282008

『筑波大学技術報告』No. 28 の発刊によせて筑波大学では、技術職員の業績を広く学内外に紹介すること等を目的として、『筑波大学技術報告』を長年継続して発刊してきており、本年度は No. 28 が発刊されるはこびとなりました。
今回の報告書は、「第 7 回筑波大学技術職員技術発表会」（平成 20 年 3 月 10 日
開催）における発表論文により構成されております。これは、教育・研究支援活動により多忙な日常業務の中で、本学の技術職員が創意工夫をこらした、長期間にわたる研鑽や努力の成果を報告するものです。
また、7 年前から行われている技術発表会は、法人化後、技術職員が各部局に分属されることになったにもかかわらず、全学的な活動として継続的に充実発展してきております。技術発表会への積極的な参加・発表の奨励・啓発や学外者の参加を呼びかける広報活動など、今後のあり方の議論も含めて、技術発表会の開催や運営に関して大きな努力が払われています。
技術職員の職務は、実験科学等の教育・研究の支援活動に限られたものではな
く、教材の作成、教育・研究機器の設置・維持調整、資料の整理、その他教育・研究活動の広い範囲に亘っています。特に最近では IT 技術の発達に伴うネット
ワークの利用等において、技術職員の協力は、一層重要な役割を果たしています。
その一方で人件費抑制等の影響を受けて職場環境が厳しくなりつつある中で、多くの技術職員がこれらの役割を果たすべく頑張っている状況を是非ご理解いただ
きたいと思います。
本報告書の刊行により、本学技術職員の業績を広く学内外に紹介し、各方面より忌憚のないご意見や、ご指導、ご助言、激励等を頂くことが出来ればと願っております。技術職員の育成と技術力の一層の向上のために、各方面のご支援をよろしくお願いいたします。

2008 年 3 月
筑波大学副学長（研究）

̎

水林

博

目次
『筑波大学技術報告』No. 28 の発刊によせて
水林 博 筑波大学副学長（研究）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ⅰ

技 術 発 表 会 報 告 集
Web サイトでの教員情報公開・管理システム
北原 匡 システム情報工学等支援室（情報アプリケーション班） ・・・・・・・・・・・・・ 1
RRDtool を用いた加速器のガス圧力・温度 Web モニター
大和 良広 研究基盤総合センター（応用加速器部門） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 9FPGA による PCI バス・インターフェース回路の実装
小野 雅晃 システム情報工学等支援室（装置開発班） ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17
SiO2 担持 Rh 触媒の調製過程における TEM 観察伊藤 伸一 数理物質科学等支援室（物性・分子工学専攻） ・・・・・・・・・・・・・・・ 25
溶融法による酸化物ガラスの特性
間宮 精一 数理物質科学等支援室（物性・分子工学専攻） ・・・・・・・・・・・・・・・ 29
可視化実験用一面せん断実験装置の製作
飯高 稔 システム情報工学等支援室（装置開発班） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 32
農業用トラクタヒッチ点位置制御による牽引車両の追従性向上の検討〜試作機の製作と効果について〜
本間 毅 生命環境科学等支援室（農林技術センター）
瀧川 具弘 生命環境科学研究科（生物圏資源科学専攻） ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 36
ABO 血液型遺伝子多型の PCR-SSCP 法による解析とその応用
中村 貴子 人間総合科学等支援室（医学支援室） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 39
デジタルカメラによる赤外線撮影
鷺野谷 秀夫 人間総合科学等支援室（体芸支援室） ・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 45
安定したヘリウム回収率維持に向けて
宮内 幹雄、近藤 裕、敦賀 将太 研究基盤総合センター（低温部門）
池田 博 数理物質科学研究科（物性・分子工学専攻） ・・・・・・・・・・・・・・・・・ 51
網赤血球検出のための蛍光試薬の比較検討
佐藤 晶子、櫻井 秀子 人間総合科学等支援室（医学支援室）

・・・・・・・・・・・・ 58

光ビート法による高周波の発生
松山 英治 数理物質科学等支援室（物性･分子工学専攻） ・・・・・・・・・・・・・・・・ 62
海藻物質水中採取システム
土屋 泰孝、佐藤 壽彦、品川 秀夫

̏

生命環境科学等支援室（下田臨海実験センター）・・ 66

第７回筑波大学技術職員

技術発表会報告集
開催日：ᾁ὿὿ᾇᴾᴾ年 ᾂᴾ月 ᾀ὿ᴾ日
会場：筑波大学総合研究棟 ᵠᴾ 公開講義室

筑波大学技術職員技術発表会の公式ウエブサイト

http://www.tech.tsukuba.ac.jp/2007/筑波大学技術報告
28:1-8,2008

Web サイトでの教員情報公開・管理システム
㩷北原匡

筑波大学システム情報工学等支援室 (情報アプリケーション班)〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1
内容は省かれていた。（表示データは実際のものではない）

概要
Web で公開される教員情報は、教職員・学生、受験生、国内外の教育・研究者への情報サービス、社
会還元の一環として重要なコンテンツであると認識されている。Web 上で教員自身が公開情報を入力・編集し、発信するためのシステムを Perl による CGI(Common Gateway Interface) として Web サイト上に構築し、平成 19 年 6 月より運用している。
日常の依頼業務としての成果であり、技術的な目
新しさはとくにないが、使いやすいとの評価をいた
だき、有益なコンテンツとして機能している。
キーワード: 教員情報管理システム、 教員プロファ
イル、Perl、CGI

１．はじめにシステム情報工学研究科社会システム・マネジメント専攻（SSM）、社会システム工学専攻（SSE）、
経営・政策科学専攻（MBA-MPP）の各専攻 Web サ
イトでは、従来、いわゆる一覧表の形式にて教員情報を発信してきた。しかしながら、コンテンツとしては、教員氏名、職位、簡単な専門分野の表記にとどまり、情報を発信する側、情報を求める側、それぞれの要求に十分答えられない状態であった。また、各教員からの更新依頼、人事異動状況がコンテンツ管理作業者まで正しく伝わらない等、更新作業が思うように進まず、情報の正確さや鮮度の維持の点でも問題があり、重要なコンテンツでありながら必ずしも十分に整備されているとはいえなかった。
「教員情報システム整備タスクフォース」（以下TF）1では、従来の方法による教員情報の公開形式を改善し充実させる事を目標に、仕様を決定し、CGIプログラムを作成し、運用を開始した。本システムの主たる目的は以下の 2 つであり、以降の各章にて詳細を説明する。

図 1. 従来の教員紹介ページ例
当時、全教員の 52%が教員個人で Web サイトを開設し、それらのサイトは教員一覧のページからリンクされていた。教員の属している研究室（関連する教員、大学院生、学類(学部)生、事務補佐員等により構成される研究単位）で Web サイトを開設している場合も 9%あり、同様にリンクされていた。一方で、39%の教員がそのような Web サイトを開設していないか、リンクを希望していなかった。
・ 個人的 Web サイトを開設している教員（52%）
・ 研究室 Web サイトを開設している教員（9%）
・ Web サイトを持っていない または Web サイト
はあるがリンクしていない教員（39%）

・ Web 上で各教員が自らの情報を管理する
・ 公開する情報として必要十分な項目を吟味する

ただ、何らかの手段（主に社会工学類コンピュー
タシステムの Web サービスを利用しているが、民間プロバイダの Web を利用している場合もある）で教員情報を発信している 61%の教員の Web サイトにしても、それらは個々で作成されているので、情報の内容やページデザインの統一性は全くなかった。
さらに、求める情報にたどり着くまでのパスの一貫性がないため、見る側にとっては「組織の Web サイト」としての一体感を得にくかった。

２．システム構築までの経緯
2.1 これまでの状況
SSM にて従来公開してきた教員一覧 Web ページ
は、図 1 に示すようにシンプルで、ページデザイン
およびデータ収集と維持管理の都合により、詳細な
1

便宜的に SSM, SSE, MBA-MPP 各専攻長 3 名、広報委員会メンバー6 名、筆者ら計 10 名による専攻横断的なワー
キンググループを称する。

&

2.2 問題解決への改善案

・ 基本情報の更新時期が遅い（担当授業情報等）
・ 表示画面インタフェースのわかりにくさ・ 表示項目および形式が適切でない
・ データ消失等の不安定さ
・ 過剰な情報量・ 全教員の情報が掲載されていない

これらの問題を改善するため、TF では対策を検討
し、2.2.1 から 2.2.4 に示す 4 つの改善案を挙げた。

2.2.1 教員個別で Web ページを作成
教員個人あるいは研究室としての Web サイトを教員が主体となって作成し、その中で教員情報を掲載し、独自に管理してもらう案である。その際、コンテンツの量、質、デザイン等のひな形を用意し、可能な限りそれに準ずるように促すこととする。

これらは、システムの性格上、やむを得ない所もあるが、TF が求める教員情報発信の方法として考えた場合、以下の点がデメリットとして挙げられる。

【メリット】
・ コンテンツの自由度がある
・ 既存の Web サイトを活かしやすい【デメリット】
・ 情報発信の対象が研究者向けである
・ 詳細ではあるが過剰で冗長な項目が多い
・ ページ構成が複雑で見にくい【デメリット】
・ 新規に作成する場合の負担が大きい・ デザイン・構成の統一化が難しい
・ Web ページ作成のスキルの差が表れる

上記は、TRIOS システムの基本的な仕様に関わる
ところが大きいため、仕様の変更を期待するのは難しいと考えられる。したがって、TRIOS の利用は可能ではあるものの、最適な解とはいえない。

2.2.2 専攻一括で各教員 Web ページを作成

2.2.4 新たに教員情報システムを構築

広報委員会でコンテンツ構成、デザインを決め、専攻 Web サーバ上に全教員のページを作成する。コ
ンテンツの管理は、原則として広報委員会で行う。
教員との円滑な情報収集の方法を別途検討する。

広報委員会で教員情報を一元的に管理するシステ
ムを新たに構築し、Web による情報の発信と管理をする。
【メリット】
・ コンテンツデザインに制約がない
・ 前述の各案のメリットを反映させられる・ Web ページとしての信頼性が保たれる【メリット】
・ コンテンツの統一が可能
・ 専攻 Web ページとの繋がり、一体感がある
・ Web ページとしての信頼性が保たれる・【デメリット】
・ 一括管理の負担が大きい
・ 教員からの更新情報を収集する方策が必要【デメリット】
・ システムの構築および維持管理が必要

2.2.5 採択案の決定
TF では各案を検討し、2.2.4 の新たな独自の教員
情報システムを作成する案が中長期的にみて最善であると判断した。その際、TRIOS のコンセプトを最大限活かし、当専攻及び関連する組織が望む教員情報発信・管理システムの構築を目指すこととした。

2.2.3 TRIOS の利用
筑波大学研究事業部では、筑波大学研究者情報シス テ ム （ TRIOS: Tsukuba Researchers Information
Online System）2を運用しており、大学外からも Web
経由で教員情報を得る事が可能である。各教員へのURL（Uniform Resource Locator）を直接指定してアクセスすれば、その教員情報を表示させる事が可能であり、このシステムを本システムの核として利用するのが最善策と考えた。

３．本システムのコンセプト
3.1 基本的なコンセプト
本システムを構築するにあたり、以下を基本方針とした。

【メリット】
・ 教員自身が Web ブラウザにて情報更新できる
・ 新たに Web ページを作成する必要がない
・ 日本語と英語ページが既に用意されている・ 詳細な項目に対応している・ Web ページとしての信頼性が保たれる

・ 既存の教員一覧表 Web ページの各教員からのリンク先として本システムを利用する
・ 受験生など、研究者以外も幅広く対象者とする・ 必要最少限の教員情報をコンパクトに表示する
・ 更なる詳細情報は TRIOS や教員作成の Web サイトに委ね、それらへリンクし、アクセスを促す
・ 社会工学系組織3にて共用する

しかしながら、実際に TRIOS を利用している教員の意見として、学内の広報委員会等では以下のような問題点が指摘されている。

3

2

システム情報工学研究科社会システム・マネジメント専
攻（SSM）、社会システム工学専攻（SSE）、経営・政策科学専攻（MBA-MPP）、理工学群社会工学類

http://www.trios.tsukuba.ac.jp/'

ル形式でデータを保持し、プログラムによってデー
タを処理した方がよいと考えた。

・ 教員情報は随時教員自らが更新する
・ 情報更新インタフェースを使い易いものとする
・ 認証やアクセス制御等のセキュリティ対策

表 1. 本システムで扱う項目
本システムは、概念的には、図 2 のように専攻
Web サイト等のパブリックなサイトと個人 Web サ
イト等のパーソナル（プライベート）なサイトとの橋渡し的な役割、あるいは、その教員自身へのポー
タルサイト的なものとして位置づけられる。

図 2. 教員情報ページの位置づけ

3.2 仕様の概略
基本的なコンセプトを受け、以下の各章で述べる
ようなプログラム仕様の概略を決めた。

3.2.1 教員データの項目
TRIOS を参考にしつつ、本専攻として必要な項目を吟味し、表 1 に示す 21 項目を定めた。データ編集の際のインタフェースは、基本的にはテキストの自由入力を基本とするが、必要に応じて、プルダウン
メニューやラジオボタン、チェックボックスの入力方法を採用することとした。
情報の項目を必須項目（必ず表示される）と任意
項目（教員が表示・非表示を選択する）に分け、教員の「顔写真」の掲載は個人情報保護を考慮し、非表示、任意の URL、似顔絵、教員がアップロードした画像からひとつを選択するようにした。

3.2.3 CGI の動作環境、処理言語
本システムは、社会工学系組織 Web サイトを運用している既存のサーバを使用するので、CGI として用いる処理言語はこのサーバで利用できるものに限られる。また、扱うデータが文字データ主体である
点、今後のサーバ移行、筆者の慣れ等を考慮し、処理言語として Perl を用いることとした。
サーバ OS は Mac OS X Server 10.4.11 で、OS にバンドルされている Apache 1.3.33 および Perl 5.8.6 を用い、別途必要なソフトウェアはない。
したがって、Apache と Perl が CGI として利用さえできればよいので、万一の障害等によるサーバの移行も容易である。
使用するサーバのハードウェアは、Apple PowerMac G5（CPU: 2.5 GHz Dual PowerPC G5, Memory: 4GB）である。

3.2.2 データサイズとデータ格納方法
登録する教員数は約 70 名で、一人当たりのデータ
は前項のデータ項目から大雑把に見積もると、大きくても数キロバイト程度の文字データと想定され、全体のデータサイズは、概算で 300 KB 程度になると考えられる。顔写真は、画像実体ではなく、それへのアクセスパスを格納するものとする。また、頻繁なデータ更新処理が発生するとは考えにくく、通常では、頻繁なアクセスを受けるコンテンツではな
いと考えられる。
したがって、データの格納には、DBMS（DataBase
Management System: データベース管理システム）の優位な機能は理解しつつも、サーバを含めたシステ
ムの TCO（Total Cost of Ownership: 総保有コスト）を考慮すると、CSV（Connma Separated Values: カン
マ区切り値列）ファイルなどの汎用テキストファイ

3.2.4 ユーザ認証とセキュリティ
本システムでは、教員個人のセンシティブ情報4は扱わないとはいえ、公開するものは個人情報であり、4

個人情報の中でも特に取り扱いに留意すべき情報として、JIS Q15001 にて規定されている。（参考文献 [1]）(

教員の情報はその教員のみが編集でき、本人以外には編集されないようにしなければならない。
幸いな事に、本システムが対象とする教員は、全て 社 会 工 学 類 コ ン ピ ュ ー タ シ ス テ ム の LDAP
（Lightweight Directory Access Protocol）上に登録されているので、これを教員情報編集時のユーザ認証に利用することとした。
また、編集作業は学内のパソコン等からアクセス
した場合のみ可能とした。さらに、SSM の Web サ
イトの教員情報ページを経由した場合のみ編集可能とするなど、編集可能な環境を極力限定することにした。教員からすれば、不便とも思えるが、セキュリティ対策としてはやむを得ないと考える。
教員のメールアドレスの表記方法、本システム
CGI へのアクセス URL の記述方法にもセキュリテ
ィ対策および SPAM 対策を施すこととした。

うなことがないように、CGI プログラムにて利用者の利用環境を取得し、それに対応した表示レイアウ
トを CSS（Cascading Style Sheets）にて調整し、極力見た目の統一をはかることとした。

４．CGI プログラム
ここまでで決まった仕様をもとに、実際に Perl で
CGI プログラムを作成した。作成にあたり、参考文
献 [2]の「PROFILER/自己紹介登録 CGI」（以下、オリジナルと呼ぶ）を本システムのひな形として参考にした。また、Perl でのプログラミングにあたり、参考文献 [3], [4]を用いた。

4.1 プログラムの構造

3.2.5 社会工学系組織にて共用
本システムは、旧社会工学系所属の教員（改組後、システム情報工学研究科社会システム・マネジメン
ト専攻および同研究科リスク工学専攻に所属）の情報を対象とするものである。したがって、本システ
ムは対象教員数が多い SSM の Web サイト内に実装されることになるが、各教員は授業等で他の研究科、専攻、学類等と関わりを持っている。さらに、それらの部局でも Web サイトが開設されており、そこにも教員紹介ページが設けられていることが少なくない。
これらの Web ページから SSM の本システムの教員情報にリンクして利用すること自体は問題ないが、教員の所属はあくまでも SSM であるということを意識させるようなページデザイン上の工夫が必要であると考える。
そのため、本システムでは、教員情報ページ最上部のバナー画像を適切に切り替え、その Web サイト
組織と教員の所属組織、さらに関連組織との切り分けを表現することとした。

オリジナルでは、一つのプログラムにてデータの新規登録・削除等の管理、データの編集、データの表示全てを処理しているが、本システムのコンセプ
トおよび仕様には合致しないため、上記 3 つの機能を分離し、それぞれに適切なユーザ認証およびアクセス制御のもと動作するよう、プログラムを改造および新たに作成した。表 2 は、本システムのプログ
ラム一覧である。末尾が.cgi のものは、Web ブラウ
ザによってアクセスされる CGI プログラムで、末尾が.js のものは CGI プログラムによって出力される
html 内で用いられる JavaScript プログラムである。
表 2. 本システムのプログラム

3.2.6 顔写真
教員の顔写真の掲載については、教員自身の意思を尊重するため、
図 3 に、これらの CGI プログラムの相互関係を示す。教員一覧表の各教員名に rtvprof.cgi をリンクし、この CGI に教員の識別データをパラメータとして渡すことにより、教員情報ページを表示する。
アクセスが学内からの場合は、教員情報ページ内に編集のためのリンクが表示され、クリックすると、当該教員を認証させるダイアログを表示し、ユーザ
ID およびパスワードの入力後、編集ページに移行する。事前に管理者として登録されたユーザの場合は、管理ページに移行し、新規登録、削除、データの整理、バックアップ等の操作が可能となる。

・ 表示なし・ 似顔絵5・ 本システム上にアップロードした jpeg 画像
・ 任意の Web サイト上の画像の URLから選択できるようにする。
そのために、画像のアップロード機能と自動拡大縮小表示機能を用意することとした。

3.2.7 見た目の統一
利用者は、各種 OS と各種ブラウザの組み合わせ
でアクセスする。その組み合わせによっては文字の大きさ、フォントの違いによって表示レイアウトが大きく崩れる場合がある。本システムでは、このよ

4.2 データの構造
本システムで用いるデータファイルを表 3 に示す。
第 3 章で述べたように、データファイルは全てテキストファイルである。

5

社会工学系組織の広報パンフレットおよびポスター作
成時に教員有志の手によって描かれたもの。

)

面から入力データを取得し、4.2 章で述べたデータフ
ァイルへ書き込み、このファイルからデータを読み出して Web ページ上に教員情報として表示する、いわゆる「普通」の CGI であるが、いくつか工夫したポイントがあるので紹介する。

例として、教員の情報を保存する profile.txt ファイ
ルのデータフォーマットを図 4 に示す。一般的に、
データベースシステムでのスキーマやデータ属性はデータの外で定義されるが、図 4 のデータファイル
では、データの内部にその属性がデータそのものとして格納されているのが特徴である。

4.3.1 CGI の実行時パラメータ
本 CGI にアクセスする場合、
http://www. …/profile/rtvprof.cgi?uid=xxxxxのように、教員を識別するため、xxxxx のようなパラメータが必要になるが、セキュリティ上、このパラメータをそのまま露出させるのは好ましくない。
そこで、xxxxx の部分に、単換字式暗号の一つである ROT136とランダム文字列付加7による簡単な暗号化を施すことにした。厳密なセキュリティを求めることはできないが、実用上は十分と思われる。
例えば、uid=taro というパラメータは、ROT13 後、前後にランダム文字を 2 文字ずつ追加すると、
uid=a0gneb1x と暗号化（変換）されることになる。
元のパラメータは、この変換と逆の手順で復号化（変換）することによって得られる。

図 3. CGI プログラムの相互関係
表 3. 本システムのデータファイル

4.3.2 メールアドレスの表記
教員の情報で、メールアドレスは重要な情報であるが、一方で SPAM メールの標的になるなど、その扱いは慎重にすべきである。html ファイル内に、<a href=”mailto:taro@tsukuba.ac.jp”>
taro@tsukuba.ac.jp</a>と記述すると「SPAM 用アドレス回収ロボット」に探索される可能性が高い。
それを避けるために、リンク機能を犠牲にし、
taro＠tsukuba.ac.jp（@が全角文字）
taro at tsukuba.ac.jp（@を at に置換）と記述したり、画像化して対処することが少なくないが、見た目が好ましくない上に、このアドレス宛にメールを出す場合 copy&paste を余儀なくされる。
これも、前章同様に ROT13 とランダム文字追加、および文字置き換え（@→%、.→@）を組み合わせて暗号化し、<script>タグとして html に出力する。
ブラウズ時は、JavaScript にて復号化し、<a>タグとしてリンク表示されるが、実際のリンクは、配列内に格納された実メールアドレスを配列要素番号で参

図 4. 教員情報データのフォーマット
例えば、”項目数”、”項目名 1:p1”などがそれにあたる。項目名 n はそのデータ項目のラベル名、pn はそのデータのタイプを定義し、0=選択項目(非表示)／
1=選択項目(表示)／2=必須項目／3=所属部局項目／
4=担当部局項目のいずれかを表す。
データ件数が増えると、その属性データの冗長性が問題となるが、本システムで扱うデータ件数では影響はないと考える。むしろ、データの自由度、データハンドリングの面で優位であると考えられる。
これを生かし、オリジナルでは、ユーザが項目の追加や ”項目名” の変更を自由に行えるが、本システムの仕様では固定とした。

6

各文字をアルファベット順に 13 番後の文字に置き換える。Z を超えた場合は A に戻って数える。大文字小文字の関係は保存し、a は n、 B は O、以下同様に Z は M になる。数字、記号等はそのまま残す。アルファベットには
26 (= 2 × 13 ) 文字あるので、ROT13 変換を二回行うと元に戻る。Perl では $id =~ tr/A-Za-z/N-ZA-Mn-za-m/; で暗号化/復号化（変換）可能である。（参考文献 [5]）7
文字列のあらかじめ決められた位置に、ランダムな英数
字を付加し、元の文字列を偽装する。

4.3 プログラムでの工夫
本システムは、Perl および JavaScript で記述されている。基本的な部分は、Web ページ上のフォーム画*

照するような JavaScript を呼び出している。利用者
はこれら一連の処理を意識することはない。
例えば、<script type="text/javascript"><!-mail('jgneb1%agfhxhong@unpq@qwc2','');//--></script>

析結果を考慮し、以下の 4 種のブラウザ用の CSS で
表示フォントの大きさと種類を整えることとした。

と html 内に記述すれば、JavaScript にて復号され、本システムの動作例を図 5 以降に示す。なお、表示されているデータは実際のものではない。9・ Windows: Internet Explorer and Firefox
・ Macintosh: Safari and Firefox

５．CGI の動作例

<a href=”mailto:taro@tsukuba.ac.jp”>
taro@tsukuba.ac.jp</a>

図 5 は通常の html による教員一覧表で、本システ
ムへの入り口となるページである。一例として、教員名「筑波太郎」をクリックすると、図 6 に示す教員情報ページが表示される。このページの項目「所属」と「担当」のデータ部分にマウスカーソルを合わせると、対応するバナーおよびリンク情報に切り替わる。図 7 は、担当項目中の ”社会工学類” の部
分にカーソルを合わせたときのバナー切り替えの例である。
図 6 のページ下端部には、「プロファイル修正」
および「PROFILER x.x」というリンクが表示されている。前者はこの教員情報の編集ページ（図 8）、
後者は管理者用ページ（図 9）に移行するためものである。3.2.4 章で述べたように、学外からのアクセスではこれらのリンクは表示されないが、学内からのアクセスでは、ユーザ ID およびパスワードの入力後、それぞれのページに移行することができる。
図 8 に、教員情報編集ページを示す。このページ
では、データの入力・修正を行う。入力データには、<a>、<font>などの一部の html タグの入力が許されている。また、項目の表示／非表示の設定、顔写真の種類選択およびアップロードが可能である。アップロード可能な画像は一教員あたり一枚の任意のjpeg ファイルとし、表示時に適切なサイズに自動調整される。
図 9 は、管理者のみがアクセスできる本システム
管理用のページである。このページでは、教員の新規登録、全教員の情報編集および削除、検索、デー
タソート、バックアップ等が可能である。

と同等の表示およびリンク機能を持ちつつ、表面的には一切メールアドレスを露出させない表示が可能となる。（参考文献 [6], [7]）4.3.3 バナー画像・リンクの切り替え
3.2.5 章で述べたように、教員の所属組織（通常は一組織）と教育・研究上関与している組織（通常は所属組織を含めた複数の組織）は必ずしも一致していないため、SSM の Web サイト以外からの利用も想定している。本システムでは以下の実装にて、これらの関係を表現することとした。
・ 所属組織および担当組織の各項目のテキスト部
分にマウスカーソルを合わせると、対応のバナー
およびリンクに切り替わり、外すと元に戻る
・ 同部分をクリックすると、一定時間切り替わった
ままになり、リンク先をブラウズ可能とする。一定時間経過すると、自動的にもとのバナーおよびリンクに戻る
また、どの Web サイトから本システムにリンクされて来たかを HTTP_REFERER 変数を参照することにより識別し、バナーおよびリンクの初期状態を決定している。これにより、例えば、SSE の Web サイ
ト上の教員リストからのリンクでは SSE のバナー、
MBA-MPP の Web サイト上の教員リストからはMBA-MPP のバナー表示となる。これらの処理は、JavaScript により行われている。画像ファイル等は、
表 3 に示す banner ディレクトリ内、および staff.txt
ファイルに置かれている。

4.3.4 CSS の切り替え
変数 HTTP_USER_AGENT を参照することにより、ユーザがアクセスしたパソコン等の OS およびブラ
ウザの種類・バージョンが判明するので、それに対応した CSS に切り替える。
Web 標準8に沿った html を記述した上で、各 CSSの設定を詳細に調整すれば、OS やブラウザによる表示の違いはほぼなくなると考えられる。本システム
では DTD（Document Type Definition: 文書型定義）
を”HTML 4.01 Transitional”とし、アクセスログの解

図 5. 本システム動作例（教員一覧）

8

Web 全般の標準化・規格等については、参考文献 [8]が詳しいが、単純に html や CSS の validation チェックをするときは、以下のツールが便利である。
http://www.w3.org/QA/Tools/#validators

9

本システムの実際の動作は、
http://www.sk.tsukuba.ac.jp/SSM/faculty/
にて確認できる。

+

図 6．本システム動作例（教員情報表示）

図 8. 本システム動作例（教員情報編集）
図 7. 本システム動作例（バナー切り替え）,平成 19 年 10 月と 11 月の 2 ヶ月間に記録された学外から SSM の Web サイトへの延べアクセス件数中、約 39%が本システムの教員情報ページであった。
今後は、次の 4 点をさらに検討し改善する予定である。
・ Perl プログラムの最適化
・ html の標準化と CSS の適正化
・ フォームインタフェースの改良
・ セキュリティ対策の強化
また、本システムは、部局単位での小規模な Web
アプリケーションとして、技術職員情報システムのようなプロファイルシステム、授業シラバス情報発
信・管理システム、自己点検・評価・業績管理シス
テム等に応用が可能であると考えられる。

謝辞本システムおよび本報告書作成にあたり、SSM、
SSE、MBA-MPP 三専攻広報委員長 秋山英三准教授
はじめ広報委員の先生方、ならびに SSM 専攻長 香
田正人教授、SSE 専攻長 中村豊教授、MBA-MPP 専
攻長 高木英明教授より仕様の細部にいたるご助言
やプログラミング上の様々なアイデアなどを賜りました。ここに深く感謝いたします。
図 9. 本システム動作例（管理者用）

参考文献

６．運用状況と今後
本システムは平成 19 年 6 月より本運用されており、
平成 19 年 12 月現在、不具合や苦情もなく順調に稼働している。現在、有効教員 70 名中 61 名の教員が自身の情報を入力している。また、英語版システム
も 11 月から運用を開始したが、入力済みの教員は40 名であり、未入力の教員については広報委員会等を通して、データ入力をお願いする予定である。
データサイズは、約 180 KB で、教員一人あた
り約 2.5 KB となっている。プログラム、その他のデータ、画像ファイルを含めたシステム（コンテンツ）
全体でも約 5 MB である。

[1] 個人情報保護マネジメントシステムг 要求事項, JIS
Q15001:2006, http://www.jisc.go.jp[2] PROFILER / 自己紹介登録 CGI,
http://tokita.net/old/cgi/profiler/index.html[3] Perl メモ,
http://www.din.or.jp/~ohzaki/perl.htm[4] Perl の排他制御,
http://homepage1.nifty.com/glass/tom_neko/web/web_04.
html[5] ROT13, フリー百科事典ウィキペディア（Wikipedia）
http://ja.wikipedia.org/wiki/ROT13[6] メールアドレス収集ロボット対策,
http://chronoflyer.ddo.jp/doc/robot.shtml[7] メールアドレス収集ロボット対策,
http://mailrobo.7jp.net/[8] World Wide Web Consortium (W3C),
http://www.w3.org/

Content Management System for Faculty Members’ Profiles on the Web Site
Masashi Kitahara
Academic Service Office for Systems and Information Engineering, University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan
In the web sites of educational organizations, faculty members’ profiles have been regarded as an important content
for faculty members, office staff, students, and candidates for the entrance examination.
A content management system has been for faculty members’ profiles using a CGI (Common Gateway Interface)script with Perl, with which each of the faculty members in our department can edit his/her own profile information on a
web browser and make the profile open to the public through the Internet. The system has been run since June 2007
on our web site.
There may be little technical novelty about the system because it was designed and created according to the requestfrom our department. However, its usability has been highly appreciated by our faculty members and office staff, andthe profile information created by the system has been a useful and important content of our web site.
Keywords: Faculty Information System; Faculty Members’ Profiles; CGI with Perl-

筑波大学技術報告
28:9-16,2008

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http://pfwww.kek.jp/kosuge/paper/giken97.pdf

Gas pressure and temperature monitor of the accelerator tank on the Web siteby using the RRDtool
Yoshihiro Yamato
Tandem Accelerator Complex, Research Facility Center for Science and Technology,
University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8577 Japan
Gas pressure and temperature in the accelerator tank in our facility are able to be watched on the Web site at all
hours. The variations of the pressure and the temperature are logged on the Web site and can be shown as graphs. The
monitoring system was developed by using the RRDtool and lighttpd, and it works on an old model personal computer
which was not in use. As the result, the accelerator condition is able to be diagnosed in detail.
Keywords: RRDtool ; Web monitor; simple data logger&+

筑波大学技術報告
28:17-24,2008

FPGA による PCI バス・インターフェース回路の実装
小野ᴾ 雅晃ᵏ筑波大学システム情報工学等支援室（装置開発班）〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1の PCI カード・エッジコネクタから FPGA にプリント配線され、FPGA 中に実装された PCI バス・イン
ターフェース回路に接続されている。PCI バス・イ
ンターフェース回路は、NI とホスト PC の間で PCI
バスを通してデータ転送を行う。データ転送は 2 種類あり、1 つが PCI ターゲット転送、もう 1 つが PCI
マスタ転送である。PCI ターゲット転送は、ホスト
PC が要求元となるデータ転送である。PCI マスタ転
送は、NI が要求元となるデータ転送である。
PCI バス・インターフェース回路の PCI ターゲッ
ト転送は単一転送に制限されるが、PCI マスタ転送
はバースト転送に対応している。PCI バスの動作周
波数は 66 MHz、データ幅は 64 ビットである。

概要
クラスタ型コンピュータ向けネットワーク・イン
ターフェース MaestroNI 用に PCI バス・インターフ
ェース回路を開発した。PCI (Peripheral Component
Interconnect) バス・インターフェース回路は FPGA
(Field Programmable Gate Array) 内に実装され、PCI
ターゲット転送、PCI マスタ転送を処理することができる。PCI バス・インターフェース回路の PCI タ
ーゲット転送は単一転送に制限されるが、PCI マス
タ転送はバースト転送に対応している。PCI バスの動作周波数は 66 MHz、データ幅は 64 ビットであり、理論上のスループットの最大値は 528 Mbytes/sec である。PCI バス・インターフェース回路は、市販のIP (Intellectual Property) を使用せず、PCI の規格を基に全て独自に設計・開発した。現在、Maestro2 および Maestro3 ネットワーク・インターフェース基板のFPGA に実装されて、NI 基板とホスト・パーソナル・
コンピュータ（ホスト PC）を結ぶインターフェースとして使用されている。

２．PCI バスの概要
2.1 PCI バスの特徴

キーワード：FPGA、PCI バス、Maestro

１．はじめにPCI バスは、パーソナル・コンピュータ(PC)の拡
張スロットとして親しまれているバス規格である。2枚目のグラフィックカードや、イーサネットカード、
A/D コンバータカード、キャプチャカード、いろい
ろな用途の拡張基板用のバスとして使用されている。
PCI バスは PCI SIG(Peripheral Component Interconnect
Special Interest Group) により 1992 年に PCI 仕様書第1 版が出版され、スタートを切った。その後、1999
年に第 2 世代として、データ転送速度を向上させた
PCI-X バスが発表された。PCI-X バスは主にサーバー機器用の拡張ボード規格として使用された。2002
年には第 3 世代として、高速シリアル通信を採用した PCI-Express が発表された。PCI-Express が主な拡
張ボード・インターフェース規格として採用された
現在でも、PCI バス・コネクタは、PC に必ず搭載されている。
第 4 回筑波大学技術職員技術発表会で発表したMaestro2 ネ ッ ト ワ ー ク ・ イ ン タ ー フ ェ ー ス(Maestro2NI) [1]と第 6 回筑波大学技術職員技術発表
会で発表した Maestro3 ネットワーク・インターフェース (Maestro3NI) [2]は、PCI バスに接続される拡張基板である。2 つのネットワーク・インターフェース(NI)は、ホスト PC のマザーボード上の 64 ビット
幅、3.3 V 電圧の PCI バス・コネクタに挿入されて使用される。PCI バス・インターフェース信号は、NI
1E-mail: ono@sie.tsukuba.ac.jp; Tel: 029-853-5195&,

PCI バスには次の特徴がある。
1. 64 ビットまたは 32 ビット・データ幅の同期バスである。
2. 割り込み信号とエラー信号以外のほとんどの制御信号にサステインド・トライステート方式を使用している。
3. メモリ空間、IO 空間、コンフィギュレーショ
ン空間を持っている。
4. プラグ・アンド・プレイに対応できる。
5. アドレスバスとデータバスが共用である。
6. データ転送を始める際に、マスタ・デバイス
が C/BE#にコマンドを出力するので、ターゲット・デバイスは転送の種類をあらかじめ知ることができる。
7. バイト・イネーブルを持っていて、バイトごとに書き込みができる。
8. 制御信号のほとんどがアクティブ・ロー信号である。
2.のサステインド・トライステート方式は、トラ
イステート方式の一種であり、アクティブ・ローの制御信号に使用されている。サステインド・トライ
ステート信号は、マザーボード側で抵抗によってプルアップされている。アクティブ・ローの信号は、デバイスによって 0 レベル（アサート）にドライブされてから、1 レベル（ディアサート）に戻される
動作を繰り返して、データ転送のやり取りを行う。
その際に、ドライバのドライブを 0 レベルの間にOFF し、プルアップ抵抗で浮遊容量を充電して 1 レ
ベルにすると、1 レベルに達するまでの時間が長くなる。その点を改良するために、サステインド・ト
ライステート方式は、1 レベルにドライブしてからドライブを OFF する。図 1 に通常のトライステート
バッファの波形とサステインド・トライステートバ
ッファの波形を示す。

ビット
31

1

16

通常のトライステート方式の波形
10

サステインド・トライステート方式の波形ドライブON

0

00ha)

ステータス

コマンド

04h

クラス・コード

リビジョンID

08h

ヘッダ・
タイプ

キャッシュ・ライン・サイズ

0Ch

レイテンシ・
タイマ

ベース・アドレス・レジスタ(SDRAM)

10h

ベース・アドレス・レジスタ（ネットワーク・バッファ）14h

ベース・アドレス・レジスタ(FLASH ROM)18h

ベース・アドレス・レジスタ（設定用レジスタ）1Ch

ベース・アドレス・レジスタ（未使用）20h

ベース・アドレス・レジスタ（未使用）24h

カードバスCISポインタ

28h

ドライブOFF

サブシステムID

サブシステムベンダID

新機能
ポインタ

予 約

PCI バスの空間にはメモリ空間、IO 空間、コンフィギュレーション空間の 3 つがある。
メモリ空間は、ホスト PC のプロセッサのメモリ空間にマップされる。通常は BIOS(Basic Input/Output
System)によって、PCI ボードで使用するメモリ領域をマップする。PCI バス・インターフェース回路では、Maestro2NI および Maestro3NI の SDRAM 領域、
ネットワーク・バッファ領域、FLASH ROM (Flash
Read Only Memory)、設定用レジスタの４つをマップしている。
IO 領域は、x86 プロセッサの IO と同様に、64 K
バイトの領域がある。IO 領域は PCI バス・インター
フェース回路ではサポートされていない。
コンフィギュレーション空間[3]は、PCI ボードのステータスの監視や設定を行う領域で、8 ビット長のアドレス空間を持っている。図 2 にコンフィギュ
レーション空間のアドレス・マップを示す。コンフィギュレーション空間のレジスタはコンフィギュレーション・レジスタと呼ばれる。
アドレス 00h（h は 16 進数を表す）のベンダ ID
は PCI ボード
（PCI バスに接続されている基板を PCI
ボードと呼ぶことにする）を作成したメーカーの固有コードである。ベンダ ID は PCI SIG によって、各メーカーに割り当てられる。
アドレス 02h のデバイス ID はメーカーのいわば型番となる。
アドレス 09ｈ〜0Bh のクラスコードは PCI ボードの種類を表す。たとえば、PCI バス・インターフェース回路では基本クラスがネットワーク・コントローラを示す 02h、サブクラスがその他のネットワー
ク・コントローラを示す 80h、プログラミング・イ
ンターフェースが 00h となる。
ホスト PC のデバイス・ドライバは、ベンダ ID、デバイス ID、クラスコードなどから自分の制御すべきボードがどれなのかを判定することができる。
アドレス 04h のコマンドは、一般的にコマンド・レジスタと呼ばれている。コマンド・レジスタは、

最小
グラント

PCIインタラ
プトピン

34h
38h

予 約
最大
レイテンシ

2Ch
30h

拡張ROMベースアドレス

図 1 通常のトライステート方式の波形とサステイ
ンド・トライステート方式の波形の比較

2.2 PCI バスの空間

アドレス

ベンダID

BIST

0

15

デバイスID

インタラプトライン

デバイス固有レジスタ領域(設定用レジスタ、Block RAM)

3Ch
4Ch
〜
FCh

a) 00hのhは hexadecimal(16進数）を表す

図 2 コンフィギュレーション空間のアドレス・マップ
PCI ボードのさまざまな機能を制御するためのレジスタである。アドレス 06h のステータスは、一般的にステータス・レジスタと呼ばれ、読み出しのみのレジスタである。ステータス・レジスタは、PCI ボ
ードの状態を表す。
アドレス 10h〜24h の領域は、ベース・アドレス・レジスタに割り当てられている。ベース・アドレス・レジスタは、32 ビット長で、PCI ボード上のメモリ、
IO (Input/Output) の領域の大きさとホスト PC でのアドレスを示す。このレジスタの 1 つ１つがメモリ
空間、IO 空間に対応する。ベース・アドレス・レジ
スタの示す空間が、どちらの空間かを表すためにビット 0 が使用される。ビット 0 が 0 のときはメモリ空間となり、1 のときは IO 空間となる。ホスト PCのコンフィギュレーション・アクセスが終了した時
点でのベース・アドレス・レジスタは、ホスト PCのアドレス・マップに対応するアドレスが入力されている。Maestro3NI では、10h に SDRAM、14h にネットワーク・バッファ、18h に FLASH ROM、1Chに設定用レジスタが割り当てられている。その他のベース・アドレス・レジスタ領域は未使用のため 0に固定されている。ベース・アドレス・レジスタの設定方法は第 5 章で述べる。

３．PCI バスの信号
PCI バスは 184 本の信号線を持っている。信号線
は、システム信号、アドレス・データ・属性信号、制御信号、アービトレーション信号、エラー関連信&-号、割り込み信号、キャッシュ・サポート信号、JTAG/
バウンダリ・スキャン信号に分けられる。
システム信号は CLK、RST#で構成される。アドレス・データ・属性信号は AD[63:00]、C/BE[7:0]、
PAR、PAR64 で構成される。制御信号は、FRAME#、
IRDY#、TRDY#、STOP#、LOCK#、IDSEL、DEVSEL#で構成される。アービトレーション信号は、REQ#、
GNT#、REQ64#、ACK64#で構成される。エラー関
連信号は、PERR#、SERR#で構成される。インタラ
プト信号は、INTA#、INTB#、INTC#、INTD#で構成される。キャッシュ・サポート信号は、SBO#、
SDONE#で構成される。最後の JTAG/バウンダリ・
スキャン・ピンは TCK、TDI、TDO、TMS、TRST#で構成される [3] 。

やコンフィギュレーションの書き込み、読み出しをコードでターゲット・デバイスに知らせる。取得したアドレスが自分のベース・アドレス・レジスタで示されるアドレスだったら、ターゲット・デバイス
は DEVSEL# を ア サ ー ト し て 応 答 を 開 始 す る 。
Meastro3NI の PCI バス・インターフェース回路では
DEVSEL#信号は、FRAME#がアサートされたクロッ
クの 1 クロック後にアサートを開始している（デコード・タイミングは中速）。
マスタ・デバイスは FRAME#の後のクロックで、
AD に書き込むデータ、C/BE#にバイト・イネーブルを出力し、IRDY#をアサートする。
ターゲット・デバイスは DEVSEL#と同じタイミ
ングで、書き込みデータを受け入れ可能なことを示すために TRDY#をアサートする。IRDY#と TRDY#が同時にアサートされたタイミングで、PCI データ転送が成立する。図 3 (Maestro3NI) の場合は、単一転送であるため、1 つデータ転送が終了した時点でPCI ターゲット転送を完了する。FRAME#、IRDY#、
DEVSE#、TRDY#、STOP#はサステインド・トライ
ステート信号なので、0 から 1 にドライブしてからハイ・インピーダンス状態となる。AD と C/BE#は通常のトライステート信号であるので、図 3 の斜線の部分でハイ・インピーダンス状態となる。

４．PCI バスの信号プロトコル
Maestro3NI の PCI ターゲット転送と PCI マスタ転送、コンフィギュレーション・サイクルを例にとって、PCI バスの信号プロトコルを説明する。

4.1 PCI ターゲット書き込み転送
CLK
AD

ADR

DATA

C/BE#

CMD

BE

4.2 PCI マスタ転送の読み出し
CLK

FRAME

REQ#

IRDY#

GNT#

DEVSELAD

ADR

DATA1 DATA2 DATA3

C/BE#

CMD

BE

TRDY#

REQ64#STOP#

FRAME#

ADR：アドレス
CMD：コマンドIRDY#

DATA：データ
BE：バイト・イネーブル

ACK64
DEVSEL#

図 3

PCI ターゲット・ライト

TRDY#
STOP#

図 3 はホスト PC から Maestro3NI への PCI ター
ゲット書き込み転送（PCI ターゲット・ライト）を表している。図 3 で、実線はドライブされている信号を示している。破線は、バスの信号線がプルアッ
プ抵抗でプルアップされているだけで、どこのドラ
イバからもドライブされていない状態を表している。
バスのハッチングは、バスがハイ・インピーダンス状態にあることを示している。なお、インタラプトなどの信号を除く大部分の信号は CLK の立ち上がりに同期して変化する。
C/BE#、FRAME#、IRDY#はマスタ・デバイス（この場合はホスト PC）が常時ドライブする信号である。
PCI ターゲット・ライトの場合は、AD もマスタ・デバイスが常時ドライブする。
ターゲット・デバイス（この場合は Maestro3NI）
は、FRAME#が 0 になってアサートされたときに動作を開始する。ターゲット・デバイスは FRAME#が0 になり、アサートされたときに、AD からアドレスを取得する。それと同じタイミングで、C/BE#にはコマンドが出力されている。コマンドはメモリや IO&.

ADR：アドレス
CMD：コマンドDATA1,DATA2,DATA3：データ
BE：バイト・イネーブル

図 4

PCI マスタ・リード

図 4 は Maestro3NI からホスト PC への PCI マスタ
転送の読み出し（PCI マスタ・リード）を表している。図 3 から追加された信号のうち、REQ#、GNT#
はホスト PC の PCI バス・アービトレーション回路
がドライブする。REQ64#はマスタ・デバイス（この場合は Maestro3NI）がドライブし、ACK64#はター
ゲット・デバイス（この場合はホスト PC）がドライブする。
図 4 の PCI マスタ転送は、Maestro3NI のプロセッサがホスト PC のメモリを読み出すために、PCI バ
ス・インターフェース回路に１ワード(32 bit)のリードを要求した場合である。PCI バス・インターフェース回路は、初めに、バスを要求するために REQ#
を 0 にアサートする。一般的にホスト PC のチップセットに内蔵されている PCI バス・アービトレーシ

それは、PCI スロットごとにユニークな IDSEL といョン回路は、PCI バス・インターフェース回路からう信号が PCI データ転送の始まりの時にアサート(1)
出されたバス要求を許可するために GNT#を 0 にア
されるかどうかを監視すれば、データ転送の始まり
サートする。これでバスの使用が許可されたが、他を認識できるからである。コンフィギュレーショ
のデバイスがまだ PCI バスを使用している可能性がン・ライトは、AD にアドレスが 8 ビットのみ出力あるため、マスタ・デバイスは FRAME#、IRDY#をされているなどの違いはあるが、その他はほとんど監視して、どちらも 1 にディアサートされたときにPCI ターゲット・ライトと同様である。
バスが使用されていないと認識する。バスが使用されていないときに、マスタ・デバイスは FRAME#と、CLK
もし 64 ビットアクセスをしたいときは REQ64#をアサートする。PCI バス・インターフェース回路のマ
IDSEL
スタ・アクセスはすべて 64 ビットで行われるので、
ADR
AD
DATA
図 4 では REQ64#がアサートされている。
図 3 の PCI ターゲット・ライトとの違いの１つは、
C/BE#
CMD
BE
FRAME#が連続してアサートされていることである。
FRAME#
図 4 のように、連続してアサートする場合は、連続的にデータを転送（バースト転送）できる。3 つのIRDY#
64 ビットデータをリードしているが、そのうちの 32
ビット分のデータのみ使用して、その他のデータは
DEVSEL#捨てている。これは、データパスのパイプライン化
TRDY#によって、バースト転送時のスループットを確保するために必要な措置である。さらに、ライトの場合
STOP#
は、マスタ・デバイスがトランザクションの間すべ
ADR：アドレス DATA：データて、AD バスをドライブしていたが、リードの場合
CMD：コマンド BE：バイト・イネーブル
はアドレスを出力した後でドライブを OFF し、ター
ゲット・デバイスが AD バス上にリード・データを
図 5 コンフィギュレーション・ライト
出力する。
PCI マスタ・リードの場合も PCI ターゲット・ラ
イトの時と同様に、双方の制御信号のやり取りで、
５．ホスト PC 起動時のコンフィギュレー
データ転送を行う。IRDY#と TRDY#が同時にアサートされた時が、データ転送が成功した場合である。
ション
マスタ・デバイスはデータ転送終了の 1 つ前に
ホスト PC を電源 ON すると起動する BIOS (BasicFRAME#を 1 にディアサートする。最後の 1 つの転Input/Output
System)が、PCI ボードにコンフィギュレ
送が終了したら、マスタ・デバイスは IRDY#をディーション・サイクルを発生させて、PCI
ボード上のアサートした次のクロックで、ドライバをハイ・イ
各コンフィギュレーション・レジスタを読み、ベー
ンピーダンス状態にする。
ス・アドレス・レジスタを操作して、PCI ボードのターゲット・デバイスの制御信号線は図 3 に比べコンフィギュレーションを行う。
て ACK64#が追加されている。ACK64#は REQ64#にベース・アドレス・レジスタは、メモリ領域また対する応答としてアサートされる。つまり、ターゲ
はIO 領域をホスト PC のメモリ空間または IO 空間
ット・デバイスが 64 ビット幅のデータ転送に対応しに確保するためのレジスタである。ベース・アドレている場合は、ACK64#をアサートする。ACK64#がス・レジスタには、メモリ空間では 4 ビット、IO 空
アサートされない場合、マスタ・デバイスは 64 ビッ間では 2 ビットの予約領域がある。この予約領域は
ト幅のデータ転送を中断して、32 ビット幅のデータ
最下位ビットから割り当てられており、割り当てら転送に変更する。ただし、Meastro3NI の PCI バス・れるメモリ領域の最小値は 16 バイト、IO 領域は 4インターフェース回路は、マスタ・アクセス時の 32
バイトとなる。予約領域の上のビットは、PCI ボー
ビット幅データ転送に未対応である。
ドの要求するメモリ領域、IO 領域の大きさによってその他の制御信号は、バースト転送として連続的0 に固定される。固定された以外の上位ビットには、にアサートされる以外は、特に変更はない。
アドレスを記憶する DFF (Delay Flip Flop) が実装される。例えば、Maestro3NI のベース・アドレス・レ
4.3 コンフィギュレーション・サイクル
ジスタ 0（コンフィギュレーション・アドレス 10h
図 5 はコンフィギュレーション・書き込みサイク〜13h）は SDR SDRAM のアドレスが入力される。
ル（コンフィギュレーション・ライト）を表してい
Maestro3NI の SDR SDRAM の容量は 128 M バイトなる。
ので、必要とするアドレスビットは 27 ビットであコンフィギュレーション・サイクルは、コンフィる。よって、ベース・アドレス・レジスタ 0 の 0 に
ギュレーション・レジスタにアクセスするために使固定されるビットはビット 4 からビット 26 までとな用される。ホスト PC が電源 ON で、ブートしたとる。後のビット 27 からビット 31 までは、ホスト PC
きには、コンフィギュレーション・レジスタのベーから割り当てられるアドレスを記憶するために、
ス・アドレス・レジスタは値が入力されていない。
DFF を実装した。
よって、この状態では、PCI ボードはアクセスに応
BIOS によるベース・アドレス・レジスタの設定手答できない。このような場合でも、コンフィギュレ
順は以下のとおりである。
ーション・サイクルには、応答することができる。

'%

1.
2.
3.

4.

ホスト PC は、コンフィギュレーション・ライトを発行して、PCI ボードのベース・アド
レス・レジスタにオール 1 を書き込む。
ホスト PC は、コンフィギュレーション・リードを発行して、PCI ボードの書き込んだベース・アドレス・レジスタを読み出す。
読み出したデータのビット列のどこまでが 0か（1 を書いたはずなのに）を調べて、そのベース・アドレス・レジスタで要求された領域の大きさを確認する。
要求された領域をホスト PC のアドレス・マ
ップ上に確保して、そのアドレスをコンフィ
ギュレーション・ライトで、もう一度 PCI ボ
ードのベース・アドレス・レジスタに書き込む。

路はコンフィギュレーション回路、PCI ターゲット
回路、PCI マスタ回路と IO バッファ回路で構成されている。

6.1 PCI ターゲット回路
PCI ターゲット回路は、単一転送のみをサポート
し、バースト転送はサポートしていない。ホスト PCのプロセッサからのアクセスは 32 ビット・アクセスなので、FPGA 内の 64 ビット・バスとのインターフ
ェースを図るため、ワードレーン変換機能を備えている。図 8 に PCI ターゲット回路のデータパス・ブ
ロック図を示す。
PCIバス（32ビット幅）

FPGA 内部
バス

D‑ FF

M
U
X

64ビット幅ワードレーン変換機能

このように、ベース・アドレス・レジスタの設定
を通して、PCI ボードのリソースがホスト PC のアド
レスにマップされ、ホスト PC のプロセッサからアクセスが可能となる。

PCI ターゲット・リード

M
U
X

PCIバス
（32ビット幅）

D‑ FF

FPGA 内部バス

64ビット幅

６．PCI バス・インターフェース回路

ワードレーン変換機能
DFF

PG

ParityError

XOR

Maestro3ネットワーク・インターフェース

PAR
PCI ターゲット・ライト

FPGA

プリント基板図 8 PCI ターゲット回路のデータパス・
ブロック図

その他の内部回路

PCIバス・インターフェース回路
PCIターゲット コンフィギュ
レーション PCIマスタ回路
回路
回路

@ELSE
RESET

IOバッファ回路

idle

frame_b andirdy_b@ELSE

frame_b = '0'
bus_busy

PCIバス・カードエッジ・コンタクト@ELSE

図 6 PCI バス・インターフェース回路のブロック図@ELSE

mydev and pci_r_w and!tgt_write_busy

Decode_checkmydev and!pci_r_w and!tgt_write_busy

mydev and
tgt_write_busy
read_init_wait

write_data@ELSE
tgt_time_out1!tgt_time_out1 anddev_readyframe_btgt_discon_retry
frame_b
read_data

@ELSE

@ELSE

turn_aroundframe_b

図 9 PCI ターゲット回路のメイン・ス
テート・マシン

図 7 Maestro3NI の PCI バス、FPGA 部分

PCI ターゲット・リードの場合は、FPGA 内部バスの上位 32 ビットと下位 32 ビットをマルチプレク
サによって切り替え、32 ビット分を下位の PCI バスに送る。PCI ターゲット・ライトの場合は、PCI バ
スからアドレスを取得して、FPGA 内部バスの上位
32 ビットに出力するか、下位 32 ビットに出力するかを決定する（図 8 参照）。

PCI バス・インターフェース回路は Maestro3 ネッ
トワークの一部として、主にホスト PC のメモリとMaestro3 ネットワークのデータのやり取りに使用されている。
PCI バス・インターフェース回路のブロック図を
図 6 に示す。Maestro3NI の PCI バス、FPGA 部分の写真を図 7 に示す。PCI バス・インターフェース回'&PAR は AD[31:0]と C/BE#[3:0]の偶数パリティを出力する。PCI マスタ・アクセスの場合と、PCI ター
ゲット・リードの場合に PCI バス・インターフェース回路からパリティを出力する。

PCI ターゲット回路のメイン・ステート・マシン
を図 9 に示す。
リセット後は、idle ステートからスタートする。
FRAME# (frame_b) が 0 にアサートされたときに、
Decode_check ステートに遷移し、自分のアドレス（ベース・アドレス・レジスタに設定してあるアドレス）にヒットしたかを調べる。自分のアドレスにヒットしていない場合は、bus_busy ステートに遷移し、その PCI バス・トランザクションが終了するまで、そのステートで待機する。自分のアドレスにヒットした場合は、ライトの場合とリードの場合に分かれる。
ライトの場合に、以前のトランザクションが終了
している場合は write_data ステートに遷移し、FPGA
内部バスに書き込みデータを送る。以前のトランザ
クションが終了していない場合は、tgt_discon_retry
ステートに遷移して、リトライ動作を行う。
リードの場合には、read_init_wait ステートに遷移
して、FPGA 内部バスからリード・データが到着するのを待つ。リード・データが到着したら、reda_data
ステートに遷移して、PCI バス上にリード・データを出力する。
ライトの場合も、リードの場合もデータ転送が終了したら、turn_around ステートに遷移する。ここでは、サステインド・トライステート状態にするために制御信号をディアサート (1) する。
tgt_discon_retry ステートは、リトライで終了する
場合に遷移するステートである。リトライで終了する場合には、ライト時に以前のトランザクションが終了していない場合や、read_init_wait ステートで処理を待っているときにタイムアウトで PCI バス・ト
ランザクションを終了する場合がある。
図 9 のステート・マシンを使用して、図 3 の PIC
ターゲット・ライトを実現している。

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PCIマスタ・リード
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図 10 PCI マスタ回路入出力部分ブロック図

6.2 PCI マスタ回路

C/BE＃は PCI バス・アクセスの最初でコマンドを出力し、その後はバイト・イネーブルを出力する必要がある。そのため、マルチプレクサ(MUX)で入力を切り替えている。

PCI マスタ回路は、64 ビット幅のデータ転送のみをサポートしている。IO バッファ回路、PCI ターゲ
ット回路の一部を含めた入出力部分のブロック図を
図 10 に示す。
図 10 中の IOB (Input Output Block) は、FPGA のパッド近くに実装された入出力ブロックである。IOB
内には入力用、出力用、トライステート・イネーブ
ル用の DFF が内蔵されている。PG (Parity Generator)
は、偶数パリティを生成する回路である。
図 10 の上部が主に PCI マスタ・ライトおよび、
PCI ターゲット・リードが使用する回路である。図
10 の下部が主に PCI マスタ・リードおよび、PCI タ
ーゲット・ライトが使用する回路である。PCI マス
タ・リード、ライトともに 512 深度の FIFO (first-in
first-out) に転送データを蓄積している。PCI マス
タ・ライトの場合は、ライト用 FIFO から IOB を通して AD に出力し、PCI マスタ・リードの場合は IOB
を通してリード用 FIFO に入力している。どちらのAD も同じ FPGA の端子であり、図では便宜上、分けて書かれている。
PCI マスタ・ライトのリード、ライトともに、PCI側と FPGA 側にそれぞれ転送数カウンタを持っている。そのため、FIFO の入力、出力両側の転送数がわかるようになっている。

@ELSE
RESET
idle
!request and !gnt_b anddframe_b_in anddirdy_b_in

request and !gnt_b anddframe_b_in andgnt_b
request and !gnt_b

gnt_b

addr_cmd_as
gnt_b

@ELSE
drive_bus

stop_target!gnt_b!request and !gnt_b

request and !gnt_b

turn_around(frame_bb and !stop_b)or (frame_bb anddev_to)@ELSE

m_trans_data!frame_bb or (frame_bb and trdy_b
and stop_b and!dev_to)

図 11''

PCI マスタ回路のメイン・
ステート・マシン2.

図 11 に PCI マスタ回路のメイン・ステート・マ
シン[4]を示す。
リセット後は、idle ステートからスタートする。
REQ# (request) をアサートして、GNT# (gnt_b) がアサートされて、FRAME# (frame_b)と IRDY# (irdy_b)
がディアサートされたときに、addr_cmd_as ステー
トに遷移する。addr_cmd_as ステートで、AD にアドレス、C/BE#にコマンドを出力してデータ転送が始まる。addr_cmd_as ステートから無条件に遷移する
m_trans_data ステートでは、データ転送を行う。正
常に終了するときには、turn_around ステートに遷移
して、ドライブしている制御信号(FRAME#, IRDY#)
を 1 にディアサートする。ターゲット・デバイスから STOP#をアサートされたとき、または、ターゲッ
ト・デバイスから応答がなかった場合は、stop_target
ステートに遷移して、ディスコネクト処理を行う。
turn_around ステート、または、stop_target ステート
で GNT#がアサートされていたら、バス・パーキン
グを行う必要があるので drive_bus ステートに遷移する。バス・パーキングとは、PCI バス・トランザ
クションを行わずに AD と C/BE#をドライブすることである。turn_around ステート、または、stop_target
ステートで GNT#がディアサートされていたら、idle
ステートに戻る。
以上のような動作を行い、PCI マスタ転送を行っ
ている。

3.

4.

6.3 コンフィギュレーション回路
コンフィギュレーション回路は、図 2 に示したコ
ンフィギュレーション空間に割り当てられたコンフィギュレーション・レジスタを実装している。

PCI バス規格書には、64 ビット幅の PCI バス
も 32 ビット幅の PCI バスのトランザクショ
ンにも対応しなければならないとある。PCI
バス・インターフェース回路の PCI マスタ・
アクセスは 64 ビットのみ対応する。余計な回路に対応しないことによって、回路構成を簡単にし、FPGA のクリティカルパスの遅延を小さくすることができる。
PCI マスタ回路の出力用 FIFO は、データのクロックからの出力時間を確保するために、
出力信号は DFF を使用してラッチされている。そのため、PCI データ転送の終了時にデータ転送なしのディスコネクトをされると
IOB の DFF に残っているデータが消失する危険がある。この問題を回避するために PCI マ
スタ・ライト用 FIFO は、リワインド端子つ
きの FIFO を自作して使用した。
PCI バス・インターフェース回路の作成中に、ホスト PC のチップセットが変更になると、PCI バスの反応も異なり、PCI バス・インタ
ーフェース回路のバグが顕在化することが多かった。バグの発生する条件が限定的であるため、バグの原因を突き止めるのが困難であった。そのような場合は、シミュレーショ
ンで再現を試みた。それで再現しない場合は、検出回路を FPGA に内蔵し、FPGA 内蔵ロジ
ック・アナライザ (ChipScope) を使用してバグを特定した。このような場合は、バグの原因の特定が非常に難しい。

８．まとめ
本報告では、PCI バスの概要について述べた後、自作の PCI バス・インターフェース回路について述
べた。現在、PCI バス・インターフェース回路は、
Maestro2NI と Maestro3NI の PCI バス・インターフェースとして使用されている。PCI バス・インターフ
ェース回路のビット幅は 64 ビット、動作周波数は66 MHz である。理論上のスループットの最大値は528 Mbytes/sec である。

6.4 IO バッファ回路
IO バッファ回路は、PCI ターゲット回路および PCI
マスタ回路と FPGA チップのパッドの間にあるバッファ回路である。IOB 内の DFF を積極的に使用して、タイミング・バジェットを改善することもできる。

７．工夫および苦労した箇所について
PCI バス・インターフェース回路を実装する上で、工夫および苦労した箇所は以下の通りである。
1. PCI バス 66 MHz の仕様によると、入力信号のセットアップ時間は 3 nsec、出力信号のクロックからの出力時間は 6 nsec である。これは大変厳しい数値である。PCI バスの規格によると、入力信号を同じクロック内に判定する必要がある。この規格からすると、入力信号は必ず組み合わせ回路を通って DFF に入力する必要があるため、セットアップ時間を確保することが難しい。PCI バス・インター
フ ェ ー ス 回 路 で は 、 DCM (Digital ClockManager) を使用して、クロックの位相をシフ
トし、クロックからの出力時間の余裕をセッ
トアップ時間に割り振っている。それでもまだ、3 nsec の規格は満足しないが、動作には問題はない。

９．謝辞
Maestro2 および Maestro3 システムの開発に参加の機会を与えて頂いた、筑波大学システム情報工学研
究科コンピュータサイエンス専攻の和田耕一教授に深く感謝いたします。

参考文献[1] 小野雅晃, Maestro2 ネットワークインターフェースの開発, 筑波大学技術報告 25 (2005) 42-49.
[2] 小野雅晃, Maestro3 クラスタネットワーク用基板の設計, 筑波大学技術報告 27 (2007) 37-44.
[3] 滝誠一 他, PCI バスの詳細と応用へのステップ, CQ
出版社 OpenDesign No.7 (1995) 4-140.
[4] PCI SIG, PCI Local Bus Specification Revision 2.2, PCI
SIG (1998) 1-322.

'(

Implementation of PCI bus interface circuit by FPGA
Masaaki Ono
Academic Service Office for Systems and Information Engineering, University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan
A PCI (Peripheral Component Interconnect) bus interface circuit was developed for a network interface of a
dedicated cluster network called Maestro. The PCI bus interface circuit is implemented on FPGA (Field Programmable
Gate Array) and can handle PCI target transfer as well as PCI master transfer. Although the PCI target transfer of the
PCI bus interface circuit is limited for single transfer, the PCI master transfer supports burst transfer.
The operating frequency of the PCI bus is 66 MHz, the data widths are 64 bits, and the maximum theoreticalthroughput is 528 Mbytes/sec. The PCI bus interface circuit was designed and implemented without using commercial
IP (Intellectual Property). Currently, the PCI bus interface circuit is implemented on FPGA of the Maestro2 andMaestro3 network interface boards to connect the NI boards with the host personal computers.
Keywords: FPGA; PCI bus; Maestro')

筑波大学技術報告
28:25-28,2008

SiO2 担持 Rh 触媒の調製過程における TEM 観察伊藤伸一
筑波大学数理物質科学等支援室 （物性・分子工学専攻）〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1
きた[5-8]。この触媒の特徴は、その活性のみならず、
高分散な Rh 微粒子が特異な形の集合体（“Fish-egg”構造）を作ることを報告してきた[7, 8]。カリウムを添加しない Rh/SiO2 触媒では、分散度は低かったが、カリウム添加 Rh/SiO2 触媒では分散度は高い。
なぜ、
炭酸カリウムを添加するとこのような触媒の形状変化が起こるのかを調べるため、まず SiO2 担体にRh(NO3)3 溶液を含浸、乾燥した後の状態を観察する必要がある。その方法の一つに、透過型電子顕微鏡（TEM）観察がある。通常、還元処理後の担持貴金
属触媒の TEM 観察では、試料の調製を次のように行う。試料（触媒）をメノウ乳鉢で粉砕した後、水を加え懸濁液としたものを TEM 観察用マイクログ
リッドにマウントする。懸濁液とせずに、そのままマウントすると粉体同士が重なってしまい、観察できない。しかし、SiO2 担体に Rh(NO3)3 溶液を含浸、乾燥したものに水を加えると、担持した成分が水中に溶出してしまい、本来の状態を観察することができない。そこで、担持成分が溶出しないよう非水溶媒を用いる必要がある。本報告では、シリカ担体にRh(NO3)3 溶液を含浸、乾燥した後、粉砕した試料をトルエンで懸濁液にしたものを用いて試料を作製し、TEM 観察を行った。また、触媒を焼成、還元処理を行った過程での TEM 観察の結果についても報告する。

概要
二酸化ケイ素（シリカ：SiO2）担体にロジウム（Rh）
前駆体である硝酸ロジウム（Rh(NO3)3）溶液を含浸し、乾燥、焼成、還元を行い Rh/SiO2 触媒を調製した 。 この 触媒 調 製の 各段 階 で透 過型 電 子顕 微鏡（TEM）観察を行った。その結果、前駆体溶液を含浸、乾燥後の SiO2 担体上に微粒子がみられた。その粒子径は、触媒の還元後にみられる Rh 微粒子の粒子径よりも小さいものであった。含浸、乾燥過程における微粒子の生成は、硝酸ロジウム前駆体のオール化によるものであると考えられる。
キーワード：担持貴金属触媒、透過型電子顕微鏡、
硝酸ロジウム、触媒調製。

１．はじめに触媒反応を大別すると、触媒と反応物が同じ相である均一系と、触媒と反応物が異なる相である不均一系に分類される。後者では、触媒は固相で反応物が気相または液相である。担持貴金属触媒は二酸化ケイ素（シリカ：SiO2）や酸化アルミニウム（アルミナ：Al2O3）などの金属酸化物や各種ゼオライト、あるいは活性炭などを担体として、ロジウム（Rh）、白金（Pt）、パラジウム（Pd）などの貴金属微粒子を担持したもので、これまでに多種多様の担持貴金属触媒が開発されてきた[1]。活性成分である貴金属を担持するための担体の役割の一つとして下記のことがあげられる。それは、貴金属の有効利用である。
産出量が少なく、比較的価格が高い貴金属を無駄なく利用するために、高分散な微粒子にすることで単位重量あたりの表面積を大きくする必要がある。しかし、単に白金ブラックなどのように微粒子化したものは、高温では反応中に焼結（シンタリング）してしまう。微粒子の場合、表面エネルギーが高いた
めに、本来の金属塊の融点よりもはるかに低い温度で粒子界面での融解が起こる。シンタリングが起こると、表面積が低下し、活性が著しく低下する[2]。
シンタリングを防ぐためには、表面積の大きい担体に担持することで、貴金属微粒子を担体表面に固定することが有効である。
担持貴金属触媒の調製法の一つに含浸法がある。
含浸法は、担体に前駆体である貴金属の錯イオンの溶液を含浸し、乾燥、焼成し、還元処理を行うこと
で、触媒を調製する方法である[3, 4]。この方法では、逐次的に含浸を行うことで、一種類の貴金属だけでなく複数の触媒成分を担持することができる。
これまでに、Rh/SiO2 触媒に炭酸カリウムを逐次含浸し、焼成、還元した触媒で、Rh とカリウムの相互作用により、水素過剰雰囲気での一酸化炭素の選択
酸化反応において、高い活性を示すことを報告して

２．実験
今 回 用 い た SiO2 担 体 は 触 媒 学 会 参 照 触 媒 のJRC-SIO-7（BET 比表面積：81 m2 g-1）を 1173 K で 3
時間予備焼成したものを用いた。この SiO2 担体 1 gに Rh(NO3)3 溶液（Rh: 1.05×10-2 g ml-1, pH = 0.8 硝酸酸性）を 1.9 ml 含浸し、383 K で一晩乾燥し、773 K
空気焼成 3 時間行った[7, 8]。還元処理は、水素気流中（30 ml min-1）773 K で 1 時間行った。なお、pH の測定は、pH 標準溶液 2 種類（和光純薬工業製、フタル酸塩 pH 標準液 pH = 4.01, 中性りん酸塩 pH 標準
液 pH = 6.86）を用いて 2 点補正した、東亜電波製
pH メーターTOA HM-7B を使用した。
触媒調製の各段階すなわち、含浸し乾燥後、焼成後、還元後の試料を用いて TEM 観察用試料を調製した。含浸、乾燥後の試料約 10 mg をメノウ乳鉢で10 分間粉砕し、5 ml のトルエン中に分散させた。超音波洗浄器で 1 分間超音波を照射した後放置し 3 分
後に、粘着処理を施したマイクログリッドにマウントした。焼成後および還元後の試料については、試料約 10 mg をメノウ乳鉢で 10 分間粉砕し、5 ml の水中に分散させた。超音波洗浄器で 1 分間超音波を照射した後放置し 3 分後に、粘着処理を施したマイクログリッドにマウントした[8]。TEM 観察は、本学
医学系電子顕微鏡室にある TEM (JEOL 100CX) を使用した。平均粒子径の計算は、3 乗・2 乗平均'*

（volume-area mean）を用いた[8-10]。3 乗・2 乗平均は、測定した粒子径の 3 乗の総和を 2 乗の総和で割ったものである。還元後の担持貴金属触媒について、得られた平均粒子径から計算した金属分散度と、水素または一酸化炭素の吸着量から求めた値は、よく一致することが知られている[9, 10]。今回の報告では、
含浸後、焼成後の粒子径を比較する際に、水素または一酸化炭素の吸着量は測定できないため、3 乗−2乗平均の計算結果のみを求めた。

金属微粒子は、高温水素還元でシンタリングしやす
く、773 K 以上では顕著である。平均粒子径は 6.2 nmであった。

３．結果と考察
Fig. 1 に触媒調製の各段階で行った、TEM 観察の結果を示した。Fig. 1 (a) は、SiO2 担体に Rh(NO3)3
溶液を含浸、乾燥後の試料である。通常、粉体触媒の TEM 観察用試料を調製する際には、粉状の触媒をメノウ乳鉢でより細かく粉砕し、水を加えた後、超音波を照射して懸濁液を作り、TEM 観察用のマイ
クログリッドにマウントする。含浸、乾燥後の触媒
では、担持成分の溶出が起こるため、今回、担持成分の溶出を防ぐために、水の替わりに有機溶媒を用いたためか、SiO2 担体の重なりがあり、見えにくいが比較的小さな微粒子（小さな黒いゴマ粒状のもの）
が存在していることがわかる。平均粒子径は、2.4 nmであった。Forrester, Wolsey あるいは Kuno らは、
Rh(NO3)3 は水溶液中では、Fig. 2 に示したように、
Rh は三価の水和したイオン、ヘキサアクアロジウム（[Rh(H2O)6]3+）として存在していると報告している（Fig. 2(a)）[11-13]。この水和イオンは、溶液の pH が
強酸性では、安定に存在するが、pH が高くなると、配位している水分子からプロトンが奪われ、OH が配位するとともに、価数が三価から二価へ変化する。
また、この二価のイオンは、OH 二個を介して二核化する（Fig. 2(b)）[11-13]。さらに溶液の pH が高くなると、脱水素して Fig. 2(c) の状態になる[11-13]。今回の実験で SiO2 担体に Rh(NO3)3 溶液（硝酸酸性）を含浸した直後では、Rh は Fig. 2(a) の左側の状態であると考えられる。そして、383 K の乾燥過程で溶媒である水の蒸発とともに、硝酸が蒸発し pH が高くなることで、Fig. 2(a)-(c) のように変化するものと考えられる。硝酸の沸点は 1 気圧下では 359 K であるから、乾燥過程で蒸発が起こると考えられる。実際、乾燥後の試料に水を加えると、その溶液の pH
は本来の前駆体溶液の pH よりも高い。二核化した
のち、残りの配位水にも同様な変化が起こり、多核化が進むと考えられる。この多核体については、これがどのような構造をもっているか詳細についてはわからないが、平均粒子径が 2.4 nm であることから、
Rh の水和イオンが 10 個程度結合してできたものではないかと考えている。
Fig. 1 (b) は、773 K 焼成後の試料である。含浸、乾燥後の試料とほぼ同じサイズの微粒子を見ることができる。しかし、微粒子同士が近くに存在しており、焼成処理により SiO2 担体上を移動して、シンタ
リングしつつあると考えられる。平均粒子径は、含浸、乾燥後と同じで、2.4 nm であった。この微粒子は、773 K で空気焼成してあるので酸化ロジウム（Rh2O3）である[14, 15]。
Fig. 1 (c) は、焼成後の試料を 773 K で水素還元したものである。(a), (b) に比べて、Rh 粒子径は大きく、シンタリングしたことがわかる。一般的に、貴Fig. 1 TEM images of SiO2 (JRC-SIO-7) supported Rh
catalyst. (a) after impregnation of the aqueous solution ofRh(NO3)3 followed by dryness at 383 K, (b) after
calcination at 773 K, (c) after H2 reduction at 773 K.

'+

(a)
3䋫

H2O
OH2

H2O

2䋫

H2O
OH

H2O

OH2

H2O

H䋫

䋫

Rh

Rh

OH2

H2O
OH2

OH2

(b)

2

4䋫

2䋫

H2 O

H2O

OH

H2O

H2O

H
O

OH2

H2O

H2O

OH2

OH2

OH2

Rh

Rh

Rh

H2O

O
H

䋫 2H2O

OH2
OH2

(c)
2䋫

4䋫
H2O
H2O
H2O

H
O

Rh

Rh
OH2

O
H

H2O

H2O
OH2

H2O

OH2

H2O

OH2

H2O
O

Rh

Rh

䋫 2H䋫

OH2

O
OH2

OH2

OH2

Fig. 2 Olation and oxidation of Rh complex ion [11-13].

Table 1 The mean particle size and the species of the particles in the step of preparation of the Rh/SiO2 catalyst
treatment
mean particle sizea) / nm
species of the particlesb)after impregnation followed by dryness
2.4
polynuclear complex ion ?
after calcinationc)
2.4
Rh2O3[14, 15]d)after H2 reduction
6.2
Rh metal[14, 15][9, 10]a) expressed as volume-area mean, b) dryness at 383 K for 12 h (overnight), c) calcination in air at 773 K for 3 h, d)
H2 reduction at 773 K for 1 h.

',

それぞれの粒子径測定の結果を Table 1 にまとめた。
以前発表した Rh/SiO2 触媒にカリウムを添加した
K2CO3-Rh/SiO2 触媒の還元後の Rh 粒子径が、今回得られた含浸、乾燥後の粒子径とほぼ等しいことから、次のことが考えられる。SiO2 担体に Rh(NO3)3 溶液を含浸、乾燥することで、SiO2 担体上に多核化した Rh前駆体が生成する。この試料に炭酸カリウム溶液を逐次含浸すると、この多核化した Rh 前駆体が溶液中に溶出し、その後 SiO2 担体上に再吸着し、特異な“Fish-egg” 構造を作ると考えられる。

参考文献[1] 岩本正和監修，環境触媒ハンドブック，エヌ・ティー・エス，東京，2001．
[2] I. Huruoya, Shokubai, 18, (1976) 60.
[3] 尾崎 萃ほか編，触媒調製化学，講談社，東京，
1980.
[4] 白崎高保，藤堂尚之編，触媒調製，講談社，東京，1974.
[5]

H. Tanaka, S. Ito, S. Kameoka, K. Tomishige, K.
Kunimori, Catal. Commun., 4, (2003) 1.
[6] H. Tanaka, S. Ito, S. Kameoka, K. Tomishige, K.
Kunimori, Appl. Catal., A: 250, (2003) 255.
[7] S. Ito, H. Tanaka, Y. Minemura, S. Kameoka, K.
Tomishige, K. Kunimori, Appl. Catal., A: 273, (2004)295.
[8] 伊藤伸一，筑波大学技術発表会報告集，No. 27, (2007)
20. Shin-ichi Ito, Technical Report, University ofTsukuba, 27, (2007) 20.
[9] K. Kunimori, T. Uchijima, M. Yamada, H. Matsumoto, T.
Hattori, Y. Murakami, Appl. Catal., 4, (1982) 67.
[10] J. R. Anderson, Structure of Metallic Catalysts, Academicpress, New York, 1975.
[11] J. S. Forrester, G. H. Ayres, J. Phys. Chem., 63, (1959)
1979.
[12] W. C. Wolsey, C. A. Reynolds, J. Kleinberg, Inorg. Chem.,
2, (1963) 463.
[13] K. Kuno, J. Ito, Nippon Kagaku Kaishi, 6, (1995) 432.
[14] Z. Hu, H. Nakamura, K. Kunimori, H. Asano, T. Uchijima,
J. Catal., 112, (1988) 478.
[15] Z. Hu, T. Wakasugi, A. Maeda, K. Kunimori, T. Uchijima,
J. Catal., 127, (1991) 276.

５．おわりに
今回の研究で、SiO2 担体に Rh(NO3)3 溶液を含浸、乾燥した後に Rh の多核錯体と考えられる微粒子が生成していることが確認できた。TEM 試料を作成する際に水の替わりにトルエンを用い、観察を行った結果である。比較的、簡単に作成できることから、他の担持貴金属触媒のキャラクタリゼーションにも応用が可能であると期待される。

６．謝辞
本報告を行うにあたり、電子顕微鏡観察についてご協力いただきました、本学医学系電子顕微鏡室の大野良樹技術専門官に感謝いたします。また、日常の職務について、数々のご指導いただきました本学
数理物質科学研究科、国森公夫教授、冨重圭一准教授に感謝いたします。

TEM observation in preparation process of an SiO2 supported Rh catalyst
Shin-ichi Ito
Institute of Materials Science, Academic Service Office for Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 JapanTEM observation was carried out for an SiO2 supported Rh catalyst in the preparation steps of the catalyst; after
impregnation followed by dryness at 383 K, after calcination at 773 K and after H2 reduction at 773 K. Small particles
were observed after impregnation followed by dryness. The mean particle size was smaller than that of the Rh metal
particles after H2 reduction at 773 K. The formation of the small particles in the step of dryness may be due to olation of
Rh precursor.
Keywords: noble metal catalyst, transmission electron microscopy, rhodium nitrate, catalyst preparation.

'-

筑波大学技術報告
28:29-31,2008

溶融法による酸化物ガラスの特性
間宮ᴾ 精一筑波大学数理物質科学等支援室（物性・分子工学専攻）〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1

また、様々なガラスを作るのに冷却速度の影響についても考慮しなければならない。従って臨界冷却速度についても述べる。

概要
ガラス作製において、どの元素（あるいは化合物）
もある一定の条件さえ整えばガラスにすることができるのか。これについて化合物を構成する各原子間の結合力、結合距離、角度などの構造がガラス形成能に関係する。ここでは酸化物ガラスの形成能を表す Stanworth, Zachariasen, Sun らの基準について述べる。また、ガラス形成において、重要な臨界冷却速度についても述べる。

モル容積

A

キーワード：ガラス形成能、臨界冷却速度。

過冷却液体

D
F

１．はじめにガラスの起源は、紀元前 7000 年頃とも言われ、古くより人間生活に係わって来た。例えば、構造材料としての窓ガラス、電球や蛍光灯の管、機能材料としてレンズ、光ファイバーなどがある。
今日、ガラスは、けい砂（結晶質の SiO2）を主体とし、これに炭酸ソーダ、炭酸カルシウムなどを混合した結晶質の原料を加熱して一度均質な融液とし、これを素早く冷却することにより得られる。このような方法を溶融法と言う。冷却による過冷却液体からガラスへの転移、あるいは加熱によるガラスから
過冷却液体への転移は可逆的に起こる。このような転移をガラス転移と呼ぶ（図 1）[1,2]。無定形（結晶化していない）固体のうちガラス転移現象を示す物
質のみをガラスと呼び、それを示さないゲルや無定形炭素などと区別している。
更に、このガラス転移現象は生体凍結保護物質（cryoprotectant）として応用されている[3]。生体は非常に多量の水分を含んでいることから、低温保存する際には氷の形成、水の結晶化による細胞、組織の破壊が深刻な問題となる。結晶化による組織へのダメージは、水から氷へと変化するときに起こる急激な硬度変化が大きな原因であり、結晶化を回避する
ためにガラス化を示す物質が検討されている。このようなことを考えると生命現象と深い関係がある。
ガラス化現象を更に研究することにより、この分野への多くの貢献ができる。
ここでは、比較的単純な酸化物ガラス（SiO2, GeO2,
B2O3, P2O5）について述べる。一般的にガラスができるためには冷却過程で結晶化しなければいい。そのためには過冷却液体の粘度が温度の低下とともに、連続かつ急速に増大する必要がある。しかし、粘度のデータはすべての系について得られているわけではない。そこで化合物を構成する各原子間の結合力、結合距離、角度などの構造面からガラス形成能を表す基準を見出せれば便利である（図 2）。この基準
は Stanworth, Zachariasen, Sun らによって検討されている[4-6]。この 3 者の基準について述べることにする。

'.

ガラス

B 液体
E

C

結晶

T2

Tg

Tm T1
温 度

図 1.融液の冷却により結晶化する物質とガラス化する物質のモル容積の温度変化[1,2]

(a)

(b)
:金属原子
M

: 酸素

図 2. 酸化物 MxOy のガラス（a）[5]と結晶（b）中での原子配列1 モルの酸化物 MOY/X を完全にばらばらにするのに必要な解離エネルギーを ED（kcal）, M 原子の酸
素配位数を n とするとき、
M-O 単結合の強度εは（2）式で与えられる。

２．酸化物のガラス形成能を表す基準
酸化物のガラス形成能をあらわす基準を
Stanworth, Zachariasen, Sun の順に示す。

ED

2.1 Stanworth による基準(kcal/mol)

ε=

[4]

（2）

n

Stanworth によれば、酸化物 MxOy のガラス形成能
は化合物を構成する金属原子 M と酸素との電気陰性度の差、および金属原子の原子半径に関係があり原子半径が 1.5Å以上の元素の酸化物はガラスにならない。
ガラスを作りやすい SiO2, GeO2, B2O3, P2O5, As2O5などを構成する Si, Ge, B, P, As などの原子半径はい
ずれも 1.3Å以下で、電気陰性度は 1.8~2.1 の間にあり、酸素の電気陰性度 3.5 との差が小さい。また、
これらの電気陰性度の差から、M-O 結合のイオン結合性＊を見積もるといずれも約 50%以下である。

Sun はεが 80 kcal/mol 以上の酸化物は単独で 3 次
元網目を形成し得るとして、網目形成酸化物（Network former, NWF）と呼んだ。
また、εが 60 kcal/mol 以下の酸化物は単独で網目を作ることはできないが、ガラスの一成分として網目形成酸化物が作る網目中に入り、性質に影響を及
ぼ す こ と は で き る と し て 修 飾 酸 化 物 （ Network
modifier, NWM）と呼んだ。
また、εがこれらの中間の 60 kcal/mol から 80
kcal/mol の酸化物は単独ではガラスを形成できない
が、網目形成酸化物の一部と置き換わって網目形成に加わるとともに修飾酸化物としての役割もし得るとして、中間酸化物（Intermediate）と呼んだ。

2.2 Zachariasen による基準[5]サッカリアセン（Zachariasen）は、ガラスが形成されるためには不規則構造になっても内部エネルギ
ーが規則構造の結晶とほとんど同じであること、また、構造単位がつながって 3 次元の連続網目を構成することが必要であると考えた。この原理に基づいてサッカリアセンは酸化物 AmOn のガラス形成条件
として次の 4 項目をあげた。
（1）陽イオン A の配位数は小さくなければならない（具体的には配位数は 4 または 3）。
（2）1 個の酸素イオンは 3 個以上の陽イオンと結合しない。
（3）酸素多面体は隣接多面体と頂点のみを共有し面や稜を共有しない。
（4）各酸素多面体は少なくとも 3 個の頂点を共有する。
（1）,（2）,（3）の条件は不規則網目と規則網目の内部エネルギーの差が小さいための条件であり、（4）は 3 次元連続網目を作るための条件である。これらの 4 条件を満足する単一酸化物に B2O3, As2O3,
SiO2, GeO2, P2O5 があるが、これらの酸化物は実際に急冷しなくてもガラスを形成する。

３．臨界冷却速度
過冷却液体から結晶が析出する場合には最初に新しく生成する相（結晶）の核ができ、その核から結晶の成長がおこるという過程をたどる。
したがって、融液を冷却してガラスを作る場合には、最も結晶のできやすい温度域を素早く通過することが必要である。では最小限どの程度の急冷を必要とするのであろうか。理論計算および実験の両面から臨界冷却速度を検討する。
図 3 に示した曲線は SiO2 の融点、融解熱、過冷却
液体のモル容積、粘度などから融点以下の各温度における核生成速度と結晶成長速度を推定し、それをもとに、各温度で過冷却液体を恒温保持したときに析出する結晶の体積割合が、106 分の 1 になるまでの所要時間をプロットしたものである[7]。
2000Tm≒2000 K

1950
1900
1850

2.3 Sun による基準

[6]

1800

K. H. Sun は図 2 に示すような M-O-M 結合の 3 次
元的な不規則網目を作るためには、M-O 結合の一つ一つが強固であることが必要であるとの考えに立って基準を導いた。

1750

温度(K)

1700

* イオン結合性：2 種の異なる原子からなる結合 A-B
において一方の原子に電子が偏在している度合.
電気陰性度 XＡ, XB の差を用いて
1
1-exp{- (XA-XB)2 }（1）4で与えられる。

0

2

4

6

8 10×106 sec→ 時間

図 3. SiO2(Tm≒2000 K)の T-T-T 曲線. 斜線の領域では結晶の体積分率 VC/V が 106 以上となる（Uhlmann による[7]）結晶の体積割合が 106 分の 1 という値は、過冷却液体から結晶への相転移の開始を実験的に検知し得(%る限界量にほぼ等しい。すなわち、図の曲線は過冷却液体から結晶への相転移がおこるのに必要な時間と 温 度 と の 関 係 を 示 し た も の で T-T-T（Time-Temperature-Transformation）曲線と呼ばれる。
ガラス作製の難易の目安となる臨界冷却速度は図3 の T-T-T 曲線をもとに見積もることが可能である。
すなわち、T-T-T 曲線において最も結晶化の進行速度の大きい温度を TN, この温度において結晶の体積分率が 106 分の 1 になるまでに要する時間を tN とす
ると、臨界冷却速度 RC は近似的に（3）式で与えら
れる。
Tm-TN
RC≒
（3）
tN
図 3 における T-T-T 曲線の突出し部に相当する TNと tN はそれぞれ 1820 K および 2.5×106 s であり、SiO2の融点 Tm は約 2000 K であるから、SiO2 の臨界冷却速度は約 7×10-5 K/s という値が得られる。表 1 にStrnad が同様にして求めた様々の物質の臨界冷却速度を示す[8]。

以上、酸化物ガラスの形成能と臨界冷却速度について述べてきた。しかし、これはガラスについての初歩の基礎知識で、まだまだ奥が深く未解決な問題が横たわっている。ここでは比較的分かりやすいト
ピックを紹介した。

５．謝辞
本報告を行うにあたり、数々のご指導を頂きました筑波大学数理物質科学研究科、小島誠治教授、狩野旬助教、小島研究室ガラス班の皆様に感謝します。

参考文献[1] 山根正之, はじめてガラスを作る人のために, 内田老鶴圃, 1989.
[2] 作花済夫, ガラス科学の基礎と応用, 内田老鶴圃,
1997.
[3] 池祐治, 小島誠治, 光学的手段を用いる GHz 超音波の非接触計測, 日本音響学会誌, 61, (2005) 461-466.
[4] J. E. Stanworth, J. Soc. Glass Technol., 30, (1948) 154T,
366T.
[5] W. H. Zachariasen, J. Am. Chem. Soc., 54, (1932) 3841.
[6] K. H. Sun, J. Am. Ceram. Soc., 30, (1947) 277.
[7] D. R. Uhlmann, J. Non-Cryst. Solids, 7, (1972) 337.
[8] Z. Strnad, Glass-Ceramic Materials, Elsevier, (1986) 9.

表 1. 種々の物質の臨界冷却速度の計算値[8]
物質
SiO2
Ge
H 2O
Ag

４. 結び

臨界冷却速度（K/s）
2×10-4
7×10-2
107
1010

The characteristics of oxide glasses grown by melting method
Seiichi Mamiya
Institute of Materials Science, Academic Service Office for Pure and Applied Science,
University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan

Can we form glass from any materials if some proper conditions are satisfied? The glass-forming
ability is affected by the structural points such as bonding strength, bonding distance between atoms
which compose the compound. In this report, the glass-forming ability is discussed on the basis of
the Stanworth’s rules, Zachariasen’s rules and Sun’s rules of glass-forming ability in oxides. The
critical cooling rate for forming glass is also discussed.
Keywords: glass-forming ability; critical cooling rate(&

筑波大学技術報告
28:32-35,2008

可視化実験用一面せん断実験装置の製作
飯高㩷 稔
筑波大学システム情報工学等支援室〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1

断面上の応力を直接測定できるためよく利用されている。一面せん断試験は、供試体の体積を一定に保ってせん断する定体積一面せん断試験と、せん断面
上の垂直応力を一定にしてせん断する定圧一面せん
断試験がある。今回製作したのは定圧で一面せん断を行う装置である。

概要
システム情報工学研究科構造エネルギー工学専攻
コンクリート研究室の依頼により製作した、「可視化実験用一面せん断実験装置」について報告する。
この装置を使用して、ガラス粒子を用いたガラス集合体の一面せん断実験を行った結果、LAT[1] 可視化手法によって粒子の三次元移動挙動を評価すること が 可 能 と な っ た 。 LAT と は Laser-Aided
Tomography（レーザー援用トモグラフィー）の略で粒子体を構成する三次元的な微視構造をレーザーにより可視化する技術のことである。

２．LAT の概要
LAT は粒状体の内部を観察するために開発された実験手法である。粒状材料としてガラスブロックを粉砕して研磨したガラス粒子を用いる。これを水槽の中に入れ、ガラスと同じ屈折率を有する透明な液体で飽和させる。この状態でガラス粒子は見えな
くなり、試料は透明になる。そこへシート状にしたレーザー光を通すと、ガラス粒子の表面で光が散乱することにより、レーザーの通った断面内の粒子の輪郭のみが浮き上がる。レーザーシートの通す位置
を水平移動させ、試料を走査しながらカメラで断面撮影することにより、三次元的な粒子構造を取得することが可能となる。得られた画像からコンピュー
タでガラス粒子輪郭を摘出して三次元的に再構築してデータ化する。

キーワード：一面せん断実験、可視化、LAT

１．はじめにコンクリート研究室では、フレッシュコンクリート（まだ固まらないコンクリート）を含水粒子集合体と見なして、粒子集合体のマクロな変形と個々の粒子の移動との関係や力学挙動を解明する理論的研究手法を開発している。研究室では微視的構造の粒状体性質を、コンクリートの粗骨材（おおむね 5 mm以上の粒子）としてガラス粒子を用いたせん断試験
を、可視化して検討することになった。可視化手法
として LAT を用いる。せん断試験は、一般的に三軸圧縮試験が多く用いられる。この試験では最大せん断応力作用面が確定しにくく、せん断面上の粒子移動を測定することが難しい。そこで、せん断面の側面の観察が可能な一面せん断実験装置の製作を依頼された。
一面せん断試験[2]は直接型せん断試験の一つで、土質試験で用いられる試験である。上下に分かれた
せん断箱に供試体を納め、垂直応力を載荷した状態
で、せん断箱の一方を他方に対して水平に移動させてせん断する試験で、原理的に分かりやすく、せん

ガラスと同じ屈折率の液体
ガラス粒子

平行移動

レーザーシート
水槽

垂直荷重
上せん断箱
（固定箱）

図 2. LAT の概要
加圧板

３．実験装置
荷重計

依頼者から求められた実験装置の仕様は、せん断
箱の断面は長方形で、内寸は試料の粒径とせん断箱の内面の周辺摩擦などから、長さ 150×高さ 100×奥行き 100 mm である。最大せん断変位量は試料の粒径などから 30 mm。せん断力はせん断箱の大きさや垂直荷重などから最大 1 kN 程度と見積もられた。
最初に、システム情報工学研究科地盤研究室で使用している一面せん断試験機（誠研舎 DT-10B）を利用して可視化実験が出来ないか検討した。この一

せん断力

下せん断箱
（可動箱）

図 1. 定圧一面せん断試験の概略図('

せん断箱は加力面とその反対側の面にはジュラル
ミン A2017 を使用し、観測面（撮影面）は厚さ 15 mmのアクリルを使用した。レーザーを透過させるせん
断箱の底板は厚さ 20 mm のアクリルを使用し、垂直力が掛かっても耐えうるように、厚さ 10 mm の鉄板
SS400 をせん断箱の大きさの穴を開けてアクリルの下に取り付けてある。
反力受けは、回転モーメントが生じないように、
せん断面の加力軸と反力軸を一致させるため水槽を跨ぐように取り付けた。材質は S45C である。
上下せん断箱ともせん断中にせん断箱間の隙間が一定に保持されるように、リニアスライドガイドを用いている。また垂直荷重用の加圧板も、せん断中に傾斜して供試体の体積変化を妨げないように、リニアブシュを用いたガイドを設けて加圧板が傾かないようにした。
上下せん断箱間の隙間は外側フレームを上下させることによって隙間を変えることができる。今回の実験は隙間を 0.2 mm で行った。
定圧式ではせん断時の供試体の体積変化によって、供試体とせん断箱の内面との間に周面摩擦力が生じて、せん断面上の垂直応力に影響を与える。垂直力
測定用の荷重計を反力側つまりせん断箱の底面に設置すれば、せん断面上の平均的な垂直力を直接測定できるが、せん断箱の底面に荷重計をつけるとレー
ザーを透過させる面がなくなってしまうので、簡便に加圧板に直接おもりを吊り下げて垂直荷重を与える方式とした。
せん断力の載荷は、オリエンタルモータ社製のラック・ピニオン機構のリニアヘッドに AC モータに変速ヘッドを組み合わせて減速し、速度制御回路を取り付けて構成した。最大推力は 1.5 kN である。
外側のフレームは主に、株式会社ミスミのアルミフレーム HFS8-4040 を組み合わせて使用した。

垂直変位計

荷重計

上下せん断箱水平変位計

図 3. 既存の土質試験用一面せん断試験機

面せん断試験機は定圧式の土質用試験機で、供試体の寸法は直径 60 mm 高さ約 40 mm の円柱である。
供試体として土粒子を用いる。下せん断箱にせん断力を加え水平に移動させ、せん断力は上せん断箱に当てた荷重計で測定する。
この一面せん断試験機の上下せん断箱を、アクリルなどの透明な箱で作り、その中に試料を入れガラスと同じ屈折率を持つ液体で満たすと、上下のせん
断箱の隙間から液体が漏れてしまう。液体が漏れても構わない様に、透明な水槽を作りその中にせん断箱を入れて、可視化一面せん断実験を行うことを考えたが、水槽の中のせん断箱に直接せん断力を加えるのは困難である。そこで、水槽の底に下せん断箱を固定して移動箱とし、その上に上せん断箱を載せて上せん断箱を固定箱として、水槽に固定した下せん断箱を水槽ごと載荷し移動させて、せん断を行うことにした。
LAT ではレーザーを照射する方向と、断面を観察する方向の 2 方向が透明で、直交している必要がある。また一面せん断試験では載荷面とその反対側に反力面が必要であり、垂直荷重を与える面も必要である。既存の試験装置では、レーザーを通過させる面がなく、せん断箱の大きさが土粒子用のせん断箱に比べてかなり大きいなど、装置を大幅に改造しなければならないことから、底面からレーザーを照射
し、正面を観察する装置を考案し、製作した。
フレーム

上せん断箱用
リニアガイド

反力受け

加圧版
上せん断箱

図 5．作成した上下せん断箱

水槽

下せん断箱

４．実験方法の概略

加力用
ブロック

実験方法は、一定の垂直荷重のもとで変位制御を行う。せん断変位速度を一定にしてせん断力を加えてせん断を行い、変位計によって水平変位と試料の上向きの垂直変位をそれぞれ測定する。せん断力は外側のフレームに固定した荷重計で測定する。せん
断変位速度は、0.2 mm/min である。

下せん断箱用
リニアガイドフレーム

図 4．上下せん断箱

((

①

⑧

②

⑨

③

⑩

④

⑮

⑪

⑤

⑫

⑥

⑰

⑦

⑱
⑬

⑯

⑭

正面図

側面図

①変位計（垂直変位用）②垂直力載荷用フレーム③フレーム④上せん断箱⑤下せん断箱⑥せん断力用荷重計⑦変位計（水平変位用）⑧上せん断箱ガイド装置⑨加圧板⑩せん断力載荷用モータ⑪加力軸⑫下せん断箱ガイド装置⑬架台⑭垂直力載荷用錘

⑮デジタルカメラ⑯撮影用直動装置⑰レーザー用ミラー⑱レーザー装置

図 6. 実験装置全体図
せん断力をモニターし、段階的にせん断を停止して LAT のためのカメラ撮影を行う。せん断面はせん
断箱の水平変位の増加に伴って減少するため、せん
断応力と垂直応力が共に増加する。せん断箱の両端付近にある粒子の移動は端面の影響で乱れているので、せん断箱の摺動面の中央 1/3 の部分にある粒子に注目して、各粒子の移動距離の水平と垂直成分をLAT 解析によって測定する。

垂直荷重
垂直変位

図 8．実験に使用したガラス粒子
ガラスと同じ屈折率の液体

用いる液体は、ガラス粒子の屈折率よりも高い屈折率を持つ液体と低い屈折率を持つ液体を混合させて、ガラス粒子と同じ屈折率を実現しているが、研究室では活性度の低い 2 種類のシリコンオイルを混合して用いている。
レーザー装置にレーザーラインジェネレータレン
ズを取り付けて、シート状に形成したビームをレー
ザー用ミラーで反射させて、せん断箱の底面から試料内を透過させる。レーザーは MELLES GRIOT 社
製の半導体励起固体レーザー、最大出力 2.5 W を用いた。
撮影はステッピングモータを使用した直動ステー
ジの上にカメラとレーザー用ミラーを乗せ、等距離で同時に移動させスキャンし、ピントがずれない様に撮影する。一回の移動距離は 0.2 mm である。画
像の取得には Canon 製のデジタル 1 眼レフカメラを用いた。コンピュータを使って移動と撮影の繰り返しの制御を自動で行う。

ガラス粒子

反力
（荷重計）

せん断力
せん断面

水平変位

Laser Light Sheet

図 7．実験図

ガラス粒子は光学ガラスをクラッシャーで粉砕してから、ボールミルを用いて角張りをとり、篩い目
10 mm を通過し、5 mm に留まるものを使用している。

()

データの収録は、せん断荷重、水平変位、垂直変位とも動ひずみ計を介して AD 変換器でパソコンに取り込んだ。

図 11. せん断変位量 15 mm 時の試料

６．まとめ報告した装置はまだ試験的な段階である。垂直荷
重は直接錘を載せて荷重をかけたが、錘では荷重に限界があるので空圧シリンダーなどを使用した載荷方法に変更し、垂直荷重の測定はせん断箱底面で行って、せん断面上の平均的な垂直力を直接測定できる方法に改良したいと思う。

図 9. 実験の様子

５．実験結果図 10 はせん断前の試料である。図 11 はせん断変
位 15 mm 時の試料である。垂直荷重はかけていない。
LAT 解析により、試料内部の粒子の移動方向の分
布や粒子のミクロの挙動と、粒子全体のマクロなせん断挙動を観察することができた。

謝辞
本報告にあたり、ご指導いただいたシステム情報工学研究科構造エネルギー工学専攻松島亘志准教授、試料の提供などご協力いただいた山口大学工学部感性デザイン工学科李柱国准教授に感謝いたします。
また、実験装置製作のアドバイスをいただいた装置
開発班の中島孝技術専門官に感謝いたします。

参考文献[1] Konagai, K., Tamura, C., Rangelow, P. and Matsushima, T.:
Laser-Aided Tomography: A Tool for Visualization of
Changes in the Fabric of Granular Assemblage, StructuralEngineering/ Earthquake Engineering, Vol.9, No.3,
pp.193s-201s, JSCE, 1992.
[2] 土質試験の方法と解説（第一回改訂版）,社団法人地盤工学会

図 10. せん断前の試料

Fabrication of box shear test equipment for visualization test
Minoru Iidaka
Academic Service Office for Systems and Information Engineering, University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan
A box shear test equipment using Laser-Aided Tomography (LAT) was fabricated for visualization of shear
plane. Test samples were prepared using glass particles and silicon oil. The test showed that it was possible toassess 3-dimensional transfer behavior of glass particles using LAT.
Keywords: Box shear test; visualization; LAT(*

筑波大学技術報告
28:36-38,2008

農業用トラクタヒッチ点位置制御による牽引車両の追従性向上の検討〜試作機の製作と効果について〜
本間ᴾ 毅 a)、瀧川ᴾ 具弘 b)ᴾa)

筑波大学生命環境科学等支援室（農林技術センター）ᴾ〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1b)

筑波大学生命環境科学研究科ᴾ

〒305-8572 茨城県つくば市天王台 1-1-1に直結したヒッチ部を、油圧方向制御弁を介して油圧シリンダーを伸縮させ横移動させていた。その為、ストロークを長くしてトラクタに装着することは困難であることから、右旋回時のみ作動するもので最大ストロークは 600 mm であった。これを、油圧モーターでボールネジを回転させてヒッチ部を横移動させる方式に変更し、最大ストローク 1,300 mm で左右旋回に対応可能となった。本体部は、長さ 2,240mm、奥行き 400 mm および高さ 640 mm あり、トラ
クタの 3 点リンクで簡単にトラクタに装着することができる（図 1）。

概要
トラクタで牽引車両を牽引する場合に生ずる内輪差を減少させるため、ステアリング角度に合わせてヒッチ点を横方向に移動制御する方式を提案した。
そして，考案した公式を応用した試作機を製作し、路上において性能試験を行った。その結果，製作した試作機は問題なく機能し、U 字ターンや 8 の字ターン時でも，本方式によって牽引車両の追従性能は確実に向上していることが確認された。
キーワード：牽引車両、内輪差、追従性、ヒッチ制
御１．はじめにトラクタで牽引車両を牽引して走行する場合、進路変更時にトラクタ走行軌跡と牽引車両の走行軌跡に内輪差が生じることが一般に知られている。農業
機械作業には牽引作業機を使用する作業は多くあり、農林技術センターでも頻繁に使用されている。内輪
差は作業に影響を与え、時には事故の発生にもつながり安全性の面からも改善が求められている。この
内輪差を減少させることすなわち牽引車両の追従性を向上させることにより、作業性、安全性の向上を図ることが可能であると考えられる。
まず、右旋回のみ可能な試作機を製作し基礎試験を行ない、本方式により追従性の向上が図られ、また、他の方式に比べ実用性も高いことが分かっている。この成果は既に報告済みである[1]。本報告は、以前製作した試作機を改良し、路上において追従試験を行った際の効果について報告する。

２．試作機の概要
試作機は、制御部と本体部に分けられ、改良は本
体部のみ行った。

2.1 制御部
制御部は、トラクタの操舵角度と移動するヒッチ
点位置を検出する 2 つのリニア式エンコーダー、トラクタと牽引車両の折れ角を検出するロータリーエ
ンコーダー、油圧方向制御弁を制御するためのリレーおよびコンピューターから構成される。

図 1．試作機をトラクタに装着した状態
本体部の製作にあたっては、今後、実作業による試験も予定していることから、牽引車量の荷重ができるだけレールガイド中心部にかかり、レールガイ
ドおよびレールにねじれ方向に荷重がかからないよ
うに考慮し、また、トラクタにより左右のロアリン
クの間隔は異なることから、小型から大型トラクタまで対応できるようにロアリンクピンは内・外向き両方で使用可能とした。

３．試験の方法
試験は、農林技術センター所有のトラクタおよび試験用に製作した牽引車両を使用して、農林技術セ
ンター内路上において行った。トラクタ後輪車軸中心部および牽引車両車軸中心部から水滴をたらしながら走行し、水滴跡をそれぞれの走行軌跡とし、軌跡差を計測した。試作機を作動させず通常通りヒッ
チ点を中心に固定した状態（以後、非作動時）とス

2.2 本体部および改良点
以前製作した試作機は、油圧シリンダー先端金具(+

度の 0.05 m であった。次に、通常作業時に頻繁に行われる U 字ターンを行い軌跡差を計測した（表 1）。
非作動時は、旋回頂点と旋回終了の中間付近の軌跡
差が最も大きく 0.73 m であった。作動時では、旋回開始付近および終了付近の軌跡差が大きく最大 0.32m であった。旋回開始付近および終了付近に大きな軌跡差ができる原因は、ステアリング操作直後にヒッチ点が移動するため、旋回開始付近では牽引車両
がトラクタより外側を通り、旋回終了付近では内側を通る。この原因を解消するためトラクタの速度に合わせてヒッチ点の作動開始を遅らせるようにプロ
グラムを変更した。その結果、最大軌跡差は 0.11 mに減少した。8 の字ターンを行った際も、U 字ターンと同程度の結果となった。

テアリング角度に合わせてヒッチ点を移動させた場
合（以後、作動時）の軌跡差を比較した。

４．結果
まず、ステアリング角度を一定に保ち、旋回を行い軌跡差を計測した（図 2）。ステアリング角度は、
15 度から 30 度まで 5 度間隔で行った。
非作動時は、走行開始後牽引車両が内側に入り、軌跡差は徐々に大きくなり、ほぼ 1 回旋回したときの最大差は、ス
テアリング角度 15 度で 0.26 m、30 度で 0.64 m とス
テアリング角度が大きくなるに従い大きくなった。
作動時には、走行開始直後は、牽引車が一時的に外側を通るが、すぐにトラクタ軌跡に近づき、その後は、非作動時のように軌跡差が大きくなっていくことはなかった。最大軌跡差は、ステアリング角度 30

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㫏㩷㩷㪲㫄㪴

試作機非作動時試作機作動時図 2．旋回時の軌跡
表 1．U 字ターン時の軌跡差
軌

跡

差 [m]

旋回開始付近旋回頂点付近旋回終了付近

最大

非作動

0

-0.5

-0.46

-0.73

作動

0.32

-0.05

-0.30

0.32

時差作動

-0.11

0

0.07

-0.11

㩷

㩷

㩷

㩷

㩷

業での様々なトラクタ操作に対応できるよう検討を行うほか、実用性の面でも検討を進めていきたい。

５．考察
追従試験の結果から、製作した試作機は問題なく機能し、本方式により追従性は確実に向上され、特に、U 字旋回および 8 の字旋回の結果から、実作業においての作業性向上も十分に期待できることが確認された。今後は、数種の実作業試験を行い、実作

参考文献
[1]

(,

T. Takigawa, T. Honma, Q. Zhang, T. Ahamed, P.
Jyunyusen, M. Koike, Development of Hitch Position
Control and Its Applications, Journal of JSAM. 68(6)(2006) 51-58.

Examination of tracking performance of trailer by controlling hitch position
Tsuyoshi Honmaa), Tomohiro Takigawab)a)Agricultural and Forestry Research Center, University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8577 Japanb)
Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8572 JapanTo reduce off-tracking of a vehicle towed by a tractor, the control method in which hitching position was
controlled based on the steering angle of the tractor was proposed. The prototype hitching position controller was
fabricated, and the performance tests were conducted by using it. Through the experiments, it has been confirmed thattracking performance of the trailer during U-turn and 8-turn was significantly improved.
Keywords: trailer; off-tracking; tracking ability; hitch control(-

筑波大学技術報告
28:39-44,2008

ABO 血液型遺伝子多型の PCR-SSCP 法による解析とその応用
中村ᴾ 貴子筑波大学人間総合科学等支援室（医学支援室）〒305-8575 茨城県つくば市天王台 1-1-1
主とする OG allele グループに地域により特徴的な差異があることがわかった。

概要
ABO 式血液遺伝子型の Exon６領域（FragmentⅠ)
および Exon７の二つの領域（Fragment, FragmentⅢ)
を ALF express DNA sequencer を用いた PCR-SSCP 法による遺伝子型解析の開発を行なった。
その結果 主要な 5 種類の対立遺伝子による 15 の遺伝子型を正確に判定することが可能となり日常の法
医学業務に使用して成果を挙げている。
また、この方法で領域内の稀な塩基置換部位の検出ができるため、5 遺伝子の他の 16 種類の対立遺伝子を同定した。それらを使用して日本とその他の地
域の allele 頻度の比較検討を行い、地域による差異があるという結果を得た。

２．試料と方法
2.1 試料
日本各県、中国上海、南米コロンビア、モンゴル、
ミャンマー、アメリカミネソタ州白人の一般集団の血液から所定の方法で抽出した DNA を使用した。

2.2 PCR-SSCP (Single Strand Conformation Change )キーワード：ABO 式血液型遺伝子、PCR-SSCP 法、
塩基置換、allele 頻度

１．はじめにABO 式血液型多型はその他の遺伝子多型に比べあらかじめ個人の血液型がわかっている場合が多く、法医鑑定をはじめ事故や犯罪の捜査上有用性が高い[1, 2]。
ABO 式血液型を決定する糖転移酵素遺伝子[3,4]は第 9 染色体長腕上（9ｑ34）にあり、7 つの Exon で構成される[5]。これまでに Exon6 及び Exon7 に多数の塩基置換を伴う遺伝子型が報告されており[6, 7]、現在までわかっている対立遺伝子（allele）の数は 70
を 超 え る [8, 9] 。 そ の 検 出 法 も PCR-RFLP 法 [10] 、
PCR-APLP 法[11]、PCR-SSCP 法[12, 13]や、最近においてはマルチプレックス一塩基伸長反応法 [14] など多岐にわたり解析が行われているが、多数の primer や制限酵素を使用することや、得られた PCR 産物を精製しなければならないなど煩雑な操作があり、改善するべき点は多い。
そこで ABO 式血液型遺伝子多型を早く正確に判定でき、多数検体を処理する方法として ALF express
DNA sequencer （ Pharmacia Biotech ） を 用 い た
PCR-SSCP 法による解析方法を検討した。ABO 遺伝
子の Exon６領域（FragmentⅠ)と Exon７の二つの領域（FragmentⅡ,FragmentⅢ)を解析することにより
ABO 遺伝子型を主要な alele により 15 種類に分類するばかりでなく、稀な塩基置換の解析によってさらに詳細な遺伝子型を同定した。
それらの方法を司法解剖時の日常業務に使用している他、分散して遺棄された死体からや体液からの血液型検出などの法医学鑑定の場においても使用し成果を挙げている。また日本各県および世界各地域の、allele 頻度を比較検討した結果 A101 と A102 やO-101 型を主とする OA allele グループと O-201 型を(.

一本鎖 DNA は分子内水素結合などにより一本鎖のまま安定しようとするため、その塩基配列に特異的な高次構造をとる。したがって一組の二本鎖 DNA
allele に由来する 4 本の互いに相補的な一本鎖 DNAを電気泳動すると、それぞれの塩基配列が異なるた
め異なる位置に泳動される。一塩基置換によってもこの一本鎖 DNA の高次構造は変化し、電気泳動の際 易動度に影響を及ぼす。このような多型を一本鎖 DNA 高次構造多型（single-strand conformation
polymorphism: SSCP）という。PCR-SSCP 法の利点は既知の変異部位だけでなく、領域内の未知の変異部
位についても検出が可能であることである。
Exon６の全領域および Exon7 の np703 をふくむ領域[15]を所定の primer で PCR 増幅を行った（図 1）。
PCR 反 応 に は Hotster Taq DNA polymerase(QIAGEN)を使用し、denature 97℃：30 秒 annealing
58℃：30 秒 extension 72℃：30 秒で 35 cycle を GeneAmp 9600 (Applied Biosystems)を用いて増幅した。得られた PCR 産物 1ȝl を Blue Dextran 色素の入った
Formamide 液 14ȝl に加え、97℃で 5 分間 denature の後急冷し、サンプルとした。ALF express (Amersham
Pharmacia Biotech)を用い、それぞれの検出条件に適した Polyacrylamide gel にて電気泳動を行い遺伝子型を検出した。
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図 1．ABO 血液型遺伝子の PCR 増幅領域と Primer 配列

2.3 Sequencing

np467 の塩基が C（Cytosine）であるが、A102 他、十数例の allele は np467 が T（Thymine）に置換している。双方の allele はピーク位置の違いにより容易に判別することができた。
3 レーンで右にシフトしたピークが見られるがこれは np526 に C＞G の塩基置換がある B 型 alleleにあらわれるパターンである。また、コロンビアのサンプルで主な allele と易動度の違うピークが検出され sequence の結果 np542 に G＞A の塩基置換がある O209 allele であることがわかった。さらに np496 の A に deletion がある allele がモンゴルのサンプルで検出されたが、その allele もピーク
易動度の違いによって検出が可能であった。

PCR-direct sequencing により PCR 産物から直接塩基配列を決定した。 PCR と同一の primer を用いて 、 Forward 及 び Reverse 方 向 か ら の cycle
sequencing を行った後、Genetic analyzer (ABI,310)により分析した。

３．結果
3.1 SSCP 法による ABO 遺伝子型のパターンと塩基置換部位
3.1.1 FragmentⅠの SSCP パターン
図 2 は FragmentⅠの SSCP パターンである。np261
において O 型は塩基が欠損（del）しているが A 型、B 型とも正常で G（Guanine）である(G/del)。np297 では A 型では塩基が A（Adenine）で B 型では G となっているが、O 型も塩基が A のグループと G のグループの２種類に大別され、OA、OG という。それぞれ数十種類のサブタイプの Allele を含んでいる。それらの塩基置換の組み合わせによる基本的な 10 種の遺伝子型 (AA, AOA, AOG, BB, BOA, BOG, OAOA,OAOG, OGOG, AB) が易動度の差により､10 種のパターンとして検出される[16](Lane 1〜10)。基本的なピー
クと易動度の異なるピークとして検出されたサンプル（Lane11,12）は Sequence の結果、一方の遺伝子
上の np318 に C＞T の塩基置換部位があることがわ
かり OA グループの O109 と同定できた。

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図 3．FragmentⅡ領域の塩基置換 SSCP pattern と変異に対する遺伝子型
np467 は A101 および B、O の大部分は C であるが、A102 他十数例 T に置換している。3 番目レーンの右側にシフトしたピーク（矢印）は np526 に C＞Gの塩基置換がある B にあらわれるパターンである。
7 番目は np542 に G＞A に塩基置換がある O209 alleleの検出パターンである。

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3.1.3 FragmentⅢの SSCP パターン
図 4 は FragmentⅢのパターンである。パターンの
中央にやや間が開いているがその左のピークがセン
ス鎖、右がアンチセンス鎖のピークである。ピークを識別するため数字の番号をつけた。大部分の遺伝
子型は 1, 2, 3 のピークに相当する allele の組み合わせによって検出される。1 のピークに相当するのは
np703 が G から A に置換している allele で、主なものは B101 である。2 のピークに相当するのは A alleleと OA allele である。3 のピークは np771 が C から Tに置換している OG allele で、主なものは O 201 である。
4, 5, 6, 7 のピークは稀な変異 allele によって出現するピークである[17]。 4 のピークの allele は np771 がC から T に変異している他に np768 が C から A に置換している。5 の allele は np721 が C から T に、6のピークは allele は np743 が G から C に、７のピー
クの allele は np703 が G から A に置換している他、
np771 が C から T に変異しているため易動度に変化を起こしている。

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図 2．FragmentⅠ領域の塩基置換 SSCP pattern と遺伝子型
ピーク横に付けられた A,B,OA,OG は対立遺伝子の一本鎖 allele に対応しており、対立遺伝子がホモの場
合は 4 本、へテロの場合は 2 本のピークが観察されるが、この gel 条件では A と OA の片方の allele が分離しないため遺伝子型が AOA の時は 3 本ピークとなる。
Acrylamide:Bis=49:1 7%gel にて泳動。
3.1.2 FragmentⅡの SSCP パターン
図 3 は FragmentⅡの SSCP パターンである。A 型
allele グループの A101 と B 型および O 型の大部分は)%

この allele は前半部が 4 塩基置換（np297A＞G,
np526C＞G, np657C＞T, np703G＞A）によって B
allele の特徴をもち、後半部が 2 塩基置換（np771C＞T ,np829G＞A）によって OG allele の特徴を持つ
hybrid allele である[18]。 6 塩基置換のうちの 3 塩基
（np526- Arg 176 Gly ,np 703-Gly 235 Ser , np 829-Val277 Met）はアミノ酸置換をともなう。そのうちの 176 と 235 が B 型転移酵素を転写するが 266 leu、
268 gly が A 型転移酵素を転写するキメラ構造を有し、A 型活性を呈する[19]。この allele は今回の結果
では日本人において 0.5% 200 人に 1 人程度現われることがわかった。また A104 は FragmentⅠの np
297A.＞G で B allele の特徴を持つが、他の部分は A
101 と同じで A 型活性を持ち、日本人の 0.75%に出現する。これらのことは exon 6 において遺伝子型でB allele を示すものであっても血液型の表現形では
A 型であり、検査の上で注意を要する。
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A101 allele と A102 allele はともに A1allele グループに属し、np467 が C から T に置換しそれに伴いア
ミノ酸 156 コドンが proline から leucine に変化している。しかしアミノ酸置換に伴う糖転移酵素の活性には変化は見られない[20]。
図 5 は、A101 と A102 の出現頻度の比較を行った
結果をグラフで示したものである。コロンビアは A
型 allele の数が 10 と少ないので統計から除いた。
A101 と A102 の頻度に大きな人種による差が存在する。
今回の調査で Caucasian（米国白人）では遺伝子頻度が A101(0.25) > A102(0.083)で A101 の頻度が高かっ た が 、 Oriental( ア ジ ア 人 ) で は 全 体 の 平 均 で はA101(0.054) < A102(0.199)と A102 の頻度が高く、Caucasian と逆転していた[21]。文献検索によるとペルシャ湾岸のクエートでも A101(0.112) > A102(0.018)
で A101 の頻度が高く[22]、米国白人では A101 が A
型全体の 75%であるのに対しクエートでは 86%を占めている。
一方ミャンマーの A101 の頻度は 0.064 で A 型全体で A101 型の占める割合が 32%であるが、中国上
海は 0.031 で 14%と低く、一方モンゴルでは 0.038、23%、日本全体では 0.057、21%とその中間の値であった。
太平洋ソロモン諸島では A101(0.180) > A102(0.130)
で A101 が 58％と若干上回っている[23]。A101 を基準とした場合アジアでは古い地域に A101 遺伝子が多く残り、新たに変異した A102 遺伝子があとからアジア地域に広まっていったのではないかと示唆されるが、これにはさらに多くの民族の検証が必要である。
また日本各県の比較では最も A101 頻度の高い高知県と頻度の低い山口県の間に P＜0.03 の有意差があるが、これも日本列島に各地からの民族が移り住んだ結果かもしれない。

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同一の遺伝子型の場合は同一の波形を示すため、部分死体や遺留品などの DNA 検査において遺伝子型を視覚的にとらえることができる。また別の易動度のピークを検出することにより、他の DNA のコ
ンタミネーションを容易に識別することができる利点がある。

4.2 人類学分野への応用㪞㪆㪘㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㪞㩷㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㪚㪆㪫 㪙㪈㪇㪈㪆㪦㪉㪇㪐䋶䋵㪘㪈㪇㪉㪆㪦㪈㪇㪎㪞㩷㩷㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㪞㩷㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㪫 㪦㪉㪇㪈㪆㪦㪉㪇㪐䋳㪚㩷㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㩷㪞㪚㩷㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㩷㪞㪞㩷㩷㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㪞㩷㩷㪚㪆㪘㩷㩷㩷㪚 㪘㪈㪇㪈㪆㪦㪈㪈㪎䋲㪞㪆㪻㪼㫃㩷㩷㩷㪘㩷㩷㩷㩷㩷㩷㪚 㪚㪆㪫㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㩷㪞㪎㪇㪊㩷㩷㪎㪉㪈㩷㪎㪋㪊㩷㩷㪎㪍㪏㩷㩷㪎㪎㪈㪞㪆㪘㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㪞㩷㩷㪚㪆㪘㩷㪚㪆㪫 㪙㪈㪇㪈㪆㪦㪈㪈㪎䋴䋲㪚㩷㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㩷㪞㪞㪆㪻㪼㫃㩷㩷㩷㪘㩷㩷㩷㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㩷㩷㩷㩷㪫㪆㪫㩷㩷㩷㪚㩷㩷㩷㩷㩷㪞㪻㪼㫃䋴

FragmentⅠでどのサンプルも AB 型と判定、Ⅱでも np467C>T の ピ ー ク が 出 現 し た た め す べ て
A102/B101 型であると判定した。この形は日本人では 100 人のうち約 7〜8 人にしか表れない血液型であることや、ABO 以外の遺伝子型検査結果を含め同一人の可能性が高いと鑑定された。
②．女性屍。膣内に精液の痕跡があり、死亡前に関係した男性の血液型を検出することになった。
FragmentⅠにおいて被害者（血液）の遺伝子型は BOAであったが膣内容物からＡ型であらわれるピークが検出され、Fragment Ⅱにおいても A102 型(467C>T)であらわれるピークが検出されて、被害者遺伝子型と異なる A102 型の存在が示唆された。
後に逮捕された容疑者は A102/O101 であった。

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図 4．FragmentⅢ領域の塩基置換 SSCP pattern と変異に対する遺伝子型
ピークを識別するため数字の番号をつけた。大部分の遺伝子型は 1, 2, 3 のピークで表された allele の組
み合わせであらわされる。ピピーク１は np703 が G＞
A に置換しているもので 主なものは B101 型である。ピーク 2 は A 型 および OA 型で出現し、主なものは A101, A102 ,O101 型等である。
ピーク 3 は np771
が C＞T に置換している OG 型 で検出され主なもの
は O201 型 O209 型等である。ピピーク 4, 5, 6, 7 は稀な allele によって出現する。ピピーク４は np768 が C＞A に置換している O117 型で検出される。

４．考察
4.1 法医学分野への応用
事件概要①．上腹部、下腹部、左右上肢、左右大腿、左右下肢が、つくば市内の別々の河川から発見されたもので、頭部は発見されていない。同一人物のものであるかが鑑定の対象になった。

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文献によるとヨーロッパのバスク地方やアフリカのアイボリーコーストでは検出されず、エクアド
ルで O allele 全体の 4%、ボリビアで 12%ブラジル
で 43% [25]など、南米地域で多く観察されることがわかった。この結果は人種の特定に利用できるものではないかと考えられる。今後さらに地域、民族の調査地点を増やし検証を続けていく必要があると考える。

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図 5．A101 と A102 の allele 頻度の A 型全体に対する割合の地域別比較
米国白人とアジア人では頻度が大きく異なっている。またアジア各地域の他、日本各県の頻度にも差がある。

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O allele は np261 が欠損している。そのためアミノ酸コドン 117 にフレームシフトをきたし、不完全なタンパク質しか合成されないため、糖転移酵素活性を有しない。
O 型には大きく 2 つのサブグループがある。
OA allele group は O 型 allele のうち np297 が A のもので、O101 が主な allele である。OG allele group は
np297 が G に置換したもので O201 が主な allele で、
O101 と比較するとその他にも np646、np771 などに塩基置換がある[24]。
日本各県を比較すると岐阜県や高知県は OA allele
group 頻度の高く、沖縄県や鹿児島県は OG allele
group 頻度が高いなど日本各地において頻度の差がある（図 6）。
しかし高い有意差とは言えず日本全体においてはOA(0.299) > OG(0.276)という結果で若干 OA allele
group 頻度が高いがほぼ同率で、これは中国上海
OA(0.301) > OG(0.281) や ミ ャ ン マ ー OA(0.277) >OG(0.261)の結果と類似している。しかしモンゴルは
OA(0.258) < OG(0.340)で OG allele group の頻度が高く、アジア各地域において頻度の差があることが示唆されたため今後他のアジア地域のデータを調査する必要がある。
コロンビアは OA(0.368) < OG(0.560)という結果でG
O allele group 頻度が高く、そのうち np542 に G から A に塩基置換がある O209 が、O allele 全体の 15%を占める。この allele は日本人と中国上海のサンプ
ルでは検出されず、今回の調査でモンゴル、ミャン
マー、米国白人に数例見られる程度であった。

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図 6．O グループと O グループの allele 頻度のO 型全体に対する割合の地域別比較
アジア各地域で OA と OG の頻度が異なる他 日
本各県においても異なり沖縄県と岐阜県では
P < 0.04 の有意差があった。

５．謝辞
本研究を行うにあたり、手厚くご指導を賜りまし
た人間総合科学研究科法医学教授本田克也先生に深く感謝いたします。
本研究は平成 15 年度独立行政法人日本学術振興会科学研究費(奨励研究)課題番号 15922051、平成 16
年度研究費(奨励研究)課題番号 16922159、平成 17
年度科学研究費(奨励研究)課題番号 17927024の補助を得て行われました。
よって関係者の方々に篤く御礼いたします。

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参考文献

for the occurrence of recombination products. Hum.
Genet. :99, 454-461,1997.
[14] 橋谷田真樹, 那谷雅之, 舟山眞人 :SNPs による
ABO 式血液型遺伝子の多型解析. DNA 多型 :Vol.9,249-253, 2001.
[15] 橋本良明、中西祥徳 :ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）
法による ABO 式血液型の遺伝子型判定とその親子鑑定への適用. 日法医誌, 47(６),481-485,1993[16] 中村貴子, 及川明奈, 本田克也 他. :フラグメント
解析による高精度 ABO 式遺伝子型検出.
DNA
多型 :Vol.11,150-156,2003.
[17] 中村貴子, 本田克也, 三澤章吾. :電気泳動パターン解析による ABO 遺伝子多型頻度分布. ＤＮＡ多型 :Vol.12, 166-169,2004[18] Koichi Suzuki.:ABO blood group allele and genetic
recombination. Legal Medicine:vol7,205-212,2005[19] Yamamoto F, Hakomori S. :Sugar-nucleotide donor
specificity of histo-blood group A and B trnsferases isbases on amino acid substitutions. Biol.Chem: 265,
19257-19262, 1990.
[20] Seltsam A, Blasczyk R. :Missense mutations outside thecatalytic domain of the ABO glycosyltransferase cancause weak blood group A and B phenotypes.
Transfusion 45,1663-1669,2005[21] Yip S.P :Single-tube multiplex PCR-SSCP analysis
distinguishes ７common ABO allele andreadilyindentifies new alleles. Blood 95, 1487-1492, 2000
[22] Yip S p, Choi P S. :ABO blood group in Kuwaitis:
detailed allele frequency distribution and identificationof novel alleles. Transfusion 46 (5):773-779, 2006

[1] Ogasawara K, Yabe R, Uchikawa M, et al. :Molecular
genetic analysis of variant phenotypes of the ABO
blood group system. Blood :88, 2732-2737,1996.
[2] 土井裕輔, 山本雄二, 稲垣幸代, 他. :SNaPshot Kit を用いた SNP 解析による新しい ABO 遺伝子型判定法.
DNA 多型 :Vol.9, 254-257, 2001.
[3] Yamamoto F, Clausen H, White T, et al. :Molecular
genetic basis of the hist-blood group system. Nature: 345,
229-233, 1990.
[4] Yamamoto F, Marken J, Tsuji T, et al.:Cloning andcharacterization of DNA complementary to human
UDP-GalNAc: FucĮ1ĺ2GalĮ1ĺ3GalNac transferase（ histo-blood group A transferase ） mRNA. J. Biol.
Chem :265, 1146-1151,1990.
[5] Bennett E P, Steffensen R, Clausen H, et al. :Genomic
cloning of the human hist-blood group ABO locus.
Biochem.Biophys.Res.Commun :206,318-325,1995.
[6] Ogasawara K, Bannai M, Saitou N, et al. :Extensive
polymorphism of ABO blood group gene:three major
lineages of the alleles for the common ABO phenotypes.
Hum. Genet :97, 777-783, 1996.
[7] Ogasawara K, Yabe R, Uchikawa M, et al.:Different
alleles cause an imbalance in A2 and A2B phenotypes of
the ABO blood group.Vox Sang: 74, 242-247,1998.
[8] Yip S. P :Sequence variation at the human ABO locus.
Ann. Hum. Genet. :66, 1-27, 2002.
[9] Yamamoto F :Molecular genetics of ABO. Vox
Sang. :78（suppl２）,91-103,2000.
[10] Lee J.C.I, Chang J.G :ABO genotyping by polymerase
chain reaction. J. Forensic Sci, 37, 1296-1275,1992.
[11] Watanabe G, Umetsu K, Yasuda I, et al. :Amplified
product length polymorphism（APLP）:a novel strategy
for genotyping the ABO blood group. Hum. Genet. :99,
34-37, 1997.
[12] Ogasawara K, Yabe R, Uchikawa M, etal. :Recombination and gene conversion-like events may
contribute to ABO gene diversity causing various
phenotypes. Immunogenetics: 53, 190-199, 2001.
[13] Suzuki K, Iwata M, Tsuji H, et al.:A de novo
recombination in the ABO blood group gene and evidence[23] Ohashi J, Naka,I. : Polymorphisms in the ABO
blood group gene in three populations in the New
Georgia group of the Solomon Islands.J Hum
Genet 51:407-411,2006[24] Roubinet F, Kermarrec N, Despiau S, et al.:Molecularpolymorphism of O alleles in five populations ofdifferent ethnic origins. Immunogenetics :53, 95-104,
2001.
[25] Olsson L, Santos B, Chester A, et al.:Heterogeneity of
the O alleles at the blood group ABO loucus in
Amerindians. Vox Sang: 74, 46-50, 1998.

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PCR-SSCP analysis of ABO blood genotypes polymorphism
and its application
Takako Nakamura
Institute of Medical Science, Academic Service Office for Comprehensive Human Science, University of Tsukuba
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8575 JapanWe developed a new analyzing system of one region of Exon6 (FragmentⅠ) and two regions of Exon7 (Fragment
Ⅱ, Fragment Ⅲ) in ABO blood genotypes using ALF express DNA sequencer. The system made it possible todiscriminate 15 major genotypes including combination of five kinds of main alleles accurately it is useful for practicalforensic examination. The rare single base substitutions can be detected with the system. We identified 16 kinds of rare
alleles besides five main alleles. Using these results we compared the allele frequency of Japanese population with otherfive countries populations. It showed that there are significant differences among these populations.
Keywords: ABO blood genotypes; PCR-SSCP analyze; single base substitutions; allele frequency))

筑波大学技術報告
28:45-50,2008

デジタルカメラによる赤外線撮影
鷺野谷 秀夫
筑波大学人間総合科学等支援室 (体芸支援室)〒305-8574 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要

３．結果

考古学資料等、多くの科学分野に応用されている
赤外線撮影を、最近開発された一眼レフデジタルカ
メラに応用し、撮影を行った。その撮影法と、その撮影装置によって得られた画像の評価結果を報告する。

赤外線撮影は、紫外線写真同様に、単一波長の撮影のため、カラー画像では示されず単色で示される。
デジタルカメラの通常モード撮影で撮影を行うと、１．はじめに
可視光線の波長は、約 400 から 600 nm であり、可視光線よりも長い波長を赤外線と呼んでいる。赤外
線写真は、600 nm よりも長い波長で撮影した写真を指す[1]。従来のフィルムカメラでは、コダック社製
ハイスピード・インフラレッド・フィルムやコニカ
社製赤外線フィルムを使用することにより、撮影することができる。デジタルカメラは、撮像素子に使用されている CCD が、赤外域にも感度を持っているため、従来のフィルム撮影と同様に撮影することができると考える。赤外線撮影により得られる画像
は、肉眼では観察し得ない波長のため、多くの科学分野で有用な知見を得ることができる、更に雲等が赤外線を強力に反射するため風景写真等の芸術分野にも応用されている。そこで、誰にでも簡単に撮影できる撮影装置を開発することを目的として、実験を行った。その結果、興味のある赤外線画像を得ることができたので報告する。
キーワード：赤外線撮影、ディジタルカメラ

図 1. 赤外線撮影に使用した機材

２．撮影装置と撮影法
今回は、ニコンデジタルカメラ D70 ボディに通常の広角レンズ・ニコンニッコール 28 mm F2.8 と紫外線撮影用レンズ・ニコン UV ニッコール 105 mm レンズ（図 1）を用いた。そして特注のケンコー製赤
外線透過可視光吸収フィルターR72 と赤外線撮影用の富士フィルターをレンズの前面に使用した。また、簡易型の撮影装置として、ソニーサイバーショット
DSC-T30 を用いた。ソニーサイバーショットには、レンズの前面に富士フィルターSC-68 を接着した。
図 2 は、フィルターを接着した簡易型の赤外線撮影装置を示す。また、比較検討のため、他の波長のバ
ンドパスフィルター(ある波長範囲の光だけを透過し、他波長の光をできるだけ吸収するように設計されたフィルター)を使用して、同様に撮影を行った。
これらの撮影装置を用いて、風景や多くの資料を撮影し、基礎的実験を行った。また、パソコンを用いて、フィルターを使用した撮影により得られた画像と、通常の可視光線によるモノクロ画像とを比較検討した。

図 2. 簡易型の赤外線写真撮影装置

図 3. 赤外線フィルター)*

全体が赤色で示され観察がしにくいため、パソコンを用いて処理し、モノクロ画像に加工した。
図 4 は、風景を通常のカラー撮影で行った写真である。図 5 は、この画像を、パソコンの画像処理ソ
フト・フォトショップ CS を使用して、カラー情報を消去したモノクロ画像である。

図 7. 530 nm にピークを持つ画像
図 7 は、同様の風景を、530 nm にピークを持つバ
ンドパスフィルターで撮影した画像である。画像は一様に緑色の画像である。図 5 と同様の処理を行った結果、画像は、通常のモノクロ画像と比較して、緑の植物の表情がよく表現されている。
図 4. 風景の通常カラー撮影

図 8. 600 nm のフィルターで撮影した画像
図 8 は、同様の風景を、600 nm のシャープカット
フィルターで撮影した画像である。画像は一様に赤色の画像である。図 5 と同様の処理を行った結果、
画像は、通常のモノクロ画像と比較して非常にコントラストが強く、表現されている。

図 5. 図 4 のモノクロ画像
図 6 は、450 nm にピークを持つバンドパスフィル
ターで撮影した画像である。画像は一様に青い色の画像であるが、図 5 と同様の処理を行った結果、画像は、通常のモノクロ画像と比較してコントラストが強くなり、青い空は白く表現されている。植物は、より黒く表現されている。

図 9. 820 nm のフィルターで撮影した赤外線写真
図 9 は、同様の風景を、820 nm の赤外線透過可視
光吸収フィルターで撮影した画像である。画像は一様に赤色のフィルター使用と同様に赤色の画像である。図 5 と同様の処理を行った結果、画像は、通常

図 6. 450 nm にピークを持つ画像)+

のモノクロ画像と比較して非常に特異な画像を示した。画像の建物は、同様に表現されているが、樹木や植物は白く表現され、青い空は黒く表現されている。

図 12. 人物の赤外線写真

図 10. 小型のカメラで撮影した赤外線写真
図 10 は、同様の風景を、赤外線フィルターを装着したソニーサイバーショット DSC-T30 で撮影した画像である。画像は、カメラ側の設定で、モノクロ
撮影に設定したため、画像処理することなくモノク
ロの赤外線像が得られた。画像は、図 9 の赤外線のモノクロ画像と比較して樹木や植物が白く表現されるなど、同様な画像を示した。

図 13. 手背の普通モノクロ写真

図 14. 手背の赤外線写真
図 11. 人物の普通モノクロ写真

４．考察
赤外線写真は、単一波長の撮影のため、色彩は表現されず単色で示される。そのため、一般の赤外線
写真は、白黒で表示し観察するのが通常である。
今回、赤外線以外に使用したフィルターは、一般に三色分解フィルターと呼ばれている三原色のフィルターである。これらの画像は、赤外線写真を疑似カラーに処理する際、非常に重要になる画像で、赤外線カラー写真を作成する際に必要になる画像である。図 15 は今回使用したバンドパスフィルターの分光特性曲線である。今回使用したシャープカットフ
ィルターは、赤色の SC-60 であり、図 16 に、そのシャープカットフィルターの分光特性曲線を示す。
また、図 17 は、赤外線撮影フィルターの分光特性曲

図 11 は、通常のタングステンランプでライティン
グし撮影した人物のモノクロ写真である。図 12 は、人物を、820 nm の赤外線透過可視光吸収フィルターを使用して撮影した画像である。赤外線画像は、通常のモノクロ画像と比較して、赤外線写真の特徴を示し、眼の瞳孔ははっきり示された。また、皮膚も透明感のある特異な画像を示した。
図 13 は、通常のタングステンランプでライティン
グし撮影した両手のモノクロ写真である。図 14 は、
両手を、820 nm の赤外線透過可視光吸収フィルターを使用して撮影した画像である。赤外線画像は、赤外線写真の特徴を示し、表在性の血管が、はっきり表現されている。

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線であり、シャープカットフィルターと同様な分類である。

図 17. 赤外線撮影フィルターの分光特性曲線

一般に、赤外線撮影による画像は、遠くの景色が空気の層の影響を受けにくいため、はっきり写るとされている。図 18 は、山の風景を撮影した通常のモノクロ写真である。図 19 は、ニコンデジタルカメラ
D70 ボディに通常の広角レンズ・ニコンニッコール
28 mm F2.8 を使用し、図 18 図と同じ場所から撮影した赤外線写真である。写真は、赤外線写真の特徴を示し、遠くの雲もはっきり示されている。図 20、21 は、ソニーサイバーショット DSC-T30 にフィルターを装着した簡易型のデジタル赤外線カメラである。この画像においても、赤外線写真の特徴をよく示して、情感のある画像をよく表現している。また、
赤外線写真の特徴として人間の皮膚は、4 mm ほど
透過し、表在性の血管の撮影が行えると報告されている[2]。図 14 に示したように、デジタルカメラにおいても、従来のフィルム撮影と同様な画像が得られた。
赤外線撮影では、このように肉眼では観察し得ない興味ある画像を得ることができるため、多くの分野で応用が期待できるものと考える。

図 15. バンドパスフィルターの分光特性曲線

図 16. シャープカットフィルターの分光特性曲線

赤外線撮影は、このようなフィルターを使用することによって撮影できるが、もっとも重要なことは、カメラに使用されている CCD 等の前に赤外線を遮断するフィルターが付いていないかである。通常のデジタルカメラは、赤外線等の不可視光により、正常な黒が表現できないため、CCD の前にローパスィ
ルターと呼ばれる紫外線や赤外線をカットするフィ
ルターが装着されている。このため、通常のデジタ
ルカメラでは赤外線撮影が困難であるが、今回用いたニコンデジタルカメラ D70 とソニーサイバーショ
ット DSC-T30 では可能であった。
図 18. 山の風景写真)-

図 19. 図 18 と同様の赤外線写真

図 20. 山岳を表現した赤外線写真).

図 21. 水面と遠景を表現した赤外線写真

５．まとめ

参考文献

今回、赤外線撮影をデジタルカメラに応用した結果、適正な赤外線画像を迅速に得ることができた。
デジタルカメラは、瞬時に撮影結果を確認できるた
め、赤外線の反射、吸収が瞬時に観察できる利点が多い。今後は、赤外線写真の応用が盛んになり、多くの新知見が得られるものと確信する。

[1] 鷺野谷秀夫：スチルビデオカメラによる赤外線写真，
写真工業 Vol.48 No.11，113−116，1990．
[2] 鷺野谷秀夫: 特殊写真の臨床応用について，第 2 回
筑波大学技術職員発表会、62−67、2003.

Infrared photography by digital camera
Hideo Saginoya
Art and Sport Sciences Branch, Academic Service Office for Comprehensive Human Sciences,
University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8574 Japan
Infrared photography is applied in many fields of science such as archaeology. Photographs were taken using asingle-lens reflex digital camera for infrared photography. This report concerns images obtained using thisequipment.
Keywords: infrared photography; digital camera*%

筑波大学技術報告
28:51-57,2008

安定したヘリウム回収率維持に向けて
宮内 幹雄 a)、近藤 裕 a)、敦賀 将太 a)、池田 博 b)a)

筑波大学研究基盤総合センター（低温部門）b)

筑波大学数理物質科学研究科物性・分子工学専攻（低温部門）〒305-8577 茨城県つくば市天王台 1-1-1

安定的に循環させるためには損失分のヘリウムを補充し必要な量のヘリウムガス量を常に保持することが不可欠となってくる。
さらに原料ガスであるヘリウムガスはすべて海外からの輸入に頼っている。国内での産出がない現状
で、近年諸般の理由でヘリウムガスの輸入が制限される事態が起きている。このことは液体ヘリウムの安定供給に支障を起こす可能性を大いに含んでいる問題である。このような状況下、安定供給に必要不可欠な方法は今あるヘリウムガスを如何に逃がさずに保有できるかに係ってくる。そこで、現在低温部門で行っている安定したヘリウム回収率の確保に向けた取り組みについて説明する。
またヘリウムガスの回収率確保は利用者の料金負担軽減へと直接結びつく。なぜなら補充したヘリウ
ム量によって供給価格が変動するためである。

要旨
低温部門では学内に液体ヘリウムの供給を行っている。ヘリウムは高価なガスのため一度使用したヘリウムは回収して再利用している。そのため定常的に供給を行うにはヘリウム回収を安定的に維持する必要がある。本報告では低温部門におけるヘリウム
回収率維持に向けての取り組みについて紹介する。
現在この方法によって 90%以上の回収率を達成している。
キーワード：ヘリウムガス回収

１．背景
ヘリウムは学内で強磁場発生装置、帯磁率測定装
置、超低温発生装置、NMR 装置等の寒剤として利用され低温実験には欠かせないものとして位置づけられる。ヘリウムの沸点は 4.2 K の液体で、貴重で高価なガスであるため供給システムはリサイクルシス
テムで行っている。つまり使用したヘリウムを回収することによって供給の流れが成立するシステムである。このシステムで完全なヘリウムガスの回収を行うことができれば苦労はないのであるが、僅かな隙間からでも漏れてしまうヘリウムガスは材質によって透過して逃げてしまうガスであり、現実的にはかなり難しいことである。それゆえ供給システムを

２．システム概要
図 1 にヘリウムのリサイクルシステムの流れを示す。リサイクルシステムは、(A)液化のためにヘリウ
ムガスを液化用圧縮機で圧縮→(B)ヘリウム液化機
で大型ヘリウム容器にヘリウムを液化→(C)大型ヘ
リウム容器から小型容器に移し替え実験室に運搬→(D)学内の実験装置に液体ヘリウムを汲み込み実験→(E)実験使用し蒸発したヘリウムガスはサブセン

図 1. ヘリウムリサイクルシステムの流れ*&

図 2. ヘリウム回収配管
応し目盛りが振れる仕組みである。現在４台保有して活用している。

ターへ回収後、サブセンターからブロワーで低温部
門に送風、(F)低温部門内の実験装置に液体ヘリウムを汲み込み実験、ヘリウムガスは直接低温部門ガス
バックに回収→(G)全学からの回収用低温部門ガスバック→(H)回収されたヘリウムガスを高圧貯蔵するため圧縮→(I)回収ヘリウムガスの高圧貯蔵庫→(A)再液化され循環リサイクルが成立する。以上がヘリウムの供給システムである。
次に現在の回収配管の整備状況を図 2 に示す。学内に回収サブセンターが 5 箇所設置してありサブセンターを基点に建家内に毛細血管のように実験室まで配管が張り巡らせている。現在のサブセンターは工学系、自然学系、総合研究棟 B、理工学棟、TARAセンターである。サブセンターでは一度ガスバックに回収ヘリウムガスを回収し満杯になったらブロワ
ーで低温部門にヘリウムガスを強制回収している。
その他に 4 センターへの回収管が延びている。回収の方法は自然回収で直接低温部門のガスバックに回収されている。
このようにヘリウムの利用できる場所は、この回
収ライン環境が整っていることが条件となる。これ
ら低温部門から回収配管の末端までのすべて設備に対し漏れのない状態を構築することが低温部門の使命となる。以下に低温部門で行っているヘリウム回収維持向上に向けた取り組みについてハード面・リ
サーチ・ソフト面について優先度の高い順に述べていく。

図 3. リークディテクタ
以下に個別の具体的な取り組み内容を区分別に説明する。

3.1 ヘリウム液化装置関係
この設備は大半が高圧ガス製造設備である。そのため高圧ガス保安法上、半年ごとに定期自主検査を実施している。検査の一環として気密試験を行うが検査はすべて自前での実施を基本として設備の状態の把握に努めている。漏れ等の発生時には修理を行
い、定期的に点検して気密性を確保している。

３．取り組み①：ハード面
ハード面とは設備の気密性能確保のことを云う。
基本的なことであるが利用している設備から漏れがあっては回収率の向上はあり得ない。まずは徹底して漏れのない設備を目指すことである。点検方法はハンディータイプのヘリウムリークディテクタを用いている。図 3 に低温部門で使用しているリークディテクタを示す。最大感度は 10-5liter／min、感知原
理はガス種類による熱伝導の違いを利用している。
ディテクタの先端から吸い込み、ヘリウムのとき反3.2 運搬用ヘリウム容器
容器については液体ヘリウムをトランスファー中に目視で点検する。漏れが発生すると冷えたヘリウ
ムガスによって垂直に白い煙が立ち登る。ヘリウム
ガスは空気より軽いため煙は上昇するのでヘリウムによる漏れとして見分けることができる。白く見える煙は空気中の水分が氷となり白く見えるのである。
(図 4 写真参照)*'

儀なくされた。図 5 が改修前と後の写真である。現
在は半年に一回の自主検査時に毎回点検を行っている。

また他に些細なことであるが定期的なメンテナンスとして、利用者は無関心であるが漏れの発生の起こりやすいトランスファーチューブ挿入口の気密シール部のウイルソンシール O リングへの真空グリスの塗布を定期的に行っている。

3.5 回収サブセンター

3.3 ヘリウム実験装置
これについては各研究室にあるため頻繁に訪問して漏れチェックは出来ない。そのため方針として装置を導入時に漏れチェックを行い漏れがないことを確認している。この時点で行うことは重要で漏れがあれば納入業者の責任において補修が可能である。
後の研究室での補修は費用が嵩み困難なことが多い。
もし漏れがある場合は補修するまでトランスファーは認めてない。次に初めての液体ヘリウムのトラン
スファーには立ち会い再度漏れチェックを行うようにしている。これは室温の状態では漏れがなくても低温では漏れが出てくることが多々あるため行うのである。意外に継ぎ手部や O リングシールからの漏れが見つかることが多い。このように初期条件を揃えておけば後々の維持は容易となり、利用者サイド
においてもヘリウム回収への意識の高さを持ってもらえるので有効であると考えている。
その他にリークディテクタを貸し出し利用者によるによる自主的なリークテストをお願いしている。

3.4 回収配管
共同溝内の回収配管については恒久的な設備として長い間黙認してきた。しかし低温部門の高圧ガス
設備の老朽化対策が取り出されている昨今、意識を見直し共同溝内の回収配管について点検を実施した。
その結果、一部配管の腐食劣化が見つかり改修を余

サブセンター5 箇所に設置してあるガスバックの漏れ検査をした結果、3 箇所のガスバックから漏れが見つかった。そのためガスバックの更新工事を行
い漏れは解消した。また低温部門への送風ブロワーのベアリング部からの漏れ対策として気密性の高いベアリングに交換を実施した。

４．取り組み②

リサーチ

リサーチとは回収状況の調査のことである。定期
的に回収率を把握し回収状態を掌握している。定期的な調査によって漏れ発生に対し早期発見が可能となり損失量を抑える効果がある。また容器状態を知ることによって、ヘリウム供給申込み予定や各研究室の実験状況等の情報の収集にもつながる。回収率の測定は供給のない月曜日に実施している。
回収率はサブセンター単位の流量計からみた測定とヘリウム総保有量の測定の 2 通りを行っている。
回収率測定の条件は各サブセンターガスバック及び低温部門ガスバックを空の状態にした状態を基準として測定を行っている。測定結果は各サブセンターの回収率及び各 NMR の回収状況、さらにヘリウム
総保有量の結果からの減少量を計算している。なお
ヘリウム容器の液面測定にはカーボン抵抗を利用したポイント式液面計を使用している。総計計算表はエクセルで作成した。

腐食した配管補修後配管

図 4. ヘリウムリーク

図 5. 共同溝配管補修*(

図 6 に回収率測定の流れ図を示す。回収率測定の手順詳細は、（1）分担し供給している研究室を訪問しヘリウム容器の液面を測定（2）サブセンターのブ
ロワーを回しガスバックを空として流量計を記録（3）総計データ台帳に測定データを記入（容器の液量、サブセンター流量計、NMR 報告データ、低温部
門回収ガスデータ）（4）2 台のパソコンに総計デー

タ台帳とヘリウム供給台帳を入力（5）2 台のパソコンの総計計算処理結果の照合確認＜入力ミス対策＞（6）回収率結果の検証＜８０％以下の回収率発生の場合は調査を実施＞（7）終了となる。
図 7 に調査結果の表を示す。

ＳＴＡＲＴ

実験室供給
ヘリウム容器
液面測定

サブセンター（５箇所）
ブロワー起動ガスバック最下限
流量計データ収集
ＮＭＲデータ報告
回収率総計計算用
データ台帳記入

低温部門
回収ガスデータ

パソコンにデータ入力
パソコンＡ
総計計算表
データ入力

パソコンＢ
総計計算表
データ入力

ଏ⛎ਛ

日付：

自然学系サブセンター

理

HEL100

研究室名等

舛

本 研

MSB100

木越研C701（NMR）

大

塚 研

HELIOS

市川研C702（NMR）

野

村 研

MSB120守友 研

HEL100

化学系G210（AC400）

黒

田 研

UD100

関口研C402（300M）

大

塚 研

村

上 研

小野田 研

ヘリウム
供給台帳

ᓙᯏਛ

物

齋藤研G210（300M）

HELIOS−Ⅱ

大塚研OXFORD

MSB100

鍋島研G210(NMR）

THN

山本研G210 (Avance400)

LN‑30

(%)

小野田(加） HELIOS100

ＰＰＭＳ

実験室４

野

ＭＰＭＳ

実験室６

12/5

12/6

村 研

％

UD100‑C

出力データの照合確認
容器名／日付

12/3

理 HEL10043

舛本研 MSB100

30

物

回収率総計結果の検証

大塚研 HELIOS

回収率＜８０％
研究室回収調査

守友研 HEL100

8小野田 HELIOS100

89

大塩研 NMH‑100

92

(水)

38
28

97

102

29

6
31

34

10

93

93

20

96

28

27

黒田研 UD100*)(火)齋藤研 CRIC‑30

村上研 MSB100

図 6. 回収率測定フロー

12/4

門脇研 FAB250
重川研 MVE100

終了

(月)

31
92

(木)

ণ

ଏ⛎㊂

図 7. 回収率測定結果

５．取り組み③

ソフト面

ヘリウムロスの原因が明確化したとき抑止効果の期待も含めペナルティとして追徴金を課している。

ソフト面とは利用者によるトランスファー操作やヘリウム容器の取扱い上のことである。毎年新しい学生が入ってくる大学の環境なので、ヘリウム回収への関心や意識を高める必要がある。現在は研究室内での受け継ぎに委ねているが、たかがヘリウムさ
れどヘリウムであり一研究室の漏れの発生が回収ラ
イン全体からの漏洩に発展する怖れもあり得る。このことを踏まえて回収率測定をするため研究室訪問時には利用者とコミュニケーションを深め意識高揚を促している。図 8 に過去に発生したヘリウムロス
を示す。

原因

６．回収率結果
6.1

図 9 に 2006 年 4 月から 2007 年 3 月間のサブセン
ターの回収率のグラフを示す。グラフの変動は実験
装置への充填等に関わっている。利用状況を充分把握して回収率の傾向を見極め、実際に回収率が 80%割り込んだ時は速やかに原因を突き止めロスが持続しないように対処する。この定期的な回収率の調査が安定した回収率維持には需要なカギとなると考え
ている。

ロス量
(liter)発生日

発生場所

2007年1月

工学系Ｇ棟

マグネット装置回収ライン取り付け
フローメータ回収接続口のホース割れ

31.5

2007年1月

工学系Ｆ棟

クライオスタットトランスファー挿入口
ウイルソンシールＯリング割れ

13.4

2004年5月

工学系Ｍ棟

ヘリウム容器移動時に回収バルブ閉め忘れ

29.9

2003年12月

工学系Ｍ棟

充填終了トランスファーチューブ引き抜き後
容器トップのボールバルブを閉め忘れ

193.7

2003年6月

理修棟

ＮＭＲ装置トランスファー終了後
ＮＭＲトランスファー用回収バルブ閉め忘れ

152.7

2003年3月

工学系Ｍ棟

実験装置のヘリウム回収ホースの劣化割れ

38.5

2003年2月

理修棟

充填終了トランスファーチューブ引き抜き後
容器トップのボールバルブを閉め忘れ

43.8

2002年12月

自然学系

ガスバック室容器置き場の回収バルブの接続間違いによりバルブ開放

72.8

サブセンター回収率

6.2

年間回収率

年間回収率は総ヘリウム保有量から計算する。計
算式は回収率%＝回収量／供給量×100
回収量＝供給量−（LHE 追加量−総量変化量）
で求める。図 10 が計算結果である。

図 8. ヘリウムロス例**

７．まとめ自然系

年間回収率は過去 3 年間 90%以上を維持できている。定常的なヘリウムガスのロスとして、

100

90

回収率％

①ガスバックからの透過によるロス②液化機内部精製系パージによる放出ロス③トランスファー時の初期ガスブローによるロス

80

70

以上 3 項目は避けられない損失として存在する。
これに加えて操作上のミスによるロス量を考慮すると現在の 93%以上の回収率は充分評価できる結果と考えている。

60
3
/1
11

1
/1
12

8
1/

5
2/

5
3/

3
/1
11

1
/1
12

8
1/

5
2/

5
3/

18
9/

6
/1
10

24
7/

21
8/

26
6/

29
5/

3
4/

1
5/

測定日
工学系
100

供給に対する低温部門のモットーは「液体はヘリウムが必要なとき、必要な量をより安い料金、安全に利用していただく」というものである。ヘリウムの供給リサイクルシステムの重要な役割である安定
した回収率維持に向けて、今後もさらなる取り組みを展開して行きたい。

回収率％

90

80

70

60
18
9/

6
/1
10

24
7/

21
8/

26
6/

29
5/

1
5/

3
4/

８．おわりに測定日

回収システムの一つでも歯車が狂うとすぐに回収率は低下してしまいます。四六時中動いている回収システムを安定的に維持することの苦労を理解して頂ければ幸いである。また現在の回収率維持は低温部門のみの努力では為し得えません。利用者のみなさんのご協力に感謝し、今後ともご協力をお願いしたいと思います。

総合研究棟Ｂ
100

回収率％

90

80

70

60

供給量集計
期間

供給量

LHE追加量

開始総量

終了総量

総量増減量

回収量

回収率

2006年度82906Ｌ4161.7

7386

7290

‑96

78840Ｌ

95.1％

2005年度69088Ｌ

3748.5

7594

7386

‑208

65548Ｌ

94.9％

2004年度

80069Ｌ4225.8

7316

7594

278

75565Ｌ

94.4％

図 10. 年間回収率結果

*+

5
3/

8
1/

図 9. 回収率グラフ

5
2/

1
/1
12

3
/1
11

6
/1
10

18
9/

24
7/

21
8/

29
5/

26
6/

1
5/

3
4/

測定日

High performance of helium-gas recovery system
Mikio Miyauchia) , Yutaka Kondoa) , Shota Tsurugaa), Hiroshi Ikedab)a)

Cryogenics division, Research Facility Center for Science and Technology, University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8577 Japanb)
Materials Science(Cryogenics division), University of Tsukuba,
1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8577 JapanThe cryogenics division, Research Facility Center for Science and Technology, supplies liquid-helium to thelaboratories in the university. Helium-gas is so expensive that the high performance of helium-gas recovery system isrequired. In this report we show our helium recovery system. We have achieved 93% of helium recovery rate by thesystem.
Keywords: helium-gas recovery*,

筑波大学技術報告
28:58-61,2008

網赤血球検出のための蛍光試薬の比較検討
佐藤ᴾ 晶子、櫻井ᴾ 秀子
筑波大学人間総合科学等支援室（医学支援室）〒305-8575 茨城県つくば市天王台 1-1-1

は、機器に備えられたレーザー光に合わせて、励起される蛍光色素を選択する必要がある。

概要
末梢血液中の網赤血球を識別するために蛍光色素の CD4K530 試薬と Thiazole orange 試薬を用いて、フローサイトメトリー測定による検出を試みた。
また、その活用法として発作性夜間ヘモグロビン尿症（PNH）の形質を持つ網赤血球の分析を行いその有用性について比較検討した。
両蛍光試薬による基礎的検討では、血球との反応速度および染色後の赤血球の蛍光強度に相違が認められたが、同時再現性はともに良好であった。両蛍
光試薬による CD59 陰性の PNH の形質を持つ網赤血球の検出率は、高い正の相関性（ｒ> 0.99）を認め、両者の間に有意差は認められなかった。
これらのことにより、両蛍光試薬とも幅広く網赤血球分析に有用と推察されたが、測定の際には蛍光色素の特性を考慮しながら分析を行うことが必要と思われた。

２．目的および方法

キーワード：網赤血球、RNA 染色蛍光色素、CD4K530、チアゾールオレンジ

１．はじめに
血液中の網赤血球測定は、赤血球の産生能を把握する上で、有効な指標になることが知られている。
ヒト赤血球は末梢血液中で約 120 日間の寿命を持ち、体内では、血球の崩壊と新しい血球の産生が行われ恒常性が維持されている。そのため末梢血液中には産生されてから様々な日数の赤血球が混在していることになる。網赤血球は、骨髄から放出されて間もない赤血球であり、網赤血球を対象にした測定では全血による測定と比較し、より体内循環の影響が少ない状態で赤血球を分析することができる利点がある。特に、発作性夜間ヘモグロビン尿症（paroxysmal
nocturnal hemoglobinuria , PNH）の赤血球のように体内循環中に補体による影響で溶血されやすい異常赤
血球の造血病態検索には、フローサイトメトリー（flow cytometry , FCM）による網赤血球分析は優れた手法となる[1-3]。
網赤血球は、成熟赤血球と比較し RNA 量の含有量が高く、RNA に結合し蛍光を発するような蛍光色
素で処理を行えば、RNA の量に比例した蛍光強度が得られ、FCM による蛍光検出を用いて網赤血球と成熟赤血球との識別が可能となる。FCM による測定で*-今回、核酸に結合する蛍光色素の中で CD4K530
試薬（Cell Dyn 4000 System, Abbott Laboratories）とThiazole orange （ TO ） 試 薬 （ Retic-COUNT, BD
Biosciences）を網赤血球検出試薬として選択し、両蛍光試薬の網赤血球測定の反応条件について FCMによる測定を行い比較した。また、その活用法として両蛍光試薬を用いて PNH の形質を持つ網赤血球を解析し、両蛍光試薬の有用性について比較検討した。
PNH 血球は、表面抗原 CD59 の発現が欠損および低下していることが知られており[1-3]、両蛍光試薬と抗ヒト CD59PE 標識抗体（clone: p282[H19]）(BD
Pharmingen) とによる FCM の 2 カラー分析を行い、正常網赤血球と PNH の形質を持つ網赤血球を分析した[2]。測定には、FACSort（BD Biosciences）を用いて計測（488 nm レーザー, FL1 検出器：BP 530/30
nm , FL2 検出器：BP 585/42 nm）を行い、Cell Quest
で解析をした。

2.1 対象蛍光試薬の基礎的検討（経時変化、赤血球平均蛍光強度、同時再現性）については、網赤血球数の高値試料（網赤血球数 9.4％, Cell Dyn 4000 測定）を対象とした。
両蛍光試薬の相関性については、健常人（網赤血球数 1.2〜2.2％, n = 6）および PNH 疾患を含む網赤
血球高値試料（網赤血球数 5.3〜19.7％, n = 6）を対象として、PNH の形質（= CD59 陰性）を持つ網赤血球を検出し検討を行った。また有意差については、
PNH 疾患を含む網赤血球高値試料を対象とした。

2.2 網赤血球比率の経時変化
両蛍光試薬の室温反応における経時的変化を比較するために、CD4K530 試薬は添加後 75 秒間、TO 試
薬は 30 分間まで、各時間ごとに赤血球 1×104 個をFCM で計測し、網赤血球の検出率（％）を分析した。

2.3 赤血球の平均蛍光強度の比較
赤 血 球 を リ ン 酸 緩 衝 生 理 食 塩 水 （ phosphatebuffered saline, PBS）に浮遊させた試料を基準にして、
CD4K530 試薬は 15 秒間反応後の試料、TO 試薬は
15 分間反応後における赤血球平均蛍光強度を比較した。
各試料は赤血球 1×104 個を FCM で計測し、成熟赤血球および網赤血球のゲート解析を行い、それぞれの平均蛍光強度の分析をした。

㩿㩷㪸 㪀㩷㩷㪚㪛㪋㪢㪌㪊㪇㩷⹜⮎✂⿒ⴊ⃿ 䋨 䋦 䋩

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2.4 網赤血球比率の同時再現性

㪇

CD4K530 試薬は、15 秒間および 30 秒間反応後の試料、TO 試薬は 15 分間反応後の試料を用いた。
各試料ごとに、それぞれ 10 検体を用意し FCM で
1 検体あたり赤血球 1×104 個を測定して網赤血球比率（％）を解析した。平均値および変動係数（CV）を算定し同時再現性について検討した。

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2.5 PNH の形質（= CD59 陰性）を持つ網赤
血球の検出
健常人および PNH 疾患を含む網赤血球高値試料を用いて両蛍光試薬の相関性について検討した。抗ヒト CD59PE 標識抗体を反応させた末梢血液に、
CD4K530 試薬は 15 秒間反応後の試料、TO 試薬は
15 分間反応後の試料について、FCM で赤血球 1×105
個を計測し 2 カラー分析による CD59 陰性網赤血球の解析を行い、相関性について算定した。
また、網赤血球高値試料の測定値を用いて両蛍光試薬の有意差検定を行った。

㪈㪇
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෻ᔕᤨ㑆 䋨 㫄㫀㫅㩷䋩図1. フローサイトメトリー測定による
網赤血球比率の経時変化．

３．結果
3.1 網赤血球比率の経時変化㪏㪇ᐔဋⰯశᒝᐲ

CD4K530 試薬と TO 試薬は、赤血球との反応速度に違いが認められた。
CD4K530 試薬では、加えてから約 15 秒間までは
急激に網赤血球の増加が計測されたが、その後 75秒間までは緩慢な変化であった（図 1 (a)）。
TO 試薬は、添加後約 12 分間までは急激に網赤血球の増加が認められたが、その後の変化は少なかった（図 1 (b)）。

㪍㪇
㪋㪇
㪉㪇
㪇

3.2 赤血球の平均蛍光強度の比較㪧㪙㪪㪚㪛㪋㪢㪌㪊㪇 ⹜⮎㪸

両蛍光試薬の成熟赤血球の平均蛍光強度は、ともに PBS に浮遊させた赤血球の蛍光量よりも増加を示したが、TO 試薬に比較し CD4K530 試薬の方が高値であった（図 2）。
網赤血球の平均蛍光強度についても成熟赤血球と同様な傾向が認められ、CD4K530 試薬の方が高値を示した（図 2）。

㪹㪫㪿㫀㪸㫑㫆㫃㪼 㫆㫉㪸㫅㪾㪼㩷⹜⮎㪸㪹

図2. フローサイトメトリー測定による赤血球の平均蛍光強度の比較.
a, 成熟赤血球ｂ, 網赤血球*.

3.3 網赤血球数の同時再現性
同一検体を 10 回連続測定し同時再現性について検討をした。
CD4K530 試薬の 15 秒間反応の試料は、CV = 1.2%，
9.73±0.12（mean±SD）、30 秒間反応の試料は、CV =1.1%，9.97±0.11（mean±SD）であった。
TO 試薬の 15 分間反応の試料は、CV = 2.4%，
9.71±0.23（mean±SD）であった。

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3.4 PNH の形質（= CD59 陰性）を持つ網赤
血球の検出

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健常人および PNH 疾患を含む網赤血球高値試料による PNH の形質を持つ CD59 陰性の網赤血球の検出率は、CD4K530 試薬では 0.01〜83.3％、TO 試薬
は 0.04〜81.3％であった。この結果による両蛍光試
薬の相関性は r = 0.9997, y = 0.955x-0.017（n = 12）となり、高い正の相関が認められた（図 3）。
また、網赤血球高値試料（n = 6）を用いた網赤血球の CD59 陰性血球の検出率について、両蛍光試薬の有意差について検討した。この両蛍光試薬に関して有意差は認められなかった（Mann-Whitney’s Utest）。

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図3. フローサイトメトリー測定による
CD59陰性網赤血球比率の相関性.

比較し低く新鮮血球と比較的同等であったが、やや長い反応時間を要する特性があった。
PNH では赤血球および白血球においても細胞表面の CD59 発現の低下および欠損が認められ[1, 3]、網赤血球による検出は異常血球の検出率が全血法よりも高感度に行える利点がある[2]。今回、末梢血の網赤血球における PNH の形質を持つ CD59 陰性血球の検出について、両蛍光試薬を用いて比較検討を行った。両蛍光試薬の測定値は高い相関性が認められた。
また、異常赤血球の検出率に対する有意差も認められなかった。
これらのことにより、両蛍光試薬とも幅広く網赤血球分析に有用と推察されたが、測定の際には両蛍光色素の特性を考慮しながら分析を行うことが必要と思われた。

４．考察
FCM による核酸（RNA, DNA）を検出する蛍光色
素としては、pyronine Y, acridine orange, propidium
iodide, CD4K530, TO 等がある。測定の際には 1 本鎖
RNA か、2 本鎖 RNA か、DNA かにより特異性が異なることがあり、分析する時には用途に合わせて蛍光色素、励起波長、検出波長を選択する必要がある。
今回、網赤血球を検出するために CD4K530 試薬と TO 試薬を用いて FCM による測定を行った。両蛍光試薬では、網赤血球検出の再現性に関してはともに良好であったが、赤血球との反応速度および染色後の蛍光強度に違いが認められた。測定には、迅速性、簡便性、正確性、精密性が求められ、また網赤血球の検出には成熟赤血球と網赤血球の蛍光強度の差が大きいものの方が良く分離され、解析をする上で信頼性が高いものになると思われる。CD4K530 試
薬は、極めて短い反応時間で良好な測定ができ、蛍光強度も高い特徴が認められたが、網赤血球だけでなく成熟赤血球の蛍光強度も増加するため 2 カラー
以上の分析の時には機器の蛍光補正（compensation）のかけ方が重要になると思われた。一方 TO 試薬は、反応後の成熟赤血球の蛍光強度は CD4K530 試薬と

参考文献[1] 佐藤晶子, 長澤俊郎, 二宮治彦，赤血球膜蛋白異常の検出法としてのフローサイトメトリー：発作性夜間ヘ
モグロビン尿症（PNH）の病態解析の基礎と応用, 日
本膜学会誌 32 (2007) 147-154.
[2] Sato S, Hasegawa Y, Nagasawa T, Ninomiya H,

[3]

+%

Reticulocyte-gated flow cytometric analysis of red
blood cells in paroxysmal nocturnal hemoglobinuria,
Lab Hematol. 12 (2006) 82-85.
佐藤晶子, 櫻井秀子, ヒト赤血球および白血球球の補体制御膜蛋白発現のフローサイトメトリーによる検討, 第 3 回筑波大学技術職員技術発表会報告集(2004) 10-14.

Comparative study of fluorescent reagents for reticulocyte detection
Shoko Sato, Hideko Sakurai
Medical Branch, Academic Service Office for Comprehensive Human Sciences,
University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8575 Japan

Detection of peripheral blood reticulocytes by flow cytometry using CD4K530 fluorescent dye and thiazole orange
was attempted. Reproducibility of reticulocyte count was good for the both fluorescent dyes, but the reaction rate andfluorescence intensity of red blood cells differed. The detection rate of CD59-negative PNH-reticulocytes was also
compared using the both fluorescent reagents. As a result, no significant difference was observed; high relativity wasobserved (r > 0.99) and the two fluorescent dyes were found to be useful.
Keywords: reticulocytes; RNA-stained fluorescent dye; CD4K530; thiazole orange+&

筑波大学技術報告
28:62-65,2008

光ビート法による高周波の発生
松山ᴾ 英治
筑波大学数理物質科学等支援室 (物性・分子工学専攻)〒305-8573 茨城県つくば市天王台 1-1-1

概要

2.

装置と測定法マイクロ波からテラヘルツにいたる電磁波は、高周波トンネル顕微鏡 （RF-STM）や近接場顕微鏡など、走査プローブ顕微鏡（SPM）の新しい光源として有望視されている。テラヘルツ電磁波の発生に向けての第一歩として、波長が近赤外領域 1.0~2.0 ȝmにある 2 本のレーザビームを混合し、単一モード光ファイバを用いて非線形受光素子に導き、各々の光の周波数の差周波数をもつマイクロ波領域の電磁波を発生させた。発生した信号のスペクトル純度の計測結果から電磁波のコヒーレンスは極めて高いことが確認できた。このことから、本光ビート方法を拡張することにより、テラヘルツ電磁波の発生が可能であると期待できる。

2.1

装置

今回使用した装置は、近赤外波長可変レーザ 2 台、
光ファイバ導波路、光波長計、光受信機、スペクト
ルアナライザー、低雑音前置増幅器、から構成されている。近赤外波長可変レーザは、1.0~2.0 ȝm の光
通信波長帯域内でレーザ発振波長を精密に可変できる光発振器である。光ファイバ導波路は、光通信波
長帯域内でレーザの光を単一モードで低損失に伝送でき、各々のレーザ発振器からの 2 本の光を 1 本に混合できる機能を持つものである。光波長計は、近赤外光通信波長帯域内でレーザ発振波長を精密に計測できる測定器である。光受信機は、1.0~2.0 ȝm の
光通信波長帯域内で 2 光波混合（2 周波混合法）された光を受け、差周波数を出力できる非線形特性光
受光素子と増幅機能を備えた光通信用の受信機である。スペクトルアナライザーは、RF 信号を周波数領域で検出して表示する測定器である。低雑音前置増
幅器は、RF 信号を増幅する装置である。測定器の仕様を 2. 1. 1〜2. 1. 6 に示す。

キーワード：走査プローブ顕微鏡、テラヘルツ、
光ビート、コヒーレンス

１．はじめに
従来の光にない性質、例えば、紙、プラスチックなど非金属を透過し、分子振動に対応する振動数を持ち、生体を含め材料分析上重要な領域の波長を持つ、テラヘルツ（THz）電磁波（電波、光）を使用
した新しい分光技術が注目されている。特に微小な領域を観察する顕微分光、走査プローブ顕微鏡、近接場顕微鏡、などの最新の技術は電波・光境界領域にある光の利用が期待されている。従来からテラヘ
ルツ電磁波の発生には多くの技術的に困難な点があり、この分光領域の光源として取扱いが簡単で高性能な（光の線幅が狭い、振動数が安定、ノイズとの振幅比が良い、振動数を広い範囲で精密に可変できる）[1,2] 光源はなかった。分光に使用される光には高いコヒーレンスと良好な C/N（信号光強度とバッ
クグラウンドノイズ光強度との比）が求められる。
筆者は分光の要素技術の開発と分光解析の結果に影響を及ぼす要因の研究を行っている。そこで、これらの条件を充たす電波・光境界領域の電磁波を発生させるため光ビートを用いて高周波（RF）を発生す
る基礎的な実験を行った。今回は発生した信号のス
ペクトル純度の計測結果について報告する。

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1.55 ʅm೨⟎Ⴧ᏷ེᵄ㐳นᄌ䊧䊷䉱 2䉴䊕䉪䊃䊦䉝䊅䊤䉟䉱䊷

図 1. 測定装置の構成
2 周波混合法：周波数が異なる 2 つの電磁波（光）を非線形な特性を持つ受光素子に入射させ、各々の周波数の和と差の成分を出力に生じさせる、光混合法。光、電波の表示単位：光（n, ȝ）m、電波 Hz、光、電波境界領域の共通単位に明確な定めはない。

+'

2.1.1 近赤外波長可変レーザ
外部光共振器型精密波長可変型
サンテック：RSL-210、安定度: (＋,−) 0.005 nm/30
min、線幅:＜500 kHz
Hewlett-Packard：:8168 F、安定度：0.001 nm、線幅:100 kHz

た。このときファイバ内の光の電界分布はレーザ（1,2）ともに同一方向に設定されている。光受信機内で発生しているマイクロ波の出力信号を取出し RF 前
置増幅器へ入力し、スペクトラムアナライザーによる観測が容易な信号強度に RF 信号を増幅した。交流（AC）結合された、RF スペクトラムアナライザ
ーにより発生したスペクトルの純度を調べた。

2.1.2 光ファイバ導波路
2 入力 1 出力光ファイバカプラ、
日本航空電子工業：DS-15-50XK-380
分岐比：45~55 %(1547,1553 nm)
過剰損失：0.25 (dB) 以下 (1.547,1553 nm)

33.1 光波長計による計測
1270~1650 nm の計測範囲で、波長可変レーザ （1,2）の発振線として 1550 nm 付近に 2 本観測された。
図 2 はレーザ 2 の発振波長をレーザ 1 の発振波長に接近させているときの観測結果である。なお、上記の計測範囲で、レーザ（1, 2）の発振線以外の光は観測されなかった。

2.1.3 光波長計
Hewlett-Packard：8120 C： 1270~1650 nm、
表示解像度:0.001 nm 、精度:(＋,−) 2 ppm(＋,−0.003
nm at 1550 nm and 1310 nm)
2.1.4 光受信機
Hewlett-Packard ： 11982A: Light wave converter
1200~1600 nm、変換帯域幅：15 GHz 、
等価ノイズ：30 Pw ¥ Hz

3.2 スペクトラムアナライザーによる計測
スペクトラムアナライザーで観測した図 3 の信号は、光ビートがマイクロ波領域の電磁波に変換され光受信機から出力された信号で、センター周波数
7.07 GHz、信号強度・ノイズ比：C/N 53 dBm、線幅
W：5 MHz、であった。位相ノイズは、観測した信号の中心周波数から (＋、−) 100 MHz の範囲で急激に減衰していた。線幅 5 MHz のスペクトル線 1 本が常に観測された。時々2 本 15MHz の間隔内にホッピング（10 MHz の範囲に変動して希に現れる）を伴い観測された。

2.1.5 スペクトラムアナライザー
Anritsu： MS62B3 ~ 23 GHz 、RBW: 1 kHz
2.1.6 低雑音前置増幅器
Anritsu： MN-2602A、増幅帯域幅：2~8 GHz 、Gain : 30 dB

２.２

結果

測定方法

観測条件は、観測温度 300 K
スペクトルアナライザー設定：RBW 1 MHz(RBW：分解能帯域幅、 0 dBm = 1 mW)であった。

実験は、マイクロ波・ミリ波領域における、電波工学上の周波数変換技術（光ビートを用い、ヘテロ
ダインミキシングを行い光の差周波数の振動を発生する）を 1.0~2.0 ȝm 領域の近赤外レーザ光に適用して実施した。具体的には、2 本のレーザ光を混合して、光通信用ファイバを用いた導波路をへて（2 光波混合法）非線形特性を持つ光受光素子に光を導き、
光ビートの非線形効果ミキシングを行った[1,2]。2 つの光の差周波数の振動数を持つ電磁波発生の手順は以下のとおりである。波長可変レーザ 1 を 1.55 ȝmの波長に固定し発振させた。波長可変レーザ 2 をレーザ 1 の発振波長に合わせるように発振させた。光
波長計により発振線の接近を確認した。レーザ（1, 2）の発振波長の差がマイクロ波領域で観測される信号の周波数になる。レーザ 2 の発振波長を精密に可変する（差周波数を 10 GHz 付近まで接近）。この光を単一モード光ファイバ、（3 dB 分岐、混合機能を持つ）3 dB カップラに入射し、レーザ（1, 2）の 2
本の光出力を一本の光ファイバで混合させ 2 光波を伝送し、非線形効果受光素子を持つ光受信機に導い

䊧䊷䉱1
Ꮕ ๟ᵄᢙ

図 2. 近赤外領域レーザ（1, 2）の発振線と差周波数

+(

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安定化するレーザの制御機能から生じる。ホッピン
グは、本実験がレーザ（1, 2）の光をヘテロダインミ
キシングすることによって、高精度な測定を行っているため、観測されたものと推察している。

✢᏷ 5 MHz

5. まとめC/N:P-P 53 dBm૏⋧䊉䉟䉵․ᕈ

近赤外領域の波長が 1.55 ȝm の光は約 190 THz 付
近の周波数を持つ電磁波である。2 台の近赤外波長可変レーザにより作られた光ビートをマイクロ波の電磁波にダウンコンバージョンする（目標とする周
波数まで下げる）ことが可能であり、観測された電磁波のスペクトル純度は 2 台のレーザ其々の発振線が持つコヒーレンスを含めて表されている[2]。スペ
クトル純度は、5 MHz 以下の線幅を計測でき、位相ノイズに係る計測結果は 100 MHz の範囲で急峻にノイズレベルに減衰した。スペクトルの C/N 比は 53
dBm の値を計測でき、5 桁をこえる良い結果を得る
ことができた。スペクトルアナライザーが観測した500 MHz のスキャン範囲にはサブスペクトルのない、
純粋なビート信号 1 本のみ観測されている。これらのことから、発生した電磁波のコヒーレンスは極めて良好であり、高周波走査プローブ顕微鏡 RF-STM
を始め近接場顕微鏡など SPM による新しい顕微分光に使用できるスペクトル純度を充分に備えていることが確認された。また、本光ビート法を拡張すれば、テラヘルツ電磁波の発生が可能であることが示唆された。

図 3. 観測されたマイクロ波領域にある RF 信号

4 考察
筆者は業務の一つとして、電子スピンの情報を得るための走査トンネル顕微鏡（ESR-STM）を用いて、STM による分光と ESR 検出感度の向上開発に取り組んでいる。ESR における最近の技術は 100 GHz 程度の RF 信号が取り扱われ解像度の向上がはかられている。また顕微分光における、RF 技術の導入は盛んであり、テラヘルツ（THz）分光への期待が高まっている。分光に適した極めて高い振動数の RF 電磁波が簡単に発生できれば新しい分光領域の構築が見込まれ、励起線、参照信号としてのテラヘルツ電磁波の需要は多い。2 台の波長可変レーザが発生す
る光レベルの差周波数は、メガヘルツ（MHz）〜テラへルツ（THz）と極めて広い差周波数を連続的に発生することができる。波長可変レーザ光の発振波長を精密に可変させることで、より周波数精度の高い光ビートが作られる[2]。この光ビートを各種の非線形効果特性を持つデバイスに照射すれば、マイク
ロ波からサブミリ波の電磁波を発生できる[1,2]。実験
条件の一つとして ESR-STM、の ESR 共鳴要素をもつ参照信号としてマイクロ波領域であるギガヘルツ（GHz）帯域に光ビート周波数の設定を行ない、発生した電磁波のスペクトル純度を調べている。図 2
よりレーザ（1, 2）の発振線は良好であり、ノイズ源になりうる光は存在していない、このことは、良好な光ビートを広範囲な波長に設定できることを示している。図 3 より、観測されたマイクロ波の信号は信号強度・ノイズ比：C/N 53 dBm と 5 桁をこえる範囲にあり、線幅は W：5 MHz、と大変良好であった。分光に使用できる電磁波の性質を備えている。
まれに観測中のスペクトルにホッピングが観測されたが、これは波長可変レーザの発振波長と線幅を高6. 謝辞
光ビートによる高周波の発生の実施に際し、根本
承次郎 筑波大学名誉教授、 筑波大学数理物質科学
研究科 中村潤児 教授、重川秀実 教授、大井川治
宏 講師、武内 修 講師、の多大なご指導とご鞭撻に感謝いたします。

参考文献[1]

H. Ito, T. Furuta, Y. Hirota, T. Ishibashi, A. Hirata,
T.Nagatsuma, H. Matsuo, T. Noguchi and M. Ishiguro
Photonic millimetre-wave emission at 300 GHz using anantenna-integrated uni-travelling-carrier photodiodeElectronics Letters 38 (2002) 989-990.

[2] M. Musha, A. Ueda, M. Horikoshi, K. Nakagawa,
M.Ishiguro, K. Ueda, and H. Ito, “A highly stable
mm-wave synthesizer realized by mixing two lasers
locked to an optical frequency comb generator ”, Optics
Communications 240 (2004) 201-208.

㩷
㩷

+)

Generation of the radio frequency signal by an optical beat method
Eiji Matsuyama
Institute of Materials Science, Academic Service Office for Pure and Applied Sciences,
University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba, Ibaraki, 305-8573 Japan

Microwave to terahertz electromagnetic waves are considered as promising new light sources for the scanningprobe microscope [SPM] such as the high frequency tunnelling microscope [RF-STM] and the near field microscope.
As the first step to the generation of terahertz electromagnetic waves, two laser beams were mixed and guided through asingle-mode fiber to a nonlinear detector. The wavelengths of two beams are 1.0 〜 2.0 ȝm of near infrared region.
The frequency of the output signal from the detector is the difference between those of two beams and is in the
microwave region. It was confirmed, from the spectral purity measurement, that the coherence of the generated signal
is quite high, suggesting the possibility of generating terahertz electromagnetic waves by extending this optical beatmethod.
Keywords: scanning probe microscopy; terahertz; optical beat; coherence+*筑波大学技術報告
28:66-68,2008

海藻物質水中採取システム
土屋 泰孝1、佐藤ᴾ 壽彦、品川 秀夫
筑波大学生命環境科学等支援室（下田臨海実験センター2）〒415-0025 静岡県下田市 5-10-1

概要
下田市大浦湾の海底において行われた褐藻類カジ
メからの溶存態有機物 (DOM) 放出量測定実験において、現場調査における技術協力を行った。作業は全てスキューバ潜水により、透明ビニール袋で覆ったカジメから放出される有機物を開閉可能なコックからガラスシリンジで吸い出した。現場海底において海藻物質の水中採取を行うこのような手法は、類例のないものである。
キーワード：カジメ、潜水調査、現場採水、DOM

１．はじめに地球温暖化の影響が拡大する現在、海洋における炭素循環を正確に推定することは大変に重要である。
沿岸生態系においては大型海藻類の炭素貯留への貢献度が大であろうと推測されてきたが、それを実際に現場計測した研究は少ない。カジメはコンブ目の大型褐藻類で、近海の沿岸海中林において最も主要な海藻類である。カジメ海中林は沿岸漁業資源である魚介類の生育場として近年その存在が重要視されており、沿岸生態系システムの働きを知るうえでも、その生態についての多面的な研究は必須であると考えられている。
筑波大学大学院生命環境科学研究科の濱健夫研究室によって 2003 年 8 月から 2005 年 5 月にかけて実施されたカジメからの溶存態有機物 (DOM) の放出量測定実験において、下田臨海実験センターの技術
職員が技術協力を行ったので、これについて報告する。

２．実験場所静岡県下田市大浦湾の中央部に、一辺が概ね 100
m の投石地帯がある。これは人工藻礁及び人工漁礁として大型の礫を投入して造成されたもので、周辺の水深は 7-8 m である（図 1）。この地点では礫上にカジメが随時自然加入して自生し、稠密なカジメ林を形成している。このカジメ林において、加入後2 年以上が経過しているとみられるカジメ個体を実験対象とした。

12

図 1．実験場所

３．実験方法3.1 採水用袋
縦横の長さが 100 cｍ×100 cｍの大型で厚手のビニール袋をカジメの袋がけに用いた。袋の底の一端にはプラスチック製の採水用コックを取り付け、コックの開閉操作によって内部の海水を抽出できるよ
うにした（図 2）。

3.2 袋掛け作業
全ての海中作業は 2 人 1 組によるスキューバ潜水によって行った。潜水して海底に到達したダイバー
は DOM 測定用のカジメを 3 個体選び、現場海水を含むように透明ビニール袋をかぶせ、茎部において袋の口をロープで結わえて閉じた（図 3A）。対照実験として、カジメを含まず現場海水のみを含んだ透明ビニール袋 2 袋も現場付近に設置した。採水用コ

E-mail: tsuchiya@kurofune.shimoda.tsukuba.ac.jp; Tel: 0558-22-6376
http://www.shimoda.tsukuba.ac.jp/++

ックは通常閉じておき、採水時に開いて、内部の海水を抽出できるようにした。

を齧られて穴が開くことがあったので、今後は袋の厚みを増すか、袋を二重にするなどの工夫が必要である。
また、ガラスシリンジは水中での扱いに慎重を要するうえに多数を運ぶことが困難であったため、プラスチックのシリンジを採用したり、シリンジの運搬ケースを作成したりするなどの対処法も考えられる。ダイバーの上下昇降回数を減じ、船上作業の研究者との連絡をスムースに行えるように，作業手法にさらなる改良を加えたい。

図 2．カジメ袋がけに用いた採水袋の模式図
底面の一端に開閉可能なプラスチックコックを取り付けた。

図 3．A: 袋がけしたカジメ（左）と袋がけしていな
い カ ジ メ （ 右 ） ； B: 採 水 コ ッ ク の 構 造 ；C: 採水コックにシリンジを接続した状態; D: ダイ
バーによる採水の様子。

3.3 試料採水方法
この袋がけ後、6-54 時間の間隔で採水を行った。
ダイバーが 100 ml のガラスシリンジを持って潜り、シリンジをシリコンチューブによって袋の採水コックに接続し（図 3C）、一度接続部の混合水を吸引廃棄した後に本採水を行った（図 3D）。1 回の採水量は約 20 ml であった。同じ条件での採水は 3 回ずつ行った。実験開始からの採水時間の例としては、8月に 0 時間、5 時間、30 時間、53 時間、10 月に 0
時間、54 時間、78 時間、102 時間であった。採水サ
ンプルは現場に待機する船上において、焼成したグ
ラスファイバーフィルターによって速やかに濾過したのちに分析に用いた。本技術による研究の成果は、カジメより溶出する溶存態有機物の定量定性分析の結果として、既に雑誌論文として公表されている[1]。

５．まとめ
沿岸海洋で行われている研究の主体は船舶からの計測機器や採集具を用いた調査によるもので、潜水者による作業を中心とした現場計測調査は、未だに少ない。水深 10 m 以浅の沿岸部海底であれば、無減圧のスキューバ潜水によって 1 時間以内の作業であれば容易に行うことができる。我々の所属する下田
臨海実験センターには船舶と潜水支援施設が完備されており、海中における現場研究の支援に最適の環境となっている。今回行われたカジメの溶存態有機物 (DOM) の放出量測定実験のデータは、濱研究室の和田らによって速やかに海洋生態学関係の国際誌に論文投稿され、その内容の重要さによって直ちに受理された。また、続編の論文についても、現在投稿中である。今後このような現場研究の支援を行う
機会をさらに得たいと考えている。

４．考察
今回の実験から、この採水袋に関して、次のような点に改善を要すると思われた。採水袋内の海水は、最後に船上に引き揚げたが、その際に重量が重く、作業が難航したため、袋容積を小型化する、海藻の袋がけ時の現場海水量を減じる、海面から船上への引き揚げ方法を改良するなどの対策を講じる必要がある。また、小型フグ類のキタマクラにビニール袋

参考文献[1] S. Wada, M.N. Aoki, Y. Tsuchiya, T. Sato, H. Shinagawa,
T. Hama, Quantitative and qualitative analyses ofdissolved organic matter released from Ecklonia cava
Kjellman, in Oura Bay, Shimoda, Izu Peninsula, Japan, J.
Exp. Mar. Biol. Ecol. 349 (2007) 344-358.
.

+,

A novel in situ underwater sampling method for algal DOM
Yasutaka Tsuchiya, Toshihiko Sato, Hideo Shinagawa
Shimoda Marine Research Center, University of Tsukuba,
5-10-1 Shimoda, Shizuoka, 415-0025 Japan

In the in situ survey of dissolved organic matter (DOM) released from the kelp Ecklonia cava in Oura Bay,
Shimoda, Shizuoka, Japan, technical assistance for the underwater sampling was provided. There has not beensuch underwater in situ study on the algal DOM. All underwater operations were carried out by scuba diving.
Individual plant was covered by a transparent plastic bag containing the ambient seawater, and the open end of the
bag was tied up at the algal stipe. Water samples in the bags were collected at intervals of 6-54h using 100 ml
glass syringes inserted through the sampling mouth which was equipped with a valve.
Keywords: Ecklonia cava; underwater survey; in situ sampling; DOM+-

筑波大学技術報告 No. 28
第7回筑波大学技術職員技術発表会報告集
平成20年3月発行
編 集 筑波大学技術報告編集委員会
第7回筑波大学技術職員技術発表会実行委員会
発 行 筑波大学研究事業部研究事業課〒305-8577 茨城県つくば市天王台1-1-1
電話 029(853)2924
筑波大学システム情報工学等支援室〒305-8573 茨城県つくば市天王台1-1-1
電話 029(853)5195

第7回筑波大学技術職員技術発表会実行委員会
実行委員長
水林 博 筑波大学副学長（研究）実行委員[システム情報工学等支援室]
中島 孝（実行委員代表）
高野澤 勝美（支援室長）
鈴木 清（室長補佐）
鈴木 秀則
澤村 博道
川上 彰
小野 雅晃
山形 朝義
[数理物質科学等支援室]
平田 久子
鶴見 明
淀縄 文男
伊藤 伸一
[生命環境科学等支援室]
横田 誠司
有本 光江
清水 雅浩
[人間総合科学等支援室]
小林 浩三 （医学支援室）
菅江 則子 （医学支援室）
林 剛人丸 （体芸支援室）[研究基盤総合センター]
内田 豊春 （工作部門）
高橋 努（応用加速器部門）
大和 良広 （応用加速器部門）
近藤 裕（低温部門）
オブザーバ[生命環境科学等支援室]
今野 均（農林技術センター）
本間 毅（農林技術センター）