JP4797922B2

JP4797922B2 - 暖房便座

Info

Publication number: JP4797922B2
Application number: JP2006276212A
Authority: JP
Inventors: 孝丹羽; 秀樹山川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-10-10
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-10-10
Also published as: JP2008093082A

Description

本発明は、速暖性を有する暖房便座の電力供給に関するものである。

従来、この種の暖房便座は即暖性を有するヒータを設置し、使用直前から通電することによって、待機電力を抑制し、省エネルギー効果を得ようとするものであった。速暖性のヒータとしてはランプヒータが優れた性能を有している。しかし、ランプヒータはフィラメントが赤熱した時に所定の抵抗値になり、フィラメントが冷えている時は、所定の抵抗値の１／１０にも満たない小さな抵抗であるという高抵抗温度特性を有するものが多かった。従って、一旦便座が温まった後、使用者が便座に座っていて冷たさを感じない程度に電力を絞って間欠的に通電する保温動作を行う時には、抵抗値が小さいために、通電時に突入電流が多く流れ、フーリエ級数展開すると高次の高調波電流成分が多く発生する波形となり、規制値を上回る可能性があったり、電磁ノイズとなって周辺に設置した他の機器に悪影響を与えたり、電源電圧の変動を誘発したりする可能性もあった。そのような不具合を抑制するために、図１０に示すようにランプヒータ１０１を使用して保温動作を行う時には、マイコン１０２のｏｕｔ出力端子からの信号によって、リレー１０３を駆動し、抵抗値の温度特性の比較的少ないダミー抵抗１０４をランプヒータ１０１と直列に接続する構成とし、通電時の突入電流を抑圧する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１１０７５２号公報

しかしながら、このような構成では、温度特性の少ないダミー抵抗１０４によって、回路を流れる突入電流は確かに抑制されるが、今度はダミー抵抗１０４が通電によって発熱し、その発熱のエネルギーをどこに放散するかが大きな問題となってくる。またダミー抵抗１０４の容積も大きくなるので、便座の内部に大きなダミー抵抗１０４を収納することは難しく、また暖房便座の機械室内部に収納しても、発熱によって周囲の部品に悪影響を及ぼす恐れもあった。

前記従来の課題を解決するため、本発明の暖房便座は、使用者が着座する便座と、前記便座内部に設置し便座を加熱する高抵抗温度特性ヒータと、トライアックにより供給電力を入り切りするＡＣ電源回路と、前記ＡＣ電源回路よりも供給電圧の低い低電圧電源回路と、前記高抵抗温度特性ヒータへの電力の供給を切り換える電力切換手段と、前記便座の温度を検知する温度検知手段と、前記高抵抗温度特性ヒータへの電力の供給を制御するヒータ制御手段を備え、前記ヒータ制御手段は前記便座を短時間に昇温する速暖加熱時には前記ＡＣ電源回路より前記高抵抗温度特性ヒータへ電力を供給し、所定温度に昇温後に前
記便座を設定温度に保温する保温加熱時には前記低電圧電源回路より前記高抵抗温度特性ヒータへ電力を供給する暖房便座であって、前記低電圧電源回路は前記ＡＣ電源回路から降圧し、ＤＣ電源化を行う降圧インバータ回路で構成したものである。

これによって、速暖時および保温時いずれの状態において最適な加熱状態が得られ、特に保温時の間欠的な通電を抑制することができるため、ノイズの発生や部品の意図せぬ発熱などのない、速暖性能と保温性能が両立した暖房便座を提供することが可能となる。

本発明の暖房便座は、高抵抗温度特性ヒータに最適な電力供給を行い、通電にともなうノイズの発生や、周辺機器への悪影響を抑制することができる。

第１の発明は、使用者が着座する便座と、前記便座内部に設置し便座を加熱する高抵抗温度特性ヒータと、トライアックにより供給電力を入り切りするＡＣ電源回路と、前記ＡＣ電源回路よりも供給電圧の低い低電圧電源回路と、前記高抵抗温度特性ヒータへの電力の供給を切り換える電力切換手段と、前記便座の温度を検知する温度検知手段と、前記高抵抗温度特性ヒータへの電力の供給を制御するヒータ制御手段を備え、前記ヒータ制御手段は前記便座を短時間に昇温する速暖加熱時には前記ＡＣ電源回路より前記高抵抗温度特性ヒータへ電力を供給し、所定温度に昇温後に前記便座を設定温度に保温する保温加熱時には前記低電圧電源回路より前記高抵抗温度特性ヒータへ電力を供給する暖房便座であって、前記低電圧電源回路は前記ＡＣ電源回路から降圧し、ＤＣ電源化を行う降圧インバータ回路で構成ことにより、速暖性が求められる速暖加熱時は、ＡＣ１００Ｖを連続的に通電して短時間に便座を昇温し、保温加熱時においても低電圧電源から低い電圧で連続的に電力を供給することができるので、いずれの場合も通電にともなうノイズの発生や、周辺機器への悪影響を抑制し、速暖性能と保温性能が両立した暖房便座を提供することが可能となる。さらに、インバータ電源で波形のひずみの少ない低電圧電源回路を構成することによって回路の効率を向上させることと、高調波電流の低減を図ることが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、ＡＣ電源回路はＡＣ電源のゼロ点を検出するゼロクロス検出回路を有し、前記ゼロクロス検出回路の出力に同期してトライアックを制御して高抵抗温度特性ヒータへの供給電力を入り切りすることにより、ＡＣ電源の入り切りは必ずゼロＶの時点で行われるため、ノイズの発生を最小限度の抑制することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、ヒータ制御手段は降圧インバータ回路のスイッチング用トランジスタの導通非導通の比率を変更する手段を有するもので、導通非導通の比率を変更することで保温時の電力の微調節ができる。

第４の発明は、特に第１から第３のいずれか１つの発明において、電力切換手段は高抵抗温度特性ヒータの両端に設置された両切りリレー接点で構成したもので、高抵抗温度特性ヒータに印加される電源の経路がリレー接点で完全に切り換えられ、回路上の異電位の接触の危険を避けることが可能となる。

第５の発明は、特に第１から第４のいずれか１つの発明において、低電圧電源回路と高抵抗温度特性ヒータ間に接点手段を設置したもので、高抵抗温度特性ヒータに印加される電源の経路がリレー接点で完全に切り換えられ、高抵抗温度特性ヒータ側の切り換えが終了してから接点手段を動作させることによって、切り換え時の異電位の接触を防ぐことが可能である。

第６の発明は、特に第１から第５のいずれか１つの発明において、ＡＣ電源回路と低電圧電源回路間に接点手段を設置したもので、低電圧電源回路不使用時は、回路の入力を切ることで、低電圧電源回路の電力消費を減らし、待機電力を減らすことができる。

第７の発明は、特に第１から第６のいずれか１つの発明において、ヒータ制御手段のトライアックへの通電指示は、電力切換手段の接点開閉信号が出されて、完全に接点の移動動作が完了した後に開始されるようにするものであり、回路の切換動作が完了してから電力制御がなされることにより、切り換え時の異電位の接触を防ぐことが可能である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における暖房便座の構成図であり、図２はランプヒータ５に供給される電力の波形を示すタイムチャートであり、（ａ）はＡＣ１００Ｖが印加されている状態の波形を示し、（ｂ）は低電圧電源回路１１から印加されている状態の波形を示すものである。

図１において、便器１の上に設置された便座２に使用者３が座っている。便座２の内部空洞部（図示せず）には高抵抗温度特性ヒータであるランプヒータ５が設置され、輻射熱で便座２を暖める。ランプヒータは速暖性を有するものの、非通電時の抵抗と通電時の抵抗の比が１：１０以上あり、通電初期の抵抗が極めて低いという特徴がある。また便座２と一体になった便座本体４の内部には、ランプヒータ５を制御する回路部品が納められている。マイコン６（ヒータ制御手段）は、通常の商用電源であるＡＣ１００Ｖ電源のゼロクロス点をゼロクロス検知回路７からのゼロクロス信号出力をＺＥＲＯｉｎポートから入力することにより検知し、ゼロクロス信号出力に同期したトライアック８への駆動信号をＴＲＩＡポートからドライバー９を介してトライアック８のＧ端子へ出力する。この時、ランプヒータ５の両端のリレー接点１０ａ、１０ｂ（電力切換手段）はＡＣ１００Ｖ電源側に接続されており、トライアック８のゲートＧに信号が入力されてから次のゼロクロス時点までのＡＣ電源の半サイクルだけトライアック８のＴ１とＴ２の間が導通し、ランプヒータ５にＡＣ１００Ｖが印加される。ゼロクロス信号出力を検出する毎にこの動作を繰り返せば、ランプヒータ５にはＡＣ１００Ｖ電源が印加され続けることになる。

一方、マイコン６のＲＹ１ポートからの信号が出力されると、リレーコイル（図示せず）が励磁され、リレー接点１０ａ、１０ｂは低電圧電源回路１１の出力側とランプヒータ５を接続し、ランプヒータ５には摺動トランスでＡＣ１００Ｖを降圧する低電圧電源回路１１の出力電圧が印加される。またマイコン６のＴＲｏｕｔポートからの信号で低電圧電源回路１１の出力電圧を変えることができるようにしている。

また便座２の温度、即ち人が感じる温度は、便座２の内部空洞部に設置された温度検知手段であるサーミスタ１２の抵抗変化によって検知され、サーミスタ１２の抵抗値と分割抵抗１３で分圧された電圧をマイコン６はＴＨｉｎ端子より取り込んでいる。その温度が快適温度より高い時は、ランプヒータ５への電力供給は停止される。また便座本体４には便座２への使用者３の着座を検出する着座センサ１４が設置されており、その信号はマイコン６のＳＩＴｉｎポートからマイコン６に取り込まれる。また便器１の外部には、トイレを使おうという人１６を検知する、ＣＭＯＳカメラなどで構成された人体センサ１５が設置され、人１６の情報は、無線あるいは有線情報としてマイコン６のＨＵＭＡＮｉｎポートに取り込まれる構成となっている。

上記構成において、人体センサ１５が人１６を検出した時、マイコン６のＨＵＭＡＮｉ
ｎポートにその情報が入り、ランプヒータ５の両端のリレー接点１０ａ、１０ｂはＡＣ１００Ｖ電源側に接続された状態にあり、トライアック８のゲートＧに信号が入力されてから次のゼロクロス時点までのＡＣ電源の半サイクルだけトライアック８のＴ１とＴ２の間が導通し、ランプヒータ５にＡＣ１００Ｖが印加される。ゼロクロス信号出力を検出する毎にこの動作を繰り返しランプヒータ５にはＡＣ１００Ｖ電源が印加され続けることになる。このことによって、ランプヒータ５は急速に便座２を暖める。この動作は、サーミスタ１２によって、所定の温度に達したことが、マイコン６に認識されるまで続く。また人１６が使用者３になったことが着座センサ１４で検出され、マイコン６に認識されるまで続く。

マイコン６が所定の温度に達したことを認識、あるいは着座センサ１４で使用者３が検出されると、マイコン６はランプヒータ５の両端のリレー接点１０ａ、１０ｂを低電圧電源回路１１側に切り換え、ランプヒータ５へはピーク値が３０Ｖの保温のための電力が供給される。この状態でもサーミスタ１２は便座２の温度を検出し続け、一定の温度を上回った時は、供給電力をマイコン６のＴＲｏｕｔポートからの出力の制御により供給電力を落としたり、あるいは停止することは言うまでもない。

着座センサ１４からの信号がＳＩＴｉｎに入らなくなったことを検知したら、マイコンは使用者３が使用を終了したと判断して、低電圧電源回路１１からの保温の電力供給を停止する。

図２（ｂ）示すように保温時には低電圧電源回路１１からピーク値が３０Ｖの保温のための電力をランプヒータ５へ通電するようにリレー接点１０ａ、１０ｂによって切り換えることにより、突入電流の少ないランプヒータ５の駆動が実現でき、従って周囲の機器に障害を与えることもない暖房便座が実現できる。

また、ランプヒータ５の片側でなく両端をリレー接点１０ａ、１０ｂで一旦回路から切り離しその後切り換えることから、回路上の異電位の接触の危険を避けることが可能となる。

さらに低電圧電源回路１１から最初からＡＣ１００Ｖよりも落とした適切な電圧をランプヒータ５に供給することから、部品の異常発熱などのない効率的な機器の実現をも図ることができる。

なお、本実施の形態においては、高抵抗温度特性ヒータとしてランプヒータを採用したが、これに限るものではなく、石英管ヒータやニクロム線ヒータ等を使用することも可能である。

また、本実施の形態においては、ＡＣ電源として日本国内の商用電源であるＡＣ１００Ｖを使用したが、これに限るものではなく、諸外国の商用電源に対応する構成と作用および効果を同様に得ることができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の第２の実施の形態における低電圧電源回路１１である降圧インバータ回路の回路図である。

図３でＡＣ１００Ｖの電圧は、整流ダイオード１７によって全波整流され、チョークコイル１８、コンデンサ１９とトランス２０の一次側に直列にスイッチング用トランジスタであるドレーン−ソース間が接続されたＭＯＳＦＥＴ２１によって構成されたインバータ回路によって高周波化（その周波数はＭＯＳＦＥＴ２１のゲート電圧Ｖｇの周波数）され
、そのパルス列はマイコン６のＴＲｏｕｔ端子より出力される。トランス２０の二次側では巻線比（一次側＞二次側）やＭＯＳＦＥＴ２１の駆動周波数で決まる電圧を、ダイオード２２とコンデンサ２３、チョークコイル２４によって平滑化して低電圧電源回路１１の出力電圧Ｖｓを作り出している。またＭＯＳＦＥＴ２１のドレーン−ソース間に並列に接続されているコンデンサ２５と抵抗２６はＭＯＳＦＥＴ２１のスイッチング時の電圧変動を和らげ、回路部品の電圧破壊を防ぐスナバー回路２７を形成している。

図４は図３の低電圧電源回路（降圧インバータ回路）１１の電圧波形のタイムチャートであり、（ａ）はゲートパルスのＯＮ／ＯＦＦのデューティー比が５０％の時、（ｂ）はゲートパルスのＯＮ／ＯＦＦのデューティー比が２０％の時を示し、波形はそれぞれ上からＭＯＳＦＥＴ２１のゲート電圧Ｖｇ、ＭＯＳＦＥＴ２１のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ、降圧インバータ回路の出力波形Ｖｓを示している。

図３においてマイコン６からＨｉｇｈ信号が出力されるとＭＯＳＦＥＴ２１は導通し、トランス２０の一次側を電流が流れ、Ｖｄｓの電圧はほぼゼロになる。マイコン６からの信号がＬＯＷに転ずると、ＶｄｓはＭＯＳＦＥＴ２１のスイッチングに伴い過渡的にピーク電圧を示した後、コンデンサ１９の容量とトランス２０の一次側のリアクタンス、スナバー回路２７大きさなどによって決まる共振電圧を示す。また降圧インバータ回路１１の出力電圧Ｖｓは一次側のゲートパルスのＯＮ／ＯＦＦのデューティー比によってその実効値が決まる。従って、ゲートパルスのＯＮ／ＯＦＦのデューティー比を調整することによって、ランプヒータ５に適切な電力を供給することが可能となる。

また一旦ＡＣ電圧を平滑してランプヒータ５の供給電圧としているので、トライアック８で位相制御を行うような、急峻な電圧波形を供給することはない。従って高調波電流も抑制でき、周囲の電機機器に妨害を与えることも少なくすることができる。

（実施の形態３）
図５は本発明の第３の実施の形態における暖房便座の構成図である。

第１の実施例との違いは、低電圧電源回路１１の出力と電力切換手段であるリレー接点１０ａ、１０ｂのうちの一つリレー接点１０ｂの間にリレー接点３０を設置したところである。このリレー接点３０はマイコン６のＲＹ２ｏｕｔポートからの出力で接点の開／閉が制御される。

図６にマイコン６のＲＹ１ｏｕｔポートおよびＲＹ２ｏｕｔポートから出力される接点制御電圧のタイミングチャートを示す。リレー接点１０ａ、１０ｂを切換えるＲＹ１ｏｕｔポートからの出力が出力された後、リレー接点の動作時間のばらつきを考慮した遅延時間τが過ぎてから、ＲＹ２ｏｕｔポートからの出力が出力され、低電圧電源回路１１の出力がランプヒータ５に印加される。遅延時間τはリレーの仕様により異なるが、２０〜３０ミリ秒も考慮すれば十分である。

このように低電圧電源回路１１の出力を接点を介してランプヒータ５の供給することによって、より一層、回路上の異電位の接触の危険を避けることができ、制御の安定性が向上する。

（実施の形態４）
図７は本発明の第４の実施の形態における暖房便座の構成図である。

第３の実施例との違いは、ＡＣ電源と低電圧電源回路１１の入力の間にリレー接点３１を設置したところである。このリレー接点３１はマイコン６のＲＹ３ｏｕｔポートからの
出力で接点の開／閉が制御される。

図８にマイコン６のＲＹ１ｏｕｔポートおよびＲＹ３ｏｕｔポートから出力される接点制御電圧のタイミングチャートを示す。リレー接点１０ａ、１０ｂを切換えるＲＹ１ｏｕｔポートからの出力が出された後、リレー接点の動作時間のばらつきを考慮した遅延時間τが過ぎてから、ＲＹ３ｏｕｔポートからの出力が出力され、ＡＣ１００Ｖが低電圧電源回路１１に印加される。遅延時間τはリレーの仕様により異なるが、２０〜３０ミリ秒も考慮すれば十分である。

このように低電圧電源回路１１の出力が接点を介してランプヒータ５に接続された後でＡＣ１００Ｖを低電圧電源回路１１に供給することによって、より一層、回路上の異電位の接触の危険を避けることができ、制御の安定性が向上する。また、低電圧電源回路１１を使用しない時は、ＡＣ１００Ｖが印加されていないので、待機電力が少なくなり、省エネルギー性能も向上する。

（実施の形態５）
図９は本発明の第５の実施の形態における制御回路の電圧、電流のタイミングチャートであり、波形は上からそれぞれ、ＲＹ１ｏｕｔ電圧波形、ＺＥＲＯｉｎ電圧波形、ＴＲＩＡ電圧波形、ランプヒータ５電流波形である。

リレー接点１０ａ、１０ｂの制御信号ＲＹ１ｏｕｔがＯＮからＯＦＦに変化して、ランプヒータ５がＡＣ電源源側に切り換わる。その後、電源電圧の１サイクル以上（時間τ）経過してから、トライアック８の駆動信号がＴＲＩＡポートから出力される。時間τの遅延の後、トライアック８の駆動を行う事により、安全に回路を切り換え、ランプヒータ５への通電を行う事が可能となる。

このように本発明によれば、即暖時と保温時、それぞれの状態において最適なランプヒータの加熱状態が得られ、ノイズの発生や部品の意図せぬ発熱などのない、速暖性能と保温性能が両立した暖房便座を提供することが可能となる。

また、電位の異なる複数の電源を切り換えてランプヒータに印加するときの安全性を確保することも可能となる。

以上のように、本発明にかかる暖房便座は、複数の電位の異なる電源を、熱源に供給することを可能にするもので、熱機器全般の制御に応用することが可能である。

本発明の実施の形態１における暖房便座の構成図（ａ）本発明の実施の形態１におけるＡＣ電源回路からランプヒータに供給される電力のタイムチャート（ｂ）低電圧電源回路からランプヒータに供給される電力のタイムチャート本発明の実施の形態２における低電圧電源であるインバータ回路の回路図（ａ）本発明の実施の形態２における低電圧電源回路のゲートパルスのＯＮ／ＯＦＦのデューティー比が５０％の時の電圧波形のタイムチャート（ｂ）ゲートパルスのＯＮ／ＯＦＦのデューティー比が２０％の時の電圧波形のタイムチャート本発明の実施の形態３における暖房便座の構成図本発明の実施の形態３におけるマイコンポートから出力される接点制御電圧のタイミングチャート本発明の実施の形態４における暖房便座の構成図本発明の実施の形態４におけるマイコンポートから出力される接点制御電圧のタイミングチャート本発明の実施の形態５における制御回路の電圧、電流のタイミングチャート従来の暖房便座の構成図

２便座
５ランプヒータ（高抵抗温度特性ヒータ）
６マイコン（ヒータ制御手段）
７ゼロクロス検知回路
８トライアック
１０ａ、１０ｂリレー接点（電力切換手段）
１１低電圧電源回路
１２サーミスタ（温度検知手段）
２１ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング用トランジスタ）
３０、３１リレー接点（接点手段）

Claims

使用者が着座する便座と、
前記便座内部に設置し便座を加熱する高抵抗温度特性ヒータと、
トライアックにより供給電力を入り切りするＡＣ電源回路と、
前記ＡＣ電源回路よりも供給電圧の低い低電圧電源回路と、
前記高抵抗温度特性ヒータへの電力の供給を切り換える電力切換手段と、
前記便座の温度を検知する温度検知手段と、
前記高抵抗温度特性ヒータへの電力の供給を制御するヒータ制御手段を備え、
前記ヒータ制御手段は前記便座を短時間に昇温する速暖加熱時には前記ＡＣ電源回路より前記高抵抗温度特性ヒータへ電力を供給し、所定温度に昇温後に前記便座を設定温度に保温する保温加熱時には前記低電圧電源回路より前記高抵抗温度特性ヒータへ電力を供給する暖房便座であって、
前記低電圧電源回路は前記ＡＣ電源回路から降圧し、ＤＣ電源化を行う降圧インバータ回路で構成した暖房便座。
ＡＣ電源回路はＡＣ電源のゼロ点を検出するゼロクロス検出回路を有し、前記ゼロクロス検出回路の出力に同期してトライアックを制御して高抵抗温度特性ヒータへの供給電力を入り切りする請求項１に記載の暖房便座。
ヒータ制御手段は降圧インバータ回路のスイッチング用トランジスタの導通非導通の比率を変更する手段を有する請求項１に記載の暖房便座。
電力切換手段は高抵抗温度特性ヒータの両端に設置された両切りリレー接点で構成した請求項１〜３のいずれか１項に記載の暖房便座。
低電圧電源回路と高抵抗温度特性ヒータ間に接点手段を設置した請求項１〜４のいずれか１項に記載の暖房便座。
ＡＣ電源回路と低電圧電源回路間に接点手段を設置した請求項１〜５のいずれか１項に記載の暖房便座。
ヒータ制御手段のトライアックへの通電指示は、電力切換手段の接点開閉信号が出されて、完全に接点の移動動作が完了した後に開始される請求項１〜６のいずれか１項に記載の暖房便座。