hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
視神経乳頭周囲強膜クロスリンキングによる緑内障神経保護治療法開発

緑内障は近年眼圧以外の循環障害、篩状板の脆弱性、遺伝性、免疫性などの多数の危険因子により進行する慢性多因子疾患と理解されている。特に視神経乳頭を支える篩状板と乳頭周辺組織の脆弱性が注目されている。今回、我々は円錐角膜に対して臨床応用され、近視の治療としても注目されているクロスリンキング治療を乳頭周囲強膜へ応用し、生体安全性と強膜強度増加への有効性を確認する。さらに高眼圧モデルマウスにより神経保護効果の有効性を確認する。緑内障の原因として唯一エビデンスのある因子は眼圧であるが、現在眼圧以外にも循環障害、篩状板の脆弱性、遺伝性、免疫性などの多数の危険因子により進行する慢性多因子疾患と理解されている。特に視神経乳頭を支える篩状板と乳頭周辺組織の脆弱性が近年注目されている。篩状板は100万本の視神経が通過する場所で、近視など元々脆弱な個体では視神経に大きな負荷がかかり視神経症が発症リスクを増大すると考えられているが治療法は開発されていない。今回我々は近視の治療としても注目されているクロスリンキング治療を乳頭周囲強膜へ応用し、安全性有効性を確認することとした。人間のような近視眼のモデルマウスは存在しないため、まずは緑内障の原因である高眼圧モデルマウスを作製しその有効性を確認する。本研究は緑内障性視神経症の脆弱性改善を目指す治療法の開発であり、眼医工学の応用で、新たな神経保護治療と治療効果判定法の開発によって緑内障治療の重要な基盤情報となる可能性がある。初年度は広く使われているブラックマウスの高眼圧モデル作成を行った。白色マウスよりも眼圧上昇効率が落ち、安定していない。一方、網膜の発生時期による強膜発生観察と適切な網膜形態観察のマーカーを決定するため免疫染色を行い抗体を選別した。緑内障は眼圧を含む多数の危険因子つまり循環障害、lamina cribrosa(LC)の脆弱性、遺伝性、免疫性などにより進行する多因子疾患と理解されている。特に視神経乳頭を支えるlamina cribrosaと乳頭周辺強膜の脆弱性が近年注目されている。本年度は強膜クロスリンキングの安全性と効果を検討した。眼球が大きく操作性が保たれており、前眼部OCTを用いた組織変化観察が可能である家兎を用いて施行した。UV照射にはウシオ電機製の波長365nmのUV-LEDが搭載されたスポットUV照射装置SPL-2を用いた。まず家兎眼を摘出し結膜を除去後、強膜を露出した。0.1%リボフラビン点眼を3分おきに20μlずつの塗布する作業を30分間施行した。その後、UVを出力1%で強膜上から2.5cm離した場所から照射し、前眼部OCTにて観察した結果、強膜の輝度が上昇していた。線維化が起きている可能性を予想しホルマリン固定し現在組織解析中である。さらに線維化による強膜張力の変化を観察するための予備実験を行った。イマダ製の手動型計測スタンドHV-500NIIを用い家兎の摘出眼から切り出した強膜を機械に挟んだ状態で張力をかけ強膜が避ける直前の値を検討した。強膜全体に張力がかかるように固定する方法を見つけることができ、5.8Nから15Nの張力によって強膜が数本のコラーゲン組織に分離した。昨年はblack mouseに対する高眼圧モデルを作成し、網膜組織の安全性を検討するための組織抗体を選定した。本年度は、強膜クロスリンキングの安全性と効果を検討した。家兎を用いて、強膜に対するUV照射を行い、張力を測定した。現在、UVその組織を固定し電顕にて解析中である。またコラーゲン組織の観察に有用な二光子顕微鏡での観察も検討している。次に生体眼においてもUV照射を施行したところ、施行2日後に前眼部に強い炎症が出現した。組織に対する安全性を確立したのち、高眼圧モデルに対して照射し、組織の安全性を検討する。モデルの検討が始まっていない点において、やや遅れている。緑内障は現在、眼圧を含む多数の危険因子(循環障害、lamina cribrosaの脆弱性、遺伝性、免疫性など)により進行する多因子疾患と理解されている。特に視神経乳頭を支えるlamina cribrosaと乳頭周辺組織の脆弱性が近年注目されている。lamina cribrosaは視神経が通過する場所で、近視など脆弱な個体では視神経に大きな負荷がかかり視神経症が発症リスクを増大すると考えられているが、治療法は開発されていない。今回我々は円錐角膜に対して臨床応用され、近視の治療としても注目されているクロスリンキング治療を乳頭周囲強膜へ応用し、安全性有効性を確認する。初年度、はブラックマウスに対する高眼圧モデルを作成し、網膜組織の構造解析のための抗体の選定を行った。次いで、昨年度はまず強膜への適性なUV照射条件を把握するために、照射実験を行った。さらに、操作性から白色家兔に対してUV照射の安全性試験とクロスリンキング効果について判定した。白色家兔に対するOCT観察では、強膜輝度は上昇した。また、強度は照射強膜で増大していることが観察された。そこで、本年は昨年行ったウサギ強膜強度試験の条件を、より安価に実験できるマウス強膜に当てはめ、UV照射条件を変えてまずクロスリンキング効果試験を施行した。

結果として、UV照射群は非照射群と比べて引張強度は大きくなっていた。しかし、サンプルサイズが小型化した結果、半数が測定中に測定器から離れることで測定不能となった。現在の強度試験の機器で、より小さな組織の引張試験を行うにはさらなる測定器への固定条件設定が必要となった。また、強膜コラーゲンの構造変化をOCT(厚み、輝度)と組織切片(厚み)により解析しているが、クロスリンキングが分子的起こっているかを検討するには分子レベルの解析が必要であると考えられた。一昨年の遅れにより、実験計画を早めたが、最終の結論に達することができなかった。つまり、現在の強度試験の機器では、マウスの小さな組織の引張試験を行うにはさらなる測定器への固定条件設定が必要となった。そこで、終了を延長し認可された。緑内障は現在、眼圧を含む多因子疾患と理解されている。特に視神経乳頭を支えるlamina cribrosaと乳頭周辺強膜の脆弱性が近年注目されている。この脆弱性に対する治療法は開発されていない。今回我々は円錐角膜に対して臨床応用され近視治療としても注目されているクロスリンキングを乳頭周囲強膜へ応用し安全性有効性を検証する。これまで、UVを用いた照射プローブの作成と照射量を検討し、組織強度の変化を観察してきた。本年度は、UV照射後の網膜機能の安全性をみるため、電気生理学的手法を開発した。マウスは2色色覚であり、錐体反応はUVとgreenの波長を認識する。これまでの網膜電図は可視光領域でのみ観察されている。今回我々は、UV誘導錐体網膜電図を開発し、時間特性の解析を行った。ON,OFF経路は周波数特性が異なることから、photopic single-flash and flicker ERGsを測定し、25-Hz以上のflicker ERG responsesがcis-2, 3-piperidine-dicarboxylic acidの硝子体注射で抑制され、15-Hz以下の反応ではL-2-amino-4-phosphobutyric acidにより抑制されることから、紫外線誘導のflicker ERGsは25-Hz以上で主にOFF経路由来、15-Hz以下ではON経路由来であると示すことができた。すなわち、S-opsin-expressing conesはONとOFF経路を持つことが観察可能であった。この手法を用いることで、網膜機能の大半の領域を観察することが可能となった。緑内障は近年眼圧以外の循環障害、篩状板の脆弱性、遺伝性、免疫性などの多数の危険因子により進行する慢性多因子疾患と理解されている。特に視神経乳頭を支える篩状板と乳頭周辺組織の脆弱性が注目されている。今回、我々は円錐角膜に対して臨床応用され、近視の治療としても注目されているクロスリンキング治療を乳頭周囲強膜へ応用し、生体安全性と強膜強度増加への有効性を確認する。さらに高眼圧モデルマウスにより神経保護効果の有効性を確認する。初年度である本年はレーザー誘発高眼圧モデルマウスの作製を行った。我々はすでにalbinoであるCD-1マウスを用いたモデルマウスの作製に成功している。
海馬依存的運動学習における記憶保持回路の時間依存的再構成

今までの研究において、私は脳部分破壊法、薬物局所単回投与法と薬物局所慢性投与法を用いた行動実験により、瞬目反射条件付けトレース課題において、前頭前野は記憶の獲得、初期の固定化、学習後に起きるシステム固定化、貯蔵そして想起の全ての記憶過程において必要であることを示した。そこで今年度は記憶の獲得中および以前獲得した記憶の想起中の前頭前野の神経活動を多細胞同時神経活動記録法により調べ、前頭前野が各記憶過程において具体的に何を符号化しているのかを調べた。その結果記憶の獲得中においても想起中においても、70%以上の前頭前野神経細胞が提示刺激に対して応答変化を示すことがわかった。一方、刺激をランダムに提示し、記憶を獲得できないようにした群では応答パターンが変化する細胞は20%以下しか観察されなかった。さらに各神経細胞の応答パターンを解析したところ、記憶の獲得中においては提示刺激や試行に対して持続的な抑制性応答を示す細胞が多くみられた。それに対して以前獲得した記憶の想起中には提示刺激や試行に対して一過的な興奮性応答を示す細胞が多くみられた。これらの結果は前頭前野は提示刺激間の連合を符号化していることを示唆する。さらに記憶の獲得時には前頭前野は記憶すべき試行の出現に対して持続的な抑制性応答を示すことで、海馬や小脳など記憶回路の他の構成要素が試行内容を符号化するのを修飾する働きをしているが、以前獲得した記憶の想起中では、提示刺激に対して一過的に反応し、小脳など行動出力を生み出す構成要素へ実行指令を送る働きをするようになると考えられる。以上の結果と一連の行動実験の成果から、私は瞬目反射条件付けトレース課題において、前頭前野は全記憶過程において記憶を担う神経回路の重要な構成要素であることが示し、短期記憶での重要性が強調されてきた前頭前野の新しい機能として長期記憶の形成制御と貯蔵の座を提示した。私は今までの研究において、脳部分破壊実験によって、瞬目反射条件付けの記憶保持を担う神経回路が学習後に海馬依存的神経回路から前頭前野依存的神経回路へと再構成されることを見出した。このことは、最終的な記憶痕跡が前頭前野に形成される可能性を示唆している。そこで本年度は、前頭前野が関与する記憶の形成過程とその時に関与する分子を薬物微小局所注入法を用いて調べた。その結果、前頭前野が記憶符合化および初期の固定化に関与し、それはNMDA受容体に依存することがわかった。この成果は日本神経科学学会年会および北米神経科学学会年会において発表し、多くの研究者の興味を引き、高い評価を得た。現在論文投稿準備中である。さらに前頭前野でのNMDA受容体の活性化の長期的な記憶固定化への関与を調べるために、学習成立直後2週間慢性的に前頭前野のNMDA受容体阻害したところ、学習成立6週間後の記憶(この記憶は前頭前野依存的に保持されている)の保持に障害がみられた。このことは、学習後の2週間において前頭前野でNMDA受容体が活性化することが長期的な記憶保持に重要であることを示唆しており、脳部分破壊実験の結果とともに、前頭前野に最終的な記憶痕跡が形成されるという私の仮説を支持する。同時にこの結果は長期的記憶固定化における大脳新皮質の重要性を初めて実証した新規性の高い成果である。さらに、上述した記憶保持回路の再構成の神経活動レベルでの表現やその経時変化を調べるために、海馬と前頭前野からの同時多細胞神経活動記録系の確立を目指した。電極や測定装置の改良、工夫の結果、海馬用テトロード7本、前頭前野用ステレオトロード7本を独立に駆動できるマイクロドライブの作製に成功し、それを用いて条件付け中の神経活動を約1ヶ月程度連続的に記録することに成功した。今までの研究において、私は脳部分破壊実験により、瞬目反射条件付けトレース課題の記憶保持を担う神経回路は学習後に海馬依存的神経回路から前頭前野依存的神経回路へと再構成されることを見出した。このことは最終的に記憶を貯蔵する神経ネットワークにおいて、前頭前野が重要な役割を果たす可能性を示唆している。さらに薬物局所投与実験により、この学習の獲得および初期の固定化に前頭前野のNMDA受容体が必要であることを示した。そこで今年度はこの前頭前野NMDA受容体に注目し、これが前頭前野依存的神経回路への再構成に関与するかどうかを浸透圧ポンプによる薬物局所慢性投与法を用いて検討した。その結果学習直後の2週間に前頭前野にNMDA受容体阻害薬を慢性局所投与すると前頭前野依存的に保持される学習成立6週間後の記憶の保持が障害を受けるが、その次の2週間に阻害薬を投与した場合は記憶の保持は影響を受けないことを見出した。このことは学習直後の2週間において前頭前野でNMDA受容体が活性化することが長期的記憶の形成に重要であることを示唆しており、脳部分破壊実験の結果とともに、前頭前野が最終的な記憶貯蔵を担う神経ネットワークにおいて重要な領域であるという私の仮説を支持する。この成果は日本神経科学学会年会、北米神経科学学会年会およびそのサテライトミーティングにおいて発表し、多くの研究者の興味を引き、高い評価を得た。さらに上述した記憶保持回路の再構成の神経活動レベルでの表現やその経時変化を調べるために、前頭前野からの多細胞同時神経活動記録を平行して行っている。現在までのところ、提示刺激に対して興奮性または抑制性の応答を示す神経細胞が存在することや学習が進むにつれて前頭前野の神経細胞群間の機能的結合性が上昇する傾向を見出した。

これらの傾向は次年度の実験で精査する予定である。今までの研究において、私は脳部分破壊法、薬物局所単回投与法と薬物局所慢性投与法を用いた行動実験により、瞬目反射条件付けトレース課題において、前頭前野は記憶の獲得、初期の固定化、学習後に起きるシステム固定化、貯蔵そして想起の全ての記憶過程において必要であることを示した。そこで今年度は記憶の獲得中および以前獲得した記憶の想起中の前頭前野の神経活動を多細胞同時神経活動記録法により調べ、前頭前野が各記憶過程において具体的に何を符号化しているのかを調べた。その結果記憶の獲得中においても想起中においても、70%以上の前頭前野神経細胞が提示刺激に対して応答変化を示すことがわかった。一方、刺激をランダムに提示し、記憶を獲得できないようにした群では応答パターンが変化する細胞は20%以下しか観察されなかった。さらに各神経細胞の応答パターンを解析したところ、記憶の獲得中においては提示刺激や試行に対して持続的な抑制性応答を示す細胞が多くみられた。それに対して以前獲得した記憶の想起中には提示刺激や試行に対して一過的な興奮性応答を示す細胞が多くみられた。これらの結果は前頭前野は提示刺激間の連合を符号化していることを示唆する。さらに記憶の獲得時には前頭前野は記憶すべき試行の出現に対して持続的な抑制性応答を示すことで、海馬や小脳など記憶回路の他の構成要素が試行内容を符号化するのを修飾する働きをしているが、以前獲得した記憶の想起中では、提示刺激に対して一過的に反応し、小脳など行動出力を生み出す構成要素へ実行指令を送る働きをするようになると考えられる。以上の結果と一連の行動実験の成果から、私は瞬目反射条件付けトレース課題において、前頭前野は全記憶過程において記憶を担う神経回路の重要な構成要素であることが示し、短期記憶での重要性が強調されてきた前頭前野の新しい機能として長期記憶の形成制御と貯蔵の座を提示した。
チームの納得を促進するための看護師のコーディネート力向上プログラム開発と評価

本研究の目的は、がん医療を担う看護師を対象に、医療チームの納得を促進するコーディネート力向上プログラムを開発し、その効果を評価することである。コーディネート(調整)の概念分析、カンファレンスの困難に関する質的研究、質問紙調査などの研究を行う。それらの結果を基に、コーディネート力向上プログラムを開発する。看護師を対象にプログラムを実施して、その効果を検証する。プログラムを受講した看護師は、カンファレンスでの困難感が緩和し、コーディネート力が向上することを期待している。また、それによって多職種連携が促進すると考える。最終的には、プログラムを標準化し、大学院教育への導入を検討する。
電磁振動プロセスを用いた異方性鋳造ネオジム磁石の創製

本研究では、「NdCu+Nd2Fe14B」合金を対象として、液相であるNdCu非磁性相中における固相のNd2Fe14B磁石相分散状態及びc軸配向状態と電磁振動条件の関係を把握する事で、Nd2Fe14B相が均一微細分散化かつc軸配向するメカニズムを明らかにし、異方性鋳造ネオジム磁石を創製することを目的としている。この成果により、高性能な異方性鋳造ネオジム磁石を社会に提供するだけに留まらず、様々な機能性を有する複合材料において電磁振動プロセスを用いた配向技術による高性能化が実現できる様になると考えている。
理科教育における実験・観察等の実際的活動に関する国際比較研究

本研究で実施した調査は、実験テスト,理科問題,科学観テスト,質問紙等であり、対象は全国9地区(北海道,岩手,東京,愛知,福井,岐阜,岡山,香川,福岡)から選んだ、小・中・高各1校1学級の任意標本であり、被験者数は小学校346名,中学校370名,高等学校368名である。主な調査結果は次のとおりである。1.実験テストについては、小学校では(1)感覚による長さと重さの見積り、(2)電気回路の配線、(5)石灰石と塩酸の反応と化石の形の推定の各問題の正答率が低い。中学校では(1)について長さはよくなるが別の体積の見積りが低くなる。高等学校でも(1)と(5)の正答率は低い。2.実験テストの小,中,高を比較して5%以上の差のあるものが多く、上記(1)-1では小と中・高間、(1)-2では中と高の間、(2)-1では中と高の間、(2)-2,3,4では小と中,中と高の間、(5)-3,4,5では小と中,中と高の間にある。3.第2回国際理科教育調査の実験テスト(Process Exercises)の国際比較では、現在までのところ日本,ハンガリー,シンガポールのデータしか得られていないが、これらの比較では次のようである。日本の理科問題の成績は一番高いのにかかわらず、実験テストでは一番低く、とくに観察,測定,制作ではほとんど変らないのに、推論する、仮説を作る、結論を導くことでは両国とくらべてかなり低い。このことは日本の理科教育の欠点を端的に表わしているといえよう。4.実験テストと理科問題、質問紙等の相互相関から見ると、それほど明確ではないが、小・中・高と学校段階が高くなるほど、実験テスト成績と理科問題の成績との相関ず高くなる傾向がある。相互相関が最も高いのは、理科問題と科学観テストであり、15年ほど前の第1回国際理科教育調査のときと同様である。
視覚系における競合的情報処理機構に関する研究

本研究は両眼視の中でも特に時間特性が顕著に観測される両眼視野闘争過程に注目し、視覚系の競合的情報処理が時間的に如何に行われているかを解明することを目的として行われた。本研究では、脳の自発リズムのうち、α波(8-13Hz)の振幅がタスクを与えられる事により減衰する現象に基づき、視野闘争過程に関わる脳の皮質部位の推定を試みた。視野闘争は様々な刺激図形間で生じるが、視覚系の機能分化との関連を調べるため、それぞれ脳の関与する機能部位が異なると予想される、直交する2本の直線、単純な幾何学図形、異なる方向に運動する格子等を被験者に呈示して実験を行った。本研究で得られた結果をまとめると、まず、運動格子を呈示刺激とした場合について、α波帯域において国際10-20電極配置法に従うFz,C4,T4,Pz,P4,T6,O2の部位で視野闘争時と対照とした視野融合時とのスペクトルパワーに有意な差(p<0.05)が見られ、また特に頭頂部でこの差が大きいことが上げられる。一方、β波帯域(16-24Hz)ではFz,C3,C4,T5で有意な差が見られ、またα波帯域に比べやや前方へシフトしていることが分かった。他の、静止した図形を用いた場合の結果と比較すると、静止図形ではα波帯域において差の大きく見えていた場所が後頭及び頭頂部であったのに対し、運動刺激では頭頂部で大きいという違いが見られる。このことは、呈示図形の有する主たる性質(静止,運動)により、α波の頭皮上分布が異なることを示すと考えられる。運動格子刺激の場合、α波帯域に差が見られた部位は、サルを用いた実験で上側頭溝のニューロンが、視野闘争に関与しているとの報告と位置的に符号すると思われる。以上のように、本研究によりは自発脳波、中でもα波減衰を指標にして視覚系の競合的情報処理に関与する部位のおおよその推定が行える可能性が確かめられた。
局所光電場による単一分子制御

金属微小構造体より構築される極微小空間に形成される局所光電場を利用した表面増強ラマン散乱(SERS)による単一分子の直接的観測ならびに金属表面における動的な拡散挙動を検討した。自己組織的に配列させたポリスチレンビーズをテンプレートとしてガラス基板上へ金属を傾斜蒸着することで、二つの金属微小構造体を近接して配置させたダイマー構造を構築した。その際のギャップ間隔はナノメートルオーダーにて制御可能であった。このギャップ近傍へ2,2 '-bipyridine(22bpy)及び4,4 '-bipyridine(44bpy)分子を吸着させた後、顕微ラマン分光装置にてラマン散乱スペクトルの経時観察を行なったところ、100μMの混合水溶液中ではどちらか1成分のスペクトルのみが観測されることがあった。この濃度領域では44bpy分子がほぼ飽和吸着していることが報告されており、その様な状況下22bpy1成分のみが観測されたことから、hot siteのサイズは電磁気学的に予想されているギャップ間隙よりもはるかに小さく、分子に匹敵するサイズであることが明らかとなった。さらに非飽和吸着の濃度領域である1μMの混合水溶液中では、両者のスペクトルが瞬間的に入れ替わる挙動が観察された。表面被覆率を制御した実験によって、本現象は2個以上複数の分子が同時に入れ替わったとは考えられず、単一分子からのシグナルを検知していたものと結論付けられた。これまで、固体基板上に設計された金属微小構造体から単一分子由来のシグナルを観察した直接的証拠を示した研究例はなく、以上の結果は電磁気学的理論で予測されている局所電場によるラマン増強効果に加えて原子サイズの化学的増強サイトが存在することを示したものである。本現象を利用することで、単一分子レベルでの感度を有する高感度分子検出システムの構築が可能となった。
看護行為中に患者の苦痛や不快に気づく観察に関する研究

本研究は看護学生を対象として、点滴確認場面で患者の不快状態に気づく者と気づかない者の視線の違いとそれらへの気づきに影響する要因について明らかにする。そして、看護行為に注意が集中しやすい場面でも、患者の不快状態に気づける簡単な事前指示を検討し、その効果を検証することを目的とする。方法は、個室病室を設定し模擬患者が苦痛を感じる姿勢にして、対象者に点滴確認を行うよう指示する。アイマークレコーダにて入室から退室までの視線を録画し、気づきの有無と内容、それらに影響した要因についてインタビューする。分析結果から事前指示を検討して、同様の場面設定でシミュレーションを行い、その効果を検証する。
自閉症者の視覚情報認知に関する脳機能学的研究

自閉症者と健常成人に対し、光脳機能計測装置(NIRS)を用いて、聴覚的、視覚的に情報提示を行い、前頭前野領域の脳血流測定を行った。健常成人では、聴覚的のみの情報提示方法で、前頭前野領域の脳活動の活性が認められた。自閉症者では、左背外側では視覚的のみの提示方法で、また右背外側では聴覚的+視覚的情報提示で、脳活動の活性がみられたことから、自閉症者では視覚的な情報提示が聴覚的提示に比べ、提示実行機能に関わる情報処理に関与していることが推察された。歯科診療に困難を極める自閉症者に対し、自閉症の疾患特性を利用した視覚的支援による情報伝達を応用することにより、その適応が得られやすい状況がある。本研究はその有効性を客観的に評価するため、自閉症者の脳機能評価という手法を用いた。まず、研究実施計画に基づき、対象者とコントロール群である健常者の全身既往歴や特性、また自閉症者の保護者の歯科診療に対する考え等、対象者の背景把握のため、事前プロトコールを検討、作成し、現在実施中である。次に、光脳機能イメージング装置を用いての脳機能計測について、健常対象者においては、設定課題のなかで、口頭での説明による内容提示が、視覚のみの内容提示よりも脳機能学的には情報整理されている傾向がみうけられるが、今後のさらなる検討ならびに分析を要すると考えられる。また、自閉症対象者は特に新しい事柄に対する抵抗が強いため、事前に実験装置や環境に関する情報を与えることが研究の遂行には必要である、実験遂行予定日前に、脳機能測定装置を見る、装置をしてみるような機会を設け、恐怖感等の他の感情的要素などを排除するような準備段階を設け、現在実施中である。今年度の実施計画が順次遂行され実験手法が確立が可能となったことから、次年度の研究実施についても予定計画に今年度の検討を加え速やかな実施を望むことができると考えている。今後、この研究手法を用い、自閉症者群と健常者群とのデータの解析から、おのおのの脳機能を客観的に評価することで、歯科的環境のみならず、広く社会生活における自閉症者により有効な情報伝達方法の確立に寄与すると考えられる。自閉症は情報認知と処理に問題のある疾患であり、歯科的環境ではパニックなどの不適応行動を呈する場合が多い。様々なストレスのかかる状況ではあるが、情報提示方法を工夫することにより、歯科的環境での適応をはかるため、自閉症者に対する適切な情報提示方法の客観的評価を脳機能学的に行った。情報提示方法は、自閉症者が比較的得意と官ら得られている視覚的情報提示(写真を用いた提示)、情報処理が苦手とされる聴覚的情報提示(口頭での説明)、両者を同時に行う情報提示の3種類とした。光脳機能イメージング装置を用い、20代健常成人に各種情報提示法を実施し、脳機能測定ならびに、口腔内についての考えや、研究実施後のわかりやすさのアンケート調査を行った。健常成人においては、各情報提示方法のうち視覚的情報提示と聴覚的情報提示を同時に行う方法が、左言語野などの領域に最も活動が認められる傾向にあり、次に視覚的情報提示が聴覚情報提示をやや上回って続いた。一方、研究後に実施したアンケートによる被験者の主観的評価については、視覚的情報提示と聴覚的情報提示を同時に行う方法がわかりやすいと感じたという傾向がみられたが、かなりばらつきがあり、中には聴覚的情報提示と視覚的情報提示については、それぞれ、最もわかりやすいあるいはわかりにくいと感じたというものもみられた。健常成人において、客観的評価として用いている脳機能学的評価と、主観的評価の一致ないしは異なる傾向が認められたことも、今後の重要な検討課題であり、健常成人のみならず自閉症などの発達障害への様々な対応時に、活用しうるべき重要な結果であると考えられた。自閉症は発達障害の中でも情報認知と処理に困難を示す特徴があり、歯科的環境において様々な刺激やストレスによりパニックなどの不適応行動がみられることが多い。しかし、適切な情報提示方法を検討することにより歯科的環境での適応をはかるため、健常成人と自閉症者に対し情報提示方法別に光トポグラフィーを用いて脳機能学的評価を行った。さらに、口腔内への関心をアンケートによって調査し、歯科診療での適応につながる背景を探った。健常成人では、すべての情報提示方法におけるTotal-Hbは左言語野や背内側で他の領域よりも高い値を示す傾向がみられた。また、アンケートによる主観的評価と客観的評価の情報提示方法別比較では、主観的評価では視覚的情報と聴覚的情報の同時提示を最もわかりやすかったと回答するものが多かったが、脳機能学的には、必ずしも同領域のTotal-Hb値が高いとは限らずばらつきが大きくみられた。一方、自閉症者では、すべての情報提示方法におけるTotal-Hbは、前額部で他の領域よりも高い値を示すものもいた。主観的評価では聴覚的情報提示が最もわかりやすかったと評価していたが、客観的評価との検討では健康成人と同様にばらつきが認められた。

アンケート結果については、健常成人では「歯磨きの仕方を習ったことがある」、という項目が視覚的評価スケールの平均値が最も高かったが、自閉症者では、「治療よりも口の中の健康を守るために歯科医院に通院している」が最も大きい値を示した。自閉症者の保護者では、「歯みがきは大切である」が最も高い値を示していた。健常成人と自閉症者双方において、情報認知に関して主観的評価と脳機能学的な客観的評価には個人差もみられるが、視覚的情報と聴覚的情報の同時提示は「わかりやすさ」を助けている傾向があり、自閉症以外の発達障害への応用も有効であると考えられた。
アコヤ貝赤化斃死原因物質の探索

申請者はアコヤ貝斃死の原因解明を目的として研究を展開し,これまでに以下のことを明らかとした.昨年度の研究により,赤化したアコヤ貝において血リンパ球の変性と崩壊を確認し,血リンパ球の変性活性を指標として斃死原因物質の精製を進めた.まず,赤化アコヤ貝をエタノール抽出した後,各種分配操作,クロマトグラフ分取操作を繰り返すことにより精製を行なった.血リンパ球崩壊活性物質の詳細な構造の解析には至っていないが,これまでのNMRスペクトルの解析から,糖脂質型の化合物ではないかと推定している.また,酢酸エチル層から白色混合結晶が得られてきた.この結晶は健康体と較べて16倍程度得られる.NMRスペクトルの解析によりコレステロール様物質であると推測された.高速液体クロマトグラフィーを用いた分離を行なうため,分析条件の検討を行なった結果95%メタノール水溶液を用いた条件で9種類のピークに分離可能であることが分かった.主として含まれるものとしてコレステロールなど4種類の構造を明らかにすることが出来た.これ以外にも微量ではあるが,5種類の同族体の存在を確認することが出来た.それらの構造については,現在のところ解析の途中である.本分析手法を用いて,健康体との成分量の比較も検討している.またこの分析手法を用いて,アコヤ貝異常の簡便な検出の開発を目指してさらなる改良も検討している.また,アコヤ貝の赤化した養殖いかだ周辺海水の分析を行なった.一定量の海水を酢酸エチルを用いて抽出したところ,アコヤ貝稚貝に対する致死活性が確認された.しかしながら,この物質がアコヤガイにより代謝されたものか,周辺環境から来たものかは不明である.他の海域との比較を含め,今後さらに詳細な調査を行なっていくことが必要と考えられる.以上の結果については,2000年3月に日本化学会春季年会において発表する.申請者はアコヤ貝の赤化と斃死の原因解明を目的として研究を展開し,これまでに以下のことを明らかとした.まず赤化原因物質の探索を行ない,黄色物質アロキサンチンを単離した.本物質は,アコヤ貝が捕食する微生物に見られる物質であった.これは健康体では代謝されているこの物質が,異常により蓄積されたと推察された.次に斃死原因物質アコヤ貝自身の観測を行ったところ,赤化したアコヤ貝においては血管周辺での異常と血リンパ球での変性が観測された.さらに,この血リンパ球の崩壊はネクローシス様ではなく,アポトーシス様であることも判明した.そこでこの血リンパ球の変性は,赤化した後に生じるのではなく,血リンパ球の変性に対して二週間程度遅れて発生することが明らかとなった.このことから,血リンパ球の変性活性を指標として精製を進めた.まず,赤化アコヤ貝339個体を用いて精製を進めた.この物質は精製途中において分解することが確認されており,今後さらに注意深く精製を進めて行く.本年度はさらに赤化アコヤ貝2500個体を用いて抽出を行っている.また,酢酸エチル層から白色混合結晶が得られてきた.この結晶は健康体と較べて16倍程度得られる.NMRスペクトルの解析より脂質様物質であると推測された.これにより赤化アコヤ貝における代謝異常(栄養障害)が強く支持されると考えている.現在,高速液体クロマトグラフィーを用いて分離精製を進めると共に,アコヤ貝異常の簡便な検出方法を検討している.急性毒性物質と,細胞毒性を有する物質についても精製を進めている.現在抽出を行なっている2500個体を用いることにより,それらが得られるものと考えている.以上の結果については,1999年3月に日本化学会春季年会,日本魚病学会春季大会において発表する.申請者はアコヤ貝斃死の原因解明を目的として研究を展開し,これまでに以下のことを明らかとした.昨年度の研究により,赤化したアコヤ貝において血リンパ球の変性と崩壊を確認し,血リンパ球の変性活性を指標として斃死原因物質の精製を進めた.まず,赤化アコヤ貝をエタノール抽出した後,各種分配操作,クロマトグラフ分取操作を繰り返すことにより精製を行なった.血リンパ球崩壊活性物質の詳細な構造の解析には至っていないが,これまでのNMRスペクトルの解析から,糖脂質型の化合物ではないかと推定している.また,酢酸エチル層から白色混合結晶が得られてきた.この結晶は健康体と較べて16倍程度得られる.NMRスペクトルの解析によりコレステロール様物質であると推測された.高速液体クロマトグラフィーを用いた分離を行なうため,分析条件の検討を行なった結果95%メタノール水溶液を用いた条件で9種類のピークに分離可能であることが分かった.主として含まれるものとしてコレステロールなど4種類の構造を明らかにすることが出来た.これ以外にも微量ではあるが,5種類の同族体の存在を確認することが出来た.それらの構造については,現在のところ解析の途中である.本分析手法を用いて,健康体との成分量の比較も検討している.またこの分析手法を用いて,アコヤ貝異常の簡便な検出の開発を目指してさらなる改良も検討している.また,アコヤ貝の赤化した養殖いかだ周辺海水の分析を行なった.一定量の海水を酢酸エチルを用いて抽出したところ,アコヤ貝稚貝に対する致死活性が確認された.

しかしながら,この物質がアコヤガイにより代謝されたものか,周辺環境から来たものかは不明である.他の海域との比較を含め,今後さらに詳細な調査を行なっていくことが必要と考えられる.以上の結果については,2000年3月に日本化学会春季年会において発表する.
高温高圧水中での水素連続チャージ技術の開発と水素誘起加速酸化機構の解明

本研究課題では,BWR模擬環境中での低炭素オーステナイト系ステンレス鋼の水素誘起加速酸化(HAO)のメカニズムを明らかにすることを目的とした.その結果,鋼中への水素添加によって,内層酸化皮膜中のCr濃度が減少し,空孔濃度が増加することを改めて確認した.加えて,BWR模擬環境中にてスモールパンチ試験を行ったところ,水素添加材のみで応力腐食割れ(SCC)が発生し,またき裂先端で酸化が加速されていたため,SCC初期き裂発生には水素による加速酸化が大きく影響することがはじめて明らかとなった.本研究課題では,軽水炉模擬環境中での低炭素オーステナイト系ステンレス鋼の水素誘起加速酸化(HAO)のメカニズムを明らかにすることを目的として,高温高圧水中での酸化特性に及ぼす水素フラックス,暴露時間,環境因子,試験片表面性状などの影響を系統的に調査し,HAOに関する実験データを蓄積する.加えて,最新鋭の高性能分析装置を用いて金属/酸化物反応拡散界面をナノレベルで詳細に解析するとともに,皮膜のインピーダンスや接触抵抗も測定し,HAOメカニズムの解明に資する.平成25年度は,引き続き低炭素オーステナイト系ステンレス鋼の水素誘起加速酸化データを蓄積するとともに,高温高圧水中において水素添加量増加に伴い酸化速度定数が増加し,内層酸化皮膜中のCr濃度が減少することを改めて確認した.さらに,電気化学インピーダンス測定による空孔濃度測定を引き続き行い,水素添加によって内層酸化皮膜中の空孔濃度が増加することを改めて確認した.また,高温高圧水中にあるミニチュアチューブ試験片へ水素を連続的に陰極チャージできる試験技術の開発に関しては,予算の都合上見送ることになったが,高温高圧水中において水素チャージしたミニチュア試験片のスモールパンチ試験を実施した.その結果,大変興味深いことに,水素チャージ材においてのみ応力腐食割れの発生が観察された.き裂先端では酸化が加速されていたことから,割れ発生に水素による加速酸化が影響していることが明らかとなった.本研究課題では,BWR模擬環境中での低炭素オーステナイト系ステンレス鋼の水素誘起加速酸化(HAO)のメカニズムを明らかにすることを目的とした.その結果,鋼中への水素添加によって,内層酸化皮膜中のCr濃度が減少し,空孔濃度が増加することを改めて確認した.加えて,BWR模擬環境中にてスモールパンチ試験を行ったところ,水素添加材のみで応力腐食割れ(SCC)が発生し,またき裂先端で酸化が加速されていたため,SCC初期き裂発生には水素による加速酸化が大きく影響することがはじめて明らかとなった.本研究課題では,軽水炉模擬環境中での低炭素オーステナイト系ステンレス鋼の水素誘起加速酸化(HAO)のメカニズムを明らかにすることを目的として,高温高圧水中での酸化特性に及ぼす水素フラックス,暴露時間,環境因子,試験片表面性状などの影響を系統的に調査し,HAOに関する実験データを蓄積する.加えて,最新鋭の高性能分析装置を用いて金属/酸化物反応拡散界面をナノレベルで詳細に解析するとともに,皮膜のインピーダンスや接触抵抗も測定し,HAOメカニズムの解明に資する.平成24年度は,引き続き低炭素オーステナイト系ステンレス鋼の水素誘起加速酸化データを蓄積するとともに,高温高圧水中において水素添加量増加に伴い酸化速度定数が増加し,内層酸化皮膜中のCr濃度が減少することを改めて確認した.さらに,HAOのメカニズムについて検討するため,電気化学インピーダンス測定を実施し,水素添加に伴う空孔濃度の変化について調査した.その結果,水素添加によって内層酸化皮膜中の空孔濃度が増加することを実験的に明らかにするとともに,内層皮膜中の空孔濃度とCr濃度に基づき酸化速度定数を算出する式を新たに提案した.このような空孔濃度増加とCr濃度低下によって内層皮膜中の金属イオン透過量が増すのが、HAOの原因であると結論づけた.なお,もう一つの研究目的である「高温高圧水中にあるミニチュアチューブ試験片へ水素を連続的に陰極チャージできる試験技術の開発」に関しては,予算の関係で未だ完了していないため平成25年度に引き続き検討する.「高温高圧水中にあるミニチュアチューブ試験片へ水素を連続的に陰極チャージできる試験技術の開発」に関しては未だ完了していないが,空孔濃度増加とCr濃度低下によって内層皮膜中の金属イオン透過量が増すのが、低炭素オーステナイト系ステンレス鋼の水素誘起加速酸化の原因であることを突き止めたため平成24年度に引き続き,「高温高圧水中にあるミニチュアチューブ試験片へ水素を連続的に陰極チャージできる試験技術の開発」を目指すとともに,高性能分析装置を用いて水素誘起加速酸化材の金属/酸化物反応拡散界面をナノレベルで詳細に解析し,さらには皮膜のインピーダンスや接触抵抗も測定しHAOメカニズムの解明に資する.加えて,極低温からの水素昇温脱離分析を試み,低炭素オーステナイト系ステンレス鋼中および酸化皮膜中の水素の存在状態について詳細に調査するとともに,SCC初期き裂発生に及ぼすHAOの影響を明らかにする.「高温高圧水中にあるミニチュアチューブ試験片へ水素を連続的に陰極チャージできる試験技術の開発」が完了しなかったため,次年度使用研究費が生じた.平成25年度は,当該研究費を用いて,極低温から水素昇温脱離分析が可能な試験装置の整備等を行っていく予定である.本試験装置の使用により鋼中および酸化皮膜中の水素の存在状態が明らかになれば,HAOのメカニズムがより一層明確になるものと期待される.
結晶表面を利用して作製した低次元金属の電子状態とフォノン物性

低次元金属においては、電子--電子、電子--フォノンなどの相互作用の効果が顕著にあらわれ、密度波、超伝導などの興味深い現象が起こる。光電子分光は、一粒子スペクトル関数を直接与えることから、低次元系の物性研究における最も有効な手法の一つである。本研究の目的は、固体表面を利用して作製された1次元および2次元金属を対象として、角度分解光電子分光(ARPES)によりその電子状態を、また超高分解能電子エネルギー損失分光UREELSによりそのフォノン分散を明らかにすることにあった。これらを通して、低次元系の興味深い物性が顕著に表れる磁性、相転移などの新現象を探索し、その機構を解明することを狙った。本申請者らが発見した、金属表面電荷密度波相転移系であるIn/Cu(001)についてARPESによるフェルミオロジー、CDWギャップの温度依存性などを測定したところ、弱結合転移的な特徴が観測された。ところがこれは他のさまざまな実験事実と符合しない。そこで高輝度シンクロトロン放射光を用いた表面X線回折により臨界散乱の測定を行った。これにより得られた格子の相関長の温度変化をARPESから得られたCDW相関長と比較することを通して、この系はこれまで認識されていない強結合長コヒーレンス系に分類すべきものであることを明確にし、そのような系におけるパイエルス転移の特徴を明らかにすることができた。これが、本研究を通して最大の成果であるといえる。この他に、数層からなるMn-Pd規則表面合金の磁性、Bi/Ag(001)表面における特異な相転移のメカニズム等について成果を得た。また、Bi/Ag(001)において、従来知られているより一桁近く大きなRashbaスピン-軌道分裂を観測し、引き続き研究を展開しつつある。低次元金属においては,電子-電子,電子-フォノンなどの相互作用の影響が顕著に現れ,密度波,超伝導などの興味深い現象が起こる。本研究では,一粒子スペクトル関数を直接得ることのできる実験手法である角度分解光電子分光と,超高分解能振動分光法により,結晶表面に形成された低次元金属の物性研究を進めることを目的としている。本年度は,研究の第一年度として,装置や手法の精微に重点を置き,それと並行して,興味深い低次元金属のFermi面近傍電子状態の測定および物質探索を進めた。装置整備としては,極低温用試料マニピュレータの開発を行った。これは,超高真空下において試料を10Kまで冷却可能であり,同時に精密な2軸回転と3軸並進が可能なものである。限られたスペースで精密2軸回転をするのがかなり難しいため,ギヤ駆動方式,ワイヤ駆動方式,ピエゾ・モーター方式などいくつかの駆動機構を検討し,ワイヤ駆動方式により所記の性能が得られる見通しを得た。また,低次元金属のフォノン分散の測定と電子状態との関連を検討するための手法として,第一原理電子状態計算に基づくフォノン分散計算を行うためのハード・ソフトウェア整備を行った。In/Cu(001)における電荷密度波ギャップの温度依存性の精密測定を行い,この系の電子系の振る舞いが弱結合理論でよく説明できることを見いだした。また,TI/Ge(111)表面の電子状態の測定を行い,被覆率,温度処理により異なる構造を有する表面が得られ,これらは,1次元金属および2次元金属であることを見いだした。本研究では,一粒子スペクトル関数を直接得ることのできる実験手法である角度分解光電子分光と,表面フォノンの分散関係の測定が可能な超高分解能振動分光法により,結晶表面に形成された低次元金属の物性研究を進めることを目的としている。

本年度は,興味深い低次元金属のFermi面近傍電子状態の測定および物質探索を進めるとともに、X線臨界散乱の測定や測定装置の改良を行った。装置整備としては,極低温用試料マニピュレータの開発を前年度に引き続き進めた。これは,超高真空下において試料を極低温まで冷却可能であり,同時に精密な2軸回転と3軸並進が可能なものである。In/Cu(001)におけるX線臨界散乱の測定を行い、2次元イジング模型によく合う臨界指数を得た。このことと、昨年度の研究でえられた電荷密度波ギャップの温度依存性に基づき、相転移の微視的機構を解明した。従来の強結合理論では、非常に短い電荷密度波相関長が仮定されていたため、格子の秩序-無秩序相転移と電子系の絶縁体-金属転移が非常に近い温度でおこることを説明できない。本研究では、この表面のように長い電荷密度波相関長を有する系においては、強結合的な電荷密度波相転移に伴って格子の相関長が短縮すると直ちに電荷密度波相関長と同程度になってしまうため、これにより電荷密度波の破壊が起こり、電子状態が金属的に変化することを示した。また,T1/Ge(111)表面の電子状態の精密測定を行い,1次元金属相および2次元金属相のバンド構造を明らかにすることができた。そのほか、ビスマス単原子層、水1次元鎖などの物質探索を行った。低次元金属においては、電子-電子、電子-フォノンなどの相互作用の効果が顕著にあらわれ、密度波、超伝導、朝永-ラッティンジャー液体などの興味深い現象が起こる。本研究では、固体表面を利用して作製した1次元および2次元金属を対象として、その電子系と格子系の相互作用に由来する新奇な現象を実験的に研究するこどを目的とした。本研究で注目したのは、Cu(001)表面上にIn単原子層を吸着させた系で起こるバイエルス転移である。表面におけるバイエルス転移はいくつかの系で知られているが、いずれも典型的な強結合型であった。これに対してIn/Cu(001)系の転移は、構造相転移とほぼ同じ温度領域においてバンド構造が絶縁体-金属転移を示すという特徴がある。このため、弱結合型に近い性質を有する可能性があると考え、電子状態について角度分解光電子分光、格子系の振る舞いについて表面X線回折により検討してきた。本年度は最終年度であり、これまでの研究のまとめとして、相転移の様相についての総合的な検討を行った。この相転移はこれまで知られていたものとは異なり、格子の秩序-無秩序転移が引き金となり、格子の相関長の減少とともに電荷密度波の波束が破壊されることにより、絶縁体一金属転移が誘起されるものと結論した。今年度得られた新たな知見について雑誌論文として発表したほか、本研究全体の主要な結果を総説(英文)として発表した。
高感度縦型ナノトランジスタの開発と環境バイオセンサ応用

シリコン基板の異方性エッチング法により、良好なテーパー状微細流路を形成できることを確認した。特に2段階陽極酸化法を採用することで、再現性よく規則性の高いナノポーラスアルミナ構造が作製可能となった。また、モデル分子を用いた電位変化測定において、アミノ基が2個と3個の分子を含む試料溶液を用いて比較実験した結果、約20 mVの電圧差が生じることを確認し、分子種を識別する電位測定法を確立した。さらに、ポーラスアルミナの孔に有機半導体を注入した縦型ナノトランジスタを作製し、基本的なナノトランジスタの動作を確認した。本研究では、微細多孔質ナノトランジスタによるモデル分子検出実験による塩基配列検出メカニズムの検証とナノトランジスタ(微小電気信号検出)によるDNA塩基配列検出システム実現可能性の立証を目的とし、特に初年度はモデル分子-電極間の電位変化を感度良く検出できる新型バイオセンサシステムの実現に向けた基礎的な素子作製手法の検討を行った。縦型バイオトランジスタを作製する第一段階として、シリコン基板に対してKOH溶液による異方性エチングによるテーパー状微細流路の作製を行った。電子顕微鏡による微細流路の観察結果、良好なテーパー状微小流路を形成できることを確認した。また、微細孔貫通と穴径制御において光学顕微鏡を用いた透過光の観察と電解液との電気的導通測定によって判断する手法が、作製制御において有効であることを示した。高規則性ナノポーラスアルミナの作製に関して、従来の陽極酸化とは異なる2段階陽極酸化法を採用することで、多孔質構造の規則的周期性を有するポーラスアルミナが再現性良く得られることを見出した。また、陽極酸化時の条件(溶液種、溶液濃度、陽極酸化電圧等)を詳細に制御し、目的に必要なポーラスアルミナの孔径(1050nm)の制御および規則的周期性が得られる作製条件を確立した。さらに、ポーラスアルミナの孔に減圧溶液注入法により有機半導体(銅フタロシアニン)を注入した縦型ナノトランジスタを作製し、基本的な電界効果トランジスタの動作と数十nAのドレイン電流変調を確認した。本年度、DNAを通過させる超微細流路の作製を行った結果、シリコン基板上へのテーパー状微細流路の作製に成功し、光学顕微鏡を用いて透過光の有無と電解液との電気的導通測定によって微小貫通孔の形成を確認した。また、2段階目の陽極酸化法を採用することによって、孔径が10-50 nmの規則性の高いナノポーラスアルミナの作製に成功している。さらに、縦型ナノトランジスタの基本動作をしていることが確認でき、概ね初年度の目標を達成していると判断した。本研究では、微細多孔質ナノトランジスタによるモデル分子検出実験による塩基配列検出メカニズムの検証とナノトランジスタ(微小電気信号検出)によるDNA塩基配列検出システム実現可能性の立証を目的とし、モデル分子-電極間の電位変化を感度良く検出できる新型バイオセンサシステムの実現に向けた微細な素子作製手法の検討とモデル分子を用いた電位検出を行った。縦型バイオトランジスタにおけるテーパー状微細流路をシリコン基板の異方性エッチング法により作製を行い、電子顕微鏡による微細流路の観察結果、良好なテーパー状微小流路を形成できることを確認した。また微細孔貫通と穴径制御において、光学顕微鏡を用いた透過光の観察と電解液との電気的導通測定によって判断する手法が作製制御において有効であることを示した。また、従来の陽極酸化とは異なる2段階陽極酸化法を採用することで、高規則性の高いナノポーラスアルミナ多孔質構造の再現性が向上した。さらに、DNAの塩基種に相当するアミノ基の数が異なる3種のモデル分子を用いた白金電極に誘起される電位変化測定において、アミノ基が2個と3個の試料を比較すると約20 mVの差が生じ、分子モデル分子種ごとに電位が異なることが判明した。ポーラスアルミナの孔に減圧溶液注入法により有機半導体(P3HT(poly- (3-hexylthiophene-2,5-diyl)))を注入した縦型ナノトランジスタを作製し、基本的な電界効果トランジスタの動作と約20nAのドレイン電流変調を確認した。開発した高感度縦型ナノトランジスタを環境・バイオトランジスタに適用し、DNAのみならず、薬害問題、さらには環境問題で重要となる種々化学物質センサーなど新しい医用、健康、環境分野での応用可能性を探索する。有機半導体デバイス
磁気デバイスの高精度損失算定法を用いたＭＷ級ＤＣ－ＤＣコンバータの開発

平成28年度においては,まずDC-DCコンバータの昇圧方式に関して,多巻線トランスを採用することについて検討を行った。具体的には,多巻線トランスにおいて1層毎交互巻を採用することに関して検討を行い,有限要素解析および解析および実験により,多巻線トランスにおける1層毎交互巻の有用性を実証した。次いで,MW級トランスの鉄損算定手法における計算時間短縮に関する検討を行った。平成27年度までの検討では,LLG方程式を取り入れた磁気回路モデルを用いることで,トランスの鉄損を高精度に算定可能であることを明らかにしたが,LLG方程式の計算は収束計算が必要であるため,計算時間が長大化してしまうという課題があった。そこで,現象論的な観点でヒステリシスを表現可能なプレイモデルに着目した。しかしながら,プレイモデルを導出するためには,多数の実測ヒステリシスループが必要となってしまう。そこで,LLG方程式を用いたシミュレーションによりプレイモデルを導出することで,必要最小限の実測ヒステリシスループに基づき,高精度に鉄損算定が可能な手法を提案し,従来手法と比較して計算時間を99%以上短縮できることを明らかにした。さらに, MW級DC-DCコンバータ用の高周波アモルファス多巻線トランスの設計を行い, DC-DCコンバータシステムの動作シミュレーションモデルを構築した。シミュレーションにおいては,本研究で提案したプレイモデルを取り入れた磁気回路モデルを採用した。シミュレーションの結果,MW級DC-DCコンバータの動解析および損失算定が可能であることを明らかにするとともに,MW級DC-DCコンバータにおいて1層毎交互巻のアモルファス高周波トランスを用いることで従来の商用トランスよりも大幅に小型化,低損失化できることを明らかにした。28年度が最終年度であるため、記入しない。平成26年度においては,まず磁気ヒステリシスまで表現可能な磁気回路モデルを用いて,無方向性ケイ素鋼板の損失算定を行った。本磁気回路モデルにおいて,ヒステリシス損は磁性材料内部の微小な磁化の挙動を考慮可能なLLG方程式を用いて表し,渦電流損は磁気回路中のインダクタンスを用いて表す。提案手法により板厚0.35mmおよび0.20mmの無方向性ケイ素鋼板の磁気特性および損失を高精度に算定可能であることを明らかにした。次に,本研究で提案した,MW級DC-DCコンバータ用高周波トランスの材料にアモルファス金属を採用することの有用性を検証するために,高周波トランスの簡易設計法を構築し,損失および重量の算定を行った。検討の結果,従来の商用トランスで広く使われている方向性ケイ素鋼板を用いるよりも,アモルファス金属を用い,動作周波数を数kHz程度にすることで,トランスを大幅に小型・低損失化できることを明らかにした。また,DC-DCコンバータに加わる電圧は正弦波ではなく,デューティ比可変の方形波電圧である。そこで,LLG方程式と磁気回路を組み合わせた手法により,任意波形に対応可能なアモルファス金属の損失算定モデルを構築した。検討の結果,アモルファス金属にデューティ比可変方形波励磁を行った場合においても,提案モデルを用いることで,電流波形やヒステリシスループ,並びに損失を高精度に算定可能であることを明らかにした。さらに,設計した高周波トランスについて有限要素法による磁場解析を行ったところ,近接効果により高周波でトランスの銅損が大幅に増加してしまう課題が新たに明らかになった。そこで,高周波トランスの近接効果を抑制する巻線配置に関する検討を行ったところ,1次巻線と2次巻線を1層毎交互配置することが効果的であることを,有限要素法による磁場解析および実験によって明らかにした。平成27年度においては,まずトランスの巻線配置に関する検討を行った。平成26年度における検討の結果,1次巻線と2次巻線を1層毎交配置することで高周波における銅損増加を抑制できる見通しが得られたことから,平成27年度においては,1層毎交互配置の有用性を実証するために,通常配置と1層毎交互配置のトランスを試作した。試作トランスの実験結果より,1次巻線と2次巻線を1層毎交互配置することで,高周波における巻線抵抗の増加を抑制できることを実験により明らかにした。また,DC-DCコンバータに加わる電圧は正弦波ではなくデューティ比可変の方形波電圧であることから,方形波電圧印加時においても同様の実験を行い,1層毎交互配置の有用性を明らかにした。次に,MW級アモルファストランスの簡易設計を行い,各巻線配置における損失および効率の算定を行った。設計においては,巻線間の絶縁距離を考慮し,同一巻線間では絶縁距離を1mmであるのに対し,1次-2次巻線間では絶縁距離を5mmとした。MW級トランスの銅損の周波数依存性の計算を行ったところ,通常配置は巻線長が短いため低周波における銅損は小さくなるが,高周波化に伴い銅損が大幅に増加してしまうことが明らかになった。一方で,巻線を1層毎交互配置にすることで,1MW級トランスにおいても高周波化に伴う銅損増加を大幅に抑制できることが明らかになった。さらに,MW級トランスの簡易設計法により,設計周波数3kHzにおけるMW級高周波アモルファストランスの損失を算定したところ,通常配置では30.1kWであるのに対し,1層毎交互配置では3.3kWとなった。したがって,損失および熱設計の観点から,MW級DC-DCコンバータには1層毎交互配置が非常に有用であることが明らかになった。