(57)【要約】【課題】ブラシレスモータを滑らかに始動できる駆動回路を提案する。【解決手段】始動する際には、非同期となるが始動可能な所定回転数の磁界を発生させる励磁電流をステータ６０に流す。ロータ５０が、いわば滑りを持って該所定回転数まで徐々に回転上昇するため、ロータ５０と所定回転数の磁界との回転数の違いが一番大きな始動時のトルクが非常に弱く、ブラシレスモータに振動を生じさせることなく滑らかに始動させることができる。【選択図】  図１
2004194482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁マグネットを有するロータと、該ロータを回転するための第１相、第２相、第３相のコイルを有するステータと、前記第１相、第２相、第３相のコイルに相当する磁極位置を検出するホールセンサとから成る三相モータを同期回転させる駆動回路であって、
前記三相モータを始動する際には、非同期となる所定回転数の磁界を発生させる励磁電流を前記ステータに流し、前記ロータが前記所定回転に対して同期可能になった後に、同期回転を開始することを特徴とする三相モータ駆動回路。
【請求項２】
界磁マグネットを有するロータと、該ロータを回転するための第１相、第２相、第３相のコイルを有するステータと、前記第１相、第２相、第３相のコイルに相当する磁極位置を検出するホールセンサとから成る三相のブラシレスモータを同期回転させる駆動回路であって、
前記ブラシレスモータを始動する際には、非同期となる所定回転数の磁界を発生させる励磁電流を前記ステータに流し、前記ロータが前記所定回転に対して同期可能になった後に、同期回転を開始することを特徴とするブラシレスモータ駆動回路。
【請求項３】
前記ブラシレスモータを始動する際に、併せてソフトスタートを行うことを特徴とする請求項２のブラシレスモータ駆動回路。
【請求項４】
前記ブラシレスモータは、歯科機械用であることを特徴とする請求項２又は請求項３のブラシレスモータ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、三相モータ、特にブラシレスモータの駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
研磨用ドリルを駆動するハンドピースを備える歯科機械用が広く歯科治療に用いられている。このハンドピース用のモータには、可変速駆動が容易なように直流機が用いられていたが、現在、ブラシ等のメンテナンスが不要なブラシレスモータに置き換わりつつある。
【０００３】
ブラシレスモータの駆動には、一般に速度制御フィードバック方式が用いられている。この速度制御フィードバック方式は、速度の指令値と検出された実際値とを制御増幅器により比較し、その誤差がなくなるように制御対象である電動機（ブラシレスモータ）を制御するフィードバック方式の一種である。ここで、ブラシレスモータの速度は、ブラシレスモータに取り付けられたロータ側の界磁マグネットの極性を検出するためのホールセンサの出力に基づき検出することができる。
【特許文献１】
特開平7-31188号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ハンドピース用のモータには、歯根幹除去等の治療時に歯神経を巻き取るため、１００回転の低速回転が行え、且つ、歯研磨時に、数万回転の高速回転が行えることが要求される。特に、上述した歯根幹除去時には、歯科医は神経を集中させ、ハンドピースを駆動、停止を繰り返しながら治療を行うため、始動時に振動が出ないことが重要になる。
【０００５】
しかしながら、ブラシレスモータは、停止状態におけるロータとコイルとの相対位置により、始動時に振動が出る。この原因を図６を参照して説明する。図６（Ａ）は、モータの構成を模式的に示している。ロータ５０には、界磁マグネット５２が取り付けられ、３相のコイル６２が界磁マグネット５２に対向配置されている。図６（Ｂ）は、３相のコイル６２に印加される指令電圧を示している。図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）は、界磁マグネット５２の磁極を展開して示している。図６（Ｃ）に示すように、界磁マグネット５２の磁極と図６（Ｂ）に示すコイル６２へ印加される指令電圧とが合っている場合には、始動時に振動が出ることがない。一方、図６（Ｄ）に示すように、界磁マグネット５２の磁極と図６（Ｂ）に示すコイル６２への印加される指令電圧とが合っていない場合には、始動時にロータ５０が急回転する。これが振動として伝わり、上述した歯根幹除去の際に歯科医の手元が狂う原因となることがある。
【０００６】
係る課題に対応するため、特許文献１では、ソフトスタートを行うことを提案しているが、手に伝わる振動を完全に無くすことはできなかった。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、三相モータ、ブラシレスモータを滑らかに始動できる駆動回路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため請求項１の発明では、界磁マグネットを有するロータと、該ロータを回転するための第１相、第２相、第３相のコイルを有するステータと、前記第１相、第２相、第３相のコイルに相当する磁極位置を検出するホールセンサとから成る三相モータを同期回転させる駆動回路であって、前記三相モータを始動する際には、非同期となる所定回転数の磁界を発生させる励磁電流を前記ステータに流し、前記ロータが前記所定回転に対して同期可能になった後に、同期回転を開始することを技術的特徴とする。
【０００９】
請求項１の三相モータ駆動回路では、始動する際には、非同期となるが始動可能な所定回転数の磁界を発生させる励磁電流をステータに流す。ロータが、いわば滑りを持って該所定回転数まで徐々に回転上昇するため、ロータと所定回転数の磁界との回転数の違いが一番大きな始動時にトルクが非常に弱く、三相モータに振動を生じさせることなく滑らかに始動させることができる。
【００１０】
請求項２の発明では、界磁マグネットを有するロータと、該ロータを回転するための第１相、第２相、第３相のコイルを有するステータと、前記第１相、第２相、第３相のコイルに相当する磁極位置を検出するホールセンサとから成る三相のブラシレスモータを同期回転させる駆動回路であって、
前記ブラシレスモータを始動する際には、非同期となる所定回転数の磁界を発生させる励磁電流を前記ステータに流し、前記ロータが前記所定回転に対して同期可能になった後に、同期回転を開始することを技術的特徴とする。
【００１１】
請求項２のブラシレスモータ駆動回路では、始動する際には、非同期となるが始動可能な所定回転数の磁界を発生させる励磁電流をステータに流す。ロータが、いわば滑りを持って該所定回転数まで徐々に回転上昇するため、ロータと所定回転数の磁界との回転数の違いが一番大きな始動時にトルクが非常に弱く、ブラシレスモータに振動を生じさせることなく滑らかに始動させることができる。
【００１２】
請求項３では、ブラシレスモータを始動する際に、非同期始動と併せてソフトスタートを行うため、ブラシレスモータに全く振動を生じさせることなく滑らかに始動させることができる。
【００１３】
請求項４では、前記ブラシレスモータは歯科機械用である。このため、始動時に歯科医の手に振動を感じさせることが全くなくなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のブラシレスモータ駆動回路の実施形態について図を参照して説明する。図１は、第１実施態様の歯科治療に用いる機械用のブラシレスモータの機械的構成を示している。該ブラシレスモータ４０は、歯の研削時に４万回転／分で駆動されると共に、歯根治療時には、１００回転／分の超低速にて駆動される。
【００１５】
セラミックスリーブから成るロータ５０の外周にセラミックスリーブから成るステータ６０が配設されており、該ステータ６０にはエアーが供給されて、通孔６６から排出されることでラジアル静圧軸受けを形成している。該ロータ５０の外周には、４極の界磁マグネット５２が配設されている。また、ステータ６０の外周には、３組のコイル６２が取り付けられている。更に、コイル６２の外側には、ヨーク６９が配設されている。このロータ５０の図中右端部及び左端部には、マグネット５４Ａ、５４Ｂが配設され、ステータ６０側に取り付けられたマグネット６４Ａ、６４Ｂとの反発力によりロータ５０のスラスト方向への移動が規制される。なお、該ブラシレスモータには、界磁マグネット５２の極性を検出するための図示しないホールセンサが取り付けられている。
【００１６】
図２は第１実施形態に係るブラシレスモータ駆動回路を示している。ブラシレスモータ駆動回路は、上記界磁マグネットの極性を検出するためのホールセンサ（ホールＩＣ）１０からの信号をフィルタするフィルタ１２と、三角波を発生する三角波発生回路１８と、ホールセンサ１０からの信号をてい倍するてい倍回路１３と、分周比を切り替える分周切替回路１５、該ホールセンサからの信号を平滑化してブラシレスモータの回転速度を電圧値に変換したＤＡ信号を生成するＤ／Ａ変換回路１９と、ブラシレスモータを高速時に方形波ＰＷＭ方式で制御するため方形波ＰＷＭ出力を送出するコンパレータ１６とを備える。更に、ＣＰＵ１４には、モータの回転数を調整するための操作ペダル１１、及び、モータの回転数を高速（５０００〜４００００rpm)と低速（１００〜５０００rpm)とを切り替える切替スイッチ１７とが接続されている。
【００１７】
ＣＰＵ１４は、フィルタ１２からのホールセンサ１０の信号と、該コンパレータ１６からのＰＷＭ出力とに基づき、或いはＣＴで検出した負荷電流に基づきパワー回路２０の駆動信号を生成する。
【００１８】
先ず、図２を参照して駆動回路のブラシレスモータ高速回転時（５０００〜４００００rpm）の制御動作につい説明する。
ブラシレスモータ駆動回路は、上記切替スイッチ１７が高速側に切り替られた５０００rpmを越える高速回転時において、回転数をホールセンサ１０からの信号により検出して速度フィードバック制御を実施する。この際に、三相１２０°導通型に基づいた方形波ＰＷＭ方式を用いてコイルへ電流を印加する。
【００１９】
即ち、ホールセンサ１０がブラシレスモータのロータ５０に取り付けられた界磁マグネット５２の極性を検出した信号を出力する。Ｄ／Ａ変換回路１９が、この信号を平滑化してブラシレスモータの回転速度を電圧値に変換したＤＡ信号を生成する。そして、コンパレータ１６は、該ＤＡ信号と、三角波発生回路１８からの三角波とを比較して、図３（イ）、（ロ）に示すような方形波ＰＷＭ信号を生成する。該方形波ＰＷＭ信号は、一定の周期Ｔ（２０KHz）で、目標速度に対して実測速度が等しいときには、図３（イ）に示すように波幅ｔ１の短い矩形波が出力され、目標速度に対して実測速度が低いときには、図３（ロ）に示すように波幅ｔ１’の長い矩形波が出力される。
【００２０】
ＣＰＵ１４は、フィルタ１２からのホールセンサ（ホールＩＣ）１０の信号に基づきコイル６２に導通するタイミングを１２０°導通型に基づき生成すると共に、該コンパレータ１６からのＰＷＭ出力に基づき、パワー回路２０の駆動信号を生成する。高回転時には、回転数を直接検出してフィードバックを行うため高い回転精度を実現できる。
【００２１】
ここで、高速回転域では、ホールセンサの信号により回転数を検出して速度制御するとともに、回転数に応じて前記ホールセンサの信号を図２に示すてい倍回路１３でてい倍比を切り替え、または、分周切替回路１５にて、分周比を切り替え、回転数の検出精度を高め速度制御を行う。
【００２２】
次に、該駆動回路のブラシレスモータ低速回転（１００〜５０００rpm）時の動作につい説明する。
ブラシレスモータ駆動回路は、上記切替スイッチ１７が低速側に切り替られた１００〜５０００rpm未満の低速回転時に、上述した高速回転時の速度フィードバック制御の方形波ＰＷＭ方式から、トルクフィードバック制御の正弦波ＰＷＭ方式に切り換えてブラシレスモータを制御する。即ち、磁極位置とコイル励磁電圧波形（三相中の少なくとも１相分）との位相差により負荷を検出し、位相差が６０°を越えないよう位相差（負荷）に応じてＰＷＭのデューティ比を調整する。
【００２３】
ここで、ＣＰＵ１４は、低速回転において、磁極位置とコイル励磁電圧波形との位相差により負荷を検出し、位相差が６０°を越えないようにブラシレスモータのコイルを励磁する。この際に、該ＣＰＵ１４は、図３の（ハ）に示すように２つの正弦波と三角波とを組み合わせることにより、（へ）に示す正弦波ＰＷＭ信号を生成する。この正弦波ＰＷＭ信号は三相で１２０°ずつ位相の異なる。第１実施態様では、負荷を検出し、負荷に応じた電流を流してトルク制御するようにフィードバックを行うため、低回転で発生し易い脱調を未然に防ぐことができる。本実施態様では正弦波ＰＷＭ信号を印加しているため、円滑に回転させることができ、脱調を発生させることがない。
【００２４】
この第１実施態様では、ブラシレスモータの制御方式を低速（正弦波ＰＷＭ方式）と高速（方形波ＰＷＭ方式）とで切り換える動作を、切替スイッチ１７の操作に応じてＣＰＵ１４が行っている。なお、切替スイッチを設けず、回転数に応じて自動的に制御方式を切り替えることも可能である。
【００２５】
以上記述したように第１実施態様の駆動回路は、高速でブラシレスモータを制御する際には、界磁マグネットの極性検出用のホールセンサの出力に基づき回転数を検出するため、回転数検出用の素子を用いることなく速度フィードバック制御を行い得る。一方、低速でブラシレスモータを制御する際に、回転数を検出してフィードバックを行うにはホールセンサの出力では情報量が不足する。このため、低速時には、負荷電流に基づきトルクフィードバック制御を行い、ブラシレスモータの回転を安定させる。
【００２６】
また、ブラシレスモータを低速（１００〜５０００rpm）で回転する際には、正弦波ＰＷＭ方式にて駆動し、ブラシレスモータを高速（５０００rpm以上）で回転する際には、方形波ＰＷＭ方式にて駆動するため、低速及び高速にて安定してブラシレスモータを駆動することができる。
【００２７】
ここで、第１実施形態のブラシレスモータ駆動回路では、始動する際には、非同期となるが始動可能な所定回転数の磁界を発生させる励磁電流をステータに流す。ここで、非同期となる回転とは、例えば、数rpmの回転磁界を発生させると、同期始動が可能であり衝撃が出るためこれよりも高い回転数を言う。他方、始動可能な所定回転数とは、例えば、数千rpmの回転磁界を発生させると、ロータの始動が不可能であるため、これよりも低い回転数を言う。
【００２８】
第１実施形態では、ロータが、いわば滑りを持って該所定回転数まで徐々に回転上昇するため、ロータと所定回転数の磁界との回転数の違いが一番大きな始動時にトルクが非常に弱く、ブラシレスモータに振動を生じさせることなく滑らかに始動させることができる。
【００２９】
更に第１実施形態では、上述した非同期始動と併せて、図５に示す波形図のように、コイル６２への印加電圧を徐々に高めるソフトスタートを行う。このため、ブラシレスモータに全く振動を生じさせることなく滑らかに始動させることができる。従って、第１実施形態のブラシレスモータ駆動回路を用いるハンドピースは、始動時に歯科医の手に振動を感じさせることが全くなくなる。
【００３０】
ブラシレスモータ駆動回路による上述した始動時の制御について、図２及び始動時処理のフローチャートを示す図４を参照して説明する。
ＣＰＵ１４は、先ず、操作ペダル１１が操作開始されたかを判断する（Ｓ１０２）。ここで、操作が終了した際（足が操作ペダル１１から離された）、及び、操作が行われない間は（Ｓ１０２：Ｎｏ）、ブラシレスモータを停止する（Ｓ１１４）。
【００３１】
他方、操作ペダル１１が操作開始された際には（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、１００rpmの回転磁界、即ち、上述した非同期となるが始動可能な所定回転数の磁界を発生させる励磁電流をステータに流す（Ｓ１０４）。そして、ホールセンサの出力に基づきロータ５０が１００rpmに達したか、或いは、達し得る速度まで回転が達したか、即ち、ロータ５０が同期したか否かを判断する（Ｓ１０６）。ここで、同期するまでは（Ｓ１０６：Ｎｏ）、Ｓ１０４に戻り、１００rpmの回転磁界の印加を続ける。そして、ロータ５０が同期すると（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）、操作ペダル１１が踏み込まれているかを判断する（Ｓ１０８）。操作ペダル１１に軽く足が触れられている場合、即ち、操作ペダル１１が踏み込まれていない際には（Ｓ１０８）、１００rpm（最小回転数）の回転を維持する（Ｓ１１０）。他方、操作ペダル１１が踏み込まれている場合には（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、踏み込み量（踏み込みストローク）に応じた回転数まで、ブラシレスモータの回転数を高める（Ｓ１１２）。
【００３２】
[試験結果]
ここで、第１実施形態のブラシレスモータ駆動回路の試験結果について説明する。比較例１として、従来技術のブラシレスモータ駆動回路での起動ショックと、比較例２として、ソフトスタートのみを行うブラシレスモータ駆動回路での起動ショックと、第１実施形態のブラシレスモータ駆動回路での起動ショックとを測定した。測定器としては、ＩＭＶ社製  サーモバイブロ  ＶＭ−４５１５Ｓ１を用いた。
比較例１（従来技術）では、０．６〜０．９mmＰ−Ｐであった。
比較例１（ソフトスタート）では、０．３〜０．４mmＰ−Ｐであった。
第１実施形態では、起動ショックが０．２mmＰ−Ｐまで下がった。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、始動する際には、非同期となるが始動可能な所定回転数の磁界を発生させる励磁電流をステータに流す。ロータが、いわば滑りを持って該所定回転数まで徐々に回転上昇するため、ロータと所定回転数の磁界との回転数の違いが一番大きな始動時にトルクが非常に弱く、ブラシレスモータに振動を生じさせることなく滑らかに始動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施態様に係るブラシレスモータの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施態様に係るブラシレスモータ駆動回路のブロック図である。
【図３】図２に示すパワー回路の正弦波ＰＷＭ制御用の信号及び方形波ＰＷＭ制御用の信号を示す波形図である。
【図４】始動時の制御を示すフローチャートである。
【図５】始動時の印加電圧を示す波形図である。
【図６】図６（Ａ）は、モータの構成を示す模式図であり、図６（Ｂ）は、３相のコイルに印加される指令電圧を示す波形図であり、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）は、界磁マグネットの磁極を展開して示す説明図である。
【符号の説明】
１０  ホールセンサ
１１  操作ペダル
１２  フィルタ
１４  ＣＰＵ
１６  コンパレータ
１７  切替スイッチ
１８  三角波発生回路
２０  パワー回路
４０  ブラシレスモータ
５０  ロータ
５２  界磁マグネット
６０  ステータ
６２  コイル
【図１】
2004194482.tif 000003
【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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