プロジェクト⑤

[3.5.1]
研究開発
レ タ ー
巨大津波の規模推定に関する基礎的検討
学生員
千葉
一生＊
正
員
作田
正
三枝
健二＊
正
員
泉
員
幸憲＊
隆＊
A Basic Examination of Estimate of the Magnitude of Mega TSUNAMI
Kazuo Chiba＊, Student Member, Yukinori Sakuta＊, Member,
Kenji Saegusa＊, Member, Takashi Izumi＊, Member
（2012 年 1 月 26 日受付，2012 年 3 月 5 日再受付）
We examined to detect magnitude of TSUNAMI by the T-wave generated from earthquake. We presumed traveling underwater
acoustic wave model of the Tohoku-Pacific Ocean Earthquake, and calculated the sound pressure level in the seismic center was
252 dB (0 dB = 1 µPa). If TSUNAMI happens near Japan, arriving T wave should be attenuated less than 55 dB by propagation loss.
キーワード：東北地方太平洋沖地震，津波，T 波，音圧レベル
Keywords：Tohoku-Pacific Ocean Earthquake, TSUNAMI, Tertiary-wave, sound pressure level
1.
本稿では，海中の音波伝搬を音線理論で表現し(3)，震源地
まえがき
東日本大震災は日本における観測史上最大級の地震であ
より放射された T 波の伝搬モデルを推定することから，T
り，続く巨大な津波により多くの人命や設備，財産が失わ
波を日本沿岸近傍で受信することを検討した。海中音波の
れた。せめて地震発生時に，迅速かつ正確に津波の規模が
伝搬速度 C は Leroy によって次式で示されている。
判れば，対処する術もたてられると思われる。
日本近海で発生する巨大津波は海底で生じる地震に起因
するため，地震による岩盤の破壊音を捕えることができれ
ば，津波の規模に関する情報が得られるのではないかと考
C = 1492.9 + 3 (T −10) − 6･10-3 (T−10)2 − 4･10-2 (T −18)2
+ 1.2･(S･0.1− 35) − 10-2 (T −18) (S･0.1− 35) + Z / 61
............................................ (１)
えた。そこで，本稿では巨大津波の発生に係わる岩盤の破
但し，C；音速 [m/s]，T；水温 [℃]，S；塩分濃度
壊音の検出について検討した。
[%]，Z；水深 [m]
2.
本
T 波の伝搬速度は，水温・塩分濃度・水深に依存するため
論
2011 年 3 月 11 日の東北地方太平洋沖地震発生の際に，岩
盤の破壊音は国内では釧路・十勝沖にある海洋研究開発機
構（JAMSTEC）の深海底総合観測ステーションによって取
(1)
東北地方太平洋沖地震の震源地とほぼ同緯度の海中のプロ
ファイルデータを用いて，(１)式より算出した。
Fig.1 は水深に対する T 波の伝搬速度特性と，計算に用い
得されていた 。また，国外でも米国・太平洋海洋環境研究
たプロファイルデータを併せて示している。Fig.1 より，水
所（NOAA）がアリューシャン列島沖に設置した音響監視シ
深が約 1 km まで水温の下降に伴い伝搬速度は低くなる傾向
(2)
ステムによって取得していた 。
にあり，更に水深が大きくなると水圧が主因と思われるが，
ハイドロフォンを通じて水圧の変化として記録された波
伝搬速度は上昇に転じていることが分かる。
形は，地殻内部を表面波として伝搬した地震波（P 波）と岩
盤の破壊音が海中を伝搬した T 波によって構成されていた。
アリューシャン沖で取得された T 波は地鳴りのような低周
波数でハイドロフォンの最大受波音圧を超えるほど大きく，
更に，P 波に比べ受信継続時間が長いという特徴があった。
＊
日本大学理工学部電子情報工学科
〒274-8501 千葉県船橋市習志野台 7-24-1
Department of Electronics and Computer Science, College of
Science & Technology, Nihon University
7-24-1, Narashinodai, Funabashi, Chiba 274-8501, Japan
Fig. 1.
© 2012 The Institute of Electrical Engineers of Japan.
付-199
Underwater acoustic wave speed vs. the depth.
津波の規模推定に関する基礎的検討（千葉一生，他）
Angle of radiation [deg]
Table 1.
Fig. 2.
Various parameters at the tsunami arrival places.
Place
Souma
Miyako
Tokachi
Aleutian
Islands
Distance* [km]
110
130
464
1500
Loss [dB]
50
51
56
61
TTW [minute]
1.2
1.5
5
15
Ttsuna* [minute]
4
15
55
180
* value of Meteorological Agency(4), Loss: propagation loss, Ttw:
presumed arrival time of T-waves, Ttsuna: arrival time of tsunami
The T-wave traveling paths by radiation angles.
東北地方太平洋沖地震の震源地は，
海抜 − 5350 m にあり(2)，
について， T 波の伝搬損失と到達時間を検討した結果を
音線は海底面の水平方向を基準としたいくつかの放射角
Table 1 に示す。場所は相馬市，宮古市，十勝沖，アリュー
（垂直方向が 90 deg）についてスネルの法則を用いて算出し
シャン列島の 4 つを取りあげ，T 波の伝搬損失と到達時間
た。Fig.2 に計算結果の一例を示す。なお，T 波の伝搬速度
は，震源地と各場所間の距離を直線で近似し算出した。
は場所を問わず一定であり，海面・海底によって全反射さ
Table 1 より，相馬市，宮古市の震源地からの距離は共に
れるとした。この図から，放射角の増加に伴い，音波は海
150 km 以内であり，T 波の到達時間は 2 分以内であること
面・海底間の反射を繰り返すため伝搬距離が伸びることが
がわかる。更に，相馬市，宮古市の伝搬損失は十勝沖より
確認され，アリューシャン沖で T 波が長時間継続して取得
5 dB 少なく，到達した T 波の音圧レベルは 200 dB を超えて
された理由がこれに起因すると解釈した。放射角 0.1 deg の
いると予想される。次に，アリューシャン列島に関する震
場合の，水平方向の直線距離 R と伝搬距離 R' を算出した結
源地からの距離は，十勝沖に比べ 3 倍大きく，この距離に
果，R = 455 km，R' = 464.3 km と，伝搬距離は直線距離に比
より生じる伝搬損失から音圧レベルは 191 dB であったと推
べて約 2 %増加している。この距離差における T 波の到達時
定される。また，津波と T 波の到達時間に着目すると，震
間の遅れは，約 6 秒であると予想される。
源地からの距離が同程度である相馬市と宮古市の T 波の到
次に，伝搬距離 R' に起因する伝搬損失を推定した。
達時間差は少ないが，津波の到達時間に大きな差があるこ
海中音波の伝搬損失は，拡散損失と減衰損失の二つに分
とが判る。これは，T 波の伝搬速度は水深に依存する変化が
(3)
けられる 。先ず，拡散損失については，音源で発生した音
少なく約 1.5 km/s であるのに対して，津波の伝搬速度は水深
響パワーは全ての方向に均一に放出されるが，直線距離 R
に強く依存し変化するためであると思われる(5)。
が最大水深に対して非常に大きいため，伝搬経路は海面と
津波はプレート境界の断層運動によって発生するため(4)，
海底に蓋をされた円筒状拡散であるとみなした。このとき，
日本近海で発生した巨大津波を誘発するような地震による
伝搬距離 R' [m] における拡散損失 TL は，音源からの距離
T 波を沿岸部の数箇所の海中でハイドロフォンを用いて観
R0 = 1 m を基準として次式で示される(3)。
測することを想定すると，十勝沖と同等の 55 dB 程度の伝搬
損失は生じるが，集音できることが推定された。
TL = 10･log(R' / R0) [dB] ......................................... (２)
3.
む す び
減衰損失は海中に溶けているイオンの緩和現象によって
以上のことより，十勝沖観測システムによって取得され
音圧レベルが低下する現象であり，Thorp によると海水の減
た音圧レベルから，震源地の持つ音圧レベルは低くとも
衰損失 α は，f を音波の周波数 [kHz] として次式で示される。
252 dB (0 dB = 1 µPa) であると推定された。

α =  3.01 × 10−4 +

今回の検討から，日本近海で発生する津波を伴う海底地
43.7
0.109  2
−3
[dB/m]
+
 f ⋅ 10
4100 + f 2 1 + f 2 
震が 200 海里（370 km）以内の海域にあるとしたとき，沿
岸部で取得できる岩盤破壊音は，伝搬損失による 55 dB 以内
........................................... (３)
の減衰は生じるが，受信できる可能性があると考えられる。
(２), (３)式より震源地 -十勝沖間対する各損失を見積もっ
今後は音圧レベルと震源地との距離から津波規模の推定
た。なお，アリューシャン沖で取得された音波は低周波数
について検討する予定である。なお，本研究は日本大学の
であったため，f = 0.02 kHz として算出した。結果は，拡散
東日本大震災復興支援研究プロジェクトの下に実施された。
損失 TL = 56 dB，全減衰損失 α ･R' = 0.02 dB と拡散損失が支
配的であることが判った。
震源地から放射された T 波の音圧レベル P は，各損失結
果と，十勝沖で取得された T 波の音圧レベル 196 [dB]
(0 dB = 1 µPa)(1)より， P ≒252 [dB] であると推定された。な
お，海底・海面の反射による損失を無視したため，実際は
この音圧レベルより大きいことが予想される。
これより東北地方太平洋沖地震の津波被害を受けた場所
文
献
(１) JAMSTEC, http://www.jamstec.go.jp/scdc/
(２) “NOAA Honshu Japan 9.0 earthquake”, http://www.pmel.noaa.gov/vents/
acoustics/seismicity/pacific/japanmar2011.html
(３) R. J. ユーリック：水中音響の原理，pp.100-111，共立出版 (1978)
(４) “Japan Meteorological Agency”, http://www.jma.go.jp/jp/tsunami/floodtide
_04_20110311145046.html
(５) 冨永政英：海洋波動－基礎理論と観測結果－，p.521，共立出版 (1976)
IEEJ Trans. FM, Vol.132, No.10, 2012
付-200
[3.5.2]
A Basic Examination of Estimating the Magnitude of
TSUNAMI by T-wave
Kazuo Chiba
Yukinori Sakuta, Kenji Saegusa and Takashi Izumi
Graduate Shool of Science and Technology
Nihon University
7-24-1 Narashinodai Funabashi Chiba 274-7501, Japan
[email protected]
College of Science and Technology
Nihon University
7-24-1 Narashinodai Funabashi Chiba 274-8501, Japan
[email protected]
Abstract—Paying attention to the sound of breaking sea bottom
depending on the magnitude of TSUNAMI, we examined the
acquisition of a sea sound wave at Japan waters. We considered
the traveling route of the sea sound wave radiated from the
hypocenter of the Tohoku-Pacific Ocean Earthquake, and
estimated the propagation loss, which has a characteristic that
the diffusion loss depending on distance is dominant. Thus, the
sound pressure level of the hypocenter was presumed being at
least 252 dB. (0 dB = 1u Pa). A sea sound wave radiation from
the earthquake with the tsunami in Japanese waters is expected
to attenuate the receiving about 55 dB at an area along the shore.
Keywords-component; Tohoku-Pacific Ocean
TSUNAMI, Teriary-wave, Sound pressure level
I.
Earthquake,
II.
THE TOHOKU-PACIFIC OCEAN EARTHQUAKE RADIATED
SEA SOUND WAVE
Table 1 shows the parameter of the Tohoku-Pacific Ocean
Earthquake on March 11, 2011 [2]. When the earthquake
occurred, the Long-Term Deep Sea Floor Observatory, which
is equipped by Japan Agency for Marine-Earth Science and
Technology (JAMSTEC) in Hokkaido, Japan, acquired the
breaking sound of a sea bottom collapse [3]. And, the sound
surveillance system which National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) of the U.S. installed in the Aleutian
Islands also caught this sound [4].
INTRODUCTION
The Tohoku-Pacific Ocean Earthquake was the largest
earthquake in Japanese history and its TSUNAMI gave the
damage to many people and facilities. At least, if the
magnitude of TSUNAMI had been calculated quickly and
accurate when the earthquake occurred, it would have been
refuge the longer time of TSUNAMI.
TABLE I.
Pacific
Ocean
THE PARAMETER OF THE HYPOCENTER IN THE TOHOKUPACIFIC OCEAN EARTHQUAKE [2]
Japan standard
time (JST)
Depth [km]
moment
magnitude (Mw)
14 : 46 : 18
24
9.0
38°322’N 142°369’E 11 March 2011
When an earthquake occurred, the hypocenter would emit
P waves, S waves and T waves. P waves and S waves of
arrival fast are propagated through the ground. But, from them,
it is not possible to calculate directly the magnitude of a
TSUNAMI.
Time [second]
So, if we get T waves that are dependent on the TSUNAMI
caused by a movement of the plate, we think that can estimate
a magnitude of TSUNAMI before an arrival of it.
In the Sumatra Earthquake, there were some examples of
testimony that the diver heard the roar of sea sound like an
earthquake [1].
A mega TSUNAMI would occur in Japan waters is caused
by an undersea earthquake. Therefore, when the breaking
sound of the sea bottom due to an earthquake can be caught,
we could estimate of magnitude of TSUNAMI. We examined
how the roaring sound travel accompanied with the mega
earthquake, and it’s TSUNAMI.
付-201
Figure 1.
The acquired sound wave in the Aleutian Islands
(sound has been sped up 16 times) [4]
Sound pressure
level [Pa]
Time [minute]
Figure 2.
The acquired sound wave in the offing of Tokachi [3]
Figure 3.
The propagation speed vs. the depth
Figure 1 shows the waveform about the change of water
pressure through the hydrophone in the Aleutian Islands. The
first wave group was consisted of the seismic waves (P wave),
which travel the sea bottom as a surface wave. The second
wave group was T waves, traveling with the sound of breaking
sea bottom. T waves have following futures: the maximum
sound pressure level of the hydro-phone, the longer
continuation time compared than P waves, and the low
frequency waves like the roar.
Next, Figure 2 illustrates the sound waves; the mixture of P
waves and T waves, acquired at the maximum sound pressure
level was  6000 Pa.
III.
Figure 4.
The propagation route of sound wave in a sea
Figure 5.
The traveling underwater acoustic wave model
THE PROPAGATION ROUTE OF THE SEA SOUND WAVE
We presumed the propagation route of T wave, which were
radiated from the hypocenter in a sea using sound ray theory.
We also examined a process that T waves traveled to near the
Japan waters.
The propagation speed C of a sea sound wave is defined as
speed which is dependent on water temperature, salinity
concentration, and depth of water. It’s shown by the following
expression of Leroy [5].
C= 1492.9  3(T  10)  6 10 3 (T  10) 2  4 10 2 (T  18) 2
 1.2( S  0.1  35)  10  2 (T  18)  ( S  0.1  35)  Z / 61
(1)
where, C is the speed of sound [km/s], Z is depth of water
[km], T is temperature of a sea [C], S is salinity concentration
[%]
The propagation speed C was calculated from the formula
(1) using the parameter in the sea of the same latitude as the
hypocenter of the Tohoku-Pacific Ocean Earthquake. Figure 3
shows that both the profile data used for the calculation and
characteristic propagation speed C are dependent on the depth
in a sea.
We acknowledged the following two phenomena 1) if the
depth is up to 1 km, the propagation speed C decreases with
declining water temperature; and 2) when deeper than it, the
propagation speed is rising due to the water pressure level.
The hypocenter of the Tohoku-Pacific Ocean Earthquake
was at the depth of -5.35 km [2]. By using Snell’s law, we
calculated the sound ray, illustrating a sound route in a line,
from plural angles of emission, setting seafloor surface as
standard. (Vertical direction is 90 deg perpendicularly.)
Figure 4 represents the cross-sectional view of a sound
ray model. The propagation speed of T wave is set as same
value of Figure 3. We presupposed that total reflection of a
sound wave occurs between a sea bottom and a surface.
Figure 5 shows an example of the calculation result. Two
the scales vary in order to make the periodicity clear. Since a
sound wave reflection more repeatedly with the increase in an
angle of radiation, a propagation distance got extended. Thus,
T waves have characteristic of the longer continuation time
than P waves.
In this paper, we calculated a distance of horizontal line R and
propagation line R', in order the condition of 0.1 deg in the
radiation angle. Each result was R = 455 km, and R’=464.3 km.
付-202
TABLE II.
Thus, propagation distance R' was increased by about 2%
compared with a straight line R. From this distance difference,
it is expected that the time delay of T waves ware about 6
seconds.
IV.
propagation
distance [km]
464.3
diffusion
loss[dB]
56
THE PROPAGATION LOSS OF A SEA SOUND WAVE
TABLE III.
First, the diffusion loss means to emit uniformly a sound
power in all the angles. But, distance of the straight line R was
match longer than the maximum depth of the sea. So, a range
of a propagation course was considered the cylindrical
diffusion between a sea bottom and a surface.
TL along with propagation distance R'[m] is shown by the
following formula setting the standard of distance R0=1 m
from a sound source.
TL=10  log (R’ / R0) [dB]
(2)
Second, the attenuation loss shows that a sound pressure
level declines due to the relaxation phenomena of the ion
which has dissolved into the sea. Thorp formulated the
attenuation loss of sea water as follows.
43.7
absorption
loss[dB]
0.02
sound pressure
level* [dB]
196
*the basis of sound pressure level 1μPa (=0dB)
We estimated the propagation loss resulting from it’s
distance R'. The loss of a sea sound wave is divided into two:
the diffusion loss (TL) and attenuation loss (α) [5].

THE PROPAGATION LOSS AND SOUND PRESSURE LEVEL AT
OBSERVATION SYSTEM (TOKACHI)
VARIOUS PARAMETERS AT THE TSUNAMI ARRIVAL PLACES
Place
Souma
Miyako
Distance* [km]
110
130
Loss [dB]
50
51
TTW [minute]
1.2
1.5
Ttsuna* [minute]
4
15
Place
Tokachi
Aleutian Islands
Distance* [km]
464
1500
Loss [dB]
56
61
TTW [minute]
5
15
Ttsuna* [minute]
55
180
*value of Meteorological Agency [6], Loss: propagation loss,
Ttw: presumed arrival time of T waves, Ttsuna :arrival time of TSUNAMI
0.109 
 f 2 10 3
   3.0110  4 

4100  f 2 1  f 2 

[dB/m]
where, f is frequency of a sound wave [kHz]
(3)
From the formula (2) and (3), we calculated each values
of loss between the hypocenter and the offing of Tokachi.
Since the sound wave in the Aleutian Islands was low
frequency waves, we computed f to be 0.02 kHz.
The result is shown in Table Ⅱ . We turned out that a
diffusion loss is dominant with this example. Moreover, from
the maximum sound pressure level in Figure 2, a sound level L
at offing of Tokachi was 196 [dB] (0 dB = 1u Pa).
V.
THE HYPOCENTER HAS THE SOUND PRESSURE LEVEL OF
T WAVE
Figure 6.
The sound power (P) in the hypocenter was calculated
from each loss result and the maximum sound pressure level
(L).
P = L + TL + α  R'
[dB]
(4)
As a result, we presumed P to be 252 [dB]. As this value
disregarded a reflection loss between a sea bottom and a
surface, we expected the actual sound pressure level was larger
than the calculation value P.
VI.
The plate boundary side of Japanese waters [8]
ARRIVAL IN THE JAPANESE AREA ALONG THE SHORE OF
T WAVE AND TSUNAMI
We focused on the place where the TSUNAMI of the
Tohoku Pacific Ocean Earthquake arrived. Table Ⅲ shows the
parameter of the distance, propagation loss and time, at four
different places. We calculated the propagation loss and arrival
time by the distance in a straight line between the hypocenter
and each place. Each distance and the arrival time of
TSUNAMI used the data of Meteorological Agency [6].
As the distance at both Soma and Miyako was which than
150 km and the arrival time of T waves was which than 2
minutes, the propagation loss was lower than that of Tokachi
付-203
by about 5 dB. So, we estimated that the arrival sound pressure
level of T wave was over 200 dB.
Next, the distance of the Aleutian Islands was 3 times as
long as that of Tokachi. Thereby, the sound pressure level was
presumed 191 dB.
Finally, we paid attention to the arrival time of TSUNAMI
and the T waves. Though the values of Myako and Souma are
close in distance, Miyako took match longer time for
TSUNAMI to reach comported with Souma. The propagation
speed of TSUNAMI is strongly depending on the sea depth, on
the contrary, the propagation speeds of T waves are almost
unchanging about 1.5 [km/s] regardless of depth [7].
Acknowledgment
We have had the support and encouragement of the TohokuPacific Ocean Earthquake Reconstruction Assistance Project
of Nihon University.
REFERENCES
[1]
VII. ABOUT ACQUISITION OF T WAVE AT THE TIME OF
TSUNAMI GENERATING IN JAPANESE WATERSC
[2]
Generally, TSUNAMI originates from the movement of the
plate [7]. The earthquakes which induce the mega TSUNAMI
at Japanese waters will take place at less within 200 nautical
miles from it.
[3]
[4]
Figure 6 illustrates the plate borders around Japan [8].
Considering the estimated ranges of the hypocenter regime, the
maximum propagation loss of T waves is predicted to be about
55 dB, which is equivalent to the value in Tokchi.
[6]
[5]
[7]
[8]
VIII. CONCLUSION
These calculate lead to clarify the following results:
1) The sound pressure level at the hypocenter of the TohokuPacific Ocean Earthquake was estimated to be 252 dB (0 dB =
1u Pa) or lower.
2) T waves have arrived more quickly than the TSUNAMI.
The maximum propagation loss observed at hypocenter of the
earthquake is 55 dB in estimation. So, there is a possibility of
obtaining enough in Japan waters if this is a mega TSUNAMI.
Our future work is to investigate how correlate with the
magnitude of TSUNAMI.
付-204
Example of diver who heard the sound of the earthquake in the sea.
http://www.hushigi.com/tsunami/2.html
Japan Meteorological Agency
http://www.nga.gr.jp/news/H230409saigai_puresu.pdf
JAMSTEC http://www.jamstec.go.jp/scdc/
NOAA Honshu Japan 9.0 earthquake, http://www.pmel.noaa.gov/vents/
acoustics/seismicity/pacific/japanmar2011.html
R.J Urick, “Principles of Underwater Sound for Engineers, “ Kyoritsu
Shuppan, 100-p111, (1978) [in japanese].
Japan Meteorological Agency
http://www.jma.go.jp/jp/tsunami/floodtide_04_20110311145046.html
Masahide Tominaga, “Oceanography –basic theory and the observation
point-, “ Kyoritsu Shuppan, p521, (1976) [in japanese].
http://bousai-jishin.com/quake.html
[3.5.3]
論 文
地中亀裂のマイクロ波伝搬損の基礎検討
三枝 健二† a)
細野 浩二††
雨海 貴大†††
高野
忠†
A Fundamental Study on Microwave Propagation Loss through a Ground Crack
Kenji SAEGUSA†a) , Koji HOSONO†† , Takahiro AMAGAI††† , and Tadashi TAKANO†
あらまし 岩石が粉砕される際，マイクロ波が放射されることが発見されたことから，地震発生時にマイクロ
波が放射されることが予想されている．それが検出されるためには，地中に亀裂が入った場合のマイクロ波の伝
搬損が重要となる．本研究は，地中亀裂のマイクロ波伝搬特性を，実験及び解析により解明することを目的とす
る．基礎検討として，亀裂の断面形状を方形と仮定したモデル実験系を構築して，地中亀裂のマイクロ波伝搬損
を反射法により測定した．検討周波数は 2 GHz，亀裂断面寸法は 110 mm × 55 mm，220 mm × 220 mm とし
た．これに対して FDTD 法による数値解析を行い，測定値と比較した結果，良好な一致が得られた．次に同じ
解析法を用いて，亀裂の断面寸法，土壌の含水比，曲りや励振波源を変化させて，伝搬特性を検討した．その結
果，地中亀裂の伝搬損は波長の 98 倍程度の亀裂寸法であれば極めて小さくなり，地震発生時に地中亀裂を伝搬
して地表から放射されるマイクロ波を，人工衛星が受信し得ることが示された．
キーワード
土壌，亀裂，伝搬損，マイクロ波，地震
しかし，水分を含んだ土壌のマイクロ波伝搬損は非
1. ま え が き
常に大きく，地中の岩石より放射された電波が地表ま
静的な圧力により岩石を破壊する際，マイクロ波が
で到達するとは考えにくい．むしろ電波は，地中では
放射されることが，世界で初めて発見された [1]．そ
亀裂内を通って伝搬すると考えられる．この伝搬モー
の際に測定された電波の周波数は 300 MHz，2 GHz，
ドは，電波が地表の断層に沿って観測されている [3]
22 GHz の 3 波である．地震時には岩石が破壊される
ことからも予想される．そこで本論文では，地中亀裂
ので，この結果から，マイクロ波が地震時に大地より
内の電波伝搬特性を実験及び解析的に明らかにする．
放射されることが予想される．そこでそのマイクロ波
更に地中亀裂内を伝搬して地表から放射されるマイク
を，地球を周回している人工衛星がキャッチしている
ロ波を，人工衛星が受信する可能性について検討を行
かを検討するため，過去に起こった地震と受信マイク
う [4], [5]．
ロ波の関係性を調査した．その結果，地震直前の数日
本検討対象の地中亀裂と同じように，損失性媒質に
間から地震発生までの間に人工衛星は通常時と異なっ
囲まれた空間であるトンネルにおいては，電波伝搬の
たマイクロ波を受信しており，マイクロ波の放射と地
検討が多数行われている [6]∼[8]．しかし，寸法が波
震発生に相関性があることが明らかになった [2]．
長程度から数 100 波長にわたっているものの，断面形
状が円や方形かつ長手方向に真っすぐである場合に限
†
日本大学理工学部電子情報工学科，船橋市
られ，周囲の媒質の tan δ も小さいなど条件が限定さ
Department of Electronics and Computer Science, Col-
れてしまう．そこで，本研究では FDTD 法を使用し
lege of Science and Technology, Nihon University, 7–24–1
Narashinodai, Funabashi-shi, 274–8501 Japan
††
本論文では，基礎検討として，断面が方形で短い亀
ジェイ・アール・シー特機株式会社，横浜市
JRC Tokki Co., Ltd., 3–2–1 Shinyoshidahigashi, Kohoku-ku,
Yokohama-shi, 223–8572 Japan
†††
て，より一般的に解析することとする．
破壊実験でマイクロ波放射が観測され，かつ実験が行
東日本電気エンジニアリング株式会社，東京都
Total Electric Management Service Co.,
Ltd.,
2–26–6
Higashinihombashi, Chuo-ku, Tokyo, 103–0004 Japan
a) E-mail: [email protected]
電子情報通信学会論文誌
裂が生じている場合の伝搬損を考える．周波数は岩石
いやすいことから 2 GHz とする．まず，地中亀裂の伝
搬損の測定を行う．これを 2. で述べる．次に FDTD
c 一般社団法人電子情報通信学会 2012
B Vol. J95–B No. 10 pp. 1364–1371 付-205
論文／地中亀裂のマイクロ波伝搬損の基礎検討
法により解析し，両者の比較を 3. で行う．亀裂の断面
寸法が大きい場合は実験が困難なため，解析により特
性を求める．この断面寸法を大きくした場合や励振波
源が変化した場合，土壌含水比が変化した場合，土壌
亀裂が折れ曲がった場合の損失特性について解析によ
る検討を行う．この検討結果を 4. で述べる．最後に，
人工衛星で受信可能とする最小亀裂寸法の検討結果に
ついて 5. で述べる．
2. 土壌亀裂内の伝搬損測定
2. 1 測 定 原 理
本節では土壌亀裂内の伝搬損の測定原理について述
べる．伝搬損は，亀裂内に電波を入射し，その透過波
Fig. 1
を測定することにより得られる．しかし，伝搬路長を
十分確保しようとすると，測定装置が大規模となる．
図1 測定原理
Principle of the measurement.
そこで，ここでは図 1 に示すように伝搬路途中に金属
Γ は金属板が地表面に存在するときの反射波 E0 を測
板を挿入し，伝搬路長が半分となるようにした．反射
定し，E0 を用いて
に伴うモード変換は無視できる．なお亀裂内には，通
Γ =−
常の空気のみ存在する．
図 1 に示すように，信号発生器からの電波を，導波
管（TE10 モード）等を通して亀裂へ入射する．亀裂
への入射波 Ei はまず地表の境界面で一部 E0 として
反射する．そして，残りの電力の透過波は距離 d を伝
E0
E0
(3)
と求められる．これより，伝搬損は次式により求める
ことができる．このように三つの測定値により，亀裂
内のみの電波伝搬損が求められる．
搬した後，底面の金属板で反射し，再び距離 d を伝
Loss [dB/m] =
搬し地表面に到達する．この到達波が境界面で透過し
20 log10 e−2γd 2d
(4)
た波を E1 とする．また反射した波は再び亀裂中を伝
2. 2 実 験 装 置
搬し，底面の金属板で反射し，境界面で透過した波が
土壌亀裂内の伝搬損の測定を行うために，図 2 (a)，
E2 として地表に現れる．これを順次繰り返し，地表
(b) の実験装置を製作した．アクリル板（10 mm 厚）
の境界面において入射方向と逆方向に伝搬する波はそ
で構成した土壌容器の中央に角柱の発泡スチロールを
れぞれ
設置し，断面が方形の亀裂を模擬している．亀裂の断
面寸法は，110 mm × 55 mm，220 mm × 220 mm の
E0 = Γ Ei
2 種とした．ここでは前者を基本モデル，後者を広モ
E1 = −(1 − Γ 2 )e−2γd Ei
(1)
デルと呼ぶこととする．導波管入口・同軸導波管変換
E2 = −Γ (1 − Γ 2 )e−4γd Ei
器での反射波と亀裂を伝搬した反射波とは，タイム
..
.
ドメイン法で分離する．そのため，導波管の長さは
500 mm とした．広モデルの図 2 (b) は，高次モード
と求められる．ただし，Γ は地表境界面での反射係数，
発生を抑えるために導波管にはテーパをつけた．
同軸導波管変換器から導波管（WRJ-2）を通して，
γ は亀裂内の伝搬定数である．
式 (1) に記された各反射波をタイムドメイン法 [9] に
よって分離し伝搬損を求める．タイムドメイン法より，
−2γd
式 (1) 中の E0 と E1 を測定する．これから e
が
亀裂に電磁波を入射する．測定器にはネットワークア
ナライザを使用し，2. 1 に従って S11 にタイムドメイ
ン法を適用し，式 (2) 中の E0 ，E1 を求める．
土壌には適宜水分を含ませ，含水比を把握してお
次式のように求められる．
e−2γd =
−Γ E1
(1 − Γ 2 )E0
(2)
く．例えば含水比 58.4%では，土壌の複素誘電率は
34.5 − j1.2 である．この表皮の厚さは 30.61 mm なの
付-206
電子情報通信学会論文誌 2012/10 Vol. J95–B No. 10
Fig. 2
図 2 実験装置の構成（断面形状 a × b により分類）
Measuring equipment (classified by a cross section a × b).
で，図 2 (a) では電波が土壌を突き抜けない．図 2 (b)
は土壌が図 2 (a) と比較し薄くなり，土壌中の亀裂本
来の伝搬損から差異を生じるが，後述の解析によれば
その値は 1∼2 dB 程度であり，かつここでは解析法の
有効性を見ることを目的していることから，図 2 (a)
と土壌容器の断面寸法は同じとした．なお，それぞれ
の土壌容器の底面は金属板で終端している．
2. 3 測 定 結 果
土壌は本学船橋校舎グラウンドより採取し，それに
水分を加えて，基本モデルの測定では含水比 59.2%，
Fig. 3
広モデルでは 59.3%とした．なお，採取した土壌は関
図 3 伝搬損の測定結果
Measured results of propagation loss.
東ローム土が母材であるが他種の土壌が混ざっている
と考えられる．解析の際に土壌の複素比誘電率が必要
となるため，自由空間法 [10] を用いた実験により求
3. 土壌亀裂内の伝搬損の解析
めた．このときの含水比は 58.4%であり，複素比誘電
3. 1 解 析 条 件
率は 34.5 − j1.2 と得られた．周波数に対し E0 ，E1 ，
本節では FDTD 法を用いて，土壌亀裂内の伝搬損
E0 の測定結果から，式 (2) と式 (4) を用いて伝搬損
の解析を行う．このとき解析モデルを図 4 のように
を求め，その結果を図 3 に示す．横軸の測定周波数は，
設定した．亀裂断面の寸法 a × b は，実験と同様に
導波管（WRJ-2）の仕様周波数帯域としている．
110 mm × 55 mm（基本モデル）と 220 mm × 220 mm
これより 2 GHz における土壌亀裂内の伝搬損は，基
（広モデル）の 2 種であり，周波数は 2 GHz，セルサ
本モデルでは 50.1 dB/m，広モデルでは 10.7 dB/m
イズは 2 mm，吸収境界条件は Mur—1 次を使用した．
と得られた．このように，断面寸法が大きい場合，土
亀裂に基本モード（TE10 ）の電波が入射するように，
壌亀裂内の伝搬損は著しく低下することが確認され
伝搬方向垂直平面上の TE10 モードの電界分布を，複
た．また，いずれのモデルの断面寸法においても伝搬
数の点（7 × 7 の計 49 点）で y 偏波の線波源を設置
損は大きく，この断面寸法では地中深く発生したマイ
し，励振振幅を設定することによって近似した．y 偏
クロ波が亀裂内を伝搬するとは考えにくいことが確認
波であることから，a が偏波と垂直方向の寸法となり，
できる．
b が偏波と平行方向の寸法となる．また，土壌の複素
比誘電率は測定結果より 34.5 − j1.2 とした．
付-207
論文／地中亀裂のマイクロ波伝搬損の基礎検討
図 4 解析モデル
Fig. 4 Analytical model.
図 6 土壌含水比を変化させた場合の伝搬損
Fig. 6 Propagation loss vs. water content.
波の波源を考えればよい．そこで，ここでは 3. と同
様に亀裂内の電波伝搬方向を z として，y 偏波の検討
を行うこととした．また，他の解析条件も 3. を基本
とする．
4. 1 土壌含水比に対する依存性
地下では地下水の存在も考えられ，場所によって土
の含水率は異なると考えられる．そこで，土壌の含水
比が変化した場合の伝搬損の検討を行った．ここでは
実験に用いた土壌と異なるが，誘電率の含水比特性が
図 5 電界強度二乗平均値の伝搬距離変化
Fig. 5 Mean square value of electric field vs.
propagation distance.
明らかになっている関東ローム土 [11] を対象とする．
土壌の乾燥密度 = 0.6 と固定すると，含水比 30%，
40%，50%，60%の場合の複素比誘電率は，文献 [11]
伝搬損は，波源からの距離 200，400，600，800 mm
の式を用いてそれぞれ 3.17 − j0.12，4.39 − j0.22，
の位置における亀裂断面上の電界強度（Ey ）の二乗平
6.07 − j0.37，8.26 − j0.58 と得られる．亀裂の断面
均値を算出し，その値の伝搬距離に対する変化から評
寸法は 110 mm × 55 mm とし，土壌と含水比（すな
価した．
わち比誘電率）以外の解析条件は 3. と同様である．
3. 2 解 析 結 果
図 6 に解析結果を示す．これより，含水比が増加す
図 5 に各モデルに対する，電界強度二乗平均値の伝
るほど伝搬損は減少していることが分かる．これは，
搬距離変化を示す．これより，伝搬距離が増加するに
含水比に比例して土壌の比誘電率が増加し，亀裂を構
つれて，電界強度が減少することが確認できる．この
成する土壌壁の反射係数が大きくなり，土壌に侵入す
伝搬距離に対する電界強度の傾きが伝搬損となる．
る電磁波の量が減少したためであると考えられる．
基本モデルと広モデルの伝搬損は，各々45.4 dB/m，
なお，実験で用いた土壌の比誘電率は含水比 58.4%の
8.8 dB/m と得られる．この解析結果を 2. 3 の測定結
とき 34.5 − j1.2 であり，関東ローム土と比較すると
果と比較すると，値の差異は基本モデルで 4.7 dB/m，
比誘電率が高い．関東ロームは，土粒子が水分子が入
広モデルで 1.9 dB/m であり，ほぼ一致することが分
る程度の穴があちこちに開いている中空の球の形状を
かる．これにより解析の妥当性が確認できた．
しており，また，その粒子が多数集まって凝集体を形
4. 実験モデル以外の亀裂の数値解析
成している．そのため，同じ含水率の他の土粒子と比
本章では，上記実験モデル以外の亀裂内の伝搬損に
率は低い値を示すのである．そのため，実験で用いた
ついて解析的検討を行う．実際に発生する波源は種々
土壌の伝搬損は解析では 45.4 dB/m と得られ，図 6
の方向の偏波を有すると考えられるが，ポインティン
の含水比 60%のときの 85 dB/m と比較し低い値を示
グベクトルを考慮すると，電波の伝搬方向に垂直な偏
している．
較して多くの水を粒子の表面や間隙で拘束し，比誘電
付-208
電子情報通信学会論文誌 2012/10 Vol. J95–B No. 10
図 7 亀裂断面寸法を変化させた場合の伝搬損
Fig. 7 Propagation loss vs. cross sectional sizes of a
crack.
Fig. 8
図 8 励振波源を変化させた場合の伝搬損
Propagation loss vs. crack sizes for a single
line source.
4. 2 亀裂断面が大きい場合の伝搬特性
亀裂断面寸法の a を 110，220，330 mm，b を 55，
110，220，330，440 mm と変化させ，3. と同様に解
析を行った．亀裂の断面寸法を大きくするにあたって，
波源の数は 3. と密度が変わらないように増加した．た
だし，解析モデルの亀裂を囲む土壌について a 方向は
120 mm，b 方向は 148 mm の厚みを固定した．
解析結果を，等高線図の形で図 7 に示す．これによ
り，亀裂の断面寸法が 330 mm × 440 mm の場合伝
図 9 b 寸法を変化させた場合の伝搬損
Fig. 9 Propagation loss vs. size b.
搬損は 1.7 dB/m と得られ，寸法を大きくすると伝搬
損が著しく低下することが確認できる．また，寸法は
a よりも b において，伝搬損の影響が強いことが分
かる．
図 7 より，a 固定で b が増大した場合，または b 固
定で a が増大した場合でも伝搬損が低下することが確
認される．地震時の断層のずれで生じる亀裂の形状は，
縦長または横長と考えられる．したがって，地震によ
る電波は，地中亀裂内を伝搬することを示唆している．
4. 3 マイクロ波の励振波源が線状に集中している
場合
図 10
波源からの距離 800 mm 断面内電界強度分布
（a = 220 mm，b = 330 mm）
Fig. 10 Electric field distribution on the cross section
800 mm away from the sources (a = 220 mm，
b = 330 mm).
地震発生時に亀裂内に，どのようにマイクロ波が励
振されるかは不明である．3. のような基本モード入射
ではない場合，伝搬損について検討を行った．
解析モデルの寸法は 4. 2 の場合とほぼ同様に設定
し，波源は断面の中央に長さ 36 mm の単一線波源を
に示す．図 9 を見ると，b が 200∼440 mm の範囲に
設置している．解析結果を，等高線図の形で図 8 に示
おいて差異が生じている．
す．これを図 7 と比較すると，基本モード入射波源と
この差異の原因を確認するため，亀裂内電界強度分
単一の線波源の両場合は，伝搬損に差異が生じている
布を求めた．断面寸法 a = 220 mm，b = 330 mm と
ことが確認できる．
したときについて，波源からの距離 800 mm の位置に
両者を詳細に比較するため，a 寸法を 220 mm に固
おける分布を図 10 に示す．図 10 を見ると，単一線波
定し，b 寸法を変化させたときの伝搬損解析結果を図 9
源の場合，y 軸方向の上下に電界強度が強い部分が見
付-209
論文／地中亀裂のマイクロ波伝搬損の基礎検討
図 11 折れ曲がった土壌亀裂の場合の解析モデル一例
Fig. 11 Example of an analytic model for a bent
ground crack.
図 12 折り曲げ角度に対する伝搬損
Fig. 12 Propagation loss vs. a bent angle.
られ，亀裂内で高次モードが発生していることが分か
より，両者を比較すると yz 面内で折り曲げた場合に
る．これにより，伝搬損が増大すると考えられる．以
おいて伝搬損が増加したと考えられる．
5. 人工衛星で受信可能とする最小亀裂寸
上より，波源は亀裂内に基本モードを励振するように
発生する場合，伝搬損が低くなるといえる．
法の検討
4. 4 折れ曲がった土壌亀裂の場合
亀裂が真っ直ぐであるとは限らない．本節では，方
上述までの議論より，亀裂断面が大きいほど伝搬損
形断面の土壌亀裂が yz 面内，xz 面内で折れ曲がって
は低下する．そこで，どこまで大きくすれば，リモー
いる場合の伝搬損を求める．
トセンシングの人工衛星で受信可能であるか検討を
このときの解析モデルの一例を図 11 に示す．亀裂
行う．4. 2 で述べたように，寸法は a よりも b の方
断面寸法を a = 220 mm，b = 220 mm とし，波源か
が伝搬損への影響が強い．そこで 4. 2 の解析におい
らの距離 500 mm の位置から TE10 モードの電界方向
て，亀裂断面の寸法 a を 220 mm に固定し，b を更
に平行の yz 面内，電界方向に垂直の xz 面内でそれ
に大きく 600，700，1000，1500，1800，2000 mm と
ぞれ折り曲げた．折り曲げる角度 θ は 0 ，5 ，15 ，
変化させて伝搬損を求めた．図 13 にその結果を示す．
25◦ とした．また，ここでの波源は 3. と同じく基本
b = 2000 mm において，0.29 dB/m である．
◦
◦
◦
計算機能力の制限のため本解析はこの寸法までとし，
モード入射波源とした．まず，波源からの距離 200，
400，500，600，700，800 mm の位置における亀裂断
これ以上の寸法については図 13 のグラフの近似式よ
面上の電界強度（Ey ）の二乗平均値を求める．次に，
り類推することとした．文献 [12] より，断面が楕円の
その値の 500∼800 mm の伝搬距離に対する傾きから，
片側半分であるトンネルの伝搬損は，その断面積と等
伝搬損を求める．
しい面積をもつ円の半径を等価半径とすると，その等
以上の計算結果を，図 12 に示す．これより，yz 面
価半径の 3 乗に反比例する．これを考慮し，グラフの
内で折り曲げた場合，折り曲げ角度が大きくなると伝
近似式を A を任意の定数として式 (5) のように仮定
搬損が増加することが確認できる．しかし，xz 面内で
した．
折り曲げた場合，伝搬損の変化は微増であることが確
Loss [dB/m] ≈ 認できる．基本モードを平面波の重畳で表すと，真っ
すぐの状態では TE10 モードのみなので xz 面内で反
A
ab
π
32
(5)
射する 2 平面波により表されるが，曲がった状態では
A はトンネルの大きさが数波長以上である [12] こと
他成分が発生する．電波の電界（y 成分）と土壌界面
を考慮し，図 13 の結果において b が小さい部分を除
の関係は折り曲げ方向により異なる．すなわち，yz 面
き，b = 440 mm 以上の結果を用いて最小二乗法より
内で折り曲げた場合電波は土壌面へ TM 入射する成分
求めた．その結果，A = 0.018 と求められる．図中に
が発生するが，xz 面内で折り曲げた場合電波は土壌
このときの近似曲線を点線で示す．この近似曲線は，
面へ TE 入射する成分が発生する．反射係数は，一般
解析結果の特性をよく示しているといえる．
に TE 入射より，TM 入射の方が小さくなる．これに
付-210
文献 [13] によれば，半径 830 m の球状の岩石が静的
電子情報通信学会論文誌 2012/10 Vol. J95–B No. 10
以上のシミュレーション結果に対し近似式を求め，
更に大きい亀裂寸法における伝搬損を推定した．地
中亀裂が大きいと伝搬損は極めて小さくなり，土壌
含水比が 60%程度と比較的高く，波源が基本モード
を励振し，亀裂に曲がりがなく真っすぐであるとき
0.22 m × 14.7 m の亀裂があれば，地震時に地表から
放射されるマイクロ波を人工衛星が受信し得ることが
示された．
文
[1]
図 13 b 寸法の変化に対する伝搬損
Fig. 13 Propagation loss vs. size b.
献
K. Maki, T. Takano, E. Soma, K. Ishii, S. Yoshida,
and M. Nakatani, “An experimental study of microwave emission from compression failure of rocks,”
J. Seismological Society of Japan, vol.58, no.4,
な圧力を受け破壊された場合，地中の伝搬損が 51.8 dB
以下であればその放射波が衛星で受信できると述べら
pp.375–384, 2006.
[2]
and theoretical study of earthquake detection capa-
れている．よって，その岩石が地下 3 km に存在する
bility by means of microwave passive sensors on a
と仮定すると，伝搬損が 0.0173 dB/m 以下であれば
satellite,” IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol.6,
よいということになる．この値を式 (5) に代入すると，
亀裂寸法 b は 14.7 m 以上と求められる．実際 2004 年
no.1, pp.107–111, Jan. 2009.
[3]
T. Maeda and T. Takano, “Detection algorithm of
earthquake-related rock failures from satelliteborne
のモロッコ地震では長さ数 100 m の亀裂が地面にも見
microwave radiometer data,” IEEE Trans. Geosci.
られており，これから地中深く発生したマイクロ波が
衛星で受信される可能性があると考えられる．
T. Takano, T. Maeda, and S. Yoshida, “Experiment
Remote Sens., vol.48, no.4, pp.1768–1776, April 2010.
[4]
6. む す び
細野浩二，長田裕史，三枝健二，高野 忠，“地中亀裂のマ
” 2008 信学ソ大（通信），
イクロ波伝搬損失に関する検討，
B-2-27, Sept. 2008.
[5]
本論文では，地中亀裂内の電波伝搬特性を実験及び
[6]
大，B-2-3, March 2009.
千葉二郎，“トンネル内通信について，
” 信学誌，vol.72,
no.10, pp.1185–1188, Oct. 1989.
[7]
K. Sakai and M. Koshida, “Analysis of electromag-
解析的に明らかにし，地中亀裂内を伝搬して地表から
放射されるマイクロ波を人工衛星が受信する可能性に
ついて検討を行った．
細野浩二，長田裕史，三枝健二，高野 忠，“波長に比し
” 2009 信学総
て大きい地中亀裂内のマイクロ波伝搬損失，
まず，土壌に方形断面の亀裂が入った場合の 2 GHz
netic field distribution in tunnels by the boundary
マイクロ波伝搬特性について，断面寸法が 110 mm ×
element method,” IEE Proc., vol.137, Pt. H, no.4,
55 mm，220 mm × 220 mm の亀裂内の損失測定を行
Aug. 1990.
[8]
い 50.1 dB/m，10.7 dB/m の値を得た．次に，FDTD
法による解析を行い，両者の差異が 5 dB/m 以内とな
[9]
り，解析の有効性を確認した．
同じ解析手法を用いて，種々の亀裂の伝搬損を求め
た．亀裂の断面寸法が 3 波長程度まで大きくなった場
[10]
[11]
合に対する伝搬損を解析的に求め，伝搬損が 1.7 dB/m
と著しく低下することを確認した．土壌含水比に対す
る依存性を示し，土壌の含水比が大きくなると，損失
は著しく減少することが確認された．電波の発生源が
土壌亀裂に対し線状の場合，亀裂内では高次モードが
励振され，損失が増加することが確認された．更に，
折れ曲がった土壌亀裂の場合の伝搬損は，電界方向の
折り曲げ角度が大きくなると著しく増大し，電界直交
方向の曲げでは微増することが確認された．
付-211
細矢良雄（監修），電波伝搬ハンドブック，p.65, リアライ
ズ理工センター，東京，1999.
畠山賢一，蔦岡孝則，三枝健二（編），最新 電波吸収体
設計・応用技術，シーエムシー出版，東京，2008.
橋本 修，高周波領域における材料定数測定法，森北出版，
東京，2003.
三枝健二，長谷部望，“マイクロ波リモートセンシングによ
” 日本リモート
る土壌水分検出—関東ロームの誘電率評価，
センシング学会誌，vol.17, no.4, pp.24–33, Sept. 1997.
稲葉龍夫，桑本良知，坂野 収，千葉二郎，佐藤利三郎，
“円形コンクリートトンネルの減衰定数の実験式，
” 信学論
（B），vol.J62-B, no.1, pp.85–86, Jan. 1979.
[13] T. Takano, K. Maki, K. Ishii, E. Soma, and S.
[12]
Yoshida, “The possibility of detecting earthquakes
from space,” International Astronautical Congress,
C.2.05, Oct. 2004.
（平成 24 年 3 月 14 日受付，5 月 14 日再受付）
論文／地中亀裂のマイクロ波伝搬損の基礎検討
三枝
健二 （正員）
1985 日大・理工・電子卒．1987 同大大
学院博士前期課程了．同年同大理工・電子・
助手，現在教授．主に電磁波の反射・吸収・
遮へいの測定に関する研究に従事．工博．
IEEE，映像情報メディア学会，電気学会，
日本建築学会各会員．共編著：
「最新
電波
吸収体設計・応用技術」（シーエムシー出版）など．
細野
浩二
2008 日大・理工・電子情報卒．2010 同大
大学院博士前期課程了．同年ジェイ・アー
ル・シー特機（株）入社．在学中，土壌中
の電波伝搬損に関する研究に従事．
雨海
貴大
2010 日大・理工・電子情報卒．同大研究
生を経て，2011 東日本電気エンジニアリ
ング（株）入社．在学中，土壌中の電波伝
搬損に関する研究に従事．
高野
忠 （正員：フェロー）
1967 東大・工・電気卒．1972 同大大学院
博士課程了．同年電電公社（現，NTT）電
気通信研究所入所，1984 宇宙科学研究所に
移る．1991 同教授，1992 東京大学・教授
（併任）．2008 日本大学に移り，教授，現在
に至る．工博．JAXA 名誉教授．その間，
アンテナ，無線通信，電波応用の研究・開発に従事．工博．1975
年度米沢賞，1983 年度電電公社梶井賞・総裁表彰，1992 年度本
会論文賞，1999 年度機械振興協会賞，2010 iWAT Best Paper
Prize 各受賞．IEEE，URSI，電気学会，日本航空学会，日本
ロケット協会，日本地震学会，AGU（American Geophysical
Union），EGU（European Geosciences Union）各会員．
付-212
2012 年電子情報通信学会通信ソ サイ エ テ ィ 大会
[3.5.4]
浸水させた岩石を破壊した時の電波放射現象の検討
A Study on Microwave Radiation due to Failure of Rocks Soaked in Water
加藤 淳
Jun KATO
鈴木 裕太郎
Yutaro SUZUKI
三枝 健二
Kenji SAEGUSA
高野 忠
Tadashi TAKANO
日本大学理工学部
College of Science and Technology， Nihon University
1. まえがき
先に，岩石破壊に伴ってマイクロ波が放射されるのを，著者の一人が発見した[1]．岩石破壊に伴う電波放射は，実験例
が少なく，そのメカニズムが明らかになっていない．本研究の目的は，そのメカニズムを実験的に解明することである．前
回，新たに 1MHz の受信系を構築し，2 種類の岩石を対象とした測定を行った[2]．今回は，地中の岩石が水に濡れている
場合も考えられるため，2 種類の岩石で 5 分間水につけた場合と乾燥した場合の測定を行った．そして、1MHz，300MHz，
2GHz，18GHz の信号の特徴と放射エネルギー結果について報告する．
2. 測定試料
測定対象とした岩石は，珪岩(愛知県産)，斑レイ岩(山口県産)の 2 種
類である．珪岩には石英が 9 割，斑レイ岩には含まれていない．形状
は長さ約 60mm，直径約 26mm の円柱である．そして，それぞれの岩
石を 5 分間水に浸して拭き取ったもの(以下，処理した岩石と称する)
と乾燥したものを用意して測定を行った．
3. 受信波形結果・放射エネルギー
図 1 に処理した珪岩，図 2 に乾燥した珪岩において，300MHz の波
形結果を示す．図 1 を図 2 で比較すると，まとまった信号が生じてい
るのが分かる．この現象は 1MHz においても見られるが，2GHz，
18GHz では確認には至らなかった．
次に，各周波数の電磁波が最初に発生するタイミングについて検討
図 1 処理した珪岩 300MHz 波形結果
した．表 1 に各周波数の第一信号発生時刻を示す．珪岩の結果を見る
と，乾燥した珪岩では 18GHz を除いて，2GHz，300MHz，1MHz の順
に 信号 が出 ている ．処 理した 珪岩 では 18GHz， 2GHz ， 300MHz，
1MHz の高い周波数から信号が発生することが分かった．斑レイ岩は
18GHz の信号が測定することができなかったが，乾燥した斑レイ岩は
高い周波数から順に出ている．しかし，処理した斑レイ岩は 2GHz で
若干信号が遅れて発生している．
これらの結果をまとめると，高い周波数から順に信号は発生すると
考えられる．乾燥した珪岩 18GHz や処理した斑レイ岩 2GHz が遅れて
信号が発生している理由は，第一信号が小さくノイズに埋もれて観測
できなかったと考えられる．
放射エネルギー結果を表 2 に示す．珪岩において処理と乾燥し
図 2 乾燥した珪岩 300MHz 波形結果
た場合を比較すると，2GHz で 2 桁ほど差が生じ，その他の周波
数帯では大きな差は生じなかった．斑レイ岩については，ほぼ同
表 1 各周波数の第一信号発生時刻
等の放射エネルギー結果となった．表 2 の結果全体をみると，
1MHz 300MHz 2GHz 18GHz
2GHz で顕著に放射エネルギーが発生してることがわかる．
乾燥した珪岩 [sec]
0
-0.0036 -0.004 0.106
全時間幅で検討すると，図 2 のように処理した岩石は多くの信
処理した珪岩 [sec]
0
-0.013 -0.013 -0.19
号が発生しているため，全体的な放射エネルギーは処理した岩石
乾燥した斑レイ岩 [sec]
0
-0.012 -0.092
の方が大きい結果となった．
処理した斑レイ岩 [sec]
0
-0.0038 0.0035
4. まとめ
表 2 放射エネルギー結果
今回は，処理した岩石と乾燥した岩石を測定して比較検討を
1MHz
300MHz
2GHz
18GHz
行った．信号の発生時刻は，高い周波数の場合ほど早い時間で
-14
-12
-10
処理した珪岩
3.7×10
4.3×10
2.3×10 5.3×10-15
あることがわかった．放射エネルギーは全時間幅で見ると，処
理した岩石の方が発生している信号が多いため，放射エネルギ
乾燥した珪岩 2.14×10-13 1.64×10-12 9.24×10-12 1.5×10-14
ーが大きいと考えられる．今後の課題として，何度か測定を行
処理した斑レイ岩 8.65×10-14 8.6×10-13 1.45×10-11
うことで再現性について検討する必要がある．
乾燥した斑レイ岩 5.84×10-14 1.89×10-12 3×10-10
[参考文献]
[単位: J]
[1] 牧，他，”岩石圧縮破壊に伴うマイクロ波放射の観測”，地震，Vol．58，No．2，pp．375-384，2006
[2] 加藤，他，” 岩石破壊に伴う放射電波の波形および電力の測定法”，2012 信学ソ大(通信)，B-1-14
2012/9/11 〜 14　富山市
付-213
Copyright © 2012 IEICE
付-214
平成 24 年度　日本大学理工学部　学術講演会論文集
[3.5.5]
岩石破壊に伴うマイクロ波放射の第一信号発生時間の検討
A Study on the Generate Time of First Signal Radiated Due to Rock Destruction
○鈴木裕太郎１,
加藤淳２,
三枝健二３, 高野忠３
Yutaro Suzuki1, *Jun Kato1, Kenji Saegusa2, Tadashi Takano2
Abstract : The purpose of this study is to elucidate emission mechanism by really destroying a rock, and measuring. In
this paper, the generate time of first signal radiated due to rock destruction is studied.
1.まえがき
スペースデブリ対策における研究で,岩石が破壊される際に 300MHz,2GHz,22GHz の 3 波のマイクロ波が放
出されることが確認された.地中深くにおいて発生したマイクロ波が実際に,人工衛星で受信されていること
から地震予知に応用できるのではないかと考えられている[1]. しかし,岩石破壊におけるマイクロ波放出のメ
カニズムについては,実験例が少なくまだ解明されていない.本研究は,このマイクロ波放出のメカニズムを解
明することが目的である.先の発表では新たに構築した 1MHz の受信系を加えて測定を行い，最大放射エネル
ギーの比較を行った[2]．本稿では，岩石から放射される信号のうち特に最初に発生した信号（以下第一信号と
デジタルオシロスコープ
呼ぶ）の時間に着目し検討した結果を述べる．
各周波数受信機
2.測定系
本研究では，岩石から放射されるマイクロ波
のうち， 1MHz（ループアンテナ)， 300MHz
（八木・宇田アンテナ）
，2GHz（パッチアンテ
ナ）
， 18GHz（ホーンアンテナ）の 4 波を測定
する．図 1 に本実験における測定系を示す．油
圧機でジャッキを上げていくことで，岩石に圧
破壊台
力がかかり破壊される．岩石から放射されたマ
各周波数受信アンテナ
図1
イクロ波は，アンテナで受信され，受信機を通
測定系
過した後にデジタルオシロスコープにより電
圧波形として取得する．
測定に使用する岩石は，珪岩(愛知県産)，斑
レイ岩(山口県産)の 2 種類である．珪岩には石
英が 9 割含まれ，斑レイ岩には含まれていない．
それぞれ寸法は長さ約 60mm，直径約 26mm で
図 2
ある．
1MHz 波形 全時間幅(左)
0sec 付近拡大図
(右)
3.測定結果
図 2～図 5 に珪岩の各周波数における測定結
果を示す。紙面の都合上，珪岩のみの結果を示
している．
図2~図4の波形を全時間幅で見てみると0sec
と0.2sec~0.25sec付近で信号を生じているのが
わかる．しかし1MHzと2GHzはどちらも単発に
１:日大理工・学部・子情
2:日大理工・院・電子
図3
300MHz 波形
3：日大理工・教員・子情
付-215
全時間幅(左)
0sec 付近拡大図(右)
平成 24 年度　日本大学理工学部　学術講演会論文集
信号を生じているのに対し，300MHzは複数信
号が生じている．次に，0sec付近拡大図を見る
と，1MHzでは0secで第一信号が生じており，
300MHz，2GHzは1MHzより早く第一信号が発
生しているのがわかる．図5で18GHzの全時間
幅の波形を見てみると0.1sec付近で約120mVの
信号が単発に生じていた．0sec付近の拡大図で
2GHz 波形
図4
全時間幅(左)
0sec 付近拡大図(右)
は信号は確認できなかった．図2~図4より信号
の発生する時間は0sec付近と0.2sec~0.25sec付
近であることがわかった．また，0sec付近の拡
大図を比べてみると高い周波数から順に第一
信号が生じているように思える．
4.考察
そこで表1に各周波数における1MHzを基準
図5
18GHz 波形
全時間幅(左)
0sec 付近拡大図(右)
とした第一信号発生時間をまとめた表を示す．
表 1 第一信号発生時間の比較
時間が負になっているのは，1MHzより早く信
1MHz 300MHz 2GHz
0
-0.0036 -0.004
号が発生していることを表している．この表か
珪岩
ら各岩石とも2GHzから順に信号が発生してい
斑レイ岩
0
-0.012
18GHz
0.106
-0.092
る．珪岩の18GHzが1MHzより遅く信号が出て
単位：sec
表 2 最大放射エネルギー
しまった原因としては，ノイズに紛れて信号が
確認できなかったことや，トリガがかかるより
珪岩
前に第一信号が生じ観測することができなか
斑レイ岩
ったことが挙げられる．
1MHz
300MHz
2GHz
18GHz
2.14×10-13
1.64×10-12
9.24×10-12
1.5×10-14
-14
5.84×10
-12
1.89×10
-10
3.0×10
単位：J
高い周波数から信号が発生する原因として，現在岩石を一気に破壊しており，岩石の割れ始めは時間変化が
激しくその後は時間変化が緩やかになる．よって激しい時間変化に対応できるのは高周波のため高い周波数か
ら順に発生しているのではないかと予測している．
次に測定結果の最大電圧より最大放射エネルギー結果を表2に示す．各岩石の周波数ごとで比較してみると
ほぼ同じレベルのエネルギーが放射されており，その中でも2GHzが一番強い放射エネルギー結果となった．
この結果から最大放射エネルギーは岩石の種類に影響しないことがわかった．また18GHzは珪岩では微弱であ
り，斑レイ岩では測定できなかった．岩石から発生するマイクロ波を人工衛星で受信するためには18GHzの放
射エネルギーが必要となるため，18GHzの信号を測定しメカニズムを知ることが今後の課題である．
5.まとめ
今回は珪岩と斑レイ岩で測定を行った．波形結果の 0sec 付近の拡大図から第一信号の発生時間を各周波数
で比較してみると，高い周波数から順に発生していることがわかった．また最大放射エネルギーは各岩石の周
波数ごとで比較すると，変化が無いことがわかった．
6.参考文献
[1]牧，他，”岩石圧縮破壊に伴うマイクロ波放射の観測”，地震，Vol．58，No．2，pp．375-384，2006
[2]加藤，他，”岩石圧縮破壊に伴う1MHz電波放射とマイクロ波放射との対応関係”，2012信学ソ大（通信），B-1-14
付-216
[3.5.6]
微小電力回収技術に関する基礎的検討
福井 太陽*,
作田 幸憲, 今池 健(日本大学)
A Basic Examination of Micro Power Recovery Technology
Taiyo Fukui*, Yukinori Sakuta , Takeshi Imaike (Nihon university)
We are studying about the technology to be obtained the electric power from micro-energy which exists in the natural field.
We discuss the efficiency of the coil-less DC-DC converter in this paper.
キーワード：微小電力回収，DC/DC コンバータ，電気二重層キャパシタ
Keywords：Micro power recovery technology ,DC/DC Converter , Electric double-layer capacitor
1. まえがき
Vin
S
炊飯時の熱や浴槽からの排水等々、微小ではあるが使用
S
D
IN
されていないエネルギーがある。そのような微小エネルギ
IN
ADG801
ADG802
To EDLC
C
Form Solar panel
ーを電気エネルギーに変換し、蓄電することで、新たなエ
Vout
D
S
D
ネルギー源になるのではないかと考えた。
IN
本稿では、微小エネルギーの中でも蛍光灯などの光エネ
S
ADG802
D
IN
ルギーの回収について検討した。光エネルギーを電気エネ
ADG801
ルギーに変換するため、アモルファスシリコンソーラーパ
Control
Signal
ネルを使用し、蓄電には電気二重層キャパシタ(以下 EDLC
S
IN
C
…To IN
D
ADG802
と記す)を用いた。EDLC への蓄電に向けて、MOS スイッチと
キャパシタによるコイルレス DC/DC コンバータを作製し、
Figure 1 DC/DC Converter
0.6
5
4
図１に微小電力回収用に作製した DC/DC コンバータを示
Voltage［V］
す。ADG801 及び ADG802 は SPST スイッチであり、ADG801 は
(1)
normally open、ADG802 は normally closed である 。図中
0.5
Input Voltage
Output Voltage
Input Current
Output Current
mode 2
mode 1
2. 本 論
0.4
3
0.3
2
0.2
1
0.1
Current［mA］
検討したので報告する。
6
の２つのキャパシタ C は制御信号が Hi の場合(mode 1)、直
列接続になり、Vout 側は切り離され Vin より充電する。制御
信号が Low の場合(mode 2)、並列接続になり Vin 側が切り離
0
0
-4
され Vout 側へ放電する。この時、電荷 Q、入力電圧 Vin、出力
-3
-2
-1
C
Vin
2
(mode 1) , Vout 
Q V in

2C
4
1
2
3
-1
4
-0.1
Time［ms］
電圧 Vout とすると次式で表せる。
Q
0
Figure 2 DC Converter input-output characteristic
(mode 2) .......... (１)
図 2 に、図１の回路の入出力端子における電圧，電流の
動作波形を示す。入力側には、LED 照明を光源としたアモル
ファスシリコンソーラーパネルが接続されており、出力側
には容量 850F、耐圧 2.5V の EDLC を接続した。制御信号に
その結果、71.6%の電力変換効率で EDLC に蓄電することがで
きた。
より降圧する様子がわかる。図 2 の結果を基に、入出力電
今後は、効率の改善について検討していく予定である。
力の効率を算出したところ 71.6%となった。
文
献
3. まとめ
本稿では光エネルギーに注目した微小電力回収技術につ
いて DC/DC コンバータを作製、検討を行った。
付-217
(１) ANALOG DEVICES: “< 0.4ΩCMOS 1.8V to 5.5V SPST Switchies Data
Sheet”
付-218
[3.5.7]
微小電力回収技術に関する基礎的検討
福井
太陽＊，作田 幸憲，今池 健 (日本大学)
A Basic Examination of Micro Power Recovery Technology
Taiyo Fukui*, Yukinori Sakuta , Takeshi Imaike (Nihon university)
キーワード:微小電力回収, 太陽光発電, DC/DC コンバーター
1. まえがき
２. 本論
2011 年 3 月 11 日の東北地方太平洋沖地震を端緒
として発生した、福島第一原発事故以降、電力全体
の見直しが行われ、再生可能エネルギーへの注目が
集まっている。
一方で、日々の暮らしでは捨てていくエネルギー
が微小ではあるが様々な場所にある。図１に捨てら
れていく微小エネルギーの例を示す。このように炊
飯時の熱や浴槽からの排水、蛍光灯、LED などの照
明器具からの光量、その他にも振動や風力など、使
用済エネルギーは注目されず、捨てられる場合が
多々ある。
本研究では、そのような微小エネルギーを「塵も
積もれば山となる」の譬えにある如く回収すること
で、何らかの役に立てるのではないかと考えた。
本稿では、微小電力回収の一例として蛍光灯など
の光エネルギーの回収について検討した。光エネル
ギーを電気エネルギーに変換するため、アモルファ
スシリコンソーラーパネルを使用し、蓄電には電気
二重層キャパシタを用いた。また、電気二重層キャ
パシタへの蓄電に向けて、MOS スイッチとキャパシ
タによるコイルレス DC/DC コンバータを作製し、検
討したので報告する。
2.1 光エネルギーについて
光エネルギー回収に向けて光エネルギーから電力
に変換する発電部分には、低照度下での発電効率が
高く、蛍光灯や LED などでも発電可能なアモルファ
スシリコン型ソーラーパネルを使用する。
図 2 には本稿で使用した縦、横 131mm サイズのア
モルファスシリコンソーラーパネル（以下太陽光パ
ネルと記す）を JIS 規格 JIS C8934(1)に従い測定し
た結果を示す。光源には JIS 照度基準の維持照度(2)
を参照し LED 照明を用いて照度 1000[lx]とした。そ
の結果最大出力は 4.7［V］ 1.89［mW］となった。
充電部にはサイクル寿命が約 10 万回以上と他の
充電電池（鉛蓄電池、ニカド電池、リチウムイオン
電池など）に比べ長く、内部インピーダンスが低い
ため瞬時の充電も可能(3)な、850F 2.5V の二重層キ
ャパシタ（以下 EDLC と記す）を用いた。
0.8
2
Power
0.7
1.75
1.5
Current
0.5
1.25
0.4
1
0.3
0.75
0.2
0.5
0.1
0.25
0
図１ 微小エネルギーの一例
Figure 1. Example of Micro Power Source
0
0
Potential energy
Light energy
Thermal energy
etc…
Power[mW]
Current[mA]
0.6
1
図２
2
3
4
Voltage[V]
5
6
7
8
アモルファスシリコンソーラーパネル
出力測定結果
Figure 2. Measurement of output power for
amorphous solar cell
2.2 DC/DC コンバータ
図 3 に本稿で作製した DC/DC コンバータの回路図
を示す。ADG801 及び ADG802 は monolithic CMOS,SPST
(single-pole single-throw) ス イ ッ チ で あ り 、
ADG801 は normally open、ADG802 は normally closed
である(4)。
付-219
図中の２つのキャパシタ C は制御信号が Hi の場合
(mode 1)、直列接続になり、Vout 側は切り離され Vin
より充電する。制御信号が Low の場合(mode 2)、並
列接続になり Vin 側が切り離され Vout 側へ放電する。
これより、制御信号を用いて出力側には入力側に対
して降圧した形で出力されると考えた。この時のキ
ャパシタに貯まる電荷を Q、入力電圧 Vin、出力電圧
Vout とすると次式で表せる。
C
Vin
2
1
T
Form
Vout
D
IN
IN
ADG802
To EDLC
C
Solar
S
D
IN
S
ADG802
D
IN
ADG801
Control
Signal
(mode 2) .............................. (2)
S
D
IN
C
…To IN
T

0
図３
Figure 3.
ADG802
ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図
DC/DC Converter circuit diagram (mode 1)
6
5
Input Viltage
4
Voltage［V］
2.3 測定結果
図4(a)、(b)に測定結果を示す。mode 1のときと
mode 2のときで交互に回路が変わっている様子がわ
かる。
図4(a)より入出力電圧は最大入力電圧が5.5[V]に、
最大出力電圧は1.4[V]と降圧されている様子がわか
る。また図4(b)より、mode 1へ制御信号により回路
が切り替わった瞬間入力電流が大きくなり、キャパ
シタに充電されている。またmode 2へ切り替わった
とき、出力電流が大きくなり、放電されている様子
がわかる。一方で、入力電流がマイナスの値になっ
ているところから、太陽光パネル側に流れてしまっ
ている電流があることも確認できた。図4より入出力
の変圧効率を平均電力を用いて次式より求めた。
Pin 
S
D
(mode 1) ....................................... (1)
Q
V
 in
2C
4
Vout 
S
ADG801
3
mode 1
mode 2
Output Viltage
2
1
0
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-1
Time［ms］
(a)Wave from of input-output voltages
(3)
Vin (t )iin (t )dt
0.6
1 T
Vout (t )i out (t ) dt
T 0
Pin  100  71.6%
0.5
Pout 
(4)
Pout
(5)
mode 1
３. まとめ
本稿では捨てられていく微小電力回収の一例と光
エネルギーに注目した具体的な回収方法と微小電力
回収用DC/DCコンバータを作製、検討を行った。その
結果、71.6%の電力変換効率でEDLCに蓄電することが
できた。
今後は、効率の改善について検討していく予定で
ある。
文
Input Current
0.4
献
(1) Japanese Industrial Standards Committee , Measuring
method of output power for amorphous splar sells JIS C 8934.
(2)JIS 照度基準 JIS Z 9110 :2010 より抜粋, http://www.gsyuasa.com/gyl/jp/products/gs_html/shomei/technicaldata/pdf
Current［mA］
Q 
Vin
mode 2
Output Current
0.3
0.2
0.1
0
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-0.1
Time［ms］
(b) Wave from of input-output currents
図４ ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力特性、測定結果
Figure 4. Measurements of the input-output characteristics of
DC/DC Converter
(3)トランジスタ技術 ,「プロフェッショナル講座」 , CQ
出版社 2004 年 6 月号 , p106-109
(4) ANALOG DEVICES: “< 0.4ΩCMOS 1.8V to 5.5V SPST
Switchies Data Sheet”
付-220
[3.5.8]
微小電力回収技術に関する基礎的検討
―光エネルギーの回収と DC/DC コンバータの検討―
A Basic Examination of Micro Power Recovery Technology
-Examination of DC/DC converter and light energy recovery *福井 太陽 1,
作田 幸憲 2,
今池 健 2
*Taiyo.Fukui1, Yukinori.Sakuta2, Takeshi.Imaike2
Abstract: We are studying about the technology to be obtained the electric power from micro-energy which exists in the natural
field. We discuss the efficiency of the coil-less DC-DC converter in this paper.
２．光エネルギー回収
光エネルギー回収に向けて光エネルギーから電力に
変換する発電部分には、低照度下での発電効率が高く、
蛍光灯やLEDなどでも発電可能なアモルファスシリコ
ン型ソーラーパネルを使用する。
図 2 には本稿で使用した縦、横 131mm サイズのアモ
ルファスシリコンソーラーパネル（以下太陽光パネル
と記す）を JIS 規格 JIS C8934(1)に従い測定した結果を
示す。光源には JIS 照度基準の維持照度(2)を参照し LED
照明を用いて照度 1000[lx]とした。その結果最大出力
は 4.7［V］ 1.89［mW］となった。
充電部にはサイクル寿命が約 10 万回以上と他の充
電電池（鉛蓄電池、ニカド電池、リチウムイオン電池
など）に比べ長く、内部インピーダンスが低いため瞬
時の充電も可能(3)な、850F 2.5V の二重層キャパシタ
（以下 EDLC と記す）を用いた。これより、入力部では
1:日大理工･院(前)･電子 2:日大理工･教員･子情
付-221
Potential energy
Light energy
Thermal energy
etc…
Figure 1. Example of Micro Power
0.8
2
Power
0.7
1.75
1.5
Current
0.5
1.25
0.4
1
0.3
0.75
0.2
0.5
0.1
0.25
0
0
0
1
2
3
4
Voltage[V]
5
6
7
8
Figure 2. Measurement of output power for amorphous solar cell
５［V］付近の理想電力回収に対して充電部が 2.5［V］
であるため、DC/DC コンバータが必要になった。
３．DC/DC コンバータ
図3 に本稿で作製したDC/DCコンバータの回路図を
示す。ADG801 及び ADG802 は monolithic CMOS, SPST
(single-pole single-throw)スイッチであり、ADG801 は
normally open、ADG802 は normally closed である(4)。
図中の２つのキャパシタ C は制御信号が Hi の場合
(mode 1)、直列接続になり、Vout 側は切り離され Vin
Power[mW]
0.6
Current[mA]
１．まえがき
2011 年3月11 日の東北地方太平洋沖地震を端緒とし
て発生した、福島第一原発事故以降、電力全体の見直
しが行われ、再生可能エネルギーへの注目が集まって
いる。
一方で、日々の暮らしでは捨てていくエネルギーが
微小ではあるが様々な場所にある。図１に捨てられて
いく微小エネルギーの例を示す。このように炊飯時の
熱や浴槽からの排水、蛍光灯、LED などの照明器具か
らの光量、その他にも振動や風力など、使用済エネル
ギーは注目されず、捨てられる場合が多々ある。
本研究では、そのような微小エネルギーを「塵も積
もれば山となる」の譬えにある如く回収することで、
何らかの役に立てるのではないかと考えた。
本稿では、微小電力回収の一例として蛍光灯などの
光エネルギーの回収について検討した。光エネルギー
を電気エネルギーに変換するため、アモルファスシリ
コンソーラーパネルを使用し、蓄電には電気二重層キ
ャパシタを用いた。また、電気二重層キャパシタへの
蓄電に向けて、MOS スイッチとキャパシタによるコイ
ルレス DC/DC コンバータを作製し、検討したので報告
する。
より充電する。制御信号が Low の場合(mode 2)、並
列接続になり Vin 側が切り離され Vout 側へ放電する。
これより、制御信号を用いて出力側には入力側に対
して降圧した形で出力されると考えた。
この時のキャパシタに貯まる電荷を Q、入力電圧
Vin、出力電圧 Vout とすると次式で表せる。
C
Q  Vin
2
Vout 
Vin
S
Vout
D
IN
IN
ADG801
ADG802
To EDLC
C
Form Solar panel
S
D
IN
S
ADG802
D
(mode 1) ....................................... (1)
Q
V
 in
2C
4
S
D
IN
ADG801
Control
Signal
(mode 2) .............................. (2)
S
IN
C
…To IN
D
ADG802
Figure 3. DC/DC Converter circuit diagram (mode 1)
４．測定結果
図４にDC/DCコンバータのを用いて電力を回収した時
Input Current
の構成図を示す。また図５(a)、(b)に測定結果を示す。
LED Light
iin
Output Current
iout
mode 1のときとmode 2のときで交互に回路が変わってい
EDLC
DC-DC
る様子がわかる。図5(a)より入出力電圧は最大入力電圧が
Converter
Solar panel
5.5[V]に、最大出力電圧は1.4[V]と降圧されている様子が
わかる。また図5(b)より、mode 1へ制御信号により回路が
Input Voltage
切り替わった瞬間入力電流が大きくなり、キャパシタに
Vin
Output Voltage
Vout
Figure 4. Configuration of light energy recovery
充電されている。またmode 2へ切り替わったとき、出力
電流が大きくなり、放電されている様子がわかる。一方
6
で、入力電流がマイナスの値になっているところから、
5
太陽光パネル側に流れてしまっている電流があることも
て次式より求めた。
1 T
Vin (t )iin (t )dt
T 0
1 T
  Vout (t )i out (t ) dt
T 0
Pin 
(3)
Pout
(4)
Pout Pin  100  71.6%
Voltage［V］
確認できた。図5より入出力の変圧効率を平均電力を用い
Input Viltage
4
3
mode 1
mode 2
Output Viltage
2
1
0
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-1
Time［ms］
(a) Wave from of input-output voltages
(5)
0.6
５．まとめ
0.5
本稿では捨てられていく微小電力回収の一例と光エネ
DC/DCコンバータを作製、検討を行った。その結果、71.6%
の電力変換効率でEDLCに蓄電することができた。
今後は、効率の改善について検討していく予定である。
mode 1
Current［mA］
ルギーに注目した具体的な回収方法と微小電力回収用
Input Current
0.4
mode 2
Output Current
0.3
0.2
0.1
0
-4
参考文献
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-0.1
Time［ms］
(1) Japanese Industrial Standards Committee , Measuring method of
output power for amorphous splar sells JIS C 8934.
(2)JIS 照度基準 JIS Z 9110 :2010 より抜粋, http://www.gsyuasa.com/gyl/jp/products/gs_html/shomei/technicaldata/pdf/p10
4-111.
(3)トランジスタ技術 , 「プロフェッショナル講座」 , CQ 出
版社 2004 年 6 月号 , p106-109
付-222
(b) Wave from of input-output currents
Figure 5. Measurements of the input-output
characteristics of DC/DC Converter
(4) ANALOG DEVICES: “< 0.4ΩCMOS 1.8V to 5.5V SPST
Switchies Data Sheet”
[3.5.9]
微小電力回収技術と情報技術による有効活用に関する検討
A Study on Smart-Usage with ICT and Micro Power Recovery Technology
*作田幸憲１, 福井太陽 2, 泉 隆１, 三枝健二１, 望月 寛１, 佐田達典 3, 登川幸生 4, 入江寿弘 5
*Y.Sakuta1, T.Fukui2, T.Izumi1, K.Saegusa1, H.Mochizuki1, T.Sada3, S.Togawa4, T.Irie5
Abstract: We are studying about the technology to obtain the electric power from micro-energy which exists in the natural field.
Moreover we discuss the smart-usage of the electric power infrastructure.
１．まえがき
2011 年 3 月 11 日に起きた東日本大震災や、それに続
く原子力発電所の事故を受けて、計画停電や節電等々、
日本の電力設備や系統運用について、過去に例をみな
い多くの課題を経験することとなった。これと相俟っ
て、地球温暖化や化石燃料資源の枯渇問題の対策とし
てスマートグリッド（賢い電力網）の構築について世
界中で様々な検討や取組みが実施されている[1]。
我が国では電力系統運用の点から既にスマートグリ
ッドになっているとの指摘もあるが、省 CO2 を主眼と
してエネルギー源の効率的で有効な活用という視点か
図１ スマートグリッド概念図 1)
ら新たな日本型スマートグリッドを構築しようとの検
上げようとの方針[3]も示されている。
討が盛んである[2]。
本稿では、このような点から「もったいない」精神
太陽光・風力発電や天然ガスコジェネ等の分散電源
に則り、身近にある微小な電力を回収することと、電
の系統連系に関しては、マイクログリッド実証実験が
力系統への情報(通信)技術による有効活用について検
行われ、需要側の電力消費制御以外のマイクログリッ
討したので報告する。
ドで想定される技術開発も終了している。しかし、今
後の電力系統には大量の再生可能エネルギー源を導入
する検討が行われるものと考えられ、電力品質を落と
２． 日本型スマートクリッドの現状
日本の送電ネットワークには事故時の監視制御シス
テム技術が導入されており、配電ネットワークにもほ
さず、連携運用可能なシステムが求められていくもの
と思われる。
ぼ 100%停電範囲極小化のための自動化技術が導入さ
したがって、日本型スマートグリッドでは、出力変
れているという現状があり、既にスマートグリッドに
動の激しい太陽光発電や風力発電が増えることにより、
なっているとの指摘もある。一方、省エネ・省 CO2 の
米国型のピーク需要抑制ではなく、需要を促進するた
点から太陽光・風力発電など等、再生可能エネルギー
めの需要側制御も必要になってくると予想されており、
源の導入を促進し、更には、電力需要のピーク抑制の
求められるシステムとしては、次のような機能を有す
ためのデマンド・レスポンス／コントロールを含めた
ることが求められる[2]。
システムの構築を目指す検討が進められている。
①再生可能エネルギーを含めたすべての発電所や蓄電
図１は、経済産業省「次世代エネルギーシステムに
係る国際標準化に関する研究会」が示したスマートグ
リッドの概念図[1]である。この図には示されていない
が、更に、洋上風力，地熱，バイオマス，波力・潮力
池を協調制御して電力需給バランスをとるシステム、
②需要側の機器に働きかけて余剰電力や周波数制御、
電圧上昇抑制を行うシステム、
③家庭の電気製品や（電気自動車のバッテリーを含む）
蓄電池を第三者が制御するシステム
などの発電量を 2030 年度には 2010 年度の 6 倍に引上
1:日大理工･教員･子情 2:日大理工･院(前)･電子 3:日大理工･教員･社交 4:日大理工･教員･海建 5:日大･教員･精機
付-223
３．微小電力回収技術
家庭内の電力設備として、図 1 に示すように太陽光
パネルや PHV(Plug-in Hybrid Vehicle)，蓄電池などの利
Potential energy
Light energy
Thermal energy
etc…
用が想定されているが、より身近にあるがそのエネル
ギーが小さいため、捨て去られてきたエネルギー源が
多くある。図 2 は、そのいくつかを示したものである。
例えば、炊飯時の熱や風呂桶の水，照明器具からの光，
等々たくさんのものがある。
その量が小さいため、見過ごされてきたが、これを
効率良く、低消費電力で回収する技術が実現できれば、
「塵も積もれば山となる」の譬えにある如く、何らか
図 2 身近な微小エネルギー源
の役に立てることができるのではないかと思われる。
事実、このような考えに基づくものと思われるが、
デパートや会社などのトイレにある手洗いの水を用い
て発電させる仕組や大型コンピータCPUの冷却水より
熱回収する試みなど、いくつかの取組みが行われてい
るようである。
そこで、我々のグループの中でも、このような微小
電力を回収する技術について検討を始めた。検討では、
室内のLED照明からの光エネルギーを小形の太陽光パ
ネルにより回収し、蓄電することを目的としている。
図 3 可視化システムの概要[6]
検討の初めとして、
キャパシタと MOS スイッチによる
DC-DC 変圧器を構成して実験を行ったところ、効率
71.6%を得た[5]。まだ、効率は良くないものの、効率改
今後とも、より有効な電力使用状況の収集法と共に、
善への見通しを得ている。
その変化を予測するシステムが必要になると考えている。
４． 情報(通信)技術による有効活用
５．まとめ
エネルギー源の効率的、且つ、有効利用を実施する
本報告では、日本型スマートグリッドの現状を概観す
上で電力の需給状態の把握は重要であり、使用電力の
ると共に、その構築に関係する課題について検討を加え
可視化が重要になる。これは節電対策に有効な情報を
た。低炭素社会実現を視野に入れつつ、震災復興を達成
与えるが、そのためには電力の自由化に伴う売買の上
することが重要であると再確認することとなった。
からも計量法で定められた精度を確保した計量器を用
いることが求められる[4]。そして、個々の世帯だけで
６．参考文献
なく、小さなコミニティ、町、等々、リアルタイムに
使用電力を可視化することが必要になると予想される。
図３は、産総研の村川らが提案している可視化シス
[6]
[1] 経済産業省「次世代エネルギーシステムに係る国際
標準化に関する研究会」(2010).
[2] http://www.itrco.jp/wordpress/
テムの概要 を示すもので、システム全体の低コスト
[3] 朝日新聞：1 面記事，(2012 年 8 月 31 日).
化、高いスケーラビリティを実現するために、安価な
[4] 作田幸憲：“スマートグリッドと計量技術･計量標
電力計測ユニットとクラウドサーバを利用したデータ
準”，応用物理学会学術講演会，11p-C10-1 (2012-09).
収集、可視化システムとなっている。(1)電力計測ユニ
[5] 福井太陽，作田幸憲，今池健：
“微小電力回収技術
ット、そのデータを集めて、クラウドに送信する(2)デ
に関する基礎的検討”
，電気学会基礎･材料･共通部門
ータ収集ユニット、複数かつ地理的に分散しているか
大会，I-5 (2012-09).
もしれない、データ収集ユニットのデータを集約する
[6] 村川正宏：
“スマートグリッドにおけるクラウドサ
(3)データ収集サーバ、そして(4)可視化アプリケーショ
ーバーの活用”
，応用物理学会学術講演会，11p-C10-4
ンから構成される。
(2012-09).
付-224
平成 24 年度　日本大学理工学部　学術講演会論文集
[3.5.10]
災害時における情報通信システム利用に関する検討
An examination about the utilization of information communication system in time of disaster
*泉 隆１, 金子勇太 2, 作田幸憲１, 三枝健二１, 望月 寛１, 佐田達典 3, 登川幸生 4, 入江寿弘 5
* T.Izumi1, Y.Kaneko2, Y.Sakuta1, K.Saegusa1, H.Mochizuki1, T.Sada3, S.Togawa4, T.Irie5
Abstract: We are studying about the utilization of information communication system in time of disaster. This report describes on
the use situation of the information communication system, the examples of effective system, and the result of safety confirmation
examination.
１．まえがき
2011 年 3 月 11 日の大地震，それに続いた大津波，原
発事故と，東日本大震災は広域にわたって甚大な被害
をもたらした。このような災害発生時の情報通信シス
テムは重要であり，今回の震災でも被災・安否確認を
はじめ，重要な役割を果たしている。
本稿では，東日本大震災直後からの情報通信システ
ムの利用状況および活用された情報システムの調査，
並びに昨年に引き続き実施した 9 月 21 日の本学部避難
訓練時の安否情報確認実験ついて述べる。
図 2 通信手段別利用しようとした人の疎通度[1]
２． 東日本大震災時における ICT 利用状況[1]
被災地域における情報収集に用いたメディアの評価
また，被災地域において，避難した際に身近に持っ
ていた情報端末を図 3 に示す。圧倒的に携帯電話が身
を図 1 に示す。図 1 では，震災発生時は即時性の高い
近な情報端末として評価が高い。しかしながら，図 2
ラジオ，震災直後には双方向性を有する携帯電話・メ
に見るように，携帯を持って避難しても，長時間使用
ールと映像を伴う地上波テレビの評価が高い。しばら
不能となったことに対する課題がある。
く経つと，これらに加えて行政機関 HP，検索サイト等
ネットワーク利用が目立つ。すなわち，震災発生時に
は即時性の高い一斉同報型ツール，その後より詳細な
情報を得るための双方向型ツールへとシフトしている。
図 3 避難した際に身近に持っていた情報端末[1]
３．活用された情報システムの例
インターネットは情報通信に欠くことはできないメ
ディアであり，図 2 から特に PC メール・ウェブは有
効であった。そして，ツィッターやブログといったソ
図１ 震災時利用メディア[1]
次に，震災時の近隣地域における，通信手段別に利
ーシャルメディアは即時性・地域性の高い情報収集を
実現している。以下には，今回の震災に貢献した情報
用しようとした人の疎通度を図 2 に示す。悪い順から，
システムの例を紹介する。
音声系の携帯および固定電話，携帯メール，携帯ウェ
3.1 パーソンファインダー[2]
ブと続いている。そして PC メール・ウェブは比較的
Google は，安否／消息情報を登録・検索できる Person
よく繋がっている。
Finder（パーソンファインダー）を 3 月 11 日震災発
1:日大理工･教員･子情 2:日大理工･院(前)･情報 3:日大理工･教員･社交 4:日大理工･教員･海建 5:日大･教員･精機
付-225
平成 24 年度　日本大学理工学部　学術講演会論文集
生約 2 時間後に開設した（図 4）
。入力したデータはす
・安否情報収集期間：9 月 21 日 12 時～9 月 28 日 12 時
べて公開され，誰でも使用できるものである。3 月中
・メール送信人数：約 650 名
の登録者数は約 60 万件，訪問者数は約 300 万件と言わ
・対象者：電子情報工学科学部生，電子工学専攻・情報
れる（10 月 30 日で終了）
。これにより，被災地のみな
科学専攻大学院生，電子情報工学科教職員
前回同様，安否確認実験については学生に事前告知
らず遠隔地での安否情報確認に貢献した。
せず，NU-AppsG アカウントに安否情報要求メールを
送信した。メール送信後の，経過時刻に対する安否情
報受信件数を図 6 に示す。結果は，昨年同様の傾向で
あった。1 週間では，昨年の 165 件に比べ 209 件とや
や増加した。
120
100
80
3.2 通行実績・通行止め情報提供
震災発生後の 3 月 19 日より，通行実績情報を ITS
[3]
頻度[件]
図 4 パーソンファインダー画面(体験版)
[2]
60
2011
2012
40
Japan が公開した 。これは，Honda，パイオニア，ト
ヨタ，日産の匿名かつ統計的に収集されたプローブ情
報を利用したものである。さらに，4 月 6 日より国土
20
0
1
2
3
4
5
6
7
地理院が作成した「東北地方道路規制情報 災害情報
経過時刻[h]
集約マップ」の情報（東北地方整備局，岩手県，宮城
図 6 安否情報受信件数
県，福島県，NEXCO 東日本）を利用して通行止情報
が加えられた(図 5)。4 月 28 日をもって終了したが，こ
の情報は有用な情報として，物資輸送などに貢献した。
8h～1W
５．まとめ
震災発生時とその後に利用された情報通信メディア，
並びに有効活用された情報システムの例，今年実施し
た安否確認実験について述べた。
・震災発生直後から，利用するメディアは，時系列で
は，同報型メディアから双方向メディアへとシフトし，
状況・安否確認，詳細情報収集，生活情報収集に利用
されたと考える。その中で，所持率の高い携帯電話の
利用に関する課題が見られた。
・一方，PC メール・ウェブは安定しており，これを利
用した情報システムが活用された。
・昨年に続き実施した安否確認試行実験からは，やは
り緊急連絡手段の徹底の課題があると考えられる。
震災後，情報システムの被災を鑑みて業務継続計画
提供当時の情報サンプル
（2011.4.13時点）
(BCP) ，デザスタリカバリ等の検討が行われるなど，
凡例：━通行実績情報（民間４社）
×通行止情報（国土地理院）
情報通信技術の活用，その重要性が再認識されている。
最後に，本研究は日本大学理工学部東日本大震災復
興支援研究プロジェクト（情報通信システム G）の一
[3]
図 5 通行実績・通行止情報
環として行われた。関係各位に謝意を表する。
４．
（続）安否確認試行実験
６．参考文献
9 月 21 日(金)の後期ガイダンス時に，船橋キャンパ
[1] 総務省：
「平成 24 年版 情報通信白書の概要」(2012-07).
ス行われた避難訓練時に，昨年に続いて，電子情報工
[2] http://google.org/personfinder/japan/
学科を中心に，本システムを利用した安否確認試行実
[3] http://www.its-jp.org/saigai/
験を実施した[4]。
[4] 泉他：
「災害時安否確認システムの開発と試行実験」
，日
・安否確認メール送信：9 月 21 日 12 時
本大学理工学部学術講演会，S1-10(2011-11).
付-226
[3.5.11]
＜平成24 年電気学会東京支部千葉支所研究発表会 2012 年11 月24・25 日＞
安否情報管理システムの開発
-GPS を用いた位置情報収集・閲覧機能の追加-
Development of a safety information managerial system
-The addition of position information collection and inspection function using GPS後藤 悠*，金子 勇太，泉
隆（日本大学）
Yu Goto*, Yuta Kaneko, Takashi Izumi (Nihon University)
キーワード 災害対策、安否確認システム
・ 収集された安否情報を容易に検索可能
1．まえがき
2011 年 3 月 11 日の巨大地震は東日本を中心に大きな被
・ 注目すべきデータの識別を容易にし、扱いやすい形式
害をもたらし、被災状況や安否確認等のため長時間にわた
で出力可能
って電話網は混乱したが、電話網に比べてインターネット
を利用した電子メールや Web は比較的安定した利用が可
4.2 システムの追加機能
[1]
利用者の位置情報を利用者の端末の GPS 機能用いて収
能 であった。
震災後、日本大学理工学部船橋キャンパス(以下、本学
集し、上記の入力項目と合わせて収集する。収集した位置
部という)でも学生、教職員の安否情報の収集を行ったが、
情報は緯度・経度情報はパソコン用ブラウザ、携帯端末で
手作業による情報収集でこれにはかなりの労力を費やし
GoogleMap を埋め込み可能なことから、Google Maps API[2]
ていた。そこで、我々は即時性・効率性を考慮し、インタ
を用いて収集し、位置を把握する。
ーネットを利用した安否情報管理システム (以下、本シス
テムという)を開発した。
4.3 システム利用の流れ
2. 目的
【利用者側】
本システムは本学部の関係者が利用することを想定し、
所有する端末を用いてシステムにアクセスする。そして
本学部近隣の被害状況によって大学としての避難誘導や
全ての項目を入力し確認ボタンを選択すると確認画面が
要救護者の支援などの行動の補助を目的としている。
表示され、誤りがなければ送信ボタンを選択する。この際、
端末が位置情報収集可能な状態であれば、位置情報送信の
3. 位置情報機能について
これまで本システムで、利用者から得られる情報は、被
害情報(無事または被害あり)とコメント(自由記述)のみで
許可を要求するメッセージが表示され「許可する」または
「許可しない」を選択する。許可した場合は安否情報とし
て位置情報が加えられ、データが送信される。
本システムでは、 メールアドレスで認証を行っており、
あった。そのため利用者に被害があった場合には、支援の
際に重要となる位置情報を自分自身で記述する必要があ
送信した安否情報のメールアドレスがシステムに登録さ
った。そこで本報告では、システム利用者の端末に搭載さ
れているメールアドレスと一致した場合、安否情報が登録
れている GPS 機能を用いて位置計測を行い、安否情報の
される、一致しなければ認証失敗となる。
付帯情報として位置情報収集機能と閲覧機能を追加する
ことで、位置情報の収集の簡略化を図った。
【管理者側】
ID と PW を入力し、システムにアクセスする。管理者
4．安否確認システムの概要
4.1 システム仕様
は指定した日付以降の安否情報を閲覧でき、 安否情報の
・ PC、携帯電話いずれからも利用可能なシステム
項目である所属学科・専攻・学生番号・氏名・状態から検
・ 利用者の煩わしさをも軽減させるためメールアドレ
索ができる。位置情報の項目をクリックするとその情報が
スのみでの認証
・ 利用者の入力項目は、本学部で実施した安否確認項目
地図上に表示される。また、全ての利用者の位置情報をま
とめて表示することもできる。
安否情報閲覧画面には、なりすまし防止として利用者が
に準拠する最低限のもの(所属・学生番号・氏名・メ
ールアドレス)
・ 認証に用いるメールアドレスは本学部で全学生・教職
送信した氏名データとデータベースに登録されている氏
名データの両方を表示して確認できる。
図 1、2 にシステム利用の流れ、情報閲覧アプリケーシ
員に与えられている大学用メールアカウントを一括
登録する
ョン画面を示す。
2012/11/24 Ⓒ 2012 IEE Japan
付-227
＜平成24 年電気学会東京支部千葉支所研究発表会 2012 年11 月24・25 日＞
6．位置情報収集実験
収集する位置情報は GPS の使用上誤差が発生することが
ある。この誤差は被害がある利用者の位置は救助に行く場
合を考え数 m 程度に抑えたい。そのため位置情報収集と
誤差の関係を調べるため実験を行った。端末と誤差の関係
を表 1 に示す。今回の実験では数ヶ所に分けて表 1 に示す
二つの端末で位置情報を収集した。
表 1 端末と誤差の関係
誤差[m]
端末
場所１
場所２
場所３
GalaxySⅡ
約 640
約 500
約 380
iPad2
約 45
約 180
約 55
表 1 より Galaxy では最大 640m、iPad では 180m の誤差
が発生しているのが分かる。誤差の原因は把握できていな
図 1 システム利用の流れ
いが、GPS を用いたシステムの位置情報収集部分にあると
考えている。GPS は建物の間等の衛星の電波が不安定にな
り誤差が発生するが、今回の計測は室外で行ったので誤差
の原因では無いと推測する。そして実験後、端末固有の
Mobile Google Maps で位置情報を収集したところ表 2 に示
すようになった。
表 2 Mobile Google Map による位置情報と誤差の関係
誤差[m]
端末
場所１
場所２
場所３
GalaxySⅡ
約5
約8
約7
iPad2
約7
約5
約8
表 2 よりどちらの端末も誤差が表 1 の結果より小さくな
っていることから端末自体に問題は無く、位置情報を収集
するシステム部分に問題があると考え、今後位置情報の取
図 2 情報閲覧アプリケーション画面
集部分を中心にシステムの見直しを検討する。
7．まとめ
5．位置情報収集と閲覧機能の追加
安否情報閲覧画面から、位置情報を選択することで個人
これまで開発してきた安否確認システムに、携帯電話の
の位置が表示される。この場合、位置情報の場所は矢印ア
GPS 機能を用いた位置情報収集・閲覧機能を追加した。誤
イコンで表示される。そして位置情報地図表示を選択する
差が存在するが利用者の位置情報を Google Maps 上にマ
ことで地図上に登録されている全ての安否情報の位置情
ーカー表示することで学生の被害状況を位置を含めて可
報がマーカーで表示される。表示されているマーカーは選
視化を表 1 の端末のみ確認することができた。
択することで、マーカーの位置から安否情報を送信した利
今後は収集した位置情報の誤差の原因調査をし、解決の
用者の、氏名とメールアドレスが表示される。また、位置
方法を検討する
謝辞
本研究は日本大学理工学部東日本大震災復興支援研究
プロジェクト(情報通信システム G)の一環として行われた。
関係各位に謝意を表する。
参考文献
[1]東日本大震災におけるインターネットが果たした役割
と今後の期待、財団法人インターネット教会
[2]Google Maps JavaScript API V3,
http://code.google.com/intl/ja/apis/maps/documentation/javascri
pt/, Google (2012 年 10 月現在)
情報の近隣に Google Maps の機能の一つである Street View
に対応している場所があればさらにマーカーが表示され、
その地点からの景色も表示される。これにより利用者が要
救助者であった場合、位置情報の景色を確認することでス
ムーズに向かうことが出来る。
2012/11/24 Ⓒ 2012 IEE Japan
付-228
[3.5.12]
＜平成24 年電気学会東京支部千葉支所研究発表会 2012 年11 月24・25 日＞
放射線量マップ生成システムの開発
Development of Radiation Level Mapping System
原田洋平*，金子勇太，荒川友理，泉
隆(日本大学)
*
Yohei Harada , Yuta Kaneko, Yuri Arakawa, Takashi Izumi (Nihon University)
キーワード：ガイガーカウンタ, GPS
1. はじめに
2011 年 3 月 11 日東北地方太平洋沖地震を端緒として発
生した福島第一原子力発電所事故によって，放射性物質が
日本国内・国外へ拡散したことで，放射性物質による健康
被害等の影響が懸念されているため，全国各地でガイガー
カウンタを用いた放射線量の確認が行われている．
そこで，放射線量を「いつでも，手軽に，誰でも，簡単
に測定し，情報を共有」し，各測定地における安全性を確
認するため，GPS ロガー機能を持つ放射線カウンタ”PiPi”
による放射線マップ生成システムの開発を目的とする．
2. 放射線マップ作成システムの概要
2.1 システム概要
ガイガーカウンタによって取得した放射線量と GPS ロ
ガーが取得した位置情報および取得時間を，Google が提
供する Google Static Map API を用いて地図上に取得地点
を描画し，さらにその画像右側に各地点での放射線の取得
時刻と線量を表示するシステムとする．
2.2 機器仕様
放射線カウンタ”PiPi”は，ガイガーカウンタおよび GPS
ロガーの機能を有する．以下に PiPi の仕様を表１に，取
得できるデータを表２に示す[1]．
表１．PiPi 仕様
製品名
検出器
測定対象
測定範囲
GPS
測定モード
放射線カウンタ”PiPi”
ガイガーミュラー管 J304
β線，γ線
0.04 ～ 9.99[μSv/h]
GT-723F ( 約 6[m]の精度)
停止モード：全測定時間の平均値を常に更新
（誤差 10%程度）
移動モード：60[sec]の平均値を 10[sec]毎に更
新（誤差 20%程度）
測定可能
データ量
移動モードで約 18 時間分のデータ
測定時
電池寿命
単 4 アルカリ電池*2
GPS 機能 OFF 時，約 10 時間
GPS 機能 ON 時，約 2 時間から 3 時間
表２．PiPi 出力
取得事項
データ取得モード
取得時間
位置情報
海抜
放射線 CPM
説明
定点モード：TypeA
移動モード：TypeA（１回目取得時）
TypeB（２回目以降）
TypeA：日付＋時刻
TypeB：時刻
北緯・東経（度分表記）
精度低（100%以上の誤差）
放射線カウント数．PiPi の GM 管校正
値（個体値）との商で線量[μSv/h]
2.3 地図画像作成
地図への描画は，Google Static Map を用いてデータ取得
地点の緯度・経度にマーカを配置する．Google Static Map
は Google Map のうち JavaScript や動的なページ読み込み
を行わずに地図を生成できるもので，他の API サービス
とは違い特別な登録を必要とせず，簡単に地図を生成でき
るほか，画像として生成できるため．その他の情報の埋め
込みが容易にできるという利点がある．
データを取得した順番にマーカにアルファベットを振
り，地図右側にデータ取得日時や当該マーカの放射線量を
描画し画像出力する．
3. 放射線マップ作成実験
以下の条件において放射線マップ作成実験を行った．
日時：2012 年 9 月 28 日 17 時 03 分～17 時 15 分
場所：千葉県船橋市 日本大学理工学部船橋キャンパス
方法：PiPi を地上約 1[m]の高さで徒歩程度の速度で移動
し移動モードでデータ取得を行う．
図１に生成した放射線マップを示す．
図１．放射線マップ
取得データを描画した地図を生成することができた．こ
こで，黒線は歩行した経路である．ほとんどのデータは移
動経路付近に存在しているが，観測点 B が大きくずれて
いる．これは，大きな建物に挟まれた地点を通過時に GPS
衛星信号が途切れたことによる誤差であると考えられる．
また，測定は移動モードで行ったため，CPM 値で最大
20[%]程度の誤差がある．これは，放射線量に換算して最
大±0.025[μSv/h]程度の誤差となる．
4. まとめ
放射線カウンタ”PiPi”を用いて測定値と測定位置を地図
上に描画し，放射線マップの生成を行うシステムを開発し，
実際に地図生成実験を行った．結果から，周辺の環境によ
り位置情報がずれる場合があることがわかった．今後はこ
れらの情報をデータベース化することで簡単にアクセス
可能な枠組みを構築し，データの蓄積により詳細な放射線
量分布を表せるようなシステムを目指す．
本研究は日本大学理工学部東日本大震災復興支援研究
プロジェクト(情報通信システム G)の一環として行われた．
参考文献
[1] 放射線カウンター「PiPi」
：http://www.p-ban.com/pipi/
2012/11/24 Ⓒ 2012 IEE Japan
付-229