JP4805061B2 - 回転体制御装置及びこれを備える洗濯機 - Google Patents

Description

本発明は、回転時に生じる偏心状態、いわゆるアンバランスが発生する可能性を有する回転体の動作を制御する回転体制御装置及びこれを備える洗濯機に関する。

前述のアンバランスが発生する回転体としては、例えば洗濯機のスピンバスケットが挙げられる。洗濯機の脱水工程においては、スピンバスケット内にある洗濯物がスピンバスケットの内周に沿って不均一に配置されて前記アンバランスが発生する。この状態でスピンバスケットを高速回転した場合には、スピンバスケットの回転軸に偏った力が加わり大きな振動が発生する。

このようなアンバランスによる振動を防止するために、スピンバスケットと同心状に設けられたレースと該レースの内部にオイルとともに収容された複数の転動体とを有するバランシング手段を備えた洗濯機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この洗濯機においては、スピンバスケットが高速回転された際に、アンバランスを打ち消すように転動体がレース内を自動的に移動して、回転軸に偏った力が加わることを防止できる。
特開平１０−４３４７２号公報

ところで、前述のバランシング手段を備えた洗濯機においては、アンバランス重量が転動体の総重量よりも大きいときには、転動体がアンバランスの周方向反対側（逆位相）に位置した場合でもアンバランスを十分に打ち消すことができずに、定常的に振動が発生してしまう。なお、アンバランス重量とは、回転時に発生した回転体の偏心量である。

また、前述のバランシング手段においては、スピンバスケットの回転数がこのスピンバスケットの固有振動数よりも高い場合には、アンバランスと釣り合うように転動体が安定して位置することが知られている。
一方、スピンバスケットの回転数が前記固有振動数よりも低い場合には、転動体の移動速度とアンバランスの移動速度（すなわちスピンバスケットの回転速度）とにずれが生じて、アンバランスと転動体との相対位置が周期的に変化することになる。

ここで、転動体とアンバランスとが周方向の同位置（同位相）に配置された場合には、より大きな力が回転軸に加わって、大きな振動が発生してしまう。さらに、スピンバスケットの回転数が前記固有振動数と一致する時点で、転動体とアンバランスとが同位相に配置されると共振が一層激しくなって異常振動が発生してしまう。

本発明は、前述の事情に鑑みてなされたものであって、バランシング手段を備えた回転体において、バランシング手段による振動抑制効果を確実に奏功せしめることができるとともに、回転体に発生するアンバランスとバランシング手段の転動体との相対位置の変動による異常振動の発生を確実に抑制できる回転体制御装置及びこれを備えた洗濯機を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る回転体制御装置は、回転軸を中心に回転自在に取り付けられた回転体の回転動作を制御する回転体制御装置において、前記回転体と一体にかつ当該回転体の回転軸と同心に設けられた環状形状でなるレースと、当該レースの内部で移動自在に収容された複数の転動体とを有するバランシング手段と、前記回転体の回転時に生じる当該回転体の偏心量と、前記レースの内部における各前記転動体の相対位置の変動量とに基づき発生するうなり信号を検知する検知手段と、前記検知手段により検知された前記うなり信号の振幅変動を解析する解析手段と、前記解析手段による解析結果に基づいて、前記回転体の回転動作を制御する制御手段とを備えることを特徴としている。

この構成の回転体制御装置においては、前記回転体の回転時に生じる当該回転体の偏心量と、前記レースの内部における各前記転動体の相対位置の変動量とに基づき発生するうなり信号を検知し、このうなり信号の振幅変動を解析することによって、回転体のアンバランスとバランシング手段の転動体との周方向における相対位置やアンバランス重量を算出することができる。これらの算出結果に応じて回転体の動作を制御することで、回転体の定常的振動や異常振動を抑制することができる。
ここで、前記回転体の回転時に生じる当該回転体の偏心量と、前記レースの内部における各前記転動体の相対位置の変動量とに基づき発生するうなり信号としては、例えば、回転体をモータで回転させた際のモータ回転速度、モータ電流及びモータの加速度などが挙げられる。

本発明によれば、バランシング手段を備えた回転体において、バランシング手段による振動抑制効果を確実に奏功せしめることができるとともに、回転体に発生するアンバランスとバランシング手段の転動体との相対位置の変動による異常振動の発生を確実に抑制できる回転体制御装置及びこれを備えた洗濯機を提供することができる。

以下に、本発明の一実施形態である洗濯機について添付した図面を参照にしながら説明する。
本実施形態における洗濯機１０は、洗濯工程、脱水工程を行うことが可能なドラム式洗濯機である。この洗濯機１０は、図１に示すように、筐体１１と、筐体１１の内部に配置されたタブ１２と、タブ１２の内部に回転自在に設けられたスピンバスケット２０（回転体）と、このスピンバスケット２０を回転軸Ｌ回りに回転させるモータ３０と、スピンバスケット２０に発生するアンバランスを打ち消すためのバランシング装置４０（バランシング手段）とを備えている。

タブ１２は、有底円筒状をなしており、その中心軸が水平面と平行に配置されて前方側（図１において右側）に開口部が配置されている。このタブ１２は、筐体１１内部において複数のバネ１３やダンパ１４によって支持されている。また、タブ１２の底面には、後述するスピンバスケット２０の主軸２４を支持する軸受１５が設けられている。

このタブ１２の内部に配置されたスピンバスケット２０は、円筒状の側面板２１とこの側面板２１の前後面にそれぞれ結合される前面板２２及び後面板２３とを有している。前面板２２には開口部が形成されており、スピンバスケット２０の内部に洗濯物Ｗを出し入れできるように構成されている。
また、後面板２３の後方側（図１において左側）には、スピンバスケット２０を回転軸Ｌ回りに回転可能とする主軸２４が設けられており、この主軸２４がタブ１２の軸受１５に軸支されている。これにより、スピンバスケット２０の回転軸Ｌとタブ１２の中心軸とが一致するように配置される。

側面板２１には、内周側に向けて突出したリフタ２１Ａが、周方向に等間隔で複数形成されている。このリフタ２１Ａはスピンバスケット２０の回転に伴って内部の洗濯物Ｗをかき上げるものである。
また、側面板２１には、スピンバスケット２０の内部とタブ１２とを連通する多数の通水孔２１Ｂが穿設されており、洗濯時にはタブ１２に注水された水をこの通水孔２１Ｂを通じてスピンバスケット２０内に供給し、脱水時には洗濯物Ｗから脱水された水をタブ１２へと排出する構成とされている。

モータ３０は、例えばＤＣモータ３０であって、主軸２４をその回転軸Ｌ回りに回転させる構成とされている。
そして、このモータ３０には、モータ３０の回転速度ωを測定するためのＨａｌｌ−ＩＣセンサ３１が備えられている。このモータ３０の動作は、モータ回転制御部３２によって制御されている。

バランシング装置４０は、スピンバスケット２０の前面板２２及び後面板２３にそれぞれ設けられている。このバランシング装置４０は、スピンバスケット２０の回転軸Ｌを中心として同心状に形成された溝状のレース４１と、このレース４１の内部にオイルとともに収容される複数のボール４２とを備えている。これら複数のボール４２は前記レース４１内を摺動可能に配置されている。

次に、バランシング装置４０の動作について説明する。スピンバスケット２０の内部に洗濯物Ｗを投入してスピンバスケット２０を回転させると、図２に示すように、スピンバスケット２０の内周面の一部に洗濯物Ｗが張り付くようにして配置される。これによりスピンバスケット２０にはアンバランスが発生することになる。スピンバスケット２０をその固有振動数νよりも高い回転数Ｎで回転させると、バランシング装置４０内の複数のボール４２が自動的に移動してアンバランスを打ち消すように配置される。

一方、スピンバスケット２０の回転数Ｎが前記固有振動数νよりも低い場合には、重力によってボール４２の移動速度がアンバランスの移動速度（スピンバスケット２０の回転速度）よりも遅くなって、アンバランスとボール４２との周方向における相対位置が周期的に変動することになる。この変動に起因してうなり信号Ｂが発生する。本実施形態においては、図３に示すように、Ｈａｌｌ−ＩＣセンサ３１を検出手段として、モータ３０の回転速度ωの変動をうなり信号Ｂとして検出するように構成されている。

本実施形態においては、図３に示すように、モータ３０の回転速度ωをＨａｌｌ−ＩＣセンサ３１（検知手段）で測定して前記うなり信号Ｂを検出し、解析手段３３によってうなり信号Ｂ（モータ３０の回転速度ω）の振幅Δωの変動を解析し、モータ回転制御部３２（制御手段）によってモータ３０の回転（スピンバスケット２０の回転）動作を制御している。より具体的には、アンバランス重量算出部３４でうなり信号Ｂからアンバランス重量を算出し、アンバランス重量判定部３５でアンバランス重量とボール重量との関係を判定する。また、相対位置算出部３６でうなり信号Ｂからボール４２とアンバランスとの相対位置を算出して加速タイミング判定部３７でスピンバスケット２０の加速タイミングを決定する。これらアンバランス重量判定部３５及び加速タイミング判定部３７からの判定に基いてモータ回転制御部３２によってスピンバスケット２０の回転動作を制御する。

アンバランスとボール４２との周方向における相対位置とうなり信号Ｂとの関係を図４に示す。アンバランスとボール４２とが周方向において逆位相に配置されると振動が抑えられるので、うなり信号Ｂの振幅（モータ３０の回転速度ωの振幅Δω）が最小となる。一方、アンバランスとボール４２とが周方向において同位相に配置されると回転軸Ｌに大きな力が作用して振動が大きくなるので、うなり信号Ｂの振幅（モータ３０の回転速度ωの振幅Δω）が最大となる。
そして、うなり信号Ｂの振幅が徐々に大きくなっていく状態ではアンバランスとボール４２とが逆位相から同位相へと相対移動しており、うなり信号Ｂの振幅が徐々に小さくなっていく状態ではアンバランスとボール４２とが同位相から逆位相へと相対移動していることになる。

次に、うなり信号Ｂからアンバランス重量を算出する方法について説明する。モータ３０の回転速度ωは、（１）式で表される。なお、（１）式において、Ｍ_ｕｎｂ：アンバランス重量、Ｍ_ｂａｌｌ：ボール４２の総重量、ω_ｓ；スピンバスケット２０の回転速度、ω_ｂ；ボール４２の回転速度、α、β；それぞれの初期位相、Ｊ；慣性の総量、ｒ；回転半径、ｇ；重力加速度、τ；モータ３０のトルクを表す。

ここで、モータ３０の速度ωの振幅Δωは、アンバランスとボール４２とが同位相に配置された場合に最大となり、逆位相に配置された場合に最小となる。したがって、（１）式を最大と最小のみに特定すると、以下のように表現される。
同位相の場合、Δω_ｍａｘ＝ｋ_２×（Ｍ_ｕｎｂ＋Ｍ_ｂａｌｌ） …（２）
逆位相の場合、Δω_ｍｉｎ＝ｋ_２×｜Ｍ_ｕｎｂ−Ｍ_ｂａｌｌ｜ …（３）
これら（２）式、（３）式から、アンバランス重量（Ｍ_ｕｎｂ）は次のように表される。なお、ｋ_１＝１／２ｋ_２である。
Ｍ_ｕｎｂ＞Ｍ_ｂａｌｌ の場合、Ｍ_ｕｎｂ＝ｋ_１×（Δω_ｍａｘ＋Δω_ｍｉｎ） …（４）
Ｍ_ｕｎｂ＜Ｍ_ｂａｌｌ の場合、Ｍ_ｕｎｂ＝ｋ_１×（Δω_ｍａｘ−Δω_ｍｉｎ） …（５）
これら（４）式、（５）式によって、モータ３０の回転速度ωの測定値からアンバランス重量を算出することができる。

本実施形態においては、アンバランス重量がボール４２の総重量よりも大きいかどうかを判断するため、（４）式のみに着目する。（Δω_ｍａｘ＋Δω_ｍｉｎ）＝Ａを計測すると、図５に示すように、アンバランス重量がボール４２の総重量（Ｍ_ｂａｌｌ）よりも小さい場合には（Δω_ｍａｘ＋Δω_ｍｉｎ）＝Ａは一定であり、アンバランス重量がボール４２の総重量（Ｍ_ｂａｌｌ）を超えると増加に転じる。この特性を利用することでアンバランス重量がボール４２の総重量（Ｍ_ｂａｌｌ）を超えたことを検出することができる。なお、この（Δω_ｍａｘ＋Δω_ｍｉｎ）＝Ａの値は、図５に示すように、スピンバスケット２０内の洗濯物Ｗの重量によって変化するため、既知の布量検出手段によってスピンバスケット２０内の洗濯物Ｗの重量を測定しておき、（Δω_ｍａｘ＋Δω_ｍｉｎ）＝Ａの閾値ζを予め選択することになる。

このようにしてモータ３０の回転速度ωをＨａｌｌ−ＩＣセンサ３１によって測定して、アンバランス重量算出部３４で前述のようにしてアンバランス重量を算出し、アンバランス重量判定部３５においてアンバランス重量とボール４２の総重量を比較し、アンバランス重量が大きい場合には、図７のフローチャートに示すように、スピンバスケット２０の回転数Ｎを低下させて、スピンバスケット２０の内周面に張り付いていた洗濯物Ｗをほぐしてアンバランスの修正を行う。

次に、うなり信号Ｂからアンバランスとボール４２との相対位置を算出して、スピンバスケット２０の回転動作を制御する方法について説明する。図４に示したように、モータ３０の回転速度ωの振幅Δωを一定期間測定することで、振幅Δωの変動によってアンバランスとボール４２との相対位置を算出することができる。

ここで、脱水工程の初期段階においては、洗濯物Ｗが水を多く含んでいるために脱水された水の排出が不十分となるため、スピンバスケット２０の回転数Ｎを急速に上昇させることはできない。このため脱水工程の初期段階では、図６に示すように、低い回転数Ｎ=γで一定時間回転させるとともに一定の上昇比率（加速度）で回転数Ｎを上昇することになる。

したがって、初期の回転数Ｎ＝γと上昇比率（加速度）とによって、加速開始からこのスピンバスケット２０の固有振動数νに達するまでの加速時間ｔ１が算出される。加速タイミング判定部３７によって、この加速時間ｔ１における位相変化を計算して、スピンバスケット２０の回転数Ｎが固有振動数νに達する際にボール４２とアンバランスとが逆位相となるように加速のタイミングを図る。
なお、本実施形態においては、図７のフローチャートに示すように、うなり信号Ｂの振幅を順次測定して、これらの測定値Δω１、Δω２、Δω３を比較して、Δω１＞Δω２、Δω２＞Δω３となるように、つまり振幅Δωが減少傾向にある場合に、スピンバスケット２０の回転数Ｎを上昇させるように構成されている。

この構成の洗濯機１０によれば、モータ３０の回転速度ωをうなり信号Ｂとして検出するＨａｌｌ−ＩＣセンサ３１と、うなり信号Ｂを解析してアンバランス重量を算出するアンバランス重量算出部３４と、アンバランス重量とボール４２の総重量を比較するアンバランス重量判定部３５とを備えており、アンバランス重量がボール４２の総重量を超えた場合にはスピンバスケット２０の回転数Ｎを一時低下させてアンバランスの修正を行うようにモータ回転制御部３２で制御するので、バランシング装置４０によるスピンバスケット２０の振動抑制効果を確実に奏功せしめることができる。したがって、脱水工程における定常的な振動の発生を確実に防止することができる。

さらに、うなり信号Ｂを解析してボール４２とアンバランスとの相対位置を算出する相対位置算出部３６と、スピンバスケット２０の加速タイミングを決定する加速タイミング判定部３７とを備えているので、スピンバスケット２０の回転数Ｎが固有振動数νに達する時点でボール４２とアンバランスとの相対位置が逆位相となるように加速タイミングを決定することができ、スピンバスケット２０の激しい共振を防止して異常振動の発生を抑制できる。

また、本実施形態では、うなり信号Ｂを検出する検出手段として、モータ３０に備えられたＨａｌｌ−ＩＣセンサ３１を利用しているので、特別なセンサを別途設けることなくうなり信号Ｂを検出することができ、洗濯機１０の製造コストの上昇させることなく振動を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態である洗濯機１０について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
この回転体制御装置を備える装置としては、洗濯機１０に限定されることはなく、遠心分離機等の他の産業機器や民生品であっても良い。

さらに、うなり信号Ｂとしてモータ３０の回転速度ωの周期変動をＨａｌｌ−ＩＣセンサ３１によって検知するものとして説明したが、これに限定されることはなく、モータ３０の回転速度ωを一定に制御してその際のモータ３０電流値の変動をうなり信号Ｂとして検知するものでも良いし、あるいは、加速度センサによってモータ３０の加速度の周期変動をうなり信号Ｂとして検知しても良い。

本発明の一実施形態である洗濯機の断面模式図である。 図１に示す洗濯機に備えられたバランシング装置の概略説明図である。 図１に示す洗濯機のブロック図である。 図１に示す洗濯機のうなり信号を示す図である。 図４に示すうなり信号の振幅とアンバランス重量との関係を示す図である。 脱水工程におけるモータ回転数の上昇パターンを示す説明図である。 図１に示す洗濯機の脱水工程におけるフローチャートである。

符号の説明

１０ 洗濯機
２０ スピンバスケット（回転体）
３１ Ｈａｌｌ−ＩＣセンサ（検出手段）
３２ モータ回転制御部（制御手段）
３３ 解析手段
３４ アンバランス重量算出部（アンバランス重量算出手段）
３５ アンバランス重量判定部（アンバランス重量判定手段）
３６ 相対位置算出部（相対位置算出手段）
３７ 加速タイミング判定部（加速タイミング判定手段）
４０ バランシング装置（バランシング手段）
４１ レース
４２ ボール（転動体）

Claims (6)

1. 回転軸を中心に回転自在に取り付けられた回転体の回転動作を制御する回転体制御装置において、
   前記回転体と一体にかつ当該回転体の回転軸と同心に設けられた環状形状でなるレースと、当該レースの内部で移動自在に収容された複数の転動体とを有するバランシング手段と、
   前記回転体の回転時に生じる当該回転体の偏心量と、前記レースの内部における各前記転動体の相対位置の変動量とに基づき発生するうなり信号を検知する検知手段と、
   前記検知手段により検知された前記うなり信号の振幅変動を解析する解析手段と、
   前記解析手段による解析結果に基づいて、前記回転体の回転動作を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする回転体制御装置。
2. 前記解析手段は、
   前記検知手段により検知された前記うなり信号の振幅変動に基づいて、前記回転体に発生したアンバランス重量を算出した後、当該アンバランス重量と各前記転動体の総重量とを比較し、
   前記制御手段は、
   前記アンバランス重量が各前記転動体の総重量よりも大きくなった時点で、前記回転体の回転数を一時低下させるように制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転体制御装置。
3. 前記解析手段は、
   前記検知手段により検知された前記うなり信号の振幅変動に基づいて、偏心状態にある前記回転体と各前記転動体との相対位置を算出した後、前記回転体の回転数が当該回転体の固有振動数と一致する時点で、前記回転体と各前記転動体との相対位置が逆位相となるように前記回転体の加速タイミングを制御する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転体制御装置。
4. 請求項１に記載の回転体制御装置を備え、
   前記回転体は、洗濯物を収容するための内部空間を有し、かつ前記回転軸を中心に回転自在に取り付けられたスピンバスケットである
   ことを特徴とする洗濯機。
5. 前記解析手段は、
   前記検知手段により検知された前記うなり信号の振幅変動に基づいて、前記スピンバスケットに発生したアンバランス重量を算出した後、当該アンバランス重量と各前記転動体の総重量とを比較し、
   前記制御手段は、
   前記アンバランス重量が各前記転動体の総重量よりも大きくなった時点で、前記スピンバスケットの回転数を一時低下させるように制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の洗濯機。
6. 前記解析手段は、
   前記検知手段により検知された前記うなり信号の振幅変動に基づいて、偏心状態にある前記スピンバスケットと各前記転動体との相対位置を算出した後、前記スピンバスケットの回転数が当該スピンバスケットの固有振動数と一致する時点で、前記スピンバスケットと各前記転動体との相対位置が逆位相となるように前記スピンバスケットの加速タイミングを制御する
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の洗濯機。

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