JP5121914B2 - 電動機制御装置、電気掃除機及び手乾燥装置 - Google Patents

Description

この発明は、整流子とブラシとを有する電動機を制御する電動機制御装置とそれを搭載した電気掃除機及び手乾燥装置に関するものである。

従来の電動機制御装置は、例えば、「ファンと整流子モータから成る電動送風機と、前記整流子モータより発生するスパークを検出するスパーク検出手段を備え、前記スパーク検出手段による出力に応じて、整流子モータを制御する…」ものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１３６７８０号公報

従来の電動機制御装置においては、ハイパスフィルターを使用し、商用電源電圧のゼロクロスから所定のタイミングＴ１から、所定の周期で電流センサーの出力をＡ／Ｄ変換器でサンプリングして、前回サンプリングした電圧と今回サンプリングした電圧レベルの比較を行うようにしたもので、電源から供給される１周波数内で変化する電圧の大小変化が連続的に変化していればスパーク（以下、火花ともいう）が発生していないと判断し、電圧の大小変化が不連続の場合、火花が発生していると判断するようにしたものである。しかし本構成ではノイズ成分を抽出するように構成されているので、本来の測定ノイズ成分以外の外来ノイズも測定することになり、従って、火花発生の誤判断をする恐れがあり、火花検出の精度が低くなるという課題があった。

また、所定のタイミングＴ１から、所定のサンプリング周期でサンプリングするように構成されているが、サンプリング周期はＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換時間以上である必要があるため、火花判断の精度を高くするためにサンプリング周期を小さくすると、火花の発生を判断するためのデータ処理や、他のプロセスの処理ができるようにするために、結果的に処理速度が速い高性能なマイコン等が必要となり、コストが高くなるという課題があった。特に電源から供給される電流の１周期における変化をハイパスフィルターにより抽出する従来技術ではこの問題が顕著となる。

つまり、火花発生の判断を電源から供給される電流の１周期における変化をハイパスフィルターにより抽出する従来技術では、今回測定と前回測定を比較するサンプリング周期を、少なくとも火花によるノイズ成分の大小の差が生ずる電源から供給される電流の１周波数よりさらに非常に短い時間の範囲内である必要があり、Ａ／Ｄ変換器の変換速度及びこの信号を処理して火花発生の判断をする処理速度が速い高性能なマイコン等が必要となり、コストが高くなるという課題があった。

また、サンプリング周期が小さい場合には今回測定と前回測定との差は、火花発生によるノイズ成分のみの小さな値となるために、Ａ／Ｄ変換器は高分解能又は高精度のものが必要となり、コストが高くなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、火花発生の検出を、検出精度が高く、安価な構成で実現することができ、また、異常火花が発生したときの異常過熱による発煙・発火を防止するように電動機を制御することができる電動機制御装置、電気掃除機及び手乾燥装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電動機制御装置は、整流子とブラシとを有する電動機の運転を制御する駆動手段と、前記電動機に流れる電流を検出する火花検出手段と、前記火花検出手段の出力から火花の異常を判断する火花判断手段とを備え、前記火花判断手段は、前記電動機に流れる電流の所定時間内における最大値と最小値との差を求め、求めた差の値が予め設定した所定の火花判断レベルより大きいか否かを判断し、前記差の値が前記火花判断レベルを超えた回数に応じて、火花異常を判断し、前記駆動手段は、前記火花判断手段の出力に応じて前記電動機を制御するものである。

この発明の電動機制御装置は、整流子とブラシとを有する電動機で発生する火花の発生を検出して火花の異常を判断し、この判断に応じて前記電動機の運転を制御することにより、火花発生の検出を、検出精度が高く、安価な構成で実現することができ、また、異常火花が発生したときの異常過熱による発煙・発火を防止するように電動機を制御することができる。

この発明の実施の形態１における電動機制御装置のブロック構成図である。 この発明の実施の形態１における商用電源波形を示す波形図である。 この発明の実施の形態１における火花検出手段の検出波形を示す波形図である。 この発明の実施の形態１における火花検出手段の検出タイミング及び火花判断手段の動作を示す図である。 この発明の実施の形態１における電動機の内部構成及び火花とモータ電流との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２における電動機制御装置のブロック構成図である。 この発明の実施の形態２における火花検出手段の検出波形及び検出タイミングを示す図である。 この発明の実施の形態２における通電位相とピーク電流位相との関係を示した特性図である。 この発明の実施の形態２における火花判断手段の第２の判断方法を示す図である。 この発明の実施の形態３における火花判断手段の他の実施形態の判断方法を示す図である。 図１０で検出したピーク電流値の最大値と最小値の差である変化量ΔＩについて、予め設定してある火花異常判断レベルと比較し、火花異常の確定プロセスを説明するための図である。 この発明の実施の形態３における火花判断手段の他の実施形態の判断方法を示す図である。 図１２で検出したピーク電流値の最大値と最小値の差である変化量ΔＩについて、予め設定してある火花異常判断レベルと比較し、火花異常の確定プロセスを説明するための図である。 他のピーク電流値の最大値と最小値の差である変化量ΔＩについて、予め設定してある火花異常判断レベルと比較し、火花異常の確定プロセスを説明するための図である。 この発明の実施の形態４における電気掃除機の概略構成図である。 この発明の実施の形態５における手乾燥装置の概略構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電動機制御装置のブロック構成図である。図１において、電動機制御装置は、火花検出手段３と、火花判断手段４と、駆動手段５とにより構成され、商用電源１から供給される電力により駆動される整流子とブラシとを有する電動機２の運転を制御するものである。さらに、火花検出手段３は、電動機２に流れる電流を検出する電流検出手段３１と、電流検出手段３１の出力を整流するための整流手段３２と、整流手段３２の出力をデジタル値として検出するＡ／Ｄ変換手段３３とにより構成されている。また、火花判断手段４は、Ａ／Ｄ変換手段３３の検出結果から火花の発生を判断して判断結果を駆動手段５へ出力する。駆動手段５は、例えば、トライアック等からなり、火花判断手段４の出力に基づいて電動機２の制御を行う。このような構成による本実施の形態１の動作の詳細を、図２〜図５に基づき次に説明する。

図２はこの発明の実施の形態１における商用電源波形を示す波形図、図３はこの発明の実施の形態１における火花検出手段の検出波形を示す波形図であり、図３（ａ）は火花が発生しておらず正常な時の電動機２に流れる電流を電流検出手段３１が検出した波形図、図３（ｂ）は火花が異常の時の電動機２に流れる電流を電流検出手段３１が検出した波形図、図３（ｃ）は電流検出手段３１の出力を整流手段３２により整流した波形図である。図４はこの発明の実施の形態１における火花検出手段の検出タイミング及び火花判断手段の動作を示す図であり、図４（ａ）は整流手段３２の出力をＡ／Ｄ変換手段３３により検出するサンプリングのタイミング図、図４（ｂ）は整流手段３２の出力をＡ／Ｄ変換手段３３で検出した検出値、図４（ｃ）はＡ／Ｄ変換手段３３の検出値の今回データと前回データとの差の絶対値である変化量と火花判断手段４の火花異常判断レベルを示す図、図４（ｄ）は火花判断手段４の判断結果を示す図、図４（ｅ）は火花判断手段４の判断結果によって駆動手段５が制御する電動機２の運転状態を示す図である。さらに、図５はこの発明の実施の形態１における電動機の内部構成及び火花とモータ電流との関係を示す図であり、図５（ａ）は整流子とブラシとの間で発生する火花の大きさとモータ電流との関係を説明するための電動機２の模式図、図５（ｂ）は火花電圧Ｖａとモータ電流Ｉｍとの関係を示す概略図である。

まず、電動機２が駆動していない場合には当然火花は発生していないため火花判断手段４は火花正常と判断し、駆動手段５によって、図２に示す商用電源電圧が電動機２に供給され、電動機２は運転を開始する。運転開始後の火花が正常な場合の電流検出手段３１の検出波形は図３（ａ）に示すような波形となるが、電動機２に火花が発生すると火花による電圧降下が生じて、電動機２に作用する電圧が低下するために電動機２に流れる電流（以下、モータ電流という）も低下し、電流検出手段３１の検出波形は図３（ｂ）のようになる。この現象において、火花は不安定なために電動機２に作用する電圧の低下も不安定なものとなり、結果的にモータ電流も不安定な状態となる。このような現象について、さらに詳細な説明を、図５を用いて説明する。

図５（ａ）において、ステータ巻線が巻設された整流子２ｂとブラシ２ｃとの間に発生する火花の火花電圧Ｖａと、電動機２に流れるモータ電流Ｉｍとの関係は、商用電源１の電圧をＶｓ、電動機２のインピーダンスをＺｍとしたとき、ブラシ２ｃ１、２ｃ２の２箇所での火花電圧が２Ｖａとなるため、Ｉｍ＝（Ｖｓ−２Ｖａ）／Ｚｍとみなすことができる。ここで、便宜上、Ｚｍが火花の発生により大きさが変化しないものとすると、火花が発生していないときの電動機２に流れるモータ電流Ｉｍ１は、火花電圧Ｖａ＝０（ゼロ）であるため、Ｉｍ１＝Ｖｓ／Ｚｍとなる。しかし、火花が発生すると火花電圧Ｖａが発生するため、このときの電動機２に流れる電流をＩｍ２とすると、Ｉｍ２＝（Ｖｓ−２Ｖａ）／Ｚｍとなる。Ｖａは０と同じかそれより大きい値であるから、上記ケースでモータ電流Ｉｍを考えると、Ｉｍ１＞Ｉｍ２となる。この時、火花電圧Ｖａは火花の大きさに比例して変化するから、前述の電動機２に流れるモータ電流Ｉｍを表す式にあてはめると、結果的に火花の大きさに比例して、モータ電流Ｉｍも変化することになる。

この火花電圧Ｖａとモータ電流Ｉｍとの関係は、図５（ｂ）に示すようになり、火花は不安定であるため、火花電圧Ｖａは、モータ電流Ｉｍのピーク値を不安定とする一つの変数的な作用をする。つまり、モータ電流Ｉｍのピーク電流を計測すると、商用電源１の電圧の最大値とほぼ同期して、電流のピークが現れる。そして、火花が発生した際には、その大きさに比例した火花電圧Ｖａが発生するため、モータ電流Ｉｍの実効値や瞬時値の値を不安定にする要素となっている。さらに、整流子２ｂとブラシ２ｃとの接触状態も不安定なために接触抵抗値も不安定となり、この影響も受けてモータ電流は不安定になっている。すなわち、火花の発生をモータ電流のピーク値の変化量により判断することが可能となり、且つそのピーク値から火花の発生の大きさまで推測することが可能となる。

このような考え方に基づき、モータ電流を検出する電流検出手段３１の出力を、図３（ｃ）に示すように、整流手段３２によって、ダイオードブリッジ（図示していない）などにより例えば全波整流する。Ａ／Ｄ変換手段３３は、整流手段３２の出力を、商用電源１の周期に同期して、所定の時間の位相差で所定回数サンプリングする。即ち、図４（ａ）に示すように、商用電源電圧の正極側及び負極側の各ゼロクロス（図２のゼロクロス１〜ゼロクロス６）から所定のタイミングＴ１後に、例えば商用電源１の１／４周期の時間（商用電源の周波数が５０Ｈｚの場合、Ｔ１＝５ｍｓ）で、図３（ｃ）に示した、整流手段３２の出力を例えば１回サンプリングする。このようにしてＡ／Ｄ変換手段３３によりサンプリングした検出値は図４（ｂ）に示すようになる。

次に、火花判断手段４は、図４（ｃ）に示すように、Ａ／Ｄ変換手段３３がサンプリングしたデジタル値の今回データ値と前回データ値との変化量（差の絶対値）を求め、これを逐次繰り返す。この時、火花判断手段４は、求めた変化量と、予め設定してある所定の火花異常判断レベルとを比較して、変化量が火花異常判断レベルを超えたとき、火花異常と判断する。尚、火花異常判断レベルは電動機２によって異なるため、火花発生時の実際の変化量等を計測した実験値などで設定するのが良い。

図４（ｄ）は、図４（ｃ）の電流の変化量に対して火花異常判断レベルで判断した火花判断手段４の検知例を示しており、火花判断手段４は、図４（ｃ）の電流変化量ΔＩ１〜ΔＩ４までは火花異常判断レベルよりも低いため、火花正常と判断するが、電流変化量ΔＩ５では火花異常判断レベルよりも高いため、火花異常と判断し、駆動手段５に対して判断結果を出力する。

駆動手段５は、この火花判断手段４の出力に基いて電動機２の制御を行う。電動機２の制御は、電動機２から発煙・発火が起きず安全が確保できるように、例えば、電動機２への電力供給を遮断して運転を停止するように制御する。なお、電動機２の運転を停止させるような電力供給の遮断をしなくとも安全が確保できるような電力を供給して運転を継続することも可能であり、例えば、通常使用時の弱運転モードよりもさらに供給電力が小さい方法での制御も可能である。このような方法であれば、使用者が使用している際に突然使用ができなくなる状態などを避けることも可能となる。

またこのように、火花の異常が検知された際に、供給電力が小さい方法での制御する構成においては、その後の動作状態においても火花の検知を行い続け、更なる火花異常の検知がされた場合、さらに小さい電力で制御するよう、ステップ的に供給電力を小さくしていくようにし、それでも火花異常が検知され続ける場合には電力の供給を遮断するように構成しても良い。このような方法であれば、使用者が使用している際に突然使用ができなくなる状態などを避けることも可能となると共に、更なる安全性の確保ができるようになる。

以上のように、本実施の形態１においては、電動機２で発生する火花を検出して火花の異常を判断し、この判断に応じて電動機２の運転を制御することができる。そして本実施の形態によれば、１周期で２回のサンプリングで火花発生の検出を、検出精度が高く、安価な構成で実現することができ、また、異常火花が発生したときの異常過熱による発煙・発火を防止するように電動機を制御することができる。

また、電動機２に流れるモータ電流を検出し、検出したモータ電流を整流した出力をデジタル値としてサンプリングすることにより、ノイズ成分を抽出するためのハイパスフィルターなどが不要となり、また、外来ノイズを測定してしまうことにより火花発生の誤判断を行うことが極力防止され、火花発生の検出を、検出精度が高く、安価な構成で実現することができる。従って、制御装置として極めて簡便で、部品点数も少なく安価で信頼性の高く火花異常による発煙・発火が無い安全な電動機制御装置を提供することが可能である。

また、モータ電流のサンプリングにおいて、所定の位相角におけるモータ電流値をサンプリングするように、商用電源電圧の半周期毎に、商用電源電圧のゼロクロスから所定のタイミングＴ１で、１回サンプリングしているので、高速のＡ／Ｄ変換やデータ処理を必要とする必要がなく、一般的な変換速度のＡ／Ｄ変換器や一般的なデータ処理速度のマイコン等で良く、従って、制御装置として安価な構成で、火花異常による発煙・発火が無い安全な電動機制御装置を提供することが可能である。

また、火花判断手段４は、Ａ／Ｄ変換手段３３がサンプリングしたデジタル値の今回データ値と前回データ値との変化量（差の絶対値）を求め、求めた変化量と火花異常判断レベルとを比較して火花異常と判断しているので、少量の検出値を加算して積み上げる積分手段などが不要となり、火花発生の検出を安価な構成で実現することができる。従って、安価な構成で、火花異常による発煙・発火が無い安全な電動機制御装置を提供することが可能である。

また、駆動手段５は、火花判断手段４が火花の異常を判断したとき、電動機２への電力供給を遮断して運転を停止するように制御するように構成することにより、火花の異常が発生した時に電動機２の運転を停止させることができ、火花異常による発煙・発火が無い安全な電動機制御装置を提供することが可能である。

尚、本実施の形態１では、モータ電流の検出を商用電源電圧の正極側及び負極側の各ゼロクロス毎（図２のゼロクロス１〜ゼロクロス６）に行う場合を説明したが、本発明はこれに限らず、正極側（図２のゼロクロス１、３、５）又は負極側（図２のゼロクロス２、４、６）の何れか一方の極側のみで行っても同様の検出が可能である。このような構成とすれば測定精度をほぼ前記説明と同様のレベルに維持しながら、更なるコストダウンを図ることができる上、これにより外来ノイズの影響をさらに低減することができる。さらには、検出する波形を例えば１０個に１個、２０個に１個と絞る構成でも良い。このように構成すれば更なるコストダウンを図ることができる。しかしあまり絞りすぎると電源電圧変動等が火花発生の検出などに影響を及ぼすため望ましくないため、少なくとも１秒に１回以上を対象としてサンプリングすることが望ましい。

さらに、本実施の形態１では、モータ電流を測定するための整流手段３２の出力をＡ／Ｄ変換するための所定のタイミングＴ１を、商用電源電圧のゼロクロスから商用電源１の１／４周期の時間、例えばＴ１＝５ｍｓ、とした場合を説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、４ｍｓでも６ｍｓでも良く、モータ電流のＡ／Ｄ変換後における今回データ値と前回データ値とを比較する際に、所定のタイミングＴ１が同じであれば問題なく同様の検出ができることは言うまでも無い。

さらに、本実施の形態１では、電流検出手段３１の出力を商用電源電圧の周波数成分とノイズ成分を分別することなく、Ａ／Ｄ変換手段３３でサンプリングするように構成しているが、火花によるノイズ成分の影響が強い場合や外来ノイズの影響を受ける場合には、適切なカットオフ周波数を設定し、回路の適切な位置、例えば、Ａ／Ｄ変換手段３３の前段又は電流検出手段３１の後段に、ローパスフィルターを設けることで、さらに確実な火花検知ができることは言うまでも無い。このように構成することでノイズ成分をより良好に除去することができ、正確な火花検知を行うことで安全性等を高めることができる。

さらに、本実施の形態１では、電流検出手段３１の出力を整流手段３２で整流した後にＡ／Ｄ変換手段３３でデジタル値を検出しているが、整流手段３２を設けることなく適当に電子回路を設計したり、適当にＡ／Ｄ変換手段３３の検出値をデータ処理することで、電流検出手段３１の出力を直接Ａ／Ｄ変換手段３３で検出しても同様の効果が得られることは言うまでも無い。

さらに、本実施の形態１では、整流手段３２は、ダイオードブリッジなどにより全波整流する場合を説明をしたが、半波整流回路でもＡ／Ｄ変換手段３３のサンプリングするタイミングを適当にすれば、同様の効果が得られることは言うまでも無い。このような構成とすれば測定精度をほぼ前記説明と同様のレベルに維持しながら、更なるコストダウンを図ることができる上、これにより外来ノイズの影響をさらに低減することができる。

さらに、本実施の形態１では、所定のタイミングＴ１後に、１回だけＡ／Ｄ変換するような構成で説明したが、所定のタイミングＴ１後に複数回数のＡ／Ｄ変換をする場合には、複数回数のＡ／Ｄ変換して得られたデータについて平均値処理を施して、所定のタイミングＴ１後のデータとしてその平均値処理した値を扱うことでも良い。このように構成した場合より高性能な回路素子やマイコンなどが必要とされるが、より火花検知の精度を向上させることが可能である。

さらに、本実施の形態１では、所定のタイミングＴ１は、商用電源電圧のゼロクロスを基点として説明したが、商用電源電圧の所定の電圧値を基点として構成しても同様の効果が得られることは言うまでも無い。

実施の形態２．
本実施の形態２では、位相制御によって電動機２に供給する電力の制御を行う形態について説明する。以下、本実施の形態２について、実施の形態１で説明した図１〜図５を併用しながら、図６〜図９を用いて説明する。尚、上記実施の形態１と同一部分については同一符号を付して、その説明を省略する。

図６はこの発明の実施の形態２における電動機制御装置のブロック構成図である。図６において、本実施の形態２では、上記実施の形態１の構成に加え、電動機２の回転数を制御するために駆動手段５の通電位相を制御する位相制御手段６と、火花判断手段４の出力を記憶する、例えば記憶内容を電気的に消去と書込みと読込みが可能なＥＥＰ−ＲＯＭなどからなる記憶手段７と、Ａ／Ｄ変換手段３３がサンプリングするタイミング時間（以下、サンプリングタイミングという）を通電位相に応じて設定するためのサンプリング設定手段８とにより構成されている。

図７はこの発明の実施の形態２における火花検出手段の検出波形及び検出タイミングを示す図であり、図７（ａ）は、火花が発生しておらず正常な時の電動機２に流れる電流を電流検出手段３１が検出した波形図で、位相制御手段６により駆動手段５の位相制御をした場合の通電位相０ｍｓの時（波形Ａ：破線）と、通電位相５ｍｓの時（波形Ｂ：実線）を示したものであり、図７（ｂ）は、火花が異常の時の電動機２に流れる電流を電流検出手段３１が検出し、整流手段３２で全波整流した波形図で、位相制御手段６による通電位相５ｍｓの時を例として示したものであり、さらに、図７（ｃ）は、整流手段３２の出力をＡ／Ｄ変換手段３３により検出するサンプリングのタイミング図である。図８はこの発明の実施の形態２における通電位相とピーク電流位相との関係を示した特性図である。また、図９はこの発明の実施の形態２における火花判断手段の第２の判断方法を示す図であり、図９（ａ）は通電位相５ｍｓの時のＡ／Ｄ変換手段３３で検出したピーク電流値を示す図で、図９（ｂ）は図９（ａ）で検出したピーク電流値の最大値と最小値の差である変化量ΔＩについて、予め設定してある火花異常判断レベルと比較した場合の図である。

まず、記憶手段７には、前回電動機２を運転した時の火花判断手段４の出力が記憶されている。この記憶手段７は、火花の状態が正常か異常かを判断している火花判断手段４の出力を、当該記憶手段７の電源が遮断される直前に電気的に書き込む。電動機２を運転する際には、位相制御手段６は、始めに記憶手段７の前回運転時の記憶内容を読込み、火花の状態が正常だったか異常だったかを確認する。

位相制御手段６は、火花が正常な場合には適当な通電位相で駆動手段５により電動機２を制御して運転を開始し、電動機２には電流が流れ、電動機２が回転する。図７（ａ）に示すように、電流検出手段３１の検出波形は、位相制御手段６の通電位相０ｍｓの場合、点線で示した波形Ａのようになり、通電位相５ｍｓの場合、実線で示した波形Ｂのようになる。

通電位相０ｍｓの時における電動機２の電流を検出して最終的に火花判断手段４が火花が正常か異常かを判断するまでの波形及び動作は、上述した実施の形態１と同様であるので、ここでは詳細な動作説明は割愛する。

次に、電動機２の回転数を低くするように制御するため、例えば、通電位相を５ｍｓとした場合には、電流検出手段３１の検出波形は、図７（ａ）の実線で示した波形Ｂのようになる。この時、電流がピーク値をとる時間は、通電位相０ｍｓの時と通電位相５ｍｓの時では、Δｔの時間のズレが生じている。この電流検出手段３１の出力を整流手段３２で整流した検出波形が図７（ｂ）である。

図７（ｂ）に示すように、波形Ｂの整流後の波形に対してデジタル値を検出するＡ／Ｄ変換手段３３のサンプリングタイミングは、ピーク値において通電位相０ｍｓの時と通電位相５ｍｓの時とでは、時間差がΔｔあるため、通電位相０ｍｓで制御した場合と同様の電流波形である上記実施の形態１における、商用電源電圧のゼロクロスから所定のタイミングＴ１よりもΔｔだけ遅い所定のタイミングＴ２でサンプリングする必要がある。図７（ｃ）は、このようにΔｔだけ遅くした所定のタイミングＴ２でＡ／Ｄ変換手段３３のサンプリングのタイミングを表したものである。

これによって、Ａ／Ｄ変換手段３３は、電流のピーク値でサンプリングすることができ、サンプリングした以降のＡ／Ｄ変換手段３３の出力波形、ピーク電流値の変化量、火花異常判断については、上述した実施の形態１における図４（ａ）〜図４（ｃ）と同様となり、火花の正常又は異常の判断が可能となる。尚、上記実施の形態１では、火花判断手段４の出力で直接、駆動手段５に信号を与え、電動機２の制御を行ったが、本実施の形態２では、火花判断手段４の出力は位相制御手段６に信号を送り、その信号を受けて位相制御手段６が電動機２を制御する駆動手段５に火花異常を出力して、電動機２を制御するように構成している。

前記の説明では、電動機２のピーク電流において、通電位相５ｍｓの時と通電位相０ｍｓの時とでΔｔの時間差があることを述べたが、電動機２の回転数制御はこの通電位相５ｍｓのみとは限らない。図８は、電源周波数５０Ｈｚを例とした電動機２の通電位相を０ｍｓから８ｍｓまで変化させた時のピーク電流が発生する位相との関係を示した例であり、電動機２の種類や出力などや駆動手段５の特性などでも異なってくる。

図８において、通電位相０ｍｓから４ｍｓまでのピーク電流発生位相は５ｍｓであり、通電位相０ｍｓの時との差は無くΔｔ＝０である。このため、Ａ／Ｄ変換手段３３がサンプリングするための商用電源電圧のゼロクロスからの所定のタイミングＴ２は５ｍｓでピーク電流を検出することができる。ところが通電位相５ｍｓでは、ピーク電流発生位相はΔｔ＝１ｍｓとなって６ｍｓで発生しているため、所定のタイミングＴ２は６ｍｓで行う必要があり、以下通電位相６ｍｓでは、所定のタイミングＴ２は７ｍｓとなるように、通電位相によって所定のタイミングＴ２を変える事によって、Ａ／Ｄ変換手段３３はピーク電流値を検出することができる。

この通電位相は、電動機２を制御するために予め決められた既知の値であるため、図８に示した通電位相の値に基づいて、ピーク電流発生位相の時間のタイミングＴ２でサンプリングすれば良い。通電位相の値に応じてサンプリングするタイミングＴ２を予め測定しておき、これに基づいてサンプリング設定手段８からＡ／Ｄ変換手段３３にサンプリングするためのタイミングを出力するものである。

このような構成にすることでピーク電流値を精度良く検出することができるため、電動機２の回転数を制御するための位相制御の幅広い通電位相での火花の異常判断ができるようになり、電動機２への電力供給を遮断して運転を停止するように制御することで、火花の異常時の電動機２からの発煙・発火を精度良く防止でき、安全が確保できる。

また、位相制御により通電位相を変化させると、図７に示すように、電流値のピーク電流値が変化する。このため、制御される通電位相に合わせて火花異常判断レベルを複数有しているのが良い。このようにすることで制御される位相に左右されないで電流値のピーク電流値に合わせた、より精度のよい火花発生を検知でき、制御する位相にあわせ常に火花の発生の検知を精度良く行うことが可能となる。

以上のように、本実施の形態２においては、上記実施の形態１の効果に加え、電動機２の回転数を制御するために幅広い通電位相を変えて制御した場合に、通電位相に応じて、サンプリングタイミングを設定することにより、モータ電流のサンプリングが精度良く検出できるので、火花異常判断がより正確に行うことができる。これによって、電動機２の異常火花に伴う異常加熱による発煙・発火を防止して安全な電動機制御装置を提供することが可能である。

さらに、火花判断手段４の出力を記憶手段７に書き込み、次回運転を開始するとき電動機２に通電する前に記憶手段７の前回運転時の火花判断手段４の出力情報を読み込み、その読み込んだ内容に基づいて、電動機２の運転を制御することにより、読み込んだ内容が火花異常の内容の場合には、電動機２への電力供給をしない再運転防止を行うことができ、これより、再運転時の電動機２からの異常火花に伴う異常加熱による発煙・発火の防止が確実に実施でき、安全な電動機制御装置を提供することが可能である。

尚、本実施の形態２では、再運転時に記憶手段７の内容が火花異常の時には、電動機２への電力供給をしない場合を説明したが、これに限らず、火花の正常を判断したときの回転数よりも低く、異常火花が起きない程度の回転数で電動機２を回転させるように、駆動手段５の通電位相を制御しても良い。このようにすることで上記効果に加え、再運転時の電動機２からの異常火花に伴う異常加熱による発煙・発火の防止を実施できると共に、電動機２の回転数低下により、使用者に対しての火花異常であることの報知手段として電動機２を兼用することが可能であり、新たに報知手段を設けること無く、使用者に火花異常を報知することができる電動機制御装置を提供することが可能である。もちろん、このような構成において、使用者に火花異常を報知する表示部や発音部を設け、別途報知するようにしても良い。このように構成すれば機器異常を使用者により確実に知らせることが可能となる。

さらに、火花異常を検知した際に記憶手段７に記憶させる情報としては火花の検知情報と、火花検知に至るまでのモータの総運転時間が含まれているのがよい。火花異常に至る最も多い原因は、モータのブラシが擦り切れてしまった状態の場合が多い。このため、火花異常が検知された際、その総運転時間がモータの寿命ひいてはブラシのエンド状態を判断するひとつの基準となるためである。このように総運転時間を記憶しておくことによって、例えば使用者より修理の依頼などが来た際、その情報を記憶手段７から読み出すことで迅速な修理が可能となり、サービス性が向上する。さらには、このような効果は上述のような情報のみを記憶手段７に記憶しておくことで、モータ停止やパワーダウンを行わない構成であっても同様に奏することができることからも有用である。

また、本実施の形態２では、火花判断手段４の判断方法において、実施の形態１と同様に、Ａ／Ｄ変換手段３３の今回データ値と前回データ値との変化量を、火花異常判断レベルと比較することで、火花の異常を判断する場合を説明をしたが、これに限らず、火花判断手段４は、Ａ／Ｄ変換手段３３がサンプリングしたデジタル値の所定時間内における最大値と最小値との差を求め、求めた差の値が予め設定した所定の火花判断レベルより大きいとき、火花異常と判断する第２の判断方法を用いても良い。例えば、図９（ａ）に示すように、Ａ／Ｄ変換手段３３がサンプリングしたデータ値について、所定の時間Ｔ３内におけるデータ値Ｉｐ１〜Ｉｐ６において、最大値と最小値を求め、例えば最大値＝Ｉｐ１、最小値＝Ｉｐ５のとき、図９（ｂ）に示すように、この最大値と最小値との差である変化量ΔＩ＝Ｉｐ１−Ｉｐ５を求め、この所定の時間内Ｔ３内における差であるΔＩと予め設定してある火花異常判断レベルと比較して、変化量ΔＩが火花異常判断レベルよりも大きい場合に火花が異常と判断し、火花判断手段４から火花異常の信号を出力する。このような動作においても同様の効果を得ることができる。

尚、上述した第２の判断方法において、火花判断手段４は、所定の時間Ｔ３内で、最大値と最小値との変化量ΔＩが、予め設定してある火花異常判断レベルと比較して一度でも大きい場合には、火花異常の判断結果を出力する場合を示したが、所定の時間Ｔ３で１回の判断ではなく、所定の繰り返し回数の判断を行っても良く、所定の時間Ｔ３での変化量ΔＩが火花異常判断レベルを超えることが連続した場合、若しくは所定の時間Ｔ３の所定の繰り返し回数のうちに変化量ΔＩが火花異常判断レベルを超えることが所定の回数があったときに、火花判断手段４から最終的に火花異常の判断を出力するようにしても良い。

また、上記実施の形態１及び実施の形態２では、火花判断手段４は、変化量と所定の火花異常判断レベルとを比較して火花の異常を判断する場合を説明したが、これに限らず、
火花判断手段４は、所定の火花判断レベルを複数設定し、火花の異常程度を多段階に判断しても良い。このように行うことにより、さらに細かな制御ができることは言うまでもない。

尚、本実施の形態２では、記憶手段７に記憶された火花判断手段４の判断結果を読み込んで電動機２の運転を制御したが、これに限らず、火花判断手段４が火花異常を判断した時に、例えば電流ヒューズ等を断線させ、電動機２に商用電源１を通電させないようにしても良い。これによって、記憶手段７を省略することが可能となる。

さらに、本実施の形態２では、記憶手段７として、ＥＥＰ−ＲＯＭを用いた場合を説明したが、これに限らず、電源が遮断されると記憶が消えるタイプの記憶素子でも商用電源が遮断されても電池などで電力を供給して記憶が消えない記憶素子や、機構的に記憶できる例えばラッチングリレーなどを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

実施の形態３．
本実施の形態では電動機制御装置の構成及びその基本的な動作は実施の形態１または２と同様である。本実施の形態では火花異常を判断する判断方法の異なる形態をより詳しく説明するものである。以下、本実施の形態３について、図１０〜図１４を用いて説明する。尚、前述の各実施の形態と同一部分については同一符号を付して、その説明を省略する。

図１０及び図１２はこの発明の実施の形態３における火花判断手段の他の実施形態の判断方法を示す図、図１１は図１０で、図１３は図１２で検出したピーク電流値の最大値と最小値の差である変化量ΔＩについて、予め設定してある火花異常判断レベルと比較し、火花異常の確定プロセスを説明するための図、図１４はさらに他のピーク電流値の最大値と最小値の差である変化量ΔＩについて、予め設定してある火花異常判断レベルと比較し、火花異常の確定プロセスを説明するための図である。本実施の形態では、所定のサンプリングタイミングで検知するピーク電流値複数個を一組として１つの検知区間を設定し、１つの検知区間の中で最も大きいＭａｘ値とＭｉｎ値の差を取り、火花異常と判断された検知区間が連続して複数回発生したときに火花異常を確定させて火花異常の判断を確定させるものである。

図１０及び図１２では本実施の形態を説明しやすいように、所定のサンプリングタイミングで検出される電流値に１〜３０と番号を振っている。そして、サンプル１〜１０を検知区間１、１１〜２０を検知区間２、２１〜３０を検知区間３と名づけて説明する。図１０に示すように、検知区間１でのサンプリングを開始すると、本実施の形態では、サンプル１がまずＭａｘ値、Ｍｉｎ値両者の値として記憶される。続いてサンプル２が検知されると、先ほど記憶されたＭａｘ値、Ｍｉｎ値と比較され、Ｍａｘ値より大きい場合はＭａｘ値を、Ｍｉｎ値より小さい場合はＭｉｎ値をサンプル２の値に書き換える。同様の手順により、図１０ではサンプル１０まで測定されると、検知区間１ではサンプル５の値がＭａｘ１値として、サンプル３の値がＭｉｎ１値として保持されていることとなる。ひとつの検知区間の測定が終了すると図１１に示すように、その検知区間でのＭａｘ値とＭｉｎ値の差の値が計算され、その差の値が予め設定された火花判定閾値と比較して閾値以上かそれより小さいかが判断される。そして閾値以上であった場合、その検知区間では閾値以上であった旨のフラグが立てられる。図１１では仮想的に閾値以上の欄に丸が記入されている。

次に進み、図１０に示す検知区間２でも前述と同様、サンプル１１がまずＭａｘ値、Ｍｉｎ値両者の値として記憶される。続いてサンプル１２が検知されると、先ほど記憶されたＭａｘ値、Ｍｉｎ値と比較され、Ｍａｘ値より大きい場合はＭａｘ値を、Ｍｉｎ値より小さい場合はＭｉｎ値をサンプル１２の値に書き換える。その後も同様にサンプル２０まで測定されると、検知区間２ではサンプル１９の値がＭａｘ２値として、サンプル１１の値がＭｉｎ２値として保持されていることとなる。そして、検知区間２の測定が終了すると図１１に示すように、検知区間２でのＭａｘ値とＭｉｎ値の差の値が計算され、その差の値が予め設定された火花判定閾値と比較して閾値以上かそれより小さいかが判断される。そして閾値以上であった場合、その検知区間では閾値以上であった旨のフラグが立てられる。

このように同様の手順によって検知区間の閾値判定が繰り返され、図１１に示すように３つの検知区間で連続して閾値以上と判定された場合、初めて火花異常が検知されたことが確定する。つまり図１２に示すような状態を検知した結果、図１３に示すように例えば検知区間１、２では閾値以上の判定が行われたが、検知区間３では閾値以上の判定でフラグが立てられなかったため、図１２及び図１３の状態では火花異常は検知されなかったものとして処理され、通常の動作状態が継続されることとなる。

つまり、図１４に示すように、複数の検知区間において、検知区間１〜４では検知区間２では閾値以上判定でフラグが立てられていないため、検知区間１〜４では３つの検知区間で閾値以上判定が検知されていることとなるが、検知区間が３つ連続で閾値以上判定でフラグが立っていないため、火花異常は確定しない。図１４のような状態では、検知区間５で閾値以上判定のフラグが立てられて火花異常が確定するものである。

このように複数のピーク電流値を１組として１つの検知区間とすることにより、ノイズ成分の良好な除去と、より正確な火花異常判断を行うことが可能となる。また、検知区間が連続して複数回閾値以上が検知されたときに火花異常を確定する構成により、より精度の高い火花異常判断を行うことができ、製品の不具合を発見する自己監視機能としてその性能が非常に安定性を高いものとすることができる。また、本実施の形態では連続して３つの検知区間を記憶しておくことのできる記憶手段７を有していれば動作させることが可能となるから、安価な素子を使用して本形態を実施することができると共に、前述の実施の形態１又は２と比較して不具合を起こす前の動作情報をより長いタームで記憶しておくことができ、異常動作時の情報量を増加させることができる。

尚、ひとつの検知区間をいくつのピーク電流値で１組とするかという判断と、火花判定閾値の値、及び検知区間が連続して何回閾値以上が検知されたときに火花異常を確定するかという部分については非常に密接な関係がある。すなわちひとつの検知区間を何個のピーク電流値で一組にするかについては、例えば少なくしすぎるとＭａｘ-Ｍｉｎ値の差が出づらくなると共に、火花異常判断がノイズ成分に左右されやすくなる傾向にある。また逆に多くしすぎると火花が発生し続けているにも拘らず、その検知が遅れてしまうということとなる。このことは火花判定閾値、及び閾値以上のフラグが立てられた検知区間を何回連続して検出されたときに火花異常と確定するかについても同様のことが言える。

ここで、火花判断閾値の値については、モータを動作させる電力の大きさなどにもよるので実験的にその最適な値を決定するのが良い。また前述の実施の形態で説明したように、位相制御する際には、通電位相ごとに最適な閾値を定めることが望ましい。また前述の理由から、１回の検知区間内に何回サンプリングするかについては、通常の５０Ｈｚ〜６０Ｈｚ電源で動作させる場合であれば、３回〜１５回さらには５〜１０回の間が望ましい。さらに閾値以上のフラグが立てられた検知区間を何回連続して検出されたときに火花異常と確定するかについては、上述の理由から２〜４回程度が望ましい。

また、本実施の形態では閾値以上のフラグが立てられた検知区間を何回連続して検出されたかを基準として火花異常と確定する構成について説明したが、この検知区間複数を１組として、その１組の中でいくつの検知区間で火花判断閾値以上が検知されているかをカウントし、そのカウント数が所定の数以上のときに火花異常を確定する構成であってもよい。このような構成であると、火花異常検知が若干遅れることが懸念されるが、よりノイズ成分の除去が確実となると共に、火花異常の安定した精度の高い検知が可能となる。また火花異常検知時にその情報を記憶しておくことで、より長いタームの動作状態を記憶しておくことができ、異常動作時の情報量をさらに増加させることができる。

なお、本実施の形態で火花異常が確定した後の動作については、前述の実施の形態２と同様、電動機２への電力供給をしない構成や、火花の正常を判断したときの回転数よりも低く、異常火花が起きない程度の回転数で電動機２を回転させるように、駆動手段５の通電位相を制御する構成をとることができることは同様であるため説明を省略する。本実施の形態の火花異常判断の方法は実施の形態１又は２に用いたとしても、前述の各形態で説明した効果などを損なうことなく適用できるものである。

実施の形態４．
図１５はこの発明の実施の形態４における電気掃除機の概略構成図である。本実施の形態４における電気掃除機は、上記の実施の形態１乃至３の電動機制御装置を搭載したものである。

図１５において、電気掃除機本体１０１には、空気を塵埃と共に吸上げる動力としての電動送風機１０２が内蔵され、電動送風機１０２の上流側には集塵室１０３が設けられている。この電動送風機１０２は、整流子とブラシとを有する電動機２とこの電動機２により回転駆動するファンとから成り、電動機２は上記実施の形態１又は２の電動機制御装置により制御される。また、電気掃除機本体１０１には、延長目的でホースユニット１０５が設けられており、このホースユニット１０５を構成するホース１０６の一端には電気掃除機本体１０１に着脱可能に連結される接続部１０７が設けられており、他端に手元ハンドル１０８が設けられている。そして、手元ハンドル１０８には延長管１０９が着脱可能に連結され、さらに延長管１０９の上流側には床用吸込具１１０が着脱可能に連結されて、床用吸込具１１０から電動送風機１０２の集塵室１０３までの間に負圧の吸引風路が形成され、集塵室１０３の下流側から排気口（図示せず）の間には排気風路が形成されている。

以上のように、本実施の形態４においては、上記実施の形態１乃至３の電動機制御装置を搭載して、電動機２とファンとから成る電動送風機１０２の制御を行うことにより、電動機２の異常火花に伴う異常加熱による発煙・発火を防止することができるので、掃除室内に煙を排出することが無いため室内を煙で汚染することも無く、また、煙で不快な臭いが付着することも無いために、火花異常によって室内の衛生性を損なうことなく、かつ、電動機２の発火を防止して火災に関連する安全性の高い電気掃除機を提供することができる。

実施の形態５．
図１６はこの発明の実施の形態５における手乾燥装置の概略構成図である。本実施の形態５における手乾燥装置は、上記の実施の形態１乃至３の電動機制御装置を搭載したものである。

図１６において、本体箱体２０１内の上部に高圧空気流発生部２０２が組込まれ、本体箱体２０１内の下部に高圧空気流発生部２０２との間に手を出し入れできる処理空間２０３を形成して水受け部が設けられ、水受け部の下部に水受け部からの水を受容するドレン容器２０４が本体箱体２０１の前面からの抜差しを可能に設けられている。高圧空気流発生部２０２は、吸込口２０５から空気を吸込み、高圧空気を生成して処理空間２０３の前面の手挿入口近傍において水分を吹飛ばす手乾燥に関する作動気流としての高速の気流をエアーノズル２１０により下向きに吹き出すものである。この高圧空気流発生部２０２は、整流子とブラシとを有する電動機２と、この電動機２により回転駆動するターボファンとにより構成され、電動機２は上記実施の形態１乃至３の電動機制御装置により制御される。また、処理空間２０３の底部は、排水孔２０６を有する水受け部として構成され、水受け部の下に収められるドレン容器２０４の内側に導水枠２０７と、この導水枠２０７に係脱可能に保持させた水受け板２０８と、水受け板２０８の前縁に上から重なる庇２０９とにより構成されている。

以上のように、本実施の形態５においては、上記実施の形態１乃至３の電動機制御装置を搭載して、電動機２とターボファンとから成る高圧空気流発生部２０２の制御を行うことにより、電動機２の異常火花に伴う火花異常による発煙・発火を防止できるので、処理空間２０３に挿入して乾燥をしようとした手に炎が噴出して火傷するようなことは無く、また、乾燥をしようとした手に煙が掛かって手に異臭が付着することも無く、また、煙を体内に吸込むことも無く、さらに、噴出し口から煙や炎が出ないために慌てて乾燥しようとしていた手を遠ざけようとして、思わぬところに当たって怪我をすることも無く、かつ、火災関連の安全性が高く、怪我に対する安全性も高く、衛生的にも高い手乾燥装置を提供することができる。

１ 商用電源、２ 電動機、２ａ 電動機のステータ巻線、２ｂ 整流子、２ｃ ブラシ、３ 火花検出手段、４ 火花判断手段、５ 駆動手段、６ 位相制御手段、７ 記憶手段、８ サンプリング設定手段、３１ 電流検出手段、３２ 整流手段、３３ Ａ／Ｄ変換手段、１０１ 電気掃除機本体、１０２ 電動送風機、１０３ 集塵室、１０５ ホースユニット、１０６ ホース、１０７ 接続部、１０８ 手元ハンドル、１０９ 延長管、１１０ 床用吸込具、２０１ 本体箱体、２０２ 高圧空気流発生部、２０３ 処理空間、２０４ ドレン容器、２０５ 吸込口、２０６ 排水孔、２０７ 導水枠、２０８ 水受け板板、２０９ 庇、２１０ エアーノズル、Ｖｓ 商用電源電圧、Ｖａ 火花電圧、Ｚｍ インピーダンス、Ｉｍ モータ電流。

Claims (10)

1. 整流子とブラシとを有する電動機の運転を制御する駆動手段と、
   前記電動機に流れる電流を検出する火花検出手段と、
   前記火花検出手段の出力から火花の異常を判断する火花判断手段と
   を備え、
   前記火花判断手段は、
   前記電動機に流れる電流の所定時間内における最大値と最小値との差を求め、求めた差の値が予め設定した所定の火花判断レベルより大きいか否かを判断し、前記差の値が前記火花判断レベルを超えた回数に応じて、火花異常を判断し、
   前記駆動手段は、前記火花判断手段の出力に応じて前記電動機を制御する
   ことを特徴とする電動機制御装置。
2. 前記火花判断手段は、
   複数の前記所定時間を１組の検知区間とし、この１組の検知区間のうち、前記差の値が前記火花判断レベルを超えた回数が、所定の数以上のとき、火花異常を判断する
   ことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
3. 前記火花判断手段は、
   連続して所定の回数、前記差の値が前記火花判断レベルを超えたとき、火花異常を判断する
   ことを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
4. 前記駆動手段は、前記火花判断手段が火花の異常を判断したとき、前記電動機の運転を停止させる
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動機制御装置。
5. 前記駆動手段の通電位相を制御する位相制御手段を備え、
   前記位相制御手段は、前記火花判断手段が火花の異常を判断したとき、
   前記火花判断手段が火花の正常を判断したときの回転数よりも低い回転数で前記電動機を回転させるように、前記駆動手段の通電位相を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電動機制御装置。
6. 前記火花検出手段は、
   前記電動機に流れる電流を、前記電動機に供給される商用電源の周期に同期して、所定の時間の位相差で検出する
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電動機制御装置。
7. 前記駆動手段の通電位相に応じて、前記火花検出手段の前記所定の時間の位相差を設定するサンプリング設定手段を備えた
   ことを特徴とする請求項６記載の電動機制御装置。
8. 前記火花判断手段は、前記所定の火花判断レベルを複数設定し、火花の異常程度を多段階に判断する
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の電動機制御装置。
9. 整流子とブラシとを有する電動機と、
   請求項１〜８の何れかに記載の電動機制御装置と
   を備えたことを特徴とする電気掃除機。
10. 整流子とブラシとを有する電動機と、
    請求項１〜８の何れかに記載の電動機制御装置と
    を備えたことを特徴とする手乾燥装置。

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