JP6389028B2 - 医療用器具の電動モータを駆動する方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータによって駆動される工具を収容する手段を有する、医療用器具の電動モータを駆動する方法に関する。医療用器具は、特に歯科用外科器具またはいわゆる歯内治療器具とすることができる。さらに、本発明は、該当する器具を有する歯科医師用システムに関する。

歯科医師用器具は、器具内で使用される駆動装置の種類に関してしばしば区別される。以前は第一に、タービン駆動装置を有する器具が使用されていたが、電気的な駆動装置を有する器具も徐々に使用されてきている。というのは、この種の駆動装置においても、歯科医師の診療における然るべき装置に必要とされるような、駆動速度をすぐに達成することができるからである。電気的な駆動装置を有する歯科用器具の利点は、さらに、モータを適切に制御することによって、回転数とトルクを正確に調節できることにもある。

特に、インプラント技術で使用される歯科用器具においては、器具の工具から出力される、ないしは及ぼされるトルクがきわめて正確に調節されることが、きわめて重要である。この種の外科器具は、たとえば、ねじを切るために使用され、そのねじを用いて後にインプラントが骨内に螺合される。インプラントの後の機能性のために、インプラントを係止するための然るべきねじに誤りのないことが不可欠であり、それも、ねじを切る間該当する工具から骨へ加えられるトルクが固定的に予め定められた限界内に留まる場合にのみ、保証される。従って、特にこの種の用途においては、然るべく収容された工具を有する器具を正確に駆動することが不可欠であって、それは最終的に、電気的な駆動装置の使用によってのみ可能である。

この場合において使用される電動モータも、もちろん出力されるトルクに関してある程度のばらつきの影響を受けることがあり、それは、モータを形成する間に支配できない効果（影響）に起因する。電動モータの形成直後に適切な補正情報を把握して、後に駆動する際に考慮することはできるが、現実においてこれは実用的ではない。というのは、この補正値はモータ固有であって、１つの制御ユニットにおいて同一タイプの様々なモータを駆動することができるからである。たとえば、あるモータを利用することができ、同時にその前に利用されていた同一タイプのモータが殺菌される。さらに、時間の経過においてモータから所定の駆動点において出力されるトルクが変化することが、考慮されなければならない。従って医療用器具を後に利用する間も、電動モータの規則的な校正が不可欠である。

従来技術から、歯科医療分野で電動モータを校正するための種々の解決策が知られている。一般的な方法は、たとえばモータないしモータを搭載した器具が、機械的な制動システムを有する校正（キャリブレーション）システムと接続され、校正（キャリブレーション）が実行される。機械的な制動システムは、たとえば摩擦ブレーキ、粘性ブレーキまたはヒステリシスブレーキを有しており、電気機械的制動システムまたは渦電流ブレーキを有する複雑なシステムも知られている。従って、医療器具を制動システムと結合する間、その制動システムのトルクが医療器具から出力されることが、知られている。その場合に、その間に検出された、モータの駆動パラメータに基づいて、補正ファクター（補正係数）を求めることができ、器具から全体として出力されるトルクが所望の値に相当することを保証するために、その補正ファクター（補正係数）が後の駆動の間に補正に利用される。

この種の校正方法が、現在では広く普及している。もちろん欠点として、それが付加的な手動で実施すべき作業ステップであって、常にいくらかの時間を必要とすることが、明らかにされている。さらに、明らかに問題なのは、後の処置のために使用される工具によって校正が実施できないことである。というのは、校正システムは、通常殺菌されておらず、ないしは殺菌可能ではなく、従ってこの校正プロセスにおいて器具とモータ、そして特に工具の無菌性が失われてしまうからである。すなわち、通常は別体の器具である、これまで利用されていた校正システムにおいては、最終的に常に、後に実際に及ぼされるトルクに関して所定の不確実性が存在する。それでも電気的な駆動装置の確実かつ規則的な校正は不可欠である。というのは、−上ですでに示唆したように−使用されるモータは材料のばらつきに基づいて磁気システムに関して所定の誤差の影響を受け、器具はそれぞれ年数（年齢）と手入れ状態に従って異なる摩擦を有するからである。さらに、モータの駆動は、通常、歯科用処置器具、従ってデンタルユニットによって行われ、それに次々と同じタイプの複数のモータが接続されることが多い。というのは、その前に使用していたモータは、たとえばその間に清掃または殺菌されなければならないからである。従って、正確かつ信頼できる機能のためには、それぞれ個々の処置の開始前に迅速で、しかも正確に実施すべき校正が行われることが、不可欠である。

従って本発明の課題は、歯科領域において電気的な駆動装置をきわめて迅速、簡単にかつそれにもかかわらず正確に校正する、新しい可能性を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴を有する方法によって、かつ請求項９の特徴を有する歯科用（デンタル）システムによって、解決される。本発明の好ましい展開が、従属請求項の対象である。

本発明に係る方法は、処置の開始前かつ特に、たとえばインプランテーションのために直接設けられているシステムを用いて校正を自動的に実施することを可能にし、その場合にシステムの無菌性が損なわれることはない。さらに、本発明に基づく方法のために、付加的な機械的補助手段、すなわちブレーキなどは必要とされない。校正は、比較的短い時間内に快適に行われ、かつモータのきわめて正確な後の駆動を保証する。

その場合に本発明によれば、医療用器具の校正ステップの間、モータはその中に収容されている工具と共に少なくとも１つの駆動点（動作点）において駆動されて、この駆動点のために以下のパラメータが定められる：
・モータによるジェネレータ電圧ないしEMK（起電力）(die Generatorspannung bzw.EMK des Motors)
・モータの回転数、および
・モータのアイドリング電流消費(die Leerlaufstromaufnahme des Motors)

これらの測定されたパラメータに基づいて、その後、器具のためのアイドリング摩擦モーメントが計算され、それが、後の駆動の間、モータを駆動する際の補正ファクター（補正係数）として考慮される。

本発明に基づく方法の特異性は、方法がシステム自体によって自動的に実施でき、かつ特に、器具の機械的結合を必要とする、外部の測定装置が使用されないことにある。従って器具のユーザーによってもたらされる、誤りのある校正は、排除することができる。特に、もちろん−すでに述べたように−、器具の無菌性が損なわれないことが、保証されている。

本発明に基づく方法の好ましい実施形態によれば、校正ステップの間、モータは複数の駆動点において駆動されて、その場合にそれぞれ上述した３つのパラメータが定められる。種々の駆動点において検出されたパラメータに基づいて、その後、回転数に依存するアイドリング摩擦モーメントが計算され、それによって次に得られる電動モータの駆動が、さらに最適化される。

その場合に、アイドリング摩擦モーメントを計算するために、まず、いわゆるモータモーメント定数を定めることができ、それは、たとえば本出願人のWO2008/135138 A1に記載された方法に基づいて行うことができる。その後、アイドリング電流消費を用いて遡及計算することによって、器具ないしシステム全体のアイドリング摩擦モーメントをきわめて簡単かつ迅速に求めることができる。その場合に得られたデータは、すでに述べたように、後にモータを調整する場合に考慮され、かつ器具内とモータ内のモーメント発生および摩擦に関するモータの誤差を除去することを可能にする。従って後のすべての駆動点（動作点）において、きわめて正確かつ厳密なトルク調整（制御）が可能である。

本発明に基づく方法の改良形態（展開）は、校正ステップの間に測定され、かつ求められたデータ、特にモータによるジェネレータ電圧、モータモーメント定数および／またはそれから計算される摩擦モーメントが、蓋然性検査（妥当性検査）を受けることにある。従ってその場合に、測定され、かつ計算機で定められたパラメータが、前もって提供されるデータと比較される。これは、モータモーメント定数と許容される摩擦モーメントが製造業者（メーカー）にはわかっており、校正ステップの間に計算されたパラメータは初期値から著しくずれることはないので、可能である。しかし、著しくずれた場合には、利用者にそれについて指摘し、たとえば校正を繰り返すように要請することができる。それに対してモータモーメント定数および／または摩擦モーメントのための蓋然的な値が求められず、ないしはパラメータが許容される領域外にある場合には、利用者に警告またはエラー報告の枠内で、モータないしモータを有する器具を使用する前に、その正しい機能について検査すべきことを指摘することができる。場合によっては、この場合において、特に器具の駆動を阻止することができる。特に、蓋然性検査と結びついたこの自動的な校正は、さらに、特別な信頼性を提供する。というのは、システム全体の正しい機能が使用の直前に再度検査されるからである。それに対して後に処置の間に使用される、不具合のある器具は、患者の骨などに重大な損傷をもたらすことがあり、それが、本発明に基づく方法によって排除される。

本発明によれば、歯科領域において電気的な駆動装置をきわめて迅速、簡単にかつそれにもかかわらず正確に校正することが可能となる。

処置器具と器具を駆動するために設けられた制御システムとを有する、本発明に基づく歯科用（デンタル）システムを示している。 回転数に依存する（ｄｒｅｈｚａｈｌａｂｈａｎｇｉｇｅｎ）アイドリング摩擦モーメントを定めるための措置を模式的に示している。

以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

図１は、参照符号１を有する歯科用器具（デンタル器具）と器具１に供給し、かつ制御するために設けられている供給−／制御ユニット１０とからなる、本発明に基づくシステムを示している。デンタル器具１は、駆動ユニットとして電動モータ２を有しており、その場合に前方のハンドピース部分３が電動モータ２上に取り付けられており、かつ工具５を収容するための手段を備えたヘッド領域４を有している。ヘッド領域４の近傍において、前方のハンドピース部分３に、処置箇所を照明するための、器具照明を形成する光源６と場合によっては空気および／または水を出力（排出）するための放出手段７が設けられている。

器具１は、供給ホース８を介して供給−／制御ユニット１０と接続されており、その場合に供給ホース８を介して器具１の駆動に必要な媒体、特に電流が供給される。場合によってはホース８を介して空気、水および／または光の供給を行うこともできる。

その場合に、モータ２の駆動に関する中心的要素（セントラルエレメント）は、ユニット１０内にある制御部１１であって、それを介して特にモータ電圧とモータ電流を調節することができる。これらのパラメータが、モータ２の回転数およびモータ２によって発生されるトルクに影響を与えることを許容する。

基本的に、すべての歯科用の適用において、モータ２の駆動（制御）がきわめて正確かつユーザーの仕様（設定）に応じて正確に行われることが、望ましい。特に、器具１が外科用器具であって、たとえば工具５があごの骨内に後にインプラントを係止するためのねじを切るために設けられている場合に、モータ２が、工具５から正確に設定された値を有するトルクが及ぼされるように制御されることが、特に重要である。これは、以下で説明する本発明に基づく方法によって保証され、その場合にこの方法は、もちろん−上ですでに示唆したように−外科用器具においてだけでなく一般に、正確なモータ制御が望ましい場合に、使用することができる。

モータ２を正確に駆動（制御）するための前提は、モータ２、工具５へ通じる−図示されない−ドライブトレインおよび工具５自体からなる、システムの種々の構成要素が工具５から出力されるトルクにどの程度影響を与えるか、の認識である。その場合にエージング効果（劣化効果）などは、いわゆるアイドリング摩擦モーメントをもたらすことがあり、それは、後のモータ調整において考慮されなければならない。というのは、そうでないと実際に及ぼされるトルクが、所望の値に相当しなくなるからである。このように説明した本発明に基づく方法によって、処置の実施直前に考慮すべき補正ファクター（補正係数）に関する情報を得られることが保証され、従ってそれが、モータ２の正確な制御（調整）にプラスの効果をもって（ポジティブに）作用する。

その場合に、処置を実施する直前に、従って特に、挿入された工具５を有する器具１からなる完全なシステムをベースに、校正ステップが実施される。その場合にモータ２は少なくとも１つの駆動点（動作点）において、供給ユニット１０の制御部１１によって駆動され、この駆動点のために以下の３つのパラメータが定められる：
・モータ２による、生じるジェネレータ電圧（U_EMK）；
・モータ２の回転数；
・モータのアイドリング電流消費

そのために、供給-／制御ユニット１０の制御部１１の内部に、これら３つのパラメータの適切な検出を担う手段が設けられている。その場合にモータ２のための供給ライン（供給線）８内を流れる電流と印加される電圧を適切に監視して評価することによって、上述した３つのパラメータを高い精度で検出することができる。

その後、それに続くステップにおいて、いわゆるモータモーメント定数が計算され、その場合にそのために、たとえば特許文献WO2008/135138 A1に記載された方法を利用することができる。この文献（文書）において、モータモーメント定数を定めるための効果的なやり方が詳細に記載されており、従って以下において、これについては簡単に要約するだけにする。すなわち、たとえばモータ２が直流モータである場合に、モータはジェネレータ電圧の測定前に駆動電圧の印加によって回転を上げられる（起動される）。その後、駆動電圧がオフにされて、誘導性の駆動電流の減衰（沈静）後にジェネレータ電圧U_EMKと回転数ｎ_Motorの測定が行われる。これら２つの測定された値に基づいて、その後、モータモーメント定数ｋ_Mが、以下の式に従って計算される：

それに対してモータが３相同期モータである場合に、まずモータは負荷なしで駆動電圧の印加によって回転を上げられる。次に、駆動電圧がオフにされて、誘導性の駆動電流の減衰後にジェネレータ電圧が測定され、その場合に同時に回転数は、発生されたジェネレータ電圧の周期長さから求めることができる。従ってこの場合においては、特に簡単かつエレガントなやり方で、ジェネレータ電圧も回転数も定めることができる。その場合にモータモーメント定数は、次のように計算される：

上で述べたように、加えて、モータのアイドリング電流消費I_Motorも求められるので、その後、アイドリングにおけるモータモーメントM_Motに相当する、システム全体の摩擦モーメントM_reibが、以下のように計算される：

本発明に基づく方法の簡単な変形例において、この摩擦モーメントM_reibは一定と見なされて、後の駆動の間に考慮される。すなわち、工具５から出力すべきトルクのための所定の目標値が設定されている場合に、モータ２を駆動（制御）する場合に制御部１１によって、モータ２を然るべく正確なやり方で駆動するために、この目標値にさらに摩擦モーメントが付加されなければならないことが、考慮される。

校正のさらに正確な実施は次のことによって、すなわち校正ステップ内でモータ２が複数の駆動点において駆動されて、駆動点の各々についてそれぞれ摩擦モーメントが、上で説明したやり方に従って求められ−従ってモータモーメント定数が定められ、それに基づいて摩擦モーメントが計算されることによって、得ることができる。その後、その際に生じる値に基づいて、回転数に依存するアイドリング摩擦モーメントM_reib（ｎ_Motor）が定められ、それが図２に概略的に示されている。

図２は、４つの異なる駆動点、従ってモータの４つの異なる回転数において定められた、４つのアイドリング摩擦モーメントを示している。その場合にアイドリング摩擦モーメントが回転数に依存することは、図２に示すような、然るべき回帰直線Iによって近似することができる。この直線が直接原点を通って延びている場合に、直線Iについて以下の関係が生じる：

それに従って、回転数に依存する摩擦モーメントが後に計算される。

それに対して直線が−図示のように−原点に対してシフトされている場合に、より広い補正ファクター（補正係数）M_reib0が生じ、アイドリング摩擦モーメントは以下のように計算される：

その後、処置の間に後にモータを調整する場合に、このようにして計算された摩擦モーメントが、利用者によって望まれる出力モーメントM_anwenderに加算されるので、モータの調整のために以下の関係が生じる：

ないし基礎損失をもって

その場合に所望の出力トルクM_anwenderは、ユーザーによって設定され、特に器具の特殊な特性、すなわちギア変速と効率も、さらに考慮することができる。

従って回転数に依存するアイドリング摩擦モーメントを定めることによって、後に駆動する際の精度が著しく向上することが、明らかである。その場合に、図示の、回帰直線を利用する場合は、もっとも簡単なやり方であり、その場合に複雑な補償関数、特により高い直線の多項式、を使用することも、考えられる。

上述した校正プロセスは、供給−／制御ユニット１０によって自動的に実施されるので、このステップはきわめて迅速に、そして特にユーザーの関与なしで、行うことができる。従ってその場合に、誤操作は排除されている。

さらに、展開においては、測定されたモータによるジェネレータ電圧および／またはモータモーメント定数と摩擦モーメントのための計算された値が、信頼できる、ないしは蓋然的な領域の外部にある場合に、校正の繰り返しを自動的に実施することができる。連続する複数の校正も合理的ないし蓋然的な結果をもたらさず、ないしはパラメータが許容される誤差領域の外部にある場合に、その後警告またはエラー報告を出力し、あるいは特にモータないし器具の駆動を阻止することができる。それによって不具合のある器具の使用が、ほぼ排除される。その場合に、特にモータによるジェネレータ電圧に関する、蓋然性検査のこの考えは、医療用または歯科医療用の器具において一般にその駆動安全性を高めるために、システムの校正の考えに関係なく行うことができる。

最後に、上述した措置によってシステム全体の駆動信頼性をなお一層向上させることができる。その場合に後の処置のために直接設けられているシステムのために校正を実施することができ、従って考慮すべき補正ファクターに関するきわめて正確な情報が存在することも、特別な利点である。

Claims (11)

1. モータ（２）によって駆動される工具（５）を収容するための手段を有する、医療用器具の電動モータ（２）を駆動する方法であって、校正ステップの間、収容されている工具（５）と共にモータ（２）を少なくとも１つの駆動点において供給−／制御ユニット（１０）が駆動し、この駆動点のために以下のパラメータを前記供給−／制御ユニット（１０）が定め：
   ・モータ（２）によるジェネレータ電圧（U_EMK）、
   ・モータ（２）の回転数（ｎ_Motor）、
   ・モータ（２）のアイドリング電流消費（I_Motor）
   かつ、校正ステップの間に定められたパラメータである前記モータ（２）によるジェネレータ電圧（U_EMK）、前記モータ（２）の回転数（ｎ_Motor）、および前記モータ（２）のアイドリング電流消費（I_Motor）に基づいて器具（１）のためのアイドリング摩擦モーメント（Mreib）を前記供給−／制御ユニット（１０）が計算し、前記器具（１）を後に駆動する間、前記供給−／制御ユニット（１０）が前記アイドリング摩擦モーメントを前記モータ（２）を駆動する際の補正ファクターとして考慮し、
   校正ステップの間、前記供給−／制御ユニット（１０）が前記モータ（２）を複数の駆動点において駆動し、種々の駆動点において定められたパラメータに基づいて回転数に依存するアイドリング摩擦モーメント（M_reib（ｎ_Motor））を前記供給−／制御ユニット（１０）が定める
   医療用器具のモータを駆動する方法。
2. 前記モータ（２）によるジェネレータ電圧（U_EMK）、前記モータ（２）の回転数（ｎ_Motor）、および前記モータ（２）のアイドリング電流消費（I_Motor）は、前記供給−／制御ユニット（１０）が前記モータのための供給ラインの電流と電圧を監視し、前記供給−／制御ユニット（１０）が評価することによって検出される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 回転数に依存する前記アイドリング摩擦モーメント（M_reib（ｎ_Motor））を、前記供給−／制御ユニット（１０）が補償カーブに基づいて定める
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 補償カーブは直線である
   ことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記アイドリング摩擦モーメント（M_reib）を計算するために、まず、前記供給−／制御ユニット（１０）が前記モータ（２）によるジェネレータ電圧（U_EMK）および前記モータ（２）の回転数（ｎ_Motor）に基づいてモータモーメント定数ｋ_Ｍ を定める
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記器具（１）を利用する前に前記供給−／制御ユニット（１０）が、測定された前記モータによるジェネレータ電圧（U_EMK）、計算された前記アイドリング摩擦モーメントおよび／または前記モータ（２）によるジェネレータ電圧（U_EMK）および前記モータ（２）の回転数（ｎ_Motor）に基づいて計算されたモータモーメント定数の蓋然性検査を行う
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記モータによるジェネレータ電圧（U_EMK）、計算された前記アイドリング摩擦モーメントおよび／または前記モータ（２）によるジェネレータ電圧（U_EMK）および前記モータ（２）の回転数（ｎ_Motor）に基づいて計算された前記モータモーメント定数が、それぞれ許容される領域外にある場合に、前記供給−／制御ユニット（１０）が校正プロセスを繰り返す
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記モータによるジェネレータ電圧（U_EMK）、計算された前記アイドリング摩擦モーメントおよび／または前記モータ（２）によるジェネレータ電圧（U_EMK）および前記モータ（２）の回転数（ｎ_Motor）に基づいて計算されたモータモーメント定数が、許容される公差領域外にある場合に、前記供給−／制御ユニット（１０）が警告またはエラー報告を出力する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記モータによるジェネレータ電圧（U_EMK）、計算された前記アイドリング摩擦モーメントおよび／または前記モータ（２）によるジェネレータ電圧（U_EMK）および前記モータ（２）の回転数（ｎ_Motor）に基づいて計算されたモータモーメント定数が、許容される公差領域外にある場合に、前記供給−／制御ユニット（１０）が器具の駆動を阻止する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 医療用器具は、歯科用外科器具または歯内治療器具である
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. ・モータ（２）によって駆動される工具（５）を収容するための手段を有する、電動モータ（２）を有する医療用器具（１）と、
    ・電動モータ（２）を駆動するための供給−／制御ユニット（１０）と、
    を含む歯科医療システムであって、
    前記供給−／制御ユニット（１０）が、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法に従ってモータ（２）を駆動するように、形成されている、
    歯科医療システム。

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