(57)【要約】    【課題】  インバータ回路においてスイッチング素子の駆動回路の消費電力を低減させることによって掃除機の吸い込み力に電力を有効利用し、小型、軽量で吸い込み力の強い電気掃除機を使用者に提供することを目的とする。    【解決手段】  インバータ回路２２において＋側のスイッチング素子２３の駆動に、前記インバータ回路において、前記直流電源＋側に接続された複数の電力制御素子の駆動に、抵抗とコンデンサによる充電回路を構成し、かつそれを適宜、充電と放電を切替える回路構成２６を使用することにより、インバータ回路２２の駆動回路の消費電力を低減させる。これにより電力を吸い込み力に有効利用でき、吸い込み力が向上する。    【選択図】  図４
2005131064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、インバータ回路と、前記直流電源及びインバータ回路によって駆動されるブラシレスモータもしくはインダクションモータを有し、前記インバータ回路において、前記直流電源＋側に接続された複数の電力制御素子の駆動に、抵抗とコンデンサによる充電回路を構成し、かつそれを適宜、充電と放電を切替える回路構成を使用したことを特徴とする電気掃除機。
【請求項２】
前記直流電源は電池であることを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
【請求項３】
前記直流電源は掃除機本体に内蔵された電池であり、また、前記掃除機本体外部にも直流電源（以下外部直流電源）を設け、前記外部直流電源からも前記掃除機本体へ直流電源を供給できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
【請求項４】
直流電源と、インバータ回路と、前記直流電源及びインバータ回路によって駆動されるブラシレスモータもしくはインダクションモータを有し、前記インバータ回路において、前記直流電源＋側に接続された複数の電力制御素子の駆動に、抵抗とコンデンサによる充電回路を構成し、かつそれを適宜、充電と放電を切替える回路構成を使用したことを特徴とする電気掃除機において、
前記回路構成の、前記直流電源＋側に接続された複数の前記電力制御素子の駆動信号入力端子へ電荷を充放電する回路部に、前記充放電において充電時にのみ有効な抵抗と放電時にのみ有効な抵抗に分けて実装したことを特徴とする電気掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスモータもしくはインダクションモータを用い、特に電池を用いてモータ駆動を行うものに好適な電気掃除機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種家庭用電化製品の静音化や電力の有効活用を目的としてモータ駆動回路がインバータ化され、電気掃除機においてもインバータ回路によって駆動されるブラシレスモータやインダクションモータを搭載することによるモータ効率の向上（電力の有効活用）、吸込力の細かな制御といった使い勝手の向上が図られている。
【０００３】
従来の電気掃除機を、図９を用いて説明する。電気掃除機は、掃除機本体１に操作部１０を備えたホース２が接続され、ホース２の他端には、延長管３が接続され、その延長管３には、吸い口体４が接続され構成されている。掃除機本体１の前部には、ホース２に連通した集塵室５が備えられ、集塵室５には補塵手段６、例えば布フィルタ、紙パック、サイクロン室など、いずれかが搭載される。掃除機本体１の後部には吸込気流を発生させる電動送風機７がモータケース１１に覆われ、防振ゴム１２、１３により防振支持されており、また電源供給のための電源コード巻取り機構１４（以下コードリール）が掃除機本体１内部に設けられている。ここで、掃除機本体１の前部と後部では気密性が保たれている。電源は商用電源１５と掃除機本体１を、コードリール１４を介してつなぐことにより供給され、制御回路８により電動送風機７が駆動される。
【０００４】
使用者が操作部１０を操作すると、制御回路８により電動送風機７が駆動され、掃除機本体内の捕塵手段６側に負の圧力が発生し、吸い口体４から塵埃などを含んだ空気を吸引する。吸引された空気は延長管３及びホース２を介して集塵室５内へ送られる。集塵室５内に備えられた補塵手段６によって空気中の塵埃などは除去され、その後空気は電動送風機７、モータケース１１内、制御回路８の順に通りぬけ排気となって掃除機本体１後部から排出される。
【０００５】
従来、電動送風機７のモータは交流整流子モータ（内部構造図示せず）であったが、カーボンブラシを用いるためブラシの磨耗がモータの寿命の要因となることや，電動送風機７の運転時に発生するカーボン紛が排気に混じり排気の衛生を損なうことなどの問題点をもっていた。また、交流整流子モータでは主に交流位相制御が用いられており、回転数などの細かな制御は困難であった。
【０００６】
電動送風機７をブラシレスモータ（内部構造図示せず）もしくはインダクションモータ（内部構造図示せず）にすることにより、カーボンブラシと整流子による機械損失やブラシ電気損、電機子銅損がなくなり、モータ効率が向上する。さらに、ブラシのような磨耗部品がないため長寿命であり、また制御方法はモータに回転磁界を与えてモータ内の回転体を同期させて運転するので、回転数制御を用いた細かな制御が可能である。
【０００７】
以上より、電気掃除機にインバータ回路駆動によるブラシレスモータやインダクションモータを搭載することにより、モータ効率の向上（電力の有効活用）、吸込力の細かな制御といった使い勝手の向上を図ることができる。
【０００８】
しかし、従来の交流整流子モータの交流位相制御では制御回路の電力制御素子が交流入力を調整する双方向性サイリスタ１個で済むのに対し、ブラシレスモータ等を駆動するインバータ回路では、電力制御素子（以下スイッチング素子と記載）を複数用いるうえ、従来の交流位相制御と比べてその動作周波数はるかに高くなり，さらに電力制御素子の数も増加するため，制御回路の発熱が大きくなる問題がある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−１３５３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のインバータ回路のスイッチング素子の駆動例として以下を挙げる。まず、インバータ回路のスイッチング素子の駆動に、直流電源の＋及びGNDという固定電位に対する電位差を用いた場合は、図７に示すように、＋側には＋側スイッチング素子４１としてＰチャネルタイプのスイッチング素子、GND側にはGND側スイッチング素子４２としてＮチャネルタイプのスイッチング素子が用いられる。ここで、スイッチング素子の駆動に必要な電位差を与えるスイッチング素子駆動用抵抗４０において駆動時は常に電流が流れ、また駆動信号に対する応答を早くするためには抵抗値を下げる必要があるためスイッチング素子駆動用抵抗４０に流れる電流は大きくなり、スイッチング素子駆動用抵抗４０にて損失が発生し、損失に対応するためスイッチング素子駆動用抵抗４０は大型化する。以上より、インバータ回路のスイッチング素子の駆動に、直流電源の＋及びGNDという固定電位に対する電位差を用いた場合は、スイッチング素子駆動用抵抗４０のため回路が大型化し、また駆動回路において余分な電力消費が発生する。さらに、スイッチング素子を２種類用いるため、制御基板の組み立て工程において誤組み発生の要因となる。
【００１１】
また、スイッチング素子を、たとえばＮチャネルタイプのスイッチング素子のみで構成し、電位差を与えるのに別電源を用いた場合は、図８に示すように＋側のスイッチング素子の駆動回路には、電位差をブラシレスモータもしくはインダクションモータ２８の端子に対して与える必要があり、絶縁型の＋側スイッチング素子駆動用別電源４３が各＋側スイッチング素子に対して必要となり、制御回路基板が大型化する。
【００１２】
本発明は以上のような課題を解決しようとするものであり、インバータ回路においてスイッチング素子の駆動回路の消費電力を低減させることによって掃除機の吸い込み力に電力を有効利用し、小型、軽量で吸い込み力の強い電気掃除機を使用者に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために請求項１に記載された発明は、直流電源と、インバータ回路と、前記直流電源及びインバータ回路によって駆動されるブラシレスモータもしくはインダクションモータを有し、前記インバータ回路において前記直流電源＋側のスイッチング素子（上アーム）の駆動に、抵抗とコンデンサによる充電回路を構成し、かつそれを適宜、充電と放電を切替える回路構成（以下、これをまとめてブートストラップ回路という）を使用することにより、図６に示すような駆動回路においてスイッチング素子駆動用抵抗４０に発生していた損失をなくすことができ、インバータ回路における駆動回路の消費電力を低減することができる。また、図６に示すようなスイッチング素子駆動用抵抗４０や、図７に示すような＋側スイッチング素子駆動用別電源４３を制御回路基板に実装する必要がないので、制御回路基板の小型化及び部品点数の低減によるコスト削減ができ、電気掃除機本体の小型・軽量化ができる。
また、全てのスイッチング素子を同一にすることにより、スイッチング素子を直流電源＋側用、GND側用の2種類に分ける必要がなく、制御回路基板の組み立てにおいてスイッチング素子の誤組み防止につながり、制御回路基板の組み立て性や信頼性が向上する。
【００１４】
請求項２に記載された発明は、上記請求項１の発明において、直流電源に電池を用いることにより、商用電源から直流電源を作成する電源回路をなくすことができ、制御回路基板を小型化できる。さらに、ブートストラップ回路によってインバータ回路の駆動回路の消費電力を低減したことにより、電池の限られた電力をより多く掃除機の吸い込み力に利用でき、また電池の消費電力が抑えられ電池を長持ちさせることができる。また掃除機本体１の内部に掃除機本体と商用電源をつなぐコードリールを設ける必要がなく電気掃除機使用時において部屋の移動時に電源コード先端に設けられた電源プラグを差し替える必要もなくなるため、軽量、小型で吸い込み力が強くかつ電池が長持ちする、非常に使い勝手のよい電気掃除機を提供することができる。
【００１５】
請求項３に記載された発明は、上記請求項１の発明において、前記直流電源は電池であり、また、掃除機本体外部にも外部直流電源を設け、前記外部直流電源から前記掃除機本体へ電池と同等の直流電源を供給することにより、コードレス掃除機特有の問題である、電池が切れると充電完了まで掃除ができないという問題点に対して、外部電源をつなぐことにより電池が切れても継続して掃除できることにより、この問題点を補うことができ、より使い勝手の良い掃除機を提供できる。
【００１６】
請求項４に記載された発明は、直流電源と、インバータ回路と、前記直流電源及びインバータ回路によって駆動されるブラシレスモータもしくはインダクションモータを有し、前記インバータ回路にブートストラップ回路を使用したことを特徴とする電気掃除機において、
前記回路構成の、前記直流電源＋側に接続された複数の前記電力制御素子の駆動信号入力端子へ電荷を充放電する回路部に、前記充放電において充電時にのみ有効な抵抗と放電時にのみ有効な抵抗に分けて実装したことを特徴とする電気掃除機にすることによって、前記充放電する回路部の構成を、図５に示す＋側スイッチング素子ＯＮ／ＯＦＦ遅延回路３７の抵抗、ダイオード２種の回路部品の構成から、図６に示す＋側スイッチング素子ＯＮ用遅延抵抗３８と＋側スイッチング素子ＯＦＦ用遅延抵抗３９の抵抗のみの構成にすることによりブートストラップ回路の簡略化，小型化およびコストの削減をする事ができ、小型化、低コストの制御回路基板及び電機掃除機を提供できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１記載の発明によれば、直流電源と、インバータ回路と、前記直流電源及びインバータ回路によって駆動されるブラシレスモータもしくはインダクションモータを有し、前記インバータ回路において前記直流電源＋側のスイッチング素子（上アーム）の駆動に、抵抗とコンデンサによる充電回路を構成し、かつそれを適宜、充電と放電を切替える回路構成（以下、これをまとめてブートストラップ回路という）を使用することにより、図６に示すような駆動回路においてスイッチング素子駆動用抵抗４０に発生していた損失をなくすことができ、インバータ回路における駆動回路の消費電力を低減することができる。また、図６に示すようなスイッチング素子駆動用抵抗４０や、図７に示すような＋側スイッチング素子駆動用別電源４３を制御回路基板に実装する必要がないので、制御回路基板の小型化及び部品点数の低減によるコスト削減ができ、電気掃除機本体の小型・軽量化ができる。
また、全てのスイッチング素子を同一にすることにより、スイッチング素子を直流電源＋側用、GND側用の2種類に分ける必要がなく、制御回路基板の組み立てにおいてスイッチング素子の誤組み防止につながり、制御回路基板の組み立て性や信頼性が向上する。
【００１８】
本発明の請求項２記載の発明によれば、上記請求項１の発明において、直流電源に電池を用いることにより、商用電源から直流電源を作成する電源回路をなくすことができ、制御回路基板を小型化できる。さらに、ブートストラップ回路によってインバータ回路の駆動回路の消費電力を低減したことにより、電池の限られた電力をより多く掃除機の吸い込み力に利用でき、また電池の消費電力が抑えられ電池を長持ちさせることができる。また掃除機本体１の内部に掃除機本体と商用電源をつなぐコードリールを設ける必要がなく電気掃除機使用時において部屋の移動時に電源コード先端に設けられた電源プラグを差し替える必要もなくなるため、軽量、小型で吸い込み力が強くかつ電池が長持ちする、非常に使い勝手のよい電気掃除機を提供することができる。
【００１９】
本発明の請求項３記載の発明によれば、上記請求項１の発明において、前記直流電源は電池であり、また、掃除機本体外部にも外部直流電源を設け、前記外部直流電源から前記掃除機本体へ電池と同等の直流電源を供給することにより、コードレス掃除機特有の問題である、電池が切れると充電完了まで掃除ができないという問題点に対して、外部電源をつなぐことにより電池が切れても継続して掃除できることにより、この問題点を補うことができ、より使い勝手の良い掃除機を提供できる。
【００２０】
本発明の請求項４記載の発明によれば、直流電源と、インバータ回路と、前記直流電源及びインバータ回路によって駆動されるブラシレスモータもしくはインダクションモータを有し、前記インバータ回路にブートストラップ回路を使用したことを特徴とする電気掃除機において、
前記回路構成の、前記直流電源＋側に接続された複数の前記電力制御素子の駆動信号入力端子へ電荷を充放電する回路部に、前記充放電において充電時にのみ有効な抵抗と放電時にのみ有効な抵抗に分けて実装したことを特徴とする電気掃除機にすることによって、前記充放電する回路部の構成を、図５に示す＋側スイッチング素子ＯＮ／ＯＦＦ遅延回路３７の抵抗、ダイオード２種の回路部品の構成から、図６に示す＋側スイッチング素子ＯＮ用遅延抵抗３８と＋側スイッチング素子ＯＦＦ用遅延抵抗３９の抵抗のみの構成にすることによりブートストラップ回路の簡略化，小型化およびコストの削減をする事ができ、小型化、低コストの制御回路基板及び電機掃除機を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施例を、図を参照して説明する。ここでは、ブラシレスモータを用いた電池式の掃除機について実施例をあげるが、モータにインダクションモータ、直流電源に商用電源や外部直流電源を用いた場合も実施可能である。
【００２２】
図１は本発明実施例の電気掃除機の概略構成図である。電気掃除機は、掃除機本体１に操作部１０を備えたホース２が接続され、ホース２の他端には、延長管３が接続され、その延長管３には、吸い口体４が接続され構成されている。掃除機本体１の前部には、ホース２に連通した集塵室５が備えられ、集塵室５には補塵手段６、例えば布フィルタ、紙パック、サイクロン室など、いずれかが搭載される。掃除機本体１の後部には吸込気流を発生させる電動送風機７がモータケース１１に覆われ、防振ゴム１２、１３により防振支持されており、また電源供給のための直流電源９、ここでは電池が掃除機本体１内部に設けられている。ここで、掃除機本体１の前部と後部では気密性が保たれている。ここでは電動送風機７にはブラシレスモータを用いている。
【００２３】
使用者が操作部１０を操作すると、制御回路８により電動送風機７が駆動され、掃除機本体１内の捕塵手段６側に負の圧力が発生し、吸い口体４から塵埃などを含んだ空気を吸引する。吸引された空気は延長管３及びホース２を介して集塵室５内へ送られる。集塵室５内に備えられた補塵手段６によって空気中の塵埃などは除去され、その後空気は電動送風機７、モータケース１１内、制御回路８の順に通りぬけ排気となって掃除機本体１後部から排出される。
【００２４】
図４は、本発明実施例の電気掃除機における制御回路８のブロック図である。制御回路８は制御用直流電源２１とインバータ回路２２から構成されている。直流電源２０はインバータ回路２２の動作に必要な電源を供給する制御用直流電源２１に電源を供給する。直流電源２０とブラシレスモータ２８間をインバータ回路２２により順次スイッチングすることによってブラシレスモータ２８内に回転磁界が発生し、ブラシレスモータ内部の回転体がこの回転磁界に同期して回転し、電気掃除機として機能する構成である。なお、直流電源２０は本実施例では電池であるが、商用電源を直流に変換して得ることも可能である。
【００２５】
ブラシレスモータ２８を回転させるには、ブラシレスモータ２８内の回転体の位置（以下モータ位置という）をモータ位置及び回転数検出手段２７より検出してマイクロコンピュータ２４に入力し、マイクロコンピュータ２４からモータ位置に対応した駆動信号を出力し、駆動回路２５もしくはブートストラップ回路２６を介して各スイッチング素子２３がスイッチングされる。これによりブラシレスモータ２８内の回転体に回転トルクを与えるのに適した磁界を与えることができ、ブラシレスモータ２８内の回転体は回転する。ブラシレスモータ回転中は、回転子位置及び回転数を回転子位置及び回転数検出手段２７検出し、また、電流検出手段２７により電流量等を検出してマイクロコンピュータ２４に入力し、検出した回転子位置、回転数、電流量に応じてマイクロコンピュータ２４より駆動信号を出力する。
【００２６】
ここで、ブートストラップ回路は＋側のスイッチング素子２３の駆動に必要な電源としてコンデンサを用いているので、図７に示すようなスイッチング素子駆動用抵抗４０のような損失の大きな部品が必要なくなり、インバータ回路の駆動回路の消費電力低減となり、実施例の電源式の掃除機においては電池の限られた電力をより多く掃除機の吸い込み力に利用でき、また電池の消費電力が抑えられ電池を長持ちさせることができる。また、図８に示すような＋側スイッチング素子駆動用別電源４３を制御基板に実装する必要がなくなり制御回路基板を小型化、部品点数減少によるコスト削減ができる。さらに、スイッチング素子２３を全て同一のもの、ここではＮチャネルＭＯＳＦＥＴにすることにより、制御回路基板の組み立てにおいてスイッチング素子２３の誤組み防止につながり、制御回路基板の組み立て性や信頼性が向上する。
【００２７】
図５はブートストラップ回路の一例を示している。ここで、＋側スイッチング素子３１の駆動に必要な電源としてコンデンサ３６−ａを利用している。コンデンサ３６−ａの充電には、GND側スイッチング素子３２をオンすることにより、スイッチング素子駆動用の直流電源２９から、コンデンサ充電用抵抗３６−ｂ、コンデンサ充電用ダイオード３６−ｃ、コンデンサ３６−ａ、GND側スイッチング素子３２、GNDの順に電気的につながった充電回路が形成され、コンデンサ３６−ｃが充電される。＋側スイッチング素子、ここではＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴを駆動するためには、＋側スイッチング素子３１（ＮチャネルＭＯＳ−ＦＥＴ）のソース（図５ではモータにつながる端子）−ゲート間に電位差を与える必要がある。＋側スイッチング素子３１の駆動において、＋側スイッチング素子３１の駆動においてＯＮさせるには、トーテムポール型に接続された＋側スイッチング素子ＯＮ用トランジスタ３３、＋側スイッチング素子ＯＦＦ用トランジスタ３４のうち＋側スイッチング素子ＯＮ用トランジスタ３３をＯＮすることにより、コンデンサ３６−ａに充電された電荷が、＋側スイッチング素子ＯＮ用トランジスタ３３、＋側スイッチング素子ＯＮ／ＯＦＦ遅延回路３７を介して＋側スイッチング素子３１のゲート端子へ流れ充電され、＋側スイッチング素子３１のソース−ゲート間に電位差が発生し＋側スイッチング素子３１はＯＮする。＋側スイッチング素子３１の駆動においてＯＦＦさせるには、＋側スイッチング素子ＯＦＦ用トランジスタ３４をＯＮすることにより、＋側スイッチング素子３１のゲート端子に充電され他電荷が、＋側スイッチング素子ＯＮ／ＯＦＦ遅延回路３７、＋側スイッチング素子ＯＦＦ用トランジスタ３４を介して＋側スイッチング素子３１のソース端子へ流れて放電され、＋側スイッチング素子３１のソース−ゲート間に電位差はなくなり、＋側スイッチング素子３１はＯＦＦする。このとき、マイクロコンピュータからの駆動信号をうけてから＋側スイッチング素子３１が応答するまでの時間を遅延回路３７で設定しているが、一般に遅延時間はＯＮには必要とし、ＯＦＦには必要としないので、抵抗とダイオードを用いている。
コンデンサ３６−ａの充電はモータを回転する前に一定期間GND側スイッチング素子３２をＯＮすることによってなされ（プリチャージ）、モータ回転中はモータの回転に同期させてスイッチング素子をスイッチングしていく過程でGND側スイッチング素子３２がＯＮした時に充電される。これにより、図７に示すようなスイッチング素子駆動用抵抗４０や、図８に示すような＋側スイッチング素子駆動用別電源４３を制御基板に実装する必要がなくなり制御基板を小型化でき、小型、軽量の電気掃除機が提供できる。
【００２８】
また、図６のように遅延回路を＋側スイッチング素子ＯＮ用遅延抵抗３８、＋側スイッチング素子ＯＦＦ用遅延抵抗３９によって構成することにより、ＯＮ、ＯＦＦ別々に遅延時間を設定でき、部品が抵抗のみなので、ブートストラップ回路の簡略化ができる。特に、図５の遅延回路３７におけるＯＦＦの遅延時間を必要としない場合のダイオードに対しては図６の＋側スイッチング素子ＯＦＦ用遅延抵抗３９を０Ω、すなわちショートするだけでよい。
【００２９】
これにより、ブートストラップ回路により制御基板を小型化でき、小型、軽量の電気掃除機が提供できるのに加え、ブートストラップ回路の回路構成の簡略化によるコストの削減をする事ができる。
【００３０】
以上、ブラシレスモータを用いた電池式の掃除機について実施例をあげたが、モータにインダクションモータ、直流電源に商用電源や外部直流電源を用いた場合も実施可能である。図２に直流電源に商用電源を用いた場合、図３に外部直流電源を用いた場合の電気掃除機の概略構成図を示す。ブロック図やブートストラップ回路については実施例と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例における電気掃除機の全体構成図である。
【図２】本発明の電源を用いた場合の実施例における電気掃除機の全体構成図である。
【図３】本発明の実施例に係る電気掃除機の全体構成図である。
【図４】本発明の実施例における回路ブロック図である。
【図５】本発明の実施例におけるブートストラップ回路である。
【図６】本発明の実施例におけるブートストラップ回路である。
【図７】従来技術における回路ブロック図である。
【図８】従来技術における回路ブロック図である。
【図９】従来技術における電気掃除機の全体構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
８…制御回路、２０…直流電源、２１…制御用直流電源、２２…インバータ回路、２４…マイクロコンピュータ、２７…電流検出手段、２８…ブラシレスモータ、３１…＋側スイッチング素子、３２…GND側スイッチング素子、４０…スイッチング素子駆動用抵抗、４３…＋側スイッチング素子駆動用別電源。
【図１】
2005131064.tif 000003
【図２】
2005131064.tif 000004
【図３】
2005131064.tif 000005
【図４】
2005131064.tif 000006
【図５】
2005131064.tif 000007
【図６】
2005131064.tif 000008
【図７】
2005131064.tif 000009
【図８】
2005131064.tif 000010
【図９】
2005131064.tif 000011