JPH0282671A - 湯水混合装置 - 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、各種装置を作動させるために用いる圧電アク
チュエータに関する。

（ロ）従来の技術 従来、パルス状駆動電圧の印加により、圧電素子に伸縮
作動を繰り返させてプランジャを移動さえるように構成
した圧電アクチエエータがある。

同圧電アクチュエータは、ストローク用の圧電素子の一
端を固定し、他端にクランプ用の圧電素子の一端を連設
して、クランプ用の圧電素子でプランジ中をクランプし
、クランプされたプランジャをストローク用の圧電素子
で移動させ、次いで、クランプ用の圧電素子のクランプ
を解除してストローク用の圧電素子素子を復位させるこ
とを操り返すことによって、プランジャを移動させるも
のである。

（ハ）発明が解決しようとする問題点 しかし、かかる圧電アクチュエータは、未だ、以下の問
題点を有していた。

即ち、第１４図に示すように、従来、圧電素子に印加す
る電圧は一定であるため、第１５図に示すように、圧電
素子の単位変位量、即ち、プランジャの単位移動距離も
常時一定となる。

従って、例えば、圧電アクチュエータを、設定温度値と
出湯温度値との温度偏差値に基づいて適温制御を行う湯
水混合装置に用いた場合等において、温度偏差値が著し
く大きい場合であっても−定の速度でしかプランジャを
移動することができず、従って、制御応答性に不十分な
ものとしていた。

本発明は、上記問題点を解決することができる圧電アク
チュエータ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、パルス状駆動電圧を圧電素子に印加して、同
圧電素子に伸縮作動を繰り返させ、プランジャを移動さ
せるように構成した圧電アクチュエータにおいて、圧電
素子へ印加する電圧をステップ状又は連続的に可変とな
し、圧電素子の単位移動距離を可変としたことを特徴と
する圧電アクチュエータに係るものである。

（ホ）作用及び効果 上記した構成により、本発明は以下の作用及び効果を奏
する。

圧電素子へ印加する電圧をステップ状又は連続的に可変
となし、圧電素子の単位移動距離を可変としたので、分
解能を向上することができる。

例えば、上記した湯水混合装置において温度偏差値が著
しく大きい場合には、まず、高電圧を圧電素子に印加し
て単位移動距離を大きくしてプランジャの進退量を太き
（し、その後に低電圧を圧電素子に印加して単位移動距
離を小さくしてプランジャの進退量を微調整することが
できる。従って、温度偏差値が大きい場合であっても、
制御応答性を著しく向上することができる。

（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図に本実施例に係わる圧電アクチュエータＡの全体
構成を示す。

図示するように、アクチュエータＡは、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、さらに、プランジャｄの外周面上に、同心円的に
、それぞれクランプ部材に、ｌ　を具備する一対のクラ
ンプ用圧電素子ｅｒと、ストローク用圧電素子ｇとを配
設することによって構成している。

即ち、図示の実施例において、クランプ用圧電素子ｅは
アクチュエータケーシングＣの中央部に取付ボルトｈに
よって取付けた保持具１１の左側に配設・支持されてお
り、一方、クランプ用圧電素子ｒとストローク用圧電素
子ｇとは保持具Ｈの右側に配設・支持されている。

なお、クランプ用圧電素子ｅ、ｒには、それぞれ、クラ
ンプ部材に、ｌが取付けられている。

次に、各圧電素子ｅ、ｒ、ｇの作用及び具体的構成につ
いて説明すると、以下のようになる。

即ち、圧電素子ｅ、「は、非通電状態では一定のクラン
プ力Ｆでプランジャｄをクランプしており、正の電圧を
印加することによってクランプ力Ｆ＋αでクランプする
ことになり、負の電圧を印加することによりクランプ力
Ｆ−αの力でクランプすることになる。なお、クランプ
力は、Ｆ−α〉０とする。即ち、負の電圧が印加されて
いる場合であっても、圧電素子ｅ、ｒは、一定のクラン
プ力でプランジャｄをクランプすることになる。

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、非通電状態では、プランジャ
ｄ上を縮み、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、　
　ｒ、　　ｇへの押圧印加手順を後述する制御装置Ｃに
よって制御することにより、軸線方向に移動することが
できる。

圧電素子ｅ、ｆ、ｇは、多数の圧電板Ｘ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。

また、第１図において、「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字状又はＹ字
状パツキンである。

また、第２図に上記構成を存する圧電アクチエエータ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、
＾／Ｄ　、　Ｄ／Ａ変換器等よりなる入出力インターフ
ェースＩ、Ｏと、上記圧電素子ｅ、　　ｆ、　　ｇ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、
入力インターフェース１を介して制御装置に人力された
センサＳまたはスイッチＳ−等からの入力信号に基づき
、前記したプログラムにしたがって制御信号を発生し、
出力インターフェースＯを介して、各圧電素子ｅ、　　
ｆ。

ｇと接続する駆動回路り、、　Ｄ、、　Ｄ、に出力する
ように構成している。

また、各駆動回路り、、　Ｄ、、　Ｄ、は、駆動電源回
路Ｅ・と接続されている。

ついで、かかる構成を有する圧電アクチュエータＡによ
るプランジャｄの作動について、第３図〜第６図を参照
して説明する。

第２図に示すアクチュエータ駆動スインチＳＷを作動さ
せると、制御装置Ｃ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、各駆動回路り、、　Ｄ、、　Ｄ
、に制御信号を送り、第３図に示すように圧電素子ｅに
負のパルス状駆動電圧を印加してプランジャｄへのクラ
ンプ力をＦ−αに低減するとともに、圧電素子ｒに正の
パルス状駆動電圧を印加してクランプ力をＦ＋αに増加
してプランジャｄをクランプさせる。

次に、第４図に示すように、圧電素子ｇへ負のパルス状
駆動電圧の印加して縮めると、圧電素子ｇは矢印の方向
に移動し、これに伴って圧電素子ｆがクランプ力Ｆ＋α
でクランプするプランジャｄも矢印方向に移動する。

その後、第５図に示すように、圧電素子ｆに負のパルス
状駆動電圧を印加してクランプ力をＦαに低減するとと
もに、圧電素子ｅに正のパルス状駆動電圧を印加してク
ランプ力をＦ＋αに増加してプランジャｄをクランプさ
せる。

そして、第６図に示すように、圧電素子ｇに正のパルス
状駆動電圧を印加して伸ばすと圧電素子ｇは矢印方向に
移動する。

ついで、上記動作を繰り返すことにより、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る。

従って、かかる圧電アクチュエータＡを後述する湯水混
合装置り等に装着した場合、混合弁を、その開度を微調
整しながら開閉することができ、適温制御を行わせるこ
とができる。

しかして、本実施例は、上記構成において、圧電素子ｇ
へ印加するパルス状駆動電圧をステップ状又は連続的に
可変となし、圧電素子ｇの中位移動距離を可変とし、分
解能を向上した構成に特徴を有するものである。

即ち、第２図に示すように、制御装置Ｃ，ｌ！：駆動回
路Ｄ９の間には電圧調整手段Ｇを介設しており、同電圧
調整手段Ｇによって、パルス状駆動電圧を第７図に示す
ようにステップ状に、或いは第８図に示すように連続的
に変化させることができる。

第９図にかかる電圧調整手段Ｇの一興体例を示しており
、電圧調整手段Ｇは可変電源から構成されている。即ち
、、可変電源における抵抗値を手動または自動的に変え
ることによってパルス状駆動電圧を容易に変えることが
できる。

従って、例えば、後述する湯水混合装置りにおいて、設
定温度値Ｔｓと出湯温度値ＴＯとの温度偏差値ΔＴが著
しく大きい場合には、温度偏差値判別手段Ｊ及び電圧調
整手段Ｇを介して高電圧のパルス状駆動電圧を圧電素子
ｇに印加して単位移動距離を大きくしてプランジャｄの
進退量を大きくし、その後に低電圧のパルス状駆動電圧
を圧電素子６に印加して単位移動距離を小さくしてプラ
ンジャｄの進退量を微調整することができる。

従って、温度偏差値ΔＴが大きい場合であっても、湯水
混合装置０の制御応答性を著しく向上することができ、
使用者は常時適温の混合湯水を得ることができる。

なお、電圧の調整は、上記した構成の電圧調整手段Ｇを
用いる他に、定電流充電で所定電圧に到達する時間を演
算し、同時間で充電を打ち切ることによってもパルス状
駆動電圧を変化することができる。

即ち、第、１０図において、５０は圧電素子、５１は駆
動パルスが与えられる定電流回路を兼備するスインチン
グ素子を示し、圧電素子５０は静電容量ｑを有する。

いま、第１０図における電気回路において、駆動を一定
電流！で行うとすると、圧電素子５０の印加電圧Ｖは、 Ｑ＝ｑｖ・・・・・・・・・・・・（１）Ｑ＝　　５’
　　ｉｄｔ　　＝　　ｉ−ｔ　　・・・（２）の２式よ
り、ｖ＝ｉＬ／ｑ　　・・・・・・・・（３）で表され
る。なお、Ｑは圧電素子５０に蓄えられる電荷である。

これは、一定電流１で駆動すると、時間りを可変（制御
）すれば、圧電素子５０の素子印加電圧Ｖを制御できる
ことを示している。

なお、上記をグラフ化すると、第１１図の如くなる。

また、第１２図に、本実施例にかかる圧電アクチュエー
タＡの適用例を示しており、湯水混合装置りに、かかる
圧電アクチュエータＡを応用した例である。

第１２図において、１０は円筒状の箱体をなすケーシン
グであり、同ケーシング１０は、その−側倒壁に、二つ
の一例流路１３．１４を形成している。

そして、−側流路１３．１４は湯水混合栓の給水流路及
び給湯流路として機能するものであり、その外側開口端
は、それぞれ給水配管１５と給湯配管１６と連通してい
る。

一方、−側流路１３．１４の内側開口端は、それぞれケ
ーシング１０の両端に形成した隔壁１７．１８と連通し
ている。

また、ケーシング１０の他側側壁には、両端開口のＴ字
状の他側流路２０が形成されている。

そして、かかる他側流路２０は、湯水混合栓の混合水流
路として機能するものであり、その外側開口端は、混合
水配管２１と連通しており、一方、その内側二股開口端
は隔壁１７．１８と連通している。

さらに、Ｔ字状筒体１９の内側二股開口部には、それぞ
れ便座２２．２３が設けられており、同便座２２２３に
は、ケーシング１０内を軸栓方向に進退して便座２２．
２３と接離し、内側二股状開口端を開閉するダイアフラ
ム弁からなる弁体２４，２５が配設されている。

さらに、ケーシング１０の両端には、それぞれ圧Ｍ７ク
チユエータＡが取付けられている。

そして、各圧電アクチュエータＡは、そのプランジャｄ
の先端を弁体２４．２５の後部と当接目在となし、弁体
２４．２５を開閉自在としている。

なお、第１２図において、Ｓは他側流路２０内に設けた
温度センサであり、混合水の温度を検出し、検出値を第
２図に示すような制御装置Ｃにフィードバンクして、制
御装置Ｃに検出値に基づいて自動開閉弁りの両アクチュ
エータＡをＰＩＤ制御等によって作動させ、適温制御を
行うものである。

そして、かかる適温制御において、圧電素子ｇに印加さ
れる電圧を可変とすることによって距離分解能を高め、
制御■応答性を著しく向上することができる。

また、第１３図に他の実施例を示しており、本実施例は
、上記した圧電アクチュエータＡを小水弁に適用した場
合を示しており、図中、４０は流入口、４１は流出口、
４２はダイヤフラム弁、４３はパイロット孔４３ａを具
備するパイロット弁座、４４はオリフィス、４５はプラ
ンジャ４６の復座用スプリングを示そして、同スプリン
グ４５により、停電等で制御機能が失われた時、クラン
プ用の圧電素子ｅ、ｒへの印加電圧が消滅するので、復
座用スプリング４５で自動的に閉弁することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る圧電アクチュエータの断面側面
図、第２図は制御装置の概念的構成説明図、第３図〜第
６図は圧電アクチュエータの作動状態説明図、第７図及
び第８図は本発明に係る圧電アクチュエータのパルス状
駆動電圧の電圧波形と変位を示す説明図、第９図は電圧
調整部の具体例の説明図、第１Ｏ図は電圧調整手段の他
の実施例を示す説明図、第１１図は同実施例によって得
られる電圧波形を示すグラフ、第１２図は圧電アクチュ
エータを具備する湯水混合装置の全体構成図、第１３図
は圧電アクチュエータを具備する小水弁の全体構成説明
図、第１４図及び第１５図は従来の圧電アクチュエータ
のパルス状駆動電圧の電圧波形と変位を示す説明図であ
る。 図中、 Ａ）：圧電アクチュエータ Ｃ）：制御装置 Ｄ）：湯水混合装置 Ｅ）：電源駆動回路 り、）：駆動回路 り、）：駆動回路 り、）：駆動回路 Ｇ）：電圧調整手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．パルス状駆動電圧を圧電素子に印加して、同圧電素
   子に伸縮作動を繰り返させ、プランジャを移動させるよ
   うに構成した圧電アクチュエータにおいて、 圧電素子へ印加する電圧をステップ状又は連続的に可変
   となし、圧電素子の単位移動距離を可変としたことを特
   徴とする圧電アクチュエータ。