JP2012120687A - ボールバランサを有する回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンバランス量を検出するための回転数及びアンバランス量を補正するための回転数を分離することで、正確にアンバランス量を検出できるようにするとともに、アンバランス量を迅速かつ確実に補正できるようにする。
【解決手段】回転体と、回転体を回転駆動する電動機と、回転体のアンバランス量を検出するアンバランス検出手段と、アンバランス検出手段により得られるアンバランス量に基づいて回転体の回転速度を制御する制御手段とを具備し、回転速度として前記回転体に収容された収容物にかかる遠心力が重力よりも大きくなる第１回転速度と、収容物の一部にかかる重力が遠心力よりも大きくなる第２回転速度とを繰り返すものであり、回転体を第１回転速度で回転させている状態でアンバランス検出手段からアンバランス量を取得し、アンバランス量が所定値以上の場合に、第１回転速度及び第２回転速度を繰り返す。
【選択図】図２

Description

本発明は、洗濯機の脱水機、遠心分離機など、回転体の偏心荷重および偏心位置が変化する可能性を有する回転システムに関するものである。

例えば、洗濯機の脱水プロセスにおいて、個々の洗濯物は回転体であるドラムの内周に沿って不均一な状態、すなわちアンバランスな状態にしばしば置かれる。その結果、脱水中に回転軸には偏った力が加わり、振動が発生する。振動の振幅は回転ドラムの回転速度の２乗に比例して増大し、その振動のために洗濯機自身が動いたり、ある回転速度以上では運転することができなくなってしまうなどの問題が発生する。

これに対して従来は、特許文献１に示すように、ドラムに設けた振動検出装置の出力に応じて洗濯物のアンバランス量を検出するアンバランス検出手段と、このアンバランス検出手段からの検出振動に基づいて電導機の回転数を制御してアンバランス量を補正する制御手段とを備えたものがある。具体的に制御手段は、洗濯物がドラム内面に張り付きながらその一部が動く第１回転数と、第１回転数よりも洗濯物の動く量が多い第２回転数とを所定の間隔で交互に繰り返すように回転させた状態で、アンバランス検出手段の出力が閾値以下の場合に加速させる。

しかしながら、前記第１回転数及び第２回転数の何れにおいても洗濯物がドラムに対して動くため、アンバランス検出中にアンバランス量が時々刻々と変化する。このため低アンバランス検出後の加速中にアンバランス量が変化してしまうことがある。また第１回転数では、ドラム内の一部の洗濯物しか動かないため、アンバランス状態を変化させるための時間が長くなってしまうという問題がある。さらにアンバランスの状態（重量やサイズ）に応じた補正を行うことができないため補正時間のばらつきが大きくなるという問題もある。

特開２００９−５０３５０号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、アンバランス量を検出するための回転速度及びアンバランス量を補正するための回転速度を分離することで、正確にアンバランス量を検出できるようにするとともに、アンバランス量を迅速かつ確実に補正できるようにすることを主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る回転装置は、水平又は傾斜回転軸周りに回転可能に支持された、偏心荷重が作用する回転体と、前記回転体を回転駆動する電動機と、前記回転体のアンバランス量を検出するアンバランス検出手段と、前記アンバランス検出手段により得られるアンバランス量に基づいて、前記電動機を駆動して前記回転体の回転速度を制御する制御手段とを具備し、前記制御手段が、前記回転速度として前記回転体に収容された収容物にかかる遠心力が重力よりも大きくなる第１回転速度と、前記収容物の少なくとも一部にかかる重力が遠心力よりも大きくなる第２回転速度とを繰り返すものであり、前記回転体を第１回転速度で回転させている状態で前記アンバランス検出手段からアンバランス量を取得し、当該アンバランス量が所定値以上の場合に、前記第１回転速度及び前記第２回転速度を繰り返すことを特徴とする。ここで第１回転速度では、収容物にかかる遠心力が重力よりも大きくなっていることから、回転体の内面に収容物が張り付いて回転体に対して移動しない。一方、第２回転速度では、収容物の少なくとも一部にかかる重力が遠心力よりも大きくなっていることから、回転体の内面から収容物が離れて回転体に対して移動する。

このようなものであれば、第１回転速度でアンバランス量を取得し、第２回転速度でアンバランス量を補正していることから、アンバランス量の取得とアンバランス量の補正とを分離することができる。これにより、アンバランス量の取得時における収容物の移動に起因するアンバランス量の変化を考慮する必要がなく正確にアンバランス量を検出することができる。また、第１回転速度で得られたアンバランス量に基づいて第２回転速度でアンバランス量の補正を行うため、アンバランス量を迅速かつ確実に補正できるようになる。

回転体におけるアンバランスは周方向において種々の分布を取ることから、このアンバランス分布を均してアンバランス量を補正するためには、前記制御手段が、前記第１回転速度及び前記第２回転速度を繰り返す場合に、前記回転体を周方向に等分割した各分割領域が所定の回転位置となったときに前記第１回転速度から前記第２回転速度側に減速することが望ましい。

分割領域に含まれるアンバランス量が小さければ、そのアンバランスとなっている収容物を移動させる必要はない。このため、前記第２回転速度が、アンバランス量が所定値以下の分割領域では収容物が回転体から離れない回転速度であることが望ましい。

アンバランス量を大きく変化させるためには、第１回転速度及び第２回転速度の減速幅を大きくすることが考えられる。このため、前記第１回転速度を共振回転数より若干低い回転速度であることが望ましい。

前記回転体に周方向に転動可能に取り付けられて前記偏心荷重によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体を有するボールバランサシステムを備えることが望ましい。このようにボールバランサシステムを有するものでは、例えば脱水過程において経時的に変化する布アンバランス量に刻一刻対応して、複数のボールが位置を変え、自動的にアンバランスを修正できる。しかしながら、このボールバランサを備えたものの場合、アンバランス検出手段にボール挙動による振動が含まれるため、アンバランス量の検知が困難となる。本発明では、第１回転速度でアンバランス量を検出しているので、第１回転速度でのアンバランス量が一定であること及びボールバランサシステムの物理的挙動を利用して、アンバランス量を算出できるようになる。

このように構成した本発明によれば、アンバランス量を検出するための回転速度及びアンバランス量を補正するための回転速度を分離することで、正確にアンバランス量を検出できるようにするとともに、アンバランス量を迅速かつ確実に補正できるようにすることができる。

本発明の一実施形態における洗濯機の内部構造を示す模式的縦断面図。 同実施形態のボールバランサシステムを示す軸方向から視た模式的内部構造図。 同実施形態の制御手段の制御プロファイルを示す図。 同実施形態の制御手段の制御内容を示す図。 同実施形態の制御手段の制御フローチャート。 第２実施形態にかかるドラムの分割領域及び各アンバランス量を示す模式図。 第２実施形態の回転速度プロファイルを示す図。 同実施形態を適用した場合の過渡振動及び脱水時間の実験結果を示す図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るドラム式洗濯機１００の概略内部構造を示した縦断面図である。同図中、符号１は中空のボディであり、このボディ１の使用端側（以下、前側とも言う）には、洗濯物を投入するための投入口１１と、前記投入口１１を閉じるための開閉可能な蓋１２とが設けてある。また、ボディ１の内部には、水槽２が配設されており、当該水槽２のさらに内部にはドラム３が設けられている。

水槽２は、後端面が底板２１によって閉塞され、前端部が開口する概略円筒状をなすものであり、その中心軸Ｃを水平又は水平から傾斜させ、前側が後側よりも若干高くなる姿勢で、ダンパＤや弾性体Ｓによって揺動可能に支持されている。

ドラム３は、水槽２よりも一回り小さい円筒状をなすもので、水槽２と同様、その後端面が底板３１によって閉塞され、その前端面は開口している。このドラム３には、厚み方向に貫通する多数の孔３３が設けられていて、この孔３３を介して水槽２からドラム３内に水が浸入自在に構成されている。

このドラム３の前端部及び後端部には、ボールバランサシステム７が付加されている。このボールバランサシステム７は、ドラム３の側周部に周回して取り付けられた管状をなす案内部材７１と、この案内部材７１の内部に略ガタなく嵌まり込んで転動する転動体たる複数の金属製ボール７２からなるものである。なお、図２に示すように、前記案内部材７１の内部には、ボール７２の急激な移動を抑制するための油等の粘性流体７３が貯留してある。

前記水槽２における底板２１の外側には、例えばドラム３を回転駆動するための電動機４が取り付けられており、前記電動機４の回転軸４１が軸受４２を介して当該底板２１を貫通し、ドラム３の底板３２に固定されている。

なお、図１に示す符号５は、洗濯水を供給する給水機構５であり、符号６は、水槽２及びドラム３内の洗濯水を外部に排出するための排水機構である。

これらの構成に加えて、この洗濯機１００は、電動機４等の回転速度を制御して、ドラム内の洗濯物の重量を算出し、洗い工程や脱水工程を自動で行う制御手段８を、ボディ１の内部における適宜箇所に備えている。

この制御手段８は、ハードウェア構成として、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、ＡＤコンバータ、各種ドライバ回路などを具備した電気回路であり、前記メモリに記憶させたプログラムに従って、前記ＣＰＵや周辺機器が協動することで種々の機能を発揮する。

しかしてこの実施形態での特徴は、制御手段８による脱水工程でのドラム３の回転速度制御にある。そこで、その制御動作について図３〜図５を参照して以下に説明する。

脱水工程において制御手段８は、まず、停止状態からドラム３の回転速度を後述の第１回転速度まで徐々に上昇させる（図５のステップＳ１）。回転速度については、例えば電動機４に取り付けられた回転速度センサ（図示しない）からの出力によって得る。この回転速度センサは、例えばホールＩＣなどを利用したものであるが、その他の方式でも構わない。また、ドラム３の振動をアンバランス検出手段である振動センサ９により検知する。これにより、振動低減の有無を判断する。この振動センサ９としては、例えば、ドラム２や水槽２等に直接設けた加速度センサであるが、その他の方式でも構わない。

そして制御手段８は、前記振動センサ９により得られるアンバランス量の指標である振動値に基づいて、前記電導機４を駆動してドラム３の回転速度を制御する。

具体的に制御手段８は、回転速度としてドラム３に収容された洗濯物にかかる遠心力が重力よりも大きくなる第１回転速度と、洗濯物にかかる重力が遠心力よりも大きくなる第２回転速度とを繰り返す（図３参照）。なお、第１回転速度においては、ドラム３内のアンバランスとボールバランサシステムのボール７２とは同相に位置する。

ここで本実施形態の第１回転速度は、ドラム３に収容された洗濯物全部がドラム３の内面に張り付いて回転途中でドラム３から離れない回転速度であり、第２回転速度は、ドラム３の回転において上部に位置する洗濯物がドラム３の内面から離れ下方に落下する回転速度である。これらの第１回転速度及び第２回転速度はドラム３内の洗濯物の量（洗濯物の重心位置ｒ）によって決まる。
ｍｇ＝ｍｒω^２
∴ω＝√（ｇ／ｒ） （ｒ＜ドラム内周半径Ｒ）

洗濯物が限りなく少ない場合ｒ＝Ｒ＝０．２５［ｍ］とすると、ω＝√（ｇ／ｒ）＝６０［ｒｐｍ］であり、洗濯物が多い場合ｒ＝０．１５［ｍ］（洗濯物の積層厚０．１［ｍ］）とすると、ω＝√（ｇ／ｒ）＝７７［ｒｐｍ］である。

したがって、回転速度を８０［ｒｐｍ］以上に設定することでドラム３の内面に洗濯物が確実に張り付き、回転速度を６０［ｒｐｍ］以下に設定することでドラム３の内面から洗濯物を確実に剥すことができる。また、回転速度を６０〜８０［ｒｐｍ］では洗濯物の一部が張り付き、残りの一部が剥がれる。

本実施形態では、第１回転速度及び第２回転速度の速度幅を可及的に大きくして急加減速させてアンバランス量を好適に解消すべく、第１回転速度を共振回転数より若干低い回転速度である１００［ｒｐｍ］、第２回転速度を５０［ｒｐｍ］としている。

ここで制御手段８は、第１回転速度及び第２回転速度を繰り返すのは、ドラム３を第１回転速度で回転させている状態で振動センサ９からアンバランス量を取得し、当該アンバランス量が所定値以上の場合である（図５のステップＳ２、図４参照）。アンバランス量が所定値以上とは、アンバランス量を示す振動値が所定値以上のことであり、本実施形態では、ピーク振動値が１．６［ｍｍ］以上である。

そして、制御手段８は、第１回転速度でドラム３を回転させている際に、振動センサ９から得られたピーク振動値が所定値未満（１．６［ｍｍ］未満）であれば、高速脱水工程に移行する（図５のステップＳ３）。

一方で、制御手段８は、第２回転速度でドラム３を回転させている際に、振動センサ９から得られたピーク振動値が所定値以上（１．６［ｍｍ］以上）であれば、電導機４を制御してドラム３の回転速度を第２回転速度に減速する（図５のステップＳ４、図３及び図４参照）。ここで減速方法としては、図４に示すように、例えば所定の減速度（例えば−２５［ｒｐｍ／ｓｅｃ］）で第１回転速度（１００［ｒｐｍ］）から第２回転速度（５０［ｒｐｍ］）へ減速する。そして、制御手段８は、第２回転速度まで減速した後再度第１回転速度へ所定の加速度（例えば５０［ｒｐｍ／ｓｅｃ］）で加速する（図５のステップＳ５）。

そして制御手段８は、ドラム３の回転速度を第１回転速度とした後、再度振動センサから検出振動を取得して、そのピーク振動値が所定値以上か否かを判断する（図５のステップＳ２）。そして、制御手段８は、ピーク振動値が所定時間（例えば２０秒）所定値未満になるまで上記回転速度の変更動作を繰り返し、所定時間（例えば２０秒）所定値未満となった場合に高速脱水工程に移行する（図５のステップＳ３）。

なお、脱水時間の長期化を避けるべく、上記変更動作の繰り返し時間（回数）に制限時間（例えば３００秒）を設けており、それ以上であれば、高速脱水工程に移行する（図５のステップＳ４）。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るドラム式洗濯機１００によれば、第１回転速度でアンバランス量を取得し、第２回転速度でアンバランス量を補正していることから、アンバランス量の取得とアンバランス量の補正とを分離することができる。これにより、アンバランス量の取得時における洗濯物の移動に起因するアンバランス量の変化を考慮する必要がなく正確にアンバランス量を検出することができる。また、第１回転速度で得られたアンバランス量に基づいて第２回転速度でアンバランス量の補正を行うため、アンバランス量を迅速かつ確実に補正できるようになる。さらに、第１回転速度でアンバランス量を検出しているので、第１回転速度でのアンバランス量が一定であること及びボールバランサシステムの物理的挙動を利用して、アンバランス量のみを正確に検出することができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態を図面を参照して説明する。
本実施形態に係るドラム式洗濯機１００は、前記第１実施形態のものと制御手段８の制御方法が異なる。

つまり本実施形態の制御手段８は、第１回転速度及び第２回転速度を繰り返す場合に、ドラム３を周方向に等分割した各分割領域が所定の回転位置となったときに第１回転速度から第２回転速度に減速するものである。

ここでドラム３の周方向に等分割した分割領域として図６に示すように１２等分割した場合を考える。このとき、各分割領域Ｓ１〜Ｓ１２には、洗濯物によりそれぞれのアンバランス量が存在する。そして制御手段８は、各分割領域Ｓ１〜Ｓ１２の各アンバランス量の補正を均等に行うために以下のように減速タイミング周期を設定している。

まずアンバランス補正を行う分割領域Ｓ１〜Ｓ１２を常に変えて均等に行うためドラム３をｎ等分する（本実施形態ではｎ＝１２）。図６のｔ_０はドラム３の回転周期Ｔの１／ｎ倍である。

各分割領域Ｓ１〜Ｓ１２の洗濯物が剥がれる位置は第２回転速度（Ｎ_ｌｏｗ）で決まるため、回転周期Ｔにｔ_０×ｋ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）を加算した時間置きに均等に減速してアンバランス補正を行う。

遠心力及び重力が釣り合う回転速度は、Ｎ_０＝（６０／２π）×√（ｇ／Ｒ）×ｃｏｓθ［ｒｐｍ］（式１）である。ここで、Ｎ_ｌｏｗ＝Ｎ_０＋Δεなる回転速度をＮ_ｌｏｗとする。なお、ｇ：重力加速度、Ｒ：ドラム内周半径である。

このとき、ｔ_０＝Ｔ／ｎ＝６０／Ｎ_ｌｏｗ／ｎ（式２）である。

図６の場合、Ｎ_０＝（６０／２π）×√（９．８／０．２５）×ｃｏｓ（２π／１２）＝５２［ｒｐｍ］であり、Ｎ_ｌｏｗ＝Ｎ_０＋ΔεよりＮ_ｌｏｗを６０［ｒｐｍ］に設定する。これにより、Ｎ_ｌｏｗをＮ_０よりも若干大きい回転速度とし、アンバランス量が所定値以下の分割領域では洗濯物がドラム３から離れないようにしている。

このとき、ｎ＝１２等分として、ｔ_０＝６０／Ｎ_ｌｏｗ／１２＝０．０８３［ｓｅｃ］が求まる。

減速タイミング周期Ｔ（ｋ）は（２）式のｔ_０を用いて以下のように設定する。
Ｔ（ｋ）＝Ｔ＋ｋ×ｔ_０＝（１＋ｋ／ｎ）×Ｔ（ｋ＝１，２，・・・，ｎ）

そして制御手段８は、図７に示すように、Ｎ_ｈｉｇｈ（第１回転速度）とＮ_ｌｏｗ（第２回転速度）との間で、上記減速タイミング周期でＮ_ｈｉｇｈとＮ_ｌｏｗとを切り換える。なお、第１回転速度から第２回転速度に減速するタイミングは、図６に示すように、各分割領域が回転上部の位置（例えばＳ６の位置）となったときである。そして、制御手段８は、各分割領域についてアンバランス補正を行った後に、ドラム３の回転速度を第１回転速度として再度振動センサから検出振動を取得し、そのピーク振動値が所定値以上か否かを判断する。

以上の減速タイミング周期によりドラム３を急加減速することによって、ドラム一回転毎に各分割領域Ｓ１〜Ｓ１２のアンバランス量を補正することができ、１２回転後にはアンバランスの分布をならすことができる。特に、第２回転速度Ｎ_ｌｏｗを遠心力及び重力が釣り合う回転速度Ｎ_０よりも若干大きい回転速度としていることにより、重量（慣性モーメント）が大きいアンバランスを補正することができ、Ｓ１〜Ｓ１２の全ての分割領域のアンバランス状態に応じた補正を行うことができる。これによりアンバランスの補正時間のばらつきを小さくすることができる。

最後の本実施形態を適用した場合の過渡振動及び脱水時間について、従来のドラム式洗濯機との比較結果を図８に示す。この図８から分かるように、過渡振動においては、従来機では１４．２ｍｍ（２σ）であるのに対して、本実施形態の洗濯機では１０．９ｍｍ（２σ）であり、２３％以上改善していることが分かる。また、高速脱水工程終了までの時間（脱水時間）においては、従来機では４１５秒（２σ）であるのに対して、本実施形態の洗濯機では３３３秒（２σ）であり、２０％程度改善していることが分かる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、洗濯機のドラムの他に、遠心分離器などのように偏心荷重が作用する回転体に本発明を適用して前記実施形態と同様の効果を奏し得る。

また第２実施形態において第２回転速度Ｎ_ｌｏｗを遠心力及び重力が釣り合う回転速度Ｎ_０よりも若干大きい回転速度としているが、前記第１実施形態のように、遠心力及び重力が釣り合う回転速度よりも小さい回転速度としても良い。

さらに前記第２実施形態の分割数は、１２等分割に限られず、補正時間内で可及的に多くすることが望ましい。但し、ボールバランサシステムを有さない場合等、ボールの影響が無視できる場合において、振動センサ等でアンバランス位置を特定できる場合には、減速及び加速を１回で良い。

その上、加減速させる方法としては、回転方向に大きなアンバランスの原因となっている洗濯物を飛ばすことができる減速勾配を有するものであれば良く、のこぎり波、三角波、矩形波、正弦波等の定形的な速度変化としても良いし、不定形な速度変化としても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・ドラム式洗濯機（回転装置）
３・・・ドラム（回転体）
４・・・電動機
７２・・・ボール（バランス用転動体）
８・・・制御手段
９・・・振動センサ（アンバランス検出手段）
Ｓ１〜Ｓ１２・・・分割領域

Claims (6)

1. 水平又は傾斜回転軸周りに回転可能に支持された、偏心荷重が作用する回転体と、
   前記回転体を回転駆動する電動機と、
   前記回転体のアンバランス量を検出するアンバランス検出手段と、
   前記アンバランス検出手段により得られるアンバランス量に基づいて、前記電動機を駆動して前記回転体の回転速度を制御する制御手段とを具備し、
   前記制御手段が、前記回転速度として前記回転体に収容された収容物にかかる遠心力が重力よりも大きくなる第１回転速度と、前記収容物の少なくとも一部にかかる重力が遠心力よりも大きくなる第２回転速度とを繰り返すものであり、前記回転体を第１回転速度で回転させている状態で前記アンバランス検出手段からアンバランス量を取得し、当該アンバランス量が所定値以上の場合に、前記第１回転速度及び前記第２回転速度を繰り返すことを特徴とする回転装置。
2. 前記制御手段は、前記第１回転速度及び前記第２回転速度を繰り返す場合に、前記回転体を周方向に等分割した各分割領域が所定の回転位置となったときに前記第１回転速度から前記第２回転速度に減速する請求項１記載の回転装置。
3. 前記第２回転速度が、アンバランス量が所定値以下の分割領域では収容物が回転体から離れない回転速度である請求項２記載の回転装置。
4. 前記第１回転速度が、共振回転数より若干低い回転速度である請求項１、２又は３記載の回転装置。
5. 前記回転体に周方向に転動可能に取り付けられて前記偏心荷重によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体を有する請求項１、２、３又は４記載の回転装置。
6. 前記回転体が洗濯機のドラムであり、前記偏心荷重がドラム内に収容された洗濯物によって生じるものである請求項１、２、３、４又は５記載の回転装置。