JP4983481B2 - 便座装置 - Google Patents

Description

本発明は、便座装置のヒータへの通電の制御方法に関する。

人体の局部を洗浄する衛生洗浄装置の分野においては、人体に不快感を与えないようにするために、例えば、洗浄に用いる洗浄水を適切な温度に調整する加熱装置や人体との接触部の温度を適切な温度に調整する便座装置等様々な機能を有する装置が案出されている。なかでも、上記に示す便座装置によれば、使用者は冬場等気温が低い場合においても不快を感じることなく便座に着座することができる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の便座装置においては便座を暖める熱源と、人体検知手段と、熱源及び人体検知手段とを制御する制御手段を備え、制御手段は、ゼロクロス検出回路と位相制御回路とを有して、位相制御回路によりヒータへの入力電力を制御する構成としたものである。

このような構成によって、制御手段は、便座を使用しようという人体を検出した時にヒータの通電を開始して急速に便座温度を昇温させ、人が着座をしたときには、ヒータへの通電を位相制御に切り替え、ＡＣ１００Ｖの電圧の値が小さくなる位相で通電を行うことにより電力を小さくし、便座の保温を行う。それにより、使用者は快適に便座に着座することができる。
特開２００６−２８０９１３号公報

ところで、上記のような従来の便座装置においては、保温時の位相制御において、１種類の位相でＯＮ／ＯＦＦ制御を行っているため、特に便座を急速に昇温させるために、アルミニウム等熱伝導率の高い材質で便座を構成している場合において、便座温度が設定温度に対して上下変動を繰りかえし安定しないため着座時に使用者が不快に感じるという課題があった。

本発明の目的は、保温時の上下変動のない安定した便座温度制御を実現し、快適に便座に着座することができる便座装置を提供することである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の便座装置は、ヒータを有する便座と、人体検知センサと、便座の温度を検出する温度検出手段と、ヒータ制御手段とを備え、ヒータ制御手段は、ゼロクロス検出回路と位相制御回路とを有し、温度検出手段が検出する便座温度と目標温度の差の値によって通電率を補正するとともに、前記通電率の補正方法は、サンプリング時間内に目標温度未満になった比率を現在の通電率に掛算することにより、ヒータへの通電率を最適な値に変更することが可能となる。特に、通電率の補正方法は、サンプリング時間内に目標温度未満になった比率を現在の通電率に掛算することにより、ヒータへの通電率はあらかじめ定められた値ではなく、サンプリング毎に最適な通電率を算出するため、さらに保温時の上下変動のない安定した便座温度制御を実現することがで
きる。

本発明の便座装置は、温度検出手段により検出した便座温度と目標温度の差より最適な値に変更することにより、保温時の上下変動のない安定した便座温度制御を実現し、かつ便座全体での省エネ性能を向上することができる。

第１の発明は、ヒータを有する便座と、前記便座を使用しようとする人体を検知する人体検知センサと、前記便座の温度を検出する温度検出手段と、前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段とを備え、前記ヒータ制御手段は、ゼロクロス検出回路と位相制御回路とを有し、前記人体検知センサが人体を検知することにより前記ヒータの昇温への通電制御を開始し、温度検出手段が検出する便座温度と目標温度の差の値によって通電率を補正するとともに、前記通電率の補正方法は、サンプリング時間内に目標温度未満になった比率を現在の通電率に掛算することにより、温度検出手段で検出した便座温度と目標温度の差よりヒータへの通電率を最適な値に変更することが可能となり、保温時の上下変動のない安定した便座温度制御を実現することができる。特に、通電率の補正方法は、サンプリング時間内に目標温度未満になった比率を現在の通電率に掛算することにより、ヒータへの通電率はあらかじめ定められた値ではなく、サンプリング毎に最適な通電率を算出するため、さらに保温時の上下変動のない安定した便座温度制御を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、ヒータ制御手段は、位相制御の位相角を変化させ、交流電圧の半波区間のＯＦＦ時間を変化させることにより、ヒータへの通電電力を変更することにより、便座の保温中の交流１サイクル毎において、便座ヒータへの通電が完全に停止することがないので、上下変動のない安定した便座温度制御を実現することができる。

第３の発明は、特に第１の発明または第２の発明において、ヒータ制御手段は、位相制御における一定数の交流電圧の半波を１周期として、１周期内から、均等に非通電率分の半波をＯＦＦさせることにより、ヒータへの通電電力を変更することによりヒータ制御手段は複雑な演算が不要で、比較的容易に、保温時の上下変動のない安定した便座温度制御を実現することができる。また、位相角の変更で設定できる最小の通電率よりもさらに小さい通電率でヒータを駆動することが可能であり、より安定した便座温度制御を実現することができる。

第４の発明は、特に第１〜第３のいずれか１つの発明において、ヒータ制御手段、便座温度が目標温度よりある一定以上高い場合は、ヒータへの通電を停止し、便座温度と目標温度の差が小さい場合は、ヒータへの通電は停止せず、位相制御の通電率を変更することにより、温度検出手段により検出した便座温度と目標温度の差が大きい場合でも、保温時の上下変動のない安定した便座温度制御を実現することができる。

第５の発明は、特に第１〜第４のいずれか１つの発明において、便座への人の着座の有無を検出する着座センサを備え、ヒータ制御手段は、目標温度と便座温度の差が小さい場合において、人が便座に着座している場合は、ヒータへの通電は停止せず、位相制御の通電率を変更し、着座していない場合は、一定の通電率にて目標温度に対しＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことにより、便座が使用者の肌に直接触れている着座時のみ便座温度の安定性を重視した制御を行い、着座していない場合は、消費電力の低減を重視した制御を行うことによって、着座時の快適な便座温度制御を実現しながら、便座全体での省エネ性能を向上することができる。

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は本発明の実施の形態における便座装置の構成図である。

図１において、便座１は内部に暖房用のヒータ２と温度検出手段としてのサーミスタ３が収納されており、便座本体部１ａには着座センサ４、ヒータ制御用のトライアック５、ＡＣ１００Ｖから交流信号のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出回路６、ゼロクロス検出回路６の出力から位相差信号を出力する位相制御回路６ａ、ヒータ制御手段７、バッファー８、サーミスタ３と直列に接続される抵抗９、人体検知センサ１０からの信号の受信部１１などが納められている。

人体検知センサ１０、サーミスタ３、着座センサ４、ゼロクロス検出回路６からの信号、位相制御回路６ａからの信号はヒータ制御手段７に入力され、その信号入力から演算されて、バッファー８へヒータ２の制御信号が出力される。ヒータ２はトライアック５を介してスイッチング制御され、ＡＣ１００電圧が印加されてヒータ２の出力が決定される。トライアック５は導通信号が出力されると、次のゼロクロス点まで導通を保持する素子である。

ここで人体検知センサ１０は焦電型赤外線センサで人体を検出し、その検出信号を最終的にヒータ制御手段７に送信するものである。人体検知センサ１０からの信号は信号受光部１１で受信され、ヒータ制御手段７に入力される。

上記構成の便座装置において、以下便座ヒータ２の制御方法について説明する。

人体検知センサ１０で人体を検知すると、ヒータ制御手段７は便座１の温度が着座に適した温度に昇温するようにヒータ２の通電制御を開始する。ヒータ２の通電は、ゼロクロス信号を受けてＡＣ１００Ｖの半波を全区間通電する波数制御と、ゼロクロス信号から、一定時間遅れてＡＶ１００Ｖの電圧の半波を通電する位相制御の二つの制御方法で行う。波数制御は、人体検知センサ１０が人体を検知し、急速に便座１を加熱しなければならない状態での加熱であり、位相制御は人が便座１に着座し、便座１を保温状態に保つときの制御方法である。またサーミスタ３で温度制御を行っている。

位相制御回路６ａはゼロクロス検出回路からの信号を一定時間遅延させる遅延回路６ｂ（図示せず）で構成されている。ＡＣ１００Ｖ電圧が０Ｖになる時に出力されるゼロクロスパルスは６０Ｈｚにおいて８．３ミリ秒以内の遅延時間を与えて、ヒータ制御手段７へ出力される。トライアック５はゼロ点から設定された遅延時間を経過してから導通し、次のゼロ点までヒータ２に電圧を印加させる。この構成ではゼロクロスパルスを一定時間遅延させるだけなので、位相制御のパルス出力回路の構成が簡単になる。

図２は便座装置の制御におけるトライアック５の制御パルスおよびヒータ印加電圧波形のタイムチャートである。（ａ）は波数制御時、（ｂ）は位相制御時のものである。それぞれ上からゲートパルスの出力、ヒータ印加電圧波形を示し、縦軸は、出力電圧、横軸は時間である。

図２（ａ）の波数制御においてはＡＣ１００Ｖ電圧のゼロクロス点で、ゲートパルスが１個出力されるとヒータ２へは次のゼロ点までの半サイクル電圧が印加される。パルスが印加されないと、ヒータ２には電圧が印加されない。図中の斜線部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４で示した部分が電圧の印加される波形である。

図２（ｂ）の位相制御において、ゲートパルスはゼロクロス点より遅れて（ｔ１〜ｔ４）出力され（Ｖ１〜Ｖ４）ＡＣ１００Ｖ電圧は斜線で示した部分（Ａ１〜Ａ４）が印加される。ここでパルスが電圧の最大値を過ぎてから出力されると、ＡＣ１４１Ｖよりも低い電圧が印加され、また印加時間も短くなる。このように低い電圧が印加され、また印加時間も短いことから、位相制御は便座の温度が目標温度の近辺にあり、保温状態に保つ場合に適している。位相制御の通電率を最適な値に設定することにより、オーバーシュートやアンダーシュートの小さい、きめ細やかな温度制御が可能である。

通電率の算定方法としては各種考えられるが、以下にその例を記述する。本実施の形態においてはいずれの例も採用可能である。

第１の例としては、目標温度とサーミスタ３より計測される便座温度との差の値によってあらかじめ定められた複数の通電率を切替える方法がある。この方法はマイコンソフト等で複雑な演算が不要なため実現が容易であるという利点がある。

第２の例としては、あるサンプリング時間内に、一定の通電率にて目標温度に対しＯＮ／ＯＦＦ制御を行い、目標温度未満になった比率を計測し、現在の通電率に掛算し、通電率を補正する方法である、この方法もオーバーシュートやアンダーシュートの小さい、きめ細やかな温度制御の実現が可能である。

第３の例としては、目標温度と便座温度の偏差から比例項、微分項、積分項を算出し、フィードバック制御（ＰＩＤ制御）行って通電率を算出する方法である。この方法もオーバーシュートやアンダーシュートの小さい、きめ細やかな温度制御の実現が可能である。特に各項の重み付けの値を調整することにより、目標温度と便座温度の差が大きい場合は急速な、小さい場合は安定した温度制御を行うことができる。

次にヒータへの通電出力の変更方法について説明する。図２（ｂ）の位相制御において、ゼロクロス点から次のゼロクロス点までの半波分の電力を通電率１００％とした場合、図中の斜線部Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４で示した部分の電力が、算出した通電率となるように、ゼロクロス点からのゲートパルス出力の遅れ時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）に設定することにより行う。これにより、便座温度と目標温度の差が小さく、小さな電力でヒータ駆動が必要な場合でも、一定の通電率でＯＮ／ＯＦＦを繰り返す必要がなく、便座温度の変動が少ない快適な温度制御を行うことができる。

また、図２（ｂ）のｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４を一定値とし、ある一定数の交流電圧の半波を一周期として、一周期内から均等に非通電率分の半波をＯＦＦさせる制御（以降、これを間引き制御と呼ぶ）によっても、ヒータ２への通電出力を変更することが可能である。

図３は便座ヒータ駆動の間引き制御の一例を示すものである。

図３（ａ）に示すように、交流の全波３つを１組として制御を行う。ここで半波ではなく全波を１組としているのは、交流電圧の正負の部分を均等にＯＦＦするためである。さらに４０組で１周期を構成する。すなわち１周期は１２０の全波で構成されることになり、１周期に要する時間は６０Ｈｚで２秒、５０Ｈｚで２．４秒となる。

例えば、ヒータ２への通電出力を通電率６．７５％で通電する場合は、斜線部の電力が１０％とすれば、有効な全波の数は、１２０×（６．７５×１０／１００）＝８１となり、８１の全波が必要である。よって図３（ｂ）のように、１〜８１番までの全波をＯＮし
、８２〜１２０番はＯＦＦする。このように通電に時間的な偏りが出ないようすることによって、ヒータ通電時の一時的な電圧降下のため発生する照明のちらつきを防止することができる。

また、ゼロクロス点からのゲートパルス出力の遅れ時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４）を一定とした場合は、マイコンソフト等で複雑な演算が不要なため実現が容易であるという利点がある。

また、ゼロクロス点からのゲートパルス出力の遅れ時間が最小になった場合でも、間引き制御を組み合わせることによって、ヒータＯＦＦ区間をとらずに、さらに小さい通電率でヒータを駆動することが可能であり、ヒータＯＮ／ＯＦＦを繰り返す必要がなく、便座温度の変動が少ない快適な温度制御を行うことができる。特に、便座がアルミニウム等、熱伝導率がよい材質で構成されている場合に最適である。

便座温度が目標温度よりある一定以上高い場合は、一連の上記制御を行っても、便座温度が目標温度に収束しない。この場合ヒータ２への通電を停止する。例えば、便座温度が目標温度より１℃以上高い場合は、ヒータへの通電を停止し、未満の場合は、ヒータＯＦＦ区間をとらずに、通電率を小さくとりアンダーシュートを防止して目標温度に収束させる。このように、ヒータＯＮ／ＯＦＦ制御と組み合わせることでさらに、便座温度の変動が少ない快適な温度制御を行うことができる。

また、人が便座に着座している場合は、直接肌が便座に接触しているので、わずかな温度の変動でも不快を感じる。このため前述のようなきめ細かい温度制御が必要であるが、着座していない場合は、次に着座した時に冷感を感じない範囲の待機温度が確保できれば上記のような制御は不要である。

そこで着座していない場合は、一定の通電率にて目標温度に対しＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。例えば、ヒータのＯＮ点を便座温度が目標温度より２℃以上低い場合、ヒータのＯＦＦ点を便座温度が目標温度より２℃高い場合のように、着座時よりも広い温度範囲で制御した場合、着座時よりもヒータＯＦＦ時間が多くなり消費電力を低くすることができる。上記のような制御を行うことによって着座時の快適な便座温度制御を実現しながら、省エネ性能を向上することができる。

以上のように、本発明にかかる便座装置は、温度検出手段の出力でヒータへの通電を最適に制御し、上下変動のない安定した暖房温度を実現するものであるので、便座に限らず、他の暖房機器にも応用が可能である。

本発明の実施の形態１における便座装置の構成図 （ａ）は本発明の実施の形態１におけるヒータ制御手段におけるトライアックの制御パルスおよびヒータ印加電圧波形の波数制御時のタイムチャート（ｂ）ヒータ制御手段におけるトライアックの制御パルスおよびヒータ印加電圧波形の位相制御時のタイムチャート 本発明の実施の形態１におけるヒータ制御手段の間引き制御の一例を示すタイムチャート

１ 便座
２ ヒータ
３ サーミスタ（温度検出手段）
４ 着座センサ
６ ゼロクロス検出回路
６ａ 位相制御回路
７ ヒータ制御手段
１０ 人体検知センサ

Claims (5)

1. ヒータを有する便座と、
   前記便座を使用しようとする人体を検知する人体検知センサと、
   前記便座の温度を検出する温度検出手段と、
   前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段と
   を備え、
   前記ヒータ制御手段は、ゼロクロス検出回路と位相制御回路とを有し、前記人体検知センサが人体を検知することにより前記ヒータの昇温への通電制御を開始し、温度検出手段が検出する便座温度と目標温度の差の値によって通電率を補正するとともに、前記通電率の補正方法は、サンプリング時間内に目標温度未満になった比率を現在の通電率に掛算することを特徴とした便座装置。
2. ヒータ制御手段は、位相制御の位相角を変化させ、交流電圧の半波区間のＯＦＦ時間を変化させることにより、ヒータへの通電電力を変更することを特徴とした請求項１に記載の便座装置。
3. ヒータ制御手段は、位相制御における一定数の交流電圧の半波を１周期として、１周期内から、均等に非通電率分の半波をＯＦＦさせることにより、ヒータへの通電電力を変更することを特徴とした請求項１または２に記載の便座装置。
4. ヒータ制御手段、便座温度が目標温度よりある一定以上高い場合は、ヒータへの通電を停止し、便座温度と目標温度の差が小さい場合は、ヒータへの通電は停止せず、位相制御の通電率を変更することを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の便座装置。
5. 便座への人の着座の有無を検出する着座センサを備え、ヒータ制御手段は、目標温度と便座温度の差が小さい場合において、人が便座に着座している場合は、ヒータへの通電は停止せず、位相制御の通電率を変更し、着座していない場合は、一定の通電率にて目標温度に対しＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことを特徴とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の便座装置。

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