JP4412444B2 - 歯科用ハンドピース - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯科治療用のインスツルーメントに係り、特にベアリングレスモーターを用いた歯科用ハンドピースに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ベアリングを使用しないマイクロモータハンドピース用のモーターにおける回転子保持は、半径方向は回転子スリーブと軸受けスリーブの周囲の隙間に圧縮空気を送って浮上させ、非接触で保持しており、またスラスト方向は永久磁石によって軸をセットしていた。またモーターの停止時には、圧縮空気が送られないため、固定子と回転子は接触していた。さらに、軸の回転速度は、複数の検出センサーを配設し計測していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記回転子を圧縮空気により非接触にて保持するための圧縮空気の供給と、回転子スリーブ及び軸受けスリーブの構造は複雑で、精密加工を要し、また、スラスト方向の永久磁石による軸のセットも複雑で精密加工を要した。そして、モータの停止時には、圧縮空気がないため固定子と回転子は接触しており、始動時空気制御回路に不具合あると
接触しながら回転するおそれがあった。
また、複数の回転速度の検出センサーとその信号の送出は、限られたハンドピース内のスペース効率を悪くしかつ面倒であった。本発明はこれらの課題を解決する歯科用ハンドピースを提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記に鑑み本発明者等は、鋭意実験研究の結果下記の手段によりこの課題を解決した。
歯科治療における歯牙切削用のインスツルメントであって、マイクロモータハンドピース（以下歯科用ハンドピースという）に使用されるモータが、インナーロータ型のモータと磁気軸受け機能をモータ本体に一体化して、独立した軸受け機構を持たないベアリングレスモータであり、下記構成の歯科用ハンドピースである。
（１）歯科用ハンドピースにおいて、固定子にトルクを発生する巻線群と半径方向力を発生する巻線群を備え、前記固定子内部には、磁極を構成する永久磁石が配置されたケイ素鋼あるいは無垢の鉄心等で構成された回転運動を行いかつ半径方向に運動する回転子を備えてなり、
さらに、前記固定子外周には筐体が構成され、また、前記回転子は、前記筐体内のモータシャフト上に構成され、該モータシャフトは歯科用ハンドピースに接続されてなる構造を備えてなり、
前記固定子巻線群に電流を供給することにより発生する起磁力と回転子の永久磁石の磁力の相互作用により、前記巻線群の電流振幅、位相を調整することにより、トルクと半径方向力を発生する機能と、前記半径方向力は、半径方向の前記回転子位置を調整しあるいは半径方向の振動を抑制する機能及び、前記トルクは、前記回転子の回転速度を調整する機能を備えてなり、
さらに、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石を配設し、前記筐体内に収納してなり、
モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くしたことを特徴とする歯科用ハンドピース。
（２）前記（１）記載の歯科用ハンドピースにおいて、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石に代えて、
モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた直径が大となる方向に僅かに異なる環状の永久磁石を複数個階段状に配設してなることを特徴とする歯科用ハンドピース。
【０００５】
（３）前記（１）記載の歯科用ハンドピースにおいて、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石に代えて、
モータシャフト端部に、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を斜めに向き合わせた、上下面を中空にした円錐台状の永久磁石をマイクロモータハンドピースの筐体内に収納してなることを特徴とする歯科用ハンドピース。
（４）固定子のトルクを発生する巻線に、高周波の正弦波電圧あるいは、ＰＷＭにより生じる高周波電圧を重畳し、回転子の半径方向の位置に依存して自己インダクタンスあるいは、相互インダクタンスが変化することにより、巻線端子に発生する誘起電圧を検出する機能及び、検出した誘起電圧から半径方向の位置を推定する機能を備え、半径方向位置センサを必要としないことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項記載の歯科用ハンドピース。
【０００６】
（５）固定子の巻線に発生する電圧を検出する機能及び、前記電圧を積分する回路及び電圧の積分値を検出する機能を備え、また、アナログあるいはデジタル電子回路により回転子の回転角度位置を検出する機能及び、検出した回転角度に基づいてインバータ回路を駆動する機能を備え、前記インバータ回路は、回転子の回転角度位置に同期した電圧あるいは電流を供給する機能を備えてなり、ホール素子などの回転子の回転角度位置センサを必要としないことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項記載の歯科用ハンドピース。
（６）回転子に配設された永久磁石に、金属板又は網状の良導体を配設し、モータシャフトが変位すると渦電流によるダンピング力が発生することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項記載の 歯科用ハンドピース。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
１つの電磁機械によりトルクと半径方向に直交２軸の電磁力を発生する２軸制御ラジアル磁気軸受けにトルクを発生する機能を追加したベアリングレスモーターは、（電気学会誌１１７巻９号、１９９７年「ベアリングレスモーター」深尾正、千葉明 著）及び、ベアリングレスモータのセンサレス化制御（電気学会誌１９９９年２月２５日、リニアドライブ研究会資料「ベアリングレスモータのセンサレス化制御」深尾正、千葉明、室野井和文 著）等に公開されており、
また、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する軸方向用及び半径方向用とを斜めに向かい合わせて配設し一体化した永久磁石に関しては（特開平１０−３０６８２３「永久磁石およびこの永久磁石を使用した磁気浮上支持構造」）に開示されている。
さらに、検出センサを用いない軸の回転数の計測は（トランジスタ技術２０００年２月号「センサレスＤＣモータの駆動法」日下智 著）等に記載されている。
しかし、上記は各独立した事項であった。
本発明ではこれら各事項の特徴を利用し、特に軽量小型でかつ高速回転が要求される歯科用マイクロモータハンドピースの筐体内に、まとめて収納した新規でかつ進歩性のある歯科用ハンドピースを提供する
【０００８】
【実施例】
以下本発明の実施の事例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の歯科用ハンドピース（２軸制御ベアリングレスモーター・永久磁石・ストレート型ハンドピース）の外観図及び着脱嵌合部とベアリングレスモータ収納部の縦断面図である。
以下、上記事例の歯科用ハンドピースを、マイクロモーターハンドピースという。
図において、１はマイクロモータハンドピース、２はハンドピース前方部、３は着脱用アダプタ、４はＯリング、５はモータクラッチ、６は抜け止めリング、７は着脱部、８ａはモーターシャフト側スラスト用永久磁石、８ｂはケース側スラスト用永久磁石、９ａはモーターシャフト側ラジアル用永久磁石、９ｂはケース側ラジアル用永久磁石、１０はスリーブ、１１は導水パイプ、１２は回転子、１３は固定子の電機子巻線、１４はモータケース、１５は水継手、１６はエア継手、１７はエア通路、１８は電気信号ピン、１９はランプ、２０はモータシャフト、２７は固定子、２８は空隙、２９は接栓部、３６はベアリングレスモータを示す。
【０００９】
図１に示したように、マイクロモータハンドピース１は、ハンドピース前方部２と、ベアリングレスモータ３６を収納したモータケース１４とは、着脱部７の箇所で着脱でき、また施術時の歯牙に対する注水、エアの吹きつけ等は、従来と同様に行うことができる。
ベアリングレスモータ３６は、前記モータケース１４の中央部に配設されており、モータシャフト２０は前後からみて中心に配置され、その両端部には環状のシャフト側ラジアル用永久磁石９ａがモーターシャフト２０に直交して固着されている。
この環状の永久磁石の外周には、狭い空隙を隔てて環状のケース側ラジアル用永久磁石の９ｂの内径が対峙している。上記の磁石は互いに同極で反発し、回転時及び停止時もモーターシャフト２０の上下左右の全周を非接触で保持する。
【００１０】
そして、前記モータシャフト２０のラジアル永久磁石９ａの各外側には環状のモータシャフト側スラスト用永久磁石８ａが配設され，それに対向する位置に、着脱用アダプタ３の末端に固定された環状のスラスト用永久磁石８ｂ及び接栓部２９に配設された環状のスラスト用永久磁石８ｂが空隙を隔てて対峙している。
上記の磁石は互いに同極で反発し、回転時及び停止時もモータシャフト２０の前後のスラスト方向を非接触で保持する。上記によって、回転子１２は常時非接触の状態で保持される。
【００１１】
図２は、図１Ａ−Ａ’の横断面図である。
図において、２１ａは回転子に埋設されたＮ極の永久磁石、２１ｂは回転子に埋設されたＳ極の永久磁石、２２は４極モータ巻線、２３は２極位置制御巻線、２４は固定子の歯、２５は向こう側から手前への通線方向、２６は手前側から向こう側への通線方向、ＮＵ・ＮＶ・ＮＷは３相４極の４分の１極、ＮＵｂ・ＮＶｂ・ＮＷｂは３相２極の２分の１極、φｓは回転方向、を示す。
そして、固定子の電機子巻線１３（図１）：４極モータ巻線２２及び２極位置制御巻線２３（図２）は、図に示したように配線されている。
図１及び図２に示した歯科治療における歯牙切削用のインスツルメント（マイクロモータハンドピース１）に使用されるモータは、インナーロータ型のモータと磁気軸受け機能をモータ本体に一体化して、独立した軸受け機構を持たないベアリングレスモータであり、
【００１２】
該モータは、回転子１２を非接触で支持し回転させるための固定子の電機子巻線１３（図２）及び、Ｎ極の永久磁石２１ａ及びＳ極の永久磁石２１ｂを図２に示したように直角でかつ対称形に四方に埋没した回転子１２を有している、
なお、上記図２に示したＮ・Ｓの各永久磁石２１ａ及び２１ｂは幅の広い長い板状の一体型であるが、代わりに幅の狭い板状の多数の永久磁石を微少間隔をあけて並べ、円周に沿って浅く埋設し、かつ各極の間の２カ所には永久磁石を入れない構造としてもよい（図示せず）。
また、上記回転子１２に対する半径方向位置制御を、回転磁界を不平衡にし前記回転子の中心より半径方向に作用する力を発生させることで行う半径方向回転体位置制御巻線（２極位置制御巻線２３）を備え、
前記モーター固定子の電機子のモーター用の巻線（４極モータ巻線２２）に加えてそのモーターの極数とは異なるもう一組の巻線（２極位置制御巻線２３）を巻き、この巻線に流す電流で，固定子２７と回転子１２の間の空隙２８の磁束の分布を歪ませ、磁界分布の歪みにより半径方向の力を回転子に発生させて、回転子を磁気保持する機構と、
【００１３】
また、前記４極モータ巻線２２と、２極位置制御巻線２３が一つの固定子に施してあり、この２つの巻線間の相互インダクタンスが回転子１２の変位に比例するため、モータ巻線に高周波電流（例えば２０ｋｃ発振器による搬送波）を重畳して、２極位置制御巻線２３から回転子変位に比例した誘起電圧を検出し、回転子１２の半径方向の変位の推定値をフィードバックに用いて主軸の非接触支持を実現するモータシャフトの半径方向位置センサを必要としないセンサレス化と、
【００１４】
さらに、固定子２７の電機子巻線に発生する誘起電圧から回転子１２の位置を検出するコンパレータ（発生電圧検出機能、電圧の積分回路と同積分値の検出機能）と、回転子の位置検出信号を受けて駆動タイミングを出力するセンサレス演算回路（アナログあるいはデジタル電子回路の回転角度位置の検出機能と）、
出力トランジスタ制御回路（検出した回転角に基づいてインバータ回路を駆動する回路）と、モータに駆動電流を供給する出力用トランジスタによるインバータ回路（回転子の回転角度に同期した電圧あるいは電流を供給する機能）により構成され、ホール素子等の回転角度位置センサを必要としない三相センサレスＤＣモータとしている。
以上は前述した諸文献に基づく、諸機能を複合したベアリングレスモータの概要である。
【００１５】
図３は、ベアリングレスモータの回転子に配設された永久磁石に金属板の良導体を配設した図１のＡ−Ａ’断面図断面図である。
図において、２５は金属板を示す。
図示したように、基本構成は前記図２と同様であるが、追加して回転子１２に埋設されたＮ極の永久磁石２１ａ及びＳ極の永久磁石２１ｂの外周には、良導体の金属板２５が配設されている。
また、上記の金属板の代わりに網目状金属、あるいは平面的にコイルを多数形成配列したフラットシート状のものを用いてもよい。このように構成することによって、モーターシャフトが変位すると渦電流により電流が流れ、ダンピング力が発生するため、モーターシャフトの支持を容易にしている。
【００１６】
ベアリングレスモータが、半径方向位置制御磁気軸受けに、トルクを発生する機能を追加した２軸制御であることを基本とするが、２軸制御のベアリングレスモータでは、半径方向の変位を制御するのみで、軸の傾きは制御はできないため、両端の半径方向の変位を抑える永久磁石により、軸の傾きを抑制している（図１）が、次に示す４軸制御のベアリングレスモータでは、軸の傾きも制御することができる。
図４は、４軸制御のベアリングレスモータと、永久磁石とを組み合わせた縦断面図である。
図示したように、ベアリングレスモータ３６は、図１に示した２軸制御のモータを２個直列に配設し、各を制御する４軸制御としたもので、本構成により半径方向の変位を制御するだけでなく、軸の傾きを制御することができる。
従って、回転中は両端の永久磁石磁石８ａ、８ｂにより軸方向の変位のみを抑えればよい。そして停止時には回転子１２と固定子１３との接触を避けるため、軸の両側に半径方向の変位を抑える永久磁石９ａ、９ｂが設けられている。
【００１７】
図５は、２軸制御のベアリングレスモータと、階段状に環状永久磁石を組み合わせた縦断面図である。
図において、３０ａはモータシャフト用小外径環状永久磁石、３１ｃは大外径環状永久磁石、３０ｂは固定子用小内径環状永久磁石、３１ｄは固定子用大内径環状磁石を示す。
図示したように、モータシャフト２０の端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた直径が大となる方向に僅かに異なる環状の永久磁石（モータシャフト用小外径環状永久磁石３０ａ、大外径環状永久磁石３１ｃ、固定子用小内径環状永久磁石３０ｂ、固定子用大内径環状磁石３１ｄ）を複数個階段状に配設して、マイクロモーターハンドピース１の筐体内に収納して、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子の接触を無くしている。
【００１８】
図６は、２軸制御のベアリングレスモータと、斜めに上下面を中空にした円錐台状永久磁石を組み合わせた縦断面図である。
図において、３２はモータシャフト用円錐台状永久磁石、３３は固定子用円錐台状状永久磁石を示す。
図示したように、モータシャフト２０の端部に、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を斜めに向き合わせた、上下面を中空にした円錐台状の永久磁石（モータシャフト用円錐台状永久磁石３２、固定子用円錐台状状永久磁石３３）をマイクロモーターハンドピース１の筐体内に収納し、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子の接触を無くしている。
【００１９】
図７は、４軸制御のベアリングレスモータと、永久磁石並びにタッチダウンベアリングを組み合わせた縦断面図である。
図において、３４は固定子用環状タッチダウンベアリング、３５はモータシャフト用環状タッチダウンベアリングを示す。
図示したように、モータシャフト２０及びケース１４の端部に、軸方向の変位抑制用の環状永久磁石として、モータシャフト側スラスト用永久磁石８ａ及びケース側スラスト用永久磁石８ｂを同極を向き合わせて配設している。また、固定子２７及びモータシャフト２０の両端には、相対して、モータの停止時に回転子１２と固定子２７の摩耗を防止する超硬、耐摩耗性を有する環状のタッチダウンベアリング（固定子用環状タッチダウンベアリング３４、モータシャフト用環状タッチダウンベアリング３５）が配設してあり、モーターハンドピース１の筐体内に収納されている。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば次のような優れた効果が発揮される。
１、本発明の請求項１の発明によれば、
歯科治療における歯牙切削用のインスツルメントにおいて、マイクロモータハンドピースに使用されるモータが、
固定子にトルクを発生する巻線群を備え、その巻線群に半径方向力を発生する巻線群又は一つの巻線群を備え、固定子内部には磁極を構成する永久磁石が配置された回転運動を行いかつ半径方向に運動する回転子を備え、さらに固定子外周に構成された筐体内のモータシャフト上には、前記回転子が配設され、モータシャフトは歯科用ハンドピースに接続された構造とし、固定子巻線群に電流を供給することにより発生する起磁力との相互作用により巻線群の電流振幅、位相を調整することにより、トルクと半径方向力を発生する機能と、半径方向力は、半径方向の回転子位置を調整しあるいは半径方向の振動を抑制する機能及び、トルクは、回転子の回転速度を調整する機能を備えてなるため、回転子が固定子の中心から偏心した場合、回転子を中心に制御することができる。
また、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石を配設し、マイクロモーターハンドピースの筐体内に収納したため、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くすことができる。
２、請求項２の発明によれば、
モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた直径が大となる方向に僅かに異なる環状の永久磁石を複数個階段状に配設し、マイクロモーターハンドピースの筐体内に収納したため、簡単な構造で、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くすことができる。
【００２１】
３、請求項３の発明によれば、
モータシャフト端部に、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を斜めに向き合わせた、上下面を中空にした円錐台状の永久磁石をマイクロモーターハンドピースの筐体内に収納したため、一つの面の向き合わせで、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くすことができる。
４、請求項４の発明によれば、
固定子のトルクを発生する巻線に、高周波の正弦波電圧あるいはＰＷＭにより生じる高周波電圧を重畳し、回転子の半径方向の位置に依存して、自己インダクタンスが変化することにより、巻線端子に発生する誘起電圧を検出する機能及び、検出した誘起電圧から半径方向の位置を推定する機能を備えてなるため、半径方向位置センサを必要としない。
５、請求項５の発明によれば、
固定子の巻線に発生する電圧を検出する機能及び、前記電圧を積分する回路及び電圧の積分値を検出する機能を備え、また、アナログあるいはデジタル電子回路により回転子の回転角度位置を検出する機能及び、検出した回転角度に基づいてインバータ回路を駆動する機能を備え、前記インバータ回路は、回転子の回転角度位置に同期した電圧あるいは電流を供給する機能を備えてなり、ホール素子などの回転子の回転角度位置センサを必要としない。
６、請求項６の発明によれば、
回転子に配設された永久磁石に、金属板又は網状の良導体を配設し、モータシャフトが変位すると渦電流によるダンピング力が発生するため、より変位を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の歯科用ハンドピース（２軸制御ベアリングレスモーター・永久磁石・ストレート型ハンドピース）の外観図及び着脱嵌合部とベアリングレスモータ収納部の縦断面図。
【図２】図１Ａ−Ａ’の横断面図。
【図３】ベアリングレスモータの回転子に配設された永久磁石に金属板の良導体を配設した図１のＡ−Ａ’断面図断面図。
【図４】４軸制御のベアリングレスモータと永久磁石とを組み合わせた縦断面図。
【図５】２軸制御のベアリングレスモータと階段状に環状永久磁石を組み合わせた縦断面図。
【図６】２軸制御のベアリングレスモータと斜めに上下面を中空にした円錐台状永久磁石を組み合わせた縦断面図。
【図７】４軸制御のベアリングレスモータと永久磁石並びにタッチダウンベアリングを組み合わせた縦断面図。
【符号の説明】
１：マイクロモータハンドピース
２：ハンドピース前方部
３：着脱用アダプタ
４：Ｏリング
５：モータクラッチ
６：抜け止めリング
７：着脱部
８ａ：モータシャフト側スラスト用永久磁石
８ｂ：ケース側スラスト用永久磁石
９ａ：モータシャフト側ラジアル用永久磁石
９ｂ：ケース側ラジアル用永久磁石
１０：スリーブ
１１：導水パイプ
１２：回転子
１３：固定子の電機子巻線
１４：モータケース
１５：水継手
１６：エア継手
１７：エア通路
１８：電気信号ピン
１９：ランプ
２０：モーターシャフト
２１ａ：回転子に埋設されたＮ極の永久磁石
２１ｂ：回転子に埋設されたＳ極の永久磁石
２２：４極モータ巻線
２３：２極位置制御巻線
２４：固定子の歯
２５：向こう側から手前への通線方向
２６：手前側から向こう側への通線方向
２７：固定子
２８：空隙
２９：接栓部
３０ａ：モータシャフト用小外径環状永久磁石
３０ｂ：固定子用小内径環状永久磁石
３１ｃ：大外径環状永久磁石
３１ｄ：固定子用大内径環状磁石
３２：モータシャフト用円錐台状永久磁石
３３：固定子用円錐台状状永久磁石
３４：固定子用環状タッチダウンベアリング
３５：モータシャフト用環状タッチダウンベアリング
３６：ベアリングレスモータ
ＮＵ・ＮＶ・ＮＷ：３相４極の４分の１極
ＮＵｂ・ＮＶｂ・ＮＷｂ：３相２極の２分の１極
φｓ：回転方向
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯科治療用のインスツルーメントに係り、特にベアリングレスモーターを用いた歯科用ハンドピースに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ベアリングを使用しないマイクロモータハンドピース用のモーターにおける回転子保持は、半径方向は回転子スリーブと軸受けスリーブの周囲の隙間に圧縮空気を送って浮上させ、非接触で保持しており、またスラスト方向は永久磁石によって軸をセットしていた。またモーターの停止時には、圧縮空気が送られないため、固定子と回転子は接触していた。さらに、軸の回転速度は、複数の検出センサーを配設し計測していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記回転子を圧縮空気により非接触にて保持するための圧縮空気の供給と、回転子スリーブ及び軸受けスリーブの構造は複雑で、精密加工を要し、また、スラスト方向の永久磁石による軸のセットも複雑で精密加工を要した。そして、モータの停止時には、圧縮空気がないため固定子と回転子は接触しており、始動時空気制御回路に不具合あると
接触しながら回転するおそれがあった。
また、複数の回転速度の検出センサーとその信号の送出は、限られたハンドピース内のスペース効率を悪くしかつ面倒であった。本発明はこれらの課題を解決する歯科用ハンドピースを提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記に鑑み本発明者等は、鋭意実験研究の結果下記の手段によりこの課題を解決した。
歯科治療における歯牙切削用のインスツルメントであって、マイクロモータハンドピース（以下歯科用ハンドピースという）に使用されるモータが、インナーロータ型のモータと磁気軸受け機能をモータ本体に一体化して、独立した軸受け機構を持たないベアリングレスモータであり、下記構成の歯科用ハンドピースである。
（１）歯科用ハンドピースにおいて、固定子にトルクを発生する巻線群と半径方向力を発生する巻線群を備え、前記固定子内部には、磁極を構成する永久磁石が配置されたケイ素鋼あるいは無垢の鉄心等で構成された回転運動を行いかつ半径方向に運動する回転子を備えてなり、
さらに、前記固定子外周には筐体が構成され、また、前記回転子は、前記筐体内のモータシャフト上に構成され、該モータシャフトは歯科用ハンドピースに接続されてなる構造を備えてなり、
前記固定子巻線群に電流を供給することにより発生する起磁力と回転子の永久磁石の磁力の相互作用により、前記巻線群の電流振幅、位相を調整することにより、トルクと半径方向力を発生する機能と、前記半径方向力は、半径方向の前記回転子位置を調整しあるいは半径方向の振動を抑制する機能及び、前記トルクは、前記回転子の回転速度を調整する機能を備えてなり、
さらに、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石を配設し、前記筐体内に収納してなり、
モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くしたことを特徴とする歯科用ハンドピース。
（２）前記（１）記載の歯科用ハンドピースにおいて、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石に代えて、
モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた直径が大となる方向に僅かに異なる環状の永久磁石を複数個階段状に配設してなることを特徴とする歯科用ハンドピース。
【０００５】
（３）前記（１）記載の歯科用ハンドピースにおいて、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石に代えて、
モータシャフト端部に、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を斜めに向き合わせた、上下面を中空にした円錐台状の永久磁石をマイクロモータハンドピースの筐体内に収納してなることを特徴とする歯科用ハンドピース。
（４）固定子のトルクを発生する巻線に、高周波の正弦波電圧あるいは、ＰＷＭにより生じる高周波電圧を重畳し、回転子の半径方向の位置に依存して自己インダクタンスあるいは、相互インダクタンスが変化することにより、巻線端子に発生する誘起電圧を検出する機能及び、検出した誘起電圧から半径方向の位置を推定する機能を備え、半径方向位置センサを必要としないことを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項記載の歯科用ハンドピース。
【０００６】
（５）固定子の巻線に発生する電圧を検出する機能及び、前記電圧を積分する回路及び電圧の積分値を検出する機能を備え、また、アナログあるいはデジタル電子回路により回転子の回転角度位置を検出する機能及び、検出した回転角度に基づいてインバータ回路を駆動する機能を備え、前記インバータ回路は、回転子の回転角度位置に同期した電圧あるいは電流を供給する機能を備えてなり、ホール素子などの回転子の回転角度位置センサを必要としないことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項記載の歯科用ハンドピース。
（６）回転子に配設された永久磁石に、金属板又は網状の良導体を配設し、モータシャフトが変位すると渦電流によるダンピング力が発生することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項記載の 歯科用ハンドピース。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
１つの電磁機械によりトルクと半径方向に直交２軸の電磁力を発生する２軸制御ラジアル磁気軸受けにトルクを発生する機能を追加したベアリングレスモーターは、（電気学会誌１１７巻９号、１９９７年「ベアリングレスモーター」深尾正、千葉明 著）及び、ベアリングレスモータのセンサレス化制御（電気学会誌１９９９年２月２５日、リニアドライブ研究会資料「ベアリングレスモータのセンサレス化制御」深尾正、千葉明、室野井和文 著）等に公開されており、
また、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する軸方向用及び半径方向用とを斜めに向かい合わせて配設し一体化した永久磁石に関しては（特開平１０−３０６８２３「永久磁石およびこの永久磁石を使用した磁気浮上支持構造」）に開示されている。
さらに、検出センサを用いない軸の回転数の計測は（トランジスタ技術２０００年２月号「センサレスＤＣモータの駆動法」日下智 著）等に記載されている。
しかし、上記は各独立した事項であった。
本発明ではこれら各事項の特徴を利用し、特に軽量小型でかつ高速回転が要求される歯科用マイクロモータハンドピースの筐体内に、まとめて収納した新規でかつ進歩性のある歯科用ハンドピースを提供する
【０００８】
【実施例】
以下本発明の実施の事例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の歯科用ハンドピース（２軸制御ベアリングレスモーター・永久磁石・ストレート型ハンドピース）の外観図及び着脱嵌合部とベアリングレスモータ収納部の縦断面図である。
以下、上記事例の歯科用ハンドピースを、マイクロモーターハンドピースという。
図において、１はマイクロモータハンドピース、２はハンドピース前方部、３は着脱用アダプタ、４はＯリング、５はモータクラッチ、６は抜け止めリング、７は着脱部、８ａはモーターシャフト側スラスト用永久磁石、８ｂはケース側スラスト用永久磁石、９ａはモーターシャフト側ラジアル用永久磁石、９ｂはケース側ラジアル用永久磁石、１０はスリーブ、１１は導水パイプ、１２は回転子、１３は固定子の電機子巻線、１４はモータケース、１５は水継手、１６はエア継手、１７はエア通路、１８は電気信号ピン、１９はランプ、２０はモータシャフト、２７は固定子、２８は空隙、２９は接栓部、３６はベアリングレスモータを示す。
【０００９】
図１に示したように、マイクロモータハンドピース１は、ハンドピース前方部２と、ベアリングレスモータ３６を収納したモータケース１４とは、着脱部７の箇所で着脱でき、また施術時の歯牙に対する注水、エアの吹きつけ等は、従来と同様に行うことができる。
ベアリングレスモータ３６は、前記モータケース１４の中央部に配設されており、モータシャフト２０は前後からみて中心に配置され、その両端部には環状のシャフト側ラジアル用永久磁石９ａがモーターシャフト２０に直交して固着されている。
この環状の永久磁石の外周には、狭い空隙を隔てて環状のケース側ラジアル用永久磁石の９ｂの内径が対峙している。上記の磁石は互いに同極で反発し、回転時及び停止時もモーターシャフト２０の上下左右の全周を非接触で保持する。
【００１０】
そして、前記モータシャフト２０のラジアル永久磁石９ａの各外側には環状のモータシャフト側スラスト用永久磁石８ａが配設され，それに対向する位置に、着脱用アダプタ３の末端に固定された環状のスラスト用永久磁石８ｂ及び接栓部２９に配設された環状のスラスト用永久磁石８ｂが空隙を隔てて対峙している。
上記の磁石は互いに同極で反発し、回転時及び停止時もモータシャフト２０の前後のスラスト方向を非接触で保持する。上記によって、回転子１２は常時非接触の状態で保持される。
【００１１】
図２は、図１Ａ−Ａ’の横断面図である。
図において、２１ａは回転子に埋設されたＮ極の永久磁石、２１ｂは回転子に埋設されたＳ極の永久磁石、２２は４極モータ巻線、２３は２極位置制御巻線、２４は固定子の歯、２５は向こう側から手前への通線方向、２６は手前側から向こう側への通線方向、ＮＵ・ＮＶ・ＮＷは３相４極の４分の１極、ＮＵｂ・ＮＶｂ・ＮＷｂは３相２極の２分の１極、φｓは回転方向、を示す。
そして、固定子の電機子巻線１３（図１）：４極モータ巻線２２及び２極位置制御巻線２３（図２）は、図に示したように配線されている。
図１及び図２に示した歯科治療における歯牙切削用のインスツルメント（マイクロモータハンドピース１）に使用されるモータは、インナーロータ型のモータと磁気軸受け機能をモータ本体に一体化して、独立した軸受け機構を持たないベアリングレスモータであり、
【００１２】
該モータは、回転子１２を非接触で支持し回転させるための固定子の電機子巻線１３（図２）及び、Ｎ極の永久磁石２１ａ及びＳ極の永久磁石２１ｂを図２に示したように直角でかつ対称形に四方に埋没した回転子１２を有している、
なお、上記図２に示したＮ・Ｓの各永久磁石２１ａ及び２１ｂは幅の広い長い板状の一体型であるが、代わりに幅の狭い板状の多数の永久磁石を微少間隔をあけて並べ、円周に沿って浅く埋設し、かつ各極の間の２カ所には永久磁石を入れない構造としてもよい（図示せず）。
また、上記回転子１２に対する半径方向位置制御を、回転磁界を不平衡にし前記回転子の中心より半径方向に作用する力を発生させることで行う半径方向回転体位置制御巻線（２極位置制御巻線２３）を備え、
前記モーター固定子の電機子のモーター用の巻線（４極モータ巻線２２）に加えてそのモーターの極数とは異なるもう一組の巻線（２極位置制御巻線２３）を巻き、この巻線に流す電流で，固定子２７と回転子１２の間の空隙２８の磁束の分布を歪ませ、磁界分布の歪みにより半径方向の力を回転子に発生させて、回転子を磁気保持する機構と、
【００１３】
また、前記４極モータ巻線２２と、２極位置制御巻線２３が一つの固定子に施してあり、この２つの巻線間の相互インダクタンスが回転子１２の変位に比例するため、モータ巻線に高周波電流（例えば２０ｋｃ発振器による搬送波）を重畳して、２極位置制御巻線２３から回転子変位に比例した誘起電圧を検出し、回転子１２の半径方向の変位の推定値をフィードバックに用いて主軸の非接触支持を実現するモータシャフトの半径方向位置センサを必要としないセンサレス化と、
【００１４】
さらに、固定子２７の電機子巻線に発生する誘起電圧から回転子１２の位置を検出するコンパレータ（発生電圧検出機能、電圧の積分回路と同積分値の検出機能）と、回転子の位置検出信号を受けて駆動タイミングを出力するセンサレス演算回路（アナログあるいはデジタル電子回路の回転角度位置の検出機能と）、
出力トランジスタ制御回路（検出した回転角に基づいてインバータ回路を駆動する回路）と、モータに駆動電流を供給する出力用トランジスタによるインバータ回路（回転子の回転角度に同期した電圧あるいは電流を供給する機能）により構成され、ホール素子等の回転角度位置センサを必要としない三相センサレスＤＣモータとしている。
以上は前述した諸文献に基づく、諸機能を複合したベアリングレスモータの概要である。
【００１５】
図３は、ベアリングレスモータの回転子に配設された永久磁石に金属板の良導体を配設した図１のＡ−Ａ’断面図断面図である。
図において、２５は金属板を示す。
図示したように、基本構成は前記図２と同様であるが、追加して回転子１２に埋設されたＮ極の永久磁石２１ａ及びＳ極の永久磁石２１ｂの外周には、良導体の金属板２５が配設されている。
また、上記の金属板の代わりに網目状金属、あるいは平面的にコイルを多数形成配列したフラットシート状のものを用いてもよい。このように構成することによって、モーターシャフトが変位すると渦電流により電流が流れ、ダンピング力が発生するため、モーターシャフトの支持を容易にしている。
【００１６】
ベアリングレスモータが、半径方向位置制御磁気軸受けに、トルクを発生する機能を追加した２軸制御であることを基本とするが、２軸制御のベアリングレスモータでは、半径方向の変位を制御するのみで、軸の傾きは制御はできないため、両端の半径方向の変位を抑える永久磁石により、軸の傾きを抑制している（図１）が、次に示す４軸制御のベアリングレスモータでは、軸の傾きも制御することができる。
図４は、４軸制御のベアリングレスモータと、永久磁石とを組み合わせた縦断面図である。
図示したように、ベアリングレスモータ３６は、図１に示した２軸制御のモータを２個直列に配設し、各を制御する４軸制御としたもので、本構成により半径方向の変位を制御するだけでなく、軸の傾きを制御することができる。
従って、回転中は両端の永久磁石磁石８ａ、８ｂにより軸方向の変位のみを抑えればよい。そして停止時には回転子１２と固定子１３との接触を避けるため、軸の両側に半径方向の変位を抑える永久磁石９ａ、９ｂが設けられている。
【００１７】
図５は、２軸制御のベアリングレスモータと、階段状に環状永久磁石を組み合わせた縦断面図である。
図において、３０ａはモータシャフト用小外径環状永久磁石、３１ｃは大外径環状永久磁石、３０ｂは固定子用小内径環状永久磁石、３１ｄは固定子用大内径環状磁石を示す。
図示したように、モータシャフト２０の端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた直径が大となる方向に僅かに異なる環状の永久磁石（モータシャフト用小外径環状永久磁石３０ａ、大外径環状永久磁石３１ｃ、固定子用小内径環状永久磁石３０ｂ、固定子用大内径環状磁石３１ｄ）を複数個階段状に配設して、マイクロモーターハンドピース１の筐体内に収納して、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子の接触を無くしている。
【００１８】
図６は、２軸制御のベアリングレスモータと、斜めに上下面を中空にした円錐台状永久磁石を組み合わせた縦断面図である。
図において、３２はモータシャフト用円錐台状永久磁石、３３は固定子用円錐台状状永久磁石を示す。
図示したように、モータシャフト２０の端部に、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を斜めに向き合わせた、上下面を中空にした円錐台状の永久磁石（モータシャフト用円錐台状永久磁石３２、固定子用円錐台状状永久磁石３３）をマイクロモーターハンドピース１の筐体内に収納し、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子の接触を無くしている。
【００１９】
図７は、４軸制御のベアリングレスモータと、永久磁石並びにタッチダウンベアリングを組み合わせた縦断面図である。
図において、３４は固定子用環状タッチダウンベアリング、３５はモータシャフト用環状タッチダウンベアリングを示す。
図示したように、モータシャフト２０及びケース１４の端部に、軸方向の変位抑制用の環状永久磁石として、モータシャフト側スラスト用永久磁石８ａ及びケース側スラスト用永久磁石８ｂを同極を向き合わせて配設している。また、固定子２７及びモータシャフト２０の両端には、相対して、モータの停止時に回転子１２と固定子２７の摩耗を防止する超硬、耐摩耗性を有する環状のタッチダウンベアリング（固定子用環状タッチダウンベアリング３４、モータシャフト用環状タッチダウンベアリング３５）が配設してあり、モーターハンドピース１の筐体内に収納されている。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば次のような優れた効果が発揮される。
１、本発明の請求項１の発明によれば、
歯科治療における歯牙切削用のインスツルメントにおいて、マイクロモータハンドピースに使用されるモータが、
固定子にトルクを発生する巻線群を備え、その巻線群に半径方向力を発生する巻線群又は一つの巻線群を備え、固定子内部には磁極を構成する永久磁石が配置された回転運動を行いかつ半径方向に運動する回転子を備え、さらに固定子外周に構成された筐体内のモータシャフト上には、前記回転子が配設され、モータシャフトは歯科用ハンドピースに接続された構造とし、固定子巻線群に電流を供給することにより発生する起磁力との相互作用により巻線群の電流振幅、位相を調整することにより、トルクと半径方向力を発生する機能と、半径方向力は、半径方向の回転子位置を調整しあるいは半径方向の振動を抑制する機能及び、トルクは、回転子の回転速度を調整する機能を備えてなるため、回転子が固定子の中心から偏心した場合、回転子を中心に制御することができる。
また、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石を配設し、マイクロモーターハンドピースの筐体内に収納したため、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くすことができる。
２、請求項２の発明によれば、
モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた直径が大となる方向に僅かに異なる環状の永久磁石を複数個階段状に配設し、マイクロモーターハンドピースの筐体内に収納したため、簡単な構造で、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くすことができる。
【００２１】
３、請求項３の発明によれば、
モータシャフト端部に、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を斜めに向き合わせた、上下面を中空にした円錐台状の永久磁石をマイクロモーターハンドピースの筐体内に収納したため、一つの面の向き合わせで、モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くすことができる。
４、請求項４の発明によれば、
固定子のトルクを発生する巻線に、高周波の正弦波電圧あるいはＰＷＭにより生じる高周波電圧を重畳し、回転子の半径方向の位置に依存して、自己インダクタンスが変化することにより、巻線端子に発生する誘起電圧を検出する機能及び、検出した誘起電圧から半径方向の位置を推定する機能を備えてなるため、半径方向位置センサを必要としない。
５、請求項５の発明によれば、
固定子の巻線に発生する電圧を検出する機能及び、前記電圧を積分する回路及び電圧の積分値を検出する機能を備え、また、アナログあるいはデジタル電子回路により回転子の回転角度位置を検出する機能及び、検出した回転角度に基づいてインバータ回路を駆動する機能を備え、前記インバータ回路は、回転子の回転角度位置に同期した電圧あるいは電流を供給する機能を備えてなり、ホール素子などの回転子の回転角度位置センサを必要としない。
６、請求項６の発明によれば、
回転子に配設された永久磁石に、金属板又は網状の良導体を配設し、モータシャフトが変位すると渦電流によるダンピング力が発生するため、より変位を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の歯科用ハンドピース（２軸制御ベアリングレスモーター・永久磁石・ストレート型ハンドピース）の外観図及び着脱嵌合部とベアリングレスモータ収納部の縦断面図。
【図２】図１Ａ−Ａ’の横断面図。
【図３】ベアリングレスモータの回転子に配設された永久磁石に金属板の良導体を配設した図１のＡ−Ａ’断面図断面図。
【図４】４軸制御のベアリングレスモータと永久磁石とを組み合わせた縦断面図。
【図５】２軸制御のベアリングレスモータと階段状に環状永久磁石を組み合わせた縦断面図。
【図６】２軸制御のベアリングレスモータと斜めに上下面を中空にした円錐台状永久磁石を組み合わせた縦断面図。
【図７】４軸制御のベアリングレスモータと永久磁石並びにタッチダウンベアリングを組み合わせた縦断面図。
【符号の説明】
１：マイクロモータハンドピース
２：ハンドピース前方部
３：着脱用アダプタ
４：Ｏリング
５：モータクラッチ
６：抜け止めリング
７：着脱部
８ａ：モータシャフト側スラスト用永久磁石
８ｂ：ケース側スラスト用永久磁石
９ａ：モータシャフト側ラジアル用永久磁石
９ｂ：ケース側ラジアル用永久磁石
１０：スリーブ
１１：導水パイプ
１２：回転子
１３：固定子の電機子巻線
１４：モータケース
１５：水継手
１６：エア継手
１７：エア通路
１８：電気信号ピン
１９：ランプ
２０：モーターシャフト
２１ａ：回転子に埋設されたＮ極の永久磁石
２１ｂ：回転子に埋設されたＳ極の永久磁石
２２：４極モータ巻線
２３：２極位置制御巻線
２４：固定子の歯
２５：向こう側から手前への通線方向
２６：手前側から向こう側への通線方向
２７：固定子
２８：空隙
２９：接栓部
３０ａ：モータシャフト用小外径環状永久磁石
３０ｂ：固定子用小内径環状永久磁石
３１ｃ：大外径環状永久磁石
３１ｄ：固定子用大内径環状磁石
３２：モータシャフト用円錐台状永久磁石
３３：固定子用円錐台状状永久磁石
３４：固定子用環状タッチダウンベアリング
３５：モータシャフト用環状タッチダウンベアリング
３６：ベアリングレスモータ
ＮＵ・ＮＶ・ＮＷ：３相４極の４分の１極
ＮＵｂ・ＮＶｂ・ＮＷｂ：３相２極の２分の１極
φｓ：回転方向
Claims (6)
- 歯科用ハンドピースにおいて、固定子にトルクを発生する巻線群と半径方向力を発生する巻線群を備え、前記固定子内部には、磁極を構成する永久磁石が配置されたケイ素鋼あるいは無垢の鉄心等で構成された回転運動を行いかつ半径方向に運動する回転子を備えてなり、
さらに、前記固定子外周には筐体が構成され、また、前記回転子は、前記筐体内のモータシャフト上に構成され、該モータシャフトは歯科用ハンドピースに接続されてなる構造を備えてなり、
前記固定子巻線群に電流を供給することにより発生する起磁力と回転子の永久磁石の磁力の相互作用により、前記巻線群の電流振幅、位相を調整することにより、トルクと半径方向力を発生する機能と、前記半径方向力は、半径方向の前記回転子位置を調整しあるいは半径方向の振動を抑制する機能及び、前記トルクは、前記回転子の回転速度を調整する機能を備えてなり、
さらに、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石を配設し、前記筐体内に収納してなり、
モータの停止時及び回転時に、固定子と回転子及びモータシャフトの端部の接触を無くしたことを特徴とする歯科用ハンドピース。 - 請求項１記載の歯科用ハンドピースにおいて、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石に代えて、
モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた直径が大となる方向に僅かに異なる環状の永久磁石を複数個階段状に配設してなることを特徴とする歯科用ハンドピース。 - 請求項１記載の歯科用ハンドピースにおいて、モータシャフトの端部に軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を向き合わせた環状の永久磁石に代えて、
モータシャフト端部に、軸方向の変位並びに半径方向の変位を抑制する同極を斜めに向き合わせた、上下面を中空にした円錐台状の永久磁石をマイクロモータハンドピースの筐体内に収納してなることを特徴とする歯科用ハンドピース。 - 固定子のトルクを発生する巻線に、高周波の正弦波電圧あるいは、ＰＷＭにより生じる高周波電圧を重畳し、回転子の半径方向の位置に依存して自己インダクタンスあるいは、相互インダクタンスが変化することにより、巻線端子に発生する誘起電圧を検出する機能及び、検出した誘起電圧から半径方向の位置を推定する機能を備え、半径方向位置センサを必要としないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の歯科用ハンドピース。
- 固定子の巻線に発生する電圧を検出する機能及び、前記電圧を積分する回路及び電圧の積分値を検出する機能を備え、また、アナログあるいはデジタル電子回路により回転子の回転角度位置を検出する機能及び、検出した回転角度に基づいてインバータ回路を駆動する機能を備え、前記インバータ回路は、回転子の回転角度位置に同期した電圧あるいは電流を供給する機能を備えてなり、ホール素子などの回転子の回転角度位置センサを必要としないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の歯科用ハンドピース。
- 回転子に配設された永久磁石に、金属板又は網状の良導体を配設し、モータシャフトが変位すると渦電流によるダンピング力が発生することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の 歯科用ハンドピース。
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