JP2004293216A - 便器洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光灯などからのノイズによって誤動作することがなく、洗浄水の無駄をなくすことができる便器洗浄装置を提供する。
【解決手段】給水管１２から送給される洗浄水を小便器１０内へ供給する給水バルブ１１と、発信アンテナ５ａから電波７を発する発信手段５と、電波７の反射波８を受信アンテナ６ａを通じて受信する受信手段６と、電波７の周波数と受反射波８の周波数との差分に応じた出力信号を生成する差分検出手段４とからなるドプラーセンサ３４などを備えた便器洗浄装置である。ドプラーセンサ３４の後段には帯域通過フィルタ３、遅延回路３８、適応フィルタ２、尿流判定部１および給水バルブ制御部３９などが設けられ、適応フィルタ２はディジタルフィルタ４０、信号加算回路４１、フィルタ係数更新回路４２などで構成されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者の放尿を検知して便器に洗浄水を供給する便器洗浄装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の便器洗浄装置は、小便器前に使用者が立ったことを赤外線センサによって検知し、放尿後、使用者が立ち去る際にフラッシュバルブを作動させて便器に洗浄水を流す方式がとられていた。しかしながら、このような人体検知に基づいた自動洗浄システムは、放尿の有無、尿量の多少に関係なく、人間の接近、離隔のみを検出して一定の洗浄水を流していたので、水資源の無駄となっていた。
【０００３】
そこで、マイクロ波による電波のドプラー効果を利用して、放尿時の尿流の速度を直接検知して、洗浄水の供給を開始するものが開発されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の便器においては、ドプラーセンサを利用した尿速度計が小便器の上部に設置され、検知用電波は便器下方に向かって発信されている。この便器に成人男性が放尿するとき、その尿流は便器の上方に位置し、尿速度計から尿流までの距離が比較的小さいので問題は生じない。
【０００４】
ところが、この便器に身長の低い男児が放尿した場合、尿流が低い位置にあり尿速度計から尿流までの距離が大となるため、尿流を感知できないことがある。このような問題に対処するには、ドプラーセンサが発する電波の出力を上げて検知可能距離を伸ばせば良いのであるが、電波法の規制などにより、電波出力を一定値より上げることができないのが実状である。
【０００５】
そこで、ドプラーセンサを便器下部に配置するとともに、検知用電波を斜め上方に向かって発信するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照。）。このような小便器であれば、男児の低位置における尿流であってもドプラーセンサで捉えることが可能となる。
【０００６】
尿流を検知する方法において、ドプラーセンサの出力信号はアナログ信号で出力されるので、制御マイコンはＡ／Ｄポートから当該ドプラーセンサの出力信号を取り込み、マイコン内部でその信号強度を演算処理し、閾値以上の信号が一定時間継続すれば、尿流検知と見なし、電磁駆動のフラッシュバルブを作動させ、洗浄水を小便器内へ流すようになっている。
【０００７】
【特許文献１】
実開平２−６９７６０号公報（第４−６頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−２８５６２６号公報（第３−５頁、第５図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献２に記載の小便器のように、ドプラーセンサを便器下部に配置し、電波を斜め上方へ発信すると、その延長線上に蛍光灯などがあった場合、蛍光灯が発するノイズがドプラーセンサの受信部に混入し、センサの出力信号にノイズの影響が出る。
【０００９】
制御用マイコンはセンサの出力信号の強度のみを検出しており、蛍光灯などからのノイズが混入してもそれを区別することができないので、尿流がないにも関わらず、ノイズを誤検出してフラッシュバルブを開放して、洗浄水を無駄に流すことがある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、蛍光灯などからのノイズによって誤動作することがなく、洗浄水の無駄をなくすことができる便器洗浄装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の便器洗浄装置は、便器内へ洗浄水を供給する給水バルブと、尿流検出用の電波を発信する発信手段と、発信手段が発信した電波の反射波を受信する受信手段と、発信手段が発信した電波の周波数および受信手段が受信した電波の周波数に基づいた出力信号を生成するドプラーセンサと、ドプラーセンサからの出力信号のうち特定の周波数範囲のみを選択し出力する帯域通過フィルタとを備え、帯域通過フィルタの出力信号の強度が一定の閾値以上であれば給水バルブを開放して便器内へ洗浄水を供給する尿流判定手段とを備えた小便器洗浄装置において、この帯域通過フィルタの出力信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
このような構成とすることにより、帯域通過フィルタの出力信号に含まれるノイズ、すなわち、前記ドプラーセンサの受信手段が誤って受信した、反射波以外の電波に起因するノイズを除去することが可能となり、帯域通過フィルタの出力信号は尿流の有無を確実に捉えた信号となるため、蛍光灯などからのノイズによって給水バルブが誤動作することがなくなり、洗浄水の無駄をなくすことができる。なお、発信手段が発信した電波の周波数および受信手段が受信した電波の周波数に基づいてドプラーセンサが生成する出力信号としては、例えば、発信手段が発信した電波の周波数と受信手段が受信した電波の周波数との差分に応じた出力信号（差分信号）を用いることができるが、前述した電波の周波数に基づいて検波信号を生成する構成とすることもできる。
【００１３】
ここで、前記ノイズ除去手段として、ノッチフィルタまたは適応フィルタを設けることが望ましい。ノッチフィルタを設ければ、対象とする周波数帯域内の予め知り得る一つの周波数に振幅のピークがあるノイズに対して優れた除去機能を発揮する。また、適応フィルタを設ければ、ノイズの周波数を予め知り得ない場合においてもノイズの発生状況に応じて的確にノイズ除去を行うことができる。
【００１４】
この場合、前記ノイズ除去手段が、周波数５０Ｈｚ〜２４０Ｈｚのノイズを除去する機能を有するものであることが望ましい。このような周波数領域のノイズを除去する機能を有することにより、便器設置場所の照明器具として多用され、比較的強力なノイズ発生源である蛍光灯からのノイズを効率的に除去することができるようになるため、誤動作をほとんどなくすことができ、これによって便器洗浄水を節約することができる。
【００１５】
また、前記ノイズ除去手段として、ドプラーセンサの出力信号を一定時間間隔ごとに順番に記憶し、記憶した過去の前記出力信号を遅延して出力する遅延回路と、ドプラーセンサの出力信号と遅延回路の出力信号に基づいてドプラーセンサの出力信号に含まれるノイズを除去する適応フィルタとを設け、
この適応フィルタに、
遅延回路が出力した過去の前記出力信号に基づいて現在の出力信号と逆位相信号を生成するディジタルフィルタと、
このディジタルフィルタが生成する前記逆位相信号をドプラーセンサの出力信号に加算して出力する信号加算回路と、
信号加算回路の出力する信号の一部に基づいてディジタルフィルタのフィルタ係数を更新するフィルタ係数更新手段と、を設けることが望ましい。
【００１６】
ノイズのない状態でドプラーセンサが尿流を検知した場合、その尿流信号の波形はランダムな形状となる。一方、蛍光灯からのノイズは商用電源周波数に起因し周期的な波形形状となる。ドプラーセンサの出力信号に現れた尿流信号の自己相関関数は、時間０のときが最大であり、遅延時間が増えるにつれて急速に減少する傾向にある。そこで、適応フィルタの前段に遅延回路を設け、遅延回路の出力信号を適応フィルタに入力することにより、ドプラーセンサの出力信号に生じたランダムな尿流信号を取り除き、尿流信号に含まれる周期性のあるノイズを強調することができる。
【００１７】
なお、遅延回路を構成する遅延素子の個数は１〜２０個程度とすることが望ましく、これによって効率的で確実な遅延作用を得ることができるほか、経済的に周期性ノイズの除去を行うことができる。
【００１８】
ここで、ディジタルフィルタは、遅延回路が出力した過去の出力信号に基づいて、周期成分のみを強調して生成する機能を有しており、これによってドプラーセンサの出力信号に混入した周期性ノイズのみ強調して出力することができる。
【００１９】
また、信号加算回路は、ディジタルフィルタが生成する周期性ノイズの逆位相信号をドプラーセンサの出力信号に加算して出力する機能を有しており、ドプラーセンサの出力信号に含まれた尿流信号とノイズの混在信号のうち周期性ノイズのみを除去することができる。
【００２０】
さらに、フィルタ係数更新手段は、信号加算回路の出力する信号の一部に基づいてディジタルフィルタのフィルタ係数を信号の各サンプリング毎に動的に更新する機能を有しており、これによってノイズの周波数、振幅、位相にかかわらずノイズの特徴に応じて最適に周期性ノイズのみを強調することができる。
【００２１】
このように、遅延回路と適応フィルタとを備え、適応フィルタに、ディジタルフィルタ、信号加算回路およびフィルタ係数更新手段を設けたことにより、蛍光灯などからのノイズによる給水バルブの誤動作をさらに確実に回避することができるようになる。
【００２２】
また、給水バルブが開放されて便器内に洗浄水が流された場合、その洗浄水もドプラーセンサによって検知され、尿流信号よりも大きな信号となって適応フィルタに入力されるが、適応フィルタに過大な信号が入力されると、それに応じてフィルタ係数が大きく乱れることとなる。したがって、洗浄水が流れている間は、ドップラーセンサの出力信号の振幅が非常に大きくなり、適応フィルタのフィルタ係数が大きく乱れてしまい、洗浄完了後におけるノイズ除去機能が低下することがある。
【００２３】
そこで、給水バルブの開放中はフィルタ係数更新手段を停止させる機能を適応フィルタに設けることが望ましい。これにより、給水バルブが開放され洗浄水が流れている間はフィルタ係数の更新が行われないようになるため、フィルタ係数が安定し、洗浄後におけるノイズ除去機能の低下が回避され、誤動作をなくすことができる。
【００２４】
ここで、フィルタ係数更新手段としては、給水バルブの閉止中に適応フィルタの出力信号と乗算されるステップサイズμと、ステップサイズμに応じてフィルタ係数の算出を行うフィルタ係数算出部とで構成され、給水バルブの開放中は、ステップサイズμの代わりに０＜γ＜μの範囲内のステップサイズγを使用する機能を設けることが望ましい。このような機能を設けることにより、洗浄中に過大な入力信号が発生しても、フィルタ係数が大きく乱れることがなくなるため、洗浄後におけるノイズ除去機能の低下が回避され、誤動作することがない。
【００２５】
また、給水バルブの開放後は前記フィルタ係数を全て０にした後、給水バルブを閉止する機能を設けることが望ましい。このような機能を設ければ、洗浄中に過大な入力信号が発生し、フィルタ係数が大きく乱れることがあっても、改めて小さな値からフィルタ係数の更新が行われることとなるため、洗浄後におけるフィルタ係数が安定し、誤動作をなくすことができる。
【００２６】
さらに、給水バルブの開放後、一定時間内は尿流判定手段を停止する機能を設けることが望ましい。このような機能を設ければ、洗浄中に過大な検知信号が発生し、フィルタ係数が大きく乱れることがあっても、その間は尿流判定手段が停止するので、洗浄後における誤動作をなくすことができる。なお、前記一定時間としては３秒〜４０秒程度が好適である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態である便器洗浄装置を示す構成図、図２（ａ）は図１に示す便器洗浄装置を構成するドプラーセンサの水平方向の指向特性を示すパターン図であり、図２（ｂ）は前記ドプラーセンサの垂直方向の指向特性を示すパターン図であり、図３は図１に示す便器洗浄装置を構成する小便器の使用状態を示す側面図である。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態の便器洗浄装置は、給水管１２から送給される洗浄水を小便器１０内へ供給する給水バルブ１１と、小便器１０の背面側から正面側の斜め上方に向かって発信アンテナ５ａから電波７を発する発信手段５と、発信手段５が発信した電波７の反射波８を受信アンテナ６ａを通じて受信する受信手段６と、発信手段５が発信する電波７の周波数と受信手段６が受信した反射波８の周波数との差分に応じた出力信号を生成する差分検出手段４とからなるドプラーセンサ３４などを備えている。
【００２９】
また、ドプラーセンサ３４の後段には、帯域通過フィルタ３、遅延回路３８、適応フィルタ２、尿流判定部１および給水バルブ制御部３９などが設けられている。適応フィルタ２は、ディジタルフィルタ４０、信号加算回路４１およびフィルタ係数更新回路４２などで構成されている。
【００３０】
ドプラーセンサ３４の出力信号は、直接および遅延回路３８を経由して適応フィルタ２へ送り込まれ、後述する所定の処理が適応フィルタ２で行われた後の出力信号が尿流判定部１へ送信され、その出力信号の強度が一定の閾値以上であれば給水バルブ制御部３９が給水バルブ１１を開放し、給水管１２から供給される洗浄水を小便器１０へ流すようになっている。なお、前述したように、本実施形態においては、発信手段５が発信した電波７の周波数と受信手段６が受信した電波８の周波数との差分に応じた出力信号（差分信号）を生成する構成としているが、前述した電波７，８の周波数に基づいて検波信号を生成する構成とすることもできる。
【００３１】
ここで、図２，図３を参照してドプラーセンサ３４の指向特性について説明する。使用者３１が小便器１０に向かって放尿するときの尿流３３の流速および方向については、水平方向にはあまりばらつかないが、垂直方向には大きくばらつく傾向がある。したがって、尿流３３を検知するためのドプラーセンサ３４の指向特性としては、図２（ａ）に示すように水平方向は狭く、同図（ｂ）に示すように垂直方向は広くなるように設定されている。
【００３２】
図３に示すように、ドプラーセンサ３４は小便器１０の背面の下部に取り付けられ、起立した使用者３１の正面に向かって斜め上方に拡がった指向特性を持っている。これは、身長の低い男児の尿流のように、位置が低く、かつ流量も少ない尿流であっても確実に検知するためである。また、尿流３３を確実に捉えるためには、ドプラーセンサ３４を小便器１０の高さ方向の中央付近に設置し、水平方向に拡がった指向特性、あるいは斜め下方へ拡がった指向特性なるように設置してもよい。
【００３３】
使用者３１が所定位置に立って小便器１０に向かって放尿すると、使用者３１の尿流３３をドプラーセンサ３４が検知し、前述したような信号処理を経た後、給水配管１２の途中に設けられた給水バルブ１１を開放して、洗浄水を小便器１０の壁面に流し落とし、小便器１０内の洗浄動作を行う。
【００３４】
本実施形態では、マイクロ波を用いたドプラーセンサ３４によって使用者３１の尿流３３を検知する。このドプラーセンサ３４は、マイクロ波帯の電波７（例えば、１０．５２５ＧＨｚ）を発信アンテナ５ａから放射状に発信し、測定物体である尿流３３よって反射された電波（反射波８）を受信アンテナ６ａで受信し、発信波（電波７）と受信波（反射波８）との間に生じたドプラー波成分を取り出して、尿流３３の速度を測定するものとして一般に知られている。すなわち、発信波（電波７）と受信波（反射波８）の間に生じたドプラー周波数ΔＦによって、尿流３３の速度を推定することができる。
【００３５】
ドプラーセンサ３４によって尿流３３を測定すると、特定の周波数に鋭いピークを持つ線スペクトルではなく、ある程度周波数の広がりを持ったスペクトルとして観測される。これは小便器１０の壁面を流れる尿流なども含めて、あらゆる水流の動きを観測するからである。なお、後述する図１２に示すように、ドプラーセンサ３４で観測した尿流３３は、特に１００Ｈｚ〜２００Ｈｚにかけて大きなピークを持つという特徴があることが分かっている。
【００３６】
本実施形態では、発信アンテナ５ａによって使用者３１の尿流３３に向けて電波７を放射する。尿流３３によって反射された電波８は、受信アンテナ６ａを経由して受信手段６に取り込まれ、発信した電波７と受信した反射波８の２つの電波の信号の差分を差分検出手段４によって取り出し、ドプラー周波数成分Ｆｓとして帯域通過フィルタ３へ送り込まれる。帯域通過フィルタ３は、ドプラー周波数成分Ｆｓから、尿流３３の特徴である１００Ｈｚ〜２００Ｈｚの周波数成分のみ取り出す。帯域通過フィルタ３を通った信号は、適応フィルタ２の信号加算回路４１および遅延回路３８へ発信される。マイコン１によって振幅パワー成分が取り出され、閾値以上の振幅パワーが一定時間以上継続すれば尿流と検知する。
【００３７】
一方、小便器１０の設置場所における照明器具として多用されている蛍光灯９はノイズ３５を発生することが知られている。したがって、図２，図３で示した、ドプラーセンサ３４の指向特性パターン内に蛍光灯９が存在する場合、蛍光灯９が発するノイズ３５をドプラーセンサ３４が検知するため、その出力信号にはノイズ３５が混在して現れる。
【００３８】
図４は、商用電源周波数６０Ｈｚの地域において、ドプラーセンサ３４が受信した蛍光灯９のノイズ３５の信号波形を示すものである。この図によれば、蛍光灯９から発生するノイズ３５の特徴として、ある程度の周期性が見られること、完全な正弦波ではなく所々に波形の乱れや大きなうねりが見られることなどが分かる。
【００３９】
ここで、図５は図４に示す信号波形を周波数スペクトルに変換して示すものである。蛍光灯９のノイズ３５の周波数スペクトルは、１２０Ｈｚを最大振幅ピークとして、その２倍の２４０Ｈｚにもピークが見られ、さらに２０Ｈｚとその２倍の４０Ｈｚ、３倍の６０Ｈｚにもピークが見られる。このように蛍光灯９のノイズ３５は、１２０Ｈｚを基本成分としながらも、そのｎ次高調波成分や、電源周波数とは直接は関連のない周波数とそのｎ次高調波成分などが、複雑に組み合わされた波形となっていることがわかる。ただし、商用電源周波数をその発生原因としている、商用電源の基本周波数ならびにその２次高調波の範囲の５０Ｈｚ〜２４０Ｈｚの周波数のノイズが特に問題となり、この範囲のノイズを取り除く必要がある。
【００４０】
前述したように、尿流３３を検知するためのドプラーセンサ３４は垂直方法に広い指向特性パターンを有しているので、この方向からのノイズ３５を受信すると、その影響がドプラーセンサ３４の出力信号に現れる。例えば、図３において、ドプラーセンサ３４が発する電波７の放射中心は水平面から４５度の角度で斜め上方に向けられ、尿流３３を捉えやすい方向となっている。このとき、ドプラーセンサ３４の垂直方向指向特性パターンは図３に示す指向特性パターン３２のようになっており、床面から天井方向にわたって拡がった指向特性パターンとなっている。
【００４１】
ところで、小便器１０の背面の高さ方向の中央付近にドプラーセンサ３４を取り付けて、水平方向に電波を放射することもできる。しかしながら、このような方法にしたとしても、センサの指向特性パターンは、図３で示したように、垂直方向に広くなっているので、斜め上方向の蛍光灯のノイズもほとんど減衰せずセンサに入射してしまう。すなわち、ドプラーセンサ３４の配置位置あるいは方向を工夫したとしてもノイズ３５の影響を避けることができないのが実状である。
【００４２】
ここで、適応フィルタ２を使用した場合について説明する。尿流３３の周波数成分のみを取り出すため、図１に示す帯域通過フィルタ３によって周波数１００Ｈｚ〜２００Ｈｚに帯域制限を設けている。一方、ドプラーセンサ３４が受信した蛍光灯９のノイズ３５は、図５に示すように１２０Ｈｚに大きなピークを持っている。したがって、ノイズ３５は帯域通過フィルタ３を容易に通り抜けてしまい、図１５に示すように、必要とする周波数範囲にノイズのピークが現れ、ノイズ３５を尿流３３として誤検知してしまう。そこで、本実施形態では、この帯域通過フィルタ３を通り抜けたノイズ成分を除去するために適応フィルタ２を設けている。
【００４３】
一方、帯域通過フィルタ３を通り抜けたノイズ成分除去する手段としては、例えば、ノッチフィルタも有効である。これは図１６のフィルタの周波数特性図に示すように、特定の周波数のみを選択して減衰させるものである。ノイズの周波数が既知であれば、その周波数を選択減衰するようにノイズの特性を選定することにより、ノイズを効率的に除去することができる。なお、ノッチフィルタの周波数の選択範囲より尿流の検知周波数の範囲の方が十分広ければ、ノイズ周波数部分を減衰させても尿流検知に大きな影響はない。
【００４４】
前述と異なり、ノイズの周波数が既知でない場合は、ノイズに応じて選択周波数を変える必要がある。例えば商用電源の２次高調波がノイズに現れる場合、西日本地域（１２０Ｈｚ）、東日本地域（１００Ｈｚ）と地域によって周波数を変える必要がある。さらに、目的とする尿流の周波数範囲に、複数の周波数のノイズ成分が見られる場合、一つのノッチフィルタでは対応できないので複数個のノッチフィルタを使用することとなる。そこで、本実施形態においては、周波数が既知でなくても、複数個のノイズであってもノイズの状況に応じて有効にノイズ除去を行うため、適応フィルタ２を設けている。
【００４５】
ここで、図１，図３および図１１のフローチャートを参照して、本実施形態の便器洗浄装置の動作について説明する。使用者３１が小便器１０に近づき、小便器１０の前に立って放尿をした後、小便器１０から離れるという一連の動作をとった場合、ドプラーセンサ３４は、使用者１０の尿流３３を常時検知しており、ドプラーセンサ３４が検知したセンサ信号の振幅と閾値とを比較し、閾値以下であればセンサ信号の判定を継続し、閾値以上であればその尿流３３が０．５秒以上継続するかどうか判定する。
【００４６】
この場合、尿流３３が０．５秒以内で停止すれば再度センサ信号の振幅と閾値との比較を行い、尿流３３が０．５秒以上継続すれば洗浄水の給水バルブ１１を３秒間開放し、小便器１０内に洗浄水を供給する。その後、再びセンサ信号の閾値判定を行う。このようにして、ドプラーセンサ３４が使用者３１の尿流３３を検知することによって小便器１０内の洗浄が行われる。
【００４７】
図１３は本実施形態の便器洗浄装置の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、ドプラーセンサ３４から送出されたドプラー信号は制御部４３へ送り込まれる。ドプラーセンサ３４の検知信号に蛍光灯９のノイズ３５などが混入すると、ドプラーセンサ３４から送出されるドプラー信号にもノイズ成分が混入される。そこで、制御部４３に取り込まれたドプラー信号は、アナログＬＰＦ （Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ） ４４において、サンプリング周波数に合わせて周波数高域成分を削除した後、マイコン４５内部のＡ／Ｄ変換器４６へ送り込まれる。
【００４８】
Ａ／Ｄ変換器４６でサンプリングしたドプラー信号は、帯域通過フィルタ３により尿流検知成分の周波数帯域（１００Ｈｚ〜２００Ｈｚ）に制限された後、適応フィルタ２へ送出される。このとき、適応フィルタ２の入力部に伝えられたドプラー信号にはノイズ３５が含まれているが、適応フィルタ２によりノイズ３５が取り除れ、振幅判定部４８へ送出される。
【００４９】
振幅判定部４８においては、入力された信号の振幅の移動平均の算出を逐次行っている。振幅判定部４８によって算出された移動平均値が、あらかじめ設定された振幅の判定閾値４７より大きくかつ一定時間連続して継続した場合、尿流判定部１は尿流３３があるものと判定し、給水バルブ制御部３９が給水バルブ３９を一定時間だけ開放して、小便器１０に洗浄水を供給する。
【００５０】
ここで、図６を参照して、本実施形態の便器洗浄装置におけるノイズ除去機能について説明する。前述したように、尿流３３の検知信号は、１００Ｈｚ〜２００Ｈｚの間の周波数成分が多く含まれるものの、時間軸で見ればランダム信号になっている。これは、壁面を流れる水流も含めて、尿流が移動したり、脈動したりすることによって形成される様々な水流をドプラーセンサ３４が検知しているためである。
【００５１】
一方、ドプラーセンサ３４からのドプラー信号に混入した蛍光灯９のノイズ３５は、波形形状が複雑であるものの周波数１２０Ｈｚ程度であり、商用電源周波数に強く依存した周期性信号である。すなわち、蛍光灯９のノイズ３５が混入したドプラー信号は、周期性信号とランダム性信号が混在したものとなっている。したがって、適応フィルタ２によってドプラー信号の周期性成分のみを予測し、観測したドプラー信号からこれを減算すれば、ランダム性周波数成分つまり尿流３３の検出成分だけを得ることができる。このようにして、周期成分である蛍光灯９のノイズ３５が適応フィルタ２により効果的に取り除かれる。
【００５２】
さらに、図６を参照して、適応フィルタ２による蛍光灯９のノイズ３５の除去機能について詳しく説明する。前述したように、適応フィルタ２を用いて周期性成分であるノイズ予測信号を発生することでノイズを効果的に除去することができる。そこで、本実施形態では、周期性成分を予測するために、適応フィルタ２の前段部に遅延回路３８を配置している。尿流３３の検知信号はランダム信号であるため、その自己相関関数は遅延が０のときに最大となり、遅延が大きくなるにつれて減少する。
【００５３】
一方、蛍光灯９のノイズ３５のような周期性のある信号は、遅延が０のときのみならず、周期に応じた遅延時間でその振幅が大きくなる。つまり、０時間の信号成分を取り除けば、尿流３３の検知信号のようなランダム成分が取り除かれ、ノイズの周期成分のみが強調される。本実施形態では、図１０に示すように、適応フィルタ２の前段に１０段の遅延回路３８を設けることにより、ドプラーセンサ３４の出力信号からランダム成分つまり尿流信号を確実に取り除いている。遅延回路３８を構成する遅延素子３８ａは少なくとも１段以上あれば良い。
【００５４】
次に、図６，図１０を参照して、本実施形態の便器洗浄装置における適応フィルタ２の機能および動作についてさらに詳しく説明する。
【００５５】
これらの図に示すように、帯域通過フィルタ３から入力されたドプラー信号の入力信号ｘ［ｎ］は、前述の遅延回路３８に入力される。Ｚ^−１はＺ変換を表しており遅延回路と等価である。本実施形態では１０段の遅延素子３８ａで遅延回路３８を構成している。遅延回路３８ａは各サンプリング時間毎に次段へ入力信号値を送出するので、本実施形態の遅延回路３８より出力される入力信号ｘ［ｎ］は、１０サンプリング前の入力信号に等しい。
【００５６】
本実施形態においては、適応フィルタ２を、ディジタルフィルタ４０と、信号加算回路４１と、フィルタ係数更新回路４２とで構成している。ディジタルフィルタ４０は遅延回路３８から送出される信号を受信し、ノイズ予測波形ｙ［ｎ］を出力するものである。本実施形態ではディジタルフィルタ４０として６４段のＦＩＲ型のディジタルフィルタを用いている。ＦＩＲ型ディジタルフィルタのフィルタ係数ｈ０〜ｈ６３を、各対応する遅延素子の各段とそれぞれ乗算し、さらに、その結果の加算合計を算出して出力信号ｙ［ｎ］を得る。各フィルタ係数ｈ０〜ｈ６３は、後述するフィルタ係数更新回路４２により、入力信号に含まれる蛍光灯９のノイズ３５など周期成分信号のみを取り出すように予め調節されており、出力信号ｙ［ｎ］はノイズ除去に最適な信号となっている。
【００５７】
また、信号加算回路４１は、入力信号ｘ［ｎ］に、ディジタルフィルタ４０の出力信号ｙ［ｎ］の反転信号すなわち逆位相信号である−ｙ［ｎ］を加算するものである。前述したように、ｙ［ｎ］は入力信号に含まれる周期成分、つまり蛍光灯９のノイズ３５などの周期成分信号となっているので、結果的に周期性ノイズの逆位相信号を入力信号ｘ［ｎ］と加算することになる。
【００５８】
そして、加算結果ε［ｎ］は、入力信号ｘ［ｎ］から蛍光灯９のノイズ３５などの周期性ノイズが取り除かれた、ランダムな尿流３３の信号成分のみとなっている。この後、加算結果ε［ｎ］は尿流判定部１へ送出され、尿流判定用の信号として利用される。なお、ディジタルフィルタ４０の周期性ノイズの予測信号ｙ［ｎ］は、ｘ［ｎ］のノイズ成分と完全に一致しないので、加算結果ε［ｎ］は０にはならない。
【００５９】
次に、フィルタ係数更新回路４２は、前述した加算結果ε［ｎ］を最小にすべく、ディジタルフィルタ４０のフィルタ係数ｈ０〜ｈ６３を調節する機能を有している。本実施形態では適応フィルタ２の係数更新方法として、計算処理を簡略化することが可能なＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）法を使用している。このＬＭＳ法によれば、ノイズ予測誤差ε［ｎ］にステップサイズμ４９の２倍を乗じた上で、現時刻の各入力信号ｘ［ｎ］をさらに乗じ、現在時刻の各フィルタ係数ｈ［ｎ］に足し合わせて、次時刻の各フィルタ係数ｈ［ｎ＋１］を得ている。
【００６０】
この方法により、計算開始時刻においては残差ε［ｎ］の絶対値は大きいものの、時刻が経過するにつれてε［ｎ］の絶対値が０に収束していくという結果が得られる。ここで、ステップサイズμ４９は収束の速度と収束後の誤差量を決定するパラメータであり、一般には０＜μ＜１なる値を設定する。
【００６１】
本実施形態の帯域通過フィルタ３においても、前記と同様、ＦＩＲ型ディジタルフィルタを使用している。ここで、フィルタ係数ｈ［ｎ］は、尿流３３の検知範囲である１００Ｈｚ〜２００Ｈｚを取り出すように設定されている。なお、ディジタル処理する機能を有するフィルタでないアナログフィルタ、例えば、図１３におけるＬＰＦ部４４の代わりに、アナログ回路による帯域通過フィルタを用いることも可能である。さらに、帯域通過フィルタ３と適応フィルタ２の順番を交換し、適応フィルタ２、帯域通過フィルタ３の順番に配置しても、同様の機能、効果が得られる。
【００６２】
本実施形態では、Ａ／Ｄ変換サンプリング周期を２ｍｓ、すなわちサンプリング周波数を５００Ｈｚとしている。サンプリング定理よりサンプリング周波数の半分以下の周波数の信号に対して有効であるので、本実施例の有効周波数は２５０Ｈｚ以下となり、１００Ｈｚ〜２４０Ｈｚに大きなピークを持つ尿流信号を有効周波数の範囲内としている。帯域通過フィルタ３を素通りする蛍光灯９のノイズ３５の周波数は１２０Ｈｚ（商用電源周波数が６０Ｈｚの地域の場合）である。本実施形態において、適応フィルタ２による周期性ノイズ除去はサンプリング周波数の約１０Ｈｚ〜２５０Ｈｚの範囲の周波数帯に有効であり、１２０Ｈｚの蛍光灯ノイズを大幅に除去することができることが確認できた。
【００６３】
次に、図７を参照して、ドプラー信号に含まれる蛍光灯９のノイズ３５の除去結果について説明する。図７に示すように、ドプラー信号ｘ［ｎ］には大きな周期性ノイズが見られる。これに、前述したノイズ予測信号ｙ［ｎ］の逆位相の信号−ｙ［ｎ］を加算すると、ノイズが大きく除去された後、誤差成分ε［ｎ］が残る。本実施形態では約２０ｄＢのノイズの低減が確認された。
【００６４】
ノイズ除去前のドプラー信号ｘ［ｎ］の波形を、さらに長い時間軸で観測したものを図８に示す。０〜２０秒、５５秒〜１００秒の部分がノイズが混入している部分である。また、２０秒〜５５秒の部分は使用者３１が小便器１０に近づき尿流３３が検知されている部分である。図９にノイズ除去後のドプラー信号ε［ｎ］を示す。これは図８と同じタイミングで同時に適応フィルタ２によりノイズ除去を行った後の信号波形である。図８と比較すると０〜２０秒、５５秒〜１００秒の部分の振幅が大きく減衰している様子が確認できる。
【００６５】
以上のように、本実施形態の便器洗浄装置が、遅延回路３８と適応フィルタ２とを備え、適応フィルタ２に、ディジタルフィルタ４０、信号加算回路４１およびフィルタ係数更新回路４２を設けたことにより、蛍光灯９からのノイズ３５を除去することができ、これによって、便器洗浄装置の誤動作をなくすことができた。
【００６６】
一方、適応フィルタ２を用いる場合、一般に、その入力信号に大きな振幅の信号を加え、次に小さな振幅の信号を加えると、系の収束性が悪化するという現象が見られる。特にＬＭＳ法による適応フィルタ２では、出力信号ε［ｎ］にステップサイズ２μを乗算したものを入力信号と乗算してフィルタ係数の更新の入力としているので、フィルタ係数の変化幅は入力信号の振幅に比例して大きくなり、一旦大きな値のフィルタ係数を記憶してしまうと、小さな振幅の信号へ対応するフィルタ係数へ収束させるのに時間がかかる。
【００６７】
本実施形態の便器洗浄装置において、ドプラーセンサ３４が、尿流３３を観測している場合の出力信号の振幅レベルと、小便器１０内を流れる洗浄水を観測している場合の出力信号の振幅レベルとを比べると、小便器１０内を流れる洗浄水を観測している場合の振幅レベルの方が圧倒的に大きい。このため、尿流３３を検知して洗浄バルブ１１を開放し、洗浄水が流された場合、その大きな振幅レベルによってフィルタ係数が大きく変動する。
【００６８】
本実施形態の便器洗浄装置においては、洗浄バルブ１１を閉止して洗浄水を停止した後、適応フィルタ２によってノイズの除去を開始するが、その開始時点では、適応フィルタ２のフィルタ係数は、振幅の大きな洗浄水に適応すべく大きな値が既に記憶されているので、次の尿流判定を目的とするノイズ除去を行う場合には、フィルタ係数が大きすぎることにより、収束に時間がかかる。
【００６９】
そこで、洗浄バルブ１１を開として洗浄水を流している間は、適応フィルタ２のフィルタ係数の係数ｈ［ｎ］の更新処理を行うフィルタ係数更新回路４２の機能を停止させ、係数ｈ［ｎ］の値を保持するようにした。このことにより、洗浄水を流している間のドプラーセンサ３４の過大入力に影響されることなく、洗浄水停止後の適応フィルタ２の収束速度の低下を回避することができる。
【００７０】
ここで、図１４を参照して、適応フィルタ２の動作について説明する。フィルタ係数更新回路４２はフィルタ係数算出部５０およびステップサイズ４９で構成されている。ディジタルフィルタ４０にはフィルタ係数算出部５０で算出された計数値を格納するフィルタ係数５１がある。ステップサイズ４９は、収束の速度と収束後の誤差量を決定するパラメータである。ステップサイズ４９は値が大きくなれば収束速度は速くなるが、収束後の残差が大きくなり、ステップサイズ４９の値が小さくなると、収束後の誤差は小さくなるものの、収束速度が遅くなる傾向がある。
【００７１】
そこで、大小２つのステップサイズμ、γを用意し、０＜γ＜μなるように設定することもできる。大きい方のステップサイズμは入力信号が小さい際に収束速度を向上する目的で使用し、小さい方のステップサイズγは入力信号が大きい場合に収束誤差を小さくする目的で使用するのが効果的である。したがって、給水バルブ１１を開放して洗浄水を流しているときは入力信号が大きくなるので大きい方のステップサイズμを使用し、洗浄バルブ１１を閉止しているときには収束速度を向上させるため小さい方のステップサイズγを使用する。このことにより、洗浄水を流した後におけるフィルタ機能を安定させるとともに、収束速度を速めることができる。
【００７２】
一方、フィルタ係数５１の変更幅は入力信号に比例し、洗浄中の過大入力によりフィルタ係数５１がいったん大きくなってしまうと、洗浄後の小さな入力信号では変更幅が小さく、収束に時間がかかってしまう。そこで、洗浄水を流して、適応フィルタ２のフィルタ係数５１が大きく乱れてしまった後、全ての係数を０クリアする機能を設けることもできる。このような機能を設ければ、洗浄水を流した後のフィルタ動作を安定させるとともに、収束速度を速めることができる。
【００７３】
また、洗浄水を流した後にフィルタ係数がいったん大きく乱れてしまうと、前述のように収束に時間がかかってしまうが、その収束過程においては大きな振幅が出ているため、尿流の判定をするには不正確である。そこで、洗浄バルブ１１を閉じた後の時間経過をタイマで計測し、予め設定されたｔ時間内の時は尿流検知判定は行わない機能を設けることもできる。この場合、洗浄バルブ１１を閉じた後、最大で３０秒間は適応フィルタ２の出力信号の収束が完了しないことが経験的に判明しているため、最大で３０秒間の尿流判定停止を行えば、より正確に小便器使用判定を行うことができる。
【００７４】
【発明の効果】
本発明により、以下の効果を奏する。
【００７５】
（１）ドプラーセンサからの出力信号のうち特定の周波数範囲のみを選択し出力する帯域通過フィルタと、帯域通過フィルタの出力信号の強度が一定の閾値以上であれば給水バルブを開放して便器内へ洗浄水を供給する尿流判定手段とを備えた便器洗浄装置において、帯域通過フィルタの出力信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去手段を設けたことにより、蛍光灯などからのノイズによって誤動作することがなくなり、洗浄水の無駄をなくすことができる。
【００７６】
（２）前記ノイズ除去手段として、ノッチフィルタを設ければ、必要とする周波数帯域内の予め知り得る一つの周波数に振幅のピークがあるノイズに対して優れた除去機能を発揮し、適応フィルタを設ければ、ノイズの周波数を予め知り得ない場合においてもノイズの発生状況に応じて的確にノイズ除去を行うことができる。
【００７７】
（３）前記ノイズ除去手段が周波数５０Ｈｚ〜２４０Ｈｚのノイズを除去する機能を有することにより、便器設置場所の照明器具として多用され、比較的強力なノイズ発生源である蛍光灯からのノイズを効率的に除去することができるようになるため、誤動作をほとんどなくすことができる。
【００７８】
（４）前記ノイズ除去手段として遅延回路と適応フィルタとを設け、適応フィルタに、ディジタルフィルタと、信号加算回路と、フィルタ係数更新手段とを設けたことにより、蛍光灯などからのノイズによる給水バルブの誤動作をさらに確実に回避することができる。
【００７９】
（５）前記適応フィルタに、給水バルブの開放中はフィルタ係数更新手段を停止させる機能を設けることにより、給水バルブ開放中はフィルタ係数の更新が行われなくなるため、フィルタ係数が安定し、洗浄後におけるノイズ除去機能の低下が回避され、誤動作をなくすことができる。
【００８０】
（６）前記フィルタ係数更新手段を、給水バルブ閉止中に適応フィルタの出力信号と乗算されるステップサイズμと、ステップサイズμに基づいてフィルタ係数の算出を行うフィルタ係数算出部とで構成し、給水バルブの開放中はステップサイズμの代わりに０＜γ＜μの範囲内にあるステップサイズγを使用する機能を適応フィルタに設けることにより、洗浄中に過大な入力信号が発生しても、フィルタ係数が大きく乱れることがなくなるため、洗浄後におけるノイズ除去機能の低下が回避され、誤動作することがない。
【００８１】
（７）前記適応フィルタに、給水バルブの開放後はフィルタ係数を０にした後、給水バルブを閉止する機能を設ければ、洗浄中に過大な入力信号が発生し、フィルタ係数が大きく乱れることがあっても、改めて小さな値からフィルタ係数の更新が行われることとなるため、洗浄後におけるフィルタ係数が安定し、誤動作をなくすことができる。
【００８２】
（８）前記適応フィルタに、給水バルブの開放後、一定時間内は尿流判定手段を停止する機能を設ければ、洗浄中に過大な検知信号が発生し、フィルタ係数が大きく乱れることがあっても、その間は尿流判定手段が停止するので、洗浄後における誤動作をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である便器洗浄装置を示す構成図である。
【図２】（ａ）図１に示す便器洗浄装置を構成するドプラーセンサの水平方向の指向特性を示すパターン図であり、（ｂ）は前記ドプラーセンサの垂直方向の指向特性を示すパターン図である。
【図３】図１に示す小便器の使用状態を示す側面図である。
【図４】蛍光灯からのノイズを示す波形図である。
【図５】蛍光灯からのノイズを示す周波数スペクトル図である。
【図６】図１に示す便器洗浄装置の一部を示す構成図である。
【図７】図１に示す便器洗浄装置におけるノイズ除去状況を示す波形図である。
【図８】図１に示す便器洗浄装置におけるノイズ除去前のドプラーセンサ出力信号を示す波形図である。
【図９】図１に示す便器洗浄装置におけるノイズ除去後のドプラーセンサ出力信号を示す波形図である。
【図１０】図１に示す便器洗浄装置を構成する適応フィルタのブロック図である。
【図１１】図１に示す便器洗浄装置の動作状態を示すフローチャートである。
【図１２】図１に示す便器洗浄装置において検出された尿流信号のスペクトル図である。
【図１３】図１に示す便器洗浄装置を構成する制御部のブロック図である。
【図１４】図１に示す便器洗浄装置を構成する適応フィルタの概略ブロック図である。
【図１５】ノイズを含んだ尿流信号の周波数スペクトルである。
【図１６】ノッチフィルタの周波数特性図である。
【符号の説明】
１ 尿流判定部
２ 適応フィルタ
３ 帯域通過フィルタ
４ 差分検出手段
５ 発信手段
６ 受信手段
７ 電波
８ 反射波
９ 蛍光灯
１０ 小便器
１１ 給水バルブ
１２ 給水管
３１ 使用者
３２ 指向特性パターン
３３ 尿流
３４ ドプラーセンサ
３５ ノイズ
３６ 電磁放射中心
３８ 遅延回路
３９ 給水バルブ制御部
４０ ディジタルフィルタ
４１ 信号加算回路
４２ フィルタ係数更新回路
４３ 制御部
４４ ＬＰＦ
４５ マイコン
４６ Ａ／Ｄ変換器
４７ 判定閾値
４８ 振幅判定部
４９ ステップサイズ
５０ フィルタ係数算出部
５１ フィルタ係数

Claims (8)

1. 便器内へ洗浄水を供給する給水バルブと、尿流検出用の電波を発信する発信手段と、前記発信手段が発信した電波の反射波を受信する受信手段と、前記発信手段が発信した電波の周波数および前記受信手段が受信した電波の周波数に基づいた出力信号を生成するドプラーセンサと、
   前記ドプラーセンサからの出力信号のうち特定の周波数範囲のみを選択し出力する帯域通過フィルタと、
   前記帯域通過フィルタの出力信号の強度が一定の閾値以上であれば前記給水バルブを開放して前記便器内へ洗浄水を供給する尿流判定手段とを備えた便器洗浄装置において、
   前記帯域通過フィルタの出力信号に含まれるノイズを除去するノイズ除去手段を設けたことを特徴とする便器洗浄装置。
2. 前記ノイズ除去手段として、ノッチフィルタまたは適応フィルタを設けた請求項１記載の便器洗浄装置。
3. 前記ノイズ除去手段が、周波数５０Ｈｚ〜２４０Ｈｚのノイズを除去する機能を有するものである請求項１または２記載の便器洗浄装置。
4. 前記ノイズ除去手段として、前記ドプラーセンサの出力信号を一定時間間隔ごとに順番に記憶し、記憶した過去の前記出力信号を遅延して出力する遅延回路と、前記ドプラーセンサの出力信号と前記遅延回路の出力信号とに基づいて前記ドプラーセンサの出力信号に含まれるノイズを除去する適応フィルタとを設け、
   前記適応フィルタに、
   前記遅延回路が出力した過去の前記出力信号に基づいて現在の出力信号と逆位相信号を生成するディジタルフィルタと、
   前記ディジタルフィルタが生成する前記逆位相信号を前記ドプラーセンサの出力信号に加算して出力する信号加算回路と、
   前記信号加算回路の出力する信号の一部に基づいて前記ディジタルフィルタのフィルタ係数を更新するフィルタ係数更新手段とを設けた請求項１〜３のいずれかに記載の便器洗浄装置。
5. 前記適応フィルタに、前記給水バルブの開放中は前記フィルタ係数更新手段を停止させる機能を設けた請求項４記載の便器洗浄装置。
6. 前記フィルタ係数更新手段は、前記給水バルブの閉止中に前記適応フィルタの出力信号と乗算されるステップサイズμと、前記ステップサイズμに基づいて前記フィルタ係数の算出を行うフィルタ係数算出部とで構成され、前記給水バルブの開放中は前記ステップサイズμの代わりに０＜γ＜μの範囲内にあるステップサイズγを使用する機能を前記適応フィルタに設けた請求項４記載の便器洗浄装置。
7. 前記適応フィルタに、前記給水バルブの開放後は前記フィルタ係数を０にした後、前記給水バルブを閉止する機能を設けた請求項４記載の便器洗浄装置。
8. 前記適応フィルタに、前記給水バルブの開放後、一定時間内は前記尿流判定手段を停止する機能を設けた請求項４記載の便器洗浄装置。

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