(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体を挟んで上部電極と下部電極を設け、両電極間にパルス電圧を印加することにより表面プラズマを発生させ、当該表面プラズマにより誘起される誘起流を用いる表面プラズマアクチュエータにおいて、
前記両電極間に印可するパルス電圧を、零ボルトを中心とした基準パルスに対して、全体の電圧を＋側、及び−側にオフセットする電圧制御手段を備え、
前記電圧制御手段で前記オフセット電圧を＋側と−側のいずれかに切り換え制御することにより、誘起流の方向を切り換えることを特徴とする誘起流制御表面プラズマアクチュエータ。
【請求項２】
前記電圧制御手段は、前記オフセット電圧を変化させることにより、誘起流の速度を変化させることを特徴とする請求項１記載の誘起流制御表面プラズマアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載の誘起流制御表面プラズマアクチュエータを用いた、物体表面を流れる流体の剥離または渦流制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の誘起流制御表面プラズマアクチュエータを用いた、飛行体の推進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は表面プラズマアクチュエータに関し、特に印加電圧を換えることにより誘起流の速度ばかりでなく方向も変えることができるようにした誘起流制御表面プラズマアクチュエータに関する。  
【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、セラミック等の誘電体となる絶縁体５１を挟んで上部電極５２と下部電極９３を設け、両電極に交流電源５４によって交流電界を発生させると、上部電極５２の縁部５５から絶縁体５１の表面に沿ってプラズマジェット５６が発生することを利用するものである。特にこの表面プラズマは周囲の気体を誘導し誘起流５７が発生するため、この作用を有効に利用する研究がなされている。
【０００３】
その一つとして例えば図７（ｄ）に示すような翼５８の表面における、翼面から空気流が剥離しやすい部分に前記のような表面プラズマ発生装置５９を設けるものであり、同図には翼の表面に上部電極５２を１列に形成したものを示している。
【０００４】
このような表面プラズマ発生装置５９を用いると、前記の原理により表面側電極５２の縁部５５に表面プラズマがプラズマジェットとして発生する。それによりこの翼５８の表面を流れる気流に対して前記誘導気流の発生原理によって影響を与え、この部分に生じやすい剥離の防止作用を行うことができる。特にこのような表面プラズマは、翼表面には上部電極として薄い膜を形成するのみでよいので、翼表面を流れる気流に対する空気抵抗等の影響が少なく、且つ機械的な作動部分がないため、故障すること無く安定して作動させることができるものである。
【０００５】
プラズマアクチュエータは前記のような翼表面流の剥離防止に用いるほか、流体流を用いる各種機器の剥離防止や乱流防止のため、更には宇宙空間を飛行する飛行体の推進源として、このアクチュエータが可動部分がないこと、小型軽量であること、等の特性に着目して、その開発が進められている。
【０００６】
このようなプラズマアクチュエータについては、特に図７（ａ）に示すように、交流電源５４を制御装置６０によって制御可能とし、且つセンサ６１によって気体速度や温度を検出して、その信号によって制御装置６０が交流電源９４を制御することにより、そのときの条件に対応して表面プラズマを発生させることができるようになる。
【０００７】
このときの制御信号としては、例えば図７（ｂ）に示すように、 所定の狭い幅の交流パルスを図示の例では１／１５秒間出力するようにし、更に図示の例ではその後１３／３０秒間休止してから同じ交流パルスを出力している。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、周囲に流速の早い誘起流を発生させようとするときには、例えば図７（ｃ）に示すようにパルスの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。
【０００８】
なお、プラズマアクチュエータの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技術は特許文献１に、また、高温場でも安定して作動可能なプラズマアクチュエータについては特許文献２に、更に、プラズマアクチュエータをオゾン発生装置に利用する技術は特許文献３に、また、氷結防止装置に用いることは特許文献４に開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−６１９１９号公報
【特許文献２】特開２００８−２７０１１０号公報
【特許文献３】特開２００９−２４２１７２号公報
【特許文献４】特開２００８−１５９３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、表面プラズマアタチュエータは構造が単純で可動部が無いために劣化などの問題が生じる可能性が低く、また、非常に薄い噴流を誘起でき，時定数の短い電気的制御が可能である。更に、小型軽量化が可能で安価であるなどの特徴を備えているため、工業上非常に有利な点が多い。
【００１１】
従来から研究されている表面プラズマアクチュエータでは、プラズマアクチュエータによって誘起される流れは印加電圧の波形に大きな影響を受けることが次第に解明されてきている。更に、表面プラズマの発生によって誘起される誘起流は、印加電圧の正負によらず一方向に流れるとの実験報告が多数なされている。
【００１２】
それに対してＢｏｅｕｆらの数値シミュレーションによれば、印加電圧を負に限定すると通常とは逆方向に流れが誘起されることを示唆している。しかしながら、その理論が正しいのか、また、もし正しいとしても実際に誘起流が逆向きになるか、その時の条件はどのようなものか等の点は確かめられていなかった。
【００１３】
この点を解明するために、本発明者等が開発した実験装置を用いて誘起流を可視化し、これを分析する手法を用いて、実際にどの程度の誘起流がどの方向に発生するのかの多数の実験を試みた。その結果、従来から多くの実験が行われてきた表面プラズマの誘起流とは大きく異なる誘起流が発生し、その誘起流は印加電圧を制御することにより制御も可能となることを解明することにより、この技術は表面プラズマアクチュエータとして極めて有意義であることが明らかになり、本件特許出願に至ったものである。
【００１４】
したがって本発明は、表面プラズマによる誘起流を、印加電圧を制御することにより、その方向及び速度を制御し、広範囲に制御可能な表面プラズマアクチュエータ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】
【００１５】
本発明に係る誘起流制御表面プラズマアクチュエータは、前記課題を解決するため、誘電体を挟んで上部電極と下部電極を設け、両電極間にパルス電圧を印加することにより表面プラズマを発生させ、当該表面プラズマにより誘起される誘起流を用いる表面プラズマアクチュエータにおいて、前記両電極間に印可するパルス電圧を、零ボルトを中心とした基準パルスに対して、全体の電圧を＋側、及び−側にオフセットする電圧制御手段を備え、前記電圧制御手段で前記オフセット電圧を＋側と−側のいずれかに切り換え制御することにより、誘起流の方向を切り換えることを特徴とする誘起流制御表面プラズマアクチュエータ。
【００１６】
また、本発明に係る他の誘起流制御表面プラズマアクチュエータは、前記誘起流制御表面プラズマアクチュエータにおいて、前記電圧制御手段が、前記オフセット電圧を変化させることにより、誘起流の速度を変化させることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１記載の誘起流制御表面プラズマアクチュエータを用いた、物体表面を流れる流体の剥離または渦流制御装置、としたものである。
【００１８】
また、請求項１記載の誘起流制御表面プラズマアクチュエータを用いた、飛行体の推進装置、としたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は上記のように構成したので、表面プラズマアクチュエータに印加する電圧のバイアス電圧を制御することにより、誘起流の方向を制御可能とし、且つその誘起流の速度を制御することができるようになる。特に印加電圧のバイアス電圧を制御するのみで誘起流の方向を逆方向にすることができるので、表面プラズマアクチュエータの制御範囲を広げ、また更に各種の機器に表面プラズマアクチュエータを適用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の全体概要を示す説明図である。
【図２】本発明の過程で使用した実験設備、及びバイアス電圧、オフセット値を示す図である。
【図３】本発明の各種態様における誘起流の方向の概要を示す図である。
【図４】オフセット値がＴｙｐｅ１の誘起流の速度分布図である。
【図５】オフセット値がＴｙｐｅ２の誘起流の速度分布図である。
【図６】オフセット値がＴｙｐｅ４の誘起流の速度分布図である。
【図７】従来例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２１】
本発明を図面にしたがって説明する。本発明は前記のように従来から研究されてきた表面プラズマアクチュエータについて、更に印加する電圧のバイアス電圧を変化させる各種実験を行い、本発明に至ったものであるので、その実験装置について説明する。図２はその実験設備の概要を示す図であり、実験容器内に固定したベース材上に誘電体としてのカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）フィルム（厚さ０．１２５ｍｍ）を用いている。
【００２２】
外部に露出する上部電極として銅テープ（厚さ0．1ｍｍ〉を貼り、誘電体の下方に位置している下部電極については、上部電極と同様の銅テープを用い、プラズマが発生しないようにステージに密着させている。これらの電極は高圧電源に接続されており、下部電極はアースされている。
【００２３】
高圧電源から電極に印加する電圧は、電圧制御部により制御可能としており、例えば図２（ｂ）に示すようなパルス波形の電圧を印加する。図示している基準の印加電圧は、−４ｋＶから＋４ｋＶの間を５ｋＨで周期的に変化している。この印加電圧を図２（ｂ）に示すようにαだけオフセットして電圧の変化域を制御した。同図（ｃ）の表にはオフセット値（α）を示している。ここでＶｐｐは電圧の最大値と最小値である。
【００２４】
実際の実験においては、数多くの実験を積み重ねてデータを得たものであるが、図２（ｃ）にはその代表例として、４種類のタイプについて示している。図示の例では「Ｔｙｐｅ１」として、同図（ｂ）に示すような電圧零ボルトを中心とした基本的な電圧パルスを印加した場合であり、Ｖｐｐは最大値が＋４ｋＶ、最小値が−４ｋＶである。それに対して「Ｔｙｐｅ２」は、前記図２（ｂ）の基本パルスについて、オフセット値（α）を＋４ｋＶとした場合である。したがってこれは前記基本パルスに対してバイアス値を４ｋＶにした場合であり、Ｖｐｐは最大値が＋８ｋＶで最小値が０ｋＶとなる。
【００２５】
図２（ｃ）においては同様に、「Ｔｙｐｅ３」はオフセット値（α）を−１ｋＶとしたものであり、Ｖｐｐは最大値が＋３ｋＶで最小値が−５ｋＶとなる。更に「Ｔｙｐｅ４」はオフセット値（α）を−４ｋＶとしたものであり、Ｖｐｐは最大値が０ｋＶで最小値が−４ｋＶとなる。
【００２６】
上記のような表面プラズマアクチュエータにより発生する誘起流を容器内で可視化し、それをＰＩＶ解析することで誘底流の速度分布を得た。その速度分布について、代表的な例としてＴｙｐｅ１を図４に、Ｔｙｐｅ２を図５に、Ｔｙｐｅ４を図６に示す。なお，同図中のＸ＝６５ｍｍの位置が表面プラズマアクチュエータの中心となる。
【００２７】
これらの図に示される誘起流の速度分布に基づき、全体の流れをわかりやすく示した図が図３であり、（ａ）は図４のＴｙｐｅ１に対応し、（ｂ）は図５のＴｙｐｅ２に対応し、（ｃ）は図６のＴｙｐｅ４に対応する。以降は図４〜図６の速度分布図について、図３を参照しつつ説明する。  
【００２８】
図４に示すようにＴｙｐｅ１では従来の研究と同様に、誘起流は上部電極から下部電極へ向かう方向（紙面に向かって右方向）に流れが見られた。最大流速は０．０５ｍ／ｓ程度であった。オフセット値をα＝＋４ｋＶに変化させたＴｙｐｅ２では、図５に示すように、前記Ｔｙｐｅ１の誘起流と同様に上部電極から下部電極へ向かう方向に流れており、誘起流は壁面近傍での流速が増加していることがわかる。この時の最大流速は０．０８ｍ／ｓ程度まで増大した。
【００２９】
一方，オフセット値をα＝−１およぴ−４ｋＶに変化させたＴｙｐｅ３及びＴｙｐｅ４では、誘起流の性質に大きな変化が見られた。即ち、図６より明らかなように、従来とは逆向きとなる下部電極から上部電極に向かう方向に流れが生じていることがわかる。
【００３０】
オフセット値がα＝−１のＴｙｐｅ３については図示していないが、誘起流の速度は小さい。それに対してオフセット値がα＝４ｋＶでは図６に示すように、マイナス方向に最大で０．０８ｍ／ｓ程度の流れが生じた。Ｔｙｐｅ１及びＴｙｐｅ２に比べてＴｙｐｅ４では、最大流速の位置がプラズマアクチュエータの中心から流れており、わずかにＹ方向の速度成分があることもわかった。
【００３１】
また、Ｔｙｐｅ２及びＴｙｐｅ４の最大流速についてみると、基準波形のＴｙｐｅ１から＋側、或いは−側にオフセットしたことにより、Ｔｙｐｅ１に比べて最大速度が大きくなった。これはＴｙｐｅ１に比べて電圧の最大値や最小値が大きくなった結果、最大流速がＴｙｐｅ１よりも大きくなったことが推測される。
【００３２】
以上のことから、前記基準波形から＋側と−側とにオフセット値を切り換えることにより、プラズマジェットの発生方向は変化しないにも関わらず、誘起流の方向を正方向と逆方向に切り換えることができ、そのオフセット値の大小を制御することにより、誘起流の速度の大きさを変化させることができることがわかる。
【００３３】
上記の作動及び誘起流の変化をまとめて示したものが図１であり、同図（ａ）には前記図２（ａ）に示した実験装置であって、この実験装置を用いて高圧電源による上部電極と下部電極への印加電圧を電圧制御部によって変化させる。その際には、同図（ｂ）に示したような零ボルトを中心としたＴｙｐｅ１の基準波形に対して、＋αとして＋４ｋＶオフセットしたＴｙｐｅ２と、−αとして−４ｋＶオフセットしたＴｙｐｅ４とを比較すると、図１（ｃ）に示すように誘起流の方向が互いに逆方向となる。また、図１には示されていないが、＋側及び−側のいずれについても、オフセット値が大きい方が誘起流の最高速度が大きくなることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
このことから、従来から広く研究されている表面プラズマアクチュエータについて、単にオフセット電圧を＋側と−側切り換えるだけでアクチュエータの作動の力となる誘起流の方向を逆方向にすることができ、例えば現在研究がなされている宇宙空間の飛行体の推進装置として用いる時は、推進方向の切り換えを容易に且つ素早く行うことができるので、本発明を有効に利用することができる。
【００３５】
同様に本発明を従来の剥離防止や渦流発生防止に用いる時は、剥離防止や渦の発生状態に対応して自由な方向に、また任意の強さの誘起流を発生させ、流体の流れに対応した制御を行うことができる。その際には、物体の表面を流れる流体が渦を発生するとき、物体の表面においてその流れに直角方向に、表面に沿って流れる流体を振動させると、渦が発生しにくくなることが知られているが、そのような物体の表面での流体の振動を発生させる時にも本発明を有効に利用することができる。
【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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