JP5020453B2 - エネルギ消費低減型アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はラッチ式アクチュエータに関し、特にそれを制御するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動式の便器用及び小便器用フラッシャ（洗浄装置）のような、多くの自動式流れ制御装置において、特に厳しい設計条件は、システムの電力消費を可能な限り少なくすることである。その理由は場合場合によって異なるが、典型的な理由は、フラッシャの動作を自動化するために必要とされる回路その他の装置が、非常に多くの場合、後付けをベースとして提供されているからである。即ち、手動のフラッシャは自動式動作へと転換されつつある。後付けユニットが電池で動作可能か、或いはその他によって独立式とされたものでない限り、設置工程は非常に高価なものとなり、通常は必要な配線を行うために壁に穴を空けることが必要とされる。こうした費用は、自動式システムが電池で作動する場合には回避しうるが、しかし電池で作動するシステムが容認できるか否かは、電池の寿命に大きく依存している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電池の寿命の大きな決定要因は、弁の動作が消費するエネルギである。そのため後付け式のシステムはラッチ式の種類の弁、即ちそのアクチュエータが弁を開いたり閉じたりするのに電力を必要とするが、それを開いたまま又は閉じたままとするのに電力を必要としない弁を採用する傾向がある。こうしたアクチュエータを採用している弁を使用することにより、電池で作動するシステムを採用する実現性は大きく増大した。それでもなお、電池の寿命をさらに延ばすことができれば、こうしたシステムはより魅力的なものになる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明はこうした成果を、アクチュエータの電機子の駆動において通常生じている、エネルギの浪費を低減することによって達成する。本発明によって採用されている手法は、電機子がその行程の最後に到達した時点を判定することを含んでいる。本発明の側面の一つによれば、到達時点において、アクチュエータのコイルの駆動が終了する。これはエネルギ消費を大きく低減させることができる。なぜならそれによってコイルの駆動期間は、必ずしも最悪の場合の条件に合致するだけ十分に長いものとする必要はなくなるからである。このことは結果として、電池寿命の相当の増大をもたらしうる。
【０００５】
本発明の側面の別のものによれば、電機子が所定期間内にその行程の終わりに到達しない場合には、アクチュエータのコイルに印加される駆動が増大される。このことは、普通の場合により少ないコイル駆動を用いることを可能にする。というのは、コイルの駆動が必ずしも、例えば異物の堆積に由来して時折生じうる抵抗を克服するのに十分な大きさである必要はないからである。このコイル駆動の低減もまた、寿命に寄与することになる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下の本発明の説明は、添付図面を参照する。
【０００７】
図１は、ラッチ式アクチュエータを含む弁システム１０を断面で示している。アクチュエータは、アクチュエータハウジング１６内に設けられたボビン１４に巻かれたコイル１２を含んでいる。図示の位置において、ボビン１４上に設けられたラッチ用磁石１８は、後部磁極片２０を介して作用し、電機子の下端付近に形成されたショルダ２６に対して戻りバネ２４が及ぼしている力に抗して、電機子２２を上部位置に保持している。図１の位置において、電機子の底部にある弾性弁部材２８は、弁の入口３２の辺りに形成された弁座３０から離間している。従って流体は入口３２と環状のキャビティ３４を通って、弁の出口３６へと流れることができる。
【０００８】
この弁を閉じるには、端子３７及び３８を通じて印加される駆動電圧が、コイル１２を介して電流を駆動する。端子３８は導電性のハウジング１６とオーム接触しており、接触バネ３９が次いでこのハウジング１６を、コイル１２の一端に接続している。導線４０がコイル１２の他方の端部を端子３７に接続しており、また非導電性のブシュ４１が端子３７をハウジング１６から絶縁している。
【０００９】
駆動電圧の極性は、強磁性のハウジング１６、後部磁極片２０、及び前部磁極片４２によって主として案内される、生成される磁束が、永久磁石１８のそれに対抗するようになっている。これは電機子２２に対する磁石１８の保持を終わらせ、戻りバネ２４が弁座３０上へと、弁部材２８を押しやることを可能にする。かくして弁が閉じられると、戻りバネはコイルからのそれ以上の支援なしに、弁を閉じたままに保持する。電機子２２の磁石からの距離が増大したことにより、電機子２２に対する磁力は、戻りバネ２４の力よりも小さなものになる。
【００１０】
弁を開くには、コイルに対する駆動力が導線３７及び３８へと反対向きに加えられ、生成される磁束が永久磁石１８の磁束を強化して、戻りバネの力を克服するようにされる。従って電機子２２は図１の位置に復帰するが、ここでは永久磁石１８の力は、コイルからの支援なしに戻りバネ２４の力に抗して電機子２２を保持するのに十分なだけ大きい。
【００１１】
ラッチ弁が双安定性であるため、これを作動させる制御回路は通常、弁が所望の状態に到達した後に、電流の流れを遮断する。弁が所望の状態に到達するのに必要とする時間は大きく変動しうるため、従来の制御回路は電流通電期間を比較的長くし、それが最悪の場合の条件に適するようにしている。しかし、殆どのアクチュエータは最悪の状況の下で作動されるものではないから、コイルの駆動は通常、弁がその安定状態に到達した後も暫く継続する。これは電池のエネルギの浪費である。この浪費を低減させるために、本発明を採用するシステムは電機子を監視して、電機子がその終点に到達したか否かを判定し、そうなった場合にコイルに対する駆動の印加を停止する。この目的のために、図示の実施例は、電機子がその行程の何れかの端に到達した場合に生ずる音を利用する。
【００１２】
本発明者らはここで音という用語を、圧力又は歪み波という広い意味において使用する。また殆どの実施形態では、「音」の主たる周波数成分は通常、可聴範囲を越える。図示の実施例のセンサは圧電トランスデューサ４４であり、これはハウジング壁の振動に応答する。圧電要素４４の大きさと形状は通常、主たる周波数成分に対するその応答を最大化するように選ばれており、またこれは普通、検出すべき音が最大の振幅を有し、或いはノイズから最も区別可能となるような位置に設けられる。
【００１３】
端子４６は、接触バネ４８を介してトランスデューサ４４の電極の一つに対する電気的な連絡をもたらしており、ハウジングに固定されたプラスチック製のキャップ４９が、接触バネをその位置に保持している。トランスデューサ４４の他方の電極は、端子３８をコイルと共有することができるが、これはトランスデューサがハウジング１６に対し、ハウジングとその電極の間の導電性結合によって固定されているからである。
【００１４】
図２が示すように、この弁のための制御回路は、センサの増幅器及び包絡線検出器５０を含み、これはトランスデューサの出力を受信する。増幅器及び包絡線検出器５０は、予想される音の主たる（通常は超音波領域）周波数成分に同調された増幅器を含み、得られた濾波された信号を整流し、その結果を低域フィルタに通して、同調された増幅器出力の包絡線を表す出力を生成する。電機子２２が終点に到達してハウジングの振動を生じた場合、得られる包絡線の値は、比較器５２が印加する閾値を越える。図示の実施例では、音の振幅は弁が閉じる場合よりも弁が開く場合の方が高いから、マイクロコントローラ５４は比較器の閾値を設定して、弁が開く時のその値が、弁が閉じる時に有する値と異なるようにする。
【００１５】
マイクロコントローラ５４は、物体センサ５６によるトリガーに応じて、弁を作動させることができる。例えばそれは、ユーザがフラッシャのそばを離れたことをセンサが検出した場合に弁を開き、次いで弁が所定時間にわたって開いた場合に、弁を閉じるようにできる。弁を開くためには、マイクロコントローラは、弁駆動回路５８に印加されるＯＰＥＮ信号をセットする。これはこの回路に、弁を開くようにする方向において、アクチュエータ６０のコイルを介して電流を駆動させる。
【００１６】
電流が流れ始めると、比較器５２の出力は当初、増幅器５０の出力が閾値よりも低く、従ってこの増幅器が、電機子がその行程の終わりに到達したことに一致する大きさの音を受信していないことを示す。マイクロコントローラ５４は従って、ＯＰＥＮ信号がアサートされたままにする。しかし比較器５２の出力は、電機子２２がその行程の終わりに立てる音に応じて変化する。電機子２２がその点に達した場合、弁は電流の流れなしに開いたままとなる。マイクロコントローラはそこでそのＯＰＥＮ出力をデアサートし、それによって弁駆動回路５８がアクチュエータ６０のコイルに駆動電流を印加するのを停止させる。これによって得られる結果は通常、電流が流れる期間が、最悪の場合の条件の下で弁を開くのに必要とされる時間よりも大幅に短くなり、システムが相当のエネルギを節約する、というものである。
【００１７】
弁を閉じるには、マイクロコントローラ５４はそのＣＬＯＳＥ出力をアサートし、それによって弁駆動回路５８に、アクチュエータ６０を反対方向へと駆動させる。この場合にも、マイクロコントローラは電流の流れを、電機子がその行程の終わりに達したことを比較器５２が知らせるまで許容するだけである。
【００１８】
本発明は、駆動信号の長さだけでなく、その大きさをも制御するように使用することができる。通常の動作に十分なだけ高いコイル駆動レベルは、場合によっては不適切なものである。コイルの駆動レベルは、電機子が終点に到達していない場合に増大するようにさせることができる。コイルの駆動レベルを増大させる一つの方法は、電機子のコイルを介して放電されるコンデンサに対しての電圧を増大することである。
【００１９】
図２は弁駆動回路５８を、電池６２によって電力を供給されるものとして描いている。この弁駆動回路５８は通常、エネルギ蓄積コンデンサを含むが、電池６２はこれを、コイルＬ１とショットキーダイオードＤ１を通じて、動作の合間に充電させる。マイクロコントローラ５４がそのＯＰＥＮ又はＣＬＯＳＥ信号をアサートした場合、駆動回路はコンデンサを、アクチュエータ６０のコイルを通じて放電させる。普通は、コンデンサの充電電圧を決定するのは電池６２の電圧それ自体であり、これが次いでコイルの電流と、電機子の力とを決定することになる。
【００２０】
さて、異物の堆積といった要因があると、弁を開いたり閉じたりするのが普通よりも困難になることがある。しかし、電池の電圧が、こうしたより困難な状況に対処するのに十分高くセットされている場合には、通常は不必要な高いエネルギ消費が行われることになる。図示の実施例はそこで、電池の電圧レベルとして、通常の状況に対しては適切であるが、より困難な状況に対処するのには十分でないものを使用する。
【００２１】
従来と異なり、図示の実施例は、所定の最大電流期間内に電機子がその行程の終わりに到達しなかった場合に、コンデンサの電圧を増大させる。具体的には、この所定の最大電流期間に達した場合、マイクロコントローラ５４は弁駆動回路を一時的にターンオフし、限流抵抗器Ｒ１を介してトランジスタＱ１をパルス駆動する。各々のパルスの間、トランジスタはコイルＬ１を介して電池から電流を引き出す。しかしダイオードＤ１があるため、弁駆動回路のコンデンサを放電させることはない。各パルスの終わりに、トランジスタＱ１はターンオフし、コイルＬ１で得られた起電力は電流が継続して流れるようにし、それによってダイオードＤ１を介して駆動回路のコンデンサを充電するが、これはコンデンサ電池の電圧が電池６２の電圧を越える場合でも行われる。それゆえこれらのコンデンサは、電池を上回る電圧へと充電可能である。
【００２２】
適切なコンデンサ電圧を達成するために、比較器６４はコンデンサ電圧をマイクロコントローラ５４が設定したレベルと比較する。結果として比較器から生成される出力に応じ、コンデンサ電圧が閾値よりも小さければマイクロコントローラはパルスのデューティサイクルを増大させ、コンデンサ電圧が閾値を越える場合にはデューティサイクルを低減させる。この閾値は電池の電圧よりも高く設定されて、マイクロコントローラが弁駆動回路を再度ターンオンした場合に、電機子に加わる力がより大きく、弁を開いたり閉じたりする可能性が高くなるようにする。
【００２３】
図示の実施例は、本発明の教示を採用することのできる多くのものの単なる一例に過ぎない。例えば、本発明者らは音響センサ、特に超音波トランスデューサを用いることを好むが、これに代えて、電機子の行程の終わりを検出する他の方法を使用することもできる。また図示の実施例は、弁が開かれる場合と弁が閉じられる場合の両方についてコイル駆動期間を制御するが、幾つかの実施例ではこの期間を、開く間だけ、又は閉じる間だけ制御するようにしてもよい。また、弁以外の機構を作動するラッチ式アクチュエータシステムもまた、本発明の教示の利益を享受することができる。
【００２４】
さらにまた、本発明者らは電機子がその行程の終わりに達したか否かを判定するために、単純な振幅規準を用いたが、幾つかの用途については、他の規準が好ましいとされる場合もあろう。例えば音響信号をサンプリングして、電機子がその終点の一方に到達した場合に特有のものであることが判っている、記憶された波形と信号処理によって比較することができる。この記憶された信号は異なる終点について異ならせることができ、アクチュエータの２つの状態を相互に識別するために、こうした比較が価値あるものと考えられる状況もある。
【００２５】
本発明は従って、広い範囲の実施形態について採用可能であり、技術的に意義ある進歩を構成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧電トランスデューサが上に設けられたラッチ弁の断面図である。
【図２】 弁アクチュエータのための制御システムのブロック図である。

Claims (16)

1. Ａ）電機子と、第一の量のコイル駆動の印加によって電流を第一の通電方向に導通させる第一の駆動方向に作動可能であって、それによって前記電機子を第一の端位置へと駆動するコイルとを含む、アクチュエータと、
   Ｂ）前記電機子が前記第一の端位置に到達したことを検出し、それを示す検出出力を発生することによってこれに応答する終点検出器と、
   Ｃ）通常の第一方向駆動レベルにおいて前記第一の方向における前記コイルに対するコイル駆動の印加を開始し、その後前記検出出力が所定の第一の駆動期間内に前記電機子が前記第一の端位置に到達したことを示さない場合に、前記通常の第一方向駆動レベルよりも高い増大された第一方向駆動レベルにおいて前記第一の方向における前記コイルに対するより大きな第二の量のコイル駆動の印加を行うよう作動可能な制御回路と、及び
   Ｄ）電源を供給する電池と、通常の前記第一の量のコイル駆動が電源の節約を可能とし、それにより該電池の長寿命が可能となることからなり、
   前記コイルが電流を第二の通電方向に導通させる第二の駆動方向におけるコイル駆動の印加によって作動可能であって、それによって前記電機子を第二の端位置へと駆動し、
   前記終点検出器が、前記電機子が前記第二の端位置に到達したことに対し、それを示す検出出力を発生することによって応答し、及び
   前記制御回路が、通常の第二方向駆動レベルにおいて前記第二の駆動方向における前記コイルに対するコイル駆動の印加を開始し、その後前記検出出力が所定の第二の駆動期間内に前記電機子が前記第二の端位置に到達したことを示さない場合に、前記通常の第二方向駆動レベルよりも高い増大された第二方向駆動レベルにおいて前記第二の方向における前記コイルに対するコイル駆動の印加を行うよう作動可能であるアクチュエータシステム。
2. 前記第一の駆動期間と前記第二の駆動期間が同じである、請求項１のアクチュエータシステム。
3. 前記第一の駆動期間と前記第二の駆動期間が異なる、請求項１のアクチュエータシステム。
4. 前記アクチュエータが、ラッチ用磁石を含むラッチ式アクチュエータである、請求項１のアクチュエータシステム。
5. 流れ制御システム内の開状態と閉状態の間で弁の動作を制御するように配列されている、請求項１のアクチュエータシステム。
6. Ａ）電機子と、第一の量のコイル駆動の印加によって電流を第一の通電方向に導通させる第一の駆動方向に作動可能であって、それによって前記電機子を第一の端位置へと駆動するコイルとを含む、アクチュエータと、
   Ｂ）前記電機子が前記第一の端位置に到達したことを検出し、それを示す検出出力を発生することによってこれに応答する終点検出器と、
   Ｃ）通常の第一方向駆動レベルにおいて前記第一の方向における前記コイルに対するコイル駆動の印加を開始し、その後前記検出出力が所定の第一の駆動期間内に前記電機子が前記第一の端位置に到達したことを示さない場合に、前記通常の第一方向駆動レベルよりも高い増大された第一方向駆動レベルにおいて前記第一の方向における前記コイルに対するより大きな第二の量のコイル駆動の印加を行うよう作動可能な制御回路と、及び
   Ｄ）電源を供給する電池と、通常の前記第一の量のコイル駆動が電源の節約を可能とし、それにより該電池の長寿命が可能となることからなり、
   前記アクチュエータが、ラッチ用磁石を含むラッチ式アクチュエータであるアクチュエータシステム。
7. Ａ）電機子と、第一の量のコイル駆動の印加によって電流を第一の通電方向に導通させる第一の駆動方向に作動可能であって、それによって前記電機子を第一の端位置へと駆動するコイルとを含む、アクチュエータと、
   Ｂ）前記電機子が前記第一の端位置に到達したことを検出し、それを示す検出出力を発生することによってこれに応答する終点検出器と、
   Ｃ）通常の第一方向駆動レベルにおいて前記第一の方向における前記コイルに対するコイル駆動の印加を開始し、その後前記検出出力が所定の第一の駆動期間内に前記電機子が前記第一の端位置に到達したことを示さない場合に、前記通常の第一方向駆動レベルよりも高い増大された第一方向駆動レベルにおいて前記第一の方向における前記コイルに対するより大きな第二の量のコイル駆動の印加を行うよう作動可能な制御回路と、及び
   Ｄ）電源を供給する電池と、通常の前記第一の量のコイル駆動が電源の節約を可能とし、それにより該電池の長寿命が可能となることからなり、
   流れ制御システム内の開状態と閉状態の間で弁の動作を制御するように配列されており、
   物体センサ出力を生成する物体センサに結合され、前記制御回路が、当該物体センサ出力に依存している前記コイルに対するコイル駆動を印加するように構成されているアクチュエータシステム。
8. Ａ）電機子と、第一の量のコイル駆動の印加によって電流を第一の通電方向に導通させる第一の駆動方向に作動可能であって、それによって前記電機子を第一の端位置へと駆動するコイルとを含む、アクチュエータと、
   Ｂ）前記電機子が前記第一の端位置に到達したことを検出し、それを示す検出出力を発生することによってこれに応答する終点検出器と、
   Ｃ）通常の第一方向駆動レベルにおいて前記第一の方向における前記コイルに対するコイル駆動の印加を開始し、その後前記検出出力が所定の第一の駆動期間内に前記電機子が前記第一の端位置に到達したことを示さない場合に、前記通常の第一方向駆動レベルよりも高い増大された第一方向駆動レベルにおいて前記第一の方向における前記コイルに対するより大きな第二の量のコイル駆動の印加を行うよう作動可能な制御回路と、及び
   Ｄ）電源を供給する電池と、通常の前記第一の量のコイル駆動が電源の節約を可能とし、それにより該電池の長寿命が可能となることからなり、
   前記制御回路がマイクロコントローラを含み、
   前記マイクロコントローラからの信号を受容すると、前記コイル駆動をもたらすように構成されている弁駆動回路をさらに含み、
   前記弁駆動回路に電圧信号を供給するように構成され、コンデンサを含む電力制御回路と、
   前記マイクロコントローラによって設定された信号レベルに対して前記電圧信号のレベルを比較するように構成されている比較器とをさらに含むアクチュエータシステム。
9. 電機子と、第一の量のコイル駆動の印加によって電流を第一の通電方向に導通させる第一の駆動方向に作動可能であって、それによって前記電機子を第一の端位置へと駆動するコイルとを含むアクチュエータを制御するための方法であって、
   Ａ）前記第一の駆動方向において前記コイルに対してコイル駆動を印加し、
   Ｂ）前記電機子が前記第一の端位置に到達したか否かを判定し、及び、所定の第一の駆動期間内に前記電機子が前記第一の端位置に到達していない場合に、前記通常の第一方向駆動レベルよりも高い増大された第一方向駆動レベルで前記第一の方向において前記コイルに対しより大きな第二の量のコイル駆動の印加を行い、
   Ｃ）電池により電源を供給し、通常の前記第一の量のコイル駆動が電源の節約を可能とし、それにより該電池の長寿命が可能となることからなり、
   前記コイル駆動を第二の駆動方向で印加し、第二の通電方向で電流を導通させ、それによって前記電機子を第二の端位置に駆動し、
   終点検出器によって、前記電機子が前記第二の端位置に到達したことを検出し、それを示す検出出力を発生し、
   通常の第二方向駆動レベルにおいて前記第二の駆動方向における前記コイルに対するコイル駆動を印加し、その後前記検出出力が所定の第二の駆動期間内に前記電機子が前記第二の端位置に到達したことを示さない場合に、前記通常の第二方向駆動レベルよりも高い増大された第二方向駆動レベルにおいて前記第二の方向における前記コイルに対するコイル駆動を印加することを含む方法。
10. 前記第一の駆動期間と前記第二の駆動期間が異なる、請求項９の方法。
11. 前記第一の駆動期間と前記第二の駆動期間が同じである、請求項９の方法。
12. 前記所定の通常の第二方向駆動期間の後、前記増大された第二方向駆動レベルにおいて前記コイルを駆動する前に、前記第二の方向におけるコイル駆動の印加を停止することを含む、請求項９の方法。
13. 前記検出することが音波を検出することを含む、請求項９の方法。
14. 圧電トランスデューサにより音波を検出することを含む、請求項１３の方法。
15. 流れ制御システム内の開状態と閉状態の間で弁の動作を制御するための、請求項９から１３のいずれか１項の方法。
16. 物体センサからの物体センサ出力を受容し、その物体センサ出力に依存している前記コイルに対するコイル駆動を印加することを含む、請求項１５の方法。

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