CN1854581B - 控制液体流动的电磁装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种致动器包括形成用于在其中放置铁磁电枢的一个容仓的致动器基座、绕线管、和极片。致动器包括径向磁铁和螺线管。螺线管被构成并用于在从控制电路施加线圈驱动电流时引起电枢的线性位移。致动器可以包括一个柔性膜片，局部地闭封该电枢，形成以不可压缩流体填充的电枢腔。在一个设计中，通过把电枢驱动到一种延伸位置并因此将膜片顶压一个阀门座而停止流体的流动。通过把电枢及膜片驱离该阀门座而进入回缩位置中来开启流体流动。

Description

控制液体流动的电磁装置和方法
相关申请
本申请要求2005年3月5日提交的美国临时申请60/659,343的优先权。
技术领域
本发明涉及在各种***中对流体的流动进行的控制，尤其涉及电磁致动器。
背景技术
工业、农业和家庭***中使用各种类型的用于控制液体流动的阀门。最常见形式的电操作阀门采用缠绕在一个绕线管上的一个螺线管，而且在该绕线管内放置一个阀门部件并且由经过该螺线管的驱动电流所驱动。在一个闭合位置，阀门部件(电枢)的梢端顶压阀座并且从而停止通过该阀座所在位置的管道的液体流动。在大多数情况下该阀门部件的梢端由合成树脂制成，或由其它有弹性的材料制成，而阀门部件的其它部分由例如钢的具有相对高导磁率的材料制成，以使其受到来自螺线管磁场力的作用，并且将起到螺线管电枢的作用。
在电池操作的致动器中，电阀门控制电路采用的电能应该尽可能少。为了实现高能效的操作，该阀门部件(即螺线管的电枢)的导磁性需要尽可能地高。而且，在对阀门进行闩锁(即阀门的致动器需要功率打开或关闭该阀门，而是不保持其打开或关闭)的过程中，电阀门控制电路应该只施加所必需的最小、且持续时间最短的驱动电流。在非闩锁致动器中，用于保持阀门开启的不必要的高驱动电流还可能会不必要地降低电池的寿命。
在许多已有技术的致动器中，水(或其它所调控的流体)能够流入包含该致动器的绕线管的腔中。致动器通常包括与内部空隙(即电枢腔)连通的一个流动通道，以便提供一个低流体阻力的道路并且补偿该阀门部件上的外部压力(即由调节的流体施加在该电枢上的压力)。因此，该调节的流体响应对该致动器的闭合或开启而来回流动。这将会引起电枢的退化(即腐蚀)以及在绕线管腔内累积的金属和其它离子(即其它沉积物)带来的问题。这种问题的严重性取决于被调节液体的类型。
仍然存在对于一种改进电磁致动器的需要。
发明内容
本发明涉及用于控制在各种***中的流体流动的装置和方法。
根据本发明的一个方面，一种电磁致动器包括一个螺线管和一个电枢外壳，该电枢外壳构成并用于在一个电枢腔中容纳包括末梢部件的一个可移动电枢。该致动器还包括一个控制电路，构成来把一个线圈驱动电流施加到该螺线管，并且由此引起该末梢部件相对于由该致动器控制的阀门通道的线性位移。该致动器还包括一个径向磁铁，用于通过一个磁场力把该电枢保持在一个静止位置而无需施加线圈驱动电流。
根据本发明的另一方面，一种电磁致动器包括一个螺线管，及一个电枢外壳被构成并用于形成来容纳一个铁磁体电枢的电枢容仓(或腔)，该铁磁体电枢包括该电枢的一个末梢部分(即柱塞梢端)。该致动器包括相对于该电枢腔固定的膜片，用于至少局部地封闭该柱塞梢端并且把电枢腔流体密封在电枢腔之内，其中由致动器控制的该电枢的位移相对于阀门通道而移动该膜片。该致动器还包括一个径向磁铁，用于使用一个磁场力把该电枢保持在开启或关闭位置中的一个静止位置而无需施加线圈驱动电流。
根据本发明再一个方面，一种电磁致动器包括螺线管、电枢外壳、径向磁铁和在一个电枢腔内部的铁磁电枢。该电磁致动器还包括一个膜片，用于至少局部地闭封该电枢的一个末梢部件，以便把电枢流体密封在该电枢腔内部。由加到该螺线管的线圈驱动电流引起的该电枢的线性位移将移动该末梢部件，并因此相对于由致动器控制的阀门通道移动该膜片。该径向磁铁被磁耦合到用于把该铁磁电枢保持在选定位置的一个磁路。
致动器可以包括一个电枢传感器。该电枢传感器可以是一个压电换能器。该压电换能器可被固定到该致动器的外壳。另外，该电枢传感器可以包括容性传感器、光传感器或电磁辐射检测器。电磁辐射检测器可以包括一个导线回路。
上述致动器可由通过上述螺线管的驱动电流操作，以便在回缩和伸出电枢的位置之间驱动该电枢。该致动器可以包括固定在仓嘴的一个柔性膜片，以便当电枢穿行到其延伸位置时外向地变形。该膜片有助于与外壳一起形成包含该电枢的实质上流体密闭的电枢腔。
该径向磁铁可以包括一个单环状部件，或可以包括装配来形成一个环的两个或多个半圆部件，或可以包括放置在电枢外壳之内的几个分离的磁铁。
如果用于该膜片，则实质不可压缩的液体将占据该电枢腔之内的未被电枢占据的整个体积。该电枢腔液体可以包括由抗腐剂构成的不可压缩的液体。该不可压缩的液体可以实质上由与抗腐蚀剂混合的水组成。该不可压缩的流体可以包括具有较大分子的液体。
例如，该电枢流体可以是混合了抗腐蚀剂的水，例如混合了20％的聚丙烯乙二醇和钾磷酸盐的水。另外，电枢液体可以包括硅基液体，聚丙烯聚乙烯乙二醇或其它具有大分子的流体。该电枢液体通常可以是相对于该电枢而言具有低粘性和非腐蚀性的任何不可压缩的液体。因为这种保护，图示的实施例的电枢材料能够是低碳钢的电枢；耐腐蚀力不是象其在没有这种保护的情况中那样的大的因素。其它实施例可以采用例如420或430系列不锈钢的电枢材料。仅需要该电枢实质上由一个铁磁材料组成，即由一种螺线管和磁铁能够吸引的材料组成。虽然如此，该电枢实质可以包括例如柔性梢端，即不是铁磁体的部件。
根据本发明的另一方面，一种致动器***包括：含有一个致动器外壳的致动器、放置在电枢腔径向磁铁之内的电枢、电枢传感器以及可通过从控制电路提供施加的线圈驱动操作的一个线圈。该控制电路被构成来提供第一驱动方向中的线圈驱动，以便在力图把该电枢驱动到第一末端位置的第一电流方向上传导电流。该控制电路被构成来开始在第一方向上把线圈驱动加到一个线圈，并响应满足一个预定第一电流终止判据的传感器输出而停止在第一方向上把线圈驱动加到该线圈。
这种电枢传感器的使用降低了通常出现在驱动该致动器电枢的过程中的能耗浪费。电枢传感器可以监视该电枢的移动或确定该电枢已经到达其行程末端的时间。根据来自电枢传感器的信号，在一个选择点结束对该致动器线圈驱动的驱动信号。这将能够大大减小能量消耗，因为线圈驱动持续期因此不总是需要足够长到满足最糟情况的要求，该最糟情况是在没有应用电枢传感器时的通常施加的确保开启或关闭的足够长持续时间的情况。能量使用的降低导致电池寿命的显著增加。而且，传感器能够检测该致动器是否正确起作用，并且能帮助监视该当事致动器的状况。这些测量展示该阀门性态的情况。例如一旦该电枢达到末端位置并且产生一种声音，则该传感器将产生指示该声音检测的传感器输出。该声音传感器可以是例如在美国专利6,450,478、6,305,662、6,293,516中描述的声音传感器。可以使用指示该电枢位置的其它信号。
有益的是，该膜片的使用使得能够采用例如碳钢或不锈钢铁磁体类型的具有高磁导率的电枢材料而不考虑其低耐腐蚀力，并且该电枢不需要经受提供一个可接收的耐腐蚀力等级的若干处理步骤。而且，本发明的设计降低了由于常规电枢的非优化磁导率引起的当前需要的螺线管线径。当致动器含有柔性膜片，而该柔性膜片固定在该电枢在其中移动的该容仓的末端上面，该电枢的高磁导率材料不暴露于将被控制流经该阀门的可能是腐蚀性的液体。该电枢容仓以不能压缩的液体填充，以便平衡由受控液体压力施加的力。该柔性膜片还保护该阀门组件免受存在于在流动的并由阀门组件控制的流体中的杂质的侵害。
附图说明
图1是构成并用于控制流经阀门的流体的一个电磁致动器的透视图。
图2是包括阀门的图1的电磁致动器的截面图。
图3是用于控制阀门的该电磁致动器的分解图。
图3A是图2和3所示的该电枢的截面图。
图3B是图2和3所示的在后部极片的截面图。
图3C是图2和3所示绕线管的截面图和侧视图。
图3D是图2和3示出线圈挡块(stop)的正视图。
图3E是图2和4示出的致动器使用的径向磁铁的正视图。
图3F是图2和3所示外壳的截面侧视图。
图4是该电磁致动器的第二实施例的截面图。
图4A是电磁致动器的第三实施例的截面图。
图4B是电磁致动器的第四实施例的截面图。
图4C是电磁致动器的第五实施例的截面图。
图5和图5A示意地示出用于控制该电磁致动器的电子控制器。
具体实施方式
图1和2示出使用在工业、农业以及家庭***中用于控制流体的流动的可电操作的电磁阀门。该阀门包括电磁致动器10A，开启和关闭在导流体部件100内的流动通道。电磁致动器10A使用电磁场来把在致动器内放置的电枢纵向地移至及移离该阀门座。电磁致动器10A还使用来自径向磁铁的磁场，以一个延伸位置把电枢保持在该阀门座，或以一个回缩位置把电枢保持在远离该阀门座的位置，不对该致动器施加任何电流。
参考图2和图3，电磁致动器10A包括绕线管14、圆柱状外壳18、后极片25、线圈挡块54及电枢80。电枢80放置在绕线管14的空腔内，绕线管14放置在圆柱状外壳18内。螺线管(即线圈)28围绕绕线管缠绕，具有径向磁铁23。靠近该线圈的中间及绕线管14的外放置。电枢80包括流体通道85和柱塞梢端86。后极片25保持在线圈挡块54的位置，从而把线圈28及磁铁23固定在绕线管14上及固定在外壳18内。圆柱状外壳18形成致动器主体，包括螺纹基座16和支架20(即一个凸缘20)。
该阀门还包括放置在凸缘20和可替换导流体部件100之间的弹性膜片90，其中导流体部件100限定了阀门的几何形状。弹性膜片90包括加厚的外缘92、柔性部分94、围绕柱塞梢端86的C状部分98和可变形密封部分96。整个电枢80由放置在电枢腔(即电枢容仓)中的非腐蚀性、不可压缩液体围绕。致动器10A包括一个在绕线管14和螺线管外壳18之间形成密封的可弹性变形的O型环12，以及在后端15的绕线管14和后极片25之间形成密封的O型环46。
仍然参考图2，导流体部件100的外表面通过其外侧螺纹72与提供在外壳18的正面基座76的互补螺纹74啮合。由基座16的下部分中的凸缘20形成的一个环形表面挤压可弹性变形的膜片90的外缘92，该可弹性变形的膜片90顶压由导流体部件100的后表面形成的肩台30。导流体部件100包括阀门座104和管道106。径向磁铁23具有向内的南极和向外的北极。磁铁为环形，以便防止电枢对绕线管的一侧或另外一侧的吸引，因此保持在绕线管之内中间对齐，使得其能在绕线管14中以直线方向平滑移动。
通过把驱动电流加到螺线管28来打开或关闭阀门。为了关闭该阀门，应用该驱动电压的极性，以使从线圈28产生的磁通量朝着导流体部件100的方向移动电枢80。在关闭状态中，电枢梢端(柱塞梢端86)是在延伸位置中并将膜片90的密封部分96压在阀门座104上，关闭管道106并由此停止通过该管道的流动。为了打开该阀门，驱动电压的极性是相反的方向，以便将电枢80从导流体部件100移开。在开启状态中，电枢梢端86是在回缩位置中，其中密封部分96被远离阀门座104定位，从而打开管道106并使液体流经管道。
在该开启或关闭位置中，径向磁铁23提供了为保持电枢80静止所需要的磁力。径向磁铁23提供磁通路径40和42，线性地作用在由软磁材料制成的可移动电枢80上。磁通路径40沿着并通过圆柱状的外壳18从磁铁23延伸，通过凸缘20并跨越前隙至电枢80的肩台81。磁通路径40随后沿着电枢80延伸通过绕线管14，回到磁铁23。另一方面，如图2所示，磁通路径42沿着并经过圆柱状的外壳18从磁铁23延伸，穿过后极片25并跨越后缝隙至电枢80，随后沿着电枢80延伸并穿过绕线管14回到磁铁23。
使用由径向磁铁23提供的磁路，在不施加驱动电流的条件下把电枢80保持在位置中(即以零驱动电流保持在闩锁或非闩锁位置中)。该磁路取决于由电枢80的线性位移产生的两个间隙。具体地说，在电枢空腔内部，有定位在凸缘20(即支架20)和电枢80的电枢肩台81之间的前间隙。还有接近后腔79的定位在电枢80的后部和后极片25之间的一个后间隙。
在该线圈线性驱动把电枢80移动到延伸位置之后，弹性膜片90顶压关闭表面104。在延伸位置中，前间隙比后缝隙小得多，因此沿着磁通路径40的力大于沿着磁通路径42的力。由于这种力差，电枢80被保持在延伸位置而无需任何驱动电流。即只通过径向磁铁23的磁力把柱塞86保持在关闭位置。随后，相反线圈驱动的施加将克服净磁力并且线性地将电枢80移动到回缩位置。在回缩位置中，凸缘20和肩台81之间前间隙比后间隙大得多。由于后间隙小于前间隙，因此沿着磁通路径42的力大于沿着磁通路径40的力。因此电枢80被保持在回缩位置而无需任何在线圈28中流动的驱动电流。电枢80的偏移、以及前间隙和后间隙的大小可由后极片25的位置来控制，该后极片25能够相对于螺线管外壳18拧入或旋出。因此由径向磁铁23提供的净磁力可通过后极片25来调整。
仍然参考图2，可弹性变形的O型环12在螺线管绕线管14和外壳18之间形成一个密封。这将产生一个不透液体的密封，使得膜片90保护电枢80不暴露于在引导部件100中流经液体导管106的液体。膜片90还配合一个O型环密封46(在磁极片25)来形成流体密闭电枢腔容仓(包括腔79、91和89)，其中以腔流体(即流体或气体)填充，该腔流体最好是相对无粘性、不可压缩和非腐蚀性的。该流体应该有大分子，使得其被较小预置来通过膜片90扩散。
如上所述，弹性膜片90密封放置在流体密闭电枢腔中的电枢流体。可弹性变形的膜片90包括外套环92、适应区域94、弹性区域96和槽压(cupping)柱塞梢端86的C形状区域98。通常，根据导流体部件100和电枢80的柱塞86的设计和尺寸，可变形膜片90和区域98可以具有各种形状和尺寸。弹性膜片90暴露于管道106中的被调节流体的压力并且可能因此经受相当的外力。但是在关闭状态中，电枢80无需克服此力，因为管道106的压力被通过膜片90传到在电枢腔(即电枢容仓)之内的不可压缩的电枢流体。因此，在该电枢腔中的该压力产生的力与该外部导管压力施加的力相平衡。
在示出的实施例中，电枢梢端部分86(即柱塞梢端86)压迫在膜片90的表面上，这又使得与底座104接触而关闭管道106，并且因此关闭阀门。柱塞梢端86可以具有圆形、椭圆形、矩形或其它截面。柱塞梢端86的表面与底座开启面积相关，它们都能够被增加或减小。可以针对该阀门致动器所设计操作的压力范围来优化该柱塞表面和底座104的表面。降低该柱塞表面(即缩小梢端部分86)将减小顶压底座104的该挤压膜片90所包含的柱塞面积，并且这又降低了为抵抗一给定上游流体管道压力所需的力。另一方面，把该柱塞梢端区域作得太小将趋于在阀门关闭的过程中损坏膜片90。梢端接触面积对底座开启面积的最佳比值范围是在1.4和12.3之间。本发明的致动器适于受控流体的各种压力，包括大约150psi(10.34Bars)的压力。在不作任何实质改变的条件下，该阀门致动器可以使用在大约30psi到80psi(2Bar到5.52Bar)的范围中，甚至在大约125psi(8.62Bar)的水压下使用。
而且，柔性膜片90保护放置在以充分非腐蚀性液体填充的电枢空腔之内的电枢80，并且这又使致动器设计者能够在电枢的具有高耐腐蚀的材料和高磁导率之间作出更有利的选择。而且，膜片90提供了对于趋向从水(或受控流动的其它流体)迁移到电枢空腔中的金属离子和其它残骸的一个阻挡层，如果这种残骸由磁性材料组成的话，这一阻挡层特别有益。
仍然参考图2，相对于在腔91之内的流体压力，电枢80在回缩和延伸位置之间自由移动，流体通道85进一步促进了这种移动。通道85形式上可以是沿着电枢80的整个长度延伸的一个开槽。在绕线管空腔之内，腔89和91与流体通道85连通，使得在电枢80的移动之时能够对从前井腔89通过通道85到后井腔79(反之亦然)的移动的流体进行力平衡。虽然电枢流体也可以围绕电枢的周界流动，但在要求快速电枢运动的设计中需要由通道85提供的一个相对低的流体阻力路径。类似的考虑支持使用具有很低粘性的一个容腔流体。该低阻路径和低粘滞性使能够实现低电能的电枢80的快速直线移动。
例如，该电枢流体可以是混合了抗腐蚀剂的水，例如混合了20％的聚丙烯乙二醇和钾磷酸盐的水。另外，电枢液体可以包括硅基液体，聚丙烯聚乙烯乙二醇或其它具有大分子的流体，以便防止泄漏。该腔液体通常可以是相对于该电枢而言是具有低粘性和非腐蚀性的任何实质上不可压缩的液体。由于这种防腐蚀性，能够从低碳钢、或其它腐蚀敏感的材料来制得该示出实施例的柱塞材料。其它实施例可以采用例如420或430系列不锈钢的电枢材料。仅需要该电枢实质上由一个铁磁材料组成，即由一种螺线管和磁铁能够吸引的材料组成。虽然如此，该电枢实质可以包括例如柔性梢端，即不是铁磁体的部件。
可变形膜片90由坚固材料制成并且至少可以局部地由一种有弹性的材料制成。膜片90可以是EPDM隔膜或其它类型的隔膜。而且，该可变形膜片90的材料的选择要耐得住可能由阀门10A调节的流体引起的可能的退化。因此，只要具体地针对所调节流体而设计可变形膜片90和引导主体部件100，就能制造同样的阀门致动器用于各种工业、农业或其它应用。在医疗应用中，膜片90和导流部件100(包括O型环103和108)可由抗菌材料制成，或可由易处理的材料制成。因此，该阀门致动器可在杀菌之后重新使用，或利用新的易处理的元件而被重复使用。
通常，在现场维修或替换的过程中，该阀门致动器或其它元件可以去除或替换，这又可能引起在该阀门致动器的阀门座104和元件96(即弹性区域96)之间的距离和几何形状的变化。而且，各种部件的容差和O型环可变形性可能导致该导流体管道106的位置相对于膜片90的C状区域98的位置上的某些易变性。这种易变性能够引起在开关时间过程中的阀门操作中产生的不一致性，但这种问题能够通过使用导流体部件100来消除。如图2所示，使用不同的导流部件100使得在不同的导流部件100被预先装配在阀门操作器上时，能允许在导流阀门、底座间隔、和几何形状中的控制改变(设计更改)。这将增加阀门的通用性。
导流体部件100的使用是受控隔膜冲水阀门的操作的一个新颖改进，例如在美国专利5,125,621、5,195,720、5,196,118和5,244,179、即美国专利公开US2004/0164261中公开的那些示例，所有的这些美国专利结合在此作为参考。而且可将几个隔膜级联在一起，其中导流体部件100的通道连接到第一个较小隔膜，该较小隔膜又控制第二个较大隔膜，该较大隔膜使大量的流体能够在开启状态中流经该隔膜。这两个隔膜链接在一起而以大隔膜或大流体压力来产生对于由一个隔膜实际控制液体流动的放大效果。
图3是该电磁致动器10A的不同地部分的分解图。图3A是图2和3所示电枢的截面图，其中尺寸优选地如下：A1＝0.584英寸；A2＝0.591英寸；A3＝0.185英寸；A4＝0.105英寸；A5＝0.105英寸；A6＝0.065英寸；A7＝27°；A8＝0.050英寸；A9＝0.086英寸；A10＝0.016英寸；A11＝0.030英寸；A12＝0.080英寸；A13＝0.050英寸；以及A14＝0.290英寸。
图3B是后极片25的截面图，其具有如下优选的尺寸：B1＝0.251英寸；B2＝0.145英寸；B3＝0.008×45°；B4＝0.171英寸；B5＝0.120英寸；B6＝0.065英寸；B7＝0.181英寸；B8＝0.032英寸；B9＝0.16(最小)英寸；以及B10＝0.42(最大)。
图3C是绕线管14的截面侧视图，其具有如下优选的尺寸：C1＝Φ0.496英寸；C2＝Φ0.380英寸；C3＝0.010×45°；C4＝0.143英寸；C5＝0.685英寸；C6＝0.095英寸；C7＝4×R.008英寸；C8＝Φ0.270英寸；C9＝0.050英寸；C10＝0.330英寸；C11＝0.355英寸；C12＝2×Φ0.256英寸；C13＝0.003×45°英寸；C14＝0.121英寸；C15＝0.005×45°；C16＝Φ0.230英寸；C17＝Φ0.203英寸；C18＝2×0.073英寸；C19＝2×.010×45°；C20＝0.036英寸；C21＝0.060英寸；C22＝Φ0.246英寸；以及C23＝2×0.10×45°。
图3D是线圈挡块54的正视图，其具有如下优选的尺寸：E1＝Φ0.492英寸；E2＝Φ0.232英寸；E3＝0.005×45°；E4＝Φ0.475英寸；E5＝0.025英寸，E6＝0.025英寸，E7＝0.070英寸；以及E8＝0.120英寸。
图3E是径向磁铁23的正视图，其具有如下优选的尺寸：F1＝2×0.100英寸；F2＝2×R.215英寸；F3＝Φ0.500英寸；F4＝0.075英寸；以及F5＝0.145英寸。
图3F是外壳18的截面侧视图，其具有如下优选的尺寸：G1＝0.170英寸，G2＝2×Φ0.502英寸；G3＝0.020英寸；G4＝0.030英寸；G5＝0.617英寸；G6＝0.463英寸；G7＝0.110英寸；G8＝90°；G9＝Φ0.435英寸；G10＝Φ0.505英寸；G11＝Φ0.015英寸；G12＝Φ0.610英寸；G13＝0.139英寸；G14＝0.104英寸；G15＝0.250英寸；G16＝0.060英寸；G17＝0.070英寸；G18＝0.015×45°；以及G19＝0.895英寸。上述尺寸是本专业普通技术人员公知的可被修改的优选尺寸。
图4示出一种电磁阀门的另一实施例。该阀门包括含有弹性膜片90和导流体部件100的致动器10B。致动器10B包括电枢80B，封装在由绕线管14、极片25和膜片90限定的电枢空腔中。致动器还包括围绕螺线管绕线管14缠绕的螺线管线圈28。外壳18具有基座16，保持极片25顶压绕线管14并且由此把线圈28和磁铁23固定在一起。电枢80A还可滑动地安装在电枢腔中，并由非腐蚀性、低粘滞性电枢液体环绕。同样，导流体部件100通过螺纹连接在致动器主体18上。电枢80B也具有一个梢端(柱塞梢端86)，同样可能具有圆形、椭圆形、矩形的或其它截面，例如在阀门10A中那样。在此示例的实施例中，致动器电枢80B还包括一个弹簧空腔82，用于容纳具有锥形未端部分的一可选弹簧84。该锥形弹簧未端使机构能够进行调整和组装。由于结合图2描述的磁路提供了用于闩锁致动器的双稳态操作的足够的力而无需保持定位的任何驱动电流，所以通常不需要弹簧84。
极片25能相对于外壳18(致动器主体18)旋开，这将改变其相对于磁铁23的位置。这一移动改变上述贯穿外壳18的磁路中的磁阻，从而手动改变了由磁场引起的柱塞移动特性。极片25的调节可被用于优化磁路，这将实现致动器(即一个闩锁致动器)的双稳态设计。弹簧84的可选使用主要是用在抵抗高外压的操作时，例如使用在其中通道106被连接到流体输入端的直接阀门设计中。
图4A示出电磁的阀门的另一实施例，与图4的实施例类似。电磁阀门包括致动器10C和导流体部件100。致动器10C包括电枢80B，封装在由绕线管14、极片25限定的电枢空腔中。阀门还具有弹性膜片90，避免受控的流体流入电枢腔中，并且把腔液体保持在该保持电枢的空腔中。致动器10C还包括围绕螺线管绕线管14缠绕的螺线管线圈28。外壳18具有的形状与上述外壳形状相同，保持极片25顶压绕线管14，并且把线圈28和磁铁23固定在一起。电枢80B也被可滑动地安装在电枢腔中，并且通过把导流体部件100螺纹拧接在致动器主体18上来连接导流体部件100。致动器电枢80B还包括弹簧空腔82和弹簧84。在此情况中，弹簧84也包括锥形未端84A和84B，使该机构能够进行调整和组合。电枢80A不包括向下延长电枢80A的通道85。
仍然参考图4A电枢80B包括通道81B，其导入弹簧空腔。通道81B提供了用于腔流体的一个低阻路径，使得环绕电枢80B的液体可以容易地移入空腔中，并因此实现电枢80B的快速往返直线移动。如果没有通道85，由于存在的导入弹簧空腔82的通道81B提供了供电枢流体在空腔79、91、89和82之内移动的一个低阻路径的原因，该存在的导入弹簧空腔82的通道81B本身就能够实现电枢80A的快速往返移动。同样，整个电枢80由电枢腔中放置的非腐蚀性、不可压缩的流体环绕，并浮在其中。重要的是，通道85和81B都可被包括在电枢中，以实现该腔液体的***。
仍然参考图4A，如上所述，电枢80B包括由弹性膜片90的C状部分98围绕的一个柱塞梢端86。柱塞梢端86可以具有圆形、椭圆形、矩形或其它截面。致动器10C还包括阀门传感器26(图5中的262或图5A中的263)，检测电枢的位置来确定阀门的响应，以便实现控制器阀门或评定阀门性能的目的。
图4B示出电磁的阀门的另一实施例。电磁阀门包括致动器10D和导流体部件100。但致动器10D不具有弹性膜片90(即无阻挡层)，因此该受控的流体能够流入该电枢腔中。电枢80A被封装在由绕线管14和极片25限定的电枢空腔中。柱塞梢端在以有弹性的、伸缩的包装套98C密封。而且，在凸缘20和导流体部件100之间有一O型环30。在本实施例中，被调节的流体移动通过导流通道106，进入电枢空腔，并流进该电枢容仓的井腔79、89和91。因此，在本实施例中的电枢必须是由无腐蚀性材料制成(由于其不是装入一个非腐蚀性的流体中)。
如上所述，致动器10C还包括围绕螺线管绕线管14缠绕的螺线管28。外壳18具有的形状与上述外壳形状相同，保持极片25顶压绕线管14，并且把线圈28和磁铁23固定在一起。如前所述，电枢80A被可滑动地安装在电枢腔中，并且通过把导流体部件100螺纹拧接到致动器主体18上而连接导流体部件100。电枢还包括柱塞梢端86和具有弹簧84的弹簧空腔82。
图4C示出电磁的阀门的再一个实施例。该阀门包括一种具有与致动器10D类似部件、以及一个附加部件的致动器10E：一个压电传感器(即压电换能器)。该压电传感器被设计用于检测该电枢80A的移动。压电传感器410响应在外壳18的壳壁中的振动，外壳18的大小和形状被选择成最大化其对于主要频率分量的响应。而且，压电传感器通常安装在其中被检测声音幅最大或最可与噪声区别的的一个位置中。传感器包括一个终端414，通过由塑料盖定位的一个接触弹性416，提供从控制电路到传感器410的电极之一的电连通。下面将以图5和5A给出的实例中的控制电路的环境进一步说明这种传感器。
参考图5和5A，致动器10A、10B及10C的操作由控制电路250或250A控制。为打开阀门，功率驱动器258把驱动电流加到描述的致动器任何任一(图5和5A中由致动器260表示)的线圈28。该电流取向使得产生的磁通量具有与磁铁23的磁通路径40的力相反的取向，如图2所示。(图2描述的磁铁23的磁通路径40和42与所述所有的致动器相同。)由于这一电流取向产生的磁通量还反抗用于致动器10B和10C的弹簧84的力。因此，施加的磁通量克服了用于致动器的关闭力，使得阀门通过施加一个驱动电流到线圈28而被打开。为关闭阀门，加到线圈28的驱动电流具有的极性将引入具有把柱塞梢端86强制到阀门座104上的方向的磁通量。
再次参考图2，使用由径向磁铁23提供的磁路将电枢80被保持在位置中而无需施加驱动电流(即以零驱动电流保持在闩锁或中非闩锁位置)。具体地说，径向磁铁23提供磁通路径40和42，线性地作用在由软磁材料制成的可移动电枢80上。通常，在电枢80上的磁力取决于磁路中的材料的磁特性，并且还取决于由电枢80的线性位移产生的两个间隙。具体地说，在电枢空腔内部，有定位在凸缘20(即支架20)和电枢80的电枢肩台81之间的前间隙。还有接近后腔79的定位在电枢80的后部和后极片25之间的一个后间隙。
磁通路径40沿着并通过圆柱状的外壳18从磁铁23延伸，通过凸缘20并跨越前隙至电枢80的肩台81。磁通路径40随后沿着电枢80延伸通过绕线管14，回到磁铁23。磁通路径42沿着并经过圆柱状的外壳18从磁铁23延伸，穿过后极片25并跨越后缝隙至电枢80，随后沿着电枢80延伸并穿过绕线管14回到磁铁23。
在该线圈线性驱动把电枢80移动到延伸位置之后，弹性膜片90顶压关闭表面104。在此延伸位置，在凸缘20和肩台81之间的前间隙比在电枢80和后极片25之间的后间隙小得多。由于该前间隙小于后间隙，所以沿着磁通路径40的力大于沿着磁通路径42的力，因此电枢80被保持在位置中而无需任何驱动电流。即，只通在磁通路径40上的力把柱塞86保持在关闭位置。
在施加相反的线圈驱动之后，通过由线圈28中的驱动电流产生的电磁力，把电枢80线性移动到回缩位置。在该回缩位置中，由于弹性膜片90不再顶压关闭表面104，所以开启阀门通道。现在，在凸缘20和肩台81之间的前间隙比在电枢80和后极片25之间的后间隙大得多。由于后间隙小于前间隙，因此沿着磁通路径42的力大于沿着磁通路径40的力。因此电枢80被保持在回缩位置而无需任何在线圈28中流动的驱动电流。
参考图2、4和4A，电磁致动器10A、10B和10C被构成来通过移动在圆柱状外壳18中的后极片25而调整前间隙和后间隙的大小。通过进一步将后极片旋拧到外壳18中，极片25将该线圈挡块54、绕线管14、线圈28和电枢80或80A推入空腔电枢。因此降低了电枢80或80A的线性偏移。也降低了前间隙和后间隙的总尺寸。另外，通过相对于外壳18旋开后极片25(即增加该内部空腔大小)，将增加电枢80或80A的直线偏移。这也增加了前间隙和后间隙的总尺寸。因此，通过调整在封闭外壳18中的后极片25的位置，电磁致动器10A、10B和10C被构成来调整该磁力。
再次参考图4和图4A，本实施例的致动器10B和10C被构成来提供相对于关闭表面104的柱塞梢端86的一个增加的关闭力。电磁致动器10B和10C以电枢80A和80B构成，其包括弹簧空腔82和弹簧84。在线圈驱动线性地把电枢移动到延伸位置之后，上述弹簧84进一步增加柱塞梢端86的关闭力，起到对在磁通路径40之上的磁力附加的作用。图4和4A的本实施例被用于以高压力操作的阀门，或被用于直接流动装置，其中该流体压力直接反向地作用于柱塞梢端86或电枢。
在相反的线圈驱动施加到图4和4A所示的致动器之后，通过由线圈28中的驱动电流产生的电磁力把电枢80A或80B线性移动到回缩位置。在回缩位置中，前间隙比后间隙大得多，因此沿着磁通路径42的力将大于弹簧力(由弹簧84提供)和沿着磁通路径40的力的取和。因此该电枢保持在回缩位置而无需任何在线圈28中流动的驱动电流。弹簧84具有选择的弹簧常数来实现这种回缩状态而无需任何驱动电流。通过调整在圆柱状外壳18中的后极片25的位置而再次调整磁路。
在没有任何驱动电流的条件下保持上述闩锁和非闩锁位置，实现了功率消耗的实质降低。这又延长了电池270(图5和5A)的寿命。
膜片90隔离该增压腔流体并且防止该腔流体与被调节的流体的混合。因此，膜片90最宜由不渗透的材料制成，具有最小或没有腔液体到输入或输出管道的扩散，反之也没有输入或输出管道液体到腔的扩散。由于电枢80的移动也压迫膜片90并施加相对大的压力，所以可能会增加从该膜片一侧到另一侧的流体的扩散。流出到输入或输出管道的腔流体的扩散将随着时间耗损流体的腔，并且引起装置失效。因此，为了最大化本发明的时间效能，膜片90最好是由聚合物或优化的聚合混合物制成，以便承受电枢移动的应力，同时最小化膜片的渗透性。
膜片的成分可以包括聚合混合物及充填物，实现适当硬度、最大化撕裂强度、最小化压缩设置、最小化可提取成分、最小化模量、最小化扩散和最大化不渗透性。这些成分最好对于被调节的流体(包括例如氯或氟非金属元素的化学微量)以及该腔流体是惰性的，并且对于任何温度或pH值的改变是惰性的。例如在公用卫生间中，该膜片最好对于出现于饮涌水、以及各种化妆用品中的微量化学物是惰性的。而且，考虑该膜片成分的最好方式是，其作为膜片组成成分的制造将能改进该制造过程。例如，可以选择填充来增强针对该膜片的成功解模化所要求的特性，并且增强高效固化。
例如，膜片90可以包括EPDM/溴丁基混合物，或Viton.前者是EPDM(乙烯丙烯二烯单体)和溴丁基的混合器。EPDM是一种橡胶，主要由乙烯和丙烯组成，具有低吸水性及出色的抗磨损和抗老化性。它也可以是获得其它期望品质的化合物。Viton
Figure 10003_1
氟橡胶是一种高分子重聚乙烯膜片，具有到目前为止已知的最高保持效率。EPDM合成橡胶可从Harwick Standard Distribution Corporation(Akron，OH)获得。Viton
Figure 10003_2
氟橡胶可从R.T.Vanderbuilt Company，Inc.(Norwalk，CT)获得。
如上所述，腔流体被增压并且隔离。可以选择流体成分来防止最终导致装置故障的微生物的生长。为防止这种微生物的污染，可采取几个重要的反应：首先，在致动器的制造过程中，执行设备的杀菌，同时将腔流体加到装置。这将最小化污染该腔流体的机会。而且，可将防腐剂加到电枢流体来消除任何污染有机体。在此情况中，根据装置的环境可以有不同的防腐剂。例如，在公用卫生间中，该防腐剂最好与饮涌水以及应用化妆品相容。可在此范围使用的防腐剂实例包括NeoloneTM 950和Liquapar OilTM。NeoloneTM 950(2甲基-4-全噻唑烷-3-1和2甲基-3(2H)全噻唑烷)是一种无甲醛杀菌溶液，发现其在低浓度很有效，并且与杀菌剂兼容，可被单独添加。NeoloneTM 950是高pH稳定的溶液，包括饮涌水系，并且通常难于保存。
一般说来，阀门致动器可以使用不同类型的控制电路，例如美国专利5,781,399、5,803,711、5,815,365或6,021,038中描述的电路，全部这些控制电路被结合在此参考。图5和5A示意地示出由电池供电的电子控制器250和250A，能够驱动阀门的致动器，并且与由外部无源传感器和信号处理单元252接收的特别信号相关地控制这些致动器。如图5所示，电子控制器250包括电池调节单元272、无电或低电的电池检测单元275、无源传感器和信号处理单元252、及微控制器254。电池调节单元272为整个控制***供电。具体地，电池调节单元272把6.0V的电提供到低电池检测器275，以及把6.0V的电提供到电源驱动器258。而且提供一个调节的3.0V的电力到微控制器254。
该″低电池″检测器275产生脉冲形式的″低电池″信号到微控制器254，通知该微控制器该电池的情况。低电池检测器275通过提供到该检测器的6.0V电源耦合到该电池/电源调节器。当功率下降到低于4.2V时，检测器275产生到该微控制器的一个脉冲(即一个低电池信号)。当接收该″低电池″信号时，微控制器254将以1Hz的频率闪烁指示器280(例如一个LED)，或可以提供一个声音报警。
外部传感器和信号处理模块252核查外部信号，以便开启和关闭致动器来控制水龙头、盥洗室冲洗器或其它设备。微控制器254经电源驱动器258响应来自模块252的一个触发信号，操作阀门致动器。控制电路250可被构成来操作不同类型的外部目标传感器，检测用户的出现或用户的移动。该外部目标传感器252可以是有源光传感器、无源光传感器、超音波传感器或容性传感器。美国专利5,984,262、6,127,671、或6,212,697中描述的各种光传感器都结合在此参考。最佳无源光传感器在PCT申请PCT/US03/38730和PCT/US04/40887中描述，两个申请都结合在此参考。
仍然参考图5，电子控制器250从传感器和信号处理单元252接收信号，并且控制该致动器260、控制器或微控制器254、输入单元(例如传感器262)、从由调压器272调节的电池接收功率的螺线管驱动器(功率驱动器258)。微控制器254被设计用于高效功率操作。为了省电，微控制器254最初在一低频静止模式，并且周期地寻址传感器252，以便查看是否其被触发。在触发之后，微控制器把一个控制信号提供到功耗控制器268，该功耗控制器268是为调压器272(即按照要求的一个升压器272)、无源传感器和信号处理单元252、以及信号调节器273供电的一个开关。(为了简化该框图，没有示出从功耗控制器268到无源传感器和信号处理单元252的连接以及到信号调节器252的连接。)
微控制器254也可以从一个外部输入单元(例如按钮开关)接收输入信号，该外部输入单元被设计用于手动地致动或控制对于致动器260的输入。具体地说，微控制器254把控制信号256A和256B提供到驱动致动器260的电源驱动器258。电源驱动器258从电池270接收DC电力，而调压器272调节这电池功率，以便把实质恒定的电压提供到电源驱动器258。一个电枢传感器262(致动器传感器262)寄存或监视该致动器260的电枢位置，并且把控制信号265提供到信号调节器273。一个低电池检测单元275检测电池电力，并且能够把一个中断信号提供到微控制器254。
致动器传感器262把关于该致动器的电枢的移动或位置的数据提供到微控制器254(经过信号调节器273)，并将此数据用于控制器电源驱动器258。致动器传感器262能以几种不同方式存在：电磁传感器(例如提取线圈)、声音传感器、容性传感器、霍尔效应传感器、光传感器、压力换能器、或其它类型的传感器。
微控制器254最好是东芝公司(Toshiba)制造的一个8比特CMOS微控制器TMP86P807M。该微控制器具有一个8千字节的程序存储器以及一个256字节的数据存储器。使用一个东芝公司的适配器插口，利用通用PROM程序编制器实现编程。该微控制器以3个频率操作(fc＝16MHz、fc＝8MHz和fs＝332.768kHz)，其中前两个时钟频率(fc)被用于正常模式，而第三个频率(fs)被用于低电力模式(即静止模式)。微控制器254以该静止模式操作在各种致动之间。为了节省电池功率，微控制器254周期地取样该无源传感器和信号处理单元252以获得输入信号，并随后触发功耗控制器268。功耗控制器268供电信号调节器273和其它部件。另外，无源传感器和信号处理单元252、调压器(或升压器)272及信号调节器273不被供电，以便节省电池功率。在操作过程中，微控制器254还把数据提供到状态指示器280。电子控制器250可以从无源传感器或有源传感器接收信号。该无源传感器和信号处理单元只包括一个把检测信号提供到微控制器254的检测器。
低电池检测单元275可以是模型为TC54VN4202EMB的低电池检测器，可从Microchip Technology公司(http：//www.microchip.com)得到。调压器272可以是型号为TC55RP3502EMB的调压器，也可从Microchip Technology公司得到。微控制器254可以选择为部件号为MCU COP8SAB728M9的微控制器，可从National Semiconductor公司得到。
由于上述致动器是双稳态致动器，所以在阀门已经达到期望状态之后，该控制电路通常能够中止电流的流动。由于为使阀门达到该期望状态所需的时间会宽泛变化，所以传统的控制电路使得该电流流动的持续时间相对长，使得其对于最糟情况状态是充分的。由于在最糟情况环境之下大部分致动不被执行，可线圈激励通常在阀门达到其稳定位置之后继续一段时间。这是电池能量的浪费。为了减小这种浪费，控制电路能够利用传感器监视该电枢，以便确定该电枢的状态，并且恰好在其达到最终状态之前时停止施加线圈驱动。因此，一个传感器的降低了通常在驱动该致动器电枢的过程中出现的能耗浪费。传感器也可以确认该阀门的正常工作，并且潜在地能够被使用于对阀门的监控。
通常，为了监视柱塞梢端86的位置以便通过电子控制器调节，该致动器包括一个致动器传感器或一个线圈传感器。当设置在外壳上时，这种内部传感器能够检测来自柱塞梢端86在表面104上的冲击的振动(即由电枢达到该第一末端位置所产生的声音)。另外，这种内部传感器检测通过螺线管28的电流。该传感器的另一选项是测量来自螺线管的电磁力。这些测量展示该阀门性态的情况。传感器可以是压电换能器、电容变换器、电感传感器、光学变换器、或任何其它直接或间接耦合到电枢80的变换器。一旦该电枢达到期望的位置，该内部传感器将产生一个传感器输出信号，指示检测的位置并且将此输出信号提供到微控制器254。
一旦从微控制器254施加了反向线圈驱动，电源驱动器258将以第二驱动方向把驱动电流提供到线圈28，并因此将电枢驱动到第二末端位置。该内部传感器检测该电枢位置或达到该第二末端位置的电枢。微控制器254不仅控制把线圈驱动加到线圈28，而且还响应满足预定第二电流终止判据的输出信号，并且停止以第二方向把线圈驱动加到该线圈。该第一和第二电流终止判据一般说来可以不同。
致动器传感器262可以是响应该外壳壁中的振动的一个压电换能器。如上所述，该压电部件的大小和形状通常已被选择成最大化其对于主要频率分量的响应，并且一般是安装在其中该被检测的声音为幅度最大或最可与噪音区别的位置。
另外，电枢传感器是一个电容性的传感器，包括放置在静止致动器面上的一个板极和放置在移动电枢80的一个表面上的另一板极。电枢80的移动将引起两个电容器板极的相对移动，这又改变该测量的电容值。根据该电容值，容性传感器确定电枢80的末端位置或任何瞬间的位置(并且因此确定柱塞梢端86的位置)。
另外，电枢传感器是一个光传感器，包括一个光源和一个光检测器。该光源发出辐射光，从电枢的反射面反射(或可能传播经过)并且由该检测器来检测。该反射面改变该发出的光信号。因此，该检测信号随着电枢的位置改变(即随着柱塞梢端86的瞬间位置改变)。根据该检测的光信号，光传感器确定电枢80的末端位置或任何瞬时位置。另外，该电枢传感器使用一个电磁辐射源和一个对应的检测器。该检测器测量根据该电枢位置由该电枢产生的电磁辐射的扰动。根据该检测的扰动辐射，该传感器确定该电枢末端位置或任何瞬时位置。
例如，一个终端能够通过由塑料盖固定的接触弹簧提供对换能器电极之一的电连通，同时，如果通过在外壳与电极之间的导电结合把该变换器固定到外壳18，则另一变换器电极可由线圈28共享。
参考图5，在电枢80达到一个终点时该传感器提供一个传感器信号并引起外壳振动：由于在当阀门打开时的音波幅度高于在其关闭时的音波幅度，微控制器254设置一个门限，其门限在阀门开启时的值不同于在阀门关闭时的值。例如，能够把检查光信号的光敏电阻器的电阻转换为一个脉冲，通过充电脉冲信号将该脉冲送到微控制器254。脉冲宽度对应于针对一个致动器检测的光中的改变而改变，这又引起致动器的控制(即由光改变产生阀门的开启或关闭)。
例如，当传感器检测到用户离开冲洗器的附近时，在从无源传感器和信号处理单元252接收一个触发信号时，微控制器254可以把一个″开启″信号提供到电源驱动器258。这将使得电流被以将引起阀门开启的方向驱动通过致动器28的线圈。而且，在该阀门已经打开了一个预定的持续时间之后，微控制器254可以提供一个″关闭″信号。
当开启信号电流开始流动时，传感器输出信号低于该门限，使得传感器不接收幅度与电枢到达其行程末端一致的声音信号。因此该微控制器254保持该OPEN信号。但是该传感器的输出信号响应在电枢80的行程结束产生的声音而改变。当电枢80已经达到该点时，阀门将停留在开启而没有电流流动，所以该微控制器将不再维护其OPEN输出，并且从而停止把驱动电流施加到致动器的线圈28。该结果通常是：该电流流动持续时间已经比在最糟情况条件下打开阀门所需时间少得多，使得***已经节省了可观的能量。
为了关闭该阀门，微控制器254维护其关闭(CLOSE)输出，并因此以相反的方向将该驱动信号加到该致动器线圈28。同样，该微控制器仅将电流流动提供到该传感器262通知该电枢已经达到其行程的未端时为止。
控制电路250不仅可用于控制驱动信号的持续时间，而且可用于控制其幅度。驱动信号持续时间可以在小于1毫秒到大约10毫秒的范围中，最好是在1.5毫秒到8毫秒的范围中。足以高到用于普通操作的一个线圈驱动电平可能偶而会不足，并且如果该电枢不能达到该终点，则可以增加该线圈驱动电平。增加该线圈驱动电平的一种方法是增加通过该致动器线圈放电的电容器上的电压。
在某些条件下，各种因素(例如由于高温引起的元件膨胀、由于低温引起的致动器液体粘滞、膜片90或其它致动器元件的退化)可以使得其比通常移动电枢80更困难。但是，该驱动信号通常设置在正常操作值。否则，如果在正常操作期间则能量消耗将不必要地增高，该电池伏特数被设置充足的高来对付这种更困难情况。因此本实施例常规使用一个电池电压电平，该电池电压电平对于正常情形来说是足够的，并且因此节省电力。
而且，虽然采用了一个简单的幅度判据来确定该电枢是否已经到达其行程的未端，但是可以找到更适于某些应用的其它判据。例如，可以通过信号处理取样该音波信号，并且与一个已知是该电枢达到终点之一的特性的存***形相比较。存储的信号可以针对不同终点而不同，并且可能有的情况是，其中使用这种一个比较来在致动器的双稳态之间区别被认为是有价值的。
图5A示意地示出电子控制器250的另一实施例。电子控制器250A从无源传感器和信号处理单元252接收信号，并且控制致动器261。如上所述，该电子控制器也包括微控制器254、螺线管驱动器258(即电源驱动器)、调压器272和电池270。螺线管致动器261包括两个线圈传感器，263A和263B(例如围绕线圈28的导线回路)。线圈传感器263A和263B把信号提供到分别的前置放大器266A和266B以及低通滤波器267A和267B。微分器269把差分信号提供到在一个反馈环路装置中的微控制器254。
为了打开一个流体通道，微控制器254把开启(OPEN)信号256B发送到电源驱动器258，这在回缩该电枢的方向上把一个驱动电流提供到致动器261的激励线圈。同时，线圈263A和263B把感应信号提供到调整反馈环路，它包括该前置放大器和该低通滤波器。如果一个微分器269的输出指示小于用于该回缩电枢的一个选择的门限定标(即通知该电枢没达到选定的位置)，则微控制器254将保持该OPEN信号256B。如果没有检测到螺线管电枢的移动，则微控制器254能够施加不同(更高)电平的OPEN信号256B，以便增加由电源驱动器258提供的驱动电流(直到正常驱动电流的几倍)。用这种方法，***就能够移动由于矿物淀积或该电枢腔中放置的残骸而停止的电枢。
微控制器254能够使用在提供到调整反馈环路的线圈263A和263B中的感应信号来检测电枢的位移(甚至监视电枢的移动)。随着微分器269的输出响应电枢的位移而改变，微控制器254能够施加不同(更低)电平的OPEN信号256B，或能够关断OPEN信号256B，这又将指令电源驱动器258来施加驱动电流的不同电平。该结果通常是，驱动电流已经被降低，或该驱动电流的持续时间已经比在最坏情况条件下为打开流体通道所需求的时间(即在不使用一个电枢传感器条件下必须被使用的)短得多。因此，该***节省了可观的能量，并因此延长了电池270的寿命。
有益的是，线圈传感器263A和263B的该设计能够以很大精度来检测该致动器电枢的闩锁和非闩锁移动。(但是，单线圈传感器，或多线圈传感器，或电容传感器也可以被用于检测该电枢的移动。)微控制器254能够指令由电源驱动器258施加的驱动电流的一个选择的配置文件。各种配置文件可被存储在微控制器405中，并且如果由于安装或最后的维护、电池电平、来自外部传感器(例如一个移动传感器或出现传感器)的输入、或其它因素而使得致动器261已经在运行中，则微控制器254可以根据该液体类型、液体压力、流体温度而被起动。根据该液体压和该已知的管口的尺寸，该自动阀门能够提供一个已知量的液体。
通常，阀门致动器可以使用不同类型的控制电路，例如美国专利5,781,399、5,803,711、5,815,365或6,021,038中描述的电路。目标传感器可以是超音波传感器、容性传感器、或光传感器，例如在美国专利5,984,262、6,127,671或6,212,697中描述传感器任何之一，全部这些美国专利被结合在此参考。根据另一实施例，该目标传感器是公开为WO2004/051011的PCT申请PCT/US2003/038730中描述的无源光传感器，该PCT申请被结合在此参考。
尤其由于上述致动器的小尺寸和上述优点，该致动器可被用于许多不同的应用中。例如，该致动器可被使用在公开为WO2003/048463的PCT申请PCT/US2002/38757中描述的电子水龙头中，该申请被结合在此参考。该致动器小尺寸使得其能够放置在紧靠洗手盆的水龙头之内。该致动器可被使用在2004年2月20日提交的美国申请10/783,906、或美国专利US2004/0164261A1中详细描述的自动盥洗室冲水器中，这些专利被结合在此参考。另外，该阀门致动器可被用于在美国专利申请2004/0232370A1中描述的盥洗室冲水器，该专利申请被结合在此参考。
而且，上述阀门致动器适合于许多其它应用。例如，描述的阀门致动器可被用于美国申请6,508,272或6,874,535中描述的一个双流体阀门，该美国申请在此结合作为参考。另外，该阀门致动器可被用于在美国专利6,161,726或PCT申请PCT/US99/30898(公开为WO00/38561)中描述的一个流体分配***，这两个专利都结合在此作为参考。此外，该阀门致动器可被用于使用在农业或园艺中的各种灌溉***。就一切情况而论，本发明致动器的小尺寸实现紧凑的装置，并且低功耗显著地增加了装置的电池寿命。
已经描述了本发明的实施例和实施方案，对于本专业的技术人员来说显见的是，上述内容只是以实例的方式进行说明而不是限制。在上述列出的出版物中描述有适合于上述实施例的其它实施例或元件，所有这些实施例或元件都结合在此作为参考。任何一个元件的功能可以用可选实施例中的各种方法实现。并且，在可选实施例中的几个元件的功能可以通过较少的或单一元件实现。

Claims (45)

1.一种电磁阀门，包括：
导流体部件，包括实现流体流动的一个阀门通道；
螺线管和电枢外壳，构造并设置为提供构成并用于容纳包括末梢部件的一个可移动电枢的电枢腔，所说的电枢由铁磁材料组成并且包括肩台，并且能够在所说的电枢腔内线性位移；
径向磁铁，其相对于所说的电枢腔固定地设置，所说的径向磁铁提供两个磁通路径，所说的径向磁铁、所说的肩台以及所说的电枢外壳布置在所说的两个磁通路径中的一个磁通路径上，而所说的径向磁铁和所说的电枢外壳布置在所说的两个磁通路径中的另一个磁通路径上；以及
膜片，用于密封所说的末梢部件，以便把电枢流体密封在所说的电枢腔之内，通过由加到所说的螺线管从而作用于所说的电枢的一个线圈驱动电流引起的所说的末梢部件的线性位移，所说的电枢被构成来控制液体经过所说阀门通道的流动，所说的末梢部件的位移相对于所说的阀门通道移动所说的膜片，在所说的末梢部件被延伸时将关闭所说的阀门通道，而在所说的末梢部件被回缩时开启所说的阀门通道；
其中，所说的径向磁铁产生磁场，在已将所说的电枢的末梢部件延伸的关闭状态中，沿着所说的两个磁通路径中的所说的一个磁通路径上的力大于沿着所说的两个磁通路径中的所说的另一个磁通路径上的力以使所说的电枢保持静止，而在已将所说的电枢的末梢部件回缩的打开状态中，沿着所说的两个磁通路径中的所说的另一个磁通路径上的力大于沿着所说的两个磁通路径中的所说的一个磁通路径上的力以使所说的电枢保持静止。
2.权利要求1的电磁阀门，其中所说的径向磁铁包括一个单环状部件。
3.权利要求2的电磁阀门，其中所说的电枢包括一个流体通道，实现在所说电枢的两端部分之间的所说的电枢流体的流动，从而实现所说的电枢相对于所说的电枢外壳的快速移动。
4.权利要求3的电磁阀门，还包括：控制电路，构成来响应来自外部传感器的输出信号而把所说的线圈驱动电流加到所说的螺线管。
5.权利要求1的电磁阀门，还包括：偏置弹簧，定位并用于把所说的电枢朝着延伸位置的方向偏置。
6.权利要求3或5的电磁阀门，其中当关闭所说的阀门通道时，该电枢的所说的末梢部件被用于压迫所说的膜片顶压一个阀门座，同时所说的电枢被设置在其延伸的电枢位置中。
7.权利要求3或5的电磁阀门，还包括：电枢传感器，构成来探测所说的电枢的位移。
8.权利要求7的电磁阀门，还包括：一个控制电路，构成来响应来自所说的电枢传感器的输出而把所说的线圈驱动电流加到所说的螺线管。
9.权利要求8的电磁阀门，其中所说的控制电路***作地连接，以便从一个外部目标传感器接收信号。
10.一种电磁致动器，包括：
螺线管和电枢外壳，构成并用于在一个电枢腔中容纳包括一个末梢部件的可移动电枢，所说的电枢由铁磁材料组成并且包括肩台，并且能够在所说的电枢腔内线性位移；
径向磁铁，其相对于所说的电枢腔固定地设置，所说的径向磁铁提供两个磁通路径，所说的径向磁铁、所说的肩台以及所说的电枢外壳布置在所说的两个磁通路径中的一个磁通路径上，而所说的径向磁铁和所说的电枢外壳布置在所说的两个磁通路径中的另一个磁通路径上；以及
控制电路，构成来将一个线圈驱动电流加到所说的螺线管，并且从而引起所说的末梢部件的相对于由所说的电磁致动器控制的一个阀门通道的线性位移，在所说的末梢部件被延伸时，所说的末梢部件的所说的位移关闭所说的阀门通道，而在所说的末梢部件被回缩时，所说的末梢部件的所说的位移开启所说的阀门通道；
其中，所说的径向磁铁产生磁场，在已将所说的电枢的末梢部件延伸的关闭状态中，沿着所说的两个磁通路径中的所说的一个磁通路径上的力大于沿着所说的两个磁通路径中的所说的另一个磁通路径上的力以将所说的电枢保持静止，而在已将所说的电枢的末梢部件回缩的打开状态中，沿着所说的两个磁通路径中的所说的另一个磁通路径上的力大于沿着所说的两个磁通路径中的所说的一个磁通路径上的力以使所说的电枢保持静止。
11.权利要求10的电磁致动器，其中当关闭所说的阀门通道时，该电枢的所说的末梢部件被用于压迫一个柔韧部件顶压一个阀门座，同时所说的电枢被设置在其延伸的电枢位置中。
12.权利要求11的电磁致动器，还包括：电枢传感器，构成来探测所说的电枢的位移。
13.权利要求10的电磁致动器，其中所说的控制电路由一个电池供电。
14.权利要求12的电磁致动器，其中所说的控制电路被构成用于在第一驱动方向把所说的线圈驱动电流加到所说的螺线管，以便把所说的电枢移动到一个第一未端位置，并且响应来自所说的传感器的满足一个预定第一电流-终止判据的输出，以便停止以该第一驱动方向把该线圈驱动电流加到该螺线管。
15.权利要求14的电磁致动器，其中所说的控制电路被构成用于以与所说的第一驱动方向相反的第二驱动方向把所说的线圈驱动电流加到所说的螺线管，并且从而趋向把该电枢驱动到一个第二末端位置；
所说的电枢传感器被耦合到该电磁致动器，从而检测达到所说的第二末端位置的电枢；以及
所说的控制电路可操作来开始以第二驱动方向把线圈驱动电流加到该螺线管，并且响应满足一个预定的第二电流-终止判据的所说的传感器的输出，以便停止以第二驱动方向把线圈驱动电流加到所说的螺线管。
16.权利要求15的电磁致动器，其中该第一和第二电流-终止判据不同。
17.权利要求12的电磁致动器，其中所说的电枢传感器包括一个压电换能器。
18.权利要求17的电磁致动器，其中所说的压电换能器被固定到所说的电磁致动器的外壳。
19.权利要求12的电磁致动器，其中所说的电枢传感器包括一个光学传感器。
20.权利要求12的电磁致动器，其中所说的电枢传感器包括一个电磁辐射的检测器。
21.权利要求20的电磁致动器，其中所说的电磁辐射的检测器包括一个导线回路。
22.权利要求14的电磁致动器，其中，如果在该控制电路开始以第一驱动方向把线圈驱动电流加到该螺线管之后的一个预定的第一驱动持续期之内该电枢传感器输出不满足该第一电流-终止判据，则该控制电路以该第一驱动方向用比其开始对该螺线管所施加的线圈驱动电流高的电流对该螺线管施加线圈驱动电流。
23.权利要求15的电磁致动器，其中如果在该控制电路开始以第二驱动方向把线圈驱动电流加到该螺线管之后的一个预定的第二驱动持续期之内该电枢传感器输出不满足该第二电流-终止判据，则该控制电路以该第二驱动方向用比其开始对该螺线管所施加的线圈驱动电流高的电流对该螺线管施加线圈驱动电流。
24.权利要求10的电磁致动器，其中所说的控制电路***作地连接到一个外部目标传感器。
25.权利要求24的电磁致动器，其中所说的目标传感器包括一个移动传感器。
26.权利要求24的电磁致动器，其中所说的目标传感器包括一个出现物传感器。
27.权利要求24的电磁致动器，其中所说的目标传感器包括一个有源光传感器。
28.权利要求24的电磁致动器，其中所说的目标传感器包括一个无源光传感器。
29.权利要求24的电磁致动器，其中所说的目标传感器包括一个超音波传感器。
30.权利要求24的电磁致动器，其中所说的目标传感器包括一个容性传感器。
31.权利要求10的电磁致动器，还包括：导流体部件，所说的导流体部件提供阀门通道，并且包括与所说的阀门通道的一个阀门座一起操作地设置的膜片。
32.权利要求31的电磁致动器，还包括：致动器基座，其中所说的导流体部件连接到所说的致动器基座，以便在所说的膜片的外表面和所说的阀门座之间提供一个已知的、实际恒定的距离。
33.权利要求32的电磁致动器，其中所说的导流体部件包括相对于所说的致动器基座协同设计的一个肩台，以便提供一个可再现的挡块，并因此当把所说的导流体部件连接到所说的致动器基座时实现所说的已知、实际恒定的距离。
34.权利要求10的电磁致动器，其中所说的径向磁铁包括一个单环状部件。
35.权利要求10的电磁致动器，其中所说的径向磁铁包括两个或更多个半圆部件。
36.权利要求10的电磁致动器，其中所说的径向磁铁包括几个相对于所说的由铁磁材料组成的电枢径向放置的分立磁铁。
37.权利要求31的电磁致动器，其中所说的膜片包括一个适从区域，以及一个弹性区域，设计来由电枢的末梢部件移位，并且设计来与所说的阀门座接触。
38.一种控制阀门通道的方法，包括步骤：
提供一个致动器，该致动器包括螺线管和电枢外壳，所说的螺线管和电枢外壳提供电枢腔，所说的电枢腔容纳能够线性位移的由铁磁材料组成的一个电枢，所说的螺线管可通过其上以第一驱动方向上施加的以便在第一电流方向传导电流的线圈驱动电流而操作，并且从而趋于把该电枢驱动到一个第一未端位置，所说的电枢包括末梢部件和肩台；
提供一个径向磁铁，所说的径向磁铁相对于所说的电枢腔固定地设置，所说的径向磁铁提供两个磁通路径，所说的径向磁铁、所说的肩台以及所说的电枢外壳布置在所说的两个磁通路径中的一个磁通路径上，而所说的径向磁铁和所说的电枢外壳布置在所说的两个磁通路径中的另一个磁通路径上；
以第一驱动方向把一个线圈驱动电流加到该螺线管，从而使所说的末梢部件朝向由所说的致动器控制的阀门通道延伸，其中，所说的末梢部件的所述延伸移位关闭所说的阀门通道；以及
以第二驱动方向把一个线圈驱动电流加到该螺线管，从而使所说的末梢部件从所说的阀门通道回缩，以便打开所说的阀门通道；
其中，所说的径向磁铁借助磁场力把所说的由铁磁材料组成的电枢保持在一个静止位置，在已将所说的电枢的末梢部件延伸的关闭状态中，沿着所说的两个磁通路径中的所说的一个磁通路径上的磁场力大于沿着所说的两个磁通路径中的所说的另一个磁通路径上的磁场力以使所说的电枢保持静止，而在已将所说的电枢的末梢部件回缩的打开状态中，沿着所说的两个磁通路径中的所说的另一个磁通路径上的磁场力大于沿着所说的两个磁通路径中的所说的一个磁通路径上的磁场力以使所说的电枢保持静止。
39.权利要求38的方法，还包括步骤：使用一个电枢传感器来确定该电枢是否已被线性移动而达到该第一末端位置。
40.权利要求39的方法，其中所说的径向磁铁借助磁场力把所说的由铁磁材料组成的电枢保持在一个静止位置的步骤包括建立通过所说的电枢的一个磁通量，以便建立依据所述电枢的所说的磁场力。
41.权利要求40的方法，其中所说的沿着所说的两个磁通路径中的一个磁通路径上的磁场力取决于所说的电枢外壳的凸缘和所说的肩台之间的前间隙；
所说的沿着所说的两个磁通路径中的另一个磁通路径上的磁场力取决于所说的电枢的后部和安装在所说的电枢外壳后部的后极片之间的后间隙。
42.权利要求41的方法，其中包括变化所说的前间隙和所说的后间隙。
43.权利要求38的方法，其中所说的施加所说的线圈驱动电流是由一个外部传感器触发的。
44.权利要求43的方法，其中所说的外部传感器包括一个光传感器。
45.权利要求38的方法，其中所说的施加所说的线圈驱动电流是由一个电枢传感器触发的。
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同上.
说明书第11页第12-13行，第12页第8-12行.

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