飛行機のレーダーや衛星通信など高度な情報通信システムを中心に利用されてきたマイクロ波。衛生陶器・住宅設備機器メーカーのTOTOは、この技術を利用して、便器にとっての付加価値となる斬新なデザインや節水などを実現した。衛生陶器の老舗として高い製陶技術を誇る同社とは接点がなさそうなマイクロ波の技術が、なぜトイレに利用されたのか。どのように新しい付加価値を生み出したのか。その経緯を探った。(文中敬称略)  (文:関 行宏)

 希望小売価格で57万円(税抜き)もする高級便器が想定以上に売れて、工務店への納入が間に合わないほど品薄になったこともある。――にわかには信じがたい話だが、TOTOが創立100周年となる2017年に 「グローバル統一モデル」 として発売した温水洗浄便座一体形便器のフラグシップモデル「ネオレストNX」(図1)の販売が好調だという。

図1  TOTOの「ネオレストNX」
製陶技術を駆使して陶器ならではのなめらかな曲面の美しさを引き出した「ノイズレスデザイン」が特徴。(画像提供:TOTO)

 あらゆるインテリアをハイグレードなもので揃えたいといった高級車ディーラーや商業施設からの引き合いだけではなく、個人宅においても新築やリフォームを機に最高のものを使いたいというニーズが顕在化した形だ。

 ネオレストNXは、少量の水で汚物を確実に流すトルネード洗浄や、掃除が容易なフチなし形状などの機能的な特徴を備えるが、やはりまず目に付くのが流線形の斬新な外観だろう。陶器ならではのなめらかな曲面の美しさを引き出すために、便器本体、温水洗浄便座および便フタを一体として見せるシンプルで凹凸のない「ノイズレスデザイン」が採り入れられた。従来のデザイン上の制約になっていたくぼみや小窓などをすべて廃したのがポイントである。

 ではTOTOはどのようにしてノイズレスデザインを実現したのだろうか。大きな鍵を握るのが、本題となるマイクロ波センシングである注1)。マイクロ波を使って人やモノの有無や動きを検出する技術だ。

注1) マイクロ波:周波数が300MHzから300GHzの範囲の電波を一般にマイクロ波と呼ぶ。センシングに使われるのは、10.525GHz帯または24.15GHz帯である。

「小窓」を何とかしたい

 マイクロ波センシングに関するTOTOの取り組みを紹介する前に、トイレにおけるセンシングの歴史を簡単に振り返ってみたい。

 トイレにセンサーが付けられたのは男性用の小便器が最初だ。水タンクを高いところに設けて一定時間ごとに流す旧来の方式では、用が足されていない便器を含めて一律に水を流すため、多くの無駄が発生する。そこで人感センサーを便器上部に設けて人が便器の前に立ったことを検出し、用を足して立ち去った時に、使用した便器のフラッシュバルブを自動的に開けて水を流すシステムが1970年代半ばから1980年代半ばにかけて開発され、駅、オフィスビル、商業施設などに導入された。

 小便器から遅れること10年以上、洋式トイレに人感センサーが搭載されるようになったのは1990年代のことだ。1992年にINAX(現LIXIL)が発売した「シャワートイレJ」が最初とされている。トイレに人が入ったことを検知して便ブタを自動で開閉する「便フタノンタッチ開閉」機能を実現するために人感センサーが使われた。こうした人感センサーには、赤外線を用いた測距センサーまたは焦電センサーが使われた。

 ただし、赤外線センサーにはいくつかの課題があった。その1つが「小窓」問題である。赤外線センサーは人が発する熱(体温)を赤外線受光素子で捉えて人の接近を検知するのがおおまかな原理だ。そのため、赤外線の受光部となる小窓を、便座本体もしくは周囲に必ず設けなければならない(図2)。この小窓はどうしても目立つため、意匠デザインを追求するうえでは好ましくない。また、くぼみなどに汚れがたまりやすいという問題や、公衆トイレなど不特定多数の人が利用するところでは、目に付くためいたずらをされるという懸念もあった。

図2 デザイン上の課題になっていた従来センサーの「小窓」
測距センサー用の黒窓(赤丸部分)が付いた2002年発売の「ネオレストEX」。(画像提供:TOTO)

 さらに、TOTOの設計者はもう1つの課題を感じていた。赤外線センサーでは人が便器の前に立っている時間は計測できるものの、尿量までは検知できないことだ。もし尿量が検知できれば、洗浄水量を最適に調整することで、無駄な水を減らせる。「節水」が実現できれば、商品の有力なセールスポイントになる。

陶器を通過するマイクロ波に注目

 これらの課題を解決するためにTOTOが着目したのがマイクロ波だった。マイクロ波は赤外線とは違って陶器を通過する性質があるため、便器に内蔵しても小窓が要らない。すなわち、デザインの自由度が上がり、くぼみなどをなくせるため汚れもたまらない。また、人がいるいないを検知する赤外線センサーに対して、マイクロ波センサーはドップラー効果注2)を使って動く物体を検知するため、人の動きまでも高精度に識別することができる。さらに、水分に対しても反応するため、尿をしている時間(≒尿量)も検出できる可能性も秘めていた。いわば便器に、高性能な小型レーダーを内蔵しようという発想だ。

注2)ドップラー効果:近づいてくる場合は反射波の周波数が高くなり、遠ざかっている場合は反射波の周波数が低くなる性質。救急車が通過する際にサイレンの音程が低くなる現象と同じ。対象のわずかな動きでも反射波の周波数スペクトルが微妙に変化するため、検知精度が高い。

 しかし、TOTOは1990年代にマイクロ波センシングを一度は検討するも、当時は法律(電波法)によって、民間での利用が制限されていたため、人感センサーには利用できなかった。このため開発を始めるには至らなかった。

 状況が変わったのは2001年のことだ。電波法改正によって「移動体検知センサー用特定小電力無線局」というカテゴリーで10.525GHz帯と24.15GHz帯がマイクロ波センシング用周波数として割り当てられた。さっそく同社は、公衆用小便器に実装するマイクロ波センサーの開発に着手する。

 GHzクラスの高周波回路にまつわる技術の蓄積がない同社は、技術者の育成をはじめ、開発や測定の環境を整えるところから始めた。なんとか10.525GHz帯のマイクロ波センサーを自社で開発し、これを組み込んだ業界初となるマイクロ波センサー内蔵の小便器を製品化したのは2005年2月のことだ。当初の目的のとおり、センシング用の小窓を削除。また、尿をしている時間が分かるようになったため、そのデータを尿量に置き換えることで、尿量に応じた洗浄水量の制御ができるようになった。これによって当時で最も節水が進んでいた従来モデルに対してさらに10%以上の節水に成功した(図3)。

図3 マイクロ波センサーを用いて人の接近だけではなく尿量を検出
尿量を基に洗浄水量の最適制御することで節水を実現。左の写真は10GHz帯のマイクロ波センサーを内蔵した壁掛け小便器「RESTROOM ITEM 01」。便器の上方にある丸い吐水部の裏側付近にセンサーが内蔵されている。(画像提供:TOTO)