JP2011125401A - ボールバランサを有する回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バランス用転動体をアンバランスをキャンセルするための理想的な位置に迅速且つ容易に移動させることができ、アンバランス修正能力を可及的に発揮させる。
【解決手段】回転体３と、回転体３を回転駆動する電動機と、回転体３に周方向に転動可能に取り付けられてアンバランスを打ち消す方向に移動するバランス用転動体７２と、電動機を駆動して回転体３の回転速度を制御する制御手段とを具備した回転装置であり、制御手段が、回転体３の回転速度を共振回転速度の高速側近傍である第１回転速度まで上昇させた後、バランス用転動体７２をアンバランスを打ち消す方向に移動させるべく回転体３の回転速度を、第１回転速度から不連続な回転速度に微小変化させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、洗濯機の脱水機、遠心分離機など、回転体の偏心荷重および偏心位置が変化する可能性を有する回転装置に関し、特にボールバランサを有する回転装置に関するものである。

例えば、洗濯機の脱水プロセスにおいて、個々の洗濯物は回転体であるドラムの内周に沿って不均一な状態、すなわちアンバランスな状態にしばしば置かれる。その結果、脱水中にドラムの回転軸には偏った力が加わり、振動が発生する。振動の振幅はドラムの回転速度の２乗に比例して増大し、その振動のために洗濯機自身が動いたり、ある回転速度以上では運転することができなくなってしまうなどの問題が発生する。

これに対して従来は、このアンバランスを修正するために、液体バランサが多く用いられている。ところが、液体は比重が小さいためにその効果が限定的である。そこでこの液体を比重の大きい金属球に代えてアンバランスのキャンセル範囲を拡大したものがボールバランサである（特許文献１参照）。

ボールバランサシステム（図１参照）は、ドラムの内周に取り付けた管状のレース部に回転方向（周方向）に自由度をもつ複数のボールを配置することにより、偏心荷重を生じさせるアンバランス体（ここでは洗濯物（布））に対して自動的にボールが対向位置に移動する力学現象を利用したバランス装置である。図１は、ドラムの前端部及び後端部の２箇所に複数の金属球等の転動体（以下、ボールとも言う）を配置したダブルボールバランサの例を示している。その他に、ドラムの１箇所に金属球を配置したシングルボールバランサも知られており、これらは原理的には同じである。すなわち、脱水過程において経時的に変化する布アンバランス量に刻一刻対応して、複数のボールが位置を変え、自動的にアンバランスを修正できることに、このボールバランサシステムの特長がある。

しかしながら、脱水プロセルが進行して、比較的高速になると遠心力と内周の表面粗さに依存して、ボールの転がりモーメントが転がり摩擦モーメントを超える事ができずに停止した状態になり、本来持っていたボールバランサシステムのアンバランス修正能力が発揮できなくなる場合がある。その結果、ボールバランサシステムであるにも関わらず、高速に至ると脱水振動が大きくなり、振動の大きさがばらつく問題点がある。

なお、特許文献２では共振点の少し上の速度に維持することにより、ボールの移動を促す方法が提案されているが、この方法を採用しても、ボールが理想的な状態まで移動しない又は移動が不十分であることや、移動速度が遅いという問題があり、振動を理想的な状態まで低減することに課題がある。このように、ボールバランサシステムでは、ボールがアンバランスを理想的にキャンセルする位置に移動しにくく、その修正できるレベルは回転速度、振動及び転がり摩擦モーメント等により制約されてしまうという問題がある。

特開平１０−４３４７５号公報 特開２００４−６０８１２号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、ボールバランサを有する回転装置において、バランス用転動体をアンバランスをキャンセルするための理想的な位置に迅速且つ容易に移動させることができ、アンバランス修正能力を可及的に発揮させることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るボールバランサを有する回転装置は、水平又は傾斜回転軸周りに回転可能に支持された、偏心荷重が作用する回転体と、前記回転体を回転駆動する電動機と、前記回転体に周方向に転動可能に取り付けられて前記偏心荷重によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記回転体の回転速度を制御する制御手段とを具備した回転装置であって、前記制御手段が、前記回転体の回転速度を共振回転速度の高速側近傍である第１回転速度まで上昇させた後、前記バランス用転動体をアンバランスを打ち消す方向に移動させるべく前記回転体の回転速度を、前記第１回転速度から不連続な回転速度に微小変化させることを特徴とする。

このようなものであれば、回転体の回転速度を共振回転速度の高速側近傍である第１回転速度に上昇させて、その速度を不連続に微小変化させるだけで、バランス用転動体のアンバランスの自動修正能力にトリガを与えて、バランス用転動体を理想的な位置に迅速かつ容易移動させることができる。これにより、バランス用転動体のアンバランスの修正能力を可及的に発揮することができ、回転体の振動を低減することができる。しかも、本発明の実現にあたっては、単に回転速度さえ検知して回転体を制御すればよいだけであるため、簡単で安価な構成による実現が可能となる。

回転体の回転速度が回転軸系の共振点を通過した後、力学的な安定のためにバランス用転動体（ボール）はアンバランスの対向位置に自然に移動する（ボールバランサの基本動作）。しかしながら、ボールの転がり摩擦モーメント（Ｍ_ｒ）のために、ボールがアンバランスの理想的な対向位置に移動することなく移動を停止することがある。このような停止を防止して、移動を促す条件は、その速度の軸変位量Ｈとの関係において（１）式が成り立つときである。

この式の左辺が転がり摩擦モーメントで、右辺が移動を促す移動モーメントである。

軸変位量Ｈは速度（ω）の関数であり、共振速度（ωｎ）として、式（２）のようになる。

転がり摩擦モーメントＭｒは遠心力の関数であるから、式（３）のようになる。

したがって、上記式（１）（２）（３）より、式（４）が導かれる。

ボールの移動を促すには（４）式の右辺を大きくすることであるが、それは図２のように、速度（ω）を共振速度（ωｎ）に近づけることである。つまり、理論的にボールの移動を促すための目標速度は、共振回転速度の高速側近傍である必要がある。このように理論的には、共振回転速度の高速側近傍にすることでボールが移動するはずであるが、転がり摩擦により移動しにくい場合がある。この問題を本発明は解決する。

回転体の回転速度を微小変化させることに加えて、回転体の共振現象を利用してバランス用転動体を移動させ、より一層バランス用転動体の移動を確実にするためには、前記制御手段が、前記回転体の回転速度を前記第１回転速度から共振回転速度側に微小変化させるものであることが望ましい。

前記制御手段の具体的な制御態様としては、前記制御手段が、前記第１回転速度を第１目標値として前記電動機を駆動して回転速度を制御するとともに、前記微小変化を起こす回転速度を第２目標値として前記電動機を駆動して回転速度を制御するものであることが望ましい。

前記微小変化の具体的な実施の態様としては、前記制御手段が、前記微小変化がパルス状となるように前記回転体の回転速度を制御するものであることが望ましい。

アンバランスの状態、回転体の構成、バランス用転動体の構成等の種々の形態において好適にバランス用転動体の移動を促すためには、前記制御手段が、前記パルスの形状、振幅及び周期をパラメータとして前記微小変化を変更可能にしていることが望ましい。

本発明の効果を一層顕著にするためには、前記回転体が洗濯機のドラムであり、前記偏心荷重がドラム内に収容された洗濯物によって生じるものであることが望ましい。特に洗濯機の脱水プロセスにおいて効果が顕著となる。

このように構成した本発明によれば、バランス用転動体によって偏心荷重を打ち消すように構成した回転装置において、バランス用転動体をアンバランスをキャンセルするための理想的な位置に迅速且つ容易に移動させることができ、アンバランス修正能力を可及的に発揮させることができる。

ボールバランサシステムの一例を示す模式的内部構造図である。 同実施形態における振動と回転速度との関係を示す解析グラフである。 本発明の一実施形態における洗濯機の内部構造を示す模式的縦断面図である。 同実施形態のボールバランサシステムを示す軸方向から視た模式的内部構造図である。 同実施形態における過渡振動を抑制するための速度プロファイル例である。 同実施形態における回転速度と振動の相関を示す相関グラフである。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図３は、本実施形態に係るドラム式洗濯機１００の概略内部構造を示した縦断面図である。同図中、符号１は中空のボディであり、このボディ１の使用端側（以下、前側とも言う）には、洗濯物９を投入するための投入口１１と、前記投入口１１を閉じるための開閉可能な蓋１２とが設けてある。また、ボディ１の内部には、水槽２が配設されており、当該水槽２のさらに内部にはドラム３が設けられている。

水槽２は、後端面が底板２１によって閉塞され、前端部が開口する概略円筒状をなすものであり、その中心軸Ｃを水平又は水平から傾斜させ、前側が後側よりも若干高くなる姿勢で、ダンパＤや弾性体Ｓによって揺動可能に支持されている。

ドラム３は、水槽２よりも一回り小さい円筒状をなすもので、水槽２と同様、その後端面が底板３１によって閉塞され、その前端面は開口している。このドラム３には、厚み方向に貫通する多数の孔３３が設けられていて、この孔３３を介して水槽２からドラム３内に水が浸入自在に構成されている。

このドラム３の前端部及び後端部には、ボールバランサシステム７が付加されている。このボールバランサシステム７は、ドラム３の側周部に周回して取り付けられた管状をなす案内部材７１と、この案内部材７１の内部に略ガタなく嵌まり込んで転動する転動体たる複数の金属製ボール７２からなるものである。なお、図４に示すように、前記案内部材７１の内部には、ボール７２の急激な移動を抑制するための油等の粘性流体７３が貯留してある。

前記水槽２における底板２１の外側には、例えばドラム３を回転駆動するための電動機４が取り付けられており、前記電動機４の回転軸４１が軸受４２を介して当該底板２１を貫通し、ドラム３の底板３２に固定されている。

なお、図３に示す符号５は、洗濯水を供給する給水機構５であり、符号６は、水槽２及びドラム３内の洗濯水を外部に排出するための排水機構である。

これらの構成に加えて、この洗濯機１００は、電動機４等の回転速度を制御して、ドラム３内の洗濯物９の重量を算出し、洗い工程や脱水工程を自動で行う制御手段８を、ボディ１の内部における適宜箇所に備えている。

この制御手段８は、ハードウェア構成として、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、ＡＤコンバータ、各種ドライバ回路などを具備した電気回路であり、前記メモリに記憶させたプログラムに従って、前記ＣＰＵや周辺機器が協動することで種々の機能を発揮する。

しかしてこの実施形態での特徴は、該制御手段８による脱水工程でのドラム３の回転速度制御にある。そこで、その制御動作について以下に説明する。

脱水工程において制御手段８は、まず、停止状態からドラム３の回転速度を徐々に上昇させる。回転速度については、例えば電動機４に取り付けられた回転速度センサ（図示しない）からの出力によって得る。この回転速度センサは、例えばホールＩＣなどを利用したものであるが、その他の方式でも構わない。また、低速回転時（例えば１００ｒｐｍ近傍）でドラム３の振動を振動検知手段により検知する。これにより、振動低減の有無を判断する。この振動検知手段としては、例えば、ドラム２や水槽２等に直接設けた加速度センサであるが、その他の方式でも構わない。

次に制御手段８は、ドラム３の共振回転速度を算出する。共振回転速度は、ドラム重量、ドラム内径、ばね定数、ダンパ定数などから既知の数式によって算出することができる。なお、前記数式により求めた理論上の共振回転速度の上下一定幅に亘る回転速度領域において、過渡的な振動が生じる。そこで、制御手段８は、前記理論共振回転速度に上下の幅を付加して過渡振動回転速度領域も定める。この領域幅は実験やシミュレーションで予め求められた振動が、製品のスペック上、無視できない振動以上になる領域幅となるように予め定められている。かかる共振回転速度や過渡振動回転速度領域は、制御手段８による算出ではなく、別途算出しておいてその値を予めメモリに記憶させておいてもよい。

その後、制御手段８は、ドラム３の回転速度を、前記共振回転速度の高速側近傍である第１回転速度まで上昇させる。つまり制御装置８は、前記共振回転速度よりも若干高い第１回転速度、より具体的には前記過渡振動回転速度領域の上限まで上昇させ、この第１回転速度を一定時間保つ。このとき、制御手段は、第１回転速度を第１目標値として電動機４を駆動して回転速度を制御する。

次に制御手段８は、ボール７２をアンバランスを打ち消す方向に移動させるべく、ドラム３の回転速度を第１回転速度から不連続な回転速度に微小変化させる。本実施形態の制御手段８は、ドラム３の回転速度を、第１回転速度から共振回転速度側に微小変化させる。

より具体的に制御手段８は、第１回転速度から共振回転速度側の回転速度である第２回転速度への速度変化がパルス状、例えば矩形パルス、三角波パルス又はのこぎり波パルス等となるように回転速度を制御する。なお、第２回転速度は、共振回転速度と第１回転速度との間の回転速度である。このとき、制御手段は、第１回転速度からの微小変化である第２回転速度を第２目標値として、前記第１目標値との間で速度変化がパルス状となるように、電動機４を駆動して回転速度を制御する。なお、このときの速度変化のパラメータとしては、例えば、振幅として５−２０ｒｐｍ、周期として０．５−５秒の範囲内で適宜設定可能である。

次に、本実施形態のドラム式洗濯機１００を用いて定常振動を抑制するための速度プロファイル例を図５に示す。

ここでは、ドラム３の回転速度を共振回転速度より若干高い速度２７０ｒｐｍ（第１回転速度）に到達した時点で、ドラム３の回転速度を一定に保ち、２５０ｒｐｍ（第２回転速度）−２７０ｒｐｍ（第１回転速度）ｒｐｍの間で矩形パルス状の速度変化を２回投入している。このときに、その不連続な速度変化に応じて、振動の大きさが劇的に減少していることがわかる。これはボール７２が再配置されたことを示している。

このような操作を行わない場合、ボール７２はアンバランスに対して理論的な対向位置に留まる保証はない。なぜなら、移動する際に案内部材７１とボール７２の間に摩擦が働くからである。この摩擦に打ち勝つようにボール７２を移動させるには、強制的に第１回転速度から共振回転速度（共振点）近くまで速度を下げてドラム３の振動を大きくすることに加えて、その共振点から安定側に速度を戻す（この場合２７０ｒｐｍ（第１回転速度））ような、不連続な速度指令を与える必要がある。この結果としてボール７２は摩擦に打ち勝って、図５に見られるように速やかに振動が最小に近づくことになる。

振動が最小になったと判断した時点で、次に脱水工程を進行する。このときドラム３を急速に加速すると、ボール７２が上述のプロセスにより得られた最適な位置からずれてしまう。これを避けるために、緩やかな加速（Ｓ字加速）を行う必要がある。図５はその目的のために緩やかに加速していることが分かる。

このように速度プロファイルを操作するだけで、定常の振動を抑制できることから、低価格のマイコンにも容易に実装できるものである。

次に、図６に不連続な速度を与えた場合の振動低減効果を示す。図６（Ａ）は、不連続な速度を与えない場合における振動及び騒音を示すプロット図であり、図６（Ｂ）は、不連続な速度を与えた場合における振動及び騒音を示すプロット図である。なお、振動は回転速度１１２０ｒｐｍ時におけるＺ軸方向の振幅値（ｍｍ）であり、騒音は回転速度１１２０ｒｐｍ時におけるドラム式洗濯機１００から所定距離（約１ｍ）離れた地点で測定した値（ｄＢＡ）である。また、図中の（ｍ、ｎ，０）は、ｍがドラム３の前方に配置された重量（ｇ）、ｎがドラム３の後方に配置された重量（ｇ）を示す。（）内の最後の０は意味はない。

このとき、図６（Ａ）、（Ｂ）を比較すると、アンバランス体（洗濯物９）の位置に関係なく、ほぼ全ての場合において振動及び騒音が低減されていることが分かる。また、アンバランス体が無い場合において、ボール７２自体の重量によって引き起こされる振動及び騒音も低減されていることが分かる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係るドラム式洗濯機１００によれば、ドラム３の回転速度を共振回転速度の高速側近傍である第１回転速度に上昇させて、その速度を不連続に微小変化させるだけで、ボール７２のアンバランスの自動修正能力にトリガを与えて、ボール７２を理想的な位置に迅速かつ容易移動させることができる。これにより、ボール７２のアンバランスの修正能力を可及的に発揮することができ、ドラム３の振動及び騒音を低減することができる。しかも、本発明の実現にあたっては、単に回転速度さえ検知してドラム３を制御すればよいだけであるため、簡単で安価な構成による実現が可能となる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、洗濯機のドラムの他に、遠心分離器などのように偏心荷重が作用する回転体に本発明を適用して前記実施形態と同様の効果を奏し得る。

また、前記実施形態の微小変化は、第１回転速度及び第２回転速度の間で２段階で変化させるものであったが、その他の回転速度と合わせて多段階的に変化させるようにしても良い。

さらに、速度変化は、図５に示すように矩形パルス状の速度変化を２回行うものであったが、その他、振動低減効果が見られれば１回であっても良いし、３回以上行うものであっても良い。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、数値等の設定など、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・回転装置（洗濯機）
３ ・・・回転体（ドラム）
４ ・・・電動機
７２ ・・・バランス用転動体（ボール）
８ ・・・制御手段
９ ・・・洗濯物

Claims (6)

1. 水平又は傾斜回転軸周りに回転可能に支持された、偏心荷重が作用する回転体と、前記回転体を回転駆動する電動機と、前記回転体に周方向に転動可能に取り付けられて前記偏心荷重によるアンバランスを打ち消す方向に移動する１又は複数のバランス用転動体と、前記電動機を駆動して前記回転体の回転速度を制御する制御手段とを具備した回転装置であって、
   前記制御手段が、前記回転体の回転速度を共振回転速度の高速側近傍である第１回転速度まで上昇させた後、前記バランス用転動体をアンバランスを打ち消す方向に移動させるべく前記回転体の回転速度を、前記第１回転速度から不連続な回転速度に微小変化させることを特徴とする回転装置。
2. 前記制御手段が、前記回転体の回転速度を前記第１回転速度から共振回転速度側に微小変化させるものである請求項１記載の回転装置。
3. 前記制御手段が、前記第１回転速度を第１目標値として前記電動機を駆動して回転速度を制御するとともに、前記微小変化を起こす回転速度を第２目標値として前記電動機を駆動して回転速度を制御するものである請求項１又は２記載の回転装置。
4. 前記制御手段が、前記微小変化がパルス状となるように前記回転体の回転速度を制御するものである請求項１、２又は３記載の回転装置。
5. 前記制御手段が、前記パルスの形状、振幅及び周期をパラメータとして前記微小変化を変更可能にしている請求項４記載の回転装置。
6. 前記回転体が洗濯機のドラムであり、前記偏心荷重がドラム内に収容された洗濯物によって生じるものである請求項１、２、３、４又は５記載の回転装置。