調節水流的自動操作閥及裝有該閥的龍頭的制作方法

專利名稱：調節水流的自動操作閥及裝有該閥的龍頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及調節水流的自動操作閥和裝有該閥的龍頭。
普通的自動操作閥大體上包括幾種由電磁驅動器控制的閥和幾種由操縱電機控制的閥。
根據從傳感器或控制開關得到的主控信號或驅動輸出信號，這種閥的閥體由電磁驅動器或操縱電機操縱朝向或離開閥座移動，以便自動關閉或打開該閥。
然而，普通操作閥的致動器是由電磁驅動器或操縱電機構成的，以致由這種普通致動器操縱的閥體運動不能獲得高分辨率。由此，雖然能實現該閥的簡單啟閉，但該閥不能精確地控制水流。
尤其是對于產生所需溫度的水的混合閥，這樣的自動操作閥的應用幾乎是不可能的，或者是極其困難的，因為這需要對閥體的運動十分細微地調節以混合冷熱水并得到所需溫度的水。
因此，本發明的一個目的是提供一種自動操作閥，該閥通過使用作為閥的驅動裝置的壓電致動器可以克服普通閥的上述缺點，在該閥中，壓電致動器可以細微地調節閥的開啟程度和角度，這樣水流可被精確地調節。
本發明的另一個目的是提供一種裝有壓電致動器的混合閥，該閥能細微和精確地調節冷熱水的混合比例以產生所需水溫的水。
本發明還有一個目的是提供一種裝有壓電致動器的自動操作閥，該閥能以緊湊的方式裝配并且能快速簡便地裝在任何地方。
本發明進一步的目的是提供一種裝有壓電致動器的自動操作閥，該閥在諸如動力失效或斷電的緊急情況下，通過自動或手動使閥體朝閥座移動，可全部關閉該閥，這樣，能防止水的泄漏以利于節水。
本發明的進一步的目的是提供一種裝有壓電致動器的自動操作閥，該閥在阻水工況下，通過利用彈簧壓力和釋放夾緊壓電元件，能自動地移動閥體使該閥完全關閉，這樣能防止水的泄漏以利于節水。
本發明進一步的目的是提供一種裝有壓電致動器的自動操作閥，在該閥中，芯棒前尖端形成為該芯棒的分離件并且由彈簧偏壓以給閥體施加偏壓力，這樣，既使在水流通道內產生沖擊水壓時，僅芯棒的前尖端向后移動，而壓電元件相對于芯棒的位置保持不變，由此，能在整個水流調節操作過程中實現水流的細微調節。
本發明進一步的目的是提供裝有壓電致動器的自動操作閥，在該閥中，芯棒前尖端被擠壓成有一個小于芯棒其余部分的直徑，這樣，芯棒尖端受的水壓能被減至最小并通過壓電元件的推動芯棒能被準確地伸出或收縮以實現水流的細微調節。
本發明進一步的目的是提供一種龍頭，在其內緊湊地裝有帶壓電致動器的混合閥，以便該龍頭能被緊湊地裝在盥洗室的任何部分，從而使盥洗室其余空間能被有效地利用。
總之，本發明公開了一種調節水流的自動操作閥。該閥包括一個殼體、一條在該殼體一側形成的入流通道、一條在該殼體另一側形成的出流通道、在連接入流通道和出流通道的連接通道內形成的閥座、可伸縮地裝在閥座上的閥體和用來使閥體朝向和離開閥座移動的壓電致動器。
本發明還公開了一種混合閥，該閥用于冷水與熱水混合以產生所需水溫的水。該混合閥包括一個殼體、一條在該殼體一側形成的冷水入流通道和熱水入流通道、一條在該殼體另一側形成的混合出流通道、一個在連接通道內形成的閥座(該連接通道連接入流通道和出流通道)、可伸縮地裝在閥座上的閥體和用于使閥體朝向和離開閥座移動的壓電致動器。
本發明還公開了一種在其一端裝有上述混合閥的龍頭。該龍頭能實現對龍頭放水口流出的水進行細微流量控制和精確的水溫控制。
下面結合附圖對本發明進行詳細地說明。


圖1是本發明帶有單個閥體結構的第一實施例的調節水流的自動操作閥的剖視圖;
圖2和圖3是沿圖1Ⅰ-Ⅰ剖切線和Ⅱ-Ⅱ剖切線剖開的上述閥的剖視圖;
圖4和圖5是用于這一實施例的閥的壓電元件的改型的剖視圖;
圖6是用于這一實施例的閥的控制裝置的方框圖;
圖7至圖9是表示壓電致動器工作方式的說明視圖;
圖10是表示各個壓電元件電壓施加方式的時間曲線圖;
圖11是裝有兩個閥體結構的本發明第一實施例的調節水流的自動操作閥的剖視圖;
圖12是上述閥的放大局部視圖;
圖13是用于雙閥體結構的閥的控制裝置的方框圖;
圖14是表示上述閥被用作為混合冷熱水的混合閥時的基本操作順序的流程圖;
圖15是第一實施例的第一種改型的自動操作閥的剖視圖;
圖16是第一實施例的第一種改型的又一改進的自動操作閥的剖視圖;
圖17是第一實施例的第二種改型的自動操作閥的剖視圖;
圖18是用于該閥第三種改型的控制裝置的方框圖;
圖18A是表示用來檢測斷路或斷電的操作程序的流程圖;
圖19是第一實施例的第三和第四種改型的自動操作閥的剖視圖;
圖20是表示檢測斷路或斷電的另一個操作程序的流程圖;
圖21是帶阻水功能和用于自動操作閥第一實施例的第五種改型的控制裝置的方框圖;
圖22是裝有本發明的第二實施例的龍頭的盥洗室的透視圖，在該龍頭內使用了用于控制水流的自動操作閥;
圖23是表示龍頭內部結構的龍頭的剖視圖;
圖24是沿圖23Ⅲ-Ⅲ剖切線剖開的上述自動操作閥的剖視圖;
圖25是自圖23的線Ⅳ-Ⅳ方向看的上述自動操作閥的側視圖;
圖26是這一實施例的一種改型的龍頭的解釋性視圖;
圖27是龍頭控制裝置的方框圖;
圖28是裝有用來控制水流的自動操作閥的本發明第三實施例的自動供水系統的剖視圖;
圖29是用于自動供水系統的控制裝置的方框圖。
下面結合附圖對本發明的調節水流的自動操作閥及裝有該閥的水龍頭進行詳細說明。
第一實施例
圖1表示出有單個閥體結構的調節水流的自動操作閥。標號10表示箱形殼體，殼體10在其一側壁上有兩端開口的L形套筒11。L形套筒11內部構成一個L形入流通道12，入流通道12有一與隔膜操作腔14相連通的內開口12b。
在殼體10另一側壁上有兩端開口的L型套筒15。該套筒15相對隔壁16與上述L形套筒11近乎是對稱的。在L形套筒15內形成出流通道17。通道17有與輔助管道18連通的開口17a和與隔膜操作腔14連通的內開口17b。
在L形套筒15的內開口部分上形成閥座19。隔膜構成的閥體20能與閥座19接觸以關閉出流通道17的內開口17b并且還能自通道17的內開口17b移開。
閥體20有一個使通道17與操作腔14連通的引導孔10a和一個使操作腔14與入流通道12連通的溢流孔10b。
在相鄰于操作腔14的殼體10的部分上，固定一個壓電致動器A。
如圖1所示，壓電致動器A包括一個圓筒形致動器殼體C，該殼體有前壁a和后壁b，在致動器殼體C內同軸地可軸向往復運動地設置有芯棒d和三個壓電元件e，f，g。這些壓電元件圍繞芯棒d的外圓周同軸設置。
在上述結構中，芯棒d有可伸縮地與閥體20的后端面接觸的頂端。三個壓電元件e，f，g構成壓電組件B。這些壓電元件以這樣的方式制成當提供脈沖電壓時它們收縮。
因此，當提供脈沖電壓時，一對夾緊壓電元件e，f收縮夾緊芯棒d，而當不提供電壓時，對芯棒的夾緊被釋放。
當不提供電壓時，沖程壓電元件g沿芯棒處于伸展狀態，而提供電壓時，壓電元件g收縮并縮短整個軸向長度。
通過控制對各個壓電元件e，f，g提供電壓的順序，就可使芯棒d在軸線方向往復運動，這一點下面將要詳細說明。
如圖1和圖2所示，通過同軸組裝或在芯棒d周圍用粘結劑粘結多個同軸薄套形壓電片制成夾緊壓電元件e、f。在夾緊壓電元件e、f中，每個壓電片在其內側和外側有電極。
根據這一結構，當給每一個壓電片提供脈沖電壓時，該壓電片徑向收縮并且由這些壓電片組成的壓電元件e、f最后也都徑向地收縮以便夾緊芯棒d。
如圖1和3所示，通過同軸組裝或在芯棒周圍用粘結劑粘結多個同軸的薄的環形壓電片制成沖程壓電元件g。在該元件g內，每一個壓電片在其內、外圓周上有電極。
根據這一結構，當對壓電片提供脈沖電壓時，壓電片沿芯棒軸向收縮并且由這些壓電片組成的壓電元件g也軸向收縮。
壓電片最好是壓電陶瓷。該壓電陶瓷由ABO3鈣鈦礦型晶體結構的鐵電材料(強電介質)，如PZT〔Pb(Zr，Ti)O3〕，PLZT〔Pb，La(Zr，Ti)O3〕和其它基本組成PZT的三種成份系組成。
在圖1中，標號h表示彈性元件，如圓錐盤形彈簧，它用于偏壓地把壓電元件e，f，g壓向前壁a以便使壓電元件e，f，g形成一個整體組件。
雖然該壓電元件e，f，g具有圓環形，但它們也能以矩形構成或由如圖4和5所示的多個扇形組成。
在圖1中，標號21，22表示具有U形截面或Y形截面的密封件。該密封件用來改善壓電致動器對水的密封性。
因為芯棒d常由壓電元件e，f，g夾緊并受到很大磨損，所以芯棒最好由這樣的桿構成該桿具有低線性膨脹系數、高硬度、高彈性模量、高的抗變形性能、高耐磨性和良好的加工性能。陶瓷制成的桿可用作為芯棒d。
在圖6中表示了用來控制致動器A操作的控制裝置C。控制裝置C包括一個微處理器r、輸入接口s、輸出接口t和存儲器u。存儲器中存儲有用于驅動夾緊壓電元件e，f和沖程壓電元件g的程序。致動器操作按鈕開關v經驅動電路DC連接到輸入接口s而壓電致動器A連接到輸出接口t。
通過驅動電路DC將驅動壓電致動器A的壓電元件e、f、g的電壓從動力源PS供給到壓電元件e、f、g。
下面結合附圖7至10說明調節水流的自動操作閥的操作情況。
當操作者按動裝在控制板W上的致動器控制按鈕開關V(圖6)時，輸出信號傳到控制裝置C。隨著這一輸出信號，控制裝置D從存儲器u調出用于驅動夾緊壓電元件e，f和沖程壓電元件g的程序并按上述程序通過驅動電路DC給壓電元件e，f，g提供脈沖電壓。
如圖7所示，在第一階段，脈沖電壓還未提供給夾緊壓電元件f，這樣芯棒d保持被夾緊狀態。而脈沖電壓提供給夾緊壓電元件e以致使該元件e收縮并使芯棒由夾緊狀態變為放松。
順序地，如圖8所示，脈沖電壓提供給沖程壓電元件g以致使該元件g收縮一段相應于給予元件g的脈沖電壓大小的距離。而由夾緊壓電元件f夾緊的芯棒d也如元件g一樣朝相同的方向移動一段距離。
然后，如圖9所示，脈沖電壓提供給夾緊壓電元件f使壓電元件f收縮解除對芯棒d的夾緊力。提供給沖程壓電元件g的脈沖電壓停止以便使元件g沿箭頭方向伸長。
圖10表示給各個壓電元件e、f、g提供電壓的方式。
上述操作過程可自動重復以使芯棒d如蠕蟲一樣以μm/沖程的數量級朝前或朝后方向移動。因此，閥體20的開度或開啟角度能細微調整以使水流能被精確地調節。
在上述操作過程中，由于閥體20的運動是通過給由多個壓電片組成的夾緊和沖程壓電元件e、f、g提供脈沖電壓來實現的并且每一脈沖芯棒的移動量是如此小，所以閥體20的移動、閥的開度或開啟角度能夠細微調整，這樣流量亦能細微調節。
如上所述，具有單個閥體結構的這一實施例的調節水流的自動操作閥有下列優點。
①因為通過壓電致動器A移動閥體20，所以閥體20能相應于脈沖電壓大小以μm/沖程的數量級向前或向后移動，這樣閥能夠細微地調節水流。
②因為通過壓電致動器A細微地移動閥體20，所以由操縱電機操作的普通閥所必不可少的減速器就沒有必要了，這樣該閥變得緊湊。
③由于閥體20由隔膜制成，所以移動芯棒d推動閥體20所必需的驅動力能減至最小，這樣十分省電。
④由于閥體20是通過壓電致動器A直線移動的，所以由操縱電機控制的普通閥所不可缺少的旋轉運動-直線運動的轉換機構就沒有必要了，這使該閥變得更緊湊。
圖11和12表示具有雙閥體結構的調節水流的自動操作閥。
標號60表示圓筒形殼體。殼體60在其一側壁上有一對兩端開口的套筒61，62。套筒61，62分別形成入流通道63，64。
入流通道63，64分別作為用于獲得所需水溫的水的混合閥中的冷水通道和熱水通道。入流通道63，64有與冷水供應管55和熱水供應管66分別連通的開口63a、64a。入流通道63，64有內開口63b、64b。這兩開口分別與在殼體的端上形成的操作腔67，68相連通。
在殼體另一側壁上有兩端開口的T形套筒69。套筒69在其內形成出流通道70。出流通道70用作為混合閥內的混合水的通道。
出流通道70有與混合水管71連通的開口70a和與操作腔67、68相連通的開口70b、70c。
在T形套筒69的內分叉的開口部分上形成一對閥座72、73。由隔膜制成的一對閥體74、75能與閥座72、73接觸以便關閉開口70b、70c。該對閥體還能收縮脫離閥座72、73以打開出流通道70的開口70b、70c。
閥體74、75有一對使出流通道70和操作腔67、68連通的引導孔74a，75a并且還有一對使操作腔67、68和入流通道63、64連通的溢流孔74b，75b。
在殼體60的兩端分別固定一對壓電致動器A-1，A-1。
如圖11所示，壓電致動器A-1的結構與圖1所示的壓電致動器A基本相同。
圖13表示用于控制壓電致動器A-1、A-1的控制裝置C-1。除下列結構外，控制裝置C-1的結構與圖1所示用于控制單個閥體的閥的壓電致動器A的控制裝置C的結構基本相同。
除致動器控制按鈕開關V外，溫度檢測器80連接到輸入接口S，而用作為分別調節冷熱水流的致動器A-1，A-1連接到輸出接口t。
下面結合圖13所示的流程圖說明操作上述調節水流的自動控制閥以獲得所需水溫的混合水的方法。
在操作的第一階段，通過操作控制板W上的溫度調定鈕預定所需溫度值Ts(1001)。
溫度檢測器80檢測在自動操作閥出流側所產生的混合水的溫度值Tm并把所檢測的溫度值Tm傳遞給控制裝置C-1(1002)。
控制裝置根據溫度Ts和Tm間的差值Δt進行比例積分微分(PID)控制(1003)并且把控制信號傳送給分別用于調節冷熱水流的壓電致動器A-1、A-1的驅動裝置。
因此，閥體74、75可被分別地打開或關閉，并以所需的混合比例混合冷熱水流。
在上述操作過程中，由于通過壓電致動器A-1，A-1控制閥體74，75，脈沖電壓按圖7至8所說明的操作方式順序提供給壓電元件e，f，g。這樣，冷熱水的混合比例可被精確地調整以便得到所需水溫的混合水。
在上述實施例中，雖然調節水流的自動操作閥是作為混合冷熱水的混合閥進行說明的，但是，該調節水流的自動操作閥也可用于其它技術領域，如用作水流方向控制閥。該水流方向控制閥用于經殼體一端的單個入流通道和殼體另一端的多個出流通道把水流從一個方向改變到另一個方向。
如上所述，具有雙閥體結構的調節水流的自動操作閥有下列優點①由于利用壓電致動器A-1、A-1移動閥體74、75，所以閥體74、75能相應于提供給壓電元件g的脈沖電壓的大小以μm/沖程的數量級向前或向后移動。
②由于利用壓電致動器A-1，A-1使閥體74、75微動，這樣由操縱電機控制的普通閥所必需的減速裝置就不是必要的了，由此使該閥緊湊。
③由于閥體74、75由隔膜構成，移動芯棒以推動閥體74、75所必需的驅動力能被減至最小，由此顯著地節省電力。
④由于閥體74、75由壓電致動器A直線地移動，所以就不需要提供常規閥所必備的由電機操縱的旋轉運動-直線運動的轉換機構，從而使該閥結構緊湊。
下面根據附圖15至21說明上述調節水流的自動操作閥的幾種優選的改型。
改型1如圖15所示，在改型1中的用于調節水流的自動操作閥的結構基本上與圖10所示的閥的實施例相同，只是壓電致動器的結構稍有不同。
即，在圖15中，標號K表示一個彈簧存放腔，該腔設置在致動器殼體C的后壁b的外表面處，在腔K中設有一對彈簧支承板1，m，一根壓縮彈簧P裝在兩彈簧支承板1、m之間。
彈簧支承板1與芯棒d整體連接，而彈簧支承板m與螺紋軸O相連，該螺紋軸擰入到附連在后壁b上的輔助壁n中。
由于這種結構，當芯棒d處于放松狀態時，芯棒d被移到一個等待位置，如處于最前端位置，以便利用壓縮彈簧P的偏壓力將閥完全關閉。
壓縮彈簧P的偏壓力可以通過改變彈簧支承板1.m間的距離而容易地進行調整，而上述距離的改變是通過旋轉螺紋軸O來實現的。
示于圖13的用于控制閥的操作的控制裝置C-1同樣可以用于本改型的閥中。
不過，本改型的壓電元件e、f是以和圖11所示實施例中的壓電元件e、f完全相反的方式致動的。
即，當無脈沖電壓供給時，夾緊壓電元件e、f收縮，因此不能向芯棒提供夾緊力;而當供給脈沖電壓時，夾緊壓電元件e、f擴張，從而夾緊芯棒d。
因此，當沒有脈沖電壓提供給任一個夾緊壓電元件e、f時，施加給芯棒d的夾緊力就完全解除，因此借助于壓縮彈簧P的偏壓力將芯棒d推到最前端位置，從而將閥完全關閉。
下面結合附圖15對采用本改型的閥來獲得所需溫度的混合水的操作情況進行說明。
如圖13所示的閥那樣，溫度值Tm輸入到控制裝置C-1中，控制裝置C-1根據溫度Ts和Tm的溫差△t進行PID控制并將操作信號分別傳送到用于調節冷、熱水流的壓電致動器A-2、A-2的驅動器。
因此，閥體74、75相互獨立地打開或關閉，使冷、熱水流以所需的混合比進行混合。
在上霾僮髦校捎詵 4、75由壓電致動器A-2、A-2操縱，并且根據結合圖7-圖9所闡述的操作步驟按順序向壓電元件e、f提供脈沖電壓，因此就可以細微和精確地調節冷、熱水的混合比，從而獲得所需溫度的混合水。
另外，即使當電力意外中斷時，芯棒d也可被釋放并在壓縮彈簧P的偏壓力作用下運動到最前端位置以便將閥完全封閉，從而防止了由于水不斷流出而引起的浪費。
圖16示出了本改型實施例的自動操作閥的一種改進形式，其中壓電致動器A-3、A-3在結構上進行了改進。
在圖16中，構成壓電致動器A-3、A-3的主要部分的壓電元件e、f、g安裝在致動器殼體C中，沖程壓電元件g具有一個中心部分，該部分由一個支承架H和一對支承臂H-1、H-1連接到殼體C的內壁上。
支承臂H-1、H-1的鄰近端與沖程壓電元件g的兩端相連，而夾緊壓電元件e、f具有連接到支承臂H-1、H-1的末端上的鄰近端。
在圖16中，標號q表示設置在支承臂H-1、H-1末端和芯棒d的外表面之間的制動瓦，這種制動瓦q具有充足的摩擦和抗磨力，以便在向壓電元件e、f提供脈沖電壓時夾緊芯棒d。
由于這種結構，使得這種改進形式與圖15所示的閥相比具有下述的附加優點①由于壓電元件e、f、g由支承架H和支承臂H-1、H-1安裝在致動器殼體C中，所以防止了壓電元件和殼體C之間的直接接觸。因此，壓電元件e、f、g能充分地變形，從而大大增加了夾緊壓電元件e、f產生的夾緊力和沖程壓電元件g的運動距離。另外，由于直接施加到致動器殼體C上的夾緊力和沖程力被消除了。所以殼體C可用輕而薄的材料制造，從而使壓電致動器A-3、A-3的結構緊湊、重量輕。
②在這種改進形式中，沖程壓電元件g和夾緊壓電元件e、f都是通過用粘結劑將多個同心圓環形的壓電片圍繞芯棒d進行粘結而制成的，其中每個壓電片的內、外周緣上都帶有電極。因此，能夠容易地進行粘結操作，從而導致壓電致動器A-3、A-3的制造成本下降。此外，還防止了壓電片的脫落。
圖2所示的夾緊壓電元件e、f在壓電片之間產生環向應力，這使得粘結劑的粘結強度下降并發生壓電片脫落現象。
改型2如圖17所示，本改型2的用于調節水流的自動操作閥的結構與圖11所示的實施例的閥基本上是相同的，只是壓電致動器A-4、A-4的結構稍有不同。
即，在此改型中，芯棒d被制成一個空心圓筒形件，并且設置了一個由彈簧P-1偏壓的芯棒頭82。
更具體地說，圓筒形芯棒是同軸地設置在其兩端分別帶有前壁a和后壁b的圓筒形致動器殼體C中的，并能在殼體C中軸向地往復運動。
芯棒d的前端有一圓環形端壁81，其上有一中心開口83，芯棒頭82從該開口中穿過。
芯棒頭82由一小直徑部分82a和一大直徑部分82b組成，其中小直徑部分82a穿過開口83伸向閥體74、75，而大直徑部分82b可滑動地設置在芯棒d中。大直徑部分82b能夠和芯棒d的圓環形端壁81相接觸。
在芯棒d中設置有彈簧P-1，彈簧P-1的兩端分別由芯棒頭82的大直徑部分82b和致動器殼體C的后壁b支承。
由于這種結構，芯棒頭82始終由彈簧P-1向著前方偏壓，并迫使其上的大直徑部分82b與芯棒d的圓環形端壁81相接觸。
下面闡述具有上述結構的芯棒d的操作方式。當芯棒d向前方移動時，由彈簧P-1偏壓到芯棒d的圓環形端壁81上的芯棒頭82也向前移動相同的距離。
另一方面，當芯棒d后退時，芯棒d的圓環形端壁81與芯棒頭82的大直徑部分82b接觸，從而使芯棒頭82和芯棒d一起后退。
另外，當向壓電元件e、f、g提供的脈沖電壓意外中斷時(例如斷電)，夾緊力消失，由于彈簧P-1、P-1的偏壓力的作用而使得芯棒d和芯棒頭82一起向耙貧 因此，閥體74、75與閥座72、73接觸，則閥完全切斷了冷、熱水流，從而防止了由于水不斷流出而造成的浪費。
此外，在芯棒頭82、82隨著由壓電元件驅使的芯棒d一同向前運動到與閥體74、75接觸后，即使芯棒d再向前運動，閥體74、75也僅承受彈簧P-1、P-1的偏壓力，這個力遠小于由沖程壓電元件g所產生的致動力。因此，就可以有效地防止這種沖擊力對閥體74、75的損害。
改型3如圖18所示，本改型的特征在于控制一對壓電致動器A-5A-5操作的控制裝置C-2，裝有一條用于檢測供給連接到壓電致動器A-5、A-5的驅動電路DS的電力的斷電情況的電路POD，使得即使是在斷電的情況下也能使壓電致動器A-5、A-5可靠地致動或操作。
控制裝置C-2的結構與用于控制圖10所示的雙體閥的壓電致動器A-1，A-1的控制裝置C-1基本上是相同的，只是在下述結構上有些差異。
即，在控制裝置C-2中，用于檢測斷電或斷路的電路POD是插入在供電電路90和微處理器r的輸入接口S之間的。另外，控制裝置C-2具有備用電池BB(也可采用備用電容器)，它用于向控制裝置C-2和驅動電路DS供電。當來自電源PS的電力切斷時，電路POD和電池BB開始啟用，使微處理器r和驅動電路DS按照程序繼續運轉，直至閥被完全關閉。
下面更詳細地說明圖18A的操作程序框圖。當電力切斷時(1010)，電路POD和電池BB啟用(1011)，使壓電驅動電路DC運轉以便釋放掉已供到壓電元件e、f、g的電壓(1012)。因此，壓電元件e、f、g的夾緊力釋放(1013)，芯棒d例如在彈簧的作用下向關閉閥的方向運動從而將閥關閉(1014)并阻止水外流(1015)。
在此改型中，夾緊壓電元件e、f被設計成當向它們提供脈沖電壓時它們就夾緊芯棒d。上述電路POD也可適用于壓電致動器A-5、A-5，這兩個壓電致動器都分別帶有夾緊壓電元件e、f，夾緊壓電元件e、f被設計成當不向它們提供脈沖電壓時它們就夾緊芯棒d。
在圖19中，公開了一種帶有壓電致動器A-5，A-5的屬于改型3的調節水流的自動操作閥。這種閥的結構與圖11所示的實施例的閥基本上是相同的，只是壓電致動器A-5、A-5的結構稍有不同。
即，如圖19所示，每個壓電致動器A-5帶有一個手動的芯棒前進機構X，圖中示出的是一種安裝在后壁b的中心部分上的有彈性的手動的芯棒前進按鈕。
當用手指按壓手動的芯棒前進機構X時，芯棒前進機構X向前凸出并與芯棒d的后端面接觸，進而克服由夾緊壓電元件e、f施加在芯棒d上的夾緊力將芯棒d向前推動。
因此，當由于發生意外(如突然斷電)而使處于開通狀態的閥停止操作時，就可以通過按壓手動的芯棒前進機構X將閥完全關閉。
下面結合圖20所示的操作流程框圖說明閥的操作方式。當電力切斷時(1020)，電路POD啟用(1021)，使壓電驅動電路DC工作以便釋放掉已供給到壓電元件e、f、g的電壓(1022)。因此，壓電元件e、f、g被關斷而夾緊壓電元件e、f夾緊芯棒d(1023)。接著，通過按壓手動的芯棒前進機構X將閥完全關閉(1024)(1025)。在上述操作中，電路POD和驅動電路DC也都是由備用電池BB供電的。
當向夾緊壓電元件e、f提供脈沖電壓時，就可以將芯棒安裝在壓電致動器A-5、A-5中。
改型4如圖19所示，這個改型的特征在于、芯棒的頂端有一個小直徑部分q-1，由此使芯棒d上承受水壓的頂端表面積盡可能小。
由于這種結構，在壓電致動器A-5、A-5的整個致動期間，由所調節的水作用在芯棒d上的沖擊力能被減至最小。即，對芯棒d的運動有不利影響的沖擊力(水壓力)能被減至最小，使得壓電致動器的運動能準確地傳遞給芯棒d，從而可以對閥體74、75的運動進行精確的控制。
改型5本改偷奶卣髟謨冢涸詬男 所描述的閥的操作工況中加入了一個阻水工況。
即，如圖21所示，應用于本改型5的閥的控制裝置C-3具有一條阻水工況檢測電路SMD和一個放水按鈕開關91。一個探測人手的手檢測器92和一個阻水按鈕開關93與控制裝置3的輸入接口S相連。
由于這種結構，當按壓放水按鈕開關91時，控制裝置C-3讓電源或驅動電路向壓電致動器A-6，A-6傳送脈沖電壓，以便將閥打開。只要一直保持開關91處于按壓狀態，就不斷地向壓電致動器A-6、A-6提供脈沖電壓;而當開關91復位斷開時，就停止向壓電致動器供給脈沖電壓。
因此，通過設定放水按鈕開關91處于接通位置的時間，就可以調節放水量。
同時，當手檢測器探測到手時，就會放出預定量的水。
另一方面，在按下放水開關91使之接通后，當手檢測器92對手的探測結束或預定時間走完時，控制裝置C-3中的阻水工況檢測電路SMD就檢測到阻水工況并讓控制裝置C-3發出信號，以便釋放掉分別提供給壓電元件e、f、g的電壓。因此，施加到芯棒d上的夾緊力被解除，芯棒d便在彈簧P-1的偏壓力的作用下自動地向前移動從而將閥關閉。
如上所述，在此改型中，由于關閉閥的操作是由彈簧P-1進行的，所以確定將水完全切斷的位置是與控制裝置C-3的操作狀態無關的，因此如果閥的操作順序是以上述的阻水位置作為起始狀態進行編排的話，那么芯棒d對應于控制裝置C-3計數的驅動脈沖數的操作位置就能在每個完全阻水操作位置進行校準。
因此，在阻水操作以后，芯棒d的運動就又能夠由控制裝置C-3準確地控制了。
也就是說，在校準或阻水操作以后，當將所需序數的脈沖電壓(它與閥的關度有關)供給到壓電元件e、f、g時，閥體20就能容易和精確地被移動到一個預定的開閥位置，從而對混合水的溫度進行控制。
根據這個改型，閥體20始終是被向著阻水位置偏壓的，當夾緊力解除時，閥體20便向前移動直至完全關閉閥座19。
因此本改型具有下述優點①壓電致動器是這樣設計和控制的當驅動裝置不向致動器提供驅動電壓時，芯棒d上的夾緊力或閥體20被釋放。因此，可以與閥體和隔膜的位置無關地通過停止向壓電致動器提供電壓而將閥關閉。
②由于施加到閥體74、75的閥座72、73上的力不會超過彈簧P-1的彈性或偏壓力，從而有效地避免了在閥體74、75和閥座72、73或隔膜上施加過大的力或應力，進而可防止這些部件損壞。
③由于完全阻水位置是由彈簧P-1的偏壓力機械地確定的，因此就不需要設置一種檢測閥體到達完全阻水位置的檢測器，同時閥的控制程序也被簡化了。
④由于完全阻止水流的阻水位置是由彈簧P-1的偏壓力機械地確定的，所以完全阻水位置可被設定成初始位置，而由控制裝置C-3計算的閥體的位置可在每個阻水位置校準。因此，在壓電元件e、f、g的致動期間所積累的位置誤差可被校準或消除，這樣就可以準確地控制閥體的位置。
第二實施例本實施例涉及的是一種裝有在第一實施例中所述的那種用于調節水流的自動操作閥的水龍頭F。
在圖22中，示出了一個裝有水龍頭F的臉盆(洗漱池)W。
如圖所示，水龍頭F安裝在臉盆110的后部頂面110a上，臉盆是由洗漱臺111支承的。
圖23和24示出了水龍頭F的內部結構，其中標號120表示水龍頭體，龍頭體120包括一個垂直的基座部分120a和一個傾斜的圓筒形放水部分120b。放水部分120b的下端與垂直的基座部分120a整體相連，其上端相對于垂直的基座部分120a向前傾斜。
在龍頭體120的基座部分120a中，裝有一個冷、熱水混合閥M。
混合閥M的結構(以下還要詳細說明)是這樣的一根冷水供給管121和一條熱水供給管122連到混合閥M的入流側，在混合閥M的出流側連接著出流通道124的開口端124b，同時出流通道124的頂端與放水口123相連。
從圖23可以容易地理解，龍頭體120的傾斜的放水部分120b由隔板140分開，以構成一條出流通道124和一個水密(不透水)空腔N，控制裝置C-4就裝在空腔N的中部。
即，在水密空腔N中，控制裝置C-4和用于向控制裝置C-4傳送控制信號的控制板E、G固定就位。
以這種方式，根據本實施例，由于混合閥M和控制裝置C-4都整體緊湊地裝在龍頭體120中，所以用于安裝水龍頭F的所需空間可被減至最小，而且房間(如衛生間)的空間能被有效地利用，同時用于操縱水龍頭F的所需的電線也容易鋪設。
另外，由于混合閥M是裝在龍頭體120的下端的，故提高了水龍頭F的穩定性。
此外，由于冷、熱水的混合是在龍頭體120的下端進行的，因此在混合閥M和放水口123之間就可以限定一條足夠長的出流通道124，這樣冷、熱水在出流通道124中能充分混合，從而放出所需溫度的水。
盡管混合閥M、控制裝置C-4和控制板E、G可以根據水龍頭F的安裝場所和其它條件而具有任何適宜的結構，但是在此實施例中，它們具有下述的優選結構。
首先說明混合閥M的結構。在圖24中，標號130、131表示一對入流通道，它們形成在龍頭體120的垂直基座部分120a的下端的兩側。
入流通道130、131分別用于冷水供給通道和熱水供給通道，并且它們的下端開口分別與冷水供給通道121和熱水供給通道122相連。
另一方面，入流通道130、131的上端開口分別與一對腔室132、133連通，這對腔室分別成形在龍頭體120的垂直基座部分120a的兩側壁處。
在龍頭體120的垂直基座部分120a的中部，形成了一個T形通道134。
T形通道用于混合閥M的混合通道，它具有一個與出流通道124連通的外側開口134a和一對與上述一對腔室132、133連通的分叉開口。
另外，在T形通道134的分叉開口處，對應地設有一對閥座135、136。一對由隔膜制成的閥體137、138裝在龍頭體120的垂直基座部分120a中，并可沿垂直于基座部分120a的縱軸的水平方向運動，而且閥體137、138能與閥座135、136接觸，以便關閉或打開混合閥M。
在龍頭體120的垂直基座部分120a的兩側壁上，安裝有一對壓電致動器A-7、A-7，如圖24所示。這些壓電致動器A-7、A-7的結構與那些圖18中所示的壓電致動器A-5、A-5基本上是相同的。
即，每個壓電致動器A-7帶有一個手動的芯棒前進機構X，在圖中，該機構X被表示為一個安裝在后壁b的中部的手動的芯棒前進按鈕。
因此，當由于發生意外(例如突然斷電)而使處于開通狀態的用于調節水流的自動操作閥停止操作時，通過按壓手動的芯棒前進機構X就能將閥完全關閉(這一點與先前對第一實施例的改型4的說明是一致的)。
另外，在圖26中，壓電致動器A-7、A-7被表示為壓電致動器A-8、A-8。壓電致動器A-8、A-8的致動情況是這樣的當不向壓電元件e、f、g供給脈沖電壓時，芯棒d不受夾緊力作用，設置在芯棒d的后端和致動器殼體的C的后壁b之間的壓縮彈簧Y始終將芯棒d向著關閉閥的方向偏壓。
由于這種結構，當發生意外事件(如斷電)時，作用在芯棒d上的夾緊力消除且芯棒d被向前推，從而將閥完全關閉。
下面對設置在龍頭體120的放水部分120b中的控制壓電致動器A-7、A-7的控制裝置C-4和向控制裝置C-4傳送控制信號的控制板E、G進行說明。
如圖23所示，一塊具有柔性的印刷電路板150設置在容裝控制裝置的空腔N中，控制裝置C-4安裝在印刷電路板150上。
下面說明控制板E的結構，控制板E基本上包括多個安裝在傾斜的放水部分120b的頂端表面上的觸摸開關。
即，如圖25所示，在設置在放水部分120b的頂端并位于開關安裝區151上方的傾斜壁152上，安裝有多個觸摸開關，其中包括一個動力開關153，一個混合溫度調定開關154和一個混合流量調定開關155。
通過操縱觸摸開關153、154和155，利用控制裝置C-4控制混合閥M操作，就可從放水口123放出所需溫度和所需流量的混合水。
在裝有觸摸開關153、154和155的傾斜壁152上，還粘結有由彈性薄片制成的操作指示板156(如圖23所示)，以便使水龍頭F的使用者通過閱讀板156上的操作指示而能夠準確地操縱觸摸開關153、154和155。
控制板G設置在傾斜的放水部分120b的下部外周壁上并靠近放水口123。控制板G包括一個整體成形在放水部分120b上的檢測器安裝套筒160和一個裝在檢測器安裝套筒160上的手檢測器161。由于這種結構，當使用者將手伸到放水口123的下方時，手檢測器161探測到手后發出檢測信號并將此信號傳送給控制裝置C-4，控制裝置C-4根據此檢測信號向壓電致動器A-7、A-7發出一個控制信號，以便在進行溫度和流量控制的情況開始放水操作。
一種復式聚光檢測器(dual-typelightfocusingsensor)可用作手檢測器161。
在圖23中，標號170表示一個溫度檢測器，檢測器170的檢測元件伸向出流通道124的端部。標號171表示一個防水罩。
根據上述結構，溫度檢測器170檢測混合水的溫度Tm，而控制裝置C-4根據溫度Tm和由溫度調定開關154所預定的溫度Ts之間的溫差進行PID控制，并將控制信號傳送給壓電致動器A-7、A-7的驅動電路。
如圖23所示，一條導線保護套管180伸到控制裝置的容裝空腔N中，多根分別與控制裝置C-4和觸摸開關153、154、155相連的導線在套管180中受到屏蔽和保護。
圖27示出了控制裝置C-4的結構。動力開關153、溫度調定開關154、流量調定開關155、手檢測器161和溫度檢測器170都與輸入接口S相連。一對分別用于調節冷、熱水的壓電致動器A-7、A-7與輸出接口t相連。
下面結合附圖23、24和27對具有上述結構的水龍頭F的操作方式進行說明。
如圖27所示，混合水的溫度和流量是通過操縱溫度調定開關154和流量調定開關155來預訂的。
因此，當使用者將手伸向放水口123時，手檢測器161對手進行檢測并發出檢測信號作為輸出。
根據這個檢測信號，控制裝置C-4從存儲器u中調出壓電元件e、f、g的操作順序程序，并且根據這個程序以及檢測器檢測到的混合水的實際溫度和流量與預定的溫度和流量的偏差進行PID控制，并調節由混合閥M混合的經放水口123流出的混合水的溫度和流量。
在上述操作中，由于壓電致動器的構造，使得芯棒d對應于每一個脈沖或者向前或者向后運動一個幾微米的沖程(就象一條蠕蟲一樣)，從而精確和細微地調節閥體137、138的開度，由此導致對混合水的溫度和流量的精確和細微調節，最終從放水口123獲得所需溫度和流量的混合水。
通過操縱溫度調定開關154或流量調定開關155就可以方便地改變混合水的溫度或流量。
在此實施例中，通過在出流通道124中裝設一個流量檢測器，就可以測得實際流量，控制裝置C-4根據這個流量檢測值就能更有效地調節混合水的流量。
第三實施例本實施例涉及一種自動供水系統。
圖28示出了這種自動供水系統，它基本上包括一個冷、熱水混合閥M1和一個有選擇地改變混合水的流動方向(例如從噴頭到浴盆或與之相反)的流動方向控制閥M2。
下面首先說明混合閥M1的峁埂 在圖28中，標號210表示一個圓筒一箱形殼體，殼體210的兩端對應地裝有一對入流通道211，212。
入流通道211、212分別用作為冷水通道和熱水通道，它們的外開口分別與冷水管213和熱水管214連通，而它們的內開口分別與一對腔室215，216連通。
在殼體210的中部設有一條出流通道217。
出流通道217用作為混合水通道，它的外開口與混合水管218連通，它的內分叉開口通過隔膜219、220分別與腔室215、216連通。
在分叉開口的兩端形成主閥座217a、217a。
在兩主閥座217a、217a之間設置了帶有一個壓電致動器A-9的用于調節水流的自動操作閥，該閥具有如下的結構。
該閥的結構是壓電致動器A-9是根據與壓電致動器A-1相同的原理操作的，只不過芯棒d的兩端分別被用來向作為閥體工作的隔膜219、220施加作用。
這種隔膜219、220能伸縮地與主閥座217a、217a接觸，并且安裝成使它的外周緣水密地附連到一對腔室215、216的內壁215a、216a中。
由于這種結構，當壓電致動器A-9致動時，芯棒209或者向左方或者向右方運動。例如，當芯棒209向左方運動時，與芯棒209左端相連的致動桿209a的頂端與隔膜219的前導開口219b相接觸，而與芯棒209右端相連的致動桿209a的頂端與隔膜220的前導開口220b相接觸或遠離。
因此，利用壓電致動器A-9的致動，從冷水供給管213送來的冷水和從熱水供給管214送來的熱水被混合，混合后的混合水從出流通道217放出。
在圖28中，標號221、221a表示引導孔，這種引導孔的直徑小于前導開口219b、219b的直徑。標號222、222a表示一對壓力腔。
用于有選擇地改變混合水流動方向的流動方向控制閥M2設置在上述混合閥M1的下游，并具有下述結構。
流動方向控制閥M2的結構就從下述幾點來看與混合閥M1是基本相同的。它具有殼體、流動通道和用于調節水流的自動操作閥，該自動操作閥設置在兩主閥座242、242之間并具有一個壓電致動器A-10，壓電致動器A-10的結構與壓電致動器A-9是相同的。但是，在下述幾點上，流動方向控制閥M2與混合閥M1在結構上是有區別的。閥M2的流動通道與閥M1的流動通道是對稱的，并且它的芯棒在結構上與閥M1的芯棒209有顯著的區別。
即，與混合閥M1的混合水管218連通的流動通道240分叉形成一對入流通道240a、240a，一對出流通道241、241a分別與入流通道240a、240a連通。
關于芯棒，芯棒包括一個圓筒形芯棒套251，一對可滑動地設置在芯棒套251兩端的致動桿251a、251a從芯棒套251兩端向外伸出，一個彈簧200S設置在芯棒套251兩端之間，用于向致動桿251a、251a提供偏壓力。由于這種結構，當芯棒在壓電致動器A-10的作用下向左右任一個方向運動時，致動桿251a、251a就會相應地作用在隔膜242、242上。
在圖中，標號250、250表示前導開口，標號247、247表示溢流孔，標號248、248表示壓力腔。
圖29示出了用于控制壓電致動器A-9和A-10的控制裝置C-5。
如圖29所示，控制裝置C-5的結構與控制裝置C-1是相同的。其中，溫度調定開關260、溫度檢測器261、分叉通道選擇開關262和263、分叉通道關閉開關264和流量檢測器265都與輸入接口S相連，而用于調節混合閥M1和流動方向控制閥M2的壓電致動器A-9、A-10則與輸出接口t相連。
在從存儲器u中調出順序操作程序后，起動壓電致動器A-9，以控制混合水的溫度，而起動壓電致動器A-10，則控制混合水的流量以及選擇混合水的流動方向，例如，從噴頭流向浴盆或與之相反。
下面結合圖28和29對壓電致動器A-9、A-10的操作情況作進一步的說明。
如圖28所示，由混合閥M1混合而成并沿混合水管218流動的混合水的溫度由溫度檢測器261檢測，并將檢測到的溫度Tm傳送給控制裝置C-5。
控制裝置C-5根據混合水的檢測溫度Tm與預定溫度Ts之間的差值△T實施PID控制，并起動壓電致動器A-9以便打開或關閉構成閥體的隔膜219、219使之達到預定的開度，同時對流到混合水管218的冷、熱水的流量進行調節，最終在混合水管218中得到具有所需溫度的混合水。
接著，當混合水的檢測溫度Tm與預定溫度Ts間的差值△T超過許可的程度，或者當操縱任一個分叉通道開關262、263時，控制裝置C-5從存儲器u調出順序操作程序，并向驅動電路發出控制信號，使該電路給壓電致動器A-10的壓電元件e、f、g提供脈沖電壓，從而使芯棒套251朝左方或右方運動。
由于芯棒套251的運動，使得隔膜242、243受到作用，從而完全關閉或終止與混合水供給管218連通的混合水管240和兩條出流通道241、241之間的連通，或者關閉或終止混合水管240和任意一條出流通道241、241之間的連通，由此完全中斷混合水的供給，或者僅將混合水供到任意一條出流通道241、241中以改變流動方向。
另外，在此實施例中，由于混合閥M1和流動方向控制閥M2使用隔膜219、220、242、243作為閥體，而且這些隔膜219、220、242、243是由壓電致動器A-9、A-10的芯棒操作的，所以可以利用最小的電力將閥M1、M2打開或關閉，從而節省了能源，同時還能確保對水的溫度和流動方向進行精確和敏捷的控制。
權利要求
1.一種用于調節水流的自動操作閥包括a.一個殼體，其一端具有入流通道系統而另一端具有出流通道系統，所述入流通道系統和出流通道系統由位于所述殼體內構成閥座的地方的連通部分彼此連通，b.可操作地設置在所述殼體中的閥體，它能朝著或遠離所述閥座運動，并能和所述閥座進入接觸以便調節流過所述連通部分的水流，c.用于操作所述閥體的壓電致動器。
2.根據權利要求1的閥，其中所述入流通道系統由多條入流通道構成，而所述出流通道系統僅由一條出流通道構成。
3.根據權利要求1的閥，其中所述入流通道系統僅由一條入流通道構成，而所述出流通道系統由多條出流通道構成。
4.根據權利要求2的閥，其中所述閥是一種用于混合熱水和冷水的混合閥，所述多條入流通道是由一條熱水供給通道和一條冷水供給通道構成的，而所述出流通道是由一條混合水通道構成的。
5.根據權利要求1至4中的一個的閥，其中壓電致動器包括a.一個圓筒形的致動器殼體，b.一根設置在上述殼體中并位于該殼體的軸線上的芯棒，所述芯棒能沿軸向運動，c.圍繞所述芯棒設置的一對夾緊壓電元件，所述一對夾緊壓電元件沿軸向彼此間隔設置，d.一個沖程壓電元件，它在所述一對夾緊壓電元件之間圍繞所述芯棒設置，e.一個控制裝置，它可以根據存儲在所述控制裝置的存儲器中的順序操作程序，向或從所述夾緊壓電元件和沖程壓電元件提供和/或釋放脈沖電壓。
6.根據權利要求5的閥，其中在所述控制裝置上連接著一條用于檢測從電源輸向所述壓電致動器的驅動電路的電力的斷路情況的電路。
7.根據權利要求6的閥，其中所述的控制裝置具有一個備用電池或電容器，它們用于當發生電力斷路時向所述控制裝置和所述驅動電路供給電力。
8.根據權利要求5的閥，其中所述的壓電致動器還包括彈簧機構，當夾緊壓電元件所產生的夾緊力消除時，該彈簧機構能將所述的芯棒推回到其初始位置。
9.根據權利要求5的閥，其中所述芯棒包括a.一個空心的圓筒形芯棒體，其一端壁上有一開口，b.一個芯棒頭，它具有一個可滑動地設置在所述圓筒形芯棒體中的大直徑部分和一個朝著所述閥體從所述開口中伸出的小直徑部分，c.設置在所述圓筒形芯棒體中的彈簧機構，該彈簧機構的一端與所述芯棒頭相接觸，另一端與所述致動器殼體的后壁相接觸。
10.根據權利要求5的閥，其中所述致動器殼體還帶有能夠手動地沿軸向推動所述芯棒的手動的芯棒前進機構。
11.根據權利要求10的閥，其中手動的芯棒前進機構是由彈性體制成的，其前端可伸縮地和所述芯棒的后端相接觸。
12.根據權利要求5的閥，其中所述的芯棒的頂端帶有一個小直徑部分。
13.根據權利要求5的閥，其中所述的壓電致動器還包括始終沿關閉所述閥體的方向施加偏壓力的彈性機構，所述控制裝置包括一條用于解除所述夾緊壓電元件產生的夾緊力的阻水工況檢測電路。
14.根據權利要求1至13之一的閥，其中所述閥體是由隔膜構成的。
15.一種水龍頭，包括a.一個龍頭體，其頂端帶有放水口。b.一個裝在所述龍頭體尾端的如權利要求1所限定的自動操作閥。
16.根據權利要求15的水龍頭，其中所述龍頭體內設有一條出流通道，沿著所述出流通道裝設有用于控制所述閥操作的控制裝置。
17.根據權利要求15或16的水龍頭，其中所述閥體是由隔膜構成的。
18.一種自動操作的供水系統，包括一個用于混合冷、熱水的混合閥和一個流動方向控制閥，所述混合閥和所述流動方向控制閥都分別具有由壓電致動器致動的閥體。
19.根據權利要求18的供水系統，其中所述閥體由隔膜構成。
全文摘要
所公開的是用于調節水流的自動操作閥，尤其是用于自動混合冷、熱水以獲得所需溫度的混合水的混合閥。此閥的特征是利用壓電致動器操縱閥體。由于這種結構，使得閥不僅能充分地關閉或打開，而且能通過調節閥體的開度或開啟角度來進行細微的流量控制。特別是用作混合閥時，能夠精確地調節冷、熱水的混合比，從而能始終獲得所需溫度的混合水。
文檔編號G05D11/16GK1032847SQ8810699
公開日1989年5月10日 申請日期1988年9月29日 優先權日1987年9月30日
發明者筒中修, 原賀久人, 有田欽也, 牧田厚雄, 竹內博文, 塚田良一 申請人:東陶機器株式會社