JP2007317409A - ヒータ異常検知回路 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的高価な部品であるフォトカプラを使用しないで、市販の安価な部品である通常型のダイオードを使用した低価格のヒータ異常検知回路を提供する。
【解決手段】ヒータ異常検知回路１は、交流電源１０からヒータ２０に供給される電力をオンオフするヒータスイッチ２２と交流電源１０との間に接続されて極性が互いに逆になるように並列接続された二つの通常型のダイオード３０，４０と、ヒータスイッチ２２をオンオフ制御するとともにダイオード３０，４０に印加された直流定電圧Ｖｃｃがダイオード３０，４０のヒータスイッチ接続側から出力された順方向電圧を抵抗６０，７０で分圧した検出電圧Ｖａに基づいてヒータ２０の異常，正常を判断するマイコン５０とを備えることである。
【選択図】図１

Description

本発明は、トイレの便座に内蔵されたヒータや、給湯機に内蔵された凍結予防ヒータ、あるいは暖房器具のヒータなどのように長時間連続的に通電されるヒータの断線等の異常を検知するためのヒータ異常検知回路に関する。

従来、トイレの便座に内蔵されたヒータや、給湯機に内蔵された凍結予防ヒータ、あるいは暖房器具のヒータなどの異常を検知するために、図８に示すようなヒータ異常検知回路１０１が提案（特許文献１参照）されている。この従来のヒータ異常検知回路１０１によれば、商用電源１０２にはヒータ１０３と、当該ヒータ１０３に対して商用電源１０２からの電力を供給もしくは停止するヒータスイッチ１０４とが直列に接続されており、そのヒータスイッチ１０４に対して並列状にフォトカプラ１０５の発光部１０５ｅと抵抗Ｒ１とが接続されている。また、フォトカプラ１０５の受光部１０５ｄは抵抗Ｒ３を介してマイコン１０７の入力ポートに接続されており、マイコン１０７の入力ポートには電解コンデンサＣ１が並列に接続されている。尚、フォトカプラ１０５の受光部１０５ｄには、抵抗Ｒ２を介して直流定電圧Ｖｃｃが印加されている。

上記従来のヒータ異常検知回路１０１において、マイコン１０７は所定の間隔でテスト信号を出力することで、一時的にヒータスイッチ１０４をオン状態からオフ状態に反転させ、このオフ状態のときにヒータスイッチ１０４のショート故障やヒータ１０３の断線の有無を検知する一方、ヒータスイッチ１０４のオン状態のときに当該ヒータスイッチ１０４のオープン故障の有無を検知するものである。
しかしながら、上記従来のヒータ異常検知回路１０１では、比較的高価な部品であるフォトカプラが使用されているため、ヒータ関連の全機種に展開することはコスト上、難しいという問題がある。
特開２００２−３５９０５５号公報

そこで本発明では、比較的高価な部品であるフォトカプラを使用する代わりに、市販の安価な部品である通常型のダイオードを使用した低価格のヒータ異常検知回路を提供することを解決すべき課題とするものである。

上記課題は、特許請求の範囲の欄に記載したヒータ異常検知回路により解決することができる。
請求項１に記載のヒータ異常検知回路によれば、交流電源からヒータに供給される電力をオン・オフするヒータスイッチと前記交流電源との間に接続されて極性が互いに逆になるように並列接続された二つの通常型のダイオードと、前記ヒータスイッチをオン・オフ制御するとともに前記ダイオードに印加された直流定電圧が当該ダイオードの前記ヒータスイッチ接続側から出力された順方向電圧を分圧した検出電圧に基づいて前記ヒータの異常・正常状態を判断するヒータ異常検知手段とを備えたものであり、比較的高価な部品であるフォトカプラを使用していない。これにより、低価格なヒータ異常検知回路でヒータの異常・正常を判断することができる。

また、請求項２に記載のヒータ異常検知回路によれば、請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、極性が互いに逆になるように並列接続された二つの通常型のダイオードに印加された直流定電圧をＶｃｃ、ヒータスイッチがオンでヒータが駆動状態のときのダイオードの順方向電圧をＶｆ１、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ１を分圧する抵抗をＲ６０，Ｒ７０とすれば、ヒータに流れる交流電源からの電流の方向に対応した検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２はそれぞれ、

Ｖａ１＝Ｒ７０（Ｖｃｃ−Ｖｆ１）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）
Ｖａ２＝Ｒ７０（Ｖｃｃ＋Ｖｆ１）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）

で示されるパルス状の波形となるため、ヒータ異常検知手段は、ヒータが駆動状態のときの検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２がパルス状の波形を形成すれば、ヒータが正常である、と判断することができる。

請求項３に記載のヒータ異常検知回路によれば、請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、極性が互いに逆になるように並列接続された二つの通常型のダイオードに印加された直流定電圧をＶｃｃ、ヒータスイッチがオフでヒータが停止状態のときのダイオードの順方向電圧をＶｆ２、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ２を分圧する抵抗をＲ６０，Ｒ７０とすれば、検出電圧Ｖａ３は

Ｖａ３＝Ｒ７０（Ｖｃｃ−Ｖｆ２）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）

で示される直線状の波形となるため、ヒータ異常検知手段は、ヒータが停止状態のときの検出電圧Ｖａ３が直線状の波形であれば、ヒータが正常である、と判断することができる。

請求項４に記載のヒータ異常検知回路によれば、請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、ヒータスイッチがオンの状態でヒータが駆動状態のときの検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２と、ヒータスイッチがオフの状態のときの検出電圧Ｖａ３との間で、次の不等式

Ｖａ１＜Ｖａ３＜Ｖａ２

が成立するように分圧抵抗Ｒ６０，Ｒ７０の値を高く設定して当該分圧回路を流れる電流を小さくすることにより、ヒータ異常検知手段は、ヒータの駆動状態と停止状態のときの検出電圧の電位に変化を付けることができる。

請求項５に記載のヒータ異常検知回路によれば、請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、ヒータ異常検知手段は、ヒータの駆動中に、所定の間隔でヒータスイッチをオフするテスト信号を出力することによって一時的にヒータを駆動から停止に反転した状態で一定間隔で読み取った検出電圧の値を所定のパルス判定条件式に基づいて当該検出電圧の波形がパルスであるか否かを判定したうえ、当該検出電圧の波形がパルスであると判定した場合には、ヒータスイッチがショートなどの異常であると判断することができる。

請求項６に記載のヒータ異常検知回路によれば、請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、ヒータ異常検知手段は、ヒータの停止中に、所定の間隔でヒータスイッチをオンするテスト信号を出力することによって一時的にヒータを停止から駆動に反転した状態で一定間隔で読み取った検出電圧の値を所定のパルス判定条件式に基づいて当該検出電圧の波形がパルスであるか否かを判定したうえ、当該検出電圧の波形がパルス以外の波形であると判定した場合には、前記ヒータスイッチがオープン状態になっているか、ヒータの断線などの通電経路の異常であると判断することができる。

請求項１に記載の発明によれば、比較的高価な部品であるフォトカプラを使用する代わりに、市販の安価な部品である通常型のダイオードを使用したため、低価格のヒータ異常検知回路を提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、ヒータ異常検知手段は、ヒータが駆動状態のときの検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２がパルス状の波形を形成すれば、ヒータが正常である、と判断することができる。

請求項３に記載の発明によれば、ヒータ異常検知手段は、ヒータが停止状態のときの検出電圧Ｖａ３が直線状の波形であれば、ヒータが正常である、と判断することができる。

請求項４に記載の発明によれば、分圧抵抗Ｒ６０、Ｒ７０の値を高く設定して当該分圧回路を流れる電流を小さくすることにより、ヒータ異常検知手段は、ヒータの駆動状態と停止状態のときの検出電圧の電位に変化を付けることができる。

請求項５に記載の発明によれば、ヒータ異常検知手段は、ヒータの駆動中に、所定の間隔でヒータスイッチをオフするテスト信号を出力することによって一時的にヒータを駆動から停止に反転した状態で一定間隔で読み取った検出電圧の波形がパルスであると判定した場合には、ヒータスイッチがショートなどの異常であると判断することができる。

請求項６に記載の発明によれば、ヒータ異常検知手段は、ヒータの停止中に、所定の間隔でヒータスイッチをオンするテスト信号を出力することによって一時的にヒータを停止から駆動に反転した状態で一定間隔で読み取った検出電圧の波形がパルス以外の波形であると判定した場合には、ヒータスイッチがオープン状態になっているか、ヒータの断線などの通電経路の異常であると判断することができる。

次に、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、トイレの便座に内蔵されたヒータや、給湯機に内蔵された凍結予防ヒータ、あるいは暖房器具のヒータなどのように長時間連続的に通電されるヒータの断線等の異常を検知するためのヒータ異常検知回路１の回路図を示している。
図１に示すように、ヒータ異常検知回路１は、交流電源１０から電力の供給を受けて発熱するヒータ２０と、ヒータ２０に対して交流電源１０から供給される電力をオン・オフするヒータスイッチ２２と、ヒータスイッチ２２と交流電源１０との間に接続されて極性が互いに逆になるように並列接続された二つの通常型のダイオード３０，４０と、ヒータスイッチ２２をオン・オフ制御するとともにダイオード３０，４０に印加された直流定電圧Ｖｃｃが当該ダイオード３０，４０のヒータスイッチ２２の接続側から出力されたダイオードの順方向電圧Ｖｆ１（ヒータスイッチ２２がオンで交流電源１０からヒータ２０に電力が供給されている状態での順方向電圧）、もしくはＶｆ２（ヒータスイッチ２２がオフで交流電源１０からヒータ２０に電力が供給されていない状態での順方向電圧）を抵抗６０と抵抗７０とで分圧した検出電圧Ｖａに基づいて、ヒータの異常・正常を判断するマイコン５０とを備えたものである。
尚、上記ヒータスイッチ２２は、トライアック、ソリッドステートリレー、あるいは電磁リレーなどが用いられる。

以上のように、ヒータ異常検知回路１は、図８に示した従来のヒータ異常検知回路１０１と異なり、比較的高価な部品であるフォトカプラを使用することなく、市販の安価な部品である通常型のダイオード３０，４０、及び抵抗６０，７０を使用した低価格のヒータ異常検知回路を提供することができる。

図１に示したヒータ異常検知回路１において、ヒータスイッチ２２がオンで交流電源１０からヒータ２０に電力が供給されている状態でのダイオード３０，４０の順方向電圧をＶｆ１とする。この場合、図１中に示した電流ループ１、即ち、図１において交流電源１０からヒータ２０に流れる電流の方向が時計方向であるときの検出電圧をＶａ１、電流ループ２、即ち、交流電源１０からヒータ２０に流れる電流の方向が反時計方向であるときの検出電圧をＶａ２とすると、
Ｖａ１＝Ｒ７０（Ｖｃｃ−Ｖｆ１）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）
Ｖａ２＝Ｒ７０（Ｖｃｃ＋Ｖｆ１）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）
となり、検出電圧Ｖａは、図２で示されるパルス状の波形となる。

このように、ヒータスイッチ２２がオンで交流電源１０からヒータ２０に電力が供給されている駆動状態で、ヒータ２０が正常であれば、ダイオード３０，４０の順方向電圧により検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２が変化し、図２で示されるパルス波形の電圧がマイコン５０の入力ポートに入力されるため、マイコン５０は、ヒータが駆動状態のときの検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２がパルス状の波形を形成すれば、ヒータが正常である、と判断することができる。

次に、ヒータスイッチ２２がオフで交流電源１０からヒータ２０に電力が供給されていない停止状態でのダイオード３０，４０の順方向電圧をＶｆ２、検出電圧をＶａ３とすると、
Ｖａ３＝Ｒ７０（Ｖｃｃ−Ｖｆ２）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）

となり、検出電圧Ｖａ３は、図３で示される直線状の波形となる。これにより、マイコン５０は、ヒータが停止状態のときの検出電圧Ｖａ３が直線状の波形であれば、ヒータが正常である、と判断することができる。

また、前述の分圧抵抗６０，７０の値を大きく設定することで、図１のライン１に流れる電流を少なくすることができる。図４は、ダイオード３０，４０の順方向特性図であり、ヒータスイッチ２２がオンのときに流れる電流をＩｆ１とした場合の順方向電圧Ｖｆ１に比べ、ヒータスイッチ２２がオフのときに流れる電流をＩｆ２とした場合、その順方向電圧はＶｆ２まで低下する。これにより、ヒータスイッチがオンの状態でヒータが駆動状態のときの検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２と、ヒータスイッチがオフの状態のときの検出電圧Ｖ３との間で、次の不等式

Ｖａ１＜Ｖａ３＜Ｖａ２

が成立するように、分圧抵抗Ｒ６０，Ｒ７０の値を高く設定して当該分圧回路を流れる電流を小さくすることにより、ヒータ異常検知手段は、ヒータの駆動状態と停止状態のときの検出電圧の電位に変化を付けることができる。

次に、ヒータ２０の駆動中に、マイコン５０が所定の間隔でヒータ２０をオフするテスト信号を出力し、一時的にヒータ２０を駆動状態から停止状態へと反転させることによって、ヒータ２０やヒータスイッチ２２などが正常か異常かを判断するための処理について説明する。
上記判断に際して、検出電圧Ｖａの値を一定間隔でマイコン５０に読み取らせ、そのデータを収集させる。以下、このデータサンプリングについて説明する。尚、図５は以下に説明するデータサンプリングの説明図であり、図６はデータサンプリング行程と後述するパルス判定行程を示したフローチャートである。

上記データサンプリングにおいて、検出電圧Ｖａは、時間ｔ0における電圧Ｖａ［ｔ0］と、ｔ0からｘ秒後に測定した電圧Ｖａ［ｔ１］とを以下の条件式で比較する。

Ｖａ［ｔ１］＞Ｖａ［ｔ0］＋Ｖｓ （ただし、ｔ１＝ｔ0＋ｘ） （１）

ここで、Ｖｓはしきい値電圧を示し、Ｖａ［ｔ１］の値がｔ0時よりもＶｓ以上大きければ、式（１）が成立し、このあと説明するパルス判定のためのカウント（ＣＯＵＮＴ）が加算される。そのあと、ｔ0にｔ１を、Ｖａ［ｔ0］にＶａ［ｔ１］を代入し、更新されたｔ0からｘ秒後の検出電圧を新しいＶａ［ｔ１］として式（１）の判定を行い、カウント更新の有無終了後、再びＶａ［ｔ0］を更新する。この作業をデータサンプリング時間が終了するまで繰り返したあと、後で説明するようにパルス判定用カウントが規定の範囲内であれば、その波形はパルスであると判定し、規定の範囲よりも少ない場合、あるいは多い場合はパルス以外の波形であると判定する。

上記データサンプリングにおいて、例えば５０Ｈｚの交流電源を前述のヒータ２０の電源とする場合、交流電源の電圧、電流の周期は２０ｍｓであるが、データサンプリング間隔と交流電源の周期２０ｍｓとが同期しないようにするため、ここではデータサンプリング間隔を例えば４ｍｓとし、交流電源の１周期の間に電圧Ｖａを５回検出する。また、データサンプリング時間を２０００ｍｓとして、２０００ｍｓのデータサンプリング時間中に２０００ｍｓ／４ｍｓ＝５００回のデータをサンプリングするようにマイコン５０をプログラムする。

また、上記のようにサンプリングされた検出電圧Ｖａがパルスであるか否かを判定するためのパルス判定用カウントのしきい値を例えばｍｉｎ＝２００回、ｍａｘ＝２５０回とした場合、パルス判定カウント数が２０１〜２４９回であれば、検出電圧Ｖａがパルスであると判定し、０〜２００回と、２５０回以上は、検出電圧Ｖａがパルスでないと判定する。

前述したように、ヒータ２０が正常な状態で停止されている場合、検出電圧Ｖａは直線状の波形になるため、上記パルス判定により検出電圧Ｖａがパルスであると判定された場合は、前述のヒータスイッチ２２がショートなどの異常状態になっていると想定することができる。反面、検出電圧Ｖａがパルスでないと判定された場合は、前述のヒータ２０やヒータスイッチ２２が正常であると判断される。

次に、ヒータ２０の停止中に、マイコン５０が所定の間隔でヒータ２０をオンするテスト信号を出力し、一時的にヒータ２０を停止状態から駆動状態へと反転させることによって、ヒータ２０やヒータスイッチ２２などが正常か異常かを判断するための処理について説明する。この判断に際して、前記同様に検出電圧Ｖａの値を一定間隔でマイコン５０に読み取らせ、サンプリング前後の検出電圧Ｖａの値を前記式（１）で比較する。尚、図７は、この場合のデータサンプリング行程とパルス判定行程を示したフローチャートであり、基本的には図６のフローチャートと同じである。ただし、図７に示すように、一時的にヒータ２０を停止状態から駆動状態へと反転させた状態でデータサンプリング及びパルス判定を行うが、その内容は図６のフローチャートと同じである。

前述したように、ヒータ２０が正常に状態で駆動されている場合、検出電圧Ｖａはパルス状の波形になるため、マイコン５０が前述のパルスカウント条件によりパルス以外の波形であると判定した場合、ヒータスイッチ２２のオープン、ヒータ２０の断線、あるいは電源供給線の断線などの異常が想定される。

本発明の実施の形態のヒータ異常検知回路の回路図である。 ヒータが正常な状態で駆動されている場合の検出電圧の波形図である。 ヒータが正常な状態で停止されている場合の検出電圧の波形図である。 ダイオードの順方向特性図である。 データサンプリング説明図である。 マイコンによりヒータを一時的に停止させた状態でのデータサンプリング行程とパルス判定行程とを示したフローチャートである。 マイコンによりヒータを一時的に停止から駆動させた状態でのデータサンプリング行程とパルス判定行程とを示したフローチャートである。 従来のヒータ異常検知回路の回路図である。

符号の説明

１ ヒータ異常検知回路
１０ 交流電源
２０ ヒータ
２２ ヒータスイッチ
３０，４０ ダイオード
５０ マイコン
６０，７０ 分圧抵抗
Ｖｃｃ 直流定電圧

Claims (6)

1. 交流電源からヒータに供給される電力をオン・オフするヒータスイッチと前記交流電源との間に接続されて極性が互いに逆になるように並列接続された二つの通常型のダイオードと、前記ヒータスイッチをオン・オフ制御するとともに前記ダイオードに印加された直流定電圧が当該ダイオードの前記ヒータスイッチ接続側から出力されたダイオードの順方向電圧を分圧した検出電圧に基づいて前記ヒータの異常・正常状態を判断するヒータ異常検知手段とを備えたことを特徴とするヒータ異常検知回路。
2. 請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、
   前記極性が互いに逆になるように並列接続された二つの通常型のダイオードに印加された直流定電圧をＶｃｃ、前記ヒータスイッチがオンで前記ヒータが駆動状態のときの前記ダイオードの順方向電圧をＶｆ１、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ１を分圧する抵抗をＲ６０、Ｒ７０とすれば、前記ヒータに流れる交流電源からの電流の方向に対応した前記検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２はそれぞれ、
   
   Ｖａ１＝Ｒ７０（Ｖｃｃ−Ｖｆ１）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）
   Ｖａ２＝Ｒ７０（Ｖｃｃ＋Ｖｆ１）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）
   
   で示されるパルス状の波形となることを特徴とするヒータ異常検知回路。
3. 請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、
   前記極性が互いに逆になるように並列接続された二つの通常型のダイオードに印加された直流電圧をＶｃｃ、前記ヒータスイッチがオフで前記ヒータが停止状態のときの前記ダイオードの順方向電圧をＶｆ２、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ２を分圧する抵抗をＲ６０、Ｒ７０とすれば、前記検出電圧Ｖａ３は
   
   Ｖａ３＝Ｒ７０（Ｖｃｃ−Ｖｆ２）／（Ｒ６０＋Ｒ７０）
   
   で示される直線状の波形となることを特徴とするヒータ異常検知回路。
4. 請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、
   前記ヒータスイッチがオンの状態で前記ヒータが駆動状態のときの前記検出電圧Ｖａ１，Ｖａ２と、前記ヒータスイッチがオフの状態のときの検出電圧Ｖ３との間で、次の不等式
   
   Ｖａ１＜Ｖａ３＜Ｖａ２
   
   が成立するように前記分圧抵抗Ｒ６０、Ｒ７０の値を設定して当該分圧回路を流れる電流を調整することによって、前記ヒータの駆動状態と停止状態それぞれにおける前記検出電圧の電位に変化を付けることを特徴とするヒータ異常検知回路。
5. 請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、
   前記ヒータ異常検知手段は、前記ヒータの駆動中に、所定の間隔で前記ヒータスイッチをオフするテスト信号を出力することによって一時的にヒータを駆動から停止に反転した状態で一定間隔で読み取った前記検出電圧の値を所定のパルス判定条件式に基づいて当該検出電圧の波形がパルスであるか否かを判定したうえ、当該検出電圧の波形がパルスであると判定した場合には、前記ヒータスイッチが異常であると判断することを特徴とするヒータ異常検知回路。
6. 請求項１に記載のヒータ異常検知回路において、
   前記ヒータ異常検知手段は、前記ヒータの停止中に、所定の間隔で前記ヒータスイッチをオンするテスト信号を出力することによって一時的にヒータを停止から駆動に反転した状態で一定間隔で読み取った前記検出電圧の値を所定のパルス判定条件式に基づいて当該検出電圧の波形がパルスであるか否かを判定したうえ、当該検出電圧の波形がパルス以外の波形であると判定した場合には、前記スイッチがオープン状態になっているか、ヒータの断線などの通電経路の異常であると判断することを特徴とするヒータ異常検知回路。

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