JPH01279175A - 自動開閉弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、流体の流れを制御する自動開閉弁に関する。

（ロ）従来の技術 従来、かかる自動開閉弁としては各種形態ものが知られ
ており、例えば、ソレノイドを用いた電磁開閉弁や、モ
ータ駆動の電動弁等がある。

そして、かかる自動開閉弁は、センサや各種スイッチを
用いて、自動的に作動させることができる。

しかし、かかる従来の自動開閉弁は、駆動源がソレノイ
ドやモータであるため、高精度の位置決めを行うことが
できず、流量制御を精密に行うことができなかった。

そこで、本出願人は、先に特願昭６２−２４８８４４号
等において、圧電アクチュエータを用いて弁体を駆動可
能に構成した自動開閉弁を開示した。そして、かかる自
動開閉弁は、アクチエエータケーシング内に、パルス状
電圧によって微小距離無段階駆動可能なプランジャーを
進退自在に収納し、同プランジャーの周囲に同心円的に
クランプ用圧電素子とストローク移動用圧電素子を配設
し、かつ、同プランジャーの先端を、弁体と接離自在と
することによって構成している。

また、かかる構成によって、例えば、μ麟オーダ或いは
サブＩｊｍのオーダによって弁体を進退することができ
、精密な流量調整を行うことができる。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかし、かかる自動開閉弁は、いまだ、以下の問題点を
有していた。

即ち、自動開閉弁によって開閉される配管内に、ウォー
ターハンマー等の急激な高圧力が生じた場合、ダイヤフ
ラム等の弁体の静バランスが崩れ、。

水圧によりダイヤフラム等の弁体を急激に押上げること
になる。

しかして、圧電アクチュエータ等の駆動手段において、
プランジャーを駆動する圧電素子等のクランプ部及びス
トローク部は、支持材を介してアクチュエータケーシン
グ等に固着されているので、プランジャーは、弁体の急
激な押上に起因する強大なスラスト力によって、圧電素
子等からなるクランプ部のクランプ力に抗して後方に摺
動して押し戻され、その後、ウォーターハンマー等の急
激な高圧力が消滅してプランジャーへのスラスト力が無
くなっても、プランジャーは、押し戻された位置におい
て圧電素子によってクランプされることになるので、漏
出事故を生じ、かつ、予め設定していたプランジャーと
駆動手段との相対位置関係が崩れるので、その後の自動
制御弁の駆動の正確かつ精密な制御が不可能となる。

本発明は、上記問題点を解決することができる自動開閉
弁を提供することを目的とする。

（ニ）問題点を解決するための手段 本発明は、プランジャを、駆動手段のクランプ部のクラ
ンプ動作とストローク部のストローク動作によって進退
自在となし、該プランジャによって弁体を開閉駆動する
と共に、弁体に作用する所定圧力以上の高圧により弁体
とプランジャと駆動手段とが一体的に移動かつ初期状態
に復帰可能に構成したことを特徴とする自動開閉弁に係
わるものである。

（ホ）作用及び効果 本発明においては、弁体に作用する所定圧力以上の高圧
により、弁体とプランジャーと駆動手段とが一体的に移
動可能に構成している。従って、ウォーターハンマー等
の高圧力の発生によってスラスト力がプランジャーに発
生しても、圧電素子等の駆動手段はプランジャーと一体
的に後退し、その後、圧力変動が消滅した場合、復帰ス
プリング等を用いて初期状態、即ち、元の制御位置に速
やかに復帰することになる。

従って、漏出事故を確実に防止することができるととも
に、プランジャーと圧電素子等の駆動手段との相対位置
関係もそのまま保持できるので、その後の自動制御弁の
駆動も正確かつ精密に制御することができる。

（へ）実施例 以下、添付図に示す実施例に基づいて、本発明を詳説す
る。

第１図において、１０は自動開閉弁Ｃの本体を構成する
Ｌ字筒形状のケーシングであり、同ケーシング１０は、
内部に一例流路１１を形成する流入側管１２と、内部に
他側流路１３を形成する流出側管１４とから構成されて
いる。

そして、流入側管１２はその上端を端壁１２ａによって
閉塞するとともに、その−例上部側壁１２ｂに開口１５
を設けており、また、同開口１５には、ダイヤフラム弁
からなる弁体１６が取付けられている。

一方、流出側管１４は、その基端側筒状部１４ａを貫通
して、上記間口１５まで伸延しており、その先端を弁体
１６に接離自在に当接している。

かかる構成によって、後述する駆動手段を構成する圧電
アクチュエータＡを駆動して弁体１６を開閉することに
よって、流入側管１２内に形成した一例流路１１と流出
側管１４内に形成した他側流路１３とを連通連結したり
遮断することができる。

なお、−側流路１１は、その外側開口端を給水配管１７
と連通しており、他側流路１３は送水管１８と連通して
いる。

また、ケーシング１０の一例上部側壁１２ｂには、弁体
１６と同軸的に、圧電アクチュエータＡが取付られてお
り、同アクチュエータＡを駆動することによって、弁体
１６を開閉することができる。

そして、圧電アクチュエータＡは、本実施例では、第１
図に示すように、前後壁ａ、ｂを具備する筒状のアクチ
ュエータケーシングＣ内に、同心円的にかつ軸線に沿っ
て進退自在にプランジャｄを取付け、同プランジャｄの
先端を弁体１６の後部と当接自在となし、さらに、プラ
ンジャｄの外周面上に、同心円的に、３つの圧電素子ｅ
＋ｆ＋ｇからなる圧電素子組立体Ｂを配設することによ
って構成している。

また、図示の実施例において、ストローク移動用の圧電
素子ｇは、アクチュエータケーシングＣの中央部に配設
されており、圧電素子ｇの一端はアクチュエータケーシ
ングＣに基端を固定したＬ字形状の保持具Ｈの先端に固
着されている。

一方、圧電素子ｇの他端には、対称的に配置された小型
り字形状の保持具Ｈ′が固着されている。

また、＋、Ｊ　は保持具Ｈ，Ｈ’の内面に重合状態に配
設され、その基端を保持具Ｈ，Ｈ′の中央部に固着する
とともに、その先端を前後壁ａ、ｂに向けて伸延する片
持ち梁状の弾性ブリッジである。

そして、同弾性ブリッジ１＋Ｊ　の先端は、その外周面
にクランプ用の圧電素子ｅ＋ｆを取付けている。

そして、この圧電素子ｅ＋ｆ＋ｇは、電源をオフした際
に縮むように構成されている。

即ち、圧電素子ｅ、ｆに通電すると電圧は圧電素子ｅ、
ｆの内径を拡径する方向に作用してプランジャｄのクラ
ンプ力を低減するとともに、通電していない状態では内
径を縮径せんとし、プランジャｄのクランプ力を増大す
る。

一方、圧電素子ｇは、通電状態ではプランジャｄ上を軸
線方向に伸びた状態にあり、通電していない状態では、
プランジャｄ上を軸線方向に縮み、その軸線方向の全長
を短くすることになる。

そして、プランジャｄは、かかる３つの圧電素子ｅ、ｆ
、ｇへの電圧印加手順を後述する制御装置りによって制
御することにより、軸線方向に移動するこ七ができる。

圧電素子ｅ、ｆ、ｇは、第１図及び第２図に示すように
、多数の圧電素子片をプランジャｄの軸芯方向に積層し
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、伸び
るように構成されている。

なお、圧電素子片は、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では、ＡＢ
Ｏｓ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）Ｏ，）系、やＰＬＺＴ　（Ｐｂ、Ｌａ　（Ｚｒ。

Ｔｉ）Ｏｘ　）、ＰＴ　（ＰｂＴｉｏｓ　）系、あるい
はＰＺＴを基にした３成分系のものを用いることができ
る。

また、圧電素子ｅ＋ｆ＋ｇ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プランジャｄの軸芯廻
りに同心円状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、ｍ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パツキンであ
る。

なお、上記構成において、圧電素子ｅＪ、ｇ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図に示す如く、分割片から形
成することもできる。

また、プランジャｄは、ブレーキシューに、ｌ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。

本発明は、上記構成において、ウォーターハンマー等の
圧力変動時に、上記圧電アクチュエータの内、少なくと
も、圧電素子ｅ＋ｆを、プランジャｄと一体的に移動か
つ初期状態に復帰可能に構成した構成に特徴を有する。

即ち、第１図において、圧電アクチュエータＡの前壁ａ
は、締結ボルト２０によって、弁ケーシング２１に固着
連結されている。

そして、前壁ａの保持具進退案内兼取付ボルト２２が、
円周方向に等間隔を開けて螺着されており、各取付ボル
ト２２は、保持具Ｈの外周縁に設けた同数の案内孔２３
を貫通した後、前壁ａに螺着されることになる。

また、保持具Ｈの外周縁の費面と取付ボルト２２の頭部
との間には、復帰用スプリング２４が介設されている。

かかる構成によって、ウォーターハンマー等の異常な圧
力変動によってスラスト力がプランジャｄに発生しても
、圧電素子ｅ、ｆはプランジャｄと一体的に後退し、そ
の後、圧力変動が消滅した場合、復帰用スプリング２４
によって、初期状態、即ち、元の制御位置に速やかに復
帰することになる。

従って、漏出事故を確実に防止することができるととも
に、プランジャｄと圧電素子ｅ、ｆとの相対位置関係も
そのまま保持できるので、その後の自動制御弁Ｃの駆動
も正確かつ精密に制御することができる。

また、本実施例では、プランジャｄは、その先端に縮径
先端部ｑを形成しており、同先端部ｑは、その端面面積
（受圧面積）を、プランジャｄの断面積より著しく小さ
いものとしている。

なお、縮径先端部９の先端には、弾性体が取付けられて
いる。

従って、弁等に用いた場合、受圧面積を著しく小さくで
きるので、プランジャｄが受けるスラスト力を最小にす
ることができ、プランジャｄの駆動へのスラスト力の影
響を最小にすることができ、圧電アクチュエータＡの正
確な駆動が可能となる。

また、プランジャｄの段部を、プランジャｄが一定距離
前方向に移動した状態（例えば、全閉位置或いはそれよ
り僅かに進んだ位置）で前壁ａの後面と当接するように
しておけば、プランジャｄのそれ以上の前進を規制でき
、過度の前進に起因する自動開閉弁Ｃのダイヤフラム弁
等の弁体１６の損傷を確実に防止することができる。

また、第６図に、上記圧電アクチュエータＡを制御する
ための制御語ｆｆＤの構成を示している。

図示するように、制御語ＷＤは、マイクロプロセンサｒ
と、入出力インターフェースｓ、ｔと、上記圧電素子ｅ
、ｆ、ｇの駆動順序プログラムを記↑ＱしたメモリＵと
から構成される。

ついで、かかる構成を有する圧電アクチュエータＡを具
備する自動開閉弁Ｃの作動について、第１図及び第７図
〜第１０図を参照して説明する。

第６図に示すように、アクチュエータ駆動ボタンＶを押
すと、制御語ＷＤが、メモリＵから読み出した駆動順序
プログラムに従って、第７図に示すように、圧電素子ｆ
の電圧の印加を解除してその内径を縮径せんとしてプラ
ンジャｄのクランプ力を増大させるとともに、圧電素子
ｅに電圧を印加してその内径を拡径する方向に作用せし
め、プランジャｄのクランプ力を低減する。即ち、圧電
素子ｒのクランプ力は圧電素子ｅのクランプ力より大き
い値となっている。

次に、第８図に示すように、予め印加されている圧電素
子ｇの電圧を解除して収縮させると、圧電素子ｇが矢印
方向に収縮して保持具Ｈ′が移動し、これに伴って、圧
電素子ｅ、ｆがクランプするプランジャｄも、圧電素子
ｒのクランプ力が圧電素子ｅのクランプ力よりも大きい
ので、圧電素子ｅのクランプ力に抗して圧電素子ｅ部で
摺動し、矢印方向に移動する。

そして、第９図に示すように、圧電素子ｅの電圧印加を
解除してその内径を縮径せんとしてプランジャｄのクラ
ンプ力を増大させるとともに、圧電素子【に電圧を印加
してその内径を拡径する方向に作用せしめ、プランジャ
ｄのクランプ力を低減する。

その後、第１０図に示すように、圧電素子ｇに電圧を印
加して圧電素子ｇを矢印方向に移動させる。

このとき、プランジャｄは圧電素子ｅによってクランプ
されているので、プランジャｄは移動しない。

以上で初期状態に戻り、その後、上記動作を操り返すこ
とにより、プランジャｄを、μｍオーダ或いはサブμｍ
オーダのストロークで尺とり生状に移動することができ
、弁体１６を開閉して、流量制御を確実かつ精密に行う
ことができる。

そして、かかる流量制御において、ウォーターハンマー
等の異常な圧力変動があった場合には、上述したように
圧力変動を圧電アクチュエータＡの全体で吸収すること
ができ、漏出事故等を発生させることなく、常時正確か
つ精密に流量制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る自動開閉弁の内部構造を示す断面
側面図、第２図は第１図１−１線による横断面図、第３
図〜第５図は他の実施例に係る圧電素子の横断面図、第
６図は制御装置の構成説明図、第７Ｖ〜第１０図は圧電
アクチュエータの作動状態説明図である。 図中、 Ａ：圧電アクチュエータ Ｂ：圧電素子組立体 Ｃ：自動開閉弁 Ｄ：制御装置 １０：ケーシング　　　　１１ニー側流路１３；他側流
路　　　　　１６：弁体 ｄニブランジャ 特許出願人　　　東陶機器株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、プランジャを、駆動手段のクランプ部のクランプ動
   作とストローク部のストローク動作によって進退自在と
   なし、該プランジャによって弁体を開閉駆動すると共に
   、弁体に作用する所定圧力以上の高圧により弁体とプラ
   ンジャと駆動手段とが一体的に移動かつ初期状態に復帰
   可能に構成したことを特徴とする自動開閉弁。