JP2009125494A - 便座温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流を軽減でき、エミッション性能を改善できると共に、突入電流の低下にかかわらず必要熱量を確保でき、節電を図りながら早い立ち上がりを実現する。
【解決手段】複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂと、ＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂを直並列に切り替えるリレー４と、ＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂの通電を個別にＯＮ・ＯＦＦ制御するトライアック５Ａ,５Ｂと、制御回路６とを備え、制御回路６は、ＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂを直列接続して同時に通電する直列接続形態、並列接続して各ＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂに同時に或いは交互に通電する並列接続形態のいずれかに切替設定する導通形態切替手段７と、各接続形態において必要熱量の低下を防止するためにトライアック５Ａ,５Ｂの点弧タイミングを交流半周期毎に調整するためのトリガ手段８とを有する便座温度制御装置２０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、便座表面を加熱・暖房するためのＡＣ抵抗負荷を通電制御してＡＣ抵抗負荷を所定の設定温度に制御するための便座温度制御装置に関するものである。

従来から、便座表面を加熱・暖房するヒータを便座内部に収納した暖房便座において、高い熱量のヒータを低い熱量にて使用する際には、一般的にトライアックによる位相制御が行なわれている（例えば、特許文献１参照）。

図８（ａ）は相対的に熱量の大きい単一のヒータ１２とトライアック５とを商用交流電源３に直列に接続した回路構造の一例を示し、図８（ｂ）はヒータ１２を低い熱量で使用する場合のトライアック５による位相制御の一例を示しており、トライアック５Ａ,５Ｂの点弧タイミングを早めることによってヒータ１２への投入熱量（投入ワット数）をある程度確保できるが、位相制御に使用するトライアック５はその動作特性上、突入電流が大きく、ヒータ電流の立ち上がりが急峻となる。図９は電波波形推移の一例であり、図中のＡは立ち上がり時、Ｂは保温時、Ｃは加温時をそれぞれ示している。このように、特に立ち上がり時Ａに突入電流が大きくなることで雑音端子電圧や電源高調波などのエミッション（ＥＭＩ）性能の悪化を招くという問題がある。ここでいうエミッション性能とは、ヒータ１２が出す電磁界ノイズを低く抑えることができる性能のことであり、該性能の悪化は、制御回路や周辺の電気機器等の故障原因となる。なお、トライアック５の点弧タイミングを図８（ｂ）の点弧タイミングよりもさらに遅らせることで電流ピーク値を小さくできるが、この場合、電流ピーク値の低下に伴いヒータ１２の投入熱量が低下してしまうことになる。なお図８（ｂ）中のＴ０は人体検知センサからの信号を受けた時点であり、点弧タイミングを算出する起点である。

そこで、立ち上がり波形を緩和する方法としてコイルを使用することで、ある程度の投入熱量を確保しつつエミッション性能を向上させることが可能であるが、この場合、ヒータ１２が大型化するほど、つまり、必要な熱量が大きくなるほどコイルに必要なインダクタンスも大きくなり、サイズやコストの面でデメリットも多かった。

また、ヒータ１２として、例えばハロゲンヒータなどの大きな温度変化特性をもつものを使用する場合、電圧印加直後はハロゲンヒータの温度が低いため、温度上昇後より大きな電流が流れるようになり、その値はハロゲンヒータの使用温度範囲にもよるが、電源容量が小さい場合は電圧降下が起こるなどの弊害が生じるおそれがある。これを防ぐ方法として、例えば部分的に熱量を投入する位相制御や半波通電などにより予備加熱時間を設けて、ハロゲンヒータの温度をあげ、抵抗が大きくなってから通電する方法が考えられるが、上記エミッション性能を達成するためには、予備加熱時の通電率に上限があり、このためハロゲンヒータの早い温度立ち上がりを実現することが困難となる。
特開２００６−３０５３４４号公報

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、電流ピーク値を下げることで突入電流を軽減でき、エミッション性能を改善できると共に、突入電流の低下にかかわらず必要熱量を確保できるので、節電を図りながら早い立ち上がりを実現できる便座温度制御装置を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するために本発明は、便座１表面を加熱・暖房するためのＡＣ抵抗負荷への供給電力を位相制御する便座温度制御装置において、便座１内部に収容される複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂと、上記複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂを商用交流電源３に対して直列・並列いずれか一方の接続形態に切り替えるリレー４と、上記複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂの通電を個別にＯＮ・ＯＦＦ制御する複数のトライアック５Ａ,５Ｂと、上記リレー４及びトライアック５Ａ,５Ｂを個別に制御する制御回路６とを備え、上記制御回路６は、上記複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂを直列接続して同時に通電する直列接続形態、上記複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂを並列接続して各ＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂに同時に或いは交互に通電する並列接続形態のいずれかに切替設定する導通形態切替手段７と、上記各接続形態において必要熱量の低下を防止するためにトライアック５Ａ,５Ｂの点弧タイミングを交流半周期毎に調整するためのトリガ手段８とを有していることを特徴としている。

このような構成とすることで、導通形態切替手段７により複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂを直列、並列いずれかに切替設定することで、従来の単一ヒータを使用する場合と比べて、抵抗値が増加するので、エミッション性能を悪化させる立ち上がり波形の電流ピーク値を小さくでき、これに伴い突入電流を軽減できると共に節電を図ることができる。またこのときトリガ手段８によりトライアック５Ａ,５Ｂの点弧タイミングを調整することで、突入電流の低下にかかわらず必要熱量を確保できるようになる。

また、上記導通形態切替手段７は、負荷通電開始時には複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂを直列接続形態に切替設定するのが好ましく、この場合、負荷通電開始時に高出力の直列接続形態を実行することで、高出力が得られることで早い立ち上がりが可能となり、またこのとき温度変化特性が大きなＡＣ抵抗負荷を用いた場合でも、抵抗値の増加に比例して電流ピーク値が下がることで、突入電流を軽減できるようになる。

請求項１の発明は、複数のＡＣ抵抗負荷を直並列切替可能とすることにより、従来の単一ヒータを使用する場合と比べて抵抗値を増加させることができ、これに伴い突入電流を軽減でき、エミッション性能を改善できるものであり、また同時にトライアックの点弧タイミングを交流半周期毎に調整して必要熱量の低下を防止することにより、突入電流の低下にかかわらず必要熱量を確保でき、高い熱量のＡＣ抵抗負荷の使用にも十分に対応可能となる。

また請求項２の発明は、温度変化特性が大きなＡＣ抵抗負荷を用いた場合であっても、負荷通電開始時において突入電流を大幅に軽減しながら早い立ち上がりを実現できるものである。

以下、本発明の便座温度制御装置２０の回路構造の一例を示している。

本例の便座温度制御装置２０は、便座１を加熱・暖房するための複数のＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂとして２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂ（輻射型発熱体）を備え、各ヒータ１２Ａ,１２Ｂからの熱輻射によって臀部が接触する着座面を短時間で暖房できるようにしている。

暖房便座の一例を図６、図７に示す。腰掛式便器１６に回動自在に取付けてある便座１はＯ型であり、この便座１の約半周分の長さを有する２つのＵ字型のヒータ１２Ａ,１２Ｂが、便座１内に設けた空洞部をほぼ１周するように収容されている。２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂは、高出力時に必要な投入熱量（投入ワット数）に対してそれぞれ１／２程度の熱量を持ったものであり、前方に配置されるヒータ１２Ａの後端部と、後方に配置されるヒータ１２Ｂの前端部とが互いにオーバーラップするように設置されており、温度の低いヒータ端部での温度下降を防止することで、便座１全体の温度をほぼ均一にして暖房感の向上を図っている。なお図６中の１３は便座１の過昇を防止するサーモスタット、１４はヒータ１２Ａ,１２Ｂの保持部材、図７中の１７は便蓋、１８はロータンク、１９は局部洗浄装置である。

ここで、本発明においては、図１、図２に示すように、上記２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂの通電制御を行なうために、商用交流電源３と各ヒータ１２Ａ,１２Ｂとの間に、リレー４と、トライアック５Ａ,５Ｂと、制御回路６とが設けられている。なお図１（ａ）は２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを直列接続して同時に通電する直列接続形態の一例を示しており、同（ｂ）は２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを同時にＯＮにする際のトライアック５Ａ,５Ｂの点弧タイミングを示しており、図２（ａ）は２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを並列接続して各ヒータ１２Ａ,１２Ｂに同時或いは交互に通電する並列接続形態の一例を示しており、同（ｂ）は２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを交互にＯＮにする際のトライアック５Ａ,５Ｂの点弧タイミングを示している。

本例のトライアック５Ａ,５Ｂは、２つヒータ１２Ａ,１２Ｂの通電を個別にＯＮ・ＯＦＦ制御するものであり、商用交流電源３と一方のヒータ１２Ａとの間及び商用交流電源３と他方のヒータ１２Ｂとの間にそれぞれ接続されている。

またリレー４は、商用交流電源３に対して２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂの接続関係を直列接続と並列接続との間で切替えるためのものであり、本例では、リレー４のＣＯＭ端子をＮＣ端子に接触するＯＦＦ状態とし且つ一方のトライアック５Ａ（又は５Ｂ）のみをＯＮにすることで、２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂが直列接続形態となり、一方、リレー４のＣＯＭ端子をＮＯ端子に接触するＯＮ状態とし且つ２つのトライアック５Ａ,５Ｂを共にＯＮにすることで、２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂが並列接続形態に切り替わるようになっている。

図３は制御回路６の一例を示す。本例の制御回路６は、人体検知センサからの信号、操作器からの操作信号、サーモスタットからの信号等に基づいて上記リレー４及び上記トライアック５Ａ,５Ｂを個別に制御するマイコンで構成されており、導通形態切替手段７及びトリガ手段８を有している。本例の制御回路６は、ヒータ１２Ａ,１２Ｂの通電開始時には導通形態切替手段７により２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを直列接続形態に切り替えると共にトリガ手段８により交流半周期Ｔ（Ｔ’）毎にトライアック５Ａ,５Ｂの点弧タイミング（トリガパルスを出力するタイミング）を交流半周期毎に早める方向に位相制御することで必要熱量の低下を防止するものである。

ここで上記導通形態切替手段７は、必要熱量に応じて、２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを直列に接続して同時に通電する直列接続形態と、２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを並列接続して同時或いは交互に通電する並列接続形態のいずれかに切替設定する。

また上記トリガ手段８は、上記各接続形態のそれぞれにおいて、交流半周期Ｔ（Ｔ’）毎にトライアック５Ａ,５Ｂの点弧タイミングをそれぞれ早めて通電時間を長くすることで、突入電流の低下に伴う必要熱量の低下を防止するものである。つまり必要熱量に応じてトライアック５Ａ,５Ｂの通電時間を算出して、ヒータ１２Ａ,１２Ｂに印加される通電時間が算出された値になるように、商用交流電源３のゼロクロスから所定時間経過後にトライアック５Ａ,５Ｂにトリガパルスを出力するものであり、このときトライアック５Ａ,５Ｂは次のゼロクロスまでヒータ１２Ａ,１２Ｂの通電を継続する。

次に本便座温度制御装置２０の動作の一例を説明する。

使用者がトイレットルームに入室すると、人体検知センサが使用者の入室を検知する。それにより、使用者の入室を示す信号が制御回路６に送られる。制御回路６は、人体検知センサからの信号を受けると、導通形態切替手段７及びトリガ手段８を介して各ヒータ１２Ａ,１２Ｂの通電制御を開始する。

先ず、ヒータ１２Ａ,１２Ｂの通電開始時には、リレー４により２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを直列接続し且つ一方のトライアック５Ａ（又は５Ｂ）のみをＯＮにして各ヒータ１２Ａ,１２Ｂに同時に通電する直列接続形態とする。その後、ある程度温度が上がってから並列接続形態に切り替えて交互に通電を行なうことで保温する。さらにその後、加温のための高出力を得る場合は、並列接続形態で２つのトライアック５Ａ,５Ｂを共にＯＮして各ヒータ１２Ａ,１２Ｂに同時にフル通電を行なう。

ここにおいて、従来の単一ヒータ１２（図６（ａ））の場合、その熱量をＷとすると、抵抗値は、
Ｖ×Ｖ／Ｗ（Ω）
となる。この場合、電流ピーク値が大きいために、突入電流も大きくなる。

一方、本発明では、単一ヒータ１２の熱量のそれぞれ１／２程度の熱量を持つ２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを直並列切り替え可能とする回路構造とすると共に、図１（ａ）の矢印イ方向に電流が流れる直列接続形態と、図２（ａ）のトライアック５Ａ,５Ｂを同時ＯＮにした状態で２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂに矢印ロと矢印ハで示す方向に同時に電流を流すか、或いは、トライアック５Ａ,５Ｂを交互にＯＮにして２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂに矢印ロと矢印ハで示す方向に交互に電流を流す並列接続形態とのいずれかに切替設定可能とする。

ここにおいて、図１（ａ）に示す直列接続形態では抵抗値は、
４Ｖ×Ｖ／Ｗ（Ω）
となり、立ち上がり波形の電流ピーク値が単一ヒータ１２の場合（図８（ｂ））と比較して１／４程度まで下がるので、突入電流は単一ヒータ１２の場合と比較して、１／４程度まで軽減される。

その後、図２（ａ）に示す並列接続形態では抵抗値は、
Ｖ×Ｖ／（Ｗ／２）（Ω）＝２Ｖ×Ｖ／Ｗ（Ω）
となり、立ち上がり波形の電流ピーク値が単一ヒータ１２（図８（ｂ））の場合と比較して１／２程度まで下がるので、突入電流は単一ヒータ１２の場合と比較して１／２程度まで軽減される。

この結果、本発明では直列、並列いずれの場合も、従来の単一ヒータ１２の場合と比較して、大きな突入電流が流れることがないので、雑音端子電圧や電源高調波などのエミッション（ＥＭＩ）性能を改善できると共に、節電できる利点が得られ、さらに電圧波形を緩めるためのコイル等を使用しなくて済むので、装置の小型化と低コスト化とを図ることができる。

また、制御回路６は、人体検知センサからの信号を受けた時点Ｔ０（図４）から交流半周期Ｔ（Ｔ’）毎に点弧タイミングを算出して、各点弧タイミングでトリガパルスを出力する。本例では、従来の単一ヒータ１２の点弧タイミングを図８（ｂ）のｔ１（ｔ１’）としたとき、並列接続形態時の点弧タイミングを単一ヒータ１２よりも早い図２（ｂ）のｔ２（ｔ２’）とし、さらに直列接続形態時の点弧タイミングをより早い図１（ｂ）のｔ３（ｔ３’）とする。これにより、本発明では、直列、並列いずれの場合も、単一ヒータの場合よりも電流ピーク値が低くなった分だけ通電時間を長くのばすことができる。つまり、ＡＣ１００Ｖ１周期中の通電時間が長くなる分だけ、投入される熱量が増加する結果、突入電流の低下にかかわらず必要熱量を確保でき、早い温度立ち上がりが可能になる。さらに温度がある程度上がった後に並列接続に切り替えて交互通電を行なうことで、節電を図りながら保温できるものであり、さらに加温時は並列接続形態で各ヒータ１２Ａ,１２Ｂにフル通電をすることで高出力を得ることができる。図４は本発明の立ち上がり波形の時間的推移を示している。図中Ａは直列接続時、Ｂは並列接続で交互通電、Ｃは並列接続でフル通電の期間をそれぞれ示している。図５は本発明のヒータ１２Ａ,１２Ｂの抵抗値の時間的推移であって、ヒータ１２Ａ,１２Ｂの温度上昇と共に抵抗値が増加する場合を示している。

上記図４の結果、本発明においては、直列、並列いずれにおいても、突入電流を小さく抑えながら必要な投入熱量を確保できるものであり、特に立ち上がり時の直列接続時Ａ（図４）において突入電流を小さくできるので、仮りにハロゲンヒータ等の高い熱量のＡＣ抵抗負荷を用いた場合でも、突入電流を小さく抑えながら早い温度立ち上がりを実現できることがわかる。

なお、前記実施形態では、ＡＣ抵抗負荷２Ａ,２Ｂとして輻射式発熱体である２つのヒータ１２Ａ,１２Ｂを使用したが、勿論これに限るものではなく、例えば高温シーズヒータや石英管ヒータ等であってもよい。

本発明の便座温度制御装置２０の回路構造は、ＡＣ抵抗負荷を熱源とする例えば給湯器の分野にも広く応用可能である。

本発明の一実施形態を示し、（ａ）は２つのヒータを直列接続形態とした場合の回路図、（ｂ）は２つのヒータを同時にＯＮにする際のトライアックの点弧タイミングを説明するタイムチャートである。 （ａ）は同上の２つのヒータを並列接続して同時或いは交互に通電する並列接続形態とした場合の回路図、（ｂ）は２つのヒータを交互にＯＮにする際のトライアックの点弧タイミングを説明するタイムチャートである。 同上の制御回路に関連するブロック図である。 同上の立ち上がり波形の時間的推移を示すグラフである。 同上のヒータの抵抗値の時間的推移を示すグラフである。 同上のヒータを組み込んだ便座の下面図である。 同上のヒータを組み込んだ便座を備えた暖房便座装置の一例を示す斜視図である。 （ａ）は従来の単一ヒータをトライアックで位相制御する回路図、（ｂ）は従来のトライアックの位相制御時のタイムチャートである。 従来の単一ヒータの立ち上がり波形の時間的推移を示すグラフである。

符号の説明

１ 便座
２Ａ,２Ｂ ＡＣ抵抗負荷
３ 商用交流電源
４ リレー
５Ａ,５Ｂ トライアック
６ 制御回路
７ 導通形態切替手段
８ トリガ手段
１２Ａ,１２Ｂ ヒータ
２０ 便座温度制御装置

Claims (2)

1. 便座表面を加熱・暖房するためのＡＣ抵抗負荷への供給電力を位相制御する便座温度制御装置において、便座内部に収容される複数のＡＣ抵抗負荷と、上記複数のＡＣ抵抗負荷を商用交流電源に対して直列・並列いずれか一方の接続形態に切り替えるリレーと、上記複数のＡＣ抵抗負荷の通電を個別にＯＮ・ＯＦＦ制御する複数のトライアックと、上記リレー及びトライアックを個別に制御する制御回路とを備え、上記制御回路は、上記複数のＡＣ抵抗負荷を直列接続して同時に通電する直列接続形態、上記複数のＡＣ抵抗負荷を並列接続して各ＡＣ抵抗負荷に同時に或いは交互に通電する並列接続形態のいずれかに切替設定する導通形態切替手段と、上記各接続形態において必要熱量の低下を防止するためにトライアックの点弧タイミングを交流半周期毎に調整するためのトリガ手段とを有していることを特徴とする便座温度制御装置。
2. 上記導通形態切替手段は、負荷通電開始時には複数のＡＣ抵抗負荷を直列接続形態に切替設定することを特徴とする請求項１記載の便座温度制御装置。
   

Images