JP2006349608A - 超音波人体センサ及びそれを有するトイレ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トイレ空間のように狭く、多くの反射部材が存在する空間で複雑な反射を発生する状況でも人体の検知を容易に行える超音波人体センサに関する。
【解決手段】監視空間に向け超音波を間欠的に送信し、送信に対する反射波を受信する超音波人体センサにおいて、複数のサンプリング値から構成される受信波形データのうち、人体が存在していないタイミングで得られる受信波形データを基準波形データとして記憶する基準波形記憶手段と、受信波形変換手段から順次出力される受信波形データと基準波形データとを比較して両波形データ間に差分が認められる場合に人体が存在すると判定する判定手段とを有するとともに、両波形データ間に差分が認められる場合であっても、両波形データのいずれか一方を、サンプリングの時間軸方向に所定量以下で前後させて比較すると両波形データが略一致する場合は、人体が存在しないと判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にトイレ空間のように狭く、多くの反射部材が存在する空間で複雑な反射を発生する状況で、センサ近傍の不検知領域においても人体の検知を行える超音波人体センサに関する。

従来より、所定のエリア内の物体を検出するセンサとして超音波センサが用いられており、例えば車の前方、後方の障害物を検知する障害物センサ、エレベーター内の人間の存在確認用の超音波人体センサ等として多く使われている。

この超音波センサは、圧電素子を利用したセンサであり、この圧電素子による超音波の送受信に基づいて人体や障害物を検出するものである。以下、超音波センサの動作原理について、図面を参照して具体的に説明する。図１８は、超音波センサを距離センサとして使用する時の動作原理図である。

超音波センサは、圧電素子を有しており、この圧電素子に超音波領域のパルス電圧が印加されると、圧電素子が歪み振動し、送波形Ａのように超音波が送信される。この送信波は人体や対象物に当たり、反射された超音波が受波形Ｂのように圧電素子で受信される。

また、この時の反射波の一部が超音波センサ表面より反射されて再び対象物に達し、対象物により再反射された超音波が２回反射波Ｃとして図１８のように受信される。同様にして、３回、４回と、超音波センサ表面と対象物の間を反射する超音波振動が存在するが、徐々に減衰するため、次第に検出は困難となる。

このように超音波が送波形Ａのように送信され、Ｔ時間後に受波形Ｂのように受信された場合、超音波の空気中伝搬速度Ｖとすると、対象物までの距離はＶ×Ｔ／２で知ることが出来る。従って、受信した反射波を電圧信号に変換して、処理回路によってＶ×Ｔ／２を算出することによって、人体や障害物の距離或いは存在を検出することが可能となる。

例えば、超音波センサで監視する空間の人体や障害物の存在を検出しようとするとき、広い空間で、途中に超音波を遮るものや反射するものがない理想的な状況であれば、前述のような理論計算で求められる時間に受信でき、人体や障害物の存在を捉えることが出来る。

また、比較的広い空間を持つエレベーター内に人が存在するか否かを検出しようとするとき、予め人がいない時の反射波の波形を基準波形として予め固定的な物体を記憶し、その基準波形との差がある反射波を受信したときに人がいると判定するものがある（例えば、特許文献1参照。）。

また、対象物が超音波センサに近いほど、図１８の受波形Ｂは送波形Ａに近づいていくが、その距離が更に近くなれば、最終的に送波形Ａと受波形Ｂが重なってしまい、検出不能となる。送波形Ａの波形は、超音波センサの圧電素子が送信電圧を印加されている時間だけでなく、圧電素子の送信時の振動が減衰するまでの時間に渡って信号として現れる。これは「残響」と言われるが、超音波センサが至近距離の対象物の検出を苦手とする最大の要因となっている。

そのような場合、受信される残響波形の基準時間に対する時間変化から検知対象物の有無を判定する考案がある（例えば、特許文献２参照）

超音波センサと対象物の距離が接近し密着するほどに近くなれば、複数回の反射があっても、その受波形は図１８の送波形Ａの残響に隠れてしまい、検出不能となる。しかし、残響に隠れる直前の状態であれば、特許文献２のように残響の波形の変化から対象物を検出することが可能である。
特開昭５６−１６０６７３号公報 特開平０９−１４５８３６号公報

しかし、残響時間の変化によって対象物を検出する方法には、以下のような問題がある。

残響時間は、送信時の圧電素子の振動がどれだけの時間残っているかで決まるが、その時間にはさまざまな変動要因がある。
圧電素子は、それを保護するための（多くはアルミニウム製の）ケースに取り付けられる。ケースは超音波センサを使用する機器に固定されるが、その際に振動を吸収するため、通常はゴム製のホルダーを介して固定される。この固定状態が変われば、残響時間が変化する。

例えば、アルミニウムのケース面を、トイレなどの機器の使用者が触る、押す、叩くなどの機械的なストレスを加えた場合、ケースの固定状態が変わってしまい、僅かながらも残響時間が変化する。

或いは、人が触ることで圧電素子の温度が変動すれば、これも残響時間を変化させる要因になる。または、掃除によって表面に水が付くということも考えられる。このように、何らかの要因で残響時間が変わった場合、人がいないにも関わらず、人がいると誤検出することになる。

超音波センサに限らず、センサは、できるだけ検出感度を上げて高感度なものにしたいという状況が多く、検出を判断する閾値は、できるだけ小さい値が望まれる。
しかし残響の波形は、通常の反射波形に比較して大きい値であり、残響時間の僅かな変化であっても、波形の変化量とすれば大きな値となってしまい、これを誤検出しないように検出の閾値を大きくすれば、対象物を高感度で検出したいというセンサの目的に相反する結果となる。

本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、トイレ空間のように狭く、多くの反射部材が存在し、超音波が複雑な反射を発生する状況で、反射波が消えてしまうほど超音波センサに接近しても人体の検知を容易に行え、外部から接触や温度ストレスでも誤検知しない超音波人体センサに関する。

かかる課題を解決するため、請求項１に記載の発明は
監視空間に向け、超音波を間欠的に送信すると共に、この送信に対する反射波を受信する超音波送受信手段と、
前記超音波送受信手段によって前記超音波を間欠的に送信するごとに、その反射波に対応して出力される受信信号を、所定周期で順次サンプリングしてＡ／Ｄ変換し、複数のサンプリング値から構成される受信波形データとする受信波形変換手段と、を備えた超音波人体センサにおいて、
前記受信波形変換手段から出力される受信波形データのうち、人体が存在していないタイミングで得られる受信波形データを基準波形データとして記憶する基準波形記憶手段と、
前記受信波形変換手段から順次出力される受信波形データと前記基準波形データとを比較した差分データに不一致が認められる場合に人体が存在すると判定し、その結果を出力する判定手段と、を有するとともに、
前記差分データに不一致が認められる場合であっても、前記受信波形データと前記基準波形データ間に、サンプリングの時間軸方向に所定値以下の時間的なズレを加えて比較すると前記差分データに不一致が認められない場合は、人体が存在しないと判定することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の超音波人体センサにおいて、
前記判定手段は、
前記差分データの値の総和である差分合計値を計算し、該差分合計値が所定の閾値を超えた場合に、前記監視空間内に人体が存在すると判断し、
前記差分データ及び差分合計値を計算する際に、
前記差分データを計算する波形データ間に、サンプリングの時間軸方向の、所定量で複数段階の時間的なズレを加え、それぞれの時間的なズレを含んだ差分データを計算し、前記複数段階の時間的なズレに対応した複数個の差分合計値を計算し、
前記複数個の差分合計値の中に極小値があった場合はその極小値を、極小値がない場合は前記時間的なズレを加えない場合の差分合計値を用いて、前記所定の閾値との比較を行うことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、
請求項２に記載の超音波人体センサにおいて、
前記時間的なズレを加える際の１段階の間隔は、前記サンプリングの所定周期よりも短く、前記差分データの計算には、前記受信波形データ及び前記基準波形データから、前記時間的なズレに応じた補間演算を行い生成した波形データを用いることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波人体センサにおいて、
前記受信波形データ及び前記基準波形データを、超音波人体センサに対して近距離側の第１の領域と、遠距離側の第２の領域のデータに分け、それぞれの領域についてサンプリング値ごとに前記差分データ及び差分合計値を計算し、
前記第１及び第２の領域の差分合計値のうち、少なくとも一方が所定の閾値以上の場合、人体が存在すると判断するものであって、
前記第２の領域の差分合計値の計算には、前記時間的なズレを加えない場合の差分合計値を用いることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波人体センサを有することを特徴とするトイレ装置である。

請求項１に記載の発明によれば、
残響波形が変化した場合に、それが人体の有無とは無関係な残響時間の変動のみであるか否かを判断し、そのような残響時間の変動分は、基準となる波形と受信した波形の間に相対的な時間のズレを加えて比較することで除去してしまうので、人体が至近距離に存在する場合でも、残響を含む反射波形の変化を、高感度かつ正確に検出できる。

請求項２に記載の発明によれば、
比較する波形にサンプリングの時間軸方向にズレを加えて差分を演算し、極小値があればそれを使って感知判定を行うため、残響の変化と検出対象の動きを分けて判断する必要がなく、単純な計算によって人体を感知判定できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、
サンプリングの周期よりも細かい時間ズレを計算できるので、極小値の計算のためにサンプリング周期を短くして、その結果、記憶する基準波形データなどのメモリー容量や計算負荷を増加させるということがない。よって、適当に粗いサンプリング周期のデータからでも、細かなズレの検出ができ、高精度の感知判断ができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、
時間ズレに対する極小値の計算を、残響が含まれる近距離側の第１の領域に限定したので、遠距離側の第２の領域では、人体が僅かに動いて距離が前後した場合でも、これを極小値の計算で過小に判断することなく、高感度の検出ができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、
超音波人体センサをトイレ装置に応用することによって、トイレ装置に人体が極めて接近した場合でも、人体を正確に検出でき、超音波センサに触る、或いは掃除をするという行為があって残響時間が変化しても誤感知することがない。

発明の実施の形態に係る超音波人体センサについて、以下図面を用いて具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態の超音波人体センサの全体構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施形態における超音波人体センサ１０は、発振手段１と、昇圧回路２と、超音波送受信手段３と、受信・検波回路４と、受信波形変換手段５と、基準波形記憶手段６と、判定手段７とを備えている。

発振手段１は、判定手段７によって制御され、超音波周波数帯域のパルス信号（以下、「超音波領域パルス」とする。）を生成するものであり、このように生成された超音波領域パルスは、昇圧回路２へ出力される。なお、判定手段７は、所定時間連続する超音波領域パルスを所定間隔で間欠的に出力するように発振手段１を制御する。この所定時間は、超音波送受信手段３の内部の圧電素子が振動して超音波を発するのに必要な時間であり、通常は数１００μｓ程度である。また、所定間隔は、人体を検出する時間的な感度によって異なり、本発明の実施形態においては、１００ｍｓであるとする。

発振手段１からの超音波領域パルス出力は昇圧回路２で昇圧され、昇圧された高電圧の超音波領域パルス信号で超音波送受信手段３より、所定時間連続する超音波を間欠的に監視する空間（以下、「監視空間」とする。）に向けて送信する。この間欠的に送信された送信波ごとの反射波に対応して、出力された受信信号は、受信・検波回路４を介して検波され、受信波形変換手段５に取り込まれる。

間欠的に送信するごとにその反射波に対応して出力される受信信号は、受信マスク終了後、所定周期で順次サンプリングされて受信波形変換手段５のＡ／Ｄ変換等の手段を介してＡ／Ｄ変換され、複数のデジタルサンプリング値から構成される受信波形データに変換される。

なお、上述の受信マスクは、超音波送受信手段３が送受信部一体の圧電素子であり、同一の圧電素子で送信と受信も行うために必要なものである。超音波送受信手段３の送信直後は、送信時の振動が非常に大きく残っており、受信回路自体が飽和状態で作動する。温度などの条件で残響時間が変化することがあっても、信号として利用できる可能性が全く無い部分は、受信波形変換手段５の始動を遅らせた方が無駄が無い。この処理が受信マスクである。

本発明の実施形態においては、受信マスクを１ｍｓ、その後、受信信号を５０μｓ周期で１００回サンプリングすることにより、１００個のサンプリング値から構成される受信波形データに変換されるものとする。

サンプリングされる受信波形データの範囲は、送信後の１〜６ｍｓの時間範囲であり、音速を３４０ｍ／ｓとすると、１７ｃｍ〜１０２ｃｍの距離範囲で、この間を１００等分してサンプリングすることになる。つまり、ｎ番目のサンプリングデータに対応する距離Ｄ［ｃｍ］は、（Ｄ＝１７＋０．８５×ｎ）で計算される。

受信波形変換手段５から出力される受信波形データは、人体がいない時のタイミングで、基準波形データとして基準波形記憶手段６に記憶される。基準波形データ取得後は、受信波形変換手段５のデジタル値は受信波形データとして基準波形記憶手段６を介さず、直接判定手段７に受信波形データが送られ、判定手段７によって、受信波形データが基準波形データと比較演算される。

判定手段７は、受信波形データ及び基準波形データのサンプリング値ごとの差を計算し、両波形の差の波形データである差分データを生成する。更に、この差分データを、超音波人体センサに対して近距離側の残響を含む第１の領域と、遠距離側の第２の領域のデータに分け、それぞれの領域について差分データの個々の値の合計値を計算する。これは、請求項において差分合計値と定義したものである。

第１及び第２の領域の差分合計値のうち、少なくとも一方が所定の閾値以上の場合、人体が存在すると判断し、第１及び第２の領域の差分合計値の両方が所定の閾値未満の場合、人体が存在しないと判断する。なお、この所定の閾値は、第１及び第２の領域に対して同一の値としても良いし、別々に設定しても良い。センサの距離特性（距離変化に対する検出感度の変化特性）や領域の分け方に応じて決めれば良い。

ここで、本発明の特徴であるが、残響を含む第１の領域の差分データの計算の際に、受信波形データ及と基準波形データの相対的な時間を、僅かずつ複数ステップでずらして差分データを計算し、更に差分合計値を計算する。差分合計値は、ずらした時間のステップ分に応じて複数個の数になるが、その複数個の差分合計値の中に極小値があった場合は、その極小値を所定の閾値と比較する。極小値がなければ、時間をずらさない場合の差分合計値を所定の閾値と比較する。

この処理により、人体がいないにもかかわらず、別な要因で残響時間だけが変化したような状況では、人体検出には不適当な差分データによって感知判断することがなく、誤検出を防止する。
判定手段７は、このように監視空間内に人体が存在すると判定すると検知信号を出力する。なお、発振手段１，受信波形変換手段５，基準波形記憶手段６，判定手段７はコンピュータ８であって、１つのパッケージに収まっている。

図１の構成の結果得られる具体的な例として、図２〜図５を説明する。図２〜図５は、本発明の実施形態における超音波人体センサ１０の判定手段の動作説明図である。

まず、受信波形データと基準波形データとに基づく人体検出について、具体的に説明する。図２は、基準波形データ、受信波形データ、受信波形データと基準波形データの差をとった（波形）データの２次元表示図である。なお、図２において、横軸がサンプリングの順番を示すサンプリングタイミング番号（以下、「タイミング番号」とする。）、縦軸はサンプリング値、すなわち、タイミング番号に対応する受信波形の大きさを示す。

超音波送受信手段３から約４０ｃｍ近辺の距離に人体が存在する状態での超音波人体センサ１０の動作について、図２を参照して具体的に説明する。周囲環境は、トイレの個室ブースであり、超音波センサは、トイレ内の便器の洗浄機能などのために便器に設けられたものとする。

図２（Ａ）は、人体が監視空間にない時の受信波形データ、すなわち基準波形データを示す図である、なお、本実施の形態においては、受信信号を１００回のサンプリングで受信波形データとしているため、タイミング番号ｎはサンプリング順に１から１００までである。

図２（Ａ）のタイミング番号１〜１５付近の波形は、残響によるものである。同じく、タイミング番号６１〜８１付近の波形は、トイレの壁など、人体以外の固定物の反射波形である。

図２（Ｂ）は、超音波送受信手段３から約４０ｃｍ近辺の距離に通常の服を着た人体が存在する状態における受信波形データを示す図であり、図２（Ａ）に比べ、タイミング番号１０、３０、８０付近のサンプリング値が高くなっている。人体と超音波センサの距離が４０ｃｍと言っても、人体には肌の露出した部分や服で覆われた部分があり、腹や手、足、顔など、超音波の反射率や反射角度、面積、更に超音波センサとの距離など、さまざまな反射条件の部分が組み合わさっており、反射波形が４０ｃｍの距離の１点に集中する訳ではない。

図２（Ｃ）は図２（Ａ）に示す基準波形データと図２（Ｂ）に示す受信波形データとの比較を同一サンプリングタイミングのサンプリング値ごとに行って、差分データの計算をした結果である。すなわち、受信波形データのタイミング番号ｎのサンプリング値から基準波形データのタイミング番号ｎのサンプリング値を減算した差分データの演算を、タイミング番号ｎの先頭（ｎ＝１）から順次最後（ｎ＝１００）まで行なったものである。

判定手段７は、図２（Ｃ）に示される、受信波形データと基準波形データとのサンプリング値ごとの差分データの値を、先頭のタイミング番号１から１５までの範囲を第１の領域とし（ここには残響も含まれる）、その領域で差分データを加算した差分合計値をｓｕｍ１、タイミング番号１６から１００までの範囲を第２の領域とし、その領域で差分データを加算した差分合計値をｓｕｍ２として計算する。
このように、人体による反射波形は複雑になり、人体不在時の波形の差をとっても、どの波形がどの距離と判別するのは難しいが、所定の領域で差分データを合計することにより、単純な閾値との比較で感知判断ができる。

本実施の形態では、ｎ番目のサンプリング値の距離Ｄ［ｃｍ］が（Ｄ＝１７＋０．８５×ｎ）で計算できるため、ｓｕｍ１が計算される第１の領域は１７〜３０ｃｍの距離範囲、ｓｕｍ２が計算される第２の領域は３０〜１０２ｃｍの距離範囲となる。

図３に、人体が存在しないが、何らかの要因で残響時間が変化した場合の、第１の領域の受信波形の例を示す。図３の横軸がサンプリングタイミング番号、縦軸はサンプリング値、すなわち、タイミング番号に対応する受信波形の大きさである。また、図３の実線が受信波形であり、破線が基準波形である。

実線も破線も残響波形であるが、超音波センサの表面を触るなどの行為により、図３のような僅かな時間差が生じることがある。サンプリング値の数値が大きいため、残響時間が僅かに変化しただけでも、波形の差分合計値ｓｕｍ１は大きい値になり、誤感知の要因となる。

図４は、図３の受信波形に対し、複数ステップで時間軸方向（横軸であり、サンプリングタイミング番号方向）にズレを加えた場合の受信波形を細線で加えたものである。具体的には、サンプリング周期の８分の１の時間を１ステップとし、±８ステップの範囲で時間のズレを加えた、計１６本の受信波形の細線が描き加えてある。

図４で±８ステップの時間的なズレを加えたが、図５は、そのステップ数を横軸とし、それぞれのステップについて受信波形と基準波形の差分合計値を縦軸としたグラフである。ズレのステップ数をｘとすれば、ｘは０±８の計１７ステップの範囲をとる。

図４及から分かるように、受信波形をサンプリング周期に対して＋４／８の時間だけ遅らせた波形と、基準波形がほぼ一致し、図５においては、＋４ステップのところに差分合計値の極小値が現れている。例えば、感知と判断する閾値が５０であった場合、図５のズレのステップ０であれば感知となるが、図５のズレのステップ４の値を採用すれば非感知となる。このように、感知と判断する閾値を下げて高感度のセンサとしても、残響の変動によって誤感知することがない。

図６に人体が至近距離に存在する場合の第１の領域の波形の例を示す。図６の実線が受信波形であり、破線が基準波形であるが、基準波形が残響波形であるのに対し、受信波形は残響波形の一部が変化し、形状そのものが異なる。

図７は図６の受信波形に対し、複数ステップで時間軸方向にズレを加えて前後させた場合の受信波形を細線で加えたものである。図４と同様に、サンプリング周期の８分の１の時間を１ステップとし、±８ステップの範囲で時間のズレを加えた、計１６本の受信波形の細線が描き加えてある。図４の場合と異なり、受信波形を時間軸方向にずらしても、基準波形に一致することはない。

図８は、図７の受信波形と基準波形の差分合計値を、ズレのステップに応じてプロットしたグラフである。ズレのステップ数Ｘに対し、差分合計値の極小値は存在せず、どれも１００以上の大きな値となっている。前述のように、感知と判断する閾値を５０とすれば、この場合は問題なく人体感知と判断できる。

更に細かく説明するために、超音波人体センサ１０の動作フローチャ−ト図９〜１５で説明する。図９は、本実施の形態における超音波人体センサ１０の動作を示すメインルーチンのフローチャート、図１０は送受信処理サブルーチンのフローチャート、図１１は基準値記憶サブルーチンのフローチャート、図１２は差分加算処理１サブルーチンのフローチャート、図１３は差分加算処理２サブルーチンのフローチャート、図１４は極小値検出処理サブルーチンのフローチャート、図１５は感知判定処理サブルーチンのフローチャートである。

図９に示すように人体検出のメインルーチンでは、電源が入ると超音波人体センサ１０は、トイレマット等の設置部材がある監視空間に、人体が存在しないタイミングで、超音波送受信手段３から超音波を送信し、その反射波に対応して出力される受信信号を、受信波形変換手段５によって、所定の周期で順次サンプリングしてＡ／Ｄ変換し、複数のサンプリング値からなる受信波形データを得る送受信処理を行う（ステップＳ００１）。

ステップＳ００１によって得られた受信波形データは、基準波形データとして、基準波形記憶手段６に記憶され、後述の受信波形データとの演算のためのデータとする（ステップＳ００２）。

なお、本実施例では、メインルーチンの起動直後、一般の電気機器であれば電源スイッチを入れた直後に対応するタイミングで無条件に基準波形の記憶（ステップＳ００２）を行ったが、連続する複数の受信波形データにおいて変動が無いことで人が存在しないことを判定し、その条件で随時、基準波形データの記憶を更新することも可能である。

次に、超音波人体センサ１０は、監視空間に向け、所定期間（例えば１００μｓ）連続する超音波を送信し、受信処理を行い、人体からの反射や、トイレマット等の設置部材からの反射を含む受信波形データを取得する（ステップＳ００３）。判定手段７は、取得した受信波形データと基準波形データのサンプリング値との比較、すなわち差分演算処理をサンプリング値ごとに行い、差分波形データを生成し、これを加算することで差分合計値を計算する。

なお、この演算処理は、超音波センサに対して近距離側の第１の領域と、それより遠距離側の第２の領域に分けて行う（ステップＳ００４、Ｓ００５）。また、前述のように、第１の領域については、差分データを計算する波形間に複数ステップの時間的なズレを加え、ズレに対応した複数個の差分合計値を計算する（ステップＳ００４）。

その後、判定手段７は、第１の領域について計算された複数個の差分合計値の中に、極小値があるかどうか判定する（ステップＳ００６）。その結果と、ステップＳ００５の結果をもとに、人体の感知判定処理を行う（ステップＳ００７）。

続いて、超音波送受信手段３から超音波を所定間隔で送信するために、演算終了後に１００ｍｓのタイマーをおいて（ステップＳ００８）、超音波人体センサ１０は、人体の有無を検出するために、監視空間に向けて、超音波の送受信動作を間欠的に繰り返す。

図１０の送受信処理フローチャートは、メインルーチンの送受信処理（ステップＳ００１、ステップＳ００３）の詳細な内容である。このフローチャートはサブルーチンとして処理される。

超音波人体センサ１０は、超音波を所定期間（例えば１００μｓ）連続して超音波送受信手段３から出力し（ステップＳ１０１）、送信後の、圧電素子が安定するまでの時間、本実施形態では１ｍｓの時間をとって（ステップＳ１０２）、受信信号を複数のサンプリング値の受信波形データとするために、サンプリング値のタイミング番号ｎに１を代入してカウントの初期化をする（ステップＳ１０３）。

続いて、ステップＳ１０１にて超音波送受信手段３から送信された超音波に対する反射波を受信信号として受信・検波回路４により取り込む。受信波形変換手段５は、この受信信号をＡ／Ｄ変換し（ステップＳ１０４）、その結果をｄａｔａ（１）として出力する（ステップＳ１０５）。そして、受信波形変換手段５は、サンプリング値のタイミング番号ｎをアップカウントして（ステップＳ１０６）、タイミング番号ｎが１００回になるまで（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）受信信号のＡ／Ｄ変換を繰り返して、ｄａｔａ（ｎ）の出力を繰り返し、タイミング番号ｎが１００回より大きくなると（ステップＳ１０７：Ｎｏ）、メインルーチンへ戻る（ステップＳ１０８）。

このようにして、ｄａｔａ（１）〜ｄａｔａ（１００）の１００個のサンプリング値からなる受信波形データが生成される。なお、本実施例の場合には、Ａ／Ｄ変換の繰り返しのループ時間が５０μｓになるようにプログラムを調整する。

図１１の基準値記憶処理フローチャートは、メインルーチンの基準値記憶処理（ステップＳ００２）の詳細な内容である。このフローチャートはサブルーチンとして処理される。この基準値記憶処理をするために、基準波形記憶手段６では、人体を検出していない状態で、受信波形変換手段５から出力される受信波形データｄａｔａ（ｎ）をｄａｔａ（１）から順に受信するために、サンプリング値のタイミング番号ｎに１を代入してカウントの初期化をする（ステップＳ２０１）。次に、受信波形変換手段５から出力される受信波形データｄａｔａ（１）を基準波形データｒｅｆ（１）として基準波形記憶手段６内に記憶する（ステップＳ２０２）。

そして、基準波形記憶手段６は、サンプリング値のタイミング番号ｎをアップカウントして（ステップＳ２０３）、タイミング番号ｎが１００回になるまで（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、ｄａｔａ（ｎ）を基準波形データｒｅｆ（ｎ）として記憶する動作を繰り返し、ｎが１００回より大きくなると（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、受信波形データを基準波形データとして基準波形記憶手段６へ記憶する動作は終了する。その後、メインルーチンへ戻る（ステップＳ２０５）。

図１２の差分加算処理１フローチャートは、メインルーチンの差分加算処理１（ステップＳ００４）の詳細な内容である。このフローチャートはサブルーチンとして処理される。

判定手段７は、受信波形データに対し、複数ステップで時間的なズレを加えて差分データを計算するが、そのズレのステップを変数ｘで表す。本実施形では、ｘは０±８の計１７ステップの範囲をとるものとするが、その初期値である−８をｘにセットしてｘを初期化する。同時に、ズレを加えた受信波形データを計算するために、本来は存在しない０番目の波形データとしてｄａｔａ（０）を定義し、ｄａｔａ（１）を代入する（ステップＳ３０１）。

判定手段７は、タイミング番号ｎに１を代入してカウントの初期化をする。同時に、「第１の領域の受信波形データをｘステップに対応する時間だけずらして基準波形データとの差分データを計算し、それを加算した差分合計値」という意味で、ｓｕｍ１（ｘ）という変数を計算するが、その初期値として０をセットする（ステップＳ３０２）。

次に、受信波形データを、サンプリング周期８分のｘだけずらした値を補間計算する。ｘが負の場合（ステップＳ３０３：Ｙｅｓ）、Ｓ３０４の内容で、ずらした結果としてｄａｔａｓ（ｎ）を計算する。これは、ｘが負の場合であるが、受信波形データをサンプリング周期（５０μｓ）の８分のｘ倍だけ前（＝時間が短い側、＝近距離側）にずらした値である。具体的には、ｄａｔａ（ｎ）に対し、一つ前のデータであるｄａｔａ（ｎ−１）との差の８分のｘを掛けた値を加える（ステップＳ３０４）。なお、ｎ＝１のとき、ｄａｔａ（０）が必要になるので、ステップＳ３０１でｄａｔａ（０）を設定した。

ｘが正の場合（ステップＳ３０３：Ｎｏ）は、ｄａｔａ（ｎ）に対し、一つ後（＝時間が長い側、＝遠距離側）のデータであるｄａｔａ（ｎ＋１）との差に８分のｘを掛けた値を加えてｄａｔａｓ（ｎ）とする（ステップＳ３０５）。

ｄａｔａｓ（ｎ）が計算されると、基準波形データであるｒｅｆ（ｎ）との差分データｄｉｆ（ｎ）を計算する（ステップＳ３０６）。差を計算した結果であるｄｉｆ（ｎ）が負の場合（ステップＳ３０７：Ｙｅｓ）、ｒｅｆ（ｎ）からｄａｔａｓ（ｎ）を減算するように差の演算を入れ替え、ｄｉｆ（ｎ）が負にならないように計算をやり直す（ステップＳ３０８）、一方、ｄｉｆ（ｎ）が０以上であれば（ステップＳ３０７：Ｎｏ）、ｄｉｆ（ｎ）を置き換えない。こうすることで、ｄｉｆ（ｎ）には、基準波形データと受信波形データの差の絶対値が計算される。

そして、差分合計値であるｓｕｍ１（ｘ）にｄｉｆ（ｎ）を加算する（ステップＳ３０９）。その後、判定手段７は、タイミング番号ｎをアップカウントして（ステップＳ３１０）、タイミング番号ｎが１５になるまで（ステップＳ３１１：Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３からＳ３０９の演算を繰り返す。

なお、タイミング番号１〜１５である第１の領域の受信波形には残響が含まれるが、残響部分は、受信した反射波によって、反射レベルが増加する場合も減少する場合もあるため、正負の変化のいずれも有意な変化と考え、負のデータを正のデータに置き換えている。

次に、判定手段７は、ｓｕｍ１（ｘ）にタイミング番号ｎの差分波形データｄｉｆ（ｎ）を加算する（ステップＳ３０９）。その後、判定手段７は、タイミング番号ｎをアップカウントして（ステップＳ３１０）、タイミング番号ｎが１５になるまで（ステップＳ３１１：Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３〜Ｓ３０９の演算を繰り返す。その後、タイミング番号ｎが１５より大きくなると（ステップＳ３１１：Ｎｏ）、ズレのステップｘをアップカウントして（ステップＳ３１２）ズレのステップｘが８になるまで（ステップＳ３１３：Ｙｅｓ）、ステップＳ３０２〜Ｓ３１１の演算を繰り返す。その後、ズレのステップｘが８より大きくなると（ステップＳ３１３：Ｎｏ）、メインルーチンに戻る（ステップＳ３１４）。

図１３の差分加算処理２フローチャートは、メインルーチンの差分加算処理２（ステップＳ００５）の詳細な内容である。このフローチャートはサブルーチンとして処理される。判定手段７は、タイミング番号ｎに１６を代入してカウントの初期化をすると同時に、タイミング番号１６から順次加算してゆく加算値の初期値である第２の領域の差分合計値ｓｕｍ２を０に初期化する（ステップＳ４０１）。

次に、判定手段７は、受信波形変換手段５から出力される受信波形データのうちタイミング番号ｎのサンプリング値から基準波形記憶手段６に記憶されている基準波形データのうちタイミング番号ｎのサンプリング値を減算して差分をとり、差分波形データｄｉｆ（ｎ）を生成する（ステップＳ４０２）。

判定手段７は、差を計算したｄｉｆ（ｎ）が負の場合（ステップＳ４０３：Ｙｅｓ）、ｄｉｆ（ｎ）を０に置き換え（ステップＳ４０４）、一方、ｄｉｆ（ｎ）が０以上であれば（ステップＳ４０３：Ｎｏ）、ｄｉｆ（ｎ）を置き換えない。そして、ｓｕｍ２にｄｉｆ（ｎ）を加算する（ステップＳ４０５）。

その後、判定手段７は、タイミング番号ｎをアップカウントして（ステップＳ４０６）、タイミング番号ｎが１００になるまで（ステップＳ４０７：Ｙｅｓ）、ステップＳ４０２からＳ４０６の演算を繰り返す。

すなわち、タイミング番号１６〜１００までのサンプリング値をタイミング番号順に、受信波形データと基準波形データとのサンプリング値の差をとり、差が負にならないように補正して、差分波形データｄｉｆ（ｎ）を生成し、ｓｕｍ２に加えて行く。その後、タイミング番号ｎが１００より大きくなると（ステップＳ４０７：Ｎｏ）、メインルーチンへ戻る（ステップＳ４０８）。

なお、タイミング番号１６〜１００は、本実施形では超音波センサ１０からの距離が３０〜１０２ｃｍの距離に相当する遠距離側のデータであり、この距離範囲を第２の領域とする。
第２の領域は、第１の領域に比較して、超音波センサ１０から遠い距離の領域であり、受信波形には残響は含まれない。よって、受信波形の変化分として有効なのは、反射レベルが基準波形に対して増加したもののみと考え、負のデータをゼロに置き換えている（ステップＳ４０４）。

図１４の極小値検出処理フローチャートは、メインルーチンの極小値検出処理（ステップＳ００６）の詳細な内容である。このフローチャートはサブルーチンとして処理される。ここでは、図１２の差分加算処理１で計算した差分合計値ｓｕｍ１（ｘ）に極小値があるか否かを判断する。

判定手段７は、時間のズレのステップｘを変えてｓｕｍ１（ｘ）を比較していく。ｓｕｍ１（ｘ）に極小値が存在した場合、その時のｘの値をｍｉｎという変数にセットする。よって、ｘ及びｍｉｎを、まず−７に初期化する（ステップＳ５０１）。ｘは０±８の範囲であったが、ｓｕｍ１（ｘ）の傾きを見る必要があるため、その両端を外した０±７の範囲で判断する。

ステップＳ５０２では、ｓｕｍ１（ｘ）がｓｕｍ１（ｘ−１）より小さいかを判断する。これは、ｘを増加させた場合にｓｕｍ１（ｘ）が減少方向に変化しているかを見るためである。ｓｕｍ１（ｘ）に極小値が存在するなら、ｘの値に対し、ｘを増やすとｓｕｍ１（ｘ）が減少し、極小値を境にｘを増やすとｓｕｍ１（ｘ）が増加する変化があるからである。

ｓｕｍ１（ｘ）がｘに対し減少方向なら（ステップＳ５０２：Ｙｅｓ）、その時のｘをｍｉｎに代入する（ステップＳ５０３）。そしてｘをアップカウントして（ステップＳ５０４）ｘが７より大きくなる（ステップＳ５０５：Ｙｅｓ）か、ｓｕｍ１（ｘ）の変化が増加方向になる（ステップＳ５０２：Ｎｏ）まで、ステップＳ５０２〜Ｓ５０３の演算を繰り返す。

このままｘが７より大きくなった場合（ステップＳ５０５：Ｎｏ）、極小値は無いので、第１の領域の受信波形データと基準波形データの差分データの合計値であるｓｕｍ１に、時間のズレがない、つまりｘ＝０とした場合のｓｕｍ１（０）を代入して（ステップＳ５１０）、メインルーチンに戻る（ステップＳ５１２）。

ｓｕｍ１（ｘ）の変化がｘに対して増加方向になる（ステップＳ５０２：Ｎｏ）と、そのままｓｕｍ１（ｘ）が増加方向を維持しているかを判断する。ｓｕｍ１（ｘ）が増加方向なら（ステップＳ５０６：Ｙｅｓ）、ｘをアップカウントして（ステップＳ５０７）ｘが８になる（ステップＳ５０８：Ｙｅｓ）までチェックを継続する。途中でｓｕｍ１（ｘ）が減少方向になった場合（ステップＳ５０６：Ｎｏ）、極小値は無いので、ステップＳ５０５：Ｎｏの場合と同じく、ステップＳ５１０の処理に進む。

ｓｕｍ１（ｘ）が増加のままｘが８に達した場合（ステップＳ５０８：Ｎｏ）、ｓｕｍ１（ｘ）が極小値となるｘの値であるｍｉｎという値が０±６の範囲にあるかをチェックする。ｍｉｎが０±６の範囲でなければ（ステップＳ５０９：Ｎｏ）、結果がｘの計算幅に対して余りに外側過ぎるので、信頼性が低いと判断し、極小値が無い処理（ステップＳ５１０）に進む。

ｍｉｎが０±６の範囲ならば（ステップＳ５０９：Ｙｅｓ）、これが極小値と判断し、第１の領域の受信波形データと基準波形データの差分データの合計値であるｓｕｍ１に、ｓｕｍ１（ｍｉｎ）を代入して（ステップＳ５１１）、メインルーチンに戻る（ステップＳ５１２）。

図１５の検知判定処理フローチャートは、メインルーチンの検知判定処理（ステップＳ００７）の詳細な内容である。このフローチャートはサブルーチンとして処理される。

判定手段７は、遠距離側の第２の領域の差分合計値ｓｕｍ２が閾値ＴＨ２以上であった場合（ステップＳ６０１：Ｙｅｓ）、またはｓｕｍ１が閾値ＴＨ１以上であった場合（ステップＳ６０２：Ｙｅｓ）、受信波形と基準波形に不一致があると認められるとして感知と判断する（ステップＳ６０４）。そうでなければ（ステップＳ６０１とＳ６０２：いずれもＮｏ）非感知と判断する。いずれも場合もインルーチンに戻る（ステップＳ６０５）。
なお、ＴＨ１、ＴＨ２は超音波センサの特性に合わせて設定すればよく、同じ値でよい場合もあり、特に、違う値である必要もない。

以上説明したように、本発明によれば、残響波形が変化した場合に、それが人体の有無とは無関係な残響時間の変動のみであるか否かを判断し、そのような残響時間の変動分は極小値を使用することで除去してしまうので、人体が至近距離に存在する場合でも、残響を含む反射波形の変化を、高感度かつ正確に検出できる。

また、本発明の実施形態における超音波人体センサ１０をトイレ装置に利用することによって、仮に使用者が超音波センサを蹴るなどの行為で残響時間の変化があった場合でも、誤検出することなく、人体の検出の確率が高くなる。以下その構成について図１６、１７を用いて説明する。図１６、１７に、発明の実施形態における超音波人体センサ１０を適用したトイレ装置を示す。

図１６に示すように、トイレルーム３０に大便器２０が配置されており、大便器２０は、その前方下部に超音波人体センサ１０が取り付けられている。

大便器２０は、超音波人体センサ１０からの検出信号に基づいて、人体の存在を検出すると、便蓋を開く制御を行い、その後、人体がいなくなったことを検出すると、便蓋を閉じる制御を行う。或いは、便器を自動的に洗浄する制御を行う。

図１７は図１６の上面図である。超音波センサ１０に対して、Ｓ１が第１の領域であり、Ｓ２が第２の領域である。大便器２０の使用時の足の位置は性別や体格、座り方に個人差があり、大便器に極めて接近する場合がある。そこで第１の領域の検出感度を高くすると、使用者の足で超音波センサ１０が蹴られたりして残響時間が変わった場合などに、誤感知する恐れがある。しかし、本発明によれば、残響時間の変化を受信波形に時間的なズレを加えて極小値を検出し、その値で感知判断を行うため、誤感知が生じない。

本発明の実施形態における超音波人体センサの全体構成を示すブロック図。 本発明の実施形態における超音波人体センサの判定手段の動作説明図。 本発明の実施形態における超音波人体センサの残響が変化したときの判定手段の動作説明図１。 本発明の実施形態における超音波人体センサの残響が変化したときの判定手段の動作説明図２。 本発明の実施形態における超音波人体センサの残響が変化したときの判定手段の動作説明図３。 本発明の実施形態における超音波人体センサの近距離に人体があるときの判定手段の動作説明図１。 本発明の実施形態における超音波人体センサの近距離に人体があるときの判定手段の動作説明図２。 本発明の実施形態における超音波人体センサの近距離に人体があるときの判定手段の動作説明図３。 本発明の実施形態における超音波人体センサのメインルーチンを説明した制御フローチャート。 本発明の実施形態の送受信処理サブルーチンのフローチャート。 本発明の実施形態の基準値記憶処理サブルーチンのフローチャート。 本発明の実施形態の差分加算処理１サブルーチンのフローチャート。 本発明の実施形態の差分加算処理２サブルーチンのフローチャート。 本発明の実施形態の極小値検出処理サブルーチンのフローチャート。 本発明の実施形態の感知判定処理サブルーチンのフローチャート。 本発明の実施形態においるトイレ装置の斜視図。 本発明の実施形態においるトイレ装置の上面図。 超音波の動作原理を説明した図。

符号の説明

１ 発振手段
２ 昇圧回路
３ 超音波送送受信手段
４ 受信・検波回路
５ 受信波形処理手段
６ 基準波形記憶手段
７ 判定手段
８ マイクロコンピュータ

Claims (5)

1. 監視空間に向け、超音波を間欠的に送信すると共に、この送信に対する反射波を受信する超音波送受信手段と、
   前記超音波送受信手段によって前記超音波を間欠的に送信するごとに、その反射波に対応して出力される受信信号を、所定周期で順次サンプリングしてＡ／Ｄ変換し、複数のサンプリング値から構成される受信波形データとする受信波形変換手段と、を備えた超音波人体センサにおいて、
   前記受信波形変換手段から出力される受信波形データのうち、人体が存在していないタイミングで得られる受信波形データを基準波形データとして記憶する基準波形記憶手段と、
   前記受信波形変換手段から順次出力される受信波形データと前記基準波形データとを比較した差分データに不一致が認められる場合に人体が存在すると判定し、その結果を出力する判定手段と、を有するとともに、
   前記差分データに不一致が認められる場合であっても、前記受信波形データと前記基準波形データ間に、サンプリングの時間軸方向に所定値以下の時間的なズレを加えて比較すると前記差分データに不一致が認められない場合は、人体が存在しないと判定することを特徴とする超音波人体センサ。
2. 請求項１に記載の超音波人体センサにおいて、
   前記判定手段は、
   前記差分データの値の総和である差分合計値を計算し、該差分合計値が所定の閾値を超えた場合に、前記監視空間内に人体が存在すると判断し、
   前記差分データ及び差分合計値を計算する際に、
   前記差分データを計算する波形データ間に、サンプリングの時間軸方向の、所定量で複数段階の時間的なズレを加え、それぞれの時間的なズレを含んだ差分データを計算し、前記複数段階の時間的なズレに対応した複数個の差分合計値を計算し、
   前記複数個の差分合計値の中に極小値があった場合はその極小値を、極小値がない場合は前記時間的なズレを加えない場合の差分合計値を用いて、前記所定の閾値との比較を行うことを特徴とする超音波人体センサ。
3. 請求項２に記載の超音波人体センサにおいて、
   前記時間的なズレを加える際の１段階の間隔は、前記サンプリングの所定周期よりも短く、前記差分データの計算には、前記受信波形データ及び前記基準波形データから、前記時間的なズレに応じた補間演算を行い生成した波形データを用いることを特徴とする超音波人体センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波人体センサにおいて、
   前記受信波形データ及び前記基準波形データを、超音波人体センサに対して近距離側の第１の領域と、遠距離側の第２の領域のデータに分け、それぞれの領域についてサンプリング値ごとに前記差分データ及び差分合計値を計算し、
   前記第１及び第２の領域の差分合計値のうち、少なくとも一方が所定の閾値以上の場合、人体が存在すると判断するものであって、
   前記第２の領域の差分合計値の計算には、前記時間的なズレを加えない場合の差分合計値を用いることを特徴とする超音波人体センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波人体センサを有することを特徴とするトイレ装置。