JP2010125236A - ボールバランサを有した洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ボールバランサシステムを用いてドラムに作用する偏心荷重を打ち消すように構成された洗濯機等において、簡単で安価な構成でありながら、高い回転速度において偏心荷重が変化しても、ボールバランサシステムを確実に作動させる。
【解決手段】脱水工程において、制御手段８が、ドラム３の回転速度を、共振回転速度を一定以上超えた第２回転速度まで上昇させた後、該ドラム３の共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させるようにした。
【選択図】 図５

Description

この発明は、脱水時のドラムの振動を抑制可能なボールバランサシステムを有した洗濯機に関するものである。

洗濯機の脱水工程において、個々の洗濯物は回転体であるドラムの内周に沿って不均一な状態、すなわちアンバランスな状態にしばしば置かれる。その結果、脱水中に回転軸には偏った力が加わり、振動が発生する。振動の振幅は回転ドラムの回転速度の２乗に比例して増大し、その振動のために洗濯機自身が動いたり、ある回転速度以上では運転することができなくなってしまうなどの問題が発生する。

このアンバランスを修正するために、従来は、液体バランサが用いられている。しかし、液体は比重が小さいためにその効果が限定的であることから、この液体を比重の大きい金属球に代えてアンバランスのキャンセル範囲を拡大したボールバランサである（特許文献１）。

かかるボールバランサシステム（図１参照）は、ドラムの内周に取り付けた管状のレース部に回転方向（周方向）に自由度をもつ複数のボールを配置することにより、偏心荷重を生じさせるアンバランス体（ここでは洗濯物（布））に対して自動的にボールが対向位置に移動する力学現象を利用したシステムである。図１は、ドラムの前端部及び後端部の２箇所に複数の金属球等の転動体（以下、ボールとも言う）を配置したダブルボールバランサの例を示している。その他に、ドラムの１箇所に金属球を配置したシングルボールバランサも知られており、これらは原理的には同じである。すなわち、脱水過程において経時的に変化する布アンバランス量に刻一刻対応して、複数のボールが位置を変え、自動的にアンバランスを修正できることに、このボールバランサシステムの特長がある。
特開平１０−４３４７５

ところで、ボールバランサシステムは、回転速度がある上限値を超えると自動アンバランス修正機能を失うという欠点がある。つまり、遠心力による摩擦力が増大してボールがレース部材中で停止状態になるような回転速度に達すると、ボールの位置を変えることができなくなり、ボールバランサシステムは機能しなくなるのである。

したがって、通常は、回転速度が前記上限値に達するまでに、ボールをアンバランス修正位置に到達させるように設定する。ディスクドライブ装置などのように、アンバランスは存在するがそれが機構に依存して固定であり、経時的に変化しないものであれば、このように設定しておきさえすれば、仮にアンバランス修正後、回転速度がさらに上昇して前記上限値を超えても、すでにアンバランスは修正されているので不都合は生じない。

しかしながら、このボールバランサシステムを洗濯機に適用した場合は事情が異なる。洗濯機では、含水した布が脱水する過程において、布質に応じてその含水率が異なるために、時間の経過とともにアンバランス量が変化し、通常は大きくなる。例えば、化繊と綿が円周方向に対極に張り付いている場合は最も極端な例である。綿からの脱水量が多いために、バランスが時間の経過とともに崩れるのである。また、上述した脱水率の違い以外に、例えば洗濯物の不測の移動などでもアンバランス量の途中変化は十分に生じ得る。

この結果、脱水のための回転速度がボールバランサシステムの機能する前記上限値よりも高い場合には、初期時においてボールバランサシステムによりバランス補償されていたとしても、脱水している間の前述したバランス変化に、ボールバランサシステムは対応することができない。この時点では上限値よりも回転速度が上昇しており、機能停止状態にあるからである。したがって、途中から脱水振動が大きくなったり、振動の大きさがばらついたりする現象が発生する問題点がある。またこの問題点は、単体の脱水機でも生じ得る

本発明は、かかる問題点を鑑みてなされたものであって、ボールバランサシステムを用いてドラムに作用する偏心荷重を打ち消すように構成された洗濯機等において、簡単で安価な構成でありながら、高い回転速度において偏心荷重が変化しても、ボールバランサシステムを確実に作動させることができるものを提供すべく図ったものである。

すなわち、本発明の請求項１に係る洗濯機は、所定の回転軸周りに洗濯物を収容して回転するドラムと、前記ドラムを回転駆動する電動機と、前記ドラムに周方向に転動可能に取り付けられて前記洗濯物によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記ドラムの回転速度を制御する制御手段とを具備したものであって、前記ドラムの振動を検知する振動検知手段をさらに備えてなり、脱水工程において、前記制御手段がドラムの回転速度を共振回転速度を一定以上超えて上昇させた際に、前記振動検知手段によって一定以上の振動が検知された場合には、該ドラムの回転速度を共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に係る洗濯機は、所定の回転軸周りに洗濯物を収容して回転するドラムと、前記ドラムを回転駆動する電動機と、前記ドラムに周方向に転動可能に取り付けられて前記洗濯物によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記ドラムの回転速度を制御する制御手段とを具備したものであって、脱水工程において、前記制御手段が、前記ドラムの回転速度を、共振回転速度を一定以上超えた第２回転速度まで上昇させた後、該ドラムの共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させることを特徴とするものである。

このようなものであれば、転動体が移動できない第２回転速度でアンバランスが生じても、ドラムの回転速度を大きく低下させることなく、共振回転速度近傍である第１回転速度にまで落とすだけで、その際の振動を利用して転動体をバランス補償位置に移動させ、バランス状態に復帰させることができる。

本発明の請求項３に係る脱水機は、所定の回転軸周りに脱水対象物を収容して回転するドラムと、前記ドラムを回転駆動する電動機と、前記ドラムに周方向に転動可能に取り付けられて前記脱水対象物によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記ドラムの回転速度を制御する制御手段とを具備したものであって、前記ドラムの振動を検知する振動検知手段をさらに備えてなり、脱水工程において、前記制御手段がドラムの回転速度を共振回転速度を一定以上超えて上昇させた際に、前記振動検知手段によって一定以上の振動が検知された場合には、該ドラムの回転速度を、共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させることを特徴とするものである。

本発明の請求項４に係る脱水機は、所定の回転軸周りに脱水対象物を収容して回転するドラムと、前記ドラムを回転駆動する電動機と、前記ドラムに周方向に転動可能に取り付けられて前記脱水対象物によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記ドラムの回転速度を制御する制御手段とを具備したものであって、脱水工程において、前記制御手段が、前記ドラムの回転速度を、共振回転速度を一定以上超えた第２回転速度まで上昇させた後、該ドラムの共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させることを特徴とするものである。
かかる脱水機でも、前記洗濯機と同様の作用を奏し得る。

このように構成した本発明にかかる洗濯機又は脱水機によれば、上述したように、転動体が移動できない第２回転速度で、例えば脱水によるバランス状態の変化が生じ、不測のアンバランスが発生しても、ドラムの回転速度を大きく低下させることなく、共振回転速度近傍である第１回転速度にまで落とすだけで、その際の振動を利用して転動体をバランス補償位置に移動させ、バランス状態に復帰させることができる。
したがって、騒音や振動を好適に抑制できるのはもちろんのこと、脱水時のバランス状態を保つ際に、回転速度を大きく落とすことがないので、加減速のための時間を大きくとることが無く、かつ脱水機能に大きな支障を来すこともない。

さらに言えば、振動、騒音を抑制するパラメータを回転速度のみに絞ることができるので、回転速度プロファイルを設定するだけで実現できる。つまり、新たなセンサ等の専用機器や複雑なソフトウェアを必要とすることなく、低価格の制御手段を用いて既存の機器構成で簡単に実現できるので、価格の上昇等も可及的に抑えることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図２は、本実施形態に係るドラム式洗濯機１００の概略内部構造を示した縦断面図である。同図中、符号１は中空のボディであり、このボディ１の使用端側（以下、前側とも言う）には、洗濯物９（図３に示す）を投入するための投入口１１と、前記投入口１１を閉じるための開閉可能な蓋１２とが設けてある。また、ボディ１の内部には、水槽２が配設されており、当該水槽２のさらに内部にはドラム３が設けられている。

水槽２は、後端面が底板２１によって閉塞され、前端部が開口する概略円筒状をなすものであり、その中心軸Ｃを水平又は水平から傾斜させ、前側が後側よりも若干高くなる姿勢で、ダンパＤや弾性体Ｓによって揺動可能に支持されている。

ドラム３は、水槽２よりも一回り小さい円筒状をなすもので、水槽２と同様、その後端面が底板３１によって閉塞され、その前端面は開口している。このドラム３には、厚み方向に貫通する多数の孔３３が設けられていて、この孔３３を介して水槽２からドラム３内に水が浸入自在に構成されている。

このドラム３の前端部及び後端部には、ボールバランサシステム７が付加されている。このボールバランサシステム７は、ドラム３の側周部に周回して取り付けられた管状をなす案内部材７１と、この案内部材７１の内部に略ガタなく嵌まり込んで転動する転動体たる複数の金属製ボール７２からなるものである。なお、図３に示すように、前記案内部材７１の内部には、ボール７２の急激な移動を抑制するための油等の粘性流体７３が貯留してある。

前記水槽２における底板２１の外側には、例えばドラム３を回転駆動するための電動機４が取り付けられており、前記電動機４の回転軸４１が軸受４２を介して当該底板２１を貫通し、ドラム３の底板３２に固定されている。

なお、図２に示す符号５は、洗濯水を供給する給水機構５であり、符号６は、水槽２及びドラム３内の洗濯水を外部に排出するための排水機構である。

これらの構成に加えて、この洗濯機１００は、電動機４等の回転速度を制御して、ドラム内の洗濯物９の重量を算出するなどして、洗い工程や脱水工程を自動で行う制御手段８を、ボディ１の内部における適宜箇所に備えている。

この制御手段８は、ハードウェア構成として、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、ＡＤコンバータ、各種ドライバ回路などを具備した電気回路であり、前記メモリに記憶させたプログラムに従って、前記ＣＰＵや周辺機器が協動することで種々の機能を発揮する。

しかしてこの実施形態での特徴は、該制御手段８による脱水工程でのドラムの回転速度制御にある。そこで、その制御動作について以下に説明する。

制御手段８は、まずドラム３の共振回転速度を算出する。共振回転速度は、ドラム重量、ドラム内径、ばね定数、ダンパ定数などから既知の数式によって算出することができる。なお、前記数式により求めた理論上の共振回転速度の近傍上下一定幅に亘る回転速度領域において、過渡的な振動が生じる。そこで、制御手段８は、前記理論共振回転速度に上下の幅を付加して過渡振動回転速度領域をも定める。この領域幅は実験やシミュレーションで予め求められた振動が、製品のスペック上、無視できない振動以上になる領域幅となるように予め定められている。かかる共振回転速度や過渡振動回転速度領域は、制御手段８による算出ではなく、別途算出しておいてその値を予めメモリに記憶させておいてもよい。

脱水工程が始まると、制御手段８は、停止状態からドラム３の回転速度を徐々に上昇させ、前記過渡振動回転速度領域を超えてさらに高い所定の第２回転速度まで上昇させる。なお、回転速度については、例えば電動機４に取り付けられた回転速度センサ（図示しない）からの出力によって得る。この回転速度センサは、例えばホールＩＣなどを利用したものであるが、その他の方式でも構わない。

次にこの第２回転速度からドラム３の回転速度を、共振回転速度よりも若干高い第１回転速度、具体的には過渡振動回転速度領域の上限回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させて最終的な脱水回転速度にまで上昇させる。

このことによって、脱水工程におけるドラム３の振動、特に過渡振動回転速度領域を超えた回転速度で生じる不測の振動を可及的に抑制することができる。
次に、その理由について詳述する。

脱水工程が進行して、回転系の共振回転速度を通過した後、力学的な安定のためにボール７２はアンバランス体である洗濯物９の対向位置に自然に移動する（ボールバランサの基本動作）。しかしながら、ボール７２の転がり摩擦モーメント（M_r）のために、ボール７２がアンバランスの理想的な対向位置に移動することなく移動を停止することがある。このような停止を防止して、移動を促す条件は、その速度の軸変位量Ｈとの関係において式（数１）が成り立つときである。
この式の左辺が転がり摩擦モーメントで、右辺が移動を促す、移動モーメントである。

軸変位量Hは速度(ω)の関数であり、共振回転速度(ω_n)として、式（数２）のようになる。
このHの値の変化をグラフにして表したのが図４である。

転がり摩擦モーメントM_rは遠心力の関数であるから、式（数３）のようになる。

したがって、式（数１）、（数２）、（数３）より式（数４）が導かれる。

ボール７２の移動を促すには、式（数４）の右辺、つまりHの値を大きくすることであるが、それは図４のように、回転速度(ω)を共振回転速度(ω_n)に近づけることである。かといって、回転速度(ω)を共振回転速度(ω_n)に近づけすぎて、過渡振動回転速度領域内にまで低下させると、この過渡領域での振動が顕著になり、製品スペック上好ましいものではない。

結局、理論的にボール７２の移動を促すために減速させる目標回転速度、つまり第１回転速度は、共振回転速度の少し上、より具体的には過渡振動回転速度領域の上限直上が、最も好ましいこととなる。

前記第１回転速度は以上のように決まるが、その直前の脱水維持速度は、工程の中間速度が理想であり、脱水率が６０〜８０％に達するところの回転速度およびその維持時間から決定すればよい。

なお、上記第２回転速度でバランスが取れているに関わらず減速させる必要は無いので、この速度での振動レベルが、製品スペックから定められる一定以上であるか否かを検知してから減速するか、減速させないかを判断するようにしてもよい。そのための振動検知手段は以下のようなものがある。
１）ドラム３や水槽２等に直接取り付けた加速度センサ。
２）駆動モータの電流を検知して、その電流から演算したトルク電流からトルク振動を推定検知する手段。
３）回転速度センサの速度演算結果を時間微分して得られる振動の大きさから検知する手段。

次に、図５に定常振動を抑制するための速度プロファイル例を記載する。
ここでは、ドラム回転速度を過渡振動回転速度領域を超えた５００ｒｐｍに約４０ｓｅｃ程度維持させて、脱水率が６０〜８０％に達した直後に、アンバランス量を振動センサー、モータ駆動電流、モータ速度の振幅などで検知し、許容できない振動と判断すれば、第１回転速度（同図では共振回転速度の少し上の速度２８０ｒｐｍ）まで減速させて１０秒間維持し、アンバランスを修正させる動作をさせている。

この第１回転速度は、上記したように最もボール７２が移動できる振動変位をもつ速度である。図６には様々な目標減速速度（第１回転速度）と振動の関係を示している。この例では共振領域（過渡振動回転速度領域）が２０５〜２４０ｒｐｍに広がっており、その上の２７０〜３６０ｒｐｍに減速速度をそれぞれ設定して比較している。この図６からでは移動を十分に促すことができないことがわかる。したがって、この例では３００ｒｐｍ以下との結論が導き出される。

その後、図５のように通常の脱水工程に入るが、その途中の５００ｒｐｍで振動の大きさの前後の変化を比較すると、その上部に記載したリサージュ図形からも明らかなように、振動幅が約１／４程度になっていることがわかる。このように布質により時々刻々変化するアンバランスを５００ｒｐｍ以下の領域でキャンセルすることができるのである。

すなわち、本実施形態によれば、第２回転速度で、例えば脱水によるバランス状態の変化が生じ、不測のアンバランスが発生しても、ドラム３の回転速度を大きく低下させることなく、共振回転速度近傍である第１回転速度にまで落とすだけで、その際の振動を利用してボール７２をバランス補償位置に移動させ、バランス状態に復帰させることができる。

したがって、騒音や振動を好適に抑制できるのはもちろんのこと、脱水時のバランス状態を保つ際に、回転速度を大きく落とすことがないので、加減速のための時間を大きくとることが無く、かつ脱水機能に大きな支障を来すこともない。

さらに言えば、振動、騒音を抑制するパラメータを回転速度のみに絞ることができるので、回転速度プロファイルを設定するだけで実現できる。つまり、新たなセンサ等の専用機器や複雑なソフトウェアを必要とすることなく、低価格の制御手段を用いて既存の機器構成で簡単に実現できるので、価格の上昇等も可及的に抑えることができる。

なお、本発明は、前記図示例に限定されるものではない。例えば、縦形ドラム（回転軸が鉛直）の洗濯機にも本発明を適用することができるし、脱水機にも本発明を適用して同様の効果を奏し得るものである。その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

ボールバランサシステムの一例を示す模式的内部構造図。 本発明の一実施形態における洗濯機の内部構造を示す模式的縦断面図。 同実施形態におけるボールバランサシステムを示す軸方向から視た模式的内部構造図。 同実施形態における振動と回転速度との関係を示す解析グラフ。 同実施形態における過渡振動を抑制するための速度プロファイル例。 同実施形態における回転速度と振動の相関を示す相関グラフ。

符号の説明

１００・・・洗濯機
Ｃ・・・回転軸
３・・・ドラム
４・・・電動機
７１・・・案内部材
７２・・・バランス用転動体（ボール）
８・・・制御手段

Claims (4)

1. 所定の回転軸周りに洗濯物を収容して回転するドラムと、前記ドラムを回転駆動する電動機と、前記ドラムに周方向に転動可能に取り付けられて前記洗濯物によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記ドラムの回転速度を制御する制御手段とを具備した洗濯機であって、
   前記ドラムの振動を検知する振動検知手段をさらに備えてなり、
   脱水工程において、前記制御手段がドラムの回転速度を共振回転速度を一定以上超えて上昇させた際に、前記振動検知手段によって一定以上の振動が検知された場合には、該ドラムの回転速度を、共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させることを特徴とする洗濯機。
2. 所定の回転軸周りに洗濯物を収容して回転するドラムと、前記ドラムを回転駆動する電動機と、前記ドラムに周方向に転動可能に取り付けられて前記洗濯物によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記ドラムの回転速度を制御する制御手段とを具備した洗濯機であって、
   脱水工程において、前記制御手段が、前記ドラムの回転速度を、共振回転速度を一定以上超えた第２回転速度まで上昇させた後、該ドラムの共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させることを特徴とする洗濯機。
3. 所定の回転軸周りに脱水対象物を収容して回転するドラムと、前記ドラムを回転駆動する電動機と、前記ドラムに周方向に転動可能に取り付けられて前記脱水対象物によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記ドラムの回転速度を制御する制御手段とを具備した脱水機であって、
   前記ドラムの振動を検知する振動検知手段をさらに備えてなり、
   前記制御手段がドラムの回転速度を共振回転速度を一定以上超えて上昇させた際に、前記振動検知手段によって一定以上の振動が検知された場合には、該ドラムの回転速度を、共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させることを特徴とする脱水機。
4. 所定の回転軸周りに脱水対象物を収容して回転するドラムと、前記ドラムを回転駆動する電動機と、前記ドラムに周方向に転動可能に取り付けられて前記脱水対象物によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記ドラムの回転速度を制御する制御手段とを具備した脱水機であって、
   前記制御手段が、前記ドラムの回転速度を、共振回転速度を一定以上超えた第２回転速度まで上昇させた後、該ドラムの共振回転速度近傍である第１回転速度まで下降させ、該第１回転速度を一定時間維持した後、再度回転速度を上昇させることを特徴とする脱水機。