hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
IL-10の作用機序解析を通じた慢性炎症性腸疾患の発症機構の解明

これまでにSTAT3をマクロファージで特異的に欠失させたマウスを作製し、STAT3がマクロファージでのIL-10シグナルに必須であり、マクロファージの機能抑制、さらには生体レベルで慢性炎症の抑制に必須であることを明らかにした。そして、病原体構成成分を認識するToll-like receptor(TLR)ファミリーが、STAT3非存在下でマクロファージの異常活性化による慢性腸炎の発症のトリガーとなることを、TLR4/STAT3二重変異マウスの解析により明らかにした。さらに、IL-10刺激によりマクロファージで誘導されるBcl-3が、TLR刺激依存性のTNF-α産生を特異的に抑制していることを明らかにした。今年度は、大腸粘膜固有層に存在するマクロファージの機能を解析した。その結果、正常マウスの大腸粘膜固有層マクロファージは、TLR刺激依存性の炎症性サイトカインの産生が認められないが、慢性腸炎を発症するIL-10ノックアウトマウスやSTAT3変異マウス由来の細胞はTLR刺激依存性に炎症性サイトカインを産生した。そこで正常マウスとIL-10ノックアウトマウスの大腸粘膜固有層マクロファージ間でTLR応答性が異なる分子機構を解析するため、両者間で遺伝子発現の差をDNAマイクロアレイで解析した。その結果、Bcl-3と同じIκBファミリーに属するIκBNSがBc1-3とともに正常大腸粘膜固有層マクロファージに特異的に発現していることを見出した。IκBNSをマクロファージに発現させると、LPS刺激依存性のIL-6産生が特異的に減少していた。さらにIκBNSを発現した細胞では、NF-κBのDNA結合能に障害が認められた。さらに、IκBNSはIL-6プロモーターにp50NF-κBサブユニットと共に恒常的に会合していることがクロマチン免疫沈降法の解析から明らかになった。さらに、RNAiによるIκBNSのノックダウンマクロファージでは、LPS刺激依存性のIL-6産生が特異的に増加していた。以上の結果から、正常大腸粘膜固有層マクロファージに恒常的に発現しているIκBNSがマクロファージ系細胞において、IL-6産生の抑制に特異的に関与していることが明らかになった。そして、STAT3変異マウスとSTAT1,TNF-α,IL-12,RAG2の各遺伝子欠損マウスとの二重変異マウスを作製し、その病態の変化を解析することにより、慢性腸炎の発症にはマクロファージ系細胞からの異常なIL-12産生が、強力なTh1反応を生体レベルで誘導することが大きな要因であることを生体レベルで明らかにしてきた。さらに、病原体構成成分を認識するToll-like receptor (TLR)ファミリーが、STAT3非存在下でマクロファージの異常活性化による慢性腸炎の発症のトリガーとなりことを、TLR4/STAT3二重変異マウスの解析により明らかにした。転写因子として作用するSTAT3の非存在下では、マクロファージはIL-10のシグナルが障害された結果、異常活性化に陥ることから、正常マクロファージではIL-10刺激によるSTAT3の活性化を通じ、何らかの炎症抑制に関わる遺伝子が誘導されてくることが予想された。そこで、IL-10刺激によりマクロファージで誘導される遺伝子を、DNAマイクロアレイを用いて検索した。その結果、マクロファージにおけるIL-10誘導性遺伝子としていくつかの遺伝子を同定した。これらの遺伝子を、マクロファージ系細胞株にレンチウイルスシステムを用いて導入した。その結果、IκBファミリーに属するBcl-3を導入した細胞では、リポ多糖刺激によるTNF-α産生が顕著に抑制されることを見出した。Bcl-3を導入した細胞では、IL-10で前処置したマクロファージと同様に、NF-κBのDNA結合能が障害されていた。Bcl-3ノックアウトマウス由来のマクロファージでは、IL-10前処置によるTNF-α産生の抑制が部分的に障害されていた。以上の結果から、IL-10で誘導されるBcl-3がマクロファージ系細胞において、TNF-α産生の抑制に関与していることが明らかになった。そこで正常マウスとIL-10ノックアウト

マウスの大腸粘膜固有層マクロファージ間でTLR応答性が異なる分子機構を解析するため、両者間で遺伝子発現の差をDNAマイクロアレイで解析した。その結果、Bcl-3と同じIκBファミリーに属するIκBNSがBc1-3とともに正常大腸粘膜固有層マクロファージに特異的に発現していることを見出した。IκBNSをマクロファージに発現させると、LPS刺激依存性のIL-6産生が特異的に減少していた。さらにIκBNSを発現した細胞では、NF-κBのDNA結合能に障害が認められた。さらに、IκBNSはIL-6プロモーターにp50NF-κBサブユニットと共に恒常的に会合していることがクロマチン免疫沈降法の解析から明らかになった。さらに、RNAiによるIκBNSのノックダウンマクロファージでは、LPS刺激依存性のIL-6産生が特異的に増加していた。以上の結果から、正常大腸粘膜固有層マクロファージに恒常的に発現しているIκBNSがマクロファージ系細胞において、IL-6産生の抑制に特異的に関与していることが明らかになった。
おいしさをつくりだす神経細胞集団の同定

おいしい食事は豊かな生活を送る上で欠かせないものであるが、おいしいものを食べたときの満足感を脳はどのようにして作り出すのかはまだよくわかっていない。本研究では「おいしさ」を摂食によってもたらされる報酬感と定義し、摂食行動を正に強化する報酬感もたらす神経回路をマウスを用いた神経科学実験により同定する。食による報酬感の神経メカニズムが明らかになることで、摂食障害の原因究明・治療方針の立案やおいしさの客観的評価による効率的な食品開発につながると期待される。マウスの飼料への誘引行動を定量評価する系を作り、マウスが通常の飼育飼料よりも香料と甘みが付加されたフレーバー飼料を好むことがわかった。最初期遺伝子の発現応答を指標にしてフレーバー飼料摂食時に活性化する神経回路を探査したところ、嗅結節という嗅覚入力を受ける腹側線条体領域に活性化が見られた。嗅結節の神経活動が動物に誘引的な行動をもたらすかどうかを検証するために、光遺伝学および薬理遺伝学を用いた神経操作実験を行った。光遺伝学による嗅結節の神経操作実験では、リアルタイム場所嗜好性試験において、マウスは光による神経刺激を受けた環境に対して嗜好性を獲得することがわかった。薬理遺伝学による神経操作実験では、嗅結節の活性化によってマウスが匂いに対する嗜好性を獲得することを見出した。今後の研究では、嗅結節の神経操作によって飼料に対する嗜好性が獲得されるかを検証する。29年度が最終年度であるため、記入しない。また、同定された神経回路へ味覚・嗅覚をはじめ、食事に関わる感覚がどのような神経経路で入力するかを神経回路トレース実験により明らかにする。研究は次の5段階で進める。1)マウスの飼料への誘引行動を定量評価する系を作り、マウスにとって嗜好性の高い飼料を探す。2)嗜好性の高い飼料を食べたときに活性化する神経細胞を内在性の最初期遺伝子発現を指標に組織学的に同定・探査する。3)最初期遺伝子プロモーターを利用した遺伝子改変マウスを用いて、活性化した神経細胞を遺伝子工学で標識する。4)光遺伝学・薬理遺伝学により、嗜好性の高い飼料を摂食した際に活性化した神経細胞集団を操作し、マウスの食行動への影響を評価する。5)順行性・逆行性トレーサーを用いて、摂食した際に活性化した神経細胞への感覚情報の入力経路および出力先となる神経回路を同定する。2016年度は1),2)および3)について進めた。市販のフレーバー付きの動物飼料の中で、マウスが通常の飼育飼料よりも顕著に誘引行動を示す飼料を探査した。このフレーバー飼料をマウスが摂食した際に活性化する神経細胞を、内在性の最初期遺伝子発現を指標にして探査した。これまでには味覚・嗅覚に関わる神経回路での活性化を評価し、嗅結節の前内側部の活性化が認められた。現在はより広い範囲で活性化領域を探査している。活性化した神経細胞を遺伝子工学で標識するために、c-fos promoter下でタモキシフェン誘導型Cre組み換え酵素ならびにテトラサイクリン制御性トランス活性化因子tTAを発現するマウスを導入した。このマウスをCreまたはtTA発現を確認できるレポーターマウスと交配させ、得られたマウスで活性化した神経細胞の標識効率を確かめた。嗜好性の高い飼料を摂食したときに標識される神経細胞の数が、内在性の最初期遺伝子応答を示す神経細胞の数に比べて少なく期待したほどの標識効率が得られなかった。この結果を踏まえ、現在は別系統のマウス(Arc promoter下でタモキシフェン誘導型Creを発現する)を導入し検討を進めている。薬理遺伝学による神経操作

実験では、嗅結節の活性化によってマウスが匂いに対する嗜好性を獲得することを見出した。今後の研究では、嗅結節の神経操作によって飼料に対する嗜好性が獲得されるかを検証する。新たに導入した別系統の遺伝子改変マウスを用いて、活性化した神経細胞を効率よく標識、操作できるかを検討する。マウス導入と並行して、ウイルスベクターを用いた神経細胞の遺伝子操作でも、活性化した神経細胞の標識、操作実験が可能かを検討する。29年度が最終年度であるため、記入しない。
高齢サル脳における老年変化の超微形態的・免疫組織科学的研究

本年度は、日本ザル(28歳,雌)とドグエラヒヒ(35歳,雌)の2匹の脳の老人斑を超微形態的に観察した。深麻酔後、4%paraformaldehyde+0.25%glutar aldehyde+0.2%picric acid in 0.1M phophate bufferにて潅流固定し、大脳皮質の超薄切片に連続して0.5μの準超薄切片を作成、後者には脱エポン後抗体β蛋白抗体で免疫染色を施し、前者は通常の電子染色をし、後者の免疫陽性部位と比較して電顕観察した。脱エポン準超薄切片では、老人斑はいずれもβ陽性小顆粒の集簇部位として観察され、斑の内部には神経細胞や太い樹状突起が見られたが、芯と思われる構造は見られなかった。脱エポン切片で、diffuse plaque様見える老人斑でも、電顕的には腫大変性突起が恒常的に観察された。これらの突起は密な集簇は通常示さなかった。Preamyloidは細胞の突起間に少量散在性に認められたが、腫大変性突起間ではなく、内部構造に乏突起の間に沈着していた。その細胞膜は不規則な走行を示し、時には突起内部に大きく陥入していた。また、preamyloid沈着が小領域に集簇しているところでは、その部分の突起の細胞膜と突起内構造とが不明瞭になっていた。老人斑内部に神経細胞や太い樹状突起が時に観察されたが、これらには明らかな異常は見られず、その細胞膜に沿ってpreamyloid沈着が目立っているとの所見もなかった。散在性少量のβ陽性構造のみの老人斑でも、腫大変性突起を有し、またpreamyloidは腫大変性突起間には見られないことから、その沈着が突起の腫大変性に先行するとは考え難かった。一方、preamyloidが沈着した部分では突起の細胞膜が不規則てなっていること、突起内の構造も不鮮明になっていることなどからこの部分の突起は変性に陥っている可能性が考えられた。
セネガル、ニアセン教団における女性の宗教的権威の伸張

セネガルにおいて、ティジャーニー教団の分派であるニアセンでは、女性も教団の指導者になる。彼女たちは男女両性の弟子を持ち、彼らに対してニアセンに独自の霊的な教育タルビヤを与える。スーフィー教団には一般的なことだが、弟子は自分の師である指導者に服従する。したがってニアセンでは男性である弟子が、女性である師に服従するという関係があり得る。セネガルの他の主要な教団であるムリッド、ティージャーニー教団のアルハジ・マーリク・スィを祖とする分派、そしてライエンには、女性の指導者が存在しない。これらの教団の男性指導者たちによれば、イスラームでは、女性はモスクでの礼拝の時と同じく常に男性の後ろにいるべきなので、女性が宗教指導者として男性を指導することは許されないからである。ニアセンに女性指導者が存在する理由は、ダカールで見いだした4人の女性指導者と、2人の有名な男性指導者によれば、スーフィズムにおいて男女の区別は存在しないからである。ものごとには、ザーイル(外の、見える、明らかな)面とバーティン(内の、隠れている、秘密の)面が存在する。我々の日常生活のザーイルな面においては、身体的に男女の区別があり、男性は強健なので、家族や社会を維持する責任を果たすために女性に対する優位が認められる。しかし霊的な領域すなわちバーティンな面においては、人間に男女の区別は存在しない。人間の中には高い霊的位マルタバを持つ者たちがあり、神に関する秘密の知識を持つ。高いマルタバを持つ女性はそうでない男性に勝るので、彼女たちは男性の上に立って彼らを指導する。ニアセンの信徒はタルビヤを行うことによって、バーティンな面では男女に優劣はないという認識を得るという。これら4人の女性指導者のうち3人は、ニアセンで最高位の男性指導者たちから免許を与えられていた。ニアセンの中枢部には、女性指導者を作り出そうという意向が存在する。ダカールでの調査は、ほぼ計画通りに行うことができた。ニアセンの女性指導者たちを4人見つけることができ、彼女たちの活動を観察しその弟子たちから話を聞くことができた。またニアセン創始者イブラヒマ・ニアスの息子であるアブドゥルラフマーン・ニアスと、ダカールで最年長の指導者の一人であるブーブー・スィという男性の権威者たちに会うことができたので、女性指導者はニアセンの教義の中にその存在根拠を持ち、男性指導者によって承認される公式な存在であること、ニアセンにおいて女性の指導者は周縁的・例外的な存在でないことが明らかになった。また、隠れた、秘密の面、すなわちバーティンの領域において男女の差別が存在せず、ただ人間のみが存在するという認識は、信徒各自が、すべての信徒が行うべきだとされるニアセン独自の霊的訓練タルビヤを行うことによって得られる、イスラームの奥義としての認識に含まれることが明らかになった。さらに、ニアセン以外のスーフィー教団の指導者たちとの面接から、女性指導者はこれらの教団においては存在が許されないことを確認できた。まだ充分な人数の人々と面接していないが、これらの教団の女性の一般信徒もまたニアセンの女性指導者を、イスラームにおける女性の役割から逸脱した存在とみなす傾向があることがわかった。しかし、イブラヒマ・ニアスの娘でありニアセンで最も有名な女性指導者であるマリヤマ・ニアスがダカールに創設した学校の調査は途中なので、来年度以降に継続する。アラビア語とイスラーム教育のレベルの高さによって知られるこの学校は、セネガルにおけるイスラームの発展に寄与してきた。さらに、女性指導者たちと弟子たちとの接触は、毎週金曜日に行われる集団的な儀礼であるハドゥラトゥル・ジュマーを中心とするので、今後も金曜日の観察を継続する予定である。次年度は、ニアセンの本拠地であるカオラックを中心として調査を行う。カオラックにはニアセンの指導者集団の核をなすイブラヒマ・ニアスの息子たちや、コーラン学校を経営するイブラヒマ・ニアスの娘たちや、またその他の女性指導者たちが住んでいるので、イブラヒマ・ニアスの思想をより直接的に知る人々である彼らに話を聞く。また今年度は、会うことのできた女性指導者の弟子たちの人数がまだ充分でなかったので、次年度は彼らから広く、女性指導者とその弟子との関係について具体的に聞きたい。また今年度は、現在セネガルおいてサラフィズムの影響力が拡大しつつあることが、複数のスーフィー教団指導者たちから示された。したがってサラフィズムの女性観とニアセンの女性指導者たちに対する態度も、次年度の調査の対象に加えなければならなくなった。サラフィズムはニアセンが主張するところの、ザーイル(明らかな、外の)とバーティン(隠された、秘密の)の2つの面が存在するという主張を否定し、『コーラン』とハディースに書かれたことを文字通りに行うことを主張する思想だからである。カオラックの調査に加えて、今年度見いだしたダカールの女性指導者たちの活動の継続的な観察も必要である。また女性の指導者の活動が、ニアセン以外のセネガルの女性ムスリムにとってどう映じるのかも継続的に観察する。総じて言えば、今年度に理論として語られた事柄が、実際には具体的にどのような活動として現れるのかを観察することが、次年度の方針である。

したがってニアセンでは男性である弟子が、女性である師に服従するという関係があり得る。セネガルの他の主要な教団であるムリッド、ティージャーニー教団のアルハジ・マーリク・スィを祖とする分派、そしてライエンには、女性の指導者が存在しない。これらの教団の男性指導者たちによれば、イスラームでは、女性はモスクでの礼拝の時と同じく常に男性の後ろにいるべきなので、女性が宗教指導者として男性を指導することは許されないからである。ニアセンに女性指導者が存在する理由は、ダカールで見いだした4人の女性指導者と、2人の有名な男性指導者によれば、スーフィズムにおいて男女の区別は存在しないからである。ものごとには、ザーイル(外の、見える、明らかな)面とバーティン(内の、隠れている、秘密の)面が存在する。我々の日常生活のザーイルな面においては、身体的に男女の区別があり、男性は強健なので、家族や社会を維持する責任を果たすために女性に対する優位が認められる。しかし霊的な領域すなわちバーティンな面においては、人間に男女の区別は存在しない。人間の中には高い霊的位マルタバを持つ者たちがあり、神に関する秘密の知識を持つ。高いマルタバを持つ女性はそうでない男性に勝るので、彼女たちは男性の上に立って彼らを指導する。ニアセンの信徒はタルビヤを行うことによって、バーティンな面では男女に優劣はないという認識を得るという。これら4人の女性指導者のうち3人は、ニアセンで最高位の男性指導者たちから免許を与えられていた。ニアセンの中枢部には、女性指導者を作り出そうという意向が存在する。ダカールでの調査は、ほぼ計画通りに行うことができた。ニアセンの女性指導者たちを4人見つけることができ、彼女たちの活動を観察しその弟子たちから話を聞くことができた。またニアセン創始者イブラヒマ・ニアスの息子であるアブドゥルラフマーン・ニアスと、ダカールで最年長の指導者の一人であるブーブー・スィという男性の権威者たちに会うことができたので、女性指導者はニアセンの教義の中にその存在根拠を持ち、男性指導者によって承認される公式な存在であること、ニアセンにおいて女性の指導者は周縁的・例外的な存在でないことが明らかになった。また、隠れた、秘密の面、すなわちバーティンの領域において男女の差別が存在せず、ただ人間のみが存在するという認識は、信徒各自が、すべての信徒が行うべきだとされるニアセン独自の霊的訓練タルビヤを行うことによって得られる、イスラームの奥義としての認識に含まれることが明らかになった。さらに、ニアセン以外のスーフィー教団の指導者たちとの面接から、女性指導者はこれらの教団においては存在が許されないことを確認できた。まだ充分な人数の人々と面接していないが、これらの教団の女性の一般信徒もまたニアセンの女性指導者を、イスラームにおける女性の役割から逸脱した存在とみなす傾向があることがわかった。しかし、イブラヒマ・ニアスの娘でありニアセンで最も有名な女性指導者であるマリヤマ・ニアスがダカールに創設した学校の調査は途中なので、来年度以降に継続する。アラビア語とイスラーム教育のレベルの高さによって知られるこの学校は、セネガルにおけるイスラームの発展に寄与してきた。
PDMSマイクロ流体デバイスの特性を活かしたddPCRプラットフォームの構築

平成29年度に新規に開発したダイアフラム式ピエゾマイクロポンプを用いたマイクロ流体制御システムについて、さらに詳細な特性を評価した。本システムは、マイクロ流体チップの密閉された出口リザーバを上記ポンプを用いて減圧することにより流体制御する機構のデッドボリュームフリーな高速液滴調製システムであるが、ポンプへの入力電圧を変更することにより、新たな液滴生成速度に瞬時に達する(<0.5秒)ことを見い出した。このような短時間で液滴生成速度を変化させることができるマイクロ流体システムはこれまで報告されておらず、ドロップレットマイクロフルイディクス研究分野の発展を促す貢献であると考えられる。また、液滴生成速度は、ポンプへの入力電圧に一意的に依存しており、高い再現性が得られることも確認した。さらに、本流体制御システムは、液滴の高速調製のみならず、液滴のフロースルースクリーニングにも利用可能であることを実証した。クロスジャンクション型のマイクロ流路パターンのサイド流路からスペーサーオイルを導入することにより、マイクロ流路内で密集した液滴を定間隔で流動させ、定点で高速モニタリング(毎秒約120滴)することに成功した。本研究の成果は以下の学術誌に掲載され、当該号の表々紙に選定された。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。ポリジメチルシロキサン(PDMS)製マイクロ流路をPDMSの自己吸着性のみを利用してガラス基板上に可逆的に密着させ作製したハイブリッドマイクロ流体チップを用いることによって、油中水滴を自律的に生成させることに成功した。調製した液滴内でPCR増幅を行った後、これらの液滴の蛍光イメージングを実行した。蛍光画像内の1,000個以上の液滴サンプルの蛍光強度を測定し、蛍光強度別の液滴個数を示したヒストグラムを作成した。一液滴中の平均分子数(λ)が0.1, 0.2, 0.3となるようにサンプル調製した場合、ブランク液滴と有意な蛍光強度の差を示した液滴の割合はそれぞれ、9.4, 19.7, 24.4%であった。これらの値は、ポアソン分布の式より予想される値(9.5, 18.1, 25.9%)と良好な一致を示した。λの値を0.3以下とした場合、液滴内に二分子以上のDNAが封入される確率は無視できるため、蛍光した液滴内での変異型DNA増幅は、ほぼ全て一分子から開始されたとみなすことができる。これらの結果より、液滴内における一分子からのPCR増幅、すなわちddPCRの成功が確認された。以上の研究成果は、下記の専門誌に掲載され、当該号の表紙に選定された。研究実績の概要に記載したとおり、マイクロ流路パターンが転写されたPDMSシートをPDMSの自己吸着性のみを利用してガラス基板に可逆的に密着させたPDMS/ガラスのハイブリッド型マイクロ流体デバイスを作製し、本デバイスでも単分散油中水滴の自律駆動的生成が可能であることを見出した。本デバイスは、マイクロ流路が偶発的にブロックされた場合でも容易に流路を元の状態に回復させることができるため、デバイスの寿命を著しく延ばすことが可能となった。これは、当初予想していなかった貴重な発見であり、マイクロ流体デバイスを用いて単分散油中水滴を調製するのに要するコストを大幅に削減することへとつながった。一方、平成28年度に目標としていた液滴生成速度の向上は、十分には達成されていないため、引き続き検討を進めていく必要がある。平成28年度に達成目標としていた液滴生成速度の向上が十分には達成されていなかったため、平成29年度も引き続き同目標の実現に取り組んだ。具体的には、ポリジメチルシロキサン(PDMS)製のシートに多数のマイクロピラーをフォトリソグラフィー技術を用いて作製し、これを脱気した後、マイクロ流体チップに装着した。前記PDMSシートはマイクロピラー構造により大きな比表面積を有するため、高い吸引力を備えた真空アクチュエータとして機能し、油相および水相の送液速度が大幅に増大した。これにより液滴の最大生成速度は約500滴/秒に達し、従来よりも2桁高速な液滴調製を実現することができた。平成29年度は、上記の検討とは別に、ダイアフラム式ピエゾマイクロポンプを用いたマイクロ流体制御システムを新規に開発した。本システムの基本性能を評価したところ、ポンプ制御入力電圧をオンにした瞬間から1秒以内に定常的な液滴生成が得られるという優れた特性を有することが見出された。また、液滴生成速度は、約1000滴/秒にも達することを確認した。さらに、平成29年度に目標としていた液滴の定点スクリーニングに本システムが適用可能であることを実証した。この研究成果は、下記学術誌に掲載された。研究実績の概要に記載したとおり、平成28年度に達成することができなかった課題に継続して取り組み、第一ステージの目標としていた液滴生成速度の向上を達成することができた。平成29年度は、本研究課題の第2ステージと位置付け、液滴スクリーニングデバイスの開発を主たる目標として研究に取り組み、新規開発したマイクロ流体制御システムによって液滴の定点スクリーニングが可能であることを見出した。しかし、到達目標としていたkHzオーダーの液滴スクリーニングレートを実現するには至っておらず、引き続き検討を進めていく必要がある。

本システムは、マイクロ流体チップの密閉された出口リザーバを上記ポンプを用いて減圧することにより流体制御する機構のデッドボリュームフリーな高速液滴調製システムであるが、ポンプへの入力電圧を変更することにより、新たな液滴生成速度に瞬時に達する(<0.5秒)ことを見い出した。このような短時間で液滴生成速度を変化させることができるマイクロ流体システムはこれまで報告されておらず、ドロップレットマイクロフルイディクス研究分野の発展を促す貢献であると考えられる。また、液滴生成速度は、ポンプへの入力電圧に一意的に依存しており、高い再現性が得られることも確認した。さらに、本流体制御システムは、液滴の高速調製のみならず、液滴のフロースルースクリーニングにも利用可能であることを実証した。クロスジャンクション型のマイクロ流路パターンのサイド流路からスペーサーオイルを導入することにより、マイクロ流路内で密集した液滴を定間隔で流動させ、定点で高速モニタリング(毎秒約120滴)することに成功した。本研究の成果は以下の学術誌に掲載され、当該号の表々紙に選定された。平成29年度は、本研究課題における第2ステージと位置付け、PCR後の液滴からの蛍光シグナルをハイスループットにスクリーニング可能なマイクロ流体デバイスの開発に取り組む。本研究では、PDMS製吸引アクチュエーターをマイクロ流体デバイスの上部に装着することによって、液滴を自律駆動的にマイクロ流路内へ導入・流動させ、EMCCDカメラを用いて定点で連続的に蛍光イメージングするスクリーニング方式を採用する。市販のddPCRシステムの液滴スクリーニング・レートは、180 Hz(バイオラッド社)であり、この値を向上させるためには、マイクロ流路内を流れる液滴の流動速度を増大させるか、あるいはマイクロ流路をマルチプレックス化(並列化)させる必要がある。本研究において、検出器として使用することを予定しているEMCCDカメラ(アンドール社)の画像読込速度は、最速11,074 frames/sであるが、画像読込速度が大きいほど露光時間が短くなり検出感度が低下してしまうため、前者のアプローチに対しては、適用可能な最大のデータ読込速度を実験をとおして慎重に見極めていく。後者のアプローチもイメージングできるエリアには限界があるが、開口数が比較的大きな10×の対物レンズを用いた場合でも、100ミクロン幅のマイクロ流路を100ミクロンの間隔で4本配置できることを既に確認している。本研究では、PDMS基板に4つのパラレル流路を設け、1 kHzのスクリーニング・レート((250 Hz/流路)×4)を達成することを目標に研究を実施する。平成30年度は、平成29年度に到達目標としていたkHzオーダーの液滴スクリーニングレートを実現するための検討を継続する。また、これと並行して、本研究で開発した分析プラットフォームの有用性を実証するために、(1)癌関連遺伝子の点突然変異アレルの選択的検出、および(2)λDNAコピー数の絶対的定量の二つのアプリケーションに焦点を絞り研究を実施する。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。
画像情報を利用した高い雑音下での音声認識に関する研究

音声認識の研究は各所で精力的に行われ,その結果不特定話者が話す単語を高い確率で認識できるようになった.現在は不特定話者が話す連続音声を良好に認識する手法について検討が進んでいる.しかしこれらの良好な結果は周囲に雑音の少ない比較的良好な環境で得られるもので,高い雑音が存在する環境では認識率は急激に減少してしまう.このため,スペクトルサブトラクション法やそれを改良した手法,あるいは最小平均2乗誤差推定法などが提案され,ある程度定常的な雑音に対する効果が確認されている.しかし,これらの手法によっても非定常な雑音やパワーの大きな雑音に対しては音声認識性能は大幅に低下してしまう.本研究計画では唇形状の時間変化を実時間で取り込み,これを音声認識のための補助的な情報として取り入れることにより,高い雑音下での音声認識率を向上させる新しい手法について検討を加えた.具体的には,(1)高速で唇形状の変化を取り入れるための画像処理手法,(2)音声に基づく認識候補と唇形状の時間変化を表す画像データに基づき得られた認識候補を統合するための手法,について検討を加え,それぞれについて,(1)振動項を付加した新しい動的輪郭モデル,(2)主成分分析手法に基づく新しい統合手法を考案した.そしてこれらの新しい手法を取り入れることにより,短時間で認識処理が可能な音声認識システムを構築した.構築されたシステムによると認識率は高い雑音下においても80%程度の認識率を達成することが可能であり,その認識に要する時間はおおよそ20秒程度と大変高速なものが実現された.今後は本研究計画により得られた成果をもとに,画像情報に基づくワードスポッティング手法の確立,ならびに認識手法やクラスタリング手法の改良による,より高い認識率を持つ単語認識システムの開発について検討を加える必要がある.平成9年は高速に正確な唇形状を抽出するために新しい動的輪郭モデルを考案した.このモデルに基づくシステムを構築した結果,本計画で初年度に目標としていた唇形状の抽出を行うことはほぼ達成できた.つづいて実時間処理が可能な手法として開発したシステムを動画像へ適用するため,基礎的な実験を行った結果ほぼ満足する結果が得られた.唇の形状抽出について当初は唇の外側の輪郭だけを使って認識ができるものと考えていたが,初年度に行った予備的実験の結果,外側だけでなく唇の内側の形状を利用することで認識率の向上が望めることが分かった.唇の内側の形状を抽出することは唇の部分の色の変化に伴う雑音が多く発生し,外側の形状を抽出するのに比べ困難であると思われるが,動的輪郭モデルの改良,2値化処理の改良などを行うことで解決を図ることを検討している.音声についての認識方法としてHMM(Hidden Markov Model)に基づく方法を検討した.そして認識のために必要となる,実時間での音声の取り込み,ケプストラムの計算,クラスタリングおよびHMMによる認識を行うためのプログラムの開発を行った.初年度でこれらのプログラムの開発はほぼ完了し,今後は認識実験を行いながら各パラメータの設定について検討をして行くことが残されている.第2年度には初年度得られた研究成果を元に,音声データと画像情報を組み合わせることにより正確な音声認識システムの構築を目指す.この作業は実際に雑音下での音声データを取り込み,実験を行いながらシステムの構築を行う必要がある.音声認識の研究は各所で精力的に行われ,その結果不特定話者が話す単語を高い確率で認識できるようになった.現在は不特定話者が話す連続音声を良好に認識する手法について検討が進んでいる.しかしこれらの良好な結果は周囲に雑音の少ない比較的良好な環境で得られるもので,高い雑音が存在する環境では認識率は急激に減少してしまう.このため,スペクトルサブトラクション法やそれを改良した手法,あるいは最小平均2乗誤差推定法などが提案され,ある程度定常的な雑音に対する効果が確認されている.しかし,これらの手法によっても非定常な雑音やパワーの大きな雑音に対しては音声認識性能は大幅に低下してしまう.本研究計画では唇形状の時間変化を実時間で取り込み,これを音声認識のための補助的な情報として取り入れることにより,高い雑音下での音声認識率を向上させる新しい手法について検討を加えた.具体的には,(1)高速で唇形状の変化を取り入れるための画像処理手法,(2)音声に基づく認識候補と唇形状の時間変化を表す画像データに基づき得られた認識候補を統合するための手法,について検討を加え,それぞれについて,(1)振動項を付加した新しい動的輪郭モデル,(2)主成分分析手法に基づく新しい統合手法を考案した.そしてこれらの新しい手法を取り入れることにより,短時間で認識処理が可能な音声認識システムを構築した.構築されたシステムによると認識率は高い雑音下においても80%程度の認識率を達成することが可能であり,その認識に要する時間はおおよそ20秒程度と大変高速なものが実現された.今後は本研究計画により得られた成果をもとに,画像情報に基づくワードスポッティング手法の確立,ならびに認識手法やクラスタリング手法の改良による,より高い認識率を持つ単語認識システムの開発について検討を加える必要がある.
C_2キラルユニットに基づくらせん構造をもつ光学活性高分子の合成

先に筆者らは、C_2キラルなビナフチル構造をもつ環状炭酸エステルのアニオン開環重合により生成するポリマーがらせん構造を持つことが示唆した。本研究では、上述の研究を進展させる一方、光学活性高分子、特にキラルらせん高分子に関する研究の基礎を築くことを目的として、低分子モデルの合成と詳細な構造解析を行った。(S)-ビナフトールの一つの水酸基をシリル基で保護した後、ビス(4-ニトロフェニル)カーボナ-トと縮合させ、ジシリル2量体を合成した。次に、トリフルオロ酢酸を用いて保護基を一つはずした後、同様にホスゲン3量体を用いて縮合させることによりジシリル4量体、さらに同法によりジシリル8量体を高収率で合成した。ジシリル3量体は単量体及び2量体のモノシリル体をホスゲン3量体を用いて縮合させ合成した。得られた28量体のCDスペクトルをTHFを溶媒として測定した結果、2量体から3量体の間にコットン効果の逆転が観測された。また、その吸収強度は重合度の上昇とともに増大するが、4量体以上で急激に大きな値となった。4、8量体のCDスペクトルのコットン効果は、ポリマーのCDスペクトルのもの及び構造計算によって推測した10量体モデルに対して得られたCDスペクトルの計算結果と一致していた。一方、これらのオリゴマーの簡単な構造計算を行った結果、4、8量体でらせん構造の可能性が示唆された。これらのオリゴマーに対してもそのCDスペクトルを計算した結果、コットン効果の逆転の可能性が示唆された。これらの結果より、4量体程度の重合度でもらせん構造を取りはじめることが示唆された。以上、C_2キラルなどビナフチル構造を主鎖にもつポリ炭酸エステルがらせん構造をとり、原料モノマーのキラリティーに依存してR体からは右巻きの、S体からは左巻きのらせん構造をもつことがわかった。
ガロア表現およびその有理点問題への応用に関する研究

ガロア群の表現であるガロア表現や、楕円曲線の高次元化であるアーベル多様体は、数論幾何における基本的な研究対象であると同時に、重要な研究の道具にもなっている。本研究では、アーベル多様体から定まるガロア表現を、その中に生じる指標を通して理解することを目的の1つとしている。アーベル多様体から定まるガロア表現やその中に生じる指標は、アーベル多様体の自己準同型環による強い制約を受けることが分かっている。そのような指標は、限られたパターンしか起こり得ないだろうと代表者は推測している。そこで、その指標のパターンを決定することが課題となっている。このような状況の中で、これまでは主に有理数体上の4元数環による乗法をもつ2次元アーベル多様体(QMアーベル曲面)から定まるガロア表現の中に生じる指標を調べてきた。さらに、その応用として、QMアーベル曲面のモジュライの有理点の決定を行ってきた。平成30年度においては、高次元アーベル多様体であり、有理数体よりも大きい基礎体上の4元数環による乗法をもつもののガロア表現の振る舞いを調べた。特に、その中に生じる指標についての知見を得た。具体的には、性質の知られているある種の指標のべきとなり、さらにそこに現れる指数の範囲をコントロールすることができた。今回得られた成果をもとに、上記の高次元アーベル多様体のモジュライの有理点に関する情報が得られることが期待される。さらに、ハッセ原理の反例などの数論的に興味深い現象が得られることも期待される。高次元のアーベル多様体について、ガロア表現やその中に生じる指標について調べることができたから。これまでの研究で得た成果や知識・経験を生かして、理解が不十分なままのモジュライの有理点に関する予想を定式化し、当該分野のさらなる発展を目指す。同時に、定式化した予想をガロア表現の言葉でも表し、ガロア表現の問題としても定着させる。ガロア表現とはガロア群の表現のことだが、ガロア群そのものを理解する上で重要であり、さらに、数論幾何的対象を調べる手段としても極めて有用である。一方で、有理点問題は、多項式を用いて表される方程式の有理数解(あるいは固定された体における解)を求めるという意味で、数論において古典的かつ基本的な重要課題である。また、モジュライの有理点問題は、モジュライを定義する方程式の解を求めることに加えて、モジュライの有理点と対応する幾何的対象を分類するという意味付けもあり、数論幾何における最重要課題のうちの1つである。アーベル多様体から定まるガロア表現や、その中に生じる指標は、そのアーベル多様体の構造により制限を受ける。そのような指標の分類を用いて、ある種の2次元アーベル多様体のモジュライである志村曲線の有理点が存在しないための新たな条件を発見した。さらに、志村曲線の代数体上のハッセ原理の反例の具体的な無限族を構成した。このような無限族は、単に存在することは既に知られていたが、具体的に見える形で構成されたのは今回が初めてである。今年度の成果により、有理点問題がさらに前進したといえる。それから、この成果はハッセ原理という観点からも非常に有用であることが明らかになった。本研究の手法および成果は、当該問題のさらなる発展をもたらすと期待される。同時に、指標の分類を有理点の決定に応用するという従来の方法の有用性を再確認したことにもなる。ガロア表現の中に生じる指標の理解を深め、さらに志村曲線の代数体上のハッセ原理の反例の無限族を構成できたから。レベル付きアーベル多様体のモジュライを考え、そのレベルが上がったときの有理点の振る舞いを調べることは、数論における基本的な重要課題である。方程式が複雑になるとき、その解はどのように振る舞うか、という問題と密接に関連している。代表者は、QMアーベル曲面のモジュライである志村曲線の場合に研究を進めてきた。kを類数が1より大きい虚2次体とする。このとき、有理数体上の不定符号4元数体Bで、付随する志村曲線M^Bがk有理点をもち、かつkがBを分解するようなものは(同型を除いて)有限個しかない、という定理をJordanが証明している。以前に代表者は、kがBを分解しない場合を調べ、Bの判別式の素因数に関するある種の合同式を仮定して、同様の結果を得ていた。今回は、その合同式の仮定を取り除くことができた。つまり、上記のkに対して、M^Bがk有理点をもつようなBは有限個しかないことを示した。解決の決め手となったのは、ある種の合同式の仮定が、局所的な有理点に関する結果にぴたりとはまったことである。今回の成果は、レベルが上がったときのモジュライの有理点の振る舞いという観点での有理点問題が一般的に解決された数少ない例のひとつであり、当分野において重要な成果であると言える。さらに、本研究において、ガロア表現やその中に生じる指標を調べることに加えて、局所的な有理点に関する結果を利用することが重要であることを再認識させられることとなった。困難と思われた志村曲線の有理点に関する未解決問題を解決できたため。

本研究では、アーベル多様体から定まるガロア表現を、その中に生じる指標を通して理解することを目的の1つとしている。アーベル多様体から定まるガロア表現やその中に生じる指標は、アーベル多様体の自己準同型環による強い制約を受けることが分かっている。そのような指標は、限られたパターンしか起こり得ないだろうと代表者は推測している。そこで、その指標のパターンを決定することが課題となっている。このような状況の中で、これまでは主に有理数体上の4元数環による乗法をもつ2次元アーベル多様体(QMアーベル曲面)から定まるガロア表現の中に生じる指標を調べてきた。さらに、その応用として、QMアーベル曲面のモジュライの有理点の決定を行ってきた。平成30年度においては、高次元アーベル多様体であり、有理数体よりも大きい基礎体上の4元数環による乗法をもつもののガロア表現の振る舞いを調べた。特に、その中に生じる指標についての知見を得た。具体的には、性質の知られているある種の指標のべきとなり、さらにそこに現れる指数の範囲をコントロールすることができた。今回得られた成果をもとに、上記の高次元アーベル多様体のモジュライの有理点に関する情報が得られることが期待される。さらに、ハッセ原理の反例などの数論的に興味深い現象が得られることも期待される。高次元のアーベル多様体について、ガロア表現やその中に生じる指標について調べることができたから。国内外の識者らと活発に交流、あるいは関連分野の研究集会等に参加して情報収集に努め、ガロア表現に関する理解を深め、構造付きアーベル多様体のモジュライの有理点を調べられるようにする。国内外において研究交流を活発化させる。さらに、適切な資料を収集する。そして、ガロア表現の中に生じる指標の分類を利用して、アーベル多様体から定まるガロア表現の像の形を調べる。局所的な方法も活用する。これまでの研究で得た成果や知識・経験を生かして、理解が不十分なままのモジュライの有理点に関する予想を定式化し、当該分野のさらなる発展を目指す。同時に、定式化した予想をガロア表現の言葉でも表し、ガロア表現の問題としても定着させる。旅費や物品購入額等が少なかったため。人件費・謝金、その他の支出が少なかったため。パソコン関連物品の購入、書籍の購入、文具類の購入、出張旅費、人件費等に使用する予定。パソコン関連物品の購入、書籍の購入、文具類の購入、出張旅費、人件費等
メガヘルツ超音波素子を用いた平均流のない擬一様等方性乱流場の生成

水中にメガヘルツ超音波(周波数0.95 MHz)を照射した場合に発生する定常流(音響流)によって駆動される格子乱流水槽を設計・製作し,生成される乱流の特性を粒子画像流速計(PIV)を用いて計測した.格子サイズは格子間隔M=20 mm,格子幅4 mm(遮蔽率36%)である.さらに,格子によって形成される流動場の特性を明らかにするため,有限差分法に基づく時間発展格子乱流場の直接数値計算(DNS)コードを新たに開発し,格子レイノルズ数10,000と20,000に対してスーパーコンピューターを用いて計算を行った.実験と計算結果より,メガヘルツ超音波により駆動される格子乱流場の特性を明らかにした.水中にメガヘルツ超音波を照射した場合に発生する定常流(音響流)の基礎特性を明らかにするための実験装置を製作した.アクリル製の水槽の大きさは底面積が190 mm×220 mm,高さが500 mmである.底面部には超音波振動板(カイジョー7857S型)が取り付けられている.超音波が発振されるのは中央の136 mm×163 mmの領域である.メガヘルツ超音波発振器(カイジョーハイメガソニック型)により周波数0.95 MHzの超音波を振動板から鉛直上方に照射した.発振器の出力は150 Wに設定した.これは,出力が大きいほど強い音響流が生成されるものの,それと共に起こりやすくなるキャビテーション(気泡の生成)の影響を低減するためである.粒子画像流速測定法(PIV)を用いて速度二成分を測定した.光源としてシート状のNd; Yagレーザを水槽壁面から照射し,トレーサ粒子画像をハイスピードビデオカメラにより撮影した.測定位置は底面部から距離60 mm140 mmとした.乱流格子を振動板(水槽底面部)から50 mmの位置に設置し,格子乱流場を形成させた.なお,格子のサイズは格子間隔M=20 mm,格子幅4mm(遮蔽率36%)である.実験の結果,鉛直方向に超音波振動面全体から音響流が形成されること,その時間平均流速は約50 mm/sであることが明らかになった.また,振動板上では水平方向に対してほぼ一様であった.一方,速度変動強度に関しては,水平方向速度変動強度は一般的な格子乱流場と同程度の値を示したが,鉛直(主流)方向速度変動強度は水平方向速度変動強度の2倍程度の値となり,通常(1.21.4倍程度)よりも大きな値を示した.実際にこのような場が形成されているのか,超音波の存在により通常の水路実験では存在しない何らかの要因で計測が正しくできていないのかを,今後の研究で明らかにする必要がある.当初計画通り,超高周波(メガヘルツ)超音波振動素子と格子を用いた擬一様等方性乱流を生成するための実験装置を設計・製作した.その結果,実績で示した通り,メガヘルツ超音波により駆動される音響流を利用した格子乱流場を水槽内に形成させることに成功した.また,当初計画通り,発生した乱流場のPIV計測を行った.その結果,PIVによる速度場計測に問題がある可能性があることが示唆された.この検証を慎重に行う必要があるため,現在のところ学会等での成果発表を行うには至っていないが,本研究で対象としている流れ場は,これまで誰も調べたことがない場であり,得られる知見は斬新かつ有益なものとなる.以上のように,当初計画通りに実験装置の設計製作と流動場計測までを終了させた.よって,今後の研究課題は見つかったものの,現在までの進捗状況はおおむね順調に進展していると判断される.2015年度に設計・製作した実験装置を用いて,水中にメガヘルツ超音波(周波数0.95 MHz)を照射した場合に発生する定常流(音響流)によって駆動される格子乱流場の詳細な調査を行った。格子のサイズは格子間隔M=20 mm,格子幅4 mm(遮蔽率36%)である.計測には粒子画像流速測定法(PIV)を用い,平面内で速度二成分および渦度を計測した.さらに,格子によって形成される流動場の特性を明らかにするため,有限差分法に基づく時間発展格子乱流場の直接数値計算コードを新たに開発し,計算を行った.計算は格子幅と流入流速に基づくレイノルズ数が10,000と20,000の場合に対して実行され,計算格子数はそれぞれ2304^3および2048^3とした.実験の結果,格子を設置しない場合でも平均流速の0.3倍程度の大きな乱れが存在していることが明らかになった.この原因として,超音波が水槽底面全体から照射されているわけではないため音響流が一様ではないことが考えられる.しかし,格子を設置することで,速度変動の大きさは同程度のままで変動値の空間一様性は向上した.しかし,この場合も等方性はあまり高くない結果となった.計算の結果,格子棒による後流が発達するとともに互いに干渉し,一様な準等方性乱流を形成していく過程が明らかになった.

また,格子幅と流入流速に基づくレイノルズ数が10,000の場合には粘性の影響が強く表れ,レイノルズ数が20,000の場合と散逸特性が異なることがわかった.本実験で用いたメガヘルツ超音波(周波数0.95 MHz)と乱流格子の場合,生成される乱流のレイノルズ数が非常に小さい(1,000)ため,レイノルズ数を挙げることが課題として浮き彫りになった.このためには,超音波素子の変更とより大きな水槽(従ってより大きな格子)を用いる必要があると考えられる.水中にメガヘルツ超音波(周波数0.95 MHz)を照射した場合に発生する定常流(音響流)によって駆動される格子乱流水槽を設計・製作し,生成される乱流の特性を粒子画像流速計(PIV)を用いて計測した.格子サイズは格子間隔M=20 mm,格子幅4 mm(遮蔽率36%)である.さらに,格子によって形成される流動場の特性を明らかにするため,有限差分法に基づく時間発展格子乱流場の直接数値計算(DNS)コードを新たに開発し,格子レイノルズ数10,000と20,000に対してスーパーコンピューターを用いて計算を行った.実験と計算結果より,メガヘルツ超音波により駆動される格子乱流場の特性を明らかにした.次年度は以下の研究を行う.1まずは計測データの妥当性を明らかにすることが必要となる.測定が正しくできていない原因として考えられるのは,超音波が形成する定在波によってトレーサ粒子がトラップされ激しく振動したりすることや,キャビテーション気泡に起因するエラー信号などが考えられる.ただし,音響流は超音波エネルギの主流方向に対する減衰を基にして発生するため,通常の水路流れとは異なり,主流方向に対する何らかの流れ(乱れ)が生み出される可能性は十分にある.このこともあり,今後は格子からより離れた点における計測をするなどして,主流方向に対する流れ場の特性を詳しく明らかにする必要がある.また,特に気泡の影響を明らかにする場合には,ローダミンBを吹き付けたトレーサ粒子を使用し,カメラレンズに光学ハイパスフィルタを取りつけることで,流体運動のみを取り出す.21の結果にもよるが,いずれにせよ振動板が一枚の場合には強い乱流場を形成させることは困難であると考えられるため,振動板を対向させるように配置し,二面から音響流を発生させ衝突させることで,より強い乱流場を生み出すことを試みる.2面の間隔は1の実験結果により決定する.3形成された場における等方性,一様性を明らかにするとともに,乱流の代表長さスケールであるインテグラルスケール,マイクロスケール,また乱流レイノルズ数などを計算し,形成された乱流場の特性を明らかにする.4直径が200μm2mm程度の粒子を混入し,粒子が乱流場に及ぼす影響(統計量の算出)を明らかにする.またこれが可能になれば,通常の水路実験では不可能な乱流中での粒子運動のラグランジュ的追跡が可能になる.なおこの場合にも,トレーサ粒子にはローダミンBを吹き付けたポリスチレン粒子を用いる.流体工学当初,旅費として60万円を計上していたが,計測データの妥当性を慎重に検討する必要があったため成果発表を見合わせた.そのため,実際の旅費は資料収集のための約13万円に留まった.「その他」でも学会参加費の支出を見込んで20万円を計上していたが,上記理由により実際に使用したのは4万円弱であった.これらの理由により次年度繰越金が生じた.計測データの妥当性の検証が終われば、国内外の学会において成果を公表する.そのための旅費および学会参加費として用いる.当初予算でも二年目に旅費は計上しているが,初年度発表できなかったこともあり,予定よりも多くの学会で成果を公表する.また,初年度の実験で振動版1枚では強い一様等方性乱流場を生成することが難しいことがわかったので,初年度および次年度の計測結果に基づいて対向式の実験装置を新たに設計・製作する.このために費用が必要である.さらに,最終的な成果を国際誌に投稿するための投稿費用にも用いる.
電界プローブを用いた雷インパルス電圧測定システムの開発

1994年,高電圧測定システム関する国際規約IEC 60060-2が改訂され,各国は国家標準にトレーサブルな高電圧測定システムを所有することが規定された。この国際動向に歩調を合わせるため我が国では国家標準分圧器及び基準分圧器を保有することが責務となった。言うまでも無く,これらの高電圧分圧器は較正すべき市販の分圧器を格段に上回る,高精度の応答特性を有するものでなくてはならない。これらの高性能分圧器を製作するとなれば,種々のタイプの分圧器がその候補に考えられる。電圧階級,500-700kVの分圧器を考えると,1)油絶縁抵抗分圧器,2)多重シールド型容量補償抵抗分圧器,3)リングリールド型抵抗分圧器,4)制動容量型分圧器,5)電界プローブが可能性を有する分圧器として考慮される。本研究責任者を始めとする研究者により,これらの分圧器の中で他の分圧手段に比べ,直線性,温度特性,長・短時間安定性,極性効果の面で極めて優れた基準測定システムとして使用が期待できる,5)の電界プローブの実用化に向けて研究を進めた。従来,電界プローブは商用周波数の交流電圧の測定に使用され,雷インパルス電圧のような急峻波を測定するには,ゲインが小さい,インピーダンスの不整合により測定された波形が変歪するなどの致命的な問題があり,実用化は全く行われていなかった。これに対し,本研究者責任者らは,抵抗性ケーブルを導入することにより,従来の問題点を一気に解決する電界プローブの実現を完成した。本研究の主要な目的は、雷インパルス電圧のような急峻波を電界プローブで測定し,電界プローブ法を基準雷インパルス電圧測定システムとして利用可能な水準まで引き上げるための基礎研究を行うことである。本年度の実績をまとめると以下のようになる。1)抵抗性プローブのステップ応答を解析的な記述であらわすことが可能になった。2)抵抗性プローブのステップ応答の解析解とEMTPとSPICEによる数値計算結果を比較し,今回導出した解析解と数値計算結果が定性的には同じ傾向を示すことを把握すると共に,精度及び応用の面では今回導出した解析解が定量的に優れたものであることを確認した。3)電界プローブに接続される静電容量(Cm)と抵抗性ケーブルの長さ(L),その単位長さ当たりの抵抗値(R)をパラメータにとり,単位ステップ応答計算により,標準雷インパルス電圧が印加された場合の抵抗性ケーブル終端で測定されるインパルス電圧応答を数値コンボルーション手法により計算し,最適なCm-L-Rの組み合わせを明らかにした。この結果,既知量Cmに対して,最適なL-Rの組み合わせが存在することが明らかになった。4)電界プローブと球電極のなす幾何学的静電容量(C)を極めて高精度で計算できるアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムは球-接地平板電極における球表面の電位境界条件を連続影像法により満たし,矩形接地平板(電界プローブ)上の電界し,その結果から間接的に幾何学的静電容量を計算するものである。このアルゴリズムの完成により幾何学的静電容量(C)の値を実用上十分な精度で計算することが可能となった。本研究で提案する電界プローブを用いて雷インパルス電圧を,従来の基準分圧器の精度で測定する技術は,抵抗性ケーブルを導入することにより可能であることが実測,理論の両面から明らかにされた。

本研究でその有効性が実証された球電極+電界プローブ+抵抗性ケーブルより構成される雷インパルス電圧測定システムは広範な分野への応用が期待される。その一例として,開閉インパルス電圧測定への応用が考えられる。開閉インパルス電圧(ピーク値までの到達時間は250usec)は時間的な変化率で表現すれば,雷インパルス電圧(ピーク値までの到達時間は2usec)と商用AC電圧(ピーク値までの到達時間は5000usec)の間に置かれよう。電界プローブは従来からAC電圧の測定に使われ,何ら問題がなかった。本研究で,雷インパルス電圧測定に使えることが明らかにされた現在,開閉インパルス電圧測定への応用はいかなる困難も見出せない。なお,問題点として,700kV以上の電圧階級の雷インパルス電圧は電界プローブによって測定することが困難なことが挙げられるが,非技術的な観点から困難と考える。つまり,大型の球電極の必要性が難点として立ちふさがっているように思われる。実際,直径100cm以上の球電極の使用は費用の面でもまた,設置(天井から吊るすため,建屋の補強工事が必要)の上でも,それより小さな球電極に比べ格段に困難であるためである。