hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
NOTCH1およびHRASの機能的変異による口腔扁平上皮癌モデルの作製

1Flow cytometryにおいて、変異NOTCH1の細胞膜局在は不安定になっていた。免疫蛍光法でWT細胞の活性化NOTCH1は核内に認められたが、変異NOTCH1においては細胞質に認められた。qPCRにおいてWTではHES1、HEY1のmRNA発現量が有意に上昇していたが、変異NOTCH1では有意に減少していた(37%、P<0.01)。細胞増殖能力はWT細胞は有意に細胞が上昇していたが、変異NOTCH1細胞においては有意に(p<0.01)低下していた。マウスへの生着率はWT細胞は80%であったが、変異NOTCH1細胞では0%であった。結論:口腔癌にNOTCH1変異は影響を与えていた。【背景と目的】採択者らは、NOTCH経路とRAS経路に注目して、口腔扁平上皮癌(OSCC)に対する臨床・分子生物学的解析を行ってきた。NOTCH1遺伝子のリガンド結合領域付近のコード領域を解析し、9.5%と高頻度で新規変異を発見し、それらNOTCH1変異(p.A465Tおよびp.G481S)がタンパク質の構造に与える影響を、報告されているX線回折結果(PDB: 2VJ3)に基づいて解析し、リガンド結合が不安定になる可能性を報告した(Aoyama K, Ota Y, Kimura M. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2014 ;452(4):980-5)。その発展として、われわれが見出した臨床標本由来の変異型NOTCH1を細胞に導入し、変異型NOTCH1の発現・局在変化、および細胞増殖能力の変化を解析した。また、臨床標本に対し、HRAS遺伝子の変異解析を行った。【結果】タンパク質の発現・局在の解析では、変異型NOTCH1タンパク質の発現は認められたが、細胞膜に局在しにくいことが示された。細胞増殖能力は、変異NOTCH1発現細胞では有意にコントロールに比較して低かった。HRAS遺伝子変異は、84症例中1例と低頻度であった。【結語と展望】臨床標本より発見されたNOTCH1リガンド結合領域の変異は、細胞膜上のタンパク質局在が不安定であると解釈された。また、変異型NOTCH1発現細胞は増殖能力が野生型NOTCH1発現細胞より低いものが多かった。現在、NOTCH1とHRASの関係を明らかにするために、HRAS遺伝子改変マウスの作製にとりかかっている。現在までに、研究計画初年度で予定していた臨床標本に対する解析が順調に遂行されている。また、分子レベルでの解析も順調に進んでおり、予定していた安定発細胞も構築できた。ヒト変異HRAS発現マウスも、エレクトロぽレーションを用いた最新の技術を応用することで開始されている。以上より、おおむね計画通りの進捗と思われる。初年度に引き続き、HRAS変異モデルマウスの作製を行った。Cre-lox-Pシステムによりコンディショナルに変異を惹起する機構とした。エレクトロポレーション法により、Floxedマウスの脇腹皮膚にCre発現遺伝子を導入する実験を行った。現段階では、安定的な手法の確立を目指している段階であり、データの報告にまでは至っていない。口腔癌標本由来NOTCH1変異の機能解析も引き続き行っている。A465T変異は、細胞膜への局在の低下、活性化NOTCH1の核内局在の低下、下流因子のmRNA発現レベルの低下を示し、経路の活性低下がみられた。また、A465T発現細胞は、細胞増殖能力が低下し、ヌードマウスへの移植実験では生着率がコントロールに比較して低かった。以上の結果を、Oncology Reportsという海外誌に投稿中である。現在、次世代シークエンサーにより口腔癌臨床標本に対する大規模遺伝子解析を行っている。プレ実験として、申請者らがサンガー法で解析して報告したNOTCH1の変異(青山らBBRC2014)を陽性コントロールとして上記ライブラリーを用いて腫瘍部を×200・正常部を×100の平均カバレッジ深度になるようにシークエンスした。その結果、正常部に全く認められない1塩基変異が腫瘍部でのみリード数の65%の割合で認められ、P値は3.4×10-27と非常に高い信頼度のデータを得られた。この結果は非常に純度の高いものであり、同カバレッジ深度でヘテロ接合性の消失(loss of heterozygosity: LOH)も信頼度が高く評価が可能である。本年の日本癌学会で発表予定である。最終年度も引き続き解析を継続する。遺伝子解析およびNOTCH1変異の機能解析については、当初の予定通りに進んでいる。しかしながら、HRAS変異のモデルマウスの解析についてはやや遅れている。その理由としては、エレクトロポレーション法によって導入されるコピー数が安定しないことである。現在、電圧の調整を行っており、手法の確立を行っている。方法:1臨床標本の解析:74例に対し行った。NOTCH経路の遺伝子、HRAS遺伝子を含む頭頸部扁平上皮癌で高頻度に変異が報告されている遺伝子(Stranskyら2011、India project 2014など)を中心にパネルを作成して行った。2WT、検体で発見された変異NOTCH1(A465T)、MOCKの安定発現細胞を樹立した。これらの細胞株を用いて局在、活性、腫瘍原性を評価した。3HRAS変異floxマウスを樹立し、Cre発現ベクターをパーティクルガンにより脇腹に導入した。

結果:1P53など既知のがん関連遺伝子については他の固形癌と類似したスペクトラムで変異がみられた。NOTCH経路の遺伝子群に28%と高頻度に変異がみられた。とくに、NOTCH1変異についてはリガンド結合領域に集中していた。HRAS変異については1.8%と低頻度の変異が認められた(口腔外科学会2017年、京都、発表)。2Flow cytometryにおいて、変異NOTCH1の細胞膜局在は不安定になっていた。免疫蛍光法でWT細胞の活性化NOTCH1は核内に認められたが、変異NOTCH1においては細胞質に認められた。qPCRにおいてMOCKと比較し、WTでは下流因子の発現量が有意に上昇していたが(P<0.01)、変異NOTCH1では有意に減少していた(P<0.01)。細胞増殖能力はMOCK細胞と比較してWT細胞は有意に(p<0.01)細胞が上昇していたが、変異NOTCH1細胞においては有意に(p<0.01)低下していた。ヌードマウスへの生着率はWT細胞は80%であったが、変異NOTCH1細胞では0%であった(Oncology Reports 2017)。3Conditional変異HRAS発現マウスを得るプレ実験データが得られた。現在のところ腫瘍化は認められなかった。現在も解析を継続している。1Flow cytometryにおいて、変異NOTCH1の細胞膜局在は不安定になっていた。qPCRにおいてWTではHES1、HEY1のmRNA発現量が有意に上昇していたが、変異NOTCH1では有意に減少していた(37%、P<0.01)。細胞増殖能力はWT細胞は有意に細胞が上昇していたが、変異NOTCH1細胞においては有意に(p<0.01)低下していた。マウスへの生着率はWT細胞は80%であったが、変異NOTCH1細胞では0%であった。結論:口腔癌にNOTCH1変異は影響を与えていた。野生型・変異型NOTCH1発現細胞を用いたIn vitroの実験は順調に進んでいる。しかしながら、諸外国の報告に比較して、HRAS変異が日本人口腔扁平上皮癌で低頻度であった。今後、HRASにおいては変異解析だけではなく、臨床標本に対する発現解析を進めることで、NOTCH1とRas経路の関連を解明していく予定である。現在までに、遺伝子解析およびNOTCH1変異の機能解析については、当初の予定通りに進んでいる。最終年度には、大規模遺伝子解析を100例程度行い、報告することを目標としており、現在シークエンサーでランする前段階にある。その結果と臨床情報とを統計学的に照合する予定である。また、変異NOTCH1の解析については、現在1変異のみ海外誌に投稿中であるが、他の変異についても発現細胞を樹立している。同様の手法で数変異について解析し、さらに口腔癌におけるNOTCH1変異の意義について解明できると考えている。HRAS変異モデルマウスについては難渋しているが、条件を設定し、発がん実験を行う予定である。
アセットマネジメントに望ましい舗装評価値とそのパフォマンス予測モデルの検討

舗装のアスコン層の弾性係数は,その温度により大きく変化することが知られている.昨年度に引続き研究を進めた.(独)土木研究所寒地研究所(前開発土木研究所)が稚内市の舗装試験サイトでFWD試験とその温度計測を6月,8月,11月に行った.そのデータを逆解析して求めたアスファルト混合物層の弾性係数とその温度を整理し,アスファルト混合物層の温度依存モデルを構築した.データ数は昨年より大きく増えており,結果の信頼度を飛躍的に高めることができた.また,8.月の試験時にはGPRで層厚の測定も平行して行った.アスコン層内部の温度を予測できることが重要である.また,アスコン層内部の温度は,気象の変化,舗装を構成する材料の熱特性値の影響を大きく受ける,昨年度気象データを用いて熱特性値を推定する方法を開発し,測定データからアスコン層,路盤,路床の熱容量,熱伝導係数のような材料の熱特性を求めている.舗装の温度を精度良く推定するため大気の放射モデルを検討することが重要であることが明らかになり,国内外の研究を整理し,東京電機大学鳩山キャンパスで測定している大気放射量と比較して適切なモデルを開発した.現在,FWD試験のたわみのピーク値から舗装を構成する各層の弾性係数を推定しているが,研究代表者のグループはFWDが衝撃載荷試験であることを考慮して動的に逆解析を行う効率的な方法を開発している.従来の方法では逆解析により層の弾性係数と減衰係数を推定できたが,さらに改良を加え密度を推定する方法を開発している.現在,逆解析が可能となっているが,アルゴリズムの信頼度については今後とも改良を加える必要がある.舗装のアスコン層の弾性係数は,その温度により大きく変化することが知られている.昨年度に引続き研究を進めた.(独)土木研究所寒地研究所(前開発土木研究所)が稚内市の舗装試験サイトでFWD試験とその温度計測を6月,8月,11月に行った.そのデータを逆解析して求めたアスファルト混合物層の弾性係数とその温度を整理し,アスファルト混合物層の温度依存モデルを構築した.データ数は昨年より大きく増えており,結果の信頼度を飛躍的に高めることができた.また,8.月の試験時にはGPRで層厚の測定も平行して行った.アスコン層内部の温度を予測できることが重要である.また,アスコン層内部の温度は,気象の変化,舗装を構成する材料の熱特性値の影響を大きく受ける,昨年度気象データを用いて熱特性値を推定する方法を開発し,測定データからアスコン層,路盤,路床の熱容量,熱伝導係数のような材料の熱特性を求めている.舗装の温度を精度良く推定するため大気の放射モデルを検討することが重要であることが明らかになり,国内外の研究を整理し,東京電機大学鳩山キャンパスで測定している大気放射量と比較して適切なモデルを開発した.現在,FWD試験のたわみのピーク値から舗装を構成する各層の弾性係数を推定しているが,研究代表者のグループはFWDが衝撃載荷試験であることを考慮して動的に逆解析を行う効率的な方法を開発している.従来の方法では逆解析により層の弾性係数と減衰係数を推定できたが,さらに改良を加え密度を推定する方法を開発している.現在,逆解析が可能となっているが,アルゴリズムの信頼度については今後とも改良を加える必要がある.舗装のアスコン層の弾性係数は,その温度により大きく変化することが知られている.そこで,アスコン層内部の温度を予測できることが重要である.また,アスコン層内部の温度は,気象の変化,舗装を構成する材料の熱特性値の影響を大きく受ける.気象データを用いて熱特性値を推定する方法を開発し,測定データからアスコン層,路盤,路床の熱容量,熱伝導係数のような材料の熱特性を求めている.また,アスコン層の弾性係数と温度との関係を求めるため,FWD試験で測定した表面たわみとアスコン内部の熱電対から得られた温度分布を用いてアスコン層の弾性係数と温度との関係式を求める方法を提案している.そして実測データを用いて,対象となる舗装の弾性係数の温度依存モデルを構築した.アスコンはその種類によりかなり弾性係数が異なるように思われるので,温度との弾性係数の関係のデータベースを整備することが重要である.FWDは衝撃荷重を作用させ,舗装表面を伝播する波を複数のセンサーで計測している.FWDのたわみデータから舗装を構成する各層の弾性係数を推定する方法として,静的逆解析と動的逆解析がある。静的逆解析は衝撃荷重のピーク値とたわみのピーク値は準静的な荷重とたわみの関係であると仮定して,順解析に静的モデルを用いて測定たわみと解析たわみを求める方法である.それに対して,動的逆解析は測定した荷重波形とたわみ波形を用いている.測定した荷重を用いて動的解析して求めたたわみ波形が測定したたわみ波形と一致するように,各層の弾性係数と減衰係数を求める.どちらの方法も非線形最小自乗法となり,初期値を仮定して繰り返し計算を行う必要がある.

本研究では,初期値が逆解析結果にどの程度影響するかを調べている.以上から,アスコン内部の温度予測モデルの構築,アスコン温度と弾性係数の関係の整理,FWD試験データを用いた逆解析について新しい知見が得られた.舗装のアスコン層の弾性係数は,その温度により大きく変化することが知られている.昨年度に引続き研究を進めた.(独)土木研究所寒地研究所(前開発土木研究所)が稚内市の舗装試験サイトでFWD試験とその温度計測を6月,8月,11月に行っており,そのデータを用いてFWD試験を行っており,そのデータを逆解析して求めたアスファルト混合物層の弾性係数とその温度を整理し,アスファルト混合物層の温度依存モデルを構築した.データ数は昨年より飛躍的に増加しており,結果の信頼度を飛躍的に高めることができた.アスコン層内部の温度を予測できることが重要である.また,アスコン層内部の温度は,気象の変化,舗装を構成する材料の熱特性値の影響を大きく受ける.昨年度気象データを用いて熱特性値を推定する方法を開発し,測定データからアスコン層,路盤,路床の熱容量,熱伝導係数のような材料の熱特性を求めている.舗装の温度を精度良く推定するため大気の放射モデルを検討することが重要であることが明らかになり,国内外の研究を整理し,東京電機大学鳩山キャンパスで測定している大気放射量と比較して適切なモデルを開発した.現在,FWD試験のたわみのピーク値から舗装を構成する各層の弾性係数を推定しているが,研究代表者のグループはFWDが衝撃載荷試験であることを考慮して動的に逆解析を行う効率的な方法を開発している.従来の方法では逆解析により層の弾性係数と減衰係数を推定できたが,さらに改良を加え密度を推定する方法を開発している.現在,逆解析が可能となっているが,アルゴリズムの信頼度については今後とも改良を加える必要がある.
セパレースセンサーを用いた中心子複製ライセンシング機構の解明

中心体は一対の母娘中心小体からなり、細胞周期ごとに一度だけ複製される。この時、母娘中心小体の解離が、中心小体複製のライセンシングシグナルとして働くことが明らかとなっている。母娘中心小体の解離は、プロテアーゼであるセパレースがコヒーシンを分解することで生じる。コヒーシン切断配列の両側に発色団を持つセパレースセンサーを用いると、セパレースの活性を蛍光の変化で観察できる。本研究ではこの系を用いて、ライセンシングシグナルに重要な遺伝子の同定と、その分子機構の解析を行った。その結果、ROCOファミリーキナーゼLRRK1が、キナーゼ活性依存的に母娘中心小体の解離を制御していることを明らかにした。中心体は一対の母娘中心子(中心小体)からなり、細胞内の微小管形成中心として重要な働きをしている。中心子は細胞周期ごとに一度だけS期に複製される。中心子の複製が過剰に起こると中心体数の異常につながり、細胞分裂(M)期に染色体分配が不安定化することが知られている。このため中心子複製は厳密に制御されている。これまでの研究から、M期中期から後期にかけ母娘中心子が解離し、これがS期複製のライセンシングシグナルとして機能していることが明らかとなってきた。実際、母娘中心子解離が早まった細胞では、中心子複製が過剰に起きる。母娘中心子は、染色体同様コヒーシンによってタイトな結合が維持されており、プロテアーゼであるセパレースがコヒーシンを分解することで解離を引き起こすと考えられている。コヒーシンの切断配列の両側にGFP(緑色に発色)とmCherry(赤色に発色)の発色団を持ち、N末端に中心体局在ドメインであるPACTドメインを融合したセパレースセンサーを用いると、中心体特異的なセパレースの活性を、蛍光の変化で観察することができる。本研究ではこの系を用いて、中心子解離(ライセンシングシグナル)に重要な遺伝子の同定とその分子機構の解析を行った。これまでLRRK1を恒常的に活性化させると、母娘中心子の解離が早まり、中心体数が過剰になることを明らかにした。またLRRK1をノックダウンした細胞では、母娘中心子の解離が遅延する。このようにLRRK1はキナーゼ活性依存的に母娘中心子の解離を制御していることを明らかにした。さらにセパレースセンサーを用いて、LRRK1が中心体におけるセパレースの活性に重要か検討したところ、LRRK1をノックダウンした細胞でセパレースの活性が遅延するとの予備的結果を得た。現在、LRRK1の標的分子の探索、LRRK1の活性化機構について解析を進めている。中心体は一対の母娘中心小体からなり、細胞内の微小管形成中心として重要な働きをしている。中心小体は細胞周期ごとに一度だけS期に複製される。中心小体の複製が過剰に起こると中心体数の異常につながり、細胞分裂(M)期に染色体分配が不安定化することが知られている。このため中心小体の複製は厳密に制御されている。これまでの研究から、M期中期から後期にかけ母娘中心小体が解離し、これがS期複製のライセンシングシグナルとして機能していることが明らかとなってきた。実際、母娘中心小体の解離が早まった細胞では、中心小体の複製が過剰に起きる。母娘中心小体は、染色体同様コヒーシンによってタイトな結合が維持されており、プロテアーゼであるセパレースがコヒーシンを分解することで解離を引き起こすと考えられている。本研究ではこの系を用いて、中心小体解離(ライセンシングシグナル)に重要な遺伝子の同定とその分子機構の解析を行った。昨年度までの解析から、LRRK1を恒常的に活性化させると、母娘中心小体の解離が早まり、中心体数が過剰になることを明らかにした。またLRRK1をノックダウンした細胞では、母娘中心小体の解離が遅延する。このようにLRRK1はキナーゼ活性依存的に母娘中心小体の解離を制御していることを明らかにした。これまでLRRK1が母娘中心小体をキナーゼ活性依存的に制御していることを明らかにした。このように中心体複製におけるLRRK1の重要性は確認できた。さらにセパレースセンサーを用いた実験から、LRRK1をノックダウンした細胞でセパレースの活性が遅延するとの結果を得ている。研究は期待通りに進展していると考えている。これまでの研究から、M期中期から後期にかけ母娘中心小体が解離し、これがS期中心小体複製のライセンシングシグナルとして機能していることが明らかとなっている。

母娘中心小体は、染色体同様、コヒーシンによってタイトな結合が維持されており、プロテアーゼであるセパレースがコヒーシンを分解することで解離を引き起こすと考えられている。コヒーシンの切断配列の両側にGFP(緑色に発色)とmCherry(赤色に発色)の発色団を持ち、N末端に中心体局在ドメインであるPACTドメインを融合したセパレースセンサーを用いると、中心体特異的なセパレースの活性を、蛍光の変化で観察することができる。本研究ではこの系を用いて、中心小体解離(ライセンシングシグナル)に重要な遺伝子の同定と、その分子機構の解析を行った。これまでの解析から、(1)LRRK1を恒常的に活性化させると、母娘中心小体の解離が早まること、(2)LRRK1を恒常的に活性化させた細胞では、中心体数が過剰になること、(3)LRRK1を恒常的に活性化させた細胞では、中心体におけるセパレースの活性が上昇すること、(4)LRRK1をノックダウンした細胞では、母娘中心小体の解離が遅延すること、を明らかにした。本研究から、LRRK1がキナーゼ活性依存的に母娘中心小体の解離を制御していることを明らかにした。中心体は一対の母娘中心小体からなり、細胞周期ごとに一度だけ複製される。この時、母娘中心小体の解離が、中心小体複製のライセンシングシグナルとして働くことが明らかとなっている。母娘中心小体の解離は、プロテアーゼであるセパレースがコヒーシンを分解することで生じる。コヒーシン切断配列の両側に発色団を持つセパレースセンサーを用いると、セパレースの活性を蛍光の変化で観察できる。本研究ではこの系を用いて、ライセンシングシグナルに重要な遺伝子の同定と、その分子機構の解析を行った。その結果、ROCOファミリーキナーゼLRRK1が、キナーゼ活性依存的に母娘中心小体の解離を制御していることを明らかにした。今後は以下の点に焦点を絞り解析を行っていく予定である。(1)LRRK1の下流で母娘中心子解離に機能する分子の同定我々はLRRK1がキナーゼ活性依存的に母娘中心子の解離を制御していることを明らかにした。そこでLRRK1の標的分子の同定を行う。これまで予備的な実験から、LRRK1がダイニン結合分子NDE1及びNDEL1をリン酸化することを見出している。またこれらの分子を、siRNAを用いてノックダウンすると、母娘中心子の解離が影響を受けることもわかってきた。そこでLRRK1の下流でNDE1またはNDEL1が母娘中心子解離に機能していないか検討する。(2)PP5によるLRRK1の脱リン酸化・不活性化の意義セリンスレオニンフォスファターゼPP5は、LRRK1のキナーゼドメインに存在するスレオニンを脱リン酸化することで、LRRK1の活性を負に制御していることを見出した。興味深いことにPP5をノックダウンした細胞では、母娘中心子の解離が早まり、中心体数が過剰になる。そこでPP5がLRRK1の活性化を制御することで、母娘中心子解離を制御していないか検討する。(1)LRRK1の下流で母娘中心小体解離に機能する分子の同定LRRK1がキナーゼ活性依存的に母娘中心小体の解離を制御していることを明らかにした。そこで前年度に引き続きLRRK1の標的分子の同定を行う。LRRK1の標的分子の候補として、ダイニン結合分子NDE1及びNDEL1を同定している。
「食品ロスダイアリー」による家庭系食品ロスの推計に関する研究

市町村が実施する「食品ロスダイアリー」の調査結果を利用して,家庭での直接廃棄や食べ残しなどの食品ロスを重量だけでなくカロリー・金額ベースで推計し,さらに既存の家庭系食品ロスに関する統計データと比較検討することによって,その利用可能性を検証する.また,既存の家庭系食品ロスに関する統計データの推計方法や,その基礎資料としている市町村のごみ組成調査を精査し,「食品ロスダイアリー」をもとに推計した数値と比較検討する。
前立腺癌小線源治療における尿道線量リアルタイムモニタリングと有害事象の予測

前立腺癌に対するシード治療において、尿道線量を正しく評価することは晩期に起こりうる尿道症状を予測する上で重要である。ファントムを用いた線量測定では、線量計算の方法によって線量体積ヒストグラムに違いが見られた。とくに、尿道線量は低中線量領域で平均5%の相違が見られた。この相違は、計画装置での線量率定数の処理方法のちがい、線源ごとの非等方性関数のちがいが原因と考えられた。測定の妥当性を評価することで正確な尿道線量の把握が可能になると考えられた。小線源治療はその特質として線源に隣接する組織には処方線量をはるかに大きく上回る線量が投与される。前立腺癌に対するI-125シード線源を用いた密封小線源治療において尿道や直腸近傍に高線量が投与されれば有害事象を生じる可能性は高い。通常、尿道線量は画像データを元に線量計算ソフトで算出した値を用いており、実測にて線量を正確に把握する方法は確立していない。尿道線量をリアルタイムに測定し正確に評価する方法の開発を目的とする。前立腺ファントムを作成し、Mickアプリケータを用いてシード線源を留置し、その後、CT画像を取得した。撮像した画像は、小線源放射線治療装置(VariSeed^<TM>、ユーロメディテック)で読み込み、線量計算を行った。前立腺ならびに尿道(前立腺の中心部分を尿道と仮想)の線量を算出した。また、線量計をファントム内の中心部分に挿入し、近位・中央・遠位の3点で線量を測定し、尿道の実測線量と定義した。測定した線量は単位時間当たりの線量値であるので計算線量とは乖離がある。測定した線量から単位時間当たりの照射線量を算出し、I-125の半減期・線源活性曲線から尿道の総線量を積算・算出することが解析には必要である。実測した数値とコンピュータでシミュレーションした数値を比較検討し、測定の妥当性を評価することで正確な尿道線量の把握が可能になり、有害事象の予測に役立つと考えられる。シード線源が留置できるファントムを作成し、シードを立体的に配置させた。その後、CT画像を取得し、撮像した画像は、小線源放射線治療装置(VariSeed^<TM>、ユーロメディテック)で読み込み、線量計算を行った。シードの配列された中心部分を尿道と仮想し、尿道全体の線量体積ヒストグラムを作成した。近位・中央・遠位の部位別に線量の計算を施行した。部位別に線量を解析することにより、実臨床における計画方法の改善に寄与できると考えられる。
人間の筋骨格インピーダンス特性のモデル化と福祉応用

本研究では,様々な作業における運動中の拘束条件に左右されない筋骨格系インピーダンスモデルをシステム・制御論の観点から構築することを目的とする.平成16年度は,作業条件・環境の変化に応じたインピーダンス調節能力について明らかするとともに,機械システムの設計へ応用することを目指し,以下の手順で研究を実施した.1.骨格筋の運動特性を単関節レベルで表現するために,骨格筋の収縮速度に依存した粘性の変化に着目した新しい関節インピーダンスモデルを提案し,それに基づいてヒトの手首関節のインピーダンス推定を行った.その結果,関節角速度が変化し始めると関節粘性を急激に減少することなどを明らかにした.2.次に,手先と関節のインピーダンスの関係を明らかにするために,両腕運動における手先インピーダンスの解析を試みた.その結果,手先インピーダンスが単腕と比較して大きさと方向性に違いがあることなどを明らかにした.3.運動を行いながら人間の手先インピーダンスを計測するために仮想スポーツシステムの構築を行い,作業条件や環境の変化において人間の手先インピーダンスをどのように調節するかを調べた.そして,環境の粘弾性に応じて手先粘弾性を作業中に自ら変化させていることなどを明らかにした.4.実システムへの応用例として,自動車の後突による乗員のネックインジャリーを効果的に低減するシートの機械インピーダンスの設計を試みた.そしてシートの粘弾性に対する人体の挙動の変化をシミュレートし,粘性がシート設計に重要な要素であることを明らかにした.さらに,実システムの設計目標に応じたインピーダンス設計法の方向性を示すことができた.5.4.のインピーダンス設計法に基づいて人間の運動特性を考慮した作業環境の設計を行った.そして,平成15年度に開発した実験装置が,設計した作業環境を極めて良好に実現可能であることを示した.本研究では,様々な作業における運動中の拘束条件に左右されない筋骨格系インピーダンスモデルをシステム・制御論の観点から構築することを目的とする.この筋骨格系インピーダンス特性のモデル化は,運動リハビリテーションなどの福祉応用を念頭においているため,運動中の手先インピーダンス特性の計測が非常に重要な要素となる.しかしながら,人間の多関節運動における手先インピーダンス計測は,実験環境や上肢姿勢によって極めて困難であり,そのような状況下でのインピーダンス解析を実験的に行うことは,ほとんど不可能である.そこで,平成15年度は,環境特性の変化に応じた運動中の手先インピーダンスを解析することを目指し,[1]任意の上肢姿勢と筋収縮レベルに応じて手先インピーダンスの予測が可能なインピーダンス・シミュレータを開発した.このシミュレータは,計測した手先インピーダンスをデータベースに持ち,指定された3次元的な上肢姿勢と関節活動レベルに対する手先インピーダンス特性を予測することができる.そして,その結果をコンピュータグラフィックスにより視覚的に提示し解析することが可能である.次に,環境特性の変化に依存した人間のインピーダンス変化を実験的に解析するため[2]リアルタイムで環境特性の変化が実現できる実験装置を開発中である.この装置は,DSPを搭載したサーボコントローラを用いて制御された1自由度ダイレクトドライブ型リニアモータ,可動部に6軸力・トルクセンサとハンドルを取り付け被験者の手先力と手先位置を高速に計測が可能となる.今後,開発したシミュレータ[1]と実験装置[2]を用いて,粘弾性が変化する環境における運動中の手先インピーダンス特性の解析を行う予定である.本研究では,様々な作業における運動中の拘束条件に左右されない筋骨格系インピーダンスモデルをシステム・制御論の観点から構築することを目的とする.平成16年度は,作業条件・環境の変化に応じたインピーダンス調節能力について明らかするとともに,機械システムの設計へ応用することを目指し,以下の手順で研究を実施した.1.骨格筋の運動特性を単関節レベルで表現するために,骨格筋の収縮速度に依存した粘性の変化に着目した新しい関節インピーダンスモデルを提案し,それに基づいてヒトの手首関節のインピーダンス推定を行った.その結果,関節角速度が変化し始めると関節粘性を急激に減少することなどを明らかにした.2.次に,手先と関節のインピーダンスの関係を明らかにするために,両腕運動における手先インピーダンスの解析を試みた.その結果,手先インピーダンスが単腕と比較して大きさと方向性に違いがあることなどを明らかにした.3.運動を行いながら人間の手先インピーダンスを計測するために仮想スポーツシステムの構築を行い,作業条件や環境の変化において人間の手先インピーダンスをどのように調節するかを調べた.そして,環境の粘弾性に応じて手先粘弾性を作業中に自ら変化させていることなどを明らかにした.4.実システムへの応用例として,自動車の後突による乗員のネックインジャリーを効果的に低減するシートの機械インピーダンスの設計を試みた.そしてシートの粘弾性に対する人体の挙動の変化をシミュレートし,粘性がシート設計に重要な要素であることを明らかにした.さらに,実システムの設計目標に応じたインピーダンス設計法の方向性を示すことができた.5.4.のインピーダンス設計法に基づいて人間の運動特性を考慮した作業環境の設計を行った.そして,平成15年度に開発した実験装置が,設計した作業環境を極めて良好に実現可能であることを示した.
人工ピンの分子ドーピングと結晶化制御による高機能超伝導薄膜ナノエンジニアリング

フッ素フリーMOD法を用いたケミカルドーピング法による超伝導薄膜形成において、Zrを5wt%添加すること及び、2ステップ熱処理により磁場中の超伝導臨界電流輸送特性が向上した。Zrを添加した超伝導薄膜中にBaZrO3ナノ粒子が形成されていることを高分解能透過型電子顕微鏡観察により確認した。超伝導薄膜を形成する希土類元素を2つ以上混晶化した(Gd,Dy)BCO、(Gd,Eu)BCO、および(Gd,Ho,Sm)BCO薄膜は、GdBCOのみと比べて高い臨界電流密度特性を示すことが分かった。また、GdBCO薄膜にHoを5mol%添加した薄膜において、臨界電流密度が向上することが分かった。平成25年度は、これまでの研究成果を基にしたケミカルドーピングによる超伝導薄膜のエンジニアリング技術により、超伝導薄膜中へZrを人工ピンとして導入する際の、Zr原料溶液濃度や熱処理パラメータが人工ピン形成に及ぼす影響について検討した。まず、人工ピンとして用いる金属オクチル酸Zr溶液濃度依存性について検討した。作製した膜をX線回折測定を行った結果、Zr溶液濃度が1wt%から5wt%においてはGdBCO超伝導相の結晶化には大きな影響を与えることはなかった。しかし、Zr溶液濃度が5wt%を超えると超伝導相は結晶化が難しくなり、10wt%では結晶化が見られなくなった。この結果から、Zr溶液濃度は5wt%が適していることが分かった。次に、Zr添加GdBCO薄膜形成における2ステップ熱処理パラメータについて検討した。ZrがBaZrO3を形成する温度である500-600°Cで第1ステップの熱処理を行い、続いてGdBCO超伝導相が結晶化する800°C以上で熱処理を行った。その結果、第1ステップを550°Cとすることにより、磁場中の超伝導臨界電流輸送特性が向上し、人工ピン形成に有効であることが分かった。これらのZrを添加した膜を高分解能透過型電子顕微鏡および電子線回折測定により観察した結果、超伝導薄膜中に、BaZrO3ナノ粒子が形成されていることを確認した。これらの結果は、添加したZrはBaZrO3粒子として形成させることを示している。また、新たに超伝導薄膜を形成する希土類元素を2つ以上混晶化することにより、超伝導特性が著しく向上することを見出した。平成26年度は、酸化物高温超伝導体薄膜の電流輸送特性の高特性化を目指して、フッ素フリー有機金属塗布法(FF-MOD法)を用いて人工ピンドーピングのための希土類元素添加効果、およびREBCO薄膜においてREである希土類を2種類とした希土類元素混晶化効果について研究を行った。まず、添加用希土類元素としてHoについて検討した。HoをGdBCOに対して1-10mol%添加したところ、3-5mol%添加により超伝導相の結晶化に対して顕著な促進効果が見られた。また、薄膜表面の平坦性や充填率の向上についても効果が見られた。また、Ho5mol%添加により臨界電流密度が1.7倍に向上し、磁場中の輸送特性の指標であるアルファ値も低い値を示した。また、Hoに加えて同時にZrを1mol%添加したところ、臨界電流密度やアルファ値の改善に効果が見られた。(Gd,RE)BCOにおける希土類混晶化効果について、REとしてDyとSmについて調べた。その結果、Dyを20%から80%混晶化することにより安定して1MA/cm2以上の高い臨界電流密度を有する薄膜作製が可能であることが明らかとなった。また、Smを30%混晶化した超伝導薄膜において結晶配向性の向上が明らかとなった。さらに26年度は超伝導薄膜の厚膜化について予備的な実験を進めた。その結果、通常のFF-MOD法に加えて、液相を用いた薄膜形成法を用いることにより臨界電流特性を維持したまま、約2倍の厚膜化に成功した。次年度はこの新規な方法についても引き続き検討する予定である。平成27年度は、酸化物超伝導体薄膜の電流輸送特製の高特性化を目指して、フッ素フリー有機金属塗布法(FF-MOD法)を用いて、引き続き希土類元素添加効果、26年度に得られた、希土類元素としてGdにHoを添加することに得られた特性向上に関する結果を基に、(Gd,Ho)BCOをベースに新たに希土類元素を追加した3元希土類混晶化効果、さらには厚膜化のために液相を用いた新規FF-MODプロセスについて検討を行った。希土類元素としてLaを3mol%添加した膜は、La添加前の膜と比べて約2.5倍のXRDピーク強度を示しGdBCO超伝導相の結晶化の促進に効果があることがわかった。また、薄膜組織の充填率の向上にも効果が見られた。Jc-B特性については、臨界電流密度が2MA/cm2以上となり、添加前と比べて2倍近く特性が向上した。また、(Gd,Ho,RE)3元混晶化膜としてRE=Smとした(Gd,Ho,Sm)BCOでは、臨界電流密度が(Gd,Ho)BCOと比較して自己磁場JCおよび磁場中特性の改善がみられた。さらに、超伝導体膜の厚膜化を目指した新規プロセスとして、液相成長プロセスをMODプロセスと組み合わせた新規プロセスを検討し、予備的な結果ではあるが、臨界電流密度を維持したまま2倍以上の厚膜化に成功した。

フッ素フリーMOD法を用いたケミカルドーピング法による超伝導薄膜形成において、Zrを5wt%添加すること及び、2ステップ熱処理により磁場中の超伝導臨界電流輸送特性が向上した。Zrを添加した超伝導薄膜中にBaZrO3ナノ粒子が形成されていることを高分解能透過型電子顕微鏡観察により確認した。超伝導薄膜を形成する希土類元素を2つ以上混晶化した(Gd,Dy)BCO、(Gd,Eu)BCO、および(Gd,Ho,Sm)BCO薄膜は、GdBCOのみと比べて高い臨界電流密度特性を示すことが分かった。また、GdBCO薄膜にHoを5mol%添加した薄膜において、臨界電流密度が向上することが分かった。当初目的であった溶液法を用いた超伝導薄膜のナノエンジニアリングにおける人工ピンドーピングについて研究を進め、超伝導特性向上に対して2種類以上の希土類を混晶化することにより超伝導特性、特に電流輸送特性が向上することを明らかにし、また再現性向上に効果のある希土類元素について明らかにした。超伝導体薄膜材料26年度は新たに超伝導薄膜の厚膜化について予備的な実験を進めた。その結果、液相アシスト有機金属塗布法の可能性を新規に見出した。本方法は、超伝導薄膜の高特性化に大きく貢献できる方法であると考えられるので、次年度は、本方法の基礎検討を進めつつ、超伝導薄膜の更なる高特性化とナノ構造解析に加えて注力したい。平成25年度に検討を予定した項目は2つあり、1つは添加する人工ピン原料としてのZrについて、Zr濃度が超伝導相の結晶化および超伝導特性に及ぼす影響について調べることである。これについては、Zr添加濃度と超伝導相の結晶化および成長について明確にし、最適なZr濃度が存在することを明らかにした。また、2つ目は、人工ピン添加超伝導薄膜の熱処理において2ステップ熱処理パラメータを検討することである。これについては、第1ステップの熱処理として、BaZrO3が結晶化する温度付近の温度で熱処理を行った後、超伝導相が結晶化する高い温度に上げて熱処理することにより、磁場中超伝導特性が向上することを明らかにしており、研究計画は順調に進展してる状況にあると判断できる。前年度末、新たな研究成果が出たため研究発表のため旅費として100,000円を前倒し請求した。2055円は旅費清算後の残額である。今年度の研究により、Zrが人工ピンとしてBaZrO3を形成することを見出したが、その分布形態に付いて明確になっていない。次年度以降、これについてはより詳細に各熱処理時にどのようなナノ組織が形成されているか、高分解能観察を進めることにより人工ピン形成過程について明らかにする。また、25年度末に見出した希土類元素混晶化の効果について、どのような元素をどのような比率で混晶化すればよいのか、またそのメカニズムについて詳細に検討を進めていく方針である。前倒し請求分の残りであるので、今年度旅費に充当する予定である。超伝導薄膜作製用に通常使用しているLaAlO3基板の使用数が、実験プロセスを見直すことにより当初予定枚数より約60枚程度少なかったため。次年度は新たに超伝導薄膜の希土類元素混晶化について追加実験として取り組むことを計画しているため、使用する基板数が当初予定より増加する見込みであり、この基板の購入に充当する予定である。
3次元に拡がる超音速プラズマ流による衝撃波の実験的研究

本研究課題は高密度プラズマ中に別に3次元に拡がる超音速プラズマを発生させることによって宇宙に於ける衝撃波特に太陽磁気圏とよばれる構造を実験室に再現することにある.その存在は宇宙線の高エネルギ-成分の強度の変調によって地上観測として推定されているに過ぎず、その本当の姿は全くわかっていない状態にある.本年度は次の成果をあげることができた.(A)太陽系に対して相対的に超音速で流れてくる星風と呼ばれるブラズマ流は銀河系磁場によって磁化されいてるが近年そのAlfvenマッハ数MAが1よりも小さいことが推察されている。これまでにMHD数値シミュレ-ションによってMAが1よりきわめて大きい場合の例が示されたことがあるがMAが1以下の場合についてはジャイロ半径が小さくその計算がきわめて困難なためその例がない。本実験によって得られた結果は次の重要な事実を示した。MAが1より大きい場合はショックの接触面は放物面となるが、MAが1より小さい場合は接触面がクチバシ状になることがわかった。(B)また、2つの超音速プラズマ流の衝突によって生ずる衝撃波の構造をコマ撮り写真を用いて測定し、接触面および内部ショックの時間形成過程を解明した。重要な結果のひとつは、それらに3つの状態が存在することがわかった点にある。最初にプラズマが拡がっていく状態があり、そのあと定常状態、そして磁場がショックの接触面を越えて太陽磁気圏内に侵入していく状態が観測された。この時間過程をビデオに編集し連続投影することをおこなった.本研究課題は高密度プラズマ中に別に3次元に拡がる超音速プラズマを発生させることによって宇宙に於ける衝撃波特に太陽磁気圏とよばれる構造を実験室に再現することにある.その存在は宇宙線の高エネルギ-成分の強度の変調によって地上観測として推定されているに過ぎず、その本当の姿は全くわかっていない状態にある.本年度は次の成果をあげることができた.(A)太陽系に対して相対的に超音速で流れてくる星風と呼ばれるブラズマ流は銀河系磁場によって磁化されいてるが近年そのAlfvenマッハ数MAが1よりも小さいことが推察されている。この時間過程をビデオに編集し連続投影することをおこなった.
自然環境下におけるスケトウダラの遊泳姿勢角度の高精度計測手法の開発

ターゲットストレングス(TS)は、計量魚群探知機やソナーでスケトウダラの資源量を見積もる際の最重要パラメータである。TSは、スケトウダラの遊泳姿勢角度により大きく変動するためその資源量推定を左右する。しかし、これまで技術的な困難さからスケトウダラの遊泳姿勢角度の計測はない。そこで本研究では、本種の現存量推定精度向上に資するために、加速度データロガーを用いて遊泳姿勢角度を直接計測した。実験は2005年3月16-27に実験水槽内でおこなった。スケトウダラ6個体(平均体長:45.3cm)の腹腔内にデータロガーを装着し約3日間にわたり遊泳姿勢を測定した。結果、遊泳中の個体ごとの平均遊泳姿勢は-6.2度から3.75度(-が長軸方向下向き、+が長軸方向上向き)であり、ほぼ水平を示した。最大遊泳姿勢角度は-75.4度から-66.9度であった。また、夜間に比べて昼間にやや上向き角(平均角度差:7.2度)であった。以上の結果より、閉鎖空間である水槽で得られたものであるが、本手法を用いた遊泳姿勢角計測の有効性が示された。今後、回収方法を考案し、フィールドでの実証実験を重ねることにより、本種の自然状態での遊泳姿勢角推定が可能となることが予想される。本調査の前に、長期間かつ高精度の測定を目的としたデータロガーの装着方法の確立、装着による個体への影響、そして装着後のデータロガーの脱落の有無を明らかにするために装着予備実験を行った。装着方法は、データロガーの装着により装着個体の行動へ及ぼす影響が最も少ないとされる腹腔内と胃内への挿入を検討した。本調査で使用する加速度データロガー(D2GT,空中重量:17.5g,水中重量:7.72g(海水),直径:2cm,長さ:5cm)と同様のダミーロガー(空中・水中重量,直径,長さ共にD2GTと同様)を作成し、2005年2月7日にスケトウダラ8個体(平均尾叉長:45.25cm)にダミーロガーを腹腔内と胃内それぞれ4個体ずつに装着して実験水槽で約1ヶ月間にわたって長期飼育を行った。腹腔内挿入は、排泄腔前部に体軸にそって切れ目を入れダミーロガーを挿入し、生体用縫合糸で縫合した。また、胃内挿入は口頭より挿入棒を使用して胃内に挿入した。装着数時間後は装着の影響が見られたものの、1日後からは装着の影響と思われる異常な行動は見られなかった。装着後5日目、2個体で胃内に挿入したダミーロガーを吐き出し脱落したが、残り2個体では1ヶ月経過したのちも脱落のする事はなかった。また、腹腔内の挿入状況を確認するため装着後1週間で2個体から腹腔内のダミーロガーを回収し経過をみたが、縫合が解ける事もなく装着に関して問題は見られなかった。腹腔内挿入の残り2個体では1ヶ月経過後も腹腔内から脱落することはなかった。以上の結果から、本調査でのデータロガー装着方法は、長期間脱落が無く個体への影響がより少ない腹腔内への挿入方法を採用する。本調査は、2005年3月下旬より行う予定であり、現在準備を行っているところである。
光ルータ用シリコン光集積回路の開拓

ペイロード部分を光のままでルーティング処理する光ルータを構成することを最終目標として,波長変換器,波長選択光スイッチ,経路切替用光スイッチなどの機能素子をシリコン光回路プラットフォーム上で開発することを目的として研究を行った。成果として,波長変換器に必要な光アイソレータを,シリコン導波路上に磁気光学ガーネットを直接接合することによって製作し,TEモード動作,2060°Cの温度範囲で温度によらない一定の阻止特性を実現することに成功した。さらに,光の波長ごとに経路選択する波長選択光スイッチ,自己保持動作を可能とする磁気光学光スイッチの動作実証を行い,光ルータ実現の基礎を構築した。光信号をルーティング処理する光ルータを構成するために必要なシリコン光集積回路の開発を進め、光ルータ実現の基礎を構築することが本研究の目的である。光ルータに必要な機能をシリコンプラットフォーム上で実現するため、プラズマ処理による表面活性化接合による異種材料集積技術を確立し、光ルータに必要な光回路を製作する。本研究では、(1)光信号のルーティング処理に必要な波長変換器、(2)波長スイッチ、光バッファなどの光信号ルーティング機能、(3)波長変換器、光信号ルーティングデバイス等を集積した光信号ルーティング回路の実現を目指している。平成26年度では、光ルータ機能に必要な波長変換器、波長スイッチ、光バッファなどの個々の光回路の開拓を目的として研究を行った。主な成果は、次のとおりである。(1)波長変換器:波長変換器を構成する光アイソレータとTE-TMモード変換器を集積化し、光アイソレータとTEモード動作の能動素子との集積化の目途を得た。今後は、光アイソレータの低損失化と半導体光増幅器の形成に必要な化合物半導体GaInAsPをSi上に接合した後に、光アイソレータに必要な磁気光学ガーネットを接合する技術を開拓する必要がある。(2)波長スイッチ:1550 nm波長帯において、複数の波長信号に対して波長ごとに経路を選択するスイッチ機能を実現するために、波長選択スイッチを検討した。波長合分波器としてアレイ導波路格子とマイクロリング共振器を、経路切替えスイッチとして熱光学効果を用いた光スイッチを構成要素として検討し、on/off比9 dB、波長間隔8 nmの4チャネル波長選択スイッチの動作実証に成功した。光ルータを構成するために必要なシリコン光集積回路の開発を進め,光ルータ実現の基礎を構築することが本研究の目的である。光信号のルーティング処理に必要な要素デバイスの実現とこれを集積する技術の開拓を目指している。(1)波長変換器を構成する光アイソレータの温度無依存動作を実現するために,磁気光学材料Ce:YIGの屈折率及び磁気光学ファラデー回転係数の温度係数を測定によって明らかにした。さらに,その結果を用いて,2060°Cの温度範囲において重要な逆方向伝搬阻止特性が温度に依らず一定となるシリコン導波路形光アイソレータを実現した。今後は、半導体光増幅器の形成に必要な化合物半導体GaInAsPをSi上に接合した後に、光アイソレータに必要な磁気光学ガーネットを接合する技術を開拓する必要がある。(2)マイクロリング共振器を合分波器として用い,熱光学マッハツェンダ干渉導波路形光スイッチを経路切り替えスイッチとして用いた波長選択スイッチの損失要因を明らかにした。さらに,挿入損失を低減するために適した新しい構造の波長選択スイッチ構造を考案した。マッハツェンダ干渉計の干渉導波路間を,マイクロリング共振器を介して特定の波長チャネルだけが結合する構造と1対の移相器を配置し,移相器のon/offによって所望の波長のみを経路選択する原理で動作する。今年度は,スイッチ特性を実現するために必要な要素部品の要求特性を明らかにした。今後,このスイッチを試作し,ルーティング処理に適した性能の実現を目指す。(3)磁気光学ガーネット単結晶上にアモルファスシリコン導波路を形成し,これを用いて磁気光学導波路形光スイッチを実現した。この構造は,自己保持動作に発展可能なデバイス構造であり,ルータの経路選択時以外には制御用の電力消費を必要とせず,ルータの消費電力低減に有効である。当初計画していたルーティング要素デバイスの基本的な特性実現と,性能改善についてほぼ順調に進捗している。特に、波長変換器を構成する際に必要な逆方向伝搬光を阻止する光アイソレータについて、これまで実現されていなかった温度無依存動作を実現し,熱発生源となる光能動デバイスと組み合わせて用いる光アイソレータにとって,重要な特性が実現できたと考える。また、波長を選択して経路切替えを行う波長選択スイッチについても、挿入損失の低減と選択波長の経路選択動作の両立が可能なデバイス構造を見出すことができた。さらに,光信号の経路切り替えに必要な光スイッチについて,ルータの消費電力低減に有効な自己保持型光スイッチにつながる磁気光学光スイッチをアモルファスシリコン導波路で実現することができ,個別要素デバイスの開発について順調に進捗していると判断する。光ルータに必要な光信号処理回路を実現するために,必要な光デバイスをシリコン光回路上に実現し,光デバイス集積を検討することにより,ワンチップ光ルータ実現の基礎を確立することが本研究の目的である。本年度は,特に,波長選択スイッチ,経路切替え用光スイッチ等の光信号のルーティング機能の実現に必要な光デバイスの特性改善を進めた。(1)波長選択スイッチ:複数の波長信号に対して波長ごとに経路を選択するスイッチ機能を実現するために,マッハツェンダ干渉導波路中に波長選択移相器を挿入する新規デバイス構造を考案した。

このデバイス構造は,従来のリング共振器と熱光学スイッチを組み合わせた構成に比べて挿入損失を低減することができる点に特徴がある。波長1550 nm帯で動作するデバイスを製作し,低損失な波長選択スイッチ動作の実証に成功した。(2)光スイッチ:光信号の経路切替えに用いる磁気光学スイッチの特性改善を進めた。その結果,波長1550 nmにおいて消光比11.7dBの特性を実現することができた。このスイッチは電流駆動で切替え経路を設定するが,磁気記録材料を組み合わせることによって,経路切替え時以外には外部駆動電力を必要としない自己保持動作が可能となり,光ルータの低消費電力化につながる。(3)磁気光学デバイスの低損失化と光デバイス集積化:前年度までに特性改善を進めた光アイソレータについて,最後の課題となっている挿入損失の低減を検討した。その結果,シリコン導波路構造の工夫と磁気光学材料を必要とする部分を限定して局所的に磁気光学ガーネットを接合する方法を開拓し,低挿入損失化に成功した。これは,光ルータに必要な磁気光学デバイスを光回路上に集積化することを可能にする成果である。ペイロード部分を光のままでルーティング処理する光ルータを構成することを最終目標として,波長変換器,波長選択光スイッチ,経路切替用光スイッチなどの機能素子をシリコン光回路プラットフォーム上で開発することを目的として研究を行った。成果として,波長変換器に必要な光アイソレータを,シリコン導波路上に磁気光学ガーネットを直接接合することによって製作し,TEモード動作,2060°Cの温度範囲で温度によらない一定の阻止特性を実現することに成功した。さらに,光の波長ごとに経路選択する波長選択光スイッチ,自己保持動作を可能とする磁気光学光スイッチの動作実証を行い,光ルータ実現の基礎を構築した。当初計画していた異種材料の接合について、ほぼ目的どおりの成果が達成されている。すなわち、磁気光学ガーネット及びIII-V族化合物半導体を、プラズマ活性化接合法によりシリコン導波路上に直接集積することに成功している。この異種材料接合技術を利用して、ルーティング回路を構成する個別の光回路素子についても検討を開始している。特に、波長変換器を構成する際に必要な逆方向伝搬を阻止する光アイソレータについて、これまで実現されていなかったTEモード光に対する動作の実現と動作波長範囲の広帯域化を達成している。これらは、波長変換に必要な光学活性層がTEモードで動作するためにその動作モードに対応することと、光学利得の波長範囲を有効に利用するために必要な特性であり、波長変換器用のデバイスとして必要な所期の動作を実現することができた。また、波長を選択して経路切替えを行う波長選択スイッチについても、選択波長のスイッチング動作を達成している。波長変換器に適用するために、光アイソレータの挿入損失の低減を図る必要がある。磁気光学ガーネット材料のアニール処理による光吸収低減,導波路構造の最適化及び適切なクラッド層装荷によってこの課題の解決を図る。波長選択スイッチについては、挿入損失の低減が重要課題である。
画像解析法による粒子濃度計測と混合気形成過程解析への適用

各種燃焼装置での高効率・低公害に対する貢献は燃焼機器内での可燃混合気の形成過程の最適制御が課題であり、加えて噴霧燃焼場の解析に不足している情報としても時系列的な混合気形成が要求されている。これら混合気形成過程情報の把握には可視化法が最適であるが、絶対値評価法が未解決のために実機での解析にはさらに基礎研究が必要とされている。本研究ではArおよびHeーNeレ-ザを光源とするレ-ザシ-ト法により噴霧の任意断面を可視化し、画像解析法により局所の空間粒子密度を定量化した。即ち、CT画像解析法、レ-ザ-回折式時系列粒度分布測定器、位相検出型LDV(PLDV)の活用により粒子数、粒子径、粒子速度の時系列測定を同時測定し、画像解析法による粒子空間密度の評価法を確立することを目的とした。以下に成果をまとめる。1.レ-ザシ-ト法による流動噴霧の可視化と粒子濃度の測定法:混合気形成の時系列測定及び非燃焼・高圧流動場測定で混合気形成過程を可視化するための2波長レ-ザシ-ト法を確立した。これによって任意断面の情報を任意時間に得ることが可能となった。2.粒子濃度の定量化:(1)画像解析装置、(2)レ-ザ-回折法、(3)PLDV法により定常噴霧状態における粒子濃度の定量化法の比較検討行った。平均的濃度の測定は可能であるが局所濃度の定量化は困難である。3.高圧流動場における混合気形成の可視化:上記基礎実験を踏まえてエンジン内を模擬する高圧流動場における定常・非定常噴霧の混合気形成過程の時系列特性の可視化法に着手した。高解像度CCDカメラにより高速現象の可視化画像をVTRに一旦収録後、フレ-ムスキャンコンバタを介してコンピュ-タに転送する手法を開発した。