JP2013513742A - 配水システムにおける圧電装置を用いた水消費検出 - Google Patents

Abstract

本発明が開示するのは、家庭用又は公共の給水システムにおける水消費を検出及び数量化する非侵襲性かつ移動可能な装置であって、検知が圧電装置によって実行される、という装置である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、家庭、オフィス、企業施設（institutional area）、娯楽施設（recreational area）などの様々な区域における配水システムの中の水流量をより確実に認識することで、水消費を減らすことを目指すものである。

水道管における流体流を監視するためのシステムは数多く開発されているが、流体流を遮断することなく動作させることのできるものはほとんどない。これらは、様々な物理原理に基づいて作られており、例えば、機械流量計、圧力型計測器、光学的流量計、音響ドップラー流速測定、熱的質量流量計、渦流量計、電磁式、超音波式及びコリオリ式の流量計、レーザドップラー流速測定などがある。

機械式流量計や圧力型計測器に基づくシステムの大部分は侵襲的であり、従って本発明には適さない。
光学的システムや電磁式システムは侵襲性が比較的低いが、大部分はガスと共に用いられる。照明光学系によって管に集束された２本のレーザ光線を、小さな粒子がガスと共に通過する。粒子が第１の光線を横切る時、レーザ光は散乱する。この散乱した光を検出光学系が光センサに集め、当該光センサはパルス信号を生成する。同じ粒子が第２の光線を横切ると、検出光学系は散乱した光を第２の光センサに集め、当該第２の光センサは入射光を第２の電気パルスに変換する。これらの２つのパルスの時間間隔を計測すれば、流速Ｖは、Ｖ＝Ｄ／Ｔの式で算出される（Ｄは２本のレーザ光線の距離であり、Ｔは２つのパルスの時間間隔である）。

超音波流速差測定に基づくセンサでは、弾性波を用いて、対象の管の中を流れる液体の速度を監視する。超音波流量計には、少なくとも２種類の異なる物理原理で動作するものがある。
− 送水時間を計測する送水流量計（transmission flowmetre）。
− ドップラー反響（reflection）流量計。

送水時間流量計は、流れ方向に送られる超音波パルスと、流れ方向とは反対の方向に送られる超音波パルスとのフライト時間の差を計測する。計測値は、移動する流体の中の不純物（例えば、気体や固体の内容物）による悪影響を受けるおそれがある。これらは、管の外側で対向する形で２つの変換器を有し、一方は上流の変換器から下流の変換器に送られる信号の時間を計測し、他方は反対方向の時間を計測する。

ドップラー計測器は、移動する流体の中に浮かんだ（漂っている）不純物によって反射された際の超音波信号の周波数シフトを利用する。超音波周波数源、受信側、流体キャリヤの間の周波数シフトを計測することで、相対的な運動を求める。この方法は、移動する流体の中に反射粒子が存在している必要があり、従って、澄んだ液体には適さない。更に、流体が汚れのない管で搬送される必要がある。

こうした非侵襲性の方法は、実現が困難でコストも高くなり、複雑な電子システムが必要となる。
特許文献１などに記載されている音響流量センサは、流体流路を形成する円筒形の壁と、流路内に保持され、流れる流体によって回転させられる流量計測ロータと、当該ロータと協働して流量を表す電気信号を生成する圧電変換器を有する電気信号生成器とを有する。当該方法は複雑な上に侵襲性である。

漏れの検出に用いられる別の種類のシステムとして、圧電気に基づくものがある。
例えば、特許文献２には、不要な流体の流れを検出し、前記不要な流れを遮断するための手段を自動的に起動させる、という管内流検出器が開示されている。当該検出器は、水管に装着される圧電薄膜変換器を含む。前記変換器は、水管の振動に応じて電気信号を生成する。信号は、その後、複雑につながれた増幅器およびフィルタに送られ、漏れの特定及び、それに続く水流遮断に用いられる。

水消費に関する信頼性のある情報をユーザに知らせることができ、簡単で、非侵襲性かつ費用効率もよい、という装置が今なお必要とされている。こうした装置は、コストが低く、既存の配管及び蛇口への実装も容易であるため、速やかに広く受け入れられるであろう。すなわち、本発明は、水消費及び関連するエネルギ消費を大幅に減らすという目的に具体的な効果を発揮し、その直接的な結果として、地球温暖化の抑制という効果も実現できる。

米国特許第４,４６２,２６４号明細書 米国特許第４,７３６,７６３号明細書

本発明は、圧電装置を用いて、水管又は蛇口を流れる流体の流れを検出及び数量化することを目的とする。
本発明は更に、水消費を効果的に減らす装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、水圧を下げることのない装置を提供することを目的とする。
そして更に、本発明は、水流を遮断しない装置を提供することを目的とする。

加えて、本発明は、ユーザによる節水の制御を可能にする装置を提供することを目的とする。
そして、本発明は、侵襲性がなく移動が容易で、配水システムの変更が不要な装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、独立請求項に記載された構成により、上記の目的は達成される。

好適な実施の形態は、従属請求項に記述されている。

本発明で使用可能な数種類の圧電センサを示す図である。 水流がない場合の金属製蛇口について、１０⁴Ｈｚ単位で表す周波数を横軸に、フィルタ処理していないパワースペクトル密度をｄＢ単位で示す図である。 中程度の水流が存在する場合の金属製蛇口について、１０⁴Ｈｚ単位で表す周波数を横軸に、フィルタ処理していないパワースペクトル密度をｄＢ単位で示す図である。 水流がない場合の金属製蛇口について、１０⁴Ｈｚ単位で表す周波数を横軸に、１ｋＨｚに設定した高域フィルタでフィルタ処理したパワースペクトル密度をｄＢ単位で示す図である。 中程度の水流が存在する場合の金属製蛇口について、１０⁴Ｈｚ単位で表す周波数を横軸に、１ｋＨｚに設定した高域フィルタでフィルタ処理したパワースペクトル密度をｄＢ単位で示す図である。

本発明が開示するのは、家庭給水設備の水管又は蛇口に取り外し可能な形で取り付けられ、前記給水設備における水流を検出し数量化して、エンドユーザに水消費量を通知する、という装置であり、当該装置は圧電装置を含む。
本システムは、軽量で設置や撤去が容易であり、配水システムの変更は全く必要ない。いかなる水管や蛇口にも設置可能であり、必要があれば、いつでも別の場所に移動させることができる。

水管や蛇口は、固体に典型的ないくつかの特徴を示す機械システムであり、そうした特徴の中に固有振動がある。剛体は、重心速度やあらゆる角速度がゼロであっても、外部振動によって運動させることができる。この運動は、対象の特定の物体に典型的な振動から成る。固有振動の振幅は外部刺激の強さに比例して大きくなる。一方、周波数は水管や蛇口の素材や形状に左右される。

そこで、本発明は、水流がある場合とない場合とについて、水管や蛇口の振動を監視することを目的とする。水が水管や蛇口の中を流れている時、その運動エネルギのごく一部が水管に伝わり、その固有振動に応じた振幅の小さい振動が誘発される。
本発明の発明者による観察では、水管や蛇口を通る水流は、材料や形状に関わりなく、広い範囲の周波数で振動を引き起こすことができる。実施例で用いた典型的な周波数は１ｋＨｚ程度であったが、本発明はあらゆるスペクトルバンド幅をカバーする。蛇口の場合、水流によって誘発される振動は、当該蛇口の近傍で直接計測する。

本発明の方法では、水管又は蛇口システムにおける中間周波数から高周波数までの振動振幅の計測値に基づいて水流の有無を判定する。下の表１に示すように、振動の実効値（ｒｍｓ：root mean square）振幅を用いて、水流によるエネルギ転移を監視する。

振動振幅のｒｍｓ値は、流れの強さに従って徐々に、そして大きく変化し、蛇口の開き具合によって調整される。水流が多くなるほど、ｒｍｓ値も大きくなる。
本発明において使用される圧電装置又は圧電厚板は、圧電材料を平行六面体とした部材であり、物理的な応力や歪みが生じた際には当該素材を挟んで電圧差が生じる。こうした装置の例を図１に示す。

圧電装置や圧電厚板を流量監視器として用いることで、以下のような著しい効果が得られる。
− 圧電厚板は様々な素材及び形状で実現することが可能であり、従って、異なる状況に容易に適合させることができる。
− 圧電装置又は圧電厚板は小型化することができる。

− 圧電厚板は手頃なコストで大規模製造が可能である。
− 手頃なコストで容易に実現できる標準的な電子機器を用いて振幅のｒｍｓ値を計測することができる。
− 圧電装置を複数の役割で使用する場合には多重化／逆多重化（multiplexing／demultiplexing）構成要素を追加することができる。

センサは、取り外し可能な形で蛇口、水管、ホース、又はシャワーヘッドにつながった管に取り付けられる節水装置の一部である。本節水装置は、様々な素材から作られた水管、蛇口、ホース、そしてシャワーヘッドに取り付けて利用することが可能である。そうした素材としては、金属、プラスチック、ゴムがあり、これらの組合せを用いることもできる（ただし、これらに限定されることはない）。

本発明の節水装置は、以下から成る。
１．圧電センサ；
２．前記圧電センサに接続された、外部電源を備えた電子増幅器；
３．前記増幅器に接続されたタイマ；そして、
４．前記タイマに接続された信号生成装置。

当該節水装置の構成単位は全て、同一のケースの中、又は、組み合わされた２つ又は３つの別個のケースの中に入っている。また、本節水装置は、任意の構成として、図２に示すように、圧電装置をセンサ兼信号生成装置として動作させるように配線してもよい。
本発明による好適な実施の形態において、圧電装置はセンサ兼信号生成器として動作する。さらに、多重化／逆多重化構成要素が圧電装置に追加される。

外部電源を備えた電子増幅器は、圧電装置が発する１ｍＶ程度の低電圧電気信号を、少なくとも１ボルト程度の利用可能な信号に変換する。更に、帯域フィルタを含むこととしてもよいが、必須ではない。
タイマは、増幅器に接続されており、水流の開始時に起動される。タイマは、所定の制限時間Ｔに予め設定しておくことができる。期間Ｔは、信号が発せられるまでの時間であり、ユーザが自由に設定することができる。また、装置を購入する際には、最終的な用途に応じ、いくつかの予め用意したオプションを付けることもできる。例えば、浴室の洗面台については時間を短く設定し、シャワーヘッドのホースについては時間を長く設定することができる。

信号生成装置はタイマに接続されており、水流の開始後、タイマで決定される時間Ｔの間隔で信号を発する設計となっている。本信号生成装置については、以下から選択することができる。
− 一定の強度の音声信号。
− 自動車における「シートベルトを締めて下さい」信号と同様に、時間が経過するほど強度が高まるように調整された音声信号。
− 一定の強度の光信号、多色の光信号又は閃光信号、又はそれらの組合せ。
− 自動スイッチオフ装置を含むシステム。
− 例えばテレビやハイファイシステムの遠隔操作に通常使用される赤外光（ＩＲ：Infrared Light）などの遠隔操作装置を含むシステム。
− 聴覚及び／又は視覚に障害のあるユーザにも知覚できる振動その他の信号。
− 上記信号のうち１以上の組合せ。

信号が送られた後の装置については、音を止める設定としてもよいし、一定の大きさで鳴らし続ける設定、あるいは、音を段々大きくしながら鳴らし続ける設定とすることも可能である。
つまり、本節水装置の真の目的は、水消費を認識させることである。
更に、望むのであれば、様々な用途（例えば、歯磨き、庭の散水、シャワー、手洗い）において節水を目的とした調節を行うことも容易である。本発明のシステムは、柔軟で軽く、挿入も容易であるため、手洗いなどの最も小規模なものから、シャワーのように水量のより多いもの、そして、農作物への水やりのように、より一層大規模なものまで、あらゆる種類の水利用に適応が可能である。

従って、本装置は、異なる状況や場所で用いられる水流について、予め設定された期間がいかなるものでも、事前に適応させておくことができる。期間を予め設定する場合には、単一の装置において実施することも、複数の異なる「単回（single time）」装置においても実施することも可能である。よって、歯磨き、シャワー、手洗いその他の様々な状況について、予め設定された適正な期間で正確に監視することができる。

本発明の装置は、以下の複数の技術的効果を併せ持つ。
− 非侵襲性かつ非妨害性で、配水システムの変更も水流の遮断も不要である。
− 異なる形状及び素材の蛇口や水管において９５％超の効率を発揮する。
− 必要な電力が小さいため１年以上の連続動作が可能である。
− 低コストの標準的な構成要素で製造することができる。
− 操作が容易である。
− 取り外しが容易で再利用及び／又は別の場所への配置が可能である。

本発明は更に、以下の処理から成る節水装置製造方法を開示する：
（ａ）圧電センサを設置する処理と；
（ｂ）外部電源を備えた電子増幅器を前記圧電センサに接続する処理と；
（ｃ）タイマを前記電子増幅器に接続する処理と；
（ｄ）信号発信装置を前記タイマに接続する処理と；
（ｅ）取り外し可能な留め手段を備えた単一のケース又は別個の複数のケースに全ての構成要素を挿入する処理。

ケースについては、なだらかな「半月」形状をした、澄んで透明な水彩色の「バブル」の形とするのがよい。これなら、衛生的であるだけでなく、設備のクロム又は真鍮の特徴設計（feature design）が見えなくなることもない。バブル内部の構成要素は、目に見える形としてよいし、デザインやロゴの内部にくるようにしてもよい。更に、「バブル」に関する別の構成として、例えばデザインやロゴや色などの特徴部の形で、表面又は外装の下に装飾を設けてもよい。また、別の構成として、互いに連通させることの可能な複数の別個のケースの中に構成要素を収め、その上で組み合わせることもできる。

留め手段としては、ベルクロ帯材（velcro strips）、スナップ、磁石が挙げられる。
また、本発明は、以下の処理から成る、配水システムにおける水消費削減方法を開示する：
（ａ）配水システムにおける水流の開始及び強度に応じて、センサとして動作する圧電装置が発する電流を引き出す処理と；
（ｂ）処理（ａ）の電流を、外部電源を備えた電子増幅器で増幅する処理と；
（ｃ）処理（ｂ）で増幅された電流を送って、タイマに供給する処理と；
（ｄ）処理（ｃ）のタイマを信号発信装置に接続する処理と；
（ｅ）水流の最終用途に応じて決定された事前選択時間遅延の経過後に信号を発生させる処理。

任意の構成として、圧電装置には、処理（ａ）におけるセンサと、処理（ｅ）における信号発信装置との両方の働きをさせることも可能である。
本発明は更に、水およびエネルギの節約を通しての環境保護や家庭の水道料金の削減を目的として水消費に関する警告を発する、という本節水装置の用途を開示する。
本発明によれば、水圧の低下や水の遮断という負の影響なしに、水資源および環境の効果的な保全が可能となる。更に、どれだけの量の水をどこで節約するかの決定にあたって、最大限の柔軟性が与えられる。
＜実施例＞
複数の異なる水管又は蛇口を、異なる流れ条件でテストした。

図３は、水流がない場合の一般的な金属製蛇口で存在する振動について、フィルタ処理を行わない場合のパワースペクトル密度を示す。同図には多数のピークが見られるが、これは、対象の固体の固有振動のうち典型的なものである。振動は蛇口の近傍で水管から直接計測した。
図４は、図３と同じ蛇口について、中程度の水流における、フィルタ処理を行わない場合のパワースペクトル密度を示す。同図においても、例えば約４８ＫＨｚにおける共鳴ピークのように、ピーク構造は存在していた。しかし、２０〜４０ＫＨｚの間のスペクトルには、大きなエネルギ「隆起」が見られた。

蛇口の偶発的な揺動については、高域フィルタを用いながら同じ計測を繰り返すことで排除した。従って、蛇口近くでの標準動作や人的活動によって生じる可能性のある影響も抑制することができた。
図５、６は、図２、３と同じ蛇口について、水流がない場合と中程度の水流の場合とのそれぞれについて、フィルタ処理を行った場合のパワースペクトル密度を示す。データのフィルタ処理には、１ＫＨｚに設定した標準的な高域フィルタを用いた。

図５、図６を比較すると、スペクトルの「隆起」構造が存在するのは、蛇口が開状態にある場合のみであることが見て取れ、このことは、水流から蛇口へのエネルギ転移を明確に示している。
そして、水管／蛇口システムにおける高周波振動振幅の計測値を用いて水流の有無を判定した。振動時間信号の実効値（ｒｍｓ）振幅の測定値を選択して、水流によるエネルギ転移を監視した。それをまとめたのが下の表２である。

閉じた蛇口と大きく開いた蛇口との間で、振動振幅のｒｓｍ値は、約２.５倍と大幅に変化したことが見て取れる。
圧電装置をセンサ及びビーパの両方の用途に用いる場合は、例えば、３０秒のうち１０秒はセンサモードに切り替え、３０秒のうち１０秒はビーパモードに切り替え、センサモードとビーパモードとの間には５秒ずつ間隔を置く、というやり方が考えられる。

本発明で使用可能な数種類の圧電センサを示す図である。 本発明に係る節水装置において、圧電素子をセンサ兼信号生成装置として動 作させる構成を示す図である。 水流がない場合の金属製蛇口について、１０⁴Ｈｚ単位で表す周波数を横軸に、フィルタ処理していないパワースペクトル密度をｄＢ単位で示す図である。 中程度の水流が存在する場合の金属製蛇口について、１０⁴Ｈｚ単位で表す周波数を横軸に、フィルタ処理していないパワースペクトル密度をｄＢ単位で示す図である。 水流がない場合の金属製蛇口について、１０⁴Ｈｚ単位で表す周波数を横軸に、１ｋＨｚに設定した高域フィルタでフィルタ処理したパワースペクトル密度をｄＢ単位で示す図である。 中程度の水流が存在する場合の金属製蛇口について、１０⁴Ｈｚ単位で表す周波数を横軸に、１ｋＨｚに設定した高域フィルタでフィルタ処理したパワースペクトル密度をｄＢ単位で示す図である。

蛇口の偶発的な揺動については、高域フィルタを用いながら同じ計測を繰り返すことで排除した。従って、蛇口近くでの標準動作や人的活動によって生じる可能性のある影響も抑制することができた。
図５、６は、図３、４と同じ蛇口について、水流がない場合と中程度の水流の場合とのそれぞれについて、フィルタ処理を行った場合のパワースペクトル密度を示す。データのフィルタ処理には、１ＫＨｚに設定した標準的な高域フィルタを用いた。

Claims (11)

1. 家庭給水設備の水管又は蛇口に取り外し可能な形で取り付けられ、前記給水設備における水流を検出及び数量化して、エンドユーザに水消費を通知する、という装置であり、
   圧電装置と、外部電源を備えた電子増幅器と、タイマと、信号生成器とを有し、
   前記圧電装置は任意の構成として、センサとしての役割と、信号生成器としての役割との両方を果たすこと、
   を特徴とする装置。
2. 多重化／逆多重化構成要素を更に有し、
   前記圧電装置はセンサ及び信号生成器の両方の役割を果たすこと、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記外部電源を備えた増幅器が、前記圧電装置によって発せられた低電圧電気信号を利用可能な信号に変換すること、
   を特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記増幅された信号を用いて請求項１に記載のタイマが起動され、当該タイマ自体は信号生成器に連結されていること、
   を特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記タイマには予め制限時間が設定されていること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記タイマは、ユーザによる設定及び変更が可能であること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記信号発信装置が生成する信号は音であり、持続的であるか、時間経過と共に大きくなること、
   を特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 配水システムにおける水消費を削減する水消費削減方法であって、
   （ａ）センサとして作用する圧電装置が配水システムにおける水流の開始及び強さに応じて発する電流を取り出す処理と、
   （ｂ） 外部電源を備えた電子増幅器で処理（ａ）の電流を増幅する処理と、
   （ｃ）処理（ｂ）において増幅した電流を送り出してタイマに供給する処理と、
   （ｄ）処理（ｃ）のタイマを信号発信装置に接続する処理と、
   （ｅ） 水流の最終用途によって決定される、予め選択された時間遅延の後に信号を発生させる処理と、を有すること、
   を特徴とする水消費削減方法。
9. 前記圧電装置が、処理（ａ）におけるセンサとしての役割と、処理（ｅ）における信号生成器としての役割との両方を果たすこと、
   を特徴とする請求項８に記載の水消費削減方法。
10. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置を、エンドユーザに水消費を通知する目的に用いる使用方法。
11. 水消費の削減を目的とした、請求項１０に記載の使用方法。

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