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JP2009299293A - 自動水栓装置 - Google Patents

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JP2009299293A
JP2009299293A JP2008152203A JP2008152203A JP2009299293A JP 2009299293 A JP2009299293 A JP 2009299293A JP 2008152203 A JP2008152203 A JP 2008152203A JP 2008152203 A JP2008152203 A JP 2008152203A JP 2009299293 A JP2009299293 A JP 2009299293A
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Yoshiyuki Kaneko
義行 金子
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Toto Ltd
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Abstract

【課題】非接触型センサと接触型センサの両方を有し、小型化を図ったセンサ部を有する自動水栓装置を提供する。
【解決手段】光電センサを収納するセンサケース30の少なくとも一部の外周部30a1を水栓本体の内周部2dに密着する形状とする。さらに、このセンサケース30内に、水栓本体を経由した大地との静電容量の変化によって水栓本体の人体接触部分2aへの人体の接触を検出する静電容量センサを収納し、この静電容量センサのうち静電容量の変化を検出する送信電極51及び受信電極52をセンサケース30の内周部2dに沿って配置する。
【選択図】図4

Description

本発明は、トイレやキッチン、洗面室、浴室等に設置される自動水栓装置に関し、さらに詳細には、センサをセンサケースに収納して水栓本体の先端部に設置し、センサの出力に応じて吐水及び止水の制御を行なう自動水栓装置に関する。
従来より、センサによって人の操作を検出して自動的に吐水や止水を行なう自動水栓装置が広く用いられている。
この種の装置において用いられるセンサは、非接触型センサと接触型センサの2つに大別される。
非接触型センサとして、赤外線を投光し、使用者の手からの反射光を検出する光電センサがある。他にも超音波や電波を使う方式を用いた非接触型センサがあるが、センサ部分の小型化、防水性、コスト等の理由で、自動水栓装置においては赤外線を用いた光電センサが最も適しており広く用いられている。
光電センサは、出射した赤外光の反射光を検出するため、検出対象がセンサに近づくほど大きな出力が得られることから、自動水栓本体の吐水口側先端に光電センサを設置する構造が優れている(例えば、特許文献1参照。)。
一方、接触型センサとして、静電容量式、抵抗膜式、超音波式、光電式、振動式などの種々の方式のセンサがあるが、構成が簡易でかつ可動部が不要で、しかも小型でデザインの自由度の高い静電容量式センサ(以下、「静電容量センサ」という。)が広く普及している。この静電容量センサは、自動水栓装置の操作部に検出電極を設置し、この電極と大地との間の静電容量を検出する回路により、使用者が操作部の電極に指で触れたとき、又は接近したときの大地間静電容量の変化を検出することで、指先のタッチ操作を判定する。
静電容量センサを適用した自動水栓装置として、例えば、静電容量センサを水栓本体の吐水口側先端に配置し、静電容量センサに触れると吐水し、再度触れると止水する制御を行なう自動水栓装置が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
特開2002−70096号公報 特開2003-105817号公報
非接触型センサを用いた自動水栓装置は、利用者が水栓本体の吐水口前方に手を差し出すだけで吐水及び止水を行なうため、手洗いを快適に行なうことができる反面、水汲みや水溜等で連続して吐水させたいときに、水栓本体の吐水口前方に手や物を差し出し続ける必要があり、利便性にかける場合がある。
一方、接触型センサを用いた自動水栓装置は、センサに触れる度に吐水及び止水を行なうことから、水汲みや水溜等を快適に行なうことができる反面、手洗いなどを行なうときに、吐水及び止水のためにセンサに触れる必要があり、利便性にかける場合がある。
そこで、かかる課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、所定方向に向けて赤外光を投光し、その反射光によって人体の有無を検出する光電センサをセンサケースに収納して水栓本体の先端部に設置し、前記光電センサの出力に応じて吐水及び止水の制御を行なう自動水栓装置において、前記センサケースの少なくとも一部の外周部が前記水栓本体の内周部に密着する形状であり、前記センサケース内に、前記水栓本体を経由した大地との静電容量の変化によって前記水栓本体への人体の接触を検出する静電容量センサを収納すると共に、当該静電容量センサのうち前記静電容量の変化を検出する電極部を前記センサケースの前記密着する部分の内側に沿って配置し、前記光電センサと前記静電容量センサの出力を併用して吐水及び止水の制御を行なうものである。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記水栓本体内を中空状とし、当該中空状部分に非導電性の材質からなる通水路を通したものである。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記水栓本体における前記電極部と対向する部位を含む人体接触部分と、当該人体接触部分を除く水栓本体部分とを電気的に分離した構造としたものである。
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つに記載の発明において、前記光電センサは前記赤外線を投光する発光素子と前記反射光を受光する受光素子とを有し、前記水栓本体内の吐水流線方向に沿って前記発光素子と前記受光素子とを略並行に配置したものである。
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つに記載の発明において、少なくとも前記水栓本体の先端部を円筒形状に形成すると共に、前記センサケースの少なくとも一部の外周部を前記円筒形状内周に密着する形状とし、さらに前記円筒形状内周に沿って前記静電容量センサの電極部を形成したものである。
また、請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか1つに記載の発明において、前記静電容量センサの電極部は、パルス電圧を出力する送信電極と、該送信電極と静電結合する受信電極からなり、前記送信電極は前記受信電極より大きい面積であるものである。
また、請求項7に記載の発明は、請求項1乃至6のいずれか1つに記載の発明において、前記静電容量センサの信号処理回路と、前記光電センサの信号処理回路を共用するものである。
請求項1に記載の発明によれば、光電センサと静電容量センサとを収納したセンサケースの少なくとも一部の外周部を水栓本体の内周部に密着させ、この密着部分のセンサケース内側に沿って静電容量センサの電極部を設け、接触型センサと非接触型センサの出力を併用して吐水及び止水の制御を行なうので、非接触センサと接触センサの両方の機能を持ちつつ、水栓本体の内周部に密着するので小型化を実現することができる。しかも、水栓本体の内周部と密着するセンサケース内側に沿って静電容量センサの電極部を設けているので、水栓本体に対向する電極部の面積を大きくとることができる。その結果、電極部と水栓本体との静電結合が強くなり、静電容量センサの性能が向上する。
また、請求項2に記載の発明によれば、水栓本体内の中空状部分に非導電性の通水路を通すので、水によって水栓本体が大地と強く静電結合してしまい、水栓本体へ人体が接触しても大地との静電結合の変化が殆ど起きない状態となることを防止して、静電容量センサの性能を向上させることができる。
また、請求項3に記載の発明によれば、水栓本体において人体接触部分とそれ以外の部分を電気的に分離したので、人体が接触していない状態における、電極部と大地との静電結合が小さくなり、静電容量センサの性能を安定させることができる。しかも、電気的に分離した領域を視認可能に構成することで、接触する部分の利用者による把握を容易にすることができる。
また、請求項4に記載の発明によれば、吐水流線方向に沿って発光素子と受光素子とを略並行に配置したので、光電センサを収納したセンサケースを薄型化することができる。
また、請求項5に記載の発明によれば、センサケースが密着する水栓本体の円筒形状内周に沿って静電容量センサの電極部を形成したので、電極部が曲面となり、平面の電極部よりも電極部の対向面積が増加して、静電容量センサの感度向上を図ることができる。
また、請求項6に記載の発明によれば、送信電極を受信電極より大きい面積としたので、水栓本体の電圧を変化させる能力を向上させることができる。その結果、水栓本体に付着した水滴等も含めて送信電極と同電圧近くで駆動できるようになり、環境変化要因を排除する効果を高めることができる。
また、請求項7に記載の発明によれば、静電容量センサと光電センサの信号処理回路を共用するので、各センサを実装する基板を小さくでき、センサケースの小型化を図ることができる。
以下、本発明の最良の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態においては、洗面器に取り付けられる自動水栓装置を例に挙げて説明するが、浴室等に取り付けられるものでものよく、これに限られない。
[1.第1実施形態]
[1.1.自動水栓装置の概要]
まず、自動水栓装置の概要について説明する。図1は第1実施形態における自動水栓装置の全体構成図、図2は水栓本体内部の構成を示す図、図3は水栓本体の一部分解斜視図である。
図1に示すように、第1実施形態における自動水栓装置Aは、洗面器Bに設置される自動水栓装置である。この自動水栓装置Aは、センサ部1を備えた水栓本体2と、給水路3の中途部に設けられ、水栓本体2への洗浄水の止水及び給水を行なう給水バルブ4と、センサ部1による検出結果に応じて、給水バルブ4を制御し、水栓本体2から洗面器Bのボウル面6内への洗浄水の吐水及びその吐水の停止を制御する給水制御部5とを有している。なお、給水バルブ4は、電磁弁などから構成される。
水栓本体2は、ステンレス等の金属部材で構成され、図2及び図3に示すように、逆J字状に形成されており、その先端の吐水口を下方斜めに向けた湾曲した構造を有している。水栓本体2は細くシンプルなデザインが好まれることから、このように水栓本体2を逆J字状に形成している。
また、水栓本体2は、洗面器Bに取り付けられる基端からその先端にかけてその内部を中空状に形成された筒状とされ、その中空状部分に非導電性の材質からなる通水路である樹脂ホース10を配置している。この樹脂ホース10は、その基端が給水路3に接続され、この給水路3から供給される洗浄水をその先端に接続された吐水口継手11及び吐水口キャップ12を介して吐水口13から吐出する。このように水栓本体2が円筒状であることから、この水栓本体2は金属パイプの加工ででき、鋳物に比較して低コストとなる。なお、水栓本体2は、両端に開口を有し内部を中空状としたものであれば、円筒状では角筒状であってもよい。
また、水栓本体2は、絶縁部材2bで電気的に分離(絶縁)された人体接触部分2aとそれ以外の水栓本体部分2cとから構成されており、後述するように、自動水栓装置Aの利用者が手を人体接触部分2aに接触することによってセンサ部1が人体検出を行なうようにしている。なお、人体接触部分2aと水栓本体部分2cとはステンレス等の金属部材で構成されるものであるが、樹脂等の非導電部材で構成しその表面に金属メッキ処理を施すようにしてもよい。このようにすることにより、水栓本体2全体を絶縁部材で構成しつつ、絶縁部材2b以外の水栓本体2表面に金属メッキ処理を施すことにより容易に人体接触部分2aと水栓本体部分2cとを絶縁することができる。しかも、水栓本体2の軽量化を図ることができる。
吐水口継手11は樹脂部材で構成され、図3に示すように、その一端部の先端周縁に凸状係止部11aが形成され、この凸状係止部11aに樹脂ホース10が嵌合されて水密状態で連結される。また、吐水口継手11の中央部には、センサ部1の外周部に当接する当接部11b,11cが形成される。センサ部1は後述のように略へ字状に湾曲した形状であり、吐水口継手11の当接部11b,11cも湾曲状に形成される。また、吐水口継手11の他端部には、吐水口キャップ12の螺合部12aと螺合する螺合部11dが形成される。
吐水口キャップ12は吐水する洗浄水を整流する機能を有しており、中空部に整流部を備えた円筒状に形成される。この吐水口キャップ12は上述のようにねじ込み式で、交換や掃除をしやすくしている。
水栓本体2の先端部内には、図2に示すように、センサ部1が吐水口継手11の当接部11b,11cと水栓本体2内周との間に狭持された状態で配置される。このように、吐水口継手11と水栓本体2内周との隙間にセンサ部1を密着させて収納することにより、水栓本体を細くすることができるようにしている。
このセンサ部1は、センサケース30内に光電センサ32と静電容量センサ33とを収納しており、光電センサ32及び静電容量センサ33による検出結果を出力するための配線等が収納されたケーブル部31がセンサケース30の後部から引き出される。ケーブル部31には、電源電圧線、接地電圧線、スイッチ制御線、検出線などが含まれており、このケーブル部31を介して光電センサ32と給水制御部5とが接続される。
給水制御部5は、後述するようにマイクロコンピュータ81と、給水バルブ駆動回路82と、電源回路83とを有している。そして、ケーブル部31の電源電圧線及び接地電圧線には電源回路83からそれぞれ電源電圧VDD及び接地電圧GNDが供給される。また、ケーブル部31のスイッチ制御線には、マイクロコンピュータ81から制御信号S1〜S4が供給され、ケーブル部31の検出線には、センサ部1から後述する検出信号S13が供給される。
そして、給水制御部5は、ケーブル部31の電源電圧線及び接地電圧線に電源電圧及び接地電圧を供給し、ケーブル部31のスイッチ制御線に制御信号S1〜S4を供給してセンサ部1を動作させ、このセンサ部1から出力される検出信号S14をケーブル部31の検出線を介して入力し、人体の検出動作を行なう。
[1.2.センサ部1の構成及び動作]
次に、センサ部1の構成及び動作について具体的に説明する。図4は第1実施形態におけるセンサ部1の構成を示す図であり、図4(a)はセンサ部1の斜視図、図4(b)はセンサ部の平面透視図、図4(c)はセンサ部1の断面図である。
センサ部1は、赤外光を投光し、その反射光によって人体の有無を検出する光電センサ32と、水栓本体2を経由した大地との静電容量の変化によって水栓本体2への人体の接触を検出する静電容量センサ33とをセンサケース30に収納している。光電センサ32と静電容量センサ33の回路部品の一部は基板55上に取り付けられている。
このセンサケース30は、水栓本体2内の吐水流線Rに沿って延伸し、断面視で略へ字状に湾曲した中空状ケースであり、樹脂ケースなどで形成された防水構造の透明ケースである。従って、光電センサ32からセンサケース30外へ赤外線を投光することができ、また、投光した赤外線の人体による反射光をセンサケース30内へ導くことが可能となる。なお、ここではセンサケース30全体を透明ケースとしたが、赤外線が出射及び入射する部分だけ透明とするようにしてもよい。
センサケース30内に収納された光電センサ32は、検出対象がセンサに近づくほど大きな出力が得られることから、その検出精度を向上させるために、検出したい領域にできるだけ近くに設置することが望ましい。そこで、本実施形態における自動水栓装置Aでは、水栓本体2の先端部に配置することとしている。
また、センサケース30にはできるだけ水がかからないようにすることが望ましい。そこで、本実施形態における自動水栓装置Aでは、センサケース30を吐水口13よりも上方に配置するようにしている。また、センサケース30を水栓本体2から突出しないように水栓本体2内に収納しつつも、吐水口キャップ12の吐水口13を水栓本体2から突出させることにより、水がよりセンサケース30にかかりにくいようにしている。
(光電センサ32)
センサケース30に収納された光電センサ32は、入力される電流量に応じた赤外線をボウル面6方向に向けて投光する発光素子40と、この発光素子40により投光された赤外線の人体による反射光を受光し、この受光量に応じた電流を出力する受光素子41と、発光素子40へ電流を供給して発光素子40の発光を制御し、受光素子41から出力される電流に基づいて人体を検出する後述の信号処理回路72とから構成される。なお、信号処理回路72は基板55に配置され、発光素子40及び受光素子41はフレキシブル基板などの配線(図示せず)を介して基板55に接続される。
発光素子40と受光素子41とは、図4(a),(b)に示すように、センサケース30の吐水流線Rに沿って略並行に配置されており、これにより光電センサ32を収納したセンサケース30の薄型化を図っている。
また、センサケース30内には、図4(b)に示すように、発光素子40用の孔部42と受光素子41用の孔部43とを有し、赤外光を透過しない不透明な材料からなる素子固定部44が配置される。そして、孔部42に発光素子40を、孔部43に受光素子41をそれぞれ挿入して、発光素子40及び受光素子41の位置を規定している。また、孔部42は、発光素子40から出射された光の投光範囲を規定し、孔部43は、受光素子41へ入射される光の受光範囲を規定する。このように発光素子40と受光素子41とを規定位置に位置決めすることから、光電センサ32の検出範囲を精度よく設定することができる。
(静電容量センサ33)
センサケース30に収納された静電容量センサ33は、水栓本体2を経由した大地(接地電位)との静電容量の変化を検出する電極部50を有しており、この電極部50は、パルス電圧を出力するための送信電極51と、この送信電極51と静電結合する受信電極52とから構成される。この送信電極51及び受信電極52は共に導電性シートから形成される。
また、静電容量センサ33は電極部50で検出する静電容量の変化から人体検出を行なう信号処理回路を有しており、本実施形態においてはこの信号処理回路を光電センサ32の信号処理回路72と共用することしている。そのため、センサ32,33の信号処理回路が占有する面積を小さくできる。その結果、各センサ32,33を実装する基板を小さくでき、センサケース30の小型化を図ることができる。しかも、従来であれば、センサ部からセンサ検出結果を通知するための検出線が光電センサ用と静電容量センサ用とで2つ必要となるが、本実施形態におけるセンサ部1では1つの検出線でよく、コスト面及びスペース面等で有利となる。なお、センサケース30内に各センサ32,33を収納できるスペースがあれば、光電センサ32の信号処理回路と静電容量センサ33の信号処理回路とを別々に構成するようにしてもよい。この場合には、検出線は2つ必要になる。
この信号処理回路72は、後述のように給水制御部5からの制御信号S2、S4に基づき、パルス信号を定期的に送信電極51へ出力するようにしており、これにより送信電極51にパルス電圧が印加される。
送信電極51と受信電極52は近接して設置されており、その物理的配置(電極間の距離と面積)によって決まる静電結合を有する。更に、送信電極51から金属である水栓本体2の人体接触部分2aを介して受信電極52へと繋がる静電結合も有する。
従って、送信電極51へ出力されたパルス電圧は、上記の静電結合によって、受信電極52へと伝達される。
このように送信電極51にパルス電圧が印加されている状態で、金属部材で構成される人体接触部分2aを利用者が触ると、利用者を介して水栓本体2の人体接触部分2aと大地との間に数十〜数百pFの静電容量が発生する。そのため、送信電極51から水栓本体2の人体接触部分2aを介して受信電極52へ伝わっていた信号が大地へと流れる。これは、送信電極51と受信電極52の間の静電容量が変化(減少)したことを意味する。
こうして、水栓本体2に人体が触れることにより、送信電極51から受信電極52へ流れる電流が減少し、受信電極52に現れるパルス電圧が所定レベル以下に減少する。信号処理回路72はこのように受信電極52へ所定レベル以下のパルス信号が入力されたときに、人体の接触を検出する。
ここで、図4(c)に示すように、センサケース30の外周部30aのうち少なくとも一部の外周部30a1が水栓本体2における人体接触部分2aの内周部2dに密着する形状となっており、送信電極51と受信電極52とは、センサケース30の外周部30a1の内側である内周部30b1に沿って配置される。
このように、水栓本体2における人体接触部分2aの内周部2dとセンサケース30の外周部30a1を密着させており、センサケース30の内周部30b1に沿って静電容量センサ33の電極部50を設けている。つまり、静電容量センサの電極と水栓本体がセンサケースの厚みと同程度まで接近し、その距離が短くなる。そのため、センサケース30の周壁を介して、水栓本体2の人体接触部分2aと電極部50とを近接させ一定間隔で対向させることができ、しかも、その対向部分の面積(以下、「対向面積」とする。)も大きくとることができる。また、センサケース30の材料は樹脂となるが、樹脂材料の比誘電率は2〜3である。よって、内周部30b1と電極部50の間の距離は、センサケース30の厚み程度しかなく、更にその部分の比誘電率が2〜3であるため、静電結合の条件として非常に有利である。
従って、電極部50と水栓本体2との静電結合を強くすることができ、静電容量センサ33の性能を向上させることができる。
さらに、センサケース30の先端部にある人体接触部分2aの内周部2dは、図4(a),(c)に示すように円筒形状に形成されており、この円筒形状の内周部2dに沿って静電容量センサ33の電極部50が形成される。そのため、電極部50が曲面となり、平面の電極部よりも対向面積をより増加させることができ、静電容量センサ33の感度向上を図ることができる。
また、本実施形態における静電容量センサ33では、図4(b)に示すように、送信電極51の面積を受信電極52の面積より大きくしており、これにより、水栓本体2の電位を変化させる能力を向上させている。その結果、水栓本体2に付着した水滴等も含めて送信電極51と同電位近くで駆動できるようになり、環境変化要因を排除する効果を高めることができる。
さらに、静電容量センサ33では、図4(b),(c)に示すように、送信電極51及び受信電極52には、その下方側(内周部2dへの方向と反対方向)には、絶縁シート(図示せず)を介して接地電圧が印加された導電性シート53が積層される。これにより、送信電極51及び受信電極52に対する外来ノイズの影響を抑制し、静電容量センサ33の性能を向上させている。
ここで、水栓本体2は、上述したように、電極部50と対向する部位を含む人体接触部分2aと、この人体接触部分2aを除いた水栓本体部分2cとを電気的に分離した構造としている。これにより、水栓本体2のうち送信電極51によって電位を変化させる領域を小さくすることができ、静電容量センサ33の性能を安定させることができる。しかも、電気的に分離した領域を視認可能(例えば、色を変えたり、質感を変えたり、模様をつけたりする)に構成することで、利用者が人体接触部分2aを容易に把握させることができる。
また、人体接触部分2aは絶縁部材2bにより水栓本体部分2cと絶縁していることから、水栓本体部分2cが洗面器Bのリムやポップアップ(洗面器Bの図示しない排水栓の操作部)等を通じて大地と結合した場合であっても、人体接触部分2aを大地から絶縁することができる。なお、人体接触部分2aは送信電極51によって電位を変化させる領域であることから、できるだけその面積を小さくすることが望ましく、ここでは、水栓本体2の先端部分を人体接触部分2aとしている。
さらに、本実施形態の自動水栓装置Aでは、給水管として非導電性の樹脂ホース10を用いている。前述のように、静電容量センサ33は、利用者の人体が水栓本体2に触れることによって、水栓本体2と大地との間の静電結合が変化することを利用するものである。しかし、人体が水栓本体2に触れる以前に、洗浄水を介して水栓本体2と大地が強く静電結合していると、人体が触れた時の静電結合の変化が殆ど起きなくなる。そこで、非導電性の樹脂ホース10を用いて水栓本体2と洗浄水を電気的に遮断することにより、水栓本体2と大地が強く静電結合した状態に維持されることを防止している。
また、樹脂ホース10内の水の抵抗成分は、樹脂ホース10内の水路の断面積に反比例し、その長さに比例する。仮に、洗浄水が吐水口継手11内及び吐水口キャップ12に付着して、樹脂ホース10内の洗浄水が人体接触部分2aと導通した場合であっても、水栓本体2から大地に対して、その途中に樹脂ホース10の長さ分の洗浄水の抵抗成分が存在する。この抵抗成分は大地との電気的な結合を弱めるため、洗浄水を介しての水栓本体2と大地との静電結合を抑制できる。
ここで、自動水栓装置Aにおいて人体検出を行なうための電気的な構成及び動作について説明する。図5は第1実施形態における自動水栓装置Aの電気的な構成を示す図、図6はセンサ部1の光電センサ32としての動作を説明するための図、図7はセンサ部1の静電容量センサ33としての動作を説明するための図である。
まず、センサ部1の構成について説明する。図5に示すように、センサ部1は、発光素子40を駆動する発光回路70と、受光素子41に流れる電流を電圧に変換する受光回路71と、この受光回路71の出力を増幅し、かつ所定タイミングで反転させながら積分する信号処理回路72とを備えている。このセンサ部1には、上述したように給水制御部5の電源回路83から電源電圧VDD及び接地電圧GNDが、給水制御部5のマイクロコンピュータ81から制御信号S1〜S4がケーブル部31を介してそれぞれ供給される。なお、本実施形態においては、電源電圧VDD及び接地電圧GNDからセンサ部1内部で基準電圧Vrを生成しているが、給水制御部5で基準電圧Vrを生成してケーブル部31を介してセンサ部1へ供給するようにしてもよい。
発光回路70は、電源電圧VDDと接地電圧GNDとの間に、発光素子40と直列に接続されるトランジスタTr1及び制限抵抗R1を有している。そして、トランジスタTr1のゲートにマイクロコンピュータ81からのHighレベルの制御信号S2が入力されたときに、トランジスタTr1がONになり発光素子40に電流が流れて発光素子40から赤外線が出射する。
受光回路71は、受光素子41に接続され、アンプAMP1及び帰還抵抗R2から構成される電流電圧変換回路を有している。この電流電圧変換回路は、発光素子40から出射された赤外線の人体による反射光を受光素子41が受光したときのその受光量に応じて受光素子41に流れる電流を電圧に変換して出力する。
信号処理回路72は、上述したように、光電センサ32の信号処理回路としても静電容量センサ33の処理回路としても機能する。
信号処理回路72は、光電センサ32の信号処理回路として、受光回路71から出力される信号をコンデンサC1を介して入力することにより、受光回路71から出力される信号の変化分を入力する。そして、このように入力した信号を反転増幅した第1増幅信号S10を反転増幅器72aにより生成し、この第1増幅信号S10をさらに反転した第2増幅信号S11を反転増幅器72bにより生成する。なお、反転増幅器72aは入力抵抗R10,帰還抵抗R11及びオペアンプAMP2から構成され、信号を増幅することを目的とする。反転増幅器72bは入力抵抗R12,帰還抵抗R13及びオペアンプAMP3から構成され、抵抗R12とR13は同じ値であり、反転増幅器72bの増幅率は、−1(マイナス1)である。つまり、反転増幅器72bは、信号の極性を反転させることを目的とする。
そして、図6に示すように、発光素子40が赤外線を断続的に発光する間(タイミングT1〜T9の間)、給水制御部5から入力される制御信号S2,S3に基づいて、スイッチSW2,SW3を所定タイミングで交互にONにして、第1増幅信号S10と第2増幅信号S11とを交互に入力信号S12として積分回路72cに入力する。
積分回路72cは、入力抵抗R14及びオペアンプAMP4を有し、さらにオペアンプAMP4の反転入力端子と出力端子との間にコンデンサC10とスイッチSW1が接続される。この積分回路72cでは、入力信号S12の電圧を積分して、その積分した結果を検出信号S13として給水制御部5のマイクロコンピュータ81へ出力する。
なお、入力信号S12となる信号のうち、信号S10は発光素子40が発光しているタイミングの受光量(反射光+周囲の環境光)に相当し、信号S11は発光していないタイミングの受光量(周囲の環境光のみ)の反転した信号である。この2つの信号を交互に積分することで、反射光だけは積分して加算され、周囲の環境光は反転した信号も積分することで相殺される。よって、反射光のみが積分され、環境光のようなノイズは減衰する。
このとき、マイクロコンピュータ81は、検出信号S13の電圧レベルが閾値レベルを超えると反射光が大きいとして、人体検出を行ない(人体有りと判断)、検出信号S13の電圧レベルが閾値レベルを超えなければ、人体検出を行なわない(人体無しと判断)。
そして、マイクロコンピュータ81が人体検出を行なったとき、マイクロコンピュータ81は給水バルブ駆動回路82を制御して、給水バルブ4の電磁弁を開弁して、水栓本体2の樹脂ホース10へ洗浄水を所定期間だけ供給する。なお、マイクロコンピュータ81は人体検出の状態が継続している場合には、樹脂ホース10へ連続して洗浄水を供給し、人体検出ができなくなった後所定期間後に、給水バルブ4の電磁弁を閉弁して、樹脂ホース10への洗浄水の供給を停止する。
また、この信号処理回路72は、静電容量センサ33の信号処理回路として、受信電極52の電圧を入力し、このように入力した信号を反転増幅した第1増幅信号S10を反転増幅器72aにより生成し、この第1増幅信号S10を反転した第2増幅信号S11を反転増幅器72bにより生成する。
給水制御部5は、ケーブル部31を介して、センサ部1のスイッチSW4を制御信号S4により制御して、図7に示すように、送信電極51に制御信号S2をパルス信号で出力させる。送信電極51に制御信号S2が印加されている間(タイミングT1〜T17の間)、図7に示すように、センサ部1は、給水制御部5から入力される制御信号S2、S3に基づいて、スイッチSW2、SW3を所定タイミングで交互にONにして、第1増幅信号S10と第2増幅信号S11とを交互に入力信号S12として積分回路72cに入力する。
積分回路72cでは、入力信号S12の電圧を積分して、その積分した結果を検出信号S13としてケーブル部31を介して給水制御部5へ出力する。
この時、信号S10は、送信電極51から受信電極52に伝達された信号を増幅した信号であり、信号S11はそれを反転した信号である。この信号S10と信号S11を交互に積分すると、送信電極51に印加されたパルスに同期した静電結合による信号成分は加算されていき、同期しないノイズ成分は減衰する。
更に、前述のように、水栓本体2の人体接触部分2aに人体が触れると静電結合が減少するため、積分値も減少する。よって、給水制御部5のマイクロコンピュータ81は、検出信号S13の電圧レベルが閾値レベルを超えないときに人体検出を行ない(人体有りと判断)、上記と同様に給水バルブ駆動回路82を制御して樹脂ホース10へ洗浄水を供給する。一方、検出信号S13の電圧レベルが閾値レベルを超えると人体検出を行なわない(人体無しと判断)。
なお、静電容量センサ33を動作させるときには、人体検出を行う度に洗浄水の供給/停止を切り替える動作でもよい。つまり、水栓本体2の人体接触部分2aに人体が触れると洗浄水を供給し、一旦離れ、再び水栓に触れると洗浄水の供給を停止するように制御しても良い。
このように本実施形態におけるセンサ部1では、光電センサ32と静電容量センサ33の信号処理回路を共用しており、これにより、各センサ32,33を実装する基板を小さくして、センサケース30の小型化を図るようにしている。
以上のように本実施形態における自動水栓装置Aでは、水栓本体2の吐水口部分に水栓本体2内面の形状に合わせて湾曲させたセンサケース30に光電センサ32を配置することで、水栓本体内のスペースを有効利用して水栓本体の径が大きくなることを防止している。
しかも、このセンサケース30内において、光電センサ32とセンサケース30との間で、かつセンサケース30の内側の面に沿って、電極部50を水栓本体2の人体接触部分2aと近接して配置して静電結合させて静電容量センサ33を構成する。そして、水栓本体2の人体接触部分2aに利用者が触れることで利用者による水栓本体2へのタッチ動作を検出するようにしている。
このように本実施形態における自動水栓装置Aのセンサ部1は、非接触センサと接触センサの両方の機能を持ちつつ、水栓本体2の先端に形成した人体接触部分2aの内周部2dに密着する形状を有するので小型化を実現することができる。しかも、人体接触部分2aの内周部2dと密着するセンサケース30内側に沿って静電容量センサ33の電極部50を設けているので、水栓本体2の人体接触部分2aに対向する電極部50の面積を大きくとることができる。その結果、水栓本体2の人体接触部分2aとの静電結合が強くなり、静電容量センサ33の性能を向上させることができる。
なお、本実施形態では光電センサ32と静電容量センサ33の信号処理回路を共用してセンサ32、33共に人体検出に用いることとしたが、信号処理回路がそれぞれIC化されて小型であるような場合は、発光素子40、受光素子41及び電極部50の配置を図4のようにすれば良好な検出性能が得られるため、各センサ32,33の信号処理回路を別々に設けてもよい。
更に、本実施形態では光電センサ32と静電容量センサ33を用いて吐水/止水の動作を行ったが、それぞれ異なる検出動作に用いるようにしてもよい。例えば、光電センサ32の検出結果を洗浄水の吐水/止水動作に用い、静電容量センサ33の検出結果を洗浄水の温度調整、流量調整等に用いるようにしてもよい。
[2.第2実施形態]
次に、第2実施形態の自動水栓装置について説明する。第2実施形態の自動水栓装置は、第1実施形態の自動水栓装置とセンサ部が異なる。すなわち、第1実施形態におけるセンサ部1では、送信電極51と受信電極52とを隣接して密着させるようにしたが、第2実施形態におけるセンサ部では、送信電極と受信電極とを積層した構成としている。図8は第2実施形態におけるセンサ部の構成を示す図であり、図8(a)はセンサ部の斜視図、図8(b)はセンサ部の平面透視図、図8(c)はセンサ部の断面図である。
図8(c)に示すように、第2実施形態のセンサ部1’は、導電シートで形成された受信電極52’、第1絶縁シート(図示せず)、接地電圧が印加された導電シート53’、第2絶縁シート(図示せず)、導電シートで形成された送信電極51’、第3絶縁シート(図示せず)、接地電圧が印加された導電シート53”の順に積層された部材をセンサケース30の内周部2dに沿って当接して形成している。
また、図8(b)に示すように、受信電極52’、導電シート53’、送信電極51’、導電シート53”の順にその面積を大きくしており、導電シート53”上に送信電極51’、送信電極51’上に導電シート53’、導電シート53’上に受信電極52’がそれぞれ含まれるように配置される。
そして、図8(b)に示すように、送信電極51’の面積は受信電極52’の面積よりも大きくしている。ここでいう送信電極51’の面積とは、送信電極51’のうち導電シート53’で覆われていない部分を意味する。換言すれば、送信電極51’のうち導電シート53’を介することなく直接センサケース30の内周部30b1に対向する部分を意味する。
このように、送信電極51’や受信電極52’は、接地電圧が印加された複数の導電シート53’,53”と近接して配置するようにしていることから、第1実施形態の静電容量センサ33と比べて外来ノイズの影響をより抑制することができる。従って、静電容量センサの性能をより向上させることができる。
なお、送信電極や受信電極は、上記第1実施形態や第2実施形態の配置や形状に限られず、他の配置や形状を採用するようにしてもよい。
[3.第3実施形態]
第3実施形態では、上記実施形態とは異なる位置に人体接触部分を設けることとするものである。図9は第3実施形態の水栓本体の構成を示す図、図10は第3実施形態の水栓本体の他の構成を示す図である。なお、水栓本体以外は、上記実施形態と同様であるためここでは説明を省略する。
図9に示すように、第3実施形態の水栓本体2’は、水栓本体2の先端部分のうち上方部分のみに人体接触部分2a’を設けるようにしている。すなわち、第1実施形態などのように水栓本体2の先端開口部から所定距離離れた位置に水栓本体2の外周に沿って絶縁部材2bを設けるのではなく、水栓本体2の先端開口縁の略中央2カ所から水栓本体2の先端開口部から所定距離離れた位置の先端部分上方にかけて略U字状の絶縁部材2b’を設ける。これにより、水栓本体2の先端部分のうち上方部分のみに人体接触部分2a’が形成される。
このように、水栓本体2の先端部分のうち上方部分のみに人体接触部分2a’を設けるのは、人体接触部分の面積が小さい方が静電容量センサの性能が向上するためである。利用者は水栓本体2の先端部分のうち下方部分は触らない可能性が高いことから、このように人体接触部分の面積は小さくしても利用者の利便性が低下する程度が少なくて済む。
また、静電容量センサの特性に問題がない場合には、例えば、図10に示すように、絶縁部材2b”を基端部分付近の外周に設けて、水栓本体2のうち先端部分のみならず基端部分付近まで人体接触部分2a”を形成するようにしてもよい。図10は水栓本体の他の構成例を示す図である。
このようにすることにより、絶縁部材2b”により大地との結合は回避しつつも、人体接触部分が増加することから、利用者の利便性をより向上させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
第1実施形態における自動水栓装置の全体構成図である。 第1実施形態における水栓本体内部の構成を示す図である。 第1実施形態における水栓本体の一部分解斜視図である。 第1実施形態におけるセンサ部の構成を示す図である。 第1実施形態における自動水栓装置の電気的な構成を示す図である。 第1実施形態におけるセンサ部の光電センサとしての動作を説明するための図である。 第1実施形態におけるセンサ部の静電容量センサとしての動作を説明するための図である。 第2実施形態におけるセンサ部の構成を示す図である。 第3実施形態の水栓本体の構成を示す図である。 第3実施形態の水栓本体の他の構成を示す図である。
符号の説明
A 自動水栓装置
1 センサ部
2 水栓本体
2a,2a’,2a” 人体接触部分
2b,2b’,2b” 絶縁部材
2c,2c’,2c” 水栓本体部分
3 給水路
4 給水バルブ
5 給水制御部
10 樹脂ホース
11 吐水口継手
12 吐水口キャップ
13 吐水口
30 センサケース
31 ケーブル部
32 光電センサ
33 静電容量センサ
40 発光素子
41 受光素子
42,43 孔部
44 素子固定部
50 電極部
51,51’ 送信電極
52,52’ 受信電極
53,53’,53” 導電プレート
55 基板
70 発光回路
71 受光回路
72 信号処理回路
81 マイクロコンピュータ
82 給水バルブ駆動回路
83 電源回路

Claims (7)

  1. 所定方向に向けて赤外光を投光し、その反射光によって人体の有無を検出する光電センサをセンサケースに収納して水栓本体の先端部に設置し、前記光電センサの出力に応じて吐水及び止水の制御を行なう自動水栓装置において、
    前記センサケースの少なくとも一部の外周部が前記水栓本体の内周部に密着する形状であり、
    前記センサケース内に、前記水栓本体を経由した大地との静電容量の変化によって前記水栓本体への人体の接触を検出する静電容量センサを収納すると共に、当該静電容量センサのうち前記静電容量の変化を検出する電極部を前記センサケースの前記密着する部分の内側に沿って配置し、
    前記光電センサと前記静電容量センサの出力を併用して吐水及び止水の制御を行なうことを特徴とする自動水栓装置。
  2. 請求項1の自動水栓装置において、前記水栓本体内を中空状とし、当該中空状部分に非導電性の材質からなる通水路を通したことを特徴とする自動水栓装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の自動水栓装置において、前記水栓本体における前記電極部と対向する部位を含む人体接触部分と、当該人体接触部分を除く水栓本体部分とを電気的に分離した構造としたことを特徴とする自動水栓装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1つに記載の自動水栓装置において、前記光電センサは前記赤外線を投光する発光素子と前記反射光を受光する受光素子とを有し、前記水栓本体内の吐水流線方向に沿って前記発光素子と前記受光素子とを略並行に配置したことを特徴とする自動水栓装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1つに記載の自動水栓装置において、少なくとも前記水栓本体の先端部を円筒形状に形成すると共に、前記センサケースの少なくとも一部の外周部を前記円筒形状内周に密着する形状とし、さらに前記円筒形状内周に沿って前記静電容量センサの電極部を形成したことを特徴とする自動水栓装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1つに記載の自動水栓装置において、前記静電容量センサの電極部は、パルス電圧を出力する送信電極と、該送信電極と静電結合する受信電極からなり、前記送信電極は前記受信電極より大きい面積であることを特徴とする自動水栓装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれか1つに記載の自動水栓装置において、前記静電容量センサの信号処理回路と、前記光電センサの信号処理回路を共用することを特徴とする自動水栓装置。
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