JP2829575B2 - 移動体の境界層剥離抑制装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば航空機の翼
面など移動体の境界層を制御して剥離を抑制しうる移動
体の境界層剥離抑制装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、移動体の境界層を制御して剥離を
抑制させるには、例えば航空機の翼に設けられた前縁フ
ラップ，後縁フラップ，あるいはスラットなどを機械的
に駆動させて境界層にエネルギーを与えることが行われ
ていた。これによれば、最大揚力係数が大きくなり、失
速抑え角が増大される。また、吹き出し口を翼の前縁や
後縁に設けて境界層にエネルギーを与えて剥離域を吹き
とばしたり、逆に翼上面に吸い込み用の小さい穴を設け
て、この穴からエネルギーの少なくなった境界層領域の
空気流を吸い込ませることが行われていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように前縁フラップなどを機械的に駆動させる方法によ
れば装置の複雑さに加え、航空機の重量が増加するとい
う問題がある。その上、整備取り扱い点検に多大な労力
を必要とする。また、吹き出しや吸い込みを用いるもの
でも動力を使用するので装置が大型化して重量が大きく
なってしまう。

【０００４】そこで本発明の目的は、特に複雑な構造を
必要とすることなく、しかも軽量な移動体の境界層剥離
抑制装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の移動体の境界層剥離抑制装置は、移動体
の表面内側に移動方向に沿って並設された、移動方向に
対して垂直な方向に分極処理され表面側を正極としその
逆側を負極とする印加電圧により移動方向に対して伸
び、逆に表面側を負極としその逆側を正極とする印加電
圧により移動方向に対して縮む第１圧電素子と、第１圧
電素子とは逆方向に分極処理され表面側を正極としその
逆側を負極とする印加電圧により移動方向に対して縮
み、逆に表面側を負極としその逆側を正極とする印加電
圧により移動方向に対して伸びる第２圧電素子からなる
複数の圧電素子群と，複数の圧電素子群のうち移動体の
後側から奇数番目の圧電素子群に交流電圧を供給する第
１電圧供給手段と，複数の圧電素子群のうち移動体の後
側から偶数番目の圧電素子群に第１電圧供給手段が供給
する交流電圧の位相より遅れた位相の交流電圧を供給す
る第２電圧供給手段と，移動体の表面内側の前端部に設
置され、表面に発生した波動エネルギーを吸収して電気
エネルギーに変換する吸振器と，および、吸振器に接続
され、電気エネルギーを消費する負荷回路と，を備える
ことを特徴とする（請求項１）。

【０００６】また請求項１に記載の発明において移動体
の表面において、移動方向に直交して延びる溝を表面の
前側から後側に複数設けることを特徴とする（請求項
２）。

【０００７】また本発明の移動体の境界層剥離抑制装置
は、移動体の表面内側の後端部に設置され、移動方向に
対して垂直な方向に分極処理され表面側を正極としその
逆側を負極とする印加電圧により移動方向に対して伸び
／縮み（伸び又は縮み）、逆に表面側を負極としその逆
側を正極とする印加電圧により移動方向に対して縮む／
伸びる（縮む又は伸びる）圧電素子と，圧電素子の移動
方向に対して伸縮する歪を移動方向に対して垂直な方向
に伸縮する歪にする歪変換手段と，圧電素子に交流電圧
を供給する電圧供給手段と，移動体の表面内側の前端部
に設置され、表面に発生した波動エネルギーを吸収して
電気エネルギーに変換する吸振器と，および、吸振器に
接続され、電気エネルギーを消費する負荷回路と，を備
えることを特徴とする（請求項３）。

【０００８】また請求項３に記載の発明において、圧電
素子と移動体の表面との間に介挿され、圧電素子の伸縮
を拡大して移動体の表面に伝える振動拡大装置と，吸振
器と移動体の表面との間に介挿され、移動体の表面に発
生した振動を縮小して吸振器に伝える振動縮小装置と，
を更に備えることを特徴とする（請求項４）。

【０００９】請求項１に記載の発明によれば、第１圧電
素子とそれとは逆に分極処理された第２圧電素子からな
る複数の圧電素子群のうち移動体の後側から奇数番目の
圧電素子群には第１電圧供給手段から交流電圧が供給さ
れ、かつ移動体の後側から偶数番目の圧電素子群には第
２電圧供給手段から第１電圧供給手段が供給する交流電
圧の位相より遅れた位相の交流電圧が供給されるので、
表面が第１圧電素子の伸／縮および第２圧電素子の縮／
伸にともない屈曲振動し、この振動は移動体の前側に進
むが、前側の端部からの反射波による方向性のない定在
波が発生する。ここで、移動体の表面内側の前端部には
吸振器が設置されているので、反射波の波動エネルギー
は電気エネルギーに変換され負荷回路で消費される。よ
って、結果的には移動体の前側に進む進行波が発生す
る。この進行波の発生にともない、表面には移動体の前
側から後側に向けて、楕円運動が発生するので、その楕
円運動の力により表面の接触域の流体分子は後側に引き
ずられ、高速に流体化する。これにより境界層の剥離を
抑制することができる。

【００１０】また請求項２に記載の発明によれば、移動
体の表面において、移動方向に直交して延びる溝を表面
の前側から後側に複数設けるので、圧電素子群の伸縮に
よる表面の屈曲振動の振幅が大きくなる。よって、楕円
運動の力が大きくなるので一層剥離を抑制しうる。

【００１１】また請求項３に記載の発明によれば、電圧
供給手段から交流電圧を圧電素子に供給すると歪変換手
段のはたらきにより圧電素子は移動方向に垂直な方向に
伸／縮するように変換されるので、表面に屈曲振動が発
生し、前側の端部からの反射波による定在波が発生する
が、反射波は請求項１の記載の発明と同様に吸振器およ
び負荷回路で吸収されそのエネルギーは消費させられる
ので、前側に進む進行波が発生する。これにともない表
面には移動体の前側から後側に向けて楕円運動が発生す
るので、その楕円運動の力により表面の接触域の流体分
子は後側に引きずられ、高速に流体化する。これにより
境界層の剥離を抑制することができる。

【００１２】また請求項４に記載の発明によれば、振動
拡大装置を圧電素子と移動体の表面との間に介挿するの
で、圧電素子の伸縮が小さいものであってもよい。ま
た、振動縮小装置を吸振器と移動体の表面との間に介挿
するので、吸振器およびそれに接続される負荷回路は容
量の小さいものでもよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。 （第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係る移動体の境界層剥離抑制装置の構成概要を示す側面
図である。なお、移動体として航空機に適用した例を示
す。

【００１４】この移動体の境界層剥離抑制装置は、航空
機の翼面１０の内側に航空機の移動方向に沿って並設さ
れた第１圧電素子１ａと第２圧電素子１ｂからなる複数
の圧電素子群１と，複数の圧電素子群１のうち航空機の
後側（図１の左側）から奇数（１，３，５，・・・）番
目の圧電素子群に交流電圧を供給する第１電圧供給手段
として機能する電源２と，複数の圧電素子群のうち残
り、すなわち航空機の後側から偶数（２，４，・・・）
番目の圧電素子群に交流電圧を供給する第２電圧供給手
段として機能する電源３と，翼面１０の内側の前端部に
設置された吸振器４と，吸振器４に接続された負荷回路
５とから構成されている。なお、圧電素子群１の下部に
は電極プレート６が取り付けられている。

【００１５】第１圧電素子１ａは、移動方向に対して垂
直な方向（図１の上下方向）に翼面１０に近づく側を正
極にそして翼面１０から遠ざかる側を負極として分極処
理されたものであり、翼面１０側を正極としその逆側と
なる電極プレート６側を負極とする電圧を印加すること
により移動方向に対して伸び、逆に翼面１０側を負極と
し電極プレート側を正極とする電圧を印加することによ
り移動方向に対して縮むようになっている。逆に、第２
圧電素子１ｂは、第１圧電素子１ａとは逆方向に、すな
わち翼面１０に近づく側を負極にそして翼面１０から遠
ざかる側を正極として分極処理されたものであり、翼面
１０側を正極としその逆側となる電極プレート６側を負
極とする電圧を印加することにより移動方向に対して縮
み、逆に翼面１０側を負極とし電極プレート側を正極と
する電圧を印加することにより移動方向に対して伸びる
ようになっている。

【００１６】電源２が供給する交流電圧は正弦波（Ｓｉ
ｎωｔ）であり、一方電源３が供給する交流電圧は余弦
波（Ｃｏｓωｔ）であり、位相が遅れている。

【００１７】吸振器４は、ランジュバン型振動子を発電
器として使用したものである。すなわち圧電素子４ａを
金属板４ｂで挾んだものであり翼面１０に発生する波動
エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換して、そし
て吸振器４に接続された負荷回路５によって吸振器４で
変換された電気エネルギーを消費するようになってい
る。

【００１８】以上のように構成された移動体の境界層剥
離抑制装置において、電源２および電源３からそれぞれ
交流電圧が圧電素子群１に供給されると、翼面１０は、
図２に示すように変形して進行波を前側に発生する。こ
れを図３を用いて説明する。

【００１９】例えば、図３（ａ）に示すような翼面１０
の後側から第１番目の圧電素子群１に電源２から正弦波
の交流電圧を印加すると、図３（ｂ）に示すように翼面
１０側が正極，電極プレート６側が負極の場合には第１
圧電素子１ａが移動方向に伸び、かつ第２圧電素子１ｂ
が移動方向に縮み、また図３（ｃ）に示すように極性が
変わり翼面１０側が負極，電極プレート６側が正極の場
合には第１圧電素子１ａが移動方向に縮み、かつ第２圧
電素子１ｂが移動方向に伸む。これを交互に繰り返すの
で、第１番目の圧電素子群１の上部の翼面１０には屈曲
振動が生じ、方向性のない定在波が発生する。

【００２０】再度、図２を参照する。第２番目の圧電素
子群１には電源３から余弦波の交流電圧が印加されてい
るので同様に第２番目の圧電素子群１の上部の翼面１０
には屈曲振動が生じ、方向性のない定在波が発生する
が、電源３から供給される交流電圧は電源２から供給さ
れる交流電圧に比べて位相が９０度遅れているので第１
番目の圧電素子群１側から第２番目の圧電素子群１へ進
む屈曲振動が発生する。そして、電源２は上述したよう
に奇数番目の圧電素子群１に正弦波の交流電圧を印加
し、電源３は偶数番目の圧電素子群１に余弦波の交流電
圧を印加するので結果的に航空機の翼面１０の後側から
前側に進む屈曲振動が発生するようになる。ここで、翼
面１０の内側の前端部には吸振器４が設置されているの
で、前端部からの反射波成分が吸収され、波動エネルギ
ーは電気エルルギーに変換されて負荷回路５にて消費さ
れる。これにより、航空機の翼面１０の後側から前側に
進む進行波が発生する。なお、電源２と電源３による印
加位相を逆にして吸振器４の位置を後側に設置すれば進
行波の方向は逆になる。

【００２１】このように進行波が発生すると、横波７ａ
の成分と縦波７ｂの成分の合成により翼面１０には図２
において反時計方向の楕円運動の力７がはたらく。この
楕円運動の力７は、接触域８では航空機の翼面１０に屈
曲振動に伴ってはたらくので、接触域８の流体分子には
エネルギーが与えられ流体分子は後側に向けて引きずら
れて高速に流体化させられる。よって、図４に示すよう
に境界層剥離の発生しやすい範囲９の全面あるいは分割
した面に形成すれば、境界層の剥離が抑制させられる。
また翼面１０に付着した雨水，雪，アイシングなども楕
円運動の力７によって同時に除去される。

【００２２】なお、図５（ａ）に示すように翼面１０に
移動方向に直交して延びる溝１１を翼面１０の前側から
後側にかけて複数設けることにより、図５（ｂ）のよう
に翼面１０の振幅が拡大するので楕円運動の力７が大き
くなり、これにともない接触域８の流体分子に与えられ
るエネルギーも増大する。よって、剥離抑制効果および
雨水などの除去効果が一段と向上する。

【００２３】（第２の実施形態）図６は、本発明の第２
の実施形態に係る移動体の境界層剥離抑制装置の構成概
要を示す側面図である。なお、第１の実施形態と同様に
航空機の翼面１０に適用した例を示す。

【００２４】この移動体の境界層剥離抑制装置は、航空
機の翼面１０の内側の後端部に設置された圧電素子１２
と，圧電素子１２の周りを覆い移動方向に対して垂直な
方向に延びる歪変換手段としてはたらく円筒管１８と，
圧電素子１２に交流電圧を供給する電圧供給手段として
機能する電源１３と，翼面１０の内側の前端部に設置さ
れ、翼面１０に発生した波動エネルギーを吸収して電気
エネルギーに変換する吸振器１４，吸振器１４に接続さ
れ、変換された電気エネルギーを消費する負荷回路１
５，とからなり、更に圧電素子１２と翼面１０との間に
は圧電素子１２の伸縮を拡大して翼面１０に伝える振動
拡大装置であるホーン１６が介挿され、また吸振器１４
と翼面１０との間には翼面１０に発生した振動を縮小し
て吸振器１４に伝える振動縮小装置であるホーン１７が
介挿されている。

【００２５】圧電素子１２は、移動方向に対して垂直な
方向にホーン１６側（表面側）を正極としその逆側を負
極として分極処理されたものであり、ホーン１６側（表
面側）を正極としその逆側を負極とする電圧を印加する
ことにより移動方向に対して伸び、逆にホーン１６側
（表面側）を負極としその逆側を正極とする電圧を印加
することにより移動方向に対して縮むようになってい
る。なお、移動方向に対して垂直な方向にホーン１６側
（表面側）を負極としその逆側を正極として分極処理
し、ホーン１６側（表面側）を正極としその逆側を負極
とする電圧を印加することにより移動方向に対して縮
み、逆にホーン１６側（表面側）を負極としその逆側を
正極とする電圧を印加することにより移動方向に対して
伸びるようにしてもよい。

【００２６】また円筒管１８は圧電素子１２の移動方向
の伸縮を拘束するものであり、これにより圧電素子１２
の移動方向に対して伸縮する歪は移動方向に対して垂直
な方向に伸縮する歪に変換させられる。この圧電素子１
２と円筒管１８とによってランジュバン型振動子が構成
されている。なお、吸振器１４も圧電素子とそれを周り
から覆う円筒管１９とから構成されるランジュバン型振
動子であり、これを発電器として使用したものである。

【００２７】これによれば、電源１３から交流電圧が圧
電素子１２に供給されると円筒管１８のはたらきにより
圧電素子１２は垂直方向に伸縮し、その振動はホーン１
６で有効に拡大されて翼面１０に伝わる。このとき、翼
面１０の前端部にはホーン１７を介して吸振器１４が設
置され反射波は有効に縮小され負荷回路１５で消費され
るようになっているので、後側から前側に伝わる進行波
が発生する。この進行波の発生にともない第１の実施形
態で示したと同様に楕円運動の力がはたらくので境界層
の剥離を抑制でき、しかも雨水などの除去も可能とな
る。

【００２８】なお本発明の実施形態によれば、翼面１０
に移動体の境界層剥離抑制装置を設置する例を示した
が、剥離の発生するところであれば胴体，水平尾翼，あ
るいは垂直尾翼などでもよい。また、航空機に限らず車
両や船舶などの移動体にも適用できる。更に本実施形態
によれば、進行波を後側から前側に発生させて逆方向、
すなわち前側から後側に楕円運動により力７をはたらか
せるようにしたが、これに限らず力７を前側，左側ある
いは右側にはたらかせ、または複数の方向を組み合わせ
ることで操縦を制御することもできる。

【００２９】

【発明の効果】以上のとおり請求項１に記載の発明によ
れば、進行波の発生にともなう楕円運動の力により表面
の接触域の流体分子は後側に引きずられ、高速に流体化
されるので、境界層の剥離の生じやすい範囲の全面ある
いは分割した面に設置することにより剥離を特に複雑な
構造を必要とすることなく抑制することができる。重量
の点においても従来例と比較して軽量化が図れる。ま
た、流体分子の高速流体化によって表面に付着した雨
水，雪，アイシングなども除去される。

【００３０】また請求項２に記載の発明によれば、移動
体の表面に設けられた複数の溝によって圧電素子群の伸
縮による表面の屈曲振動の振幅が大きくなるので、楕円
運動の力が大きくなり剥離抑制効果および雨水などの除
去効果は一段と向上する。

【００３１】また請求項３に記載の発明によれば、圧電
素子を移動方向に垂直な方向に伸／縮させ、表面を振動
させ、進行波および楕円運動を発生させるので、請求項
１の発明の効果に加えて、圧電素子の数を大幅に減らす
ことができる。

【００３２】また請求項４に記載の発明によれば、振動
拡大装置を圧電素子と移動体の表面との間に介挿するの
で、圧電素子の伸縮が小さいものであってもよく、ま
た、振動縮小装置を吸振器と移動体の表面との間に介挿
するので、吸振器およびそれに接続される負荷回路は容
量の小さいものでもよいので装置の小型化および軽量化
が一層図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る移動体の境界層
剥離抑制装置の構成概要を示す側面図である。

【図２】圧電素子群１に交流電圧を印加した場合におけ
る、図１の一部分の拡大斜視図である。

【図３】圧電素子群１および翼面１０の変形を示す部分
拡大側面図であり、（ａ）は電圧が印加されていない場
合，（ｂ）は翼面１０に正極，電極プレート６に負極の
電圧が印加された場合，（ｃ）は翼面１０に負極，電極
プレート６に正極の電圧が印加された場合をそれぞれ示
す。

【図４】本発明の実施形態が適用される航空機の翼面１
０を示す平面図である。

【図５】複数の溝１１が形成された翼面１０の変形を示
す部分拡大側面図であり、（ａ）は電圧が印加されてい
ない場合，（ｂ）は翼面１０に正極，電極プレート６に
負極の電圧が印加された場合をそれぞれ示す。

【図６】本発明の第２の実施形態に係る移動体の境界層
剥離抑制装置の構成概要を示す側面図である。

【符号の説明】

１ 圧電素子群 １ａ 第１圧電素子 １ｂ 第２圧電素子 ２，３ 電源 ４ 吸振器 ５ 負荷回路 ６ 電極プレート ７ 楕円運動の力 ７ａ 横波 ７ｂ 縦波 ８ 接触域 ９ 範囲 １０ 翼面 １１ 溝 １２ 圧電素子 １３ 電源 １４ 吸振器 １５ 負荷回路 １６，１７ ホーン １８，１９ 円筒管

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】移動体の表面内側に移動方向に沿って並設
   された、移動方向に対して垂直な方向に分極処理され表
   面側を正極としその逆側を負極とする印加電圧により移
   動方向に対して伸び、逆に表面側を負極としその逆側を
   正極とする印加電圧により移動方向に対して縮む第１圧
   電素子と、前記第１圧電素子とは逆方向に分極処理され
   表面側を正極としその逆側を負極とする前記印加電圧に
   より移動方向に対して縮み、逆に表面側を負極としその
   逆側を正極とする前記印加電圧により移動方向に対して
   伸びる第２圧電素子からなる複数の圧電素子群と，該複
   数の圧電素子群のうち移動体の後側から奇数番目の圧電
   素子群に交流電圧を供給する第１電圧供給手段と，該複
   数の圧電素子群のうち移動体の後側から偶数番目の圧電
   素子群に前記第１電圧供給手段が供給する交流電圧の位
   相より遅れた位相の交流電圧を供給する第２電圧供給手
   段と，前記移動体の表面内側の前端部に設置され、表面
   に発生した波動エネルギーを吸収して電気エネルギーに
   変換する吸振器と，および、 吸振器に接続され、前記電気エネルギーを消費する負荷
   回路と，を備えることを特徴とする移動体の境界層剥離
   抑制装置。
2. 【請求項２】前記移動体の表面において、移動方向に直
   交して延びる溝を該表面の前側から後側に複数設けるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の移動体の境界層剥離抑
   制装置。
3. 【請求項３】移動体の表面内側の後端部に設置され、移
   動方向に対して垂直な方向に分極処理され表面側を正極
   としその逆側を負極とする印加電圧により移動方向に対
   して伸び／縮み、逆に表面側を負極としその逆側を正極
   とする印加電圧により移動方向に対して縮む／伸びる圧
   電素子と，前記圧電素子の移動方向に対して伸縮する歪
   を移動方向に対して垂直な方向に伸縮する歪にする歪変
   換手段と，前記圧電素子に交流電圧を供給する電圧供給
   手段と，前記移動体の表面内側の前端部に設置され、表
   面に発生した波動エネルギーを吸収して電気エネルギー
   に変換する吸振器と，および、 吸振器に接続され、前記電気エネルギーを消費する負荷
   回路と，を備えることを特徴とする移動体の境界層剥離
   抑制装置。
4. 【請求項４】前記圧電素子と移動体の表面との間に介挿
   され、圧電素子の伸縮を拡大して移動体の表面に伝える
   振動拡大装置と，前記吸振器と移動体の表面との間に介
   挿され、移動体の表面に発生した振動を縮小して吸振器
   に伝える振動縮小装置と，を更に備えることを特徴とす
   る請求項３に記載の移動体の境界層剥離抑制装置。