KR101675748B1 - 노즐 위치 제어 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노즐 위치 제어 장치 및 시스템에 관한 것으로서, 특히 본 발명의 노즐 위치 제어 시스템은 액상 물질을 분출할 수 있고 위치 이동 또는 길이 신축이 가능한 노즐, 모터를 이용하여 상기 노즐을 위치 이동 또는 길이 신축시키는 구동부 및 상기 모터와 연결되어 노즐의 위치 또는 길이를 측정하는 위치 측정부를 포함하는 노즐 위치 제어 장치 및 상기 위치 측정부에서 수신한 노즐의 위치 또는 길이 정보를 이용하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 제어 신호를 생성하는 마이컴을 포함한다.

Description

노즐 위치 제어 장치 및 시스템{apparatus and system of controlling position of nozzle}

본 발명은 노즐 위치 제어 장치 및 시스템에 관한 것으로서, 특히 모터를 이용하여 노즐의 위치를 제어하는 제어 장치에 관한 것이다.

현대사회는 인간 생활의 편의성을 도모하고자 기술 개발을 통해 다양한 제품을 개발 및 생산하여 사회나 가정에서 사용되도록 하고 있다. 그 중 최근 사용이 증대되고 있는 제품 중 하나가 비데이다.

일반적으로 비데는 좌변기에 설치되고, 비데 본체의 일측에 구비되는 조작부의 조작으로 노즐을 통해 세척수를 분사시켜 항문의 세정 및 여성의 국부 세정 또는 맛사지 세정을 자동으로 수행할 수 있도록 한 기기이다.

세정 기능은 용변을 본 후, 노즐을 통해 분사되는 세척수로 휴지 없이 항문을 세정하는 기능이고, 비데 기능은 세척수로 여성들의 국부를 자동으로 세정하는 기능이며, 맛사지 세정 기능은 세척수가 분사되는 노즐을 연속 반복적으로 전,후진시켜 이의 운동으로 맛사지 효과를 얻도록 하는 세정 기능이다.

상기한 바와 같은 세정, 비데, 맛사지 기능을 수행하기 위하여 노즐은 비데 본체로부터 입출되도록 구비된다. 또한, 노즐로부터 세척수가 분사되는 분사구는 노즐의 선단에 구비되는데, 사용자에 따라 세척수가 분사되는 분사구의 위치를 조정해야 할 필요성이 있다.

따라서 노즐의 위치를 이동시켜 분사구의 위치를 조정하는데, 노즐 위치 제어를 스태핑 모터를 사용하여 수행한다. 그런데 스태핑 모터를 사용할 경우 노즐의 위치를 측정 및 모터 동작 시에 전력 소모가 큰 것이 문제가 되었다.

상기의 문제를 해결하기 위해서 본 발명의 노즐 제어 장치 및 시스템은 전력 소모가 적은 모터를 사용하고 노즐의 위치를 정확히 측정하는 노즐 위치 제어 장치의 구조를 제안하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 노즐 제어 장치는 모터를 이용하여 노즐을 위치 이동 또는 길이 신축시키는 구동부 및 상기 모터와 연결되어 노즐의 위치를 측정하는 위치 측정부를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 노즐 제어 시스템은 액상 물질을 분출할 수 있고 위치 이동 또는 길이 신축이 가능한 노즐, 모터를 이용하여 상기 노즐을 위치 이동 또는 길이 신축시키는 구동부 및 상기 모터와 연결되어 노즐의 위치 또는 길이를 측정하는 위치 측정부를 포함하는 노즐 위치 제어 장치 및 상기 위치 측정부에서 수신한 노즐의 위치 또는 길이 정보를 이용하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 제어 신호를 생성하는 마이컴을 포함한다.

상기 해결 수단에 따른 본 발명의 노즐 제어 장치 및 시스템은 가변 저항을 이용하여 노즐의 위치를 정확히 측정할 수 있어 직류 모터를 이용하여 노즐의 위치를 제어할 수 있다.

또한, 상기 해결 수단에 따른 본 발명의 노즐 제어 장치 및 시스템은 전력 소모가 상대적으로 적은 직류 모터를 사용하므로 저전력으로 노즐의 위치를 제어할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 비데에서 노즐의 동작을 도시한 동작도이다.
도 2는 종래의 노즐 위치 측정을 위한 센서를 구비한 비데에서 노즐 위치 제어 시스템의 구조를 도시한 구조도이다.
도 3은 스토퍼를 구비한 노즐 위치 제어 장치의 노즐 구동 시 소비 전력을 도시한 그래프이다.
도 4는 노즐 운동에 따른 소비 전력을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 노즐 위치 제어 장치를 포함하는 노즐 제어 시스템의 기능 블록을 도시한 기능 블록도이다.
도 6은 본 발명의 위치 측정부의 기능 블록을 도시한 기능 블록도이다.
도 7은 본 발명의 가변 저항기의 일 구현예를 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 전압 출력기의 일 구현예를 도시한 개략도이다.
도 9는 종래 기술 및 본 발명의 노즐 위치 제어 시스템의 효율 및 소비 전력을 비교한 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 노즐 제어 장치를 설명하기에 앞서 종래 기술의 노즐 제어 장치에 대해서 살펴보겠다.

도 1은 일반적인 비데에서 노즐의 동작을 도시한 동작도이다.

도 1을 참조하면, 비데는 노즐의 위치를 조정함으로써 세정 또는 비데의 위치를 조정할 수 있다. 일반적으로 비데는 사람이 앉은 위치에 따라 2~10mm 정도로 노즐의 위치를 조정한다.

노즐의 신장 방향으로 노즐을 왕복할 시 국부에서 세정 또는 비데의 범위는 1.4 배 정도인 3~15mm 정도가 된다.

종래 비데는 노즐의 위치를 제어하기 위해서 스태핑 모터(stepping motor)를 사용한다. 스태핑 모터는 펄스 카운터(pulse counter)를 이용하여 스텝각을 조정한다. 그러나 스탭핑 모터를 지속적으로 동작시킬 경우, 임의의 정지 위치를 원점으로 잡아 다시 스텝각만큼 회전시키므로 정확한 모터 회전각을 보장할 수 없는 문제가 발생한다. 또한 계속적인 동작을 통해서 상기의 오차는 계속 누적되어 결국에는 동작 위치를 이탈하여 동작하는 문제도 발생한다.

따라서 상기의 문제를 해결하기 위해서 종래의 비데에서는 별도의 센서를 사용하거나 초기 0점에 강제 정지가 되도록 스토퍼(stopper)를 사용한다.

도 2는 종래의 노즐 위치 측정을 위한 센서를 구비한 비데에서 노즐 위치 제어 시스템의 구조를 도시한 구조도이다.

도 2를 참조하면, 종래의 기술은 스태핑 모터를 사용하여 노즐을 이동 또는 신장시키는 방식을 사용하고 위치 측정 센서를 이용하여 노즐의 위치를 측정한다. 일반적으로 위치 센서로 포토 인터럽터(photo interrupter) 또는 홀 IC(Hall IC)를 사용한다.

도 2를 참조하면, 포토 인터럽터는 송신부 및 수신부를 포함하여 구성되며, 송신부에서 발신한 광신호를 수신부에서 수신하고 수신된 광신호를 분석하여 노즐의 위치를 측정한다.

상기의 위치 측정 센서를 이용하여 노즐의 위치를 측정하고 이를 이용하여 스태핑 모터의 스탭각을 보정한다.

그런데 위치 측정 센서를 사용하면, 노즐 실린더에 포토 인터럽터나 홀 IC를 설치해야 하므로 노즐 위치 제어 장치의 구조가 복잡해진다. 또한 노즐을 구동할 때 송신부 및 수신부도 같이 구동되어야 하므로 추가적으로 0.05~0.06W의 상당히 큰 전력이 소모된다.

도 3은 스토퍼를 구비한 노즐 위치 제어 장치의 노즐 구동 시 소비 전력을 도시한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 노즐을 구속하는 구간에서는 급격한 추가 전력 소비가 있는 것을 확인할 수 있다.

스토퍼는 노즐이 원점에 도달했을 때 노즐을 강제적으로 정지시켜 위치 측정이 필요없도록 한다. 다만 스토퍼에 의해서 노즐이 정지될 경우 모터가 구속되어 더 이상 회전을 하지 못하기 때문에 모터 전류가 순간적으로 증가하여 소비 전력이 크게 증가하는 현상이 발생한다.

도 4는 노즐 운동에 따른 소비 전력을 도시한 그래프이다.

도 4(a)는 스토퍼를 사용하는 노즐 위치 제어 장치에서의 소비 전력을 도시한 그래프이다. 도 4(a)를 참조하면, 노즐이 신장, 복귀 및 구속 동작하면서 사용되는 에너지가 1.84 Wsec임을 알 수 있다.

도 4(b)는 적외선 센서를 사용하는 노즐 위치 제어 장치에서 소비 전력을 도시한 그래프이다. 도 4(b)를 참조하면, 노즐이 신장, 복귀 및 구속 동작하면서 사용되는 에너지가 1.3 Wsec임을 알 수 있다.

즉, 스태핑 모터의 소비전력이 높은 수준인 점 및 위치를 측정하거나 노즐을 강제 정지할 때 발생하는 전력량도 많은 점에서 종래의 기술은 세정 또는 비데 작동시 많은 전력을 소비한다.

그런데, 자가 발전형 비데 등의 경우 자가 발전 용량이 작은 경우에는 비데의 각종 동작에서 소비되는 전력을 감소시키는 것이 상당히 중요한 설계 요소가 된다. 따라서 상기와 같이 종래의 스태핑 모터를 사용하는 노즐 위치 제어 장치는 소비 전력 때문에 자가 발전형 비데에 적용하기 어려운 문제가 있다.

이에 본 발명에서는 노즐의 위치를 정확히 측정하면서도 전력 소비가 적은 노즐 제어 장치를 제안한다.

도 5는 본 발명의 노즐 위치 제어 장치를 포함하는 노즐 제어 시스템의 기능 블록을 도시한 기능 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 노즐 위치 제어 시스템은 노즐(200), 마이컴(300), 전원(400) 및 노즐 위치 제어 장치(100)를 포함하여 구성될 수 있다.

전원(400)은 외부에서 전력 공급이 되는 경우에는 외부에서 공급되는 전력을 본 발명의 노즐 위치 제어 시스템에 적합한 형태로 변환시켜 전력을 공급한다.

노즐(200)은 위치 이동 또는 길이 신축이 가능해 액상 물질이 분출되는 지점을 조정할 수 있다. 바람직하게는 실린터 내부에 배치되어 외부의 구동 장치들에 의해서 위치 이동 또는 길이 신축이 된다.

마이컴(300)은 본 발명의 노즐 위치 제어 시스템이 적용되는 비데 등의 전체 전자 시스템을 제어 및 관리하는 장치이다.

특히 본 발명의 노즐 위치 제어 장치(100)를 포함하는 노즐 위치 제어 시스템에서는 마이컴(300)은 노즐 위치 제어 장치(100)에서 노즐의 위치 정보를 수신하고 동작 모드에 따라 노즐의 위치를 조정하는 제어 신호를 노즐 위치 제어 장치(100)으로 전송한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 노즐 위치 제어 장치(100)은 구동부(110) 및 위치 측정부(120)을 포함하여 구성될 수 있다.

구동부(110)는 모터를 이용하여 노즐(200)을 위치 이동시키거나 길이 신축시켜서 액상 물질의 분출 지점을 조정한다. 구동부(110)에서 사용될 수 있는 모터로는 스태핑 모터뿐만 아니라 직류 모터도 가능하다.

직류 모터를 사용할 경우 스태핑 모터를 사용할 때보다 소비 전력이 적어지는 장점이 발생한다. 직류 모터를 사용하여 얻어지는 소비 전력 상의 장점에 대해서는 뒤에서 설명한다.

본 발명의 위치 측정부(120)는 구동부(110)의 모터와 연결되어 노즐의 위치 또는 길이를 측정한다. 일반적으로 노즐의 위치 또는 길이는 모터의 구동량에 비례하기 때문에, 노즐의 위치를 직접 측정하는 장치뿐만 아니라 모터의 회전량을 측정하는 장치를 이용해서도 노즐의 위치를 정확히 측정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 위치 측정부의 기능 블록을 도시한 기능 블록도이다.

구동부(110)의 모터가 직류 모터인 경우, 직류 모터로 입력되는 입력 전압에 리플 등이 발생하여 입력 전압 편차가 발생할 수 있다. 이러한 경우에는 직류 모터의 회전수가 변경되어 원래 의도했던 회전량과는 오차가 발생하여 노즐의 위치에도 오차가 발생한다. 따라서 정확한 노즐 위치 제어를 위해서는 노즐의 위치를 정확히 측정할 수 있는 장치가 필수적이다.

하지만 종래의 위치 측정 센서나 스토퍼를 사용할 경우에는 추가적인 전력 소모가 심한 문제가 있으므로 직류 모터를 사용해서 얻는 전력 소모 측면의 장점을 희석시킬 수 있다. 따라서 본 발명의 위치 측정부(120)은 종래와는 다른 방법의 위치 측정 기술을 적용한 장치이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 위치 측정부(120)은 가변 저항기(121) 및 전압 출력기(122)를 포함하여 구성될 수 있다.

가변 저항기(121)는 구동부(110)의 모터 축과 연결되어 상기 모터의 동작에 따라 저항값이 변한다.

도7을 참조하면, 가변 저항기(121)는 모터의 동작에 따라서 모터와 연동하는 접점과 저항의 연결 위치가 변경될 수 있다. 또한 가변 저항기(121)이 모터의 축과 연결되어 모터가 동작할 때 동시에 회전하면서 접점의 위치가 변경될 수도 있다.

도시하지는 않았으나. 접점의 위치는 고정되고 모터의 동작에 의해서 저항의 위치가 변겨되어 가변 저항기(121)의 저항이 변경되게 설계할 수도 있다.

상기와 같은 가변 저항기(121)을 이용하여 모터 회전량에 비례하는 저항값의 변화량을 획득할 수 있다.

전압 추출기(122)는 가변 저항기(121)의 저항값에 따라 출력 전압을 변화시킨다. 즉, 전압 추출기(121)는 가변 저항기(121)의 저항값을 전기적 신호로 변환한다.

도 8을 참조하면, 전압 추출기(122)는 BJT를 이용한 이미터 팔로우(emitter follow) 구조로 설계될 수 있다. 가변 저항기(121)는 이미터 팔로우의 이미터단의 저항(R2)으로 연결되고 접점에서 전압값을 출력받으면 전압 분배에 따라서 가변 저항기(121)의 저항값에 비례하는 전압값을 얻을 수 있다.

일반적으로는 가변 저항기(121)를 이용한 전압 분배 회로를 사용해서 전압 추출기(122)를 설계할 수 있다.

또한 가변 저항의 전체 저항값을 높게 하거나 전압 측정기(122)에서 사용하는 전류값을 낮은 수준으로 제어하면, 전압 측정기(122) 및 가변 저항기(121)에서 소모되는 전력도 낮은 수준으로 유지할 수 있다.

또한, 전압 측정을 항시적으로 하지 않고 필요한 경우에만 수행하면 더욱 전력을 절약할 수 있다.

예를 들어, 노즐의 위치 측정이 필요한 경우는 동작이 시작되는 때 또는 동작 중간마다 위치 확인을 통한 위치 보정시이다. 따라서 전압 출력기(122)는 노즐 위치 이동 또는 길이 신장 시작 전에 동작하고, 노즐 동작 중간에 주기적으로 또는 외부 장치에서 수신되는 제어 신호에 따라서 전압 출력 동작을 수행할 수 있다.

도 9는 종래 기술 및 본 발명의 노즐 위치 제어 시스템의 효율 및 소비 전력을 비교한 그래프이다.

도 9(a)를 참조하면, 본 발명의 직류 모터를 사용한 노즐 위치 제어 시스템은 종래의 스태핑 모터를 사용한 노즐 위치 제어 시스템보다 더 우수한 전력 사용 효율을 보임을 확인할 수 있다.

일반적으로 모터는 노즐을 구동하기 위해서는 일정한 토크를 발생시키고 일정한 속도로 회전하기 위해 감속을 위한 기어를 사용한다.

이때 직류 모터를 적용한 노즐 위치 제어 시스템은 모터의 효율이 75%~80% 수준이 된다 하지만, 스태핑 모터는 정밀한 위치 제어를 위해서 여러 개의 상을 가진 전류를 사용해야 하므로 전류 사용 효율이 25~30% 하락한 50~60% 수준이다.

따라서 모터에서 소비되는 전력 상에 상당한 차이를 보여주므로 직류 모터를 사용한 본 발명의 노즐 위치 제어 시스템은 선행 기술에 비해서 소비 전력 면에서 우수한 효과를 가지고 발전 기능을 갖춘 비데 적용되기에 적합한 시스템이다.

또한, 직류 모터로는 브러쉬 직류 모터(Brush DC Motor) 또는 브러쉬리스 직류 모터(Brushless DC Motor, BL DC motor)가 사용될 수 있다. 브러쉬 직류 모터 및 브러쉬리스 직류 모터는 상기한 바와 같이 75%~80%의 전류 사용 효율을 보이기 때문에 본 발명의 구동부에 적합한 모터이다.

도 9(b)를 참조하면, 본 발명의 직류 모터를 사용한 노즐 위치 제어 시스템은 종래의 스태핑 모터를 사용한 노즐 위치 제어 시스템보다 노즐의 위치 이동 또는 길이 신장 동작 시에 더 적은 에너지를 사용함을 확인할 수 있다.

종래의 스태핑 모터를 사용한 노즐 위치 제어 장치는 0.6Wsec를 사용하는 반면 본 발명의 직류 모터를 사용한 노즐 위치 제어 장치는 0.45Wsec를 사용하므로 25%의 소비 전력을 절감하는 효과가 있다.

충분한 발전 용량을 가지지 못하는 발전 기능을 가진 비데에 있어서 상기의 전력 효율 증가는 비데 추가적인 전력 공급 동작을 필요로 하는지를 결정하는 부분이므로 비데 전체의 장치의 복잡도 및 설치 상의 제한 극복 여부 등을 결정하는 중요한 효과이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.

100 : 노즐 위치 제어 장치
110 : 구동부 120 : 위치 측정부
121 : 가변 저항기 122 : 전압 출력기
200 : 노즐 300 : 마이컴 400 : 전원

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 직류 모터를 이용하여 노즐의 위치를 이동시키거나 노즐의 길이를 신축시키는 구동부; 및
   노즐과 연결되어 노즐의 위치에 따라 저항값이 변하는 가변 저항기 및 상기 가변 저항기의 저항값에 따라 출력 전압을 변화시키는 전압 출력기를 갖는 위치 측정부를 포함하는 노즐 위치 제어 장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 전압 출력기는 전압 분배 회로로 구현되는 것을 특징으로 하는 노즐 위치 제어 장치.
   
6. 액상 물질을 분출할 수 있고 위치의 이동 또는 길이의 신축이 가능한 노즐;
   직류 모터를 이용하여 노즐의 위치를 이동시키거나 노즐의 길이를 신축시키는 구동부; 및 상기 직류 모터와 연결되어 직류 모터의 동작에 따라 저항값이 변하는 가변 저항기 및 상기 가변 저항기의 저항값에 따라 출력 전압을 변화시키는 전압 출력기를 갖는 위치 측정부를 포함하는 노즐 위치 제어 장치; 및
   상기 위치 측정부에서 수신한 상기 노즐의 위치 또는 길이 정보를 이용하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 제어 신호를 생성하는 마이컴을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 위치 제어 시스템.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 가변 저항기는 상기 직류모터의 축과 연결되어 상기 직류 모터가 동작할 때 동시에 회전하는 것을 특징으로 하는 노즐 위치 제어 시스템.
   
8. 제6항에 있어서, 상기 전압 출력기는 전압 분배 회로로 구현되는 것을 특징으로 하는 노즐 위치 제어 시스템.
   
9. 제6항에 있어서, 상기 마이컴의 제어신호는 상기 직류 모터의 회전량을 결정하는 것을 특징으로 하는 노즐 위치 제어 시스템.
   
10. 액상 물질을 분출할 수 있고 위치의 이동 또는 길이의 신축이 가능한 노즐;
    직류 모터를 이용하여 노즐의 위치를 이동시키거나 노즐의 길이를 신축시키는 구동부; 및 상기 노즐과 연결되어 상기 노즐의 위치에 따라 저항값이 변하는 가변 저항기 및 상기 가변 저항기의 저항값에 따라 출력 전압을 변화시키는 전압 출력기를 갖는 위치 측정부를 포함하는 노즐 위치 제어 장치; 및
    상기 위치 측정부에서 수신한 상기 노즐의 위치 또는 길이 정보를 이용하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 제어 신호를 생성하는 마이컴을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 위치 제어 시스템.
    
11. 제9항에 있어서, 상기 전압 출력기는 전압 분배 회로로 구현되는 것을 특징으로 하는 노즐 위치 제어 시스템.
    
12. 제10항에 있어서, 상기 마이컴의 제어신호는 상기 직류 모터의 회전량을 결정하는 것을 특징으로 하는 노즐 위치 제어 시스템.

Images