KR20130052377A - 진동 저감 장치를 갖춘 세탁기 및 그 진동 저감 방법 - Google Patents

진동 저감 장치를 갖춘 세탁기 및 그 진동 저감 방법 Download PDF

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Abstract

자이로 효과를 이용하여 터브의 진동을 저감시키는 진동 저감 장치를 갖춘 세탁기 및 그 진동 저감 방법을 제안한다.
세탁물이 드럼 내에 고르게 분포되어 있지 않고 한쪽으로 치우쳐 있는 불균형 상태에서 드럼을 회전시키게 되면 드럼의 회전축으로 편중된 힘이 가해져 드럼이 편심 운동하게 되므로 터브의 진동이 발생한다. 이러한 터브의 진동은 탈수 행정을 위해 드럼이 고속 회전할 때 더욱 심해지므로 탈수 행정에서 터브의 진동을 측정하고, 측정된 터브의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 발생시켜 반력에 의한 외부로의 진동 전달을 회피할 수 있고, 터브의 진동 상태에 실시간 대응(능동적 대응)하여 터브의 진동 저감 효과를 향상시킬 수 있다. 이에 따라 터브의 과도 진동을 효과적으로 저감하여 터브와 프레임 간의 간격을 줄일 수 있게 되므로 세탁기의 용량을 증대할 수 있게 된다.

Description

진동 저감 장치를 갖춘 세탁기 및 그 진동 저감 방법{WASHING MACHINE WITH VIBRATION REDUCING APPARATUS AND VIBRATION REDUCING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 자이로 효과를 이용하여 터브의 진동을 저감시키는 진동 저감 장치를 갖춘 세탁기 및 그 진동 저감 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 세탁기(통상, 드럼 세탁기)는 물(세탁수 또는 헹굼수)의 담수를 위한 세탁조 터브(이하, 터브라 한다)와, 이 터브의 내부에 회전 가능하게 설치되어 세탁물을 수용하는 회전조 드럼(이하, 드럼이라 한다)과, 이 드럼을 회전시키기 위한 구동력을 발생하는 세탁 모터를 포함하여 원통형의 드럼이 회전할 때 그 내부의 세탁물을 상측으로 끌어올린 후 낙하시키는 힘에 의해 세탁이 이루어지도록 하는 장치이다.
이러한 세탁기는 세제가 용해된 물(구체적으로, 세탁수)로 세탁물의 오염을 분리해내는 세탁 행정과, 세제가 포함되지 않은 물(구체적으로, 헹굼수)로 세탁물의 거품이나 잔류 세제를 헹구어 주는 헹굼 행정과, 세탁물을 고속 탈수시키는 탈수 행정 등의 일련의 동작으로 세탁을 진행한다. 이러한 일련의 동작으로 세탁을 진행할 때, 세탁물이 드럼 내에 고르게 분포되어 있지 않고 한쪽으로 치우쳐 있는 불균형 상태에서 드럼을 회전시키게 되면 드럼의 회전축으로 편중된 힘이 가해져 드럼이 편심 운동하게 되므로 터브의 진동이 발생한다. 이러한 터브의 진동은 탈수 행정을 위해 드럼이 고속 회전할 때 더욱 심해진다.
이에, 터브의 과도한 진동을 저감하기 위하여 진동 억제를 위한 댐퍼를 사용하는 방법이 제안되었으나, 이 경우 진동 저감을 위한 억제력이 증가하면 외부로의 진동 전달력도 같이 증가하여 터브와 연결된 외부 구조물에 동일한 반력이 발생하므로 진동이 외부로 전달되게 된다.
최근에는, 세탁기의 용량 증대로 드럼의 길이가 길어짐에 따라 탈수 초기에 터브 후면의 좌우방향 진동이 더욱 심해져 터브와 연결된 외부 구조물을 통해 세탁기 전체로 진동이 전달될 수 있다. 이때 터브의 진동으로 인한 이동 변위가 크게 발생할 경우, 터브가 세탁기의 프레임을 치게 되므로 터브와 프레임 간의 간격을 크게 유지해야 한다. 세탁기의 용량을 증대하기 위해서는 드럼의 용적을 확장해야 하고 이에 수반하여 터브와 프레임의 크기도 함께 커져야 한다. 그러나 세탁기의 외곽 치수를 결정하는 프레임의 크기는 세탁기가 설치되는 장소의 출입구 크기나 설치 면적 등을 고려해야 하므로 무조건 크게 할 수는 없다. 따라서 동일한 크기의 프레임 내에서 드럼 용량을 확장하기 위해서는 터브의 진동이 가장 크게 나타나는 과도 구간에서 터브의 진동 변위만큼 터브와 프레임 간의 간격을 유지해야 한다.
이외에도, 드럼의 회전 균형을 유지시키기 위한 볼 밸런서를 드럼의 원주 둘레에 설치하여 탈수 행정 시 세탁물의 불균형으로 인한 드럼의 언밸런스 상태를 볼 밸런서에 의하여 동적인 밸런스를 유지할 수 있도록 함으로서 터브의 진동을 저감시키는 방법이 제안되었다.
그러나, 볼 밸런서를 구비한 세탁기의 경우 세탁물의 불균형 위치나 불균형 크기에 따라 볼 밸런서에서 동적인 밸런스를 유지시키기 위한 위치에 차이가 있다. 이러한 차이로 볼 밸런서가 세탁물의 불균형을 해소하기 위한 밸런싱 위치에 도달하기 전에 터브가 과도 진동하는 공진점이 탈수 행정 초기에 발생하며, 이러한 터브의 과도 진동에 의해 터브가 세탁기의 프레임을 치게 되므로 세탁기 전체가 이상 진동하여 탈수 행정을 수행할 수 없게 되는 탈수 불량이 발생한다.
터브의 진동을 저감하기 위하여 터브의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 발생하는 진동 저감 장치를 갖춘 세탁기 및 그 진동 저감 방법을 제안하고자 한다.
이를 위해 본 발명의 일 측면에 의한 세탁기는, 터브; 터브 내부에 회전 가능하게 설치되는 드럼; 드럼의 회전에 따라 발생하는 터브의 진동을 측정하는 진동센서; 터브의 진동을 저감하도록 터브의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 계산하는 제어부; 제어부에서 계산된 진동 억제력을 터브의 진동과 반대 방향으로 전달하는 진동 저감 장치를 포함한다.
진동센서는 드럼 내에 세탁물이 고르게 분포되어 있지 않은 불균형 상태에서 드럼이 고속 회전할 때, 터브로 전달되는 과도 진동을 측정하는 것으로, 과도 진동은 탈수 행정의 진입 시에 발생된다.
또한, 진동센서는 터브의 외주면에 하나 이상 설치되며, 터브의 전면부 상측과 터브의 후면부 상측에 설치된다.
또한, 진동센서는 터브의 진동에 따라 이동하는 터브의 변위를 측정하여 제어부에 전달한다.
제어부는 터브의 변위 데이터를 전달받아 터브의 진동 변위 각도(δ)를 산출하고, 산출된 터브의 진동 변위 각도(δ)를 이용하여 터브의 진동 방향과 반대 방향으로 작용하는 진동 억제력을 계산한다.
진동 저감 장치는 터브의 상면 외측에 설치되며, 제1방향으로 고속 회전하는 자이로 로터와, 자이로 로터를 고속 구동하기 위한 스핀 모터와, 자이로 로터를 고정하고 자이로 로터를 제1방향과 90도 방향으로 회전 운동하기 위한 짐벌과, 짐벌의 회전 방향을 제어하기 위한 짐벌 모터를 포함한다.
또한, 진동 저감 장치는 짐벌 모터의 동력을 짐벌에 전달하는 감속기를 더 포함한다.
또한, 진동 저감 장치는 진동 저감 장치를 터브의 상면 외측에 고정하기 위한 지지 마운트를 더 포함한다.
또한, 제어부는 터브의 진동 변위 각도(δ)가 산출되면, 짐벌의 회전 각도(θ)를 제어하기 위한 구동 신호를 짐벌 모터에 전달한다.
짐벌 모터는 제어부의 구동 신호를 입력받아 짐벌을 회전 각도(θ)로 구동한다.
그리고, 본 발명의 일 측면은 터브와, 터브 내부에 회전 가능하게 설치되는 드럼을 구비한 세탁기의 진동 저감 방법에 있어서, 드럼의 회전에 따라 발생하는 터브의 진동을 진동센서를 이용하여 측정하고; 측정된 터브의 진동 데이터를 전달받아 터브의 진동 변위 각도(δ)를 산출하고; 산출된 터브의 진동 변위 각도(δ)를 이용하여 터브의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 계산하고; 계산된 진동 억제력을 진동 저감 장치를 이용하여 터브의 진동과 반대 방향으로 전달하는 것을 포함한다.
짐벌 모터는 짐벌을 회전 구동하기 위한 제어 모터이다.
제안된 진동 저감 장치를 갖춘 세탁기 및 그 진동 저감 방법에 의하면, 세탁물이 드럼 내에 고르게 분포되어 있지 않고 한쪽으로 치우쳐 있는 불균형 상태에서 드럼을 고속 회전시키게 되면 드럼의 회전축으로 편중된 힘이 가해져 드럼이 편심 운동하게 되므로 터브의 진동이 발생한다. 이러한 터브의 진동은 탈수 행정을 위해 드럼이 고속 회전할 때 더욱 심해지므로 탈수 행정에서 터브의 진동을 측정하고, 측정된 터브의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 발생시켜 반력에 의한 외부로의 진동 전달을 회피할 수 있고, 터브의 진동 상태에 실시간 대응(능동적 대응)하여 터브의 진동 저감 효과를 향상시킬 수 있다. 이에 따라 터브의 과도 진동을 효과적으로 저감하여 터브와 프레임 간의 간격을 줄일 수 있게 되므로 세탁기의 용량을 증대할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 외관을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 진동 저감 장치를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 제어 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 터브의 진동 변위 각도를 모델링한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 터브의 진동 저감을 위한 각도 제어를 모델링한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동 저감 장치를 갖춘 세탁기에서 터브의 진동을 저감하기 위한 알고리즘을 나타낸 동작 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 터브의 진동 저감 효과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 의한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2에서, 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기(1)는 대략 박스형상을 가지며 외관을 형성하는 본체(10)와, 본체(10)의 내부에 설치되며 물(세탁수 또는 헹굼수)의 담수를 위해 마련된 드럼형의 터브(11)와, 터브(11)의 내부에 회전 가능하게 설치되며 다수의 홀(13)이 형성된 원통형의 드럼(12)을 포함한다.
터브(11)의 상면 외측에는 세탁기(1)가 동작하는 과정에서 발생하는 터브(11)의 진동을 측정하는 진동센서(14)가 2개 설치된다. 진동센서(14)는 터브(11)의 진동에 따라 이동하는 터브(11)의 변위를 측정하는 MEMS(Micro Electric Mechanical System) 센서, 터브(11)의 3방향(X방향, Y방향, Z방향) 진동을 측정하는 3축 가속도 센서, 각속도 센서인 자이로 센서를 사용할 수 있다.
또한, 터브(11)의 후면부 외측에는 세탁 행정, 헹굼 행정 및 탈수 행정을 수행하도록 드럼(12)과 연결된 회전축(15a)을 회전시키는 구동장치로 세탁 모터(15)가 설치된다.
통상, 세탁 모터(15)는 계자 권선(field coil)과 전기자(armature)로 구성되는 유니버설 모터(Universal Motor)나, 영구 자석과 전기 자석으로 구성되는 BLDC 모터(Brushless Direct Motor) 등을 사용하며, 중소형 드럼(12)에 적용 가능한 세탁 모터이면 어떠한 세탁 모터(15)를 사용하여도 무방하다.
터브(11)의 하측 내부에는 터브(11)에 있는 물의 양(수위)을 검출하기 위해 수위에 따라 변화하는 주파수를 검출하는 수위센서(16)와, 터브(11)에 있는 물을 가열하는 세탁히터(17)와, 터브(11)에 있는 물(세탁수 또는 헹굼수)의 온도를 검출하는 온도센서(18)가 설치된다.
또, 본체(10)의 전면부에는 드럼(12)의 내부로 세탁물을 넣거나 드럼(12) 내부의 세탁물을 꺼낼 수 있도록 입구(19a)가 형성된 도어(19)가 설치된다.
터브(11)의 상부에는 세제(예를 들면, 합성세제 또는 천연 비누세제)를 공급하기 위한 세제공급장치(20)와, 물(세탁수 또는 헹굼수)을 공급하기 위한 급수장치(30)가 설치된다.
세제공급장치(20)는 내부가 다수의 공간으로 구획되어 있으며, 사용자가 각 공간에 세제 및 헹굼제를 투입하기 용이하도록 본체(10)의 전면부 쪽에 설치된다.
또한, 급수장치(30)는 터브(11) 내부로 물(세탁수 또는 헹굼수)을 공급하기 위해 외부의 급수관과 세제공급장치(20) 사이를 연결하는 냉수 및 온수급수관(31, 32)과, 냉수 및 온수급수관(31, 32)의 중도에 설치되어 급수를 제어하는 냉수 및 온수밸브(33, 34), 세제공급장치(20)와 터브(11) 사이를 연결하는 연결관(35)을 포함한다. 이러한 구성은 터브(11)의 내부로 공급되는 물이 세제공급장치(20)를 경유하도록 함으로써 세제공급장치(20) 내부의 세제가 물과 함께 터브(11)로 공급될 수 있도록 한 것이다.
또한, 본체(10)의 전면 상부에는 세탁기(1)의 제어를 위한 각종 버튼과 디스플레이가 배치되는 컨트롤 패널(40)이 마련되고, 컨트롤 패널(40)의 일측에는 세제공급장치(20)와 연결되어 세탁기용 세제를 투입하는 세제투입부(21)가 마련된다.
컨트롤 패널(40)에는 세탁기(1)의 동작 제어를 위해 사용자의 명령을 입력받기 위한 각종 버튼과, 세탁기(1)의 동작 상태와 사용자의 조작 상태를 표시하기 위한 디스플레이부가 배치된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기(1)는 터브(11) 내부의 물을 배수시키기 위한 배수장치(50)를 설치하며, 배수장치(50)는 터브(11)의 물을 외부로 배수하도록 터브(11) 하부에 연결되는 제1배수관(51)과, 이 제1배수관(51)에 설치되는 배수펌프(52), 배수펌프(52)의 출구 쪽에 연결되는 제2배수관(53)을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기(1)는 세탁기(1)가 동작하는 과정에서 발생하는 진동을 방지하기 위하여 터브(11)의 상부에서 터브(11)를 탄성 지지하는 현가 스프링(60)과, 터브(11)의 하부에서 진동을 저감하는 댐퍼(62)를 구비한다.
이러한 현가 스프링(60)과 댐퍼(62)는 터브(11)의 상부 및 하부에서 각각 터브(11)를 유동 가능하게 지지한다. 즉, 드럼(12)의 회전 시 발생된 진동 가진력에 의해 터브(11)가 가진되어 전후좌우상하 등 전 방향으로 진동이 발생하는데, 이러한 터브(11)의 진동은 현가 스프링(60)과 댐퍼(62)에 의해 저감된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기(1)는 터브(11)의 진동을 저감시키기 위한 진동 저감 장치(70)를 터브(11)의 상면 외측에 설치한다. 이를 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 진동 저감 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3에서, 진동 저감 장치(70)는 자이로 효과를 이용하여 터브(11)의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 발생하는 장치로, 터브(11)의 상면 외측에 고정되는 구조물 형태의 지지 마운트(72)와, 지지 마운트(72)의 내측에 베어링을 매개로 전후 좌우 방향으로 회전 가능하게 설치된 짐벌(74)과, 짐벌(74)을 회전 구동하기 위한 짐벌 모터(76)와, 짐벌 모터(76)의 짐벌축(78)에 연결되어 짐벌 모터(76)의 동력을 짐벌(74)에 전달하는 벨트 풀리 방식의 감속기(80)와, 짐벌 모터(76)의 내측에 고속으로 회전 가능하게 설치되는 자이로 로터(82)와, 자이로 로터(82)를 고속으로 구동하기 위한 스핀 모터(84)를 포함한다.
짐벌(74)은 자이로 로터(82)를 고정하고, 자이로 로터(82)를 짐벌(74)의 회전 방향에 대해 90도 방향으로 회전 운동한다.
자이로 효과(Gyroscopic effect)는 고속으로 회전하는 회전체의 회전축 방향이 변동되면 회전 운동량 보존법칙에 의하여 운동량 변동율에 비례하는 토크가 원래의 회전축 방향을 유지하도록 작용하는 원리를 말하는 것으로, 자이로 효과를 이용하는 예에는 팽이, 자전거 등 이외에도 자이로스코프(Gyroscope) 센서와 인공위성의 자세 제어를 위한 CMG(control moment gyroscope actuator) 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
진동 저감 장치(70)는 진동센서(14)에 의해 측정된 터브(11)의 진동 억제에 필요한 진동 억제력을 전달받아 짐벌 모터(76)를 구동시킴으로써 터브(11)의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 발생시킨다. 이에 따라 반력에 의한 외부로의 진동 전달을 방지할 수 있고, 터브(11)의 진동 상태에 실시간 대응(능동적 대응)이 가능하여 터브(11)의 진동 저감 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기(1)는 터브(11)의 진동 억제에 필요한 진동 억제력을 계산하고, 계산된 진동 억제력을 짐벌 모터(76)에 전달하기 위한 구동 신호를 전달하는 제어부(92)를 포함한다. 이를 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 세탁기의 제어 구성도이다.
도 4에서, 세탁기(1)는 입력부(90), 제어부(92), 메모리(94), 구동부(96) 및 디스플레이부(98)를 포함하여 구성된다.
입력부(90)는 사용자의 조작에 의해 세탁기(1)의 세탁 행정, 헹굼 행정 및 탈수 행정 등을 실시하기 위한 명령을 입력하는 것으로, 키, 버튼, 스위치, 터치 패드 등으로 구성될 수 있으며, 누름, 접촉, 압력, 회전 등의 조작에 의해 소정의 입력 데이터를 발생하는 모든 장치를 포함한다.
또한, 입력부(90)는 컨트롤 패널(40)에 마련되며, 세탁기(1)의 동작에 관련한 사용자 명령을 입력하는 다수의 버튼(전원, 예약, 세탁수 온도, 불림, 세탁, 헹굼, 탈수, 세제 종류 등)을 포함한다.
제어부(92)는 입력부(90)로부터 입력된 운전 정보에 따라 세탁과 헹굼 및 탈수 등 세탁기(1)의 전반적인 동작을 제어하는 마이컴으로서, 선택된 세탁코스에서 세탁물의 무게(부하량)에 따라 세탁 및 헹굼 수량, 목표 RPM과 모터 운전율(모터 온-오프 시간), 세탁 및 헹굼 시간 등을 설정한다.
또한, 제어부(92)는 터브(11)의 앞쪽(front)과 뒤쪽(rear)에 설치된 2개의 진동센서(14)를 이용하여 터브(11)의 진동을 각각 측정하고, 측정된 터브(11)의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 실시간으로 계산하여 짐벌 모터(76)에 구동 신호를 전달한다.
또한, 제어부(92)는 2개의 진동센서(14)에 의해 측정된 2개의 진동 데이터와 2개의 진동센서(14) 간의 거리를 이용하여 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)를 산출하고, 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)를 산출하기 위해 데이터 필터링을 통해 신호 처리할 수 있다.
메모리(94)는 세탁기(1)의 동작을 제어하기 위한 제어데이터, 세탁기(1)의 동작 제어 중 사용되는 기준데이터, 세탁기(1)가 소정의 동작을 수행하는 중에 발생되는 동작데이터, 세탁기(1)가 소정 동작을 수행하도록 입력부(90)에 의해 입력된 설정데이터 등과 같은 설정 정보와, 세탁기(1)가 특정 동작을 수행한 횟수, 세탁기(1)의 모델 정보를 포함하는 사용 정보와, 세탁기(1)의 오동작 시 오동작의 원인 또는 오동작 위치를 포함하는 고장 정보가 저장될 수 있다.
구동부(96)는 제어부(92)의 구동 제어 신호에 따라 세탁기(1)의 동작에 관련된 세탁 모터(15), 세탁히터(17), 냉수 및 온수밸브(33, 34), 배수펌프(52), 짐벌 모터(76), 스핀 모터(84) 등을 구동시킨다.
디스플레이부(98)는 컨트롤 패널(40)에 마련되며, 제어부(92)의 표시 제어 신호에 따라 세탁기(1)의 동작 상태와 사용자의 조작 상태를 표시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 터브의 진동 변위 각도를 모델링한 도면이다.
도 5에서, 터브(11)의 앞쪽(front)과 뒤쪽(rear)에 설치된 2개의 진동센서(14)는 세탁기(1)가 동작하는 과정에서 드럼(12)의 회전에 따라 발생하는 터브(11)의 진동을 각각 측정하고, 측정된 터브(11)의 전후측 진동 데이터를 제어부(92)에 입력한다.
따라서, 제어부(92)는 2개의 진동센서(14)에 의해 측정된 2개의 진동 데이터와 2개의 진동센서(14) 간의 거리를 이용하여 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)를 산출한다. 산출된 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)는 터브(11)의 진동에 따라 이동하는 터브(11)의 변위 데이터로, 도 5에 도시한 바와 같이, 터브(11)가 Y축 방향에 대해 진동하는 변위 각도(δ)를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 터브의 진동 저감을 위한 각도 제어를 모델링한 도면이다.
도 6에서, 제어부(92)는 세탁기(1)가 동작하는 과정에서 드럼(12)의 회전에 따라 발생하는 터브(11)의 전후측 진동을 2개의 진동센서(14)를 통해 측정하여 Y축 방향에 대한 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)를 산출한다.
터브(11)의 진동 변위 각도(δ)가 산출되면, 제어부(92)는 터브(11)의 진동을 저감하기 위하여 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)와 반대 방향으로 작용하는 진동 억제력을 계산한다.
즉, 제어부(92)는 스핀 모터(84)의 구동에 의해 α 방향으로 고속 회전하는 자이로 로터(82)의 회전축 방향을 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)에 따라 변동시켜 터브(11)의 진동을 억제한다. 이때 α 방향으로 고속 회전하는 자이로 로터(82)의 회전축 방향은 자이로 로터(82)를 고정하고 자이로 로터(82)를 90도 방향으로 회전 운동시키는 짐벌(74)의 회전 방향(θ)에 따라 변동된다.
결론적으로, 자이로 로터(82)의 회전축 방향을 변동시켜 터브(11)의 진동을 억제하는 진동 억제력은 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)를 PID(Proportional Integral Derivative) 제어하여 터브(11)의 진동을 저감할 수 있는 제어 모멘트(Mδ)를 터브(11)에 전달하는 것이다. 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)를 PID 제어하는 방식은 기존의 PID 제어 방식과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.
터브(11)의 진동을 저감할 수 있는 제어 모멘트(Mδ)는 자이로 로터(82)의 관성(I;Internal)과 터브(11)의 진동 변위 각도(δ), 짐벌(74)의 회전 방향(θ)을 이용하여 산출할 수 있다. 짐벌(74)의 회전 방향(θ)은 짐벌 모터(76)에 입력되는 구동 신호에 따라 달라지고, 제어부(92)는 터브(11)의 진동을 억제하기 위한 구동 신호를 짐벌 모터(76)에 출력한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 진동 저감 장치를 갖춘 세탁기 및 그 진동 저감 방법의 동작 과정 및 작용 효과를 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 진동 저감 장치를 갖춘 세탁기에서 터브의 진동을 저감하기 위한 알고리즘을 나타낸 동작 순서도이다.
도 7에서, 사용자는 드럼(12)의 내부에 세탁물을 넣고 세제공급장치(20)에 세제를 투입한다. 그리고 세탁물의 종류에 따라 세탁코스(예를 들면, 표준코스)와 세탁기(1)의 동작에 관련한 운전 정보를 입력하면, 사용자가 선택한 운전 정보가 입력부(90)를 통해 제어부(92)에 입력된다.
따라서, 제어부(92)는 입력부(90)로부터 입력된 운전 정보에 따라 세탁 행정인가를 판단하여, 세탁 행정을 시작한다.
이때, 제어부(92)는 세탁 행정의 진행을 위해 드럼(12)에 투입된 세탁물의 무게(부하량)를 검출한다(100). 이때 세탁물의 무게를 검출하는 방식은, 세탁 모터(15)의 순시 가속을 이용하여 일정속도(또는 일정 회전수)에 도달하는 시간을 이용하여 무게를 검출하는 방식과, 일본 특개 제2002-336593호, 일본 특개 제2004-267334호, 일본 특공 평07-90077호에 개시된 바와 같이, 세탁 모터(15)에 일정시간 토크를 주어 드럼(12)의 관성량을 직접적 또는 간접적으로 계측한 후 운동의 제2법칙(토크=관성ㅧ가속도)을 이용하여 무게를 검출하는 방식 등 어떠한 방식도 적용 가능하다.
이외에도, 공지의 방식 중 로드 셀(load cell)을 이용하여 세탁물의 무게(부하량)를 검출할 수 있음은 물론이다.
세탁물의 무게(부하량)가 검출되면, 제어부(92)는 검출된 세탁물의 무게(부하량)에 따라 세탁 및 헹굼 수량, 목표 RPM과 모터 운전율(모터 온-오프 시간), 세탁 및 헹굼 시간을 설정한다.
이후, 제어부(92)는 세탁 행정에 필요한 물(세탁수)을 공급하기 위해 냉수 또는 온수밸브(33, 34)를 동작시킨다.
냉수 또는 온수밸브(33, 34)가 동작되면, 냉수 또는 온수밸브(33, 34)가 열리면서 외부의 급수관을 통해 공급된 물(세탁수)이 냉수 또는 온수급수관(31, 32)과 세제공급장치(20), 연결관(35)을 통과하여 수조(11)의 내부(구체적으로는, 수조와 드럼 사이)로 세제와 함께 급수된다(102).
따라서, 제어부(92)는 수조(11)에 급수되는 수위를 수위센서(16)를 통해 검출하여 목표 세탁 수위(설정된 세탁 수량에 따라 결정된 수위)인가를 판단하고, 수조(11)에 급수되는 수위가 목표 세탁 수위에 도달할 때까지 급수 동작을 계속한다.
목표 세탁 수위까지 세탁수 급수가 완료되면, 제어부(92)는 세탁 행정을 위해 설정된 목표 RPM과 운전율(모터 온-오프 시간)로 세탁 모터(15)를 동작시켜 드럼(12)을 교반 회전시킴으로써 세제수(세탁수+세제)를 세탁물에 전달하는 수류를 발생시켜 세탁 행정을 진행한다(104).
설정된 세탁 시간 동안 세탁이 완료되면, 제어부(92)는 드럼(12)을 정지하고 세제수(세탁수+세제)를 배수한 후(106), 중간 탈수를 진행한다(108).
이어서, 제어부(92)는 헹굼 행정에 필요한 물(헹굼수)을 공급하기 위해 냉수 또는 온수밸브(33, 34)를 동작시킨다.
냉수 또는 온수밸브(33, 34)가 동작되면, 냉수 또는 온수밸브(33, 34)가 열리면서 외부의 급수관을 통해 공급된 물(헹굼수)이 냉수 또는 온수급수관(31, 32)과 연결관(35)을 통과하여 수조(11)의 내부(구체적으로는, 수조와 드럼 사이)로 급수된다(110). 이때 제어부(92)는 헹굼 성능의 향상을 위해 낙차를 이용하여 헹굼하는 속도(약 30~50RPM)로 드럼(12)을 교반 회전하면서 헹굼수를 급수하는 교반 급수로 급수동작을 제어한다.
냉수 또는 온수밸브(33, 34)를 통한 교반 급수 시, 제어부(92)는 수조(11)에 급수되는 수위를 수위센서(16)를 통해 검출하여 목표 헹굼 수위(설정된 헹굼 수량에 따라 결정된 수위)인가를 판단하고, 수조(11)에 급수되는 수위가 목표 헹굼 수위에 도달할 때까지 급수 동작을 계속한다.
목표 헹굼 수위까지 헹굼수 급수가 완료되면, 제어부(92)는 헹굼 행정을 위해 설정된 목표 RPM과 운전율(모터 온-오프 시간)로 세탁 모터(15)를 동작시켜 드럼(12)을 교반 회전시킴으로써 물(헹굼수)을 포에 접촉하고 낙하시키는 힘에 의해 헹굼 행정을 진행한다(112).
설정된 헹굼 시간 동안 헹굼이 완료되면, 제어부(92)는 드럼(12)을 정지하고 물(헹굼수)을 배수한다(114). 이러한 헹굼 행정의 진행은 정해진 횟수 동안 반복된다.
정해진 횟수 동안 헹굼 행정이 진행되어 마지막 헹굼이 완료되면, 제어부(92)는 탈수 행정인가를 판단한다(116).
단계 116의 판단 결과, 탈수 행정이 아니면 제어부(92)는 중간 탈수를 진행한 후(118), 단계 110로 피드백하여 이후의 동작을 진행한다.
한편, 단계 116의 판단 결과, 탈수 행정이면 제어부(92)는 설정된 최종 탈수RPM(약 1100RPM 이상)로 탈수 행정을 진행한다(120). 이때 세탁물이 드럼(12) 내에 고르게 분포되어 있지 않고 한쪽으로 치우쳐 있는 불균형 상태에서 드럼(12)을 회전시키게 되면 드럼(12)의 회전축으로 편중된 힘이 가해져 드럼(12)이 편심 운동하게 되므로 터브(11)의 진동이 발생한다. 이러한 터브(11)의 진동은 탈수 행정을 위해 드럼(12)이 고속 회전할 때 더욱 심해진다.
이때에, 터브(11)의 앞쪽(front)과 뒤쪽(rear)에 설치된 2개의 진동센서(14)는 탈수 행정에서 드럼(12)의 고속 회전에 따라 발생하는 터브(11)의 진동을 각각 측정하고, 측정된 터브(11)의 전후측 진동 데이터를 제어부(92)에 입력한다(122).
따라서, 제어부(92)는 2개의 진동센서(14)에 의해 측정된 2개의 진동 데이터와 2개의 진동센서(14) 간의 거리를 이용하여 Y축 방향에 대한 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)를 산출한다(124).
터브(11)의 진동 변위 각도(δ)가 산출되면, 제어부(92)는 터브(11)의 진동을 저감하기 위하여 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)와 반대 방향으로 작용하는 진동 억제력을 계산한다(126).
즉, 제어부(92)는 스핀 모터(84)의 구동에 의해 α 방향으로 고속 회전하는 자이로 로터(82)의 회전축 방향을 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)에 따라 변동시켜 터브(11)의 진동을 억제한다. 이때 α 방향으로 고속 회전하는 자이로 로터(82)의 회전축 방향은 짐벌(74)의 회전 방향(θ)에 따라 변동된다.
다시 말해서, 제어부(92)는 터브(11)의 진동 변위 각도(δ)를 PID(Proportional Integral Derivative) 제어하여 터브(11)의 진동을 저감할 수 있는 제어 모멘트(Mδ)를 터브(11)에 전달하기 위해 짐벌 모터(76)에 구동 신호를 출력한다.
이에 따라, 짐벌 모터(76)는 제어부(92)의 구동 신호에 따라 짐벌(74)의 회전 방향(θ)을 변경시킴으로써 자이로 로터(82)의 회전축 방향을 변동시키게 된다(128).
터브(11)의 진동 변위 각도(δ)에 따라 자이로 로터(82)의 회전축 방향을 변동시켜 터브(11)의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 터브(11)에 전달함으로써 반력에 의한 외부로의 진동 전달을 회피할 수 있고, 터브(11)의 진동 상태에 실시간 대응(능동적 대응)이 가능하여 진동 저감 효과를 높일 수 있게 된다(130). 이러한 터브(11)의 진동 저감 효과를 도 8에 나타내었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 터브의 진동 저감 효과를 나타낸 그래프로서, (A)는 종래 터브의 진동 크기를 시뮬레이션한 그래프이고, (B)는 본 발명의 일 실시예에 의한 터브의 진동 크기를 시뮬레이션한 그래프이다.
종래의 터브(11)는 도 8의 (A)에 도시한 바와 같이, 탈수 행정의 진입 시 25mm의 과도 진동이 발생하는데 반해, 본 발명의 일 실시예에 의한 터브(11)는 도 8의 (B)에 도시한 바와 같이, 탈수 행정의 진입 시 약 10mm 정도의 진동이 발생하여 종래에 비해 과도 진동이 현저히 저감되었음을(약, 25mm→ 10mm) 알 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 세탁과 헹굼 후의 최종 탈수 행정에서 터브(11)의 진동을 측정하여 터브(11)의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 발생시킴으로써 터브(11)의 진동을 실시간으로 저감하는 방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 세탁과 헹굼 중의 중간 탈수 과정에서 터브(11)의 진동을 측정하여 터브(11)의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 발생시킴으로써 터브(11)의 진동을 실시간으로 저감할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 드럼 세탁기를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 전자동 세탁기와 그 외 진동이 발생되는 어떠한 가전기기에서도 본 발명과 동일한 목적 및 효과를 달성할 수 있음은 물론이다.
1 : 세탁기 11 : 터브
12 : 드럼 14 : 진동센서
15 : 세탁 모터 40 : 컨트롤 패널
70 : 진동 저감 장치 74 : 짐벌
76 : 짐벌 모터 82 : 자이로 로터
84 : 스핀 모터 90 : 입력부
92 : 제어부 96 : 구동부
98 : 디스플레이부

Claims (18)

  1. 터브;
    상기 터브 내부에 회전 가능하게 설치되는 드럼;
    상기 드럼의 회전에 따라 발생하는 상기 터브의 진동을 측정하는 진동센서;
    상기 터브의 진동을 저감하도록 상기 터브의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 계산하는 제어부;
    상기 제어부에서 계산된 진동 억제력을 상기 터브의 진동과 반대 방향으로 전달하는 진동 저감 장치를 포함하는 세탁기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동센서는 상기 드럼 내에 세탁물이 고르게 분포되어 있지 않은 불균형 상태에서 상기 드럼이 고속 회전할 때, 상기 터브로 전달되는 과도 진동을 측정하는 세탁기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 과도 진동은 탈수 행정의 진입 시에 발생되는 세탁기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 진동센서는 상기 터브의 외주면에 하나 이상 설치되는 세탁기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 진동 센서는 상기 터브의 전면부 상측과 상기 터브의 후면부 상측에 설치되는 세탁기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 진동센서는 상기 터브의 진동에 따라 이동하는 상기 터브의 변위를 측정하여 상기 제어부에 전달하는 세탁기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 터브의 변위 데이터를 전달받아 상기 터브의 진동 변위 각도(δ)를 산출하고, 산출된 상기 터브의 진동 변위 각도(δ)를 이용하여 상기 터브의 진동 방향과 반대 방향으로 작용하는 진동 억제력을 계산하는 세탁기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 진동 저감 장치는 상기 터브의 상면 외측에 설치되는 세탁기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 진동 저감 장치는 제1방향으로 고속 회전하는 자이로 로터와, 상기 자이로 로터를 고속 구동하기 위한 스핀 모터와, 상기 자이로 로터를 고정하고 상기 자이로 로터를 상기 제1방향과 90도 방향으로 회전 운동하기 위한 짐벌과, 상기 짐벌의 회전 방향을 제어하기 위한 짐벌 모터를 포함하는 세탁기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 진동 저감 장치는 상기 짐벌 모터의 동력을 상기 짐벌에 전달하는 감속기를 더 포함하는 세탁기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 진동 저감 장치는 상기 진동 저감 장치를 상기 터브의 상면 외측에 고정하기 위한 지지 마운트를 더 포함하는 세탁기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 터브의 진동 변위 각도(δ)가 산출되면, 상기 짐벌의 회전 각도(θ)를 제어하기 위한 구동 신호를 상기 짐벌 모터에 전달하는 세탁기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 짐벌 모터는 상기 제어부의 구동 신호를 입력받아 상기 짐벌을 상기 회전 각도(θ)로 구동하는 세탁기.
  14. 터브와, 상기 터브 내부에 회전 가능하게 설치되는 드럼을 구비한 세탁기의 진동 저감 방법에 있어서,
    상기 드럼의 회전에 따라 발생하는 상기 터브의 진동을 진동센서를 이용하여 측정하고;
    상기 측정된 터브의 진동 데이터를 전달받아 상기 터브의 진동 변위 각도(δ)를 산출하고;
    상기 산출된 터브의 진동 변위 각도(δ)를 이용하여 상기 터브의 진동과 반대 방향의 진동 억제력을 계산하고;
    상기 계산된 진동 억제력을 진동 저감 장치를 이용하여 상기 터브의 진동과 반대 방향으로 전달하는 세탁기의 진동 저감 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 진동센서는 상기 터브의 외주면에 하나 이상 설치되는 세탁기의 진동 저감 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 진동센서는 상기 터브의 진동에 따라 이동하는 상기 터브의 변위를 측정하는 세탁기의 진동 저감 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 진동 저감 장치는 제1방향으로 고속 회전하는 자이로 로터와, 상기 자이로 로터를 고속 구동하기 위한 스핀 모터와, 상기 자이로 로터를 고정하고 상기 자이로 로터를 상기 제1방향과 90도 방향으로 회전 운동하기 위한 짐벌과, 상기 짐벌의 회전 방향을 제어하기 위한 짐벌 모터를 포함하는 세탁기의 진동 저감 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 짐벌 모터는 상기 짐벌을 회전 구동하기 위한 제어 모터인 세탁기의 진동 저감 방법.
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