JP3715179B2 - ブラシレスモータの回転制御装置及びブラシレスモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医科あるいは歯科などで用いられる小形のブラシレスモータの回転制御装置及びブラシレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流モータからブラシや整流子などの機械的な接触部品を取り除き、それらの代わりに電子的な整流機構を備えたブラシレスモータが、近時においては、医科あるいは歯科などで用いられる小型の切削工具などに広く使用されている。
【０００３】
一般に、この種のブラシレスモータでは、固定子に巻装された複数相のコイルを通電して回転磁界を形成することによって、永久磁石で構成された回転子を回転させているが、回転子の回転位置を検出するため、ホール素子などで構成された複数の位置センサが使用されている。
【０００４】
そして、このような位置センサは、回路構成上、同一の回路基板上に実装されたり、１つのブロックとしてまとめて構成されているのが通例であるが、センサのそれぞれが信号出力端子を備えているため、通電端子、共通端子以外に、センサ数に応じた信号出力端子を導出させている。
【０００５】
そのため、これらの端子の数に応じた信号線が必要とされ、位置センサの数が増大すると、信号線も多くなって配線が複雑化し、組み立て時の作業性、操作性、信頼性を低下させる要因になっている。
【０００６】
図１０は、３つの位置検出センサＳ＃１〜Ｓ＃３を１つのブロックにまとめたものを示しており、それぞれのセンサに設けた通電端子Ｔｖ、共通端子Ｔｃは、いずれも共通に接続されているが、それぞれのセンサの信号出力端子Ｔ１〜Ｔ３は、そのまま導出されているため、通電ライン、共通ライン以外にも、そのセンサの数に応じた３本の信号線が必要とされ、他の信号処理部など結線する場合、５本の信号線が必要となり、センサ信号の処理のために３つの信号入力ポートが必要になっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、複数のセンサを設けた従来のセンサ回路部が、以上のようにセンサの数が増えるほど、信号線の数も増大して、配線が複雑になっているのに鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な構造でありながら、ブラシレスモータの内部とその外部との間に２線の信号線を接続するだけで複数のセンサに通電を行って、回転子の位置信号を順次取り出すことができるブラシレスモータの回転制御装置及びブラシレスモータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のブラシレスモータの回転制御装置は、磁石で構成された回転子と、回転磁界を生成するためのコイルを有した固定子と、この固定子の各相に対応して配設された複数のホール素子を含んだ位置検出回路とを備えたブラシレスモータの回転制御装置であって、上記位置検出回路は、それぞれのホール素子のオン動作によって、相互に並列に付加接続される値の異なる選択インピーダンス素子を、上記ホール素子のオン、オフ動作に応じて、基準インピーダンス素子に選択的に接続させて、その合成インピーダンスを可変させる構成にしたインピーダンス変換回路部と、上記複数のホール素子のオフ、オンの組み合わせの動作パターンを識別するため、複数のしきい値が設定され、上記インピーダンス変換回路部の出力電圧を判別するための電圧判別回路部と、上記複数のホール素子のオフ、オン動作を、上記固定子に発生する相電圧の相順変化に同期させて検出するため、上記電圧判別回路部からの出力電圧の論理和をとる論理和回路部とを組み合わせて構成されたことを特徴とする。
【０００９】
この回転制御装置の特徴とする位置検出回路が備えるインピーダンス変換回路部は、モータの内部に実装され、回転子の回転に伴って変化するホールスイッチのオフ、オンの組み合わせの動作パターンの検出信号を２本の信号線で、モータの外部に実装されている電圧判別回路部へ伝達するため、ホール素子がオンしたときに接続付加される選択インピーダンス素子のインピーダンス値を異ならせている。
【００１０】
電圧判別回路部は、ホール素子のオフ、オンの組み合わせの動作パターンに応じて変化する電圧レベルの変化を検出するために、複数のしきい値を設けている。
【００１１】
ホールスイッチは、ホール素子を備えており、例えば、固定子を三相コイルで構成する場合には、磁極対当たり６通りのオフ、オンの組み合わせの動作パターンがある。
【００１２】
電圧判別回路部によって判別される出力電圧は、ホール素子のオフ、オンの組み合わせの動作パターンを識別するのみで、複数のホール素子のどれがオン、どれがオフになっているかが判別できない。したがって、この電圧判別回路部の電圧出力だけでは、モータの回転制御に利用できない。
【００１３】
そこで、論理和回路部を設けて電圧判別回路部の電圧出力の論理和を求めて、ホール素子のオフ、オン動作を検出する構成にしている。そのため論理和回路部では、電圧判別回路部からの出力電圧のうち、予め設定されているホール素子の固定子上の電気角に応じた配設位置と、固定子に加える印加電圧の相順変化を考慮して、論理和をとる出力電圧を設定して、位置検出電圧として、回転子の位置信号を得ている。
【００１４】
位置検出回路によって得られた位置信号は、固定子に加えられる相電圧の信号とともに、コイル駆動回路部に送られ、モータの回転制御がなされる。
【００１５】
こうして、この回転制御装置によれば、ブラシレスモータの固定子の通電回路基板には、ホール素子と選択インピーダンス素子とを接続して構成されたインピーダンス変換回路部を実装するだけでよく、構造が簡単になり、よりブラシレスモータの小型化を図ることができる。また、インピーダンス変換回路部からモータ外部に導出される信号線は２本で済ませることができる。
【００１６】
請求項２に記載のブラシレスモータの回転制御装置は、請求項１に記載のブラシレスモータの回転制御装置において、上記電圧判別回路部は、予め予定されるホール素子のオフ、オンの組み合わせの動作パターンのしきい値と、短絡、断線を識別するためのしきい値とを設定可能にしていることを特徴とする。
【００１７】
この回転制御装置においては、電圧判別回路部は複数のしきい値を設定したマルチレベル型ウインドコンパレータで構成され、３つのホール素子によって６種類のオフ、オンの組み合わせの動作パターンがある場合には、それに短絡、断線のパターンを加えて、全体で８つの動作パターンが検出できる。
【００１８】
請求項３に記載のブラシレスモータの回転制御装置は、請求項１〜２のいずれかに記載のブラシレスモータの回転制御装置において、上記固定子は、通電回路基板を有し、この通電回路基板に、上記選択インピーダンス素子と、上記ホール素子を内蔵したホールスイッチとを実装した構造にしていることを特徴とする。
【００１９】
この回転制御装置においては、固定子において、選択インピーダンス素子と、ホール素子を内蔵したホールスイッチとは、いずれもそれぞれから導出された接続ピンを、通電回路基板に形成したホールより突出させ、半田付け実装した構造にしているので、コイル成型時やオートクレーブ時に不良発生することが少ない。
【００２０】
請求項４に記載のブラシレスモータの回転制御装置は、請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレスモータの回転制御装置において、上記基準インピーダンス素子及び上記選択インピーダンス素子が抵抗器であって、上記固定子が三相の場合に、上記選択インピーダンス素子の異なる抵抗値の比率を、１：１．６〜２．２：４〜５としていることを特徴とする。
【００２１】
回転制御装置は、異なる抵抗値の適正な比率を実験値により明確にしているので、本発明の効果を発揮する回転制御装置を容易に製造することができる。
【００２２】
請求項５に記載のブラシレスモータの回転制御装置は、請求項１〜４のいずれかに記載のブラシレスモータの回転制御装置において、上記電圧判別回路部、上記論理和回路部をマイクロコンピュータで構成したことを特徴とする。
【００２３】
したがって、制御装置をコンパクトにすることができる。
【００２４】
請求項６に記載のブラシレスモータは、請求項１〜５のいずれかに記載のブラシレスモータの回転制御装置によって回転制御されるブラシレスモータであって、上記固定子の通電回路基板に、上記インピーダンス変換回路部を実装していることを特徴とする。
【００２５】
本発明の回転制御装置を用いる場合、複数のホール素子と選択インピーダンス素子とを固定子に設ければ、ブラシレスモータの固定子の構造が簡単になり、また、この固定子からの信号線の本数も２本とすることができるが、このブラシレスモータは、その効果を発揮させたものである。
【００２６】
しかしながら、これらの複数のホール素子と選択インピーダンス素子は、固定子に限らず、ブラシレスモータの内部のいずれに設けてもよく、その場合にも、必要な部品の点数が少ないので、ブラシレスモータの構造が簡単になる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明について詳しく説明する。
【００２８】
図１は、本発明のブラシレスモータの回転制御装置の基本構成を概念的に示すブロック図である。
【００２９】
この回転制御装置２０は、回転子、固定子（後述）より構成され、また、制御的にはインピーダンス変換回路部１１、このインピーダンス変換回路部１１から２本の信号線２ｆａによって、電圧信号を受けて、その電圧レベルの変化を検出する電圧判別回路部１２、この電圧判別回路部１２から判別信号を受けて、ブラシレスモータ１０の回転子の位置信号を算出する論理和回路部１３、この論理和回路部１３から位置信号を受けて、ブラシレスモータ１０の固定子に設けられたコイルを通電駆動するコイル駆動回路部１５を備えている。
【００３０】
ブラシレスモータ１０の固定子を三相として構成する場合、この固定子にはコイルは、この実施例の場合、３巻設けられ、この３巻のコイルに駆動電流を送る３本の駆動線２ｆｂが、ブラシレスモータ１０とコイル駆動回路部１５を接続している。
【００３１】
このような回転制御装置２０は、詳細は後述するが、ブラシレスモータ１０の固定子には複数のホール素子、つまり、回転子の位置センサを設けているが、ブラシレスモータの内部から外部への信号線２ｆａは２本だけでよく、この２本の信号線２ｆａからの信号をブラシレスモータの外部に実装された電圧判別回路部１２、論理和回路部１３で処理することにより、回転子の位置信号を得て、これによりコイル駆動回路部１５で、三本の駆動線２ｆｂによって、固定子のコイルに駆動電流を送り、ブラシレスモータ１０の回転を制御している。
【００３２】
つまり、固定子の相数に拘わらずに、信号線２ｆａは２本で済み、駆動線２ｆｂは相数に応じた本数となり、三相の場合に、ブラシレスモータ１０、つまり、固定子に必要な入出力線は、５本で済むこととなる。
【００３３】
なお、上述のインピーダンス変換回路部１１、電圧判別回路部１２、論理和回路部１３を、位置検出回路１８としてまとめ、この内、電圧判別回路部１２と論理和回路部１３とは、マイクロコンピュータ１９で構成出来るので、制御装置をコンパクトにすることができる。
【００３４】
図２は、位置検出回路を組み込んだ本発明のブラシレスモータの回転制御装置の要部概略構成を示すブロック図である。既に説明した部分と同じ部分には、同じ符号を付して重複説明を省略する。
【００３５】
位置検出回路１８は、インピーダンス変換回路部１１と、電圧判別回路部１２、論理和回路部１３を含んで構成される。
【００３６】
ここに、インピーダンス変換回路部１１は、３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗに対応させて、選択インピーダンス素子として設けた抵抗値の異なる３つの抵抗素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを、それぞれに対応したホール素子のオン、オフ動作に応じて、互いに並列に接断させることによって選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの並列合成抵抗を可変させる構成としており、これによって、インピーダンス変換回路部１１から電圧判別回路部１２に入力される電圧信号のレベルＶｈ（基準インピーダンス素子と選択インピーダンス素子の並列合成回路とによって構成される回路の選択インピーダンスの並列回路の分担電圧となる）を、ホール素子のオン、オフの組み合わせパターンに応じて変化させている。
【００３７】
なお、実際には、ホール素子がオン、オフするのではなく、このホール素子の出力を受けて、ホールスイッチに内蔵されるトランジスタで構成されたスイッチ素子がオン、オフするものである。
【００３８】
図2では、固定子に三相回転磁界を発生させて回転子を回転させる例を想定しており、３個のホール素子が固定子上で電気角に応じて配置されているので、３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、すべてがオン、あるいは、すべてがオフになる２つの組み合わせパターンは取り得ず、回転子の回転位置に応じて、図３（ｂ）に示したように６通りの組み合わせパターンに変化する。
【００３９】
電圧判別回路部１２は、１０個のコンパレータＣＰ１〜ＣＰ１０を並列に接続したマルチレベルウインドコンパレータを構成しており、それぞれのコンパレータＣＰ１〜ＣＰ１０の基準入力端子には、別の定電圧電源に９つの抵抗Ｒ１〜Ｒ９を直列に接続して構成された分圧回路によって規定される５つの基準電圧Ｖｈ１〜Ｖｈ５（Ｖｈ１〜Ｖｈ５は、図４に示すように、順次大きい値に設定されている）が入力されており、他方の信号入力端子は共通に接続されて、上記したインピーダンス変換回路部１１からの電圧信号Ｖｈを入力している。
【００４０】
また、１０個のコンパレータＣＰ１〜ＣＰ１０の出力端子は、後述する論理和回路部１３に入力されて、３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗのオン、オフ信号が固定子に印加される相電圧の相順変化に対応して論理和をとるようになっている。
【００４１】
すなわち、論理和回路部１３は、３つのＯＲゲートＯＲ１〜ＯＲ３を組み合わせて構成されており、それぞれのゲートＯＲ１〜ＯＲ３には、３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗのオン、オフ動作を、固定子に加えられる相電圧の相順変化に応じた動作に復調するようになっている。
【００４２】
この場合、論理和をとる対象とされる組み合わせパターンは、３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗのオン、またはオフ動作に注目して規定され、例えば、オフ動作に注目すると、ホールスイッチＨｕについては、電圧判別回路部１２がパターン１と２と６を検知した出力の論理和がとられ、ホールスイッチＨｖについては，電圧判別回路部１２がパターン４と５と６を検知した出力の論理和がとられ、ホールスイッチＨｗについては、電圧判別回路部１２がパターン２と３と４を検知した出力の論理和がとられ、３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗに内蔵したホール素子のオン、オフ動作が復調される。
【００４３】
論理和回路部１３によって、論理和をとるべき出力は、ブラシレスモータの構造、つまり回転子の磁極数や固定子に回転磁界を与えるため印加される電圧の相パターンによって変化するので、論路和回路部の構成は、インピーダンス変換回路部、電圧判別回路部の回路構成に応じて変更されることはいうまでもない。
【００４４】
なお、１４は断線短絡検知回路部であり、基準電圧Ｖｈ０，Ｖｈ６（ここに、Ｖｈ０＜Ｖｈ１，Ｖｈ６＞Ｖｈ５）を異ならせた２つのコンパレータＣＰ１０，ＣＰ１１を並列に接続して、インピーダンス変換回路部１１からの電圧信号Ｖｈを判別して、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗを含むインピーダンス回路部１１の断線、短絡を検知している。
【００４５】
ブラシレスモータ１０は三相として構成され、その固定子２には、この例では、３巻のコイルＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗが設けられている。
【００４６】
電圧判別回路部によって判別される出力電圧は、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗのオフ、オンの組み合わせの動作パターンを識別するのみで、複数のホール素子のどれがオン、どれがオフになっているかが判別できない。したがって、この電圧判別回路部１２の電圧出力Ｖｈだけでは、モータの回転制御に利用できない。
【００４７】
そこで、論理和回路部１３を設けて電圧判別回路部１２の出力電圧Ｖｈの論理和をとり、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗのオフ、オン動作を検出する構成にしている。そのため論理和回路部１３では、電圧判別回路部１２からの出力電圧Ｖｈのうち、予め設定されているホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗの固定子２上の電気角に応じた配設位置と、固定子に加える印加電圧の相順変化を考慮して、論理和をとるべき出力電圧Ｖｈを設定して、回転子の位置信号を得ている。
【００４８】
位置検出回路１８によって得られた回転子の位置信号は、コイル駆動回路部１５に送られ、モータの回転制御がなされる。
【００４９】
こうして、この回転制御装置２０によれば、ブラシレスモータ１０の固定子２には、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗ以外には選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを設けるだけでよく、構造が簡単になり、よりブラシレスモータの小型化を図ることができる。また、ブラシレスモータの内部に実装されるインピーダンス変換回路部１１からブラシレスモータの外部に導出される信号線は２本で済ませることができる。
【００５０】
なお、図２において、Ｉ（Ｉ１〜Ｉ６）は、選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗが３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗに内蔵されたホール素子が固定子の回転位置に応じてオンしたときに流れる選択電流Ｉｒｕ，Ｉｒｖ，Ｉｒｗを合計した合成電流であり、２極の回転子に、三相の交流電圧を印加した固定子によって回転磁界を形成した場合には、前述したように、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗのオン、オフの動作パターンに対応して、６種類（Ｉ１〜Ｉ６）の値をとる。
【００５１】
ここに、Ｖｏは基準インピーダンス素子Ｒ０の分担電圧であり、ＶｈはホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗによって並列に選択的に接続される選択インピーダンス素子の並列合成回路の分担電圧（前述したインピーダンス変換回路部１１から電圧判別回路部１２に出力される電圧）、Ｖｃはインピーダンス変換回路部に加わる合成電圧とすると、これらの出力電流Ｉ（Ｉ１〜Ｉ６）、分担電圧Ｖｏ、分担電圧Ｖｈ、合成電圧Ｖｃの間には、以下の関係がある。
Vo = I(I1〜I6)*RoVh = Vc - VoI1 = Rv*Rw*(2*Ion + Ioff + Irv + Irw)/{Rv*Rw +
Ro*(Rv + Rw)}I2 = Rv*(2*Ion + Ioff + Irv)/(Ro + Rv)I3 = Ru*Rv*(2*Ion + Ioff +
Iru + Irv)/{Ru*Rv + Ro*(Ru + Rv)}I4 = Rv*(2*Ion + Ioff + Iru)/(Ro + Ru)I5 =
Ru*Rw*(2*Ion + Ioff + Iru + Irw)/{Ru*Rw + Ro*(Ru + Rw)}I6 = Rw*(2*Ion + Ioff +
Irw)/(Ro + Rw)Iru = (Vc - Vo)/RuIrv = (Vc - Vo)/RvIrw = (Vc - Vo)/Rwなお、ここでは、「＊」で乗算を、「／」で割算を示している。
【００５２】
ここで、Ｉｏｎ，Ｉｏｆｆは、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗの消費電流であって、上式から解るように、この消費電流Ｉｏｎ，Ｉｏｆｆは、分担電圧Ｖｈに依存しないこと、及び、選択インピーダンス素子の電流Ｉｒｕ，Ｉｒｖ，Ｉｒｗに比べて小さいことが望ましい。
【００５３】
図３（ａ）はインピーダンス変換回路部の各構成要素の設計例を示す図、（ｂ）は、その設計値に基づいて設計された２極の回転子に、三相の交流電圧を印加した固定子によって回転磁界を形成した場合に適用させたインピーダンス変換回路部に流れる出力電流を、３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗのオン、オフ動作に対応させて示した６つのオン、オフ組み合わせ動作パターンを示す図である。
【００５４】
図４（ｂ）は電圧判別回路部によって、ホール素子のオン、オフ動作のパターンを識別する動作を示す図であり、この図では、インピーダンス変換回路部の出力は、電圧ではなく電流変化として示されている。なお、Ｖｈ１〜Ｖｈ５はホール素子の６つの動作パターンを判別するためのしきい値、Ｖｈ０は短絡、Ｖｈ６は断線を判別するためのしきい値を示している。、（ｂ）は電圧判別回路部によって出力されるパターン識別信号、（ｃ）は論理和回路部によって復調された３つのホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗの復調された出力電圧である。
【００５５】
論理和回路部１３は、この電圧判別回路部１２の出力電圧を、以下の式によって論理和をとって、その結果として、図４（ｃ）のような出力電圧を位置信号として出力している。
【００５６】
Ｈｕ ＝ Ｖ（１６） ＋ Ｖ（１４） ＋ Ｖ（１５）
Ｈｖ ＝ Ｖ（１５） ＋ Ｖ（１１） ＋ Ｖ（１３）
Ｈｕ ＝ Ｖ（１３） ＋ Ｖ（１２） ＋ Ｖ（１６）
図５は、本発明のホールスイッチに内蔵したホール素子のオフ、オン動作と、回転子と固定子との位置変化の関係を説明する図であって、回転子１が図に矢印で示すように、反時計回りに回転するにつれて、ホール素子のオン、オフが変化し、図３（ｂ）のような組み合わせパターンとなる。
【００５７】
本発明では、このようなホール素子のオン、オフの動作パターンを、それぞれのホール素子に対応して設けた選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗが、ホール素子のオン動作によって並列に付加接続され、その並列合成抵抗値が変化することを出力電圧Ｖｈの変化として検出して更に、電圧判別回路部、論路和回路部の処理を付加して、それぞれのホール素子のオン、オフ状態を、固定子に印加される相電圧の相順変化に対応させて復調させ、この復調されたオン、オフ信号が固定子に対する回転子の位置検出信号となってブラシレスモータの回転制御に利用している。
【００５８】
このような本発明では、選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの異なる抵抗値は、ホール素子がオンすることによって得られる並列合成抵抗値の変化が、隣接する値に対して十分に識別できる程度に離れていることが望ましい。
【００５９】
本発明者らの実験結果によれば、それらの抵抗値の比率を、１：１．６〜２．２：４〜５とすることで十分に実用し得ることが確認されている。
【００６０】
図６は、ピン実装された固定子用通電回路の構造を説明する図である。
【００６１】
この図で解るように、この回転制御装置においては、固定子２には、選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗと、ホール素子を内蔵したホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗだけを実装すれば足り、非常に簡単な構造となっている。
【００６２】
また、通電回路基板２ｄには、これらを実装するだけでよいので、面実装することなく、選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗから導出された接続ピンを通電回路基板２ｄに形成したホールより突出させ、半田付け実装した構造にしているので、コイル成型時やオートクレーブ時に不良発生することが少ない。
【００６３】
また、この図6にも示すように、この固定子２の通電回路基板２ｄからは、選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗからの信号線となる２本の端子２ｆａ、三相のコイルのための駆動線となる３本の端子２ｆｂの合計５本の端子２ｆだけが導出されている。
【００６４】
なお、ホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗの各符号に「（ ）」に付記した符号「２ｂ」は、このホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗを、ハード的な構成部品として把握して付加した符号である。
【００６５】
図７は本発明の固定子の一例を示す一部破断の外観斜視図である。
【００６６】
この固定子２は、三相として構成され、ブラシレスモータ１０の回転力、つまり回転磁界を発生させるための三巻のコイル２ａ、回転子１の磁界を検知するホールスイッチ２ｂ、この固定子２の内周部を構成するボビン２ｃ、このボビン２ｃの後端（図の右側）に、この固定子２の長手軸方向に直角方向、つまり外周方向に円板状に設けられ、端子２ｆを延出させた通電回路基板２ｄで構成され、これらのコイル２ａ、ホールスイッチ２ｂ、ボビン２ｃ、通電回路基板２ｄなどを樹脂２ｅによって、一体樹脂被覆している点を特徴とする。
【００６７】
ボビン２ｃは直円筒であって、その内径は、回転子１の外径に対して、回転子１の回転に支障のない程度の隙間があるように設定され、その外周には、回転子１の永久磁石に対する回転磁界を発生させるためのコイル２ａが巻装され、その後端には、基板２ｄが設けられている。
【００６８】
コイル２ａは、プレスコイル作成方法によって、ボビン２ｃの外周に沿うように形成されたもので、この例では、このように形成されたコイル２ａを、ボビン２ｃの外周を３分割するように隣接させて３個巻装しているが、これは三相ブラシレスモータの場合であって、３個に限るものではない。
【００６９】
このプレスコイル作成方法とは、銅などの電気良導体で構成された自己融着電線をボビンレス巻線器にて巻線し、同時に熱風を当てて電線同志を融着させ、ついでプレス金型に巻線され融着されたコイルをセットして、コイルに電線を流して発熱させ軟化させてから、プレスを行い、所定の形状のコイルを形成する方法で、このプレス金型の上下にバネが仕込んであって、プレス時に一気にプレス圧をかけないように、このバネの圧力を調整する点を特徴としている。
【００７０】
このようにすることによって、成形されたコイルの電線に残留応力を残すことなく、所望の形状のコイル、特に、半径方向に厚みが薄く、また、均一に回転子を回繞するコイルを形成することができ、外径を小さくしたいブラシレスモータのコイルとして相応しいコイルを得ることができる。
【００７１】
また、ホールスイッチ２ｂは、それ自身耐熱性があるが、一体樹脂被覆と相まって、耐熱特性が更に向上し、ブラシレスモータ全体のオートクレーブ殺菌耐性が更に向上する。また、ホール素子は、磁束が正負逆転する点で回転子の回転を検知するものなので、磁束の変化の影響を受けやすいが、その位置も十分考慮され、コイルの磁界の影響が及びにくいようにしているので、ホール素子の機能が十分に発揮される。
【００７２】
図８は本発明のブラシレスモータの一例を示す分解斜視図である。
【００７３】
このブラシレスモータ１０は、ロータ軸１ｂに永久磁石１ａとその両側に軸受体１ｃ，１ｆを備えた回転子１と、この回転子１を回転可能に支承すると共に、ブラシレスモータ１０全体を収容する外ケース４と、この外ケース４内に収容され、磁性体材料からなるコア（不図示。）を内蔵したコアユニット３と、このコアユニット３内に収容され、コイルを備えた固定子２と、この固定子２と外ケース４の後方（図の右方）に嵌め込まれる後ブラケット５と、この後ブラケット５と本体側との連結部とを連結するための中間ブラケット６から構成されている。
【００７４】
回転子１の永久磁石１ａは、ロータ軸１ｂに設けられ、また、外周はカバーされている。この永久磁石１ａの両側に設けられた軸受体１ｃ，１ｆの内、図の左側、つまり前方側の軸受体１ｃの外径は、後方側の軸受体１ｆの外径より大きくなっている。また、軸受体１ｃの外径は、永久磁石１ａの部分の外径より大きくなっている。
【００７５】
この軸受体１ｃは、外ケース４の前方の軸受孔４ａに嵌着され、永久磁石１ａは、固定子２の内部に収容され、軸受体１ｆは、後ブラケット５の軸受孔５ａに嵌着されるので、これらの外ケース４の軸受孔４ａ、固定子２、後ブラケット５の軸受孔５ａの内径は、それぞれの相手に対応したものとなっている。
【００７６】
したがって、外ケース４にコアユニット３、固定子２、後ブラケット５などを組み付けた状態で、軸受体１ｃ，１ｆを付けたままで回転子１を前方から組み入れ、また、抜き出すことができるので、組み立て容易であり、分解も容易である。特に、使用により摩耗して交換の必要度が大きいのは、回転子１の軸受体軸受体１ｃ，１ｆであり、これを組み付けたままで、他の部分を分解せずに、回転子１をブラシレスモータ１０から抜き出すことができると、修理交換に非常に便利である。
【００７７】
回転子１のロータ軸１ｂには、先端に、治療器具、例えば、ハンドピースのシャンク部に回転力を伝達するための継手１ｉが設けられ、この継手１ｉ側の軸受体１ｃの内径が、この継手１ｉの外径より大きくなるようにしてある。したがって、上述したように、軸受体１ｃ，１ｆを組み付けたままでロータ軸１ｂを抜き出した後、継手１ｉ側の軸受体１ｃを交換する際に、継手１ｉを取り外さなくも、古い軸受体１ｃを取り外すことができ、また、新しい軸受体１ｃを取り付けることができ、軸受体の修理交換がし易い。
【００７８】
ロータ軸１ｂの永久磁石１ａと、それを挟むように設けられた軸受体１ｃ，１ｆの間には、バランサ１ｊ，１ｋが設けられている。このバランサ１ｊ，１ｋは容易に切削可能な金属、例えば、黄銅などで構成され、ロータ軸１ｂに固着され、その一部を適宜切削除去することにより、回転子１全体の動的バランスを保つことができるようになっている。こうして、動的バランスを適正にしておくと、回転子１が高速で回転してもバランス不良によるブレを生じることがなく、治療器具の回転駆動手段として適している。
【００７９】
固定子２は、コイルなどを含めて一体樹脂被覆されていることを特徴とし、この図８では、一体成形した樹脂２ｅの部分だけが外観上見えている。この一体樹脂被覆は、ブラシレスモータ１０の全体の組み立てとは別に、所定の治具などを用いて、内外径の軸芯が一致するように行われている。固定子２の後方には、端子２ｆが突出し、この固定子２に後ブラケット５を組み込んだ際には、これらの端子２ｆは、後ブラケット５から更に後方に突出して電気的な接続ができるようになっている。
【００８０】
コアユニット３は、固定子２のコイルの磁界を強化するための鉄心の役割を果たすもので、複数枚のリング形状の珪素鋼板を積層したコア（不図示）の外周と両側面をコアケース３ｈで拘束したものである。コアユニット３の外周に見えている二本の導管３ｃは、歯科治療に必要な水、空気を本体側（図の右側）から先端側（図の左側。つまり、回転工具側）へ供給するためのもので、コアケース３ｈの外周を軸方向に貫通して設けられた切り込み溝３ｂに嵌め込まれ、外側を外ケース４の内周に拘束されて固定される。
【００８１】
また、この例では、切り込み溝３ｂは、コアケース３ｈの外周に４箇所設けられており、残り２本の溝３ｂには、電気導管（不図示）が同様にして、嵌め込まれるようになっている。こうして、コアユニット３と外ケース４の間に、余分な空間を設けることなく、必要な流体などの供給を可能にしており、小型化を要求される、術者が手に持って治療を行う治療器具の回転駆動手段として、このブラシレスモータ１０は適している。
【００８２】
コアユニット３と固定子２は、図に示すように、別体で着脱可能となっているので、一体化されているものに比べ、どちらか一方だけを取り替えることができ、修理が簡単になり、また、修理コストを低減することができる。
【００８３】
外ケース４には、上述したように、前方に、回転子１の前の軸受体１ｃを受ける軸受孔４ａを備え、図では見えていないが、後方は開口している。また、前方の軸受孔４ａの周縁には、透孔部４ｂが設けられ、コアユニット３を外ケース４に収容した際には、この透孔部４ｂから導管３ｃなどが覗き出るようになっている。
【００８４】
後ブラケット５には、上述したように、回転子１の後の軸受体１ｆを受ける軸受孔５ａと、外ケース４にコアユニット３、固定子２を組み付けた後に後ブラケット５を被せた際に、固定子２の端子２ｆを後部に突出させる孔部５ｂと、外ケース４の透孔部４ｂと同様に、コアユニット３の切り込み溝３ｂに嵌め込まれた導管３ｃなどを突出させる透孔部５ｃとが設けられている。
【００８５】
中間ブラケット６の外径にはピッチの異なる２種類の雄ネジが形成されている。そのうち、図の左側、つまりブラシレスモータ１０の前方側の雄ネジ６ａは外ケース４に係合され、コアユニット３、固定子２、後ブラケット５などを外ケース４内に固定する役目を果たす。ブラシレスモータ１０の後方側の雄ネジ６ｂは、このモータ１０に電気、水、空気などを供給するフレキシブルチューブ（不図示。）との連結に使用する。
【００８６】
このブラシレスモータ１０は、図に示すように回転子１を外ケース４の前方（図の左方）から挿入し、一方、外ケース４の後方からは、導管３ｃなどを嵌め込ませたコアユニット３、一体樹脂被覆した固定子２、後ブラケット５を順に挿入するだけで組み立てが完了し、回転子１と固定子２の心出しも不要となり、ブラシレスモータ全体の組み立てが簡易化される。
【００８７】
また、固定子２全体が樹脂によって一体的に被われ、固定子２の外周にはコイルなどが露出しないので、コアユニット３の内部に固定子２を嵌めるときにコイルを破損しない。さらに、副次的効果として、この被覆樹脂の断熱特性によって、耐熱性での弱点となっていた固定子の耐熱特性が向上し、ブラシレスモータ全体の耐熱特性も向上する。
【００８８】
図９は、ブラシレスモータの参考例を示す要部破断の正面図である。
【００８９】
この図は、ブラシレスモータ１０を組み込んだハンドピース本体部ＢにハンドピースＡを装着した状態を示している。
【００９０】
ハンドピース本体部Ｂは、ブラシレスモータ１０と、このモータ１０と着脱可能に連結され、このモータ１０に電気、水、空気などを供給するフレキシブルチューブＣとのチューブ接続部Ｂａ、工具結合部７、この工具結合部７に設けられハンドピースＡをワンタッチで着脱できるようにしたワンタッチ係合手段７ａから構成されている。
【００９１】
図６、７では、本発明の回転制御装置を構成する重要部品である選択インピーダンス素子Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗと、ホール素子を内蔵したホールスイッチＨｕ，Ｈｖ，Ｈｗを固定子に設けた例を説明したが、これらの選択インピーダンス素子、ホール素子を内蔵したホールスイッチは、固定子に限らず、ブラシレスモータ１０内部の適当な部位に設けることができ、その場合にも、必要な部品が少ないので、ブラシレスモータ１０の構造が簡単になる。
【００９２】
この場合、空中配線を用いたり、固定子の通電回路基板を用いずに、一体モールドすることによって、ブラシレスモータ１０に実装することができる。
【００９３】
また、これらのホールスイッチと選択インピーダンス素子は、ブラシレスモータの内部に限られず、その付近であるモータと着脱可能なチューブＣの端部に設けられたチューブ接続部Ｂａにも設けることができ、その場合にも、必要な部品の点数が少ないので、そのチューブ接続部の構造が簡単になる。
【００９４】
また、更に、これらを、ブラシレスモータ１０と上記チューブ接続部Ｂａとの間に設けられる着脱可能なアダプタ−（不図示）の内部にも設けることができ、この場合には、このアダプタ−の構造が簡単になると共に、従来のブラシレスモータであっても、このアダプターを付加することで本発明の複数のホール素子と選択インピーダンス素子を付加することができる。
【００９５】
【発明の効果】
請求項１に記載のブラシレスモータの回転制御装置によれば、ブラシレスモータの内部に、ホール素子と選択インピーダンス素子とで構成されるインピーダンス変換回路部を設けるだけでよく、構造が簡単になり、よりブラシレスモータの小型化を図ることができる。また、インピーダンス変換回路部からブラシレスモータの外部に導出される信号線は、通電線も含めて２本で済ませることができる。
【００９６】
請求項２に記載のブラシレスモータの回転制御装置によれば、請求項１の効果に加え、電圧判別回路部は複数のしきい値を設定したマルチレベル型ウインドコンパレータで構成され、３つのホール素子によって６種類のオフ、オンの組み合わせの動作パターンがある場合には、それに短絡、断線のパターンを加えて、全体で８つの動作パターンが検出できる。
【００９７】
請求項３に記載のブラシレスモータの回転制御装置によれば、請求項１〜２のいずれかの効果に加え、固定子において、選択インピーダンス素子と、ホール素子を内蔵したホールスイッチとは通電回路基板に実装した構造にしているので、コイル成型時やオートクレーブ時に不良発生することが少ない。
【００９８】
請求項４に記載のブラシレスモータの回転制御装置によれば、請求項１〜３のいずれかの効果に加え、選択インピーダンス素子の異なる抵抗値の適正な比率を実験値により明確にしているので、本発明の効果を発揮する回転制御装置を容易に製造することができる。
【００９９】
請求項５に記載のブラシレスモータの回転制御装置によれば、請求項１〜４のいずれかの効果に加え、上記電圧判別回路部、上記論理和回路部をマイクロコンピュータで構成したので、制御装置をコンパクトにすることができる。
【０１００】
請求項６に記載のブラシレスモータによれば、本発明の回転制御装置を用い、複数のホール素子と選択インピーダンス素子とで構成されたインピーダンス変換回路部を固定子に設けているのでブラシレスモータの固定子の構造が簡単になり、また、この固定子からの信号線の本数も２本とすることができる。
【０１０１】
また、これらの複数のホール素子と選択インピーダンス素子は、固定子に限らず、ブラシレスモータの内部のいずれに設けてもよく、その場合にも、必要な部品の点数が少ないので、ブラシレスモータの構造が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のブラシレスモータの回転制御装置の基本構成を概念的に示すブロック図
【図２】 位置検出回路を組み込んだ本発明のブラシレスモータの回転制御装置の要部概略構成を示すブロック図
【図３】 （ａ）はインピーダンス変換回路部の諸特性の一覧表を示す図、（ｂ）は、その動作パターンの一覧表を示す図
【図４】 （ａ）はインピーダンス変換回路部の出力電圧、（ｂ）は電圧判別回路部の出力電圧、（ｃ）は論理和回路部の出力電圧
【図５】 本発明のホールスイッチのオフ、オン動作と、回転子と固定子との位置変化の関係を説明する図
【図６】 ピン実装された固定子用通電回路の構造を説明する図
【図７】 本発明の固定子の一例を示す一部破断の斜視図
【図８】 本発明のブラシレスモータの一例を示す分解斜視図
【図９】 本発明のブラシレスモータの他例を示す要部破断の正面図
【図１０】 従来のブレシレスモータの回転制御装置の複数のセンサに対する配線例を示す図
【符号の説明】
１ 回転子
２ 固定子
２ｂ（Ｈｕ，Ｈｗ，Ｈｖ） ホールスイッチ
２ｄ 通電回路基板
２ｆ ピン端子
１０ ブラシレスモータ
１１ インピーダンス変換回路部
１２ 電圧判別回路部
１３ 論理和回路部
１４ 断線短絡検知回路部
１５ コイル駆動回路部
１８ 位置検出回路
１９ マイクロコンピュータ
２０ 回転制御装置
Ｒ０ 基準インピーダンス素子
Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ 選択インピーダンス素子
ＳＷ１〜ＳＷ３ ホール素子

Claims (6)

1. 磁石で構成された回転子と、回転磁界を生成するコイルを有した固定子と、この固定子の各相に対応して配設された複数のホール素子を含んだ位置検出回路とを備えたブラシレスモータの回転制御装置であって、
   上記位置検出回路は、
   それぞれのホール素子のオン動作によって、相互に並列に付加接続される値の異なる選択インピーダンス素子を、上記ホール素子のオン、オフ動作に応じて、基準インピーダンス素子に選択的に接続させて、その合成インピーダンスを可変させる構成にし、上記ブラシレスモータの内部に実装されたインピーダンス変換回路部と、
   上記複数のホール素子のオフ、オンの組み合わせの動作パターンを識別するため、複数のしきい値が設定され、上記インピーダンス変換回路部の出力電圧を判別するための電圧判別回路部と、
   上記複数のホール素子のオフ、オン動作を、上記固定子に発生する相電圧の相順変化に同期させて検出するため、上記電圧判別回路部からの出力電圧の論理和をとる論理和回路部とを組み合わせて構成され、
   上記電圧判別回路部と上記論理和回路部は、上記ブラシレスモータの外部に実装され、かつ
   上記インピーダンス変換回路部と上記電圧判別回路部とは２線の信号線で接続されており、
   上記論理和回路部からは、上記回転子の位置検出信号が出力される構成にしていることを特徴とするブラシレスモータの回転制御装置。
2. 請求項１に記載のブラシレスモータの回転制御装置において、
   上記電圧判別回路部は、予め予定されるホール素子のオフ、オンの組み合わせの動作パターンのしきい値と、短絡、断線を識別するためのしきい値とを設定可能にしていることを特徴とするブラシレスモータの回転制御装置。
3. 請求項１〜２のいずれかに記載のブラシレスモータの回転制御装置において、
   上記固定子は、通電回路基板を有し、この通電回路基板に、上記選択インピーダンス素子と、上記ホール素子を内蔵したホールスイッチとを実装した構造にしていることを特徴とするブラシレスモータの回転制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のブラシレスモータの回転制御装置において、
   上記基準インピーダンス素子及び上記選択インピーダンス素子が抵抗器であって、上記固定子が三相の場合に、上記選択インピーダンス素子の異なる抵抗値の比率を、１：１．６〜２．２：４〜５としていることを特徴とするブラシレスモータの回転制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のブラシレスモータの回転制御装置において、
   上記電圧判別回路部、上記論理和回路部をマイクロコンピュータで構成したことを特徴とするブラシレスモータの回転制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のブラシレスモータの回転制御装置によって回転制御されるブラシレスモータであって、
   上記固定子の通電回路基板に、上記インピーダンス変換回路部を実装していることを特徴とするブラシレスモータ。

Images