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環境適応反応としての紫外光によるCHS遺伝子発現の分子機構

ヤグルマギクの懸濁培養細胞は,紫林光照射によりアントシアニン色素の生成を誘導する。これまでに,色素生成の誘導はチヤルコンシンタ-ゼ(CHS)遺伝子の転写レベルの調節であること,また遺伝子発現の結果生成された色素は,紫外光による遺伝子の傷害を防御していることなどを明らかにしている。本研究は,この実験系を用いてCHS遺伝子の紫外光による発現制御機構を明らかにすることを目的として行い,本年度は、光受容体およびシグナル伝達機構を追跡するため,CHS遺伝子の発現に対する光光用スペクトルの測定および単離核によるin vitroでのCHS遺伝子転写系の確立を試みた。また,CHS cDNAおよびCHSゲノムDNAのクロ-ニングを行った。大型スペクトログラフ(基生研)を用いて,260700nmの波長について光強度に対するCHSm-RNA生成量を測定した。可視域では,CHS m-RNaの生成は検出限界以下であったが,紫外域(260400nm)で互いにほぼ平行な入射光量子強度ー反応曲線を得た。その結果は,CHS-mRNAの生成誘導が一つの光受容体によるものであること,またそれは280-300nmに作用ピ-クをもつことが明らかとなった。単離核でのin vitro転写系の実験では,単離核がm-RNA合成能をもつことまたあらかじめ光照射した細胞からの核で,RNA合成のinitiationがおこることを強く示唆する結果が得られた。in vitro転写系をほぼ確立できたので,この系により光受容から遺伝子発現への過程の追跡が可能となった。CHS cDNAのクロ-ニ-ングでは,1.5kbpおよび1.6kbpのほぼ全長と考えられる2種のクロ-ンが,またゲノムDNAについては約5kbpのフラグメントを含むクロ-ンを得ることができた。現在,シ-クエンスを進めつつある。
ケイ素または典型元素と遷移金属を交互に含むポリインポリマー

有機ケイ素および有機典型元素化合物の機能と物性に関する研究は、次世代技術へのシーズの宝庫として最近盛んに研究されている分野である。本研究はこのような化合物の機能と物性を更に一段と向上させるために、ポリマー主鎖の規則的な位置に遷移金属を導入したポリマー錯体を合成し、それらの物性や機能と構造との相関関係を系統的に研究することを目的とする。本年度はポリマー錯体の合成法の研究に重点を置き、次の4法を研究した。【i】)ケイ素およびリンを含むα,ω-ジエチニル誘導体とトランス-ビス(トリアルキルホスフィン)ジクロロ金属錯体(金属=Pt,Pd)との第一銅塩を触媒とする脱塩化水素重縮合【ii】)トランス-ビス(トリブチルホスフィン)ジエチニルニッケルとα,ω-ジエチニルケイ素およびリン誘導体とのエチニル基交換反応による重合【iii】)白金とケイ素を含むα,ω-ジエチニル型錯体の塩化第一銅-テトラメチルエチレンジアミン-酸素系試薬を用いた酸化カップリング重合【iv】)ビス(ジメチルシリル)アセチレンとカルボニルクラスターとの反応によるケイ素アセチレンを主軸としたクラスター錯体の合成法を研究した。【i】),【ii】),【iii】)の合成法では、分子量1万8万の有機溶媒易溶のポリマー錯体の合成に成功し、ポリマー構造のキャラクタリゼーションを行った。得られたポリマー錯体の主鎖中のアセチレン基と種々の金属錯体との反応を研究した結果、合成法【iii】)で得られた立体障害の少ないジイン型ポリマーがコバルトカルボニルやニッケル2核錯体との反応により、2核型アセチレン錯体を生成すること、電子スペクトルでポリマー中の金属間に弱い相互作用が認められること、ヨー素ドープにより、約【10^(-5)】S【cm^(-1)】の電導性を示すことなどが明らかとなった。また得られたポリマー錯体のリオトロピック液晶性についても検討した。
ミクロ領域での化学状態を見るためのマイクロ化学状態分析装置の開発

環境中の元素濃度は、その濃度だけではなく、化学状態も人間の健康に重要な影響を及ぼしている。また、生元素内の必須微量元素についても、その摂取量だけでなく、化学状態によっても生体への影響が異なるため、環境中での化学状態を知ることは、非常に重要なことである。これらについては、これまでのようなバルクな状態での測定では、生体内での反応を知ることはできない。そこで本研究では、ミクロな領域での微量元素の化学状態の分析を行うことをめざす。そこでミクロの領域内で水素から重金属までの元素分布を測定し、間接的に化学状態を調べることをめざし、マイクロビームとPIXE, RBS, off-axis STIM法を組み合わせ、1ミクロンの分解能で水素から重金属までを同時測定が可能なマイクロビーム分析システムの開発を行った。これを環境試料であるエアロゾル個別粒子分析に応用し、粒子ごとの化学状態を知ることでき、エアロゾルの成因解明に関する知見を得ることができた。開発当初のシステムは、軽元素に対する感度が不十分であったが、RBS, off-axis STIM用検出器の大型化により、当初のシステムの10倍の感度を持つシステムを構築した。本手法は、バルクの試料であっても、ミクロンの領域毎の間接的な化学状態を知ることができるため、他の環境試料への応用が期待できる。生体試料の分析については、真空中での分析ではダメージによるO,Hの損失が起こるため、大気中での分析が必要となり、新たに大気中PIXE、RBS、off-axis STIM同時分析システムを構築した。しかしながら大気中分析であってもO,Hの損失が起こり、間接的な化学状態分析が困難であることが分かった。生体試料については、試料調整の際にも、化学状態が変化する可能性もあるため、試料調整も含めた分析手法の確立が今後とも必要である。また、生元素内の必須微量元素についても、その摂取量だけでなく、化学状態によっても無害な場合と有害な場合があり、取り込まれた後の生体への影響も、元素の化学状態により大きく変化するために、化学状態を知ることは、非常に重要なこととなる。そこで本研究では、ミクロな領域での微量元素の化学状態の分析を行うことをめざし、マイクロビームと結晶分光器(CCDと分光結晶)を組み合わせたマイクロ化学状態分析システムの構築を行う。本年度はまず、ミクロの領域内で水素から重金属までの元素分布を測定し、間接的に化学状態を調べることをめざし、マイクロビームとPIXE、RBS、STIMを組み合わせ、1ミクロンの分解能で水素から重金属までを同時測定が可能なマイクロビーム分析システムの開発を行い、細胞とエアロゾルの分析に応用した。また同時に、スリットフィードバックシステムの構築を行い、本研究を行う際に重要なビームの安定性を大幅の向上とビーム強度の増大を図った。その結果、エアロゾルの個別粒子毎の化学組成を知ることができ、粒子の化学状態を間接的に測定することができることが分かった。また、試料の変形も基本的には問題ないことが分かった。しかしながら、細胞については、Na以上の元素については測定可能なものの、C,H,O等の軽元素については、ビームによるダメージのために、元素の消失が生じ、化学状態を見ることができなかった。また、結晶分光器については、CCDの空間分解能がスプリットイベントのために所定の値が得られないことが分かり、改良を行った。その結果、所定の空間分解能(8ミクロン)が得られるようになった。

また、光子計数モードでの動作も確認することができ、今後、マイクロビームと組み合わせ、化学状態分析を行っていく。環境中の元素濃度は、その濃度だけではなく、化学状態も人間の健康に重要な影響を及ぼしている。また、生元素内の必須微量元素についても、その摂取量だけでなく、化学状態によっても生体への影響が異なるため、環境中での化学状態を知ることは、非常に重要なことである。これらについては、これまでのようなバルクな状態での測定では、生体内での反応を知ることはできない。そこで本研究では、ミクロな領域での微量元素の化学状態の分析を行うことをめざす。当初の予定では、直接的な化学状態分析のために、マイクロビームとCCDをX線検出器とする結晶分光器を組み合わせる予定であったが、保有するCCDカメラの感度の高い領域が狭いことが分かり、多くの元素に対応できないことが分かった。そこでミクロの領域内で水素から重金属までの元素分布を測定し、間接的に化学状態を調べることをめざし、マイクロビームとPIXE,RBS,off-axis STIM法を組み合わせ、1ミクロンの分解能で水素から重金属までを同時測定が可能なマイクロビーム分析システムの開発を行った。これを環境試料であるエアロゾル個別粒子分析に応用し、粒子ごとの化学状態を知ることでき、エアロゾルの成因解明に関する知見を得ることができた。開発当初のシステムは、軽元素に対する感度が不十分であったが、RBS, off-axis STIM用検出器の大型化により、当初のシステムの10倍の感度を持システムを構築した。本手法は、バルクの試料であっても、ミクロンの領域毎の間接的な化学状態を知ることができるため、他の環境試料への応用が期待できる。生体試料の分析については、真空中での分析ではダメージによるO, Hの損失が起こるため、大気中での分析が必要となり、新たに大気中PIXE、RBS、off-axis STIM同時分析システムを構築した。しかしながら大気中分析であってもO, Hの損失が起こり、間接的な化学状態分析が困難であることが分かった。生体試料については、試料調整の際にも、化学状態が変化する可能性もあるため、試料調整も含めた分析手法の確立が今後とも必要である。
ノイズ誘起秩序:光双安定系を用いた実験的アプローチ

本研究では、ノイズ誘起秩序現象の典型例であるStochastic Resonance(確率共鳴)現象に着目し、レーザー光と非線形光学結晶で構成した光双安定系を用いてStochastic Resonanceの本質の実験的解明を試みた。1.レーザー光と非線形光学結晶を利用したハイブリッド型光双安定系を製作し、雑音入力型Stochastic Resonanceの実験を行った。正弦波入力に対して、信号対雑音比(SN比)の雑音振幅依存性、雑音相関時間依存性等について調べた結果、雑音相関時間が短いほどS/N比のピーク値が大きくて共鳴の幅が狭く、ピークを与えるノイズ強度が小さいことがわかった。2.ランダムな2進のビット列データ入力に対するStochastic Resonanceの実験とシミュレーションを行った結果、双安定系を通過させることによって情報伝達の利得が得られること、また、共鳴や情報の利得はノイズ相関時間が信号のクロック周期より短いときに顕著であることがわかった。3.ポテンシャル障壁の高さを変動させる新しいタイプのポテンシャル揺動型Stochastic Resonanceの実験を行った。入力信号に正弦波、揺動信号に雑音を用いて実験を行った。雑音入力型とは異なり、揺動雑音の帯域が比較的小さな場合でも共鳴曲線が得られた。揺動雑音の帯域が大きいほど顕著に出力SN比が大きくなるが、光双安定系の出力SN比が最大となる揺動雑音振幅の値は、雑音入力型の場合と比べて変化が小さいことがわかった。4.Stochastic Resonanceの光信号処理への応用を視野に入れた純光学的光双安定系を製作して、その光双安定性特性について調べた。2枚のミラー間に色素(亜鉛フタロシアニン)のメタノール溶液あるいは半導体(ZnTe,テルル化亜鉛)結晶を挿入したファブリペロー共振器と半導体レーザーを組み合わせた純光学的光双安定系を製作した。この系では光照射によって屈折率が変化を示す。この非線形光学効果による光双安定性を観測し、双安定性動作の時間応答について調べた。この系は、高速動作する純光学的ストカスティック共鳴の実現への可能性を与える。ノイズ誘起秩序現象の実験的検証を行うためのハイブリッド型光双安定系とノイズ光発生制御システムを制作した。(1)ハイブリッド型光双安定系の製作レーザーの出力光を光位相変調器とグランプリズムに通し、透過光を光検出器で受けてドライブ電圧として光位相変調器にフィードバックすることにより、ハイブリッド型光双安定系を製作した。任意波形発生器を用い、帰還回路の利得とバイアス電圧によって双安定ポテンシャルの形と揺らぎを制御することができる。(2)ノイズ光発生制御システムの開発計算機によって、様々な統計性をもつノイズ波形を発生させるプログラムを開発し、振幅、相関時間など波形の統計的性質を特徴づけるパラメータを制御できるようにした。その波形を任意波形発生器に転送し、光強度変調器に出力することにより、レーザーの光出力に振幅変調を加え、振幅や統計性が制御可能なノイズ光源を開発した。(3)シュミットトリガ回路を用いた確率共鳴の予備実験確率共鳴の基本的性質を理解することを目的としてシュミットトリガ回路を用いた確率共鳴の予備実験を行った。シュミットトリガ回路は不感帯を持つコンパレータであり、しきい値を容易に変えることができるため、ノイズ誘起秩序現象の研究に有効な双安定系である。

正弦波入力にノイズを付加したもの、及びしきい値を周期的に変動させてノイズ入力したものそれぞれについて、ノイズ振幅の増加に対する信号対雑音比が極大を示す確率共鳴特有の現象を確認することができた。ハイブリッド型光双安定系におけるストカスティック共鳴の実験を行った。ノイズの相関時間を変えたストカスティック共鳴の観測を行い、共鳴的振舞いの変化を調べた。また、純光学的なストカスティック共鳴を実現するための純光学的光双安定系を製作した。(1)ハイブリッド型光双安定系におけるストカスティック共鳴の実験外部共振器型半導体レーザーの出力光を電気光学素子とグランプリズムに通し、その透過光強度に比例したドライブ電圧を電気光学素子にフィードバックすることにより、ハイブリッド型光双安定系を製作した。この光双安定系においてストカスティック共鳴の実験を行った。小振幅の周期的変調が混入した振幅ノイズ光を入射させ、出力光のスペクトルを測定した結果、ノイズ振幅を増加させたときの信号対雑音比(S/N比)がストカスティック共鳴に特有の振舞いを示すことが確認された。(2)入力ノイズの相関時間を変えたストカスティック共鳴の実験計算機によって、様々な相関時間をもつノイズ波形をつくり、その波形で変調したノイズ光を周期的信号と混ぜて光双安定系に入射させ、ストカスティック共鳴の振舞いの違いを調べた。実験結果から、雑音相関時間が小さいほどS/N比のピーク値が大きく、共鳴の幅が狭く、またピークを与える雑音強度が小さいことが明らかになった。(3)色素溶液共振器を用いた純光学的光双安定系の製作ミラー2枚で構成したファブリペロー共振器の中に色素(亜鉛フタロシアニン)のメタノール溶液を満たし、半導体レーザーと組み合わせた純光学的光双安定系を製作した。この系では光照射によって屈折率が熱的な変化を示す。この非線形光学効果による光双安定性を観測し、双安定性動作の時間応答について調べた。前年度に引き続き、外部共振器型半導体レーザーと電気光学素子を用いて製作したハイブリッド型光双安定系において、ストカスティック共鳴の実験を行った。雑音入力型ストカスティック共鳴およびポテンシャル揺動型ストカスティック共鳴の観測を行った。1.雑音入力型ストカスティック共鳴の実験入力信号に雑音を加えるタイプのストカスティック共鳴の実験を行った。小振幅の周期的変調が混入した振幅雑音光を入力した結果、出力光の信号対雑音比(S/N比)がストカスティック共鳴に特有の振舞いを示すことが確認された。また、入力雑音の帯域が大きいほどS/N比のピーク値が大きく、共鳴の幅が狭く、またピークを与える雑音強度が小さいことが明らかになった。2.ポテンシャル揺動型ストカスティック共鳴の実験ポテンシャルを揺動する新しいタイプのストカスティック共鳴の実験を行った。入力信号に正弦波、揺動信号に雑音を用いて実験を行った。
有機溶媒中で高性能な微粒子ケイ素ポリマー包括生体触媒の創製

テトラメトキシシラン(TMOS)とアルキル基を含む有機シランとの混合物を前駆体として,ゾル-ゲル法により生成する有機-無機ハイブリッドゲル中へリパーゼを包括すると,固定化標品の活性及び熱安定性が著しく向上する.本研究では,ゲルの生成場を,(1)W/Oマイクロエマルション中,もしくは(2)担体表面上とする二通りの方法を検討し,得られる固定化標品の諸性能について検討した.テスト反応としては,酪酸とイソアミルアルコールもしくは(±)ーメントールからのエステル合成を取り上げた.その結果,以下に列記する知見を得た.(1)のエマルション包括法については;(1)各種界面活性剤を用いて,シリカキセロゲル固定化リパーゼを調製し,そのエステル化活性を調べたところ,Brij97が最も高い常温活性を与えた.(2)前駆体にメチルトリメトキシシランを加えてハイブリッドゲルとすることにより,そのエステル化活性は一層向上した.(2)の担体表面包括法については;(1)TMOSと複合化させる有機シラン多数を検討したところ,プロピル基以上の鎖長を有するアルキルトリメトキシシラン,及び複数のメチル基を含むメトキシシランが固定化リパーゼの常温活性と耐熱性を大幅に向上させた.(2)担体粒子としては,市販のセライトなどの珪藻土類が最大のエステル化活性を与えた.(3)担体上に形成させるリパーゼ包括ハイブリッドゲルには,エステル化活性に対する前駆体混合物の配合比及びゲル量の最適値が存在した.(4)以上の結果,最適条件で調製した固定化リパーゼの最高使用温度は周知のものより2030°C上昇した.以上のような酵素性能の大幅向上の理由としては,有機-無機ハイブリッドゲルの表面近傍における適度にタイトな包括によるタンパク質の高次構造の安定化,ゲル-基質間の親和性,リパーゼの疎水性部位とゲルのアルキル基間の疎水性相互作用などが挙げられる.テトラメトキシシラン(TMOS)とアルキル基を含む有機シランとの混合物を前駆体として,ゾル-ゲル法により生成する有機-無機ハイブリッドゲル中へリパーゼを包括すると,固定化標品の活性及び熱安定性が著しく向上する.本研究では,ゲルの生成場を,(1)W/Oマイクロエマルション中,もしくは(2)担体表面上とする二通りの方法を検討し,得られる固定化標品の諸性能について検討した.テスト反応としては,酪酸とイソアミルアルコールもしくは(±)ーメントールからのエステル合成を取り上げた.その結果,以下に列記する知見を得た.(1)のエマルション包括法については;(1)各種界面活性剤を用いて,シリカキセロゲル固定化リパーゼを調製し,そのエステル化活性を調べたところ,Brij97が最も高い常温活性を与えた.(2)前駆体にメチルトリメトキシシランを加えてハイブリッドゲルとすることにより,そのエステル化活性は一層向上した.(2)の担体表面包括法については;(1)TMOSと複合化させる有機シラン多数を検討したところ,プロピル基以上の鎖長を有するアルキルトリメトキシシラン,及び複数のメチル基を含むメトキシシランが固定化リパーゼの常温活性と耐熱性を大幅に向上させた.(2)担体粒子としては,市販のセライトなどの珪藻土類が最大のエステル化活性を与えた.(3)担体上に形成させるリパーゼ包括ハイブリッドゲルには,エステル化活性に対する前駆体混合物の配合比及びゲル量の最適値が存在した.(4)以上の結果,最適条件で調製した固定化リパーゼの最高使用温度は周知のものより2030°C上昇した.以上のような酵素性能の大幅向上の理由としては,有機-無機ハイブリッドゲルの表面近傍における適度にタイトな包括によるタンパク質の高次構造の安定化,ゲル-基質間の親和性,リパーゼの疎水性部位とゲルのアルキル基間の疎水性相互作用などが挙げられる.TMOSもしくはこれと有機シランとの混合物を前駆体として,ゾル-ゲル法により生成するシリカもしくは有機-無機ハイブリッドゲル内へリパーゼを包括すると,固定化標品の活性及び熱安定性が著しく向上する.本年度は,ゲルの生成場を,(1)W/Oマイクロエマルション,および(2)担体表面とする二通りの方法を検討し,得られる固定化標品の諸性能について検討した.テスト反応としてはこれまで通り,酪酸とイソアミルアルコールからのエステル合成を取り上げた.その結果,以下に列記する知見を得た.(1)のエマルション包括法については;(1)各種界面活性剤を用いて,シリカキセロゲル固定化リパーゼを調製し,そのエステル化活性を調べたところ,Brij97が最も高い常温活性を与えた.(2)前駆体にメチルトリメトキシシランを加えてハイブリッドゲルとすることにより,そのエステル化活性は一層向上した.(2)の担体表面包括法については;(1)TMOSと複合化させる有機シラン多数を検討したところプロピル,i-ブチル,フェニル基を有する各種トリメトキシシラン,及びトリメチルメトキシシランが固定化リパーゼの耐熱性を大幅に向上させた.(2)担体粒子としては,市販のセライトなどの珪藻土類が最大のエステル化活性を与えた.(3)担体上に形成させるリパーゼ包括ハイブリッドゲルには,エステル化活性に対する前駆体混合物の配合比及びゲル量の最適値が存在した.(4)以上の結果,最適条件で調製した固定化

リパーゼの最高使用温度は周知のものより2030°C上昇した.テトラメトキシシラン(TMOS)とアルキル基を有する有機シランとの混合物を前駆体として,ゾル-ゲル法により生成する有機-無機ハイブリッドゲル中へリパーゼを包括すると,固定化標品の活性及び熱安定性が著しく向上する.さらに,ゲルの生成場をW/0マイクロエマルション中や珪藻土などの担体表面上とすることによって,得られる固定化標品の一層の性能向上が達成される.テスト反応には,本年度は酪酸と(±)ーメントールからのエステル合成を取り上げた.その結果,以下に列記する知見を得た.(1)酪酸と(±)ーメントールからのエステル合成における固定化リパーゼの反応特性には,昨年度まで検討した酪酸とイソアミルアルコールからのエステル合成の場合と比較すると,最適な有機シランの種類,有機シランとTMOSからなる混合物の添加量および配合モル比などの最適値に関して,いくつかの相違性が認められた.ただし,本反応系においても包括リパーゼの耐熱性は20-30°C高温側にシフトした.(2)常温における包括リパーゼの活性増大は,(1)疎水性ゲルと有機溶媒中の基質の親和性の向上,および(2)ゲルのアルキル基とリパーゼ分子の活性中心付近の疎水性アミノ酸残基間の(疎水性)相互作用などによってもたらされていることが示唆された.(3)熟安定性の向上の理由としては,昨年度,適度にタイトな有機シリカによるゲル表面近傍におけるリパーゼ分子の物理的包括による熱変性防止を挙げたが,本反応系においては,上記のリパーゼ-ゲル間の疎水的相互作用の介在ももう一つの要因として考えられた.(4)エナンチオ選択性については,常温(35°C)では包括リパーゼは付着リパーゼより低い値を与えたが,熱失活が顕著となる高温(75°C)では包括リパーゼは著しく高い値を与えた.
社会的養護の環境にある子どもに対する心理的発達支援モデルの新展開

本研究は,社会的養護の環境にある子どもたちの心理的な危機状態からの回復と,健全な発達支援に焦点をあて,施設における対応や支援の工夫を検討するものである。最終的には児童福祉施設における包括的な支援モデルの構築を目的としている。平成30年度に行った研究の成果は以下の通りである。1.児童福祉施設入所児への切れ目のない「発達支援」アプローチの開発(1)心理教育プログラムの開発・実施:複数の児童養護施設の協力を得て,子どもへの心理教育プログラムを実施し、効果測定のため事前・事後の質問紙調査を行った。新たに幼児向けの心理教育プログラム開発を行い、実施した。また、児童養護施設における子どもの性的問題に対する施設のケアの体制と職員の意識との関連について、論文にまとめている。(2)切れ目のない包括的親子支援に関する研究:妊娠前から子育て期間における切れ目のない支援について、情報収集のために海外調査を行った。フィンランドのネウボラの取り組みについての視察と関係者のインタビューを行った。2.社会的養護の環境下における子どもへの「心理的学習支援」の導入の実践研究(1)全国の児童養護施設を対象に,施設における学習や進路指導に関する体制および実態に関する質問紙調査を前回の科研費で行い、その結果を論文にまとめたものが平成30年度、学会誌に採択された。(2)児童養護施設に入所している児童に対して,個別の心理教育アセスメントから学習支援プログラムを実施した例について平成29年度に学会発表を行ったものを、平成30年に論文としてまとめて学会誌に投稿した。(3)児童養護施設に入所している児童に対して,学校生活スキルに関する質問紙調査および,学校における対人葛藤場面における葛藤解決方略に関する半構造化面接を、継続的に行っている。平成30年度も追加データの収集を行った。当初計画していた心理教育プログラムの作成・継続的な実施及びデータ収集と分析は,ほぼ予定通りに行うことができている。学習支援に関する調査では,論文化が進んだ。施設入所児に対する学校生活スキルに関する質問紙調査および,学校における対人葛藤解決方略に関する半構造化面接は現在も随時実施しており,データの蓄積を継続的に行っている。以上のことから,概ね順調に進展しているといえるが,事例の蓄積には数年単位での時間がかかると考えている。ある程度のデータ数が集まったところで分析に取り掛かる予定である。1.心理教育的アプローチに関する研究(1)プログラムについて:H31年度も継続的してプログラムを実施し,新たな効果測定データを収集する。小中学生のプログラムについては、5年間の効果測定データの縦断的な分析を行う予定である。さらに、幼児向けプログラムの実施について学会発表を行う。(2)調査研究について:施設のケアの体制と子どもの問題との関連についての研究成果および,心理教育プログラムに関わる職員の意識に関する研究成果について論文化したものを投稿する。2.施設入所児の支援に関する研究(1)児童養護施設入所児の学習支援プログラムについて:H30年度に実施したものをまとめ、学会発表を行う予定である。(2)児童養護施設児の学校生活スキル:データをまとめ論文化する予定である。学校における対人葛藤場面における葛藤解決方略に関する半構造化面接のデータについては一定数が集まった段階で結果を分析し,成果発表を行う予定である。3.親子の包括支援に関する研究:海外視察及びインタビューから得られた知見をまとめ、成果発表する予定である。

以上のことから,概ね順調に進展しているといえるが,事例の蓄積には数年単位での時間がかかると考えている。ある程度のデータ数が集まったところで分析に取り掛かる予定である。1.心理教育的アプローチに関する研究(1)プログラムについて:H31年度も継続的してプログラムを実施し,新たな効果測定データを収集する。小中学生のプログラムについては、5年間の効果測定データの縦断的な分析を行う予定である。さらに、幼児向けプログラムの実施について学会発表を行う。(2)調査研究について:施設のケアの体制と子どもの問題との関連についての研究成果および,心理教育プログラムに関わる職員の意識に関する研究成果について論文化したものを投稿する。2.施設入所児の支援に関する研究(1)児童養護施設入所児の学習支援プログラムについて:H30年度に実施したものをまとめ、学会発表を行う予定である。(2)児童養護施設児の学校生活スキル:データをまとめ論文化する予定である。学校における対人葛藤場面における葛藤解決方略に関する半構造化面接のデータについては一定数が集まった段階で結果を分析し,成果発表を行う予定である。3.親子の包括支援に関する研究:海外視察及びインタビューから得られた知見をまとめ、成果発表する予定である。心理検査用具を購入予定であったが、そのうちの一部は、児童養護施設の備品である検査用具を使用させていただけることになったため、物品費が抑えられた。また、データ入力や分析も自分たちで行ったため、人件費や謝金の支出が少なかった。そのため、予定より金額に余裕が出ている。これらの金額は平成31年度の学会発表を行うための旅費として用いる予定である。
体細胞クローン胚の発生にともなう遺伝子発現変化とその制御機構の解明

ウシ体細胞クローン胚に特異的な発現動態を示す遺伝子の特定と、その制御因子のDNAメチル化状態が胚発生にともないどのように変化するのかを検討した結果、胚の分化や胎盤機能に関連する遺伝子においてクローン胚に発現異常がみとめられ、これら異常を示す遺伝子の発現量は胚発育にともない発現が正常化する遺伝子と、発現異常が継続する遺伝子が存在することが明らかとなった。また、クローン胚のDNAメチル化割合は、胚盤胞期において高いものの、その後の胚発生にともなって正常化することが明らかとなった。本研究によりウシ体細胞クローン胚の遺伝子発現動態とその制御機構の一端が明らかとなった。1.体細胞クローン胚の発生および組織分化にともなう遺伝子発現動態の解明ウシ体細胞核移植胚に特異的な発現動態を示す遺伝子群の特定とその発現パターンの比較を行った。ウシ線維芽細胞をドナー細胞に用いた体細胞核移植胚を胚盤胞期まで体外培養し、レシピエント牛に移植した。Day16日目に回収した伸長期胚および胚盤胞期胚からRNAを抽出し、RT-リアルタイムPCR法により遺伝子発現解析を行った。その結果、胎盤機能に関連する遺伝子の一部において、体内発生胚および単為発生胚と比較して体細胞核移植胚に発現異常がみとめられた。これらの遺伝子の発現量は胚の発生にともない変化することを明らかにした。2.体細胞クローン胚の遺伝子発現機構の解明ウシ体細胞核移植胚の遺伝子発現制御機構の一端を明らかにするため体細胞核移植胚のDNAメチル化割合の解析を行い、受精卵核移植胚、体内発生胚、体外受精胚などと比較した。胚盤胞期胚から抽出、精製したDNAをBisulfite処理後PCRによりSatellite I領域を増幅し、得られたPCR産物を制限酵素処理した後、電気泳動像を画像解析することにより胚のDNAメチル化割合を測定した。その結果、体細胞核移植胚の胚盤胞期におけるDNAメチル化割合は、ドナー細胞と比較して低下しているものの、体内発生胚、体外受精胚、受精卵核移植胚、単為発生胚よりも有意に高い値を示すことを明らかにした。(1)体細胞クローン胚の遺伝子発現制御機構の解明体細胞クローン胚の遺伝子発現調節機構の解明を目的とし、ウシ体細胞クローン胚の発生過程を通じたゲノム全体のDNAメチル化レベルの変化を調べた結果、体細胞クローン胚においては胚盤胞期において有意に高いDNAメチル化レベルを示すもののその後の胚発生(伸長)によって胚の栄養膜組織においてはDNAの脱メチル化が起こることが明らかとなった。一方、胚の内部細胞塊に由来する胚盤組織のメチル化レベルは変化せず、その結果、胚盤胞期以降の胚発育にともないDNAのメチル化が起こった体内受精・体内発生胚とクローン胚の間にはDNAメチル化レベルに有意な差がみとめられなくなることが明らかとなった。(2)エピジェネティクスの人為操作による遺伝子発現の制御ウシ体細胞クローン胚においてもHDAC阻害剤を用いたヒストン修飾の人為操作によってクローン胚の発生効率や産子作出効率が変化するのか、またその際の胚の遺伝子発現はどのように変化するのかを検討した結果、ヒストン脱アセチル化酵素(HDAC)阻害剤として知られるトリコスタチンA(TSA)処理により、クローン胚の胚盤胞形成率が有意に高くなることを明らかにした。
界面接合部の強度評価に関する研究

本研究では降伏を生じる前に破断する拡散接合継手の強度を評価するのに必要な試験片寸法を明らかにすることを目的としている.平板に発生する残留応力分布は相似な試験片では相似になることを平面応力,平面ひずみ状態で証明した.また,試験片の幅が長さより大きいときは長さが,長さが幅より大きいときは幅が残留応力分布を支配する寸法の主因子になることを平面応力,平面ひずみ状態で境界要素法を用いて証明した.この事実より,直径dの丸棒試験片の長さhがdの2倍以上である試料A,Bを拡散接合して引張試験片を製作すれば,接合界面に生じる残留応力分布は相似分布になる.計算により明らかになった事柄を実験により検討した.拡散接合に用いる材料として, a)異材の界面接合部に欠陥が生じない材料の組合せであること, b)接合による残留応力が大きくなるように線膨張係数の差が大きく異なる材料であること, c)接合継手強度が母材の降伏強度よりも小さく残留応力が引張強度に及ぼす影響が消滅し難い材料であることを満足するTi合金とリン青銅を選択した.拡散接合条件は真空度5X10^<-5>Torr,接合温度1173Kである.引張試験はインストロン試験機で毎分1.0mmのクロスヘッドスピードで行った.本実験では接合界面に欠陥が存在しないこと,および引張強度が母材の降伏強度より小さいことが重要となる.欠陥の有無を引張破断後の接合界面を走査型電子顕微鏡による観察で判定した.破面にはチタンおよびリン青銅の両側にテアリッジが認められ,引張試験により分離した事が分かる.引張強度は母材の降伏強度137MPa(Cu),319MPa(Ti)よりも小さく,降伏は生じていなかった. d=10,20mmの試験片の引張強度に差がなく,計算で予想されたように寸法効果がないことが示された.本研究では降伏を生じる前に破断する拡散接合継手の強度を評価するのに必要な試験片寸法を明らかにすることを目的としている.平板に発生する残留応力分布は相似な試験片では相似になることを平面応力,平面ひずみ状態で証明した.また,試験片の幅が長さより大きいときは長さが,長さが幅より大きいときは幅が残留応力分布を支配する寸法の主因子になることを平面応力,平面ひずみ状態で境界要素法を用いて証明した.この事実より,直径dの丸棒試験片の長さhがdの2倍以上である試料A,Bを拡散接合して引張試験片を製作すれば,接合界面に生じる残留応力分布は相似分布になる.計算により明らかになった事柄を実験により検討した.拡散接合に用いる材料として, a)異材の界面接合部に欠陥が生じない材料の組合せであること, b)接合による残留応力が大きくなるように線膨張係数の差が大きく異なる材料であること, c)接合継手強度が母材の降伏強度よりも小さく残留応力が引張強度に及ぼす影響が消滅し難い材料であることを満足するTi合金とリン青銅を選択した.拡散接合条件は真空度5X10^<-5>Torr,接合温度1173Kである.引張試験はインストロン試験機で毎分1.0mmのクロスヘッドスピードで行った.本実験では接合界面に欠陥が存在しないこと,および引張強度が母材の降伏強度より小さいことが重要となる.欠陥の有無を引張破断後の接合界面を走査型電子顕微鏡による観察で判定した.破面にはチタンおよびリン青銅の両側にテアリッジが認められ,引張試験により分離した事が分かる.引張強度は母材の降伏強度137MPa(Cu),319MPa(Ti)よりも小さく,降伏は生じていなかった. d=10,20mmの試験片の引張強度に差がなく,計算で予想されたように寸法効果がないことが示された.
シリコン結晶中の窒素の状態変化と濃度測定法の研究

1.As-grown結晶中の窒素単量体の量を、単量体によるシャローサーマルドナーの電子準位測定と本研究で発見した局所振動による赤外吸収とにより見積もった。また析出量をSIMSによる評価と赤外吸収による溶存窒素濃度、放射化分析による全濃度との比較により見積もった。熱処理による単量体から二量体への変化は検出できなかった。2.窒素濃度測定法2.1.低濃度結晶中の窒素単量体については、対応すると見られる局在振動による赤外吸収ピークを発見したので、他の方法は不要となった。この窒素酸素対に格子間酸素を伴う構造からの可能性がある新しい複数のピークの濃度依存性・温度依存性を詳細に調べた。また国内の協力者と試料を交換しシャローサーマルドナー濃度の窒素濃度依存性と比較し、窒素酸素対の濃度を測定できる見通しを得た。国内協力者が熱処理によるドナーの変化を詳細に調べたので、赤外振動による赤外吸収との対応付けをした。赤外スペクトル処理法として従来の直線べースラインに代わる格子振動吸収フィッティング法を提案し、高精度化の効県を確認した。測定精度に対する試料温度の影響を明らかにした。ドイツの海外共同研究者の元で試料を測定し試料交換機法の効果を確認した。英国の海外共同研究者と理論計算の結果について討論した。2.2.SIMS分析では、国内の協力研究者と協力して、濃度の深さ分布プロファイルに現れる析出物によるスパイクを用いて析出窒素量を見積もり、妥当な値を得た。他の協力者とも相談して、析出物濃度の測定法として規格に含ませることとした。2.3.放射化分析では、湿式分析における条件を確立し、乾式法や他の分析法との整合性を確認した。放射化分析法による半導体結晶中の不純物分析法としては初めての測定法規格を制定できる見通しを得た。2.4.赤外吸収、SIMS,放射化分析により同一の起源の試料をそれぞれ複数の機関で分析し、方法間の一致、機関間の一致が満足できることを確認した。これにより濃度1x10^<14>/cm^3以上に対する測定法を確立でき、規格化の基礎を得た。3.以上の新しい方法を炭素濃度および炭素・酸素濃度対の測定法に適用できるか検討した。海外の研究協力者や国内の利用者の試料を測定して検出限界が1x10^<14>/cm^3に達することを明らかにした。(1)窒素濃度測定法に関しては、赤外吸収について窒素単量体(窒素酸素対+格子間酸素)による吸収を理論的に予測した結果に基づき実験的に検討し、これまで報告され同定されていない吸収が予測の一部に該当することを、窒素濃度依存性・熱処理温度依存性から明らかにした。また単量体の電子遷移による遠赤外吸収の測定されている試料を測定し良く対応することを明らかにした。理論の精密化を進めると共に、対応する吸収ピークを実験的に探索し未報告の新しい状態に対応すると見られるピークを見いだした。英・独・米の大学と共同研究を進めている。

高感度・高精度化のために、バックグラウンド吸収処理の新しいアルゴリズムを提案した。この方法を電子協に提案し世界の主なシリコン結晶メーカーを網羅した巡回測定を実施している。また放射化分析については窒素と同時に放射化される物質の化学分離法を確立し検出感度を1x10^<14>/cm^3に向上させ、一連の試料について2機関で測定を行いデータの信頼性を向上させ、析出を含む全窒素の分析法の見通しを得た。(2)窒素の析出についてはSIMS分析による析出スパイクの密度・高さなどのデータの予備的解析を国内協力により行い、大まかに析出量が見積もれることを明らかにした。(3)窒素の熱処理による状態変化については、欠陥発生温度に近い高温での各種窒素複合体の吸収の熱処理による変化を、発見したピークを含めて赤外吸収法により明らかにし、遠赤外吸収の変化と対応させた。窒素酸素対吸収は見つかっていない。これに基づき熱処理挙動モデルを検討した。我が国の企業と共同研究を進めており伊企業と情報交換している。(4)窒素濃度赤外吸収測定で開発した方法を同類の軽元素である炭素に適用し、1x10^<14>/cm^3の高感度測定法を確立した。1.状態変化については赤外吸収、SIMS、放射化分析の確立により評価可能とした。As-grown結晶中の窒素単量体の割合を単量体によるシャローサーマルドナーの電子準位測定と本研究で発見した局所振動による赤外吸収とにより見積もった。また析出量をSIMSによる評価と赤外吸収による溶解(二量体・単量体)窒素濃度、放射化分析による全濃度との比較により見積もった。これにより窒素不純物の相図を作成した。熱処理による単量体から二量体への変化は検出できなかった。2.窒素濃度測定法では低濃度で支配的となる窒素・酸素対を含む構造に対する新しい赤外吸収ピークについて濃度依存性・温度依存性を詳細に測定し測定法確立の見通しを得た。赤外吸収・SIMS・放射化分析について濃度1x10^<14>/cm^3以上に対する測定法を確立し、巡回測定によりその精度を確認し、規格案を作成した。2.1.低濃度孤立窒素については、対応すると見られる赤外吸収ピークを発見したので、他の方法は不要となった。この窒素酸素対に格子間酸素を伴う構造からの可能性がある新しい複数のピークの濃度依存性・温度依存性を詳細に調べた。また国内の協力者と試料を交換しシャローサーマルドナー濃度の依存性と比較し、窒素酸素対の濃度を測定できる見通しを得た。国内協力者が熱処理によるドナーの変化を詳細に調べたので、赤外吸収との対応付けを進めている。従来の直線ベースラインに代わる格子振動吸収フィッティング法を提案し、同一構造からの異なる吸収が濃度に依らず一定となることを確認し高精度化への効果を確認した。試料温度の影響を明らかにした。ドイツの海外共同研究者の元で試料を測定し高度化法の効果を確認した。英国の海外共同研究者と理論計算の結果について討論した。2.2.SIMS分析では、国内の協力研究者と協力して濃度の深さ分布プロファイルに現れる析出物によるスパイクを用いることにより析出窒素量を見積もることができることを明らかにした。他の協力者とも相談して、析出物濃度の測定法として規格に含ませることとした。これは析出物の測定法全般への発展性を持っている。
銅メッシュ爆発を利用した面起爆技術の開発とその応用に関する研究

前年度の研究で銅メッシュパターンシートの製作法を確立し、いくつかのメッシュパターンで平行銅細線方式と同等以上の平面性を有する平面爆轟波の生成ができた。本年度はメッシュ起爆の応用として任意形状面起爆の可能性検討、固体中円筒状収束波による極限状態の生成および材料回収装置の開発について研究し、以下の結論を得た。(1)従来のような細線部を千鳥メッシュ状に配置させたメッシュパターンとは根本的に異なる穿孔タイプの銅箔シートを設計した。これはこれまでの細線爆発では細線の末端が早期爆発することを計測したので狭隘部への電流の流れ込みをスムースにさせようとの発想から案出された。穿孔タイプの爆発計測実験では、円孔が接する狭隘部のみが爆発し、この隙間を調整することで起爆開始をある程度調整できることが判った。そこで任意形状面の一斉起爆技術開発への基礎研究として、種々の穿孔タイプメッシュで扇型面を形成し、爆発計測実験を行った。未だPETN扇型平面の一斉起爆には至っていないが、同形状の同箔シートはほぼ一斉爆発させることができ、今後の発展が期待できる。(2)前年度開発した銅メッシュを利用してPETN円筒を外表面から一斉起爆させた。さらに内側に設置した高性能爆薬PBX円筒を一斉きばくさせ、中心部の固体中が極限状態に達する強い収束衝撃波を生成させることに成功した。この際、PBXの衝撃感度が低いため、PETNでMylar円筒を収束飛翔させPBX外面に衝突させることで入射圧を高めた。中心部のPMMA中には対称性の良い強い収束波が計測され、中心軸近傍には200300GPaの超高圧が発生したと推測された。(3)(2)で開発した収束波生成装置の中心部に材料回収装置を設置して材料の極限圧縮と回収を試みた。通常の回収装置での回収は困難であったが、試料カプセル外周に液体爆薬を設置するタイプでは、材料飛散を防ぐことができMRS鋼試料の回収に成功した。本年度は銅メッシュシ製作法の確立及びPETN、コンデンサーの相違による起爆特性の評価を行い、次の結果を得た。(1)銅メッシュは基本的にプリント基盤製作と同じ方法で作成した。即ちPCの描画ソフトで作図した原画をそのまま銅厚30μm、ポリイミドフィルム厚50μmの銅箔シ一ト上に感光プリントさせ、エッチング加工して製作した。これらの作業の精度向上を図るために縮小転写カメラおよび大型露光器を購入し、完全に自作できるようになった。試作としては610種類のメッシュパターンを作成したが、爆発発実験やPETN爆薬の起爆実験には3種類のメッシュを用いた。いずれも細線部(0.220.36×2×0.03mm^3)が一辺67mmの正三角形状に分布するようなメッシュパターンとなっている。(2)熊本大学工学部衝撃エネルギー実験所の大電流発生装置(コンデンサー:20kV、40μF)を用いて銅メンシュシートの爆発実験を行い、高速度カメラ(IMACON)を用いてメッシュ面全体の爆発状況をコマ撮り撮影した。またロゴスキーコイルによって細線部爆発に使われた放電電流も計測した。銅メッシュ起爆法で得られた爆轟波の平面性は爆轟波の表面への到達時間誤差をストリーク撮影して評価した。爆発実験の結果、メッシュ面積は200×57mm^2でも爆発していたが310×56mm^2では不完全爆発のため起爆しなかった。

また平面性についてはPETNの装填密度(1.00.9g/cc)の不均一性も考慮して到達時間誤差±0.2μs以下を合格基準とした。その結果、メッシュの線間隔Wと薬厚Hの比W/Hを0.65以下にすれば3種類のメッシュとの実用できるとの見通しを得た。ただし全般的に従来の平行細線列爆発を利用した方法に比べ若干平面性が劣る結果になっている。電流計測結果を考慮すると、これは起爆面積Sに対する線爆Aを節約するメッシュが有効に電流増加に結びついていないことが原因と考えられる。今後は平行細線爆発の延長にある部分細線パターンにこだわらないメッシュ設計を試みて行く予定である。(3)工技院物質工学工業技術研究所のB発実験所の大電流発生装置(40kV、12.5μF)で同様の実験を行った。電流の立上がりが速く、PETNが低密度(0.6g/cc)でかつ回路のインピーダンスが低い等、熊大の装置と著しい相違があることから特にメッシュ起爆方式は有効であり、平行線方式と同等以上の結果を得た。今後は円筒状起爆への応用を図って行く予定である。前年度の研究で銅メッシユパターンシートの製作法を確立し、いくつかのメッシュパターンで平行銅細線方式と同等以上の平面性を有する平面爆轟波の生成ができた。本年度はメッシュ起爆の応用として任意形状面起爆の可能性検討、固体中円筒状収束波による極限状態の生成および材料回収装置の開発について研究し、以下の結論を得た。(1)従来のような細線部を千鳥メッシュ状に配置させたメッシュパターンとは根本的に異なる穿孔タイプの銅箔シートを設計した。これはこれまでの細線爆発では細線の末端が早期爆発することを計測したので狭隘部への電流の流れ込みをスムースにさせようとの発想から案出された。穿孔タイプの爆発計測実験では、円孔が接する狭隘部のみが爆発し、この隙間を調整することで起爆開始をある程度調整できることが判った。そこで任意形状面の一斉起爆技術開発への基礎研究として、種々の穿孔タイプメッシュで扇型面を形成し、爆発計測実験を行った。未だPETN扇型平面の一斉起爆には至っていないが、同形状の同箔シートはほぼ一斉爆発させることができ、今後の発展が期待できる。(2)前年度開発した銅メッシュを利用してPETN円筒を外表面から一斉起爆させた。さらに内側に設置した高性能爆薬PBX円筒を一斉きばくさせ、中心部の固体中が極限状態に達する強い収束衝撃波を生成させることに成功した。この際、PBXの衝撃感度が低いため、PETNでMylar円筒を収束飛翔させPBX外面に衝突させることで入射圧を高めた。中心部のPMMA中には対称性の良い収束波が計測され、中心軸近傍には200300GPaの超高圧が発生したと推測された。(3)(2)で開発した収束波生成装置の中心部に材料回収装置を設置して材料の極限圧縮と回収を試みた。通常の回収装置での回収は困難であったが、試料カプセル外周に液体爆薬を設置するタイプでは、材料飛散を防ぐことができMRS綱試料の回収に成功した。
モジュラーマトリックスコンバータを用いた低周波送電用周波数変換器に関する研究

スイッチング素子4個とキャパシタ1個によって構成されるHブリッジセルを,9本のアームにおいてそれぞれ複数直列接続することによって,大容量・高電圧化が容易な交流/交流直接変換器であるモジュラーマルチレベルマトリックスコンバータに対し,電圧空間ベクトル変調を用いた電力制御法とHブリッジセル間のキャパシタ電圧平衡制御法を提案し,シミュレーションと2 kVAの装置を使った実験によって商用周波数から低周波数まで幅広い領域で安定に運転できることを示した.これらの結果より,洋上風力発電などに適用が検討されている低周波送電システムにモジュラーマルチレベルマトリックスコンバータが適用可能であることを示した.モジュラー化されたH-ブリッジセルを直列接続することによって大容量化が容易な交流/交流直接変換形変換器であるモジュラーマトリックスコンバータ(MMxC)の低周波送電への適用を検討している.平成25年度は,マトリックスコンバータを流れる電流が一部の経路に集中してしまう同一周波数の交流/交流変換においても,各H-ブリッジセルのキャパシタ電圧平衡制御によって,安定的な運転を継続できることを9レベル(4段構成)のMMxCの回路シミュレーションによって確認するとともに,1 kWの試験装置においても運転を実証した.一方,連系する2つの系統間に零相電流が流れることも確認されたが,これを補償する制御方法も提案し,その効果を回路シミュレーションによって確認した.さらに,同一周波数の電力変換においてはキャパシタ電圧平衡制御と干渉することが明らかになったが,双方のトレードオフ関係においてバランスよく制御する方法を提案した.試験装置については,主回路をこれまでの1段構成から2段構成に改造し,計18個のH-ブリッジセルの制御系をDSPおよびFPGAを用いて構築した.商用周波数における1 kWの周波数変換を実証するとともに,5レベルの階段状の電圧波形の出力を確認した.また1段構成の場合に比べて,電圧・電流波形の総合ひずみ率がそれぞれ改善されることを示した.さらに各セルのキャパシタ電圧も十分な精度で平衡して制御できることを実証した.これらの成果については,PEDS'13,ECCE Asia 2013,電気関係学会関西連合大会,パワーエレクトロニクス学会第201回定例研究会,電気学会半導体電力変換・モータドライブ合同研究会,電気学会全国大会において,それぞれ発表を行った.スイッチング素子4個とキャパシタ1個によって構成されるHブリッジセルを,9本のアームにおいてそれぞれ複数直列接続することによって,大容量・高電圧化が容易な交流/交流直接変換器であるモジュラーマルチレベルマトリックスコンバータに対し,電圧空間ベクトル変調を用いた電力制御法とHブリッジセル間のキャパシタ電圧平衡制御法を提案し,シミュレーションと2 kVAの装置を使った実験によって商用周波数から低周波数まで幅広い領域で安定に運転できることを示した.これらの結果より,洋上風力発電などに適用が検討されている低周波送電システムにモジュラーマルチレベルマトリックスコンバータが適用可能であることを示した.モジュラー化されたH-ブリッジセルを直列接続することによって大容量化が容易な交流/交流直接変換形変換器であるモジュラーマトリックスコンバータの低周波送電への適用を検討している.平成24年度は,H-ブリッジセルを3段以上にカスケード接続した場合にも適用可能なキャパシタ電圧平衡制御を提案し,1コンバータアームがセル4段で構成されたモジュラーマトリックスコンバータの系統連系運転について回路シミュレーションを行い,その妥当性を確認した.またH-ブリッジセルのデッドタイム時の電流転流について検討し,電圧スパイクの発生を抑制する手法を提案した.さらに,このモジュラーマトリックスコンバータの低周波送電への適用について検討し,60Hz/1Hz周波数変換時であっても一部のコンバータアームに電流集中が起らず,入出力の電流電圧ともに総合ひずみ率が5%以下で運転が可能であることを回路シミュレーションによって示した.回路の入出力電圧の昇降圧動作についても検討を行い,その動作範囲について考察した.1kWのモジュラーマトリックスコンバータの試験装置においても,60Hz/5Hzおよび60Hz/20Hzの系統連系周波数変換動作を実証し,低周波送電への適用が可能であることを示した.これらの成果については,電気学会半導体電力研究会,平成25年電気学会全国大会,パワーエレクトロニクス学会第196回研究会において,それぞれ発表を行った.モジュラー化されたH-ブリッジセルを直列接続することによって大容量化・高耐圧化が容易な交流/交流直接変換形変換器であるモジュラーマトリックスコンバータ(MMxC)の低周波送電への適用を検討している.平成26年度は,これまで提案してきた制御法を1アームにセルが2段構成であるMMxCの試験装置に適用し,三相交流電源と商用系統と間に接続することによって,2 kWの電力潮流制御試験を行った.その結果,有効電力,無効電力ともに正負方向に干渉なく制御でき,また良好な過渡応答特性を持つことを示した.また,商用系統周波数60 Hzに対し,10 60 Hzの範囲で三相交流電源の周波数を変化させ,いずれの周波数においても良好な制御特性を得ることができた.また,電流の総合ひずみ率も4段化することによって低減できることをシミュレーションによって示した.また,MMxCを送配電系統に適用する場合に必要となる,零相電流を抑制するための零相電圧制御を提案し,試験装置に実装してキャパシタ電圧平衡と両立させつつ零相電圧を抑制できることを示した.さらに,セルが多段化することによって懸念される計算量の増加,信号線の増加などの問題について,解決策として階層化された制御系の構成を提案し,その導入の効果と通信による時間遅れの影響について評価した.以上の結果によりMMxCの低周波送電への適用の可能性を示すことができた.

また,これらの成果については,IECON2014,電気学会全国大会,電気関係学会関西連合大会,パワーエレクトロニクス学会第206回研究会,半導体電力変換/モータドライブ合同研究会等において発表した.パワーエレクトロニクス,電力系統,核融合装置,超伝導コイルなどに適用される大型電源モジュラーマトリックスコンバータの電力制御,キャパシタ電圧平衡制御,零相電圧補償制御などの基本的な制御方法はほぼ提案し実証できた.また,新たに明らかとなった同一周波数変換におけるキャパシタ電圧平衡制御と零相電圧補償制御の干渉についても解決策を提案できた.これらの制御法は4段構成の回路のシミュレーションや試験装置において実証されており,当初の計画以上に進んで実行できていると考えられる.一方,実験装置についても,セルの2段構成への改造を終了し,またその制御系についても信号線を減らすなどの工夫を加えて構成することができた.5レベルのマルチレベル波形も実現でき,またそのため波形の総合ひずみ率の低減も可能となった.平成26年度は,主回路において各セルの直流コンデンサの容量の低減などの改造の可能性があるが,試験装置については種々の運転を試験できる環境がほぼ整ったといえる.低周波周波数変換における電流経路の集中や,同一周波数変換における電流経路の集中および零相電流の抑制手法などについての理論的な考察に加え,可変周波数の風力発電などへの適用についても検討を進めており,研究は当初の計画通りに進展していると考えられる.モジュラーマトリックスコンバータの制御方法および低周波送電への適用の基礎検討は当初の計画以上に進んで実行され,期待された以上の成果が得られた.一方,実験装置については,動作安定のため主回路にPCB基板などを用いる改良を行ったため,セル2段化改造については計画より少し遅れた.しかし,この改造のおかげでセル1段構成回路の安定動作を実現できたうえに,セル2段化改造用の主回路および計測制御回路の基板を設計・製作を完了することができた.平成25年度にはセル2段化改造を進め,当初の計画していた項目について実行可能であると考えている.平成26年度は,モジュラーマトリックスコンバータの,(1)キャパシタ電圧平衡制御と零相電圧補償制御の干渉に関する理論的考察,(2)同一周波数の非同期系統連系用の制御およびキャパシタ電圧平衡制御の電力の流れの理論的考察,(3)瞬低・系統不平衡運転時の制御,等を検討する.またモジュラーマトリックスコンバータの応用として,(a)低周波送電への適用,(b)可変周波数・可変電圧発電機を用いた風力発電への適用,等についてさらに検討を進める.実験回路については,キャパシタの容量を低減する改造を行うことを予定している.