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中枢神経系の金属イオン膜輸送機構と脳機能-必須微量金属の膜輸送蛋白の動態を中心として-

本研究では、金属イオン膜輸送蛋白の脳内での動態と、記憶学習機能や神経伝達機構との関連など、金属イオン膜輸送蛋白の神経生理学的意味を明らかにすることを目的とした。得られた主な成果は以下のごとくであるウイルソン病の原因蛋白として同定された、銅膜輸送蛋白であるATP7Bの脳、腎臓、小腸および肝臓の組織内局在を初めて示した。脳では、神経細胞中に見いだされ、海馬、嗅球、小脳、大脳皮質および中脳の核に多量に存在することが明らかになった。ATP7Bの脳内分布は、銅、銅結合蛋白であるCu-ZnSODや一酸化窒素合成酵素の分布と類似しており、このことから、ATP7Bは、脳内の銅代謝や銅要求性蛋白へ銅の供給の制御だけでなく、一酸化窒素の代謝にも深く係わっていることが強く示唆された。脳の老化と微量金属および金属イオン膜輸送蛋白の関連を明らかにするために、老化促進モデルマウスの内、学習記憶障害を呈するSAMP10を用いて検討した結果、SAMP10の脳で、金属代謝および神経伝達物質代謝の異常が認められることが明らかになり、老化の促進に、亜鉛および銅の膜輸送蛋白が関与していることが示唆された。本研究では、1.今日まで明らかにされた金属イオン膜輸送蛋白の脳内での動態を明らかにすること、2.種々の金属に特異性の高い金属イオン膜輸送蛋白を発見し、その同定法を確立すること、3.記憶学習機能や神経伝達機構との関連など、金属イオン膜輸送蛋白の神経生理学的意味を明らかにし、さらに、4.金属イオン膜輸送機構と痴呆症、パーキンソン病など神経難病や脳の老化機構との関連などを検討し、神経疾患のマーカーの発見や予防・治療法を開発することを目的とする。本年度は、今日までに明らかにされた金属イオン膜輸送蛋白の中で、亜鉛イオン膜輸送蛋白(ZnTl,ZnT2,ZnT3,ZnT4)の合成ペプチド断片を家兎に免疫し、ポリクローナルの抗体を作成した。さらに、既に作成済みの銅イオン膜輸送蛋白の一つ(ATP7B)の脳組織分布を免疫組織化学的手法により検討し、ATP7Bは、神経細胞にあり、海馬の顆粒細胞、錘体細胞や橋、嗅球、小脳の顆粒細胞層に特に高濃度に存在していることを初めて明らかにした。さらに、この分布は、脳内の銅の分布と良く一致し、ATP7Bは、脳内の銅代謝やカテコールアミン代謝において、重要な役割を担っていることを示した。本研究では、1.今日まで明らかにされた金属イオン膜輸送蛋白の脳内での動態を明らかにすること、2.種々の金属に特異性の高い金属イオン膜輸送蛋白を発見し、その同定法を確立すること、3.記憶学習機能や神経伝達機能との関連など、金属イオン膜輸送蛋白の神経生理学的意味を明らかにし、さらに、4.金属イオン膜輸送機構と痴呆症、パーキンソン病など神経難病や脳の老化機構との関連などを検討し、神経疾患のマーカーの発見や予防・治療法を開発することを目的とする。本年度の研究で得られた主な成果は、以下のごとくである。神経症状を示す銅代謝異常疾患であるウィルソン病は、銅膜輸送蛋白であるATP7Bの欠損により引き起こされることが知られており、神経症状発生機構の解明のためには、生体内のATP7Bの役割を明らかにすることが必要である。そこで、ATP7B抗体を作製し、脳および腎臓の臓器内ATP7B分布を初めて明らかにした。脳内のATP7Bの分布は、金属結合蛋白として知られるメタロチオネインおよび銅、亜鉛結合スーパーオキサイドディスムターゼの分布と一致しており、これらの機能維持に密接に関連することが示唆された。また、ウィルソン病のモデル動物であるLECラットとATP7Aの欠損疾患メンケス病のマキュラーマウスとでは、腎臓内の銅分布が異なっていることから、二つの銅膜輸送蛋白の腎臓での役割の違いが明らかになった。脳の老化と微量金属および金属イオン膜輸送蛋白の関連を明らかにするために、老化促進モデルマウスの内、学習記憶障害を呈するSAMP10を用いて検討した結果、SAMP10の脳で、金属異常代謝異常が認められること、この代謝異常に、亜鉛および銅の膜輸送蛋白が関与していることが明らかになった。
分子気体効果を利用した新型真空ポンプの開発

低圧下やミクロな系においては,気体が連続な物質ではなく,分子の集まりであることの効果-分子気体効果-が現れてくる.温度場によって,重力の有無に依らずに流れが誘起される現象もその一つである.本研究では,この現象を利用した新しいタイプのポンプ(熱駆動型ボンプ)の開発を目指し,以下の研究を行った.1.熱尖端ポンプの開発:従来の熱駆動型ポンプは,クヌーセンポンプと呼ばれる,熱遷移流を駆動力とする装置であった.本研究では,ポンプの駆動力として熱尖端流を用いる新しいタイプの熱駆動型ポンプ「熱尖端ポンプ」を考案した.このポンプでは,クヌーセンポンプで必要不可欠である固体壁面の温度勾配が不要であり,このため,ポンプ中の加熱部と冷却部を真空中で隔離することが可能になる.このポンプの試作・実証試験を行い,熱尖端ポンプが実際に優れたエネルギー効率を持つことを示した.産業上の応用の面では,熱駆動型ポンプの動作圧力を向上させることも必要である.この場合,ポンプ内部の流路のサイズを(例えばμm程度まで)微細化する必要があり,実現可能な形には強い制約が生まれる.この問題について数値解析を進め,熱尖端ポンプの流路形状に大幅な自由度があり,多孔質を用いた熱尖端ポンプも考えられることを示した.2.熱駆動型ポンプの混合気体濃縮効果:分子気体効果の一つは,混合気体の各成分が別々の流速を持つことである.熱駆動型ポンプの駆動力も気体の成分に依存するため,ポンプ内で混合気体が分離する可能性がある.このアイデアに基づいて数値解析を進め,熱駆動型ポンプが混合気体濃縮効果を持つことを見出した.熱駆動型ポンプを混合気体濃縮に利用することは,本研究ではじめて提案されたアイデアである.この研究成果は,熱駆動流を用いた新しい混合気体濃縮方法という新しい研究分野を開くものである.低圧下やミクロな系においては,気体が連続な物質ではなく,分子の集まりであることの効果-分子気体効果-が現れてくる.温度場によって,重力の有無に依らずに流れが誘起される現象もその一つである.本研究では,この現象を利用した新しいタイプのポンプ(熱駆動型ボンプ)の開発を目指し,以下の研究を行った.1.熱尖端ポンプの開発:従来の熱駆動型ポンプは,クヌーセンポンプと呼ばれる,熱遷移流を駆動力とする装置であった.本研究では,ポンプの駆動力として熱尖端流を用いる新しいタイプの熱駆動型ポンプ「熱尖端ポンプ」を考案した.このポンプでは,クヌーセンポンプで必要不可欠である固体壁面の温度勾配が不要であり,このため,ポンプ中の加熱部と冷却部を真空中で隔離することが可能になる.このポンプの試作・実証試験を行い,熱尖端ポンプが実際に優れたエネルギー効率を持つことを示した.産業上の応用の面では,熱駆動型ポンプの動作圧力を向上させることも必要である.この場合,ポンプ内部の流路のサイズを(例えばμm程度まで)微細化する必要があり,実現可能な形には強い制約が生まれる.この問題について数値解析を進め,熱尖端ポンプの流路形状に大幅な自由度があり,多孔質を用いた熱尖端ポンプも考えられることを示した.2.熱駆動型ポンプの混合気体濃縮効果:分子気体効果の一つは,混合気体の各成分が別々の流速を持つことである.熱駆動型ポンプの駆動力も気体の成分に依存するため,ポンプ内で混合気体が分離する可能性がある.このアイデアに基づいて数値解析を進め,熱駆動型ポンプが混合気体濃縮効果を持つことを見出した.熱駆動型ポンプを混合気体濃縮に利用することは,本研究ではじめて提案されたアイデアである.この研究成果は,熱駆動流を用いた新しい混合気体濃縮方法という新しい研究分野を開くものである.1.熱尖端流を利用した真空ポンプの数値解析低圧下やミクロな系においては、気体が連続な物質ではなく、分子の集まりであることの効果-分子気体効果-が現れてくる。例えば、パイプに低圧の気体を入れ、一端を加熱し、もう一端を冷却すると、パイプ内の気体は加熱側に流れる(熱遷移流)。近年、この流れを駆動力とする、運動する部品が不要の真空ポンプ(クヌーセン型ポンプ)の開発が進められている。代表者の以前の研究では、この型のポンプを試作し、クヌーセン型ポンプとして初めて排気能力を実証した。しかし、試作機のエネルギー効率は低く、市販のポンプの1/1000程度であった。代表者は、単一のパイプにヒーターとクーラーを隣接して取り付ける構造が低エネルギー効率の原因であると考え、1995年に青木らによって見出された執尖端流をポンプの駆動力として利用することを試みた。低圧気体の方程式(ボルツマン方程式)に基づくDSMC法によって、ポンプユニット内部のヒーターとクーラーの様々な配置について解析を行い、良好な能力を持つポンプユニットの構造を決定した。この新形式ポンプでは、ヒーターとクーラーは希薄気体中で分離しており、それぞれの表面温度は一様でもよい。このため、ヒーターからクーラーに流れるエネルギー損失を容易に小さくすることが可能である。2.熱尖端流を利用した真空ポンプの試作上記の数値解析で決定したヒーター・クーラー形状を基にして、熱尖端流を駆動力とした真空ポンプ装置を試作した。

試作装置は、流路の断面積が36mm×36mm、長さ15mmの基本ユニットを10個直列に接続したものであり、前回の試作機と同じく10Pa程度の低圧で動作する。この装置の性能試験を行い、現在のところ、前回の試作機の1.5倍の消費電力で50倍程度の流量を得ることに成功している。この成果は、特許の出願を行っている。1.熱尖端流を利用した真空ポンプの試作低圧やミクロな系の気体においては、気体が分子の集まりであることの効果-分子気体効果-が現れる。例えば、パイプの内部に低圧の気体を入れ、パイプに沿って温度勾配を与えると、低温部から高温部へ向けて気体が流れる(熱遷移流)。近年、この流れを駆動力とする、運動する部品が不要な真空ポンプ(クヌーセンポンプ)の開発が進められている。代表者は、以前の研究で、クヌーセンポンプの試作試験を行い、このポンプのエネルギー効率が低く、実用化の障害となることを指摘した。前年度の研究では、この問題に対して、駆動力として熱尖端流を用いた新型ポンプ(熱尖端ポンプ)を提案し、流れの解析を行った。本年度は、熱尖端ポンプの試作・試験を行った。同じエネルギー供給の下では、熱尖端ポンプの流量は、以前のクヌーセンポンプの50倍程度に達する。ただし、得られる圧力比が小さく、エネルギー効率の向上は、以前のクヌーセンポンプの値の6倍程度であることを確認した。2.熱駆動型ポンプを利用した気体分離装置の解析クヌーセンポンプ、熱尖端ポンプなどの「熱駆動型ポンプ」の内部では、流路の細管部分の径が気体分子の平均自由行程の程度であるときに動作する。この条件の下では、気体は連続体の性質を半ば失っており、混合気体の場合、気体の各成分が別々の流れ方を示す可能性がある。代表者はこの点に注目し、分子気体力学を用いて熱駆動型ポンプ内部の混合気体の解析を進め、この種のポンプが気体分離装置として動作することを見出した。例えば、熱尖端ポンプに均質な混合気体を入れ、ポンプの両端を封鎖した状態で運転すると、ポンプの高圧側では重い分子の濃度が上昇し、低圧側では軽い分子の濃度が上昇する。この現象は、今まで全く知られておらず、混合気体を分離する新しい方法として特許の申請を行った。低圧やミクロな系の気体においては、気体が分子の集まりであることの効果-分子気体効果-が現れる。この流れを用いると、運動する部品が不要でMEMS化可能なポンプが可能になる。従来、この種のポンプとして、熱遷移流を用いた「クヌーセンポンプ」だけが知られていた。本研究では、別種の流れ-熱尖端流-を用いた「熱尖端ポンプ」を考案し、この種のポンプの実用上の課題の-つであるエネルギー効率を大幅に改善した。次に、数値解析によって、熱尖端ポンプで混合気体の成分を濃縮できることを示した。熱駆動型ポンプで気体濃縮効果が得られることは、本研究で初めて分かった現象である。熱尖端ポンプを混合気体濃縮装置として実用化するには、ポンプの動作圧力が高い方が望ましい。しかし、熱尖端ポンプの流路のスケールは、気体分子の平均自由行程と同程度である。従って、例えば1気圧での動作を実現するには、流路のスケールは数μm程度になる。このような微細な流路を作成する場合、あまり精緻な流路構造を想定することは現実的ではない。今年度は、この点に注目して解析を進めた。熱尖端ポンプでは、流路内に尖った物体を置き、熱尖端流を発生させる。
脊椎動物のβーガラクトシド結合性レクチンの構造と機能

脊椎動物に存在する金属非依存性のβーガラクトシド結合性レクチンは、胚の発生、組織の形態形成などの多彩な制御現象において、複合多糖との相互作用を通じて重要な役割を果たし、さらには免疫現象や癌細胞の転移などへも関与すると考えられている。本研究においては、ニワトリに存在する2つのイソレクチンのうち、これまで未解明であった16K型について、全アミノ酸配列、cDNAの全ヌクレオチド配列、組変え蛋白質の大腸菌内での発現、胚発生過程における消長、などについて解明した。これにより、胚の発生と分化、皮膚や軟骨などさまざまな組織の形態形成における役割、脊椎動物におけるこれらのレクチンの分子進化についても意義ある考察ができた。ヒトの14K型レクチンについては、部位指向性突然変異の手法により、アミノ酸残基を置換した組変えレクチンを種々調製し、その性状を調べた。この結果、従来は必須と考えられてきた保存性の高いトリプトファンやシステインが、糖結合活性には必須ではないという予想外の知見がえられた。またヒトに存在する別のタイプ、すなわち29K型レクチンのcDNAを乳癌由来の培養細胞からクロ-ン化することに成功し、このレクチンの性状および存在意義の解明、癌化との関連などの研究を促進できた。爬虫類からこの型に属するレクチンを確認する目的で、すでに存在は知られていた蛇毒中のレクチンのアミノ酸配列を決定したところ、カルシウム依存型レクチンと相同性をもつ蛋白質であることが判明し、爬虫類におけるカルシウム依存型レクチンの最初の確認の例となった。以上の成果より、未知の点が多く残されている糖鎖がらみの生体制御を理解するための多くの手がかりが得られた。脊椎動物のβーガラクトシド結合レクチンのうち、ヒト14K型、およびニワトリ16K型について、遺伝子工学的手法により、組替たんぱく質を大量に集めた。X線解析により立体構造を解明するために、結晶化を試みているところである。また部位特異的突然変異の手法で、機能発現に関わると目されるアミノ酸残基の置換体を種々調製した。この結果、従来からの予想とはかなり異なる知見が得られた。たとえば、システインが糖結合活性に対して本質的重要性を持っていないこと、またきわめて保存性の高いトリプトファン残基も、活性のために必須ではないことなどである。これらは本レクチンファミリ-の構造・機能を理解するうえできわめて重要な新知見である。ニワトリには14K型および16K型の2つのよく似たイソレクチンが存在するが、それらがいかに使い分けられているのか解明されていない。それを探る一環として、特異的抗体およびクロ-ン化DNAプロ-ブを使って、ニワトリ胚発生にともなう両レクチンの転写および翻訳レベルでの発現を、臓器ごとに詳細に調べた。まだすべてを網羅したわけではなく、結果を首尾一環して解釈できるには至っていないが、発生分化のより早い段階では16Kが働き、遅い時期に14Kが働くような傾向があるようである。本年度の実施計画には入っていなかったが、ヒトの高分子型βーガラクトシド結合レクチン(H29)のcDNAクロ-ニング、組み替えたんぱく質発現プラスミドの構築が、緊急に解明すべき課題となったため、それについて集中的研究も行なった。その結果全一次構造を解明でき、また組替えたんぱく質を得ることができ、これまで不明であったたんぱく質化学的性質のいくつかが解明できた。脊椎動物の金属非依存性βーガラクトシド結合性レクチンの糖結合活性に対して、どのようなアミノ酸残基が寄与しているかについて、組変えDNA技術を用いて部位指向性突念変異によるヒト14K型レクチンのアミノ酸置換を行った。一次構造上の保存性から従来は必須と示唆されていた69位のトリプトファンは、フェニルアラニンと置換しても糖結合活性は半分ほど残ったので必須ではないと確認された。

また酸化による失活しやすいことから、いくつかのシステインも必須とされていたが、セリンと置換しても活性が残存したので、やはり必須ではなかった。ただしレクチンの安定性は改善されたので、このような組変えレクチンは、今後研究材料、あるいは他の用途には有用であろう。一方、46位のアスパラキン、71位のグルタミン酸、73位のアルギニンは重要であった。動物レクチンの比較生化学的研究も、存在意義解明の一助になるので、これまで存在が確認されていなかった爬虫類に、類似レクチンがあるかどうかに検討した。従来より虻毒中にレクチンが含まれることが知られていたので、ガラガラヘビの蛇毒よりレクチンを精製し、全アミノ酸配列を決定した。その結果、これはもうひとつの動物レクチンファミリ-である、カルシウム依存性レクチンと相同性があることが確認された。この型のレクチンとしても爬虫類では初めての知見である。一方、金属非依存性レクチンは脊椎動物でしか見つからっていないが、無脊椎動物で存在が確認できればレクチンの役割を探るうえでの意義は非常に大きいと考え、もっとも単純な多細胞動物であり、研究材料としても注目されている線虫を選んだ。これより糖結合性を示す蛋白質を分離し、一部のアミノ酸配列を決定したところ、脊椎動物レクチンと相同性を示した。これより、本タイプのレクチンは動物界にあまねく存在する重要な蛋白質であることが強く示唆された。
X線を用いるエアロゾル液滴のミクロ構造解析装置の開発とその応用

レーザー光(532 nm)を対物レンズの焦点位置で空中静止させた数十ミクロンサイズのエアロゾル液滴に、シンクロトロン放射光を照射するX線回折装置を開発した。X線回折実験から得られた一次元の構造因子を用いて二体ポテンシャルを修正するEPSR(Empirical Potential Structure Refinement)モデリングにより、硫酸アンモニウム、塩化ナトリウム、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム各水溶液中の水和イオンおよび溶媒水の三次元構造を明らかにした。エアロゾル液滴の物理化学的性質を構造化学的に考察し、エアロゾル中の種々の化学プロセスのメカニズムを分子レベルで解明できる。1.数十マイクロメートルサイズの液滴のX線回折測定用にポリキャピラリーレンズを製作した。実験室のX線回折装置に装着して強度を観測した結果、目的の強度増は得られなかった。今後は低エミッタンスで強力なシンクロトロン放射光を用いて性能試験を行う。2.連続液滴発生装置とX線自由電子レーザー(XFEL)を用いた液滴X線回折法を製作した。100ミクロンの水滴の2次元データを得た。1次元データに変換するプログラムを作成して得た結果は文献値を再現した。液滴発生装置で発生した液滴をXFELで照射する装置と手順は確立した。今回用いたXFELの波長は1.24オングストローム(A)であり、測定可能な散乱ベクトルの最大値は2.6 (1/A)となり、Empirical Potential Structure Refinementモデリングには不十分であった。より低波長のXFELを持ちいた測定を必要とする。3.常温における水、5.2 mol/L硫酸アンモニウム水溶液、3.5 mol/L塩化ナトリウム水溶液のX線回折測定を行った。水、硫酸イオン、塩化物イオン、ナトリウムイオンの水和構造を明らかにした。液体水中では、水分子が四面体構造を取ることがわかった。また、塩化物イオンの第一配位殻には3.15 Aに6個の水分子が結合している。また、ナトリウムイオンの第一配位殻には2.35 Aに6個の水分子が結合している。硫酸イオンの周りには約8個の水分子が存在することがわかった。1.レーザー補足法による液滴浮遊装置一式を購入した。既設の除震台にアルミニウム定盤を製作して、液滴浮遊装置を設置した。2.エアロゾル液滴試料として、水、3.5 mol/L塩化ナトリウム水溶液、3.5 mol/L硫酸アンモニウム水溶液のX線回折データを用いてEmpirical Potential Structure Refinement (EPSR)モデリングにより、部分二体分布関数、配位数分布、空間密度分布関数(3次元構造)を明らかにした。液体浮遊装置一式を搭載するアルミニウム定盤の設計に時間を要した。そのために、定盤の納入が遅くなり、液体浮遊装置の組み立てが年度末になった。(1) 532-nmレーザー光を用いて数十マイクロメートルサイズの液滴を空気中に捕捉する装置を完成させた。本装置を用いて、水、0.05 M(=mol/dm3)塩化ナトリウム水溶液、1.0 M硫酸アンモニウム水溶液、0.3 M硫酸マグネシウム水溶液、1.0 M硝酸マグネシウム水溶液の液滴を浮遊させ、捕捉することに成功した。(2)レーザー捕捉装置を佐賀シンクロトロン放射光施設に搬入して液滴X線回折装置を開発した。散乱X線はイメージングプレート二次元検出器で測定した。液滴とX線ビームの位置調整は臭化ナトリウム液滴からの蛍光X線を検出する方法を採用した。液滴のX線散乱強度と測定時間を見積るために、2 mmおよび0.1 mmガラスキャピラリーに同試料を封入してMoKα線を用いて室温でのX線散乱を測定した。X線回折データを元にEPSRモデリングにより、二体相関関数、配位数、空間密度関数を導出した結果、0.1 mmキャピラリー中の試料でも構造決定できることを確認した。水和マグネシウムイオン、硝酸イオン、溶媒水の3次元構造を明らかにした。また、硫酸アンモニウム水溶液と塩化ナトリウム水溶液中の水和イオン、溶媒水の3次元構造を明らかにした。(3)球状細孔をもつメソポーラスシリカSBA-16中にキャピラリー凝縮吸着した水(重水と軽水)の中性子スピンエコー測定を210-290 Kで行った。円筒状細孔をもつMCM-41シリカ中の水に比べて、水分子の並進運動が抑えられていること、一方、水分子の回転運動は前者ではより動きやすいことを明らかにした。(4) 1064-nmレーザー光を用いて空中に浮遊させた硫酸アンモニウム水溶液の液滴のサイズ変化から液滴の温度変化を評価することに成功した。

エアロゾル液滴の物理化学的性質を構造化学的に考察し、エアロゾル中の種々の化学プロセスのメカニズムを分子レベルで解明できる。今年度に予定していたレーザー補足法による単一液滴の浮遊装置の製作ができなかった。この原因は、既設のイメージングプレート迅速X線回折装置の試料部の寸法に制約があり、当初予定していたレーザー光を入力する顕微鏡装置が組み込めなかったためである。1.液滴浮遊装置のコミュッショニングと性能評価:液滴試料として、水、塩化ナトリウム・塩化カルシウム・硫酸アンモニウム・硫酸マグネシウム・硝酸マグネシウム各水溶液を選び、液滴浮遊装置を用いて、液滴サイズと液滴温度の校正を行う。溶質濃度は飽和濃度とする。2.液滴X線回折装置の組み立てとコミュッショニングと性能評価:液滴浮遊装置を佐賀シンクロトロン光センターへ搬入して、液滴X線回折装置を組み立てる。水液滴のX線散乱測定を行い、バルクの値を比較して、性能を評価する。3.1の各水溶液の液滴のX線散乱測定を行い、バルクの値と比較検討する。EPSRモデリングにより、液滴とバルク溶液の構造の違いを検討する。4.種々のエアロゾル液滴のミクロ構造を室温から凍結温度まで決定することにより、エアロゾル液滴の物理化学的性質を構造化学的に考察し、エアロゾル中の種々の化学プロセス(過冷却微小水滴の凍結メカニズム、雲粒形成・成長・降雨過程、過飽和状態における氷晶の形成)のメカニズムを分子レベルで解明する。28年度が最終年度であるため、記入しない。溶液化学1.単一液滴X線回折装置に製作:レーザー補足法による単一液滴の浮遊装置を製作する。液滴のサイズは最大30ミクロンとする。液滴の温度は、液体窒素を通過して冷却した乾燥窒素ガスを試料セル中に送入することにより、室温からー100°Cまで制御する。昨年度に購入したポリキャピラリーレンズとイメージングプレートX線回折装置に組み込み、単一液滴X線回折装置を製作する。2.単一液滴X線回折装置のコミュッショニングと性能評価:液滴試料として、水、塩化ナトリウム水溶液、硫酸アンモニウム水溶液を選び、単一液滴浮遊装置を用いて、液滴サイズと液滴温度の校正を行う。溶質濃度は0.1 mol/Lから飽和濃度とする。水の液滴のX線散乱強度とバルクの値を比較して、ポリキャピラリーレンズの性能を評価する。更に、各水溶液の液滴のX線散乱測定を行い、バルクの値と比較検討する。3.自由電子レーザーを用いた微小液滴X線散乱装置の製作:(1)で開発した冷却試料セルをSACLAに搬入する。連続液滴発生装置と組み合わせて、-100°Cまでの20ミクロンの液滴のX線散乱測定ができる装置を製作する。4.連続液滴発生X線散乱装置のコミュッショニングと性能評価:波長0.78 Å、カメラ長50 mm、検出器サイズ110 mmで測定する。水、塩化ナトリウム水溶液、硫酸アンモニウム水溶液の液滴のX線散乱測定を行う。
半導体内の電子波反射現象を利用する多重量子障壁(MQB)に関する研究

本研究では、半導体積層超薄膜で構成される多重量子障壁(MQB)の電子波反射現象の検証と、それを導入することによる半導体レーザの温度特性改善を目指している。本年度の研究研画では、1)様々な材料系におけるMQBの最適設計、2)変形MQBの詳しい理論解析、3)製作技術の確立、4)ninダイオードによる電子波反射効果の測定、5)MQB半導体レーザの試作と評価、以上の5点について研究を予定していた。1)については、本年度、光通信用GaInAsP系半導体に対する最適設計を検討した。そして新たにAlGaInAsという材料を障壁層に用いることで十分な電子波反射率が得られ、オージェ非発光損失の問題も低減できることを理論計算より明らかにした。2)については、フェルミ分布を考慮した詳しい理論計算を行い、昨年度の簡単な理論計算から予測された変形多重量子障壁の効果があらためて確認された。3)については、昨年度購入の多重量子障壁成長用ガス制御装置に、本年度購入した高純度水素精製装置を付加した。これにより10原子層前後の極薄膜量子井戸構造の高品質な成長が行えるようになり、レーザ評価からも高い結晶性が確認された。4)については、昨年度、ninダイオードにより初めて電子波反射効果が確認されたことを報告したが、本年度はMQBの構造および材料系依存性についても調べ、理論設計と符号する実験結果を得た。5)については、MQBを導入したレーザをAlGaAs半導体系で実際に製作し、導入しない場合と比較した結果、明らかな温度特性の向上が得られた。以上、本研究の成果からMQBの有効性を実証し、また広範な半導体系に対する適用性も同時に示すことができた。本研究を契機に最近になって多くの研究機関においてMQBの導入が始まり、レーザの特性改善が数多く報告されるようになったが、本研究はそれらを先導する重要な成果をもたらしたものと信ずる。本研究では,半導体積層薄膜で構成される多重量子障壁(MQB)の電子波反射現象の検証と,それを導入することによる半導体レ-ザの著しい特性改善を目指している。平成3年度の具体的な研究計画としては,1)多重量子障壁の電子波反射率が最大となるような最適設計を行うこと,2)極薄膜結晶成長が可能な多重量子障壁成長装置を設計・製作すること,3)多重量子障壁を導入したninダイオ-ドの電流・電圧特性の評価から,多重量子障壁の電子波反射量を見積もること,以上の3点である。最適設計については,電子波反射率についてこれまでにシュレディンガ-方程式を解いた簡単な見積もりを行ってきているが,本年度は半導体レ-ザのバンド構造とフェルミ準位の考察を詳しく行った。その結果,多重量子障壁の効果は半導体材料で決まるヘテロ障壁の大きとに依存するが,それでも多重量子障壁を行いた方がそれを行わないときの2倍程度の電子波反射率を見込めることが明らかになった。第2点目については有機金属気相成長法(MOCVD)を基盤とし,高速ガス切替えが可能なガス制御装置(本科学研究費にて購入)を導入した多重量子障壁成長装置を購入した。現在までに試験運転が終了し,各部の正常動作を確認するとともに通常の半導体レ-ザを製作し,低しこい値発振を得るまで至っている。また,多重量子障壁を導入したninダイオ-ドを実際に製作し,特性測定を行った。その結果,従来型ダイオ-ドに比べて明らかなトンネル電流抑制効果があった。これより,多重量子障壁の電子波反射を初めて明らかな形で実証することができた。

来年度は本年度の成果を踏まえ,多重量子障壁成長装置の高精度膜厚制御技術を確立し,最適設計された多重量子障壁を導入した高性能半導体レ-ザの実現を目指す。本研究では、半導体積層超薄膜で構成される多重量子障壁(MQB)の電子波反射現像の検証と、それを導入することによる半導体レーザの温度特性改善を目指している。本年度の研究計画では、1)様々な材料系におけるMQBの最適設計、2)変形MQBの詳しい理論解析、3)製作技術の確立、4)ninダイオードによる電子波反射効果の測定、5)MQB半導体レーザーの試作と評価、以上の5点についと研究を予定していた。1)については、本年度、光通信用GaInAsP系半導体に対する最適設計を検討した。そして新たにAlGaInAsという材料を障壁層の用いることで十分な電子波反射率が得られ、オージェ非発光損失の問題も低減できることを理論計算より明らかにした。2)については、フェルミ分布を考慮した詳しい理論計算を行い、昨年度の簡単な理論計算から予測された変形多重量子障壁の効果があらためて確認された。3)については、昨年度購入の多重量子障壁成長用ガス制御装置に、本年度購入した高純度水素精製装置を付加した。これより10原子層前後の極薄膜量子井戸構造の高品質な成長が行えるようになり、レーザ評価からも高い結晶性が確認された。4)については、昨年度、ninダイオードにより初めて電子波反射効果が確認されたことを報告したが、本年度はMQBの構造および材料系依存性についても調べ、理論設計と符号する実験結果を得た。5)については、MQBを導入したレーザをAlGaAs半導体系で実際に製作し、導入しない場合と比較した結果、明らかな温度特性の向上が得られた。以上、本研究の成果からMQBの有効性を実証し、また広範な半導体系に対する適用性も同時に示すことができた。本研究を契機に最近になって多くの研究機関においてMQBの導入が始まり、レーザの特性改善が数多く報告されるようになったが、本研究はそれらを先導する重要な成果をもたらしたものと信ずる。
船間無線LAN通信による海上リアルタイムハザードマップの構築

行会い船が無線LANにより、これまでの航行で蓄積した危険(ハザード)情報を交換し、交換した情報を地図上にマッピングし、これから航行する海域のハザードマップを作成し、航行の安全に寄与するシステムを構築した。無線LANの通信能力は、船間距離35km、実効スループット1Mbps以上を目標とした。行会い状態での利用に着目し、指向性アンテナを採用した。実海域で2船を運航して通信実験を行った結果、目標の通信能力を達成した。実際に船間でFTPによるファイル転送を行い、ハザードマップを構築した。船舶に無線LAN通信システムを搭載させ、行き会い船が無線LANによりお互いがこれまでの航行で蓄積した危険(ハザード)情報(漁船多数、流木、沈没船、油流出、鯨、流氷、不審船、海賊船)や気象海象情報を交換し合い、交換した情報(画像等)を地図上にマッピングし、これから航行する海域のハザードマップを作成し、航行の安全に寄与するシステムを構築する。無線LAN通信能力は、通信距離35km、通信速度のスループット1Mbpsの実現を目標としている。大島商船高等専門学校が所有する練習船大島丸(総トン数228トン)と小型実習船すばる(総トン数14トン)に無線LANシステムを導入し、船舶の行き会い状況を想定して、指向性アンテナを中心に無線LAN通信の特性把握を行う通信実験を行った。なお、平成22年度においては、大島丸は停泊させ、すばるのみを運航した状況で通信速度の測定を行ったところ、5km超で、スループット1.5Mbpsを計測した。また同時に受信電波強度(RSSI)を測定したところ、通信距離とアンテナ高さ等に依存する電波伝搬特性として、受信電波強度が弱まる地点があることを計測し、理論モデルと同じであることを確認することができた。更に受信電波強度とスループットに対して影響があると考えられる船体動揺角度を計測し、アンテナの指向性と動揺角度の大きさとの関係について考察を行った。その他、緯度経度情報を持った画像を地図上に表示する方法の検討を行った。船舶に無線LAN通信システムを搭載させ、行会い船が無線LANによりお互いがこれまでの航行で蓄積した危険(ハザード)情報(漁船多数、流木、沈没船、油流出、鯨、流氷、不審船、海賊船)や気象海象情報を交換し合い、交換した情報(画像等)を地図上にマッピングし、これから航行する海域のハザードマップを作成し、航行の安全に寄与するシステムを構築する。無線LAN通信能力は、通信距離35km、通信速度の実効スループット1Mbpsの実現を目標としている。大島商船高等専門学校が所有する練習船大島丸(全長41m、総トン数228トン)と小型実習船すばる(全長14.5m、総トン数14トン)に無線LANシステムを導入し、2船が実海域(瀬戸内海伊予灘)で行会いとなる状態を作り、前年度の通信実験結果を踏まえ、2種類のパッチ平面型の指向性アンテナにより、通信実験を行った。通信実験のパラメータを、アンテナ(2種類)×船速(3種類)×航過距離(2種類)とした12通りを各2回、合計24回の計測を行った。結果として、現実的な航過距離である900mの実験においても、目標とする通信距離35km、通信速度の実効スループット1Mbpsを実現することができた。また間の通信総量を確認したところ、50100MB程度が送受信できることを確認した。その他、緯度・経度情報を持った画像を地図上に表示するハザードマップ構築のためのソフトウェアの試作を行った。大島商船高等専門学校が所有する練習船大島丸(全長41m、総トン数228トン)と小型実習船すばる(全長14.5m、総トン数14トン)に無線LANシステムを導入し、2船が実海域(瀬戸内海伊予灘)で行会いとなる状態を作り、前年度までの通信実験結果を踏まえ、2種類のパッチ平面型の指向性アンテナにより、通信実験を行った。前年度の実験では実効スループットの計測に対し、今年度は具体的にハザードマップの情報となる画像をFTPにより双方向で送受信の通信を行った。送受信した画像として、大島丸のレーダー画面を事前にキャプチャーした物を3種類のサイズ(300kB、1MB、4MB)を用いた。一般的な相対船速20ノット(時速37km)で実海域での通信実験を行い、50100MBのファイルを双方向で送受信できた。なお実効スループットは1Mbps以上を達成している。

実海域実験で送受信したレーダー画面の画像に時刻・緯度・経度情報を加え、またGPS機能付きデジタルカメラで撮影した画像(写真)を地図上に表示したハザードマップの構築を行った。全てにおいて所期の目標を達成することができた。目標としている通信距離35km、通信速度の実効スループット1Mbpsを実現可能性を示すことができたため。24年度が最終年度であるため、記入しない。最終年度は、具体的な画像情報を船間で情報交換を行い、地図上に表示するシステムを構築する。
画像工学的アプローチによる筋萎縮性側索硬化症(ALS)の診断支援法への挑戦的試み

本研究課題では,指定難病である筋萎縮性側索硬化症(ALS)の診断支援を目的とし,画像工学的アプローチにより,全身の骨格筋を対象とした全身骨格筋の自動認識と骨格筋領域内の脂肪織の自動解析を実現した.ここでは,ALSや萎縮を伴う筋疾患を有する症例を対象とし,全身CT画像から骨格筋の全自動認識とその部位別自動解析技術の開発を行った.体腔のモデリングによる表層筋の自動認識を行い,全身を22の領域に区分し,骨格筋の3次元解析を実現した.その結果,ALSと筋原性疾患群の間では上腕,大腿,下腿において複数の画像特徴量において有意差が認められた.本研究では,指定難病である筋萎縮性側索硬化症(ALS)の画期的診断支援を目的とし,全身の骨格筋を対象とした,骨格筋領域内の筋線維と脂肪織の同時解析を画像工学的アプローチにより実現する.ここでは,全身CT画像を用い,骨格筋の全自動認識とその部位別自動解析に挑戦する.ALSは有効な治療法が確立されていないが,2015年より進行抑制薬が承認されており,早期発見や筋萎縮を生じる他の疾患を確実に鑑別し,適切な治療に導くことは臨床上重要である.この目標は,全身CT画像から骨格筋の領域をヴォリュームとして捉え,筋領域の正確な特定と領域内の脂肪織の定量的な解析により実現する.既に有する体幹部CT画像における骨格筋の自動認識技術をベースに,ここでは,対象を胸腹部・四肢を含む人体全域を新たに対象とする.そして,部位間の骨格筋の解析を行うことで,筋萎縮を生じる疾患毎の違いを統計的に明らかにする.本研究により,ALSと筋萎縮を生じる他の疾患であるミオパチー,ニューロパチーおよび変形性頸椎症などの鑑別を目指す.さらに,ALSは筋の進行性萎縮を伴う疾患である.そのため,筋内脂肪織の増減の解析を行うことで,上記のALS鑑別において開発された筋の部位別解析技術を適用し,筋の萎縮のスピードを定量化することができる.ここでは,萎縮のスピードを定量化することにより,筋の萎縮速度という新たな指標を考案し,医学的にも有用な全く新しい予後予測を実現する.また,予後の変化において,四肢の筋力低下から進行する古典型と嚥下・呼吸障害からくる球麻痺型があるが,全身の筋の部位別認識により,病型の鑑別も期待でき,精度の高い今までに無い予後予測の実現を目指す.研究初年度は,骨格筋に関連する解剖学的構造のデータベースの構築と骨格筋認識技術の全身展開と骨格筋の同時自動解析手順の初期技術の開発を行った.まず,骨格筋と骨格に関する解剖学的構造のデータベース(DB)の構築では,109症例のALS症例および筋萎縮を伴う他の疾患であるミオパチー,ニューロパチーおよび変形性頸椎症の画像データを取得した.これらの画像データベースは指定難病であるALSにおいて国内外で類を見ないデータ群であるといえる.これらの画像DBを用い,全身骨格筋の全自動認識技術を開発し,認識された骨格筋の部位別解析とALS特有の画像特徴の抽出技術の開発を行った.全身骨格筋の全自動認識技術では,胸腔形状をもとに,腹腔形状を画像変形技術により推定し,体腔領域を得る.その体腔領域を入力画像から差分することで,全身の表層筋領域を得る.さらに,大腰筋モデルを利用した深部筋認識を行い,全身の骨格筋領域を得た(109症例中75症例で上肢・下肢骨格筋の自動認識に成功).そして,得られた全身骨格筋領域の画像解析技術として,Haralickのテクスチャ特徴を用い,画像特徴の定量的な解析法を初期検討した.この画像解析法に基づき,ここでは上述の画像データベースを用い,ALSと他の筋萎縮を伴う疾患間に統計的な画像特徴に差があるか否かについて手動で入力した筋正解領域を用い,解析を行った.解析対象は,全身を22の領域に区分化した骨格筋領域に対し,支配神経に基づき6つの髄節レベルの断面において解析を行った.39症例を用いた初期解析の結果,深部筋領域では統計的に有意な特徴量が確認できなかったものの,髄節レベルL4S2では,13特徴のうち7の特徴でALSと他の萎縮を伴う筋疾患の間に統計的に有意な差が確認できた.以上のように,当初の目標を達成し,初期解析からも良好な結果が得られた本研究の目標は,指定難病である筋萎縮性側索硬化症(ALS)の画期的診断支援を目的とし,全身の骨格筋を対象とした,骨格筋領域内の筋線維と脂肪織の同時解析を画像工学的アプローチにより実現することであった.ALSは有効な治療法が確立されていないが,2015年より進行抑制薬が承認されており,早期発見や筋萎縮を生じる他の疾患を確実に鑑別し,適切な治療に導くことは臨床上重要である.本研究では,全身CT画像から骨格筋の領域をボリュームとして捉え,筋領域の正確な特定と領域内の脂肪織の定量的な解析を実現した.まず,胸腹部・四肢を含む人体全域を対象とした全身骨格筋の区分化自動認識を行った.さらに,区分別の骨格筋について特徴解析を行い,筋萎縮を生じる疾患毎の特徴量の統計的な違いを示した.本研究により,ALSと筋萎縮を生じる他の疾患との特徴解析を画像上の特徴であるテクスチャ(Haralickの13特徴)を用いて実現した.その結果,ALSと筋原性疾患群の間では上腕,大腿,下腿において複数の特徴量において有意差が認められた.

さらに,筋の萎縮スピードの定量化技術の基礎技術として,骨格筋領域を骨格筋領域,骨格筋内脂肪領域および骨格筋と骨格筋内脂肪を合わせた筋包含領域の3領域に分類し,それぞれテクスチャ特徴の解析を行った.その結果,筋包含領域がALSとその他の萎縮を伴う筋疾患群と統計的有意差を有する特徴量が最も多く確認(37特徴)された.このことから,筋内脂肪領域と骨格筋領域を合わせた解析が骨格筋解析には有用であることが示唆された.以上のように,本研究課題では,全身CT画像を用い,骨格筋の3次元区分解析(22領域)を実現し,筋内組織を含む解析技術を初めて提案した.今後は,筋内脂肪織の経時変化に基づく予後予測の指標等の検討が必要となり,そのための大規模データの構築が必要である.本研究課題では,指定難病である筋萎縮性側索硬化症(ALS)の診断支援を目的とし,画像工学的アプローチにより,全身の骨格筋を対象とした全身骨格筋の自動認識と骨格筋領域内の脂肪織の自動解析を実現した.ここでは,ALSや萎縮を伴う筋疾患を有する症例を対象とし,全身CT画像から骨格筋の全自動認識とその部位別自動解析技術の開発を行った.体腔のモデリングによる表層筋の自動認識を行い,全身を22の領域に区分し,骨格筋の3次元解析を実現した.その結果,ALSと筋原性疾患群の間では上腕,大腿,下腿において複数の画像特徴量において有意差が認められた.研究最終年である平成29年度では,平成28年度までに得られた結果に基づき,以下の項目について取り組むと同時に,これまでの実験結果の評価,検証を行う.同時に,画像データベース(DB)についても引き続き収集を行い,認識,解析技術の向上および手法の検証に用いる.また,29年度はALS症例における骨格筋の経時変化の特徴抽出にも取り組むため,経時症例の収集も行う.まずは,骨格筋領域内の筋線維と脂肪織の解析である.認識された骨格筋について,区分化された領域内でALSの鑑別に必要なヴォリュームの認識精度が得られているか評価を行う.ここでは,自動認識・抽出手順をCT画像DBに適用し,抽出性能の検証と手法の改善を行う.上記で確認された部位別骨格筋の認識技術に基づき,実際に骨格筋が存在する領域内を特定し,その骨格筋内に存在する筋線維および脂肪織の自動認識を行う.そして,それらの画像特徴量の量的関係を統計学的解析手法により,両者の相互関係の解析を行う.28年度に手動で入力した筋領域の解析結果(2次元)と上記の自動解析の結果の比較から,ALS特有の画像特徴の自動解析手法を構築する.同時に3次元のテクスチャ特徴解析も進める.そして,上記で達成された筋線維と筋内脂肪織の自動解析技術に基づき,全身CT画像における骨格筋量を正確に計測可能な計算式を算出する.また,筋内脂肪織の経時変化に基づく予後予測の指標を,臨床医の検討・議論により新たに提案する.最後に,これまでの結果について,国際学会および国内学会において発表し,同時に論文発表を行う.これらは工学分野における新たな技術開発となるだけでなく,医学分野においても新たな知見が得られると期待される.特に,全身の筋を計算機で自動解析し,臨床応用に直接結びつける新しい研究結果が得られる計画である.医用画像処理工学本経費による国外開催の国際会議経費を,該当年度に使わなかったため.最終年度であり,研究報告を海外で開催の国際会議で本経費を活用する計画である.
ソフト水素結合及びハード水素結合と水素結合型誘電体相転移

水素結合系誘電体の水素-重水素混晶系において、水素を含む水素結合(ソフト水素結合)距離が混晶比に依存し、重水素を含む水素結合(ハード水素結合)距離は混晶比に依存しない。このように水素結合の性質が、水素-水素結合と重水素-水素結合で異なっていると思われる現象の発見から出発した研究である。この現象はゼロ次元水素結合系と称される誘電体で以前に見出された。これらの現象の普遍性を確認し、解明するために本研究では1同様の事例を他の物質で見出すこと、2水素、重水素の熱的もしくは量子的な揺らぎに水素結合の性質が大きく影響を受ける可能性があるので、量子揺らぎに関する理解を深めること、に主眼においた。1に関して、水素結合が分子内にのみ制限されているという意味でゼロ次元水素結合系と類似のエタノールにおいて磁気共鳴の実験を行ったが、期待したような結果は得られなかった。一方固体における研究は、ゼロ次元水素結合系の他のメンバーを対象として進められ、出発となった現象と同様な結果を得られた。従って、少なくともゼロ次元水素結合系では、水素を含む水素結合と重水素を含む水素結合に質的差異が存在することが明らかになった。2に関しては、量子揺らぎにより相転移を示さないことがはっきりしているチタン酸ストロンチウムを研究対象とした。酸素16を酸素18に置き換えたチタン酸ストロンチウムで観測される強誘電体相転移を調べ、この相転移がソフトモードの凍結に起因すること、及び相転移を起こすとはいえその相転移に依然として量子揺らぎが関与していることを明らかにした。しかしながら、水素結合系では量子揺らぎがその相転移にどう影響を及ぼすのか、物性がどう変わるのかは依然として不明であり、継続した研究が必要である。熱揺らぎが著しく減少する低温において重要となる量子揺らぎと相転移との関連を見出すために、酸素同位体置換したチタン酸ストロンチウム(SrTi^<18>O_3,以下STO18と略する)の相転移をラマン散乱により調べた。試料作成時に導入されたと思われる空孔を核とした微小強誘電クラスターが存在し、その大きさが温度低下とともに成長する事を見出した。低温相である強誘電相においてソフトモードは存在せず,従って上述のクラスターが結晶全体を覆う事により相転移が実現することを結論した。酸素同位体置換されていないチタン酸ストロンチウムにおいて微小強誘電クラスターが同様に発生するが、強誘電相への相転移はみられない。従って,クラスターの成長過程に量子揺らぎの重要性が存在すると推定でき,今後の課題である。水素結合系での量子揺らぎと相転移の関連を、ゼロ次元水素結合系といわれているRb_3H(SeO_3)_2を試料として研究を継続中である。水素の一部を重水素に置換し、水素もしくは重水素の相転移にかかわる運動の緩和時間を求め、この緩和時間の温度変化指数と置換率との関連を知れば,量子揺らぎと相転移の関連が明らかになる。現在置換率の違う3種類の試料についてラマン散乱測定を終わり,解析中である。さらに置換率の異なる試料での測定が必要である。

これらの現象の普遍性を確認し、解明するために本研究では1同様の事例を他の物質で見出すこと、2水素、重水素の熱的もしくは量子的な揺らぎに水素結合の性質が大きく影響を受ける可能性があるので、量子揺らぎに関する理解を深めること、に主眼においた。1に関して、水素結合が分子内にのみ制限されているという意味でゼロ次元水素結合系と類似のエタノールにおいて磁気共鳴の実験を行ったが、期待したような結果は得られなかった。一方固体における研究は、ゼロ次元水素結合系の他のメンバーを対象として進められ、出発となった現象と同様な結果を得られた。従って、少なくともゼロ次元水素結合系では、水素を含む水素結合と重水素を含む水素結合に質的差異が存在することが明らかになった。2に関しては、量子揺らぎにより相転移を示さないことがはっきりしているチタン酸ストロンチウムを研究対象とした。酸素16を酸素18に置き換えたチタン酸ストロンチウムで観測される強誘電体相転移を調べ、この相転移がソフトモードの凍結に起因すること、及び相転移を起こすとはいえその相転移に依然として量子揺らぎが関与していることを明らかにした。しかしながら、水素結合系では量子揺らぎがその相転移にどう影響を及ぼすのか、物性がどう変わるのかは依然として不明であり、継続した研究が必要である。
船体建造工程へのハイブリッド溶接適用に向けたレーザによる仮付け方法に関する研究

本研究ではレーザ・アークハイブリッド溶接の施工法についてレーザ単独溶接による仮付け溶接に着目し、日本独自の溶接施工方法の開発を目的としている。(同溶接法の導入で先行する欧州圏では、部材の配材に大型付帯設備が用いられているが、この付帯設備の投資コストが懸念されている。)具体的実施内容として、a)仮付け溶接部の破壊クライテリアの同定、およびb)溶接変形に起因する仮付け溶接部の拘束反力の同定であり、研究の最終段階としてc)長尺継手(長さ1M)を用いた実証実験を実施する予定であった。今年度の成果要旨は以下の通りである。a)仮付け溶接部の静的破壊のクライテリアを明らかにした。また溶接変形解析に供するメッシュサイズに応じた材料物性値を同定した。b)溶接変形に起因する拘束反力の同定を目的として、熱弾塑性FE解析を実施した。その結果、仮付け溶接部には比較的大きな溶接線方向せん断応力、及び溶接線直角方向せん断応力が生じていた。したがって、最終的に残留する溶接変形(縦板の横倒れ変形)に起因する拘束反力によって仮付け溶接部に割れが生じるのではなく、溶接施工中の局所的変形が原因となって割れが生じることを明らかにした。c)一方、他者の研究において長尺継手の場合、試験片サイズと異なる変形に起因し仮付け溶接部に割れが生じる場合があることが明らかとなった。そこで、実験の代替として熱弾塑性FE解析(長さ900mm)を実施し、溶接施工中の変形挙動についての検討を行った。しかしながら、他の研究で明らかになったような変形での破壊、および仮付け溶接部に生じる応力について、試験片サイズでのそれと大きな差は見られなかった。すなわち、長さ1M程度の継手であれば、試験片サイズで検討した仮付け条件の適用が可能であることを明らかにした。本研究ではレーザ・アークハイブリッド溶接(以降では単にハイブリッド溶接と称する)の溶接施工法についてレーザによる仮付け溶接に着目し、日本独自の溶接施工方法の開発を目的としている。(ハイブリッド溶接の導入で先行する欧州圏の造船所では、部材を精度よく配材するために大型付帯設備が用いられているが、ハイブリッド溶接の導入にあたってこの大型付帯設備のための投資コストが大きいことが懸念されている。)具体的実施内容は、a)仮付け溶接部の破壊クライテリアの同定、およびb)溶接変形に起因する仮付け溶接部の拘束反力の同定であり、研究の最終段階としてc)長尺継手(長さ1M)を用いた実証実験を実施する。今年度はa)を中心に実施予定であり、仮付け溶接の溶接条件について、過去の知見から実用的、且つ広範な条件となるよう実験条件の検討を行い、破壊試験に供する試験片の製作を行った。また曲げ破壊試験に必要な冶具の製作を行い、曲げ破壊試験の実施を行った。・レーザ入射角度について、低角度とした方が施工中の外乱(狙い位置の変動、ギャップの増大等)に強く、ロバストな条件になると考えられる。・レーザ前進(後退)角度、および溶接速度が仮付け強度に与える影響と、レーザパワー密度が仮付け強度に与える影響を比較すると、レーザパワー密度が仮付け強度に与える影響の方が大きい。・レーザにより溶融・再凝固した組織は母材よりも硬く、500HVを超える箇所も確認された。・仮付け溶接部の破壊に際しては、仮付け溶接部に極めて局所的な応力集中が発生し、一部実験条件では仮付けされ部材にはほとんど伸びが生じないまま仮付け部が破壊に至る事例が確認された。仮付け溶接の溶接条件について、過去の知見から実用的、且つ広範な条件となるよう実験条件の検討を行い、破壊試験に供する試験片の製作を行った。しかしながら、当初想定していた仮付け条件の一部で、部材の取付精度によっては仮付け溶接が行えず、部材の接合が行えないことが判明した。実験条件の再検討を行うとともに、追加の試験片製作を行う必要があり、破壊試験が未完了であることから進捗状況を「やや遅れている」と判断した。

そこで、実験の代替として熱弾塑性FE解析(長さ900mm)を実施し、溶接施工中の変形挙動についての検討を行った。しかしながら、他の研究で明らかになったような変形での破壊、および仮付け溶接部に生じる応力について、試験片サイズでのそれと大きな差は見られなかった。すなわち、長さ1M程度の継手であれば、試験片サイズで検討した仮付け条件の適用が可能であることを明らかにした。追加実験を行い、仮付け溶接部の破壊のクライテリア同定を完了する。本年度未達部分を実施するために研究補助人材を確保しその人件費に充てるとともに、追加試験に必要な実験消耗品の購入を行う予定である。