JP4905557B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、掃除用電化製品のためのモータ駆動装置に関する。本発明は、特に、手持ち型真空掃除機用のモータ駆動装置に関するが、これには限られない。

手持ち型真空掃除機は、周知であり、数年間にわたり製造されて販売されている。典型的には、手持ち型真空掃除機は、空気流を発生させるためのモータ及びファンユニットを収容した本体を有する。空気流は、真空掃除機に入口を通って流入する。分離器、例えばフィルタ、袋又はサイクロン分離器が、入口の下流側に設けられていて、空気流から汚れやほこりを分離するようになっている。この種の真空掃除機の一例が、英国特許第１２０７２７８号明細書に記載されている。

手持ち型真空掃除機は、電池式であるのが普通である。多くの場合、充電式電池が設けられる。しかしながら、電池式真空掃除機の公知の欠点は、使用中、電池により供給される電圧が著しく低下する場合があるということにある。さらに、電圧の低下速度は、電池中に残っている電荷が減少するにつれて増大する。電池電圧の低下の結果として、モータ速度が減少し、それにより真空掃除機を通る空気流が減少し、これに対応して真空掃除機の掃除性能が低下する場合がある。これは、真空掃除機の行う掃除作業の効率が低下するのでユーザにとって不便である。

日本国特開２００１−３５３１１１号公報は、真空掃除機のモータを駆動するための充電式電池装置を開示している。この装置は、使用中に電池が消耗すると、電池により供給される電流の減少を補償することができる。これは、モータに一定の電流を送るために、電池からの電流が減少すると電流のデューティを変化させることによって達成される。

本発明の目的は、掃除用電化製品が電池の使用可能な稼働時間全体を通じ良好な掃除性能を維持することができるようにするモータ駆動装置を提供することにある。本発明の別の目的は、電池の利用可能な稼働時間中、手持ち型真空掃除機の実質的に一定の掃除性能を維持するために、実質的に一定の電圧を電池源からモータに供給することができるモータ駆動装置を提供することにある。

英国特許第１２０７２７８号明細書 日本国特開２００１−３５３１１１号公報

本発明は、掃除用電化製品のためのモータ駆動装置であって、電池源と電力コントローラとを有し、電池源は、電力コントローラに第１の電圧を有する出力を供給するよう構成されると共に配置され、第１の電圧は、電池源を放電させると低下し、電力コントローラは、出力を調整してモータを駆動する駆動信号を発生させるよう構成されると共に配置され、駆動信号は、第２の電圧及び可変デューティサイクルを有し、電力コントローラは、第１の電圧が低下すると駆動信号のデューティサイクルを増大させて第２の電圧を単位時間当たり実質的に一定の平均値に維持するよう構成されると共に配置されていることを特徴とするモータ駆動装置を提供する。上述の構成を提供することにより、モータに電池の利用可能な稼働時間全体を通じ実質的に一定の電圧を供給することができる。掃除用電化製品の一部をなすモータを駆動する場合、上述の構成により、モータは、電池の利用可能な稼働時間全体を通じ実質的に一定の速度で作動することができ、その結果、初めから終わりまで変わらない掃除性能が得られる。

さらに、電池により供給される最大有効電圧は、デューティサイクルの「オン」期間中、モータによって利用可能であり、デューティサイクルの「オフ」期間中では、電池から電力が引き出されることはない。したがって、電池電圧が所望の電圧よりも高い場合に過剰電圧を例えば可変抵抗器で消散させる必要なく、実質的に一定の電圧をモータに供給することができる。この結果、効率が向上し、電池寿命が延びる。加うるに、本発明の構成は、別の構成、例えばスイッチング式電力供給装置よりも安価且つ単純である。

好ましくは、電力コントローラは、デューティサイクルが所定値に達すると、モータをオフに切り換えるよう構成されると共に配置されている。かかる構成を提供することにより、電力コントローラは、電池中の電荷が第２の電圧を単位時間当たり実質的に一定の平均値に維持するのに必要な最小値に達したかどうかを判定することができる。この時点を超えて作動を行うと、その結果として、電池は、掃除用電化製品の掃除性能を維持するのに必要な電圧を供給することができない。したがって、掃除用電化製品の掃除性能が低下する前にこの時点でモータをオフに切り換えることが望ましい。

より好ましくは、所定値は、１００％である。デューティサイクルが１００％に達すると、所要の掃除性能を維持するために、電力が電池から連続的に引き出される。したがって、電池を引き続き消耗させた場合、第２の電圧は、掃除性能を維持するのに必要な最小値を下回ることになる。その結果、電力コントローラは、更に電荷が電池から減少し、掃除性能が低下する前に、モータをオフに切り換えるよう構成されている。

好ましくは、電池源は、少なくとも１つのリチウムイオン電池から成る。リチウムイオン電池は、これらを手持ち型電化製品にとって理想的にする高い重量に対する高い電荷比を有する。

好ましくは、第１の電圧は、第２の電圧に等しい。かかる構成を提供することにより、モータを駆動する駆動信号を発生させる場合、電池からの出力の電圧の大きさ（振幅）を調整する必要がない。これにより、嵩張っていて非効率的な場合がある変圧器又は電圧調整器が不要になる。

次に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

本発明のモータ駆動装置を示す単純化された回路図である。 図１のモータ駆動装置からの出力及び駆動信号に関して電圧と時間との関係を表すグラフ図である。 図２に示す点Ａのところの駆動信号のデューティサイクルを示す図である。 図２に示す点Ｂのところの駆動信号のデューティサイクルを示す図である。 図２に示す点Ｃのところの駆動信号のデューティサイクルを示す図である。 電池出力電圧に対してプロットされた駆動振動のデューティサイクルのグラフ図である。 本発明のモータ駆動装置を有する手持ち型真空掃除機の等角図である。

図１は、本発明のモータ駆動装置１０を示している。モータ駆動装置１０は、充電式電池１２、モータ１４及び電力コントローラ１６を有している。モータ駆動装置１０は、電池１２と並列に且つモータ１４と直列に配置された電力用金属酸化物電界効果トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）１８を更に有している。パワーＭＯＳＦＥＴ１８は、ソース、ドレイン及びゲート（図示せず）を有し、電池１２の正端子と負端子との間のスイッチとして機能する。

電力コントローラ１６は、パワーＭＯＳＦＥＴ１８のゲートに接続されている。パワーＭＯＳＦＥＴ１８のソースとドレインとの間の電流の流れを制御するためにゲートを切り換えることができる。電力コントローラ１６は、４ｋＨｚの周波数及び電力コントローラ１６により特定されたデューティサイクルを有するタイミング信号Ｔを用いてゲートを切り換える。電力コントローラ１６の制御下において、タイミング信号Ｔは、「デッドタイム」（オフ状態）を挟んだ一連の波「パケット」（波束）又はパルス（オン状態）の形態を取る。デッドタイムは、パルス幅と周期の比であるデューティサイクルによって定められる。

電池１２は、６個のリチウムイオン電池から成っている。各リチウムイオン電池は、完全充電時に４．１Ｖの電圧を発生させることができる。６個のリチウムイオン電池は、完全充電時に２４．６Ｖの電圧Ｖ１を有する組み合わせ出力Ｓ１を生じさせる。

モータ１４は、空気流を発生させるファンユニット（図示せず）を有している。モータ１４及びファンユニットは、効率的に作動するためには１６．２Ｖの電圧を必要とする。モータ１４に関するそれ以上の構造的な細部は、本発明にとって重要ではないので、それ以上説明しない。この実施形態では、モータ１４は、駆動信号Ｓ２によって駆動されるよう構成されている。駆動信号Ｓ２は、タイミング信号Ｔにより制御されるパワーＭＯＳＦＥＴ１８を用いて出力Ｓ１を調整することにより生じる。したがって、駆動信号Ｓ２は、タイミング信号Ｔの周波数及びデューティサイクルと同一の周波数及びデューティサイクルを有する。駆動信号Ｓ２は、出力Ｓ１の電圧Ｖ１に等しい最大電圧を有している。しかしながら、駆動信号Ｓ２が調整されるので、駆動信号Ｓ２は、単位時間当たり平均電圧Ｖ２を更に有する。この実施形態では、単位時間当たりの平均電圧Ｖ２は、モータ１４を駆動する最小許容電圧に等しく、これは、１６．２Ｖである。

作動にあたり、電池１２は、この電池を完全充電すると、２４．６Ｖの電圧Ｖ１を有する出力Ｓ１を生じさせる。負荷が電池１２に接続されると、電池１２から電流が引き出され、この中に蓄えられている電荷は、減少し始める。電荷が減少すると、電池１２により活性する電圧Ｖ１は、低下することになる。一定負荷の場合の電池Ｖ１の時間依存性が、図２に示されている。図２に示されているように、まず最初に、電圧Ｖ１がゆっくりと低下する。しかしながら、電池１２内にほんの僅かな量の電荷が残存している場合、電圧Ｖ１は、電池１２が完全に放電されるまで急速に低下する。モータ１４に供給される単位時間当たりの平均電圧Ｖ２も又、図２に示されている。理解できるように、単位時間当たりの平均電圧Ｖ２は、モータ４が時点Ｘのところでオフに切り換えられるまで一定である。これについては後で説明する。単位時間当たりの平均電圧Ｖ２の大きさは、駆動信号Ｓのデューティサイクルによって定められる。

図３〜図５は、出力Ｓ１の電圧Ｖ１を有するデューティサイクルの変化を示している。図３は、図２に示す点Ａのところでの駆動信号Ｓ２を示している。駆動信号Ｓ２は、パルス幅ｗ１及び周期ｐを有している。図３から理解できるように、各パルス「パケット」のピーク電圧は、出力Ｓ１の電圧Ｖ１に等しい。点Ａのところでは、電池１２は、完全充電されており、出力Ｓ１は、２４．６Ｖの最大電圧Ｖ１を有する。この場合、電力コントローラ１６は、単位時間当たりの平均電圧Ｖ２が１６．２Ｖに等しくなるよう駆動信号Ｓ２のデューティサイクル（この場合、デューティサイクルは、ｗ１／ｐに等しい）を変化させる。これは、６５％のデューティサイクルに対応している。所要のデューティサイクルも又、比Ｖ２／Ｖ１から計算できる。

図４は、点Ｂ（図２）のところの駆動信号Ｓ２のデューティサイクルを示している。この点Ｂでは、駆動信号Ｓ２は、パルス幅ｗ２及びｗ２／ｐに等しいデューティサイクルを有している。点Ｂのところでは、出力Ｓ１の電圧Ｖ１は、１８Ｖまで低下している。したがって、駆動信号Ｓ２のピーク電圧は、１８Ｖである。その結果、所要のデューティサイクルは、１６．２Ｖの所要値で単位時間当たりの平均電圧Ｖ２を維持するために９０％まで増加させられる。

図５は、点Ｃ（図２）のところの駆動信号Ｓ２のデューティサイクルを示している。点Ｃのところでは、出力Ｓ１の電圧Ｖ１は、１６．２Ｖの最小許容値まで低下している。したがって、駆動信号Ｓ２のピーク電圧は、１６．２Ｖであり、所要デューティサイクルは、１００％である。この場合、電力コントローラ１６は、デューティサイクルが１００％の最大値に達したことを検出し、時点Ｘ（図２）においてモータ１４をオフに切り換える。これは、電池１２中の電荷が実質的に一定の速度でのモータ１４の作動を保つために１６．２Ｖの所要レベルで駆動信号Ｓ２の単位時間当たりの平均電圧Ｖ２を維持し続けるには不十分だからである。

図６は、電池１４からの出力Ｓ１の電圧Ｖ１を有するデューティサイクルの変化を示している。デューティサイクルは、電圧Ｖ１に比例し、連続して可変であることが理解できる。デューティサイクルをこのように変化させることにより、モータ１４に供給される駆動信号Ｓ２の単位時間当たりの平均電圧Ｖ２を１６．２Ｖの所定の一定値に維持することができる。

図７は、本発明のモータ駆動信号１０を有する手持ち型真空掃除機１００を示している。手持ち型真空掃除機１００は、モータ１４（図７には示さず）及びファンユニット（図示せず）を収容した本体１１２を有している。本体１１２は、電池１２を含むバッテリーパック１１４を更に有している。手持ち型真空掃除機１００を使用中に操作するための取っ手１１６が、本体１１２に設けられている。サイクロン式分離装置１１８は、本体１１２に取り付けられている。入口管が、本体１１２から見て遠くに位置するサイクロン式分離装置１１８の一部分から延びている。汚れ空気入口１２２が、入口管１２０の遠位端部のところに形成されている。ブラシツール１２４が、入口管１２０の遠位端部に摺動可能に取り付けられている。空気を手持ち型真空掃除機１００から排出するための１組の排気ベント１２６が、本体１１２に設けられている。

使用にあたり、モータ・ファンユニットは、汚れ及びほこりを含有した空気の流れを汚れ空気入口１２２中に引き込み、入口管１２０経由でサイクロン式分離装置１１８内に引き込む。サイクロン式分離装置１１８は、空気流から汚れ及びほこりを分離する。次に、清浄になった空気流は、モータ１４を通過して排気ベント１２６から出る。

サイクロン分離器は、フィルタ又はバッグ式分離器よりも汚れ及びほこりで詰まり状態になり難い。したがって、サイクロン分離器を本発明のモータ駆動装置と組み合わせて用いた結果として、手持ち型掃除用電化製品は、電池の利用可能な稼働時間を通じて良好な掃除性能を維持することができる。

本発明は、上述の実施形態の細部そのものに限定されることはない。例えば、モータは、モータ駆動装置の一部をなす必要はなく、別個のコンポーネントであっても良い。さらに、駆動信号は、パワーＭＯＳＦＥＴによって切り換えられる必要はなく、他形式の機械式又は電気式スイッチを用いることができる。

加うるに、駆動信号は、電池からの出力と同一の最大の大きさ（振幅）を有する必要はない。２つの電池をつなぎ合わせて大きな駆動信号を与えても良く、或いは、或る形態の変圧器を用いても良い。

加うるに、モータを１００％とは異なるデューティサイクルでオフに切り換えても良い。例えば、モータを低いデューティサイクルでオフに切り換えても良い。さらに、モータのオフへの切り換えを他の要因、例えば電池からの出力電圧、駆動信号の単位時間当たりの平均電圧、電池の温度又はモータの回転速度によって定めても良い。これら追加の要因をデューティサイクル測定に代えて又はこれに加えて利用することができる。

本発明は、あらゆる形式の掃除用電化製品、例えば直立型及び筒形真空掃除機、電動床磨き機（フロアポリッシャ）、床掃落とし機（フロアスイーパ）及び湿式／乾式機械に利用できる。重要なことは、モータ駆動装置が、電池により供給される電圧が低下してもモータを一定電圧で駆動するよう構成されると共に配置されているということにある。

Claims (7)

1. 掃除用電化製品のためのモータ駆動装置であって、電池源と電力コントローラとを有し、前記電池源は、前記電力コントローラに第１の電圧を有する出力を供給するよう構成されると共に配置され、前記第１の電圧は、前記電池源を放電させると低下し、前記電力コントローラは、前記出力を調整してモータを駆動する駆動信号を発生させるよう構成されると共に配置され、前記駆動信号は、第２の電圧及び可変デューティサイクルを有し、前記電力コントローラは、前記第１の電圧が低下すると前記駆動信号の前記デューティサイクルを増大させて前記第２の電圧を単位時間当たり実質的に一定の平均値に維持し、前記デューティサイクルが１００％に達すると前記モータをオフに切り換えるよう構成されると共に配置されている、モータ駆動装置。
2. 前記電池源は、少なくとも１つのリチウムイオン電池から成る、請求項１記載のモータ駆動装置。
3. 前記駆動信号の各パルスは、前記第１の電圧に等しいピーク電圧を有する、請求項１又は２記載のモータ駆動装置。
4. ファンを備えたモータを更に有する、請求項１〜３のうちいずれか一に記載のモータ駆動装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一に記載のモータ駆動装置を有する掃除用電化製品。
6. 前記掃除用電化製品は、サイクロン分離器を有する、請求項５記載の掃除用電化製品。
7. 前記掃除用電化製品は、手持ち型真空掃除機である、請求項５又は６記載の掃除用電化製品。

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