JP2702524B2 - 自動弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は、水栓または湯水混合栓等のように流体を制
御する開閉弁として有効に用いることができる自動弁に
関する。

（ロ） 従来の技術 第３図は、既に本願出願人によって出願された圧電ア
クチュエータで駆動されるダイヤフラム式の自動弁の断
面図である。

圧電アクチュエータは、ケーシング（100）内に、軸
線に沿って進退自在に配設したプランジャ（101）の外
周面上に、４つの圧電素子（102）（103）（104）（10
5）を配設し、圧電素子（102）（103）は保持具（106）
の下側に支持され、圧電素子（104）（105）は保持具
（106）の上側に支持されており、同保持具（106）は外
周部を前壁（107）の端面に固着されている。

そして、圧電素子（102）（103）は、非電圧印加状態
では伸びてその内径を拡径して、プランジャ（101）の
クランプを解除するとともに、電圧印加状態では縮んで
内径を縮径し、クランプ部材（108）（109）を介してプ
ランジャ（101）をクランプする。

一方、圧電素子（104）（105）は電圧印加状態ではプ
ランジャ（101）上を軸線方向に伸びた状態にあり、非
電圧印加状態では、プランジャ（101）上を縮み、その
軸線方向の全長を短くすることになる。

したがって、かかる４つの圧電素子（102）（103）
（104）（105）への電圧印加順序を制御することによ
り、尺取り虫状にプランジャ（101）を軸線方向に移動
させることができる。

（110）は弁箱であり、流入路（111）と、流出路（11
2）との間に、主弁孔（113）が形成され、同主弁孔（11
3）の上端開口周縁に設けた主弁座（114）上には、主弁
孔（113）を開閉する主弁体（115）付のダイヤフラム
（116）が接離自在に配設されている。

また、主弁体（115）の中央にパイロット弁孔（117）
を設けてダイヤフラム背室（118）と流出路（112）とを
連通させ、また、パイロット弁孔（117）よりも小径の
オリフィス（119）を設けてダイヤフラム背室（118）と
流入路（111）とを連通させている。

そして、パイロット弁孔（117）上には、圧電アクチ
ュエータで駆動されるプランジャ（101）が配設され、
プランジャ（101）の下端に取付けられたパイロット弁
体（120）で、パイロット弁孔（117）の開閉が行われ、
同パイロット弁孔（117）の開閉によるダイヤフラム背
室（118）の圧力変動により、ダイヤフラム（116）の中
央に設けた主弁体（115）を上下動させて、主弁体（11
3）を開閉するように構成されている。

かかる構成の自動弁は、パイロット弁体（120）を任
意のストロークで移動させることができ、したがって、
主弁孔（113）の開度を調整して、流量の調整を行うこ
とができるものである。

（ハ） 発明が解決しようとする課題 しかし、上記の自動弁では、少くとも４個の圧電素子
を要し圧電アクチュエータの構造が複雑であり、外形も
大型になり電力消費量も大きく、また、各圧電素子（10
2）（103）（104）（105）に正確なタイミングで電圧を
印加する必要上、制御装置も複雑になるという問題点が
ある。

（ニ） 課題を解決する手段 本発明は、弁箱内に設けた流入路と、流出路との間に
主弁孔を設けると共に、ダイヤフラムを張設して、同ダ
イヤフラムの背部にダイヤフラム背室を形成し、さら
に、同ダイヤフラム背室の背部に流出路と連通するパイ
ロット室を設け、流入路とダイヤフラム背室とをオリフ
ィスで連通し、ダイヤフラム背室と流出路とを開閉自在
のパイロット弁孔で連通し、パイロット弁孔の開閉に伴
うダイヤフラム背室の圧力の昇降により、ダイヤフラム
を作動させ、ダイヤフラムに連設した主弁体で主弁孔を
開閉して、流入路と流出路とを連通・閉鎖すべく構成し
た自動弁において、前記パイロット室内に、パイロット
プランジャを押圧するアクチュエータを設けたことを特
徴とする自動弁に係るものである。

また、本発明は、上記アクリュエータは、パイロット
弁孔を開閉する弁体を一端に設けた梃子体と、同梃子体
の他端に設けた電圧印加により伸縮する圧電素子とを具
備することにも特徴を有する。

（ホ） 作用 本発明によれば、パイロット弁孔を開閉する弁体を梃
子体の一端に配設し、同梃子体の他端に電圧印加により
伸縮する圧電素子を配設したことで、弁体と圧電素子の
ストロークの比が梃子体のレバー比と等しく、弁体を配
設した方のレバーを、圧電素子を配設したレバーよりも
長くすれば、僅かな圧電素子の伸縮量で弁体を大きく移
動させることができる。

したがって、極めて僅かな圧電素子の伸縮量で、主弁
体を必要十分なだけ移動させて、自動弁に開閉動作を行
わせることができる。

また、圧電素子は、印加電圧を調整して伸縮量を調整
することができるので、この自動弁を流量調整弁として
用いることができる。

（ヘ） 効果 以上のことから、本発明では、アクチュエータがパイ
ロット室の外部にあるものに対して水封シールが不要と
なるので、アクチュエータ自体の小型化と低消費電力化
を図ることができる。また、本発明は以下の効果を奏す
る。

圧電素子を１個配設すればよいので、外形を小形化す
ることができる。

圧電素子への印加電圧を調整するだけで弁開度を調節
することができるので、制御装置を簡単なものにするこ
とができる。

圧電素子が１個ですみ、簡単な制御装置ですむことか
ら、全体として構造を簡単にすることができる。

（ト） 実施例 以下、添付図に示す実施例に基づいて、本発明を具体
的に説明する。

本発明の自動弁（Ｖ）は、ダイヤフラム型の弁体と、
同弁体を駆動するアクチュエータとで構成されれてお
り、まず、弁体から説明する。

第１図において、（10）は弁箱であり、それぞれ両側
に一次配管と、二次配管とに連通連結する流入路（13）
と流出路（14）とを設けている。

また、弁箱（10）内において、流入路（13）と流出路
（14）との間には、主弁孔（15）が形成され、主弁孔
（15）の上端開口周縁には主弁座（16）が形成されてい
る。

そして、主弁座（16）上には、主弁孔（15）を開閉す
る主弁体（17）とダイヤフラム（18）とからなるダイヤ
フラム弁が接離自在に配設されている。

ダイヤフラム（18）の背部となる上方にはダイヤフラ
ム背室（19）が形成されており、同ダイヤフラム背室
（19）は、ダイヤフラム（18）の周縁に設けたオリフィ
ス（20）を介して流入路（13）と連通している。

ダイヤフラム背室（19）の背部となる上方には、隔壁
（21）を介して流出路（14）と連通したパイロット室
（22）が形成されている。

隔壁（21）の中央部には、パイロットプランジャ案内
孔（23）が穿設されており、同パイロットプランジャ案
内孔（23）には、上端と中途部に開口したパイロット弁
孔（24）を穿設したパイロットプランジャ（25）が昇降
自在に挿通しており、上記パイロット弁孔（24）を介し
てダイヤフラム背室（19）とパイロット室（22）とが連
通している。

また、同パイロットプランジャ（25）の下端は、主弁
体（17）の中央部を上下摺動自在に貫通しており、パイ
ロットプランジャ（25）の中途部に鍔部（27）を設け、
同鍔部（27）と隔壁（21）との間に上スプリング（S1）
を介設し、同鍔部（27）と主弁体（17）との間に下スプ
リング（S2）を介設している。

上記構成において、上下スプリング（S1）（S2）のバ
ネ定数k1,k2に著しい差異を設けており、例えば、k1:k2
＝10:1としている。

したがって、パイロットプランジャ（25）とダイヤフ
ラム（18）の移動量の比が10:1になり、次に述べるアク
チュエータ（Ａ）で駆動されるパイロット弁体（29）の
作動量が、約10倍に増幅されてダイヤフラム（18）に連
設した主弁体（17）に伝達されることになる。

アクチュエータ（Ａ）は、パイロット室（22）の内部
に配設されており、それぞれレバー長l1、l2を異にする
梃子体（Ｌ）と、電圧印加により伸縮する圧電素子（3
0）と、戻しバネ（31）とで構成されており、パイロッ
ト弁孔（24）を開閉するパイロット弁体（29）を梃子体
（Ｌ）の先端に連設している。

梃子体（Ｌ）は、略不等辺直角三角形状の梃子本体
（32）を長辺（33）を水平にしてパイロット室（22）中
に配設し、梃子本体（32）の短辺（34）の略中央に支点
（35）を形成し、同支点（35）に連設した取付けボルト
（36）を介して、パイロット室（22）の内壁面（37）に
取付けられている。

特に、梃子本体（32）と支点（35）と取付けボルト
（36）とは、一体の素材から形成されており、梃子本体
（32）から延出した取付けボルト（36）の基部上下側縁
を切欠して薄肉部を形成し、同薄肉部が曲がりやすいこ
とを利用して支点（35）とし、同支点（35）を中心に梃
子本体（32）の先端を上下に傾動可能にしている。

そして、梃子本体（32）の短辺（34）の支点（35）下
方と、パイロット室（22）の内壁面（37）との間に、圧
電素子（30）を介設して、同圧電素子（30）と支点（3
5）間にレバー長l1を形成し、支点（35）の上方の短辺
（34）とパイロット室（22）の内壁面（37）との間には
戻しバネ（31）を介設して、圧電素子（30）の伸縮作動
により梃子本体（32）にの先端を上下方向に作動させる
ようにしている。

パイロット弁体（29）は、梃子本体（32）の先端下面
に固着されており、同パイロット弁体（29）と支点（3
5）との間にレバー長l2を形成して同先端の上下作動に
より、パイロットプランジャ（25）の上端と接離して、
パイロット弁孔（24）を開閉する。

圧電素子（30）は電圧印加により伸長する圧電素子片
を多数積層して構成されており、柔軟なポッティング
材、例えばペルガンＺ（ダウコーニング（株）製）等で
密封され水などの侵入が防止されている。

なお、圧電素子（30）側に流体が侵入しないようにす
るためにゴム膜等の水密性の隔壁（37a）を設けてもよ
い。

（38）は取付けボルト（36）に螺着したダブルナット
で、パイロット弁体（29）の初期位置を調整できるよう
にしている。

（39）はパイロットプランジャ（25）の上端に螺着し
て、同パイロットプランジャ（25）の下方移動を規制す
るためのナットである。

次に、アクチュエータ（Ａ）の作動を制御する制御装
置（Ｃ）について、第２図を参照しながら説明する。

制御装置（Ｃ）は、自動弁（Ｖ）を開閉させるための
開弁ボタン（40）、閉弁ボタン（41）と、開閉弁ボタン
（40）（41）と接続した積分回路（42）と、同積分回路
（42）に接続した駆動回路（43）とで構成されており、
開弁ボタン（40）が押された時間に比例した電圧を駆動
回路（43）を介して圧電素子（30）に出力し、閉弁ボタ
ン（41）が押されると積分回路（42）をリセットするよ
うに構成している。

したがって、開弁ボタン（40）が押されると、開弁ボ
タン（40）が押された時間に比例した電圧が圧電素子
（30）に出力され、圧電素子（30）が伸長し、パイロッ
ト弁体（29）を上方に移動させ、同パイロット弁体（2
9）をパイロットプランジャ（25）の上端から離隔させ
て、パイロット弁孔（24）を開弁させる。

パイロット弁孔（24）が開弁すると、ダイヤフラム背
室（19）の圧力が低下して、流入路（13）の水圧によっ
て、ダイヤフラム（18）に連設された主弁体（17）が上
方に移動して主弁体（15）を開弁し、流入路（13）と流
出路（14）とを連通させる。

また、閉弁ボタン（41）が押されると、積分回路（4
2）がリセットされて、圧電素子（30）への印加電圧が
消失し、圧電素子（30）が収縮して、パイロット弁孔
（24）を閉弁させ、主弁体（15）を閉じる。

特に、圧電素子（30）の伸長量が、梃子体（Ｌ）のレ
バー比l1:l2で増幅されてパイロット弁体（29）に伝達
され、更に、パイロットプランジャ（25）の鍔部（27）
の上下に設け上下スプリング（S1）（S2）のバネ定数k
1,k2に著しい差異を設けたことで、圧電素子（30）の伸
縮量が２段に増幅されて主弁体（17）に伝達されること
になり、圧電素子（30）の僅かな伸縮量でも、自動弁
（Ｖ）充分に主弁体（17）を上下動させることができ
る。

また、圧電素子（30）への印加電圧は、開弁ボタン
（40）が押された時間に比例しており、圧電素子（30）
の伸長量が印加電圧に比例することから、開弁ボタン
（40）を押す時間で主弁体（17）の開度を調整して、自
動弁（Ｖ）の流量調整を行うことができる。

また、アクチュエータ（Ａ）の摩擦部分が無いので、
摩耗による性能の劣化がなく、耐久性が向上する。

また、戻しバネ（31）でパイロット弁体（29）を閉弁
方向に付勢しているので、停電時に自動弁（Ｖ）を自動
的に閉止させることができ、上記付勢によって圧電素子
（30）に引張り力が作用せず、圧電素子（30）の剥離が
防止される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自動弁の断面説明図、第２図は制
御装置の概念的構成説明図、第３図は従来構造の自動弁
の断面説明図。 （Ｌ）：梃子体 （Ｖ）：自動弁 l1、l2:レバー長 （10）：弁箱 （13）：流入路 （14）：流出路 （15）：主弁孔 （17）：主弁体 （18）：ダイヤフラム （19）：ダイヤフラム背室 （20）：オリフィス （24）：パイロット弁孔 （25）：パイロットプランジャ （30）：圧電素子

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弁箱（10）内に設けた流入路（13）と、流
   出路（14）との間に主体孔（15）を設けると共に、ダイ
   ヤフラム（18）を張設して、同ダイヤフラム（18）の背
   部にダイヤフラム背室（19）を形成し、さらに、同ダイ
   ヤフラム背室（19）の背部に流出路（14）と連通するパ
   イロット室（22）を設け、流入路（13）とダイヤフラム
   背室（19）とをオリフィス（20）で連通し、ダイヤフラ
   ム背室（19）と流出路（14）とを開閉自在のパイロット
   弁孔（24）で連通し、パイロット弁孔（24）の開閉に伴
   うダイヤフラム背室（19）の圧力の昇降により、ダイヤ
   フラム（18）を作動させ、ダイヤフラム（18）に連設し
   た主弁体（17）で主弁孔（15）を開閉して、流入路（1
   3）と流出路（14）とを連通・閉鎖すべく構成した自動
   弁（Ｖ）において、 前記パイロット室（22）内に、パイロットプランジャ
   （25）を押圧するアクチュエータ（Ａ）を設けたことを
   特徴とする自動弁。
2. 【請求項２】上記アクチュエータ（Ａ）は、パイロット
   弁孔（24）を開閉する弁体を一端に設けた梃子体（Ｌ）
   と、同梃子体（Ｌ）の他端に設けた電圧印加により伸縮
   する圧電素子とを具備することを特徴とする請求項１記
   載の自動弁。