JP5999456B2 - １つのセルで作動し且つバッテリバンキング機能を備えるタッチフリーのディスペンサ - Google Patents

Description

関連出願

本出願は２０１１年７月１日に出願された米国特許出願第１３／１７５，０２７号の優先権を主張し、当該米国出願の内容は本出願に組み込まれたものとする。

本発明は、概して、電動でタッチフリーの流体ディスペンサに関する。本発明は、特に、１つのバッテリ（セル、電池）を別のバッテリ（セル、電池）に切り替える前に、当該１つのバッテリを完全に使い切る（使い尽くす）ことができるバッテリバンキング（battery banking）機能を提供するものである。より詳しくは、本発明は、バッテリ駆動されるタッチフリーの流体ディスペンサであって、コントローラに基づくシステムを動作するスーパーキャパシタ（supercapacitor；超コンデンサ）を使用する流体ディスペンサに関し、前記システムは前記バッテリが完全に使い尽くされるまで安定した電力を前記ディスペンサに提供し、前記バッテリが完全に使い尽くされたならば、前記コントローラは別のバッテリへの切り替えを行う。

ハンドフリー（タッチフリーと称されることもある）のディスペンサは当該技術分野では周知である。多くのディスペンサはバッテリから電力供給されるので、電源設備（配線）に接続することなく殆んど任意の場所に置くことができる。勿論、バッテリ（セル、電池と称されることもある）は時間が経過するにつれて消耗するので、バッテリは交換する必要がある。もしバッテリが適切なタイミングで交換されないと、ディスペンサは動作しなくなる。この課題を解決する１つの手法は、バッテリを所定のスケジュールで交換することである。しかしながら、この手法は無駄が大きい（不経済である）と考えられる。なぜなら、交換されたバッテリの全寿命が使用されていないからである。

代替解決策は、ディスペンサ用のバッテリバックアップシステムを設けることである。このような構成では、最初に使用されたバッテリが完全に若しくは部分的に放電されると、ディスペンサは第２の充電されたバッテリに切り替える。これは改善ではあるが、寿命の最終段階におけるバッテリの使用には課題がある。即ち、ほとんど使い尽されたバッテリにより提供される電力レベルは、流体材料を投与・放出する際に使用されるディスペンシング（投与・放出）システム、モータ及び／またはポンプを完全に作動するのに十分ではないことがあり得る。従って、思ったよりも長い時間作動できる投与・放出サイクルがあるかも知れないし、投与・放出サイクルが間欠的になってしまう可能性もある。複数のバッテリを使用する他の課題は、当該複数のバッテリを直列に接続しなければならないことである。よって、ディスペンサに付随しているコントローラは、装置を駆動するために最も高い電圧値のバッテリを選択する。この構成では、当該バッテリ同士が同じタイプのものでなければならないという課題がある。１組のバッテリを直列に接続すると、当該１組のバッテリの性能は最も弱いセルにより限定（制限）される。従って、異なるタイプのバッテリを（直列に）組み合わせると、故障・不具合の原因となり得る。複数のバッテリのうちの１つのバッテリが放電すると、当該１つのバッテリは反対の極で充電を開始してしまい、これがバッテリの故障を引き起こすことなり、ディスペンサさえも壊してしまう可能性がある。従来、直列接続構成で異なるバッテリタイプを使用しようとすると、難しくて複雑な回路となってしまう。従って、別のバッテリに切り替える前に１つのバッテリを完全に使い尽くすことができるバッテリバックアップシステムを備えたハンドフリー即ちタッチフリーのディスペンサが望まれている。また、残余の充電値（量）に関係なく、確実に動作サイクルを完全に遂行させたいという要望もある。さらに、異なるタイプのバッテリをディスペンサで使用できるようにしたいという要望もある。加えて、どのバッテリが完全に使い尽くされたのかを示し、当該バッテリを交換できるようにしたいという要望も当該技術分野にはある。

前記事情に鑑み、本発明の第１のアスペクト（態様、目的）は、１つのセルで作動し且つバッテリバンキング機能を備えるタッチフリーのディスペンサを提供することである。

本発明の他のアスペクトは、少なくとも１つの電動コンポーネントと、少なくとも２つのセルを有する電源と、前記少なくとも１つの電動コンポーネント及び前記電源に接続された制御回路と、を備える電動装置を提供することである。前記少なくとも２つのセルのうちの少なくとも１つのセルは前記電動コンポーネントに電力供給し、残りのセルは予備のために保持しておく。前記制御回路は、充電信号を生成するコントローラと、前記コントローラに接続されたブーストレギュレータ回路と、前記コントローラに接続されて前記充電信号を前記コントローラから受信するキャパシタとを有する。前記ブーストレギュレータ回路は前記電源から電力を受け取る。さらに、前記ブーストレギュレータ回路は、前記コントローラによって受信されて前記充電信号に変換されるブースト信号を生成する。前記キャパシタは所定の電圧を前記電動コンポーネントに提供し、前記ブーストレギュレータ回路及び前記コントローラは前記電源をモニタリングし、前記１つのセルが完全に使い尽くされたとき、前記予備のために保持されている残りのセルの少なくとも１つのセルから電力を引き出す。

本発明の前記目的、課題解決手段及び構成を完全に理解するために、下記の発明の詳細な説明（発明を実施するための最良の形態）及び添付図面を参照する。

図１は本発明の技術思想に基づいて作られたディスペンサの概略図であり、ディスペンサのカバーが仮想線で示されて、ディスペンサの内部コンポーネントが見えるようになっている。

図２は本発明の技術思想に基づくディスペンサにより使用される制御回路の電気的な概略図である。

添付図面（特に図１）を参照すると、本発明の技術思想に基づいて作られたタッチフリーのディスペンサの全体が符号１０で示されている。本発明の技術思想はタッチフリー（即ち、ハンドフリー）のディスペンサに関するものであるが、当業者であれば、バッテリ駆動される任意の装置においても、または従来の商用電源以外の電源からの電力を使用して少なくとも１つの電気コンポーネントに電力供給する任意の装置においても本発明が使用可能であることが理解できるであろう。いずれの場合も、ディスペンサ１０はカバーまたはドア１３を提供するハウジング１２を備える。ドア１３が開くと、作業者は詰め替えコンテナ（詰め替え容器、補充容器）１４を取り付けまたは交換することができる。前記コンテナ１４はカートリッジと称されることもあり、計測された量だけ投与・放出される石鹸（ソープ）、洗浄剤（消毒剤、殺菌剤、サニタイザ）若しくは他の材料等の流体材料を収容する。前記詰め替えコンテナ１４にはノズル１６が取り付けられており、このノズル１６は前記コンテナから前記流体を受け取る物体（例えば、使用者の手または前記流体が投与・放出される他の物体）までの通路である。ディスペンサ１０はポンプ機構１８を有し、当該ポンプ機構１８は前記コンテナ１４とノズル１６の間に設けられる。当該機構１８は前記ポンプ機構を動作させる駆動機構２０（例えば、モータまたはソレノイド）に接続される。

近接センサ２２が前記ハウジング１２に取り付けられている。近接センサ２２は例えば、赤外線センサ、音響センサまたは静電容量型センサであり、物体または使用者の手の存在を検知する。制御回路２４は前記ハウジングに保持され（設けられ）、前記近接センサ２２、駆動機構２０及びポンプ機構１８に接続されている。電源２６（詳細は後述する）は電力を前記センサ２２、制御回路２４、ポンプ機構１８及び駆動機構２０に供給する。前記電源２６は少なくとも２つのバッテリを含み、当該バッテリは本明細書においてセルと称される。

概して（通常は）、制御回路２４はディスペンサ１０に付随している電動コンポーネントを制御するために用いられる。これには、前記ポンプ機構、駆動機構、センサ２２及び制御回路２４が含まれる（これらに限定されないが）。尚、前記ディスペンサ１０の特徴・機能はディスペンサ以外の装置にも適用可能であるか、ハンドフリーのディスペンサ若しくはハンドフリーの装置以外の装置にも適用可能である。つまり、本発明は、より長い期間に亘って電力についてはバッテリ若しくはセルに依存する任意の装置に使用することができる。

次に図２を参照すると、ディスペンサ１０が制御回路２４を備えていることが示されている。制御回路２４はコントローラ２８を有し、当該コントローラ２８は、通常、入力を受信し、他の回路コンポーネントに関連した出力を生成する。コントローラ２８は、制御回路２４及びディスペンサ１０の動作特徴機能を実施（実装）するたに必要なハードウエア、ソフトウエア及びメモリを提供する。１つの実施形態において、前記コントローラはシリコンラボ（Silicon Labs）社の部品番号 C8051F312のコントローラである。本実施形態では、コントローラ２８は「ネイティブモード（native mode）」装置であり、例えばテキサスインスツルメント社の部品番号MSP430L092の装置である。このようなコントローラは、内部電圧上昇（内部昇圧）を利用しないという点で有利である。また、ネイティブモードのコントローラは、必要電力が著しく低減されているという点においても有利である。いずれにせよ、本実施形態のコントローラは、選択的に電荷を両方向に流すことができる構成になっている。

電源２６はバッテリバンク（battery bank）と称されることもあり、少なくとも２つのバッテリ３２及び３４を含み、これらバッテリは並列接続されている。「バッテリ」という用語はセル（電池）を意味することもあり、当該セルはバッテリ、ソーラパネルまたは他の電力源を意味する。尚、前記電源には３以上の異なるタイプのセルが含まれることもあり、これらセルの幾つかは同じタイプのものであっても良いし、異なるタイプのものであっても良い。より詳しくは、前記複数のセルは、アルカリ電池、ニッケル水素電池、重負荷型電池、単三電池、１つのＣ電池、１つのＤ電池、１つの単四電池または他の任意の類似タイプの電池（前記ディスペンサ内における前記制御回路及び他のコンポーネントの機能を失わない限り）の組み合わせでも良い。

電源２６とコントローラ２８の間にはセル選択回路３６が設けられており、当該セル選択回路は、制御回路２４及び前記ディスペンサの関連コンポーネントを動作させるバッテリの選択をする際に用いられる。前記選択回路３６は複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３８Ａ−３８Ｄを有し、各トランジスタ３８は対応する選択信号４０を生成し、当該選択信号がコントローラ２８に送信される。尚、各トランジスタ３８には対応するセルが付随しており、当該セルは前記バッテリバンクに含めることができる。また、２つの追加的な（別の）セルが前記電源により提供されても良い（図２には示されていない）。いずれの場合も、付随しているセルの電圧レベルが対応トランジスタ３８にとって十分であれば、選択信号４０はコントローラ２８により受信される。不十分な充電レベル（選択信号４０によって示される）はコントローラ２８によって検知されて適宜（適切に）処理される。

セルインジケータ回路４２はセル選択回路３６とコントローラ２８の間に接続されており、前記回路４２はどのセルが使い尽くされたか否かを示す。前記回路４２は添え字Ａ−Ｄが付けられた複数の抵抗４３を有し、当該複数の抵抗は発光ダイオード（ＬＥＤ）４４Ａ−４４Ｄの対応するアノードに接続されている。各抵抗４３の他端はインジケータライン５０により対応ＦＥＴ３８の出力に接続されている。当業者であれば、その他の発光要素がＬＥＤの代わりに使用できることは理解できるであろう。ＬＥＤ４４Ａ−４４Ｄのカソードにはトランジスタ４６が接続されており、当該トランジスタ４６はコントローラ２８に接続されたトランジスタライン４８によって動作制御される。殆んどの実施形態において、カバー１３が開いているとき、トランジスタライン４８は通電される。勿論、他の事象を利用してトランジスタライン４８上に信号を生成することもできる（例えば、外部のプッシュボタン）。いずれの場合も、特定のセルが使い尽くされたとコントローラが判断したときは、前記カバーが開けられると適切な対応ＬＥＤ４４が発光する。代替例としては、対応するセルがまだ十分なエネルギを有する場合にＬＥＤ４４が発光するようにしても良い。

コントローラ回路２４は、ディスペンサ１０の機能・動作を実行（実装）するための多くの部分回路（分岐回路、サブ回路、小さな回路）または小さな要素を含む。特に、クエリ（ｑｕｅｒｙ：質問）回路５４は、前記コントローラによって生成されたクエリ信号５６を受信すると、短距離無線周波数信号を生成する。この機能（特徴）により、適切な詰め替えコンテナがディスペンサハウジング内に存在することを確認できる。本実施形態では、無線周波数信号に応答して返信信号を生成する指標（信号）送信装置若しくは他の応答（信号）送信装置が前記詰め替えコンテナに設けられてもよい。コンファメーション（confirmation）回路５８は前記返信信号を検知し、コンファメーション信号６０を生成する。このコンファメーション信号はコントローラ２８によって受信される。他の実施形態においては、コンファメーション回路５８は単に、前記詰め替えコンテナが存在するか否か及び／またはそれが適正なコンテナであるか否かを検出する。もしコンテナが適正なものでないと判断されると、コントローラ２８はディスペンサの他の機能の動作を許可しない。

モータ制御回路６４はコントローラ２８に接続され、信号ライン６６を介して当該コントローラから動作（処理、演算）信号を受信する。この回路６４はリターン信号ライン６８を提供して、前記モータの動作をモニタできるようになっている。前記回路６４は前記モータに給電し、当該モータにより、駆動機構２０が適切なタイミングで且つ適切な期間だけ（ディスペンサの詳細な動作的特徴に応じて決まるタイミングと期間）動作される。

カムセンサ回路７０はコントローラ２８に接続され、センサ信号ライン７２を介して前記モータ及び／または機構２０の位置を検出する。前記回路７０は前記モータまたは機構の動作位置を確認するので、前記モータまたは機構に付随するカムの相対的位置に基づいて、前記モータが適切なタイミングでＯＦＦされていることまたは前記機構が適切なタイミングで停止されていることを確認することができる。換言すると、センサ回路７０は前記モータのモータシャフトに若しくは前記機構２０の一部に接続された位置センサに関連付けられて、その位置を検出できるようになっている。もし前記回路が投与・放出サイクルの間若しくは後に前記モータシャフト及び／または機構の適正な位置を検出しなければ、コントローラ２８は適切な訂正動作・処理を実行する。

近接センサ回路７６はコントローラ２８に接続されており、当該コントローラがセンサ信号７８を生成して、センサ２２に付随している赤外線送受信機または他の同様な送受信機の動作を開始する。前記センサが物体により反射されたリターン信号の存在を検出すると、レシーバ回路８０もコントローラ２８に接続される。この検出結果は、レシーバ信号ライン８２を通って前記コントローラに送信される。換言すると、前記近接センサが信号を発すると、全てのリターン信号または反射信号が前記回路８０により検知されて、コントローラ２８に送信されることにより投与・放出サイクルが開始される。当業者であれば、コントローラ２８が所定の方法で信号７８を生成して、バッテリパワーを浪費しないようにしていることが理解できるであろう。例えば、信号７８は、物体が検知されるまで、遅い周期速度で前記近接センサを駆動する。その後、当該速度は、物体が検知されなくなるまでの期間は増大される。

ホールスイッチ８４は信号ライン８６によりコントローラ２８に接続されている。ホールスイッチ８４はカバー１３に接続されており、カバーが開けられると必ず適切な信号が生成されるようになっている。その信号を検知すると、コントローラ２８は、トランジスタ４６をＯＮする信号４８を生成する。これにより、インジケータ回路４２に付随しているＬＥＤが発光し、どのセルが使い尽くされたのか否かを判断する（または示す）ことができる。

オシレータ回路９０は信号ライン９２によってコントローラ２８に接続されて、当該コントローラの動作を実行する。当業者であれば、オシレータ回路９０が適切なクロック信号及びクロック信号レート（例えば、３２キロヘルツ）を提供して前記コントローラの動作を確実に行えるようになっていることが理解できるであろう。プログラミングヘッダ（programming header）９４はヘッダ信号ライン９６を介してコントローラ２８に接続されている。ヘッダ９４を用いると、技術者または工場作業者は、前記コントローラによって使用されるソフトウエアを調整して、ディスペンサの動作に適合するようにすることができる。

ブーストレギュレータ回路１００はバッテリライン１０２及びブースト信号１０４によりコントローラ２８に接続されている。スーパーキャパシタ接続回路１０６も前記コントローラに接続され、充電信号１０８を介して前記コントローラからの入力を受信する。スーパーキャパシタ１１０は回路１０６に接続されて、所定レベルの充電量（電荷）を保持することにより、全ての電動ディスペンサコンポーネントを動かすことができる。さらに、ブーストレギュレータ回路１００、接続回路１０６及びコントローラ２８は協働してスーパーキャパシタに給電すると共に提供されたバッテリ電力を効率的に使用する。

始動時においては、レギュレータ回路１００はコントローラ２８を利用して、使用可能な最低電圧のセルを選択する。当該選択はそれぞれの選択信号４０をモニタリングすることにより行われ、どのセルまたはバッテリが十分な量の電力を当該回路の残りの部分に提供できるかを判断する。その後、回路１００はバッテリライン１０２を介して前記選択されたバッテリを使用し、ブースト信号１０４を介してスーパーキャパシタ１１０を充電し、その際にコントローラ２８、充電信号１０８及び回路１０６を利用する。当該充電は所望の充電レベルが得られるまで行われる。その後、コントローラ２８は前記回路の動作機能を引き継ぎ、前記スーパーキャパシタを充電するのにどれくらいかかるのかを判断する。そして、ブーストレギュレータ回路が休止状態にされる。コントローラ２８は、スーパーキャパシタの電圧状態を５分毎に（または他の設定された時間間隔で）定期的にチェックするようにプログラムされている。また、コントローラ２８は、各投与・放出サイクルの後に、スーパーキャパシタ１１０の電圧状態をチェックするようにプログラムされても良い。上記のような複数回のチェックのうちの１つのチェックの間に、もしコントローラ２８がスーパーキャパシタは不十分な充電値を有すると判断した場合には、コントローラ２８はアクティブ状態になり、レギュレータ回路１００はブースト信号１０４及び充電信号１０８を介して前記スーパーキャパシタを再充電する。投与・放出サイクルが開始され前記スーパーキャパシタの電荷（充電量）が不十分な場合には、電源２６内の前記選択されたバッテリが前記コントローラを利用して、ディスペンサ１０を直接動作させる。もし前記選択されたバッテリがまだ電力供給できるがディスペンサを動作させるには不十分な量の電力しかない場合には、レギュレータ回路１００はスーパーキャパシタを充電しようとする。前記選択されたバッテリが完全に使い尽くされると、コントローラ２８は、上記したように、最低電圧値の使用可能な次のバッテリを選択する。前記構成を有しているので、当業者であれば、ディスペンサ１０が１つのセルまたはバッテリ（より詳しくは、スーパーキャパシタ）から分離して動作することができることが理解できるであろう。本実施形態では、前記ディスペンサは約２００マイクロワットを引き出し、スタンバイモードの電流引き込みコンポーネントの全てに電力供給し、投与・放出中には約２ジュール（２ワット／秒）を引き出す。

上記説明に基づけば、本発明の利点（効果）は容易に理解できる。前記ディスペンサは任意のタイプのバッテリから分離して動作可能である。これにより、バッテリ構成を簡素化することができると共に省スペース化することもできる。また、いくらかの充電量を残しているバッテリは、完全に使い尽くされるまで捨てられることはない。これにより、バッテリの保守点検／交換を通常の詰め替えコンテナ交換と合わせて（一緒に）行うことができる。また、ドアカバーが開けられると、セルが十分な電圧値を有しているか不十分な電圧値を有しているかの識別ができるという点においても、前記ディスペンサは利点を有する。

よって、本発明の目的は上記した構成及びその使用方法によって達成されていることが分かる。特許法に基づいて最良の実施形態及び好適実施例のみが提示されて詳細に説明されているが、本発明はこれらに（よって）限定されるものではない。従って、本発明の真の範囲の理解のためには、特許請求の範囲が参照されなければならない。

Claims (11)

1. 電動装置であって、
   少なくとも１つの電動コンポーネントと、
   少なくとも２つのセルを含む電源であって、少なくとも１つのセルが前記電動コンポーネントに電力供給を行い、残りのセルは予備として保持される、電源と、そして
   前記少なくとも１つの電動コンポーネント及び前記電源に接続された制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、以下の
   充電信号を生成するコントローラと、
   前記コントローラに接続され、前記電源から電力を受け取り、且つ、前記コントローラにより受信されて前記充電信号に変換されるブースト信号を生成するブーストレギュレータ回路と、
   前記コントローラに接続され、当該コントローラから前記充電信号を直接受信するスー パーキャパシタであって前記スーパーキャパシタは所定の電圧を前記電動コンポーネントに供給するスーパーキャパシタと、そして
   前記電源と前記コントローラの間に接続されたセル選択回路と、を含み、前記コントロ ーラは当該セル選択回路により受信される選択信号を生成し少なくとも２つの前記セルの うちから選択された１つのいずれか最も電圧の低いセルを前記ブーストレギュレータ回路 に接続し前記ブーストレギュレータ回路に前記スーパーキャパシタを充電させて少なくと も一つの電動コンポーネントに直接給電させ、ここで前記ブーストレギュレータ回路及び前記コントローラは前記電源をモニタリングして、前記１つのセルが完全に使い尽くされたとき、前記予備として保持されている残りのセルの少なくとも１つから電力を引き出し 前記コントローラ及び前記ブーストレギュレータ回路は前記電源と前記スーパーキャパシ タの間に配置され前記コントローラ及び前記選択信号は利用可能な最も運転電圧が低いセ ルを選択する電動装置。
2. 前記少なくとも２つのセルは異なるタイプ及びサイズのセルであり、アルカリ電池、ＮｉＭＨ電池、単三電池、単四電池、Ｃ電池及びＤ電池からなる群から選択される請求項１記載の電動装置。
3. 前記少なくとも２つのセルは並列接続される請求項１記載の電動装置。
4. 流体詰め替えコンテナを収納できるハウジングをさらに備えた前記電動装置であって、前記少なくとも１つの電動コンポーネントは、前記流体詰め替えコンテナから流体を投与放出する際に当該投与放出を補助する請求項１記載の電動装置。
5. 前記セルの各々に付随して前記コントローラに接続された発光要素を含むセルインジケータ回路をさらに備えた前記電動装置であって、前記発光要素は、前記付随するセルが使い尽くされたか否かを示す請求項４記載の電動装置。
6. 前記ハウジングに取り付けられたカバーと、
   前記カバーに接続され且つ前記コントローラに接続されたカバースイッチと、をさらに備えた前記電動装置であって、
   前記コントローラは、前記付随するセルが使い尽くされたか否かに応じて前記発光要素を発光させる請求項５記載の電動装置。
7. 前記スーパーキャパシタが１ファラッド（Farad）より大きな値を有し、当該スーパーキャパシタが前記少なくとも１つの電動装置に電力供給する請求項１記載の電動装置。
8. 前記スーパーキャパシタが不十分な電荷を有する場合、前記電源が前記電動コンポーネントに直接電力供給する請求項７記載の電動装置。
9. 前記コントローラは、前記ブーストレギュレータ回路を通じ、前記選択されたセルを使 用して前記スーパーキャパシタを所望の充電レベルが得られるまで充電する請求項１記載 の電動装置。
10. 前記コントローラは、前記スーパーキャパシタの充電値を周期的にチェックし不十分な 充電値が検出される場合には、前記ブーストレギュレータが前記スーパーキャパシタを再 充電する請求項１記載の電動装置。
11. 前記ブーストレギュレータ回路は前記コントローラのみによって制御されて前記ブース トレギュレータ回路の出力は前記コントローラによってのみ受信される請求項１記載の電 動装置。