JP2018179858A - 水位センサおよびトイレ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と異なる方式の水位センサを提供する。【解決手段】第１電極１０４は、容器２の側壁に設けられ、深くなるほど幅が増加する。第２電極１０６は、容器２の側壁に設けられ、深くなるほど幅が減少する。容量センサ１１０は、第１電極１０４が形成する第１静電容量Ｃｓおよび第２電極１０６が形成する第２静電容量Ｃｓを測定する。演算処理部１２０は、第１静電容量Ｃｓおよび第２静電容量Ｃｓそれぞれの測定値Ｓ１＿１，Ｓ１＿２にもとづいて、水位６を表す水位データＳ２を生成する。【選択図】図６

Description

本発明は、水位の測定技術に関する。

容器やタンク内の水量、すなわち水位を検出する方式として、フロート（浮き）を用いたものや、光センサを利用した光学式センサなどが知られている。

本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、従来と異なる方式の水位センサの提供にある。

本発明のある態様は容器内の液体の水位を測定する水位センサに関する。この水位センサは、容器の側壁に設けられた電極と、電極が形成する静電容量を測定する容量センサと、静電容量の測定値にもとづいて、水位を表す水位データを生成する演算処理部と、を備える。
電極が形成する静電容量は、電極が水に使っている深さに応じて変化する。この態様によれば、静電容量にもとづいて水位を検出できる。

本発明の別の態様も水位センサに関する。水位センサは、容器の側壁の異なる深さに設けられた複数の電極と、複数の電極それぞれが形成する静電容量を測定する容量センサと、複数の電極それぞれの静電容量の検出値にもとづいて、水位を表す水位データを生成する演算処理部と、を備える。
ひとつの電極が形成する静電容量は、その電極が水位より上に位置するか下に位置するかによって異なる値をとる。そこで、複数の電極のいくつが水位より上か（もしくは下か）を判定することにより、水位を検出できる。

本発明の別の態様も水位センサに関する。水位センサは、容器の側壁に設けられ、深くなるほど幅が増加する第１電極と、容器の側壁に設けられ、深くなるほど幅が減少する第２電極と、第１電極が形成する第１静電容量および第２電極が形成する第２静電容量を測定する容量センサと、第１静電容量と第２静電容量の測定値にもとづいて、水位を表す水位データを生成する演算処理部と、を備える。
この態様によると、水位を正確に検出できる。

演算処理部は、第１静電容量と第２静電容量の測定値の差分にもとづいて水位データを生成してもよい。

演算処理部は、第１静電容量と第２静電容量の測定値の比にもとづいて水位データを生成してもよい。これにより誘電率のバラツキの影響を低減できる。

第１電極の幅と第２電極の幅の合計は、深さにかかわらず略一定であってもよい。この場合、幅が等しくなる深さを基準として、それより水位が高いか低いかを正確に検出できる。

深さ方向の所定範囲において、第１電極と第２電極の幅が一定かつ等しくてもよい。これにより所定範囲に応じて管理幅（不感帯）を設定できる。

本発明の別の態様はトイレ装置に関する。トイレ装置は、便器と、便器に供給すべき洗浄水をためておく貯水槽と、貯水槽から便器への吐水経路上に設けられた弁と、水位センサと、を備えてもよい。

水位センサは、貯水槽の水位を検出してもよい。

貯水槽の水位が、洗浄時に便器へ供給すべき吐水量に応じた目標水位まで減少すると、弁を閉じて貯水槽から便器への吐水を停止してもよい。

水位センサは、便器の水位を検出してもよい。

水位センサにより検出された便器の水位に応じて、洗浄時の貯水槽から便器への吐水量が制御されてもよい。

水位センサは、貯水槽の側壁に設けられた電極と、電極が形成する静電容量を測定する容量センサと、を備えてもよい。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、従来と異なる方式の水位センサを提供できる。

第１の実施の形態に係る水位センサを示す図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、図１の水位センサの水位測定の原理を説明する図である。 図１の水位センサにおける水位と静電容量の関係を示す図である。 第２の実施の形態に係る水位センサを示す図である。 図４の水位センサの水位測定の原理を説明する図である。 第３の実施の形態に係る水位センサを示す図である。 図６の水位センサの水位測定の原理を説明する図である。 図６の水位センサにおける水位と水位データの関係を示す図である。 第１電極、第２電極の変形例を示す図である。 第５の実施の形態に係る水位センサを示す図である。 図１０の水位センサにおける水位と静電容量の関係を示す図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、水位センサを備えるトイレ装置を示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る水位センサを示す図である。図１の水位センサ１００Ａは、容器２内の液体４の水位６を測定する。液体４は特に限定されないがたとえば水である。容器２の形状は限定されず、円柱形であってもよいし、立方体や直方体などの四角柱であってもよいし、その他の任意の形状であってよい。

水位センサ１００Ａは、電極１０２と、容量センサ１１０と、演算処理部１２０と、を備える。電極１０２は、容器２の側壁に設けられる。電極１０２は、容器２の液体４と接する内側表面に設けられてもよいし、外側表面に設けられてもよいし、容器２の側壁に埋め込まれてもよい。

容量センサ１１０は、電極１０２が形成する静電容量Ｃｓを測定する。容量センサ１１０は、静電容量型のタッチセンサ（タッチパネル）の制御回路（容量センサ）と同じ原理により静電容量Ｃｓを測定する。容量センサ１１０は、静電容量Ｃｓの測定値を示す測定データＳ_１を生成する。容量センサ１１０については公知であるから説明を省略する。

演算処理部１２０は、容量センサ１１０からの測定データＳ_１を受け、静電容量Ｃｓの測定値にもとづいて、水位６を表す水位データＳ_２を生成する。演算処理部１２０は、ＡＳＩＣ（Application Specified IC）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのハードウェアで構成してもよいし、マイコンやＣＰＵ（Central Processing Unit）などの汎用演算処理回路とソフトウェアプログラムの組み合わせで実装してもよい。容量センサ１１０と演算処理部１２０は、ひとつのＩＣに集積化してもよい。

以上が水位センサ１００Ａの構成である。続いてその動作原理を説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、図１の水位センサ１００Ａの水位測定の原理を説明する図である。図２（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ水位６が異なっている。電極１０２の周囲が空気であるとき、電極１０２が形成する静電容量は小さい。図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）と水位６が上がるに従って、電極１０２が液体４に浸っている部分が多くなり、それにしたがって電極１０２が形成する静電容量Ｃｓが増大していく。図２（ｂ）〜（ｃ）は、静電容量が１〜３個のコンデンサで表される集中定数回路として示されるが、実際には分布定数回路である。

図３は、図１の水位センサ１００Ａにおける水位と静電容量Ｃｓの関係を示す図である。水位６が上がると、静電容量Ｃｓはリニアに増加していく。したがって静電容量Ｃｓと水位は一対一で対応するため、静電容量にもとづいて水位６を測定できる。

（第２の実施の形態）
図１の第１の実施の形態に係る水位センサ１００Ａは、誘電率が一定である液体４に対しては、正確に水位６を測定できるが、誘電率が一定でない液体４に対しては、誤差が大きくなる。特に水の誘電率は温度に大きく依存する。第２の実施の形態ではこの問題が解決される。

図４は、第２の実施の形態に係る水位センサ１００Ｂを示す図である。水位センサ１００Ｂは、複数Ｎ個（Ｎ≧２）の電極１０２＿１〜１０２＿Ｎと、容量センサ１１０Ｂと、演算処理部１２０Ｂと、を備える。図４ではＮ＝６が示される。複数の電極１０２＿１〜１０２＿Ｎは、容器２の側壁の異なる深さに設けられる。

容量センサ１１０Ｂは、複数の電極１０２＿１〜１０２＿Ｎそれぞれが形成する静電容量Ｃｓ_１〜Ｃｓ_Ｎを測定し、測定値を示す測定データＳ_１＿１〜Ｓ_１＿Ｎを生成する。演算処理部１２０Ｂは、容量センサ１１０Ｂからの測定データＳ_１＿１〜Ｓ_１＿Ｎを受け、水位６を表す水位データＳ_２を生成する。

演算処理部１２０Ｂは、各測定データＳ_１＿ｉ（１≦ｉ≦Ｎ）が、所定のしきい値より大きいか小さいか否か、言い換えれば各静電容量Ｃｓ_ｉがしきい値ＴＨより大きいか小さいかを判定し、中間データＳ_３＿ｉを生成してもよい。たとえば中間データＳ_３＿ｉは、Ｓ_１＿ｉが示す静電容量Ｃｓ_ｉがしきい値ＴＨより低いとき０、大きいとき１をとる。演算処理部１２０Ｂは、複数の中間データＳ_３＿１〜Ｓ_３＿Ｎにもとづいて、水位６を表す水位データＳ_２を生成してもよい。

図５は、図４の水位センサ１００Ｂの水位測定の原理を説明する図である。

ある電極１０２＿ｉの静電容量Ｃｓ_ｉがしきい値ＴＨを超えたことは、その電極１０２＿ｉの一部あるいは全部が、液体４に浸ったことを意味する。図５の例では、１〜４番目の電極１０２＿１〜１０２＿４は水位６より上であるから、それらの静電容量Ｃｓ_１〜Ｃｓ_４はしきい値ＴＨより小さい。残りの５，６番目の電極１０２＿５〜１０２＿６は水位６より下であるから、それらの静電容量Ｃｓ_５〜Ｃｓ_６はしきい値ＴＨより大きい。

つまり、中間データＳ_３＿１〜Ｓ_３＿Ｎは、水位６を表すサーモメータコードとなる。このサーモメータコードを、水位データＳ_２としてもよいし、サーモメータコードをバイナリデータに変換して水位データＳ_２としてもよい。

この水位センサ１００Ｂでは、電極１０２＿１〜１０２＿Ｎそれぞれに、深さ方向の分解能が不要である。そのため、液体４の誘電率が変動しても、正確な水位６を測定できる。

（第３の実施の形態）
図６は、第３の実施の形態に係る水位センサ１００Ｃを示す図である。水位センサ１００Ｃは、第１電極１０４、第２電極１０６、容量センサ１１０Ｃ、演算処理部１２０Ｃを備える。

第１電極１０４は、容器２の側壁に設けられ、深くなるほど幅Ｗ_１が増加する。ここでは第１電極１０４をテーパーした三角形で示すが、その形状は限定されず、台形であってもよい。

第２電極１０６は、容器２の側壁に設けられ、深くなるほど幅Ｗ_２が減少する。第１電極１０４と第２電極１０６は実質的に同じ深さに設けられる。図６では、第１電極１０４の幅Ｗ_１と第２電極１０６の幅Ｗ_２の合計は、深さにかかわらず略一定となっている。

容量センサ１１０Ｃは、第１電極１０４が形成する第１静電容量Ｃｓ_１および第２電極１０６が形成する第２静電容量Ｃｓ_２を測定し、それぞれの測定値を示す測定データＳ_１＿１，Ｓ_１＿２を生成する。演算処理部１２０Ｃは、第１静電容量Ｃｓ_１および第２静電容量Ｃｓ_２それぞれの測定データＳ_１＿１，Ｓ_１＿２にもとづいて、水位６を表す水位データＳ_２を生成する。

以上が水位センサ１００Ｃの構成である。図７は、図６の水位センサ１００Ｃの水位測定の原理を説明する図である。液体４の誘電率が空気の誘電率より十分に大きい場合、水位６より上の静電容量が無視できる。この場合、静電容量Ｃｓ_１，Ｃｓ_２は、液体４に使っている面積Ａ_１，Ａ_２に比例する。Ｗ_１＋Ｗ_２＝ｂとし、電極１０４，１０６の高さをｃとする。各電極の水位６より下の深さをｘとするとき、面積Ａ_１，Ａ_２は以下の式で表される。
Ａ_１＝（２ｂ−ｂｘ／ｃ）×ｘ／２＝−ｂ／２ｃ×ｘ^２＋ｂｘ
Ａ_２＝ｂｘ／ｃ×ｘ／２＝ｂ／２ｃ×ｘ^２

演算処理部１２０Ｃは、第１静電容量Ｃｓ_１および第２静電容量Ｃｓ_２それぞれの測定データＳ_１＿１，Ｓ_１＿２の差分ΔＳ＝Ｓ_１＿１，Ｓ_１＿２にもとづいて水位データＳ_２を生成する。この差分ΔＳは、面積Ａ_１とＡ_２の差分ΔＡに比例する。
ΔＡ＝Ａ_１−Ａ_２＝ｂｘ−ｂ／ｃ×ｘ^２＝ｂｘ（１−ｘ／ｃ）

図８は、図６の水位センサにおける水位と水位データＳ_２の関係を示す図である。静電容量の差分は、上に凸の２次関数であり、２つの電極１０４，１０６の高さｃの１／２において極大値をとり、ｘ＝０，ｃにおいてゼロとなる。

この水位センサ１００Ｃの利点は、図１の水位センサ１００Ａとの対比によって明確となる。図１の水位センサ１００Ａでは、上述のように誘電率の影響を受けることになる。これに対して図６の水位センサ１００Ｃによれば、差分が非ゼロであるときには、水面が２つの電極の高さの範囲に含まれること、さらに、静電容量の極大値は、高さｃの１／２であることが保証される。したがって水位センサ１００Ｃは、誘電率のばらつきに対して、図１の水位センサ１００Ａよりも高い精度で水位を検出できる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係る水位センサ１００Ｄの構成は、図６の水位センサ１００Ｃと同様であり、演算処理部１２０Ｃの処理が異なる。具体的には、第４の実施の形態において演算処理部１２０Ｃは、２つの測定データＳ_１＿１、Ｓ_１＿２の比にもとづいて、水位を示す水位データＳ_２を生成する。２つの測定データＳ_１＿１、Ｓ_１＿２の比は水位と１対１で対応するから、予め比と水位の関係式を計算あるいは実測しておけばよい。演算処理部１２０Ｃは、比を入力、水位を出力とする演算あるいはテーブル参照を行ってもよい。比を利用することで、誘電率の影響が相殺されるため、高精度な水位検出が可能となる。

（第３，４の実施の形態の変形）
図９は、第１電極１０４、第２電極１０６の変形例を示す図である。この変形例では、深さ方向の所定範囲ΔＸにおいて、第１電極１０４と第２電極１０６の幅が一定かつ等しくなっている。この電極形状によれば、深さの変化に対して、２つの電極の静電容量が変化しない不感帯を設けることができる。たとえば、この所定範囲ΔＸを、Ｗ_１＝Ｗ_２＝ｂ／２の箇所に設定すれば、図８に一点鎖線で示すように、水位データＳ_２の極大点をフラットにすることができる。

（第５の実施の形態）
図１０は、第５の実施の形態に係る水位センサ１００Ｅを示す図である。水位センサ１００Ｅは櫛形の電極１０２Ｅを備える。図１１は、図１０の水位センサの水位と電極の静電容量の関係を示す図である。水位が櫛の凹部の範囲にあるとき、静電容量Ｃｓは水位上昇に対して緩やかに増加し、水位が櫛の凸部の範囲にあるとき、静電容量Ｃｓは水位上昇に対して急峻に増加する。この水位センサ１００Ｅによれば、水位を正確に検出できる。

（用途）
続いて、上述した水位センサ１００Ａ〜１００Ｄ（以下、水位センサ１００と総称する）の用途を説明する。水位センサ１００の好ましい用途として、トイレ装置が例示される。図１２（ａ）、（ｂ）は、水位センサ１００を備えるトイレ装置２００を示す図である。

図１２（ａ）に示すようにトイレ装置２００は、便器２０２、貯水槽（タンク）２０４、弁２０６を備える。貯水槽２０４は、便器２０２に供給すべき洗浄水２３０をためておく。弁２０６は、貯水槽２０４から便器２０２への吐水経路２１０上に設けられる。

トイレ装置２００は、水位センサ１００＿１，１００＿２が設けられる。図１２には水位センサ１００の電極のみが簡易的に示される。水位センサ１００は、上述のいずれの実施の形態を用いてもよい。水位センサ１００＿１は、貯水槽２０４の水位６＿１を検出する。水位センサ１００＿２は、便器２０２の水位６＿２を検出する。

トイレ装置２００は、コントローラ２２０を備える。コントローラ２２０は、水位センサ１００＿１，１００＿２と接続され、貯水槽２０４および便器２０２の水位を検知可能となっている。

コントローラ２２０は洗浄開始とともに弁２０６を開く。そして水位センサ１００＿１の出力を監視し、貯水槽２０４の水位６が、洗浄時に便器２０２へ供給すべき吐水量に応じた目標水位ＲＥＦまで減少すると、弁２０６を閉じて貯水槽２０４から便器２０２への吐水を停止する。供給すべき吐水量は可変であり、したがって目標水位ＲＥＦも可変である。供給すべき吐水量はユーザが指定してもよいし、後述のようにコントローラ２２０が自動判定してもよい。

コントローラ２２０は、水位センサ１００＿２により検出された便器２０２の水位６＿２に応じて、洗浄時の便器２０２への吐水量を決定する。すなわち、用便中の水位上昇が大きい場合、吐水量を多く、水位上昇が小さい場合、吐水量を少なくする。

以上がトイレ装置２００の構成である。このトイレ装置２００によれば吐水量を正確に制御できるため、節水が可能となる。また従来では洗浄モードとして、大、小、エコなどが複数の用意されており、ユーザが選択していたが、コントローラ２２０により吐水量を自動的に判定できる。さらに吐水量を、用便中の水位上昇に応じて連続的に制御できるため、節水とのバランスをとりつつ、洗浄力を高めることができる。

図１２（ｂ）を参照する。トイレ装置２００には、温水洗浄便座２５０を備えるものがある。図１２（ｂ）には、実施の形態に係る温水洗浄便座２５０が示される。温水洗浄便座２５０は、貯水タンク２５２と、洗浄ノズル２５４、ヒータ２５６を備える。ヒータ２５６は、貯水タンク２５２に蓄えられる水を加熱する。貯水タンク２５２には、水位６＿３を検出する水位センサ１００＿３が設けられる。水位センサ１００＿３の出力は、貯水タンク２５２への給水量の制御に用いてもよい。これにより、貯水タンク２５２の溢れを防止できる。またヒータ２５６は、水位センサ１００＿３の出力に応じて、加熱の程度を制御してもよい。たとえばヒータ２５６は、水位６＿３が所定の基準水位より低いときには加熱を停止してもよい。これによりいわゆる空だきを防止できる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２…容器、４…液体、６…水位、１００…水位センサ、１０２…電極、１０４…第１電極、１０６…第２電極、１１０…容量センサ、１２０…演算処理部、Ｃｓ…静電容量、２００…トイレ装置、２０２…便器、２０４…貯水槽、２０６…弁、２０８…、２１０…吐水経路、２２０…コントローラ、２５０…温水洗浄便座、２５２…貯水タンク、２５４…洗浄ノズル、２５６…ヒータ。

Claims (13)

1. 容器内の液体の水位を測定する水位センサであって、
   前記容器の側壁に設けられ、深くなるほど幅が増加する第１電極と、
   前記容器の側壁に設けられ、深くなるほど幅が減少する第２電極と、
   前記第１電極が形成する第１静電容量および前記第２電極が形成する第２静電容量を測定する容量センサと、
   前記第１静電容量および前記第２静電容量それぞれの測定値にもとづいて、水位を表す水位データを生成する演算処理部と、
   を備えることを特徴とする水位センサ。
2. 前記演算処理部は、前記第１静電容量および前記第２静電容量それぞれの測定値の差分にもとづいて前記水位データを生成することを特徴とする請求項１に記載の水位センサ。
3. 前記演算処理部は、前記第１静電容量および前記第２静電容量それぞれの測定値の比にもとづいて前記水位データを生成することを特徴とする請求項１に記載の水位センサ。
4. 前記第１電極の幅と前記第２電極の幅の合計は、深さにかかわらず略一定であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の水位センサ。
5. 深さ方向の所定範囲において、前記第１電極と前記第２電極の幅が一定かつ等しいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の水位センサ。
6. 容器内の液体の水位を測定する水位センサであって、
   前記容器の側壁の異なる深さに設けられた複数の電極と、
   前記複数の電極それぞれが形成する静電容量を測定する容量センサと、
   前記複数の電極それぞれの静電容量の検出値にもとづいて、水位を表す水位データを生成する演算処理部と、
   を備えることを特徴とする水位センサ。
7. 容器内の液体の水位を測定する水位センサであって、
   前記容器の側壁に設けられた電極と、
   前記電極が形成する静電容量を測定する容量センサと、
   前静電容量の測定値にもとづいて、水位を表す水位データを生成する演算処理部と、
   を備えることを特徴とする水位センサ。
8. 便器と、
   前記便器に供給すべき洗浄水をためておく貯水槽と、
   前記貯水槽から前記便器への吐水経路上に設けられた弁と、
   請求項１から７のいずれかに記載の水位センサと、
   を備えることを特徴とするトイレ装置。
9. 前記水位センサは、前記貯水槽の水位を検出することを特徴とする請求項８に記載のトイレ装置。
10. 前記貯水槽の水位が、洗浄時に前記便器へ供給すべき吐水量に応じた目標水位まで減少すると、前記弁を閉じて前記貯水槽から前記便器への吐水を停止することを特徴とする請求項９に記載のトイレ装置。
11. 前記水位センサは、前記便器の水位を検出することを特徴とする請求項８に記載のトイレ装置。
12. 前記水位センサにより検出された前記便器の水位に応じて、洗浄時の前記貯水槽から前記便器への吐水量が制御されることを特徴とする請求項１１に記載のトイレ装置。
13. 便器と、
    前記便器に供給すべき洗浄水をためておく貯水槽と、
    前記貯水槽と前記便器の間に設けられる弁と、
    前記貯水槽の水位を検出する水位センサと、
    を備え、
    前記水位センサは、
    前記貯水槽の側壁に設けられた電極と、
    前記電極が形成する静電容量を測定する容量センサと、
    を備えることを特徴とするトイレ装置。

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