JP7526398B2 - Plasma Actuator - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマアクチュエータに関する。 The present invention relates to a plasma actuator.
プラズマアクチュエータは、誘電体の第１の主面に設けられた第１の電極と、誘電体の第２の主面に設けられた第２の電極と、を備える。プラズマアクチュエータは、第１の電極と第２の電極との間に電圧が印加されることによって、第１の主面に誘電体バリア放電を発生させ、当該誘電体バリア放電によって、誘起流れを発生させる。 The plasma actuator includes a first electrode provided on a first main surface of the dielectric and a second electrode provided on a second main surface of the dielectric. The plasma actuator generates a dielectric barrier discharge on the first main surface by applying a voltage between the first electrode and the second electrode, and generates an induced flow by the dielectric barrier discharge.
プラズマアクチュエータは、構造が単純であり、軽量で薄型に形成できるなどの利点を有する。このため、乗用車、高速列車、航空機などの移動体、流体機械などの高速回転体、風力発電機の風車などへのプラズマアクチュエータの適用が、検討されている。また、印加電圧波形および電極配置の調整によって、一方向性の強いイオン風を発生させるプラズマアクチュエータの実用化実験が行われている（例えば、非特許文献１参照）。 Plasma actuators have the advantage of being simple in structure and being lightweight and thin. For this reason, applications of plasma actuators to moving objects such as passenger cars, high-speed trains, and aircraft, high-speed rotating objects such as fluid machinery, and wind turbines for wind power generators are being considered. In addition, experiments are being conducted to commercialize plasma actuators that generate strong unidirectional ionic winds by adjusting the applied voltage waveform and electrode arrangement (see, for example, Non-Patent Document 1).
本発明は、効率良く高い推力を得ることができるプラズマアクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a plasma actuator that can efficiently obtain high thrust.
本発明に係るプラズマアクチュエータは、第１の主面および前記第１の主面の反対側に位置する第２の主面を有する誘電体層と、前記第１の主面に設けられた第１の電極と、前記第２の主面に設けられた第２の電極と、を備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されることによって、前記第１の主面に誘電体バリア放電を発生させ、当該誘電体バリア放電によって誘起流れを発生させるプラズマアクチュエータであって、前記第２の電極は、薄膜または薄板で形成され、前記第２の電極には、電極欠損部が設けられている。前記電極欠損部は、前記第２の電極を貫通する電極貫通孔を含む。 A plasma actuator according to the present invention includes a dielectric layer having a first main surface and a second main surface located opposite to the first main surface, a first electrode provided on the first main surface, and a second electrode provided on the second main surface, and generates a dielectric barrier discharge on the first main surface by applying a voltage between the first electrode and the second electrode, and generates an induced flow by the dielectric barrier discharge, wherein the second electrode is formed of a thin film or a thin plate, and the second electrode has an electrode missing portion. The electrode missing portion includes an electrode through-hole that penetrates the second electrode.
本発明のプラズマアクチュエータによれば、効率良く高い推力を得ることができる。 The plasma actuator of the present invention can efficiently generate high thrust.
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態について説明する。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described.
＜プラズマアクチュエータの構成＞
まず、第１の実施の形態に係るプラズマアクチュエータの構成について説明する。図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマアクチュエータの縦断面図である。図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマアクチュエータの平面図である。なお、図１Ａおよび図２Ｂに示すＸＹＺ座標系を用いて、プラズマアクチュエータの構成や動作に関する方向を説明する場合がある。
<Configuration of Plasma Actuator>
First, the configuration of the plasma actuator according to the first embodiment will be described. Fig. 1A is a vertical cross-sectional view of the plasma actuator according to the first embodiment of the present invention. Fig. 1B is a plan view of the plasma actuator according to the first embodiment of the present invention. Note that the XYZ coordinate system shown in Figs. 1A and 2B may be used to explain directions related to the configuration and operation of the plasma actuator.
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、プラズマアクチュエータ１は、対象物、例えば車両の筐体ＣＳの表面に装着される。プラズマアクチュエータ１は、誘電体層１０と、第１の電極２０と、第２の電極３０と、封止層４０と、高電圧高周波電源５０と、を備える。プラズマアクチュエータ１は、第１の電極２０と第２の電極３０との間に電圧が印加されることによって、誘電体層１０の後述する第１の主面（表面）１１における第１の電極２０の＋Ｘ方向側に誘電体バリア放電（以下、「ＤＢＤ（Dielectric Barrier Discharge）」という）を発生させ、当該ＤＢＤによって、＋Ｘ方向に向かう誘起流れＩＦを発生させる。＋Ｘ方向は、第１の方向の一例である。 As shown in Figures 1A and 1B, the plasma actuator 1 is attached to the surface of an object, for example, a housing CS of a vehicle. The plasma actuator 1 includes a dielectric layer 10, a first electrode 20, a second electrode 30, a sealing layer 40, and a high-voltage high-frequency power supply 50. When a voltage is applied between the first electrode 20 and the second electrode 30, the plasma actuator 1 generates a dielectric barrier discharge (hereinafter referred to as "DBD (Dielectric Barrier Discharge)") on the +X direction side of the first electrode 20 on a first main surface (surface) 11 of the dielectric layer 10 described below, and the DBD generates an induced flow IF toward the +X direction. The +X direction is an example of a first direction.
誘電体層１０は、第１の主面１１と、第１の主面１１の反対側に位置する第２の主面（裏面）１２と、を有する板状に形成されている。なお、誘電体層１０を挟んだ第１の主面１１側を「表面側」、第２の主面１２側を「裏面側」という場合がある。 The dielectric layer 10 is formed in a plate shape having a first main surface 11 and a second main surface (rear surface) 12 located on the opposite side of the first main surface 11. The first main surface 11 side of the dielectric layer 10 may be referred to as the "front side" and the second main surface 12 side as the "rear side."
誘電体層１０としては、例えば、アクリル樹脂、シリコーンゴム、シリコーン樹脂、アルミナセラミックス、サファイア（高純度アルミナセラミックス）、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂（例えばテフロン（登録商標））、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、パイレックス（登録商標）ガラス、石英ガラス、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、各種油脂などを用いることができる。 The dielectric layer 10 can be made of, for example, acrylic resin, silicone rubber, silicone resin, alumina ceramics, sapphire (high-purity alumina ceramics), polyimide, polytetrafluoroethylene (PTFE) resin (e.g., Teflon (registered trademark)), polyethylene terephthalate (PET) resin, Pyrex (registered trademark) glass, quartz glass, polyether ether ketone (PEEK) resin, various oils and fats, etc.
第１の電極２０（表面電極）は、誘電体層１０の第１の主面１１に設けられている。第１の電極２０は、平面視において、長辺がＹ軸に平行、かつ、短辺がＸ軸に平行な長方形に形成されている。すなわち、第１の電極２０は、誘起流れＩＦの方向（＋Ｘ方向）に対して直交する方向に延びるように設けられている。第１の電極２０は、接地されている。 The first electrode 20 (surface electrode) is provided on the first main surface 11 of the dielectric layer 10. In a plan view, the first electrode 20 is formed into a rectangle whose long sides are parallel to the Y axis and whose short sides are parallel to the X axis. In other words, the first electrode 20 is provided so as to extend in a direction perpendicular to the direction of the induced flow IF (+X direction). The first electrode 20 is grounded.
第１の電極２０の形態は特に限定されない。第１の電極２０は、誘電体層１０にフラッシュマウント化され、その表面が露出するように配置されることが、誘電体層１０の第１の主面１１に沿う円滑な誘起流れＩＦを形成する点で好ましい。第１の電極２０は、金属材料、例えば銅、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、銀、ＳＵＳ、または、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの導電性酸化物、または導電性ゴムなどで構成された薄板状または薄膜状であることが好ましい。 The form of the first electrode 20 is not particularly limited. The first electrode 20 is preferably flush mounted on the dielectric layer 10 and arranged so that its surface is exposed, in order to form a smooth induced flow IF along the first main surface 11 of the dielectric layer 10. The first electrode 20 is preferably a thin plate or thin film made of a metal material, such as copper, aluminum, titanium, nickel, gold, silver, SUS, or a conductive oxide such as indium tin oxide (ITO), or conductive rubber.
第２の電極３０（裏面電極）は、誘電体層１０の第２の主面１２における第１の電極２０に対応する位置よりも＋Ｘ方向側にずれた位置に設けられている。第２の電極３０は、互いに離れて配置された複数の部分電極３１と、当該複数の部分電極３１を電気的に接続する接続部３２と、を備える。 The second electrode 30 (rear electrode) is provided at a position shifted toward the +X direction side from a position corresponding to the first electrode 20 on the second main surface 12 of the dielectric layer 10. The second electrode 30 includes a plurality of partial electrodes 31 arranged apart from each other, and a connection portion 32 that electrically connects the plurality of partial electrodes 31.
部分電極３１は、平面視において、長辺がＹ軸に平行、かつ、短辺がＸ軸に平行な長方形に形成されている。すなわち、部分電極３１は、誘起流れＩＦの方向に対して直交する方向に延びるように設けられている。部分電極３１は、Ｘ軸に沿って一列に並ぶように配置されている。１個の部分電極３１は、配線３５を介して、高電圧高周波電源５０の出力部５１に接続されている。 When viewed in a plane, the partial electrodes 31 are formed in a rectangular shape with their long sides parallel to the Y-axis and their short sides parallel to the X-axis. That is, the partial electrodes 31 are arranged to extend in a direction perpendicular to the direction of the induced flow IF. The partial electrodes 31 are arranged in a line along the X-axis. Each partial electrode 31 is connected to the output section 51 of the high-voltage high-frequency power supply 50 via wiring 35.
接続部３２は、例えば、隣り合う部分電極３１の－Ｙ方向側の端部を電気的に接続する。この接続によって、複数の部分電極３１は、同電位になる。接続部３２は、生産性の観点から、複数の部分電極３１と同じ材料で複数の部分電極３１と一体的に構成されていることが好ましいが、複数の部分電極３１と異なる材料で構成されていてもよい。 The connection portion 32 electrically connects, for example, the ends of adjacent partial electrodes 31 on the -Y direction side. This connection makes the multiple partial electrodes 31 have the same potential. From the viewpoint of productivity, it is preferable that the connection portion 32 is integrally formed with the multiple partial electrodes 31 using the same material as the multiple partial electrodes 31, but it may be formed of a material different from that of the multiple partial electrodes 31.
第２の電極３０には、電極欠損部３３が設けられている。電極欠損部３３は、隣り合う部分電極３１の間の電極空隙部３４を含む。 The second electrode 30 has an electrode missing portion 33. The electrode missing portion 33 includes an electrode gap portion 34 between adjacent partial electrodes 31.
第２の電極３０の形態は特に限定されない。なお、第２の電極３０は、誘電体層１０に埋め込まれるように設けられてもよい。第２の電極３０は、第１の電極２０の説明で例示した金属材料よって、薄板状または薄膜状に形成されている。上述のような金属材料によって、第２の電極３０を薄板状または薄膜状に形成することによって、筐体ＣＳの表面からのプラズマアクチュエータ１の突出量を少なくすることができる。さらには、エッチングや印刷などの簡易な方法で第２の電極３０を形成することができ、生産性の向上を図ることができる。 The shape of the second electrode 30 is not particularly limited. The second electrode 30 may be embedded in the dielectric layer 10. The second electrode 30 is formed in a thin plate or thin film shape using the metal material exemplified in the description of the first electrode 20. By forming the second electrode 30 in a thin plate or thin film shape using the metal material described above, the amount of protrusion of the plasma actuator 1 from the surface of the housing CS can be reduced. Furthermore, the second electrode 30 can be formed by a simple method such as etching or printing, which can improve productivity.
封止層４０は、誘電体層１０の第２の主面１２および第２の電極３０を覆うように設けられている。封止層４０は、第１の電極２０と第２の電極３０とを、電気的に絶縁する。封止層４０と誘電体層１０とによって第２の電極３０を覆うことによって、裏面側に、ＤＢＤ、スパークおよびコロナ放電が発生することを防止できる。 The sealing layer 40 is provided so as to cover the second main surface 12 of the dielectric layer 10 and the second electrode 30. The sealing layer 40 electrically insulates the first electrode 20 and the second electrode 30. By covering the second electrode 30 with the sealing layer 40 and the dielectric layer 10, it is possible to prevent DBD, sparks, and corona discharge from occurring on the back side.
封止層４０としては、例えば、レジスト、シリコーンゴム、ポリイミド、ＰＴＦＥ樹脂（例えばテフロン（登録商標））などのコーティング・封止材料を用いることができる。封止層４０としては、接着性剤を用いてもよく、これによってプラズマアクチュエータ１を筐体ＣＳの表面に接着してもよい。また、封止層４０と筐体ＣＳの表面との間に接着層を設けてもよい。 The sealing layer 40 may be made of a coating/sealing material such as resist, silicone rubber, polyimide, or PTFE resin (e.g., Teflon (registered trademark)). The sealing layer 40 may be made of an adhesive agent, which may be used to adhere the plasma actuator 1 to the surface of the housing CS. An adhesive layer may also be provided between the sealing layer 40 and the surface of the housing CS.
高電圧高周波電源５０は、接地されている。高電圧高周波電源５０は、高周波あるいはパルス状の高電圧信号を供給可能な電源であれば特に限定されない。高電圧信号は、電源の装置コストを考慮した実用的な観点から、周波数が０．０５ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下に設定されることが好ましく、電圧が０．１ｋＶ以上１００ｋＶ以下に設定されることが好ましい。 The high-voltage high-frequency power supply 50 is grounded. There are no particular limitations on the high-voltage high-frequency power supply 50, so long as it is a power supply capable of supplying a high-frequency or pulsed high-voltage signal. From a practical standpoint that takes into account the cost of the power supply device, it is preferable that the frequency of the high-voltage signal is set to 0.05 kHz or more and 100 kHz or less, and that the voltage is set to 0.1 kV or more and 100 kV or less.
なお、第１の電極２０を接地して、第２の電極３０を高電圧高周波電源５０の出力部５１に電気的に接続した構成を例示したが、逆に、第２の電極３０を接地し、第１の電極２０を高電圧高周波電源５０の出力部５１に接続してもよい。この場合でも、同じ電圧印加条件において概ね同程度の速度の誘起流れが得られることが実験で示されている。 In the above example, the first electrode 20 is grounded and the second electrode 30 is electrically connected to the output section 51 of the high-voltage high-frequency power supply 50. However, the second electrode 30 may be grounded and the first electrode 20 may be connected to the output section 51 of the high-voltage high-frequency power supply 50. Even in this case, experiments have shown that induced flows of approximately the same speed can be obtained under the same voltage application conditions.
＜プラズマアクチュエータの動作＞
次に、プラズマアクチュエータ１の動作について説明する。
<Operation of plasma actuator>
Next, the operation of the plasma actuator 1 will be described.
高電圧高周波電源５０を駆動して、出力部５１から±Ｖｐ（Ｖｐは、交流電圧の片側振幅を表す）の電圧の正弦波の高電圧信号を第２の電極３０に印加する。 The high-voltage high-frequency power supply 50 is driven to apply a sine wave high-voltage signal with a voltage of ±Vp (Vp represents the amplitude of one side of the AC voltage) from the output section 51 to the second electrode 30.
第２の電極３０に＋Ｖｐの電圧が印加された場合、第１の電極２０が接地されているので、第２の電極３０から第１の電極２０へ向かう方向の電界が発生する。これにより、第２の電極３０を構成する部分電極３１のうち－Ｘ方向側に位置する部分電極３１に正電荷が移動し、第１の電極２０における＋Ｘ方向側に負電荷が移動する。このようにして生じた電位差により、第１の電極２０における＋Ｘ方向側端部の近傍に電界（大きさはおおよそ－ｄＶｐ／ｄｘとなる）が形成される。作動流体（空気など）が部分的に絶縁破壊する程度の電界により、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の電極２０よりも＋Ｘ方向側（第１の電極２０と第２の電極３０との間の誘電体層１０の表面）にＤＢＤが生成される。ＤＢＤによって、作動流体の一部がイオン化して荷電粒子が生成される。作動流体がイオン化するときに、プラズマアクチュエータ１の電力が消費される。荷電粒子は、電界によって発生する体積力により加速される。荷電粒子とイオン化されていない中性粒子との衝突が繰り返し行われ、その結果、＋Ｘ方向への誘起流れＩＦが発生する。 When a voltage of +Vp is applied to the second electrode 30, an electric field is generated in the direction from the second electrode 30 to the first electrode 20 because the first electrode 20 is grounded. As a result, a positive charge moves to the partial electrode 31 located on the -X direction side of the partial electrodes 31 constituting the second electrode 30, and a negative charge moves to the +X direction side of the first electrode 20. Due to the potential difference thus generated, an electric field (magnitude is approximately -dVp/dx) is formed near the end of the first electrode 20 on the +X direction side. Due to an electric field that is strong enough to cause partial insulation breakdown of the working fluid (air, etc.), a DBD is generated on the +X direction side of the first electrode 20 on the first main surface 11 of the dielectric layer 10 (the surface of the dielectric layer 10 between the first electrode 20 and the second electrode 30). Due to the DBD, a part of the working fluid is ionized to generate charged particles. When the working fluid is ionized, power of the plasma actuator 1 is consumed. The charged particles are accelerated by the body force generated by the electric field. The charged particles collide repeatedly with non-ionized neutral particles, resulting in an induced flow IF in the +X direction.
一方、第２の電極３０に－Ｖｐの電圧が印加された場合、電荷分布は、第２の電極３０に＋Ｖｐの電圧が印加された場合と逆になる。この場合でも、ＤＢＤは、第２の電極３０に＋Ｖｐの電圧が印加された場合と同様の位置に生成される。このＤＢＤによって、＋Ｘ方向への誘起流れＩＦが発生する。 On the other hand, when a voltage of -Vp is applied to the second electrode 30, the charge distribution is the opposite to that when a voltage of +Vp is applied to the second electrode 30. Even in this case, the DBD is generated in the same position as when a voltage of +Vp is applied to the second electrode 30. This DBD generates an induced flow IF in the +X direction.
以上説明したように、±Ｖｐの電圧の高周波電圧を第２の電極３０に印加することによって、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の電極２０よりも＋Ｘ方向側に、＋Ｘ方向への誘起流れＩＦが発生する。 As described above, by applying a high-frequency voltage of ±Vp to the second electrode 30, an induced flow IF in the +X direction is generated on the first main surface 11 of the dielectric layer 10 on the +X side of the first electrode 20.
＜第１の実施の形態の効果＞
第１の実施の形態によれば、誘電体層１０の第１の主面１１に設けられた第１の電極２０と、誘電体層１０の第２の主面１２に設けられた第２の電極３０と、を備えるプラズマアクチュエータ１において、第２の電極３０を薄膜または薄板で形成し、かつ、第２の電極３０に電極欠損部３３を設けている。このため、電極欠損部３３が設けられていない第２の電極、つまり電極空隙部３４に対応する位置にも、部分電極３１と同じ厚さ（Ｚ軸方向の長さ）かつ同じ材質の薄膜または薄板が存在する第２の電極を、第２の電極３０の代わりに設けたプラズマアクチュエータ（以下、「第１の比較対象のプラズマアクチュエータ」という場合がある）と同じ消費電力になるように、プラズマアクチュエータ１に電圧を印加した場合、誘起流れＩＦにより発生するプラズマアクチュエータ１の推力を、第１の比較対象のプラズマアクチュエータの推力よりも大きくすることができる。したがって、効率良く高い推力を得られるプラズマアクチュエータ１を提供することができる。
Effects of the First Embodiment
According to the first embodiment, in the plasma actuator 1 including the first electrode 20 provided on the first main surface 11 of the dielectric layer 10 and the second electrode 30 provided on the second main surface 12 of the dielectric layer 10, the second electrode 30 is formed of a thin film or thin plate, and the second electrode 30 is provided with an electrode missing portion 33. For this reason, when a voltage is applied to the plasma actuator 1 so as to consume the same power as a plasma actuator (hereinafter sometimes referred to as the "first comparative plasma actuator") in which a second electrode without the electrode missing portion 33, that is, a second electrode having a thin film or thin plate of the same thickness (length in the Z-axis direction) and made of the same material as the partial electrode 31 is provided at a position corresponding to the electrode gap portion 34, is provided instead of the second electrode 30, the thrust of the plasma actuator 1 generated by the induced flow IF can be made larger than the thrust of the first comparative plasma actuator. Therefore, it is possible to provide a plasma actuator 1 that can efficiently obtain a high thrust.
第２の電極３０を、それぞれ薄膜または薄板で形成された、複数の部分電極３１と、接続部３２とで構成している。このため、第２の電極３０の形成方法として、エッチングや印刷などの簡易な方法を用いることができ、複数の部分電極３１をワイヤで構成する場合と比べて、生産性を向上させることができる。 The second electrode 30 is composed of multiple partial electrodes 31, each formed from a thin film or thin plate, and a connection portion 32. Therefore, the second electrode 30 can be formed using simple methods such as etching and printing, and productivity can be improved compared to when multiple partial electrodes 31 are formed from wires.
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構成については、第１の実施の形態と同じ符号を付し、説明を省略または簡略にする。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Note that the same components as those in the first embodiment are given the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted or simplified.
＜プラズマアクチュエータの構成＞
まず、第２の実施の形態に係るプラズマアクチュエータの構成について説明する。図２Ａは、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマアクチュエータの縦断面図である。図２Ｂは、本発明の第２の実施の形態に係るプラズマアクチュエータの平面図である。
<Configuration of Plasma Actuator>
First, the configuration of a plasma actuator according to a second embodiment of the present invention will be described. Fig. 2A is a vertical cross-sectional view of the plasma actuator according to the second embodiment of the present invention. Fig. 2B is a plan view of the plasma actuator according to the second embodiment of the present invention.
図２Ａおよび図２Ｂに示すように、プラズマアクチュエータ１Ａは、対象物、例えば車両の筐体ＣＳの表面に装着される。プラズマアクチュエータ１は、誘電体層１０と、第１の電極２０と、第２の電極３０と、浮遊導電体部６０Ａと、封止層４０Ａと、高電圧高周波電源５０と、を備える。 As shown in Figures 2A and 2B, the plasma actuator 1A is attached to the surface of an object, for example, a housing CS of a vehicle. The plasma actuator 1 includes a dielectric layer 10, a first electrode 20, a second electrode 30, a floating conductor section 60A, a sealing layer 40A, and a high-voltage high-frequency power supply 50.
浮遊導電体部６０Ａは、第１の電極２０および第２の電極３０から離間した位置に設けられている。浮遊導電体部６０Ａは、第１の導電体６１Ａと、第２の導電体６２Ａと、配線部６３Ａと、を備える。 The floating conductor portion 60A is provided at a position spaced apart from the first electrode 20 and the second electrode 30. The floating conductor portion 60A includes a first conductor 61A, a second conductor 62A, and a wiring portion 63A.
第１の導電体６１Ａは、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の電極２０よりも＋Ｘ方向側、かつ、第２の電極３０に対応する位置よりも－Ｘ方向側にずれた位置に設けられている。－Ｘ方向は、第２の方向の一例である。第１の導電体６１Ａは、第１の電極２０と同様に、平面視において、長辺がＹ軸に平行、かつ、短辺がＸ軸に平行な長方形に形成されている。第１の導電体６１Ａは、誘電体層１０によって、第１の電極２０および第２の電極３０と、電気的に絶縁されている。 The first conductor 61A is provided on the first main surface 11 of the dielectric layer 10 at a position shifted in the +X direction from the first electrode 20 and in the -X direction from a position corresponding to the second electrode 30. The -X direction is an example of the second direction. Like the first electrode 20, the first conductor 61A is formed in a rectangular shape with its long sides parallel to the Y axis and its short sides parallel to the X axis in a plan view. The first conductor 61A is electrically insulated from the first electrode 20 and the second electrode 30 by the dielectric layer 10.
第１の導電体６１Ａの形態は特に限定されない。第１の導電体６１Ａは、第１の電極２０と同様に、金属材料によって薄板状または薄膜状に形成され、誘電体層１０にフラッシュマウント化されることが好ましい。第１の導電体６１Ａの幅（Ｘ軸方向の長さ）は、第１の電極２０の幅以下であることが、後述する第１の誘起流れＩＦ１の加速を円滑に行える点で好ましい。 The shape of the first conductor 61A is not particularly limited. Like the first electrode 20, the first conductor 61A is preferably formed in a thin plate or thin film shape from a metal material and flush mounted on the dielectric layer 10. It is preferable that the width (length in the X-axis direction) of the first conductor 61A is equal to or smaller than the width of the first electrode 20, in order to smoothly accelerate the first induced flow IF1 described below.
第２の導電体６２Ａは、誘電体層１０の第２の主面１２における第１の電極２０に対応する位置よりも＋Ｘ方向側、かつ、第１の導電体６１Ａに対応する位置よりも－Ｘ方向側にずれた位置に設けられている。第２の導電体６２Ａは、誘電体層１０によって、第１の電極２０と、電気的に絶縁されている。第２の導電体６２Ａは、第２の電極３０と同様に、互いに離れて配置された複数の導電体部分電極６４Ａと、当該複数の導電体部分電極６４Ａを電気的に接続する導電体接続部６５Ａと、を備える。 The second conductor 62A is provided at a position shifted in the +X direction from a position corresponding to the first electrode 20 on the second main surface 12 of the dielectric layer 10, and in the -X direction from a position corresponding to the first conductor 61A. The second conductor 62A is electrically insulated from the first electrode 20 by the dielectric layer 10. Like the second electrode 30, the second conductor 62A includes a plurality of conductor partial electrodes 64A arranged apart from each other, and a conductor connection portion 65A that electrically connects the plurality of conductor partial electrodes 64A.
導電体部分電極６４Ａは、平面視において、長辺がＹ軸に平行、かつ、短辺がＸ軸に平行な長方形に形成されている。すなわち、導電体部分電極６４Ａは、第１の誘起流れＩＦ１の方向に対して直交する方向に延びるように設けられている。導電体部分電極６４Ａは、Ｘ軸に沿って一列に並ぶように配置されている。 In a plan view, the conductor partial electrode 64A is formed into a rectangle with its long sides parallel to the Y axis and its short sides parallel to the X axis. In other words, the conductor partial electrode 64A is arranged to extend in a direction perpendicular to the direction of the first induced flow IF1. The conductor partial electrodes 64A are arranged in a line along the X axis.
導電体接続部６５Ａは、例えば、隣り合う導電体部分電極６４Ａの－Ｙ方向側の端部を電気的に接続する。この接続によって、複数の導電体部分電極６４Ａは、同電位になる。導電体接続部６５Ａは、生産性の観点から、複数の導電体部分電極６４Ａと同じ材料で複数の導電体部分電極６４Ａと一体的に構成されていることが好ましいが、複数の導電体部分電極６４Ａと異なる材料で構成されていてもよい。 The conductor connection portion 65A electrically connects, for example, the ends of adjacent conductor partial electrodes 64A on the -Y direction side. This connection makes the multiple conductor partial electrodes 64A have the same potential. From the viewpoint of productivity, it is preferable that the conductor connection portion 65A is integrally formed with the multiple conductor partial electrodes 64A using the same material as the multiple conductor partial electrodes 64A, but it may also be formed from a material different from that of the multiple conductor partial electrodes 64A.
第２の導電体６２Ａには、導電体欠損部６６Ａが設けられている。導電体欠損部６６Ａは、隣り合う導電体部分電極６４Ａの間の導電体空隙部６７Ａを含む。 The second conductor 62A has a conductor defect 66A. The conductor defect 66A includes a conductor gap 67A between adjacent conductor partial electrodes 64A.
第２の導電体６２Ａと第１の電極２０との間隙、すなわち、第２の導電体６２Ａの－Ｘ方向側の端部と第１の電極２０の＋Ｘ方向側の端部との間隙は、第１の導電体６１Ａと第１の電極２０との間隙、すなわち、第１の導電体６１Ａの－Ｘ方向側の端部と第１の電極２０の＋Ｘ方向側の端部との間隙よりも小さい方が、第１の導電体６１Ａ、第２の導電体６２Ａおよび第１の電極２０における電荷分布が良好になる点で好ましい。 The gap between the second conductor 62A and the first electrode 20, i.e., the gap between the end of the second conductor 62A on the -X side and the end of the first electrode 20 on the +X side, is preferably smaller than the gap between the first conductor 61A and the first electrode 20, i.e., the gap between the end of the first conductor 61A on the -X side and the end of the first electrode 20 on the +X side, in order to improve the charge distribution in the first conductor 61A, the second conductor 62A, and the first electrode 20.
第２の導電体６２Ａの形態は特に限定されない。なお、第２の導電体６２Ａは、誘電体層１０に埋め込まれるように設けられてもよい。第２の導電体６２Ａは、第１の電極２０の説明で例示した金属材料よって、薄板状または薄膜状に形成されている。上述のような金属材料によって、第２の導電体６２Ａを薄板状または薄膜状に形成することによって、筐体ＣＳの表面からのプラズマアクチュエータ１Ａの突出量を少なくすることができる。さらには、エッチングや印刷などの簡易な方法で第２の導電体６２Ａを形成することができ、生産性の向上を図ることができる。 The shape of the second conductor 62A is not particularly limited. The second conductor 62A may be embedded in the dielectric layer 10. The second conductor 62A is formed in a thin plate or thin film shape using the metal material exemplified in the description of the first electrode 20. By forming the second conductor 62A in a thin plate or thin film shape using the metal material described above, the amount of protrusion of the plasma actuator 1A from the surface of the housing CS can be reduced. Furthermore, the second conductor 62A can be formed by a simple method such as etching or printing, which can improve productivity.
配線部６３Ａは、例えばスルーホールによって構成されている。配線部６３Ａは、第１の導電体６１Ａと第２の導電体６２Ａとを電気的に接続する。 The wiring portion 63A is formed, for example, by a through hole. The wiring portion 63A electrically connects the first conductor 61A and the second conductor 62A.
封止層４０Ａは、誘電体層１０の第２の主面１２、第２の電極３０および第２の導電体６２Ａを覆うように設けられている。封止層４０Ａは、第１の電極２０と第２の電極３０と第２の導電体６２Ａとを互いに電気的に絶縁する。封止層４０Ａは、第１の導電体６１Ａと第２の電極３０と第２の導電体６２Ａとを互いに電気的に絶縁する。誘電体層１０および封止層４０Ａによって、第１の導電体６１Ａおよび第２の導電体６２Ａが、第１の電極２０および第２の電極３０と電気的に絶縁されることにより、浮遊導電体部６０Ａ、つまり第１の導電体６１Ａおよび第２の導電体６２Ａは、電気的に浮いた状態になる。 The sealing layer 40A is provided so as to cover the second main surface 12 of the dielectric layer 10, the second electrode 30, and the second conductor 62A. The sealing layer 40A electrically insulates the first electrode 20, the second electrode 30, and the second conductor 62A from each other. The sealing layer 40A electrically insulates the first conductor 61A, the second electrode 30, and the second conductor 62A from each other. The dielectric layer 10 and the sealing layer 40A electrically insulate the first conductor 61A and the second conductor 62A from the first electrode 20 and the second electrode 30, so that the floating conductor portion 60A, i.e., the first conductor 61A and the second conductor 62A, are in an electrically floating state.
＜プラズマアクチュエータの動作＞
次に、プラズマアクチュエータ１Ａの動作について説明する。
<Operation of plasma actuator>
Next, the operation of the plasma actuator 1A will be described.
高電圧高周波電源５０を駆動して、出力部５１から±Ｖｐの電圧の正弦波の高電圧信号を第２の電極３０に印加する。 The high-voltage high-frequency power supply 50 is driven to apply a sine wave high-voltage signal of ±Vp voltage from the output section 51 to the second electrode 30.
第２の電極３０に＋Ｖｐの電圧が印加された場合、第１の電極２０が接地されているので、第２の電極３０から第１の電極２０へ向かう方向の電界が発生する。第１の電極２０と第２の電極３０との間にある浮遊導電体部６０Ａの電位は、例えばおおよそ＋１／２Ｖｐとなる。これにより、第２の電極３０を構成する部分電極３１のうち－Ｘ方向側に位置する部分電極３１に正電荷が移動し、第１の導電体６１Ａにおける＋Ｘ方向側に負電荷が移動し、第２の導電体６２Ａを構成する導電体部分電極６４Ａのうち－Ｘ方向側に位置する導電体部分電極６４Ａに正電荷が移動し、第１の電極２０における＋Ｘ方向側に負電荷が移動する。このようにして生じた電位差により、第１の電極２０における＋Ｘ方向側端部の近傍に電界（大きさはおおよそ－ｄＶｐ／ｄｘとなる）が形成される。作動流体が部分的に絶縁破壊する程度の電界により、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の電極２０と第１の導電体６１Ａとの間（第１の電極２０と第２の導電体６２Ａとの間の誘電体層１０の表面）にＤＢＤが生成される。これと同様にして、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の導電体６１Ａよりも＋Ｘ方向側（第１の導電体６１Ａと第２の電極３０との間の誘電体層１０の表面）にＤＢＤが生成される。第１の電極２０と第１の導電体６１Ａとの間に生成されたＤＢＤによって、＋Ｘ方向への第１の誘起流れＩＦ１が発生する。第１の導電体６１Ａよりも＋Ｘ方向側に生成されたＤＢＤによって、第１の誘起流れＩＦ１が加速され、第１の誘起流れＩＦ１よりも流速が速い、＋Ｘ方向への第２の誘起流れＩＦ２が発生する。 When a voltage of +Vp is applied to the second electrode 30, an electric field is generated in the direction from the second electrode 30 to the first electrode 20 because the first electrode 20 is grounded. The potential of the floating conductor portion 60A between the first electrode 20 and the second electrode 30 is, for example, approximately +1/2Vp. As a result, a positive charge moves to the partial electrode 31 located on the -X direction side of the partial electrode 31 constituting the second electrode 30, a negative charge moves to the +X direction side of the first conductor 61A, a positive charge moves to the conductor partial electrode 64A located on the -X direction side of the conductor partial electrode 64A constituting the second conductor 62A, and a negative charge moves to the +X direction side of the first electrode 20. Due to the potential difference thus generated, an electric field (the magnitude of which is approximately -dVp/dx) is formed in the vicinity of the end of the +X direction side of the first electrode 20. A DBD is generated between the first electrode 20 and the first conductor 61A on the first main surface 11 of the dielectric layer 10 (on the surface of the dielectric layer 10 between the first electrode 20 and the second conductor 62A) due to an electric field that causes partial dielectric breakdown of the working fluid. Similarly, a DBD is generated on the +X direction side of the first conductor 61A on the first main surface 11 of the dielectric layer 10 (on the surface of the dielectric layer 10 between the first conductor 61A and the second electrode 30). A first induced flow IF1 in the +X direction is generated by the DBD generated between the first electrode 20 and the first conductor 61A. The first induced flow IF1 is accelerated by the DBD generated on the +X direction side of the first conductor 61A, and a second induced flow IF2 in the +X direction, which has a flow velocity faster than the first induced flow IF1, is generated.
また、第１の導電体６１Ａと第２の導電体６２Ａは、配線部６３Ａで接続されているので同電位となる。このため、第１の導電体６１Ａと第２の導電体６２Ａと間では、ＤＢＤは生成されない。つまり、第１の導電体６１Ａと第２の導電体６２Ａとによって、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の導電体６１Ａよりも－Ｘ方向側にＤＢＤが生成されない。このため、第１の導電体６１Ａから－Ｘ方向への誘起流れは発生しない。これにより、従来問題となっていた複数の表面電極の存在による互いに衝突する誘起流れ、いわゆるクロストークの問題は、本実施形態のプラズマアクチュエータ１Ａにより解決することができる（クロストークについては、例えば、H. Do et al., Applied Physics Letters, 2008, Vol. 92, 071504参照）。 The first conductor 61A and the second conductor 62A are connected by the wiring portion 63A and therefore have the same potential. Therefore, no DBD is generated between the first conductor 61A and the second conductor 62A. In other words, the first conductor 61A and the second conductor 62A do not generate a DBD on the -X direction side of the first conductor 61A on the first main surface 11 of the dielectric layer 10. Therefore, no induced flow is generated in the -X direction from the first conductor 61A. As a result, the problem of induced flows colliding with each other due to the presence of multiple surface electrodes, that is, the problem of so-called crosstalk, which has been a conventional problem, can be solved by the plasma actuator 1A of this embodiment (for more on crosstalk, see, for example, H. Do et al., Applied Physics Letters, 2008, Vol. 92, 071504).
一方、第２の電極３０に－Ｖｐの電圧が印加された場合、第１の電極２０が接地されているので、浮遊導電体部６０Ａの電位は、例えばおおよそ－１／２Ｖｐとなる。電荷分布は、第２の電極３０に＋Ｖｐの電圧が印加された場合と逆になる。この場合でも、ＤＢＤは、第２の電極３０に＋Ｖｐの電圧が印加された場合と同様に、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の電極２０と第１の導電体６１Ａとの間にＤＢＤが生成され、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の導電体６１Ａよりも＋Ｘ方向側にＤＢＤが生成される。これらの生成されたＤＢＤによって、＋Ｘ方向への第１の誘起流れＩＦ１および第２の誘起流れＩＦ２が発生する。第１の誘起流れＩＦ１および第２の誘起流れＩＦ２の流速は、第２の電極３０に＋Ｖｐの電圧が印加された場合に発生する第１の誘起流れＩＦ１および第２の誘起流れＩＦ２のそれぞれの流速とほぼ同じになる。 On the other hand, when a voltage of -Vp is applied to the second electrode 30, the first electrode 20 is grounded, so that the potential of the floating conductor portion 60A is, for example, approximately -1/2Vp. The charge distribution is the opposite to that when a voltage of +Vp is applied to the second electrode 30. Even in this case, as in the case where a voltage of +Vp is applied to the second electrode 30, the DBD is generated between the first electrode 20 and the first conductor 61A on the first main surface 11 of the dielectric layer 10, and the DBD is generated on the +X direction side of the first conductor 61A on the first main surface 11 of the dielectric layer 10. These generated DBDs generate a first induced flow IF1 and a second induced flow IF2 in the +X direction. The flow velocities of the first induced flow IF1 and the second induced flow IF2 are approximately the same as the respective flow velocities of the first induced flow IF1 and the second induced flow IF2 that are generated when a voltage of +Vp is applied to the second electrode 30.
以上説明したように、±Ｖｐの電圧の高周波電圧を第２の電極３０に印加することによって、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の電極２０よりも＋Ｘ方向側に、＋Ｘ方向への第１の誘起流れＩＦ１および第２の誘起流れＩＦ２が発生する。なお、第１の実施の形態のプラズマアクチュエータ１と同様に、第２の電極３０を接地し、第１の電極２０を高電圧高周波電源５０の出力部５１に接続しても、同じ電圧印加条件において概ね同程度の速度の誘起流れが得られることが実験で示されている。 As described above, by applying a high-frequency voltage of ±Vp to the second electrode 30, a first induced flow IF1 and a second induced flow IF2 in the +X direction are generated on the +X side of the first electrode 20 on the first main surface 11 of the dielectric layer 10. Note that, as with the plasma actuator 1 of the first embodiment, experiments have shown that induced flows of approximately the same speed can be obtained under the same voltage application conditions even if the second electrode 30 is grounded and the first electrode 20 is connected to the output section 51 of the high-voltage high-frequency power supply 50.
＜第２の実施の形態の効果＞
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果に加えて、以下のような効果がある。第１の電極２０と第２の電極３０との間に、電気的に接続された第１の導電体６１Ａと第２の導電体６２Ａとを有する浮遊導電体部６０Ａを設けている。このため、誘電体層１０の第１の主面１１における第１の電極２０と第１の導電体６１Ａとの間に発生した第１の誘起流れＩＦ１を、第１の導電体６１Ａよりも＋Ｘ方向側に生成されたＤＢＤによって加速して、第２の誘起流れＩＦ２を発生させることができる。したがって、プラズマアクチュエータ１Ａは、効率良く誘起流れの速度を高めることができる。その結果、効率良く高い推力を得られるプラズマアクチュエータ１Ａを提供することができる。
<Advantages of the Second Embodiment>
According to the second embodiment, in addition to the same effects as those of the first embodiment, the following effects are obtained. Between the first electrode 20 and the second electrode 30, a floating conductor portion 60A having a first conductor 61A and a second conductor 62A electrically connected to each other is provided. Therefore, the first induced flow IF1 generated between the first electrode 20 and the first conductor 61A on the first main surface 11 of the dielectric layer 10 can be accelerated by the DBD generated on the +X direction side of the first conductor 61A to generate a second induced flow IF2. Therefore, the plasma actuator 1A can efficiently increase the speed of the induced flow. As a result, a plasma actuator 1A capable of efficiently obtaining a high thrust can be provided.
第２の導電体６２Ａを薄膜または薄板で形成し、かつ、第２の導電体６２Ａに導電体欠損部６６Ａを設けている。このため、導電体欠損部６６Ａが設けられていない第２の導電体、つまり導電体空隙部６７Ａに対応する位置にも、導電体部分電極６４Ａと同じ厚さかつ同じ材質の薄膜または薄板が存在する第２の導電体を、第２の導電体６２Ａの代わりに設けたプラズマアクチュエータ（以下、「第２の比較対象のプラズマアクチュエータ」という場合がある）と同じ消費電力になるように、プラズマアクチュエータ１Ａに電圧を印加した場合、第１の誘起流れＩＦ１により発生するプラズマアクチュエータ１Ａの推力を、第２の比較対象のプラズマアクチュエータの推力よりも大きくすることができる。そして、第１の導電体６１Ａよりも＋Ｘ方向側に生成されたＤＢＤによって、プラズマアクチュエータ１Ａおよび第２の比較対象のプラズマアクチュエータの第１の誘起流れＩＦ１が同程度に加速された場合でも、第２の誘起流れＩＦ２により発生するプラズマアクチュエータ１Ａの推力を、第２の比較対象のプラズマアクチュエータの推力よりも大きくすることができる。したがって、効率良く高い推力を得られるプラズマアクチュエータ１Ａを提供することができる。 The second conductor 62A is formed of a thin film or thin plate, and the second conductor 62A is provided with a conductor defect portion 66A. Therefore, when a voltage is applied to the plasma actuator 1A so that the power consumption is the same as that of a plasma actuator (hereinafter sometimes referred to as the "second comparative plasma actuator") in which a second conductor without a conductor defect portion 66A, that is, a second conductor having a thin film or thin plate of the same thickness and material as the conductor partial electrode 64A at a position corresponding to the conductor gap portion 67A is provided instead of the second conductor 62A, the thrust of the plasma actuator 1A generated by the first induced flow IF1 can be made larger than the thrust of the second comparative plasma actuator. Furthermore, even if the first induced flow IF1 of the plasma actuator 1A and the second comparative plasma actuator are accelerated to the same degree by the DBD generated on the +X direction side of the first conductor 61A, the thrust of the plasma actuator 1A generated by the second induced flow IF2 can be made larger than the thrust of the second comparative plasma actuator. Therefore, it is possible to provide a plasma actuator 1A that can efficiently obtain a high thrust.
［実施の形態の変形例］
本発明は、これまでに説明した実施の形態に示されたものに限られないことは言うまでも無く、その趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の変形を加えることができる。
[Modification of the embodiment]
It goes without saying that the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
第１の実施の形態または第２の実施の形態の第２の電極３０の代わりに、図３Ａに示す第２の電極３０Ｂを設けてもよい。第２の電極３０Ｂは、薄膜または薄板で形成されている。第２の電極３０Ｂには、電極欠損部３１Ｂが設けられている。電極欠損部３１Ｂは、複数の電極貫通孔３２Ｂを含む。電極貫通孔３２Ｂは、第２の電極３０Ｂを貫通する孔であって、平面視で円形に形成されている。つまり、第２の電極３０Ｂには、ポーラス状に複数の電極貫通孔３２Ｂが設けられている。 Instead of the second electrode 30 of the first or second embodiment, a second electrode 30B shown in FIG. 3A may be provided. The second electrode 30B is formed of a thin film or a thin plate. The second electrode 30B has an electrode missing portion 31B. The electrode missing portion 31B includes a plurality of electrode through holes 32B. The electrode through holes 32B are holes that penetrate the second electrode 30B and are formed in a circular shape in a plan view. In other words, the second electrode 30B has a plurality of electrode through holes 32B in a porous shape.
第１の実施の形態または第２の実施の形態の第２の電極３０の代わりに、図３Ｂに示す第２の電極３０Ｃを設けてもよい。第２の電極３０Ｃは、薄膜または薄板で形成されている。第２の電極３０Ｃには、電極欠損部３１Ｃが設けられている。電極欠損部３１Ｃは、複数の電極貫通孔３２Ｃと、複数の電極切り欠き部３３Ｃと、を含む。電極貫通孔３２Ｃは、第２の電極３０Ｃを貫通する孔であって、平面視で四角形に形成されている。電極切り欠き部３３Ｃは、第２の電極３０Ｃの外縁に設けられている。つまり、第２の電極３０Ｃには、メッシュ状に電極貫通孔３２Ｃおよび電極切り欠き部３３Ｃが設けられている。 Instead of the second electrode 30 of the first or second embodiment, a second electrode 30C shown in FIG. 3B may be provided. The second electrode 30C is formed of a thin film or a thin plate. The second electrode 30C is provided with an electrode missing portion 31C. The electrode missing portion 31C includes a plurality of electrode through holes 32C and a plurality of electrode cutout portions 33C. The electrode through holes 32C are holes that penetrate the second electrode 30C and are formed in a quadrangle in a plan view. The electrode cutout portions 33C are provided on the outer edge of the second electrode 30C. In other words, the second electrode 30C is provided with the electrode through holes 32C and the electrode cutout portions 33C in a mesh shape.
図３Ａおよび図３Ｂのような構成にしても、電極欠損部３１Ｂ，３１Ｃが設けられていない第２の電極を、第２の電極３０Ｂの代わりに設けたプラズマアクチュエータと比べて、効率良く高い推力を得られるプラズマアクチュエータを提供することができる。 Even with the configuration shown in Figures 3A and 3B, it is possible to provide a plasma actuator that can efficiently obtain a high thrust force compared to a plasma actuator in which a second electrode without electrode missing portions 31B, 31C is provided in place of second electrode 30B.
第２の電極３０Ｂ，３０Ｃの電極貫通孔３２Ｂ，３２Ｃの形状は、上述の形状に限られず、四角形以外の多角形、楕円、異形などであってもよい。電極切り欠き部３３Ｃの形状も、円弧形など、図３Ｂに示す形状以外の形状であってもよい。第２の電極３０Ｂ、または、第２の電極３０Ｃと同様の構成を、第２の実施の形態の第２の導電体６２Ａに適用してもよい。 The shape of the electrode through holes 32B, 32C of the second electrodes 30B, 30C is not limited to the above-mentioned shapes, and may be a polygon other than a rectangle, an ellipse, an irregular shape, etc. The shape of the electrode cutout portion 33C may also be a shape other than the shape shown in FIG. 3B, such as an arc shape. A configuration similar to the second electrode 30B or the second electrode 30C may be applied to the second conductor 62A of the second embodiment.
第２の電極３０の部分電極３１、接続部３２、第２の導電体６２Ａの導電体部分電極６４Ａおよび導電体接続部６５Ａのうち少なくともいずれか１つにおいて、これらを貫通する貫通孔を設けてもよいし、これらの外縁に切り欠き部を設けてもよい。 At least one of the partial electrode 31, the connection portion 32, the conductor partial electrode 64A and the conductor connection portion 65A of the second electrode 30 may have a through hole penetrating therethrough, or a notch may be provided on the outer edge of each of these.
第２の電極３０の電極空隙部３４、第２の導電体６２Ａの導電体空隙部６７Ａ、第２の電極３０Ｂ，３０Ｃの電極貫通孔３２Ｂ，３２Ｃ、第２の電極３０Ｃの電極切り欠き部３３Ｃのそれぞれの個数は、１個でもよい。 The number of each of the electrode gap 34 of the second electrode 30, the conductor gap 67A of the second conductor 62A, the electrode through holes 32B and 32C of the second electrodes 30B and 30C, and the electrode cutout 33C of the second electrode 30C may be one.
第２の電極３０の部分電極３１、第２の導電体６２Ａの導電体部分電極６４Ａが延びる方向は、誘起流れＩＦの方向と平行な方向（Ｘ軸方向）であってもよいし、誘起流れＩＦの方向に対して斜めの方向であってもよい。部分電極３１および導電体部分電極６４Ａは、一部が屈曲していてもよい。 The direction in which the partial electrode 31 of the second electrode 30 and the conductor partial electrode 64A of the second conductor 62A extend may be parallel to the direction of the induced flow IF (X-axis direction) or oblique to the direction of the induced flow IF. The partial electrode 31 and the conductor partial electrode 64A may be partially bent.
［実施例］
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例では、プラズマアクチュエータの第２の電極の形状と、プラズマアクチュエータの推力との関係を調べるために行った実験について説明する。
[Example]
Next, an embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, an experiment conducted to examine the relationship between the shape of the second electrode of the plasma actuator and the thrust of the plasma actuator will be described.
＜実施例１のプラズマアクチュエータの構成＞
図４Ａに示すように、第１の実施の形態のプラズマアクチュエータ１と同様の構成を有する実施例１のプラズマアクチュエータを準備した。実施例１のプラズマアクチュエータの誘電体層１０をシリコーン樹脂で形成した。誘電体層１０の厚さを０．４４ｍｍとした。第１の電極２０および第２の電極３０を、厚さ０．００１８ｍｍの銅の薄膜で形成した。第１の電極２０および第２の電極３０の奥行方向（Ｙ軸方向）の長さを１００ｍｍとした。第１の電極２０の幅を５ｍｍとした。第２の電極３０を１０個の部分電極３１と、１個の接続部３２とで構成することによって、電極欠損部３３を構成する８個の電極空隙部３４を設けた。１０個の部分電極３１のうち、Ｘ軸方向の両端に位置する部分電極３１の幅を１ｍｍとし、それ以外の部分電極３１の幅を０．５ｍｍとした。電極空隙部３４の幅を１ｍｍとした。つまり、第２の電極３０全体の幅を１５ｍｍにした。第１の電極２０と第２の電極３０とのオーバーラップの幅を０．５ｍｍにした。
Configuration of Plasma Actuator of Example 1
As shown in FIG. 4A, a plasma actuator of Example 1 having the same configuration as the plasma actuator 1 of the first embodiment was prepared. The dielectric layer 10 of the plasma actuator of Example 1 was formed of silicone resin. The thickness of the dielectric layer 10 was set to 0.44 mm. The first electrode 20 and the second electrode 30 were formed of a copper thin film having a thickness of 0.0018 mm. The length of the first electrode 20 and the second electrode 30 in the depth direction (Y-axis direction) was set to 100 mm. The width of the first electrode 20 was set to 5 mm. The second electrode 30 was configured with ten partial electrodes 31 and one connection portion 32, thereby providing eight electrode gaps 34 that constitute the electrode missing portion 33. Of the ten partial electrodes 31, the width of the partial electrodes 31 located at both ends in the X-axis direction was set to 1 mm, and the width of the other partial electrodes 31 was set to 0.5 mm. The width of the electrode gap 34 was set to 1 mm. In other words, the width of the entire second electrode 30 was set to 15 mm. The overlap width between the first electrode 20 and the second electrode 30 was set to 0.5 mm.
＜比較例１のプラズマアクチュエータの構成＞
図４Ｂに示すように、第２の電極３０の代わりに、電極欠損部が設けられていない第２の電極９０であって、幅が１５ｍｍの第２の電極９０を設けたこと以外は、実施例１のプラズマアクチュエータと同じ構成を有する比較例１のプラズマアクチュエータを準備した。
<Configuration of Plasma Actuator of Comparative Example 1>
As shown in FIG. 4B, a plasma actuator of Comparative Example 1 was prepared, which has the same configuration as the plasma actuator of Example 1, except that a second electrode 90 having no electrode missing portion and a width of 15 mm was provided instead of the second electrode 30.
＜実験方法＞
プラズマアクチュエータの推力の測定方法として、公知の測定方法（例えば、Flint O. Thomas, Thomas C. Corke, Muhammad Iqbal, Alexey Kozlov, David Schatzman, Optimization of dielectric barrier discharge plasma actuators for active aerodynamic flow control, AIAA Journal, Vol. 47, No. 9, 2169-2178 (2009)、Asa Nakano, Hiroyuki Nishida, The effect of the voltage waveform on performance of dielectric barrier discharge plasma actuator, Journal of Applied Physics Vol. 126, 173303 (2019)参照）を用いた。
<Experimental Method>
The thrust of the plasma actuator was measured using a known measurement method (see, for example, Flint O. Thomas, Thomas C. Corke, Muhammad Iqbal, Alexey Kozlov, David Schatzman, Optimization of dielectric barrier discharge plasma actuators for active aerodynamic flow control, AIAA Journal, Vol. 47, No. 9, 2169-2178 (2009); Asa Nakano, Hiroyuki Nishida, The effect of the voltage waveform on performance of dielectric barrier discharge plasma actuator, Journal of Applied Physics Vol. 126, 173303 (2019)).
具体的には、サポートと、サポートの上端に固定されたケースと、を備える支持部材を準備した。サポートとして絶縁材で形成されたものを用い、ケースとしてベークライト板で形成されたものを用いた。ケースの内部に、誘起流れの方向がケースの天面に向かう方向になるように、実施例１のプラズマアクチュエータを固定した。プラズマアクチュエータの第１の電極を接地し、第２の電極３０に高電圧高周波電源を接続した。支持部材を電子天秤に載置した。 Specifically, a support member was prepared that included a support and a case fixed to the upper end of the support. The support was made of an insulating material, and the case was made of a Bakelite plate. The plasma actuator of Example 1 was fixed inside the case so that the direction of the induced flow was toward the top surface of the case. The first electrode of the plasma actuator was grounded, and the second electrode 30 was connected to a high-voltage high-frequency power source. The support member was placed on an electronic balance.
高電圧高周波電源で第２の電極３０に電圧を印加することによって、実施例１のプラズマアクチュエータからケースの天面に向かう誘起流れを発生させ、このときの電子天秤の計測値に基づいて、プラズマアクチュエータの推力を算出した。さらに、異なる電圧を第２の電極３０に印加して、プラズマアクチュエータの推力を算出した。比較例１のプラズマアクチュエータについても、同様の方法で推力を算出した。 By applying a voltage to the second electrode 30 using a high-voltage high-frequency power supply, an induced flow was generated from the plasma actuator of Example 1 toward the top surface of the case, and the thrust of the plasma actuator was calculated based on the measurement value of the electronic balance at this time. In addition, different voltages were applied to the second electrode 30 to calculate the thrust of the plasma actuator. The thrust of the plasma actuator of Comparative Example 1 was also calculated using a similar method.
＜評価＞
そして、実施例１および比較例１のプラズマアクチュエータにおける印加電圧と推力との関係を評価した。その評価結果を図５Ａに示す。また、実施例１および比較例１のプラズマアクチュエータにおける消費電力と推力との関係を評価した。その評価結果を図５Ｂに示す。
<Evaluation>
Then, the relationship between the applied voltage and the thrust force in the plasma actuators of Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated. The evaluation results are shown in Fig. 5A. Furthermore, the relationship between the power consumption and the thrust force in the plasma actuators of Example 1 and Comparative Example 1 was evaluated. The evaluation results are shown in Fig. 5B.
図５Ａに示すように、印加電圧が同じ場合、実施例１の推力は、比較例１の推力よりも小さいことが確認できた。一方、図５Ｂに示すように、消費電力が同じ場合、実施例１の推力は、比較例１の推力よりも大きいことが確認できた。つまり、実施例１のプラズマアクチュエータは、比較例１のプラズマアクチュエータよりも効率良く高い推力を得ることができることが確認できた。このような結果が得られた理由は以下のように推測される。 As shown in FIG. 5A, it was confirmed that when the applied voltage was the same, the thrust of Example 1 was smaller than that of Comparative Example 1. On the other hand, as shown in FIG. 5B, it was confirmed that when the power consumption was the same, the thrust of Example 1 was larger than that of Comparative Example 1. In other words, it was confirmed that the plasma actuator of Example 1 was able to obtain a higher thrust more efficiently than the plasma actuator of Comparative Example 1. The reason for this result is presumed to be as follows.
実施例１のプラズマアクチュエータの第２の電極３０に、±Ｖｐの電圧が印加されると、図６Ａに示すように、第１の電極２０の＋Ｘ方向側にＤＢＤが生成される。例えば、ＤＢＤの＋Ｘ方向側の端部が、－Ｘ方向側端部から４番目の部分電極３１に対応する位置に位置する場合、第１の電極２０と、ＤＢＤと、誘電体層１０と、－Ｘ方向側に位置する４個の部分電極３１とによって、仮想的なコンデンサが構成されると考えられる。このコンデンサの静電容量Ｃ１は、以下の式（１）で表される。
Ｃ１＝ε（Ｓ＋ΔＳ－３δｓ）／ｄ ・・・ （１）
ε：誘電体層１０の誘電率
Ｓ：第２の電極に電圧が印加されていない場合における仮想的なコンデンサを構成する平板導体の面積（例えば、第１の電極と第２の電極とのオーバーラップしている領域を含む）
ΔＳ：ＤＢＤの平面視における面積
δｓ：電極空隙部３４の平面視における面積
ｄ：誘電体層１０の厚さ
When a voltage of ±Vp is applied to the second electrode 30 of the plasma actuator of the first embodiment, a DBD is generated on the +X side of the first electrode 20, as shown in Fig. 6A. For example, when the +X side end of the DBD is located at a position corresponding to the fourth partial electrode 31 from the -X side end, it is considered that a virtual capacitor is formed by the first electrode 20, the DBD, the dielectric layer 10, and the four partial electrodes 31 located on the -X side. The electrostatic capacitance C1 of this capacitor is expressed by the following equation (1).
C1=ε(S+ΔS-3δs)/d... (1)
ε: dielectric constant of the dielectric layer 10 S: area of a flat conductor constituting a virtual capacitor when no voltage is applied to the second electrode (e.g., including an overlapping area between the first electrode and the second electrode)
ΔS: area of DBD in plan view δs: area of electrode gap 34 in plan view d: thickness of dielectric layer 10
一方、比較例１のプラズマアクチュエータの第２の電極９０に、±Ｖｐの電圧が印加されると、図６Ｂに示すように、第１の電極２０の＋Ｘ方向側にＤＢＤが生成される。このＤＢＤの幅は、印加電圧が実施例１と同じであれば、実施例１のＤＢＤとほぼ同じになる。この場合、第１の電極２０と、ＤＢＤと、誘電体層１０と、第２の電極９０とによって、仮想的なコンデンサが構成されると考えられる。このコンデンサの静電容量Ｃ２は、以下の式（２）で表される。
Ｃ２＝ε（Ｓ＋ΔＳ）／ｄ ・・・ （２）
On the other hand, when a voltage of ±Vp is applied to the second electrode 90 of the plasma actuator of Comparative Example 1, a DBD is generated on the +X direction side of the first electrode 20, as shown in Fig. 6B. If the applied voltage is the same as that of Example 1, the width of this DBD will be approximately the same as that of the DBD of Example 1. In this case, it is considered that a virtual capacitor is formed by the first electrode 20, the DBD, the dielectric layer 10, and the second electrode 90. The electrostatic capacitance C2 of this capacitor is expressed by the following equation (2).
C2=ε(S+ΔS)/d... (2)
式（１）と式（２）とを比較してわかるように、実施例１のプラズマアクチュエータの静電容量Ｃ１は、電極欠損部３３を構成する電極空隙部３４の平面視における面積に対応する大きさだけ、比較例１のプラズマアクチュエータの静電容量Ｃ２よりも小さくなる。この静電容量の差に起因して、実施例１のプラズマアクチュエータは、比較例１のプラズマアクチュエータよりも効率良く高い推力を得ることができると推測される。 As can be seen by comparing equations (1) and (2), the capacitance C1 of the plasma actuator of Example 1 is smaller than the capacitance C2 of the plasma actuator of Comparative Example 1 by an amount corresponding to the area in a plan view of the electrode gap portion 34 that constitutes the electrode missing portion 33. It is presumed that due to this difference in capacitance, the plasma actuator of Example 1 is able to obtain a higher thrust force more efficiently than the plasma actuator of Comparative Example 1.
以上のことから、プラズマアクチュエータの第２の電極に、第１，第２の実施の形態の電極欠損部３３、図３Ａおよび図３Ｂにそれぞれ示す電極欠損部３１Ｂ，３１Ｃを設けたり、第２の導電体に、第２の実施の形態の導電体欠損部６６Ａを設けて、プラズマアクチュエータの静電容量を小さくすることによって、これらの欠損部が設けられない場合と比べて、効率良く高い推力を得られるプラズマアクチュエータを提供できることがわかった。 From the above, it has been found that by providing the electrode missing portion 33 of the first and second embodiments, and the electrode missing portions 31B and 31C shown in Figures 3A and 3B, respectively, on the second electrode of the plasma actuator, or by providing the conductor missing portion 66A of the second embodiment on the second conductor, thereby reducing the capacitance of the plasma actuator, it is possible to provide a plasma actuator that can obtain a high thrust more efficiently than when these missing portions are not provided.
本発明は、プラズマアクチュエータに適用できる。 The present invention can be applied to plasma actuators.
１，１Ａ プラズマアクチュエータ
１０ 誘電体層
１１ 第１の主面
１２ 第２の主面
２０ 第１の電極
３０，３０Ｂ，３０Ｃ，９０ 第２の電極
３１ 部分電極
３１Ｂ，３１Ｃ，３３ 電極欠損部
３２ 接続部
３２Ｂ，３２Ｃ 電極貫通孔
３３Ｃ 電極切り欠き部
３４ 電極空隙部
３５ 配線
４０，４０Ａ 封止層
５０ 高電圧高周波電源
５１ 出力部
６０Ａ 浮遊導電体部
６１Ａ 第１の導電体
６２Ａ 第２の導電体
６３Ａ 配線部
６４Ａ 導電体部分電極
６５Ａ 導電体接続部
６６Ａ 導電体欠損部
６７Ａ 導電体空隙部
ＣＳ 筐体
REFERENCE SIGNS LIST 1, 1A plasma actuator 10 dielectric layer 11 first main surface 12 second main surface 20 first electrode 30, 30B, 30C, 90 second electrode 31 partial electrode 31B, 31C, 33 electrode missing portion 32 connection portion 32B, 32C electrode through hole 33C electrode cutout portion 34 electrode gap portion 35 wiring 40, 40A sealing layer 50 high-voltage high-frequency power supply 51 output portion 60A floating conductor portion 61A first conductor 62A second conductor 63A wiring portion 64A conductor partial electrode 65A conductor connection portion 66A conductor missing portion 67A conductor gap portion CS housing
Claims (4)
前記第１の主面に設けられた第１の電極と、
前記第２の主面に設けられた第２の電極と、を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されることによって、前記第１の主面に誘電体バリア放電を発生させ、当該誘電体バリア放電によって誘起流れを発生させるプラズマアクチュエータであって、
前記第２の電極は、薄膜または薄板で形成され、
前記第２の電極には、電極欠損部が設けられ、
前記電極欠損部は、前記第２の電極を貫通する電極貫通孔を含む、
プラズマアクチュエータ。 a dielectric layer having a first major surface and a second major surface opposite the first major surface;
a first electrode provided on the first main surface;
a second electrode provided on the second main surface,
A plasma actuator that generates a dielectric barrier discharge on the first main surface by applying a voltage between the first electrode and the second electrode, and generates an induced flow by the dielectric barrier discharge,
the second electrode is formed of a thin film or a thin plate;
The second electrode is provided with an electrode missing portion ,
The electrode missing portion includes an electrode through-hole penetrating the second electrode.
Plasma actuator.
互いに離れて配置された複数の部分電極と、
前記複数の部分電極を電気的に接続する接続部と、を備え、
前記電極欠損部は、隣り合う前記部分電極の間の電極空隙部を含む、
請求項１に記載のプラズマアクチュエータ。 The second electrode is
A plurality of partial electrodes arranged apart from each other;
a connection portion that electrically connects the plurality of partial electrodes,
The electrode missing portion includes an electrode gap portion between adjacent partial electrodes.
2. The plasma actuator according to claim 1.
前記第２の電極は、前記第２の主面における前記第１の電極に対応する位置よりも第１の方向側にずれた位置に設けられ、
前記浮遊導電体部は、
前記第１の主面における前記第１の電極よりも前記第１の方向側、かつ、前記第２の電極に対応する位置よりも前記第１の方向と反対の第２の方向側にずれた位置に設けられた第１の導電体と、
前記第２の主面における前記第１の電極に対応する位置よりも前記第１の方向側、かつ、前記第１の導電体に対応する位置よりも前記第２の方向側にずれた位置に設けられ、前記第１の導電体に電気的に接続された第２の導電体と、を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が印加されることによって、前記第１の主面における前記第１の電極および前記第１の導電体のそれぞれの前記第１の方向側に誘電体バリア放電を発生させ、当該誘電体バリア放電によって、前記第１の方向に向かう誘起流れを発生させる、
請求項１から２のいずれか一項に記載のプラズマアクチュエータ。 The semiconductor device further includes a floating conductor portion provided at a position spaced apart from the first electrode and the second electrode,
the second electrode is provided at a position shifted toward a first direction from a position corresponding to the first electrode on the second main surface,
The floating conductor portion includes:
a first conductor provided on the first main surface at a position shifted toward the first direction side from the first electrode and toward a second direction side opposite to the first direction from a position corresponding to the second electrode;
a second conductor provided on the second main surface at a position shifted toward the first direction from a position corresponding to the first electrode and toward the second direction from a position corresponding to the first conductor, the second conductor being electrically connected to the first conductor;
a voltage is applied between the first electrode and the second electrode to generate a dielectric barrier discharge on the first main surface in the first direction of each of the first electrode and the first conductor, and an induced flow toward the first direction is generated by the dielectric barrier discharge;
The plasma actuator according to claim 1 .
前記第２の導電体には、導電体欠損部が設けられている、
請求項３に記載のプラズマアクチュエータ。 the second conductor is formed of a thin film or a thin plate,
The second conductor has a conductor defect.
The plasma actuator according to claim 3 .
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Patent Citations (3)
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