JP4920764B2

JP4920764B2 - 電気掃除機

Info

Publication number: JP4920764B2
Application number: JP2010117115A
Authority: JP
Inventors: 政義飯塚; 明弘岩原; 壮北古味; 元宏村野
Original assignee: Mitsubishi Electric Home Appliance Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Home Appliance Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2025-08-01
Also published as: JP2010207604A

Description

本発明は、回転ブラシ（電動機付き）を内蔵した吸い込み具を有し、起動時に回転ブラシ駆動用電動機をスロースタートさせる制御を行う電気掃除機に関する。

従来この種の電気掃除機として、例えば「電動送風機を内蔵する掃除機本体と、該掃除機本体に可撓性ホースなどを介して接続される床用吸込具と、該床用吸込具に設けられ、電動機により回転される回転ブラシと、前記電動送風機および回転ブラシを制御する制御手段とを備え、前記制御手段に、起動スイッチの投入後一定時間の間に徐々に送風量を増大する手段および起動スイッチの投入後所定時間後に電動機を起動または徐々に回転速度を増大させる手段を設けた…」ものが提案されている（例えば特許文献１）。

特開平１０−２１１１４４号公報（要約書、図２〜図６）。

上記の従来の電気掃除機では、回転ブラシ駆動用電動機に供給される交流電力を位相制御する為にトライアック等のスイッチング素子が用いられており、マイクロコンピュータからのトリガー信号としてパルス信号を用いて制御が行われている。一般的に、回転ブラシ駆動用電動機は交流整流回路付きのマグネット界磁形直流整流子電動機（固定子に永久磁石を用いた電動機）が用いられるが、このマグネット界磁形直流整流子電動機は、回転数に比例した電圧を発生する特徴があり、交流整流回路により全波整流された電圧が、発生したモータ電圧より高い部分しか電動機電流が流れないという特性がある（後述の図５参照）。このような特性により、電動機電流の流れない時間（約２ｍｓ：実験値）では、位相角を変化させながら位相制御を行っても、回転ブラシ駆動用電動機に供給される電力は変化しない、という課題があった。

また、上記の従来の掃除機ではトリガー信号としてパルス信号を用いているが、パルス信号のパルス幅が、電動機電流が流れない時間以内（約２ｍｓ：実験値）であると、位相角０°運転時に、或いは位相角１８０°から起動して運転するときに、回転ブラシ駆動用電動機を位相制御するスイッチング素子の保持電流が確保できなくなり、スイッチング素子が誤動作するという課題があった。

更に、電動機のスロースタート開始位相角値を１８０°に近いところからスロースタートを行うと、電動機の回転ブラシにトルクがなく、回転ブラシが運転開始時にロック状態になるという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、供給電力に変化の無い無駄な位相制御は行わないようにするとともに、スイッチング素子の誤動作を防止することを可能にした電気掃除機を提供することを目的とする。

本発明に係る電気掃除機は、塵埃を吸引する電動送風機を内蔵する掃除機本体と、吸込み具に内蔵され、塵埃をかきあげる回転ブラシと、交流整流回路を有し商用交流電源電圧が前記交流整流回路により全波整流された電圧が印加され、前記回転ブラシを駆動するマグネット界磁形直流整流子電動機と、前記電動送風機に供給する電力を制御する第１制御回路と、前記マグネット界磁形直流整流子電動機に供給する電力を制御する第２制御回路とを備え、前記第２制御回路は、前記マグネット界磁形直流整流子電動機に直列に接続されたスイッチング素子を備え、起動時に、予め設定された初期位相角のトリガー信号により前記スイッチング素子を制御し、所定時間毎に段階的にトリガー信号の位相角を小さくして前記マグネット界磁形直流整流子電動機に供給される電力が大きくなるように前記スイッチング素子を制御し、前記位相角が、前記交流整流回路により全波整流された電圧値が前記マグネット界磁形直流整流子電動機の発生するモータ電圧値よりも低くなる電圧値に基づいて設定された所定位相角値未満になったときには、位相角が０゜から前記所定位相角値未満の間の位相角に固定され、且つ、前記所定位相角値以上の幅を持った前記トリガー信号により前記スイッチング素子を制御する。

本発明においては、起動時に、予め設定された初期位相角のトリガー信号により前記スイッチング素子を制御し、所定時間毎に段階的にトリガー信号の位相角を小さくして電動機に供給される電力が大きくなるように前記スイッチング素子を制御し、前記位相角が、前記交流整流回路により全波整流された電圧値が前記マグネット界磁形直流整流子電動機の発生するモータ電圧値よりも低くなる電圧値に基づいて設定された所定位相角値未満になったときには、位相角が０゜から所定位相角値未満の間の位相角に固定され、且つ、前記所定位相角値以上の幅を持ったトリガー信号によりスイッチング素子を制御するようにしており、所定位相角値未満では段階的に位相角を変更する位相制御を行わないようにしたので、無駄の無い最適な位相制御が行える。また、トリガー信号の幅を前記所定位相角値以上の幅を持つようにしたことで、電動機を位相制御するスイッチング素子の保持電流が確保することができ、スイッチング素子が誤動作する虞がなくなっている。また、本発明においては、電動機をスロースタートさせるようにしており、これにより、電動機起動時の騒音が防止でき、また、突入電流も防止できるので、電動機の寿命改善もできる。

本発明の実施の形態１に係る電気掃除機の概略構成図。図１の電気掃除機の回路構成図。運転モード選択手段の表示部拡大図。電動機の位相制御の方法を示した図。商用電源に対する電動機電流を示したタイミングチャート。トリガー信号のタイミングチャート。制御指示部の処理を示すフローチャート。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施形態１に係る電気掃除機の斜視図である。電気掃除機本体１は、吸引力を発生する電動送風機２と、電動送風機２により吸引された塵埃を集塵する集塵室（図示せず）とを内蔵しており、また、前端部側にはホース３が接続されている。このホース３には運転モード選択手段４が設けられており、運転モード選択手段４は、電動送風機２の吸引力の強弱などを変化させることで、電気掃除機の運転モードを切り替えるためのスイッチを内蔵している。ホース３の運転モード選択手段４側には延長管５が接続されている。延長管５は、その先端に床面に接して被掃除面の塵埃等を吸引するための吸込み具６が取り付けられており、吸込み具６とホース３とを連通させている。吸込み具６は、被掃除面の塵埃をかきあげる回転ブラシ７と回転ブラシ７を駆動する電動機８を内蔵している。回転ブラシ７には被掃除面に接触し塵埃をかきあげる植毛（図示せず）が設けられている。この回転ブラシ７は例えばベルト（図示せず）等を介して電動機８により駆動される。

運転モード選択手段４を操作し、電動送風機２及び電動機８を駆動させることで、吸込み具６から被掃除面の塵埃はかきあげられ、塵埃は延長管５、ホース３及び電気掃除機本体１へと搬送され、塵埃は電気掃除機本体１に内蔵された集塵室（図示せず）に集塵されるとともに、吸引風は電気掃除機本体１より排出される。

図２は、図１の電気掃除機の回路構成図である。本実施の形態１の電気掃除機は、電気掃除機本体１、ホース３、延長管５及び吸込み具６の４つのブロックで構成されている。図において、商用交流電源９には１５Ａ電流ヒューズ１０が直列に接続されており、この電流ヒューズ１０は、電動送風機（ファンモータ）２がロック等になった場合や回路短絡にて異常となった場合の保護装置として機能する。また、４Ａ電流ヒューズ１１が電動機（ブラシモータ）８に直列に接続されており、電動機（ブラシモータ）８がロック等になった場合や回路短絡にて異常となった場合に保護装置として機能する。商用交流電源９には電源トランス１２が接続されており、必要な電圧へ変圧してダイオードブリッジ１３に出力し、ダイオードブリッジ１３は電源トランス１２の出力を整流する。ダイオードブリッジ１３には平滑用電解コンデンサＣ１が接続されており、ダイオードブリッジ１３により整流された出力を平滑化する。平滑用電解コンデンサＣ１には定電圧電源１４が接続されており、定電圧電源１４は所定の定電圧を出力する。定電圧電源１４の出力側には電解コンデンサＣ２が接続されており、この電解コンデンサＣ２は定電圧電源１４の発振を押さえる。定電圧電源１４は、制御指示部（マイクロコンピュータ）１５及び運転モード選択手段４へ例えば５Ｖ電圧を供給している。

また、電動送風機２を駆動するための本体駆動用トライアック（双方向サイリスタ、以下トライアックという）１６、及び電動機８を駆動するためのブラシ駆動用トライアック（双方向サイリスタ、以下トライアックという）１７が設けられている。電動機８には直列に安全スイッチ２０が接続されており、例えば吸込み具６が空中に持ち上げられた場合には電動機８への電力供給を遮断し、回転ブラシ７の回転を停止させる。

また、ホース３はジャバラ部（図示せず）と運転モード選択手段４とで構成されており、ジャバラ部には３本のピアノ線が内蔵されている。運転モード選択手段４には、図２に示されるようにスイッチＳＷ１〜ＳＷ４と抵抗Ｒ１〜Ｒ５が内蔵されており、本体側の回路に内蔵された抵抗Ｒ６と、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を介して並列に接続されたオンＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５とが直列に接続されており、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン状態により抵抗の組み合わせが変わり、制御指示部（マイクロコンピュータ）１５の入力電圧が変化する。制御指示部１５は入力電圧に応じて運転モードを判断し、運転モード選択手段４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の状態に応じて、電動送風機（ファンモータ）２への電力制御と電動機（ブラシモータ）８の電力制御（回転数制御）を行わせる。電動送風機２に供給する電力を制御するのが第１制御回路２１であり、これは制御指示部１５及びトライアック１６から構成される。電動機８に供給する電力を制御するが第２制御回路２２であり、制御指示部１５、トライアック１７及び運転モード選択手段４から構成される。なお、トライアック１７は本発明のスイッチング素子に相当するものである。

また、本実施の形態１においては電源同期検出手段２３が設けられており、これは商用電源（交流電源）９の電源同期ポイント（ゼロクロスポイント）に同期して電源同期信号を制御指示部１５に出力する。制御指示部１５は電源同期信号に同期させて商用電源のトリガー位置を制御することにより、交流電力の位相制御を行う。即ち、トライアック１６，１７は、制御指示部１５からのトリガ−信号により制御され、電動機８及び電動送風機２の電力をそれぞれ制御する。

図３は、運転モード選択手段４の表示部の拡大図である。ＳＷ１は、電動機８の切、入りを行うスイッチである。ＳＷ２は、手動運転の強、中、弱の切り替えを行うスイッチである。ＳＷ３は、第１制御回路２１と第２制御回路２２を自動的に制御するモード（自動運転モード）を選択するスイッチである。ＳＷ４は、電動送風機２と電動機８の停止を行うスイッチである。ここでは、上記のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の何れかが押されて電動機８を起動されるときの動作を中心に説明する。

図４は、電動機８の位相制御の方法を示したタイミングチャートであり、ここでは商用電源、電源同期信号、トリガー信号（パルス）及び電動機ON・OFFの波形がそれぞれ図示されている。電源同期検出手段２３が、商用電源の電源同期ポイント（ゼロクロスポイント）に同期して電源同期信号を出力すると、制御指示部１５はトリガ−信号（パルス）を生成してトライアック１７に供給するが、それは電源同期信号から一定の時間後に発生させて電動機８の電力を制御する。このトリガー信号は、商用電源の電源同期信号を基準として出力され、トリガー信号（パルス）が出された位相でトライアック１７オンになり、それによって電動機８に電力が供給され（電動機動作ＯＮ）、その後、電源同期ポイントでトライアック１７がオフ（電動機動作ＯＦＦ）になるという動作が半サイクル毎に繰り返されることになる。

図５は、商用電源に対する電動機電流を示したタイミングチャートである。一般的に、回転ブラシ駆動用の電動機８は、交流整流回路付きのマグネット界磁形直流整流子電動機（固定子に永久磁石を用いた電動機）が用いられるが、マグネット界磁形直流整流子電動機は、回転数に比例した電圧を発生する特徴がある。このため、交流整流回路により全波整流された電圧が、発生したモータ電圧より高い部分しか電動機電流が流れない特性があり、電動機電流の流れない時間がある。これは実験では約２ｍｓ（約３６゜）であることが確認されている。なお、この時間（位相角）はマグネット界磁形直流整流子電動機の仕様によって若干異なったものになるが、本実施の形態１においてはその時間が約２ｍｓであるものとして説明する。

図６は、電動機８を駆動するためのトライアック１７に供給されるトリガー信号のタイミングチャートである。電源同期検出手段２３が、交流電源の電源同期ポイント（ゼロクロスポイント）に同期して電源同期信号を制御指示部１５に出力する。制御指示部１５は電源同期信号から一定時の時間後に電動機８を駆動するトリガーパルスを発生し、トライアック１７に供給することにより電動機８を動作させる。初期のトリガーパルスは、電動機８のトルクが大きい位相角９０°付近（例えば９０゜±１０゜）に設定される。初期のトリガーパルスより、電動機電流が流れなくなる約２ｍｓの位置の位相角まで、トリガーパルスの位相を少しずつ前に出し（位相角を小にする）、徐々に電動機８への供給電力が大きくなるように制御する。そして、電動機電流が流れなくなる約２ｍｓ未満の位置の位相角（本発明の所定位相角未満に相当する）になった時に、トリガー信号をＬＯＷ出力固定波形（この例では０Ｖレベルであり、本発明の位相角０゜に相当する固定レベル信号に相当する。）に変化させ、位相角を０°として電動機８の電力をフルパワーにするとともに、トライアック１７の誤動作を防止する。なお、上記のＬＯＷ出力固定波形は、上記のトリガーパルスとの関係では、位相角が０°で、且つ、パルス幅が１８０゜のトリガーパルスに相当する。

図７は本実施の形態１における第２制御回路２２の制御指示部１５の動作を示したフローチャートである。
まず、電気掃除機の電源プラグ（図示せず）をコンセント（図示せず）に差し込むと（Ｓ１）、制御指示部１５は、電動機起動位相角として初期位相角値（例えば９０゜）をセットし（Ｓ２）、電動機８が動作しているかどうかの確認処理をする（Ｓ３）。即ち、電動機電流検知部１９により検知された電動機８の電動機電流の信号を取り込んで、その信号に基づいて電動機８が動作しているかどうかを判断する（Ｓ４）。電動機８が動作していないという判断をした場合には、次に、運転モード選択手段４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の何れかが押されてＯＮになっているかどうかを判断し（Ｓ５）、ＯＮになっている場合には、上記にて設定された初期位相角値（例えば９０゜）のトリガーパルスを生成してトライアック１７に供給し、電動機８を起動させる（Ｓ６）。

制御指示部１５は、上記の処理（Ｓ３），（Ｓ４）に戻り、電動機８が動作していると判断すると、１０ｍｓタイマーをインクリメントする（Ｓ７）。この１０ｍｓタイマーは制御指示部１５に機能的に内蔵されたものであり、１０ｍｓ単位で時間を計測する。１０ｍｓタイマーによるタイマー時間が、タイマー時間≧７０ｍｓ、という条件を満たしているかどうかを判断し、この条件を満たしていない場合には上記の処理（Ｓ３）に戻る。また、上記の条件が満たされている場合には、１０ｍｓタイマーをクリアーする（Ｓ９）。そして、電動機起動位相角が０゜であるかどうかを判断し、０゜でない場合は電動機起動位相角をデクリメントする（Ｓ１１）。即ち、１０ｍｓタイマーのタイマー時間により７０ｍｓ毎に電動機起動位相角を所定角度ずつデクリメントしている。続いて、電動機位相角０゜移行位相角をセットする（Ｓ１１）。電動機起動位相角０゜移行位相角はこの例では２ｍｓに相当する３６゜とする。電動機起動位相角と電動機起動位相角０゜移行位相角との関係が、電動機起動位相角＜電動機起動位相角０゜移行位相角、となっているかどうかを判断し（Ｓ１３）、その関係が成立しない場合には上記の処理（Ｓ３）に戻って処理（Ｓ３）移行の処理が繰り返される。

制御指示部１５は、電動機起動位相角＜電動機起動位相角０゜移行位相角、という関係が成立したときには、電動機起動位相角を０゜位相角にセットし（Ｓ１４）、電動機位相角０゜運転（フルパワー運転）を開始する（Ｓ１５）。なお、電動機起動位相角を０゜位相角にセットしたときのトリガー信号としては、図６のＬＯＷ出力固定波形がセットされることになる。

以上のように本実施の形態１においては、電動機電流の流れない時間（約２ｍｓ：実験値）未満の位相角では、電動機起動位相角を０゜位相角にセットして位相角を固定し、位相角を変更する位相制御を行わないようにしたので、無駄の無い最適な位相制御が行える。また、電動機電流の流れない時間（約２ｍｓ：実験値）未満では、トリガー信号をパルス信号から、位相角０゜に相当するレベルであるＬＯＷ出力固定信号に切り替えたのでトライアック１７の誤動作を防止することができる。

また、電動機起動位相角の初期位相角を９０°付近（９０°±１０゜）としたので、電動機８のトルクが大きいところでの起動ができ、電動機８のロック状態を防止できる。更に、電動機８をスロースタートさせるようにしたことにより、電動機８の起動時の騒音を防止できる。また、突入電流も防止できるので、電動機の寿命改善もできる。

実施の形態２．
なお、上記の実施の形態１においては、電動機電流の流れない時間（約２ｍｓ：実験値）未満の電動機起動位相角を０゜にセットした例について説明したが、本発明はその例に限定されるものではなく、例えば０゜〜モータ電流の流れない時間未満の位相角の間に設定してもよい（上記の例では０゜≦位相角＜約３６゜）。また、上記の実施の形態１においては、位相角０゜に相当する固定レベル信号（ＬＯＷ出力固定波形）をトリガー信号として供給する例について説明したが、パルス幅が所定幅以上であればパルス信号をトリガー信として供給してもよい。その場合（位相角０゜の例）のパルス信号のパルス幅は、電動機電流の流れない時間（約２ｍｓ：実験値）幅よりも幅広のもの（例えば２．５ｍｓ）に設定することで、トライアック１７に流れる電流が保持されるようにする。

１電気掃除機本体、２電動送風機、３ホース、４運転モード選択手段、５延長管、６吸込み具、７回転ブラシ、８電動機、９商用交流電源、１２電源トランス、１３ダイオードブリッジ、１４定電圧電源、１５制御指示部、１６トライアック、１７トライアック、１９電動機電流検知部、２０安全スイッチ、２１第１制御回路、２２第２制御回路、２３電源同期検出手段。

Claims

塵埃を吸引する電動送風機を内蔵する掃除機本体と、
吸込み具に内蔵され、塵埃をかきあげる回転ブラシと、
交流整流回路を有し商用交流電源電圧が前記交流整流回路により全波整流された電圧が印加され、前記回転ブラシを駆動するマグネット界磁形直流整流子電動機と、
前記電動送風機に供給する電力を制御する第１制御回路と、
前記マグネット界磁形直流整流子電動機に供給する電力を制御する第２制御回路と
を備え、
前記第２制御回路は、
前記マグネット界磁形直流整流子電動機に直列に接続されたスイッチング素子を備え、
起動時に、予め設定された初期位相角のトリガー信号により前記スイッチング素子を制御し、所定時間毎に段階的にトリガー信号の位相角を小さくして前記マグネット界磁形直流整流子電動機に供給される電力が大きくなるように前記スイッチング素子を制御し、
前記位相角が、前記交流整流回路により全波整流された電圧値が前記マグネット界磁形直流整流子電動機の発生するモータ電圧値よりも低くなる電圧値に基づいて設定された所定位相角値未満になったときには、位相角が０゜から前記所定位相角値未満の間の位相角に固定され、且つ、前記所定位相角値以上の幅を持った前記トリガー信号により前記スイッチング素子を制御することを特徴とする電気掃除機。
前記２制御回路は、初期位相角値を９０゜±１０゜の範囲に設定して前記電動機を起動させることを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。