JP5229037B2 - 振動検知方法及びその方法を備えた洗濯機 - Google Patents

Description

本発明は、加速度センサを利用した振動検知装置による振動検知方法及び、その振動検知方法を備えた洗濯機に関するものである。

洗濯機の脱水工程における振動を検知する手段として、加速度センサを用いて水槽の揺れ具合（すなわち加速度）を検出するものが主流になりつつある。これは、振動体の動きを精度良く直接監視することができること、そしてなによりも民生用として半導体（ＭＥＭＳ）加速度センサが安価に提供されるようになったことが主な要因である。この半導体加速度センサは、動的な加速度だけでなく、静的な加速度（地球の重力加速度）も検出できるため、傾斜角度検知センサとしても利用できる。

一方、洗濯機の脱水時のような定常的な往復振動のレベルを検出する場合、この重力加速度は不要な成分で、純粋な振動による加速度のみを検出したい。

そこで、重力加速度を含む検出加速度から、重力加速度を除去した信号を加速度信号として扱う方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開平９−６１４４５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、重力成分を除去するための専用回路が必要になるなど、装置が複雑であること、また、加速度センサの検出可能範囲を超える振動までは対応しきれないといった課題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、検出した加速度に応じて利用する符号を適宜選択することで、重力加速度により振動レベルがオフセットされたとしても、その影響を抑えた振動検知を実現することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明は、振動検知装置は、動的な加速度及び静的な重力加速度を検出することが可能な半導体加速度センサで構成され、加速度センサが検出
した加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えている状態では、検出可能範囲を超えていない符号側の成分の出力値を振動値とするようにしたものである。

本発明の振動検知方法は、加速度センサの加速度検出範囲を有効に利用することにより、重力加速度成分の影響を抑えた効率良い振動検知を実現することが可能となる。また、安易に検出範囲の広い（分解能の低い）加速度センサを選択する必要がなくなり、高精度な振動検知装置を提供することが可能となる。

第１の発明は、振動検知装置は、動的な加速度及び静的な重力加速度を検出することが可能な加速度センサで構成され、加速度センサが検出した加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えている状態では、検出可能範囲を超えていない符号側の成分の出力値を振動値とすることにより、安易に検出範囲の広い（分解能の低い）加速度センサを選択することなく検出範囲を最大限有効利用することができる。

第２の発明は、振動検知装置は、動的な加速度及び静的な重力加速度を検出することが可能な加速度センサで構成され、加速度センサが検出した加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えている状態では、検出可能範囲を超えていない符号側の成分と、予め求めた振幅中心値との差分値、または前記差分値に所定の数値を乗算した値を振動値とすることにより、安易に検出範囲の広い（分解能の低い）加速度センサを選択することなく検出範囲を最大限有効利用することができる。

第３の発明は、第１または第３の発明において、加速度センサは複数方向の検知が可能で、重力加速度の影響を最も受ける方向の検出加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えたら、他軸も前記検出方向と同じ符号側の成分の出力値を振動値とすることにより、全ての方向の処理を統一し、処理の簡素化を図ることができる。

第４の発明は、第１から第３の発明のいずれか１つの振動検知方法を備えた洗濯機により、特に脱水工程における振動を最大限検知することが可能な洗濯機を提供することができる。

第５の発明は、第４の発明において、外周に通水孔を設けたドラムと、ドラムを内包し洗濯水を溜める水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記水槽を収容する筐体と、前記水槽の振動を検出する加速度センサからなる振動検知装置と、前記振動検知装置の出力値をもとに前記モータを制御する制御手段とを備え、前記振動検知装置は、加速度センサから出力される加速度の符号が、重力加速度が加わる方向を正となるように配置することにより、加速度の大きさによらず最大限加速度に対応することができる。

第６の発明は、第４の発明において、外周に通水孔を設けたドラムと、ドラムを内包し洗濯水を溜める水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記水槽を収容する筐体と、前記水槽の複数方向の振動を検出する加速度センサからなる振動検知装置と、前記振動検知装置の出力値をもとに前記モータを制御する制御手段とを備え、前記振動検知装置は、重力加速度が加わる方向の加速度センサからの出力加速度が全ての軸において同一の符号となるように配置することにより、信号処理において同一符号になり計算処理の簡素化を図ることができる。

第７の発明は、第４〜第６のいずれか１つの発明において、外周に通水孔を設けたドラ
ムと、ドラムを内包し洗濯水を溜める水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記ドラムの回転数を検知する回転数検知装置と、前記水槽を収容する筐体と、前記水槽の振動を検出する加速度センサからなる振動検知装置と、前記振動検知装置の出力値をもとに前記モータを制御する制御手段とを備え、制御手段は、加速度センサが検出した加速度が、加速度センサの検出可能範囲の上限値および下限値のいずれにも到達した時点で、脱水回転速度の上昇を停止することにより、低振動な脱水運転を実現することができる。

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、本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、振動発生装置と、この振動発生装置への振動検知装置（加速度センサ）の取り付け方向を表す図、図２及び図３はそれぞれ図１の振動発生装置の設定値を変化させたときの加速度センサの出力波形を表したグラフである。

振動発生装置は、設定した振動数や加速度の振動を発生させることが可能なものである。加速度センサは、半導体加速度センサであって地球の重力加速度（＝１ｇ）を検出することができるタイプのＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）加速度センサである。

加速度センサの加速度検出可能範囲は「−２ｇ〜＋２ｇ」のものであり、検出した加速度をデジタル出力するタイプのものがよい。加速度センサの検出軸が振動発生装置の振動方向と一致するように取り付け、その出力を記録した。振動発生装置は、その振動方向が地面に対し垂直すなわち重力と同一方向に設置されており、加速度センサの検出軸にも常に重力加速度が加わっていることになる。

図２において、波形は＋１ｇを振幅の中央値とした０ｇ〜＋２ｇの振動波形である。重力加速度が重畳されているため、±１ｇの振動を加えても実際には重力加速度の１ｇがオフセットされ、前記のような出力波形となる。

図３においても、波形は＋１ｇを振幅の中央値とした振動波形であるが、加速度の最小値が−１ｇに対し最大値は＋２ｇで実際の最大加速度＋３ｇを検出できていない。これは加速度検出可能範囲が＋２ｇのためで、＋２ｇを上回る振動は検出することができない。

この図２に示すような、重力加速度がオフセットされる方向の加速度出力値が加速度検出範囲を超えてしまっても、その反対方向の加速度出力値が加速度検出範囲内であるような振動を、より検出範囲の広い加速度センサに交換することなく、効率的に検出しようとすることが本発明の目的である。

図４は、本発明の第１及び第２の実施の形態における振動検知処理方法を表したフローチャートである。

振動検知スタート後、まずステップ１にて振動１周期分の加速度を検出し、予め用意されたメモリに、最大加速度（Ａ＿ｍａｘ）及び最小加速度（Ａ＿ｍｉｎ）を記憶する。ここで振動検知期間は、振動１周期に限定する必要はなく、用途に応じて所定の周期または、所定の時間であってもよい。

ステップ２では、記憶されたＡ＿ｍａｘが加速度センサの検出可能最大値（本実施の形態における加速度センサでは＋２ｇ）に到達したかどうか判断する。到達していなければステップ３にてさらに記憶されたＡ＿ｍｉｎが加速度センサの検出可能最小値（本実施の
形態における加速度センサではー２ｇ）に到達したかどうか判断し、到達していれば、ステップ４にてＡ＿ｍａｘを有効な振動値、到達していなければ、ステップ５にてＡ＿ｍａｘ及び｜｜Ａ＿ｍｉｎ｜｜のいずれか大きい値を振動値とする。

一方、ステップ２にて、Ａ＿ｍａｘが検出可能最大値に到達していれば、ステップ６にてさらに記憶されたＡ＿ｍｉｎが加速度センサの検出可能最小値に到達したかどうか判断し、到達していなければ、ステップ７にて｜｜Ａ＿ｍｉｎ｜｜を有効な振動値とするが、到達していれば、加速度検出範囲を最大値、最小値ともオーバーしており、ステップ８にて、この加速度センサでは振動検知できないレベルの振動であると判断する。

以上のように本実施の形態では、加速度センサが検出した加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えている状態では、検出可能範囲を超えていない符号側の成分の出力値を振動値とすることにより、安易に検出範囲の広い（分解能の低い）加速度センサを選択することなく検出範囲を最大限有効利用することができる。

一般に、検出範囲の広い加速度センサは分解能が低く、検出範囲の狭い加速度センサは分解能が高いものである。

また、複数方向の検知が可能な加速度センサの場合は、重力加速度の影響を最も受ける方向の検出加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えたら、他軸も前記検出方向と同じ符号側の成分の出力値を振動値とすることにより、全ての方向の処理を統一し処理の簡素化を図ることができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態における振動検知処理方法を表したフローチャートである。

振動検知スタート後、まずステップ１にて所定時間（または所定周期）における検出加速度の平均値を求め、この値を振動の振幅中心値（Ａ＿ａｖｅ）とする。ここで、Ａ＿ａｖｅは検出する振動体が静止状態（重力加速度のみ検出される状態）における検出加速度であってもよい。ただし、静止状態と振動検知時における振動検知装置（または振動体）の傾斜角度が同一であることが条件である。

ステップ２にて振動１周期分の加速度を検出し、最大加速度（Ａ＿ｍａｘ）及び最小加速度（Ａ＿ｍｉｎ）を記憶する。

ステップ３では、記憶されたＡ＿ｍａｘが加速度センサの検出可能最大値（＋２ｇ）に到達したかどうか判断する。到達していなければステップ４にてさらに記憶されたＡ＿ｍｉｎが加速度センサの検出可能最小値（−２ｇ）に到達したかどうか判断し、到達していれば、ステップ５にてＡ＿ｍａｘとＡ＿ａｖｅの差分値を２倍し、この値を振動値とする。２倍することにより、振動のピークトゥピーク値にほぼ一致する。到達していなければ、ステップ６にて、加速度ピークトゥピーク値（Ａ＿ｍａｘ＋｜｜Ａ＿ｍｉｎ｜｜）を振動値とする。

一方、ステップ３にて、Ａ＿ｍａｘが検出可能最大値（＋２ｇ）に到達していれば、ステップ７にてさらに記憶されたＡ＿ｍｉｎが加速度センサの検出可能最小値（−２ｇ）に到達したかどうか判断し、到達していなければ、ステップ８にてＡ＿ｍｉｎとＡ＿ａｖｅの差分値を２倍し、この値を振動値とする。２倍することにより、振動のピークトゥピーク値にほぼ一致する。到達していれば、加速度検出範囲を最大値、最小値ともオーバーしており、ステップ９にて、この加速度センサでは振動検知できないレベルの振動であると
判断する。

以上のように本実施の形態では、加速度センサが検出した加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えている状態では、検出可能範囲を超えていない符号側の成分と、予め求めた振幅中心値との差分値、または前記差分値に所定の数値を乗算した値を振動値とすることにより、安易に検出範囲の広い（分解能の低い）加速度センサを選択することなく検出範囲を最大限有効利用することができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の第３の実施の形態における、洗濯機（ドラム式）の洗濯物のアンバランスによる振動を検知し抑制させる制御装置のブロック図である。図６において、１０は筐体、１１は洗濯物を収容し回転させるドラム、１２はドラム１１を速度制御しながら回転させるモータである。１３はドラム１１を内装し水が入る水槽、１８は洗濯物投入口を有するカバー、１４は水槽１３と洗濯物投入口のあるカバー１８との隙間をなくして接続するためのシールパッキン、１５は水槽１３の姿勢を保持するための支持ばね、１６はモータ回転時に発生する振動を低減して、筐体１０や床への振動伝達を小さくするための防振ダンパーである。１７は水槽１３の振動を検知する振動検知装置（加速度センサ）であり、本実施の形態における加速度センサは、静電容量の変化を電圧に変換する静電容量型加速度センサを用いている。他にもピエゾ抵抗型加速度センサなどを用いることも可能である。なお、本実施の形態における加速度センサは１チップで３軸の検知が可能なものを採用しており、複数方向の振動を検知し、脱水時の回転速度上昇に伴って複雑に変化する振動モードを的確にとらえ、様々なアンバランス状態を判定することを可能にしている。ただし、加速度センサは２軸のものであってもよい。

本実施の形態における振動検知装置１７の取り付け位置は、水槽の上部前側としている。ドラム内の洗濯物のアンバランスが前部に存在する状態で高速回転へ加速したときの振動は後部に存在する場合と比較して大きくなるため、前部に大きなアンバランスがある状態で高速回転へ加速することを極力避ける必要がある。前部にアンバランスがある場合には水槽の揺れも前部側が顕著に現れやすいことから、振動検知装置の取り付け位置も前部とすることが望ましい。

１９は筐体１０を床に設置する防振ゴムで、支持ばね１５と防振ダンパー１６で支持手段を構成している。さらに、２１はモータ１２の回転を制御する制御手段である。

図７は、本発明の本実施の形態における３軸加速度センサの検出方向を表した図である。この加速度センサは互いに直交する３つの軸（Ｘ，Ｙ及びＺ）の加速度を検出することが可能な多軸検出型センサで、矢印方向に加速度が加わると、加速度はプラス値として出力され、逆に矢印とは反対方向に加速度が加わると、加速度はマイナス値として出力されるものである。

図８は、本実施の形態における３軸加速度センサの取り付け位置と方向を示す構成図である。ドラム１１を後方が下がるように傾斜させ、３軸加速度センサの検知軸のうち、Ｘ軸を本体正面から見て左右水平方向に、Ｙ軸を略前後（回転軸）方向に、Ｚ軸を略上下方向に取り付けて、水槽の動きを立体的にモニタリングすることを可能にしている。

３軸加速度センサのＸ軸以外は各軸の出力値がプラスになる方向を重力加速度が加わる方向と同一になるように加速度センサを配置した。

以上のように本実施の形態では、振動検知装置１７（加速度センサ）の各軸出力値の符号が重力加速度が加わる方向に一致するように配置したことにより、信号処理において同
一符号になり計算処理の簡素化を図ることができる。

また、別の手法として、複数方向の検知が可能な加速度センサの場合は、重力加速度の影響を最も受ける方向の検出加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えたら、他軸も前記検出方向と同じ符号側の成分の出力値を振動値とすれば、全ての方向の処理を統一し処理の簡素化を図ることができる。

図９は、本実施の形態における洗濯機の脱水工程フローチャートである。

ステップ１にて、ドラム回転（脱水）開始とともに、加速度センサによる振動検知も開始する。

ステップ２にて振動１周期分の加速度を検出し、最大加速度（Ａ＿ｍａｘ）、最小加速度（Ａ＿ｍｉｎ）及び平均加速度を（Ａ＿ａｖｅ）を記憶する。

ステップ３では、記憶されたＡ＿ｍａｘが加速度センサの検出可能最大値に到達したかどうか判断する。到達していなければステップ４にてさらに記憶されたＡ＿ｍｉｎが加速度センサの検出可能最小値に到達したかどうか判断し、到達していれば、ステップ５にてＡ＿ｍａｘとＡ＿ａｖｅの差分値を２倍し、この値を振動値とする。到達していなければ、ステップ６にて、加速度ピークトゥピーク値（Ａ＿ｍａｘ＋｜｜Ａ＿ｍｉｎ｜｜）を振動値とする。

一方、ステップ３にて、Ａ＿ｍａｘが検出可能最大値に到達していれば、ステップ７にてさらに記憶されたＡ＿ｍｉｎが加速度センサの検出可能最小値に到達したかどうか判断し、到達していなければ、ステップ８にてＡ＿ｍｉｎとＡ＿ａｖｅの差分値を２倍し、この値を振動値とする。

以上のステップ２からステップ８までの振動検知を脱水設定時間中に行い（ステップ９及びステップ１０）設定時間が経過すれば、ドラム回転を終了する（ステップ１２）。

一方、ステップ７にてＡ＿ｍｉｎが加速度センサの検出可能最小値に到達していれば、加速度検出範囲を最大値、最小値ともオーバーしており、ステップ１１にて、この加速度センサでは振動検知できないレベルの振動であると判断し、ドラム回転を終了する（ステップ１２）。

以上のように本実施の形態においては、振動検知装置１７が検出した加速度が、加速度センサの検出可能範囲の上限値および下限値のいずれにも（すなわち両方に）到達した時点で、脱水回転速度の上昇を停止することにより、低振動な脱水運転を実現することができる。

以上のように、本発明に関わる振動検知処理は、重力加速度の影響を抑えながら加速度検出可能範囲を有効に利用するため、加速度検出分解能の高い振動検知装置の実現に利用可能である。

振動発生装置とこの振動発生装置への振動検知装置（加速度センサ）の取り付け方向を表す図 振動発生装置の加速度設定を±１ｇにしたときの、加速度センサからの出力を表すグラフ 振動発生装置の加速度設定を±２ｇにしたときの、加速度センサからの出力を表すグラフ 本発明の第１の実施の形態における振動検知処理方法を表したフローチャート 本発明の第２の実施の形態における振動検知処理方法を表したフローチャート 本発明の第３の実施の形態における洗濯機の、洗濯物のアンバランスによる振動を検知し抑制させる制御装置のブロック図 本発明の第３の実施の形態における、３軸加速度センサの検出方向を表した図 本発明の第３の実施の形態における、３軸加速度センサの取り付け位置と方向を示す構成図 本発明の第３の実施の形態における、洗濯機の脱水工程フローチャート

１０ 筐体
１１ ドラム
１２ モータ
１３ 水槽
１４ シールパッキン
１５ 支持ばね
１６ 防振ダンパー
１７ 振動検知装置
１８ カバー
１９ 防振ゴム
２０ 制御手段

Claims (7)

1. 振動検知装置は、動的な加速度及び静的な重力加速度を検出することが可能な加速度センサで構成され、加速度センサが検出した加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えている状態では、検出可能範囲を超えていない符号側の成分の出力値を振動値とするようにした振動検知方法。
2. 振動検知装置は、動的な加速度及び静的な重力加速度を検出することが可能な加速度センサで構成され、加速度センサが検出した加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えている状態では、検出可能範囲を超えていない符号側の成分と、予め求めた振幅中心値との差分値、または前記差分値に所定の数値を乗算した値を振動値とするようにした振動検知方法。
3. 加速度センサは複数方向の検知が可能で、重力加速度の影響を最も受ける方向の検出加速度の正成分または負成分のいずれかが加速度センサの検出可能範囲を超えたら、他軸も前記検出方向と同じ符号側の成分の出力値を振動値とするようにした請求項１または２に記載の振動検知方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項の振動検知方法を備えた洗濯機。
5. 外周に通水孔を設けたドラムと、ドラムを内包し洗濯水を溜める水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記水槽を収容する筐体と、前記水槽の振動を検出する加速度センサからなる振動検知装置と、前記振動検知装置の出力値をもとに前記モータを制御する制御手段とを備え、前記振動検知装置は、加速度センサから出力される加速度の符号が、重力加速度が加わる方向を正となるように配置した請求項４に記載の洗濯機。
6. 外周に通水孔を設けたドラムと、ドラムを内包し洗濯水を溜める水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記水槽を収容する筐体と、前記水槽の複数方向の振動を検出する加速度センサからなる振動検知装置と、前記振動検知装置の出力値をもとに前記モータを制御する制御手段とを備え、前記振動検知装置は、重力加速度が加わる方向の加速度センサからの出力加速度が全ての軸において同一の符号となるように配置した請求項４に記載
   の洗濯機。
7. 外周に通水孔を設けたドラムと、ドラムを内包し洗濯水を溜める水槽と、前記ドラムを回転駆動するモータと、前記ドラムの回転数を検知する回転数検知装置と、前記水槽を収容する筐体と、前記水槽の振動を検出する加速度センサからなる振動検知装置と、前記振動検知装置の出力値をもとに前記モータを制御する制御手段とを備え、制御手段は、加速度センサが検出した加速度が、加速度センサの検出可能範囲の上限値および下限値のいずれにも到達した時点で、脱水回転速度の上昇を停止するようにした請求項４〜６のいずれか１項に記載の洗濯機。