hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
トルクおよび交流磁気暖和法による層状高温超伝導体中の磁束の電磁力学的研究

一連の銅酸化物高温超伝導は、その発現の舞台がCuO_2二次元シートにあり、それらが面に垂直に弱く結合したものであるという描像が良く成り立つ。この二次元層状効果は、磁束の異方的ピニンクセ、広範囲にいたる超伝導揺動といった特異な高温超伝導特性に重要な役割を果たす。本研究では、前年度に引き続き、これら二点に注目し最も異方性の強いと考えられているBi〓Sr〓CaCu〓O〓(今後Bi2212)をとりあげ前者においては磁気トルク法により後者においては弾性ねじり振動の減衰特性測定により磁束系の静的動的研究を行ってきた。本年度は[1]Bi2212単結晶の磁気トルクにおける沃素、亜鉛フタロシアニンのインターカレーション効果、[2]磁場中Bi2212単結晶のねじり振動減衰係数の測定を行った。以下の結果概要を述べる:[1]沃素インターカレーションによるトルク不可逆曲線は高温側にシフト、intrinsic pinningによる第一ピーク発生温度は低温側にシフトする。これは沃素インターカレーションによって層間結合が強まり三次元的となったものと推定される。これに反し、亜鉛フタロシアニンによって層間結合が弱まり、また、超伝導性も弱められることが判明した。[2]Bi2212単結晶のねじり振動の実験では、超伝導状態磁場印可によって振動のエネルギーはvortex系に散逸され振動振幅の大きな減衰が観測された。例えば、磁場H=1kOeをC-軸方向に印可した場合、減衰係数etaは温度下降にともなって30k以下で増加を始め22k近傍でピークを示し、その後、若干の温度依存性を示す。H=250 Oeでは20k近傍に幅広いピークを待つ。これらetaの温度依存性は磁束系のエネルギー散逸の温度依存性を表わすもので、今後、etaの詳細な磁場・温度依存性を求めることによって磁束系の相図が明らかにされるものと思われる。
難聴大家系の全ゲノム解析による原因遺伝子究明

優性遺伝様式を示す、遺伝子診断で原因未知とされた難聴大家系(罹患者12名、非罹患者24名)の次世代シーケンサーによる全ゲノム解析で得られたvariationを用いたパラメトリック連鎖解析とGWAS arrayによる家系内相関解析にて原因の探索を行った。両解析共に染色体13番長腕79kb領域に原因候補領域が存在することを確認した(LOD score 2.71)。さらに、当該領域のtarget captureを用いたPacBioRSIIによるlong readの高精度塩基配列決定を実施し、高い連鎖不平衡を示す原因を含む4座位の絞込みに成功した。既知難聴遺伝子47座位を原因としない原因未知の難聴大家系の原因究明が本研究課題である。原因が究明されれば、まず家系内(特に、小児、幼児=罹患前)の予測診断を実施し、診療科とともに可能な限りの予防に取組み、併行して他の難聴患者さんの診断を実施したいと考えている。当該難聴大家系は、当初は発端者およびそのご両親・ご兄弟のみの受診であったが、受診者の協力もあり、本課題申請前までに家系図が5世代、42名、18名罹患者まで整い、原因究明の可能性が浮上していた。解析にはその確定診断が極めて重要なため、再度、本家系の血縁者の協力をお願いし、家系図については7世代、68名、うち28名罹患者まで拡大し、確定診断も改めて実施した。第IIII世代の方々はすでに死亡され、第IVVI世代で検体および診療情報の集積可能な37名、うち12名罹患者を対象にDNA・診療情報の提供をいただき、解析に着手した。次世代シークエンサー(NGS)による解析は非常に高額なため、罹患者のうち、遺伝統計学的に最も効率的と判断される8名の罹患者を選出し、全ゲノム解析を実施した。NGSのbioinformaticsは解析途中であるが、これまでに我々が累積してきたコントロール群(約70例)との対比により、原因を疑う4領域(1領域100数百kb)が抽出されている。本計画は3年間を見込んで進めているが、家系図再作成・拡大、確定診断の再実施、罹患者のNGS解析と計画より早く進行していると判断している。家族集積があり(発症に強い遺伝要因の関与が疑われる)、家系図からは発症が優性遺伝継承で、比較的浸透率が高く、既知遺伝子診断にて原因未知と判定された難聴大家系(家系図調査:91名、試料収集可能な対象者:49名、同意取得:36名、うち罹患者:12名、うち非罹患者:24名)を収集した。問診により、難聴を自覚するのは30歳後半以降の言語習得後なので、再度、確定診断を兼ねて聴力検査を実施したところ、発症の早い血縁者では10歳代から高音域の聴力が低下しはじめていることが判明し、高齢者ではほぼ全音域の聴力が低下する進行型であることが推察される。当家系の遺伝要因を調査するため、GWAS(Genome-Wide Association Study)アレイ(Illumina社humanOmni 2.5M +exon chip)および確定診断できた血縁者の次世代シーケンサー(Illumina社HiSeq1000)による全ゲノムシーケンス(WGS:Whole Genome Sequence >30coverages)を実施し、ゲノム全広域variation情報を取得後、1パラメトリック連鎖解析、2家系内罹患同胞対を用いたノンパラメトリック連鎖解析、3家系内(家系内罹患者vs家系内非罹患者)相関解析、4家系内罹患者vs健常者集団の相関解析を実施した。なお、GWASアレイによるvariationsについては全ての解析を実施し、13についてはWGSによるvariationsについて実施した。その結果、いずれの解析においても染色体13番長腕領域(3.5Mb)が候補として認められた。そこで当該領域のキャプチャーを設計し、PacBioRSIIによる候補領域高精度シーケンスにより高い連鎖不平衡にある4座位に絞込みできた。論文化を進めるとともに、家系内では遺伝子診断が可能となったので、家系内小児・幼児の診断に向けた準備を行っている。ゲノム研究当初の予定よりも極めて早く進捗している。特に、家系図の拡大、血縁者の協力が強くなったこと、さらに、世代を超えた診療情報の集積から重要な知見を得た。当初、発端者および一部の罹患者から得た情報では、発症年齢は20歳代後半から始まり、主に3040歳代で進行して40歳代で音を失うと推察されていたが、診療情報を集めるうちに、発症が10歳代半ばで始まること、さらに自己認識しない早期でも発見できることが判ってきた。つまり、原因遺伝子の同定が成されれば、発症前診断、早期からの予防対策、さらに当該診療科や研究者に周知されることで、創薬の可能性も浮上する。そのためにも、計画を前倒しにして、早く原因究明を行いたいと考えている。

一方、罹患者8名の解析で4領域に絞られたことを考慮すると、本家系の原因はほぼ決定できる見込みとなった。これらを考慮すると、自己評価による達成度は150%と確信しているが、原因を同定することによって少しでも発症を遅らせる対策に取組むことができること、さらに、治療に向けた取組みを具現化していくため、また、子供たちが音を失うことを避け、さらに、音を失った失望感を心配する親・祖母祖父のためにも、少しでも結果を出したいと考えている。申請前の準備段階も良かったこともあり、極めて順調に研究は進んでいる。原因はほぼ同定される見込みが立ったが、その後の、予防法の確立や治療法の開発に向けた推進体制が必要と考えている。この点については、診療科とともに当該領域における他の施設の関係者に働きかけ、また、診断等も受けていけるようにしたいと考えている。
多機能性高分子架橋型ホスフィンの開発と触媒的Ｃ－Ｈ結合直接活性化反応への応用

本研究テーマである「ホスフィン配位子の多点架橋による、遷移金属触媒の高活性化」を展開すべく、新規配位子の合成に着手した。進展として以下の三つの配位子開発を実施した。まず、前年度に新たに開発した多点架橋型2座ホスフィン配位子を種々の触媒反応へと応用した。その結果、Ni, Co, Cuを始めとする第一周期遷移金属と組み合せた際に、優れた触媒活性を示すことを見いだした。特に、Ni触媒では、塩化アリール類と第一級アルキルアミンとのクロスカップリングに対して有効であることを見いだした。本配位子は、他の可溶性ビスホスフィン配位子と比較しても最も効果的であった。この研究成果は現在論文投稿準備中である。第二に、高効率的な触媒的不斉合成への展開を期待し、多点固定化型2座ホスフィン配位子の合成に成功した。代表的な軸不斉ビスホスフィンである、MeO-BIPHEP骨格をポリスチレンで多点担持した。現在触媒反応へ適応し、その性能を評価している段階である。第三に、アルキルホスフィンの合成にも成功した。今までのトリアリール型のホスフィン配位子は電子供与能の観点から、十分な活性が得られない反応系が多かった。電子豊富なアルキルホスフィン配位子は、困難な分子変換にも優れた活性を示すことが期待される。以上、研究課題の成果として三つの新規ホスフィン配位子の合成に成功した。27年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は遷移金属触媒の一般的な配位子である、ホスフィン配位子を有機高分子上に架橋担持し、高活性化を計ることが目的である。ポリスチレン上にホスフィン配位子を複数点で担持する事で、パラジウム触媒によるクロスカップリング反応などにおいて高い活性が発現する優れた配位子として機能することを既に見いだしている。本知見を拡張し、さらなる機能・反応性を有する新たな配位子設計を行うことが本研究計画の主旨である。研究実施計画に基づき、不斉C-H結合官能基化を目指してポリスチレン架橋担持型不斉配位子の合成に着手した。一般的な不斉モノホスフィンである、MOPとホスホラアミダイト骨格の配位子を、ポリスチレン上に架橋担持することに成功した。しかし、これらの配位子はイリジウムまたはロジウム触媒を用いたC-Hホウ素化反応に不活性であった。現時点では目標の達成には至っていない。一方で、ポリスチレン多点架橋型ホスフィンの構造多様化を目指し、新規配位子として4点架橋型ビスホスフィンを開発した。本不均一系配位子は、以前に開発した三点架橋型トリアリールホスフィン同様、その構造的特性により金属ービスホスフィン錯体の孤立化が可能であり、金属ービスホスフィン=1:1型錯体を選択的に形成可能であった。本配位子は、ニッケル触媒によるクロスカップリング反応に対して高い配位子効果を示した。特にアゾール類とピバル酸ナフチル類とのC-H/C-Oカップリングにおいて、高い反応性を示した。一レンによる4点架橋が活性において非常に重要であり、均一系の同一骨格では反応は進行しない。一部の反応においては、既存の均一系配位子を凌駕する活性もみられ、新規反応の開発など本系を利用したさらなる展開が期待できる。本来の目的である触媒的不斉C-H活性化反応の達成には至っていない。しかし、多点架橋ビスホスフィン配位子の合成し、配位子のポリスチレン多点固定化による高活性遷移金属化学種の創成という本概念の拡張には成功した。この結果を受けて、新たなポリスチレン担持型不斉ホスフィン配位子の開発に取り組むことで本来の目標が達成できると期待している。

まず多点架橋型ビスホスフィン配位子に関する研究成果を学術雑誌へ投稿し、本触媒系を用いた高効率的な有機合成手法の確立を目指す。さらに、ポリスチレン架橋型不斉ビスホスフィン配位子の合成にも取り組み、本来の目標であった不斉CーH活性化にも挑戦したい。不斉ビスホスフィン配位子は、単座配位子に比べてより規定された不斉環境の構築が可能であり、高いエナンチオ選択性が期待できる。いくつかの軸不斉ホスフィンの合成経路が既に知られており、これを踏襲する。27年度が最終年度であるため、記入しない。
系統特異抗体とマイクロサテライトプローブによるキメラマウス発癌単クロン増殖の検討

a)キメラマウス大腸発癌のC3H系統特異抗体およびマイクロサテライトプローブによる解析集合法によりC3H【tautomer】BALB/cキメラマウスを作成し、DMHにより大腸腫瘍を発生させ、C3H系統特異抗体による免疫組織化学により腫瘍の系統由来を決定した。病変を異型腺管、腺腫、腺癌に分類した。異型腺管は全て、腺腫、腺癌のほとんどは何れかの系統由来の単クローン性増殖を示したが、1例の腺腫(91例中)と12例の腺癌(119例中)がC3HとBALB/c由来腫瘍の接合型であった。腫瘍組織切片より切り出し、DNAを抽出しマイクロサテライトプローブ(D12Jp1)にを用いPCR/SSCP法により系統判定を行った結果、免疫組織化学的な判定と一致し、接合型では両者由来のDNAが検出された。これらの結果、単クローン性と信じられてきた腫瘍の一部は進展の過程で接合する接合型の存在が明らかとなった。b)単クローン増殖を基礎としたDENまたはMNU誘発キメラマウス前胃発癌過程の解析MNU誘発ならびにDEN誘発キメラマウス前胃発癌において発癌過程の各種病変のクローン性の検討をCSAによる免疫組織化学とマイクロサテライトプローブ(D1Mit10)を用いたPCR/SSCPにより検討した。その結果、病変は単純性過形成、乳頭状または結節性過形成および扁平上皮癌に分類された。免疫組織化学の結果とマイクロサテライトのDNAパターンの解析結果は一致し、単純性過形成は多クローン性で、癌は単クローン性増殖を示した。乳頭状または結節性過形成は、多クローン性を主体とした変化であり、癌はその一部の単クローン性増殖に由来した事より、乳頭状または結節性過形成は前癌病変の集合体として多クローン性に構成されており、複数の幹細胞にイニシエーションが成立し、その一部が癌に至る事を示した。a)キメラマウス大腸発癌のC3H系統特異抗体およびマイクロサテライトプローブによる解析集合法によりC3H【tautomer】BALB/cキメラマウスを作成し、DMHにより大腸腫瘍を発生させ,C3H系統特異抗体による免疫組織化学により腫瘍の系統由来を決定した。病変を小異型増殖巣,腺腫,腺癌に分類した.小異型増殖巣は全て,腺腫,腺癌のほとんどは何れかの系統由来の単クローン性増殖を示したが,1例の腺腫(66例中)と9例の腺癌(85例中)がC3HとBALB/c由来腫瘍の接合型であった.腫瘍組織切片より切出し、DNAを抽出しマイクロサテライトプローブを用いPCR/SSCP法により系統判定を行った結果,免疫組織化学的な判定と一致し,接合型では両者由来のDNAが検出された.これらの結果,単クローン性と信じられてきた腫瘍の一部は進展の過程で接合する接合型の存在が明らかとなった.b)大腸発癌における系統差の解析好発系のC3Hと嫌発系のC57BLのキメラマウス(C3H【tautomer】C57BL)において

大腸発癌の系統差が代謝中枢である肝に起因するか細胞レベルの感受性の相異によるかを検索した.発生した大腸癌を系統特異抗体により免疫組織化学的に検討し,大腸上皮における腺管のキメラ率を求め,キメラマウスにおけるそれぞれ単独で上皮が構成されていたと想定した修正発生率において,C3H由来腫瘍は母系統の陽性対照と差がなく,嫌発系のC57BL由来腫瘍はC3HとC57BLの陽性対照と中間の発生率を示た.これらの結果は大腸発癌の系統差は肝における代謝と細胞特性の両者の関与が示唆された.a)大腸発癌における系統差の解析C3HおよびC57BLの正常組織のDNAを用いてそれぞれの系統において異なるパターンを示すマイクロサテライトプローブ(D12Jp1)を決定した。DMHで誘発されたキメラマウス(C3H【tautomer】C57BL)大腸腺腫および腺癌のマイクロサテライトプローブによるDNAパターンは、免疫組織化学滴に単クローン性の腫瘍はC3HもしくはC57BLどちらか一方、多クローン性の腫瘍は両者のパターンが認められ、それらは抗C3H系統特異抗体(CSA)による免疫組織染色の結果と完全に一致した。これらのことから抗C3H系統特異抗原は大腸腫瘍の発生と進展の過程で変化しないことがDNAレベルにおいて確認され、キメリズムの解析において免疫組織化学的な検索とあわせ、DNAレベルの検索であるマイクロサテライトプローブを用いたPCR/SSCP法の有効性が確認された。免疫染色とDNAパターンの検索結果により、大腸発癌の系統差は肝における代謝と細胞特性の両因子の関与が考えられた。b)単クローン増殖を基礎とした前癌病変の解析MNU誘発ならびにDEN誘発キメラマウス前癌発癌においてクローンの検討をCSAによる免疫組織化学とマイクロサテライトプローブ(D1Mit10)を用いたPCR/SSCPにより検討した。その結果、病変は単純性過形成、乳頭状または結節性過形成および扁平上皮癌に分類された。免疫組織化学の結果とマイクロサテライトのDNAパターンの解析結果は一致し、単純性過形成は多クローン性で、癌は単クローン性増殖を示した。乳頭状または結節性過形成は、多クローン性を主体とした変化であり、癌はその一部の単クローン性増殖に由来した事より、乳頭状または結節性過形成は前癌病変の集合体として多クローン性に構成されており、複数の幹細胞にイニシエーションが成立し、その一部が癌に至る事を示した。
消化管のビタミンＡ貯蔵細胞の形態と機能

高速液体クロマトグラフィーや、RT-PCR、蛍光顕微鏡、透過型電子顕微鏡等を駆使して、ビタミンAを貯蔵する細胞が消化管粘膜固有層に分布することを明らかにした(Senoo H, et al.(2013) Cell Biol Int, 37: 1171-1180)。一方で、比較生物学的および系統発生学の立場からビタミンAを貯蔵する細胞の研究を進め、円口類のヤツメウナギや硬骨魚であるアブラガレイではビタミンA貯蔵細胞は消化管の粘膜固有層に特に良く発達していることを明らかにした消化管(粘膜固有層)にビタミンA貯蔵細胞が存在することを明確にする。その上でこのビタミンA貯蔵細胞を単離・培養して、生化学的、分子細胞生物学的に解析し、機能を明らかにする。すなわち、ビタミンAや脂肪の吸収・貯蔵機能や免疫監視、コラーゲン等の細胞外マトリックスの合成・分泌と分解の機能を解明する。これによって、メタボリック症候群やクローン病、潰瘍性大腸炎等の炎症性腸疾患の原因解明と治療可能性への道への一助になることと思われる。本研究の目的は上述の通りで、研究実績の概要は以下の通りである。レチニルパルミテートをラットに皮下注射あるいは胃チューブによって経口的に投与した。皮下注射によってビタミンAは肝臓のA貯蔵細胞(肝臓星細胞)のみでなく、腸の粘膜固有層の細胞に取り込まれ貯蔵された。いっぽう、経口投与されたAは腸粘膜吸収細胞から吸収され、ついで粘膜固有層の細胞に取り込まれ、貯蔵された。この細胞の形態は肝臓のA貯蔵細胞のそれに似ていた。すなわちAは細胞質の脂質滴の形で貯蔵されていた。以上の結果は、この小腸粘膜固有層の細胞はAを消化管からの吸収によっても、また大循環からも取り込み、貯蔵する能力を持つことを示している。肝臓以外に小腸にもAを取り込み貯蔵する細胞があって、Aの吸収と全身における恒常性(ホメオスターシス)の維持に役割を果たしていることが示唆された。また、上述のヤツメウナギにおいては回遊産卵期に腸が萎縮する。この際にこれら腸のA貯蔵細胞が周囲の細胞外マトリックスを貪食しリソソーム系で分解することによって、腸の萎縮を引き起こしていることが判明した。これらの結果は腸の結合組織のA貯蔵細胞は多様な機能を有していて、ヒトにおいても消化管の様々な疾患の成り立ちに関与することが推測された。一方で、比較生物学的および系統発生学の立場からビタミンAを貯蔵する細胞の研究を進め、円口類のヤツメウナギや硬骨魚であるアブラガレイではビタミンA貯蔵細胞は消化管の粘膜固有層に特に良く発達していることを明らかにした上述の研究実績の概要の内容は、日本解剖学会、日本ビタミン学会、日本結合組織学会で発表し、高い評価を得ている。論文はCell Biol Intに投稿し、現在minor revisionとのrefereeの査読を受け、作業を進めている。このように国内だけでなく、国際的にも確実な評価を得ているのが理由である。Wistar系雄性ラットの小腸から粘膜固有層にあるビタミンA貯蔵細胞を単離して培養系に移す(妹尾、吉川、目崎が担当する)。一昼夜絶食にしたラットの小腸を深麻酔下に摘出し、細切して、0.05%コラゲナーゼと0.05%プロナーゼ混合溶液でインキュベートして、低速遠心によって小腸上皮細胞を除去する。上清をPercoll密度勾配遠心法によって各画分に分画する。手法に関しては申請者らが樹立した、肝臓のビタミンA貯蔵細胞の単離、同定、培養法を応用することで樹立できる。得られた各画分にふくまれる細胞を同定する。それには、透過型電顕による微細構造解析(妹尾が担当)。高速液クロによるビタミンAの定性と定量をおこなう(吉川が担当)。肝臓のビタミンA貯蔵細胞の特異的なマーカーであるデスミンとアルファー平滑筋アクチンの発現を免疫蛍光法およびRT-PCR法によって解析する(目崎が担当)。上記の手法によって得た細胞は10%FCSを含むDulbecco's modified Eagle培養液中で培養する。必要に応じてトリプシンを用いて、継代培養する。こうして細胞培養法を樹立して、さらに、得られた細胞を用いてビタミンAおよび脂質の取り込み・貯蔵を解析する。コラーゲン等の細胞外マトリックスの合成と分解系の研究および免疫監視機能をToll like受容体やneonatal Fc receptor for IgGなどの分子のタンパク質および遺伝子発現レベルの解明によって明らかにする。今後の計画によって得られた細胞を用いてコラーゲンの合成活性を解析する。精製した細菌性コラゲナーゼを用いて、培養細胞のコラーゲン合成活性を解析し、SDS-ポリアクリルアミド電気泳動法によって合成・分泌されるコラーゲンの分子種を明らかにする。コラーゲン遺伝子発現をRT-PCR等によって解析する。細胞外マトリックスの分解系である、マトリックスメタロプロテアーゼの活性を培養液、細胞層それぞれに定量する。ゼラチンザイモグラフィー、in situザイモグラフィーを駆使して活性を検出し、各マトリックスプロテアーゼの遺伝子発現をRT-PCR等によって解析する。

これによって本細胞の消化管粘膜固有層におけるコラーゲン等の細胞外マトリックスのホメオスターシスに対する関与、ひいては腸管の線維化への関与を明らかにできる。すでに実験設備は備わっているので、上述の実験を遂行するための生化学的実験試薬、形態学的実験試薬、分子生物学的解析試薬に使用する計画である。次年度も生化学および細胞生物学、分子生物学、電子顕微鏡学、免疫蛍光法の手法を駆使して研究を進めるため、それぞれの試薬、消耗物品の購入に研究費を使用する計画である。また、すでに成果がまとまりつつあるので、専門雑誌への投稿および別刷のために研究費を使用予定である。さらに、専門の学会で研究発表するために旅費を必要とする。
原子レベルの立体構造に基づくチトクロム酸化酵素の動作機構の解明

チトクロム酸化酵素はミトコンドリア内膜呼吸鎖の末端酸化酵素で分子状酸素を水にまで還元するとともに膜の内側から外側へとプロトンの能動輸送を行う。この酵素の機能の解明のためには立体構造に関する情報が不可欠であるため、我々のグループではX練結晶構造解析を進めている。本酵素を真の意味で理解するためには酸化型だけでなく還元状態や配位子又は、阻害剤結合状態の異なる種々の酵素の水素の座標を含めた詳細な構造を明らかにする必要がある。本研究では結晶化条件、結晶の凍結方法等の改良を行うことにより酸化型では1.8Å分解能での構造が明らかにした。又、この酸化型結晶を各種溶液に浸せきさせることで還元状態や配位子結合状態の異なる結晶を低温捕捉した。これまでに、還元型1.9Å,CO結合型2.1Å,NO結合型2.1Å,CN結合型2.1Å,P型中間体1.86Å、F型中間体2.0Å分解能でのX線結晶構造を各々決定することに成功した。又、結晶用の分光器を作製したことによりこれらの結晶が各々の状態であることを直接結晶の吸収スペクトルを測定することによって確かめられるようになった。このようにまだ水素の位置を決定できるほどに精度は上がっていないものの、かなり詳細に構造の比較検討ができるようになった。酸化還元に伴って大きく変化することが認められたアスパラギン酸51のカルボキシル基がヘムaのプロピオン酸やアルギニン38を介して、マトリックス側から細胞質側へとプロトンを能動輸送するのに重要な働きをすることが新たに確かめられた。また、このカルボキシル基の変化はFTIRで我々の結晶標品を用いた得られた結果ともよく一致した。チトクロム酸化酵素は酸化還元中心を介した電子伝達機能、酸素還元反応及びミトコンドリア内膜を越えるプロトンの輸送機能を持つ。これらの細胞呼吸において重要な機能を解明するためにこれまでに分光学的手法、生化学的手法を用いて多くの研究がなされてきたが分子機構の詳細については未だ不明の点が多い。我々はウシ心筋酵素の結晶化に成功し、X線結晶構造解析を進め完全酸化型、完全還元型、一酸化結合型の2.3,2.35,2.8A分解能での構造を報告してきた。本研究では、完全酸化型の2.0A分解能での構造を決定した。これにより、酸素還元中心の詳細な構造、固定された水分子、酵素に結合した脂質分子(酵素1分子あたり14分子)の詳細な構造など数多くの新たな知見が得られた。また、反応機構を理解する上で不可欠な反応中間体の立体構造を明らかにするために結晶を反応溶液中に浸し、吸収スペクトルを追跡できるシステムを開発した。これにより、結晶を凍結することにより反応中間体を捕捉することが可能となり、Sprig-8においていくつかの結晶の回析データの収集を行った。チトクロム酸化酵素は酸化還元中心を介した電子伝達機能、酸素還元反応及びミトコンドリア内膜をこえるプロトンの輸送機能をもつ。これら反応機構を明らかにするには酸化型酵素だけでなく還元型及び反応中間体酵素の最終的には水素の原子座標を求めることができるほど高分解能のX線結晶構造が必要となる。低温X線回析実験は、高分解能データ収集に有効であり、また反応中間体を低温で固定して構造解析するためにも不可欠な手法である。これまでに酸化型結晶の2.0Å分解能での回析データを得ることに成功しているが再現性に乏しかった。そこで凍結方法、不凍剤の種類、不凍剤の導入の仕方等を詳細に検討した。その結果、これまで用いていたグリセロールの代わりに不凍剤としてエチレングリコールを用い、段階的に35%まで上昇させ、クライオ装置の気流による凍結を行うこととした。このようにすると再現性よく1.8Å以上の反射を示すとともに凍結結晶間で同型性が得られるようになった。酸化型結晶に関しては、SPring-8において1.65Å分解能の回析点が確認され、1.8Å分解能でのX線結晶構造解析を行っている。反応機構を理解する上で不可欠な反応中間体については、反応溶液中に浸した結晶の吸収スペクトルを追跡しながらP型及びF型酵素を捕捉しX線回析データの収集を行った。P型については1.86Å分解能での、F型については2.0Å分解能でのX線回析データの収集に成功し、現在解析を進めている。チトクロム酸化酵素は酸化還元中心を介し、チトクロムcから分子状酵素への電子伝達を行うとともにミトコンドリア内膜の内側から外側へとプロトンの能動輸送を行う。本酵素の反応機構を明らかにするためには酸化型酵素だけでなく、還元型及び反応中間体のX線結晶構造が必要となる。また、本酵素のプロトン能動輸送機構を明らかにするためには水素の原子座標を決定できる程度の高分解能での解析が期待される。酸化型酵素の結晶を用いた低温X線回折実験の方法を詳細に検討した結果、Spring8において1.65Å分解能の回折点を得ることに成功し、1.8Å分解能での酸化型酵素の結晶構造が得られた。また還元型酵素についても以前2.35Å分解能であったのに対し1.9Å分解能でのX線結晶構造が得られるに至った。この2つの構造を詳細に比較したところプロトンポンプの出口と以前から考えられていたAsp51の酸化還元に伴う動きだけでなくヘムaのハイドロキシファルネシルエチル基が動くことが発見された。

これがヘムaのホルミル基に水素結合するArg38に影響を与えプロトンポンプに重要な役割を果たしていることが明らかにされた。又、P型やF型の反応中間体も結晶の吸収スペクトルを追跡しながら捕捉する方法を確立し、X線結晶構造解析を進めている。チトクロム酸化酵素はミトコンドリア内膜呼吸鎖の末端酸化酵素で分子状酸素を水にまで還元するとともに膜の内側から外側へとプロトンの能動輸送を行う。この酵素の機能の解明のためには立体構造に関する情報が不可欠であるため、我々のグループではX練結晶構造解析を進めている。本酵素を真の意味で理解するためには酸化型だけでなく還元状態や配位子又は、阻害剤結合状態の異なる種々の酵素の水素の座標を含めた詳細な構造を明らかにする必要がある。本研究では結晶化条件、結晶の凍結方法等の改良を行うことにより酸化型では1.8Å分解能での構造が明らかにした。又、この酸化型結晶を各種溶液に浸せきさせることで還元状態や配位子結合状態の異なる結晶を低温捕捉した。これまでに、還元型1.9Å,CO結合型2.1Å,NO結合型2.1Å,CN結合型2.1Å,P型中間体1.86Å、F型中間体2.0Å分解能でのX線結晶構造を各々決定することに成功した。又、結晶用の分光器を作製したことによりこれらの結晶が各々の状態であることを直接結晶の吸収スペクトルを測定することによって確かめられるようになった。このようにまだ水素の位置を決定できるほどに精度は上がっていないものの、かなり詳細に構造の比較検討ができるようになった。酸化還元に伴って大きく変化することが認められたアスパラギン酸51のカルボキシル基がヘムaのプロピオン酸やアルギニン38を介して、マトリックス側から細胞質側へとプロトンを能動輸送するのに重要な働きをすることが新たに確かめられた。また、このカルボキシル基の変化はFTIRで我々の結晶標品を用いた得られた結果ともよく一致した。
酸化物超伝導体の薄膜成長と構造欠陥に関する研究

平成3年度の研究内容は次の通りである。(1)結晶配向性の測定MgO(001)単結晶基板上に、MOCVD法により成膜したYBa_2Cu_3O_<7-δ>膜(YBCO膜)の配向性をX線φ-scan法(Schultz法)によって調べた。反射面は{113}を用いた。測定の結果、YBCO膜には、Epitaxial成長粒を大部分含む膜(方位関係:[001]YBCO//[001]MgO,[100]YBCO//[100]MgO)、および、a-軸方位が[100]MgOとδだけ異なったMisorientation粒(方位関係:[001]YBCO//[001]MgO,[001]YBCO δfrom[100]MgO)とEpitaxial成長粒の混在した膜の双方が観察された。特に、後者では、δ=27,45゚の膜が頻繁に観察されたが、これは、Mgo(001),YBCO(001)格子間での安定な擬対応格子がこれらの方位関係下で成立することと関係する。これらの膜のジョセフソン特性測定を行った結果、Misorientation膜で優れたジョセフソンIーV特性を得られ、大傾角粒界がジョセフソン効果に寄与することが判明した。(2)粒界構造、界面構造の観察ジョセスソン特性を与えるYBCO大傾角(27゚,45゚など)粒界につき、TEMによるPlan-View観察を行った結果、大傾角粒界で囲まれた結晶粒は、内部にいくつかの小傾角粒界(傾角12゚)を含んでいることが判り、また、大傾角粒界の走る面内方位は、対応格子的には低Σ値の方位に非常に近いことなどが見いだされた。粒界の構造乱れの幅は1nm以下(超伝導電流の干渉距離以下)であり、この領域でジョセフソン効果が起こる。Misorientation粒、Epitaxial粒成長の膜につき、YBCO/MgO界面構造の断図観察を行った結果、Mirorientation粒/MgO界面が例外なく原子レベルで平坦なのに対し,Epitaxial粒/MgO界面では多くの原子ステップが見られ、また、多くの積層欠陥が観察された。MgO表面の原子ステップの存在の程度が、YBCO膜の配向に影響していると考えられる。
粘弾性流体の分岐・合流に関する研究

ニュ-トン流体であるグリセリン水溶液と粘弾性流体であるセパラン水溶液を用いて二次元分岐流れにおける分岐部の流動様相の可視化実験圧力および圧力損失の測定、数値解析を行い次の知見を得た。1.流れの様相:分岐流れではセパランはグリセリン水溶液と同様に分岐管上流コ-ナ-部および支管上壁面側に剥離渦を生じるが粘弾性流体の方が剥離渦の大きさは小さい。セパランではニュ-トン流体では観察されない分岐流線が流量の少ない側に入り込む現象を示し、相手側に逆流域を生じた。支管が閉塞の場合、粘弾性流体では流線の支管側への膨らみの大きさは変わらないが、最大部はReの増加と共に上流側に移動する。本管下流が閉塞の場合、粘弾性流体では本流が本管下流に大きく入り込む現象を示した。Reが70-200程度になると流れは三次元的になる。2.分岐損失係数:粘弾性流体の支管損失係数(ζ_<12>)、本管損失係数(ζ_<13>)はともに、Reが増加すると減少し、分配比の影響が段々小さくなる。そして流れが三次元的になると再び差が生じる。分岐流れではT形と45度Y形で損失係数の差が見られないが、三次元的になるとT形の方が大きくなる。支管が縮小するとζ_<12>は増加するがζ_<13>は変わらない。支管が閉塞している場合はζ_<12>、ζ_<13>はともにT形と45度Y形で差はないが、支管が縮小するとζ_<13>の値は小さくなった。本管下流が閉塞している場合、ζ_<12>、ζ_<13>の値は形状の影響に関しては分岐流れと同じであるが、支管が縮小するとその値は大きくなった。ニュ-トン流体と比較するとレイノズル数(Re)が小さいときは粘弾性流体の方が大きいが、レイノズル数が増加するとその差は段々小さくなる。3.数値計算:計算で得られた粘弾性流体とニュ-トン流体の流れの様相は実験結果と定性的に一致した。しかし、分岐流線の流量の小さい方への入り込みは計算では得られなかった。ニュートン流体であるグリセリン水溶液と粘弾性流体であるHEC水溶液とセバラン水溶液を用いて二次元分岐流れにおける流れの可視化実験と圧力分布および圧力損失の測定を行い次の知見を得た。1.流れの状態:ニュートン流体及び粘弾性流体は共にレイノルズ数(Re)が小さい(Re<1)ときは流れの状態はほとんど変わらないが、どちらか一方が閉塞している場合は異なった流れを示す。即ち、分岐管側が閉塞している場合はニュートン流体では分岐管側に対称にくぼんだ流れを示すが、粘弾性流体では上流側にかたよった非対称な流れを示す。本管支管が閉塞の場合は粘弾性流体は支管側にふくらまないがニュートン流体ではふくらむ。Re>10になると分岐管上流コーナおよび支管上壁面側に剥離渦を生じる。この渦の大きさは、分岐管の流量比(Q_2/Q_1)が一定の場合Reの増加と共に大きくなる。

Reが一定の場合はQ_2/Q_1の増加とともに分岐管側の渦は小さくなり、支管側の渦は大きくなる。閉塞流れの場合はReが大きくなるとニュートン流体でも分岐管側へのくぼみは粘弾性流体とは反対に下流側に非対称になる。Reが500程度になると分岐管側に二次流れを生じ、流れは三次元的になる。2.分岐損失:分岐管側および本管支管側の圧力損失をそれぞれ分岐管、支管の平均流速を用いた運動エネルギーで無次元化した損失係数をK_<12>、K_<13>と定義する。K_<12>、K_<13>はともにReの増加とともに小さくなるが、その減少率はReの増加とともに小さくなり段々一定値にちかずく、そして流れが三次元的になると増加しはじめる。Reが一定のときK_<12>はQ_2/Q_1の増加とともに小さくなり、K_<13>は逆に大きくなる。また、Re及びQ_2/Q_1が一定のとき、分岐角度が小さい方がK_<12>とK_<13>は共に小さい。ニュ-トン流体であるグリセリン水溶液と粘弾性流体であるセパラン水溶液を用いて二次元分岐流れにおける分岐部の流動様相の可視化実験、圧力分布および圧力損失の測定、数値解析を行い次の知見を得た。1.流れの様相:分岐流れではセパランはグリセリン水溶液と同様に分岐管上流コ-ナ部および支管上壁面側に剥離渦を生じるが粘弾性流体の方が剥離渦の大きさは小さい。セパランではニュ-トン流体では観察されない分岐流線が流量の少ない側に入り込む現象を示し、相手側に逆流域を生じた。支管が閉塞の場合、粘弾性流体では流線の支管側への膨らみの大きさは変わらないが、最大部はRe増加と共に上流側に移動する。本管下流が閉塞の場合、粘弾性流体では本流が本管下流に大きく入り込み現象を示した。Reが70ー200程度になると流れは三次元的になる。2.分岐損失係数:粘弾性流体の支管損失係数(ζ12)、本管損失係数(ζ13)ともにReが増加すると減少し、分配比の影響が段々小さくなる。そして流れが三次元的になると再び差が生じる。分岐流れではT形と45度Y形で損失係数の差が見られないが、三次元的になるとT形の方が大きくなる。支管が縮小するとζ12は増加するがζ13は変わらない。支管が閉塞している場合はζ12、ζ13はともにT形と45度Y形で差はないが、支管が縮小するとζ13の値は小さくなった。本管下流が閉塞している場合、ζ12、ζ13は形状の影響に関しては分岐流れと同じであるが、支管が縮小するとその値は大きくなった。ニュ-トン流体と比較するとレイノルズ数(Re)が小さいときは粘弾性流体の方が大きいがレイノルズ数が増加するとその差は段々小さくなる。3.数値計算:計算で得られた粘弾性流体とニュ-トン流体の流れの様相は実験結果と定性的に一致した。しかし、分岐流線の流量の小さい方への入り込みは計算では得られなかった。
円筒形回転子を備えた3軸能動制御型磁気軸受の開発

近年,モータへの高効率化・高出力化の要望が年々高まっている。その解決策の一つがモータの高速化であり,モータを高速化する際に必要となるのが,組立性が良い小型の磁気軸受の開発である。そこで,研究代表者は,円筒形回転子を備えることで組立性を大きく向上し,半径方向の2軸と軸方向の1軸をそれぞれ支持する2種類の磁気軸受を一体化することで大幅な小型化を実現する「円筒形回転子を備えた3軸能動制御型磁気軸受」を提案している。本研究では,提案する磁気軸受の試作機を実際に製作し,その有効性を実験により検証した。近年,省エネルギー・省資源対策などから,モータへの高効率化・高出力化の要望が年々高まっている。そこで,研究代表者は,円筒形回転子を備えることで組立性を大きく向上し,そして,半径方向の2軸と軸方向の1軸をそれぞれ支持する2種類の磁気軸受を一体化することで大幅な小型化を実現する「円筒形回転子を備えた3軸能動制御型磁気軸受」を新たに提案している。そこで,本研究の目的は,提案する磁気軸受の試作機を実際に製作し,その有効性を実験により検証することである。平成23年度は,新たに提案する円筒形回転子を備えた3軸能動制御型磁気軸受とベアリングレスモータを組み合わせることで,2ユニット構成で5軸能動制御による完全非接触支持を実現できる試作機を設計・製作した。そして,製作した試作機を用いて,半径方向・軸方向の荷重試験を実施し,提案する磁気軸受が,(1)回転子主軸の総重量に対して,実用に耐えられるだけの十分な軸支持力を発生できる,(2)半径方向と軸方向の軸支持力の間に干渉が発生せず,独立して制御可能である,という優れた軸支持特性を備えていることを検証した。平成24年度は,前年度に測定した軸支持特性に基づいて,高速回転に対応可能な専用の高性能ドライブシステムを製作した。そして,製作した試作機と組み合わせることで,10,000 r/min以上の高速回転での安定な軸支持運転を実現した。具体的には,まず,提案する磁気軸受の3軸軸支持制御を担当するシステム1と,ベアリングレスモータの電動機速度制御と2軸軸支持制御を担当するシステム2の計2つからなるコントロールシステムを構築した。なお、これらの研究を通じて得た研究成果を学会などで報告すると同時に,これら発表する予定である。これまでに,提案する磁気軸受の有効性を3D-FEA解析で確認した。当該年度である平成23年度は,新たに提案する円筒形回転子を備えた3軸能動制御型磁気軸受とベアリングレスモータを組み合わせることで,2ユニット構成で5軸能動制御による完全非接触支持を実現できる試作機を設計・製作した。そして,既存のドライブシステムを用いて,低速における安定な軸支持運転を実現した。そして,製作した試作機を用いて,半径方向・軸方向の荷重試験を実施し,提案する磁気軸受が,(1)回転子主軸の総重量に対して,実用に耐えられるだけの十分な軸支持力を発生できる,(2)すべての電流条件において,半径方向と軸方向の軸支持力の間に干渉が発生せず,独立して制御可能である,という非常に優れた軸支持特性を備えていることを実験により検証した。なお,これらの研究を通じて得た研究成果を学会などで報告した。交付申請書に記載した通り,当該年度である平成23年度の研究目標は,大きく分けて下記の二つである。一つ目は,新たに提案する円筒形回転子を備えた3軸能動制御型磁気軸受とベアリングレスモータを組み合わせることで,2ユニット構成で5軸能動制御による完全非接触支持を実現できる試作機を設計・製作すること,そして,二つ目は,製作した試作機を用いて,提案する磁気軸受が実用に耐えられるだけの十分な特性を備えてることを実験により確認することである。

これらの研究目標は無事に当該年度中に達成することができたことから,当該研究課題は,おおむね順調に進展していると思われる。交付申請書に記載したおとり,平成24年度は,提案する磁気軸受とベアリングレスモータの軸支持制御がお互いにリンクし,高速回転に対応可能な専用の高性能ドライブシステムを製作する予定である。そして,製作した試作機と組み合わせることで,10,000 r/min以上の高速回転での安定な軸支持運転を実現する。具体的には,まず,提案する磁気軸受のラジアル軸支持用2軸とスラスト軸支持用1軸の計3軸の軸支持制御を担当するコントロールシステム1と,ベアリングレスモータの電動機速度制御とラジアル軸支持用2軸の軸支持制御を担当するコントロールシステム2の計2つからなるデジタルコントロールシステムを構築する。さらに,高速回転での安定な軸支持運転を実現するには,高周波電流を高精度に電流制御できなければならないため,デジタルコントローラの遅れ要素なども正確に考慮することで,高周波電流を高精度に電流制御できる高性能ドライブシステムを開発する。そして,前年度に製作した試作機とこの高性能ドライブシステムを組み合わせることで,10,000 r/min以上の高速回転での安定な軸支持運転を実現する。なお、これらの研究を通じて得た研究成果を学会などで報告する予定である。上記の「今後の研究の推進方策」の箇所に記載したように,平成24年度は,高周波電流を高精度に電流制御できる高性能ドライブシステムを開発するのに欠かせない物品を購入するために研究費を主に使用する予定である。加えて,これらの研究を通じて得た研究成果を海外の国際会議などで報告するための旅費として使用する予定である。平成23年度において,実験を行う際に必要な治具などを製作するための実験費が当初予定していたより少なく抑えることができた。そこで,この未使用金額を平成24年度に製作する高性能ドライブシステムの製作費に充当する予定である。製作費を増やすことができれば,その分,性能を向上できるため,効果的な研究費の使用が可能にあると考えている。
街路樹を用いた木質ペレットについての簡便な安全性検査手法の開発

交通量が大きく違う広島県内の高速道路4カ所と交通量が多い広島市、廿日市市、東広島市、呉市の国道8カ所、それに、東広島市内の市道3カ所からの街路樹剪定枝をそれぞれの道路管理者から頂いた。それに、汚染が少ないと考えられる東広島市いこいの森から山作業で出た小径木などを使わせて頂いた。重金属に関する規定が含まれた固体バイオ燃料に関する欧州規格の最終草案(EN14961)が最近出された。多くの勢定枝試料は全ての金属についてこの基準値を下回ったが、銅で5カ所、亜鉛で2カ所、カドミウムで1カ所基準値を上回った。いずれかの金属で基準値を上回ったのは、16カ所中6カ所であった。剪定枝などの試料の重金属含有率を磁気的測定の結果と対比すると、今回の測定については、1カ所で銅だけ磁気測定の値が低いにもかかわらずEN14961より高い値が見られたが、それ以外は、飽和等温残留磁化のある値以上にしかEN14961を上回ったものは見られなかった。このことから、これらの磁気測定によって、危険性の高い剪定枝を容易に排除できる可能性が示された。交通量については、大幅に少ないにもかかわらず基準を上回った箇所があった。今回の研究は、街路樹剪定枝が木質バイオマスとして使えるか否かを調べる事が目的であり、その場所の大気汚染の状態を反映したものではあるが、葉が多いか少ないか、また、木の種類によっても重金属の吸収、吸着が違うことが考えられ、大気汚染の程度と数値的に結びつけることは、現在のところ難しい。しかし、街路樹剪定枝などを、安全性をモニタリングしながら使っていくことによって、地域環境の監視・改善と地球環境問題への取組を同時に進めていくことができると考えられる。本年度は、交通量が測定されている、高速道路、国道、東広島市市道の、それぞれ、3カ所、4カ所、1カ所、合計8カ所の付近の街路樹の剪定枝それぞれ10kg程度をいただき、試料とした。採取場所の剪定に際しては、交通量の非常に多い地点を中心に、中程度、少ない地点も含めた。これらの剪定枝をチップ化し、さらにペレットにした。化学分析と飽和等温残留磁化(SIRM)測定は、チップ試料について行った。これは、両者とも、少量で測定するためで、直径6mm長さ1025mm程度のペレットでも、大きさ、量が問題になり、少数個のペレットの測定となった場合、偏りが大きくなるなどの心配があるためである。SIRMがかなり強かった(10^<-1>10^<-3>A/m)ので、もっと簡便に帯磁率測定でモニタリングできる可能性が高いと考えられたので、携帯型帯磁率計SM30を購入し、ペレット試料について測定を行った。測定は、ばらつきが大きかったので、各試料について11回ずつ行った。以下に主な結果を記述する。1.同程度の交通量でも、高速道路に比べ国道沿いからの試料の重金属濃度は、1.2倍から9倍高かった。2.重金属濃度と交通量との相関係数は、Mnの-0.11からCaの0.70程度であまり大きくはなかった。3. SIRMと重金属濃度との相関係数は、Fe(0.99)、Pb(0.97)、Al(0.94)など、高いものが多かったが、交通量との相関は、0.62であった。4.帯磁率と重金属濃度との相関係数は、SIRMと同様に高かった。これらのことから、剪定枝の重金属汚染については、磁気的な方法での評価が有効であり、簡便な携帯帯磁率計によるモニタリングの可能性も十分あることが示された。
接合体の特異場を利用した電磁気センサの創成

本研究は、三次元圧電圧磁接合体の界面端角部における電気変位の特異場の特性を利用して、高性能な電磁気センサ作製の指針を得ようとするものである。接合体の接合界面に対して垂直に圧縮荷重を与えると接合界面端に強い特異場が発生し、特異場近傍の空気中の電気変位場は単相体の場合に比べ大きくなる。圧電接合体の接着層を厚くすると、特異場の強さが大きくなり、空気中に生じる電気変位も大きくなる。接合体の圧電定数を大きくすると特異場の強さが大きくなる。圧電接合体の製作では、加熱無しあるいはキュリー点以下で硬化する接着剤を用いることが必要である。実験で圧電接合体の接合界面端部に生じる電圧は、圧電材単相体と比較して高い。平成26年度の研究成果は,以下の通りである.1.圧電接合体の試験片作成初年度はセンサの構造を模擬した圧電接合体を試作した。頭初の計画では,試験片の材料から開発する予定であったが,現状の圧電材料を用いた場合,センサとしての性能が望めるのか調べるため,既存材料による接合体の製作を行った.その結果,よい応答を得ることが出来なかった.調べた結果,接合時に180度程度に加熱して,接合体を製作するのであるが,圧電材のキュリー温度以上に加熱すると圧電特性が消失することが判明した.キュリー温度が260度の圧電材料で作ると,応答が確認できた.従って,今後は接合体作成時の温度と圧電材のキュリー温度を考えながら圧電試験片を作ることとした.2.デジタル相関法による電気変位分布の計測1で述べたように圧電接合体の試作に時間がかかったため,次年度に接合界面端近傍の電気変位の分布をプローブ顕微鏡で計測することとした.そのための拡張ユニットを購入し,準備を行った.プローブ顕微鏡の試料台に載せることができる試験片の重量は15g以下である.軽量小型で外力をかけることが出来る,接合試験片および治具を設計し,外注した.3.三次元圧電接合体の解析圧電性都合体の界面端の特異応力場の強さが大きいほど,センサー性能が高いと考えられる.高性能のセンサーを開発するためには,接合体の界面端形状と材料特性の関係を明らかにしておくことが重要である.そのため本研究では数値解析により圧電接合体の特異応力場の強さを求める手法を開発した.従来の研究では,三次元界面端の電気変位場および応力場を精度良く求めるためには,小さい要素分割が必要とされたが,ここで開発した解析手法では有限要素法の粗い要素分割でも高精度な解析が可能な方法である.本研究は、3次元圧電圧磁接合体の界面端角部における特異場(応力、電気変位、磁気誘導)の特性を利用して、高性能な電気的センサ作製の指針を得ようとするものである。平成27年度は、圧電接合体の3次元接合界面端の特異場の特性を実験的および解析的に明らかにすることを目的として研究を行った。1)3次元異方性圧電接合体の界面端角部の特異場の強さを様々な圧電材料と端部形状に対して求め、特異場の強さが大きくなる材料と形状の組み合わせを調べた。これを行うために、特異点における応力および電気変位の固有値解析から得られる角度角度関数と汎用有限要素法による結果を用いて、保存積分から特異場の強さを求めることができる方法を開発した。この方法は、従来特異場の応力を求めるために必要であった細かい要素分割を要しないこと、積分はルーチン化できることなどから、非常に有用な方法であることがわかった。2)特異場における電気変位の強さを大きくできる負荷条件および接合体形状は、今回調べた範囲では円柱状の接合体(円柱の円形断面を十字に切断し、接着剤で接合)の側面に垂直外力が作用する場合であることを示した。3)圧電接合体の実験に関して、特異場が集中するような形状の幾つかのPZT接合体を作製した。圧電特性は、接合時の温度が高い(160°C)と消失するため、消失する温度が高い材料を選定する必要があることがわかった。4)電束密度の特異点と電極の間の距離を変えて、誘起される電圧の計測するための装置を作成し、計測を試みた。しかし、満足できる電圧値を得ることは出来なかった。計測法の改良を検討した。5)特異場近傍の空間の電界分布を調べるため、シュミレーションソフトを購入し、圧電接合体の特異場周辺における電界の拡がりの様子を調べた。今後、電界内に導体を近づけた際に誘起される電圧について調べることが必要であることがわかった。現在の研究進捗状況は、60%程度であると考える。今年度の研究では、距離センサとして圧電接合体の特異場の電束密度を利用する目的で、接合体形状および負荷形式の検討、使用する材料特性の選定を行い、実験により実証することを目指した。その結果、これまでの研究手法を改める必要が出てきた。1)圧電接合体は異方性圧電材と等方性の接着剤からなるため、これまで使用してきた境界要素法による方法から、有限要素法による解析法に変える必要が生じた。これにより、3次元特異場の詳細解析が困難となったが、特異場の強さを求めることができる保存積分法を新たに開発した。

2)頭初、実験を行う際に原材料から圧電材料を開発する予定であったが、圧電特性の評価などを自前で行う必要が出てくるため、研究を進めるため業者に材料作製を依頼することにした。また、圧電特性の消失温度(キュリー温度)を考慮して材料の選定を行い、圧電接合体を作製する必要がある。作製した圧電接合体の負荷に対する電気応答特性を詳細に調べることも重要である。幾つかの問題が出てきているが、解決法を考え、目標の電気的センサの作製に結びつけたい。圧電体/圧磁体/誘電体/導体等の接合構造体に外力・電気・磁気が作用すると、応力、電気変位、磁気誘導の特異場が界面端に発生する。界面端における電束密度、磁場の特異場を利用することにより、従来の性能を凌駕するセンサを開発できると考える。本研究の目的は、従来の接合体の特異応力場の解析を圧電圧磁接合体に拡張し、電気変位(電束密度)あるいは磁気誘導の特異場の特性とその領域サイズの限界を明らかにし、それらの特異場の特性を用いた高性能電磁気センサの創成の指針を得ることを目指すものである。最終年度に当たり高性能電磁気センサの作成指針を得るため,センサの解析および試作を行った.その結果(1ー3:解析,4,5:実験)を以下に述べる.1.三次元圧電接合体の界面端角部における特異場の強さを精度良く,効率よく求めることが出来る保存積分法を開発した.積分半径によらず一定の特異場の強さ(応力拡大係数)を求めることができた.2.十字型圧電接合体に対する負荷方法,接着層厚さ、圧電体の物性値を変えて,圧電接合体の接合界面端に発生する電気変位および応力について調べた.接着面に対して垂直に圧縮荷重を加える負荷方法を用いて,接着層厚さをある程度厚くすること,圧電材の圧電定数を大きくすることにより電束密度を大きくすることができることが分かった.3.圧電接合体をとりまく空間(空気中)の電場は,圧電体単相体に比べて10倍程度大きくなる.接着層厚さが0.05mmより厚くなると,電場の強さは飽和する.4.圧電体を側面から圧縮した場合,接合体にした方が単相体より大きい電圧が得られた.また,3種類の圧電接合体を作成し,電圧測定した結果,弾性定数が大きい圧電材の方が接合界面端に高い電圧が発生することが分かった.本研究は、三次元圧電圧磁接合体の界面端角部における電気変位の特異場の特性を利用して、高性能な電磁気センサ作製の指針を得ようとするものである。接合体の接合界面に対して垂直に圧縮荷重を与えると接合界面端に強い特異場が発生し、特異場近傍の空気中の電気変位場は単相体の場合に比べ大きくなる。圧電接合体の接着層を厚くすると、特異場の強さが大きくなり、空気中に生じる電気変位も大きくなる。接合体の圧電定数を大きくすると特異場の強さが大きくなる。圧電接合体の製作では、加熱無しあるいはキュリー点以下で硬化する接着剤を用いることが必要である。実験で圧電接合体の接合界面端部に生じる電圧は、圧電材単相体と比較して高い。圧電接合体をセンサーに応用する研究は,初めての試みであることから試行錯誤は想定内である.頭初の計画では,圧電材料の開発もあったが,様々な知見の蓄積が必要であることから,今回は圧電材料は市販品を用いることとした.そのため,目的であった圧電接合体の特異場を利用したセンサー開発は,とりあえず進めることができている.接合体の界面端における電気変位の特異場の計測は,購入したKelvin顕微鏡を用いて可能であると考えている.