hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
SNPを用いた関連解析によるSLE疾患感受性遺伝子の探索

昨年、ヒト低親和性Fcγ受容体IIB遺伝子の新規のSNP(FCGR2B-232I/T)を見出し、日本人全身性エリテマトーデス(SLE)との関連について報告をした。本年度は、この多型の機能解析を進める一方で、FCGR2Bを含めた4つのFCGR遺伝子(2A,2B,3A,3B)の多型について、SLE同様に代表的なリウマチ性疾患である関節リウマチ(RA)における関連の検討や、日本人以外の集団における関連の検討を行った。1.日本人RA患者382人、対照健常者303人のgenomic DNAを用いて各多型の遺伝子型を決定し、ケースコントロール法による関連解析を行った。その結果、全体の解析では、FCGR2Bも含めたいずれのFCGRにも有意な関連は検出されなかった。2.次に、確立されたRA疾患感受性因子であるHLA-DRB1 shared epitope (SE)を持つかどうかで層別化した解析を行った。その結果、SE陽性群どうしの比較において、RA患者のFCGR3A-176F/F遺伝子型頻度が有意に増加していた(P=0.009)。SE陽性で、しかもFCGR3A-176F/Fを持つ場合、RAへの疾患リスクがORで4.84倍に増加することが分かった。3.タイSLEにおいても、同様のケースコントロール関連解析を行ったところ、FCGR2B, FCGR3A, FCGR3Bに有意な関連を認めた。このうち、2遺伝子座間の解析により、FCGR3Aの関連は連鎖不平衡による2次的な関連であることが示され、本質的な疾患感受性を示すのはFCGR2Bか3B、もしくは両者であることが示唆された。4.HumanB細胞のTransfectantを用いた刺激実験により、FcγRIIB-232IとFcγRIIB-232Tアリル間の機能的な違いを解析したところ、カルシウム反応に大きな違いを見いだした。この機能解析については、さらに詳細な検討が必要であると思われる。
ナルコレプシーにおける、より侵襲性の低い診断法の確立

TRIB2免疫感作後に断眠による睡眠負債、免疫賦活による脳血管関門減弱、TRIB2の脳室内直接投与などを試み、オレキシン細胞の変化を再検証した。外部からのTRIB2による感作だけではオレキシン細胞の破壊にはつながらない事が確認され、ナルコレプシーではオレキシン細胞が何らかの要因で破壊された後、TRIB2流出に伴ってTRIB2抗体価が上昇する事が示唆された。そこで、当研究ではAtx3/ORXマウスを用いてオレキシン細胞破壊に伴うTRIB2以外の新規自己免疫反応検索を進めた。ナルコレプシー診断に応用可能ないくつかの候補物質を検出したが、同定には至っておらず、継続検索を進めている。オレキシン神経細胞の脱落が完了することを確認された生後10週齢のAtx3/ORXマウスを用いて抗TRIB2抗体価を計測、抗体価も上昇することを確認した。生後23週齢、10週齢、ならびに6か月齢の野生型およびAtx3/ORXマウス血清を分離。TRIB2抗原を固相化96well plateを用いてマウス血清を反応させ、血清由来のマウス抗体を結合させ、ProteinGーホースラディッシュペルオキシダーゼ(HRP)を加えることで抗体と結合したHRPをDABにて検出した。陽性反応が得られた血清はTRIB2抗原を用いたImmuno-blottingにおいても検出可能であることを確認された。さらに、陽性反応血清をTRIB2抗原で吸収することにより陽性バンドとELISA値の減弱を確認した。ELISAによって抗TRIB2抗体が陽性と判定された血清を用いてImmuno-blottingをおこない陽性バンドを確認。陰性コントールによる検討も併せて行い陽性血清でのみ観察されるバンドを抽出した。家兎血清において予想されるTRIB2(39kDa)との泳動距離との違いが観察されたバンドに関しても分離し、質量分析法による抗原同定の準備を進めた。質量分析の進行がやや遅れているがほぼ順調に進行中計測系セットアップに時間に時間を要したため遅れていた質量分析による新規自己抗原同定に関してはセットアップが完了し、引き続き同定を試行錯誤している。同定を試みる際の問題点として十分量かつ精製された抗原が確保されなかった事が主な原因で有り、解決策として陽性血清にてマウス視床下部組織より新規自己抗原候補を以下の方法により濃縮した。まず、マウス視床下部組織ホモジェネートと陽性血清を反応せることにより、血清中の抗体とマウス視床下部タンパクが結合しセファロースビーズに吸着させた。ProteinGを加えることにより視床下部タンパク-抗体-ProteinG複合体が形成され、それを遠心操作により沈降させる。このように精製された視床下部タンパクをSDS-PAGEにより抗体と分離させ、銀染色を行うことによりImmuno-blottingにて確認された位置と同位置にバンドが得られることを確認した。確認されたバンドをゲルより切り出し、トリプシンによるゲル内消化をおこなう。ゲル内消化サンプルをMALDI-TOF/MSにて質量分析しその配列をデータベースと照合することにより新規自己抗原を同定する。沈降サンプルを用いたImmuno-blottingにおいても同位置に陽性バンドが得られることを確認している。新規自己抗原候補として見いだされたタンパクの全長遺伝子配列をデータベースより取得して次年度の準備を進めている。質量分析への進行がやや遅れていたため全体にスケジュールが延びているが想定内の問題であり、原因も解明されたためほぼ順調に進行中である。野生型マウス視床下部よりオレキシン神経細胞が密集する外側野部位をLaserMicroDissection法により切り出しタンパク画分を調整しタンパク画分をSDS-PAGEによりタンパクサイズにて分離、ELISAによって抗TRIB2抗体が陽性と判定された血清を用いてImmuno-blottingをおこない陽性バンドを確認済みである。さらに予想されるTRIB2(39kDa)との泳動距離との違いが観察されたバンドも切り出し、質量分析法による抗原同定を進めた。しかし十分量かつ精製された抗原が確保されなかったため、有効な新規自己抗原候補を見い出せなかった。前年度実施したマウス視床下部組織ホモジェネートと陽性血清の反応による解決法においても良好な結果が得られず、MALDI-TOF/MSにて質量分析した配列はデータベースと照合が難航している。本年度は質量分析により新規自己抗原の候補を選択し自己抗原の同定を試みる。質量分析による同定を試みる際の問題として十分量かつ精製された抗原が必要となるためまず、陽性血清にてマウス視床下部組織より新規自己抗原を濃縮する。精製された視床下部タンパクをSDS-PAGEにより抗体と分離させ、銀染色を行うことによりImmuno-blottingにて確認された位置と同位置にバンドが得られることを確認する。

ゲル内消化サンプルをMALDI-TOF/MSにて質量分析しその配列をデータベースと照合することにより新規自己抗原を同定する。沈降サンプルを用いたImmuno-blottingにおいても同位置に陽性バンドが得られることを確認する。患者血清と35S-標識抗原を反応させる。次に形成された免疫複合体をProteinGセファロースにて捕捉する。96 well filterプレートによりセファロースがfilterに捕捉されるため、ProteinGに未結合の血清成分、抗体等が除去される。これにより遠心操作なしに容易に10回の洗浄操作を可能とし、それによりバックグラウンドを極限まで減らすことを可能としている。最終的に得られた35S-標識抗原-自己抗体-ProteinG複合体の放射活性を液体シンチレーションカウンターにて測定する。健常者血清由来の放射活性も同時に測定し、健常者の[平均値+2*標準偏差]を閾値として陽性陰性の判定を行う。新規自己抗原として見いだされたタンパクの全長遺伝子配列をデータベースより取得し、PCR法によりタンパクコード領域を増幅後、pET28発現ベクターへサブクローニングする。作製発現ベクター、35S-Methionine、ならびにウサギ網状赤血球による転写翻訳システムにより35S-標識抗原を作成する。pET28およびウサギ網状赤血球転写翻訳システムの使用により、それまで困難であった全長タンパク、受容体等の膜タンパクの作成を可能で、かつこの方法により作成される抗原が立体構造を保つため立体構造認識抗体の検出が期待される。最初に患者血清と35S-標識抗原を反応させる。健常者血清由来の放射活性も同時に測定し、健常者の[平均値+2*標準偏差]を閾値として陽性陰性の判定を行っていく。睡眠科学質量分析研究の進行が予定よりやや遅れているため経費を翌年度に持ち越しまとめて分析する必要性がある。質量分析研究の振興が予定よりやや遅れているため経費を翌年度に持ち越しまとめて分析する必要性がある。平成28年度始めに質量分析解析を始める経費として用いる。平成29年度初めに質量分析を始める経費として用いる。
肝細胞がんに対するガレクチン９の抗腫瘍効果の基礎的研究

昨今、非ウイルス性の肝細胞がんの比率が増え、進行がんで、発見される場合が少なくなく、その治療法は、困難を極めている。よって新しい視点に立った、進行肝がんの治療法開発は急務である。本研究の目的は、我々が、見出した新しい生理活性物質ガレクチン-9(Gal-9)(J Biol Chem. 273: 16976-16984, 1998)が、肝細胞がんに対して、抗腫瘍効果があるかどうかを検討し、進行肝がんの治療薬につながるかどうかの基礎的研究を行うことにある。まず、我々は、In vitro系において、ガレクチン9が、3種類のHCC株のうち、HLE, Li7において、ガレクチン9の投与によって、しかも濃度依存的に細胞増殖の抑制効果が見られた。一方Huh7において、ガレクチン9の効果は見られなかった。また、In vivoの系で、ヌードマウスにLi7を皮下移植し、ガレクチン9を皮下投与すれば、腫瘍の増殖を抑制することも示された。ガレクチン9の増殖抑制メカニズムは、アポトーシスの誘導によるものであることも示した。また、In vivo, In vitroの系においてガレクチン9が誘導するマイクロRNAの1つに、mir-1246が存在していた。Mir-1246を肝がん細胞株に遺伝子導入したとき、アポトーシスの誘導と細胞増殖の抑制が見られた。非ウイルス性の肝細胞がんの比率が増え、進行がんで、発見される場合が少なくなく、その治療法は、困難を極めている。本研究の目的は、我々が、見出した新しい生理活性物質ガレクチン-9(Gal-9)(J Biol Chem. 273: 16976-16984, 1998)が、肝細胞がんに対して、抗腫瘍効果があるかどうかを検討し、進行肝がんの治療薬につながるかどうかの基礎的研究を行った。さらに、Gal-9の癌抑制メカニズムが、アポトーシス関連分子、マイクロRNAの網羅的に解析することにより、Gal-9の抗腫瘍効果に関連する分子群を拾い上げた。特にマイクロRNAに関しては、Gal-9による癌細胞抑制に起因するマイクロRNAを同定し、その標的遺伝子を決定した。まず、Gal-9のin vitroの増殖抑制は3つの細胞株(HLE, Li-7, Huh7)で調べた。この3つの細胞株のうち、Huh7は効果はなかったが、HLE, Li-7においては、MTTアッセイによって増殖与癖が見られた。また、ヌードマウスに皮下に植え付けたLi-7は、Gal-9の投与において、優位に抑制された。さらに、その抑制効果は、細胞周期のアレストではなくアポトーシスの誘導によるものであった。また、Gal-9の投与により多くのマイクロRNAが変化していたが、最も上昇していたMir-1246は、そのターゲットをDYRK1Aであり、これによりカスパーゼ9を介して、アポトーシスを誘導した。で調べた。この3つの細胞株のうち、Huh7は効果はなかったが、HLE, Li-7においては、MTTアッセイによって増殖抑制が見られた。さらに、他の消化器癌、食道がん、胃癌、胆管細胞癌のGal-9の抗腫瘍効果も併せ検討し、同様に、アポトーシスの強力な誘導による抗腫瘍抑制効果をもたらした。期間内の研究計画内容は以下の通りであった。1.Gal-9のin vitro, in vivoにおける肝がん細胞増殖抑制実験とGal-9投与により変化する細胞周期分子、血管新生分子、アポトーシス関連分子、レセプター型チロシンキナーゼ関連分子の網羅的解析。2.ヌードマウス移植肝がんにおけるGal-9の腫瘍増殖抑制効果およびGal-9-KOマウスを用いた腫瘍発育の検討と細胞周期分子、血管新生分子、アポトーシス関連分子、レセプター型チロシンキナーゼの網羅的解析。3. Gal-9の投与により、細胞株、腫瘍組織で変化するマイクロRNAの網羅的検討とクラスター解析。4.Gal-9の投与により変化するマイクロRNAの中で、腫瘍抑制効果に関連するマイクロRNAを同定し、そのマイクロRNA遺伝子の予測と実験的検証。5.肝がん細胞の増殖を抑制マイクロRNAの機能解析。

6.慢性肝炎、肝硬変、肝細胞がん患者における血清中のGal-9の量をELISA法により検討し、臨床パラメーターとの関連性を検討。研究の計画内容で上記の1から6は、ほぼ100%到達した。上記の研究は、すでに論文化された。以下のように掲載されている。6は現在検討中である。ウイルス性慢性肝炎、肝硬変、肝細胞がん患者における血清中のGal-9の量をELISA法により検討し、臨床パラメーターとの関連性を検討。各々の病態のサンプル数は、治療前の200症例を行う。ガレクチンの量が肝細胞癌の予後の可能瀬はないかどうかを検討する。また、Gal-9no効果が、肝細胞癌以外の他の消化器系の癌に抗腫瘍効果があるかどうかを行う。ほぼ100%達成している。1.肝がん細胞株におけるGal-9の腫瘍増殖抑制実験・・・肝がん細胞株におけるGal-9の腫瘍増殖抑制効果は、MTT assayにより、抑制される細胞株(HLE, Liー7)と抑制しない株(Huh7)に分けられた。その増殖抑制は、細胞周期の停止ではなく、アポトーシスによるものである。2.ヌードマウス移植肝がんにおけるGal-9の腫瘍増殖抑制効果・・・ヌードマウスの皮下にLi-7を移植した移植肝がんに対するGal-9の皮下投与は、腫瘍細胞を抑制した。アポトーシス検出はCaspase-3により切断されたCK18をELISAキットで解析すると、Gal-9により、アポトーシスを誘導していた。3.Gal-9のがん細胞抑制過程に関連するマイクロRNAの同定・・・マイクロRNAの網羅的解析のために用いるサンプルは、Gal-9投与後の細胞株と、Gal-9投与のヌードマウスに移植された腫瘍組織用いて、Gal-9の抗腫瘍効果に関連するマイクロRNAも同定した。物品費において事前に見積もりした金額より、安く購入できたため予定通り、平成26年は次の研究を行う。1.Gal-9によるがん細胞抑制効果に関与するマイクロRNAのターゲット遺伝子の予測と実験的確証実験Gal-9の投与によって、マイクロRNAが、どのメッセンジャーRNA分子を制御するかを予測を検討する。マイクロRNAのターゲット遺伝子予測は、従来のターゲット遺伝子予測プログラムのデーターベースであるmiRBase,(http://microrna.sanger.ac.uk), University of California atSanta Cruz (UCSC) Human Genome Browser(http://genome.cse.ucsc.edu)およびHuman micro RNA Targets (http://www.microrna.org)を利用するにとどまらず、最新のゲノム情報に基づき新たなターゲット遺伝子の予測を試みる.特に、seed配列(micro RNAの5`側から数えて2-8番目の7塩基の配列)は、標的決定に極めて重要であるため、このseed配列に着目しターゲット分子を絞り込む。2.Gal-9投与により、癌細胞株に特異的に増強、減弱するマイクロRNAの機能解析Gal-
抗体工学を応用した有用薬用植物の作出研究

植物中で有効成分の代謝を触媒する酵素の活性を阻害することによってその成分の含量が増大した植物の作出を検討した。酵素活性を阻害する方法として、中和抗体を使用することにした。コガネバナはbaicaleinを生産しているが、この成分はperoidxase類によって分解することが知られている。peroidxase遺伝子を大腸菌で発現させたが、不活性なタンパク質として発現したので、heminと尿素の存在下で巻き戻しを行った結果、peroidxase活性を有する組換え酵素の調製に成功した。現在本酵素を抗原としてマウスに投与している。同様にケシにおいてmorphineの代謝に関わる酵素の大量調製に成功した。本年度は、抗原として使用するコガネバナパーオキシダーゼの大量発現を試みた。両酵素の遺伝子を大腸菌で発現した後、それを抗原としてマウスに免疫を行った。2週間おきに免疫し、抗体価を測定したところ、5回免疫の後、顕著な抗体価の上昇が認められたので、脾臓細胞を取り出し、ミエローマ細胞と融合し、ハイブリドーマを作製した。抗体との結合活性が認められたので、ハイブリドーマを限界希釈法により、クローン化を行った。次いで、得られたモノクローナル抗体が、中和活性を有するかどうか確認するために、モノクローナル抗体存在下で、コガネバナパーオキシダーゼ活性を測定した。しかしながら今回獲得したモノクローナル抗体はいずれも抗原と反応するが、抗原のパーオキシダーゼ活性を低下させるに至ってないことが判明した。そこで、抗原として使用したコガネバナパーオキシダーゼの変更を検討した。上記で使用したパーオキシダーゼは巻き戻しを行っておらず、酵素的に不活性な抗原として使用したので、組換えタンパク質の巻き戻しによる活性型酵素の調製を試みた。すなわち、大腸菌で発現したコガネバナパーオキシダーゼの組換えタンパク質をグルタチオン存在下で、巻き戻しを行った。得られた巻き戻しタンパク質の酵素活性を測定した結果、バイカレインを酸化しデヒドロバイカレインを与える活性を有することを確認した。得られた活性型コガネバナパーオキシダーゼを抗原として免疫を行った。現在、抗体価の測定を行っている。抗原の調製およ免疫まで順調に進捗した。さらに、抗原と反応するモノクローナル抗体の作製まで達成したが、当初の目的である中和抗体を得ることが出来なかった。抗原として活性のない組換えタンパク質を使用したために、酵素活性を抑制する抗体を得ることが出来なかったと思われた。そこで、再度抗原(パーオキシダーゼ活性のある組換えタンパク質)を作成するのに時間を費やしてしまった。申請課題の最も重要な項目は「パーオキシダーゼの中和抗体を作成すること」であるので、やや遅れていると判断した。抗原の調製法を変更することににより中和抗体を作製できるものと考えている。平成28年度では、コガネバナパーオキシダーゼの組換え酵素を発現し、それを抗原としてマウスにインジェクションしたが、目的の抗体を得ることができなかった、そこで平成29年度は発現条件の検討を精査し、パーオキシダーゼ活性を有する組換え酵素の発現の検討を試みた。コガネバナには3種のパーオキシダーゼイアソザイムが確認されているので、2種のパーオキシダーゼ(SP1及びSP2)の発現を試みた。SP1についてはすでに平成28年度で活性酵素の発現に成功しているので、SP2について検討した。SP2遺伝子を発現ベクターのpET21b(+)に導入し、これを用いて大腸菌株JM109の形質転換を行った。得られた発現菌株にIPTGを添加して18時間培養した結果、33kDa付近に目的の組換えタンパク質が発現していることを確認した。しかしながら発現したSP2は不溶性の不活性のタンパク質として発現したので、巻き戻しを行った。変性剤の尿素存在下で、組換えタンパク質を溶解し、酸化剤および還元剤としてシスタミンおよびシステアミンを加えて巻き戻しを行った。なおパーオキシダーゼはヘムタンパク質であるので、ヘミンも添加した。4°Cで5日間静置した後、透析することにより、添加剤を除いた。巻き戻しSP2の酵素活性を測定した結果、パーオキシダーゼ活性を有することを確認した。さらに平成29年度では、モルヒネの代謝に関するパーオキシダーゼ(OP1,OP2,OP3)を大腸菌で発現し、活性型酵素への巻き戻しにも成功している。現在、マウスへの免疫を検討中である。また、平成29年度に調製した各コガネバナパーオキシダーゼをマウスに投与しており、抗体値を測定している。充分な抗体値が観察されれば、中和活性を有するモノクローナル抗体を作製する計画である。前年度に引き続き、中和抗体の作製を行う。中和抗体の作製には抗原の構造が最も重要なので、中和抗体が得られないときを想定して、多種類の抗原を作製する。

申請者の研究室では、遺伝子の発現系ととして、大腸菌の他に、酵母、昆虫細胞、カイコの系を有しているので、これらの系で発現したタンパク質を精製し抗原として用いる。また、タンパク質全体ではなく活性部位近辺のみの領域を発現して、抗原として使用することを計画している。さらに、コガネバナパーオキシダーゼについては、比較的大量に植物から精製できることから、植物から精製したコガネバナパーオキシダーゼを抗原として使用することも考えている。中和抗体が得られた以降は、最初にscFVの遺伝子を作製し、次いでscFVに蛍光タンパク質を結合したキメラ抗体(fluorobody)遺伝子の作製を推進する。申請者研究室ではscFVやfluorobodyはカイコの発現系で直接活性化として発現することを確認しているので、今回調製したこれらの抗体遺伝子をカイコで発現し、中和活性がscFVやfluorobodyにも維持されているかどうかを確認する予定である。発現したscFVやfluorobodyに中和抗体活性が観察されるようであれば、土壌菌の一種であるアグロバクレリウムを用いて、コガネバナ培養細胞を形質転換する。さらに形質転換した細胞中のバイカレインの定量を行う。ケシのモルヒネパーオキシダーゼについても同様の検討を行う。生薬学
DNAを足場としたペプチド断片の同時連結反応によるタンパク質の効率的化学合成

2018年度は、まずDNAとペプチドを光分解性のリンカーで繋ぐための特殊アミノ酸の設計と合成を行った。この特殊アミノ酸は、クリック反応によりDNAと連結させるため、分子の末端にアジド基またはアルキン基を有する設計となっており、基本骨格としてはリシン側鎖のアミノ基が光分解性のオルトニトロベンジル基を介して繋がった構造をしている。次に、Fmoc固相合成法を用いて特殊アミノ酸が導入されたペプチドを合成し、一本鎖DNAとクリック反応で連結することに成功した。また、光照射によって、DNA-ペプチド間の結合が切れ、天然の配列を持つペプチドが生成することも確認した。続いて、2種類の光分解性DNA-ペプチドコンジュゲートを用いてペプチド連結反応を行った。縮合剤として水溶性のカルボン酸活性化剤であるEDCを用いた。その結果、DNAを足場としたペプチド連結反応は通常のペプチド連結反応よりも1000倍以上の速さで進行することが明らかとなった。また疎水性のペプチドに対して、DNAの付加により親水性を付与することができることも示すことに成功した。さらに、3種類のDNA-ペプチドコンジュゲートを用いて、3種類のペプチドをDNA足場上で同時に連結することにも成功した。これは、3種類のペプチドを同時に連結させた初めての例であり、今後タンパク質化学合成への応用が期待される。本研究は、Biomacromoleculesへ論文発表しており、複数の国内、国際学会でも報告している。当初は、2018年度は2種類のペプチドをDNA足場上で連結することのできるシステムの構築を目指していたが、当初の予定以上に研究が進展し、3種類のペプチドをつなげることができる系の構築に成功したため。また、論文発表もできたため。3種類のペプチド連結反応では、予想に反して反応の位置選択性が低かったため、今後はこの問題点を解決する必要がある。そのためには、DNAとペプチドをつなぐリンカーの長さをより短くする必要があると考えている。そのために、購入したDNAではなく、我々で独自に合成するDNAを用いる必要があると考えられる。また、2018年度に完成した「第一世代」のDNA足場ペプチド連結反応の問題点である、1)ペプチド連結反応にEDCを用いているため、すべてのアミノ酸に対応できない、2)DNAがペプチドLysの側鎖から繋がっているためタンパク質化学合成へ応用しにく、という事象に対処する必要がある。1)への対策として、縮合剤を用いた連結反応からNCL(ネイティブケミカルライゲーション)を用いたものへ変換すること、2)への対策として、ペプチド主鎖からDNAを連結させる官能基をペプチドに導入すること、が挙げられる。大学の異動に伴い、2018年度に購入を予定していた装置の購入を見送ったため。2019年度あるいは2020年度に当初予定していた機器を購入際に使用する予定です。
商品特性を考慮したハイブリッド型物流センターの設計

本研究の初年度となる2016年度は,主として「在庫型」の商品を対象とした商品特性を検討し,需要量に基づいた商品分類を行い,需要量の大小に対応したオーダーピッキング方式を採用することの有効性を検証した.2017年度は,主として「通過型」の商品を対象としたクロスドック型物流センターの設計に関する研究を行った.入荷した商品を出荷エリアごとに仕分けるためのシュートから出荷ドックまでの総運搬時間と,商品滞留に起因する生産性低下を考慮するための過負荷ペナルティ時間の合計である総作業時間を最小化するための研究を行った.3年目となる2018年度は,物流センター内の商品を,オーダーピッキングするためのスペースである「フォワードエリア」と入荷した商品を仮置きするためのスペースである「リザーブエリア」に分けて配置する方法である「フォワード・リザーブ割当問題」についての研究を行った.すべての商品をフォワードエリアのみに配置すれば,リザーブエリアからフォワードエリアへの補充(運搬)作業は生じないが,大規模な物流センターではフォワードエリアが広大なスペースとなり,オーダーピッキングの生産性が低下してしまう.そこで必要最小限の量をフォワードエリアに配置し,残りをリザーブエリアに配置し,適切な補充作業をすることにより,物流センター全体の生産性向上につなげることが可能となる.そこで,本研究では,従来研究では検討されてこなかった複数商品の同時補充と,補充タイミングを決定変数とした新たな数理最適化モデルを構築し,総補充作業時間を最小化する整数計画問題として定式化た.また,実データを用いて数値実験を行い,提案方法の有効性を検証した.「研究実績の概要」にも記載した通り,過去3年間で「在庫型」および「通過型」の物流センターを対象とした研究を行うことができた.しかしながら,両者が混在した「ハイブリッド型」の物流センターに対する研究としては,まだ十分な成果には至っていないと考えているため.「ハイブリッド型」の物流センターでは,「在庫型」のピッキングされた商品と「クロスドック型」商品の同期化を実現することがポイントとなる。数理最適化モデルとしての定式化を基本線としつつも、シミュレーションによるアプローチも視野に入れながら進めていきたい。今後は提案する数理的モデルに対する新たな最適化手法を構築するとともに,実データなどを用いて提案手法の有効性を検証し、取り扱う商品の特徴や物流センターの規模などに応じた「ハイブリッド型」物流センターに関する知見を得る。ここでのポイントとしては、データによっては従来のアプローチよりも相当程度の大規模問題となるので、厳密解法に拘るのではなく、メタヒューリスティクスなどの近似最適化手法の適用も含めて考えていきたい。初年度は,需要に基づいた商品分類を行い,高需要の商品と低需要の商品に対して,異なるピッキング形態を用いるようなオーダーピッキング形態を提案した.具体的には,高需要の商品にはオーダーに関係なく特定商品を一括でピックするカテゴリーピックを,低需要の商品にはオーダー通りにピックするマルチピックを適応することを考えた.また,数値実験により,カテゴリーピックとマルチピックをそれぞれ適切な商品に対して行うことで,総作業時間が短縮できるかを検証した.本研究で用いたデータセットでは,注文回数が7回以上の商品を高需要の商品とみなし,カテゴリーピックを行うことが最良の結果となった.このときの総作業時間はマルチピックのみのパターンの総作業時間T=233よりも短い.ゆえに,適切にカテゴリーピックを行うことで,従来のマルチピックのみの場合よりも生産性が向上することが定量的に示されたと言える.提案モデルの有効性は,商品間の需要がバラつくことで発揮されると言える.なぜならば,高需要の商品と低需要の商品がハッキリと分類できるからである.このとき,カテゴリーピックとマルチピックはそれぞれ効率的に作用することになる.本研究では,共同研究先の実データを参考にして商品配置を決定し数値実験を行った.その結果,ゾーン間で需要分布のバラつきが小さいような商品配置であっても,カテゴリーピックを用いることで作業効率が向上する場合があることが示された.今後は,一時保管エリアの容量制約の考慮や,一時保管エリアに保管されている商品の滞留量によって遅延時間を変化させること,遅延時間を短くできるような仕分け方法の提案などを行っていく必要がある.初年度に予定した1「商品特性」を考慮した「在庫型」商品と「クロスドック型」商品の選択方法立案,については十分な研究成果を上げることができなかったが,2「在庫型」商品の効率的なピッキング方法,については計画通りに研究を進めることができたため.「クロスドック型」商品の効率的な仕分けと出荷を実現するための数理計画モデルの構築とその解法に関する研究を行った.「クロスドック型」商品は原則として物流センター内で在庫することができないため、出荷タイミングに合わせた入荷スケジュールの立案が重要となる.特に注意しなければならないのは,入荷した商品の「仕分け」と仕分けされた商品をトラックへ積載する「出荷ドックの割当」の決定である.

本研究では大規模な物流センターを想定し,入荷した商品を出荷エリアごとに仕分けるための「シュート」から「出荷ドック」までの「総運搬時間」と,一定量以上の商品が一箇所に滞留した場合に生じる生産性低下を考慮するための「過負荷ペナルティ時間(増加作業時間)」の合計である「総作業時間」を目的関数として設定し,その最小化を試みた.提案するモデルは線形混合整数計画問題として定式化され,小規模問題においては数理最適化ソルバーで最適解の導出が可能だが,現実規模の問題においては実行可能解の導出に非常に長い時間を要してしまう.実務上は一定時間内に解を導出しなければならないことが多いため,短時間で妥当な解を得るための近似解法を提案した.本研究では,生物の進化過程を模した遺伝的アルゴリズムをベースに局所探索法を組み合わせた新たな近似解法を提案しその求解性能を検証した.提案モデルでは,総運搬時間を増加させることによる滞留ケース数の平滑化や滞留時間の重ならないような店舗割り当てを行うことにより,単純に総運搬時間を削減するモデルよりも出庫エリアの混雑緩和を考慮した良い解を導出することができた.提案解法では小規模問題においては90%以上の確率で最適解に到達でき,大規模問題においても従来手法と比べて大幅に良いパフォーマンスを発揮することができた.また,事例研究では実用規模の問題でも妥当な解が得られることを確認できた.応募内容ファイルに記載した通り,平成28年度には在庫型商品の効率的ピッキング方法に関する研究,平成29年度にはクロスドック型商品の効率的な仕分け、出荷の方策立案に関する研究を行うことができた.本研究の初年度となる2016年度は,主として「在庫型」の商品を対象とした商品特性を検討し,需要量に基づいた商品分類を行い,需要量の大小に対応したオーダーピッキング方式を採用することの有効性を検証した.2017年度は,主として「通過型」の商品を対象としたクロスドック型物流センターの設計に関する研究を行った.入荷した商品を出荷エリアごとに仕分けるためのシュートから出荷ドックまでの総運搬時間と,商品滞留に起因する生産性低下を考慮するための過負荷ペナルティ時間の合計である総作業時間を最小化するための研究を行った.3年目となる2018年度は,物流センター内の商品を,オーダーピッキングするためのスペースである「フォワードエリア」と入荷した商品を仮置きするためのスペースである「リザーブエリア」に分けて配置する方法である「フォワード・リザーブ割当問題」についての研究を行った.すべての商品をフォワードエリアのみに配置すれば,リザーブエリアからフォワードエリアへの補充(運搬)作業は生じないが,大規模な物流センターではフォワードエリアが広大なスペースとなり,オーダーピッキングの生産性が低下してしまう.そこで必要最小限の量をフォワードエリアに配置し,残りをリザーブエリアに配置し,適切な補充作業をすることにより,物流センター全体の生産性向上につなげることが可能となる.そこで,本研究では,従来研究では検討されてこなかった複数商品の同時補充と,補充タイミングを決定変数とした新たな数理最適化モデルを構築し,総補充作業時間を最小化する整数計画問題として定式化た.また,実データを用いて数値実験を行い,提案方法の有効性を検証した.
アカマツ-マツタケ共生系の形成・発達過程における共生者間の相互作用の解明

本研究では,アカマツ-マツタケ共生系の生理・生態学的特徴を宿主と共生者間の相互作用の観点から解明し,林地へのマツタケ菌の導入技術へ応用することを目的とした。本年度は,まず,無菌播種により得られた外生菌根菌フリーのアカマツ実生苗を用いて,非無菌条件下でのアカマツ-マツタケ共生系の構築を試みた。4種類の培土を用いて,培土の違いが菌根形成に与える影響を調査した結果,いずれの培土においても,接種3ヵ月後までにマツタケ外生菌根の形成が確認された。しかし,いずれの培土を用いた場合も,接種源の菌糸は変色しており,培土中へのマツタケ菌糸の伸長もほとんど観察されなかった。また,マツタケ菌の感染によるアカマツの成長促進効果も認められなかった。一方,比較のために行ったアカハツ菌の接種においては,外生菌根の形成に加えて培土中への菌糸束の伸長が多数認められ,アカマツの成長も促進された。無菌条件下の培養系においては,マツタケ菌接種による宿主植物の成長促進が認められていることから,今後さらにマツタケの菌根およびシロの形成に適した非無菌条件下における培養条件の検討が必要であると考えられた。次に,広島県加計町のアカマツ天然林において,アカマツ成木への接種試験を行った。昨年度の研究において確立した方法を用いて,外生菌根菌フリーの細根を誘導し,その細根に対して実生苗の実験と同様の方法で菌糸体を接種した。その結果,接種5週間後にはマツタケの外生菌根の形成が確認された。さらに接種4ヵ月後においても,マツタケ外生菌根が観察され,外生菌根の周辺には菌糸体の伸長も認められた。また,同様の方法を用いて,アカハツの外生菌根形成にも成功した。以上のことから,本法は,野外のアカマツ成木への有効な外生菌根菌の接種法に成り得るものと考えられた。本研究では、アカマツ-マツタケ共生系の生理・生態学的特徴を宿主と共生菌間の相互作用の観点から解明し、林地へのマツタケ菌の導入技術へ応用することを目的とする。本年度は、まず、非無菌条件下でのアカマツ-マツタケ共生系の構築を試みた。無菌条件下で作出したマヅタケ菌根苗木の順化に適した土壌の滅菌方法を検討した結果、順化の際の細菌による汚染を防ぐためには、γ線滅菌した土壌を用いることが有効であると考えられた。マツタケを無菌的に培養したポットの中へアカマツの実生苗を移植した後、非無菌条件下で培養を行い、非無菌条件下での菌根合成を試みた。その結果、接種2ケ月後に、マツタケ菌糸の根への侵入とハルティッヒネットの形成初期段階と考えられる菌糸の分化が観察された。また、外生菌根の形態的特徴である根毛の減少も認められた。したがって、本方法により、無菌条件下でのアカマツ-マツタケ共生系の構築が可能であると考えられた。滋賀県朽木村のアカマツ天然林において、菌糸体を接種するための事前の集根処理を行った結果、処理を行った根の25%において、新たな発根が誘導された。これらの根には外生菌根は形成されておらず、来年度に行う予定のマツタケ菌の接種に最適な根であると推測された。一方、マツタケの子実体を形成させるために必要な菌糸体バイオマスを推定するために、長野県伊那市のマツタケのシロ土壌中のエルゴステロール量を測定した。その結果、マツタケの子実体直下から採取した土壌中のエルゴステロール量は、土壌1cm^3当たり64.4μgであった。培養菌糸体のエルゴステロール量との比較から、調査したシロの菌糸体重量は5.67.3kg(乾重)と推定され、マツタケの子実体を1本発生させるために90120g(乾重)の菌体量が必要であると考えられた。

昨年度の研究において確立した方法を用いて,外生菌根菌フリーの細根を誘導し,その細根に対して実生苗の実験と同様の方法で菌糸体を接種した。その結果,接種5週間後にはマツタケの外生菌根の形成が確認された。さらに接種4ヵ月後においても,マツタケ外生菌根が観察され,外生菌根の周辺には菌糸体の伸長も認められた。また,同様の方法を用いて,アカハツの外生菌根形成にも成功した。以上のことから,本法は,野外のアカマツ成木への有効な外生菌根菌の接種法に成り得るものと考えられた。
ALICE実験GEM-TPC連続読出を実現する新データ収集回路の要素開発

CERN-LHCのALICE国際共同実験では、第三期高輝度LHC実験に向けて検出器及びデータ収集系の大幅な高度化を推めている。主要粒子飛跡測定装置であるTPCでは、ワイヤ増幅をGEM増幅機構に入れ替え、連続読出し型TPCの実現を目指している。新型TPCが吐き出すデータは3TB/sを超え、この大容量データを高速に処理・圧縮する技術の開発が大きな課題である。そのために我々は新しい超高密度高帯域データ収集システムの開発を目的とし、必要な要素技術の開発・実装を行った。本研究が目指すシステムは、大規模FPGA、GPU、CPUを民生用PCI Express Gen3バスにより高速に結合した複合型計算システムである。FPGAは検出器データを広帯域で受けとめ、単純かつ大規模並列にそのデータに前処理を施す。本研究ではIntel/AlteraのArria10 FPGAを用い、FPGA一つあたり1600チャンネルのADC(10 bit,5MHz)データを即時処理する。FPGAで処理されたデータは、後段のGPU・CPUでさらに処理され、最終的にはトラック情報にまで圧縮される。本研究は特に、このシステムの最前に位置するFPGAによるデジタル信号処理に焦点をあてた。2017年度に引続き、国内外機関によるプロジェクトチームを率い、VHDLにて必要な信号処理モジュールの開発を行った。FPGAに搭載するモジュールは複数あり、そのなかでもルーティング・データソートモジュール、電子クラスタ識別モジュール、コモン・モード除去モジュールが大型且つ重要なものであるが、それらの開発をほぼ完了した。また、開発した全てのモジュールを、一つのFPGAファームウェアにまとめる作業も行い、第一バージョンのファームウェアを完成させた。これらのプロジェクトの概要・進捗状況を、日本物理学会(於:九州大学)にて報告を行った。デジタル信号処理アルゴリズムの実装と、ModelSimを用いた論理シミュレーションは、予定以上の速度で順調に進み、ほぼ完了した。ただし、物理シミュレーションによる疑似ADCデータをFPGAのシミュレーションに結合させて行うパフォーマンス評価は、依然として完全ではないため、次年度も引き続き行う必要がある。次年度は、これまで実装したデジタル信号処理モジュール及び周辺の細かなモジュールに至るまで実装を全て完了し、ほぼ最終版といえるファームウェアを完成させる予定である。また、本年度CRU(FPGAを搭載したPCI Expressボード)の入手が完了しているので、これをPCに組み込み、検出器のフロントエンド回路を接続し、開発したファームウェアにて動作確認とデバッグを行い安定動作につなげる。課題として、現状では主要なモジュールのFPGAリソース使用料が若干多く、ファームウェア全体で80%を超えてしまうため、スリム化を試みる必要がある。既にプロジェクト内で幾つかの解決案が提唱されているため、それらを実装して比較テストを行う。一方、FPGAに搭載したアルゴリズムを全てC++にて再記述し、これを検出器シミュレーションと組み合わせ、様々な衝突事象に対して問題が生じない事を確認する。特に、極度に粒子密度が高いイベントが連続する場合も想定した性能評価が重要とみている。さらに、CERNでの実際の実験においては360台のFPGAを大規模展開することとなるが、それらのFPGAのファームウェア・ダウンロードや数千を超えるパラメータの設定を、FPGAが担当するADCチャンネル(検出器上の位置)を基に自動的に実施する機構が必要となるため、この準備を行う。これはALICEのDCS(Detector Control System)の一部として実装する。これらの研究結果を本基盤研究の集大成としてまとめ、ALICE実験はもとより将来の実験計画においても応用が可能となるよう、結果をまとめ、国際学会等でも発表を行う予定である。CERN-LHC ALICE実験では、第三期高輝度LHC実験に向けて検出器及びデータ収集系の大幅な高度化を推進している。

ALICEの主要トラッキング装置であるTPCでは、GEM増幅機構の導入によりゲーテイング・グリッドを廃止することで、不感時間ゼロの連続読出し型TPCの実現を目指している。ALICEの次世代TPCが吐き出すデータは連続的に3TB/sを超え、この大容量データを高速に大規模並列に処理・圧縮するための技術開発が大きな課題である。そのために我々は新しい超高密度高帯域データ収集・即時粒子飛跡解析システムの開発を目的とし、必要となる最新要素技術の開発を実施した。本研究が目指すシステムは、大規模FPGA、GPU、CPUから成る複合型計算システムであり、これらの要素を民生用PCI Express Gen3バスにより高速に結合する。FPGAは検出器データを広帯域で受けとめ、単純かつ大規模並列にそのデータに前処理を施す。本研究ではIntel/AlteraのArria10 FPGAを用い、FPGA一つあたり1600チャンネルのADC(10 bit,5MHz)データを即時処理する。FPGAで処理されたデータは、後段のGPU・CPUでイベント再構築処理にかけられ、最終的には凝縮されたトラック情報のみが永久保存される。これら全ての処理はオンラインで滞りなく行われなければならない。本研究は特に、このシステムの最前に位置するFPGAによるデジタル信号処理に焦点をあてた。2017年度研究開始とともに国内および海外研究機関の研究員・大学院生で編成したプロジェクトチームを結成し、FPGAに実装すべき機能の策定、それらのモジュールへの切り分け、モジュール間インターフェースの策定を行い、VHDLによる実装に着手した。また、プロジェクトの概要・進捗状況を、電子情報通信学会にて報告を行った。本研究で開発するFPGAファームウェアを、実際のFPGAにダウンロードして動作確認および検出器シグナル処理の性能試験を行うために、現在CERN-LHCのALICE実験およびLHCb実験で共同開発しているCRUボード(同FPGAを搭載するPCI Expressボード)のプロトタイプを今年度内に入手する予定であった。しかし、FPGAの電源周辺の設計に問題があることがわかり、大幅に製造が遅れたため、入手を次年度に見送ることとなった。一方、VHDLによるアルゴリズムの実装と、ModelSimを用いた論理シミュレーションによる試験は順調に進んだため、製造の遅れの問題は本研究計画の進捗にはとくに影響していない。
楕円曲線の岩澤理論とその応用

楕円曲線の岩澤理論はイデアル類群のかわりにSelmer群やTate Shafarevich群を対象として、B.Mazurによって1970年代に創り始められた。その後P進L関数の理論が整備され、楕円曲線がPの上の素点でordinary reductionを持つ場合にはSelmer群とP進L関数の間に満足のいく岩澤理論が作られている。(全体像は予想であり証明ができているのは特別な場合だけであるが)。一方ordinaryの過程をはずすとSelmer群がZp拡大の中でどのように大きくなるかについては長い間何もわかっていなかった。我々の研究においてはまずEが有理数体上に定義された楕円曲線でPでsupersingular reductionを持つとき、主にL関数の値L(E.1)/ΩEがPで割れないという仮定の下にSelmer群およびTate Shafarevich群のP成分(これらはこの仮定の下に一致する)のGalois加群として構造を決定した。特に有理数体の円分Zp-拡大の中間体上のTate Shafarevich群のP成分の位数を完全に決定した。これらはordinaryのときの岩澤不変量が整数だったのに対して、分数の不変量を使って表すことができる。この特殊例から出発して、一般にTate Shjafarevich群の位数が円分Zp拡大においてどのようにふえるかについてBirch, Swinnerton-Dyer予想と両立する予想を作ることができた。またこのような現象の背後にあるのはdistribution relationと局所体のMordell-Weil群のGalois加群としても構造であることをつきとめた。また円分体上では加藤和也氏によって構成されたオイラーシステム(ゼータ元)をMazurとTateが構成したモジュラー元に写す写像が構成できることを示した。この写像により岩澤理論のP進解析的側面とP進代数的側面を結びつけることができる。有理数体上に定義されたモジュラーな楕円曲線が素数Pでsupersingular reductionを持つときの岩澤理論について深く研究した。このような場合にはさまざまな困難があって、Pでordinary reductionを持つときの岩澤理論のようなきちんとした理論は今まで知られていなかった。我々は、加藤のゼータエレメントを使う、ある種のペアリングを使う、形式群のうまい議論を使う、Mazur Tateのモジュラーエレメントを使う、などのさまざまな工夫により、特に次の結果を得ることができた。nを正の整数とし、Knを有理数体の円分Zp-拡大の中の有理数体のP^n次巡回拡大、Eをpでsupersingular reductionを持つ楕円曲線とするとき、主にEのL関数のs=1での値がpで割れない、という条件の下に、EのKn上のテイト・シャファレビッチ群のp成分の位数を完全に決定した。今までnを動かしたとき、このような群の位数がどのように増加するのか、ということはまったく知られていなかったが、我々は分数の岩澤不変量を使えばイデアル類群の位数に関する岩澤の類数公式(λn+μp^n+Vの型の式)の類似が成立することを示した。さらに上の仮定(L関数のs=1での値がpで割れない)が成り立たない場合、及び基礎体が有理数体でない場合、また、もっと一般のordinaryでない多様体のときどのようになるかについても研究中である。今まで楕円曲線の岩澤理論として知られていたものは常にその楕円曲線が考える素数Pの上の素点でordinary reductionを持つという仮定の下に考えられてきた。

我々は楕円曲線がPの上の素点でordinary rednctionを持たないときに.Tate Shafarevich群の位数のP成分が円分Zp拡大の中間体でどのように増加するのかを詳しく研究した。そしてそこには岩澤類数公式の類似が整数でない不変量を用いることにより成立しているという現象を発現した。もう少し正確に述べるとmodularな楕円曲線Eと有限次アーベル体Kの円分Zp拡大K∞/Kを考えると,Birch Suinnerton-Dyer予想を仮定すれば,そのTate Shafarerich群の位数のP成分P^<en>はen=λntMl^nXO(n:偶数),en=λn+μp^n+O′(n:奇数)(λ、μ、O、μ′、O′EQ)と書けることを示した。またEがPで・Supersingular reductionを持ち,EのL関数のS1での値がPで創れないとき。K=Qに対してこの式が値定なしに成立することを証明した。また,このような現象は従来考えられていた岩澤主予想のわく組みではとらえられらいことかう,岩澤主予想を従来の方法とはまたく晃なる方法で定式化することを研究した。この新しい定式化は従来のものより多くの情報を含み(すなわらP道L関数から従来よりたくてんの代数的情報をとり出すことができる),岩澤主予想の精密化と考えることができる。そして古典的な円分体のイデアル類群のマイナスパートに対してこの新しい岩澤主予想の精密化を証明することができた。楕円曲線の増合には,この予想は有限欠代数体上のSelmer群を直接扱ろ形になており。多くの情報を持っている。代数体に定義された楕円曲線に対し、素数Pを固定し円分Zp-拡大を考え、この拡大でテイトシャファレビッチ群がどのように大きくなっていくかを考える。楕円曲線がPの上の素点でordinary reductionを持つとき、主にMazurの理論により、テイトシャファレビッチ群の位数のP-成分がどのように大きくなるかは、イデアル類群に対し成立する岩澤の類数公式の類似が成立する、と予想されており、さまざまな場合に確かめられている。しかしながらordinaryの仮定をはずしたときに何がおこるかは長い間何も知られていなかった。私は前年度の研究で、有理数体上のmodularな楕円曲線がPでsupersingular reductionを持つときその値がどのように大きくなるか予想し、特にL関数のS=1での値がPで割れないとき、その値を完全に決定した。このとき不変量として今までのような整数ではなく、分数が現れるのが大きなちがいである。今年度の研究ではこの分数の不変量を使った公式が、もっと一般の場合でも成立すると思われることおよびこのような現像の背後にあるのはdistribution relationと局所体上のMordell-Weil群のガロア加群としての構造であることをつきとめた。特にsupersingular reductionを持つ局所体上の楕円曲線に対し、P進体に1のP^n乗根を添加した体上のMordell-Weil群のガロア加群としての構造を生成元と関係式で書くことができた。
２次元電磁波バンドギャップ構造の導波理論とミリ波平面回路への応用

マイクロ波からミリ波帯で動作する小型で高性能・高機能の受動回路素子への応用を目指して、円柱ポストを周期的に配列した2次元平面導波路(ポスト壁導波路)の伝送特性およびポスト壁導波路で構成した平面回路の入出力特性を解析し、その結果を実験により検証した。理論解析では、我々が開発した2次元電磁波バンドギャップ構造に対する解析的な手法と数値解析コードを用いた。実験では、スケーリング則を利用してマイクロ波帯における等価な2次元平面導波路および平面回路を作製し、既設のマイクロ波モデル実験システムを使って伝送特性と入出力特性を評価した。【安元担当】円柱ポストで構成した2次元平面導波路(以下、ポストアレイ導波路と記述)における横方向への電磁界の漏れによる伝搬損失について検討した。摂動法による計算方法とエネルギー保存則を基にした計算法を提案し、両者による計算結果が良く一致することを示した。前年度に提案した結合モード方程式を使って結合ポストアレイ導波路の結合特性を解析した。偶モードと奇モードの伝搬定数及び結合長を求め、その結果が他の手法から得られた結果と一致することを確かめた。誘電体や導体からなる円柱ポスト列をポストアレイ導波路内に配置して構成した受動回路素子の解析法として、ポストアレイ導波路を等価な実効横幅を持った方形導波管で置き換え、イメージ理論と2次元フォトニック結晶の理論を使って解析する方法を提案した。【前田担当】アルミニウムを用いた正方格子型のポスト配列の中ほどに、伝搬方向と直角な方向に延びる共振器を設けたフィルタ回路を設計し、共振の鋭さを示すQ値が10,000を超える良好な結果が得られることを実験で確認した。2次元ポストアレイ導波路のなかで、120度曲がりを2段接続した構造とY字型分岐構造に対して、CIP技法を用いた波動伝搬解析コードによる数値解析を行った。ポストがアルミニウムの場合、ポスト列が一層でも電磁界を閉じ込めることができ、曲り部の周辺に寄生ポストを適切に配置することで曲り部分からの放射を低減できることを明らかにした。また、これらの構造に対してマイクロ波モデル実験システムを使って伝送特性を測定し、数値解析結果とよく一致する実験結果を得た。ポストアレイ導波路をアルミニウム円柱列で構成した場合と、誘電体(セラミック)円柱列で構成した場合の伝搬定数を比較し、誘電体の方が等価的に横幅の広い方形導波管の伝搬定数に近い傾向を示すことを明らかにした。【安元担当】円柱のTーマトリックスとLattice Sumsを使って多層のポスト配列に対する一般化散乱行列を計算し、円柱ポストで構成した2次元平面導波路に対して長波長近似が適用できることを示した。次に、長波長近似を使って、ポスト配列による基本フロケ波成分の反射と透過の問題を解析し、2次元平面導波路に等価な方形導波管の実効横幅を準解析的に計算する方法を示した。また、種々の2次元平面導波路のモード解析を行い、ポスト間のギャプを半波長以下に設計すれば横方向への電磁界の洩れは一般に小さいこと、ポスト配列の層数を3層にすれば、殆どの導波路において横方向への電磁波の洩れは無視できるほど小さくなることを確認した。更に、フォトニック結晶導波路に対する結合モード理論を使って、2平行平面導波路間の結合特性を評価する結合モード方程式を導出した。【前田担当】CIP技法を用いた波動伝搬解析コードによる数値解析およびマイクロ波実験システムを使った伝送特性の計測を実施した。直線状に配置した2列の円柱ポスト(材質は誘電体または導体)により導波路を構成した最も基本的な構成から、ポスト列を1層ずつ増していき、基本的な電磁波閉じ込めを数値解析およびマイクロ波モデル実験で確認した。数値解析結果と実験結果から求めたSパラメータ(S21)は互いによく一致した。またベクトルネットワークアナライザを用いて実験的に位相定数を求め、安元らによる理論解析結果とよく一致する値を得た。更に、ポスト配列を途中で角度120°折り曲げて、曲げ損失を測定した。折れ曲がり点からの電磁放射を数値解析により可視化して明らかにしたうえで、放射を抑制するための追加のポスト配置を検討し、実験および数値計算の実施により十分な抑制効果を確認した。前年度までの研究で、ポスト・アレイ導波路を等価な方形導波管に置き換えることができることを示した。今年度は、等価な方形導波管における実効幅の特徴を更に詳しく調べた。その結果、実効幅はポスト間のギャップ幅に対するポストの直径の比率に依存していること、この比率が大きいとき実効幅は元のポスト・アレイ導波路の横幅よりも狭くなること、また、比率が小さくなると実効幅は元の導波路幅よりも広くなることを明らかにした。この等価方形導波管モデルに2次元