JP2020113534A

JP2020113534A - プラズマアクチュエータ

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Publication number: JP2020113534A
Application number: JP2020000206A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎佐藤; Shintaro Sato; 直文大西; Naofumi Onishi
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2020-07-27
Anticipated expiration: 2040-01-06
Also published as: US10842013B2; JP7421210B2; US20200221565A1

Abstract

【課題】誘起される流れを加速可能で、流れの制御効果を高めることができる、小型で安価なプラズマアクチュエータを提供する。【解決手段】複数の電極対１２が、所定の方向に向かって上流側から下流側に並べて誘電体層１１に設けられている。各電極対１２は、誘電体層１１の一方の表面側に設けられた上流電極２１と、上流電極２１との間に誘電体層１１を挟むよう誘電体層１１の他方の表面側に設けられた下流電極２２とを有している。最下流電極１３が、誘電体層１１の一方の表面側に、最も下流側の電極対１２の下流電極２２から下流側にずれて配置され、その下流電極２２と同じ電位になるよう設けられている。電圧印加手段１４が、印加する電圧の極性が隣り合う電極対１２で反転するよう、交流電圧または繰り返しパルス電圧を含む電圧を、各電極対１２に印加可能に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマアクチュエータに関する。

航空機の翼周り流れの剥離抑制や流体騒音の低減等を目的として、流体制御デバイスの開発が古くから行われている。従来は、受動的な流体制御デバイスの開発がよく行われていたが、近年は、能動的な流体制御デバイスが注目されており、特に放電によって生じるイオン風を利用して気流を制御するプラズマアクチュエータの開発が精力的に行われている。

例えば、翼周りの剥離流れを効果的に制御することを目的として、２枚の電極と誘電体とで構成される単一のプラズマアクチュエータを用いた流体制御システム（例えば、特許文献１参照）や、誘電体層上に形成された第１電極と、別の誘電体層上に、互いに対向して櫛歯状に形成された１対の第２電極と、さらに別の誘電体層上に、互いに対向して櫛歯状に形成された１対の第３電極とが、誘電体層を介して積層されており、発生させるプラズマの位置を制御することで流れの方向を制御するプラズマアクチュエータ（例えば、特許文献２参照）が開発されている。

また、単一のプラズマアクチュエータの性能を向上させることを目的として、通常は完全に誘電体で被覆されている下部電極の下流側を露出させたものが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、性能を向上させるために、露出電極を追加し、３枚の電極を用いたプラズマアクチュエータも提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

また、性能を向上するために、プラズマアクチュエータを複数並べることが考えられるが、同一の電極配置を有するプラズマアクチュエータを２つ並べた実験により、プラズマアクチュエータ同士の距離が近すぎる場合には、主流方向とは逆向きの流れが形成されるため、主流方向の流れを効果的に加速することができないことが確認されている（例えば、非特許文献３参照）。

特開２０１５−１６１２６９号公報特開２０１７−７６５１８号公報

D. F. Opaits et al, "Improving Thrust by Suppressing Charge Build-up in Pulsed DBD Plasma Actuators", 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 5-8 January 2009, Orlando, Florida, AIAA 2009-487 浅海典男、「ターボ機械応用に向けた多電極構成プラズマアクチュエータに関する研究」、鳥取大学博士論文、2018年 M. Forte, J. Jolibois, J. Pons, E. Moreau, G. Touchard, and M. Cazalens, "Optimization of a dielectric barrier discharge actuator by stationary and non-stationary measurements of the induced flow velocity: application to airflow control", Exp. Fluids, 2007, 43, 917-928

特許文献１または２記載のプラズマアクチュエータは、制御可能な範囲での効果の向上や、状況に応じた流れの向きの制御は可能であるが、ピーク間電圧で２０〜４０ｋＶ程度の交流電圧を印加しなければ十分な制御効果が得られないため、電源装置が大型かつ高価になるという課題があった。非特許文献１に記載のプラズマアクチュエータは、流れの制御効果を得るために印加する電圧を高くすると、アーク放電へ移行して電極が損耗してしまうため、印加電圧を抑制する必要があり、十分な制御効果を得ることができないという課題があった。非特許文献２に記載のプラズマアクチュエータは、新たに追加した露出電極と被覆電極との間に電位差が形成されるため、追加した露出電極の電圧が高くなると、主流方向とは反対方向に放電が発生し、誘起される流れが所望の方向から偏向してしまい、十分な流れの制御効果を得ることができないという課題があった。

また、非特許文献３に記載のように、同一の電極配置を有するプラズマアクチュエータを複数並べたとしても、逆向きの流れが発生するため、誘起される流れを加速させることができず、十分な流れの制御効果を得ることができないという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、誘起される流れを加速可能で、流れの制御効果を高めることができる、小型で安価なプラズマアクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るプラズマアクチュエータは、誘電体層と、前記誘電体層の一方の表面に沿って、所定の方向に向かって上流側から下流側に並べて前記誘電体層に設けられた複数の電極対と、各電極対の下流側で前記誘電体層に設けられた最下流電極と、交流電圧または繰り返しパルス電圧を含む電圧を、各電極対に印加可能に設けられた電圧印加手段とを有し、各電極対は、前記誘電体層の一方の表面側に設けられた上流電極と、前記上流電極との間に前記誘電体層を挟むよう前記誘電体層の他方の表面側に設けられ、前記上流電極から下流側にずれて配置された下流電極とを有し、隣り合う電極対は、下流側の電極対の前記上流電極が、上流側の電極対の前記下流電極から下流側にずれて配置されており、前記最下流電極は、前記誘電体層の一方の表面側に、最も下流側の電極対の前記下流電極から下流側にずれて配置され、最も下流側の電極対の前記下流電極と同じ電位になるよう設けられており、前記電圧印加手段は、印加する前記電圧の極性が隣り合う電極対で反転するよう、前記電圧を印加可能に構成されていることを特徴とする。

本発明に係るプラズマアクチュエータは、電圧印加手段で、交流電圧または繰り返しパルス電圧を含む電圧を印加することにより、各電極対の上流電極と下流電極との間に放電プラズマを発生させて、上流側から下流側への流れを誘起することができる。このとき、電圧印加手段により印加される電圧の極性が隣り合う電極対で反転するよう構成されているため、隣り合う電極対のうち、上流側の電極対の下流電極の電位と下流側の電極対の上流電極の電位とを、常に等しくすることができる。また、最下流電極が最も下流側の電極対の下流電極と同じ電位になるよう設けられているため、最下流電極の電位と最も下流側の電極対の下流電極の電位とを、常に等しくすることができる。これにより、それらの電極間で放電が発生するのを防止して、各電極対で誘起される流れに対して逆方向の流れが発生するのを防ぐことができる。

また、本発明に係るプラズマアクチュエータは、電圧印加手段により印加される電圧の極性が隣り合う電極対で反転するよう構成されているため、各電極対で発生する放電によって堆積した誘電体層上の電荷を、下流側で隣り合う電極対の上流電極により取り除くことができる。また、最下流電極が最も下流側の電極対の下流電極と同じ電位になるよう設けられているため、最も下流側の電極対で発生する放電によって堆積した誘電体層上の電荷を、最下流電極により取り除くことができる。このため、各電極対で発生する放電によって堆積した誘電体層上の電荷により、各電極対で誘起される流れが遮断されるのを防ぐことができる。これにより、上流側から下流側に向かって、誘起される流れを加速することができ、流れの制御効果を高めることができる。また、これにより、電圧印加手段で印加する電圧を小さくしても従来と同等の制御効果が得られるため、電圧印加手段を小さくすることができ、小型で安価に構成することができる。

本発明に係るプラズマアクチュエータで、前記電圧印加手段は、各電極対の前記上流電極および前記下流電極のいずれか一方に前記電圧を印加したとき、他方を接地するよう構成されていることが好ましい。この場合、例えば、前記電圧印加手段は、上流側から奇数番目の電極対の前記上流電極と上流側から偶数番目の電極対の前記下流電極とに前記電圧を印加したとき、上流側から奇数番目の電極対の前記下流電極と上流側から偶数番目の電極対の前記上流電極とを接地するよう構成されていてもよく、また、上流側から奇数番目の電極対の前記下流電極と上流側から偶数番目の電極対の前記上流電極とに前記電圧を印加したとき、上流側から奇数番目の電極対の前記上流電極と上流側から偶数番目の電極対の前記下流電極とを接地するよう構成されていてもよい。これにより、電圧印加手段により印加される電圧の極性を、隣り合う電極対で反転させることができる。

本発明に係るプラズマアクチュエータで、前記電圧は、前記交流電圧または前記繰り返しパルス電圧に、ＤＣ電圧を重畳した電圧から成ることが好ましい。この場合、交流電圧または繰り返しパルス電圧により発生した放電プラズマの荷電粒子を、ＤＣ電圧により加速させることができる。これにより、誘起される流れをさらに加速することができ、流れの制御効果をより高めることができる。また、この場合、電圧印加手段は、交流電圧または繰り返しパルス電圧に、ＤＣ電圧を重畳した電圧を印加可能であればいかなる構成であってもよく、例えば、交流電源またはパルス電源と、ＤＣ電源とを組合せたものであってもよく、ＤＣ電源とスイッチとを組合せたものであってもよい。

ＤＣ電源とスイッチとを組み合わせた場合には、例えば、前記電圧印加手段は、ＤＣ電源と第１スイッチと第２スイッチとを有し、各電極対の前記上流電極および前記下流電極のいずれか一方を、前記第１スイッチを介して前記ＤＣ電源に電気的に接続すると共に前記第２スイッチを介して接地しており、他方を接地しており、前記第１スイッチをＯＮにすると共に前記第２スイッチをＯＦＦにし、前記第１スイッチをＯＦＦにすると共に前記第２スイッチをＯＮにする動作を繰り返すよう構成されていてもよい。また、前記電圧印加手段は、ＤＣ電源と第１スイッチと第２スイッチと第３スイッチと第４スイッチとを有し、各電極対の前記上流電極および前記下流電極のいずれか一方を、前記第１スイッチを介して前記ＤＣ電源に電気的に接続すると共に前記第２スイッチを介して接地しており、他方を、前記第３スイッチを介して前記ＤＣ電源に電気的に接続すると共に前記第４スイッチを介して接地しており、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチをＯＮにすると共に前記第２スイッチおよび前記第３スイッチをＯＦＦにし、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチをＯＦＦにすると共に前記第２スイッチおよび前記第３スイッチをＯＮにする動作を繰り返すよう構成されていてもよい。

本発明に係るプラズマアクチュエータは、電極対が１つの場合、誘電体層と、前記誘電体層の一方の表面側に設けられた上流電極と、前記上流電極との間に前記誘電体層を挟むよう前記誘電体層の他方の表面側に設けられ、前記上流電極から所定の方向にずれて配置された下流電極と、前記誘電体層の一方の表面側に、前記下流電極から前記所定の方向にずれて配置され、前記下流電極と同じ電位になるよう設けられた最下流電極と、交流電圧または繰り返しパルス電圧を含む電圧を、前記上流電極および前記下流電極のいずれか一方に印加可能に設けられ、前記一方に前記電圧を印加したとき、他方を接地するよう構成された電圧印加手段とを、有することが好ましい。この場合にも、誘起される流れを加速可能で、流れの制御効果を高めることができる。また、小型で安価に構成することができる。また、この場合にも、前記電圧は、前記交流電圧または前記繰り返しパルス電圧に、ＤＣ電圧を重畳した電圧から成ることが好ましい。

本発明に係るプラズマアクチュエータで、前記上流電極および前記最下流電極は、それぞれ前記所定の方向に沿って並んだ１対の分割電極に分割されており、各対の上流側または下流側の分割電極に、抵抗器が接続されていてもよい。この場合、抵抗器により、各対の上流側または下流側の分割電極に流れる電流を制限することができる。これにより、印加電圧が高い場合や、隣り合う電極対の上流電極の間隔が短い場合であっても、隣り合う電極対の上流電極間で形成される電場を弱めることができ、アーク放電へ移行するのを防ぐことができる。

本発明に係るプラズマアクチュエータは、多電極プラズマアクチュエータから成り、誘電体を挟むように複数の高電圧電極と接地電極とを有するプラズマアクチュエータにおいて、第１上部電極、第１下部電極、第２上部電極をそれぞれ高電圧電極、接地電極、接地電極とし、前記第１上部電極と前記第２上部電極との間に、第１のプラズマ形成空間が形成されており、第２下部電極、第３上部電極をそれぞれ高電圧電極、高電圧電極とし、前記第２上部電極と前記第３上部電極との間に、第２のプラズマ形成空間が形成されており、各高電圧電極には、ＤＣ電圧が重畳された交流電圧もしくは繰り返しパルス電圧波形を印加するよう構成されていてもよい。この場合、電極対が２つのものに対応しており、誘電体は層状の誘電体層であり、第１上部電極と第１下部電極、および、第２上部電極と第２下部電極がそれぞれ電極対を成している。また、第１上部電極および第２上部電極が各電極対の上流電極に対応し、第１下部電極および第２下部電極が各電極対の下流電極に対応し、第３上部電極が最下流電極に対応している。また、誘電体層の１対の表面のうち、上部側に第１上部電極、第２上部電極、および第３上部電極が配置され、下部側に第１下部電極および第２下部電極が配置されている。

また、この場合、前記第ｎ上部電極（ｎは１、２または３）を、第ｎ_１上部電極と第ｎ_２上部電極とに分割し、前記第ｎ_１上部電極に電流制限を目的とする抵抗器を追加した構造を有することにより、アーク放電への移行を防止する機能を有することができる。また、前記第３上部電極が前記第１上部電極になるよう、前記第１上部電極と前記第１下部電極と前記第２上部電極と前記第２下部電極とを有する電極構造を繰り返し有していてもよい。また、電極対が２つ以上の場合には、第ｍ上部電極および第ｍ＋１下部電極を高電圧電極とし、第ｍ下部電極および第ｍ＋１上部電極を接地電極とし（ｍは１以上の奇数）、隣り合う上部電極の間にプラズマ形成空間が形成されており、各高電圧電極には、ＤＣ電圧が重畳された交流電圧もしくは繰り返しパルス電圧波形を印加するよう構成されていてもよい。このとき、前記第ｍ上部電極を第ｍ_１上部電極と第ｍ_２上部電極とに分割し、前記第ｍ＋１上部電極を第（ｍ＋１）_１上部電極と第（ｍ＋１）_２上部電極とに分割し、前記第ｍ_１上部電極および前記第（ｍ＋１）_１上部電極に抵抗器を追加した構造を有していてもよい。

本発明によれば、誘起される流れを加速可能で、流れの制御効果を高めることができる、小型で安価なプラズマアクチュエータを提供することができる。

本発明の実施の形態のプラズマアクチュエータを示す断面図である。本発明の実施の形態のプラズマアクチュエータの、電源装置を示すブロック図である。図１に示すプラズマアクチュエータの、電極対が３つ以上のときの、分割電極および抵抗器を有する変形例を示す断面図である。図１に示すプラズマアクチュエータの、電極対が３つのときの、分割電極および抵抗器を有する変形例を示す平面図である。本発明の実施の形態のプラズマアクチュエータの、電極対の数を変えたときの性能評価試験の、（ａ）ＤＣ電圧と誘起流速との関係を示すグラフ、（ｂ）試験に用いた電極配置（case 1 〜 4）を示す断面図である。図１に示すプラズマアクチュエータの、電圧印加手段の第１の変形例を示す回路図である。図６に示すプラズマアクチュエータの、性能評価試験の、（ａ）電圧印加手段により印加する電圧波形、（ｂ）そのときの各電極対に流れる電流波形を示すグラフである。図６に示すプラズマアクチュエータの、性能評価試験の、電圧印加手段により印加する繰り返しパルス電圧の周波数が50 kHzおよび100 kHz、ＤＣ電圧が（ａ）1200 V、（ｂ）1500 Vのときに誘起された流れの速度プロファイルを示すグラフである。図１に示すプラズマアクチュエータの、電圧印加手段の第２の変形例を示す回路図である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図９は、本発明の実施の形態のプラズマアクチュエータを示している。
図１乃至図４に示すように、プラズマアクチュエータ１０は、誘電体層１１と複数の電極対１２と最下流電極１３と電圧印加手段１４とを有している。

図１に示すように、誘電体層１１は、誘電体から成り、所定の厚みを有している。誘電体層１１は、いかなるものから成っていてもよく、図１に示す具体的な一例では、ポリイミドフィルムから成っている。

各電極対１２は、誘電体層１１の一方の表面に沿って、所定の方向に向かって上流側から下流側に並べて配置されている。各電極対１２は、誘電体層１１の一方の表面に設けられた上流電極２１と、誘電体層１１の他方の表面に設けられ、上流電極２１から下流側にずれて配置された下流電極２２とを有している。各電極対１２は、上流電極２１と下流電極２２との間に、誘電体層１１を挟むよう設けられている。また、隣り合う電極対１２は、下流側の電極対１２の上流電極２１が、上流側の電極対１２の下流電極２２から下流側にずれて配置されている。図１に示す具体的な一例では、上流電極２１および下流電極２２は、銅テープから成っている。また、図１に示す具体的な一例では、電極対１２は３つ以上であるが、電極対１２は２つであってもよい。また、電極対１２は１対であってもよい。

最下流電極１３は、誘電体層１１の一方の表面に、最も下流側の電極対１２の下流電極２２から下流側にずれて配置されている。最下流電極１３は、最も下流側の電極対１２の下流電極２２と同じ電位になるよう、その下流電極２２に電気的に接続されている。図１に示す具体的な一例では、最下流電極１３は、銅テープから成っている。

図２に示すように、電圧印加手段１４は、交流電源またはパルス電源２３と、ＤＣ電源２４と、ハイパスフィルタ２５と、ローパスフィルタ２６とを有している。交流電源またはパルス電源２３およびＤＣ電源２４は、各電極対１２に接続されている。ハイパスフィルタ２５は、ＤＣ電源２４からの電圧で交流電源またはパルス電源２３が破損しないよう、交流電源またはパルス電源２３と各電極対１２との間に設けられている。ローパスフィルタ２６は、交流電源またはパルス電源２３からの電圧でＤＣ電源２４が破損しないよう、ＤＣ電源２４と各電極対１２との間に設けられている。これにより、電圧印加手段１４は、交流電圧または繰り返しパルス電圧に、ＤＣ電圧を重畳した電圧を、各電極対１２に印加可能になっている。

電圧印加手段１４は、印加する電圧の極性が隣り合う電極対１２で反転するよう、各電極対１２の上流電極２１および下流電極２２のいずれか一方に電圧を印加し、他方を接地するよう構成されている。すなわち、電圧印加手段１４は、上流側から奇数番目の電極対１２の上流電極２１と上流側から偶数番目の電極対１２の下流電極２２とに電圧を印加し、上流側から奇数番目の電極対１２の下流電極２２と上流側から偶数番目の電極対１２の上流電極２１とを接地するよう構成されていてもよく、上流側から奇数番目の電極対１２の下流電極２２と上流側から偶数番目の電極対１２の上流電極２１とに電圧を印加し、上流側から奇数番目の電極対１２の上流電極２１と上流側から偶数番目の電極対１２の下流電極２２とを接地するよう構成されていてもよい。

図１に示す具体的な一例では、電圧印加手段１４は、上流側から１番目の電極対１２の上流電極２１と上流側から２番目の電極対１２の下流電極２２とを電気的に接続して電圧を印加し、上流側から１番目の電極対１２の下流電極２２と上流側から２番目の電極対１２の上流電極２１とを接地している。また、これにより、最下流電極１３にも、電圧を印加するようになっている。

次に、作用について説明する。
プラズマアクチュエータ１０は、まず、電圧印加手段１４で、交流電圧または繰り返しパルス電圧に、ＤＣ電圧を重畳した電圧を印加することにより、各電極対１２の上流電極２１と下流電極２２との間に放電プラズマを発生させる。これにより、図１に示すように、誘電体層１１の一方の表面の、隣り合う電極対１２の上流電極２１の間、および最も下流側の電極対１２の上流電極２１と最下流電極１３との間の放電領域Ａに、プラズマが形成されて、上流側から下流側への流れ（図１中の矢印）を誘起することができる。

このとき、プラズマアクチュエータ１０は、電圧印加手段１４により印加される電圧の極性が隣り合う電極対１２で反転するよう構成されているため、隣り合う電極対１２のうち、上流側の電極対１２の下流電極２２の電位と下流側の電極対１２の上流電極２１の電位とを、常に等しくすることができる。また、最下流電極１３が最も下流側の電極対１２の下流電極２２と同じ電位になるよう設けられているため、最下流電極１３の電位と最も下流側の電極対１２の下流電極２２の電位とを、常に等しくすることができる。これにより、それらの電極間で放電が発生するのを防止して、各電極対１２で誘起される流れに対して逆方向の流れが発生するのを防ぐことができる。

また、プラズマアクチュエータ１０は、電圧印加手段１４により印加される電圧の極性が隣り合う電極対１２で反転するよう構成されているため、各電極対１２で発生する放電によって堆積した誘電体層１１の一方の表面上の電荷を、下流側で隣り合う電極対１２の上流電極２１により取り除くことができる。また、最下流電極１３が最も下流側の電極対１２の下流電極２２と同じ電位になるよう設けられているため、最も下流側の電極対１２で発生する放電によって堆積した誘電体層１１の一方の表面上の電荷を、最下流電極１３により取り除くことができる。このため、各電極対１２で発生する放電によって堆積した誘電体層１１の一方の表面上の電荷により、各電極対１２で誘起される流れが遮断されるのを防ぐことができる。これにより、上流側から下流側に向かって、誘起される流れを加速することができる。また、電極対１２の数を増やすことにより、流れを加速させる電気流体力を増大させることができる。このように、プラズマアクチュエータ１０は、流れを制御することができると共に、その流れの制御効果を高めることができる。

また、プラズマアクチュエータ１０は、電圧印加手段１４により、交流電圧または繰り返しパルス電圧に、ＤＣ電圧を重畳した電圧を印加するため、交流電圧または繰り返しパルス電圧により発生した放電プラズマの荷電粒子を、ＤＣ電圧により加速させることができる。これにより、誘起される流れをさらに加速することができ、流れの制御効果をより高めることができる。

非特許文献３で報告されているように、従来のプラズマアクチュエータを複数並べると、隣り合うプラズマアクチュエータ同士が互いの電気流体力を弱め合い、性能が低下していた。これに対し、プラズマアクチュエータ１０は、電極対１２を増やすことにより、むしろ互いの電気流体力を強め合い、性能を飛躍的に高めることができる。

また、プラズマアクチュエータ１０は、電極対１２の数を増やすことにより、電圧印加手段１４で印加する電圧を小さくしても、従来と同等の制御効果を得ることができる。このため、例えば高電圧装置が不要となり、電圧印加手段１４を小さくすることができ、小型で軽量、かつ安価に構成することができる。

なお、図３および図４に示すように、プラズマアクチュエータ１０は、上流電極２１および最下流電極１３が、それぞれ所定の方向に沿って並んだ１対の分割電極３１ａ、３１ｂに分割されており、各対の上流側または下流側の分割電極３１ａ、３１ｂに、抵抗器３２が接続されていてもよい。この場合、抵抗器３２により、各対の上流側または下流側の分割電極３１ａ、３１ｂに流れる電流を制限することができる。これにより、印加電圧が高い場合や、隣り合う電極対１２の上流電極２１の間隔が短い場合であっても、隣り合う電極対１２の上流電極２１の間で形成される電場を弱めることができ、アーク放電へ移行するのを防ぐことができる。図３に示すものは、電極対１２が３対以上の例であり、図４に示すものは、電極対１２が３対の例であるが、電極対１２は１対であってもよく、２対であってもよい。なお、電極対１２が１対のときには、この上流電極２１が１対の分割電極３１ａ、３１ｂに分割された構成であることが特に好ましい。

図５に示すように、電極対１２の数が異なるプラズマアクチュエータ１０を静止気体中で作動させて、性能評価試験を行った。試験では、誘電体層１１として、厚さ320μmのポリイミドテープ（80μm厚のポリイミドテープを４層積層したもの）を使用した。各上流電極２１および最下流電極１３は、幅10 mm、間隔12 mmとした。各下流電極２２は、両側の上流電極２１および最下流電極１３とのオーバーラップ領域を0.2 mmとした。また、ピトー管を用いて、プラズマアクチュエータ１０の下流での誘起流速を測定した。流速の測定位置は、最も下流側の電極対の、上流電極２１の下流側の端から、誘電体層１１の一方の表面に沿って下流側に２３ｍｍ離れた位置（図５（ｂ）中の矢印の位置）で、誘電体層１１の一方の表面から２ｍｍの高さの位置である。

図５（ｂ）に示すように、プラズマアクチュエータ１０として、電極対１２が１対のもの（case 2）、電極対１２が２対のもの（case 3）、電極対１２が３対のもの（case 4）について試験を行った。また、各上流電極２１および最下流電極１３として、分割電極３１ａ、３１ｂに分割され、抵抗器３２が接続されたものを用いた。なお、比較例として、電極対が１対で、最下流電極１３を有していない従来のもの（case 1）についても試験を行った。比較例は、同じ条件で比較するために、上流側の電極として、分割電極に分割され、抵抗器が接続されたものを用いた。

性能評価試験の結果を、図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、case 1〜4 の全てで、ＤＣ電圧（V_DC）の増大に従って、誘起流速（velocity）も増大していることが確認された。また、case 1 とcase 2 とを比較すると、最下流電極１３を追加することにより、誘起流速が増大していることが確認された。このことから、電極対１２の下流側での電荷の蓄積を防ぐことにより、プラズマアクチュエータ１０の性能が向上することが分かる。また、非特許文献３で報告されているような、隣り合う電極対１２同士が性能を弱め合う効果は確認されず、電極対１２を増やすことにより、むしろ性能を高め合い、誘起流速が増大していくことが確認された。ＤＣ電圧が８ｋＶのときに着目すると、case 3 はcase 2 の約１．３倍、case 4 はcase 2 の約２倍の流速になっていることが確認された。

［電圧印加手段の変形例］
図６に示すように、プラズマアクチュエータ１０で、電圧印加手段１４は、ＤＣ電源２４と第１スイッチ３３と第２スイッチ３４とを有し、印加する電圧の極性が隣り合う電極対１２で反転するよう、各電極対１２の上流電極２１および下流電極２２のいずれか一方を、第１スイッチ３３を介してＤＣ電源２４に電気的に接続すると共に第２スイッチ３４を介して接地し、さらに各電極対１２の上流電極２１および下流電極２２の他方を接地し、第１スイッチ３３をＯＮにすると共に第２スイッチ３４をＯＦＦにし、第１スイッチ３３をＯＦＦにすると共に第２スイッチ３４をＯＮにする動作を繰り返すよう構成されていてもよい。この場合にも、繰り返しパルス電圧にＤＣ電圧を重畳した電圧を、各電極対１２に印加することができる。なお、第１スイッチ３３および第２スイッチ３４は、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体素子から成っていてもよい。また、図６に示す一例では、電極対１２は３つ以上であるが、電極対１２は１対であってもよく、２つであってもよい。

図６に示すプラズマアクチュエータ１０を用いて、静止気体中での性能評価試験を行った。試験では、誘電体層１１として、厚さ50μmのポリイミドテープを使用した。電極対１２は８つとし、各上流電極２１および最下流電極１３は、幅1.5 mm、間隔2.5 mmとした。各下流電極２２は、両側の上流電極２１および最下流電極１３とのオーバーラップ領域を0.2 mmとした。また、第１スイッチ３３および第２スイッチ３４として、SiC-MOSFET（Wolfspeed社製「C2M1000170D」）を用いた。なお、パルス電圧の立ち上がり時間を調節するために、ＤＣ電源２４と第１スイッチ３３との間に、10 Ωの抵抗を挿入した。

試験では、電圧印加手段１４により印加する電圧を、高電圧プローブ（PMK社製「PHV4002-3」）により計測し、そのときに各電極対１２に流れる電流を、ロゴスキーコイル（Pearson社製「model 2877」）により計測した。また、電圧・電流波形を、デジタルオシロスコープを用いて取得した。

ＤＣ電源２４の電圧を 1200 Vとしてプラズマアクチュエータ１０を駆動したときの、電圧波形および電流波形を、図７に示す。図７に示すように、時刻t = 0μs以前では、第１スイッチ３３をＯＮにし、第２スイッチ３４をＯＦＦにしている。t = 0μsのタイミングで、第１スイッチ３３をＯＦＦにし、第２スイッチ３４をＯＮにすることにより、電圧が瞬間的に 0 Vまで低下している。その後、再び第１スイッチ３３をＯＮにし、第２スイッチ３４をＯＦＦにしているが、この２つのスイッチを同時にＯＮにすると、ＤＣ電源２４から大電流が流れる恐れがあるため、第２スイッチ３４をＯＦＦにした後、1 μs程度あけて第１スイッチ３３をＯＮにしている。電圧が降下する段階では、電流値が負のピーク値（約−6 A）となっており、負極性の放電が発生していることが確認された。また、電圧が上昇する段階では、電流値は正のピーク値（約2 A）となっており、正極性の放電が発生していることが確認された。この結果から、図６に示す電圧印加手段１４でも、パルス電圧にＤＣ電圧を重畳した電圧を印加可能であるといえる。

次に、繰り返しパルス電圧の周波数を50 kHzおよび100 kHz、ＤＣ電圧を1200 Vおよび1500 Vとしてプラズマアクチュエータ１０を駆動し、誘起された流れのｘ方向（誘電体層１１の表面に沿った方向）速度のｙ方向（誘電体層１１の表面に対して垂直な方向）プロファイルを求め、図８に示す。図８には、最下流電極１３から 1 mm下流の位置でのプロファイルを示す。図８に示すように、ＤＣ電圧が1200 Vおよび1500 Vのとき、1 m/s以上の速度の流れが誘起されることが確認された。特に、ＤＣ電圧が1500 V、繰り返しパルス電圧の周波数が 100 kHz のとき、誘起される流れの最大速度は 2 m/s であり、従来の 10 kV 以上の電圧を印加するプラズマアクチュエータと同程度の速度が得られている。このため、プラズマアクチュエータ１０は、1500 Vの印加電圧で、従来の10 kV以上の電圧を印加した場合と同等の制御効果を得ることができると考えられる。このことから、プラズマアクチュエータ１０は、従来よりも電圧印加手段１４を小さくすることができ、小型で軽量、かつ安価に構成することができるといえる。

なお、図９に示すように、プラズマアクチュエータ１０で、電圧印加手段１４は、ＤＣ電源２４と第１スイッチ３３と第２スイッチ３４と第３スイッチ３５と第４スイッチ３６とを有し、印加する電圧の極性が隣り合う電極対１２で反転するよう、各電極対１２の上流電極２１および下流電極２２のいずれか一方を、第１スイッチ３３を介してＤＣ電源２４に電気的に接続すると共に第２スイッチ３４を介して接地し、さらに各電極対１２の上流電極２１および下流電極２２の他方を、第３スイッチ３５を介してＤＣ電源２４に電気的に接続すると共に第４スイッチ３６を介して接地し、第１スイッチ３３および第４スイッチ３６をＯＮにすると共に第２スイッチ３４および第３スイッチ３５をＯＦＦにし、第１スイッチ３３および第４スイッチ３６をＯＦＦにすると共に第２スイッチ３４および第３スイッチ３５をＯＮにする動作を繰り返すよう構成されていてもよい。この場合にも、繰り返しパルス電圧にＤＣ電圧を重畳した電圧を、各電極対１２に印加することができる。また、パルス電圧を印加したときの、各電極対１２の上流電極２１と下流電極２２との電位差を大きくすることができ、生成されるプラズマの量を増やすことができる。これにより、より大きい流れを誘起することができる。なお、図９に示す一例では、電極対１２は３つ以上であるが、電極対１２は１対であってもよく、２つであってもよい。

本発明に係るプラズマアクチュエータは、例えば、航空機の翼や風車、ガスタービンのブレード周りの流れの制御に利用することができる。また、本発明に係るプラズマアクチュエータは、従来のものよりも小型で軽量、かつ安価であるため、プラズマアクチュエータを用いた能動的気流制御技術導入の敷居を下げることができ、より広い範囲での産業利用を促進することができる。

１０プラズマアクチュエータ
１１誘電体層
１２電極対
２１上流電極
２２下流電極
１３最下流電極
１４電圧印加手段
２３交流電源またはパルス電源
２４ＤＣ電源
２５ハイパスフィルタ
２６ローパスフィルタ

３１ａ、３１ｂ分割電極
３２抵抗器
３３第１スイッチ
３４第２スイッチ
３５第３スイッチ
３６第４スイッチ

Claims

誘電体層と、
前記誘電体層の一方の表面に沿って、所定の方向に向かって上流側から下流側に並べて前記誘電体層に設けられた複数の電極対と、
各電極対の下流側で前記誘電体層に設けられた最下流電極と、
交流電圧または繰り返しパルス電圧を含む電圧を、各電極対に印加可能に設けられた電圧印加手段とを有し、
各電極対は、前記誘電体層の一方の表面側に設けられた上流電極と、前記上流電極との間に前記誘電体層を挟むよう前記誘電体層の他方の表面側に設けられ、前記上流電極から下流側にずれて配置された下流電極とを有し、
隣り合う電極対は、下流側の電極対の前記上流電極が、上流側の電極対の前記下流電極から下流側にずれて配置されており、
前記最下流電極は、前記誘電体層の一方の表面側に、最も下流側の電極対の前記下流電極から下流側にずれて配置され、最も下流側の電極対の前記下流電極と同じ電位になるよう設けられており、
前記電圧印加手段は、印加する前記電圧の極性が隣り合う電極対で反転するよう、前記電圧を印加可能に構成されていることを
特徴とするプラズマアクチュエータ。
前記電圧印加手段は、各電極対の前記上流電極および前記下流電極のいずれか一方に前記電圧を印加したとき、他方を接地するよう構成されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマアクチュエータ。
前記電圧印加手段は、上流側から奇数番目の電極対の前記上流電極と上流側から偶数番目の電極対の前記下流電極とに前記電圧を印加したとき、上流側から奇数番目の電極対の前記下流電極と上流側から偶数番目の電極対の前記上流電極とを接地するよう構成されている、および／または、上流側から奇数番目の電極対の前記下流電極と上流側から偶数番目の電極対の前記上流電極とに前記電圧を印加したとき、上流側から奇数番目の電極対の前記上流電極と上流側から偶数番目の電極対の前記下流電極とを接地するよう構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマアクチュエータ。
前記電圧は、前記交流電圧または前記繰り返しパルス電圧に、ＤＣ電圧を重畳した電圧から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマアクチュエータ。
前記電圧印加手段は、ＤＣ電源と第１スイッチと第２スイッチとを有し、各電極対の前記上流電極および前記下流電極のいずれか一方を、前記第１スイッチを介して前記ＤＣ電源に電気的に接続すると共に前記第２スイッチを介して接地しており、他方を接地しており、前記第１スイッチをＯＮにすると共に前記第２スイッチをＯＦＦにし、前記第１スイッチをＯＦＦにすると共に前記第２スイッチをＯＮにする動作を繰り返すよう構成されていることを特徴とする請求項４記載のプラズマアクチュエータ。
前記電圧印加手段は、ＤＣ電源と第１スイッチと第２スイッチと第３スイッチと第４スイッチとを有し、各電極対の前記上流電極および前記下流電極のいずれか一方を、前記第１スイッチを介して前記ＤＣ電源に電気的に接続すると共に前記第２スイッチを介して接地しており、他方を、前記第３スイッチを介して前記ＤＣ電源に電気的に接続すると共に前記第４スイッチを介して接地しており、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチをＯＮにすると共に前記第２スイッチおよび前記第３スイッチをＯＦＦにし、前記第１スイッチおよび前記第４スイッチをＯＦＦにすると共に前記第２スイッチおよび前記第３スイッチをＯＮにする動作を繰り返すよう構成されていることを特徴とする請求項４記載のプラズマアクチュエータ。
誘電体層と、
前記誘電体層の一方の表面側に設けられた上流電極と、
前記上流電極との間に前記誘電体層を挟むよう前記誘電体層の他方の表面側に設けられ、前記上流電極から所定の方向にずれて配置された下流電極と、
前記誘電体層の一方の表面側に、前記下流電極から前記所定の方向にずれて配置され、前記下流電極と同じ電位になるよう設けられた最下流電極と、
交流電圧または繰り返しパルス電圧を含む電圧を、前記上流電極および前記下流電極のいずれか一方に印加可能に設けられ、前記一方に前記電圧を印加したとき、他方を接地するよう構成された電圧印加手段とを、
有することを特徴とするプラズマアクチュエータ。
前記上流電極および前記最下流電極は、それぞれ前記所定の方向に沿って並んだ１対の分割電極に分割されており、各対の上流側または下流側の分割電極に、抵抗器が接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のプラズマアクチュエータ。