JP2012011068A - 歯科用ハンドピースのモータ制御方法及び制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】切削工具を回転駆動させるモータを備える歯科用ハンドピースのモータ制御方法に関する。この制御方法は、切削工具に加わる負荷トルクが予め設定された制限トルク値に達すると、モータ電流を第1制限電流I1に制限するステップ(a)と、モータの回転が停止したことを検出すると、モータ電流を第1制限電流I1よりも低い第2制限電流I2まで下げるステップ(b)と、を備える。
【選択図】図2
Description
ところで、このような歯科用ハンドピースのモータを制御する方法として、モータの回転速度を検出しながら、モータの駆動電圧の増減を行い、設定された回転速度を維持するようにモータを制御するフィードバック制御が知られている。
したがって、フィードバック制御を使用するモータ制御装置では、切削工具の負荷トルクが大きくなり回転速度が低下した場合は、モータの駆動電圧を上げ設定された回転速度まで戻す制御を行う。
そこで、このような課題を解決するため、特許文献1のモータ制御装置は、フィードバック制御を行わず切削工具に加わる負荷トルクが大きくなるに従い回転速度を低下させるモータの出力特性とし、切削工具に加わる負荷トルクが予め設定された基準トルクに達すると、(1)回転速度を低下させる、(2)停止させる、(3)逆転させる、のいずれかにモータを制御することを提案している。
このようにすることで、特許文献1は、切削工具の折損を防止できるとともに、切削工具が根管に食い込んだ際もモータを逆転させ自動で解除させることができ、操作性を向上させることができるというものである。
また、モータを停止させる上記(2)の場合、特許文献1の図5の線図a、bに示されるようにモータへの駆動電圧の印加を止めることでモータの回転を停止させているので、モータ(切削工具)の回転方向のトルクが急に抜け、このトルクが抜ける反動で患者及び術者にショック(以下、両者を合わせて違和感という)を与えるという課題もある。
また、モータを逆転させる上記(3)の場合も、逆転の前にはモータへの駆動電圧を止めモータの回転を停止させるので、上記(2)と同様に違和感与えることになる。
本発明の制御方法によれば、モータ電流を第1制限電流に制限することで、切削工具に加わる負荷トルクの増加に伴ってモータ(切削工具)の回転を停止(回転数=0)させ切削工具の折損を防止できる。更に、モータの回転が停止してもモータには第1制限電流が印加されているので、トルク抜けは生じない。そして、モータの回転が停止したことを検出したら、モータ電流を第1制限電流よりも低い第2制限電流まで下げていくので、この間に負荷トルクは低減されるものの、やはり、トルク抜けは生じない。
一つ目のモードは、ステップ(b)においてモータ電流が第2制限電流まで下がった後に、モータへの電力供給を停止するものである。このモードは、モータの回転が停止した後に継続して施術を行わない場合に対応している。
二つ目のモードは、ステップ(b)においてモータ電流が第2制限電流まで下がった後に、モータを逆転させるものである。このモードは、根管に食い込んでいる切削工具を逆転させることで根管への食い込みを解くことが必要な場合に対応している。
三つ目のモードは、ステップ(b)においてモータ電流が第2制限電流まで下がった後に、モータを逆転させ、しかる後に、モータを逆転前の向きである正転をさせるものである。このモードは、根管に食い込んでいる切削工具を逆転させることで根管への食い込みを解くとともに、その後も継続して施術を行う場合に対応している。
本発明の制御装置は、切削工具に加わる負荷トルクを検出する負荷トルク検出部と、モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、モータの回転速度及びモータ電流を制御する制御部とを備える。
この制御部は、負荷トルク検出部で検出された負荷トルクに応じて、モータ電流を以下のように制御する。
つまり、制御部は、負荷トルクが予め設定された制限トルク値に達すると、モータ電流を第1制限電流に制限する。
また、制御部は、負荷トルクが制限トルクを超え、かつモータの回転が停止したことを回転速度検出部が検出すると、モータ電流を第1制限電流よりも低い第2制限電流まで下げる。
本発明の制御装置は、モータ電流を第1制限電流に制限することにより切削工具の破損を防止する。また、モータの回転が停止したことを検出したら、モータ電流を第1制限電流よりも低い第2制限電流まで下げるが、この間に負荷トルクが低減されるので、トルク抜けを低減させることができる。
一つ目のモードは、モータ電流が第2制限電流まで下がったら、モータへの電力供給を停止するものである。
二つ目のモードは、モータ電流が第2制限電流まで下がったら、モータを逆転させるものである。
三つ目のモードは、モータ電流が第2制限電流まで下がったら、モータを逆転させ、しかる後、モータを逆転前の向きである正転をさせるものである。
また、本発明のモータ制御方法は、切削工具に加わる負荷トルクが制限トルク値に達すると、モータの回転が停止した後も、モータ電流を突然停止するのではなく、モータ電流を低減させた後に停止させている。したがって、この間にトルクを漸減させることができるので、トルク抜けによる患者及び術者への違和感を低減させることができる。
図1に示す本実施形態によるモータ制御装置1は、歯科用ハンドピースに内蔵された3相ブラシレスモータであるモータ21を制御するものであり、制御部3と、記憶部25と、駆動部5と、操作部11と、表示部13と、フットぺダル15と、モータ電流検出部20と、回転速度検出部27と、負荷トルク検出部26と、電源部17とを備えている。
本実施の形態におけるモータ21の駆動方式は、PWM(Pulse Width Modulation)駆動方式であり、制御部3で生成したPWM信号により駆動部5を制御しモータ21に駆動電圧を供給する。
なお、以後の説明では、歯牙を切削できるモータ21の回転方向を正転とし、それとは反対の回転方向を逆転とし説明する。
以下、各構成について詳細に説明する。
制御部3は、モータ21の回転速度Rr、負荷トルクTr、モータ電流Imを検出し、これらの検出値と記憶部25に格納された駆動条件を比較しながら、所定の回転速度Rr及びモータ電流ImになるようにPWM信号を生成し、モータ21の制御をする。また、制御部3は、モータ21の正逆転の回転方向も制御をする。
記憶部25には、制御部3がモータ21を制御するためのプログラムの他、モータ21の正転時の最大回転速度である第1制限回転速度R1、逆転時の最大回転速度である第2制限回転速度R2、制限トルクT1、第1制限電流I1及び第2制限電流I2など、モータ21の駆動を制御するのに必要な条件が記憶されている。
これらの駆動条件のうち、第1制限回転速度R1、第2制限回転速度R2、制限トルクT1、第2制限電流I2については、術者が施術内容、切削工具の種類などを考慮し任意の値に設定することができる。
また、記憶部25には、停止モード及び逆転モードの2種類の切削モードの駆動プログラムが記憶されている。停止モードとは、正転中のモータ21の回転速度等が、所定の条件に合致したらモータ21への電力供給を停止させる駆動プログラムであり、逆転モードは、正転中のモータ21の回転速度等が、所定の条件に合致したら逆転させる駆動プログラムである。なお、それぞれの条件については、各モードの制御方法のところで詳細に説明する。
モータ電流検出部20は、電流検出用抵抗(図示せず)を備え、モータ21に流れる電流であるモータ電流Imを電圧に変換する。
<回転速度検出部27>
回転速度検出部27は、モータ電流検出部20で得られた電圧値からモータ21の誘起電圧を推定し、更にこの誘起電圧からモータ21の回転速度Rrを推定する。
<負荷トルク検出部26>
負荷トルク検出部26は、モータ電流Imと負荷トルクTrが比例関係にあることを利用し、モータ電流検出部20で得られた電圧値から負荷トルクTrを換算する。
操作部11は、複数の設定ボタン(図示せず)、選択ボタン(図示せず)を備える。
術者は、設定ボタンによりモータ21の第1制限回転速度R1、第2制限回転速度R2、制限トルクT1、モード選択などのモータ21の制御に必要な駆動条件の設定を行う。
また、選択ボタンにより表示部13の表示内容の選択及び切削モードの選択を行う。
ここでいう表示内容とは、駆動条件の設定内容の表示、駆動中のモータ21の回転速度Rr及び負荷トルクTrの表示などである。
駆動部5は、6個のFET(電界効果トランジスタ:Field Effect Transistor)によって構成されたインバータ回路を備え、制御部3に設けられるPWM信号生成回路からのPWM信号に基づき各FETはON(オン)/OFF(オフ)制御され、モータ21に駆動電圧Vdが印加される。
モータ21の回転速度Rrは、PWM信号の1周期に対するON信号の割合であるデューティー比により決まる。つまり、このデューティー比を高くするとモータ21に印加される駆動電圧Vdの実効値が大きくなるため、それにより回転速度Rrを増加させることができ、逆にデューティー比を低くすると回転速度Rrを減少させることができる。
また、切削工具に加わる負荷トルクTrが大きくなると、モータ21の回転速度Rrが低下するが、この場合においても、PWM信号のデューティー比を高くし、駆動電圧Vdの実効値を大きくする。そうすると、モータ21のモータ電流Imが上がるのに伴って駆動トルクが増加し、結果的に回転速度Rrを上げることができる。
このように、本実施形態によるモータ制御装置1は、PWM信号のデューティー比を制御することで、モータ21を所望の回転速度Rrに制御することができる。
表示部13は、記憶部25に記憶されている各種の駆動条件を表示する他、施術中のモータ21の回転速度Rr、負荷トルクTrなどを表示する。この表示部は、これら駆動条件を数値で示してもよいし、視覚的な認識を向上するためにグラフ化して示すこともできる。
<フットぺダル15>
フットペダル15は、モータ21の回転のON/OFFを制御する。制御部3は、フットペダル15からの信号の有無を検出し、信号が有りの場合、駆動条件に従いモータ21を駆動する。
<電源部17>
電源部17は、交流電源7からの交流電圧を整流し変圧し、制御部3、駆動部5に対し所望の直流電圧を印加する。
[停止モード]
<停止モードの制御フロー>
本実施形態に係る停止モードの処理手順を、図2に基づいて説明する。
術者がフットペダル15を踏むと、モータ制御装置1は、モータ21の正転を開始する(ステップS101)。
制御部3はモータ21の負荷トルクTrと制限トルクT1とを比較する(ステップS103)。
ステップS103の比較の結果、負荷トルクTrが制限トルクT1に達していない場合(ステップS103:No)、モータ21の回転速度を制限回転速度R1に制御する。この制御は以下のように行われる。
差が0(ゼロ)を超える場合(ステップS105:>0)、回転速度Rrを下げるために、制御部3はモータ21に印加する駆動電圧Vdを下げる(ステップS107)。なお、前述したように、本実施形態のモータ制御装置1は、PWM駆動方式を採用しているので、ここでいう駆動電圧Vdを下げるとは、PWM信号のデューティー比を下げることを意味する。以下も同様である。
差がゼロの場合(ステップS105:=0)、回転速度Rrを維持するように、制御部3はモータ21に印加する駆動電圧Vdを維持する(ステップS109)。
差が0未満の場合(ステップS105:<0)、回転速度Rrを上げるために、制御部3はモータ21の駆動電圧Vdを上げる(ステップS111)。
以上のように、制御部3は、モータ21の回転速度Rrが第1制限速度R1になるように制御する。
ステップS107、S109、またはS111の処理の後、再度、ステップS103の判断に戻る。
ステップS103の判断の結果、負荷トルクTrが制限トルクT1を超えた場合(ステップS103:Yes)、モータ電流Imを第1制限電流I1に制御する。この制御は以下のように行われる。
差が0を超える場合(ステップS121:>0)、モータ電流Imを下げるために、制御部3はモータ21に印加する駆動電圧Vdを下げる(ステップS123)。
差がゼロの場合(ステップS121:=0)、モータ電流Imを維持するように、制御部3はモータ21に印加する駆動電圧Vdを維持する(ステップS125)。
差が0未満の場合(ステップS121:<0)、モータ電流Imを上げるために、制御部3はモータ21に印加する駆動電圧Vdを上げる(ステップS127)。
以上のように、制御部3は、モータ電流Imが第1制限電流I1を維持するように制御する。
その結果、モータ電流Imが第2制限電流I2を超えている場合(ステップS131:No)、モータ電流Imを下げるために、モータ21に印加する駆動電圧Vdを下げる(ステップS133)。ステップS131の判断の結果、モータ電流Imが制限電流I2以下まで下がったら(ステップS131:Yes)、駆動電圧Vdを印加するのを止めて、モータ21への電力供給を停止する(ステップS135)。
以上が、本実施形態のモータ制御装置1の停止モードの制御方法である。ここで、モータ21の回転速度Rrが0になる(モータ21の回転が停止する)のと同時に、モータ21に駆動電圧Vdを印加するのを止めてモータ電流Imを0にすると、患者及び術者はトルク抜けを感じる。しかし、本実施の形態では、モータ電流Imが第1制限電流I1から第2制限電流I2まで下がった後に、モータ21への電力供給を停止する。このモータ21の回転が停止してから電力供給を停止するまで間、モータ電流Imを第1制限電流I1から第2制限電流I2を漸減させると、トルク抜けを感じることはない。
なお、モータ21への電力供給の停止後、術者がフットペダル15を踏み直すと、制御部3は、ステップS103から処理を開始する。
図3は、図2の本発明の実施形態である停止モードの制御特性を示す図である。図3において、左側の縦軸はモータ21の回転速度Rrであり、右側の縦軸はモータ21のモータ電流Imを、横軸はモータ21の負荷トルクTrを示している。
モータ21が正転し、第1制限回転速度R1に達するまでモータ21の回転速度Rrは増加する。
モータ21の回転速度Rrが第1制限回転速度R1に達すると、回転速度Rrを第1制限回転速度R1に維持するようにフィードバック制御が行われる。
切削が進むに従い切削工具に加わる負荷トルクTrも増えるが、負荷トルクTrが制限トルクT1に達するまで、回転速度Rrを第1制限回転速度R1に維持し、一方、負荷トルクTrが制限トルクT1に達すると、モータ電流Imを第1制限電流I1に維持する。
切削工具に加わる負荷トルクTrが増加し、モータ21の駆動トルクが負荷に抗しきれなくなるとモータ21の回転は停止する。
モータ制御装置1は、モータ21の回転が停止したことを検知すると、モータ電流Imが第2制限電流I2になるまでモータ21の駆動電圧Vd(PWM信号のデューティー比)を下げ、モータ電流Imが第2制限電流I2に達したならば、モータ21への電力供給を止める。
また、本実施形態によれば、負荷トルクTrが制限トルクT1に達した後、モータ21への駆動電圧Vdの印加を突然停止するのではなく、供給する電力を漸減させてから停止することができるので、患者及び術者へ与える違和感を低減させることができる。
なお、第2制限電流I2は0に設定しても良いが、本発明者の知見によれば、第2制限電流I2は、第1制限電流I1の1/5以下、好ましくは1/7以下、より好ましくは1/10以下にすると違和感を低減させることができる。
<逆転モードの制御フロー>
次に、逆転モードを、図4に基づいて説明する。
なお、図4のステップS101からステップS133までは、図2に示した停止モードと同じ処理が行われるので、それ以降の処理について説明する。
ステップS131の判断の結果、モータ電流Imが第2制限電流I2を超えた場合(ステップS131:Yes)は、制御部3はモータ21を逆転させる(ステップS141)。
モータ21が逆転を始めると、モータ21の回転速度Rrが第2制限回転速度R2に達した否かを判断する(ステップS143)。
ステップS143の判断の結果、モータ21の回転速度Rrが第2制限回転速度R2以下の場合(ステップS143:No)、回転速度Rrを上げるために、制御部3は、モータ21に印加する駆動電圧Vdを上げ(ステップS145)、再度ステップS143の判断をする。
すなわち、モータ21の回転速度Rrが第2制限回転速度R2を超えるまで、モータ21に印加する駆動電圧Vdを漸増させていく。
ステップS143では、根管に食い込んだ切削工具が解除されたかどうかをモータ21の回転速度Rrから判断するので、術者が切削工具を根管から引き抜いたときの無負荷時の回転速度Rrに第2制限回転速度R2を設定する。
ステップS149の判断の結果、回転速度Rrが0ではない場合(ステップS149:No)には、未だモータ21の回転が停止していないので、再度ステップS147に戻って回転速度Rrを下げる。このように、ここではモータ21の回転が停止するまでモータ21の回転速度Rrを漸減させる。
ステップS149の判断の結果、回転速度Rrが0(ゼロ)の場合(ステップS149:Yes)、ステップS101に戻り、モータ21を正転させる。
以上のように本実施形態によれば、制限トルクT1を超えないようにフィードバック制御を行うので、切削工具の破損を防ぐとともに、切削工具が根管に食い込んだとしても逆転させ食い込みを解除し、再度正転するので効率良く施術を行うことができる。
また、モータ電流Imが第1制限電流I1から第2制限電流I2まで下がった後に、モータ21を逆転させるので、モータ21の逆転の際に生じるトルク抜けを低減できる。
図5は、図4の本発明の実施形態である逆転モードの制御特性を示す図である。
図5において、負荷トルクTrが制限トルクT1に達し、その後モータ21の回転が停止し、モータ電流Imが第2制限電流I2までの制御特性は停止モードと同じであるので、それ以降について説明する。
モータ21に印加する駆動電圧Vdを下げ、モータ電流Imが第2制限電流I2まで低下すると、モータ21に印加する駆動電圧Vdの向きを変えることで、モータ21を逆転させる。
駆動電圧Vdが増加し、モータ21の回転速度Rrが第2制限回転速度R2に達すると、モータ電流Imが0になるまで駆動電圧Vdが減少する。モータ電流Imが0になったらモータ21は正転する。
このように、逆転モードでは、食い込んで回転しにくくなった切削工具を逆転させ、さらに正転させるので、切削工具の根管への食い込みを解除後、余計な操作を行うことなく、施術を続けることができる。
また、モータ電流Imが第1制限電流I1から第2制限電流I2まで下がった後に、モータ21への電力供給を停止するか、又は、モータ21を逆転させるので、トルク抜けによる違和感を低減できる。
なお、本実施形態では外部の交流電源を使用する構成で説明したが、これに限られるものではなく、電源に電池を使用したコードレス方式の歯科用ハンドピースに回路を内蔵することで対応することもできる。
また、本実施形態ではPWM駆動方式によりモータ21の回転速度を制御しているが、本発明はこれに限定されず、例えばPAM(Pulse Amplitude Modulation)駆動方式などの他の駆動方式を採用することができる。PAM駆動方式を採用する場合、ブラシモータを用いる。
さらに、逆転モードでは、モータ21を逆転させた後に正転させる例を示したが、モータ21を逆転させた後にモータ21を停止させることもできるのは、以上示した実施形態より明らかである。
3 制御部
5 駆動部
7 交流電源
11 操作部
13 表示部
15 フットぺダル
17 電源部
20 モータ電流検出部
21 モータ
25 記憶部
26 負荷トルク検出部
27 回転速度検出部
Claims (8)
- 切削工具を回転駆動させるモータを備える歯科用ハンドピースのモータ制御方法であって、
前記切削工具に加わる負荷トルクが予め設定された制限トルク値に達すると、前記モータに流れるモータ電流を第1制限電流に制限するステップ(a)と、
前記負荷トルクが前記制限トルクを超え、かつ前記モータの回転が停止したことを検出すると、前記モータ電流を前記第1制限電流よりも低い第2制限電流まで下げるステップ(b)と、
を備えることを特徴とする歯科用ハンドピースのモータ制御方法。 - 前記ステップ(b)において前記モータ電流が第2制限電流まで下がったら、
前記モータへの電力供給を停止する、
請求項1に記載の歯科用ハンドピースのモータ制御方法。 - 前記ステップ(b)において前記モータ電流が第2制限電流まで下がったら、
前記モータを逆転させる、
請求項1に記載の歯科用ハンドピースのモータ制御方法。 - 前記ステップ(b)において前記モータ電流が第2制限電流まで下がったら、
前記モータを逆転させ、しかる後、前記モータを前記逆転前の向きである正転をさせる、
請求項1に記載の歯科用ハンドピースのモータ制御方法。 - 切削工具を回転駆動させるモータを備える歯科用ハンドピースのモータ制御装置であって、
前記切削工具に加わる負荷トルクを検出する負荷トルク検出部と、
前記モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、
前記モータの回転速度及びモータ電流を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記負荷トルク検出部で検出された前記負荷トルクが予め設定された制限トルク値に達すると、前記モータ電流を第1制限電流に制限し、
前記負荷トルクが前記制限トルクを超え、かつ前記モータの回転が停止したことを前記回転速度検出部が検出すると、前記モータ電流を前記第1制限電流よりも低い第2制限電流まで下げる、
ことを特徴とする歯科用ハンドピースのモータ制御装置。 - 前記制御部は、
前記モータ電流が第2制限電流まで下がったら、前記モータへの電力の供給を停止する、
請求項5に記載の歯科用ハンドピースのモータ制御装置。 - 前記制御部は、
前記モータ電流が第2制限電流まで下がったら、前記モータを逆転させる、
請求項5に記載の歯科用ハンドピースのモータ制御装置。 - 前記制御部は、
前記モータ電流が第2制限電流まで下がったら、
前記モータを逆転させ、しかる後、前記モータを前記逆転前の向きである正転をさせる、
請求項5に記載の歯科用ハンドピースのモータ制御装置。
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