JP4964157B2 - 床面検知装置並びに電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、摺動したときの筐体の振動もしくは床面を撮像した画像により、筐体が接する床面の種類を判別する床面検知装置並びに床面検知装置を備えた電気掃除機に関するものである。

従来の床面を検知する技術として、筐体が床面と接する箇所に床面の凹凸状態を抵抗値の絶対量として検出するリップを備え、さらに上記リップが床面と接触しているときの圧力変化を抵抗値の絶対値と抵抗値の変化量とで床面の種類を検知する検知手段を備え、たとえば抵抗の絶対値が大きくかつ変化量が大きい場合には沈み具合と凹凸の大きい絨毯であり、抵抗の絶対値が小さくかつ変化量が小さい場合には木床であるというように床の種類をファジイ推論を用いて判別するものがある（特許文献１参照）。

また、床面を検知する技術を電気掃除機に適用した第一の例として、吸込具内に備えた回転ブラシを駆動するブラシモータの負荷電流値を検知することで、床面の種類を自動的に判別するというものがある。この原理は、板や畳では摩擦抵抗が小さいため回転ブラシおよびブラシモータにかかる負荷は小さい。しかし、絨毯では摩擦抵抗が大きく、回転ブラシ及びブラシモータに大きな負荷がかかる。ブラシモータに流れる電流を検知し、検知した負荷電流値が閾値よりも大きい場合は絨毯、小さい場合は板や畳と判別するものである（特許文献２参照）。

また、床面を検知する技術を電気掃除機に適用した第二の例として、集塵室内の空気圧を検知することで、床の種類を判別するというものがある。この原理は、板床や畳では吸込具が床に強く吸着し集塵室内の空気圧が低下するのに対して、絨毯など繊維からなる床では吸込具の吸着は弱くなり、集塵室内の空気圧は高くなる。そのため、空気圧の検知手段を取り付けた集塵室内の空気圧が閾値よりも大きい場合は絨毯、小さい場合は板や畳と判別するものである（特許文献３参照）。

特開平５−２５３１４６号公報（第３頁〜第４頁、図１〜３） 特開２００７−２９２１８号公報（第６頁、図２） 特開平５−１９２２７９号公報（第３頁、図２、図４）

従来の技術では、検知できる床面の種類が絨毯かそれ以外かということに限られており、畳、板床などの、より詳細な判別はできないという課題があった。
また、特許文献１で示される従来例では、筐体の床面と接する箇所にリップを備え、床面との接触による圧力変化を検知する検知手段では、リップが床面と接触し続けることから磨耗され、使用を続けると誤判別となるため、リップの定期的な交換が必要となるという課題があった。

また、特許文献２で示される従来例では、検知手段は、ブラシモータ１０の負荷電流を検知するが、床面の種類を検知するためには、回転ブラシ９を駆動する必要があるという課題があった。

また、特許文献３で示される従来例では、検知手段は、集塵室内の空気圧を検知するが、使用を重ねるにつれて集塵室内に埃が溜まり、吸込み力が低下し、集塵室内の空気圧が想定通りに低くならないため誤判別するという課題があった。

また空気圧による検知手段では、判別が可能なほどに集塵室内の空気圧が安定するまでには十分な時間を要するため、床面の判別結果がすぐに反映されないという課題もあった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、第１の目的は、板床、畳、絨毯という従来よりも細かく床面の種類の判別を可能にし、長期間使用しても交換する必要がなく、幅広い使用シーンで摺動している床面の種類を、正確かつ素早く判別する床面検知装置を得ることである。
また、第２の目的は、本発明を電気掃除機に適用することで、床面に最適な吸い込み力及び回転ブラシ９の回転数を自動的に制御し、過剰な吸い込み及び回転ブラシ９の回転を抑え、掃除効率を保ったままで消費電力を低くできる電気掃除機を得ることである。

本発明にかかわる床面検知装置は、床と接触し摺動する筐体の内部に設けられ、筐体を通して床からの振動を検知する振動検知手段と、振動検知手段からの出力に基づいて床面の特徴を抽出し、この特徴に基づいて床面の種類を判別する判別部と、を備え、判別部は、３種類以上の床面種類を検知可能にし、着床から振動の振幅が規定値以上になるまでの時間と予め設定した基準値との比較に基づいて床面の種類の判別を行うものである。また、この床面検知装置を電気掃除機に適用した場合、判別結果に応じて、吸い込み力および回転ブラシの回転数を制御する制御部を備えることを特徴とする。

本発明の床面検知装置は、摺動時または設置時に起こる筐体の振動波形もしくは床面を撮像した画像からその床の特徴を検知するという効果がある。この検知手段を電気掃除機に適用することで、現在掃除中の床の種類を即時に判別し、自動で吸い込み力及び回転ブラシ９の回転数を制御して最適な掃除方法を提供する効果がある。

実施の形態１．
本発明の床面検知手段を電気掃除機に適用した場合について説明する。電気掃除機は図１に示すようにファンモータ２を有する本体１に、手元部５がホース４によってつながっており、図２に示すように手元部５には吸い込み力を切り替える吸い込み力ボタン６１、回転ブラシ９のＯＮ/ＯＦＦを切り替えるブラシボタン６２、自動運転モードにする自動運転ボタン６３、板、畳、絨毯と床の種類を指定する学習ボタン６４、判別結果を表示する表示装置１７を備える。手元部５の先には、延長管７によって吸込具８がつながっている。また、図３は吸込具８内の床面検知装置の設置位置を示す図である。
なお、上記学習ボタン６４は、表示手段に示された床面の種類を使用者が装置に対して記憶することを促すためのボタンであり、使用者が上記学習ボタンを押すことで使用者により指示された床面の種類と上記検知手段の出力とを関連付けて記憶し、それ以降の床面の判別に影響を与え、この操作をする度に判別精度が高まる学習機能を備えている。

図３に示すように吸込具８内部の回転ブラシ９の上方に位置する場所に、振動検知手段である振動検知センサ１２を設置し、振動検知センサ１２からの出力信号を処理し、床面の種類を詳細に（具体的には３種類以上）判別し、その結果を出力する判別部１６と、判別部１６の出力を本体1へと伝送する手段を備える。本体1には判別部１６の出力信号に基づいてあらかじめプログラムされている本体1の吸い込みと吸込具８の回転ブラシ９の回転を制御する制御部１８とを備えている。

次に、動作について図１〜図３を用いて説明する。上記のように構成された電気掃除機において、使用者が手元部５の自動運転ボタン６３を押すことで、電気掃除機は吸い込み力や回転ブラシ９の回転数を自動的に制御するモードになる。この状態になると吸込具８内の検知手段１２及び判別部１６が働いて床の種類を判別し、判別結果が板ならば、吸い込み力を弱で回転ブラシ９の回転を止め、判別結果が絨毯ならば、吸い込み力を強で回転ブラシ９を駆動する。

また、判別部１６において判別した結果を手元部５の表示装置１７で表示した結果、それが誤判別であった場合、使用者は正しい床面の種類を指示する学習ボタン６４を押すことで訂正される。判別部１６はそのときの検知手段１２からの出力を記憶しており、使用者による訂正が繰り返されることでデータが蓄積され判別精度が向上する。

次に、床掃除時の吸込具８の振動を検知する検知手段１２の動作について説明する。
電気掃除機において、使用者が手元部５を持ち吸込具８を床面上で摺動するとき、吸込具８は床の状態に応じた振動をする。検知手段１２は、吸込具８を床に置いた時および床面上で摺動させた際に吸込具８に生じる振動の波形から床の種類を判別する。吸込具８に生じる振動は、床面の表面状態に対応した振動である。
吸い込み力を変化させずに床面上を同じ周期で吸込具８を摺動したときの振動検知センサ１２の出力を図６に示す。図６には床面の種類が板、畳、絨毯（カットパイル、ループパイル）に対して振動検知センサ１２の出力を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により周波数解析を行った結果を示しており、横軸は周波数を縦軸は振幅を示している。

図６に示すように、振動検知センサ１２の出力は床面の種類によって異なり、周波数解析を行った結果では５００〜１０００Ｈｚの周波数帯域内に現れるピークの周波数（以下、ピーク周波数と呼ぶ）は床面の種類によって異なる。このように床面の種類によって振動のピーク周波数が異なるので、床面の種類をピーク周波数によって判別することができるのである。また、ここには示していないが、絨毯は毛足が短く、硬くなるほど板のピーク周波数に近づくことから、摺動時に吸込具８に生じる振動は、床の硬さの影響を受けていることが分かる。

このようなピーク周波数の差異から、判別部１６では、例えば振動検知センサの出力に、あらかじめ設定した閾値（例えば、７５０Ｈｚ）よりも低い周波数に多くの成分が含まれる場合、床の種類を絨毯と判別する。床の種類を判別するための閾値を２つ用意することで、板、畳、絨毯の判別を行う。

このように、振動検知センサ６の出力は床面の種類によって異なり、周波数解析を行った結果では５００〜１０００Ｈｚの周波数帯域内に現れるピーク周波数は床面の種類によって異なる。床面の種類によってピーク周波数が異なるので、床面の種類が判別できるのである。

次に、判別部１６における判別方法について説明する。
判別部１６では、例えば振動検知センサの出力に、あらかじめ設定した閾値よりも低い周波数に多くの成分が含まれる場合、床の種類を絨毯と判別する。床の種類をわける閾値を２つ（板の周波数帯域と畳の周波数帯域の間の周波数、畳の周波数帯域と絨毯の周波数帯域の間の周波数）用意することで、板、畳、絨毯の判別を行うことができる。

判別部１６における処理について図４に基づいて説明する。振動検知センサ１２が出力した信号を取り込んだ後、周波数解析を行った波形を観察すると、図６のような床の硬さに依存した特徴的なピークが見られる。このピーク周波数があらかじめ設定した閾値以上かそれ以下か、判別することによって床の種類を判別する。

掃除機のブラシモータ１０は自動運転ボタン６３またはブラシ切替ボタン６２が使用者によって押されると回転を開始し、回転ブラシ９を回転する。そして、使用者が吸込具８を床面上で摺動させると、振動検知センサ１２が吸込具８筐体の振動を検知する。判別部１６は、振動検知センサ１２が検知した信号を入力し（ステップＳ１１）、バンドパスフィルタをによって対象とする周波数帯域を５００〜１０００Ｈｚに絞った（ステップＳ１２）後、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行う（ステップＳ１３）。床が硬いほどピークは高い周波数に現れることから、判別部１６は、振幅がピークとなる周波数を公知の手段により検知し（ステップＳ１４）、得られたピーク周波数と閾値Ａとを比較し（ステップＳ１５）、ピーク周波数が閾値Ａ以上ならば板床と判別してその旨を表示装置１７に出力し（ステップＳ１７）、ピーク周波数が閾値Ａ以下ならばピーク周波数と閾値Ｂとを比較し（ステップＳ１６）、ピーク周波数が閾値Ｂ以上ならば畳と判別してその旨を表示装置１７に出力し（ステップＳ１８）、閾値Ｂ以下ならば絨毯と判別してその旨を表示装置１７に出力する（ステップＳ１９）。ただし閾値Ａ＞閾値Ｂとする。

なお、これまで説明した振動検知手段では、床の種類を判別するために吸込具８の上下の振動を用いていた。しかし、これに限らず前後、左右方向の振動も同時に検知できる素子を用いることで、吸込具８の移動方向および移動量を計算することができ、使用者が吸込具８をどう動かしているか判別できる。
また、閾値の一例として７５０Ｈｚを上げたが、７５０Ｈｚに限らず、床面の種類を判別できる程度であればどのような周波数でもよい。

実施の形態２．
使用者が吸込具８を床面に置いた時には、床の種類によって振動波形の初期時間の傾きが異なる。そこで、吸込具８を床面に置いたときの振動波形の初期時間の傾きによっても床の種類の判別を行うことができる。この実施の形態２では、このような態様について説明する。
図７は、振動検知手段の波形の立ち上がりを示す図であり、使用者が吸込具８を床面に置いた際に吸込具８に生じる振動を示している。
判別手段１６は、初期時間の傾きを計測して床の種類を判別する際に、振動の振幅が規定値以上になるまでの時間を予め設定した基準値と比較する。板床よりも絨毯は吸込具８が着床してから最大の振幅に達するまで長い時間を要するため、判別手段１６は、この時間が基準値よりも長い場合は絨毯と判別し、基準値よりも短い場合は板または畳であると判別する。これにより、摺動だけでなく吸込具８を置くという動作においても床の種類を判別できる。

実施の形態３．
実施の形態１〜２では、振動を検知し、このピーク周波数に基づいて床面の種類を判別する場合の態様について説明したが、振動でなく検知した床面の画像に基づいて床面の種類を判別するようにしてもよい。この実施の形態３では、このような態様について説明する。

図８は、本発明の実施の形態３における床面検知装置の構成を示す図である。図８に示すように吸込具８の回転ブラシ９の前方で床面に水平な面に、床面を真上から撮像する撮像素子１３と、撮像素子１３に目的の範囲の光を集光するレンズ１４と、床面を斜めから照らす角度に設置された照明１５を備え、床表面の画像を撮像する検知手段を構成する。

次に、本実施の形態３における、床を上方から撮像する検知手段の動作について説明する。
この検知手段で電気信号へと変えられた床面の画像の特徴から床面の種類を判別し、その結果を出力する判別部１６を備える。本体1には、判別部１６の出力に基づいてあらかじめ基準値が記憶手段に設定されている本体1の吸い込みと吸込具８の回転ブラシ９の回転を制御する制御部１８とを備えている。

判別部１６における処理について、図５に基づいて説明する。
掃除機のブラシモータ１０は自動運転ボタン６３またはブラシ切替ボタン６２が押されると回転を開始し、回転ブラシ９を回転する。そして、使用者が吸込具８を床面で摺動させると、撮像素子１３が床面を撮像する。撮像素子１３から出力された画像信号の明暗は、図９に示したようになり、これは床表面の凹凸に起因している。そこで判別部１６は、撮像素子１３の出力を取り込んだ（ステップＳ２１）後、明暗の最大値と最小値の差と閾値を比較し（ステップＳ２２）、明暗の最大値と最小値の差が閾値よりも大きい場合、絨毯であると判別してその旨を表示装置１７に出力する（ステップＳ２７）。明暗の差が閾値よりも小さい場合、Ｓｔ．２３に示すように入力信号に対して閾値を設けて入力信号の値がこの閾値より大きいか否かで１か０を決定する２値化処理を行い（ステップＳ２３）、さらに明暗の直線的なパターンが現れるかどうかパターン認識を行い（ステップＳ２４）、直線的なパターンが現れる場合は畳であると判別してその旨を表示装置１７に出力し（ステップＳ２６）、現れない場合は板であると判別してその旨を表示装置１７に出力する。

なお、これまで説明した撮像検知手段では、床の種類を判別するために撮像素子１３が写した1枚の画像の明暗を用いたが連続的な複数枚の画像を用いることで、吸込具８の移動方向および移動量を計算することができ、使用者が吸込具８をどう動かしているか判別できる。

実施の形態４．
実施の形態１〜４では、吸込具８に設けられた振動検知手段または撮像検知手段に基づいて判別部１６が判別した床面の種類を表示装置１７に出力する場合について説明したが、出力先を表示装置でなく、電気掃除機本体内の制御部１８とし、この制御部１８の制御の下にファンモータ２の回転数を制御してもよい。この実施の形態５では、このような場合の、制御部１８において実現する機能について説明する。

制御部１８は、上記判別部１６で判別された床の種類に応じて、電気掃除機の以下の能力を自動的に制御する。
表面が平滑であるほど強力な吸い込み力は必要なく、板、畳、絨毯の順で吸い込み力を弱くしても十分なごみの吸い込みは行われる。制御部１８は本体内のファンモータ２へ供給する電力によりファンモータ２の回転数を制御し、吸い込み力を自在に変える。
表面が平滑であるほど回転ブラシ９の高速な駆動は必要なく、絨毯、畳、板の順で回転ブラシ９の回転数を遅くしても十分なごみの除去は行われる。制御部１８は吸込具８内のブラシモータへ供給する電力によって回転ブラシ９の回転数を制御する。

従来の吸込具８の回転ブラシ９の回転方向は、順方向に回転し続けているため、使用者が吸込具８を押し出すときは軽い力で摺動できたが、引き戻すときは逆に重くなるという課題があった。この課題を解決するために、上記の２つの検知手段において使用者が摺動させた吸込具８の前後の動きを検知し、その方向に回転ブラシ９の回転方向を切り替える。回転ブラシ９の回転方向を切り替える ことで、使用者は軽い力で吸込具８を摺動することができる。
また、この場合、いきなり順方向から逆方向へ切替えると、電気信号が過負荷になり、オーバーシュートが大きくなるおそれがある。そこで、制御部１８は、掃除機を前後に摺動する際の前後の切替え時に摺動速度が０になったことを検知して、そのタイミングでブラシモータ１０への電力供給を一旦停止し、その後逆回転に切替えるように制御する。これにより、過負荷を防ぐとともに、省電力を実現できる。

本発明に係る電気掃除機全体を示す図である。 手元部５を示す図である。 実施の形態１における、吸込具８内の床面検知装置の設置位置を示す図である。 振動検知方式の実施例のフローチャートである。 撮像方式の実施例のフローチャートである。 振動検知手段の周波数解析後の周波数特性を示す図である。 実施の形態２における、振動検知手段の波形の立ち上がりを示した図である。 実施の形態３における、吸込具８内の床面検知装置の設置位置を示す図である。 撮像する検知手段の周波数解析後の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１ 電気掃除機本体、２ ファンモータ、３ 車輪、４ ホース、５ 手元部、６ 操作部、７ 延長管、８ 吸込具、９ 回転ブラシ、１０ ブラシモータ、１１ ローラ、１２ 振動検知センサ、１３ 撮像素子、１４ レンズ、１５ 照明、１６ 判別部、１７ 表示装置、１８ 制御部、６１ 吸い込み力ボタン、６２ ブラシ切り替えボタン、６３ 自動運転ボタン、６４ 学習ボタン。

Claims (4)

1. 床と接触し摺動する筐体の内部に設けられ、前記筐体を通して前記床からの振動を検知する振動検知手段と、
   この振動検知手段からの出力に基づいて床面の特徴を抽出し、この特徴に基づいて床面の種類を判別する判別部と、を備え、
   前記判別部は、３種類以上の床面種類を検知可能にし、
   着床から振動の振幅が規定値以上になるまでの時間と予め設定した基準値との比較に基づいて前記床面の種類の判別を行うことを特徴とする床面検知装置。
2. 表示手段と、
   床面の種類を外部から指定するための学習ボタンと、を備え、
   前記判別部は、記憶手段を有するとともに、判別した床面の種類を前記表示手段に表示させ、
   前記学習ボタンが使用者によって押されたことを検知すると、前記判別部は使用者により指示された床面の種類と前記検知手段の出力とを関連付けて前記記憶手段に記憶することを特徴とする請求項１に記載の床面検知装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の床面検知装置を備えたことを特徴とする電気掃除機。
4. 空気を吸い込むファンモータと、
   前記吸込具に設けられた回転ブラシと、
   前記回転ブラシを駆動するブラシモータと、
   前記床面検知装置が判別した床面の種類に基づいて、前記ファンモータの回転数および前記ブラシモータの回転数またはＯＮ/ＯＦＦを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項３に記載の電気掃除機。

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