JP2007175163A - 静電式着座センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 使用者の便座への座り方、便座面の汚れや水滴、便座カバーの有無など、使用状態や設置環境による静電容量の変動を除去し、安定して人体を検出できる静電式着座センサを提供する。
【解決手段】 人体が着座する便座に設けられ人体の静電容量を検出する検出電極と、前記検出電極に高周波パルスを印加して人体間との静電容量を検出する静電容量検出部と、人体の着座を判定する着座判定部とを有する静電式着座センサにおいて、着座時の前記検出電極と人体間の静電容量が、人体が大地に対して有する静電容量に比べ十分小さくなるように前記検出電極の面積を小さく設定し、前記検出電極の周囲を前記検出電極の静電容量より十分広い面積のノイズ除去用の遮蔽電極で囲み、前記遮蔽電極に前記検出電極と等電位となる高周波パルスを印加する遮蔽電圧発生部を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、局部洗浄装置において、お尻及びビデ洗浄、脱臭、おしり乾燥などの機能を、人体が便座へ着座した場合のみに限り有効とするため、便座へ着座した時を検知する人体検知センサであって、静電容量方式に関する。

従来より、局部洗浄装置には、使用者が便座に着座していない状態で局部洗浄スイッチを誤って操作しても、洗浄して衣服や床を濡らしてしまわないよう、着座していない状態では操作スイッチを受け付けない安全機構が入っている。また、操作の許可・禁止以外にも、着座の有無や時間により、便座の保温・節電タイマーを自動セットしたり、便器の自動洗浄のトリガとして利用するなどもされている。

この便座への着座の有無を検出するセンサは着座センサと呼ばれ、その検出方式には、荷重式、光電式、静電容量式などがある。本発明は、静電容量式に関するものである。
例えば、便座に一定の間隔を保って設けた一対の電極間に人体が着座すると、この電極間の静電容量が大きくなることを検出する方式がある（例えば特許文献１参照）。

また、便座保温ヒータ側を一方の電極に、大地側を他方の電極として、これらの電極間に人体が介在して静電容量が大きくなったことを検出する方式がある（例えば特許文献２参照）。
また、検出原理は同じだが、検出電極として、便座保温ヒーターでなく、ヒータの発熱を便座表面に分散伝達するためのアルミニウム箔や銅箔を使うものもある（例えば特許文献３参照）。

また、局部洗浄装置の便座内部に、人体着座面に近い方から順に、検出電極―絶縁層―保護電極―絶縁層―接地電極で構成した電極を配置し、保護電極には検出電極と同電位同位相を印加させることにより、人体着座に必要としない静電センサー自身が有する静電容量を減らすことができるという考案がある（例えば特許文献４参照）。

特開昭６２−２７４３４号公報 特開平４−１４５３４号公報 特開平７−１４０２５９号公報 特開２０００−８０７０３号公報

特許文献１の方式は、２箇所の電極に対して人体が一様に近接して着座することが条件となる。よって、使用者の座り方次第で検出結果に差が出やすい方式である。
また、便座内に２つの検出電極があるため、人体でなくとも、水分や汚れ、便座カバー（便座に被せる布製のカバーで、樹脂面に直接座る際の冷たさ軽減や肌触りを良くする効果がある。また、便座ヒーターによる便座保温時には、放熱を減らして電気代の節約にもなる）など、便座面に何かがあるだけで着座と誤って検出してしまう可能性がある。

なお、２箇所の電極の間隔は、近すぎると便座表面の状態（水分や汚れ、便座カバーの有無など）の影響を受けやすくなる。よって、この観点からは、２つの電極の距離をなるべく離した方が良い。しかし、２つの電極の距離を離せば、双方の電極に対し使用者が一様に近接して着座する可能性が低くなる。つまり、使用者の座り方の影響を減らすためには、２つの電極は前記条件とは逆で、近い方が良い。このように、電極間距離の適当な距離が無い。

便座表面の状態の影響を減らすために、検出感度を低く設定する（着座と判定する閾値を高くする）方法もあるが、検出感度が不足して使用者を判別できない可能性が高くなる。
このように、便座内に設けた一対の電極間の静電容量を検出する方式は、便座表面にあるものの影響を排除し、かつ便座に対する座り方の個人差を許容しつつ検出感度を高くすることが難しく、使用者を安定して検出することができない。

次に、特許文献２または特許文献３の方式は、「大地と検出回路」「便座ヒータ（＝検出回路と繋がっている）と人体」「人体と大地」の３つの静電結合の直列静電容量を検出する（特許文献３は便座ヒータの代わりにアルミニウム箔を利用している）。そして、この直列静電容量がある閾値を越えると使用者の着座とみなす。

この方式の検出の中心部分（着座の有無に対して、最も静電容量が変化する部分）は「便座ヒータと人体」との静電容量であるが、便座全域の広い面積で人体との静電結合が可能なため、どのような座り方をしても、ある程度大きな値の静電容量が得られる。こうして検出回路からすれば、信号量（信号電圧値）が比較的大きくなるので、信号処理の面では都合が良い。

しかし、前記「大地と検出回路」「便座ヒータと人体」「人体と大地」のそれぞれの静電容量は、便器の設置環境である、床や壁との静電結合状態、電源アースの有無、トイレマットの有無、湿度、使用者の体型、大人と子供など、さまざまな要因で変動する。
また、座り方により、便座と人体が触れる部分が大きくなる可能性もあるが、逆の場合もあり、電極面積が便座全体と広いだけにその差は大きい。つまり、座り方による静電容量の差が大きい。

更に、便座に設けた検出電極（便座ヒータまたはアルミニウム箔）の面積が広いため、着座しなくても周囲環境の影響を受けやすくなる。つまり、人体に対すると同様にノイズに対しても高感度になる。更に、便座表面や便座カバー、局部洗浄装置の外郭ケース表面、便蓋などを経由して、周囲環境（大地）との静電結合が生じやすく、人体が着座していない状態でも、あたかも使用者が着座しているかのような信号が生じる恐れがある。

このように、変動要因となる要素が多く、着座検出の判定閾値を固定することが難しい。静電容量の信号としては比較的大きな値が得られるものの、判定レベルの設定が困難であり、安定した着座検出が期待できない。

次に、特許文献４の考案は、人体検出には不要な静電容量である「検出電極裏面と接地電極」「電気的結合部分と接地電極」「検出電極と大地」の静電容量を、検出電極と同電位同位相の保護電極を用いることによりキャンセルする点に特徴がある（特許文献４の段落００２４より）。

また、この考案の検出原理は、「検出電極と接地電極間の静電容量変化を利用して人体検出を行う（特許文献４の請求項１）」ものである。つまり、便座内に検出電極と接地電極という、検出する静電結合の対となる２つの電極があり、これらの電極間の静電容量変化により人体検出を行っている。

これは、検出回路が便座内で完結（閉回路を形成）していることを意味する。これは、均熱板を接地電極としたこと（特許文献４の請求項２）、検出電極、保護電極、接地電極の順に投影面積が広いこと（請求項５）からも、この点は明らかである。

この考案は、便座内の２つの電極間の静電容量を測定するという点で、前述の特許文献１と同じである。特許文献１が「便座内部に一定の間隔を保って一対の電極を配設し」ているのに対し、特許文献４は、検出電極と接地電極が「一対の電極」であり、保護電極の存在が「一定の間隔を保つ」ことに相当する。検出電極と等電位の保護電極によって、検出電極と接地電極との電気的な分離を行い、物理的に距離を離した場合と同様の効果を生んでいる。つまり、電極の構成が異なるだけで、特許文献４の検出原理は特許文献１と同じである。

特許文献４の図１１からも分かるように、検出電極と接地電極は、その付近に人体が接近すると静電容量が変化するように、間隔が狭く設定されている。
この間隔がどの程度が適当かは明記されていないが、「検出電極と接地電極間の静電容量変化を利用して人体検出を行う」という検出原理と、「検出電極―絶縁層―保護電極―絶縁層―接地電極」と張り合わせた構造から、検出電極と接地電極の距離間隔がさほど広くないことは明白である。

以上の点から、特許文献４も特許文献１と同様に、便座表面の状態（水分や汚れ、便座カバーなど）の影響を受けやすくなる。例えば、便座に小水や掃除の水がかかった時、高湿度環境で便座カバーが水分を含んだ場合など、誤検出をしてしまう可能性が高い。これは、保護電極が、検出電極と接地電極の電気的な分離を目的として設けられ、便座表面の異物（水滴など、検出したくないもの）に対しては、その影響を減らす効果を持たないためである。

また、便座の均熱板（特許文献３のアルミニウム箔と同一目的のもの）を接地電極に使用する場合（特許文献４の請求項２）、使用者の座り方によって、接地電極と人体との接近面積が大きく変動し、検出される静電容量も大きく変化する。この点は、特許文献３でアルミニウム箔を検出電極とした場合と同じである。

更に、特許文献４の段落００２０「発明の実施の形態」によれば、「図１及び図２いずれの実施例においても静電着座センサー（４）を２個としているが、この個数は２個でなくてはならない理由はなく、１個でも何ら差し支えない。即ち、面積の大きい静電着座センサー（４）であれば１個ですみ、小さな面積の静電着座センサー（４）であれば、複数個設置しても良い。」とある。
つまり、検出電極には充分に大きい面積を必要としており、この点からも特許文献２及び３と同じ理由で、座り方によって静電容量が変化する可能性が高い。
以上の点から、特許文献４は、検出性能に対する座り方の影響が大きいことが分かる。

以上のように、いずれの方式も、設置環境や座り方などの要因で検出される静電容量が安定せず、誤検出が多い。

ここに、本発明は上記問題を解決するためになされたもので、使用者の便座への座り方、便座面の汚れや水滴、便座カバーの有無、便器の設置環境、電源アースの有無、トイレマットの有無など、使用状態や設置環境による静電容量の変動を除去し、安定して人体を検出できる静電式着座センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、人体が着座する便座に設けられ前記人体との間の静電容量を検出する面状の検出電極と、前記検出電極に高周波パルスを印加し充放電させる静電容量検出部と、前記静電容量検出部から出力される静電容量出力により前記人体の着座を判定する着座判定部とを有する静電式着座センサにおいて、前記人体の着座時の前記静電容量出力が、前記人体が大地に対して有する対地静電容量に比べ小さくなるように前記検出電極の面積を設定するとともに、前記検出電極を囲み前記検出電極より広い面積の面状の遮蔽電極とを備え前記遮蔽電極に前記検出電極と等電位となる高周波パルスを印加する遮蔽電圧発生部とを有することを特徴とする。
よって、誤検出の要因となる可能性のあるものの電位を検出電極と等電位として影響を除去し、かつ、人体の個体差による静電容量のバラツキの影響を受けにくい。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の静電式着座センサにおいて、前記遮蔽電極の外形幅は、前記便座の横幅にほぼ等しく構成されていることを特徴とする。よって、便座カバーなどに対しても十分に遮蔽効果を発揮する。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の静電式着座センサにおいて、前記検出電極を複数箇所に設け、それぞれの検出電極に対して個別に高周波パルスを印加し充放電させる複数の前記静電容量検出部を備え、それぞれの前記静電容量検出部から出力される複数の前記静電容量出力の値が前記着座判定部に入力されるとともに、前記着座判定部は、前記検出された複数の静電容量出力の値のいずれかが所定の閾値を越えた場合に着座と判断する。
よって、検出面積が広く、人体の個体差、座り方の差の影響を除去できる。

請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電式着座センサにおいて、前記便座は、その内部に便座保温用ヒーターと、該便座保温用ヒータの発熱を便座面に伝導拡散する均熱板とを有する暖房便座であり、前記便座内部の上面に対して、前記検出電極、前記遮蔽電極、前記均熱板の順に重ねて貼り付けられ、前記検出電極近傍の前記遮蔽電極の幅は、前記均熱板の幅より広いことを特徴とする。
よって、均熱板を介した静電結合の悪影響を除去する。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電式着座センサにおいて、前記便座は、その内部に便座保温用ヒーターと、該便座保温用ヒータの発熱を便座面に伝導拡散する均熱板とを有する暖房便座であり、前記均熱板は前記遮蔽電極を兼用する。
よって、便座全体を遮蔽することになり、安定した着座検出が可能となる。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の静電式着座センサにおいて、前記均熱板を、前記検出電極近傍とそれ以外の部分に分割し、前記検出電極近傍の前記均熱板は前記遮蔽電極と兼用し、それ以外の前記均熱板は静電式着座センサの回路と電気的に接続しない。
よって、遮蔽電圧発生部に必要以上の駆動能力を要求しない。

請求項７記載の発明は、請求項４乃至６のいずれか１項に記載の静電式着座センサにおいて、前記便座は、便座温度を測定する便座サーミスタを有し、前記静電容量検出部、遮蔽電圧発生部及び着座判定部を便座内に内蔵するとともに、前記着座判定部は、その着座判定結果を判定出力ラインに電源ラインの一方とオン・オフするトランジスタによりパルス信号で出力するものであって、前記サーミスタは、前記トランジスタが接続されていない方の電源ラインと前記判定出力ライン間に接続され、前記判定出力ラインには、前記サーミスタにより得られる便座温度に対応したアナログ電圧に、着座判定結果を示すパルス信号が重畳して信号出力される。
よって、検出や判定の回路部分を検出電極とともに便座内に内蔵して耐ノイズ性に優れる構成となり、かつ、便座への接続線の増加を最小限に留める。

請求項８記載の発明は、請求項７記載の静電式着座センサにおいて、前記着座判定部は、前記着座判定出力ラインの電圧レベルを入力する手段を備え、該着座判定出力ラインの電圧レベルが所定の条件で変化した場合に、感度の調整、判定閾値の変更等の通常時の着座判定とは異なる動作を実行する。
よって、通常は超音波溶着等の手段で密閉してしまい破壊する以外に空ける手段が無い便座の中に、検出や判定の回路部分を内蔵してしまっても、外部から動作モードや感度の変更が可能となる。

本発明によれば、遮蔽電極の面積を広く、検出電極の面積を狭くすることで、便座表面に水分や汚れ、便座カバーなどがあったとしても、それらを検出電極と等電位とすることができ、その影響を除去できる。一方で、静電容量が大きく大地とも結合が強い人体に対しては、検出感度の低下が少ない。

これは、各電極の面積を、『条件１：「遮蔽電極と人体間の静電容量」＜「人体と大地間の静電容量」』『条件２：「検出電極面積」＜「遮蔽電極面積」』を満たすようにすることで、成立する。

本発明によれば、従来の方式と異なり、「便座内に検出電極の対を作らない」「遮蔽電極を検出電極よりも十分に大きくする」「均熱シートを接地しない」という手段により、従来の問題を解消する。

「便座内に検出電極の対を作らない」ことにより、便座面に存在するだけで静電容量の検出値が増加するという、従来の方式の本質的な課題を解決する。
「遮蔽電極を検出電極よりも十分に大きくする」ことは、検出電圧を低下させることになり、検出能力を低下させるように思われるが、便座カバーなどの影響をほぼ完全に除去できるため、閾値をゼロ近くまで下げることができる。その結果、実質的に検出感度は向上し、検出能力の高いセンサとなる。

また、検出電極を便座面に対して小さいものにすれば、使用者の座り方の影響を受けにくくなる。使用者の体型や座り方に差があっても、腿や臀部が便座と接する可能性が最も高い部分に検出電極を置けば、小さな検出電極の範囲であればバラツキは殆ど出なくなる。

更に、小さめの検出電極の周囲を遮蔽電極で覆うことにより、検出電極に入るノイズや人体以外の影響を極めて小さくできる。その結果、検出の閾値を低くすることができ、検出電極は小さいが、Ｓ／Ｎ比で言えば、従来の便座全体を検出電極とする方式よりも向上する。

また、検出電極を複数設けて着座と判断する範囲を広げたい場合、やはり小さい検出電極としてこれを複数配置し、個別に静電容量を検出することで、広い検出範囲を有しながら、従来の検出電極が大きすぎることによる問題（ノイズを受けやすい、座り方で結果が変わる、など）が発生しない。

遮蔽電極を便座の均熱板と共用することも可能であり、その場合は便座面全体に遮蔽効果が生じ、従来では困難であった便座カバーのような大きいものの影響の除去が可能となる。便座面に遮蔽する必要が無い部分があれば、均熱板を部分的に切り離すが、従来の例に見られるような固定電圧、例えばＧＮＤラインに接地するような事はしない。電圧を固定しないことにより、便座面の水滴などが切り離した均熱板を経由して不要な静電結合を発生させることを防止する。

また、サーミスタの接続ラインと着座センサ回路の電源と判定出力のラインを兼用し、便座と局部洗浄装置の接続線の増加を抑止する。更に、着座の判定出力のラインを入出力型とすれば、便座内の着座センサの回路をコントロールすることができる。
従来、着座センサの回路を便座内に収納した方が耐ノイズ性などで有利であることは明白であるにもかかわらず、密閉した便座内に回路を入れてしまうことの不安、便座との接続線の増加という問題が、便座内に回路を内蔵することの阻害要因となっていた。
本発明により便座内に回路を内蔵することが容易となり、耐ノイズ性に優れた着座センサが実現できる。

このように、本発明によれば、従来の静電式着座センサに見られた課題を解決し、安定して動作する着座センサを提供することができる。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。また、図２はその断面構造を示す図である。

詳細を説明する前に、まず従来の構造を説明する。
図１９は局部洗浄装置の使用状態を示す斜視図である。便器１００に取り付けられた局部洗浄装置１０１の便座１０２に使用者が着座し、局部洗浄の操作を行っている。本発明が関係する着座センサが正常に機能し、着座状態と判定しない限り、この操作は受付けらない。

図１６は従来の便座の内部構造を、図１７はその断面構造（図１６のＡ−Ａ’部）を示す図である。
図１６において、樹脂製の便座ケース７に対し、便座保温用のヒーター４とその熱を拡散するためのアルミ箔等の均熱板５が貼られている。また、便座の温度を測定するためのサーミスタ６が便座ケース７の一部にヒータ４と直接干渉しない位置に取り付けられる。図１８は、それぞれの部品を分けて示したものである。

図１６及び図１７に対し、本発明による便座は図１及び図２となる。
図１において、１は静電着座センサの検出電極、２は遮蔽電極、３は回路部である。便座ケース７及びヒータ４、均熱板５、サーミスタ６は従来のものと同様である。但し、ヒータ４とサーミスタ６は図が煩雑となるので記載を省略している。
図２は図１のＡ−Ａ’部の断面であり、便座ケース７の内側の着座面に近い側から、検出電極１、遮蔽電極２、均熱板５、ヒータ４の順番に取り付けられる。このＡ−Ａ’の長さを便座の横幅という。

図３は静電式着座センサの回路部３の構成を示す回路図である。
１は検出電極、２は遮蔽電極である。静電容量検出部１０は、スイッチドキャパシタ型の検出回路であり、検出電極１と検出対象との静電容量をＣｘとすると、検出電極１に対して高周波パルス電圧を印加し、検出電極１からＣｘに対する充放電電荷を電圧変換する。この電圧変換された出力により着座判定部１１（例えばＡ／Ｄ変換器を内蔵したマイコン）は人体の着座を判断し、その判定結果をＯＵＴ端子より出力する。図３のように、トランジスタ１５の一方をＧＮＤラインに繋ぎ、ＯＵＴ端子を受ける側の回路で抵抗でプルアップしてやれば良い。

同時に、遮蔽電圧発生部１２により、遮蔽電極２に対して、検出電極１と同電位の高周波パルスを印加する。遮蔽電極２の近傍は検出電極１と同電位となるため、遮蔽電極２の近傍にあるものに対して検出電極１からの充放電が行われない。よって静電式着座センサは、遮蔽電極２の近傍に検出感度を持たない。

図４は、図３とは異なる検出方式の、静電式着座センサの回路部３の構成を示す回路図である。静電容量検出部１３はＣＲ発振回路になっており、その帰還回路の一部に検出電極１が接続される。検出電極１と検出対象との静電容量Ｃｘの変化が、ＣＲ発振回路の発振周波数変化となって現れる。この周波数変化を着座判定部１１（例えばパルスカウンタ機能を有するマイコン）で検出して人体の着座を判断し、その結果をＯＵＴ端子より出力する。

同時に、遮蔽電圧発生部１４（例えばバッファアンプ）により、検出電極１と同じ電圧を発生し、遮蔽電極に印加する。その効果は図３の場合と同様である。
以上、図３、図４共に静電式物体検出センサの回路として一般に知られている構成である。

次に、図５を用いて本発明の局部洗浄装置の着座検出の原理を説明する。図５は、便器１００に局部洗浄装置１０１が取り付けられており、その便座１０２に使用者が着座している状態である。便座１０２の内部には、検出電極１と遮蔽電極２が内蔵されている。局部洗浄装置１０１を制御する回路はその内部にある制御回路１０４である。

図５は便器周辺の各部分の配置とその静電結合状態を示す図であるが、図１の静電着座センサの回路部３（図３及び図４に相当する部分）は、この制御回路１０４と電気的に接続されており（電源及びＧＮＤラインが繋がっている）、静電結合状態を考える上では、回路部３は制御回路１０４の中に含まれる。

図５において、Ｃ１は制御回路１０４、つまり静電式着座センサの回路部３と大地との間の静電容量である。なお大地とは、電位の基準になるところという意味であり、実際には便器が設置された床、或いは建物の電位となる。
Ｃ２は使用者の人体と大地との間の静電容量である。Ｃ３は検出電極１と使用者の人体と、Ｃ４は遮蔽電極２と使用者の人体との静電容量である。

図５を、回路要素のみで表すと図６となる。図６を更に単純化すると図７となる。静電式着座センサは、図７において、電圧Ｖを印加したときのＣ３に対する充電電荷Ｑを求めることで着座状態を検出するものである。

局部洗浄装置が一般にＡＣコンセントを電源として動作し、装置自体でアース接続することから、Ｃ１はＣ２〜Ｃ４に比較すると十分に大きな静電容量となる。よって、Ｃ１〜Ｃ４の閉回路を考える際には、Ｃ１の静電容量がいくつかを考える必要はない（複数のコンデンサの直列容量は、容量の小さいものが支配的となり、十分に容量の大きいものは短絡と考えて良い）。

また、人体はある大きさを持つ導体であり、その人の体の表面積に相当する静電容量を持っている。電磁気学では無限遠を電位の基準として考えるが、人体は無限遠に対して、その表面積に相当する静電容量を持っている。
しかし、例えばトイレなどの状態を考える際に無限遠を基準電位とするのは分かりづらい。地球が持つ静電容量が非常に大きく電位変動が小さいため、地球（大地）の電位を無限遠の電位と同じと考え、大地を基準とするのが一般的である。

図５のような場合に、図だけを見る限り、Ｃ２は人体（足）が大地に接近しないとゼロになってしまうような誤解を生みやすい。確かに人体（足）が大地（床）と接近すれば、大地との静電容量Ｃ２は大きくなるが、仮に足が床に着かずに離れていても前述の理由でＣ２がゼロになることはない。人体は単純な形状でないため計算は困難であるが、一般にＣ２は数１０ｐＦ程度と考えられる。

この考え方は、便座の上に、人体でないもの、例えば便座カバーや水滴が付いた場合も同様である。
水分を多く含んだ（濡れた）便座カバーが取り付けられた場合、その便座カバー自体がその表面積に相当する静電容量を持っており、便座面で検出電極１や遮蔽電極２と静電結合する。これも、回路上はＣ２として現れるが、その静電容量が人体と区別がつかない程に大きければ、便座カバーを人体と誤感知してしまう。

図１により、本発明の特徴と効果を説明する。図１において本発明の最も特徴となる部分は、「検出電極１の大きさが便座ケース７の大きさ、幅に対して十分に小さいこと」「遮蔽電極２が検出電極１に対して、十分に大きいこと」「遮蔽電極２は、少なくとも検出電極１の近傍において、均熱板５を覆っていること」である。

従来の考案のものであれば、人体との静電容量Ｃ３を大きくとって検出回路の信号量を増やすため、検出電極１はできるだけ大きな面積のものとしていた。便座ヒータ４や均熱板５を検出電極としたものが代表的なものである。しかし、本発明では、検出電極１は便座の幅（図１のＡ−Ａ’の距離）に対しても十分に狭い（面積が狭い）ものとなっている。

検出電極１に対して、遮蔽電極２は便座の幅（図１のＡ−Ａ’の距離）とほぼ同等となるまで広いものとなっている。これは、均熱板５の幅よりも広く、遮蔽電極２は、検出電極１に対して均熱板５を覆い隠すようになっている。これにより、検出電極１と均熱板５との静電容量は極めて小さくなり、検出電極１は均熱板５に対して検出感度を持たなくなる。

ここで、使用者が着座した場合について説明する。検出電極１と使用者の人体は、便座ケース７の厚み（ｔとする）の距離で接近する。検出電極１の面積をＳとすると、人体の表面積の方が十分に大きいので、Ｃ３は平行平板のコンデンサの静電容量の計算で求められ、
［Ｃ３＝ε０×εｓ×Ｓ÷ｔ］となる。ε０は真空中の誘電率、εｓは便座ケース７の材質の樹脂の比誘電率であり、一般に２〜３程度である。

面積Ｓが小さければＣ３も比例して小さくなるが、センサの能力はＳ／Ｎ比（信号対ノイズの比率）で決まるものであり、ノイズ（着座検出を阻害する要因）をそれ以上に小さくできればＣ３が小さい事自体は問題ではない。
一方、前述のように遮蔽電極２は検出電極１に対して面積が十分に大きく、人体との静電容量もその面積に比例するため、Ｃ４はＣ３に比較して十分大きくなる。

図３または図４の遮蔽電圧発生部により、遮蔽電極２には検出電極１と同電位の高周波パルスが印加される。よって、図７のような構成と考えることができる（電圧Ｖは、実際には直流でなく、交流のパルスである）。
遮蔽電極２と人体間の容量のＣ４に対しては、高周波パルスを印加するものの、それによる充放電電荷は静電容量検出部によって検出されることはない（図７で言えば、Ｑに寄与しない）。つまり、Ｃ３とＣ４を加えた（並列接続）静電容量によって人体に対する充放電が行われるが、静電容量検出部で検出される充放電電荷Ｑは、Ｃ３を経由する分だけである。よって、Ｃ３に比較してＣ４が大きいほど、充放電電荷Ｑは小さくなってしまう。

このように、検出電極１を小さく、遮蔽電極２を大きくすることで、充放電電荷Ｑは小さくなり、人体との静電容量Ｃ３を検出する上では、信号量（絶対値）が小さく、一般的な回路の常識から考えれば検出に不利な条件となっている。逆に遮蔽電極２を設けず、それを検出電極１として使えば、それだけ信号量は増える。
電極のサイズや便座の厚みなどにもよるが、例えば、Ｃ３を１ｐＦ程度、Ｃ４を１０ｐＦ程度と設計した場合、大きな遮蔽電極２を設けることで、信号は１／１０になってしまう。

しかし、人体の静電容量Ｃ２は数１０ｐＦと見込まれるため、Ｃ３は勿論、Ｃ４よりも大きく、充放電電荷Ｑがゼロになることはない。遮蔽電極によって信号が低下する割合は、その面積比から分かるので、その分の静電容量検出部の感度を上げることで、Ｃ３の計測は可能である。

次に、便座表面の水滴、汚れ、便座カバーなど、人体着座の誤検出要因となる異物に対する動作を説明する。
これらのものは、人体の腿や臀部と同様に便座１０２の表面に接触する。ところが人体に比較すれば、これらのものは、その大きさ、表面積が小さく、つまりそれ自体が持つ静電容量（大地または無限遠に対する静電容量）は小さい。

また、静電容量の大きい人体が、その一部しか遮蔽電極と接しないのに対して、水滴、汚れ、便座カバーなどは、全体が便座面に直接接触している。よって、大地との間に持つ静電容量Ｃ２に比較して、Ｃ３、Ｃ４の方が必ず大きくなる。本発明では遮蔽電極２の面積が大きいので、Ｃ４が最も大きい。
このため、Ｃ２よりＣ４が十分に大きいという条件より、水滴、汚れ、便座カバー自体の電位は、遮蔽電極２の電位と同じ電位となる。仮に、便座カバーが濡れていても同様である。便座上の異物は検出電極１とも同じ電位となり、充放電電荷Ｑは発生せず、水滴、汚れ、便座カバーなどを検出することはない。

このように、水滴、汚れ、便座カバーなど異物の電位を遮蔽電極２で検出電極１と等電位とすることにより便座面の異物に対する考慮が不要となる。よって、検出感度を高く設定する（着座と判定する閾値を低くする）ことができ、その結果、高感度で人体の着座を検出することが可能となる。

従来も遮蔽電極を設けたものはあったが、遮蔽電極２を便座の幅程度に大きくとったものはなかった。或いは、便座内に接地電極を設けたり、固定電位のシールド電極を設けていた。このため、便座面に接触した水滴、汚れ、便座シートなどはそのまま検出電極１の充放電電荷Ｑを生じさせ、誤検出の要因となっていた。
また、便座内に一対の電極を設けてその間の静電容量を検出する方式では、便座面に静電結合を作る水滴、汚れ、便座シートなどを除外することが原理的にできない。

以上のように、検出電極１を小さく遮蔽電極２を大きくするという、一見不利な条件と思われる方法であるが、便座面の異物は影響を除去し、人体に対しては安定した検出が可能となるという効果がある。

図８は、本発明の第二の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。また、図９はその断面構造（図８のＡ−Ａ’部分）を示す図である。
図８において、均熱板５は遮蔽電極３を兼用している。

図８において、従来の均熱板５に相当するものに、検出電極１のための切り欠きを設ける。均熱板５は遮蔽電極２としても動作し、便座全体を遮蔽する。なお、検出電極１の裏面は図９のように遮蔽電極２と等電位となるように覆わなければならない。或いは、図８のように均熱板５に切り欠きを作らず、検出電極１に絶縁材を重ね、その上に均熱板８を重ねても良い。

図８の構成によれば、便座面の大部分が遮蔽電極２となる。一方、検出電極１は、便座面のほんの一部でしかない。これにより、便座面にしか存在しない、水滴や便座カバーなどの異物に対して強力な遮蔽効果を発揮する。
図１の構造であれば、便座部分（便座ケース７、均熱板５など）と着座センサ部（検出電極１、遮蔽電極２，回路部３）を別々に組み立てることができるというメリットがあるが、図８の構成は遮蔽効果が大きいというメリットがある。

図１０は、本発明の第三の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。
図１０の構成では、均熱板５を分割し、遮蔽電極２として使う部分と、均熱板５として使う部分に分けている。これは、遮蔽電極２を遮蔽電圧発生部（図３の１２または図４の１４）で駆動するが、この電極の面積が広いほど、遮蔽電圧発生部に、より高い駆動能力が必要となる。よって、均熱板５に遮蔽電極２として不要な部分があるのなら、それは切り離した方が遮蔽電圧発生部を低駆動能力のものにでき、小型化、低コストに繋がる。

便座面のどこまで遮蔽電極２として必要かは、検出電極１の大きさや、便座ケースの厚みなどによっても変わってくる。遮蔽電圧発生部の駆動能力との関係で、総合的に決めればよい。
均熱板５の遮蔽電極２として使用しない部分は、ＧＮＤなどの固定電位とせず、電気的にフローティング状態とする。検出電極１から十分に遠い部分ならば、どう処理（電位的に固定する・しない）しても影響はないが、少なくとも検出電極１に近い部分は、便座カバーや水滴などで検出電極１との静電結合ができないように、均熱板５の電位を固定せずフローティングする。

図１１は、本発明の第四の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。
図１１の構成では、検出電極１を便座の左右に設けている。使用者が足を組むなどして、どちらかに姿勢が偏って座ったとしても着座検出が可能となる。検出電極１を十分小さくすることで、２つ設けたとしても、前述の検出電極１と遮蔽電極２の大小関係を維持できる。

図１２は、本発明の第五の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。
図１２の構成では、検出電極１が複数（図では６個）設けられている。遮蔽電極２は均熱板５と共用で１つである。更に、複数の検出電極１に対し、それぞれの電極と人体の間の静電容量を測定するように、個別に回路部３と接続されている。
回路部３においては、それぞれの電極に対して、個別に静電容量検出部（図３の１０または図４の１３）を設ける。静電容量検出部を検出電極１と同じ数（６個）だけ設けても良いし、検出電極１と静電容量検出部の接続を６つのスイッチで切り替え、時分割で順次、静電容量を計測するようにしても良い（図は省略する）。

このようにすれば、個々の検出電極１の面積は小さいという本発明の特徴を維持でき、便座全体の広い面積で安定した着座検出が可能となる。
更に、個々の検出電極に対する静電容量の検出結果を着座判定部１１で処理することにより、使用者の座り方の影響を減らしたり、使用者の体型や前座り、後ろ座りといった座り方の特徴を判断することも可能である。

図１２の実施形では、検出電極１を便座の形状に合わせて細長い形状の電極としたが、図１３のように丸型の電極でも良い。図１、図８、図１０、図１１においても同様に、検出電極１が細長い形状でなくても、その面積が小さいものであれば、他の形でも良い。

図１４は、静電式着座センサと局部洗浄装置の制御部の接続を示す回路図である。
前述の静電式着座センサの実施例では、着座判定部１１は、検出電極１や遮蔽電極２と同じく、便座１０２の内部に置いている。これは、検出電極１から静電容量検出部１０、着座判定部１１までの接続が短い方が、回路としてノイズの影響を受けにくいためである。

しかし、静電式着座センサの回路部を便座内に置くと、便座と局部洗浄装置本体との接続線が増えてしまうという欠点もある。本発明によれば、僅かな接続線の増加で、ノイズ耐性に優れた着座センサが実現できる。

着座判定部１１はトランジスタ１５により信号ラインのＯＵＴに着座判定結果を出力する。一般的には、着座か非着座かの２値をトランジスタ１５のＯＮかＯＦＦで出力し、信号の受信側の回路が抵抗でプルアップ（またはプルダウン）する。
例えば、図２０のように、非着座時にトランジスタ１５がＯＦＦでＯＵＴ信号はＨｉレベル、着座時にＯＮでＯＵＴ信号はＬｏレベルというようになる。

本発明では、サーミスタ６を利用する。便座１０２の内部のサーミスタ６を図１４のように、一方を電源ＶＤＤに、もう一方をＯＵＴ信号ラインに繋ぎトランジスタ１５と接続する。
局部洗浄装置の制御部２０側では、抵抗２１でＯＵＴ信号をＧＮＤに繋ぐ。こうして、サーミスタ６と抵抗２１の分圧した電圧を制御部２０がＡ／Ｄ変換して便座内の温度を検出する。この温度検出の方法は一般的なものである。

ここで、トランジスタ１５を図１５のように制御する。非着座中は図２０と同じくトランジスタ１５をＯＦＦとするが、着座中は周期的にＯＮする。この信号をＡ／Ｄ変換する制御部２０は、ＯＵＴ信号が連続してある電圧を示せば非着座と判断し、かつ、その電圧から便座１０２の温度を知る。
ＯＵＴ信号の電圧が周期的にゼロとなる場合は、着座状態と判断し、かつ、電圧がゼロでないタイミングのＯＵＴ信号の電圧より、便座１０２の温度を知ることができる。

このようにして、もともと必要だったサーミスタ６の信号ラインの２本にＧＮＤの信号の１本を足しただけの構成で、便座内に処理回路を内蔵して耐ノイズ性に優れた着座センサを実現できる。

また必要であれば、制御部２０が任意のタイミングでトランジスタ２２をＯＮし、これをバッファ１６で受けることで、着座判定部１１に指令を送ることもできる。例えば、検出感度の変更や回路バランス調整など、より高度な着座判定の制御を信号線を増やさずに実現できる。
一般に便座は密閉構造となるため、ここに回路を内蔵してしまうには抵抗があるが、このような方法で、特殊な動作モードも制御できれば、感度調整やトラブルがあった時などに便利である。

本発明の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。 本発明の実施形である静電式着座センサを備える便座の断面構造を示す図である。 静電式着座センサの回路部３の構成を示す回路図である。 静電式着座センサの回路部３の構成を示す回路図である。 本発明の実施形である局部洗浄装置の着座検出の原理を示す図である。 図５の内容を回路要素のみで示した回路図である。 図６の内容を更に簡略化した回路図である。 本発明の第二の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。 本発明の第二の実施形である静電式着座センサを備える便座の断面構造を示す図である。 本発明の第三の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。 本発明の第四の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。 本発明の第五の実施形である静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。 本発明の第五の実施形である他の静電式着座センサを備える便座の内部構造を示す図である。 本発明の実施形である静電式着座センサと局部洗浄装置の制御部の接続を示す回路図である。 本発明の実施形である静電式着座センサが着座判定結果を出力する様子を示すタイミングチャートである。 従来の便座の内部構造を示す図である。 従来の便座の断面構造を示す図である。 従来の便座を構成する部材を示す図である。 局部洗浄装置の使用状態を示す斜視図である。 従来の静電式着座センサが着座判定結果を出力する様子を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 検出電極
２ 遮蔽電極
３ 静電式着座センサの回路部
４ ヒーター
５ 均熱板
６ サーミスタ
７ 便座ケース
１０、１３ 静電容量検出部
１１ 着座判定部
１２、１４ 遮蔽電圧発生部
１５ トランジスタ
２０ 局部洗浄装置の制御部
１００ 便器
１０１ 局部洗浄装置本体
１０２ 便座

Claims (8)

1. 人体が着座する便座に設けられ前記人体との間の静電容量を検出する面状の検出電極と、
   前記検出電極に高周波パルスを印加し充放電させる静電容量検出部と、
   前記静電容量検出部から出力される静電容量出力により前記人体の着座を判定する着座判定部と
   を有する静電式着座センサにおいて、
   前記人体の着座時の前記静電容量出力が、前記人体が大地に対して有する対地静電容量に比べ小さくなるように前記検出電極の面積を設定するとともに、
   前記検出電極を囲み前記検出電極より広い面積の面状の遮蔽電極とを備え前記遮蔽電極に前記検出電極と等電位となる高周波パルスを印加する遮蔽電圧発生部とを有することを特徴とする静電式着座センサ。
2. 請求項１記載の静電式着座センサにおいて、
   前記遮蔽電極の外形幅は、前記便座の横幅にほぼ等しく構成されていることを特徴とする静電式着座センサ。
3. 請求項１又は２に記載の静電式着座センサにおいて、
   前記検出電極を複数箇所に設け、それぞれの検出電極に対して個別に高周波パルスを印加し充放電させる複数の前記静電容量検出部を備え、それぞれの前記静電容量検出部から出力される複数の前記静電容量出力の値が前記着座判定部に入力されるとともに、
   前記着座判定部は、前記検出された複数の静電容量出力の値のいずれかが所定の閾値を越えた場合に着座と判断することを特徴とする静電式着座センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電式着座センサにおいて、
   前記便座は、その内部に便座保温用ヒーターと、該便座保温用ヒータの発熱を便座面に伝導拡散する均熱板とを有する暖房便座であり、
   前記便座内部の上面に対して、前記検出電極、前記遮蔽電極、前記均熱板の順に重ねて貼り付けられ、
   前記検出電極近傍の前記遮蔽電極の幅は、前記均熱板の幅より広いことを特徴とする静電式着座センサ。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電式着座センサにおいて、
   前記便座は、その内部に便座保温用ヒーターと、該便座保温用ヒータの発熱を便座面に伝導拡散する均熱板とを有する暖房便座であり、
   前記均熱板は前記遮蔽電極を兼用することを特徴とする静電式着座センサ。
6. 請求項５記載の静電式着座センサにおいて、
   前記均熱板を、前記検出電極近傍とそれ以外の部分に分割し、前記検出電極近傍の前記均熱板は前記遮蔽電極と兼用し、それ以外の前記均熱板は静電式着座センサの回路と電気的に接続しないことを特徴とする静電式着座センサ。
7. 請求項４乃至６のいずれか１項に記載の静電式着座センサにおいて、
   前記便座は、便座温度を測定する便座サーミスタを有し、
   前記静電容量検出部、遮蔽電圧発生部及び着座判定部を便座内に内蔵するとともに、
   前記着座判定部は、その着座判定結果を判定出力ラインに電源ラインの一方とオン・オフするトランジスタによりパルス信号で出力するものであって、
   前記サーミスタは、前記トランジスタが接続されていない方の電源ラインと前記判定出力ライン間に接続され、
   前記判定出力ラインには、前記サーミスタにより得られる便座温度に対応したアナログ電圧に、着座判定結果を示すパルス信号が重畳して信号出力されることを特徴とする静電式着座センサ。
8. 請求項７記載の静電式着座センサにおいて、
   前記着座判定部は、前記着座判定出力ラインの電圧レベルを入力する手段を備え、
   該着座判定出力ラインの電圧レベルが所定の条件で変化した場合に、感度の調整、判定閾値の変更等の通常時の着座判定とは異なる動作を実行することを特徴とする静電式着座センサ。
   
   
   

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