(57)【要約】【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の人体の検知を行うこと。【解決手段】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し、この間欠送信するごとに、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にする。次に、この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し、順次出力される受信波形データと基準波形データとの比較をサンプリング値ごとに行って、そのサンプリング値の差分を先頭のサンプリング値から順次加算し、その加算値が第１の閾値を超えたとき、監視空間内に人体が存在すると判定する。【選択図】  図１
2006317356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
この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、
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を前記基準波形データと比較して前記監視空間内の人体の有無を判定し、その結果を出力する判定手段と、を備えた超音波人体センサにおいて、
前記判定手段は、前記受信波形データと前記基準波形データとの比較をサンプリング値ごとに行って、そのサンプリング値の差分を先頭のサンプリング値から順次加算し、その加算値が第１の閾値を超えたとき、前記監視空間内に人体が存在すると判定することを特徴とする超音波人体センサ。
【請求項２】
前記判定手段は、前記加算値が第１の閾値を超えたときのサンプリング値のサンプリングタイミングに対応する前記監視空間内の位置又はその位置よりも近くに人体が存在すると判定すると共に、その位置情報を記憶手段に記憶することを特徴とする請求項１に記載の超音波人体センサ。
【請求項３】
前記判定手段は、前記加算値が第１の閾値を超えた場合であっても、第１の閾値を超えたときのサンプリング値のサンプリングタイミングに対応する前記監視空間内の位置が、前記記憶手段にすでに記憶されている位置情報よりも所定距離以上遠い位置であると判定すると、前記記憶手段に記憶された位置情報の更新の記憶を行なわないことを特徴とする請求項２に記載の超音波人体センサ。
【請求項４】
前記判定手段は、前記加算値が第１の閾値を超えた場合であっても、第１の閾値を超えたときのサンプリング値の前後のサンプリング値の差分が第２の閾値未満のときは、第１の閾値を超えたときのサンプリング値のサンプリングタイミングに対応する前記監視空間内の位置又はその位置よりも近くに人体が存在するとの判定をしないことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波人体センサ。
【請求項５】
前記判定手段は前記監視空間の範囲を変更可能としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波人体センサ。
【請求項６】
請求項１〜５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。
【請求項７】
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を用いて人体の有無の判定を行なう人体検出方法であって、
この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ステップと、
前記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ステップと、
前記受信波形データと前記基準波形データとの比較をサンプリング値ごとに行って、そのサンプリング値の差分を先頭のサンプリング値から順次加算し、その加算値が第１の閾値を超えたとときに、前記監視空間内に人体が存在すると判定するステップと、
を有する人体検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波人体センサに関わり、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あっても人体の検知を行える超音波人体センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
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１３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。
【０００４】
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。
【０００５】
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、人体の距離或いは存在を検出することが可能となる。
【０００６】
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。
【０００７】
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２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特開平４−３８３６３号公報
【特許文献２】特開昭５６−１６０６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来技術で構成されている超音波センサを、トイレのような狭い空間で入出場する人体の検出に使用しようとすると、人体に向けた超音波の反射波が壁や置物にも当たり、乱反射し、１回の送信で至る所で多数反射波が発生する。また、図１３の反射波Cのように対象物に２回反射するものもある。超音波は空気中を伝搬する波であることから、このように多数反射が発生すると、反射波同士が重なり合って、強まったり、弱まったり、時にはなくなったりする。
【００１０】
また、人体に当たると反射波に減衰が生じるが、その減衰の比率は、人が着ている服などの素材で大きく異なり、しかも、その反射の方向も多種多様である。
【００１１】
このように、反射波の振幅の大きさや方向は一様ではないことから、従来のように人がいる時と居ない時の波形の差によって人体による反射波を取り出して、単にその反射波の位置から人体の検出を行うのは困難である。
【００１２】
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する空間で複雑な反射を発生する状況での人体の検知を容易に行える超音波人体センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、この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、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を前記基準波形データと比較して前記監視空間内の人体の有無を判定し、その結果を出力する判定手段と、を備えた超音波人体センサにおいて、前記判定手段は、前記受信波形データと前記基準波形データとの比較をサンプリング値ごとに行って、そのサンプリング値の差分を先頭のサンプリング値から順次加算し、その加算値が第１の閾値を超えたとき、前記監視空間内に人体が存在すると判定することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明は、前記判定手段は、前記加算値が第１の閾値を超えたときのサンプリング値のサンプリングタイミングに対応する前記監視空間内の位置又はその位置よりも近くに人体が存在すると判定すると共に、その位置情報を記憶手段に記憶することを特徴する。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、前記判定手段は、前記加算値が第１の閾値を超えた場合であっても、第１の閾値を超えたときのサンプリング値のサンプリングタイミングに対応する前記監視空間内の位置が、前記記憶手段にすでに記憶されている位置情報よりも所定距離以上遠い位置であると判定すると、前記記憶手段に記憶された位置情報の更新の記憶を行なわないことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明は、前記判定手段は、前記加算値が第１の閾値を超えた場合であっても、第１の閾値を超えたときのサンプリング値の前後のサンプリング値の差分が第２の閾値未満のときは、第１の閾値を超えたときのサンプリング値のサンプリングタイミングに対応する前記監視空間内の位置又はその位置よりも近くに人体が存在するとの判定をしないことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明は、前記判定手段は前記監視空間の範囲を変更可能としたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５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ことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項７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を用いて人体の有無の判定を行なう人体検出方法であって、この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ステップと、前記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ステップと、前記受信波形データと前記基準波形データとの比較をサンプリング値ごとに行って、そのサンプリング値の差分を先頭のサンプリング値から順次加算し、その加算値が第１の閾値を超えたとときに、前記監視空間内に人体が存在すると判定するステップと、を有する人体検出方法である事を特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、受信波形データと基準波形データとの比較をサンプリング値ごとに行って、そのサンプリング値の差分を先頭のサンプリング値から順次加算し、人体があると見込まれる第１の閾値を超えると人体有りと判定することで、従来なら利用されなかった閾値以下の信号も有効に利用し、センサの近辺での細かく複雑な変化を積み重ねることとなり、対ノイズ性向上と人体の検出率向上が可能となる。
【００２１】
また、請求項２に記載の発明によれば、人体の存在する位置を判定できると共に加算値が第１の閾値を超えたときのサンプリングタイミングに対応する位置を記憶する記憶手段を持つことで、所定距離以上の人体の検出位置の変化があったかを比較しやすくできる。
【００２２】
また、請求項３に記載の発明によれば、先頭のサンプリングタイミングから順次加算した結果得られた新たな監視空間内の位置が、記憶している位置情報と比較して所定値より急に遠くなった場合には、反射波の干渉による波形の消滅や、複数回の反射による受信信号で人体の動きに関わらない受信波形データの変動と判断して、無視し、人体の検出確率を上げることが可能となる。
【００２３】
また、請求項４に記載の発明によれば、ノイズを意味するサンプリング値の差分の積み重ねによって閾値を超えた場合と判断し、人体の検出確率を上げることが可能となる。
【００２４】
また、請求項５に記載の発明によれば、人体の存在の有無を判定する最遠点を設定でき、様々な監視空間に対応することができる。
【００２５】
また、請求項６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り、トイレ装置において人体の検出の確率が高くすることができる。
【００２６】
また、請求項７に記載の発明によれば、Ａ／Ｄ変換後の人体がない時とある時の受信波形データの差を、従来のように直ぐにある閾値と比べ、それ以下は無視して、情報を減らしてしまうのではなく、前記受信波形データの差を順次加算し、その値と閾値の組み合わせで比較する方法をとることで、簡便に検出精度を上げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
【００２８】
図１に示すように、本発明の実施の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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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し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。
【００３２】
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、送信時の振動が残っており、これを一般に「残響」と言うが、残響が減衰して受信信号が安定するまでの時間、受信波形変換手段５の始動を遅らせる処理が受信マスクである。
【００３３】
本発明の実施の形態においては、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、この基準波形データと受信波形変換手段５から順次出力される受信波形データとが比較演算される。そして、この比較演算の結果、監視空間内の人体の有無を判定手段７で判定され検知信号が出力される。
【００３６】
判定手段７による比較演算は、受信波形データと基準波形データとの比較をサンプリング値ごとに行って、そのサンプリング値の差分を先頭のサンプリング値から順次加算し、その加算値が第１の閾値を超えたとき、監視空間内に人体が存在すると判定する。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。
【００３７】
図１の構成の結果得られる具体的な例として、図２〜図４を説明する。図２〜図４は本発明の実施の形態の超音波人体センサ１０の判定手段の動作説明図であり、基準波形データ、受信波形データ、両信号波形データの差をとった差分波形データ、差分波形データをサンプリングし先頭のサンプリング値から順次加算したデータの２次元表示図を示す。なお、横軸がサンプリングタイミ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を示す。
【００３８】
まず、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。
【００３９】
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、タイミング番号はサンプリング順に１から１００までである。
【００４０】
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、８５付近のサンプリング値が高くなっている。
【００４１】
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、差分演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値の演算を、タイミング番号の先頭１から順次タイミング番号１００まで行なったものである。
【００４２】
図２（Ｄ）は、判定手段７によって、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値を、先頭のタイミング番号１のサンプリング値から順次加算していった結果を示す。
【００４３】
判定手段７は、このように先頭のタイミング番号１のサンプリング値から順次加算していき、加算値が第１の閾値を超えたときに、監視空間内に人体が存在すると判定するように構成されている。なお、本実施の形態では、第１の閾値が２００に設定されており、加算値が２００を超えたときのタイミング番号が２４である。また、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、判定手段７は、超音波送受信手段から３７ｃｍの位置又は３７ｃｍよりも近い範囲内に人体が存在すると判定する。
【００４４】
次に、超音波送受信手段３から約４０ｃｍ近辺の距離に毛羽立った服を着た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３を参照して具体的に説明する。なお、図３（Ａ）は、基準波形データを示す図であり、図２（Ａ）と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００４５】
図３（Ｂ）は、超音波送受信手段３から約４０ｃｍ近辺の距離に毛羽立った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、同じ距離に人体がいるものの、毛羽立った服により超音波が乱反射しているため、図２（Ｂ）に比べ、全体的にサンプリング値が低くなっている。
【００４６】
図３（Ｃ）は、判定手段７によって、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値を演算した結果であり、図３（Ｄ）は、判定手段７によって、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値を、先頭のタイミング番号１のサンプリング値から順次加算していった結果を示す。
【００４７】
ここで、判定手段７は、加算値が２００を超えたときのタイミング番号が２４であるため、超音波送受信手段から３７ｃｍの位置又は３７ｃｍよりも近い範囲内に人体が存在すると判定する。
【００４８】
監視空間に入ってきた人体が毛羽立った服を着ていることにより、差分値の大きさが小さくなってしまい、ノイズなどとの区別が付けにくいが、このように差分値を加算することによって、人体が存在する距離を検出することが可能となる。
【００４９】
次に、人体が存在しない状態での超音波人体センサ１０の動作について、図４を参照して具体的に説明する。なお、図４（Ａ）は、基準波形データを示す図であり、図２（Ａ）と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００５０】
図４（Ｂ）は、人体が監視空間におらず、トイレマットや、風による揺らぎ等の反射波やノイズを受信している状態での基準波形データを示す図である。
【００５１】
図４（Ｃ）は、判定手段７によって、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値を演算した結果であり、図４（Ｄ）は、判定手段７によって、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値を、先頭のタイミング番号（ｎ＝１）のサンプリング値から順次加算していった結果を示す。
【００５２】
ここで、判定手段７は、加算値が２００を超えたときのタイミング番号が８５（距離にすると８９ｃｍ）であるものの、本実施の形態においては、その監視空間が超音波人体センサ１７から８０ｃｍの距離内に設定されているため、監視空間に人体が存在していないと判定する。なお、この監視空間は、第４の閾値によって、判定手段７内に設定される。
【００５３】
また、監視空間が監視可能な最大空間、すなわち超音波人体センサ１０から１０２ｃｍの距離内に設定されている場合に、加算値が２００を超えたときを超えた場合であっても、加算値が２００を超えたときのサンプリングタイミングのサンプリング値の前後のサンプリングタイミングのサンプリング値の差分が第２の閾値未満のときは、超音波送受信手段から８５ｃｍの位置又は８５ｃｍまでの範囲内に人体が存在するとは判定しない。なお、本実施の形態においては、第２の閾値が２５に設定されている。
【００５４】
このように、加算値が第１の閾値を超えた場合であっても、第１の閾値を超えたときのサンプリング値の前後のサンプリング値の差分が第２の閾値未満のときは、第１の閾値を超えたときのサンプリング値のサンプリングタイミングに対応する監視空間内の位置又はその位置よりも近くに人体が存在するとの判定をしないため、ノイズによる誤検出をすることがない。
【００５５】
また、第４の閾値を変更することにより監視可能な空間内で監視空間を変更することができるので、監視空間の設定及び変更が容易となる。
【００５６】
図５は図２〜４で説明した受信波形データ、基準波形データ、両信号波形データの差をとった差分波形データ、差分波形データをサンプリングし先頭のサンプリング値から順次加算したデータを周期的に複数回連続して得た結果を、３次元グラフ表示したものである。
【００５７】
図５（Ａ）は、利用者がトイレに入ってくるという動作を行った場合であり、遠方から超音波人体センサ１０方向へ移動してくる複数の受信波形データがあらわれている図である。Ｘ軸（図５中横方向）がサンプリングタイミングを示し、Ｙ軸（図５中縦方向）が受信信号波形の強さを示し、Ｚ軸（図５中奥行方向）が経過時間を表す。Ｚ軸でＳ１からＳ１２までは人体を検出していないので図５（Ｂ）の基準波形データと同じデータである。
【００５８】
Ｘ軸の１〜２７で、大小様々に受信信号を得ており、Ｚ軸Ｓ２１近傍のＸ軸２７近傍の交点で強い受信信号を得ているものの、人体がどこにあるのかこの波形だけで判断するのは難しい。  
図５（Ｂ）は人体が存在しない状態での、複数回分の基準波形データである。基準波形記憶手段に記憶された基準値であるため、これを記憶し直さない限り、時間経過を表すＺ軸方向には変化はない。Ｘ軸方向で０〜１０近辺まで、Ｙ軸方向に大きくふれている強い信号は残響を示す。
【００５９】
図５（Ｃ）は受信波形データから基準波形データをデジタル的に演算して差し引いた差分波形データを示す。図５（Ａ）の受信波形データのＡ／Ｄ変換サンプリングタイミングの先頭の残響部が差分を計算する演算で取り除かれ、人体が移動することで受信された信号だけが残ったことを示している。前述したＺ軸Ｓ２１近傍のＸ軸２７近傍の交点の強い受信信号以外に多数の反射波が存在するのが明確になった。
【００６０】
図５（Ｄ）は図５（Ｃ）の差分波形データを、先頭のサンプリング値から順次加算した結果を示す。Ｚ軸Ｓ１９上ではＸ軸１０のところで第１の閾値を超えたことが判断できる。同様に、Ｚ軸Ｓ１５上では第１の閾値は超えていない。第１の閾値を超えると、前述の第２の閾値、第４の閾値と比較した判断を行って、検知信号を出力する。
【００６１】
次に、以上のように構成された超音波人体センサ１０について、具体的に以下図面を参照して説明する。図６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７は本実施の形態における超音波人体センサ１０の動作を示す送受信処理サブルーチンのフローチャート、図８は基準値記憶サブルーチンのフローチャート、図９は差分演算処理サブルーチンのフローチャート、図１０は検知判定処理サブルーチンのフローチャートである。
【００６２】
図６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、判定手段７が、発振手段１を駆動して間欠的に超音波領域パルスを発生させることによって、超音波送受信手段３から超音波を間欠的に送信して、送信ごとに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により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構成す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）。
【００６３】
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、基準波形の記憶を更新することも可能である。
【００６４】
次に、判定手段７は、発振手段１を駆動して超音波領域パルスを発生させることによって、超音波送受信手段３からステップＳ００１と同様に超音波を送信して、送受信処理を行い、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とを比較し、Ａ／Ｄ変換のサンプリングタイミング順に差分演算処理を行い、差分演算処理データを作成する（ステップＳ００４）。
【００６５】
さらに、判定手段７は、受信波形データと基準波形データ、差分演算処理データなどに基づいて人体が存在するか否かの検知判定処理を行う（ステップＳ００５）。また、所定周期で受信波形データを取得するために、検知判定処理終了後に１００ｍｓのタイマーをおき（ステップＳ００６）、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、超音波の送受信を行うという動作を間欠的に繰り返す。
【００６６】
図７は、送受信処理のフローチャートであり、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。
【００６７】
超音波人体センサ１０は、超音波の送信パルスを超音波送受信手段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、本実施例では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データとするために、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）。
【００６８】
受信波形変換手段５は、受信・検波回路４で取り込んだ受信信号を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、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：Ｎｏ）受信信号のＡ／Ｄ変換を繰り返すことによりｄａｔａ（ｎ）の出力を繰り返し、１００回より大きくなると（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、メインルーチンへ戻る（ステップＳ１０８）。こうして、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。
【００６９】
図８は、基準値記憶処理のフローチャートであり、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から出力されるサンプリング値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ｄａｔａ（１）を基準波形データｒｅｆ（１）として１個記憶する（ステップＳ２０２）。
【００７０】
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：Ｎｏ）、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：Ｙｅｓ）、受信波形データを基準波形データとして記憶する動作は終了する。
【００７１】
その後、超音波人体センサ１０は、監視空間内の位置情報を記憶する記憶手段ｘ（以下、位置情報記憶手段ｘと略す。ｘはタイミング番号ｎに相当する数値となる）に、１００を初期値として代入し（ステップＳ２０５）、メインルーチンへ戻る（ステップＳ２０６）。
【００７２】
図９は、差分演算処理のフローチャートであり、メインルーチンの差分演算処理（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、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Ｓ４０１）。次に、受信波形データと記憶されている基準波形データとの差分をとって、差分波形データｄｉｆ（ｎ）を作成する（ステップＳ４０２）。
【００７３】
判定手段７は、差分をとったｄｉｆ（１）が負の場合（ステップＳ４０３：Ｙｅｓ）、ｄｉｆ（１）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（１）を置き換えない。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Ｓ４０５）、ステップＳ４０２からＳ４０４の演算を繰り返す。すなわち、タイミング番号２〜１００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分をとり、差分がマイナスにならないように補正して、差分波形データｄｉｆ（ｎ）を生成する。その後、タイミング番号ｎが１００回より大きくなると（ステップＳ４０６：Ｙｅｓ）、メインルーチンへ戻る（ステップＳ４０７）。
【００７４】
図１０は、検知判定処理のフローチャートであり、メインルーチンの検知判定処理（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、受信信号を複数のデジタルサンプリングデータとして演算処理するため、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し、先頭タイミング番号１のサンプリング値から順次加算してゆくための加算値の初期値であるｓｕｍ（０）を０に初期化する（ステップＳ５０１）。
【００７５】
次に判定手段７は、タイミング番号１のサンプリング値を加算する前値である受信波形差分加算データｓｕｍ（０）に、基準波形データと受信波形データの差分の値である差分演算処理データｄｉｆ（０）を加算して、受信波形差分加算データｓｕｍ（１）を作成する（ステップＳ５０２）。
【００７６】
さらに、判定手段は、ステップＳ５０２で演算されたｓｕｍ（１）が、人体の存在を判断する第１の閾値であるＴＨ１以上（本実施の形態では２００以上）であれば（ステップＳ５０３：Ｙｅｓ）、人体はあるということで、次のステップに進む。
【００７７】
第１の閾値を超えた場合であっても、ｓｕｍ（ｎ）の前後の傾きが小さいときにはタイミング番号ｎの位置内に人体が存在しないと判定するために、判定手段７は、ｓｕｍ（ｎ）が第１の閾値を超えたときのサンプリング値の前後の受信波形差分加算データの変化量であるｄｉｆ（ｎ＋１）＋ｄｉｆ（ｎ）の演算をする。ｄｉｆ（ｎ＋１）＋ｄｉｆ（ｎ）の結果が第２の閾値ＴＨ２以上であれば（ステップＳ５０４：Ｙｅｓ）、細かなノイズの積み上げによってｓｕｍ（ｎ）が第１の閾値ＴＨ１を超えたのではなく、人体を検出しているという判断が行われる。    
【００７８】
次に、ｓｕｍ（ｎ）が第１の閾値ＴＨ１を超え、ｄｉｆ（ｎ＋１）＋ｄｉｆ（ｎ）の結果が第２の閾値ＴＨ２以上であって人体が存在したと判定手段７が判定した場合でも、トイレのような狭い空間で複数回反射が起きたり、あるいは超音波同士が干渉しあって、人体があたかも遠方に移動してしまったような受信波形に偶然なってしまう場合がある。そのため、通常考えられる以上の急激な距離の変動を認めないという処理と、近距離で超音波の反射が起きた場合は、近距離に人体があると判定手段７は判定し、如何に急激な距離変化であっても、近距離側への変化は無条件に認めるという処理を同時に行う。判定手段７は、上記のために第１の閾値を超えた時のサンプリング値のタイミング番号ｎに対応する監視空間内の位置が、位置情報記憶手段ｘに記憶されている位置情報（それまで、人体がその位置にいるとして記憶していた値）より、所定距離ＴＨ３以上遠いかを判断する（ステップＳ５０８）。
【００７９】
判定手段７は、現在のタイミング番号ｎが位置情報記憶手段ｘよりも、第３の閾値である所定距離ＴＨ３以上遠い側へ移動していないと判定すると（ステップＳ５１０：Ｎｏ）、判定手段７は人体が存在すると判定し、監視空間内の位置にあたる第１の閾値を超えた時のタイミング番号に対応するｎの値を、判定手段７の記憶領域にある位置情報記憶手段ｘに代入し、位置情報の更新を行う（ステップＳ５１１）。
【００８０】
受信波形データと基準波形データのサンプリング値の差分を先頭のサンプリング値から加算した加算値であるｓｕｍ（ｎ）が第１の閾値ＴＨ１未満であれば（ステップＳ５０３：Ｎｏ）、タイミング番号ｎをアップカウント（ステップＳ５０５）し、タイミング番号ｎが１００回以下なら（ステップＳ５０６：Ｎｏ）、ステップＳ５０２へもどり、加算が繰り返される。
【００８１】
また、ステップＳ５０３でｓｕｍ（ｎ）が第１の閾値ＴＨ１を超えたと判定すると、判定手段７は、第１の閾値を超えた加算値のタイミング番号ｎの１つ前後の差分の値の差ｄｉｆ（ｎ＋１）＋ｄｉｆ（ｎ）が第２の閾値であるＴＨ２未満であれば（ステップＳ５０４：Ｎｏ）、ステップＳ５０３と同様にタイミング番号ｎをアップカウント（ステップＳ５０５）し、タイミング番号ｎが１００回以下なら（ステップＳ５０６：Ｎｏ）、ステップＳ５０２へもどり、加算が繰り返される。
【００８２】
第１の閾値を超えた加算値のタイミング番号ｎと位置情報記憶手段ｘに記憶された位置情報との差が第３の閾値である所定距離ＴＨ３以上であれば（ステップＳ５１０：Ｙｅｓ）、複数回反射や超音波同士の干渉により、人体があたかも遠方に移動したような受信波形に偶然なってしまっただけで、タイミング番号ｎの値は信頼性に欠けると判断し、位置情報記憶手段ｘに記憶された位置情報に１を加えて更新する（ステップＳ５０７）。１を加えるのは、永久にｘの更新ができなくなることを回避するためである。
【００８３】
位置情報記憶手段ｘが１００を越えた場合は（ステップＳ５０８：Ｙｅｓ）、位置情報記憶手段ｘに１００を代入し（ステップＳ５０９）、位置情報記憶手段ｘが１００を越えてない場合は（ステップＳ５０８：Ｎｏ）、位置情報記憶手段ｘはそのままの値となる。
【００８４】
次に、判定手段７は、位置情報記憶手段ｘが、可変設定が出来る人体が検知されねばならない監視空間の最遠点以内にいるかを判断する第４の閾値ＴＨ４より大きければ（ステップＳ５１２：Ｎｏ）人体を非検知（ステップＳ５１３）とし、以下であれば（ステップＳ５１２：Ｙｅｓ）、人体を検知（ステップＳ５１４）として検知信号を出力し、メインルーチンに戻る（ステップＳ５１５）。
【００８５】
タイミング番号ｎが１００よりおおきくなった場合（ステップＳ５０６：Ｙｅｓ）は、判定手段７によりノイズしかなかったと判定され、以下ステップＳ５０７から同一フローでメインルーチンに戻る（ステップＳ５１５）。
【００８６】
以上説明したように、本発明によれば、超音波人体センサを利用して、狭くて反射物体が多数存在する監視空間内で、人体が存在するか否かの判定を確実に行うために、人体が存在する場合と存在しない場合との差分を順次加算して第１の閾値を超えたところに人体が存在すると判定し、その第１の閾値を超えた位置に対し、その前後の差分の変化が小さい場合や検出位置の急激な遠方への変動が起こった場合には、人体が存在するとの判定を行わないことにより誤判定を防止することができる。
【００８７】
また、本実施の形態における超音波人体センサ１０をトイレ装置にすることによって、人体の検出の確率が高くなる。以下その構成について図１１、１２を用いて説明する。図１１、１２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。
【００８８】
図１１に示すように、トイレルーム３０にトイレ装置２０が配置されており、トイレ装置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。
【００８９】
トイレ装置は、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。
【００９０】
図１２に示すように、超音波人体センサ１０は、監視空間Ｓの距離Ｄ１（以下、「監視空間距離」とする。）の範囲内でかつ所定の角度範囲で人体の存在の有無を検出するように設定されており、監視空間距離Ｄ１は、超音波人体センサ１０の第４の閾値を変更することによって、最大でＤ２の距離まで監視空間にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】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。
【図２】本発明の実施形態の超音波人体センサの判定手段の動作説明図。
【図３】本発明の実施形態の超音波人体センサの判定手段の動作説明図。
【図４】本発明の実施形態の超音波人体センサの判定手段の動作説明図。
【図５】本発明の実施形態の受信波形データ、基準波形データ、前記両信号波形データの差をとった差分波形データ、差分波形データを所定間隔であらわした３次元グラフ。
【図６】本発明の実施形態の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。
【図７】本発明の実施形態の送受信処理サブルーチンを説明した制御フローチャート。
【図８】本発明の実施形態の基準値記憶処理サブルーチンを説明した制御フローチャート。
【図９】本発明の実施形態の差分演算処理サブルーチンを説明した制御フローチャート。
【図１０】本発明の実施形態の検知判定処理サブルーチンを説明した制御フローチャート。
【図１１】本発明の実施形態のトイレ装置の設置状況を示す図。
【図１２】本発明の実施形態のトイレ装置の設置状況を示す図。
【図１３】超音波の動作原理を説明した図。
【符号の説明】
【００９２】
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  記憶手段
７  判定手段
８  マイクロコンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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