静電気学会誌，39, 1（2015）15-20

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

多電極マイクロプラズマアクチュエータによる流体の能動制御
水野 良典 ，マリウスブラジャン ，米田 仁紀＊＊＊，清水 一男＊＊＊＊, ＊＊, 1（2014年9月8日受付；2014年12月5日受理）

Active Fluid Control by Multi-electrode Microplasma Actuator
＊＊＊

＊＊＊

Yoshinori MIZUNO , Marius BLAJAN , Hitoki YONEDA＊, ＊＊, 1and Kazuo SHIMIZU（Received September 8, 2014; Accepted December 5, 2014）
In this study, multi-electrode microplasma actuator for active fluid control was investigated. Our microplasma electrode could
generate plasma by relatively low voltage less than 1.5 kV due to the µm discharge gap. Such low voltage is easily controlled
by semiconductor switches and small step-up transformer. This contributes to miniaturize the system on parallel operation theelectrodes system. Therefore, more active flow control could be carried out compared as traditionally plasma actuator. Air
flow induced by the atmospheric microplasma was measured by the Particle Tracking Velocimetry (PTV). Incense smoke with
sub-micron diameter was used for tracer particles and Nd YVO4 532 nm laser was utilized to visualize the tracer particles.
When applying sinusoidal voltage 1.4 kV, 20 kHz, to the multi-electrode microplasma electrodes, air flow velocity of 1 m/s
was obtained and its direction (left, right, up, down) was controlled without changing the electrode geometry.

1．はじめになる駆動部を有さないこと，（3）時定数の短い電気的制

近年，装置の高効率化や高精度化，製造プロセスの改御が可能であるなどの特長を有している．それゆえ，

4, 5）

善と製品の高品質化，気象・気候予測，地球規模の環境

多くの研究グループにより，気体の剥離制御問題の解決などを目標として，気体流れの柔軟な制御は低減より一層重要なものとなっている．これまでにも，計算によるプラズマアクチュエータの特性解析も，電界流れの制御を実現するために様々な機械式アクチュエー

分布の時間平均を仮定する Shyy モデル ，電荷分布をタが開発されてきた．

仮定して電界を計算する Suzen モデル

1, 2）

さらに，現在では，誘電体バリア放電による大気圧非熱

11, 12），ノイズ6-10）などの実験的研究が行われている．また，数値13）などの簡易モデ

14）ル や，電 子・イオンの 流 体 方 程 式 を 解く Plasma Fluid

平衡プラズマを用いた，プラズマアクチュエータによる気Model1

体流れの能動制御技術が盛んに研究されている．この新た（ PIC ）法，個 々の 粒 子 運 動 を 計 算 す る Particle in Cell

15-17）など精力的に進められている．

18）

3）

な流体制御デバイスは 90 年代に Roth らにより提案され ，Fig.1 に誘電体バリア放電を用いたプラズマアクチュ

従来の機械式アクチュエータと比較して，（1）電極と誘電エータの構造を示す．誘電体を挟んで 2 枚の電極を設置体からなる単純な構造であること，（2）二次流れの要因とキーワード：マイクロプラズマ，電気流体力学効果，プラズマアクチュエータ，流体制御，流れの可視化＊
静岡大学大学院工学研究科（〒432-8561 静岡県浜松市中区城北 3-5-1）
Graduate School of Engineering, Shizuoka University, 3-51 Johoku, Naka-ku, Hamamatsu, Shizuoka 432-8561, Japan＊＊
静岡大学イノベーション社会連携推進機構（〒432-8561 静岡県浜松市中区城北 3-5-1）
Organization for Innovation and Social Collaboration,
Shizuoka University, 3-5-1 Johoku, Naka-ku, Hamamatsu,
Shizuoka 432-8561, Japan＊＊＊
電気通信大学レーザー新世代研究センター（〒182-8585 東京都調布市調布ヶ丘 1-5-1）
Institute for Laser Science, The University of ElectroCommunications, 1-5-1 Chofugaoka, Chofu-shi, Tokyo
182-8585, Japan1shimizu@cjr.shizuoka.ac.jp

するだけの簡単なものである．下部電極を接地し，上部電極に交流高電圧を印加すると，上部電極から下部電極へ向けてプラズマが発生する．プラズマ中の荷電粒子がクーロン力により加速され，中性粒子と衝突し運動量を伝達することで，矢印に示すような気体流れが生じる仕組みである ．
3）

プラズマアクチュエータにより誘起される流れの方向

図 1 プラズマアクチュエータの構造図
Fig.1 Schematic of typical plasma actuator.

静電気学会誌 第39巻 第 1 号（2015）16

を柔軟に変化できれば，流れの能動制御を行う上で有用であると考えられる．印加電圧の振幅を負に限定した場
合に通常とは逆方向の流れが誘起されることがあるという数値解析結果

19）と実験結果

20）があり，電圧波形の制御により流れの方向を制御する方法がある．本研究では，プラズマアクチュエータを多電極化にし，半導体スイッチにより各電極を独立駆動することで流れ方向の能動制御を試みた．また，より能動的な流体制御を実現するた

図 3 正弦波電圧制御用スイッチの概略図
Fig.3 FET switches for sinusoidal voltage control.

めに電極を密に配置する，微小アクチュエータ構造とした．

2．実験装置
本研究で構築した多電極マイクロプラズマアクチュエータの構造を Fig.2 に示す．25 µm の誘電体フィルムの両面に電極が配置されている．下側電極は接地されており，また，下側で放電が生じないよう絶縁処理が施されている．上側の電極は，4 つの独立したチャンネルから構成されている．各チャンネルの間隔を短く設定するため，チャンネル同士でのスパーク防止のために低電圧駆動が求められた．そして，低電圧でプラズマを発生させるための高電界強度を得るため，誘電体厚さを 25 µm に

図 4 実験装置図
Fig.4 Schematic of experimental set up.

設定した．本プラズマアクチュエータでは，上部電極かマアクチュエータの各チャンネル Ch1～4 とそれぞれ接らのプラズマの進展距離がサブミリの領域であり，典型続した．

的なミリスケールの進展距離と比較して一桁小さい．こ本プラズマアクチュエータにより発生した空気流れをのような，サブミリの進展距離のバリア放電をマイクロ可視化，測定するための実験装置図を Fig.4 に示す．マプラズマと通称している．

イクロプラズマアクチュエータを z ステージ上に設置

Fig.3 に正弦波電圧を制御するためのスイッチを示す．

し，周りにトレーサ粒子を分布させた．トレーサ粒子はFET とブリッジダイオードを組み合わせた双方向スイッ線香の煙（サブミクロン粒子）を用いた．波長 532 nm

チである ．このスイッチを 4 つ並列に配置し，プラズの Nd YVO4 レーザーを粒子に照射し，散乱光をハイス

21, 22）23）

ピードカメラ（ Red lake, Motion Scope M3）で撮影し，気体流れの可視化を行った．また，粒子個々の運動を手動 に て 解 析 し， 流 速 を 測 定 し た． 本 手 法 を Particle
Tracking Velocimetry（ PTV ）と呼ぶ．プラズマアクチュ
エータへの印加電圧は高電圧正弦波とした．印加電圧は高電圧プローブ（ Tektronix, P6105A ）とオシロスコープ（ Tektronix, TDS2024B ）で観測し，電流は電圧プローブ（ Tektronix, P2220）と 100 Ω 抵抗を用いて測定した．また，FET スイッチを駆動するためのマイクロコントローラは，フォトカプラにより，高電圧回路から絶縁させた．そして，正弦波高電圧とマイコン信号の位相は同期させた．

3．実験結果及び考察
3.1 マイクロプラズマの基礎特性
図 2 多電極マイクロプラズマアクチュエータの構造図
Fig.2 Configuration of multi-electrode microplasma actuator.

Ch 1 と Ch 3 に 1.4 kV，20 kHz の正弦波高電圧を印加した際の電圧波形とそれに対応する電流波形を Fig.5 に

多電極マイクロプラズマアクチュエータによる流体の能動制御（水野 良典ら）

17

図 6 右向き流れの模式図
Fig.6 Schematic image of right-ward flow.
図 5 128 回同期加算時の電圧電流波形
Fig.5 Applied voltage and current waveform, 128 times averages.

示す．電力を計算するため，各波形を 128 回同期加算し，電力 5 W を得た．また，半導体スイッチの容量成分や漏れ電流により，Ch2 と Ch 4 をオフしていても 100 V 程度の振幅が認められた．しかし，この程度の電圧はプラズ

図 7 右向き流れの可視化の例
Fig.7 Visualization of right-ward flow.

マの発生には寄与しないことが確認されている．そして，スイッチのターンオフの際，容量成分，漏れ電流の影響により電極間に蓄積された電荷は維持されずに，正弦波の半周期程度の時間で減衰することが認められた．

3.2 気体流れの可視化・流速分布
多電極マイクロプラズマアクチュエータに 1.4 kV, 20kHz の正弦波高電圧を印加した際に，誘起される気体流

図 8 右向き流れの速度ベクトル分布
Fig.8 Flow vector distribution of right-ward flow.

れの可視化を行った結果を以下に示す．プラズマアクチ
ュエータに印加する電圧はゼロを中心とした正弦波であていくことが分かる．これは，Fig.7 に示した通り，各プるため，Fig.1 のように，上部電極から下部電極に向かラズマによる流れの加速が重畳されたためである． x =っての流れが生じると考えられる．従って，Ch1 と Ch3-11 mm では流速は 0.9 m/s であったが，x = 11 mm ではを駆動すれば，Fig.6 に図示するように，右向き流れが1.5 m/s まで加速されていた．電極数を増やせば流速を増得られる．そして，カメラの露光時間を 10 ms に設定し加できると考えられるが，Forte らの報告たときの可視化した流れを Fig.7 に示す．各々のプラズ流れが次のプラズマにより再加速されるまでの間では，マへの吸い込み・吐き出しが認められた．これは，プラ抵抗により流れが減速する．そのため，加速と減速の釣ズマにより加速された流れが，次のプラズマによる再加り合いにより，流速はある値で頭打ちになると考えられ速を繰り返していることを意味する．次に，露光時間る．壁面付近での流速の垂直成分の振動は，プラズマ領

247 µs，カメラの画像取得のインターバルは 250 µs とし域での吸い込み，吐き出しに起因すると考えられる．にあるように，

25）て，個々の粒子の運動から流速を求めた結果を Fig.8 にまた，x = 11 mm における y 軸の速度プロファイルか示す．流速測定の分解能は水平（ x 軸）方向が 500 µm で，ら，本アクチュエータの変換効率 η を近似的に算出した．

垂直（ y 軸）方向が 100 µm である．これらの設定は，近似式は以下のとおりである ．
26）

他の流れパターンの実験においても同条件に設定した．
高さ（ y 軸）方向については，アクチュエータの面か（1）

らの高さ 0.25 mm にて流速が最大となることが分かった．このことから，プラズマにより生じる体積力は面か

ここで，ρ：空気の密度 1.205［ kg m ］ ，l：アクチ

らの高さ 0.25 mm 以下のごく表面近傍にしか生じないとュエータの長さ 20 mm，u（y ）：流速である．計算した考えられる．しかし，体積力・流速の最大値が得られる

結果，効率は 10 ％ となり，従来の 10 ～10 ％ というのはもっと壁面に近い位置，高さ 0.1 mm 程度という数

報告

値計算の報告ラズマアクチュエータに対し，印加電圧が高いほど，変24）がある．そのため，より精密な測定，もしくは数値計算による解析も必要だと考えられる．
水平（ x 軸）方向について，右に進むほど流速が増し-3–3–227）–1と比較して低い値を示した．一般に，同一のプ

24, 26）

換効率が高くなる ．
26）

本デバイスは，各チャンネル同士でのスパーク防止の18

静電気学会誌 第39巻 第 1 号（2015）

図 9 左向き流れの模式図
Fig.9 Schematic image of left-ward flow.

図 12 上向き流れの模式図
Fig.12 Schematic image of up-ward flow.

図 10 左向き流れの可視化の例
Fig.10 Visualization of left-ward flow.

図 13 上向き流れの可視化の例
Fig.13 Visualization of up-ward-flow.

図 11 左向き流れの速度ベクトル分布
Fig.11 Flow vector distribution of left-ward flow.

図 14 上向き流れの速度ベクトル分布
Fig.14 Flow vector distribution of up-ward flow.

ため，印加できる電圧の値が 1.5 kV 程度に制限されてた，中央部，高さ 0.25 mm の位置では流れはほとんど生おり，変換効率が低くなったと考えられる．しかし，空じていなかった．アクチュエータの中央では，電極の対間的に高い制御性を実現するためには，電極を密に配置

称性より流速の水平成分はゼロになると考えられる．すする必要がある．つまり，変換効率と制御性はトレード

ると，流れは垂直成分のみになるが，アクチュエータ表オフの関係にあると考えられる．高い制御性と変換効率面近傍において流れの連続の式を考慮すると，垂直成分の改善には，電極間隔を保ったまま，印加電圧をより高もゼロになると考えられる．

くできる電極構造の最適化が求められる．
次に，Ch 2 と Ch 4 を駆動させれば，Fig.9 に図示する

次に，Ch 2 と Ch 3 を駆動すれば，Fig.15 に図示する
ような下向きの流れが得られる．これは，流体の連続性ような，左向き流れが得られる．可視化流れを Fig.10 に，のためである．カメラの露光時間を 10 ms に設定したと個々の粒子の運動から流速を求めた結果を Fig.11 に示す．

きの可視化した流れを Fig.16 に，粒子の運動から流速を電極構造の対称性のため，右向き流れとは左右反対称の流れが得られた．従って，詳細な説明は省く．

求めた結果を Fig.17 に示す．
中央部，高さ 1 mm の位置で 0.2 m/s の下向き流れが今まではアクチュエータの面に対して水平方向の流れ生じた．また，高さ 1 mm において，ベクトルが下向きであったが，ここからは面に対して垂直な流れについてとなっている領域が x = -11 ～ 11 mm の間の広い領域

述べる．Ch1 と Ch4 を駆動させれば，Fig.12 に図示する（アクチュエータの全面）であるが，これは，下向き流ように，アクチュエータ中央で二つの流れが衝突し，上向きの流れが生じる．可視化流れを Fig.13 に，粒子の運動から流速を求めた結果を Fig.14 に示す．
中央部，高さ 1 mm の位置で 1.0 m/s の上向き流れが生じた．また，高さ 1 mm において，ベクトルが上向きとなっている領域が x = -1 ～ 1 mm の間のごく狭い領域であるが，これは，上向き流れが，プラズマ領域からの高流速，狭領域の吹き出しにより生じるためである．ま図 15 下向き流れの模式図
Fig.15 Schematic image of up-ward flow.

多電極マイクロプラズマアクチュエータによる流体の能動制御（水野 良典ら）

19

図 16 下向き流れの可視化の例
Fig.16 Visualization of up-ward-flow.

図 18 電気信号に対する気体流れの遅延結果
Fig.18 Transient response of a flow to an electrical signal.

3.5 バースト制御による斜め方向への墳流
前節より，気体の応答には，数十 ms の時間を要する

図 17 下向き流れの速度ベクトル分布
Fig.17 Flow vector distribution of up-ward flow.

ことが分かった．逆にいえば，ms 未満の時間間隔でオれが，プラズマ領域への低流速，広領域の吸い込みによつまり誘起されるガス流量を調整できる．そこで，上向り生じるためである．また，中央部，高さ 0.25 mm の位

き流れにおいて，左右から中央へのガス流量を非平衡に置では，上向き流れと同様の理由で流れはほとんど生じ設定することにより，斜め方向への流れを試みた．印加ていなかった．

電圧は 1.4 kV，20 kHz の正弦波であり，オンオフの周ンオフを繰り返せば，デューティ比に応じて放電電力，3.3 誘起されるガス流量期は 250 µs とした．電圧波形の例を Fig.19 に示す．また，前節にて速度分布を得たので，ここでは誘起されたガFig.20 に流れの可視化の例を示す．Ch 1 をデューティ比ス流量について述べる．Table 1 にガス流量の測定面と，D［％］で駆動し，Ch 4 をデューティ比 D＇ = 100 - D［％］測定値を示す．いずれの流れも約 2 L / min であることが分かった．特に，上向き流れと下向き流れでは，流速とその範囲が大きく異なるが，供給するガスの流量としてはほぼ等しいことが明らかとなった．
表 1 各流れパターンにより誘起される流量
Table 1 Measurement of gas flow rate

Right-ward flow
Left-ward flow
Up-ward flow
Down-ward flow

Measuring planex = 11 mm
x = -11 mm
y = 1 mmy = 1 mm

Flow rate［ L/min ］
2.0
2.0
2.3
2.5

3.4 流速の過渡応答性誘起される流れの過渡特性を Fig.18 に示す．測定点はTable 2 の通りである．駆動後 80 ms 程度で定常状態に

図 19 FET スイッチによる正弦波電圧の変調
Fig.19 Sinusoidal voltage with FET switching.

図 20 斜め方向流れの可視化の例
Fig.20 Visualization of skew flow.

移行することが明らかになった．プラズマアクチュエー
タを駆動する電気信号自体は瞬時に伝搬するが，気体の粘性のため，このような遅延が生じたのだと考えられる．
表 2 流れの過渡応答性の測定位置
Table 2 Measurement point of flow velocity

Right-ward flow
Left-ward flow
Up-ward flow
Down-ward flow

（ y, x ）=（0.25 mm, 11 mm ）（ y, x ）=（0.25 mm, -11 mm ）（ y, x ）=（1.0 mm, 0 mm ）（ y, x ）=（1.0 mm, 0 mm ）図 21 デューティ比制御による流れの角度制御
Fig.21 Duty ratio and induced flow angle.

静電気学会誌 第39巻 第 1 号（2015）20にて駆動した時の流れの角度を Fig.21 に示す．デューテ
ィ比，流量の小さい側に流れが傾くことが分かる．消費電力はいずれの場合も 2.5 W であった．また，誘起された流速は 0.7 m/s 程度であった．
Benard らは，印加電圧を上下させることで，斜め方向への流れを実現

28）

したが，本研究では，より簡単な半導体スイッチのオンオフのデューティ比の調整により斜め方向への角度制御を実現できた．

7） S. Im, H. Do, M. A. Cappelli: Appl. Phys. Lett., 97, 041503（2010）
8） B. Goksel, D. Greenblatt, I. Rechenberg, Y. Singh, C. N.
Nayeri, C.O. Paschereit: Proc. Conf. Turbulence andInteractions TI2006, Porquerolles, France, May 29 – June 2（2006）
9） T. C. Corke, M. L. Post, D. M. Orlov: Exp Fluids, 46（2010）
1-2610）J. Little, K. Takashima, M. Nishihara, I. Adamovich, M.

4．結論

Samimy: J. AIAA, 50［2］（2012）350-365

多電極マイクロプラズマアクチュエータにより，気体流れの能動的制御を検討し，可視化を行ったところ，以下の知見が得られた．

11） Y. Li, X. Zhang, X. Huang: Exp Fluids, 49（2010）367-377
12）F. O. Thomas, Al. Kozlov, T. C. Corke: J. AIAA 46［8］（2008）
1921-1931（1）4 つのチャンネルを独立駆動させることで，上下左右 4 方向への，電気信号に応じた気体流れを確認し

13）W. Shyy, B. Jayaraman, A. Andersson: J. Appl. Phys., 92（2002）6434

た．印加電圧が正弦波 1.4 kV，20 kHz の場合，放電

14）Y. B. Suzen, P. G. Huang, J. D. Jacob, D. E. Ashpis: Proc. 35th

電力は 5 W であり，誘起される流速は 1 m/s 程度でFluid Dynamics Conference and Exhibit, Toronto, Ontario,あった．

June（2005）6-9（2）得られた速度分布から，プラズマによる体積力はア
クチュエータの面から高さ 0.25 mm 以下のごく近傍に発生すると推察される．
（3）誘起されるガス流量は，上下左右いずれの流れにおいても 2 L/min 程度であった．
（4）エネルギー変換効率は 10 ％程度と低い値であるが，–315）A. V. Likhanskii, M. N. Shneider, S. O. Macheret, R. B. Miles:
J. Appl. Phys. 103, 053305（2008）16）H. Nisida, T. Abe: Proc. 41st Plasmadynamics and Lasers
Conference, 28 June – July 1, AIAA 2010-4634（2010）17）B. Jayaraman, S. Thakur, W. Shyy, J. Haet Transfer, 129［4］（2007）517-525

これは，密な電極配置に応じた低電圧駆動に起因し18）G. I. Font, S. Jung, C. L. Enloe, T.E. McLaughlin: Proc. 44thている．そのため，効率と制御性はトレードオフのAIAA Aerospace Sciences Meeting, 9-12 January, AIAA 2006-関係にあると考えられる．

167（2006）（5）気体の粘性のため，気体流れは電気信号に対して追従に 80ms 程度の時間を要した．
（6）半導体スイッチングにより，左右から中央へのガス供給を非平衡に設定することで，斜め上方向への流れの角度制御を実現した．

19）J. P. Boeuf, Y. Lagmich, Th. Unfer, Th. Callegari, L. C.
Pitchford: J. Phys., D: Appl. Phys., 40（2007）652
20）小方聡，射越悠，瀬川武彦，日本機械学会論文集 B編，77 巻，775 号，pp. 672-679（2011）21）橘 邦英，応用物理，75［4］（2006）
22）M. Blajan, K. Shimizu: Appl. Phys. Lett, 101, 104101,（2012）参考文献

23）M. Venturini: Proc. Powercon 7, San Diego, CA（1980）

1） M. Gadelhak: Flow control, Cambridge University press,

24）大河内翔平，笠木伸英，鈴木雄二：ながれ，29（2010）（2000）
2） 笠木伸英：ながれ，25（2006）13-22
3） J. R. Roth, X. Din: Proc. 44th AIAA Aerospace SciencesMeeting and Exhibit, Jan., AIAA 2006-1203（2006）9-12271-276
25）M. Forte, J. Jolibois, J. Pons, E. Moreau, G. Touchard, M.
Cazalens: Exp Fluids, 43（2007）917-928
26）E. Moreau: J. Phys. D: Appl. Phys., 40（2007）605

4） K. P. Singh, S. Roy: J. Appl. Phys., 103, 013305（2008）

27）ISO 2533,“ Standard atmosphere ”（1975）

5） M. Neumann, C. Friedrich, J. Kriegseis, S. Grundmann, J.

28）N. Benard, J. Jolibois, E. Moreau, R. Sosa, G. Artana, G.

Czarske: J. Phys., D: Appl. Phys., 46, 042001（2013）6） J. D. Jacob, K. Ramakumar, R. Anthony, R. B. Rivir: Proc. 4thInternational Symposium on Turbulence and Shear Flow
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Touchard: Thin Solid Film, 516（2008）6660-6667