JP2009225815A - 電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】電気掃除機の電動送風機において、比較的単純な構成で精度よく異常スパークを検出して、電動送風機の寿命を延ばすことのできる制御を実現すること。
【解決手段】電動送風機２の整流子２１とカーボンブラシ２８との摩擦によって発生するスパークによる電動送風機２の振動量を検出する感震手段４１とを備え、感震手段４１の検出結果に基づいて信号処理手段１８が異常スパーク状態か否かを判断し、信号処理手段１８からの出力により双方向性サイリスタ４７の駆動制御手段４６の電動送風機２への通電量を所定量まで下げる構成の電気掃除機としたもので、感震手段４１による電動送風機２の振動量を検出するので誤検知の可能性が低く、また異常スパ−クが発生した場合でも通電量を下げるだけで電動送風機２の継続使用を実現し、寿命を延ばす制御を実現することはもちろんのこと、電気掃除機としての使用性の向上をも実現できるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファンと整流子モータからなる電動送風機を用いた電気掃除機に関するものである。

この種の電気掃除機の課題のひとつとして、整流子とカーボンブラシとの接触面から発生するモータースパークが挙げられる。特に電気掃除機に内蔵されるモータにおいては、その使用条件の過酷さ故に、モータースパークが発生し易く、更に一旦スパークが発生すると、次第に悪化していく傾向にある。このスパークが大きくなれば、大幅な寿命低下や動作不良等、様々な不具合を引き起こすことは周知の事実であり、スパーク対策としてモータ自体の改良が進められてきたが、制御による対策も依然必要とされている。従来のこの種の対策としては、スパーク発生時に交流電流波形に重畳される高周波数成分を検出することで、スパークを検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１３６７８０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたスパーク判定方法によれば、複雑な演算処理が必要となり、電源自体にノイズが重畳している場合でもスパークと誤検知する可能性もある。更に、無視してもよいレベルの軽いスパーク（３号〜４号程度）と、重度のスパーク（７号・８号：以降、「異常スパーク」と呼ぶ）とで電流波形に重畳される高周波成分の差を検知するのはかなりの精度が必要であり、実際に不具合に繋がる異常スパークのみを検出することは非常に困難である。更に、異常スパークの発生を検出した場合の制御については、モータを停止することが一般的であるが、使用者にとっては掃除が中途半端になってしまう場合もあると共に、モータの交換あるいは商品の買い替えを余儀なくされてしまう。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、比較的単純な構成で、精度よく異常スパークを検出し、可能な限り掃除機として使用できる期間を延ばすことのできる制御を提案するものである。

前記従来の課題を解決するために本発明は、ファンと整流子モータを有する電動送風機と、前記電動送風機を駆動するための双方向性サイリスタと、前記双方向性サイリスタのトリガ位相角を変えることによって前記電動送風機の通電量を制御する制御手段とを備え、電気掃除機であって、前記電動送風機の整流子とカーボンブラシとの摩擦によって発生するスパークによる前記電動送風機の振動量を検出する感震手段を有し、前記感震手段の検出結果に基づいて前記制御手段の前記電動送風機への通電量を可変する信号処理手段を備え、前記感震手段が検出する前記電動送風機の振動量が所定以上存在している場合に、「異常スパーク」と判断して、前記電動送風機への通電量を所定量まで下げるようにした。スパークの発生は、整流子とカーボンブラシとの電気的接触不良によって起こるものであるため、スパーク発生時には通常の接触状態と比較して電動送風機の振動は大きくなる。電動送風機の振動量は、スパークのレベルによって異なるが、基本的にスパークが大きいほど、電動送風機の振動量は増加する。本発明は、この電動送風機の振動量の検出によって、異常スパークを検知するものであるので、判断としては、交流電流波形に重畳される高周波数成分の微小な差という従来の検出方法に比べ、誤検知の可能性が少なく、高い信頼性を確保することができるものである。

また異常スパークを検出した場合、通電量を少なくすると、異常スパークが発生しなくなる場合があることは前述したが、低い通電量で暫く運転した場合には整流子とカーボンブラシが再びなじんで、結果再度通電量を上げても異常スパークが収まっている場合がある。本発明は、この点にも着目し、異常スパークを検出した場合、通電量を下げて、寿命ぎりぎりまで電気掃除機として使用できるようにすると共に、モータ自体の復活をも期待できるようにしたものである。

本発明の電気掃除機は、単純な構成で誤検知の可能性が低い異常スパーク検知が実現できると共に、異常スパークが発生した場合でも、寿命ぎりぎりまで電気掃除機として使用できるようにすると共に、モータ自体の復活をも期待できるようにしたものであり、利便性の高い電気掃除機を提供できるものである。

第１の発明は、ファンと整流子モータを有する電動送風機と、前記電動送風機を駆動するための双方向性サイリスタと、前記双方向性サイリスタのトリガ位相角を変えることによって前記電動送風機の通電量を制御する制御手段とを備え、前記電動送風機の整流子とカーボンブラシとの摩擦によって発生するスパークによる前記電動送風機の振動量を検出する感震手段を有し、前記感震手段の検出結果に基づいて前記制御手段の前記電動送風機への通電量を可変する信号処理手段を備えたことを特徴とする電気掃除機としたものであり、感震手段による電動送風機の振動量の検出であるので誤検知の可能性が低く、且つ異常スパ−クが発生した場合でも通電量を可変することで使用が継続できるようにしたもので、電気掃除機としての使用性向上をも期待できるものである。

第２の発明は、第１の発明の信号処理手段は、所定時間内に感震手段が検出する電動送風機の振動量が、あらかじめ設定された閾値を超えたと判断したときには、電動送風機の通電量を少なくするよう制御手段に指示信号を出力することを特徴とする電気掃除機としたものであり、異常スパークが発生したときには通電量を少なくすることで、寿命ぎりぎりまで電気掃除機として使用できると共に、モータ自体の復活をも期待できるものである。

第３の発明は、第１または第２の発明の感震手段は、電動送風機の回転方向に対してラジアル側に相当する、カーボンブラシの振動量を検出することを特徴とするものであり、振動量を電動送風機本体そのものでなく、整流子と直接接しているカーボンブラシ自体のラジアル側振動量を検出するため、より高精度に異常スパークの状態を判断できるものである。

第４の発明は、第２または第３の発明において、使用者が電動送風機の通電量を変更するための操作手段を備え、前記操作手段で設定される通電量に応じて、信号処理手段が判断する閾値を可変することを特徴とする電気掃除機としたものである。通電量を少なくすると、異常スパークが発生しなくなる場合があることは前述したが、電動送風機或いはカーボンブラシの振動は整流子の回転数が高い程その振動量は大きくなるのが一般的であるため、異常スパークの有無に関らず電動送風機の回転数によってもその振動発生量は異なる。従って、通電量によって変化する回転数に応じて信号処理手段が判断する閾値を可変することにより、より高精度に異常スパークの検出判断ができるものである。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、電気掃除機本体の走行状態を検出する走行検出手段を設け、信号処理手段は、前記走行検出手段から前記電気掃除機本体が走行しているという信号を受信している間は、感震手段の検出結果に基づく制御手段の電動送風機への通電量を可変する判断処理を実行しないことを特徴とする電気掃除機としたものである。電気掃除機本体が走行状態にあると、当然電気掃除機本体自体が振動し、それが前記感震手段に伝達されて整流子とカーボンブラシとの摩擦によって発生するスパークによる振動に重畳されるため、前記信号処理手段は正確なスパーク状態の判断が妨げられる恐れが生じる。従って、前記走行検出手段から前記電気掃除機本体が走行しているという信号を受信している期間は、感震手段の検出結果に基づく制御手段の電動送風機への通電量を可変する判断処理を実行しないことにより、より信頼性の高い異常スパークの検出判断ができるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
本発明の実施の形態における電気掃除機について、図１〜図６を用いて説明する。図２は、本実施の形態における電気掃除機の外観図である。図２〜４において、掃除機本体１は、後部に整流子モータからなる電動送風機２が格納され、前部に、塵埃を捕集する集塵室３が配され、掃除機本体１の前部には、ホース４の一端に設けた接続パイプ５が着脱自在に接続される吸気口６が設けられている。ホース４の他端には、掃除の際に握ると共に掃除機本体１の運転を操作するための操作部７を有する把手８を備えた先端パイプ９が設けられている。１０は伸縮自在の延長管で、下流側端部が前記先端パイプ９に着脱自在に接続され、他端は吸込み具１１に着脱自在に接続される。また掃除機本体１の後部には、回路基板１２が電動送風機２の外周を囲うように取り付けられた電動送風機収納ケース１３上に配置されている。掃除機本体１の後方には２つの走行ローラ１４がローラ軸１５にて連結配置されている。１６は掃除機本体１の走行状態を検知可能な走行検出手段として構成されたローラ軸１５回転検知手段であり、走行ローラ１４のローラ軸１５に固定されたスリット付きディスク１６ａとフォトインタラプタ１６ｂとで構成され、ローラ軸１５の回転信号を回路基板１２内に設けた信号処理手段１８に出力する（図２内矢印）。

電動送風機２のモータ部１９の２０は、整流子２１、電機子巻線２２を有する電機子で、電機子巻線２２は電機子コア２３の外周に巻かれている。電機子２０はモータ軸２４の両端に軸受２５が圧入され、この軸受２５を負荷側ブラケット２６と反負荷側ブラケット２７にて支持している。カーボンブラシ２８は金属からなるブラシホルダー２９に内蔵され、ブラシホルダー２９は反負荷側ブラケット２７にて保持されている。３０は界磁巻線３１を有する界磁で、界磁巻線３１は界磁コア３２の外周に巻かれている。ファン部３３の３４は、負荷側ブラケット２６と負荷であり空気吸引、吹き出し用のインペラ３５間に形成した整流用のエアガイドであり、インペラ３５の上方はケーシング３６で覆われている。インペラ３５はスペーサー（図示せず）、座金３６及びナット３７によりモータ軸２４に固定されモータ軸２４と共に回転する。エアガイド３４は、ネジ３８にて負荷側ブラケット２６に固定しており、負荷側ブラケット２６と反負荷側ブラケット２７もネジ３９にて固定してある。４０はケーシング３６の吸気口を形成する樹脂等からなるタイトキャップであり、ケーシング３６中央部へは溶着等で固定しており、インペラ３５の吸込口とタイトキャップ４０は接触することでタイト性を確保している。

この電動送風機２の整流子２１とカーボンブラシ２８との電気的接触不良によって発生するスパークによるカーボンブラシ２８先端部の振動を検出する感震手段４１は、加速度センサ等からなる感震器４２と、この感震器４２で検出した振動信号を増幅する増幅器４３で構成され、感震器４２は電動送風機２のブラシホルダー２９片側のラジアル方向側面に付設されており、ブラシホルダー２９を介してカーボンブラシ２８先端部の振動を検出している。この感震器４２で検出した振動信号は次段の回路基板１２内に設けた増幅器４３で増幅された後、信号処理手段１８に出力される（図２及び図３内矢印）。掃除機本体１に内蔵されている電源コード（図示せず）をコンセント（商用電源４４）に接続すると、回路基板１２に電源が供給される。図５は前記操作部７の詳細図であり、「強」スイッチ７ａ、「中」スイッチ７ｂ、「弱」スイッチ７ｃ、「切」スイッチ７ｄ及び異常表示ランプ７ｅより構成されている。

次に、図１を用いて制御回路構成を説明する。商用電源４４には、信号処理手段１８に電源を供給するための電源回路４５と、電動送風機２が接続されている。電動送風機２は駆動制御手段４６により双方向性サイリスタ４７を制御することによって、商用電源４４から電源が供給されるように構成されている。駆動制御手段４６は、操作部７の各スイッチ７ａ〜７ｄからの信号を受けて信号処理手段１８が設定した位相角制御信号にて双方向性サイリスタ４７を位相制御するように構成されている。カーボンブラシ２８先端部の振動を検出する感震手段４１内の感震器４２で検出した振動信号は、次段の増幅器４３で増幅された後、ブラシモルダー２９の振動量信号ａとして信号処理手段１８に出力されている。また、走行ローラ１４のローラ軸１５に固定されたスリット付きディスク１６ａとフォトインタラプタ１６ｂとで構成され、ローラ軸１５の回転検出により掃除機本体１の走行を検出する走行検出手段１６からの走行検知信号も、同じく信号処理手段１８に出力されている。これら電源回路４５、信号処理手段１８、増幅器４３、駆動制御手段４６、双方向性サイリスタ４７は前述した回路基板１２内に設けられている。異常表示ランプ７ｅは、信号処理手段１８に接続されており、異常スパーク検出時に点灯するようになっている。

次に、上記のように構成された、本実施の形態における電気掃除機の動作、作用について、図１、図５及び図６を参照しながら説明する。

使用者の操作によって、図５に示す操作部７各スイッチ７ａ〜７ｃが押された場合、その入力信号を受けて信号処理手段１８が所定の位相角制御信号を駆動制御手段４６に出力し、駆動制御手段４６からは所定の位相角に設定されたトリガパルスを双方向性サイリスタ４７に出力することで、双方向サイリスタ４７が導通し、電動送風機２に位相角に応じた通電量の電流が供給される。即ち、トリガパルスの位相角（＝駆動制御手段４６が商用電源４４のゼロクロスを検出してからトリガパルスをオンするまでの時間）を変えることで、電動送風機２に流れる電流（入力）を制御している。信号処理手段１８は、操作部７のどのスイッチが押されたかを判断し、押されたスイッチに応じて、電動送風機２が狙いの入力で駆動するように、トリガパルスの制御位相角を決定し、駆動制御手段４６に信号を出力している。本実施の形態においての各スイッチとトリガパルス位相角及び電動送風機２入力の関係を下表に示す。

また、電動送風機２が駆動している時に「切」スイッチ７ｄを押すと、駆動制御手段４６からのトリガパルス出力が常時オフになり、電動送風機２も停止する。

以降、異常スパーク検知のアルゴリズムと異常スパーク検知後の制御について、図６を参照しながら説明する。

図６の波形は、感震手段４１が検出した振動量ａの信号レベルの運転時間に対する推移を示すグラフであり、実線が「強」入力で運転した場合、点線が「中」入力で運転した場合の振動量ａの信号レベルを示している。

電動送風機２を「強」で駆動した場合、信号処理手段１８は操作部７からの入力により現在「強」で運転中であると認識すると共に、常に感震手段４１から送信されてくる振動量ａの信号レベルをモニターしながら、「強」運転時での異常スパーク発生有無の判断閾値ａｘ（一点鎖線で示す振動量信号レベル）とを比較している。通常異常スパークが発生していない初期振動値は多少のバラツキはあるものの、グラフに示すａ１程度の振動量で推移するが、使用者が掃除機本体１を移動させるとその走行振動により、振動量信号レベルａはグラフに示すように大きく変動し、「強」運転時の判断閾値ａｘを超えてしまう場合がある。従って、信号処理手段１８は、ローラ軸１５の回転検出により掃除機本体１の走行を走行検出手段１６が検出し、その検出信号が信号処理手段１８に入力されている期間は異常スパーク発生有無の判断を実行しないようにしている。その後使用時間ｔの経過に従って、整流子２１とカーボンブラシ２８との接触面の荒れが進行し、それに伴いスパークのレベルも大きくなり、振動量はａ１→ａ２→ａ３へと次第に増加を続け、「強」運転時の判断閾値ａｘを超えた時点で、信号処理手段１８は電動送風機２に異常スパークが発生したと判断し、駆動制御手段４６に「弱」入力に相当する位相角に切替るよう信号を出力し、駆動制御手段４６は双方向性サイリスタ４７に「弱」入力の位相角に設定されたトリガパルスを出力することで、電動送風機２は「弱」入力まで入力が下がり、スパークが消滅するためにグラフに示すように振動量ａの信号レベルはａ４まで減少していく。

「中」入力で運転時も前述と同様に、信号処理手段１８は操作部７からの入力により現在「中」で運転中であると認識すると共に、常に感震手段４１から送信されてくる振動量ａの信号レベルをモニターしながら、「中」運転時での異常スパーク発生有無の判断閾値ａ’ｘ（ニ点鎖線で示す振動量信号レベル）とを比較している。「中」入力は「強」入力よりも回転数が低いため、異常スパークが発生していない初期振動値も「強」入力時よりも小さく、グラフに示すａ’１程度の振動量で推移し、異常スパーク発生時の振動量レベルも「強」入力よりも低いため判断閾値はａ’ｘ＜ａｘと設定されている。使用者が掃除機本体１を移動させるとその走行振動により、振動量信号レベルａはグラフに示すように大きく変動し、「強」運転時同様「中」運転時でも判断閾値ａ’ｘを超えてしまう場合がある。従って、信号処理手段１８は「強」運転時同様、走行検出手段１６からの走行検出信号が信号処理手段１８に入力されている期間は異常スパーク発生有無の判断を実行しないようにしている。その後使用時間ｔの経過に従って、振動量がａ’１→ａ’２→ａ’３へと次第に増加を続け、「中」運転時の判断閾値ａ’ｘを超えた時点で、信号処理手段１８は「強」運転時同様電動送風機２に異常スパークが発生したと判断し、駆動制御手段４６に「弱」入力に相当する位相角に切替るよう信号を出力し、駆動制御手段４６は双方向性サイリスタ４７に「弱」入力の位相角に設定されたトリガパルスを出力することで、電動送風機２は「弱」入力まで入力が下がり、スパークが消滅するためにグラフに示すように振動量ａの信号レベルはａ４まで減少していく。

尚、「強」運転時、「中」運転時いずれの場合も、信号処理手段１８が異常スパークと判断し入力が「弱」に低下した段階で、信号処理手段１８は操作部７の異常表示ランプ７ｅを点灯させる。

以上のように、本実施の形態によれば、比較的単純な構成で誤検知の可能性が低い異常スパーク検知が実現できると共に、異常スパークが発生した場合でも、異常スパークが発生しない入力に下げることで寿命ぎりぎりまで電気掃除機として使用できるようにすると共に、モータ自体の復活をも期待できるようにしたものであり、利便性の高い電気掃除機を提供できるものである。

また本実施の形態においては、カーボンブラシが内蔵されたブラシホルダーの振動量を判断値として説明したが、ブラシホルダーを支持しているブラケットやファンのケーシングなどの振動量を判断値とする場合においても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

以上のように、本発明はモータースパークに対する対策が必要とされる機器、特に電気掃除機に対して効果を発揮するものであり、家庭用だけでなく、ビルトインタイプ（セントラルクリーナ）のような電気掃除機にも応用・展開できる。

本発明の実施の形態における電気掃除機の回路のブロック図 同、電気掃除機の外観図 同、電気掃除機の電動送風機及び感震手段の要部断面図 同、電気掃除機の走行ローラ軸及び走行検出手段詳細説明図 同、電気掃除機の操作部の表示を示す図 同、電気掃除機のブラシホルダーの振動量推移グラフ

符号の説明

１ 掃除機本体
２ 電動送風機
７ 操作部
７ａ 「強」スイッチ
７ｂ 「中」スイッチ
７ｃ 「弱」スイッチ
７ｄ 「切」スイッチ
７ｅ 異常表示ランプ
１２ 回路基板
１４ 走行ローラ
１５ ローラ軸
１６ 走行検出手段
１６ａ スリット付きディスク
１６ｂ フォトインタラプタ
１８ 信号処理手段
２１ 整流子
２８ カーボンブラシ
２９ ブラシホルダー
４１ 感震手段
４２ 感震器
４３ 増幅器
４６ 駆動制御手段
４７ 双方向性サイリスタ

Claims (5)

1. ファンと整流子モータを有する電動送風機と、前記電動送風機を駆動するための双方向性サイリスタと、前記双方向性サイリスタのトリガ位相角を変えることによって前記電動送風機の通電量を制御する制御手段とを備え、前記電動送風機の整流子とカーボンブラシとの摩擦によって発生するスパークによる前記電動送風機の振動量を検出する感震手段を有し、前記感震手段の検出結果に基づいて前記制御手段の前記電動送風機への通電量を可変する信号処理手段を備えたことを特徴とする電気掃除機。
2. 信号処理手段は、所定時間内に感震手段が検出する電動送風機の振動量が、あらかじめ設定された閾値を超えたと判断したときには、電動送風機の通電量を少なくするよう制御手段に指示信号を出力することを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
3. 感震手段は、電動送風機の回転方向に対してラジアル側に相当する、カーボンブラシの振動量を検出することを特徴とする請求項１または２記載の電気掃除機。
4. 使用者が電動送風機の通電量を変更するための操作手段を備え、前記操作手段で設定される通電量に応じて、信号処理手段が判断する閾値を可変することを特徴とする請求項２または３記載の電気掃除機。
5. 電気掃除機本体の走行状態を検出する走行検出手段を設け、信号処理手段は、前記走行検出手段から電気掃除機本体が走行しているという信号を受信している間は、感震手段の検出結果に基づく制御手段の電動送風機への通電量を可変する判断処理を実行しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気掃除機。

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