(57)【要約】【課題】誘起する流体の運動エネルギーを増加させることができる構造のプラズマアクチュエータを提供する。【解決手段】このプラズマアクチュエータ１は、誘電体２を挟んで表面側電極板３と裏面側電極板４を設け、それら両電極板３、４の間に交流電源５により高周波の交流電圧を印加して表面側電極板３の一方の端部３ａの近傍に表面プラズマを発生させ、該プラズマによって周囲に流体の流れを誘起するプラズマアクチュエータにおいて、一方の端部３ａには、多数の頂部３０ａが規則的に形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体を挟んで表面側電極板と裏面側電極板を設け、それら両電極板の間に高周波の交流電圧を印加して表面側電極板の一方の端部の近傍に表面プラズマを発生させ、該プラズマによって周囲に流体の流れを誘起するプラズマアクチュエータにおいて、
前記一方の端部には、多数の頂部が規則的に形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。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマアクチュエータにおいて、
前記頂部は、三角の山形形状の頂部であることを特徴とするプラズマアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のプラズマアクチュエータにおいて、
前記表面側電極板における前記一方の端部の反対側の他方の端部は、直線状であることを特徴とするプラズマアクチュエータ。
【請求項４】
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において、
前記頂部の頂角が９０度以下であることを特徴とするプラズマアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機や自動車などの周囲の流体の流れを、プラズマを用いて制御することができるプラズマアクチュエータが注目されている。
【０００３】
プラズマアクチュエータの基本構造は、誘電体を挟んで表面側電極板と裏面側電極板を設けたものである。そして、これら両電極板の間に交流電源により高周波の交流電圧を印加すると、両電極板の間に放電が起こって表面側電極板の端部の近傍に表面プラズマが発生する。その表面プラズマが、周囲に流体の流れを誘起する。
【０００４】
このようなプラズマアクチュエータは、機械的に動く部分が存在しないため、極めて小型に、かつ薄く製作できる。そのため、航空機の機体や自動車の車体などの表面に取り付けることで局所的に流体の流れを誘起して、それら機体や車体などの周囲の流体の流れを制御するのに好適である。例えば、図６に示すような翼形状体ＷＧの上側表面に取り付けたプラズマアクチュエータＰＡは、以下のように作用する。すなわち、流体（風）（矢印で示す）を一方側（図では左側）から翼形状体ＷＧに当てたとき、プラズマアクチュエータＰＡを動作させないと、同図（ａ）に示すように、翼形状体ＷＧ上において流体の剥離が起こるが、プラズマアクチュエータＰＡを動作させると、同図（ｂ）で示すように、プラズマアクチュエータＰＡによって誘起される流体の流れにより、翼形状体ＷＧ上における流体の剥離が抑制される。その結果、流体の剥離による摩擦抵抗増加や渦の発生などが抑制される。
【０００５】
しかし、プラズマアクチュエータは、これまでのところ、概して、誘起する流体の運動エネルギーが大きいとは言えず、航空機や自動車などの周囲の流体の流れの制御能力もまだ高くはない。この運動エネルギーを増加させるためには、印加する交流電圧の電圧値や周波数を高くすることが考えられる。
【０００６】
なお、印加する交流電圧の波形を適切化して、発生させる表面プラズマ及び誘起する流体の状態を制御するような提案もなされている。例えば、特許文献１には、低電圧で高速の表面プラズマを安定して発生させるために、両電極板の間に印加するパルス電圧の立ち上がり速度を適切な値に設定することが記載されている。また、特許文献２には、誘起する流体の流れの方向又は速度を変化させるために、両電極板の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制御を行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−６１９１９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３８３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、誘起する流体の運動エネルギーを増加させるために、印加する交流電圧の電圧値や周波数を高くしたり、あるいは波形の適切化を行ったりしても、それには限度が有り、また、交流電源の大型化・重量化を招き易い。
【０００９】
本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、誘起する流体の運動エネルギーを増加させることができる構造のプラズマアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のプラズマアクチュエータは、誘電体を挟んで表面側電極板と裏面側電極板を設け、それら両電極板の間に高周波の交流電圧を印加して表面側電極板の一方の端部の近傍に表面プラズマを発生させ、該プラズマによって周囲に流体の流れを誘起するプラズマアクチュエータにおいて、前記一方の端部には、多数の頂部が規則的に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載のプラズマアクチュエータは、請求項１に記載のプラズマアクチュエータにおいて、前記頂部は、三角の山形形状の頂部であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載のプラズマアクチュエータは、請求項１又は２に記載のプラズマアクチュエータにおいて、前記表面側電極板における前記一方の端部の反対側の他方の端部は、直線状であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載のプラズマアクチュエータは、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において、前記頂部の頂角が９０度以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のプラズマアクチュエータによれば、一方の端部に多数の頂部が規則的に形成された表面側電極板を用いた構造により、誘起する流体の運動エネルギーを増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマアクチュエータの模式的な側面図である。
【図２】同上のプラズマアクチュエータの平面図であって、（ａ）は全体を示した縮小図、（ｂ）はその一部（ｓで示す領域）を拡大して示した拡大図である。
【図３】同上のプラズマアクチュエータの実験に用いた３個の表面側電極板の一部を拡大して示す平面図である。
【図４】同上のプラズマアクチュエータの実験装置の模式図である。
【図５】同上のプラズマアクチュエータの実験結果の特性図である。
【図６】プラズマアクチュエータを翼形状体に取り付けて流体を当てたときの流体の様子を示す概念図であって、（ａ）がプラズマアクチュエータを動作させていないとき、（ｂ）が動作させたときである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係るプラズマアクチュエータ１は、図１に示すように、誘電体２を挟んで表面側電極板３と裏面側電極板４を設けている。プラズマアクチュエータ１を動作させるときは、両電極板３、４の間に交流電源５により高周波の交流電圧を印加する。そうすると、両電極板３、４の間に放電（実線の矢印で示す）が起こって表面側電極板３の後述する一方の端部３ａの近傍に表面プラズマＰＬ（破線の枠で示す）が発生する。その表面プラズマＰＬは、周囲に流体の流れＦＷ（破線の矢印で示す）を誘起する。
【００１７】
誘電体２は、略矩形平板状であって、平面視において表面側電極板３及び裏面側電極板４よりも大きい。また、厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、約１ｍｍのものを用いることができる。また、誘電体２の材料は、特に限定されるものではないが、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂を用いることができる。
【００１８】
表面側電極板３は、図２（ａ）に示すように、平面視において略長方形をなした平板形状のものである。そして、表面側電極板３の一方の端部３ａには、図２（ｂ）に示すように、多数の頂部３０ａが規則的に形成されている。頂部３０ａは、言い換えれば、外方側（図では下方側）になるにつれて細くなった（尖った）ところの先端部であって、所定の頂角θを有する。頂角θは、少なくとも、９０度以下とすることができる。
【００１９】
なお、頂部３０ａは、それが存在すれば、それに至る部分の形状は限定されることはないが、図２（ｂ）に示すように、三角の山形形状の頂部であって、所定の頂角θを有するものを頂部３０ａとすればよい。そうすると、他の形状にしたものよりも、効率良く多数、頂部３０ａを形成することができる。
【００２０】
また、表面側電極板３は、その一方の端部３ａの反対側の他方の端部３ｂが平面視において直線状のものを用いることができる。
【００２１】
裏面側電極板４（図２においては破線で示す）は、表面側電極板３とほぼ同じ大きさの平板形状であり、ほぼ同じ厚さである。裏面側電極板４は、平面視において、表面側電極板３の一方の端部３ａに裏面側電極板４の一方の端部４ａが近接するような位置関係となっている。つまり、裏面側電極板４の一方の端部４ａは、平面視において、表面側電極板３の一方の端部３ａから僅かに離れているか、一致しているか、若しくは、表面側電極板３に僅かにオーバラップしている。また、裏面側電極板４は、通常、裏面側に放電等が起こらないように、図１に示すように、保護層６（例えば、樹脂からなる）で覆われている。また、裏面側電極板４は、その一方の端部４ａが平面視において直線状のものを用いることができる。
【００２２】
このようなプラズマアクチュエータ１では、両電極板３、４の間に高周波の交流電圧が印加されたとき、表面側電極板３の一方の端部３ａの多数の頂部３０ａには、局所的に電気エネルギーが集中するので、放電が強く安定して起こる。また、多数の頂部３０ａに至る部分でも放電は起こり、一方の端部３ａ全体の端部面積が増大しているために、放電し得る領域も広くなっている。このようにして、プラズマアクチュエータ１に投入された電力に対して放電を効率良く起こして（エネルギー変換効率を向上させて）、放電により発生する表面プラズマによって誘起される流体の運動エネルギーを増加させることができる。
【００２３】
次に、本願発明者が行った実験について述べる。先ず、表面側電極板３のサンプル用として、長さＡ（図２参照）が１８０ｍｍ、幅Ｂ（図２参照）が１０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍの銅製の板を４個用意した。そして、その中の３個を加工して、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、一方の端部３ａの頂部３０ａの頂角θが異なる３個のサンプルａ、ｂ、ｃを作製した。下の表１に示すのは、サンプルａ、ｂ、ｃの一方の端部３ａにおける頂部３０ａと頂部３０ａの間のピッチＣ（図２参照）、頂部３０ａの頂角θ、頂部３０ａの高さＤ（図２参照）、頂部３０ａの全部の数Ｎである。銅製の板の４個のうちのもう１個は、比較用の表面側電極板のサンプルｄとして一方の端部３ａを加工することなく、直線状のままとした。なお、誘電体２は、ガラス繊維強化エポキシ樹脂製の約１ｍｍの厚さのものを用い、裏面側電極板４は、表面側電極板３の一方の端部３ａを加工することなく、直線状のままのものと同じものを用いた。
【００２４】
【表１】
2014009796.tif 000003
【００２５】
実験装置として、図４に示すように、プラズマアクチュエータ１を取り付け部材７１によって精密天秤７２に取り付けた。プラズマアクチュエータ１は、表面側電極板３の一方の端部３ａが水平方向になるように配置した。精密天秤７２からの計測データの処理とプラズマアクチュエータ１への高周波の交流電圧の印加は、制御装置７３によって行った。精密天秤７２は、シールド部材７４で、取り付け部材７１や必要な配線等の通過部分以外を取り囲んだ。
【００２６】
このような実験装置の構成で、プラズマアクチュエータ１に高周波の交流電圧を印加すると、下向きに流体の流れが誘起され、プラズマアクチュエータ１に推力が発生し、推力が増加するにつれて、精密天秤７２によって測定される重量が小さくなる。そうすることによって、推力を計測した。
【００２７】
図５に示すのは、印加電圧を１０ｋＶとし、周波数を１ｋＨｚから５ｋＨｚまで変化させた際に計測された推力と周波数の関係の特性である。曲線ａ、ｂ、ｃ、ｄはそれぞれ、サンプルａ、ｂ、ｃ、ｄの特性である。例えば、周波数が３ｋＨｚでは、サンプルａ、ｂ、ｃ、ｄの推力はそれぞれ、約０．１４ｇｆ、約０．０９ｇｆ、約０．０７５ｇｆ、約０．００５ｇｆであり、周波数が５ｋＨｚでは、サンプルａ、ｂ、ｃ、ｄの推力はそれぞれ、約０．１８ｇｆ、約０．１４ｇｆ、約０．１１ｇｆ、約０．０１ｇｆであった。これより、各周波数において、多数の頂部３０ａを形成することにより、推力（すなわち、運動エネルギー）が大幅に（頂部３０ａの頂角θが９０度以下で、約１０倍以上に）増加することがわかる。また、頂部３０ａの頂角θが小さくなるほど、推力（すなわち、運動エネルギー）が大きくなることがわかる。
【００２８】
以上、本発明の実施形態に係るプラズマアクチュエータについて説明したが、本発明は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１    プラズマアクチュエータ
２    誘電体
３    表面側電極板
３ａ  表面側電極板の一方の端部
３０ａ  表面側電極板の一方の端部の頂部
３ｂ  表面側電極板の他方の端部
４    裏面側電極板
５    交流電源
θ    表面側電極板の一方の端部の頂部の頂角
【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】
2014009796.tif 000008
【図６】
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