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障害者の高等教育支援のための学内体制の整備と連携に関する調査・研究

午前は、愛媛大学学部助教授・立入哉氏より支援実践の報告をいただいた。特に、超障者用機器の使用実態につき、他大学からの参加者からも報告され、討議された.午後は、当事者である教員達も加わり、「大学における軽度発達障害のある学生への支援」シンポを行なった。(2)2005年2月6日の交流懇談会は、戸山サンライズで、東大バリアフリー支援室の伊藤聡知氏司会により、さまざまな障害者グループ(盲・ろう・肢体不自由・てんかん等)の代表者シンポを行った.(3)3月27日(日)、年度末だが、10年余ぶりに第2回国際会議を、早稲田大学国際会議場にて開催予定.午前は、第1回から助力下さっている米国・ミネソタ大学のDr.Mesten hauser氏等の現状報告.午後は障害別に当事者中心シンポ.翌28日(月)は海外専門家とランドテーブル会議.全国の大学・短期大学・高等専門学校等(以下、大学等)のうち、過去5年間に障害のある学生から相談を受けた大学等は約20%であった。近年は、視覚障害・聴覚障害・身体障害等に加え、LD・ADHD・高機能自閉症等の発達障害のある学生(発達障害が疑われる学生も含む。以下、発達障害学生)からの相談が増えてきている。しかし、発達障害学生のなかで、医師の診断を受けているものは20%に満たない。発達障害学生の課題としては、対人関係でのトラブル、学業上の困難、情緒面での問題、就労の困難等、大学生活全般にわたっている。大学内の関係者の理解啓発として、教職員との連携及びコンサルテーション、他の部局との連携、教職員や学生に対する理解啓発等が行われている。大学外の関係者との連携・協力としては、保護者との相談、精神科等医療機関との連携、外部専門機関との連携等が行われている。学生相談室等での面接・カウンセリングの内容としては、対人関係・社会的スキルに関するアドバイス・指導、情緒・心理面を支えるためのカウンセリング、本人の自己理解・障害理解を促すためのカウンセリング、科目履修のアドバイス等が行われている。学業に関する支援を行っている大学等は少ないが、講義内容のコピーを提供する、授業・試験中の指示を文章化する、パソコンによるノート筆記を認める等の支援が行われている。中には、レポートの提出期限を延長する、レポートの書き方について指導する、別室での試験を認める等の支援を行っている大学等もある。また、進路・就労に関する支援としては、面接等試験に関する事前対策・準備、インターンシップ等を通した職業適性へのアドバイス、障害者職業センター等との連携等が行われている。今後の課題として、大学内の教職員との連携・協力、周囲の学生との人間関係の調整、障害に関する保護者の理解の向上等があげられる。
生体吸収性材料を用いた新規下顎骨関節突起骨折治療プレートの開発

下顎骨関節突起骨折は顔面外傷において最も頻度の高い疾患の一つであり、治療法の多くはプレートによる観血的整復固定術が選択される。一方で、術後の金属製プレートは異物となり時に撤去が必要であるが、再度の観血的処置を要する。観血的処置の合併症には顔面神経損傷,瘢痕があり複数回の手術は避けたく、吸収性プレートの選択が検討されてきた。しかし、下顎骨関節突起骨折治療に利用できる生体吸収性プレートは存在しない。本研究により、下顎骨関節突起骨折治療における生体活性吸収性プレートが開発されれば、術後のプレート撤去は不要となる。それにより、患者の度重なる手術回避と手術、入院、麻酔費用の軽減に貢献できる。
避難時間決定のシミュレーション実験

避難開始の決定は避難者の態度と災害の性質に依存する。そこで本研究では複数の異なった災害を取り上げることとした。本研究で取り上げた災害は広域火災と水害である。この2つの災害は災害が発生してから対応が困難な規模に拡大するまでに時間的余裕がある。それゆえ、この種の災害においては避難開始の決定に個人差が大きいと考えられる。その個人差を対話型シミュレーションモデルを用いて検討した。本研究ではまず災害が拡大する場面のシミュレーションモデルを作成した。被験者はコンピュータの画面を見て避難を開始するかどうかを決定する。画面には住宅地を表示し、遠方から災害が拡大する状況を示した。疲験者はやや高い位置にある自宅から見下ろす形になる。そして火災については遠方で出火した火災が拡大する形とした。水害については低い方から少しずつ水位が上昇する状況を画面に表示した。このシミュレーションモデルを用いて実験を行なった。避難開始の決定はさまざまな個人的要因によって規定されている。本研究では個人的要因のうち被験者の態度を取り上げた。規範指向性の強い被験者の場合、避難開始の決定が早くなる傾向が見られた。この傾向は誘導員の傾向と同一のものである。一般の避難者も自己の状況判断に基づいて避難開始を決定する。これは一般住民への対応においても「避難命令に従う」という教育では不充分であることを示唆するものである。災害対応計画においても「避難は命令に従って」という方針は再検討する必要があると考えられる。
血液適合性連続流血液ポンプ開発のための基礎的研究-せん断流場中の赤血球変形解析

1.せん断流場中での赤血球変形と損傷(1)円錐平板型のせん断負荷装置を構築した.赤血球を高粘度溶液に微量添加した赤血球溶液を円錐平板間に配置し,円錐板の回転によりせん断負荷した.ガラス製平板の下側から対物レンズを通して高速度ビデオカメラにより,せん断流場中での赤血球の変形をフレームレート18,000fpsで記録し,画像解析から赤血球の短径長径比(SD/LD比)の時間変化を調べた.円錐回転速度を静止状態から一定速度まで急速に変化させ,赤血球にステップ状のせん断応力を負荷したところ,SD/LD比は静止時の初期値からせん断負荷直後(<50ms)に急減し,その後は定常値まで漸減する傾向が確認された.この結果は,赤血球の標準的な形状とされる両凹円盤形状と同程度に安定な楕円体形状が存在することを意味すると考えられる.(2)上記装置により一定せん断負荷した赤血球は,負荷時間が長くなるに従い,その内部の平均ヘモグロビン量が減少する傾向を示した.しかしながら,平均赤血球容積の変化は僅かであった.血球内からのヘモグロビン流出と同時に外部からの液体が流入している可能性がある.せん断負荷後のサンプルについて,走査プローブ顕微鏡により赤血球膜表面の観察を行ったが,明確な小孔は確認されなかった.2.数値シミュレーション(1)赤血球変形の高速度顕微観察を通して得られた知見をもとに,18年度作成した赤血球変形モデルを修正した.(2)補助人工心臓血液ポンプに心室を組み合わせた計算機モデルを作成した.心室形状を簡単化した上で駆出率30%の心拍動を模擬した心室壁の移動を記述し,血液ポンプによる拍出補助時の心室内血流を解析した.ポンプから心室への逆流が心周期内で大きく変化する様子が明らかとなった.また,心室入口からポンプ出口までのせん断応力分布を算出した.1.せん断流場中での赤血球変形のシミュレーション溶血発生のせん断応力閾値が過去に報告されている.また,赤血球引張り試験の結果から赤血球膜の弾性係数が報告されている.これらのデータを参考にし,赤血球の変形を計算した.まず数値流体解析により標準的な循環補助の条件(流量5L/min,差圧100mmHg)で連続流血液ポンプを駆動したときのポンプ内部の血流を計算した.計算された血流をもとにポンプを通過する赤血球の軌跡を求めたところインペラ周辺を繰り返し通過することにより,赤血球には繰り返し高いせん断応力が印加されることが確認された.代表的な経路を通過する赤血球に作用するせん断応力の履歴をもとに,1軸方向の応力印加として,ディスク形状を仮定した赤血球の変形を計算した.印加せん断応力値およびその印加時間と赤血球損傷度との関係を表した実験式について赤血球の変形と関連付けて考察を行った.式変形によりこの実験式が赤血球変形にともなう歪みと溶血量との関係を表していると解釈し,このステップ状せん断印加に対する変形(直径変化)応答を3要素モデルの応答で近似したところ,その遅延時間は0.199sとなり,過去の報告の値(200ms)とよく一致した.また,この3要素モデルに基づき赤血球の変形を計算したところ,インペラ部通過時の極短時間の高せん断印加によってその直径が10%程度変化するという結果を得た.今後は赤血球の3次元モデルを作成し,実際のポンプ中と同様の多軸応力印加による変形を計算する予定である.2.せん断流場中での赤血球変形の観察赤血球変形と溶血の関係について調べるため,コーンプレート型のせん断印加装置を設計,製作した.この観察装置系は倒立顕微鏡の対物レンズ上にせん断印加部の底面を配置し,せん断印加中の赤血球を観察できる構造とした.1.せん断流場中での赤血球変形と損傷(1)円錐平板型のせん断負荷装置を構築した.赤血球を高粘度溶液に微量添加した赤血球溶液を円錐平板間に配置し,円錐板の回転によりせん断負荷した.ガラス製平板の下側から対物レンズを通して高速度ビデオカメラにより,せん断流場中での赤血球の変形をフレームレート18,000fpsで記録し,画像解析から赤血球の短径長径比(SD/LD比)の時間変化を調べた.円錐回転速度を静止状態から一定速度まで急速に変化させ,赤血球にステップ状のせん断応力を負荷したところ,SD/LD比は静止時の初期値からせん断負荷直後(<50ms)に急減し,その後は定常値まで漸減する傾向が確認された.この結果は,赤血球の標準的な形状とされる両凹円盤形状と同程度に安定な楕円体形状が存在することを意味すると考えられる.(2)上記装置により一定せん断負荷した赤血球は,負荷時間が長くなるに従い,その内部の平均ヘモグロビン量が減少する傾向を示した.しかしながら,平均赤血球容積の変化は僅かであった.血球内からのヘモグロビン流出と同時に外部からの液体が流入している可能性がある.せん断負荷後のサンプルについて,走査プローブ顕微鏡により赤血球膜表面の観察を行ったが,明確な小孔は確認されなかった.2.数値シミュレーション

(1)赤血球変形の高速度顕微観察を通して得られた知見をもとに,18年度作成した赤血球変形モデルを修正した.(2)補助人工心臓血液ポンプに心室を組み合わせた計算機モデルを作成した.心室形状を簡単化した上で駆出率30%の心拍動を模擬した心室壁の移動を記述し,血液ポンプによる拍出補助時の心室内血流を解析した.ポンプから心室への逆流が心周期内で大きく変化する様子が明らかとなった.また,心室入口からポンプ出口までのせん断応力分布を算出した.
フルスケール雪崩実験と多項式カオス求積法を用いた次世代型雪崩ハザードマップの作成

10月にオーストリアのインスブルックで開催されたISSW2018において、これまでの研究成果を報告するとともに、論文として公表した。また、初年度に続き第2回国際シンポジウムを12月7日から10日にかけてニセコ町の町民センターにおいて開催し、初日は「雪崩発生予測の現状」と題して、スキーヤー、スノーボーダー、スキー場管理者、行政管理者等、一般の方々を対象とした公開講演会を、また8日から10日にかけては、「積雪」、「吹雪」、「雪崩」をテーマに、フランス、スイス、カナダ、スペイン、オーストリアからの研究者7名に加えて、国内の雪氷、気象、土石流、火山、地震、数理科学の分野の研究者が集い、最先端の研究紹介と情報交換を行うワークショップを実施した。初日のシンポジウムは200人超、翌日からのワークショップも日々40人程度の参加者があった。最終年度である2018年度も、スペイン、オーストリア、カナダからの研究者の参加のもと、組織的な観測体制が構築され、北海道のニセコ地域において雪崩実験が実施された。残念ながら、今冬は昨年と打って変わって、例年にない少雪となった一方で融雪も早く進行し、対象域での雪崩発生危険度が著しく増大した。このため人工爆破による雪崩実験が実施できない状況となり、急遽、3月26日に雪上車を用いた雪崩発生を試みた結果、ドップラーレーダによる速度構造、カメラとビデオ撮影による雪崩の動態、レーザープロファイラ搭載型のドローンを用いた雪崩発生前後の雪面形状の計測、地震計とインフラサウンドマイクロフォンによる雪崩発生のモニタリングや赤外放射温度計による雪崩温度の非接触測定に成功した。雪崩堆積物の詳細な観測結果も踏まえて、現在解析が鋭意進められている。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本プロジェクトは、1国内ではおよそ25年ぶりとなる組織的なフルスケール雪崩実験(通称:平成雪崩大実験)を北海道のニセコで実施して雪崩の包括的データを取得する。そのうえで2雪崩発生箇所,規模,底面や内部摩擦等のモデル入力値がもつ不確定性を、多項式カオス求積法(Polynominal Chaos Quadrature:PCQ法)を応用して考慮する次世代型雪崩ハザードマップの作成を最終目標としたプロジェクトを4年計画で開始した。本年度は、12月9日から12日にかけてニセコ町の町民センターにおいて国際シンポジウムを開催し、初日は「雪崩発生危険度を予測する」と題して、スキーヤー、スノーボーダー、スキー場管理者、行政管理者等、一般の方々を対象とした公開講演会を、また10日から12日にかけては、「積雪の構造」、「雪崩のダイナミクス」、さらには今冬からニセコで実施予定の「人工雪崩実験」をテーマにワークショップを実施した。フランス、スイス、英国、スペイン、ノルウェーから計10名の研究者を迎えるとともに、国内からも雪氷、気象、火山、地震、数理科学の分野の研究者が集い、積雪や雪崩に関する最先端の研究内容について報告と議論が行われた。述べ4日間と比較的長丁場ではあったが、初日のシンポジウムは200人超、翌日からのワークショップも日々60人程度の参加者があり、積雪と雪崩(なだれ)を多角的視点から論じる数々の興味深い発表とそれに続く活発な議論が交わされた。また、2月から3月にかけては、当地の見返り坂と水野の沢において、実際に雪崩を発生させる試みも数回にわたり行われた。特に3月28日に水野の沢で火薬を爆破させて実施された人工雪崩実験では、地震計やインフラサウンド計測用マイクロフォンによる観測も行われたほか、ドローンによる雪崩の動態の撮影や実験斜面の数値地形情報の取得にも成功した。12月にニセコ町で開催された国際シンポジウムでは、4日間とも多数の参加者があり、活発な議論が交わされた。特に国外の参加者からは、スイスやフランス,ノルウェーなどの大規模な雪崩とは異なる、我々のニセコでの「小さい雪崩」を対象とした実験に深い興味が寄せられ、新規の測定項目や手法,さらには自らが使用しているレーダーなどの機器の貸与に至るまで、多くの提言が会期終了後も相次いで寄せられ、今後の研究進行の幅が大きく拡大した。また、ニセコ町や当地のスキー場関係者の全面的な支援のもと、実際に本年度も何回か雪崩を人工的に発生させる試みが行われ、その手法をほぼ確立することもできた。とりわけ、3月28日の実験では、約500mの距離を流下する雪崩の発生に成功し、その動態や地震動、空振の計測に成功した他、雪崩の実験斜面の詳細な地形をドローンにより把握するなど、予想以上の成果をあげることができた。本研究では、1国内ではおよそ25年ぶりとなる組織的な「フルスケール雪崩実験」(通称:平成雪崩大実験)を北海道のニセコで実施して、国際標準と成り得る包括的な雪崩データを取得する。そのうえで2雪崩の発生箇所、規模、底面や内部摩擦等のモデル入力値がもつ不確定性を、多項式カオス求積法(Polynominal Chaos Quadrature:PCQ法)を応用して考慮する「次世代型雪崩ハザードマップ」の作成を最終目標としたプロジェクトを4年計画で進めている。本年度は前年度の予備実験を踏まえ、2017年の3月上旬と下旬には、雪上車を用いた誘発および人工爆破によるフルスケール雪崩実験を実施し、3台の加速度計と全天カメラを雪崩内部に投入することによる内部の運動状態の把握、地震計とインフラサウンドの測定による雪崩内部構造の解明、赤外放射温度の測定による雪崩温度分布の測定、ドローンを用いた雪崩の動態の把握、発生前後の雪面形状の計測による雪崩発生量、走路上での削剥量と堆積量の把握を実施した。

また、ノルウェーの地球工学研究所のIssler博士を招聘し、次年度のパルス型ドップラーレーダを用いた雪崩速度の計測に向けた詳細な検討も実施された。また3月からは雪崩が誘起する地震動やインフラサウウンドの研究を専門とするPerez博士(学術振興会特別研究員)を迎え、実験への参画に加え、次年度のセンサーアレイの配置に関して検討も開始した。ハザードマップ作成に関してもTitan2Dを含む浅水方程式に基づく2次元雪崩モデルについて比較検討を行い、フルスケール雪崩実験の結果等から得られた、底面摩擦や内部摩擦係数、発生量などの確率分布について計算を進めた。前年度の予備実験を踏まえ、2017年の3月上旬と下旬に、雪上車もしくは人工爆破によるフルスケール雪崩実験を実施し、3台の加速度計、全天カメラ、地震計、インフラサウンド測定用のマイクロフォン、赤外放射温度計、さらにはドローンを用いた雪崩の動態と雪崩発生量、走路上での削剥量と堆積量の把握に成功した。特に3台の加速度計と全天カメラを実際に雪崩内部に投入することによる内部の運動状態の把握は世界的にも初の試みで、データの取得や実験後のセンサー回収等に困難が予想されたが、事前の予備実験や周到な準備が功を奏して貴重なデータを得ることに成功した。また、ノルウェーのIssler博士を現地に招き、次年度のパルス型ドップラーレーダの導入に向けた検討、さらには雪崩が誘起する地震動やインフラサウンドの研究を専門とするPerez博士の参画もデータ解析と次年度の計画立案に向け大きな前進となった。ハザードマップ作成に関してもTitan2Dを基本とする2次元雪崩モデルについて比較検討を行うことで骨格はほぼ完成し、計算が進められた。2017年3月27日に栃木県の那須で発生し8人が犠牲となった雪崩事故に関しても、栃木県教育委員会の雪崩事故検証委員会(西村が副委員長を務める)、本プロジェクトの成果に基づく雪崩の運動状態の再現と作成されたハザードマップが資料として活用されるに至っている。研究代表者である西村の妻の病状が夏以降に悪化し、入院さらには11月末の逝去する事態となり、秋から初冬にかけての準備が遅延し、当初の観測予定を一部次年度に繰り越す事態となったが、全体としては概ね順調に進展したと総括される。本年度は前年度に引き続き人工爆破によるフルスケール雪崩実験を北海道のニセコ地域において実施するとともに、雪崩ハザードマップの作成に向けてモデルの比較検討と改良を行った。17月に東京において関係者の参加のもと、これまでの実験成果を踏まえた今後の方針と、新たに加える測定項目について検討を行った。2厳冬期(12月)には雪上車を用いて、また融雪期(3月)には人工爆破によるフルスケール雪崩実験を試みた。今年度は、新たに雪崩走路上にタワーを設置し、1.光センサーを用いた雪崩内部速度構造の把握、2.ロードセルによる雪崩衝撃力の測定を行った。また、3.カメラとビデオ撮影による雪崩の動態のほか、4.ドローンを用いた雪崩発生前後の雪面形状の計測による雪崩発生量、走路上での削剥量と堆積量を、5.数台の小型加速度計を雪崩内部に投入することによって雪崩内部の運動状態を把握する試みも行った。
分散型ロボティック照明システムの構築

本研究では,パン・チルト機構と分散型制御器を有する複数のLED照明から構成される分散型ロボティック照明システムに注目し,点灯パターンとパン・チルト角を制御する問題を検討した.まず,実際の照度分布が目標分布に近くなるように,点灯パターンを決定する問題を考えた.点灯パターンを決定するための分散型最適化アルゴリズムを提案した.次に,パン・チルト角を制御する問題を考えた.被覆制御のアイデアに基づく分散型制御器を提案した.最後に,シミュレーションと実験を通して提案手法の有効性を確認した.本研究では,照明システムに対する新しいデザイン原理の構築を目的とする.任意の場所に適切な明るさを提供するために,パン・チルト機構を有する複数の照明機器から構成される「分散型ロボティック照明システム」を提案する.本年度は,実験装置の製作を行い,照明の制御問題設定および制御アルゴリズムの構築に取り組んだ.(1)実験装置の製作と検証:25個のLED照明を格子状に配置した1/8スケールモデルを製作した.また,各照明には2つのサーボモータを取り付け,パン・チルト機構を実装した.当初の計画では,各照明のON/OFFについて考える予定であったが,PWM点灯方式によりLED照明の明るさを段階的に変更可能とする機能を実装した.事前に求めた点灯パターンに応じてLED照明を点灯させ,照度計を用いて実際の照度分布の測定を行うことにより,目標とする照度分布に近い照度分布をつくることが可能であることを確認した.(2)問題設定および制御アルゴリズムの構築:「目標の照度分布が与えられたときに実際の照度分布が目標分布にほぼ近くなるように照明の点灯パターンを決定する」という問題設定を定式化した.点灯パターン決定問題を解くために,照明間の通信を利用した点灯パターン決定アルゴリズムを構築し,実験実証によりアルゴリズムの有効性を確認した.また,量子化器を拡張して複数の状態に対応可能とすることにより,PWM点灯方式における点灯パターン決定が可能となった.実験実証により,PWM点灯方式がON/OFF方式より目標分布に近い照度分布を作り出せることを確認した.本研究では,任意の場所に適切な明るさを提供するために,パン・チルト機構を有する複数の照明機器から構成される「分散型ロボティック照明システム」の開発を行っている.本年度は,実験装置の改良および配光モデルの決定と制御アルゴリズムの構築に取り組んだ.(1)実験装置の改良:16個のLED照明を格子状に配置した1/8スケールモデルを製作した.各モータには2つのサーボモータを取り付け,パン・チルト機構を実装している.なお,パン用のサーボモータについては360°回転することができるタイプに変更し,実験装置の床面をもれなく照らすことができるように改良した.(2)配光モデルの決定:制御アルゴリズム構築に必要となる配光モデルのパラメータについて調べた.LED照明の角度を変えながら,中心的な照射位置とその周りの光の広がり方について調べ,近似モデルを構築した.また,複数の照明を使用して光を重ね合わせた場合についても実験を行い,近似モデルの有効性を確認した.(3)制御アルゴリズムの構築:「目標の照度分布とLED照明のON/OFFパターンが与えられたときに実際の照度分布が目標分布に近くなるように照射角度を決定する」アルゴリズムを構築した.実験検証により,目標照度分布に合わせた照射角度が得られたが,全体的に照度が過剰(あるいは不足)になるといった不具合が見られた.実験装置において,パン・チルト角の動作範囲が想定よりも狭かったため,実験装置の改修が必要となった.このため,26年度の実験装置では25個のLED照明を実装していたが,27年度の実験装置では16個しか実装できておらず,28年度に実験装置の拡張を行う必要がある.また,照射角度の決定手法を実装することはできたが,機構部分に不具合(固定具の変形による照射角度のズレ,片持ち支持方式による全体的な角度の傾き)があったため,28年度に改修を行う必要がある.以上より,達成度については「やや遅れている」と判断した.本研究では,任意の場所に適切な明るさを提供するために,パン・チルト機構を備えた複数の照明機器から構成される「分散型ロボティック照明システム」の開発を行っている.本年度は,実験装置の改良および実物大の屋内での照度分布測定に取り組んだ.(1)実験装置の改良:これまでに,16個のLED照明を格子状に配置した1/8スケールモデルを製作している.従来の実験装置で問題となっていた機構部分の不具合(片持ち支持方式による全体的な角度の傾き)について改修を行い,照明ユニット毎の角度のばらつきを小さくすることができた.これにより,各LED照明は初期姿勢の状態においてほぼ真下を向いた状態から実験を開始することができるようになり,手動調整に要する労力を低減することができた.(2)制御アルゴリズムの開発:進化型計算手法を用いてLED照明のON/OFFパターン決定アルゴリズムを実装した.進化型計算手法は集中型のアルゴリズムであるが,本研究で構築した分散型アルゴリズムの解の良し悪しを評価するために利用する.ON/OFFパターンとLEDの照射角度を同時に決定する手法については今後の課題である.(3)検証実験:舞鶴赤レンガ倉庫群の空き施設を使用して,実物大の屋内での照度分布測定を行った.4台の投光器を天井からつり下げ,光の広がり方について調べた.

また,複数の照明を重ね合わせた場合の照度分布についても調べ,これまでに作成した近似モデルが適用可能であることを確認した.本研究では,パン・チルト機構と分散型制御器を有する複数のLED照明から構成される分散型ロボティック照明システムに注目し,点灯パターンとパン・チルト角を制御する問題を検討した.まず,実際の照度分布が目標分布に近くなるように,点灯パターンを決定する問題を考えた.点灯パターンを決定するための分散型最適化アルゴリズムを提案した.次に,パン・チルト角を制御する問題を考えた.被覆制御のアイデアに基づく分散型制御器を提案した.最後に,シミュレーションと実験を通して提案手法の有効性を確認した.実験装置の製作において,パン・チルト機構を実現するための機構設計に時間を要し,実験装置の製作が年度末いっぱいまでかかることとなった.これにより,照射角度を決定するための制御アルゴリズムの開発に必要な,配光モデル作成のための実験を次年度に実施することとなった.点灯パターン(ON/OFFパターン)の決定手法については予定通り達成することができたが,照射角度の決定手法については実装できなかったので,達成度については「やや遅れている」と判断した.実験装置の開発については,LED照明の個数を増加させて表現パターンの多様化を目指す.また,実際の建物内での使用を想定した1/1スケールの装置の開発に取り組む.制御アルゴリズムの構築については,26年度の点灯パターン決定アルゴリズムと27年度の照射角度決定アルゴリズムを基に点灯パターンと照射角度を同時に決定するアルゴリズムの構築に取り組む.これとは別に,光環境の評価法についても引き続き調査を行い,快適な光環境を実現するための問題設定についても取り組んでいく.システム工学実験装置の製作については,LED照明の個数を25個から36個に増やし,点灯パターンの多様化を目指す.照明の個数を増やすと同時に,パン・チルト機構に用いるサーボモータの動作範囲を拡大させることにより,より広範囲に光を提供できるようにする.さらに,各照明に昇降機能を付加することにより,より柔軟な光環境の提供を可能とする.制御アルゴリズムの構築については,26年度に実施できなかった配光モデル作成のための実験および照射角度決定アルゴリズムの構築を行う.年度後半には,照明のON/OFFおよび照射角度を同時に決定するための制御アルゴリズム開発に取り組む.研究代表者および研究分担者それぞれで数百円の次年度使用額が発生した.旅費としての使用には少額であるため物品の購入も検討したが,送料の方が高くなってしまうなどの理由から年度内の使用を断念した.学会発表の旅費や参加費として使用する.
アンフォールド蛋白質αシヌクレインのエンジニアリングとナノ構造体構築への応用

本研究は、αシヌクレインに機能性蛋白質を付加し、αシヌクレインの自己組織化によるナノ構造体形成能力を利用することで、機能性ナノマテリアルをボトムアップ的手法により容易に構築できる技術の開発を目的とする。酵素など有用な機能を持った蛋白質を利用したバイオセンサが注目されているが、電気化学的検出のためには、蛋白質を検出基盤に固定化する必要がある。より高感度のセンサ構築のためには、蛋白質をナノメートルスケールに制御された状態で固定化させる技術の開発が必須である。アミロイド線維は蛋白質の自己組織化により形成される規則的なナノ構造体である。アミロイド線維形成蛋白質の自己組織化能力を利用することで、酵素蛋白質が固定化されたナノマテリアルをボトムアップ的に構築できると考えられる。しかし、一般的にアミロイド線維を形成するためには、高温環境下での長時間のインキュベートが必要であり、その間、融合した酵素は失活してしまう恐れがある。そこで、(1)線維形成領域の線維化を促進すること、(2)機能性蛋白質の構造を安定化させることがこの技術の応用に必要だと考えられる。以上の2点について、アミロイド線維を形成するαシヌクレインと、緑色蛍光蛋白質(GFP)の融合蛋白質を構築して検討した。(1)αシヌクレイン部分ペプチド(DM_<66-82>)、(2)dGU、(3)トレハロースの3種の化合物の添加効果を検討した。(1)部分ペプチドについては、αシヌクレイン領域に作用することで、線維形成を促進する効果を期待したが、顕著な効果は見られなかった。今回用いたペプチドが、融合蛋白質の他の領域と相互作用する可能性も考えられ、αシヌクレインに対して高い選択性を有するペプチドの利用により、線維形成の促進が期待できる。また、(2)dGU、(3)トレハロースについては、融合蛋白質の線維形成能に大きな影響は与えなかったが、線維形成過程または形成後のGFP由来蛍光強度を上昇させることが示された。当初期待した通り、GFP領域の構造を安定化させることにより、融合蛋白質のGFP由来蛍光強度を上昇させることができたと考えられる。本研究は、機能性蛋白質が付加されたαシヌクレインの自己組織化により、機能性ナノマテリアルをボトムアップ的手法により容易に構築できる技術の開発を目的とする。機能性蛋白質をαシヌクレインに付加する方法として、(1)αシヌクレインとの融合蛋白質として発現させる方法と、(2)発現後にαシヌクレインに機能性蛋白質を修飾する方法が考えられる。そこで、上記2通りの方法でαシヌクレインに機能性分子を付加する方法を検討するため、変異αシヌクレインを構築することおよびその特性検討を、第1年度目の目的とした。現在までに、(1)αシヌクレインに付加する機能性蛋白質のモデルとして、蛍光蛋白質であるGFPを融合したαシヌクレインの構築、(2)様々な分子の修飾に利用できるCys残基をαシヌクレインC末端に付加した変異体(α-Syn+C)の構築およびその特性検討を終えている。(1)について、大腸菌による組み換え生産用の発現ベクターの構築を終えている。今後は、大腸菌による組み換え生産、精製方法の検討および、特性検討を行う予定である。(2)について、α-Syn+Cを構築し、その特性検討を行った。その結果、α-Syn+Cは生理条件下にてCys残基のジスルフィド結合を介した2量体を形成することが確認された。そこで、この結合を切断するために還元剤(DTT)共存下で、線維形成能の検討を行った。α-Syn+Cは野生型と同様に線維形成することを確認した。αシヌクレインのC末端領域は、線維形成後に線維表面に露出することから、Cys残基は表面に露出していると考えられる。今後は、露出したCys残基への化合物の修飾、または単量体のα-Syn+Cへ修飾後の線維形成について検討する。

今回用いたペプチドが、融合蛋白質の他の領域と相互作用する可能性も考えられ、αシヌクレインに対して高い選択性を有するペプチドの利用により、線維形成の促進が期待できる。また、(2)dGU、(3)トレハロースについては、融合蛋白質の線維形成能に大きな影響は与えなかったが、線維形成過程または形成後のGFP由来蛍光強度を上昇させることが示された。当初期待した通り、GFP領域の構造を安定化させることにより、融合蛋白質のGFP由来蛍光強度を上昇させることができたと考えられる。
高速原子間力顕微鏡を用いたII型シャペロニンの1分子機能解析

II型シャペロニンのタンパク質フォールディング反応のサイクルを、高速原子間力顕微鏡(高速AFM)により直接とらえ解析することを目的に、以下の実験を行った。(1)高速AFM装置の改良:高速AFMの測定セルに試料加熱用ヒーター、および、試料加熱用レーザー光源を取り付け、温度制御下における高速AFM観察手法を確立した。(2) II型シャペロニンのATP依存的構造変化の1分子解析:II型シャペロニンは、I型シャペロニン(GroEL/ES系)とは異なり共同因子(GroESに相当する分子)を持たず、自身の構造変化によりBuilt-in Lidが閉じ基質タンパク質のフォールディングを行うのが特徴である。ここではその反応の可視化を目的にII型のKS-1シャペロニンの二次元結晶体様試料に対し高速AFMによる1分子反応解析を行った。その結果、a)温度制御下(40度)低濃度ATP存在下においてKS-1シャペロニンのBuilt-in Lidが閉じている(closed)状態・開いている(open)状態・その変化の過程を一分子リアルタイムスケールで可視化することに成功した。また、b)観察された構造に関して、それぞれの構造寿命の1分子計測(on-time, off-time計測)を行ったところ、closed状態の構造寿命分布が1次指数関数的であることがわかった。この結果は、2次指数関数的分布を示すI型シャペロニンGroELとは異なる反応機構をKS-1シャペロニンが持つことを示唆する。c) KS-1シャペロニン以外のII型シャペロニンとしてHsp60の観察を試みたが、構造を安定に保つことが困難であり、高速AFMを用いた反応観察を行うことは出来なかった。II型シャペロニンのタンパク質フォールディング反応のサイクルを、高速AFMにより直接とらえることを目的に、以下の実験を行った。(1)高速AFM装置の改良:高速AFM観察中の任意のタイミングで、試料溶液環境を変えることの出来る実験系の整備を行った。また、簡易的な蛍光観察設備を高速AFM装置に取り付けた。これにより、シャペロニン反応の瞬間を直接、拘束AFMにより捉えることが可能になった。(2)測定試料の準備:精製シャペロニン分子(KS-1chaperonin, Hsp60)を用いて、マイカ基板上に二次元結晶体試料を作製する際の実験条件の最適化を行った。(3) KS-1chaperoninのATP依存的構造変化の1分子解析:(2)で作製した試料に、高速AFMによる1分子反応解析を行った。現時点では、高速AFM用温度制御装置が完成しておらず常温での測定となったが、ATPによるopen-closed構造変化らしき変化が観察された。(4)Hsp60の構造観察:AFMによる構造観察からも、Hsp60がシングルリングの状態で存在する可能性が確認された。これは他のシャペロニン分子と大きく異なる構造的特徴である。
電子移動反応を利用したクラウンエーテル型蛍光・吸光試薬の開発

本研究では、アントラキノンを電子受容性官能基として用いた。これをクラウンエーテル類似体であるポリエーテル鎖の両端に導入した化合物を新たに合成し、これについて酸化還元挙動をCV法により測定し、金属イオン存在による影響を検討した。まず、ポリオキシエチレンの両端にアミノ基をもつ化合物(市販品)から出発して、これにアントラキノン2-カルボン酸をアミド結合を介して2組結合させた化合物(1)を合成した。この化合物についてアセトニトリル中での酸化還元挙動をCV法によって検討した。金属塩の存在しない時には、1は通常のアントラキノンのCVパターンを示したが、アルカリ土類金属(Ca^<2+>など)が存在すると、より正側に新たな還元波が出現することを見い出した。これは、金属イオンとの錯形成により、2つのアントラキノン部位が近づき、このπ軸道間の相互作用(電荷移動相互作用)により空軸道が分裂して、その結果還元されやすくなったものと結論された。また、アントラキノンの代わりにキサンテンを蛍光官能基として導入した化合物も合成し、希土類金属イオンとの錯形成を検討した。その結果、テルビウム(III)との強い錯形成が見られた。一方、この錯体のキサンテン部位を光励起すると、キサンテンからの発光は全く見られず、テルビウムからの強い発光が見られた。これは、キサンテンの励起3重項からテルビウム(III)へ効率よく励起エネルギーが移動してテルビウムイオンが発光したものである。
ＤＮゲルを用いた関節軟骨自然再生誘導を制御する物理・生物学的因子の解明と応用

DNゲルを用いた関節軟骨自然再生治療戦略を確立するために、臨床治療用インプラントの開発とこの現象を制御する物理・生物学的因子を解明した。(1)厚さ0.5mmの膜型DNゲルインプラントを開発した。(2)DNゲルは厚さに関わらず生体内軟骨再生誘導能を有するが家兎モデルでは厚さ1.0mm以上で良好な再生を認めた。(3)DNゲルは埋植部位に関わらず、良好な軟骨再生を示した。(4)DNゲルは欠損の大きさに関わらず軟骨再生を誘導した。(5)大動物(羊)モデルにおいてもDNゲルは良好な生体内軟骨再生を誘導した。(6)DNゲルによる軟骨再生においてヒアルロン酸は促進因子として有用であることが明らかとなった。最先端ゲル創成技術を用いて薄い膜型PAMPS/PDMAAm DNゲルシートを開発し、最も薄いもので0.5mmの厚さのDNゲルシートの作成が可能となった。この技術により、厚さ0.5mm、1.0mm、5.0mmのDNゲルシートを作成し埋植用に直径4.5mmのインプラントを作成した。1.0mm以下の膜型DNゲルインプラントを安定的に関節内に移植するため5.0ナイロン糸を用いた圧着型移植法を開発した。これらの膜型DNゲルインプラントと手術技術を用いてその有効性について動物実験を行なった。実験には日本白色家兎38羽を使用した。30羽を無作為に先に述べた3種類の厚さのDNゲルをそれぞれ移植した群と何も移植をしないコントロール群の4群に分け、さらにそれぞれの群において関節面からの残存空隙が2.0、3.0、4.0mmの亜群に分けた。術後4週で安楽死させ組織学的に評価した。残りの8羽はリアルタイムPCRによる分子生物学的評価に用いた。肉眼的には深さ2.0mmの亜群において、DNゲルを移植した群ではコントロール群においてWayne scoreは有意に高かった(ゲル厚さ0.5mm : p=0.0016, 1.0mm : p<0.0001, 5.0mm : p<0.0001)。組織学的には深さ2.0mmの亜群において、DNゲルを移植した群ではコントロール群においてWayne scoreは有意に高く(ゲル厚さ0.5mm : p=0.0008, 1.0mm : P<0.0001, 5.0mm : P=0.0004)、深さ3.0mmの亜群においてもゲル厚さ1.0mmと5.0mmの群ではコントロール群より有意に高いスコアを示した(1.0mm : p=0.0063, 5.0mm : p=0.0046)。リアルタイムPCRによる軟骨マーカー遺伝子(2型コラーゲン、アグリカン、Sox9)の解析では、ゲル厚さ1.0mmと5.0mmの群ではコントロール群より有意に高い発現(1.0mm : p=0.0059, 5.0mm : p=0.0411)を示したが0.5mmの群では有意差を認めなかった。この結果により、DNゲルは厚さに関係なく軟骨再生誘導能をin vivoで有していることが明らかとなったが0.5mmの厚さではその誘導能が減弱するため1.0mm程度が限界と考えられた。本研究が示した薄いインプラント材料の開発はDNゲルによる軟骨再生法の臨床応用への可能性を前進させた。DNゲルによる軟骨再生効果に関して、軟骨欠損の部位の違いや大動物(羊)モデルによる影響、さらにヒアルロン酸による再生促進効果について研究した。家兎24羽を用い、両膝に2.4mmの骨軟骨欠損を作成し、無作為に3群に分け、それぞれの群の右膝に関節面からの残存空隙が1.5、2.5、3.5mmとなるようにDNゲルを移植した。左膝軟骨欠損は何も移植をしない対照群とした。術後4週において、深さ2.5mmの群は他群より再生スコアは有意に高かった(p<0.012)。軟骨マーカー遺伝子(2型コラーゲン、アグリカン、Sox9)の解析では深さ2.5mmの群は対照群より有意に高い発現(p<0.023)を示した。さらにサフォーク種羊15頭を使用しDNゲルの軟骨再生効果に関する実験を行った。15頭の両膝に6.0mmの骨軟骨欠損を大腿骨滑車部および大腿骨内顆部に作成し、残存深さ2.0、3.0、4.0mmの3群に無作為に分けた。それぞれの群の右膝にはDNゲル、左膝には何も移植しない対照群とした。

術後12週の評価ではDNゲルの軟骨再生は深さ依存性であり、3.0mmの群が他群に比べ良好な再生が得られた(p=0.0006)。軟骨再生促進因子とされるヒアルロン酸が軟骨再生に与える効果を検証するために、ATDC5細胞を用いた実験を行った。DNゲル上での培養では、高い濃度(1.0 mg/mL)のヒアルロン酸は2型コラーゲン、アグリカンの発現を培養後21日で有意に増加させることが解った。また日本白色家兎48羽を用いてDNゲル移植後にヒアルロン酸を関節内投与し術後4週および12週に評価した。再生スコアに有意差を認めなかったが、ヒアルロン酸の投与は術後12週でDNゲル移植群において有意なマトリックス量の増加が認められた(p=0.0247)。本研究は、DNゲルは部位によらず大動物においても家兎と同様の軟骨再生効果を示し、さらに軟骨再生促進因子の一つであるヒアルロン酸の有用性の可能性を示した。この結果はDNゲルによる軟骨再生法の臨床応用への可能性を前進させた。DNゲルによる軟骨再生効果に関して、軟骨欠損の大きさの違い、BMP-7(OP-1)の関節内投与の効果、および大動物(羊)モデルにおける再生促進効果について研究した。日本白色家兎21羽を無作為に3群に分け、両膝に直径2.5 mm、4.3 mm、あるいは5.8 mmの骨軟骨欠損を作成し、右膝に関節面からの残存空隙が2.0mmとなるようにDNゲルを埋植し、左膝には何も移植しない対照群とした。術後4週の組織学的定量スコアは、直径2.5 mmの群は対照群と有意差を認めなかったものの、直径4.3 mmと5.8 mmの群は対照群より有意に良好であった(p=0.004、p=0.0001)。さらに日本白色家兎30羽を用いて、DNゲル埋植後にBMP-7を関節内投与し、術後2週、4週および12週に評価した。DNゲル埋植群はBMP-7関節内投与の有無に関わらず良好な再生を示し、投与の有無による再生スコアに有意差を認めなかった。またサフォーク種羊10頭を使用し、膜型DNゲルの軟骨再生効果に関する実験を行った。実験の初期の埋植モデルでは埋植ゲルが脱転したため評価困難であったが、良好設置のものはこれまでのDNゲルプラグ埋植モデルと同様に良好な軟骨再生を認めた。本研究は、DNゲルの埋植は欠損が大きくなっても再生誘導効果を示すことを明らかとした。BMP-7(OP-1)の関節内投与はDNゲルの再生誘導効果を増幅させる効果を認めず、これはDNゲルの効果がより強力であることを示した。さらに大動物においても膜型DNゲルは家兎と同様の軟骨再生効果を示したが、再現性のある安定した軟骨再生のためにはゲルの骨への固定法などの開発の必要性を示す結果であった。これらの結果はDNゲルによる軟骨再生法は今後も研究すべき課題であることを示すとともに臨床応用への可能性を前進させた。26年度が最終年度であるため、記入しない。総合領域26年度が最終年度であるため、記入しない。当初の計画による膜型DNゲルの開発と動物における移植法の確立、またその有効性と限界を明らかにした。当初の計画による中動物および大動物における移植法の確立とその有効性と限界を明らかにした。軟骨治療における軟骨欠損の形態、大きさ、その存在部位は様々であり、ゲル技術による軟骨再生治療戦略の適応条件の決定は重要である。軟骨欠損範囲・存在部位がDNゲル誘導軟骨再生に与える効果を中動物・大動物で確認する。さらにこのDNゲルを用いた軟骨再生誘導法を最適化において、より良好な軟骨再生を再現性よく誘導するために治療の加速化を目指し、促進因子として期待されるヒアルロン酸やOP-1(BMP-7)などを適用しその有用性を検討する。
高分解能RBS法を用いたシリコン中のデルタ・ド-ピングの研究

本研究では、シリコンにアンチモンを1原子層に局在してド-ピングを行うことを目的に、低温分子線エピタキシ-法で作成したデルタ・ド-ピングシリコンウェハ-を高分解能ラザフォード後方散乱法(RBS)で観察して、ド-ピングされたアンチモンのシリコン内の分布を測定した。試料は、超高真空槽内で清浄なシリコン(100)面上に、250°Cで0.1ML程度のアンチモンを蒸着し、その上にシリコンを種々の温度で0.78nmの厚さまでエピタキシャル成長させて作成した。得られたRBSスペクトルには、ド-ピング層のアンチモンと表面のアンチモンの2つのピークが見られた。ド-ピング層のアンチモンの深さ分布はシリコンの被覆層の成長温度が70°Cにおいて、0.5nm程度であることが判った。この値は、これまでSIMSによって観測されてきたド-ピング層の幅(23nm)に比べると非常に小さく、これまで観測された最高の結果である。しかしながら、0.5nmは約4原子層に相当しており、残念ながら1原子層に局在した究極のデルタド-ピングを達成できてはいない。この原因は、スペクトルに見られる表面に存在するアンチモンと関係している。この表面のアンチモンは、シリコン被覆層の成長中に、表面偏析によって生じたものであることが、データの解析の結果分かった。この表面偏析速度を、表面のアンチモン濃度のシリコン被覆層厚さ依存から求めることができた。得られた表面偏析速度は400°C以上の高温における表面偏析速度の測定結果を外挿して求めた値に比べて数桁以上大きな値となった。また、表面偏析速度の温度依存を調べたところ、温度にあまり依存せず、その活性化エネルギーが0.1eV以下という異常に小さい値となった。
神経分化の多様性とprospero 遺伝子による制御

prospero遺伝子は、神経系の幹細胞から非対称分裂により生じる2次前駆細胞で、一過的に機能するホメオボックス遺伝子であり、神経発生に必須な役割を果たす。この遺伝子の転写は幹細胞と二次前駆細胞とで等しく行われるにもかかわらず、翻訳産物は幹細胞の細胞核には見られず、2次前駆細胞の細胞核に局在するように観察される。我々は、このようなprosperoの転写と蛋白局在の非対称性について解析してきた。prospero蛋白は神経幹細胞で翻訳されているが、核には決して移行せず、細胞周期の進行に伴いダイナミックに細胞内で局在を変える。神経幹細胞で合成されたprosperoは、細胞分裂に伴って娘細胞の一方にのみ分配され、そこで機能することが明らかになった。この不等分配の分子機構を解析する第一歩として、不等分配に働く機能ドメインを決定したところ、中央部分の120アミノ酸からなる領域('非対称'領域)にその活性があることが分かった。非対称領域のなかで、32アミノ酸からなる極めて限定された領域だけがこの活性に必須である。prosperoタンパク質と同様に不等分配されるnumbタンパク質にも、この必須な領域に相同な配列が見い出されることから、これら二つの分子は同じ機構によって非対称に分配されるのかも知れない。細胞が増殖しながら多様な細胞が形成される発生において、細胞分裂により異なる二つの細胞が生まれる非対称分裂は最も基本的な過程である。prosperoは、細胞分裂に伴い非対称に分配される転写因子の最初の例であり、二つの娘細胞が異なる遺伝子発現をするために、転写因子が一方の娘細胞だけに分配されるという新しいメカニズムの存在する事を明らかにすることができた。prosperoの非対称分配は、外胚葉の神経系以外に内胚葉でも観察されることから、この機構が発生にひろく機能すると考えられる。
金属をドープした半導体性DLC膜のナノスケール制御プラズマCVD

水素とメタンを主原料とし,有機金属化合物ガスを添加金属源とした,高周波プラズマCVD法による金属添加ダイヤモンドライクカーボン(DLC)薄膜の作製と,その特性評価を行った.はじめに,有機金属化合物原料としてテトラメチルスズ(TMT)を用い,スズ添加DLC薄膜を作製した.作製膜中にスズと炭素の直接結合が確認された.原料ガス中のTMT濃度を変化させることによって,膜中のスズ濃度を制御可能であった.TMT濃度が約0.2%以上になると,ナノメーターサイズの微小なスズクラスターが形成された.スズ原子を凝集させることなくカーボンネットワーク中にドープするためには,TMT濃度は0.2以下でなければならず,それに対応して,膜中のSn/C原子数比は最大約0.1となった.電気抵抗率は10^3Ωcm台の値を示し,スズを含まないDLC薄膜の電気抵抗率(約10^7Ωcm台)よりはるかに低くなった.また光透過率はTMT濃度が高くなるにつれて,赤外域の透過率が減少した.次に,高周波プラズマCVDとスパッタリングのハイブリッドプロセスにより,金または銅を添加したDLC薄膜の作製と特性評価を行った.金を添加したDLC膜中では,金は金属クラスターとしてのみ存在し,炭素との直接結合は観測されなかった.一方,銅を添加した膜中で,炭素-銅の直接結合がわずかに存在することが確認された.添加金属濃度は,高周波電極上へ設置する金属チップ数によって制御可能であった.無添加状態では10^7Ωcm台であった電気抵抗率が,金属濃度の増加とともに減少し,20at%の金属濃度で10^4Ωcmとなり,半導体特性を示した.さらに,金濃度36at%では,1Ωcmまで低下した.金属添加により,8桁という広範囲にわたり,電気抵抗率を変化させることができた.これらの結果は,金属添加がDLC薄膜を絶縁性から半導体性へと変化させ得ることを意味する.本研究の成果から,金属を添加することによって,DLC薄膜をアクティブエレクトロニクスデバイスへ応用する可能性が示された.水素とメタンを主原料とし,有機金属化合物ガスを添加金属源とした,高周波プラズマCVD法による金属添加ダイヤモンドライクカーボン(DLC)薄膜の作製と,その特性評価を行った.はじめに,有機金属化合物原料としてテトラメチルスズ(TMT)を用い,スズ添加DLC薄膜を作製した.作製膜中にスズと炭素の直接結合が確認された.原料ガス中のTMT濃度を変化させることによって,膜中のスズ濃度を制御可能であった.TMT濃度が約0.2%以上になると,ナノメーターサイズの微小なスズクラスターが形成された.スズ原子を凝集させることなくカーボンネットワーク中にドープするためには,TMT濃度は0.2以下でなければならず,それに対応して,膜中のSn/C原子数比は最大約0.1となった.電気抵抗率は10^3Ωcm台の値を示し,スズを含まないDLC薄膜の電気抵抗率(約10^7Ωcm台)よりはるかに低くなった.また光透過率はTMT濃度が高くなるにつれて,赤外域の透過率が減少した.次に,高周波プラズマCVDとスパッタリングのハイブリッドプロセスにより,金または銅を添加したDLC薄膜の作製と特性評価を行った.金を添加したDLC膜中では,金は金属クラスターとしてのみ存在し,炭素との直接結合は観測されなかった.一方,銅を添加した膜中で,炭素-銅の直接結合がわずかに存在することが確認された.添加金属濃度は,高周波電極上へ設置する金属チップ数によって制御可能であった.無添加状態では10^7Ωcm台であった電気抵抗率が,金属濃度の増加とともに減少し,20at%の金属濃度で10^4Ωcmとなり,半導体特性を示した.さらに,金濃度36at%では,1Ωcmまで低下した.金属添加により,8桁という広範囲にわたり,電気抵抗率を変化させることができた.これらの結果は,金属添加がDLC薄膜を絶縁性から半導体性へと変化させ得ることを意味する.本研究の成果から,金属を添加することによって,DLC薄膜をアクティブエレクトロニクスデバイスへ応用する可能性が示された.水素とメタンを原料とした高周波プラズマCVD法によるダイヤモンド・ライク・カーボン(DLC)成膜中に,有機金属ガスを微量添加することによって,金属元素をドープしたDLC薄膜のナノスケール制御を試みた.成膜には,平行平板型高周波プラズマCVD装置を用いた.本年度は,ドープする金属としてスズを選択し,原料としてはテトラメチルスズ(TMT)を用いた.最初のドーパントとしてスズを選択した理由は,炭素と同じIV族であり,DLCのカーボンネットワーク中に炭素原子と同じような結合で取り込まれ易いと考えたからである.また,テトラメチルスズの入手・取扱が容易であることも理由の一つである.作製膜のX線光電子分光分析の結果,原料ガス中のTMT濃度を変化させることによって,膜中のスズ濃度を制御できることがわかった.ただし,TMT濃度が約0.2%以上になると,X線回折プロファイルにβ-Snの弱い回折ピークが現れ,金属スズ微粒子が膜中に形成される.したがって,スズ原子を凝集させることなくカーボンネットワーク中にドープするためには,TMT濃度は0.2%以下でなければならず,それに対応して,膜中のSn/C原子数比は最大約0.1となった.電気抵抗率は,どの試料も10^3Ωcm台の比較的高い値を示し,光透過率は,TMT濃度が高くなるにつれて,赤外域の透過率が減少していた.

今後,Al,Ga,InなどのIII族金属について,膜特性に対するド-ピングの影響を研究していく予定である.高周波プラズマCVD法とスパッタリング法をハイブリッドさせた成膜プロセスを用いることにより、金属元素をドープしたダイアモンド・ライック・カーボン(DLC)薄膜のナノスケール制御を試みた。成膜には、平行平板型高周波プラズマCVD装置を用いた。原料ガスとして、水素とメタンを用いた。また、金属のチップを高周波電極上に置き、発生する自己バイアスを利用したスパッタリングにより、チップ表面の金属原子を基板上へ供給した。本年度は、添加する金属として金と銅を選択した。作製膜の構造をX線回解析法、組成及び科学結合状態をX線光電子分光法、電気的特性を直流二端子法、また光学的特性を近紫外近赤外域の光透過率測定により、それぞれ評価した。金を添加したDLC膜中において、金は金属クラスターとしてのみ存在し、炭素との直接結合は観測されなかった。一方、銅を添加した膜においては、炭素-銅の直接結合がわずかに存在することが確認された。添加金属濃度は、高周波電極上へ設置する金属チップ数によって制御可能であった。電気的特性と光学的特性の添加金属濃度依存性は、金、銅ともに同様の傾向を示した。電気抵抗率は、無添加状態では10^7Ωcm台であったが、金属濃度の増加とともに急激に減少し、36at%の金属濃度で1.4Ωcmとなり、半導体特性を示した。また、無添加状態で1.6eVの光学ギャップは添加金属濃度が増加するとともに減少し、15at%以上で一定値(金:0.8eV、銅:0.9eV)に飽和する傾向を示した。これらの結果は、金属添加がDLC薄膜を絶縁性から半導体性へと変化させたことを意味する。本研究の成果から、金属を添加することによって、DLC薄膜をアクティブエレクトロニクスデバイスへ応用する可能性が示された。