JP2013176500A

JP2013176500A - ドラム式洗濯機

Info

Publication number: JP2013176500A
Application number: JP2012042939A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ito; 豪伊藤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-09

Abstract

【課題】簡単な構成で安定した精度のよい布量の検知をする。
【解決手段】回転ドラム３を駆動するモータ７の回転数を検知する回転数検知部３３と、モータ７に印加する電圧もしくは通電電流を制御し回転ドラム３の回転を制御する制御部とを備え、所定の加速度トルクで回転ドラム３の回転を加速して回転数Ｎ１から回転数Ｎ２まで回転数が上昇する間の加速時角加速度α１を測定する第１の検知工程と、第１の検知工程の前に、加速時角加速度α１よりも低くなるように予め設定された角加速度β１で回転ドラム３の回転数を上昇させながら洗濯物を回転ドラム３内に張りつかせるバランス工程と、第１の検知工程の後に所定の減速度トルクで回転ドラム３の回転を減速して、回転数Ｎ３から回転数Ｎ４まで回転数が低下する間の減速時角加速度α２を測定する第２の検知工程を有し、速時角加速度α１と減速時角加速度α２に基づき布量を検知するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ドラム式洗濯機の布量検知に関するものである。

図６は、特許文献１に記載された従来のドラム式洗濯機を示すものである。図６に示すように、洗濯機本体１内には、防振構造を有するサスペンション構造（図示せず）によって水受け槽２が宙吊り状態に支持されている。前記水受け槽２内には、有底円筒形に形成された回転ドラム３が、その軸心方向を正面側から背面側に向けて下向きに傾斜させて回転自在に支持されている。

水受け槽２の正面側には回転ドラム３の開口端に通じる衣類出入口４が形成され、洗濯機本体１の正面側の上向き傾斜面に設けられた開口部を開閉可能に閉じる扉５を開閉することにより、衣類出入口４を介して回転ドラム３内に対して洗濯物を出し入れすることができる。

回転ドラム３には、その周面に水受け槽２内に通じる多数の透孔６が形成され、内周面の複数位置に衣類攪拌用の攪拌突起１５が設けられている。この回転ドラム３は、水受け槽２の背面側に取り付けられたモータ７によって正転及び逆転方向に回転駆動される。また、水受け槽２には、給水管路８及び排水管路９が配管接続され、図示しない給水弁及び排水弁の制御によって水受け槽２内への給水及び排水がなされる。

扉５を開き回転ドラム３内に洗濯物及び洗剤を投入して、洗濯機本体１の例えば前面上部に設けられた操作パネル１０での操作により運転を開始させると、水受け槽２内には給水管路８から所定量の給水がなされ、モータ７により回転ドラム３が回転駆動されて洗濯工程が開始される。回転ドラム３の回転により、回転ドラム３内に収容された洗濯物は回転ドラム３の内周壁に設けられた攪拌突起１５によって回転方向に持ち上げられ、持ち上げられた適当な高さ位置から落下する攪拌動作が繰り返されるので、洗濯物には叩き洗いの作用が及んで洗濯がなされる。

所要の洗濯時間の後、汚れた洗濯液は排水管路９から排出され、回転ドラム３を高速回転させる脱水動作により洗濯物に含まれた洗濯液を脱水し、その後、水受け槽２内に給水管路８から注水してすすぎ工程が実施される。このすすぎ工程においても回転ドラム３内に収容された洗濯物は回転ドラム３の回転により攪拌突起１５により持ち上げられて落下する攪拌動作が繰り返されてすすぎ洗いが実施される。

また、モータ７の背面には、その回転状態を検知するために、モータの回転子（ロータ）の位置を検出する位置検出素子等で構成された回転検知部１４が設けられている。

以上のような構成のドラム式洗濯機においては、回転ドラム３に投入された衣類等洗濯物の布量を検出し、布量に応じて洗濯時間等を自動的に決定する機能が付加されているのが一般的である。

布量を検出する方法の一例について、図６および、図７を参照して、以下に説明する。

布量の検出は、回転ドラム３を回転駆動するためのモータ７を制御する機能を有する制御回路（図示せず）により行われる。

洗濯を開始すると、まず、制御回路は、モータ７を始動し、回転検知部１４からは検知出力が入力される。回転検知部１４の検出周波数は、モータ７の回転に比例して直線的に変化する。即ち、制御回路は、回転検知部１４からの入力周波数が小さいときは、位相制御の手段によりモータ７の電源電圧の平均電圧を大きくし、また、周波数が大きくなると平均電圧を小さくする。

布量検知工程では、回転制御を行ないながら、制御回路内部で徐々にモータ７に印加する平均電圧を上昇させて高速回転に移行し、衣類が回転ドラム３の内壁に遠心力により均一に張りつくようにする。その状態で、所定時間回転を持続した後、モータ７の通電を停止する。それにより、回転ドラム３の惰性回転が、逆にモータ７を回転させる状態になる。このとき回転検知部１４は、図７に示すように、回転ドラム３の惰性回転力の摩擦トルクにより、しだいに低下して停止する様子を分回転速度即ち回転数に変換して出力する。

図７における横軸は時間、縦軸は駆動電動機（モータ）の分回転数を示すもので、通電停止Ｅ点から回転ドラム３の停止までの時間は、布量が多いときは長く、布量が少ないときは短い。この停止に要する時間の違いが布量に比例することを利用して布量を検知するものである。

ここで布量を布の重量として捉えることとし、布の重量をｍ、回転ドラム３の内周に分布する布の平均半径をｒ、回転ドラム３やモータ７の慣性モーメントをＪｄとすると、布を含めた回転系の慣性モーメントＪは式（１）で求められる。

Ｊ＝Ｊｄ＋ｍｒ^２（１）
また、モータ７の発生トルクをＴ、ドラムや回転軸などが有する摩擦トルクをＴｂ、回転ドラム３の角加速度をαとおくと、これらの関係は式（２）で表される。

Ｔ＝Ｊα＋Ｔｂ（２）
角加速度αは角速度ωと時間ｔの関数として式（３）で表されるから、式（４）のように、布の平均半径ｒが一定であれば、布の重量ｍに応じて、回転数すなわち角速度ωが変化する。

α＝ｄω／ｄｔ（３）
ｄω／ｄｔ＝（Ｔ−Ｔｂ）／（Ｊｄ＋ｍｒ^２）（４）
上式（４）から、ｄω／ｄｔつまり回転数の変化は、布の重量ｍに反比例することがわかる。

上記構成より、モータ７の通電を停止しして回転ドラム３を惰性回転させ、回転ドラム３が停止するまでのある時間区間における回転数の変化を測定することによって、布量を判定するようにしている。

特開平５−１６８７８６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、回転ドラム３の惰性回転力が摩擦トルクによりしだいに低下して、回転ドラム３が停止するまでの時間と布量の比例関係を、予め実験により求めておき、その求めた測定値を、同一機種の全ての洗濯機に適用することになる。

しかしながら、式（４）から判るように、ドラム回転軸の摩擦トルクＴｂのバラツキの影響により、ドラムが停止するまでの時間と布量の比例関係は一定ではなく、個々の洗濯機によって相違する数値を有する。そのため、上記従来の布量検知方法にはバラツキがあり検知精度は必ずしも高くないという課題を有していた。

また、式（１）は、布の重量に応じて布の平均半径ｒが一意に決定される場合には、布の重量ｍと慣性モーメントＪが一対一の関係となって、式（４）によって、布の重量ｍを検知することができる。しかしながら、布の重量が一定であっても、布の偏りなどが発生した場合、回転ドラム３の中における布の分布が変化し、平均半径ｒが布の重量だけでは決できず、検知精度がさらに悪くなるという課題を有していた。

また、従来の布量検知方法においては、衣類の状態に係らず回転ドラム３の回転を一旦上昇させてしまうので、回転ドラム３内に収容された洗濯物が極端な偏り（アンバランス分布）のある場合、洗濯槽が大きく振動し、洗濯槽が洗濯機本体に衝突して異常音を発するなど、検知精度を大きく損ねる可能性があるという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、ドラム内における衣類の分布がより均一になるように張りつけた上で、ドラムの回転の上昇および降下の速度の双方を用いて布量を測定することで、布の偏りによる慣性モーメントの変化を低減した上で、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキによる影響を抑制して、簡単な構成で、安定的に精度良く検知可能な布量検知手段を有する洗濯機を提供することを目的としている。

前記従来の課題を解決するために、本発明のドラム式洗濯機は、水平または斜めの回転中心軸を有する回転ドラムと、前記回転ドラムを回転駆動するモータと、前記モータの回転数を検知する回転数検知部と、前記回転数検知部の検知出力に基づき前記モータに印加する電圧もしくは通電電流を制御し前記回転ドラムの回転を制御する制御部とを備え、前記制御部により所定の加速度トルクで前記回転ドラムの回転を加速して、所定の回転数Ｎ１から所定の回転数Ｎ２まで回転数が上昇する間の加速時角加速度α１を測定する第１の検知工程と、前記第１の検知工程の前に、前記制御部により前記加速時角加速度α１よりも低くなるように予め設定された角加速度β１で前記回転ドラムの回転数を上昇させながら洗濯物を前記回転ドラム内に張りつかせるバランス工程と、前記第１の検知工程の後に、前記制御部により所定の減速度トルクで前記回転ドラムの回転を減速して、所定の回転数Ｎ３から所定の回転数Ｎ４まで回転数が低下する間の減速時角加速度α２を測定する第２の検知工程を有し、前記制御部は記加速時角加速度α１と前記減速時角加速度α２に基づき布量を検知するようにしている。

これによって、ドラム内における衣類の分布がより均一になるように衣類を張りつけた上で、ドラムの回転の上昇および降下の速度の双方を用いて布量を測定するので、布の偏りによる慣性モーメントの変化を低減した上で、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキによる影響を抑制して、簡単な構成で、安定的に精度良く検知可能な布量検知を行うことができる。

本発明のドラム式洗濯機は、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキによる影響を抑制して、簡単な構成で、安定的に精度良く検知可能な布量検知を行うことができる。

本発明の実施の形態におけるドラム式洗濯機の制御装置を示す回路図同ドラム式洗濯機に用いられる布量検知の動作を示す図同布量検知の布量と加速度差を示す図布量検知工程を示すフローチャート同布量検知におけるベクトル制御を示すブロック図従来および本発明の実施の形態におけるドラム式洗濯機の概略構成を示す断面図従来のドラム式洗濯機の布量検知を示す図

第１の発明は、水平または斜めの回転中心軸を有する回転ドラムと、前記回転ドラムを回転駆動するモータと、前記モータの回転数を検知する回転数検知部と、前記回転数検知部の検知出力に基づき前記モータに印加する電圧もしくは通電電流を制御し前記回転ドラムの回転を制御する制御部とを備え、前記制御部により所定の加速度トルクで前記回転ドラムの回転を加速して、所定の回転数Ｎ１から所定の回転数Ｎ２まで回転数が上昇する間の加速時角加速度α１を測定する第１の検知工程と、前記第１の検知工程の前に、前記制御部により前記加速時角加速度α１よりも低くなるように予め設定された角加速度β１で前記回転ドラムの回転数を上昇させながら洗濯物を前記回転ドラム内に張りつかせるバランス工程と、前記第１の検知工程の後に、前記制御部により所定の減速度トルクで前記回転ドラムの回転を減速して、所定の回転数Ｎ３から所定の回転数Ｎ４まで回転数が低下する間の減速時角加速度α２を測定する第２の検知工程を有し、前記制御部は記加速時角加速度α１と前記減速時角加速度α２に基づき布量を検知することにより、ドラム内における衣類の分布がより均一になるように衣類を張りつけた上で、ドラムの回転の上昇および降下の速度の双方を用いて布量を測定するので、布の偏りによる慣性モーメントの変化を低減した上で、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキによる影響を抑制して、簡単な構成で、安定的に精度良く検知可能な布量検知を行うことができる。

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。なおこの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）
本発明の第１の実施の形態におけるドラム式洗濯機概略構造は、図６に示した従来のものと同様である。本実施の形態におけるドラム式洗濯機の動作を制御する制御装置は、図１の回路図に示すような概略構造を有する。

図１に示すように、商用電源２０の交流電力を整流器２１より整流し、チョークコイル２２及び平滑コンデンサ２３からなる平滑回路により平滑化された直流電力を駆動電力として、インバータ回路２４によりモータ７を回転駆動する。また、入力設定部２５から入力される運転指示、及び各検知手段（図示せず）により検知される運転状態の監視情報に基づいてモータ７の回転を制御し、負荷駆動部２６により給水弁２７、排水弁２８、送風ファン１２、ヒータ２９の動作を制御する。

モータ７は、３相巻線７ａ、７ｂ、７ｃを有するステータと、２極の永久磁石を有するロータとを備え、３つの位置検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃを設けた直流ブラシレスモータとして構成され、スイッチング素子２４ａ〜２４ｆにより構成されたＰＷＭ制御によるインバータ回路２４により回転制御される。位置検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃが検出するロータ位置検出信号は、マイコンにより構成された制御部３１に入力される。このロータ位置検出信号に基づいて、駆動回路３２はスイッチング素子２４ａ〜２４ｆのオン／オフ状態をＰＷＭ制御することにより、ステータの３相巻線７ａ、７ｂ、７ｃに対する通電を制御してロータを所要回転数で回転させる。

制御部３１は、３つの位置検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃの検出出力が入力される回
転数検知部３３を有する。回転数検知部３３は、３つの位置検出素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃのいずれかの信号の状態が変わるたびにその周期を検出し、その周期よりロータの回転数を算出する。回転数検知部３３の検知出力は布量検知部３４に供給され、検出された回転数に基づき、以下に説明するように布量が検知される。

なお、回転数検知部３３の検知出力は回転ドラム３の回転数に対応するので、以下の説明において回転ドラム３の回転数は、回転数検知部３３の検知出力により得られるものである。

以上のように構成された洗濯機について、以下その動作、作用を説明する。
本実施の形態における布量検知の特徴について、図２を参照して説明する。

図２は、布量検知の動作を示したものである。回転ドラム３の回転数上昇に要する時間、および回転数降下に要する時間との関係を示すもので、横軸は布量検知開始からの経過時間、縦軸は回転数である。

布量検知を開始すると、起動工程ｔａ後、予め設定された角加速度β１となるようにモータ７を制御し所定の回転数Ｎａから回転数Ｎｂへ立ち上げながらバランス工程ｔｂを行い、洗濯物を回転ドラム３内に均一に張りつかせていく。

ここで、角加速度β１は次の布量の検知行程で検知が想定される加速時角加速度α１よりも大きい値に設定してしまうと、加速時角加速度α１が精度良く測定できなくなってしまうため、角加速度β１は検知が想定される加速時角加速度α１よりも低くなるように予め設定しておくと良い。

バランス工程ｔｂが終了すると、モータ７によって加速トルクＴ１を発生させ、所定の回転数Ｎ１に到達後、所要時間ｔ１の間にΔＮ１だけ回転数を上昇させ所定の回転数Ｎ２に到達する第１の検知工程ｔｃが行われる。この第１の検知工程ｔｃが終了した後に、回転ドラム３の回転数を加速から減速に転じさせた上で、惰性回転したモータ７によって減速トルクＴ２を発生させ、所要時間ｔ２の間に回転数Ｎ３からΔＮ２だけ回転数を降下させ、所定の回転数Ｎ４に至る第２の検知工程ｔｄが行われる。

なお、回転数ＮａからＮｂの区間については、所定の一定の回転数として設定してもよい。

次に、第１の検知工程ｔｃの動作状態について考察する。

式（３）から、第１の検知工程ｔｃにおける角加速度α１は式（５）で表される。

α１＝ΔＮ１／ｔ１（５）
また、式（１）および（２）より、式（６）が成立する。

Ｔ１＝α１（Ｊｄ＋ｍｒ^２）＋Ｔｂ（６）
同様に、第２の検知工程ｔｄについて考察すると、第２の検知工程ｔｄにおける角加速度をα２と置いた場合に、式（７）、式（８）となる。

α２＝ΔＮ２／ｔ２（７）
Ｔ２＝α２（Ｊｄ＋ｍｒ^２）＋Ｔｂ（８）
式（６）および式（８）から、摩擦トルクＴｂの成分を消去すると、式（９）となる。

α１−α２＝（Ｔ１―Ｔ２）／（Ｊｄ＋ｍｒ^２）（９）
図３は、布量と加速度差の関係を示したものである。横軸は布の重量、縦軸は加速度差を示す図であり、上記式（９）を判りやすく示すものである。

式（９）は、布のドラム内周における平均半径ｒ、加速トルクＴ１、減速トルクＴ２がある一定の値である場合に、図３に示すように、布の重量ｍに応じて（α１−α２）が変化することを示している。

ここで、α１とα２は式（５）および式（７）に示すとおり、回転ドラム３の回転数と時間の関係を測定することによって容易に得ることが可能である。したがって、布の重量ｍと角加速度の変化（α１−α２）の関係を把握し、図１の制御部の布量検知部３４に演算用テーブルなどとして保存しておけば、摩擦トルクＴｂの変化に関係無く、容易に精度良く、布量を検知することができることが分かる。

図４は、布量検知工程のフローチャートを示したものである。
布量検知工程がスタートすると（ステップＳ１）、制御部３１は、起動工程ｔａを行い（ステップＳ２）、モータ７を駆動してドラムの回転を高めていく。その後、回転角加速度β１で徐々に回転数を上げながら回転ドラム３内に均一に衣類を張りつけていくバランス工程ｔｂを行う（ステップＳ３）。次に、回転数がＮｂに達したら、加速トルクＴ１で加速し（ステップＳ４）、第１の布量検知工程に移行する。所定の回転数Ｎ１から、所定の加速トルクＴ１により回転ドラム３の回転数を上昇させて、回転数がΔＮ１だけ上昇した所定の回転数Ｎ２に到達させるように制御する（ステップＳ５）。回転ドラム３が回転数Ｎ２に到達した時点で、回転数がΔＮ１上昇するのに要した所要時間ｔ１を算出する（ステップＳ６）。

次に、減速トルクＴ２で減速し（ステップＳ７）、第２の布量検知工程に移行する。回転ドラム３が所定の回転数Ｎ３からΔＮ２だけ回転数が降下した所定の回転数Ｎ４に到達した時点で（ステップＳ８）、回転数がΔＮ２だけ降下するのに要した所要時間ｔ２を算出する（ステップＳ９）。次にΔＮ１、ｔ１、ΔＮ２、ｔ２から式（５）および式（７）に基づいて、角加速度の差α１−α２を求め（ステップＳ１０）、予め測定しておいた判定値と布量の関係から、式（９）に基づいて布量を求める（ステップＳ１１）。

なお、式（９）を用いて精度良く布量検知を行うためには、モータ７の加速トルクＴ１と減速トルクＴ２が一定となるように制御することが望ましい。

このような制御は、モータ７に印加する電圧を制御することでも実現可能ではあるが、一般的には、以下に述べるような、ベクトル制御によってモータ７のトルク一定制御を行うことができる。

図５は、布量検知におけるベクトル制御を示すブロック図を示したものである。

図５のブロック図において、モータ７に通電される電流のうち、すくなくとも２相の電流と、ホールＩＣなどによって得られるモータの回転位置信号を検知する。

これらの信号を用いて、モータ７の電流を、トルク成分であるＩｑと磁束成分であるＩｄという直交する２つの電流に換算する。その後、換算されたＩｑおよびＩｄと、指令されているＩｑ＊およびＩｄ＊を比較したうえで、適切な制御ゲインＰ、Ｉなどを用いることによって、モータ７のＩｑ、Ｉｄを一定に制御することができる。

ここで、モータ７のトルクＴは次式（１０）で表されることから、Ｉｑ（ｑ軸電流）と
Ｉｄ（ｄ軸電流）を制御すれば、モータ７のトルクＴを制御可能である。

Ｔ＝Ｐ（ψａ・Ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ＩｑＩｄ）（１０）
なお、Ｐはモータ７の極対数、ψａは磁石による鎖交磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスを示す。

特に、式（１０）におけるψａ・Ｉｑはマグネットトルクを表しており、モータが発生するトルクの主成分である。したがって、モータ７のトルクはＩｑ（ｑ軸電流）によって主体的に制御することが可能である。

また、Ｉｄ（ｄ軸電流）がゼロではない場合、回転状態によってＬｄやＬｑが変化すると、トルクＴの変動、あるいは布量の計算を行う時にトルクＴを演算する場合に誤差が生じやすくなる。このように、Ｉｑ（ｑ軸電流）とＩｄ（ｄ軸電流）を一定に制御してもトルクＴが一定にならない場合が存在することから、Ｉｄ（ｑ軸電流）をゼロとし、Ｉｑ（ｑ軸電流）を一定に制御してモータ７のトルクを一定に制御することによって、布量の検知計算誤差を小さくすることが可能となる。

このように、ドラム内における衣類の分布がより均一になるように衣類を張りつけた上で、ドラムの回転の上昇および降下の速度の双方を用いて布量を測定するので、布の偏りによる慣性モーメントの変化を低減した上で、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキによる影響を抑制して、簡単な構成で、安定的に精度良く検知可能な布量検知を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる洗濯機は、ドラムの回転の上昇および降下の速度の双方を用いて布量を測定し、布の偏りによる慣性モーメントの変化を低減した上で、ドラム回転軸の摩擦トルクのバラツキによる影響を抑制して、簡単な構成で、安定的に精度良く検知可能な布量検知を行うことができるので、縦型の洗濯機や乾燥機、乾燥機能のついた洗濯乾燥機等の用途にも適用できる。

３回転ドラム
７モータ
３１制御部
３３回転数検知部
ｔｂバランス工程
ｔｃ第１の検知工程
ｔｄ第２の検知工程

Claims

水平または斜めの回転中心軸を有する回転ドラムと、前記回転ドラムを回転駆動するモータと、前記モータの回転数を検知する回転数検知部と、前記回転数検知部の検知出力に基づき前記モータに印加する電圧もしくは通電電流を制御し前記回転ドラムの回転を制御する制御部とを備え、前記制御部により所定の加速度トルクで前記回転ドラムの回転を加速して、所定の回転数Ｎ１から所定の回転数Ｎ２まで回転数が上昇する間の加速時角加速度α１を測定する第１の検知工程と、前記第１の検知工程の前に、前記制御部により前記加速時角加速度α１よりも低くなるように予め設定された角加速度β１で前記回転ドラムの回転数を上昇させながら洗濯物を前記回転ドラム内に張りつかせるバランス工程と、前記第１の検知工程の後に、前記制御部により所定の減速度トルクで前記回転ドラムの回転を減速して、所定の回転数Ｎ３から所定の回転数Ｎ４まで回転数が低下する間の減速時角加速度α２を測定する第２の検知工程を有し、前記制御部は記加速時角加速度α１と前記減速時角加速度α２に基づき布量を検知するようにしたドラム式洗濯機。