JP2007275361A

JP2007275361A - 掃除ロボット

Info

Publication number: JP2007275361A
Application number: JP2006106638A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Watabe; 浩史渡部
Original assignee: Toshiba Battery Co Ltd
Current assignee: FDK Twicell Co Ltd
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】広い範囲の掃除を効率的に行うことが可能な自動掃除システムを提供する。
【解決手段】充電器；および
走行手段と、この走行手段を駆動する自走用モータと、走行面を掃除する掃除手段と、この掃除手段を駆動する吸引用モータと、前記自走用モータおよび吸引用モータに電力を供給する２０Ｃ，３分間以内で８０％電池容量の充電が可能なリチウムイオン二次電池と、この二次電池の残存容量を検出する検出手段と、前記走行手段による走行経路を制御すると共に前記検出手段で検出された前記二次電池の残存容量が所定の閾値以下になったときに前記充電器に戻るように前記走行手段を制御する機能を有する制御手段とを備える掃除ロボット；
を具備したことを特徴とする自動掃除システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、自走する掃除ロボットを備えた自動掃除システムに関する。

近年、家事の負担を軽減する機器として、自走して掃除を行う掃除ロボットが発売されている。この掃除ロボットは、一度セットすれば自動的に室内を動き回って掃除するため、非常に便利な製品である。

前記掃除ロボットは、次のような構造を有する。筐体には、左右の車輪およびこれらの車輪を駆動する自走用モータが配置されている。前記筐体には、吸引口が設けられ、かつこの吸引口に対応する箇所に吸引ファン、このファンを駆動する吸引用モータおよび吸引された塵を収納する塵収納容器が配置されている。また、前記筐体内には前記自走用モータおよび吸引用モータに電力を供給する充電式二次電池が装填されている。

このような掃除ロボットにおいて、吸引用モータは掃除の能力を決定するため、強力なモータであれば吸引力も強くなるが、反面モータ寸法が大きくなるばかりか、消費電力も増大して二次電池の容量を大きくする必要がある。また、塵収納容器は容積を小さくすると直ぐにごみが満杯になる。このため、広い領域や長い時間の掃除が困難になり、塵収納容器の容積を大きくする必要がある。

前記掃除ロボットの各要素を望むままに大きくすると、筐体寸法が非常に大きくなる。しかしながら、掃除ロボットは自走して室内の隅々まで動き回るため、筐体の大型化はその動き回れる領域を制限する。したがって、掃除ロボットの筐体寸法の制限から各要素の寸法も自ずと制約される。

一方、掃除ロボットに装填される充電式二次電池もその性能を決める上で重要な要素の一つである。充電式二次電池は、その性能（特に容量）によって１回の充電で稼動し得る時間が変化する。このため、二次電池の容量によって掃除範囲が制限される。掃除範囲を広げようとすれば、二次電池の容量増大（つまり電池寸法の増大）を招き、前述のように限られた寸法の筐体内で二次電池が占める容積が増大し、その分他の要素の寸法を小さくする必要になる。

特許文献１，２には、前記充電式二次電池の寸法を大きくせずに掃除ロボットの稼働時間を長くするために、掃除途中で充電式二次電池の容量が減少したときに自動的に充電器に接続して、自ら充電を始める自走式クリーナが開示されている。

しかしながら、一般的に充電式二次電池は充電に長い時間がかかる。例えば現在市販されている掃除ロボットに装填しているニッケル水素蓄電池は、普通充電で１２時間程度、急速充電しても２〜３時間の充電時間を必要とする。その結果、充電の待ち時間がなくなって効率的な掃除を行うことが困難であった。
特開２００２−３１８６２０特開２００５−３０４５４６

本発明は、広い範囲の掃除を効率的に行うことが可能な自動掃除システムを提供することを目的とする。

本発明によると、充電器；および
走行手段と、この走行手段を駆動する自走用モータと、走行面を掃除する掃除手段と、この掃除手段を駆動する吸引用モータと、前記自走用モータおよび吸引用モータに電力を供給する２０Ｃ，３分間以内で８０％電池容量の充電が可能なリチウムイオン二次電池と、この二次電池の残存容量を検出する検出手段と、前記走行手段による走行経路を制御すると共に前記検出手段で検出された前記二次電池の残存容量が所定の閾値以下になったときに前記充電器に戻るように前記走行手段を制御する機能を有する制御手段とを備える掃除ロボット；
を具備したことを特徴とする自動掃除システムが提供される。

本発明によれば、筐体寸法を抑えつつ、充電による待ち時間を短くして広い室でも掃除時間の短縮化が可能で、掃除を効率的に行う掃除ロボットを備えた自動掃除システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態に係る自動掃除システムを図面を参照して詳細に説明する。

図１は、掃除ロボットを示す斜視図、図２は図１の掃除ロボットの底面図、図３は充電器を示す斜視図、図４は掃除ロボットおよび充電器の回路構成を示すブロック図である。

掃除ロボット１は、中空円盤状の筐体２を備えている。走行手段である左車輪３ａおよび右車輪３ｂは、前記筐体２内にその底面から外部に露出すように配置されている。これらの車輪は３ａ，３ｂは、前記筐体２底部の開閉蓋４内部に配置された後述するモータ（左走行用モータ５ａ，右走行用モータ５ｂ）により駆動される。

吸引ファン（図示せず）は、前記筐体２内にその底面に開口された吸引口６に対向するように配置されている。この吸引ファンは、前記筐体２底部の開閉蓋４内部に配置された後述する吸引用モータ７により駆動される。塵収納容器８は、前記筐体２の底部に配置されている。このような吸引口６、吸引ファン、吸引用モータ７および塵収納容器８により掃除手段を構成している。この掃除手段において、前記筐体２が左右の車輪３ａ，３ｂの回転で走行面を走行する間に前記吸引ファンを駆動すると、走行面の塵は吸引口６を通して前記塵収納容器８に収納される。

後述する２０Ｃ，３分間以内で８０％電池容量の充電が可能なリチウムイオン二次電池９は、前記筐体２底部の開閉蓋１０内部に配置され、前記左右の走行用モータ５ａ，５ｂおよび吸引用モータ７に電力を供給する。

操作パネル１１は、前記筐体２の上面に設けられている。凹状の接続端子１２，１３は、前記筐体２の側面に取り付けられ、後述する充電器の充電端子と接続される。例えば２つの超音波センサ１４は、前記筐体２の側面に前記接続端子１２，１３を挟むように取り付けられている。排気口１５は、前記筐体２の上面に設けられている。

このような掃除ロボット１において、図４に示すようにＣＰＵ２１は制御手段の本体を構成している。ＲＯＭ２２は、このＣＰＵ２１が各部材を制御するプログラム（例えば走行経路を示すマップ情報等）を格納している。ＲＡＭ２３は、各種のデータが格納されている。Ｉ／Ｏポート２４は、始動操作部１１、障害物センサ２５、前記超音波センサ１４および前記二次電池９の残存容量を検出する残容量検出部２６からの検出信号がそれぞれ入力される。また、前記Ｉ／Ｏポート２４は左走行モータ５ａ、右走行モータ５ｂを制御する第１モータ制御部２７および前記吸引用モータ７を制御する第２モータ制御部２８に制御信号を出力する。

充電器３１は、前記掃除ロボット１において前記残容量検出部２６で検出された前記リチウムイオン二次電池９の残存容量が所定の閾値以下になったときに前記自動掃除ロボット１が走行して接続され、前記二次電池９を充電するもので、図３に示すように箱形の筐体３２を備えている。ＡＣ／ＤＣコンバータ３３は、前記筐体３２に内蔵され、図４に示すように商用電源３４に電源コード３５を通して接続されている。このコンバータ３１は充電回路３６を通して筐体３２側面に設けた凸状の充電端子３７，３８に接続されている。制御部３９は、前記充電回路３６を制御すると共に、超音波発生部４０を制御する。

前記リチウムイオン二次電池は、リチウムチタン酸化物を活物質として含む負極を備え、２０Ｃ，３分間以内で８０％電池容量の充電が可能である。活物質であるリチウムチタン酸化物は、特開２００５−１２３１８３に開示されるとおり、リチウムを吸蔵・放出可能な材料であり、リチウムイオンの挿入・離脱が１．４Ｖから１．７Ｖ／Ｌｉ付近で行われる。このため、この二次電池は大電流での急速充電を行っても、従来の負極活物質に炭素材料を用いた場合と比べてリチウムの析出が起こらずに安全性を確保できる。また、リチウムの吸蔵放出に伴う膨張収縮が生じるのを抑制することができるため、２０Ｃ電流の急速充電を繰り返し行った際にも負極活物質の構造破壊を抑えることができる。その結果、充放電を繰り返し行った場合においても長い寿命を維持できる。

具体的には、以下のような方法で組み立てたリチウムイオン二次電池は２０Ｃで３分間充電することにより約８０％電池容量まで充電する（または２０Ｃで５分間充電することにより約９０％電池容量まで充電する）ことが可能な急速充電二次電池であることを確認した。ここで、『Ｃ』は充放電率を表す単位であり、完全放電から完全充電（または完全充電から完全放電）までを定電流充電した場合に計算上１時間で行えるレートを１Ｃとして表現する。１／１０時間の場合、１０Ｃと表現する。したがって、例えば２０Ｃ充電とは、１Ｃ充電の２０倍の電流が必要になる。

＜負極の作製＞
活物質として、平均粒子径５μｍでＬｉ吸蔵電位が１．５５Ｖ(ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ⁺)のチタン酸リチウム（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）粉末と、導電剤として平均粒子径０．４μｍの炭素粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを重量比で９０：７：３となるように配合し、これらをｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散してスラリーを調製した。

なお、活物質の粒子径の測定には、レーザー回折式粒度分布測定装置（島津製作所株式会社型番ＳＡＬＤ−３００）を用いた。まず、ビーカー等に試料約０．１ｇを入れた後、界面活性剤と１〜２ｍＬの蒸留水を添加して十分に攪拌し、攪拌水槽に注入した。２秒間隔で、６４回光強度分布を測定し、粒度分布データを解析し、累積度数分布が５０％の粒径（Ｄ５０）を平均粒子径とした。

次いで、厚さ１０μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）を負極集電体に前記スラリーを塗布し、乾燥した後、プレスを施すことにより電極密度２．４ｇ／ｃｍ³の負極を作製した。

＜正極の作製＞
活物質としてリチウムコバルト酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）と、導電材として黒鉛粉末と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）とを重量比で８７：８：５となるように配合し、これらをｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に分散させてスラリーを調製した。厚さ１５μｍのアルミニウム箔（純度９９．９９％）にスラリーを塗布し、乾燥した後、プレスすることにより電極密度３．５ｇ／ｃｍ³の正極を作製した。

＜二次電池の組み立て＞
容器（外装部材）の形成材料として、厚さが０．１ｍｍのアルミニウム含有ラミネートフィルムを用意した。このアルミニウム含有ラミネートフィルムのアルミニウム層は、膜厚約０．０３ｍｍであった。アルミニウム層を補強する樹脂には、ポリプロピレンを使用した。このラミネートフィルムを熱融着で貼り合わせることにより、容器（外装部材）を得、さらに金属アルミニウムの容器に収めた。

次いで、前記正極に帯状の正極端子を電気的に接続すると共に、前記負極に帯状の負極端子を電気的に接続した。厚さ１２μｍのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータを正極に密着させて被覆した。セパレータで被覆された正極に負極を対向するように重ね、これらを渦巻状に捲回して電極群を作製した。この電極群をプレスして扁平状に成形した。容器（外装部材）に扁平状に成形した電極群を挿入した。

エチレンカーボネート（ＥＣ）とγ−ブチルラクトン（ＧＢＬ）が体積比（ＥＣ：ＧＢＬ）で１：２の割合で混合された有機溶媒にリチウム塩であるＬｉＢＦ₄を１．５ｍｏｌ／Ｌ溶解させ、液状の非水電解質を調製した。得られた非水電解質を前記容器内に注液し、リチウムイオン二次電池を組み立てた。この二次電池は、満充電時電圧２．８Ｖ、放電終止電圧１．５Ｖで使用できた。

このような構成によれば、掃除する室内に掃除ロボット１をセットし、始動操作部１１をオンすると、その操作信号が図４に示すＩ／Ｏポート２４を通してＣＰＵ２１およびＲＯＭ２２に入力される。ＲＯＭ２２には、掃除する室のマップ情報が予め記憶されているため、このＲＯＭ２２からマップ情報に基づく制御信号が第１モータ制御部２７に出力され、左右の走行モータ５ａ，５ｂの駆動を制御し、左右の車輪３ａ，３ｂの回転速度を制御して掃除ロボット１を室内を走行させる。同時に、ＣＰＵ２１から第２モータ制御部２８に制御信号が出力され、吸引用モータ７を駆動し、吸引ファンを回転し、吸引口６を通して走行面の塵を吸引して塵収納容器８に収納する。なお、掃除ロボット１の走行において、障害物センサ２５から掃除ロボット１の位置情報がＩ／Ｏポート２４を通してＣＰＵ２１に逐次出力される。

前記掃除ロボット１が走行して室内の掃除を行う間、前記各モータ５ａ，５ｂ，７に電力を供給するリチウムイオン二次電池９の残容量が残容量検出部２６で検出され、その検出信号はＩ／Ｏポート２４を通してＣＰＵ２１に出力される。このＣＰＵ２１において、入力された残容量の検出信号が所定の閾値以下になると、ＣＰＵ２１から第１モータ制御部２７および第２モータ制御部２８に制御信号がそれぞれ出力され、左右の走行モータ５ａ，５ｂの停止および吸引用モータ７の停止がなされる。同時に、ＣＰＵ２１において障害物センサ２５から逐次入力された位置情報に基づいて充電器３１までの距離（室の壁面に沿う最短の距離）を計算し、第１モータ制御部２７に制御信号（掃除ロボット１を充電器３１に走行させるための制御信号）が出力される。第１モータ制御部２７は、この制御信号により左右の走行モータ５ａ，５ｂの駆動を制御し、左右の車輪３ａ，３ｂの回転速度を制御して掃除ロボット１を充電器３１に向けて走行させる。掃除ロボット１が充電器３１に決められた距離まで近づくと、充電器３１の超音波発生部４０からの超音波を掃除ロボット１の超音波センサ１４で受信し、そのセンサ１４から検出信号がＩ／Ｏポート２４を通してＣＰＵ２１に出力される。ＣＰＵ２１において、この検出信号の入力に基づいて第１モータ制御部２７に制御信号が出力され、左右の走行モータ５ａ，５ｂの回転速度を制御して掃除ロボット１の筐体２側面の接続端子１２，１３を充電器３１の筐体３２側面の凸状の充電端子３７，３８とドッキングして接続される。このとき、商用電源３４からの交流電力が電源コード３５を通してＡＣ／ＤＣコンバータ３３に供給され、ここで直流に変換され、さらに充電回路３４を通して前記リチウムイオン二次電池９に適合した電圧の直流電力が充電用端子３７，３８および接続端子１２，１３から前記リチウムイオン二次電池９に供給され、２０Ｃ，３分間以内で８０％電池容量の充電、つまり急速充電がなされる。

リチウムイオン二次電池９が充電されると、ＣＰＵ２１において残容量検出部２６から所定の閾値を超える検出信号が出力され、ＣＰＵ２１から第１モータ制御部２７に制御信号（掃除ロボット１を充電器３１から充電開始のための停止位置に走行させるための制御信号）が出力される。第１モータ制御部２７は、この制御信号により左右の走行モータ５ａ，５ｂの駆動を制御し、左右の車輪３ａ，３ｂの回転速度を制御して掃除ロボット１を充電開始のための停止位置に向けて走行させる。この掃除ロボット１が停止位置まで戻ると、ＣＰＵ２１から第１モータ制御部２７に制御信号が出力され、左右の走行モータ５ａ，５ｂの停止がなされる。停止後、ＣＰＵ２１から第２モータ制御部２８に制御信号が出力され、吸引用モータ７を駆動させて吸引ファンを回転する。同時に、ＲＯＭ２２によるマップ情報に基づく制御信号が第１制御部２７に再び出力され、左右の走行モータ５ａ，５ｂの駆動を制御し、左右の車輪３ａ，３ｂの回転速度を制御して掃除ロボット１を室内の未掃除領域を走行させるとともに、吸引口６を通して走行面の塵を吸引して塵収納容器８に収納する。

掃除ロボット１による室内全体の掃除がなされると、出発位置に戻る。

以上説明した実施形態によれば、掃除ロボット１による室内の掃除作業において内部に装填したリチウムイオン二次電池９の容量が低下したときに、自ら充電器３１に走行して掃除ロボット１の接続端子１２，１３を充電器３１の充電端子３７，３８に接続することにより、前記リチウムイオン二次電池９を２０Ｃ，３分間以内で８０％電池容量の充電、つまり急速充電を行うことができるため、充電の待ち時間に伴う掃除ロボット１の掃除作業のロスを激減できる。その結果、掃除ロボット１による掃除作業効率の向上を図ることが可能な自動掃除システムを提供できる。

事実、実施形態に係る自動掃除システムは以下の実験で従来の二次電池を装填した掃除ロボットを有する自動掃除システムに比べて掃除時間を著しく短縮できることを確認した。

下記表１に比較例１，２および実施例１，２の自動掃除システムの掃除ロボットにそれぞれ装填される素電池、パック電池の性能を示す。なお、比較例２のパック電池は容積が比較例１のパック電池の半分で、これに伴って容量も半分になる。同様に実施例２のパック電池は容積が実施例１のパック電池の半分で、これに伴って容量も半分になる。また、実施例１，２の電池パックは前述した方法で組み立てた２０Ｃ、５分間で約９０％電池容量まで充電することが可能なリチウムイオン二次電池を素電池として組み込んだものである。

下記表２に比較例１，２および実施例１，２の自動掃除システムの掃除ロボットを前述したのと同様な操作で畳数の異なる室を走行させ、掃除したときの時間を示す。なお、下記表２の掃除時間には掃除ロボットが充電器に移動する時間および充電後の再掃除位置までに移動する時間をそれぞれ３分間として計算した。

前記表２から明らかなように比較例１，２の自動掃除システムでは、例えば１０畳の室のように掃除ロボットに装填した二次電池を１回充電するだけで全て掃除し得る広さの室を掃除対象にする場合、実施例１，２と掃除時間に差が生じない。しかしながら、比較例１，２の自動掃除システムでは、例えば１５畳の室のように掃除ロボットに装填した二次電池を１回充電するだけで全て掃除しきれず、充電器に移動して充電する場合、その充電時間（２時間）が待ち時間として加わり掃除時間が３時間以上と長くなる。特に、比較例１の半分の電池容量のニッケル水素二次電池を装填した比較例２の自動掃除システムでは、充電の回数が増える分、充電時間（２時間）を加算した掃除時間が５時間以上とより一層長くなる。

これに対し、実施例１の自動掃除システムでは例えば１５畳の室のように掃除ロボットに装填した二次電池を１回充電するだけで全て掃除しきれず、充電器に移動して充電する場合でも、急速充電によって充電時間が非常に短くなる、つまり待ち時間が非常に短くなるため、充電時間を加算した掃除時間は比較例１の約半分の短い時間で済む。

特に、実施例１の半分の電池容量のリチウムイオン二次電池を装填した実施例２の自動掃除システムでは充電の回数が増えても急速充電によって充電時間が非常に短くなる、つまり待ち時間が非常に短くなるため、充電時間を加算した掃除時間は比較例２の約１／３以下の時間で済む。

したがって、比較例１，２の自動掃除システムでは掃除面積が広くなった場合、掃除している時間よりも充電している時間のほうが長いような状況となる。実施例１，２の自動掃除システムでは、充電回数が増えても掃除時間の増加が最小限で済み、効率的な掃除を行うことが可能になる。

このように実施形態に係る自動掃除システムは、電池容量に関係なく、つまり１回の充電で稼動できる時間にこだわることなく、短時間の掃除を行うことができるため、掃除ロボットの筐体に装填されるリチウムイオン二次電池を小型化することが可能になる。その結果、この二次電池を小型化することによって筐体内のスペースに余裕ができるため、例えば図５に示すように塵収納容器８を大きくしたり、図６に示すように吸引用モータを大型(強力)にして吸引口６も大きくし、掃除能力を向上させたりすることも可能になる。また、部品配置を見直して筐体自体をコンパクトにすることも可能である。すなわち、リチウムイオン二次電池が小型になることで掃除ロボットの設計の自由度が飛躍的に大きくなり、機能向上につなげることが可能となる。

実施形態に係る自動掃除システムの掃除ロボットを示す斜視図。図１の掃除ロボットの底面図。実施形態に係る自動掃除システムの充電器を示す斜視図。掃除ロボットおよび充電器の回路構成を示すブロック図。実施形態に係る自動掃除システムの掃除ロボットの変形例を示す底面図。実施形態に係る自動掃除システムの掃除ロボットの変形例を示す底面図。

符号の説明

１…掃除ロボット、２，３２…筐体、３ａ，３ｂ…車輪、５ａ，５ｂ…走行用モータ、６…吸引口、７…吸引用モータ、８…塵収納容器、９…リチウムイオン二次電池、２１…ＣＰＵ、２２…ＲＯＭ、２６…残容量検出部、３１…充電器、３３…ＡＣ／ＤＣコンバータ、３６…充電回路。

Claims

充電器；および
走行手段と、この走行手段を駆動する自走用モータと、走行面を掃除する掃除手段と、この掃除手段を駆動する吸引用モータと、前記自走用モータおよび吸引用モータに電力を供給する２０Ｃ，３分間以内で８０％電池容量の充電が可能なリチウムイオン二次電池と、この二次電池の残存容量を検出する検出手段と、前記走行手段による走行経路を制御すると共に前記検出手段で検出された前記二次電池の残存容量が所定の閾値以下になったときに前記充電器に戻るように前記走行手段を制御する機能を有する制御手段とを備える掃除ロボット；
を具備したことを特徴とする自動掃除システム。