JP5029516B2 - 電気掃除機 - Google Patents

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、大幅な寿命低下や振動、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（例えば、特許文献１参照）や、光検出素子によって直接スパークを検出する方法（例えば、特許文献２参照）等がある。

尚、これらの手段によってスパークの発生を検出した場合は、異常であることを報知すると共に、モータを停止することが一般的である。
特開２００１−１３６７８０号公報 特開２００６−２０４４７０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るし、電源自体にノイズが重畳している場合でもスパークである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。又、上記特許文献２に記載されたスパーク判定方法によれば、確かに精度の高い検出は可能であるが、高価なものになるのは必至である上に、光検出素子の配置や、光検出素子の汚れによる感度低下等、実現には大きな課題を有している。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波になってしまう場合もあると共に、モーター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、安価でかつ単純な構成で精度よく異常スパークを検出し、かつ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から成る電動送風機と、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、前記電動送風機に流れる交流電流を検出する電流検出手段を有し、前記電動送風機に流れる交流電流波形の内、半波間が非通電状態となっている周期が存在している場合に、前記電動送風機への通電量を所定量まで下げると共に、半波間が非通電状態となっている周期の有無を不揮発性の記憶手段に記憶し、次回起動時は前記記憶手段に記憶した状態に応じて前記電動送風機への通電量を決定することを特徴とするものである。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断続的に電動送風機に電流が流れない期間が発生する。電流が流れない期間の長さ及び周期は、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、電流が流れない期間と周期は長くなる。このため、スパークが小さい時は、周波数が高く、振幅の小さい高調波成分が交流電源波形に重畳され、逆にスパークが大きい時は周波数が低く、振幅の大きい高調波成分が重畳されることになる。一方、整流子モータの制御には双方向サイリスタを用いた位相制御が一般的であるが、この双方向性サイリスタのトリガパルス幅よりも、上記の電流が流れない期間の方が長い場合、双方向性サイリスタがオンしなくなり、その半波間は、電流が流れないことになる。本発明は、この「半波抜け」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、「電流が流れている／流れていない」の判断で行なえるため、誤検知の可能性が極めて少なく、かつ近年の電気掃除機の大半に搭載されている電流検知手段のみで検知できるために、新しく部品を追加することなく安価な構成で実現できるものである。

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なじんだ結果、再度通電量を上げても異常スパークが治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、安価で単純な構成で誤検知の可能性が極めて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から成る電動送風機と、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、前記電動送風機に流れる交流電流を検出する電流検出手段を有し、前記電動送風機に流れる交流電流波形の内、半波間が非通電状態となっている周期が存在している場合に、前記電動送風機への通電量を所定量まで下げると共に、半波間が非通電状態となっている周期の有無を不揮発性の記憶手段に記憶し、次回起動時は前記記憶手段に記憶した状態に応じて前記電動送風機への通電量を決定することを特徴とするもので、「半波抜け」の検知であるので誤検知の可能性が極めて低く、かつ異常スパ−クが発生した場合でも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２の発明は、特に第１の発明において、半波間が非通電状態となっている周期が存在する場合、非通電状態となっている半波の出現率が所定値以下になるまで電動送風機への通電量を徐々に下げると共に、その通電量を記憶手段に記憶し、次回起動時は前記記憶手段に記憶した状態に応じて前記電動送風機への通電量を決定することを特徴とするもので、異常スパークを検出するまで通電量が高くなることが無く、よりモーターの寿命を伸ばすことができる。

第３の発明は、特に第２の発明において、電動送風機への通電開始後に、非通電状態となっている半波の出現率が所定値以上になるまで通電量を上げることを特徴とするもので、非通電状態となっている半波の出現率が所定値以上になるまで通電量を上げることで、モーターの復活をも期待できるものである。

第４の発明は、特に第３の発明において、電動送風機への通電開始から所定時間後に通電量を上げることを特徴とするもので、起動からの時間が所定時間経過した後に通電量を上げることで、よりモーターを保護しつつ復活を期待するものである。

第５の発明は、特に第３の発明において、通電量を下げている時間を記憶手段に記憶し、前記時間が所定時間に達したら通電量を上げることを特徴とするもので、通電量が下げられてからの時間（記憶手段に記憶）が所定時間経過した後に通電量を上げることで、よりモーターを保護しつつ復活を期待するものである。

第６の発明は、特に第１または第２の発明において、半波間が非通電状態となった回数が所定回数に達するまでは、通電量を下げないことを特徴とするのもで、通電量を下げなくても復活する可能性がある異常スパークの初期状態では、通電量下げずに使用性を保つことができる。

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１）
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４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全体斜視図である。図２において、掃除機本体２１は、後部に電動送風機２を内蔵した電動送風機室２２が配され、前部に、塵埃を捕集する集塵室２３が配され、掃除機本体２１の前部には、ホース２４の一端に設けた接続パイプ２５が着脱自在に接続される吸気口２６が設けられている。ホース２４の他端には、掃除の際に握ると共に掃除機本体２１の運転を操作するための操作部９を有する把手２７を備えた先端パイプ２８が設けられている。２９は伸縮自在の延長管で、下流側端部が前記先端パイプ２８に着脱自在に接続され、他端は、塵埃掻き上げ用の回転ブラシ３０とその回転ブラシ３０を回転駆動するモータ１０を内蔵した吸込み具３１に着脱自在に接続される。又、掃除機本体２１の後部には、コンセント（商用電源）に接続して、掃除機本体２１に内蔵されている回路基板３２（図示せず）に電源を供給するための電源コード１３が設けられている。図３は前記操作部９の詳細図であり、「強」スイッチ９ａ，「中」スイッチ９ｂ，「弱」スイッチ９ｃ，「切」スイッチ９ｄ及び異常表示ランプ９ｅ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１には、電源波形のゼロクロスを検出するためのゼロクロス検出回路８と、信号制御手段１４に電源を供給するための電源回路７と、電動送風機２と、モータ１０が接続されている。前記電動送風機２とモータ１０はそれぞれ双方向性サイリスタＡ３と双方向性サイリスタＢ１１をオンすることによって、前記商用電源１から電源が供給されるように構成されている。前記双方向性サイリスタＡ３及びＢ１１は、それぞれ駆動回路Ａ４（電動送風機２の駆動手段）と駆動回路Ｂ１２を介して、前記信号制御手段１４により位相制御されるように構成されている。この時の位相制御角は、信号制御手段１４に接続された操作部９の各スイッチ９ａ〜９ｄからの入力信号に応じて決定されている。位相制御を行なうために必要となるゼロクロス検出回路８は、前記信号制御手段１４に接続されている。前記電動送風機２の電源供給ライン上には電流検出手段５が設けられ、この電流検出手段５によって、電動送風機２の交流電流波形を全波整流した信号波形が前記信号制御手段１４に入力されると共に、前記信号波形をピークホールド回路６により平滑した電流波形も前記信号制御手段１４に入力されるように構成されている。異常表示ランプ９ｅは、前記信号制御手段１４に接続されており、異常発生時に点灯するようになっている。また、前記信号制御手段１４には不揮発性メモリで構成された記憶手段１５が接続されており、ここに異常スパークの状態等が記憶される。

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４を参照しながら説明する。

図４の波形は、上から順に電源電圧波形、双方向性サイリスタＡ３に入力されるトリガパルス波形、正常時の電流波形、異常スパーク時の電流波形、双方向性サイリスタＡ３が半波導通モードで故障している時の電流波形であり、図５の波形は、前記図４のＡ部の詳細図であり、上から順に電源電圧波形、ゼロクロス検出回路８の出力波形、双方向サイリスタＡ３に入力されるトリガパルス波形、正常時の電流波形、電流検出手段５の出力波形である。電源投入時にはトリガパルスは常時オフ即ち電動送風機２は停止状態であるため、電流波形は０Ｖとなる。使用者の操作によって、操作部９の各スイッチ９ａ〜９ｃが押された場合、図のようなトリガパルスを信号制御手段１４から駆動回路Ａ４を介して双方向性サイリスタＡ３に入力することで、図５のように前記トリガパルス入力と同時に前記双方向サイリスタＡ３が導通して電動送風機２に電流が流れ、次のゼロクロスで電流が遮断されるようになる。即ち、トリガパルスの位相角ｔ１（＝ゼロクロス検出回路の出力波形によって、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。信号制御手段１４は、操作部９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、電動送風機が狙いの入力で駆動するように、トリガパルスの位相角を決定し、双方向性サイリスタＡ３に信号を出力している。本実施例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入力の関係を表１に示す。

又、電動送風機２が駆動している時に「切」スイッチ９ｄを押すと、信号制御手段１４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。

一方、本実施例においては、前記トリガパルスの幅ｔ２を２ｍｓに設定した。尚、この２ｍｓという値は、本実施例において検出する狙いのスパークレベル（８号以上）が発生した時に、図４の４番目の図のように「半波抜け」が発生するトリガパルス幅であり、実験によって求められた値である。このトリガパルス幅を短くすれば、より小さいスパークでも「半波抜け」が発生し、逆に長くすれば、より大きいスパークが発生しない限り「半波抜け」が発生しなくなる。

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。

電動送風機２を駆動している間、信号制御手段１４は常に、トリガパルス出力の１ｍｓ後（図５のＴａのタイミング・ｔ３＝１ｍｓ）の、電流検出手段５の出力値をモニターしている。信号制御手段１４は、前記電流検出手段５の出力値が０Ｖであったなら「半波抜け」と判断し、更に「半波抜け」と判断した回数を積算し、１秒毎にこの積算値を用いて異常スパークの判定と異常スパーク確定後の制御を行なっている。具体的には前記積算値が２回以下であれば「異常スパークではない」と判断し、３回以上であれば「異常スパークである」と判断して、電動送風機２の入力を下げるように制御する。図６においては、異常スパーク検出ルーチンで電動送風機２を駆動しているかどうかの判断と、駆動中であるならば「半波抜け」かどうかの判断を行い、「半端抜け」の回数をカウンタＡを用いて積算している。更に異常スパーク判断ルーチンで判定のタイミング（１秒毎）であるかを判断し、判定タイミングであれば「半波抜け」回数積算値（カウンタＡ）の判定を行なう。次のＭＡＸ入力決定ルーチンでは、その回数積算値が３回以上であれば「異常スパークである」と判断して異常スパークが発生しない最大入力（以降、「ＭＡＸ入力」と呼ぶ）を下げる制御を、３回未満の場合は「異常スパークでない」と判断して下げたＭＡＸ入力を復帰させる制御をそれぞれ行う。

このＭＡＸ入力は操作部９のスイッチが操作された場合でも有効であり、図６の入力設定ルーチンにて電動送風機２への入力が設定される。例えば「中スイッチ」９ｂで運転中に異常スパークによりＭＡＸ入力が４００Ｗになった場合、「強」スイッチ９ａを押しても電動送風機２の保護のため入力は４００Ｗのままであり、逆に「弱」スイッチ９ｃを押した場合は２００Ｗの入力になる。

ＭＡＸ入力を下げる制御においては、「異常スパークである」と判断した回数をカウンタＢでカウントし、５回「異常スパークである」と判断した時に実際に入力を下げる制御を行う。５回判断してから入力を下げるのは、異常スパークの初期状態ではＭＡＸ入力を下げなくても復活する可能性があるためである。なお、下げる入力は運転中の入力設定−１００Ｗである。また、入力を下げる際にあらかじめ設定した最低入力未満にはならないようにし、その最低入力でも入力を下げようとした場合（「異常スパークである」と５回判断）には、電動送風機２が異常であると判断し、その状態を記憶手段１５に記憶してＭＡＸ入力を０（停止）にし、異常判定ルーチンにて異常表示ランプ９ｅを点灯させる。例えば、最低入力を１５０Ｗとした場合、２００Ｗで運転中に５回「異常スパークである」と判断した時には、ＭＡＸ入力は１５０Ｗになり、更に１５０Ｗで運転中に５回「異常スパークである」と判断すると、信号制御手段１４からのトリガパルス出力が常時オフにし電動送風機２を停止させて異常表示ランプ９ｅを点灯させる。この場合は、電源コード１３がコンセントから抜かれ、電源が再投入された時でも異常表示ランプ９ｅを点灯させ続けて再運転させないようにする。

ＭＡＸ入力を復帰させる制御においては、ＭＡＸ入力で運転しており、かつＭＡＸ入力を下げてからの運転時間（図６の運転時間）が５分以上経過している状態で、２０秒間連続（カウンタＣで計測）で「異常スパークでない」と判断された場合にのみ、異常スパークから回復したとして、ＭＡＸ入力を２０Ｗ上げる。この場合のＭＡＸ入力は、あらかじめ設定した最大入力以上にならないようにする。本実施例ではこの最大入力を初期状態と同じ１０００Ｗ（表１）に設定している。なお、運転時間は電源コード１３がコンセントから抜かれても時間を保持し、異常スパークが発生してから電動送風機２が安定するまで（５分間）待ってからＭＡＸ入力を上げる制御をすることで、より電動送風機２を保護しつつ、異常スパークから復活することを期待することができる。また、本実施例には記載していないが、通電量が下げられてからの運転時間ではなく、起動からの運転時間に基づいて制御を行うことでも記憶手段１５を用いることなく同様の効果が期待される。

なお、前述のカウンタＡ，Ｂ，Ｃは、１秒毎、ＭＡＸ入力を復帰させる制御が働いたとき、「異常スパークである」と判断されたときにそれぞれクリアされるが、それ以外にもスイッチを押したりして電動送風機２への入力が変動したとき（図６の入力設定ルーチン）でも異常スパークの再判断が必要であるのでクリアされる。

以上のように決定されたＭＡＸ入力は、記憶手段１５に記憶され次回起動時にはそのＭＡＸ入力で電動送風機２の入力を制御することで、いきなり「強」スイッチ９ａを押して高入力で運転しようとしてもＭＡＸ入力まで入力を抑えるので、異常スパークを検出するまで通電量が高くなることが無く、よりモーターの寿命を伸ばすことができる。

また、このような制御を行っても電動送風機２が復活しない場合は修理対応になるが、修理で電動送風機２を交換する場合、そのまま交換するだけでは回路基板３２の記憶手段１５の内容が残るため、電動送風機２と同時に回路基板３２も交換しなければならず、修理費用が高くなってしまう。そこで修理業者が記憶手段１５の内容を初期化する手段を設けることで、電動送風機２を交換する場合でも回路基板３２の交換の必要が無く、修理費用を抑えることができる。この初期化手段は、使用者が操作不可能又は操作方法に気づかないものである必要があり、かつ修理業者の手間が省けるものが望ましい。例えば修理業者が電動送風機２を交換した後に、動作確認のための特殊な治具を吸気口２６の接続パイプ２５との電気的接続部に接続したときに記憶手段１５の内容を初期化することで、動作確認と記憶手段１５の内容の初期化を兼ねることができ、修理時間の短縮に繋がる。

以上のように、本実施の形態によれば、安価にかつ単純な構成でスパーク検知が構成でき、また、「半波抜け」の検知であるので誤検知の可能性を極めて低く抑えられ、精度良く「異常スパーク」を検知できるものである。更には、異常スパークが発生した場合、「半波抜け」の頻度及び入力から電動送風機２の状態を推定して、その状態に応じた最適な入力での継続運転が可能であると共に、異常スパーク発生時の寿命延長更には電動送風機２の復活をも期待できる電気掃除機を提供できるものである。

以上のように、本発明はモータ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ブロック図 同電気掃除機の全体斜視図 同電気掃除機の操作部詳細図 電気掃除機の電流波形図 電気掃除機の電流波形詳細図 本発明の実施の形態における電気掃除機の制御フローチャート

符号の説明

１ 商用電源
２ 電動送風機
３ 双方向性サイリスタＡ
４ 駆動回路Ａ（駆動手段）
５ 電流検出手段
６ ピークホールド回路
７ 電源回路
８ ゼロクロス検出回路
９ 操作部
９ａ 「強」スイッチ
９ｂ 「中」スイッチ
９ｃ 「弱」スイッチ
９ｄ 「切」スイッチ
９ｅ 異常表示ランプ
１０ モータ
１１ 双方向性サイリスタＢ
１２ 駆動回路Ｂ
１３ 電源コード
１４ 信号制御手段
１５ 記憶手段
２１ 掃除機本体
２２ 電動送風機室
２３ 集塵室
２４ ホース
２５ 接続パイプ
２６ 吸気口
２７ 把手
２８ 先端パイプ
２９ 延長管
３０ 回転ブラシ
３１ 吸込み具
３２ 回路基板

Claims (6)

1. ファンと整流子モータから成る電動送風機と、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、前記電動送風機に流れる交流電流を検出する電流検出手段を有し、前記電動送風機に流れる交流電流波形の内、半波間が非通電状態となっている周期が存在している場合に、前記電動送風機への通電量を所定量まで下げると共に、半波間が非通電状態となっている周期の有無を不揮発性の記憶手段に記憶し、次回起動時は前記記憶手段に記憶した状態に応じて前記電動送風機への通電量を決定することを特徴とする電気掃除機。
2. 半波間が非通電状態となっている周期が存在する場合、非通電状態となっている半波の出現率が所定値以下になるまで電動送風機への通電量を徐々に下げると共に、その通電量を記憶手段に記憶し、次回起動時は前記記憶手段に記憶した状態に応じて前記電動送風機への通電量を決定することを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
3. 電動送風機への通電開始後に、非通電状態となっている半波の出現率が所定値以上になるまで通電量を上げることを特徴とする請求項２記載の電気掃除機。
4. 電動送風機への通電開始から所定時間後に通電量を上げることを特徴とする請求項３記載の電気掃除機。
5. 通電量を下げている時間を記憶手段に記憶し、前記時間が所定時間に達したら通電量を上げることを特徴とする請求項３記載の電気掃除機。
6. 半波間が非通電状態となった回数が所定回数に達するまでは、通電量を下げないことを特徴とする請求項１又は２記載の電気掃除機。

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