JP6421296B2

JP6421296B2 - プラズマアクチュエータ

Info

Publication number: JP6421296B2
Application number: JP2012194468A
Authority: JP
Inventors: 武彦瀬川; 聡小方
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Tokyo Metropolitan University
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Tokyo Metropolitan University
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2018-11-14
Anticipated expiration: 2032-09-04
Also published as: JP2014049428A

Description

本発明は、絶縁層の両面に表面電極、裏面電極を設け、両電極に電圧を印加することにより、表面電極の周辺からプラズマを発生させ、空気等のガス流を制御するプラズマアクチュエータの改良に関するものである。

従来、各種のアクチュエータが開発されており、中でもプラズマアクチュエータが注目されている。この種のプラズマアクチュエータとしては、例えば、図１３に示すように、誘電体として樹脂、セラミック等の平板状の絶縁体１５１を挟んで、その両面に表面電極１５２と裏面電極１５３を設けたシート状のプラズマアクチュエータが知られている。
図１３に示すプラズマアクチュエータは、表面電極１５２と裏面電極１５３に交流電源１５４を接続し、交流電界を発生させることにより、表面電極１５２の縁部１５５から絶縁体１５１の表面に沿ってプラズマジェット１５６を発生させるものである。
特にこうして発生した表面プラズマは、周囲の気体を誘導し誘起気流１５７が発生するため、翼の揚力制御等に、この作用を有効に利用する研究がなされている。その他、流体流を用いる各種機器の剥離防止や乱流防止のための装置として、更には宇宙空間を飛行する飛行体の推進源等種々応用分野に、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（特許文献１〜４参照）。

しかし、このようなプラズマアクチュエータにおいては、誘起気流の速度を高くしようとすると高電圧をかける必要が生じる等印加電圧に比して十分な誘起気流速度が得られていないという問題があった。
そこで、特許文献５に示すような流体制御性能の向上を目的とし、誘起気流の速度を向上させたプラズマアクチュエータが提案されている。具体的には、特許文献５には、図１４に示すように、上側電極２２１及び下側電極２２２の対と、これら電極２２１、２２２間に挟まれる誘電体２２３とを要素とし、両電極２２１、２２２間に高圧の交流電圧またはパルス電圧が印加されることでプラズマを生成するユニット２０２を複数個、間欠的に配列してなり、各ユニット２０２の上側電極２２１と、当該ユニット２０２と隣り合う他のユニット２０２の下側電極２２２との間には、プラズマ生成を阻害する遮蔽部２０３を設けてなるプラズマアクチュエータが記載されている。

特開２０１０−６１９１９号公報

特開２００８−２７０１１０号公報

特開２００９−２４２１７２号公報

特開２００８−１５９３３６号公報

特開２０１２−３８５８７号公報

しかしながら、特許文献５にかかるプラズマアクチュエータは、複数のプラズマアクチュエータユニットを連結してなるため多少の気流速度増加効果があるものの、未だ十分な増加効果ではなく、しかも複数のユニットそれぞれに電圧の印加が必要なためにそれだけ消費電力が大きくため、気流速度を挙げるために消費電力を増やさなければならない点の解消には至っていないという問題もあった。
要するに、消費電力量を増やすことなく、誘起気流の速度を増大させることができ、種々用途に活用できる実用的なプラズマアクチュエータの開発が要望されているのが現状である。

したがって、本発明の目的は、消費電力量を増やすことなく、誘起気流の速度を増大させることができ、種々用途に活用できる実用的なプラズマアクチュエータを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、気流を発生させる方向のみに発生させるべきであると考えられていたプラズマが気流を発生させる方向とは異なる方向に発生させた場合でも誘起気流の速度が増加することを知見した。すなわち、特許文献５に記載のプラズマアクチュエータでは表面電極として細線を用いているものの、この細線の両側縁のうち気流を発生させる方向とは反対側の側縁からはプラズマが発生しないように該側縁にコーティングを施している。このように従来は気流速度を確保するためには気流を発生させる方向にのみプラズマを発生させるべきことが常識であったが、本発明者らは検討の結果、気流を発生させる方向と逆の方向にもプラズマを発生させた場合でも気流の速度が増加する場合があることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は以下の各発明を提供するものである。
１．板状の絶縁材の表面に且つ該絶縁材の一端側に表面電極、該絶縁材の裏面に且つ該絶縁材の他端側に板状の裏面電極を設け、両電極間にパルス電圧を印加することにより表面電極からプラズマを発生させて、誘起気流を生成させるプラズマアクチュエータにおいて、
前記表面電極は、プラズマを発生させる部分の表面積が該表面電極の１側縁部の面積よりも大きくなるように、該１側縁部以外にプラズマ発生部が設けられており、前記裏面電極との間で前記プラズマを発生させるとともに、該プラズマにより生成される誘起気流の上流側において、前記表面電極の周囲から気流中の気体を帯電させる電界を発生させるようにした
ことを特徴とするプラズマアクチュエータ。
２．前記表面電極が、幅が０．０３〜０．１５ｍｍの細線を１本又は複数設けることにより形成されており、該細線の両側縁部が前記プラズマ発生部であることを特徴とする１記載のプラズマアクチュエータ。
３．前記表面電極は複数の上記細線からなり、各細線の間隔が該細線の幅の０．５〜２倍であることを特徴とする２記載のプラズマアクチュエータ。
４．前記表面電極は、直径１０〜１５０μｍの細孔が空隙率Ｒ０．００１≦Ｒ≦０．８となるように設けられている多孔質な板状体からなり、該細孔が前記プラズマ発生部である１記載のプラズマアクチュエータ。
５．前記表面電極は前記絶縁材の一端側に配されており、前記裏面電極は前記絶縁材の他端側に配されており、前記表面電極における前記絶縁材の他端側に位置する前記１側縁部は、前記裏面電極上に位置しないように配されていることを特徴とする１記載のプラズマアクチュエータ。

本発明のプラズマアクチュエータは、電圧量を増やすことなく、誘起気流の速度を増大させることができ、種々用途に活用できる実用的なものである。

図１は、本発明のプラズマアクチュエータの全体を示す斜視図である。図２は、図１に示すプラズマアクチュエータの矢視図（側面図）である。図３は、本発明のプラズマアクチュエータの他の実施形態を示す側面図（図２相当図）である。図４（ａ）は、本発明のプラズマアクチュエータの他の実施形態を示す側面図（図２相当図）であり、（ｂ）は、そのうち表面電極のみを拡大して示す斜視図である。図５は、本発明のプラズマアクチュエータの他の実施形態を示す側面図（図２相当図）である。図６は、比較例としてのプラズマアクチュエータを示す側面図（図２相当図）である。図７は、各実施例及び比較例で得られたプラズマアクチュエータにより得られるプラズマとそれにより発生する誘起気流とその速度とを測定する実験装置の例を示す図である。図８は、実施例１におけるプラズマ周辺における気流の速度分布図である。図９は、実施例２におけるプラズマ周辺における気流の速度分布図である。図１０は、実施例３におけるプラズマ周辺における気流の速度分布図である。図１１は、実施例４におけるプラズマ周辺における気流の速度分布図である。図１２は、比較例１におけるプラズマ周辺における気流の速度分布図である。図１３は、従来のプラズマアクチュエータを示す概略図である。図１４は、従来のプラズマアクチュエータを示す概略図である。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明する。
本発明のプラズマアクチュエータについて説明する。
＜全体構成＞
本発明の第１の実施形態としてのプラズマアクチュエータ１は、図１及び２に示すように、板状の絶縁材１０の表面に且つ絶縁材の一端１２側に表面電極２０、絶縁材１０の裏面に且つ絶縁材の他端１１側に板状の裏面電極３０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電極２０からプラズマを発生させて、誘起気流を生成させるプラズマアクチュエータである。
さらに詳細には、図１及び２に示すように、本実施形態のプラズマアクチュエータ１において、絶縁材１０は、長方形状の板状体であり、その長手方向に向けて誘起気流が発生するように表面電極２０と裏面電極３０とが配されている。表面電極２０は、一本の細線により形成されており、裏面電極３０は長方形状の板状体である。表面電極２０及び裏面電極３０は、それぞれ図２に示すように電線４０を介して電源５０と接続されている。また、表面電極２０は絶縁材１０の一端１２側に配されており、裏面電極３０は絶縁材１０の他端１１側に配されており、表面電極における絶縁材１０の他端１１側に位置する１側縁部２１、すなわちプラズマを発生させるプラズマ発生部２５は、図２に示すように本実施形態のプラズマアクチュエータを側面視した場合に裏面電極３０上に位置しないように配されている。このようにプラズマ発生部２５が裏面電極３０上に位置しないように形成することで誘起気流の速度をより向上させることができる。

そして、表面電極２０は、プラズマを発生させる部分の表面積が表面電極の１側縁部２１（プラズマ発生部２５）の面積よりも大きくなるように、１側縁部２１以外にプラズマ発生部２５が設けられている。すなわち、通常のプラズマアクチュエータでは、プラズマを発生させる部分は１側縁部２１のみとなるように形成されているが、本実施形態では、１側縁部２１以外の部位もプラズマを発生するように、他側縁部２２もプラズマ発生部２５となされている。
このように１側縁部以外にも誘起気流の速度を増加させるように機能する有用なプラズマ発生部を設けるには、１側縁部から０．１５ｍｍ以下の距離で離隔された部位に１側縁部以外のプラズマ発生部が位置するように設けるのが両側で発生するプラズマが干渉し合ったり、相殺したりすることを防止できる点で好ましく、また、その下限は数μｍとすることも可能であるが強度、寿命と製造の簡便性とから０．０３〜０．１５ｍｍの距離の範囲内とするのがさらに好ましい。
これにより、両側縁部により形成されたプラズマ発生部と裏面電極との間でプラズマを発生させるとともに、生成される誘起気流の上流側、すなわち表面電極の近傍において、表面電極の周囲から気流中の酸素や窒素などの気体を帯電させる電界を発生させるようにしている。このような機能そのものは従来公知のプラズマアクチュエータと同様であるが、本発明のプラズマアクチュエータではその効率や電界強度又は電気力線が高くなっていると考えられ、そして、後述する実施例において詳述するように、従来のプラズマアクチュエータよりも高い速度で誘起気流を発生させることができる。

（形成材料）
上記絶縁材１０の形成材料としては、ポリエステル，ポリイミド，アクリル，テフロン（登録商標）等の樹脂、ガラス、セラミック、サファイア（ガラス）等の絶縁体材料を用いることができる。
絶縁材１０の大きさは特に制限されず、所望のプラズマアクチュエータの大きさや印加電圧によって種々の大きさとすることができる。このため、その厚さは印加電圧１ｋＶあたり０．０２５ｍｍ〜０．１ｍｍとするのがプラズマを良好に発生させる観点から好ましい。

表面電極２０及び裏面電極３０の形成材料は、通常電極を形成できる材料であれば特に制限なく種々材料を用いることができるが、銅、ニッケル、金、プラチナ、アルミニウム、ＩＴＯ等を用いることができる。また、これらの厚さは１０〜５０μｍとするのがプラズマを良好に発生させる観点から好ましい。
表面電極を構成する細線の幅ｗは０．０１〜２０ｍｍであることがプラズマを両側縁部から効果的に発生させて誘起気流の速度を向上させる点で好ましく、０．０３〜０．１５ｍｍであるのがさらに好ましい。

＜製造方法＞
本実施形態のプラズマアクチュエータは、絶縁材を公知の手法を用いて上述の好ましい厚さのシート状成形物とすることにより形成し、次いで得られた絶縁材の表面及び裏面の所定位置に公知の印刷手法を用いて電極材料を塗工して所定形状の表面電極及び裏面電極を形成することにより得ることができる。上記の印刷手法としては、公知のエッチング手法の他、ＥＢ描画法やイオンプレーティング法を用いることもできる。

＜使用方法＞
本実施形態のプラズマアクチュエータ１は、所望の装置の所望の位置に配する等して電源５０から電線４０を介して表面電極２０及び裏面電極３０に電圧を印加することにより使用することができる。
これにより、表面電極２０のプラズマ発生部２５である１側縁部２１及び他側縁部２２から図２に示すプラズマｐ１及びｐ２が発生し、矢印方向の誘起気流が発生する。図２に示すように、１側縁部２１側から発生するプラズマｐ１は他側縁部２２から発生するプラズマｐ２よりも大きい。気流の速度が速くなるメカニズムは定かではないが、プラズマｐ１とプラズマｐ２との相互作用が生じる距離（上述の好ましい離隔距離範囲）があり、かかる距離関係にある場合にはプラズマｐ１のみの場合よりも気流が加速されるものと考えられる。
このように使用する際に印加される電圧は、３ｋＶｐ−ｐ〜１００ｋＶｐ−ｐとするのが好ましい。また、また、印加される電圧は交流とするのが好ましく、両極（ｂｉｐｏｌａｒ）又は単極（ｍｏｎｏｐｏｌａｒ）の交流電圧を印加するのが好ましく、０Ｖをクロスしている交流電圧がより望ましい。

＜第２〜４の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては上述の第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態と重複する部位については説明を省略する。このため符号も上述の実施形態と異なる部分については異なる番号を付すが同じ部分については同じ番号を付す。特に説明しない点については上述の第１の実施形態における説明が適宜適用される。

図３に示す第２の実施形態のプラズマアクチュエータ１ａは、表面電極２１ａが２１ａ−１、２１ａ−２、２１ｓ−３の３つの細線からなり、各細線の間隔ｄ（各細線におけるプラズマ発生部である１側縁部を基準として各１側縁部間の間隔）が該細線の幅の好ましくは１．５〜２．５倍である。
このように複数の細線を表面電極として配することにより、１本のみを配していたときに比してより誘起気流の速度を向上させることができる。細線の設置本数は、本実施形態においては３本としたが、２本又は４本以上とすることもできる。

図４に示す第３の実施形態のプラズマアクチュエータ１ｂは、表面電極２１ｂが、直径好ましくは１０〜１５０μｍの円形の細孔２６ｂが好ましくは空隙率Ｒ０．００１≦R≦０．８、さらに好ましくは０．１≦R≦０．８となるように設けられている多孔質な板状体からなり、１側縁がプラズマ発生部であると共に細孔２６ｂがプラズマ発生部である。
ここで空隙率Ｒは、（細孔の総面積）／（電極の総面積）である。なお、細孔の面積は図４に示す細孔２６ｂの図に表された円形部分の面積を意味し、電極の総面積は、図４に示す表面電極の長方形部分の面積を意味する。
また、本実施形態においては図示する都合上均等に細孔２６ｂが設けられている例を示しているが、この例に制限されず、不均等に細孔が配設されていてもよい。
本実施形態における表面電極の幅ｗｂは細線よりも太くすることができるが、細くなり過ぎると電極が損傷しやすくなるため０．０１５〜３ｍｍとするのが好ましい。
また、細孔を設ける位置は１側縁からあまり距離を開けない方がよいが上記電極の幅太さの範囲内であれば電極は幅いっぱいに設けてもよい。

図５に示す第４の実施形態のプラズマアクチュエータ１ｃは、表面電極２１ｃが間隔ｄ（第２の実施形態におけるｄと同じ）を空けて複数設けられている。そして、最も絶縁体の他端側に位置する細線２０ｃ−１が裏面電極３０の上に位置している。
このように複数の細線で表面電極を構成した場合には、その一部が裏面電極の上に位置していても、従来の構成のプラズマアクチュエータに比して早い気流速度が得られる。

なお、本発明は上述の各実施形態に制限されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
たとえば、プラズマの発生を阻害しない範囲内で表面電極や裏面電極にコーティングを施すこともできる。
細孔の形は、円形の他、四角形状、六角形状、ひし形状、楕円形状、直線状等種々形状とすることができる。

以下、本発明について実施例及び比較例を示してさらに具体的に説明するが本発明はこれらに何ら制限されるものではない。

〔実施例１〕
以下の各形成材料、大きさで図１及び２に示す１本の細線により表面電極が形成されたプラズマアクチュエータを作製した。
絶縁材：形成材料〔テフロン（登録商標）〕、厚さ１００μｍ
表面電極：形成材料（銅）、幅ｗ０．１ｍｍ、厚さ１７μｍ（１／２オンス）
裏面電極：形成材料（銅）、幅１０ｍｍ、厚さ１７μｍ

〔実施例２〕
以下の各形成材料、大きさで図３に示す３本の細線により表面電極が形成されたプラズマアクチュエータを作製した。
絶縁材：形成材料〔テフロン（登録商標）〕、厚さ１００μｍ
表面電極：形成材料（銅）、幅ｗ０．１ｍｍ、間隔ｄ０．２５ｍｍ厚さ１７μｍ
裏面電極：形成材料（銅）、幅１０ｍｍ、厚さ１７μｍ

〔実施例３〕
以下の各形成材料、大きさで図４に示す多孔質な表面電極が形成されたプラズマアクチュエータを作製した。
絶縁材：形成材料〔テフロン（登録商標）〕、厚さ１００μｍ
表面電極：形成材料（銅）、平均直径１５０μｍ、密度１２個／ｍｍ^２、厚さ１７μｍ
裏面電極：形成材料（銅）、幅１０ｍｍ、厚さ１７μｍ
（表面電極にポーラス部）

〔実施例４〕
以下の各形成材料、大きさで図５に示す３本の細線により表面電極が形成されたプラズマアクチュエータを作製した。
絶縁材：形成材料〔テフロン（登録商標）〕、厚さ１００μｍ
表面電極：形成材料（銅）、幅ｗ０．１ｍｍ、厚さ１７μｍ
裏面電極：形成材料（銅）、幅１０ｍｍ、厚さ１７μｍ

〔比較例１〕
以下の各形成材料、大きさで図６に示す従来公知のプラズマアクチュエータを作製した。
絶縁材：形成材料〔テフロン（登録商標）〕、厚さ１００μｍ
表面電極：形成材料（銅）、幅ｗ５ｍｍ、厚さ１７μｍ
裏面電極：形成材料（銅）、幅１０ｍｍ、厚さ１７μｍ

〔試験例〕
得られた各プラズマアクチュエータについて図７に示す装置を用いてプラズマ発生及び気流の発生を調べると共に気流の速度を測定した。測定方法は、特開２０１０−６１９１９の〔００１２〕などに記載の方法に準じて行った。また気流の速度については比較例１を基準として各例の速度を評価した。なお、印加電圧は交流で±２．５ｋＶ（５．０ｋＶｐ−ｐ）とした。
その結果を図８〜図１２に示す。
図８〜１２に示す結果から明らかなように、本発明のプラズマアクチュエータはいずれも従来のものよりも同じ電圧しか印加していないのにもかかわらず気流速度が速くなっている。特に、細線を３本配した実施例２のプラズマアクチュエータは従来のものに比して２倍の速度になっており、特に効果が高いことがわかる。

本発明のプラズマアクチュエータは、種々用途に用いることができるが、特に自動車、航空機、風車におけるエネルギーエネルギー効率向上や騒音低減等として有用である。

１プラズマアクチュエータ、１０絶縁材、２０表面電極、３０裏面電極、５０電源、Ｐ１，Ｐ２プラズマ、２５プラズマ発生部

Claims

板状の絶縁材の表面に且つ該絶縁材の一端側に表面電極、該絶縁材の裏面に且つ該絶縁材の他端側に板状の裏面電極を設け、両電極間にパルス電圧を印加することにより表面電極からプラズマを発生させて、誘起気流を生成させるプラズマアクチュエータにおいて、
前記表面電極は、プラズマを発生させる部分の表面積が該表面電極の１側縁部の面積よりも大きくなるように、該１側縁部以外にプラズマ発生部が設けられており、前記裏面電極との間で前記プラズマを発生させるとともに、該プラズマにより生成される誘起気流の上流側において、前記表面電極の周囲から気流中の気体を帯電させる電界を発生させるようにされており、
前記表面電極は、幅が０．０３〜０．１５ｍｍであり且つ断面形状が四角形状の細線を３本それぞれ平行に設けることにより形成されており、該細線の両側縁部が前記プラズマ発生部であり、
前記裏面電極は長方形状の板状体であり、１つのみ配されており、
前記表面電極と前記裏面電極とは、それぞれ同じ長さを有し且つそれぞれ平行に配されて、前記表面電極における前記プラズマ発生部が前記裏面電極の長手方向と平行に配されており、
前記表面電極は前記絶縁材の一端側に配されており、前記裏面電極は前記絶縁材の他端側に配されており、最も前記裏面電極側に位置する前記表面電極における前記絶縁材の他端側に位置する前記１側縁部は、前記絶縁材の一端側に位置する前記裏面電極の側縁の垂直方向上方に位置し且つ前記裏面電極上に位置しないように配されており、
前記表面電極における各細線の間隔が該細線の幅の１．５〜２．５倍である
ことを特徴とするプラズマアクチュエータ。