JP2017181086A - 静電容量型水位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】水の有無および付着物の有無を正確に、高速に判定できる静電容量型水位センサを提供できる。【解決手段】判定手段は、検出手段が出力する検出信号が、水が有る判定するための第１の基準値以下の場合に、受信電極の近傍に水が有ると判定し、第１のシールド電極に印加される高周波パルス信号の電圧振幅は、送信電極に印加される高周波パルス信号の電圧振幅よりも小さい、ことを特徴とする静電容量型水位センサ。【選択図】図２

Description

本発明は、静電容量型水位センサに関する。

従来、水洗トイレ装置は予め設計施工されたトイレ空間に固定して設置されるものであって、その固定されたトイレ空間の場所によって適切な排水管の勾配や口径等が定められ、汚物や尿（屎尿）を含む汚水を下水系統へと排出するように構成されていた。その一方で、トイレ空間以外の場所、例えば寝室や居間で用を足さなければならない高齢者や病人等に対応するため、移動式の水洗トイレ装置が提案されている。例えば、汚物や尿（屎尿）を含む汚水を下水系統へと排出するために、汚物を粉砕し圧送する機能を有する汚水貯留部を備えた移動式の水洗トイレ装置が提案され、この汚水貯留部の内部の水位を測定するために、静電容量型水位センサが備えつけられているものがある（特許文献１参照）。

静電容量センサとは、検出電極と検出対象との間の静電容量の値により人体や物体の有無を検出する用途に使うことができる。また、静電容量センサは、導体とみなせるもの、例えば金属や水など、人体以外のものにも反応する。

しかし、静電容量センサの使用目的からすれば検出したくないものが検出電極の近くに来てしまい、誤判定となる場合がある。たとえば、汚水貯留部においては、水滴や、水分を含む汚物等の付着物は、水位を測定する際の誤判定要因となる。その対策として、検出電極の近くにシールド電極を置き、シールド電極を検出電極と同電位で駆動して、シールド電極周囲の物体の電位を変化させ、その影響を除去する方法が、静電容量式のセンサにおいては一般的に行われている（特許文献２参照）。

移動式のトイレ装置を繰り返し使用されていくうちに付着物が大きくなり、静電容量型水位センサの検出面と汚水貯留部の下部のたまり水（これは電位的には接地相当となる）が付着物によって繋がってしまうと、原理的に静電容量型水位センサは「水が有る」と誤判定する。これは、静電容量型水位センサでは回避できない現象であり、対策は、汚水貯留部の内部を掃除するなどして付着物を除去するしかない。そのため、付着物の有無を何らかの手段で検出し、使用者に知らせる手段があることが望まれていた。

一方、検出対象が有るか無いかの判定に迷うような中間的な検出値の場合に、遮蔽電極の面積を変更して静電容量の再測定を行い、その検出値の差から、検出対象（水）と水滴や結露水等の付着物とを判定している考案もある（特許文献３参照）。なお、特許文献２のシールド電極は、特許文献３では遮蔽電極という名称で記載されているが、機能的には同じものである。特許文献３記載の静電容量センサは、付着物の有無を判定するためには、毎回、シールド電極の面積を変更して静電容量を再測定することが必要となる。つまり、遮蔽電極の面積の違いによる２段階の判定が必要であるために、判定が確定するまでに、毎回２回のセンシングが必要となる。

しかし、静電センサは、検出対象がｐＦ（ピコファラッド。１０のマイナス１２乗）程度、或いはそれ以下の静電容量であることが多く、静電センサの入力部分のインピーダンスが非常に高いため、電磁波や電源電圧変動などの外来ノイズの影響を受けやすい。そのため一般的に、検出値を所定時間積分することや、検出値を平均する等、１回のセンシングに時間をかけてノイズを除去する方法がとられていた。つまり、１回のセンシング時間が長いほど、ノイズ除去性能が向上するが、前述の特許文献３のように、更に遮蔽電極の条件を変えて毎回２回のセンシングを行う方法では、センサの反応時間が極端に遅くなる恐れがあった。

特開２０１４−６２４１０号公報 特開２００１−３５３２７号公報 特開２００８−８８３１号公報

水位センサの用途として、例えば浴槽の湯張り制御のように、貯留部の水位変化の速度が遅いものであれば、特許文献３に記載の静電容量センサを用いることができる。しかし、例えば、汚水貯留部を備える移動式のトイレ装置においては、トイレ装置を移動しやすくするために汚水貯留部も小型にすることが望まれる。そのため、汚水貯留部の底面積が小さく、水位が急激に変化する傾向となる。このトイレ装置の水位検出は、汚水貯留部への洗浄水の給水や汚水の排出の制御を行うために必要な機能であり、浴槽の湯張りなどに比較すれば、格段に高速な応答が必要である。よって、特許文献３のような２回のセンシングを行う方式では、時間がかかりすぎるといった問題があった。

そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、水の有無（すなわち、水位が検出高さまで達しているか）および付着物の有無を正確に、高速に判定できる静電容量型水位センサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、貯留部の水位を検出するための送信電極と受信電極と、前記受信電極が受信する受信信号を検出する検出手段と、前記検出手段が出力する検出信号に基づいて前記貯留部の水の有無を判定する判定手段と、前記送信電極と前記受信電極の周囲に設けられ、付着物の影響を除くための第１のシールド電極と、前記第１のシールド電極の外側に設けられ、付着物を検出するための第２のシールド電極と、前記送信電極と前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とに同位相の高周波パルス信号を印加する駆動手段と、を備え、前記判定手段は、前記検出手段が出力する前記検出信号が、水が有る判定するための第１の基準値以下の場合に、前記受信電極の近傍に水が有ると判定し、前記第１のシールド電極に印加される前記高周波パルス信号の電圧振幅は、前記送信電極に印加される前記高周波パルス信号の電圧振幅よりも小さい、ことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、第１のシールド電極の電圧振幅が、送信電極の電圧振幅よりも小さいため、第１のシールド電極から受信電極へのシールドの効果は過度に影響せず、第１のシールド電極によって水位の検出精度が低下することがない。そのため、１回のセンシングだけで受信電極近くの比較的小さい付着物の影響を除去でき、かつ、判定手段は正確に、高速に水の有無（水位）を判定できる。

請求項２記載の発明は、前記判定手段は、前記検出手段が出力する前記検出信号が、付着物が有ると判定するための基準値以上の場合に前記付着物が有ると判定することを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、第２のシールド電極から受信電極へまたがる程度の大きさの付着物がある時、第２のシールド電極から受信電極へのシールドの効果によって、検出信号が増加する。そのため、検出信号が付着物が有ると判定するための基準値以上の場合に、判定手段は前記付着物が有ると判定できる。また、判定手段は、水の有無を判定するための検出信号を、付着物の有無を判定するためにも使用できるため、水の有無と付着物の有無の判定が１回のセンシングで済み、２回目のセンシングは不要となり、高速に判定ができる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１又は請求項２記載の発明において、前記貯留部を備える移動式のトイレ装置において、静電容量型水位センサを前記貯留部に設け、前記貯留部の水の有無又は付着物の有無を検出するので、高速のセンシングでありながら水位の検出精度が低下することがなく、水の有無と付着物の有無を判定できるので、トイレ装置の汚物の洗浄や排出を行う制御を高速、かつ正確に実施でき、洗浄性能の安定、節水性能の向上等につながり、同時に、使用者に付着物の有無を報知する機能も実現できる。

本発明によれば、水の有無および付着物の有無を正確に、高速に判定できる静電容量型水位センサを提供できる。

本発明の静電容量型水位センサの電極の配置の一例を示す図である 本発明の汚水貯留部を備える移動式のトイレ装置の汚水貯留部と静電容量型水位センサの構成を示す図である。 本発明の静電容量型水位センサにおける、汚水貯留部９の内面に、水や付着物のない状態での静電結合状態を示す図である。 本発明の静電容量型水位センサの水位検出の原理を示す図である。 本発明の静電容量型水位センサの回路要素のみを示す図である。 本発明の静電容量型水位センサの付着物検出の原理を示す図である。 本発明の静電容量型水位センサの水位と検出信号の関係を示す図である。 本発明の静電容量型水位センサの動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の静電容量型水位センサの電極の配置の一例を示す図である。図１の縦方向が水位の変化方向、すなわち鉛直方向で、横方向が水面と並行方向、すなわち水平方向である。

図１（ａ）のように、送信電極３と受信電極４は、縦長の同一形状で、水の有無を判定したい位置（これを「水位検出範囲」と呼ぶ）に、水平方向に複数個が並べて配置される。この「水位検出範囲」とは、以下のような意味を持つ。水位センサが狙いとする動作は、水位が「水位検出範囲」よりも下であれば必ず「水が無い」と判定し、水位が「水位検出範囲」よりも上にあれば必ず「水が有る」と判定し、水位が「水位検出範囲」内にあるとき、「水が無い」と「水が有る」の判定が切り替わる、というものである。よって、水位センサの性能は、「水位検出範囲」が狭いほど、水位検出精度が高いと言うことができる。
また、水位の変化方向に対して、送信電極３と受信電極４は、同一の高さ（水位）に配置される。第１のシールド電極１は、送信電極３と受信電極４の周囲に配置される。第２のシールド電極２は、第１のシールド電極１の外側に配置される。
ただし、図１（ａ）のように水平方向に送受信電極を並べた電極形状は、水位検出感度を高めるには理想的な配置であるが、原理的には送信電極３と受信電極４は、最低１組あればよく、水位センサを取り付ける対象物（トイレ装置の汚水貯留部）に形状的な制約などの条件があれば、例えば、送受信電極の大きさが異なっていても良い（図１（ｂ））。また、図１（ｃ）のように、送信電極３と受信電極４とを横長形状で、上下に並べてもよい。

図２は、本発明の汚水貯留部を備える移動式のトイレ装置の汚水貯留部と静電容量型水位センサの構成を示す図である。

送信電極３と受信電極４、第１のシールド電極１、第２のシールド電極２は、プリント基板の電極パターンで構成される。図１（ａ）のように水位の変化方向に対して、送信電極３と受信電極４は同一の高さに配置されるが、図２では説明上、上下に並べている。また、図２の下方の第１のシールド電極１と第２シールド電極２は、それぞれ上方の第１のシールド電極１と第２シールド電極２に電気的に繋がっているが、（図が煩雑となるので）省略している。

送信電極３と受信電極４、第１のシールド電極１、第２のシールド電極２を有するプリント基板は、樹脂製のセンサケース８に取り付けられる。さらに、センサケース８は樹脂製の汚水貯留部９に取り付けられる。送信電極３と受信電極４が対向する汚水貯留部９の内面が水位検出範囲となる。

なお、送信電極３と受信電極４、第１のシールド電極１、第２のシールド電極２は、プリント基板のパターンで構成することは必須ではなく、アルミ箔等の導体であってもよい。また、送信電極３と受信電極４、第１のシールド電極１、第２のシールド電極２は水位検出範囲に対して固定できればよく、直に汚水貯留部９に貼り付けてもよい。

汚水貯留部９は、図示されていない移動式のトイレ装置の便器と接続されており、便器から汚物（大便やトイレットペーパー）や尿（屎尿）を含む汚水が流れ込み、貯められる。また、汚水貯留部９の下部には、汚物を粉砕し圧送するためのモーターやパルセータがあるが、静電容量型水位センサには関係しないので、モーターやパルセータも図示を省略している。なお、モーターは、後に説明するが、汚水貯留部９の内部の水を電気的に接地する役割も果たす。

駆動手段５は、駆動手段５の内部にあるパルス発生器１４で高周波パルス信号を発生する。この高周波パルス信号は、出力抵抗１０を介して送信電極３に、出力抵抗１１を介して第１のシールド電極１に、出力抵抗１２を介して第２のシールド電極２に同位相で印加される。ただし、第１のシールド電極１に印加される高周波パルス信号は、高周波パルス信号の出力抵抗１１と分圧抵抗１３とによって分圧される。そのため、第１のシールド電極１の高周波パルス信号の電圧振幅は、送信電極３の高周波パルス信号の電圧振幅よりも小さくなる。

受信電極４は、送信電極３と第１のシールド電極１、および第２のシールド電極２とそれぞれ静電結合されており、高周波パルス信号を受信する。受信電極４で受信した高周波パルス信号（これを受信信号と呼ぶ。）が増幅回路と積分回路を含む検出手段６によって増幅と積分がなされ、検出手段６は検出信号を出力する。判定手段７は、例えばＡ ／ Ｄ 変換器を内蔵したマイコンであり、検出手段６が出力した検出信号から水の有無や付着物の有無を判定する。

図３は、本発明の静電容量型水位センサにおける、汚水貯留部９の内面に、水や付着物のない状態での静電結合状態を示す図である。

図３において、Ｘは、送信電極３と受信電極４に対向する汚水貯留部９の内面部分であり、水位検出範囲に相当する。Ｃｘ３は、Ｘと送信電極３との間の静電容量である。Ｃｘ４は、Ｘと受信電極４との間の静電容量である。
Ｙは、第１のシールド電極１と対向する汚水貯留部９の内面部分である。Ｃｙは、Ｙと第１のシールド電極１との間の静電容量である。Ｃｘｙは、ＸとＹとの間の静電容量である。
Ｚは、第２のシールド電極２と対向する汚水貯留部９の内面部分である。Ｃｚは、Ｚと第２のシールド電極２との間の静電容量である。Ｃｘｚは、ＸとＺとの間の静電容量である。
但し、上記の説明は、各電極の働きや関係を分かりやすくするために模式的に簡略化しており、実際の各電極間の静電容量は、それぞれの電極の形状、距離、途中にある樹脂の誘電率等を元に３次元的に計算されるものであり、幾つかの静電容量の組み合わせで単純に説明できるものではない。以降も、本発明の狙いを分かりやすくするために、簡略化した静電容量の組み合わせで動作の説明を行う。

送信電極３と第１のシールド電極１および第２のシールド電極２に高周波パルス信号が印加されることによって、以上で説明した静電容量を介して電荷が流れる（充放電される）。
Ｑ３は、Ｃｘ３を流れる電荷であり、送信電極３から出力されたものである。
Ｑ１は、Ｃｘｙを流れる電荷であり、第１のシールド電極１のシールドの効果によるものである。
Ｑ２は、Ｃｘｚを流れる電荷であり、第２のシールド電極２のシールドの効果によるものである。
Ｑ４は、Ｃｘ４に流れる電荷であり、Ｑ１とＱ２とＱ３との総和となる。このＱ４は、受信電極４が受信する受信信号に相当する。

図４は、本発明の静電容量型水位センサの水位検出の原理を示す図である。

図４は、図３の状態から、水位検出範囲まで水位が上昇した様子である。水は導体であり、汚水貯留部９の内部にある汚水排出用のモーターを介して電気的に接地されているとみなせるため、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の大部分が、水を介して大地へと流れてしまう（図４のＱ１’、Ｑ２’、Ｑ３’）。そのため、Ｑ４が小さくなり、結果的に検出手段６が出力する検出信号は減少する。この検出信号の減少量によって、判定手段７は水位の上昇（水位センサからすれば、水有りの状態）を判定する。ただし、本来、水の有無を判定したい範囲、すなわち水有りと水無しの判定が切り替わってよい範囲は、水位検出範囲（Ｘ）である。よって、水位センサにとって水位と検出信号の理想的な関係を考えると、水位検出範囲内で水位の変化があるときに検出信号の変化が最も大きく、それ以外の範囲で水位が変化するときは検出信号の変化が無い（できるだけ少ない）ことが望ましい。
以上を踏まえると、水位検出範囲外（ＹやＺ）に水が存在して、Ｑ１とＱ２の減少によって検出信号が減少すると、判定手段７が「水が有る」と判定する恐れがあり、これは誤判定となる可能性につながる。よって、水の存在によるＱ１とＱ２の減少量が大きいほど誤判定しやすく、水位検出精度は低下する。そのため、水位センサの水位検出性能を考えると、水の存在によるＱ１とＱ２の減少量が小さいことが好ましい。

図５は、本発明の静電容量型水位センサの電気的な要素のみを示す図である。

図５を用いて、水の有無を正確に、高速に判定できることを説明する。
まず、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖｘはそれぞれ、第１のシールド電極１の、第２のシールド電極２の、送信電極３の、受信電極４の、Ｘの面の、高周波パルス信号の電圧振幅である。

Ｃを静電容量、ＶをＣの両端に印加される電圧とすれば、このＣに充電される電荷Ｑは、Ｑ＝ＣＶで表される。つまり、Ｃが大きければ大きいほど、また、Ｖが大きければ大きいほど、Ｑは大きくなる。この関係を図５に適用すると、Ｖ１は、出力抵抗１１と分圧抵抗１３とによって分圧されているので、Ｖ３＞Ｖ１の関係にある。よって、Ｃｘ３とＣｙが同程度であったとしても、水が無い状態では、Ｑ３＞Ｑ１となる。
一方、第２のシールド電極２は、図１で説明したように、第１のシールド電極１の外側に配置されるので、Ｚの面からＸの面までの距離が遠く、そのため、第２のシールド電極２とＸの面の間の静電結合は、送信電極３とＸの面の間の静電結合よりも弱くなる（Ｃｘｚが小さくなる）。その結果、図５において、Ｃｘ３＞「ＣｚとＣｘｚの直列容量」となるため、Ｖ３とＶ２が等しくても、水が無い状態では、Ｑ３＞Ｑ２となる。

次に、水位が、図４のＺの面からＹの面、Ｘの面へと上昇して変化する状況を考える。
このとき、第２のシールド電極２、第１のシールド電極１、送信電極３に関係する電荷Ｑ（それぞれＱ２，Ｑ１，Ｑ３）の大部分が、水を介して大地に流れる。図４のＱ２’、Ｑ１’、Ｑ３’は、それぞれＱ２、Ｑ１、Ｑ３の大地に流れる部分であり、Ｑ２の減少量、Ｑ１の減少量、Ｑ３の減少量を意味する。これらのＱの減少量の大小関係を分かりやすくするために、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の全てが水を介して大地に流れたとすると、Ｑ３＞Ｑ１、Ｑ３＞Ｑ２の関係から、Ｑ３’＞Ｑ１’、Ｑ３’＞Ｑ２’となる。
したがって、水位の上昇に伴うＱ３の減少量は、Ｑ１の減少量とＱ２の減少量よりも大きくなる。ここで、水位検出動作における各電極の作用の大きさを、水位変化に対する検出信号の変化量の大きさという見方をすれば、送信電極３の作用は、シールド電極（第１のシールド電極１と第２のシールド電極２）の作用より大きい、と言うことができる。これは、送信電極３に対向する部分である「水位検出範囲」で水位が変化するときに、検出信号の変化が最も大きくなることを意味する。すなわち、「水位検出範囲」の検出感度を最大とすることができる。
その結果、本発明の静電容量型水位センサは、水位検出範囲で正確に水の有無を判定できる。また、第１のシールド電極１と第２のシールド電極２が水位検出動作に与える影響が小さいので、第１のシールド電極１と第２のシールド電極２の作用（シールド効果）を切り替えるような操作が不要なため、センシングは１回でよく（２回目のセンシングは不要）、判定手段７は、高速に水の有無を判定できる。

以上のように、第１のシールド電極１については、印加されるＶ１を調整する（Ｖ３よりも小さくする）ことで、水の有無を正確に、高速に判定できることを示したが、ここからは、Ｖ１の値について、更に説明していく。
まず、第１のシールド電極１は、その対向するＹの面の水の有無によってＱ１を変化させる（水が有るとＱ１が減少する）作用がある。しかし、Ｙの面は水位センサとして最も検出感度を高めたい「水位検出範囲」の外側にあるので、水位変化でＱ１が変化することは望ましくない。水の存在によるＱ１の変化量は、水がない状態でのＱ１が小さいほど小さくなるので、水が無い状態で、Ｑ１＝０が理想条件といえる。
Ｑ１＝０を目標とすれば、Ｃｘｙの両端に印加される高周波パルス信号の電圧振幅を０にすればよく、Ｖ１とＶｘが等しい状態（Ｖ１＝Ｖｘ）が理想条件となる。
このＶｘは、水位検出の基本の動作を担う送信電極３と受信電極４の組み合わせだけで考えれば、Ｖ３とＶ４の間の値であり、Ｃｘ３とＣｘ４の分圧で考えればよい。そのため、Ｖｘの大きさは、Ｖｘ＝Ｃｘ３÷（Ｃｘ３＋Ｃｘ４）×（Ｖ３−Ｖ４）という分圧式で表される。
したがって、Ｖ１の最適値は、Ｖ１＝Ｖｘ＝Ｃｘ３÷（Ｃｘ３＋Ｃｘ４）×（Ｖ３−Ｖ４）となり、このとき、水位変化によるＱ１の変化が全くないので、第１のシールド電極１による水位検出精度の低下は起きない。

ここで、受信電極４の電圧Ｖ４は、検出手段６の入力である増幅回路等に接続される部分の電圧である。一般的に増幅回路等の入力インピーダンスは、微小容量であるＣｘ４のインピーダンスに対して十分に小さく、その結果、Ｖ４の電圧変動は殆どなく、ほぼ固定と見なせる。そのため、Ｖ３はＶ４と比べて十分に大きいので、Ｖ１は、Ｖ１＝Ｃｘ３÷（Ｃｘ３＋Ｃｘ４）×Ｖ３という式に簡略化して考えてもよい。

更に、Ｃｘ３とＣｘ４の関係について説明する。静電容量型水位センサは、受信電極４のサイズが大きいほど、送信電極３から出力された高周波パルス信号の受信信号が大きくなる。同時に、電磁波や電源電圧変動などの外来ノイズを受ける量も大きくなり、外来ノイズの影響を受けやすくなる。よって、送信電極３に対して受信電極４を大きくすると、受信信号は送信電極３の大きさで制限され、ノイズの影響だけが大きくなり、Ｓ／Ｎ比の低い、ノイズに弱いセンサとなってしまう。一方、受信電極４のサイズが送信電極３よりも小さい場合、送信電極３から出力された高周波パルス信号を十分に受信できないので、受信電極４で受信する受信信号の大きさそのものが小さくなり、検出手段６は、非常に小さい信号を処理することになり、やはりＳ／Ｎ比の低い、ノイズに弱いセンサとなってしまう。そのため、受信電極４のサイズは、送信電極３とほぼ同程度とすることが好ましく、このとき、ほぼＣｘ３＝Ｃｘ４とみなせるので、Ｖ１の最適値は、簡単に、Ｖ１＝Ｖ３÷２（抵抗１１と抵抗１３の値が同じ）としても良い。

図６は、本発明の静電容量型水位センサの付着物検出の原理を示す図である。

図６は図３の状態に対し、水滴や水分を含む汚物等が付着した場合である。汚物のような付着物は水分を含むので、静電容量検出動作においては導体と考えてよく、付着物の大きさに応じてＱ１やＱ２が増加し、ＣｘｙおよびＣｘｚを増加させる。この静電容量の増加による検出信号の増加によって、判定手段７は、付着物が有ると判断する（実際は、付着物はＱ１やＱ２をバイパスする導体であり、静電容量が増加するのではない）。
ただし、水滴や粉砕された比較的小さい汚物が付着しただけで、移動式のトイレ装置の使用者に「汚物が付着しているので掃除をして下さい」というような警告を行うことは好ましくない。一方、汚物等の付着物が大きくなり、汚水貯留部９の下部のたまり水（これは電位的には接地相当である）と繋がってしまうと、原理的に静電容量型水位センサは「水が有る」と誤判定してしまう。よって、水位検出性能に悪影響があるような、ある一定の大きさまで汚物等の付着物が大きくなった場合には、確実に付着物が有ると判定しなければならない。
本発明の静電容量型水位センサは、Ｘの面とＺの面にまたがらない程度の小さな付着物では、付着物が有るとは判定せず、Ｘの面とＺの面にまたがる程度にまで付着物が大きければ、付着物があると判断することができる。その原理について、以下に説明する。

図６（ａ）は、Ｘの面とＺの面にまたがらない程度の、比較的小さな汚物や水滴が付着した様子である。
Ｘの面とＹの面にまたがる汚物等の付着物は、図５で説明したように、Ｖ１の値を適切に選べば、Ｑ１の変化量が小さくなるので、その影響（付着物によりＣｘｙが増加しＱ１が増加）を除去できる。すなわち、Ｖ１の値を適切に選ぶことで、Ｘの面とＹの面を同じ電圧振幅にすることができ、言い換えれば、Ｘの面と、Ｙの面の外側（Ｚの面）とを、電気的に絶縁する効果を持つといえる。Ｘの面とＺの面は電気的に絶縁されていると考えれば、Ｙの面とＺの面にまたがる汚物等の付着物では、Ｃｘｚの増加量は比較的小さく、その結果、Ｑ２の増加も小さい。
よって、汚物等の付着物の大きさがＸの面とＺの面にまたがらない程度に小さい場合、検出信号の増加が小さいので、判定手段７は、付着物が有るとは判断しない。

図６（ｂ）は、Ｘの面からＺの面へまたがる程度の大きさの汚物が付着した様子である。
図６（ａ）とは異なり、付着物が直接、Ｘの面とＺの面を接続する（電気的には付着物による短絡と考える）ので、ＣｚとＣｘｚの直列容量は非常に大きくなり、その結果、Ｑ２の増加量も大きくなる。よって、検出信号の増加も大きくなるので、判定手段７は、付着物が有ると判定できる。

図７は、本発明の静電容量型水位センサの水位と検出信号の関係を示す図である。
横軸は、水位の方向で、右の方が水位が高い。縦軸は検出手段６が出力する検出信号（受信電極４が受信する受信信号を増幅し、積分した値）である。

図７において、基準値２１は、水も付着物も無い状態の検出信号である。つまり、この基準値２１は、静電容量型水位センサの初期値に相当する。
区間Ａでは、水位が十分に低い状態から水位が上昇していき、水位がＺの面まで達すると、Ｑ２の減少によって検出信号が若干減少する。さらに水位が上昇して、水位がＹの面まで達すると、Ｑ１の減少によって検出信号が若干減少する。これらの部分の水位変化に対する検出信号の変化量が小さいことは、先に説明した通りである。
区間Ｂは、水位検出範囲（Ｘ）であり、水位の上昇によってＱ３が減少し、その結果、検出信号が減少する。この部分の水位変化に対する検出信号の変化量が（区間Ａより）大きくなることも、先に説明した通りである。
区間Ｃは、区間Ａと同様に、水位検出範囲の上方のＹの面とＺの面で、それぞれＱ１とＱ２の減少によって検出信号が若干減少する。なお、区間ＣのＺの面よりも水位が上昇したときの検出信号が０（ゼロ）にならないのは、図４の簡略化した静電容量の組み合わせには入っていない静電結合、例えば、汚物粉砕タンク９の内面を介さない各電極間の直接の静電結合があるためである。

以上説明したように、第１のシールド電極１に印加されるＶ１を送信電極３に印加されるＶ３よりも小さくすることで、Ｙの面での水位変化に対する検出信号の変化量を小さくできる。また、第２のシールド電極２から受信電極４までの距離を送信電極３よりも遠くに配置することで、Ｚの面での水位変化に対する検出信号の変化量を小さくできる。その結果、区間Ｂとその他の区間（区間Ａと区間Ｃ）で水位変化に対する検出信号の変化量（図７のグラフの傾き）が明確に異なり、区間Ｂの範囲内に水の有無を判定するための第１の所定量２２（言い換えれば、水が有ると判定するための第１の基準値２４）を正確に設定することができる。よって、判定手段７は、検出信号が基準値２１から第１の所定量２２以上減少する場合に、水が有ると判定することができる。

一方、水分を含む付着物がある場合、付着物は導体とみなせるので、検出信号は増加する。そのため、付着物の有無を判定するための第２の所定量２３（言い換えれば、付着物が有ると判定するための第２の基準値２５）を設けることで、判定手段７は、検出信号が基準値２１から第２の所定量２３以上増加した場合、付着物が有ると判定することができる。

図８は、本発明の静電容量型水位センサの動作を示すフローチャートである。

まず、移動式のトイレ装置の使用者は、本発明の静電容量型水位センサに電源を投入する前に、汚水貯留部９に水や付着物が無いことを確認しておく。これは、後述する電源投入直後の動作で、図７の基準値を測定し、記憶するためである。
次に、本発明の静電容量型水位センサに電源を投入すると、静電容量型水位センサは、図８のフローチャートで示す動作を開始する。

ステップ００１（以下、Ｓ００１）では、センシング（静電容量測定）を行い、検出信号（受信電極４が受信する受信信号を増幅し、積分した値。検出手段６の出力）を求める。ステップ００２では、Ｓ００１での検出信号を基準値２１として判定手段７に記憶する。この基準値２１は、水の有無や、付着物の有無を判定するための基準（静電容量型水位センサの初期値）となる。
なお、Ｓ００１からＳ００２までのステップは、電源投入時に毎回行うのではなく、製品の出荷検査の時や、出荷後の初めての電源投入時や、汚水貯留部９の内部を掃除後の電源の再投入時のイニシャル動作というように、特定の条件で行ってもよい。

Ｓ００３以降が、水の有無や付着物の有無を判定するためのステップである。Ｓ００３でセンシングを行い、検出信号を求める。
このときの検出信号が、基準値２１から第１の所定量２２以上減少した場合（Ｓ００４：Ｙｅｓ）、判定手段７は水が有ると判定し（Ｓ００５）、Ｓ００６で、汚物や尿（屎尿）を含む汚水を下水系統へと排出するために、汚物の粉砕と圧送が行われる。

Ｓ００４の条件を満たさない場合（Ｎｏ）、汚物等の付着物を判定するためのステップ（Ｓ００７）に移動する。

Ｓ００７では、Ｓ００３の検出信号が、基準値２１から第２の所定量２３以上増加した場合（Ｙｅｓ）、判定手段７は付着物が有ると判定する（Ｓ００８）。Ｓ００９で、移動式の水洗トイレ装置の使用者等に、汚水貯留部９の内部の掃除を促すために報知する。この付着物の報知は、例えば、ブザーなどの音で報知してもよく、ＬＥＤなどの表示で報知してもよい。

Ｓ００７の条件を満たさない場合（Ｎｏ）、判定手段７は、水も付着物も無いと判断する（Ｓ０１０）。以上のように、本発明の静電容量型水位センサは、１回のセンシングで水の有無と付着物の有無を判定できる。

水の有無や付着物の有無に応じて所定の動作（Ｓ００６、Ｓ００９、Ｓ０１０）を行った後、Ｓ００３以降のステップを繰り返す。

１…第１のシールド電極
２…第２のシールド電極
３…送信電極
４…受信電極
５…駆動手段
６…検出手段
７…判定手段
８…センサケース
９…汚水貯留部
１０…送信電極３に接続される駆動手段５の出力抵抗
１１…第１のシールド電極１に接続される駆動手段５の出力抵抗
１２…第２のシールド電極２に接続される駆動手段５の出力抵抗
１３…分圧抵抗
１４…パルス発生器
２１…基準値
２２…第１の所定量
２３…第２の所定量

Claims (3)

1. 貯留部の水位を検出するための送信電極と受信電極と、
   前記受信電極が受信する受信信号を検出する検出手段と、
   前記検出手段が出力する検出信号に基づいて前記貯留部の水の有無を判定する判定手段と、
   前記送信電極と前記受信電極の周囲に設けられ、付着物の影響を除くための第１のシールド電極と、
   前記第１のシールド電極の外側に設けられ、前記付着物を検出するための第２のシールド電極と、
   前記送信電極と前記第１のシールド電極と前記第２のシールド電極とに同位相の高周波パルス信号を印加する駆動手段と、を備え、
   前記判定手段は、前記検出手段が出力する前記検出信号が、水が有ると判定するための第１の基準値以下の場合に、前記受信電極の近傍に水が有ると判定し、
   前記第１のシールド電極に印加される前記高周波パルス信号の電圧振幅は、前記送信電極に印加される前記高周波パルス信号の電圧振幅よりも小さい、
   ことを特徴とする静電容量型水位センサ。
2. 請求項１に記載の静電式水位センサにおいて、
   前記判定手段は、前記検出手段が出力する前記検出信号が、前記付着物が有ると判定するための基準値以上の場合に前記付着物が有ると判定する
   ことを特徴とする静電容量型水位センサ。
3. 前記貯留部を備える移動式のトイレ装置において、
   請求項１又は請求項２に記載の静電容量型水位センサを前記貯留部に設け、前記貯留部の水の有無又は前記付着物の有無を検出することを特徴とする静電容量型水位センサ。

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