[50] Tomoyuki Yokota, Tsuyoshi Sekitani, Takashi Nakagawa,
Yoshiaki Noguchi, Ken Takeuchi, Ute Zschieschang,
Hagen Klauk, and Takao Someya: “Control of switching
voltage of low operated organic complementary inverter
us-ing by floating gate structure”, 2011 International
Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM
2011), (2011). <Oral>
[58] 関谷毅:“アンビエントエレクトロニクス”電子ジ
ャーナル講演会 (2011)(招待講演)
[51] Koichi Ishida, Tsung-Ching Huang, Tsuyoshi Sekitani,
Makoto Takamiya, Takao Someya, and Takayasu
Sakurai: “Large-area flexible electronics with organic
transistors”, The 54th, IEEE International Midwest
Symposium on Circuits and Systems,(MWSCAS), (2011).
<Oral>
[59] 関谷毅:“有機エレクトロニクス”、日本化学会、第
92 春季年会(2012)、特別企画講演：41-分子集合を
利用した「柔らかい」電子デバイス (2012)(招待講
演)
[60] 関谷毅:“有機電子材料を用いたアンビエントエレ
クトロニクスの進捗と展望”、 日本学術振興会 半
導体界面制御技術 第 154 委員会 第７９回研究会、
(2011)(招待講演)
[52] Ute Zschieschang, Nis Hauke Hansen, Jens Pflaum,
Tatsuya Yamamoto, Kazuo Takimiya, Hirokazu
Kuwabara, Masaaki Ikeda, Tsuyoshi Sekitani, Takao
Someya, Hagen Klauk: “High-Mobility Organic
Thin-Film Transistors with Photolithographically
Patterned Top Contacts”, Device Research Conference,
(2011).<Oral>
[61] 関谷毅:“大面積有機光デバイス”、高分子学会 第
6 回超分子研究会講座 「超分子材料による次世代
エレクトロニクスデバイス（3）－表示素子・有機
光デバイスの最先端技術－」(2011)(招待講演)
[53] Tsung-Ching Huang, Koichi Ishida, Tsuyoshi Sekitani,
Makoto Takamiya,Takao Someya, and Takayasu Sakurai:
“A Floating-Gate-OTFT-driven AM-OLED Pixel Circuit
for Variation and Degradation Compensation in
Large-Size Flexible Displays”, The Society of
Information Display (SID), (2011).<Oral>
[62] 関谷毅:“有機半導体による超低消費電力回路研究
の 動 向 ”、 電 子 情 報 通 信 学 会 シ ン ポ ジ ウ ム
VLSI-MEMS 融 合 で 拓 く グ リ ー ン テ ク ノ ロ ジ ー
(2012)(招待講演)
[63] 関谷毅: 顔料物性研究会
146
研究報告(2011)(招待講
[75] 平田郁恵，Ute Zschieschang，Frederik Ante，横
田知之，栗原一徳，山本達也，瀧宮和男，池田征明，
桑原博一，Hagen Klauk，関谷 毅，染谷隆夫:“ス
タンプ法による低電圧駆動有機インバータのスイ
ッチ電圧制御”、第 72 回応用物理学会学術講演会、
12.9 有機トランジスタ：31a-R-10 (2011)(口頭発
表)
演)
[64] 関谷毅:“最先端ディスプレイ開発に関する報告”
Society of Information Display (SID) 国内報告
会 (2011)(招待講演)
[65] 関谷毅:“最先端ディスプレイ開発に関する報告”
Society of Information Display (SID) 国内報告
会
(2011)(招待講演)
[76] 横田知之，関谷毅，中川隆，野口儀晃，福田憲二郎，
竹内健，Ute Zschieschang，Hagen Klauk，染谷隆
夫:“フローティングゲート構造を用いた低電圧駆
動 CMOS インバータの閾値電圧制御”
、第 72 回応用
物理学会学術講演会、12.9 有機トランジスタ：
2a-R-10 (2011) (口頭発表)
[66] 関谷毅:“デジタルファブリケーションと大面積エ
レクトロニクス”日本画像学会技術講習会、デジタ
ルファブリケーション (2011)(招待講演)
[67] 関谷毅, 染谷隆夫:“高精細印刷技術を用いたフレ
キシブルエレクトロニクス” 電子材料委員会主催、
第 75 回 半 導 体 集 積 回 路 技 術 シ ン ポ ジ ウ ム
(2011)(招待講演)
[77] 横田知之，加藤裕，野口儀晃, Ute Zschieschang,
Hagen Klauk, 山本 達也, 瀧宮 和男, 池田 征明,
桑原 博一，関谷 毅，染谷 隆夫: サブフェムトリ
ッターインクジェット装置を用いた微細電極の特
性評価と低電圧駆動回路応用, 2012 年春季第 59 回
応用物理関係連合講演会, 17a-F9-8 (2012)(口頭発
表)
[68] 関谷毅, 染谷隆夫:“アンビエントエレクトロニク
ス” SEMI Forum Japan(SFJ) 2011 (2011)(招待講
演)
[69] 関谷毅:“フレキシブル・プリンテッドエレクトロ
ニクス” 電子セラミック・プロセス研究会第１３
１回 研究会 (2011)(招待講演)
[78] 加藤裕, 横田知之, Ute Zschieschang, Hagen Klauk,
瀧宮 和男, 関谷 毅, 染谷 隆夫: "シルクフィブロ
イン上への有機トランジスタの作製と集積回路応
用", 2012 年春季第 59 回応用物理関係連合講演会,
17p-F9-6 (2012) (口頭発表)
[70] 横田知之, 関谷毅, 中川隆, 野口儀晃, 竹内健, Ute
Zschieschang, Hagen Klauk, 染谷 隆夫: フローテ
ィングゲート構造を用いた低電圧駆動 CMOS インバ
ータの閾値電圧制御, 2011 年秋季 第 72 回応用物
理学学術講演会, 2a-R-10, (2011)(口頭発表)
[79] 平田郁恵，Ute Zschieschang， Frederik Ante，横
田知之，栗原一徳，山本達也，瀧宮和男，池田征明，
桑原博一， Hagen Klauk，関谷毅，染谷隆夫: "ス
タンプ法による自己組織化単分子膜の観察と高解
像度局所制御", 2012 年春季第 59 回応用物理関係
連合講演会, 17p-F9-6 (2012)(口頭発表)
[71] 加藤裕, 関谷毅, 横田知之, Ute Zschieschang,
Hagen Klauk, 山本達也, 瀧宮和男, 池田征明, 桑
原博一, 染谷隆夫: 形状記憶フィルム基板上への
3V 駆動有機トランジスタの作製と回路応用, 2011
年秋季 第 72 回応用物理学学術講演会, 31a-R-9,
(2011)(口頭発表)
[80] 徳原健富、横田知之、中川隆、山本達也、瀧宮和男、
池田征明、桑原博一、関谷毅、染谷隆夫: "共通フ
ローティングゲートキャパシタを用いたフレキシ
ブル有機トランジスタの閾値電圧制御", 2012 年春
季 第 59 回応用物理学学術講演会 (2012)(口頭発
表)
[72] 平田郁恵,Ute Zschieschang,Frederik Ante,横田
知之,栗原一徳,山本達也,瀧宮和男,池田征明,桑原
博一,Hagen Klauk,関谷毅,染谷隆夫: スタンプ法に
よる低電圧駆動有機インバータのスイッチ電圧制
御, 2011 秋季 応用物理学会学術講演会 (2011)(口
頭発表)
[81] 加 藤 裕 , 関 谷 毅 , 横 田 知 之 , 栗 原 一 徳 , Ute
Zschieschang, Hagen Klauk, 山本 達也, 瀧宮 和
男, 池田征明, 桑原博一, 染谷隆夫: "平滑化によ
る形状記憶フィルム上への低電圧駆動有機トラン
ジスタの作製", 2011 年電子情報通信学会有機エ
レクトロニクス研究会(OME), 5 (2011)(口頭発表)
[73] 栗原一徳，He Wang，内山直哉，福田憲二郎，横田
知之，関谷 毅，Ute Zschieshang，Cherno Jaye，
Daniel Fischer，Hagen Klauk，山本達也，瀧宮和
男，池田征明，桑原博一，Yueh-Lin Loo，染谷隆夫:
“高分子封止膜のよる有機トランジスタの耐熱性
改善”、第 72 回応用物理学会学術講演会、12.9 有
機トランジスタ：30a-R-10 (2011)(口頭発表)
[82] 栗原一徳,He Wang, 内山直哉, 福田憲二郎, 横田知
之 , 関 谷 毅 , Ute Zschieschang, Cherno Jaye,
Daniel Fischer, Hagen Klauk, 山本達也, 瀧宮和
男, 池田征明, 桑原博一, Yueh-Lin Loo, 染谷隆夫:
"高分子封止膜による有機トランジスタの耐熱性改
善", 2011 年秋季 第 72 回応用物理学会学術講演会,
30a-R-10, (2011)(口頭発表)
[74] 加藤裕，関谷毅，横田知之，Ute Zschieschang，Hagen
Klauk，山本達也，瀧宮和男，池田征明，桑原博一，
染谷隆夫:“形状記憶フィルム基板上への 3V 駆動有
機トランジスタの作製と回路応用”、第 72 回応用物
理学会学術講演会、12.9 有機トランジスタ：31a-R-9
(2011)(口頭発表)
[83] 栗原一徳, Wen Liu, Juin J. Liou, 福田憲二郎, 関
147
谷 毅 , J. Chung, Yoon-Ha Jeong, Zhixin Wang,
Cheng-Li Lin, 染谷隆夫: "静電気保護回路のため
の有機トランジスタの閾値制御", 2012 年春季 第
59 回 応 用 物 理 学 関 係 連 合 講 演 会 , 17p-F9-5
(2012)(口頭発表)
その他
受賞
[84] Tomoyuki Yokota, Tsuyoshi Sekitani, and Takao Someya:
IEEE EDS Japan Chapter Student Award (IEDM), Dec.
2011
[85] Yusaku Kato, Tomoyuki Yokota, Tsuyoshi Sekitani,
Makoto Takamiya, Yasutaka Sakurai, Takao Someya:
2010 IEEE Paul Rappaport Award, Dec. 2011
新聞記事
[86] 染谷隆夫と関谷毅研究室, "東大、医療向け有機ト
ランジスタを開発", 朝日新聞, 2012 年 3 月 7 日
[87] 染谷隆夫と関谷毅研究室,"東京⼤学など、150℃で
滅菌できる有機トランジスタを開発", ⽇経エレク
トロニクス, 2012 年 3 月 7 日
[88] 染谷隆夫と関谷毅研究室,"世界初、滅菌できる柔ら
かい有機トランジスタの作製に成功－体内に埋め込
めるデバイス開発に道－", 独立行政法人 科学技術
振興機構, 2012 年 3 月 7 日
[89] 染谷隆夫と関谷毅研究室,"煮沸できるトランジス
タを開発 埋め込み医療機器に期待", 共同通信,
2012 年 3 月 7 日
148
3.
加藤研究室
Kato Group
(http://ykkato.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1.
カーボンナノチューブはフォトルミネッセンスや電界
発光を示し、よく光るナノ材料として知られており、電
気駆動のデバイスが作製可能な材料でもある。一方、２
次元フォトニッククリスタル光共振器はモード体積が小
さく、共鳴波長が制御可能であり、ナノ材料との相性が
よい。そこで、カーボンナノチューブ素子とフォトニッ
ク結晶を組み合わせたナノスケール光集積回路へ向けて、
単層カーボンナノチューブとフォトニック結晶を光結合
させる。
Carbon nanotubes are known to be good nanoscale light
emitters, while photonic crystal microcavities allow high
degree of control over resonant wavelength. Here we combine
the two to manipulate the optical emission properties of
carbon nanotubes.
カーボンナノチューブにおける電子スピンダ
イナミクスの光検出
横山 明男・吉田 匡廣・加藤 雄一郎
Optical detection of electron spin dynamics in
carbon nanotubes
A. Yokoyama, M. Yoshida, Y. K. Kato
カーボンナノチューブデバイスはナノスケールにおけ
る電子スピン制御に有望な系であるが、単一のカーボン
ナノチューブ内の電子スピンダイナミクスには不明な点
が多い。そこで、高感度な光学的スピン検出システムを
構築して電子スピンの緩和時間やコヒーレンス長に関す
る知見を得て、ナノチューブを用いた電子スピン制御デ
バイスやスピンから光子への量子情報転写デバイスなど
未来の電子スピン情報技術への第一歩とする。
Carbon nanotubes have potential use in electron spin
manipulation at nano-scale, but electron spin dynamics within
single carbon nanotubes remain elusive. We plan to
investigate electron spin relaxation times and coherence
length by constructing an optical spin detection system with
high sensitivity. Understanding of such spin properties will be
a first step towards electron spin information device.
2.
カーボンナノチューブとフォトニック結晶共
振器の光結合
今村 真之・三浦 良平・劉 栩青・加藤 雄一郎
Optical coupling of carbon nanotubes and
photonic crystal microcavities
S. Imamura, R. Miura, X. Liu, Y. K. Kato
4.
架橋カーボンナノチューブにおける励起子ダ
イナミクス
石井 晃博・加藤 雄一郎
Exciton dynamics in suspended carbon nanotubes
A. Ishii, Y. K. Kato
単層カーボンナノチューブでは、励起子の動的相関に
よる新たな光量子現象が起きる可能性がある。しかし、
単層カーボンナノチューブにおける励起子ダイナミクス
にはいまだに不明な点が多い。カイラリティによって電
子構造が大きく変わる単層カーボンナノチューブでは、
励起子拡散はカイラリティに依存するはずである。また、
励起子－励起子消滅の効率も定量的に評価されていない
ほか、暗い励起子が存在することも分かっている。そこ
で、本研究ではこのようなカーボンナノチューブ特有の
励起子ダイナミクスを明らかにすることを目指す。
Excitons in carbon nanotubes offer a unique opportunity for
novel optical effects. However, exciton dynamics in
single-walled carbon nanotubes have many open questions
that remain. Investigating exciton dynamics in air-suspended
carbon nanotubes should provide better understanding of their
optical properties.
単層カーボンナノチューブデバイスにおける
励起子の電界制御
隈元 雄介・姜 明・加藤 雄一郎
Electrical control of exciton binding energies in
carbon nanotubes
Y. Kumamoto, M. Jiang, Y. K. Kato
単層カーボンナノチューブは室温でも励起子由来の発
光を示し、容易に電極を付けることができるのに加え、
フェルミ準位の制御性が極めて高いため、従来型の半導
体とは異なる原理での電界による励起子制御が望める。
そこで、本研究では単一の架橋カーボンナノチューブを
組み込んだデバイスにおいてフォトルミネッセンスや電
界発光、光伝導度測定を行うことにより、励起子の電界
下での挙動を明らかにし、励起子の電界制御手法を実証
することを目的とする。カーボンナノチューブデバイス
においてカイラリティを明らかにした上での顕微分光に
取り組み、電界下の励起子の振る舞いを明らかにするこ
とを目指す。
Because of their one-dimensional nature, screening is weak
in single-walled carbon nanotubes. This results in strong
Coulomb interaction, giving rise to large exciton binding
energies. Using electric fields, we aim at controlling excitons
in carbon nanotubes.
149
論文・著書一覧
Publication List
Workshop on Metrology, Standardization and Industrial
Quality of Graphene and Nanotubes (MSIGN11),
Cambridge, UK (July 15, 2011).
[9]
研究論文
[1]
S. Yasukochi, T. Murai, S. Moritsubo, T. Shimada, S.
Chiashi, S. Maruyama, Y. K. Kato, “Gate-induced
blueshift and quenching of photoluminescence in
suspended single-walled carbon nanotubes”, Phys. Rev.
B 84, 121409(R) (2011).
[10] S. Moritsubo, T. Murai, T. Shimada, Y. Murakami, S.
Chiashi, S. Maruyama, Y. K. Kato, “Exciton diffusion in
air-suspended (9,8) carbon nanotubes”, 4th Workshop on
Nanotube Optics and Nanospectroscopy (WONTON11),
Bordeaux, France (May 29, 2011).
国際会議論文
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
S. Yasukochi, T. Murai, T. Shimada, S. Chiashi, S.
Maruyama, Y. K. Kato, “Gate-Induced Blueshift and
Quenching of Photoluminescence in Suspended
Single-Walled Carbon Nanotubes”, 12th International
Conference on the Science and Application of Nanotubes
(NT11), Cambridge, UK (July 11, 2011).
R. Watahiki, T. Shimada, P. Zhao, S. Chiashi, S.
Iwamoto, Y. Arakawa, S. Maruyama, Y. K. Kato,
“Enhancement of photoluminescence from single-walled
carbon nanotubes by photonic crystal microcavities”,
March Meeting of the American Physical Society,
Boston, Massachusetts (March 1, 2012).
シンポジウム・研究会・大会等発表
[11] Y. K. Kato, "Exciton dynamics in individual
air-suspended single-walled carbon nanotubes", OIST
Seminar (March 9, 2012).
A. Yokoyama, A. Ishii, M. Yoshida, T. Shimada, Y. K.
Kato,
“Circular
dichroism
in
air-suspended
single-walled carbon nanotubes”, March Meeting of the
American Physical Society, Boston, Massachusetts
(March 1, 2012).
[12] 加藤雄一郎, 「架橋カーボンナノチューブにおける
励起子ダイナミクス」第６回 DYCE シンポジウム
(2012 年 1 月 5 日)
[13] 加藤雄一郎，「単層カーボンナノチューブで創る光
量子デバイス」さきがけ「物質と光作用」領域 公
開シンポジウム（2011 年 12 月 16 日）
T. Shimada, A. Yokoyama, A. Ishii, J. Shiomi, S.
Maruyama, Y. K. Kato, “Photoluminescence from
suspended individual 13C-enriched nanotubes”, March
Meeting of the American Physical Society, Boston,
Massachusetts (March 1, 2012).
[14] 加藤雄一郎，「光量子デバイスに向けたカーボンナ
ノチューブにおける励起子制御」 第 4 回文部科学
省「最先端の光の創生を目指したネットワーク研究
拠点プログラム」シンポジウム（2011 年 11 月 14 日）
M. Yoshida, A. Yokoyama, S. Yasukochi, Y. K. Kato,
“Construction of an optically-detected magnetic
resonance system for investigating spins in single-walled
carbon nanotubes”, 6th International School and
Conference on Spintronics and Quantum Information
Technology (Spintech 6), Matsue, Japan (August 3,
2011).
[15] 加 藤 雄 一 郎 ， ”Single-walled carbon nanotubes for
quantum optoelectronics”, 第二回関東光科学若手研
究会（2011 年 11 月 12 日）
[16] 加藤雄一郎, 「カーボンナノチューブと未来のエレ
クトロニクス」国際科学技術財団やさしい科学技術
セミナー・東大テクノサイエンスカフェ(2011 年 9
月 10 日)
Y. K. Kato, “Electron spins in nonmagnetic
semiconductors”, 6th International School and
Conference on Spintronics and Quantum Information
Technology (Spintech 6), Matsue, Japan (August 1,
2011).
[17] S. Moritsubo, T. Murai, T. Shimada, Y. Murakami, S.
Chiashi, S. Maruyama, Y. K. Kato, “Exciton diffusion in
air-suspended (9,8) carbon nanotubes”, 第 72 回応用物
理学会学術講演会，山形（2011 年 8 月 29 日）．
M. Yoshida, A. Yokoyama, S. Yasukochi, Y. K. Kato,
“Construction of an optically-detected magnetic
resonance system for investigating spins in single-walled
carbon nanotubes”, 5th International Workshop on Spin
Currents, Sendai, Japan (July 26, 2011).
[18] 加藤雄一郎, 「架橋カーボンナノチューブにおける
励起子ダイナミクス」第５回 DYCE シンポジウム
(2011 年 6 月 14 日)
[19] 加藤雄一郎, 「半導体中の電子スピンダナミクスと
カーボンナノチューブデバイスの光物性」第一回関
東光科学若手研究会(2011 年 4 月 16 日)
S. Yasukochi, T. Murai, T. Shimada, S. Chiashi, S.
Maruyama, Y. K. Kato, “Gate-Induced Blueshift and
Quenching of Photoluminescence in Suspended
Single-Walled Carbon Nanotubes”, International
150
小田・小野(亮)研究室
Oda and Ono Laboratory
非熱平衡プラズマの強力な酸化力により大気中に微量
(100~1,000ppm)存在するトリクレン等の揮発性有機物
(VOCs)を分解除去する技術の開発を行っている。VOC
を 99%以上分解することが可能であり、その分解効率向
上を触媒により促進することを検討している。放電で生
成したオゾンやその他の物質を触媒で分解し O ラジカル
を発生させ、そこで酸化反応を強力に行う技術について
も研究をしている。OH などの活性種密度に影響する湿
度の影響も調べている。
Atmospheric pressure non-thermal plasma processing is
studied to efficiently decompose dilute VOCs in air. 50 to
1,000 ppm VOC in air can be decomposed more than 99% by
the plasma. In order to improve both energy efficiency and
decomposing ratio, a novel plasma process combined with
catalyst is under investigation. The relation of the ozone
generation and VOC decomposition is also experimentally
studied. The effect of humidity, which affects the density of
radicals such as OH radicals, is also studied.
(http://streamer.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1.
大気圧ストリーマ放電のラジカル反応計測
小野 亮・小田 哲治・寺本 慶之・中川 雄介
・山中 悠也・小柳 陽一
Measurement of Radical Reactions in
Atmospheric-Pressure Streamer Discharge
R. ONO, T. ODA, Y. TERAMOTO,
Y. NAKAGAWA, K. TANAKA, and
K. KADOWAKI
大気圧ストリーマ放電の反応機構を解明するため、ラ
ジカル密度の空間分布や時間変化を、レーザ分光法によ
り測定している。レーザ誘起蛍光法（LIF）による OH ラ
ジカル、NO 分子、準安定準位 N2(A)分子、振動励起 O2
分子、O ラジカル、N ラジカル密度の計測、二次元吸収
法によるオゾン密度計測を行い、コロナ放電やバリア放
電プラズマでのラジカルの挙動を調べている。この研究
により、ストリーマの挙動とラジカル生成との関係など
が明らかになりつつある。本研究は、非熱平衡プラズマ
による大気汚染物質除去など、様々なプラズマ応用技術
に貢献するものである。ラジカル反応速度は温度に強く
依存するため、本研究では LIF やコヒーレント・アンチ
ストークスラマン分光法（CARS）により、ガス温度や
N2 分子の振動温度も測定している。
To investigate the reaction processes in atmospheric
pressure nonthermal plasma, density of radicals was measured
using laser spectroscopic techniques. OH radicals, NO
molecules, N2(A) metastables, vibrationally excited O2
molecules, O atoms, N atoms were measured by laser-induced
fluorescence (LIF) and ozone density was measured by
two-dimensional laser absorption in corona and dielectric
barrier discharges. Time evolution and spatial distribution of
these radicals have been observed in order to clarify the
production and chemical reaction processes in the
non-thermal plasma. This research contributes to various
plasma applications such as removal of environmental
pollutants using nonthermal plasma. The rate of chemical
reactions in the plasma strongly depends on temperature. The
kinetic temperature and vibrational temperature of N2
molecules were also measured using LIF and coherent
anti-Stokes Raman scattering (CARS).
2.
3.
プラズマ医療
小野 亮・小田 哲治・八木 一平・安田 拓真
・三谷 成
Plasma Medicine
R. Ono, T. ODA, I. YAGI, T. YASUDA, and
T. YASUDA
放電プラズマを人体組織に照射して、癌･怪我治療、止
血、殺菌を行うプラズマ医療では、プラズマで生成され
る OH, O, NO, O2などの活性種に治療効果があると考え
られている。この活性種の生体組織に対する効果を調べ
るため、動物細胞や細菌にプラズマを照射したときの活
性化･不活化を調べ、同時に活性種のレーザー計測を行っ
ている。
Plasma medicine is medical treatment by discharge plasma
for cancer treatment, wound healing, blood coagulation,
sterilization, etc by applying the plasma onto human tissues.
In the plasma medicine, it is considered that chemical active
species produced in the plasma (OH, O, NO, and O2) have
effect of the medical treatments. To investigate the effect of
active species on the biological tissues, we measure the
activation and deactivation of animal cells and bacteria by the
plasma irradiation, along with laser spectroscopic
measurement of active species in the plasma.
4.
非熱平衡プラズマによる大気中各種有害気体
の浄化
小田 哲治・小野 亮・中川 雄介・富村 勇太
Cleaning of Polluted Gas by Using
Nonthermal Plasma
T. ODA, Y. TOMIMURA, and T. YASUDA
大気圧ストリーマ放電のシミュレーション
小野 亮・小田 哲治・小室 淳史
Simulation of Atmospheric-Pressure Streamer
Discharge
R. ONO, T. ODA, and A. KOMURO
環境汚染物質除去、表面処理、プラズマ医療などに用
いられる大気圧ストリーマ放電の、ラジカル生成や反応
機構を調べるため、大気圧ストリーマ放電のシミュレー
ションを行っている。シミュレーションの高速化と高精
151
6.
度化を行った結果、比較的長いギャップ長（10～50 mm）
の一次ストリーマと二次ストリーマ両方の高精度シミュ
レーションに成功した。計算結果は実験結果と良い一致
を示しており、計算精度の高さが実証されている。放電
で生成される活性種の計算も行っており、O, N, OH など
のラジカルや、N2(v)や O2(v)などの振動励起種の密度に
特に注目して計算を行い、レーザー計測の結果と比較を
行っている。
Simulation of atmospheric-pressure streamer discharge is
developed to investigate the production and reaction processes
of radicals in the streamer discharge. We succeed in a
simulation of primary and secondary streamers of relatively
long gap streamer (10 to 50 mm) with high precision. The
simulation results are in good agreement with experimental
results. It verifies the high precision of the simulation. We
also simulate the active species produced by the discharge,
particularly pay attention to radicals such as O, N, and OH
and vibrationally excited species such as N2(v) and O2(v). The
calculated results for these active species are compared with
the experimental results of laser spectroscopic measurement
of these active species.
5.
大気圧プラズマジェットの活性種密度計測
小野 亮・小田 哲治・米森 星矢・川畑 卓矢
Measurement of Radical Density in
Atmospheric-Pressure Plasma Jet
R. ONO, T. ODA, S. YONEMORI,
and T. KAWABATA
大気圧プラズマジェットは、室内空気中でプラズマを
発生させることができるため、材料の表面処理、医療、
殺菌などに用いられている。我々は、プラズマ医療に用
いられるバリア放電型大気圧ヘリウムプラズマジェット
で、医療に重要と考えられている OH ラジカル計測を計
測している。OH 密度は、A-X(1, 0)励起のレーザー誘起
蛍光法（LIF: laser-induced fluorescence）で計測した。そ
の結果、OH は配管内から不純物として発生した 10 ppm
程度の水蒸気から、解離率 1%程度（= 0.1 ppm）で生成
されていることが分かった。一方で、従来言われていた
ように、プラズマ周囲の空気中の水蒸気と、活性なヘリ
ウムプラズマがプラズマ-空気界面で反応して生成され
る OH は、ほとんど観測されなかった。生体から蒸散す
る水蒸気と、プラズマの相互作用により発生する OH の
計測や、OH 以外の活性種の計測も予定しており、プラ
ズマ医療に貢献するデータの取得を行っている。
Atmospheric-pressure plasma jet (APPJ) can generate
plasma in room air. It is used for surface treatment, medicine,
and sterilization. We measure density of OH radicals in a
atmospheric-pressure helium plasma jet generated by
dielectric barrier discharge used for plasma medicine. The OH
radical is considered to be important in the plasma medical
process. The OH density was measured using laser-induced
fluorescence (LIF) via A-X (1, 0) band. It was measured that
OH radicals are produced from impurity water vapor of 10
ppm in the gas flowing pipe with dissociation rate of about
1% (= 0.1 ppm). OH production by reaction of ambient air
humidity with active helium plasma at the interface between
the ambient air and the plasma, which has been believed to be
main path of OH production, was not detected. We also plan
to measure OH production from water vapor evaporated from
targeting animal tissue and other active species than OH to
obtain data essential for the plasma medicine.
色素増感太陽電池のプラズマ処理技術の開発
小野 亮・小田 哲治・寺本 慶之・花輪 啓輔
・全 俊豪・小林 聰一・小島 葉平
Plasma Treatment of Dye-Sensitized Solar Cell
Y. TERAMOTO, R. ONO, T. ODA, K. HANAWA,
S. ZEN, S. KOBAYASHI, and Y. KOJIMA
シリコン系の太陽電池とはまったく異なる原理で動作
する色素増感太陽電池は、安価に製造でき材料の制約が
少なく、新型太陽電池として期待されている。色素増感
太陽電池のチタニア（TiO2）電極をプラズマ処理し、変
換効率を向上させる技術の開発に取り組んでいる。色素
増感太陽電池は、TiO2 膜を 450 度で焼成して作成する。
この高温焼成は、高温に弱い材料の使用を妨げるため、
焼成温度を下げる手法が研究されている。我々はプラズ
マ処理を行うことで、従来はまったく太陽電池を作成で
きなかった 150-300 度の低温焼成で、太陽電池を作成す
る技術を開発した。
Dye-sensitized solar cell (DSSC) generates electricity by
different mechanism from silicon solar cell. It can be made at
low cost from easily available materials. To enhance the
conversion efficiency of DSSC, we develop a plasma
treatment of titania (TiO2) electrode of DSSC. The DSSC is
made by sintering the TiO2 electrode at 450 C. The
high-temperature sintering inhibits use of materials that
cannot resist the high temperature. Low-temperature sintering
process for the DSSC production has been studied to allow the
use of low heat resistant materials. We have developed a
technique of DSSC production with low temperature sintering
(150-300 C) using the plasma process of TiO2 electrode.
7.
水素放電着火時のラジカルおよびガス温度計
測
小野 亮・小田 哲治・熊本 亜由美
Measurement of Radical Density and Gas
Temperature in Incipient Spark-Ignited
Hydrogen-Air Flame
R. ONO, T. ODA, and A. KUMAMOTO
水素の静電気着火機構を解明するため、水素放電着火
後の反応過程をレーザー計測している。可燃性ガス中で
放電が発生すると初期火炎が生成され、これが放電後
10s－1ms に臨界火炎まで成長すれば着火する。したが
152
ってこの時間領域で初期火炎の温度、サイズ、ラジカル
密度を測定すれば、着火と不着火を分ける要素が明らか
になる。本研究では OH ラジカル密度と火炎核温度の LIF
計測と、主要分子（O2, H2, H2O, N2）のラマン分光計測を
行っている。これまで、水素等可燃性ガスの着火過程を
定量的に測定した例はなく、本研究は放電着火機構の解
明に大きく寄与する。
For examining the hydrogen spark-ignition mechanism, the
reaction process in the spark-ignited incipient flame was
measured by laser spectroscopy. When a spark occurs in a
flammable gas, an incipient flame is produced. If it grows to a
sufficient flame during 10 s to 1 ms after the spark, an
ignition occurs. Therefore, the measurements of the gas
temperature, size, and density of radicals in the incipient
flame are indispensable for investigating the ignition process
of hydrogen-air mixture. We measured the gas temperature
and OH radical density in the incipient flame using LIF and
the densities of major molecules (O2, H2, H2O, N2) using
Raman spectroscopy in spark-ignited hydrogen-air flame. The
growing process of the incipient-flame was quantitatively
measured.
っている。研究の第一段階として、プラズマによる分解
が容易な色素を沿面バリア放電で処理した。水を 0.5mm
程度の膜状にして放電を発生させると、水面上の広い面
積に沿面放電が発生し、従来のバルク水を処理する手法
よりも処理効率が著しく改善した。これをさらに進めて、
水膜の水中で沿面放電が発生するようにリアクタを改良
し、さらに処理効率を高める研究に取り組んでいる。気
相中の大気汚染ガス処理では、触媒表面にプラズマを進
展させて、プラズマと触媒の相乗効果でガス処理できる
ことが実証されている。我々の水処理でもこの技術を利
用し、水中放電を触媒表面に進展させる技術開発に取り
組んでいる。この他、水処理に利用されるマイクロバブ
ルと放電水処理の相乗効果についても、研究を行ってい
る。
We remove chemical substances and bacteria in water using
plasma. As a first step, we decompose a dye resolved in water
using surface dielectric barrier discharge. When discharge
occurs with water film of 0.5 mm thick, the discharge widely
spreads over the water surface. This water-film method shows
much higher decomposition efficiency than the conventional
method using water bulk. As a next step, we are trying to treat
the water film using a surface discharge “in” water to further
increase of the decomposition efficiency. In a gas-phase
decomposition of environmental pollutant using plasma, it is
proved that the synergy effect of discharge and catalyst,
realized by propagating the plasma on the catalyst surface,
strongly enhances the decomposition rate of the gaseous
pollutants. We apply the “plasma enhanced catalyst” for the
water treatment by propagating the discharge on the catalyst
surface in water. In addition, we study synergy effect of
microbubble, which is frequently used for water treatment,
and discharge for our water treatment.
8.
超高速静電気放電現象の把握とその対策技術
小田 哲治・早田 裕
Observation of Ultra-Fast Electrostatic Discharge
and Its Safety Measures
T. ODA and Y. SODA
IT 機器の製造過程において問題となる静電気放電は、
5V 以下の低電圧で発生し、パッシェンの法則から大きく
外れた領域で発生する。この放電は非常に微弱で、1m
以下の微小ギャップで発生し、GHz 以上の周波数成分を
含む高速現象である。この放電の発生メカニズムはまだ
ほとんど知られておらず、対策を困難なものにしている。
本研究ではこの微弱放電の現象の解明および対策技術の
確立に取り組んでいる。
Electrostatic discharge (ESD) causes severe problems in the
manufacturing process of IT devices. The ESD occurs below
5 V, which deviates considerably from the Pachen curve. The
ESD is quite feeble and occurs between a small gap (< 1m).
It is a fast phenomenon containing high frequency component
in the order of GHz. The mechanism of the ESD is not well
understood, which makes the development of safety measures
difficult. We measure the ESD for further understanding and
develop the safety measures against the ESD.
9.
プラズマによる水処理技術の開発
小野 亮・小田 哲治・伴野 卓也・上野 真太郎
・佐々木 佳祐
Water Treatment Using Plasma
R. ONO, T. ODA, T. BANNO, S. UENO, K. SASAKI
水中の化学物質や細菌をプラズマで処理する研究を行
153
temperature measurement in coaxial cylinder DBD
reactor under atmospheric pressure humid air,” Int. Conf.
on Phenomena in Ionized Gases, D14-093 (2011).
論文・著書一覧
Publications List
[12] A. Kumamoto, H. Iseki, R. Ono and T. Oda,
“Measurement of minimum ignition energy in
hydrogen-oxygen-nitrogen premixed gas by spark
discharges,” 13th Int.l Conf. Electrostatics, J. Phys.:
Conf. Ser., v. 301, 012039 (2011).
研究論文
[1]
R. Ono, Y. Nakagawa, and T. Oda, “Effect of pulse
width on the production of radicals and excited species
in a pulsed positive corona discharge,” J. Phys. D, v. 44,
485201 (2011).
[2]
Y. Teramoto, Y. Fukumoto, R. Ono, and T. Oda,
“Streamer propagation of positive and negative pulsed
corona discharges in air,” IEEE Trans. Plasma Sci., v. 39,
pp. 2218-2219 (2011).
著書
シンポジウム・研究会・大会等発表
[3]
Y. Nakagawa, R. Ono, and T. Oda, “Density and
temperature measurement of OH radicals in
atmospheric-pressure pulsed corona discharge in humid
air,” J. Appl. Phys., v. 110, 073304 (2011).
[13] 花輪 啓輔, 全 俊豪, 寺本 慶之, 小野 亮, 小田 哲
治, “色素増感太陽電池の大気圧バリア放電処理に
おけるガス組成とメッシュ電極の影響,” 2012 年静
電気学会春期講演会論文集, pp. 1-4 (2012).
[4]
寺本 慶之, 小野 亮, 小田 哲治, “レーザー誘起蛍
光法を用いた大気圧パルスコロナ放電中の準安定
準位 N2(A)、N 原子、及び NO 分子計測,” 電気学会
論文誌 A, v. 131, pp. 553-559 (2011).
[14] 全 俊豪, 寺本 慶之, 小野 亮, 小田 哲治, “プラズ
マ処理を併用した DSSC の低温焼成技術の開発,”
2012 年 静 電 気 学 会 春 期 講 演 会 論 文 集 , pp. 9-12
(2012).
[15] 八木 一平, 三谷 成, 安田 拓真, 小野 亮, 小田 哲
治, 筒井 千尋, 平田 孝道, 高木 浩一, “ナノ秒パル
ス電源を用いた大気圧プラズマの生体細胞への影
響,” 2012 年静電気学会春期講演会論文集, pp. 33-34
(2012).
国際会議論文
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
R. Ono, Y. Teramoto, Y. Nakagawa, A. Komuro, and T.
Oda, “Spatiotemporal measurement of translational and
vibrational temperatures after pulsed corona discharge
using laser spectroscopy,” 64th Annual Gaseous
Electronics Conference, QRP1-00097 (2011).
[16] 伴野 卓也, 佐々木 佳祐, 小野 亮, 小田 哲治, “放
電プラズマによる水溶液中メチレンブルーの分解
―放電モードと触媒効果の検討―,” 2012 年静電気
学会春期講演会論文集, pp. 41-44 (2012).
A. Komuro, R. Ono, and T. Oda, “Effect of vibrationally
excited molecules on the production of O radicals in a
pulsed streamer discharge,” 64th Annual Gaseous
Electronics Conference, PR1-00004 (2011).
[17] 小室 淳史, 小野 亮, 小田 哲治, “大気圧ストリー
マ放電における活性種生成機構の解析,” 2012 年静
電気学会春期講演会論文集, pp. 45-48 (2012).
S. Yonemori, Y. Nakagawa, R. Ono, and T. Oda,
“Measurement of OH density and mixture ratio of
ambient air in atmospheric pressure helium plasma jet
using laser induced fluorescence,” 64th Annual Gaseous
Electronics Conference, PR1-00003 (2011).
[18] 米森 星矢, 中川 雄介, 小野 亮, 小田 哲治, “大気
圧ヘリウムプラズマジェット中の OH ラジカル密
度計測,” 2012 年静電気学会春期講演会論文集, pp.
51-54 (2012).
[19] 寺本 慶之, 小野 亮, 小田 哲治, “大気圧ストリー
マ中における N 原子生成機構解明,” 2012 年静電気
学会春期講演会論文集, pp. 57-60 (2012).
I. Yagi, R. Ono, T. Oda, and K. Takaki, “Electric field
measurement of pulsed corona discharge using inductive
energy storage pulsed power generator,” Int. Symp. on
New Plasma and Electrical Discharge Applications and
on Dielectric Materials (2011).
[20] 熊本 亜由美, 小野 亮, 小田 哲治, “ラマン分光法
による水素‐酸素予混合気放電着火過程に於ける
水素および水分子の計測,” 2012 年静電気学会春期
講演会論文集, pp. 61-62 (2012).
R. Ono, “Measurement of radicals in atmospheric
pressure streamer discharge,” 15th Int. Symp.
Laser-Aided Plasma Diagnostics, p. 21 (2011) invited.
[21] 富村 勇太, 小野 亮, 小田 哲治, “大気圧非熱平衡
プラズマによる低濃度 TCE 分解における触媒及び
湿度の影響,” 2012 年静電気学会春期講演会論文集,
pp. 71-74 (2012).
[10] A. Komuro, R. Ono, and T. Oda, “Two-dimensional
simulation of streamer discharge including the
vibtationally excited molecules effects,” Conf. Rec.
2011 IEEE Ind. Applicat. Conf. 46th IAS Annual
Meeting, 2011-EPC-245 (2011).
[22] 中川 雄介, 小野 亮, 小田 哲治, “大気圧空気下の
バリア放電における OH と揮発性有機物との反応
過程観測,” 2012 年静電気学会春期講演会論文集, pp.
[11] Y. Nakagawa, R. Ono and T. Oda, “OH density and
154
79-82 (2012).
クタを用いた大気圧空気下のバリア放電における
OH ラジカル密度計測,” 2011 年静電気学会講演論文
集, pp. 201-204 (2011).
[23] 小室 淳史, 小野 亮, 小田 哲治, “大気圧ストリー
マ放電シミュレーション－ 活性種計測結果の再現
を目指して,” 第 10 回 プラズマ新領域研究会 電
気学会プラズマ技術委員会プラズマ研究会 (2011)
invited.
[37] 伴野 卓也, 小野 亮, 小田 哲治, “パルス沿面放電
によるメチレンブルーの分解,” 2011 年静電気学会
講演論文集, pp. 235-238 (2011).
[24] 中川 雄介, 小野 亮, 小田 哲治, “有害ガス処理の
機構解明に向けた同軸円筒バリア放電下の OH-LIF
計測,” Plasma Conf. 2011, 22E10 (2011).
[38] 小室 淳史, 小野 亮, 小田 哲治, “シミュレーショ
ンによるストリーマ放電の物理特性解析,” 第 72 回
応用物理学会学術講演会 (2011).
[25] 八木 一平, 小野 亮, 小田 哲治, 高木 浩一, “パル
スコロナ放電進展時の電界計測,” Plasma Conf. 2011,
23E03 (2011).
[39] 米森 星矢, 中川 雄介, 寺本 慶之, 小野 亮, 小田
哲治, “大気圧ヘリウムプラズマジェットの周辺空
気の混合比と OH ラジカル密度の関係,” 第 72 回応
用物理学会学術講演会 (2011).
[26] 米森 星矢, 寺本 慶之, 小野 亮, 小田 哲治, “大気
圧ヘリウムプラズマジェット中における NO の 2 次
元分布計,” Plasma Conf. 2011, 23G05 (2011).
[40] 全 俊豪, 寺本 慶之, 小野 亮, 小田 哲治, “空気中
のバリア放電による色素増感太陽電池の性能向上,”
電気学会プラズマ研究会資料, PST-11-052 (2011).
[27] 小室 淳史, 小野 亮, 小田 哲治, “シミュレーショ
ンによる大気圧ストリーマ放電の活性種生成機構
解明,” Plasma Conf. 2011, 24B01 (2011).
[41] 米森 星矢, 中川 雄介, 小野 亮, 小田 哲治, “大気
圧低温プラズマジェットにより生成される OH ラジ
カ ル の 計 測 ,” 電 気 学 会 プ ラ ズ マ 研 究 会 資 料 ,
PST-11-054 (2011).
[28] 小室 淳史, 小野 亮, 小田 哲治, “超高速ストリー
マ放電シミュレーションを用いた放電特性解析,”
平成 23 年電気学会 A 部門大会, P-7 (2011).
[42] 小室 淳史, 小野 亮, 小田 哲治, “ストリーマ放電
シミュレーションによる放電特性解析,” 電気学会
プラズマ研究会資料, PST-11-060 (2011).
[29] 八木 一平, 小野 亮, 小田 哲治, 高木 浩一, “全固
体ナノ秒パルス電源を用いたパルス高電圧とスト
リーマ挙動,” 平成 23 年電気学会 A 部門大会, XIII-8
(2011).
[30] 花輪 啓輔, 全 俊豪, 寺本 慶之, 小野 亮, 小田 哲
治, “色素増感太陽電池の大気圧バリア放電処理に
おけるガス組成の影響,” 2011 年静電気学会講演論
文集, pp. 61-64 (2011).
[31] 富村 勇太, 小野 亮, 小田 哲治, “大気圧非熱平衡
プラズマによるトリクロロエチレン分解に対する
オゾンと触媒量の効果,” 2011 年静電気学会講演論
文集, pp. 77-80 (2011).
[32] 八木 一平, 高木 浩一, 岡田 翔, 松本 宇生, 王 斗
艶, 浪平 隆男, 小野 亮, 小田 哲治, “全固体ナノ秒
パルス電源を用いたストリーマ進展速度と発光分
光計測,” 2011 年静電気学会講演論文集, pp. 125-128
(2011).
[33] 小室 淳史, 小野 亮, 小田 哲治, “シミュレーショ
ン に よ る ス ト リ ー マ 放 電 の 放 電 進 展 特 性 解 析 ,”
2011 年静電気学会講演論文集, pp. 131-134 (2011).
[34] 熊本 亜由美, 小野 亮, 小田 哲治, “ラマン散乱法
による水素-酸素予混合気放電着火過程中の各種分
子 密 度 計 測 ,” 2011 年 静 電 気 学 会 講 演 論 文 集 ,
pp. 135-138 (2011).
[35] 米森 星矢, 中川 雄介, 小野 亮, 小田 哲治, “LIF 法
による大気圧ヘリウムプラズマジェット中の OH ラ
ジ カ ル 計 測 ,” 2011 年 静 電 気 学 会 講 演 論 文 集 ,
pp. 141-144 (2011).
[36] 中川 雄介, 小野 亮, 小田 哲治, “同軸円筒型リア
155
日髙・熊田，池田(久)研究室
Hidaka, Kumada & Ikeda Laboratory
2. 沿面リーダの進展特性
守山浩史・田中大樹・松岡成居・熊田亜紀子・
日髙邦彦
Propagation Process of Surface Leader
H. MORIYAMA, D. TANAKA, S. MATSUOKA,
A. KUMADA and K. HIDAKA
(http://www.hvg.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1. 沿面放電のシミュレーション
田中大樹・松岡成居・熊田亜紀子・日髙邦彦
Numerical Simulation of Surface Streamer
D. TANAKA, S. MATSUOKA, A. KUMADA
and K. HIDAKA
気体放電の基本的現象であるストリーマのシミュレー
ションを流体方程式を解くことによって行っている。物
理的手法であるシミュレーションは、実験的に得られた
結果を検証するためにも非常に有効であり、また、任意
の条件下でのシミュレーションを行うことが可能である。
このようにシミュレーションが非常に有効であっても、
一般的に、シミュレーションの計算過程に計算の不安定
さを引き起こしたり、膨大な時間を要することがある。
昨年度より引き続き商用計算ソフトウェアを導入し、
有限要素法と非構造三角形メッシュを用いて、実験と同
規模の計算を行うことができる放電シミュレーションコ
ードの開発を行った。ポッケルス結晶表面上を進展する
沿面放電の電位分布をポッケルスセンサを用いて測定し、
計算結果との比較を行った。両者の電荷密度分布はよく
一致したものとなり、放電シミュレーションの結果が妥
当であることが確認された。併せて、得られた結果より、
ストリーマ進展、停止モデルの構築を行った。
In recent years, barrier discharge plasma has been utilized
to the removal of pollutants such as VOCs, SOx, and NOx.
The performance of removal is greatly influenced by the
structure of the plasma reactor. For the improvement of
performance in various applications, it is necessary to
understand gas discharge dynamics experimentally and
analytically. A numerical simulation of positive streamer
propagation is carried out in non-uniform electric field with a
dielectric barrier by the finite element method. The simulation
method is based on the first-order continuity equations of
charged particles. The transport coefficients at a given field
strength are derived from the Boltzmann equation, and the
electric field is obtained by solving the Poisson's equation.
The streamer propagation, electron and ion distributions,
electric field strength, and electron temperature are studied in
detail as the time passes after the application of electric field.
In addition, the transient change of potential on dielectric
barrier is measured by Pockels sensor, and compared with the
simulated result. The simulated charge profile on dielectric
barrier coincides qualitatively with the measured profile.
従来沿面放電現象は, 電力機器の設計上防ぐべき対象
として、研究、解析が行われてきた。特にリーダの形成
時にはストリーマだけの場合よりも同じ印加電圧に対し
て放電進展長が長くなるため、ストリーマからリーダへ
の進展機構の解明が重要となる。沿面放電現象は開始か
ら終了までの時間が非常に短い現象であることなどから、
高い精度で観測・計測を行った研究は少ない。本研究で
は、SF6/N2 混合ガス中における沿面放電進展現象を高時
間分解測定によって解明することを試み、実験を行った。
ストリークカメラを用いた混合ガス中における針平板ギ
ャップ間での放電の進展過程の観測、超高速フレーミン
グカメラを用いた混合ガス中沿面放電進展現象の観測、
ポッケルスセンサシステムを用いた混合ガス中における
誘電体表面の電位分布測定を行った。これらの測定から、
プリカーサモデルに近い現象が起こっていると考えられ
る。
Surface discharge on a dielectric material has a great
influence on the insulating performance of electrical
apparatuses and electronic devices. The phenomena of leader
inception and propagation have been studied extensively.
Precursor and stem models have been proposed to explain the
leader transition process in gaseous gaps, but there still
remains many things to be clarified for quantitative discussion.
This study shows the experimental analysis of
streamer-to-leader transition in SF6/N2 gas mixture. The
streamer to leader transition process were observed with a
streak camera and a framing camera. In the gas mixture, a
'leader precursor' was clearly observed in the transition from a
streamer to leader. The transient change in the potential
distribution along a surface leader propagating in the gas
mixture was also measured with a Pockels measuring system.
The electric field and charge distributions were calculated
from the measured potential profile. The electric field and
charge distributions were compared with ICCD images. These
results indicate that streamer-to-leader transition can be
explained by the precursor model.
3. レーザ波面計測による放電中の電子密度測定
稲田優貴・山上晋平・松岡成居・熊田亜紀子
池田久利・日髙邦彦
Electron Density Measurement in Arc Discharge by
Wave-front Sensor
Y. INADA, S. YAMAGAMI, S. MATSUOKA,
A. KUMADA, H. IKEDA and K. HIDAKA
雷放電の研究および耐雷技術の開発、ガス絶縁機器の
156
substation equipment because of their excellent insulation
performance. However, when a DC voltage is applied to an
insulating spacer in GIS, charges are accumulated on the
surface of the insulator, and the breakdown voltage of it may
become low. The charge accumulation phenomenon is also a
problem in AC-GIS, because the switching operations may
leave the remanent DC charge on the AC-GIS spacer. In this
research, charge density distribution of the downsized GIS
disc spacer made of epoxy resin was measured in 0.5-MPa
SF6 gas. Tiny metal particles smaller than 0.1-mm were
observed on the spacer after the voltage application. Therefore,
metal particles on the spacer may cause the radial charge
accumulation in this experiment: if a metal particle adheres on
the spacer, partial discharge may occur near the metal
particles and negative charges may progress along the surface
of the spacer.
開発や放電プラズマ応用機器の開発などには、過渡的な
放電現象の機構解明が求められており、放電に関する基
礎物理量の 1 つである電子密度計測は特に重要である。
本年度は空気吹き付けアーク放電内の 2 次元電子密度
分布をシャックハルトマン型レーザ波面測定器により測
定した。
消弧領域においてアーク柱内の全空間にわたる電子密
度分布を解析した結果、アーク柱軸中心付近の電子密度
は空気吹き付けへの依存性を示さなかったが、アーク柱
の半径は空気吹き付けにより優位に低下していた。
It has been needed to clarify the discharge process for
lightning protection, efficient plasma reactors, and designing
power apparatuses such as gas insulated switchgears. The
study on discharge mechanism is possible through the
measurement of fundamental physical quantities such as
electron density, ion density, and electric field.
This year, Shack-Hartmann type laser wave-front sensor
was applied for measuring 2-dimensional electron density
distributions over air-blast arc discharges.
The electron density distributions in extinguishing phases
showed that no significant changes were observed in the
electron densities around the column centre between with and
without air-blasting. In addition, the arc channel diameters
with air-blasting were narrower than those without
air-blasting.
5. マイクロギャップにおける沿面放電現象
渡邊惇・森本徹郎・松岡成居・熊田亜紀子
・日髙邦彦
Surface Discharge in Micro Gap
A. WATANABE, T.MORIMOTO,
S. MATSUOKA, A. KUMADA and K. HIDAKA
マイクロギャップにおける沿面放電進展特性の測定を
行った。具体的には厚さ 2m の SiO2 絶縁膜上に、ギャ
ップ長 2m~50m の電極を配置し、その V-t 特性の測定
を行った。その結果、以下のことがわかった。
まず正極性電圧印加時の沿面放電現象は、背後電極が
ある場合、ギャップ長 3m 以下では電界放出が主要因の
放電現象となり、ギャップ長がそれ以上になると気体の
電離と電子なだれの形成を伴う沿面放電現象となる。
また負極性電圧印加時では、背後電極ありなしに関わ
らず、初期放電現象は電界放出により発生する。ギャッ
プ長 10m 以下ではギャップ間空間が小さく真空に近い
状態となるので、電離増倍することなく電界放出により
絶縁破壊が起こり、絶縁破壊電圧は電界に強く依存する。
The characteristic of surface discharge is measured. The V-t
characteristic of electrical discharge through micro gap has
been measured for 2μm to 50μm gap.
In case of positive polarity voltage application, the
electric field emission plays dominant roles in discharge
process across a gap narrower 3μm. Across a wider gap, a
surface discharge with electron avalanches occurs.
On the other hand, in case of negative polarity, initial
discharge phenomena occur by the electric field emission.
And especially across a gap narrower 10μm, there is few gas
molecules between the electrodes and a vacuum-like
discharge may occur. In such a condition, the electric field
emission plays dominant roles in discharge process, and the
breakdown voltage strongly depends on the electric field
intensity on the electrode surface.
4. 直流電界下における絶縁物の帯電現象
岩渕大行・松岡成居・熊田亜紀子・日髙邦彦
Charge Accumulation on an Insulator under DC
Electric Field
H. IWABUCHI, S. MATSUOKA, A. KUMADA
and K. HIDAKA
ガス絶縁開閉機器（GIS）は、交流に用いられる場合
においても断路器開極時に最大で運転電圧分の直流電圧
が残留し、スペーサ近傍の電界分布は、容量分布に基づ
いて決定される場から、抵抗分布に基づいて決定される
場へと移行する。抵抗場への移行に伴いスペーサとガス
の界面には帯電が生じ、逆極性の電圧が加わった場合の
破壊電圧の低下が指摘されている。本研究では、電力機
器のコンパクト化、高耐圧化を目指し、GIS 絶縁スペー
サを模擬した絶縁物に直流を印加した際の帯電現象につ
いて、実験とシミュレーションの両面から検証を行って
いる。本年度は新たに実機同様の 0.5MPa-SF6 環境下で
課電及び測定が可能な試験装置を新たに導入し、直流電
界下における帯電測定を行った。その結果、電圧印加後
のスペーサ表面には、径が 0.1mm 以下の金属異物の付着
が確認され、金属異物の周辺に放射状の帯電が進展して
いることが判明した。本実験結果より、スペーサ表面に
付着した金属異物が帯電の要因となり、異物の大きさが
m オーダであっても帯電に大きな影響を与えることが
示唆される。
Gas insulated switchgears (GIS) are widely used as major
157
6. 沿面放電の残留電荷密度分布測定
秦望岑・熊田亜紀子・日髙邦彦
Advanced Measurement of Surface Charge
Distribution with High Potential
QIN WANG-CEN, A. KUMADA and K. IDAKA
when its peak value is required to be several hundred kilovolts.
Our laboratory has introduced a new high voltage generator
making a square-pulse voltage with a rise time of 13 ns, a
dumping factor less than 2.5% after 10 µs duration and a peak
value of 200 kV, and started measuring discharge
characteristics in a short-time region. On the other hand, the
discharge characteristics in long-time region is acquired by
applying AC voltage (50 Hz).
The saturated vapor pressure of CF3I gas is low. To prevent
CF3I gas from devolatilization, partial pressure of CF3I gas
will be reduced by mixing other gases in practical apparatus.
Therefore, the discharge characteristics of CF3I/N2 and
CF3I/CO2, including the pressure dependence, were
investigated. In addition, the effect of activated carbon fiber
for the degradation of insulation property of CF3I gas caused
by by-product generation through electric discharge was
inspected.
SF6 や CF3I ガス中における沿面リーダの機構解明を目
的とし、その残留電荷分布を高分解能で測定できる装置
の開発を行った。残留電荷密度分布の測定には、一般に
静電誘導型表面電位計を利用するが、絶縁性能の高いガ
ス中における沿面放電の残留電荷測定に適用するには、
測定対象物の帯電電位が測定可能レンジを超えてしまう
点が問題となっていた。
測定試料内部に表面抵抗を落とした材料を挟ことによ
り、表面電位計による測定時には対象分の残留電位を大
きく下げる着想を得、測定範囲を１０倍に拡張すること
に成功した。本手法を用いて、従来測定できなかった SF6
や CF3I ガス中における沿面リーダ残留電荷密度分布の
測定を行った。
For measuring surface charge distribution with high
potential, a measuring technique with a multilayer
sample was proposed. By using this technique, the
residual charge distribution of a positive surface
discharge was successfully measured with an
electrostatic probe, nevertheless its potential is 10 times
higher than the measurable range of the electrostatic
probe.
8. 真空バルブの耐圧に及ぼす電流遮断の影響
古川貴皓・松岡成居・熊田亜紀子・日髙邦彦・
池田久利
Investigation on Influence of Current Interruption
on V-t characteristics of Vacuum Interrupters
T. FURUKAWA, S. MATSUOKA, A. KUMADA,
K. HIDAKA and H. IKEDA
大電流遮断前および遮断後の真空バルブを用いて100
ns下の短時間領域を含むV-t 特性を測定した。その結果、
50ns以下の短時間領域においては絶縁破壊電圧は急激に
上昇すること、大電流遮断において、ピーク遮断よりゼ
ロ点遮断のほうが電極の損傷が少なく、絶縁破壊電圧は
高いこと、同様に、遮断電流が小さいほうが電極の損傷
は少なく、絶縁破壊電圧は高いことがわかった。先行研
究のAg-W-C接点真空バルブでは、電流遮断によって絶縁
破壊電圧が低下することが確認されたが、本研究で用い
たCu-Cr接点真空バルブでは、電流遮断によって絶縁破壊
電圧が向上していることが確認された。
また、真空バルブのF-Nプロットをとり、電界強化係数
βを求めた。その結果、V-t特性の測定によって電極表面
が損傷を受けるためβは大きくなるが、電流遮断によっ
て回復し、βは小さくなることがわかった。電流遮断後
のV-t特性の結果と比較すると、V-t特性の絶縁破壊電圧
が高くなっていることと、βが小さくなっていることの
定性的な一致が確認できた。
To identify the influence of current interruption on the
insulation strength of vacuum interrupters (VIs), the V-t
characteristics of VIs were measured from nano seconds to
several micro seconds range before and after current
interruption. The breakdown voltage increased after the
current interruption for VIs of Cu-Cr contacts. The field
emission current of contacts were also measured before and
after the current interruption, and the change of the field
enhancement factor β was investigated by Fowler-Nordheim
7. CF3I ガスの放電特性
八木貴大・丸尾徳・松岡成居・熊田亜紀子
日髙邦彦
Discharge characteristics of CF3I gas
T. YAGI, T. MARUO, S. MATSUOKA,
A. KUMADA and K. HIDAKA
CF3I ガスを SF6 代替ガスとしての可能性を検証してき
た。ns 領域から 50Hz の商用周波数の時間領域までの放
電特性の測定を行ってきた。CF3I の欠点として、飽和蒸
気圧が低く、高気圧では液化が起こってしまうことがあ
げられる。それを防ぐために CF3I を他のガスと混合する
ことによって分圧を下げることを念頭に、CF3I/N2 、
CF3I/CO2 混合ガスの放電特性の測定を行った。特に圧力
依存性に関して詳細な測定を行い、高気圧下での放電特
性を明らかにした。さらに、CF3I の弱点である、放電に
よって分解し絶縁特性が劣化するという点に関して活性
炭の効果を検証した。
SF6 gas, which is a major electrical insulating medium in
high voltage equipments, has been designated as a greenhouse
effect gas. Thus, it has been required to be reduced or replaced
by other gases.
Steep-front square-pulse voltages with a long duration are
useful for clarifying the mechanism of electrical discharge
propagation. It has so far been hard to generate such a voltage,
158
(F-N) analysis. The analysis indicated that the surface
condition was improved by the current interruption, which can
explain the improvement of breakdown voltage. It also turned
out that the impulse voltage application during the V-t
characteristics measurement had a considerable influence on
the surface condition.
省エネルギー化の観点から、近年大型モータに対しイ
ンバータ駆動の導入が増加している。インバータ駆動の
モータでは、繰り返しパルスのコイルエンド部電界緩和
システムへの影響が懸念されている。インバータ駆動に
対応した絶縁システムを設計するためには、電界緩和シ
ステム表面の電位分布の実測による評価が望まれる。
本研究では、高電圧を印加時の電界緩和システム表面の
電位分布測定を行うため、ポッケルス効果を用いた測定
システムの開発を行った。本測定システムを用いて、10
kVp の 50 Hz と 1 kHz の正弦波交流、および 1 kHz の方
形波交流を印加した際の電位分布を測定した。各交流印
加 時 の 最 大 電 界 強 度 は そ れ ぞ れ 、 0.34 kV/mm 、 0.41
kV/mm、0.48 kV/mm であった。測定結果より、電界緩和
システムでの電界緩和効果は小さく、コロナ防止テープ
の端部で電界ストレスが集中することが判明した。
The importance of inverter fed drives to control high
voltage motors has been increasing for energy saving.
However, these drives using pulse width modulation are
known to have adverse effects on the insulation system for
motors especially in which stress grading materials are used in
the end-winding design. The experimental information on the
potential distribution is essential for advanced designing of
end-winding insulation system. In this study, a surface
potential measuring system is developed utilizing Pockels
sensor in longitudinal mode and applied it to the potential
distribution measurement on the stress grading system of a
model bar-coil under the applications of 50 Hz-sinusoidal, 1
kHz-sinusoidal and 1 kHz-rectangular AC voltages of 10kV in
peak values. The maximum potential gradient on the model
bars were 0.34 kV/mm and 0.41 kV/mm, 0.48 kV/mm under
50Hz-sinusoidal, 1 kHz-sinusoidal and 1 kHz-rectangular AC
voltages. This indicates that the stress grading system is less
effective and electric field tends to concentrate on the end of
the corona armor tape under higher frequency field.
9. 真空遮断器を用いた直流遮断器についての検討
上田正斗・松岡成居・熊田亜紀子・日髙邦彦・
池田久利
DC Interruption by Vacuum Circuit Breaker
M. UEDA, S. MATSUOKA, A. KUMADA,
K. HIDAKA, and H. IKEDA
近年、直流送配電の需要が増加しつつある事情から、
機器や設備の保護を担う直流遮断器の需要が増加してい
る。そのような背景のもと安価で安全性の高い直流遮断
器の開発が望まれている。現在広く用いられている直流
遮断器は、気中にアークを放出するため安全性に問題が
あるという欠点がある。そこで、本研究ではアークを外
部に放出しないため安全性の高い真空遮断器に着目し、
真空遮断器を用いた直流遮断器の開発について検証を行
った。
まず電流遮断を行うための試験装置を作成し、電流遮
断試験を行い、気中アークおよび真空アークの電流電圧
特性を測定した。さらに、EMTP を用いて解析を行い、
測定した真空アークの電流電圧特性から実験の際に得ら
れた電流および電圧波形を再現できることを確認した。
DC circuit breaker (DCCB) has been developed mainly for
electric railway, not for DC power transmission and
distribution. That is how it is extremely more difficult to
interrupt DC current because there is no current zero point.
But, recently, demand of DC power transmission and
distribution is increasing and that of DCCB is coincidentally
increasing. So, high level safety is required for DC circuit
breakers because of increasing DCCBs.
The applicability of vacuum circuit breaker (VCB) to
DCCB is being investigated. The current generator was
assembled with EDLC, and the V-I characteristics of arc in
vacuum/air were measured with a VCB. From the measured
characteristics, the equivalent circuit model of vacuum arc
was derived.
11. 被覆電極によるインパルス耐電圧向上効果
鶴長修匡・松岡成居・熊田亜紀子・日髙邦彦
Impulse Flashover Voltage over Covered Electrode
in Dry Air, Nitrogen, and SF6
N. TSURUNAGA, S. MATSUOKA, A. KUMADA,
and K. HIDAKA
高圧導体部にエポキシ樹脂を被覆させる絶縁方式に着
目し、インパルス電圧印加時の絶縁破壊電圧を測定した。
放電路の気中ギャップ部の電圧降下分を考慮した沿面フ
ラッシオーバ電圧と、放電開始電圧との大小関係に着目
して絶縁破壊電圧を推定するモデルを提唱し、絶縁破壊
電圧の予測を試みてきた。絶縁破壊電圧推定モデルの精
度向上のためには、沿面フラッシオーバ電圧の調査が必
要となる。高気圧気体中における数百 mm オーダのイン
パルス沿面フラッシオーバ電圧を系統立てて測定・報告
した例は少ない。0.1, 0.2, 0.4, 0.6MPa における乾燥空気、
窒素、SF6 を対象にインパルス電圧印加時の沿面フラッ
10. ポッケルス効果を用いた高電圧回転機電界緩
和システムの電位分布計測
木内健人・松岡成居・熊田亜紀子・日髙邦彦・
池田久利
The Potential Distribution Measurement on the
Stress Grading System of High-Voltage Rotating
Machines by Using Pockels Effect
K. KIUCHI, S. MATSUOKA, A. KUMADA,
K. HIDAKA and H. IKEDA
159
シオーバ電圧を測定した結果、印加電圧極性、気体種類
に関係なく、いずれも V50 は 60～80kV 程度の値をと
っている。圧力依存性に関しては、σの大きさを考える
とあまり明確な一定の傾向はなく，あっても極めてわず
かである。交流電圧印加時においても、100mm を超え
るような沿面フラッシオーバ電圧に関して同様な特性が
知られており、興味深い。本調査結果を組み込み、絶縁
破壊電圧推定モデルの精緻化を行う予定である。
The surface flashover voltage in pressurized dry air,
nitrogen and SF6 with a dielectric cover is examined by
changing the configuration of the electrodes. A hemisphere
high voltage electrode of 40 mm in diameter with a 10
mm-thick insulation cover of epoxy resin and a grounded
plane electrode were set in a tank and the lightning impulse
voltage (1.3/66 µs) was applied under a pressure of 0.1, 0.2,
0.4, or 0.6 MPa (abs). The insulation strength against impulse
voltage was evaluated by measuring surface flashover voltage,
V50, which was obtained through the up-down method. The
V50, which is about 60~80 kV, is not related to polarities of
applied voltage and kinds of gases. The dependence on
pressure is also little observed. A simplified model of
discharge is also proposed by these results of the study.
discharge structure is different from that of OF cable, so that it
is need to solve the destruction and partial discharge structure
of PPLP in the condition of liquid N2.
In this research, on the purpose of understanding insulation
characteristics of PPLP, we compare partial discharge
characteristics in the condition of N2 gas and liquid N2. In this
year, we investigated the characteristics of PD inception field,
PD elimination field, and the amount of electric charge of PD
under AC voltage using PPLP sheets/cable models. By
comparing the experimental results in 0.1 to 1.0 MPa-N2 gas
with obtained results in liquid N2 , we have proposed the
method which is estimating partial discharge in the condition
of liquid N2 comparing with other conditions. Moreover we
have evaluated the probability of using air or N2 Gas instead
of using liquid N2 in pre-shipment inspection to reduce
inspection cost.
13.
IGBT モジュール絶縁用ゲルにおける部分放
電現象
12. 超電導ケーブルの部分放電測定
菊池優人・松岡成居・熊田亜紀子・日髙邦彦
Partial Discharge Measurement in HTS Cable
Y. KIKUCHI, S. MATSUOKA, A. KUMADA and
K. HIDAKA
佐藤正寛・松岡成居・熊田亜紀子・日髙邦彦
Partial Discharges in Gel for IGBTs
M.SATO, S. MATSUOKA, A. KUMADA and
K. HIDAKA
都心部へ給電する電力ケーブルは送電容量の向上が望
まれている。高温超電導ケーブル（High Temperature
Superconducting Cable = HTS ケーブル）は、高温超電導
線材を導体に使用することにより、送電ロスを大幅に減
らすことができ、軽量かつコンパクトで大容量の送電が
可能となる。HTS ケーブルの電気絶縁システムは、絶縁
紙 PPLP(Poly-Propylene Laminated Paper)と液体窒素の複
合絶縁となる。既存の OF ケーブルとは放電機構が異な
り、従って液体窒素含浸時の PPLP の絶縁破壊および部
分放電の体系的解明が望まれている。
本研究では、PPLP の絶縁特性の体系的把握を目的とし、
気体窒素中および液体窒素含浸時の部分放電特性の比較
を行う。本年度は、0.1～1.0MPa の気体窒素中において
シートモデル、ケーブルモデルを用いた交流部分放電開
始電圧特性、電荷量を測定した。得られた結果から Q-E
特性を取得し、液体窒素環境下における部分放電を、他
の環境下におけるそれから推測する手法を提案した。ま
た経済対策として、出荷時試験時に液体窒素を使わない
代替試験についても検討を行った。
Nowadays, electrical cables that provide power to urban
regions are nearly in the full of their capacity, and it is wanted
to expand transmission capacity. High Temperature
Superconducting (HTS) Cables, whose conductor is made of
HTS material, can lessen transmission loss exceedingly and
enable more lightweight, compact and high-capacity
transmission system. HTS cable electrical insulation system
consists of insulation paper PPLP and liquid N2. The
160
IGBT モジュールは GTO と比べて優れた点が多いが、
耐圧不足から現在では両者が共存している。従って IGBT
の高耐圧化が期待されている。特にゲルを用いた絶縁に
おいては基板上の沿面放電が課題の一つであるものの、
バルクとしての自己修復特性が報告されている程度であ
り、沿面での現象は不明な点が多い。ゲル基板界面の沿
面放電現象を解明することを目的に、ゲル中の沿面放電
進展に伴う電位分布を高い空間分解能で把握できる測定
装置の開発及び測定系の分解能の評価を行った。結果逆
算を含めた空間分解能は現状の系では 80m また程度で
あることが分かった。また実際に部分放電と思われる電
位分布の測定をおこなった。カメラによる発光の観測、
PD 検出器によって推定される部分放電が開始すると思
われる電圧以上の電圧まで上昇させたときポッケルス効
果を用いて測定したデータは非線形な応答をした。
IGBTs are used for power modules and the sales are
growing rapidly. Comparing it with GTOs, it has better
electrical properties and it is easier to handle. However IGBTs
has not yet ousted GTOs. This is because IGBT have lower
operating voltages. Therefore it is essential to improve the
operating voltage. The objective of this research is to improve
the partial discharge inception voltage of IGBTs by studying
how discharge initiates. To analyze PDs, three information;
time, coordinates and electrical potential is acquired at once
by using the Pockels effect. To reduce noise, Tickonov’s
regularization theory is applied. This calculation imposes the
spatial resolution, and it was about 80m. The potential
distribution of PDs was obtained.
論文・著書一覧
Publications List
[10] A. Kumada, K. Hidaka: Directly high voltage measuring
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Haginomori and Tadashi Koshidduka: Investigation of
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International Council on Electrical Engineering, Vol. 1,
No.2, pp. 188-193 (2011)
[2]
[3]
[12] A. Kumada, T. Takewa, S. Matsuoka, K. Hidaka, N.
Inoue, S. Sato, T. Takeuchi: An effect of insulation cover
on sparkover voltage in dry air, 17th International
Symposium on High Voltage Engineering, CD-Rom,
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[13] H. Ikeda, E. Haginomori, H. Toda, M. Hikita, T.
Koshizuka : Investigation of TRV after Interrupting
Transformer Limited fault, CIGRE Tutorials and
Colloquium,Vienna, 9/7-8 (2011)
[14] T. Koshizuka, T. Nakamoto, E. Haginomori, M. Thein,
H. Toda, M. Hikita, H. Ikeda : TRV under Transformer
Limited Fault Condition and Frequency-Dependent
Transformer
Model,
IEEE
2011
General
Meeting,PESGM2011-000415 Detroit, MI,USA, 24-28
July (2011)
S. Sato, H. Ikeda (Fellow IEEE), S. Nishimura, Y.
Taniguchi, H. Shimizu and K. Harada: V-t
Characteristics of Vacuum Interrupter After Large
Current Interruption, IEEE TRANSACTION ON
PLASMA SCIENCE, Vol. 39, No. 6 (2011)
道念大樹, 岩渕大行, 松岡成居, 熊田亜紀子, 日高
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Workshop 12), B24, Chiba, Japan, pp. 78-81 (2011)
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Hidaka, M. Takei, Y. Hoshina: Influence of
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International Symposium on High Voltage Engineering,
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and H. Iwabuchi: Influence of
distribution
on
charge
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[18] Y. Inada, S. Matsuoka, A. Kumada, H. Ikeda, K.
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results using large-sized models], CIGRE SC-D1 WG36,
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[22] S. Okabe, K. Hidaka: New fitting method for extracting
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第 17 回高電圧工学国際会議 (ISH2011) Topic D:
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space charge, partial discharge, 放電研究, Vol. 54, No.
3, pp. 11-15 (2011)
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出技術の開発, 平成 23 年電気学会産業応用部門大
会, CD-Rom, 2-59, pp. II-621-622 (2011)
[36] 小栁道照，瀧野俊明，毛利哲，林屋均，松岡成居，
熊田亜紀子，日髙邦彦：新幹線電車線路の地絡保護
に関する考察, 平成 23 年電気学会産業応用部門大
会, CD-Rom, 3-16, pp. III-147-150 (2011)
[37] 熊田亜紀子：電荷重畳法による数値電界計算の高度
化-表面抵抗や体積抵抗を含む場への適用, 2011 年
放電学会シンポジウム講演 (2011)
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閉 保 護 ・ 高 電 圧 合 同 研 究 会 資 料 ,
ED-11-143/SP-11-042/HV-11-047, pp. 127-132 (2011)
[28] 腰塚正, ミョーミンティン, 戸田弘明, 匹田政幸,
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と周波数依存短絡インダクタンスモデルの検討，電
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[40] 森本徹郎，熊田亜紀子，日高邦彦，天野耕治，伊藤
鉱一：マイクロ波照射による PCB 分解反応下にお
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同研究会資料, ED-11-145/SP-11-044/HV-11-049, pp.
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[29] 伊吹恒二, 萩森英一, 池田久利：電流シャントによ
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[42] 田中大樹：沿面放電シミュレーション, 平成 23 年
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統技術合同研究会, 大阪, 9 /28-29（2011）
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及ぼす低抵抗塗料の影響, 平成 23 年放電学会若手
セミナーポスター発表, P-6 (2011)
[44] 稲田優貴：シャックハルトマン型レーザ波面測定装
置を用いた消弧過程の電子密度分布測定, 平成 23
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邦彦：自励振動方式の低圧用直流遮断器に関する検
討, 2011 年度放電学会年次大会講演論文集, P-15, p.
34 (2011)
[59] 古川貴皓，松岡成居，熊田亜紀子，池田久利，日高
邦彦：Cu-Cr 電極真空バルブの V-t 特性, 平成 24 年
電気学会全国大会論文集, Vol. 1, No. 74, p. 88 (2012)
[48] 守山浩史，田中大樹，松岡成居，熊田亜紀子，日高
邦彦：SF6/N2 混合ガス中における沿面放電進展現象,
2011 年度放電学会年次大会講演論文集, A-1-6, pp.
64-65 (2011)
[60] 佐藤正寛，熊田亜紀子，日高邦彦，山城啓輔，早瀬
悠二，高野哲美：ゲル中沿面放電の高分解電位分布
測定装置の開発, 平成 24 年電気学会全国大会論文
集, Vol. 1, No. 45, p. 55 (2012)
[49] 丸尾徳，八木貴大，松岡成居，熊田亜紀子，日髙邦
彦：CF3I 絶縁破壊電圧の圧力依存性, 2011 年度放電
学会年次大会講演論文集, A-1-9, pp. 70-71 (2011)
[61] 稲田優貴，山上晋平，松岡成居，熊田亜紀子，池田
久利，日髙邦彦：電子密度計測に向けたシャックハ
ルトマン型レーザ波面測定装置の開発(3), 平成 24
年電気学会全国大会論文集, Vol. 1, No. 26, p. 34
(2012)
[50] 菊池優人，松岡成居，熊田亜紀子，日高邦彦，畳谷
和晃，増田孝人：加圧気体窒素環境下における高温
超電導ケーブルバットギャップ中の部分放電開始
特性, 2011 年度放電学会年次大会講演論文集, B-1-1,
pp. 72-73 (2011)
[62] 丸尾 徳，八木貴大，松岡成居，熊田亜紀子，日高
邦彦：CF3I ガスの放電副生成物による絶縁性能低下
と活性炭の効果, 平成 24 年電気学会全国大会論文
集, Vol. 1, No. 25, p. 33 (2012)
[51] 木内健人，松岡成居，熊田亜紀子，池田久利，日髙
邦彦，坪井雄一，石川芳博，山田慎一郎，吉満哲夫：
ポッケルス効果を用いた高電圧回転電機電界緩和
システムの電位分布計測, 2011 年度放電学会年次大
会講演論文集, B-1-8, pp. 85-86 (2011)
[63] 菊池優人，松岡成居，熊田亜紀子，日高邦彦，畳谷
和晃，増田孝人：加圧気体窒素環境下における高温
超電導ケーブルバットギャップ中の部分放電開始
及び消滅特性, 平成 24 年電気学会全国大会論文集,
Vol. 1, No. 93, p. 108 (2012)
[52] 古川貴皓，松岡成居，熊田亜紀子，池田久利，日髙
邦彦：Fowler-Nordheim プロットを用いた電流遮断
前後の真空バルブ電極表面の解析, 2011 年度放電学
会年次大会講演論文集, C-2-1, pp. 88-89 (2011)
[64] 鶴長修匡，松岡成居，熊田亜紀子，日高邦彦，井上
直明，佐藤伸治：乾燥空気, 窒素, SF6 中における被
覆電極のインパルス沿面フラッシオーバ電圧, 平
成 24 年電気学会全国大会論文集, Vol. 6, No. 321, p.
546 (2012)
[53] 佐藤正寛，熊田亜紀子，日高邦彦，山城啓輔，早瀬
悠二，高野哲美：ゲル中沿面放電の高分解電位分布
測定装置の開発, 2011 年度放電学会年次大会講演論
文集, C-2-6, pp. 100-101 (2011)
[65] Myo Min Thein, Hiroaki Toda, Masayuki Hikita,
Hisatoshi,
Ikeda, Eiichi Haginomori, Tadashi
Koshizuka: Transformer Current Ratio Measurement at
a High Frequency Region, 2012 National Convention
Record I.E.E JAPAN (2012)
[54] 秦望岑，松岡成居，熊田亜紀子，池田久利，日髙邦
彦：SF6 中における沿面放電の残留電荷密度分布,
電気学会放電・誘電・絶縁材料・高電圧合同研究会
資 料 , ED-12-002/DEI-12-014/HV-12-002, pp. 7-12
(2012)
[66] 腰塚正, 工藤喜悦, 中本哲哉, 萩森英一, 池田久
利：固有 TRV 測定における零点についての検討,平
成２４年電気学会全国大会, 6-276, 広島工業大学
(2012)
[55] 渡邉惇，松岡成居，熊田亜紀子，池田久利，日高邦
彦：微小ギャップ間の沿面放電現象, 電気学会放
電・誘電・絶縁材料・高電圧合同研究会資料,
ED-12-026/DEI-12-038/HV-12-026, pp. 61-66 (2012)
[67] 小島維晃, 加藤政一, 池田久利, 萩森英一, 腰塚
正：脱調時遮断容量の基礎検討, 平成２４年電気学
会全国大会, 6-277, 広島工業大学 (2012)
[56] 岩渕大行，松岡成居，熊田亜紀子，日高邦彦，保科
好一，安岡孝倫，武井雅文：低抵抗塗料を塗布した
モデルスペーサの直流電界下における帯電現象,
平成 24 年電気学会全国大会論文集, Vol. 6, No. 304,
p. 524 (2012)
[68] 田中大樹：気体中沿面放電の進展機構, 東京大学
GCOE セキュリアライフ・エレクトロニクス 平成
23 年度博士課程学生報告書, pp. 262-263 (2012)
163
[69] 稲田優貴：小電流アーク内の電子密度計測に向けた
シャックハルトマン型レーザ波面測定装置の開発,
東京大学 GCOE セキュリアライフ・エレクトロニク
ス 平成 23 年度博士課程学生報告書, pp. 264-265
(2012)
[70] ファテメレザイファル：Propagation characteristics of
surface discharge micro gap, 東京大学 GCOE セキュ
リアライフ・エレクトロニクス 平成 23 年度博士
課程学生報告書, pp. 266-267 (2012)
その他
[71] 日高邦彦：新たな発展に向けて, AE パワーレビュー,
Vol. 4, p. 1 (2011)
[72] K. Hidaka: Toward new development, AE Power
Systems Review, Vol. 4, p. 1 (2011)
[73] H. IKEDA: Considerations on Role of ACTAD-for
achieving
a
system
approach,
International
Electrotechnical Commission, Stockholm, 6/10 (2011)
[74] Hisatoshi Ikeda: Session chair ”Session Four, Smart
Distribution and DG Integration”, Smart Grid World
Forum 2011, Beijing, China (2011)
[75] 日髙邦彦他：負荷時タップ切換装置の保守・点検ガ
イドライン, 電気協同研究, 第 67 巻第 4 号, 電気協
同研究会 負荷時タップ切換装置の保守・点検高度
化専門委員会 (2011)
[76] 日髙邦彦他：負荷時タップ切換装置の保守・点検ガ
イドライン資料集, 電気協同研究, 電気協同研究会
負荷時タップ切換装置の保守・点検高度化専門委員
会 (2011)
[77] 日髙邦彦：巻頭言, CEE Newsletter, No. 12, p. 1 (2012)
[78] 日髙邦彦：研究室紹介「高電圧工学のフロンティア
を目指す」日髙・熊田・池田研究室, CEE Newsletter,
No. 12, pp. 5-6 (2012)
[79] 池田久利（交通遮断器標準特別委員会委員長）参
画：電気学会 電気規格調査会標準規格交流遮断
JEC-2300-2010, 電気書院 (2011)
[80] 池田久利：技術諮問委員会 ACTAD 報告 ACTAD;
Advisory Committee on Transmission
and
Distribution, IEC 上層委員会報告会, 3/16（2012）
[81] 池田久利：SMB/SG 2 報告, SG2; Strategic Group 2
(Ultra High Voltage: UHV）IEC 上層委員会報告会,
3/16（2012）
[82] H. IKEDA: Hidaka, Kumada & Ikeda Labs, Interim
Seminar at the University of Tokyo, 12/1 (2011)
[83] M. Ueda, H. Ikeda, S. Matsuoka, A. Kumada and K.
Hidaka: Consideration on V-t
characteristics of
Vacuum breaker, Forth Forum on Electrical Insulation,
at the University of Tokyo, 3/14 (2012)
164
堀・藤本 研究室
Hori-Fujimoto Laboratory
る。2011 年度は滑りやすい路面で安定に走行する制御，
GPS やカメラ映像に基づく車両状態推定，サスペンショ
ン構造を生かしてピッチ・ロールを抑える制御の研究開
発を進めており，論文のみならず各種報道でも注目され
ている。4 輪にインホイールモータや横力センサ，アク
ティブ 4 輪操舵システムを搭載した EV「FPEV2-Kanon」，
GPS やカメラ画像に基づく車両姿勢制御可能な小型 EV
「C-COMS1」を中心に実験を行っており，異なる駆動方式
を同一の車体で比較可能な EV「FPEV4-Sawyer」の開発も
進めている。2012 年度からは，電気自動車で行ってきた
車両姿勢安定化制御，航続距離延長制御法を電気飛行機
に適用する新たな取り組みも開始している。
By utilizing electric motor's quick response torque
generation, we aim to realize novel control techniques for
Electric Vehicle (EV).
In 2011, we developed vehicle stability control system on
slippery road, GPS and vision system-based vehicle state
estimation methodologies. Moreover, taking the inherent
advantages of suspension structure, we made advances on
pitch and roll motion control for EV driven by
In-Wheel-Motor (IWM). Our research not only generated
plenty of high-quality papers, but was also reported and
highlighted by all kinds of media.
We developed “FPEV2-Kanon”, an original EV that has
four IWMs, four wheel steering system and lateral tire force
sensors, and a small EV “C-COMS1” that equipped with GPS
and vision system. Besides, a new EV named
“FPEV4-Sawyer” which enables comparison among different
driving structures within the same vehicle is being developed.
Furthermore, from 2012, based on our mature control
technologies for EV such as vehicle stability control, range
extension control algorithm, etc., we started a new application
for electric airplane, and the developments of theories and
experiments are in progress.
(http://hflab.k.u-tokyo.ac.jp/index_ja.html)
研究現況
Current Research Projects
堀・藤本研究室のテーマは多岐にわたるが,制御工学・
モーションコントロール・パワーエレクトロニクスを大
きな柱として研究を行なっている。
機械制御が開ループ制御を基本とするのに対し, 電気
制御の本質はフィードバック制御にある。単純な演算を
短い制御周期で繰り返す電気制御の力によって, 機械系
の特性は大きく変化する。この原理をもとに, 電気自動
車やモーションコントロールの諸分野に, 革新をもたら
そうとしている。
研究室は，本郷の電気工学専攻に軸足をおきながら,
総合試験所で 5 年, 生産技術研究所で 5 年などを過ごし
たあと, 平成 20 年度から柏の先端エネルギー専攻に異動
した。平成 22 年 3 月には, 研究室を柏キャンパスに完全
移転, 基盤棟 7 階をベースに研究を開始した。同時に横
浜国立大学から藤本博志准教授を招き, 研究室を共同運
用している。平成 23 年度には，電気自動車ガレージ・実
験路を新設した。
The main pillars of Hori-Fujimoto Lab’s research are
Control Engineering, Motion Control, and Power Electronics.
The essence of electrical control is in feedback control, while
that of mechanical control in open loop control. The electrical
control, where simple algorithm is repeated in a short control
period, can drastically change mechanical characteristics.
Based on this principle, we aim to make revolution in the
fields of Electric Vehicle, Nanoscale Servo Control, and
Human Friendly Motion Control. Also, we research on
Wireless Power Transfer System, Supercapacitor/Battery
Hybrid Energy Storage System, and Motor Control for the
future vehicle society.
1.
2.
ワイヤレス電力伝送システム
堀 洋一・居村岳広・内田利之
加藤昌樹・ジワリヤウェート ウィツター
コウ キムヤン・坪香雅彦・谷川雄介
Wireless Power Transfer System
Y. HORI, T. IMURA, T. UCHIDA,
M. KATO, V. JIWARIYAVEJ, K. KOH,
M. TSUBOKA, and Y. TANIKAWA
磁界共振結合方式による長距離で高効率なワイヤレス
電力伝送を目指している。ワイヤレス電力伝送は，現在
の電気自動車のデメリットであるバッテリ容量の小ささ
を補完できる。すなわち，ワイヤレス電力伝送により走
行中や短い停車時間に外部から電気エネルギーを受け取
ることで電気自動車への高頻度充電が実現すれば，従来
の給電プラグを接続する方法よりも給電が便利になる。
そのため電気自動車は小さなバッテリ容量であっても常
に十分な性能を発揮できる。さらに，磁界共振結合方式
は，伝送距離が従来の電磁誘導方式の 10cm 程度に対して
50cm～1m と長くでき，効率も電磁誘導よりも高い 90%を
達成可能であり，伝送アンテナの位置ずれにも強いとい
う特長がある。そこで，この磁界共振結合方式を研究対
象として，現在，(1)等価回路を用いた磁界共振現象の説
明，(2)新しいアンテナ設計の提案，(3)スイッチング素
子を用いた高効率電力伝送システム，(4)インピーダンス
マッチング理論にもとづく電力伝送効率の改善，(5)電気
電気自動車および電気飛行機の運動制御
堀 洋一・藤本博志・内田利之・
アレクサンダー フィーヴァイダー・南 康鉉・
王 亜飛・阮 平明・前田健太・落 直哉・
天田順也・原田信吾・小林尚生・高橋健一郎
Advanced Motion Control of
Electric Vehicle and Electric Airplane
Y. HORI, H. FUJIMOTO, T. UCHIDA,
A. VIEHWEIDER, K. NAM, Y. WANG,
N. BINHMINH, K. MAEDA, N. OCHI,
J. AMADA, S. HARADA,
N. KOBAYASHI, and K. TAKAHASHI
電気モータの高速トルク応答を生かし, 電気自動車
(EV)で初めて可能になる新しい制御の実現を目指してい
165
自動車への給電システム，などの研究を行っている。
We research a higher-efficient wireless power transfer
technology based on Magnetic Resonance Coupling with
longer distance. Wireless power transfer complements
disadvantage of battery on an electric vehicle. The battery has
small capacity, thus the battery needs frequent charging.
Battery charger with wireless power transfer is more
convenient for frequent charge than conventional wired
charger because the wireless charger can be used while the
vehicle is running or in brief stop like electric train. Then,
electric vehicle can perform well even with a small storage
battery. Moreover, wireless power transfer via magnetic
resonance has higher potential than via conventional
electromagnetic induction has, such as larger air gap, higher
transfer efficiency, and higher robustness of positional shifts.
The researches include topics such as: (1) Explanation of
magnetic resonance phenomenon using equivalent circuits, (2)
Proposal of new antenna designs, (3) Highly efficient power
transfer systems with switching devices, (4) Improvement of
power transfer efficiency based on impedance matching
theories, and (5) Wireless charging systems for electric
vehicles.
vehicular information.
4.
モータドライブとパワーエレクトロニクス
藤本博志・宮島孝幸・
兼松正人・武井大輔・米 俊宏
Motor Control & Power Electronics
H. FUJITMOTO, T. MIYAJIMA,
M. KANEMATSU, D. TAKEI, and T. YONE
EV の運動制御に加え，高性能な駆動モータ制御の基礎
研究も進めている。EV の更なる静音化のためのモータの
電流制御よる音・振動抑圧，マルチレート PWM 制御に基
づく更なるモータの高応答の実現などを行なっている。
また，モータの効率特性を考慮した最適な制駆動力配
分・旋回時の操舵と回生ブレーキの協調制御などにより，
EV の欠点である一充電走行距離の改善を行う『航続距離
延長制御システム(RECS)』を研究している。さらには安
全性まで考慮した『先進安全航続距離延長制御システム
(ASRECS)』を提案し，安全でより環境性能が高い次世代
EV の研究に取り組んでいる。今後は“FPEV4-Sawyer”を
用い，モータ構造・モータ制御・運動制御の連携設計に
よる高効率な EV システムを研究していく。
Along with motion control of EV, we study advanced
driven motor control methods: (1) Noise and vibration
suppression control by motor current control for more silent
and conformable EV and (2) Ultra high response motor
control based on “Multirate PWM Control”.
3. スーパーキャパシタの実用
堀 洋一・内田利之・黄 孝亮・クルティ マルクス
Application of Supercapacitors
Y. HORI, T. UCHIDA, X. HUANG,
and J. M. A. CURTI
スーパーキャパシタ(SC)は，高電力密度，急速充電が
可能，多数の充電回数に耐え，安全かつ環境にやさしい
などの多くの利点がある。 本研究室では，スーパーキャ
パシタだけで動く電気自動車を製作し、30 秒だけの充電
で 20 分の走行を実現した。さらにワイヤレス給電技術を
組み合わせることで、SC へちょこちょこ充電しながら走
る新しい技術の実現を目指している。
現在は更なる高性能化のため、SC とバッテリを組み合
わせたハイブリッドエネルギー貯蔵システム(HESS)を研
究している。HESS は高エネルギー密度かつ高出力密度を
実現できる。また HESS のための，より小型で高効率な新
しい DC-DC コンバータも研究している。また、HESS を搭
載したダイレクトドライブモータの EV を用いた実車で
の検証，更には車両情報などを用いた制御技術も研究し
ている。
Supercapacitor (SC) that used as an energy storage device
has many advantages such as high power density, quick
charging and extended lifetime. In our lab, the electric vehicle
C-COMS, which can operate 20 minutes with 30 seconds
charging , driven only by SC have been completed. Moreover,
the combination of SC based storage system and wireless
charging technology enables the new era of Choco Choco
charging (Charge While Driving) for future electric vehicles.
For higher performance, SC and battery Hybrid Energy
Storage System (HESS) is being developed, aiming to realize
both high energy density and high power density. And for the
SC bank interface, a new DC-DC converter prototype, which
is smaller and more efficient, is being researched. New
Electric Vehicle with HESS and direct drive motor is now
being developed for energy management and control with
Recently, we proposed range extension control
systems (RECSs) in order to enhance the efficiency
based only on control technologies. Moreover,
advanced safety range extension control system
(ASRECS) improved not only mileage per charge but
also vehicle stability. In the future, with a new EV
“FPEV4-Sawyer”, we will challenge co-design of
motor structure, motor controller, and vehicle motion
control for high efficient EV system.
5. 人間親和型モーションコントロール
・ロボティクス
堀 洋一・藤本博志・内田利之・金 潤河・
金 佳英・ペイン孝二・青木元伸・園川真太・
カルロスミウラ・東野昌記・中村隆央
Human Friendly Motion Control and Robotics
Y. HORI, H. FUJIMOTO, T. UCHIDA,
Y. KIM, K. KIM, K. PAYNE, M. AOKI,
S. SONOKAWA, C. MIURA, M. HIGASHINO,
and T. NAKAMURA
福祉分野を想定した独特の制御手法の開発を目論むも
ので, 人間親和型モーションコントロールという学術領
域を作りたいと考えている。様々な動作で福祉現場など
における人間の生活に役立つロボットや, 人間移動支援
用のパーソナルモビリティに適した制御手法を提案する。
モータの高速制御性を利用して機器の機械特性を自由に
設計することができる。また, 人間や生物の筋骨格系の
特徴に基づいた機器設計を行い, 効率的でシンプルに動
くバイオメカニクスに基づいた新しいロボティクスを提
166
案している。
現在, (1) 生物の二関節筋構造を利用した新しい原理
のロボットアーム, (2) 直進や回転が自由に行える電動
パワーアシスト車椅子, (3) 福祉装具・介護ロボットの
ためのパワーアシスト技術, (4) 二関節筋構造を利用し
た人の走行や跳躍の実現とロボットへの応用, (5) ヒュ
ーマノイドロボットの精密制御, (6) 力センサレス制御
を利用した安全な電車ドアや宇宙探査機の着陸脚, の研
究を行っている。
We aim to establish an academic field of "human-friendly
motion control" in order to develop unique control methods
with welfare-related applications in mind. We propose robots
useful for the lives of people in areas such as rehabilitation, as
well as control methods suitable for personal mobility devices.
We are able to design the mechanical properties of devices
freely by taking advantage of the high controllability of
motors. In addition, we propose a new robotics based on
simple and efficient biomechanics, with inspiration from
musculoskeletal characteristics of humans and other living
species.
Current research topics include (1) new robotic arms with
the principle of biologically-inspired biarticular actuation, (2)
control design for power-assist wheelchairs that improve
safety, handling and comfort, (3) power-assist technologies for
welfare prosthetic devices and caregiver robots, (4)
application of biarticular actuators to the realisation of human
running and jumping as well as robots that achieve this, (5)
precision control of humanoid robots, and (6) design of safe
train doors and landing technologies for spaceprobes using
force sensorless control.
precision of fabrication is also as small as nanoscale. In our
research, we aim to develop the advanced control methods for
various systems to obtain superior control performance.
Present research themes are:
1) Develop control systems for next generation of precise
stage ---multi degree-of-freedom stage--- for exposure
systems to obtain the faster and more precise control;
2) Apply new control technologies on NC machine tools
and hard disks to improve the positioning precision as well as
control robustness;
3) Research on atomic force microscopes (AFMs) and the
applications on medical and material science;
4) Suppression of quantization error caused by A/D
converters, encoders. Optimal algorithms are being developed
to obtain superior control performance using low-resolution
sensors.
6. ナノスケールサーボ制御
藤本博志・白石貴行・朱 洪忠・徳山享大・
石橋央成・渡辺早紀矢・大西 亘
Nanoscale Servo Control
H. FUJIMOTO, T. SHIRAISHI, H. ZHU,
K. TOKUYAMA, T. ISHIBASHI,
S. WATANABE, and W. OHNISHI
産業界や医療分野，材料分野等において，ナノスケー
ルレベルの精度が求められるようになっている。本研究
チームでは，様々な装置を対象に実用的な高速高精度制
御系の研究開発を行なっている。
史上最も精密な機械と呼ばれる露光装置（ステッパ・
スキャナ）の先行研究として, 産業界に先駆け世界最高
性能の多自由度ナノステージを製作し, その制御系の研
究開発を行っている。
また，マザーマシンとよばれる NC 工作機械やハードデ
ィスク装置に適用可能な, 実用的な高速高精度制御系の
開発にも取り組んでいる。
さらに，ナノスケールの針とフィードバック技術によ
り物体表面を測定する原子間力顕微鏡(AFM)の高速高精
度化の研究を行っている。
他には，センサの量子化誤差を抑制し，センサを高性
能化することにより，さらなる高速高精度化を図る研究
も行なっている。
High-speed high-precision control is stringently required in
industry, medical field, material, and so on. The required
167
論文, 著書一覧
Publications List
[12] Hayato Sumiya and Hiroshi Fujimoto: ``Distribution
Method of Front/Rear Wheel Side-Slip Angles and
Left/Right Motor Torques for Range Extension Control
System of Electric Vehicle on Curving Road’’, 1st
International Electric Vehicle Technology Conference
(EVTeC 11), Yokohama, Japan, pp.1-6 (2011).
[13] Hiroshi Fujimoto: ``Regenerative Brake and Slip Angle
Control of Electric Vehicle with In-wheel Motor and
Active Front Steering’’, 1st International Electric
Vehicle Technology Conference (EVTeC 11), Yokohama,
Japan, pp.1-7 (2011).
[14] Masaki Kato, Takehiro Imura, Toshiyuki Uchida, and
Yoichi Hori: ``Loss Reduction in Antenna for Wireless
Power Transfer by Magnetic Resonant Coupling’’, 1st
International Electric Vehicle Technology Conference
(EVTeC 11), Yokohama, Japan, pp.1-5 (2011).
[15] Takehiro Imura and Yoichi Hori: ``Equivalent Circuit of
Repeater Antenna for Wireless Power Transfer via
Magnetic Resonant Coupling Considering Cross
Coupling’’, 1st International Electric Vehicle
Technology Conference 2011 (EVTeC 11), Yokohama,
Japan, pp.1-6 (2011).
[16] Yoichi Hori: ``Another Future EV Society based on
Motor/Capacitor/Wireless - Application of Electric
Motor, Supercapacitors, and Wireless Power Transfer to
Enhance Operation of Future Vehicles -’’, ICPE -ECCE
Asia 2011 (Tutorial), Jeju, Korea (2011.5.30)
[17] Takayuki Miyajima, Hiroshi Fujimoto, and Masami
Fujitsuna: ``Field-Weakening Control for SPMSM
Based on Final-State Control Considering Voltage
Limit’’, 8th International Conference on Power
Electronics (ICPE2011), Jeju, Korea, pp.1392-1397
(2011).
[18] Yunha Kim, Hiroshi Fujimoto, and Yoichi Hori:
``Realization of Steer-by-Wire System for Electric
Vehicles using Caster Wheels and Independent Driving
Motors’’, 8th International Conference on Power
Electronics (ICPE2011), Jeju, Korea, pp.1688-1695
(2011).
[19] Kanghyun Nam, Sehoon Oh, Hiroshi Fujimoto, and
Yoichi Hori: ``Direct Roll Moment Control for Future
Personal Electric Vehicles Based on Roll Angle
Observer and Lateral Tire Force Feedback’’, 8th
International Conference on Power Electronics
(ICPE2011), Jeju, Korea, pp.2681-2686 (2011).
[20] Takehiro Imura: ``Equivalent Circuit for Repeater
Antenna for Wireless Power Transfer via Magnetic
Resonant Coupling Considering Signed Coupling’’, 6th
IEEE Conference on Industrial Electronics and
Applications
(ICIEA2011),
Beijing,
China,
pp.1501-1506 (2011).
研究論文
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[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
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[8]
[9]
Dejun Yin, Manabu Omae, Tadashi Takano, Hiroshi
Shimizu, and Yoichi Hori: ``Active Stability Control
Strategy Base on Maximum Transmissible Torque
Estimation’’, Journal of Automotive Safety and Energy,
Vol.2, No.1, pp.34-38 (2011).
安藤直樹, 藤本博志: ``電気自動車の後輪独立制駆
動力配分とアクティブ前後輪操舵を用いたヨーレ
ー ト 制 御 ’’, 電 気 学 会 論 文 誌 D, Vol.131, No.4,
pp.616-623 (2011).
吉村雅貴, 藤本博志: ``インホイールモータを搭載
した電気自動車の駆動トルク制御法’’, 電気学会論
文誌 D, Vol.131, No.5, pp.721-728 (2011).
Ryo Minaki and Yoichi Hori: ``Experimental
Verification of Reactive Torque Control Based on Driver
Sensitivity to Active Front Steering’’, IN-TECH book
-Advances in Motor Torque Control-, pp.11-30 (2011).
Takehiro Imura and Yoichi Hori: ``Maximizing Air Gap
and Efficiency of Magnetic Resonant Coupling for
Wireless Power Transfer Using Equivalent Circuit and
Neumann Formula’’, IEEE Trans. on Industrial
Electronics, Vol.58, No.10, pp.4746-4752 (2011).
居村岳広: ``磁界共振結合のワイヤレス電力伝送に
おける中継アンテナの等価回路化’‘, 電気学会論文
誌 D, Vol.131, No.12, pp.1373-1382 (2011).
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青木元伸, 関 優志, 白石貴行, 藤本博志, 堀 洋一,
高橋太郎: ``ヒューマノイドロボットにおける股関
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園川真太, 木村康人, 呉 世訓, 堀 洋一: ``二関節筋
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兼松正人, 宮島孝幸, 藤本博志, 堀 洋一, 榎本俊夫,
金堂雅彦, 金山雅洋, 吉本貫太郎, 宮川隆行: ``磁石
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[97] 堀 洋一: ``モータ／キャパシタ／ワイヤレス技術が
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(招待講演), 名古屋 (2011.8.28)
[98] 堀 洋一: ``いま知っておくべき EV をめぐるソリュ
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2012 企画説明会 (招待講演), 秋葉原 (2011.9.14)
[99] Yoichi Hori: ``Another EV Society based on
Motor/Capacitor/Wireless’’, Samsung Electric (invited
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[101] 居村岳広: ``ワイヤレス給電技術の最新動向’’, 2011
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[103] 堀 洋一: ``モータ／キャパシタ／ワイヤレスで描く
もうひとつのクルマ社会’’, システム制御情報学会
サステイナブル・フレキシブル・オートメーション
（SFA）研究分科会 第 1 回研究例会（キックオフ
シンポジウム） 「電気自動車の現状と将来」 (招
待講演), 大阪 (2011.6.10)
[104] Yoichi Hori: ``Implementing Wireless Power Transfer
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Benefits’’, 4th EV Battery Forum (Invited Talk),
Shanghai, China (2011.11.8-10)
[105] 堀 洋一: ``モータ／キャパシタ／ワイヤレスで描く
クルマ社会’’, 自動車技術会中部支部技術講演会
「次世代自動車の将来展望」(招待講演), 名古屋
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[106] 堀 洋一: ``自動車への給電・エネルギー貯蔵技術と
将来の交通システム’’, 東京モーターショーシンポ
ジウム フューチャー・トランスポート — 環境に優
しい未来の大型車技術とロジスティクス— (招待
講演), 東京 (2011.12.7)
[107] Yoichi Hori: ``Novel EV Society based on Motor/
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Enhance Operation of Future Vehicles -’’, GCOE
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[90] 堀 洋一: ``上海万博とキャパシタバスなど”, モー
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ラム会報, Vol. 6, pp.4-6 (2011)
[91] 堀 洋一: ``みんなが大合唱していることは大間違
い？”, モータ／キャパシタ／ワイヤレス, キャパ
シタフォーラム会報, Vol. 7, pp.4 (2011)
[92] 藤本博志, 中村雅憲: ``ダイレクトドライブインホ
イールモータを用いた電気自動車の車両運動制御’’,
東洋電機技報, Vol.124, pp.1-9 (2011)
[93] 藤本博志: ``インホイールモータの高速な回生制動
トルク応答を用いた電気自動車の制御’’, 振動技術,
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[94] 堀 洋一: ``モータ／キャパシタ／ワイヤレスで描く
クルマ社会’’, 国土技術政策総合研究所高度情報化
研 究 セ ン タ ー で の 講 演 会 ( 招 待 講 演 ), つ く ば
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(Invited Talk), Tokyo (2012.1.17)
[108] 堀 洋一: ``モータ／キャパシタ／ワイヤレスによる
もう一つのクルマ社会’’, 電気学会四国支部講演会
(招待講演), 徳島 (2012.1.23)
[109] 堀 洋一: ``みんなが大合唱していることは大間違い
-いま電気自動車の周辺でおきていること-’’, グロ
ーバル COE 講演会「私のオリジナリティー」 (基
調講演), 東京, (2012.3.13)
[110] 藤本博志: ``安全性／快適性／航続距離の向上を目
指した電気自動車の車両運動制御’’, 東陽ソルーシ
ョンフェア 2011 (基調講演), 東京 (2011.11.2)
[111] 藤本博志: ``安全性／快適性／航続距離を改善する
電気自動車の運動制御’’, CQ 出版 EV 開発技術セミ
ナー (招待講演), 東京 (2011.12.7)
[112] 藤本博志: ``インホイールモータを用いた電気自動
車の車両運動制御’’, 自動車技術会シンポジウム
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待講演), No. 19-11, 東京 (2012.3.16)
[113] 居村岳広: ``ワイヤレス給電の次世代技術 －電磁共
鳴 － ’’, BM News, 日 本 ボ ン ド 磁 性 材 料 協 会
(2011.4.1)
[114] 堀 洋一: ``夢の交通システム 柏を舞台に進む研究
第２部会・次世代車両の研究開発’’, 千葉日報 (被紹
介記事) (2011.5.5)
[115] 居村岳広: ``電磁共鳴方式によるワイヤレス電力伝
送技術’’, 技術総合誌 OHM, オーム社 (2011.5)
[116] 居村岳広: ``いよいよ離陸するワイヤレス給電’’, 日
経エレクトロニクス, 日経 BP 社 (2011.7.11)
[117] 堀 洋一: ``電気自動車で世界を変える！’’, t-Time!
(被紹介記事, 著者: 沼田恵理) (2011.8)
[118] 堀 洋一: ``優れた応答性生かせば可能性広がる’’,
日刊自動車新聞 (2011.11.17)
[119] 居村岳広: ``ワイヤレス給電の最新動向’’, KEC 情報,
一般社団法 人 KEC 関西 電子工業 振興 センター
(2012.1.1)
[120] 居村岳広: ``コード使わず充電スマホ・EV で離陸’’,
日経ヴェリタス, 日本経済新聞社 (2012.1.22)
[121] 藤本博志, 江上 奨: ``東大と三菱自、ＥＶ走行２割
延ばす－前・後輪、駆動力を最適配分’’, 日刊工業
新聞 (被紹介記事) (2012.3.15)
173
横山研究室
Yokoyama Laboratory
(http:// www.syl.t.u-tokyo.ac.jp)
Cooling (DHC) system on demand-supply matching
control in power system
A.YOKOYAMA and K.OGAWA
地球温暖化などの環境問題への意識の高まりから、電
力系統への大量の再生可能エネルギー電源の導入が予想
される。一方、需要サイドでは各家庭にヒートポンプ給
湯機や電気自動車といったエネルギー貯蔵装置を持つ需
要家機器の導入が進むものと予測されている。また、近
年、コージェネレーションシステムや大型電気ヒートポ
ンプの地域冷暖房システムへの導入も進んでいる。
こうした需給構造の変化を受け、本研究室では地域冷
暖房システム内のコージェネレーションシステムや電気
ヒートポンプを用いた周波数制御などの電力需給制御に
貢献する手法について経済性を含めて検討を行っている。
A lot of renewable energy based generations will be
installed in the power system from the viewpoint of an
environmental issue such as global warming, while the
demand side will have a lot of electric cars and heat-pump
water heaters, both of which can be used as energy storage
devices. Nowadays cogeneration systems and electric heat
pumps have been installed in District Heating and Cooling
(DHC) system on the demand side.
Based on the above changes in the supply and demand
sides, our research group is presently studying on a system
frequency control method by regulating the power which the
DHC system delivers to or receives from the power system
and its cost benefit.
研究現況
Current Research Projects
1. 送電網の最適計画に関する研究
横山明彦・上田知広・
キッアカラコーシン プリンパット
Studies on Optimal Planning of Transmission
Network
A. Yokoyama, T. Ueda and K. Primpat
電力系統の系統計画は重要な分野であり、本研究室は
これを二つの側面から扱っている。
まず、信頼性、安定性、電圧限界などの運用上の制約
を満たしながらコスト最小などの所望の目的を達成する
最適な送電系統構成方法を研究している。現実の電力系
統には需要の変動や偶発事故が存在するため、決定論的
手法と確率論的手法の両方を組み合わせて、運用上の制
約を満たす現実的な計画の立案を行い、どのような系統
が理想的にベストなのかの知見を得たいと考えている。
統計データが通用しない状況を考慮して送電系統を増
強するための、新たな方法論の構築も行っている。統計
データの利用できない状況とは、巨大地震に代表される
自然災害による過酷事故のことである。本方法論が目指
すのは、事前の適切な設備投資で、過酷事故による停電
で引き起こされる社会全体の経済的被害を効果的に減少
させることである。
Our research group studies on tow topics related to
transmission system planning, which is an important field in
power system.
The first topic tackles the problem of how to find an
optimal system configuration that achieves a desired objective
constrained by many operational factors, such as reliability,
stability, voltage limit, etc. To make the planning closer to
realistic power system in which uncertainties in demand and
contingencies exist and to find out what system configuration
is best, these factors are also to be considered, by means of
probabilistic approach beside deterministic one.
The second topic aims at constructing a new methodology
to reinforce a transmission system considering events to
which statistical data cannot be applied. Such events
specifically refer severe outages due to natural disasters
represented by huge earthquakes. The methodology will help
society to reduce effectively economic damages caused by
blackouts accompanied with severe outages.
3. 次世代電力系統の最適需給運用計画手法の開発
とその評価
横山 明彦・相原 良太・岡佑太朗
Development and Evaluation of Optimal Operation
Scheduling in the Next-Generation Power System
A.YOKOYAMA，R.AIHARA and Y.OKA
地球温暖化問題への対策として、大量の再生可能エネ
ルギー電源を電力系統へ導入しようとしている．太陽光
発電や風力発電は天候によってその出力が大きく変動す
るため、系統対策なしに既存の電力系統への大量導入は
困難である。また、供給力が電力需要を上回る余剰電力
問題も懸念されている。これらに対する対策として電力
貯蔵装置の活用が考えられるが、蓄電池などの新規導入
はコストがかかる。そこで本研究では、電力系統に既存
の電力貯蔵装置である揚水発電所に着目し、その運用計
画の最適化を含めた電力系統全体の需給運用の最適化を
検討している。また、運用計画を利用して、蓄電池など
の電力貯蔵装置の導入に伴って生じるベネフィットとロ
スの評価を行うことで、電力貯蔵装置の適切な価値評価
の提案を目指している。
A large amount of renewable energy sources (RES) are
supposed to be installed into the power systems. However, the
power output from the RES is random and intermittent in
nature. Therefore, various kinds of counter measures have
2. 地域冷暖房システムの電力需給制御への貢献
手法の研究
横山 明彦・小川 耕平
A Study on contribution of District Heating &
174
been considered when a substantial amount of RES is
installed into a power system. Though the use of Battery
Energy System (BESS) could be considered as a solution of
these issues, their high cost is preventing them from being
considered as a solution in most situations. This research tries
to propose an optimization method of operation schedule with
Pumped Storage Hydro Power Plant (PSHPP). Furthermore,
an evaluation method for energy storage systems such as
BESS by estimating its cost and benefit is also studied.
電は世界中から大きな期待をあびている。まず、太陽光
発電が大量に導入された電力系統の安定度評価と安定度
向上手法の検討を行っている。細やかな制御ができない
太陽光発電が大量に導入されると事故時の系統安定性が
損なわれる恐れがあるため、そのメカニズムや効果的な
対策を開発する必要がある。一方、系統に影響を与えな
いGW級太陽光発電単独直結型大容量直流送電システムの
設計及び制御手法を考案している。海外の砂漠地域など
で可能性のあるGW級の太陽光発電システムを直流送電
（HVDC）に直結して遠方の需要地まで送電するシステム
を想定して、需要地における交流系統の周波数変動抑制
にHVDC制御系で効果的に制御する手法も検討している。
Photovoltaic (PV) power generation is expected to be one
of the essential energy sources in the future power system.
First, our research group is analyzing about unstable
phenomena caused by a large amount of PV generation
installed to the power system and is developing their
countermeasures, because the power system stability may get
worse due to disconnection of PV generations during a fault
period. Second, a MW-class PV system directly connected
into HVDC system and its new control system has been
designed, which will not affect an AC system on the demand
side. We are now developing an effective frequency control
method of the voltage-source converter type HVDC system
for the AC system.
4. バッテリーと電気自動車を利用した電力系統
需給制御手法の構築
横山 明彦・トランノッフィン・チャトゥプロムウ
ォン・ピシェン・坪田 亮
Design of demand-supply control method in power
system using controllable loads and batteries
A.YOKOYAMA, T.Hunyh, C.Phichian
and A.TSUBOTA
地球温暖化などの環境問題やエネルギーセキュリティ
の観点から、電力系統の供給サイドは大量の再生可能エ
ネルギー電源や蓄電池、需要サイドでは多数台の電気自
動車といったエネルギー貯蔵装置を持つ需要家機器の導
入が今後ますます進むものと予測されている。こうした
需給構造の変化を背景として、本研究では、多数台の電
気自動車の消費電力を制御することによる新たな電力系
統需給制御手法の構築に取り組んでいる。ここでは，ユ
ーザーの利便性と不確実性を考慮した多数台の蓄電池や
電気自動車などの集約制御およびモデリング、さらにそ
れらを利用した電力系統周波数制御に関する研究を行っ
ている。
From the viewpoints of energy security and environmental
issues such as global warming, the supply side of the power
system has large capacity of battery storage and renewable
energy based generation system while the demand side may
have a large number of electric cars and which can be used as
energy storage devices. Because of an unbalance between the
supply and demand sides, a new demand-supply matching
control method by adjusting the power consumption of
controllable loads is proposed. The load frequency control by
using these controllable loads has mainly been studied in this
research. The customer’s convenience has also to be taken
into consideration when designing the control method of the
electric cars and batteries.
5. 電力系統への太陽光発電の大量導入に関する
研究
横山 明彦・グェン ホアン ヴィエット
・佐藤 江里子
Study on power system with a large penetration of
photovoltaic system
A.YOKOYAMA, N.VIET and E.SATO
次世代の電力システムの電源の一つとして、太陽光発
175
Seawater Desalination Plant and Diesel Engine
Generators for Securing Regulation Capacity in Island
Power System with Renewable Energy Generation,”
17th-PSCC, Paper 7, August, 2011, Stockholm, Sweden
(2011).
論文・著書一覧（2011 年度）
Publications List
研究論文
[1]
[2]
[3]
益田，清水，横山：“大量の再生可能エネルギー電
源が導入された電力系統における多数台のヒート
ポンプ給湯機と電気自動車を利用した負荷周波数
制御，”電気学会論文 B, 132 巻，1 号， pp.23-33
(2011).
[11] T.Masuta, A.Yokoyama and Y.Tada: “Modeling of a
Number of Heat Pump Water Heaters as Control
Equipment for Lord Frequency Control in Power
Systems,”
PES
IEEE
Trondheim
PowerTech
2011-NTNU, 19-23 June, 2011, Trondheim, Norway
(2011).
河辺，横山：“基幹系統に設置された大容量二次電
源の活用による多機電力系統の過渡安定度向上制
御手法，”電気学会論文 B, 132 巻，1 号， pp. 47-56
(2011).
[12] K. Kawabe and A. Yokoyama: “Effective Utilization of
Large-Capacity Battery System for Transient Stability
Improvement in Multi-Machine Power System,” PES
IEEE Trondheim PowerTech 2011-NTNU, 19-23 June,
2011, Trondheim, Norway (2011).
清水，益田，太田，横山：“系統周波数変動抑制の
ための電気自動車群の使用者利便性を考慮したＳ
ＯＣ同期制御手法，”電気学会論文 B, 132 巻，1
号， pp. 57-64 (2011).
[4]
相原，横山，野見山，小杉：“太陽光発電が大量導
入された電力系統における揚水発電所の最適運用
計画，”電気学会論文 B, 132 巻，1 号， pp. 86-94
(2011).
[5]
吉原，横山，今中，恩田，馬場，安里：“小規模離
島系統における海水淡水化装置を用いた需給調整
容量拡大手法，”電気学会論文 B, 132 巻，1 号， pp.
109-117 (2011).
[13] R.Aihara, A.Yokoyama, F.Nomiyama and N.Kosugi:
“Optimal Operation Scheduling of Pumped Storage
Hydro Power Plant in Power System with a Large
Penetration of Photovoltaic Generation Using Genetic
Algorithm,” PES IEEE Trondheim PowerTech
2011-NTNU, 19-23 June, 2011, Trondheim, Norway
(2011).
[14] K.Ishikawa, A.Yokoyama, T.Shinji and S.Tsujita: “A
Fundamental Study on effective operation of District
Heating and Cooling system(DHC) as a solution to
surplus power issue in power system with a large
penetration of PV generation,” International Conference
on Electrical Engineering 2011, 10-14 July, 2011, Hong
Kong, China (2011).
国際会議論文
[6]
[7]
K.Shimizu, T.Masuta, Y.Ota and A.Yokoyama: “A New
Load Frequency Control Method in Power System
Using Vehicle-to-Grid System Considering User'
Convenience,” 17th-PSCC, Paper 7, August, 2011,
Stockholm, Sweden (2011).
[15] T.Masuta, K.Shimizu and A.Yokoyama: “System
Frequency Control by use of both Electric Vehicles and
Heat Pump Water Heaters in Power System with a Large
Penetration
of
Renewable
Energy
Sources,”
International Conference on Electrical Engineering 2011,
10-14 July, 2011, Hong Kong, China (2011).
T.Masuta, A.Yokoyama and Y.Tada: “A Supplementary
Load Frequency Control Method by Use of Heat Pump
Water Heaters on Customer Side without Real-Time
Information,” 17th-PSCC, Paper 7, August, 2011,
Stockholm, Sweden (2011).
[8]
K. Kawabe and A. Yokoyama: “A New Control Scheme
of Batteries and Facts Devices for Transient Stability
Improvement in Multi-Machine Power System,”
17th-PSCC, Paper 7, August, 2011, Stockholm, Sweden
(2011).
[9]
R.Aihara, A.Yokoyama, F.Nomiyama and N.Kosugi:
“Optimal Operational Scheduling of Pumped Storage
Hydro Power Plant Considering Surplus Power System
with a Large Penetration of Photovoltaic Generation,”
17th-PSCC, Paper 7, August, 2011, Stockholm, Sweden
(2011).
[16] K. Kawabe and A. Yokoyama: “Transient Stability
Improvement by UPFC Using Estimated Sensitivities
Based on Thevenin's Theorem and DC Power Flow
Method,” International Conference on Electrical
Engineering 2011, 10-14 July, 2011, Hong Kong, China
(2011).
[17] R.Aihara, A.Yokoyama, F.Nomiyama and N.Kosugi:
“Optimal Operation Scheduling of Pumped Storage
Hydro Power Plant and Thermal Power Plants in Power
System with a Large Penetration of Photovoltaic
Generation,” International Conference on Electrical
Engineering 2011, 10-14 July, 2011, Hong Kong, China
(2011).
[10] T.Yoshihara, A.Yokoyama, M.Imanaka, Y.Onda, and
J.Baba: “A New Coordinated Control Scheme of
[18] H.Kihara and A.Yokoyama: “Stability Analysis of Power
Systems with a Large Penetration of Photovoltaic Power
176
Generations,” International Conference on Electrical
Engineering 2011, 10-14 July, 2011, Hong Kong, China
(2011).
ための電気自動車群の使用者利便性を考慮した SOC
同期制御手法,” 平成 23 年電気学会電力エネルギ
ー部門大会, No.6(2011).
[19] T.Inoue, T.Masuta and A.Yokoyama: “Demand and
Supply Control by use of Heat Pump Water Heaters on
Customer Side for Alleviating Surplus Energy Problem
Caused by a Large Integration of Photovoltaic
Generations,” International Conference on Electrical
Engineering 2011, 10-14 July, 2011, Hong Kong, China
(2011).
[31] 益田，清水，横山: “大量の再生可能エネルギー電
源が導入された電力系統における多数台のヒート
ポンプ給湯機と電気自動車を利用した負荷周波数
制御,” 平成 23 年電気学会電力エネルギー部門大
会, No.7(2011).
[32] 河辺，横山: “基幹系統に設置された大容量二次電
池の活用による多機電力系統の過渡安定度向上制
御手法,” 平成 23 年電気学会電力エネルギー部門
大会, No.10(2011).
[20] K.Ishikawa,
A.Yokoyama, T.Shinji and S.Tsujita:
“Study on the Contribution to Electric Demand-Supply
Control by District Heating and Cooling System with
Electric Heat Pumps,” The Cigre 2011 Bologna
Symposium, 13-15 Sep., 2011, Bologna, Italy (2011).
[33] 吉原, 横山，今中，恩田，馬場，國場，比嘉，安里:
“小規模離島系統における海水淡水化装置を用い
た需給調整容量拡大手法,” 平成 23 年電気学会電
力エネルギー部門大会, No.11(2011).
総説・解説論文
[34] 相原，横山，野見山，小杉: “太陽光発電が大量導
入された電力系統における揚水発電所の最適運用
計画,” 平成 23 年電気学会電力エネルギー部門大
会, No.20(2011).
[21] 横山: “大震災を乗り切る電力供給ネットワーク,”
読売クオータリー, No.18, 2011 夏号, 読売新聞東
京本社調査研究本部 (2011).
[22] 横山: “日本版スマートグリッドの構築を急げ（再
生可能エネルギーの導入に弾みがついた！）,”
Voice(PHP), pp.84-89 (2011).
[35] 相原，横山，野見山: “太陽光発電大量導入時にお
けるメタヒューリスティクスを用いた揚水発電所
の最適運用計画作成手法,”電気学会電力技術・電
力 系 統 技 術 合 同 研 究 会 , PE-11-83,PSE-11-100
(2011).
[23] 横山: “東日本 50 ヘルツ、西日本 60 ヘルツはなぜ
統一できないのか,” エネルギーレビュー（㈱エネ
ルギーレビューセンター），pp.11-14 (2011).
[36] 益田，横山: “多数台のヒートポンプ給湯機と電気
自動車を利用した負荷周波数制御手法の定量的評
価,” 電気学会電力技術・電力系統技術合同研究会,
PE-11-168,PSE-11-185(2011).
[24] 横山: “基礎から考える「電力不足」（停電はどん
なときにおきるのか？この夏の停電をさけるため
にはどうすればいいのか？）,” ニュートン，
pp.104-109 (2011).
[37] 井上，益田，横山: “大量の再生可能エネルギー電
源が導入された電力系統の経済運用のための多数
台のヒートポンプ給湯機の群制御手法の基礎的検
討,” 電気学会電力技術・電力系統技術合同研究会,
PE-11-169,PSE-11-186(2011).
[25] 横山: “日本型スマートグリッドの現状と今後の動
向,” ふぇらむ（（社）日本鉄鋼協会），vol.16, No.8,
pp.9-13 (2011).
[26] 横山: “震災復興に向けた日本のスマート化技術,”
東芝レビュー，66 巻，8 号，pp.1 (2011).
[38] 木原，横山: “太陽光発電が導入された電力系統に
おける安定性評価,” 電気学会電力技術・電力系統
技術合同研究会, PE-11-172,PSE-11-189 (2011).
シンポジウム・研究会・大会等発表
[39] 河辺，横山: “広域情報を利用した系統用二次電池
の有効活用による電力系統の安定度向上,” 電気学
会電力技術・電力系統技術合同研究会,
PE-11-176,PSE-11-193 (2011).
[27] 井上，益田，横山: “再生可能エネルギー電源が大
量に導入された電力系統における多数台の可制御
ヒートポンプ給湯機の需給制御への適用,” 平成 23
年電気学会電力エネルギー部門大会 ,
No.125(2011).
[28] 木原，横山: “太陽光発電が大量導入された電力系
統の安定性に関する一検討,” 平成 23 年電気学会
電力エネルギー部門大会, No. 190(2011).
[40] グェン ホアン ヴィエット，横山: “太陽光発電シ
ステムの大量導入が電力系統の電圧安定性に与え
る影響の検証,” 電気学会電力技術・電力系統技術
合同研究会, PE-11-177,PSE-11-194 (2011).
[29] 宮原，益田，横山: “太陽光発電が大量導入された
将来型系統における CO2 削減量と対策コストの関係
に関する基礎検討,” 平成 23 年電気学会電力エネ
ルギー部門大会, No.5(2011)..
[41] 井上，益田，横山: “経済付加配分制御のためのタ
ブサーチを用いた多数台のヒートポンプ給湯機の
群制御手法に関する検討,” 電気学会電力系統技術
研究会, PSE-12-001 (2011).
[30] 清水，益田，太田，横山: “系統周波数変動抑制の
[42] 益田，横山: “多数台のヒートポンプ給湯機を利用
177
した二階層制御システムにおける系統周波数制御
手法の検討,” 電気学会電力系統技術研究会,
PSE-12-002 (2011).
[43] 相原，横山，野見山，木原: “太陽光発電大量導入
時における揚水発電所最適週間運用計画の更新を
考慮したシミュレーション手法の基礎的検討,” 電
気学会電力技術・電力系統技術・半導体電力変換合
同 研 究 会 , PE-12-20, PSE-12-36, SPC-12-62
(2011).
[44] 相原，横山，野見山，木原: “太陽光発電大量導入
時における最適週間計画の更新を考慮した需給運
用シミュレーション手法の一検討,” 電気学会全国
大会, 6-072, pp.124-125 (2011).
[45] 木原，横山: “太陽光発電が大量導入された電力系
統の定態安定性に関する一考察,” 電気学会全国大
会, 6-085, pp.148-149 (2011).
[46] 佐藤，横山，中島: “直流送電直結式メガソーラー
における交流電圧変動に対する日射量の影響,” 電
気学会全国大会, 6-135, pp.240-241 (2011).
[47] 河辺，横山: “系統用二次電池の電力注入制御によ
る過渡電圧安定度の安定化効果に関する一考察,”
電気学会全国大会, 6-168, pp.299-300 (2011).
[48] 益田，横山: “ヒートポンプ給湯機と電気自動車を
利用した負荷周波数制御に給湯需要の与える影響
の評価,” 電気学会全国大会, 6-200, pp.355-356
(2011).
[49] 井上，益田，横山: “周波数調整容量を考慮したタ
ブサーチによるヒートポンプ給湯機の群制御手法
に 関 す る 検 討 , ” 電 気 学 会 全 国 大 会 , 6-202,
pp.359-360 (2011).
[50] 和田，横山，佐久間: “通信特性を考慮した分散蓄
電池を用いた電力需要制御,” 電気学会全国大会,
6-209, pp.372-373 (2011).
[51] 和田，横山，佐久間: “分散エネルギーストレージ
の仮想集積化へ向けた通信特性の影響,” 電子情報
通信学会総合大会, Ｂ-9-13, pp.323 (2011).
178
大崎研究室
Ohsaki Laboratory
We have studied particular phenomena and problems to
superconducting wind turbine generators connected to a
power network. The generators interact with the external
mechanical systems (blades, shaft, etc.) and the external
electrical systems (exciter, power converter, etc.). We develop
a sufficiently accurate, efficient and flexible modeling method
for the steady-state and transient analysis of grid-connected 10
MW class superconducting wind turbine generators. It is
based on a nonlinear phase-domain model on the
MATLAB-Simulink in association with the parameters
obtained from a nonlinear static finite element analysis. From
the simulation, the operating characteristics such as transient
resulting torque, superconducting current margins,
steady-state AC losses, etc. are investigated.
(http://www.ohsaki.k.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1. 超電導風力発電機の電磁設計と特性解析
寺尾悠・小川雅史・大崎博之
Electromagnetic Design and Analysis of
Superconducting Wind Turbine Generators
Y. TERAO, M. OGAWA and H. OHSAKI
洋上風力発電などへの適用が期待される 10MW 級大
型風力発電機の検討を行っている。大トルク，超低速回
転を特徴とするこのような発電機について，三次元有限
要素法を使った電磁界解析に基づく特性評価および発電
機概念設計を進め，バルク超電導体と超電導コイルを界
磁として併用する設計や，超電導コイルを利用した横方
向磁束強化型，電機子巻線も超電導化した全超電導型，
および一般的なレーストラックコイル界磁を使う設計等
を比較検討している。
We have studied 10 MW-class superconducting wind
turbine generators, which are characterized as a high torque
and very low speed machine and expected to be applied to
off-shore wind power generation. Performance analysis using
the three-dimensional finite element method, and conceptual
machine designs have been carried out. Several field magnet
designs have been investigated for a high power density
machine, such as a combination of bulk superconductors and
superconducting windings, transverse- flux enhanced type
field windings, and conventional racetrack coils, etc. Fully
superconducting type machines using superconducting
armature winding have been also studied.
3. 超電導技術の直流電気鉄道への適用
松下通生・大崎博之
Superconducting Technology for DC Electric
Railway Systems
M. MATSUSHITA and H. OHSAKI
省エネかつ効率的運用を実現する次世代設計に基づく
直流電気鉄道システムを目指して，超電導電力ケーブル
を適用することの可能性を検討している。電車に電力を
供給する変電所間を，超電導電力ケーブルによって相互
に接続する方法が，効果的な適用法の一つである。解析
対象の路線を電気回路モデルによって記述し，それを
MATLAB-Simulink により解析する。超電導電力ケーブル
への熱負荷および冷凍効率を仮定して，システム全体で
のエネルギー削減可能性を評価した。これまでの結果か
ら，超電導電力ケーブルの導入が回生ブレーキの利用向
上，損失低減，変電所数の削減あるいは保守低減などに
有効であることが示されている。
For novel design and efficient operation of next-generation
DC electric railway systems, we have studied the feasibility of
applying superconducting power cables to the systems. A
superconducting power cable can be applied to connect
substations supplying electric power to trains. An analysis
model line was described by an electric circuit, which was
analyzed with MATLAB-Simulink. Assuming the heat loads
of superconducting power cables and the cryogenic efficiency,
the energy saving of the total system was evaluated. The
results show that the introduction of superconducting power
cables could achieve the improved use of regenerative brake,
the loss reduction, the decreased number of substations, the
reduced maintenance, etc.
2. 系統連系した超電導風力発電機の解析
ロイキ ケバル・大崎博之
Modeling and Simulation of Grid-connected
Superconducting Wind Turbine Generators
L. QUEVAL and H. OHSAKI
電力系統に連系された超電導風力発電機に特有の現象
や課題などを中心に数値解析を進めている。超電導風力
発電機は，機械的構造（風車やシャフト等）や電気機器
（励磁装置や電力変換装置など）との間で相互作用があ
る。それらを考慮した上で，系統に連系した 10MW 級の
超電導風力発電機の定常および過渡解析に適用できるよ
うに，十分な正確性を有し，効率的で柔軟性に富んだモ
デリング法を検討した。定常非線形有限要素法解析によ
って得られた電磁的なパラメーターを導入した非線形
phase-domain モデルを MATLAB-Simulink 上で構築した
ものである。解析結果からさらに過渡トルク，超電導電
流マージン，定常的な交流損失など，発電機運転時の特
性についても調べている。
4. バルク超電導体の電磁現象と応用
岡島直輝・大浦雄紀・関野正樹・大崎博之
Electromagnetic Phenomena in Bulk
Superconductors and their Applications
N. OKAJIMA, Y. OURA, M. SEKINO
and H. OHSAKI
179
論文・著書一覧（2011 年度）
Publications List
優れた磁束ピン止め特性により高臨界電流密度を有す
る RE（希土類）系バルク超電導体の応用を目指して，そ
の中での電磁現象を中心に研究を行っている。そのマグ
ネット応用のための着磁法として，パルス着磁や磁界中
冷却法に関して，有限要素法を用いた解析ツールを開発
し，効率的な着磁について検討している。また，バルク
超電導体は，コンパクトながら数テスラの強磁場を発生
する能力があり，小動物用 MRI 装置などへの応用が期待
されている。そのための大きな技術的課題が，発生磁場
の均一化である。これを解決する方法を検討し，その有
効性を示す実験を行っている。
For practical application of (RE)BCO bulk superconductors,
which have high critical current densities based on strong flux
pinning characteristics, electromagnetic phenomena inside the
superconductors have been studied. For their magnet
applications, pulsed-field and field-cooling magnetization
methods have been examined using a FEM analysis tool
developed for studying improvement of magnetization
performance. The bulk superconductors are capable of
trapping strong magnetic fields of up to several tesla in a
compact superconductor body. One of their potential
applications is a magnet for a portable NMR system. One of
the technical challenges of this application is homogenizing
the trapped magnetic fields. We have proposed a method to
reduce the inhomogeneity.
研究論文
5. 高性能平面アクチュエータ
岸本孝基・大崎博之
High-Performance Planar Actuators
K. KISHIMOTO and H. OHSAKI
平面内の並進と回転方向の駆動が可能な小形平面アク
チュエータの研究を進めている。可動子を直接，多自由
度駆動が可能であり，高精度な位置決めが可能である。
我々の平面アクチュエータでは，2 組の 3 相交流電流を
制御することによって固定子と対向する広い範囲内で並
進と回転方向の位置決めが可能である。さらに駆動特性
を向上するために，可動子を磁気浮上させながら平面内
の運動制御を行う検討をしており，数値解析と実験の両
面から研究を進めている。
A planar actuator has been studied, which has a small
mover that can be driven in translational and rotational
directions on a plane. A planar actuator can directly drive the
mover for multiple degrees of freedom, and can precisely
position it. Our planar actuator can position the mover in the
translational and rotational directions on the wide movable
area where the mover faces the stator by controlling two sets
of three-phase alternating currents. To further improve the
drive characteristics, we have studied the planar motion
controls with the mover magnetically levitated, and performed
the numerical analyses and experiments.
[1]
M. R. Quddes, M. Sekino, H. Ohsaki, N. Kashima, S.
Nagaya: “Electromagnetic design study of transverse
flux enhanced type superconducting wind turbine
generators,”
IEEE
Transactions
on
Applied
Superconductivity, Vol. 21, No. 3, pp. 1101-1104 (2011).
[2]
Y. Terao, M. Sekino, H. Ohsaki, H. Teshima and M.
Morita: “Magnetic shielding characteristics of multiple
bulk superconductors for higher field applications,”
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.21,
No.3, pp.1584-1587 (2011).
[3]
M. Sekino, H. Yasuda, A. Miyazoe and H. Ohsaki:
“Concentric slitting of a ring-shaped bulk
superconductor for a reduction in circumferential
inhomogeneity of the trapped magnetic field,” IEEE
Transactions on Applied Superconductivity, Vol.21, No.3,
pp.1588-1591 (2011).
[4]
A. Miyazoe, M. Sekino, T. Kiyoshi and H. Ohsaki:
“Current distribution in coated conductor under external
magnetic field up to 5 T,” IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, Vol.21, No.3, pp.1600-1603 (2011).
[5]
Hiroyuki Ohsaki, Lv Zhen, Akihisa Miyazoe, Masaki
Sekino: “Design Study
of High-Temperature
Superconducting Coils for Maglev Vehicles,” 日 本
AEM 学会誌, Vol.19, No.3, pp.521-526 (2011)
[6]
M. Sekino, A. Miyazoe, H. Ohsaki, T. Hisatsune, O.
Ozaki, T. Kiyoshi and H. Wada: “Magnetic resonance
imaging using a superconducting magnet with an
off-center homogeneous field zone,” Journal of Applied
Physics, Vol.109, No.7, pp.07D335 (2011).
国際会議論文
180
[7]
A. Miyazoe, M. Sekino, T. Kiyoshi and H. Ohsaki:
“Magnetic field distribution generated by screening
current flowing in coated conductor,” 22nd International
Conference on Magnet Technology (MT-22), Marseille,
France, September. 2011.
[8]
Y. Terao，M. Sekino and H. Ohsaki: “Electromagnetic
Design of 10 MW class Fully Superconducting Wind
Turbine Generators,” International Conference on
Magnet Technology (MT-22), Marseille, France,
September 2011, 4EP2-3 (2011).
[9]
L. Quéval, M. Sekino, H. Ohsaki: “A Coupled FE
Phase-Domain Model for Superconducting Synchronous
Machine,” 22nd International Conference on Magnet
Technology (MT-22), Marseille, France, September
2011, 2EP5-5 (2011).
[10] Y. Terao，N. Okajima, M. Sekino, H. Ohsaki, H. Teshima,
and M. Morita: “Magnetization Characteristics of
Multiple Bulk Superconductors for Higher Field
Applications,” Superconductivity Centennial Conference
(EUCAS-ISEC-ICMC 2011), Den Haag, Holland, A462
(2011).
Scottsdale, USA, No. 111, pp. 07B322 (2011).
[19] M. Sekino, T. Kato and H. Ohsaki: “Coil design for
magnetic brain stimulation,” International Symposium
on Secure-Life Electronics, Tokyo, Japan, No. 3-8
(2012).
[11] Hiroyuki Ohsaki, Zhen Lv, Masaki Sekino, Masaru
Tomita: “Application of Superconducting Power Cables
to DC Electric Railway Systems,” Superconductivity
Centennial Conference 2011 – 10th European
Conference on Applied Superconductivity (EUCAS
2011), The Haag, September 2011, 4-LA-O8 (2011).
著書
[12] Hiroyuki Ohsaki: “Status of Power Applications of
Superconductors,” The Seventh Japanese-Mediterranean
and Central European Workshop on Applied
Electromagnetic
Engineering
for
Magnetic,
Superconducting and Nano Materials (JAPMED'7),
Budapest, Hungary, July 2011, Keynote speech (invited).
[21] 大崎博之: “超伝導で移動する―超電導リニア新幹
線―,” 応用物理, Vol.80, No.5, pp.403-406 (2011).
[20] 大崎博之: “超高速鉄道／磁気浮上鉄道,” 鉄道技術
ポケットブック（鉄道技術ポケットブック編集委員
会編）,1 編 4 章 4.9 節, オーム社, 2012 年 3 月.
総説・解説論文
シンポジウム・研究会・大会等発表
[22] 呂臻, 山田正博, 関野正樹, 大崎博之, 富田優: “直
流き電鉄道システムへの超電導ケーブルの適用可
能性に関する解析,” 2011 年度春季低温工学・超電導
学会, つくば, 2011 年 5 月, 1P-p37 (2011).
[13] Hiroyuki Ohsaki, Yutaka Terao, Masaki Sekino: “Design
Study of Large-capacity Wind Turbine Generators using
Superconducting
Technology,”
The
Seventh
Japanese-Mediterranean
and
Central
European
Workshop on Applied Electromagnetic Engineering for
Magnetic, Superconducting and Nano Materials
(JAPMED'7), Budapest, Hungary, July 2011, F3.
[23] クッデイス・モハンマッド・ラシド, 関野正樹, 大
崎博之: “円形超電導界磁コイルを用いた大型風力
発電機の電磁設計,” 第 84 回 2011 年春季低温工学・
超電導学会, つくば, 2011 年 5 月, 2A-a01 (2011).
[24] L. Quéval, M. Sekino, and H. Ohsaki: “A Phase-Domain
Model for Superconducting Synchronous Machines,”
第 84 回 2011 年度春季低温工学・超電導学会, つく
ば, 2011 年 5 月, 2A-a03, pp. 91 (2011).
[14] Mohammad Rashidul Quddes, Masaki Sekino, Hiroyuki
Ohsaki: “Electromagnetic Design Study of 10 MW-class
Wind
Turbine
Generators
using
Circular
Superconducting Field Coils,” International Conference
on Electrical Machines and Systems 2011 (ICEMS
2011), Beijing, China, August 2011, RE-18.
[25] 寺尾悠, 関野正樹, 大崎博之, 手嶋英一, 森田充:
“複数積層させたタイル状バルクの着磁特性,” 第 84
回 2011 年度春季低温工学・超電導学会, つくば,
2011 年 5 月, 2P-p33, p.152 (2011).
[15] M. Sekino, T. Kato, T. Matsuzaki, A. Nishikawa, Y.
Saitoh and H. Ohsaki: “A novel coil design for
transcranial magnetic stimulation,” 33rd Annual Meeting
of the Bioelectromagnetics Society, Halifax, Canada,
PA-81 (2011).
[26] 宮副照久, 中西泰章, 関野正樹, 大崎博之, 木吉司:
“複数のイットリウム系超電導線材内に発生する遮
蔽電流が生み出す磁場分布とその時間変化,” 第 84
回 2011 年度春季低温工学・超電導学会, つくば,
2011 年 5 月, 3C-a04 (2011).
[16] T. Kato, M. Sekino, T. Matsuzaki, A. Nishikawa, Y.
Saitoh and H. Ohsaki: “Fabrication of a prototype
magnetic stimulator equipped with an eccentric spiral
coil,” 33rd Annual International Conference of the IEEE
Engineering in Medicine and Biology Society, Boston,
USA, No. 1122, pp. 1985-1988 (2011).
[27] 蛭川倫行, 関野正樹, 大崎博之, 福本祐介, 富田優:
“大型リング状バルク超電導体のコンパクトＮＭＲ
への応用可能性,” 2011 年度秋季低温工学・超電導学
会, 金沢, 2011 年 11 月, 1P-p11 (2011).
[28] 中西泰章, 宮副照久, 関野正樹, 大崎博之: “高温超
電導コイル用巻線機の開発とコイル試作,” 第 85 回
2011 年度秋季低温工学・超電導学会, 金沢, 2011 年
11 月, 1P-p28 (2011).
[17] M. Sekino, H. Ohsaki and H. Wada: “Novel
superconductor configurations for MRI magnets,” 24th
International Symposium on Superconductivity, Tokyo,
Japan, SA-28-INV, pp. 153 (2011).
[29] 呂臻, 関野正樹, 大崎博之, 富田優: “直流き電鉄道
システムへの超電導ケーブルの適用可能性に関す
る解析,” 2011 年度秋季低温工学・超電導学会, 金沢,
2011 年 11 月, 2P-p05 (2011).
[18] T. Kato, M. Sekino, T. Matsuzaki, A. Nishikawa, Y.
Saitoh and H. Ohsaki: “Electromagnetic characteristics
of eccentric figure-eight coils for transcranial magnetic
stimulation: A numerical study,” 56th Annual
Conference on Magnetism and Magnetic Materials,
[30] 寺尾悠, 関野正樹, 大崎博之: “10MW 級全超電導風
181
力発電機の電磁特性,” 第 85 回 2011 年度秋季低温工
学・超電導学会, 金沢, 2011 年 11 月, 2P-p08, p.125
(2011).
[42] 大崎博之: “期待高まる 超電導電力貯蔵技術,” OHM
bulletin, オ-ム社, Vol.47, No.191, pp.2-4 (2011).
[43] 大崎博之: “特集：超電導技術動向報告会報告「電力
機器等エネルギー応用」,” 超電導 Web21, 2011 年 7
月号, p.22 (2011).
[31] L. Quéval, M. Sekino, and H. Ohsaki: “Modeling of
Grid-connected
Superconducting
Synchronous
Machines,” 第 85 回 2011 年度秋季低温工学・超電導
学会, 金沢, 2011 年 11 月, 2P-p09, pp. 126 (2011).
[44] 大崎博之: “特集：超電導産業機器技術の展開「超電
導産業機器技術の動向」,” 超電導 Web21, 2012 年 3
月号, p.1 (2012).
[32] 大崎博之, 滑川徹, 杉浦壽彦: “安心・安全・快適を
めざして - システムの安定運用に役立つ技術 （シンポジウム：磁気支持応用技術と環境調和）,”
平成 23 年電気学会産業応用部門大会 (JIASC 2011),
沖縄, 平成 23 年 9 月, 3-S4-5.
[45] 大崎博之: “これからの EMC,” 電磁環境工学 EMC,
2012 年 1 月号, ミマツコ－ポレーション, No.285,
p.32 (2012).
[46] 大崎博之: “電力機器等エネルギー応用,” 超電導技
術動向報告会 2011, 東京, 平成 23 年 5 月 23 日.
[33] D. Kim, H. Ohsaki: “Numerical Analysis of Discharging
Characteristics in Microwave-excited Surface Wave
Plasma Apparatus with Self-consistent Simulation
Method,” Plasma Conference 2011, 24B03, Kanazawa
(2011).
[47] 大崎博之: “電気の専門家からみた低炭素化・将来エ
ネルギー体系での超伝導の貢献の可能性,” 超伝導
科学技術研究会第 37 回シンポジウム「超伝導 2011
－新たな 100 年の幕開け－」＜グリーン・イノベー
ションと超伝導＞, 東京, 2011 年 6 月 24 日.
[34] キムドンミン, 大崎博之: “マイクロ波励起プラズマ
の Self-consistent シミュレーション,” 電気学会プラ
ズマ研究会, PST-11-007, pp.17-21 (2011).
[48] 大崎博之: “大型風力発電機への超電導技術の適用
可能性,” 電気学会北海道支部講演会, 北見, 平成 23
年 7 月 22 日.
[35] キムドンミン, 大崎博之: “Self-consistent シミュレ
ーションによるマイクロ波励起表面波プラズマ装
置 の 放 電 特 性 解 析 ,” 電 気 学 会 プ ラ ズ マ 研 究 会 ,
PST-11-053 (2011).
[49] Hiroyuki Ohsaki: “MAGLEV,” UIC Seminar on
Railway Technology, Southwest Jiaotong University
(Chengdu, China), November 2011.
[36] 金載浩, 桂井誠, キムドンミン, 大崎博之: “大気圧
マイクロ波プラズマジェットによるナノクリスタ
ルダイヤモンド薄膜合成,” 電気学会プラズマ研究
会, PST-11-119 (2011).
[50] 大崎博之: “IEC/TC77 の活動状況と 電気用品安全法
改正へ向けた動向,” EMC-net シンポジウム, 東京,
2012 年 2 月 27 日.
[51] 大崎博之: “超電導応用機器研究開発の現状と課題,”
超電導技術講演会, 茅野, 平成 24 年 2 月 28 日.
[37] 金載浩, キムドンミン, 桂井誠, 大崎博之: “マイク
ロ波を用いた大気圧空気プラズマの生成,” 2012 年
春季第 59 回応用物理学関係連合講演会, 早稲田大
学, 17a-A7-18 (2012).
[52] 大崎博之: “超伝導応用機器開発の現状と将来,” 超
伝導科学技術研究会第 78 回ワークショップ「再生
可能エネルギー導入へ向けた超伝導・低温技術」, 東
京, 平成 24 年 3 月 13 日.
[38] 加藤拓哉, 関野正樹, 西川敦, 齋藤洋一, 大崎博之:
“経頭蓋磁気刺激用コイルの電磁特性の数値解析,”
第 50 回 日 本 生 体 医 工 学 会 大 会 P3-1-7, pp. 273
(2011).
[39] 関野正樹, 加藤拓哉, 松崎大河, 西川敦, 齋藤洋一,
大崎博之: “偏心 8 字巻線からなる経頭蓋磁気刺激用
コイルの試作,” 第 26 回日本生体磁気学会大会, No.
P1-47 (2011).
[40] 加藤拓哉, 関野正樹, 松崎大河, 西川敦, 齋藤洋一,
大崎博之: “経頭蓋磁気刺激用の偏心 8 字形コイルの
回路定数と脳内渦電流分布の数値解析,” 生体医工
学シンポジウム, No. 2-7-4 (2011).
[41] 阿部欣史, 関野正樹, 深澤有吾, 八尾寛, 大崎博之,
久恒辰博: “Opto-fMRI を用いたラット海馬の機能解
析,” 第 39 回日本磁気共鳴医学会大会, No. P-1-14
(2011).
その他
182
古関研究室
Koseki Laboratory
characteristic of the motor and this method by numerical
analysis and experimental machine.
(http://www.koseki.t.u-tokyo.ac.jp)
3.
電気鉄道の駆動・運行制御の高性能化と省エ
ネルギーの研究
原崇文・楊哲・高橋優斗・水野陽二郎・
高田康宏・古関隆章
Energy-saving and high quality control of traction
and operation in electric trains.
T.HARA, Z.YANG, Y.TAKAHASHI,
Y.MIZUNO, Y.TAKADA and T.KOSEKI
研究現況
Current Research Projects
1.
混合整数計画法に基づくリアルタイム列車ス
ケジューリング支援の研究
角谷太郎・古関隆章
A train rescheduling support system based on
mixed integer programming.
T.KAKUTANI and T.KOSEKI
電気鉄道は, 制御の速さ, 再現性, 正確性に加え, 制動
時にエネルギー回生ができる特長を併せ持つ. こういっ
た特長を乗り心地及び安全性に配慮しつつ車輪の駆動力
を有効に推進・制動に利用する粘着制御や電力の流れを
適切に把握／制御し, システム全体として省エネルギー
を実現する運転・駆動制御法を総合的に検討する.
Electric railway has the advantage of quick, repeatable and
accurate control and bi-directional conversion between
mechanical and electromagnetic power. A sophisticated
adhesion control is proposed for effective usage of traction
effort to acceleration and deceleration. Also, systematic train
operation and traction control are investigated for
energy-saving by appropriate acquisition and control of power
flow.
綿密に計画された列車運行において, 輸送障害が発生
した場合, 鉄道事業者は速やかに定常運行に戻す運転整
理が行う. 迅速性や数多くの制約条件を満たした上で,
定量的評価の難しい「旅客の被る損失」を考慮した複雑
な調整を要する. そこで, 旅客の観点から見て適切な運
転整理案を自動で生成するシステムを提案し, 複々線区
間への拡張を行っている.
Train operations are carefully organized beforehand, and
once disruptions occurred in areas with high frequency of
train operations, railway companies take rescheduling of train
in order to recover the normal operational plan. The
rescheduling task is difficult and presents a significant burden
for the dispatchers due to the variety of recovering options,
necessity of swiftness and absence of a proper evaluation
criterion. Consequently we have proposed an automatic
rescheduling support system focused on minimization of
arrival delay to the passengers at their destinations using
mathematical programming approach. In this research, we
extend the system to be available to work not only on double
track line but also quadruple track line.
4.
生活支援を目指した移動ロボットの研究
ワンウェイホン・エムレドゥマン・河邊貴之・
高田康宏・古関隆章
Mobile robots for human assistance.
W.H.ONG, E.DUMAN, T.KAWABE,
Y.TAKADA and T.KOSEKI
現代社会では, 高齢者を対象にロボットによる個別支
援技術への期待が大きい. 情報の個別支援を汎用の廉価
な電子機器で実現する技術を研究する. 加えて, 生活環
境における応用のため, 人間の運動制御の特徴を生かし
た歩行ロボットの新しい制御法を検討する.
2. 横方向磁束型大推力モータの研究
申重燮・中村太一・山元雄太・高田康宏・古関隆章
Transverse flux-type synchronous motor
for large torque.
J.SHIN, T.NAKAMURA, Y.YAMAMOTO,
Y.TAKADA and T.KOSEKI
In the modern society, human activity support or assisted
living technologies are useful to address various social needs
such as personal assistant and elderly care. This research
study the solution with a human-assist system composed from
affordable consumer devices and application of mobile robots
in daily environment. Also, a novel motion control of walking
robots is investigation based on substantial characteristics.
大推力を目指した横方向磁束型同期電動機をリニア型
及び回転型の両面から研究する. 騒音／振動の原因とな
るコギングトルクを磁石数と電機子極数の組み合わせで
低減できることや推力最大化設計法について, 解析的手
法を提案し, 数値解析にて評価する. また, 実機製作を
行い, 実験による検証も併せて行っている.
We have studied transverse flux-type permanent magnet
synchronous motor of both rotational and linear type for
high-thrust application. The cogging torque that causes noise
and vibration is reduced by using pole-core combination. We
have proposed analytical design method which can estimate
maximum torque under some conditions and evaluated the
183
synchronous motor”, The 11th University of Tokyo –
Seoul National University Joint Seminar on Electrical
Engineering, Tokyo, Japan, December. 2011
論文・著書一覧（2011 年度）
Publications List
研究論文
[1]
千種健二, 佐藤圭介, 古関隆章: “混合整数計画法に
基づく列車運行乱れ時の旅行時間増大量に主眼を
置いた運転整理最適化”, 電気学会産業応用部門論
文誌 132(2), pp.170-177, Feb. 2012.
[2]
齋藤達仁, 近藤圭一郎, 古関隆章: “直流電気鉄道に
おける軽負荷回生制御器の解析的設計法”, 電気学
会産業応用部門論文誌 132(2), pp.268-277, Feb.2012
[11] T. Hara and T. Koseki: “Study on re-adhension control
by monitoring excessive angular momentum in electric
railway tractions”, The 12th International Workshop on
Advanced Motion Control (AMC 2012), Sarajevo,
Bosnia and Herzegovinal, March. 2012
著書
[12] 古関隆章（編集委員長として取りまとめ）, “鉄道技
術ポケットブック”, オーム社, March. 2012
国際会議論文
[3]
T. Koseki, J. Shin and H. Kim: “Proposal of a tubular
transverse flux type linear synchronous motor”, The 6th
IEEE International Magnetics Conference (Intermag
2011), Taipei, April.2011.
[4]
J. Shin, T. Koseki and H. Kim: “Proposal of a novel
flux-concentrated type transverse flux cylindrical
synchronous motor for high thrust”, The 6th IEEE
International Magnetics Conference (Intermag 2011),
Taipei, April.2011.
[5]
J. Shin, T. Koseki and H. Kim: “The design of flux
concentrated type transverse flux cylindrical PMLSM
for high thrust”, The 8th International Symposium on
Linear Drives for Industry Applications (LDIA 2011),
the Netherlands, July. 2011.
[6]
[7]
[8]
[9]
総説・解説論文
[13] 古関隆章: “–市民の視点からの鉄道の安全利用促進
の試み–公共交通のプレーヤとしての旅客と市民の
行動の重要性–”, JREA 54(6), pp.35994-35997, Jun.
2011.
[14] 古関隆章: 解説 “鉄道車両–リニア誘導主電動機国
際 規 格– 日本 提 案の鉄 道 関連国 際 規 格
IEC/TC9/PT62520 の発行までの歩み”, JREA 54(7),
pp.36118-36120, Jul. 2011.
[15] 古関隆章: “電気鉄道のエネルギーマネージメント
の考え方について–震災後に何が変わり何が不変
か？ (特集 震災と鉄道の復興)”, 鉄道車両と技術
17(7), pp.21-26, Jul. 2011, レールアッドテック出版
[16] 古関隆章: “都市と地域システムの脆弱性と強靱性:
東日本大震災を踏まえて 交通ネットワークに見る
脆弱性と頑健性(Vulnerability in Cities)”, 都市計画
60(4), pp.22-25, Aug. 2011.
J. Shin, T. Koseki and H. Kim: “Proposal of
double-sided type transverse flux linear synchronous
motor”, The 21st International Conference on
Magnetically Levitated System and Linear Drives
(Maglev 2011), Daejeon, Korea, October. 2011
[17] 金子慎, 古関隆章, 竹内建蔵, 家田仁: 座談会“リニ
ア中央新幹線とは何なのか？ 期待と展望(特集 国
土の特性と新幹線ネットワークの拡大)”, 運輸と経
済, Oct. 2011.
J. Shin, T. Koseki and H. Kim: “Proposal of short
armature core double-sided transverse flux type linear
synchronous motor”, The 20th Magnetodynamics
Conference in Pacific Asia (MAGDA 2011), Kaosiung,
Taiwan, November. 2011
[18] 古関隆章: “リニアモータカー: JR マグレブのほかに
開発されているさまざまなリニア式鉄道(<特集>み
んなを運ぶ–新しい地上交通–)”, 日本機械学会誌
115(1118), pp.16-19, Jan. 2012.
T.Nakamura, T. Koseki and Y. Aoyama: “A low-speed
high-torque permanent magnet synchronous motor –
Reducing cogging torque and eddy current loss –”, The
20th Magnetodynamics Conference in Pacific Asia
(MAGDA 2011), Kaosiung, Taiwan, November. 2011
シンポジウム・研究会・大会等発表
[19] 中村太一, シンジュンソプ, 古関隆章: “横方向磁束
型永久磁石形リニア同期モータのおける磁石と電
機子極の組み合わせによるコギング力”, 平成 23 年
電気学会交通・電気鉄道／リニアドライブ合同研究
会, LD-11-030, Jul. 2011.
T. Hara, Y. Takada, T. Koseki and Y. Nozaki: “Dual
sampling rate digital signal processing of encoder for
low speed dynamics tests of electromagnetic traction
systems, including iron-wheel suspended linear motors”,
The 20th Magnetodynamics Conference in Pacific Asia
(MAGDA 2011), Kaosiung, Taiwan, November. 2011
[20] 申重燮, 古関隆章, 金弘中: “大推力両面式横方向磁
束リニア同期モータの提案”, 平成 23 年電気学会交
通・電気鉄道／リニアドライブ合同研究会,
LD-11-031, Jul. 2011.
[10] J. Shin, T. Koseki and H. Kim: “Proposal od short
armature core double-sided transverse flux type linear
[21] 原崇文, 渡邊央朗, 古関隆章, 水間毅: “直流電気鉄
184
道の列車間隔調整による回生ブレーキの有効利用”,
平成 23 年電気学会交通・電気鉄道／リニアドライ
ブ合同研究会, TER-11-029, Jul. 2011.
[22] 原崇文, 槻木澤佑公, 古関隆章: “電気鉄道車両の超
過角運動量に基づく再粘着制御の提案とその性能
評価”, 平成 23 年電気学会産業応用部門大会, Sep.
2011.
[23] D. Emre, T. Koseki: “Walking control of multiple link
robotic leg under external forces by emulating
functionality of combined mono and bi-articular
muscles”, IEEJ Control Technical Meeting, Dec. 2011
[24] 古関隆章, 水野陽二郎, 水間毅: “車上運転支援装置
を用いた高速域の近似低電力制動による省エネル
ギー運転”, 平成 24 年電気学会全国大会, Mar. 2012.
[25] 原崇文, 古関隆章: “様々な路面条件下での超過角運
動量に着目した空転再粘着制御”, 平成 24 年電気学
会全国大会, Mar. 2012.
[26] 河邊貴之, 古関隆章: “生体機構の単・二関節筋駆動
の制御則を規範とする二足歩行の提案”, 平成 24 年
電気学会全国大会, Mar. 2012
[27] 山元雄太, Cuong Ninh Van, 古関隆章: “三次元動磁
界計算に基づく片側式リニア誘導モータの左右変
位時の発生力・インピーダンス変化の一検討”, 平成
24 年電気学会全国大会, Mar. 2012
185
馬場研究室
Baba Laboratory
microgrid is being studied to reduce the necessary energy
capacity of ESSs for power fluctuation compensation.
The target of load control in this research is heat pumps
used for heating and air-conditioning.
Their basic characteristics were measured by experiments
and models were proposed.
The effectiveness of heat pump control for power
fluctuation compensation was verified by simulation and
experiments using real machines.
(http://www.asc.t.u-tokyo.ac.jp)
研究現況
Current Research Projects
1. マイクログリッド制御高度化に関する研究
馬場旬平・下田英介・河内駿介・萩原裕人・森昭斗
Studies on Advanced Control Method for Micro
Grid Power System
J.BABA, E.SHIMODA, S.KAWACHI,
H.HAGIWARA and A.MORI
2.
超電導故障電流限流器に関する研究
馬場旬平・服部圭佑
Studies on Superconducting Fault Current Limiter
J.BABA, M.MORI and K.HATTORI
出力が自然条件によって変動する再生可能エネルギー
電源が大量に電力系統に導入された際には、その電力変
動を補償することが必要となる。
小規模電力ネットワークであるマイクログリッドを構
築し、その内部において二次電池などのエネルギー貯蔵
装置をはじめとする分散電源を協調制御する方法は、電
力変動補償の方法として有効であることがこれまでの研
究で示されている。
本研究室では、より低コストでこうしたマイクログリ
ッドによる電力変動補償を実現するための分散型電源の
制御方法を検討している。
エネルギー貯蔵装置はその種類によって充放電時の損
失の特性が異なるため、それらの特性を測定しより損失
の少ない変動の分担のさせ方を提案した。
また、エネルギー貯蔵装置の導入量削減を目指し、エ
ネルギー貯蔵装置に代わり既に電力系統に連系されてい
る負荷の消費電力を制御する負荷制御についても研究を
進めている。
現在は負荷制御の対象として空調及び給湯に用いられ
るヒートポンプに着目しており、こうした機器を外部か
ら制御した場合の特性の取得とそれに基づくモデル化、
実際にマイクログリッド試験設備を用いた負荷制御の実
証試験などを行っている。
The output of renewable energy source is unstable because
it is dependent on natural conditions.
The power fluctuation compensation will be essential when
these energy sources are installed in measurable scale.
A method to compsensate these fluctuation by cooperatively
controlling distributed generation systems (DGs) such as
energy storage systems (ESSs) in microgrid is a effective
solution.
In this laboratory, the control method to achive power
fluctuation compensation in microgrid with lower cost is
studied.
The coordinated control of different types of ESSs that
reduces the charging and discharging loss was proposed by
using the data of ESS's loss characteristics obtained by
experiments.
Also, the power consumption control of load appliances in
定常時に低インピーダンスで故障時に高インピーダン
スとなる超電導故障電流限流器は電力系統での活躍が期
待されている。これまで、金属系の動作電流調整可能な
限流器を開発し、優れた動作を実験的・理論的に示して
きた。この唯一の欠点は、保護区間外のサージにより誤
動作する点にある。この欠点のない限流器を構築すべく、
2 種類の限流器(変圧器型、抵抗型)を開発中である。特に
YBCO 薄膜の適用について着目して研究を進めており、
特性が異なる薄膜の直並列接続手法、及び、薄膜の I-V
特性の工学的モデルの構築を進め、限流器設計への適用
を目指している。また工学的モデル構築のため薄膜の過
電流通電時における電圧・熱発生の二次元分布を計測し
ている。
Superconducting fault current limiters (SFCLs) which are
of low impedance in steady states and of high impedance at
fault conditions are expected to be used in power systems.
SFCLs by use of metal superconductors have been developed.
Experimental and theoretical results show that they have very
good characteristics. They, however, have only one weak
point, that is, they operate incorrectly due to surge current
generated at non-protection zone. 2 kinds of SFCLs
(transformer type and resistive type) without such a weak
point have been being developed. Application of YBCO thin
film for those SFCLs has been studied. Designing method for
parallel - series connection of uninformed YBCO thin films
and the I-V characteristics model of YBCO thin film have
been developed to apply the SFCL design. 2 Dimensional
voltage and temperature distributions on YBCO thin film at
S/N transition period have been measured to build and verify
the I-V characteristics model.
3.
離島系統の安定化に関する研究
馬場旬平・今中政輝・恩田祐輔
Studies on Stabilization of Island Power Systems
J.BABA, M.IMANAKA and Y.ONDA
再生可能エネルギー電源が離島独立系統に導入されつ
つある。しかし大規模な再生可能エネルギー電源からの
出力変動は、既存の離島独立系統において補償すること
186
論文・著書一覧（2011 年度）
Publications List
は困難である。その結果、電力品質問題が離島系統への
再生可能エネルギー電源導入にあたっての深刻な問題に
なっている。十分な電力および電力量容量を持ったエネ
ルギー貯蔵装置を導入すれば電力品質問題を解決するこ
とができるが、エネルギー貯蔵装置はまだ高コストであ
る。本研究では、再生可能エネルギー電源による出力変
動を補償するために、可制御負荷として海水淡水化装置
を活用することを提案し、制御方法について議論してい
る。海水淡水化装置の消費電力特性を解析し、消費電力
制御によって水生成に必要な全体の消費電力量も削減で
きる可能性を示した。また、離島系統を模擬したシミュ
レーションにより、海水淡水化装置と内燃機関発電機過
負荷運転の協調運転による再生可能エネルギー大量導入
時の系統安定化手法を提案した。
Renewable energy sources are being installed into isolated
islands. Power fluctuation caused by large amount of them,
however, is difficult to be compensated in existing isolated
island power systems. As a result, the power quality problem
is an important issue in the island systems with renewable
energy sources. If energy storage systems that have enough
power and energy capacity are installed in the system, this
problem will be overcome. They, however, are still quite
expensive. In this paper, the use of a seawater desalination
system as a controllable load is proposed to compensate the
power fluctuation of renewable energy sources, and control
methods are discussed. It is shown that power consumption
control can reduce the total power consumption for water
production through the analysis of the power consumption
characteristics of the desalination system. With simulations
imitated the isolated island power system, a method with
cooperation control of a seawater desalination system and
overload operation of internal combustion generators is
proposed for stabilizing the power system with large amount
of renewable energy sources.
研究論文
[1]
M. Mori, H. Nishioka, J. Baba, T. Nitta, T. Kumagai and
M. Shibuya, 2 Dimensional Voltage Distribution
Measurement of YBCO Thin Film during S/N transition,
Journal of Internationnal Council on Electrical
Engineering, Vol.1, No. 2, pp.229-233 (2011)
[2]
M. Mori, H. Nishioka, J. Baba, T. Nitta, T. Kumagai and
M. Shibuya, Spatial Characterization of Resistive
Transition in YBCO Thin Film, IEEE Trans. On Applied
Superconductivity, Vol. 21, No. 3 (2011)
[3]
S. Oda, S. Noda, H. Nishioka, M. Mori, J. Baba and Y.
Shirai, Current Limiting Experiment of Transformer
Type Superconducting Fault Current Limiter with
Rewound Structure Using BSCCO Wire in Small Model
Power
System,
IEEE
Trans.
On
Applied
Superconductivity, Vol. 21, No. 3 (2011)
[4]
M. Imanaka, Y. Onda, J. Baba, T. Yoshihara and A.
Yokoyama, Feasibility Study on Compensation of Power
Fluctuation Caused by Renewable Energy Source Using
Desalination System in Island Power System, Journal of
International Council on Electrical Engineering, Vol. 1,
No. 3, pp. 345-351, July 2011
[5]
河内駿介, 萩原裕人, 馬場旬平, 古川慧, 下田英介,
沼田茂生, 空調用ヒートポンプを用いた短周期電力
変動補償に関する実機検討, 電気学会論文誌 B(電
力・エネルギー部門誌), Vol. 132, No. 1, pp. 77-85
(2012)
国際会議論文
187
[6]
Y. Onda, M. Imanaka, T. Yoshihara, J. Baba, A.
Yokoyama, Y. Kuniba, N. Higa, S. Asato, Feasibility
Study on Power Consumption Control of Desalination
Plant with Mechanical Restrictions, 3rd International
Conference on Clean Electrical Power (ICCEP 2011),
Ischia Italy (2011)
[7]
H. Hagiwara, S. Kawachi, J. Baba, K. Furukawa, E.
Shimoda, S. Numata, Fundamental Study on
Controllability of Heat Pump Power Consumption for
Fluctuated Power Compensation, 3rd International
Conference on Clean Electrical Power (ICCEP 2011),
Ischia Italy (2011)
[8]
K. Hattori, J. Baba, T. Kumagai, M. Mori, T. Nitta, M.
Shibuya, Multi-Case-Divided Resistance Model of
YBCO Thin Films in Various Conditions, 17th
International Conference on Electrical Engineering
(ICEE2011), Hong Kong (2011)
[9]
S. Kawachi, H. Hagiwara, J. Baba, K. Furukawa, E.
Shimoda, S. Numata, Feasibility Study on Short Period
Power Fluctuation Compensation Using Heat Pump
Air Conditioning System, 17th International Conference
on Electrical Engineering (ICEE2011), Hong Kong
(2011)
Electronics The University of Tokyo Global COE
Workshop 12, The11th Seoul National University –
University of Tokyo Joint Seminar on Electrical
Engineering, pp. 31-35, 千葉 (2011)
[19] 馬場旬平, 電力システムから見た再生可能エネルギ
[10] S. Kawachi, H. Hagiwara, J. Baba, Modeling and
Simulation of Heat Pump Air Conditioning Unit
Intending Energy Capacity Reduction of Energy Storage
System in Microgrid, The 14th European Conference on
Power Electronics and Applications (EPE2011),
Birmingham, UK (2011)
ー電源導入の課題, 第 59 回応用物理学関係連合講
演会, 15p-E2-6, 東京早稲田大学 (2012)
[20] 森昭斗, 河内駿介, 馬場旬平, 下田英介, マイクロ
グリッド制御へのオブザーバ適用の実験的検討, 平
成 24 年電気学会全国大会講演論文集, 6-193, 広島
(2012)
[11] K. Hattori, J. Baba, M. Mori, T. Nitta, T. Kumagai, M.
Shibuya, 2 dimensional temperature measurement on
YBCO thin film during S/N transition period by use of
RuO2 chip resistor, EUCAS2011, Hague, Netherlands
(2011)
[21] 馬場旬平, 浅野浩志, 北山匡史, 電力・エネルギー部
門におけるスマートグリッド関連の活動について,
平成 24 年電気学会全国大会講演論文集, 1-H3-3, 広
島 (2012)
[12] S. Noda, S. Oda, Y. Shirai, M. Mori, K. Hattori, J. Baba,
Current Limiting and recovery characteristics under load
of transformer type SFCL with rewound strecture using
wire in a laboratory scale power system, EUCAS2011,
Hague, Netherlands (2011)
[22] 山邉健太, 野田翔, 白井康之, 馬場旬平, 服部圭佑,
仁田旦三, 西原太一, 小林慎一, 佐藤謙一, 巻き戻
し構造を持つ三相変圧器型超電導限流器の模擬系
統における有負荷下の限流動作, 平成 24 年電気学
会全国大会講演論文集, 5-108, 広島 (2012)
[13] J. Baba, H. Hagiwara, S. Kawachi, E. Shimoda, Y. Onda
and M. Imanaka, Power System Stabilizing for Secure
Power Supply by Use of Controllable Load Taking into
Account Users’ Conveniences, Proceedings of Global
COE Symposium on Secure-Life Electronics, The
University of Tokyo (2012)
[23] 服部圭佑, 馬場旬平, 西原太一, 仁田旦三, 渋谷正
豊, 熊谷俊弥, YBCO 薄膜における S/N 転移伸展過
程と発生抵抗の関係, 平成 24 年電気学会全国大会
講演論文集, 5-110, 広島 (2012)
シンポジウム・研究会・大会等発表
[25] 恩田祐輔, 今中政輝, 馬場旬平, 緒方隆雄, 進士誉
夫, 発電用内燃機関の過負荷運転制約を考慮した小
規模系統における運用方法に関する基礎検討, 平成
24 年電気学会全国大会講演論文集, 6-194, 広島
(2012)
[24] 渡邉尚也, 仁田旦三, 今吉忠利, 林秀美, 馬場旬平,
実電力系統における固有値の実測, 平成 24 年電気
学会全国大会講演論文集, 6-088, 広島 (2012)
[14] 吉原 徹，横山明彦，今中政輝，恩田祐輔，馬場旬
平，國場裕介，比嘉直人，安里貞夫, 小規 模離島系
統における海水淡水化装置を用いた需給調整容量
拡大手法, 平成 23 年度電気学会 B 部門大会, 福井
(2011)
[26] 佐々本英紀, 今中政輝, 恩田祐輔, 馬場旬平, 比嘉
直人, 島袋正則, 國場裕介, 灌漑システムを用いた
離島系統安定化手法の検討〜ポンプシステムの消
費電力特性のモデル化〜, 平成 24 年電気学会全国
大会講演論文集, 6-195, 広島 (2012)
[15] 河内駿介，萩原裕人，馬場旬平, 古川 慧，下田英
介，沼田茂生, 空調用ヒートポンプを用いた短周期
電力変動補償に関する実機検討, 平成 23 年度電気
学会 B 部門大会, 福井 (2011)
[16] 江川 光，馬場旬平，吉原 徹，今中政輝，恩田祐
輔，進士誉夫，辻田伸介, 電力変動補償時の発電効
率向上を目指した発電用内燃機関の運用方法に関
する基礎検討, 平成 23 年度電気学会 B 部門大会, 福
井 (2011)
[27] 奥谷和也, 萩原裕人, 河内駿介, 馬場旬平, 可制御
負荷として用いたヒートポンプ給湯機の消費電力
と生成熱量の動特性のモデル化, 平成 24 年電気学
会全国大会講演論文集, 6-198, 広島 (2012)
[17] 太田 豊，谷口治人，中島達人，馬場旬平，横山明
彦, V2G(Vehicle- to-Grid)の電気自動車用充電器への
実装についての基礎的検討, 平成 23 年度電気学会 B
部門大会, 福井 (2011)
[28] 河内駿介, 萩原裕人, 馬場旬平, 古川慧, 下田英介,
空調用ヒートポンプを可制御負荷として用いたマ
イクログリッドの連系点潮流指令値追従制御の実
証試験, 平成 24 年電気学会全国大会講演論文集,
6-199, 広島 (2012)
[18] S. Kawachi, H. Hagiwara, J. Baba, K. Furukawa, E.
Shimoda, S. Numata, Study on Power Fluctuation
Compensation by Use Heat Pomp, Secure-Life
[29] 萩原裕人, 河内駿介, 馬場旬平, 古川慧, 下田英介,
沼田茂生, 可制御負荷として用いた空調用ヒートポ
ンプ消費電力の指令値追従性および熱処理量変化
188
の実験的検証, 平成 24 年電気学会全国大会講演論
文集, 6-201, 広島 (2012)
[30] 慶本裕史, 河内駿介, 馬場旬平, ステップ注入付周
波数フィードバック単独運転検出方式による共振
負荷における周波数変動の漸化式を用いた表現の
提案, 平成 24 年電気学会全国大会講演論文集, 6-222,
広島 (2012)
[31] 今中政輝, 恩田祐輔, 馬場旬平, 國場裕介, 比嘉直
人, 安里貞夫, 系統安定化に向けた海水淡水化装置
の消費電力制御と効率的な水生成の両立のための
基礎解析, 平成 24 年電気学会全国大会講演論文集,
6-225, 広島 (2012)
[32] 手操亮裕, 河内駿介, 馬場旬平, 太田豊, 二次電池
における放電末期の電圧低下を用いた短周期電力
変動出力時の損失測定, 平成 24 年電気学会全国大
会講演論文集, 7-014, 広島 (2012)
189
谷口研究室
Taniguchi Laboratory
The research also covers the effects to voltage stability.
(http://www.apet.t.u-tokyo.ac.jp/kenkyu_tanig
uchi.html)
3. 新形単独運転検出方式に関する研究
鈴木 宏和
Research on a novel Islanding-Prevention Method.
研究現況
Current Research Projects
H. SUZUKI
太陽光発電大量普及時に，発電力と負荷が完全にバラ
ンスした状態でも単独運転を確実に防止するため，柱上
変圧器の励磁電流の高調波成分に同期した微小な高調波
能動信号を配電系統に常時注入し，単独運転時に発生す
る高調波電圧の変化を効率的に助長する方式について
EMTPを用いた解析により，高速検出の可能性を示した。
In this study, we proposed a novel islanding-prevention
method by harmonic injection synchronized with the exciting
current harmonic of the pole transformer, and carried out the
analytical study using EMTP. Feasibility of detecting the
islanding-operation quickly and reliably, even if the islanding
state is in non-detection zone of the passive islanding
detection schemes is verified by EMTP simulation.
1. 電力系統と分散電源の協調運転に関する研究
谷口 治人・横山 明彦・馬場 旬平・太田 豊
Study on Coordination between Power System
Operation and Dispersed Generation
H. Taniguchi, A. Yokoyama, J. Baba, and Y. Ota
風力発電，太陽光発電，バイオマス発電をはじめとす
る再生可能エネルギー利用の分散電源の導入が促進する
中，電力系統への影響把握と，その影響を分散型電源自
身が緩和する方策が求められている。電力系統と分散電
源の協調運転により，電力系統に高い信頼度，ロバスト
性をもたらす道を探り，将来のシステムの姿について検
討している。
While the renewable generation such as wind power
generation, PV generation and biomass generation are
promoted to be introduced, understanding those effects to
power system and developing the mitigation method by those
generation themselves are becoming very important. The
objective of this study is to investigate the future figure to
bring higher reliability and robustness through coordination
between power system operation and dispersed generation.
4. スマートグリッドにおける電気自動車のV2G
(Vehicle-to-Grid)に関する研究
太田 豊・谷口 治人・鈴木 宏和
・馬場旬平・横山明彦
Research on V2G (Vehicle-to-Grid) of Electric
Vehicle on Smart Grid Concept
Y. Ota, H. Taniguchi, H. Suzuki
J. Baba, and A. Yokoyama
電気自動車の Smart Charging の次には, 充放電が可能
な蓄電池として活用する V2G (Vehicle-to-Grid)が, スマー
トグリッドのコア技術として期待されている。本研究で
は，ユーザの充電要求を満たしたうえで，太陽光・風力
発電の自然変動による影響を電力系統全体で緩和する
V2G 制御を提案した。電気自動車の利用状況も考慮した
シミュレーションにより，電力系統の周波数制御に与え
る影響を評価した。また，電力系統との制御・通信のイ
ンターフェースを考慮した電気自動車/充電インフラか
らなる試験システムに，提案制御手法を実装している。
In the next step following smart charging, bi-directional
V2G (Vehicle-to-Grid), which is equivalent to stationary battery energy storage, is expected as one of the key technology
for smart grids. We proposed a new V2G control scheme for
mitigating the effects of intermittent renewable energy sources
in whole power system with satisfying the charging request of
each electric vehicle. Study on the effects to the power system
frequency control is investigated by the simulations
considering behavior of the electric vehicles. The proposed
control scheme is being implemented to a test bed system of
the electric vehicle and the charging infrastructure with the
control and communication interface to the power grid.
2. 太陽光発電大量導入時の電力系統の安定性に
関わる基礎研究
千貫 智幸・石川 幸一郎・谷口 治人
中島 達人・K. M. Liyanage・太田 豊
Power System Stability Study under Large
Penetration of PV Generation
T. Chinuki, K. Ishikawa, H. Taniguchi,
T. Nakajima, K. M. Liyanage, and Y. Ota
太陽光発電（PV）の大量導入は，電力系統の安定性へ
影響を与える。この内まず過渡安定度へ与える影響を，
一機無限大母線系統を対象に，P-δカーブを用いた等面
積法やシミュレーションによって明らかとした。
個々の PV の容量は小さいため，これらが多数導入さ
れた二次系統や配電系統を，精度を保って縮約する手法
を開発した。
また，PV が電圧安定性に与える影響について，検討中
である。
Large penetration of PV may affect power system stability.
The effects to transient stability were clarified by using an
equal area criterion of P-curves and time domain
simulations applied to the one machine to infinite bus model.
Because each capacity of PV is very small, the precise
aggregation methods of secondary and/or distribution system
with many PVs are developed.
190
論文・著書一覧（2011 年度）
Publications List
5. スマートグリッドの運用のための制御戦略に
関する研究
K. M. Liyanage・横山明彦・太田 豊
中島 達人・谷口 治人
Control Strategies for the Operation of Smart
Grids
K. M. Liyanage, A. Yokoyama, Y. Ota,
T. Nakajima, and H. Taniguchi
研究論文
再生可能エネルギー電源のランダムで断続的な出力特
性に対し，電力系統の信頼度を維持する制御戦略は不可
欠である。本研究では，種々の制御対象間をリアルタイ
ムで情報交換できる通信技術を使った新しい制御戦略を
提案し，情報通信を模擬したシミュレーションにより，
連系線電力変動や周波数変動を抑制できることを検証し
た。
Employing new control strategies for system operation is
becoming inevitable to ensure the reliable operation of future
power systems due to the random and intermittent nature of
renewable generation. The new control strategies are
developed and verified by simulation with modeling the
modern communication technologies’ to exchange
information near real-time among various controllable devices.
Information gathered is used to maintain reasonably smooth
power and frequency fluctuations which are, without any
controls, could be very severe.
[1]
Y. Ota, H. Taniguchi, T. Nakajima, K. M. Liyanage, K.
Shimizu, T. Masuta, J. Baba, and A. Yokoyama,
"Autonomous
Distributed
Vehicle-to-Grid
for
Ubiquitous Power Grid and its Effect as a Spinning
Reserve", Journal of International Council on Electrical
Engineering (JICEE), Vol.1, No.2, pp.214-221 (2011-04)
[2]
Y. Ota and Y. Hashimoto, "Modeling of Voltage
Hysteresis and Relaxation of HEV NiMH Battery",
Electrical Engineering in Japan, Vol.175, Issue.1, pp.1-7
(Translated Reprint) (2011-04)
[3]
坂本尚也, 谷口治人, 太田豊, 中島達人,千貫智幸：
「太陽光発電大量導入時の一機無限大母線系統の
過渡安定度解析」, 電気学会論文誌B, Vol.132, No.1,
pp.9-15 (2012-01)
[4]
Y. Ota, H. Taniguchi, T. Nakajima, K. M. Liyanage, J.
Baba, and A. Yokoyama, "Autonomous Distributed V2G
(Vehicle-to-Grid) Satisfying Scheduled Charging", IEEE
Transactions on Smart Grid, Vol.3, Issue.1, pp.559-564
(2012-03)
国際会議論文
[5]
T. Chinuki, H. Taniguchi, Y. Ota, and T. Nakajima,
"Study on System Reduction of Distribution System
with Penetration of Photovoltaic Generations for
Transient Stability Analysis", 17th International
Conference on Electrical Engineering (ICEE2011), July
2011, Hong Kong, China
[6]
K. M. Liyanage, M. A. M. Manaz, A. Yokoyama, Y. Ota,
H. Taniguchi, and T. Nakajima, “Impact of
Communication over a TCP/IP Network on the
Performance of a Coordinated Control Scheme to
Reduce Power fluctuation Due to Distributed Renewable
Energy Generation”, 6th IEEE International Conference
on Industrial and Information Systems (ICIIS),
pp.198-203, August 2011, Sri Lanka
[7]
H. Taniguchi, Y. Ota, K. M. Liyanage, and T. Nakajima,
"Ubiquitous Power Grid -Integrating Renewable Energy
Sources and Electric Vehicles into Power Grid-",
Proceedings of Global COE Symposium on Secure-Life
Electronics, January 2012, Tokyo, Japan
著書
[8]
191
谷口治人（分担執筆）
：
「シミュレーション辞典 環
境エネルギー 電力系統解析」, コロナ社
（2012-02）
総説・解説論文
[9]
Collaboration between United Arab Emirates and Japan
- Petroleum and Energy-related Technologies (2011-12)
太 田 豊 ：「 ユ ビ キ タ ス パ ワ ー ネ ッ ト ワ ー ク と
V2G(Vehicle-to-Grid)」, システム/制御/情報, Vol.55,
No.6, pp.245-249 (2011-06)
[21] 谷口治人：「ユビキタスネットワーク「日本型スマ
ートグリッド」」, STFフォーラム「多様化する日本
の電力エネルギーを考える」 (2012-03)
[10] 谷口治人：「スマートグリッドで細かい計画停電が
可 能 に 」 , エ ネ ル ギ ー レ ビ ュ ー , Vol.31, No.7,
pp.23-24 (2011-07)
[22] 谷口治人：「再生可能エネルギー電源の大量導入時
の技術課題とスマートグリッド」, 第2回次世代スマ
ートエネルギーシステム研究連絡会 特別講演
(2012-03)
シンポジウム・研究会・大会等発表
[11] 坂本尚也, 谷口治人, 太田豊, 中島達人, 千貫智
幸：「太陽光発電大量導入時の一機無限大母線系統
の過渡安定度解析」, 平成23年電気学会電力・エネ
ルギー部門大会, 論文I (2011-08)
[12] 千貫智幸, 谷口治人, 中島達人, 太田豊, 坂本尚
也：「太陽光発電が大量導入された配電系統の縮約
手法の提案 －太陽光発電を電流源，負荷を定イン
ピーダンス負荷とみなした場合－」, 平成23年電気
学会電力・エネルギー部門大会, 論文I (2011-09)
[13] 太田豊, 谷口治人, 中島達人, 馬場旬平, 横山明
彦：「V2G(Vehicle-to-Grid)の電気自動車用充電器へ
の実装についての基礎的検討」, 平成23年電気学会
電力・エネルギー部門大会, 論文II (2011-09)
[14] 千貫智幸, 谷口治人, 中島達人, 太田豊：「太陽光発
電が大量導入された電力系統の縮約 －太陽光発
電が定電力源として表現される場合－」, 電気学会
電 力 技 術 ・ 電力 系 統技 術 合同 研 究会 , PE-11-066
PSE-11-083 (2011-09)
[15] 太田豊, 谷口治人, 馬場旬平, 横山明彦：「系統周波
数制御のための電気自動車群のスマート充電・
V2G(Vehicle-to-Grid)の組み合わせ制御手法」, 電気
学会電力系統技術研究会 (2012-01)
[16] 谷口治人, 千貫智幸, 太田豊, 石川幸一郎, 鈴木宏
和：「太陽光発電導入時の過渡安定度に関する一考
察」, 電気学会全国大会 (2012-03)
[17] 吉田義昭，鈴木宏和，藤原耕二，石原好之：「太陽
光発電システム単独運転防止解析用柱上変圧器の
非線形磁気特性のモデル化」，電気学会マグネティ
ックス研究会，MAG-12-033 (2012-3)
その他
[18] 谷口治人：「分散電源導入拡大時の技術課題とスマ
ートグリッド」, 電気設備学会中国支部総会 記念
講演会 (2011-05)
[19] 谷口治人：
「電力システムの将来」, 第10回CEEシン
ポジウム「エネルギーインテグレーション－スマー
トグリッドがもたらすもの－」 (2011-06)
[20] Y. Ota, "Research and Education of Center for Advanced
Power & Environmental Technology", International
Symposium on Exploring the Frontiers of Academic
192
関野研究室
Sekino Laboratory
(http://www.bee.t.u-tokyo.ac.jp)
3.
宮脇悠・関野正樹
Magnetic Stimulation of the Brain
Y. MIYAWAKI and M. SEKINO
研究現況
Current Research Projects
1.
経頭蓋磁気刺激は、頭部に置いたコイルからパルス磁
場を発生させ、脳内に誘導される電流により神経を刺激
する診断・治療法である。有限要素法を用いた数値解析
によって、磁気刺激における磁場分布や脳内電流分布を
解析し、コイル設計や刺激条件の最適化に利用している。
他大学や企業と連携して、患者が在宅で使用できる小型
磁気刺激装置の開発および実用化にも携わっている。特
に、磁界発生コイルの新しい設計を提案し、小型で低出
力の駆動回路と組み合わせても脳内に十分な渦電流を誘
導できるような工夫を行っている。
Transcranial magnetic stimulation is a diagnostic or
therapeutic method to stimulate neurons in the brain using
magnetic fields. Pulsed magnetic fields generated from an
external coil induces stimulating currents in the brain.
Numerical simulations of electromagnetic fields are effective
for investigating the distributions of magnetic fields and
induced currents. The results then give a theoretical basis for
optimizing the designs of the coil and driving circuit. We are
working on, in collaboration with medical doctors and
companies, the development of a compact and highly efficient
magnetic stimulator for installing at patients' homes. Our
stimulator has a newly designed coil so that a low-power
stimulator system generates eddy currents in the brain with a
sufficient intensity.
磁気共鳴イメージング(MRI)の新しい計測技
術
金東珉・武輪知明・関野正樹
Novel MRI Measurement Techniques
D. KIM, T. TAKEWA and M. SEKINO
MRI (magnetic resonance imaging)は、強磁場の下に置か
れた人体から発生する磁気共鳴信号をもとに、断層像を
得る技術である。脳卒中や癌などの、様々な病気の診断
において、MRI から得られる鮮明な画像が活用されてい
る。従来の MRI は形態的情報を得ることに主眼が置かれ
ていたのに対して、電流や磁場、導電率、誘電率などの
電気的情報を可視化する新たな MRI 測定手法に取り組
んでいる。現在、神経活動に由来する微弱な磁場の検出
にもとづく新しい脳機能イメージングや、異方性まで含
めた生体組織の導電率のイメージングなどの手法を開発
している。
MRI signals originate from nuclear magnetic resonance
signals emitted from samples located in a strong magnetic
field. Clear and precise images obtained from MRI are now
essential in diagnoses of a lot of diseases such as cerebral
stroke and cancer. While conventional MRI provides
anatomical information mainly, our novel MRI measurement
techniques enable us to obtain electrical information, namely
electric current, magnetic field, conductivity, and permittivity.
We are now demonstrating novel functional imaging of the
brain based on a detection of weak neuronal magnetic fields,
and imaging of anisotropic conductivity of biological tissues.
2.
脳の磁気刺激
4.
体内埋め込み可能なフレキシブル電子デバイス
井上雄介・金東珉・関野正樹
Implantable Medical Devices with Flexible Electronics
Y. INOUE, D. KIM and M. SEKINO
超電導磁気センサ SQUID を用いた超低磁界 MRI
装置の開発
禹泰城・関野正樹
Ultralow-Field MRI Using a Superconducting
Magnetic Sensor SQUID
T. WOO and M. SEKINO
従来の 1 万分の 1 レベルの超低磁界で動作し、高感度
の超電導磁気センサ SQUID を用いて信号を検出するよ
うな、新しいタイプの MRI 装置を開発している。この装
置は、従来型 MRI が苦手としてきた金属含有体を測定で
きるなどの特徴があり、将来的には、医療器具を装着し
た患者の MRI 検査などへの利用を目指している。
We are now developing an MRI system working with
ultralow micro-tesla magnetic fields and detecting signals
using a superconducting magnetic sensor, SQUID
(superconducting quantum interference device). This MRI is
free from the risk of accidents caused by strong magnetic
fields. Moreover, the MRI system is applicable to samples
containing metal, which conventional MRI cannot measure.
The potential application of this MRI system is examination
of patients wearing medical equipment.
柔らかく伸縮性を持つ、導体性ゲルや有機半導体の特
徴を生かして、生体とエレクトロニクスが調和する新し
いデバイスを実現する。これらの新規デバイスを用いて、
脳の活動電位や、心臓の拍動、血圧などの生体情報を取
得する。柔らかいデバイスは、脳や心臓の表面にフィッ
トする。また、デバイスには生体適合性材料を使用して、
長期間の体内埋め込みを可能にする。医療機器を中心に、
多方面の波及効果が期待される。
Use of gel conductors and organic semiconductors enables
us to develop flexible and stretchable electronic devices. Such
devices will realize harmonization of electronics and living
bodies. The devices can be applied to measurements of
biological information such as brain activities, cardiac
pulsation, and blood pressure. The flexible devices fit surfaces
of the brain and heart. Bio-compatible materials ensure
long-term implantation of the devices. These devices have a
variety of medical applications.
193
5.
認知症診断用 MRI の新しい超電導マグネット
の開発
関野正樹
MRI Superconducting Magnet for Diagnosis of
Dementia
M. SEKINO
論文・著書一覧
Publications List
研究論文
縦型の MRI 用超電導マグネットにおいて、下へ行くほ
ど太くなるような上下非対称のコイル構造を取り入れれ
ば、マグネットの開口部から近い位置に、画像取得のた
めの磁場均一空間を生成できる。患者が MRI 装置に入っ
た状態でも広い視野が確保され、手足も動かせる利点が
あり、脳機能研究や認知症の早期診断などに有用である。
非対称なコイル構造を有する MRI 用超電導マグネット
を、世界で初めて開発した。マグネットの完成後、測定
系を取り付けて MRI システムを構築した。
MRI requires a homogenous magnetic field zone which
usually appears at the center of the magnet coil. If this
homogeneous zone is allowed to occur at an off-center
position along the coil axis, quite new applications may be
possible. In order to examine this idea, we fabricated an MRI
model magnet. A potential application is functional
MRI-based diagnosis of dementia. The examination requires
patients to carry out drawing. The off-center homogeneous
field zone provides a wide field of vision.
6.
生体内電磁界の数値解析
[1]
M. Sekino, A. Miyazoe, H. Ohsaki, T. Hisatsune, O.
Ozaki, T. Kiyoshi and H. Wada: “Magnetic resonance
imaging using a superconducting magnet with an
off-center homogeneous field zone,” Journal of Applied
Physics, Vol.109, No.7, pp.07D335 (2011).
[2]
S. Yamaguchi-Sekino, J. Ojima, M. Sekino, M. Hojo, H.
Saito and T. Okuno: “Measuring exposed magnetic
fields of welders in working time,” Industrial Health,
Vol.49, No.3, pp.274-279 (2011).
[3]
Y. Terao, M. Sekino, H. Ohsaki, H. Teshima and M.
Morita: “Magnetic shielding characteristics of multiple
bulk superconductors for higher field applications,”
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.21,
No.3, pp.1584-1587 (2011).
[4]
M. Sekino, H. Yasuda, A. Miyazoe and H. Ohsaki:
“Concentric slitting of a ring-shaped bulk
superconductor for a reduction in circumferential
inhomogeneity of the trapped magnetic field,” IEEE
Transactions on Applied Superconductivity, Vol.21, No.3,
pp.1588-1591 (2011).
[5]
M. R. Quddes, M. Sekino, H. Ohsaki, N. Kashima and S.
Nagaya: “Electromagnetic design study of transverse
flux enhanced type superconducting wind turbine
generators,”
IEEE
Transactions
on
Applied
Superconductivity, Vol.21, No.3, pp.1101-1104 (2011).
[6]
A. Miyazoe, M. Sekino, T. Kiyoshi and H. Ohsaki:
“Current distribution in coated conductor under external
magnetic field up to 5 T,” IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, Vol.21, No.3, pp.1600-1603 (2011).
[7]
L. Quéval, M. Sekino and H. Ohsaki: “A coupled FE
phase-domain model for superconducting synchronous
machine,”
IEEE
Transactions
on
Applied
Superconductivity, Vol.22, No.3, pp.5200804 (2012).
[8]
H. Zhu, K. Demachi and M. Sekino: “Phase gradient
imaging for positive contrast generation to
superparamagnetic iron oxide nanoparticle-labeled
targets in magnetic resonance imaging,” Magnetic
Resonance Imaging, Vol.29, No.7, pp.891-898 (2011).
[9]
加藤拓哉, 関野正樹, 松崎大河, 西川敦, 齋藤洋一,
大崎博之: “経頭蓋磁気刺激用の偏心 8 字コイルの回
路定数と脳内渦電流分布の数値解析,” 生体医工学,
Vol.50, No.1, pp.180-188 (2012).
大久保哲・関野正樹
Numerical Analyses of Electromagnetic Fields in
Biological Bodies
T. OOKUBO and M. SEKINO
生体内に発生する電磁界の分布を求めることは、電磁
界を用いた診断や治療の基礎研究や、脳機能の解析にお
いて重要である。MRI における高周波電磁界の数値解析
を行った結果、超電導マグネットの磁界強度が増加する
につれて、高周波電磁界の分布に顕著な不均一が現れる
ことを示した。また、磁性微粒子を利用して、がん転移
に関与するリンパ節を特定するセンサを開発するため、
数値解析による基礎検討を行っている。
Analyses of electromagnetic fields in biological bodies are
important for basic studies of diagnostic or therapeutic
methods using electromagnetic fields, and analyses of brain
function.
Numerical
analyses
of
high-frequency
electromagnetic fields in MRI showed that an increase in
main static field strength causes inhomogeneous distributions
of the high-frequency fields. We are carrying out analyses on
sensing of magnetic particles in the human body. The study
will lead to the development of an equipment for detecting
lymph nodes related to metastasis.
国際会議論文
[10] M. Sekino, T. Kato, T. Matsuzaki, A. Nishikawa, Y.
Saitoh and H. Ohsaki: “A novel coil design for
194
transcranial magnetic stimulation,” 33rd Annual Meeting
of the Bioelectromagnetics Society, Halifax, Canada,
PA-81 (2011).
道上勉, 田原紘一 編集: 電気データブック) 朝倉
書店, (全 520 ページ, 分担 465-469 ページ) (2011).
シンポジウム・研究会・大会等発表
[11] T. Kato, M. Sekino, T. Matsuzaki, A. Nishikawa, Y.
Saitoh and H. Ohsaki: “Fabrication of a prototype
magnetic stimulator equipped with an eccentric spiral
coil,” 33rd Annual International Conference of the IEEE
Engineering in Medicine and Biology Society, Boston,
USA, No. 1122, pp. 1985-1988 (2011).
[21] 岡田旭央, 西川敦, 福島大志, 宮崎文夫, 関野正樹,
安室喜弘, 松崎大河, 細見晃一, 齋藤洋一: “在宅型
rTMS 治療のための磁場誘導システムの開発－ドロ
ネー分割を用いた誘導に必要なデータ収集の簡易
化－,” 第 50 回日本生体医工学会大会 P2-1-1, pp.
177 (2011).
[12] M. Sekino, H. Ohsaki and H. Wada: “Novel
superconductor configurations for MRI magnets,” 24th
International Symposium on Superconductivity, Tokyo,
Japan, SA-28-INV, pp. 153 (2011).
[22] 加藤拓哉, 関野正樹, 西川敦, 齋藤洋一, 大崎博之:
“経頭蓋磁気刺激用コイルの電磁特性の数値解析,”
第 50 回日本 生体医工学 会 大会 P3-1-7, pp. 273
(2011).
[13] T. Kato, M. Sekino, T. Matsuzaki, A. Nishikawa, Y.
Saitoh and H. Ohsaki: “Electromagnetic characteristics
of eccentric figure-eight coils for transcranial magnetic
stimulation: A numerical study,” 56th Annual
Conference on Magnetism and Magnetic Materials,
Scottsdale, USA, No. 111, pp. 07B322 (2011).
[23] 関野正樹, 加藤拓哉, 松崎大河, 西川敦, 齋藤洋一,
大崎博之: “偏心 8 字巻線からなる経頭蓋磁気刺激用
コイルの試作,” 第 26 回日本生体磁気学会大会, No.
P1-47 (2011).
[24] 加藤拓哉, 関野正樹, 松崎大河, 西川敦, 齋藤洋一,
大崎博之: “経頭蓋磁気刺激用の偏心 8 字形コイルの
回路定数と脳内渦電流分布の数値解析,” 生体医工
学シンポジウム, No. 2-7-4 (2011).
[14] M. Sekino, T. Kato and H. Ohsaki: “Coil design for
magnetic brain stimulation,” International Symposium
on Secure-Life Electronics, Tokyo, Japan, No. 3-8
(2012).
[25] 安室喜弘, 荻野達也, 冬木正彦, 西川敦, 関野正樹,
松崎大河, 細見晃一, 齋藤洋一: “磁気刺激治療のた
めの画像計測による３次元トラッキングシステム,”
生体医工学シンポジウム, No. 2-8-5 (2011).
[15] A. Miyazoe, M. Sekino, T. Kiyoshi and H. Ohsaki:
“Magnetic field distribution generated by screening
current flowing in coated conductor,” 22nd International
Conference on Magnet Technology, Marseille, France
(2011).
[26] 阿部欣史, 関野正樹, 深澤有吾, 八尾寛, 大崎博之,
久恒辰博: “Opto-fMRI を用いたラット海馬の機能解
析,” 第 39 回日本磁気共鳴医学会大会, No. P-1-14
(2011).
[16] Y. Terao，N. Okajima, M. Sekino, H. Ohsaki, H. Teshima
and M. Morita: “Magnetization characteristics of
multiple bulk superconductors for higher field
applications,” Superconductivity Centennial Conference
(EUCAS-ISEC-ICMC), Den Haag, Holland, A462
(2011).
[27] L. Quéval, M. Sekino and H. Ohsaki: “A phase-domain
model for superconducting synchronous machines,” 第
84 回春季低温工学・超電導学会, 2A-a03, pp. 91
(2011).
[17] Y. Terao，M. Sekino and H. Ohsaki: “Electromagnetic
design of 10 MW class fully superconducting wind
turbine generators,” International Conference on Magnet
Technology, Marseille, France, 4EP2-3 (2011).
[28] L. Quéval, M. Sekino and H. Ohsaki: “Modeling of
grid-connected
superconducting
synchronous
machines,” 第 85 回秋季低 温工学・超 電 導学会,
2P-p09, pp. 126 (2011).
[18] L. Quéval, M. Sekino and H. Ohsaki: “A coupled FE
phase-domain model for superconducting synchronous
machine,” 22nd International Conference on Magnet
Technology, Marseille, France, 2EP5-5 (2011).
[29] 宮副照久, 中西泰章, 関野正樹, 大崎博之, 木吉司:
“複数のイットリウム系超電導線材内に発生する遮
蔽電流が生み出す磁場分布とその時間変化,” 第 84
回春季低温工学・超電導学会, 3C-a04 (2011).
[19] H. Ohsaki, Z. Lv, M. Sekino and M. Tomita:
“Application of superconducting power cables to DC
electric railway systems,” Superconductivity Centennial
Conference (EUCAS-ISEC-ICMC), Den Haag, Holland,
4-LA-O8 (2011).
[30] 寺尾悠, 関野正樹, 大崎博之: “10MW 級全超電導風
力発電機の電磁特性,” 第 85 回秋季低温工学・超電
導学会, 2P-p08, pp. 125 (2011).
[31] 寺尾悠, 関野正樹, 大崎博之, 手嶋英一, 森田充:
“複数積層させたタイル状バルクの着磁特性,” 第 84
回春季低温工学・超電導学会, 2P-p33, pp.152 (2011).
著書
[32] クッデイス・モハンマッド・ラシド, 関野正樹, 大
崎博之: “円形超電導界磁コイルを用いた大型風力
[20] 関野正樹: 医用電子, (桂井誠, 高橋一弘, 宅間董,
195
発電機の電磁設計,” 第 84 回春季低温工学・超電導
学会, 2A-a01 (2011).
[33] 中西泰章, 宮副照久, 関野正樹, 大崎博之: “高温超
電導コイル用巻線機の開発とコイル試作,” 第 85 回
秋季低温工学・超電導学会, 1P-p28 (2011).
[34] 蛭川倫行, 関野正樹, 大崎博之, 福本祐介, 富田優:
“大型リング状バルク超電導体のコンパクト NMR
への応用可能性,” 第 85 回秋季低温工学・超電導学
会, 1P-p11 (2011).
[35] 呂 臻，山田正博，関野正樹，大崎博之，富田優: “直
流き電鉄道システムへの超電導ケーブルの適用可
能性に関する解析,” 第 85 回春季低温工学・超電導
学会, 1P-p37 (2011).
[36] 呂 臻，関野正樹，大崎博之，富田優: “直流き電鉄
道システムへの超電導ケーブルの適用可能性に関
する解析,” 第 85 回秋季低温工学・超電導学会，
2P-p05 (2011).
196

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