JP5611311B2

JP5611311B2 - 静電モータ用駆動回路、静電モータ、及び駆動方法

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Publication number: JP5611311B2
Application number: JP2012265368A
Authority: JP
Inventors: 年生指田
Original assignee: Shinsei Corp
Current assignee: Shinsei Corp
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: JP2013048557A

Description

本発明は、静電気を利用して回転駆動する静電モータを駆動させるための静電モータ用駆動回路に関する。

従来の電気モータのほとんどは、コイルと磁石からなる電磁力を利用したものであった。また、静電力を利用して回転駆動する静電モータも知られている（例えば、特許文献１、非特許文献１等）。

しかしながら、コイルと磁石からなる電磁力を利用した従来の電気モータでは、真空中ではガスが発生し、真空を破壊してしまうおそれがあった。また、磁性体を使用しているため、高磁場の中では作動することができなかった。

従来の静電モータでも、やはり上記と同じように真空中ではガスが発生し、真空を破壊してしまうおそれがあった。また、従来の静電モータでは、絶縁体上に多数の電極対を配置し、その間隔を狭くして電界を高める方法としているが、絶縁破壊、沿面放電、火花放電等のため、高電界を作り出せず十分な駆動力が得られなかった。その結果、実用的な静電モータが実現できなかった。

そこで、本出願人は、特許文献２において、新規な静電モータを提案した。この静電モータは、真空容器内に、円盤状の固定子と円盤状の回転子が対向配置され、固定子は真空容器本体に固定され、回転子は回転軸を介して回転自在に真空容器本体に軸支され、固定子には、それぞれ電極支持体に取り付けられ互いに絶縁体により電気的に絶縁された第１電極と第２電極が円周方向に交互に配置され、回転子には、それぞれ電極支持体に取り付けられ互いに絶縁体により電気的に絶縁された第１電極と第２電極が円周方向に交互に配置され、固定子側の第１電極と第２電極は回転軸の中心から所定の距離だけ離間して２列以上の間隔で配置され、回転子側の第１電極と第２電極は回転軸の中心から所定の距離だけ離間し、かつ固定子側の第１電極及び第２電極の列間の中間に位置するように配置され、固定子側の第１電極と第２電極間には所定の電界が印加され、回転子側の第１電極と第２電極には異なる極性の電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加されることを特徴としている。

特許文献２の静電モータにより、真空中において高電界を生じさせて十分な駆動力で回転駆動することができ、また、絶縁破壊、沿面放電、火花放電等を効果的に防止し、高磁場の中でも作動でき、しかも軽量化を図ることができる静電モータを提供することが可能になった。
しかしながら、特許文献２の静電モータを高電圧で安定して回転駆動させるためには、駆動回路についてさらに改良する余地があった。

特開平８−８８９８４号公報特開２００７−３３６７３５号公報「静電モータを用いたサーボシステムに関する研究」www.intellec t.pe.u-tokyo.ac.jp/japanese/dissertation_j/yamamoto.html 著者：山本晃生

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、静電モータを高電圧で安定して駆動させることができる静電モータ用駆動回路を提供することを課題とする。

本発明の静電モータは、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

対向配置された円盤状の固定子と円盤状の回転子を有し、固定子は、交互に周状に配置され、極性が異なる電圧が印加される複数の第１の電極及び第２の電極を有し、隣接する電極間には所定強度の電界が形成され、回転子は、固定子の第１の電極及び第２の電極の近傍に交互に周状に配置され、極性が異なる電圧が印加される複数の第１の電極及び第２の電極を有し、その極性が所定のタイミングで切り替えられ、内蔵するエンコーダにより回転子の電極位置を検出し、その検出結果に基づいて前記所定のタイミングで電極極性を切り替えて高電圧を回転子側の第１の電極及び第２の電極に印加して駆動する静電モータを駆動するための静電モータ用駆動回路であって、一次側コイルが直流電源入力に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して回転子の第１の電極に接続され、高電圧を発生して回転子の第１の電極にＡ相として供給する第１のフライバックトランスと、第１のフライバックトランスをオンオフさせる第１のスイッチングトランジスタと、一次側コイルが直流電源入力に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して回転子の第２の電極に接続され、高電圧を発生して回転子の第２の電極にＡ相と半周期位相がずれたＢ相として供給する第２のフライバックトランスと、第２のフライバックトランスをオンオフさせる第２のスイッチングトランジスタと、エンコーダからの検出信号を受け取り、第１及び第２のスイッチングトランジスタのオンオフ制御を行う制御部を有すること。

また、本発明の静電モータ用駆動回路は、固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極とを有する静電モータを駆動するための静電モータ用駆動回路であって、一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段と、前記第３の電極にＡ相の電圧を供給するように前記第１のスイッチング手段をオンオフ制御すると共に、前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給するように前記第２のスイッチング手段をオンオフ制御し、且つ電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング手段をオンオフ制御する制御部とを有する。そして、当該静電モータ用駆動回路において、前記制御部は、前記センサーの立ち上がり信号の出力タイミングを判断し、前記第１のトランスの前記一次側コイルに電流を流すタイミングを、当該電流を流す時間の長さと当該立ち上がり信号とに基づいて演算し、当該出力タイミングより前で前記第１のスイッチング手段をオンし、当該出力タイミングで前記第１のスイッチング手段をオフするように制御することを特徴とする。または、当該静電モータ用駆動回路において、前記制御部は、前記センサーの立ち下がり信号の出力タイミングを判断し、前記第２のトランスの前記一次側コイルに電流を流すタイミングを、当該電流を流す時間の長さと当該立ち下がり信号とに基づいて演算し、当該出力タイミングより前で前記第２のスイッチング手段をオンし、当該出力タイミングで前記第２のスイッチング手段をオフするように制御することを特徴とする。または、当該静電モータ用駆動回路において、前記第１の高電圧ダイオードと前記第３の電極との中間点と、前記第２のトランスの二次側コイルとの間に直列接続される第３のスイッチング手段と、前記第２の高電圧ダイオードと前記第４の電極との中間点と、前記第１のトランスの二次側コイルとの間に直列接続される第４のスイッチング手段とを有し、前記制御部は、前記第３及び第４のスイッチング手段のオンオフ制御を行い、静電モータの残留静電エネルギーを前記Ａ相から前記Ｂ相、又は前記Ｂ相から前記Ａ相へ受け渡すことを特徴とする。または、当該静電モータ用駆動回路において、前記第１の電極及び前記第２の電極の間に形成される静電界を作り出す電圧をＡ相出力及びＢ相出力から取り出すことを特徴とする。

また、本発明の静電モータは、固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極と、駆動回路とを有する静電モータであって、前記駆動回路は、一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段と、前記第３の電極にＡ相の電圧を供給するように前記第１のスイッチング手段をオンオフ制御すると共に、前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給するように前記第２のスイッチング手段をオンオフ制御し、且つ電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング手段をオンオフ制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記センサーの立ち上がり信号の出力タイミングを判断し、前記第１のトランスの前記一次側コイルに電流を流すタイミングを、当該電流を流す時間の長さと当該立ち上がり信号とに基づいて演算し、当該出力タイミングより前で前記第１のスイッチング手段をオンし、当該出力タイミングで前記第１のスイッチング手段をオフするように制御することを特徴とする。

また、本発明の駆動方法は、固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極と、駆動回路とを有する静電モータであって、前記駆動回路は、一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段とを有する、静電モータを駆動するための駆動方法であって、前記第３の電極にＡ相の電圧を供給し、前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給し、電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて、前記センサーの立ち上がり信号の出力タイミングを判断し、前記第１のトランスの前記一次側コイルに電流を流すタイミングを、当該電流を流す時間の長さと前記立ち上がり信号とに基づいて演算し、前記出力タイミングより前で前記第１のスイッチング手段をオンし、前記出力タイミングで前記第１のスイッチング手段をオフすることを特徴とする。

本発明によれば、静電モータを高電圧で安定して駆動させることができる静電モータ用駆動回路を提供することが可能となる。

本発明の駆動対象である静電モータの縦断面図である。上記静電モータの固定子の平面図である。上記静電モータの回転子の平面図である。上記固定子の第１電極及び第２電極の一部詳細見取り図である。（Ａ）は固定子側の電極支持体と第１電極、第２電極の一部断面の配置を示す展開図、（Ｂ）は回転子側の電極支持体と第１電極、第２電極の一部断面の配置を示す展開図である。固定子側の第１電極、第２電極と回転子側の第１電極、第２電極による動作原理説明図である。（ａ）はエンコーダからの電極位置検出信号波形を示す図、（ｂ）は回転子側の第１電極と第２電極の電圧波形を示す図、（ｃ）はゲート(B)、(C)の波形を示す図、（ｄ）はゲート(D)、(E)の波形を示す図、（ｅ）はＦ点、Ｇ点（Ａ相、Ｂ相）の高電圧出力波形を示す図である。本実施形態の静電モータ用駆動回路の構成を示す回路図である。

本発明の実施形態に係る静電モータ用駆動回路を詳細に説明する前に、先ず、前記特許文献２において、本出願人が提案した静電モータについて説明する。

図１は当該静電モータの縦断面図、図２は当該静電モータの固定子の平面図、図３は当該静電モータの回転子の平面図、図４は当該静電モータの固定子の第１電極及び第２電極の一部詳細見取り図である。

当該静電モータは、真空容器１１内に、円盤状の固定子Ｓと円盤状の回転子Ｒが対向配置され、固定子Ｓは真空容器１１本体に固定されている。当該静電モータは、３Ｐａ以下の真空下において作動可能となっている。

当該静電モータでは、固定子Ｓ側の各電極支持体３１に第１電極３４Ａを固定配置する。この第１電極３４Ａは回転軸１の中心（モータ基体１０の中心）から所定の距離だけそれぞれ離間して２列配置されている。また、固定子Ｓ側の他の電極支持体３２においても同様に第２電極３４Ｂが固定配置されている。第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂは、図２、図４に示すように、交互に位置するように配置されている。第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂは、回転軸１と平行に電極支持体３１、３２に円周方向に等分割で配置され、放射方向に２列固定配置されている。第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂを備えた電極支持体３１と電極支持体３２は絶縁体３３で固定され、モータ基体１０（真空容器１１本体）に取り付けられている。絶縁体３３は十分な絶縁厚さと沿面距離を取り、複数の溝を設けて沿面放電を防止する形状とする。ここで十分な絶縁厚さと沿面距離は、それぞれ絶縁体の絶縁破壊電圧以上の厚さとその数倍以上の沿面距離を必要とする。また、溝の個数、形状、深さ等は静電モータの大きさ、用途等に応じて適宜設定することができる。

一方、回転子Ｒ側の各電極支持体４１にも第１電極４４Ａを固定配置する。この第１電極４４Ａは回転軸１の中心から所定の距離だけ離間して１列配置されている。また、回転子Ｒ側の他の電極支持体４２においても同様に第２電極４４Ｂが固定配置されている。第１電極４４Ａと第２電極４４Ｂは、図３に示すように、固定子Ｓ側と同様、交互に位置するように配置されている。第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂは、回転軸１と平行に電極支持体４１、４２に円周方向に等分割で配置され、放射方向に１列固定配置されている。第１電極４４Ａと第２電極４４Ｂを備えた電極支持体４１と電極支持体４２は絶縁体４３で固定され、回転軸１に取り付けられている。絶縁体４３も、固定子Ｓ側と同様、十分な絶縁厚さと沿面距離を取り、複数の溝を設けて沿面放電を防止する形状とする。なお、溝の個数、形状、深さ等は静電モータの大きさ、用途等に応じて適宜設定することができる。

回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂは、上記したように固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂと同様に回転軸１と平行に支持体４１、４２に等分割で固定配置されるが、回転軸１の中心からの位置は、回転子Ｓが回転駆動可能になるように、図１に示すように、固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ及び第２電極３４Ｂの列間の中間になければならない。第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂ、第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂの形状はピン状となっており、その端部は丸みを有していることが電極間の放電を防止するため好ましい。なお、これら電極形状はピン状以外の形状としてもよい。

回転子Ｒ側の電極４４Ａ、４４Ｂへの給電は、スリップリング５１、５２とブラシ６１、６２を通して行われる。

エンコーダは、光学式の場合（スリット板７とセンサー８）、磁気式の場合（磁気円盤とセンサー）から構成することができ、ここでは前者を採用しているが、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂの通電タイミングをセンサー８で検出し、ドライブ回路（図示せず）で信号処理し、高電圧（１〜１００ｋＶ程度）を出力して第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂに供給する。実用的な静電モータの電極に加える電圧としてはｋＶオーダの高電圧が必要であることから、その下限は１ｋＶとなる。またトルクは電圧の２乗に比例して大きくなるため、その下限は１０ｋＶ〜２０ｋＶの電圧であることがより好ましい。印加電圧の上限は、Ｘ線放射の問題、電極の機械的強度の観点から１００ｋＶとなる。

真空シール９は、静電モータを空気中あるいはガス中で使用する時にモータ基体１０に取り付けて、静電モータの内部の真空を維持するためである。

上記では、真空中で作動する静電モータとしているが、たとえばＳＦ６ガス等の絶縁ガス中であっても静電モータとして機能することは言うまでもない。

また、上記では、固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂを２列、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂを１列としたが、後述するようにこれらの列数はこれに限定されず、それ以上の列数に設定することができる。

上記のように構成された静電モータの作動原理を説明すると、図５の（Ａ）に示すように、固定子Ｓ側の電極支持体３１と３２の間に高電圧（１〜１００ｋＶ程度）を加えると第１電極３４Ａと第２電極３４Ｂの間に高電界（１〜１００ｋＶ／ｍｍ程度）が形成される。

一方、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂが固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂの間を円周方向に自由に移動するように構成されていることから、電極支持体４２にプラスの高電圧（１〜１００ｋＶ程度）を加えると第１電極４４Ｂは正に、第２電極４４Ａは負に帯電する。帯電のタイミングは、たとえば固定子Ｓ側の第２電極３４Ｂに対して回転子Ｒ側の電極４４Ｂがどの位置にあるかにより推力（回転力）の方向が決定され、電圧の大きさと時間が推力（回転力）の大きさに影響を与える。

図６は、固定子Ｓ側の第１電極３４Ａ、第２電極３４Ｂと、回転子Ｒ側の第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂのみを示して動作原理を説明する図である。例えば、固定子Ｓ側の第２電極３４Ｂの位置Ｘ₀よりわずかに右側に回転子Ｒ側の第２電極４４Ｂが来た時（Ｘ₁の位置）第２電極４４Ｂにプラスの電位を与えると第２電極３４Ｂと第２電極４４Ｂには斥力が働き、第１電極３４Ａと第２電極４４Ｂには吸引力が働く。その結果、第１電極４４Ａ、第２電極４４Ｂに結合された回転子Ｒは右方向に駆動力を受け移動する。

第２電極４４Ｂは、第１電極３４Ａの直前（Ｘ₂の位置）で電圧が切り替わり、エンコーダのセンサー８の信号により第２電極４４Ｂの位置タイミングを検出するたびにその動作を繰り返す。

図７の（ｂ）のＥ１、Ｅ２はそれぞれは、回転子Ｒ側の第２電極４４Ｂ、第１電極４４Ａの電圧波形を示す。ただし、実際の回転駆動中の電圧波形は図７の（ｅ）に示すようになる。これは回転子Ｒの電極が静電容量を有し、その位置によって変化するためである。（ただしｔ₀は電極４４Ａが電極３４Ｂを通過した点Ｘ₁の時刻を示し、Ｔ₀は後述のフライバックトランス１０３に磁気エネルギーを蓄積するためにスイッチングトランジスタ１０７をオンする時刻を示す。ｔ₁はｔ₀のエンコーダの半周期後の時刻を示し、Ｔ₁は電極４４Ａが電極３４Ｂの手前で電極４４Ａの電位が下がりきる時の時刻を示す。）
次に、本発明の一実施形態の静電モータ用駆動回路を説明する。

図８は、本実施形態の静電モータ用駆動回路１００の構成を示す回路図である。

この駆動回路１００は、例えばマイクロコンピュータより構成される制御部１０１を有し、上記静電モータのエンコーダからの電極位置検出信号(A)［便宜上図８の丸囲み文字を半角括弧で表す、以下同様。］、起動・停止信号、回転方向を示す信号、回転速度を示す信号、ブレーキを作動させるための信号等の指令入力を行い、駆動回路１００の各部を制御する。制御部１０１の出力側にはフォトカプラ１０２が設けられている。ここでは、静電モータは上記で述べた構成を有し、回転子Ｒの電極４４Ａ、４４Ｂは等分割に円周上に配置され、エンコーダのコードホイールが回転子Ｒの軸１（図１）に固定されているものとする。そしてコードホイールのスリット数は電極数と同数に構成されているものとする。

この駆動回路１００は、高電圧（１〜１００ｋＶ程度、以下同様。）を発生させるフライバックトランス１０３、１０４を有する。フライバックトランス１０３の一次側コイルＬ１の一方の端子は直流電源（図示せず）に接続され、もう一方の端子はスイッチングトランジスタ１０７のコレクタに接続されている。フライバックトランス１０３の二次側コイルＬ２の一方の端子は、高電圧ダイオード１１３を介してＡ相出力に接続されるとともに、スイッチングトランジスタ１１１のコレクタに接続されている。フライバックトランス１０４の一次側コイルの一方の端子は直流電源（図示せず）に接続され、もう一方の端子はスイッチングトランジスタ１０８のコレクタに接続されている。フライバックトランス１０４の二次側コイルの一方の端子は、高電圧ダイオード１１４を介してＢ相出力に接続されるとともに、スイッチングトランジスタ１１２のコレクタに接続されている。ここで、Ａ相出力は上記静電モータの電極４４Ｂに印加され、Ｂ相出力は電極４４Ａに印加されるようになっている。また、Ａ相出力の一部は高電圧ダイオード１２０を介して静電界出力に接続されて、固定子Ｓ側で静電界を作り出す高電圧として取り出され、Ｂ相出力の一部も高電圧ダイオード１１９を介して静電界出力に接続されて、固定子Ｓ側で静電界を作り出す高電圧として取り出されるようになっている。

スイッチングトランジスタ１１１のエミッタは高電圧ダイオード１１６を介してフライバックトランス１０４の二次側コイルのもう一方の端子に接続されるとともに、絶縁トランス１０５の二次側コイルの一方の端子に接続されている。スイッチングトランジスタ１１２のエミッタは高電圧ダイオード１１５を介してフライバックトランス１０３の二次側コイルのもう一方の端子に接続されるとともに、絶縁トランス１０６の二次側コイルの一方の端子に接続されている。絶縁トランス１０５の二次側コイルのもう一方の端子はスイッチングトランジスタ１１１のゲートに接続され、絶縁トランス１０６の二次側コイルのもう一方の端子はスイッチングトランジスタ１１２のゲートに接続されている。静電モータのＧＮＤは高電圧ダイオード１１７を介してフライバックトランス１０３の二次側コイルのもう一方の端子に接続されるとともに、高電圧ダイオード１１８を介してフライバックトランス１０４の二次側のもう一方の端子に接続されている。

フォトカプラ１０２の出力は、それぞれスイッチングトランジスタ１０７、１０８、１０９、１１０のゲート(B)、(C)、(D)、(E)に接続され、スイッチングトランジスタ１０７、１０８、１０９、１１０のエミッタはそれぞれＧＮＤに接続されている。スイッチングトランジスタ１０９のコレクタは絶縁トランス１０５の一次側コイルの一方の端子に接続され、絶縁トランス１０５の一次側コイルのもう一方の端子は＋ＤＣ側に接続されている。また、スイッチングトランジスタ１１０のコレクタは絶縁トランス１０６の一次側コイルの一方の端子に接続され、絶縁トランス１０６の一次側コイルのもう一方の端子は＋ＤＣ側に接続されている。

次に、上記構成の静電モータ用駆動回路１００の駆動動作について述べる。

図７において（ａ）はエンコーダの出力波形を示し、回転子Ｒの電極４４Ｂが固定子Ｓの電極３４Ｂを通過した点で立ち上がり、電極３４Ａを通過した点で立ち下がる信号が出力されるようになっている。（ｃ）はゲート(B)、(C)の波形、（ｄ）はゲート(D)、(E)の波形を示す図である。（ｂ）、（ｅ）は上述したとおりの波形図である。

起動方法は静電モータが停止している状態ではエンコーダ出力は回転子Ｒ側の電極位置によりＨまたはＬの状態になっている。そこでこの出力信号を制御部１０１で判別し、Ａ相かＢ相に高電圧パルスを加え静電モータを起動する。

起動後の動作は次のようにして行われる。ここでＡ相に着目するとフライバックトランス１０３の一次側のコイルＬ１をオフにすると二次側のコイルＬ２に高電圧が誘起され、高電圧ダイオード１１３を通して電極４４Ｂに電圧が印加され、充電される。なお、フライバックトランス１０３は一次側のコイルＬ１をオフにする以前に電流を流して磁気エネルギーを蓄えておく必要があり、この蓄えられた磁気エネルギーの大小は静電モータの回転数と駆動トルクの関数であるため、電流を流す時間ｔ₀を制御することが必要である。そこで、制御部１０１は、エンコーダの一周期の時間を計測し、エンコーダからの立ち上がりの信号の時刻と、フライバックトランス１０３の一次側のコイルＬ１に所定の電流を流す時間ｔ₀から、エンコーダの立ち上がり時刻以前でスイッチングトランジスタ１０３をオンにする時刻Ｔ₀を演算し、図７（ｃ）の(B)に示すタイミングでスイッチングトランジスタ１０７のゲートに電圧を加える。これにより、フライバックトランス１０３の一次側のコイルＬ１に電流が流れ、磁気コアに磁気エネルギーが蓄積される。

そして、制御部１０１によりフライバックトランス１０３がオフにされると、フライバックトランス１０３に蓄積された磁気エネルギーは、二次側コイルＬ２から図７の（ｅ）の(F)に示す形状の高電圧出力波形を持つ電流として高電圧ダイオード１１３を介して電極４４ＢにＡ相出力として供給され、電極４４Ｂが充電される。

一方、電極４４Ｂに充電された電荷は、電極４４Ｂが電極３４Ａに達する前に放電させ電位を下げる必要がある。また、本実施形態では、電極４４Ｂに蓄えられたＡ相側のエネルギーをＢ相側に受け渡して、放電を行う。

電極４４Ｂの放電は、スイッチングトランジスタ１１１を通して行う。放電タイミングは上記の充電タイミングと同様に、制御部１０１が、上記と同様にして、エンコーダの立下がり信号の時刻と、絶縁トランス１０５の一次側のコイルに所定の電流を流す時間ｔ₁から、放電時刻Ｔ₁を演算し、スイッチングトランジスタ１０９をオンさせて、絶縁トランス１０５を介してスイッチングトランジスタ１１１をオンさせることにより行う。これにより、電極４４ＢのＡ相の残留静電エネルギーが高電圧ダイオード１１６を介してフライバックトランス１０４の二次側コイルにＢ相出力の一部として受け渡される。

フライバックトランス１０４側では、上記のフライバックトランス１０３側の動作と同様な動作が、半周期遅れて行われる。すなわち、図７（ｅ）の(G)に示す形状の高電圧出力波形を持つ電流が高電圧ダイオード１１４を介して電極４４ＢにＢ相出力として供給され、電極４４Ａが充電される。そして、上記と同様に放電、Ｂ相の残留静電エネルギーのＡ相への受け渡しが行われる。以上の動作が繰り返されて静電モータの回転駆動が行われる。

本実施形態の静電モータ用駆動回路１００では、静電モータの回転方向の切換は、制御部１０１がエンコーダ信号を反転（Ｈ→Ｌ、Ｌ→Ｈ）とすることにより行うことができる。

本実施形態の静電モータ用駆動回路１００では、静電モータに停止状態でブレーキをかけておくこともできる。回転子Ｒ側の電極電位と固定子Ｓ側の電極電位の間に電位差を与えておくとお互いに吸引力が働き、その位置で保持力が発生する。なお長時間の保持は絶縁体からのリークのため電位が低下する。そこで間欠的にフライバックトランス１０３、１０４を作動させ高電圧で充電しておく。この場合の制御も制御部１０１により行う。

本実施形態の静電モータ用駆動回路１００では、静電モータにブレーキをかけて高速状態から低速状態とすることもできる。この場合、回転子Ｒの電極に誘導電圧が発生するため、その発電作用によって、外部の抵抗で回転エネルギーを消費させるようにする。またはその回転エネルギーを電源側に回収するようにしても良い。この場合の制御も制御部１０１により行う。

１００静電モータ用駆動回路
１０１制御部（マイクロコンピュータ）
１０２フォトカプラ
１０３、１０４フライバックトランス
１０５、１０６絶縁トランス
１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２スイッチングトランジスタ
１２１抵抗
１２２コンデンサー

Claims

固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極とを有する静電モータを駆動するための静電モータ用駆動回路であって、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、
前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、
前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段と、
前記第３の電極にＡ相の電圧を供給するように前記第１のスイッチング手段をオンオフ制御すると共に、前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給するように前記第２のスイッチング手段をオンオフ制御し、且つ電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング手段をオンオフ制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記センサーの立ち上がり信号の出力タイミングを判断し、前記第１のトランスの前記一次側コイルに電流を流すタイミングを、当該電流を流す時間の長さと当該立ち上がり信号とに基づいて演算し、当該出力タイミングより前で前記第１のスイッチング手段をオンし、当該出力タイミングで前記第１のスイッチング手段をオフするように制御することを特徴とする静電モータ用駆動回路。
固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極とを有する静電モータを駆動するための静電モータ用駆動回路であって、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、
前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、
前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段と、
前記第３の電極にＡ相の電圧を供給するように前記第１のスイッチング手段をオンオフ制御すると共に、前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給するように前記第２のスイッチング手段をオンオフ制御し、且つ電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング手段をオンオフ制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記センサーの立ち下がり信号の出力タイミングを判断し、前記第２のトランスの前記一次側コイルに電流を流すタイミングを、当該電流を流す時間の長さと当該立ち下がり信号とに基づいて演算し、当該出力タイミングより前で前記第２のスイッチング手段をオンし、当該出力タイミングで前記第２のスイッチング手段をオフするように制御することを特徴とする静電モータ用駆動回路。
前記制御部は、静電モータが内蔵するエンコーダから前記検出信号を受け取ることを特徴とする請求項１又は２記載の静電モータ用駆動回路。
固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極とを有する静電モータを駆動するための静電モータ用駆動回路であって、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、
前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、
前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段と、
前記第３の電極にＡ相の電圧を供給するように前記第１のスイッチング手段をオンオフ制御すると共に、前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給するように前記第２のスイッチング手段をオンオフ制御し、且つ電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング手段をオンオフ制御する制御部と、
前記第１の高電圧ダイオードと前記第３の電極との中間点と、前記第２のトランスの二次側コイルとの間に直列接続される第３のスイッチング手段と、
前記第２の高電圧ダイオードと前記第４の電極との中間点と、前記第１のトランスの二次側コイルとの間に直列接続される第４のスイッチング手段とを有し、
前記制御部は、前記第３及び第４のスイッチング手段のオンオフ制御を行い、静電モータの残留静電エネルギーを前記Ａ相から前記Ｂ相、又は前記Ｂ相から前記Ａ相へ受け渡すことを特徴とする静電モータ用駆動回路。
固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極とを有する静電モータを駆動するための静電モータ用駆動回路であって、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、
前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、
前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段と、
前記第３の電極にＡ相の電圧を供給するように前記第１のスイッチング手段をオンオフ制御すると共に、前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給するように前記第２のスイッチング手段をオンオフ制御し、且つ電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング手段をオンオフ制御する制御部とを有し、
前記第１の電極及び前記第２の電極の間に形成される静電界を作り出す電圧をＡ相出力及びＢ相出力から取り出すことを特徴とする静電モータ用駆動回路。
前記制御部は、前記第１の電極同士又は前記第２の電極同士の間を前記第３の電極又は前記第４の電極が通過する通過時点に基づいて、前記第１及び第２のスイッチング手段をオンオフ制御することを特徴とする請求項４又は５記載の静電モータ用駆動回路。
固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極と、駆動回路とを有する静電モータであって、
前記駆動回路は、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、
前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、
一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、
前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段と、
前記第３の電極にＡ相の電圧を供給するように前記第１のスイッチング手段をオンオフ制御すると共に、前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給するように前記第２のスイッチング手段をオンオフ制御し、且つ電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて前記第１及び第２のスイッチング手段をオンオフ制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記センサーの立ち上がり信号の出力タイミングを判断し、前記第１のトランスの前記一次側コイルに電流を流すタイミングを、当該電流を流す時間の長さと当該立ち上がり信号とに基づいて演算し、当該出力タイミングより前で前記第１のスイッチング手段をオンし、当該出力タイミングで前記第１のスイッチング手段をオフするように制御することを特徴とする静電モータ。
固定子と、前記固定子に対向配置された回転子と、所定強度の電界が形成される複数の第１の電極及び複数の第２の電極と、極性が異なる電圧が所定のタイミングで切り替わるように印加される複数の第３の電極及び複数の第４の電極と、駆動回路とを有する静電モータであって、前記駆動回路は、一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第１の高電圧ダイオードを介して前記第３の電極に接続される第１のトランスと、前記第１のトランスをオンオフさせる第１のスイッチング手段と、一次側コイルが電源に接続されるとともに二次側コイルが第２の高電圧ダイオードを介して前記第４の電極に接続される第２のトランスと、前記第２のトランスをオンオフさせる第２のスイッチング手段とを有する、静電モータを駆動するための駆動方法であって、
前記第３の電極にＡ相の電圧を供給し、
前記第４の電極に前記Ａ相と半周期位相がずれたＢ相の電圧を供給し、
電極の位置を検出するセンサーからの検出信号に基づいて、前記センサーの立ち上がり信号の出力タイミングを判断し、
前記第１のトランスの前記一次側コイルに電流を流すタイミングを、当該電流を流す時間の長さと前記立ち上がり信号とに基づいて演算し、
前記出力タイミングより前で前記第１のスイッチング手段をオンし、
前記出力タイミングで前記第１のスイッチング手段をオフすることを特徴とする駆動方法。