超音波センサ、及びこれを用いたトイレ装置
【課題】 超音波センサと検知対象物体が完全に密着する程に密接している場合でも、確実に検知対象物体の検知ができる超音波センサと、これを用いたトイレ装置を提供する。
【解決手段】 本発明では、監視空間に向けて所定周期で超音波を送波する送信器と、前記監視空間の検知する物体からの反射波を受波する受信器と、前記受信器からの反射波形の出力値を取り込み前記物体の有無を判断する制御部と、を備えた超音波センサにおいて、前記制御部は前記物体の前記超音波センサへの密接を検知する密接検知手段を有する。
【解決手段】 本発明では、監視空間に向けて所定周期で超音波を送波する送信器と、前記監視空間の検知する物体からの反射波を受波する受信器と、前記受信器からの反射波形の出力値を取り込み前記物体の有無を判断する制御部と、を備えた超音波センサにおいて、前記制御部は前記物体の前記超音波センサへの密接を検知する密接検知手段を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を監視空間に送波し、監視空間に存在する物体からの反射波を検出することにより、監視空間内の物体、主として人体の存否を検知する超音波センサと、これを用いたトイレ装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサは、送信器より超音波信号を出力し、検知対象物体からの反射波を受信器で受信することで検知対象物体の存否を検知、或いは検知対象物体までの距離を測定するものである。ここで一般的に超音波とは、人間が聞き取ることのできない周波数域の音波を指す。人間が聞き取れる音の周波数は通常２０ｋＨｚ程度までであり、２０ｋＨｚ以上の周波数域を超音波と呼んでいる。
以下、超音波センサを用いての一般的な検知方法を図２に基づき説明する。２０２が超音波センサで、２０３が超音波センサの監視空間、２０４が検知対象物体とする。ここでは検知対象物体を人とする。
Ｗ２０、Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、Ｗ２４は送波器からの送波信号と受信器が出力する受波信号を表している。縦軸は信号レベルであり、横軸は時間となる。
人２０４が監視空間２０３に存在しない場合、Ｗ２０に示すようなタイミングで送波器から送波信号を出すと、受信器はＷ２１のような受波信号を出力する。送波直後は、送波信号が直接受信器に受信されたり、検知対象物体からの反射以外による信号を受信することによって、（ア）のような受波信号が現れる。これは残響によるものであり、超音波センサの特性の一つである。以下、これを残響波形（ア）と呼ぶ。
次に、人２０４が監視空間２０３に存在する場合、同様にして送波信号を出すと、Ｗ２２のような受波信号となる。ここでは、Ｗ２１と同様に残響波形（ア）が現れた後、送波された超音波が人２０４に反射して（イ）のような受波信号が現れる。以下、これを人体反射波形（イ）と呼ぶ。超音波センサ２０２は、受波信号に人体反射波形（イ）が現れることによって監視空間２０３に人２０４が存在すると判断することができる。
ここで、超音波センサ２０２と人２０４との距離が十分に取れている場合は、Ｗ２２のように受波信号での残響波形（ア）と人体反射波形（イ）が離れたポイントで現れるので、超音波センサ２０２は確実に人体反射波形（イ）を認識することができる。
ところで、一般的に受波信号での人体反射波形（イ）の出現ポイントは、超音波センサ２０２と人２０４との距離に相関性があり、互いの距離が離れていくほど出現ポイントは残響波形（ア）から遠ざかっていき、逆に互いの距離が近づいていくほど出現ポイントは残響波形（ア）に近づいていくこととなる。
従って、超音波センサ２０２と人２０４との距離が近接している場合は、Ｗ２３に示すように人体反射波形（イ）が残響波形（ア）の出現ポイントと重なり合ってしまい、超音波センサ２０２が人体反射波形（イ）を認識することが困難となり、結果として人体検知の判断ができないということがあった。
【０００３】
この問題を解決するために、以下のような技術が存在する。
受波信号を所定時間間隔でサンプリングし、複数のしきい値を用いて各サンプリング位置毎での信号のレベル値を求める。そして、求めた波形パターンから、残響波形による立下り状態のレベル値から検知対象物体の反射波形による立上り始め状態のレベル値へと変わるポイントを検出することで近距離にある検知対象物体を検知するものである（例えば、特許文献１参照）。
また別の技術として、以下のような技術も存在する。
超音波信号の出力開始から残響波形が無くなるまでの時間を予め基準時間として設定しておく。そして、実際に超音波信号の出力を開始すると残響波形が現れることとなるが、その残響波形の出現時間が予め設定しておいた基準時間を超過した場合、残響波形と検知対象物体の反射波形が重なり合っていると判断して、近距離にある検知対象物体を検知するものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながらこれらの技術では、超音波センサと検知対象物体が完全に密着する程に密接している場合では、図２のＷ２４に示すように、検知対象物体の反射波形が残響波形に完全に埋もれてしまうことがあり、超音波センサは検知対象物体の検知をすることができなかった。
【特許文献１】特開２００２−６０３６号公報（第３−５頁、第４図）
【特許文献２】特開２００１−１３３５４９号公報（第３−４頁、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、超音波センサと検知対象物体が完全に密着する程に密接している場合でも、確実に検知対象物体の検知ができる超音波センサと、これを用いたトイレ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明によれば、監視空間に向けて所定周期で超音波を送波する送信器と、前記監視空間の検知する物体からの反射波を受波する受信器と、前記受信器からの反射波形の出力値を取り込み前記物体の有無を判断する制御部と、を備えた超音波センサにおいて、前記制御部は前記物体の前記超音波センサへの密接を検知する密接検知手段を有することにより、従来、密接状態が検出できなかったのが検知できるようになる。
【０００７】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記密接検知手段は前記送信器の送波のタイミングと同時に受信器の受信する検知する物体からの反射以外による残響波形と、所定時間後に常時受信する監視空間から反射される環境反射波形との情報に基づいて、物体の密接を判断する。
これによって、残響波形と環境反射波形とで、物体の密接を判断できる。
【０００８】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記密接検知手段は前記残響波形と前記環境反射波形とを検出時、前記環境反射波形が有りから無しに変化した場合、物体の密接有りと判定する。
これにより、超音波センサと検知対象物体が密接している場合は、検知対象物体による反射波形は残響波形に埋もれてしまうが、同時に環境反射波形が無くなる。つまり、環境反射波形の存否を判断することにより、超音波センサに密接した検知対象物体の存否の検出を可能とした。
【０００９】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記環境反射波形が所定時間継続して無しを検出時、前記密接検知手段は前記環境反射波形が有りから無しに変化した場合でも物体の密接無しと判定する。
これにより、監視空間で、物体検知エリア内全部に開閉物（ドア等）があっても、その開閉の影響なく物体の密接を判断できる。
【００１０】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記超音波センサを便器の前面部に設置して且つ前記便器の前方に向けて物体検知させることを特徴とするトイレ装置とする。
これにより、トイレ空間での、便器の前面部に設置して且つ前記便器の前方に向けて物体検知させることにより、人体の便器の足元での超音波センサの密接による物体の存否の検出を可能とした。
【００１１】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項５に記載のトイレ装置において、前記超音波センサの出力に基づいて、便器の自動洗浄、便蓋の自動開閉、脱臭装置の作動、室内暖房装置の作動のうち、少なくとも一つが実行されることを特徴とするトイレ装置とする。
これにより、人体の接近又は密接の状態を正確に判断できるので、便器の色々な機能を自動で機能させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
従来技術では超音波センサと検知対象物体が完全に密着する程に密接している場合では、検知対象物体の反射波形が残響波形に完全に埋もれてしまうことがあり、超音波センサは検知対象物体の検知ができなかったが、本発明によれば、超音波センサと検知対象物体が密接している場合でも、超音波センサは確実に検知対象物体の検知ができる。
【００１３】
また、残響による影響を考慮する必要がないので、残響を抑えるように設計された高機能、且つ高価な超音波センサを必要とせず、超音波センサユニットとしての回路の簡略化、ソフトプログラムの効率化、コストダウンが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明による好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係る超音波センサの構成を示している。まず図１において、タイミング回路５は、超音波センサの各構成要素に制御タイミング信号を出力する回路である。タイミング回路５の出力によって発振器４が起動し、発振器４から出力されたパルス信号を駆動回路３で電圧増幅して超音波の送波器１に入力する。発振器４と駆動回路３と送波器１をまとめて送信器１１とする。
送波器１１から超音波のパルス列が送波されると、超音波は監視空間に存在する検知対象物体に反射して受波器２に受波される。この受波された信号は増幅回路６により増幅される。増幅された信号は検波回路７により時系列に信号変換されて受波信号（検波回路出力）を生成する。受波器２と増幅回路６と検波回路７をまとめて受信器１０とする。制御部８は、受信器１０で生成された受波信号を取り込むが、監視空間に存在する検知対象物体の位置によって受波信号には様々な変化が生じる。その変化を制御部８が判断し、検知対象物体の存否を示す検知信号を出力する。そして制御部８には、超音波センサと検知対象物体が密接している場合でも、確実に検知判断ができるための密接検知手段９が備わっている。
【００１６】
ここで、図１０は図１の超音波センサを用いたトイレブースの斜視図を示す。便器２０１の内部には電磁バルブ及び制御装置が内蔵され、超音波センサ２０２の出力に応じて便器２０１の大洗浄を行う。すなわち、超音波センサ２０２によって一定時間（例えば１０秒以上）の使用者検出が継続すれば便器２０１が使用中であると判断し、使用者の検出状態から非検出状態になると、便器２０１の自動洗浄を行う。使用者の検出時間の長短（例えば、１分以上か１分未満か）によって、大洗浄、小洗浄を切り替え、節水性の向上を図ることもできる。また、便器２０１が、便蓋の電動開閉、脱臭機能、室内暖房機能などを備えたものであれば、超音波センサ２０２によって、便蓋の自動開閉、脱臭の自動始動と自動停止、室内暖房の自動始動と自動停止を行うような構成も可能である。
ここからは、超音波センサ２０２が便器２０１に取り付けられていて、超音波の送波方向はトイレ使用者が近づいてくる方向で、且つトイレ使用者の足元を狙っていて、検知対象物体をトイレ使用者である人体とする。更に、超音波センサ２０２の指向角度については、使用者の足位置範囲をカバーできるだけの角度が必要となり、概ね６０度程度となる。
但し、これは一つの例であり、超音波センサの取り付け位置を制限させるものではない。また、トイレブースには様々な間取りがあるので、それぞれに分けて以下の説明を行う。
【００１７】
第一に、図３に示すようなトイレブースの場合について説明を行う。図３の間取りでは、便器２０１から見て正面の位置にドア２０５があり、ドア２０５、並びに便器２０１から見て正面に位置するトイレブースの壁２００の一部が監視空間２０３に含まれている。
まず、Ｗ３０のように送信器１１から送波信号を出力する。送波信号はパルス状の信号であり、ここでは周波数を４０ｋＨｚ、パルス数を２０パルス程度とする。つまりＷ３０の送波信号の時間軸に置き換えると、０．５ｍｓ程度の送波信号を出力することとなる。送信器１１はこの送波信号をタイミング回路５からのタイミング信号によって送波するが、送波する間隔は、前回出力した送波信号からの反射による受波信号と、今回出力した送波信号からの反射による受波信号とが干渉しあわない程度に設定しておく。本実施例のように、トイレブースのような狭い空間で超音波センサを使用しようとした場合、使用されうる超音波センサは検知可能距離がせいぜい２ｍ程度までのものが適当であると考えられ、後述する音速と距離と時間の（式１）により距離を応答時間にすると１２ｍｓ程度であるので、概ね、０．５ｓ程度以上もあれば干渉することは無い。
Ｗ３１，Ｗ３２，Ｗ３３，Ｗ３４は受信器１０が制御部８に対して出力する受波信号である。
【００１８】
ここで、残響波形（ア）の出現ポイントについて説明する。一般的な超音波センサにおいて、送波信号の出力時間が０．５ｍｓ程度であれば、残響波形（ア）の出現ポイントは距離にすると、０ｃｍから９ｃｍ程度となる。これは、送波中は、受信器は直接信号を受信してしまい、送波信号が０．５ｍｓであるので、後述する音速と距離と時間の（式１）によりこの残響波形（ア）の出現ポイントが求められる。つまり、理論上は、９ｃｍ以内に近接している検知対象物体は残響波形（ア）の影響で検知することはできない。
ここで言っている密接とは、この検知不能の距離のことを示す。
Ｗ３１に、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が閉まっている時の受波信号を示す。ここで、（ア）は残響波形であり、（ウ）は壁２００、及びドア２０５に反射して返ってきた環境反射波形となる。
ここで、環境反射波形（ウ）の出現ポイントについて説明する。送信器１１から送波信号を出力してから環境反射波形（ウ）が出現するまでの時間、即ち受波信号における出現ポイントをＴ、超音波センサ２０２から壁２００、及びドア２０５までの距離をＤ、音速をＣとすると、これらの関係は（式１）で表すことができる。
Ｄ＝Ｃ×Ｔ／２ （式１）
仮に、Ｃを３４０ｍ／ｓ、Ｔを３ｍｓとすると、Ｄは５１ｃｍとなり、これより超音波センサ２０２から５１ｃｍ離れた位置に壁２００、及びドア２０５が存在しているということが分かる。
次に、Ｗ３２に使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が開いている時の受波信号を示す。ここで環境反射波形（ウ）はＷ３１とは異なって、ドア２０５による反射が無くなり、壁２００のみからの反射となる。よって、Ｗ３１の時と比べて必然的に信号レベルが下がることとなる。
【００１９】
続いて、使用者がトイレブース内に入ってきた時を考える。当然のことながらドア２０５は閉まっていると想定して説明を行うが、仮に開いていたとしても、これから説明する検知判断には何ら影響は無い。通常は使用者がトイレブース内に入ってくると、Ｗ３３のように、残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）とは異なった時間軸のポイントに人体反射波形（イ）が現れる。また、使用者によって超音波の送波が遮られる分、環境反射波形（ウ）の信号レベルは下がることになる。制御部８は、時間と信号レベルにおける人体反射波形（イ）の積分値、つまり面積があるしきい値以上になれば、人体検知と判断して検知信号を出力する。ここで、しきい値の設定に関しては、ノイズ除去、並びに検知すべきでない小物体の反射信号を除去でき得る値にすることで超音波センサの誤検知を防ぐことができる。
ここで、使用者と超音波センサ２０２が密接、つまり使用者の足や衣服が超音波センサ２０２に密着してしまう位に使用者が便器２０１の目の前に立ったり、又は便座に着座した場合を考える。この場合、超音波センサの送波が使用者によって完全に遮られ、Ｗ３４に示すように、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に完全に埋もれてしまうことがある。そうなると人体反射波形（イ）の判別ができなくなってしまい、この状態では人体反射波形（イ）から人体検知判断を行うことは非常に困難となる。
しかしながらこの場合はＷ３４に示すように、超音波の送波が完全に遮られていることで、壁２００とドア２０５がある位置まで超音波が届かないことになり、結果として環境反射波形（ウ）が現れなくなる。
言い換えれば、普段は壁２００とドア２０５の反射によって現れているはずの環境反射波形（ウ）が現れなくなってしまったということは、超音波の送波を完全に遮る位置に反射物体、即ち使用者が存在しているということになる。そして密接検知手段９が、環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したことから近接者有りと判断し、制御部８は人体検知だと最終判断して検知信号を出力することができる。
【００２０】
第二に、図４に示すようなトイレブースの場合について説明を行う。図４の間取りでは、便器２０１から見て前方横の位置にドア２０５があり、便器２０１から見て正面に位置するトイレブースの壁２００の一部が監視空間２０３に含まれている。
Ｗ４０は送波信号で、Ｗ４１，Ｗ４２，Ｗ４３，Ｗ４４は受波信号である。送波信号のパルス設定は図３と同様である。
Ｗ４１に、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が閉まっている時の受波信号を示す。ここで、（ア）は残響波形であり、（ウ）は壁２００のみから反射して返ってきた環境反射波形となる。
Ｗ４２は、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が開いている時の受波信号である。ここで環境反射波形（ウ）は壁２００のみからの反射によるものなので、ドア２０５を開けていても環境反射波形（ウ）はＷ４１と何も変わらない。
続いて、使用者がトイレブース内に入ってきた時を考えるが、図３の場合と同様に、ドア２０５は開いていても閉まっていても影響は無いが、ここでは閉まっているとする。使用者がトイレブース内に入ってくると、Ｗ４３のように残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）とは異なった時間軸のポイントに人体反射波形（イ）が現れる。また、使用者によって超音波の送波が遮られる分、環境反射波形（ウ）の信号レベルは下がることになる。制御部８による人体検知の判断方法は、図３の場合と同様にして行う。
ここで、図３の場合と同様に、使用者と超音波センサ２０２が密接した場合を考える。この場合も、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に完全に埋もれてしまうことがあり、人体反射波形（イ）の区別がつかなくなってしまうが、Ｗ４４に示すように、環境反射波形（ウ）が現れなくなるので、図３の場合と同様にして、密接検知手段９が、環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したことから近接者有りと判断し、制御部８は人体検知だと最終判断して検知信号を出力することができる。
【００２１】
第三に、図５に示すようなトイレブースの場合について説明を行う。図５の間取りでは、便器２０１から見て前方横の位置にドア２０５があり、ドア２０５の一部と、便器２０１から見て正面に位置するトイレブースの壁２００の一部と、便器２０１から見て横に位置するトイレブースの壁２００の一部が監視空間２０３に含まれている。
ここで、図３ではドア２０５が便器２０１から見て正面に位置していて、図５では便器２０１から見て前方横の位置にあるが、後述するように、図３の時と同様な処理を行うことができる。
Ｗ５０は送波信号で、Ｗ５１，Ｗ５２，Ｗ５３，Ｗ５４は受波信号である。送波信号のパルス設定は図３と同様である。
Ｗ５１に、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が閉まっている時の受波信号を示す。ここで、（ア）は残響波形であり、（ウ）は壁２００、及びドア２０５に反射して返ってきた環境反射波形となる。
Ｗ５２は、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が開いている時の受波信号である。ここで環境反射波形（ウ）はＷ５１とは異なって、ドア２０５による反射が無くなるので、Ｗ５１の時と比べて必然的に信号レベルが下がることとなる。
続いて、使用者がトイレブース内に入ってきた時を考えるが、図３の場合と同様に、ドア２０５は開いていても閉まっていても影響は無いが、ここでは閉まっているとする。使用者がトイレブース内に入ってくると、Ｗ５３のように残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）とは異なった時間軸のポイントに人体反射波形（イ）が現れる。また、使用者によって超音波の送波が遮られる分、環境反射波形（ウ）の信号レベルは下がることになる。制御部８による人体検知の判断方法は、図３の場合と同様にして行う。
ここで、図３の場合と同様に、使用者と超音波センサ２０２が密接した場合を考える。この場合も、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に完全に埋もれてしまうことがあり、人体反射波形（イ）の区別がつかなくなってしまうが、Ｗ５４に示すように、環境反射波形（ウ）が現れなくなるので、図３の場合と同様にして、密接検知手段９が、環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したことから近接者有りと判断し、制御部８は人体検知だと最終判断して検知信号を出力することができる。
【００２２】
以上図３、図４、図５のような間取りについて説明を行ったが、これらの間取り以外においても、少なくともトイレブースの壁２００が監視空間２０３に含まれてさえいれば、同様にして人体検知の判断ができる。ここでは、ドア２０５が監視空間２０３に含まれているかどうかは検知判断に影響を与えない。
これら一連の処理を図７のフローチャートに示す。尚、説明用としての受波信号は図３のものを使用する。
【００２３】
図７において、ステップ７０（以下、Ｓ７０）から処理をスタートする。Ｓ７１では、受波信号Ｗ３１、又はＷ３２を記憶する。これは使用者が存在しない時の受波信号であればよいので、Ｗ３１でもＷ３２でもどちらでも問題無い。記憶するタイミングとしては、装置の電源を投入してからの所定時間（例えば１０秒程度）の間に記憶したり、装置にタイマー機能が備わっていれば、使用者の少ない深夜の時間帯を狙って記憶する方法等が考えられる。また、このタイミングで、これまで記憶していたＷ３１、又はＷ３２を更新するようにしてもよい。記憶が完了したら、外部に記憶完了したことを報知する。報知する手段としては、表示ＬＥＤを表示させたり、ブザーで音を出したりする手段等が考えられる。
続いてＳ７２へと進み、今回の受波信号を取込む。そして、環境反射波形（ウ）が存在するかどうかをチェックする。
環境反射波形（ウ）が存在する場合はＳ７３へと進む。Ｓ７３では、今回の受波信号に残響波形（ア）が存在するかどうかをチェックする。超音波の特性上、必ず残響波形（ア）は存在しているはずであり、万が一残響波形（ア）が存在しない場合はＳ７５へと進み、電源リセットやエラー報知等のエラー処理を行う。残響波形（ア）が存在する場合はＳ７４へと進み、密接検知手段９は「近接者無し」と判断して、Ｓ７２へと戻って処理を繰り返す。
一方、Ｓ７２で環境反射波形（ウ）が存在しない場合はＳ７６へと進む。Ｓ７６では、Ｓ７３と同様に、残響波形（ア）の存否のチェックを行う。残響波形（ア）が存在しない場合はＳ７８へと進み、Ｓ７５と同様なエラー処理を行う。残響波形（ア）が存在する場合はＳ７７へと進み、密接検知手段９は「近接者有り」と判断して、Ｓ７２へと戻って処理を繰り返す。
以上が図７のフローチャートの説明であるが、後述の説明で使用するために、Ｓ７２からＳ７８までの処理をＳ７処理とする。
【００２４】
ところで、トイレブースの間取りによっては図６のような場合も考えられる。図６の間取りでは、便器２０１から見て正面の位置にドア２０５があり、ドア２０５のみが監視空間２０３に含まれていて、トイレブースの壁２００は監視空間２０３に含まれていない。
Ｗ６０は送波信号で、Ｗ６１，Ｗ６２，Ｗ６３，Ｗ６４は受波信号である。送波信号のパルス設定は図３と同様である。
Ｗ６１に、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が閉まっている時の受波信号を示す。ここで、（ア）は残響波形であり、（ウ）はドア２０５のみに反射して返ってきた環境反射波形となる。
Ｗ６２は、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が開いている時の受波信号である。ここで環境反射波形（ウ）はドア２０５のみからの反射であったため、ドア２０５を開けると環境反射波形（ウ）が全く現れなくなってしまう。
続いて、使用者がトイレブース内に入ってきた時を考えるが、図３の場合と同様に、ドア２０５は開いていても閉まっていても影響は無いが、ここでは閉まっているとする。使用者がトイレブース内に入ってくると、Ｗ６３のように残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）とは異なった時間軸のポイントに人体反射波形（イ）が現れる。また、使用者によって超音波の送波が遮られる分、環境反射波形（ウ）の信号レベルは下がることになる。制御部８による人体検知の判断方法は、図３の場合と同様にして行う。
ここで、図３の場合と同様に、使用者と超音波センサ２０２が密接した場合を考える。この場合も、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に完全に埋もれてしまうことがあり、人体反射波形（イ）の区別がつかなくなってしまい、更に、環境反射波形（ウ）が現れなくなる。結果として、受波信号はＷ６４のようになる。
【００２５】
ところが、これまで図３、図４、図５で説明した場合では、ここで密接検知手段９が、環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したことから近接者有りと判断し、制御部８は人体検知だと最終判断して検知信号を出力していたが、図６の場合では、Ｗ６４の受波信号はＷ６２の受波信号と同一波形となっている。そのため、ここで人体検知と判断してしまうと、使用者がいないときのＷ６２も人体検知と判断してしまい、誤った判断をすることになる。
このような誤った判断をしないためには、ドア２０５のみからの反射による環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したからといって、密接検知手段９が近接者有りと判断してしまわないようにする必要がある。
つまり、密接検知手段９は予め、環境反射波形（ウ）がドア２０５のみからの反射によるものなのか、それとも少なくとも壁２００の反射によるものを含んでいるのかを記憶しておく必要がある。
記憶させる方法としては、例えば次のような方法が考えられる。
装置の電源投入直前に、ドア２０５を閉めておいて、その後で電源を投入してＷ６１を記憶させる。その後、今度は所定時間（例えば１０秒間）ドア２０５を開けてＷ６２を記憶させる。そして、Ｗ６１とＷ６２を比較して、ドア２０５を開け閉めすることによって有りから無しに変わった環境反射波形（ウ）が存在すれば、それをドア２０５のみによる環境反射波形（ウ）だと記憶する。
【００２６】
この一連の処置を図８のフローチャートに示す。
図８において、Ｓ８０から処理をスタートする。Ｓ８１でトイレブースのドア２０５を閉めておき、Ｓ８２で装置の電源を投入する。Ｓ８３では、受波信号Ｗ６１を記憶する。これは使用者が存在しない、且つドア２０５が閉まっている状態の受波信号となる。記憶が完了したら、図７で説明した時と同様にして外部に記憶完了したことを報知する。
続いてＳ８４へと進み、今度はドア２０５を開けておく。Ｓ８５では、今回の受波信号を取込み、環境反射波形（ウ）が存在するかどうかをチェックする。このステップでは、ドア２０５を開けることによって環境反射波形（ウ）が無くなるかどうかをチェックしている。
環境反射波形（ウ）が存在する場合はＳ８６へと進む。ここで、ドア２０５を開けた状態でも環境反射波形（ウ）が存在しているということは、環境反射波形（ウ）はドア２０５のみの反射によるものだけではなく、壁２００からの反射も含んでいるということである。Ｓ８６では、所定時間Ｔ１（例えば１０秒間）が経過したかどうかをチェックする。経過していなければＳ８５へと戻り、連続で環境反射波形（ウ）が存在する時間がＴ１経過するまで処理を繰り返す。Ｔ１経過すると、Ｓ８７へと進み、ドア２０５のみによる環境反射波形（ウ）は「無し」と確定する。そして、Ｓ８８へと進み、Ｗ６２を記憶して図７で説明した時と同様にして外部に記憶完了したことを報知して、Ｓ１８２で処理を終了する。
一方、Ｓ８５で環境反射波形（ウ）が存在しない場合はＳ８９へと進む。ここで、ドア２０５を開けた状態にすると環境反射波形（ウ）が存在しなくなるということは、環境反射波形（ウ）はドア２０５のみの反射によるものだということになる。Ｓ８９では、所定時間Ｔ２（例えば１０秒間）が経過したかどうかをチェックする。経過していなければＳ８５へと戻り、連続で環境反射波形（ウ）が存在しない時間がＴ２経過するまで処理を繰り返す。Ｔ２経過すると、Ｓ１８０へと進み、ドア２０５のみによる環境反射波形（ウ）は「有り」と確定する。そして、Ｓ１８１へと進み、Ｗ６２を記憶してＳ８８と同様にして外部に記憶完了したことを報知してＳ１８２で処理を終了する。
このように、ドア２０５のみの反射による環境反射波形（ウ）が存在するかどうかを予め記憶しておけば、図６のようなトイレブースの間取りでもドア２０５の開閉による誤検知を防ぐことができる。
以上が図８のフローチャートの説明であるが、後述の説明で使用するために、図８のフローチャートの処理全体をＳ８処理とする。
【００２７】
しかしながら、これではドア２０５の開閉による誤検知を防ぐことはできても、密接による人体検知はできなくなってしまう。
ところで、Ｗ６３では、残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）の出現ポイントとは異なるポイントに人体反射波形（イ）が現れている。そして、この人体反射波形（イ）の出現ポイントが残響波形（ア）の方に近ければ使用者は便器２０１の近くにいることになり、逆に残響波形（ア）から遠ければ使用者は便器２０１から遠い位置にいることになる。通常であれば、使用者はドア２０５から入ってきて、便器２０１の近くまで行き、それから用を足すことが普通である。つまりこの場合は、人体反射波形（イ）は、最初は残響波形（ア）から遠い位置にあって、徐々に残響波形（ア）に近づいていくことになる。そして、使用者が超音波センサ２０２に密接した場合は、人体反射波形（イ）が現れなくなり、更には環境反射波形（ウ）も現れなくなりＷ６４のようになる。
つまり、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に近づいてきた後、人体反射波形（イ）と環境反射波形（ウ）が有りから無しに変わったということは、使用者が超音波センサ２０２に密接しているということになる。
このことより、密接検知手段９は、Ｗ６４のような受波信号の時でも、それがドア２０５を開けているだけの状態なのか、それとも使用者が超音波センサ２０２に密接している状態なのかを判断することができる。
【００２８】
これら一連の処理を図９のフローチャートに示す。
図９において、Ｓ９０から処理をスタートする。Ｓ９１で、図８で説明したＳ８処理を行う。Ｓ８処理を行うと、環境反射波形（ウ）がドア２０５のみの反射によるものなのか、それともドア２０５だけでなく壁２００の反射も含んだものなのかが確定される。そして、Ｓ９２へと進み、ドア２０５のみによる環境反射波形（ウ）が「有り」なのか「無し」なのかをチェックする。
「無し」の場合は、Ｓ１０１へと進み、図７で説明したＳ７処理を行う。
「有り」の場合は、Ｓ９３へと進み、今回の受波信号を取込む。そして、環境反射波形（ウ）が存在するかどうかをチェックする。
環境反射波形（ウ）が存在する場合はＳ９４へと進み、図７のＳ７３で説明した時と同様にして残響波形（ア）が存在するかどうかをチェックする。残響波形（ア）が存在しない場合はＳ９６へと進み、図７のＳ７５と同様にしてエラー処理を行う。残響波形（ア）が存在する場合はＳ９５へと進み、密接検知手段９は「近接者無し」と判断してＳ９３へと戻って処理を繰り返す。
一方、Ｓ９３で環境反射波形（ウ）が存在しない場合はＳ９７へと進む。Ｓ９７では、今回よりも前に取込んだ受波信号に人体反射波形（イ）が有り、且つそれが残響波形（ア）の方に近づいてきていたかどうかをチェックする。つまり、環境反射波形（ウ）が現れなくなる前に、使用者が便器２０１に近づいてきていたかどうかをチェックする。
残響波形（ア）に近づいてくるような人体反射波形（イ）が存在しなかった場合は、Ｓ９４へと進み、前述した処理を行う。
一方、残響波形（ア）に近づいてくるような人体反射波形（イ）が存在した場合は、Ｓ９８へと進む。Ｓ９８では、Ｓ９４と同様に残響波形（ア）が存在するかどうかをチェックする。残響反射波形（ア）が存在しない場合はＳ１００へと進み、Ｓ９６と同様なエラー処理を行う。残響反射波形（ア）が存在する場合はＳ９９へと進み、密接検知手段９は「近接者有り」と判断してＳ９３へと戻って処理を繰り返す。
このようにして、ドア２０５のみの反射による環境反射波形（ウ）しか現れなくても密接による人体検知は可能である。また、別の方法として、監視空間２０３に何か固定できる物体を置く方法も考えられる。そうすれば、この物体が壁２００の反射に代わる環境反射波形（ウ）を形成するので、図７のフローチャートに従って処理をすることで、密接による人体検知が可能となる。
【００２９】
以上図６のような間取りにおいての説明を行ったが、この間取り以外においても、少なくともトイレブースのドア２０５が監視空間２０３に含まれてさえいれば、同様にして人体検知の密接の判断ができる。
また、ここでは環境反射波形の例としてトイレブースの壁２００を挙げたが、壁２００でなくても、トイレブース内に固定されている物であればよい。例えば手すりや洗面台等でもよい。
更に、環境反射波形のもう一つの例としてトイレブースのドア２０５を挙げたが、ドア２０５でなくても、トイレブース内に設置されていて固定されつつもある制限範囲内で可動できる物であればよい。例えば、窓やブラインド等でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の構成を示すブロック図である。
【図２】従来の超音波センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明におけるトイレ装置の前方にドアを設けた設置例における超音波センサ動作のタイミングチャートである。
【図４】本発明におけるトイレ装置の前方側面にドアを設け且つ検知エリアが前壁面のみの設置例における超音波センサ動作のタイミングチャートである。
【図５】本発明におけるトイレ装置の前方側面にドアを設け且つ検知エリアが側壁面に及ぶ設置例における超音波センサ動作のタイミングチャートである。
【図６】本発明におけるトイレ装置の前方にドアを設け且つ検知エリアが前壁面（ドア）のみの設置例における超音波センサ動作のタイミングチャートである。
【図７】本発明における近接者有無の判定プログラムのフローチャートである。
【図８】本発明における環境反射波形の有無の判断プログラムのフローチャートである。
【図９】本発明における環境反射波形を考慮した近接者有無の判定プログラムのフローチャートである。
【図１０】本発明における超音波センサを内蔵したトイレ装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…送波器
２…受波器
３…駆動回路
４…発信器
５…タイミング回路
６…増幅回路
７…検波回路
８…制御部
９…密接検知手段
１０…受信器
１１…送信器
２００…トイレブースの壁
２０１…便器
２０２…超音波センサ
２０３…監視空間
２０４…検知対象物体
２０５…トイレブースのドア
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を監視空間に送波し、監視空間に存在する物体からの反射波を検出することにより、監視空間内の物体、主として人体の存否を検知する超音波センサと、これを用いたトイレ装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
超音波センサは、送信器より超音波信号を出力し、検知対象物体からの反射波を受信器で受信することで検知対象物体の存否を検知、或いは検知対象物体までの距離を測定するものである。ここで一般的に超音波とは、人間が聞き取ることのできない周波数域の音波を指す。人間が聞き取れる音の周波数は通常２０ｋＨｚ程度までであり、２０ｋＨｚ以上の周波数域を超音波と呼んでいる。
以下、超音波センサを用いての一般的な検知方法を図２に基づき説明する。２０２が超音波センサで、２０３が超音波センサの監視空間、２０４が検知対象物体とする。ここでは検知対象物体を人とする。
Ｗ２０、Ｗ２１、Ｗ２２、Ｗ２３、Ｗ２４は送波器からの送波信号と受信器が出力する受波信号を表している。縦軸は信号レベルであり、横軸は時間となる。
人２０４が監視空間２０３に存在しない場合、Ｗ２０に示すようなタイミングで送波器から送波信号を出すと、受信器はＷ２１のような受波信号を出力する。送波直後は、送波信号が直接受信器に受信されたり、検知対象物体からの反射以外による信号を受信することによって、（ア）のような受波信号が現れる。これは残響によるものであり、超音波センサの特性の一つである。以下、これを残響波形（ア）と呼ぶ。
次に、人２０４が監視空間２０３に存在する場合、同様にして送波信号を出すと、Ｗ２２のような受波信号となる。ここでは、Ｗ２１と同様に残響波形（ア）が現れた後、送波された超音波が人２０４に反射して（イ）のような受波信号が現れる。以下、これを人体反射波形（イ）と呼ぶ。超音波センサ２０２は、受波信号に人体反射波形（イ）が現れることによって監視空間２０３に人２０４が存在すると判断することができる。
ここで、超音波センサ２０２と人２０４との距離が十分に取れている場合は、Ｗ２２のように受波信号での残響波形（ア）と人体反射波形（イ）が離れたポイントで現れるので、超音波センサ２０２は確実に人体反射波形（イ）を認識することができる。
ところで、一般的に受波信号での人体反射波形（イ）の出現ポイントは、超音波センサ２０２と人２０４との距離に相関性があり、互いの距離が離れていくほど出現ポイントは残響波形（ア）から遠ざかっていき、逆に互いの距離が近づいていくほど出現ポイントは残響波形（ア）に近づいていくこととなる。
従って、超音波センサ２０２と人２０４との距離が近接している場合は、Ｗ２３に示すように人体反射波形（イ）が残響波形（ア）の出現ポイントと重なり合ってしまい、超音波センサ２０２が人体反射波形（イ）を認識することが困難となり、結果として人体検知の判断ができないということがあった。
【０００３】
この問題を解決するために、以下のような技術が存在する。
受波信号を所定時間間隔でサンプリングし、複数のしきい値を用いて各サンプリング位置毎での信号のレベル値を求める。そして、求めた波形パターンから、残響波形による立下り状態のレベル値から検知対象物体の反射波形による立上り始め状態のレベル値へと変わるポイントを検出することで近距離にある検知対象物体を検知するものである（例えば、特許文献１参照）。
また別の技術として、以下のような技術も存在する。
超音波信号の出力開始から残響波形が無くなるまでの時間を予め基準時間として設定しておく。そして、実際に超音波信号の出力を開始すると残響波形が現れることとなるが、その残響波形の出現時間が予め設定しておいた基準時間を超過した場合、残響波形と検知対象物体の反射波形が重なり合っていると判断して、近距離にある検知対象物体を検知するものである（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながらこれらの技術では、超音波センサと検知対象物体が完全に密着する程に密接している場合では、図２のＷ２４に示すように、検知対象物体の反射波形が残響波形に完全に埋もれてしまうことがあり、超音波センサは検知対象物体の検知をすることができなかった。
【特許文献１】特開２００２−６０３６号公報（第３−５頁、第４図）
【特許文献２】特開２００１−１３３５４９号公報（第３−４頁、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、超音波センサと検知対象物体が完全に密着する程に密接している場合でも、確実に検知対象物体の検知ができる超音波センサと、これを用いたトイレ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明によれば、監視空間に向けて所定周期で超音波を送波する送信器と、前記監視空間の検知する物体からの反射波を受波する受信器と、前記受信器からの反射波形の出力値を取り込み前記物体の有無を判断する制御部と、を備えた超音波センサにおいて、前記制御部は前記物体の前記超音波センサへの密接を検知する密接検知手段を有することにより、従来、密接状態が検出できなかったのが検知できるようになる。
【０００７】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記密接検知手段は前記送信器の送波のタイミングと同時に受信器の受信する検知する物体からの反射以外による残響波形と、所定時間後に常時受信する監視空間から反射される環境反射波形との情報に基づいて、物体の密接を判断する。
これによって、残響波形と環境反射波形とで、物体の密接を判断できる。
【０００８】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記密接検知手段は前記残響波形と前記環境反射波形とを検出時、前記環境反射波形が有りから無しに変化した場合、物体の密接有りと判定する。
これにより、超音波センサと検知対象物体が密接している場合は、検知対象物体による反射波形は残響波形に埋もれてしまうが、同時に環境反射波形が無くなる。つまり、環境反射波形の存否を判断することにより、超音波センサに密接した検知対象物体の存否の検出を可能とした。
【０００９】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記環境反射波形が所定時間継続して無しを検出時、前記密接検知手段は前記環境反射波形が有りから無しに変化した場合でも物体の密接無しと判定する。
これにより、監視空間で、物体検知エリア内全部に開閉物（ドア等）があっても、その開閉の影響なく物体の密接を判断できる。
【００１０】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記超音波センサを便器の前面部に設置して且つ前記便器の前方に向けて物体検知させることを特徴とするトイレ装置とする。
これにより、トイレ空間での、便器の前面部に設置して且つ前記便器の前方に向けて物体検知させることにより、人体の便器の足元での超音波センサの密接による物体の存否の検出を可能とした。
【００１１】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項５に記載のトイレ装置において、前記超音波センサの出力に基づいて、便器の自動洗浄、便蓋の自動開閉、脱臭装置の作動、室内暖房装置の作動のうち、少なくとも一つが実行されることを特徴とするトイレ装置とする。
これにより、人体の接近又は密接の状態を正確に判断できるので、便器の色々な機能を自動で機能させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
従来技術では超音波センサと検知対象物体が完全に密着する程に密接している場合では、検知対象物体の反射波形が残響波形に完全に埋もれてしまうことがあり、超音波センサは検知対象物体の検知ができなかったが、本発明によれば、超音波センサと検知対象物体が密接している場合でも、超音波センサは確実に検知対象物体の検知ができる。
【００１３】
また、残響による影響を考慮する必要がないので、残響を抑えるように設計された高機能、且つ高価な超音波センサを必要とせず、超音波センサユニットとしての回路の簡略化、ソフトプログラムの効率化、コストダウンが期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明による好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係る超音波センサの構成を示している。まず図１において、タイミング回路５は、超音波センサの各構成要素に制御タイミング信号を出力する回路である。タイミング回路５の出力によって発振器４が起動し、発振器４から出力されたパルス信号を駆動回路３で電圧増幅して超音波の送波器１に入力する。発振器４と駆動回路３と送波器１をまとめて送信器１１とする。
送波器１１から超音波のパルス列が送波されると、超音波は監視空間に存在する検知対象物体に反射して受波器２に受波される。この受波された信号は増幅回路６により増幅される。増幅された信号は検波回路７により時系列に信号変換されて受波信号（検波回路出力）を生成する。受波器２と増幅回路６と検波回路７をまとめて受信器１０とする。制御部８は、受信器１０で生成された受波信号を取り込むが、監視空間に存在する検知対象物体の位置によって受波信号には様々な変化が生じる。その変化を制御部８が判断し、検知対象物体の存否を示す検知信号を出力する。そして制御部８には、超音波センサと検知対象物体が密接している場合でも、確実に検知判断ができるための密接検知手段９が備わっている。
【００１６】
ここで、図１０は図１の超音波センサを用いたトイレブースの斜視図を示す。便器２０１の内部には電磁バルブ及び制御装置が内蔵され、超音波センサ２０２の出力に応じて便器２０１の大洗浄を行う。すなわち、超音波センサ２０２によって一定時間（例えば１０秒以上）の使用者検出が継続すれば便器２０１が使用中であると判断し、使用者の検出状態から非検出状態になると、便器２０１の自動洗浄を行う。使用者の検出時間の長短（例えば、１分以上か１分未満か）によって、大洗浄、小洗浄を切り替え、節水性の向上を図ることもできる。また、便器２０１が、便蓋の電動開閉、脱臭機能、室内暖房機能などを備えたものであれば、超音波センサ２０２によって、便蓋の自動開閉、脱臭の自動始動と自動停止、室内暖房の自動始動と自動停止を行うような構成も可能である。
ここからは、超音波センサ２０２が便器２０１に取り付けられていて、超音波の送波方向はトイレ使用者が近づいてくる方向で、且つトイレ使用者の足元を狙っていて、検知対象物体をトイレ使用者である人体とする。更に、超音波センサ２０２の指向角度については、使用者の足位置範囲をカバーできるだけの角度が必要となり、概ね６０度程度となる。
但し、これは一つの例であり、超音波センサの取り付け位置を制限させるものではない。また、トイレブースには様々な間取りがあるので、それぞれに分けて以下の説明を行う。
【００１７】
第一に、図３に示すようなトイレブースの場合について説明を行う。図３の間取りでは、便器２０１から見て正面の位置にドア２０５があり、ドア２０５、並びに便器２０１から見て正面に位置するトイレブースの壁２００の一部が監視空間２０３に含まれている。
まず、Ｗ３０のように送信器１１から送波信号を出力する。送波信号はパルス状の信号であり、ここでは周波数を４０ｋＨｚ、パルス数を２０パルス程度とする。つまりＷ３０の送波信号の時間軸に置き換えると、０．５ｍｓ程度の送波信号を出力することとなる。送信器１１はこの送波信号をタイミング回路５からのタイミング信号によって送波するが、送波する間隔は、前回出力した送波信号からの反射による受波信号と、今回出力した送波信号からの反射による受波信号とが干渉しあわない程度に設定しておく。本実施例のように、トイレブースのような狭い空間で超音波センサを使用しようとした場合、使用されうる超音波センサは検知可能距離がせいぜい２ｍ程度までのものが適当であると考えられ、後述する音速と距離と時間の（式１）により距離を応答時間にすると１２ｍｓ程度であるので、概ね、０．５ｓ程度以上もあれば干渉することは無い。
Ｗ３１，Ｗ３２，Ｗ３３，Ｗ３４は受信器１０が制御部８に対して出力する受波信号である。
【００１８】
ここで、残響波形（ア）の出現ポイントについて説明する。一般的な超音波センサにおいて、送波信号の出力時間が０．５ｍｓ程度であれば、残響波形（ア）の出現ポイントは距離にすると、０ｃｍから９ｃｍ程度となる。これは、送波中は、受信器は直接信号を受信してしまい、送波信号が０．５ｍｓであるので、後述する音速と距離と時間の（式１）によりこの残響波形（ア）の出現ポイントが求められる。つまり、理論上は、９ｃｍ以内に近接している検知対象物体は残響波形（ア）の影響で検知することはできない。
ここで言っている密接とは、この検知不能の距離のことを示す。
Ｗ３１に、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が閉まっている時の受波信号を示す。ここで、（ア）は残響波形であり、（ウ）は壁２００、及びドア２０５に反射して返ってきた環境反射波形となる。
ここで、環境反射波形（ウ）の出現ポイントについて説明する。送信器１１から送波信号を出力してから環境反射波形（ウ）が出現するまでの時間、即ち受波信号における出現ポイントをＴ、超音波センサ２０２から壁２００、及びドア２０５までの距離をＤ、音速をＣとすると、これらの関係は（式１）で表すことができる。
Ｄ＝Ｃ×Ｔ／２ （式１）
仮に、Ｃを３４０ｍ／ｓ、Ｔを３ｍｓとすると、Ｄは５１ｃｍとなり、これより超音波センサ２０２から５１ｃｍ離れた位置に壁２００、及びドア２０５が存在しているということが分かる。
次に、Ｗ３２に使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が開いている時の受波信号を示す。ここで環境反射波形（ウ）はＷ３１とは異なって、ドア２０５による反射が無くなり、壁２００のみからの反射となる。よって、Ｗ３１の時と比べて必然的に信号レベルが下がることとなる。
【００１９】
続いて、使用者がトイレブース内に入ってきた時を考える。当然のことながらドア２０５は閉まっていると想定して説明を行うが、仮に開いていたとしても、これから説明する検知判断には何ら影響は無い。通常は使用者がトイレブース内に入ってくると、Ｗ３３のように、残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）とは異なった時間軸のポイントに人体反射波形（イ）が現れる。また、使用者によって超音波の送波が遮られる分、環境反射波形（ウ）の信号レベルは下がることになる。制御部８は、時間と信号レベルにおける人体反射波形（イ）の積分値、つまり面積があるしきい値以上になれば、人体検知と判断して検知信号を出力する。ここで、しきい値の設定に関しては、ノイズ除去、並びに検知すべきでない小物体の反射信号を除去でき得る値にすることで超音波センサの誤検知を防ぐことができる。
ここで、使用者と超音波センサ２０２が密接、つまり使用者の足や衣服が超音波センサ２０２に密着してしまう位に使用者が便器２０１の目の前に立ったり、又は便座に着座した場合を考える。この場合、超音波センサの送波が使用者によって完全に遮られ、Ｗ３４に示すように、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に完全に埋もれてしまうことがある。そうなると人体反射波形（イ）の判別ができなくなってしまい、この状態では人体反射波形（イ）から人体検知判断を行うことは非常に困難となる。
しかしながらこの場合はＷ３４に示すように、超音波の送波が完全に遮られていることで、壁２００とドア２０５がある位置まで超音波が届かないことになり、結果として環境反射波形（ウ）が現れなくなる。
言い換えれば、普段は壁２００とドア２０５の反射によって現れているはずの環境反射波形（ウ）が現れなくなってしまったということは、超音波の送波を完全に遮る位置に反射物体、即ち使用者が存在しているということになる。そして密接検知手段９が、環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したことから近接者有りと判断し、制御部８は人体検知だと最終判断して検知信号を出力することができる。
【００２０】
第二に、図４に示すようなトイレブースの場合について説明を行う。図４の間取りでは、便器２０１から見て前方横の位置にドア２０５があり、便器２０１から見て正面に位置するトイレブースの壁２００の一部が監視空間２０３に含まれている。
Ｗ４０は送波信号で、Ｗ４１，Ｗ４２，Ｗ４３，Ｗ４４は受波信号である。送波信号のパルス設定は図３と同様である。
Ｗ４１に、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が閉まっている時の受波信号を示す。ここで、（ア）は残響波形であり、（ウ）は壁２００のみから反射して返ってきた環境反射波形となる。
Ｗ４２は、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が開いている時の受波信号である。ここで環境反射波形（ウ）は壁２００のみからの反射によるものなので、ドア２０５を開けていても環境反射波形（ウ）はＷ４１と何も変わらない。
続いて、使用者がトイレブース内に入ってきた時を考えるが、図３の場合と同様に、ドア２０５は開いていても閉まっていても影響は無いが、ここでは閉まっているとする。使用者がトイレブース内に入ってくると、Ｗ４３のように残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）とは異なった時間軸のポイントに人体反射波形（イ）が現れる。また、使用者によって超音波の送波が遮られる分、環境反射波形（ウ）の信号レベルは下がることになる。制御部８による人体検知の判断方法は、図３の場合と同様にして行う。
ここで、図３の場合と同様に、使用者と超音波センサ２０２が密接した場合を考える。この場合も、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に完全に埋もれてしまうことがあり、人体反射波形（イ）の区別がつかなくなってしまうが、Ｗ４４に示すように、環境反射波形（ウ）が現れなくなるので、図３の場合と同様にして、密接検知手段９が、環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したことから近接者有りと判断し、制御部８は人体検知だと最終判断して検知信号を出力することができる。
【００２１】
第三に、図５に示すようなトイレブースの場合について説明を行う。図５の間取りでは、便器２０１から見て前方横の位置にドア２０５があり、ドア２０５の一部と、便器２０１から見て正面に位置するトイレブースの壁２００の一部と、便器２０１から見て横に位置するトイレブースの壁２００の一部が監視空間２０３に含まれている。
ここで、図３ではドア２０５が便器２０１から見て正面に位置していて、図５では便器２０１から見て前方横の位置にあるが、後述するように、図３の時と同様な処理を行うことができる。
Ｗ５０は送波信号で、Ｗ５１，Ｗ５２，Ｗ５３，Ｗ５４は受波信号である。送波信号のパルス設定は図３と同様である。
Ｗ５１に、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が閉まっている時の受波信号を示す。ここで、（ア）は残響波形であり、（ウ）は壁２００、及びドア２０５に反射して返ってきた環境反射波形となる。
Ｗ５２は、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が開いている時の受波信号である。ここで環境反射波形（ウ）はＷ５１とは異なって、ドア２０５による反射が無くなるので、Ｗ５１の時と比べて必然的に信号レベルが下がることとなる。
続いて、使用者がトイレブース内に入ってきた時を考えるが、図３の場合と同様に、ドア２０５は開いていても閉まっていても影響は無いが、ここでは閉まっているとする。使用者がトイレブース内に入ってくると、Ｗ５３のように残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）とは異なった時間軸のポイントに人体反射波形（イ）が現れる。また、使用者によって超音波の送波が遮られる分、環境反射波形（ウ）の信号レベルは下がることになる。制御部８による人体検知の判断方法は、図３の場合と同様にして行う。
ここで、図３の場合と同様に、使用者と超音波センサ２０２が密接した場合を考える。この場合も、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に完全に埋もれてしまうことがあり、人体反射波形（イ）の区別がつかなくなってしまうが、Ｗ５４に示すように、環境反射波形（ウ）が現れなくなるので、図３の場合と同様にして、密接検知手段９が、環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したことから近接者有りと判断し、制御部８は人体検知だと最終判断して検知信号を出力することができる。
【００２２】
以上図３、図４、図５のような間取りについて説明を行ったが、これらの間取り以外においても、少なくともトイレブースの壁２００が監視空間２０３に含まれてさえいれば、同様にして人体検知の判断ができる。ここでは、ドア２０５が監視空間２０３に含まれているかどうかは検知判断に影響を与えない。
これら一連の処理を図７のフローチャートに示す。尚、説明用としての受波信号は図３のものを使用する。
【００２３】
図７において、ステップ７０（以下、Ｓ７０）から処理をスタートする。Ｓ７１では、受波信号Ｗ３１、又はＷ３２を記憶する。これは使用者が存在しない時の受波信号であればよいので、Ｗ３１でもＷ３２でもどちらでも問題無い。記憶するタイミングとしては、装置の電源を投入してからの所定時間（例えば１０秒程度）の間に記憶したり、装置にタイマー機能が備わっていれば、使用者の少ない深夜の時間帯を狙って記憶する方法等が考えられる。また、このタイミングで、これまで記憶していたＷ３１、又はＷ３２を更新するようにしてもよい。記憶が完了したら、外部に記憶完了したことを報知する。報知する手段としては、表示ＬＥＤを表示させたり、ブザーで音を出したりする手段等が考えられる。
続いてＳ７２へと進み、今回の受波信号を取込む。そして、環境反射波形（ウ）が存在するかどうかをチェックする。
環境反射波形（ウ）が存在する場合はＳ７３へと進む。Ｓ７３では、今回の受波信号に残響波形（ア）が存在するかどうかをチェックする。超音波の特性上、必ず残響波形（ア）は存在しているはずであり、万が一残響波形（ア）が存在しない場合はＳ７５へと進み、電源リセットやエラー報知等のエラー処理を行う。残響波形（ア）が存在する場合はＳ７４へと進み、密接検知手段９は「近接者無し」と判断して、Ｓ７２へと戻って処理を繰り返す。
一方、Ｓ７２で環境反射波形（ウ）が存在しない場合はＳ７６へと進む。Ｓ７６では、Ｓ７３と同様に、残響波形（ア）の存否のチェックを行う。残響波形（ア）が存在しない場合はＳ７８へと進み、Ｓ７５と同様なエラー処理を行う。残響波形（ア）が存在する場合はＳ７７へと進み、密接検知手段９は「近接者有り」と判断して、Ｓ７２へと戻って処理を繰り返す。
以上が図７のフローチャートの説明であるが、後述の説明で使用するために、Ｓ７２からＳ７８までの処理をＳ７処理とする。
【００２４】
ところで、トイレブースの間取りによっては図６のような場合も考えられる。図６の間取りでは、便器２０１から見て正面の位置にドア２０５があり、ドア２０５のみが監視空間２０３に含まれていて、トイレブースの壁２００は監視空間２０３に含まれていない。
Ｗ６０は送波信号で、Ｗ６１，Ｗ６２，Ｗ６３，Ｗ６４は受波信号である。送波信号のパルス設定は図３と同様である。
Ｗ６１に、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が閉まっている時の受波信号を示す。ここで、（ア）は残響波形であり、（ウ）はドア２０５のみに反射して返ってきた環境反射波形となる。
Ｗ６２は、使用者がトイレブース内に存在せず、且つドア２０５が開いている時の受波信号である。ここで環境反射波形（ウ）はドア２０５のみからの反射であったため、ドア２０５を開けると環境反射波形（ウ）が全く現れなくなってしまう。
続いて、使用者がトイレブース内に入ってきた時を考えるが、図３の場合と同様に、ドア２０５は開いていても閉まっていても影響は無いが、ここでは閉まっているとする。使用者がトイレブース内に入ってくると、Ｗ６３のように残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）とは異なった時間軸のポイントに人体反射波形（イ）が現れる。また、使用者によって超音波の送波が遮られる分、環境反射波形（ウ）の信号レベルは下がることになる。制御部８による人体検知の判断方法は、図３の場合と同様にして行う。
ここで、図３の場合と同様に、使用者と超音波センサ２０２が密接した場合を考える。この場合も、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に完全に埋もれてしまうことがあり、人体反射波形（イ）の区別がつかなくなってしまい、更に、環境反射波形（ウ）が現れなくなる。結果として、受波信号はＷ６４のようになる。
【００２５】
ところが、これまで図３、図４、図５で説明した場合では、ここで密接検知手段９が、環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したことから近接者有りと判断し、制御部８は人体検知だと最終判断して検知信号を出力していたが、図６の場合では、Ｗ６４の受波信号はＷ６２の受波信号と同一波形となっている。そのため、ここで人体検知と判断してしまうと、使用者がいないときのＷ６２も人体検知と判断してしまい、誤った判断をすることになる。
このような誤った判断をしないためには、ドア２０５のみからの反射による環境反射波形（ウ）が有りから無しに変化したからといって、密接検知手段９が近接者有りと判断してしまわないようにする必要がある。
つまり、密接検知手段９は予め、環境反射波形（ウ）がドア２０５のみからの反射によるものなのか、それとも少なくとも壁２００の反射によるものを含んでいるのかを記憶しておく必要がある。
記憶させる方法としては、例えば次のような方法が考えられる。
装置の電源投入直前に、ドア２０５を閉めておいて、その後で電源を投入してＷ６１を記憶させる。その後、今度は所定時間（例えば１０秒間）ドア２０５を開けてＷ６２を記憶させる。そして、Ｗ６１とＷ６２を比較して、ドア２０５を開け閉めすることによって有りから無しに変わった環境反射波形（ウ）が存在すれば、それをドア２０５のみによる環境反射波形（ウ）だと記憶する。
【００２６】
この一連の処置を図８のフローチャートに示す。
図８において、Ｓ８０から処理をスタートする。Ｓ８１でトイレブースのドア２０５を閉めておき、Ｓ８２で装置の電源を投入する。Ｓ８３では、受波信号Ｗ６１を記憶する。これは使用者が存在しない、且つドア２０５が閉まっている状態の受波信号となる。記憶が完了したら、図７で説明した時と同様にして外部に記憶完了したことを報知する。
続いてＳ８４へと進み、今度はドア２０５を開けておく。Ｓ８５では、今回の受波信号を取込み、環境反射波形（ウ）が存在するかどうかをチェックする。このステップでは、ドア２０５を開けることによって環境反射波形（ウ）が無くなるかどうかをチェックしている。
環境反射波形（ウ）が存在する場合はＳ８６へと進む。ここで、ドア２０５を開けた状態でも環境反射波形（ウ）が存在しているということは、環境反射波形（ウ）はドア２０５のみの反射によるものだけではなく、壁２００からの反射も含んでいるということである。Ｓ８６では、所定時間Ｔ１（例えば１０秒間）が経過したかどうかをチェックする。経過していなければＳ８５へと戻り、連続で環境反射波形（ウ）が存在する時間がＴ１経過するまで処理を繰り返す。Ｔ１経過すると、Ｓ８７へと進み、ドア２０５のみによる環境反射波形（ウ）は「無し」と確定する。そして、Ｓ８８へと進み、Ｗ６２を記憶して図７で説明した時と同様にして外部に記憶完了したことを報知して、Ｓ１８２で処理を終了する。
一方、Ｓ８５で環境反射波形（ウ）が存在しない場合はＳ８９へと進む。ここで、ドア２０５を開けた状態にすると環境反射波形（ウ）が存在しなくなるということは、環境反射波形（ウ）はドア２０５のみの反射によるものだということになる。Ｓ８９では、所定時間Ｔ２（例えば１０秒間）が経過したかどうかをチェックする。経過していなければＳ８５へと戻り、連続で環境反射波形（ウ）が存在しない時間がＴ２経過するまで処理を繰り返す。Ｔ２経過すると、Ｓ１８０へと進み、ドア２０５のみによる環境反射波形（ウ）は「有り」と確定する。そして、Ｓ１８１へと進み、Ｗ６２を記憶してＳ８８と同様にして外部に記憶完了したことを報知してＳ１８２で処理を終了する。
このように、ドア２０５のみの反射による環境反射波形（ウ）が存在するかどうかを予め記憶しておけば、図６のようなトイレブースの間取りでもドア２０５の開閉による誤検知を防ぐことができる。
以上が図８のフローチャートの説明であるが、後述の説明で使用するために、図８のフローチャートの処理全体をＳ８処理とする。
【００２７】
しかしながら、これではドア２０５の開閉による誤検知を防ぐことはできても、密接による人体検知はできなくなってしまう。
ところで、Ｗ６３では、残響波形（ア）と環境反射波形（ウ）の出現ポイントとは異なるポイントに人体反射波形（イ）が現れている。そして、この人体反射波形（イ）の出現ポイントが残響波形（ア）の方に近ければ使用者は便器２０１の近くにいることになり、逆に残響波形（ア）から遠ければ使用者は便器２０１から遠い位置にいることになる。通常であれば、使用者はドア２０５から入ってきて、便器２０１の近くまで行き、それから用を足すことが普通である。つまりこの場合は、人体反射波形（イ）は、最初は残響波形（ア）から遠い位置にあって、徐々に残響波形（ア）に近づいていくことになる。そして、使用者が超音波センサ２０２に密接した場合は、人体反射波形（イ）が現れなくなり、更には環境反射波形（ウ）も現れなくなりＷ６４のようになる。
つまり、人体反射波形（イ）が残響波形（ア）に近づいてきた後、人体反射波形（イ）と環境反射波形（ウ）が有りから無しに変わったということは、使用者が超音波センサ２０２に密接しているということになる。
このことより、密接検知手段９は、Ｗ６４のような受波信号の時でも、それがドア２０５を開けているだけの状態なのか、それとも使用者が超音波センサ２０２に密接している状態なのかを判断することができる。
【００２８】
これら一連の処理を図９のフローチャートに示す。
図９において、Ｓ９０から処理をスタートする。Ｓ９１で、図８で説明したＳ８処理を行う。Ｓ８処理を行うと、環境反射波形（ウ）がドア２０５のみの反射によるものなのか、それともドア２０５だけでなく壁２００の反射も含んだものなのかが確定される。そして、Ｓ９２へと進み、ドア２０５のみによる環境反射波形（ウ）が「有り」なのか「無し」なのかをチェックする。
「無し」の場合は、Ｓ１０１へと進み、図７で説明したＳ７処理を行う。
「有り」の場合は、Ｓ９３へと進み、今回の受波信号を取込む。そして、環境反射波形（ウ）が存在するかどうかをチェックする。
環境反射波形（ウ）が存在する場合はＳ９４へと進み、図７のＳ７３で説明した時と同様にして残響波形（ア）が存在するかどうかをチェックする。残響波形（ア）が存在しない場合はＳ９６へと進み、図７のＳ７５と同様にしてエラー処理を行う。残響波形（ア）が存在する場合はＳ９５へと進み、密接検知手段９は「近接者無し」と判断してＳ９３へと戻って処理を繰り返す。
一方、Ｓ９３で環境反射波形（ウ）が存在しない場合はＳ９７へと進む。Ｓ９７では、今回よりも前に取込んだ受波信号に人体反射波形（イ）が有り、且つそれが残響波形（ア）の方に近づいてきていたかどうかをチェックする。つまり、環境反射波形（ウ）が現れなくなる前に、使用者が便器２０１に近づいてきていたかどうかをチェックする。
残響波形（ア）に近づいてくるような人体反射波形（イ）が存在しなかった場合は、Ｓ９４へと進み、前述した処理を行う。
一方、残響波形（ア）に近づいてくるような人体反射波形（イ）が存在した場合は、Ｓ９８へと進む。Ｓ９８では、Ｓ９４と同様に残響波形（ア）が存在するかどうかをチェックする。残響反射波形（ア）が存在しない場合はＳ１００へと進み、Ｓ９６と同様なエラー処理を行う。残響反射波形（ア）が存在する場合はＳ９９へと進み、密接検知手段９は「近接者有り」と判断してＳ９３へと戻って処理を繰り返す。
このようにして、ドア２０５のみの反射による環境反射波形（ウ）しか現れなくても密接による人体検知は可能である。また、別の方法として、監視空間２０３に何か固定できる物体を置く方法も考えられる。そうすれば、この物体が壁２００の反射に代わる環境反射波形（ウ）を形成するので、図７のフローチャートに従って処理をすることで、密接による人体検知が可能となる。
【００２９】
以上図６のような間取りにおいての説明を行ったが、この間取り以外においても、少なくともトイレブースのドア２０５が監視空間２０３に含まれてさえいれば、同様にして人体検知の密接の判断ができる。
また、ここでは環境反射波形の例としてトイレブースの壁２００を挙げたが、壁２００でなくても、トイレブース内に固定されている物であればよい。例えば手すりや洗面台等でもよい。
更に、環境反射波形のもう一つの例としてトイレブースのドア２０５を挙げたが、ドア２０５でなくても、トイレブース内に設置されていて固定されつつもある制限範囲内で可動できる物であればよい。例えば、窓やブラインド等でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の構成を示すブロック図である。
【図２】従来の超音波センサの動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明におけるトイレ装置の前方にドアを設けた設置例における超音波センサ動作のタイミングチャートである。
【図４】本発明におけるトイレ装置の前方側面にドアを設け且つ検知エリアが前壁面のみの設置例における超音波センサ動作のタイミングチャートである。
【図５】本発明におけるトイレ装置の前方側面にドアを設け且つ検知エリアが側壁面に及ぶ設置例における超音波センサ動作のタイミングチャートである。
【図６】本発明におけるトイレ装置の前方にドアを設け且つ検知エリアが前壁面（ドア）のみの設置例における超音波センサ動作のタイミングチャートである。
【図７】本発明における近接者有無の判定プログラムのフローチャートである。
【図８】本発明における環境反射波形の有無の判断プログラムのフローチャートである。
【図９】本発明における環境反射波形を考慮した近接者有無の判定プログラムのフローチャートである。
【図１０】本発明における超音波センサを内蔵したトイレ装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…送波器
２…受波器
３…駆動回路
４…発信器
５…タイミング回路
６…増幅回路
７…検波回路
８…制御部
９…密接検知手段
１０…受信器
１１…送信器
２００…トイレブースの壁
２０１…便器
２０２…超音波センサ
２０３…監視空間
２０４…検知対象物体
２０５…トイレブースのドア
【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視空間に向けて所定周期で超音波を送波する送信器と、前記監視空間の検知する物体からの反射波を受波する受信器と、前記受信器からの反射波形の出力値を取り込み前記物体の有無を判断する制御部と、を備えた超音波センサにおいて、前記制御部は前記物体の前記超音波センサへの密接を検知する密接検知手段を有することを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記密接検知手段は前記送信器の送波のタイミングと同時に受信器の受信する検知する物体からの反射以外による残響波形と、所定時間後に常時受信する監視空間から反射される環境反射波形との情報に基づいて、物体の密接を判断することを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記密接検知手段は前記残響波形と前記環境反射波形とを検出時、前記環境反射波形が有りから無しに変化した場合、物体の密接有りと判定することを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記環境反射波形が所定時間継続して無しを検出時、前記密接検知手段は前記環境反射波形が有りから無しに変化した場合でも物体の密接無しと判定することを特徴とする超音波センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記超音波センサを便器の前面部に設置して且つ前記便器の前方に向けて物体検知させることを特徴とするトイレ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のトイレ装置において、前記超音波センサの出力に基づいて、便器の自動洗浄、便蓋の自動開閉、脱臭装置の作動、室内暖房装置の作動のうち、少なくとも一つが実行されることを特徴とするトイレ装置。
【請求項１】
監視空間に向けて所定周期で超音波を送波する送信器と、前記監視空間の検知する物体からの反射波を受波する受信器と、前記受信器からの反射波形の出力値を取り込み前記物体の有無を判断する制御部と、を備えた超音波センサにおいて、前記制御部は前記物体の前記超音波センサへの密接を検知する密接検知手段を有することを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波センサにおいて、前記密接検知手段は前記送信器の送波のタイミングと同時に受信器の受信する検知する物体からの反射以外による残響波形と、所定時間後に常時受信する監視空間から反射される環境反射波形との情報に基づいて、物体の密接を判断することを特徴とする超音波センサ。
【請求項３】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記密接検知手段は前記残響波形と前記環境反射波形とを検出時、前記環境反射波形が有りから無しに変化した場合、物体の密接有りと判定することを特徴とする超音波センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の超音波センサにおいて、前記環境反射波形が所定時間継続して無しを検出時、前記密接検知手段は前記環境反射波形が有りから無しに変化した場合でも物体の密接無しと判定することを特徴とする超音波センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の超音波センサにおいて、前記超音波センサを便器の前面部に設置して且つ前記便器の前方に向けて物体検知させることを特徴とするトイレ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のトイレ装置において、前記超音波センサの出力に基づいて、便器の自動洗浄、便蓋の自動開閉、脱臭装置の作動、室内暖房装置の作動のうち、少なくとも一つが実行されることを特徴とするトイレ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１５３６１７（Ｐ２００６−１５３６１７Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３４３６３３（Ｐ２００４−３４３６３３）
【出願日】平成１６年１１月２９日（２００４．１１．２９）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２９日（２００４．１１．２９）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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