(57)【要約】【課題】電極に印加する電圧の立ち上がり速度を適切に設定することにより、高速の表面プラズマを安定して発生させることができるようにする。【解決手段】絶縁材を挟んで表面側電極と裏面側電極を設け、両電極間に電圧を印加することにより表面プラズマを発生する表面プラズマ発生装置において、電極に印加する電圧の立ち上がり速度を３〜７μｓ／ｋＶ、更に好ましくは４〜５μｓ／ｋＶとする。このときの印加電圧はパルス状とすることが印加電圧の立ち上がり速度を所定値に設定するために好ましく、この所定値で立ち上がる三角形波としても良く、そのときにはマイナス側に立ち下がる波形を小さなものに設定しても良い。更に、前記表面側電極がドーナツ状であると、表面プラズマジェットが表面から垂直に立ち上がるため、印加電圧の立ち上がり速度を適切に設定することが容易となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材を挟んで表面側電極と裏面側電極を設け、両電極間に電圧を印加することにより表面プラズマを発生する表面プラズマ発生装置において、
前記電極に印加する電圧の立ち上がり速度を３μｓ／ｋＶ以上７μｓ／ｋＶ以下の範囲の所定値としたことを特徴とする表面プラズマ発生装置。
【請求項２】
前記電極に印加する電圧の立ち上がり速度を４μｓ／ｋＶ以上５μｓ／ｋＶ以下としたことを特徴とする請求項１記載の表面プラズマ発生装置。
【請求項３】
前記印加電圧はパルス波形であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズマ発生装置。
【請求項４】
前記印加電圧のパルス波形が、前記所定値の立ち上がり速度で立ち上がる三角形状波と、その波形に連続するマイナス側に同様に立ち下がる三角形状波からなる波形であることを特徴とする請求項３記載の表面プラズマ発生装置。
【請求項５】
前記マイナス側に同様に立ち下がる三角形状波は、前記立ち上がる三角形状波より小さくしたことを特徴とする請求項４記載の表面プラズマ発生装置。
【請求項６】
前記表面側電極がドーナツ状であることを特徴とする請求項１記載の表面プラズマ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は絶縁体を挟んで表裏両面に設けた電極に対して高電圧高周波電流を印加することにより、絶縁体表面に沿ってプラズマを発生させる表面プラズマ発生装置に関し、特に印加する高周波電流の立ち上がり電圧の速度を適切に設定することにより、高効率で高速のプラズマを発生することができるようにした表面プラズマ発生装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来より各種アクチュエータが開発されているが、近年表面プラズマを用いたアクチュエータが注目されている。表面プラズマアクチュエータは、例えば図７（ａ）に示すように、樹脂、セラミック等の絶縁体７１を挟んで表面側電極７２と裏面側電極７３を設け、両電極に交流電源７４によって交流電界を発生させると、表面側電極７２の端縁７５から絶縁体７１の表面に沿って表面プラズマとしてのプラズマジェット７６が発生することを利用するものである。このような表面プラズマはＤＢＤ（dielectric barrier discharge）プラズマアクチュエータとも呼ばれている。特にこのような表面プラズマは周囲の気体を誘導し誘導気流７７も発生するため、この作用を有効に利用する研究もなされている。
【０００３】
特に図７（ａ）に示すように、交流電源７４を制御装置８０によって制御可能とし、且つセンサ８１によって気体速度や温度を検出し、或いは実際の電極印加電圧を検出して、その信号によって制御装置８０が交流電源７４を制御可能となっている。このときの電極に印加する交流電源からの電流は、例えば図６（ｂ）に示すような正弦波、或いは同図（ｃ）に示すような所定の狭い幅の交流パルス波を出力する。このような制御状態からより強いプラズマジェットを発生させようとするときには、正弦波の場合は周波数を高くし、パルス波の場合は供給時間を多くするデューティー比制御を行うことにより対応することができる。
【０００４】
表面プラズマは現在各種用途への適用が検討されており、飛行機や風車の翼、タービンのブレード等において、渦流の発生等による翼からの気流の剥がれ防止等に用いる研究もなされている。このようなアクチュエータの研究の過程で表面プラズマの特性が更に明らかになり、この表面プラズマアクチュエータは、電極の形状や配置により特有のプラズマジェットを発生させることができ、また、そのプラズマの発生特性に合わせてより広い分野のアクチュエータとして利用することが可能であることが明らかとなってきた。
【０００５】
即ち、表面プラズマを発生させる表面側電極の形状と配置によって種々のプラズマジェットを発生させることができ、例えば図７（ａ）（ｂ）のように絶縁体９１の表面に互いに間隔をもって平行に第１表面側電極９２と第２表面側電極９３とを対向して配置し、裏面に設けた裏面側電極９４との間に高電界を発生させると、表面側電極と裏面側電極の配置関係により、各表面側電極の互いに対向する端縁から表面に平行に前記と同様の表面プラズマが発生する。これらのプラズマジェットは各電極の中間部で衝突し、図８（ｂ）に示すように絶縁体９１の表面から立ち上がるプラズマジェット９５が形成される。その際には周囲の気体は図示するように表面にほぼ直角に誘導される誘導気流９６が発生する。
【０００６】
その他例えば図９（ａ）に示すように表面側電極９８を、中心開口９７を備えたドーナツ型、或いは図８（ｂ）に示すように円形中心開口９７を備えた矩形に形成し、絶縁体９９の裏面に設けた裏面側電極１００との間に高電界を発生させると、表面側電極９８と裏面側電極１０２の配置関係により、表面側電極９８の中心開口９７側の端縁から中心に向けて表面プラズマ９９が表面に平行に発生する。この表面プラズマ９９は中心部において互いに衝突し、表面から立ち上がるプラズマジェット１００が形成される。また、そのプラズマジェット１００に誘導されて誘導気流１０１が表面に直角に発生する。
【０００７】
このように、電極の形状や配置により、種々のプラズマジェットを発生させることができ、これを前記のような翼の渦流発生制御による剥離防止作用を行わせるほか、更に各種のアクチュエータとして利用することが考えられる。
【０００８】
なお、プラズマアクチュエータについては下記文献に詳細に記載されている。
【非特許文献１】Roth, J. R., Sherman, D. M., and Wilkinson, S. P. (1998). Boundary layer flow control with a one atmosphere uniform glow discharge. AIAA Paper 98-0328, 36th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada.
【非特許文献２】Corke, T. C., Jumper, E. J., Post, M. L., Orlov, D., and McLaughlin, T. E. (2002). Application of weakly-ionized plasmas as wing flow-control devices. AIAA paper 2002-0350, 40th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Reno, Nevada.
【非特許文献３】Santhanakrishnan, A. and Jacob, J. D. (2006). On plasma synthetic jet actuators. AIAA paper 2006-0317, 44th Aerospace Sciences Meeting, Reno, Nevada.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような表面プラズマを用いるプラズマアクチュエータにおいて、前記のように種々のプラズマを発生させることができ、多様な用途に適用できるようになったものであるが、このプラズマをより効率よく、且つ高速で発生させる手法を研究開発することは、この表面プラズマ発生装置を広く利用するに際して最も基本的なこととである。そのため、従来より表面プラズマの発生特性を詳細に研究しながら、より高速の表面プラズマを発生させる研究がなされている。しかしながら、現在までの研究成果によると、未だ必ずしも効果的な手法が開発されていない。更に近年はＤＢＤプラズマをいかに低電圧で発生することができるか、という点が大きな課題となっているが、現在では必ずしも十分な手法が開発されているとはいえない。
【００１０】
したがって本発明は、高速の表面プラズマを低電圧で安定して発生させることができるようにした表面プラズマ発生装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は前記のようなＤＢＤ（dielectric barrier discharge）プラズマアクチュエータとも呼ばれる表面プラズマアクチュエータについて多くの実験を行い、研究を重ねた結果、電極への印加電流の態様を異ならせることにより表面プラズマの発生態様、特にプラズマの速度が変化することが系統立てて明らかになると共に、単に図７に示すような表面に平行に発生するプラズマの様子を観察するのでは明瞭に把握することができないことから、特に図９に示すようなドーナツ型電極によるプラズマを発生させると、プラズマの発生の程度を、表面から垂直に立ち上がるプラズマの状態で観察することができることに着目して各種の実験を試みた。
【００１２】
更に、このようにして垂直に立ち上がる表面プラズマの様子を明瞭に把握するため、レーザーによってプラズマを可視化し、更に可視化粒子を試験部の周囲に供給することにより、個々の可視化粒子の速度を測定することによって、垂直に立ち上がる表面プラズマの挙動を観察することを考えた。実際に実験行うために製作した装置を図３に示す。同図に示す実験装置においては、図９（ｄ）に示すように、厚さ１３０μｍのポリエステルからなる絶縁体の両面に、３５μｍ程度の銅箔からなる電極パターンを接着し、エッチングにより表面側電極は、内径ｄiが５０ｍｍで幅が１０ｍｍのドーナツ型に形成し、裏面側電極はドーナツ型の内径と同径で同位置の外周を備えた円形に形成している。
【００１３】
このようなドーナツ型電極を用い、図３に示すようなアクリル製の透明な容器Ｃ内の底面上にセットし、信号発生器ＨＶ−ＲＦにより所定の波形の電圧を印加した。通常の表面プラズマの観察には多くの場合は図７（ｂ）に示すような正弦波を用いることが多いが、その場合はプラズマ発生速度の周波数依存性を調べるに際して、入力周波数（ｆp）の変化と共に電圧立ち上がり速度（ｄＶ／ｄｔ）も変化してしまうため、プラズマジェット発生速度に対する影響を両者の面から論ずる必要が生じる。
【００１４】
それに対して印加電圧波形を矩形波とすると、仮にｄＶ／ｄｔを一定にできれば、プラズマジェットの速度の入力周波数（ｆp）依存性、或いは逆に印加電圧波形の依存性を直接調べることが可能となる。そのため図３に示す実験装置では、図２（ａ）に示すようなパルス波を発生させている。このパルス波の例では、振幅が±３．５ｋＶで、周波数Ｆpを２．５、５．０、７．５、１０．０ｋHに変化可能とし、一連の印加電圧波形の幅Ｔbを０．１ｓｅｃとし、一連の印加電圧波形が発生する時間間隔Ｔr、即ち１／ｆrを２．０ｓｅｃとし、それにより一連の印加電圧波形の時間間隔Ｔsを１．９ｓｅｃとした例を示している。
【００１５】
但し、このパルス波は一見矩形波のようであるが、これを拡大した同図（ｂ）から明らかなように、一般的な台形波となっている。本発明者等はプラズマジェットの速度の印加電圧波形の依存性について、特にこの台形波について印加電圧の立ち上がり速度ｄＶ／ｄｔ、即ち波形の立ち上がり部分の速度を変化させて観察することを考え、この印加電圧の立ち上がり速度を変化させる制御により電圧の立上り速度を図２（ｃ）のようにａから、ｂ、ｃ、d、e、f、g、hと同図に波形模式図として示すような、印加電圧の立ち上がり速度ｄＶ／ｄｔが変化する波形を形成して印加した。
【００１６】
図３に示す実験装置においては、上記のような印加電圧によってドーナツ型電極の中心から立ち上がるプラズマジェットに対して、容器Ｃの外部から２重パルスＹＡＧレーザーで発生したレーザーを照射することにより可視化し、更に可視化粒子として数μｍに微粒化したプロピレングリコールを用いて、空気圧縮機Ｄにより容器Ｃ内に供給する。微粒化したプロピレングリコールは空気よりも重いため、大気状態の容器Ｃの下部に設置したプラズマ発生装置の周囲に一定時間滞在させることができる。このような可視化粒子の供給により、前記のように照射したレーザーによってプラズマジェットを明瞭に可視化することができる。また、この可視化粒子の挙動を計測することにより、プラズマジェット各部、及びその周囲での気流の方向、速度を計測することができる。その計測に際しては、ＣＣＤカメラとして示しているデジタルビデオカメラによりレーザー光で可視化した部分をレーザー光とは直角方向から、０．０４秒間隔程度で撮影する。
【００１７】
この実験装置による観察によって、プラズマジェットの発生の様子を観察し、各部分での速度解析を行った結果、例えばｄについては図４に示すような速度線図が得られた。同図において画面内の矢印は気流の方向と大きさを示している。また図中では白黒で示している画像は実際には速度の大きさにしたがって着色して表示され、図中赤、黄、緑、青として示している。その結果一見してプラズマジェットとその周辺の速度分布がわかるものであるが、特に垂直に立ち上がるプラズマジェットの両側に渦が発生し、この渦の中心の高さｈｖが、プラズマジェットの気流の大きさに直接関連していることがわかった。図４に示す例においては渦中心高さｈｖはほぼ４２ｍｍで、後述するように可変抵抗値Ｒ＝８０としたときの印加電圧の立ち上がり速度ｄＶ／ｄｔが、最も大きなプラズマジェットの速度となることがわかり、それよりも大きくても、また少なくてもプラズマジェットの速度は低下することがわかり、本発明に至ったものである。
【００１８】
上記のような本発明について、より具体的には次のようなものである。即ち、本発明に係る表面プラズマ発生装置は、前記課題を解決するため、絶縁材を挟んで表面側電極と裏面側電極を設け、両電極間に電圧を印加することにより表面プラズマを発生する表面プラズマ発生装置において、前記電極に印加する電圧の立ち上がり速度を３μｓ／ｋＶ以上７μｓ／ｋＶ以下の範囲の所定値としたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る他の表面プラズマ発生装置は、前記表面プラズマ発生装置において、前記電極に印加する電圧の立ち上がり速度を４μｓ／ｋＶ以上５μｓ／ｋＶ以下としたことを特徴とし、また、前記印加電圧をパルス波形とする。
【００２０】
また、本発明に係る他の表面プラズマ発生装置は、前記表面プラズマ発生装置において、前記印加電圧のパルス波形が、前記所定値の立ち上がり速度で立ち上がる三角形状波と、その波形に連続するマイナス側に同様に立ち下がる三角形状波からなる波形とし、また、前記マイナス側に同様に立ち下がる三角形状波は、前記立ち上がる三角形状波より小さくしたことを特徴とし、また、前記表面側電極がドーナツ状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
上記のような本発明によって、印加電圧の立ち上がり速度を適切な値に設定することにより、低電圧で高速の表面プラズマを安定して発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、高速の表面プラズマを安定して発生させることができるようにするという課題を、絶縁材を挟んで表面側電極と裏面側電極を設け、両電極間に電圧を印加することにより表面プラズマを発生する表面プラズマ発生装置において、前記電極に印加する電圧の立ち上がり速度を３μｓ／ｋＶ以上７μｓ／ｋＶ以下の範囲の所定値とすることによって実現した。
【実施例１】
【００２３】
本発明の実施例を図面に沿って説明する。本発明は前記のように図３に示す実験装置により、印加電圧の立ち上がり速度を変えることによって発生するプラズマジェット流の速度変化の関係を測定したものであるが、その際の印加電圧の立ち上がり速度変更は、前記のように、また図2（c）に示すように立上り電圧制御によりaから、b、ｃ、ｄ、ｅ：、ｆ、ｇ、ｈと変化させることにより、同図に波形模式図として示すような、印加電圧の立ち上がり速度ｄＶ／ｄｔが変化する波形を形成して印加したものである。このような印加電圧の立ち上がり速度については、図１（ｅ）にも別の態様で示している。即ち図１に示す例においては、同図（ｂ）に示すようなドーナツ型表面電極を用いた表面プラズマジェット発生装置に対して、同図（ｃ）に示すようなパルス状の印加電圧を加えるものとする。このパルス状の印加電圧の一部を拡大して示す図１（ｄ）のように、この印加電圧は矩形波形状をなし、この波形の印加電圧の立ち上がり速度を前記図２（ｃ）のように変化させたパルス電圧を印加する。それにより図１（ｅ）に示すように、パルス印加時点ｔ＝０から１ｋＶに立ち上がるまでの時間をａ〜ｈのように変化させた。
【００２４】
その結果、各々について前記実験装置により図４に示すようなデータが得られた。それをまとめたものが図５の（ａ）〜（ｈ）である。同図には特に渦中心位置を各図の左側に示しており、dのときの渦中心高さを全ての図に示すと共に、それぞれの条件における渦中心高さを示して比較を容易にしている。なお、これらの図はそれぞれ５０回実験を行った平均値を示したものである。この図からも明らかなように、(dＶ/dt)-1＝4 μsec/kVの時の渦中心高さが最も高く、したがってその他は全て低いことがわかり、このことから(dＶ/dt)-1＝4 μsec/kVの時の印加電圧の立ち上がり速度ｄＶ／ｄｔが最もプラズマジェットの速度が速いことがわかった。
【００２５】
これをグラフ化したものが図１（ａ）である。即ち図１（ａ）は、前記のような同図（ｅ）に示す印加電圧の立ち上がり速度変化、即ち前記図５（ａ）〜（ｈ）に対応する印加電圧の立ち上がり速度の変化ａ〜ｈについて、更に同様の各種の多くの実験を行った結果をまとめ、これをグラフ化したものである。
【００２６】
この図から明らかなように、印加電圧の立ち上がり速度を所定電圧に上昇するまでの時間［μｓ／ｋＶ］として表したとき、３〜７μｓ／ｋＶの範囲で効果的な円環噴流高さ（ｈｖ）ｍｍが得られることがわかる。更に、４〜５μｓ／ｋＶの範囲では特に好適な範囲であることがわかる。本発明により、ＤＶＤプラズマ発生装置において、このような範囲に設定すると、電圧には特に関係なく、低電圧であっても所定の流速をうることができることがわかる。逆に電圧や周波数を上昇させても、最適条件に近い印加電圧の立ち上がり速度変化がなければ流速は低下することも示唆している。
【００２７】
上記のような印加電圧の立ち上がり速度において特に好適な範囲であることがわかったものであるが、そのときの印加電圧は前記のような台形パルス以外に、図６（ａ）に示すような三角波形としてもよい。即ち図６（ａ）に示す例においては、印加電圧の立ち上がり速度をほぼ最適値である４μｓ／ｋＶとしており、所定電圧であるＶａ（ｋＶ）になったとき０ｋＶ迄立ち下がり、次は−側に同様の波形を発生し、更にその後はこの＋と−の波形を１周期として連続して供給するものである。このときには三角波は４Ｖａ×１０-6でプラスとマイナス側に繰り返す波となり、Ｖ＝３（ｋＶ）の場合はｆp（ｍａｘ）がほぼ４１ｋＨｚとなる。また、最大効率はｆpは１２５，０００／ＥＨｚであることが推定される。このことから、周波数を上げれば最大電圧を下げることができることも意味している。
【００２８】
更に図６（ｂ）のように、前記図６（ａ）と同様に印加電圧の立ち上がり速度を４μｓ／ｋＶとしており、所定電圧であるＶ（ｋＶ）で０ｋＶ迄立ち下がり、次は−側に同様の波形で短時間だけ印加し、その後これらの波形を１周期として連続して供給するものである。このときには−側の駆動量が少なくなるので、最大効率は２５０，０００／ＶａＨｚと、同図（ａ）の例よりもほぼ２倍の効率とすることが可能となる。
【００２９】
前記のように本発明においては、発明者等による多くの実験の結果、電極への印加電圧の立ち上がり速度には最適値を中心とした最適範囲があることが推定され、それを確かめるためには単なる表面に沿ったプラズマでは不適切であり、特にドーナツ型の電極を用いて発生するプラズマを表面から垂直方向に立ち上げるとプラズマジェットの速度の状態を観察しやすいことを見出し、また可視化する手法を検討すると共に、発生するプラズマジェットを観察する中で渦の発生の状態において特に渦の中心の高さがプラズマジェットの速度と直接関連することを見出し、更に、印加電圧の波形は正弦波では不適切であり、パルス波とすると共に、このパルス波について印加電圧の立ち上がり速度を変更する手法を採用し、その変更と渦中心の高さの変化の関係を測定することによって、表面プラズマジェットの速度は印加電圧の立ち上がり速度の特定の値で最高値となり、所定の幅で特に効果的な範囲が存在することを見出し、その値を特定して本発明に至ったものある。
【００３０】
したがって本発明については、表面プラズマ発生装置がドーナツ型である必要はなく、従来から提案されている電極形状の表面プラズマ発生装置に提供可能であることは明らかである。また、前記のようにパルス波によって前記表面プラズマ発生の特性を見出したものであるが、その特性はパルス波に限らず、正弦波でも同様の特性を生じることは明らかであり、特に疑似正弦波において実質的に本発明による印加電圧の立ち上がり速度の条件を満たすように設定するときには、同様の作用効果が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例を示す図であり、（ａ）は表面プラズマ発生用印加電圧の立ち上がり速度最適範囲を示す図であり、（ｂ）は表面プラズマジェットの速度を観察するために用いたドーナツ型電極を備えた表面プラズマ発生装置の例であり、（ｃ）はこの表面プラズマ発生用電極への印加電圧波形の例を示し、（ｄ）はその波形の一部拡大図であり、（ｅ）は印加電圧の立ち上がり速度変化例を示す図であって、同図中のａ〜ｈは（ａ）の指示点に対応している。
【図２】電極印加電圧の例を示す図であり、（ａ）は印加電圧パルスの全体を示す図であり、（ｂ）はその印加電圧の一部拡大図であり、（ｃ）は印加電圧を可変抵抗で変更するに際して、可変抵抗と印加電圧の変化を示す波形模式図である。
【図３】印加電圧の立ち上がり速度とプラズマジェット速度の関係を測定する実験装置の例である。
【図４】同実験装置で得られる表面から垂直に立ち上がるプラズマジェットの各部の方向と速度を、dとしたときの例を示す速度分布図である。
【図５】同実験装置で得られた、印加電圧の立ち上がり速度を変化させたときにおける、それぞれ図４と同様の速度線図を示す図である。
【図６】印加電圧の立ち上がり速度を最適にした状態で三角波状の印加電圧波形例を示す図であり、（ａ）はプラスとマイナス側に同等の波形を形成した例、（ｂ）はマイナス側には小さな波形を形成した例を示す図である。
【図７】（ａ）は表面プラズマの発生装置の例を示す図であり、（ｂ）は電極への印加電圧が正弦波であるときの波形図であり、（ｃ）は電極への印加電圧がパルス波であるときの波形図である。
【図８】従来から提案されている互いに対向する平行な縁を形成した表面電極を備えた表面プラズマ発生装置の例を示す図である。
【図９】従来から提案されているドーナツ型の表面電極を備えた表面プラズマ発生装置の例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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