以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係る第1の実施形態に従った自動水栓を用いた手洗器の一例を示す断面図である。本実施形態による手洗器は、ボール10の天板12に装着された水栓金具14と、天板12の下方に位置するバルブ装置としてのバルブユニット16と、壁面に固定された電池18とを備えている。
水栓金具14は、人体検知およびバルブユニット16の開閉等の制御を行う制御部としてのコントロールユニット30を備えている。コントロールユニット30は、回路基板31を介して水栓金具14に固定されている。回路基板31は、マイクロコンピュータ、LED(Light Emitting Diode)、フォトダイオード等の電子デバイスを実装している。LEDは、ボール10に向かって開口された窓28を介して周期的に赤外線を発し、フォトダイオードは、ボール10から反射した赤外線を検知する。
フォトダイオードが人体を検知したときには、バルブユニット16の弁体としてのダイヤフラムバルブ20は一次側流路22と二次側流路24との間を開き、吐水金具26から吐水する。フォトダイオードが人体を検知していないときには、ダイヤフラムバルブ20は一次側流路22と二次側流路24との間を閉じ、吐水金具26からの吐水を停止する。
図2は、ラッチング式のソレノイドバルブ23(以下、単にバルブ23ともいう)の構成の一例を示す断面図である。バルブ23は、ダイヤフラム弁20と、プランジャ40と、永久磁石50(以下、単に磁石50という)と、バネ52と、ソレノイドコイル54と、クリーニングピン45と、圧力室48とを備えている。
ダイヤフラム弁20は、一次側流路22と二次側流路24との間を開閉するように構成されている。プランジャ40は、ダイヤフラム弁20に設けられたパイロット穴47を開閉するように構成されている。
永久磁石50(以下、単に磁石50という)は、ダイヤフラム弁20を開状態にするためにプランジャ40を引き付ける。バネ52は、ダイヤフラム弁20を閉状態にするためにプランジャ40をダイヤフラム弁20へ向かって押し付ける。磁石50がプランジャ40を引き付ける力と、バネ52がプランジャ40を押す力とは、互いに斥力である。プランジャ40が磁石50に接近すると、磁石50による力がバネ52による力を勝り、ダイヤフラム弁20を開状態にする。一方、プランジャ40が磁石50から離れると、バネ52による力が磁石50による力を勝り、ダイヤフラム弁20を閉状態にする。
ソレノイドコイル54(以下、単にソレノイド54ともいう)は、図3に示すコントロールユニット30から電力供給を受けて磁力を発生し、バルブ23の開状態と閉状態とを切替えるためにプランジャ40を移動させる。
クリーニングピン45は、プランジャ40に固定されプランジャ40の動作に応じて、ダイヤフラム弁20に設けられたブリード穴46を開閉するように構成されている。圧力室48は、ブリード穴46を介して一次側流路22と連通し、かつ、パイロット穴47を介して二次側流路24と連通する。
図2に示すように、バルブ23の閉状態では、プランジャ40がパイロット穴47を塞いでいる。それとともに、プランジャ40は、ブリード穴46を介して一次側流路22と圧力室48との間を連通させるようにクリーニングピン45を位置づける。よって、圧力室48内の圧力が、ブリード穴46を介して一次側流路22の圧力とほぼ等しくなっている。水の供給側である一次側流路22の圧力は、二次流路24の圧力よりも高いので、ダイヤフラム弁20は、一次側流路22と二次流路24との圧力差によって二次流路24の開口部に押し付けられる。これにより、ダイヤフラム弁20は、一次側流路22と二次流路24との間を遮断する。
バルブ23の閉状態では、ソレノイド54に通電することなく、プランジャ40は、バネ52の弾性力によってパイロット穴47を塞いだ状態で固定される。よって、ダイヤフラム弁20は、一次側流路22と二次側流路24との圧力差により閉状態を維持する。
バルブ23を閉状態から開状態に切り替えるときには、コントロールユニット30がソレノイド54に通電することによって、プランジャ40を磁石50へ向かって移動させる。プランジャ40が磁石へ接近すると、磁石50がバネ52よりも強い力でプランジャ40を引き付ける。これにより、プランジャ40がパイロット穴47を開放する。パイロット穴47が開放されると、圧力室48から二次側流路24へ流体が流れ、圧力室48内の圧力が低下する。圧力室48内の圧力が低下すると、一次側流路22の圧力によって、ダイヤフラム弁20は、二次側流路24の開口部を開放し、一次側流路22と二次側流路24との間を連通させる。このように、バルブ23は開状態になる。
バルブ23の開状態では、プランジャ40は磁石50の磁力によってバネ52よりも強い力で磁石50に引き付けられている。よって、ソレノイド54に通電することなく、プランジャ40は、磁石50に接触した状態で固定されている。
バルブ23を開状態から閉状態に切り替えるときには、コントロールユニット30が、閉状態から開状態への切替え時とは逆方向にソレノイド54に通電することによって、プランジャ40をダイヤフラム弁20へ向かって移動させる。プランジャ40がパイロット穴47を塞ぐと、上述の通り、一次側流路22と二次側流路24との圧力差によりダイヤフラム弁20を閉状態にする。
図3は、コントロールユニット30の回路構成の一例を示す図である。コントロールユニット30は、マイコン101と、検出回路102と、ソレノイド通電回路105と、蓄電コンデンサ106と、昇圧回路107と、発電回路108と、充電電圧制限回路109と、制限抵抗114と、ソレノイドバルブ駆動コンデンサ115と、通電電流検出抵抗120とを備えている。
検出回路102は、水栓装置の使用者の人体を検出する。検出回路102は必ずしもセンサである必要はなく、水栓装置の制御条件となるものであれば、手動の操作スイッチやタイマなどでもよい。
ソレノイド通電回路105は、ソレノイド54に通電し、図2に示すプランジャ40を駆動する。ソレノイド54は、上述の通りバルブ23の開/閉状態の切替え時以外に電流を消費しないラッチング式のソレノイドである。ソレノイド通電回路105は、バルブ23の開/閉状態の切替えに応じて、ソレノイド54に流す電流の向きを切替えるHブリッジ回路である。例えば、バルブ23を閉状態から開状態へ切り替える際には、マイコン101はポートP01、P02、P03、P04からL、H、H、Lをそれぞれ出力し、矢印A1の向きに電流を流す。なお、“L”は論理ロウ、“H”は論理ハイを示す。一方、バルブ23を開状態から閉状態へ切り替える際には、マイコン101はポートP01、P02、P03、P04からH、L、L、Hをそれぞれ出力し、矢印A2の向きに電流を流す。尚、通常、ソレノイド通電回路105の通電電流は、マイコン101および検出回路102の消費電流よりも圧倒的に大きい。
発電部108は、水路に設けられた水力発電機でよい。発電部108で生成された電力は、充電電圧制限部109を介して蓄電コンデンサ106を充電する。電池18は、発電部108のバックアップとして機能する。充電電圧制限部109は、マイコン101等を保護するために、発電部108の出力電圧を所定電圧以下に制限している。
昇圧回路107は、マイコン101の制御を受けて、蓄電コンデンサ106の電圧VCを電源電圧VDDへ昇圧して出力する。電圧VDDは、検出回路102、マイコン101等に印加される電源電圧として用いられる。
ソレノイドバルブ駆動コンデンサ115は、昇圧回路107から出力された電荷を蓄積し、ソレノイド54の通電時にソレノイド通電回路105へ電流を供給する。VLSは、ソレノイドバルブ駆動コンデンサ115がソレノイド通電回路105へ供給する電圧である。
マイコン101は、昇圧前の電圧VCおよび供給電圧VLSに基づいて昇圧回路107およびソレノイド通電回路105のDUTYを制御する。DUTYは、単位時間に昇圧回路107またはソレノイド通電回路105を駆動させる時間の割合(駆動時間/(駆動時間+停止時間))を示す。DUTYを上げると、単位時間における昇圧回路107の出力電流、あるいは、単位時間におけるソレノイド54に流れる電流が多くなる。
電流検出抵抗120は、通電時にソレノイド54に流れるモニタ電流Imonを検出し、モニタ電流Imonを監視するために設けられている。マイコン101は、モニタ電流Imonを監視するために、ソレノイド54と電流検出抵抗120との間のノードNmonのモニタ電圧Vmonを監視する。ソレノイド54の抵抗値をRcとし、電流検出抵抗120の抵抗値をRrとすると、モニタ電流Imonは式1で表わされ、モニタ電圧Vmonは式2で表わされる。
VLS/(Rc+Rr) (式1)
Imon×Rr (式2)
尚、ソレノイド通電回路105のHブリッジのトランジスタ抵抗および配線抵抗は、RcおよびRrに比べて非常に小さいので考慮していない。抵抗値RcおよびRrはほぼ一定であるので、モニタ電圧Vmonは、モニタ電流Imonに比例すると考えてよい。従って、モニタ電圧Vmonを監視することは、モニタ電流Imonを監視することと等価である。
マイコン101は、AD(Analogue- Digital)変換部130と、比較部132と、記憶部134と、タイマ136とを備えている。AD変換部130は監視部であって、AD変換用ポートAD1から受信したモニタ電圧Vmonをデジタル値へ変換するように構成されている。これにより、モニタ電圧Vmonはマイコン101内で演算処理可能となる。以下、モニタ電圧Vmonは、デジタル変換後の電圧値として説明を進める。比較部132は、モニタ電圧Vmon等のパラメータを所定の閾値と比較するように構成されている。タイマ136は、クロックを計数するカウンタでよい。記憶部134は、モニタ電圧Vmon等のパラメータおよび閾値情報等を格納している。記憶部134は、ROM(Read Only Memory)またはRAM(Random Access Memory)でよい。記憶部134をRAMで構成した場合、閾値電圧および設定時間等の記憶部134に格納された情報は書き換え可能となる。
図4は、バルブ23の切替え時におけるモニタ電圧Vmonおよびプランジャ40への通電出力を示すグラフである。図4の上側にはモニタ電圧Vmonの経時変化を示し、その下側にはソレノイド54への通電出力を示す。
T0は、ソレノイド54への通電を開始する時点(以下、通電の始点)である。T10は、プランジャ40の移動開始時点である。T20は、ソレノイド54への通電を終了する時点(以下、通電の終点)である。なお、T20は、後述するようにプランジャ40の移動完了時点とほぼ同時、あるいは、その直後に設定することができる。△T10は、プランジャ40の移動開始時点T10から移動完了時点(即ち、通電の終点)T20までの移動時間である。
ソレノイド54への通電の終点をプランジャ40の移動完了時点とほぼ一致させ、あるいは、その直後に設定することができる理由は次の通りである。
通常、プランジャ40は、ソレノイド54に流れる電流(Imon)が或る閾値電流を超えたときに移動を開始する。プランジャ40の移動開始時にソレノイド54に流れる電流値を閾値電流I1とすると、閾値電流I1は、環境温度によらずほぼ一定である。即ち、プランジャ40の移動開始時にノードNmonの電圧を閾値電圧V1とすると、閾値電圧V1も、環境温度によらずほぼ一定である。従って、マイコン101は、モニタ電圧Vmonが所定の閾値電圧V1に達した時点T10をプランジャ40の移動開始時点と判断することができる。
また、プランジャ40の移動期間中において最も大きな電流を必要とする時点は、プランジャ40の移動開始時点である。その後、プランジャ40の移動を継続させるために必要最小限の電流がソレノイド54へ通電されている限り、プランジャ40は移動を継続することができる。従って、プランジャ40の移動開始後、プランジャ40の移動は、ソレノイド54への通電時間に依存する。
さらに、通常動作において、通電時間に対するモニタ電流Imonの変化量は、バルブ装置固有であり、バルブの開/閉を繰り返しても通電時間に対するモニタ電流Imonの変化量の傾向は同一である。従って、バルブ装置の構成が同じであれば、プランジャ40の移動時間△T10はほぼ一定であり、予め設定可能である。
このように、プランジャ40の移動開始時点T10はモニタ電圧Vmonから判断することができ、かつ、プランジャ40の移動時間△T10は予め設定可能であるので、プランジャ40の移動完了時点T20(T20=T10+△T10)も正確に把握することができる。即ち、通電の終点T20をプランジャ40の移動完了時点あるいはその直後に設定すれば、ソレノイド54への通電の終点をプランジャ40の移動完了時点とほぼ同時、あるいは、その直後に設定することができる。
尚、モニタ電流Imonおよびモニタ電圧Vmon自体は、昇圧回路107からの供給電圧VLSの変動およびソレノイド54の環境温度によって変動する。しかし、モニタ電圧Vmonの変化は、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1へ到達するまでの時間(T0〜T10)を変化させるだけであり、プランジャ40は、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達した時点T10で移動を開始することに変りはない。従って、供給電圧VLSおよび環境温度が変動しても、マイコン101は、プランジャ40の移動開始時点T10を正確に検出することができる。
以上のように、本実施形態によるバルブ装置は、プランジャ40の移動開始時点T10をモニタ電圧Vmon(モニタ電流Imon)によって検出し、その後、プランジャ40の移動完了時点T20を時点T10および設定時間△T10によって決定する。
図5は、第1の実施形態によるバルブ装置の全体的な動作を示すフロー図である。図5に示すメインルーチンは、人体が検出されたときに遅滞なく吐水を開始し、人体が検出されなくなったときに遅滞なく止水するように、周期的に繰り返し実行される。
まず、マイコン101が検出部102を駆動する(S100)。検出部102が人体を検知した場合(S110のYES)、マイコン101は止水中であるか否かを判定する。前回のルーチンで人体が検出され、既に吐水状態となっている場合(S120のNO)、バルブ23の切替えは不要であるので、スタートへ戻る。止水状態である場合(S120のYES)には、開通電処理を行う(S130)。開通電処理は、バルブ23を閉状態から開状態へ切替える処理である。これにより、吐水が開始される。止水中か否かの判定は次のように行う。マイコン101内のRAMが、ソレノイド54への通電に関与する出力ポートP01〜P04の履歴を記憶する。その履歴により、現在のバルブ23の開/閉状態が判明する。尚、記憶部134がRAMで構成されている場合、このRAMは、記憶部134でよい。勿論、このRAMは、記憶部134とは別個のメモリであってもよい。
検出部102が人体を検知しなかった場合(S110のNO)、マイコン101は吐水中であるか否かを判定する。前回のこのルーチンの処理において人体が検出されず、既に止水状態となっている場合(S140のNO)、バルブ23の切替えは不要であるので、スタートへ戻る。一方、吐水状態である場合(S140のYES)には、閉通電処理を行う(S150)。吐水中か否かの判定は、止水中か否かの判定と同様に行われる。閉通電処理は、バルブ23を開状態から閉状態へ切替える処理である。これにより、吐水が停止される。スタートへ戻ると、図5のルーチンが繰り返される。
図6は、図5に示す閉通電処理(S150)のフローを示す図である。図5のS150では、図6に示すサブルーチンが実行される。ステップS150の開始時点で、バルブ23は開状態である。まず、コントロールユニット30はソレノイド54への通電を開始する(S160)。この通電開始時は、図4の時点T0に該当する。このとき、マイコン101は、ポートP02、P04に接続されたトランジスタをオン状態に切り替え、ポートP01、P03に接続されたトランジスタをオフ状態に維持する。
マイコン101内の比較部132は、AD変換部130からモニタ電圧Vmonを受け取り、記憶部134から閾値電圧V1を受け取り、これらを比較する。モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1よりも低い場合(S170のNO)、比較部132は、モニタ電圧Vmonと閾値電圧V1との比較を継続する。モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1以上になった場合(S170のYES)、比較部132は、タイマ136を駆動させる駆動信号を出力する。
タイマ136は、比較部132から駆動信号を受け取り、計時を開始する(S180)。計時の開始時は、図4の時点T10に該当する。比較部132は、時点T10から現時点までの計測時間tと記憶部134から受け取った設定時間△T10とを比較する。計測時間tが設定時間△T10に満たない場合(S190のNO)、タイマ136は計時を継続する。計測時間tが設定時間△T10を経過した場合(S190のYES)、比較部132は、ソレノイド54への通電を停止させる停止信号を出力する。コントロールユニット30は停止信号に基づいてソレノイド54への通電動作を停止する(S195)。即ち、ポートP01〜P04に接続されたトランジスタを全てオフ状態にする。この通電停止時点は、図4のプランジャ40の移動完了時点T20に該当する。以上により、ステップS150の閉通電処理のサブルーチンが終了する。
開通電処理S130は、閉通電処理S150におけるソレノイド54への通電方向を逆にすればよい。開通電処理S130の設定時間△T10および閾値電圧V1が閉通電処理S150のそれらと異なっている場合には、開通電処理S130および閉通電処理S150のそれぞれについて、設定時間△T10および各閾値電圧V1を予め記憶部134に格納しておけばよい。そして、開通電処理S130では、比較部132およびタイマ136は、開通電処理S130用の閾値電圧V1および設定時間△T10を用いる。各開通電処理S130のその他のステップは、閉通電処理S150のステップと基本的に同様である。
以上のように、第1の実施形態によるコントロールユニット30は、モニタ電圧Vmonおよび閾値電圧V1に基づいてプランジャ40の移動開始時点T10を判断し、プランジャ40の移動開始時点T10および移動時間△T10からソレノイド54への通電の終点T20を決定している。プランジャ40の移動開始時点のモニタ電圧を示す閾値電圧V1およびプランジャ40の移動時間△T10は、上述の通り、装置固有の定数であり、予め設定可能である。このため、通電の終点T20は、プランジャ40の移動完了時点とほぼ同時、あるいは、その直後に設定することができる。これにより、本実施形態によるバルブ装置は、プランジャ40の移動完了後の無駄な通電時間を可及的に短くし、ソレノイド54における無駄な消費電力を削減することができる。
尚、上記実施形態では、開通電処理S130および閉通電処理S150の両方において、同様の手法で通電の終点を決定していた。しかし、開通電処理S130には、特許文献1に記載されたボトム検知を適用してもよい。その理由は以下の通りである。開通電処理S130では、プランジャ40は磁石50に当たった瞬間に停止するが、閉通電処理S150では、プランジャ40はダイヤフラム弁20を押しながら比較的緩やかに移動を完了する。従って、開通電処理S130では、ソレノイド54に流れる電流の変曲点(ボトム)が明確に現れ易いが、閉通電処理S150では、ソレノイド54に流れる電流のボトムが不明確になる場合がある。このため、閉通電処理S150に特許文献1のボトム検知を適用した場合には、通電を時間で制御する機会が多くなる。特許文献1では、通電時間は、プランジャ40の移動完了時点よりも充分後に設定されている。従って、閉通電処理S150では消費電力が大きくなってしまう。一方、開通電処理S130ではボトムが明確に現れるので、消費電力の無駄は小さい。従って、閉通電処理S150に本実施形態を適用し、開通電処理S130に特許文献1のボトム検知を適用しても、本実施形態の効果を充分に発揮することができる。
第1の実施形態では、通電時間に対するモニタ電流Imonの変化量は、バルブ装置ごとに同一であるものとした。もし、通電時間に対するモニタ電流Imonの変化量が変化する場合には、後述の第4の実施形態のようにモニタ電流Imonを積算した電気量Qmonを用いてソレノイド54への通電時間を決定する手法、あるいは、第5の実施形態のように通電開始時点からプランジャ40の移動開始時点までの初期時間△Tiを用いてプランジャ40の移動時間を設定する手法を採用すればよい。
(第2の実施形態)
図7は、本発明に係る第2の実施形態に従ったコントロールユニット30に設けられた定電流制御部200の回路構成を示す図である。第2の実施形態によるバルブ装置は、定電流制御部200を含む点で第1の実施形態と異なる。第2の実施形態のその他の構成は、対応する第1の実施形態の構成と同様でよい。
定電流制御部200は、ノードNmonと電流検出抵抗120との間に接続されており、ソレノイド54および電流検出抵抗120に定電流を流すように機能する。電流検出抵抗120と定電流制御部200との間のノードをNeとし、ノードNeの電圧をVeとする。電圧VeがVrefよりも低い場合、増幅器AMP1は、トランジスタTr200をオンにし、電圧Veを上昇させる。電圧VeがVrefよりも高い場合、増幅器AMPは、トランジスタTr200をオフにし、電圧Veを低下させる。従って、増幅器AMPは、電圧Veが参照電位Vrefにほぼ等しくなるようにトランジスタTr200を制御する。電圧Veが参照電圧Vrefに等しくなったときのモニタ電流Imonは、式3で表わされる。
Vref/Rr (式3)
Vref/Rrは一定値であるので、モニタ電流Imonは定電流値(Vref/Rr)に維持されるように制御される。
図8は、第2の実施形態によるバルブ23の切替え時におけるモニタ電圧Vmonおよびプランジャ40への通電出力を示すグラフである。第2の実施形態では、定電流値(Vref/Rr)は、閾値電流I1に等しくなるように設定され、モニタ電流Imonは閾値電流I1に等しくなるように制御される。つまり、閾値電流I1は、参照電圧Vrefまたは電流検出抵抗120の抵抗値Rrを調節することによって設定される。モニタ電流Imonを閾値電圧I1に等しくすることは、モニタ電圧Vmonを閾値電圧V1に等しくすることと同じである。従って、モニタ電圧Vmonは、図8に示すように、閾値電圧V1に等しくなるよう制御される。
例えば、時点T0において、ソレノイド54への通電が開始される。時点T11において、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達すると、プランジャ40は移動を開始する。時点T11からT21において、定電流制御部200によってモニタ電流Imonは閾値電流I1に維持されるため、モニタ電圧Vmonも閾値電圧V1に維持される。
その後、時点T21においてソレノイド54への通電を終了する。尚、通電の終点T21の設定手法は、第1の実施形態における通電の終点T20の設定手法と同様である。また、第2の実施形態のその他の動作は、図5および図6を参照して説明した第1の実施形態の動作と同様である。尚、図6のステップS190の括弧で示すように、計測時間tは設定時間△T11と比較される。
上述の通り、プランジャ40の移動期間中において最も大きな電流を必要とする時点は、プランジャ40の移動開始時点であるので、閾値電流I1を超える電流は無駄な消費電流である。従って、第2の実施形態によるバルブ装置は、定電流制御部200を用いて電流Imonを閾値電流I1以下に制限することによって、無駄な消費電流をさらに削減しつつ、プランジャ40を確実に移動完了させることがきる。さらに、第2の実施形態は、上述した第1の実施形態の効果も得ることができる。
(第3の実施形態)
図9は、本発明に係る第3の実施形態によるバルブ23の切替え時におけるモニタ電圧Vmonおよびプランジャ40への通電出力を示すグラフである。第3の実施形態によるバルブ装置の基本的構成は、図1から図3に示すバルブ装置の構成と同様でよい。
第3の実施形態では、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達した後、モニタ電圧Vmonを閾値電圧V1に維持するために、ソレノイド54への通電をDUTY制御する。
例えば、時点T0において、ソレノイド54への通電が開始される。時点T12において、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達すると、プランジャ40は移動を開始する。時点T12からT22において、図3に示すマイコン101は、ソレノイド54への通電の停止と開始とを繰り返す。これにより、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に維持される。即ち、モニタ電流Imonが閾値電流I1に維持される。
その後、時点T22において、ソレノイド54への通電を終了する。通電の終点T22の設定手法は、第1の実施形態における通電の終点T20の設定手法と同様である。また、第3の実施形態のその他の動作は、図5および図6を参照して説明した第1の実施形態の動作と同様である。
図10は、第3の実施形態の閉通電処理(S150)のフローを示す図である。尚、第3の実施形態によるバルブ装置の動作を示すメインルーチンは、図5に示すものと同様である。
ステップS150のスタートからステップS380までの動作は、図6に示すステップS150のスタートからステップS180までの動作と同様である。
ステップS380の後、マイコン101がポートP01〜P04に接続されたトランジスタを全てオフ状態にする(S382)。これにより、ソレノイド54への通電が停止する。マイコン101は、この通電停止状態を、例えば、5μs間維持する(S384)。その後、マイコン101は、再度、通電を開始する(S386)。このとき、ソレノイド54への通電方向は、ステップS360におけるそれと同じである。さらに、マイコン101は、この通電状態を、例えば、5μs間維持する(S388)。ここで、ステップS384およびS388における通電停止状態あるいは通電状態の維持時間は、予め設定されおり、記憶部134に格納されている。タイマ136は、ステップS380における計時とは別に、通電停止状態あるいは通電状態にエンターしてからの時間を計測する。マイコン101は、タイマ136の計測時間が記憶部134に格納された所定の維持時間(例えば、5μs)に達したときに、ソレノイド通電回路105を通電停止状態から通電状態へあるいは通電状態から通電停止状態へ切替える。
ステップS382〜S388は、計測時間tが設定時間△T12に達するまで繰り返される。計測時間tが設定時間△T12に達した場合(S390のYES)、マイコン101は、ソレノイド54への通電動作を停止する(S395)。ステップS395の動作は、図6のステップS195の動作と同様である。この通電停止時点は、プランジャ40の移動完了時点T22に該当する。以上により、ステップS150の閉通電処理のサブルーチンが終了する。
また、図10のフローでは通電停止状態あるいは通電状態の維持時間は予め設定された時間であったが、この時間を可変にすることも可能である。例えば、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1未満のときは通電状態にし、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1以上のときは通電停止状態とすることで、モニタ電圧Vmonを閾値電圧V1に維持することができる。この処理は、ステップS382〜S388の代わりに実行すればよい。
このように、第3の実施形態では、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達した後、コントロールユニット30は、ソレノイド54への通電の停止と開始とを繰り返すことによってモニタ電圧Vmonを閾値電圧V1に維持する。これにより、バルブ装置は、定電流制御部200を設けることなく、モニタ電流Imonを閾値電流I1以下に制限することができる。その結果、第3の実施形態は、第2の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、コントロールユニット30の回路規模の増大を抑制することができる。
(第4の実施形態)
図11は、本発明に係る第4の実施形態に従ったコントロールユニット30に設けられた電気量積算部400の回路構成を示す図である。第4の実施形態によるバルブ装置は、電気量積算部400を含む点で第1の実施形態と異なる。第4の実施形態のその他の構成は、対応する第1の実施形態の構成と同様でよい。
電気量積算部400は、増幅器AMP10、AMP20と、トランジスタTr400と、抵抗74と、コンデンサ75とを含む。電気量積算部400は、モニタ電圧Vmonを、増幅器AMP20とトランジスタTr400 と抵抗74とで電流に変換し、その変換電流を、増幅器AMP10とコンデンサ75と抵抗74とで積分する。電気量積算部400は、電流Imonを積分した電気量Qmonをマイコン101のAD変換用ポートAD2に出力する。AD変換部130は、モニタ電圧Vmonとは別に、電気量QmonをAD変換する。これにより、電気量Qmonはマイコン101内で演算処理可能となる。以下、電気量Qmonは、デジタル変換後の電気量として説明を進める。
図12は、第4の実施形態によるバルブ23の切替え時におけるモニタ電圧Vmon、プランジャ40への通電出力および電気量Qmonを示すグラフである。第4の実施形態によるバルブ装置は、閾値電圧V1およびプランジャ40の移動時間△T13だけでなく、閾値電気量Q1も用いて通電の終点を決定する。
通常、プランジャ40の移動速度はソレノイド54に流れる電流Imonを大きくすると加速される。従って、プランジャ40の移動時間△T13内において、プランジャ40の移動開始後から積分された電気量Qmonが所定の閾値電気量Q1に達した時点で通電を停止したとしても、プランジャ40は移動速度が速いために通常よりも短い時間で移動完了することができる。閾値電気量Q1は、各バルブ装置固有のパラメータであるので、予め設定することができる。尚、閾値電気量Q1は、図12の斜線部分の面積で表わすことができる。従って、T13、T23およびVmonのラインで囲まれた部分の面積が所定の面積以上になった場合に、コントロールユニット30は、通電を停止すればよい。
例えば、時点T0において、ソレノイド54への通電が開始される。時点T13において、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達すると、プランジャ40は移動を開始する。それと同時に、電気量積算部400がモニタ電流Imonの積分を開始する。時点T23において、電気量Qmonが閾値電気量Q1に達すると、プランジャ40の移動時間△T13が経過していなくても、コントロールユニット30は、ソレノイド54への通電を終了する。
図13は、第4の実施形態の閉通電処理(S150)のフローを示す図である。尚、第4の実施形態によるバルブ装置の動作を示すメインルーチンは、図5に示すものと同様である。
ステップS150のスタートからステップS480のうち計時開始の動作は、図6に示すステップS150のスタートからステップS180の動作と同様である。ステップS480において、タイマ136が計時を開始するとともに、電気量積算部400がモニタ電流Imonの積分を開始する。
次に、マイコン101内の比較部132は、電気量積算部400からの電気量Qmonと閾値電気量Q1とを比較する(S485)。ステップS485は、タイマ136の計測時間tが設定時間△T13に達するまで周期的に繰り返される。
計測時間tが設定時間△T13に達する前に、電気量Qmonが閾値電気量Q1に達した場合(S485のYES)、コントロールユニット30は、ソレノイド54への通電動作を停止する(S495)。ステップS495の通電停止動作は、図6のステップS195の通電停止動作と同様である。この通電停止時点は、図12の時点T23に該当する。
電気量Qmonが閾値電気量Q1に達する前に、計測時間tが設定時間△T13に達した場合(S490のYES)、コントロールユニット30は、ソレノイド54への通電動作を停止する(S495)。この通電停止時点は、図12の時点T33に該当する。以上により、ステップS150の閉通電処理のサブルーチンが終了する。
このように、第4の実施形態では、プランジャ40の移動開始時点T13とプランジャの移動完了時点T33との間のいずれかの時点において電気量Qmonが閾値電気量Q1に達した場合、プランジャの移動完了時点T33まで通電を継続することなく、ソレノイド54への通電を終了する。従って、第4の実施形態は、無駄な消費電流をさらに削減しつつ、プランジャ40の移動を完了させることがきる。
さらに、電気量Qmonが閾値電気量Q1に達する前に、プランジャの移動完了時点T33に達したとしても、ソレノイド54への通電を終了する。従って、第4の実施形態は、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第5の実施形態)
図14は、本発明に係る第5の実施形態に従ったバルブ23の切替え時におけるモニタ電圧Vmonおよびプランジャ40への通電出力を示すグラフである。第5の実施形態によるバルブ装置の基本的構成は、図1から図3に示すバルブ装置の構成と同様でよい。
第5の実施形態によるバルブ装置は、通電開始時点T0からプランジャ40の移動開始時点T14までの初期時間△Tiに基づいてプランジャ40の移動時間△T14を決定する。
例えば、時間△Tiが短い場合、単位時間辺りのモニタ電流Imonの増加量が大きい。この場合、プランジャ40の移動中(T14〜T24)において、モニタ電流Imonが短時間で大きくなるため、プランジャ40の移動速度が速くなる。即ち、時間△Tiが短いと、プランジャ40の移動時間△T14が短くなる。従って、第5の実施形態では、時間△Tiの長さによって、プランジャ40の移動時間△T14を変更する。時間△Tiの長さによって、通電の終点を変更すると換言してもよい。
図15は、第5の実施形態の閉通電処理(S150)のフローを示す図である。尚、第5の実施形態によるバルブ装置の動作を示すメインルーチンは、図5に示すものと同様である。
まず、コントロールユニット30はソレノイド54への通電を開始する(S560)。これと同時に、タイマ136が計時を開始する。次に、比較部132がモニタ電圧Vmonを閾値電圧V1と比較する(S570)。モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1よりも低い場合(S570のNO)、比較部132は、モニタ電圧Vmonと閾値電圧V1との比較を継続する。タイマ136も計時を継続する。このとき、時間△Tiはまだ判明していない。モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1以上になった場合(S570のYES)、タイマ136が計時を停止する(S571)。このとき、プランジャ40の移動開始時点T14が決まるので、時間△Tiが判明する。
そして、比較部132は、時間△Tiと所定の閾値時間△Tαとを比較する(S572)。閾値時間△Tαは、予め設定された時間であり、記憶部134に格納しておく。時間△Tiが閾値時間△Tα以上の場合(S572のYES)、プランジャ40の移動速度が遅いと判断できるので、設定時間△T14を長く設定する(S574)。例えば、設定時間△T14は、2msに設定される。一方、時間△Tiが閾値時間△Tαより小さい場合(S572のNO)、プランジャ40の移動速度が速いと判断できるので、設定時間△T14を短く設定する(S576)。例えば、設定時間△T14は、1msに設定される。
プランジャ40の移動開始と同時にタイマ136が計時を開始する(S580)。ステップS580〜S595の動作は、図6のステップS180〜S195の動作と同様である。ただし、ステップS590における設定時間△T14は、ステップS574またはS576のいずれかで設定された時間である。
このように、第5の実施形態によるバルブ装置は、通電開始時点T0からプランジャ40の移動開始時点T14までの時間△Tiに基づいてプランジャ40の移動時間△T14を決定する。これにより、プランジャ40の移動速度に応じた移動時間△T14を設定することができるので、無駄な消費電力を削減しつつ、プランジャ40の移動を確実に完了させることがきる。
第5の実施形態では、プランジャ40の移動時間△T14は2段階に設定される。しかし、プランジャ40の移動時間△T14は、3段階以上に設定されてもよい。この場合、ステップS572において、時間△Tiと比較する閾値時間は、複数設定される。これにより、プランジャ40の移動時間△T14を細かく設定できるので、さらに、無駄な消費電力を削減することがきる。
さらに、マイコン101がプランジャ40の移動開始時点T14におけるモニタ電圧Vmonの傾き(dVmon/dT)を演算し、モニタ電圧Vmonの傾きに基づいてプランジャ40の移動時間△T14を設定してもよい。例えば、モニタ電圧Vmonの描く曲線の傾きに反比例するように、プランジャ40の移動時間△T14を設定してもよい。これにより、プランジャ40の移動時間△T14を任意に設定できるので、さらに、無駄な消費電力を省くことができる。
第5の実施形態は、第4の実施形態と組み合わせることができる。この場合、時点T24よりも前に電気量Qmonが閾値電気量Q1に達した場合、電気量Qmonが閾値電気量Q1に達した時点で通電を終了する。これにより、第5の実施形態は、第4の実施形態の効果をも得ることができる。
(第6の実施形態)
図16は、本発明に係る第6の実施形態に従ったバルブ23の切替え時におけるモニタ電圧Vmonおよびプランジャ40への通電出力を示すグラフである。第6の実施形態によるバルブ装置の基本的構成は、図1から図3に示すバルブ装置の構成と同様でよい。
第6の実施形態によるバルブ装置は、予め設定された第1の閾値時間△Tβおよび第2の閾値時間△T20に基づいてショート故障またはオープン故障を検出する。第1の閾値時間△Tβは、通電開始時点T0からプランジャ40の移動開始までの時間の下限を示す。第2の閾値時間△T20は、通電開始時点T0からプランジャ40の移動開始までの時間の上限を示す。
例えば、図16に示すように、ソレノイド54への通電開始時点T0からモニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達する時点T10までの時間△Tiが第1の閾値時間△Tβ未満である場合、ショート故障が生じていると判断する。この場合、コントロールユニット30は、通電開始後、時間△Tiの経過時点で通電を停止する。
一方、通電開始後、第2の閾値時間△T20が経過しても、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達しない場合、オープン故障が生じていると判断する。この場合、コントロールユニット30は、通電開始後、第2の閾値時間△T20の経過時点で通電を停止する。
これにより、モニタ電圧Vmonが非常に短い時間で閾値電圧V1に達した場合、コントロールユニット30またはソレノイド54においてショート故障が生じていると判断できる。逆に、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1に達するまでに非常に長い時間がかかる場合、コントロールユニット30またはソレノイド54においてオープン故障が生じていると判断できる。
図17は、第6の実施形態の閉通電処理(S150)のフローを示す図である。尚、第6の実施形態によるバルブ装置の動作を示すメインルーチンは、図5に示すものと同様である。
まず、コントロールユニット30はソレノイド54への通電を開始する(S660)。これと同時に、タイマ136が計時を開始する。次に、比較部132がモニタ電圧Vmonを閾値電圧V1と比較する(S670)。モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1よりも低い場合(S670のNO)、比較部132は、さらに、タイマ136における通電開始からの計測時間tiと第2の閾値時間△T20とを比較する(S672)。
計測時間tiが第2の閾値時間△T20以上になった場合(S672のYES)、バルブ装置がオープン故障であることをユーザに通知する(S674)。ユーザへの通知は、例えば、図3の検知部102のLEDを点滅させることで実行できる。
一方、計測時間tiが第2の閾値時間△T20以上になる前に、ステップS670において、モニタ電圧Vmonが閾値電圧V1以上になった場合(S670のYES)、タイマ136が計時を停止する(S675)。これにより、時間△Tiが判明する。比較部132は、さらに、タイマ136における計測時間△Tiと第1の閾値時間△Tβとを比較する(S676)。
計測時間△Tiが第1の閾値時間△Tβ未満である場合(S676のNO)、バルブ装置がショート故障であることをユーザに通知する(S678)。ユーザへの通知は、例えば、図3の検知部102のLEDを点灯させればよい。一方、計測時間△Tiが第1の閾値時間△Tβ以上である場合(S676のYES)、バルブ装置にショート故障およびオープン故障が生じていないと判断して、タイマ136がさらに計時を開始する(S680)。その後のステップS580〜S595の動作は、図6のステップS180〜S195の動作と同様である。
このように、第6の実施形態によるバルブ装置は、通電開始時点T0からまでの時間△Tiまたはtiに基づいてショート故障およびオープン故障を検出することができる。
第6の実施形態は、第1から第5の実施形態のいずれかと組み合わせることができる。この場合、第1から第5の実施形態のいずれかの実施形態において、記憶部134が閾値時間Tβおよび△T20を予め格納し、タイマ136が通電開始からの時間tiを計測する。比較部132は時間△Tiと△Tβとの比較および時間tiと△T20との比較を実行すればよい。これにより、第6の実施形態は、第1から第5の実施形態のいずれかの効果をも得ることができる。