研究助成
成果報告論文集（令和３年度）

公益財団法人 カシオ科学振興財団
CASIO SCIENCE PROMOTION FOUNDATION

成果報告論文
第３７回（令和元年度）研究助成

1

成果報告論文一覧
第３７回（令和元年度）研究助成
No

研 究 テ ー マ

代表研究者

名古屋大学 大学院工学研究科 教授
水 口 将 輝山形大学 理学部 教授
2 いつでも、どこでも、誰でも飲料水を実現する水浄化ナノ薄膜
松 井淳
排水処理技術発展のためのインテリジェント画像活性細胞選抜法 東京大学 大学院理学系研究科 教授
3を用いた微細藻類の指向性進化法
合 田 圭 介京都大学
大学院経済学研究科
教授
脱炭素化に向けた気候変動政策と再生可能エネルギー政策が日
4
本の経済と産業構造に与える影響の定量評価研究
諸 富徹
香川大学 創造工学部 教授
5 CO2フリー燃焼からの高性能伝熱装置の設計・開発
奥 村 幸 彦黒潮海流を中心としたアジア圏海洋中微細マイクロプラスチックの 千葉工業大学 創造工学部 准教授
6
環境中挙動国際共同解明
亀 田豊
再生可能エネルギーを利用したデマンドレスポンスに対応可能な 早稲田大学 先進理工学部 教授
7
電場触媒反応による低温高効率物質変換
関 根
泰
立命館大学
古気候学研究センター
准教授「平均値」に現れない地球温暖化の実相：マヤ低地の年縞堆積物
8に刻まれた極端気象の歴史と現代
北 場 育 子
位相シフトエリプソメータを用いた導電性インク塗布プロセスにお 東北大学 大学院工学研究科 助教
9けるナノ薄膜の形成メカニズムの解明
庄 司 衛 太高速ミクロプローブによるナノ構造中局所電子状態測定手法の研 東北大学 電気通信研究所 准教授
10究
大 塚 朋 廣群馬大学
大学院理工学府
准教授
界面電荷移動遷移に基づく表面増強ラマン散乱を用いた神経伝
11
達物質のバイオセンシング技術の創成
藤 沢 潤 一新潟大学 工学部 教授
13 表面プラズモン増強有機太陽電池／熱電複合デバイスの研究
馬 場
暁市街地自動運転における時間連続な軌道生成と深層学習を連携 金沢大学 新学術創成研究機構 准教授
14
した適応的走行の実現
米 陀 佳 祐非鉛かつ巨大圧電性をもつ他元素ドープAlN,GaN薄膜の探索と 山梨大学 大学院総合研究部工学域 助教
15
物性評価
鈴 木 雅 視静岡大学
工学部
助教
キャリア高調波で自己励磁可能な電動車向け磁石フリーモータの
16
開発と最適な制御手法に関する研究
青 山 真 大周期流における振動翼の放出渦と推力の関係に関する実験的研 京都工芸繊維大学 機械工学系 准教授
17究
田 中 洋 介無細胞タンパク質発現系を封入した脂質膜マイクロチャンバによる 京都工芸繊維大学 機械工学系 助教
18膜タンパク質のハイスループット機能計測
外 岡 大 志大阪大学
大学院基礎工学研究科
助教
フェムト秒誘導ラマン分光法によるフォトクロミック材料の構造化学
19
研究
五月女
光
量子中継器へ向けた半導体量子ドット電子スピンの多値読み出し 大阪大学 産業科学研究所 助教
20
手法開発
木 山 治 樹1 熱磁気効果を活用した革新的環境発電技術の研究開発

21 アト秒時間域で駆動する光ファンクションジェネレーター
共振器-プラズモン強結合のダイナミック化と、顕微光コム分光に22
よるその場観察に関する研究

徳島大学 ポストLEDフォトニクス研究所 特任准教授

吉 井 一 倫徳島大学 ポストLEDフォトニクス研究所 准教授
山 口 堅 三23

紫外光渦レーザーパルスを用いた機能性半導体ナノ・マイクロ結 九州大学 大学院システム情報科学研究院 准教授
晶粒子の創製中 村 大 輔25

メカニカル波動伝搬構造を応用した新しい地中掘進メカニズムに 九州工業大学 大学院工学研究院 准教授
関する研究永 岡 健 司2

No

研 究 テ ー マ

代表研究者

26

素粒子(ミューオン)の双極子モーメント超精密計測を実現する高精細検出器システムの開発

総合研究大学院大学 高エネルギー加速器科学研究科 准教授

岸センサ・メモリスタ一体型においセンサに向けたメモリスタのリセット 富山県立大学 工学部 講師
27
特性制御とガス識別実証
岩

下

徹

一

田

達

哉

東京理科大学 工学部 助教
柯
夢 南ハーモニーの感性情報を活用した和音進行生成インターフェース 日本大学 文理学部 助手
29
の開発
植 村
あい子
近赤外分光法による医薬品の非破壊・迅速真贋判定のための分 武蔵野大学 薬学部 講師
30
光デバイス非依存型判別システムの構築
服 部 祐 介大分大学
福祉健康科学部
講師
心拍誘発脳電位のリアルタイムフィードバックによる運動学習促進
34
支援システムの開発
菅 田 陽 怜視-触覚間相互作用に着目した視知覚調節メカニズムの解明と半 東京都立大学 システムデザイン学部 准教授
35
側空間無視のリハビリテーションへの応用
福 井 隆 雄名古屋市立大学 大学院薬学研究科 講師
36 体外から光で制御する血流制御ツールの開発
家 田 直 弥人間支援デバイスを利用した腎結石治療における「放射線被曝ゼ 名古屋市立大学 大学院医学研究科 講師
37ロ」を目指した腎穿刺システムの確立
濵 本 周 造
実形状頭部モデルを用いた脳深部ひずみ計測およびアメリカン 中央大学 理工学部 助教
38
フットボールにおける脳震盪予防への応用
小 島 朋 久中部大学 生命健康科学部 助教
39 心筋を用いた熱を有効活用するバイオアクチュエーターの開発
新 谷 正 嶺仕事に役立つ人文系大学教育の特徴―地方で暮らす若者に着 群馬大学 大学教育・学生支援機構 准教授
41
目して―
二 宮
祐
立教大学
コミュニティ福祉学部
助教
教員育成スタンダード化政策における女性管理職育成に関する
43
調査研究―先進的な取組を中心に―
跡 部 千 慧保育カンファレンスの問題解決機能を最大化するチェンジ・エー 星美学園短期大学 幼児保育学科 准教授
45
ジェントの育成に向けた探索的研究
遠 藤愛
ヘッドマウントディスプレイを用いた動画視聴時のユーザー特性の 東京都市大学 メディア情報学部 教授
46
総合的解明
市 野 順 子
環境紛争の長期化が人々の行動および認識に与える影響に関す 立命館大学 産業社会学部 准教授
47
る総合的研究－諫早湾干拓紛争を事例として－
加 藤 雅 俊28 次世代トランジスタに向けた高信頼性Ge MOS界面に関する研究

第３６回（平成３０年度）研究助成
No1

研 究 テ ー マ

代表研究者

北西太平洋中緯度域の亜熱帯モード水の規模および物理・化学 東北大学 大学院理学研究科 助教的性質の時間変化と炭素循環における役割
高 柳

22 塗布型Si半導体を指向した「液体Si－固体Si変換機構」の研究

栄子

北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 講師

増 田 貴 史つけ爪型脈波センサの開発 －全生活時間をモニタリング可能な 東北大学 加齢医学研究所 助教
31
無拘束計測システム－井 上 雄 介アプタマー修飾電極を用いた毒性アミロイドβの電気化学的検出 東京農工大学 大学院工学研究院 助教
33
システムの開発
塚 越 かおり
第３５回（平成２９年度）研究助成
No
5

研 究 テ ー マ

代表研究者

水産養殖池における水温成層逆転現象と水産病害の実態把握に 九州大学 熱帯農学研究センター 助教
関する研究
尾 﨑 彰

3

則

【助成 37 -01】
熱磁気効果を活用した革新的環境発電技術の研究開発

研究者 名古屋大学大学院工学研究科 教授

水口 将輝〔研究の概要〕熱流の方向と電力を取り出すための電極の方向が垂直関係にある異常ネルンスト効果は、電力の取り出しが熱勾配に影響されないことから、理想的な熱電変換技術といえるため、太陽光など身の回りのエネルギーを利用する環境発電の分野などで注目を集めている。熱磁気効果をもつ磁性体を効率的に発電に利用するためには、材料に内在するナノ構造を制御することにより、その変換効率を向上する技術が必要であることが提案されているが、その開発はあまり進んでいない。本研究では、コバルト (Co) 薄膜に酸化物絶縁体である酸化マグネシウ
ム (MgO) のナノメートルサイズの微粒子を分散させたグラニュラー薄膜材料に着目した。MgO の添加量を様々に変えて高品位なグラニュラー薄膜を作製し、熱から電圧への変換効率が MgO の添加量に依存して大きく増加することを発見した。

〔研究経過および成果〕

入れることにより、新しい熱電素子や冷却素子な

大気中の温室効果ガス、その中でも人類の活動

どの新機能の発現が期待されている。

によって排出され、大きな比重を占める二酸化炭

そこで、本研究では、地球上にありふれた元素

素の排出抑制策が強く求められている。そこで、のみから構成される、強磁性金属と透明酸化物を最もクリーンであり、半無限的なエネルギー供給

組み合わせたナノサイズ微粒子を含有するグラニ源である太陽エネルギーの更なる効率的活用が期

ュラー構造を作製し、スピンカロリトロニクスの待されており、様々な研究プロジェクトが実施さ分野で盛んに研究されている熱磁気効果を利用しれている。地球に照射される太陽エネルギーの大て、低コストで高い熱電変換効率を有する熱電変部分は、地球表面、大気などに吸収され、熱エネ

換素子の開発を目指した。熱磁気効果の一つであ

ルギーとして宇宙に再放射されており、このいわる“異常ネルンスト効果”(図 1) という効果につば廃棄された熱エネルギーを低コストで回収し、いて、この効果を増大する物理現象や構造制御のリカバリするシステムを確立できれば、地球環境問題を解決する大きな一歩となりうる。一方、電子とスピンの自由度をエレクトロニクスに利用するスピントロニクスの発展分野の一つとして、さらに熱流との相関を取り扱う「スピンカロリトロ
ニクス」とよばれる新しい研究が注目を集めてい図 1: 熱磁気効果の一つである異常ネルンスト効果の概る。既存の熱電変換に対し、スピンの概念を取り念図。

4

手法を応用した。本課題を目的通りに遂行することから、本研究におけるグラニュラー構造では熱とにより、これまでの熱電素子の原理とは全く異磁気効果のみが増加することが分かった。これになる高効率な熱電変換システムの構築が図られ、より、熱電変換効率が大きく増加するグラニュラ

太陽熱エネルギーなどを活用した、卓越した環境

ー材料を用いて素子設計を行うことにより、熱電発電技術への応用展開が期待できる。本研究では、発電効率を高める可能性が示された。

強磁性体 Co と酸化物である MgO を混合したグラニ
ュラー薄膜を作製し、その異常ネルンスト効果および異常ホール効果を測定し、熱電変換素子の材料としての性能を調べた。
試料の作製は、マグネトロンスパッタ法を用いて Cox(MgO)1-x グラニュラー薄膜を酸化マグネシウム（MgO）基板上に作製した。薄膜の膜厚は 100 nmとし、Co に対する MgO の添加量を様々に変化させた試料を作製した。作製した試料について、その異常ネルンスト効果を室温で詳細に調べた。薄膜

図 2: Cox(MgO)1-x グラニュラー薄膜における異常ネ

面内方向に熱の勾配を加え、発生するネルンスト

ルンスト角の MgO 添加量依存性。

電圧を測定した。まず、試料のナノ構造を透過電〔発表論文〕

子顕微鏡で観察した結果、平均粒径数ナノメート

１． P.

Sheng,

T.

Fujita,andM.

Mizuguchi,

effectinCox(MgO)1-x

ルの MgO の微粒子が Co 薄膜内にランダムに分散し"Anomalous

た形態であることが分かった。MgO の微粒子は、

granular thin films", Applied Physics Letters, 116,

その添加量に応じて互いに孤立している構造から142403 (2020).

連結している構造まで、様々な形態をとることが明らかになった。次に、異常ネルンスト効果の測定の結果、図 2 に示すように、ネルンスト効果の効率を表す指標の一つであるネルンスト角の大きさが、MgO の添加量の増加に従って増加し、MgOを添加していない Co 薄膜におけるネルンスト角の大きさの 3 倍以上にまで大きく増加することが分かった。また、熱勾配の代わりに電流を印加した場合に定義される異常ホール角について同じ試料で調べた結果、MgO の添加による異常ホール角の増加はほとんど確認されず、大きく減少したこ

5

Nernst【助成 37 -02】
いつでも、どこでも、誰でも飲料水を実現する水浄化ナノ薄膜研究者 山形大学理学部 教授

松井 淳〔研究の概要〕
ポリドデシルアクリルアミドとポリエチレングリコールからなるブロックコポリマー[p(DDA-b-EG)]薄膜の加湿下によるミクロ相分離構造を検討した。p(DDA-b-EG)薄膜を加湿下でアニールすると EG ブロックが形成するシリンダ
ーが膜に対して垂直に配向した薄膜を形成する事がわかった。これは pDDA ブロックが加湿下でのアニールに
より高度に配向したラメラ構造を形成するためである。この垂直配向シリンダー形成は可逆的であり、水中下でアニールするという簡便な手法で、水浄化膜に最も理想的な構造を形成する、特異な高分子薄膜である。

〔研究経過および成果〕

ポリドデシルアクリルアミドとポリエチレングリコール

親水性と疎水性のポリマーが連結されているブロッからなるブロックコポリマーp(DDA-b-EG)を可逆的付

クコポリマーはポリマー間のミクロ相分離によりスフィ

加開裂連鎖移動(RAFT)重合により合成した(図 1)。

ア、シリンダー、ラメラと言った多様な自己組織化ナノ構造を形成することが知られている。このような自己組織化構造においてシリンダー構造はその直径が数10 nm 程度であることから、効率的な水フィルターとしての応用が考えられてきた。そのためには、シリンダ
ーを膜面に対して垂直に配向させる必要がある。しかしながらこのような垂直配向シリンダーは熱力学的に
図 1 RAFT 重合による p(DDA-b-EG)の合成

は不安定である。これは薄膜界面ではその界面と同じ濡れ性(空気の場合は疎水性、水の場合は親水性)のブロックが偏析するため、結果としてシリンダーが高分子は GPC 測定より比較的低い分散度 1.24 を並行に配向した膜となってしまう。このような背景のも示した。また PEG 末端のメチレンプロトンと DDA のアと我々はポリアルキルアクリルアミド(pAlkylAm)のよう

ミドに隣接する CH2 のプロトン比を 1H-NMR より算出な単純な櫛形高分子が加湿化でのアニール(加湿ア

しブロックコポリマーの組成を p(DDA80-b-EG45)と決ニール)により高度に配向したラメラ構造を形成すると定した。そこで p(DDA80-b-EG45)の 5wt％トルエン溶いう特異な現象を見出している 2。そこで本研究では、液を用い、スピンコート法によりその薄膜を作製した。

pAlkylAm が加湿化でラメラ構造を形成する特性を利この薄膜を一般的な熱アニール(大気下、90˚C 24h)

用し、水存在下においても垂直配向シリンダーを形を行った後、その薄膜表面構造を原子間力顕微鏡

成する薄膜の創製と、その可逆性を検討した。

(AFM)測定により観察しところ、アモルファスな表面の6この薄膜を水処理下膜として応用すると、使用下で理想的な垂直シリンダー構造を自己組織的に形成する。そこで、垂直配向シリンダーを形成した膜を一度、熱アニールによりランダムな構造とした後に、再度加湿下でアニールしその構造の可逆性を検討した。加
図 2 熱アニールした p(DDA-b-EG)の(a) AFM 像と(b)

湿―加熱―再加湿の過程の AFM 像では六方最密-

断面 TEM 像

アモルファス−六方最密と構造変化が可逆的に起こみが観測された(図 2)。これは、より疎水的な DDA ブ

ることが確認された。膜分離に必要な垂直配向シリン

ロックが、疎水性である空気表面に偏析したためであダー構造が水存在下で形成できることと合わせると、る。実際に PEG 部位をルテニウム染色した透過型電本膜は特殊な装置を必要とせず単に塗布するだけで子顕微鏡(TEM)を用いた膜断面観察では、DDA と理想的な水浄化膜として働くと考えられ、いつでも、

PEG 間のミクロ相分離に基づくスフィア構造が観測さどこでも、誰もが飲料水を手に入れることが可能な分れた。そこで、この薄膜を相対湿度 98%で 80˚C, 24h

離膜としての応用が期待できる。

加湿アニールし DDA ブロックのラメラ構造化を誘起した。薄膜構造を X 線回折により解析したところ、面外〔発表論文〕に強い Bragg 散乱が３次ピークまで観察され、pDDA

１． Formation of Perpendicularly Aligned Sub-10 nm

が高度に配向したラメラ構造を形成していることが確

Nanocylinders in

認された。そこで薄膜表面を AFM 観察したところ、六Poly(N-dodecylacrylamide-b-ethylene glycol)

方最密充填したドット状構造が観測された。これはBlock Copolymer Films by Hierarchical Phase

pDDA のラメラ構造化により、シリンダー構造が膜垂Separation, K. Matsunaga, W. Kukai, M. Ishizaki,

直方向に配向していることを示唆している。そこで、

M. Kurihara, S. Yamamoto, M. Mitsuishi, H.

加湿アニールした薄膜の断面 TEM を測定したところ

Yabu, S. Nagano, J. Matsui, Macromolecules,

PEG シリンダーが垂直に膜を貫通している様子が観53(21), 9601-9610 (2020).

測された(図 3)。98%加湿という水中の同様な環境で〔参考文献〕

シリンダーが垂直に配向することから、

２． Nanophase

SeparationofPoly(N-alkyl

acrylamides): The Dependence of the Formationof Lamellar Structures on Their Alkyl Side Chains,
K. Ebata, Y. Hashimoto, S. Yamamoto, M.
Mitsuishi, S. Nagano, J. Matsui, Macromolecules,
52(24), 9773-9780 (2019).
図 3 加湿アニールした p(DDA-b-EG)の(a) AFM 像と(b) 断面 TEM 像7

【助成 37 -03】
排水処理技術発展のためのインテリジェント画像活性細胞選抜法を用いた
微細藻類の指向性進化法

研究者 東京大学大学院理学系研究科 教授

合田 圭介〔研究の概要〕重金属イオンを含有する汚染水は、世界中で深刻な健康被害をもたらしている。現在、このような重金属イオンを除去するために、物理化学的手法が開発されている。 しかしながらこれらの方法はコストや二次汚染の面で問題を抱えており、低コストかつ二次汚染の無い排水処理法が求められている。近年、これらの問題を解決し得る方法として微細藻類を用いた方法が注目されている。微細藻類の重金属イオン吸収能力は現状では水質浄化に十分なレベルではないものの、吸収効率の高い株を発見または創出することにより、環境問題改善に大いに貢献できる可能性がある。そこで本研究では、多数の微細藻類細胞を 1 細胞レベルで高速に画像取得・解析
し、実用的な水質浄化能力を有する微細藻類細胞を発見、単離することができるプラットフォームの開発を目的とする。

〔研究経過および成果〕

添加後に丸くなる傾向の強かったクローン（Clone 3）

本研究ではまず、ユーグレナ細胞を単一細胞になおよび長細い形状を維持する傾向の強かったクロー

るように 96 ウェルプレートに撒き、十分な細胞数になン（Clone 13）を代表例として示している。図を見て分るまで培養し、19 個のクローン細胞集団を取得した。
次に、それらに銅イオンを添加してその反応を観察した。具体的には、形態変化を観察するために、オプト
フ ル イ デ ィ ッ ク タ イ ム ス ト レ ッ チ （ OTS: Optofluidic
Time-Stretch）イメージング法（Lei et al., Nat. Protoc
13, 1603 (2018)）を用いて単一細胞レベルで多数の画像を取得した。また、銅イオン添加後に 2 時間培養し、培養前後の培地に含まれる銅イオン濃度を計測することで、銅イオン吸収率を計算した。最後に、各クローンの銅イオン吸収率と強く相関する形態的特徴を抽出するために機械学習を用いて解析した。
図 1 に形態的特徴を観察した際に取得した単一細胞画像をランダムに抜粋して示す。ここでは、クロー

図 1 ユーグレナ細胞の形態観察結果。各条件で144 画像取得し、ランダムに抜粋して掲載。スケール
バーは 40 μm。

ン化する前の細胞集団（Original strain）と、銅イオン

8かるように、銅イオン添加前はどの細胞集団も似通った形態的特徴を示している。しかしながら銅イオンを添加すると形状の変化に Colone ごとの特徴が表れた。
具体的には、Original strain では様々な形状を示す
一方で、Clone 3 では円形、Clone 13 では形状変化が少ないといった特徴があった。図 1 に見せていないクローンもそれぞれの特徴が見て取れた。
図 2 は機械学習により創出したユーグレナのメタ形
態的特徴と、各クローンの銅イオン吸収率の関係を

図 2 ユーグレナ細胞の重金属イオン吸収率と機械学
習によって創出したメタ形態的特徴の関係示しており、強い相関があることが分かる。さらに詳し
く見るために、図 3 にメタ形態的特徴の主な構成要素
をメタ形態的特徴の創出時に算出される重み係数を基に示す。ここから分かるように、アスペクト比に関連する形態的特徴が多く含まれている。
以上より、ユーグレナ細胞の銅イオン吸収率を細胞の形態変化という間接的な情報から推定でいることが示された。この結果で得られた知見と、形態を基に細胞を分取する手法を組み合わせることにより、銅イ

図 3 メタ形態的特徴の主な構成要素

オン吸収率の高いユーグレナ細胞を選抜することが可能となる。このような細胞選抜法は、我々のこれま最終目標である実用的な水質浄化能力を有する微での研究で開発できており（Nitta et al, Cell 175, 266

細藻類細胞の創出が実現できれば、サステイナブル(2018); Isozaki et al., Nat. Protoc 14, 2370 (2019);

な社会の実現の一助になるため社会的意義の大きなIsozaki et al., Lab Chip 20, 2263 (2020)）、これを用い研究として今後も力強く推進していきたい。

ることで高銅イオン吸収細胞を選抜できる。さらに細〔発表論文〕胞への変異導入プロセスを組み合わせることにより、

１． Muzhen Xu, Dan Yuan, Sheng Yan, Cheng Lei,

指向性進化法への適用も可能となり、超高効率銅イ

Kotaro Hiramatsu, Jeffrey Harmon, Yuqi Zhou,

オン吸収ユーグレナ細胞の創出も夢ではなくなる。

Mun Hong Loo, Tomohisa Hasunuma, Akihiro
Isozaki,

本研究は、マイクロ流体技術（Lab on a Chip 技術）

andKeisukeGoda,“Acellularを用いて細胞を大量に撮像し、AI 技術を用いて解析

morphological indicator toward directed evolution

した。このような技術は近年 AI on a Chip と呼ばれ大of microalgae for highly efficient wastewater

きな注目を集めている（Isozaki et al., Lab Chip 20,

treatment,” 化学とマイクロ・ナノシステム学会第3074 (2020)）。この AI on a Chip 技術をフル活用し、

42 回研究会, online, October 26–28, 2020.

9【助成 37 -04】
脱炭素化に向けた気候変動政策と再生可能エネルギー政策が日本の経済と産業構造に与える影響の定量評価研究

京都大学大学院経済学研究科 教授

諸富 徹

名城大学経済学部 教授 李 秀ちょる
京都大学大学院経済学研究科 研究員

栗田 郁真〔研究の概要〕本研究の目的は、(1)脱炭素化がもたらす日本経済への影響(マクロ経済)、(2)脱炭素化がもたらす産業構
造への影響(ミクロ経済)、の 2 つの視点から定量的な研究を推進することである。(1)については、脱炭素化が日本の経済と産業に対してむしろ正の影響を与え、成長を促し、再生可能エネルギー投資拡大と低炭素技術革新を通じて雇用を増やすという結果を導いた。本研究は経済学的知見に基づいて、日本が積極的な気候変動／再生可能エネルギー政策を採用するための学術的論拠を提供したといえる。(2)については、企業の環境パフォーマンスと経営パフォーマンスの関係を定量的に分析するために、世界 53 ヶ国に所在する全産
業分野の 1,119 社を対象として 2018 年における資本・労働・エネルギー・温室効果ガス・売上高に関するデータを収集し、望ましくない産出物を考慮したデータ包絡分析で 1,119 社の効率値を算出した。

〔研究経過および成果〕

稼働歴の古い順に 2030 年、2040 年のそれぞれに〇研究経過

フェーズアウトさせる場合の複数シナリオを設定、E3ME モデルシミュレーションを行った(〔発表論研究(1)では、2050 年までの長期での脱炭素化を考慮する際に、日本の経済と電源構成と二酸化炭素文〕２、『環境経済・政策研究』投稿中)。

排出にどのような影響をもたらすかを定量的に推定〇研究成果するため、欧州で気候変動政策の定量評価に重用さシミュレーションでは、2050 年までの長期を想れている E3ME グローバルマクロ計量経済モデルを定する場合、いずれのシナリオでも経済に悪い影用いることとした。そのために、このモデルの開発・運響は殆ど与えないことが確認された（表１参照）。

用に責任を持っているイギリスのケンブリッジエコノメト

その主な要因として、石炭火力早期廃止による発リックスと研究プロジェクト契約を結んだ。

電コスト上昇の経済へのマイナス影響より、再エ

本研究は、発電部門で二酸化炭素の排出が最も

ネ発電投資増加など有効需要拡大の経済へのプラ

多い石炭火力発電、そして放射性リスクのある原発のス影響が勝ることが挙げられる。

フェーズアウトをメインの政策シナリオとして設定し、また発電部門の電源構成も、 LNG 火力と再エ

E3ME モデルシミュレーションを行った。2050 年まで

ネ発電中心に再編することが確認された。そして、の直線的なフェーズアウトシナリオ（〔発表論文〕１）と、

石炭火力フェーズアウトシナリオは、発電部門の10

二酸化炭素排出量の削減に大きく貢献することもされるような企業が存在することが分かった。次に、同示された（2050 年までに 2017 年に比べて約モデルを用いて各企業の非効率性の要因を調べ、い49%~50%削減）。特に、 2030 年の石炭火力の早期

ずれの産業グループにおいてもGHGの非効率値がフェーズアウトシナリオは、一般の予想と異なっ

資本・労働・エネルギーの非効率値よりも高いことがて、 2040 年の石炭火力のフェーズアウトシナリ

明らかとなった。さらに、各産業グループの効率値のオより経済へプラス効果を与え、さらに全シミュ平均値と経営指標の平均値の相関係数を計算したとレーション期間中 340 百万 t の二酸化炭素排出削ころ、各産業グループの効率値の平均値とEBITDA

減をもたらすということが判明した。

／売上高との間には有意に正の相関があり、「（資本・ただし、石炭火力フェーズアウトシナリオは、

労働・エネルギー・GHG・売上高を踏まえた効率値が経済に悪影響を与えず発電部門の二酸化炭素を排高いという意味で）生産性が高い産業ほど、（EBITDA

出削減するには有効だが、2050 年に炭素中立を達／売上高で示される）設備投資を反映した利益率が成するにははるかに及ばないことも示唆された。

高い」ことを統計的に実証することができた。

表1

石炭火力・原発フェーズアウトの経済影響〔発表論文〕
１．李秀澈・何彦旻・昔宣希・諸富徹・Unnada
Chewpreecha (2020), 「石炭火力発電と原発フェーズ
アウトの日本経済と環境影響分析-E3ME マクロ計量
経済モデルを用いた分析－」京都大学大学院経済学研

本研究(2)は、企業の環境パフォーマンスと経営パ

究科再生可能エネルギー経済学講座ディスカッショ
ンペーパー, No.16．

フォーマンスの関係を検討するため、資本、労働、エ
ネルギーを投入し、のぞましい産出物として売上高、

２． 李秀澈・何彦旻・昔宣希・諸富徹・平田仁子・Unnada

のぞましくない産出物としてGHGを生み出す企業活

Chewpreecha (2020), 「石炭火力発電と原発早期フェ動の生産性を評価するデータ包絡分析を行なった。

ーズアウトの 2050 年までの日本経済と電源構成、そ世界53ヶ国に所在する全産業分野の1,119社を対象

して二酸化炭素排出影響分析－ E3ME マクロ計量経として2018年における資本（有形固形資産）・労働（従済モデルを用いた分析－」京都大学大学院経済学研究

業員総数）・エネルギー（エネルギー使用量）・GHG・科再生可能エネルギー経済学講座ディスカッション

売上高に関するデータを収集し、データ包絡分析のペーパー, No.25．

Slacks-Based Measurement モデルを用いて、1,119社

３． 栗田郁真 (2020), 「世界 53 ヶ国の全産業分野におけるの効率値を計算し、24の産業グループごとのその平企業の生産性分析」京都大学大学院経済学研究科 再均値を求めた。その結果、グループ間の平均値は統生可能エネルギー経済学講座 ディスカッションペー計上有意な差があり、また、効率値の平均値の低い

パー, No.24．

産業グループにおいてもトップランナーとして高評価

11

【助成 37 -05】
CO2 フリー燃焼からの高性能伝熱装置の設計・開発
研究者 香川大学創造工学部 教授

奥村 幸彦〔研究の概要〕アンモニアは水素含有量が高く, 直接燃焼が可能であることから次世代の CO2 フリーエネルギー源として注目されている. しかし, アンモニアの燃焼速度はメタンなどの従来の炭化水素燃料と比べて 0.06 m/s 以下と非常に遅く, 難燃性を示す．そこで本研究では，先ず新燃料であるアンモニアの燃焼反応と火炎構造を詳細にふまえた上で，低 NOx 化，高負荷燃焼，およびボイラー設計へと開発を進めた．最適な燃焼設計を基に，ボイラーの高効率伝熱が図れるとともに装置のコンパクト化・クリーン設計に貢献できる．

〔研究経過および成果〕

次世代型のアンモニア燃料の使用において，火図１のように，重管の内側よりアンモニア，水素を炎が安定的に生成することを実験により確認した．

別々に 3m/s で噴出し，高速空気流は 8m/s として乱図２のように，乱流燃焼場により火炎中央域にま流火炎を生成するバーナーを設計した．高速空気流

で H2 保炎起源の熱および OH, H ラジカルが迅速（8 m/s）により火炎周辺部に強い乱れを与えることに供給されることにより安定燃焼が可能となる．

ができる．

数値解析では，RANS モデルを用い，質量・化学種の保存式, Navier–Stokes 方程式，エネルギー方程式,
気体の状態方程式を解いた．図３のように，化学種・
温度分布ともに実験結果とよく一致し, バーナー設

UH計に利用できるまでコードのチューニングを行った．

radius

図 1 バーナー設計（３重管構造，UH: 可変高速空気）

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

Temperature
NH3

Concentration [vol%]

1400
1200
1000

N2

800
H2

600

H2O

400
O2

0

50

100

150

200

200

250

300

0

Axial distance from burner [mm]Temperature

100
90
80

2000
1800
1600

NH3

70

1400

N2

60

1200

50

1000

40
30

H2

20

H2O

Calcu.

0

50
100
150
200
250
Axial distance from burner [mm]

800
600
400

O2

10
0

図２ NH3 の燃焼維持機構（水素によるラジカル供給）

1600

Expt.

Temperature [℃ ]

h

200
300

Temperature [℃]High airU
Velocity(可変 ) UH

Concentration [vol%]UH0

図３ バーナリムからの中心軸上の化学種および温度分布12NOX の生成・消滅機構について考察し，バーナーか

W ater flow

らの NOX 低減を図った．燃料中の N 成分を起源と[ K]

する Fuel NOx，および空気中 N2 を起源とする
Thermal NOx を分離・計算することにより，NOXの生成領域を明らかにした．図４より，Thermal
NOX は，リム近傍の水素火炎付近でのみに発生し，
Fuel NOX に比べて排出量は小さい．Fuel NOx に

Gas flow

ついて大幅に低減する必用があった．本バーナー

図６ ボイラ内の温度分布（水冷管：千鳥配置）

では，水素火炎で包含することで NOX 還元領域を確保した．図５に，N 系の主要な反応パス（NOX

ボイラ内の水冷管配置の設計例を図６に示す．

の生成・消滅）を示す．乱流により OH，H ラジ

単純な平行配置ではなく，図６のように千鳥型のカルが供給されることで NOX 生成が促進される配置にすればより高い伝熱量にできることがシミ

が，同時に燃料であるアンモニアによる還元反応

ュレートされた．今後，適切なガス温度や H2O 濃が促進され，窒素へと NOX が還元できる．本バー

度の設定，相変化の利用を設計に取り込んでいく．

ナーの設計コンセプトの妥当性が示された．

〔発表論文〕

Fuel
NOx

Fuel NOx

１． Y. Okumura, T. Hori, F. Akamatsu, T. Kitano, T.

[mm]

VH air=8 [m/s]（乱流場）

Tsubota, N. Matsuda, Numerical simulation of

ThermalNOxammonia burner with hydrogen flame stabilizer,

Thermal NOx

31st International Symposium on Transport
Phenomena, Paper No.29, 6pages, 2020 [査読有]２． 松田，坪田，奥村，北野，堀，赤松，水素保炎型
アンモニアバーナーの NOx 反応解析, 第 58 回

バーナー
基部

燃 焼 シ ン ポ ジ ウ ム 講 演 論 文 集 ， No. P113, 4
pages, 2020 年（日本燃焼学会主催）

図４ Fuel NOx および Thermal NOx の分離

３． 奥村，アンモニアの火炎構造に関する実験的研
究：CO2 フリー燃焼への検討，第 30 回環境工学
総合シンポジウム，No.309, 4 pages, 2020 年（日本機械学会主催）
４． 坪田，松田，奥村，北野，堀，赤松，水素保炎型
アンモニア乱流拡散火炎の燃焼構造，第 29 回
日本エネルギー学会大会, No.5-02, pp.146-147
2020 年（日本エネルギー学会主催）

図５ NH3 の分解および NOX 生成/消滅機構13【助成 37 -06】
黒潮海流を中心としたアジア圏海洋中微細マイクロプラスチックの環境中挙動国際共同解明

研究者 千葉工業大学創造工学部 准教授
共同研究者

亀田 豊

名桜大学国際学群 教授 田代 豊
近畿大学工学部 講師 苅部 甚一

Feng-Chia University, Dept. of Environmental Engineering and Science,
Associate Professor, LIN, Justin Chun-Te
Xiamen University, Dept. of Environment
Professor, Xinhong Wang

〔研究の概要〕黒潮海流を中心とした海洋中の 20μm～5mm までの微細なマイクロプラスチック（MPs）汚染状況を世界で初めて調査し、その汚染特性を把握するとともにウェブサイトでネット公開するシステムを構築した。さらに、世界の海
洋における微細 MPs 汚染状況把握可能な、輸出入の外航船を利用した民間運輸業との地球規模共同サンプリ
ングネットワークの構築に世界で初めて成功した。その結果、助成期間中で世界の海洋 100 地点における海水中の微細 MPｓ試料を採取した。さらに、黒潮海流域を含むアジア地域すべての地点からマイクロプラスチックが28～1210 個/m3 検出され、海流や発生源の位置関係から濃度分布が著しく不均一で閉鎖性があることが示唆された。また、低濃度水域ほど数十μm の MPs が優占しており、20μm 未満の MPs が地球海洋全体に微細化拡散していることが明らかとなった。本成果は地球規模の海洋中 MPs 将来汚染予測に大きく貢献すると思われる。

〔研究経過および成果〕

つのデータベースとして整理されていないため、海洋

１．はじめに全体の汚染状況の把握は困難となっている。しかし、海洋におけるマイクロプラスチック(MPs)汚染問題はMPs 問題の解決には世界全体あるいは世界の地域

世界的に大きな問題となっているが、実はその知見

別の戦略的対策が必須である。そこで、本助成研究は様々な面で限られているのが現状であり未解明とでは、20μm 以上の MPs の自動分析方法を開発し、言っても過言ではない。例えば、現在の調査はごく限

この方法により全球の海洋における 20μm 以上のられた水域でのみ実施され、特にホットスポットと呼ば

MPs の存在状態や環境中挙動を解明するビッグデー

れるアジア海域圏では全域を調査した事例は存在しタを作成するとともに、研究者や企業がデータを閲覧ない。また、対象とする MPs も約 300μm 以上のみでし議論できるプラットフォームの構築を行った。

あり、水生生物により生態リスクの高い数十μm レベ

２．研究方法ルの MPs 調査は行われていない。さらに、限られた計画では黒潮海流付近による助成者の直接現地調査事例も調査方法が多種多様であることもあり、一調査であったが新型コロナウィルスのために不可能と14なった。その代替手法として、日本郵船株式会社のレーション機能も加え、企業、研究者、行政等による輸出入用外航船を調査船として航路上の海水中

新しい世界的な海洋環境評価組織を誕生させる予

MPs を採取する方法に変更した。外航船乗組員に作定である。

成した調査方法マニュアルを渡し、助成期間中に図１に示す調査地点合計 100 サンプルの MPs 試料を収集した。採集したサンプルは千葉工業大学にて開発した顕微 FTIR を用いた 20μm 以上の MPs 自動分析

図 1 外航船による海洋中 MPs 調査地点法により、MPs の濃度、サイズ分布及びポリマー組成を測定した。得られたデータのウェブ公開のため、ビッグデータマッピングシステムも開発した。
３．得られた成果
図 2 に黒潮海流付近の MPs の濃度及び組成分布を示す。北赤道海流から黒潮を経由しアリューシャン
列島に至るまで MPs 濃度が増加していく傾向が見え、
アジア地域からの MPs の排出の影響が示唆された。
また、海流や渦による濃縮水域も発見された。これらの デ ー タ は マ ッ ピ ン グ シ ス テ ム

図 2 黒潮海流付近の MPs 濃度及び組成分布（https://www.casio.kamedalab.com/）で閲覧及びデータの追加が可能となっている。20μm 以上の微細
MPs の存在特性を評価した結果は世界初となる。さらに、図 4 に示すように調査地点データから、MPs の高濃度水域ではサイズが大きく、低濃度地域ではミディ
アン径が 20μm まで低下する傾向が見られ、海洋中で排出される大きい MPs が、次第に 20μm 未満まで

図 3

細粒化して全海域に拡散していることが示唆された。

ステムウェブページ

現在、この研究成果及び研究体制を世界的なネットワークに拡充し、「海のデジタル化（海の見える化）
プロジェクト」に発展させることが笹川平和財団及び

1400
1200
1000
800
600
400
200
0

p=0.022

0

50

100

150

Variances of observed MPs
size distribution（μm)

MPs concentration （p/m3)

４．今後の展開

調査結果を表示するデータマッピングシ
120
80
60
40
20
0

Median size of observed MPs size
distribution (μm)

日本郵船株式会社の協力で決定した。今後は、マイ

p=0.0017

100

0

500
1000
1500
MPs concentration (p/m3)

クロプラスチック以外の汚染物質や地球温暖化の影

図 4 海水中 MPs の濃度に対するサイズ分布の響等をビッグデータとして取り込み、それによるシミュ

分散及びミディアン径との関係

15【助成 37 -07】
再生可能エネルギーを利用したデマンドレスポンスに対応可能な
電場触媒反応による低温高効率物質変換研究者 早稲田大学先進理工学部 教授 関根 泰

〔研究の概要〕
再生可能エネルギーを用いて、150�以下の低温で外部から電場を印加した触媒反応を進め、再エネ電力と低位熱からオンデマンドで付加価値の高い基礎化学品を効率よく創出することを狙った。電場触媒反応により
CO2 を活性化することで、反応を低温域で高活性・高選択的に進めることができた。CeO2 を担体として担持金属を検討した結果、5wt%Ru/CeO2 が電場中で高活性を示した。そこで 5wt%Ru/CeO2 を用いて温度変化試験、W/F 変化試験、原料ガス組成比変化試験、分圧変化試験を行い、反応機構及び電場印加効果を解明した。さらに、in-situ DRIFTS 測定によって反応雰囲気下での触媒表面の反応種を検討した。

〔研究経過および成果〕

度域で活性が発現するのに対し、電場を印加するこ

最初に、本目標にふさわしい触媒の担持金属を探とで 350 K 程度の低温域でも反応が進行した。CH4

索するため、各種金属を担持した触媒を調製し、二選択率は温度上昇に伴い増加したが、445 K よりも高酸化炭素の電場による 150 度での活性化を検討した。

温域では選択率 98%で頭打ちとなった。一方、熱反

その結果、試した全ての金属(Ru, Ni, Co, Cu, Fe, Zn,

応では 570 K 以下で CH4 選択率はほぼ 100%であっGa)で CO の生成を確認できたものの、高い活性を示たが、それより高温域では CO が検出された。アレニ

したものは Ru, Ni, Co のみであった。電場を印加しな

ウスプロットによりみかけ活性化エネルギーを算出しい従来の系において Ru, Ni, Co を担持した触媒につた結果、従来の熱触媒反応では 86.7 kJ mol-1 となり、いては担持金属が持つ H2 の吸着解離能などにより、

従来の文献値に近い値を示した。一方、電場触媒反高い活性を示すことが報告されているため、従来の応の見かけ活性化エネルギーは 12.5 kJ mol-1 と算出

熱触媒反応で活性を示さない触媒は電場触媒反応

され、熱触媒反応と比べて大きく低下した。以上の結でも活性を示さないことが分かった。5wt%Ru/CeO2 触果から、電場メタネーションは従来の熱触媒反応とは媒において最も高い CO2 転化率(17.4%)及び CH4 選

異なる反応機構で進行していることが考えられる。

択 率 (96.4%) を 示 し た 。 一 方 、 担 持 量 を 減 ら し た

CH4 及び CO 生成速度への影響を見るために、

0.5wt%Ru/CeO2 触媒では CH4 選択率が大幅に減少

H2/CO2 比変化試験を行った。結果より、電場印加時した。そこで低温での電場 CO2 転換において 5wt%

では量論比(H2/CO2 = 4)と一致した時に CH4 生成速

Ru/CeO2 を最適な触媒として詳細な検討を行った。

度が最大となった。しかし、H2/CO2 比の減少に伴い反応活性の温度依存性を評価するために、温度CH4 生成速度は低下するとともに CO 生成速度が増変化試験を行った。熱反応では 430 K よりも高い温大し、最終的には RWGS の量論比(H2/CO2 = 1)にな

16

った時、CO 生成速度は CH4 生成速度よりも大きくななく、従来の熱触媒反応で活性点ではない低配位数った。一方、従来の熱反応の系では H2/CO2 比の減の Ru サイトも RWGS の活性点となり、中間体である少に伴い CH4 生成速度は同様に低下したが、CO の

CO 生成が促進されるため二酸化炭素活性化が促進

生成は確認できなかった。したがって、熱反応ではされた。

CO が生成しても電場印加時とは異なり、脱離できず

これらをまとめると、5wt%Ru/CeO2 が電場反応にお金属表面に吸着したままの状態であると考えられる。

いて最も高い活性を示し、5wt%Ru/CeO2 触媒への電電場印加により CO2 の反応次数については負から正場印加時では従来の熱反応では活性を示さない 353の値に増大するという挙動が見られた。熱反応ではK 程度の低温域で反応が進行し、見かけの活性化エ反応中間体である CO が Ru 表面に強く吸着し、負のネルギーは従来の熱反応で算出された 86.7 kJ mol-1次数を示すことが報告されており、電場を印加すること比較して、12.5 kJ mol-1 と大幅に減少した。電場中とでこの CO による被毒が解消された。さらに、電場印

では RWGS により生成される CO を中間体として経由

加時において CO2 の反応次数(0.69)は H2 の次数する反応パスをとっており、分圧変化試験による反応(0.51)よりも大きいことから、電場反応において CO2 消次数の算出から、電場中では従来の熱反応で CO の費速度は RWGS の反応速度に依存し、RWGS により強い吸着による Ru 表面の被毒が電場印加により解生成した CO は速やかに水素化された。

消された。In-situ DRIFTS 試験より、電場メタネーショ

触 媒 表 面 の 反 応 種 を 調 べ る た め に 、 in-situ

ンでは従来の熱触媒反応で活性点とされている高配

DRIFTS 試験を行った。電場印加時において原料ガ

位数の Ru サイトだけでなく、低配位数の Ru サイトもスの H2/CO2 比により反応選択性が変化したため、

RWGS の活性点となり、全体のメタネーションが促進

H2/CO2 比を変化させてスペクトル測定を行った。そのされることが分かった。このように、本研究によって再結果、電場印加時では H2/CO2 比の減少に伴い配位生可能エネルギーを用いた低温電場反応の可能性

数の小さい Ru サイトに吸着する CO の吸収バンドを示すことができた。

(1975 cm-1)と気相中の CO による吸収バンド(2100〔発表論文〕cm-1)の増加が確認できた。このことから電場印加によ

１． Kensei Yamada, Shuhei Ogo, Ryota Yamano,

り低配位数の Ru サイトが CO までの生成パス、すなわ

Takuma Higo, Yasushi Sekine, Low-temperature

ち RWGS の活性点になっていると考える。さらに、Ruconversion of carbon dioxide to methane in an

表面上に吸着する CO が反応の活性種かを検討する

electric field, Chemistry Letters, 49(3), 303-306,

ために、H2/CO2 =1 の系において反応後に H2 ガスの2020. doi: 10.1246/cl.190930
２． Yasushi

みを供給し、スペクトルを測定した。熱反応では配位

Sekine,Ryo

Manabe,Reaction数の大きい Ru サイトに吸着した CO の吸収バンド

mechanism of low-temperature catalysis by(2025 cm-1)のみの減少が見られたが、電場印加時にsurface protonics in an electric field, Faraday

は配位数の小さい Ru サイト由来のピークも減少した。

Discussions, in press.

電場を印加した反応では高配位数の Ru サイトだけでdoi: 10.1039/C9FD00129H

17

【助成 37 -08】
「平均値」に現れない地球温暖化の実相：
マヤ低地の年縞堆積物に刻まれた極端気象の歴史と現代

立命館大学 古気候学研究センター 准教授

北場 育子

東京大学 総合研究博物館 特任研究員 大森 貴之
岡山理科大学 基盤教育センター 准教授 那須 浩郎
アリゾナ大学 人類学部 教授 猪俣 健
アベリストウィス大学 地理・地球科学教室 教授 Henry Lamb

〔研究の概要〕現代文明が直面する危機として、地球温暖化にともなう気候の不安定化（＝極端気象の増加）が注目されている。長期的な視点で見た時、気候はどんな時に不安定化し、文明にどんなダメージを与えるのだろう。この問いに答えるために、メキシコのマヤ文明の遺跡内にある湖で掘削調査をおこない、全長６.５ m の準連続な堆積物を手に入れた。堆積物の 上部 2.8 m は、年縞堆積物であり、マヤ文明がさかんに盛衰していた時代のほぼす
べてをカバーしていることがわかった。得られたボーリングコアの精密対比をおこない、深度管理のためのプラッ
トホームを構築、年縞堆積物の分析に特化した装置の改造などをおこなった。過去の極端気象を数週間の時間
分解能で復元する準備が整った。

〔研究経過および成果〕

炭素年代測定をおこなった。これによって、年縞はマ

本研究の目的は、１）マヤ文明の遺跡の中にある湖

ヤ文明がさかんに盛衰した時代をほぼすべてカバー（サン・クラウディオ湖）から過去 9000 年分の年縞堆積していることが明らかになった。得られた地層の最下物（1 年に 1 枚積もる薄い地層）を採取すること、２）年

部は、紀元前 8000 年以前にさかのぼることもわかっ

縞に記録された過去の気候・気象変動の歴史と極端た。

気象の実像を明らかにすること、３）気候の不安定化

採取したボーリングコア６７本すべてについて、岩によって文明が受けたダメージを実証的に検討するこ

相と年縞パターンにもとづき、精密対比をおこなった。

とである。

年縞堆積物については誤差 1mm 以内、粘土堆積物

2020 年 3 月、サン・クラウディオ湖でボーリング調査については誤差 1cm 以内の精密さですべての地層ををおこない、全長 6.5m（ボーリングコア６７本）の準連

共通深度軸の上に落とし込んだ（図１）。さらに、誰が続な堆積物を得ることに成功した（図１）。堆積物の上どの地層を分析しても、上述の精度で地層の上下関部 2.8m が年縞堆積物であった。その下には砂混じり係が瞬時にわかるようなプラットホームも整備した。

の粘土層が堆積していた。

年縞を構成する白縞・黒縞それぞれについて、鉱物

地層に含まれる大型植物化石を洗い出し、放射性分析をおこなった結果、白い縞は乾季に、黒い縞は

18

図１

サン・クラウディオ湖で採取した堆積物

雨季に堆積した可能性が高いことがわかった。つまり、を行うことができなくなってしまった。コロナ禍がおさま

年縞の中を細かく分割して分析すれば、ある年のあるり、アベリストウィス大学が研究活動を再開し、渡航制

季節に降った雨の量や極端気象（干ばつ・大雨）の記限が解除され次第、蛍光 X 線分析をおこなう。

録を復元できる。

まとめると、当初目標の堆積物の採取は達成したが、得られた堆積物は、アベリストゥイス大学所有の蛍光新型コロナウイルスの影響により、これに続く分析・解X 線分析装置（Itrax）をもちいて、元素の含有量を測

析は、ほとんどおこなうことができなかった。しかしなが定する予定であった。元素の変動パターンをもとに、１）

ら、年縞から、マヤの歴史記録（碑文）と比較しうるレ

年縞の枚数を数え、放射性炭素年代の制約として用

ベルの精密な年代軸を手に入れ、気象変動を復元すいることで、高精度な年代モデルを構築すること、２）

るための下準備は完璧に整った。ひとたび分析を開ある年に降った降水量を数週間スケールで明らかに始することさえできれば、当初目標を速やかに達成ですることを目指している。これを達成するために、Itrax

きると確信している。

に新たなシステムを導入し、年縞の分析に最適化した。

〔発表論文〕

これによって、厚さ 300µm にも満たない年縞から、数なし

週間スケールの良質な「気象」変動の記録を取り出せるようになった。しかし、新型コロナウイルス感染症拡大防止のため、ラボが閉鎖されてしまったため、分析19【助成 37 -09】
位相シフトエリプソメータを用いた導電性インク塗布プロセスにおけるナノ薄膜の形成メカニズムの解明
研究者 東北大学大学院工学研究科 助教

庄司 衛太〔研究の概要〕本研究の目的は，ナノ粒子分散液の導電性インクへの応用を鑑み，本プロセスにおいて重要な現象である動的濡れについて，その微視的な挙動を明らかにすることである。本研究では，申請者が開発した位相シフトエリ
プソメータを用い，純溶媒およびナノ粒子を含む懸濁液の接触線近傍のナノマイクロ液膜の膜厚分布を測定した。得られた膜厚分布より，動的濡れの特徴量として接触角と接触線の先に存在するナノ薄膜（先行薄膜）の長さを求め，濡れ現象で重要な無次元数 Capillary 数に対する依存性を評価し，ナノ粒子の影響を議論した。

〔研究経過および成果〕

タによる可視化結果を示す。各画像は，エリプソメトリ

本研究では，申請者が開発したナノ薄膜の二次元の解析パラメータの一つである S 波と P 波の位相差 Δ

膜厚分布を動的に測定することができる位相シフトエの分布を示している。可視化画像では接触線は円形

リプソメータを用い，純溶媒およびナノ粒子を含む懸には見えないが，これは試料への光の入射角が 70°

濁液の接触線近傍の膜厚分布を測定することにより，であるためであり，実験中に液滴の接触線は円形を

その濡れ挙動の違いを明らかにすることを目的とする。

保ったまま放射状に拡張していることを確認した。可具体的には，測定した膜厚分布より接触角 θa [deg]と視化画像からナノ粒子の存在が液滴の拡張速度を

先行薄膜長さ Lp [m]を求め，濡れ現象において重要低下させ，拡張する液滴の接触線付近の表面形状をな無次元数 Capillary 数 Ca（Ca = u/，：粘度[Pa·s]，

変化させたことは明らかである。また，可視化画像は

U：接触線移動速度[m/s]，：表面張力[N/m]）に対す

マイクロメートルの膜厚に対応する干渉縞領域，ナノる依存性を評価し，微視的な濡れ現象に及ぼすナノスケールの膜厚（先行薄膜）領域に対応する干渉縞

粒子の影響について議論する。

のない輝度変化のみの領域に分けられる。これら干試料として溶媒には動粘度 20 cSt のポリジメチルシ

渉縞および輝度変化の解析を通じて，膜厚を測定しロキサン（PDMS），ナノ粒子には PDMS 修飾 SiO2 ナ

た。

ノ粒子（一次粒子の平均粒径：14 nm），基板には Si

図 2 に θa と Ca の関係について，実験結果および基板を用いた。実験では，試料ステージに設置した

Cox-Voinov 則による予測値を示す。図 2 では，

Si 基板上に，純 PDMS および濃度 1 wt%で調整した

Cox-Voinov 則における巨視的代表長さ ho および微ナノ粒子懸濁液の試料を 0.5 L 滴下し，基板上の拡視的な代表長さ hm の比 ho/hm を 10 および 106 と設

張液滴の固気液三相接触線近傍の液膜を位相シフ定した予測値をそれぞれ示している。純 PDMS と懸トエリプソメータで観測した。

濁液の実験結果の傾きは，両試料ともに Cox-Voinov

図 1 に Si 基板上に滴下した PDMS および懸濁液

則で示される Ca1/3 の傾きとほぼ同じとなり，純 PDMSの液滴接触線付近について，位相シフトエリプソメー

は ho/hm = 10，懸濁液は ho/hm = 106 と設定した

20

Cox-Voinov 則に良く一致した。これは懸濁液の接触線近傍のエネルギー散逸が純 PDMS よりも大きいことを示唆する。また，両試料で比較すると，懸濁液のθa は純 PDMS よりも大きく，懸濁液の θa のばらつきは大きくなった。このばらつきは，実験ごとの懸濁ナノ粒
子位置の違いに依るものと考える。すなわち，ナノ粒
子が接触線領域に存在する場合のみ，接触線付近
図 1：位相シフトエリプソメータを用いた Si 基板上の純の液膜形状にナノ粒子の影響が顕れると考えた。
図 3 に， Lp と Ca の関係について，実験結果およPDMS と懸濁液の液滴接触線近傍の可視化結果

び断熱先行薄膜理論による予測値を示す。理論予測においては先行薄膜の先端膜厚に理論平衡膜厚he を用いるが，Å スケールとなる he の正確な測定は位相シフトエリプソメータでは難しい。そのため，先行薄膜の先端膜厚を he + 2 nm とし，図 3 には先端膜厚を
he + 2 nm とした理論値も示している。純 PDMS と比較
すると懸濁液は全体的に小さな Ca にシフトしているもの の ， 同 様 な Ca 依 存 性 を 示 し ， 両 試 料 と も に
図 2：接触角 θa と Capirally 数 Ca との関係

he + 2 nm とした理論値に近い値を示した。よって，本実験の膜厚範囲および Ca 範囲においては，ナノ粒子を添加した懸濁液のナノ薄膜の形成メカニズムは
断熱先行薄膜の理論で説明できることが示唆された。
断熱先行薄膜理論に従うと，本測定では正確に測定できなかった膜厚を有する液膜が数百m から数 mmの範囲に広がっている可能性がある。しかし，断熱先
行薄膜の理論では連続流体を仮定しているため，
he + 2 nm 以下の膜厚領域を正しく記述できているか

図 3：先行薄膜長さ Lp と Capirally 数 Ca との関係についてはさらなる検討が必要である。また以上の結果から，ナノ粒子の存在は液滴全体の拡張を抑制す〔発表論文〕

るが，先行薄膜内にナノ粒子がほぼ存在しない場合

１．庄司衛太，金子峻大，米村建哉，久保正樹，には先行薄膜長さに影響を与えない，すなわち先行

塚田隆夫，小宮敦樹，「Si 基板上の SiO2 ナノ

薄膜長さ Lp は接触線速度 U によって決定されること

粒子／PDMS 懸濁液の微視的濡れ挙動の測が示唆された。

定」，第 57 回日本伝熱シンポジウム，(2020).

21

【助成 37 -10】高速ミクロプローブによるナノ構造中局所電子状態測定手法の研究
研究者 東北大学電気通信研究所 准教授

大塚 朋廣〔研究の概要〕ナノ構造中の局所的な電子状態、およびそのダイナミクスの理解は、物性科学やナノサイエンス等の基礎科
学、各種センサーやエレクトロニクスデバイス等への応用の両面で重要性が増している。一方、半導体微細加工技術の進歩により、半導体量子ドット等の人工量子系を作製し、その内部準位を活用した新しい測定が可能となってきている。本研究では、ナノ構造中の局所的な電子状態を直接的に調べることのできる半導体量子ドット等を用いた局所電子状態プローブ、電子状態のダイナミクスを明らかにするための高速電気測定手法を組み合わせた高速ミクロプローブについて、その測定手法の研究を行った。そして、ナノ構造中の局所電子状態を測定し、ナノ構造内部で生じる電子状態の詳細について、ミクロで動的な視点から調べた。

〔研究経過および成果〕

レベルでの電荷の検出を、高周波を活用した高速電固体ナノ構造中の局所的な電子状態を調べるため

気測定により行うことが可能となっており、局所電子には、局所状態を直接検出できるミクロなプローブが状態のダイナミクスまで調べることができるようになっ有用となる。このようなミクロなプローブとして、これまてきた。この状況をさらに発展させるためには、測定で半導体量子ドット等の人工量子系を活用したプロに影響するノイズの解明等が重要となる。そこで高周ーブを開発してきた。半導体量子ドットは電子を微小波を活用した高速ミクロプローブ測定系を構築し、デ領域に閉じ込めたデバイスで、微小静電容量に伴うバイス、高周波共振器、高周波測定回路を含めた、単電子効果や、サイズ量子化に伴う量子効果が発現

全測定系におけるノイズの詳細を調べた。高速ミクロし、内部に離散的な準位が形成される。またこの準位

プローブ測定系からの信号を、高速デジタイザを用は、半導体量子ドットの金属電極に印加する電圧にいて実時間で高速に測定し、この測定データに対しより制御することができ、人工量子準位として活用すて高速フーリエ変換を施して解析を行った。この結果、ることができる。半導体量子ドットを測定対象に結合さノイズ強度の周波数依存性を調べることができ、ここ

せ、この人工準位への電子の移動を調べ、信号を解で観測された特徴的な周波数特性を、高周波共振

析することにより、局所的な電子状態の情報を得るこ器、高周波測定回路を取り入れたモデルにより再現とができる。

し、解析した。

本研究では、この半導体量子ドットを用いたプロー

また測定されたノイズ強度には、測定回路だけでなブを活用した測定手法について研究を行った。このく、半導体量子ドットプローブ試料中で生じるノイズのプローブ動作においては、半導体量子ドット内の準影響も含まれる。このノイズについても解析を行い、位への電子の移動を、単一電子のレベルで電気的半導体量子ドットの制御電圧依存性を精密に調べた。

に検出することが重要となる。近年ではこの単一電子

この結果、ノイズ強度が制御電圧に依存する現象を22

さらにここで開発してきた測定手法は、従来からの半導体ナノ構造だけでなく、新しい材料の電子物性解明においても有用となる。そこで新しい材料にもこの測定技術を活用した。窒化ガリウムは大きなバンド
ギャップを持ち、パワーデバイスや高周波デバイスにも魅力的な材料である。窒化ガリウムヘテロ構造のデバイスに測定手法を活用することにより、多重量子ド

図 高周波高速電気測定におけるノイットの形成とこれによる電子輸送現象を観測した。こズ（赤）とモデル解析（青）の結果の解析により、不純物等によるポテンシャル変調等の観測し、プローブ感度とノイズとの間の関係性を明ら
量子ドット形成のメカニズムを明らかにし、材料評価
かにした。さらに実データの解析においては、積分操につながる知見を得た。
作が行われるが、ノイズの周波数特性を反映して、積これらの結果は、固体ナノ構造中の局所電子状態
分時間に応じて主要なノイズ要素が変化することを明の新しい測定手法を発展させ、局所電子状態についらかにした。これらの結果を活用し、高速ミクロプローての新しい知見を得るものであり、今後のナノ構造をブ測定を改良した。
活用したエレクトロニクスデバイスの開発等においてそしてこの測定手法を活用して、半導体ナノ構造中も有用になると考えられる。
の局所スピン現象および量子状態ダイナミクスの測〔発表論文〕
定を行った。半導体量子ドット内に形成される準位の１． “Gate voltage dependence of noise distribution in
中には、スピン依存性を持つものが存在する。このス
radio-frequency reflectometry in gallium arsenide
ピン依存準位への電子の移動を調べることにより、半quantum dots”,
導体量子ドットが結合している領域の局所的なスピン
Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada,
状態を調べた。さらにこのスピン状態として少数電子
Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun
スピンを用いることにより、スピンの量子力学的状態まYoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito,
で測定を行うことができる。半導体 2 重量子ドット中のArne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha,
2 電子状態を用いて形成される量子状態について測and Tomohiro Otsuka,
定を行い、量子状態の高感度高速測定を実現した。
arXiv:2012.04177.
また量子状態を半導体量子ドットのパラメータを通し
２． “Formation of quantum dots in GaN/AlGaNて制御し、時間発展させ、そのダイナミクスについて
FETs”,
電気的ポンププローブ手法と組み合わせて高速な測Tomohiro Otsuka, Takaya Abe, Takahito Kitada,
定を行った。この結果、コヒーレンス振動等の量子系
Norikazu Ito, Taketoshi Tanaka, and Kenのダイナミクスについて観測し、その物理解明を進め
Nakahara,
た。
Scientific Reports 10, 15421 (2020).

23【助成 37 -11】界面電荷移動遷移に基づく表面増強ラマン散乱を用いた神経伝達物質のバイオセンシング技術の創成

群馬大学 大学院理工学府 准教授 藤沢 潤一〔研究の概要〕界面電荷移動遷移は、有機化合物が無機半導体ナノ物質表面に化学吸着することで起きる電子遷移であり、無色有機化合物の可視光吸収および直接電荷分離という特徴を有する。本研究では、界面電荷移動遷移に基づく表面増強ラマン散乱に着目し、神経伝達物質のバイオセンシングのための要素技術の開拓を目的に研究を行った。一番目の研究成果は、界面電荷移動遷移に基づく表面増強ラマン散乱を示す無機半導体として、酸化亜鉛（ZnO）を見出したことである。二番目の研究成果は、神経伝達物質であるセロトニンの基本構造であるインドールが界面電荷移動遷移を発現することを実証したことである。両成果とも、界面電荷移動遷移に基づく表面増強ラマン散乱を用いた神経伝達物質の低コスト・簡便な検出方法の創成のための重要な研究成果である。

〔研究経過および成果〕
H
S

(a)

界面電荷移動遷移に基づく表面増強ラマン散乱を用いた神経伝達物質のバイオセンシングのための要

10 mM BT/CH3CN

素技術の開拓を目的に、界面電荷移動遷移に基づ
く表面増強ラマン散乱を示す無機材料と有機材料の

ZnO-BT

ZnO

開拓を行った。

(1) 界面電荷移動遷移を示す無機材料の開拓
界面電荷移動遷移に基づく表面増強ラマン散乱を示す無機材料は TiO2 に限定されており、応用研究を展開するためには、無機材料の開拓が必要である。
ZnO は表面増強ラマン散乱を示すことが報告されて0.10
ZnO-BT ZnO-BT

ZnO
0.05 BT/CH3CN

ZnO

0.00

いるが、そのメカニズムおよび界面電荷移動遷移の

300

400
500
Wavelength (nm)Absorbance (arb. unit)

Kubelka-Munk function

(b)

600

発現に関しては、未だ明らかになっていない。そこで、

図 1. (a) ZnO ナノ粒子のベンゼンチオール（BT）

本研究では、ZnO に着目して研究を行った。化学吸吸着による発色と(b)界面電荷移動吸収の発現.

着基を有する様々な有機化合物との組み合わせを検討した結果、チオール化合物が ZnO ナノ粒子表面に示すように、ZnO が淡橙色に発色し、約 620 nm よりに硫黄原子を介して配位結合することで、図 1(a)と(b)も短波長側の可視領域でブロードな吸収帯が発現す

24

(a)

ないセロトニンに着目した。セロトニンは、窒素原子を含むインドール骨格に、水酸基やアミノエチル基が付加した有機化合物である。本研究では、まず、インド
TiO2-Indole

TiO2ールにおける界面電荷移動遷移について検討を行(b) 0.3

0.2

Absorbance (arb. unit)

Kubelka-Munk function

った。図 2(a)と(b)に示すように、溶液浸漬法により、
TiO2-Indole
Indole/CH3CN

0.1
TiO2

TiO2 ナノ粒子表面にインドールを吸着させることで、TiO2 ナノ粒子が橙色に発色し、800 nm から全可視領域に渡って、界面電荷移動吸収を示すことがわかった。さらに、赤外吸収分光により、インドールは窒素原子を介して、TiO2 表面に化学結合することで、界

0.0

300

400
500
600
Wavelength (nm)700

面電荷移動吸収が発現することが示された。本結果

800

は、セロトニンの界面電荷移動遷移に基づく表面増

図 2. (a) TiO2 ナノ粒子のインドール吸着による

強ラマン散乱検出に向けた重要な成果である。[2]発色と(b)界面電荷移動吸収の発現.

以上、本研究では、界面電荷移動遷移に基づく表
ることがわかった。光電子収量分光測定および密度面増強ラマン散乱を用いた神経伝達物質のバイオセ汎関数理論（DFT）計算による電子状態解析により、ンシングの要素技術の創成を目的に、界面電荷移動

この可視域の吸収帯は、吸着した BT の HOMO から遷移を示す無機材料と有機材料を開拓することに成ZnO 伝導帯への界面電荷移動遷移であることが明ら功した。今後、界面電荷移動遷移に基づく表面増強かになった。この研究により、これまで報告されていたラマン散乱を用いて、低コストで迅速な生体分子検出

ZnO の表面増強ラマン散乱効果が界面電荷移動遷の実現が期待される。

移に起因していることが明らかになった。[1]〔発表論文〕
１． J. Fujisawa, N. Kaneko, and M. Hanaya,(2) 界面電荷移動遷移を示す有機材料の開拓
現在、多く種類の生体分子が神経伝達の機能をInterfacial Charge-Transfer Transitions in ZnO有していることがわかっている。表面増強ラマン散乱

Induced Exclusively by Adsorption of Aromaticによる神経伝達物質の検出を行うためには、代表的

Thiols, Chem. Commun., 2020, 56, 4090-4093.
２． J.

な神経伝達物質の界面電荷移動遷移による表面増Fujisawa,

Interfacial

Charge-Transfer

強ラマン散乱の実験データが必要不可欠である。すTransitions between TiO2 and Indole. Chem. Phys.

でに、ドーパミン等のカテコール系神経伝達物質のLett., 2020, 739, 136974.

表面増強ラマン散乱に関しては報告があるが、それ以外の神経伝達物質に関してはまだ報告例がないのが現状である。そこで、本研究では、まだ報告例が25

【助成 37 -13】
表面プラズモン増強有機太陽電池／熱電複合デバイスの研究

代表研究者 新潟大学工学部 教授

馬場 暁

共同研究者 新潟大学工学部 助教 ラートバチラパイボーン チュティパーン〔研究の概要〕表面プラズモンは、金属薄膜表面近傍や金属ナノ構造中で生じる自由電子と、特定の波長の光の相互作用により共鳴して励起することができる。このため、特定の波長で入射光の電界が数十倍以上に増強され、光吸収は著しく増加する。これにより、太陽電池などの光電変換デバイスではフォトキャリア増加に起因する高効率化に関する研究も行われてきている。さらに、近年、表面プラズモン励起時に発生する熱を利用した研究が注目を浴びている。 本研究では、表面プラズモン効果で有機太陽電池の高効率化を行うとともに、有機太陽電池の金属電極上表面プラズモンの励起で発生した熱を熱電デバイスと組み合わせることで利用することを目的とした。

〔研究経過および成果〕

変換層の P3HT:PCBM（120 nm）、正孔輸送層の本研究では、金属微粒子、グレーティング構造それ

PEDOT:PSS（70 nm）をそれぞれスピンコート法によりぞれにおいて可視－近赤外域における表面プラズモ

製膜、さらにその上に、真空蒸着法を用いて Au 薄膜

ン励起の確認を行った後、逆型有機薄膜太陽電池(150 nm)を堆積し上部電極とした。プラズモニック構にプラズモニック構造を作製して評価・検討を行った。

造は PEDOT:PSS に金微粒子を混合（図 1(左)）、また更に、プラズモン励起のエネルギーにより得られる熱は BD-R をテンプレートとしたナノインプリンティングを利用した熱電デバイスも組み合わせることで、より法によりグレーティング構造を形成（図 1(右)）すること

効率的なデバイスの検討を行った。図 1 に作製したなで作製した。また、Au 電極上に導電性グリースを用

ITO ガラス/TiO2/P3HT:PCBM/PEDOT:PSS/Au のいて熱電デバイスを貼り合わせることにより複合デバ

構造の逆型有機薄膜太陽電池を作製した。まず、イスとした。逆型有機薄膜太陽電池のプラズモニック

ITO ガラス基板を塩酸で 1 ｃｍ ´ 1 ｃｍの電極構造と構造の有無による I-V 特性の測定結果より、図１の両なるようにエッチングすることで下部電極とした。その方の逆型有機薄膜太陽電池において、プラズモニッ

上に順に、電子輸送層の酸化チタン（120 nm）、光電

ク構造がない通常の逆型有機薄膜太陽電池よりも高い変換効率が得られることが分かった。

熱電デバイス

次に、疑似太陽光照射により得られる光熱を熱電

Au
PEDOT:PSS or
PEDOT:PSS:AuNPs

デバイスにより測定を行った図２は PEDOT:PSS との

P3HT:PCBM

金微粒子比 6:1、8:1、16:1 のデバイスの場合の測定

TiO2
ITO

結果であり、8:1 と 16:1 の場合に金微粒子を含有することで熱電龍の増加が観測された。特に 6:1 のデバイ

図１ 作製した素子構造（金微粒子含有構造(左)，グレーティング構造(右)）26スで最も大きな熱電流の増加が観察でき、金微粒子

れの場合の逆型有機太陽電池の熱電流特性を示す。

が無い場合の熱電流 1.41 mA に比べて 1.68 mA のグレーティング構造を有する場合と、通常のフラット構

熱電流が発生した。また、温度上昇は、金微粒子が造の場合では、グレーティング構造を有する場合にない場合の⊿T＝5.1℃に比べて、⊿T＝6.1℃の熱熱電流の増加が観測された。このことから、伝搬型表が発生した。このデバイス特性の改善は面プラズモンの励起についても、電極で発生する光

PEDOT:PSS: 金微粒子のプラズモニック構造により熱を向上できることが分かった。この場合は、グレー

金電極/PEDOT:PS：金微粒子界面で局在表面プラ

ティング金電極／PEDOT:PSS 界面で生じる伝搬型

ズモンが励起し、励起したプラズモンが散逸する過程

表面プラズモン励起により大きな電場が発生し、一部で熱として失われるため、金電極裏面に貼り合わせは熱として減衰するため金電極裏面に貼り合わせたた熱電デバイスの電流が増加したことによると考えら

熱電デバイスの電流が増加したと考えられる。
このように、局在型プラズモン、伝搬型表面プラれる。

ズモン、何れの場合でも有機太陽電池の電極で発生

次に、図 3 にグレーティング構造の有り無しそれぞする光熱が向上し、熱電流として取り出すことが可能であることが示された。局在型プラズモンと伝搬型表面プラズモンを同時に励起することができれば、さらなるデバイスの効率向上が得られることが考えられる。
そこで、現在我々は金属微粒子からなるグレーティン
グ構造を作製して、光熱特性の評価・検討を行っている。今後はこの構造を用いた表面プラズモン増強
有機太陽電池／熱電複合デバイスへの応用を行い、更なるデバイス特性の向上を目指す予定である。

図２ 金微粒子含有デバイスへの疑似太陽光照
射による熱電デバイスの電流－時間特性

最後に，本研究に対するご支援を賜りましたカシオ
科学振興財団に心より御礼申し上げます。

〔発表論文〕
１． Siriporn Anuthum, Chutiparn Lertvachirapaiboon,
Kazunari Shinbo, Keizo Kato, Kontad Ounnunkad,
and Akira Baba “Fabrication of Plasmonic
Photothermal Metal Nanoparticles Film”, 第 67
図３ グレーティング構造を有するデバイス（とフラット構造デバイス）への疑似太陽光照
射による熱電デバイスの電流－時間特性

回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集
14a-PB6-12, 2020 年 3 月（みなし発表）27【助成 37 -14】
市街地自動運転における時間連続な軌道生成と深層学習を連携した適応的走行の実現
研究者 金沢大学 新学術創成研究機構 准教授 米陀 佳祐〔研究の概要〕
自動車の市街地自動運転において，一般自動車・歩行者等が混在する環境下での調和の取れた走行の実現が必須である．本申請研究では，時間連続性を保証し，教師あり学習によって多様な交通環境に柔軟に適応可能な軌道生成方法の実現を目的とする．従前よりロボティクスベースで実施される軌道生成方法を基本とし，軌
道最適化時の目的関数の役割として推奨される軌道を軌道生成 DNN が出力するシステム設計を行う．この目的の達成のために，本報告では深層学習により車両挙動を予測するプランナーの設計を行った．道路の経路情報
及び周辺物体の情報を参照することで自車挙動の推定精度を改善可能な点を検証した．

〔研究経過および成果〕

ップを用い，DNN を基にした障害物回避を目的とす

1.

る自動運転自動車のパスプランナーの開発を行う．

緒言

自動運転分野における深層学習の活用例としては，そして入力データの構成が異なる 3 つのパスプラン

画像認識をはじめ周辺環境の認識に主に利用されナーを用いて，入力情報の違いによる予測精度の比ており，その認識結果をもとに自動運転自動車の運較を行った．

転制御を行なっている．しかし最近の新たな取り組み
として，深層学習の技術を自動運転自動車の軌道計
画及び運転制御に応用し，熟練ドライバーの運転行
動を模倣するような取り組みが行われている[1]．また
模倣学習は人間の行動などを模範するように学習を行う手法であり，教師あり学習と同じく正解データに基づいて学習を行う．この取り組みにより従来のルールベースの軌道計画手法に比べ，様々な走行パタ

Fig1. Schematic of path planner based on DNNーンに応じた軌道を各々作成するコストを抑えられ，

2.

DNN を基にしたプランナーの開発

逐次的に適切な軌道計画を実現できると考えられる．

本研究で開発しているパスプランナー(PP)の概要

先行研究では，自動運転自動車周辺の他車の情報，

図を Fig.1 に示す．Fig. 1 では，過去及び現在を含む

道路情報，走行経路を同じ俯瞰図で表し，抽象度の自車の走行位置，速度，ヨー角，障害物マップ，そし高い情報に加工したデータを用いた Deep Neuralて走行経路情報を入力としており，長期的な時系列

Network (DNN) を基にした自動運転自動車の軌道

情 報 を 保 持 可 能 な Long Short-Term Memory

計画が報告されている[1]．本報告では，抽象度の高（LSTM）を用いて軌道計画を行う．以下に示す 3 種

い自動運転自動車周辺の環境情報である障害物マ類のモデルを構築した．

28







PP-LSTM: 車両の運動状態から LSTM により起物マップ上の障害物と自車の位置関係が明示になり，動情報を出力予測精度が向上したと考えられる．しかし，障害物をPP-CNNLSTM: PP-LSTM に周辺障害物情報を回避するシーンでの縦方向の移動量の MAE 及びConvolutional Neural Network として追加

障害物を回避しないシーンでの横方向の移動量のPP-CNNLSTM+Route: PP-CNNLSTM に走行経

MAE のそれぞれの値が PP-LSTM より大きくなってお路情報を追加り，走行データを新たに取集しての DNN の再学習が時系列処理を行う入力データについては，現在を含必要だと考えられる．

む過去 2 秒間のデータを 200[msec]のサンプリング

4.

結言

周期で記録したものを取り扱っている．また本手法で本研究では，抽象度の高い自動運転自動車周辺

は，平均絶対誤差（MAE）を用いて正解データとの誤の環境情報として障害物マップを用い，DNN を基に差を求める損失関数と障害物マップ上で車両と障害した静止障害物回避を目的とする自動運転自動車の物との衝突判定を行いそれに伴って罰則を与える 2

パスプランナーを開発して計画軌道の推定精度を評

種類の損失関数を定義した．

価した．今後の課題として，移動物に対する DNN の

3.

拡張及び生成した DNN の出力とロボティクスベース

データ収集と数値計算実験
本研究で入力データとして用いる障害物マップは，

自動運転自動車に搭載される LIDAR の 3 次元点の軌道計画法を結合して車両挙動への影響を評価する点があげられる．

群データから生成される占有格子地図を採用した．
周辺に移動物体が存在しない環境にて停止車両に

参考文献

近づきながら横方向に約 1[m]のばらつきをもって回[1] Mayank Bansal，Alex Krizhevsky，Abhijit Ogale，

避するような走行データを収集した．また障害物を回”ChauffeurNet： Learning to Drive by Imitating the

避しないシーンにおいては停止車両の横を通り過ぎ

Bestand Synthesizing the Worst”，RSS，2018

るような走行データの収集を行った．
実験結果として入力データと DNN の構成が異なる

Table 1 Evaluated results of proposed method and各パスプランナーの予測精度を MAE で評価を行っbaseline method (uniform velocity motion, U.V.M.)

た結果を Table 1 に示す．Table1 にて MAE(lat)及びMAE(lon)の項目はそれぞれ，自車の横方向移動量及び縦方向移動量を対応する．実験結果より
PP-CNNLSTM+Route の軌道計画時刻での MAE の値は，横方向の移動量については PPCNNLSTM と同等の精度があり，縦方向の移動量についても大幅に
MAE の値が減少していることが確認できる．これは走行経路の情報が入力として追加されたことで障害29【助成 37 -15】
非鉛かつ巨大圧電性をもつ他元素ドープ AlN,GaN 薄膜の探索と物性評価
研究者 山梨大学 大学院総合研究部工学域 助教 鈴木 雅視〔研究の概要〕AlN, GaN 圧電薄膜は MEMSs の電気⇔機械のエネルギー変換の源として広く用いられている。しかし，鉛系
材料の PZT と比較すると圧電性が小さい。本研究では，AlN および GaN 薄膜の圧電性を増幅する安価な他元
素ドープ材の探索に向け，スパッタ法による他元素ドープ AlN,GaN 膜の形成，結晶構造評価，数 100MHz 以上
高周波領域での電気機械結合係数 kt2，音速評価を行った。本論文中では新たに電気機械結合係数の増幅が確認できた CrAlN 膜について詳細を記す。Cr0.01Al0.99N 膜の kt2 は純 AlN の約 1.35 倍となり、圧電性増幅を確認した。これまでに圧電性増幅が報告されている希土類 Sc をドープした AlN と比較するとその増幅率は大きくなっており，Cr ドープは安価で AlN 圧電膜 MEMs のさらなる性能向上に繋がると考えられる。

〔研究経過および成果〕

音速評価を行った。本論文では，圧電性増幅が確認

AlN, GaN は「機械損失，誘電損失が小さい」，「高できた CrAlN 膜について記す。

いキュリー温度」，「有害物質である鉛が含まれてい

CrAlN 膜は RF マグネトロンスパッタ法により形成しない」，「窒化物半導体デバイスとのモノリシック化がた．ターゲットには Cr インゴットを Al ターゲット上に配可能」等の特徴を有し，MEMS 用の圧電薄膜として置したものを用い，Cr インゴット量は調節することで有望である。欠点は鉛系 PZT 材料より圧電性が小さ

Cr 濃度を制御した CrAlN 膜を基板上に成長させた。

いことである。2008 年，AlN 薄膜への Sc ドープにより作製した AlN 及び CrAlN 薄膜の結晶配向性を

圧電性が大きくなることが秋山らにより報告された．こ2θ-θX 線回折法を用いて評価した（図 1）．すべてのの発見以来，様々な研究機関より Yb, MgZr 等他金

試料で 36º 付近の (0002) AlN ピークが観察された．

属元素ドープによる AlN, GaN 薄膜の圧電性増幅がこれにより c 軸配向薄膜が形成されていることが確認実証され，他元素ドープ窒化物薄膜を用いた MEMs

できた．また，(0002)ＡｌＮピークは Cr 濃度が増加する

開発も国内外問わず盛んに行われている。しかし，につれ低角側へシフトしており，c 軸長さが Cr ドープ

Sc，Yb はレアメタルであり非常に高価である．MgZr

により伸長することがわかった。Cr 濃度 16%で顕著では二元素ドープとなるので，濃度制御が難しいといっあるが，Cr をドープすることで 2θ=40º 付近にピークがた問題点がある．そこで，本研究では，AlN および現れた。これは AlN 結晶内に Cr が固溶せず，薄膜GaN 薄膜の圧電性を増幅する安価な他元素ドープ

中に形成された CrN 粒によるものと考えられる．

材の探索を目的とし，スパッタ法により様々な元素を

次に薄膜表面に上部電極膜を形成することで薄膜ドープした AlN，GaN 膜を形成，結晶構造評価，数

音響共振子を作製し，その周波数特性から CrAlN 薄100MHz 以上高周波領域での電気機械結合係数 kt2，

膜の圧電性評価を行った。

30

(10 1̄0)AlN(0002)AlN (0002)Ti

target cooling of 20  C (FWHM<3 )target cooling of 20  C (FWHM  3 )target cooling of 5 C (FWHM<3 )target cooling of 5 C (FWHM  3  )insertion of AlN layers (FWHM<3 )insertion of AlN layers (FWHM  3 )pure AlN(111)CrN

Cr0.21Al0.79N
(a) 7

6

Coupling factor kt [%]Log. Intensity

Cr0.16Al0.84N

2

Cr0.08Al0.92N

4

Cr0.06Al0.94N

32

Cr0.03Al0.97N

1

Cr0.01Al0.99N0(b) 11

図1

3540
2  [deg.]

45

Phase velocity [km/s]

AlN

30

5

50

CrxAl1-xN 薄膜の 2θ-θXRD パターン

図 2 に CrAlN 膜の Cr 濃度に対する電気機械結合

10.5
10
9.5
9
8.5
8
7.5

係数 kt2 と縦波音速 VL を示す．図 2(a)より，AlN 膜への 1-4%程度の低濃度 Cr ドープによって kt2 が増加す

0

0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 0.24
Cr concentration of CrxAl1-xN films

図 2 Cr 濃度に対する(a)電気機械結合係数 kt2，(b)ることがわかった．特に，Cr 濃度 1.23% CrAlN 膜の
kt2 =5.91% は純 AlN 膜の約 1.35 倍であった．一方，

縦波音速 VL

Cr 濃度 x=4%以上は，Cr 濃度の増加とともに kt2 は減

表 I AlN，CrAlN，ScAlN の kt2 の比較

AlN

少した．さらに，8%以上では音波励振は観察されな

CrAlN

ScAlN

かった．これは薄膜が AlN の性質が絶縁性から Cr ド

conc.

---

1.2%

21%

5%

28%

ープにより導電性へと変化したことに起因する．図

kt2

4.3%

5.9%

---

4.8%

7.4%

2(b)より，縦波速度 VL は Cr 濃度の増加とともに減少〔学会発表〕

2

した．この VL の減少は，kt の増幅が確認されている

1. T. Takano, R. Hayakawa, M. Suzuki, S. Kakio,

他の他元素ドープ ScAlN 膜と同様の傾向である．

“Increase of electromechanical coupling coefficient2

最後に ScAlN 薄膜の kt と比較したものを表Ｉに示

in c-axis oriented AlN films by chromium doping

す．低濃度ドープについて，ScAlN は Sc 濃度 5%時，

at low concentrations, The 41st Symposium on

kt2＝4.8％と報告されている．それに対し今回の報告

Ultrasonic electronics, 2020/11/25.

である Cr 濃度 1.2%時の kt2＝5.9%であり Sc ドープよ2. 高野，早川，鈴木，垣尾，Cr ドープ c 軸配り高い増幅率を示した。高 Cr 濃度においても導電性

向 AlN 薄膜の圧電特性，第４９回 EM シンポが発現しない CrAlN 膜が形成できれば，ScAlN 膜よジウム, 2020/10/6..

り高い圧電性が得られると期待できる。

他学会発表 2 件，論文 1 報査読中(21/1/29 現在)

31

【助成 37 -16】
キャリア高調波で自己励磁可能な電動車向け磁石フリーモータの開発と最適な制御手法に関する研究

研究者 静岡大学工学部 助教

青山 真大〔研究の概要〕
資源の乏しい我が国において，電気の効果的な利用の拡大を図り，我が国経済の健全な発展と国民生活の向上を図るためには，1 つの可能性として製造業や自動車産業など様々な分野で広く使われている“モータ”の高効率化を実現することが重要である。本研究では，モータ駆動システム上，不可避に発生する空間高調波およびキャリア高調波を界磁エネルギー源として利用できる技術基盤の構築に挑戦する。その第一歩としてそれらの高調波をモータ性能向上に利用できる技術を試作による実機検証によって確認し，その駆動特性を明らかにした。

〔研究経過および成果〕ことができ，ロータを自励で磁化させることが可能にな

モータの小型化と銅損を低減できる集中巻構造がる。本研究では，将来的な磁石フリーモータへの発広く採用されている。一方，集中巻ステータ構造上不展を見据えて，まずは従来構造から磁石量を半分に可避に発生する第 2 次空間高調波はモータ損失（鉄した図 3 に示す構造の試作機を製作し，高調波成分損）の発生源となっており，如何に低減するかが技術によって自励原理で磁化して性能向上できることを確課題となっていた。さらに一般にモータドライブシステ認した。実機検証は 3 段階のステージで行うこととし

ムは PWM 電圧制御駆動されるが，その際に制御上た。第 1 ステージでは，磁石量を半分に削減した箇

不可避に発生するキャリア高調波もモータ損失（鉄所にロータ巻線を配置し，ダイオード整流回路結線し，損）の発生源となっていた。本研究は，従来の損失を不可避に発生する高調波成分を利用してトルクおよ低減するという研究手法とは異なるアプローチを行い，び効率特性が向上することを実証した。第 2 ステージ

損失の発生源となっていた高調波成分をモータ性能

では，ロータ巻線のダイオード整流回路にインピーダ向上に利用することを企図するものである。図 1 に電ンス調整用のコンデンサを付加し，LC 共振原理によ磁界シミュレーションにより可視化した第 2 次空間高ってロータの磁化量を共振周波数近傍で向上できる

調波とキャリア高調波を示す。この高調波磁束がローことを実証した。現在は第３ステージの段階であり，第タ上に配置されたロータ巻線に鎖交することで同期

3 ステージではキャリア周波数と共振する LC 共振回駆動するモータにおいてはそれらの高調波成分は非路をロータ巻線ダイオード整流回路内に付加し，キャ同期成分となるため，誘導起電力が発生する。そのリア周波数と空間高調波の双方によってモータ性能

誘導起電力を図 2 に示すように，ダイオード整流回路向上を実現する。

を介して整流することでロータ巻線に界磁電流を得る

図 4 に上記の実機検証結果を示す。同図にてト32

おける駆動評価結果をまとめる。それらの研究成果を基盤として当該原理で駆動するモータの設計指針を明らかにし，磁石フリー化構造の磁気回路構築に取り組む。電動車用モータの要求仕様で試作を行い，実機検証することでその技術基盤を確立させ，査読学術論文への投稿，共同研究先の公募や技術展示への出展を行い，本研究成果を広く社会へ発信していく。
図 1． 電磁界シミュレーションによる高調波磁束可視化

図 4． 効率マップ実機評価結果（左：提案，右：比較対象）

図 2．ダイオード整流による自励原理

図 5． キャリア高調波利用による性能向上検証〔発表論文〕
１． 熊井巧・青山真大：「空間高調波を利用した受動可変界磁 PM モータの提案と実機検証」，電気学会論文誌 D, Vol.141, No.4, pp.1-12 (採択決定，
図 3．試作機および試作機評価システム

2021 年 4 月号)

ルク特性向上および高効率領域拡大により，第 1 ス

２． 青山真大・熊井巧：「空間高調波自励式巻線界

テージの目標を達成した。発表論文 No.3 にて LC 共

磁形同期モータにおける可変速特性の考察」，

振周波数近傍によるトルク特性向上を確認でき，第 2電気学会半導体電力変換/モータドライブ合同

ステージの目標を達成した。図 5 に電磁界解析シミュ研究会， MD-21-025，Jan. 2021.

レーションによる第 3 ステージに事前検討結果を示す。

３． 熊井巧・青山真大：「空間高調波を利用した受動同図から，電磁界解析シミュレーションにおいては第可変界磁 PM モータへの LC 共振利用における3 ステージに目標を達成できる見込みである。

低速性能向上」, 電気学会半導体電力変換/モ

今後の予定は，現在実機検証中の第 3 ステージにータドライブ合同研究会, MD-21-024，Jan.2021.

33【助成 37 -17】
周期流における振動翼の放出渦と推力の関係に関する実験的研究

研究者 京都工芸繊維大学機械工学系 准教授

田中 洋介〔研究の概要〕本研究は、港湾施設の保守点検に用いる魚型自律型無人潜水機 (AUV: Autonomous Underwater Vehicle)の
水中運動高機動化を目的とする。とくに素過程をモデル化した周期流における振動翼について、放出渦と推力の関係を中心に研究を行った。得られた結果は、周期流と振動翼の振動周波数比が増加すると放出渦の渦間隔が狭まり、周期流の影響が推進力に対して小さくなることが明らかになった。さらに、周期流と振動翼の周波数が等しいときに相対位相差を変化させると、△φ=0.75πと 1.75πで揚力係数が 0 になることがわかった。

〔研究経過および成果〕

模擬した周期流はファンクションジェネレータをポン

日本国内では高度成長期に多くの港湾施設が開プのインバータと接続することで実現している。

港されてきた。老朽化に伴い適切な維持管理計画の策定が増加し、根拠となる現状把握が重要な位置を占めることになる。現状では、作業員やダイバーによる目視が中心に行われており、遠隔操作型の無人潜水機の利用も進んでいる。今後は安全強化、省人化、低コスト化が求められており、自立型無人潜水機に対する期待と関心が高まっている。本研究では、港湾部における魚型ロボットの水中機動を念頭におい図 1：周期流を発生する回流水槽と振動翼周囲流の粒子て素過程をモデル化した周期流における振動翼につ

画像流速測定法の観測システム

発表論文 1 では翼から放出される渦と推力の関係

いて実験を行った。
本実験は図 1 に示す回流水槽中で実施した。このを調査した。振動周波数と周期流の周波数比を 1 倍装置の観測部には任意の周波数で振動するから 3 倍に変化して観察した結果、PIV で得られた速NACA0012 翼を設置し、翼断面周囲の速度場を画像

度場を周波数解析することで周期流の影響が相対的

計測の 1 つである PIV（粒子画像流速測定法）で 2 次に小さくなり定常流中での渦放出の傾向に漸近する

元速度場を計測する観測システムが備わっている。

ことがわかった。同様の傾向は揚抗計から得られた

断面部は水槽下部に設置したミラー越しに高速度カ

推力でも確認された。

メラによって記録される。また、翼回転部の支持棒に

この結果から示された周期流の影響が大きい周波揚抗計を取り付けているため、翼に生じる推力と揚力数比が 1 付近では、魚型ロボットが港湾部の観測などが測定可能である。さらに、港湾部の複雑な流れをで静止に近い状態であり、水中機動の中でも重要で34

ある。そこで、発表論文 2 では、図 2 に示す振動周波

この影響を調べるために、図 4 に示す揚力係数に数と周期流の周期の位相差△φに着目して実験をついて測定した。振り下ろしに対応する位相差で、揚行った。

力係数の平均値が 0 から離れていることがわかる。一方で、△φ=0.75πと 1.75πで値は 0 付近になっている。このことは、位相差を利用することで周期流中の魚型ロボットの位置を制御出来ることが期待できる。
今後は、位相差だけではなく周期流と振動翼の振幅比にも着目して揚力係数や推力係数の測定を実施する。

図 2：周期流に対する振動翼の位相差の変化

まず PIV を用いて図 3 に示す振動翼が振り下ろされた迎角 0 度の位相平均速度場に着目した。図中の赤は流れに順方向、青は逆方向を示しており、位相差が△φ=1.0πから 1.5πにかけて翼後縁部に逆流する領域が観測される。とくに翼の上面と下面で対称
図 4：位相差と揚力係数の関係でないため、流れと垂直な方向に不釣り合いが生じる
ことが考えられる。

〔発表論文〕
１． Yoshitaka Isoda, Yohsuke Tanaka, Shigeru△φ= 0πMurata, “Experimental Study on the Influence of△φ= 1.0π

Frequency Ratio on Thrust and Vortex Structureof a Pitching Wing in a Periodic Flow”, Advanced△φ= 0.25π

Experimental Mechanics, Vol.5, pp. 38–43, 2020.

△φ= 1.25π

DOI: 10.11395/aem.5.0_38.
２． Yoshitaka Isoda, Yohsuke Tanaka, Takuma△φ= 0.5π

Sadanaga, Shigeru Murata, “Influence of Phase△φ= 1.5π

Differences between Periodic Flow and Angle ofPitching Wing on Lift Coefficient”, The 17th
△φ= 0.75π

International Conference on Flow Dynamics ,△φ= 1.75π

OS18-27, Miyagi (online), October 2020.

図 3：位相差ごとの振動翼周りの流れ方向

35

【助成 37 -18】
無細胞タンパク質発現系を封入した脂質膜マイクロチャンバによる膜タンパク質のハイスループット機能計測研究者 京都工芸繊維大学機械工学系 助教

外岡 大志〔研究の概要〕人工脂質二重膜を用いた膜タンパク質の物質輸送機能計測手法の中でも、蛍光計測を用いた計測手法は、電荷の移動を伴わない物質輸送の計測（電気的に中性な物質の輸送や等電荷物質の対向輸送の計測）が可能であるため汎用性が高く、近年積極的に研究開発が進められている。また、人工脂質二重膜による膜タンパク
質の蛍光計測システムを無細胞タンパク質発現系と組み合わせることにより、マイクロ液滴内部で任意の膜タン
パク質を発現させ、その膜タンパク質をそのまま機能計測するという手法が提案されており、これを用いれば、膜タンパク質の合成から輸送機能計測までを一つのデバイス中で短時間に行うことができる。しかし従来法は、αヘモリシンや EmrE といった膜タンパク質の物質輸送を検出するまでに１時間程度の時間がかかっており、膜タンパク質の薬剤スクリーニングへの応用を考えると更なる高速化が必要である。本研究では、膜タンパク質の物
質輸送機能計測の高速化に向けて必要となる技術開発を行った。

〔研究経過および成果〕

滴内濃度を大きくする必要がある。また、基質として先行研究においては、脂質二重膜に貫通孔を形使用される物質の分子量を小さくすることにより、膜タ

成する膜タンパク質の物質輸送の検出に 1 時間程度

ンパク質により形成された貫通孔を通過する速度がの時間がかかっていた。この計測システムは、脂質分上昇し、その結果、一定時間経過後までに輸送され子を分散した油中でマイクロ水滴を接触させ、それらた基質による濃度上昇は大きくなる。従来研究におの接触界面に脂質二重膜を形成している。また、水

いては、基質としてフルオレセインジ-β-D-グルクロ

滴中には無細胞タンパク質発現系が封入されており、ニド（約 1 kDa）を使用している。

DNA から合成された膜タンパク質が脂質二重膜に導これら 2 つの観点からの考察に基づいて、本研究入される。片方の水滴中に酵素が、もう片方の水滴では、より体積の小さい水滴を用いて脂質二重膜に中に基質が含まれており、膜タンパク質が基質を輸囲まれた空間（脂質二重膜マイクロチャンバ）を形成送すると、もう片方の水滴内で基質が分解されて蛍光物質が生成される。これを蛍光観察することにより物質輸送が検出される。このような原理で膜タンパク
質の物質輸送機能を計測する際に、検出までの時間を短縮するためには、マイクロ水滴の体積を小さくすることによって、生成される蛍光物質によるマイクロ水図 1、作製した基板の概略図と顕微鏡画像

36

し、カルシウムイオンを基質とした膜タンパク質の輸送機能計測が可能なシステムの構築を目指して研究を行った。
まずは、より体積の小さい水滴、具体的には約160-630 fL の体積の微小水滴を利用して、脂質二重膜マイクロチャンバを作製した。作製方法は以下の通りである。まず、微小水滴をパターニングするための基板を作製した（図 1）。この基板は、ガラス基板上に

図 2、無細胞タンパク質発現系を封入した脂質二重膜マイ形成したサイトップ層を、フォトリソグラフィ技術を用いクロチャンバアレイの作製方法て、直径 10-20 µm の円形にエッチングすることにより作製した。サイトップ層の厚さは約 2 µm で親水性のガラス表面が露出している。サイトップは疎水性、ガラ
ス表面は親水性であるため、脂質を分散した油中で水溶液を基板表面に沿って動かすと、親水性部分に微小な水滴をアレイ状に作製することができる。その

図 3、無細胞タンパク質発現系を封入した脂質二重膜マイ上部から、さらに別の水溶液を接触させると、水溶液

クロチャンバアレイの顕微鏡画像

同士の接触界面に脂質二重膜が形成されることが知

光強度上昇を計測することにより、脂質二重膜を介しられている。この方法を参考に、本研究では、無細胞た物質輸送を検知できると考えられる。これまでに無タンパク質発現系の溶液を用いて微小水滴と脂質二細胞タンパク質発現系の存在下でカルシウムイメー

重膜の形成を行った（図 2）。この結果、無細胞タンパ

ジングを行った例はないため、本研究では、これを実ク質発現系を封入した体積が 160-630 fL の脂質二現するための条件検討を行った。その結果、脂質二重膜マイクロチャンバを得た（図 3）。

重膜マイクロチャンバ内に無細胞タンパク質発現系と次に、基質をカルシウムイオンとして脂質二重膜を共に Rhod-2 を 67 µM、エチレンジアミン四酢酸を 1介した物質輸送を検出するためのシステムを考案しmM 加えた場合に、1 mM のカルシウムイオンに応答た。本システムは、赤色カルシウムイオン蛍光指示薬

して蛍光強度の上昇を検出できることが示された。今（Rhod-2）を用いる。微小水滴形成時に、無細胞タン後、更なる条件検討を行うことにより、より低濃度のカ

パク質発現系の溶液中に Rhod-2 も混合しておくこと

ルシウムイオン濃度でも検出できるようになると期待さにより、脂質二重膜マイクロチャンバを作製する。膜タれる。また、本研究で作製した、カルシウムイメージン

ンパク質により形成された貫通孔によって、脂質二重グに使用可能な体積が約 160-630 fL の人工脂質二膜マイクロチャンバ外からカルシウムイオンが内部に重膜マイクロチャンバにより、カルシウムイオンチャネ輸送されることにより、チャンバ内部の Rhod-2 とカル

ル等のカルシウムイオンを輸送する膜タンパク質の物

シウムイオンが結合し、蛍光強度が上昇する。この蛍質輸送機能を高速に検出できる可能性がある。

37

【助成 37 -19】
フェムト秒誘導ラマン分光法によるフォトクロミック材料の構造化学研究研究者 大阪大学大学院基礎工学研究科 助教

五月女 光〔研究の概要〕
光照射に伴い可逆的な異性化反応を示す化合物はフォトクロミック材料とよばれ、様々な光機能性材料へ応用が期待される分子系である。この分子系の構造ダイナミクスを明らかにすることを目的として、振動スペクトルを通じて構造追跡が可能なフェムト秒誘導ラマン分光装置を構築した。製作した分光装置の性能を評価するとともに、試料系の探索のために行った中赤外域の時間分解分光測定の結果から、励起状態における連続的な構造変化および周囲の溶媒分子との衝突による冷却過程を経ながら生成物へ至ることがわかった。一方、フェムト秒誘導ラマン測定においては現状の信号対雑音比では反応途中の励起状態に由来する信号を得ることは難しかったものの、同様に励起状態における構造変化が予測されるナノカーボン材料では、分子骨格の変形に起因する信号を明瞭に捉えることに成功した。

〔研究経過および成果〕

分子を検出できる過渡吸収分光法を用い、ジアリー

フォトクロミック化合物とは光照射により可逆的な異ルエテン誘導体のダイナミクス研究が進められている。

性化反応をおこす分子系であり、反応の前後では色

しかし、この分光手法は励起状態分子の電子状態に調などの光物性だけでなく、誘電率や酸化還元電位

関する知見を与えるものの、反応の進行とともに時々といった様々な物性変化を伴う。その中でもジアリー

刻々と変遷していく分子構造をとらえることは検出選

ルエテンとよばれる分子群は高い熱的安定性や繰り択性の問題から難しい。現状、この特異な異性化反返し耐久性のため単一分子光メモリーや光スイッチン

応を特徴づける構造情報が欠落しており、ダイナミク

グ材料といった光機能性材料への応用が期待されてスの包括的な理解が進まないことが課題である。このいる（図１）。

ような背景のもと、本研究では、フォトクロミック反応ダ
イナミクスを電子状態と分子構造の両面から明らかにするために、反応途中にある分子の構造をフェムト秒（10-15 秒）の時間分解能で検出可能なフェムト秒誘導
ラマン分光（FSRS）装置を開発した。

図１．ジアリールエテンのフォトクロミック反応

図２に新規に構築した FSRS 装置の概略図を示す。

このフォトクロミック反応は、光励起により生成した電現有のフェムト秒レーザー光源の出力を３つに分け、子励起状態において進行するため、励起状態におけ

１つ目の光パルスは電子遷移を誘起しフォトクロミック

る反応ダイナミクスを観測、解明することは、より優れ反応を開始させるための Actinic pump 光に変換した。

た光機能性材料を設計するうえで重要な課題である。

２つ目の光パルスは回折格子とスリットを用いたフィル

このような動機から、我々を含め極短寿命の励起状態38

ターにより 10 cm-1 程度まで狭帯域化し、誘導ラマン過ギー曲面上を進行する中で、連続的な分子構造の変程を誘起するための Raman pump 光とした。３つ目の化や周囲の溶媒分子との衝突による冷却過程が進行

光パルスはサファイアプレートに集光照射することにしていることを示している。この観測結果は査読付きより、800-950 nm の広帯域白色光に変換し、誘導ラマ

国際雑誌にて成果発表を行うとともに、掲載された巻ンスペクトルを観測するための Raman probe 光とした。

の front cover に選定された。

シクロヘキサン溶媒などを標準試料とした測定から、製作した測定装置はおよそ 10 cm-1 の波数分解能をもっていること、分子構造の変化が鋭敏に現れる 300
cm-1 から 1900 cm-1 の波数領域で測定が可能なことを確認した。

図３．ジアリールエテン閉環体の時間分解赤外スペクトル

上記の結果に基づき、ベンゾチオフェンタイプのジ
アリールエテン誘導体の FSRS 測定を行った。基底状
態のラマンスペクトルには、1595 cm-1 に電子環状反応を起こす中央の６員環の C=C 二重結合伸縮振動
図２．フェムト秒誘導ラマン分光装置の概略図

モードに由来するピークが観測されたが、励起光を導次に、FSRS 測定により構造ダイナミクスの観測が容入して分子を励起状態へ遷移させた場合には、現状

易なジアリールエテン誘導体を探索するために、中赤の信号対雑音比では反応途中の励起状態に起因す

外域の時間分解吸収分光を用いて予備的な測定をる信号は観測されなかった。一方、ジアリールエテン

行った。図３にジアリールエテン誘導体の時間分解赤と同様に、励起状態における構造変化が期待される外スペクトルを示す。光励起直後に、基底状態にある

ナノカーボン材料のひとつであるシクロパラフェニレン

反応物の濃度減少を意味する負の信号とともに、励の測定では、光励起後から分子骨格の変形と考えら起状態の生成を示す正の信号が観測された。この正れる信号が観測された。今後さらなる計測装置の改良の信号は時間の経過とともに 14 ps で減衰し、1274を進め広範なフォトクロミック分子系の構造ダイナミク

cm-1 に新たな振動ピークが立ち上がってくる様子が確スの解明に適用する。

認された。これはフォトクロミック反応の生成物がこの〔発表論文〕

時間スケールで進行することを意味している。特筆す１． Hikaru Sotome*, Hajime Okajima, Tatsuhiro

べきは、励起状態の振動ピークが単調に減衰するの

Nagasaka, Yuka Tachii, Akira Sakamoto, Seiya

ではなく、有限の励起状態寿命の中で高波数側へシ

Kobatake, Masahiro Irie, Hiroshi Miyasaka*,

フトしながら減衰する点である。このスペクトル挙動は、

ChemPhysChem, 2020, 21, 1524-1530 (Front

反応物から生成物へ励起状態のポテンシャルエネル

cover に選定).

39

【助成 37 -20】
量子中継器へ向けた半導体量子ドット電子スピンの多値読み出し手法開発

研究者 大阪大学産業科学研究所 助教

木山 治樹〔研究の概要〕本研究では、GaAs/AlGaAs 横型量子ドットを用いて、４つの 2 電子スピン固有状態全てのシングルショット読み
出しに取り組んだ。スピン読み出しでは、従来用いられてきたスピン一重項/三重項読み出しと単一電子スピン
読み出しを組み合わせた。スピン一重項と三重項 T0 については読み出しに成功したが、T＋と T-に関してはスピン緩和のために読み出しが精度が低く、今後の改善が必要である。また、高スピン状態読み出し実験結果の解析にも取り組んだ。高スピン状態の緩和がスピン一重項や三重項の緩和と比べて 10 倍程度速いことが分かった。
この速い高スピン緩和について、厳密対角化法による緩和レートの計算から、電子相関の寄与が示唆された。

〔研究経過および成果〕
本研究では、スピン閉塞現象を利用したスピン一重項/三重項読み出しと、単一電子スピンのゼーマン分裂を利用したアップスピン/ダウンスピン読み出しを組200nm

み合わせ、４つの 2 電子スピン固有状態全てのシング
ルショット読み出しおよび単一量子ドット内におけるス

図１. GaAs/AlGaAs 横型四重量子ドットのピン緩和ダイナミクスの観測に取り組んだ。

電子顕微鏡写真。

試料として、GaAs/AlGaAs ヘテロ基板を用いて横型四重量子ドットを作製した(図１)。図 1 下側の４つのき、4 つの 2 電子スピン固有状態をランダムに生成す

量子ドットの内、安定した動作を示した左から２つのることを意図したが、1 電子スピン読み出し実験よりス

量子ドットを用いた。また、図１上側には量子ドット電

ピン偏極しており、アップスピン(↑)：ダウンスピン(↓)

荷計を 2 個作製した。電荷検出は高周波反射測定法＝６：４～７：３程度でトンネルすることを確認した。

を用いた。測定は、超伝導マグネットを有する無冷媒

多値スピン読み出しでは、初期状態に対してまず希釈冷凍機を用いてベース温度 15ｍK、電子温度

スピン一重項/三重項読み出しを実行し、次に各電160ｍK で行った。

子に対して 1 電子スピン読み出しを実行した。各スピ

スピン閉塞を用いたスピン一重項/三重項読み出

ン読み出し{一重項/三重項読み出し、1 電子スピン読

しでは、準安定電荷状態への変換による高忠実度化

み出し①、1 電子スピン読み出し②}の結果が｛一重の手法[P. Harvey-Collard, Phys. Rev. X 8, 021046

項、(任意)、(任意)｝、｛三重項、↑、↑｝、｛三重項、↑、(2018)]を採用した。初期状態の準備では、2 つの電↓｝、｛三重項、↓、↓｝のとき、それぞれ一重項 S、三子を 2 次元電子面からドットにトンネルさせた。このと重項 T+、T0、T-と判別される。

40

図 2. 2 電子スピン固有状態多値読み出し実験で

図 3．高スピン状態 Q+3/2、F+2 の緩和レート

得られた各スピン状態確率の待機時間依存性。

の磁場依存性。

緩和ダイナミクスを測定するために、初期化後の待示す。２電子スピン一重項 S や三重項 T0 の緩和レー

機時間に対するスピン状態確率を測定した(図 2)。一

トも比較のために載せてある。S、T0 の緩和レートは磁重項(Singlet)と T+ に関しては、T+ から一重項への緩場に対して単調増加するのに対し、F+2 は単調減少、和が観測できている。一方、T0 と T-に関しては、期待

Q+3/2 は 4.0T で極小を示した。これは各励起エネルギ

される値よりも小さな確率が得られた。これは、緩和ーの磁場依存性を反映している。

時間が数百マイクロ秒程度であると推察されるのに対

図３の結果から、２電子スピン一重項 S や三重項 T0

し、スピン測定時間が 200 マイクロ秒であったため、スの緩和と比べて、 高スピン状態の Q+3/2 や F+2 の緩和

ピン緩和によるものであると考えられる。2 電子スピンが一桁程度速いことが判明した。この緩和レートの違は多準位系であり、また角運動量選択則により異なるいの起源として、我々は電子相関の寄与に着目した。

緩和ダイナミクスを示すと期待されたが、今回の実験

２電子スピンの緩和に関して、電子数の増加とともにでは明確な違いは観測できなかった。今後、実験条

緩和レートも増大することが報告されており、電子相

件の改善が必要である。

関によるスピン軌道相互作用の増強によるものと推測

本研究では、量子ドット中の電子スピン状態の内、されている。本研究では、同一電子数でも高スピン状

これまで報告例の少ない高スピン状態についても生態の緩和の方が S や T0 の緩和より速いことが実験的

成・読み出し手法および緩和ダイナミクスの研究を行に確かめれられており、スピン配置の影響が大きいこった。既に実験を完了していた高スピン生成・読み出とが示唆されている。本研究では既に厳密対角化法

しの実験結果について、解析と理論的考察を行っを用いた計算により、速い高スピン緩和の定性的なた。

再現に成功している。

図３に、３電子高スピン状態 Q+3/2 (スピン角運動量S = 3/2、Sz = +3/2)と４電子高スピン状態 F+2 (スピン角〔発表論文〕

運動量 S = 2、Sz = +2)の緩和レートの磁場依存性を

無し。

41

【助成 37 -21】
アト秒時間域で駆動する光ファンクションジェネレーター

研究者 徳島大学ポスト LED フォトニクス研究所 特任准教授

吉井 一倫〔研究の概要〕人類はこれまで光の波長，位相，偏光そして強度を利用し様々な光技術を発展させてきた．しかし，未だ応用できていない光の自由度が「電場波形そのもの」である．モノポール，矩形波などの任意光電場生成のためには，いわゆる光と呼ばれる波長域（赤外―可視―紫外）すべての位相と振幅を制御しなければならない．このような超広帯域光の伝搬には物質が本質的に持つ分散により時間波形の拡がりが伴うため，現実の任意光電場発生は極めて困難である．筆者らは，超広帯域に渡る離散スペクトル群に対し光を空間的に分離することなく，どれだけ物質中を伝搬させても必ず任意電場を発生できる原理を発見した．本研究ではこの原理を適用した「光ファンクションジェネレーター」を開発する．

〔研究経過および成果〕

これまでごく一部の研究グループでしか行われて■研究目的いなかったアト秒科学が，他分野の研究者にとっ本研究で申請者は，J 級のエネルギーを持つナて身近に広く展開されていくことを目指す．

ノ秒パルス光を基本波光とする第 5 次高調波まで■研究内容のハーモニクスを対象に，新規のスペクトル振１．提案した振幅・位相操作原理の正当性の実証

幅・位相操作手法を適用し，パルス幅約 400 as

２．振幅・位相操作原理を用いた OFG の構築の任意電場波形を整形できるの光ファンクション■研究状況

ジェネレーター（Optical function generater:

１．本原理の正当性の実証

OFG）の開発を第一の目的とする．既存の OFG では

周波数間隔 125 THz の 7 本のモードで構成され約 100 μJ 程度に制限されていた出力を 1000 倍以

る帯域 750 THz の離散スペクトルを対象に本研究上の 300 mJ まで高出力化することを目指す．

構想と同様の振幅・位相制御を行い，SPIDER-DS

このアト秒 OFG の実現により，これまで真空中装置にてパルス幅を評価した．その結果，分散媒や固体試料のごく表面近傍でのみ行われてきた 1

質長に対する位相の変化は計算と非常によく一致

サイクル以内の光電場と物質との相互作用が，固する周期構造を示した．強度時間波形のピーク値

体試料の深部や，異なる結晶接合界面，光平面導がフーリエ変換限界の 98.8%まで回復し，パルス

波路中や光ファイバーの伝送先，また液体中の金

幅 1.2 fs で 8.02 fs 周期で繰り返すパルス列の発属粒子やイオン，さらには生体試料中などあらゆ生に成功した[1](図 1)．この結果は，本 OFG が実る透明媒質の内側で行えることを世に示す．装置

現可能であることを強く支持する．

の複雑・高価さと限られた相互作用環境を理由に

２．振幅・位相操作原理を用いた OFG の構築

42

図 2.

徳島大学に構築した光ファンクションジェネレーターのセットアップ写真．

④高調波発生用非線形光学結晶：第 2, 3 次高調波
用に KTP 結晶を，第 4 次高調波用に BBO 結晶を設計し組み込んだ．
⑤振幅・位相制御部：振幅制御部は複屈折媒質である水晶のくさびペアと偏光子から構成される．
位相制御部は等方媒質である合成石英プリズムペアと CaF2 プリズムペアから構成される．それぞれ
図 1. 新規の光波形制御技術の実証実験結果．
物質長に対するパルスピーク強度の変化(上:
実験値，中:計算値)．下:最短パルス位置でのパルス波形（測定値）．論文[1]より引用．

のプリズムは数十 nm オーダーの精度と数十 mm オ

本申請で提案している OFG の構築を行っている．

今後は引き続き OFG 開発の残り部分を遂行してーダーの掃引長を有する高精度自動ステージにて移動される．

現状の実験セットアップ写真を図 2 に示す．本申いく．特に，５倍波発生部を早急に開発する．そ

請予算は特に振幅・位相制御部の開発に用いられの後，パルス幅計測のための SPIDER-DS 装置の開た．

発と電場波形計測装置の開発を進める．

①注入同期型 Q-switched Nd:YAG ナノ秒パルスレーザー〔発表論文〕②注入同期用シードレーザー光源＆キャビティ―1. C. Zhang, K. Yoshii, D. Tregubov, C. Ohae,
J. Zheng, M. Suzuki, K. Minoshima, M.
Katsuragawa, Physical Review A, 100,053836-1-10 (2019).

制御システム：シード光源として用いる予定の波
長 1064 nm ヨウ素安定化半導体レーザーを開発し2. K. Yoshii, H. Sakagami, H. Yamamoto, S.
Okubo, H. Inaba, and F.-L. Hong, Optics
Letters, 45, 129-132 (2020).

た[2]．
③エルビウム添加モードロックファイバーレーザ
ーを基本光源とした光周波数コム43【助成 37 -22】
共振器-プラズモン強結合のダイナミック化と、顕微光コム分光によるその場観察に関する研究

徳島大学ポスト LED フォトニクス研究所 准教授

山口 堅三〔研究の概要〕金と PNIPAM から成る MIM 共振器を作製し、温度変調による光共振特性の可変化を実現した。これをフリース
ペクトルレンジで定量すると、非加熱と加熱状態におけるそれぞれの共振器長は 40.6 m と 27.0 m と見積もった。これにより、温調制御で PNIPAM の共振器長を変化可能な動的光学素子の開発に成功したと言える。そこで、
金ナノ粒子分散 PNIPAM をスピンコート法で成膜することで、先述よりも薄い MIM 共振器を作製した。金ナノ粒
子分散 MIM 共振器中の単一金ナノ粒子からの温度変調散乱光測定より、光共振特性の可変化を観測した。このシフトは、金ナノ粒子分散 PNIPAM で形成した NPoM の温度変調散乱光特性と定性的に一致したことから、共振器-プラズモン強結合の動的光特性の観測に成功したと考える。

〔研究経過および成果〕

発設計指針を得ることができる。

共振器は、単一波長の光を閉じ込め、動作するよ

金（20 nm）／ゲルマニウム（2 nm）／カバーガラス

う設計されている。このため、温度や湿度などの外的の M 層と、PNIPAM の I 層から成る MIM の 3 層構造

要因に大きく左右される。一方で、刺激応答性ポリマ

によるファブリ・ペロー型（Fabry-Pérot 以下 FP）共振

ーのような外部刺激により先の要因を制御できればと器を作製した。ここで、M 層は、真空蒸着法で成膜し、考えた。本研究では、金属／誘電体層／金属SEM と AFM で薄膜表面を評価した。M 層成膜後は、（metal/insulator/metal 以下 MIM）共振器内にポリ N

紫外線照射併用オゾン処理で薄膜表面の濡れ性を－イソプロピルアクリルアミド（以下 PNIPAM）を組み向上させた。I 層の PNIPAM は、1.0 w/v%の水分散で合わせることで、共振器長を温度で可変可能な動的調製した後、M 層へ適量滴下し、別の M 層で挟み、光学素子の開発を第 1 の目的とした。さらに、金属微MIM 共振器とした。作製した共振器を温度制御し、粒子（nano particle 以下 NP）を金属薄膜上に散布し試料からの反射光を計測した。

た（NP on mirror 以下 NPoM）の狭空間への光閉じ込

図 1 の SEM 像より、隙間のない（島状でない）薄膜めに着目し、先の動的 MIM 共振器と組み合わせた、形成を確認した。AFM 像より、表面粗さの小さい平坦共振器-プラズモン強結合の動的光学特性を明らかな膜であった。図 2 の MIM 共振器の温度制御とそのにすることを第 2 の目的とした。これにより、例えば反射光特性より、構造由来の複数の共振ピークとそ

NPoM の狭空間にレーザの利得媒質を閉じ込めれば、の共振間隔の拡がりと可変性を確認した。

増強場による表面プラズモン（surface plasmon 以下

MIM 共振器の共振器長（I 層）を温度で可変可能

SP ） の 誘 導 放 出 を 可 能 と す る SPASER （ SP

な動的 MIM 光共振器を実現したことから、金（20 nm）

amplification by stimulated emission of radiation）の開／ゲルマニウム（2 nm）／カバーガラスの M1 層と、直44

径 100 nm の金ナノ粒子分散 PNIPAM の I 層、金（100nm）／ゲルマニウム（2 nm）／カバーガラスの M2 層から成る M1IM2 の 3 層構造による FP 型共振器を作製した。ここで、直径 100 nm の金ナノ粒子分散液を溶媒として、5.0 w/v%の PNIPAM を調製し、スピンコート法
により M2 層上へ I 層を成膜した後、M1 層で挟み、共振器とした。作製した試料の M1 層側から光を入射し、温度変調散乱光特性を評価した。
図 3 より、単一の NPoM の散乱光特性をベースとし、これに MIM 共振器の構造由来の複数の共振ピークと、

図 2 MIM 共振器の反射光スペクトル

その共振間隔の拡がり、さらに温度変化に伴うスペク
トルのレッドシフトを確認した。
以上のことから、金と PNIPAM から成る MIM 共振器を作製し、温度変調による光共振特性の可変化を実現したことから、第 1 の目的である共振器長を変化可能な動的光学素子の開発に成功した。また、
PNIPAM 中に金ナノ粒子分散した金ナノ粒子分散
MIM 共振器を作製し、その単一金ナノ粒子からの温度変調光共振特性の可変化を観測したことから、第 2の目的である共振器-プラズモン強結合の動的光特
図 3 金ナノ粒子分散 MIM 共振器の温度変調散乱性の観測に成功した。

光特性〔発表論文〕
１． 関洋伸、山口堅三、原口雅宣、岡本敏弘、“温度応答性高分子（PNIPAM）による熱可変型
光共振器の作製と評価”、
2020 年度応用物理・物理系学会中国四国支部
合同学術講演会、Bp-4、2020 年 8 月

図 1 金薄膜の表面から MIM 共振器の金膜厚を決定

45

【助成 37 -23】
紫外光渦レーザーパルスを用いた機能性半導体ナノ・マイクロ結晶粒子の創製

研究者 九州大学大学院システム情報科学研究院 准教授

中村 大輔〔研究の概要〕本研究では紫外光渦を導入したレーザー照射光学系を構築し，複数種の半導体材料を対象としてナノ・マイク
ロ結晶粒子の合成を行った．可視波長レーザーでは加工が困難なワイドギャップ半導体（ZnO）において高効率に円環状の表面加工を実現し，ナノ結晶粒子の合成に成功した．また，Sr3Sn2O7:Nd および ZnO については
赤外光渦によってマイクロ結晶球合成を達成した．さらに，光渦を物質に照射した際のレーザー生成プラズマのダイナミクスを解析するため 2 次元輻射流体シミュレーションを行ない，レーザー生成プラズマに起因する表面質
量移動過程の再現を世界で初めて実証した．

〔研究経過および成果〕(a)

パルスレーザーを集光照射することで瞬間的に物(b)

質を融解・蒸発・プラズマ化することが可能である．レ
1 mm

ーザーアブレーションといわれるこの現象を利用した金属や半導体のナノ・マイクロ粒子合成が盛んに研

図 1 光渦変換前後のビーム断面プロファイル

究されている．その中で，我々はレーザーによる物質(a)変換前，(b)変換後．

の融解現象に着目し，球体形状と結晶構造を併せ持面プロファイルを示す．光渦変換後は円環状の強度
つ微結晶粒子の合成技術を開発している．さらに，分布となっていることが分かる．この光渦パルスをエ
軌道角運動量をもつ光渦を用いた融解物質の飛翔

ネルギー55 μJ/pulse にて焦点距離 f=50 mm のレ制御と合成される微結晶粒子のサイズ制御に成功しンズを用いて半導体表面に集光照射した．その後，ている．本研究では，赤外光の光渦およびフォトンエ

表面の照射痕を Scanning electron microscope

ネルギーの高い紫外光の光渦を導入したレーザー照（SEM）にて観察した．まず，ワイドギャップ半導体で射光学系を構築し，新たな機能性半導体ナノ・マイク

ある ZnO を対象として，石英基板上にパルスレーザ

ロ結晶粒子の実現を目指して複数種の半導体材料ー堆積法で作製した ZnO 薄膜（膜厚 400 nm）に対を対象としてナノ・マイクロ結晶粒子の合成を行った．

して紫外光渦パルスを照射した．その結果，図 2(a)実験において，レーザー光源には Nd:YAG レーザーに示すように円環状の強度分布に対応した照射痕がの第三高調波（波長 355 nm，パルス幅 10 ns）を用得られ，その加工深さは，最も深い位置においてほいた．光渦生成には螺旋位相板と 1/4 波長板を用い

ぼ 膜 厚 に 対 応 し て い た ． 図 3 に ZnO お よ びて直線偏光ガウスプロファイルのレーザー光を円偏Sr3Sn2O7:Nd に対してレーザー照射することで合成

光光渦に変換した．図 1 に光渦変換前後のビーム断された粒子の SEM 像を示す．いずれも結晶構造をも

46

(b)

(a)

10 μm
図 2 光渦照射後の ZnO 薄膜表面の(a)SEM 像，(b)AFM 計測による 3D 表示．

図 4

円環状強度分布のレーザーパルスを Si表面に照射した際のパルスピーク時におけ

(a)

(b)

る(a)密度分布と(b)電子温度分布．
うに円環状強度に対応して高温のプラズマが形成さ

20 μm

4 μm

れていることがわかる．また，興味深いことに圧力分

図 3 ナノ・マイクロ粒子の SEM 像．(a)ZnO

布や電子密度に関してはプラズマの膨張に伴い光軸ナノ粒子，(b) Sr3Sn2O7:Nd マイクロ粒子．

上が非常に高くなる時間領域があることが示された．
光渦生成プラズマ中の微粒子形成においてプラズマ

つ粒子であることを確認し，照射条件を制御すること

分布が大きく影響するが，従来のガウス分布レーザ

でナノ・マイクロ粒子の合成に成功した．

ー光では実現できない微粒子合成の可能性がこのシ

さらに，光渦を物質に照射した際のレーザー生成

ミュレーション結果から示唆された．本研究成果は光プラズマのダイナミクスを解析するため 2 次元輻射流

渦レーザーによるナノ・マイクロ結晶粒子合成の技術

体シミュレーションを行った．計算においてねじれ構基盤構築に大きく貢献するものであり，今後様々な材

造 形 成 の 実 績 の あ る Si に 対 し て 真 空 中 に て料に適用して応用展開を図る予定である．

1064 nm の円環状強度分布をもつナノ秒パルス〔発表論文〕（17 ns）を照射する条件とした．図 4 にレーザーパル

１． Daisuke Nakamura, Ryohei Tasaki, Miki

スのピーク時における Si 密度分布と電子温度分布を

Kawamoto,

示す．図 4(a)からわかるように Si 表面に円錐状構造

Higashihata, Hiroshi Ikenoue, Toshitaka

物の形成が確認される．これは，円環状強度分布のWakayama, Atsushi Sunahara, Takeshi

高い強度領域から中心に向かうレーザー駆動圧力にHigashiguchi,

よってもたらされたものと考えられ，円錐構造物の隆

structure produced by optical vortex pulse

起高さは実験結果に近い値であった．この表面の質

with structure evaluation by radiation

量移動によってマイクロ粒子形成と直線飛翔がもたらhydrodynamic

されていると推測される．次に，Si 表面に形成される

Reports, 10, 20512 (2020)

レーザー生成プラズマに着目すると図 4(b)に示すよ

Hiroki

Oshima,“Silicon

Mitsuhiro

twistedsimulation”,

cone

Scientific他、国際会議 2 件（招待講演 1 件）、国内会議 2 件

47

【助成 37 -25】
メカニカル波動伝搬構造を応用した新しい地中掘進メカニズムに関する研究

研究者 九州工業大学大学院工学研究院 准教授

永岡 健司〔研究の概要〕本研究では，極限環境へのロボット技術の応用に向けたブレイクスルーテクノロジーの一つとして，地中に埋没して掘進移動が可能なロボットシステムの研究開発をおこなう．効率的な掘進動作の実現に向けて，砂の排出と推進を連動させた掘進メカニズムの創成が必要となる．そこで，本研究では，まず回転運動で一次元の波動伝
搬を生み出すメカニカル波動伝搬構造を三次元的な蠕動運動に変換する試作初号機を製作し，その性能について実験的に明らかにした．次いで，得られた知見を元に，類似の蠕動作用をよりシンプルに作用させる機構として，マルチスクリュ式の掘進ロボットを開発し，実験によって地中への掘進が可能であることを示した．

〔研究経過および成果〕

ク機構を覆うように柔軟カバーを取り付け，複数の直既存の移動ロボットの未踏領域である地中におい径と材質の粒状体（プラスチック，アルミナ，ガラス）にて，掘削推進運動（＝掘進）が可能な埋没型ロボット

対する水平搬送実験をおこなった．実験結果として，システムを実現することは極限作業でのロボット応用

粒状体直径に対する波動 10 周期当たりの粒状体のに向けて大きなブレークスルーをもたらす可能性があ

搬送体積を図 2 に示す．これより，粒状体の直径が小る．そこで本研究では，地中掘進メカニズムの実現にさいほど搬送体積が多くなることが読み取れ，粒状体向けた最も重要な技術課題として，砂の排出と推進の直径が小さいほど搬送体積が多くなる，かつ比重を連動させた前衛的な掘進機構，メカニカル波動伝

ではなく摩擦係数が小さいほど搬送体積が多くなる

搬構造（Zarrouk et al., Bioinsp. Biomim., 2016）に着特性を有することが実験的に確認できた．その一方目し，一次元的な波動伝搬を三次元的な蠕動運動

で，これら一連の実験から得られた知見として．三次に拡張して地中掘進する機構の実現可能性につい元的に土砂で拘束された地中を掘進する場合には，て研究を進めてきた．

螺旋部品とリンクにおける構造的複雑さと強度に課題

本研究で開発したメカニカル波動伝搬機構の試作があることが明らかになった．

初号機を図 1 に示す．回転モータに接続した回転部
品を介して，リンク機構で波動を逐次伝搬させるユニット機構を応用して，土砂のような粒状体を内外部搬送可能なメカニカル波動伝搬構造を設計・製作した．
単一モータの回転動作によって三次元的な蠕動運
動に似た動作を生み出すことが可能な構造となって
図 1：メカニカル波動伝搬機構の試作初号機（上：ユニット機構 CAD モデル，下：組図外観）

いる．本試作初号機の性能評価をおこなうため，リン48図 2：メカニカル波動伝搬機構（初号機）による
粒状体の水平搬送実験の結果
以上の試作初号機の検討結果を踏まえて，地中のような周囲からの拘束力が強固に働く環境下では，よりシンプルな機械構造が重要との考えから，円筒形
図 3：マルチスクリュ式掘進ロボット試作機（上：外観，左下：実験環境，右下：実験の様子）状に螺旋スクリュを巻き付けた構造をベースとして複数配置することで，土砂に対してメカニカル波動伝搬

は，完全埋没状態から 10cm 程度の垂直掘進を実現に類する作用を与える，新たな地中掘進メカニズムのすることが確認できた．特に今回の実験を通じて得ら

機構設計と実機開発に取り組んだ．

れた知見として，効率的な地中掘進を実現する上で本研究で設計開発したマルチスクリュ式掘進ロボッ

は，前方土壌の排出（空間生成）と前進力の生成のト試作機を図 3 に示す．重量 2.1kg，全長 28cm，最大バランスが重要であり，前進力を大きくする（重力負直径 20cm であり，3 つの側面スクリュはそれぞれ同じ荷を大きくするなど）ことは掘進動作の妨げになること

回転モータを内蔵した独立駆動型かつ省スペースなが明らかとなった．前進を抑えながら「ゆっくり進む」，

機械設計とした．先端スクリュについては，反トルクのという新たな開発指針を示すことができたといえる．

低減のため側面スクリュとは螺旋が逆巻きに配置し，今後は，本研究で得られた結果を踏まえて，螺旋本体中央のベースに固定した回転モータによって駆スクリュのシンプル構造を基軸としたメカニカル波動

動する．開発したロボット試作機の掘進性能の基礎

伝搬メカニズムを発展応用させて，「ゆっくりと前進す

評価実験を実施した．実験環境および実験中の様子る」地中掘進メカニズムの創成に向けて，研究開発をを，同じく図 3 に示す．本実験では，鹿沼土（細粒，継続していく予定である．

粒径 1-2mm）で充填した土壌層を対象環境とした．また，月惑星での応用を想定して，ロボット本体に作用〔発表論文〕

する垂直荷重をキャンセルさせ，かつ掘進開始時（特１． 赤星美彩子, 永岡健司: 月・惑星掘削探査のたに完全埋没に至るまでの期間）のモータ反トルクを手めの波動伝搬機構を用いた土砂搬送メカニズム

動でキャンセルさせた条件下で初期動作試験を実施の基礎検討, ロボティクス・メカトロニクス講演会

した．本実験の結果，試作機は完全埋没状態まで掘2020 講演論文集, #2P1-B07, 2020.

進することが可能であることが確認できた．最終的に49

【助成 37 -26】
素粒子(ミューオン)の双極子モーメント超精密計測を実現する
高精細検出器システムの開発
研究者 総合研究大学院大学高エネルギー加速器科学研究科 准教授 岸下 徹一〔研究の概要〕本研究は、ミューオンの磁気双極子である g-2 を世界最高感度で測定することを目的として、実験のカギとなる
シリコンストリップセンサーを読み出すための高精細なエレクトロニクスを開発することにある。要求性能としては、
ミューオンの崩壊事象を捉えるために高いタイミング精度と優れた雑音特性を持ったアナログ性能と、実験環境に適した消費電力や、多チャンネル性が求められる。そこで本研究では、先端半導体プロセスを用いてカスタム
ASIC(特定用途向け集積回路)を試作し、評価試験で実験要求を全て満たすことを確認したのち、実機用エレク
トロニクスの量産製作を行った。

〔研究経過および成果〕するために SPICE シミュレータを用いて既存の回路本研究で開発する高精細エレクトロニクスを自分構成に修正を加えた。ミューオン g-2/EDM 実験では、たちの手で開発するために、まず設計環境の整備にストリップセンサーに荷電粒子が大量に通過した際に取り組んだ。今回のチップは、アナログ回路とデジタ

最大 1.4 MHz/strip という高計数率環境になることか

ル回路が組み合わさった混載チップであるが、過去

ら信号のパイルアップによるエレクトロニクスの不感時の開発では、デジタル部は Verilog HDL 言語までの間を下げるために、50 ns 以下の信号立ち上がり時間、記述を自分たちで行い、レイアウトは主に外注してい100 ns 以下の信号幅、5 ns 以下の time-walk (出力さた。しかしこの手法では、回路検証とレイアウトの修正れる信号の立ち上がり時間が入力される信号強度にが柔軟に行えない。そこで東京大学大規模集積シス

どの程度依存するかの度合い)が要求される。また雑テム設計教育研究センター(VDEC)を経由してライセ

音に関しても低雑音信号処理(ENC<1600e-)が必須

ンス提供されている Cadence 社の CAD ツールの中かである。こうした数ある要求性能の中でも 5 ns 以下とら、開発に用いる Silterra 社の 180 nm CMOS テクノロ

いう“time-walk”の値が効率的な飛跡検出のカギをに

ジーと相性の良い検証ツールを選択し、(1) Verilog

ぎる最重要パラメータである。実機量産を開始する前

HDL 言語を用いて全体の動作仕様を決定したのち、に、要求性能を満たしたチップが実現できるかを、(2)トランジスタ群で構成されているスタンダードセル

実機と全く同じ仕様の試作チップで実証した。

に置き換える回路合成を行い、そして(3) レイアウトを

図 1 に試作したチップの写真を示す。チップサイ

自動生成し、(4) 寄生容量などを加味したモデルによズ 6.5 mm x 7.2 mm のチップ左側に 128 チャンネル

るタイミング検証を実行する、といった開発に必要なのストリップセンサーを並列に信号処理するためのア

一連のプロセスを自分たちで実行できるようにした。

ナログ回路が縦方向に並び、タイミング信号が発生し次にアナログ回路に関して、より高い性能を実現たイベント情報を保持するためのメモリをはじめとする50

デジタル回路がチップ右側に配置されている。チップ

活かせると期待している。

の評価試験は、4 チャンネルおきに、実験で用いるシリコンストリップセンサーと同程度の模擬的な検出器
容量 33 pF をアナログ回路の入力部に接続し、合計32 チ ャ ン ネ ル の 分 布 と し て 評 価 し た 。 図 2 にtime-walk 性能の結果を示す。測定値は、0.38±0.16
ns となっており、実験要求である 5 ns を大幅に達成していることが実証され、精度の高いミューオン検出が期待できる結果となった。同様に雑音特性に関しても、要求値である 1600 e-(rms)という換算雑音電子数に対して 1547±75 e-という値を確認している。またその

図 1: 本研究で開発したシリコンストリップ読み出し用

他の機能も仕様通りの動作を確認できたため、次のフロントエンドエレクトロニクス

ステップとして、量産チップの製作を開始した。評価
試験で得られた結果に関しては、米国の電気・電子学会誌に論文として投稿し、出版されている。また、高エネルギー加速器研究機構の素核研ニュースとしても取り上げられている。
(https://www2.kek.jp/ipns/ja/post/2020/03/202003
09/)
ミューオン g-2/EDM 実験で用いるシリコンストリッ
プセンサーは、高エネルギー素粒子・原子核実験に

図 2: 128 チャンネル中 32 チャンネルの time-walk

おいて幅広く用いられている汎用検出器であり、本研

性能のばらつき。当初の実験要求値は 5 ns であっ究で開発したストリップセンサーの信号処理回路は回た。

路パラメータを適切に調整することで別の物理実験〔発表論文〕に応用していくことが可能である。これまでは、こうし

１． “SliT:A

strip-sensor

readout

chip

with

た先端半導体集積回路技術を全面的に活用した読subnanosecond time walk for the J-PARC muon

み出しシステムの開発は、欧米が先行しており、日本

g-2/EDM experiment”, T. Kishishita et al., IEEEは完成された検出器システムを借りて実験を行うこと

Trans. Nucl. Sci., vol.67, pp.2089-2095, 2020.

が多かったが、本研究によって日本においても自分

２． “Developmentofたちの手で実験に合わせた測定器システムが開発でSilicon-strip

Detectors

きる環境が整えられつつあると認識しており、本研究g-2/EDM Experiment”, Y. Sato et al., Nucl. Instr.

で得られた知見を将来の物理実験のための開発に

Meth. A, vol.969, 164035, 2020.

51

Front-endof

ASIC

J-PARCforMuon

【助成 37 -27】
センサ・メモリスタ一体型においセンサに向けたメモリスタのリセット特性制御とガス識別実証研究者 富山県立大学工学部 講師

岩田 達哉〔研究の概要〕Pt/TaOx/TiO2−z/TiOy/Pt 積層型メモリスタにおける素子構造によるリセット特性の制御指針を得るべく，TiOy 層堆積時の酸素流量並びに TiO2−z 層の膜厚を変えた素子を作製し，これらが素子特性へ及ぼす影響を評価した．作製素子がアナログリセットを生じる電圧範囲(ΔVReset)を評価したところ，TiOy 層堆積時の酸素流量とTiO2−z 層の膜厚がともに大きくなるほど ΔVReset が大きくなることがわかり，両者の組み合わせによって柔軟に
ΔVReset が制御可能であることを見出した．さらに，XPS による組成の深さ方向分析および化学結合状態分析の結果から，ΔVReset の違いは，TaOx/TiO2−z 界面近傍における Ti の酸化状態に関連することが示唆された．

〔研究経過および成果〕

表 1: 素子の作製条件

本研究では金属酸化物メモリスタのセンサ時系列

TiOy 堆積時酸素流量

データ処理応用に向け，これまでに TaOx を抵抗変化
TiO2−z 膜厚層，TiOy (y: 0~1)を酸素保持層としたメモリスタにおいて TiOy 層の組成がアナログリセット特性に影響することを明らかにしている．本稿では図 1 に示す TaOx とTiOy 層の間にさらに TiO2-z 層を挿入した素子を作製

0 nm

0 sccm

0.6 sccm

1.1 sccm

#1

#2

#3

5 nm

#4

10 nm

#5

し，TiOy 層の組成および TiO2-z 層の膜厚が素子特性で堆積した．さらに， TiOy 堆積時の酸素流量並びにに及ぼす影響を評価した．なお，Pt を電極材料としてTiO2-z の膜厚を様々に変化させ素子を作製した．表 1

用い，上部 Pt と TaOx の界面には接着層として膜厚 5に素子の作製条件とそのラベルを示す．

nm の Ti を挿入している．TaOx, TiOy, TiO2−z の各層

図 2 に#5 の電流–電圧(I – V)特性の例を示す．たは反応性スパッタリングにより堆積し，TaOx は Ta2O5 タ

だし，初期低抵抗化過程であるフォーミングについてーゲットを用いて堆積した．一方，TiOy, TiO2-z は Ti タは記載していない．図 2 の電圧は上部電極に対するーゲットを用い，堆積時の酸素流量を制御することで，極性を表し，負バイアスを印加すると，約－1.5V で低TiOy は金属モード，TiO2−z は酸化物モードの条件下抵抗化（セット）が生じ，一方で，正バイアスを印加す
ると約 0.86 V から 1.8 V の範囲で徐々に電流が減少

Pt/ TiTaOx

20 nm

TiO2−z0 – 10 nm

TiOy

10 nm

(抵抗が増加)するアナログリセット特性が見られた．
本稿では ΔVReset を図 2 に示したアナログリセット特性を生じる電圧範囲として定義し，ΔVReset の素子による違いを評価した． 図 3 に ΔVReset を素子ごとに示す．

Pt

図 1: 作製素子の断面模式図52

∆VResetComposition (%)

Abs. current (A)100

10Analog
reset

5 Set

0
Voltage (V)12Composition (%)-1

図 2 作製素子の典型的な I – V 特性

Composition (%)

0.5

0

#2

#3

#4

図 3: 素子ごとの ΔVReset．プロットは中央値を，Pt(a) #2 TiO2−z: 0 nm

2080(b) #4 TiO2−z: 5 nm

60
40
20

80

(c) #5 TiO2−z: 10 nm

60
40
20
0

#5

Ta

40

0
100

1

Ti

60

0
100

0

VReset (V)

80

O

10

20
30
40
Etching time (min)50

図 4: 各素子の組成の深さ方向プロファイル．

エラーバーは最大および最小値を表す．

かった．対して，TiOy 層の組成はおよそ 1:1 であり，

ただし，#1 については，初期抵抗が小さく，図 2 に示

TiO 相として存在していると考える．一方，#4, 5 におしたようなアナログリセットが見られなかった．まず，#2

いては，界面近傍における TaOx の還元は見られず，と#3 を比較すると，ΔVReset の中央値はそれぞれ 0.42界面近傍での組成比はおよそ Ti : O = 1 : 2 であった．

V, 0.71 V であり，TiOy 堆積時の酸素流量を大きくす

界面近傍のスペクトルを詳細に評価すると，Ti2+と Ti4+

ることで ΔVReset の増加が見られた．一方，#2, 4, 5 を比すなわち，TiO 相と TiO2 相が混在しており，さらに，

較すると，TiO2-z の膜厚が大きくなるとともに，0.42 V#5 のほうが Ti4+ の存在比が大きいことも分かった．

から 0.89 V まで大きくなり，TiOy の組成に加え，

TiO2−z の膜厚によって顕著に ΔVReset の違いが見られ

TiO2−z なる高酸素組成層の導入によっても ΔVReset をたことを踏まえると，本結果は界面近傍における Ti2+

大きくすることが可能であることが分かった．

と Ti4+の存在比が ΔVReset に影響することを示唆する．

次に，このような ΔVReset の違いが生じた理由を検討

以上の結果は，TiOy 層の組成に加え，高酸素組成するため，#2, 4, 5 について XPS 深さ方向分析を行っ層である TiO2−z 層の界面への導入による，より精密なた．その組成プロファイルを図 4 に示す．ただし，評ΔVReset の制御につながるものである．

価試料には上部 Pt/Ti を形成していない試料を用い〔発表論文〕

た。まず，#2 においては，TaOx/TiOy 界面近傍で TaOx

１． 岩 田 達 哉 ， 吉 河 武 文 ， 澤 田 和 明 ， Chemical
Sensors, vol.36, no.4, 127-133, 2020.

の酸素組成が減少している(還元されている)ことが分53

【助成 37 -28】
次世代トランジスタに向けた高信頼性 Ge MOS 界面に関する研究

研究者 東京理科大学工学部 助教

柯 夢南〔研究の概要〕CMOS デバイスの次世代チャネル材料としての Ge の重要な問題は、高品質のゲートスタックの形成です。ここで、1nm 以下の EOT と約 1011eV-1cm-2 の低 Dit によるプラズマ後酸化によって実現された Al2O3/GeOx/Ge 構
造は、有望なゲートスタック構造です。ただし、残りの問題の 1 つは、大量の遅い準位の存在です。本研究は、
C-V 曲線のヒステリシスを使用して Nst を評価することを Al2O3/GeOx/p-Ge MOS 界面明確に研究しました。
C-V ヒステリシスを注意深く調べると、小さな正のゲートバイアス（<Vth）での遅いトラッピングは、ホールトラッピン
グにのみ起因することがわかります。一方、大きな正のゲートバイアス（> Vth）の下では、遅い電子トラップが遅い
トラップ特性にさらに影響を与えることがわかります。

〔研究経過および成果〕

気的ストレスによってわずかに変化します。

図 1 に、プラズマ酸化プロセスを用いた厚さ 1.5nm

電子遅い準位は p-Ge MOS 界面のフォワードスキの Al2O3/GeOx/p-Ge のプロセスフローと構造を示し

ャン中に発生するため、p-Ge MOS 界面の遅い準位ます。電子遅い準位は GeOx に存在し、GeOx/Ge 界密度を定量的に評価するには、CV ヒステリシスを使面の近くにあり、これらの電子トラップは n-Ge だけで用して Nst を計算するために電子と正孔の遅い準位

なく p-Ge MOS 界面の C-V ヒステリシスに寄与する可を区別することが非常に重要です。したがって、Vg を能性があります。 p-Ge MOS 界面での C-V スキャン

最大電圧（Vstart）と最小電圧（Vstop）の間で繰り返中に電子遅い準位が実際に発生するかどうかを調べしスキャンし、Vstart を増加させながら、新しい測定をるために、ここでは、C-V スキャンの保持時間の影響

提案する必要があります。実験結果を図 2 に示します。

を調べます。 C-V 測定中の Vstop（Vmin）および2

Vstart （ Vmax ） ポ イ ン ト で の 保 持 時 間 は 、 一 定 の

1.5

V
2

C (f/cm )Vstop および Vstart 値の下で変化します。つまり、バstop

ックスキャン中の遅い準位の占有率は、長時間の電10.5

forward
scan

back
scan
Vhys
V

start3V

V

start1start20-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
Vg (V)
図 2 同じ Vstop と増加する Vstart を使用した
サイクルスキャンの C-V 曲線。

ここでは、図 2 から抽出したフォワードスキャンとバック
図１ 1.5nm Al2O3/GeOx/p-Ge のプロセスフロー。

スキャンの VFB の値を、図 3 の Vstart-VFB の関数と54

してプロットします。フォワードスキャンの VFB は、

おり、n-Ge の蓄積領域や p-Ge MOS 界面の反転領
1012

Vstart 電圧がより大きい場合でも増加し続けることが確認されています。この p-Ge MOS 界面では約

2-2

Nst(cm )0.84V である Vth は、電子遅い準位密度の増加（Nst-e）を反転電子フィールドの関数として決定できることを意味します。バックスキャンの VFB はほとんどの現象は、後方 C-V スキャンが大量のトラップされたことを示しています。つまり、p-Ge のホール遅い準位
密度を正確に測定するには、Vstart を小さくする必要

VFB (V)

0.4
0.3

=V

start

Accumulation
hole
trap

Inversion

107

トラップが存在することを示しています。一方、Vstopthホールドタイムでわずかに増加したホールトラッピン
グは、Al2O3/GeOx/p-Ge 界面の電子遅い準位よりもはるかに近い Nst-h を検出し、時定数が長いことを意

Backward

味します。また、これらのホールトラップは Al2O3 およ
V

0.1
0

electron
trap

域に関係なく、伝導帯側付近に非常に長い時定数のelectron trap
Forward0.2x

図 4 p-Ge MOS 界面の電子場の関数としての正孔と電子の遅いトラップ密度。 n-Ge MOS インタ
ーフェースの電子スロートラップ密度も参照としてプロットされています。

電子遅い準位の影響をわずかに受ける可能性がある

V

3

Al2O3/GeOx/p-Ge
1011 610
Eox(V/cm)

変化せず、高い正の電圧でわずかに増加します。こ0.5

electron slow trap
Al O /GeO /n-Ge[7]

0.5

V

stop

=-1.1V1
1.5-V (V)

startび Al2O3/GeOx 界面の近くに存在することも報告さ2れています。

FB

図 3 同じ Vstop と増加する Vstart を使用したフォワードおよびバックスキャンの VFB 値。

結論、正孔と電子の遅いトラップを区別するためのがあります。同様の Nst-e が観察されます。これは、新しい測定手順が提案され、p-Ge ゲートスタックに適電子の遅い準位が正の電圧によってのみ影響を受用されました。強い反転ゲートバイアスで明らかな電けることを意味します。この現象は、図 4 に示すように、

子遅い準位は、Nst-Eox の関係を理解する上で非常

p-Ge MOS 界面の電子と正孔の遅い準位密度を区に重要であり、有効な電子と正孔の遅い準位密度は、別できることを示しています。p-Ge の電子トラップ密それぞれ p-Ge MOS 界面で評価できます。

度は n-Ge MOS 界面の電子トラップ密度と同じです。

〔発表論文〕

これも参考としてプロットされていますが、正孔の遅い

１． M.

Ke,

M.

Takenaka,andS.

Takagi,

準位密度（Nst-h）は Vstart <Vth を使用して測定でき“Contributions of electron and hole slow traps toます。Nst-h と比較すると、かなり高い Nst-e が観察さ

hysteresis

れます。これは、p-Ge 測定の Vstart を慎重に決定す

Al2O3/GeOx/p-Ge MOS capacitors”, 50th IEEEる必要があることを意味します。これらの結果は、遅Semiconductor Interface Specialists Conference,

いトラップへの電子トラップの時定数が広く分布してSan Diego, CA, Dec 11-14, 2019.

55

in

C-V

characteristicsof【助成 37 -29】
ハーモニーの感性情報を活用した和音進行生成インターフェースの開発

研究者 日本大学文理学部 助手

植村 あい子〔研究の概要〕本研究では，アマチュアがハーモニーの響きを手掛かりに楽曲生成ができる簡便なインターフェース作成に向けて，和音進行のスタイルをコントローラとして Variational Autoencoder (VAE)の潜在空間に着目し，リハーモナ
イズされた楽曲を用いて，和音進行生成のモデルの構築と基礎検討を行った．Long short-term memory(LSTM)で和音の時間方向の接続を考慮し，メロディを条件として組み込むことで，モーフィングベースでの和音進行生成を行うことができた．

〔研究経過および成果〕を改良した(図 1)．
2 つの和音進行の潜在変数をそれぞれ z1，z2 とす

本研究では，初心者がハーモニーの響きを手掛かると，モーフィングした曲の潜在変数 z は以下のようにりに簡単に楽曲生成ができるインターフェース作成に表される．

向けて，リハーモナイズされた楽曲を用いてモデルの構築と楽曲生成を行う．リハーモナイズとは，メロディ

この α � �0� 1�を操作し z をデコードすることで新たなはそのままにある楽曲の和音進行を変更することで楽曲の雰囲気に変化をつけることをいう．リハーモナ

和音進行を得ることができる．童謡「あしたのあしたのイズされた楽曲は，楽曲間で機能和声はある程度共

またあした」について，原曲 z1 とフランス風スタイル z2のモーフィング例を図 2 に示す．

通するものの，聴いた際の印象が異なるという特徴がある．そこで，ハーモニーは「和音の進行・連結に関評価実験では，「The Water Is Wide」18 スタイルとする情報 (機能和声)」と「印象を左右する感性的な「あしたのあしたのまたあした」6 スタイルの MIDI デー情報」から成り立つと仮定し，リハーモナイズされた曲

タを用いて，原曲 z1 とそれ以外のスタイル z2 について

α を 0.1 刻みで変化させ得られた 242 曲を分析した．

を用いてモデルの構築を行う．
本研究では和音進行のスタイルのコントローラとし

JSymbolic1を用いて曲ごとに標準的な major と minorて VAE の潜在空間に着目し，モーフィングベースのの三和音，dim と aug，M7，7th，標準的ではない和音，

和音進行生成に取り組んできた．しかし，和音の響き

同時発音数が 4 音以上の和音，垂直方向の不協和

は和音の時間方向の接続を考える必要があり，それ音の割合を算出した．その平均値を図 3 に示す．提がモデルに組み込まれていなかった．また，リハーモ

案モデルでは，標準的ではない和音や垂直方向のナイズでは同一のメロディにフィットさせるという制約

不協和音の割合が低いことを確認した．
また，和音進行のピッチクラスについて安定性を調がある．これらを解決するために，Long short-term
memory (LSTM)とメロディを条件とすることで，モデル
156

http://jmir.sourceforge.net/jSymbolic.html

図 1 提案モデル

図 2 モーフィングによる和音進行生成例

図 3 生成された和音進行の評価べるために，ピッチクラスヒストグラムのエントロピーをンターフェースへの応用が期待できる．

算出した．VAE モデルでは 2.54，提案モデルでは

今後は，音楽的制約を取り入れ，不協和音を抑制

2.46 となった．提案モデルでは時間方向の接続情報するようなモデルを検討し，インターフェースの作成が保たれ，従来法より提案モデルの生成結果のピッを行いたい．

チクラスが安定していることが確認できた．

〔発表論文〕

加えて，潜在変数は変えずにメロディ条件のみを

１． AikoUemuraand

TetsuroKitahara,

変更したところ，入力のスタイルを反映している和音“Morphing-Based

進行が得られた (発表論文 1)．

LSTM-VAE,” Proceedings of The 2020 Joint

本研究では，LSTM とメロディ条件を用いることで，Reharmonization

using

Conference on AI Music Creativity, 2020 年 10

VAE ベースのモデルを改善し，モーフィングベース

月．

の和音進行生成を行った．また，メロディの条件を変２． Mio Kusachi, Aiko Uemura, Tetsuro Kitahara, “A

更することにより，音楽的な質感を維持したままコード

Piano Ballad Arrangement System,” Proceedings

進行を変化させることができた．これらは潜在空間をof The 2020 Joint Conference on AI Music

可視化し，潜在空間上にプロットされた和音進行を操Creativity 2020 年 10 月．

作することで探索しながら好みの進行を探すようなイ

57

【助成 37 -30】
近赤外分光法による医薬品の非破壊・迅速真贋判定のための分光デバイス非依存型判別システムの構築研究者 武蔵野大学薬学部 講師

服部 祐介〔研究の概要〕低・中所得国における偽造医薬品の多くは，感染症に用いられる抗生剤や抗マラリア薬など，このような国々において需要の高い医薬品がほとんどである．このような医薬品による健康被害を防ぐために迅速かつ簡便に判別でき，誰でも使用できる使いやすく安価なシステムが必要である．本研究では，このようなシステムを開発する
ため，汎用性のある分光データベースの構築と，そのデータベースを利用した低価格分光デバイスによる判別が可能か検討を行った．しかし，データベースのデータと判別用のデバイスデータが異なるため，データの補正が必要であることである．結果として，不良品の判別は難しく，より高精度なデバイスが必要である．一方で偽造品は 80％の精度で検出が可能であった．今後，データベースの拡張とより様々な薬剤への応用が必要である．

〔研究経過および成果〕的とする．世界的に問題とされている偽造医薬品は，新興諸国における低・中所得国では，医薬品市場

抗生物質，抗マラリア薬，抗結核薬などの感染症にに意図的に偽造品を流通させている事例が増えてい関する薬剤が主である．そこで，今回の研究では，る．WHO の報告によると，全体の 10.5%が偽造医薬

WHO の必須医薬品や耐性菌を作らないため，小児品あるいは不良品とされており，それらによる健康被の肺炎など感染症に用いられる amoxicillin を対象と害が懸念されている．国際的な規制当局等が品質，し，近赤外分光法を用い，偽造医薬品を判別可能な

供給プロセスを管理するべきであるが，低・中所得国判別モデルの構築と適用のためのプラットフォームのにおいては十分に機能していないと考えられる．早可能性を検討した．また，より汎用性を高めるため，急な監視体制の強化が必要であるが，消費者自身あ

高性能な分析装置だけでなく，小型で安価な携帯型

るいは薬剤師によって，現場で判別することも健康被分析装置による判別性能についても検証を行った．

害を防ぐために重要である．近赤外分光法を用いた

本論文は，アジア 9 ヶ国，アフリカ 5 ヶ国から入手し非破壊分析は以前から行われているが，このようなた合計 14 製品の amoxicillin カプセル剤について，

国々においては，次のような条件が求められる．１）安近赤外スペクトルを取得し，スペクトルデータベース

価である，２）小型・携帯可能である，３）迅速かつ正に基づいた判別を行うシステムの可能性と最適な判確な判別が可能である．

別方法について検討したので報告する．

本研究では，医薬品の近赤外分光データのクラウ

データベースの構築には，高性能な分光器として

ドデータベースを構築し，多変量解析・機械学習によ

FT-NIR（MPA，ブルカー・オプティクス）を用いて測る判別分析が可能な IoT プラットフォームの構築を目定したスペクトルを採用した．判別用のスペクトルデ

58

ータは，小型の波長分散型（Wavelength dispersive

明確な判別分析が行えないため，PCA で得られた主spectrometer: WD） NIR 分光器（NIRONE-S1.4, S1.7,

成分スコアについて SVM を行った．

S2.0, S2.2, Spectral Engines）を用い測定した．

表に FT-NIR データに基づいた予測モデルを構築

分光データに基づく判別分析の前に，液体クロマト

し，WD-NIR データによる不良品と偽造医薬品の予グラフィー（HPLC）による各製品の有効成分分析を

測判別の結果を示す．

行った．その結果，12 製品については，1 カプセル当

表 WD-NIR による予測判別結果（S1.7）たりの表示量に対してほぼ 100％の含有量が確認さ

NPC*

検出数

誤検出

検出漏れ

れた．しかし，1 製品については表示量の 84％，1 製

3

0

22

15

4

0

25

15

そのため，前者は不良品，後者は偽造品とし，分光

5

3

11

12

データに基づいた予測判別を試みた．

3

12

0

3

4

9

0

6

5

12

0

3

品については，有効成分がまったく検出されなかった．

不良品

2nd derivative

偽造品

0.002

*予測判別に使用した主成分（PC）の数

0-0.002

不良品の検出は，15 データ中 3 にとどまり（20%），
誤検出も見られた．しかし，偽造品は，15 データ中 12

1400

1500
1600
Wavelength (nm)が正しく検出され（80%，検出漏れ 20%），誤検出はな
かった．不良品に含まれていたアモキシシリンは 84%

図 アモキシシリンカプセルの WD-NIR(S1.7)（灰色）と波長へであり，正規品との差を判別するには，今回の方法で変換後の FT-NIR（黒）スペクトル．赤はアモキシシリン原末のは精度不足していた．この原因は，予測モデル

スペクトルを示す．

（FT-NIR）と予測用データ(WD-NIR)が同一ではない

予 測 モ デ ル の 構 築 に は ， FT-NIR デ ー タ を 波 数

ためではなく，WD-NIR スペクトルの分解能などが十（cm-1）から波長（nm）に変換し，WD-NIR: NIRONE 各

分ではなかったと考えられる．したがって，不良品をモデルに対応した波長間隔に補正を行った．得られ正確に判別するためには，破壊的試験や FT-NIR ス

たスペクトルを図に示す．全体的に FT-NIR スペクト

ペクトルによる精度の高い方法が求められる．

ルのピークの方が WD-NIR スペクトルと比較してシャ

一方，不良品については高い確率で予測判別がープであり，アモキシシリンのピークが確認された．

可能であった．今後，データを増やし予測精度の改補正後，判別分析法として，主成分分析（PCA）と善と他薬剤を用いたデータベースの拡張を目指す．

サポートベクターマシーン（SVM）による判別予測モ〔発表論文〕

デルを構築し，WD-NIR データを用いて判別予測を

１． Y. Hattori, Y. Hoshi, Y. Ichimura, Y. Sugiura, M.

行った． PCA を行った結果，S1.7 と MPA のスペクト

Otsuka, Appl. Spectrosc., inpress.

ル間に主成分スコアの類似性が見られた．PCA では，

59

【助成 37 -34】
心拍誘発脳電位のリアルタイムフィードバックによる運動学習促進支援システムの開発

研究者 大分大学福祉健康科学部 講師

菅田 陽怜

〔研究の概要〕内受容感覚は、人間における感情の本質的な根源であるとされる一方で、内受容感覚の鋭敏さが身体の適切な制御能力の高さと関連することも知られている。そこで、本研究では「内受容感覚が変化すれば運動機能もそれに続き変化する」という仮説のもと、内受容感覚の指標の一つである心拍誘発脳電位（HEP）に焦点を当ててその科学的検証を行った。その結果、HEP 成分をリアルタイムでフィードバックし、それを制御するトレーニングを課すことによって、運動学習能力を向上できる可能性が示された。

〔研究経過および成果〕

システムを構築した。脳波データは MATLAB API に

１．はじめにより、リアルタイムで Matlab にて収録できるよう設定し近年の研究で身体内の臓器や生理状態についてた。脳波は国際 10-20 法に準じて C3 領域から計測し、の感覚として「内受容感覚」という言葉が使用されてHEP を抽出するための心電図は鎖骨下にて計測した。

いる。この内受容感覚は、人間における感情の本質

参照電極は左の耳朶とした。心電図の R 波を自動で的な根源であるとされる一方、内受容感覚の機敏さ検出プログラムを実装し（図１）、R 波を基準（0 ミリ秒）

は身体内のモニタリング能力、すなわち身体の適切として-100～500 ミリ秒の脳波を Matlab にリアルタイムな制御能力の高さを意味することが報告されている。

で取り込み HEP をリアルタイムで解析し被験者に視このことは、内受容感覚の変化に従属して運動機能

覚フィードバックするシステムを構築した。

が変化する可能性があることを示している。そこで、本研究では、内受容感覚の指標の一つである心拍誘発脳電位（hearbeat-evoked potentital; HEP）に着目し、一次運動野から得られる HEP の脳波リアルタイ
ムフィードバックシステムを開発し、同システムを用いて HEP のリアルタイム制御トレーニングを行なうことで

図 1 心電図 R 波の自動検出

運動学習能力が変調されるかを検証することを目的
３．HEP 計測予備実験とした。

構築した HEP フィードバックシステムの信頼性を検証するために、人を対象として、HEP の計測実験を行

２．HEP リアルタイムフィードバックシステムの構築
8 チャンネルワイヤレス生体計測装置（ポリメイトミニ

った。対象は 21 歳の健常者とし、安静時の脳波およAP108）を用いて、HEP のリアルタイムフィードバック

び心電図データを 5 分間計測した。R 波の自動検出

60

機能を確認後（図２A）、HEP が検出できているかを調

振幅については、安静状態の HEP と比較して、HEP

べるために、R 波を基準として切り出された脳波の加制御トレーニング時にはマイナス方向に HEP 振幅が算平均波形を算出した。その結果、R 波検出後の増大する傾向がみられた（図３A）。また、HEP フィード

300～400 ミリ秒後に、HEP の成分を確認することがでバック後にはボタン押しの運動学習のパフォーマンス

きた（図２B）。

が向上する傾向がみられた（図３B）。

〔
図３ HEP フィードバックによる変化
A．フィードバックの有無による HEP の差。
B．HEP 制御トレーニング前後の運動学習課題のパフォーマンス（下に行くほどパフォーマンスが良好）

５．結論
HEP リアルタイム制御トレーニングを⾏うこ

図２ 心電図 R と脳波 HEP 成分とにより、運動学習能⼒が向上する可能性が⽰さ

A．計測された 5 分間の心電図について、R 波を基準に重ね書きした図。
B．R 波を基準に切り出された 286 回分の脳波を加算平均した図。

れた。今後は更に被験者数を増やすことで、結果の信頼性向上につなげていく必要がある。

４．HEP リアルタイムフィードバックが運動学習に及ぼ〔発表論文〕す影響

１． RoleHEP リアルタイムフィードバック制御が運動学習能

ofbeta-band

resting-statefunctional

力を変調するかを明らかにするために、実際の健常

connectivity as a predictor of motor learning

者１名を対象とした実験を行なった。HEP 計測の予備

ability. Sugata H, Yagi K, Yazawa S, Nagase Y,

実験で得られた結果をもとに、5 回分の R 波を検出し、Tsuruta K, Ikeda T, Nojima I, Hara M,

その 200～300 ミリ秒後の脳波 5 回分を移動平均しな

Matsushita K, Kawakami K, Kawakami K.

がら被験者に棒グラフでリアルタイムに５分間フィード

NeuroImage 210 116562-116562 2020

バックした。被験者には棒グラフの意味は告げず、そ２． Off-line effects of alpha-frequency transcranialの棒グラフをマイナス方向に大きくするよう指示を行

alternating current stimulation on a visuomotor

った。HEP が運動学習に及ぼす影響を調べるために、

learning task. Harada T, Hara M, Matsushita K,

HEP 制御トレーニング前後にはボタン押し運動学習

Kawakami K, Kawakami K, Anan M, Sugata H.

課題（系列反応時間課題）を実施した。まず、HEP のBrain and Behavior e01754 202０61

【助成 37 -35】
視-触覚間相互作用に着目した視知覚調節メカニズムの解明と半側空間無視のリハビリテーションへの応用

研究者 東京都立大学システムデザイン学部 准教授 福井 隆雄
国立精神神経医療研究センター病院身体リハビリテーション部 部長 水野 勝広〔研究の概要〕COVID-19 の感染拡大の影響で実験実施に制限のある中，(i) VR 環境における疑似触覚生成，(ii) 周波数の高低判断におけるプリズム適応の影響について予備的検討を行った．(i)に関して，提示された接触物体の色が暖色である場合に，寒色に比べ，擬似触覚強度が大きくなることが確認され，色の持つイメージ（温冷感）が擬似
触覚強度に影響を与える可能性が示唆された．また，(ii)に関して，聴覚間隔二等分判定課題におけるプリズム
適応の影響を検定した．その結果，プリズム適応自体は生じていたが，課題への影響は認められず，Michel etal. (2019)が示したように，特定の参加者（音楽経験者など）に関する限定的なものであることが示唆された．

〔研究経過および成果〕

する際の減速変化を操作し，その減速変化割合が大1. VR 環境における疑似触覚生成

きいほど，擬似触覚の主観的評価値が大きいことを日常的な物の操作を行う際に重要な感覚である触示した．本検討では，接近物体の色が擬似触覚強度

覚について，さまざまな研究が行われており，視覚刺にどのように影響するかを検討した．

激のみが変化するにも関わらず，物理的には存在し本実験には，右利きの大学生 11 名（うち女性 5 名，ない触覚を経験する，擬似触覚(pseudo-haptics)と呼平均年齢 [± SD]： 22.1 ± 0.8 歳）が参加した．本

ばれる現象に関する研究が近年増えている．例えば，

実験は，東京都立大学日野キャンパス研究倫理委員

Lécuyer et al. (2004)は，マウス移動速度に対するモ会の承認を受けた．図 1 に示す通り，物体が秒速 23

ニター上のカーソルの移動速度を小さく（大きく）する

deg/s で手に接近し，手腕モデルに接触する位置にことにより，凸（凹）の感覚を経験させることに成功した．

て速度が減少する映像を提示した．接触物体の色をまた，Watanabe (2013)は視覚映像の背景の速度を調節することにより（指先に）衝突感を生成させ，速度の変化量が大きい程，擬似触覚の強度が大きくなる

減速！

ことを示した．Suzuki & Fukui (2019)は，図 1 のように，
HMD（ヘッドマウントディスプレイ）を装着し，提示され図 1 実験の様子（左）と提示映像（条件 A）（右）ている手腕モデルと同様の姿勢になるように実験参加者に求め，接近物体の速度が，手腕モデルに接触

62

暖色[RGB(240, 30, 30)]，寒色[RGB(160, 220, 255)]，

マッピングが存在するかという点に着目し，プリズム適灰色[RGB(126, 126, 126)]であり，各条件ブロック化し，応後に聴覚刺激の高低判断が変化するか検討し，参加者間でカウンターバランスを行った．速度変化は，音楽経験を持つ参加者のみにその変化が生じること初めの速度から 1/10，3/10，5/10，7/10，10/10 になを示した．本研究では Michel et al. (2019)の追試実

る 5 条件であり，ランダムに提示した．接触物体が右験を行った．

手に接触した際に，右手に何か違和感のようなもの

本実験には，右利きの大学生 11 名（うち女性 3 名，

（擬似触覚）を感じたかを 5 件法（1: 全く感じない，5:

平均年齢 [± SD]： 22.0 ± 0.9 歳）が参加した．本とても強く感じる）で回答してもらった．

実験実施にあたり，首都大学東京（現東京都立大

接触物体の速度変化（5 水準）と接触物体色（3 水学）日野キャンパス研究安全倫理委員会の承認を受準）を要因とする 2 要因分散分析を行ったところ，主けた．聴覚刺激は基準となる 2 つの聴覚周波数(AF:

効果について，2 要因とも有意であった（速度変化：

700, 1300 Hz)とターゲットとなる 15 の聴覚周波数

F(4, 40) = 119.695, p < 0.001，接触物体色：F(2, 20)（TAF: 800, 850, 900, 920, 940, 960, 980, 1000, 1020,= 5.393, p = 0.013）．交互作用について，有意差はな

1040, 1060, 1080, 1100, 1150, 1200 Hz）を用意した．

かった[F(8, 80) = 1.860, p = 0.078]．多重比較（RyanPre フェイ・プリズム適応フェイズ・Post フェイズの順での方法）の結果，寒色に比べ暖色である場合に擬似実験を行った（図 2）．Pre フェイズと Post フェイズは，触覚強度が大きくなることが確認され，色のイメージ

ランダムに再生される TAF が上限・下限の AF のどち（温冷感）が擬似触覚強度に影響を与える可能性がらに近いかを回答する聴覚間隔二等分判定課題とポ示唆された．

インティング課題（開ループ）から構成された．プリズ
ム適応フェイズでは，プリズム適応を行った．二等分

2. 周波数の高低判断におけるプリズム適応の影響

判定課題について，各 TAF による回答から主観的等

プリズム適応とは，光学的偏位を引き起こすプリズ

価点(Point of Subjective Equality: PSE)を算出した．

ムを着用しポインティング課題を行うと，その光学的実験の結果，プリズム適応自体は生じていたが，聴偏位の方向にポインティングエラーを引き起こすが、覚間隔二等分判定課題について Pre，Post 条件間の試行を重ねていくうちに正確にターゲットをポイントすPSE に有意差が認められなかったことから，プリズム

ることができるという現象である．そして，プリズムを取適応の聴覚間隔二等分判定課題への影響は，

り除くと，ポインティング動作はプリズムの光学的偏位

Michel et al. (2019)が示したように，特定の参加者（音とは逆方向にシフトする(e.g., Redding et al., 2005)．

楽経験者など）に関する限定的なものであることが示

このプリズム適応法は，Rossetti et al. (1998)以来，損唆された．

傷半球の対側空間に対して注意を向けることが難し
い半側無視患者様のリハビリテーション法として活用

Pre

Post

・ポインティング課題（開ループ）・聴覚間隔⼆等分判定課題

・ポインティング課題（開ループ）・聴覚間隔⼆等分判定課題

プリズム適応されてきた．近年，Michel et al. (2019)は，聴覚周波図 2 実験の流れ

数にも，低周波数が左側，高周波数が右側といった63

・ポインティング課題（開ループ）

【助成 37 -36】
体外から光で制御する血流制御ツールの開発

名古屋市立大学大学院薬学研究科 講師 家田 直弥〔研究の概要〕（５～８行程度）
体内をくまなく巡る循環器系は生体機能を維持するための重要な器官の一つであり、その恒常性の破綻は様々な疾患の原因になる。一酸化窒素（NO: nitric oxide）は L-アルギニンから生合成され、血管内皮弛緩作用によって循環器系を制御するシグナル分子であり、NO の発生を制御できる系は生物実験におけるツールとしてだけでなく、循環器系疾患の新規治療法として期待できる。これまで、様々な光制御 NO ドナーが開発されてきたが、その制御光の波長や化合物の毒性といった問題があり、個体における血流制御を達成した光制御 NO ド
ナーはまだ開発されていなかった。本研究では、申請者が開発してきた可視光制御 NO ドナーの動物個体への応用や、制御光の更なる長波長化を行い、動物個体において血流を光制御できることを示した。

な色の光で制御可能な NO ドナーを開発してきた 1, 2。

〔研究経過および成果〕
一酸化窒素（NO: nitric oxide）は生体内で生合成

これらの化合物が動物個体でも応用可能かを調べる

され、血管拡張を起こすシグナル分子の一種であり、ために、可視光の中で最も生体透過性が高い光であその発生を任意に制御することのできる系は、NO のる赤色光で制御可能な NO ドナーである NORD-1

生理活性を精査するためのツールとしてだけでなく、（Fig. 1）を用いて、血管平滑筋の光制御が可能かを

新しい循環器系疾患の治療法としても期待できる。
申請者はこれまで、NO の生理活性を時空間制御する目的で、独自の光反応に基づく光制御 NO ドナー群を開発してきた。これらの化合物は、NO を放出する N-nitrosoaminophenol 構造と、光を吸収するアンテナ部位からなり、アンテナ部位の構造を変えることによって制御光を変化させることができ、これまで様々

Fig. 2 ラット大動脈切片の弛緩反応の光制御;
sGC 阻害剤である ODQ 非存在下での光照射 (a)と 、 ODQ 存 在 下 で の 光 照 射 (b). NA:
noradrenaline.

Fig. 1 赤色光制御 NO ドナーNORD-1

64

Fig. 3 ラットの海綿体の弛緩制御とそれによる血流量の変化；ラットの海綿体に NORD-1 の溶液を注入し、電気刺激と同時に赤色光照射を行い、全身血圧と海綿体血圧を測定することによって血流量の変化を評価した。

れず、NORD-1 から生じた NO によって血流増大が検討した。
NO は 平 滑 筋 の 可 溶 性 グ ア ニ ル 酸 シ ク ラ ー ゼ

起きたことが示唆された。

（sGC）を活性化させることによって平滑筋の弛緩を起以上のように、申請者が独自に開発した赤色光制

こすことが知られており、ラットの大動脈切片を用いて、御 NO ドナーを用いることによって NO による血管弛

平滑筋の弛緩が光制御できるかを調べた（Fig. 2）。

緩を制御することに成功し、さらに in vivo において血大動脈切片を NA（noradrenaline）によって収縮させ流制御をすることに成功した。現在、他の組織の平滑た後に、赤色光照射を行ったが、血管弛緩は見られ筋の光制御や循環器系疾患の病態モデル動物を用ず、NORD-1 を投与した後に光照射を行うと、顕著ないて、機能制御や症状改善に用いることができるか、血管弛緩が確認された。また、sGC の阻害剤である

さらなる検討を行っている。

ODQ を投与すると、この弛緩反応はほぼ抑制された。
このことから、NORD-1 から発生した NO が sGC に作〔発表論文〕

用し、平滑筋の弛緩を起こすことが示唆された。

１． Naoya Ieda, and Hidehiko Nakagawa

さらに、NORD-1 を用いて、動物個体でこの弛緩作

Synthesis, evaluation, and biological applications

用を制御可能か検討した（Fig. 3）。哺乳動物の海綿

of visible-light-controllable nitric oxide releasers

体の平滑筋も NO によって支配されており、弛緩によMethods in Enzymology, 640, 37–61 (2020).

って海綿体血流量が増大する。ラットの海綿体に２． Naoya Ieda, Yuji Hotta, Ayaka Yamauchi, Atsushi

NORD-1 の溶液を注入し、外部から赤色光照射を行Nishikawa, Takahiro Sasamori, Daisuke Saitoh,

いながら海綿体の血圧測定を行った。血流増大のイ

Mitsuyasu Kawaguchi, Kazunori Kimura, andニシエーションとして、弱い電気刺激が必要だったも

Hidehiko Nakagawa.

のの、赤色光照射によって、照射していないときと比Development of a red-light-controllable nitric

べて血流量が増大し、血流量は照射する赤色光の強oxide releaser to control smooth muscle relaxation

度に依存して大きくなった。さらに、この血流量の増in vivo

大は NORD-1 を投与しなかったラットでは全く確認さ

ACS Chem. Biol., 15, 2958–2965 (2020).

65

【助成
37 -37】!WU
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【助成 37 -38】
実形状頭部モデルを用いた脳深部ひずみ計測およびアメリカンフットボールにおける脳振盪予防への応用

研究者 中央大学理工学部 助教

小島 朋久〔研究の概要〕本研究はアメリカンフットボール競技時にどのようなメカニズムで脳振盪が発生するかの詳細を明らかするために，実形状頭部モデルを用いて従来困難であった脳深部ひずみの測定を可能にするシステムを構築することを目的としている．構築したシステムによる測定結果を臨床スポーツ医学の分野において蓄積された知見により解釈することで，アメリカンフットボール競技時における脳振盪発生を防ぐための指針を示すことを目指す．流体の速度計測手法である粒子画像流速計（PIV 法）を応用し固体のひずみ測定手法である DIC 法と組み合わせて用いることによって，脳モデルの材料となる透明ゲル内部の任意断面におけるひずみ分布の可視化・計測手法を確立した．また脳および頭部の力学的挙動を再現可能なモデルの作製を試み，実形状頭部モデルを作製するための知見を得るとともに，アメリカンフットボール競技時の選手の姿勢が重要であることを明らかにした．

〔研究経過および成果〕

布を得た．水槽とシリコーンオイルを用いたのは，屈衝撃力が付加された際の脳モデル深部の任意断

折率一致による像の歪み除去と，試験片が撮影方向面上におけるひずみを測定するシステムを構築するへ変形することによる光の屈折の影響を抑制するたために，まず透明ゲル内部の任意断面におけるひずめである．

み分布の可視化・計測手法の確立に取り組んだ．流体の速度計測手法である粒子画像流速計（PIV 法）を応用し，固体のひずみ測定手法である DIC 法と組み合わせて用いることによって透明ゲル内部のひずみを測定し，計測方法の妥当性を検証した．立方体
形状のゲル材料試験片をシリコーンオイルで満たした水槽内に設置し，単軸圧縮試験を行った．試験片にはトレーサ粒子を混入させてあり，試験中に側面か
図１ ゲルの内部断面の可視化の様子

らシートレーザを照射することで内部断面内のトレー
サ粒子を発光させ，トレーサ粒子の移動を可視化した（図１）．可視化したトレーサ粒子の像を高速度カメ

DIC 測定により得られたひずみを工学ひずみと比較

ラで撮影し，得られた動画のフレーム画像を DIC 法

することで値の妥当性を確認した．DIC 測定結果ので処理することにより，試験片内部断面のひずみ分上端および下端近傍のひずみは境界に近いゆえの68

誤差を含んでいたものの，測定した圧縮方向ひずみるための知見が得られるとともに，実際の競技時にはは変形の大きい 40%圧縮状態でも工学ひずみとの差

衝突時の姿勢や，衝突対象を視認することによる頸が 13%であった．以上より，提案手法によりゲル内部部の筋肉の緊張度合い等が重要であることが示唆さのひずみを精度よく測定できており，透明ゲル内部

れた．

の任意断面におけるひずみ分布の可視化・計測手法を確立できたと言うことができる．
次に MRI 画像から作成された高精細な人の脳の3D イメージを 3D プリンタで造形して元型とし，脳モデルを成型するためのシリコン型を作製するとともに，脳の力学的挙動を再現可能なモデルを作製するための課題を明らかにした．

図 3 使用した頭部モデル

Synthetic acceleration [m/s 2]

800
at parietal
at forehead400

図 2 造形した脳の元型

さらに人体の頭部重量と等しい質量に調整した頭0

0

部マネキンにヘルメットを被せて落球により衝撃荷重

1020Time [ms]3040

図 4 頭部モデルに発生した加速度の時間履歴を付与し，ヘルメットのひずみと頭部マネキンに発生する加速度を測定し考察を行った．衝突時に脳振盪が発生するとされる荷重文献値と同等の衝撃荷重が〔発表論文〕

発生するよう球の大きさを決定した．また頭部マネキ

１． 小島朋久，中村匠，辻知章，納冨充雄，藤谷博

ンの頭頂部に球が衝突する場合と，マネキンを傾け，人，PIV 法とデジタル画像相関法を応用したゲル前頭部に球が衝突するようにした場合の 2 種類につの内部ひずみ測定法，実験力学，Vol.21, No.1,

いて試験を行った．前者は現在アメリカンフットボー

2021.（印刷中）

ルで禁止されているスピアリングタックルを行った場

２． 小島朋久，府川正樹，納冨充雄，藤谷博人，デ合の衝撃条件に近く，後者は現在推奨されているヘジタル画像相関法を用いたゲルの内部ひずみ測ッズアップの形でヒットした場合の衝撃条件に近いも定，第 51 回応力・ひずみ測定と強度評価シンポのである．試験結果より実形状頭部モデルを作製すジウム講演論文集，Vol.1, pp.15-16，2020.

69

【助成 37 -39】
心筋を用いた熱を有効活用するバイオアクチュエーターの開発

研究者 中部大学 生命健康科学部 生命医科学科 助教

新谷 正嶺〔研究の概要〕生体分子はスケールの為に無視できない熱揺らぎを積極的に利用して機能を創出していると考えられている。
私は、心筋細胞を体温程度に温めると、細胞内部の筋節が拍動に近い振動数で収縮と弛緩を繰り返す熱筋節振動現象を発見したことから、筋節およびその内部分子が熱揺らぎを巧みに利用して心拍を支えているとの仮説を得た。この仮説を検証するため、心筋細胞アクチュエーターの実験計測とその分子メカニズムの数理モデル
推定を行った。その結果、心臓から分離した心筋細胞アクチュエーターを温めて生じた熱筋節振動は、心臓の心拍周波数（5－7Hz）と異なる低周期（1.4Hz）で細胞内カルシウム濃度が変化しているにも関わらず、心拍周期で振動する、収縮リズム恒常性を備えていることが分かった。また、その分子メカニズムを推定した数理モデルから、心臓が拍動毎に速やかに拡張する際、この熱筋節振動の性質を利用しているとの予測を得た。

〔研究経過および成果〕

際、私は近年、ラットの心臓から分離した生きた心筋

生体分子は大きさがナノスケールと小さいため、自細胞を体温程度に温めると、細胞内部の筋節が拍動

身の熱揺らぎや、周りの水分子等の衝突の影響を無に近い振動数で収縮と弛緩を繰り返す熱筋節振動

視できず、確率的な動きをする。しかし、生体分子は現象(HSOs; Hyperthermal Sarcomeric Oscillations)を

熱揺らぎの影響を受けて、低効率にしか働けないの発見したが、この HSOs の周期や性質は 1 個のミオシではなく、むしろ高効率に機能している。例えば、ン分子の早くてかつ確率的な挙動からは推定できな

ATP を合成する F1-ATPase など、1 分子計測の結果

いものであった。この HSOs は、心臓の生体階層性かから、エネルギー効率が 100%であるとの主張がされら創発した現象である。

ている。100%が本当かどうかはさておき、生体分子は

私は本研究で、この HSOs の性質をより詳しく調べ、

熱揺らぎの中、巧妙に機能を発揮している。

数理モデルを利用してその分子メカニズムを推定す

生体は、この生体分子が、ネジやボルトなどの人工ることで、心臓が熱をどのように利用しているのか、心的な機械の部品ではなく、生物構造の一部として、互拍の仕組みの解明に挑戦した。具体的には、ラットのいに相互作用をしながら、分子集合体、細胞、臓器と心臓から分離した心筋細胞を、温度依存で HSOs をいった集合体を形成している。そのため、生体組織の可逆的に発生させる心筋細胞アクチュエーターとして仕組みを明らかにするためには、バラバラに分解した

計測し、その特性を再現する数理モデルの開発を試計測を行うに留まらず、この階層間相互作用を検証

みた [1]。

する必要がある。生体の熱の利用の仕方に関しても、

まず、分離心筋細胞(アクチュエーター)では、心臓

生体分子 1 分子の計測だけでは全貌が見えない。実

の心拍周波数（5－7Hz）と異なる低周期（1.4Hz）で細70

胞内カルシウム濃度が変化しているにも関わらず、熱筋節振動周波数は、心拍周波数と同じであった。なお、熱筋節振動は、ラットの体温である 37°C で約 5
Hz で生じており、41°C に温めると振幅が大きくなり振動が顕在化した。この 41°C のとき、温度上昇に伴い振動周波数は 7.6 Hz に増加した（Fig. 1）。熱筋節振動は、カルシウム濃度変化とともに振幅や波形を大きく変えるものの、周期は一定に保たれることから、筋節はリズムの恒常性を維持するメカニズムを備えていFig. 2 構築した数理モデルの模式図ることを発見した（Fig. 1）。私はこの性質を収縮リズム

究で明らかになったように熱筋節振動によって、筋節恒常性(CRH; Contraction Rhythm Homeostasis)。とはカルシウム濃度が高いときでも速やかな伸展を行う命名した [1]。この性質は、心臓の、熱の利用の仕方ことができる。心臓の拡張期において、熱筋節振動でを含めた、メカニズムの理解への足掛かりとなることがみられた速い伸展が起こっているものと考えれば、こ期待される。

の矛盾は解消する。さらに拡張期には、逆反応が起こることによって ATP 消費が減少し、エネルギー消費の観点からも心拍が効率的であることが予想された。
〔発表論文〕
１． Mechanism of contraction rhythm homeostasis forFig. 1 熱筋節振動の実験計測の概要図

hyperthermal sarcomeric oscillations of neonatal

そこで、この性質を再現する、数理モデルの構築を

cardiomyocytes., Shintani SA, Washio T, Higuchi

試みた。筋節内の力を発生する分子であるミオシン

H., Scientific Reports 10(1) (2020).

が確率的に状態を変えることを考慮し、複数の筋節を

２． Single-cell temperature mapping with fluorescent

連 結 し た 数 理 モ デ ル （ Washio, Shintani et al.,thermometer nanosheets., Oyama K, Gotoh M,

Scientific Reports, 2019）に、温度の影響を付加する

Hosaka Y, Oyama TG, Kubonoya A, Suzuki Y,

ことで、熱筋節振動が恒常性(CRH)を備えていること

Arai T, Tsukamoto S, Kawamura Y, Itoh H,を再現した（Fig. 2）。

Shintani SA, Yamazawa T, Taguchi M, Ishiwata S,

心臓の収縮は心筋細胞内のカルシウム濃度変化にFukuda N., Journal of General Physiolosy 152(8)よって制御されていると考えられている。心筋細胞内e201912469 (2020).

の収縮末期におけるカルシウム濃度の減少は遅いに

３． Thermal Activation of Thin Filaments in Striatedもかかわらず、心臓は、速やかに弛緩・拡張し、新たMuscle., Ishii S, Oyama K, Shintani SA,

な血液の充填を行うという一見矛盾した現象がなぜ

Kobirumaki-Shimozawa F, Ishiwata S, Fukuda N.,

起こるのかこれまで理解できていなかった。今回の研Frontiers in physiology 11 278 (2020).

71

【助成 37 -41】
仕事に役立つ人文系大学教育の特徴―地方で暮らす若者に着目して―群馬大学 大学教育・学生支援機構 准教授 二宮 祐

〔研究の概要〕人文系学部・学科を卒業した若者 25 名を対象として聞き取り調査を実施した。学生時代に経験した授業のう
ち、現在の仕事で役立っていると回答されるものは専門的知識に関するものと、汎用的知識に関するものに分類することができる。前者は心理学、社会学、教育学といった一部に自然科学や社会科学を含むものであり、後者
は、PC 操作、日本語ライティングや、外国語を活用するためのキャリア教育などである。また、フィールドワークや実習の経験が役に立つと主張されていて、そのことは従来の研究では指摘されてこなかった知見である。

〔研究経過および成果〕に対して、主に卒業後 3 年目の人文系学部・学科出

1. はじめに身者の紹介を依頼する機縁法を採用した。さらに、そ1.1. 研究の背景の対象者へ知人の紹介を依頼するスノーボールサン

2015 年、文部科学省から国立大学に対して「人文プリングを行った。表 1 は対象者の一覧を示したもの

系や社会科学系の学部・学科の廃止、転換」が通知である。東京、大阪などの大都市部において実施さされたことがと報じれらた。同省によってその報道はれてきた同様の調査に比べて小売業の割合が高いこ

本来の意図とは異なると主張されるものの、文系廃止とが特徴的である。

論は収束せず私立大学にまで波及している。また、

表1 人文系学部出身若者調査の対象者と調査時期
大
番 学
大学所在地
卒業時期
業種
勤務地
号 種
別
1 私 中国・九州
2018年3月 ﾒﾃﾞｨｱ業
中国・九州
2 私 中国・九州
2018年3月 不動産業
中国・九州
3 私 中国・九州
2018年3月 運輸業
中国・九州
4 私 東北・北海道
2018年3月 小売業
東北・北海道
5 私 中国・九州
2018年3月 不動産業
中国・九州
6 私 東北・北海道
2018年3月 公務
東北・北海道7 私 東北・北海道
2018年3月 飲食業
東北・北海道
8 私 中国・九州
2018年3月 運輸業
中国・九州
9 私 東北・北海道
2018年3月 公務
東北・北海道10 私 中国・九州
2018年3月 小売業
中国・九州
11 私 中国・九州
2018年3月 小売業
関東
12 私 中国・九州
2016年9月 IT業
中国・九州
13 私 中国・九州
2019年3月 IT業
関東
14 公 中国・九州
2018年3月 IT業
関東
15 公 中国・九州
2018年3月 公務
国外
16 私 東北・北海道
2016年3月 製造業
東北・北海道17 私 東北・北海道
2016年3月 建設業
東北・北海道18 公 中国・九州
2019年3月 ｴﾈﾙｷﾞｰ業
中国・九州
19 公 中国・九州
2015年3月 運輸業
国外
20 公 中国・九州
2019年3月 ﾒﾃﾞｨｱ業
中国・九州
21 公 中国・九州
2013年3月 製造業
中国・九州
22 私 中国・九州
2019年3月 小売業
中国・九州
23 私 中国・九州
2018年3月 ｻｰﾋﾞｽ業
中国・九州
24 私 中国・九州
2019年3月 小売業
中国・九州
25 私 中国・九州
2016年3月 公務
中国・九州

18 歳人口の減少に関連して、仕事に関する知識を提供していないとして地方人文系私立大学を不要とする主張が行われている。他方、キャリア支援を担う専門家や地元産業界からは、地方における大学の存在意義について肯定的な見解が示されることもある。
そこで、地方私立大学の人文系学部・学科の卒業生に着目して、企業・官公庁などで働く若手社会人を対象とした聞き取り調査を実施する。地方に生きる若者にとっての人文系教育の主観的な職業的意義を明らかにすることを目的とする。
1.2. 聞き取り調査の概要
調査は 2020 年 2 月から 2020 年 9 月まで実施した。
東北・北海道、中国・九州地方の合計 7 大学の教員

72

1 人につき約 60～90 分程度、半構造化面接法にうのは人文系の特徴である。たとえば、「年配の人のよって話しを伺った。主な内容は、学生時代の印象話を聞いて、数名。で、そこから掘り起こせみたいな、に残っている授業、今の仕事に役立つような授業、ゼ

価値観の違いとか」（番号 15）というフィールドワーク

ミナールや卒業論文執筆の経験、現在の仕事内容、の経験や、「博物館ですとレイアウトとか、どう展示しキャリアについての見通しなどについてである。

たら来館してくださる方にうまくわかるようになるか（略）いまのお店のレイアウトに関して、ちょっと生かせ2. 大学での授業の経験

てるのかな」（番号 07）という実習を評価している。フィ2.1. 専門的知識と汎用的知識

ールドワークや実習は現在の職業とはまったく異なる

まず、仕事で役立っていると回答されるものは専門内容であるものの、役に立つと評価するのである。こ的知識であり、心理学、社会学、教育学といった一部

れらは教育学の概念である「真正の評価」に関係してに自然科学、社会科学が含まれる分野が挙げられる

いる。すなわち、地域社会や職場など現実世界の課傾向がある。芸術学、史学などは挙げられないものの、題に取り組むことこそが重要であるというものである。

文化人類学、ジェンダー論が言及されることもある。こ3. 考察と課題のことは人文学の「幅広い」分野を学習できる特徴に関係している。次に、汎用的知識に関するものであり、経験を通じて学習が進むという仮説は経営学におPC 操作、日本語ライティング、語学力を活用するた

いても指摘されてきた。「クオンタム・リープ・エクスペリ

めのキャリア教育などである。これらは比較的新興のエンス」や「一皮むけた経験」といったものである。い

分野であり、研究者からは批判の対象とされることもずれも、中高年層を対象とした調査を通じて典型的あるものの、若者からは役立つと評価されているのでなリーダーシップの特徴を明らかにしたものである。

ある。他方、25 名のうち数名はすべての授業が仕事

人文系におけるフィールドワークなどの実際の経験には役立っていないと回答している。

が卒業後の小売業などの仕事に役立っているという

2.2. フィールドワーク・実習・卒業論文

認識は従来の研究では指摘されてこなかった。「経験人文系と社会科学系の両者を含む文系大学教育

学習論」の若者に対する適用可能性の検討、大学教に関する先行研究が示してきたのと同様に、ゼミナー

育における「真正の評価」論の理論的検討、人文系

ルや卒業論文の経験が現在の仕事に役立っているとにおけるフィールドワークではない「座学」の位置づ回答している。8 名がゼミナールへ、7 名が卒業論文

けの検討が残された課題である。

へ言及しているのである。それらを通じて論理的思考、〔発表論文〕

プレゼンテーション、ディスカッション、日本語ライティ

2021 年度に論文執筆を行う予定である。なお、ングなどのトレーニングができたという。工学の分野に2020 年 11 月 4 日に全国の大学教職員、大学院生約おける「研究室教育」に対応するものであろう。

50 名を対象とした「高等教育論セミナー2020 秋『若者また、商店街や山村でのフィールドワーク、博物館の仕事と大学教育―人文系学部・学科出身者の語りや児童施設などにおける実習の経験が役に立つといから』」を開催して、本研究の中間報告を行った。

73【助成 37 -43】
教員育成スタンダード化政策における女性管理職育成に関する調査研究―先進的な取組を中心に―研究者 立教大学コミュニティ福祉学部

助教

跡部

千慧

山形大学学術研究院

教授

河野

銀子

和洋女子大学人文学部教授

田口 久美子

関西福祉科学大学健康福祉学部

教授

池上

徹

北海道教育大学教育学部

教授

木村

育恵

〔研究の概要〕本研究では、「女性管理職育成に関する検討」をする事前の研究として、「教員育成指標」にみる昨今の教員政策の制度改革が教員の働き方にいかなる影響を与えるのかを検討した。日本の教員養成や育成の改革は、
新自由主義的な政府の影響下でスタンダードベースのシステムを強く求める世界的な潮流と符号しつつ、矢継ぎ早に進行し、「教員育成指標」の策定が義務付けられてきた。
本研究の分析により、昨今の同僚性が失われている組織構造において、「教員育成指標」は、“一人でがんばりたい先生”の手掛かりになり得ることが明らかとなった。一方、同指標は、教員のワーク・ライフ・バランスに影響を与え、キャリア形成上の障壁となりかねないことが示唆された。

〔研究経過および成果〕

２ 教員のキャリア形成・育成をめぐる政策背景

１ 問題の背景と研究の目的（１）教員養成・育成改革の政策動向

本研究の目的は、教員育成政策の目玉である「教「教員育成指標」は、教員養成・育成改革のひとつ

員育成指標」が女性教員の働き方や職能形成、キャに位置づけられる。教員養成・育成改革は主たる担リア形成にもたらす光と影を検討することである。

い手である国立の教員養成大学・学部の改革と、教2016 年の女性活躍推進法の施行以来、各分野に員の資質能力の向上という 2 つの側面から行われておいて女性の活躍推進に関する計画を策定することいる（油布 2018）。

が求められるようになってきた。他方、同時期に、教教員養成・育成改革の流れの中で、現職教員の育員のキャリア形成過程の可視化システムとして、2017成については文部科学省が示したモデルに沿った年より「教員育成指標」の策定が、都道府県等教育委「教員育成指標」を都道府県教育委員会と大学等が員会に義務化された。これは、教育公務員特例法の協働で策定することが要請されるに至った。なお、

一部改正によるものである。

「教員育成指標」は、国が策定した指針を参酌して策では、この「教員育成指標」は女性活躍推進に寄定することが義務づけられている。すなわち、教員の与するのだろうか。以下では、「教員育成指標」が、教養成だけでなく、育成に対する統制も強化されたこと

員の働き方にいかなる影響を与えるかを検討する。

になる。

74

（２）「教員育成指標」の特徴

第 3 に教員のライフ・ワーク・バランスの確保につい「教員育成指標」には、次のような特徴がある。第 1ても無視するものになりかねない。「熟達モデルの単の特徴は、官制主導で一元的に教員の育成を規格線化」（子安 2017）とも言えるスタンダードは、教員育化・標準化しているという点である。「教員育成指標」

成指標に定められた時期に示された資質能力を獲は、先述のように、国の指針を参酌して策定すること得できるものしかすくいあげない懸念がある（木村・河が求められているが、その際、当事者である教員が野 2017）。

主導するのではなく、教育委員会と大学等との協議や調整により進められていく（小柳 2017）という特徴が

３ 「教員育成指標」の光と影ある。こうした官制主導の他律的な標準化は、新自由「教員育成指標」の光としては、昨今の同僚性が失主義的な政府の影響下でスタンダードベースのシス

われている組織構造において、「教員育成指標」は、テムを強く求める世界的な潮流と符号している。

“一人でがんばりたい先生”の手掛かりになることが指第 2 の特徴は、教員のキャリア形成に監視的であ摘できる。

る点である。諸外国は指標を倫理綱領に近いものとし

一方、こうした「指標」は、教員育成指標に定められて当事者と協働で作成する一方、日本は当事者の関た時期に示された資質能力を獲得できるものしかすく

与が極めて薄く、「あらゆるキャリアステージを通じて、いあげない危険もはらむ。これが、「教員育成指標」

具体的で細かい活動を指標に組み込んで」（子安の影の部分である。ワーク・ライフ・バランスにも影響

2017：40）教員としてのありようを管理していこうとするするため、キャリア形成上の障壁となりかねない。

特徴がある。

以上のように、「教員育成指標」によって「だれが」「どのように」育成されるのかを、ジェンダー視点から（３）「教員育成指標」の問題点注視していくことが必要である。学校現場では「教員こうした「教員育成指標」特徴からは、教員の育成育成指標」がいかに解釈され、個々の教員の働き方

やキャリア形成に関して、3 つの問題が指摘できる。

に影響を与えているのか、女性管理職の育成につな

第 1 に、教員としての活動や職能形成を細かく指がるのかは、今後の課題である。

標に組み込み、行動の到達目標がチェックリスト化されている教員育成指標が、実質的に教員のキャリア〔発表論文〕形成に対して統制のための監視として機能しかねな

１． 跡部千慧・木村育恵・村上郷子・河野銀子・田口いという問題がある。

久美子・池上徹・井上いずみ・高野良子，2020，

第 2 に、監視的な指標は、教員としての成長やキャ「教員育成指標によって教員の働き方はどう変わリア形成に深刻な事態を及ぼしかねない。規格化さるのか―教職におけるジョブ・ディスクリプション

れた行動目標モデルとしての「教員育成指標」が教の課題」『国際ジェンダー学会 2020 年大会 発

員のキャリア形成や職能形成の自律性を許容しない

表要旨』

ものとして運用されることに注意を払う必要がある。

75

【助成 37 -45】
保育カンファレンスの問題解決機能を最大化するチェンジ・エージェントの育成に向けた探索的研究
研究者 星美学園短期大学幼児保育学科 准教授 遠藤 愛

〔研究の概要〕本研究は，保育カンファレンスの効果を最大化するチェンジ・エージェントの育成を目指して，保育カンファレン
ス中に進行役が実践する調整行動を面接調査により特定することを目的とした。保育所の職員研修担当の経験がある保育者５名を対象として半構造化面接を実施し，回答内容をテキストデータ化して，KJ 法による調整行動のカテゴリ化を行った。その結果，保育者が実践する調整行動の約４割が，協議中の「参加者の発言の促し」であり，参加者の自発的発言が生じないという問題に注力していた。また，参加者の「表面化しない葛藤への対応」など，調整行動の約３割は，保育カンファレンス実施前後にも実践されていることが明らかとなった。

〔研究経過および成果〕

た。それぞれ個別に半構造化面接を行った。質問項

研究目的 社会構成主義の観点では，組織の構成

目は主に，①園内の保育カンファレンスの運用方法，

員の自発性を引き出し，組織全体の学習性を高める②開催する意義や有用性，③実施する際の課題と困人材として，チェンジ・エージェント（以下，CA と表

難，④進行役としての工夫，⑤事例提供者や参加者記）の役割が注目されている。保育の分野で CA は，に行っている配慮，⑥協議中に生じる参加者間の衝とりわけ児童理解を目的とした「保育カンファレンス」

突や葛藤への対応の６項目であった。面接時間は 30

においてその存在意義が期待されている（松井，

分程度であった。面接でのやりとりは， IC レコーダー

2009）。保育カンファレンスは，参加する保育者全員を用いて音声データを記録した後，すべてテキストデの乳幼児理解が深まり具体的な実践の示唆を共有ータ化し分析対象とした。進行役が保育カンファレン

できる機能を有している。しかし保育者間で葛藤が生スの際に行う調整行動について，２名の評定者がテ

じたり，議論が雑談に終始するなどの混乱状況がそキストデータを読み込み KJ 法による分類を行った。

の機能を阻害している。この混乱状況を解消するた（結果）２名の評定者で調整行動にまつわる回答をエめに保育カンファレンスの進行役の調整行動が注目

ピソード単位で切片化したところ，全部で 42 の切片がされているが，この調整行動の具体的な示唆は得ら得られた（1 人あたり 7～11）。これらの切片についてれていない。本研究では，この進行役が CA の役割を

評定者間で協議し分類したところ，全部で 15 の下位担う人材としてとらえ，進行役を経験した保育者に面分類に分けられた。その後内容の類似性から統合し，接調査を行い，保育カンファレンス中の調整行動に

最終的に７つのカテゴリを得た。図１は，これらの７つついて明らかにすることを目的とした。

のカテゴリの回答数をグラフ化したものである。

研究成果

各カテゴリの回答の割合は，①「参加者の発言の（方法）保育所で主任または園長として職員研修の運促し」（16 切片，38.1％），②「攻撃的発言への介入」

用を経験したことのある保育者５名が本研究に参加し（５切片，11.9％），③「情報提供・共有」（６切片，76

14.3％），④「表面化しない葛藤への対応」（６切片，
14.3％），⑤「事例提供者への個別的対応」（４切片，9.5％），⑥「事前の情報確認」（３切片，7.1％），⑦「個人情報保護の強調」（２切片，4.8％）であった。

図２

調整行動の実践機会

本面接調査にて，すべての調査対象者が保育カ
ンファレンス中に「保育者から意見や発言がでない」
図１ カテゴリごとの回答数という問題を解消するための調整行動に多くの注意

また，「保育カンファレンスを実施する際の課題やが払っていることがうかがえた。一方で，保育者間の困難は何か」という質問に対し，参加者５名全員が直接的な意見のぶつかり合いに対する調整行動を有「参加する保育者から意見や発言がでないこと」と回しているものの，実際には使われないことが多かった。

答した。さらに「協議中に生じる参加者間の衝突や葛それよりも，事例提供者と個別的に協議したり，他保藤に対してどのように対応していますか」との質問に育者の協議中には表面化しない葛藤に対応するなど，

対し，５名中４名が「衝突や反対意見などがほとんど

保育カンファレンス実施前後にも調整行動を行って生じない」と回答し，「攻撃的発言への介入」についいることがうかがえた。

ては，万が一そのような発言が出た場合の対応として〔発表論文〕

回答したということであった。さらに，うち３名は「その１． 遠藤愛（2020）幼稚園の特別支援教育コーディ

場では不満や反対意見はでなくとも、協議が終わっネーターにおける担任支援．日本保育学会第 73

た後に特定の保育者同士で反対意見を話すのを耳回大会（奈良教育大学，オンライン開催．）口頭にする」と回答した。よって，こうした協議中には「表面発表化しない葛藤」に対して，「進行役が話を聞き形を変２． 遠藤愛（2020）保育カンファレンスの進行役が行えて事例提供者に伝える」，「反対意見を言う保育者

う調整行動の予備的検討―特別支援教育コーと個別に話す」などの調整行動を行っていた。

ディネーターへのインタビュー内容の分析―．日

図２は，進行役の調整行動が行われる機会につい本特殊教育学会第 58 回大会（福岡教育大学；オて，保育カンファレンスの実施前，実施中，実施後のンライン開催）．ポスターP11-2.

３つに分類しその回答数をグラフ化したものである。

３． 遠藤愛（印刷中）幼稚園における個別の指導計

調整行動は，実施前（３切片，7.1％），実施中（29 切

画の運用プロセスへの支援―園内支援体制の片，69.0％），実施後（10 切片，23.8％）と，全体の約変化に着目して―．発達人間学研究 20，（2020

３割は，保育カンファレンス実施前後に実践された。

年 11 月発行）＊査読あり77【助成 37 -46】
ヘッドマウントディスプレイを用いた動画視聴時のユーザー特性の総合的解明

研究者 東京都市大学メディア情報学部 教授

市野 順子

共同研究者 工学院大学情報学部 准教授

淺野 裕俊〔研究の概要〕360 度動画（パノラマ映像）は、従来の動画と比べてより肯定的な感情を引き出すこと、ヘッドマウントディスプレ
イ・コンピューター・モバイルデバイスなど多くの一般的なデバイスで視聴できること、動画制作に要する機材や人件費が安いことなどから、マーケティングや情報伝達の手段として、他の VR 技術より一般的なものになりつつある。本研究は、普及が進みつつあるヘッドマウントディスプレイ（HMD）と、今後普及が見込まれる全周囲プロジェクション型ディスプレイ（CAVE）の 2 種類の没入型ディスプレイを用いて、360 度動画視聴時のユーザーの認知特性を、認知のパフォーマンスとプロセスの両方の観点から、多面的に検証した。その結果、CAVE の方が、動画視聴中にはユーザーに適度な認知負荷がかかり（鼻部皮膚温度が下降し）、動画視聴後に行った動画に関する記憶テストの点数が高いことが定量的に示された。

〔研究経過および成果〕
１．研究課題本研究では、没入型ディスプレイを用いた 360 度
動画視聴時のユーザーの認知特性を解明するために、以下の研究課題を設定した。
RQ1：没入型ディスプレイのタイプが異なると、360 度
動画の視聴時のユーザーの認知特性は異なるか？
RQ2：360 度動画のジャンルが異なると、ユーザーの認知特性は異なるか？

水準 1：HMD

評価指標 上述した各研究課題を、認知のパフォー
マンスとプロセスの両方の観点から、多面的に検討

２．実験方法するために、以下の評価指標を導入した。

実験要因 上表の研究課題 RQ1 を検討するために

評価指標
認知のパフォーマ 再認記憶

要因 1 を扱い、RQ2 を検討するために要因 2 を扱う。
実験要因（独立変数）
要因1

ディスプレイタイプ

要因2 動画ジャンル

水準 2：全周囲スクリーン

ンス（動画視聴後の認知の状態）

水準
水準1
水準2
水準3
水準1
水準2

具体的な計測項目
再認率（内容の記憶を問う課題での正解数の割合）

再認反応時間 内容の記憶を問う課題の回答に要した時間
覚醒度（脳の 脳波（θ波・α波・β波）含有率（覚醒した状態で

HM D
C A V E （全周囲スクリーン）C A V E -G （視界を狭くしたC AV E）
ドキュメンタリー
アニメーション

認知の

活発さ）

プロセス

認知負荷（精 鼻部皮膚温度の変化量（認知負荷が高い状態では、（動画視聴中の認 神的な大変
知の状態）

見回し行動

はα波が減衰し、θ波が前頭部に出現する）
血流量の減少によって鼻部皮膚温が下降する）
見回し率（360度動画空間の前方だけでなく左右や後方までを見回した頻度割合）

実験環境 要因 1（ディスプレイタイプ）の 2 水準の実
３．実験結果験環境を以下に示す。

主に水準間で有意差の見られた評価指標に関す

参加者 15 名（男性 12、女性 3）の大学院生または学部生が実験に参加した。平均年齢は 23.1 歳だった。

る結果を以下に要約する。

78

３．１．認知のパフォーマンス

マンスが低下し、中程度だと向上することから、CAVE

ディスプレイタイプ CAVE は HMD よりも再認を有意の認知負荷は、認知のパフォーマンスの向上に寄与に促した（下図 a 左）。

する中程度（適度） であったと考えられる。以上より、動画ジャンル ドキュメンタリはアニメよりも、再認を有

RQ1 に対する答えは、「CAVE ユーザーは、360 度動意に促した（下図 a 右）。

画をそれほど見回さないが、適度な認知負荷を感じ、

３．２．認知のプロセス

その内容をよく覚えている。一方、HMD ユーザーは、

ディスプレイタイプ すべてのディスプレイで鼻部皮360 度動画をよく見回すが、認知負荷をあまり感じず、

膚温度は時間経過とともに下降したが、中でも特にその内容をよく覚えていない。」となる。

CAVE の下降量が大きく、HMD との差は有意であっ４．２．動画ジャンル（RQ2）

た（下図 b）。また，HMD は CAVE よりも見回し行動を

覚醒度はアニメよりドキュメンタリの方が低く、再認有意に促進した（下図 c）。

記憶はアニメよりドキュメンタリの方が高かった。覚醒

動画ジャンル アニメはドキュメンタリよりも、前頭部側度は、高すぎたり低すぎたりすると認知活動のパフォ

でθ波が多く出現したことから、アニメはドキュメンタリ

ーマンスが低下し、中程度だと向上することから、ドキよりも覚醒を促すことがわかった。また、アニメはドキュュメンタリの覚醒度は、認知のパフォーマンスを向上

メンタリよりも見回し行動を有意に促進した（下図 c）。

させる中程度（適度） であったと考えられる。以上より、４．考察と結論

RQ2 に対する答えは、「ドキュメンタリを視聴するユー

４．１．ディスプレイタイプ（RQ1）

ザーは、360 度動画をよく見回さないが、適度に覚醒

認知負荷（鼻部皮膚温度、下図 b）、再認記憶（下し、その内容をよく覚えている。一方、アニメを視聴す

図 a 左）いずれも、CAVE が HMD より高かった。認知るユーザーは、360 度動画をよく見回し、過度に覚醒

負荷は、高すぎたり低すぎたりすると認知のパフォー

し、その内容をよく覚えていない。」となる。

a 再認率

c 各サンプリング時点における見回し行動の全参加者の生起得点

b 鼻部温度の変化量〔発表論文〕
１． 市野順子, 淺野裕俊, 徳永悠介, 和田将幸: 没入型ディスプレイを用いたパッシブなパノラマ映
像の視聴がユーザの認知活動に及ぼす影響,
情報処理学会論文誌, 61(11), pp.1757–1770,
2020.

79

【助成 37 -47】
環境紛争の長期化が人々の行動および認識に与える影響に関する総合的研究－諫早湾干拓紛争を事例として－研究者 立命館大学 産業社会学部 准教授 加藤 雅俊〔研究の概要〕本研究の目的は、諫早湾干拓紛争を事例として、環境紛争の長期化が人々の行動および認識に与える影響を明らかにすることにある。本研究では、諫早市および雲仙市に在住の 18 歳以上の男女合計 2,100 名（無作為抽出）を対象としたアンケート調査を行い、「諫早湾干拓事業がもたらした影響」に関する認識を調査した。その結果、地域住民は、諫早湾干拓事業により、防災機能の高まりや利便性の向上などを感じる一方で、経済的効
果や地域統合の効果を実感できていないだけでなく、地域分断が生じているという認識を有していることが明らかとなった。さらに、このような負の影響に関する認識を有しながらも、諫早湾干拓事業そのものへの評価は時間の経過のなかで、好転していることも示された。この結果は、現状への不満や不安を感じながらも、受け入れようとする地域住民の姿を示唆している。

〔研究経過および成果〕

的当事者の見解を軽視していることに加え、紛争が本研究の目的は、諫早湾干拓紛争を事例として、

長期化することに伴い認識が変化する可能性を軽視

環境紛争の長期化が人々の行動および認識に与えしているという問題点が残されていた。

る影響を明らかにすることにある。

本研究は、これらの先行研究の課題をふまえて、

これまで諫早湾干拓紛争に関する人文・社会科学

カシオ科学振興財団からの助成金に加え、その他諸の先行研究では、法律学を中心に、紛争が長引いて機関からの研究資金も活用し、地域住民が諫早湾干しまった現行法制度の問題点が明らかにされる一方

拓事業の影響に対してどのような認識を有しているの（「特集：諫早湾干拓紛争の諸問題」『法学セミナー』

かを明らかにするため、諫早市および雲仙市に在住

766 号、2018 年）で、社会学者やジャーナリストを中の 18 歳以上の男女合計 2,100 名（諫早市 1,600 名、心に、開門を求める漁民をはじめとした直接的当事

雲仙市 500 名）を対象としたアンケート調査を行った。

者の紛争に関する見解が詳細に検討されてきた（開アンケート調査は郵送法を採用し、2020 年 9 月 1

田奈穂美「地域開発問題における問題の変質とアク

日から 10 月 31 日にかけて実施し、731 票（諫早市

ターの「入れ替わり」に関する考察」『年報科学・技556 票、雲仙市 175 票）の回答を得た。有効回収率は、

術・社会』20 号、2011 年、永尾俊彦『ルポ諫早の叫

34.8％であった（諫早市 34.7％、雲仙市 35.0％）。なび』岩波書店、2005 年）。これらの先行研究は、紛争

お、質問項目は、諫早湾干拓紛争に加え、市町村合の法的側面や直接的当事者の見解を明らかにする

併がもたらした影響など、地域が抱える諸問題への点で大きな意義がある一方で、地域住民などの間接認識と、それへの処方箋を考察する上での手がかりと80

なる地域資源を尋ねている。ここでは、特に、諫早湾

以上の調査結果は、大規模公共事業により引き起干拓事業の影響に関する認識と、紛争の長期化の影

こされた環境紛争が人々の社会認識に様々な影響を

響に関する認識を紹介する。なお、紙幅の関係で、与えているだけでなく、紛争の長期化に伴い、認識

詳細な数値などについては言及することができない。

自体が変化していることを示している。重要な点は、また、調査結果の概要については、2021 年初夏の頃

諫早湾干拓事業にネガティブな印象を持ちつつも、には、著者が所属する機関のブログ「Sansha の風景」

干拓事業への評価自体が好転していることにある。こを通じて発信していく予定であり、そちらを参照してれは、現状に対して、批判的な見解を持ち続けることほしい（http://www.ritsumei.ac.jp/ss/blog/）。

の難しさ（言い換えれば、平穏な日常生活のために、調査結果として注目すべき点として、第一に、「諫現状を受容していくことの必要性）を示唆しており、長早湾干拓事業が生活・自然環境および社会環境に期化とともに環境紛争が沈静化していく可能性（少な与えた影響」について、諫早市と雲仙市の住民は、くとも間接的当事者においては）を含意している。

低地の排水改善、高潮への対策、河川氾濫の防止

アンケート調査の本格的な分析はこれからであるこなどの「防災機能の向上」、干拓堤防道路がもたらしとに加え、アンケート調査では明らかにできない機微

た「利便性の高まり」、そして諫早湾・有明海や自然を検討するためにはインタビュー調査も不可欠である。

環境への意識の高まりなどの「地域（問題）への関心

このように、本研究には残された課題は多いが、今後の向上」も感じている。その一方で、地域経済を豊かの研究展開の端緒となる重要な成果を残すことがでにしたり、地域に活力を生んだという「経済的効果」や、きた。なお、このアンケート調査は社会的にも注目さ地域の一体感や誇りを生んだという「地域統合の効れており、長崎県内の新聞各紙（長崎新聞、西日本

果」については実感していない。加えて、地域間の対新聞長崎県版、朝日新聞長崎県版）で報道された。

立や農業者と漁業者の対立を生んだという「地域分〔発表論文〕

断の誘発」も感じている。このように、地域住民は、諫１． 加藤雅俊、樫澤秀木、開田奈穂美 2021（近刊

早湾干拓事業に関して、両義的な評価（すなわち、予定）：「諫早湾干拓事業の影響に関する地域住

防災機能の向上と利便性を感じる一方で、経済的効

民の認識－諫早市民と雲仙市民を対象としたア

果や地域統合に関する効果を感じない）を下していンケート調査から見えること－（仮）」、『建築ジャることが分かる。

ーナル』2021 年 4 月号。

第二に、「諫早湾干拓干拓事業に関する認識の変２． 加藤雅俊 2021（近刊予定）：「現代社会における化」に関して、長期にわたる事業のなかで（事業の着紛争処理システムの構築に向けて－諫早湾干拓

工が 1989 年、完成が 2007 年）、「良いものへと変化し紛争を手がかりとして－（仮）」、『立命館大学人た」という回答が、「悪いものへと変化した」という回答

文科学研究所紀要』127 号。

を大きく上回った。これは、諫早湾干拓事業に関して、

３． 加藤雅俊 投稿予定：「困難を抱える地域におけ

上記のように複雑な思いを抱えつつも、現状を受ける地方活性化の可能性と課題－大規模公共事

入れる形で認識が変化していることを示唆している。

業と市町村合併を越えて－（仮）」、『横浜法学』

81【助成 36 -01】
北西太平洋中緯度域の亜熱帯モード水の規模および物理・化学的性質の時間変化と炭素循環における役割

研究者 東北大学大学院理学研究科 助教 高柳 栄子〔研究の概要〕地球表層における長期的なフィードバック機構の理解において，海洋の位置づけは重要である．しかし，海洋表層・深層と比較して海洋中層域の水塊に関する知見は少なく，それらが数十年〜万年スケールの気候
変動にどのような役割を果たしているのかに関する理解は十分に得られていない．そこで本研究では，北西太平洋中緯度に分布する北太平洋亜熱帯モード水に注目し，琉球列島周辺に分布する表層堆積物中に含まれる腕足動物 Basiliola lucida の地球化学データから，過去約 3 万年間（最終氷期〜現在）の亜熱帯モード
水の物理・化学的性質の時間変化を明らかにする．そして，それらが大気との熱交換や炭素循環に与える影響を定量的に見積もり，様々な気候条件下での亜熱帯モード水の役割を評価する．

〔研究経過および成果〕

亜熱帯モード水における過去 3 万年間の水温およ1．研究背景び全炭酸の時間変化を復元することを目的とした．

北西太平洋中緯度域の亜表層〜中層域には北太平洋亜熱帯モード水（以後，亜熱帯モード水と称す）

2．研究試料および研究手法が分布していることが知られている．北太平洋亜熱帯

琉球列島周辺の水深約 200〜400 m で採取されたモード水は，水温が 14～20°C，ポテンシャル密度が腕足動物化石 Basiliola lucida を研究試料として用い

24.5〜25.9σθ（1024.5～1025.9 kg/m3），塩分が 34.6

た．試料は超純水中で超音波洗浄後，殻を半分に切〜35.0 で特徴づけられる．北緯 137 度線における長断し，片方を同位体分析用，もう片方を放射性炭素年の海洋観測や最新技術を搭載した ARGO による同位体年代測定用として用いた．粉末化した試料は，海洋各層での実測データにより，亜熱帯モード水は東北大学にある炭酸塩自動前処理装置（Carbonate

他の海域と比較して多量な熱および CO2 を吸収してDevice Kiel-III；ThermoQuest）と同位体比質量分析いることが明らかになり，近年の地球温暖化における計（DeltaV Advantage；Thermo Fisher Scientific）を用

亜熱帯モード水の役割が注目されている．しかし，上い，炭素・酸素同位体比分析を行った．測定精度は，

記の海洋観測結果は 1900 年以降に限られており，そそれぞれ，δ13C が±0.02‰，δ18O が±0.04‰であった．

れ以前の亜熱帯モード水の挙動や時間変化につい

放射性炭素年代測定は，東京大学大気海洋研究所てほとんど明らかにされていない．本研究は，海洋表の横山祐典教授の研究室に依頼した．得られた結果

層堆積物中の含有化石の古海洋環境記録を抽出し，は，ベイシアン年代モデルと補正曲線 Marine13 を用

82

いて暦年代を算出した．琉球列島の ΔR 値は 23±40

吸収量の変化
Takizawa et al. （ 2017 ） の 算 出 方 法 に 従 い ， B.

とし，地域的なリザーバー効果を補正した．

lucida の δ13C 値からモード水中の全炭酸を復元した．
3．結果

その結果，B. lucida の δ13C 値から推定された最終氷

3-1 B. lucida 化石の炭素・酸素同位体比

期〜後氷期，完新世，1950 年以降の亜熱帯モード

B. lucida 化石の δ13C 値および δ18O 値の範囲は，水の全炭酸は，それぞれ 1414〜1746 µmol/kg（水深それぞれ，2.05‰〜4.61‰，-0.13‰〜2.16‰であっ149〜261 m），1635〜1919 µmol/kg（水深 199〜397

た．

m），1948〜2064 µmol/kg（水深 252〜317 m）となり，
最終氷期〜現在に向けて全炭酸が上昇傾向にあり，

3-2 B. lucida 化石の放射性炭素（14C）年代

特に近年の増加が顕著であった．また，1950 年以降

B. lucida 化石の 14C 年代の範囲は，現在（modern）の復元結果は，Oka et al.（2015）が報告している 2002

〜約 29,500 cal year BP（最終氷期）であった．

〜2013 年の亜熱帯モード水の全炭酸の観測結果（1995〜2025 µmol/kg）と調和的であった．前節で亜4．考察

熱帯モード水の水温が過去 3 万年間変化していなか

4-1 最終氷期〜現在の亜熱帯モード水の水温変化った点を考慮すると，全炭酸の変化は大気 CO2 濃度

B. lucida の δ18O 値を用いた海水温の復元は，の変化と密接に関係していると考えられる．

Takayanagi et al.（2013）が導出した B. lucida の地質
温度計（T（ºC）= 18.51 − 3.27 ×（δ18OBL − δ18OSW））を

5．結論

用いて算出した．氷床量の変化に伴う生息水深の本研究では，琉球列島周辺の表層堆積物中より

δ18OSW 値の時間変化は LR04 カーブを用いて補正し採取された B. lucida 化石から最終氷期〜現在の北た．その結果，最終氷期〜後氷期，完新世，1950 年

太平洋亜熱帯モード水の物理・化学組成の復元を行

以降の亜熱帯モード水の水温は，それぞれ 16.9〜

った．その結果，最終氷期〜現在にかけて，亜熱帯

19.0℃（水深 149〜261 m），14.4〜19.1℃（水深 199

モード水の水温は変化せず，全炭酸は増加傾向に〜397 m），16.2〜17.8℃（水深 252〜317 m）となり，あることが示された．これは，亜熱帯モード水が気候先行研究で観測された北太平洋亜熱帯モード水の変動に対して負のフィードバック機構として作用して水温 14〜20℃（水深 100〜400 m：Masuzawa，1969；

いることを示唆している．

Suga et al.，1997）と調和的であった．また，同一水深での水温の変化はほとんどなかった．これは，亜熱帯

引用文献

モード水の水温は少なくとも過去約 3 万年間は変化

Masuzawa, J. (1969) Deep-Sea Res.，Oka et al. (2015)

しなかったことを示している．

J. Oceanogr.，Suga, et al. (1997) J. Phys. Oceanogr.
Takayanagi et al. (2013) Geochim. Cosmochim. Acta.
Takizawa et al. (2017) Geochim. Cosmochim. Acta.

4-2 最終氷期〜現在の亜熱帯モード水の大気 CO2

83【助成 36 -22】
塗布型 Si 半導体を指向した「液体 Si－固体 Si 変換機構」の研究

北陸先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 講師 増田 貴史〔研究の概要〕私たちが創出した「液体 Si」とは、常温常圧で液体、脱水素化により固体 Si(半導体 Si)となる材料である。本研究は液体 Si－固体 Si 変換（固体 Si 化）の反応機構の解明を初年度の目的とした。初年度成果を踏まえ本年度（2年目）は、1.材料開発（p 型液体 Si の合成）と、2.プロセス開発（非加熱の固体 Si 化）へと展開を広げた。材料面
では、B-H と Si-H 結合間でルイス酸・塩基型の活性種を経て脱水素縮合反応を誘起できることを明らかにした。
この経路を活用し Si-B 結合を持った「p 型液体 Si」を合成し、それが p 型半導体 Si の前駆体となることを実証した。プロセス面では、電子線誘起型の反応活性種を活用することで固体 Si 化の必要温度を 360℃から 25℃へと引き下げることに成功した。更に半導体 Si の 3 次元印刷を達成した。本研究は液体 Si 固有の特徴を引き出し、
これまでの Si の科学と工学に新しい展望をもたらすだろう。

〔背景〕

った水素化ケイ素化合物（p 型液体 Si）を合成した。

Si はエレクトロニクスで重要な材料の 1 つである。Si

プロセス面では液体 Si に対する電子線誘起型の反デバイスの出発物質には従来、固体 Si（ウェハ）と気応活性種を活用し、非加熱での固体 Si 化に取り組ん

体 Si（シラン）が用いられてきた。一方で「液体 Si」といだ。そして計算と実験に基づき、この変換現象と固体った概念は研究されていなかった。そこで我々は「液Si の特徴を解析した。

体 Si」を創出した。この材料は脱水素化により半導体〔結果〕

Si に変換できる。しかしこの変換機構が明らかでなく、

材料開発：図 1 は DFT 計算で得た液体 Si と BH3 間

液体 Si に係る学術と工学の展開を遅くしていた。本

の反応のエネルギープロファイルである。この図は(1)

研究は「液体 Si→固体 Si」変換（固体 Si 化）の機構を式に示す脱水素縮合反応が進行し得ることを示す。

解明することを初年度の目的とした。そして本年度（2BH3+Si5H10→BH2-Si5H9+H2 … (1)年目）は、初年度の成果に基づく発展研究として、液反応には 2 つの経路があり、エネルギー障壁が小さ

体 Si に係る新規材料（p 型液体 Si）の合成と新現象

い順に P1 (赤線)、P2 (青線)とした。P1 のエネルギー（室温による固体 Si 化）の実証を目的とした。

障壁は 10 kcal/mol 以下であり、この反応は室温で進〔実験〕行可能である。電荷分布の解析では、BH3 と液体 Si

材料開発とプロセス開発の 2 つに取り組んだ。材料

がそれぞれ Lewis 酸・Lewis 塩基として働くことが明ら面では、密度汎関数法（DFT）と分子軌道法（MO）をかとなった。その際 Si から B へと電荷移動が起こり、用いて液体 Si（CPS: cyclic Si5H10）と BH3 間の反応

それが静電的相互作用を生み僅かな安定構造 (反機構を解明した。その知見に基づき、Si-B 結合を持

応複合体)を形成する。この構造では BH3 と液体 Si

84

の間で (脱水素化の起点となる)架橋水素が形成さこのラジカル反応によって 70µs 以内に固体 Si 化が進れる。従って B の強い電子吸引性が、 (1)式に示す

行することを明らかにした。更に上述の p 型液体 Si

脱水素縮合反応の原因となっている。実際に(1)式にや、n 型液体 Si でも同様の現象を確認した。

基づいて合成した反応生成物をインクジェット法で製膜したところ、良好な p 型半導体 Si 薄膜を得ることができた（図示せず）

図 1 DFT 計算で予測された CPS と BH3 の反応のエネ
ルギープロファイル。縦軸は出発物質に対するエンタル
ピーを⽰す。
P1 (⾚)と P2 (⻘)の 2 つの経路が得られた。
反応のエネルギー障壁は P1 で 9.5 kcal/mol、P2 で 37.6
kcal/mol であった。

図 2(a) 液体 Si が封⼊された液体セルと、電⼦線照射時のイメージ (b)得られた固体 Si パターン。
電⼦線を⾛査することで半導体 Si の 3 次元印刷を可能とした。スケールバーは 750nm〔結論〕
液体 Si 反応活性種の解析を通し、新材料（p 型液体

プロセス開発：図 2 は液体 Si に電子線を照射する実Si）や新プロセス（非加熱の固体 Si 化現象）といった

験概要図と、得られた固体 Si パターンの SEM 像であ

液体 Si 固有の特徴を見出した。

る。液体 Si に電子線を照射することで、良好なパター
ン状の Si アレイを得ることができた。電子線の走査法[論文]を制御することでパターン形状を設計可能であり、ナ

1.

DOI:10.1088/1361-6528/abe0e9

ノサイズの半導体 Si の 3 次元印刷を実現した。この時、2.

得られた固体 Si のサイズは照射する電子線の直径のT. Masuda, et al, Nanotechnology (2021)

T. Masuda, et al, J. Mater. Chem. C (2021)（※revision 対応中）2 倍程度であった（今回用いた電子線の最小寸法は50nm なので、最小の Si ドットの直径は 100nm である：

[発表]

図示せず）。断面 TEM-EDX 分析は、この固体 Si が

１． 中山茉初, 他, 応用物理学会北陸信越支部学

高純度 Si であることを明らかにした（図示せず）。電子術講演階, B09, 2019/12/5

線が照射された液体 Si 内にはラジカルカチオンが生他 7 件（内、受賞 1 件、注目講演に指定 1 件）成する。DFT 計算に基づき、このラジカルカチオンが[特許]

基底状態の液体 Si と反応してラジカルとカチオンの 2

1. 増田貴史, 他「微小構造体及びその製造方法」
特願 2021-004101.

種類の反応活性種を導くことを明らかにした。そして85

【助成 36 -31・前年掲載の差し替え】
つけ爪型脈波センサの開発－全生活時間をモニタリング可能な無拘束計測システム－研究者 東北大学加齢医学研究所 助教 井上 雄介〔研究の概要〕
装着感のないセンシングデバイスを実現するために、つけ爪型デバイスの改良・ヒトを対象とした実験・解析によるノイズ除去を行った。センサの基板の改良によってフレキシブル化と小型化を実施した。ヒトを対象とした研究では装着感と身体動作時のノイズ除去、圧力センサとしての評価を行い、リハビリへの応用の可能性を示す結果を得た。全生活時間で心拍を計測可能なデバイスの実現に向けた有用な結果を得た。

〔研究経過および成果〕

ヒトを対象とした実験・解析によるノイズ除去を行った。

【背景】 入院患者や寝たきりの方のみならず、新生本研究は 3 大学による共同研究で、デバイス改良は

児や運動中のアスリートなどにおいてもバイタルサイ

香川高等専門学校、ヒトを対象とした実験は東北大

ンをモニタリングすることは重要であり、心電図やパ学、解析は東京大学がそれぞれ主体となって実施しルスオキシメータ、緑光脈波計など様々な方式が用た。それはら完全に独立して実施したのではなく、各いられている。心電計は胸部への電極貼り付けが必

実験においてはそれぞれの拠点に参集して共同で須であることや、パルスオキシメータや緑光脈波計な実施した。

どの指を挟み込むタイプのセンサは低血圧時に挟むデバイスの改良に関しては、実装する素子サイズを圧力によって計測が困難になるなどの課題がある。さ変更することと、実装基板をガラスエポキシの素材からに、これらの手法は計測時に機器との間にケーブ

らポリイミドの樹脂性基板に変更することで改良をおルがあるか、ワイヤレスのデバイスであっても装着感こなった。ガラスエポキシ基板は 2mm 程度の板厚をがあることが大きな課題で、日常生活に支障を来すこ用いることが一般的であるが、我々は 0.5mm の厚さのとや、装着感があることで無意識に抜去してしまい計

基板を用いてより薄く小サイズ化を図った。さらにポリ測できなくなるという課題がある。本研究では装着感イミドの基板に改良することで、厚さは約 60μm（ポリのないセシングデバイスの開発とそれを応用した新たイミド基板 25μm＋銅箔 35μm）まで薄くした。ポリイミ

なアイディアに挑戦する。“つけ爪”を応用した皮膚にド基板は薄いだけでなくフレキシブルであることが有

触れないウェアラブルセンサを開発し、在宅医療用用であった。爪は平坦ではなく長軸方向と短軸方向遠隔モニタリングデバイスとして実用化する事で、在にそれぞれ丸みを帯びており、さらに個人差が大き

宅医療の向上に寄与することを本研究の最終的なゴい。本デバイスは光の受光強度によって結果を得てールとして研究をすすめることとした。

おり、光路の一部である爪への受発光角度は重要で【研究経過】 われわれは装着感のないセンシングデあると考えているので、フレキシブル基板と堅いリジッ

バイスを実現するために、つけ爪型デバイスの改良・トな基板による計測結果の違いと、爪の形状の個人

86

差については今後さらに調査していく予定である。

ときのノイズを切り分けることで心拍の真値をとろうとヒトを対象とした研究に関しては東北大学大学院医するアルゴリズムは、ノイズとして除去された部分が圧学系研究科倫理委員会への申請と承認を経て実施

力が計測されるタイミングとなるためである。そこで東した（2019 年 2 月 18 日承認 2018-1-864：温度セン

京大学においてもヒトを対象とした倫理申請を行い、サ・衣服型センサとつけ爪型脈波計の装着感の評価承認され（東京大 学工学部研究倫理委員会

研究）。20 歳以上の健常者を被験者として実施し、つKE18-12 変更申請）、東北大学と共同で研究を進め

け爪型センサの装着感について問診票、アンケート、た。これまでの研究でわかったことは、静止した状態

循環応答と精神生理反応について定量的に評価しから把握したかどうかを検知すること自体は可能であた。アンケートに関しては主観で 5 段階評価で回答をるが、複数の事象が生じたときにそれを切り分けること求め、他のセンサとの比較を実施した。循環応答によは大変困難であると言うことである。物体を把握したとる定量的な評価は連続血圧計、心電計（必要に応じきに脈波の脈高が減少する。これは物体を握るため

胸部誘導あるいは、四肢誘導で取得）、呼吸数を用の圧力によって、爪へ流れ込む血流が減少するためいて計測した結果を東北大学の吉 澤らが開発したに生じるものと考えており、把握時ににぎりこむ力と、

ρMAX 手法 (DOI:10.1109/VSMM.2001.969762) を脈高に反比例する傾向が見られたことからもこの類推用いて定量的に解析した。

は妥当性があると考えている。一方で、脈高は手の試験は①安静状態（120 秒）、②椅子に座る、ベッド

上げ下げによっても変化することがわかり、あらゆる条に横になるという日常動作（120 秒）、③安静状態

件下でも出力波形だけから圧力を検知するには至っ（120 秒）の合計 6 分間で行った。この試験を既存のていない。現状では把握以外のすべての動作を廃しセンサと開発したセンサとでそれぞれ行い比較した。

た状況での圧力計測に成果をえているので、これを現在までに 4 例の試験を行い、定量評価では既存臨床応用することを検討している。札幌医科大学ののセンサに比べてストレスを感じているという結果は研究者と検討しているのはリハビリへの応用である。

出ず良好な結果であったが、例数が少ないため個人

手の神経麻痺患者は自分で手を動かすことができる

差を正しく反映しているとはいえないため実験数と対が、皮膚からのフィードバックがないため、握り混む力

象年齢を広げて実験する必要があると考えている。

をコントロールすることができない。神経麻痺の患者

主観的な評価に関してはいずれも既存のデバイスにに適切な圧力を音で伝えることが可能となれば、ガラ

比べて装着感や違和感がないことが示された。

スのコップや柔らかいものなどを適切な力で握ること

圧力センサとしての脈波計測は、把握時のセンサができるように訓練できる可能性がある。

出力変化（脈高）を利用する方式である。脈波計測と今後は未成年から高齢者までの広い年代で研究をいう観点ではノイズでしかない把握時の出力変化を進めるべくヒトを対象とした試験の倫理申請を 3 拠点

有効な情報として活用を試みるものである。試験をすの他施設共同研究として審査中である。本助成によすめるうちに東京大学が実施するノイズ除去手法とって得られた結果をより広く医療と生活に応用できる

非常に相性が良いことがわかってきた。指を動かした

よう今後も研究を進める予定である。

87

【助成 36 -33】
アプタマー修飾電極を用いた毒性アミロイドβの電気化学的検出システムの開発

東京農工大学大学院工学研究院 助教

塚越 かおり

〔研究の概要〕認知症の原因疾患であるアルツハイマー病は、アミロイド β（Aβ）が形成する水溶性の凝集体 Aβ オリゴマー（Aβo）の細胞毒性が発症に寄与していると考えられており、抗体医薬を中心に国内外の製薬会社が Aβo を標的とした医薬品の開発に取り組んでいる。将来、このような新規医薬品を用いて効果的な治療を行うためには、投薬時期の決定や治療効果の判定時にバイオマーカーとして Aβo を測定する技術が必須となる。そこで本研究では Aβo を迅
速に測定可能な電気化学的検出システムの構築を目指し、毒性 Aβo に結合する新規リガンドの開発を行い、さらに申請者が既に獲得しているリガンドである Aβo 結合 DNA アプタマーを組み合わせたバイオセンシングの開発を試みた。

〔研究経過および成果〕

Prion protein (PrP)

毒性 Aβo に結合する新規リガンド・アルカリホスファタ
ーゼ融合プリオンタンパク質 (PrP-ALP) の調製手法

23

Alkaline phosphatase (ALP)

230

Mouse
PrP23-230
Mouse
PrP23-111
E. coli ALP dimer (PDB: 5c66)の改良
筆者は、細胞性プリオンタンパク質 (PrP) が脳内でAβo と特異的に結合して神経細胞障害に関わるシグ

23-27 aa

95-110 aa

KKRPK

HNQWNKPSKPKTLNLKHHigh activity and stability

Aβ oligomer binding sites [2, 6]

Generates chromogenic,
electrochemical andchemiluminescence signals[2] Chen et al., J Biol Chem. 2010
[6] Laurén et al., Nature. 2009

ナル伝達を活性化すること、PrP はモノマーや線維には結合しない特異性を有していることに注目した。以
上の報告は、PrP が Aβo の毒性に関わる特徴を認識して結合する毒性 Aβo リガンドとして有用であることを示唆している。そこで PrP に酵素であるアルカリホスフ
ァターゼ (ALP) を標識し、毒性 Aβ オリゴマーを認識するリガンド、アルカリホスファターゼ融合プリオンタン

図１. 筆者が開発した新規毒性 Aβo リガンド・
アルカリホスファターゼ融合プリオンタンパク質（PrP-ALP）の概要図

パク質 (PrP-ALP) の開発を行ってきた（ 図１ ）。ALPは基質として p アミノフェニルリン酸を脱リン酸化

PrP-ALP は大腸菌を用いた組み換え生産により獲することで、電極活性を持つ生成物を作ることができ得し、C 末端につけたアフィニティータグを用いて精るので、ALP を標識酵素とすることで電気化学検出セ

製することで精製品を獲得している。しかし、これまで

ンシングが可能となるので、本研究におけるリガンドとアフィニティータグ精製による収量が低いことが課題して用いた。

であり、センサー構築に十分な量のリガンドを得ること88

が困難であった。そこで PrP-ALP 本体とアフィニティ

る実験系を新たに構築した。いくつかの Aβo を捕捉すータグの間にリンカーペプチドを挿入する遺伝子改変る抗体と、ポリプロピレンプレート・化学発光基質を用を行い、収率を向上することで、以降のセンサー構築

いて探索的に実験を行った。結果、Aβ の 1-16 アミノに十分な量の PrP-ALP を得ることに成功した。

酸を認識する抗体と 500 nM の Aβo 試料、PrP-ALPの全てを添加した際に、化学発光強度が顕著に上昇

PrP-ALP を用いた毒性 Aβo センシング手法の開発した。このことから、PrP-ALP と抗 Aβ 抗体で Aβo をサ

筆者はこれまでに Aβo を特異的に捕捉可能な DNA

ンドイッチ検出できることが分かった。同様の手法で、アプタマーを報告している（Tsukakoshi et al., Anal

種々の濃度の Aβo を検出した。その結果、Aβo の濃Chem 2012）ので、DNA アプタマーを電極などに固相度が増加するに従って化学発光が上昇した一方で、し、Aβo を捕捉させた後、PrP-ALP を加え Aβo 特異

モノマー試料に対する化学発光の上昇は見られなか的に電気化学活性が得られるセンシング系の構築をった（図２）。このことから本系は、Aβo を Aβ モノマー試みた。しかし予想外に、アプタマーと PrP-ALP が相試料に対して高い特異性で検出できることが分かった。

互作用してしまい、Aβo が存在しなくても ALP 由来の

本実験における、Aβo の検出限界 (LOD) は 35 nM

シグナルが出ることがわかった。これは、アプタマーがと算出された。酸化還元によってシグナル増感が可能核酸であるゆえに負電荷を帯びること、PrP の Aβo 認

な基質と電気化学測定の原理を用いることで、さらな識部位に塩基性アミノ酸であるリジンが多く含まれる

る高感度化を目指すことが期待できるので、今後本研ために、静電相互作用で非特異的な結合をしてしま

究で見出した抗体・PrP-ALP を用いて電気化学センったと考えられた。

シングの開発を進めていく。

そこで Aβ に結合する抗 Aβ 抗体をアプタマーの代〔発表論文〕

わりに用い、PrP-ALP の特異性のみで Aβo を検出すなし

図２. 抗 Aβ 抗体と PrP-ALP を用いた新規毒性 Aβo 検出アッセイの結果。

89

【助成 35 -05】
水産養殖池における水温成層逆転現象と水産病害の実態把握に関する研究

研究者 九州大学熱帯農学研究センター 助教

尾﨑 彰則〔研究の概要〕研究者らは，曝気循環を行わない熱帯雨季の塩水養殖池において，雨季特有の降雨による塩分成層状態 3
成層化および 3 成層化後の熱塩対流による塩分濃度勾配層の断熱効果が，下層高塩分層に蓄熱を誘発し水温成層逆転現象が発生することを明らかにしている．この水域蓄熱は，高水温に伴う水質汚濁，病原微生物の増加，養殖物への生理的ストレスなど，養殖生産性にきわめて危険なリスクになると考えられる．本研究では，これらのリスクのうち，水域蓄熱と病原微生物増減の相関関係の解明を目的として，実験水域における気象変動・
水環境変動の連続観測および定期的に採取した水サンプルのメタゲノム解析を実施した．

〔研究経過および成果〕

にかけて蓄熱が発生し，水温成層状態が逆転してい１．観測対象水域・方法

ることがわかる．この期間の塩分濃度状態は，蓄熱が観測は，タイ・カセサート大学水産学部クーロンワ

発生する数日前より継続した降雨により 3 成層化したン水産研究所が管理するミルクフィッシュ(Chanos

状態であり，熱塩対流による塩分濃度勾配層の断熱

chanos)およびバナメイエビ（ Litopenaeus vannamei ）が起こる条件がそろっていた．一方，ミルクフィッシュ

を養殖対象とした 2 つの実験水域（22×23×1.2 m）
で，2019 年 7 月 1 日～9 月 30 日（雨季期間）に行った．連続観測（10 分間隔）項目は，水温・塩分濃度鉛
直分布・水深変動，定期観測（週 5 回 12：00～13：00）項目は，水質鉛直分布（DO，pH，ORP，NTU）および定期採水（10 日間隔，上層，中層，下層）である．

図 1 観測実施期間の気象変動

なお，水域水管理は，人工的な曝気循環を行わない
粗放管理養殖とした．したがって，実験開始後の塩分濃度および水位は，気象条件に依存する．
２．研究成果２－１ 気象変動・水環境変動の連続観測
図 1 に観測実施期間の気象変動を，図 2 に水温および塩分鉛直分布変動コンター図を示す．図 2 のバ
ナメイエビ養殖池の水温変動より，8 月 7 日～17 日および 9 月 18 日～27 日において，水域中層から下層

図 2 観測実施期間の水温・塩分濃度変動

90養殖池では，降雨による塩分成層の 3 成層化は出現
せず，蓄熱現象も確認されなかった．これは，ミルクフ
ィッシュの遊泳行動が，降雨後の塩分成層形成を阻害したためであると考えられる．このことから，本研究が対象とする熱帯塩水養殖池の水域蓄熱現象は，養殖物の鉛直遊泳が起こりにくい，貝類，甲殻類，海藻などの養殖池に起こりうる現象であると言える．
２－２ 水サンプルのメタゲノム解析・主成分分析
定期採水した水サンプルについて，16S rRNA 細菌叢解析を行った結果，ミルクフィッシュ養殖池で 135
属，バナメイエビ養殖池で 138 属を特定した．また，得られた細菌属の量と環境変動値（気象・水温・塩分・水質）との相関関係を明らかにするために，主成
分分析を行い検討した．なお，水サンプルのサンプリ
ング間隔が 10 日間であったことから，主成分分析に用いた環境計測値は，サンプリング前 10 日間の平均値および積算値（日射量・雨量）を採用した．図 3 に，
主成分分析結果を示す．図 3 より，細菌属と環境変動値との相関関係はそれぞれの池で異なることがわ
かる．特に，蓄熱が起こったバナメイエビの養殖池で

図 3 主成分分析結果抜粋（水域内計測項目は 0.0～0.5m の平均値）

は，水温と NTU のスコアが近いことから，水温上昇に以上本研究から，水温成層逆転現象と特定の病原伴い濁りが生じたことがわかる．また，水温と細菌属

微生物との相関性が明らかになった．今後は，本研に つ い て は ， Francisella 属 ， Synechocystis 属

究成果を礎として，継続的に観測・解析情報を蓄積

PCC-6803 および Cyanobiaceae 属が水温とのスコアすることにより，網羅的に水温成層逆転現象と水産病が近い．このうち，Francisella 属は，病原性グラム陰害との関連について究明していく．

性細菌であり，水産病との関連では，メガイアワビ，ホ〔発表論文〕

タテガイの感染病の原因菌として報告されている．今１． Characteristics of water quality variation under

回の観測期間における，Francisella 属の存在比は，

heat storage in closed salinity ponds in the tropics

それぞれの養殖池でそれほど高いものではないが，A. Ozaki, P. et al., 2021 ASABE Anual. Int. M.

特に 9 月の蓄熱発生時には，ミルクフィッシュ養殖池

２． 熱帯塩水養殖池における水域蓄熱現象に関すでは存在しないのに対し，バナメイエビの養殖池では，る現地観測, 尾﨑 彰則他，土木学会論文集

蓄熱前後の期間で 7 倍に増加していた．

B1(水工学) 75(2), 679-684, 201991

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令和3年5月1日 発行