JPH01203771A - 自動切替弁 - 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、自動切替弁に関するものである。

（ロ）　従来の技術 従来、水などの流路を形成した管路の分岐点に介在し、
弁体を電気的に駆動して、流体の流動方向を切替えるよ
うにした自動切替弁では、弁体を駆動するのにソレノイ
ドが用いられていた。

（ハ）　発明が解決しようとする問題点しかしながら、
弁体駆動にソレノイドを用いたものでは、流体の流動方
向を切替えることはできるものの、切替えた流体の流量
を調整することはできず、また、弁体の切替作動が急激
に行われるなめ、異音が発生したり、甚しい場合はウォ
ーターハンマー現象が惹起して管路の接手部分を損傷さ
せるなどの欠点がある。

（ニ）　問題点を解決するための手段 本発明では、管路の分岐点に介在して、弁体の作動によ
り流体の吐出管路を切替えるようにした自動切替弁にお
いて、弁体を、電気的に駆動される微小距離無段階駆動
式アクチュエータにより連接駆動してなる自動切替弁を
提供するものである。

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、ステッピングリニャモ−タ、圧電リニヤモー
タ、超音波リニアモータ、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
回転ねじどの組み合わせ等をいう。

（ホ）　作用・効果 本発明によれば、自動切替弁の弁体を、微小距離無段階
駆動式アクチュエータにて駆動するようにしているので
、同アクチュエータと弁体とを直接連接することが可能
である。

従って、同アクチュエータの作動量を制御することで、
流路切替と流量調整の両方を行うことができ、更に同ア
クチュエータの作動速度を制御して、弁体の開閉を静粛
に行わせ、異音及びウォーターハンマー等の発生を防止
することができる。

また、弁体と同アクチュエータとを直結することができ
ることから、構造が簡単となり、同アクチュエータから
弁体への作動伝達の途中にガタ等が介在する余地がなく
、微小距離無段階駆動式アクチュエータの精密な作動量
制御を弁体に正確に伝達することができ、従って、精密
な流量調整を行うことが可能である。

（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図は、湯水混合弁（Ａ）の下流側に自動切替弁（Ｂ
）を設けて、湯水混合弁（Ａ）で温度調整された湯水の
流出方向を自動切替弁（Ｂ）で切替えるようにした湯水
混合装置の構成を示している。

湯水混合弁（Ａ）は、水側管路（１）と湯側管路（２）
との合流点に設けられており、湯側管路（２）側と湯水
管路（３）側に湯水弁座（４）（４°）を設け、水側管
路（１）と湯側管路（２）間に設けた仕切壁（５）に略
円筒形状の弁体（６）を摺動自在に貫入して、同弁体（
６）の上下摺動により、湯側及び水側弁座（４）（４°
）の開度を調整して、湯水管路（３）から吐出される混
合湯水の温度を調整するように構成しており、湯水管路
（３）に設けた温度センサ（７）で混合湯水の温度を検
出し、第６図で示す制御装置（Ｃ）を介して弁体（６）
と連結した微小距離無段階駆動式アクチュエータ（Ｄ）
の作動を制御して湯水管路（３）から吐出される混合湯
水の温度を予め設定した温度に保持するように構成され
ている。

なお、図中（８）は、弁体（６）の復座用スプリングで
あり、停電等により上記アクチュエータ（Ｄ）のプラン
ジャ（９）の拘束力が失われたとき、湯側の弁座（４）
を閉じて高温の混合湯水が吐出される危険を防止するも
のである。

湯水混合弁（Ａ）の下流には、自動切替弁（Ｂ）が設け
られており、量弁（Ｂ）は、湯水混合弁（＾）の湯水管
路（３）と連通した管路（１０）を二叉状に分岐させ、
分岐管路（１１）と分岐管路（１２）中にそれぞれ介設
した弁体（１３）　（１３）と、各弁体（１３）（１３
）を作動させるための一個の微小距離無段階駆動式アク
チュエータ（Ｄｏ）によって構成されている。

各弁体（１３）（１３）は、上記アクチュエータ（Ｄｏ
）を中心として対称に配設されており、分岐管路（１１
）（１２）中に略円筒形状の仕切壁（１５）を突設して
、同仕切壁（１５）の先端縁に主弁座（１６）を形成す
ると共に、流入側の管路内面（１７）に柔軟素材よりな
るダイヤフラム（１８）の外周を水密状態で取付け、同
ダイヤプラム（１８）の中央部を上記主弁座（１６）に
当接させることにより、流入側の管路（１９）と流出側
の管路（２０）との連通を遮断するようにしている。

また、ダイヤフラム（１８）の流入側の管路（１９）に
臨む周縁部には、小径のオリフィス（２１）を穿設して
、流入側の管路（１９ンと、ダイヤプラム（１８）の主
弁座（１６）側とは反対側に形成した圧力室（２２）と
を連通させており、更にダイヤフラム（１８）の中央に
パイロット弁座（２３）とパイロット通路（２４）を設
けて、圧力室（２２）と流出側の管路（２０）とを連通
させ、同弁座（２３）に微小距離無段階駆動式アクチュ
エータ（Ｄ′）と連動連結したパイロット弁体（２５）
の先端面を当接させることで圧力室（２２）と流出側の
管路（２０）との連通を開閉するようにしている。

なお、パイロット弁体（２５）の先端には同弁座（２３
）と当接させるための弾性体を連接している。

特に、上記オリフィス（２１）をパイロット弁座（２３
）及び同通路（２４）よりも小径としており、パイロッ
ト通路（２４）が閉じているときには、圧力室（２２）
の圧力が高まり、ダイヤフラム（１８）を主弁座（１６
）方向に押圧して、弁体（１３）（１３）を閉じ、パイ
ロット通路（２４）が開いているときは、圧力室（２２
）の圧力が低下して流入側の管路（１９）の圧力でダイ
ヤプラム（１８）が主弁座（１６）から離れて弁体（１
３）（１３）を開くように構成している。

上記のように、パイロット弁体（２５０２５）の開閉動
作のみを行えば、流入側の管路（１９）の圧力によって
弁体（１３）　（１３）の開閉動作が行われることにな
り、従って自動切替弁（Ｂ）の開閉作動を制御する微小
距離無段階駆動式アクチュエータ（Ｄｏ）は、パイロッ
ト弁体（２５）（２５）だけを作動させればよく、弁体
を直接駆動するようにしたものに比べ、小出力の同アク
チュエータ（Ｄｏ）で事足りることになる。

なお、図中（ＥＨＥ’）は、微小距離無段階駆動式アク
チュエータ（Ｄ）（Ｄｏ）のゲージング、（２６）は混
合湯水が同アクチュエータ（Ｄ）（Ｄ’）側に浸入する
のを防止する摺動抵抗の小さいＵ字状もしくはＹ字状パ
ツキン、（２７）は湯水混合弁（Ａ）の水側管路（１）
と湯側管路（２）間の漏れを防止するための０リングで
、弁体（６）の自動振動を減衰させるためのフリクショ
ンダンパーを兼ねている。

湯水混合弁（Ａ）に設けた微小距離無段階駆動式アクチ
ュエータ（Ｄ）は、同アクチュエータの一形態をなす圧
電アクチュエータであり、第１図及び第２図で示すよう
に、アクチュエータ（Ｄ）は、前後壁（ａＨｂ）を具備
する筒状のゲージング（Ｅ）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（９）を取付け、さらに
、プランジャ（９）の外周面上に、同心円的に、４個の
圧電素子（ｅ）（ｆ）（ｃ＋）（ｈ）からなる圧電素子
組立体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、圧電素子（ｇ）（ｈ）は
、ケーシング（Ｅ）の中央部に配設されており、前壁（
ａ）に基端を固定した保持具（Ｈ）の先端に固着されて
いる。

また、（ｉＨｊ）はその基端を圧電素子（！１１）（ｈ
）に固着するとともにその先端を前後を（ａＨｂ）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（ｉＨｊ）の先端は、その外周
面に圧電素子（ｅ）（ｆ）を取付けるとともに、その内
周面に、ブレーキシュー（ｋＨｌ）を固着している。

そして、この圧電素子（ｅ）　（ｆ）（ｇ）（ｉ）のう
ち圧電素子（ｅ）（ｆ）は、電源をオンした際に、圧電
素子（ｇＨｈ）は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）は、通電状態では縮んで
、その内径を縮径してプランジャ（９）をクランプする
とともに、通電していない状態では伸びて内径を拡径し
てプランジャ（９）を解除する。一方、圧電素子（Ｑ）
（ｈ）は、通電していない状態ではプランジャ（９）上
を軸線方向に縮んだ状態にあり、通電状態では、プラン
ジャ（９）上を伸び、その軸線方向の全長を長くするこ
とになる。

そして、プランジャ（９）は、かかる４つの圧電素子（
ｅ）（ｆ）（ｇ）（ｈ）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）（ｈ）は、第１図及び第２
図に示すように多数の圧電素子片を１ランジヤ（９）の
軸線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、作動す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ては、ＡＢ
Ｏ３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　）　０３　］系、やＰＬＺＴ　［Ｐｂ　（Ｚｒ、
Ｔｉ）０３コ、ＰＴ　（ＰｂＴｉ　Ｏａ　）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）（ｈ）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（９）の軸芯廻りにラジアル方向に積層して形成す
ることらできる。この場合、電圧の印加方向を９０度変
えることになる。

なお、上記構成において、圧電素子（ｅ）　（ｆ）（Ｑ
）（ｈ）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（９）は、ブレーキシュー（ｋ）（１
）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、
例えばミ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（Ｄ）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（「）と、入出力インターフェース（Ｓ）（ｔ）と、
湯水混合弁（Ａ）と自動切替弁（Ｂ）の制御プログラム
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（Ｓ）には、混合湯水の温度設定器（５０）、
温度センサ（７）、分岐管路開銀（５１）（５２）、両
分岐管路閉釦（５３）が接続し、出力インターフェース
（１）には、湯水混合弁（Ａ）と自動切替弁（８）の微
小距離無段階駆動式アクチュエータ（０）（Ｄｏ）とが
接続しており、上記プログラムに従って、混合湯水の温
度調整には湯水混合弁（＾）のアクチュエータ（Ｄ）を
、混合湯水の流出方向の切替及び流動調整には自動切替
弁（Ｂ）のアクチュエータ（Ｄｏ）を作動させるように
している。

ついで、アクチュエータ（［））（Ｄ′）のグランジャ
（９）（３０）の移動について、第７図〜第９図を参照
して説明する。

第６図に示す温度センサ（７）の検出値と温度設定器に
よる設定温度との間に差異を生じたとき、又は、分岐管
路間！０　（５１）（５２）のいずれかが押されたとき
、制御装置（Ｃ）がメモリ（ｔｌ）から読み出した駆動
順序プログラムに従って、駆動パルスを発生し、第７図
に示すように、圧電素子（ｅ）に電圧を印加して同圧電
素子（ｅ）の内径を縮径することにより、グランジャ（
９）をクランプさせるとともに、圧電素子（ｆ）の電圧
の印加を解除して同圧電素子（ｆ）の内径を拡径するこ
とにより、プランジャ（９）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（ｇ）（ｈ）に電
圧を印加して伸ばすと、圧電素子（（＋）（ｈ）が矢印
方向に移動し、これにともなって圧電素子（８）がクラ
ンプするプランジャ（９）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（８）の印加電
圧を解除して同圧電素子（１３）の内径を拡径すること
により、プランジャ（９）のクランプを解除し、圧電素
子（ｆ）に電圧を印加して同圧＠素子（ｆ）の内径を縮
径することによりプランジャ（９）をクランプすると共
に、圧電素子（ａ）（ｈ）の印加電圧を解除する・と、
圧電素子（ｇ）（ｈ）は矢印方向に縮み、プランジャ（
・９）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、１ランジヤ（
９）を、μｍオーダ或いはサブ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、各種装置や機械等
を精密に動作させることができる。

自動切替弁！幻に設けた微小距離無段階駆動式アクチュ
エータ（Ｄｏ）は、前記の湯水混合弁（Ａ）の同アクチ
ュエータ（０）とプランジャ部分が異なるだけで他は全
く同一の構成であり、自動切替弁（８）のプランジャ（
３０）は、略円筒形状に形成され、内部の両端にそれぞ
れパイロット弁体（２５）（２５）の基端拡径部（２５
ａ）（２５ａ）を収納し、各基端拡径部（２５ａＨ２５
ａ）の間に拡張方向の付勢力を有するコイルスプリング
（３１）を介装して各パイロット弁体（２５）（２５）
を前記のパイロット弁座（２３）（２３）方向に付勢し
て、上記アクチュエータ（Ｄｏ）に通電していないとき
、各弁座（２３）（２３）を両方とも閉鎖させている。

またプランジャ（３０）の両端部内周面に停止用内側フ
ランジ（３２）（３２）を設けて、各パイロット弁体（
２５）（２５）の基端拡径部（２５ａ）（２５ａ）から
外側方向に延出したプランジャ（３０）よりも小径とし
たバルブステムを挿通させており、プランジャ（３０）
を左右いずれか一方向に作動させたとき、この作動方向
のパイロット弁座（２３）は閉じたままで、作動方向と
反対側のパイロット弁座（２３）は、上記係止用内側フ
ランジ（３２）と基端拡径部（２５ａ）との当接によリ
、パイロット弁体（２５）が同弁座（２３）から離隔し
て、弁体（１３）を開かせることができる。

この弁体（１３）の作動は、前述したように圧力室（２
２）の圧力によってダイヤフラム（１８）を作動させて
行われるのであるが、パイロット弁体（２５）（２５）
を、全開と全閉の中間に位置させた場合、ダイヤフラム
（１８）に設けたパイロット弁座（２３）が同弁体（２
５）に近接（離隔）すると、同弁座（２３）の開度が小
（大）となって抵抗が増加（減少）するなめに、オリフ
ィス（２１）から流入する混合湯水により圧力室（２２
）の圧力が高（低）くなり、ダイヤフラム（１８）への
押圧力が大（小）となり、パイロット弁体（２５）と同
弁座（２３）とを離隔（近接）させるように作動する。

つまり、弁体（１３）の開閉作動、すなわちダイヤフラ
ム（１８）に設けたパイロット弁座（２３）の開閉作動
の因果関係中に、微小距離無段階駆動式アクチュエータ
（Ｄｏ）と連動したパイロット弁体（２５）の位置と関
係した圧力室（２２）中の圧力変動を介して流体的なネ
ガチブフィードバックループが形成されることになり、
ダイヤフラム（１８）は、オリフィス（２１）から圧力
室（２２）に流入する流体の量と、パイロット弁座（２
３）から圧力室（２２）外に流出する流体の量が等しく
なる位置で釣合い、その位置を保持することになる。

上記のパイロット弁体（２５）の位置は、微小距離無段
階駆動式アクチュエータ（Ｄｏ）で、弁体（１３）の全
開と全閉位置の中間の任意の位置に設定することがはき
、同設定位置を目標として、ダイヤフラム（１８）の位
置すなわち弁体（１３）の開度を決定することができる
ことから、上記アクチュエータ（Ｄｏ）を制御して弁体
（１３）に流量調整を行わせることが可能である。

従って、管路（１０）に流量センサ（１００）を設けて
、同センサ（１００）の出力を制御装置（Ｃ）に入力し
て、混合湯水の吐出量を自動制御することができる。

また、上記作動に際し、パイロット弁体（２５）はダイ
ヤプラム（１８）の目標位置を設定するだけであるので
同弁体（２５）の作動に要する上記アクチュエータ（Ｄ
ｏ）の出力が極めて小さくてすむ。

また、本実施例において、プランジャ（９）　（３０）
は、その先端に縮径先端部が形成又は連接されており、
同先端部（ｑ）、パイロット弁体（２５０２５）の端面
面積（受圧面積）を、プランジャ（９）（３０）の断面
積より著しく小さいものとしている。

従って、後述するように弁等に用いた場合、受圧面積を
著しく小さくできるので、プランジャ（９）（３０）が
受けるスラスト力を最小にして、プランジャ・（９）　
（３０）の駆動へのスラスト力の影響を最小にすること
ができ、プランジャ（９）　（３０）の正確な駆動が可
能となる。

また、プランジャ（９）　（３０）の段部を、プランジ
ャ（９）　（３０）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
後壁等の後面と当接するようにしておけば、プランジャ
（９）　（３０）のそれ以上の前進を規制でき、過度の
前進に起因する開閉弁のダイヤフラム等の損傷を確実に
防止することができる。

また、プランジャ（９）（３０）の作動量が同アクチュ
エータ（Ｄ）（Ｄ’）に印加された駆動パルス数に比例
することから、オープンエンドの制御回路で事足り、同
装置（Ｃ）の構造を簡単にすることができる。

上記のように自動切替弁（８）の弁体（１３）　（１３
）の一部をなすパイロット弁体（２５）（２５）を微小
距離無段階駆動式アクチュエータ（Ｄｏ）により連接駆
動させたことにより、混合湯水の吐出方向の切替えばか
りでなく、吐出混合湯水の流量調整をも行うことができ
るようになり、また、弁体（１３）の開閉動作を緩速に
してウォーターハンマー及び異音発生を防止すると共に
、同左（Ｂ）の切替えに要する制御出力を小さくして、
制御装置（Ｃ）を小容量・小形化することができ、また
、停電等により制御装置（Ｃ）が制御機能を失った際は
、プランジャ（３０）がフリーとなり、両方の分岐管路
（ＩＴ）（１２）を閉鎖して混合湯水の吐出を自動的に
停止させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による自動切替弁を具備した湯水混合
装置の全体構成図。 第２図〜第５図は、圧電素子の側面図。 第６図は、制御装置の構成を示すブロック図。 第７図〜第９図は、微小距離無段階駆動式アクチュエー
タの作動説明図。 （Ｂ）：自動切替弁 （Ｄ’）：ａ＆小距離無段階駆動式アクチュエータ（１
３）　：弁体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）管路の分岐点に介在して、弁体（１３）の作動によ
   り流体の吐出管路を切替えるようにした自動切替弁（Ｂ
   ）において、弁体（１３）を、電気的に駆動される微小
   距離無段階駆動式アクチュエータ（Ｄ′）により連接駆
   動してなる自動切替弁。