(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電手段と一次電池と、前記発電手段の出力または前記一次電池によって充電されるコンデンサと、該コンデンサの電圧を所定の電圧に変換する電圧変換手段と、該電圧変換手段からの給電により作動される水栓制御回路と、該水栓制御回路により流路を開閉する電磁弁を有する水栓装置において、前記一次電池から前記コンデンサへの充電を制御するスイッチ手段を備え、該スイッチ手段は前記水栓制御回路の負荷電流に応じて、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を遮断することを特徴とする水栓装置。
【請求項２】
請求項１の水栓装置において、前記スイッチ手段は前記電圧変換手段の出力低下時、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を遮断することを特徴とする水栓装置。
【請求項３】
請求項１の水栓装置において、前記スイッチ手段は前記電磁弁の通電後所定時間、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を遮断することを特徴とする水栓装置。
【請求項４】
請求項１の水栓装置において、前記電圧変換手段はスイッチング型電圧変換回路であり、前記スイッチ手段は、前記スイッチング型電圧変換回路のスイッチング動作時に、前記一次電池と前記コンデンサの接続を遮断することを特徴とする水栓装置。
【請求項５】
発電手段と一次電池と、前記発電手段の出力または前記一次電池によって充電されるコンデンサと、該コンデンサの電圧を所定の電圧に変換する電圧変換手段と、該電圧変換手段からの給電により作動される水栓制御回路と、該水栓制御回路により流路を開閉する電磁弁を有する水栓装置において、前記一次電池から前記コンデンサへの充電を制御するインピーダンス変更手段を備え、該インピーダンス変更手段は前記水栓制御回路の負荷電流に応じて、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を高インピーダンスとすることを特徴とする水栓装置。
【請求項６】
請求項５の水栓装置において、前記インピーダンス変更手段は前記電圧変換手段の出力低下時、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を高インピーダンスとすることを特徴とする水栓装置。
【請求項７】
請求項５の水栓装置において、前記インピーダンス変更手段は前記電磁弁の通電後所定時間、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を高インピーダンスとすることを特徴とする水栓装置。
【請求項８】
請求項５の水栓装置において、前記電圧変換手段はスイッチング型電圧変換回路であり、前記インピーダンス変更手段は、前記スイッチング型電圧変換回路のスイッチング動作時に、前記一次電池と前記コンデンサの接続を高インピーダンスとする水栓装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか１項の水栓装置において、前記インピーダンス変更手段は抵抗とスイッチ素子の直列または並列回路であることを特徴とする水栓装置。
【請求項１０】
請求項５乃至８のいずれか１項の水栓装置において、前記インピーダンス変更手段はスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ制御の変更によることを特徴とする水栓装置。
【請求項１１】
水栓の流路に設けられた水力発電機と、該発電機によって充電されるコンデンサと、該コンデンサの電圧を所定の電圧に変換する電圧変換手段と、該電圧変換手段からの給電により作動される水栓制御回路と、該水栓制御回路により流路を開閉する電磁弁を有する水栓装置において、電力消費回路を備え、前記コンデンサまたは電力消費回路を前記発電機出力に接続するための切り替え手段を備えたことを特徴とする水栓装置。
【請求項１２】
請求項１１の水栓装置において、前記切り替え手段は、前記コンデンサの充電電圧に応じて制御することを特徴とする水栓装置。
【請求項１３】
水栓の流路に設けられた水力発電機と、該発電機によって充電される蓄電手段と、該蓄電手段からの給電により作動される水栓制御回路と、該水栓制御回路により流路を開閉する電磁弁を有する水栓装置において、電力消費回路を備え、該電力消費回路または前記蓄電手段を前記発電機出力に接続するための切り替え手段を備えたことを特徴とする水栓装置。
【請求項１４】
請求項１３の水栓装置において、前記切り替え手段は、蓄電手段の充電電圧に応じて制御することを特徴とする水栓装置。
【請求項１５】
請求項１２または１４の水栓装置において、前記電力消費回路の負荷は抵抗であり、前記切り替え手段は、前記充電電圧が所定の閾値を越えたか否かを検出する充電電圧検出手段を備え、前記充電電圧が前記所定の閾値を越えた場合は、前記発電機出力に前記負荷である抵抗を接続することを特徴とする水栓装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水栓の制御装置に係り、特に発電機能を備えた制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電機能によって水栓の制御装置を駆動する目的は、装置の電源に関わる一切の工事、メンテナンスを無くすことである。これが、使用条件によって動作が停止したり、定期的に部品の交換等を必要とするならば、発電機能を設ける意味が無い。
【０００３】
従来、実公平６−３７０９６号に見られるものを詳述すると、以下の通りである。
発電機は水栓の流路に設けられた翼車によって駆動され、この発電機によって蓄電池を充電し、蓄電池によって水栓制御器（制御回路）に給電する装置において、蓄電池の充電が不足した場合に備えて乾電池を設け、乾電池からも水栓制御器に給電できるようにしたものである。乾電池は、発電量が不足した場合の動作停止を防止することを目的としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の発明によれば、蓄電池を制御回路の主電源とし、蓄電池の電圧不足時には乾電池から制御回路に電源電流を供給する。これは、以下のような問題がある。
【０００５】
まず、主電源に蓄電池を使用しているが、蓄電池は他の電子部品、例えば抵抗やコンデンサに比較して使用可能な年数、すなわち寿命が短い。蓄電池は、携帯機器や電動工具、玩具など、電力消費が多いために乾電池を使用すると不経済なものに適しており、水栓装置のように僅かな電力消費で長期間使用される設備機器とは、本質的に相性が悪い。
また、蓄電池には、その種類毎に、定電圧充電、低電流充電、温度変動の監視など、適切な充電方法があり、同様に放電についても電流値などの制限条件がある。これに従わない場合は、蓄電池の過充電、あるいは過放電となり、性能が著しく劣化する傾向がある。
【０００６】
水栓の吐水時に発電機により充電する方法では、発電が行われる時間が短いため、瞬間的に大電力を発生し、しかもそのタイミングは予測できない。従来例には無いが、太陽電池を発電機として使用する場合は、晴天時に大電流が数時間継続して流れ、これが何日も継続する。同様に、湯と水の温度差を利用して熱発電素子によって発電する場合も、発電のコントロールは難しい。
水力発電、太陽電池、熱発電のいずれの場合も、使用者が充電器などを使用して蓄電池を意識的に充電する場合と異なり、状況によって充電条件は様々に変化する。蓄電池に推奨される充電ルールを満足するのは困難であり、蓄電池の短寿命化は避けられない。
以上の様に、一般的に長寿命を期待できない蓄電池を使用し、更に不適切な方法でしか充電できないため、蓄電池は数年で交換が必要となることが予想される。よって、蓄電池の使用により、水栓装置の寿命以前に蓄電池の交換が必要となり、メンテナンスフリーの目的を果たせない。よって、蓄電池の使用は誤った選択と言える。
【０００７】
また、蓄電池と乾電池は制御回路に対して並列に接続され、いずれかの電池、あるいは両方から制御回路に通電される。従来例では、ダイオードを利用し、電池電圧の高低差によって切り替える方式である。これは以下の様な問題がある。
電池を切り替えて使用するということは、蓄電池と乾電池が同等の性能を持たなければならない。水栓の制御回路の主な消費は電磁弁の駆動でり、電池を使った水栓装置には電磁弁の開状態、閉状態を保持するラッチングソレノイドが一般に使用されるが、これは瞬間的に大電流を必要とする。よって、従来例では蓄電池、乾電池、共に大電流を流す能力を持った電池でなければならない。
しかし、例えば１０年間といった長期間使用できる乾電池は、ガスメーターなど、微少電流で長期間消費される用途に開発されており、電池の内部抵抗が大きく、大電流の通電用途には不向きである。大電流を通電すれば乾電池が劣化し、蓄電池と同様に数年程度の寿命となり、先に説明した電源のメンテナンスフリーの目的に反する。
【０００８】
また、蓄電池と乾電池の明確な切り替えは、現実には非常に困難である。蓄電池も乾電池も電池残量が少なくなると出力電圧が低下する傾向があるが、その性能は電池の種類によって様々である。残量だけでなく温度などの環境でも変化し、これも電池の種類によって異なる。
従来例にあるニッカド電池は、放電特性が比較的平坦なタイプの電池であり、放電期間の殆どを１．２Ｖ程度で維持し、その後急激に電圧が低下する。蓄電池の電圧が急激に低下する状態は過放電に近い状態であり、電流供給能力も極端に低下し、制御回路を駆動することはできない。
よって、急激な電圧低下に至る前に乾電池に切り替えなければならないが、ニッカド電池が一定の電池電圧を維持する状態が長いために、乾電池と蓄電池が同時に消費される場合が多くなる。乾電池も同様に電池残量によって徐々に電圧が変化するため、ある電圧を境に切り替えるというのは不可能であり、蓄電池と同時に消費されることは避けられない。
また、蓄電池の電圧が一旦低下すると、充電によって電圧が復帰するには相当量の充電が必要である。よって、発電が行われても、乾電池の消費は引き続き継続する。更に、乾電池は蓄電池の充電にも使用され、蓄電池の自己放電分、蓄電池の充電時の発熱等の損失分も負担しなければならない。よって、乾電池の消費はますます大きくなり、一旦乾電池が作動を始めると、その容量を大部分を消費してしまい、乾電池の交換までの時間が短くなる。
【０００９】
このように従来の方式では、蓄電池と乾電池の双方から水栓制御回路に給電可能としているために、蓄電池の残量が不足の場合に使用されるべき乾電池が不本意に消費され、本当に乾電池が必要とされる時に、その残量が不十分になる恐れがある。また、蓄電池と乾電池のいずれが使用されているか把握できないため、乾電池が消費されるペースが予測できず、乾電池の交換を余裕をもって早めに行わなければならない。これも、前述の様に、発電によって電源をメンテナンスフリーにする目的に反する。
以上のように、蓄電池と乾電池を切り替えながら制御回路に通電する方式では、現実に使用される電池の特性によって、蓄電池、乾電池が早々に寿命を終えてしまい、システムが目的とするメンテナンスフリーを実現できない。
【００１０】
また、発電手段として特に、水車と発電機からなる水力発電機を使用する場合、メンテナンスフリーとは別に、以下のような問題がある。
発電機の良く知られた特性として、発電機から出力電流が取り出されると、この電流の電磁力により発電機の回転を妨げる方向にトルクが生じる。これは発電機に取り付けられた水車の回転を妨げることになり、水力発電機部分の圧力損失を増大させ、水栓装置の流量は低下する。
発電機は水栓装置の電源となる蓄電手段を充電することが目的であり、充電電流を出力する状態で水栓装置の流量は適量に設定される。
【００１１】
しかし、蓄電手段が満充電となって充電不要、あるいは充電を禁止すべき状態になると、それまで充電電流として出力されていた発電機の電流の行き先がなくなる。すると、発電機の出力電流がゼロとなり、水力発電機部分の圧力損失が減少して水栓装置の流量が増加する。
このように、水力発電の場合、蓄電手段を充電するか否かによって発電機の負荷電流が変化し、使用者の意図とは全く無関係に水栓装置の流量が変化するという問題がある。
例えば、実開平２−６５０４６に「蓄電池が満充電に満たない場合のみ発電機と蓄電池を接続する」考案が開示されている。この場合、蓄電池が満充電になると発電機の負荷がなくなるため、前述の通り、蓄電池の充電が完了すると急に水栓の流量が増加してしまう。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、発電によるエネルギーを利用して水栓を制御する水栓装置において、使用部材全てが長期間、必要な性能を維持し、水栓装置の製品寿命に至るまで電池等一切の部品交換が不要な、真のメンテナンスフリーを実現する水栓の制御装置を提供することにある。
更には、水力発電を使用する場合に、蓄電手段の充電状態によらず、流量が安定した水栓の制御装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
発電手段と一次電池と、前記発電手段の出力または前記一次電池によって充電されるコンデンサと、該コンデンサの電圧を所定の電圧に変換する電圧変換手段と、該電圧変換手段からの給電により作動される水栓制御回路と、該水栓制御回路により流路を開閉する電磁弁を有する水栓装置において、前記一次電池から前記コンデンサへの充電を制御するスイッチ手段を備え、該スイッチ手段は前記水栓制御回路の負荷電流に応じて、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を遮断することを特徴とするので、大電流放電による一次電池の劣化を防止し、一次電池の消費を管理できる。
【００１４】
請求項１の水栓装置において、前記スイッチ手段は前記電圧変換手段の出力低下時、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を遮断することを特徴とするので、電圧変換回路の出力低下によって水栓制御回路の負荷電流の急激な増加を検出し、一次電池からの電源供給を防止する。
【００１５】
請求項１の水栓装置において、前記スイッチ手段は前記電磁弁の通電後所定時間、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を遮断することを特徴とするので、電磁弁の大電流負荷によって電圧変換回路の出力電圧が一時的に低下していることを予想し、一次電池からの放電を防止する。
【００１６】
請求項１の水栓装置において、前記電圧変換手段はスイッチング型電圧変換回路であり、前記スイッチ手段は、前記スイッチング型電圧変換回路のスイッチング動作時に、前記一次電池と前記コンデンサの接続を遮断することを特徴とするので、電圧変換回路のスイッチング動作によって水栓制御回路の負荷電流の増加を検出し、一次電池からの電源供給を防止する。
【００１７】
発電手段と一次電池と、前記発電手段の出力または前記一次電池によって充電されるコンデンサと、該コンデンサの電圧を所定の電圧に変換する電圧変換手段と、該電圧変換手段からの給電により作動される水栓制御回路と、該水栓制御回路により流路を開閉する電磁弁を有する水栓装置において、前記一次電池から前記コンデンサへの充電を制御するインピーダンス変更手段を備え、該インピーダンス変更手段は前記水栓制御回路の負荷電流に応じて、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を高インピーダンスとすることを特徴とするので、コンデンサの充電回路の時定数を任意に制御でき、これによって、一次電池の劣化を引き起こさない程度の電流範囲で、コンデンサの充電時間を最短とすることができる。
【００１８】
請求項５の水栓装置において、前記インピーダンス変更手段は前記電圧変換手段の出力低下時、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を高インピーダンスとすることを特徴とするので、電圧変換回路の出力低下によって水栓制御回路の負荷電流の急激な増加を検出し、一次電池からコンデンサへの充電電流を制限する。
【００１９】
請求項５の水栓装置において、前記インピーダンス変更手段は前記電磁弁の通電後所定時間、前記一次電池と前記コンデンサとの接続を高インピーダンスとすることを特徴とするので、電磁弁の大電流負荷によって電圧変換回路の出力電圧が一時的に低下していることを予想し、一次電池からコンデンサへの充電電流を制限する。
【００２０】
請求項５の水栓装置において、前記電圧変換手段はスイッチング型電圧変換回路であり、前記インピーダンス変更手段は、前記スイッチング型電圧変換回路のスイッチング動作時に、前記一次電池と前記コンデンサの接続を高インピーダンスとするので、電圧変換回路のスイッチング動作によって水栓制御回路の負荷電流の増加を検出し、一次電池からのコンデンサへの充電電流を制限する。
【００２１】
請求項５乃至８のいずれか１項の水栓装置において、前記インピーダンス変更手段は抵抗とスイッチ素子の直列または並列回路であることを特徴とするので、スイッチ素子の制御で多彩なインピーダンス変更が可能である。
【００２２】
請求項５乃至８のいずれか１項の水栓装置において、前記インピーダンス変更手段はスイッチ素子のＯＮ／ＯＦＦ制御の変更によることを特徴とするので、少部品で済み、マイコン等による制御に最適である。
【００２３】
水栓の流路に設けられた水力発電機と、該発電機によって充電される蓄電手段と、該蓄電手段からの給電により作動される水栓制御回路と、該水栓制御回路により流路を開閉する電磁弁を有する水栓装置において、電力消費回路を備え、該電力消費回路または前記蓄電手段を前記発電機出力に接続するための切り替え手段を備えたことを特徴とするので、発電機の出力電流が途切れることがなく、水栓装置の流量が安定する。
【００２４】
請求項１１の水栓装置において、前記切り替え手段は、前記コンデンサの充電電圧に応じて制御することを特徴とするので、水栓装置の流量安定と同時にコンデンサの充電制御も可能となる。
【００２５】
水栓の流路に設けられた水力発電機と、該発電機によって充電される蓄電手段と、該蓄電手段からの給電により作動される水栓制御回路と、該水栓制御回路により流路を開閉する電磁弁を有する水栓装置において、電力消費回路を備え、該電力消費回路または前記蓄電手段を前記発電機出力に接続するための切り替え手段を備えたことを特徴とするので、発電機の出力電流が途切れることがなく、水栓装置の流量が安定する。
【００２６】
請求項１３の水栓装置において、前記切り替え手段は、蓄電手段の充電電圧に応じて制御することを特徴とするので、水栓装置の流量安定と同時に蓄電手段の充電制御も可能となる。
【００２７】
請求項１２または１４の水栓装置において、前記電力消費回路の負荷は抵抗であり、前記切り替え手段は、前記充電電圧が所定の閾値を越えたか否かを検出する充電電圧検出手段を備え、前記充電電圧が前記所定の閾値を越えた場合は、前記発電機出力に前記負荷である抵抗を接続することを特徴とするので、発電機の出力電流は、充電電圧が所定の電圧以下では充電電流に、それ以上の電圧では抵抗が負荷となって電流が継続し、水栓装置の流量が変化することがない。
【００４５】
【発明の実施の形態】
本発明をより理解しやすくするため、以下に図を用いて詳説する。
【００４６】
【実施例】
（実施例１）
図１は本発明の第一の実施例を説明する回路図である。
図１において、１は水栓装置を制御する水栓制御回路の中枢となるマイコン、２は水栓装置の使用者を検出する人体検出回路、３は水栓装置の水路を開閉する電磁弁のソレノイド、４はソレノイド３を通電するソレノイド通電回路である。
マイコン１、人体検出回路２、ソレノイド通電回路４は、水栓装置の制御に関する部分であり、水栓制御回路を構成する。
人体検出回路２は、水栓装置が自動手洗い器であれば手を検出するセンサであり、マイコン１のポートＰＯ３によって検出動作を行い、その検出結果をマイコン１のポートＰＩ１に出力する。なお、人体検出回路２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ーなどでも良い。
ソレノイド３は、電磁弁の開／閉の切替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り、ソレノイド通電回路４は、ソレノイド３を電磁弁の開・閉に応じて、正／逆通電するＨブリッジ回路であり、マイコン１のＰＯ１がＨｉの時に開通電、ＰＯ２がＨｉの時に閉通電が行われる。なお、マイコン１、人体検出回路２の通電電流に対して、ソレノイド通電回路４の通電電流は圧倒的に大きい。
【００４７】
５はコンデンサであり、電圧変換回路６と共に水栓制御回路の電源を構成する。電圧変換回路６はドロップ型の定電圧回路であり、図１の構成ではなく、三端子レギュレータＩＣと平滑用コンデンサによっても構成可能である。
７は水路に設けられた水車に取り付けられた発電機であり、その出力は全波整流器８で全波整流された後、ダイオード２を介してコンデンサ５を充電する。定電圧ダイオード９は全波整流器８の出力がコンデンサ５の最大定格電圧を超えないようにするための保護素子であり、ダイオード２は定電圧ダイオード９のリーク電流によってコンデンサ５が放電されることを防止する。
１０は一次電池であり、抵抗１１、トランジスタ１３、ダイオード１２を介してコンデンサ５を充電する。トランジスタ１３はマイコン１のポートＰＯ４によってＯＮ／ＯＦＦされ、ＰＯ４がＬｏの場合にトランジスタ１３はＯＮする。ダイオード１２は一次電池１０の逆充電防止用である。
更に、電圧変換回路６の出力であり水栓制御回路の電源電圧をＶＤＤ、コンデンサ５の電圧をＶＣとすると、ＶＤＤとＶＣはそれぞれマイコン１のＡ／Ｄ変換ポートであるＡＤ１とＡＤ２に入力され、マイコン１はそれぞれの電圧を知ることができる。
【００４８】
図２は水栓装置のメインルーチンのフローチャートである。
周期的に人体検出回路２を作動させ、人体を感知するとソレノイド３を駆動して吐水を行うもので、自動手洗い器で良く知られた動作である。
図２のメインルーチンのプログラムステップＳ００１（以下Ｓ００１）で人体検出回路２を作動させ、人体を感知している場合はＳ００３からＳ００４の電磁弁の開通電、人体を感知していない場合はＳ００５からＳ００６の閉通電に進む。
次にＳ００７でコンデンサ５の充電制御であるマイコン１のＰＯ４制御サブルーチンを実行し、Ｓ００８で１秒間待ってＳ００１に戻り、ループを形成する。
Ｓ００４の開通電、Ｓ００６の閉通電のサブルーチンのフローチャートをぞれぞれ図３、図４に、Ｓ００７のＰＯ４制御サブルーチンのフローチャートを図５に示す。
【００４９】
図３において、Ｓ３０１でＰＯ４をＨｉとし、トランジスタ１３をＯＦＦして一次電池１０からの給電を停止する。Ｓ３０２でＰＯ１をＨｉとしてソレノイド３を開方向に通電し、Ｓ３０３で２０ｍｓｅｃ待ち、Ｓ３０４でＰＯ１をＬｏとして通電を終了し、Ｓ３０５でＰＯ４をＬｏに戻してメインルーチンに戻る。
【００５０】
図４は、図３に比較して、ソレノイド通電を制御するポートがＰＯ１からＰＯ２になるだけである。
【００５１】
図５において、Ｓ５０１でまず電圧変換回路６の出力電圧であり、水栓制御回路の電源電圧であるＶＤＤをＡ／Ｄ変換する。Ｓ５０２でＶＤＤが電圧変換回路６の設定電圧（安定化して出力する定電圧値）となっているか、すなわち、瞬間的な負荷電流の増加などで電圧変換回路６の出力が本来の設定値より低下していないかどうかをチェックする。電圧変換回路６に使用するトランジスタや三端子レギュレータなどの回路素子は、全て素子毎に限界能力があり、負荷電流によって必ず出力電圧変動が発生するためである。
ＶＤＤが設定電圧に満たない場合は、水栓制御回路の負荷電流が急激に増加した場合であり、この時はＳ５０５でＰＯ４をＨｉとし、トランジスタ１３をＯＦＦして一次電池１０から水栓制御回路、特にソレノイド通電回路４への電源供給を防止する。
Ｓ５０２でＶＤＤが設定電圧である場合は、Ｓ５０３でコンデンサ５の電圧ＶＣをＡ／Ｄ変換する。Ｓ５０４で、ＶＣが十分に高い値であるかどうか、すなわちＶＣが「ＶＤＤの設定値に１Ｖ（電圧変換回路６の電圧降下分）を加えた値」より高いかを判断し、高い場合はコンデンサ５を充電する必要が無いのでＳ５０５でトランジスタ１３をＯＦＦし、低い場合はＳ５０６でトランジスタ１３をＯＮする。そしてＳ５０７よりメインルーチンに戻る。
【００５２】
図６は第１の実施例の動作例のタイミングチャートである。まず、時刻Ｔ１（以下Ｔ１）以前では、ＶＣが低いためにトランジスタ１３はＯＮし、一次電池１０の出力電圧にほぼ等しい値になっている。Ｔ１で人体が検出されるとソレノイドの開通電が行われる。この通電の際、短時間ではあるが大電流がソレノイド３に通電される。しかし、図３のフローチャートによりトランジスタ１３はＯＦＦされ、一次電池１０は放電されない。
更に、負荷電流の急激な増加によりＶＤＤが低下するため、開通電終了後も、図５のＳ５０２の判断によってトランジスタ１３をＯＦＦし、一次電池１０からの電流供給を防止する。吐水が開始されると発電機７が発電を始め、ＶＣは上昇する。そして、ＶＤＤが設定値に戻るためＴ２でトランジスタ１３は一旦ＯＮするが、Ｔ３でＶＣが（ＶＤＤ設定電圧＋１Ｖ）を超えるのでトランジスタ１３はＯＦＦする。この状態では、コンデンサ５によって水栓制御回路が作動可能な状態であるので、完全に一次電池１０の放電を防止する。
Ｔ４で人体の検出が無くなると閉通電を行うが、この際も一次電池１０から通電されることは無い。吐水を終了すると、マイコン１、人体検出回路２などの僅かな消費やコンデンサ５のリーク電流などによってＶＣは徐々に低下する。マイコン１はＶＣの低下を検出し、Ｔ５でトランジスタ１３をＯＮし、コンデンサ５の電圧は一次電池１０によって保持される。微弱な電流であるため、抵抗１１の影響は殆どない。
【００５３】
このように、大電流負荷が発生した時にトランジスタ１３をＯＦＦするため、一次電池１０が大電流放電をする恐れが無い。また、抵抗１１がコンデンサ５の充電回路に入っているため、トランジスタ１３がＯＮしている場合でも一次電池１０の出力電流をある程度、制限する。すなわち、トランジスタ１３の制御が瞬間的に遅れるなどの不都合があっても、抵抗１１が一次電池１０の大電流放電を緩和する。
また、コンデンサ５は、最低でも一次電池１０の電圧とほぼ同じ値に保持され、発電があると、蓄電池と異なりすぐに電圧が上昇する。すなわち、発電が始まると直ちに一次電池の消費を停止する。従来例にある蓄電池は、発電開始と同時に電池電圧が上がることがなく、発電開始と同時に一次電池の消費を停止できない。
【００５４】
以上の動作により、本実施例で得られる効果を列挙する。
（１）一次電池１０が大電流の供給をすることがなくなり、一次電池の品種として大電流の供給能力の無いタイプのものでも使用できる。すなわち、ガスメーターなどの用途に開発された、１０年程度の寿命を持つ一次電池が使用できる。
（２）発電が始まると直ちに一次電池の消費が停止するため、一次電池の最大消費量は「発電がなされない期間の消費量」として、正確に予測することができる。よって、一次電池の全容量から最短寿命が計算可能であり、必要な容量の一次電池を選択すれば、一次電池の寿命を保証できる。
（３）コンデンサは蓄電池と違って充放電回数の制限は実質、無いに等しい。容量が１Ｆ程度の大容量のコンデンサを使用すれば１日１回の充放電で済む。仮に１０年の寿命としても、充放電回数は３６５０回であり、コンデンサの部品寿命として全く問題無い。よって、従来の蓄電池と異なり、数年で交換する必要がない。
（４）コンデンサの充電は電圧を印加するだけなので蓄電池にあるような充電制御が不要である。図１のようにツェナーダイオード９によって、発電出力をコンデンサ５の耐圧以下に制限するだけでよく、従来例の蓄電池のような過充電による劣化の心配が無い。
（５）コンデンサ５の電圧が（ＶＤＤ設定電圧＋１Ｖ）を越えると充電を停止するため、仮に一次電池１０に電圧の高いものを使用しても、コンデンサ５の充電に問題ない。
（６）コンデンサ５は充放電に応じて電圧変動するが、電圧変換回路６を備えているのでコンデンサ５の電圧が上昇しても水栓制御回路の動作に影響しない。
【００５５】
以上のように、コンデンサも一次電池も本質的に長寿命である部品を使用し、かつ動作条件からも部品劣化の心配がなく、一次電池が不本意に消費されることもないため一次電池の寿命が保証され、長期間、部品や電池の交換が不要な、完全にメンテナンスフリーな水栓装置を実現できる。
なお、コンデンサ５の充電回路は、抵抗１１とトランジスタ１３の直列回路となっているが、トランジスタ１１のＯＮ抵抗を調整すれば抵抗１１は不要である。トランジスタ１３にＯＮ抵抗の大きいものを選択する、ゲート信号電圧の調整、ゲート信号のチョッパ制御、などの方法で抵抗１１を削除できる。また、発電出力の電圧を制限する手段として、ツェナーダイオード９を使用しているが、抵抗や定電圧ＩＣを用いてもよい。
【００５６】
（実施例２）
次に第２の実施例を説明する。第１の実施例とはＰＯ４制御のフローチャートが異なる。これを図７に示す。
図７において、図５と同じはたらきとなる部分は同じステップ番号を付けている。Ｓ５０２でＶＤＤが設定電圧となっていない場合、Ｓ７０５でＰＯ４を１０％デューティーでＬｏとするチョッパ制御を行う。Ｓ７０５では、トランジスタ１３がＯＮしている時間の割合が少ないため、トランジスタ１３のインピーダンスは高い。よって一次電池１０から大電流が流れることは無いが、ＶＣが極端に低下した場合は充電電流が流れる。
ＶＤＤが設定値である場合はＳ５０４へ進み、ＶＣが（ＶＤＤ設定電圧＋１Ｖ）より高い場合はＳ７０７でＰＯ４を５０％デューティーでＬｏとするチョッパ制御を行い中程度のインピーダンスとする。ＶＣが高いので充電の必要は無いが、ＶＣが急に低下した場合にマイコン１のＰＯ４制御がすぐに対応できなくても、ある程度の充電を行うことができる。
Ｓ５０４でＶＣが（ＶＤＤ設定電圧＋１Ｖ）以下の場合はＳ７０６でトランジスタ１３を完全にＯＮして、低インピーダンスとする。充電時定数が小さく、少ない電圧差でも充電する。
このように、一次電池１０とコンデンサ５の接続を単純なＯＮ／ＯＦＦ制御とせず、インピーダンス（ＯＮ抵抗）を制御可能な方式とすれば、コンデンサ５の充電回路の時定数を任意に制御できる。これによって、一次電池の劣化を引き起こさない程度の電流範囲で、コンデンサの充電時間を最短とすることができる。
【００５７】
例えば、通常はインピーダンスを低くして充電の応答性を良くしておき、回路の負荷電流が増えた場合や、コンデンサの電圧が高くて充電の必要がない場合などはインピーダンスを高くして充電電流を制限する。従来の場合、蓄電池の充電電流に適正範囲が決められているため、このように一次電池からの充電電流を広範囲に制御する方法は不可能である。
なお、充電制御手段のインピーダンスを調整する方法は、図７のようなトランジスタのＯＮデューティーを変える方法の他、抵抗とトランジスタを直列、並列に組み合わせることでも、様々なタイプのものができる。
【００５８】
（実施例３）
次に第３の実施例を説明する。第１の実施例とはＰＯ４制御のフローチャートが異なる。これを図８に示す。
図８において、Ｓ８０１でソレノイド３の開通電から１秒以内かどうかチェックする。開通電から１秒以内とは、水栓制御回路にとって大きな負荷電流が流れた直後で、ＶＤＤが一時的に低下していることが予想される。この時は一次電池１０から電流が供給される恐れがあるのでＳ８０３でトランジスタ１３をＯＦＦする。Ｓ８０２でも同様に、閉通電から１秒以内の場合はＳ８０３でトランジスタ１３をＯＦＦする。それ以外はＳ８０４でトランジスタ１３をＯＮしておく。
【００５９】
第３の実施例では、マイコン１のタイマーのみでコンデンサ５の充電制御が可能であり、Ａ／Ｄ変換が不要となり、簡易的に制御できる。なお、第１の実施例の各電圧条件と組み合わせて動作させてもよい。また、第２の実施例のようなトランジスタ１３のチョッパ制御と組み合わせて、ソレノイド３の通電から１秒間はインピーダンスを上げるという方法でも良い。あるいは、ソレノイドの通電から経過した時間に応じてトランジスタ１３のＯＮデューティーを徐々に上げていく方法でもよい。
【００６０】
（実施例４）
図９に第４の実施例の回路図を示す。図１とは電圧変換回路の構成と、トランジスタ１３、これを制御するＰＯ４が無い点、ＶＣのＡ／Ｄ変換端子が無い点が異なる。動作フローチャートは第１の実施例からＰＯ４の制御を除いたものとなる。
図９の電圧変換回路６１は、スイッチング型昇圧回路である。出力電圧が一定になるように自動的にスイッチングをＯＮ／ＯＦＦ制御する専用の昇圧ＩＣを使用すれば、簡単に高精度で低消費の回路を構成できる。
【００６１】
図１０はその動作例のタイミングチャートである。Ｔ１で人体を検出するとソレノイド３の開通電を行う。この時、開通電のために電圧変換回路６１の出力電圧ＶＤＤは低下する。ＶＤＤが低下すると昇圧ＩＣによって電圧変換回路６１はスイッチング動作を開始し、ＶＤＤは上昇する。
この間、スイッチング動作の電源として、コンデンサ５の電荷が消費されるが、一次電池１０は消費されない。これは、スイッチング型の昇圧回路が、瞬間的に大きなパルス電流を必要とするためで、抵抗１１によって一次電池１０の出力電流に制限がかり、スイッチング動作の電源となるのは出力インピーダンスの低いコンデンサ５のみで、一次電池１０は殆ど寄与できないため消費することもない。
Ｔ５以降もＶＤＤが低下すると、電圧変換回路６１が短時間のスイッチング動作を間欠的に行って、ＶＤＤを設定値に維持する。この際も電源となるのはコンデンサ５のみである。
【００６２】
本実施例では以下のような効果がある。
（１）負荷がスイッチング型であるため、抵抗１１だけで一次電池の消費を制御することが可能となり、充電制御回路やその制御方法が簡単になる。。
（２）スイッチング型の電圧変換回路のためにＶＣからＶＤＤへの変換効率が良い。図１の電圧変換回路６は、簡単な構成の回路であるため価格が安いが、電圧のドロップ分は損失となる。図９のスイッチング型の回路であれば、電圧によらずほぼ一定の効率を維持できる。また、昇圧型でなく、降圧型のスイッチング回路でも同様の効果が得られる。
（３）昇圧することにより、電源となるコンデンサ５の電圧範囲を広くとることができる。例えば、一次電池１０が１．５Ｖ、コンデンサ５の最低電圧が１．０Ｖ、ＶＤＤは５．０Ｖという条件でも良い。コンデンサ５の使用電圧範囲が広い程、一次電池１０からの充電を少なくできる。
（４）電圧変換回路６１が昇圧型なので、ＶＤＤよりＶＣは低くて良く、一次電池１０も電圧の低いものを使用できる。一次電池１０のセル数を減らしたり、コンデンサ５に耐圧の低いものを使用することができ、水栓装置の小型化、低価格化に寄与する。
【００６３】
（実施例５）
図１１は第５の実施例の回路図である。図１１は図９に比較して、トランジスタ１３を設け、ＰＯ４で制御している。更に、抵抗１４、トランジスタ１５によってコンデンサ５の放電回路を構成し、マイコン１のポートＰＯ５によって制御される。また、コンデンサ５の電圧ＶＣはマイコン１のＡ／Ｄ変換入力ポートであるＡＤ２に入力されている。
【００６４】
第５の実施例のメインフローチャートを図１２に示す。開通電、閉通電のフローチャートはそれぞれ図３、図４、ＰＯ４制御のフローチャートは図８である。まず、図１２のフローチャートを説明する。
図１２において、図２と同じ動作をする部分は同じステップ番号を付けている。図１２のＳ００７の後、コンデンサ５の電圧ＶＣをＡ／Ｄ変換する。Ｓ１１１でＶＣがコンデンサの耐圧、すなわち部品として印加して良い電圧以上になっていないかチェックする。ＶＣが耐圧以下ならばＳ１１２でＰＯ５をＬｏ、すなわちトランジスタ１５をＯＦＦしてＳ００８に進む。以降は図２と同じである。
Ｓ１１１でＶＣがコンデンサ５の耐圧以上となっている場合はＳ１１３でＰＯ５をＨｉとしてトランジスタ１５をＯＮし、抵抗１４を介してコンデンサ５を放電する。更に、Ｓ１１４で０．１秒という短い時間待ってＳ００１に戻る。
また、図８のＰＯ４の制御は実施例３で説明した通りであり、電圧変換回路６１にとって最も負荷の重い状態であるソレノイド３の通電後１秒間、トランジスタ１３をＯＦＦする。
【００６５】
第５の実施例では以下の様な効果がある。
（１）コンデンサ５の電圧はツェナーダイオード９を使用して制限しているが、このような素子も電力的に限界がある。他に、三端子レギュレータなどの定電圧出力回路を使う方法もあるが、発電手段の出力電圧が高くなりすぎると、このような電圧制限手段の部品耐圧を越える恐れがある。水力発電に限らず、発電手段は、出力電流が大きい場合は出力電圧が下がる傾向があり、コンデンサ５を抵抗１４、トランジスタ１５によって放電すれば、それだけ発電手段の出力電圧を抑える効果があり、発電手段に直接繋がる部品の高電圧印加による破壊を防止できる。
（２）図１２のＳ１１４でタイマーを０．１秒と短くすることにより、図１２のメインルーチンをループするスピードが上がる。Ｓ００１の人体検出回路や、Ａ／Ｄ変換などを含むマイコン１の消費が増え、コンデンサ５の放電を促す効果がある。発電手段の能力が比較的小さい場合は、消費の多い回路部分の作動回数を増やすなど、マイコン１の動作変更だけでコンデンサ５の電圧上昇を防止することができる。
（３）ソレノイド３の通電直後はＶＤＤが低下し、電圧変換回路６１は連続してスイッチング動作を行う。この時、部分的にでも一次電池１０が消費されると、一次電池１０の正確な消費計算ができなくなる。特に抵抗１１は、コンデンサ５の充電時定数を決めるため、無条件に高抵抗にすることはできない。しかし本実施例では、最も負荷電流が大きい時にトランジスタ１３で遮断するため、抵抗１１の値を最悪条件でのコンデンサ５の充電時定数として決定できる。
【００６６】
なお、ＰＯ４制御は、図５、図７のように制御しても良い。また、電圧変換回路６１のスイッチング波形をマイコン１のポートに入力すれば、スイッチング動作が行われているかどうかを直接判断することができる。よって、マイコン１がスイッチング動作中そのものを検出してトランジスタ１３をＯＦＦすることも、あるいは高インピーダンスとすることもできる。
また、外部信号によってスイッチング動作の作動／不作動の設定ができる昇圧ＩＣを使用すれば、マイコン１によって、スイッチング動作とトランジスタ１３のＯＮ／ＯＦＦ制御と同期させることも可能である。
【００６７】
（実施例６）
図１３に第６の実施例を示す。図１３は図１１に対して、トランジスタ１３が削除され、発電手段として太陽電池２０、熱発電素子２１が追加されている。
太陽電池２０は、水栓装置の上部など照明条件の良いところに設置され、ダイオード２２を介してコンデンサ５を充電する。太陽電池は最大出力電圧が限られており、一般の電気部品を破壊する程の発電力は無いので、コンデンサ５の放電手段があれば、出力電圧制限回路が必要無い場合もある。
２１は熱発電素子であり、湯と水を使用する水栓装置の配管に取り付ければ、十分な発電能力がある。最大出力電圧をツェナーダイオード２４で制限し、ダイオード２３を介してコンデンサ５を充電する。
また、２５乃至２８は着脱可能なコネクタであり、発電機７、太陽電池２０、熱発電素子２１の発電手段と一次電池１０を、コンデンサ５に接続する。
【００６８】
図１３の各部のはたらきについて説明する。まず、抵抗１４、トランジスタ１５の放電回路の動作は実施例５で説明したが、図１３のように複数の発電手段を接続した場合は更に効果が大きい。放電回路を設けることにより、コンデンサ５が常に適当な負荷となって、コンデンサ５の電圧と、接続された全ての発電手段の出力電圧を抑えることができる。基本的には、個々の発電手段の最大出力電圧が所定の電圧以下になるように管理しなければならないが、コンデンサ５が放電回路を備えることで、安全性が高まる。
また、図１３では水力による発電機７、太陽電池２０、熱発電素子２１という異なる発電手段を同時に使用する構成となっている。これらの発電手段は、それぞれ全く異なる発電特性を持つため、充電を任意の条件に制御することは不可能である。
しかし本発明では、充電手段としてコンデンサ５を使用しているので、水力発電のような大電流による充電でも性能劣化の心配はなく、太陽電池のような微少な電流でも充電可能である。電圧の対応範囲も広いため、異なる発電手段を組み合わせても全く問題ない。
【００６９】
従来例のように蓄電池を使用した場合、蓄電池に推奨される充電条件を満足できないため、蓄電池の劣化はもちろん、充電すら満足に行われない状況が予想される。よって、蓄電池では異なる発電手段との組み合わせは不可能である。
更に、図１３ではコネクタ２５乃至２８の部分よりコンデンサ５側の回路は全て同じ構成となっている。コンデンサ５が様々な充電条件に対応できるため、発電手段または一次電池の極性さえ揃えておけば、自由に接続、取り外し、交換が可能である。
【００７０】
水栓装置の使用環境、使用頻度に応じて、水力発電と太陽電池を組み合わせることも可能であり、水力発電だけを複数使用する、発電手段を交換する、一次電池を電圧の異なるものに交換する、一次電池を複数使用してバックアップ能力を高める、など様々な仕様変更が、設置後、使用中も含めて、常時可能である。そもそも、発電量不足の際に一次電池を使用するということは、発電能力と使用頻度の予測がつかないことに起因しており、状況に応じて発電手段を変更できるということは非常に有効である。
【００７１】
（実施例７）
図１４に第７の実施例の回路図を示す。実施例５の図１１に対して以下の点が異なる。
まず、図１１のトランジスタ１３の代わりにインバータ３１が使用されている。インバータ３１は図１１のトランジスタ１３と同様の機能を持つが、一次電池１０の出力がインバータ３１の電源端子に接続されるため、電池の取り付け時に素子にかかるストレスが、トランジスタ１３に比較して小さい。よって、コンデンサ５の充電制御手段として、より取り扱いし易いものとなる。
また、図１４は、図１１の抵抗１４、トランジスタ１５からなるコンデンサ５の放電回路が無く、コンデンサ５の電圧はマイコン１に入力されていない。そして、全波整流器８の出力に、抵抗３２、トランジスタ３３、ツェナーダイオード９からなる、電力消費回路が接続されている。機能的には図１１のツェナーダイオード９による電圧制限回路に等しいが、積極的に発電機７の出力を消費する点が異なる。
【００７２】
実施例７の電力消費回路は発電機の負荷電流が変化することで水栓装置の流量が変動する問題を解決するものである。
通常、発電機７はコンデンサ５の充電電流を出力する状態にあり、この状態で水栓装置の流量は適量に設定される。しかし、コンデンサ５が満充電となって充電不要、あるいは充電を禁止すべき状態になると、発電機７の出力電流の行き先がなくなる。例えば、発電手段の出力電圧制限回路として定電圧ＩＣを使用した場合である。
何らかの手段によりコンデンサ５の充電を停止すると、発電機の出力電流がゼロとなり、水力発電機部分の圧力損失が減少して水栓装置の流量が増加する。このように、水力発電の場合、蓄電手段の充電状態によって発電機の負荷電流が変化し、使用者の意図とは全く無関係に水栓装置の流量が変化する。
【００７３】
実施例７の場合、充電中のコンデンサ５は、入力インピーダンスが小さく、ほぼ定電圧負荷とみなすことができる。全波整流器８の出力電圧はコンデンサ５の電圧にダイオード２の順方向電圧を加えた値となり、発電機７の負荷電流は安定する。コンデンサ５の充電が目標の電圧まで進むと、ツェナーダイオード９と抵抗３２、トランジスタ３３による電力消費回路が発電機の出力電流をコンデンサ５の充電電流に代わって継続的に消費する。
よって、発電機から見ると、コンデンサ５の充電状態に応じて、ツェナーダイオード９がＯＮする電圧以下ではコンデンサ５が、それ以上の電圧では抵抗３２が負荷となり、常時出力電流が流れることになる。よって発電機に生じるトルクも継続し、水栓装置の流量を変化させることも無い。
【００７４】
電力消費回路はコンデンサ５の電圧を制限する効果もあるが、出力電圧制限回路としても作用する。出力電圧を抑えるため、全波整流器８のダイオードにかかる逆電圧も制限され、全波整流器８は部品耐圧の低いものが使用できる。特に、損失の少ないショットキーダイオードは部品耐圧の低いものが多いが、これが使用しやすくなるため、装置としての高効率化にも貢献する。
【００７５】
（実施例８）
また、このような電力消費回路は、図１４のコンデンサを蓄電手段とする回路に限定されず、水力発電によって蓄電を行う水栓装置全てに有効である。図１５に、蓄電手段として二次電池を使用した例を示す。
二次電池は過充電を行うと劣化するため、満充電状態で充電を停止しなければならない。最も簡単な充電方法は定電圧充電であり、図１５のように構成すれば良い。
電圧検出ＩＣ３４は二次電池３５の充電完了電圧を検出する。二次電池３５が満充電状態になると、電圧検出ＩＣ３４がトランジスタ３３をＯＮさせ抵抗３２が発電機７の負荷となる。抵抗３２のインピーダンスを二次電池３５より小さくしておけば全波整流器８の出力電圧は低下し、二次電池３５がそれ以上充電されることはない。
抵抗３２は二次電池３５に代わる負荷となり、発電機７から継続的に電流を引き出すので、実施例７と同じく、水栓装置の流量が急に変化することはない。
【００７６】
（実施例９）
図１５では二次電池３５の充電状態を電圧検出ＩＣ３４で判断し、電圧の高低のみで一義的に切り替えを行ったが、マイコン１のＡ／Ｄ変換機能を用いて、二次電池３５の充電特性に応じて充放電の判断を行い、マイコン１のポートを使用してトランジスタ３３を制御しても良い。この回路を図１６に示す。
図１６では、マイコン１によって発電機７の負荷として、二次電池５あるいは抵抗３２のいずれかに任意に選択することが可能である。例えば、浅い充放電を繰り返すとメモリー効果が生じるニッケルカドミウム電池は、深い放電を行った後、充電する方が望ましい。このような場合でも、水栓装置の流量を変化させることなく、マイコン１のプログラム次第で、任意に二次電池３５の充電を行ったり、休止したりできる。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明してきた通り、本発明の構成によれば、発電によるエネルギーを利用して水栓を制御する水栓装置において、使用部材全てが長期間、必要な性能を維持し、水栓装置の製品寿命に至るまで電池等一切の部品交換が不要な、真のメンテナンスフリーを実現する水栓の制御装置を提供するが可能となる。
更には、発電機の出力電流を継続的に取り出すための電力消費回路を設けることにより、蓄電手段の充電状態によって流量が変動することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１乃至第３の実施例の回路図
【図２】本発明の第１乃至第３の実施例のメインルーチンのフローチャート
【図３】本発明の第１乃至第３及び第５の実施例の開通電のフローチャート
【図４】本発明の第１乃至第３及び第５の実施例の閉通電のフローチャート
【図５】本発明の第１の実施例の充電制御のフローチャート
【図６】本発明の第１の実施例の動作を表すタイミングチャート
【図７】本発明の第２の実施例の充電制御のフローチャート
【図８】本発明の第３及び第５の実施例の充電制御のフローチャート
【図９】本発明の第４の実施例の回路図
【図１０】本発明の第４の実施例の動作を表すタイミングチャート
【図１１】本発明の第５の実施例の回路図
【図１２】本発明の第５の実施例のメインルーチンのフローチャート
【図１３】本発明の第６の実施例の回路図
【図１４】本発明の第７の実施例の回路図
【図１５】本発明の第８の実施例の回路図
【図１６】本発明の第９の実施例の回路図
【符号の説明】
１…マイコン、２…人体検出回路、３…ソレノイド、
４…ソレノイド通電回路、５…コンデンサ、
６…電圧変換回路（１）、６１…電圧変換回路（２）、
７…発電機、９…ツェナーダイオード、１０…一次電池、１１…抵抗、
１３…トランジスタ、１４…抵抗、１５…トランジスタ、
２０…太陽電池、２１…熱発電素子
３２…抵抗、３３…トランジスタ、
【図１】
0003714155.tif 000002
【図２】
0003714155.tif 000003
【図３】
0003714155.tif 000004
【図４】
0003714155.tif 000005
【図５】
0003714155.tif 000006
【図６】
0003714155.tif 000007
【図７】
0003714155.tif 000008
【図８】
0003714155.tif 000009
【図９】
0003714155.tif 000010
【図１０】
0003714155.tif 000011
【図１１】
0003714155.tif 000012
【図１２】
0003714155.tif 000013
【図１３】
0003714155.tif 000014
【図１４】
0003714155.tif 000015
【図１５】
0003714155.tif 000016
【図１６】
0003714155.tif 000017