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Title 組み込み技術を用いたパルスパワー発生装置

Author(s) 秋山, 雅裕

Citation

Issue date 2011-03-25

Type Thesis or Dissertation

URL http://hdl.handle.net/2298/21566

Right

組み込み技術を用いたパルスパワー発生装置

2011 年 3 月

熊本大学大学院自然科学研究科

秋山雅裕

目次

第 1章序論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11.1 パルスパワーとは・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11.2 パルスパワーを用いた研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11.3 組み込み技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31.4 研究の目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 41.5 論文構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5

第 2章 FPGAを用いたパルスパワー発生装置の開発と応用・・・・・・・・・・・・ 62.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 62.2 FPGAの開発環境・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 62.3 FPGA組み込み型ミニチュアマルクス回路方式パルスパワー発生装置の開発・・ 72.3.1 ハードウェア構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 72.3.2 出力電圧波形・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 92.4 FPGA組み込み型MPC回路方式パルスパワー発生装置の開発・・・・・・・ 92.4.1 FPGA組み込み型MPCコントローラの開発・・・・・・・・・・・・・・ 102.4.2 ハードウェア構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 112.4.3 磁気パルス圧縮(MPC)回路を用いたパルスパワー発生装置・・・・・・・ 122.4.4 ソフトウェアの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 132.5 水中放電プラズマの生成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 152.5.1 実験環境・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 152.5.2 水中ストリーマ状放電プラズマ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 162.5.3 高繰り返し時の放電プラズマ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 172.6 ES細胞へのパルスパワー印加による影響・・・・・・・・・・・・・・・・ 182.6.1 実験環境・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 182.6.2 パルスパワー印加による未分化維持への影響・・・・・・・・・・・・・ 202.6.3 パルスパワー印加による ES細胞の増殖への影響・・・・・・・・・・・ 212.7 まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 23

第 3章パルスパワーの出力タイミング制御・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 243.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 243.2 MPC回路方式パルスパワー発生装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24

3.3 出力タイミング制御・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 253.4 パルス制御を用いた応用研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 263.4.1 実験環境・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 263.4.2 応用研究に用いたパルス制御の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・ 273.4.3 パルス制御によるメダカ受精卵の生存率への影響・・・・・・・・・・・ 283.4.4 パルス制御による水晶体タンパク質の発現解析・・・・・・・・・・・・ 283.5 まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 29

第 4章パルスパワーの電圧制御・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 304.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 304.2 電圧制御型パルスパワー発生装置の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・ 304.2.1 パルスパワー発生装置の構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 314.2.2 FPGA組み込み型MPCコントローラ・・・・・・・・・・・・・・・・ 324.2.3 出力電圧制御システム・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 324.3 電圧制御を用いた高繰り返し水中放電プラズマの生成・・・・・・・・・・・ 334.3.1 実験環境・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 334.3.2 出力電圧電流波形による電圧制御の確認・・・・・・・・・・・・・・・ 344.3.3 水中放電プラズマ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 354.4 まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 36

第 5章 PCを用いたパルスパワー制御・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 375.1 はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 375.2 PCを用いたパルスパワー制御の構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 375.3 USB通信回路・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 385.3.1 市販の製品・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 385.3.2 FPGAコントローラ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 385.4 アプリケーションソフト・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 395.4.1 アプリケーションソフトの開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 405.4.2 アプリケーションソフトの機能・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 405.5 通信システム・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 425.5.1 通信システムの仕組み・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 425.5.2 通信用 FPGAソフトウェア・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 445.6 パルスパワーを用いた応用研究の簡易化及び可能性・・・・・・・・・・・・ 455.7 まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 45

第 6章総括・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 46

付録・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 48

参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 63

謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 66

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第 1 章序論

1.1 パルスパワーとは

パルスパワーとは、空間的・時間的に圧縮されたエネルギーのことを言う[1-3]。一般的

には、電気エネルギーを時間的に圧縮し、瞬間的に大電力として発生させる（図 1-1）。総

量としては尐ないエネルギー量で巨大電力でしか成し得なかったような種々の物理現象を

発生させることができる。例えば、100 W 電力を 100 秒間蓄えて、10 ns という短時間に

一気に放出すると、1 TW という巨大な電力が発生可能である。これらの現象を上手く制御

すると、従来不可能とされていた作用や効果を生み出す可能性がある。

図 1-1 電力の時間的圧縮

1.2 パルスパワーを用いた研究

パルスパワーを用いた研究は世界中で活発に行われ、次世代半導体リソグラフィー用極端

紫外光幅射のための高エネルギー密度プラズマ生成[4]、車や煙突からの窒素酸化物の処理

[5]、誘電体を使わない金属電極間の均一放電プラズマを用いたオゾン生成[6]、水中放電プ

ラズマを用いた湖沼浄化や殺菌[7]、農業・食品分野へのパルスパワー・プラズマの利用[8]

（図 1-2）、医療応用などのバイオエレクトリクス[9]など、多くの産業応用の研究に使われ

ている。

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図 1-2 パルスパワーの有無によるシイタケ生育の比較

パルスパワー発生装置の研究に目を向けると、半導体開放スイッチを用いたパルス高電

圧発生装置[10]、BJT(Bipolar junction transistor)の降伏現象を用いたミニチュアマルクス

発生装置の開発とマイクロプラズマジェットへの応用[11] (図 1-3)、IGBT(Insulated gate

bipolar transistors)と MPC(Magnetic Pulse Compression)を用いたパルスパワー発生装置

の開発とピーキングコンデンサや負荷の最適値調査[12]、バリア放電のモードをモデル化し

た電気回路シュミレーションプログラムの開発[13]などが行われている。

図 1-3 降伏現象の有無による電圧・電流波形

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1.3 組み込み技術

電子機器の制御はロジック IC などを用いた電子回路や機械的な操作で実現していたが、

現在の電子機器はソフトウェアによる制御が一般的である。例えば、自動車、携帯電話、

パソコン、テレビ、冷蔵庫などは、マイクロプロセッサと機能を実現させるプログラムが

実装されている[14]。これらの組み込みシステムは、より高性能と低消費電力が要求されて

おり、SRAM 型 FPGA の部分再構成によるソフトコアプロセッサの高信頼化[15]、組み込

みマルチコアにおける非同期遠隔手続き呼び出しを用いた低消費電力制御[16]、携帯端末機

器向けマイコンの内蔵メモリ低電力手法[17]などが研究として行われている。

組み込み技術が発展した背景としては価格についても重要なファクターになる。特に近

年の電化製品などは競争が激しく、それに伴い開発サイクルは短くなり、専用 LSI の初期

費用と汎用性を考え、プログラミングを用いて書き換えが行える LSI に移行している。こ

のような LSI として FPGA が注目されている。

FPGA はプログラムの書き換えが可能な LSI で、大量生産が前提の専用 LSI より初期費

用が尐なく、特に小規模な開発に適している。コンパイルなどの機能を持った総合ソフト

ウェアに無料のものがあり、ダウンロードケーブルも安価で購入や作成が可能なため、低

コストで開発環境を整えることができる。また、FPGA、水晶発振器、ダウンロード用のポ

ート、LEDや操作用スイッチなどを搭載したFPGA評価ボードも低価格で販売されている。

FPGA は制御用 IC である PIC より動作速度が速く、高機能化に向いている。FPGA の開

発言語として、主に VHDL と Verilog HDL の２種類が対応している。

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1.4 研究の目的

パルスパワーを用いた応用研究は多く行われ、近年はバイオや環境分野など、異なる分

野の研究者もパルスパワーを用いた研究を行っており、回路の知識、ハンダ付け、波形生

成器などを必要としない環境が求められている。パルスパワー発生装置への要求は操作性、

安全性、小型軽量化、低コスト化など様々であるが、パルスパワーの高電圧・高エネルギ

ー、短パルス及び高繰り返し動作は現状の仕様が前提となる。そこで、パルスパワー生成

回路は変更せず、制御回路を新たに研究開発し、多くのニーズを満たす高性能なパルスパ

ワー発生装置の実現を目的の１つとした。研究開発では仕様変更が多く柔軟性が求められ、

産業応用では特に安全面や価格が重要となる。応用分野にもよるが応用研究では様々なパ

ラメータを使用するため、操作性や機能性を必要としている(表 1-1)。

しかしながら、要求に沿った装置開発が成功しても、応用研究及び産業応用で大きな成

果を生み出すとは限らない。未来を見据えた世界最先端の装置を考え実現し、パルスパワ

ー発生装置が応用研究・産業応用を導くことも必要と考えた。これらの高度な制御を実現

させるには、家電製品と同様に制御が複雑化するため、組み込みシステムを用いた制御が

非常に有効となる。

本研究では、高電圧・高エネルギー、短パルス及び高繰り返し動作が可能なパルスパワ

ー発生装置の制御部に FPGA を組み込み、操作性や安全性の向上、小型軽量化、パルスパ

ワーの１発毎の高度な制御などを実現させた。パルスパワーの１発毎の制御は、パソコン

上のアプリケーションソフトウェアで出力電圧、出力タイミング、パルス出力回数、繰り

返しの有無を決めることができる。本パルスパワー発生装置は高電圧・高エネルギーかつ

短パルスであり、また、様々な環境で実験を行えることが条件のため、パルスパワー発生

部から放射する EMI(Electro-Magnetic Compatibility)ノイズの対策は行わず、制御装置と

プログラミングで EMC(Electro-Magnetic Compatibility)ノイズの対策を行った。

パルスパワー発生装置へ組み込み技術を導入することで、装置の小型軽量化、高度な制

御が実現し、他分野の研究者が知識を必要とせず利用でき、新領域の応用研究・産業応用

の開拓などが期待できる。

表 1-1 パルスパワー発生装置への各要求

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1.5 論文構成

本論文は全 6 章で構成される。各章の概要は以下の通りである。

第 2 章では、マルクス回路方式及び磁気パルス圧縮回路 (MPC: Magnetic Pulse

Compression)方式のパルスパワー発生装置へ FPGA (Field Programmable Gate Array)を

導入した研究開発について述べる。その後、開発したパルスパワー発生装置を用いた「水

中放電プラズマの生成」、「ES(Embryonic Stem)細胞へのパルス印加による影響」の研究成

果について報告する。

第 3 章では、FPGA を用いたパルスパワー発生装置によるパルスパワーの出力タイミン

グ制御について述べ、バイオ応用の研究について報告する。本研究開発によって高繰り返

し動作中の繰り返し周波数変更、パルス間の細かいインターバル制御、パルスのショット

回数制御が可能となった。その高度制御を用いてパルス電界をメダカの受精卵へ印加し、

単発と短期間の 2 ショットパルスで比較した。

第 4 章では、パルスパワーの出力電圧の制御について述べる。初段コンデンサの充電電

圧を制御し、パルスパワーの出力電圧を柔軟に制御した。出力電圧の確認として、高繰り

返し動作中の電圧を交互に変え、水中で放電プラズマを生成した。

第 5 章では、パソコンのアプリケーションソフトを用いたパルス制御システムについて

説明する。組み込みシステムの導入で高度なパルス制御は可能となるが、必要に応じてプ

ログラムや電子回路の変更が必要である。そこで、高度なパルス制御が簡単に行えるよう

に、パソコン上で動作するアプリケーションソフトを作成した。本制御装置の開発や USB

通信システムについても述べる。

第 6 章にて、本論文の総括を行い、研究を通して得られた主要な成果と将来の展望につ

いて述べる。

付録として、第 2 章の MPC 方式のパルスパワー発生装置のプログラムコード、第 3 章の

応用研究で使用したプログラムコードを掲載する。

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第 2章 FPGA を用いたパルスパワー発生装置の開

発と応用

2.1 はじめに

電子機器は高性能化に伴い、制御が複雑化し、ロジック IC の組み合わせでは設計が困難

なため、ソフトウェアを用いた制御が行われるようになってきた。開発サイクルが短い電

化製品などは、専用 LSI の作成コストや汎用性を考えて、プログラミングを用いて書き換

えが自由に行える LSI (Large-scale Integrated Circuit)に移行しており、このような LSI

として、FPGA が注目されている。FPGA はプログラムの書き換えが可能な LSI で、大量

生産が前提の専用 LSI より初期費用が尐なく、特に小規模の開発に適している。FPGA は

制御用 IC である PIC(Peripheral Interface Controller)より動作速度が速く、高性能化に適

している[21]。

ここでは、通常行われているロジック IC の組み合わせではなく、FPGA をパルスパワー

発生装置の制御に用いることにより、プログラムの書き換えのみで各種のパルスパワー発

生装置の制御を可能とした。また、コンパクト化及び高性能化も実現した。産業応用に適

したパルスパワー発生方式として、全固体素子を用いたミニチュアマルクス回路方式及び

磁気パルス圧縮回路方式（Magnetic Pulse Compression Circuit: MPC）を用いた[22]。

また、第 2 章ではパルスパワーを用いた応用研究についても記載する。本研究で開発し

たパルスパワー発生装置を用いて、水中放電プラズマの生成及び ES 細胞へのパルスパワー

印加による影響について調べた。水中放電では 250 pps と 500 pps による放電現象の違い

が観測でき、ES細胞への影響ではパルスの電圧と印加回数を変えて増殖率について調べた。

2.2 FPGA の開発環境

FPGA の開発環境は下記のようである。クロック周波数は水晶発振からの 48MHz を使用

し、電源と入出力信号の電圧は 3.3 V である。

FPGA：Xilinx 社 Spartan-3 XCM-301-200

開発言語：Verilog HDL [23]

開発ツール：Xilinx 社 ISE WebPACK9.2i

ダウンロードケーブル：Xilinx HW-USB-G

FPGA ブレッドボード：ヒューマンデータ社 XC3S200-4VQG100C

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2.3 FPGA 組み込み型ミニチュアマルクス回路方式パルスパワー

発生装置の開発

ミニチュアマルクス回路は、スパークギャップをスイッチとした従来のマルクス回路と

同じ動作原理であるが、スパークギャップの代わりにバイポーラトランジスタ（Bipolar

junction transistor：BJT）を用いている。出力は小さいが、すべて固体素子で構成されて

いるので、コンパクトで軽量かつ動作が安定である。これまで、ファンクションジェネレ

ータでミニチュアマルクス回路を動作させていたため、全体としては容量が大きくなる欠

点があった。そこで、FPGA を用いて制御することにより、超小型軽量化を行った。

2.3.1 ハードウェア構成

ミニチュアマルクス回路方式パルスパワー発生装置のハードウェア構成を図 2-1 に示す。

パルスパワーを発生するミニチュアマルクス回路、ミニチュアマルクス回路のコンデンサ

を充電するためのコッククロフト-ウォルトン回路、ミニチュアマルクス回路を制御する

FPGA の 3 パーツで構成している。商用周波の AC100 V 電源を使用し、コッククロフト-

ウォルトン回路で 300 V まで電圧を上げてミニチュアマルクス回路の 19 個のコンデンサ

（一つあたり 10 nF）を並列充電する。AC-DC コンバータで AC100 V を DC5 V に変換し、

フォトカプラのフォトトランジスタに印加する。

図 2-2 は、ミニチュアマルクス回路方式パルスパワー発生装置の回路図である。商用周波

の AC100V 電源を使用し、コッククロフト-ウォルトン回路で 300 V まで電圧を上げてミニ

チュアマルクス回路の 19 個のコンデンサ（一つあたり 10 nF）を並列充電する。AC-DC

コンバータで AC 100V を DC5 V に変換し、フォトカプラのフォトトランジスタに印加す

る。FPGA で作成した信号をフォトカプラの発光ダイオードに印加して、1 段目の BJT を

動作させる。BJT の降伏現象（アバランシェブレイクダウン）の特性を使い、19 個の BJT

を短絡させて、19 個のコンデンサを直列に接続し、電圧増幅を行う。負荷と並行に接続さ

れている 18 個の BJT は、出力パルス幅を短くするための短絡スイッチである。

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図 2-1 ミニチュアマルクス回路方式のハードウェア構成

図 2-2 ミニチュアマルクス回路方式パルスパワー発生装置の回路図

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2.3.2 出力電圧波形

FPGA を用いて開発したマルクス発生器の出力電圧をオシロスコープ（テクトロニクス

DPO71604）と高電圧プローブ（テクトロニクス、TekP5100）で測定した結果を図 2-3 に

示す。

図 2-3 ミニチュアマルクス回路方式パルスパワー発生装置からの出力電圧波形

ピーク電圧は-5.2 kV が出力されており、コンデンサの充電電圧と段数から計算される出

力電圧-5.7 kV の約 91％である。パルス幅は FWHM(Full Width at Half Maximum)で約 7

ns である。最大繰り返し周波数はコッククロフト-ウォルトン回路の充電時間で決まり、約

10 pps(pulses per second)である。FPGA で制御したことにより、パルスパワーの時間間隔

をショット毎に変えることができた。

2.4 FPGA 組み込み型 MPC 回路方式パルスパワー発生装置の開発

既存の MPC コントローラはロジック IC が基盤上に必要であり、仕様変更を行う時は基

板を新たに作成する必要があった。そのため、設計時間やコストを考えると容易に変更す

ることはできない。FPGA を組み込むことで、ロジック IC で行っていた制御がソフトウェ

アに置き換わり、周波数などの制御をプログラミングによって容易に変更することが可能

となった。また、既存のコントローラより部品数が減り、装置の軽量小型化及び信頼性が

向上した。

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2.4.1 FPGA 組み込み型 MPC コントローラの開発

FPGA は 3.3 V の低電圧信号をインプット/アウトプットするため、パルスパワー生成時

のノイズの影響が大きく、ノイズの影響による意図しない動作が頻繁に起こっている。こ

の問題を解決するために、試作機を作成した。図 2-4 にロジック IC を用いた既存コントロ

ーラ、図 2-5 に FPGA を用いたテストコントローラ、図 2-6 にテストコントローラの完成

品を示す。

図 2-4 ロジック IC を用いた既存コントローラ

図 2-5 FPGA を用いたテスト用コントローラ

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図 2-6 FPGA 組み込み型コントローラ

テスト用コントローラではパルスパワーを発生させるとノイズの影響で意図しない動作

をした。原因の１つとして、配線から入ったノイズが FPGA へ影響していた。そこで、配

線のレイアウトを考慮したコントローラを作成し（図 2-6）、FPGA のプログラムもノイズ

を考慮したコードへ書き換えて問題を解決した。プログラミングコードは付録に掲載した。

2.4.2 ハードウェア構成

FPGA 組み込み型 MPC の構成を図 2-7 に示す。FPGA は、操作部からの操作命令と充電

器と MPC から異常信号を受け取り、MPC へトリガ信号と異常制御、充電器へ異常制御と

充電制御、及び表示部へ表示命令を送っている。コントローラの操作部は、周波数設定用

スイッチ、電圧設定用メーター、電源スイッチ、トリガスイッチ、及びリセットスイッチ

を持っており、表示部では、パルスカウンタ、異常個所などの表示を行っている。

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図 2-7 FPGA 組み込み型 MPC の構成図

2.4.3 磁気パルス圧縮(MPC)回路を用いたパルスパワー発生装置

図 2-8 に MPC 回路方式パルスパワー発生装置の回路図を示す。回路は、コンデンサ、磁

気飽和スイッチ(Saturable Inductor: SI)、サイリスタモジュール、及びパルストランスで

構成されている。トリガ信号によってサイリスタがターンオンした瞬間、C0 の充電電圧が

パルストランスで昇圧され、SI1 へと印加される。SI1 が飽和するとインダクタンスの減尐

により、次は SI2 へ印加される。Cp(ピーキングキャパシタ)と SI3 はパルス幅を短くする

ために用いている。コンデンサの各パラメータは、C0：2.24 µF、C1：2 µF、C2：2 µF、

Cp：0.7 µF としている。パルスパワー発生装置の充電エネルギーは 1J/pulse とし、パル

スパワーのパルス幅は立ち上がり 50 ns 以下、ピーク電圧は 30 kV (負荷：500 Ω)、繰り

返し周波数は最大 500 pps で動作する。

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図 2-8 MPC 方式パルスパワー発生装置の回路図

2.4.4 ソフトウェアの開発

ソフトウェアによる制御では、トリガ信号の作成以外に、任意の繰り返し周波数の作成、

パルスパワー発生回数のカウント、異常発生時のフェールセーフ制御を行っている。任意

の繰り返し周波数の作成では、FPGA のクロック信号を 1 µs に分周させ、プログラム内部

でカウントして 0～500 pps を作成している。パルスパワー発生回数のカウントでは、パル

スパワーのトリガ信号をプログラム内部でカウントし、その値を表示部で表示させている。

異常発生時のフェールセーフ制御では、充電器や MPC からの状態を FPGA へフィードバ

ックさせ、異常があればパルスパワーの出力を止めて、異常個所を点灯表示させる制御を

行っている。

FPGA で作成した MPC 制御のパルス列を図 2-9 に示す。これは、任意で設定した繰り返

し周波数から、充電禁止時間、保護時間、トリガ信号を作成した箇所にあたる。

図 2-9 MPC 制御のパルス列

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設定した繰り返し周波数(図 2-9 では 500 Hz 設定時)において、波形の立ち上がりから充

電禁止信号に OFF を与え、1.5 ms の間充電を可能とする。その後、充電を禁止にしたのち、

50 µs の保護時間を設け、パルスパワーのトリガ信号を作成している。図 2-10 に制御のフ

ローチャートを示す。

図 2-10 制御のフローチャート

ユーザーが任意に設定した周波数を取り込み、周波数を決める信号波形の立ち上がりを

検出し、検出された場合は充電禁止信号を OFF にする。充電禁止信号 OFF が 1.5 ms 以上

継続後は ON にして、保護時間信号を ON させる。保護時間信号が OFF になった時、トリ

ガ信号を作成する。

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2.5 水中放電プラズマの生成

上記の MPC 方式パルスパワー発生装置を用いて、水中放電プラズマを生成した。水中の

放電を用いた研究として、有機物の分解[24]や部生物の殺菌[25]といった水質浄化を目的と

した研究がされてきた[26]。本研究では、繰り返し周期で水中放電プラズマを生成させ、そ

の放電現象について報告をする。

2.5.1 実験環境

FPGA 組み込み型 MPC 回路方式パルスパワー発生装置を水中に置かれた銅の棒電極（直

径 0.8 mm）に印加し、水中放電プラズマの生成を確認した。図 2-11 に放電負荷を示す。

棒電極は先端を除いてプラスチックで絶縁されている。アース電極として、アルミの板が

容器の底に置かれている。水の導電率は 340 µS/cm とした。本実験環境によって、ストリ

ーマ状の水中放電プラズマが確認される。

図 2-11 放電負荷

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2.5.2 水中ストリーマ状放電プラズマ

図 2-12(a)は容器を含んだ水中放電プラズマの写真であり、図 2-12(b)は水中放電プラズマ

の拡大図である。水中で放電させることで、ストリーマ状の放電プラズマが観測された。

印加パルスパワーの繰返し周波数は 10 Hz であり、カメラのシャッタースピードは１秒と

した。

図 2-12 (a) 容器を含んだ水中放電プラズマの写真

図 2-12 (b) 水中放電プラズマ拡大図

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2.5.3 高繰り返し時の放電プラズマ

高繰り返し動作中の放電現象を調べるため、繰り返し周波数を 250 pps、500 pps として

水中放電を実施した。繰り返し周波数 250 pps における放電プラズマの様子を図 2-13 に示

す。

図 2-13 250 pps における放電プラズマの様子

図 2-13 では、棒電極先端を中心としてストリーマ状放電プラズマが電極先端を中心に進

展していることが観測される。図中では、その進展が水面方向にのびているように見える

が、これはカメラの位置が容器上部から電極を見下ろすように設置したためである。次に、

繰り返し周波数を 500 pps に増加させた場合の放電プラズマ形状を図 2-14 に示す。

図 2-14 500 pps における放電プラズマの様子

その形状は図 2-13 のものとは異なり、気泡がストリーマ状放電プラズマの進展を妨げる

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ことにより、放電プラズマが棒電極先端を覆うように形成されている。この放電プラズマ

形状の変化は 350 pps～400 pps 以上の繰り返し周波数を境として確認できた。

水中放電プラズマの形状には、気泡の有無が大きく寄与し、発生した電極近傍の気泡に

よってストリーマ状放電プラズマの進展が妨げられ、棒電極周辺に球状の放電が形成され

ると考えられる。

2.6 ES 細胞へのパルスパワー印加による影響

近年、パルスパワーを医療などへ応用したバイオエレクトリクスの研究が盛んに行われ

ている。パルス電界を細胞にかける方法として電気穿孔法(electroporation)が一般によく知

られており、細胞膜に微小な穴をあけ、DNA や薬剤を細胞内に送り込むことが行われてい

る[27]。この場合、印加するパルス電界のパルス幅は 100 マイクロ秒を超えている。

我々が開発してきた MPC 方式パルスパワー発生装置は、マイクロキュベットに、数十ナ

ノ秒のパルス幅を持つパルスパワー（電圧と電流が大きい）を印加することができる。パ

ルス幅がナノ秒と極短であるため、印加するエネルギーは小さく加熱の心配は小さい。パ

ルス幅を、100 マイクロ秒からナノ秒まで短くすることにより、細胞膜に影響を与えること

なく、核内に影響を与えるなど、細胞内作用部位を制御可能である。このように、DNA や

タンパク質などの細胞内に直接ストレスを与えることで、アポトーシスの誘導[28]、がん治

療[29]など、様々な研究が行われている[30]。本研究では医療応用として注目されている

ES(Embryonic stem)細胞へパルス電界を印加し、ES 細胞の影響について調べた。

2.6.1 実験環境

本研究では、MPC 回路方式パルスパワー発生装置を用いて ES 細胞へパルス電界の印加

を行った。ES 細胞をマイクロキュベットへ移して印加実験を行っている。マイクロキュベ

ットの電極間は 0.4 cm を使用した。図 2-15 に MPC 回路方式のパルスパワー発生装置、図

2-16 にマイクロキュベット使用時の典型的な電圧電流波形、表 2-１に装置の仕様、図 2-17

にマイクロキュベットと実験環境を示す。

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図 2-15 MPC 方式のパルスパワー発生装置

図 2-16 マイクロキュベット使用時の典型的な電圧電流波形

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表 2-1 パルスパワー発生装置の仕様

図 2-17 マイクロキュベットと実験環境

2.6.2 パルスパワー印加による未分化維持への影響

未分化の ES 細胞を分化させるためには培養のプロセスが必要となる[31]。そこで、パル

スパワーの印加後も未分化が維持されるかを Oct3/4 抗体を用いた ICC（抗体免疫科学染色）

解析を用いて検査した。10 kV/cm、20 kV/cm、25 kV/cm、30 kV/cm の電圧に対して、そ

れぞれショット回数を 1 pps の 1，2，5，10，20 ショットで、Sox1/GFP ES 細胞へ印加し

た。印加後に３日間培養し、DAPI 染色で青色、Oct3/4 抗体染色で赤色にマーカーを行っ

た ES 細胞を図 2-18 に示す。

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図 2-18 各パラメータによる DAPI 染色と Oct3/4 抗体染色

パルスを印加した ES 細胞において Oct3/4 の発現は認められたことから、ES 細胞の未分

化能に顕著な変化はないと考えられる。

2.6.3 パルスパワー印加による ES 細胞の増殖への影響

Cell Titer Glo を用いて印加から３日後の R1ES cells の細胞数カウントを行った。

10kV/cm, 20kV/cm, 25kV/cm, 30kV/cm の電界値に対して、10kV/cm は 1pps で 1, 2, 5, 10,

20, 40 発のパルス、その他は 1 pps で 1, 2, 5, 10, 20 発のパルスを R1ES cells 細胞へ印加

した。図 2-19 に縦軸を細胞数、横軸を印加回数としたグラフを示す。ここでの電界はパル

スのピーク電圧から計算された。図 2-20 に縦軸を細胞の増殖率、横軸を kV/cm×印加回数

としてまとめたグラフを示す。20kV/cm で 5 ショットの場合、横軸は 20×5 = 100 となる。

22 / 66

図 2-19 電界強度をパラメータとしたときの ES 細胞の数の印加回数依存性

図 2-20 ES 細胞の増殖率の電界強度×印加回数依存性

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パルス印加により、10 kV/cm 以外は、電界強度×印加回数が 200 まで細胞数の変化が大

きく、300 以降は細胞の増殖が 0%近くまで下がることが分かった。これにより、パルス印

加によって細胞の増殖を減らす事は可能であると言える。

本実験環境で未分化の ES 細胞へパルス印加が可能であり、パルス印加で細胞数に変化を

与えられることが分かった。電界強度と印加回数をあげることで、ES 細胞の増殖率は 0%

近くまで下がることも分かった。また、ES 細胞の培養プロセスなしでは、パルス印加によ

る未分化能への影響はないことも分かった。これらの結果から、未分化 ES 細胞の数を制御

する可能性を示した。

2.7 まとめ

ミニチュアマルクス回路方式及び MPC 回路方式へ FPGA を組み込み、パルスパワー発

生装置の開発を行った。MPC 回路方式のパルスパワー発生装置を用いて、繰り返し動作中

の水中放電プラズマの観測を実施した。また、同装置を用いて ES 細胞へのパルス印加によ

る影響を調べた。

ミニチュアマルクス回路方式では、ファンクションジェネレータの機能を FPGA に持た

せることで小型軽量化が可能になった。MPC 回路方式では、FPGA を用いることにより、

装置の汎用性が増し、小型軽量化や装置の信頼性につながることが実機開発で分かった。

既存の MPC コントローラは、ロジック IC を多く使用した複雑な回路であり、パルスパワ

ーのタイミングを変更するだけでも新たに基板設計が必要であった。FPGA を用いること

により、プログラムの値を変更するだけで各種制御パラメータを可変にでき、汎用性が増

した。また、部品数が減る事で回路が簡略化され、小型軽量化と装置の高信頼性につなが

った。

水中放電プラズマの観測では、放電プラズマの形状がストリーマ状にのびる場合と、棒

電極を中心として球状に進展が留まる場合とにわかれた。ある動作周波数以上において球

状の放電が形成されることが確認できた。放電プラズマの形状には気泡の有無が大きく寄

与し、発生した棒電極近傍の気泡によってストリーマ状放電プラズマの進展が妨げられ、

棒電極周辺に球状の放電が形成されると考えられる。

ES 細胞へのパルス印加では、培養のプロセスを行わずにパルスパワーの印加後も未分化

が維持されるかの検査、培養 3 日後の細胞の増殖率の調査を実施した。これにより、培養

のプロセス無しではパルス印加を行っても未分化は維持され、電界強度と印加回数によっ

て細胞の増殖を停止させることができた。

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第 3 章パルスパワーの出力タイミング制御

3.1 はじめに

FPGA をパルスパワー発生装置の制御部へ組み込むことで部品数が減り、小型軽量化や

信頼性が向上した。これらの高性能なパルスパワー発生装置の実現は、FPGA がプログラ

ミングで信号を作成できるためであり、本装置では様々な制御信号を作成し、装置の制御

を行っている。その制御信号の１つに、パルスを出力させるためのトリガ信号がある。そ

れを制御させることで、パルスパワーの出力のタイミングを制御し、高繰り返し動作中の

繰り返し周波数可変、パルス間の細かいインターバル制御、パルスのショット回数制御を

実現した。また、その制御を用いてメダカの受精卵へパルス印加を行い、生存率と水晶体

タンパク質の発現を確認した。

3.2 MPC 回路方式パルスパワー発生装置

パルスパワー発生装置は、充電器、MPC 回路方式のパルスパワー発生装置、FPGA コン

トローラで構成されている。図 3-1 にシステム構成図を示す。

図 3-1 システム構成図

FPGA では、充電器や異常時フェールセーフ、パルスのトリガなどを信号によって制御

している。図 3-2 に周波数（Frequency）からパルスパワー（Output）発生までの流れを

示す。

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図 3-2 周波数からパルスパワー発生までの流れ

周波数の立ち上がり時に、充電禁止信号(Inhibit)が OFF し、パルスパワー発生装置の初

段コンデンサへ充電が行われる。充電禁止信号が ON になると、50 µs の保護時間後にトリ

ガ信号(Trigger)が ON になり、パルスパワーが発生する。本研究では周波数の立ち上がり

から時間からトリガ信号を制御している。

3.3 出力タイミング制御

パルスパワーの出力タイミングを制御することにより、高繰り返し動作中の繰り返し周

波数の変更、パルス間の細かいインターバル制御、パルスのショット回数制御が可能にな

った。図 3-3 はパルスパワーの出力タイミング制御の一例である。

図 3-3 出力タイミング制御の例

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3.4 パルス制御を用いた応用研究

MPC 方式パルスパワー発生装置のコントローラに FPGA を組み込み、短時間に複数回の

パルスを発生可能な装置を作成した。パルス間隔は 2 ms～、パルス印加回数は任意に設定

できる。

印加タイミングによる生体への影響を調べるため、メダカ(Oryzias latipes)を用いて研究

を行った[32]。メダカは、世代交代が早く(約 2 ヶ月)、胚が透明であるために遺伝子導入や

体外からの臓器観察が容易な発生生物学分野のモデル動物であり、パルス印加の研究に使

われている[33]。本研究では、複数回のパルス印加と単発パルスを比較し、細胞に及ぼす影

響を調べることを目的とし、同電圧（15 kV/cm）での単発パルスと 2 ショットのパルス印

加による影響を比較した。ここでの電圧はパルスのピーク電圧とした。

3.4.1 実験環境

実験環境は、マイクロキュベット（電極幅 4mm）に、PBS（リン酸緩衝液、pH 7.4、導

電率 17 µS/cm）とトランスジェニックメダカ系統の受精卵 1 個体（受精後 6 時間）を入れ

てパルス印加を行った。パルス印加には、MPC回路方式パルスパワー発生装置を使用した。

図 3-4 は電極間 4 mm マイクロキュベットとメダカの受精卵を示す。

図 3-4 4 mm マイクロキュベットとメダカの受精卵

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3.4.2 応用研究に用いたパルス制御の開発

本応用研究で作成したプログラムのフローチャートを図 3-5 に示す。

図 3-5 プログラムのフローチャート

制御装置のスイッチを押すとモードが切り替わり、モード 1 の時にパルス間隔 2 ms で 2

ショットとなる。図 3-5 では示していないが、パルス間隔と回数を複数パターン用意してお

り、制御装置のスイッチを押すとモードが切り替わる。本実験用プログラムではパルスパ

ワー発生装置のエラー検出を削除した。その LED はモードの表示用に使用した。本プログ

ラミングコードは本著書の付録に載せている。

28 / 66

3.4.3 パルス制御によるメダカ受精卵の生存率への影響

本実験では、15 kV/cm で 1 ショット、15 kV/cm でパルス間隔 2 ms の 2 ショットを印加

した。印加後の受精卵は、ERM(メダカ生理食塩水)に入れて、26℃インキュベーター内で

飼育し、生存率を調べた。その結果、図 3-6 に示すように短時間に印加回数をあげることは、

単発では死亡率が確認できない電界強度でも、メダカ受精卵への細胞死を誘導することが

可能であることを明らかにした。

図 3-6 パルス印加による死亡率と生存率

3.4.4 パルス制御による水晶体タンパク質の発現解析

3.4.3 のメダカ胚（st.19）から、RNA を抽出した後、逆転写反応によって cDNA を合成

した。これらの cDNA を用いて、水晶体タンパク質である crystallin 遺伝子の発現をリア

ルタイム PCR 解析により調べた。その結果、パルス印加によって眼の水晶体タンパク質で

あるγ-crystallin の発現量が低下したが、ショット回数の違いによる発現量の差は認められ

なかった(図 3-7)。

図 3-7 crystallin の発現量

29 / 66

3.5 まとめ

トリガ信号を制御することでパルスパワーの出力のタイミングを制御し、高繰り返し動

作中の繰り返し周波数の変更、パルス間の細かいインターバル制御、パルスのショット回

数制御などを実現した。

短期間に 2 ショットのパルス制御を作成し、メダカの分化制御を目的とした応用研究を

行った。短時間に印加回数をあげることで、単発では死亡率が確認できない電界強度でも、

メダカ受精卵への細胞死を誘導、複数パルスの印加では眼の水晶体タンパク質であるγ

-crystallin の発現量には影響を及ぼさないことが分かった。

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第 4 章パルスパワーの電圧制御

4.1 はじめに

パルスパワーの産業応用の研究では、高繰り返し動作を用いた高効率オゾン生成[34]、

極性反転パルスを用いた排ガス・廃水処理[35]、ナノ秒パルスを用いた NOx 処理[36]など

が行われている。これらの応用研究はパルスパワー発生装置の研究開発を実施するため、

装置開発に関する知識や経験も必要となる。近年は、様々な機能を持たせた小型で安価な

パルスパワー発生装置の販売[37]や、パルスパワー技術の製品化支援、研究委託業務[38]

などが企業で行われており、パルスパワーを用いた産業応用・応用研究の支援は、マーケ

ットとして成り立つ。

近年の産業応用・応用研究からのニーズの１つとして、パルスパワーの重要なパラメー

タである出力電圧の制御があげられる。本研究では、FPGAを用いてパルスパワーの出力電

圧が制御できる装置を開発し、電圧制御を用いた水中放電を実施した。高繰り返し動作中

の出力電圧を 1ショット毎に変更し、高速度カメラを用いて放電の様子を確認した。

4.2 電圧制御型パルスパワー発生装置の開発

MPC 方式パルスパワー発生装置の電圧制御をするためには、ロジック IC を用いた既存の

コントローラでは回路が複雑になり、かつ柔軟性がないため、FPGA を用いて作成した。本

研究で使用している FPGAの開発環境は下記である。

FPGAボード：ヒューマンデータ社 XC3S200-4VQG100C

FPGA：Xilinx社 Spartan-3 XCM-301-200

開発言語：Verilog HDL

開発ツール：Xilinx 社 ISE Design Suite 12.1

ダウンロードケーブル：Xilinx社 HW-USB-G

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4.2.1 パルスパワー発生装置の構成

パルスパワー発生装置は、MPC 方式パルスパワー発生装置、充電器(TDK LAMBDA 社

152A-1.5KV-POS)、MPC コントローラで構成されている。MPC コントローラの電圧制御部に

は、FPGA、DA コンバータ(ANALOG DEVICES 社 AD7224)を用いている。パルスパワー発生装

置の構成を図 4-1に示し、MPC方式のパルスパワー発生装置回路図を図 4-2に示す。

FPGA

充電器(~1.5kV, 1500W)

MPC方式パルスパワー発生装置

充電器制御

トリガー制御フィードバック制御

~1.5kV

MPCコントローラ

電圧制御 (~10V)

~35kV

デジタル信号

電圧制御回路(DA コンバータ)

図 4-1 パルスパワー発生装置の構成

図 4-2 MPC方式のパルスパワー発生装置回路図

パルスパワーの出力電圧の制御は、初段のコンデンサを充電する電圧を変えることで実

現させている。充電器には 0～10Vの制御電圧で 0～1.5 kVの出力電圧を制御するポートが

あり、0～10 V は DA コンバータで作成している。パラメータ表示用に液晶ディスプレイ

(Sunlike Display Tech 社 SC2004CSLB)を使い、マイクロコントローラ (ATMEL 社

ATmega328P)が搭載された Arduino Nano 3.0で制御を行っている。

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4.2.2 FPGA 組み込み型 MPC コントローラ

FPGAの導入により小型化も実現し、既存の MPCコントローラの容積の約 4 分の 1となっ

た。図 4-3に FPGA組み込み型の MPCコントローラを示す。

図 4-3 FPGA組み込み型 MPCコントローラ

4.2.3 出力電圧制御システム

FPGA は、充電時間、トリガ信号、繰り返し周波数、パルスパワー発生回数のカウントな

どの既存制御に加え、DA コンバータの出力電圧の制御を行う。図 4-4 にパルスパワー発生

までの信号列を示す。

任意に設定した繰り返し周波数（図 4-4では 500 Hz 設定時）において、波形の立ち上が

りから初段のコンデンサを 1.5 ms の間充電する。充電電圧は DA コンバータからの制御電

圧で決まる。その後、トリガ信号を ONすることでパルスパワーが出力される。これらの制

御システムにより、パルスパワーの出力電圧を制御している。

2 ms (500 Hz)

1.5 ms

5 V

10 V

750 V

1.5 kV

周波数 (FPGA)

充電時間 (FPGA)

制御電圧(DAコンバータ)

充電電圧

トリガ信号 (FPGA)

パルスパワー

OFF

ON

OFF

図 4-4 パルスパワー発生までの信号列

120mm

170mm

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4.3 電圧制御を用いた高繰り返し水中放電プラズマの生成

本研究で開発した電圧制御を用いて水中放電プラズマを生成した。高繰り返し動作中の

出力電圧を 1ショット毎に制御した。

4.3.1 実験環境

図 4-5 にリアクタの概略図を示す。開発した電圧可変型 MPC 方式パルスパワー発生装置

を水中に置かれたステンレスの棒電極（直径 0.5 mm）に印加し、水中でストリーマ状の放

電を生成した。

0.5mmH.V.

60mm

GND

100mm

100mm

100mm20mm

40mm

図 4-5 リアクタの概略図

棒電極は先端を除いてプラスチックで絶縁されている。アース電極として、ステンレスの

板が容器の底に置かれている。容器は 100 x 100 x 100 mmとし、水道水（導電率 180 µS/cm）

を 60 mm まで入れ、棒電極とアース電極間の距離を 40 mm とした。放電の観測には高速度

カメラ（キーエンス VW-6000）を使用し、フレームレート 500フレーム/秒及び露光時間 2

ms で撮影した。

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4.3.2 出力電圧電流波形による電圧制御の確認

パルスパワー発生装置の初段コンデンサを 1.35 kV と 750 Vの電圧で交互に充電し、パ

ルスパワーの出力電圧を１ショット毎に変更した。繰り返し周波数は 250 pps (pulses per

second)とした。図 4-6に FPGAコントローラと充電器を接続して測定した DA コンバータの

制御電圧、図 4-7に充電電圧波形を示し、図 4-8に充電電圧 1.35 kVの出力電圧・電流波

形、図 9に充電電圧 750 V の出力電圧・電流波形を示す。充電電圧 1.35 kV 時のピーク電

圧は 34 kV、750 V時のピーク電圧は 22 kVが出力された。

-500

0

500

1000

1500

-2 0 2 4 6 8 10 12 14

Vo

ltag

e [V

]

Time [ms]

図 4-6 DAコンバータの制御電圧図 4-7 充電電圧波形

-20

-10

0

10

20

30

40

-20

-10

0

10

20

30

40

-4 -2 0 2 4 6 8

Curr

ent

[A]

Volt

age [

kV

]

Time [μs]

-20

-10

0

10

20

30

40

-20

-10

0

10

20

30

40

-4 -2 0 2 4 6 8

Curr

ent

[A]

Volt

age [

kV

]

Time [μs]

図 4-8 充電電圧 1.35 kV の電圧・電流波形図 4-9 充電電圧 750 Vの電圧・電流波形

35 / 66

4.3.3 水中放電プラズマ

図 4-10 は 500 フレーム/秒で撮影された動画を 1 フレーム毎に切り取った写真であり、

充電電圧 1.35 kV 時の放電、放電なし、充電電圧 750 V 時の放電、放電なしの順に繰り返

していることが分かる。これらの結果から、パルスパワーの柔軟な電圧制御が成功したと

いえる。また、MPC コントローラは、配線のレイアウトや FPGA のソフトウェアなどによっ

て、放電による EMI(Electromagnetic interference)ノイズの対策を行っている。

図 4-10 電圧制御時の水中放電の様子

36 / 66

4.4 まとめ

パルスパワーの出力電圧を柔軟に制御できる MPC 方式パルスパワー発生装置を開発し、

制御部には FPGA を用いた。FPGA によって、複雑な制御がプログラミングによって実現し、

また、部品数を減らすことで既存の MPC コントローラの容積の約 4 分の 1 まで小型化でき

た。本研究で作成した装置を用いて、水中放電で 1 ショット毎に電圧を変更した。電圧電

流波形と高速度カメラの動画から、高繰り返し動作中でパルスパワーの柔軟な電圧制御が

成功したといえる。

パルスパワーの重要なパラメータである出力電圧を制御することで、幅広い応用研究に

つながると考えられる。また、これらの研究は、パルスパワーの産業応用にも寄与される

と期待される。

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第 5 章 PC を用いたパルスパワー制御

5.1 はじめに

パルスパワーの制御は応用研究などに有効ではあるが、プログラム(Verilog HDL)を書き

換えて制御の変更を行うため、Verilog HDL や FPGA の知識や経験が必要となり、本研究

者以外は使用が難しかった。そこで、それらを必要とせずにパルスパワーの出力を細かく

設定可能なシステム開発を行った。「誰でも簡単にパルス制御」を目標とし、他分野の研究

者が簡単に使えるように、パソコンを用いてパルスパワー制御を行うシステムを開発した。

パルス制御はグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)で設定でき、「出力電圧」、

「出力回数」、「パルス間隔」、「繰り返しの有無」のパラメータを自由に組み合わせること

で高度な制御を行うことができる。パソコンを用いた柔軟なパルス制御の実現によって、

新しい応用研究領域、産業応用の構築が期待される。

5.2 PC を用いたパルスパワー制御の構成

パソコンを用いたパルスパワー制御装置の構成は、FPGA コントローラ、充電器、及び

MPC 方式パルスパワー発生装置の 3 つの構成に加えて、パソコン、通信回路で構成されて

いる(図 5-1)。パソコンと通信回路は USB ケーブルで接続し、通信回路で変換した信号を

FPGA へ送っている。

図 5-1 パソコンを用いたパルスパワー制御装置の構成

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5.3 USB 通信回路

USB 通信回路には、パソコンから送られてきたデータを FPGA が認識できる ON/OFF

の信号に変換している。USB マイコンチップには、Cypress 社製の「CY7C63001」を使用

した。

5.3.1 市販の製品

図 5-2 は USB-IO (Km2Net 社)の組み立て後の写真であり、USB ケーブルとソケットピ

ンを除いてキットとして購入できる。パソコンのドライバは Windows 付属の

DLL(Dynamic Link Library)を使用し、USB マイコンチップの電源は USB からの 5V を

使用し、入出力信号は最大１2 本となっている。

図 5-2 USB-IO 完成品

5.3.2 FPGA コントローラ

図 5-3 に USB 通信対応型 FPGA コントローラを示す。USB-IO を FPGA コントローラ

へ組み込むことでパソコンと FPGA の通信システムを実現している。USB マイコンチップ

の電源は USB からの 5V を使用している。

使用上の注意点として、パルスパワー出力時はパソコンなどの電子機器を近くに置かな

い方がよい。設定値の転送後は FPGA 側に設定値が保存されるため、パソコンは取り外し

が可能となっている。パルス制御が必要ない場合は、液晶ディスプレイ上の「WITHOUT

PC」を選択して使用する（図 5-4）。

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図 5-3 USB 通信対応型 FPGA コントローラ

図 5-4 FPGA コントローラのモード選択画面

5.4 アプリケーションソフト

パルス制御の各パラメータを設定するために C#でソフトウェアを作成した。「出力電圧」、

「出力回数」、「パルス間隔」、「繰り返しの有無」のパラメータを任意に設定することがで

き、様々なパルスパワーの出力が実現する。本アプリケーションソフトの動作環境は、.NET

Framework 2.0 に対応している Windows XP(Windows 自動更新が必要)、Windows Vista、

Windows 7 で動作させることができる。オペレーションシステムは、32 bit 版に対応させ

ている。

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5.4.1 アプリケーションソフトの開発

アプリケーションソフトの開発環境は下記である。

オペレーションシステム：Windows NT 系

実行環境：.NET Framework 2.0

統合開発ツール：Microsoft Visual Studio 2008

開発言語：C#, HSP

ダイナミックリンクライブラリ：vbausbio.dll (32 bit 版に対応)

本開発は、通信用の HSP (Hereditary Spastic Paraplegia)のサンプルプログラムを参考

にして[39]、C#の GUI 及びプログラムを作成した。コンパイル、デバッグ、エディタは

Microsoft Visual Studio 2008 で行った。vbausbio.dll は、本アプリケーションソフトを動

作させるための機能が実装されており[40]、これが 32 bit 版のオペレーションシステムに対

応している。

5.4.2 アプリケーションソフトの機能

本研究で開発したアプリケーションソフトは出力電圧、繰り返し周波数、パルス回数、

繰り返しの有無を決めることができる。図 5-5 にアプリケーションソフトを示す。

図 5-5 パルス制御用アプリケーションソフト

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設定値の選択には、プルダウンメニュー、テキストボックス、チェックボックスを使用

し、データ送信や値クリアにボタン、データ送信率の表示にプログレスバー、フォーマッ

ト切り替え用にプルダウンのメニューバーを使用し、ユーザーが使いやすいような工夫を

行っている。また、つじつまの合わない設定値をとらないようも工夫している。例えば、

電圧値が設定されない状態では周波数の設定はできないなど、値入力の段階でイレギュラ

ーな設定値にならないように作成している。

フォーマット 1（図 5-5）では、電圧は 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100%の 10 パタ

ーン、周波数は 1, 2, 5, 10, 20, 50, 200, 250, 500 の 9 パターン、パルス回数は 1 から 9999、

制御パターンは1から3パターンまでとなっている。設定値を1刻みで作成しない理由は、

処理を多くするとデータ転送速度が遅くなるためである。そのため、フォーマットを複数

パターン用意している。図 5-6 は周波数の詳細制御に特化させたフォーマットである。これ

はパルス回数を 10 パターンしか使用できないが、周波数を詳細に設定できる。

図 5-6 周波数制御型フォーマット

42 / 66

5.5 通信システム

通信システムは、PC の USB ポートと FPGA をケーブルで接続し、USB ポートからの

信号でパルスパワーの出力タイミングを設定する。FPGA は ON/OFF の信号しか認識しな

いため、ON/OFF 信号の ON 時間を変えて通信を行う。

5.5.1 通信システムの仕組み

通信システムの仕組みは、例えば、「ON:10 us → OFF:1 ms → ON:50 us → OFF:1 ms

→ ON:1 us → OFF」の信号が FPGA へ転送された場合、パルスパワーの出力は、「1 発

目から 2 発目の間隔が 10 ms、2 発目から 3 発目の間隔が 50 ms、それを繰り返し出力」と

なるように FPGA のプログラムを書く。これは、FPGA の内部変数でカウンターを作り、

ON 信号が入ってる間はカウンターが上がっていき、10 us の信号が 10 ms となるようにプ

ログラムコードを書けば可能である。OFF:1 ms は次のパルス間隔へうつるための通信制御

になる。

図 5-7 に通信テスト用の信号、図 5-8 に通信時の信号列を示す。出力電圧 70%などの各

設定値は、制御信号の ON 時間を変えて FPGA へ転送し、FPGA の内部カウンタに記憶さ

せる。表 5-1 は各設定値に対する通信信号の仕様である。USB マイコンチップのジッター

が 10 ms を超えるため 50 ms を最小単位としている。制御信号は、繰り返しの有無→電圧

→周波数（パルスインターバル）→パルス回数の順で出力させている。

図 5-7 通信テスト用の信号

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図 5-8 通信時の信号列

表 5-1 通信信号の仕様

44 / 66

5.5.2 通信用 FPGA ソフトウェア

通信システムの FPGA 側は、書き込み許可信号(Enable signal)と制御信号(Control

signal)からパルスパワーの設定値を生成するため、プログラム内にカウンタを持たせた。

図 5-9(a)と( b)に通信システムのデバッグシミュレーションの一部を示す。シミュレーシ

ョンでは、PORT00(書き込み許可信号)と PORT01(制御信号)を変えた時の DACSIG

[3:0](電圧設定値)の値を確認している。 DACSIG [3:0]は 4 bit の 1 次元配列であり、FPGA

の内部カウンタである。

図 5-9 (a) 通信シミュレーション(電圧設定値 50%)

図 5-9 (b) 通信シミュレーション(電圧設定値 90%)

PORT01 の ON 時間によって DACSIG がカウントアップし、図 5-9 (a)では 4 カウント(2

進数:0100)、図 5-9 (b)では 8 カウント(2 進数:1000)となっている。プログラムは、パルス

パワーの出力電圧は 4 カウントを 50 %、8 カウントを 90 %となるようにソースコードを記

載している。出力電圧以外の設定も同様の判定を行った。

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5.6 パルスパワーを用いた応用研究の簡易化及び可能性

本システムの応用研究として水中放電を実施した。図 5-10 は、制御 1 の電圧を 50 %、

周波数を 500 pps、パルス回数を 1 ショット、制御 2 の電圧を 90 %、周波数を 500 pps、

パルス回数を１ショット、繰り返し有りに設定時の水中放電の様子である。左が電圧 50%、

右が電圧 90%の水中放電プラズマであり、左右で大きさが異なることが分かる。

図 5-10 パルス制御時の水中放電の様子

簡単なパルス制御であればファンクションジェネレータや電子回路で実現するが、研究

準備時間を短縮することは、応用研究の成果につながると考えられる。また、高度な制御

が実現するため、新領域の研究分野開拓、産業応用の構築が期待される。

5.7 まとめ

本研究では、プログラムや FPGA の知識や経験を必要とせず、パルスパワーの出力を細

かく設定可能なシステム開発を行った。パソコンのアプリケーションソフトを用いて、誰

でも簡単に高度なパルス制御を作ることができる。「出力電圧」、「出力回数」、「パルス間隔」、

「繰り返しの有無」のパラメータによって様々なパルス制御を行うことができる。柔軟な

パルス制御の実現によって、新しい応用研究領域、産業応用の構築が期待される。

46 / 66

第 6 章総括

本研究の目的は、組み込みシステムを導入し、パルスパワーを用いた研究・産業応用に

必要な高性能パルスパワー発生装置の研究開発である。従来のパルスパワー発生装置はロ

ジック IC などの回路による制御が主であった。しかし、パルスパワーを用いた研究・産業

応用の広がりに伴い、パルスパワー発生装置には高度な制御や小型軽量化が求められる。

そこで本研究では回路の設計だけではなく、組み込み技術を用いたプログラミングによる

設計を用いて、高度な制御と小型軽量化を実現させた。

第 1 章では、序論として、本研究分野の背景となるパルスパワー、パルスパワーを用い

た応用研究、組み込み技術について紹介した。電気エネルギーの圧縮によるパルスパワー

生成までの流れを説明し、パルスパワーを用いた研究について紹介した。組み込み技術で

は、普段の生活で使われている制御システムを例として、その制御システムの研究分野、

組み込みシステムを導入した高電圧の研究について紹介した。

第 2 章では、FPGA を用いたパルスパワー発生装置の開発と、パルスパワーを用いた応

用研究について述べた。ミニチュアマルクス回路方式パルスパワー発生装置、及び MPC 回

路方式パルスパワー発生装置へ FPGA を組み込み、その開発について説明した。

ミニチュアマルクス回路では、BJT のアバランシェブレイクダウンの特性を利用し、ピ

ーク電圧が-5.2 kV、パルス幅(FWHM)で約 7 ns の波形を観測した。この出力トリガ信号は

FPGA で作成した。

MPC 方式のパルスパワー発生装置では、ロジック IC を使用した既存のコントローラの

制御を FPGA で作成し、それにより部品数が減り、装置の小型軽量化と信頼性向上につな

がった。ノイズ対策のために配線のレイアウトも考慮して設計し、組み込みシステム化を

実現させた。本システムのパルスパワー発生までの主要な制御信号とプログラムのフロー

チャートを示し、ソフトウェアのプログラム開発についても述べた。

パルスパワーを用いた応用研究として、水中放電プラズマの生成と ES 細胞へのパルスパ

ワー印加による影響について述べた。どちらも本研究で開発した MPC 回路方式パルスパワ

ー発生装置を用いて実験を行っている。水中放電プラズマ発生の環境を示し、250 pps と

500 pps の高繰り返し動作で放電を生成させた。250 pps の動作中はストリーマ状の放電プ

ラズマとなっているが、500 pps では形状が異なり、気泡が棒電極先端を覆うように形成さ

れたことを観測した。ES 細胞へのパルスパワー印加では、パルス印加の環境を示した。電

圧とパルス印加回数をパラメータとし、パルスパワー印加による未分化維持への影響、パ

ルスパワー印加による ES 細胞の増殖への影響を調べた。結果、培養プロセスなしではパル

ス印加後も未分化を維持し、ES 細胞の増殖は電界強度と印加回数で変化した。

47 / 66

第 3 章では、パルスパワーの出力タイミング制御について説明し、応用研究で使用した

パルス制御プログラムの開発、パルス制御によるメダカ受精卵の生存率への影響、眼の水

晶体タンパク質の発現解析について述べた。

パルスパワーの出力タイミングはトリガ信号で行っているため、そのトリガタイミング

をプログラミングコードで工夫して記述し、高繰り返し動作中の繰り返し周波数の変更、

パルス間の細かいインターバル制御、及びパルスのショット回数制御などが実現した。そ

の柔軟な制御を応用し、パルスの間隔 2 ms で 2 ショットのプログラムを作成し、メダカ受

精卵へパルスを印加した。その結果、15 kV/cm の 1 ショットと 2 ショットでは生存率に差

が認められ、水晶タンパク質の発現量にはショット回数による差は認められなかった。

第 4 章では、パルスパワーの電圧制御システムの開発、水中放電を用いた高繰り返し動

作中の電圧制御について述べた。

電圧制御は、初段コンデンサの充電電圧を変えて行っている。充電器には 0～10 V の制

御電圧で 0～1.5 kV の出力電圧を制御するポートがあり、0～10 V の制御電圧は DA コンバ

ータと FPGA で作成している。その制御を応用し、250 pps の繰り返し動作中に 2 パター

ンの電圧を交互に出力させるプログラムを作成し、水中放電へ応用させた。

第 5 章では、3, 4 章のパルス制御を、回路やプログラムの知識、経験等を必要とせずに使

用できるアプリケーションソフトの開発について述べた。USB ケーブル接続及びアプリケ

ーションソフトを使用し、「出力電圧」、「出力回数」、「パルス間隔」、「繰り返しの有無」を

任意に設定することができる。

MPC 用のコントローラに通信用のマイコンと USB ポートを導入し、液晶ディスプレイ

でパソコンを使用しないモードの有無を選択することができる。アプリケーションソフト

は C#で作成し、通信時間の短縮を図るために複数のフォーマットを用意している。例えば、

フォーマット 1 はショット回数の設定値を 1～9999 まで選べ、フォーマット 2 はショット

回数は 10 パターンまでだが、周波数の設定値を 1～500 まで選べる。また、通信システム

や応用の可能性についても述べた。

組み込み技術を用いることで、小型軽量化や高度な制御を実現し、その設定を簡単に使

用できるシステムは新領域の研究分野開拓や産業応用の構築が期待される。今後、エネル

ギー量やパルス幅制御などの更なる高度なパルス制御を用いた応用研究を行うことで、パ

ルスパワーを用いた大きな産業が構築できると考えている。

48 / 66

付録

付録では、第 2 章の MPC コントローラ、第 3 章の応用研究で使用したソースコード

（Verilog HDL）を示す。ソースコードは、MPC の異常判定、外部トリガなどの処理を省

いて載せている。これは、装置の使用環境によってはノイズの影響を受け、意図しない動

作の発生を防ぐためである。また、液晶制御やデバッグパラメータも本制御と関係なく行

数が多いため削除している。

開発では、Xilinx 統合ツールと秀丸エディタを使用し、コンパイル(Synthesis, Implement

等)では特別な制約やオプションを使用せず、Xilinx 統合ツールの初期状態で実施している。

UCF ファイルの記述、MCS ファイルの作成、PROM への書き込みは Verilog HDL 実習[23]

の手順で行っている。

第 2 章： MPC コントローラ用ソースコード

`timescale 1ns / 1ps

module asdf(CLK,SW,TRI_SW,

VC_ERR,TEM_ERR,LOAD_ERR,SMA_ERR,

IN_RESET,

PLS,INH,THY,TRI,PLS_COUNT,OUT_RESET,

VC_ERR_LED,FAN_ERR_LED,TEM_ERR_LED,

LOAD_ERR_LED,SMA_ERR_LED

);

input CLK,SW,TRI_SW;

input VC_ERR,TEM_ERR,LOAD_ERR,SMA_ERR;

input IN_RESET;

output PLS,INH,THY,TRI,PLS_COUNT,OUT_RESET;

output VC_ERR_LED,FAN_ERR_LED,TEM_ERR_LED;

output LOAD_ERR_LED,SMA_ERR_LED;

reg init = 0;

reg err_stop;

reg t_PLS,old_t_PLS;

reg t_INH,tt_INH,t_THY,tt_THY,t_TRI,tt_TRI;

reg t_PLS_COUNT,tt_PLS_COUNT;

reg t_VC_ERR_LED,t_TEM_ERR_LED;

49 / 66

reg t_LOAD_ERR_LED,t_SMA_ERR_LED;

reg [27:0] chattering_cnt;

reg [3:0] tt_LED;

reg [11:0] tt_PLS;

reg [11:0] old_tt_PLS;

reg [11:0] plscnt;

reg [15:0] t_plscnt;

reg [19:0] inh_cnt;

reg [11:0] thy_cnt;

reg [15:0] tri_cnt;

reg [15:0] plscount_cnt;

reg [31:0] vc_err_cnt;

reg [15:0] tem_err_cnt;

reg [27:0] load_err_cnt;

reg [20:0] sma_err_cnt;

always @(posedge CLK) begin

//reset start///////////////////////////////////

if(IN_RESET == 1'b1) begin//reset sw:ON

init <= 1'b0;

end

//reset end/////////////////////////////////////

//init start////////////////////////////////////

if(init == 1'b0) begin //initial,RESET

init <= 1'b1;

err_stop <= 1'b0;

t_PLS <= 1'b0;

old_t_PLS <= 1'b0;

t_INH <= 1'b1;

tt_INH <= 1'b0;

t_THY <= 1'b0;

tt_THY <= 1'b0;

t_TRI <= 1'b1;

tt_TRI <= 1'b0;

50 / 66

t_PLS_COUNT <= 1'b0;

tt_PLS_COUNT <= 1'b0;

t_VC_ERR_LED <= 1'b0;

t_TEM_ERR_LED <= 1'b0;

t_LOAD_ERR_LED <= 1'b0;

t_SMA_ERR_LED <= 1'b0;

chattering_cnt <= 28'h0000000;

tt_LED <= 4'h0;

tt_PLS <= 12'h000;

old_tt_PLS <= 12'h000;

plscnt <= 12'h000;

t_plscnt <= 16'h0000;

inh_cnt <= 20'h00000;

thy_cnt <= 12'h000;

tri_cnt <= 16'h0000;

plscount_cnt <= 16'h0000;

vc_err_cnt <= 32'h00000000;

tem_err_cnt <= 28'h0000000;

load_err_cnt <= 28'h0000000;

sma_err_cnt <= 28'h0000000;

end

//init end//////////////////////////////////////

else begin

if(TRI_SW == 1'b0) begin//trigger sw:OFF

t_PLS <= 1'b0;

t_INH <= 1'b1;

t_THY <= 1'b0;

t_TRI <= 1'b1;


end

else begin//triggerSW:ON

//sw start//////////////////////////////////////

chattering_cnt <= chattering_cnt + 1'b1;

51 / 66

if(chattering_cnt >= 28'h2DC6C00) begin//1s

if(SW == 1'b0) begin

tt_LED <= tt_LED + 1'b1;


end

end

if(tt_LED == 4'hF) begin //0xF is blank

tt_LED <= 4'h0;

end

//sw end////////////////////////////////////////

//make 1ms start////////////////////////////////

t_plscnt <= t_plscnt + 1'b1;

if(t_plscnt >= 16'hBB80) begin //1ms

plscnt <= plscnt + 1'b1;

t_plscnt <= 16'h0000;

end

//make 1ms end//////////////////////////////////

//make PLS /////////////////////////////////////

// 0:0Hz 4:4Hz 8:20Hz C:250Hz //

// 1:1Hz 5:5Hz 9:30Hz D:500Hz //

// 2:2Hz 6:7Hz A:50Hz E:blank(500Hz) //

// 3:3Hz 7:10Hz B:100Hz F:blank(500Hz) //

////////////////////////////////////////////////

case(tt_LED)

4'h1:tt_PLS <= 12'h1F4;

4'h2:tt_PLS <= 12'h0FA;

4'h3:tt_PLS <= 12'h0A6;

4'h4:tt_PLS <= 12'h07D;

4'h5:tt_PLS <= 12'h064;

4'h6:tt_PLS <= 12'h047;

4'h7:tt_PLS <= 12'h032;

4'h8:tt_PLS <= 12'h019;

4'h9:tt_PLS <= 12'h010;

4'hA:tt_PLS <= 12'h00A;

4'hB:tt_PLS <= 12'h005;

52 / 66

4'hC:tt_PLS <= 12'h002;

4'hD:tt_PLS <= 12'h001;

4'hE:tt_PLS <= 12'h001;

default:tt_PLS <= old_tt_PLS;

endcase

old_tt_PLS <= tt_PLS;

if(plscnt >= tt_PLS) begin//0x1-0xD

t_PLS <= ~t_PLS;

plscnt <= 12'h000;

t_plscnt <= 16'h0000;

end

//make PLS end//////////////////////////////////

//make Trigger start////////////////////////////

if(t_PLS == 1'b1) begin

if(t_PLS != old_t_PLS) begin

tt_INH <= 1'b1;

end

end

old_t_PLS <= t_PLS;

if(tt_INH == 1'b1) begin//INH

t_INH <= 1'b0;

inh_cnt <= inh_cnt +1'b1;

if(inh_cnt >= 20'h11940) begin//1.5ms

t_INH <= 1'b1;

inh_cnt <= 20'h00000;

tt_INH <= 1'b0;

tt_THY <= 1'b1;

end

end

if(tt_THY == 1'b1) begin//THY

t_THY <= 1'b1;

thy_cnt <= thy_cnt + 1'b1;

if(thy_cnt >= 12'h9B0) begin//50us

53 / 66

t_THY <= 1'b0;

thy_cnt <= 12'h000;

tt_THY <= 1'b0;

tt_TRI <= 1'b1;

end

end

if(tt_TRI == 1'b1) begin//TRI

t_TRI <= 1'b0;

tri_cnt <= tri_cnt + 1'b1;


if(tri_cnt >= 16'h24C0) begin//200us

t_TRI <= 1'b1;

tri_cnt <= 16'h0000;

tt_TRI <= 1'b0;

end

end

if(tt_PLS_COUNT == 1'b1) begin//PLS_COUNT


plscount_cnt <= plscount_cnt + 1'b1;

if(plscount_cnt >= 16'h5CD0) begin//0.5ms




end

end

//make Trigger end//////////////////////////////

//end//init end

//0Hz start/////////////////////////////////////

if (tt_LED == 4'h0) begin

t_PLS <= 1'b0;

t_INH <= 1'b1;

t_THY <= 1'b0;

t_TRI <= 1'b1;

54 / 66

end

//0Hz end///////////////////////////////////////

//end//TRI_SW end

end//always end

assign PLS = t_PLS;//0-500Hz

assign INH = t_INH;//INHIBIT

assign THY = t_THY;//HYS

assign TRI = t_TRI;//Trigger

assign PLS_COUNT = t_PLS_COUNT;//Pulse count

assign OUT_RESET = IN_RESET;//ENABLE RESET

assign VC_ERR_LED = t_VC_ERR_LED;//Volt LED

assign FAN_ERR_LED = 1'b0;//Fan LED

assign TEM_ERR_LED = t_TEM_ERR_LED;//Tem LED

assign LOAD_ERR_LED = t_LOAD_ERR_LED;//LOAD LED

assign SMA_ERR_LED = t_SMA_ERR_LED;//Summary LED

endmodule

55 / 66

第 3 章：応用研究用ソースコード

`timescale 1ns / 1ps

module for_medaka(

CLK,SW,TRI_SW,

IN_RESET,

INH,TRI,PLS_COUNT,OUT_RESET,

LED_MODE1,LED_MODE2,LED_MODE3,LED_MODE4,LED_MODE5,

PLS

);

input CLK,SW,TRI_SW;

input IN_RESET;

output INH,TRI,PLS_COUNT,OUT_RESET;

output LED_MODE1,LED_MODE2,LED_MODE3,LED_MODE4,LED_MODE5;

output PLS;

reg t_PLS,old_t_PLS;

reg t_INH,tt_INH,t_THY,t_TRI,tt_TRI;

reg t_PLS_COUNT,tt_PLS_COUNT;

reg t_LED_MODE1,t_LED_MODE2,t_LED_MODE3,t_LED_MODE4,t_LED_MODE5;

reg stop_pls;

reg init=0;

reg [27:0] chattering_cnt;

reg [7:0] plscnt;

reg [15:0] t_plscnt;

reg [19:0] inh_cnt;

reg [11:0] thy_cnt;

reg [15:0] tri_cnt;

reg [15:0] plscount_cnt;

reg [3:0] mode;

reg [7:0] t_mode;

reg [7:0] mode_cnt;

reg [7:0] mode_pls;

always @(posedge CLK) begin

56 / 66

//init start///////////////////////////////

if(init == 1'b0) begin

init <= 1'b1;

t_PLS <= 1'b0;

old_t_PLS <= 1'b0;

t_INH <= 1'b1;

tt_INH <= 1'b0;

t_THY <= 1'b0;

t_TRI <= 1'b1;

tt_TRI <= 1'b0;



t_LED_MODE1 <= 1'b0;






plscnt <= 8'h00;

t_plscnt <= 16'h0000;

inh_cnt <= 20'h00000;

thy_cnt <= 12'h000;

tri_cnt <= 16'h0000;

plscount_cnt <=16'h0000;

mode <= 4'h0;

t_mode <= 8'h00;

mode_cnt <= 8'h00;

end

//init end///////////////////////////////

//sw start//////////////////////////////////////

chattering_cnt <= chattering_cnt + 1'b1;

if(chattering_cnt >= 28'h2DC6C00) begin//1s

if(SW == 1'b0) begin

mode <= mode + 1'b1;

57 / 66


end

end

if(mode >= 4'h6) begin

mode <= 4'h0;

end

//sw end////////////////////////////////////////

//MODE LED start////////////////////////////////

if(mode == 4'h1) begin


end

else begin


end



end

else begin


end



end

else begin


end



end

else begin


58 / 66

end



end

else begin


end

//MODE LED end//////////////////////////////////

if(TRI_SW == 1'b0) begin

if(stop_pls == 1'b1) begin

stop_pls <= 1'b0;

mode_pls <= 8'h00;

t_PLS <= 1'b0;

t_INH <= 1'b1;

tt_INH <= 1'b0;

t_THY <= 1'b0;

t_TRI <= 1'b1;

tt_TRI <= 1'b0;



end

end

else begin //ON

if(stop_pls == 1'b0) begin

//make 1ms start////////////////////////////////

t_plscnt <= t_plscnt + 1'b1;

if(t_plscnt >= 16'h5DC0) begin //0.5ms

plscnt <= plscnt + 1'b1;

t_plscnt <= 16'h0000;

end

//make 1ms end//////////////////////////////////

//make Hz start/////////////////////////////////


t_mode <= 8'h00;

59 / 66

end

else if(mode == 4'h1) begin

t_mode <= 8'h02;

end


t_mode <= 8'h04;

end


t_mode <= 8'h10;

end


t_mode <= 8'h04;

end


t_mode <= 8'h02;

end

else begin

t_mode <= 8'h00;

end

if(plscnt == t_mode) begin

t_PLS <= ~t_PLS;

mode_pls <= mode_pls + 1'b1;

plscnt <= 8'h00;

end

//make Hz end///////////////////////////////////

//make Trigger start////////////////////////////

if(t_PLS == 1'b1) begin

if(t_PLS != old_t_PLS) begin

tt_INH <= 1'b1;

end

end

old_t_PLS <= t_PLS;

if(tt_INH == 1'b1) begin//INH

60 / 66

t_INH <= 1'b0;

t_TRI <= 1'b1;//guard 0913

inh_cnt <= inh_cnt +1'b1;

if(inh_cnt >= 20'h0AFC8) begin//1000us

t_INH <= 1'b1;

inh_cnt <= 20'h00000;

tt_INH <= 1'b0;

t_THY <= 1'b1;

end

end

if(t_THY == 1'b1) begin//THY

t_INH <= 1'b1;//guard 0913

t_TRI <= 1'b1;//guard 0913

thy_cnt <= thy_cnt + 1'b1;

if(thy_cnt >= 12'h9B0) begin//50us

thy_cnt <= 12'h000;

t_THY <= 1'b0;

tt_TRI <= 1'b1;

end

end

if(tt_TRI == 1'b1) begin//TRI

t_TRI <= 1'b0;

t_INH <= 1'b1;//guard 0913

tri_cnt <= tri_cnt + 1'b1;


if(tri_cnt >= 16'h24C0) begin//200us

t_TRI <= 1'b1;

tri_cnt <= 16'h0000;

tt_TRI <= 1'b0;

end

end

if(tt_PLS_COUNT == 1'b1) begin//PLS_COUNT


61 / 66

plscount_cnt <= plscount_cnt + 1'b1;

if(plscount_cnt >= 16'h5CD0) begin//0.5ms




end

end

//make Trigger end//////////////////////////////

end//stop_pls

end//TRI_SW

//make count of pulse start/////////////////////


mode_cnt <= 8'h00;

end


mode_cnt <= 8'h05;//test

end


mode_cnt <= 8'h04;

end


mode_cnt <= 8'h04;

end


mode_cnt <= 8'h06;

end


mode_cnt <= 8'h04;

end

else begin

mode_cnt <= 8'h00;

end

//if(mode_pls >= mode_cnt) begin

if(mode_pls == mode_cnt) begin

62 / 66

stop_pls <= 1'b1;

mode_pls <= 8'h00;

end

if(stop_pls == 1'b1) begin //gurard 0913

t_INH <= 1'b1;

t_TRI <= 1'b1;


end

//make count of pulse end///////////////////////

end//always end

assign INH = t_INH;//INHIBIT

assign TRI = t_TRI;//Trigger

assign PLS_COUNT = t_PLS_COUNT;//Pulse count

assign OUT_RESET = IN_RESET;//ENABLE RESET

assign LED_MODE1 = t_LED_MODE1;





assign PLS = t_PLS;

endmodule

63 / 66

参考文献

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[24] A. A. Joshi, B. R. Locke, P. Arce and W. C. Finney, "Formation of Hydroxyl Radicals,

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[25] 勝木淳, 「パルスパワーによるバクテリアの殺菌」, プラズマ・核融合学会誌, Vol. 79,

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[26] 佐久川貴志, 山口貴弘, 山本邦博, 雀再九, 喜屋武毅, 波平隆男, 勝木淳, 秋山

秀典, 「パルスパワーを用いたストリーマ状水中放電プラズマの生成」, 電気学会論文誌

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[27] Jac A. Nickoloff, "Animal Cell Electroporation and Electrofusion Protocols

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[28] E. Hall, K. H. Schoenback and S. J. Beebe, "DNA and Cell Biology", Vol. 26, No. 3,

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[29] 野村尚之, 「バースト正弦波高電界の生体作用とがん治療への応用に関する研究」、平

成 21 年度熊本大学大学院自然科学研究科博士論文, 2009.

[30] R. Nuccitelli, U. Pliquett, X. Chen, W. Ford, R. J. Swanson, S. J. Beebe, J. F. Kolb

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[31] N. Shiraki, Y. Higuchi, S. Harada, K. Umeda, T. Isagawa, H. Aburatani, K. Kume,

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[32] 岩村鷹司, 「新版メダカ学全書」, ㈱大学教育出版, 2006.

[33] D. K. Kang, S. Nakamitsu, S. H. R. Hosseini, S. Iwasaki, S. Kono, N. Tominaga, T.

Sakugawa, S. Katsuki, and H. Akiyama, “Effects of Nanosecond Pulsed Electric Field on

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Pulsed Power Conference, pp. 1099-1103, 2009.

[34] 田中文章, 上田悟, 廣野佳那子, 佐久川貴志, 秋山秀典, 木下洋平, 「ナノ秒極性

反転パルス放電の物理と環境保全技術への応用」, 電気学会論文誌 A, Vol. 130, No. 6, pp.

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[35] 門脇一則, 木谷勇, 「ナノ秒極性反転パルス放電の物理と環境保全技術への応用」,

電気学会論文誌 A, Vol. 130, No. 10, pp. 871-878, 2010.

[36] T. Matsumoto, D. Wang, T. Namihira and H. Akiyama, "Energy Efficiency

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Transactions on Plasma Science, Vol. 38, No. 10, pp. 2639-2643, 2010.

[37] ㈱末松電子製作所(パルス発生電源装置) ウェブサイト http://www.suematsu-el.jp/

[38] ㈱融合技術開発センターウェブサイト http://fusiontech.jp/

[39] 小松博史, 簡単!USB で電子制御―たっくんと TRY!HSP 言語、USB‐IO、USB‐An,

RBB press/㈱オーム社, 2007.

[40] 永島智二, 手作り USB 機器―USB‐IO で作る電子ルーレットから Web カメラまで,

RBB press/㈱オーム社, 2005.

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謝辞

多くの方からのご指導、ご助言を賜り、本論文をまとめることができました。最初に、

本論文の作成や各種ゼミにおいて、ご指導を頂きました熊本大学大学院自然科学研究科、

佐久川貴志准教授に深く感謝いたしますと共に、心より感謝致します。また，日頃の研究

において暖かいご助言を頂いた秋山秀典教授、勝木淳教授、中村有水教授、Sayed Hamid

Reza Hosseini 教授、末吉敏則教授、粂昭苑教授、白木伸明助教に心より感謝致します。

日ごろの研究において討論と助言を下さり，共に本研究を進めて頂いたグローバル COE

教員の喜屋武毅氏、COE-RA の白石絵吏氏、Kai-Yuan Shin 氏、Alireza Nami 氏、自然科

学研究科博士後期課程 1 年の猪口誠氏、自然科学研究科博士前期課程 1 年の末光司氏、自

然科学研究科４年生の坂本達郎氏、株式会社末松電子製作所の末松謙一氏、甲田忠氏、大

分工業高等専門学校の上野崇寿助教、岩手大学の高木浩一准教授、高橋克幸氏に感謝致し

ます。

また、研究の円滑な進行のためにご尽力いただきましたグローバル COE 事務支援者の山

内隆子氏、学位取得にあたり公私にわたり適切なアドバイスを頂きました一関工業高等専

門学校の郷富夫教授、実験などの研究活動やゼミを通してお世話になりましたグローバル

COE 及び研究室の皆様に深く感謝致します。

今後も本研究室及びパルスパワー分野のますますのご発展，ご活躍を心よりお祈り申し

上げ，謝辞とさせていただきます。

平成 23 年 3 月

秋山雅裕

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