专利名称：龙头的电容性耦合配置的制作方法
龙头的电容性耦合配置本发明的背景及摘要本发明涉及用于龙头的激活的电容传感器的改进。更具体地，本发明涉及电容性 触摸传感器在龙头出口和龙头把手内的放置或者靠近龙头出口和龙头把手的放置以感应 龙头的用户的触摸，然后基于来自电容传感器的输出信号控制龙头。在一个示例性的实施例中，龙头包括龙头的出口内的触摸传感器，以及手动阀把 手内的另一个触摸传感器。出口内的触摸传感器允许用户仅仅通过敲击出口来打开和关闭 水流。在该示例性的实施例中，龙头对敲击出口以打开或关闭水流，以及长时间握住或抓握 出口进行分辨，举例来说，将它从水槽的一个盆转动至另一个盆。因此龙头提供了一种简单 方便的方法来打开和关闭水流而不调整水的流速和温度。把手内的触摸传感器也可以用于敲击控制，它对握住或抓握把手以调整水流速或 温度，以及仅仅敲击把手以切换水流关闭或打开进行分辨。把手内的触摸传感器提供附加 的用于龙头的输入数据源，该输入数据源允许龙头更精确地判定用户的意图，从而在直观 和容易使用的同时提供更大的节水量。根据本公开所示的实施例，一种龙头包括出口，引导流体流过出口的通道，位于通 道内的可电子操作的阀，位于通道内并与可电子操作的阀串接的手动阀，以及控制手动阀 的手动把手。龙头还包括手动阀把手上的第一触摸传感器，出口上的第二触摸传感器，直接 耦接至第一触摸传感器和第二触摸传感器中的一个并电容性耦合至第一触摸传感器和第 二触摸传感器中的另一个的电容传感器，以及耦接至电容传感器的控制器。电容传感器提 供输出信号。控制器被配置为监控来自电容传感器的输出信号并对用户敲击电容传感器和 手动阀把手中的一个、用户抓握电容传感器和用户抓握手动阀把手进行分辨。控制器还被 耦接至可电子操作的阀以响应来自电容传感器的输出信号来控制可电子操作的阀。根据本公开所示的另一个实施例，提供一种控制龙头内的流体流动的方法，该龙 头具有出口，引导流体流过出口的通道，位于通道内的可电子操作的阀，位于通道内并与可 电子操作的阀串接的手动阀，以及控制手动阀的手动把手。该方法包括在手动阀把手上设 置第一触摸传感器；在出口上设置第二触摸传感器；设置电容传感器，将第一触摸传感器 和第二触摸传感器中的一个直接耦接至电容传感器，将第一触摸传感器和第二触摸传感器 中的另一个电容性耦合至同一电容传感器；监控来自电容传感器的输出信号以检测用户对 第一触摸传感器和第二触摸传感器两者的触摸；以及响应监控步骤，控制可电子操作的阀。在考虑到下面的对作为实施本发明的最佳方式的示例的说明性实施例的详细说 明，本发明额外的特征和优点对于本领域技术人员来说是很明显的。
对附图的详细说明特别地参照如下附图图1是包括电容传感器系统的流体输送组件的方框图；图2是具有单个电容传感器的双电极的电容性耦合传感系统的实例；图3是说明通过绝缘体电容性耦合龙头体中枢的流体输送组件的出口的方框图4图解响应图1和图2的第一和第二电极上的短的敲击和较久的抓握的信号振 幅输出；图5是说明由控制器执行的以分辨对图1和图2的电容传感器系统的第一和第二 电极的短的敲击和较久的抓握的步骤；以及图6是说明基于电容传感器的输出控制流体流动的工作状态图。
具体实施例方式为帮助理解本发明的原理的目的，现在将参照某些图解的实施例并使用具体的文 字描述这些实施例。尽管如此，要理解的是这并非意欲限制本发明的范围。本文中所描述 的本发明的这样的变更和进一步的变形，以及本发明的原理的进一步应用对于本发明所属 技术领域的技术人员来说是容易想到的，是被考虑到并希望被保护的。图1是图解本发明的传感龙头系统10的一个实施例的方框图。举例来说，系统 10包括用于将诸如水的流体输送进水槽盆内的出口 12，以及至少一个用于以手动方式控 制水流过出口 12的手动阀把手14。示例性地，热水源16和冷水源18被耦接至手动阀体 组件20。在一个示例性的实施例中，为热水和冷水源16、18提供独立的手动阀把手14。 在另一个示例性的实施例中，诸如对于厨房应用，使用单个手动阀把手14以用于热水和 冷水输送。在这样的厨房实施例中，手动阀把手14和出口 12通常通过单个安装孔(hole mount)耦接至盆。阀体组件20的输出耦接至致动器驱动阀22，该致动器驱动阀22由来 自控制器24的输入信号电子控制。示例性地，阀20和22位于引导流体流过出口 12的通 道内。在示例性的实施例中，致动器驱动阀22可以是磁性闩锁液控电磁阀(magnetically latchingpilot-controlled solenoid valve)0在替代的实施例中，热水源16和冷水源18可以被直接连接至致动器驱动阀22以 提供无需任何手动控制的全自动龙头。在另一个实施例中，控制器24控制电子比例阀(未 显示)以便水从热水和冷水源16、18被供给至出口 12。因为致动器驱动阀22是由控制器24电子控制，可以如本文所讨论的使用来自电 容传感器30的输出来控制水的流动。如图1所示，当致动器驱动阀22打开的时候，可以通 过把手14和阀体组件20的手动阀构件的操作以手动控制模式操作龙头系统。相反地，当 设定手动控制的阀体组件20来选择水温和流速时，当用户的手触摸传感器时，致动器驱动 阀22可以被触摸控制，如下面所讨论地切换水流的打开和关闭。第一触摸传感器电极26电耦接至手动阀把手14。示例性地，出口 12具有电容性 耦合至第一电极26的第二触摸传感器电极28。示例性地，出口 12由导电材料构成，以形成 第二触摸传感器电极28。替代地，独立的电极28可以被耦接至出口 12。第一电极26直接耦接至控制器24的电容传感器30。在图1的实施例中，使用电 线将第一电极26与电容传感器30连接。要理解的是，根据本发明可以使用任何传统的电 容传感器30。举例来说，参见通过引用被并入本文的第6，962，168号美国专利。由于往往 出口 12是可动的，因此并不希望有至出口 12的电极28的电线连接。因此，如下面更详细 地讨论的，出口 12的电极28电容性耦合至电极26。要理解的是，在另一个实施例中，出口 12上的第二电极28可以被直接耦接至电容传感器30，并且把手14上的第一电极26可以 被电容性耦合至第一电极28。
图2是使用单个电容传感器30的双电极的电容性耦合传感配置的实例。虽然本 文明确地揭示图2的实施例用于诸如龙头的液体输送设备，但是要理解的是本文使用的传 感和控制技术也可以有其它的应用。图3图解单安装孔龙头31的补充细节。举例来说，通过把手14和中枢32之间的 金属与金属接触，龙头体中枢32电耦接至手动阀把手14。手动阀把手14以传统的方式可 动地耦接至龙头体中枢32，以通过阀20控制水流和温度。由于手动阀把手14和龙头体中 枢32是电连接的，第一电极26可以按照要求被耦接至手动阀把手14或中枢32。出口 12通过绝缘体34被耦接至龙头体中枢32。在一个实施例中，诸如用于厨房 龙头，出口 12可相对于龙头体中枢32旋转。在另外的实施例中，出口 12可以相对于龙头 体中枢32固定。出口 12可以包括与出口 12电绝缘的拉出式或拉下式喷头。如上所讨论的，手动阀把手14被电连接至龙头体中枢32。出口 12通过绝缘体34 电容性地耦合至体中枢。当用户的手触摸手动阀把手14时，直接与接地的电容耦接。因此， 与触摸出口 12的时候相比，当用户触摸把手14的时候，控制器24的电容传感器30检测到 更大的电容差异。这导致，与触摸出口 12的时候相比，当用户的手触摸手动阀把手14时会 产生更大振幅的输出信号。通过将输出信号的振幅与预定阈值进行比较，控制器24能够检 测到龙头何处被触摸以及龙头被触摸多长时间，以使得控制器24作出如下面所讨论的水 激活决定。下面是用于处理两个电极26、28的“触摸”条件的算法的说明，使用检测电容变化 的单个电容传感器30将这两个电极彼此电容性耦接。对电极26、28如何以及何时被触摸 的判读被用于判定何时开动电子阀22。应该理解的是，本文详细描述的方法和设备可以与下述专利申请中揭示的龙头结 合在一起使用于2007年12月11日提交的公开号为W02008/088534并且标题为“多模式 自动龙头”的PCT国际专利申请，以及于2006年12月29日提交的序列号为11/641，574并 且公开号为2007/0157978的美国专利申请，上述专利申请公开的内容通过引用被特意并 入本文。举例来说，首先将描述用于分辨对出口 12或把手14的短的敲击和较久的抓握的 检测算法的第一实施例。下面的定义将在检测算法的第一实例中使用。“敲击”是短持续时 间的触摸，目的是将水或流体打开或关闭。“抓握”具有较长持续时间，诸如当用户握住出口 12以使得出口从水槽盆的一个区域移动到另一个区域时或者当用户握住手动阀把手14以 调节流体的流速或温度时。下面的定义适用于第一实施例。在下面讨论的第二实施例中敲 击和抓握被不同地判定。·转换速率输出信号的最大变化率，用单位/秒表示。(例如计数/秒，伏特/ 秒，LSbs/ 秒)·直接耦接电极电阻性地耦接或连接至传感器的输入这样的连接。·电容性耦合电极至传感器的输入的连接，由于通过具有规定介电常数的一些材 料物理地分隔，该连接本质上是电容性的。在此类构造中的连接中不存在电阻性的元件。·敲击当传感器的输出信号在预先规定的阈值的绝对值上方越过持续某个时间 段tK，并且满足下面的条件=Ttap min ^tE< Ttap max时发生的事件。·抓握在任意时间传感器的输出信号在预先规定的阈值的绝对值上方越过持续至少Ttapjm时发生的事件。·触摸被定义为在任意时间当传感器的输出信号在预先规定的阈值的绝对值上 方越过持续至少Ttap MIN时发生的事件。·释放被定义为在任意时间当传感器的输出信号在预先规定的阈值的绝对值下 方越过时发生的事件。· Ttap min 传感器的输出信号必须在预先规定的阈值的绝对值上方越过以够条件成 为敲击情形的规定的、最小的时间量。· Ttap max:传感器的输出信号必须在预先规定的阈值的绝对值上方越过以够条件成 为敲击情形的规定的、最大的时间量。信号必须在该时间之前降至阈值以下，以便仍够条件 成为敲击情形。如果信号在超过该时段后仍处于阈值上方，则出现抓握情形。图4示出了如上所讨论的使用单个电容传感器30的双电极26、28的电容性耦合 传感配置的典型输出响应信号。图4中能够看到人对各个电极26、28的触摸之间的区别。 可能的算法阈值设定在图4的图表中显示。举例来说，图4在线80处示出了下阈值振幅， 在线82处示出了中间阈值振幅，在线84处示出了上阈值振幅。由于所选择的连接至特别的电极的传感器的转换速率，对于输出信号来说将用最 小的时间量达到它的最大振幅并达到某个稳态水平。图4中所示的是，直接耦接的第一电 极26在位置90处被敲击，传感器的最大输出电平小于如位置92所示出的如果第一电极26 被抓握最小时间量以允许达到稳态水平可达到的最大输出电平。直接耦接的电极26和电 容性耦合电极28的转换速率可以不同。电容性耦合电极28的最大可达到振幅小于直接耦 接的电极26的最大可达到振幅。举例来说，图4的位置86示出当电容性耦合电极28被敲 击的时候的信号的振幅，位置88示出当电极28被抓握以允许达到稳态水平的时候电容性 耦合电极28的最大可达到振幅。在给定系统中给定传感器可达到的最大稳态水平可以取 决于下面条件而变化1.什么或谁在触摸传感器，2.系统所采用的特殊类型的电容性传感技术，3.两个电极之间的电容量和分隔材料的关联的介电常数，4.电极附近的能增加被感应的总电容的任意导电材料。在为两者间绝缘的两个电极使用两个分离的传感器的系统中，分辨两个电极的敲 击、抓握和释放是相当简单的任务。然而，由于如图1和2所示的使用电容性耦合电极26、 28和单个电容传感器30的系统的行为，使得检测的方式也不同。表1到3显示能够使用不 同的传感构造精确地判定的可能的检测状态。如表1所示，双传感器双电极配置能够精确地分辨多达16种不同的状态。缺陷是 控制算法也必须处理并判定当前所表现的是什么状态。表2显示什么状态是可能使用如图 1和2所示的具有电容性耦合电极的单个传感器，双电极配置而判定的。
权利要求
一种龙头，其特征在于，包括出口；引导流体流过所述出口的通道；位于所述通道内的可电子操作的阀；位于所述通道内并与所述可电子操作的阀串接的手动阀；控制所述手动阀的手动把手；在所述手动阀把手上的第一触摸传感器；在所述出口上的第二触摸传感器；电容传感器，所述电容传感器直接耦接至所述第一触摸传感器和所述第二触摸传感器中的一个，并电容性耦合至所述第一触摸传感器和所述第二触摸传感器中的另一个，所述电容传感器提供输出信号；以及耦接至所述电容传感器的控制器，所述控制器被配置为监控来自所述电容传感器的所述输出信号，并对用户敲击所述出口和所述手动阀把手中的一个、用户抓握所述出口以及用户抓握所述手动阀把手进行分辨，所述控制器还被耦接至所述可电子操作的阀以响应来自所述电容传感器的所述输出信号来控制所述可电子操作的阀。
2.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，响应检测到用户敲击所述出口和所述手动 阀把手中的一个，所述控制器在打开和关闭位置之间切换所述可电子操作的阀。
3.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，当所述第一触摸控制和所述第二触摸控制 中的任何一个在比预定时间更短的时段内被触摸和释放时，所述控制器切换所述可电子操 作的阀。
4.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，所述可电子操作的阀是磁性自锁阀。
5.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，当在预定的时段内检测到所述输出信号的 正的斜率和所述输出信号的负的斜率两者时，所述控制器判定用户已经敲击所述出口和所 述手动阀把手中的一个。
6.如权利要求5所述的龙头，其特征在于，所述控制器进一步判定是否是电磁场相互 作用，而不是所述用户在所述出口或所述手动阀把手上的敲击引起了所述输出信号的所述 正的斜率。
7.如权利要求5所述的龙头，其特征在于，当所述输出信号的所述正的斜率和所述输 出信号的所述负的斜率之间的时间长度大于所述预定时间时，所述控制器进一步判定用户 已经抓握所述出口和所述手动阀把手中的一个。
8.如权利要求7所述的龙头，其特征在于，如果所述控制器判定所述出口和所述手动 阀把手中的一个被用户抓握，则所述控制器基于检测到的正的和负的斜率之间的所述输出 信号的振幅来进一步判定所述出口和所述手动阀把手中的哪一个被用户抓握。
9.如权利要求8所述的龙头，其特征在于，如果所述检测到的正的和负的斜率之间的 所述输出信号的所述振幅大于预定阈值，则所述控制器判定所述手动阀把手被用户抓握。
10.如权利要求9所述的龙头，其特征在于，如果所述检测到的正的和负的斜率之间的 所述输出信号的所述振幅小于所述预定阈值，则所述控制器判定所述出口被用户抓握。
11.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，所述可电子操作的阀是电子比例阀，并且 其中所述控制器响应用户与所述第一触摸控制和第二触摸控制接触的持续时间，指示所述可电子操作的阀在打开、关闭和多个部分关闭位置之间变化。
12.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，进一步包括龙头体中枢，所述手动阀把手 能够移动地与所述龙头体中枢耦接以控制所述手动阀，所述手动阀把手电耦接至所述龙头 体中枢，并且其中所述出口通过绝缘体被耦接至所述龙头体中枢，以致所述出口与所述龙 头体中枢电绝缘。
13.如权利要求12所述的龙头，其特征在于，所述出口能够旋转地耦接至所述龙头体 中枢。
14.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，所述第一触摸传感器包括耦接至所述手动 阀把手的第一电极，所述第一电极直接耦接至所述电容传感器。
15.如权利要求14所述的龙头，其特征在于，所述第二触摸传感器包括在所述出口上 的第二电极，所述第二电极被电容性耦合至所述第一电极。
16.如权利要求15所述的龙头，其特征在于，所述出口由导电材料形成以提供所述第 二电极，所述龙头进一步包括位于所述出口和所述手动阀把手之间的绝缘体，以致所述第 二电极被电容性耦合至所述第一电极。
17.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，响应来自所述电容传感器的所述输出信 号，所述控制器按如下方式控制所述可电子操作的阀如果所述第一触摸传感器和第二触摸传感器中的任何一个被敲击同时所述可电子操 作的阀被关闭，则所述控制器打开所述可电子操作的阀；如果所述第一触摸传感器被抓握并且所述可电子操作的阀被关闭，则所述控制器打开 所述可电子操作的阀；如果所述第一触摸传感器和第二触摸传感器中的任何一个被敲击同时所述可电子操 作的阀被打开，则所述控制器关闭所述可电子操作的阀；如果所述第一触摸传感器被抓握并且所述可电子操作的阀被打开，则不对所述可电子 操作的阀采取动作；如果所述第二触摸传感器被抓握并且所述可电子操作的阀被打开，则不对所述可电子 操作的阀采取动作；以及如果所述第二触摸传感器被抓握并且所述可电子操作的阀被关闭，则不对所述可电子 操作的阀采取动作。
18.如权利要求1所述的龙头，其特征在于，所述控制器判定所述输出信号(SIG)的振 幅，并将所述振幅与上阈值(UT)、中间阈值(MT)和下阈值(LT)比较，然后所述控制器按下 述方式控制所述可电子操作的阀(a)如果IsiGl> IUT持续时期tK，并且tK彡Ttapmin，以及所述可电子操作的阀被关 闭，则所述控制器将所述可电子操作的阀打开；(b)如果ISIGI > IMT I持续时期tE,已经被释放，并且Ttap min ^tE< Ttap max,如果所述 可电子操作的阀先前已打开，则所述控制器关闭所述可电子操作的阀，而如果所述可电子 操作的阀先前已关闭，则所述控制器打开所述可电子操作的阀；(c)如果ISIGI> IMT持续时期tK，并且所述可电子操作的阀被打开，以及tK彡τΤΑΡ— ，则不采取动作；以及(d)如果IsiGl< |mt|，无论所述可电子操作的阀是否被打开或关闭，都不采取动作。
19.一种控制龙头内的流体流动的方法，所述龙头具有出口，引导流体流过所述出口的 通道，位于所述通道内的可电子操作的阀，位于所述通道内并与所述可电子操作的阀串接 的手动阀，以及控制所述手动阀的手动把手，其特征在于，所述方法包括在所述手动阀把手上设置第一触摸传感器； 在所述出口上设置第二触摸传感器； 设置电容传感器；将所述第一触摸传感器和第二触摸传感器中的一个直接耦接至所述电容传感器； 将所述第一触摸传感器和第二触摸传感器中的另一个电容性地耦合至同一电容传感器；监控来自所述电容传感器的输出信号以检测用户对所述第一触摸传感器和第二触摸 传感器两者的触摸；以及响应所述监控步骤，控制所述可电子操作的阀。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述监控步骤包括对用户敲击所述出口 和所述手动阀把手中的一个、用户抓握所述出口以及用户抓握所述手动阀把手进行分辨。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，当在预定的时段内检测到所述输出信号 的正的斜率和所述输出信号的负的斜率两者时，所述监控步骤判定用户已经敲击所述出口 和所述手动阀把手中的一个。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包括判定是否是电磁场相互作 用，而不是所述用户在所述出口或所述手动阀把手上的敲击引起了所述输出信号的所述正 的斜率。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，当所述输出信号的所述正的斜率和所述 输出信号的所述负的斜率之间的时间长度大于所述预定时间时，所述监控步骤判定用户已 经抓握所述出口和所述手动阀把手中的一个。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，如果所述监控步骤判定所述出口和所述 手动阀把手中的一个被用户抓握，则所述监控步骤然后基于检测到的正的和负的斜率之间 的所述输出信号的振幅来判定所述出口和所述手动阀把手中的哪一个被用户抓握。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，如果所述检测到的正的和负的斜率之间 的所述输出信号的所述振幅大于预定阈值，则所述监控步骤判定所述手动阀把手被用户抓 握。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，如果所述检测到的正的和负的斜率之间 的所述输出信号的所述振幅小于所述预定阈值，则所述监控步骤判定所述出口被用户抓握。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述监控步骤期间，响应 检测到用户敲击所述出口和所述手动阀把手中的一个，在打开和关闭位置之间切换所述可 电子操作的阀。
28.如权利要求19所述的方法，其特征在于，响应来自所述电容传感器的所述输出信 号，所述控制器按如下方式控制所述可电子操作的阀如果所述第一触摸传感器和第二触摸传感器中的任何一个被敲击同时所述可电子操 作的阀被关闭，则所述控制器打开所述可电子操作的阀；如果所述第一触摸传感器被抓握并且所述可电子操作的阀被关闭，则所述控制器打开 所述可电子操作的阀；如果所述第一触摸传感器和第二触摸传感器中的任何一个被敲击同时所述可电子操 作的阀被打开，则所述控制器关闭所述可电子操作的阀；如果所述第一触摸传感器被抓握并且所述可电子操作的阀被打开，则不对所述可电子 操作的阀采取动作；如果所述第二触摸传感器被抓握并且所述可电子操作的阀被打开，则不对所述可电子 操作的阀采取动作；以及如果所述第二触摸传感器被抓握并且所述可电子操作的阀被关闭，则不对所述可电子 操作的阀采取动作。
29.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述可电子操作的阀是电子比例阀，并且 其中所述控制器响应用户与所述第一触摸控制和第二触摸控制接触的持续时间，指示所述 可电子操作的阀在打开、关闭和多个部分关闭位置之间变化。
30.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一触摸传感器包括耦接至所述手 动阀把手的第一电极，所述第一电极直接耦接至所述电容传感器。
31.如权利要求30所述的方法，其特征在于，所述第二触摸传感器包括所述出口上的 第二电极，所述第二电极被电容性地耦合至所述第一电极。
32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，所述出口由导电材料形成以提供所述第 二电极，所述龙头进一步包括位于所述出口和所述手动阀把手之间的绝缘体，以致所述第 二电极电容性地耦合至所述第一电极。
全文摘要
龙头(10)包括出口(12)，引导流体流过出口(12)的通道，位于通道内的可电子操作的阀(22)，位于通道内并与可电子操作的阀串接的手动阀(20)以及控制手动阀(20)的手动把手(14)。龙头(10)还包括手动阀把手(14)上的第一触摸传感器(26)，出口(12)上的第二触摸传感器(28)，直接耦接至第一和第二触摸传感器(26，28)中的一个并电容性耦合至第一和第二触摸传感器(26，28)中的另一个的电容传感器(30)，以及耦接至电容传感器(30)的控制器(24)。控制器(24)被配置成监控来自电容传感器(30)的输出信号并对用户敲击出口(12)和手动阀把手(14)中的一个、用户抓握出口(12)和用户抓握手动阀把手(14)进行分辨。控制器(24)还被耦接至可电子操作的阀(22)以响应来自电容传感器(30)的输出信号来控制可电子操作的阀(22)。
文档编号G01D5/24GK101952521SQ200880120822
公开日2011年1月19日 申请日期2008年12月11日 优先权日2007年12月11日
发明者乔尔·D·萨瓦斯基, 大卫·M·伯克, 罗伯特·W·罗登贝克 申请人:印第安纳马斯科公司