JP2021016602A - 歯科用医療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定して回転駆動するモータを備えた歯科用医療装置を提供すること。【解決手段】課題を解決するには、歯科用医療装置は、工具を回転自在に保持するハンドピースと、工具を回転駆動するモータと、モータの回転を制御する制御部と、モータの動作状態を設定する操作部とを有し、モータはロータとコイルを有するステータを備える。そして、制御部は、ロータが回転することでコイルに発生する誘起電圧の値を用いることでロータの回転角度を検出するロータ位置検出回路を備える。この様な制御部は、ロータ位置検出回路の検出値に基づきロータの回転角度を記憶し、ロータが停止した状態から回転駆動する際に、記憶したロータの回転角度に基づき、コイルに印加する通電を行うように各部を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、歯科治療において、歯牙や歯槽骨の切削等を行う歯科用医療装置（以下、医療装置という）に関するものである。

従来から、ヘッド部に、切削工具等の各種工具を回転自在に保持するハンドピースと、この工具を回転駆動する駆動源となるモータと、モータを制御する制御部を有する医療装置がある。この様な医療装置は、歯科治療におけるインプラント手術において、患者の歯牙や顎領域を形成する歯槽骨にインプラントを保持する保持穴を形成するために用いられる。

これらの医療装置には、ハンドピースの駆動手段として、特許文献１に開示されているような、ホール素子等のセンサーを用いずにロータの回転角度を検出して駆動制御を行う所謂センサレスモータが用いられるものがある。
このセンサレスモータは、ステータ（固定子）を構成する各コイル（巻線）に発生する誘起電圧（「逆起電圧」とも言う）を検出し、これに基づきステータに対するロータの回転角度を検出して、インバータ回路によりロータの回転角度に同期した電流を各コイルに供給して、ロータを回転駆動するものである。

特開２００２−２５３５７６号公報

特許文献１に開示されているモータは、ロータが回転しているとき、誘起電圧がコイルに生じる。この誘起電圧を監視することで、ロータのステータに対する回転角度を検出することが可能である。
しかしながら、ロータが停止している場合は、ロータの回転角度の検出を可能にする誘起電圧がコイルに生じない。この為、モータを起動する際は、コイルに電流を流してロータの位置を固定し、その後、コイルに流す通電パターンを順次変化させることで、強制的にコイル位相を変化させてロータを回転させる必要がある。
特にモータを、低回転で動作するように設定して駆動を開始する場合、駆動時に発生するコイルの誘起電圧が小さく、ロータの回転角度を検出することが難しい。つまり、モータを低回転で動作するように設定して動作を開始する場合、モータの起動性が安定しないという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためのものであり、安定して回転駆動するモータを備えた歯科用医療装置を提供することを目的とする。

課題を解決するためには、歯科用医療装置において、工具を回転自在に保持するハンドピースと、工具を回転駆動するモータと、モータの回転を制御する制御部と、モータの動作状態を設定する操作部と、を有し、モータはロータとコイルを有するステータを備え、制御部は、ロータが回転することでコイルに発生する誘起電圧の値を用いることでロータの回転角度を検出するロータ位置検出回路を備え、制御部は、ロータ位置検出回路の検出値に基づきロータの回転角度を記憶し、ロータが停止した状態から回転駆動する際に、記憶した前記ロータの回転角度に基づき、コイルに印加する通電を行うようにすればよい。

本発明によれば、安定して回転駆動するモータを備えた歯科用医療装置を提供することが可能となる。

医療装置を構成するハンドピースとモータと本体を示す概略図 医療装置を構成する回路図 医療装置を示すブロック図 モータを起動する時の制御ステップを示すフローチャート （ａ）ステータに対するロータの回転角度における誘起電圧を示すグラフ （ｂ）ステータに対するロータの回転角度における各相への通電パターンを示すグラフ 各通電パターンに対応するステータに対するロータの回転角度の積算値を示す表 モータの起動時からのトルク変化を示すグラフ

（実施の形態）
以下、発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１を参照すると、医療装置Ｍは、歯科用ハンドピース１００（以下、ハンドピース１００）とモータ２００と本体３００を有する。
ハンドピース１００は、先端側に位置するヘッド部１０１に様々な回転工具１０２（以下、工具１０２）を保持する。工具１０２は、歯牙を切削する切削工具である。また、ハンドピース１００の後端には、後述するモータ２００が接続する。ハンドピース１００の内部には、接続したモータ２００の動力が回転工具１０２に伝達させる伝達機構１０３が備えられている。
使用者は、この様に構成されたハンドピース１００を手で持ち、モータ２００を回転駆動させることで回転工具１０２を回転させて、患部を切削する治療を行う。

モータ２００は、出力軸側をハンドピース１００の後端に接続して、後述する制御部３０１により回転駆動の制御をされる。本実施の形態において、モータ２００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相のコイル２１２（２１２ｕ，２１２ｖ，２１２ｗ）を有するステータＳと、各コイル２１２から生じる磁界が作用して出力軸２０１ａと共に回転するマグネット２０１ｂを有するロータ２０１を備えた３相ブラシレスモータを用いている。
この様に構成されるモータ２００は、出力軸２０１ａから出力される回転トルク（駆動トルク）が、ヘッド部１０１に保持される工具１０２を回転駆動する駆動源となる。

図２〜図３を参照すると、本体３００は、制御部３０１と、記憶部３０２と、駆動部３０３と、操作部３０４と、表示部３０５と、モータ電流検出部３０６と、回転速度検出部３０７と、負荷トルク検出部３０８と、電源部３０９を備えている。また、本体３００には、フットペダル３１０が接続する。このフットペダル３１０の出力は、制御部３０１に入力される。
本実施の形態におけるモータ２００の駆動方式は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）駆動方式である。

次に、各機能部の説明をする。
制御部３０１は、電源部３０９から電力を得て、操作部３０３やフットペダル３１０や各検出部からの入力や、記憶部３０２に記憶されている制御アルゴリズムに基づき、駆動部３０３を駆動して、モータ２００の動作を制御する。
つまり、制御部３０１は、モータ２００の回転速度Ｒｒと、使用時にモータ２００に作用する負荷トルクＴｆと、モータ２００に流れるモータ電流Ｉｍ（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）の検出値と、記憶部３０２に格納された駆動条件に基づき、モータ２００を制御する。

言い換えると、制御部３０１は、モータ２００を、使用者が設定した回転速度Ｒｒ及び回転トルクＴｒとなるように、駆動部３０３を制御してＰＷＭ信号を生成して制御する。
また、制御部３０１は、モータ２００の正転及び逆転の回転方向も制御する。これにより、工具１０２の回転方向を変更することができる。

記憶部３０２は、制御部３０１と接続する。記憶部３０２は、制御部３０１がモータ２００を制御するための各種プログラムや、モータ２００の駆動を制御するのに必要な駆動条件が記憶されている。
モータ２００の駆動条件は、使用者が治療内容、工具の種類などを考慮して、操作部３０４から任意の値に設定することができる。また、記憶部３０２には、本体３００に供えられた各種検出部が検出したデータや、操作部３０４からの入力データを記憶する。

モータ電流検出部３０６は、駆動部３０３とモータ２００の３相の各コイル２１２（２１２ｕ，２１２ｖ，２１２ｗ）を繋ぐ回路にそれぞれ接続しており、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Iwを検出する。
このモータ電流検出部３０６は、電流検出用抵抗を備え、検出した電流Ｉｕ，Ｉｖ，Iwを電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖwに変換する。この電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖwは、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の端子電圧である。 そして、その検出値である電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖwの値を制御部３０１と回転速度検出部３０７と負荷トルク検出部３０８に入力する。

回転速度検出部３０７は、モータ電流検出部３０６で得られた電流値から求めた電圧値から、モータ２００の各相のコイル２１２に生じる誘起電圧（逆起電圧）を推定する。そして、この誘起電圧からモータ２００の回転速度Ｒｒを求める。また、この回転速度Ｒｒから回転数を求めることができる。
尚、誘起電圧を求める部位は、回転速度検出部３０７と独立して設けてもよく、また、制御部３０１で求めてもよい。また、モータの回転数は、回転速度Ｒｒに基づき、制御部３０１において求められる。
負荷トルク検出部３０８は、モータ電流Ｉｍと負荷トルクＴｆが比例関係にあることを利用し、モータ電流検出部３０６で得られた電圧値から負荷トルクＴｆを求める。以上の回転速度検出部３０７と負荷トルク検出部３０８の検出値は、制御部３０１に入力される。

操作部３０４は、主電源スイッチや設定・選択ボタンを備える。
主電源スイッチは、本体３００の電源をＯＮ又はＯＦＦするスイッチである。設定・選択ボタンは、モータ２００の動作状態であるモードや回転速度（回転数）や回転トルク等の制御に必要な駆動条件の設定を行うボタンである。使用者は、操作部３０４に設けられた設定・選択ボタンを操作して、モータ２００の動作の使用条件の設定入力を行うことができる。
フットペダル３１０は、使用者が足でペダル部分を踏み込んで操作することで、モータ２００の動作及び回転速度調整・停止を行うものである。

駆動部３０３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る。ＦＥＴは、モータ２００の対応するコイル２１２の各相にそれぞれ接続されている。
インバータ回路は、制御部３０１に設けられるＰＷＭ信号生成回路３０１ａからのＰＷＭ信号に基づき、ロータ２０１のステータ２０２に対する回転角度に同期して、各ＦＥＴが循環的にＯＮ（オン）／ＯＦＦ（オフ）制御する。つまり、制御部３０１は、６個のＦＥＴを適宜ＯＮ／ＯＦＦ制御することで、３相のコイル２１２に対して、６個のパターンの通電を行う。これにより、モータ２００に駆動電圧Ｖｄが印加される。

尚、６個の通電のパターンの内、どの通電パターンがコイル２１２に印加されるかは、ステータ２０２に対するロータ２０１の回転角度に応じて決定される。つまり、ロータ２０１が、ステータ２０２により発生する磁界により回転し続けるように、通電パターンが循環的に変化する。
このように、コイル２１２の各相に循環的に駆動電圧Ｖｄが印加されて電流が生じ、磁界が発生する。そして、この磁界の作用により、モータ２００のロータ２０１が回転する。

ＰＷＭ信号生成回路３０１ａは、制御部３０１に備えられたロータ位置検出回路３０１ｂの検出信号に基づきＰＷＭ信号を生成する。
ロータ位置検出回路３０１ｂは、ロータ２０１が回転してコイル２１２の相の切替時に発生する誘起電圧の値を用いることで、ロータ２０１の回転角度を検出する回路が用いられる。所謂、ホール素子等のセンサを用いないセンサレス回路が用いられる。

このセンサレスであるロータ位置検出回路３０１ｂは、コイルに生じる誘起電圧に基づき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の内、通電していない相の端子電圧が、印加される駆動電圧Ｖｄの中点電位（１／２）になる箇所であるゼロクロスポイントを検出することで、ステータ２０２に対するロータ２０１の回転角度を検出するものである。

本実施の形態のモータ２００の様に３相の場合、ゼロクロスポイントは、ロータ２０１が１回転する中で６回検出される。つまり、ロータ２０１が６０度回転するごとに１回ゼロクロスポイントが検出される。尚、各相に現れる誘起電圧は、回転速度検出部３０７で推定した値を用いる。
この他、ロータ位置検出回路３０１ｂが行うロータ２０１の回転位置を検出する方法として、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に生じる誘起電圧の大小関係を監視することでロータの回転角度を推定してもよい。

ここで、モータ２００の回転トルクや回転速度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、ＦＥＴのＯＮ時間を長くすることで、デューティー比を高くするとモータ２００に印加される駆動電圧Ｖｄの実効値が大きくなる。つまり、駆動電圧Ｖｄが高くなる。これにより、回転速度Ｒｒを増加させることができる。
また、ＦＥＴのＯＮ時間を短くして、デューティー比を低くすると、モータ２００に印加される駆動電圧Ｖｄの実効値が小さくなり、回転トルクが低下し回転速度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Ｔｆが大きくなると、モータ２００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。すると、モータ２００のモータ電流Ｉｍが上がるのに伴って回転トルクが増加し、結果的に回転速度Ｒｒを上げる（維持する）ことができる。
このように、制御部３０１は、ＰＷＭ信号のデューティー比を制御することで、モータ２００の回転速度Ｒｒや回転トルクＴｒを制御する。

表示部３０５は、記憶部３０２に記憶されている各種の駆動条件を表示する他、使用中のモータ２００の回転速度Ｒｒ、設定した回転トルクＴｒなどを表示する。
フットペダル３１０は、モータ２００の回転動作のＯＮ／ＯＦＦを制御する。制御部３０１は、フットペダル３１０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２００を駆動する。
電源部３０９は、外部の交流電源４００からの交流電圧を整流し変圧し、制御部３０１と駆動部３０３に対し直流電圧を印加する。

次に、図４〜図６を参照して、本実施形態のモータの起動時の制御について説明する。
図４に示すフローチャートは、医療装置Ｍに電源を投入してからモータ２００を駆動し、電源を切るまでの動作制御を示す。尚、実際の医療装置Ｍの制御フローは、細かい制御ステップに至るまで規定されているが、図４に示すフローチャートは、本発明を説明するのに必要なステップが示してある。

図５（ａ）は、ステータに対するロータの回転角度における誘起電圧を示すグラフである。図５（ａ）に示すＰ１〜Ｐ６は、ゼロクロスポイントである。図５（ｂ）は、ステータに対するロータの回転角度における各相への通電パターンを示すグラフである。つまり、図５（ｂ）は、モータ２００の６ステップ整流を示すグラフである。グラフに示された回転角度に対応する６つの通電パターンを、それぞれ通電１〜通電６とした。
また、図５（ａ）に示すゼロクロスポイントＰ１と図５（ｂ）の通電１は対応する。同様に、ゼロクロスポイントＰ２〜Ｐ６も、それぞれ通電２〜通電６に対応する。

図６は、各通電パターン（通電１〜通電６）に対応するステータ２０２に対するロータ２０１の回転角度の積算値を示す表である。表中では、ロータ２０１の初期位置の回転角度、１回転した時の回転角度の積算値、１００００回転した時の回転角度の積算値、ｎ回転した時の回転角度の積算値を示している。尚、ｎは、１以上の自然数である。

図４を参照すると、まず、使用者が操作部３０４に設けられた主電源スイッチを入れると制御部３０１が起動して、ステップＳ１に移行する。
ステップＳ１において制御部３０１は、駆動部３０３を制御して、ごく短い時間、コイル２１２に電流を流す。これにより、コイル２１２に一定の磁場が形成される。この磁場の影響をロータ２０１が受けて、ステータ２０２に対して、ロータ２０１の初期位置が固定される（オープンループ制御での直流通電）。本実施の形態において、ロータ２０１の初期位置は０度から６０度未満の位置に設定されている。
そして、ステータ２０２に対してロータ２０１の初期位置が固定されると、モータ２００の制御ステップは、ステップＳ２に移行する。

本実施の形態においてステップＳ１のように、オープンループ制御によりロータ２０１を動かすことで初期位置にロータ２０１を固定しているが、ロータ２０１の初期位置を推定してロータ２０１の回転駆動の基準としてもよい。
例えば、制御部３０１は、駆動部３０３を制御して、コイル２１２に６パターンの通電を行うと共に、磁気飽和を検出する。そして、制御部３０１は、検出した磁気飽和の位置に基づき、ステータ２０２に対するロータ２０１の初期位置を推定してもよい。そして、制御部３０１は、この初期位置に係る情報を記憶部３０２に記憶して、モータ２００の制御ステップをステップＳ２に移行する。

ロータ２０１の初期位置の推定とは、ロータ２０１がステータ２０２に対して、どれくらいの回転角度であるかを推定することである。推定値は、０度〜６０度未満、６０度〜１２０度未満、１２０度〜１８０度未満、１８０度〜２４０度未満、２４０度〜３００度未満、３００度〜３６０度未満の６つの角度領域となる。

ステップＳ２において制御部３０１は、モータ２００が回転駆動を開始するか否かを判断する。具体的には制御部３０１は、フットペダル３１０が踏み込み操作されて、モータ２００を回転させる信号の入力がなされたか否かを判断する。
制御部３０１は、モータ２００の回転駆動を開始する信号の入力がある場合はステップＳ４に移行し、この信号の入力が無い場合にはステップＳ９に移行する。

ステップＳ９において制御部３０１は、操作部３０４に設けられた主電源スイッチが切られたか否かを判断する。つまり、制御部３０１に対して、主電源を切る信号が入力されたか否かを判断する。
制御部３０１は、主電源を切る信号が入力されたと判断した場合はステップＳ１０に移行し、この信号が入力されていなければステップＳ２に移行する。このステップＳ２からステップＳ９を繰り返す状態は、例えば、本体３００の電源は入れた状態であるが、モータ２００を駆動してハンドピース１００を使用していない状態である。
また、制御部３０１は、ステップＳ１０に移行した場合、記憶部３０２に記憶されたロータ２０１の初期位置に関する情報をリセットして処理を終了する。

次に、図５（ｂ）に示すように、ステップＳ３において制御部３０１は、駆動部３０３を制御して、フットペダル３１０からの入力に基づき、通電パターンにしたがって各コイル２１２に駆動電圧Ｖｄを印加する。
本実施の形態の場合、ステップＳ１でロータ２０１の初期位置は０度から６０度未満の位置に固定されているので、通電１→通電２→通電３→通電４→通電５→通電６→通電１→・・・のように、各コイル２１２に循環的に通電される。

尚、ロータ２０１の初期位置を推定して駆動する場合は、次の動作を行う。
制御部３０１は、推定したロータ２０１の初期位置の情報に基づき、最初に入力する通電パターンを６つの通電パターンから決定して、モータ２００の回転駆動を開始する。モータ２００の回転駆動の開始後は、最初に入力された通電パターンから順序良く、通電１〜通電６が循環的に行われる。
例えば、ロータ２０１の初期位置が１２０度であった場合、通電３→通電４→通電５→通電６→通電１→通電２→通電３→・・・のように、各コイル２１２に循環的に通電される。

このようにステップＳ３でモータ２００の駆動が開始される際に、モータ２００使用者が操作部３０４を操作して行った設定入力に基づき駆動制御される。
モータ２００の動作を開始する前に行う設定入力は、例えば、モータ２００の回転速度（回転数）や回転トルク、動作モードに係るものである。この動作モードは、例えば、インプラント治療で用いる歯槽骨を切削する際の動作モードなどがある。

特に設定入力がなされない場合は、前回の使用時の設定条件やデフォルト状態の設定条件でモータ２００が駆動することになる。
また、モータ２００の動作は、例えば、使用者が、フットペダル３１０を踏み込むことにより、開始される。このフットペダル３１０の踏み加減により制御部３０１へ出力する信号が変化し、この信号に基づきモータ２００の回転速度が変化する。

次に、ステップＳ４において制御部３０１は、ステップＳ３でロータ２０１が回転を開始してから、回転し続ける間、ロータ２０１のステータ２０２に対する回転角度を積算して、記憶部３０２に記憶する処理を開始し、ステップＳ５に移行する。つまり、制御部３０１は、回転するロータ２０１の回転角度に関する情報を記憶する。更に言い換えると、制御部３０１は、電源投入時からロータ２０１の回転角度（回転した角度の量）を把握し続けている。

本実施の形態の場合、制御部３０１は、ロータ２０１の回転に伴い生じる誘起電圧を監視することでゼロクロスポイントを検出する。ゼロクロスポイントＰ１〜Ｐ６は、ロータ２０１が１回転する中で６回検出される。つまり、ゼロクロスポイントＰ１〜Ｐ６が検出されるたびに、ロータ２０１が６０度回転したことになる。

制御部３０１は、通電を開始した回転角度に、ゼロクロスポイントＰ１〜Ｐ６を検出するたびに６０度ずつ積算することで、ロータ２０１の回転角度の積算値をもとめる。
例えば、ロータ２０１の初期位置が１２０度であった場合、通電を開始した角度は１２０度となり、これを起点に、１２０度→１８０度→２４０度→３００度→３６０度→４２０度・・・→３６０００度→３６０６０度→・・・６０＋３６０ｎ→１２０＋３６０ｎ→・・・のように積算されていく。そして、この積算値の情報は、随時、記憶部３０２に更新される。

この他に、ロータ２０１の回転角度の積算値は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に生じる誘起電圧の大小関係を監視することでロータの回転角度を推定して、この推定値を積算して積算値を求めてもよい。ロータ２０１の回転角度の推定は、ロータ位置検出回路３０１ｂが行い、その結果を制御部３０１に入力する。誘起電圧は、各相の端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖwである。各相の誘起電圧とロータ２０１の回転角度の関係は次の通りである。
・Ｖｖ＜Ｖｗ＜Ｖｕの場合、ロータの回転角度は０度〜６０度未満である。
・Ｖｗ＜Ｖｖ＜Ｖｕの場合、ロータの回転角度は６０度〜１２０度未満である。
・Ｖｗ＜Ｖｕ＜Ｖｖの場合、ロータの回転角度は１２０度〜１８０度未満である。
・Ｖｕ＜Ｖｗ＜Ｖｖの場合、ロータの回転角度は１８０度〜２４０度未満である。
・Ｖｕ＜Ｖｖ＜Ｖｗの場合、ロータの回転角度は２４０度〜３００度未満である。
・Ｖｖ＜Ｖｕ＜Ｖｗの場合、ロータの回転角度は３００度〜３６０度未満である。

そして、それぞれのロータの回転角度における各コイルへの通電パターンは次の通りである。
・Ｖｖ＜Ｖｗ＜Ｖｕの場合、通電パターンは通電１である。
・Ｖｗ＜Ｖｖ＜Ｖｕの場合、通電パターンは通電２である。
・Ｖｗ＜Ｖｕ＜Ｖｖの場合、通電パターンは通電３である。
・Ｖｕ＜Ｖｗ＜Ｖｖの場合、通電パターンは通電４である。
・Ｖｕ＜Ｖｖ＜Ｖｗの場合、通電パターンは通電５である。
・Ｖｖ＜Ｖｕ＜Ｖｗの場合、通電パターンは通電６である。

次に、ステップＳ５において制御部３０１は、ロータ２０１の回転が停止しているか否かを判断する。制御部３０１は、ロータ２０１が停止していればステップＳ６に移行し、ロータ２０１が停止していなければステップＳ４に移行して引き続き回転角度の積算を行い続ける。
ロータ２０１が回転しているか否かの判断は、回転速度検出部３０７からの入力に基づき判断する。回転速度検出部３０７からの入力が、速度０を示していれば、ロータ２０１は停止していると判断する。

次に、ステップＳ６において制御部３０１は、操作部３０４に設けられた主電源スイッチが切られたか否かを判断する。つまり、制御部３０１に対して、主電源を切る信号が入力したか否かを判断する。
制御部３０１は、主電源を切る信号が入力されたと判断した場合はステップＳ１０に移行し、この信号が入力されていなければステップＳ７に移行する。

次に、ステップＳ７において制御部３０１は、モータ２００が回転駆動を開始するか否かを判断する。具体的には制御部３０１は、フットペダル３１０が踏み込み操作されて、モータ２００を回転させる信号の入力がなされたか否かを判断する。
制御部３０１は、モータ２００の回転駆動を開始する信号の入力がある場合はステップＳ８に移行し、この信号の入力が無い場合にはステップＳ６に移行する。

次に、ステップＳ８において制御部３０１は、記憶部３０２に記憶されているロータ２０１の回転角度の積算値に基づき、モータ２００を駆動し始める為の最初のコイル２１２への通電パターンを設定して、コイル２１２へ通電を開始する。通電を開始した後は、６つの通電パターンを循環的に繰り返す。これにより、ロータ２０１が連続的に回転する。制御部３０１はこれらの処理をスタートさせて、ステップＳ４に移行する。

例えば、ロータ２０１が停止したのが３６１２０度であった場合、モータ２００を駆動し始めるときの通電パターンは通電３から開始される。
この後、制御部３０１は、モータ２００が駆動している間は、ステップＳ４，Ｓ５を繰り返えす。そして、制御部３０１は、モータ２００が停止して主電源が切られると、ステップＳ１０の処理を行って処理を終了する。

以上の様に制御処理を行うことで、ステータ２０２に対するロータ２０１の位置検出にセンサーを用いずに行う所謂センサレスモータにおいて、モータ２００が回転駆動した後に停止し、再度、回転駆動する際に、効率良くモータ２００を回転駆動させることが可能となる。
本実施の形態であれば、モータ２００の回転角度を積算して、常に、ステータ２０２に対するロータ２０１の位置を把握しているので、再度、モータ２００を回転駆動させる際に、ステータ２０２に対するロータ２０１の位置を検出する為にステップＳ１のような初期位置への固定動作を行わなくてよい。

従って、モータ２００を駆動したハンドピース１００により患部を切削する治療を行う際に、センシング動作により治療作業が阻害されることを防止することができる。特に、患部を切削する作業は、緻密な作業が要求される場合があり、本実施の形態の様に制御することは大変有効である。

また、ステップＳ３とステップＳ８の説明は、各コイル２１２にロータ２０１が回転するように通電制御がなされた場合で説明した。
本実施の形態は、本体３００の電源が入った状態であれば、コイル２１２に通電を行いモータ２００が回転駆動する状態ではなくても、制御部３０１は常にステータ２０２に対するロータ２０１の回転角度を検出している。

つまり、工具１０２を交換やハンドピース１００を交換の作業の際に、ロータ２０１の回転角度に変化が生じても、制御部３０１はステータ２０２に対するロータ２０１の回転角度を検出してる。
従って、通電を行ってモータ２００を回転駆動させた場合以外であっても、本体３００の電源が入った状態であれば、ロータ２０１の回転角度を正しく判断し、起動時に適切な通電制御を行うことができる。

（モータ起動開始時からの回転トルクの制御）
次に、モータ２００を起動開始時の回転トルクの制御について図７を用いて説明する。図７は、モータ２００の起動時からのトルク変化を示すグラフである。図７のグラフの横軸は起動開始からの経過時間（ｔ）であり、縦軸は回転トルク（Ｔｒ）である。
このグラフは、モータ２００を停止した状態から起動させた後、負荷が作用していない状態（無負荷状態）でモータ２００が回転して、その後、負荷が作用した状態（負荷印加状態）でモータ２００が回転して、更にその後、負荷が無くなり負荷解放した例である。

尚、負荷が作用していない状態とは、例えば、使用者がフットペダル３１０を操作して、モータ２００を回転駆動させることで工具１０２を回転させている状態で、工具１０２を切削対象である患部に接触させる前の段階、又は、接触させた後の段階である。
つまり、工具１０２が、負荷の無い状態（無負荷）で回転している状態であり、モータ２００に負荷が作用していない状態である。

また、負荷が作用している状態とは、例えば、使用者がフットペダル３１０を操作して、モータ２００を回転させることで工具１０２を回転させて、この回転する工具１０２を患部に接触させて切削している状態である。つまり、工具１０２には回転を阻害する負荷が作用した状態で、工具１０２が回転している状態であり、モータ２００に負荷が作用している状態である。

図７を参照すると、モータ２００の回転駆動時のトルク値は、設定トルクＴｒＡと無負荷時トルクＴｒＢと起動時トルクＴｒＣの３つの大きさのレベルがある。これらのトルクの値の大小関係は、「ＴｒＣ＜ＴｒＢ＜ＴｒＡ」となっている。また、これらの出力トルクは、制御部３０１がモータ２００の状態に応じて制御する。

ここで、上記の３つのレベルのトルクについて説明する。
設定トルクＴｒＡは、使用者が操作部３０４から入力して設定するトルク値である。この設定トルクＴｒＡは、工具１０２を切削対象に接触させて切削を行っているときに出力される最大のトルクである。つまり、設定トルクＴｒＡは、モータ２００に負荷が作用している時に出力される最大のトルクである。

次に、無負荷時トルクＴｒＢは、設定トルクＴｒＡに基づき設定されるトルク値であり、設定トルクＴｒＡより小さな値である。この無負荷時トルクＴｒＢは、工具１０２は回転しているが切削を行っていない時に出力されるトルクである。つまり、無負荷時トルクＴｒＢは、モータ２００に負荷が作用していない時（無負荷時）に出力されるトルクである。

次に、起動時トルクＴｒＣは、モータ２００を停止した状態から起動させる時のトルク値であり、設定トルクＴｒＡと無負荷時トルクＴｒＢより小さな値である。この起動時トルクＴｒＣでモータ２００が駆動している起動時間ｔ１は、大変短い時間である。起動時間ｔ１は、使用者が明確に小さなトルク値で動作していることを感じ取れない程度の時間であり、製品の仕様ごとに多少異なるが、例えば、１０［ｍｓｅｃ］程度に設定される。

以上のように起動時から切削状態に至り医療装置Ｍは、次の（１）〜（６）ように動作する。尚、（１）〜（６）において、フットペダル３１０から制御部３０１に、モータ２００の回転駆動を指示する信号の入力がされている状態である。

（１）モータ起動時シーケンス
制御部３０１は、フットペダル３１０から入力に基づき駆動部３０３を制御して、モータ２００の回転駆動を開始する。制御部３０１は、回転駆動開始から起動時間ｔ１の間は、設定トルクＴｒＡや無負荷時トルクＴｒＢより小さいトルク値である起動時トルクＴｒＣとなるように、モータ２００を回転駆動する。
つまり、モータ２００を起動後、一定の起動時間（ｔ１）の間は、使用者が設定した設定トルクＴｒＡの値より絞ってトルクの出力を制御することで、起動直後の急なトルクの出力を防止する。これにより、起動時にモータ２００に生じる振動やショックを低減することができる。

（２）無負荷時トルクへの上昇時シーケンス
次に、制御部３０１は、起動時間ｔ１が経過すると、無負荷時トルクＴｒＢでの回転駆動へ移行する。起動時間ｔ１経過後、回転トルクが急激に上昇し、無負荷時トルクＴｒＢでの回転駆動へと至る。起動時間ｔ１経過後から、無負荷トルクＴｒＢへと至る間のトルクは、時間の経過と共にトルク値が上昇する。

このように、無負荷時トルクＴｒＢへと迅速に変化させることで、使用者が、モータ２００の起動から患部の切削に至る時間を短縮することが可能となる。このように、時間の経過に伴いトルクを増加させるので、瞬時にトルクを増加させた場合と比較して、モータ２００の振動やショックを低減することができる。

（３）無負荷定常動作時シーケンス
次に、制御部３０１は、モータ２００が起動した後は、無負荷時トルクＴｒＢで回転駆動する。無負荷時トルクＴｒＢは、設定トルクＴｒＡより小さなトルク値である。つまり、無負荷時で定常動作の時は、設定トルクＴｒＡよりトルク値が絞られた状態となる。
このように、無負荷定常動作の時は、設定トルクＴｒＡに対してトルク値を絞った状態で動作することで、負荷を受けた時にトルクの変動が急峻となることを防ぎ、設定トルクＴｒＡに対してのオーバーシュートを低減することができる。

（４）負荷印加時シーケンス
次に、制御部３０１は、モータ２００が無負荷時トルクＴｒＢで回転駆動している状態において、モータ２００が負荷を受けたことを検出すると、設定トルクＴｒＡでの回転駆動へ移行する。モータ２００が受ける負荷とは、工具１０２が患部の切削を行うことで生じる切削抵抗による負荷である。
制御部３０１は、モータ２００が受ける負荷の有無や大きさを各コイル２１２に流れる電流値を監視することで検出する。

例えば、制御部３０１は、モータ２００が無負荷時トルクＴｒＢで回転駆動している時に、コイル２１２の電流値が低下した場合、負荷が加わっていると判断することができる。逆に、制御部３０１は、設定トルクＴｒＡでモータ２００が回転駆動している時に、コイル２１２の電流値が上昇した場合、負荷が低下した又は無くなったと判断することができる。

制御部３０１は、上記の通りモータ２００の負荷を検出すると、モータ２００の出力トルクが設定トルクＴｒＡに近づくように、時間が経過すると共にトルクを増加させる。
このように、時間の経過に伴いトルクを増加させるので、瞬時にトルクを増加させた場合と比較して、設定トルクＴｒＡに対してオーバーシュートを低減することができると共に、モータ２００の振動やショックを低減することができる。

（５）負荷作用時シーケンス
制御部３０１は、モータ２００のトルクを設定トルクＴｒＡにした後、モータ２００が負荷を受け続けている状態において、モータ２００のトルクを設定トルクＴｒＡに維持して、モータ２００を駆動し続ける。

（６）負荷解放時シーケンス
制御部３０１は、モータ２００が負荷を受けている状態から負荷が無くなると、モータ２００のトルクを無負荷時トルクＴｒＢに制御して回転駆動を続ける。

以上のように制御部３０１は、モータ２００の回転駆動時のトルクを制御するので、使いやすい医療装置Ｍを構成することができる。
特に、モータ２００の回転駆動開始から起動時間ｔ１の間は、設定トルクＴｒＡや無負荷時トルクＴｒＢより小さいトルク値である起動時トルクＴｒＣとなるようにモータ２００を回転駆動するので、回転し始めた時に、切削をする為の大きなトルクが、回転開始と同時に作用しないので、起動時に生じるショックを低減することができる。

この様な効果は、ハンドピース１００の後端にモータ２００を接続して用いる医療装置Ｍの場合、モータ２００の起動時の振動は、そのまま使用者が握って用いるハンドピース１００に伝わるので、起動時のショックを低減することは、作業性の向上に大変効果がある。
このように、歯牙や歯槽骨を削る繊細な切削を求められる歯科医療において、このように起動時の衝撃を抑えることができる医療装置Ｍは、正確な切削作業が行いやすくなる。

更に、このようなモータ２００の起動時のトルク制御は、ステータ２０２に対するロータ２０１の位置検出にホールセンサー等の検出素子を用いないで行うモータ２００において有効である。モータ２００の起動時のショックを低減することで、センサレスモータで生じる恐れがある低速回転時の不安定な回転駆動を防ぐことができる。

また、制御部３０１は、無負荷の時は、設定トルクＴｒＡより小さい値の無負荷時トルクＴｒＢで回転駆動する。これにより、無負荷時トルクＴｒＢで回転駆動中に負荷が加わり、設定トルクＴｒＡへとトルクを変化させるときに、設定トルクＴｒＡより小さい無負荷時トルクＴｒＢからトルク値を上昇させればよいので、トルク制御をしやすい。

ここで、モータの駆動制御を、無負荷の時も設定トルクＴｒＡで回転駆動する医療装置を考える。つまり、従来から行われている制御であり、モータを回転開始後、常に設定した回転数（回転速度）、回転トルクで回転し続ける医療装置の場合を考える。
まず、患部を切削する作業が開始されると、モータに負荷が作用し回転数（回転速度）が低下する共に、電流値も低下する。この様な状況において制御部は、電圧を上昇させて電流値を維持することで、回転数を維持しようと制御する。

しかしながら、電圧を上昇させた際に、オーバーシュートにより目標となる電圧値を超えてしまうことがある。これにより、電流値も意図した以上に大きくなり、一時的に回転トルクが設定トルクＴｒＡを超えてしまうことがある。
これにより、モータの回転トルクが、設定したトルク値が意図せず超えてしまうと、切削対象である患部に意図しない力を加える恐れがある。これにより、患部を削りすぎたり、ハンドピース１００のコントロールが難しくなる恐れがある。

本実施の形態の医療装置Ｍのモータ２００の回転トルクの制御であれば、設定トルクＴｒＡより低いトルク値である無負荷時トルクＴｒＢから、目標となる設定トルクＴｒＡへ上昇するように制御するので、このようなオーバーシュートを防ぐ、又は、より小さくとどめることができる。
このようなモータ２００の起動時のトルク制御は、ステータ２０２に対するロータ２０１の位置検出にホールセンサー等の検出素子を用いないで行うモータ２００において有効である。治療対象の切削作業時のモータ２００の動作の安定化を実現することができる。

以上、本実施の形態において、使用者が設定するモータの動作状態を回転速度である場合を例に説明したが、回転数を設定するものでもよい。本願の各部において、「回転速度」との記載部分を、「回転数」と読み替えても、本発明は同様な効果を奏する。

Ｍ 歯科用医療装置（医療装置）
１００ 歯科用ハンドピース（ハンドピース）
１０１ ヘッド部
１０２ 工具
１０３ 伝達機構
２００ モータ
２０１ ロータ
２０１ａ 出力軸
２０１ｂ マグネット
２０２ ステータ
２１２ コイル
２１２ｕ Ｕ相コイル
２１２ｖ Ｖ相コイル
２１２ｗ Ｗ相コイル
３００ 本体
３０１ 制御部
３０１ａ ＰＷＭ信号生成回路
３０１ｂ ロータ位置検出回路
３０２ 記憶部
３０３ 駆動部
３０４ 操作部
３０５ 表示部
３０６ モータ電流検出部
３０７ 回転速度検出部
３０８ 負荷トルク検出部
３０９ 電源部
３１０ フットペダル
４００ 交流電源

Claims (3)

1. 工具を回転自在に保持するハンドピースと、
   前記工具を回転駆動するモータと、
   前記モータを制御する制御部と、
   前記モータの動作を設定する操作部と、
   を有し、
   前記モータは、ロータとステータを備え、
   前記ステータはコイルを備え、
   前記制御部は、前記ロータが回転することで前記コイルに発生する誘起電圧の値を用いることで前記ロータの回転角度を検出するロータ位置検出回路を備え、
   前記制御部は、前記ロータ位置検出回路の検出値に基づき前記ロータの回転角度を記憶し、前記ロータが停止した状態から回転駆動する際に、記憶した前記ロータの回転角度に基づき、前記コイルに通電を行うことを特徴とする歯科用医療装置。
2. 前記コイルは３相であり、
   前記制御部は、３相の前記コイルにそれぞれ生じる誘起電圧の大小関係に基づき、前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出することを特徴とする請求項1に記載の歯科用医療装置。
3. 前記コイルは３相であり、
   前記制御部は、３相の前記コイルにそれぞれに生じるゼロクロスポイントを検出することで、前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出することを特徴とする請求項1に記載の歯科用医療装置。

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