パナソニック技報

【5月号】MAY 2017 Vol.63 No.1

(2017年5月15日公開)

特集:先端研究

安全・安心,快適・便利,心が豊かでサステナブルな社会の実現に,人工知能や感性センシング,水素エネルギーなどを現実のものとした新しい商品やサービスが生まれることが期待されています.先端研究本部では,人工知能,センシング,蓄電池・太陽電池,水素を重点研究領域として定め,当社の技術10年ビジョンの重点領域(IoT/ロボティクス,エネルギー)における新しい商品・サービスに向けて,非連続の技術創出を目指した研究開発を行なっています.本特集では,これらの先端研究に関する最新の取り組みについて紹介します.

先端研究特集によせて

パナソニック(株) 先端研究本部
本部長 辰巳 国昭

招待論文

産学共創:産学連携の新たなステージ

大阪大学
総長 西尾 章治郎

地元大阪の強い熱意によって創立した大阪大学は,産業界・市民とのつながりを大切にし,とりわけ産学連携活動を重視してきた.社会課題が複雑化し,産業構造も大きな変化を遂げるなか,大阪大学では,「産学連携」から「産学共創」へとパラダイムシフトさせ,新たなステージに歩を進める.

技術論文・総論

<人工知能>

[論文]自動運転向けディープラーニング障害物検出

築澤 宗太郎,グレゴリー セネー,ミンヤン キム,ルカ リガッツィオ

自動運転車の障害物検出機能のための新たな物体検出技術Temporal Faster R-CNN(Region-based Convolution Neural Networks)を提案する.一般的な複数物体検出技術は静止画を対象としているため,動画中の物体検出であってもフレームごとに個別に物体を検出するが,自動運転向けの障害物検出では車載カメラからの動画が認識対象であるため,認識性能に課題があった.本技術は時系列情報,すなわち過去のフレームの情報と現在のフレームの情報を同時に認識に用いることで12.9 %の演算量増加で7.7 %~17.9 %の認識率向上を確認した.

当社関連リリース

キーワード / ディープラーニング,ADAS,自動運転車,障害物検出,複数物体検出,画像認識

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[論文]機械学習による車載ネットワーク攻撃検知システム

芳賀 智之,岸川 剛,鶴見 淳一,松島 秀樹,高橋 良太,佐々木 崇光

近年,自動車に対するサイバー攻撃として,遠隔から車載ネットワークに侵入し,自動車を不正制御する攻撃事例が報告されており,車載ネットワークとして広く普及するCAN(Controller Area Network)の通信を保護する研究がなされてきた.しかし従来の対策手法は既存のECU(Electronic Control Unit)への改変が必要であり,早期の導入が困難であることが予想される.そこで筆者らはCANを保護するための2つの手法を提案する.1つは,既存の車載システムを変更せずに,CANバスのメッセージを集中監視し,不正メッセージを検知・無効化するCMI-ECU(Centralized Monitoring and Interceptor ECU)である.もう1つが,新種攻撃や攻撃予兆を検知するために,クラウド上での機械学習を用いた異常検知を使った攻撃検知手法である.これら2つの手法を多層にしたシステムを提案し,最後に機械学習を用いて,不正なCANメッセージの異常検知の検証を行い,提案システムの有効性を示す.

キーワード / コネクテッドカー,車載ネットワーク,サイバー攻撃,セキュリティ,機械学習,異常検知

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[論文]機械翻訳向け自動コーパス生成

山内 真樹,藤原 菜々美,今出 昌宏

機械翻訳(MT:Machine Translation)は,大量の対訳コーパス(原言語と目的言語の文章対データ)から,翻訳に必要なモデルを獲得することで翻訳を行う.対訳コーパス数の衆寡が翻訳の性能に直結する一方で,対訳コーパスの収集・獲得は高コストであり,MTの実用化課題である.筆者らは「少量の対訳コーパスからコーパス候補文を生成し,識別器により選択」する自動コーパス生成技術を開発している.翻訳性能を対コーパス数比で換算した場合,従来手法が約1.5倍程度の生成効率であるのに対し,本手法では約12倍以上の文生成を達成した.客観評価(BLEUスコア)でも約2.5ポイント向上し顕著な効果を有している.コーパス生成の自動化により,生成コストの削減と翻訳性能の向上とを両立した.

当社関連リリース

キーワード / コーパス,翻訳,AI,自動生成,識別,言語モデル,文データ,文の自然さ

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[論文]全層転移学習によるプロテオミクス解析

澤田 好秀,佐藤 佳州,中田 透,氏本 慧,林 宣宏

本稿では,少数の学習データを用いて高精度な深層学習を実施するための新たな転移学習法を提案し,それをプロテオミクス解析に適用した結果を報告する.プロテオミクス解析とは,たんぱく質を分子量と電荷量に基づいて分離し画像化した二次元電気泳動像を利用してたんぱく質の解析を行う技術であり,生物学者や医学者より注目を集めている.疾病の識別や創薬の分析,テーラーメイドの化粧品などに役立つと言われている一方,検体の収集が困難であり,高精度な判定が難しいという課題がある.そこで本稿では,転移学習と深層学習を組み合わせることで小規模データにおける識別精度の向上を試みた.従来と異なり,ニューラルネットワークの出力層も含めた全層を再利用する手法を提案し,有効性を敗血症識別によって確認できたので報告する.

キーワード / 深層学習,転移学習,機械学習,プロテオミクス解析,敗血症識別

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<センシング>

[論文]有機積層型イメージセンサ
- 完全同時広ダイナミックレンジ技術,光電変換グローバルシャッタ技術の開発 -

村上 雅史,西村 佳壽子,宍戸 三四郎,高瀬 雅之,三宅 康夫,玉置 徳彦

筆者らは,有機イメージセンサの光電変換部と信号処理回路部が積層され独立に設計可能な構造の特長を活(い)かした性能・機能の飛躍的な伸張技術により新たな顧客価値の創造に取り組んでいる.今回,画素電極を1画素内で大小に分割した1画素2セル構造の提案により,従来技術課題であった時間ずれのない,1回の撮像で120 dB超の完全同時広ダイナミックレンジ技術を開発した.また,有機光電変換膜に印加する電圧を変化させることで光電変換効率を制御する技術の開発により,従来技術課題であった画素サイズと飽和のトレードオフ特性を飛躍的に改善し,従来比10倍の業界最高飽和グローバルシャッタ機能を実現した.これら有機イメージセンサの広ダイナミックレンジ化技術とグローバルシャッタ技術開発により,明暗差の大きなシーンでの撮影や,高速に移動する被写体認識,動き方向検出を可能とし,新たなイメージセンシング用途への展開・拡大を目指す.

当社関連リリース

キーワード / イメージセンサ,有機,光電変換,ワイドダイナミックレンジ,グローバルシャッタ,ノイズキャンセル

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[論文]ミリ波レーダを用いた非接触心拍センシング技術

酒井 啓之,福田 健志,井上 謙一,奥村 成皓,阪本 卓也,佐藤 亨

離れたところから非接触で,測定していることを感じさせない心拍センシング技術を開発した.高感度スペクトラム拡散レーダ技術により,呼吸や心臓の鼓動による皮膚表面のわずかな動きを検知することで,呼吸や心拍を測定する.さらに,特徴点ベースの新しいアルゴリズムの開発により,一拍一拍の心拍間隔(IBI:Inter-Beat-Interval)の推定をも可能にした.これにより,心拍間隔変動から自律神経の状態を推定することも可能となる.本技術で推定した心拍間隔と心電計から得られた心拍間隔の相関係数は0.993に達し,非接触で心電計と同等の心拍間隔測定が可能となった.

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キーワード / ミリ波レーダ,非接触,生体センシング,広帯域,心拍,心拍間隔,特徴点,アルゴリズム

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[論文]超高分解能と低消費電力を両立するノイズシェーピング逐次比較型AD変換器の開発

小畑 幸嗣,松川 和生,塚本 裕介,須志原 公治

ノイズシェーピング(Noise-Shaping)逐次比較型(Successive Approximation Register:SAR)アナログデジタル変換器(Analog to Digital Converter:ADC)は,超高分解能と低消費電力を両立する新たなADCである. SAR ADCの変換誤差を積分器で積分することにより,ノイズフロアのシェーピングを実現する.また,新たに開発したダイナミックエレメントマッチング(Dynamic Element Matching:DEM)手法により,ADC内部の容量性デジタルアナログ変換器(Digital to Analog Converter:DAC)のミスマッチによる高調波ひずみを抑制する.一般的な28 nmCMOSプロセスで提案ADCを試作した結果,2 kHz帯域で97.99 dBのSNDR(Signal to Noise and Distortion Ratio)を,37.1 μWの消費電力で実現した.

キーワード / 超高分解能,低消費電力,アナログデジタル変換器,逐次比較型,ノイズシェーピング,Σ変調,ダイナミックエレメントマッチング

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<蓄電池・太陽電池>

[総論]革新蓄電池の研究開発動向

嶋田 幹也

リチウムイオン電池(Lithium Ion Battery, LIB)を超える高エネルギー密度な電池が求められている.革新蓄電池は,その理論エネルギー密度がLIBを超える電池であり,動作原理や材料がLIBとは異なる電池である.革新蓄電池の技術的な問題と改善技術を紹介する.

当社関連リリース

キーワード / 革新蓄電池,エネルギー密度,全固体電池,リチウム空気電池,マグネシウム電池.リチウム金属

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[論文]ナトリウムイオン電池のポストリチウムイオン電池としての可能性

蚊野 聡,岡野 哲之,北條 伸彦,名倉 健祐

ナトリウムイオン電池は,構成材料の資源が豊富で低コスト化が期待できることから,ポストリチウムイオン電池として研究されている.ナトリウムイオン電池の負極材料としては,非晶質系の炭素材料が主に研究されているが,炭素材料へのナトリウムイオンの吸蔵メカニズムについてはいまだ明らかでないことが多い.そこで,定量的な細孔パラメータを用いて炭素物性とナトリウムイオン吸蔵能の相関性を調査することで,炭素閉孔容積の増大による高容量化の可能性が示唆された.また,閉孔形成剤を用いて炭素構造内に閉孔を導入し,業界最高容量(438 mAh/g)のナトリウムイオン電池用炭素負極を開発した.

キーワード / ナトリウムイオン電池,Naイオン電池,炭素材料,炭素負極,カーボン材料,カーボン負極,閉孔,非晶質炭素

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[論文]高度解析技術による電池材料の解析

井垣 恵美子,大川 真弓,杉本 裕太,大内 暁

近年の材料解析技術の進展により,微小領域における軽元素を含む原子配列や,表面・界面の状態変化を直接捉えることが実現しつつある.これらの技術を二次電池材料に適用し,材料の構造解析や表面・界面の諸現象の解明を行った.材料の構造解析には透過電子顕微鏡(TEM)の環状明視野観察法(ABF-STEM)を用い,正極材料Li(Ni,Co,Al)O2のリチウム配置を直接原子像として捉えることに成功した.負極表面皮膜の分析には,約100 nm厚の皮膜の化学状態分析を非破壊で行える硬X線光電子分光法(HAXPES)を用い,皮膜の表層と内部の化学状態の差異を明確にした.正極/固体電解質界面の構造解析にはTEMやHAXPESなどを用い,自発的な界面層の形成を明らかにした.このような高度解析技術によるリチウムの挙動やそれに伴う状態変化の解明は,二次電池の諸課題の解決や性能の大幅な向上に貢献することが期待される.

当社関連リリース

キーワード / 電池材料,構造解析,化学状態分析,表面・界面,透過電子顕微鏡,環状明視野観察法,硬X線光電子分光法

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[論文]ペロブスカイト太陽電池の耐久性向上

藤村 慎也,松下 明生,山本 輝明,松井 太佑,内田 隆介,根上 卓之

高い効率を有し,塗布プロセスが可能で,革新的低コスト化が期待できるペロブスカイト太陽電池の耐久性向上の実証研究を行った.従来のペロブスカイト材料よりも高い効率が期待できるメチルアンモニウム(MA)とホルムアミジニウム(FA)のカチオン種を含むペロブスカイト層を用い,正孔輸送層由来のドーパント元素の拡散を抑制することによって85 ℃高温耐久試験における初期劣化(100時間以下)しない効果を得た.さらには,MA,FAに加えてCsをカチオンサイトへ添加することによって,ペロブスカイト層の相変化による後期劣化(200時間以上)を抑制し,85 ℃高温環境,1000時間曝露(ばくろ)において変換効率低下のないペロブスカイト太陽電池を実証した.

当社関連リリース

キーワード / ペロブスカイト太陽電池,有機・無機ハイブリッド,耐久性,熱劣化,劣化メカニズム,ドーパント拡散,相変化

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<水素>

[論文]燃料電池マルチスケールシミュレーション

山本 恵一,藤田 悠介,安本 栄一,菅原 靖

燃料電池の理想的な触媒層構造を設計することを目的に,触媒層を構成するカーボン担体とその表面にある触媒粒子をアイオノマーで被覆した3相界面構造に基づく,商品電極サイズの燃料電池の発電性能予測できるマルチスケールシミュレーション技術の開発を行った.今回,分子動力学法によるアイオノマー内のナノスケールの物質輸送特性の算出や,カーボンの担体粒子サイズを最小単位とする多孔質構造の実効的な自己および相互拡散係数とプロトン伝導度の決定をメソスケールのシミュレーションにより行い,触媒層における電気化学反応を適切にモデル化することで,発電電圧の予測値として,実験値との乖離(かいり)±10 mV未満の精度を実現した.

当社関連リリース

キーワード / 燃料電池,触媒層,アイオノマー,担体,物質輸送パラメータ,マルチスケールシミュレーション,メソスケール,多成分ガス

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[論文]プロトン伝導型SOFCの開発

黒羽 智宏,見神 祐一,鎌田 智也,山内 孝祐,谷口 昇,辻 庸一郎

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は,高い発電効率を有する次世代燃料電池として注目されているが,700 ℃から900 ℃という高い作動温度に起因する周辺部材のコスト高が課題である.そこで作動温度の低温化を狙い,従来SOFCに用いられてきた酸化物イオン伝導体材料と比較して,より低温で高いイオン伝導率を有するプロトン伝導体材料に着目した.特にプロトン伝導体材料の課題であるCO2に対する化学安定性において,BaZr0.8In0.2O3-δ,BaZr0.8Y0.2O3-δは,CO2を含む燃料模擬ガス下にてそれぞれ少なくとも13000時間,7500時間安定であることを確認した.これらのプロトン伝導体材料を用いた燃料電池セルを作製し,発電試験を実施した結果,BaZr0.8In0.2O3-δにて最大出力密度0.14 W/cm2を達成した.抵抗成分解析結果から,燃料電池セルの抵抗の主因が電解質抵抗によるもので,プロトン伝導体材料のプロトン伝導率の向上により出力向上が可能であることが示された.

当社関連リリース

キーワード / 燃料電池,固体酸化物形,SOFC,プロトン伝導体,CO2耐久,BaZrO3

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[論文]ペロブスカイト型プロトン伝導性酸化物Ba1-xZr1-yYyO3-δにおける特異な水素イオン伝導

銭谷 勇磁,サイフェラー バダル,加納 学,南 炫貞,中田 裕貴

プロトン伝導性酸化物は,酸化物イオン伝導性材料のイオン伝導の温度特性と比較して,より低い温度で燃料電池などに要求されるイオン伝導特性が得られるため,燃料電池の低温動作などに対して有利である.特にBaZrO3にイットリウム(Y)がドープされたBa1-xZr1-yYyO3-δ(x=0.0, y≦0.2)(BZY)は,加湿雰囲気下において最も高いプロトン伝導性を示す材料として知られている.筆者らは,このBZYを熱処理することで,乾燥した水素雰囲気において600 ℃において0.34 S/cm,100 ℃の低温おいても0.14 S/cmと,従来よりも高い水素イオン伝導性を確認した.筆者らは触媒電極を用い,乾燥したH2雰囲気下で熱処理することで,酸素欠損サイトに水素のアニオンであるヒドリド(H-)が配置し,電気的中性を保つようにプロトン(H+)が結晶内を伝導するモデルを提案している.

キーワード / プロトン伝導体,ペロブスカイト,酸化物薄膜,イオン伝導体,燃料電池,BaZrO3,ヒドリド

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[論文]水電解アノード触媒開発における第一原理計算の活用

日野上 麗子,豊田 健治,宮田 伸弘

水素社会の実現のため,安価で高活性な水電解アノード触媒が望まれている.筆者らは酸素発生触媒としてデラフォサイト酸化物(ABO2;A=銅または銀,B=遷移金属)に着目し,第一原理計算を活用した材料探索を行った.銅デラフォサイト酸化物の検討より,電気化学的に評価した触媒活性(反応開始電位)と,「バルク」の密度汎関数理論計算で求めたBサイトの電子状態(eg電子占有数)との間に強い相関があることを確認した.またこの知見から,銀デラフォサイト酸化物の触媒活性を予測し,高活性な触媒組成を見つけることができた.反応機構に関する考察,「表面」の電子構造計算の検討事例やデバイス適用事例についても紹介する.

キーワード / デラフォサイト,酸素発生触媒,水電解,第一原理計算,電子占有数

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<材料・環境>

[論文]大変位・高出力な繊維状ポリマーアクチュエータ

平岡 牧,金子 由利子,中村 邦彦,林 直毅,田頭 健司,荒瀬 秀和

直鎖状低密度ポリエチレン樹脂をナノ構造制御して作製したコイル状ポリマーアクチュエータによって,従来100 ℃以上だった動作温度を低温化し,ウェアラブル機器への利用に適する高出力なアクチュエータを作製した.このアクチュエータは生体筋の最大発生応力の30倍に相当する10 MPaの引張応力に対し30 ℃から90 ℃への加熱で23 %収縮し,軽量な動力源として利用できる.また,仕事効率は理想的な断熱条件において最大荷重70 MPa にて約2 %であり,熱駆動方式としてトップクラスである.電気駆動するために通電加熱できるよう導電部材と複合化し,60 ℃の加熱により,10 MPa荷重にて10 %収縮し,周辺部材への熱的なダメージを抑えて利用できることを示した.量産に適した工法として,製紐(せいちゅう)加工によりヒータ線と複合化し,さらにバンド状に編むことで0.15 W/cmの電力で荷重5 Nの引き上げ動作した結果についても報告する.

当社関連リリース

キーワード / 人工筋肉,ソフトアクチュエータ,ポリマーアクチュエータ,コイル化アクチュエータ,繊維状アクチュエータ,布状アクチュエータ,コイル状アクチュエータ,LLDPE

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[論文]紫外光面発光光源の開発と水処理技術

佐々木 良樹,頭川 武央,黒澤 貴子,長尾 宣明,神子 直之

環境汚染の課題がある水銀を含まない光源として,物質分解用途に真空紫外光光源,殺菌用途に深紫外光光源を開発した.真空紫外光光源は,基板の片面にサファイアガラスを用いることで,Xeガスの放電によって発生する147 nmの共鳴線と172 nmの分子線の発光スペクトルをもつ真空紫外光を放出する.深紫外光光源は,真空紫外光光源の内部に深紫外光に波長変換する蛍光体を設けることで,中心波長が232 nmのブロードな発光スペクトルをもつ深紫外光を放出する.真空紫外光光源は,汚染物質を想定した有機物であるインジゴカルミンに照射することで,炭素成分の67.1 %をCO2に分解することを示した.また,深紫外光光源は,大腸菌ファージΦX174 とMS2の殺菌効果を確認し,殺菌光源として使用できることを示した.

キーワード / 紫外,光源,分解,殺菌,無水銀,真空紫外,深紫外,放電

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