JP2697769B2 - 湯水混合用の自動開閉弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 この発明は、湯水混合用の自動開閉弁に関する。

（ロ） 従来の技術 従来、湯水混合用のバルブに使用される自動開閉弁に
おいて、弁の開閉作動を行うアクチュエータは、機械的
に作動するものや、電気的に作動するものや、流体によ
り作動するもの等各種のアクチュエータが用いられてい
る。

（ハ） 発明が解決しようとする問題点 しかし、これらのアクチュエータにより弁体を駆動す
る場合、バルブにアクチュエータの作動力が直接的にか
かるためバルブの開閉が多数回継続するに従い、バルブ
の損傷も生起しやすいという欠点があり、また、停電時
に、そのままの状態でアクチュエータが停止してしまう
と、アクチュエータに連動連結したバルブが開放状態の
ままとなって流水が流れ放しになるという欠点があっ
た。

（ニ） 問題点を解決するための手段 この発明では、湯用及び水用弁体をそれぞれ圧接・離
反自在に配設した湯水混合部に、各弁体を介して入湯流
路及び入水流路をそれぞれ連通し、各弁体の背面には、
湯調整用アクチュエータと水調整用アクチュエータとの
プランジャヘッドをそれぞれ押圧・離反自在に配設し、
しかも湯水混合部には混合湯水流路を連通連設し、更に
は、湯調整用アクチュエータと水調整用アクチュエータ
は、アクチュエータケーシング内にプランジャを進退自
在に収納し、同プランジャの先端に、弾性体によって進
出方向に付勢したプランジャヘッドを設けるとともに、
同プランジャヘッドは、進出方向においてプランジャに
当接し、しかも、アクチュエータケーシング内にプラン
ジャを進退移動させるためのプランジャ移動手段を具備
し、同プランジャ移動手段は、アクチュエータ作動時に
おいてはプランジャを保持し、アクチュエータ非作動時
においてはプランジャを開放することを特徴とする湯水
混合用の自動開閉弁を提供せんとするものである。

（ホ） 作用・効果 この発明では、次のような作用効果を奏する、 プランジャを先端進行方向に作動させるときに、最終
段階においてプランジャヘッドの付勢力を利用すること
によって、強い押圧力による進行作動を防止し、高々弾
性体の付勢力に基づいてプランジャヘッドの作動が行え
るため、弁体に過大なヘッド当接作動が行われずに、弁
体の損傷を可及的に防止することができ、弁体からの湯
水の漏れ等を解消することができる。

プランジャの先端に、弾性体によって進出方向に付勢
したプランジャヘッドを設けるとともに、アクチュエー
タケーシング内にプランジャを進退移動させるためのプ
ランジャ移動手段を具備し、同プランジャ移動手段は、
アクチュエータ非作動時においてはプランジャを開放す
るよに構成しているため、停電時には、プランジャヘッ
ドが弾性体の付勢力によりプランジャの先端方向に向け
て進出して弁体を自動的に開閉作動させ、湯水の流路の
遮断を行い、流水の流れ放しを防止できる。

（ヘ） 実施例 本発明の実施例を図面にもとづき詳説すれば、第１図
は、本発明の湯水混合用の自動開閉弁に用いられる微小
距離無段階駆動式アクチュエータの一形態としての圧電
アクチュエータ（Ａ）（Ａ′）の断面図を示すものであ
る。

なお、ここで、微小距離無段階駆動式アクチュエータ
とは、積層式圧電アクチュエータ、圧電バイモルフアク
チュエータ、ステッピングリニヤモータ、圧電リニヤモ
ータ、超音波モータ（回転式）と回転ねじの組み合わ
せ、ステッピングモータ（回転式）と回転ねじの組み合
わせ等をいう。

前後壁（１）（２）を具備する筒状のアクチュエータ
ケーシング（３）内に同心円的にかつ軸線に沿って進退
自在に筒状プランジャ（４）を取付けており、同筒状プ
ランジャ（４）は先端に係合縁（５）を設けて係合緑
（５）の中央にプランジャヘッド（６）が挿通する孔
（７）を形成しており、筒状のプランジャ（４）にはプ
ランジャヘッド（６）を先端突出状に収納している。

すなわち、プランジャヘッド（６）は基端を先端より
大径とし、段部を形成した係合部（８）を有しており、
同係合部（８）は、筒状プランジャ（４）中に収納され
て、筒状プランジャ（４）を退去作動にともなって係合
緑（５）と係合自在であり、プランジャヘッド（６）の
先端は孔（７）を通って筒状プランジャ（４）先端より
突出状となっている。

また、筒状プランジャ（４）中においては係合部
（８）の後端面とアクチュエータケーシング（３）の後
壁（２）との間にスプリング（Ｓ）が介設されており、
プランジャヘッド（６）は同スプリング（Ｓ）にて常時
先端進行方向に付勢されて、係合部（８）を筒状プラン
ジャ（４）の係合緑（５）に常時当接状態としている。

アクチュエータケーシング（３）内には、筒状プラン
ジャ（４）を進退移動させるためのプランジャ移動手段
を具備しており、同プランジャ移動手段は以下のように
構成している。

筒状プランジャ（４）の外周側には、圧電素子が縮径
・拡径自在で、かつ伸長・短縮自在に配設されている。

すなわち、圧電素子の（ｃ）（ｄ）は筒状プランジャ
（４）の中央部に配設され、アクチュエータケーシング
（３）に基端を固定した断面略Ｌ字状の筒状の保持具
（９）によって支持されている。

また、別の圧電素子（ａ）（ｂ）は、筒状プランジャ
（４）の前後端部に弾性ブリッジ（10）（11）によって
支持配設され、同弾性ブリッジ（10）（11）は、基端を
圧電素子（ａ）（ｂ）に固着し、その先端をアクチュエ
ータケーシング（３）の前後壁（１）（２）に向けて伸
延した片持ち状態に形成されており、同ブリッジ（10）
（11）の内周面には、ブレーキシュー（12）（13）を固
着している。

かかる圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、非通電
状態にすると短縮するように構成されている。

即ち、圧電素子（ａ）（ｂ）は、通電状態では伸長し
て、外殻固定のために内径は縮径し、筒状プランジャ
（４）を外周よりクランプすると共に、通電していない
状態では短縮して外殻固定のため内径は拡径して筒状プ
ランジャ（４）のクランプを解除する。

一方、圧電素子（ｃ）（ｄ）は通電している状態で
は、筒状プランジャ（４）上を軸線方向に伸長した状態
にあり、通電していない状態では筒状プランジャ（４）
上を短縮し、その軸線方向の全長を短くすることにな
る。

プランジャ移動手段は、以上のように構成しており、
４個の圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を適宜制御す
ることによって、アクチュエータ作動時においては筒状
プランジャ（４）を保持しながら軸線方向に進退移動さ
せ、アクチュエータ非作動時においてはプランジャ
（４）を開放するようにしている。

圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、第１図及び第
２図に示すように、多数の圧電素子片を筒状プランジャ
（４）の軸心方向に積層して形成した円筒状の素子で、
円筒の両端に電極が設けられており、この両端に電圧を
印加することにより、縮径・伸長するように構成されて
いる。

なお、圧電素子片の素材は、例えば圧電セラミックス
を用いることができ、かかる圧電セラミックスとして
は、ABO₃ペロブスカイト形の結晶構造をもつ強誘電材料
であってPZT［Pb（Zr,Ti）O₃］系や、PLZT［Pb（Zr,T
i）O₃］、PT（PbTiO₃）系、あるいはPZTを基にした３成
分系のもの用いることができる。

また、圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、第３図
に示すように多数の薄肉リング状の圧電素子片を筒状プ
ランジャ（４）の軸芯廻りに軸線方向に積層して形成す
ることもできる。

この場合、電圧の印加方向を90度変えることになる。

また、第１図において、（14）はアクチュエータ
（Ａ）の水密性を高めるために設けた摺動抵抗の小さい
Ｕ字形又はＹ字形状パッキンである。

なお、上記構成におい、圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）
（ｄ）は、円形断面のみでなく、例えば矩形断面等とす
ることもでき、また第４図及び第５図に示すように、分
割片から形成することもできる。

また、筒状プランジャ（４）は、ブレーキシュー（1
2）（13）を介して圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）
によって多数回クランプされるものであるため、線膨張
係数が小さく硬度、強度、耐クリープ性及び耐摩耗性が
大きく、さらに、加工精度が高いものが望ましく、例え
ばセラミック素材としたものが考えられる。

また、第６図に、上記圧電アクチュエータ（Ａ）を制
御するための制御装置（Ｃ）の構成を示している。図示
するように、制御装置（Ｃ）は、マイクロプロセッサ
（ｒ）と、入出力インタフェース（ｓ）（ｔ）と、上記
圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の駆動順序プログラ
ムを記憶したメモリ（ｕ）とから構成される。

次に、かかる構成を有するアクチュエータ（Ａ）によ
る筒状プランジャ（４）及びそれに一部挿入付勢された
プランジャヘッド（６）の移動について、４第７図〜第
９図を参照して説明する。

第６図に示すアクチュエータ駆動ボタン（ｖ）を押す
と、制御装置（Ｃ）が、メモリから読み出した駆動順序
ブログラムに従って、第７図に示すように、圧電素子
（ａ）に電圧を印加して縮径作動せしめて筒状プランジ
ャ（４）をクランプさせるとともに、圧電素子（ｂ）の
電圧を解除して拡径させて圧電素子（ｂ）による筒状プ
ランジャ（４）のクランプを解除する。

次に、第８図に示すように、圧電素子（ｃ）（ｄ）に
電圧を印加して伸長せしめると、圧電素子（ａ）（ｂ）
が矢印方向に移動し、これに伴って圧電素子（ａ）がク
ランプする筒状プランジャ（４）も矢印方向に移動す
る。

その後第９図に示すように、圧電素子（ａ）の印加電
圧を解除して拡径作動せしめると、筒状プランジャ
（４）のクランプを解除すると共に、圧電素子（ｃ）
（ｄ）の印加電圧を解除すると、圧電素子（ｃ）（ｄ）
は矢印方向に短縮し、筒状プランジャ（４）はさらに矢
印方向に移動する。

その後、上記動作を繰り返すことにより、筒状プラン
ジャ（４）をμｍオーダ或はサブμｍオーダのストロー
クで尺とり虫状に移動することができ、筒状プランジャ
（４）先端のプランジャヘッド（６）に連結、接続した
各種作動装置を精密に動作させることがでることにな
る。

特に、筒状プランジャ（４）が先端方向に進行する
と、プランジャヘッド（６）は、その分だけスプリング
（Ｓ）の付勢によって同時に進行し、係合部（８）が係
合緑（５）に係合するまで進行して止まり、他方筒状プ
ランジャ（４）が後退する場合には、筒状プランジャ
（４）の係合緑（５）に係合した係合部（８）が後退方
向に引張られて、プランジャヘッド（６）の後退作動を
行うことになるものであり、停電時に圧電素子への電圧
印加が全くなくなると、圧電素子（ａ）（ｂ）は、拡径
して筒状プランジャ（４）はフリー状態となり、スプリ
ング（Ｓ）によってプランジャヘッド（６）と共に先端
方向に進行する。

また、筒状プランジャ（４）を先端方向に進行させる
べく圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）への電圧印加操
作を行う場合において、動プランジャ（４）が先端方向
限度まで進行した時は、プランジャヘッド（６）は、ス
プリング（Ｓ）の付勢によって同プランジャ（４）と共
に進行するため、プランジャヘッド（６）の進行作動は
専らスプリングの付勢力による作動となり、アクチュエ
ータの強い作動力を軽減できる。

以上のように構成されたアクチュエータ（Ａ）
（Ａ′）は、第10に示すように湯水混合用の自動開閉弁
（Ｂ）に使用されているものであり、次のように構成さ
れている。

すなわち、筒状の長手ケーシング（Ｄ）において、左
右側に、湯調整用アクチュエータ（Ａ）と水調整用アク
チュエータ（Ａ′）を互いに対向する状態で配設し、そ
の間に、筒状湯水混合部（16）を介設し、同湯水混合部
（16）の両端開口部にダイヤフラム弁からなる湯用及び
水用弁体（17）（18）をそれぞれ圧接離反自在に配設
し、湯水混合部（16）の両端の開口部には、各弁体（1
7）（18）を介して入湯流路（19）及び入水流路（20）
をそれぞれ連通し、各弁体（17）（18）の背面には、湯
調整用アクチュエータ（Ａ）と水調整用アクチュエータ
（Ａ′）のプランジャヘッド（６）（６）をそれぞれ押
圧・離反自在に配設し、しかも湯水混合部（16）の周壁
中央部には、混合湯水流路（21）を連通連設している。

（22）は入湯パイプ、（23）は入水パイプであり、こ
れらの各パイプ（22）（23）の先端は、湯水混合部（1
6）の両側端部外周に形成した空間（Ｇ）（Ｇ′）にそ
れぞれ連通連設されており、ダイヤフラム弁よりなる湯
用及び水用弁体（17）（18）は、湯水混合吹（16）の両
端開口部と、その外周の空間（Ｇ）（Ｇ′）とに圧着・
離反自在に設けられていることになり、各弁体（17）
（18）の圧着時には、湯水混合部（16）の両端開口部と
（Ｇ）（Ｇ′）とが共に閉塞されて、入湯及び入水流路
（19）（20）と湯水混合部（16）との間は完全に遮断さ
れたことになり止水状態となる。

他方、各弁体（17）（18）の一方又は双方が離反した
時には、入湯及び入水流路（19）（20）の先端は、空間
（Ｇ）（Ｇ′）を介して湯水混合部（16）の両端開口或
は一側端開口部と連通することになり、混合湯水流路
（21）に設けられた温度センサ（25）の温度検出値と温
度設定器により設定した温度とが一致するよう、また、
混合湯水流路（21）に設けられた流量センサ（図示せ
ず）の流量検出値と流量設定器により設定した流量とが
一致するよう、所定の演算に基づき、制御部から発せら
れる信号によりアクチュエータが作動せられ、湯又は
水、或は湯及び水が湯水混合部（16）中に流入し、所定
温度、所定流量の湯水が混合湯水流路（21）を通って給
湯、給水されることになる。

（24）は混合湯水流路（21）のパイプを示す。

なお、筒状の長手ケーシング（Ｄ）は一体に形成され
ており、同ケーシング（Ｄ）中に湯調整用、及び水調整
用アクチュエータ（Ａ）（Ａ′）とこれに連動連設され
た上記の湯水混合バルブ機構とが内蔵されているため、
外観上は、筒上の長手ケーシング（Ｄ）の中央に、入湯
及び入水パイプ（22）（23）と、湯水混合部（16）のパ
イプ（24）とがそれぞれ連通連設された構造となり、全
体のコンパクト化及び外観上の美感も呈しうることにな
る。

また、プランジャヘッド（６）の前後移動範囲を、ア
クチュエータ（Ａ）の圧電素子（ａ）（ｂ）（ｃ）
（ｄ）の作用にて微調節することにより、弁体（17）
（18）の開放度合いを調整して流水量の調整も行えるも
のである。

この発明の実施例は上記のように構成されているもの
であり、アクチュエータ（Ａ）（Ａ′）が圧電素子
（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）によって作動するために精密
な進退作動を可能とし、流路の中途部で開閉作動する弁
体（17）（18）の微妙な動きを制御し、温度及び流量調
整、止水等の正確な調整作動が可能となり、しかも停電
時には、圧電素子への電荷を解くことにより、スプリン
グ（Ｓ）によって、プランジャヘッド（６）が自動的に
先端方向へ進行するため、弁体（17）（18）も自動的に
閉塞されて湯水の流れ放しも防止でき、また、プランジ
ャヘッド（６）の最終進行作動時には、スプリング
（Ｓ）の付勢力によって同ヘッド（６）が弁体（17）
（18）に当接することになるため、直接的にプランジャ
（６）が圧電素子に基づいて弁体に作動するのと比較し
て小さ力で弁体（17）（18）への圧接作用が及ぶことに
なり、ダイヤフラムを利用した弁体（17）（18）への過
押圧を防止し、弁体の損傷を可及的に小さくすることが
できる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の自動開閉弁に使用する圧電アクチュエ
ータを示す断面説明図、第２図は第１図Ｉ−Ｉ線による
断面図、第３図〜第５図は圧電素子の他の具体例の説明
図、第６図は制御装置の構成説明図、第７〜９図は本発
明の自動開閉弁に使用するアクチュエータの作動順序を
示す説明図、第10図は本発明の湯水混合用の自動開閉弁
の断面説明図である。 （Ａ）（Ａ′）：左右アクチュエータ （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）：圧電素子 （Ｓ）：スプリング （３）：アクチュエータケーシング （４）：筒状プランジャ （５）：係合縁 （６）：プランジャヘッド （16）：湯水混合部 （17）：湯用弁体 （18）：水用弁体 （19）：入湯流路 （20）：入水流路 （21）：混合湯水流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 塚田 良一 神奈川県茅ケ崎市本村２丁目８番１号 東陶機器株式会社茅ケ崎工場内 (56)参考文献 特開 平１−6628（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】湯用及び水用弁体（17）（18）をそれぞれ
   圧接・離反自在に配設した湯水混合部（16）に、各弁体
   （17）（18）を介して入湯流路及び入水流路をそれぞれ
   連通し、各弁体の背面には、湯調整用アクチュエータ
   （Ａ）と水調整用アクチュエータ（Ａ′）とのプランジ
   ャヘッド（６）（６）をそれぞれ押圧・離反自在に配設
   し、しかも湯水混合部（16）には混合湯水流路（21）を
   連通連設し、更には、湯調整用アクチュエータ（Ａ）と
   水調整用アクチュエータ（Ａ′）は、アクチュエータケ
   ーシング（３）内にプランジャ（４）を進退自在に収納
   し、同プランジャ（４）の先端に、弾性体（Ｓ）によっ
   て進出方向に付勢したプランジャヘッド（６）を設ける
   とともに、同プランジャヘッド（６）は、進出方向にお
   いてプランジャ（４）に当接し、しかも、アクチュエー
   タケーシング（３）内にプランジャ（４）を進退移動さ
   せるためのプランジャ移動手段を具備し、同プランジャ
   移動手段は、アクチュエータ作動時においてはプランジ
   ャ（４）を保持し、アクチュエータ非作動時においては
   プランジャ（４）を開放することを特徴とする湯水混合
   用の自動開閉弁。