hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
道徳的コンピタンスの育成をはかる道徳教育のカリキュラム開発に関する研究

1.道徳教育カリキュラムの国際比較研究(1)道徳的コンピタンスの育成をはかるカリキュラムの先進事例として、オーストラリアで実施されている「子どものための哲学的探究」のカリキュラム研究を行った。「子どものための哲学的探究」の実態に関する資料を収集し、教育目標・内容・活動と教材・評価の在り方について分析した。さらに、さのカリキュラムと日本の道徳教育とを比較検討し、道徳教育において問題解決能力や批判的思考力を育成できない原因を考察した。(2)現行学習指導要領のもとで実施されている道徳教育カリキュラムの実態を調査し、その成果を「ジャーナル・オブ・モラル・エデュケーション(Journal of Moral Education)発刊25周年国際会議(於:連合王国,平成8年6月)において発表し、国際的な視点からの批判を仰ぎ、意見交換をおこなった。2.道徳的教育カリキュラム開発のための実証的研究道徳的コンピタンスを育成するカリキュラム開発の実践事例として、国際理解教育・環境教育における道徳教育の現状に関する実態を事例研究をした。国際理解教育については、先進的な実践校4校(中学校)において、道徳や特別活動におけるカリキュラムを研究し、道徳教育における取り組みの問題点や課題を明らかにした。3.道徳的コンピタンス育成のための教材開発道徳的コンピタンスの育成のためには、ディスカッションを中心としてコミュニケーション能力の育成を図る道徳の授業が有効であることが、上記1・2の研究から明らかになった。また、従来の道徳の授業には、このようなコミュニケーションを図る教材の活用が不十分であることもわかった。そこで、子どもが道徳的問題について自由にディスカッションするための教材開発を行った。さらに、開発した教材をもとに授業研究を行い、子どもの実態に即した教材の在り方を考察した。
ポスト近代社会における<新しい能力>概念とその形成・評価に関する研究

ポスト近代社会において、初等教育から高等教育にいたるまで、さまざまな能力が、経済先進諸国で共通して教育目標に掲げられ、評価されるようになってきた。これらの<新しい能力>に共通する特徴を見出した上で、それを論じるための枠組みを構築した。さらに、それがもたらしつつあるカリキュラム・授業・評価などへの影響を、諸外国(アメリカ・北欧・オーストリア)での調査を通じて明らかにするとともに、算数・数学教育および理学療法教育でのパフォーマンス評価の開発研究を通してその形成・評価のあり方を提案した。本研究は、<新しい能力>と総称される諸概念(リテラシー、コンピテンシー(コンピテンス)、エンプロイヤビリティなど)を理論的に分析するとともに、それらの諸概念が、先進諸国において具体的にどのような教育政策・教育方法として提案され、大学を含む学校教育の実践現場にいかなる影響を及ぼしているのかを、教育方法学の立場から実証的に明らかにすることを目的としている。本年度は以下の二つの研究作業を進めた。(1)理論研究-<新しい能力>やそれに基づく学力概念について検討し、その共通性と差異、社会的・文化的・歴史的背景、ならびに各国(日本、オーストリア、スウェーデン、アメリカ、フィンランド)の学校教育に与えてきた影響について整理した。この成果は近く単行本として刊行される(『<新しい能力>は教育を変えるか-学力・リテラシー・コンピテンシー-』ミネルヴァ書房、2010年夏刊行予定)。なお、フィンランドの章は、オウル大学のP,ハッカライネン教授に寄稿していただいた。(2)比較研究-2/2027の期間、オーストリアでの訪問調査を行った(伊藤・松下・杉原)。具体的には、(1)ウィーンの小学校・中等学校訪問-授業参観と教員へのインタビュー、(2)ウィーン大学訪問-K. H. Gruber教授へのインタビュー、(3)BIFIE Zentrum Wien(教育スタンダード作成センター)訪問-関係者へのインタビュー・情報交換と資料収集、を実施した。オーストリアは、「PISAショック」以後、スタンダード導入による大幅な教育改革を進めており、本調査において、スタンダード導入の進捗状況、教員の反応、授業への影響などを把握することができた。現在、インタビュー記録の作成・分析を進めており、その結果は伊藤を中心に整理・公表される予定である。本研究は、<新しい能力>と総称される諸概念(リテラシー、コンピテンシー、エンプロイヤビリティなど)を理論的に分析するとともに、それらの諸概念が、教育政策や教育実践にどんな影響を及ぼしているのかを、教育方法学の立場から実証的に明らかにすることを目的としている。本年度は以下の三つの研究作業を進めた。(1)理論研究-<新しい能力>概念の生み出された背景や系譜、諸概念間の共通性と差異、ならびに各国(日本、オーストリア、スウェーデン、アメリカ、フィンランド)の学校教育に与えてきた影響について整理し、その成果を単行本として刊行した(『<新しい能力>は教育を変えるか-学力・リテラシー・コンピテンシー-』ミネルヴァ書房)。(2)比較研究-2011年3/210の期間、スウェーデン、フィンランドでの調査を行った(遠藤・松下・石井・本所恵[研究協力者])。具体的には、(1)ヨーテボリ大学-F.Marton教授グループとの研究交流、(2)ヨーテボリ市Polhem gymnasiet-職業専門プログラムの観察・インタビュー、(3)ストックホルム大学-PRIMグループとのパフォーマンス評価に関する研究交流、(4)ユヴァスキュラ大学附属学校-授業見学とインタビュー、(5)フィンランド国立教育研究所-PISA2009結果に関する意見交換、(6)CIMOセンター長Pasi Sahlberg氏へのインタビュー、を実施した。本調査によって、<新しい能力>(PISAリテラシーなど)の批判的受容の実態をかなりの程度把握することができた。現在、収集した資料やインタビューの分析を進めており、その結果は本所・松下を中心に公表される予定である。(3)実践研究-理学療法教育分野でのパフォーマンス評価であるOSCE(Objective Structured Clinical Examination:客観的臨床能力試験)を素材として、評価者の経験による評価の差異の検討、理学療法士の中核的能力につながるパフォーマンス課題の試行などを行った。以上の成果の公表は、上記単行本以外にも、論文、学会発表等を通じて行った。(1)理論研究--パフォーマンス評価で用いられるルーブリックが単なる質の数値化のツールになりやすいという問題を指摘し、学びの質を垂直的に把握するためのツール(ルーブリック)と水平的に把握するためのツール(解法のタイプなど)の両方が必要であることを実証的に明らかにした。その成果をWALS(The World Association of Lesson Studies International)2011のシンポジウムで発表した。また、<新しい能力>をめぐる言説の検討、教養という視点からの学力の批判的検討、PISAの各国の教育へのインパクトの検討などを多角的に行った。(2)比較研究--2011年11月にアメリカでの調査を行った。

具体的には、「真正の評価」の理論と実践を重ねているエッセンシャルスクール連盟2011秋フォーラムへの参加・情報収集、草の根レベルでテスト政策に対抗する評価改革を展開している実践現場(ミッション・ヒル・スクール)への訪問調査を行った。また、アメリカの公立学校改革の実践と理論で知られるDeborah Meier氏とNicholas Meier氏を招いて講演・研究会を開催し、「精神の習慣」や「学習結果の発表会(exhibitions)」を中心に、アメリカにおける「真正の評価」実践の現状と課題を明らかにした。
生体情報を活用した視覚誘導に基づくプログラミング学習の支援

プログラミング教育を広く普及させるためには,プログラミングを不得手とする学習者の存在を無視することはできない.本研究では,プログラミング教育の中でもトレースやデバッグなどの問題提示型教材を対象にして,眼球運動と主とした生体情報を活用して,視覚誘導に基づきプログラミング技能を養成するシステムの開発に繋がるような基礎データを収集し分析できるようにすることを目的とした.本研究では,非言語的な認知理解過程を推定する手段として視線運動に着眼し分析した結果と,読解学習支援システムを開発し実講義での学習支援から得た反応パターンを分析した結果を報告する.学習教材として,1.準備デバッグ中心は間違いが含まれた課題を提示するもの,2.繰り返し回数や処理の順番が逆になっているもの,3.解答を得るために必要な命令を追加するもの,4.完成したプログラムの読解と出力値やその数の推測,の4種類の教材を作成した.以上の教材は,実際の講義内で利用し教材として活用すると共に,被験者評価を行うためのデータとして今後活用する予定である.このデータを電子化し,データベース構築を完了させた.本研究では,いずれもC言語を想定した.収集したデータを用いて分析を行った結果,プログラミングを不得意とする学習者の典型的間違いのパターンの抽出を行うことができた.次に,学習者の評価指標の案を作成した.プログラミングの技術項目を細分化した.大きく文法の理解,アルゴリズムの理解と分けた.詳細な分類に関しては,独立行政法人情報処理推進機構の示すC言語に必要な知識を参考に作成を行った.これらの分類により,学習者の分類に活用できると考えている.次に,視線計測実験と解析の予備実験を行った.学習者にはプログラムを読ませ,どのような結果が表示されるか答えてもらう問題を複数作成した.今回は非接触型の視線計測器を用いてプログラムの思考過程を計測した.その結果,視線データはどちらとも不正解の解答をした学習者であったとしても,視線データから学習者によって理解度が異なることが示された.以上から,学習者に応じて視線情報から学習者の理解度や性格を推定するための可能性を得ることができた.まず,既に昨年度から作成を進めている学習教材について,内容の充実を図ると共に,講義内での実践と基礎データ収集を進めた.教材の充実として,具体的には,1.プログラム記述に間違いが含まれた課題を提示し,間違いの位置を指摘するデバッグ技能を図るためのもの,2.繰り返し回数や処理の順番を適切に並べ替えるもの,3.実行結果の変数値が与えられており,その値を得るために必要な命令を補完するもの,4.完成したプログラムを読解し,処理後の変数の値を推定するもの,の4種類の教材の充実を図った.以上の教材は実際の講義内で利用し授業内容の充実を行いながら学習履歴を電子化しデータベースを構築した.昨年度は紙媒体・マークシート形式での実践であったが,今年度は新たに,C言語の読解学習を対象としたシステムを構築し,上述の問題を提供できるようにした.次に,本システムの有効性を評価するための予備実験を行った.被験者10名に対して,言語仕様を完全に理解していれば解ける知識問題15問,論理的な思考力が問われる論理問題15問の2つのテストをそれぞれ10分の制限時間内で行い,回答ログデータの分析を行った.項目反応マトリクスを出力した後,4母数ロジスティックモデルにより各問題のパラメータを計算した.その結果,ロジスティックモデルの上方漸近パラメータが他の問題と比較して有意に低かった問題を確認した.これは,プログラミングを得意とする学習であってもプログラム理解効率・可読性を妨げている原因であり,プログラミング技能が不十分な学習者に提示すべきでない問題であるとの仮説を得た.他,視線計測実験と解析の予備実験を行った.学習者にはプログラムを読ませ,視線の動きを計測した.その結果,被験者の理解度に応じた視線の特徴を確認した.また,プログラミング読解過程の分析に特化させた視線分析ソフトウェアEye Processorを開発した.本年度では,外的構造の意味に頼らない,プログラムソース自身が保持する内的な構造(データ依存関係)にのみに基づいた読解学習教材を対象とし,プログラミング初学者にとって理解を阻害するであろう知識の発見を目的とした.本年度の具体的課題は,読解学習課題を自動生成し提示可能なシステムの開発と,運用から得た被験者データの分析である.本年度の主な成果は,非言語的な認知理解過程を推定する手段として視線運動に着眼し分析した結果と,開発システムを用いた実講義での学習支援から得た反応パターンを分析した結果を明らかにすることである.視線運動の分析では,プログラムソースの内的構造のひとつの要素であるデータ依存関係に着眼する.プログラムを理解することの形の一つである読解に着眼し,ソースコード読解中学習者はスライシングと似た思考を行っているという仮定のもとで,初学者にとって読解を困難とする可能性のある記述の発見を最終的な目的とした.本年度では,プログラムソースの内的構造の影響が視線に表出していることを明らかにすることまでを課題とし,注目箇所の推移が確かにプログラム構造の影響を受けていることを明らかにした.反応パターン分析の結果は,読解学習課題を自動生成し提示可能なシステムを実講義で適用し,学習支援を試み得たログデータ及びアンケートの回答に基づいて行った.読解学習支援システムの運用結果からは,初学者にとってプログラム読解を困難とする記述を明らかにし,プログラミング教材の作成や教授法検討の際に参考となり得る知見を得た.

プログラミング教育を広く普及させるためには,プログラミングを不得手とする学習者の存在を無視することはできない.本研究では,プログラミング教育の中でもトレースやデバッグなどの問題提示型教材を対象にして,眼球運動と主とした生体情報を活用して,視覚誘導に基づきプログラミング技能を養成するシステムの開発に繋がるような基礎データを収集し分析できるようにすることを目的とした.本研究では,非言語的な認知理解過程を推定する手段として視線運動に着眼し分析した結果と,読解学習支援システムを開発し実講義での学習支援から得た反応パターンを分析した結果を報告する.研究の最終目的は,学習者の生体情報データ(本研究では,脳波・視線データを主とする)を収集し,学習者の理解度に応じた特徴を明らかにすること,明らかにされた知見に基づき,理解度に応じた学習支援機構(問題の見せ方やヒント提示法)を開発することやコンテンツを用意すること,学習者ログに基づく理解度推定機構を開発すること,以上を実現する自学学習環境を構築することである.本年度の取り組みにより,自学学習環境の構築と視線データの収集が達成されたため,おおむね順調であると評価されうる.まず,利用者の理解度に応じて問題を出題することができ,自学学習環境として利用可能なプログラミング読解学習支援システムを開発した.そして,これを用いてプログラムコードの困難度を項目反応理論により推定した.開発システムにより,学習者のプログラミング技能やプログラムコードの困難度を判定するためのデータの収集を容易とすることができた.本システムを用いた研究室内での実験の結果,プログラム読解が困難な書き方を明らかにし,プログラミング教材を構築する際や教授法を検討する際に参考となり得る知見を得た.他,生体情報,とりわけ視線情報を活用したプログラミング学習支援ソフトウェアを構築するため,視線分析ソフトウェアEye Processorの開発を進めた.プログラミング読解過程の分析に特化させた視線分析ソフトウェアは,安価に入手可能なThe eye tribeに対応したソフトウェアである.り,プログラミング教育現場に本提案の成果を広く普及させることを目的に開発されたものである.Tobii社製X2-30とThe eye tribeでそれぞれ視線データを取得し,Eye Processorで処理を行うことで,デバイス間性能比較実験を行った.そして,プログラミング読解過程の分析に最適なソフトウェア設定を明らかにした.教育工学,社会システム工学,計算知能今後の研究の推進方策は,自学学習システムの機能拡充,生体データの収集,理解度に応じた学習支援機構開発である.ひとつに,Webベースのプログラミング学習支援システムの機能拡張である.現在実装されている機能としては,C言語の読解学習を対象としたものであるが,多言語対応させる予定である.
中枢神経回路網の修復

哺乳動物の中枢神経伝導路は、いったん形成された後は壊れることはあっても再生することはなく、ましてや神経要素を取り替えたり補充したりして神経回路網を修復することは不可能と考えられてきた.しかし,それは本当ではない.本研究は哺乳動物の中枢神経系が潜在的には著明な再生と自己組織化の能力を有し,それを顕在化させれば神経回路網をシステムとして再構築することが可能であることを以下の実験により明らかにした.新生ラットの脊髄を下部胸髄のレベルで1.52髄節切除し,その空隙に胎児ラットの相同部位を含む脊髄髄節を移植した.移植髄節は,切除した髄節と等長になるように摘出し,実験群ではそれを正常な方向に向けて移植し,対照群では吻尾方向や背腹方向を逆転して移植し,あるいは大脳皮質,小脳,末梢神経を移植したり,空隙に何も移植するとこなくそのまま放置した.実験群では移植片は宿主の脊髄断端をつないで,一つの連続した脊髄を形勢していた.形態学的,電気生理学的検索により,これらの動物では移植髄節を越えて上位脳と腰膨大の間に正常なものと区別し難い強力な神経結合ができていることが判明した.これらの動物は,また,ほとんど正常な上下肢の協調運動を示した.一方,対照群でも上位脳と腰膨大の間に神経結合は形成されたが,それは量的にも距離的にも実験群とは比較にならない程僅かであったし,それらの動物の上下肢の協調性は乏しく,その神経症状は髄節切除後何も移植しなかった例と比較して大差はなかった.本研究結果は脊髄髄節の切除によって失われた上行性・下行性脊髄伝導路が胎児の相同組織の相同部位への移植により再構築されること,そして,その再構築された神経回路が個体にとって機能的意義を有するものであることを示している.哺乳動物の中枢神経伝導路は、いったん形成された後は壊れることはあっても再生することはなく、ましてや神経要素を取り替えたり補充したりして神経回路網を修復することは不可能と考えられてきた.しかし,それは本当ではない.本研究は哺乳動物の中枢神経系が潜在的には著明な再生と自己組織化の能力を有し,それを顕在化させれば神経回路網をシステムとして再構築することが可能であることを以下の実験により明らかにした.新生ラットの脊髄を下部胸髄のレベルで1.52髄節切除し,その空隙に胎児ラットの相同部位を含む脊髄髄節を移植した.移植髄節は,切除した髄節と等長になるように摘出し,実験群ではそれを正常な方向に向けて移植し,対照群では吻尾方向や背腹方向を逆転して移植し,あるいは大脳皮質,小脳,末梢神経を移植したり,空隙に何も移植するとこなくそのまま放置した.実験群では移植片は宿主の脊髄断端をつないで,一つの連続した脊髄を形勢していた.形態学的,電気生理学的検索により,これらの動物では移植髄節を越えて上位脳と腰膨大の間に正常なものと区別し難い強力な神経結合ができていることが判明した.これらの動物は,また,ほとんど正常な上下肢の協調運動を示した.一方,対照群でも上位脳と腰膨大の間に神経結合は形成されたが,それは量的にも距離的にも実験群とは比較にならない程僅かであったし,それらの動物の上下肢の協調性は乏しく,その神経症状は髄節切除後何も移植しなかった例と比較して大差はなかった.本研究結果は脊髄髄節の切除によって失われた上行性・下行性脊髄伝導路が胎児の相同組織の相同部位への移植により再構築されること,そして,その再構築された神経回路が個体にとって機能的意義を有するものであることを示している.
肺動脈再建術（Rastelli手術）：遠隔期狭窄病変のない吸収性弁付外導管の開発

右室から肺動脈への心外導管による右室流出路再建手術(Rastelli手術)は多くの先天性心疾患の外科治療に応用されているが,遠隔期での外導管内の弁肥厚やpeel形成による狭窄の問題がある。吸収性弁材質を用いて弁付き外導管を作成し,術後急性期には弁付き外導管として弁機能の役割を果たすとともに,遠隔期には縫着弁が完全に吸収消失することにより弁なし外導管となり,遠隔期での狭窄病変の発生が防止できると同時にグラフト内面のpeel形成も抑制できるかを検討するのが,研究の目的である.本年度研究成果:吸収性シート材質の決定と加水分解の様態の検討:加水分解する材質であり,かつ,弁機能を維持できるpliabilityと右室圧に耐えられる強度を持っている材質として,ポリグラクチンを採用し,現在,手術用補填材質として市販されているVICRYLwoven mesh(Ethicon Co.)を用いる事とした.VICRYLwoven meshを弁状に成形し人工血管内に縫着,浸水テストの後に,Mock回路内で拍動流を与え,弁材質として適切か,吸収性材質の加水分解の時期,程度,その部位を検討しているところである.右室から肺動脈への心外導管による右室流出路再建手術(Rastelli手術)は多くの先天性心疾患の外科治療に応用されているが,遠隔期での外導管内の弁肥厚やpeel形成による狭窄の問題がある。吸収性弁材質を用いて弁付き外導管を作成し,術後急性期には弁付き外導管として弁機能の役割を果たすとともに,遠隔期には縫着弁が完全に吸収消失することにより弁なし外導管となり,遠隔期での狭窄病変の発生が防止できると同時にグラフト内面のpeel形成も抑制できるかを検討するのが,研究の目的である.本年度研究成果:吸収性シート材質の決定と加水分解の様態の検討:加水分解する材質であり,かつ,弁機能を維持できるpliabilityと右室圧に耐えられる強度を持っている材質として,ポリグラクチンを採用し,現在,手術用補填材質として市販されているVICRYLwoven mesh(Ethicon Co.)を用いる事とした.VICRYLwoven meshを弁状に成形し人工血管内に縫着,浸水テストの後に,Mock回路内で拍動流を与え,弁材質として適切か,吸収性材質の加水分解の時期,程度,その部位を検討しているところである.
数理計画法と確率論の融合によるアルゴリズム理論の展開について

・グラフの頂点被覆問題には、様々な一般化が個々に考えられてきた。本研究では、辺や頂点に関するこれらの被覆条件を併せもつ一般化問題を新たに導入し、劣モジュラ集合被覆アルゴリズムを拡張することで、この問題に対して多項式時間で近似率2が保証できることを示した。・グラフの木状被覆問題は、関連問題である頂点被覆や辺支配集合が、一般コストを許しても2倍近似可能であるのに対し、一様コストの場合にのみ2倍近似アルゴリズムが知られていた。本研究では、2倍以上の開きがある2種類のコストのみが許された木状被覆に対し、主双対法に基づく2倍近似アルゴリズムを開発した。・グラフの頂点被覆問題には、いくつかの2倍近似NCアルゴリズムが知られているのに対し、連結頂点被覆には、近似保証のある並列アルゴリズムが存在しない。本研究では、連結頂点被覆ならびに木状被覆に対し、2倍近似NCならびにRNCアルゴリズムを開発した。・本研究では、集合多重被覆問題に対する貪欲法を改良して近似率H(k)-1/6が保証できることを示した。・被覆型0-1整数計画問題と部分集合被覆問題に対し、高効率で純粋に組合せ的なアルゴリズムを開発し、その近似性が一般には丸め法と同等以上の性能を有し、重み付き多重被覆、部分集合被覆、および更なる一般化問題では、その性能が優っていることを示した。・重みが1とwに制限された重みつきk集合パッキング問題に対し、局所探索法の一種であるt-local searchアルゴリズムを拡張して適用し、近似率(k(k-1)^s -2)/(2(k-1)^S -2)(但し、t=2s)が保証できることを示した。・生産計画問題のひとつとして、容量つき需要-供給問題(CSD)を新たに導入し、その問題構造を解析するため、従来の劣モジュラ集合被覆問題(SSC)の部分集合に関する制約を整数ベクトルに関するものに拡張した、劣モジュラ整数被覆問題(SIC)の検討を提案した。主双対法に基づくSSCに対する近似アルゴリズムをSICに対するものに発展させ、その性能解析をCSDに適用することで、CSDのネットワーク構造のみに依存し、数値データに依存しない近似保証が得られることを示した。グラフGの頂点被覆とは、Gの各辺の端点の少なくとも一方を含んでいる頂点部分集合のことである。連結頂点被覆問題とは、求められる解が入力グラフGの頂点被覆であることに加えて、Gにおいて連結部分グラフを誘導することが要求される問題である。同様に連結辺支配集合問題(tree cover)では、それに接続する頂点の集合が頂点被覆となるような連結辺集合のうち、最小なものが求められる。いずれの問題もNP困難であり、通常の頂点被覆問題と同等以上にその近似計算が困難であることが知られている。また両問題には、頂点被覆問題と同様に、逐次型の2倍近似アルゴリズムがいくつか知られている。しかし頂点被覆問題とは異なり連結頂点被覆問題(および連結辺支配集合問題)には、近似率を保証する高速な並列アルゴリズムがこれまで与えられていない。しかも既存の逐次アルゴリズムを並列化しても、比較的多量の計算量を要する(NCではなく)RNCアルゴリズムまでしか得られない。そこで本研究では、連結頂点被覆問題ならびに連結辺支配集合問題に対する2倍近似NC(およびRNC)アルゴリズムを与える。

入力グラフがn頂点とm辺から成り、最大頂点次数がDであるとき、NCアルゴリズムはEREW-PRAM上で0(D^2(m+n)/log n)個のプロセッサーと0(log^2 n)時間を要し、一方RNCアルゴリズムの方はCRCW-PRAM上で0(m+n)個のプロセッサーと0(log n)時間(期待値)を使用するだけで、2倍近似を保証できるを示す。「アルゴリズム理論」において、「(NP困難性という)計算困難性」は由々しき問題として現存し、より大規模で広範な(離散的)問題の計算処理が必要になるにつれ、事態はより深刻である。そこで本研究では、厳密解計算に限定するといった前提をはずし、(1)対象問題のモデル化、(2)モデル上での解計算、という二段階構造をもつ設計論を、来るべきアルゴリズム論の姿ととらえ、その上で解決のせまられている諸問題から以下のテーマに絞って検討することを、その目的とする。1.線形計画緩和と半正定値計画緩和の記述能力の比較2.既存の解計算法の拡張得られた主な研究成果は以下の通りである。1.グラフの頂点被覆問題に対し、辺や頂点に関する被覆条件を併せ持つ一般化問題を新たに導入し、劣モジュラ集合被覆アルゴリズムを拡張することで、この問題に対する近似度2を多項式時間内で保証できることを示した。2.2倍以上の開きがある2種類のコストのみが許されているグラフの木状被覆問題に対し、主双対法に基づく2倍近似アルゴリズムを開発した。3.集合多重被覆問題に対する貧欲法を改良し、同問題に対し近似度H(k)-1/6を多項式時間内に保証できることを示した。4.被覆型0-1整数計画問題と部分集合問題、およびそれらの特別な場合に対し、高効率で純粋に組合せ的な近似アルゴリズムを設計した。丸め法を用いて得られる最良結果と比較し、その近似性能は一般には同等以上であり、重みつき多重被覆、部分集合被覆、および更なる一般化では、その性能が優ることを示した。5.部分集合の重みが2種類に限定された集合充填問題に対し、重みなしの場合に有効であることが知られていた局所探索法を拡張し、その近似度が重みなしの場合に得られるものと一致することを示した。6.生産計画問題のひとつとして容量つき需要供給問題(CSD)を新たに導入し、その構造解析のため、従来の劣モジュラ集合被覆を劣モジュラ整数被覆に拡張した。同時に主双対法に基づく近似アルゴリズムを発展させ、CSDに対し数値データに依存しない近似度の得られることを示した。
家畜遺伝資源の保全に関する理論研究とデータベースの構築

本プロジェクトから得られた主な結果は次の4点である。1.日本の和牛の原型である見島牛の近交係数は現在30%を超えておりきわめて近交の進んだ状況にあることが示唆され、さらに100年以上にわたり完全に島内に隔離されていたことも考慮すると50%を超えている可能性が指摘された。2.昭和初期から現在に至るまでの黒毛和種の発育様相の変遷が調べた結果、成熟体重に関しては昭和初期から現在に至るまでに大幅に大型化しているが、成熟速度に関しては一時期晩熟化したが、最近になって早熟化する傾向にあることが実証された。3.世代の重複する家畜集団において遺伝的多様性を最大に維持する選抜方法を検討した。この研究においては、次世代の平均血縁係数を最小にする選抜方法と長期にわたる血縁係数を最小にする選抜方法が提唱され、いずれも無作為選抜の場合よりも集団の有効な大きさは2、3倍に拡大できることが示された。4.集団の有効な大きさの推定法について理論面から検討した結果、集団の有効な大きさは、世代当たりの近交係数の上昇量や遺伝的多様性の低下量と反比例する関係にあり、遺伝資源の保存にあたっては最も重要なパラメータであった。動物集団に固有の繁殖構造を想定し、このパラメータを野外調査から得られる個体数などのデータから推定する方法が開発された。最後に、最小血縁交配による最適な雄および雌の組み合わせを決定する手法として、シミュレーティド・アニーリングを用いた最適化プログラムの構築を行った。さらに、生産現場での血統情報の管理、交配シミュレーション等をGUIベースで実行可能なWindowsアプリケーションの構築を行った。以上の結果はすでに報告書としてまとめた。本研究では、家畜の遺伝資源の保全に関する問題に対して、理論研究と実証的研究の両面からアプローチを行なった。理論研究としては、第1に、遺伝的多様性を最大に保つための最小血縁選抜(MCS)を、重複世代をもつ集団に適用できるように改良した。性および年齢クラスの重み付け係数として、集団の遺伝的多様性を長期的に最大に保つための係数(WLT)および次年の遺伝的多様性を最大化する係数(W1)を導き、WLTおよびW1を用いたMCSをランダム選抜(RS)とコンピュータシミュレーションにより比較した。設定した条件下での50年後の集団の平均共祖係数は、RSとMCSの下で、それぞれ35.1%と15.2%であり、MCSのほうが高い遺伝的多様性を保つことか示された。第2に遺伝資源集団の繁殖能力を改良するための種畜評価法である制限付き最良線形不偏予測法(RBLUP法)における混合モデル方程式を代数的に簡略化して解く方法を開発した。この方法は従来の方法に比べ、コンピュータの必要記憶容量を1/10以下に縮減させることが可能であった。また、演算速度を1/40以下に短縮することが可能となった。この方法を用いることにより、遺伝資源集団における繁殖性を改良するための種畜評価やコンピュータシミユレーションによる計算が可能になった。他方、実証的研究としては、わが国の在来家畜である見島牛を対象に、血統データから近交係数を推定し、現集団の近交係数は、0.3を越えており、次世代の近交を最大に回避するように交配したとしても近交係数を0.23以下にすることは困難であることを示した。さらに、本研究で開発した理論についてコンピュータの初心者でも簡単に操作できるGUIベースのWINDOWSアプリケーションを開発中である。本研究は、家畜の遺伝資源の保全について、理論的研究と実証的研究の両面から検討した。本年度は、理論研究として、第1に家畜の遺伝資源集団の特性を維持しながら繁殖形質を選抜するための制限付きBLUP(R-BLUP)法の代数学および幾何学的特性を明らかにした。これまでRBLUP法には遺伝的改良量に対する単一の評価基準が示されていなかったが、本研究の結果、RBVを選抜反応の評価基準とすることで,家畜遺伝資源集団の選抜に対する評価を容易に行えることが明らかとなった。第2に、家禽類の系統維持の選抜・交配システムを検討し、各ケージ内から雄1羽と雌n羽をランダムに選び、かつ雄をきょうだい間の交配を避けるように配置する方法が、最も低く近交を抑えられることを理論的に証明した。実証研究としては、第3に昭和初期から現代までの和牛の発育様相を成長曲線式で表し、これまでの改良と選抜の歴史と重ね合わせながら、和牛の改良の足跡を辿った。その結果、体重に関しては、昭和初期から現在までに約1.5倍に増加しており、さらに、ここ20年の間に、成熟速度の改良が進み、早熟になっていることが示された。また、未改良種のころの和牛の姿を残し、小集団ながら長期にわたり選抜されることなく、保全されてきた見島牛の発育を成長曲線に当てはめ、成熟時体重はわずかに250kg程度であることを示した。ソフトウエア開発としては、最小血縁交配における最適組み合わせを求めるWindowsプログラムをVisual C#.net2003を用いて作成した。具体的には所与の対象個体間の交配から期待される次世代の近交係数の集団平均値を最小とするような最適な交配組み合わせを求める最小血縁交配法に、最適化問題の解法のひとつである整数計画法を用い、Simplex Methodで得られる厳密解とシミュレーテッド・アニーリング法で得られる準最適解について、兵庫県家畜改良センターブロイラー系統のデータを用いて検討を行った。

1.日本の和牛の原型である見島牛の近交係数は現在30%を超えておりきわめて近交の進んだ状況にあることが示唆され、さらに100年以上にわたり完全に島内に隔離されていたことも考慮すると50%を超えている可能性が指摘された。2.昭和初期から現在に至るまでの黒毛和種の発育様相の変遷が調べた結果、成熟体重に関しては昭和初期から現在に至るまでに大幅に大型化しているが、成熟速度に関しては一時期晩熟化したが、最近になって早熟化する傾向にあることが実証された。3.世代の重複する家畜集団において遺伝的多様性を最大に維持する選抜方法を検討した。この研究においては、次世代の平均血縁係数を最小にする選抜方法と長期にわたる血縁係数を最小にする選抜方法が提唱され、いずれも無作為選抜の場合よりも集団の有効な大きさは2、3倍に拡大できることが示された。4.集団の有効な大きさの推定法について理論面から検討した結果、集団の有効な大きさは、世代当たりの近交係数の上昇量や遺伝的多様性の低下量と反比例する関係にあり、遺伝資源の保存にあたっては最も重要なパラメータであった。動物集団に固有の繁殖構造を想定し、このパラメータを野外調査から得られる個体数などのデータから推定する方法が開発された。最後に、最小血縁交配による最適な雄および雌の組み合わせを決定する手法として、シミュレーティド・アニーリングを用いた最適化プログラムの構築を行った。さらに、生産現場での血統情報の管理、交配シミュレーション等をGUIベースで実行可能なWindowsアプリケーションの構築を行った。以上の結果はすでに報告書としてまとめた。
核融合プラズマ新古典・乱流輸送に対する予測性能の高度化

変分原理(ジャイロ運動論的場の理論)に基づき、イオン熱速度程度のトロイダルフローの存在する軸対称トーラスプラズマにおける粒子分布関数と電磁場の支配方程式を導き、拡張されたネーターの定理を用いて衝突の効果を含めた場合の粒子・熱・運動量保存則を導き、それらの保存則には、従来の古典・新古典および乱流輸送フラックスが含まれていることを示した。また新たに非軸対称トーラス系を含む一般的な磁場配位に対するドリフト運動論的方程式が満足する運動量保存則を変分原理により導出した。LHDにおける多イオン種プラズマ中の不純物イオン粒子輸送過程を新古典輸送シミュレーションにより調べた。準線形ジャイロ運動論解析による不純物イオンの乱流粒子輸送は小半径方向内向きであるが、十分大きな外部モーメンタムソースが存在すると、両極性粒子拡散条件により、正の小半径方向電場(電子ルート)が生じ、不純物イオンの新古典粒子輸送が、小半径方向外向きになることが明らかになった。イオン温度勾配(ITG)モードが不安定な高イオン温度LHDプラズマに対して、運動論的電子の効果を含めた非線形ジャイロ運動論的シミュレーションを実行し、乱流イオン熱拡散係数を計算した。捕捉電子の効果のため、周辺領域において、ゾーナルフローの減衰時間が減少し、乱流イオン熱輸送は増加することが確認された。乱流イオン熱拡散係数を求めるための計算コストを減らすため、ITGモードの線形不安定解析とゾーナルフローの線形応答解析の結果を用いた乱流イオン熱拡散係数の簡約化モデルを、運動論的電子の効果を含めた場合に拡張した。変分原理に基づく衝突・乱流輸送理論の定式化が進展するとともに、LHDにおける不純物輸送に対する外部モーメンタムトルクの効果の解析がなされ、不純物輸送に関する新たな知見が得られた。また、ヘリカルプラズマにおける運動論的電子効果を含んだジャイロ運動論的解析に基づき、乱流イオン熱拡散係数に対する簡約化モデルの拡張が進められた。非軸対称トーラス系を含む一般的な磁場配位に対する運動論的方程式が満足する運動量保存則の変分原理による導出をドリフト運動論からジャイロ運動論の場合まで拡張を行う。統合輸送コードへ適用するため、ジャイロ運動論的シミュレーション結果に基づく輸送モデルの拡張を進め、線形および準線形理論やゾーナルフロー応答解析を利用することによるイオンおよび電子熱輸送や粒子輸送の高速計算手法の構築と拡張を目指す。両極性粒子拡散条件に対して、外部トルクによる電流の効果を新たに考慮することによって、不純物イオンを含む多種イオンおよび電子の新古典・乱流輸送シミュレーションとLHD等の実験結果との定量的比較をさらに進展させ、不純物輸送やイオン同位体効果の物理機構の理解を深める。ヘリカル系プラズマにおける新古典輸送に大きな影響を与えるExBドリフトや磁気勾配ドリフトの磁気面接線方向成分を考慮し、シミュレーション時間の短縮に適した保存形局所近似ドリフト運動論的方程式を新たに導出した。高速のトロイダル流が存在するトーラスプラズマにおける古典・新古典・乱流輸送を記述するジャイロ運動論に対する新しい定式化を行った。LHDやW7X等のヘリカル磁場配位に対して、幾つかの異なる局所近似モデルを用いた新古典輸送シミュレーションを行い、新古典輸送に対するExBドリフトの効果や各モデルの妥当性を明らかにした。また、高精度の局所近似モデルを用いた新古典輸送シミュレーションにより、LHD型ヘリカル炉FFHR-d1におけるブートストラップ電流分布を予測することに成功した。LHDのようなヘリカル磁場配位およびトカマク配位における捕捉電子不安定モード(TEM)に対する水素イオン同位体効果を調べ、衝突によるTEMの安定化およびTEM乱流輸送の抑制が、軽水素に比べて重水素プラズマにおいてより効果的に起こることを明らかにした。JT-60UトカマクやLHD・ヘリオトロンJ等のヘリカル型装置における乱流輸送の解析を行い、それぞれの磁場配位における不安定モード構造やゾーナルフロー生成の差異を明らかにした。複数イオン種(水素・ヘリウム・炭素)と電子からなるLHDプラズマに対して線形ジャイロ運動論的シミュレーションを実行し、得られた線形成長率と混合長理論を用いてイオン熱輸送係数の評価を行い、ヘリウム濃度の高い場合にイオン熱輸送が小さくなるという実験結果と一致する傾向が確認された。LHDプラズマにおけるイオン温度勾配(ITG)乱流のジャイロ運動論的シミュレーション結果に基づくイオン熱輸送係数モデルの拡張を行うことにより、運動論的電子の効果を取り入れた。シミュレーションに適した保存形局所近似ドリフト運動論的方程式の導出や古典・新古典・乱流輸送を記述するジャイロ運動論に対す定式化に新たに成功し、局所モデルに基づく新古典輸送シミュレーションの妥当性の定量的検証やヘリカル炉ブートストラップ電流計算への応用等、計画に沿った成果が得られた。また、多種イオンプラズマ用に拡張されたジャイロ運動論コードを用いて、LHDやJT-60U等のヘリカル・トカマク装置におけるイオン温度勾配(ITG)・捕捉電子モード(TEM)乱流輸送の解析がなされ、シミュレーションと実験結果との定量的比較や多種イオン・同位体効果・ゾーナルフロー等の物理機構解明に関する研究が進展した。さらに、ジャイロ運動論的シミュレーション結果に基づくイオン熱輸送係数モデルの拡張も進められた。

LHDにおける多イオン種プラズマ中の不純物イオン粒子輸送過程を新古典輸送シミュレーションにより調べた。準線形ジャイロ運動論解析による不純物イオンの乱流粒子輸送は小半径方向内向きであるが、十分大きな外部モーメンタムソースが存在すると、両極性粒子拡散条件により、正の小半径方向電場(電子ルート)が生じ、不純物イオンの新古典粒子輸送が、小半径方向外向きになることが明らかになった。イオン温度勾配(ITG)モードが不安定な高イオン温度LHDプラズマに対して、運動論的電子の効果を含めた非線形ジャイロ運動論的シミュレーションを実行し、乱流イオン熱拡散係数を計算した。捕捉電子の効果のため、周辺領域において、ゾーナルフローの減衰時間が減少し、乱流イオン熱輸送は増加することが確認された。乱流イオン熱拡散係数を求めるための計算コストを減らすため、ITGモードの線形不安定解析とゾーナルフローの線形応答解析の結果を用いた乱流イオン熱拡散係数の簡約化モデルを、運動論的電子の効果を含めた場合に拡張した。変分原理に基づく衝突・乱流輸送理論の定式化が進展するとともに、LHDにおける不純物輸送に対する外部モーメンタムトルクの効果の解析がなされ、不純物輸送に関する新たな知見が得られた。また、ヘリカルプラズマにおける運動論的電子効果を含んだジャイロ運動論的解析に基づき、乱流イオン熱拡散係数に対する簡約化モデルの拡張が進められた。3次元トーラス磁場配位における粒子・熱・運動量の新古典・乱流輸送を取り扱うドリフト・ジャイロ運動論モデルやシミュレーションコードの更なる精密化や拡張を進める。LHD等の実験装置における不純物イオンを含む多種イオンおよび電子の新古典・乱流輸送シミュレーションを実行し、密度・温度・電場分布に関する実験結果とシミュレーション結果との定量的比較を行い、理論モデルやシミュレーションコードの検証を進める。さらに、イオン熱輸送のみならず電子熱輸送や粒子輸送のモデルを構築し統合輸送コードへ適用するため、ジャイロ運動論的シミュレーション結果に基づく輸送モデルの拡張を進める。また、重要な研究課題として不純物輸送やイオン同位体効果の物理機構解明やその予測精度の向上を目指す。非軸対称トーラス系を含む一般的な磁場配位に対する運動論的方程式が満足する運動量保存則の変分原理による導出をドリフト運動論からジャイロ運動論の場合まで拡張を行う。統合輸送コードへ適用するため、ジャイロ運動論的シミュレーション結果に基づく輸送モデルの拡張を進め、線形および準線形理論やゾーナルフロー応答解析を利用することによるイオンおよび電子熱輸送や粒子輸送の高速計算手法の構築と拡張を目指す。両極性粒子拡散条件に対して、外部トルクによる電流の効果を新たに考慮することによって、不純物イオンを含む多種イオンおよび電子の新古典・乱流輸送シミュレーションとLHD等の実験結果との定量的比較をさらに進展させ、不純物輸送やイオン同位体効果の物理機構の理解を深める。
地盤環境改善のための高精度自然電位測定法の開発

地下水流動に伴う電荷移動に起因して発生する流動電位に着目して,地盤環境の大きな要素である浸透流の状況調査への応用について実証試験を行った。砂カラムを用いた定常浸透実験により,下流側が上流側より高電位になり,動水勾配にほぼ比例する流動電位が発生することを確認した。地下水の集中と斜面崩壊の関係,対策工による流動の変化を流動電位発生状況から検討するため,地すべり対策として広く実施されている地下水排除工の施工前後に自然電位探査を実施し,データをGIS化して比較を行った。試験地は火砕流堆積物台地にあり,2003年5月の地すべり発生後(12月)と2004年3月に地下水排除工が施工された後の5月に自然電位分布を解析した。施工前は後背地が崩壊部より低電位であることから,崩壊部へ向かう浸透流があったことが示唆された。施工後は集水ボーリング敷設範囲で電位が低下したことから,深度10mの集水ボーリングへ向かうように浸透状況が変化し,自然電位分布に反映したことが考えられた。このことは,扇状に配置された集水ボーリングのうち排水量の多い管の位置,試験地で測定している間隙水圧や地下水位の低下,また,地表の湛水の解消などの現地状況と整合的であった。地下水排除工の施工によって,集水ボーリングへ向かうように地下水の流れが変わり,斜面の安定性を高める効果が発現したと考えられる。浸透状況の簡便な調査法として自然電位測定が有効であることが明らかになった。土壌カラム内部の直流電位差を任意の一定値に保つように制御可能な試験装置を製作した。カラム中央にネコブセンチュウを放虫し,電位による密度の変化を調べる実験では,生息密度が変化する傾向が見られた。農地の作土層における自然電位の高精度・能率的な測定方法を開発するために,農業工学研究所内および所外に試験地を設定して直流自然電位,交流雑音スペクトルならびに非分極性電極の接地インピーダンスなどの測定を行った。この結果に基づいて,自然電位測定器の諸元を決定して試作を行った。茨城県真壁町足尾山では交流雑音電圧は60mVpp以下と小さく,自然電位と同程度のレベルであったが,水田(友部町)では50Hzにピークをもつ0.5Vpp以上の波形が観測された。土浦市内の工業団地近くでは自然電位は0.3Vと高かったが,50Hzにピークをもつ0.6Vpp以上の交流が観測された。自然電位測定器はノイズ成分によって飽和しないダイナミックレンジと,50Hz成分を十分に除去するフィルター機能が必要であることがわかった。石膏と塩化鉛を溶解した飽和食塩水を用いた非分極性電極の接地インピーダンスをLCRメータを用いて測定した。水田では570920Ωで,地表に打ち込んだ銅棒電極より23倍大きかった。高萩市のマサ土地帯の造成採草地では24004900Ωで,銅棒の2倍程度だった。農業工学研究所内のローム土の畑では表土の含水比の変化によって6002000Ωで変化した。保水性の小さいマサ土などは,夏期の乾燥時には接地インピーダンスがさらに大きくなることが予想される。接地インピーダンスの影響を受けにくくし,雑音成分を除去するために,BiMOSFETオペアンプを増幅器に使用し,カット周波数12Hzのローパスフィルターを備えた測定器を製作した。石膏層の透水性を低くし,不飽和状態で使用することによって内部液の漏出量を減らして使いやすくした非分極性電極を試作した。北上山系での測定では自然電位に2025m周期の変動があり,測定間隔は5m以下が必要だった。自然電位の現地測定における電位基準点位置の影響、地表電位と地中電位との比較、ならびに、電位分布の表示法、調査結果のGIS化について検討を行い、現地試験に適用した。固定した電位基準点に対する相対電位差として測定する場合は、基準点の位置を変えると基準点間の電位差に従って測定値が変化する。従って、自然電位の分布を調べる場合には基準点は任意に設定してよいことが明らかになった。全測定値の平均値に対する偏差として測定値を表示すると基準点電位の影響が出ない。測点で2方向の電位勾配を測定して電位勾配ベクトルを求める方法は、固定基準点を用いないので電線の展開が不要であり能率的である。地下1mの電位分布は地表と同様であった。電解液の漏出を防ぐ石膏非分極性電極は電位が平衡に達する時間が短く、有効であった。野外で格子状測点を配置せずに任意点で測定するために、DGPSによる測位を併用するシステム化を行った。中波ビーコンで補正することでマッピングに十分な1m以下の測位精度が得られ、1日に100点程度の測定を行うことができた。測定結果をGIS化することにより、現況地形、空中写真、原地形、切盛土厚、地目などの情報と一体的な対比を容易に行えるようになった。火山灰土地帯(茨城県)、風化花崗岩地帯(茨城県)ならびに火砕流堆積物地帯(宮城県)の畑地で現地適用試験を実施した。自然電位分布は造成前の地形との関連が見られ、地下水の流動電位の影響が示唆されるが、旧尾根部でありながら現在湿潤状態が見られる個所が高電位が見られた。実験容器内で電位を発生させるために、電位差基準型電流制御法による実験装置の試作を行った。

地下水流動に伴う電荷移動に起因して発生する流動電位に着目して,地盤環境の大きな要素である浸透流の状況調査への応用について実証試験を行った。砂カラムを用いた定常浸透実験により,下流側が上流側より高電位になり,動水勾配にほぼ比例する流動電位が発生することを確認した。地下水の集中と斜面崩壊の関係,対策工による流動の変化を流動電位発生状況から検討するため,地すべり対策として広く実施されている地下水排除工の施工前後に自然電位探査を実施し,データをGIS化して比較を行った。試験地は火砕流堆積物台地にあり,2003年5月の地すべり発生後(12月)と2004年3月に地下水排除工が施工された後の5月に自然電位分布を解析した。施工前は後背地が崩壊部より低電位であることから,崩壊部へ向かう浸透流があったことが示唆された。施工後は集水ボーリング敷設範囲で電位が低下したことから,深度10mの集水ボーリングへ向かうように浸透状況が変化し,自然電位分布に反映したことが考えられた。このことは,扇状に配置された集水ボーリングのうち排水量の多い管の位置,試験地で測定している間隙水圧や地下水位の低下,また,地表の湛水の解消などの現地状況と整合的であった。地下水排除工の施工によって,集水ボーリングへ向かうように地下水の流れが変わり,斜面の安定性を高める効果が発現したと考えられる。浸透状況の簡便な調査法として自然電位測定が有効であることが明らかになった。土壌カラム内部の直流電位差を任意の一定値に保つように制御可能な試験装置を製作した。カラム中央にネコブセンチュウを放虫し,電位による密度の変化を調べる実験では,生息密度が変化する傾向が見られた。
低誘電率・低熱膨張・高透明性を併せ持つ耐熱ポリマーの開発と電子デバイスへの応用

本研究においてポリイミドの要求特性を達成するために重要なキーモノマーである、新規な脂環式1,3-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(DMCBDA)の合成条件を検討し、シトラコン酸無水物の光二量化より高純度体を合成した。これと2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine(TFMB)を等モル重付加反応・キャスト製膜・熱イミド化工程を経由することで2,60以下の低誘電率、30ppm/K以下の低線熱膨張係数、300°C以上のガラス転移温度を同時に満足する新規な透明ポリイミドを開発した。更にジアミン成分としてTFMBの代わりにトランス-1,4-シクロヘキサンジアミンを使用して重合を行ったところ、重合初期に塩形成が見られたものの、徐々に溶解していき、重合することに成功し、これを熱イミド化して全脂環式ポリイミドを得た。このポリイミドも低誘電率と低熱膨張係数を同時に達成した。しかしこれらのポリイミドは有機溶媒に殆ど溶解性を示さなかった。そこでこのポリイミド系の低誘電率および低線熱膨張特性を損なうことなく溶液加工性および膜靭性を同時に改善するため、新規な屈曲性脂環式テトラカルボン酸二無水物および屈曲性芳香族ジアミンを共重合成分として少量用いて4元共重合体を合成した。もくろみどおり得られた脂環式ポリイミドはDMAc、NMP、DMSO、γ-ブチロラクトンおよびいくつかのケトン系溶媒に高い溶解性を示した。具体的な製造方法としては、ポリイミド前駆体の重合溶液に化学イミド化剤を投入後、室温で撹搾することでイミド化を完結させて均一なポリイミド溶液とし、これをキャスト製膜するという方法を確立した。得られたポリイミドフィルムは無色透明でしかも2.65以下の低誘電率、300°C以上のガラス転移温度に加え、25ppm/K以下の低線熱膨張係数も同時に達成した。従来の低熱膨張性ポリイミド系ではポリイミド前駆体をイミド化する過程で自発的に面内配向が誘発されることが知られていたが、本系のようにイミド化反応を経由することなく、単にキャスト製膜するだけで高度な面内配向が誘起され、その結果として低線熱膨張係数が発現されるという現象はこれまで報告されていない。このように本研究は上記のような優れた膜特性および溶液加工性を兼ね備えた従来にない新規な耐熱絶縁材料を提供するものであり、特に集積回路の層間絶縁膜等への適用が期待される。

1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(CBDA)とtrans-1,4-ジアミノシクロヘキサン(CHDA)からなる全脂環式ポリイミド、CBDA/CHDAは低誘電率・低熱膨張・高透明性を同時に示すが、ポリイミド前駆体(ポリアミド酸)重合時の強い塩形成を回避するため、高価なシリル化剤やヘキサメチルホスホルアミドのような有毒な重合溶媒を用いる必要があり、この点で工業的に重大な問題があった。そこで本研究では、CBDAに2つのメチル基を導入した1,3-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(DMCBDA)をシトラコン酸無水物の光二量化より合成し、これとCHDAより新しいタイプの高重合度全脂環式ポリイミドを得ることができた。この系では前述のCBDA/CHDA系とは異なり、ポリアミド酸重合時に高価なシリル化剤や高価で有毒なヘキサメチルホスホルアミドを使用しなくても、容易に高重合体が得られるという点で、上記の問題を解消した。現在、ポリアミド酸重合条件および熱イミド化条件の最適化を行っているが、ポリイミドフィルム特性の評価を行ったころところ、全脂環式DMCBDA/CHDAポリイミド膜は極めて透明で、更に極めて低い誘電率(2.61)、比較的低い線熱膨張係数(42ppm/K)、高ガラス転移温度(360°C)と優れた特性を示した。また、CHDAの代わりにフッ素化ジアミンTFMBを用いた場合においても、同様に重合時の問題は全く無く、高透明性、極めて低い誘電率(2.59)、低い線熱膨張係数(27ppm/K)、高ガラス転移温度(341°C)と優れた特性を示し、第一段階として掲げた目標特性をほぼ達成することができた。本研究では、1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(CBDA)上に2つのメチル基を導入した1,3-ジメチル-1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(DMCBDA)をシトラコン酸無水物の光二量化より合成し、これとtrans-1,4-ジアミノシクロヘキサン(CHDA)あるいは2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine(TFMB)より新しいタイプの高重合度全脂環式または半脂環式ポリイミドを得ることができた。ポリアミド酸重合時に通常の反応条件で容易に高重合体が得ることが可能であった。ポリイミド前駆体の熱イミド化条件の最適化を行い、得られた上記半脂環式ポリイミドフィルムは極めて透明・強靭であり、しかも極めて低い誘電率(2.29)、比較的低い線熱膨張係数(27ppm/K)、高ガラス転移温度(341°C)と優れた特性を示した。更に新規なエステル基含有脂環式酸二無水物を共重合成分として部分的に使用して、上記脂環式ポリイミドの改質を試みたところ、NMP等の汎用溶媒に対する溶解性を付与することに成功した。現在CBDA上の2つの置換基を含フッ素基に置き換えたモノマーおよび置換基を更に増やしたモノマーの光合成(置換マレイン酸誘導体の2量化反応)に成功した段階である。次年度はこれらの新規なモノマーを用いて脂環式ポリイミドを重合し、膜物性を評価する予定である。また、別のアプローチとして、低熱膨張係数と低吸水率を同時に満たす新規な耐熱材料であるポリエステルイミドの開発にも成功した。このように平成17年度の目標をほぼ達成することができた。1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(CBDA)上に2つのメチル基を導入した1,3-ジメチルー1,2,3,4-シクロブタンテトラカルボン酸二無水物(DMCBDA)をシトラコン酸無水物の光二量化より合成し、これと2,2'-bis(trifluoromethyl)benzidine(TFMB)を等モル重付加反応・キャスト製膜・熱イミド化工程を経由することで2,60以下の低誘電率、30ppm/K以下の低線熱膨張係数、300°C以上のガラス転移温度を同時に満足する新規な透明ポリイミドを開発した。