JPS61500232A - 超音波流れ制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超音波流れ制御システム 光凱■責景 本発明は水流を超音波的に制御するためのシステムを目指すものである。

水は他の必需品と共に節約の対象と考えられる。従って、この節約努力を援助す るために数多くのデバイスが提案されている。

家庭で使用するための最も重要なデバイスの中には、不要な水流を制限するもの がある。例えば、水の大量の流れを減少させつつその速度を増加させて水流の効 果を維持するシャワーヘッドは、シャワー中の水の使用量をそれ以前のレヘルの 数分の−まで減少させることができる。

水を浪費する別の原因は、実際に水を使用していない期間中の水流である。例え ば、皿をすすく時、すすぎは間欠的にしが行われないのに水を一定の流れのまま 流し続けることはありふれたことである。これは水を屡々オン及びオレさせるべ く蛇口を回すことが不便であることが大きな原因である。

従って、蛇口に物体が接近するのを自動的に検知し、その接近に応答して蛇口を 作動させるデバイスが提案されている。計画としては、物体が実際に蛇口の下に ある場合だけ水流を生しさせようとするものである。水を節約するのに加えて、 これらのデバイスは弁を手動で作動させる必要も排除する。このような機構は、 手がふさがっている人、障害者、或は洗った後に非殺菌物体に触れることができ ない外科医のような人にとっては便利である。

従来提案されているデバイスは光或は電磁検知手段を用いており、これらは或は 実際的であるかも知れないが、若干の設計上の複雑さと実際的な困難とを伴って いる。電磁デバイスの場合には、センサの指向性が欠けており、このため皿洗い 及びすすぎ状態の際に問題を生ずる。一方、光デバイスは極めて指向的である。

しかしそれらの検知範囲を規定された距離に制限することが困難である。

他の問題は若干の型の検知配列に由来するものである。例えば、ドツプラ型セン サをステンレス鋼洗い場と共に用いると、関心領域から離れた位置からの衝撃及 び音響が、ステンレス鋼洗い場の伝播特性のためにターゲット領域内へ伝播する と、流れが不要にトリガされる恐れがある。

また家庭用として近接検知デバイスの採用は、蛇口まで電線を導く必要があるた めに禁止される。これらのデバイスへの電力は元々安−全な低電圧で供給される にも拘わらず、水と電気という組合せが使用者に危険を想起させ、このようなデ バイスの採用を嫌うのである。

従って本発明の目的は、光及び電磁デバイスに伴なう設計及び使用上の諸問題を 生じないようにした物体検知手段を提供することである。

本発明の若干の面の目的は、ドツプラ型提供デバイスに伴なう諸問題を回避する ことである。

本発明の他の面の目的は、見ることができる電気接続を原因とする心理的障壁を 回避することである。

衾夙■監！ 種々の上述の及び関連目的は超音波流れ制御システムによって達成され、本シス テムにおいては超音波トランスジューサが超音波を蛇口出口の下のターゲット領 域内に送信し、ターゲット領域内の物体からのエコーを検出して物体の存在の指 示を制御回路へ供給する。制御回路は蛇口内の電気的に作動可能な弁を作動させ 、物体がターゲソ）ＳＪｆ域内において検出されたか否かに従って水流を制御す る。

若干の目的は、先ず検出された物体までの距離を決定し、次で検出された距離と 先に検出された距離とを比較して物体に何等力の運動が発生しつつあるかを決定 するデバイスによって達成される。即ち、運動は、ドソプラシフトデハイスに伴 なう問題を生ずることなく検出されるのである。流れは、物体の運動が検出され た場合にのみ許される。

他の目的は、水流内の小さなタービン及び蛇口に取付けられている該タービンに よって駆動される発電機を含むこの型のデバイスによって達成される。再充電可 能な電池のような、発電機によって再充電できるエネルギ蓄積デバイスが制御回 路に給電するのに用いられているので、外部電源を必要としない。これは、これ らのデバイスの採用に対する心理的障壁となる電線布設の必要を排除する。

皿型■皿ｌ友脱里 本発明のこれらの及び他の特色及び長所を添附図面に基いて説明する。

第１図は本発明の実施例の側面図であり、第２図は第１図の実施例のタービン・ 発電機部分の拡大断面図であり、 第３図は第２図の３−３矢視断面図であり、第４図は第１図の実施例の制御回路 のブロックダイアダラムであり、そして 第５図は第４図の回路が流れ制御弁を開くべきか、閉しるべきかを決定する基準 を説明するフローチャートである。

ｋましい実施例の詳細な８゛明 第１図は電磁アクチュエータ（１４）によって制御される水流内に弁（１２）を 有する超音波制御蛇口（１０）を示すものである。アクチュエータ（１４）は、 その状態を変化させる場合だけ電力を必要とし、弁を開いたままとする或は閉じ たままとするのには電力を必要としない型のものである。弁（１２）の状態は再 充電可能なニッケル・カドミウム電池パンク（１８）によって給電される制御回 路（１６）によって制御される。制御回路（１６）は、蛇口内に隠蔽されている 電線によって超音波トランスジューサ（２０）にも接続されている。超音波トラ ンスジューサは破線（２２）によって限定しである領域内へ音波を送信する。ト ランスジューサ（２０）によって超音波が送信され蛇口の前に押ボタン（２６） が取付けられており、隠蔽された電線によって制御回路（１６）に接続されてい るので、使用者は押ボタン（２６）を押すことによって蛇口を動作させたり、或 はオフにさせたりすることができる。組立体（１０）は、第２図及び第３図を参 照して後述するように、電池バック（１日）を再充電するように駆動される発電 機（２８）も含んでいる。

組立体（１０）は、典型的には熱湯及び冷水の割合を制御するだめの分離した手 動弁（図示せず）を有する洗い場に用いられる。始めに使用者が押ホクン（２６ ）を押して動作を開始させると、使用者が弁を操作して適切な温度を得るのに充 分な長さの所定持続時間の量水が流出する。次で弁は、送信用及び受信用トラン スジューサである超音波トランスジューサ（２０）が蛇口から所定の２’ＡＭ内 の検知領域内で動く物体を検出するまで自動的るこ閉しる。このような物体が検 出されると制御回路（１６）は弁を開き、該領域内の動きが停止するまで水が流 出するのを許容する。動きが検出されなくなると、制御回路（１６）は短かい遅 れの後流れを停止させる。即ち、もし使用者が皿を洗っていて皿を領域（２２） に移動させると、皿がターゲット領域（２２）内にあって動かし続けている限り 水が流れて皿がすすがれるようになる。

使用が終ったならば使用者が押ボタン（２６）を押すと、回路（１６）から電力 が除かれて検知領域（２２）内の物体の存在に応答して開くことを阻止される。

更に、もし回路（１６）が例えば５分間のような所定の時間の間検知領域（２２ ）内に何等の動きも検出しないと、回路（］６）は自動的にそれ自体をオフとし 、押ボタン（２６）を再び押さない限りその後検知領域（２２）内に物体の存在 を検知しても水流は生しないようになっている。これは、デバイスが不注意に残 された時に回路が電力を浪費するのを防ぎ、また無人の蛇口から不要の水が流れ る危険を排除する。

前述したように、水流自体が電池バンク（１８）を再充電するように発電機組立 体（２８）が設けられているので、蛇口まで外部電線を布線する必要が排除され ている。更に、本蛇口は、ありふれた蛇口をゆるめて取外し、何等の配線を行う ことなく本発明の蛇口（１０）を取付は得るように好ましく作られている。

発電機ハウジング（３０）　（第２図）は、水流路内に配置されているタービン （３４）が取付けられたシャフト（３２）によって駆動される発電機（３１）を 収容している。環状の肩（３６）が蛇口の上面に形成されており、ガスケット（ ３Ｂ）がコツプ形のシャフト軸受（４０）と肩（３６）との間に圧縮されている 。第２のガスケット（４２）は軸受（４０）の環状上面と発電機ハウジング（３ ０）の下面との間をシールしている。ポル）　（４６）及び（４８）が発電機ハ ウジング（３０）の上端から伸び、ガスケア　’）　（３８）、（４２）及び軸 受（４０）内の孔を通って環状の肩（３６）−６−特表昭６１−５００２３２　 （３）にねじ係合し、軸受（３０）を定位置にしっかりと保持し、ガスケット（ ３８）及び（４２）を圧縮する。

発電機シャツ）　（３２）の円板形°拡大部（５０）は、それ自体と軸受（４０ ）の下側内面（５４）との間のＯリング（５２）を圧縮し、発電機シャフト（３ ２）と軸受（４０）の下端のシャツＩ・（３２）を貫通させるための孔（５６） との間をシールしている。発電機シャフト（３２）の他方の端は、蛇口の垂直部 分の一部として形成されたスパイダ（６０）に・よって保持されているブシュ（ ５８）によって定位置に保持されている。

タニビン（３４）は、蛇口の厚内部分（６２）によって限定されている狭い領域 内に配置されている。タービン（３４）は４枚の羽根（６４）を含んでいる。水 流は、これらの羽根を第３図に示すように反時計方向に回転せしめて電力を発生 させ、この電力は充電回路によって電池パンク（１８）に印加されて電池を再充 電する。

制御回路（１６）の概念的なブロックダイアダラムを第４図に示す。

この回路の心臓部はマイクロプロセッサ回路（６６）として示されている。基本 的なマイクロプロセッサに加えて、素子（６６）は、選択したマイクロプロセッ サと共に通常用いられる型のメモリ及び入／出力デハイスを含んでいる。電池パ ック（１８）　（第１図）内の電池（６８）は、これも第１図に示されているモ ーメンタリスイッチ（２６）を通してマイクロプロセンサ（６６）に接続されて いる。

−バイパスライン（７０）はモーメンタリスイッチ（２６）をバイパスし、マイ クロプロセッサによって作動可能な回ｆｔ、（６６）に内蔵のラッチ（図示せず ）に導かれている。このランチは初期には開かれているので、電池（６８）から の電力はバイパスライン（７０）によって残余の回路に印加されることはない。

従って、回路は電池から電流を流さない。モーメンタリスイッチ（２６）が操作 されると、内部ラッチはモーメンタリスイッチ（２６）が再び開かれた後も回路 に電力を印加し続ける。内部ラッチが閉している場合には、モーメンクリスイッ チ（２６）□は次の操作はランチを開く命令と解釈され、“回路から電力が除か れる。そのようにしなければ、弁（１１）にある緊度で操作しなル１１＠リラソ チは閉じたままとなり、電力は回路に印加され続ける。しかももし弁（１２）を ５分間閉じたままとすればランチは再び開いて回路から電力が除かれるので、押 ボタン（２６）が再び操作されるまで給電されない。

マイクロプロセッサ（６６）は、弁アクチユエータを駆動する従ってマイクロプ ロセッサ（６６）からの命令に応答して弁（１２）の状態を変化させる弁制御器 （７２）を制御する。

マイクロプロセッサ（６６）は、ズイソチング回路ｆｉ１４　（７６）を通して トランスジューサ（２０）に接続されている発振器／増中器（７４）を作動させ ることによって超音波トランスジューサ（２０）の動作を制御する。トランスジ ューサを駆動するラインは受信したパルスを戻すラインと同一であり、スイッチ ング回路（７６）は（ライン（８０）で示唆しであるように）若干の状態の間で スイッチするようにマイクロプロセッサ回路（６６）によって制御される。１つ の状態では、スイッチング回路（７６）は発振器／増巾器を超音波トランスジユ ーザ（２０）に接続してそれを駆動させ、超音波を送信させる。次の状態では、 スイッチング回路（７６）は発振器／増巾器（７４）をトランスジューサ（２０ ）から切離し、トランスジューサ（２０）を残余の回路から分離させる。この時 間中、回路は送信しなければ、トランスジューサの検知領域（２２）内の物体か らのエコーを７聴き」もしない。

これは、スプリアスエコー及びトランスジューサ（２０）の駆動が停止された直 後に発生しやすいリンギング信号の受信を回避する。

第３の状態では、スイッチング回路ｌ１ｌ（７６）はトランスジューサ（２０） を検出回路（８２）に接続し、検出回路（８２）はトランスジューサ（２０）が 所定のしきい値レヘル以上のエコー信号を発生した時にマイクロプロセッサ（６ ６）に信号を伝送する。当業者ならば理解されるように、これらの回路は典型的 には、空気中の超音波の高い減衰率を補償するための時間依存利得制御を含んで いる。

初期にマイクロプロセッサがトランスジューサ（２０）に超音波パルスを送信せ しめると、マイクロプロセッサはカウンタ回路（８４）内のカウンタの１つをリ セットしてイネーブルさせるので、該カウンタは自走クロック（８６）からのパ ルスに応答して計数を開始する。第１のエコーが受信されると、マイクロプロセ ッサが該カウンタをディスエーブルさセるので核力うンタは停止してその時のカ ウントを保持する。このカウントはエコーを生しさせた物体からのトラ〉′スジ ユーザ（２０）の距離に比例する。

第５図は、制御回路が何時弁を開閉するのかを決定する基準を示す概念的なフロ ー図を示すものである。

“スタート”円（８６）は、モーメンタリスイッチ（２６）の操作によって回路 がオンとなる点を表わしている。これに応答して、回路はイニシャライゼーショ ンルーチンを遂行し、ブロック（８８）で示　−すように弁（１２）を開く。ブ ロック（９０）は１４秒の待機を表わし、この期間中水が流れるので使用者は温 度を調整することができる。

次でブロック（９２）に示すように弁が閉し、回路は第５図の第１行の残りの部 分で示されている弁閉止ルーチンに進む。プロ・ツク（９４）で示すようもこ、 各パルス送信間には０．５秒の遅れが存在している。パルスが送信されると、回 路ジよ前述のようにその送信とその結果得られるエコーとの間の時間を測定する 。この機能はブロック（９６）によって示されている。

ブロック（９８）に示すように、得られた結果はレジスフＡ内に記憶され、回路 はレジスフＡの内容が最も遠い距Ｍ（この距離内ならばデバイスは物体の存在に 応答するように設計されている）を表わすある範囲内にあるか否かを決定する。

典型的には、この距離は洗い台の底までの距離よりも若干短いかすすくべき皿を 通常保持する距離よりは遠い。

距離が所定の範囲内になければ、ルーチンはブロック（９４）で示されている０ 、５秒待機まで戻されてループを反覆する。もし距離が範囲内であれば、ルーチ ンは０．５秒待機した後に別のパルスを送信する（ブロック（１０２）及び（１ ０４）に示す）。ブロック（１０６）は結果を第２のレジスタであるレジスフＢ 内に記憶させることを表わしており、判定ブロック（１０８）はレジスタＢの内 容が最も新らしく測定した距離は所定の範囲内にあるが否かを決定する試験を示 している。もし範囲内にあれば、ルーチンはブロック（１０２）で示される点ま で戻される。範囲内にあれば、判定ブロック（１１゜に示すようにレジスタＡと Ｂの内容が比較される。レジスタＡ及びＢの内容は、典型的には細菌２回の超音 波パルスからの測定を表わしている。もし判定ブロック（１１０）まで到達した のであれば、レジスタＡ及びＢの内容は共に範囲内にあり、そしてそれらが等し ければ、物体が間に介在する０、５秒間にシステムの分解能よりも小さい距離よ りも大きく移動しなかったことになる。勿論、これよりも大きい動きを許容する ことが望ましいがも知れず、そこで試験はレジスタＡ及びＢの内容間の差が所定 の数よりも小さいか否かとなる。しかし、システム分解能を動きに対する所定の しきい値とすることがより好都合であろう。

場合によっては、ブロック（１１０）における試験が最近２回の測定を表わさな い。例えば、ブロック（１１０）によって示される試験且つレジスタへの内容と は異なるようになるまで続行される。細菌２回の測定は比較されないが、それで もブロック（１１０）における試験の結果が肯定であれば、それは物体がターゲ ット範囲内にあり且つ動きがあったことを表わしているので、この試験は受入れ ることができるのである。

ブロック（１１０）によって表わされる試験の結果が肯定であれば、ブロック（ １１２）に示すようにインデックスＸが３にセットされ、弁が開かれる。このイ ンデックスＸは、動きの検出の失敗と弁（１２）の閉止との間に遅れを与えるの に用いられる。

次でルーチンは、ブロック（１１４）及び（１１６）に示すように第５図の第２ 行の弁開放部分に進む。ここでは別の測定が行われ、その結果はレジスタＡに記 憶される（ブロック（１１８）及び（１２０））。

ブロック（１２２）は結果の値の試験であって、それが範囲内にあるか否かが決 定される。レジスタＡの内容も、ブロック（１２４）に示すように、現在レジス タＢ内に記憶されている内容とは異なるか否かを決定するために試験される。も しこれらの試験の何れかが否定であれシス、ルーチンはブロック（１２６）で示 されている段階に進み、インデックスχが１つだけ滅しられ、ブロック（１２８ ）においてＸの値が０であるか否かが決定される。もしその値が０であれば、計 画された遅れが完了したことになり、ブロック（９２）で示されているように弁 が閉じられる。そこでプログラムは弁閉止部−分に戻される。もしブロック（１ ２Ｂ）における試験の結果、χが未だ０に等しくなければ、ルーチンはブロック （１１６）で示される段階に戻される。

ブロック（１２２）及び（１２４）における両試験の結果が肯定であれば、ブロ ック（１３０）で示すようにインデックスＸが再び３にセットされ、システムは ０．５秒待った後に測定を行ってその結果をしジスタＢ内に記憶させる（ブロッ ク（１３２）〜（１３６）　）。レジスタＢの内容は、ブロック（１３８）及び （１４０）　ｂｉおいてそれらが範囲内にあるか否かを決定する試験を受け、次 でレジスタＡの内容と比較される。もしこれらの試験の何れかの結果が否定であ れば、ブロック（１２６）に示すようにインデックスＸが１つ減少され、ブロッ ク（１２８）において再びＸがＯに等しいか否かが決定される。

以上のように、範囲内移動物体を検出するための連続３回の試験が否定されると インデックスＸは０まで減ぜられ、弁は閉しるようになる。もしシステムが僅か １秒間動きの検出を失敗しても、その後直ちに範囲内の動きを検出すれば弁は開 き続けることになる。インデックスＸに関連するこの時間遅れは、そのようにし なければ検知領域（２２）内の皿の間欠的な動きに応答して発生してしまうであ ろう弁（１２）の過度の動作を排除するものである。

ブロック（１３８）及び（１４０）の両試験の結果が肯定であれば、ブロック（ １４２）で示すようにインデックスＸは３に等しくセットされ、ルーチンの弁開 放部分が再び開始される。

第５図のフローチャートは、長過ぎる時間に亘って弁が不活動であったかどうか を決定するものではない。しかし、このようなルーチンは第５図のルーチンと同 時に走るものであり、もし弁が５分以上閉し続ければシステムは休止させられ、 第５図のルーチンは中断される。このルーチンカウンタ回路（８４）内の第２の カウンタを利用する。このカウンタは弁（１２）が閉じれぼりセントされ、弁が 開くと計数を開始する。もし弁が開かずに上述の５分間が経過すればこのカウン タは所定のカウントに到達し、マイクロプロセッサに回路（１６）に電力を印加 し続ける内部ランチを開放させる。

この作用によって回路はオフとなり、モーメンタリスイッチ（２６）が再び操作 されるまで弁（１２）のそれ以上の作動を阻止する。

以上に説明した本発明の好ましい実施例は、弁を開くか否かを決定するのに距離 と動きの両基準を用いている。動きの基準を用いると洗い場のような静止物体が 蛇口をオンにすることはない。

勿論、使用者がすすごうとするフォークも使用者がそれを動かさなければ静止物 体である。しかし、通常はすすごうとする物体は充分に動かされるから、ユニッ トは付活されることになる。更に、使用者はデバイスを付活させるためには若干 の動きが必要である事実に迅速に慣れるものであり、この動きは簡単に習慣とな って不便さを感じなくなる。一方、もしデバイスが例えば静止した洗い場或はシ ステムの距離範囲内にとどく程充分に高く積まれた皿の存在だけによって応答し てしまったら、全く不都合である。

動き検出要求を用いると、蛇口から所定の距離内の物体によってエコーを生しさ せるという上述の附加的要求の絶対的必要性は存在しなくなる。しかし、この距 離要求は、デバイスの有用性を何等損うことなく考え得るスプリアスレスポンス を更に排除するものと信している。

本デバイスの好ましい実施例はドツプラ型デバイスによって用いられる周波数変 化決定を用いておらず、代りに異なる測定時間を差引いていることに注目された い。ドツプラ型のデバイスは流水によって誤って付活されるかも知れないので、 これは１つの長所である。更に、例えば洗い場の底の振動が、その振動振巾か検 出できない程小さくても相当なドツプラ効果周波数変化をもたらしやすいので、 高感度ドツプラ型デバイスの誤動作の原因となる恐れがある。一方、皿の動きは 距離的に比較的大きいけれどもそれらの速度は典型的には最も鋭敏なドツプラ効 果デバイス以外によっては積出できる程充分に大きくなく、そしてこの最も鋭敏 なデバイスは誤動作を最も起すものなのである。ドツプラ効果を用いるのではな く、距離変化を測定することによって動きを検出することは大きな長所である。

本発明の多くの長所は、図示した好ましい実施例とは若干異なる実施例によって も得ることができる。例えば、自蔵電源を設けたことが家庭用としては重要な長 所であるものと信じているが、外部電源が公衆便所、病院の手術用手洗室、及び 工業的な場所においては受入れられることが見出され−るかも知れない。更に、 動き及び距離の両方に基いた判定基準を好むものではあるが、動き要求だけを用 いた場所でも本発明の長所の多くが得られることは明白である。一方、動き基準 を大いに好むものであるが、水流を望まない場合にはターゲノ）ＩＩ域内に物体 の存在が見込まれないような若干の特別な目的の設備においては、単純な近接を 基準として用いることができる。

以上のように、本発明の利益は多様な実施例によって得ることができるのである 。

浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、４ 補正書の翻訳文提出書 （特許法第１８４条の７第１項） 昭和　年　月　巳 ６０．５．２３　国

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａ．入口及び出口を有していて入口と出口との間に流体通路を提供し、そ の入口に液体を受けその出口を通して液体を流出させるように導びく蛇口； Ｂ．流体通路内に挿入されていて、制御信号の印加によって流体通路内の流体の 流れを許容する開放位置と、流体通路内の流体の流れを阻止する閉止位置との間 で作動可能となる電気的に作動可能な弁； Ｃ．電気信号の印加によって出口から出た流体の通路を含むターゲット領域内へ 超音波を送信し、またターゲット領域内の物体から反射する超音波を検出しそれ に応答して電気的エコー信号を発生するように作動可能な超音波手段；及びＤ． 電気的に作動可能な弁及び超音波手段に信号を印加し、また超音波手段からのエ コー信号を受信するように電気的に接続されていて、超音波手段にターゲット領 域内へ超音波を送信させるように作動し、また超音波手段が受信するエコー信号 に応答して弁を作動させる制御回路 を具備する超音波流れ制御システム。
2. （２）前記制御回路が、超音波送信とエコー信号の受信との間の時間の連続測定 が異なった場合にのみ弁を作動させて液体の流れを許容することを特徴とする請 求の範囲（１）に記載の超音波流れ制御システム。
3. （３）前記制御回路が、超音波送信とエコー信号の受信との間の時間が所定最大 値よりも小さい場合にのみ弁を作動させて液体の流れを許容することを特徴とす る請求の範囲の範囲（２）に記載の超音波流れ制御システム。
4. （４）前記制御回路が、超音波送信とエコー信号の受信との間の時間が所定最大 値よりも小さい場合にのみ弁を作動させて液体の流れを許容することを特徴とす る請求の範囲（１）に記載の超音波流れ制御システム。
5. （５）Ａ．前記制御回路がその電源として再充電可能な電池を含み； Ｂ．前記流れ制御システムが更に： ｉ前記流体通路内に取付けられていて該通路を通って流れる流体によって駆動さ れるタービン；及びｉｉ前記タービンによって駆動されるように該タービンに機 械的に接続されており、またタービンによって駆動された時に前記再充電可能な 電池を充電するように該電池に電気的に接続されている発電機 をも含んでいることを特徴とする請求の範囲（１）に記載の超音波流れ制御シス テム。
6. （６）前記超音波手段が、超音波の送信及び超音波エコーの受信の両方のために 前記制御回路に接続されている単一の超音波トランスジューサを含んでいること を特徴とする請求の範囲（１）に記載の超音波流れ制御システム。