(57)【要約】【課題】センサレスブラシレスＤＣモータをスムーズに動作する駆動方法の提供。【解決手段】課題を解決するには、３相ブラシレスモータを制御する駆動装置において、３相に通電する駆動手段と、駆動手段の制御手段と、相の端子電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段の検出値を記憶する記憶手段と、を備え、第１の状態として、３つの相の内、２つの相に通電させて通電相とした状態において、電圧検出手段は、３相のうち通電していない非通電相の第１の電圧を検出して記憶手段に記憶し、第２の状態として、全ての相に通電を行っていない状態において、電圧検出手段は、第１の状態において非通電相であった相の第２の電圧を検出して記憶手段に記憶し、制御手段は、第１の電圧と第２の電圧に基づき、駆動手段により通電する相を切り替える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つの相により回転駆動するブラシレスモータを制御するモータ駆動装置において、
３つの前記相に通電する駆動手段と、
前記駆動手段を制御する制御手段と、
いずれかの前記相の端子電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段の検出値を記憶する記憶手段と、を備え、
第１の状態として、３つの前記相の内、２つの前記相に通電させて通電相とした状態において、前記電圧検出手段は、前記相のうち通電していない非通電相の第１の電圧を検出して前記記憶手段に記憶し、
第２の状態として、全ての前記相に通電を行っていない状態において、前記電圧検出手段は、前記第１の状態において非通電相であった前記相の第２の電圧を検出して前記記憶手段に記憶し、
前記制御手段は、前記第１の電圧と前記第２の電圧に基づき、前記駆動手段により通電する相を切り替えることを特徴とするブラシレスモータの駆動装置。
【請求項２】
前記電圧検出手段は、前記第１の状態から前記第２の状態に切り替えた後、前記ブラシレスモータに還流電流が流れ続けている間に、前記第２の電圧を検出することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータの駆動装置。
【請求項３】
前記駆動手段が、前記ブラシレスモータを回転駆動するために通電相を切り替えた後、前記制御手段は、前記第１の電圧から前記第２の電圧を減算して第１の数値を求め前記記憶手段に記憶し、
その後、前記制御手段は、前記第１の電圧から前記第２の電圧を減算して第２の数値を繰り返し求めて前記記憶手段に記憶し、
前記制御手段は、前記第２の数値が前記第１の数値と、逆極性かつ絶対値が同一となったときに、モータを回転させるために、次の通電相に切り替えることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のブラシレスモータの駆動装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３に記載のブラシレスモータの駆動装置により制御されることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項５】
請求項４に記載のブラシレスモータを用いた医療用ハンドピース。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホール素子等のセンサを用いないでステータコイルに対するロータの位置検出を行うセンサレスのＤＣブラシレスモータに関し、特に、低速度の回転領域であっても、ロータの位置検出が可能なモータ制御装置と、このモータ駆動装置を用いたブラシレスモータと、このブラシレスモータを用いた医療用ハンドピースに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、広く歯科や外科の治療に用いられる医療用ハンドピース（以下、ハンドピース）の駆動源として、ＤＣブラシレスモータ（以下、ブラシレスモータ）が用いられている。ハンドピースは、歯牙や骨の切削を行うものであり、ヘッドの部分に回転して切削する刃を有する。この刃は、ファイル又はリーマといわれるものであり、切削工具である。
このようなハンドピースは、使用時に患者又は使用者に対しての感染を予防するために、あらかじめ滅菌処理を行う必要がある。従って、ハンドピースの刃を回転させるために用いられる駆動用のブラシレスモータには、滅菌処理に耐えることが可能な性能が求められている。
このようなハンドピースの滅菌処理は、一般的にオートクレーブが用いられる。オートクレーブは、機器内部にハンドピースを保持する空間を有し、この空間内部を約１２０〜約１３５度の水蒸気で満たし、高温・高圧の状態に保つことにより、ハンドピースの滅菌を行う装置である。
【０００３】
しかしながら、ホール素子等の磁極位置センサを用いて、ステータコイルに対するロータのマグネットの磁極の相対位置を検出して、これに基づき、回転駆動を行うブラシレスモータは、磁極位置センサとその周辺回路が高温・高圧状態の水蒸気によって劣化し故障する恐れがある。
このため、医療用ハンドピースに用いられる駆動用モータは、磁極位置センサを用いないで回転駆動制御を行うセンサレス方式のブラシレスモータが望まれている。
【０００４】
このセンサレス方式のブラシレスモータの制御には、ロータマグネットの回転によってステータコイルに発生する逆起電圧を利用する方法がある。この方法は比較的簡易ではあるが、低速度領域では逆起電圧が極小になるため検出が困難で利用できない。
そこで、低速度領域で駆動する用途には、ロータの位置によってステータコイルのインダクタンスが変化する現象を利用する。
インダクタンスの変化は、ロータの回転数には関係なく、位置に依存して発生するため、静止時及び低速度領域での利用が可能である。この静止時及び低速度領域での位置センサレス制御については、様々な方法が提案されている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、ステータコイルに短パルス電流を順方向と逆方向に順次流し、非通電相に現れる誘起電圧を、順方向と逆方向で合成し、誘起電圧の極性判定から通電相を決定する方法が開示されている。
また、特許文献２には、短パルス電流を流して、ロータの静止位置の違いによって微妙に変化するインダクタンスの差で生じるキックバック時間の差に基づいて、ロータ静止位置の識別を行う方法が開示されている。
また、特許文献３には、モータに短時間通電を行って、非通電相のコイルに誘起される電圧を検知し、誘起電圧の振幅からロータの磁極位置を検出する方法が開示されている。
また、特許文献４には、非通電相のコイルに誘起される電圧を検知して基準電圧と比較し、その結果に応じて通電相を切り替える方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２７５３８７号公報
【特許文献２】特開２００２−３３５６９１号公報
【特許文献３】特開２００３−１８９６７４号公報
【特許文献４】特開２００９−１８９１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、各特許文献に開示されている方法で、歯科や外科において用いられるハンドピースにおいて、駆動用のブラシレスモータを低速で駆動すると様々な課題がある。
特許文献１に開示されている方法では、ステータコイルに短パルス電流を順方向と逆方向に順次流すので、これを低速駆動に用いようとすれば、所望の電流とは逆の電流が流れる期間が生じることにより、スムーズな動作を妨げるという課題がある。
【０００８】
また、特許文献２に開示されている方法では、短パルス電流を流して、ロータの静止位置の違いによって微妙に変化するインダクタンスの差で生じるキックバック時間の差を検出する。このキックバック時間は、ロータの静止位置の違いによって変化するだけでなく、低速駆動時には、負荷によっても変化する。
従って、刃による切削に係る負荷変動がある歯科、外科治療で用いるハンドピースを駆動するモータに適用することが難しいという課題がある。
【０００９】
更に、特許文献３及び特許文献４に開示されている方法では、非通電相のコイルに誘起される電圧を検知し、その振幅を参照、或いは、基準値と比較するので、製造上の誤差によって生じるステータコイルのばらつきにより、検知精度が影響を受けやすい。
従って、製造上の誤差やばらつきによる影響を抑制するために、モータ個体ごと、或いは、相ごとに値を補正する作業が必要となるという課題がある。
【００１０】
特に、ブラシレスモータを低速で駆動するなどして、刃の回転をコントロールして、少しずつ歯牙や骨等の切削の程度や加減を調整するような使い方をする歯科や外科用のハンドピースでは、以上のような課題がある場合、使用者が繊細な操作をすることが難しくなる。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためのものであり、ロータの位置によってステータコイルのインダクタンスが変化する現象を利用して、ロータの位置検出する場合に、ステータコイルに一方向に電流を流した後、更に、逆方向に流す必要が無く、低速でのスムーズな動作の駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
課題を解決するためには、３つの相により回転駆動するブラシレスモータを制御するモータ駆動装置において、３つの相に通電する駆動手段と、駆動手段を制御する制御手段と、いずれかの相の端子電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段の検出値を記憶する記憶手段と、を備え、第１の状態として、３つの相の内、２つの相に通電させて通電相とした状態において、電圧検出手段は、相のうち通電していない非通電相の第１の電圧を検出して記憶手段に記憶し、第２の状態として、全ての相に通電を行っていない状態において、電圧検出手段は、第１の状態において非通電相であった相の第２の電圧を検出して記憶手段に記憶し、制御手段は、第１の電圧と第２の電圧に基づき、駆動手段により通電する相を切り替えるように構成すれば良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、センサレスのブラシレスモータの駆動において、ロータの位置によってステータコイルのインダクタンスが変化する現象を利用して、ステータコイルに対するロータの位置検出する場合に、モータ端子電圧を参照して、ステータコイルのインダクタンスを変化を捉えて位置検出するので、負荷変動によるモータ電流の変化に関わらず、低速回転で駆動制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】モータ駆動装置に接続するブラシレスモータと歯科用ハンドピースの概略図
【図２】駆動装置とこの駆動装置に接続するブラシレスモータの回路図
【図３】ブラシレスモータにおいて、ロータ磁石と各相の関係を示す概略図
【図４】図３の角度θｄに対する各コイルのインダクタンスの変化を示すグラフ
【図５】モータの通電状態の一例であり、Ｖ相とＷ相に通電してＵ相を非通電にした状態を示す等価回路
【図６】ロータ磁石の位相に対する中性点電圧のグラフ
【図７】モータの正逆回転制御の制御ステップを示すフローチャート
【図８】Ｕ相が非通電相である状態を示すインバータ及びモータの等価回路
【図９】図８の状態から全てのスイッチング素子をオフした直後の状態の等価回路
【図１０】図８と図９の状態におけるモータ端子電圧の状態を示すグラフ
【図１１】モータ端子電圧から中性点電圧である第１の電圧と第２の電圧をサンプリングする様子を示すグラフ
【図１２】ロータ磁石の回転によって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータコイルに発生する逆起電圧を示すグラフ
【図１３】図１２の逆起電圧が図１１のＵ相端子電圧に重畳した様子を示すグラフ
【図１４】一般的なコイルの両端に電圧Ｖｄを印加、遮断を繰り返した場合の波形を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明のモータ駆動装置Ｍ（以下、駆動装置Ｍ）と、この駆動装置Ｍにより駆動されるセンサレスＤＣブラシレスモータ４（以下、モータ４）と、このモータ４が接続する歯科用ハンドピースＨ（以下、ハンドピースＨ）の概略構成を示す図である。
ハンドピースＨは、モータ４により得られる回転トルクを前端のヘッドに位置する刃Ｈａに伝達し、刃Ｈａを回転駆動する。使用者はハンドピースＨを握り、回転する刃Ｈａにより歯牙等を切削する。
【００１６】
図２は、本発明の駆動装置Ｍとこの駆動装置Ｍに接続するモータ４の回路図を示す。
駆動装置Ｍは、インバータ１と制御手段３とロータ位置検出回路５（以下、位置検出回路５）を有する。制御手段３は、記憶手段を有する。モータ４は、３相のステータコイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗ（以下、コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）を有し、インバータ１に接続する。
インバータ１は、モータ４の駆動手段であり、６個のスイッチング素子（Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−）を有する。直流電源２は、このインバータ１に電圧Ｖｄを供給する。制御手段３は、インバーター１のコントローラであり、６個のスイッチング素子を適宜オン，オフする。これにより、コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる電流が適宜変化し、ロータが回転する。
【００１７】
位置検出回路５は、モータ４において、コイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対するロータ磁石４ａの磁極の相対位置を検出するための回路でり、モータ４のコイルＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗと接続する端子とインバータ１の間に接続する。また、位置検出回路５は、分圧回路５ａ，５ｂ，５ｃと増幅器５ｄ，５ｅ，５ｆを有する。
分圧回路５ａ，５ｂ，５ｃは、モータ端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを検出する電圧検出手段である。この分圧回路５，６，７は、モータ端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを各々低電圧にして電圧信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を制御手段３に出力する。制御手段３は、入力した電圧信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を記憶手段に記憶し、これに基づき、後述する中心電圧Ｖｎ，Ｖｎ’を検出する。
増幅器５ｄ，５ｅ，５ｆは、モータ端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの相間電圧を増幅し、電圧信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を制御手段３に出力する。制御手段３は、入力した電圧信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を記憶手段に記憶し、これに基づき、逆起電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗを検出する。
【００１８】
つまり、位置検出回路５は、３つの相のコイルに対応するモータ端子電圧（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を検出したり、各コイル間の電圧を比較する。そして、検出したモータ端子電圧等に係る信号は、制御手段３に出力される。制御手段３は、端子電圧に係る検出値等を制御手段に記憶する。制御手段３は、これらの検出信号に基づいて、インバーター１を制御して、モータ４の駆動制御を行う。
尚、ＶｕはＵ相の端子電圧であり、ＶｖはＶ相の端子電圧であり、ＶｗはＷ相の端子電圧である。また、ｅｕはＵ相に生じる逆起電圧であり、ｅｖはＶ相に生じる逆起電圧であり、ｅｗはＷ相に生じる逆起電圧である。
【００１９】
次に、図３は、モータ４において、ロータ磁石４ａと各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の関係を示す概略図である。角度θｄ は、Ｕ相コイルＬｕとロータ磁石４ａのなす角度を示す。言い換えると、角度θｄは、モータ４のロータの回転中心とＵ相のコイルの磁気中心をつなぐ直線を基準としたロータ磁石４ａの磁極方向直線の傾きの角度である。
【００２０】
次に、図４は、角度θｄに対するコイルインダクタンスの時間経過に対する変化を示すグラフである。つまり、図４は、角度θｄの値によって、モータ４の各コイルのコイルインダクタンスが変化する様子を示す。尚、ＬｕはＵ相のインダクタンスを示し、ＬｖはＶ相のインダクタンスを示し、ＬｗはＷ相のインダクタンスを示す。
コイルインダクタンス（Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）は、回転するロータ磁石４ａの磁束の影響により、モータ４が１回転する０度から３６０度の間に、２度のピークを持つように変動する。
コイルインダクタンスが、ロータ磁石４ａの位置によって変動するため、この変化を捉えれば、ステータコイルに対するロータ磁石４ａの位置を検出可能である。尚、実際のモータ４のインダクタンス変化は、磁束飽和の影響などでなめらかな正弦波にはならないが、模式的に示している。
【００２１】
ここで、コイルインダクタンスの変化を検知するには、特許文献２に示すようにモータ電流によって生じるキックバック時間の長短を比較する方法がある。
モータコイルに通電した後、インバータのスイッチング素子をオフすると、コイルのインダクタンスに蓄えられたエネルギーがなくなるまで、キックバック電圧が発生する。インダクタンスが大きくなると、キックバック時間は長くなるので、キックバック時間の長短を比較すればロータ磁石の位置を検出できる。
しかし、キックバック時間は、モータ負荷の増減によってモータ電流が変動することによっても発生するので、モータ駆動中に負荷変動がある場合には適用が難しい。
【００２２】
そこで、モータ４に流れる電流の変化に影響を受けない方法として、モータ４の中性点電圧Ｖｎ，Ｖｎ’を検出して、モータ４のインダクタンス変化を検知する方法がある。
中性点電圧Ｖｎ，Ｖｎ’は、インバータのスイッチング素子がオンオフした直後は、通電相の２相のインダクタンス比で決まる。インダクタンス比は、ロータ磁石４ａの位置によって変化するので、中性点電圧Ｖｎ，Ｖｎ’の変化を捉えれば、ロータ磁石４ａの位置を検出することができる。
１２０度通電制御において、モータ４の３相のうち２相を通電させた状態で、非通電相のコイルに電流が流れていない場合、中性点電圧Ｖｎ，Ｖｎ’と非通電相のモータ端子電圧は同じである。本発明では、非通電相のコイルに電流が流れていない状態における非通電相のモータ端子電圧を検出して、これに基づきロータ磁石４ａの位置を検出する。
【００２３】
図５は、モータ４の通電状態の一例であり、Ｖ相とＷ相に通電して、Ｕ相を非通電にした状態を示す。回路内には電圧Ｖｄが印加されている。
特に、図５（ａ）は、インバータ１のスイッチング素子Ｖ＋，Ｗ−をオンした状態の等価回路を示す。また、図５（ｂ）は、インバータ１のスイッチング素子Ｖ−，Ｗ＋をオンした状態の等価回路を示す。
【００２４】
モータ４に流れる電流は、図５（ａ）ではＶ相からＷ相のコイルへ流れ、図５（ｂ）の状態ではＷ相からＶ相へ流れる。つまり、図５（ｂ）の状態の場合、電流の流れる向きは、図５（ａ）の状態の電流の流れの逆向きとなる。
この時、Ｕ相は電流は流れず非通電相となり、中性点電圧ＶｎとＵ相のモータ端子電圧Ｖｕは同じである。先述したように、コイルインダクタンス（Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）は、ロータ磁石４ａの角度θｄによって図４のように変化する。
【００２５】
Ｌｖを式１、Ｌｗを式２で表す。ここで、Ｌ０はインダクタンスが変化しない固定値を示し、Ｌ１はインダクタンスが変化する振れ幅を示す。実際のインダクタンスは、両者が加わったものになる。
Ｌｖ＝Ｌ０−Ｌ１・ＣＯＳ（２（θｄ−２π／３）） - - - 式１
Ｌｗ＝Ｌ０−Ｌ１・ＣＯＳ（２（θｄ＋２π／３）） - - - 式２
【００２６】
このとき中性点電圧Ｖｎは、図５（ａ）の通電状態では式３で、図５（ａ）の通電状態では式４で表される。
Ｖｎ  ＝Ｌｗ／（Ｌｖ＋Ｌｗ）・Ｖｄ - - - 式３
Ｖｎ’＝Ｌｖ／（Ｌｖ＋Ｌｗ）・Ｖｄ - - - 式４
【００２７】
図６は、ロータ磁石４ａの位相に対する中性点電圧のグラフである。つまり、図６は、式３ 、式４をグラフにしたものである。
θｄが−３０度から＋３０度の範囲内のとき、非通電相をＵ相とする。このときＶｕ には、モータ４に流れる電流の方向に応じて、Ｖｎ又はＶｎ’の電圧が現れる。
モータ４の回転駆動について説明する。制御手段３は、ある通電相が別の通電相に切り替わった直後の位相をθｄ１として、このときのＶｎとＶｎ’を検知して記憶手段に記録する。また、ＶｎからＶｎ’を減算して得た振幅Ａを記録する。
【００２８】
その後、ＶｎとＶｎ’を周期的に連続して検出し、同様にその都度、ＶｎからＶｎ’を減算して振幅Ｂを計算する。θｄがθｄ２まで移動したとき、振幅Ｂは振幅Ａと極性が逆で絶対値は同じとなる。この条件が成立したときに、通電相を切り替える。
一般的に１２０度通電制御では、ロータ磁石４ａの位置に応じて、通電相を６０度毎に切り替えるので、前述の動作を繰り返し実行すると、ロータ磁石４ａの位置に応じて通電相が６０度毎に切り替わりモータを回転駆動できる。
【００２９】
次に、図７を参照して、モータ４の正逆回転制御について説明する。図７は、モータ４の正逆回転制御の制御ステップを示すフローチャートである。
本実施の形態のモータ４は、ホール素子等のロータの位置検出手段を有さないので、回転駆動していない状態では、ロータ磁石４ａの初期位置推定はできない。そのため、制御手段３は、ＳＴＥＰ１で既知の初期位置推定方法を使って、ロータ磁石の位置を求めておく。尚、初期位置推定方法として、例えば、ステータコイルに、ロータが動かない程度のパルス電流を流し、ロータ毎の電圧を検知して、これに基づき推定する方法などがある。
【００３０】
次に、ＳＴＥＰ２において、制御手段３は、ロータ磁石４ａの位置に応じて、インバータ１に通電信号を出力して所定のステータコイルに通電する。このとき、モータ４に回転トルクが発生する。
次に、ＳＴＥＰ３において、位置検出回路５は、非通電相のモータ端子電圧を検出し、制御手段３に出力する。制御手段３は、非通電相に電流が流れていないときは、モータ端子電圧は中性点電圧と同じであるから、ＶｎとＶｎ’を検知して記録する。
【００３１】
次に、ＳＴＥＰ４では、制御手段３は、ＶｎからＶｎ’を減算して振幅Ａを求め、この振幅Ａを記憶手段に記録すると共に、このＶｎからＶｎ’を減算した値が振幅Ａより大きいか判断する。
図６のθｄ１の左側のように、ＶｎからＶｎ’を減算した値が振幅Ａより大きい場合、ＳＴＥＰ７に移行する。この場合、モータはθｄが減少する逆方向に回転しているので、ＳＴＥＰ７において、制御手段３は、インバーター１を制御し、逆転方向に合った通電相へ切り替え、ＳＴＥＰ２に移行する。図に示した例ではＵ＋，Ｗ−である。
【００３２】
次に、ＶｎからＶｎ’を減算した値が振幅Ａより小さい場合、ＳＴＥＰ５に移行する。図６のθｄ２の右側は、ＶｎからＶｎ’を減算して得た振幅Ｂが、既に記録した振幅Ａの絶対値より大きく、かつ、極性が逆となる。
ＳＴＥＰ５では、この条件が成立しているか判定する。成立していれば、モータはθｄが増加する正方向に回転しているので、ＳＴＥＰ８に移行して、制御手段３は正転方向に合った通電相へ切り替え、ＳＴＥＰ２に移行する。図に示した例では、スイッチング素子は、Ｖ＋，Ｕ−がＯＮしている。
また、成立していなければ、ＳＴＥＰ６に移行して、通電相を切り替えずにＳＴＥＰ２に移行する。以上の処理を繰り返すことによって、制御手段３は、モータ４を正転、逆転の駆動制御する。
【００３３】
次に、Ｖｎ，Ｖｎ’のサンプリングについて説明する。
先述した図５の例では、Ｖｎ，Ｖｎ’を得るため、Ｖ＋，Ｗ−とＶ−，Ｗ＋の正逆に通電する必要がある。しかし、特許文献１の課題で説明したように、短パルス電流を順方向と逆方向に順次流せば、モータを回転させるべき所望の電流とは逆の電流が流れる期間が生じることにより、スムーズな回転動作を妨げる恐れがある。そこで、この課題に解決するためキックバック時間におけるモータ端子電圧に着目する。
【００３４】
図８は、Ｕ相が非通電相である状態を示すインバータ１及びモータ４の等価回路を示す。図８は、インバータ１のスイッチング素子Ｕ＋，Ｕ−を省略して示しており、Ｖ＋とＷ−がオンした状態である。
矢印は、モータ４に流れる電流の流れを示しており、Ｖ相コイルからＷ相コイルに電流が流れている。
【００３５】
図９は、図８の状態から全てのスイッチング素子をオフした直後の状態を示す。モータのコイルインダクタンスには、エネルギーが蓄積されているため、全てのスイッチング素子をオフしても、還流電流が若干の間流れ続ける。
図中の矢印は、還流電流の流れる経路を示しており、図８の状態から、引き続きＶ相コイルからＷ相コイルに電流が流れるが、スイッチング素子Ｗ＋，Ｖ−には逆方向から流れ込む。
【００３６】
図８の状態は、図５（ａ）の等価回路で表され、図９の状態は図５（ｂ）の等価回路で表される。つまり、Ｖｎ，Ｖｎ’を得るため、Ｖ＋，Ｗ−とＶ−，Ｗ＋の正逆に通電した状態と、還流電流が流れ続けている間の等価回路は同じである。
よって、還流電流が流れている期間にＶｎ’をサンプリングして記録すれば、逆方向に通電する必要はなく、モータをスムーズに駆動できる。
【００３７】
ここで、３つの相の内、２つの前記相に通電させて通電相とした状態を第１の状態とする。第１の状態は、本実施の形態においては、Ｖ相とＷ相に通電を行いＵ相が非通電となっている状態である。そして、第１の状態の中心点電圧Ｖｎを第１の電圧Ｖｎと言う。
また、３つの相のいずれにも通電が行われていない状態（非通電の状態）を第２の状態とする。そして、第２の状態の中心点電圧Ｖｎ’を第２の電圧Ｖｎ’と言う。
【００３８】
図１０は、図８と図９の状態におけるモータ端子電圧（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）と電流（Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ）の状態を示すグラフである。
ｔ１の期間は第１の状態であり、スイッチング素子Ｖ＋，Ｗ−がオンしている。このとき、Ｖｖ＝Ｖｄ、Ｖｗ＝０、Ｖｕ＝Ｖｎである。
ｔ２の期間は第２の状態であり、スイッチング素子Ｖ＋，Ｗ−がオフした直後で還流電流が流れている。このとき、Ｖｖ＝０、Ｖｗ＝Ｖｄ、Ｖｕ＝Ｖｎ’である。
ｔ３の期間はスイッチング素子がオフしている第２の状態であるが、還流電流が流れていない。ＶｎとＶｎ’を検出するため、期間ｔ１，ｔ２，ｔ３を繰り返す。
【００３９】
図１０（ａ）は、Ｌｗ＞Ｌｖの時のＶｎとＶｎ’の関係を示し、Ｖｎ＞Ｖｎ’となる。図１０（ｂ）は、Ｌｗ＜Ｌｖの時のＶｎとＶｎ’の関係を示し、Ｖｎ＜Ｖｎ’となる。図１０（ｃ）は、Ｌｗ＝Ｌｖの時のＶｎとＶｎ’の関係を示し、Ｖｎ＝Ｖｎ’＝Ｖｄ／２となる。
このように、ＶｎとＶｎ’の比較でインダクタンスの変化、すなわち、ロータ磁石４ａの位置が検知できるので、特許文献３及び４のように、非通電相のコイルに誘起される電圧を検知し、その振幅を参照、或いは基準値と比較する必要はなく、製造上の誤差によって生じるステータコイルのばらつきによる影響を抑制することができる。
【００４０】
図１１は、モータ端子電圧からＶｎとＶｎ’をサンプリングする様子を示している。ＶｎのサンプリングポイントをＰ１、Ｖｎ’のサンプリングポイントをＰ２とする。
Ｖｎ’をサンプリングする際、第１の状態である期間ｔ１から、第２の状態である期間ｔ２に切り替えた直後、実際の回路ではリンギングが生じるので、これを避けたサンプリングポイントＰ２で検知して記録する。
また、ｔ２の期間は、次第に還流電流が小さくなってゆくが、Ｖｕの値も次第にＶｄ／２に近づき、ｔ３の期間が始まると同時にインダクタンスの変動によって生じた有意差が無くなる。
従って、できるだけｔ２の早期にサンプリングポイントＰ２を設定する必要がある。一方、Ｖｎをサンプリングする際のサンプリングポイントＰ１は、できるだけ期間ｔ１の最後に近い方が良い。
【００４１】
サンプリングポイントＰ１とＰ２を上記のように設定する理由は、次の通りである。
図１２は、ロータ磁石４ａの回転によって、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータコイルに発生する逆起電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗを示す。非通電相がＵ相の場合、逆起電圧ｅｕがＵ相端子電圧に重畳する。
図１３は、図１２の逆起電圧が図１１のＵ相端子電圧の状態に重畳した様子を示す。
逆起電圧の振幅は回転数に比例して増加する。逆起電圧の振幅が増加した状態でサンプリングポイントＰ１とサンプリングポイントＰ２のサンプリング間隔が広くなると、この間に発生する逆起電圧の差分が増加し、サンプリングポイントＰ１とサンプリングポイントＰ２の検出に誤差を与える。
これを避けるため、サンプリングポイントＰ１は、できるだけ期間ｔ１の最後に近い方に設定して、サンプリングポイントＰ２との時間差を少なくする。
【００４２】
図１４に、一般的なコイルの両端に電圧Ｖｄを印加、遮断を繰り返した場合の波形を示す。コイル電流が変化しているｔ４，ｔ６の期間では、コイルに自己誘起電圧が発生している。このとき、図５に示すようにコイルを２個直列に接続したときの中性点電圧Ｖｎは、式３で表される。
一方、図１４のｔ５，ｔ７の期間は、コイル電流が変化しないため、コイルの自己誘起電圧が発生しない。このとき、図５に示すようにコイルを２個直列に接続したときの中性点電圧Ｖｎは、式５で表される。尚、ＲｗはＷ相の抵抗、ＲｖはＶ相の抵抗、ＲｕはＵ相の抵抗である。
Ｖｎ＝Ｒｗ／（Ｒｖ＋Ｒｗ）・Ｖｄ - - - 式５
【００４３】
式３と式５の電圧差が、図１１におけるＶｄ／２とサンプリングポイントＰ１の差に該当し、サンプリングポイントＰ２も同様である。
この理由により、ｔ２の早期には、コイルの電流変化があるため、式３に近い値となるが、後期にはコイルの電流変化が無くなるため、式５に近い値になる。
よって、インダクタンスの変動によって生じた有意差を捉えるには、できるだけｔ２ の早期にサンプリングポイントＰ２を設定する必要がある。
【００４４】
また、無通電期間であるｔ２，ｔ３の期間は、Ｖｎ，Ｖｎ’を検出するために必要であるが、回転数速度が高くなると、回転周期に占める無通電期間の割合が増加して速度制御に影響する。
そこで、ある程度速度が増加した時点で、無通電期間を必要としない既知のセンサレス制御に切り替える。既知のセンサレス制御を、ロータ磁石４ａの回転によってステータコイルに発生する逆起電圧を利用する方式とすれば、無通電期間を必要としないので、問題無く速度を上げることができる。
【００４５】
図２において、既知のセンサレス制御に切り替える前は、信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を参照し、既知のセンサレス信号に切り替えた後は、信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を参照する。信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、モータ端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを分圧回路５ａ，５ｂ，５ｃで各々低電圧にして、制御手段３で中性点電圧Ｖｎ，Ｖｎ’を検出するための電圧信号として参照する。
一方、信号Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６は、モータ端子電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの相間電圧を増幅器５ｄ，５ｅ，５ｆで増幅し、制御手段３で逆起電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗを検出するための電圧信号として参照する。
【００４６】
以上、本実施の形態によれば、センサレスＤＣブラシレスモータの駆動において、ロータの位置によってステータコイルのインダクタンスが変化する現象を利用して、ステータコイルに対するロータの位置検出する場合に、モータ端子電圧を参照して、ステータコイルのインダクタンスを変化を捉えて位置検出するので、負荷変動によるモータ電流の変化に関わらず、低速回転で駆動制御を行うことができるブラシレスモータの駆動装置を提供することができる。
【００４７】
また、ブラシレスモータのステータコイルに還流電流が流れ続けている間に、端子電圧を検出して記憶して制御に用いることで、端子電圧を検知する際に、ステータコイルに逆方向に電流を流す必要が無く、スムーズな動作の低速駆動ができるブラシレスモータの駆動装置を提供することができる。
【００４８】
また、ブラシレスモータのロータの位置を検出する際に、製造上の誤差によって生じるモータのばらつきがあっても、ステータコイルに誘起される電圧振幅を計測、或いは、基準値と比較しないので、モータごと、或いは、相ごとに検出値を補正する必要がないブラシレスモータの駆動装置を提供することができる。
【００４９】
また、本実施の形態のブラシレスモータの駆動装置によりセンサレスのブラシレスモータの駆動を制御することで、安定した低速回転での駆動を可能とする。
【００５０】
また、ハンドピースの駆動源として、本実施の形態のブラシレスモータの駆動装置により駆動するブラシレスモータを用いることにより、ハンドピースを使用する際に、ブラシレスモータを低速で駆動するなどして、刃の回転をコントロールして、少しずつ歯牙や骨等の切削の程度や加減を調整するような使い方が可能となる。
特に、歯科や外科等の医療現場において、使用者がハンドピースを用いて、繊細な操作をすることが可能となる。例えば、歯科治療において、インプラントの人工歯根を埋め込むための開口を顎骨に切削して形成する場合などは、ハンドピースの刃の回転を低回転で行う必要があり、本発明を用いることで治療を行いやすくなる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明について、医療用ハンドピースに用いた実施の形態で説明したが、医療用や産業用などの使用分野を問わず、センサレスのブラシレスモータにおいて適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
Ｍ  モータ駆動装置
Ｈ  ハンドピース
Ｈａ  刃
１  インバータ（駆動手段）
２  直流電源
３  制御手段
４  センサレスＤＣブラシレスモータ
４ａ  ロータ磁石
５  ロータ位置検出回路
５ａ、５ｂ、５ｃ  分圧回路
５ｄ、５ｅ、５ｆ  増幅回路
Ｖｕ  モータＵ相端子電圧
Ｖｖ  モータＶ相端子電圧
Ｖｗ  モータＷ相端子電圧
Ｒｕ  モータＵ相抵抗
Ｒｖ  モータＶ相抵抗
Ｒｗ  モータＷ相抵抗
Ｌｕ  モータＵ相インダクタンス
Ｌｖ  モータＶ相インダクタンス
Ｌｗ  モータＷ相インダクタンス
Ｖｃ  増幅回路制御電源電圧
Ｖｄ  直流電圧
Ｕ＋  インバータスイッチング素子
Ｖ＋  インバータスイッチング素子
Ｗ＋  インバータスイッチング素子
Ｕ−  インバータスイッチング素子
Ｖ−  インバータスイッチング素子
Ｗ−  インバータスイッチング素子
Ｖｎ  モータ中性点電圧（第１の電圧値）
Ｖｎ’モータ中性点電圧（第２の電圧値）
θｄ  Ｕ相コイルＬｕとロータ磁石４ａのなす角度
ｅｕ  Ｕ相逆起電圧
ｅｖ  Ｖ相逆起電圧
ｅｗ  Ｗ相逆起電圧
Ｐ１  電圧サンプリングポイント
Ｐ２  電圧サンプリングポイント
Ｒ  一般的なコイルの抵抗値
ＩＬ  一般的なコイルに流れる電流
ＶＬ  一般的なコイルの自己誘起電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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