hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
テラヘルツ光における波面計測の確立とトポロジカル光波への展開

本研究の目的は、光渦の未踏領域であったテラヘルツ領域における高効率光渦発生である。テラヘルツ領域において、高透過および屈折率周波数分散の非常に小さな樹脂を用いてテラヘルツ用螺旋型位相板を開発した。これを周波数可変テラヘルツ光源に応用することでテラヘルツ光渦の発生に成功した。また、光渦の次数および符号についてもテラヘルツカメラを用いた測定において特定できた。本研究の目的は、これまで前例がないテラヘルツ領域での波面計測法の確立および世界初の単色テラヘルツ光渦の発生を行う事である。光渦とは、位相特異点に由来する軌道角運動量とドーナツ状の強度分布を有し、波面が螺旋形状を示す光波の総称である。光渦の応用範囲は高速通信・光トラッピング・高解像顕微鏡と広範囲であり、金属表面に照射するだけでナノオーダーの尖鋭な針状構造体が生成出来ることも本研究グループにより明らかになっている。本年度はこれまで実現できていなかったテラヘルツ光渦の発生のため、1.高品質テラヘルツ光源の開発、2.テラヘルツ用位相板の設計・試作、を目標とした。はじめに、申請者がこれまでに開発を行ってきた高繰返し単色テラヘルツ光源の空間モードプロファイルの最適化を行った。変換素子を用いてテラヘルツ光を光渦に変換する場合、光渦の空間モードプロファイルは元のテラヘルツ光に大きく起因する事になる。よって空間モードプロファイルの綺麗なテラヘルツ光の発生はテラヘルツ光渦発生には必要不可欠である。本研究では差周波発生を用いてテラヘルツ光を発生させる手法を用いているため、励起2波長光の空間ビームプロファイルの改善を行う事で、ガウシアン形状の単色テラヘルツ光の発生を実現した。次に、テラヘルツ用の位相板として、連続型螺旋位相板の設計および試作を行った。開発した単色テラヘルツ光源と連続型螺旋位相板を用いて、テラヘルツ光渦の発生を行い、位相特異点の確認に成功した。しかしながら、光渦の純度についてはまだ測定できていないため、光源の高出力化と共に定量化を今後試みる予定である。本研究の目的は、開発した連続型螺旋位相板をもちいて簡便にテラヘルツ光渦の発生を行いテラヘルツ領域での波面計測法の確立を行う事である。テラヘルツ用連続型位相板の材料には、テラヘルツ領域において透明かつ加工が簡便な樹脂材料Tsurupicaを使用した。他の材料に比べてテラヘルツ領域での透過率が高く、可視光にたいしても同様に透明である。また、テラヘルツ領域可視光領域において屈折率分散が非常に少ないという特徴を有している。連続螺旋型位相板を用いてテラヘルツガウス光を光渦へと変換する際のモード解析シミュレーションを行った。中心周波数において光渦次数m=1となるように位相板を設計した場合、位相板の加工誤差が生じた場合でも±10%以内であれば発生するテラヘルツ光渦の変換効率は70%以上であることがわかった。開発を行った連続型位相板の段差厚みは290um(中心周波数2THz、m=1で設計)であるが、加工誤差は±3umと波長の1%以下となっており非常に高効率なテラヘルツ光渦モード変換が可能である事がわかる。位相板の性能を定量的に評価するため単色テラヘルツ光源を用いて実験を行い、光渦特有の位相特異点を観測した。テラヘルツカメラへの集光レンズを傾けることで光渦の円筒座標系の対称性を崩し、光渦の次数をカメラで直接観測できた。さらに、テラヘルツ光渦の空間伝播を観測(空間的に一部を遮蔽し、その開口部の回転方向を確認)することにより光渦次数の符号についてもテラヘルツカメラにて観測可能であった。本研究は、これまで実現できなかったテラヘルツ光における高効率・高出力光渦の発生を実現し、トポロジカル-テラフォトニクスという新領域開拓を目的としている。前年度は、テラヘルツ光だけでなく光領域(可視近赤外)においても透明な樹脂材料(Tsurupica樹脂)を用いてテラヘルツ用高効率位相板の作成を行い単色テラヘルツ光源に応用することでテラヘルツ光渦の高効率発生に成功した。本年度は、このテラヘルツ用位相板を用いて高出力テラヘルツ光渦の発生を主目的に研究推進を図った。開発したテラヘルツ用位相板を、パルス面傾斜励起によるLiNbO3結晶を用いた高出力テラヘルツ光源に適用した。位相板に用いているTsurupica樹脂はテラヘルツ領域において屈折率周波数分散が非常に小さくほぼ一定であることから、広帯域テラヘルツ光源に対しても本位相板が十分に応用できることをモード解析シミュレーションおよび実験の両面から実証した。得られた高出力テラヘルツ光渦は平均出力2mWを超えており、位相特異点に由来する光渦の特徴であるドーナツ型の強度分布もテラヘルツカメラを用いて確認した。高出力テラヘルツ光渦発生に成功したことから、テラヘルツ光渦を用いた非線形現象へと応用することでテラヘルツ領域における超高解像顕微鏡への開発が大きく期待できる。

また、光渦の次数および符号についてもテラヘルツカメラを用いた測定において特定できた。テラヘルツ光ビームの高品質・高出力化をはかった。テラヘルツ出力は、昨年度い比べて2桁向上し平均出力約0.1mW(繰り返し周波数1MHz)を達成した。これは、励起レーザーおよび1.5um帯励起2波長光源の高出力化およびビームプロファイルの高品質化により実現したものである。また設計したテラヘルツ用連続型位相板には、テラヘルツ領域において屈折率分散が非常に小さい事から設計周波数以外にも使用できる事がシミュレーションより導き出され、実験的にも確認する事が出来た。今回開発した位相板は2THz用であるが、4THz、6THzでも使用可能である。変換された光渦の純度は低下するが、4THz(m=2)および6THz(m=3)のテラヘルツ光渦の変換効率はそれぞれ50%、<30%となり十分に使用可能である。量子エレクトロニクス開発したテラヘルツ用位相板を用いたテラヘルツ光渦発生実験において、光渦特有のドーナツ型の強度分布観測、次数観測、符号判別をテラヘルツカメラを用いて直接観測することができた。次年度以降は、光渦の純度についてモード解析をさらに進め追及する予定である。実験については、テラヘルツ領域における非線形応答を目指してテラヘルツ光の更なる高出力化を行う予定である。テラヘルツ光ビームの高品質化を図るため、差周波テラヘルツ発生用の1.5μm帯励起2波長光源の改善を行った。用いている非線形光学結晶に高品質プロファイルを有したシード光を同軸に入射する事で、励起2波長光のプロファイル向上を実現した。結果として、発生したテラヘルツ光のビーム品質が向上し、ほぼ回折限界までテラヘルツ光を集光する事に成功した。テラヘルツ用位相板については、可視近赤外で用いられている様なステップ型の物とは異なり連続的に厚みが変化する形状に設計し、試作を行った。テラヘルツ用位相板は、その長い波長領域に起因して機械加工でしか実現できないが、高確度な作成に成功しその誤差は±1%以内である。次年度以降は、発生したテラヘルツ光渦の純度について測定を行う予定である。このためにも、単色テラヘルツ光源のさらなる高出力化は必須条件であり励起2波長光源の最適化を行う。また、光渦特有のドーナツ型の強度分布の観測や、ビーム伝搬、次数の特定などの測定を行い、テラヘルツ用連続型位相板の設計にフィードバックを掛けながら再設計・試作を行う予定である。
大腸癌移行帯粘膜における血管新生に関する研究

大腸癌周囲の血管新生数は癌の悪性度と良く相関する事が報告されている。我々は大腸癌移行帯粘膜の血管構築の変化に注目して、血管構築に関わるサトカインの発現を移行帯粘膜で組織レベルで検討し、その機序を解明することを目的として移行帯の血管新生を測定する事を行う。血管新生の指標はIV型コラーゲン、抗ヒト第VIII因子関連抗原(von Willebrand因子)を免疫染色し、形態学的変化をmicrovascular corrosion castingで観察する。粘液組成の指標はHI-DAB染色で観察し、血管新生に関わるサイトカインとしてはTGF-β、PD-ECGF、VEGF、FGFを検討する。増殖能の指標としてPCNA、KI-67を検討する。今年は基礎的検討として移行帯のHI-DAB染色と増殖能解析をヒト大腸癌組織で検討した。19例のヒト大腸癌では背景粘膜ではsulphomucin優位型が9割見られるが、移行帯粘膜では5割程度であり、sialomucin優位型が多くなっていた。増殖能との関係では単位crypt当りのPCNA陽性細胞数はsiolomucin優位型で10.2±2.1個、sulphomucin優位型で7.2±1.7個で粘液組成の変化により、増殖能も変化する傾向が見られた。現在、新生血管及びサイトカインとの関連を検討中である。
仮想う蝕歯を用いたフォスフォフォリン改変型担体による歯髄保存療法の開発

新鮮なブタ下顎骨から歯を抜去し、歯髄、歯根膜等の軟組織を除去後、凍結粉砕することで象牙質粉を獲得した。洗浄、脱灰、透析、カルシウム沈殿、DEAEカラムクロマトグラフィー、リン酸分析等の工程を経てフォスフォフォリンを抽出した。得られたフォスフォフォリンの一部をタンパク質分析することにより、抽出したタンパクがフォスフォフォリンの特徴であるAsp(アスパラギン酸)とP-Ser(ホスホセリン)に富んだ強酸性リン酸化タンパク質であるかどうかを確認することでフォスフォフォリンの抽出と精製を行った。フォスフォフォリンは象牙質に特異的で石灰化に強く関与する非コラーゲン性タンパク質であり、本研究においては重要な材料の一つである。今後はこのフォスフォフォリンを用いた覆髄剤を試作し、動物実験に応用する予定であるが、より臨床に近い状態を再現するために、健全歯ではなく、人工的に作製したう蝕歯を用意する必要がある。仮想う蝕歯モデル作製の予備実験として、新鮮なブタ抜去臼歯を用いて、咬合面に象牙質内に限局した窩洞形成を行い、小西らの方法(日歯保存誌,1998)に従い、窩洞底部に0.1M乳酸ゲルを塗布し、セメントとレジンにて二重仮封を行った。37°Cで水中保管後、24時間おきに仮封とゲルを除去し窩洞底部のビッカース硬さを測定した。その結果、これまでに報告されているう蝕象牙質の硬さに近い状態が得られたのは5日間経過例であることを確認した。フォスフォフォリンの抽出にやや時間を要し、仮想う蝕歯モデルの予備実験を行ったまでであり、動物への移植実験に移行できなかったため。仮想う蝕歯モデルの作製に関して、予備実験ではう蝕象牙質を硬度で判定したが、う蝕関連細菌が象牙細管内に侵入する様子、その条件等も動物実験を行う前に検証する必要があると思われる。う蝕関連細菌の侵入と象牙質の軟化が揃って、う蝕象牙質と判定できると考える。よって、予備実験内容に加えて、う蝕関連細菌を窩底に植菌し、象牙細管内に侵入する条件を検証すべきである。
載荷履歴を受けたRC・SRC部材の補修後性能に関する研究

載荷履歴を受けた非充腹形のSRC柱(格子型/ラチス型)とRC柱の補修後性能に関する検討を行っている.最初に健全な柱の繰り返し水平力載荷実験を行い(一次載荷),載荷後に軽量ポリマーセメントモルタルによる断面成形,ひび割れへのエポキシ樹脂注入による補修を行った後,再度載荷実験を行った(二次載荷).実験変数として,せん断スパン比と一次載荷時の変位振幅の大きさをとった.補修前の損傷レベルに関わらず初期剛性が低下し,最大耐力が上昇することが確認された.また,剛性低下と最大耐力上昇に関して解析的検討を行った.載荷履歴を受けた非充腹形のSRC柱(格子型/ラチス型)とRC柱の補修後性能に関する検討を行っている.最初に健全な柱の繰り返し水平力載荷実験を行い(一次載荷),載荷後に軽量ポリマーセメントモルタルによる断面成形,ひび割れへのエポキシ樹脂注入による補修を行った後,再度載荷実験を行った(二次載荷).実験変数として,せん断スパン比と一次載荷時の変位振幅の大きさをとった.補修前の損傷レベルに関わらず初期剛性が低下し,最大耐力が上昇することが確認された.また,剛性低下と最大耐力上昇に関して解析的検討を行った.耐震補強に関する研究の多くは,既存不適格建築物をモデル化した健全な部材(あるいは骨組)に対して補強した試験体に基づく知見であり,載荷履歴(地震履歴)を受けた部材に関するものは非常に少ない.既往の実験においても終局状態まで載荷した試験体の補修実験がほとんどである.補修・補強による耐震性能を評価する為には,載荷履歴を受けた部材による実験的研究が必要であり,今回格子型鉄骨を内蔵した非重複型鉄骨内蔵SRC柱を3体製作した.まずは健全部材に対しての載荷実験(1次載荷)を行い,その後1次載荷で損傷した部分の補修を行い,再度載荷(2次載荷)を行った.実験パラメータは1次載荷の損傷レベルとし,1)変形量小:降伏荷重レベル, 2)変形量中:最大荷重レベル, 3)変形量大:最大荷重後降伏荷重まで低下レベル,の3種類を設定した.変形レベルによる破壊状況を考慮し,補修方法も検討している(変形量小・中:クラックへの樹脂注入,変形量大:ポリマーセメントモルタルによる断面成型+クラックへ樹脂注入).実験結果の検討より,補修後の部材において初期剛性の低下があること,最大水平耐力が向上することを確認している.また,損傷レベルによって剛性の低下率や最大水平耐力の向上率に影響があることも確認している.これは今後,動的な時刻歴応答解析によって補修後の動的性能を確認する際の基礎資料となる.また,ひび割れ幅と残留変形量を各変位振幅で観察しており,クラックへの樹脂注入による補修における補修性の指標となるデータを得ている.耐震補強に関する研究の多くは,既存不適格建築物をモデル化した健全な部材(あるいは骨組)に対して補強した試験体に基づく知見であり,載荷履歴(地震による被災等)を受けた部材に関するものは非常に少ない.既往の実験においても終局状態まで載荷した試験体の補修実験がほとんどである.補修・補強による耐震性能を評価するためには,載荷履歴を受けた部材による実験的研究が必要であり,昨年度の格子型鉄骨を内蔵した非充腹型鉄骨内蔵SRC柱の実験に引き続いて,ラチス型鉄骨を内蔵した非充腹型鉄骨内蔵SRC柱の実験,およびRC柱の実験を行った.まずは健全部材に対し載荷実験(1次載荷)を行い,その後1次載荷で損傷した部分の補修を行い,再載荷(2次載荷)を行った.実験パラメータは1次載荷時の損傷レベルとし,1)変形量小:降伏荷重レベル,2)変形量中:最大耐力レベル,3)変形量大:最大耐力後に降伏荷重まで低下レベル,の3種類を設定した.変形のレベルによる破壊状況を考慮して補修方法も検討している.載荷実験結果より,部材の初期剛性,最大水平耐力,履歴挙動に関して検討を行っている.また,損傷のレベルにより,剛性の低下率や最大水平耐力の補修後の上昇率の違いを検討しており,これは今後,動的な時刻歴応答解析によって補修後の性能を確認する際の基礎資料となる.また,ひび割れ幅を各変位振幅の最大時とその除荷時において計測しており,各変位振幅における残留変形量も確認している.これらはクラックへの樹脂注入による補修を行う際の指標となるデータとなり得る.耐震補強に関する研究の多くは,既存不適格建築物をモデル化した健全な部材(あるいは骨組)に対して補強した試験体に基づく知見であり,載荷履歴(地震による被災等)を受けた部材に関するものは非常に少ない.既往の実験においても終局状態まで載荷した試験体の補修・補強の実験がほとんどである.補修・補強による耐震性能を解価するためには,載荷履歴を受けた部材による実験的研究が必要であり,一昨年度の格子型SRC柱,昨年度のラチス型SRC柱およびRC柱の実験に引き続いて,本年度は格子型鉄骨を内蔵した非充腹型鉄骨内蔵SRC柱,およびRC柱に関して,せん断破壊型の補修に関する知見を得るため,せん断スパン比の小さい試験体の実験を行った.健全部材に対し載荷実験(一次載荷)を行い,その後一次載荷で損傷した部分の補修を行い,再載荷(二次載荷)を行った.実験パラメータは一次載荷時の損傷レベルとし,1)変形量小:降伏荷重レベル,2)変形量中:最大耐力レベル,3)変形量

大:最大耐力後に降伏荷重まで低下レベル1の3種類を設定した.変形のレベルによる破壊状況を考慮して補修方法も検討している.載荷実験結果より,部材の初期剛性.最大水平耐力,履歴挙動,および損傷のレベルによる剛性の低下率や最大水平耐力の補修後の上昇率の違いを検討し,また,ひび割れ幅を各変位振幅の最大時とその除荷時において計測しており,各変位振幅における残留変形量も確認している.これらはクラックへの樹脂注入による補修を行う際の指標となるデータとなり得る.曲げ破壊型の柱に関しては,ファイバー法により樹脂のヤング係数の低下を考慮した解析を行っている.樹脂による見かけのヤング係数の低下と,水平耐力上昇の要因である鋼材の降伏応力の上昇分を考慮した解析により,補修後の履歴挙動の予測ができれば,動的な時刻歴応答解析によって補修後の性能を確認する際の基礎資料となる.
合成致死を利用した薬剤著効ゲノムプロファイルの描出

抗がん候補物質の薬理効果とがん細胞の遺伝子変異の間に成立する合成致死を利用した、新たながん分子標的治療モデルを構築することを目的として、以下の検討を行った。ポリ(ADP-リボシル)化酵素であるタンキラーゼの阻害剤をHeLa細胞に処理し、薬力学的マーカーが明瞭に変動し、かつ細胞増殖には大きな影響を与えない薬剤濃度を決定した。shRNAライブラリーのレンチウイルスベクターを作製し、クローン化したHeLa細胞にこれを感染させ、上記検討で決定した濃度のタンキラーゼ阻害剤を処理し、1週間培養後の細胞からゲノムDNAを抽出した。shRNAベクターに含まれるバーコード配列の増幅産物について、次世代シークエンシング解析データを取得した。一方、タンキラーゼ阻害剤はがん抑制遺伝子APCの機能を欠損したある種の大腸がん細胞の増殖を抑制するが、APC変異そのものはタンキラーゼ阻害剤感受性の必要十分条件ではない。そこで、様々な大腸がん細胞を用いてAPC変異パターンと同剤感受性の関連性について精査した。その結果、タンキラーゼ阻害剤が有効ながん細胞ではAPC分子内の20-アミノ酸リピート(20-AAR)と呼ばれる繰り返し構造が全て欠損する変異が生じていることが判明した。このような変異パターンを示す大腸がん細胞では下流のβ-カテニン増殖シグナルが顕著に活性化し、同シグナルに対する強い依存性が生じていることが分かった。一連の分子生物学的検証実験を行った結果、タンキラーゼ阻害剤はこのシグナルを遮断することで制がん効果を発揮することが分かった。所内倫理審査承認のもと、同意を得た患者由来の大腸がん細胞で検証したところ、20-AARを完全欠失した細胞はタンキラーゼ阻害剤に感受性を示すことが確認された。タンキラーゼ阻害剤の合成致死因子探索が順調に進んだのに加え、同剤の効果予測バイオマーカー候補として、大腸がんで最も代表的ながん抑制遺伝子であるAPCの変異パターンを同定することが出来た。本研究課題では、タンキラーゼ阻害剤の他にもグアニン4重鎖(G-quadruplex: G4)と呼ばれる特殊な核酸高次構造を安定化する化合物(G4リガンドと呼ぶ)の合成致死因子もしくは効果予測バイオマーカーの同定を目指している。今年度は、複数のG4リガンドの特異性に関するプロファイリング(感受性がん細胞・耐性がん細胞の分類、薬力学マーカーのモニタリング)を実施することで、探索に用いる化合物の選定を進めた。次世代シークエンシングの結果、薬剤存在下で選択的に頻度低下を示すクローンが多数同定されることが予想されるので、ヒット遺伝子が構成する分子シグナル経路を分析するとともに、標的となる個々の遺伝子が実際のがんでどの程度変異もしくは発現低下を起こしているか、がん抑制遺伝子としての記述はないか確認する。さらに、当該遺伝子とタンキラーゼの間にどのようなメカニズムを介して合成致死が成立するのか考察する。重要な選択基準として、複数のヒットshRNAクローンの標的遺伝子が互いに同じシグナル経路もしくは同じ機能タンパク質複合体を構成し、それぞれの遺伝子変異が一定の頻度でかつ相互排他的に生じている場合は、詳細な機能が未知であったとしても、がんのドライバー変異を捉えることが出来ている可能性が高いと予想される。そのような遺伝子ヒットがあった場合、以降はそれらを優先的に解析することとする。絞られた遺伝子のsiRNAもしくはshRNAを様々ながん細胞株に導入し、標的遺伝子を枯渇させる。同細胞に対してタンキラーゼ阻害剤を処理し、高感受性化が認められるか確認する。これらの検討により合成致死が確認されたものに関しては、それぞれの機能から作業仮説を立て、分子メカニズムについて検討する。

本研究課題では、タンキラーゼ阻害剤の他にもグアニン4重鎖(G-quadruplex: G4)と呼ばれる特殊な核酸高次構造を安定化する化合物(G4リガンドと呼ぶ)の合成致死因子もしくは効果予測バイオマーカーの同定を目指している。今年度は、複数のG4リガンドの特異性に関するプロファイリング(感受性がん細胞・耐性がん細胞の分類、薬力学マーカーのモニタリング)を実施することで、探索に用いる化合物の選定を進めた。次世代シークエンシングの結果、薬剤存在下で選択的に頻度低下を示すクローンが多数同定されることが予想されるので、ヒット遺伝子が構成する分子シグナル経路を分析するとともに、標的となる個々の遺伝子が実際のがんでどの程度変異もしくは発現低下を起こしているか、がん抑制遺伝子としての記述はないか確認する。さらに、当該遺伝子とタンキラーゼの間にどのようなメカニズムを介して合成致死が成立するのか考察する。重要な選択基準として、複数のヒットshRNAクローンの標的遺伝子が互いに同じシグナル経路もしくは同じ機能タンパク質複合体を構成し、それぞれの遺伝子変異が一定の頻度でかつ相互排他的に生じている場合は、詳細な機能が未知であったとしても、がんのドライバー変異を捉えることが出来ている可能性が高いと予想される。そのような遺伝子ヒットがあった場合、以降はそれらを優先的に解析することとする。絞られた遺伝子のsiRNAもしくはshRNAを様々ながん細胞株に導入し、標的遺伝子を枯渇させる。同細胞に対してタンキラーゼ阻害剤を処理し、高感受性化が認められるか確認する。これらの検討により合成致死が確認されたものに関しては、それぞれの機能から作業仮説を立て、分子メカニズムについて検討する。
都市の熱環境解析システムに関する研究

都市熱環境に関連する情報や解析手法を整理・統合し、利用しやすい解析システムの構築を試みた。このために、まず都市熱環境を決定する要因、解析手法、必要な情報、評価指標について整理し、解析システムの基本的な構成について考察した。次に、熊本市をケーススタディー対象として、環境情報システムの技法を利用することにより熱環境を解析するために必要な情報の整備を試みた。具体的事例として、熊本市の熱環境を解析・評価し、都市熱環境解析システム(エキスパートシステム)の構築に関する課題について考察した。以上の結果として、熱環境の解析に必要な情報を整理・統合し、必要に応じて情報を加工し表示することが可能になった。今後の課題として、試験式などの導入による各情報間の関連づけや計算手順の改善、情報の収集等の改善を図ることが考えられる。本研究で得られた成果から、必要な情報や解析手法を一つにまとめ「都市熱環境解析システム」を構築することによって、現状の熱環境を簡単に把握・評価できるという点で有用性が認められた。一方、グリーンベルトの設置等の具体的な対策については、その効果を代替案の検討を含めて定量的に評価するという点で課題が残っている。この点については、今後の研究展開として、数値シミュレーションによって色々なケースに対する計算を行い、その結果をデータベース化する方法等が考えられる。また、本研究で構築した解析システムを基本として、数値データだけでなく画像データや文字情報等の同様に集積することも考えられる。都市熱環境に関する数値情報や画像情報、数値シミュレーションによる計算結果、文字情報等をさらに統合・整理することによって、将来予測や方策決定に役立つような「知識データベース」に発展することができれば、都市熱環境の対策と効果の具体的な評価に十分役立つようなシステムの構築が可能になるものと考えられる。
豪雨に対する斜面安全度指標の構築

本研究では,豪雨による土構造物や自然斜面の安全度を判定する指標を地盤情報も加味して構築することを目的とした。そのためにはまず次の二点を明らかにした。降雨模型実験を通して斜面の崩壊メカニズムを明らかにすること,および豪雨による斜面の安全性を検討できる解析法(崩壊解析システム)を構築することである。実験結果から,斜面法先から飽和化し,その部分から崩壊が開始することがわかった。また,崩壊解析システムはこの現象を良く再現できた。指標としては,斜面法先での土中水圧の値を用いることが有効であることがわかったが,その測定には多くの労力が必要である。この研究から,斜面法先の保護が極めて重要である点が分かった。平成24年度はその当初計画において,次の4項目を挙げた。1ヒステリシスを考慮したモデルの飽和・不飽和圧密解析法への導入,2ヒステリシスを考慮したモデル検証のための要素試験の実施,3検証のための降雨斜面模型実験の実施,および4モデル実験をシミュレーションする,である.1については,前年までに定式化されたJump移動硬化則を用いた拡張下負荷面モデルに基づくモデルを,飽和・不飽和圧密解析の有限要素コードであるGEOCUPに組み込んだ.また,不飽和土についてシミュレーションを行い,モデルの基本性能を確かめた.2については,DLクレーとよばれるシルトに対して,不飽和状態で繰り返し試験を実施した.3については,1Gレベルでの高さ92cmで斜面勾配45度の模型斜面について,降雨による斜面崩壊実験を行った.斜面は,自然斜面でよく見られる表層に透水性の高い緩い砂質層とその下部の基盤からなる斜面を想定した。降雨強度(25,50,100 mm/hr)と表層砂層の密度(相対密度0,25,50%)をそれぞれ三つずつ変えて実験を行った.これらすべてのケースでの実験が終了し,崩壊メカニズムについて実験結果から考察した.実験の結果,間隙水圧は,どのケースにおいても斜面の法先から負圧が解消され,徐々に斜面上部に飽和が進行した。崩壊形態は全体表層崩壊と進行性破壊に分類され,降雨強度が小さいほどおよび密度が大きいほど進行性破壊が生じた.4については,いくつかのケースについてシミュレーションを実施した.その評価については次年度行う.平成25年度は次の5項目を研究項目として挙げた。1降雨斜面模型実験の分析,2模型実験のシミュレーションと崩壊解析システムの構築,3モデル斜面の降雨シミュレーション,43に基づく安全度指標の検討,および5研究の総括である.1については,1Gレベルでの高さ92cmで斜面勾配45度の模型斜面について,降雨による斜面崩壊実験を行った.斜面は,自然斜面でよく見られる表層に透水性の高い緩い砂質層とその下部の基盤からなる斜面を想定した。降雨強度(25,50,100 mm/hr)と表層砂層の密度(相対密度0,25,50%)をそれぞれ三つずつ変えて実験を行った.これらすべてのケースでの実験が終了し,崩壊メカニズムについて実験結果から考察した.その結果,間隙水圧は,どのケースにおいても斜面の法先から負圧が解消され,徐々に斜面上部に飽和が進行した。崩壊形態は全体表層崩壊と進行性破壊に分類され,降雨強度が小さいほどおよび密度が大きいほど進行性破壊が生じた.以上のように,間隙水圧の挙動および崩壊のパターンについてほぼ定性的な傾向があることがこの実験ではじめて明瞭になったが(成果(1)),その傾向をより明確に同定するために,次年度追加の試験を実施することとした.2については,解析パラメータの同定を行い,シミュレーションを一部実施し,解析精度の高さを示すとともに,崩壊解析システムの構築を行うことがほぼできた(成果(3)).3-5については,1および2の検討結果を待って実施する必要がある.そのため,研究を一年延長した.本研究では,豪雨による土構造物や自然斜面の安全度を判定する指標を地盤情報も加味して構築することを目的とした。平成23年度はその当初計画において,次の4項目を挙げた。(1)ヒステリシスを考慮した不飽和弾塑性モデルの定式化,(2)ヒステリシスを考慮した水分特性曲線のモデル化,(3)検証のための降雨斜面模型実験の実施,および(4)上記ヒステリシスモデルの検証のための要素試験の実施,である。(1)については,Jump移動硬化則を用いた拡張下負荷面モデルに基づくモデルを提案し,それを飽和・不飽和圧密解析の有限要素コードであるGEOCUPに組み込んだ。また,飽和粘土の体積変化挙動について,シミュレーションを行い,モデルの基本性能を確かめた。(2)については,境界面モデルに基づくモデルを提案し,その定式化を行った。既往のデータを用いてシミュレーションを行い,そのモデルの基本性能を検証した。その結果モデルはよくヒステリシスを表すことができた。

(3)については,1Gレベルでの高さ92cmで斜面勾配45度の模型斜面について,降雨による斜面崩壊実験を行った。斜面は,自然斜面でよく見られる表層に透水性の高い緩い砂質層とその下部の基盤からなる斜面を想定した。降雨強度(25,50,100 mm/hr)と表層砂層の密度(相対密度0,25,50%)をそれぞれ三つずつ変えて実験を行った。今年度は,時間の関係で全てのケースを完了することはできなかった。今年度の結果から,実施された全てのケースで破壊が生じ,その破壊プロセスは降雨強度に依存し,25mm/hrでは,全体に渡る表層破壊が生じた。一方,50,100 mm/hrの実験では,斜面法先で崩壊が生じた後,崩壊は上部へと進む進行性破壊を示した。(4)については,シルト質土を用いて,繰り返し試験を実施した。試験は,不飽和土の体積変化挙動を調べるための等方圧縮試験とせん断による繰り返しをみる三軸圧縮試験からなる。次年度以降これらの実験結果についてシミュレーションを行う。平成26年度は昨年度の積み残しを行った。すなわち,1追加の降雨斜面模型実験の実施,2モデル実験のシミュレーション,3安全度指標の検討,および4研究の総括,である。1については,重力(1 g)レベルでの高さ92cmで斜面勾配45度の模型斜面について,降雨による斜面崩壊実験の追試を行った。その結果昨年度までに明らかにされた点,すなわち,崩壊には,表層崩壊と進行性破壊の二つのパターンがあり,それらは降雨強度と表層の砂層の密度に依存することが明らかとなった.表層崩壊は密度が低く,降雨強度が大きい程起こりやすいことがわかった。また,2については,有限要素法を用いた飽和・不飽和圧密解析を行った。その結果解析においても,上記のような崩壊が予測できた。この点は非常に大きな発見であった。また,崩壊は斜面法先の間隙水圧が正圧となる部分から発生することがわかった。つまり,この部分での間隙水圧の発生を防ぐことが,斜面崩壊の防止に有用であることがわかった。3の安全度指標については,斜面法先部で測定された間隙水圧を用いるのが最も有効である。しかし,測定には多くの労力が必要である点を考えるならば,重要箇所での安価な防止策を考慮することが肝要に思われる。4の研究の総括としては,今後は安価な防止策の提案に関する研究に注力する必要がある。地盤工学平成24年度は上述した4つの研究項目を行った.全ての項目について,その達成度を総括すれば,当初の計画をほぼ達成できた.以下にそれぞれ項目毎に詳述する.1については,予定した内容を達成できた.その内容は,(1) Jump移動硬化則を用いた拡張下負荷面モデルに基づくモデルを飽和・不飽和圧密解析の有限要素コードであるGEOCUPに組み込み,そして(2)不飽和土の繰り返しせん断試験のシミュレーションを行い,モデルの基本性能を把握する,ことである.その結果,モデルはヒステリシス特性と,繰り返しによる塑性ひずみの累積をよく表現できた.体積ひずみについてはその繰り返し特性を十分に表現できなかった.さらなる検討が必要である.2については,予定した内容をほぼ達成できた.その内容は,DLクレーに対して,三軸および等方応力状態で繰り返し載荷試験を行った.3については,予定した内容を達成できた.
着床における胚と子宮内膜上皮の相互認識に関する研究

哺乳動物の着床時における胚盤胞と子宮内膜上皮細胞との間の細胞間相互認識および着床を誘起する物質についてはほとんど知られていない。本年度はラット胚盤胞と子宮内膜上皮細胞の相互関係を体外培養法と電子顕微鏡学的方法により明らかにしようと試みた。実験には36ケ月齢のウィスター系ラットを用いた。ラットは妊娠5日目の18:00時から22:00時に放血屠殺し、子宮灌流により胚盤胞を得た。また、胚の灌流時に、子宮内膜上皮細胞層を機械的に剥離した。マイクロマニピュレーターを用いて子宮内膜上皮断片の上に胚盤胞をのせて、0.3%牛血清アルブミン(BSA)含有ダルベッコ修正培養液中で1218時間培養した。その結果、透明帯のついている胚盤胞を含めて47コの胚盤胞のうち43コは拡張胚盤胞へ発生していたが、子宮内膜上皮断片への接着は一例も認められなかった。そこで、培養前に0.3%フィトヘマグルチニンを用いて子宮内膜上皮断片に接着していた胚盤胞数は38コであった。しかしながら18時間以上の培養においても、胚盤胞の円筒形成が認められず、それ以後の胚盤胞と子宮内膜上皮の接着に関する相互進展は認められなかった。着床直前の胚盤胞と子宮内膜上皮断片は両者ともにInvitro培養下において1218時間は生存可能であるが、本実験の培養条件下では接着しなかった。従って、本実験において培養中の胚盤胞と子宮内膜上皮の接着には何らかの条件が不足しているものと考えられた。フィトヘグルチニンお存在下で接着した胚盤胞と子宮内膜上皮細胞間の微細構造の電子顕微鏡学的観察は現在続行中である。哺乳動物胚の着床時における胚細胞と子宮内膜上皮細胞との間の相互認識および着床を誘起する物質についてはほとんど知られていない.本研究は,体外培養法と電子顕微鏡学的方法を用いて,In Vitroにおける胚細胞と子宮内膜上皮細胞の細胞間相互形態変化を指標として,着床のメカニズムを解明しようとするものである.実験には36ケ月齢のウィスター系ラット, ICR系マウスおよびゴールデンハムスターを用いた.ラットは妊娠4日目,マウスおよびゴールデンハムスターは妊娠3日目の16:0022:00に放血屠殺し,子宮潅流により後期8細胞期胚を得た.胚は0.3%牛血清アルブミン(BSA)含有ダルベッコ修正培養液で48時間培養した.その結果,マウス胚の胚盤胞への発生率は42/44(95.5%),ラット胚は40/43(97.6%),ハムスター胚は21/51(41.2%)であった.また,胚の潅流時に,子宮内膜上皮細胞層を機械的に剥離し,同様に培養を行い,経時的にトリパンブルー染色により,上皮細胞の生存性について調べた.マウス,ハムスターの子宮内膜上皮の機械的剥離は困難であり,培養12時間では生存性を失っていた.一方,ラットの子宮内膜上皮細胞は,培養12時間ではトリパンブルーに染色されず,生存性を示した.従って,胚と子宮内膜上皮の細胞相互関係の観察は,ラットの妊娠5日目の着床前の透明帯消失した胚盤胞と子宮内膜上皮細胞の12時間培養条件下で行った.0.3%BSA含有ダルベッコ修正培養液中で,マイクロマニピュレーターを用いて,子宮内膜上皮断片の上に胚盤胞をのせて, 12時間の培養を行ったが,胚と子宮内膜上皮細胞の接着は全く認められなかった.そこで0.3%フィトヘマグルチニンP含有ダルベッコ修正培養液中で12時間培養を行ったところ,胚と子宮内膜上皮細胞の接着が認められた.従って,培養中の胚と子宮内膜上皮の接着には何らかの物質が不足しているものと考えられた.哺乳動物の着床時における胚盤胞と子宮内膜上皮細胞との間の細胞間相互認識および着床を誘起する物質についてはほとんど知られていない。着床直前の胚盤胞と子宮内膜

上皮断片は両者ともにInvitro培養下において1218時間は生存可能であるが、本実験の培養条件下では接着しなかった。従って、本実験において培養中の胚盤胞と子宮内膜上皮の接着には何らかの条件が不足しているものと考えられた。フィトヘグルチニンお存在下で接着した胚盤胞と子宮内膜上皮細胞間の微細構造の電子顕微鏡学的観察は現在続行中である。
荷電K中間子の稀崩壊現象を用いたユニタリー三角形の斜辺の長さの決定

米国ブルックヘブン研究所にて行われたBNL-E949実験で取得されたデータを基に中性π中間子の稀崩壊モードπ^0→vv^^-の探索を行った。中性π中間子の直接的観測は極めて難しい為K中間子の崩壊現象K^+→π^+π^0を利用するのだが、この際荷電K中間子と荷電π中間子の精密測定からこのモードを10^<-9>レベルの不純度で選択出来るselection criteria(カット)の開発に成功した。ここでタグされた中性π中間子に対して密閉型の光子検出器を利用してπ^0からの終状態がinvisibleである事象の探索を行った。光子棄却パラメータの最適化プログラムを開発し、最適なB値を選ぶ事で、この事象に対する感度を最大化する研究を行い崩壊分岐比の上限値にしてr(π^0→vv^^-)<2.7×10^<-9>という結果を得た。これは過去のbest limitを3倍程度向上するものである。この結果はPhys.Rev.D volume72 091102(2005)にまとめられ出版されている。また実データを用いてこの解析に入り込んでくるπ^0→γγ事象を理解する試みとして、本解析で利用された密閉型検出器の光子不感率を測定した。この研究の成果として得られた光子不感率は実データから得られたものである為、シミュレーションよりも信頼度が高く他の実験でも利用されている。この不感率測定からπ^0→γγ崩壊が信号領域に混ざり込んで来る数量を見積もり、それを取り除く研究を行った。この研究の成果として背景事象の差し引きからさらに2倍程度の感度の向上が見込める事を証明した。この研究の成果は国際会議"mass origin and supersymmetry physics"(つくば国際会議場エポカル)にて発表されている。荷電K中間子の稀崩壊モードK^+→π^+ννの探索に関する解析作業を行った。このモードの崩壊分岐比は10^<-10>レベルと非常に小さい為、観測を妨げるバックグラウンド事象を十分に落とし切る事と、落としきれなかった場合バックグラウンド事象が信号領域へ混入する確率を精度良く見積もることがこの解析の鍵となる。私は、主たるバックグラウンド事象の一つであるK^+→π^+π^0事象を棄却する為の研究を行った。このモードを棄却するにはπ^0から来る二つの光子を捕まえる必要があり、光子棄却用検出器の性能を最大限に引き出す解析が必要となる。立体角にして4πを覆う多くの光子検出器の基礎性能を洗い出し、このバックグラウンドを最適に落とすカットを求め出した。当然、これらのカットは信号イベント+"何らかのアクシデンタル事象"がオーバーラップして起こった場合、信号事象までも棄却してしまう。そこで、この誤って信号事象を棄却してしまう確率をサイドバンド事象K^+→μ^+νを使って実際のデータから高い信頼性で見積った。ベストカットの決定にはこの(1)バックグラウンド棄却能力と(2)信号を誤って棄却してしまう確率を同時に測定しながら、最適化を行うパラメータスキャンが必要となる。私はこの作業を行い、前実験の値の約2倍のバックグラウンド棄却能力を持つカットの設計に成功した。また、このカットを抜けてくるバックグラウンド量を正確に見積もるため、独立な2つのカットが持つ数学的性質を利用してシミュレーションを使わず実際のデータから予測する事に成功した。最終的にこの実験では1つの信号候補イベントの検出に成功し、私はこのイベントがどれだけ望む信号であるかという確率を出すため、K^+→π^+π^0が誤って信号事象に見えてしまう確率を求めた。これらの結果は2004年度にphysicalreview letterに掲載されており、"Improved Measurement of the K^+→π^+ννBranching Ratio" Phy.Rev.Lett.93(2004)031801で見ることができる。

この研究の成果として背景事象の差し引きからさらに2倍程度の感度の向上が見込める事を証明した。この研究の成果は国際会議"mass origin and supersymmetry physics"(つくば国際会議場エポカル)にて発表されている。
幹細胞抑制因子LD78の受容体の同定と白血病細胞でのコピ-数の同定

その機能は未知であったLD78ではあるが、近年になりヒト骨髄幹細胞の造血能を単球を介しての抑制能(自治医大研究グル-プ)、破骨細胞の分化促進能(九大研究グル-プ)等が明らかにされてきた。本研究では大腸菌由来LD78を用い、放射ラベルLD78蛋白が単球性及び巨核芽球性由来白血病細胞株に結合する事を見いだし、これらの細胞が特異的受容体を有する事を明らかにした。その受容体は高い結合定数と低い結合定数を有する2種類が存在し、少なくともその一種類の分子量は5,200であることも明らかにした。また、ILー8やγインタ-フェロンはLD78の受容体への結合を阻止しなかった。アミノ酸配列上LD78と相同性を示すILー8の受容体は一種類の親和性を示しており、LD78受容体が二種類の親和性を示している事は興味深い。LD78受容体遺伝子の単離は大量のLD78蛋白が得られず遂行できなかった。LD78遺伝子がαとβの2種類存在すること及び個体によってはγが存在することが野見山らにより明らかにされた。LD78が属するβトロンボグロブリン属の他のサイトカイン群の受容体も未だその遺伝子構造が明らかにされていないことは、その遺伝子同定にかなりの困難が予想される。現在LD78遺伝子の上流にある転写蛋白結合因子の解析もおこなっている。これらの実験によりLD78の病態及び発症に及ぼす影響を明らかにできる物と期待している。
機能性カンチレバーを有する原子間力顕微鏡によるナノ固体表面反応の制御

1、TiO2単結晶上に堆積させたステアリン酸膜を真空蒸着法により作成し、正の電圧を印加しながらTiO2-有機薄膜表面に紫外線照射したところ、選択的にその領域の有機物が分解した。このAFM支援光触媒リソグラフの空間分解能は30nm程度と極めて良好であった。2、高速でナノパターンを光触媒反応で転写するリソグラフを確立するために、スパッタリング法で極めて平坦な表面を持っ非晶質TiO2薄膜を作成した。この非晶質TiO2の光触媒能をOTS/Siの接触角変化で評価した。高い酸素分圧と低真空3x10^<-2>Torrで作成した試料では、紫外線照射5分以内でOTSの完全分解が実現している。これは、高真空状態ならびに大きな高周波出力では、ターゲットから放出された酸素負イオンが薄膜に打ち込まれ、欠陥準位を形成するためである。注目すべき点は、非晶質でありながら高い光触媒を有することであり、酸化チタンナノクリスタルの存在が示唆される。この非晶質TiO2を用いてパターンの転写を検討したところ、30秒の紫外線照射でOTSの部分分解が起こり始め、パターンの転写が進むことを確認された。しかし、パターンの空間分解能は充分でなく、その原因として生成したH202が光照射によりOHラジカルを生じためと考えられる。3、分子認識カンチレバーを構築するため、金コートされたカンチレバー上にアミノチオフェノールの自己組織化膜を作成し、金基板との間の電流一電圧特性を測定した。直流伝導度とインピダンス解析から、samの違いを認識することが出来た。また、DNAを保持するため、TiO2単結晶表面にクリスタルバイオレットの色素を吸着させて、電気特性ならびに表面形態を測定した。DNAはSAMならびに色素を酸化物表面に修飾することにより、強固に固定され、特異なネットワーク構造を示すことが明らかになった。原子間力顕微鏡のカンチレバーに様々な機能を付加して、化学反応をナノスケールで制御しナノデバイスを作成した。1、TiO2基板上でのナノ光触媒の開発TiO2単結晶上にステアリン酸亜鉛、ステアリン酸のLB類似膜を真空蒸着法により作成し、有機薄膜の物性を表面形態、摩擦力(FFM)、電流-電圧特性から解析した。その結果、LB膜に類似の単分子薄膜が生成していることを確認した。このTiO2-有機薄膜表面に紫外線を光ファイバーで照射し、同時に伝導性カンチレバーでTiO2の特定の領域だけに電圧を印加した。負の電圧では何も変化しなかったが、+10Vを印加すると、その領域の有機物が分解しており、光触媒反応が選択的に起こっていることが分かった。このAFM支援光触媒リソグラフの空間分解能は30nm程度と極めて良好であり、ナノリソグラフの新しい手法として有望である。高速でナノパターンを光触媒反応で転写するリソグラフを確立するために、極めて平坦な表面を持つTiO2薄膜を、原子層堆積法(ALD)によって作成した。ノボラックレジストの上にTiO2を堆積させ、パターン作成を試みたが、良質のパターンは得られなかった。この原因としてノボラックレジストの作成過程で、石英基板の表面が親水性から疎水性に変化したためと考えられる。2、固体電解質カンチレバーを用いる銅細線の作成固体電解質カンチレバーCuIをスパッタ法によりSiカンチレバーの上にコートした。このCuIカンチレバーを用いて,負電圧を印加するとTiO2基板上に銅が堆積した。

また、反対に銅薄膜基板に正電圧を印加させたところ20mm程度の線幅を持つ穴が作成した。これにより、数十nmの線幅を持つ金属電極の配線が可能となった。原子間力顕微鏡のカンチレバーに様々な機能を付加して、化学反応をナノスケールで制御しナノデバイスを作成することを検討した。また、ナノパターンを高速で大量に転写する方法についても検討した。1、TiO2基板上でのナノ光触媒の開発TiO2単結晶上に堆積させたステアリン酸膜を真空蒸着法により作成し、正の電圧を印加しながらTiO2-有機薄膜表面に紫外線照射したところ、選択的にその領域の有機物が分解した。このAFM支援光触媒リソグラフの空間分解能は30nm程度と極めて良好であった。2、高速でナノパターンを光触媒反応で転写するリソグラフを確立するために、極めて平坦な表面を持つ非晶質TiO2薄膜を、原子層堆積法(ALD)によって作成した。この非晶質TiO2の光触媒能をメチレンブルーの分解で評価したところ、全く光触媒能は認められなかった。そこで、TiO2に代わる非晶質酸化物を探索した結果、非晶質SnO2が優れた光触媒能を持つことが明らかになった。3、固体電解質カンチレバーを用いる銅細線の作成固体電解質カンチレバーCuIをスパッタ法によりSiカンチレバーの上にコートした。このCuIカンチレバーを用いて、負電圧を印加するとTiO2基板上に銅が堆積した。また、反対に銅薄膜基板に正電圧を印加させたところ20nm程度の線幅を持つ穴が作成した。4、分子認識カンチレバーを構築するため、金コートされたカンチレバー上にアミノチオフェノールの自己組織化膜を作成し、金基板との間の電流-電圧特性を測定した。数十mVの印加状態でもオーミック的な電流が観測され、更に2V以上での電圧では電流注入による過剰な電流が認められた。これに対して、ドデカンチオール自己組織化膜を堆積させたカンチレバーと金基板の間ではオーミック的な電流は観測されず、アミノチオフェノールの伝導度が比較的高いことを立証することができた。原子間力顕微鏡のカンチレバーに様々な機能を付加して、化学反応をナノスケールで制御し、このナノパターンを高速で大量に転写する方法についても検討した。また、DNAの塩基配列制御を高速で認識するために、DNAを伝導性の基盤に保持する方法を探索した。1、Ti02基板上でのナノ光触媒の開発Ti02単結晶上に堆積させたステアリン酸膜を真空蒸着法により作成し、正の電圧を印加しながらTi02-有機薄膜表面に紫外線照射したところ、選択的にその領域の有機物が分解した。このAFM支援光触媒リングラフの空間分解能は30nm程度と極めて良好であった。2、高速でナノパターンを光触媒反応で転写するリングラフを確立するために、スパッタリング法で極めて平坦な表面を持つ非晶質Ti02薄膜を作成した。この非晶質Ti02の光触媒能をOTS/Siの接触角変化で評価した。高い酸素分圧と低真空3x10^<-2>Torrで作成した試料では、紫外線照射5分以内でOTSの完全分解が実現している。これは、高真空状態ならびに大きな高周波出力では、ターゲットから放出された酸素負イオンが薄膜に打ち込まれ、欠陥準位を形成するためである。
埋込磁石同期発電機を用いた小形風力発電システムの高効率化に関する研究

本研究では,小形風力発電システムの高効率化と発電システムの簡略化・低価格化を目指し、次の特徴を有する風力発電システムを研究開発した。(1)高効率埋込磁石同期発電機(IPMSG)の利用従来の発電機と構造が異なり、高効率モータとして近年注目されている埋込磁石同期電動機(IPMSM)を発電機として利用することで、発電機の高効率化を実現した。(2)最大出力点追従制御の適用永久磁石同期発電機をPWMコンバータで駆動することで、発電機の可変速駆動が可能であり、風速に応じて適切なトルク、速度で運転することで、風力エネルギーを発電機入力(機械的入力)として最大限有効利用することが可能となった。(3)発電出力を最大にする最適電流ベクトル制御法発電機の電流ベクトルを運転状態に応じて適切に制御することで、発電機の損失を最小にすること、コンバータ容量を考慮して発電出力を最大にすることができた。(4)センサレス制御の適用風車からの出力を最大にする最大出力制御は一般に風速の情報が必要であり、風速センサの設置が必要となる。また、同期発電機をベクトル制御するには発電機の位置情報が不可欠で、位置センサの設置が必要となる。本研究ではこれらセンサを用いないセンサレス制御により上記(2),(3)の制御を実現する方式を研究開発した。上記提案システムの特性をシミュレーションと実験で検討し、高効率発電システムとしての有効性を確認した。1.埋込磁石同期発電機(IPMSG)を用いた風力発電システムの全体構成を概念設計し、それを基にして、発電機、ドライブ装置、制御装置など個々のパートについてより具体的な概念設計を行った。2.出力係数特性など風車の基本特性を基にして風車から最大限の機械的出力を取り出すための制御アルゴリズムを考案し、その制御を風速センサを利用しないセンサレス制御で実現するセンサレスMPPT制御法を考案した。提案制御法についてMATLAB/Simulinkを用いたシミュレーションを行い、制御アルゴリズムの開発、改良、性能評価を行った。3.MPPT制御アルゴリズムより決定されたIPMSGの最適なトルクに基づいて、実際にIPMSGのトルクがその指令値に追従する駆動方法を検討した。その際、発電機の損失が最小となり、発電効率が最大となる電流ベクトルおよびIPMSMを駆動するコンバータの容量(電圧・電流)を考慮して最大出力を得る電流ベクトルで運転する最適制御アルゴリズムを開発した。4.IPMSGの最適電流ベクトル制御を発電機に位置センサや速度センサを設置することなく実現するセンサレス制御方式を開発した。開発したIPMSGの制御法の性能・特性をシミュレーションにより検討した。5.上記の開発した制御手法の有効性を検討するため、シミュレーションで風力発電システムの風車の代用としてACサーボモータを駆動源とする発電システムに適用した。開発制御方式の有効性を一部実験的に検証した。上記研究成果をまとめて国際会議(EPE 2003)で発表する。(2003年9月発表予定,採択決定)1.埋込磁石同期発電機(IPMSG)を用いた風力発電システムにおいて、本研究で開発した制御手法である(a)風速情報を用いることなく風力エネルギーから最大の発電機入力を得るMPPT制御、(b)IPMSGを駆動するコンバータの容量(電圧.電流の制約)も考慮して発電機損失を最小にし、発電電力の最大化を図る最適電流ベクトル制御、(c)IPMSGの制御を位置・速度センサを用いることなく実現するセンサレス制御の各制御性能を実験的に検証するために電力変換用コンバータと制御用ディジタルシグナルプロセッサ(DSP)より構成される全ディジタル風力発電制御システムを開発・試作した。その際、実装に適するように制御アルゴリズムの簡略化を行い、制御ソフトウェアを開発した。2.風車の代わりにサーボモータをIPMSGの駆動源として利用する風力発電模擬実験装置を設計・試作した。風車の特性や風速の変動などを模擬し、運転状況に応じて発電機への入力トルクを適切に制御できる風車シミュレータを開発し、実験によりその有効性を確認した。3.提案風力発電システムの特性を実験的に検討するため、風力発電模擬実験装置を用いて各種実験を行い、基本特性の検討・評価を行った。

埋込磁石同期発電機(IPMSG)を用いた風力発電システムにおいて、本研究で開発した制御手法である(a)風速情報を用いることなく風力エネルギーから最大の発電機入力を得るMPPT制御、(b)IPMSGを駆動するコンバータの容量(電圧・電流の制約)も考慮して発電機損失を最小にし、発電電力の最大化を図る最適電流ベクトル制御、(c)IPMSGの制御を位置・速度センサを用いることなく実現するセンサレス制御に加えて、(d)強風時におけるIPMSGの出力低下を抑制し、高出力発電を維持するためにピッチ角制御法を導入した。風車のピッチ角制御により発電機回転速度を適切に調整することで、IPMSGの発電能力を最大限利用し、風力エネルギーを有効利用できることを動特性シミュレーションと風力発電模擬実験装置を用いた実験により確認した。なお、風力発電模擬実験装置は風車の軸出力をサーボモータで代用するもので、風速、風車のピッチ角、回転速度に応じて風車特性を模擬できるように開発したものである。また、コンバータの制御法として高速時には従来のPWM制御から方形波駆動方式に切り替えることで、発電電力の増大が可能であることをシミュレーションで明らかにした。