筑波大学

技術報告

ISSN
0916-2674
CODEN: TDGHFG

No. 36TECHNICAL REPORT, UNIVERSITY OF TSUKUBA

2016

第１5回筑波大学技術職員技術発表会報告集
ｈｔｔｐ：//ｗｗｗ．ｔｅｃｈ．ｔｓｕｋｕｂａ．ａｃ．ｊｐ/2015/

『筑波大学技術報告』No.36の発刊によせて本学では、技術職員の業績や活躍を広く学内外に紹介すること等を目的として、『筑波大学
技術報告』を長年継続して発刊してきており、本年度はNo.36が発刊される運びとなりました。

本報告書は「第15回筑波大学技術職員技術発表会」(平成28年3月9日開催)における発表論文
等及び技術職員からの投稿論文により構成されております。これは、教育・研究支援活動に携わる多忙な日常業務の中で、本学の技術職員が創意工夫をこらした、長時間にわたる研鑽や努力の成果報告です。
本発表会は、技術職員の全学的な活動の一環として定着し、準備段階において、技術発表会への積極的な参加・発表の奨励・啓発や学外者の参加を呼びかける広報活動等、今後のあり方の議論を含めて、技術発表会の開催や運営に関して大きな努力が払われてきています。本報告書をご覧いただけるとお分かりの通り今回は『研究』にやや偏った印象があります。技術職員の日々の業績や活躍を広く紹介するという趣旨から考えると、『教育』や『社会貢献』など幅
広く活動されている実態がわかるようになると良いかなと思います。

技術職員の職務は実験科学等の教育・研究支援活動のみならず、教材の作成、教育・研究機
器の設置・維持管埋、資料の整理、さらにIT関連技術等の広い範囲に拡がってきています。技
術職員制度の将来設計と職場環境等改善に向けて、平成20年から検討が行われています。新たな技術職員組織体制の在り方について検討するために全学的に設置された「技術職員等の在り方検討タスクフォース」の第Ⅰ期では、全学的な研究基盤整備要因についての整備方針が打ち出され、環境安全管理、研究機器、情報の3分野について、全学的に管理し継承すべき技術（職員）として位置付けました。同第Ⅱ期では研究力向上のための技術職員の活用や残すべき技術の整理を課題として取り組みました。少子化、グローバル化、研究力強化など大学を取り巻く様々な課題の中で、また、大学全体の人件費の動向も見極めながら、将来設計を進めなければなりません。

本報告書の刊行により、本学技術職員の業績を広く学内外に紹介し、各方面より忌憚のない御意見や、御指導、御助言、激励等を頂くことができればと願っています。技術職員の育成と技術力を一層向上させるために、各方面の御支援をよろしくお願い致します。

平成 28 年 3 月

筑波大学 副学長・理事(研究担当) 三明康郎

i

目

次

『筑波大学技術報告』No.36 の発刊に寄せて
三明 康郎
筑波大学副学長・理事（研究担当）......................................... ⅰ

技術発表会報告集
農林技術センターを活用した附属病院精神神経科デイケア、リワークプログラムの企画推進大宮 秀昭・松本 安広
筑波大学農林技術センター技術室
羽田 舞子・新沼舘卓弥・小原 梨那
筑波大学附属病院
石川 正憲・松﨑 朝樹
筑波大学医学医療系
瀬古澤由彦・林 久喜
筑波大学生命環境系 .......................................................... 1
サクラソウ園芸品種の保存と普及活動
吉田 勝弘・伊藤 百世
筑波大学農林技術センター技術室
水田 大輝・大澤良
筑波大学生命環境系 .......................................................... 5
八ヶ岳演習林「恵みの森」一般開放に向けた取組み
井波 明宏・杉山 昌典
筑波大学農林技術センター技術室（八ヶ岳演習林）
篠原満・永井 真理筑波大学生命環境エリア支援室（八ヶ岳演習林）.......................... 9
奨励研究のすすめ －伊藤 伸一

教育的・社会的貢献と自己研鑽 －筑波大学数理物質科学等技術室 ............................................ 12

ソフトウェアとハードウェア性能比較実験装置の開発
小野 雅晃
筑波大学システム情報工学等技術室 ....................................... 18
農林技術センターで生産された生乳を活用した公開講座の開催
秋葉よしえ・山本 倫成・比企弘
筑波大学農林技術センター技術室
本間 秀弥
元筑波大学農林学系
田島 淳史
筑波大学生命環境系 ......................................................... 27
Cre/loxP 遺伝子組換えにより緑色から赤色蛍光に変換する ROSA26 Cre レポーターマウスの開発
長谷川賀一
筑波大学医学系技術室（生命科学動物資源センター） ................... 29
フローサイトメトリーによる健常人赤血球・網赤血球におけるトランスフェリン受容体（CD71）の分析および PNH 型幼若網血球検出への応用
佐藤 晶子
筑波大学医学系技術室 ....................................................... 33

組織標本作製室の紹介―検体試料の取り扱いについて菊川 浩子
筑波大学医学系技術室（組織標本作製室）................................. 39
赤外線センサーカメラによる長野県上田市菅平高原の哺乳類相と鳥類相調査
佐藤 美幸・正木 大祐
筑波大学生命環境科学等技術室（菅平高原実験センター）............... 42

技術報告
T 型ユニオンを使ったガスサンプリングポート
伊藤 伸一
筑波大学数理物質科学等技術室 ............................................ 47➨ᅇ⟃Ἴ኱Ꮫᢏ⾡⫋ဨᢏ⾡Ⓨ⾲఍ሗ࿌㞟㛤ദ᪥㸸ᵐᵎᵏᵔᴾ ᴾᖺᴾ ᵑᴾ ᭶ ᵗᴾ ᪥఍ሙ㸸⟃Ἴ኱Ꮫ⥲ྜ◊✲Ჷ ᵠᴾ බ㛤ㅮ⩏ᐊ⟃Ἴ኱Ꮫᢏ⾡⫋ဨᢏ⾡Ⓨ⾲఍බᘧ࢚࢘ࣈࢧ࢖ࢺ 

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1

2

3

4

サクラソウ園芸品種の保存と普及活動
吉田 勝弘a)、伊藤 百世a)、水田 大輝b)、大澤 良b)a)筑波大学農林技術センター技術室、b)筑波大学生命環境系a)〒305-8577 茨城県つくば市天王台1-1-1b)〒305-8572 茨城県つくば市天王台1-1-1

現在、当センターでは 1 品種 4 鉢で栽培しており、1280 鉢を超えるサクラソウ園芸品種を管理している。

概要
農林技術センターでは、2000 年当初からサクラソ
ウ園芸品種の収集と保存に力を入れてきた。現在、その数は 320 品種を超え、国内有数のサクラソウ園
芸品種コレクションの保全機関となっている。しかし、一箇所での保存は天災や病害虫などの影響により収集した園芸品種が失われてしまう危険性を常にはらんでいる。そこで、貴重なサクラソウコレクショ
ンの保存・維持の安全性確保のため市民の協力を基盤とする里親制度を立ち上げ、市民と共に保存活動を行っている。また、毎年、さくらそう展を国立科学博物館筑波実験植物園と共催し、保有するサクラ
ソウ園芸品種を一般に公開して、その価値を伝えている。

2.2 栽培

キーワード：サクラソウ園芸品種、遺伝資源保全、大学、市民

１．はじめにサクラソウの園芸品種の歴史は古く、江戸時代に多くの品種が作り出された。享保年間に出版された｢地錦抄附録｣には花弁表裏の色が異なる花や絞り咲
きの花など 8 種類の変わり花が掲載されている。さらに、天保年間に出版された｢櫻草作傳法｣では鑑賞方法にも独自の作法が紹介され、日本の園芸文化を考察する上でもサクラソウ園芸品種の存在は重要である。しかし、このような古典園芸植物は、戦争など時代の情勢による影響から大きな損失を受けたり、栽培の難しい品種がいつの間にか消失するようなケースが多く、歴史的資産の保全ということだけではなく将来的の遺伝資源として、可能な限り現存の品種を安定的に保存することが望ましい。

２．園芸品種の保存
2.1 保存と収集
サクラソウ園芸品種のコレクション数は、開学当時の 1980 年代では 30 品種、その後 1990 年代には 93 品種に増加した。2004 年には埼玉県より 221
品種を譲渡されたことで 314 品種となり、国内有数となった。さらに、2006 年には国立民族博物館より
81 品種導入した。その後、異名や記載されたラベルの間違いなどを整理し、現有品種数は 320 品種となった。その後も静岡県の加茂花菖蒲園や埼玉県花と緑の振興センターなどから導入しており、花の形
質を確認し品種の同定後に保存品種数に加える予定である。
5

当センターにおけるサクラソウの栽培暦を図 1に示した。1 月に用土(小粒の赤玉土：鹿沼土：腐葉
土＝ 3 ： 3 ： 4、中粒のマグァンプ K((株)ハイポ
ネクスジャパン) 1 g/L)やプラスチック鉢(4.5 号鉢)、ラベルなどを準備し、2 月に芽分け・植付けを行う。
芽分けでは、一鉢に複数株が入った鉢土を崩して 1
株ごとに分け、各株に形成された全ての芽を折り分ける(図 2 上)。植付けは、その後の管理をしやすくするために大小 2 種類の専用カップを使って用土の量を揃えている。芽の向きは、植付ける 3 芽全ての向きが合わないように一方方向に統一して芽の深さ 3 cm 程度に覆土する。さらに、増し土をするた
めのウォータースペース(灌水の際に水が溜まる場
所)を多めに確保する(図 2 下)。開花が終わる 6 月から地上部が枯死する 8 月までは、増し土や除草、
枯葉取りなどの作業を行う。なお、増し土はサクラ
ソウ特有の作業で地上へ飛び出した芽を覆土する作業である。

2.3 品種維持の問題点と対策
サクラソウ品種には花色・花形・咲き方が極めて類似した品種があり、同定が難しい。320 品種ものサクラソウを一箇所で集中して栽培する際、ラベル落ちと植付け時の混植、こぼれた種子の発芽や切れた根による繁殖に注意を払う必要がある。また、芽分け・植付け作業は 2 月に集中するため人員とその作業スペースの確保も難しい。
これら問題の対策として、以下のことに注意をして作業を行っている。①導入した品種は、花を確認してから当センターのコレクションに加えている。
②鉢ごとに通常の挿しラベルと鉢底ラベルの 2 つを付け、風や鉢の倒伏等で挿しラベルが無くなった
場合でも鉢底ラベルで品種の確認ができるようにしている。③芽分け・植付け時には作業者同士の間隔をあけて作業し、複数の品種を扱う中で次の品種をやる時は残った芽や根、古い土などが無い状態にしてから次の作業を始めることで混植を防いでいる。
④花が終わったら結実しないよう直ちに摘花をしている。
サクラソウの花は個体によって変異を起こすことがある。そのため、正確な品種保存をするためには、花が咲き揃った 5 月に花の形質確認を行い、花の変異が確認されたら、直ちに移植を行い廃棄している。

死した場合、市民が保存しているサブコレクション
を大学へ戻してもらうことで、大学のメインコレク
ションの維持を図るものである。

1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月12月
状
態

休眠

置
き
場
所

半日陰

灌
水

乾かな
い程度

芽
出

生育

日当たり

葉が枯れ、
根茎の生育

遮光
（50％ぐらい）

1日1回(花期はたっぷり)

たっぷり

休
眠

筑波
大学

半日陰

乾かない程度

園
芸
品
種
喪
失
の
危
険
分
散

主
準
な
備
作
業
摘花

追肥

増し土

320品種を保有
大 枯戻
学死し
の し て
品た も
種場ら
が 合 う

増 と
え し
た て
芽配
を 布
里す
子 る

。

さくらそう
里親の会
（市民）

。
、

芽分け

図 1. 農林技術センターにおけるサクラソウ栽培暦

栽
培
管
理
の
指
導
や
古
典
園
芸
植
物
の
重
要
性
の
啓
蒙

里親

里親
（芽分け）
芽を折り、分ける箇所

それぞれの里親が自宅で栽培

図 3. 大学と市民による里親制度
2005 年の里親制度発足時には、10 名の里親に 20品種の里子が登録され、その後、里親と里子品種数は増加し、2015 年には 95 名の里親と 263 品種の里子が登録された(図 4)。里親は、芽分け作業時に里子として 2 品種を登録してその場で植付けし、自宅で栽培する。その後、栽培経験の長さにより 1～2
品種の里子が追加される。また。里親は、1 年に 1 回の頻度で生育状況の報告を行い、毎年 2 月に行われる芽分け・植付け作業に参加する。

（植付け）
良
い
例
・芽の向きが揃っている。
・芽の先にスペースがある。
・適度なウォータースペースがある。
悪
い
例

120

300
里親数

0

2015

0

2014

50

2013

20

2012

100

2011

40

2010

150

2005

2005 年 2 月に、筑波大学と NPO 法人つくばアーバンガーデニング(TUG)が共同で｢さくらそう里親の会｣を立ち上げた。この制度は、大学が維持・管理しているサクラソウを市民と共に保存し、損失リスクを低減するものとして結成された(図 3)。つまり、大学(当センター)での保存個体をメインコレ
クション、市民の保存個体をサブコレクションとして、何らかの問題で大学のサクラソウ園芸品種が枯

60

2009

3.1 里親制度

200

2007

３．普及活動802006

里親数（人）

図 2. サクラソウの地下茎と新芽の植付け方

250

里子品種数

図 4. 里親数と里子数の推移

6

里子数(品種)100

2008

・芽の向きが揃っていない。
・芽の先にスペースがない。
・覆土が浅く、芽が露出している。
・ウォータースペースがない。

3.2

この｢さくらそう展｣では、江戸時代からの伝統的鑑賞法である｢桜草花壇｣を当センターが復元し、公開展示している。｢桜草花壇｣では、サクラソウの花
色・花形・咲き方等で並べ方の様式(作法)が決められており、その様子を実際に鑑賞してもらうことで日本人独特の花に対する美意識についても紹介している(図 7)。

里親による芽分け・植付け作業

里親制度発足時、筑波大学の教職員と生物生産シ
ステム学実習を履修している学生、蔬菜花卉学研究
室および植物育種学研究室の学生、市民、TUG メ
ンバーによる芽分け・植付け作業が始まった。2005
年の初回は 1 日間で行われ教職員 5 名、学生 13
名、TUG 4 名と里親 10 名の合計 32 名で実施された。2015 年は 2 日間行われ、参加した教職員、学生、市民を合わせて、のべ 83 名となり初回の 2.6倍の人数が芽分け・植付け作業に参加した(図 5)。
この作業では、市民の方が自己流にならないように技術職員が毎年、芽分け・植付け方のポイントや間違いやすい点を指導している。

図 7. 伝統的鑑賞法である｢桜草花壇｣

４．今後の取り組み
今後は、全品種を里子品種として登録できるように里親の拡充と 1 人当たりの里子品種数を増やす計画をしている。また、芽分け・植付け作業の参加者が約 80 名と多いため栽培の未経験者を指導できる里親リーダーの育成を行いたいと考えている。さ
らに、より詳細なサクラソウの生長特性に関する情報を得るため開花特性などフェノロジー調査を行い、新たな形質をもったサクラソウの作出を目的として園芸品種の育種(交配親)利用についても検討していく予定である。

図 5. 里親との芽分け作業

3.3 さくらそう展
2006 年より、毎年 4 月に(独)国立科学博物館筑
波実験植物園において｢さくらそう展｣を開催している。この｢さくらそう展｣では、筑波大学におけるサクラソウ研究で明らかになった最新の知見の紹介や当センターが栽培しているサクラソウ園芸品種と里親が自宅で育てた里子品種を展示している。また、里親はボランティアとして、植物園の来訪者にサク
ラソウの栽培方法や里親制度の説明を行っている。
このような展示の機会を作り、取り組みの説明を通して里親となった市民のサクラソウ園芸品種の保全への取り組みに対するモチベーションと品種保存の責任感を維持する効果がある(図 6)。

図 6. 大学の保存品種と里子品種の展示
7

Conservation and advertisement activity of Primula sieboldii cultivarsa)Katsuhiro Yoshidaa), Momoyo Itoa), Daiki Mizutab), Ryo Ohsawab)
Technical Service Office for Agricultural and Forestry Research Center, University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8577 Japanb)

Faculty of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba,

1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8572 Japan

In the Agricultural and Forestry Research Center, we have collected and conserved Primula sieboldii cultivars
from 2000s. At present, we collected more than 320 cultivars, which represent one of the largest Japanese collections.
However, there is a possibility of cultivars loss by natural disaster, disease and pest, when all of them are cultivated in
one same place. Therefore, we launched a cooperative genetic resources bank for conservation and maintenance of
valuable Primula sieboldii cultivars. This cooperative conservation activity is performed by our research center andcitizens. In addition, a “ Primrose exhibition ” is held every year by our research center and Tsukuba Botanical Garden
to show Primula sieboldii cultivars to the general public. In these occasions, visitors can get informations about various
Primula sieboldii cultivar’s values.
Keywords: Citizens, Genetic resources conservation, Primula sieboldii cultivar, University.

8

八ヶ岳演習林「恵みの森」一般開放に向けた取組み
井波 明宏a)、杉山 昌典a)、篠原 満b)、永井 真理b)a)

筑波大学農林技術センター技術室(八ヶ岳演習林)、b) 筑波大学生命環境エリア支援室(八ヶ岳演習林)〒384-1305 長野県南佐久郡南牧村野辺山462-4と協働の地元向けイベント、地元感謝デーを一般開
放初日の式典と併せ、午後の部として催しました。

概要｢恵みの森｣は、2015 年 10 月 10 日から一般開放
しました。初日は一般開放の式典と地元の野辺山にある 3 機関(国立天文台野辺山、信州大学農学部野辺山ステ－ション、筑波大学八ヶ岳演習林)で第 2
回の地元感謝デーのイベントを開催しました。「恵みの森」では (1)安全に森林管理を経験できる実習の場、(2)生物の保全やそれにかわかる調査・研究、(3)地域に開放し、気軽に散策できる場、(4)自前で管理できる林として、改めて当敷地内の利活用を見直しました。

２．｢恵みの森｣の設計概要
キーワードは広葉樹若齢林、薪炭林、一般開放、住民参加です。敷地の利活用を大胆に改め、八ヶ岳・川上演習林の他の 2 管理地との差別化を図りました。目標、ポイントして(1)伐採や新植等を安全に経験できる実習の場や、(2)かく乱依存型生物の保全や研究の場として活用するとともに、(3)きのこや山菜が採れて気楽に散歩できる森として地域に開放し、(4)将来にわたって直営管理できる林とすることです。

キーワード：恵みの森、一般開放

３．管理方針１．はじめに

3.1 ゾーニング
森林管理計画(2006-2015)に明記された既存管理区分を変更し、｢恵みの森｣として、改に敷地を 1)薪炭林・若齢林ゾーン、2)見本林・保存林ゾーン、3)森の食のゾーン、4)防風林ゾーン、5)草花ゾーン、6)湿生植物ゾーンにゾーニングしました(図 2)。

図 1. ｢恵みの森｣正門
筑波大学｢恵みの森｣は、長野県の八ヶ岳・川上演
習林1内の 3 つある管理地のうちのひとつで、管理事務の拠点となる旧八ヶ岳演習林 5 林班と呼ばれた面積 14ha の敷地です(図 1)。国立天文台野辺山、
信州大学農学部野辺山ステ－ションの 2 研究機関が隣接し、比較的に交通の便も良い場所です。
しかし、それとは裏腹に閉ざされた環境との印象を地元周辺に与えていたようです。これはカラマ
ツ・ストローブマツの防風林が高さ 20m を超えるまで成長し敷地周辺を囲っていたこともあります。
開設当時より学生実習、調査・研究、それらの拠点として活動してきたものの、いまひとつその存在は薄いとのようでした。
八ヶ岳・川上演習林の森林管理計画(2006-2015)において、当敷地は通常管理と施設利用以外に管理方
針や利活用について明確に示していませんでした。
これらを踏まえて、藤岡(現)八ヶ岳・川上演習林
長が 2013 年 4 月の八ヶ岳班内の月例打ち合わせの際に八ヶ岳演習林 5 林班についての将来構想の素案を提示し、｢恵みの森｣構想としてスタートさせました。
そして「恵みの森」として 2015 年 10 月 10 日
より一般開放しました。また、昨年が第 1 回目で今年(本学が当番校)が 2 回目となる隣接 2 研究機関
a)1

E-mail: yatsuen@nourin.tsukuba.ac.jp Tel: 0267-98-2412.
http://www.nourin.tsukuba.ac.jp/~forest/

図 2. ｢恵みの森｣三つ折りパンフレット（内面）93.2 一般開放までの準備

3.4 第 2 回地元感謝デー[防風林の伐採]
防風林については、2011 年度より部分的な伐採を細々と委託で行ってきました。急速に進んだのは2013 年度後半から 2014 年度前半で、周囲防風林は敷地北側(現見本林・保存林ゾーン)を除き一斉に伐採されました（約 6ha）。
[縦断遊歩道と歩行者用南門の新設]
恵みの森の南側に歩行者用の南門を新設(図 3)し、正門から南門までの遊歩道を整備しました（全長約670m）。これにより、JR 野辺山駅から国立天文台
野辺山までの近道となり、恵みの森を気軽に通っていただけるようになりました。恵みの森遊歩道は一部防風林伐採の残材をチップにして敷きました。
[来客用駐車場の整備]
旧宿舎跡地を恵みの森の来客用駐車場として整備しました。
[案内看板等の設置]
正門、南門、駐車場に一般開放案内看板を、また各ゾーンに説明板を設置しました。

10 月 10 日 13 ： 30 からは地元感謝デーとして、
4 カ所のスポットを巡る森林・樹木ラリーを恵みの森の紹介もかね催しました。樹木当てクイズ、火おこし体験、顕微鏡ミクロ観察等を実施しました。16 ：30 からからは、3 研究機関の 3 演者による講演会と質問会を南牧村公共施設内にて実施しました。一
般 76 名の参加があり、概ね好評でした。図 5 は感謝デー開催のお知らせのための A4 チラシで、新聞折り込みチラシとして地元新聞配達店、地元関係機
関に配布しました。

図 5. 地元感謝デーのチラシ

４．恵みの森の今後と課題
・ 2016 年度より活動できる地域住民からなる森づくりサポーター(ボランティア)を募集します。
・ 現段階では各ゾーンの機能をほとんど発揮できていません。樹木の生育に時間を要する等の課
題もありますが、名ばかりとならないように努めます。
・ 急速に進めた伐採は、以前の環境を一変させました。以前の環境を調査・研究の対象に考えていた研究者等も少なからずいたと考えます。そこで、その方々のためにも、恵みの森になって良かったと思っていただける森づくりをしなくてはいけないと考えています。

図 3. ｢恵みの森｣南門と案内看板等

3.3 一般開放式典
10 月 10 日、準備不足等の不安をよそに予定通り
恵みの森を一般開放しました。一般開放初日は 11 ：00 よりオープニングセレモニーを行いました。日頃お世話になっている地元の南牧村、川上村、天文台、
信州大学、南佐久南部森林組合の方々をお招きしました(13 名)。また、この日のために大学から吉川理事・副学長をはじめ関係役職者の方においでいただ
きました(4 名)。図 4 はテープカット終了後の記念
撮影です。

謝辞
恵みの森の立役者は八ヶ岳・川上演習林長の藤岡正博准教授です。著者らは八ヶ岳・川上演習林のスタッフとして共に活動しました。ここに謹んでご指導ご鞭撻を戴き感謝申し上げます。さらに、一般開放に際し、戒能農林技術センター長、津村演習林総括、筑波実験林スタッフ、井川演習林スタッフ、筑波大学学生等、多くの方々にご支援とご協力を戴きました。この場をお借りしてお礼を申し上げます。
大変ありがとうございました。
図 4. 記念撮影

10

Activities to the general opening of “ Megumi no mori ” at the Yatsugatake Forest
Akihiro Inamia), Masanori Sugiyamaa), Mitsuru Shinoharab), Mari Nagaib)a)Technical Service Office for Agricultural and Forestry Research Center, Yatsugatake Forest, University of Tsukuba,b)

Academic Service Office for the Life and Environmental Sciences Area, Yatsugatake Forest, University of Tsukuba,

462-4 Nobeyama, Minamimaki, Minamisakugun, Nagano, 384-1305 Japan

462-4 Nobeyama, Minamimaki, Minamisakugun, Nagano, 384-1305 Japan

Keywords: Megumi no mori, General opening11

奨励研究のすすめ―

教育的・社会的貢献と自己研鑽
伊藤

―

伸一

筑波大学数理物質科学等技術室〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1
なお、上記の書類は大学等の機関において研究を行う場合のものであり、個人で行う場合は異なる。
図 1 に科研費補助金（奨励研究）研究計画調書の例を示した。研究計画調書は 4 ページでそれぞれのページに必要事項を記入する。図 1 は 1 ページ目で、上から審査希望分野、研究課題名（40 字以内）、研究者氏名、職業、職種、現住所、勤務先、メールア
ドレス、所属学会等、研究略歴となっている。筆者の場合審査希望分野は、理工系、化学分野で専門番
号は 331 である。勤務先については、機関番号が与えられており、別表から読み取り記入した。所属学
会等は、なければ記入しない。研究略歴については、
これまでの活動や科研費等の実績があれば記入する。
図 2 は研究計画調書の 2 ページ目で、研究目的・
計画・方法を記入するもので、これから行おうとする研究の意義を理解してもらうための最も重要な箇所であり、じっくり考えて記入する必要がある。科
研費の審査員はその分野の専門家であるが、全く同じテーマで研究している方であれば、多少出来の悪文章でもある程度理解してもらえるだろうが、それ

概要
独立行政法人日本学術振興会が、国立大学や高等専門学校、あるいは小、中、高等学校等に勤務する職員等が行う研究を奨励している制度がある。いわ
ゆる科学研究費（科研費）・奨励研究である。本報
告では、その概要、応募申請から採択、研究および成果の公表、そして今後の展望について述べる。
キーワード：科研費、奨励研究、日本学術振興会

１．はじめに科研費・奨励研究は、小学校・中学校・高等学校・中等教育学校・特別支援学校・幼稚園・専修学校の教員、教育委員会の所管に属する教育・研究機関の職員、企業の職員又はこれら以外の者で科学研究を行っている者（大学等の研究機関の常勤の研究者等を除く。） が一人で行う研究で、大学等の研究機関で行われないような教育的・社会的意義を有する研究（商品・役務の開発・販売等を直接の目的とする研究（市場動向調査を含む。）及び業として行う受託研究を除く。）を助成し、奨励することを目的とするものである[1]。本学では、過去に何人もの教室
系技術職員が応募し、採択されてきた。それらの詳しい内容については、公表されているので課題番号で検索することができる[2-20]。業務に関連するかま
たは、それぞれの技術職員の専門分野における研究が行われている。本報告では、筆者の経験をもとに、応募申請から採択、研究の実施とその後の成果発表までを例を挙げて報告するとともに、今後若い人たちへ参考となる事柄について述べる。

２．応募申請から採択まで
前節で述べたように、奨励研究は技術職員等が一人で行う研究で、教育的・社会的意義を有する研究が奨励されている。ここが重要である。業務（本学の）に関連していることであれば、教育的・社会的に意義はあると考えるが、申請書類の書き方によってうまく審査員へ伝えることが重要である。研究のテーマは最も重要で、何を明らかにするかといったことが簡潔に書かれていなければならない。
奨励研究は単年度で行われるもので、申請はその前年度の 11 月頃に行う。応募書類は次の 3 種類である。
１．科研費補助金（奨励研究）研究計画調書
２．科研費補助金（奨励研究）応募カード
３．科研費助成事業（科研費補助金）（奨励研究）に係る応募等の諸手続及び管理の委任状

図 1 研究計画調書の 1 ページ目
12

図 4 研究計画調書の 4 ページ目

図 2 研究計画調書の 2 ページ目

なりに努力を強要するものになるから、途中で匙をなげられるかもしれない。常に読み手のことを考えてわかりやすく、簡潔に述べる必要がある。また、上部に注意書きがあり、よく読み込んで齟齬のないように記入する。平成 27 年度の奨励研究に応募した
際には、ここでは「社会的背景」、「これまでの研究の経緯と本研究の目的」、「研究計画」、「研究
環境と研究経費について」の 4 つの項目を記入した。
社会的背景では、奨励研究の意義の一つである社会的な利点を説明する必要がある。どのようなことが問題としてあり、それをどう解決していくかということである。同様のテーマを継続して研究してきている場合には、「これまでの研究の経緯と本研究の目的」の中で述べればよいが、全く初めてのテーマ
であれば、「社会的背景」と一つにまとめて説明しても良い。筆者の場合、「社会的背景」では、地球温暖化物質である二酸化炭素の排出抑制と、石油資源の枯渇対策として、再生可能な資源としてバイオエタノールが注目されている中で、これを原料に水
蒸気改質反応を行い工業的に重要な水素とアセトア
ルデヒドを高効率、選択的に生成する触媒の開発が社会的意義としてあることを説明した。筆者が奨励研究に応募し、採択されたのは、2008 年度が初めであったので、「これまでの経緯と本研究の目的」では、関連のある触媒研究について述べた。3 つ目の項目の「研究計画」は、具体的にどのような実験なり、調査なりをいつまでに行うか記入した。これに関連して、「研究環境と研究経費について」では、どこで実験を行うか、そのための設備・消耗品等、

図 3 研究計画調書の 3 ページ目
13

研究を進める上で必要なものについて記入した。ここで重要なことは、研究を行う場所が確保されているかどうかということと、研究を行う上で調査を行う場合、第三者の個人情報の保護などの対策がとられていることが必要となる。この点については、あらかじめ、周囲の了解を得ておくほうが良い。
図 3 には研究計画調書の 3 ページ目を示した。このページの前半では、申請時の最近の成果発表について記入する。技術報告などでの発表も成果の一つとして示すとよい。後半では、この申請する奨励研究について、指導してくださる教員等がいれば、その方の氏名、職名、推薦理由または指導方法を記入する。先程、奨励研究は一人で行うものということを述べたが、指導してくださる方がいる場合は、記入したほうが良い。特に初めて奨励研究を行う場合
は、その方が良い。また、いない場合でも助言を得られる方を探しておき、その旨記入しておくと良い。
図 4 は研究経費一覧で、奨励研究を実施するために必要な経費を算出し、記入する。筆者の場合、今回は 30 万円を超えるような備品の申請はしなかった。消耗品類、情報収集と成果発表のための学会への出張旅費、その他として学会の参加費と発表用ポスター制作費である。学会での発表は、研究を初めてすぐには難しいが、あらかじめ経験があり、成果が期待できるものであれば、申請しておくと良い。
それぞれの金額についてはカタログ等で調べておき、
計算ミスのないよう注意する。
図 5 は応募カードで、研究分野の専門番号、研究課題名、氏名、住所、勤務先、職業、応募経費を記入する。

研究課題名は 40 字以内と決められているので、研究内容とよく一致してわかりやすく記入する必要がある。また、濁点などのついた文字は、一文字としてカウントされる。一番下の欄は、応募経費（金額）で研究計画調書の 4 ページ目に示した合計金額を記入する。
応募申請は、11 月頃であるが、採択が可となれば、実施年度の 4 月初めに連絡がある。この時、認められる補助金の額が示される。それに合わせて交付申請書を定められた期日までに提出する。図 6 と図 7に交付申請書を示した。図 6 は 1 ページ目で、研究代表者の勤務先・住所・連絡先、自宅住所・連絡先、氏名を記載する。研究課題名と補助金の使途予定内訳を記入する。内訳は物品費、旅費、人件費・謝金、その他で合計額は認められた補助金額となるようにする。応募申請の際よりも、認められる補助金額が少なくなる場合があるが、そこは工夫して対応する。
図 7 は交付申請書の 2 ページ目で、研究の目的と研究実施計画を応募申請と同様に記入する。
なお、採択されなかった場合は 4 月下旬頃にその旨連絡があるが、その理由と、同じ審査希望分野の採択されなかった他の申請と比較してどの程度のレベルにあるかという情報についても示されるので、次回の参考になる。筆者の経験では、申請した課題が奨励研究の目的（教育的・社会的意義）と合致しているかどうかということと、申請する経費の内訳（備品・消耗品等のバランス）などが可否を決める
ポイントとなるのだろうと考えている。

図 6 補助金交付申請書の 1 ページ目

図 5 応募カード
14

図 7 補助金交付申請書の 2 ページ目

図 8 研究実績報告書の 1 ページ目

３．研究の実施とその成果の公表
3.1 研究の実施
採択の可否がわかるのは 4 月初旬である。採択の内定が出たならば、研究経費の交付申請書類を提出
し研究を始めることができる。あらかじめ、提出した計画に沿って進める。筆者の場合、はじめの一月で触媒調製を行い、その後、反応試験および触媒のキャラクタリゼーション（化学的・物理的特性を明らかにすること）を行う計画であった。実際には諸般の事情でやや遅れたが、6 月中にはほぼ計画通り
実験が軌道に乗った。特に大学が夏季休業中は稼ぎ時である。なるべく時間を上手く使い、業務に支障がないよう進めた。9 月には、触媒学会・触媒討論会が開催された。参加することを検討したが、関連する発表がほとんどなかったため、次回以降の討論会への参加と成果を公表することにした。

3.2 成果の公表
公的資金である以上、当然のことながら成果を公表し社会へ還元しなければならない。その方法については、学会発表、論文発表、国際会議、新聞、雑誌などもあるが本学の技術職員にとってありがたいのが毎年 3 月に開催される技術発表会である。また、
全国的に国立大学の技術職員により行われている技
術研究会もその手段の一つである。本学の技術発表
会について言えば、発表当日に口頭またはポスター

図 9 研究実績報告書の 2 ページ目
15

で行われるとともに、報告書が発行され、全国の国立大学図書館、国会図書館等に寄贈されている。また、近年ではインターネットによる公表も行われている。研究内容によって、どの場で発表するのが適切か検討して発表するとよい。さらに、これまでにない顕著な成果が得られたならば、特許申請も可能である。この場合、職務発明となるかどうかの審査を学内の審査委員会に提出し判断を仰ぐことになる。
筆者の場合には、2008 年に行った奨励研究の成果を特許申請し、取得することができた[21]。なお、特許申請については、公表から 6 ヶ月を経過すると新規なものとはみなされず、特許申請ができなくなる。
また、公表後直ちに特許申請する場合でも、学会などで発表する場合には、その発表証明書を学会から取得しておく必要がある。
平成 27 年度の奨励研究については、学会発表での発表を計画中である。その内容については、機会を見て紹介したい。
なお、発表に関しては必ず、奨励研究によって得られた成果であることを明記しなければならない。
その文言についてはあらかじめ定められた書式による。
通常、奨励研究は単年度で行われ、その後、奨励研究実施の翌年度の初めに研究実績報告書（図 8, 9）および研究成果発表報告書（図 10）を提出する。研
究実績報告書では、1 ページ目に研究実績の概要を、
2 ページ目には実際に発表した雑誌論文、学会発表、図書、特許出願等について記述する。技術研究会や技術発表会における発表も記述する。

研究成果発表報告書では、実績報告書に記載した
発表について、同様に記載する。

４．今後の展望
奨励研究は、教育的・社会的意義のあるもので広く世間に役立つことが求められている。その成果はまた同時に、同じ分野で業務を担当している他の技
術職員にとっても、役に立てられるものであろう。
奨励研究の実施はその技術職員にとって励みとなり、成長に資するものでもある。かつて北関東国立大学
等教室系技術職員研修（化学・茨城大学で実施）において、当時の理工学部長か人事部長かは定かでなくなってしまったが、その方の訓示は今も記憶に残っている。それは、「日々研鑽」である。研修は毎年一回、化学、情報、電気、機械などの専門分野を順番に行われていたが、訓示では毎日が技術職員にとって研修であるということであった。このことにとても感銘を受けた。今でも時々思い起こしている。
教室系技術職員の場合、一つの専門分野でも、実際の業務は様々な技術を用いる必要があり、日頃から自己研鑽をしておくことが望まれると筆者は考えている。そういった意味でも、奨励研究に取り組むことは、重要である。本報告により、これまで奨励研
究に興味を持たれなかった方にとって、敷居が低くなり、少しでも多くの技術職員が参加することができれば、社会にとってもまた、本学にとっても得られるものは多く、それはまた、筆者の喜びでもある。
最後に、奨励研究などの研究成果を検索するためのインターネットのサイトを紹介しておく。それは、「日本の研究．com」である[22]。研究者名や課題名などのキーワードを入力することで検索することができるので、役立ててほしい。

５．おわりに奨励研究はそれ自体、一人で行うことが前提となっているが、実際にはまわりの多くの方々の協力があってこそ、成し遂げられるものである。今回の奨
励研究の実施にあたり、ご理解とご指導を賜りました筑波大学数理物質系、中村潤児教授、喜多英治教授（数理物質科学等技術室室長）、近藤剛弘准教授
ほか教員各位に感謝申し上げます。諸手続きについて、特に申請書類の執筆について多大なご支援をいただきました本学数理物質エリア支援室の事務担当
者各位にこの場を借りて感謝申し上げます。
参考文献[1] 独立行政法人日本学術振興会ホームページおよび奨励研究ホームページ；https://www.jsps.go.jp/index.html;
https://www.jsps.go.jp/j-grantsinaid/11_shourei/index.htht[2] 科研費助成事業データベース：https://kaken.nii.ac.jp/[3] 松山英治、科研費・奨励研究：光コム・ビート変調光
照射ＳＴＭによるヘテロダインＳＴＳと量子電磁波
分光、物理学分野、研究課題番号：26914006.
[4] 杉山昌典、科研費・奨励研究：ヤマネ・ヒメネズミ・
小型鳥類の巣箱利用における巣穴の径と向きの関係、生物学Ⅱ（動物）分野、研究課題番号：26924006.
[5] 松岡瑞樹、科研費・奨励研究：低段密植栽培技術を用いたトマトの低コスト多収栽培のマニュアル化、農学・水産学分野、研究課題番号：26925018.

図 10 研究成果発表報告書
16

[6] 伊藤伸一、科研費・奨励研究：バイオエタノールから
水素・アセトアルデヒドを選択生成する触媒の開発と反応機構解明、化学分野、研究課題番号：25915005.
[7] 井波明宏、科研費・奨励研究：乾燥化する中間湿原の
植生動態の把握、生物学Ⅰ（植物）分野、研究課題番
号：25923005.
[8] 田所千明、科研費・奨励研究：柔軟性を持つ漆の開発、
農学・水産学分野、研究課題番号：24925013.
[9] 林剛人丸、科研費・奨励研究：工学と芸術の学際的研究による飛行する映像芸術の開発、工学Ⅴ（その他工学）分野、研究課題番号：23922011.
[10] 菅原慶子、科研費・奨励研究：有機質肥料の継続施用が水稲の生育と品質ならびに食味に及ぼす影響の生理学的解析、農学・水産学分野、研究課題番号：
23925018.
[11] 中村貴子、科研費・奨励研究：DRD2 および ANKK1
周辺遺伝子のアルコール依存症との関連と人種間の遺伝子頻度、基礎医学分野、研究課題番号：22930025.
[12] 秋山佳代、科研費・奨励研究：単一アミノ酸反復配
列欠失マウスの脳内神経伝逹物質系の解析、生物学Ⅱ（動物）分野、研究課題番号：20918008.
[13] 伊藤百世、科研費・奨励研究：持続可能な開発のための農学教育(Ag-ESD)に関する調査研究、農学・水産学分野、研究課題番号：20925009.
[14] 本間毅、科研費・奨励研究：農業用トラクタヒッチ
点位置制御による牽引車両の追従性向上の検討、農学・水産学分野、研究課題番号：20925027.

[15] 木澤祥恵、科研費・奨励研究：多様な環境で生育する食品微生物を培養・観察する実験方法についての検討、生活科学分野、研究課題番号：20934009.
[16] 柏木保人、科研費・奨励研究：金属粉によるセレン酸の常温化学還元反応速度の解析とセレン酸含有廃液処理装置の開発、化学分野、研究課題番号：
19913004.
[17] 大谷理、科研費・奨励研究：自然エネルギーを利用した無線 LAN アンテナを用いた災害時情報伝達の研
究、工学Ⅴ（その他工学）分野、研究課題番号：
19921003.
[18] 横山和人、科研費・奨励研究：ソバの耕種的雑草防除機作に関する研究、農学・水産学分野、研究課題番
号：18922028.
[19] 安達よしえ、科研費・奨励研究：乳牛の餌槽に侵入する野鳥の実態調査とその防除に関する試み、農学・水産学分野、研究課題番号：17922002.
[20] 山内勝晴、科研費・奨励研究：USB で制御する学生
実験用音響伝達特性測定のためのバーチャル測定器の開発、工学Ⅱ（電気・電子・情報系）分野、研究課
題番号: 17918041.
[21] 特許番号：第 5618315 号、「エタノールの水蒸気改質用の酸化物添加担持白金触媒の製造方法およびエタノールの水蒸気改質用酸化物添加担持白金触媒」[22] 日本の研究.com：https://research-er.jp/

The recommendation to do educational and/or technical research by means ofGrants in Aid (Kakenhi) for Japanese educators or engineers
Shin-ichi Ito
Graduate School of Pure and Applied Sciences, Technical Service Office for Pure and Applied Sciences,
University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan
This is an opinion for the recommendation to do an encouragement research for Japanese educators or engineers.
Japanese educators or engineers can propose the Grants in Aid (Kakenhi) for educational research and/or technicalresearch. In this report, how to apply it were described for Japanese educators or engineers.
Keywords: Grants in aid, Kakenhi, encouragement research, JSPS (Japan society for the promotion of science).

17

ソフトウェアとハードウェア性能比較実験装置の開発小野雅晃

筑波大学システム情報工学等技術室〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1

概要
近 年 、 高 性 能 な プ ロ セ ッ サ に FPGA(Field
Programmable Gate Array)が付属している Xilinx 社の Zynq や Altera 社 の SoC FPGA な ど のSoC(System On a Chip)が作られるようになってきた。
これらの SoC では、ARM プロセッサと FPGA が内部の AXI バスで密に結合され、プロセッサで行
わ れ る処 理の 一 部を 比較 的 簡単 にハ ー ドウ ェア(FPGA)にオフロードすることができる。
本研究では、この特徴を利用して、Xilinx 社のZynq を使用した学生実験用のソフトウェアとハー
ドウェア性能比較実験装置（以下、実験装置とする）を開発した。

ZYBO ボードには、CMOS カメラを搭載して画像処理のための画像を取得できるようにした。その2 台の ZYBO ボードの間を高速な HDMI ポートで接続した。そのため、実験装置 2 台で並列処理を行うことができる。なお、超小型のパーソナルコン
ピュータを全体制御用として設置し、実験の制御を行わせる。
実験装置で、画像のフィルタ処理を 1.～5.の条件で実行した時の実行時間を測定し、比較検討を行う
ことができた。

キーワード： Zynq、FPGA

1.

2.

１．はじめに
本研究では、ソフトウェアとハードウェアの協調設計に関する学生の理解を深めるための実験装置を製作した。実験装置は、Xilinx 社の Zynq チップを搭載した ZYBO ボード 2 台と、FPGA のツールを搭載する超小型のパーソナルコンピュータを 1 つの箱に入れてコンパクトな形状とした。
Zynq チップは、Xilinx 社の ARM プロセッサとFPGA が 1 つの SoC として 1 チップに集積されている。この特徴から種々の機能を ARM プロセッ
サで動作するソフトウェアとして実装することも、
FPGA で動作するハードウェアとして実装することも容易に行うことができる。

3.
4.
5.

最適化オプション無し、または複数のレベルの最適化オプションを付加した状態でコンパイルした時に、複数の異なる実装のラプラ
シアンフィルタ処理ソフトウェアを ARM
プロセッサのみで実行した場合
最適化オプション無し、または複数のレベルの最適化オプションを付加した状態で、ARM
プ ロ セ ッ サ ＋ SIMD(Single Instruction
Multiple Data)エンジン NEON を使用するようにコンパイルした複数の実装のラプラシ
アンフィルタ処理ソフトウェアを実行した
場合
OpenMP を使用して、1.と 2.を実行した場合
ソースコードを Vivado HLS でハードウェ
ア(FPGA)にオフロードした場合（AXI バスのマスタアクセスを使用した）
HDL(Hardware Description Language)でハードウェア(FPGA)に画像フィルタを実装した
場合

ZYBO
ボード

CMOS カメラ
MT9D111超 小型 パーソ ナル
コンピュータスイッチングハブ

図 1. ソフトウェアとハードウェアの性能比較実験装置
18

２．実験装置

３．ラプラシアンフィルタ処理

実験装置を図 1 に示す。実験装置は CMOS カメ
ラ の MT9D111 を Pmod コ ネ ク タ に 搭 載 し た
ZYBO ボ ー ド が 2 台 、 超 小 型 パ ー ソ ナ ル コ ン
ピュータを 1 台、スイッチングハブを 1 台搭載している。2 台の ZYBO ボードのカメラを使用して、ステレオカメラの機能を持つように考慮されている。
実験装置のベースプレートは 5mm のアクリル板
で、レーザー加工機を使用して加工を行った。レー
ザー加工機を使用しているので、自由な加工が可能である。その利点を活かして、ZYBO ボードの取り
付け穴は長円形に造作したので、ZYBO ボードをスライドさせて CMOS カメラのステレオカメラの間隔を変更することができる。MT9D111 の最大解像度は 1600 ピクセル× 1200 ラインで、その場合のフレームレートは 15fps(frame per second)である。
MT9D111 は、現状では 800 ピクセル× 600 ライ
ンの 15fps で動作している。MT9D111 はインターフェース基板に搭載されて、ZYBO の Pmod コネ
クタの内の 2 個に取り付けられている。その様子を
図 2 に示す。

実験装置の ZYBO ボードで実行する画像処理として、ラプラシアンフィルタ処理を選択した。ラプ
ラシアンフィルタ処理は、画像のエッジを検出する
画像フィルタの 1 種で、画像のピクセルの縦横のピクセルを 3x3、5x5 のブロック単位で演算を行い、真ん中の画像の値とする。3x3、5x5 のラプラシアンフィルタの画像に掛ける係数を図 3 に示す。

インターフェース
基板

図 3. 各ラプラシアンフィルタの係数
図 3 の 3x3、5x5 のラプラシアンフィルタの係数
は画像の輝度の値に掛ける係数を示し、中央の赤い四角はラプラシアンフィルタ処理後に演算結果が入るピクセルを示している。例えば、3x3 ラプラシア
ンフィルタで演算を行うすべてのピクセル値が 10だったとする。その場合は式 1 に示すようにラプラ
シアンフィルタ処理後の値は 0 となる。
10 ×(-1)+10 ×(-1)+ 10 ×(-1)+10 ×(-1)+10 × 8+10 ×(-1)+10 ×(-1)+ 10 ×(-1)+ 10 ×(-1) = 0･･･（式 1）
今回は 3x3 のラプラシアンフィルタを採用した。
画面全体に対するラプラシアンフィルタ処理を説明する。最初に左上の画面のピクセルを 3x3 の係数で1 回演算し、中央のピクセルの値とする。1 ピクセ
ル右にずらしてからもう一度 3x3 の係数で演算すると最初のピクセルの左隣のピクセルの値が計算できる。それを左端まで演算を行う。次は、左上から 1
ライン下にずらし、3x3 の係数で演算を行う。後は順次演算を行い、右下端まで処理を行うと、1 画面分のラプラシアンフィルタ処理が終了する。その様
子を図 4 に示す。

Pmod コネクタ

図 2. ZYBO ボードの Pmod コネクタとインターフェース基板を介した CMOS カメラの取り付け
超小型パーソナルコンピュータは、intel Core i5 プ
ロセッサが搭載され、8GB のメモリ、256GB のSSD (Solid State Drive)が搭載されている。超小型パーソナルコンピュータには、Ubuntu14.04 がインストールされている。その上に HDL を記述することで FPGA 部分のハードウェアを生成する Xilinx
社の Vivado ツールや C、C++、SystemC 言語から
HDL を生成することができる Vivado HLS、Vivadoが生成したハードウェアに応じたソフトウェアを作製することができる SDK(Software Development Kit)などをインストールしてある。これらによって、USB
ケーブルで接続された ZYBO ボードの FPGA のコンフィギュレーションを実行することや、ARM
プロセッサのソフトウェアのデバックを行うことができる。
更に、実験装置内にスイッチングハブを装備して、
ZYBO 2 台の LAN と超小型パーソナルコンピュー
タの LAN を外部ネットワークに接続した。

図 4. 1 画面分のラプラシアンフィルタ処理19

図 5. ラプラシアンフィルタ処理前の画像

図 6. ラプラシアンフィルタ処理後の画像
2 個の 32KB Instruction L1 Cache、32KB Data
L1 Cache（ARM プロセッサに付属）
 512KB L2 Cache DDR(Double Data Rate)2, DDR3, DDR3L,
LPDDR(Low Power Double Data Rate)2 コン
トローラ
 2 個の USB(Universal Serial Bus)
 2 個の Gigabit Ethernet
 2 個 の SD(Secure Digital), SDIO(Secure
Digital Input Output)
 GPIO(General Purpose Input Output)
 2 個の CAN(Controller Area Network) 2 個の I2C(Inter-Integrated Circuit) 2 個の SPI（Serial Peripheral Interface）
上記に示す様に、多くのデバイスが PS に搭載されて、ARM プロセッサから使用することができる。Zynq チップのブロック図を図 7 に示す。
PS と PL(Programmable Logic, FPGA 搭載部)はAXI バスで接続されている。PS と PL 間の接続
ポートを示す。

ラプラシアンフィルタ処理は、Zynq チップのARM プロセッサのソフトウェアで処理することもできるが、Zynq チップの FPGA 部分を使用した
ハードウェアとして実行することもできる。ラプラ
シアンフィルタ処理前の画像を図 5 に示し、ラプラ
シアンフィルタ処理後の画像を図 6 に示す [1]。



４．ZYNQ チップの構造
Zynq チップ [2] は ARM プロセッサと FPGA 部
分が 1 チップに統合された IC(Integrated Circuit)である。ARM プロセッサが搭載されている領域はPS(Processing System)と呼ばれていて、2 個の ARM
プロセッサと IO 周辺デバイスが搭載されている。
PS に搭載されているデバイスを示す。
 2 個の ARM プロセッサ（最大 1GHz 動作）
 2 個 の NEON SIMD(Single Instruction
Multiple Data)エンジン（ARM プロセッサに付属）

図 7. Zynq チップのブロック図20

4 ポートの AXI_HP ポート（図 7 では
High-Performance Ports）
 各 2 ポートの AXI_GP マスタ＆スレー
ブ・ポート（図 7 では General-Purpose Ports）
 1 ポートの AXI_ACP ポート（図 7 では
ACP）
AXI_HP ポートは高速のスレーブ・ポートで、動作周波数が 200MHz、64 ビット幅のデータバスの場合の性能は最大 1.6GB/s となる。AXI_GP
ポートは PL に作った IP のレジスタの設定などの性能が比較的要求されない用途に使用する事ができる。AXI_ACP ポートは ARM プロセッサのキャッシュを対象に Read/Write することができるので、ARM プロセッサと PL 間のデータのRead/Write 時のレイテンシが短くなる。

ハードウェアの性能比較対象としては、C や C++、
SystemC 言 語 か ら HDL(Hardware Description
Language)に変換する高位合成ツールの Vivado HLSを用いた場合と HDL を用いて直接ラプラシアン
フィルタ処理を書いた場合についての性能比較を行った。Vivado HLS を使用した場合には、C や
C++言語によるソースコードの書き方やディレクト
リと呼ばれる指示子によって性能が変化するので、4種類の異なる実装による性能比較を行った。
ソフトウェアの性能比較対象としては、Vivado
HLS で使用したソースコードとほぼ同一の 4 種類のソフトウェア（laplacian_filter1~laplacian_filter4[3]）を用意してその性能を比較した。なお、Vivado HLS
ではディレクティブを付加して性能を向上させているが、ソフトウェアには無関係であるためディレク
ティブは削除した。また、ARM プロセッサだけで
無 く 、 図 7 に 示 し た SIMD(Single Instruction
Multiple Data)の NEON エンジンを使用する条件でも 4 種類のソフトウェアについて実験を行った。通常の ARM プロセッサは 1 個のみを使用してラプ
ラシアンフィルタ処理を実行するが、搭載されている 2 個 の ARM プ ロ セ ッ サ を 同 時 に 使 用 す る
OpenMP を使った時の性能も確認した。OpenMP を使用した場合には、4 種類のソフトウェアでは処理
画像が不完全だったので、今まで使用していた 4 種
類 の 実 装 を 小 変 更 し た 4 種 類 (laplacian_filter5 ~laplacian_filter8[3])も使用した。その変更内容は、従来のラプラシアンフィルタの実装では画像の周辺 1
ピクセルの値を 0 にしていたが、この実装のソース
コードでは条件分岐が増えてしまう。そこで画像の左上と左端の 2 ピクセルを 0 にすることにした。
こ れ によ り、 ソ ース コー ド の条 件分 岐 が減 ってOpenMP が 3 種類の実装では、正しく動作するようになった。しかし、最後の実装(laplacian_filter8)
では処理画像が不完全だった。ソースコードの実装に違いによるラプラシアンフィルタ出力の違いを図9 に示す。



５．ラプラシアンフィルタの実装方法
CMOS カメラで撮影された画像（撮影画像）は、Zynq チップの PL 部分に実装されたカメラ・コン
トローラの DMA(Direct Memory Access)で、DDR3
SDRAM の所定の領域に転送される。
ビットマップ・ディスプレイ・コントローラはカ
メラ画像領域の画像データか、またはラプラシアン
フィルタ処理領域の画像データを読み出して、ディスプレイに表示する。
ラプラシアンフィルタ処理を行う際には、ソフトウェアまたはハードウェアが、カメラ画像領域から
画像データを読み出して、ラプラシアンフィルタ処理を行い、結果をラプラシアンフィルタ処理領域に書き込む。ソフトウェアがラプラシアンフィルタ処理を行う際には、ARM プロセッサがラプラシアン
フィルタ処理を行い、ハードウェアが行う場合はPL 部に実装されたラプラシアンフィルタ IP がラプラシアンフィルタ処理を行う。ラプラシアンフィ
ルタ IP は、DDR3 SDRAM のカメラ画像領域から
画像データを AXI4 Master Read を使用して DMA
アクセスにより、読み出してラプラシアンフィルタ
処理を行う。そのラプラシアンフィルタ処理結果はAXI4 Master Write を使用して DMA アクセスにより、DDR3 SDRAM のラプラシアンフィルタ処理領
域に書き込まれる。その様子を図 8 に示す。

図 9. OpenMP への最適化によるラプラシアンフィルタの実装の違い
図 9 で、黒く示した部分が 0 に固定した部分で、青く示した部分がラプラシアンフィルタ処理出力の部分である。
ラプラシアンフィルタ処理のハードウェア実装とソフトウェア実装では、ほぼ同一のソースコードを使用しているため、実行時間の差を容易に比較することができる。
図 8. ソフトウェア、ハードウェアによるラプラシ
アンフィルタ処理の実装方法

21表 1. gcc 4.6 でコンパイルしたラプラシアンフィルタの各実装の最適化オプションの違いによる
処理時間
laplacian_filter1
laplacian_filter2
laplacian_filter3
laplacian_filter4-O無し (ms)
448.0
328.0
279.0
228.0

-O1 (ms)
130.0
99.5
94.2
123.0

-O2 (ms)
130.0
86.4
83.6
92.8

-O3 (ms)
127.0
85.1
82.7
93.3

-Os (ms)
136.0
96.3
91.6
114.0

-Ofast (ms)
127.0
82.1
82.8
92.7

６．実験項目「5．ラプラシアンフィルタの実装方法」に記した方法でソフトウェア、ハードウェアの性能比較を行った。4 種類のソースコードはそれぞれ
laplacian_filter1、laplacian_filter2、laplacian_filter3、
laplacian_filter4 とする。それぞれのソースコードについての説明を次に述べる。
 laplacian_filter1
 ソフトウェアとして作製した C ソース
コードを使用した
 画像を 1 ピクセル読んで、ラプラシアン
フィルタ処理し、1 ピクセルごとに書く laplacian_filter2
 memcpy()を使用して画像データをまとめて読み書きした（memcpy()の使用によりVivado HLS ではバースト転送が行われる） laplacian_filter3
 laplacian_filter2 の割り算をステートマシ
ン に 変 更 し た （ Vivado HLS で はPIPELINE ディレクティブを挿入した） laplacian_filter4
 memcpy()の使用やソースコードを Vivado
HLS に最適化した（Vivado HLS では最適なディレクティブを追加して高速化を図った）
laplacian_filter1 ~ laplacian_filter4 を図 9 に示す
通り、画像の左上と左端の 2 ピクセルを 0 にする様に改造したソフトウェアがそれぞれ
laplacian_fiter5 ~ laplacian_filter8 に対応する。
なお、ZYBO 基板の ARM プロセッサ Cortex-A9、動作周波数 650MHz で動作する Ubuntu 14.04 LTS
上でソフトウェア及びハードウェアの実行を行った。
時間計測は Linux の gettimeofday システムコールで行った。

6.1 コンパイラに gcc 4.6 を使用した場合
最初に gcc 4.6 でコンパイルした場合の最適化オプションによるラプラシアンフィルタ処理時間を表1 に示す [4]。
表 1 を最適化オプションごとに棒グラフにした図を図 10 に示す。図 10 の縦軸はラプラシアンフィルタの処理時間 ms 単位、横軸は最適化オプ
ションごとのラプラシアンフィルタの実装の違いに

図 10. gcc 4.6 でコンパイルしたラプラシアンフィルタの各実装の最適化オプションの違いによる処理時間のグラフ

図 11. gcc 4.6 でコンパイルしたラプラシアンフィルタの各実装の違いによる処理時間のグラフ
よる性能差を表す。図 10 を見ると gcc の最適化オ
プション無しでは、laplacian_filter1 ~ laplacian_filter4までで直線的に処理時間が減っているのがわかる。
また表 1 からも最適化オプション無しと最適化オ
プション有りとでは、処理時間に差があるのがわかる。
図 11 はラプラシアンフィルタの実装ごとの最適化オプションによる性能の差をラプラシアンフィル
タの実装ごとに並べたグラフである。各実装共に、
最適化オプション無しの処理時間が長いことがわかった。最速の処理時間としては、laplacian_filter2の最適化オプション-O2 の場合の 82.1 ms が最速だった。
次に、同じ gcc 4.6 を使用して、ARM プロセッ
サの SIMD エンジンの NEON を使用してラプラ
シアンフィルタ処理を演算した結果を表 2 に示す[4]。
gcc のオートベクタライズ機能を使用してコンパ
イルし NEON 用のコードを出力した。gcc のオートベクタライズのオプションは-mcpu=cortex-a9

表 2. gcc 4.6 のオートベクタライズ機能によって NEON エンジンを使用した場合のラプラシアンフィルタの処理時間
NEON -O無し (ms) NEON -O1 (ms) NEON -O2 (ms) NEON -O3 (ms) NEON -Os (ms) NEON -Ofast (ms)laplacian_filter1
laplacian_filter2
laplacian_filter3
laplacian_filter4

447.0
313.0
278.0
229.0

131.0
95.0
94.4
123.0

132.0
78.3
77.7
96.4

22

137.0
83.4
83.4
96.3

138.0
92.2
92.0
118.0

137.0
83.0
84.2
96.2

図 13. gcc 4.8 でコンパイルしたラプラシアンフィルタの各実装の最適化オプションの違いによる処理時間のグラフ

図 12. gcc 4.6 オートベクタライズ機能によってNEON エンジンを使用した場合の各実装の最適化オプションの違いによる処理時間のグラフ

laplacian_fiter3 の最適化オプション-O3 の時の77.7 ms だった。NEON を使用しない場合に比べてNEON を使用した場合のほうが最速の処理時間がより短くなった。

-mfpu=neon -ftree-vectorize -ffast-math-mvectorize-with-neon-quad を使用した。但し、コンパイル時の最適化オプションやラプラシアンフィル
タの実装によっては、NEON 用のコードが出力されない時がある。表 2 で赤い字によって示された処理
時間が、NEON のコードが出力された条件の場合を示す。NEON を使用した場合も gcc の最適化オプ
ションを入れたほうが速いことがわかる。最適化オ
プションによる処理時間の違いをラプラシアンフィ
ルタの実装ごとにグラフにした図を図 12 に示す。
図 10 と図 12 は同じ傾向を示した。gcc 4.6 のオー
トベクタライズ機能を使用してラプラシアンフィル
タ処理をコンパイルした時の最速の値は、6.2 コンパイラに gcc 4.8 を使用した場合
gcc 4.8 の場合のラプラシアンフィルタの gcc 最適化オプションと NEON 使用の場合のラプラシア
ンフィルタ処理時間を表 3、表 4 に示す [5]。gcc 4.8を使用した場合は laplacian_filter5 ~ laplacian_filter8
も処理時間を測定して表に追加した。ラプラシアンフィルタの各実装における最適化オプションの違いに よ る 処 理 時 間 の グ ラ フ を 図 13 に 示 す 。

表 3. gcc 4.8 でコンパイルしたラプラシアンフィルタの各実装の最適化オプションの違いによる処理時間-O無し (ms)
425.0
316.0
299.0
273.0
420.0
308.0
303.0
265.0

laplacian_filter1
laplacian_filter2
laplacian_filter3
laplacian_filter4
laplacian_filter5
laplacian_filter6
laplacian_filter7
laplacian_filter8-O1 (ms)
145.0
95.0
95.3
127.0
148.0
95.2
95.7
119.0

-O2 (ms)
126.0
80.9
84.4
88.9
137.0
82.7
83.2
84.2

-O3 (ms)
125.0
80.8
82.2
88.6
137.0
83.5
83.5
87.1

-Os (ms)
125.0
94.0
94.4
114.0
139.0
89.9
89.3
114.0

-Ofast (ms)
126.0
80.2
80.2
88.9

表 4. gcc 4.8 のオートベクタライズ機能によって NEON エンジンを使用した場合のラプラシアンフィルタの処理時間
NEON -O無し (ms) NEON -O1 (ms) NEON -O2 (ms) NEON -O3 (ms) NEON -Os (ms) NEON -Ofast (ms)laplacian_filter1
laplacian_filter2
laplacian_filter3
laplacian_filter4
laplacian_filter5
laplacian_filter6
laplacian_filter7
laplacian_filter8

表 5.

laplacian_filter1
laplacian_filter2
laplacian_filter3
laplacian_filter4

425.0
315.0
299.0
273.0
420.0
309.0
303.0
265.0

145.0
94.2
95.2
127.0
147.0
95.3
94.8
119.0

133.0
75.1
74.9
88.9
131.0
79.8
80.5
87.7

143.0
75.3
74.4
88.9
132.0
81.1
81.9
86.9

128.0
94.4
94.1
122.0
143.0
88.9
90.7
116.0

141.0
76.3
74.6
89.4

llvm 3.4、clang 3.4 でコンパイルしたラプラシアンフィルタの各実装の最適化オプションの違いによる処理時間-O無し (ms)
304.0
238.0
221.0
241.0

-O1 (ms)
148.0
109.0
106.0
121.0

-O2 (ms)
137.0
99.0
95.5
94.7

23

-O3 (ms)
133.0
101.0
97.7
95.0

-Os (ms)
134.0
103.0
105.0
94.9

-Ofast (ms)
133.0
101.0
97.6
94.9

表 6.

llvm 3.4、clang 3.4 のオートベクタライズ機能によって NEON エンジンを使用した場合のラプラシアンフィルタの処理時間
NEON -O無し (ms) NEON -O1 (ms) NEON -O2 (ms) NEON -O3 (ms) NEON -Os (ms) NEON -Ofast (ms)laplacian_filter1
laplacian_filter2
laplacian_filter3
laplacian_filter4

300.0
232.0
219.0
230.0

143.0
102.0
102.0
115.0

134.0
86.8
89.7
92.4

134.0
88.3
90.8
92.4

133.0
87.9
88.4
93.4

133.0
88.6
91.0
93.2

-mfloat-abi=hard を使用し、そこに最適化オプションを追加している。また、gcc でコンパイルした場合と同様に、オートベクタライズのオプションを使用してコンパイルしても、NEON を使用するコードを出力するとは限らない。表 6 の NEON を使用する
コードが含まれている実行コードの処理時間を赤い字で表示した。llvm 3.4、clang 3.4 オートベクタライ
ズ機能によって NEON エンジンを使用した場合の最適化オプションによる処理時間のグラフを図 14に示す。図 14 を見ると、最適化オプション無しの場 合 は 、 gcc で コ ン パ イ ル し た よ り もlaplacian_filter2 ~ laplacian_fiter4 の処理時間の差が少ないことがわかった。gcc 4.6、gcc 4.8 に比べてllvm 3.4、clang 3.4 ではラプラシアンフィルタの処理時間が長くかかる傾向があることがわかった。

図 14. llvm 3.4、clang 3.4 オートベクタライズ機能によって NEON エンジンを使用した場合の最適化
オプションによる処理時間のグラフ
laplacian_filter1 と laplacian_filter5 は多少実装が異なるだけなので、ほとんど同じ傾向を示す。
laplacian_filter2 と laplacian_filter6 もその他も同様である。gcc 4.6 と gcc 4.8 のラプラシアンフィルタの処理時間を比較すると、一長一短であることがわ
か っ た 。 最 短 の 処 理 時 間 は 、 gcc 4.8 の 場 合 のlaplacian_filter3 の NEON を使用した-O3 の場合で、74.4 ms だった。

6.3 コンパイラに llvm 3.4, clang 3.4 を使用した場合
llvm 3.4, clan 3.4 を使用してコンパイルした場合の最適化オプションと NEON 使用の場合のラプラ
シアンフィルタ処理時間を表 5、表 6 に示す [4]。
NEON を使用する場合のオートベクタライズのオ
プ シ ョ ン は 、 -mcpu=cortex-a9 -mfpu=neon

6.4 OpenMP を用いて 2 つの CPU コアを使用した場合
gcc 4.8 において OpenMP を使用するためのオ
プション- fopenmp をコンパイル・オプションとして追加した場合の最適化オプションによるラプラシ
アンフィルタ処理時間を表 7 に示す [5]。gcc 4.8 に
おいて OpenMP を使いながら、更に、NEON エンジンを使用した時の最適化オプションによるラプラ
シアンフィルタ処理時間を表 8 に示す [5]。なお、処理時間の赤字は NEON エンジンを使用するコードが出力されていたことを示す。ラプラシアンフィ
ルタ処理結果は、laplacian_fiter1 ~ laplacian_filter4、
laplacian_filter8 で表示結果にバグがあった。最短の処理時間 は laplacian_filter8 の最適 化オプション-O3 の場合の 72.5 ms だった。これは、ソフトウェ
ア実装最速のラプラシアンフィルタ処理時間である。

表 7. gcc 4.8 において OpenMP を使用した場合の最適化オプションによる処理時間
laplacian_filter1
laplacian_filter2
laplacian_filter3
laplacian_filter4
laplacian_filter5
laplacian_filter6
laplacian_filter7
laplacian_filter8

表 8.

-O無し (ms)
209.0
236.0
224.0
167.0
231.0
204.0
204.0
182.0

-O1 (ms)
117.0
107.0
100.0
90.0
111.0
95.4
94.2
93.9

-O2 (ms)
105.0
94.4
87.0
74.4
95.2
80.9
80.9
74.3

-O3 (ms)
101.0
93.9
87.0
76.8
95.3
81.6
81.9
72.5

-Os (ms)
211.0
144.0
94.1
90.0
203.0
111.0
111.0
88.6

gcc 4.8 において OpenMP を使いながら、NEON エンジンを使用した時の最適化オプションによる処理時間

laplacian_filter1
laplacian_filter2
laplacian_filter3
laplacian_filter4
laplacian_filter5
laplacian_filter6
laplacian_filter7
laplacian_filter8

NEON -O無し (ms)
210.0
234.0
228.0
173.0
213.0
190.0
190.0
172.0

NEON -O1 (ms)
117.0
107.0
99.4
89.4
109.0
92.3
92.5
89.0

NEON -O2 (ms)
99.9
94.6
85.6
76.8
96.1
80.2
80.5
73.0

24

NEON -O3 (ms)
103.0
95.7
90.4
73.6
96.5
79.6
79.8
72.8

NEON -Os (ms)
210.0
144.0
95.0
90.0
209.0
110.0
111.0
89.5

表 9. Vivado HLS を用いてラプラシアンフィルタ処理をハードウェア化した時の処理時間
実装（ソフトウェア実装）
laplacian_filter1(laplacian_fiter5)
laplacian_filter2

最速のソフトウェアの処理時間(ms)SW
条件laplacian_filter3
laplacian_filter4(laplacian_filter8)

74.4 NEON -O3

ハードウェアの処理時間(ms)HW
条件

95.2 OpenMP -O3
74.9 NEON -O3

509 PIPELINE無し
80 PIPELINE無し、memcpy()
PIPELINE有り、memcpy()、割60 り算無しPIPELINE有り、memcpy()、割15.3 り算無し、高速化技法多数

72.5 OpenMP -O3

SW/HW
0.19
0.94
1.24
4.74

合は、カメラからのストリーム・データを逐次的にラプラシアンフィルタ処理をすることが一般的である。その実装では、DDR3 SDRAM をフレームバッ
ファとして使用しないので、メモリ帯域に余裕ができるのがメリットである。ハードウェアでラプラシ
アンフィルタを構成する場合の一般的なブロック図を図 15 に示す。

6.5 Vivado HLS を用いてハードウェア化
した場合
ソフトウェアでのラプラシアンフィルタの実装と殆ど同一の C ソースコードを Vivado HLS を使用
して高位合成によりハードウェアにした時のラプラ
シアンフィルタ処理時間を表 9 に示す [1][6][7]。ソフ
トウェア処理時間はそれぞれの実装で最速の処理時間を表示したが、ソフトウェアで OpenMP を使用
した場合は laplacian_filter1 ~ laplacian_filter4 の代替として laplacian_filter5 ~ laplacian_filter8 を使用した。Vivado HLS でハードウェア化した実装はバス・インターフェースに AXI4 Master を使用し、条件に書いてある通りにディレクティブを追加して最適化してある。最速は、Vivado HLS でハードウェア化した laplacian_filter4 の 15.3 ms だった。このハードウェア実装とソフトウェア実装のラプラシア
ンフィルタ処理時間の倍率は 4.74 倍で、高位合成
によりハードウェア化した方がソフトウェアよりも性能が向上した。但し、laplacian_fitler1 では、ハードウェア実装とソフトウェア実装との処理時間の倍率は 0.19 倍で、ソフトウェアの方が高速だった。
よって、ソフトウェアとハードウェアの性能は C
ソースコードの実装に依存することが分かった。具
体的に性能を向上させるためのノウハウを下記に示す。
memcpy()を使用して、まとまったデータ単
位を 一度に転送 すると AXI4 Master イ ン
ターフェースのバースト転送を使用することができて性能が向上する。
 適当な for()ループに PIPELINE ディレク
ティブを付加するとパイプラインが実装されてスループットが向上する。但し大きな範囲に適用するとツールの計算も膨大となり、待ち時間も大きくなる。またリソースも消費してしまうので、注意が必要である。
 割り算はレイテンシが大きいのでなるべく使用しないこと。
 高い性能を必要とする場合は、合成後のハードウェアを推測しながら、最適な C ソース
コードの構成を考慮し、適切なディレクティ
ブを追加することが必要である。

図 15．ハードウェアでラプラシアンフィルタを構成する場合の一般的なブロック図
今回の Verilog HDL による実装では、ソフトウェアの実装に合わせるためにわざと DDR3 SDRAMのカメラ画像領域から読み込んで、ラプラシアン
フィルタ処理後にラプラシアンフィルタ処理領域に書き込んでいる（図 8 参照）。Verilog HDL を使用
したラプラシアンフィルタ処理時間は 10.1 ms[8] で、全体を通して最速だった。
これは、C 言語に比べて低レベルな言語である
Verilog HDL で完全なパイプラインを書くことができたためである。図 8 において、memory のカメラ
画像領域から読み込んだカメラ・データが揃った時点で、すぐにラプラシアンフィルタ処理を開始している。ラプラシアンフィルタ処理は、1 クロックごとに 1 ピクセルの処理を完了できる。よって、カメラ画像領域からの読み込みが 1 ライン分終了した
時点で、ラプラシアンフィルタ処理は終了している。
ラプラシアンフィルタ処理されたデータは、直ちにラプラシアンフィルタ処理領域に書き出すことができる。
メモリ帯域に余裕があれば、カメラ・データの読み込みとラプラシアンフィルタ処理後のメモリへの書き出しが同時にできるので、更に性能向上が可能
である。

７．まとめ
Xilinx 社の Zynq を使用した学生実験用のソフ
トウェアとハードウェア性能比較実験装置を作製した。ラプラシアンフィルタ処理について、最適化レベルの異なるソフトウェア実装、NEON エンジンを使用したソフトウェア実装、OpenMP を使用したソ
フトウェア実装、Vivado HLS で C ソースコードをハードウェア化した実装、HDL でのハードウェア

6.6 HDL を用いてハードウェア化した
場合
最後に、Verilog HDL (Verilog Hardware Description
Language) を用いてハードウェア化した場合のラプ
ラシアンフィルタ処理時間について述べる。通常、ハードウェアでラプラシアンフィルタを構成する場
25

実装で性能を比較することができた。その結果として次に示す事がわかった。

Vivado HLS でハードウェア化して性能が良い C ソースコードは、一般的にソフトウェアでも性能が良い。

gcc のオートベクタライズ機能を使用してNEON を使用すると性能が向上することが多い。

gcc の OpenMP 自動並列化オプションを使用すると性能が向上する場合が多いが、バグが出ないように C ソースコードの構造を考慮する必要がある。

参考文献[1] 小野 雅晃, C-6「Xilinx 社の FPGA における高位合成ツール Vivado HLS の効果と性能」発表資料,
Design Solution Forum 2015, 2015/10/02,
http://dsforum.jp/2015/timetable_soft.html#c6[2] Zynq-7000 All Programmable SoC テクニカル リ
ファレンス マニュアル(UG585), Ver.1.10, 2015/02/23,
http://japan.xilinx.com/support/documentation/user_guides/j_ug585-Zynq-7000-TRM.pdf[3] GitHub, marsee101/laplacian_filters,
https://github.com/marsee101/laplacian_filters[4] 小野 雅晃, gcc と clang で -Ofast 最適化オプションを付けた場合の実行速度, FPGA の部屋,
2015/07/14,
http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-3199.html[5] 小野 雅晃, 新しいラプラシアンフィルタのソフト
ウェア実装, FPGA の部屋, 2015/07/20,
http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-3203.html[6] 小野 雅晃, ラプラシアンフィルタのソフトウェアとハードウェアの速度の比較 2, FPGA の部屋,
2015/07/01,
http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-3189.html[7] 小野 雅晃, Vivado HLS 2014.4 で合成したラプラシ
アンフィルタ IP の高速化 14（性能が最大になる設定を探る 7、まとめ）, FPGA の部屋, 2051/04/15,
http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-3120.html[8] 小野 雅晃, ZYBO に HDL で書いたラプラシアンフィルタを実装する 9（制御ソフトウェアを作製して実機確認）, FPGA の部屋, 2015/11/09,
http://marsee101.blog19.fc2.com/blog-entry-3304.html

8．謝辞
Vivado HLS の最適化された C ソースコードを提供して下さった株式会社イメージ・テック 植田友幸様に深く感謝致します。様々な面で、ご支援を頂いた筑波大学システム情報系の和田耕一教授に深く感謝いたします。今回の実験装置の製作について科
研費奨励研究 (15H00371)のご支援を頂きました。感謝致します。

Development of experiment device for comparing software and hardware
performance
Masaaki Ono
Technical Service Office for Systems and Information Engineering, University of Tsukuba,

1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan

Keywords: neural network; Zynq, FPGA;

26

27

28

Cre/loxP遺伝子組換えにより緑色から赤色蛍光に変換する
ROSA26 Cre レポーターマウスの開発
長谷川 賀一筑波大学医学系技術室（生命科学動物資源センター）〒305-8575 茨城県つくば市天王台1-1-1

概要

２．方法

Rosa26 遺伝子を相同組換えする目的でターゲ
ティングベクターを作製し、C57BL/6N 由来の相同
組換え ES 細胞を作製した。この ES 細胞より
R26GRR マウスを作製し解析を行った。作製されたマウスは偏在的に緑色蛍光を発現し、Cre ドライ
バーマウスと交配をかけた F1 マウスにおいては部
位特異的な赤色蛍光を発現することを見出した [1]。

2.1 Rosa26 Green red Reporter (R26GRR)
Mice の作製
CAG プロモーターと tdsRed 遺伝子の間に loxP
配列で挟んだ EGFP 遺伝子を配置し、Rosa26 5’
arm-CAG/EGFP-tdsRed-Rosa26 3’ arm のターゲティ
ング・ベクターを構築した。このターゲティング・
ベクターを C57BL/6N 由来の ES 細胞の Rosa26
遺伝子座へ相同組み換え方法により導入した(Fig.1)。
キメラマウス作製には相同組み換えが確認された
ES 細胞を用いた。複数のキメラマウスが作製され、そのうちの 1 ラインにおいてレポーター遺伝子である CAG/EGFP-tdsRed が生殖系列に移行することを確認した。

キーワード： CAC promoter , Cre-repoter mouse ,EGFP , Rosa26 , tdsRed

１．はじめにCre/loxP システムを利用したコンディショナル
な gene-targeting は Cre ドライバーマウスによる
Cre 酵素の発現に依存する。このことから、Cre ド
ライバーマウスにおいて loxP を切除することによって時間的・空間的にどのように制御されているかを知ることは極めて重要である。Cre ドライバー
マウスの評価のため広く使用されている Cre レ
ポーターマウスが ROSA26 レポーターマウスである [2]。このマウスは ubiquitous に外来性遺伝子発現を許す ROSA26 遺伝子座内に、転写を STOP させる配列を Floxed し、その下流に lacZ レポーター
遺伝子をノックインしたマウスである。このマウス
では Cre リコンビナーゼが発現する組織においてのみ Cre/loxP リコンビネーションが生じ、レポー
ター遺伝子発現を介して、Cre ドライバーマウスを評価することが可能となる。近年では live imaging
や fate mapping study の た め lacZ の 代 わ り に
EGFP な ど の 蛍 光 タ ン パ ク に 置 き 換 え ら れ た
ROSA26 レポーターマウスも数多く開発されている。しかしながら、現在までの Cre レポーターマウ
スでは、レポーター遺伝子のシグナルが生じていな
い組織において、本当に Cre 酵素の発現が無いためなのか、それとも、レポーター遺伝子のプロモーター
活性が無いためなのかを評価することはできない。
そこで、Cre/loxP システムを介した研究をサポートするツールのひとつとして、レポーター遺伝子のプ
ロモーター活性を蛍光タンパクにてモニター可能であり、Cre/loxP リコンビネーションを異なる蛍光タ
ンパクにより検出可能な新規の Cre レポーターマ
ウスを開発することとした。

Fig.1 Generation of the ROSA26 locus with insertion of anovel Cre reporter.

2.2 動物
全ての実験は筑波大学動物実験委員会の承認のもと実施した。Cre レポーターマウスを産出するために、相同組換えが確認された ES 細胞を用いてキメ
ラマウスを作製した。キメラマウスの雄とC57BL/6N の雌を交配し、対立遺伝子が生殖系列へ伝達されていることを確認した。Ayu1-Cre マウス、
29

Tie2-Cre マウス、Ins1-Cre マウスとそれぞれ交配した。マウスは明周期 14 時間、暗周期 10 時間、温度 23.5 ± 2.5 ℃、湿度 52.5 ± 12.5 ％の環境で飼育された。

3.2 R26GRR、R26RR 新生仔におけるEGFP、tdsRed の発現
次に、ROSA26CAG-EGFP/tdsRed 対立遺伝子が持続的に発現しているかどうかを調べるためにマウスの新生仔を用いて検討を行った(Fig.3)。wild type、R26GRR、
R26RR マウスの新生仔についてそれぞれ蛍光顕微
鏡下で観察を行ったところ、wild type マウスの新生仔では蛍光は確認されず(Fig.3A-C)、R26GRR マウ
スの新生仔では全身性に緑色蛍光のみを示し(Fig.3D-F)、R26RR マウスの新生仔では全身性に赤色蛍光のみを示した(Fig.3G-I)。

2.3 蛍光実体顕微鏡
新生仔における蛍光イメージングでは、マウスを安楽死させた後、新生仔を解剖し、蛍光実体顕微鏡を用いて検討を行った。

2.4 組織学的解析使用したマウスは、深麻酔後、PBS 灌流で安楽死させ、4％ パラホルムアルデヒド(PFA)を用いて灌流を行った。各組織は固定後、蛍光顕微鏡を用いて蛍光の発現を確認した。その後、sucrose 溶液を用いて平衡化し、Tissue-Tek OCT に包埋した。凍結組織片は 10 µ m の厚さで切片化した。

3.3 R26GRR、R26RR 成体マウスの臓器における EGFP、tdsRed の発現
R26GRR マウスと R26RR マウスについて、それぞれ麻酔下で PBS 灌流、4％ PFA 灌流を行った後、脳、心臓、肺、腎臓、肝臓の解剖を行い、臓器における蛍光の発現を検討したところ、R26GRR マウス
においては緑色蛍光を示したが、赤色蛍光は示さなかった。また R26RR マウスにおいては赤色蛍光を示したが、緑色蛍光は示さなかった(Fig.4)。さらに、脳(新皮質、歯状回、小脳)、心臓、肺、腎臓、肝臓について、凍結組織切片を作製し蛍光の発現を検討したところ同様の結果を示した(Fig.5)。これらの結果は、ROSA26 遺伝子座の CAG プロモーターは最初のレポーター遺伝子を恒常的に活性化することができるが、第 2 のレポーター遺伝子は R26GRR マ
ウスにおいて Cre を切除するまで、マウスに偏在する有核細胞のほとんどを活性化できないことを示している。以上より R26GRR マウスは C57BL/6N を遺伝的背景に持つレポーターマウスとして有益なものであると言える。
次に、EGFP が切除された後の Cre レポーターマ
ウスに偏在する細胞において、第 2 のレポーターである tdsRed が活性化するかどうかを検証した。
Ayu1-Cre トランスジェニックマウスは生殖系を含む多数の臓器において Cre リコンビナーゼを発現する [3]。そこで、R26GRR の雌マウスと Ayu1-Creの雄マウスを交配し、R26GRR/Ayu1-Cre F1 マウスを得た。ヘテロの R26RR 新生仔は強い赤色蛍光を示
したが緑色蛍光は示さなかった(Fig.3I,3H)。これらの結果は、tdsRed は Cre を媒介して EGFP を除去することによって作製した R26RR マウスにおいて、CAG プロモーターによって恒常的に活性化されていることが明らかとなった。

３．結果
3.1 R26GRR マウスの産生変異導入した ROSA26 対立遺伝子の特性を調べるために、標的とした ES 細胞の蛍光イメージングを行った(Fig.2)。標的とした ES 細胞を観察したところ、2 つのコロニーにおいて EGFP の発現を示す
緑色蛍光がみられた(Fig.2A,2B)。エレクトロポレーション法によって CAG-Cre 遺伝子を R26GRR ES
細胞に導入し、セレクションなしで 72 時間後に細胞の蛍光を確認したところ、多数の緑色蛍光の細胞と少数の赤色蛍光の細胞がみられた(Fig.2E,2F)。さらに赤色蛍光を示した細胞は N 末端に FLAG がタグ付けされており、FLAG にタグ付けされたペプチド結合に対して Alexa647 でラベルされた抗体に対して検出された(Fig.2D)。

3.4 R26GRR マウスにおける組織特異的な
tdsRed の活性化
赤色のレポーターである tdsRed が Cre/loxP 組
換え後、R26GRR マウスにおいて特定の器官に組織特異的であるかどうかを検討した。マウスインスリ
ン 1(Ins1)プロモーターはマウス膵臓ランゲルハン
ス島β細胞における外来性の遺伝子として良く用いられる [4]。tdsRed の膵島特異的な発光を検討する
ために、R26GRR マウスを Ins1-Cre マウスと交配し R26GRR/Ins1-Cre F1 子孫を得た。膵島は明瞭に強い赤色蛍光に標識されていたが、他の膵臓の組織は緑色蛍光に標識されていた。膵島特異的な赤色蛍光Fig.2 Fluorescence of ES cells targeted with the
R26GRR vector.
30が見られたことから、膵臓β細胞において Cre/loxPによる組換えが起こっていることが示唆された。
さらに R26GRR マウスを用いて、内皮細胞系列に特異的な Cre/loxP リコンビネーションについても検討した。チロシンキナーゼレセプターの制御領域にある Tek(Tie2)遺伝子は血管内皮細胞特異的に遺伝子発現することが知られている［5］。Tie2-Cre マ
ウスは Tie プロモーター/エンハンサーの制御下でCre リコンビナーゼを発現し、胚発生期や成体で内皮細胞に均一な発現を示す［6］。tdsRed の発光が血管内皮系列特異的であるか検討するために、
R26GRR マ ウ ス と Tie2-Cre マ ウ ス を 交 配 し
R26GRR/Tie2-Cre F1 マウスを作製した。胎生 9.5 日の R26GRR/Tie2-Cre F1 個体において赤色蛍光を伴った血管形成がはっきりと観察され、組織特異的に Cre/loxP リコンビネーションが起こっていることが示唆された(Fig.7)。まとめると、Cre の組織特
異的な発現は R26GRR マウスを用いることによって蛍光タンパクの色に基づいて識別できる。

Fig.5 EGFP and tdsRed expression in tissues of R26GRR
and R26RR adults.

Fig.3 EGFP and tdsRed expression in R26GRR and
R26RR neonates.

Fig.6 Double-color imaging of EGFP and tdsRed
fluorescence in the pancreas of R26GRR/Ins1-Cre F1
mice at the adult stage.

４．考察
マウスにおける遺伝子機能はノックアウトマウスの表現型の研究から決定されてきた。さらにコンディショナルノックアウトマウスを用いた手法はマウスの時空間分析のための強力な方法となりうる。
近年では 9000 以上のコンディショナルな対立遺伝子を用いたマウスが C57BL/6N 由来の ES 細胞から組織的に樹立されたとの報告もある [7]。それゆえに C57BL/6N ラインを用いた Cre ドライバーマウ
スや Cre レポーターマウスの開発は生物学的にも基礎医学的にも重要になってきている。そこで我々は、リコンビネーションが起こっていない細胞ではFig.4 EGFP and tdsRed expression in the organs of
R26GRR and R26RR adults.

31緑色蛍光を発し、Cre リコンビナーゼが起こった細胞では赤色蛍光を発する R26GRR マウスを作製しその特性を明らかにした。R26GRR は遍在性に緑色蛍光を発現させ、赤色蛍光は発現しなかった。一方、Cre 酵素により EGFP を除去した R26RR マウス
においても遍在性に赤色蛍光を発現し、レポーター
遺伝子プロモーターが Cre リコンビネーション前
後で変わりなく遍在性にレポーター遺伝子発現を機能 さ せ る こ と が 示 唆 さ れ た 。 さ ら に
R26GRR/Tie2-Cre F1 マウスにおいて血管内皮特異的赤色蛍光、また R26GRR/Ins1-Cre F1 マウスにおいて膵島特異的な赤色蛍光が観察され、組織特異的な Cre リコンビナーゼが検出された。これらの結果
は R26GRR マウスが新規の Cre レポーターマウ
スとして有用であること、Cre/loxP リコンビネーションにより緑色から赤色蛍光変換する C57BL/6N
遺伝的背景をもつ細胞の有用な供給源であることが
示された。

謝辞
本研究においてご指導とご鞭撻を受け賜りました
筑波大学人間総合科学研究科の八神健一教授、杉山文博准教授、水野聖哉助教に感謝申し上げます。また、ご協力いただいた実験動物研究室の皆様、生命科学動物資源センターの皆様にも感謝申し上げます。
参考文献[1] Hasegawa, Y., Daitoku, Y., Sekiguchi, K., Tanimoto, Y.,
Mizuno-Iijima, S., Mizuno, S., Kajiwara, N., Ema, M.,
Miwa, Y., Mekada, K., Yoshiki, A., Takahashi, S.,
Sugiyama, F., and Yagami, K. 2013. Novel ROSA26
Cre-reporter knock-in C57BL/6N mice exhibiting green
emission before and red emission after Cre-mediatedrecombination. Exp.Anim.62.: 295 – 304.
[2] Soriano, P. 1999. Generalized lacZ expression with the
ROSA26 Cre reporter strain. Nat. Genet.21: 70 – 71.
[3] Niwa, H., Araki, K., Kimura, S., Taniguchi, S., Wakasugi,S., and Yamamura, K. 1993. An efficient gene-trap
method using poly A trap vectors and characterization ofgene-trap events. J Biochem 113: 343 – 349.
[4] Sekiguchi, Y., Owada, J., Oishi, H., Katsumata, T., Ikeda,
K.,Kudo, T., and Takahashi, S. 2012. Noninvasive
monitoring of b-cell mass and fetal b-cell genesis in miceusing bioluminescence imaging. Exp Anim 61: 445 – 451.
[5] Schlaeger, T.M., Qin, Y., Fujiwara, Y., Magram, J., andSato,T.N. 1995. Vascular endothelial cell lineage-specificpromoterin transgenic mice. Development 121: 1089 –1098.
[6] Kisanuki, Y.Y., Hammer, R.E., Miyazaki, J., Williams,
S.C., Richardson, J.A., and Yanagisawa, M. 2001.
Tie2-Cre transgenic mice: a new model for endothelial
cell-lineage analysis in vivo. Dev Biol 230: 230 – 242.
[7] Skarnes, W. C., Rosen, B., West, A. P., Koutsourakis, M.,
Bushell, W., Iyer, V., Mujica, A. O., Thomas, M., Harrow,
J., Cox, T., Jackson, D., Severi, J., Biggs, P., Fu, J.,
Nefedov, M., de Jong, P. J., Stewart, A.F., and Bradley, A.
2011. A conditional knockout resource for the
genome-wide study of mouse gene function. Nature 474:
337 – 342.

Fig.7 Double-color imaging of EGFP and tdsRed
fluorescence in R26GRR/Tie2-Cre F1 mice.

Novel ROSA26 Cre-reporter Knock-in C57BL/6N Mice
Exhibiting Green Emission before and Red Emission
after Cre-mediated Recombination
Yoshikazu Hasegawa
Technical Service Office for Medical Science, Laboratory Animal Resource Center,
University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8575 Japan
Keywords: CAG promoter, Cre-reporter mouse, EGFP, Rosa26, tdsRed

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赤外線センサーカメラによる長野県上田市菅平高原の哺乳類相と鳥類相調査
佐藤

美幸、正木

大祐

筑波大学生命環境科学等技術室（菅平高原実験センター）〒386-2204 長野県上田市菅平高原 1278-294

概要
２．方法

近年、赤外線センサーカメラを活用した野外生物の生態調査が盛んに行われている。そこで、長野県
上田市菅平高原において、赤外線センサーカメラを用いた哺乳類相と鳥類相調査を行った。筑波大学菅平高原実験センター内に設置した 9 台の赤外線センサーカメラで、10 種類の哺乳類と 3 種類の鳥類が撮影された。また、ニホンジカが撮影され、菅平高原への侵入が明らかになった。

赤外線センサーカメラは、TREL 10J(GISupply 社）
を使用した。センター敷地内の、アカマツ林・ミズナラ林・渓畔林に 7 台を設置した(図 1A)。また、センターでは、2014 年度に樹冠観測タワーを設置した。このタワーの最上部と中間部の二箇所にも赤外線センサーカメラをそれぞれ 1 台ずつ設置した(図1B)。センサーカメラは、2015 年 8 月 18 日に設置
し、2015 年 11 月 5 日に回収した。

キーワード：赤外線センサーカメラ、Cervus nippon、
ニホンジカ、哺乳類相、鳥類相、

３．結果

１．はじめに

3.1 撮影された哺乳類と鳥類

菅平高原は、本州のほぼ中央、長野県上田市の東北部に位置する。上信越国立公園の南西部にあたり、四阿山(2,333 m)、根子岳(2,207 m)の南西斜面を占め、南北 7 km、東西 10 km にまたがる一大高原である[1]。
筑波大学菅平高原実験センター(以下、センター)
は、菅平高原の中央部、標高約 1,300 m に位置する。
約 35 ha の野外フィールドを有しており、アカマツ
林、アカマツ・ミズナラ林、ミズナラ林、渓畔林、ススキ草原、および樹木園が存在している(図 1)[2]。
これまで、センターでは、哺乳類と鳥類相の定性
的、定量的調査は行われてこなかった。また、近年、
ニホンジカが生態系に与える影響が、日本各地で問題となっている。しかし、菅平高原へのニホンジカの侵入調査は行われていない。そこで本研究では、センター内におけるニホンジカの生息状況と、哺乳類相、および鳥類相を明らかにするため、赤外線センサーカメラを設置した。

センター内に設置した 9 台の赤外線センサーカ
メラのうち、7 台に哺乳類及び鳥類が撮影された(図2～14)。撮影された種は、キツネ(Vulpes vulpes)、タヌ キ (Nyctereutes procyonoides) 、 テ ン (Martes
melampus)、ハクビシン(Paguma larvata)、ノネコ(Felis
catus)、イノシシ(Sus scrofa)、ニホンジカ(Cervus
nippon)、カモシカ(Capricornis crispus)、ニホンリス(Sciurus lis)、ヤマネ(Glirulus japonicus)、オオルリ(Cyanoptila cyanomelana)、ヒガラ(Parus ater)、シジュ
ウカラ（Parus major）の、哺乳類 10 種と鳥類 3 種であった。
撮影枚数は合計 8,552 枚(図 1 設置地点①： 16枚、②： 1 枚、③： 6,496 枚、④： 942 枚、⑤：534 枚、⑥： 28 枚、⑦： 509 枚、⑧： 11 枚、⑨：15 枚)であった。そのうち、83 枚で 10 種の哺乳類と 3 種の鳥類が撮影された(図 1 設置地点 ①： 9枚、②： 0 枚、③： 7 枚、④： 0 枚、⑤： 35 枚、⑥： 9 枚、⑦： 13 枚、⑧： 1 枚、⑨： 9 枚)。

図 1．赤外線センサーカメラ TREL 10J（GISupply 社）設置地点
筑波大学菅平高原実験センター概略図（A）と樹冠観測用タワー（B）。
● は、赤外線センサーカメラ設置地点を表す。
42

なお、観察道周辺に設置した赤外線センサーカメラには、実習参加者やセンター利用者などが多く撮影されたため、ヒトが写っているものは除外した。また、②は実習利用者が多く調査に不適切であったた
め任意停止、③と⑧は電池切れによって、途中で撮影を中断した。

3.2 ニホンジカ
3 地点に設置した赤外線センサーカメラにおいて、ニホンジカが撮影された。撮影されたニホンジカは
いずれも 1 頭で行動していた。
現在、センター内の植生等について、ニホンジカ
による大きな影響は見られない。

図 5．ハクビシン

3.3 林間タワーを利用した鳥類相調査
樹冠観測用タワー最上部のカメラでは、942 枚が撮影された。しかし哺乳類や鳥類は撮影されなかった。中間部に設置したカメラには 3 種の鳥類と 1
種 の 哺乳 類が 撮 影さ れた が 、撮 影枚 数 の合 計は6,496 枚で回収前に電池切れとなった。
どちらのカメラでも、日中に連続して複数枚の写真が撮影されていた。これは、陽射しで暖められた植物に赤外線センサーが反応したものと考えられた。

図 6．ノネコ

図 7．イノシシ
図 2．キツネ

図 8．ニホンジカ
図 3．タヌキ

図 9．カモシカ
図 4．テン43

４．考察センター Web 1 上に公開されている菅平生物多様性・生態系データベースでは、31 種(過去に棲息していた種を含む)の哺乳類が記載されているが、本調査で撮影された哺乳類は 10 種にとどまった。より多くの哺乳類の生息を確認するためには、赤外線センサーカメラの設置地点再検討や、調査の継続が必要と考えられる。特に、本調査では、ノネズミ類
をはじめとする小型哺乳類は撮影されなかった。このことは、今回の設置条件では、赤外線センサーカ
メラによるノネズミ類などの小型哺乳類や、飛翔または滑空する動物の撮影は難しいことが示唆された。
また、林冠タワーに設置した 2 台のカメラでは、
日中に連続して複数枚の写真が撮影されていた。これは、陽射しで暖められた植物に赤外線センサーが反応したものと考えられた。これは、同様のカメラを利用した調査ではよく起こることである。林冠タ
ワー自体や、樹木の樹冠部は風によって大きく揺れる。このことが、センサーの反応を増加させたと考えられ、赤外線センサーカメラの林冠タワー上での利用は適さないことが示唆された。
本調査において、菅平高原内でのニホンジカの生息が確認された。センターの敷地内では、多くの実習や調査が行われており良好な環境を保つ必要がある。今後、ニホンジカの生息数が増加すれば、セン
ター内の植生等に影響が出てくる可能性も考えられ、継続した調査の必要性が示唆された。

図 10．ニホンリス

図 11．ヤマネ

謝辞
本調査の実施および本稿のとりまとめにあたり、ご指導・ご助言をいただきました筑波大学生命環境系高木悦郎特任助教に厚く感謝し、深くお礼申し上げます。

図 12．オオルリ

参考文献[1] 安藤裕, 菅平高原誌, 真田町教育委員会(1990).
[2] 正木大祐,金井隆治, 長岡講二, 佐藤美幸, 勝山麻里子,
リターフォールトラップを使用した長期調査, 筑波
大学技術報告, 35(2015) 35-38.

図 13．ヒガラ

図 14．シジュウカラ

144

http://www.sugadaira.tsukuba.ac.jp/

Mammalian and avian fauna surveyed by infrared digital trail camera
in Sugadaira highland, Ueda City, Nagano Prefecture, Japan
Miyuki Sato, Daisuke Masaki
Technical Service Office for Life and Environmental Sciences, Sugadaira Montane Research Center,
University of Tsukuba,
1278-294 Sugadaira Kogen, Ueda, Nagano 386-2204, Japan
Recently, numerous ecological surveys in fields have been conducted using inexpensive and high-performance
infrared digital trail cameras. We set nine infrared digital trail cameras at the Japanese red pine forest, the red pine andbroad-leaved mixed forest, deciduous broad-leaved forest, and riparian forest in the Sugadaira Montane ResearchCenter, University of Tsukuba. Ten mammalian and 3 avian species were taken by the cameras. Sika deer, Cervus
nippon, were also taken, indicating the invasion of sika deer into the Sugadaira highland.
Keywords: Cervus nippon, infrared digital trail camera, mammalian, avifauna, sika deer

45

技術報告

Ｔ型ユニオンを使ったガスサンプリングポート
伊藤 伸一
筑波大学数理物質科学等技術室〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要
実験により生成したガスをガスクロマトグラフにより分析するため、ガスラインの途中にT型ユニオンを挿入し、そこからガスをサンプリングする方法を紹介する。
キーワード：ガス採取、ガス分析、ガスクロマト
グラフ、水上置換法

１．はじめに理工系の研究室・実験室における様々な実験を進める上で、いくつかの簡単で、早く、安く自作できる仕掛けがある。最先端の実験では、実験装置が市販されていないし、かっちりとした実験をするためにはそれなりの装置を作る必要があるが、初めて行
う実験は、はたしてそれが期待通りの結果となるかどうかわからない。そのような実験のために、高い
費用と時間をかけて実験装置を作ることは無駄なこともある。取り急ぎ、手早く感触をつかむには早くて、費用があまりかからず、簡単に作れる仕掛けができればよいと筆者は常日頃考えている。それである程度の結果が得られれば、実験の規模を拡大すればよいのである。研究の現場では、教員の指導のもと、大学院生や卒研生が日々努力している。しかし、彼らだけでは、経験的にも時間的にも限界があり、そこはやはり技術職員の真骨頂を発揮すべきである。
教員あるいは院生・学生から相談や要望があった時に、すぐに対応できれば大学の競争力につながる。
筆者は、これまでにかかわってきた職務の中で製作した実験装置等について報告してきた[1-8]。今回は、シンプルで応用ができる仕掛けについて紹介する。
化学反応により生成したガスをガスクロマトグラフ
等で分析するためにガスを採取するガスサンプリングの方法である。

Fig. 1 Sampling port on the gas line.

Fig. 2 T-type union.

２．仕掛けの概要と仕組み
実験装置のラインにT型ユニオンを組み込んだ、
サンプリングポートの配置をFig. 1に示した。反応ガスを固体触媒が置かれた反応器に流し、反応によって生成した反応生成物はラインを通って Vent.へ流
れ、すなわち排気される。T型ユニオンの枝の部分
は、そのままであれば反応生成物が空気中に漏れ出すので、ゴム栓を袋ナットで締め付けて密閉している。このゴム栓の中央にガス用の注射器の針を差込
み、反応生成物を一定量抜き取り、それをガスクロ
マトグラフのインジェクションポートへ打ち込み、分析することができる。今回の報告では、ガスライ
ンに外径 1/8 インチのステンレスパイプを使用したので、T型ユニオンも 1/8 インチパイプ用を用いた。その様子を Fig. 2 に示した。

Fig. 3 Septum for gas chromatograph.
47

あらかじめお断りしておくことは、このような使用方法は当然ながら T 型ユニオンのメーカーでは考えていない。設置の仕方が悪ければ、反応生成ガスが漏れ出ることになる。毒性ガスを扱う場合は、実験中は常にガス検知器を使用して漏れ出していない
ことを確認しながら実験を行う。この仕掛け自体をドラフトチャンバー内に設置すればなお良い。
ゴム栓として用いるものは、Fig. 3に示したような
ガスクロマトグラフ用のセプタムである。柔らかい
シリコンゴムであれば、直径 6 mmの丸棒を必要な長さに切って使っても良いが、ガスクロマトグラフ
用が使いやすい。また、サンプリングを繰り返すと、ゴムに穴が開き、流通ガスが漏れ出しやすくなるので、注意する。T型ユニオンの本体内部は、すり鉢状になっていて、奥にゆくほど内径が小さくなっている。すると、袋ナットを締めたときに、セプタムが曲がってしまい密着しないことがある。したがって、Fig. 4 に示したようにセプタムの角を斜めにカットしておくと良い。このセプタムを、T型ユニ
オンの一か所（側管）の袋ナットに取り付けた様子
をFig.5に示した。あとは、ナットをT型ユニオンに締め付ければよい。ここはスパナ等を用いずに指締めでよい。

３．実際の装着とサンプリング
実際に実験装置にサンプリングポートを装着し、ガス用シリンジを用いてサンプリングしている様子
を Fig. 6 に示した。ガス用シリンジの針は、折れやすいのでサンプリング時には、写真のように針の中央部分を左手の指で支える。両手を使うので、サン
プリングポートは装置の支柱に固定してある。実験
上、サンプリングは 1.0 cc のガスを採取したが、シリンジ内（特に針の部分）を共洗い（0.5 cc で 2 回）してからサンプリングした。

Fig. 6 Sampling of gas using a gas tight syringe.

４．ガスサンプリング時の空気の漏れ込み
サンプリングポートから、ガス用シリンジを用いてガスを1.0 ccサンプリングし、ガスクロマトグラフ
で分析した結果をFig. 7に示した。1.8分と2.267分の
所に極めて小さなピークがあるが、これはサンプリ
ング時の空気の漏れ込による酸素と窒素である。窒素についてそのモル感度から計算すると、サンプリ
ングした1.0 cc中に 0.0001 ccの漏れ込みである。空気の漏れ込を完全になくすことは難しいが、この程度であれば、分析において差支えない。（サンプリ
ングしたガスは、99％以上がガスクロマトグラフのキャリやガスと同じで、ここではピークとして現れていない。）

Fig. 4 After the cutting of the septum.

Fig. 5 Setting of the septum into the nut.

Fig. 7 A chromatogram of gas analysis.
48

日本は最先端の技術立国として世界的に認められている。そして、その実現体であるハイテクを生み出すもととなり、支えているのは一人ひとりの技術者の技量・スキルである。今回発表した方法は、どちらかといえばローテクになる。しかし、ここで注意しておきたいことは、ハイテクに対してローテクと言う言葉を使っているが、けっして価値の低いものと言っているわけではなく、別次元のものと考えている。それは、自動化されコンピュータ制御されたものとは異なり、人の手によるもの、技術あるいは技能である。それらがなくては成り立たないのである。国立大学が本当の国際的な競争力を付けていこうとするならば、技術（あるいは技能）を教員、研究者あるいは学生の要求に応じて迅速、正確、安価に提供できる技術職員の存在が欠かせないと筆者は考えている。もちろん、技術職員一人ひとりが日々研鑽し、その技術あるいは技能を高めていく必要がある。

５．気体発生反応等への応用
今回紹介しているガスのサンプリング方法の応用
例として、溶液中で起こる気体発生反応によるガスの水上置換法による収集を行った際に、その組成分析を行った様子を示した（Fig. 8）。とてもシンプルであるが、精度よく分析でき、この仕掛けによる実験結果は、ある研究の一角を担う結果としてさっそ
く国際的なジャーナルへ投稿された。

Flow meter

７．謝辞
本報告を行うにあたり、日頃からご指導・ご鞭撻をいただいております筑波大学数理物質系の中村潤児教授および近藤剛弘准教授に感謝申し上げます。

参考文献
Fig. 8 Gas sampling of gaseous evolution reaction.

６．ハイテクを生み出すスキル
今回製作した仕掛けは、先に述べたように早くて、費用がかからず、簡単に作れるものである。
実際に、教員から相談があり、アイディアを考え（と言っても、全く新規なものではなく、記憶にあるいくつかの選択肢から選んだだけであるが）、それを製作し、実験結果が得られるまでにかかった時間は、およそ一週間であった。費用は研究室にあったものを使ったのでほとんどかかっていない。新規に購入しても、数千円程度である。今回紹介した方法で、実際に得られた結果が最先端の成果として報告されていることは先に述べた。

49[1] 伊藤伸一、「担持白金触媒のプロパン酸化活性における金属粒径依存性」、筑波大学技術報告、No. 4(1984) pp 137-142.
[2] 伊藤伸一、「多目的反応装置の試作」、筑波大学技術報告、No. 6 (1986) pp 51-56.
[3] 伊藤伸一、「高周波放電プラズマを利用した触媒反応装置の試作」、筑波大学技術報告、No. 9 (1989) pp
7-12.
[4] 伊藤伸一、「赤外発光測定用分子線真空反応装置の試作」、筑波大学技術報告、No. 10 (1990) pp 9-15.
[5] 伊藤伸一、「水蒸気改質反応用気化器付き触媒反応管の試作」、筑波大学技術報告、No. 21 (2001) pp 19-25.
[6] 伊藤伸一、「担持貴金属触媒の低温（180 K）からの昇温還元法（TPR）」、筑波大学技術報告、No. 29 (2009)
pp 20-23.
[7] 伊藤伸一、「金属酸化物添加担持白金触媒によるエタノールの水蒸気改質反応 － 反応装置の製作と触媒活性試験結果 －」、筑波大学技術報告、No. 31(2011) pp 1-7.
[8] 伊藤伸一、「超硬質ガラス製高真空吸着測定・昇温
脱離(TPD)測定装置の製作」、筑波大学技術報告、 No.
33 (2013) pp 14-21.

Gas sampling port using a T-type union
Shin-ichi Ito

Graduate School of Pure and Applied Sciences, Technical Service Office for Pure and Applied Sciences,

University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan

This is a repot for a gas sampling port using a T-type union. To analyse a gas composition which was produced
from a chemical reaction, a sampling port using a T-type union was put into a gas line.
Keywords: Gas sampling, gas analysis, gas chromatograph, gas replacement method.

50

筑波大学技術報告 No.36
第15回筑波大学技術職員技術発表会報告集
平成28年3月

発行

編

集

筑波大学技術職員技術発表会実行委員会編集小委員会

発行

国立大学法人筑波大学研究推進部研究企画課〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1
TEL 029-853-2923

第15回筑波大学技術職員技術発表会
主催
筑波大学全学技術委員会
委 員 長
三明 康郎 筑波大学副学長・理事（研究担当）
企画・運営
第15回筑波大学技術職員技術発表会実行委員会[農林技術センター技術室]
比企 弘（実行委員長）
伊藤 睦[研究基盤総合センター技術室]
田島 義一（実行副委員長）[医学系技術室]
枝川 弥生（実行副委員長）
新里 寿美子[数理物質科学等技術室]
松山 英治
飯田 郁雄
[システム情報工学等技術室]
中山 勝
高野 昭子
[生命環境科学等技術室]
竹川 雅実
白井 靖子
[プラズマ研究センター]
遠藤 洋一[ｸﾞﾛｰﾊﾞﾙｺﾐｭﾆｹｰｼｮﾝ教育ｾﾝﾀｰ外国語教育部門（CEGLOC）(教育推進部教育推進課)]
野田 恵美子[附属学校教育局学校支援課（附属坂戸高等学校）]
加島 倫