CN102427774A - 牙科用机头的马达控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牙科用机头的马达控制方法，该牙科用机头具备使切削工具旋转驱动的马达。该控制方法具备：步骤a，当对切削工具施加的负荷转矩超过预先设定的限制转矩值时，将马达电流限制为第一限制电流(I1)；步骤b，当检测到马达的旋转停止时，将马达电流控制为比第一限制电流(I1)低的第二限制电流以下。

Description

牙科用机头的马达控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及通过切削工具进行牙齿的切削或根管形成的牙科用机头的马达控制方法及控制装置。

背景技术

在实施牙齿的切削、根管形成的手术时，使用将电动马达作为驱动源的牙科用机头。手术者对应于手术目的，在分开使用多种切削工具的同时实施手术。

并且，作为对这种牙科用机头的马达进行控制的方法，已知如下的反馈控制：一边检测马达的转速一边进行马达的驱动电压的增减，将马达控制为维持所设定的转速。

因此，在使用反馈控制的马达控制装置中，在切削工具的负荷转矩变大、转速降低的情况下，进行将马达的驱动电压提高、使其返回到所设定的转速的控制。

但是，在使用较细而容易折断的切削工具的根管形成等手术中，当使用反馈控制时，存在会对切削工具施加过剩的转矩而使其破损或者切削工具卡入根管等操作性方面的问题。

因此，为了解决这种问题，专利文献1的马达控制装置提出：不进行反馈控制，而设为随着对切削工具施加的负荷转矩变大而使转速降低的马达的输出特性，当对切削工具施加的负荷转矩达到预先设定的基准转矩时，将马达控制成(1)使转速降低、(2)停止、(3)反转中的某一个。

通过如此，专利文献1能够防止切削工具的折损，并且在切削工具卡入根管时也能够通过使马达反转来自动地解除，能够提高操作性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3264607号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

但是，专利文献1的马达控制装置，虽然能够防止切削工具的破损、向根管的卡入，但是由于随着负荷转矩的增加而切削工具的转速降低，因此存在切削效率方面比反馈控制差的问题。

此外，在使马达停止的上述(2)的情况下，如专利文献1的图5的线图a、b所示，通过停止向马达施加驱动电压来使马达的旋转停止，所以存在的问题为，马达(切削工具)的旋转方向的转矩突然消失，由于该转矩消失的反作用而对患者及手术者产生冲击(以下将两者总称为不适感)。

此外，在使马达反转的上述(3)的情况下，在反转之前也停止向马达施加驱动电压并使马达的旋转停止，所以与上述(2)同样产生不适感。

本发明是鉴于这种问题而进行的，其目的在于提供一种牙科用机头的马达控制方法及控制装置，能够在防止切削工具的折损的同时高效地进行切削，并且能够缓和对实施手术中的患者及手术者的不适感。

用于解决技术问题的手段

本发明涉及一种牙科用机头的马达控制方法，该牙科用机头具备使切削工具旋转驱动的马达，本发明的马达控制方法的特征在于，具备：步骤a，当对切削工具施加的负荷转矩超过预先设定的限制转矩值时，将马达电流限制为第一限制电流；以及步骤b，当检测到马达的旋转停止时，将马达电流控制为比第一限制电流低的第二限制电流以下。

根据本发明的控制方法，通过将马达电流限制为第一限制电流，能够伴随对切削工具施加的负荷转矩的增加而使马达(切削工具)的旋转停止(旋转数＝0)，并能够防止切削工具的折损。并且，即使马达的旋转停止也还对马达施加有第一限制电流，因此不会发生转矩消失(转矩急剧降低的状态)。此外，如果检测到马达的旋转停止的情况，则将马达电流控制为比第一限制电流低的第二限制电流以下，所以在该期间虽然负荷转矩降低，但也不会发生转矩消失。

本发明的控制方法，作为将马达电流控制为第二限制电流以下之后的动作，能够执行以下3个模式中的任意一个。

第一个模式为，在步骤b中，在马达电流成为第二限制电流以下时，停止向马达的供电。该模式对应于在马达的旋转停止之后不继续实施手术的情况。

第二个模式为，在步骤b中，在马达电流成为第二限制电流以下时，使马达反转。该模式对应于如下情况：需要通过使卡入根管的切削工具反转来解除向根管的卡入。

第三个模式为，在步骤b中，在马达电流成为第二限制电流以下时，使马达反转，然后使马达进行反转前的朝向的正转。该模式对应于如下情况：通过使卡入根管的切削工具反转来解除向根管的卡入，并且之后还继续实施手术。

本发明还提供一种实施以上的控制方法的控制装置。

本发明的控制装置具备：负荷转矩检测部，检测对切削工具施加的负荷转矩；转速检测部，检测马达的转速；以及控制部，对马达的转速及马达电流进行控制。

该控制部根据由负荷转矩检测部检测的负荷转矩，对马达电流如下地进行控制。

即，当负荷转矩超过预先设定的限制转矩值时，控制部将马达电流限制为第一限制电流。

此外，当负荷转矩超过限制转矩、且转速检测部检测到马达的旋转停止的情况时，控制部将马达电流控制为比第一限制电流低的第二限制电流以下。

本发明的控制装置，通过将马达电流限制为第一限制电流，由此防止切削工具的破损。此外，如果检测到马达的旋转停止的情况，则将马达电流控制为比第一限制电流低的第二限制电流以下，在该期间负荷转矩降低，所以能够减少转矩消失。

在本发明的控制装置中，作为将马达电流控制为第二限制电流以下之后的动作，能够执行以下三个模式中的任意一个。

第一个模式为，在马达电流成为第二限制电流以下时，停止向马达的供电。

第二个模式为，在马达电流成为第二限制电流以下时，使马达反转。

第三个模式为，在马达电流成为第二限制电流以下时，使马达反转，然后使马达进行反转前的朝向的正转。

发明的效果：

本发明的马达控制方法，一边监视负荷转矩一边控制马达的动作，以便不对切削工具施加过剩的负荷转矩，所以能够防止切削工具的破损。

此外，本发明的马达控制方法，当对切削工具施加的负荷转矩超过限制转矩值时，即使在马达的旋转停止之后，也不会使马达电流突然停止，而是在使马达电流降低之后停止。因此，在该期间能够使转矩逐渐减小，因此能够降低转矩消失对患者及手术者带来的不适感。

附图说明

图1是表示马达控制装置的构成的功能框图。

图2是表示本发明的马达控制方法的停止模式的控制步骤的流程图。

图3是本发明的马达控制方法的停止模式对负荷转矩的控制特性图。

图4是表示本发明的马达控制方法的反转模式的控制步骤的流程图。

图5是本发明的马达控制方法的反转模式对负荷转矩的控制特性图。

具体实施方式

以下，根据附图所示的实施方式对本发明进行详细说明。

图1所示的本实施方式的马达控制装置1为，对牙科用机头所内置的作为三相无刷马达的马达21进行控制，具备控制部3、存储部25、驱动部5、操作部11、显示部13、脚踏板15、马达电流检测部20、转速检测部27、负荷转矩检测部26以及电源部17。

本实施方式的马达21的驱动方式为PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)驱动方式，通过由控制部3生成的PWM信号对驱动部5进行控制，向马达21供给驱动电压。

另外，在以后的说明中，将能够切削牙齿的马达21的旋转方向设为正转、将与其相反的旋转方向设为反转而进行说明。

以下，对各构成进行详细说明。

<控制部3>

控制部3将马达21的转速Rr、负荷转矩Tr以及马达电流Im的检测值与存储部25所保存的驱动条件进行比较，并且以成为规定的转速Rr及马达电流Im的方式生成PWM信号，进行马达21的控制。此外，控制部3还对马达21的正反转的旋转方向进行控制。

<存储部25>

在存储部25中，除了用于控制部3控制马达21的程序之外，还存储有对马达21的驱动进行控制所需的如下条件：马达21的正转时的最大转速即第一限制转速R1、反转时的最大转速即第二限制转速R2、限制转矩T1、第一限制电流I1及第二限制电流I2等。

这些驱动条件中，对于第一限制转速R1、第二限制转速R2、限制转矩T1以及第二限制电流I2，手术者能够考虑手术内容、切削工具的种类等而设定为任意值。

与所设定的限制转矩T1相当的马达21的马达电流，被设定为第一限制电流I1。

此外，在存储部25中存储有两种切削模式即停止模式及反转模式的驱动程序。停止模式是如下的驱动程序：如果正转中的马达21的转速等与规定的条件一致，则使向马达21的供电停止；反转模式是如下的驱动程序：如果正转中的马达21的转速等与规定的条件一致，则使马达21反转。另外，关于各个条件，在对各模式的控制方法的说明中进行详细说明。

<马达电流检测部20>

马达电流检测部20具备电流检测用电阻(未图示)，将在马达21中流动的电流即马达电流Im变换为电压。

<转速检测部27>

转速检测部27根据由马达电流检测部20得到的电压值来推测马达21的感应电压，进而根据该感应电压来求出马达21的转速Rr。

<负荷转矩检测部26>

负荷转矩检测部26利用马达电流Im和负荷转矩Tr处于比例关系的情况，根据由马达电流检测部20得到的电压值来求出负荷转矩Tr。

<操作部11>

操作部11具备多个设定按钮(未图示)和选择按钮(未图示)。

手术者通过设定按钮来设定马达21的第一限制转速R1、第二限制转速R2、限制转矩T1以及模式选择等的马达21的控制所需的驱动条件。

此外，通过选择按钮来进行显示部13的显示内容的选择以及切削模式的选择。

在此所述的显示内容为驱动条件的设定内容的显示、驱动中的马达21的转速Rr及负荷转矩Tr的显示等。

<驱动部5>

驱动部5具备由6个FET(场效应晶体管：Field Effect Transistor)构成的倒相电路，基于来自设置于控制部3的PWM信号生成电路26的PWM信号，对各FET进行ON(导通)/OFF(截止)控制，对马达21施加驱动电压Vd。

根据ON信号相对于PWM信号的1个周期的比例即占空比，来决定马达21的转速Rr。即，当使该占空比变高时，对马达21施加的驱动电压Vd的有效值变大，由此能够使转速Rr增加，相反当使占空比降低时，能够使转速Rr减少。

此外，当施加到切削工具的负荷转矩Tr变大时，马达21的转速Rr降低，但在该情况下，也使PWM信号的占空比变高，使驱动电压Vd的有效值变大。于是，随着马达21的马达电流Im的变大，驱动转矩增加，结果能够提高转速Rr。

如此，本实施方式的马达控制装置1，通过对PWM信号的占空比进行控制，能够将马达21控制为所希望的转速Rr。

此外，驱动部5在向马达21进行输出的输出部具备继电器(未图示)，控制部3通过对该继电器进行控制，由此对马达21的正转/反转的旋转方向进行控制。

<显示部13>

显示部13除了对存储部25中所存储的各种驱动条件进行显示之外，还对手术中的马达21的转速Rr、负荷转矩Tr等进行显示。该显示部也可以通过数值来表示这些驱动条件，为了提高视觉上识别，也能够进行图表化而表示。

<脚踏板15>

脚踏板15对马达21的旋转的ON/OFF进行控制。控制部3检测有无来自脚踏板15的信号，在有信号的情况下，根据驱动条件来驱动马达21。

<电源部17>

电源部17将来自交流电源7的交流电压进行整流并变压，对控制部3、驱动部5施加所希望的直流电压。

接着，对本实施方式的马达控制方法的停止模式和反转模式的内容进行详细说明。

[停止模式]

<停止模式的控制流程>

根据图2对本实施方式的停止模式的处理步骤进行说明。

当手术者踩踏脚踏板15时，马达控制装置1开始马达21的正转(步骤S101)。

控制部3将马达21的负荷转矩Tr和限制转矩T1进行比较(步骤S103)。

在步骤S103的比较结果为负荷转矩Tr未达到限制转矩T1的情况下(步骤S103：否)，将马达21的转速控制为限制转速R1。该控制如下地进行。

求出转速Rr和第一限制转速R1之差(步骤S105)。

在差超过0(零)的情况下(步骤S105：＞0)，为了降低转速Rr，控制部3降低对马达21施加的驱动电压Vd(步骤S107)。另外，如上所述，本实施方式的马达控制装置1采用PWM驱动方式，因此在此所述的降低驱动电压Vd，意味着降低PWM信号的占空比。以下也同样。

在差为零的情况下(步骤S105：＝0)，以维持转速Rr的方式，控制部3维持对马达21施加的驱动电压Vd(步骤S109)。

在差小于0的情况下(步骤S105：＜0)，为了提高转速Rr，控制部3提高马达21的驱动电压Vd(步骤S111)。

如上所述，控制部3以使马达21的转速Rr成为第一限制速度R1的方式进行控制。

在步骤S107、S109或S111的处理之后，再次返回步骤S103的判断。

如上所述，本实施方式的马达控制装置1通过反馈控制对马达21的转速进行控制。即，当切削推进时，负荷转矩Tr变大，但本实施方式在负荷转矩Tr达到限制转矩T1之前，控制成马达21的转速Rr与第一限制转速R1一致。因此，马达控制装置1能够得到较高的切削效率。

接着，对在反馈控制中负荷转矩Tr超过限制转矩T1的情况进行说明。

在步骤S103的判断结果为负荷转矩Tr超过限制转矩T1的情况下(步骤S103：是)，将马达电流Im控制成第一限制电流I1。该控制如下地进行。

求出马达电流Im和第一限制电流I1之差(步骤S121)。

在差超过0的情况下(步骤S121：＞0)，为了降低马达电流Im，控制部3降低对马达21施加的驱动电压Vd(步骤S123)。

在差为零的情况下(步骤S121：＝0)，以维持马达电流Im的方式，控制部3维持对马达21施加的驱动电压Vd(步骤S125)。

在差小于0的情况下(步骤S121：＜0)，为了提高马达电流Im，控制部3提高对马达21施加的驱动电压Vd(步骤S127)。

如上所述，控制部3以使马达电流Im维持第一限制电流I1的方式进行控制。

在步骤S123、S125或步骤S127的处理之后，判断马达21(切削工具)是否停止、即转速Rr是否为0(步骤S129)。并且，在转速Rr不为0、即马达21继续旋转的情况下(步骤S129：否)，返回步骤S103，进行以后的处理。在此，通过返回步骤S103，由此即使手术者中断作业并将切削工具从根管中拔出而成为无负荷，马达21的转速Rr也不会超过第一限制转速R1，所以马达21不会发热。

在步骤S129的判断结果为马达21的转速Rr为0、即马达21的旋转停止的情况下(步骤S129：是)，如下地进行使马达电流Im下降到第二限制电流I2以下的处理。通过降低驱动电压Vd(PWM信号的占空比)来进行该处理。

将马达电流Im和第二限制电流I2进行比较(步骤S131)。

结果，在马达电流Im超过第二限制电流I2的情况下(步骤S131：否)，为了降低马达电流Im，而降低对马达21施加的驱动电压Vd(步骤S133)。如果步骤S131的判断结果为马达电流Im下降到限制电流I2以下(步骤S131：是)，则停止施加驱动电压Vd，停止向马达21的供电(步骤S135)。

以上为本实施方式的马达控制装置1的停止模式的控制方法。在此，当在马达21的转速Rr成为0(马达21的旋转停止)的同时、停止对马达21施加驱动电压Vd而使马达电流Im成为0时，患者及手术者会感觉到转矩消失。但是，在本实施方式中，在马达电流Im从第一限制电流I1下降到第二限制电流I2以下之后，停止向马达21的供电。在从该马达21的旋转停止到停止供电为止的期间，当使马达电流Im从第一限制电流I1向第二限制电流I2逐渐减小时，不会感觉到转矩消失。

另外，在向马达21的供电停止后，当手术者重新踩踏脚踏板15时，控制部3从步骤S103开始处理。

<停止模式的控制特性>

图3是表示图2的本发明实施方式的停止模式的控制特性的图。在图3中，左侧的纵轴为马达21的转速Rr，右侧的纵轴表示马达21的马达电流Im，横轴表示马达21的负荷转矩Tr。

马达21正转，在达到第一限制转速R1之前马达21的转速Rr增加。

当马达21的转速Rr达到第一限制转速R1时，进行反馈控制，以使转速Rr维持为第一限制转速R1。

随着切削推进、施加到切削工具的负荷转矩Tr也增加，但在负荷转矩Tr达到限制转矩T1之前，将转速Rr维持为第一限制转速R1，另一方面，当负荷转矩Tr达到限制转矩T1时，使马达电流Im维持为第一限制电流I1。

当施加到切削工具的负荷转矩Tr增加、马达21的驱动转矩变得不能够抵抗负荷时，马达21的旋转停止。

马达控制装置1为，当检测到马达21的旋转停止的情况时，在马达电流Im成为第二限制电流I2以下之前，降低马达21的驱动电压Vd(PWM信号的占空比)，如果马达电流Im成为第二限制电流I2以下，则停止向马达21的供电。

如上所述，根据本实施方式，能够以不超过限制转矩T1的方式进行反馈控制，所以能够防止切削工具的破损并且能够高效地实施手术。

此外，根据本实施方式，在负荷转矩Tr达到限制转矩T1之后，不是将驱动电压Vd向马达21的施加突然停止，而是能够在使供给的电力逐渐减小之后停止，因此能够减少对患者及手术者造成的不适感。

另外，根据本发明人的发现，当将第二限制电流I2设为第一限制电流I1的1/5以下、优选1/7以下、更优选1/10以下时，能够减少不适感。

[反转模式]

<反转模式的控制流程>

接着，根据图4对反转模式进行说明。

另外，图4的步骤S101到步骤S133，进行与图2所示的停止模式相同的处理，所以对其以后的处理进行说明。

在步骤S131的判断结果为马达电流Im成为第二限制电流I2以下的情况下(步骤S131：是)，控制部3使马达21反转(步骤S141)。

当马达21开始反转时，判断马达21的转速Rr是否达到第二限制转速R2(步骤S143)。

在步骤S143的判断结果为马达21的转速Rr为第二限制转速R2以下的情况下(步骤S143：否)，为了提高转速Rr，控制部3提高对马达21施加的驱动电压Vd(步骤S145)，并再次进行步骤S143的判断。

即，在马达21的转速Rr超过第二限制转速R2之前，使对马达21施加的驱动电压Vd逐渐增加。

在步骤S143的判断结果为马达21的转速Rr超过第二限制转速R2的情况下(步骤S143：是)，为了降低马达21的转速Rr，控制部3降低对马达21施加的驱动电压Vd(步骤S147)。

在步骤S143中，根据马达21的转速Rr来判断卡入根管的切削工具是否被解除，因此将手术者从根管中拉出切削工具时的无负荷时的转速Rr设定为第二限制转速R2。

接着，判断马达21(切削工具)是否停止、即转速Rr是否为0(步骤S149)。

在步骤S149的判断结果为转速Rr不为0的情况下(步骤S149：否)，马达21的旋转还未停止，所以再次返回步骤S147来降低转速Rr。如此，在此，在马达21的旋转停止之前，使马达21的转速Rr逐渐减小。

在步骤S149的判断结果为转速Rr为0(零)时(步骤S149：是)，返回步骤S101使马达21正转。

如上所述，根据本实施方式，以不超过限制转矩T1的方式进行反馈控制，所以能够防止切削工具的破损，并且即使切削工具卡入根管，也能够使其反转而解除卡入、并再次进行正转，所以能够高效地实施手术。

此外，由于在马达电流Im从第一限制电流I1下降到第二限制电流12之后使马达21反转，所以能够减少在马达21的反转时产生的转矩消失。

在本实施方式中，说明了将第二限制转速R2设定为无负荷时的转速Rr，但是如果在经验上判明了能够判断为卡入被解除的转速Rr，则设定为该转速Rr即可，第二限制转速R2的设定值不限定于无负荷时的转速Rr。

<反转模式的控制特性>

图5是表示图4的本发明实施方式的反转模式的控制特性的图。

在图5中，负荷转矩Tr达到限制转矩T1、之后马达21的旋转停止、马达电流Im达到第二限制电流I2之前的控制特性与停止模式相同，所以对其以后的控制特性进行说明。

当将对马达21施加的驱动电压Vd降低、马达电流Im下降到第二限制电流I2时，通过改变对马达21施加的驱动电压Vd的方向，由此使马达21反转。

当驱动电压Vd增加、马达21的转速Rr达到第二限制转速R2时，在马达电流Im成为0之前驱动电压Vd减少。如果马达电流Im成为0，则马达21正转。

如此，在反转模式中，使卡入而难以旋转的切削工具反转、再正转，因此在将切削工具向根管的卡入解除后，不进行多余的操作而能够继续实施手术。

如以上说明的那样，本发明的实施方式，一边监视负荷转矩一边进行反馈控制，因此不但能够防止切削工具的破损，还能够在发挥切削效率优良的反馈控制的优点的同时推进手术。

此外，在马达电流Im从第一限制电流I1成为第二限制电流I2以下时，将向马达21的供电停止或者使马达21反转，所以能够减少转矩消失导致的不适感。

另外，在本实施方式中，说明了使用外部的交流电源的构成，但不限于此，还能够通过在使用电池作为电源的无绳方式的牙科用机头中内置电路来进行对应。

此外，在本实施方式中，通过PWM驱动方式来控制马达21的转速，但本发明不限定于此，例如能够采用PAM(Pulse Amplitude Modulation：脉冲幅度调制)驱动方式等其他的驱动方式。在采用PAM驱动方式的情况下，使用有刷马达。

并且，在反转模式中，表示了在使马达21反转之后使其正转的例子，但根据以上所示的实施方式可知，也能够在使马达21反转之后使马达21停止。

符号说明

1马达控制装置

3控制部

5驱动部

7交流电源

11操作部

13显示部

15脚踏板

17电源部

20马达电流检测部

21马达

25存储部

26负荷转矩检测部

27转速检测部

Claims (8)

1.一种牙科用机头的马达控制方法，该牙科用机头具备使切削工具旋转驱动的马达，其特征在于，具备：

步骤a，当对上述切削工具施加的负荷转矩超过预先设定的限制转矩值时，将上述马达中流动的马达电流限制为第一限制电流；以及

步骤b，当上述负荷转矩超过上述限制转矩值、且检测到上述马达的旋转停止的情况时，将上述马达电流控制在比上述第一限制电流低的第二限制电流以下。

2.根据权利要求1所述的牙科用机头的马达控制方法，其特征在于，

在上述步骤b中，在上述马达电流成为第二限制电流以下时，

停止向上述马达的供电。

3.根据权利要求1所述的牙科用机头的马达控制方法，其特征在于，

在上述步骤b中，在上述马达电流成为第二限制电流以下时，

使上述马达反转。

4.根据权利要求1所述的牙科用机头的马达控制方法，其特征在于，

在上述步骤b中，在上述马达电流成为第二限制电流以下时，

使上述马达反转，然后使上述马达进行上述反转前的方向的正转。

5.一种牙科用机头的马达控制装置，该牙科用机头具备使切削工具旋转驱动的马达，其特征在于，

具备：

负荷转矩检测部，检测对上述切削工具施加的负荷转矩；

转速检测部，检测上述马达的转速；以及

控制部，对上述马达的转速及马达电流进行控制，

当由上述负荷转矩检测部检测到的上述负荷转矩超过预先设定的限制转矩值时，上述控制部将上述马达电流限制为第一限制电流，

当上述负荷转矩超过上述限制转矩值、且上述转速检测部检测到上述马达的旋转停止的情况时，上述控制部将上述马达电流控制为比上述第一限制电流低的第二限制电流以下。

6.根据权利要求5所述的牙科用机头的马达控制装置，其特征在于，

在上述马达电流成为第二限制电流以下时，

上述控制部使向上述马达的供电停止。

7.根据权利要求5所述的牙科用机头的马达控制装置，其特征在于，

在上述马达电流成为第二限制电流以下时，

上述控制部使上述马达反转。

8.根据权利要求5所述的牙科用机头的马达控制装置，其特征在于，

在上述马达电流成为第二限制电流以下时，

上述控制部使上述马达反转，然后使上述马达进行上述反转前的方向的正转。

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