JP6904037B2 - 情報処理装置、材料選択プログラム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、材料選択方法、材料選択プログラム及び材料選択処理を実行する情報処理装置に関する。

物質設計及び材料設計を支援するための種々の技術が知られている。例えば、数値シミュレーション等の複数の材料設計プログラムの実行順序を示すタスクフローを規定し、複数のプログラムを用いた一連の設計を自動化する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。また、複数の材料特性に対して全体的に最も密接にマッチする材料を迅速に特定することで、新製品の開発サイクル時間を大幅に短縮することを可能にする技術が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００２−３２８９６１号公報 特開２００４−１５８００８号公報

Ｓｉ−Ｇｅ材料における熱伝導率の最小値の抽出、及び性能が安定した材料を決定するためのエネルギーレベルの最小値の抽出等のように材料設計において、ピーク性能、及びピーク値に近い性能を抽出する技術に対する要望がある。実験及びシミュレーション等で取得された材料の特性を示す特性パラメータを、材料の構造を示す構造パラメータの値に応じた順序で配列し、特性パラメータがピーク値になる材料が選択される。

しかしながら、実験及びシミュレーション等で取得される材料の特性パラメータを示すデータの数が膨大になるため、膨大な数のデータから特性パラメータがピーク値になる複数の材料を選択することは容易ではない。

一実施形態では、特性が良好であり且つ構造の差が大きい複数の材料を選択可能な材料選択方法を提供することを目的とする。

１つの態様では、材料選択処理を実行する情報処理装置は、構造が相違する複数の材料のそれぞれの特性を示す特性パラメータを、材料の構造を示す構造パラメータの値に応じた順序で配列する。情報処理装置は、構造パラメータの値に応じた順序で配列された特性パラメータのピーク値を探索する。情報処理装置は、探索されたピーク値に対応する材料から、特性パラメータが最も良好な特性を示す材料を第１ピーク材料として選択する。情報処理装置は、探索したピーク値に対応する材料から、第１ピーク材料との間の構造パラメータの値の差が最も大きい第２ピーク材料を選択する。情報処理装置は、第１ピーク材料及び第２ピーク材料が少なくとも選択されたことを示す材料選択信号を出力する。

一実施形態では、特性が良好であり且つ構造の差が大きい複数の材料を選択することができる。

（ａ）は実施形態に係る材料選択方法に関連する第１の材料選択方法を説明するための第１の図であり、（ｂ）は実施形態に係る材料選択方法に関連する第１の材料選択方法を説明するための第２の図であり、（ｃ）は実施形態に係る材料選択方法に関連する第２の材料選択方法を説明するための第１の図であり、（ｄ）は実施形態に係る材料選択方法に関連する第２の材料選択方法を説明するための第２の図である。 実施形態に係る材料選択方法を説明するための図である。 （ａ）は実施形態に係る材料選択処理を実行する情報処理装置の回路ブロック図であり、（ｂ）は（ａ）に示す処理部の機能ブロック図である。 図３に示す情報処理装置によるによる材料選択処理のフローチャートである。 原子の配置と構造パラメータの例を示す図であり、（ａ）はＳｉ−Ｇｅ材料において構造パラメータに従って４６８番目に配列される原子構造を示し、（ｂ）はＳｉ−Ｇｅ材料において構造パラメータに従って１２３１番目に配列される原子構造を示す。 実施形態に係る材料選択方法により選択された材料の一例を示す図である。

以下図面を参照して、実施形態に係る材料選択方法、材料選択プログラム及び材料選択処理を実行する情報処理装置について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されない。

（実施形態に係る材料選択方法に関連する材料選択方法）
実施形態に係る材料選択方法、材料選択プログラム及び材料選択処理を実行する情報処理装置について説明する前に、実施形態に係る材料選択方法に関連する材料選択方法について説明する。

図１（ａ）及び１（ｂ）は実施形態に係る材料選択方法に関連する第１の材料選択方法を説明するための図であり、図１（ｃ）及び１（ｄ）は実施形態に係る材料選択方法に関連する第２の材料選択方法を説明するための図である。図１（ａ）〜１（ｄ）において、横軸は材料の構造を示す構造パラメータの値に応じて配列されたときの配列番号を示し、縦軸は材料の特性を示す特性パラメータを示す。構造パラメータは例えば材料の含まれる原子の配置構造に応じて決定される構造特徴距離であり、特性パラメータは熱伝導率等の材料特性を示す物理量である。

実施形態に係る材料選択方法に関連する第１の材料選択方法では、特性パラメータのＫ個のピーク値は、特性パラメータを探索して、Ｋ個の最小値又は最大値として選択される。図１（ａ）に示す例では、第１の材料選択方法では、８つのデータから値が小さい３つの特性パラメータに対応する材料が、特性パラメータがピーク値になる材料として選択される。図１（ａ）において、第１の材料選択方法でピーク値に決定される３つの値は黒丸で示される。第１の材料選択方法では、ピーク値となる特性パラメータの値が、ピーク値にならない特性パラメータの値より小さいときに、特性パラメータがピーク値になる材料を正確に選択することができる。

しかしながら、第１の材料選択方法では、ピーク値となる特性パラメータの値と、ピーク値にならない特性パラメータの値とが逆転したときに、特性パラメータがピーク値になる材料を選択することができない。例えば、図１（ｂ）に示すように、左肩下がりハッチングがされた特性パラメータの値は、右肩下がりハッチングがされた特性パラメータの値よりも小さく、誤ってピーク値として選択される。

実施形態に係る材料選択方法に関連する第２の材料選択方法では、特性パラメータのピーク値は、分割された群のそれぞれの最小値又は最大値として選択される。図１（ｃ）に示す例では、第２の材料選択方法では、第１群〜第３群のそれぞれの最小値となる特性パラメータに対応する材料が、ピーク値となる特性パラメータを有する材料として選択される。図１（ｃ）において、第２の材料選択方法でピーク値に決定される３つの値は黒丸で示される。第２の材料選択方法では、それぞれの群に含まれる構造パラメータの数が適切であるときに、特性パラメータがピーク値になる材料を正確に選択することができる。

しかしながら、それぞれの群に含まれる構造パラメータの数が適切でないときに、特性パラメータがピーク値になる材料を選択することができない。例えば、図１（ｄ）に示すように、左肩下がりのハッチングがされた特性パラメータの値は、第２群に含まれる構造パラメータに対応する特性パラメータの最小値となり、第２の材料選択方法では、誤ってピーク値として選択される。また、右肩下がりのハッチングがされた特性パラメータの値は、第１群に含まれる構造パラメータに対応する特性パラメータの最小値ではないので、第２の材料選択方法では、ピーク値として選択されない。

（実施形態に係る材料選択方法の概要）
図２は、実施形態に係る材料選択方法を説明するための図である。図２において、横軸は材料の構造を示す構造パラメータの値に応じて配列されたときの配列番号を示し、縦軸は材料の特性を示す特性パラメータを示す。

実施形態に係る材料選択処理を実行する情報処理装置は、まず、構造が相違する複数の材料のそれぞれの特性を示す特性パラメータを、材料の構造を示す構造パラメータの値に応じた順序で配列する。次いで、情報処理装置は、図２において太線矢印で示すように、構造パラメータの値に応じた順序で配列された特性パラメータのピーク値に対応する材料を山登り法等により探索する。次いで、情報処理装置は、探索されたピーク値に対応する材料から、第１ピーク材料を選択する。第１ピーク材料は、例えば、矢印Ａで示すように、特性パラメータに対応する材料特性が最も良好な材料である。次いで、情報処理装置は、矢印Ｂで示すように、探索したピーク値に対応する材料から、第１ピーク材料の構造パラメータの値の差が最も大きい第２ピーク材料を選択する。そして、情報処理装置は、第１ピーク材料及び第２ピーク材料が少なくとも選択されたことを示す材料選択信号を出力する。

実施形態に係る材料選択処理を実行する情報処理装置は、第１ピーク材料、及び第１ピーク材料との間の構造パラメータの値の差が最も大きい第２ピーク材料を選択することで、特性が良好であり且つ構造の差が大きい２つの材料を選択することができる。

（実施形態に係る材料選択処理を実行する情報処理装置の構成及び機能）
図３（ａ）は実施形態に係る材料選択処理を実行する情報処理装置の回路ブロック図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す処理部の機能ブロック図である。

情報処理装置１は、通信部１０と、記憶部１１と、入力部１２と、出力部１３と、処理部２０とを有する。

通信部１０は、ＨＴＴＰ（Hypertext Transfer Protocol）のプロトコルに従ってインタネットを介して不図示のサーバ等と通信を行う。そして、通信部１０は、サーバ等から受信したデータを処理部２０に供給する。また、通信部１０は、処理部２０から供給されたデータをサーバ等に送信する。

記憶部１１は、例えば、磁気テープ装置、磁気ディスク装置、又は光ディスク装置のうちの少なくとも一つを備える。記憶部１１は、処理部２０での処理に用いられるオペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。例えば、記憶部１１は、アプリケーションプログラムとして、複数の材料から特性パラメータがピーク値になる複数の材料を選択する材料選択処理をコンピュータに実行させる材料選択プログラムを記憶する。材料選択プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から公知のセットアッププログラム等を用いて記憶部１１にインストールされてもよい。

また、記憶部１１は、炭化時間演算処理で使用される種々のデータを記憶する。さらに、記憶部１１は、所定の処理に係る一時的なデータを一時的に記憶してもよい。

入力部１２は、データの入力が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、タッチパネル、キーボタン等である。操作者は、入力部１２を用いて、文字、数字、記号等を入力することができる。入力部１２は、操作者により操作されると、その操作に対応する信号を生成する。そして、生成された信号は、操作者の指示として、処理部２０に供給される。

出力部１３は、映像やフレーム等の表示が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬ（Electro−Luminescence）ディスプレイ等である。出力部１３は、処理部２０から供給された映像データに応じた映像や、動画データに応じたフレーム等を表示する。また、出力部１３は、紙などの表示媒体に、映像、フレーム又は文字等を印刷する出力装置であってもよい。

処理部２０は、一又は複数個のプロセッサ及びその周辺回路を有する。処理部２０は、情報処理装置１の全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＣＰＵである。処理部２０は、記憶部１１に記憶されているプログラム（ドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム等）に基づいて処理を実行する。また、処理部２０は、複数のプログラム（アプリケーションプログラム等）を並列に実行できる。

処理部２０は、材料情報取得部２１と、選択条件情報取得部２２と、材料配列部２３と、ピーク値探索部２４と、第１ピーク材料選択部２５と、第２ピーク材料選択部２６とを有する。処理部２０は、ピーク値数判定部２７と、選択群分割部２８と、材料選択信号出力部２９とを更に有する。これらの各部は、処理部２０が備えるプロセッサで実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。あるいは、これらの各部は、ファームウェアとして情報処理装置１に実装されてもよい。

（情報処理装置１による材料選択処理）
図４は、情報処理装置１による材料選択処理のフローチャートである。図４に示す情報取得処理シーケンスは、予め記憶部１１に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部２０により、情報処理装置１の各要素と協働して実行される。

まず、材料情報取得部２１は、複数の材料のそれぞれを識別する識別情報、複数の材料のそれぞれの構造を示す構造パラメータ及び複数の材料のそれぞれの特性を示す特性パラメータを含む材料情報を取得する（Ｓ１０１）。次いで、選択条件情報取得部２２は、材料を選択するときの選択条件を示す選択条件情報を取得する（Ｓ１０２）。選択条件情報は、特性パラメータがピーク値になる材料として選択される材料の数を示す選択数情報、探索するピーク値が極大値又は極小値の何れかを示すピーク値情報を含む。次いで、材料配列部２３は、Ｓ１０１の処理で取得された材料情報に含まれる複数の材料のそれぞれの特性を示す特性パラメータを、材料の構造を示す構造パラメータの値に応じた順序で配列する（Ｓ１０３）。

構造パラメータは、一例では、構造特徴距離であり、材料配列部２３は、配列の基準とする基準材料からの構造特徴距離に応じて、複数の材料のそれぞれの特性を示す特性パラメータを配列する。例えば、Ｓｉ−Ｇｅ材料において、Ｇｅ原子が含有されていないＳｉ材料を基準材料とし、材料に含有されるＧｅ原子の配置に応じたパラメータを構造パラメータとすることができる。

すなわち、構造パラメータＰは、構造原子位置Ａｐ、材料に含まれる原子の数ｍ及び特徴ベクトルの次元数ｎから以下の式で示される。

構造パラメータＰがＸ_iで示される第ｉ材料と、構造パラメータＰがＸ_jで示される第ｊ材料との間の構造特徴距離ｄ_ijは、以下の式で示される。

複数の材料のそれぞれの間の構造特徴距離ｄ_ijは、構造特徴距離間トリックスＤとして記憶部１１に記憶される。材料の数がＭのときの構造特徴距離間トリックスＤの一例は以下の通りである。構造特徴距離間トリックスＤは対称行列になるため、ｉ行ｊ列及びｊ行ｉ列の何れか一方に構造特徴距離ｄ_ijを規定し、他方を「０」にしてもよい。

また、材料の数がＭのときの構造特徴距離間トリックスＤの他の例は以下の通りである。ｉ行ｊ列及びｊ行ｉ列の双方に構造特徴距離ｄ_ijを規定することで、材料配列部２３のデータ読み出し処理が容易になる。

図５は、原子の配置と構造パラメータの例を示す図である。図５（ａ）はＳｉ−Ｇｅ材料において構造パラメータに従って４６８番目に配列される原子構造を示し、図５（ｂ）はＳｉ−Ｇｅ材料において構造パラメータに従って１２３１番目に配列される原子構造を示す。

図５に示す例では、Ｓｉ−Ｇｅ材料は１４層に配置され、Ｇｅ原子が含有されていないＳｉ材料を基準材料として一番目に配列し、最上層のみにＧｅ原子が配置される材料を構造特徴距離が基準材料との間の構造特徴距離が最も近いとして二番目に配置する。

次いで、ピーク値探索部２４は、Ｓ１０２において取得された選択条件情報に含まれるピーク値情報に基づいて、構造パラメータの値に応じた順序で配列された特性パラメータのピーク値を探索する（Ｓ１０４）。ピーク値探索部２４は、例えば山登り法等の公知の極値を探索する探索アルゴリズムにより、特性パラメータのピーク値を探索する。ピーク値探索部２４は、Ｓ１０２において取得された選択条件情報に含まれるピーク値情報が極大値の探索を示すとき、極大値となるピーク値を探索する。一方、ピーク値探索部２４は、Ｓ１０２において取得された選択条件情報に含まれるピーク値情報が極小値の探索を示すとき、極小値となるピーク値を探索する。

次いで、第１ピーク材料選択部２５は、Ｓ１０４の処理で探索されたピーク値に対応する材料から、特性パラメータが最も良好な特性を示す材料を第１ピーク材料として選択する（Ｓ１０５）。第１ピーク材料選択部２５は、Ｓ１０４の処理で極大値がピーク値として探索されたとき、探索されたピーク値の最大値に対応する材料を第１ピーク材料として選択する。一方、第１ピーク材料選択部２５は、Ｓ１０４の処理で極超値がピーク値として探索されたとき、探索されたピーク値の最超値に対応する材料を第１ピーク材料として選択する。

次いで、第２ピーク材料選択部２６は、Ｓ１０４の処理で探索されたピーク値に対応する材料から、Ｓ１０５の処理で選択された第１ピーク材料の構造パラメータの値の差が最も大きい第２ピーク材料を選択する（Ｓ１０６）。第２ピーク材料選択部２６は、記憶部１１に記憶される構造特徴距離間トリックスＤを参照して、Ｓ１０５の処理で選択された第１ピーク材料との間の構造特徴距離ｄ_ijが最も大きい材料を第２ピーク材料として選択する。

次いで、ピーク値数判定部２７は、Ｓ１０２において取得された選択条件情報に含まれる選択数情報に基づいて、Ｓ１０４〜Ｓ１０６の処理を示す材料選択処理を終了するか否かを判定する（Ｓ１０７）。ピーク値数判定部２７は、選択された材料の数が選択数情報に対応する数に一致するときに材料選択処理を終了すると判定する。一方、ピーク値数判定部２７は、選択された材料の数が選択数情報に対応する数より少ないときに材料選択処理を終了しないと判定する。

ピーク値数判定部２７によって材料選択処理を終了しないと判定される（Ｓ１０７−ＮＯ）と、選択群分割部２８は、材料選択処理を終了していない群があるか否かを判定する（Ｓ１０８）。選択群分割部２８によって材料選択処理を終了していない群があると判定される（Ｓ１０８−ＹＥＳ）と、処理はＳ１０４に戻る。ピーク値探索部２４は、Ｓ１０８の処理で材料選択処理を終了していないと判定された群において、構造パラメータの値に応じた順序で配列された特性パラメータのピーク値を探索する（Ｓ１０４）。

選択群分割部２８は、材料選択処理を終了していない群がないと判定する（Ｓ１０７−ＮＯ）と、材料選択処理が実行された群を２つの群に分割する（Ｓ１０９）。選択群分割部２８は、材料選択処理が実行された群に含まれる材料の数、及び配列位置に応じて群分割処理を適宜実行する。選択群分割部２８は、例えば、材料の数がＭのとき、最初の材料選択処理が終了すると、Ｍ個の材料を、第１番目〜第（Ｍ／２）番目に配列される材料を含む第１群と、第（Ｍ／２＋１）番目〜第Ｍ番目に配列される材料を含む第２群との２つの群に分割する。また、第１群域及び第２群における材料選択処理が終了すると、選択群分割部２８は、第１群を更に２つの群に分割する。選択群分割部２８は、ピーク値となる特性パラメータを有する材料として選択される材料の分布が均一になるように分割処理を実行する。

選択群分割部２８によって材料選択処理が実行された群が２つの群に分割される（Ｓ１０９）と、処理はＳ１０４に戻る。ピーク値探索部２４は、Ｓ１０８の処理で２つの分割された群の何れか一方の群において、構造パラメータの値に応じた順序でされた特性パラメータのピーク値を探索する（Ｓ１０４）。選択群分割部２８は、材料選択処理が実行された群を２つの群に分割することで、ピーク値数判定部２７によって選択数情報に対応する数の材料が選択されると判定するまで、材料選択処理は、分割された群のそれぞれについて再帰的に実行される。

ピーク値数判定部２７によって材料選択処理を終了すると判定される（Ｓ１０７−ＹＥＳ）と、材料選択信号出力部２９は、何れの材料がピーク値となる特性パラメータを有する材料として選択されたかを示す材料選択信号を出力する（Ｓ１１０）。例えば、Ｓ１０２において取得された選択条件情報に含まれる選択数情報が２であるとき、材料選択信号出力部２９は、第１ピーク材料及び第２ピーク材料が選択されたことを示す材料選択信号を出力する。また、Ｓ１０２において取得された選択条件情報に含まれる選択数情報が３であるとき、第１ピーク材料及び第２ピーク材料に加えて、第３ピーク材料が選択されたことを示す材料選択信号を出力する。第３ピーク材料は、例えば、Ｍ個の材料を２つの分割したときに第１群に含まれ、第１群に含まれる第１ピーク材料の構造パラメータの値との差が最も大きい構造パラメータに対応する材料である。

（実施形態に係る材料選択方法の作用効果）
実施形態に係る材料選択方法では、第１ピーク材料、及び第１ピーク材料との間の構造パラメータの値の差が最も大きい第２ピーク材料の２つの材料を選択することで、特性が良好であり且つ構造の差が大きい２つの材料が選択可能である。

また、実施形態に係る材料選択方法では、所定数の材料が選択されるまで、２つの群に分割し、分割した群のそれぞれについて再帰的に材料選択処理を実行することで、選択される材料の分布が均一になるように材料選択処理を実行することができる。

図６は、実施形態に係る材料選択方法により選択された材料の一例を示す図である。図６において、横軸は構造パラメータに応じて配列されたときの配列番号を示し、縦軸は特性パラメータを示す。

図６に示す例では、選択される材料の数は１０であり、白丸で示される１０個の特性パラメータに対応する材料が選択された。選択された１０個の特性パラメータは何れもピーク値であり、実施形態に係る材料選択方法は、特性が良好であり構造の差が大きい複数の材料を選択することができる。

１ 情報処理装置
２１ 材料情報取得部
２２ 選択条件情報取得部
２３ 材料配列部
２４ ピーク値探索部
２５ 第１ピーク材料選択部
２６ 第２ピーク材料選択部
２７ ピーク値数判定部
２８ 選択群分割部
２９ 材料選択信号出力部

Claims (4)

1. 情報処理装置が、
   構造が相違する複数の材料のそれぞれの特性を示す特性パラメータを、材料の構造を示す構造パラメータの値に応じた順序で配列し、
   前記構造パラメータの値に応じた順序で配列された前記特性パラメータの複数のピーク値を探索し、
   探索された前記複数のピーク値に対応する複数の材料から、前記特性パラメータが最も良好な特性を示す材料を第１ピーク材料として選択し、
   探索された前記複数のピーク値に対応する前記複数の材料から、前記第１ピーク材料との間の前記構造パラメータの値の差が最も大きい第２ピーク材料を選択し、
   前記第１ピーク材料及び前記第２ピーク材料が少なくとも選択されたことを示す材料選択信号を出力する、
   処理を実行する、材料選択方法。
2. 前記情報処理装置が、
   前記構造パラメータの値に応じた順序で配列された前記複数の材料を、前記第１ピーク材料を含む第１群と、前記第１ピーク材料を含まない第２群とに分割し、
   前記第１群に含まれる材料から、前記第１ピーク材料の前記構造パラメータの値との差が最も大きい第３ピーク材料を選択する、処理を更に実行し、
   前記材料選択信号を出力する処理は、前記第１ピーク材料、前記第２ピーク材料及び前記第３ピーク材料が少なくとも選択されたことを示す前記材料選択信号を出力する、
   処理を含む、請求項１に記載の材料選択方法。
3. 構造が相違する複数の材料のそれぞれの特性を示す特性パラメータを、材料の構造を示す構造パラメータの値に応じた順序で配列し、
   前記構造パラメータの値に応じた順序で配列された前記特性パラメータの複数のピーク値を探索し、
   探索された前記複数のピーク値に対応する複数の材料から、前記特性パラメータが最も良好な特性を示す材料を第１ピーク材料として選択し、
   探索された前記複数のピーク値に対応する前記複数の材料から、前記第１ピーク材料との間の前記構造パラメータの値の差が最も大きい第２ピーク材料を選択し、
   前記第１ピーク材料及び前記第２ピーク材料が少なくとも選択されたことを示す材料選択信号を出力する、
   処理をコンピュータに実行させる、材料選択プログラム。
4. 構造が相違する複数の材料のそれぞれの特性を示す特性パラメータを、材料の構造を示す構造パラメータの値に応じた順序で配列する材料配列部と、
   前記構造パラメータの値に応じた順序で配列された前記特性パラメータの複数のピーク値を探索するピーク値探索部と、
   探索された前記複数のピーク値に対応する複数の材料から、前記特性パラメータが最も良好な特性を示す材料を第１ピーク材料として選択する第１ピーク材料選択部と、
   探索された前記複数のピーク値に対応する前記複数の材料から、前記第１ピーク材料との間の構造パラメータの値の差が最も大きい第２ピーク材料を選択する第２ピーク材料選択部と、
   前記第１ピーク材料及び前記第２ピーク材料が少なくとも選択されたことを示す材料選択信号を出力する材料選択信号出力部と、
   を有する、情報処理装置。

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