(57)【要約】アクチュエーターベース（１６）、ボビン（１４）及び磁極（３０）が、電極子（３０）用のポケットを形成し、それを可撓性の膜（４０）が包み、非圧縮性流体で満たされている電極子チャンバを形成する。膜（４０）は、導管（４４）内を流れる腐食性流体にさらされることから電極子（３０）を保護する。導管内の流れを、弁座（５４）に対して膜（４０）を駆動することによって停止することができる。導管（４４）内で制御される流体からの圧力は、膜を介して電極子チャンバ内の流体に伝達され、それによって電極子は、導管の流れの圧力によって膜（４０）に加わえられる力を相殺する必要がない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソレノイドコイルと、遠位部を含む強磁性の電極子を受容するように配置されている電極子ポケットを形成するように構成され、かつ配置されている電極子ハウジング及び、
前記ポケットに対して固定され、かつ前記ポケット内の電極子流体をシールするように前記遠位部を少なくとも部分的に取り囲むように配置されている膜を含み、
前記遠位部の移動が、前記アクチュエーターによって制御される弁通路に関連して前記膜を移動させる電磁アクチュエーター。
【請求項２】
ラッチングアクチュエーターを形成するために配置されている永久磁石をさらに含む請求項１に記載のアクチュエーター。
【請求項３】
前記電極子をその延伸位置に向かってバイアスさせるように位置決めされ、及び配置されているバイアスばねをさらに含む請求項２に記載のアクチュエーター。
【請求項４】
前記電極子流体が腐食防止剤を含む非圧縮性流体を含む請求項１〜３のいずれか１項記載のアクチュエーター。
【請求項５】
前記非圧縮性流体が、本質的に、腐食防止剤と混合された水からなる請求項１〜３のいずれか１項記載のアクチュエーター。
【請求項６】
前記電極子の遠位部が、前記電極子がその延伸した電極子位置に配置されているとき、前記膜を弁座に対して押し付けるように配置されている請求項１〜３のいずれか１項記載のアクチュエーター。
【請求項７】
前記膜の導管上流に前記膜が露出されている領域に対する、それを支える前記遠位部の領域の比が１．４と１２．３の間の範囲にある請求項６に記載のアクチュエーター。
【請求項８】
請求項１に記載のアクチュエーターを操作する方法。
【請求項９】
電極子と、コイル駆動力の適用によって操作可能であり、それによって前記電極子を移動させるコイルとを含むアクチュエーター、
前記電極子を部分的に取り囲む膜、
前記電極子の移動を検出するように構成されている電極子センサー及び、
前記電極子センサーからの出力に応答して、前記コイル駆動力を前記コイルに適用するように構成されている制御回路からなるアクチュエーターシステム。
【請求項１０】
電極子とコイルを含むラッチングアクチュエータであって、当該コイルが、第１の電流方向で電流を伝達させることによる、第１の駆動方向でのコイル駆動力の適用によって操作可能であり、それによって前記電極子を第１の末端位置に駆動させることとなる、ラッチングアクチュエーター、
前記電極子を部分的に取り囲む膜、
前記電極子が前記第１の末端位置に達するのを感知するように前記アクチュエーターに連結されているセンサー及び、
前記第１の駆動方向で前記コイルに駆動力を適用するように操作可能であり、かつ第１の駆動方向において前記コイルへのコイル駆動力の適用を停止するための所定の第１の電流停止基準を満たす前記センサーからの出力に応答可能な制御回路を含むアクチュエーターシステム。
【請求項１１】
前記コイルが、第２の電流方向で電流を伝達させることによる、第２の駆動方向でのコイル駆動力の適用によって操作可能であり、それによって前記電極子を第２の末端位置に駆動することとなり、
前記センサーが、前記電極子が前記第２の末端位置に達するのを感知するように前記アクチュエーターに連結され、
前記制御回路が、前記コイルに前記第２の駆動方向で駆動力を適用するように操作可能であり、かつ第２の駆動方向において前記コイルへのコイル駆動力の適用を停止するための所定の第２の電流停止基準を満たす前記センサーからの出力に応答可能である請求項１０に記載のアクチュエーター。
【請求項１２】
前記第１の電流停止基準と第２の電流停止基準とが相違する請求項１１に記載のアクチュエーター。
【請求項１３】
前記センサーが圧電トランスデューサを含む請求項９又は１０に記載のアクチュエーター。
【請求項１４】
前記センサーの出力が、前記制御回路の前記第１の駆動方向における前記コイルへのコイル駆動力の適用開始後、所定の第１の駆動継続時間内に前記第１の電流停止基準を満たさない場合、前記制御回路が、当該制御回路が前記コイルにコイル駆動力を適用開始したレベルよりも高いレベルで、前記第１の駆動方向においてコイル駆動力を前記コイルに適用する請求項１４に記載のアクチュエーター。
【請求項１５】
前記センサーの出力が、前記制御回路の前記第２の駆動方向における前記コイルへのコイル駆動力の適用開始後、所定の第２の駆動継続時間内に前記第２の電流停止基準を満たさない場合、前記制御回路が、当該制御回路が前記コイルにコイル駆動力を適用開始したレベルよりも高いレベルで、前記第２の駆動方向においてコイル駆動力を前記コイルに適用する請求項１４に記載のアクチュエーター。
【請求項１６】
前記アクチュエーターシステムが、前記電極子と前記コイルを含むハウジングを備え、かつ前記圧電トランスデューサが前記ハウジングに固定されている請求項１３に記載のアクチュエーター。
【請求項１７】
電極子とコイルを含むアクチュエータであって、当該コイルが、第１の電流方向で電流を伝達させることによる、第１の駆動方向でのコイル駆動力の適用によって操作可能であり、それによって前記電極子を第１の末端位置に駆動させることとなる、ラッチングアクチュエーター、
前記電極子を部分的に取り囲む膜、
前記電極子が前記第１の末端位置に達するのを感知し、達したことを示す検出器出力を発生することによって応答する終点検出器及び、
通常の第１の方向駆動レベルで、前記第１の方向で前記コイルにコイル駆動力を適用し始め、かつ前記検出器出力が所定の第１の駆動継続時間内に前記電極子の前記第１の末端位置への到達を示さなかった場合、前記コイルに前記第１の方向において、前記通常の第１の方向駆動レベルよりも高い、高められた第１の方向駆動レベルでコイル駆動力を適用するように操作可能な制御回路を含むアクチュエーターシステム。
【請求項１８】
開いた状態と閉じた状態の間で操作可能な弁、
前記弁に操作可能に接続されている電極子を含むラッチングアクチュエータであって、第１の電流方向で電流を伝達させることによる、第１の駆動方向でのコイル駆動力の適用によって操作可能であり、それによって前記電極子を第１の末端位置に駆動させることとなり、前記電極子が前記開いた状態又は閉じた状態のいずれか一方の状態に弁を保持するコイルをさらに含むラッチングアクチュエーター、
前記電極子を部分的に取り囲む膜、
前記第１の末端位置に前記電極子が達したことを検出し、かつその達したことを示す検出器出力を生成することにより応答する終点検出器及び、
前記コイルに前記第１の駆動方向でコイル駆動力を適用するように操作可能で、かつ前記第１の駆動方向における前記コイルへのコイル駆動力の適用を停止するために、前記電極子が前記第１の末端位置に達したことを指示する前記検出器出力に応答可能な制御回路を含むフロー制御システム。
【請求項１９】
前記フロー制御システムが、オブジェクトセンサー出力を生成するオブジェクトセンサーを追加的に含み及び、
前記制御回路の前記コイルへの前記コイル駆動力の適用が、前記オブジェクトセンサー出力に依存する請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記コイルが、第２の電流方向で電流を伝達させることによる、第２の駆動方向でのコイル駆動力の適用によって操作可能であり、それによって前記電極子を第２の末端位置に駆動させることとなり、前記電極子が前記開いた状態又は閉じた状態のいずれか他方の状態に弁を保持し、
前記終点検出器が、前記電極子が前記第２の末端位置へ達したことを検出し、かつその達したことを示す検出器出力を生成することによって応答し及び、
前記制御回路が、通常の第１の方向駆動レベルで、前記第２の方向において前記コイルにコイル駆動力を適用し始めるように操作可能であり、かつ前記第２の駆動方向における前記コイルへのコイル駆動力の適用を停止するために、前記電極子が前記第２の末端位置へ達したことを指示する前記検出器出力に応答可能である請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
移動センサーをさらに備える請求項９又は１０に記載のシステム。
【請求項２２】
存在センサーをさらに備える請求項９又は１０に記載のシステム。
【請求項２３】
電極子とコイルを含むアクチュエータを制御する方法であって、当該コイルが、第１の電流方向で電流を伝達させることによる、第１の駆動方向でのコイル駆動力の適用によって操作可能であり、それによって第１の末端位置に前記電極子を駆動することとなる方法において、
前記第１の駆動方向において前記コイルにコイル駆動力を適用するステップ、
前記電極子が前記第１の末端位置に達したかどうかを測定し、前記電極子が、所定の第１の駆動継続時間内に前記第１の末端位置に達しなかった場合、その後、前記第１の方向において、前記コイルに前記通常の第１の方向駆動レベルよりも高い、高められた前記通常の第１の方向駆動レベルでコイル駆動力を適用するステップを含む方法。
【請求項２４】
前記アクチュエーターがラッチングアクチュエーターである請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本出願は、発明の名称が「Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ／Ｆｌｕｉｄ Ｖａｌｖｅ Ａｃｔｕａｔｏｒ」であり、２００１年１０月２５日に出願された米国特許出願第０９／６９６，１５４号の一部継続出願である。本出願は、１９９９年１０月２１日に出願された米国特許出願第０９／４２２，５３３号の分割出願であり、現在、その発明の名称が「Ｒｅｄｕｃｅｄ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ Ａｃｔｕａｔｏｒ」である米国特許第６，２９３，５１６号である、２００１年８月７日に出願された米国特許出願第０９／９２４，１３０号の一部継続出願でもある。また本出願は、２０００年２月２９日に出願された米国特許出願第０９／５１４，４９１号の継続出願であり、現在、その発明の名称が「Ｒｅｄｕｃｅｄ−Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ Ａｃｔｕａｔｏｒ」である米国特許第６，３０５，６６２号である、２００１年１０月１９日に出願された米国特許出願第０９／ 号の一部継続出願でもある。上記の出願は、参照することによりその内容をここに組み入れる。
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々なシステムにおいて流体の流れを制御することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業用、農業用及び家庭用のシステムでは、流体の流れを制御するための様々な形式の弁が使用されている。電気的に作動する弁の最も一般的な形態では、ボビンに巻きつけられたソレノイドが利用され、弁部材がボビン内部に配置され、ソレノイドを通過する駆動電流によって駆動される。閉位置において、弁部材の先端は弁座に対して押し付けられ、それによって弁座が配置されている導管を介する流れが止まる。弁部材の先端は、多くの場合において合成樹脂や他の弾性材料から作られるが、弁部材の他の部分は、ソレノイドの磁界からの力を受け、かつソレノイド電極子として作用することになるため、鋼のような比較的高い透磁率を有する材料から形成されている。
【０００３】
バッテリーにより作動されるアクチュエーターにおいて、電気弁制御回路には、可能な限り小さなエネルギーが使用されるべきである。エネルギー効率の高い操作を達成するために、弁部材（即ちソレノイド電極子）が、できる限り高い透磁率を有する必要がある。さらに電気弁制御回路は、ラッチング弁において、電極子を作動する間の最短持続時間に必要な最小限の駆動電流だけを適用すべきである（即ち弁のアクチュエーターは弁を開けたり閉じたりするのにエネルギーを必要とするが、開いた状態や閉じた状態を維持するためにエネルギーが必要なわけではない）。非ラッチングアクチュエーターにおいては、弁の開いた状態を維持するための無用に高い駆動電流は、不必要にバッテリーの寿命を減じることがある。そのためアクチュエーターの設計においてエネルギー消費量の低減は重要な側面である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のアクチュエーターの多くでは、水（又は他の調整される流体）を、アクチュエーターを含むボビンのキャビティ中に流すことができる。アクチュエーターには、流量抵抗の低い経路を提供し、かつ弁部材上に加えられる外部圧力（即ち調整される流体によって電極子上へ及ぼされる圧力）を相殺するための、内部空隙と連通するフロー通路が備えられている場合が多い。したがって調整される流体は、アクチュエーターの開閉に応答して行きつ戻りつ移動する。これは、通常電極子の劣化（即ち腐食）の原因となり、ボビンのキャビティ内に蓄積する金属イオン及びその他のイオン（又は他の堆積物）による問題を引き起こす。この問題の重大性は、調整される流体の種類、例えば水の種類に依存する。
【０００５】
上述のように、ソレノイドからなる適切な電極子は、可能な限り高い透磁率を有するものである。しかしながら、通常、非常に高い透磁率を有する材料は腐食耐性が低い。したがって過去の設計者達は、腐食耐性のために透磁率については妥協せざるを得なかった。例えば、炭素鋼は高い透磁率を有するが、錆と腐食によって非常に損傷しやすい。そのため、設計者達は、たとえステンレス鋼が炭素鋼と比較して透磁率において劣るにせよ、より高い透磁率を有するグレードのステンレス鋼を利用してきている。それでもなお、設計者達は上述の堆積物による問題や、逆に、電極子、ボビン又は他の弁要素による流体汚染の防止に関する問題を有している。
【０００６】
したがって改善された弁アクチュエーターの必要性が未だ存在する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、様々なシステムにおける流体の流れを制御するための装置及び方法に関する。
【０００８】
一つの態様において、電磁アクチュエーターは、ソレノイドコイル及び、遠位部を含む強磁性の電極子を受容するように配置されている電極子ポケットを形成するように構成され、配置されている電極子ハウジングを備える。またアクチュエーターは、ポケット内に電極子流体を封じ込めるために遠位端部を少なくとも部分的に取り囲むように、ポケットに対して固定されて、配置されている膜を備える。この場合、電極子の遠位部の変位により、アクチュエーターによって制御される弁通路に対して膜が変位する。
【０００９】
別の態様によれば、電磁アクチュエーターは、ソレノイドコイル及び、内部に強磁性の電極子が配置されている電極子ポケットを形成する電極子ハウジングを含む。アクチュエーターは、ソレノイドコイルを通る駆動電流で作動可能であり、電極子は収縮位置と延伸位置との間で駆動される。アクチュエーターは、電極子が延伸した電極子位置に向かって移動すると、外側に向かって変形し、さらに電極子ハウジングと共に、電極子を含む実質的に液密な電極子チャンバを形成するように、ポケットの口に固定されている可撓性の膜を含む。実質的に非圧縮性流体が、電極子によってふさがれないチャンバ容積の全体を実質的に占める。
【００１０】
さらにまた別の態様によれば、弁は、弁座をもたらす流体の流れチャネルを形成する導管と、電磁アクチュエーターとを含む。電磁アクチュエーターは、ソレノイドコイルと、内部に強磁性電極子が配置されている電極子ポケットを形成する電極子ハウジングを含む。アクチュエーターは、電極子の収縮位置と延伸位置との間で電極子を駆動するための、ソレノイドコイルを通過する駆動電流で作動可能である。またアクチュエーターは、変形するようにポケットの口に固定され、かつ電極子が延伸した電極子位置に移動すると、流体の流れチャネルを通る流体の流れを妨げるように、弁座に対して密閉する可撓性の膜を備える。この場合、膜と電極子ハウジングは、電極子を収容する実質的に液密な電極子チャンバを形成する。実質的に非圧縮性流体は、電極子によってふさがれないチャンバ容積の全体を実質的に占める。
【００１１】
これら態様の好ましい実施態様には、１つ又はより多くの以下の特徴が含まれる。アクチュエーターは、ラッチングアクチュエーターを形成するように配置されている永久磁石を含むことがある。アクチュエーターは、電極子をその延伸位置に向かってバイアスさせるように設置され、配置されているバイアスばねを含むことがある。電極子の遠位部（即ち電極子先端）を、電極子が、延伸した電極子位置に配置された際に、弁座に対して膜を押し付けるように調整することができる。膜の導管上流に露出されているその膜の領域に対する、それを支持する遠位部の領域の比は、１．４と１２．３の間にある。
【００１２】
電極子流体は、腐食防止剤を含む非圧縮性流体を含むことがある。非圧縮性流体は、本質的に腐食防止剤と混合された水であってよい。
【００１３】
さらに別の態様によれば、アクチュエーターシステムは、電極子と、コイル駆動力の適用によって作動可能であり、それによって電極子を移動させるコイルとを含むアクチュエーター、及び電極子を部分的に包む膜を備える。またアクチュエーターシステムは、電極子の移動を検出するように構成されている電極子センサー、及び電極子センサーからの出力に応答してコイル駆動力をコイルに適用するように操作可能な制御回路を備える。
【００１４】
また、別の態様によれば、アクチュエーターシステムは、電極子、膜、コイルを備えるアクチュエーター、及び音センサーを備え、コイルは、第１の電流方向において電流が伝導するように、第１の駆動方向においてコイル駆動力が適用されることによって作動可能であり、それによって電極子は第１の末端位置へ駆動されることとなる。音センサーは、第１の末端位置に達する際に電極子によって発生される音を感知するように、アクチュエーターに連結され、音センサーは感知する音を示すセンサー出力を生成する。またシステムは、第１の駆動方向においてコイルにコイル駆動力を適用するように操作可能であり、かつ第１の駆動方向においてコイルにコイル駆動力の適用を停止させるための、所定の第１の電流停止基準を満たすセンサー出力に応答可能な制御回路を含む。
【００１５】
好ましくは、この実施態様において、コイルは、第２の電流方向において電流が伝導するように第２の駆動方向においてコイル駆動力がコイルに適用されることにより作動可能であり、それによって電極子は第２の末端位置へ駆動されることとなる。センサーは、第２の末端位置に達する電極子を感知するように、電極子と連結されている。さらに制御回路は、第２の駆動方向においてコイル駆動力をコイルに適用するように操作可能であり、かつコイルに第２の駆動方向においてコイル駆動力の適用を停止するための、所定の第２の電流停止基準を満たすセンサー出力に応答可能である。
【００１６】
アクチュエーターは、第１の電流停止基準と第２の電流停止基準の基準差を含むことがある。
【００１７】
本発明の設計は、アクチュエーターの電極子を駆動する際に通常生じるエネルギーの無駄を低減するものである。電極子センサーは、電極子の動きをモニターするか、又は電極子の移動がその終点に達した時を測定する。選択点において、電極子センサーからの信号に基づいて、アクチュエーターのコイル駆動力に対する駆動信号が終了する。これにより、電極子センサーがない場合に通常適用される最悪の要件を満たすために、コイルの駆動持続期間を十分に長くする必要がなく、それによってエネルギーの消費を大いに低減することが可能である。これにより、バッテリー寿命を著しく増大させるという結果を得ることができる。
【００１８】
別の態様によれば、弁アクチュエーターには、強磁性タイプのステンレス鋼のような高透磁率を有する材料を、それらの低腐食耐性を考慮せずに使用することができ、かつ電極子は、その腐食耐性を許容可能なレベルとするための数多くの処理工程を受ける必要がない。したがって電極子の透磁率は可能な限り最善の大きさではないが、本発明の設計は弁のコストを低減するか、又は要求されるソレノイドワイヤの寸法を低減する。
【００１９】
好ましい１つの実施態様において、電極子の高い透磁率材料が、弁によって流れが制御される腐食の可能性のある流体にさらされることから保護するために、電極子がその中を移動するポケットの端部の上に可撓性の膜を固定する。さらに制御される流体の圧力によって加えられる力の釣り合いをとるように、電極子ポケットを非圧縮性流体により満たす。本発明によれば、様々な従来の設計が改善される。例えば、制御する流体を弁アセンブリの汚染から防ぐ膜の漏れを防止するための、Ｎａｇｅｌの米国特許第５，９４１，５０５号公報などに開示されている様々な問題を取り除く。
【００２０】
【発明の実施形態】
図１を参照して、工業用、農業用及び家庭用のシステムにおいて、流体の流れを制御するための種々の形式の弁が使用されている。電気的に作動可能な弁１０には、弁座内へプランジャを駆動するためのソレノイドコイルが使用され、弁座は導管内に配置され、それによって導管を通る流れを止める。具体的には、弁アクチュエーター１０は、アクチュエーターベース１６、強磁性の磁極２４、磁極２４に形成された電極子ポケット内で摺動可能に装着されている強磁性の電極子３０、及びソレノイドボビン１４に巻きつけられているソレノイド巻線２８を含む。また弁１０は、ソレノイドボビン１４とアクチュエーターベース１６の間でシールを形成し、弾性的に変形可能なＯリング１２を含み、これらは全てハウジング１８によって一緒に保持されている。ハウジング１８の上端部において、ボビン１４は、ディスク型の磁石２２用に形成されている磁石リセス２０を形成する。ソレノイドハウジング１８（即ち容器１８）は、ボビン１４に対して磁石２０と磁極２４を保持するようアクチュエーターベース１６でクリンプされ、それによって巻線２８とアクチュエーターベース１６が容器１８内に固定される。
【００２１】
弁アクチュエーター１０は、ラッチング型（図１に示される）又は非ラッチング型のいずれかとして構成することができる。ラッチング型の実施態様は、コイルばね４８の力に打ち勝つのに十分な配向と力を有する磁界をもたらす磁石２２を含み、それによってソレノイド巻線２８に駆動電流が流れなくなった後でさえも、電極子３０を開いた状態に維持する。非ラッチング型の実施態様には、永久磁石（即ち磁石２２）が存在しない。電極子３０を開いた状態に保つためには、必要な磁界が与えられるように、駆動電流を巻線２８に流し続けなければならない。電極子３０は、駆動電流が流れていない場合には、ばね４８の力によって閉じた状態へ移動する。他方、ラッチング型の実施態様においては、電極子３０を開いた状態と閉じた状態の間で動かすために、巻線２８に相反する向きの駆動電流が印加されるが、いずれの状態を維持するのにも駆動電流は必要ではない。
【００２２】
図１をさらに参照すると、アクチュエーターベース１６は、実質的に容器１８の内部に配置されている広いベース部分と、狭いベース延伸部３２を含む。また弁アクチュエーターは、肩部４２を有する弾性的に変形可能な膜４０を備える。ベース延伸部３２の外部表面は、装着ブロック３４の上部表面が形成するリセスによってもたらされる相補的なねじとねじ式に嵌合する。ベース延伸部３２の底面のカウンタボアによって形成されている環状の表面３６は、弾性的に変形可能な膜４０の厚みのある外周リム３８を、装着ブロック３４の上部リセス中に形成されている肩部４２に対して締めつける。これにより、液密なシールが生み出され、よって膜が、装着ブロック３４の内部流体導管４４を流れる流体にさらされることから電極子３０を保護する。またＯリングシール４６と共働して、好ましくは比較的粘性のない、非圧縮性の、かつ非腐食性の電極子流体（即ち液体又は気体）で満たされている液密な電極子チャンバを形成する。
【００２３】
例えば、電極子液体は、腐食防止剤、例えばポリプロピレングリコールとリン酸カリウムの２０％混合物を混合した水とすることができる。代替的には電極子流体は、シリコンを主成分とする流体、ポリプロピレンポリエチレングリコール又は巨大分子を有するその他の流体を含む。電極子流体は、概して、低い粘度と、電極子に対して非腐食特性を有する実質的に非圧縮性流体のいずれかとすることができる。この保護のために、図に示す実施態様の電極子材料は、低炭素鋼とすることができ、この場合、その腐食耐性は、他の材料の場合と同等に大きな要因ではない。他の実施態様では、４２０系のステンレス鋼や４３０系のステンレス鋼のような電極子材料を使用することができる。電極子が、本質的に強磁性材料、即ちソレノイドと磁石が引合うことが可能な材料からなることだけが必要である。たとえそのような場合でも、電極子は、例えば強磁性ではない可撓性の先端を含んでもいてもよい。
【００２４】
動作については、電極子３０の中央キャビティ５０に配置されているコイルばね４８が、キャビティ肩部５２に担持され、それによって電極子３０が図１に示す収縮位置から延伸位置へ付勢される。非ラッチング型の実施態様においては、電極子３０は、ソレノイド電流が存在しない場合に、延伸位置に向かって移動しようとする。図１に示すラッチング型の実施態様では、電極子３０は、ソレノイド電流がない場合に、磁石２２によって収縮位置に保持されている。したがって電極子を延伸位置へ駆動するために、ばねの力が打ち勝つのに十分となるような、磁石の力を相殺する磁力が結果生じる方向かつ大きさを有する電極子電流が必要である。そうした場合、ばねの力は電極子３０を延伸位置へと動かし、膜４０の外部表面が、装着ブロック３４が導管内４４に形成する弁座５４に対してシールすることとなる。これにより、導管４４内の流れが停止する。この位置において、ソレノイドの助けがなくても、ばねの力で電極子の伸びた状態を維持することができるほど、電極子は磁石から十分に隔置されている。
【００２５】
弾性を有する膜４０は、電極子体によって形成されている電極子ポート５６と連通する液密な電極子チャンバに位置する電極子流体を封入している。さらに、弾性を有する膜４０は、導管内で調整されている流体の圧力にさらされ、そのために相当な外部力にさらされる場合がある。しかしながら、導管の圧力が膜４０を介して電極子チャンバ内の非圧縮性の電極子流体へ伝達されるため、電極子３０とばね４８はこの力に打ち勝つ必要がない。したがってチャンバ内の圧力から結果生じる力は、導管の圧力が及ぼす力をほぼつり合わせる。
【００２６】
さらに図１を参照すると、電極子３０は、チャンバ内の流体圧力に対して、収縮位置と延伸位置との間で自由に動く。電極子ポート５６は、力のつり合った流体が、ばねキャビティ５０を介して電極子チャンバの低部窪み部５８から、システムの始動時に電極子の上部端（即ち遠位端部）が引き上げられている電極子チャンバの部分へ移動することを可能にする。電極子流体は、電極子の側面の周りにも流すことができるが、急速な電極子の移動が要求される配置では、ポート５６がその形成に役立つような、比較的低い流れ抵抗を有する経路が存在すべきである。同様の見地では、比較的粘性のない電極子チャンバ流体の使用が好ましい。
【００２７】
図示する収縮位置へ電極子を戻し、それによって流体を流すようにするために、磁石を強化する磁界を生じる方向にソレノイドを介して電流が駆動される。上述したように、磁石２２が収縮位置の電極子に及ぼす力は十分に大きく、電極子をばねの力に対抗してその位置に保持し続けることができる。しかし、そのような磁石を使用しない単安定型の電極子の場合、ばねの力を超えるような結果生じる磁力を得るための十分な電流がソレノイドに通じる場合にのみ、電極子は収縮位置に保持される。
【００２８】
要するに、膜４０は、電極子３０を保護し、実質的に非腐食性の液体で満たされているキャビティを作り出し、これによってアクチュエーターの設計者達は、高い腐食耐性を有する材料と高い透磁率を有する材料との間でより好ましい選択ができるようになる。さらに膜４０は、キャビティ内へ移動する傾向のある金属イオン及びその他の蓄積物に対する障壁をもたらす。
【００２９】
例示する実施態様において、電極子３０の低端部は、膜４０に接する表面を有する狭い末端部６０（即ちプランジャ）を形成し、これは弁座５４に接触するようになる。プランジャの表面は、弁座の開口領域に関連づけられ、これらはいずれも増大又は減少させることができる。プランジャの表面と弁座５４の表面は、設計された弁アクチュエータが作動するような圧力範囲に対して最適化することができる。プランジャの表面を減少する（即ち末端部６０を狭くする）ことにより、膜４０が弁座５４に対して押し付けられるのに関わるプランジャの領域を減少し、したがって所与の上流の流体導管の圧力に関して必要とされるばねの力を減少させる。一方プランジャの先端領域を小さくしすぎると、時間がたつにつれて、弁が閉じている間に膜４０が損傷を受けやすくなる。本発明者達は、弁座開口領域に対する先端部接触領域の比の最適な範囲が１．４〜１２．３の範囲にあることを見出した。本発明のアクチュエーターは、約１．０３×１０６Ｐａ（１５０ ｐｓｉ）である圧力を含む、制御された流体の様々な圧力に適している。実質的な変更を何ら行うことなく、弁アクチュエーターを約２．０７×１０５〜５．５２×１０５Ｐａ（３０ ｐｓｉ〜８０ ｐｓｉ）の範囲内、又は水圧が約８．６２×１０５Ｐａ（１２５ｐｓｉ）であっても使用することができる。
【００３０】
図２と図２Ａは、電気的に作動可能な弁の別の実施態様を示している。弁アクチュエーター１０Ａは、磁石２３、強磁性の磁極２５、磁極２５に形成されている電極子ポケット内で摺動可能に装着されている強磁性の電極子８０、及びアクチュエーターベース７０を含む。また弁１０Ａは、ソレノイドボビン１４に巻きつけられているソレノイド巻線２８、弾性を有する膜９０及びパイロット体部材１００を含む。弾性的に変形可能なＯリング１２は、ソレノイドボビン１４とアクチュエーターベース７０の間でシールを形成し、これら全ては一緒にアクチュエーターハウジング１８によって保持されている。ボビン１４は、磁極２５の遠位端部とディスク形状の磁石２３に対して形成されているリセス２０を形成する。ハウジング１８は、アクチュエーターベース７０においてクリンプされ、これにより磁石２３と磁極２５をボビン１４に対して保持し、それによって巻線２８とアクチュエーターベース７０が一緒に固定される。弁アクチュエーター１０と同様に、弁アクチュエーター１０Ａもラッチング型（図２に示す）又は非ラッチング型のいずれかとして構成することができる。
【００３１】
図２及び図２Ａをさらに参照すると、アクチュエーターベース７０は、容器１８内にクリンプされるとともにボビン１４に接触する広いベース体、及び狭いベース延伸部を含む。アクチュエーターベース７０の狭いベース延伸部は、おねじ７２とめねじ７４を備える。めねじ７４は、パイロット体部材１００の相補的なおねじ１０１に適応するように形成され、弾性的に変形可能な膜９０を係合する。
【００３２】
弾性的に変形可能な膜９０は、外側リング９２、コンプライアント領域９４、及び弾性を有するＣ字形形状領域９６を含む。膜９０は、ＥＤＰＭダイアフラム又は他の形式のダイアフラムとすることができる。一般的には、変形可能な膜９０と領域９６は、パイロット体部材１００と電極子８０のプランジャ８６の配置及びサイズに依存して、種々の形状及び寸法とすることができる。変形可能な膜９０は、耐久性の材料で形成され、また少なくとも部分的に弾性材料から形成することができる。さらに変形可能な膜９０の材料は、パイロット体部材１００で調整される流体が原因となって劣化する可能性に対して耐性を有するように選択される。したがって変形可能な膜９０とパイロット体部材１００を調整される流体用として特別に設計するだけで、同じ弁を種々の工業用、農業用の用途に対して製造することができる。医療用途において、膜９０とパイロット部材１００は滅菌されるか、又は使い捨て可能な材料で製造される。それによって弁アクチュエーターは使い捨て可能な新しい要素と共に再利用することができる。
【００３３】
強磁性の電極子８０は、先端部８６（即ちプランジャ８６）と、ばね８４を受容するように配置されているとともにテーパ端部８４Ａ及び８４Ｂを有するばねキャビティ８２とを含む。テーパばね端部は、機械の選別及び組立てを可能にする。また強磁性の電極子８０は、キャビティ８２とチャンバ８９の間で流体の連通を可能にし、Ｏリングシール４６と膜９０によりシールされている通路８５を含む。これはまた、電極子液に対する液密なシールを作り、膜９０が、電極子８０を、パイロット体部材１００に接触するような位置にある外部流体にさらされないようにする。上述のように、電極子液は、好ましくは非常に低い粘度を有し、かつ非圧縮性で非腐食性である。さらにボビン１４、磁極２５、電極子８０及び通路８５により、アクチュエーターが移動する際に、シールされている電極子流体を比較的遮られていない流れにする。即ち電極子流体用の抵抗の低い経路が存在する。
【００３４】
アクチュエータアセンブリは、オペレーターアセンブリに対して再生可能に固定されたパイロット体部材１００を備え、これは数多くの利点をもたらす。具体的には、パイロット体部材１００は、磁極７０内の相補的なねじ７４と係合するおねじ１０１、及びフランジ１０２を含む。フランジ１０２は、磁極７０の肩部７６と当接しており、パイロット体部材がオペレータアセンブリ上にねじ留めされることに対して、確実なストッパを提供する。この確実なストッパは、弾性部９６の外部表面と弁座１０４の間で、既知の、実質的に一定の距離及び構造をもたらす。この既知の、実質的に一定の距離及び構造は、弁部材の再現可能な開閉動作を確実にする。
【００３５】
概して、現場における保守又は交換の間、弁アクチュエーター又は他の構成要素を取り外したり交換したりすることができ、この場合、弁アクチュエーターの弁座１０４と要素９６の間の距離と構造に変更が生じることがある。さらに様々な部品の公差及びＯリングの変形可能性が、弾性部材９６に対するパイロット体の中央管１０６の位置において、ある程度の変動性を生じさせることができる。この変動性は、弁操作又は開閉時間の間の変動性を生じさせる結果となり得る。他方パイロット弁と弁座の間隔及び構造は、図２及び図３に示すように、パイロット部材１００が弁オペレーター上に予め組立てられる際に設定されている。
【００３６】
閉じた位置において、弾性部９６は、弁座１０４における開口をシールし、それによってパイロット通路１０５からパイロット通路１０６への流体の流れを防止する。パイロット体部材１００を、パイロット通路１０５及び１０６を介してダイアフラムに連結させることができる。そのために、パイロット体部材１００は、例えば米国特許第５，１２５，６２１号公報、第５，１９５，７２０号公報、第５，１９６，１１８号公報及び第５，２４４，１７９号公報に開示されているダイアフラム制御洗浄弁の操作の新規な改善において使用される。これらの先行技術文献を全て、参照することによりその内容を本明細書に組入れる。さらにいくつかのダイアフラムを、一緒にカスケードすることができ、この場合、通路１０５と１０６は、第１の小型のダイアフラムに連結され、これにより第２の大型のダイアフラムを制御し、多量の流体を開いた状態のダイアフラムを通過させて流すことができる。これらの２つの互いに連結されているダイアフラムは、ダイアフラムを通る流体の流れを効果的に制御するための増幅効果をつくり出す。
【００３７】
図３は、弁アクチュエーターの別の実施態様を示す。弁アクチュエーター１０Ｂは、ボビン１４上に巻かれているコイル２８、及びアクチュエーターハウジング内部に装着されているアクチュエーターベース７０を含む。ラッチング弁アクチュエーター１０Ｂは、ラッチング磁石２３、強磁性の磁極２５、及び磁極２５に形成されている電極子ポケット内に摺動可能に装着されている強磁性の電極子８０を備えている。弾性的に変形可能なＯリング１２は、ソレノイドボビン１４とアクチュエーターベース７０の間でシールを形成し、Ｏリング４６は、磁極２４とソレノイドボビン１４の間でシールを形成する。ボビン１４は、磁極の遠位端部とディスク型の磁石２３用の形状を有するリセス２０を形成する。また弁アクチュエーター１０Ｂは、センサーハウジング１１２内に配置されている圧電トランスデューサ１１０のような位置センサーを含む。非ラッチング弁アクチュエーター１０Ｂにはラッチング磁石２３は含まれないが、任意に、磁石２３の場所に位置センサーを含めることができる。上述のように、これらのアクチュエーター要素は、ソレノイドハウジング１８の内部にクリンプされている。
【００３８】
図３をさらに参照すると、また弁アクチュエーター１０Ｂは、アクチュエーターベース７０とパイロット体部材１００の間に配置されている弾性的に変形可能な膜９０を含む。上述のように、アクチュエーターベース７０は、ボビン１４と接触する広いベース体と、狭いベース延伸部を含む。アクチュエーターベース７０の狭いベース延伸部は、おねじ７２とめねじ７４を備える。パイロット体部材１００は、相補的なめねじ７４と係合するおねじ１０１と、フランジ１０２を含む。（代替的には、またアクチュエーターベース７０とパイロット体部材１００は、別の形式のロック機構により連結される。）フランジ１０２は、磁極７０の肩部７６に当接し、パイロット体部材をオペレータアセンブリ上にねじ留めする際に、確実なストッパを提供する。またこの確実なストッパは、弾性部９６の外側表面と弁座１０４の間に、既知の、実質的に一定の距離と構造をもたらす。
【００３９】
上述したように、弾性的に変形可能な膜９０は、外側リング９２、コンプライアント領域９４、及び弾性を有するＣ字形形状領域９６を含む。変形可能な膜９０と領域９６は、パイロット体部材１００及びプランジャ８６の配置及び寸法に依存して、様々な形状及び寸法とすることが可能である。
【００４０】
強磁性の電極子８０は、プランジャ８６と、テーパ端部８４Ａ及び８４Ｂを有するばね８４を受容するように配置されているばねキャビティ８２を含む。テーパばね端部は、機械選別又は組立てを可能とする。プランジャ８６は、円形、楕円形、矩形又は他の形状の断面を有する。また強磁性の電極子８０は、Ｏリングシール４６及び膜９０によってシールされているキャビティ８２及びチャンバ８９の間で流体の流通を可能とする通路８５（図２Ａに図示）を含む。これはまた、電極子液に対する液密なシールを作り出し、膜９０により、電極子８０とプランジャ８６が、パイロット体部材１００に接触して配置されている外部流体にさらされることから保護される。即ち、電極子８０全体が、電極子の表面にかかる実質的に平衡する圧力を有する電極子液によって取り囲まれている（即ち電極子８０は、実質的に電極子液内に「浮かんでいる」）。上述したように、電極子液は非常に低い粘度を有し、かつ非圧縮性であり、非腐食性であることが好ましい。さらにボビン１４、磁極２５及び７０、電極子８０、通路８５は、アクチュエーターが移動する際、電極子流体の流通を比較的妨げることがない。即ち電極子流体に対する低い経路抵抗がもたらされる。
【００４１】
アクチュエーターアセンブリは、上述のようにオペレータアセンブリに対して再生可能に固定されているパイロット体部材１００を含むことが有利である。フランジ１０２は、磁極７０の肩部７６に当接しており、弾性部９６の外部表面と弁座１０４との間で、既知の実質的に一定の距離及び構造をもたらす確実なストッパを提供する。既知の、実質的に一定の距離及び構造は、弁部材の再生可能な開閉動作を確実にする。さらにパイロット体部材１００は、ダイアフラムを受容するような形状とすることができる。
【００４２】
図４は、弁アクチュエーター１０Ｃに使用される制御回路の、概略的かつ部分的な回路図である。制御回路１３０は、センサ増幅器及び包絡線検波器１３２、コンパレータ１３４、オブジェクトセンサ１３８からの信号を受信するマイクロコントローラ１３６、コンパレータ１４０、弁駆動装置１４２を含む。弁を閉じるのは、米国特許第６，２９３，５１６号公報及び第６，３０５，６６２号公報に開示されているように、弁駆動装置１４２により、例えばターミナル２９Ａと２９Ｂを介して駆動電圧を印加して、コイル２８を介して駆動電流を流すことにより行われる。これらの先行技術文献をいずれも参照することによりその内容を本明細書に組み入れる。
【００４３】
一般的には、弁アクチュエーターには、米国特許第５，７８１，３９９号公報、第５，８０３，７１１号公報、第５，８１５，３６５号公報、又は第６，０２１，０３８号公報に開示されている回路のような、異なる形式の制御回路が使用される。駆動電流は、強磁性のハウジング１８、後部磁極２５、前部磁極７０によって案内される大きな対応磁性フラッシュが含まれる。ラッチング型の実施態様において、駆動電圧の極性は、結果生じる磁束が永久磁石２３の磁束と反対になるようなものである。これにより、電極子８０に磁石２３が保持されることが中断され、ばね８４が戻され、プランジャ８６を膜部９６と共に弁座１０４上へ付勢する。一旦弁が閉じると、コイル２８からのさらなる支援がなくても、戻ったばねがその閉じた状態を維持する。閉じた状態において、電極子２２に対する磁石２３による磁力は、電極子２２の磁石２３からの距離が増大したために、戻ったばね８４の力よりも小さくなる。
【００４４】
弁を開くには、結果生じる磁束が、磁石２３からの磁束と同じ向きとなるように、弁駆動装置１４２により、逆方向の駆動電圧を印加する。したがって適用された磁束は永久磁石１８の磁束を強化し、戻ったばね８４の力に打ち勝つ。それによって電極子８０は磁石２３に向かって移動し、プランジャ８６の収縮位置において、何らかの「保持」駆動電流を適用することなく、永久磁石２３の力は電極子８０を戻ったばね８４の力に対抗して保持するのに十分大きくなる。他方、非ラッチング型の実施態様においては、永久磁石２３が存在しないために、「保持」駆動電流を適用しなければならない。
【００４５】
ラッチング弁の双安定性により、それを操作する制御回路は、典型的には、弁が所望の状態に達した後で電流の流れを遮断する。弁が所望の状態に到達するのに必要な時間が広い範囲で変化し得るため、従来の制御回路は、最悪の条件を満たすために、電流の流れる時間を比較的長くしている。しかし、最悪の環境下ではほとんど操作されることがないため、典型的には、コイルの駆動は、弁が安定な位置に到達した後、しばらくの間継続される。これはバッテリーエネルギーの浪費である。この浪費を低減するため、制御回路１３０は、電極子が最終地点に到達したかどうかを検出するように、電極子をモニターすることができ、到達する直前又は到達する際にコイル駆動力の適用を停止する。
【００４６】
一般的には、プランジャ８６の位置をモニターするために、弁アクチュエーター１０Ｂは、直接的又は間接的に電極子８０に連結されている位置センサを含み、この位置センサは、圧電トランスデューサ、容量トランスデューサ、誘導トランスデューサ、光学トランスデューサ、その他何らかのトランスデューサとすることができる。例えば圧電トランスデューサ１１０は、動程のいずれかの終端に到達する際に電極子が発生する音を利用して、電極子８０の位置をモニターする。本明細書において、音という用語は、圧縮波又はひずみ波という広範囲の意味で使用している。ほとんどの実施態様においては、さらに「音」の卓越振動数成分は、典型的に可聴範囲を超えている。
【００４７】
図３に示す実施態様においては、電極子センサは、ハウジング壁内の振動に応答する圧電トランスデューサ１１０である。典型的に、圧電要素１１０の寸法及び形状は、卓越振動数成分への応答が最大となるように選択されており、圧電要素は、通常、検出されるべき音が、振幅において最大となるか、又は雑音から最も区別できる場所に取り付けられる。代替的には電極子センサは、固定されているアクチュエーター表面上に配置されている１つのプレートと、移動する電極子８０の表面上に配置されている別のプレートを含む容量センサである。電極子８０が移動することにより、２つの容量プレートが相対的に移動し、これによって測定容量値が変化する。容量値に基づいて、容量センサが電極子８０の終端位置、又は任意の瞬間の位置（したがってプランジャ８６の位置）を測定する。
【００４８】
代替的には、電極子センサは、光源と光学検出器を含む光学センサである。光源は、電極子の表面で反射し（又はそこを介して伝達し）、検出器によって検出される光放射を放出する。反射表面は、放出された光学信号を変化させる。したがって検出信号は、電極子の位置（即ち瞬時的なプランジャ８６の位置）によって変化する。検出した光学信号に基づいて、光学センサは、電極子８０の終端位置、又は任意の瞬間の位置を測定する。代替的には、電極子センサは、電磁放射源及び、対応する検出器を使用する。検出器は、電極子の位置に依存して電極子によって生成された電磁放射の摂動を測定する。検出された摂動放射に基づいて、センサは電極子の終端位置、又は任意の瞬間の位置を測定する。
【００４９】
再び図３を参照すると、ターミナル１１４は、トランスデューサ１１０の電極の１つに対して、例えばプラスチックキャップ１１２で適所に固定されている接触ばね１１６を介して電気的な通信を行う。トランスデューサ１１０の他の電極は、トランスデューサがハウジングと電極の間の導電的な結合によりハウジングに対して固定されている場合、コイル２８と共用することができる。
【００５０】
図４を参照すると、圧電センサ１１０が、センサ信号１３１を、予想される音の卓越振動数（典型的には超音波領域の）成分に調整されている増幅器を含む増幅器及び包絡線検波器１３２にもたらす。増幅器及び包絡線検波器１３２は、ろ波されて結果得られた信号を修正し、低域フィルタが同調増幅器の出力の包絡線の出力標本を生成する結果となる。電極子８０が終端位置に達し、ハウジング振動が発生すると、結果得られる包絡線の値は、コンパレーター１３４が適用するしきい値を超える。図示する実施態様においては、弁が開くときの音の振幅が閉じるときの音の振幅よりも大きいため、マイクロコントローラ１３６は、弁が開いているときの値と、弁が閉じているときの値とが異なるように、コンパレーターのしきい値を設定する。
【００５１】
マイクロコントローラ１３６は、オブジェクトセンサ１３８からのトリガー信号に応答して、弁アクチュエーターを作動する。制御回路１３０を、存在又は移動を検出する異なる形式のオブジェクトセンサと共に作動するように構成することができる。例えばオブジェクトセンサ１３８は、米国特許第５，９８４，２６２号公報、第６，１２７，６７１号公報、第６，２１２，６９７号公報に開示されているセンサのいずれかのセンサであるような、超音波センサ、容量センサ、光学センサとすることができる。これらの先行技術文献を全て参照することによりその内容を本明細書に組み入れる。
【００５２】
一実施態様によれば、オブジェクトセンサ１３８は、米国特許第６，２１２，６９７号公報に開示されている光学センサである。光学センサは、光源と光検出器を含む。光源（例えば赤外ＬＥＤ）は、通常、光学的に有効な部分が円形であるレンズの後ろに配置されている。光源のレンズは、球状の凸面である後部表面を有し、１６．０ ｍｍ（０．６３インチ）の曲率半径と、水平に対して１８．６度の角度で右下方に向かって延伸する直線に対して垂直な平坦面を画定する外周端を有する。またレンズの正面、出口面は、球状の凸面であり、５０．８ｍｍ（２．０インチ）の曲率半径と、水平に対して９．８度の角度で左下方に延伸する直線に対して垂直な平坦面を画定する外周端を有する。この光源は、米国特許第６，２１２，６９７号公報に記載され、開示されている放射パターンを提供するように配置されている。放射線検出器（例えばフォトダイオード）は、受光レンズの後方に配置され、このレンズは、伝達レンズの対応表面と同じ形状の左右の面を有する。受光レンズの表面は、目標（例えば小便器の前にいる人）から受容した光を集め、それを放射線検出器の方向へ向ける。これは、やはり米国特許第６，２１２１，６９７号公報に記載され、開示されている受光器パターンに対応する装置である。
【００５３】
例えば、オブジェクトセンサ１３８からのトリガー信号の受信に応じて、センサが、ユーザーが流水装置の近傍から離れるのをセンサが検出すると、マイクロコントローラ１３６が、「開け」の信号を弁駆動装置１４２に与える。さらに、弁が所定時間開いた後、マイクロコントローラ１３６が「閉じろ」の信号を与える。弁を開くために、マイクロコントローラは、弁駆動装置回路１４２に適用されるＯＰＥＮ信号を設定する。これにより、回路は、弁を開かせる方向にアクチュエーターのコイル２８を流れる電流を駆動する。
【００５４】
その電流が流れ始めると、コンパレーター１３４の出力が、最初に増幅器１３２の出力がしきい値を下回ることを示し、それは増幅器が、電極子の動程の終端に達したときに一致する大きさの音を受信していないことを示す。したがってマイクロコントローラ１３６は、ＯＰＥＮ信号の発信状態を維持する。しかしコンパレーター１３４の出力は、動程の終端で電極子８０によって発生される音に応答して変化する。電極子８０がその地点に達すると、弁は電流が流れなくても開いた状態を保ち、マイクロコントローラはＯＰＥＮ出力の発信をやめ、それによって弁駆動装置１４２は駆動電流をアクチュエーターコイル２８に流すのを停止する。通常、電流が流れる継続時間は、最悪の条件下でも弁を開くのに必要な時間をはるかに下回る結果となり、システムは相当量のエネルギーを節約することができる。
【００５５】
弁を閉じるには、マイクロコントローラ１３６がＣＬＯＳＥ出力を発し、それによって弁駆動装置１４２がアクチュエーターコイル２８に逆方向の駆動信号を適用する。またマイクロコントローラは、コンパレーター１３４によって電極子が動程の終端に達したことを通知されるまでに限って、電流を流す。
【００５６】
制御回路１３０は、駆動信号の継続時間だけでなく、その大きさを制御するのにも利用される。駆動信号の継続時間は、約１ミリ秒〜約１０ミリ秒の範囲未満、好ましくは１．５ミリ秒〜８ミリ秒の範囲である。通常の作動には十分に高いコイル駆動レベルは、時に適切ではない場合があり、電極子が終端地点へ達するのに失敗する場合には、コイル駆動レベルを高くすることができる。コイル駆動レベルを高くする１つの方法としては、アクチュエーターコイルを介して放電されるコンデンサの電圧を大きくすることが挙げられる。
【００５７】
図４は、弁駆動装置１４２をバッテリー１４４によって作動するものとして示している。典型的には、弁駆動装置１４０は、エネルギー貯蔵コンデンサを含み、インダクタＬ１とショットキーダイオードＤ１を介して、動作の間にバッテリー１４４によって充電される。マイクロコントローラ１３６が、ＯＰＥＮ又はＣＬＯＳＥ信号を発すると、駆動装置はアクチュエーターコイル２８を介してコンデンサを放電させる。通常、バッテリー１４４の電圧それ自体が、コンデンサを充電する電圧を画定し、すなわちコイル電流及びしたがって電極子の力を画定する。
【００５８】
ある条件下では、様々な要因（例えば高温による構成要素の膨張、低温によってアクチュエーター流体の粘性が高くなること、膜９０や他のアクチュエーター要素の劣化）によって、アクチュエーター８０の移動が通常よりも困難になる場合がある。しかしながら駆動信号は、一般に、通常の操作値に設定されている。さもなければ、バッテリー電圧がそのようなより困難な状況に対応するように十分に高く設定されている場合、通常の操作の間、エネルギーの消費は不必要に高くなる。したがって本発明の実施態様は、バッテリー電圧のレベルがより困難な状況のためではなく、通常の状況に適応するレベルのものを利用する。
【００５９】
制御回路１３０は、駆動信号の最初の適用後、電極子が動かなかった場合、又は所定の最長電流継続時間内に動程の終端に電極子が達しなかった場合、コンデンサの電圧を増大するように構成されている。具体的には、所定の最長電流継続時間に達したときに、マイクロコントローラ１３６が弁駆動装置を一時的に停止し、限流抵抗器Ｒ１を介してトランジスタＱ１にパルスを加え始める。各パルスの間、トランジスタはインダクタＬ１を介してバッテリからの電流を引き込む。しかしダイオードＤ１のために、弁駆動装置のコンデンサは放電されない。各パルスの停止において、トランジスタＱ１は停止し、インダクタＬ１内の結果生じる起電力により電流が流れ続け、それによってそれらバッテリーの電圧がバッテリー１４４の電圧を超えた場合でも、ダイオードＤ２を介して駆動回路のコンデンサが充電される。これによりこれらコンデンサは、バッテリーの電圧を超える電圧まで充電され得る。
【００６０】
適切なコンデンサ電圧を得るために、コンパレーター１４０は、コンデンサの電圧とマイクロコントローラ１３６が設定するレベルを比較する。コンパレーターの結果的な出力に応答して、コンデンサの電圧がしきい値を下回る場合にマイクロコントローラ１３６はパルスの衝撃係数を増大し、コンデンサの電圧がしきい値を超える場合には、パルスの衝撃係数を低減する。しきい値はバッテリー電圧よりも高く設定され、マイクロコントローラが弁駆動装置を再びオンにすると、電極子にかかる力は大きく、弁をより開閉しやすくなっている。
【００６１】
図示する実施態様は、本発明の教示を採用することができる多くのうちの１つに過ぎない。例えば、音センサがより好んで使用されるが、電極子の移動の終わりを検出する、特に超音波トランスデューサ以外の方法を代わりに使用することができる。また図示する実施態様では、弁が開いているときと閉じているときの両方のコイル駆動継続時間を制御しているが、いくつかの実施態様では、開ける間だけ、又は閉じる間だけ、その継続時間を制御することもできる。また弁以外の機構を操作するラッチングアクチュエーターシステムに対しても、本発明の教示は利益をもたらし得る。
【００６２】
さらに電極子が動程の終端に達したかどうかを測定するのに簡単な振幅基準を利用したが、他の基準もいくつかの用途に対して好ましいことが理解される。例えば、電極子が１つの終端地点に達する際の特徴として知られる蓄積された波形で信号処理することによって、音信号はサンプル化され、比較することができる。蓄積された信号は、異なる終端地点によって異なり、前記のような比較を利用してアクチュエーターの２つの状態の間を区別することに価値があると考えられる環境もある。
【００６３】
上述の弁アクチュエータのいずれもが、数多くの用途に適している。例えば、上述の弁アクチュエータは、２０００年１１月２０日に出願された米国特許出願第７１８，０２６号に開示する２種流体用の弁に使用することができる。この先行技術を参照することによりその内容を本明細書に組み入れる。代替的には、本発明の弁アクチュエーターを、米国特許第６，１６１，７２６号公報や、ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ９９／３０８９８（ＷＯ ００／３８５６１号公報として公開）に開示されている流体分配システムに使用することができる。これらのいずれの先行技術文献も参照することによりその内容を本明細書に組み入れる。さらには、本発明の弁アクチュエーターを、農業やガーデニングで使用される様々な潅漑システムに使用することができる。
【００６４】
本発明の種々の実施態様及び実施例を開示してきたが、前述の実施態様及び実施例は単に説明するためのものであって、限定するものではなく、例示的のために示したに過ぎないことは、当業者には明らかであろう。その全てが参照により、本明細書に全体が再現されたかのように組み入れられている先に挙げた先行技術文献に開示されている他の実施態様や、上述の実施態様に適したその他の構成要素がある。いずれか１つの構成要素の機能は、代替的な実施態様において様々な方法で実施することができる。また、いくつかの構成要素による機能は、代替的な実施態様においてはより少ない、あるいは単一の構成要素で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
電気的に作動する弁アクチュエーターの断面図である。
【図２】
電気的に作動する弁アクチュエーターの別の実施態様を示す断面図である。
【図２Ａ】
図２に示すオペレーターの分解図である。
【図３】
圧電トランスデューサを備える図２に示すオペレーターの断面図である。
【図４】
アクチュエーターの制御システムのブロック図である。
【図４】
2004519626.tif 000003
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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