JP7445526B2 - プラズマアクチュエータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマアクチュエータの制御方法に関する。

従来より、車両の表面にプラズマアクチュエータを取り付ける発明が知られている（特許文献１）。特許文献１に記載された発明は、発生させたプラズマによって車両表面における気流（空気の流れ）の剥離を抑制する。

特開２０１１－１４２０２５号公報

走行シーンにおいて空気の流れは車両側面の左右で異なる。このため、一方の側面では車両後方に巻き込む空気流れが発生して車両後端近傍で空気の渦を形成し車両の進行方向とは逆方向に空気抵抗が発生する場合がある。他方の側面では後端部よりも前方の側面から空気が剥離して、剥離点より後方の側面で発生する小さな巻き込み空気流れにより空気の渦が発生して空気抵抗が増大する場合がある。しかしながら特許文献１に記載された発明はこの点が考慮されておらず空気抵抗を低減できないおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、移動体の進行方向とは逆方向に発生する空気抵抗を低減することが可能なプラズマアクチュエータの制御方法を提供することである。

本発明の一態様に係るプラズマアクチュエータの制御方法は、移動体の走行環境に基づいてプラズマアクチュエータに印加する電圧を変更する。プラズマアクチュエータは、誘電体と、誘電体を挟む第１電極及び第２電極から形成される第１電極群と、誘電体を挟む第３電極及び第４電極から形成される第２電極群と、を備え、第１電極群は、第２電極群から所定距離離れた位置で第２電極群に対向して配置される。

本発明によれば、移動体の進行方向とは逆方向に発生する空気抵抗を低減することが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１が取り付けられる部位の一例を示す図である。 図２は、プラズマアクチュエータ１の制御に用いられる構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の構成を説明する概略図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の構成を説明する概略断面図である。 図５は、本発明の第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の動作例を説明する図である。 図６は、本発明の第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の構成を説明する概略断面図である。 図７は、本発明の第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の動作例を説明する図である。 図８は、本発明の第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の動作例を説明する図である。 図９は、本発明の第２実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の構成を説明する概略図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の構成を説明する概略断面図である。 図１１は、本発明の第２実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の動作例を説明する図である。 図１２は、本発明の第２実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の動作例を説明する図である。 図１３は、本発明の第３実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の構成を説明する概略図である。 図１４は、その他の実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の構成を説明する概略断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

（第１実施形態）
図１に示すように第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１は、車両１００（移動体）の表面２に複数取り付けられる。プラズマアクチュエータ１が取り付けられる部位は一例として、ヘッドランプの上側部分、フロントバンパの上側部分、フロントフェンダの上側部分、フロントピラーの上側部分、最終ピラーの上側部分、トランクの上側部分、リヤコンビネーションランプの上側部分、リヤフェンダの上側部分、リヤバンパの上側部分が挙げられる。

他の取り付け例として、プラズマアクチュエータ１はルーフ（もしくはルーフスポイラ）の上側部分などに取り付けられてもよい。図１に示す例ではプラズマアクチュエータ１は左側の表面に取り付けられているが、右側の表面にも左側の表面と対応する位置にプラズマアクチュエータ１が取り付けられている。

図２に示すように車両１００には風速センサ３、風向センサ４、速度センサ５、コントローラ６、データベース７、放電用電源８が設けられる。

風速センサ３は車両１００の周囲を流れる自然風の速度を検出する。風向センサ４は車両１００の周囲を流れる自然風の方向を検出する。風速センサ３及び風向センサ４が設置される場所は一例としてフロントバンパである。速度センサ５は車両１００の速度を検出する。コントローラ６はＣＰＵ（中央処理装置）、メモリ（記憶部）、及び入出力部を備える汎用のマイクロコンピュータである。コントローラ６は風速センサ３、風向センサ４、及び速度センサ５から出力されるデータと、データベース７に格納されているデータとを参照して放電用電源８の出力値（電圧）を決定する。

放電用電源８はコントローラ６の指令にしたがいそれぞれのプラズマアクチュエータ１に電圧を印加する。詳しくは後述するが放電用電源８は電極間に電圧を印加する。放電用電源８は各プラズマアクチュエータ１に設けられてもよく、各プラズマアクチュエータ１を独立して電圧制御できる機能を備える１つの電源として構成されてもよい。

データベース７は、予め取得された風速、風向、車速の計測値に基づいてプラズマアクチュエータ１に印加する電圧の大きさが格納されている。プラズマアクチュエータ１に印加する電圧の大きさは、車両１００に対する実風速（車速ベクトルと自然風ベクトルとの和）と偏揺角（車速ベクトルと実風速ベクトルとのなす角度）の関係を示す情報として記憶される。コントローラ６は、車両１００が実際に走行しているときの風速、風向、車速と、データベース７に格納されている風速、風向、車速とを照らし合わせることにより、風速、風向、速度に応じて、プラズマアクチュエータ１が取り付けられた部位ごとに適切な電圧の大きさを決定することができる。

次に図３～７を参照して、プラズマアクチュエータ１の構成について説明する。

図３に示すようにプラズマアクチュエータ１は誘電体１０と、誘電体１０を挟む２枚の電極（第１電極１１ａ、第２電極１２ａ）から形成される。誘電体１０は、周知の誘電材料で構成される。誘電体１０を構成する誘電材料として具体的には、電気的絶縁材料であるアルミナ、ガラス、マイカなどの無機絶縁物、ポリイミド、ガラスエポキシ、ゴムなどの有機絶縁物などが挙げられる。ただし、誘電体１０を構成する誘電材料はこれらに限られるものではなく、プラズマアクチュエータ１が使用される環境に応じて周知の誘電材料から適宜選択されればよい。プラズマアクチュエータ１が使用される環境とは車両１００が走行しているときを指す。

図３に示すように第１電極１１ａ、第２電極１２ａは、周知の導電性材料からなり、薄板状に形成される。導電性材料は、プラズマアクチュエータ１が使用される環境に応じて周知の導電性材料から適宜選択されればよい。第１電極１１ａは表面２に対し第２電極１２ａより上側に配置される。

第１電極１１ａと第２電極１２ａとの間に電圧（上述の放電用電源８から出力される電圧）を印加すると、図４に示すように第１電極１１ａから第２電極１２ａに向けて誘電体１０の表面に沿ってプラズマ１５ａが発生する。プラズマが発生する原理については周知であるためここでの説明は省略する。プラズマアクチュエータ１に印加される電圧の大きさは、一例として１ｋＶ～１０ｋＶである。第１実施形態ではプラズマアクチュエータ１に印加される電圧の大きさは、プラズマアクチュエータ１が取り付けられた部位ごとに、車両１００が走行しているときの風速、風向、車速に応じて変更される。

第１実施形態では誘電体１０を挟む電極は２組ある。１組は上述したように第１電極１１ａと第２電極１２ａである。もう１組は図３及び図４に示すように、第１電極１１ｂ（第３電極）と第２電極１２ｂ（第４電極）である。第１電極１１ｂ及び第２電極１２ｂの導電性材料は第１電極１１ａ及び第２電極１２ａと同じである。第１電極１１ｂは表面２に対し第２電極１２ｂより上側に配置される。

第１電極１１ｂと第２電極１２ｂとの間に電圧を印加すると、図４に示すように第１電極１１ｂから第２電極１２ｂに向けて誘電体１０の表面に沿ってプラズマ１５ｂが発生する。第１電極１１ａは第２電極１２ａより車両前方に配置される。第１電極１１ｂは第２電極１２ｂより車両後方に配置される。

プラズマアクチュエータ１の構成において、誘電体１０を挟む第１電極１１ａ及び第２電極１２ａから形成される部位を第１電極群２０ａとよび、誘電体１０を挟む第１電極１１ｂ及び第２電極１２ｂから形成される部位を第２電極群２０ｂとよぶ。図４に示すように第１電極群２０ａと第２電極群２０ｂは所定距離離れて配置される。また、第１電極群２０ａと第２電極群２０ｂは表面２に沿って対向して配置される。この配置により、プラズマ１５ａ及びプラズマ１５ｂが表面２に沿って対向して発生する。これにより図４に示すように表面２の垂直方向に流れる気流３０が発生する。図４に示す気流４１はプラズマアクチュエータ１が取り付けられていない場合における車両１００の表面２に沿った空気の流れである。気流３０によってこの気流４１は図４及び図５に示すように持ち上げられ気流４０となる。つまり気流３０によって気流４１の剥離（表面２からの剥離）が促進される。

次に図４よりも印加する電圧を小さくした例について図６を参照して説明する。すなわち図６に示すプラズマアクチュエータ１に印加される電圧は、図４に示すプラズマアクチュエータ１に印加される電圧より小さい。プラズマアクチュエータ１の構成は図４及び図６において同一である。図４及び図６においてプラズマアクチュエータ１に印加される電圧のみが異なる。図６に示すように印加される電圧が比較的小さい場合、発生したプラズマ１５ａ及びプラズマ１５ｂによって表面２に向かう気流４２が発生する。この気流４２によって気流４１（プラズマアクチュエータ１が取り付けられていない場合における車両１００の表面２に沿った空気の流れ）は図６及び図７に示すように表面２に引っ張られる形となり、表面２からの剥離が抑制される。この剥離抑制により後述する図８に示すように、剥離抑制がない気流４１と比較して、車両１００の後方から離れた位置で空気の渦５０が形成される。これにより剥離抑制がない気流４１と比較して、車両１００の進行方向とは逆方向に発生する空気抵抗は低減する。

次に図８を参照して車両前方の右斜め方向から風７０を受けている場合について説明する。この場合車両１００の左右側面のうち、右側面のほうが左側面より風７０の影響が大きい。図８において右側面後端部に取り付けられたプラズマアクチュエータ１ｇ，１ｈに印加される電圧は、左側面後端部に取り付けられたプラズマアクチュエータ１ｃ，１ｄに印加される電圧より大きい。これによりプラズマアクチュエータ１ｇ，１ｈでは図４で説明したように気流３０によって気流４１の剥離が促進される。この剥離促進により図８に示すように、剥離促進がない気流４１と比較して、車両１００の後方から離れた位置で空気の渦５０が形成される。これに対しプラズマアクチュエータ１ｇ，１ｈが取り付けられていない場合、気流４１は図８に示すように車両１００の後方近傍で空気の渦５１を形成する。この場合、空気の渦５１の負圧により車両１００には進行方向と逆向きの空気抵抗が加わる。これにより燃費が悪化するおそれがある。第１実施形態によれば右側面後方において気流３０によって気流４１の剥離が促進されるため、剥離促進がない気流４１と比較して、車両１００の後方から離れた位置で空気の渦５０が形成される。これにより剥離促進がない気流４１と比較して、車両１００の進行方向とは逆方向に発生する空気抵抗は低減する。

左側面後端部に取り付けられたプラズマアクチュエータ１ｃ，１ｄに印加される電圧は、右側面後端部に取り付けられたプラズマアクチュエータ１ｇ，１ｈに印加される電圧より小さい。これによりプラズマアクチュエータ１ｃ，１ｄでは図５で説明したように気流３０によって気流４１の剥離が抑制される。この剥離抑制により図８に示すように、剥離抑制がない気流４１と比較して、車両１００の後方から離れた位置で空気の渦５０が形成される。左側面後方においてこのような現象となる理由は、左側面後方において気流を車両１００に引き寄せるため、空気が車両１００から剥離するポイントが後ろにずれるためである。第１実施形態によれば左側面後方において気流３０によって気流４１の剥離が抑制されるため、剥離抑制がない気流４１と比較して、車両１００の後方から離れた位置で空気の渦５０が形成される。これにより剥離抑制がない気流４１と比較して、車両１００の進行方向とは逆方向に発生する空気抵抗は低減する。

右側面前端部に取り付けられたプラズマアクチュエータ１ｅ，１ｆには電圧が印加されない。理由は空力性能観点によれば右斜め方向からの風７０についてプラズマアクチュエータ１ｅ，１ｆを制御する必要がないからである。

左側面前端部に取り付けられたプラズマアクチュエータ１ａ，１ｂに印加される電圧は、左側面後端部に取り付けられたプラズマアクチュエータ１ｃ，１ｄに印加される電圧より大きい。このように電圧に差を設定する理由は、フロントピラーでは最終ピラーと比較して曲率が小さいため空気の流れが加速しやすくプラズマによるより強い気流が求められるからである。このような大きい電圧をプラズマアクチュエータ１ａ，１ｂに印加することにより、左側面前方において気流剥離抑制が実現する。これにより左側面前方に続く左側面後方において空気が車両１００から剥離するポイントが後ろにずらすことが可能となる。

図８において車両前方の右斜め方向からの風７０について説明したが、車両前方の左斜め方向から風を受けている場合は上述の電圧の大きさを逆にすればよい。また、車速については車速が早いほど印加する電圧の大きさを大きくすればよい。風速についても同様に風速が早いほど印加する電圧の大きさを大きくすればよい。風速、風向、車速の３つのパラメータはすべて必要ではなく、少なくともいずれか１つに基づいてコントローラ６はプラズマアクチュエータ１に印加する電圧を決定することができる。あるいはコントローラ６は風速と風向の組み合わせ、風速と車速の組み合わせ、風向と車速の組み合わせのいずれかの組み合わせによってプラズマアクチュエータ１に印加する電圧を決定することができる。なおコントローラ６は風速、風向、車速の３つのパラメータをすべて組み合わせることにより空気抵抗を低減するための精度の高い電圧を決定することができる。

（作用効果）
以上説明したように、第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１によれば、以下の作用効果が得られる。

プラズマアクチュエータ１は、誘電体１０を挟む第１電極１１ａ及び第２電極１２ａから形成される第１電極群２０ａと、誘電体１０を挟む第１電極１１ｂ及び第２電極１２ｂから形成される第２電極群２０ｂとを備える。第１電極群２０ａは、第２電極群２０ｂから所定距離離れた位置で第２電極群２０ｂに対向して配置される。コントローラ６は車両１００の走行環境に基づいてプラズマアクチュエータ１に印加する電圧を変更する。これにより図８で説明したように車両前方の右斜め方向から風７０を受けている場合において、右側面後方、左側面前方、左側面後方で気流の剥離促進及び剥離抑制が実現し、車両１００の進行方向とは逆方向に発生する空気抵抗は低減する。よって第１実施形態に係るプラズマアクチュエータ１の制御方法によれば燃費向上に寄与する。

車両１００の走行環境は、風速、風向、車両１００の車速のうち少なくともいずれか１つを含む。

（第２実施形態）
次に図９～１２を参照して第２実施形態について説明する。ただし第１実施形態と重複する構成については符号を引用してその説明は省略する。

図９に示すようにプラズマアクチュエータ１は誘電体１０と、誘電体１０を挟む２枚の電極（第１電極１１ｃ、第２電極１２ｃ）から形成される。第１電極１１ｃ及び第２電極１２ｃの導電性材料は第１電極１１ａ及び第２電極１２ａと同じである。第２実施形態が第１実施形態と異なる部分は、第１実施形態では誘電体１０を挟む電極が２組あるのに対し、第２実施形態では誘電体１０を挟む電極は１組である点である。

第１電極１１ｃは表面２に対し第２電極１２ｃより上側に配置される。第１電極１１ｃは第２電極１２ｃより車両後方に配置される。第１電極１１ｃと第２電極１２ｃとの間に電圧を印加すると、図１０に示すように第１電極１１ｃから第２電極１２ｃに向けて誘電体１０の表面に沿ってプラズマ１５ｃが車両１００の進行方向に発生する。このプラズマ１５ｃにより誘導気流（気流６０）が生じる。そして大きい電圧が印加された場合、図１１に示すように気流６０により走行中における気流４１の剥離が促進され、気流４０のようになる。この剥離促進による空気の渦の形成については第１実施形態と同様であるため説明を省略する。また、小さい電圧が印加された場合、図１２に示すように気流６０により走行中における気流４１の剥離が抑制され、気流４０のようになる。以上のとおり、第２実施形態に係るプラズマアクチュエータ１も第１実施形態と同様に燃費向上に寄与する。

（第３実施形態）
次に図１３を参照して第３実施形態について説明する。ただし第１実施形態と重複する構成については符号を引用してその説明は省略する。

図１３に示すように第３実施形態に係るプラズマアクチュエータ１は第１電極１１ａ及び第１電極１１ｂを覆うカバー１３を備える。カバー１３は周知の誘電材料で構成される。カバー１３を構成する誘電材料として具体的には、電気的絶縁材料であるアルミナ、ガラス、マイカなどの無機絶縁物、ポリイミド、ガラスエポキシ、ゴムなどの有機絶縁物などが挙げられる。ただし、カバー１３を構成する誘電材料はこれらに限られるものではなく、プラズマアクチュエータ１が使用される環境に応じて周知の誘電材料から適宜選択されればよい。

第３実施形態に係るプラズマアクチュエータ１によれば第１電極１１ａ及び第１電極１１ｂがカバー１３で覆われるため、プラズマアクチュエータ１の耐久性が向上する。

上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、放電用電源８は、電圧、電流、周波数、デューティ比などの電流電圧特性を変化させてプラズマアクチュエータ１に電圧を印加してもよい。

また図３に示すプラズマアクチュエータを複数利用して、図１４に示すプラズマアクチュエータ１を構成してもよい。図１４の右側部分は図３を同様のため説明を省略する。図１４の左側部分について第１電極１１ｄ及び第２電極１２ｄから形成される第１電極群２０ｄと第１電極１１ｅ及び第２電極１２ｅから形成される第２電極群２０ｅとが、所定距離離れた位置で対向して配置される。第１電極１１ｄと第２電極１２ｄとの間に電圧を印加すると、第１電極１１ｄから第２電極１２ｄに向けて誘電体１０の表面に沿ってプラズマ１５ｄが発生する。同様に第１電極１１ｅと第２電極１２ｅとの間にパルス電圧を印加すると、第１電極１１ｅから第２電極１２ｅに向けて誘電体１０の表面に沿ってプラズマ１５ｅが発生する。これにより大きい電圧を印加した場合、表面２の垂直方向により多くの気流３０が発生し、この気流３０によって走行中における気流４１の剥離が促進される。なお、図示は省略するが小さい電圧を印加した場合は気流４２によって表面２からの剥離がより抑制される。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ プラズマアクチュエータ
２ 表面
１０ 誘電体
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ 第１電極
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ 第２電極
１３ カバー
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ プラズマ
２０ａ、２０ｄ 第１電極群
２０ｂ、２０ｅ 第２電極群
１００ 車両

Claims (4)

1. 移動体に配置されるプラズマアクチュエータの制御方法であって、
   前記プラズマアクチュエータは、
   誘電体と、
   前記誘電体を挟む第１電極及び第２電極から形成される第１電極群と、
   前記誘電体を挟む第３電極及び第４電極から形成される第２電極群と、を備え、
   前記第１電極群は、前記第２電極群から所定距離離れた位置で前記第２電極群に対向して配置され、
   前記移動体の走行環境に基づいて前記プラズマアクチュエータに印加する電圧を変更し、
   前記走行環境は、風速、風向のうち少なくともいずれか１つを含むものとする
   ことを特徴とするプラズマアクチュエータの制御方法。
2. 移動体に配置されるプラズマアクチュエータの制御方法であって、
   前記プラズマアクチュエータは、
   誘電体と、
   前記誘電体を挟む第１電極及び第２電極を備え、
   前記第１電極は、前記第２電極より前記移動体の後方に配置され、かつ前記移動体の表面に対し前記第２電極より上側に配置され、
   前記移動体の走行環境に基づいて前記プラズマアクチュエータに印加する電圧を変更し、
   前記走行環境は、風速、風向のうち少なくともいずれか１つを含むものとする
   ことを特徴とするプラズマアクチュエータの制御方法。
3. 前記走行環境は、前記移動体の車速を含む
   ことを特徴とする請求項１また２に記載のプラズマアクチュエータの制御方法。
4. 前記プラズマアクチュエータが配置される部位ごとに前記印加する電圧を変更する
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のプラズマアクチュエータの制御方法。

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