JP6026764B2 - 手乾燥装置 - Google Patents

Description

本発明は、手に付着した水を高圧空気流で吹き飛ばして乾燥させる手乾燥装置に関するものである。

エアーノズルから噴射される高圧空気流で手を乾燥させる手乾燥装置においては、その乾燥時間は概ねエアーノズルから吹き出される高圧空気流の静圧×風量により決定され、その積が大きいほど短い時間で手の乾燥が可能となる。なお、静圧は風速の２乗に比例する。手乾燥装置の高圧空気流は、ブロワモータにより生成されるが、そのブロワモータには、整流子モータや、整流子モータより長寿命となるＤＣブラシレスモータが採用されている。

ブロワモータにＤＣブラシレスモータを採用した場合、モータ駆動回路を小型で安価に構成するために、ＤＣブラシレスモータにホール素子等のローター位置検知手段（センサ素子）を搭載せず、そのモータが回転することにより発生する逆起電圧においてローターの磁極の変化（磁極の境界）に対応して発生するゼロクロスポイントを認識しローターの回転位置を検知する、センサレス駆動方式が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、逆起電圧を用いたセンサレス駆動方式として、ＤＣブラシレスモータを駆動するスイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間中は逆起電圧が正しく検出できないため、スパイク信号の発生期間を避けてローターの位置を検知するものがある（例えば、特許文献２参照）。

特許第３２０８６４１号公報（第５−６頁） 特開平０１−２３４０８６号公報（特許請求の範囲）

手に付着した水を高圧空気流で吹き飛ばすタイプの手乾燥装置においては、その乾燥時間は概ね高圧空気流の風速×風量により決定される。所定の乾燥性能を得る場合、風速を上げ風量を下げれば、モータからエアーノズルに高圧空気流を送る送風路を小型化でき、また、高圧空気流を温風化するヒーターを搭載する場合、ヒーターの容量が小さくてすむというメリットがある。

モータの回転数を上げればジェット風の風速を上げることができるが、逆起電圧を利用したローターの回転位置の検知によるセンサレス駆動方式の場合、ＤＣブラシレスモータを高速回転させていくとスパイク信号の発生期間中にゼロクロスポイントが到達してしまい、ローターの回転位置の検知ができなくなってしまう。従って、スパイク信号の発生期間がゼロクロスポイントと重ならない回転数までしかモータの回転数を上げることができなかった。

即ち、ＤＣブラシレスモータの回転数に制約がある分、乾燥性能を得るために風量が必要となり、送風路の小型化やヒーターの小容量化の妨げになっている。

本発明は、前述のような課題を解決するためになされたもので、ＤＣブラシレスモータの回転数を高速化してもスパイク信号の発生期間がゼロクロスポイントと重ならず、送風路の小型化やヒーターの小容量化を図ることができる手乾燥装置を提供することを目的とする。

本発明に係る手乾燥装置は、ほぼ箱状に形成されたケーシングと、ケーシングに設けられ、手を挿抜可能な乾燥処理空間を有する手乾燥室と、手乾燥室の壁面に設けられたエアーノズルと、エアーノズルと連結された送風路と、ＤＣブラシレスモータを有し、ＤＣブラシレスモータの駆動により高圧空気流を発生し、送風路を通じてエアーノズルから手乾燥室内に噴射させる高圧空気発生装置と、複数のスイッチング素子の駆動に基づいて直流電力を交流電力に変換し、ＤＣブラシレスモータのステータの巻線に通電してローターを回転させるインバータと、ＤＣブラシレスモータのローターの回転により巻線に発生する逆起電圧を検出する逆起電圧検出手段と、逆起電圧検出手段により検出された逆起電圧からその逆起電圧のゼロクロスポイントを検出してローターの回転位置を検知し、ゼロクロスポイントを検出してから所定の遅延時間後に複数のスイッチング素子への通電を切り替える制御回路とを備え、制御回路は、複数のスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いて、そのスイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間とゼロクロスポイントが重ならないようにした。

本発明によれば、ＤＣブラシレスモータのステータの巻線に通電する複数のスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いて、そのスイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間を短くなるようにした。そのため、スイッチングスピードが速くなり、スイッチング素子の通電休止直後のスパイク信号の発生期間が短縮され、これに伴いスパイク信号により逆起電圧が正しく検出できない期間も短縮され、その分、ＤＣブラシレスモータの回転数を上げることができる。

また、前述のようにＤＣブラシレスモータの回転数を上げることができるので、風速をアップすることができ、その分、乾燥性能を維持しつつ風量を低下させることができる。

さらに、風量を低下させることができるので、ＤＣブラシレスモータの駆動による高圧空気流を送る送風路を小型化でき、また、高圧空気流を温風化するヒーターの容量が小さくてすむというメリットがあり、手乾燥装置の小型化やコストダウンを図ることができる。

実施の形態に係る手乾燥装置の右側を切断して示す断面図である。 図１の手乾燥装置に搭載された高圧空気発生装置の構成を示す断面図である。 図２の高圧空気発生装置のＤＣブラシレスモータを駆動する回路図である。 ＤＣブラシレスモータの回転数を例えば毎分２００００としたときのモータ駆動信号の波形図および従来技術におけるステータの巻線に誘起された逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図である。 ＤＣブラシレスモータの回転数を例えば毎分３００００としたときの逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図である。 従来技術におけるＤＣブラシレスモータの回転数を例えば毎分３００００としたときの逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図である。

以下、本発明に係る手乾燥装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は実施の形態に係る手乾燥装置の右側を切断して示す断面図である。
図１において、手乾燥装置の外観は、上部に手挿入口３および手挿入口３から下方に凹んで両側面が開放された手乾燥室６を有する箱形状のケーシング１によりなっている。ケーシング１は、背面の外郭をなすベース５と、正面の外郭をなす前面パネル７と、両側面の外郭をなす側面パネルとから構成されている。手乾燥室６の前後の壁面には、シリコン系もしくはフッ素系等の撥水性コーティング、又は酸化チタン等の親水性を有するコーティング、又は抗菌剤が含浸されており、表面への汚れの付着の軽減や細菌の繁殖の低減が図られている。

ケーシング１には、手乾燥室６の前面と背面の壁面に設置された手検出装置８と、手乾燥室６の下方に設置された高圧空気発生装置２と、高圧空気発生装置２により生成された高圧空気流を手乾燥室６の手前側と奥側に分流する送風路１５と、底部に前後方向に抜き差し可能に設けられたドレン容器１３と、手乾燥室６の底部に設けられた排水口１１に接続され、ドレン容器１３に水を導くための排水管１２と、高圧空気発生装置２の近傍に設置された回路基板１０とが設けられている。また、ケーシング１の底部には、着脱可能にエアーフィルタ１４が装着された空気取入口１７が設けられている。

手検出装置８は、赤外線発光部と赤外線受光部とで構成され、赤外線発光部と赤外線受光部の間の赤外線が遮断されたときに手検知信号を回路基板１０の制御回路に入力する。高圧空気発生装置２は、後述するが、ＤＣブラシレスモータと、ＤＣブラシレスモータの回転により吸込口１６から外気を吸引し、高圧空気流を送風路１５内に送り込むファンとで構成されている。

送風路１５は、前述したように手乾燥室６の手前側と奥側に分流して成り、手挿入口３の近傍の前面側および背面側の各壁面に設けられたエアーノズル４と連結されている。これらエアーノズル４から高速空気流が手乾燥室６内に噴射され、手挿入口３に挿入された手に付着した水を手乾燥室６内に吹き飛ばす。吹き飛ばされた水は、手乾燥室６の底部に落下し、排水口１１から配水管１２を通じてドレン容器１３に貯留される。前述の送風路１５には、高圧空気発生装置２からの高圧空気流を温風とするヒーター９が設置されている。

ドレン容器１３には、取外し可能な蓋が取り付けられている。ドレン容器１３と蓋は、耐薬品性のあるＰＰ又はＡＢＳ樹脂などにより成型され、中性洗剤及びアルコールなどを使って洗浄し清掃することができる。回路基板１０には、後述するが、例えばマイクロコンピュータからなる制御回路、直流電源回路、高圧空気発生装置２を駆動するためのインバータ、逆起電圧検出手段などが実装されている。

前述の制御回路は、手検出装置８からの手検出信号が入力されたときに高圧空気発生装置２に通電して高速空気流を発生させ、手検出信号の入力が断たれたときには、所定の遅延時間後に高圧空気発生装置２への通電を遮断して停止する。また、制御回路は、高圧空気発生装置２の運転時に送風路１５に設置されたヒーター９に通電し、エアーノズル４から暖かい高圧空気流が噴射されるようにする。

次に、高圧空気発生装置２の構成について図２を用いて説明する。
図２は図１の手乾燥装置に搭載された高圧空気発生装置の構成を示す断面図である。
図２において、高圧空気発生装置２は、前述したように、ＤＣブラシレスモータ２ａと、ＤＣブラシレスモータの回転軸２２ｃと共に回転して高圧空気流を発生するファン２ｂとで構成されている。

ＤＣブラシレスモータ２ａは、インナーローター型のセンサレスＤＣブラシレスモータで、ステータ２１と、ステータ２１の内側に空隙を有して配置され、一体化された回転軸２２ｃを介して軸受２３に回転自在に支持されたローター２２とで構成されている。ステータ２１は、内側に径方向に突出する鉄心歯部２１ａと、鉄心歯部２１ａに巻かれた巻線２１ｂとを有している。このステータ２１は、巻線２１ｂで構成されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相からなっている。ローター２２は、円柱形状のローター鉄心２２ａと、ローター鉄心２２ａの外周に周方向に埋め込まれた複数の永久磁石２１ｂとで構成されている。前述のＤＣブラシレスモータ２ａは、後述するインバータからの電流に基づいてステータ２１の巻線２１ｂに回転磁界が発生し、回転磁界と同じ周期でローター２２が回転する。

次に、ＤＣブラシレスモータ２ａを駆動する回路構成について図３を用いて説明する。
図３は図２の高圧空気発生装置のＤＣブラシレスモータを駆動する回路図である。
図３において、交流電流を整流して平滑し直流電流に変換する直流電源回路３１と、直流電源回路３１からの直流電力を交流電力に変換し、ステータ２１の各相の巻線２１ｂに電流を供給するインバータ３２と、ローター２２の回転により巻線２１ｂに発生する逆起電圧を検出する逆起電圧検出手段３３と、逆起電圧検出手段３３により検出された逆起電圧からローター２２の回転位置を検知し、その回転位置に基づいてインバータ３２にモータ駆動信号を出力する制御回路３４とを備え、これらが前述の回路基板１０に実装されている。

インバータ３２は、６個のスイッチング素子５１〜５６（ＵＨ、ＶＨ、ＷＨ、ＵＬ、ＶＬ、ＷＬ）により構成されている。本実施の形態においては、各スイッチング素子５１〜５６にワイドバンドギャップ半導体が用いられている。このバンドギャップ半導体は、従来の珪素（シリコン：Ｓｉ）系半導体と比較して大きなエネルギーバンド幅を有し、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、又はダイヤモンド等が使用されている。バンドギャップ半導体によるスイッチング素子５１〜５６は、Ｓｉ系半導体のスイッチング素子と比べ、スイッチングスピードが２倍から数倍速いので、後述するスパイク信号の発生期間が短縮（例えば１／２）される。

制御回路３４は、逆起電圧検出手段３３でステータ２１の巻線２１ｂに発生する逆起電圧をモニターし、ローター２２の磁極の変化（Ｎ極とＳ極との境界）に対応して発生するゼロクロスポイントを検出することでローター２２の回転位置を検知し、所定の遅延時間後にスイッチング素子５１〜５６への通電を切り替える（センサレス駆動方式）。スイッチング素子５１〜５６への通電を切り替えたときに、モータ電流の還流によりスパイク信号が発生する。

ここで、スパイク信号の発生期間について図４乃至図６を用いて説明する。なお、スパイク信号の発生期間は、ＤＣブラシレスモータ２ａの巻線２１ｂの仕様やモータ電流によって変化するが、その仕様およびモータ電流を同じとして説明する。なお、極数が４極のＤＣブラシレスモータ２ａが使用されているものとする。

図４はＤＣブラシレスモータの回転数を例えば毎分２００００としたときのモータ駆動信号の波形図および従来技術におけるステータの巻線に誘起された逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図、図５はＤＣブラシレスモータの回転数を例えば毎分３００００としたときの逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図、図６は従来技術におけるＤＣブラシレスモータの回転数を例えば毎分３００００としたときの逆起電圧信号とスパイク信号を示す波形図である。

ＤＣブラシレスモータ２ａを毎分２００００回転数で回転させた場合、モータ駆動信号および逆起電圧信号の周期は１．５ｍｓｅｃ（＝１ｓ／（（２００００ｒｐｍ／６０ｓ）×４極／２））となる。この事例では、逆起電圧信号のゼロクロスポイント１８を検出してからモータ駆動信号を切り替えるまでの時間を周期の１５°相当に設定しており、周期１．５ｍｓｅｃでは６２．５μｓｅｃとなる。この値は、駆動シーケンスを検討する上で個々に設定されるものである。スパイク信号１９の時間はモータに流れる電流量やスイッチング素子のスピードにより変化するが、従来のＳｉ系半導体を用いたスイッチング素子でスパイク信号１９が１２５μｓｅｃの間発生したとすると、スパイク信号１９の発生期間が完了してからゼロクロスポイント１８までの期間は６２．５μｓｅｃとなり、逆起電圧信号の検出が可能になる。

この状態からＤＣブラシレスモータ２ａの回転数を毎分３００００回転まで上げると、逆起電圧信号の周期は約１．０ｍｓｅｃ（＝１ｓ／（（３００００ｒｐｍ／６０ｓ）×４極／２））、逆起電圧信号のゼロクロスポイント１８を検出してからモータ駆動信号を切り替えるまでの時間は４１．７μｓｅｃ（＝１．０ｍｓｅｃ×１５°／３６０°）となる。ゼロクロスポイントの間隔は１６６．７μｓｅｃ（＝１．０ｍｓｅｃ／６）なので、スパイク信号１９が図４と同じ１２５μｓｅｃ発生したとすると、４１．７μｓｅｃ＋１２５μｓｅｃ＝１６６．７μｓｅｃとなり、図６に示すように、スパイク信号１９の期間とゼロクロスポイント１８が重なってしまう。そのため、ゼロクロスポイント１８が信号として現れず、逆起電圧信号を正常に検知することができなくなる。

ここで、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子５１〜５６を駆動して、ＤＣブラシレスモータ２ａを図６と同様に毎分３００００回転数で回転させる。この事例では、スパイク信号１９の発生期間を図４および図６のときの１／２の６２．５μｓｅｃ（＝１２５μｓｅｃ／２）になるとする。すると、スパイク信号１９の発生期間が完了してからゼロクロスポイント１８までの期間は６２．５μｓｅｃ（＝１６６．７μｓｅｃ−４１．７μｓｅｃ−６２．５μｓｅｃ）となり、従来のＳｉ系半導体を用いたスイッチング素子で２００００回転させた時と、ローター２２の回転位置の検知は同じ安定性となる。

以上のように、センサレス駆動方式においても、スパイク信号１９の発生期間を短くすることで、ＤＣブラシレスモータ２ａの高速回転化が可能となる。

手に付着した水を高圧空気流で吹き飛ばす手乾燥装置においては、その乾燥性能は、概ねエアーノズル４から吹き出される高圧空気流の静圧×風量により決定され、その積が大きいほど短い時間で手の乾燥が可能となる。

静圧は風速の２乗に比例し、風速はＤＣブラシレスモータ２ａの回転数比の２乗に比例する。そのため、その回転数を１．５倍にすれば、風速は２．２５倍となり、静圧は５．０６倍となる。従って、手乾燥装置の乾燥性能を維持した場合、静圧が５．０６倍になれば、風量を１／５に軽減できる。また、送風路１５の面積は、Ｑ＝ＡＰ（Ａ：ダクト面積、Ｑ：風量、Ｐ：風速）となるため、風量が１／５、風速が２．２５倍になれば、送風路１５の面積は１／１１．２５に軽減できる。図１に示すように送風路１５は製品サイズに大きく寄与しているため、送風路１５を細くすることにより、手乾燥装置のサイズのコンパクト化や製品構造制約の緩和を実現できる。

本実施の形態においては、ＤＣブラシレスモータ２ａのステータ２１の巻線２１ｂへの通電をスイッチングするスイッチング素子５１〜５６にワイドバンドギャップ半導体を用いて、そのスイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号１９の発生期間を短くなるようにしている。そのため、センサレス駆動方式でもＤＣブラシレスモータ２ａの高速回転化が可能になり、手の乾燥性能を維持したまま風量を１／５に減らすことで、送風路１５の体積を減らすことができ、手乾燥装置のサイズのコンパクト化を実現できる。

また、高圧空気流を温風化するヒーター９の容量は、ΔＴ＝Ｗ／ＫＱ（ΔＴ：温度上昇、Ｗ：ヒータ発熱量、Ｑ：風量、Ｋ：係数）となるため、風量を１／５に軽減できればヒーター９の容量も１／５に軽減できる。例えば、従来、５００Ｗのヒーター９を用いていた場合、風量を１／５にできれば１００Ｗのヒーター９で同等の温風を得ることができ、大幅な省エネが実現できる。

また、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子５１〜５６は、耐熱性も高いため、スイッチング素子５１〜５６の冷却のために必要な放熱フィン（図示せず）の小型化が可能であり、手乾燥装置の小型化が可能になる。

さらに、電力損失が低いため、スイッチング素子５１〜５６の高効率化が可能であり、延いては、手乾燥装置の高効率化が可能になる。

また、スイッチング素子５１〜５６の高速回転化により、ＤＣブラシレスモータ２ａの起動開始から定常回転になるまでの過渡期間を短縮することができるので、手乾燥室６に手を挿入してからエアーノズル４から吹き出される高圧空気流が定常になるまでの時間を短縮できるので、より短時間に手を乾燥させることができ、使い勝手がよい。

１ 手乾燥装置のケーシング、２ 高圧空気発生装置、２ａ ＤＣブラシレスモータ、２ｂ ファン、３ 手挿入口、４ エアーノズル、５ ベース、６ 手乾燥室、７ 前面パネル、８ 手検出装置、９ ヒーター、１０ 回路基板、１１ 排水口、１２ 配水管、１３ ドレン容器、１４ エアーフィルタ、１５ 送風路、１６ 吸込口、１７ 空気取入口、１８ ゼロクロスポイント、１９ スパイク信号、２１ ステータ、２１ａ 鉄心歯部、２１ｂ 巻線、２２ ローター、２２ａ ローター鉄心、２２ｂ 永久磁石、２２ｃ 回転軸、２３ 軸受、３１ 直流電源回路、３２ インバータ、３３ 逆起電圧検出手段、３４ 制御回路、５１〜５６ スイッチング素子。

Claims (4)

1. ほぼ箱状に形成されたケーシングと、
   前記ケーシングに設けられ、手を挿抜可能な乾燥処理空間を有する手乾燥室と、
   前記手乾燥室の壁面に設けられたエアーノズルと、
   前記エアーノズルと連結された送風路と、
   ＤＣブラシレスモータを有し、該ＤＣブラシレスモータの駆動により高圧空気流を発生し、前記送風路を通じて前記エアーノズルから前記手乾燥室内に噴射させる高圧空気発生装置と、
   複数のスイッチング素子の駆動に基づいて直流電力を交流電力に変換し、前記ＤＣブラシレスモータのステータの巻線に通電してローターを回転させるインバータと、
   前記ＤＣブラシレスモータのローターの回転により前記巻線に発生する逆起電圧を検出する逆起電圧検出手段と、
   前記逆起電圧検出手段により検出された逆起電圧から当該逆起電圧のゼロクロスポイントを検出して前記ローターの回転位置を検知し、前記ゼロクロスポイントを検出してから所定の遅延時間後に前記複数のスイッチング素子への通電を切り替える制御回路と
   を備え、
   前記制御回路は、前記複数のスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いて、当該スイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間と前記ゼロクロスポイントが重ならないようにしたことを特徴とする手乾燥装置。
2. 前記制御回路は、前記所定の遅延時間と前記スイッチング素子の通電休止直後に発生するスパイク信号の発生期間の合計が前記ゼロクロスポイントの間隔よりも短くなるようにしたことを特徴とする請求項１記載の手乾燥装置。
3. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドであることを特徴とする請求項１又は２記載の手乾燥装置。
4. 前記送風路内にヒーターを備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の手乾燥装置。

Images