ROSE - Ibaraki University Academic Repository

藤林, 稜

小林, 一輝

佐藤, 友架

渡邊, 將司

Japanese

小学校体育におけるベースボール型スポーツ 「ベースボール5」の試み

堀口, 育男

ホリグチ, イクオ

『【天保六未】上野乃國記行』翻刻

岩佐, 淳一

鈴木, 敦

コロナ禍における地域連携PBL 授業(5) ― 個人レポートに見る「学び」とその特徴 ―

千葉, 真由美

関, 沙耶香

生井, 雅久

宇野, 伶香

鈴木, 孝明

歴史を体験する授業の実践 ― 小学校第６学年の検地実践から ―

三枝, 幹雄

茨城大学・理工学研究科（工学野）・教授
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
基盤研究(C)（一般）
2022～2019
固有振動を利用した広帯域大電力ミリ波帯高速スイッチの開発
Development of broadband high power millimeter wave fast switching device using 
natural vibrations
１０２９２４７６研究者番号：
三枝　幹雄（Saigusa, Mikio）
研究期間：
１９Ｋ０３７８９
年 月 日現在  ５   ６ ２６
円     3,400,000
研究成果の概要（和文）：核融合プラズマの電子サイクロトロン電流駆動によるMHD不安定性抑制に有効な、大
電力ミリ波帯高速スイッチの開発を行なった。その原理は円形コルゲート導波管で３角形のリングを作り、入出
力部のX字導波管にはC面カットサファイアハーフミラーを設置し、60度マイターベンド部の反射鏡を高速振動さ
せ、ミリ波出力を高速に切り替える。まず、反射鏡をスピーカーと同じ原理の小型振動発生器で振動させ、300 
Hzまでの切替えを確認した。次に４個の積層圧電アクチュエータで直径108mm厚さ2 mmの反射鏡を固有振動周波
数付近で振動させ、170 GHz帯の低電力ミリ波を3.4 kHzの高速で切り替えた。
研究成果の概要（英文）：An electron cyclotron current drive (ECCD) is useful tool for controlling 
MHD instabilities with pulse modulated gyrotron operations. Several types of fast directional switch
 (FADIS) using frequency modulation were proposed for improving a stabilizing efficiency of MHD 
instabilities. However, the optimized operation of high power gyrotron demands the specified 
start-up scenario for suppressing mode competitions, so that the pulse modulated operation and the 
frequency modulation should be avoided. 
A new fast directional switch for high power millimeter waves using a natural vibration of a 
reflector was proposed for an electron cyclotron current drive system of a fusion experimental 
reactor. The principle is the triangle ring resonator of circular corrugated waveguides with a 
vibration reflector driven by four piezoelectric actuators around the natural frequencies. The 
switching frequency was obtained up to 3.4 kHz at a millimeter wave frequency of 170 GHz in low 
power test.
研究分野： 核融合プラズマ理工学
キーワード： 核融合　新古典ティアリングモード　電子サイクロトロン電流駆動　ジャイロトロン　高速スイッチ　
ミリ波
  ３版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
トカマク型核融合炉の閉じ込め性能を劣化させる不安定性の一つに新古典ティアリングモードがある。モードの
抑制には、磁気島中心への局所的な電子サイクロトロン電流駆動が有効であるが、磁気島は数kHzで高速回転し
ており、従来はこれに同期してミリ波源であるジャイロトロンをデューティ50%でon/offすることでモードを抑
制してきた。しかしジャイロトロンの立ち上げ時に磁場と高圧電源のヒステリシスを利用したモード競合の抑制
が高効率運転には有効であり、高速のon/off制御は適さない。今回開発した固定周波数の高速スイッチがあれ
ば、２アンテナ間を高速切替することで従来の２倍の安定化効果が期待できる。
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
 
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９（共通） 
 
１．研究開始当初の背景 
トカマク型核融合炉ではプラズマ圧力の上昇により新古典ティアリングモード(NTM)の発生と閉じ込
めの劣化が予測されており、その安定化には磁気島内部への局所的な電子サイクロトロン電流駆動
(ECCD)が有効である事が理論と実験で確認されている[1]。安定化効率は磁気島の O 点に電流駆動
する場合が高く、X 点に電流駆動すると逆に不安定になる。この磁気島は数 kHz-数十 kHz で高速回
転している為、従来はミリ波の電子発振管であるジャイロトロンの高圧電源を高速で on/off 制御する
事で O 点付近の電流駆動を実現してきた。しかし、ドイツのシュツットガルト大学とロシアの応用物理
学研究所の共同研究グループは、反射型回折格子と複数の反射鏡を組み合わせた大電力ミリ波帯ス
ィッチを開発し、ジャイロトロンの周波数変調で近接する２周波数（数十 MHz 程度）を高速に切り替える
ことにより、電磁ビームの高速切替えに成功した[2]。これにより２つのアンテナ間で高速で切替えれば
常に磁気島 O 点への入射が可能になるが、周波数変調によるジャイロトロンの発振効率の低下が避
けられなかった[3]。 
一方、近年トカマク型核融合炉の ECCD システムでは、様々な磁場配位に対応した複数周波数で
の発振が求められており、ドイツのマックスプランク研究所の ASDEX-U では 105 GHz と 140 GHz、量
子科学研究開発機構の JT-60SA の２周波数ジャイロトロンでは 110 
GHz と 138 GHz で出力 1 MW, 100 秒が報告されており、それに伴っ
て広帯域伝送システムが必要となっている[4]。 
本代表者のグループは、通信用光スイッチの原理を応用し
た周波数変調型大電力ミリ波高速スイッチを独自に提案・設
計・製作し、低電力での広帯域特性試験および大電力での耐
電力試験を行ってきた[5]。図１に我々が開発した高速スイッチ
の原理を示す。円形コルゲート導波管から入力された HE11 モ
ードの高周波 P は、共振しない周波数では出力１から P2 が、
共振周波数では出力２から P4 が出力される。共鳴周波数の周
期Δf は c/L で与えられる（L: リング共振器の周長、c: 真空中
の光速）。Δf はジャイロトロン発振開始時の共振空洞の熱膨
張による周波数変動(約 200̃300 MHz)以上が望ましく、試作器
の共振周波数周期は約 460 MHz と世界最高値を達成した
[5]。次に、リング共振器の共振周波数の温度依存性を利用
し、切り替え周波数の調整機能を付加し、図２に示すように大
電力試験により明確な切り替えを確認した[6]。さらに、周波数
変調を用いない振動鏡による高速切り替えスイッチを提案し、
図３に示すように小型振動発生器により２枚のミラーを同期さ
せて振動させることでリング共振器の周長を変化させ 600 Hz
までの切り替えを確認した。ただ、通常の振動機構では非常に
大きな加速度を必要とするため、kHz オーダーの切り替えが困
難であることが明確となった。また、振動鏡の冷却と導波管内
の真空保持の構造設計が困難なことが判明した。 
そのため本研究では、機械的共振により振動鏡の振幅が共振の Q 値倍になることを利用し、世界
で初めて振動鏡の固有振動を用いた数 kHz の高速切り替えが可能な高速スイッチの開発を目指し
た。 
 
 
 
 
  
 
図２ 温度制御による切り替え特性 
 
図３ ２振動鏡による固定周波数での切り替え試験 
 
図 1 高速スイッチの原理 
 
２．研究の目的 
世界で初めての固定周波数型大電力ミリ波帯高速スイッチをトカマク実験の使用に耐えるレベルま
で完成させることが目的である。この研究の独創性は、マイターベンドを複数組み合わせたリング共振
器を、金属ブロックに３本の円形コルゲート導波管の溝を切ることによりコンパクトで安価に実現してい
る点である。共振周波数の周波数間隔は c/L で決まるため、周長の短いリング共振器程、共振周波
数間隔を大きくでき、立ち上げ時の共振空洞の熱膨張に伴う周波数の低下（200-300 MHz 程度）の影
響を受けない点でドイツ方式より優れている。またドイツの方式では、回折格子の 0 次回折波と 1 次回
折波をビームスプリッターに用いているため狭帯域であるが、本研究グループのハーフミラーによる分
離方式は原理的に広帯域である。また、本研究グループが世界で初めて開発した精密な温度制御に
よるリング共振周波数の調節方式は、ジャイロトロン毎にばらつく発振周波数の 200 MHz 程度の違い
を補うのに最適な技術である。今回は通常の９０度ベンドではなく６０度ベンドを採用することにより、損
失が大きい反射面の数を減らすことができ、１個あたりの回折損の増加分を考慮してもトータルで損失
低減が期待される。 
 
３．研究の方法 
（１）周波数変調を必要としない大電力ミリ波帯高速スイッチには、マイターベンド部に高速振動する
反射板を駆動部を含む固定器具が必要である。その振動周波数の上限を ITER で予想される NTM の
周波数帯である数 kHz に引き上げるため、共振を利用して振幅を増すために固有振動を利用する。 
（２）高速スイッチを大電力で使用するために必要な冷却が可能な振動鏡を設計・製作する。 
（３）量研那珂研究所との共同研究で 170GHz 帯ミリ波を用いた低電力試験で高速切り替えの確認
を行う。 
（４）量研那珂研究所が ITER 計画の中で担うジャイロトロン開発・制作・調整運転計画の中で可能
であれば、170 GHz,1 MW ジャイロトロンを使った大電力試験を、量研那珂研究所との共同研究で実施
する。ただし、ハーフミラーの冷却がサファイア製では不十分なのでパルス幅の上限は 100 ms とす
る。（将来的にはジャイロトロンの出力真空窓と同じダイヤモンド製のハーフミラー採用で長パルスも可
能） 
 
４．研究成果 
（１）ハーフミラーの電力反射率測定 
 入出力部の十字円形コルゲート導波管内に設置する C面カットサファイアハーフミラーを製
作し、その電力反射率測定を行なった。C面カットサファイアハーフミラー(直径:99.8±0.1 
mm, 仕様厚さ 0.97 mm)の透過・反射測定を、周波数特性を 169.5 GHz - 170.5 GHz において測
定した。図４にハーフミラーの電力反射率を評価するための測定系を示す。仕様厚さ 0.97 mm 厚
のサファイアハーフミラーはこの範囲での周波数依存性は大きくなく、平均電力反射率は約
56％であった。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図４. ハーフミラーの電力反射率測定系 
 
 
 
 
 
 
 
Half Mirror 
 
 
（２）高速スイッチの周波数測定 
 高速スイッチの周波数特性を 169.5 GHz-170.5 GHz の周波数帯域で測定した。図５に測定試
験系を、図６に P2 出力、図７に P4出力の周波数特性を示す。測定帯域内の共振周波数は、
169.895 GHz、170.46 GHz であった。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図５ 切り替え特性の測定系 (P4 測定時) 
 
図６ 振動鏡装着時の P2出力の周波数特性 
 
図７ 振動鏡装着時の P4出力の周波数特性 
 
（３）高速スイッチの切り替え測定 
直径 108 mm 厚さ 2 mm のアルミナ分散強化銅製振動鏡を４本のアクチュエータで固有振動周
波数付近で振動させ、共振周波数 169.895 GHz、170.46 GHz で測定した P2出力の時間変化を図
８に示す。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
図９に振動鏡装着時の P4出力の時間変化を示す。図のように、P4 出力に関して 3.4 kHz で振幅
変調度 33％を達成した。また、振動鏡を直径 103mm に小型化しアクチュエータ２本を用いた場合に
は、P4 出力 1.54 kHz で約 60％の振幅変調度を達成した。 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
（４）今後の課題と展望 
 大電力試験を目指したが、アクチュエータが水冷した際動作しなくなり行えなかった。防水アクチュエ
ータの開発が必要である。また、ITER での NTM の周波数は 1 kHz 以下との予想もあり、アクチュエー
タ 12 本なら固有振動を用いず直接駆動することも十分可能である。 
 
<引用文献> 
[1] H. Zohm et al., Nucl. Fusion 39 (1999) 577. 
[2] W. Kasparek et al., Nucl. Fusion 48, 054010 (2008). 
[3] K. Sakamoto, et al., Nat. Phys., 3, 411 (2007). 
[4] T. Kobayashi et al., Proc. of 25th IAEA Fusion Energy Conf., FIP/2-2Rb (2014). 
[5] M. Saigusa et al., Fusion Eng. and Des., Vol. 88, pp. 964-969 (2013). 
[6] M. Saigusa et al., Fusion Eng. and Des., Vol. 123, pp. 385-389 (2017). 
 
(a) 169.895 GHz                         (b) 170.46 GHz 
図８ 反射鏡振動時の P2出力の時間変化 
 
(a) 169.895 GHz,                            (b) 170.42 GHz 
図９ 振動鏡振動時の P4出力の時間変化 
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計1件（うち査読付論文　1件／うち国際共著　0件／うちオープンアクセス　0件）
2021年
〔学会発表〕　計8件（うち招待講演　0件／うち国際学会　2件）
2021年
2021年
2020年
 ２．発表標題
 ２．発表標題
 ２．発表標題
2021年プラズマ・核融合学会 年会
2021年電気学会東京支部茨城支所研究発表会
第37回プラズマ・核融合学会年会
 ３．学会等名
 ３．学会等名
 １．発表者名
 １．発表者名
 １．発表者名
村山岬、飯田大智、鈴木拓実、工藤遼太、三枝幹雄、梶原健、池田亮介、中井拓、矢嶋悟
 ４．発表年
 ４．発表年
飯田大智、横山花奈、村山岬、前中拓夢、三枝幹雄、 梶原健、池田亮介、中井拓、 矢嶋悟、新屋貴浩、高橋幸司
周波数変調が必要ない170 GHz帯大電力高速スイッチの開発
 オープンアクセス  国際共著
オープンアクセスではない、又はオープンアクセスが困難 －
固有振動を利用した大電力ミリ波帯高速スイッチの開発
固有振動を利用した大電力ミリ波帯高速スイッチの開発
 ４．発表年
村山岬、飯田大智、鈴木拓実、工藤遼太、三枝幹雄、梶原健、池田亮介、中井拓、矢嶋悟
 ３．学会等名
Development of new triangle fast directional switch for high power millimeter wave
Fusion Engineering and Design 112937
 掲載論文のDOI（デジタルオブジェクト識別子）  査読の有無
10.1016/j.fusengdes.2021.112937
 ３．雑誌名  ６．最初と最後の頁
有
 ４．巻
Mikio Saigusa, Hiroki Shozu, Fumiaki Inoue, Kana Yokoyama, Daichi Handa, Ken Kajiwara, Yasuhisa
Oda, Ryosuke Ikeda, and Koji Takahashi
17
 １．著者名
 ２．論文標題  ５．発行年
2020年
2019年
2019年
2019年
 ２．発表標題
 ２．発表標題
 ２．発表標題
 ２．発表標題
The 16th International Student Conference in Ibaraki（国際学会）
第36回プラズマ・核融合学会
第27回電気学会東京支部茨城支所研究発表会
第27回電気学会東京支部茨城支所研究発表会
 ３．学会等名
 ３．学会等名
 ３．学会等名
 ３．学会等名
 １．発表者名
 １．発表者名
 １．発表者名
 １．発表者名
 ４．発表年
 ４．発表年
 ４．発表年
 ４．発表年
K. Yokoyama, M. Murayama, D. Handa, M. Saigusa, K. Takahashi, K. Kajiwara, R. Ikeda, T. Nakai, S. Yajima, T. Shinya
横山花奈、井上史章、飯田大智、三枝幹雄、中井拓、池田亮介、梶原健、高橋幸司
井上史章、飯田大智, 横山花奈, 下野晃大, 三枝幹雄, 中井拓, 池田亮介, 梶原健, 高橋幸司
Development of Fast Switching Device of High-Power Millimeter Wave
周波数変調の必要ない電子サイクロトロン電流駆動用大電力ミリ波帯高速スイッチの開発研究
固有振動を利用した大電力ミリ波帯高速スイッチの開発研究
大電力ミリ波帯高速スイッチの開発
飯田大智、井上史章、横山花奈、下野晃大、三枝幹雄、中井拓、池田亮介、梶原健、高橋幸司
2019年
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
共同研究相手国 相手方研究機関
The 15th International Student Conference in Ibaraki, Ibaraki, Japan（国際学会）
 ２．発表標題
 ３．学会等名
 ４．発表年
 １．発表者名
Research and Development of High Power Millimeter Wave Fast Switching Device Using Natural Vibration
Fumiaki Inoue, Daichi Handa, Kana Yokoyama, Akihiro Shimono, Mikio Saigusa, Ken Kajiwara, Ryosuke Ikeda, Koji Takahashi


固有振動を利用した広帯域大電力ミリ波帯高速スイッチの開発

藤田, 昌史

自然環境要因の変動を考慮した汽水性二枚貝ヤマトシジミの環境ストレス評価手法の構築

小祝, 達朗

茨城大学・教育学部・技術主任
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－４１
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名
研究代表者
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
学習者の認知特性を踏まえた個別最適な技能習得を目指す指導過程の検討
小祝　達朗（KOIWAI, Tatsuro）
研究期間：
２２Ｈ０４０６１
年 月 日現在  ５   ６ ２２
円       430,000
研究成果の概要：本研究は中学校技術科における材料を加工する学習，特に金属の棒材を弓のこで切断加工する
学習における技能習得の指導を，学習者の認知特性から検討することである。認知特性の分類については，本田
40式認知特性テスト(2015)を参考に，初学者の中学生45名を視覚優位者，言語優位者及び聴覚優位者に分類し
た。その結果，材料の切断について意識的に自分の理解を確認するような意識は，個人による活動群における聴
覚優位者は最初の意識は低く，モデルの適用後にやや向上し，練習後には他の学習者と同程度の結果であった。
このことから，個人で学習する聴覚優位者については，モデルの適用時に認知特性に応じた指導の必要性が求め
られる。
研究分野： 社会科学
キーワード： 技術教育　材料加工学習　金属加工学習　技能　認知特性　メタ認知　資質・能力
  ２版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
研究成果の学術的意義や社会的意義については，以下のように考えられる。中学校技術科における材料を加工す
る学習は教科設置当初から行われている。その中の金属の棒材を弓のこを用いて切断加工する学習を，新しい教
育課程で求められている資質・能力育成の指導のために，学習者の認知特性を取り入れ，材料の切断について意
識的に自分の理解を確認するようなメタ認知の意識にまで検討を進めたことに意義があると考えられる。このこ
とは，技術科における技能習得の指導の在り方を，新しい教育課程における資質・能力の育成の視点から発展的
に検討するための一助となり得る可能性がある。
奨励研究
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
2022～2022
様 式 Ｃ－４１ 
 
 
 
１．研究の目的 
中学校技術科では，ものづくりなどの技術に関する実践的・体験的な活動を通して資質・能
力の育成が行われており，技術に関する知識の習得に加え，技能の習得についても重要な学習
である。このことから，技能習得に関する知識を理解し，技能を習得する必要があると考えら
れる。技能習得に関するプロセスについて，心理学では，認知，連合及び自律の 3 段階が示さ
れており，それぞれ認知は知識を得る段階，連合は練習により一連の動作にまとめる段階，自
律は自らの動作を注意することなく遂行できる段階としている。中学校技術科の指導において，
中学生の技能習得を考えると，認知における知識を習得し，連合における部分的な技能を一連
の動作にまとめる方法を理解した上で，自律の段階を目指す必要があると考えられる。 
これまで研究代表者らは，中学校技術科の技能習得の指導で用いられる教科書(文部科学省検
定済)を取り上げ，テキストマイニングにより金属材料を加工する学習における技能の指導内容
の分析を行い，一部の手続き的知識に偏った内容で構成されている問題を指摘した。その後，
弓のこによる金属切断加工を取り上げ，内容分析の問題を改善するための指導内容を含む切断
の指導過程のモデルを抽出・検討し，初学者を対象に検証を行った。その結果，技能習得にお
ける作業遂行を確認するとともに，提案した切断の指導過程モデルにより態度における情意面
の向上を確認した。さらに，技能習得の指導の在り方として，協働的な学びを伴うようなコラ
ボレーションによる活動を取り入れることで，作業を点検するようなメタ認知の意識の向上を
確認した。一方，最近では個別最適な学びの重要性が指摘されており，中学校技術科の技能習
得の指導との関連についても検討の必要性があると考えられる。 
そこで本研究では，個別最適な技能の指導を検討することを目的として研究を進める。具体
的には学習者の認知特性を取り上げ，その特性を踏まえた技能の指導の在り方を検討する。 
 
２．研究成果 
本研究では，学習者の認知特性から弓のこによる金属切断加工に関する技能習得の特徴を把
握した。学習者の認知特性の分類については，本田 40 式認知特性テスト(2015)を参考に，初学
者の中学生 45 名を視覚優位者，言語優位者及び聴覚優位者に分類した。その結果，視覚優位
者約 5 割，言語優位者約 3 割，聴覚優位者約 2 割であった。 
また，中学生に対し，①のこぎりによる木材の切断，②切断の指導過程モデルの適用，③弓
のこによる金属丸棒材の切断を行った。その後，中学生を 2 群(個人による活動群 15 名，コラ
ボレーションによる活動群 15 組 30 名)にわけ，④弓のこによる金属丸棒材の切断練習を行っ
た。その結果，材料の切断について意識的に自分の理解を確認するようなメタ認知の意識につ
いて，コラボレーションによる活動群については，最初から高い状態を維持していた。個人に
よる活動群における聴覚優位者については，最初の意識は低く，モデルの適用後にやや向上し，
練習後には他の学習者と同程度の評価にまで向上した。このことから，個人で学習する聴覚優
位者について，個人による練習の成果を確認した。また，指導過程モデルの適用時(技能に関す
る知識を指導する際)において，認知特性に応じた指導の必要性があることが考察された。 
主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計0件
〔学会発表〕　計1件（うち招待講演　0件／うち国際学会　0件）
2022年
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
研究組織（研究協力者）
氏名 ローマ字氏名
学習者の認知特性を踏まえた技術科の技能習得に関する指導過程の検討
 ４．発表年
 １．発表者名
小祝達朗，大谷忠
 ３．学会等名
一般社団法人　日本産業技術教育学会
 ２．発表標題


学習者の認知特性を踏まえた個別最適な技能習得を目指す指導過程の検討

野津, 雄太

田中, 宏明

クヴァンツ《フルート奏法》から読み解く音楽科器楽分野の 教育法に関する一考察

OTSU, Rika

English

The Impact of English Picture-Book Reading Activities on University and Elementary Students

木村, 真琴

Kimura, Makoto

Submanifold theory related to the twistor space of quaternionic symmetric spaces

Not a member yet

小学校体育におけるベースボール型スポーツ「ベースボール5」の試み