WO2001018514A1 - Load cell and washing machine with load cell - Google Patents

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WO2001018514A1
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detection
current
load
coil
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PCT/JP2000/005810
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Inventor
Kazushige Kakutani
Keiji Kishimoto
Kazunori Yokotani
Hideaki Aoki
Kazufumi Ushizima
Takeshi Fukunaga
Minoru Nakanishi
Fumitake Kondo
Original Assignee
Sanyo Electric Co., Ltd.
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Publication date
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    • D06FLAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F37/00Details specific to washing machines covered by groups D06F21/00 - D06F25/00
    • D06F37/20Mountings, e.g. resilient mountings, for the rotary receptacle, motor, tub or casing; Preventing or damping vibrations
    • D06F37/24Mountings, e.g. resilient mountings, for the rotary receptacle, motor, tub or casing; Preventing or damping vibrations in machines with a receptacle rotating or oscillating about a vertical axis
    • DTEXTILES; PAPER
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    • G01L1/12Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
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    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/127Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using inductive means

Definitions

  • the present invention relates to a load detection device that detects the magnitude of a load acting on a magnetostrictive element based on a change in impedance of a coil, and an automatic load detection device that detects a load of laundry and washing water to control a washing operation. It relates to a washing machine. Skill
  • the magnetostrictive element changes its magnetic permeability when a magnetic field is applied by applying a current to a coil disposed in the vicinity of the coil, and the shape changes due to the change in the magnetic permeability. Because of the large stress generated due to the change in shape and its shape, it is used as an actuator-vibrator.
  • the magnetostrictive element has a characteristic that when the shape is changed by applying an external force, the magnetic permeability changes with the shape change.
  • a load sensor that detects the magnitude of the external force using this characteristic
  • Japanese Utility Model Publication No. 1-1058334 has two primary windings around a magnetostrictive element.
  • a differential transformer that detects a load acting on the magnetostrictive element by providing a secondary winding magnetically coupled to one of the primary windings via a magnetostrictive element is described. According to such a load sensor, a large change in electrical impedance can be obtained in the load detection range due to the characteristics of the magnetostrictive element, so that a highly sensitive load sensor can be configured.
  • a load detecting device includes a magnetostrictive element on which a load to be measured acts, a coil disposed near the magnetostrictive element, and a magnitude of a load connected to the coil and acting on the magnetostrictive element. And a detection circuit for detecting.
  • the detection circuit is the detection circuit
  • Detection means for flowing an AC detection current to the coil
  • Detection preparation means for flowing a detection preparation current having a current value larger than the maximum value of the detection current to the coil
  • a control unit that controls the detection unit and the detection preparation unit to flow a detection current after the detection preparation current flows through the coil
  • Arithmetic processing means for deriving a magnitude of a load acting on the magnetostrictive element based on a change in impedance generated in the coil during a period in which the detection current flows through the coil.
  • a detection preparation current is applied to the coil, and then a detection current is applied to the coil.
  • the magnitude of the load acting on the magnetostrictive element is detected based on the change in the impedance.
  • the detection preparation current has a current value larger than the maximum value of the detection current, the magnetostriction element cancels the distortion generated by the action of the load by applying the detection preparation current.
  • a detection current flows through the coil, and the magnetostrictive element returns to a strain corresponding to the applied load.
  • the magnetostrictive element is once deformed in the direction where the load becomes zero, and then deformed in the same direction each time a load is detected, and finally generates a deformation amount according to the magnitude of the load. Will be.
  • every time a load is detected there is no variation in the detected value due to the influence of residual magnetism due to hysteresis, and highly accurate detection is possible.
  • the detection unit is configured by a current generation unit that generates a detection current to be passed through the coil.
  • the detection current is supplied to the coil, and the impedance of the coil changes according to the load.
  • the detection means may be constituted by a voltage generation means for generating a detection voltage for causing a detection current to flow through the coil.
  • the detection voltage when the detection voltage is applied to the coil, the detection current flows through the coil, and the impedance of the coil changes according to the load.
  • the detection preparation means may determine a maximum value of the detection preparation current as a current value required to deform the distortion amount of the magnetostrictive element at the maximum value of the effective load detection range of the device to the distortion amount at the minimum value. Set equal or larger.
  • the magnetostrictive element is once deformed by the detection preparation current to a distortion amount at or above the maximum value of the effective load detection range, and then returns to a distortion amount corresponding to the applied load. become. Therefore, the magnetostrictive element is always deformed in the same direction regardless of the magnitude of the applied load, and as a result, the amount of distortion is in accordance with the load.
  • the detection preparation current has a waveform that rises while gradually increasing, and then falls while gradually decreasing.
  • the shape change of the magnetostrictive element caused by the supply of the detection preparation current becomes gentle.
  • the control means stops the energization for a certain period after the detection preparation current flows through the coil, and thereafter flows the detection current.
  • the abrupt expansion and contraction of the magnetostrictive element is alleviated, and a collision sound generated when the magnetostrictive element collides with a surrounding member is suppressed.
  • the control means switches the detection preparation current to the detection current with a constant time constant, it is possible to effectively suppress the generation of the collision sound.
  • the detecting means detects a magnitude of a load acting on the magnetostrictive element based on a change in impedance of the coil after a predetermined period has elapsed since the completion of the detection preparation current to the coil. I do.
  • the predetermined period is set to a sufficiently long period required for the magnetostrictive element deformed by the detection preparation current to return to the amount of strain corresponding to the load, whereby the magnetostrictive element is deformed. Load detection is performed in a stable state.
  • the load detection device is disposed at a position where the load is received by the laundry and the washing water.
  • the load due to the laundry of several hundred g to several kg and the washing water of several tens kg are accurately detected by the load detecting device, and the washing operation is controlled according to the detection signal.
  • the load detecting device As described above, according to the load detecting device according to the present invention, it is possible to reduce the influence of hysteresis of the magnetostrictive element and accurately detect the load acting on the magnetostrictive element. According to the equipped automatic washing machine, the washing operation can be accurately controlled.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an automatic washing machine provided with a load detection device according to the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a load detection device provided in the automatic washing machine.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the load detection device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a waveform diagram showing waveforms of an excitation voltage (a), a control signal (b), and a current (c) flowing through a detection coil, which are created in the load detection device.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the load and the sensor output voltage in the load detection device.
  • FIG. 6 is a graph showing a relationship between a load and a sensor output voltage in a conventional load detection device that does not supply a detection preparation current.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating another configuration of the load detection device according to the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing still another configuration of the load detection device according to the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating still another configuration of the load detection device according to the present invention.
  • FIG. 10 is a waveform diagram showing the waveform of the current flowing through the detection coil and the waveform of the sound pressure generated thereby.
  • Fig. 11 shows the waveform of the current flowing through the detection coil and the waveform of the sound pressure generated when a power failure period is set between the detection preparation current conduction period and the detection current conduction period. It is a waveform diagram.
  • the outer tub 3 is suspended and supported inside the casing 1 by four hanging rods 2, 20.
  • Tanks 4 are provided.
  • casing-side receiving portions 11 are protruded, and at the four lower portions of the outer tub 3, outer tub-side receiving portions 31 are protruded.
  • An upper receiving portion 21 is provided at an upper end of each of the hanging bars 2, 20, and the hanging bars 2, 20 are locked to the casing-side receiving portion 11 at the upper receiving portion 21.
  • a lower receiving portion 22 is provided at a lower end of the hanging rods 2, 20, and the hanging rods 2, 20 are locked to the outer tank side receiving portion 31 by the lower receiving portion 22.
  • a coil spring 23 is interposed between the upper surface of the lower receiving portion 22 of the hanging rods 2 and 20 and the lower surface of the outer tank side receiving portion 3 1. It expands and contracts according to the load acting on 3. As a result, the outer tub 3 is elastically supported on the casing 1 via the suspension rods 2 and 20, and the vibration of the outer tub 3 is absorbed so that the vibration of the outer tub 3 is not directly transmitted to the casing 1.
  • One of the four suspension rods 2, 20 acts on the outer tub 3 between the lower surface of the upper receiving part 21 and the upper surface of the casing-side receiving part 11.
  • a load sensor 8 for detecting a load to be applied is provided. Therefore, the load acting on the load sensor 8 is approximately one-fourth the actual load employed for the outer tub 3.
  • the maximum value of the effective detection range of the load sensor 8 is set at 20 kg, the total weight of the laundry and the washing water can be measured up to 80 kg.
  • the load sensor 8 includes a cylindrical core (magnetostrictive element) 83 made of a magnetostrictive material, a bobbin 84 mounted on the outer peripheral surface of the core 83, and a pobbin 84. It has a wound detection coil 85.
  • a rubber elastic ring 86 is arranged on the upper surface of the pobbin 84, and a rubber elastic ring 87 is also arranged on the lower surface of the bobbin 84.
  • the core 83, the bobbin 84, the detection coil 85, and the elastic rings 86 and 87 are housed in a housing 81 having a force-up shape so as to close an upper opening of the housing 81.
  • the lid body 82 is arranged at the bottom.
  • the lid 82 has a spherical surface in contact with the upper receiving portion 21 of the hanging rod 20, whereby a load acting on the upper receiving portion 21 of the hanging rod 20 is formed. Is received at one point so that a uniform load is applied to the entire end surface of the core 83.
  • a bearing 6 is attached to the back surface of the outer tub 3, and the bottom of the inner tub 4 is connected to the upper end of the rotating shaft 61 rotatably supported by the bearing.
  • a pulsator 5 is rotatably provided on the bottom surface of the inner tank, and is connected to the rotating shaft 61.
  • a drive motor 7 is attached to the back of the outer tub 3, and the drive motor 7
  • the pulsator 5 is connected to the pulsator 5 and the dewatering tub 4 via a belt stretched over pulleys 71 and 62. 5 and the dewatering tank 4 are rotated at a high speed in a certain direction.
  • the signal output from the detection coil 85 of the load sensor 8 is supplied to a control circuit (not shown) for controlling the washing operation, and the weight of the laundry, or the total weight of the laundry and the washing water. Is detected, and the washing operation is controlled based on the result. For example, in an automatic washing machine that automatically performs washing, rinsing, and dehydration, at the start of washing, the load of the laundry put in the inner tub 4 is detected, and an appropriate load corresponding to the load is detected. Automatically determine the amount of water. After that, in the process of injecting water into the outer tank 3, the total weight including the weight of water injected into the outer tank 3 is detected, and based on the result, the water is automatically injected at the appropriate water amount determined previously. To stop. In the dehydration, by detecting the weight of the laundry in the inner tub 4, the dehydration state of the laundry is detected from the weight, and an appropriate dehydration time is automatically set accordingly.
  • the load detection circuit includes a DC power supply 101, an excitation circuit 102 and a pulse current generation circuit 103 connected to an output terminal of the DC power supply 101, and a detection coil.
  • Switching circuit 104 composed of a switching element for selectively switching the current supplied to 85, current detection circuit 105 connected to the output terminal of detection coil 85, and current detection circuit 105
  • a microphone computer 100 connected to the output terminal of the microcomputer via a filter 106.
  • the excitation circuit 102 generates a square wave voltage (see Fig. 4 (a)) that turns on and off at a frequency of 16 kHz based on the 5 V DC voltage output from the DC power supply 101.
  • the pulse current generation circuit 103 generates a pulse current having a peak value of 80 OmA based on a control signal from the microcomputer 100 (see FIG. 4 (b)). . Peak value of the pulse current output from this pulse current generation circuit 103 “o” is set to a current value sufficient to deform the amount of strain generated in the core 83 by the weight (several tens of kg) of the laundry and the washing water to the amount of strain in a state where no load is applied.
  • the switching circuit 104 is switched according to a control signal from the microcomputer 100, and is connected to the output terminal (terminal A) of the excitation circuit 102 and the output terminal (terminal B) of the pulse current generation circuit 103. One of them is selectively connected to the detection coil 85.
  • This switching circuit 104 is set to be connected to the terminal A side in the default state, and is switched to the terminal B side for a period of 1 ms once every 500 ms.
  • the pulse current is output from the pulse current generation circuit 103 in synchronism with this.
  • the detection coil 85 was delayed by a time constant determined by the impedance of the detection coil 85 and the resistance of the current detection circuit 105.
  • a current having a sawtooth waveform (current for detection preparation) flows.
  • section a corresponds to the period (499 ms) when the switching circuit 104 is connected to the terminal A side
  • section b corresponds to the period when the switching circuit 104 is connected to the terminal B side (1 ms).
  • the current detection circuit 105 converts a current flowing through the detection coil 85 into a voltage corresponding to the magnitude of the current and outputs the converted voltage.
  • the filter 106 smoothes the input voltage and outputs a DC analog voltage.
  • the microcomputer 100 has an A / D converter 107 built therein, and the A / D converter 107 converts the analog voltage input from the current detection circuit 105 through the filter 106 into an analog voltage. Sampling is performed every 0 O ms, and a digital signal corresponding to the sampled voltage value is output. In addition, A / D converter 1 After the control signal from the computer 100 has fallen, the above-mentioned sampling is performed when 2 O ms has elapsed.
  • the relationship between the load acting on the core 83 and the output voltage value of the AZD converter 107 is previously stored in a memory (not shown) of the microcomputer 100 in the form of a function or a table. Have been. Therefore, the microcomputer 100 derives the load acting on the core 83 from the output value of the AZD converter 107 based on the above relationship.
  • FIG. 5 is a plot of the sensor output voltage when the load is changed in the load detection device of the present invention.
  • Fig. 6 plots the sensor output voltage when the load is changed in a conventional device that is configured by fixing the switching circuit shown in Fig. 3 to terminal A without switching to terminal B. It is.
  • the core 83 is composed of a columnar magnetostrictive element having a diameter of 3.5 mm and a length of 6.0 mm manufactured by a powder metallurgy method.
  • the detection coil 83 has a wire diameter of 0.23 mm.
  • the enamel-coated copper wire of mm was used to form 200 turns.
  • the sensor output voltage gradually increases the pressure of the core 85 from a load of 0 kg under no load to a load of 21 kg under maximum load, and then gradually reduces the pressure to no load. It was measured.
  • the curve of the sensor output voltage when the load is increased and the curve of the sensor output voltage when the load is reduced are largely different, and the hysteresis You can see that the effect is appearing.
  • the curve of the sensor output voltage when the load is increased substantially matches the curve of the sensor output voltage when the load is decreased. This indicates that the effect of hysteresis has been greatly reduced.
  • the pulse current output from the pulse current generation circuit 103 is supplied to the detection coil 85, and the strain is temporarily distorted in the direction in which the core 83 is greatly extended. Since the square wave voltage output from the excitation circuit 102 is applied to the detection coil 85 to detect the load acting on the core 83, the 8 3 means that, regardless of the direction and magnitude of the change in load, the state where the load is always extended to the amount of strain at which the load becomes zero, deforms in the same direction, and finally reaches the amount of strain corresponding to the applied load This is because there is no variation in the detected value due to the influence of the residual magnetism due to hysteresis every time the load is detected unlike the conventional device. As a result, according to the load detection device of the present invention, a highly accurate detection value can be obtained.
  • the detection preparation current flowing through the detection coil 85 gradually rises as shown in FIG. 4 (c) and then rises, and then gradually falls and falls. Because of the waveform, the change in the deformation speed of the core 83 due to the current becomes gentle, and it is possible to reduce the collision sound caused by the sudden expansion and contraction of the core 83. In particular, when the load detecting device of the present invention is installed in an automatic washing machine, the collision sound gives the user discomfort, and by removing it, the user's feeling of use can be improved. Become.
  • the detection preparation current is supplied to the detection coil 85.
  • the load is detected based on the current flowing through the detection coil 85.
  • the core 83 deformed by the flow of the detection preparation current flows, As a result, the detection is performed in a state in which the distortion amount has returned to the amount of distortion corresponding to The load acting on 3 can be detected.
  • FIG. 10 shows the result of measuring the current flowing through the detection coil 85 and the surrounding sound pressure.
  • the supply period b of the detection preparation current ends and the process moves to the detection current supply period a
  • a loud noise is generated. This is because the impact force is transmitted to the surrounding members due to the sudden expansion and contraction of the core 83, thereby generating a collision sound.
  • the detection circuit is controlled by the control of the switching circuit 1 4 shown in FIG. After the detection preparation current has been passed through the cell 85, the energization is stopped for a certain period (for example, 5 to 1 Omsec), and then the detection current is passed.
  • FIG. 11 shows the result of measuring the current flowing through the detection coil 85 and the surrounding sound pressure when the above control is employed.
  • the power supply has shifted to the detection current supply period a after a certain power outage period c, and loud noise has been generated during the transition. Absent. This is because the above control alleviates the sudden expansion and contraction of the core 83 and suppresses the impact force transmitted to the surrounding members. It is also effective to set a power outage period c before applying the detection preparation current.
  • a configuration is adopted in which a capacitor is interposed between the base and the emitter of the switching element that constitutes the switching circuit 104, and the switching from the current for detection preparation to the current for detection is performed with a fixed time constant. If it is performed along with the above, the generation of the collision sound can be more effectively suppressed.
  • the current detection circuit 105 is configured using a shunt resistor.
  • the present invention is not limited to this, and a Hall element that detects a magnetic field corresponding to a current, a magnetoresistive element, or the like may be used. Good.
  • the detection coil 85 is constituted by a single coil.
  • the detection coil 85 is constituted by a pair of coils 85a and 85b coaxially provided.
  • the detection coil 85 may be constituted by a pair of concentric coils 85 c and 85 d arranged concentrically.
  • one coil 85 c It is also possible to adopt a configuration in which a detection current is supplied to the coil 85c, a current flowing in the coil 85c is detected by the current detection circuit 105, and a detection preparation current is supplied to the other coil 85d.
  • the excitation circuit 102 for generating a rectangular wave voltage is used in order to supply a current for detection preparation to the detection coil 85, but as shown in FIG.
  • a constant-current coil excitation circuit 102 ′ that generates a detection preparation current to be supplied to 5 may be used.
  • a voltage detection circuit 105 ′ for detecting a change in the voltage between both ends of the detection coil 85 is used instead of the current detection circuit 105 using a shunt resistor.
  • the waveform of the excitation voltage or the excitation current supplied to the detection coil 85 is not limited to a rectangular wave, and a pulse wave such as a sine wave or a triangular wave may be used.
  • a pulse wave such as a sine wave or a triangular wave
  • an arbitrary waveform such as a rectangular wave, a sine wave, a triangular wave, and a trapezoidal wave can be used.
  • a magnetostrictive element having a characteristic of expanding by applying a magnetic field is used, but a magnetostrictive element having a characteristic of contracting by applying a magnetic field may be used.
  • a load sensor-8 between the hanger bar 2 0 and the casing 1 may be arranged a load sensor-8 between the hanger bar 2 0 and the outer tub 4 t

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Description

明 細 書 荷重検出装置及びこれを具えた自動洗濯機 技術分野
本発明は、 磁歪素子に作用する荷重の大きさをコイルのインピーダンス変化に 基づいて検出する荷重検出装置、 及び該荷重検出装置により洗濯物及び洗濯水の 荷重を検知して洗濯動作を制御する自動洗濯機に関するものである。 景技
磁歪素子は、 その近傍位置に配置したコイルに電流を流して、 磁界を印加する と、 透磁率が変化し、 その透磁率の変化によって形状が変化するものであって、 特に、 形状変化の量やその形状変化に伴う発生応力が大きいことから、 ァクチュ エータゃ振動子として利用されている。
これとは逆に、 磁歪素子は、 外力を加えて形状を変化させると、 その形状変化 に伴って透磁率が変化する特性を有している。 この特性を利用して外力の大きさ を検出する荷重センサーとして、 例えば、 日本国実用新案公開公報平 1— 1 0 5 8 3 4号には、 磁歪素子の周囲に 2つの一次巻線を設けると共に、 そのうち一方 の一次巻線に対して磁歪素子を介して磁気的に結合する 2次卷線を設けて、 差動 トランスとして、 磁歪素子に作用する荷重を検出するものが記載されている。 この様な荷重センサーによれば、 磁歪素子の特性から、 荷重検出範囲で大きな 電気的インピーダンスの変化を得ることが出来るため、 高感度の荷重センサーを 構成することが可能となる。
しかしながら、 この様な荷重センサーにおいては、 高感度を実現出来る反面、 磁歪素子自体が持つ結晶磁気異方性エネルギーが大きいために、 ヒステリシスが 大きくなり、 これによつて検出精度が低下してしまうという問題がある。 特に、 この様な荷重センサ一を洗濯機に適用する場合には、 数百 g〜数 K g程 度の洗濯物と数十 K g程度の水の総重量を測定するする必要があるため、 荷重検 出範囲が広範囲に亘ることとなり、 測定すべき荷重の小さい範囲でヒステリシス の影響が顕著に現われ、 この結果、 十分な検出精度を得ることが出来ない問題が ある。
本発明の目的は、 磁歪素子を用いた荷重検出装置において、 磁歪素子のヒステ リシスの影響を低減し、 磁歪素子に作用する荷重を精度良く検出すること、 及び この様に精度の高い荷重検出装置を具えた自動洗濯機を提供することである。 発明の開示
本発明に係る荷重検出装置は、 測定すべき荷重が作用する磁歪素子と、 該磁歪 素子の近傍に配置されたコイルと、 該コイルに接続されて前記磁歪素子に作用す る荷重の大きさを検出する検出回路とを具えている。
前記検出回路は、
前記コイルに交流の検出用電流を流すための検出手段と、
前記検出用電流の最大値よりも大きな電流値を有する検出準備用電流をコイル に流すための検出準備手段と、
前記検出手段及び検出準備手段を制御して、 前記コイルに、 検出準備用電流を 流した後に検出用電流を流す制御手段と、
前記コイルに検出用電流が流れている期間に、 コイルに生じるインピーダンス 変化に基づいて、 磁歪素子に作用する荷重の大きさを導出する演算処理手段 とを具えている。
上記本発明の荷重検出装置においては、 荷重の検出に際し、 先ず、 コイルに検 出準備用電流が流され、 その後、 コイルに検出用電流が流されて、 該検出用電流 の通電期間に、 コイルのインピーダンス変化に基づいて磁歪素子に作用する荷重 の大きさが検出される。 ここで、 検出準備電流は、 検出用電流の最大値よりも大きな電流値を有してい るので、 該検出準備電流の通電によって、 磁歪素子は、 荷重の作用によって発生 している歪を打ち消す方向に変形することになる。 その後、 コイルには検出用電 流が流され、 これによつて、 磁歪素子は、 作用する荷重に応じた歪に戻ることに なる。 即ち、 磁歪素子は、 荷重検出の度に、 一旦、 荷重が零となる方向に変形が 与えられた後、 同じ方向に変形して、 最終的に、 荷重の大きさに応じた変形量を 生じることになる。 この結果、 荷重検出の度に、 ヒステリシスに起因する残留磁 気の影響によって検出値にバラツキが生じることはなく、 精度の高い検出が可能 となる。
具体的には、 前記検出手段は、 前記コイルに流すべき検出用電流を生成する電 流生成手段によって構成される。 この場合、 検出用電流がコイルに供給され、 荷 重に応じてコイルのインピーダンスが変化することになる。
これに対し、 前記検出手段は、 前記コイルに検出用電流を流すための検出用電 圧を生成する電圧生成手段によって構成することも可能である。 この場合、 検出 用電圧がコイルに印加されることによって、 コイルに検出用電流が流れ、 荷重に 応じてコイルのインピーダンスが変化することになる。
又. 前記検出準備手段は、 検出準備用電流の最大値を、 当該装置の有効荷重検 出範囲の最大値における磁歪素子の歪量を最小値における歪量まで変形させるの に必要な電流値と同等、 若しくはそれ以上に大きく設定する。 これによつて、 磁 歪素子は、 一旦、 検出準備用電流により有効荷重検出範囲の最大値における歪量 若しくはそれ以上の歪量まで変形し、 その後、 作用する荷重に応じた歪量に戻る ことになる。 従って、 磁歪素子は、 作用する荷重の大小に拘わらず、 常に同じ方 向に変形し、 その結果、 荷重に応じた歪量に至ることになる。
又、 具体的構成において、 前記検出準備用電流は、 漸次増加しながら立ち上が つた後に漸次減少しながら立ち下がる波形を有している。 これによつて、 検出準 備用電流の通電によって生じる磁歪素子の形状変化が緩やかなものとなる。 又、 具体的構成において、 前記制御手段は、 コイルに検出準備用電流を流した 後、 一定期間、 通電を停止し、 その後、 検出用電流を流す。 この結果、 磁歪素子 の急激な伸縮が緩和されて、 磁歪素子が周囲の部材と衝突して発生する衝突音が、 抑制される。 更に、 前記制御手段によって、 検出準備用電流から検出用電流への 切換えを、 一定の時定数を伴って行なうこととすれば、 前記衝突音の発生を効果 的に抑制することが出来る。
又、 具体的構成において、 検出手段は、 コイルに対して検出準備用電流を流し 終えてから所定期間経過後におけるコイルのインピーダンス変化に基づレ、て磁歪 素子に作用する荷重の大きさを検出する。 該具体的構成においては、 前記所定期 間を、 検出準備用電流により変形した磁歪素子が荷重に応じた歪量まで戻るのに 必要な、 十分に長い期間に設定することによって、 磁歪素子の変形状態が安定し た状態で、 荷重検出が行われる。
本発明に係る自動洗濯機は、 上記本発明の荷重検出装置を、 洗濯物及び洗濯水 による荷重を受ける位置に配置している。 これによつて、 数百 gから数 k g程度 の洗濯物と数十 k g程度の洗濯水による荷重が、 荷重検出装置によって精度良く 検出され、 該検出信号に応じて、 洗濯動作が制御される。
上述の如く、 本発明に係る荷重検出装置によれば、 磁歪素子のヒステリシスの 影響を低減し、 磁歪素子に作用する荷重を精度良く検出することが出来、 この様 に精度の高い荷重検出装置を具えた自動洗濯機によれば、 洗濯動作の制御を正確 に行なうことが出来る。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明に係る荷重検出装置を具えた自動洗濯機の概略構成を表わす断 面図である。
図 2は、 該自動洗濯機に装備されている荷重検出装置の拡大断面図である。
図 3は、 本発明に係る荷重検出装置の構成を表わすブロック図である。 図 4は、 該荷重検出装置において作成される励振電圧(a )、 制御信号(b )、 及 び検出用コイルに流れる電流( c )の波形を表す波形図である。
図 5は、 該荷重検出装置における荷重とセンサ出力電圧の関係を表わすグラフ である。
図 6は、 検出準備用電流の供給を行なわない従来の荷重検出装置における荷重 とセンサ出力電圧の関係を表わすグラフである。
図 7は、 本発明に係る荷重検出装置の他の構成を表わすプロック図である。
図 8は、 本発明に係る荷重検出装置の更に他の構成を表わすプロック図である。 図 9は、 本発明に係る荷重検出装置の更に他の構成を表わすブロック図である。 図 1 0は、 検出用コイルに流れる電流の波形と、 これによつて発生する音圧の 波形を表わす波形図である。
図 1 1は、 検出準備電流の通電期間と検出電流の通電期間の間に停電期間を設 けた場合の、 検出用コイルに流れる電流の波形と、 これによつて発生する音圧の 波形を表わす波形図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の荷重検出装置を自動洗濯機に装備した実施例につき、 図面を参 照しつつ、 具体的に説明する。
本実施例の自動洗濯機においては、 ケーシング 1の内部に、 4本の吊棒 2、 2 0によって、 外槽 3が吊り下げ支持されており、 外槽 3の内部には、 洗濯及び脱 水のための內槽 4が配備されている。
ケーシング 1の上部 4隅には、 ケーシング側受部 1 1が突設されると共に、 外 槽 3の下部 4個所には、 外槽側受部 3 1が突設されている。 各吊棒 2、 2 0の上 端には上方受部 2 1が設けられ、 該上方受部 2 1にて吊棒 2、 2 0がケーシング 側受部 1 1に係止されている。 又、 吊棒 2、 2 0の下端には下方受部 2 2が設け られ、 該下部受部 2 2にて吊棒 2、 2 0が外槽側受部 3 1に係止されている。 吊棒 2、 2 0の下方受部 2 2の上面と外槽側受部 3 1の下面との間には、 コィ ルバネ 2 3が介挿されており、 このコイルパネ 2 3は、 外槽 2 3に作用する荷重 に応じて伸縮する。 これによつて、 外槽 3力 ケーシング 1に対して吊棒 2、 2 0を介して弾性支持されて、 外槽 3の振動がケーシング 1に直接に伝わらない様、 振動の吸収が行なわれる。
又、 4本の吊棒 2、 2 0のうち、 1本の吊棒 2 0には、 上方受部 2 1の下面と ケーシング側受部 1 1の上面との間に、 外槽 3に作用する荷重を検出するための 荷重センサー 8が配置されている。 従って、 荷重センサー 8に作用する荷重は、 外槽 3に採用する実際の荷重の略 4分の 1の大きさになる。 ここでは、 荷重セン サー 8の有効検出範囲の最大値が 2 0 k gに設定されているため、 洗濯物及び洗 濯水の総重量としては最大 8 0 k gまで測定することが出来る。
荷重センサー 8は、 図 2に示す様に、 磁歪材料からなる円柱状のコア(磁歪素 子) 8 3と、 コア 8 3の外周面に装着されたボビン 8 4と、 ポビン 8 4に添って卷 回された検出用コイル 8 5とを具えている。 ポビン 8 4の上面には、 ゴム製の弾 性リング 8 6が配置されると共に、 ボビン 8 4の下面には、 同じくゴム製の弾性 リング 8 7が配置されている。
上記コア 8 3、 ボビン 8 4、 検出用コイル 8 5、 及び弾性リング 8 6、 8 7は、 力ップ状の筐体 8 1に収容され、 該筐体 8 1の上方開口部を塞ぐように蓋体 8 2 が配置される。 この蓋体 8 2は、 吊棒 2 0の上方受部 2 1と当接する面が、 球面 状に形成されており、 これによつて、 吊棒 2 0の上方受部 2 1に作用する荷重を 1点で受けて、 コア 8 3の端面全体に対して一様に荷重が作用する様にしている。 図 1の如く、 外槽 3の裏面には軸受 6が取り付けられており、 該軸受によって 回転可能に支持された回転軸 6 1の上端部に、 内槽 4の底部が連結されている。 又、 内槽の底面には、 パルセータ 5が回転自在に配備され、 前記回転軸 6 1に連 結されている。
又、 外槽 3の裏面には駆動モータ 7が取り付けられており、 該駆動モータ 7は、 プーリ 7 1、 6 2に張架されたベルトを介して、 パルセータ 5及び脱水槽 4に連 繋されており、 洗濯時及びすすぎ時においてはパルセータ 5を正逆に回転させ、 脱水時においてはパルセータ 5及び脱水槽 4を高速で一定方向に回転させる様に なっている。
上記荷重センサー 8の検出用コイル 8 5から出力される信号は、 洗濯動作を制 御している制御回路(図示省略)へ供給されて、 洗濯物の重量、 或いは洗濯物及び 洗濯水の総重量が検出され、 その結果に基づいて、 洗濯動作が制御される。 例え ば、 洗濯、 すすぎ及び脱水を自動的に行なう自動洗濯機においては、 洗濯開始に 際し、 内槽 4内に投入されている洗濯物の荷重を検出して、 その荷重に応じた適 切な水量を自動的に決定する。 その後、 外槽 3内に注水を行なう過程では、 外槽 3内に注水された水の重量を含む総重量が検出され、 その結果に基づいて、 先に 決定した適切な水量で自動的に注水を停止する。 又、 脱水においては、 内槽 4内 の洗濯物の重量を検出することによって、 その重量から洗濯物の脱水状態を検知 し、 これに応じて適切な脱水時間の設定を自動的に行なう。
次に、 荷重センサー 8に接続される荷重検出回路 1 0の具体的な構成について 説明する。 荷重検出回路は、 図 3に示すように、 直流電源 1 0 1と、 その直流電 源 1 0 1の出力端に接続された励振回路 1 0 2及びパルス電流生成回路 1 0 3と、 検出用コイル 8 5に供給する電流を選択的に切り替えるスィツチング素子からな る切替回路 1 0 4と、 検出用コイル 8 5の出力端に接続された電流検出回路 1 0 5と、 その電流検出回路 1 0 5の出力端にフィルタ 1 0 6を介して接続されたマ イク口コンピュータ 1 0 0とを具えている。
励振回路 1 0 2は、 直流電源 1 0 1から出力される 5 Vの直流電圧に基づいて、 1 6 k H zの周波数でオン オフする矩形波電圧(図 4 ( a )参照)を生成するもの であり、 パルス電流生成回路 1 0 3は、 マイクロコンピュータ 1 0 0からの制御 信号(図 4 ( b )参照)に基づいて、 ピーク値 8 0 O m Aのパルス電流を生成するも のである。 このパルス電流生成回路 1 0 3から出力されるパルス電流のピーク値 o は、 洗濯物及び洗濯水の重量(数十 k g )によってコア 8 3に生じる歪量を、 荷重 の作用しない状態における歪量まで変形させるのに十分な電流値に設定されてい る。
切替回路 1 0 4は、 マイクロコンピュータ 1 0 0からの制御信号に応じて切り 替わり、 励振回路 1 0 2の出力端(端子 A)及びパルス電流生成回路 1 0 3の出力 端(端子 B )の内、 何れか一方を選択的に検出用コイル 8 5に接続するものである。 この切替回路 1 0 4は、 デフォルト状態にて、 端子 A側に接続されるよう設定さ れており、 5 0 0 m s毎に 1回の周期で、 1 m sの期間だけ端子 B側に切り替わ るようマイクロコンピュータ 1 0 0によって制御され、 これに同期して、 パルス 電流生成回路 1 0 3からパルス電流が出力される。
この結果、 検出用コイル 8 5には、 図 4 ( c )に示す様に、 検出用コイル 8 5の インピーダンスと電流検出回路 1 0 5の抵抗値によって決まる時定数に応じた遅 れを伴った、 鋸歯状波形の電流(検出準備用電流)が流れる。 同図において、 区間 aは切替回路 1 0 4が端子 A側に接続されている期間 (4 9 9 m s ) に対応し、 区間 bは切替回路 1 0 4が端子 B側に接続されている期間 (1 m s ) に対応する。 電流検出回路 1 0 5は、 検出用コイル 8 5に流れる電流をその大きさに応じた 電圧に変換して出力するものであって、 例えば電流検出用のシャント抵抗を用い て構成することが出来る。 フィルタ 1 0 6は、 その入力電圧を平滑化して、 直流 のアナログ電圧を出力するものである。 コア 8 3に作用する荷重が変化すると、 検出用コイル 8 5のインピーダンスが変化し、 これに伴って、 検出用コイルに流 れる電流が図 4 ( c )に破線で示す様に変化するため、 フィルタ 1 0 6から出力さ れるアナ口グ電圧も変化する。
マイクロコンピュータ 1 0 0には Aノ Dコンバータ 1 0 7が內蔵され、 該 A/ Dコンバータ 1 0 7は、 電流検出回路 1 0 5からフィルタ 1 0 6を介して入力さ れるアナログ電圧を 5 0 O m s毎にサンプリングし、 そのサンプリングした電圧 値に応じたデジタル信号を出力する。 尚、 A/Dコンバータ 1 ◦ 7は、 マイクロ コンピュータ 1 0 0からの制御信号が立ち下がった後、 2 O m s経過時点で、 前 記サンプリングを行なう。
マイクロコンピュータ 1 0 0のメモリ(図示省略)には、 予め、 コア 8 3に作用 する荷重と AZDコンバータ 1 0 7の出力電圧値との関係が関数化され、 若しく はテーブル化されて、 格納されている。 そこで、 マイクロコンピュータ 1 0 0は、 前記の AZDコンバータ 1 0 7の出力値から、 前記関係に基づいて、 コア 8 3に 作用する荷重を導出するのである。
図 5は、 上記本発明の荷重検出装置において、 荷重を変化させたときのセンサ 出力電圧をプロットしたものである。 又、 図 6は、 図 3に示す切替回路を端子 B 側に切り替えることなく端子 A側に固定することによって構成した従来装置にお いて、 荷重を変化させたときのセンサ出力電圧をプロットしたものである。 尚、 コア 8 3は、 粉末治金法により製造された直径 3 . 5 mm、 長さ 6 . O mmの円柱 状の磁歪素子によって構成し、 検出用コイル 8 3は、 線径 0 . 2 3 mmのエナメル 被覆銅線を用いて、 卷数 2 0 0ターンに形成した。 センサ出力電圧は、 無負荷状 態である荷重 0 k gから、 最大負荷状態である荷重 2 1 k gまで、 コア 8 5を漸 次加圧し、 その後、 無負荷状態まで漸次減圧していく過程で、 測定した。
図 6に示す如く、 従来の荷重検出装置においては、 荷重を増大させたときのセ ンサ出力電圧のカーブと荷重を減少させたときのセンサ出力電圧のカーブとが大 きくずれており、 ヒステリシスの影響が現われていることがわかる。 これに対し、 図 5に示す如く、 本発明の荷重検出装置においては、 荷重を増大させたときのセ ンサ出力電圧のカーブと荷重を減少させたときのセンサ出力電圧のカーブとが略 一致しており、 ヒステリシスの影響が大幅に低減されていることがわかる。
これは、 本発明の荷重検出装置においては、 先ず、 パルス電流生成回路 1 0 3 から出力されるパルス電流を検出用コイル 8 5に供給して、 一旦、 コア 8 3を大 きく伸ばす方向に歪ませてから、 励振回路 1 0 2から出力される矩形波電圧を検 出用コイル 8 5に印加して、 コア 8 3に作用する荷重を検出しているため、 コア 8 3は、 荷重の変化方向及び大きさに拘わらず、 常に、 荷重が零となる歪量まで 伸びた状態から、 同じ方向に変形して、 最終的に、 作用する荷重に応じた歪量ま で変形するので、 従来装置の如く荷重検出の度にヒステリシスに起因する残留磁 気の影響によって検出値にバラツキが生じることはないからである。 この結果、 本発明の荷重検出装置によれば、 精度の高い検出値を得ることが出来る。
又、 上記本発明の荷重検出装置においては、 検出用コイル 8 5に流れる検出準 備用電流が、 図 4 ( c )に示す如く漸次増加しながら立ち上がった後、 漸次減少し ながら立ち下がる鋸歯状の波形を有しているため、 該電流によるコア 8 3の変形 速度の変化が緩やかになり、 急激なコア 8 3の伸縮によって生じる衝突音を低減 させることが可能である。 特に、 本発明の荷重検出装置を自動洗濯機に装備した 場合には、 この衝突音がユーザに不快感を与えるため、 これを除去することによ りユーザの使用感を向上させることが可能となる。
又、 上記本発明の荷重検出装置によれば、 マイクロコンピュータ 1 0 0からの 制御信号が立ち下がってから 2 O m s e cが経過した時点で、 即ち、 検出用コィ ル 8 5に検出準備用電流を流し終えてから十分な期間が経過した時点で、 検出用 コイル 8 5に流れる電流に基づいて、 荷重の検出を行っているので、 検出準備用 電流が流れることによって変形したコア 8 3が、 荷重に応じた歪量まで戻った状 態で検出が行われることとなり、 この結果、 検出準備用電流の波形や、 コア 8 3 に生じる変形に伴う電流変動の影響を受けることなく、 正確にコア 8 3に作用す る荷重を検出することが可能となる。
ところで、 図 1 0は、 検出用コイル 8 5に流れる電流を測定すると共に、 周囲 の音圧を測定した結果を表わしている。 図示の如く、 検出準備用電流の供給期間 bが終了して、 検出用電流の供給期間 aへ移った時点で、 大きな騒音が発生して いる。 これは、 コア 8 3が急激に伸縮することによって、 周囲の部材に衝撃力が 伝わり、 これによつて衝突音が発生するからである。
そこで、 本実施例では、 図 1に示す切替回路 1 ◦ 4の制御によって、 検出用コ ィル 8 5に検出準備用電流を流し終えた後、 一定期間(例えば 5 〜 1 O m s e c )、 通電を停止し、 その後、 検出用電流を流すこととする。
図 1 1は、 上記制御を採用した場合において、 検出用コイル 8 5に流れる電流 を測定すると共に、 周囲の音圧を測定した結果を表わしている。 図示の如く、 検 出準備用電流の供給期間 bが終了した後、 一定の停電期間 cを経て、 検出用電流 の供給期間 a へ移っており、 その推移の過程で、 大きな騒音は発生していない。 これは、 上記制御によりコア 8 3の急激な伸縮が緩和されて、 周囲の部材に伝わ る衝撃力が抑制されるからである。 検出準備用電流の通電の前に停電期間 cを設 けることも有効である。
更に上記制御に加えて、 切替回路 1 0 4を構成するスイッチング素子のベー ス -ェミッタ間にコンデンサを介挿した構成を採用し、 検出準備用電流から検出 用電流への切換えを一定の時定数を伴って行なうこととすれば、 前記衝突音の発 生を一層効果的に抑制することが出来る。
尚、 上記実施例では、 電流検出回路 1 0 5をシャント抵抗を用いて構成してい るが、 これに限らず、 電流に応じた磁界を検出するホール素子、 磁気抵抗素子な どを用いてもよい。
又、 上記実施例では、 検出用コイル 8 5を単一のコイルで構成しているが、 図 7に示す如く、 同軸上に併設された一対のコイル 8 5 a 、 8 5 bから構成して、 一方のコイル 8 5 aに検出準備用電流及び検出用電流を流し、 他方のコイル 8 5 bに流れる電流を電流検出回路 1 0 5によって検出する構成とすることも可能で ある。
又、 図 8に示す如く、 検出用コイル 8 5は、 同心円状に配置された一対のコィ ノレ 8 5 c 、 8 5 dによって構成することも可能であり、 この場合、 一方のコイル 8 5 cに検出用電流を流すと共に、 該コイル 8 5 cに流れる電流を電流検出回路 1 0 5によって検出し、 他方のコイル 8 5 dに検出準備用電流を流す構成を採用 することも可能である。 又、 上記実施例では、 検出用コイル 8 5に検出準備用電流を流すために、 矩形 波電圧を発生する励振回路 1 0 2を用いているが、 図 9に示す如く、 検出用コィ ル 8 5に供給すべき検出準備用電流を生成する定電流コイル励振回路 1 0 2 ' を 用いてもよい。 この場合、 シャント抵抗を用いた電流検出回路 1 0 5に替えて、 検出用コイル 8 5の両端電圧の変化を検出する電圧検出回路 1 0 5 ' を用いる。 又、 検出コイル 8 5に供給する励振電圧若しくは励振電流の波形としては、 矩 形波に限らず、 正弦波や三角波等の脈波を用いてもよい。 又、 検出コイル 8 5に 供給するパルスの波形についても、 矩形波、 正弦波、 三角波、 台形波等の任意の 波形を用いることが出来る。
又、 コア 8 3として、 磁界を印加することにより伸長する特性の磁歪素子を用 いたが、 逆に磁界を印加することにより収縮する特性の磁歪素子を用いてもよい 又、 上記自動洗濯機においては、 吊棒 2 0とケーシング 1との間に荷重センサ 一 8を配置したが、 吊棒2 0と外槽 4との間に荷重センサ一 8を配置してもよい t

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 測定すべき荷重が作用する磁歪素子と、 該磁歪素子の近傍に配置されたコィ ルと、 該コイルに接続されて前記磁歪素子に作用する荷重の大きさを検出する検 出回路とを具えた荷重検出装置において、 前記検出回路は、
前記コイルに交流の検出用電流を流すための検出手段と、
前記検出用電流の最大値よりも大きな電流値を有する検出準備用電流をコイル に流すための検出準備手段と、
前記検出手段及び検出準備手段を制御して、 前記コイルに、 検出準備用電流を 流した後に検出用電流を流す制御手段と、
前記コイルに検出用電流が流れている期間に、 コイルに生じるインピーダンス 変化に基づいて、 磁歪素子に作用する荷重の大きさを導出する演算処理手段 とを具えていることを特徴とする荷重検出装置。
2 . 前記検出手段は、 前記コイルに流すべき検出用電流を生成して出力する電流 生成手段によって構成される請求の範囲第 1項に記載の荷重検出装置。
3 . 前記検出用電流は、 所定の周期で脈動する脈波である請求の範囲第 2項に記 載の荷重検出装置。
4 . 前記検出手段は、 前記コイルに検出用電流を流すための検出用電圧を生成し て出力する電圧生成手段によって構成される請求の範囲第 1項に記載の荷重検出
5 . 前記検出用電圧は、 所定の周期で脈動する脈波である請求の範囲第 4項に記 載の荷重検出装置。
6 . 前記検出準備手段は、 検出準備用電流の最大値を、 当該装置の有効荷重検出 範囲の最大値における磁歪素子の歪量を最小値における歪量まで変形させるのに 必要な電流値と同等、 若しくはそれ以上に大きく設定する請求の範囲第 1項乃至 第 5項の何れかに記載の荷重検出装置。
7 . 前記検出準備用電流は、 漸次増加しながら立ち上がった後に漸次減少しなが ら立ち下がる波形を有している請求の範囲第 1項乃至第 6項の何れかに記載の荷
8 . 前記演算処理手段は、 前記コイルに検出準備用電流を流し終えてから所定期 間経過後におけるコイルのインピーダンス変化に基づいて、 磁歪素子に作用する 荷重の大きさを導出する請求項の範囲第 1項乃至第 7項の何れかに記載の荷重検 出装置。
9 . 前記制御手段は、 前記コイルに、 検出準備用電流を流した後、 一定の停電期 間を経て、 検出用電流を流す請求の範囲第 1項乃至第 8項の何れかに記載の荷重 検出装置。
1 0 . 前記制御手段は、 検出準備用電流から検出用電流への切換えを、 一定の時 定数を伴って行なう請求の範囲第 1項乃至第 9項の何れかに記載の荷重検出装置。
1 1 . 洗濯物及び洗濯水の重量を検出するための荷重検出装置を具えて、 該装置 の検出信号に応じて洗濯動作が制御される自動洗濯機において、 前記荷重検出装 置は、 測定すべき荷重が作用する磁歪素子と、 該磁歪素子の近傍に配置されたコ ィノレと、 該コイルに接続されて前記磁歪素子に作用する荷重の大きさを検出する 検出回路とを具え、 前記検出回路は、
前記コイルに交流の検出用電流を流すための検出手段と、
前記検出用電流の最大値よりも大きな電流値を有する検出準備用電流をコイル に流すための検出準備手段と、
前記検出手段及び検出準備手段を制御して、 前記コイルに、 検出準備用電流を 流した後に検出用電流を流す制御手段と、
前記コイルに検出用電流が流れている期間に、 コイルに生じるインピーダンス 変化に基づいて、 磁歪素子に作用する荷重の大きさを導出する演算処理手段 とを具えていることを特徴とする自動洗濯機。
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