JP2013043030A

JP2013043030A - 洗濯機

Info

Publication number: JP2013043030A
Application number: JP2011184410A
Authority: JP
Inventors: Taketo Takahashi; 武人高橋; Shinsuke Yanagi; 真介柳; Takeshi Ito; 豪伊藤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2011-08-26
Publication date: 2013-03-04

Abstract

【課題】ドラム内の布量を、精度よく検知可能な布量検知手段を有する洗濯機を提供する。
【解決手段】制御部３１は、モータ７に印加する電圧、あるいは通電電流を制御することによって、所定値で一定となる加速度トルクを発生させることで、ドラム３の回転を加速して、所定の回転速度Ｎ１からＮ２まで回転速度が上昇する間の加速時角加速度α１を測定する第１の検知工程と、第１の検知工程の後に、モータ７に印加する電圧、あるいは通電電流を制御することによって、所定値で一定となる減速度トルクを発生させることで、ドラム３の回転を減速して、所定の回転速度Ｎ３からＮ４まで回転速度が低下する間の減速時角加速度α２を計測する第２の検知工程を有し、前記加速時角加速度α１と前記減速時角加速度α２に基づき、第１および第２の検知工程を３回以上の奇数回行いデータから真値を導き出すようにしたので精度の高い布量検知が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ドラムに投入された洗濯物の量である布量を検知するための布量センサを有する洗濯機に関する。

ドラム式洗濯機の構造の一例を図８に示す。洗濯機本体１内には、防振構造を有するサスペンション構造（図示せず）によって水槽２が宙吊り状態に支持されている。前記水槽２内には、有底円筒形に形成されたドラム３が、その軸心方向を正面側から背面側に向けて下向きに傾斜させて回転自在に支持されている。水槽２の正面側にはドラム３の開口端に通じる衣類出入口４が形成され、洗濯機本体１の正面側の上向き傾斜面に設けられた開口部を開閉可能に閉じる扉５を開閉することにより、衣類出入口４を介してドラム３内に対して洗濯物を出し入れすることができる。

ドラム３には、その周面に水槽２内に通じる多数の透孔６が形成され、内周面の複数位置に衣類攪拌用の攪拌突起１５が設けられている。このドラム３は、水槽２の背面側に取り付けられたモータ７によって正転及び逆転方向に回転駆動される。また、水槽２には、給水管路８及び排水管路９が配管接続され、図示しない給水弁及び排水弁の制御によって水槽２内への給水及び排水がなされる。

扉５を開きドラム３内に洗濯物及び洗剤を投入して、洗濯機本体１の例えば前面上部に設けられた操作パネル１０での操作により運転を開始させると、水槽２内には給水管路８から所定量の給水がなされ、モータ７によりドラム３が回転駆動されて洗濯工程が開始される。ドラム３の回転により、ドラム３内に収容された洗濯物はドラム３の内周壁に設けられた攪拌突起１５によって回転方向に持ち上げられ、持ち上げられた適当な高さ位置から落下する攪拌動作が繰り返されるので、洗濯物には叩き洗いの作用が及んで洗濯がなされる。所要の洗濯時間の後、汚れた洗濯液は排水管路９から排出され、ドラム３を高速回転させる脱水動作により洗濯物に含まれた洗濯液を脱水し、その後、水槽２内に給水管路８から給水してすすぎ工程が実施される。このすすぎ工程においてもドラム３内に収容された洗濯物はドラム３の回転により攪拌突起１５により持ち上げられて落下する攪拌動作が繰り返されてすすぎ洗いが実施される。

また、モータ７の背面には、その回転状態を検知するために、モータの回転子（ロータ）の位置を検出する位置検出素子等で構成された回転検知部１４が設けられている。

以上のような構成のドラム式洗濯機においては、ドラム３に投入された衣類等洗濯物の布量を検出し、布量に応じて洗濯時間等を自動的に決定する機能が付加されているのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。布量を検出する方法の一例について、図８および、図９を参照して、以下に説明する。

布量の検出は、ドラム３を回転駆動するためのモータ７を制御する機能を有する制御回路（図示せず）により行われる。

洗濯を開始すると、まず、制御回路は、モータ７を始動し、回転検知部１４からは検知出力が入力される。回転検知部１４の検出周波数は、モータ７の回転に比例して直線的に変化する。即ち、制御回路は、回転検知部１４からの入力周波数が小さいときは、位相制御の手段によりモータ７の電源電圧の平均電圧を大きくし、また、周波数が大きくなると平均電圧を小さくする。

布量検知工程では、回転制御を行ないながら、制御回路内部で徐々にモータ７に印加する平均電圧を上昇させて高速回転に移行し、衣類がドラム３の内壁に遠心力により均一に貼り付くようにする。その状態で、所定時間回転を持続した後、モータ７の通電を停止する。それにより、ドラム３の惰性回転が、逆にモータ７を回転させる状態になる。このとき回転検知部１４は、図９の図に示すように、ドラム３の惰性回転力が摩擦トルクにより、しだいに低下して停止する様子を分回転速度に返還して出力する。

図９における横軸は時間、縦軸は駆動電動機（モータ）の分回転速度を示すもので、通電停止Ｅ点からドラム３の停止までの時間は、布量が多いときは長く、布量が少ないときは短い。この停止に要する時間の違いが布量に比例することを利用して布量を検知するものである。

ここで布の重量をｍ、ドラム３の内周に分布する布の平均半径をｒ、ドラム３やモータ７の慣性モーメントをＪｄとすると、布を含めた回転系の慣性モーメントＪは式（１）で求められる。

Ｊ＝Ｊｄ＋ｍｒ² （１）
また、モータ７の発生トルクをＴ、ドラムや回転軸などが有する摩擦トルクをＴｂ、ドラム３の角加速度をαとおくと、これらの関係は式（２）で表される。

Ｔ＝Ｊα＋Ｔｂ（２）
角加速度αは角速度ωと時間ｔの関数として式（３）で表されるから、式（４）のように、布の平均半径ｒが一定であれば、布の重量ｍに応じて、回転速度すなわち角速度ωが変化する。

α＝ｄω／ｄｔ（３）
ｄω／ｄｔ＝（Ｔ−Ｔｂ）／（Ｊｄ＋ｍｒ²）（４）
上式（４）から、ｄω／ｄｔつまり回転速度の変化は、布の重量ｍに反比例することがわかる。

つまり、モータ７の通電を停止ししてドラム３を惰性回転させ、ドラム３が停止するまでのある時間区間における回転速度の変化を測定することによって、布量を知ることができる。

特開平５−１６８７８６号公報

上記従来の布量検知方法を用いる場合には、ドラムの惰性回転力が摩擦トルクによりしだいに低下して、ドラムが停止するまでの時間と布量の比例関係を、予め実験により求めておき、その求めた測定値を、同一機種の全ての洗濯機に適用することになる。

しかしながら、式（４）から判るように、ドラム回転軸の摩擦トルクＴｂのバラツキの影響により、ドラムが停止するまでの時間と布量の比例関係は一定ではなく、個々の洗濯機によって相違する数値を有する。そのため、上記従来の布量検知方法にはバラツキがあり検知精度には限界があるという課題があった。

また、式（１）は、布の重量に応じて布の平均半径ｒが一意に決定される場合には、布の重量ｍと慣性モーメントＪが一対一の関係となって、式（４）によって、布の重量ｍを検知可能となる。しかしながら、布の重量が一定であっても、布の偏りなどが発生した場合、ドラム３の中における布の分布が変化し、平均半径ｒが布の重量だけでは決定されず、更に検知精度の悪化を生じることになる。

また、従来の布量検知方法においては、衣類の状態に係らずドラムの回転を一旦上昇させてしまうので、ドラム３内に収容された洗濯物が極端な偏り（アンバランス分布）のある場合、洗濯槽が大きく振動し、洗濯槽が洗濯機本体に衝突して異常音を発するなど、検出精度を大きく損ねることがあった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ドラムに投入された布量を、安定してドラムに張り付かせることによって、布の偏りによる慣性モーメントの変化を低減した上で、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキの影響を抑制して、簡単な構成で精度よく検知可能な布量検知手段を有する洗濯機および衣類の偏り等の影響を排除し安定した布量検知手段を有する洗濯機を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するため、本発明の洗濯機は、ドラムを回転駆動するモータと、前記モータの回転速度を検知する回転速度検知部と、前記回転速度検知部の検知出力に基づき前記モータの回転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、起動工程の後に前記モータに印加する電圧、あるいは通電電流を制御することによって、所定値で一定となる加速度トルクを発生させることで、前記ドラムの回転を加速して、所定の回転速度Ｎ１からＮ２まで回転速度が上昇する間の加速時角加速度α１を測定する第１の検知工程と、第１の検知工程の後に、前記モータに印加する電圧、あるいは通電電流を制御することによって、所定値で一定となる減速度トルクを発生させることで、前記ドラムの回転を減速して、所定の回転速度Ｎ３からＮ４まで回転速度が低下する間の減速時角加速度α２を計測する第２の検知工程を有し、前記加速時角加速度α１と前記減速時角加速度α２に基づき、前記第１および第２の検知工程を３回以上の奇数回行い、データの中心を真値にすることにより布量検知を行うようにしたことを特徴とするものである。

これによって、ドラムの回転の上昇および降下の速度の双方を用いて布量を測定するため、慣性モーメントの安定化とドラム回転軸の摩擦トルクを相殺でき、かつ奇数回動作を行い、中心のデータを真値にすることで、かけ離れた値を除外し、布の偏りによるバラツキを減らし、簡単な構成で精度よく布量を検知することができる。

本発明の洗濯機は、慣性モーメントの安定化とドラム回転軸の摩擦トルクの影響を相殺でき、かつ奇数回動作を行い、中心のデータを真値にすることで、かけ離れた値を除外することにより、布量の検知バラツキを減らし、簡単な構成で精度よく布量を検知することができる。

本発明の実施の形態１におけるドラム式洗濯機の制御装置を示す回路図同ドラム式洗濯機に用いられる布量検知の動作を示す図同布量検知の布量と加速度差を示す図布量検知工程を示すフローチャート同布量検知におけるベクトル制御を示すブロック図同布量検知における異常動作の制御方法を示す図同布量判定のおける判定方法を示すチャート従来例のドラム式洗濯機の概略構成を示す断面図従来例のドラム式洗濯機の布量検知方法を示す図

第１の発明は、水平方向または傾斜方向に回転中心軸を有し、洗濯物を収容して回転運動を行うドラムと、前記ドラムを回転自在に内包し洗濯機本体内に弾性的に支持された水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記モータの回転速度を検知する回転速度検知部と、前記回転速度検知部の検知出力に基づき前記モータの回転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータに印加する電圧、あるいは通電電流を制御することによって、所定値で一定となる加速度トルクを発生させることで、前記ドラムの回転を加速して、所定の回転速度Ｎ１からＮ２まで回転速度が上昇する間の加速時角加速度α１を測定する第１の検知工程と、第１の検知工程の後に、前記モータに印加する電圧、あるいは通電電流を制御することによって、所定値で一定となる減速度トルクを発生させることで、前記ドラムの回転を減速して、所定の回転速度Ｎ３からＮ４まで回転速度が低下する間の減速時角加速度α２を計測する第２の検知工程を有し、前記加速時角加速度α１と前記減速時角加速度α２に基づき、前記第１および第２の検知工程を３回以上の奇数回行い、データから真値を導き出すことで布量検知を行うことにより、慣性モーメントの安定化とドラム回転軸の摩擦トルクの影響を相殺できると共に、奇数回動作を行いデータの中心から真値を導き出すようにしたことにより、かけ離れた値を除外することで、布量の検知バラツキを減らし、簡単な構成で精度よく布量を検知することができる。

以下、本発明の実施の形態１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１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるドラム式洗濯機の動作を制御する制御装置の概略構成を示すものである。また、同ドラム式洗濯機の概略構造は、図８に示した従来例のものと同様である。

図１に示す制御装置においては、商用電源２０の交流電力を整流器２１より整流し、チョークコイル２２及び平滑コンデンサ２３からなる平滑回路により平滑化された直流電力を駆動電力として、インバータ回路２４によりモータ７を回転駆動する。また、入力設定部２５から入力される運転指示、及び各検知手段（図示せず）により検知される運転状態の監視情報に基づいてモータ７の回転を制御し、負荷駆動部２６により給水弁２７、排水弁２８、送風ファン１２、ヒータ２９の動作を制御する。

モータ７は、３相巻線７ａ、７ｂ、７ｃを有するステータと、２極の永久磁石を有するロータとを備え、３つの位置検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃを設けた直流ブラシレスモータとして構成され、スイッチング素子２４ａ〜２４ｆにより構成されたＰＷＭ制御インバータ回路２４により回転制御される。位置検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃが検出するロータ位置検出信号は、マイコンにより構成された制御部３１に入力される。このロータ位置検出信号に基づいて、駆動回路３２によりスイッチング素子２４ａ〜２４ｆのオン／オフ状態をＰＷＭ制御することにより、ステータの３相巻線７ａ、７ｂ、７ｃに対する通電を制御してロータを所要回転速度で回転させる。

制御部３１は、３つの位置検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃの検出出力が入力される回転速度検知部３３を有する。前記回転速度検知部３３は、３つの位置検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃのいずれかの信号の状態が変わるたびにその周期を検出し、その周期よりロータの回転速度を算出する。回転速度検知部３３の検知出力は布量検知部３４に供給され、検出された回転速度に基づき、以下に説明するように布量が検知される。

なお、回転速度検知部３３の検知出力はドラム３の回転速度に対応するので、以下の説明においてドラム３の回転速度は、回転速度検知部３３の検知出力により得られるものである。

本実施の形態における布量検知方法の特徴について、以下図２を参照して説明する。

図２は、布量検知の動作を示す図であり、ドラム３の回転速度上昇に要する時間、および回転速度降下に要する時間との関係を示すもので、横軸は布量検知開始からの経過時間、縦軸は回転速度である。

布量検知の動作を開始すると、所定の時間経過あるいは所定の回転速度Ｎ１に到達の後に、モータ７によって加速トルクＴ１を発生させ、時間ｔ１の間にΔＮ１だけ回転速度を上昇させ所定の回転速度Ｎ２に到達する第１の検知工程が行われる。この第１の検知工程が終了した後に、ドラム３の回転速度を加速から減速に転じさせた上で、惰性回転したモータ７によって減速トルクＴ２を発生させ、時間ｔ２の間に回転速度Ｎ３からΔＮ２だけ回転速度を降下させ、所定の回転速度Ｎ４に至る第２の検知工程が行われる。
それを奇数回繰り返す。

次に、第１の検知工程の動作状態について考察するが、２回目以降は、同じ動作であり説明は、省略する。

式（３）から、第１の検知工程における角加速度α１は式（５）で表される。

α１＝ΔＮ１／ｔ１（５）
また、式（１）および（２）より、式（６）が成立する。

Ｔ１＝α１（Ｊｄ＋ｍｒ²）＋Ｔｂ（６）
同様に、第２の検知工程について考察すると、第２の検知工程における角加速度をα２と置いた場合に、式（７）、式（８）となる。

α２＝ΔＮ２／ｔ２（７）
Ｔ２＝α２（Ｊｄ＋ｍｒ²）＋Ｔｂ（８）
式（６）および式（８）から、摩擦トルクＴｂの成分を消去すると、式（９）となる。

α１−α２＝（Ｔ１―Ｔ２）／（Ｊｄ＋ｍｒ²）（９）
図３は、布量と加速度差の関係を示す図であり、横軸は布量、縦軸は加速度差を示す図であり、上記式（９）を判りやすく示すものである。

式（９）は、布のドラム内周における平均半径ｒ、加速トルクＴ１、減速トルクＴ２がある一定の値である場合に、図３に示すように、布の重量ｍに応じて（α１−α２）が変化することを示している。

ここで、α１とα２は式（５）および式（７）に示すとおり、ドラム３の回転速度と時間の関係を測定することによって容易に得ることが可能である。したがって、布の重量ｍと角加速度の変化（α１−α２）の関係のみ把握し、図１の制御部の布量検知部３４に演算用テーブルなどとして保存しておけば、摩擦トルクＴｂの変化に関係無く、容易に精度良く、布量を検知することができることが分かる。図４は、布量検知工程を示すフローチャートである。

図４において、第１の布量検知工程がスタートすると（ステップＳ１）、制御部３１は、モータ７を駆動してドラムの回転を高め（ステップＳ２）、回転角加速度がαａになるよう加速する（ステップＳ３）し、回転速度が所定のＮａに到達するように制御する加速工程を行う（ステップ４）。

次に第１の布量検知工程に移行し、所定の回転速度Ｎ１から、所定のトルクによりドラム３の回転速度を上昇させて、回転速度がΔＮ１だけ上昇した所定の回転速度Ｎ２に到達させるように制御する（ステップＳ５）。ドラム３が回転速度Ｎ２に到達した時点で（ステップＳ６）、回転速度がΔＮ１上昇するのに要した所要時間ｔ１を算出する（ステップＳ７）。

次に第２の布量検知工程に移行し、モータ７の回転速度の降下を開始させる（ステップＳ８）。ドラム３が所定の回転速度Ｎ３からΔＮ２だけ回転速度が降下した所定の回転速度Ｎ４に到達した時点で（ステップＳ９）、回転速度がΔＮ２だけ降下するのに要した所要時間ｔ２を算出する（ステップＳ１０）。次にΔＮ１、ｔ１、ΔＮ２、ｔ２から式（５）および式（７）に基づいて、角加速度の差α１−α２を求め（ステップＳ１１）、予め測定しておいた判定値Ｓと布量の関係から、式（９）に基づいて布量を求める（ステップＳ１２）。

なお、式（９）を用いて精度良く布量検知を行うためには、モータ７の加速トルクＴ１と減速トルクＴ２が一定となるように制御することが望ましい。

このような制御は、モータ７に印加する電圧を制御することでも実現可能ではあるが、一般的には、以下に述べるような、ベクトル制御によってモータのトルク一定制御を行うことができる。

図５は、布量検知におけるベクトル制御を示すブロック図である。

図５の制御ブロック図において、モータ７に通電される電流のうち、すくなくとも２相の電流と、ホールＩＣなどによって得られるモータの回転位置信号を検知する。これらの信号を用いて、モータ７の電流を、トルク成分であるＩｑと磁束成分であるＩｄという直交する２つの電流に換算する。その後、換算されたＩｑおよびＩｄと、指令されているＩｑ＊およびＩｄ＊を比較したうえで、適切な制御ゲインＰ、Ｉなどを用いることによって、モータ７のＩｑ、Ｉｄを一定に制御することができる。

ここで、モータ７のトルクＴは次式（１０）で表されることから、Ｉｑ（ｑ軸電流）とＩｄ（ｄ軸電流）を制御すれば、モータ７のトルクＴを制御可能である。

Ｔ＝Ｐ（ψａ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｑＩｄ）（１０）
なお、Ｐはモータ７の極対数、ψａは磁石による鎖交磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスを示す。

特に、式（１０）におけるψａ・Ｉｑはマグネットトルクを表しており、モータが発生するトルクの主成分である。したがって、モータ７のトルクはＩｑ（ｑ軸電流）によって主体的に制御することが可能である。また、Ｉｄ（ｄ軸電流）がゼロではない場合、回転状態によってＬｄやＬｑが変化すると、トルクＴの変動、あるいは布量の計算を行う時にトルクＴを演算する場合に誤差を生じやすくなる。つまり、Ｉｑ（ｑ軸電流）とＩｄ（ｄ軸電流）を一定に制御してもトルクＴが一定にならない場合が存在することから、Ｉｄ（ｑ軸電流）をゼロとし、Ｉｑ（ｑ軸電流）を一定に制御してモータ７のトルクを一定に制御することによって、布量の検知計算誤差を小さくすることが可能となる。

図６は、洗濯機の制御方法を示す図である。

図６（ａ）は、ドラム３の回転速度が時間とともに上昇する様子を示す。横軸は、モータ７を駆動して、所定のトルクによりドラム３の回転速度を上昇させたときの経過時間、縦軸はドラム３の回転速度である。図示のとおり、ドラム３の回転速度は一様に上昇するのではなく、上下動を繰り返しながら上昇してゆく。これは、ドラム３内に収容された洗濯物のバランスの影響で、洗濯槽が振動することに起因する。振動が大きくなり過ぎると、洗濯槽が洗濯機本体に衝突して異常音を発することになる。

本実施の形態では、そのような事態の発生を回避するための制御を行う。すなわち、ドラム３の回転を加速している途中における、所定回転角区間におけるドラム３の回転速度について、最大回転速度と最小回転速度の差を検知する。その差が所定値以上である場合は、ドラム３の回転を停止するように制御する。

図６（ｂ）は、ドラムの回転速度と、回転速度の最大と最小の差の上限値の関連を示す図である。

図６（ｂ）に示すように、ドラム３の回転速度に対応させて、最大回転速度と最小回転速度の差の上限値を実験に基づいて設定し、制御部３１にテーブルとして備えておき、図６（ｂ）に示すような最大回転速度と最小回転速度の差の上限値は、ドラム３の各回転速度における、実験的に求めた振動の許容範囲に基づいて設定している。

以上のように、ドラム３の所定回転角区間における最大回転速度と最小回転速度の差が上限値を超えないように制御することにより、洗濯物のバランスが悪いことに起因して、洗濯槽が大きく振動し洗濯機本体に衝突するような事態を回避し、一旦停止した後再度起動させて検知するようにしている。

図７は、本発明の布量判定する制御方法を示す表であり（例として布量判定を３回）加速と減速の角加速度の合計の中からデータの中心を判定した様子を示している。また、奇数回行うことでデータの中心値が求めやすくなる。

以上の動作を３回以上の奇数回行い、布の偏りによるバラツキを減らし、中心のデータを真値にすることにより、かけ離れた値を除外することで、簡単な構成で制度の良い布量を検知することができる。

本発明によれば、ドラムに投入された布量を、簡単な構成で精度よく検知して、適切な洗濯時間の設定や洗剤量の表示および、適切な時間設定の脱水工程を行うことが可能であり、家庭用、業務用の洗濯機に有用である。

１洗濯機本体
２水槽
３ドラム
４衣類出入口
７モータ
１４回転検知部
２０商用電源
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ位置検出素子
３１制御部
３２駆動回路
３３回転速度検知部
３４布量検知部

Claims

水平方向または傾斜方向に回転中心軸を有し、洗濯物を収容して回転運動を行うドラムと、前記ドラムを回転自在に内包し洗濯機本体内に弾性的に支持された水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記モータの回転速度を検知する回転速度検知部と、前記回転速度検知部の検知出力に基づき前記モータの回転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータに印加する電圧、あるいは通電電流を制御することによって、所定値で一定となる加速度トルクを発生させることで、前記ドラムの回転を加速して、所定の回転速度Ｎ１からＮ２まで回転速度が上昇する間の加速時角加速度α１を測定する第１の検知工程と、第１の検知工程の後に、前記モータに印加する電圧、あるいは通電電流を制御することによって、所定値で一定となる減速度トルクを発生させることで、前記ドラムの回転を減速して、所定の回転速度Ｎ３からＮ４まで回転速度が低下する間の減速時角加速度α２を計測する第２の検知工程を有し、前記加速時角加速度α１と前記減速時角加速度α２に基づき、前記第１および第２の検知工程を３回以上の奇数回行い、データから真値を導き出すことで布量検知を行うようにしたことを特徴とする洗濯機。