JP6726101B2 - 同期機のための制御回路及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電圧供給部を備えた、歯科用のハンドピースの同期機のための制御回路と、同期機の回転数制御のための、該同期機のロータの回転位置を特定するための方法とに関するものである。

例えば歯科用のハンドピースのための電気的な駆動部として、複数の同期モータすなわちモータ動作における同期機が知られており、これら同期機では、ステータ内のロータが、移動する回転磁界と同期して共に回転する。

このような同期機の制御のために、回転するステータ磁界に対するロータ位置を動作中に検出することがさらに知られている。例えば、このためのセンサを設けることが、独国特許出願公開第１９５ ２７ ９８２号明細書から知られている。

欠点は、このようなセンサがさらなるコストとなること、及び例えば歯科用のハンドピースへのセンサの組込が衛生上の要求に基づき問題となり得ることにある。

ロータ位置の特定のための他の可能性は、ロータによって誘起される電気モータの力（ＥＭＫ）の測定である。ただし、このためにモータ巻線が無通電に接続される必要があり、これにより、駆動出力を提供しないある程度の時間が必要となる。この時間を短縮するために、例えば消磁することが知られているが、これにより、ブレーキトルクが生じることとなる。

結果的に、駆動トルクと不足したトルク又はブレーキトルクの間で絶えず交代がなされる。この絶え間ないトルクの交代により、不都合な振動及び騒音がもたらされることがある。

欧州特許出願公開第０ ９９３ １０８号明細書には、ＥＭＫ測定部を用いてロータの回転位置を検出するための方法及び装置が記載されている。この方法は、ステータ巻線内でロータによって誘起される電気モータの力（ＥＭＫ）を特定することに基づくものであり、他のステータ巻線が短絡され、予想されるゼロ交差の近傍での電気ギャップが生じる。

欠点は、測定がステータ電流のゼロ交差に依存することである。しかしながら、電流ゼロ交差の近傍で計測されなければ、これにより、巻線内における電流現在値に応じて、消磁に関して待機時間が大きく延長されることとなる。

本発明の課題は、回路と、同期機の動作の各時間におけるＥＭＫを特定し、モータ巻線をできる限り迅速に消磁し、測定時間を全体として短く維持することを可能とする方法を提供することにある。

この課題は、スイッチに接続されたクランプ回路を備えた電圧供給部を有する歯科用のハンドピースの同期機のための制御回路によって解決される。

クランプ回路によって、電圧供給の中断後に特に迅速な制御回路の消磁が達成され、これにより、非常に短時間でほぼ無通電の状態が設定され、電磁力（ＥＭＫ）の測定が可能となる。

これにより、同期機の電力供給のより長い中断が不要となり、これにより特に振動及び騒音が回避される。このため、このような同期機は、特に歯科用の例えば歯内治療のための手工具における使用に適している。

さらに、本発明による制御回路により、制御のためのブラシ又はセンサを有さないモータの提供が可能となる。

電圧供給部は、例えばフルブリッジであり得る。スイッチは、高出力の電子的なスイッチ、例えば電力アナログスイッチであり得る。測定の中断をできる限り短く維持するために、スイッチは非常に迅速であるべきである。

有利には、クランプ回路が制御回路のスターポイント又はシミュレーションされたスターポイントにクランプされている。

制御回路のスターポイントでのクランプにより、迅速な消磁と、これに伴う特に短い測定の中断とが可能となる。

このために、スターポイントは追加的なラインを介して直接引き出され得るか、又はこのラインにクランプされる。制御回路におけるスターポイントがシミュレーションされるとともにシミュレーションされたスターポイントにクランプされることで、この追加的なライン及びこれに関連した接触位置が削減される。このとき、スターポイントの位置は、調整された電圧を介してモータ相においてあらかじめ設定され得る。これにより、同期機の非対称性が考慮されるとともに、特に非常に小さな電圧の場合にもＥＭＫをまだ十分正確に測定することが可能である。

有利には、制御回路は、スターポイントを形成するコンデンサを備えている。

まさに歯科用途、例えば歯科用のハンドピースにおいては、空間条件が非常に制約されるため、スターポイントのシミュレーションによってスターポイントへの追加的なアクセス部を省略することが有利である。スターポイントの平均電圧を形成するコンデンサは、スターポイントのシミュレーションの特に単純な要素である。

有利には、制御回路は、スイッチを介してコンデンサに接続可能なスターユニットを備えている。

接続可能なスターユニットにより、同期機の始動前にコンデンサをスタート値に調整することが可能となる。したがって、コンデンサは期待されるべき値へあらかじめ荷電されることができ、これにより、同期機の始動段階を大幅に短縮することが可能である。

さらに、本発明は、同期機の回転数制御のための、該同期機のロータの回転位置を特定するための方法に関するものである。この方法は、同期機の動作中に、同期機の電流供給が全体継続期間の間遮断され、クランプ回路が、時間インターバルの間同期機のスターポイントに接続されるように設定されている。時間インターバルの後、電磁力（ＥＭＫ）が測定され、この電磁力に基づき、回転位置が特定される。

クランプ回路の短時間の接続により、同期機の少なくともほぼ無通電の状態をできる限り迅速に得ることが可能となり、これにより、ＥＭＫの測定が特に短時間で可能である。これにより、同期機の電力供給のより長い中断と、これにより生じる振動及び／又は騒音が回避される。そのため、本方法は、例えば歯内治療のための歯科用のハンドピースにおける使用に適している。

有利には、ＥＭＫが高インピーダンスに測定される。これにより、同期機の巻線に対する直列抵抗における電圧降下の作用が最小化されるとともに、無視されることが可能である。測定を行う抵抗は、このために、巻線のオーム抵抗の割合よりも少なくとも１０，０００倍大きくあるべきである。高インピーダンスに測定されない場合には、対応する定数が既知であれば、このような電圧降下を測定値から算出することが可能である。

有利には、スターポイントがコンデンサによって表され、及び同期機の動作のための電力供給をオンにする前にコンデンサが期待値へ荷電される。

コンデンサは、スターポイントをシミュレーションし、測定のための追加的なアクセス部を省略する単純な可能性を表すものである。しかしながら、始動の後、コンデンサが一定の値に到達し、スターポイントが形成されるまで、始動段階中にある程度の時間がかかる。コンデンサを期待される値へあらかじめ荷電することにより、始動時間を短縮することが可能となる。

有利には、ＥＭＫは、ロータの回転ごとに複数回測定される。

複数回の測定により、エラーを回避することが可能となる。このために、クランプ後に連続して複数回測定することができるとともに、測定値間の変化を特定することができる。測定値から測定値への変化が最小であれば、さらなる測定はもはや不要である。したがって、測定の中断が終了し、同期機の電圧供給部が再び接続される。これにより、ＥＭＫの特定のために設定された測定の中断がさらに短縮される。

本発明による制御回路及び本発明による方法を図面に基づき説明する。これら図面について：
制御回路を有する同期機を示す図である。 ロータの回転位置を特定するための方法の概略的な図示である。 制御回路の別の形態を示す図である。

図１には、フルブリッジとして形成された電圧供給部２と、スター３に接続された３つのステータ巻線４とを有する同期機１が図示されている。フルブリッジ２は、それぞれリード線５を介して１つのステータ巻線４に接続されている。リード線５には、それぞれ１つのクランプ及びスイッチ６を介してクランプ回路７が取り付けられている。

ロータの回転位置の測定のための方法についての切換・接触状態Ｓが図２に概略的に図示されており、閉鎖された切換状態又は接触状態がｚで、開放された切換状態又は非接触がａで示されている。フルブリッジ２を介した電力供給が中断される。このためにフルブリッジ２は例えばスイッチ９を備えることができ、このスイッチの切換状態が実線として図示されている。この段階では、同期機１はいわば発電機として動作している。ただし、この発電機によって生成される電圧は、誘導電流によって生じた電圧に重ね合わされる。無負荷状態をできる限り迅速に形成するために、クランプ回路７の接続により、スイッチ６を用いてクランプ回路７の抵抗負荷によって消磁される。このために、クランプ回路７は、例えば図１に図示された複数の抵抗８を備えることが可能である。

クランプ回路７は、少なくとも短い時間インターバルＴ１において接続される。クランプ回路７あるいはスイッチ６の切換状態は、図２において破線として図示されている。これにより達成される消磁の後、あるいは時間インターバルＴ１の経過後、スイッチ６が再び開放され、クランプ回路７が再び切り離される。いまや、同期機１はほぼ無通電で動作し、ＥＭＫがスターポイント３に対して高インピーダンスに測定される。エラーを最小限に維持するか、あるいはできる限り無通電の状態を達成するために、複数の抵抗１３及びできれば複数の抵抗８も高インピーダンスに選択されるべきである。走査が図２において点線で図示されている。つづいて、フルブリッジ２を介して同期機１の電力供給部が再び接続される。

したがって、電力供給の中断の全体継続時間Ｔ２は、時間インターバルＴ１及びＥＭＫの測定に必要な時間インターバルＴ３から生じる。同期機の消磁がクランプ回路７を用いて特に迅速に可能であることにより、時間インターバルＴ２が非常に短く維持され得るため、全体継続時間は特に短くなる。

ＥＭＫの測定に必要な時間Ｔ３をできる限り短く維持するために、ＥＭＫは、例えばクランプ後に、すなわち時間インターバルＴ１への接続において何度もできる限り迅速に連続して測定されることができ、かつ、測定値をそれぞれ以前のものと比較することが可能である。測定値がもはや変わらないか、あるいは変化が例えばあらかじめ設定した限界値よりも小さい場合には、時間インターバルＴ３が終了し、すなわち測定が中止され、同期機１の電力供給部が再び接続される。

ＥＭＫの測定は、図１に図示された第１の実施形態においては測定を介してではなく直接スターポイント３で行われる。なぜなら、このために追加的なラインが必要となるとともに、対応するアクセス部が例えば歯科用モータにおいてはしばしば空間的な理由及び／又はコストの理由から削減されるためである。むしろ、スターポイント３は、この実施例では、抵抗１３及びコンデンサ１０を用いて再現される。このために、コンデンサ１０は、抵抗１３を介してリード線５に接続されている。これにより、スターポイント３は、パッシブにシミュレーションされる。

コンデンサは高インピーダンスの抵抗１３を介してステータ巻線４へ結合され、その結果、コンデンサでは、平均スターポイント電圧を測定することが可能である。

抵抗が高インピーダンスでなければ動作が阻害されることから、抵抗１３が高インピーダンスでなければならないため、同期機１の起動後比較的長く、平均スターポイント電圧がコンデンサ１０において形成され、阻害されない動作が可能であるまで継続する。できる限り迅速にコンデンサ１０の安定的な値を達成するために、図１の実施例では、さらに、あらかじめ設定可能な開始条件を有する開始ユニット１１がスイッチ１２を介してコンデンサ１０に接続されている。開始ユニット１１は、例えばあらかじめ設定された電圧値を有する電圧源であってよい。同期機の起動前及び／又は起動時にスイッチ１２を閉鎖することが可能であるとともにコンデンサ１０をあらかじめ荷電することが可能であり、その結果、コンデンサが所期のスターポイントに対応する。つづいて、スイッチ１３が、再び開放され、同期機１の残りの動作継続時間の間にも開放されたままとなる。

したがって、開始ユニットを用いて、スターポイントのパッシブなシミュレーションを少なくとも初めはアクティブに初期値へ設定することが可能である。コンデンサをあらかじめ荷電することで、始動時の困難を回避することができるか、又は少なくとも落ち着かない始動時間を短縮することが可能である。

図３に図示するように、ＥＭＫをアクセス部１４を介して直接スターポイント３に接続し、これによりコンデンサ１０及び開始ユニット１１を省略することも可能である。

Claims (7)

1. 駆動用スイッチ（９）を有する電圧供給部（２）を備えた、
   同期機（１）の回転数を制御するための歯科用ハンドピースの同期機（１）のための制御回路であって、
   前記駆動用スイッチ（９）からの出力は、リード線を介してスターポイント（３）を有するモータのステータ巻線（４）に接続されており、
   クランプ回路（７）は、クランプスイッチ（６）と、抵抗器（８）と、コンデンサ（１０）とを備えており、
   前記コンデンサ（１０）は、前記クランプスイッチ（６）を閉じた後に同期機（１）を消磁するために、前記抵抗器（８）と前記クランプスイッチ（６）とを介してモータの前記ステータ巻線（４）に接続されており、そして、
   前記コンデンサ（１０）は前記スターポイント（３）の電圧をシミュレートする、制御回路。
2. 前記コンデンサ（１０）は、前記クランプ回路（７）にクランプされている、請求項１に記載の制御回路。
3. 前記制御回路は、設定電圧を有する開始ユニット（１１）と開始ユニット用スイッチ（１２）とを有しており、前記スターポイント（３）の電圧値を期待値に設定するために、前記開始ユニット用スイッチ（１２）を閉じたとき、前記開始ユニット（１１）が設定電圧を前記コンデンサ（１０）にあらかじめ荷電する、請求項１又は２に記載の制御回路。
4. 制御回路を用いて歯科用ハンドピースの同期機（１）の回転数を制御する方法であって、
   前記制御回路は、
   前記同期機（１）は駆動用スイッチ（９）を有する電圧供給部（２）を備えており、
   前記駆動用スイッチ（９）からの出力は、リード線を介してスターポイント（３）を有するモータのステータ巻線（４）に接続されており、
   クランプ回路（７）は、クランプスイッチ（６）と、抵抗器（８）と、コンデンサ（１０）とを備えており、
   前記コンデンサ（１０）は、前記クランプスイッチ（６）を閉じた後に同期機（１）を消磁するために、前記抵抗器（８）と前記クランプスイッチ（６）とを介してモータの前記ステータ巻線（４）に接続されており、そして、
   前記コンデンサ（１０）は前記スターポイント（３）の電圧をシミュレートする、方法。
5. 前記同期機（１）のロータの位置を決定するための、請求項４に記載の方法であって、
   （ａ）前記駆動用スイッチ（９）を有する電流供給を含む前記同期機（１）のための制御回路を提供し、前記制御回路は、前記駆動用スイッチ（９）からの出力は、リード線を介して前記スターポイント（３）を有するモーターの前記ステータ巻線（４）に接続されており、前記クランプ回路（７）は、前記クランプスイッチ（６）、前記抵抗器（８）、及び前記コンデンサ（１０）を含み、前記コンデンサ（１０）は前記抵抗器（８）と前記クランプスイッチ（６）とを介してモーターの前記ステータ巻線（４）に接続されており、
   （ｂ）前記コンデンサ（１０）を前記スターポイント（３）の期待値まで充電することによって、前記コンデンサ（１０）は前記スターポイント（３）の電圧を受動的にシミュレートし、前記コンデンサ（１０）は開始ユニット用スイッチ（１２）を介して設定電圧を有する開始ユニット（１１）に接続されており、
   （ｃ）前記駆動用スイッチ（９）を開いて、前記同期機（１）への電流供給を全体継続期間（Ｔ２）の間遮断し、
   （ｄ）同期機がまだ回転している間に時間インターバル（Ｔ１）の間クランプスイッチ（６）を閉じ、
   （ｅ）時間インターバル（Ｔ１）後に前記クランプスイッチ（６）を開き、
   （ｆ）時間インターバル（Ｔ３）中に誘導電磁力（ＥＭＫ）を測定し、
   （ｇ）前記ＥＭＫからロータの位置を決定する、方法。
6. 前記ＥＭＫが、高インピーダンスで測定される、請求項５に記載の方法。
7. 前記ＥＭＫが、前記ロータの回転ごとに複数回測定される、請求項５に記載の方法。

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