专利名称：调节水流的自动操作阀及装有该阀的龙头的制作方法
技术领域：
本发明涉及调节水流的自动操作阀和装有该阀的龙头。
普通的自动操作阀大体上包括几种由电磁驱动器控制的阀和几种由操纵电机控制的阀。
根据从传感器或控制开关得到的主控信号或驱动输出信号，这种阀的阀体由电磁驱动器或操纵电机操纵朝向或离开阀座移动，以便自动关闭或打开该阀。
然而，普通操作阀的致动器是由电磁驱动器或操纵电机构成的，以致由这种普通致动器操纵的阀体运动不能获得高分辨率。由此，虽然能实现该阀的简单启闭，但该阀不能精确地控制水流。
尤其是对于产生所需温度的水的混合阀，这样的自动操作阀的应用几乎是不可能的，或者是极其困难的，因为这需要对阀体的运动十分细微地调节以混合冷热水并得到所需温度的水。
因此，本发明的一个目的是提供一种自动操作阀，该阀通过使用作为阀的驱动装置的压电致动器可以克服普通阀的上述缺点，在该阀中，压电致动器可以细微地调节阀的开启程度和角度，这样水流可被精确地调节。
本发明的另一个目的是提供一种装有压电致动器的混合阀，该阀能细微和精确地调节冷热水的混合比例以产生所需水温的水。
本发明还有一个目的是提供一种装有压电致动器的自动操作阀，该阀能以紧凑的方式装配并且能快速简便地装在任何地方。
本发明进一步的目的是提供一种装有压电致动器的自动操作阀，该阀在诸如动力失效或断电的紧急情况下，通过自动或手动使阀体朝阀座移动，可全部关闭该阀，这样，能防止水的泄漏以利于节水。
本发明的进一步的目的是提供一种装有压电致动器的自动操作阀，该阀在阻水工况下，通过利用弹簧压力和释放夹紧压电元件，能自动地移动阀体使该阀完全关闭，这样能防止水的泄漏以利于节水。
本发明进一步的目的是提供一种装有压电致动器的自动操作阀，在该阀中，芯棒前尖端形成为该芯棒的分离件并且由弹簧偏压以给阀体施加偏压力，这样，既使在水流通道内产生冲击水压时，仅芯棒的前尖端向后移动，而压电元件相对于芯棒的位置保持不变，由此，能在整个水流调节操作过程中实现水流的细微调节。
本发明进一步的目的是提供装有压电致动器的自动操作阀，在该阀中，芯棒前尖端被挤压成有一个小于芯棒其余部分的直径，这样，芯棒尖端受的水压能被减至最小并通过压电元件的推动芯棒能被准确地伸出或收缩以实现水流的细微调节。
本发明进一步的目的是提供一种龙头，在其内紧凑地装有带压电致动器的混合阀，以便该龙头能被紧凑地装在盥洗室的任何部分，从而使盥洗室其余空间能被有效地利用。
总之，本发明公开了一种调节水流的自动操作阀。该阀包括一个壳体、一条在该壳体一侧形成的入流通道、一条在该壳体另一侧形成的出流通道、在连接入流通道和出流通道的连接通道内形成的阀座、可伸缩地装在阀座上的阀体和用来使阀体朝向和离开阀座移动的压电致动器。
本发明还公开了一种混合阀，该阀用于冷水与热水混合以产生所需水温的水。该混合阀包括一个壳体、一条在该壳体一侧形成的冷水入流通道和热水入流通道、一条在该壳体另一侧形成的混合出流通道、一个在连接通道内形成的阀座(该连接通道连接入流通道和出流通道)、可伸缩地装在阀座上的阀体和用于使阀体朝向和离开阀座移动的压电致动器。
本发明还公开了一种在其一端装有上述混合阀的龙头。该龙头能实现对龙头放水口流出的水进行细微流量控制和精确的水温控制。
下面结合附图对本发明进行详细地说明。
图1是本发明带有单个阀体结构的第一实施例的调节水流的自动操作阀的剖视图;
图2和图3是沿图1Ⅰ-Ⅰ剖切线和Ⅱ-Ⅱ剖切线剖开的上述阀的剖视图;
图4和图5是用于这一实施例的阀的压电元件的改型的剖视图;
图6是用于这一实施例的阀的控制装置的方框图;
图7至图9是表示压电致动器工作方式的说明视图;
图10是表示各个压电元件电压施加方式的时间曲线图;
图11是装有两个阀体结构的本发明第一实施例的调节水流的自动操作阀的剖视图;
图12是上述阀的放大局部视图;
图13是用于双阀体结构的阀的控制装置的方框图;
图14是表示上述阀被用作为混合冷热水的混合阀时的基本操作顺序的流程图;
图15是第一实施例的第一种改型的自动操作阀的剖视图;
图16是第一实施例的第一种改型的又一改进的自动操作阀的剖视图;
图17是第一实施例的第二种改型的自动操作阀的剖视图;
图18是用于该阀第三种改型的控制装置的方框图;
图18A是表示用来检测断路或断电的操作程序的流程图;
图19是第一实施例的第三和第四种改型的自动操作阀的剖视图;
图20是表示检测断路或断电的另一个操作程序的流程图;
图21是带阻水功能和用于自动操作阀第一实施例的第五种改型的控制装置的方框图;
图22是装有本发明的第二实施例的龙头的盥洗室的透视图，在该龙头内使用了用于控制水流的自动操作阀;
图23是表示龙头内部结构的龙头的剖视图;
图24是沿图23Ⅲ-Ⅲ剖切线剖开的上述自动操作阀的剖视图;
图25是自图23的线Ⅳ-Ⅳ方向看的上述自动操作阀的侧视图;
图26是这一实施例的一种改型的龙头的解释性视图;
图27是龙头控制装置的方框图;
图28是装有用来控制水流的自动操作阀的本发明第三实施例的自动供水系统的剖视图;
图29是用于自动供水系统的控制装置的方框图。
下面结合附图对本发明的调节水流的自动操作阀及装有该阀的水龙头进行详细说明。
第一实施例
图1表示出有单个阀体结构的调节水流的自动操作阀。标号10表示箱形壳体，壳体10在其一侧壁上有两端开口的L形套筒11。L形套筒11内部构成一个L形入流通道12，入流通道12有一与隔膜操作腔14相连通的内开口12b。
在壳体10另一侧壁上有两端开口的L型套筒15。该套筒15相对隔壁16与上述L形套筒11近乎是对称的。在L形套筒15内形成出流通道17。通道17有与辅助管道18连通的开口17a和与隔膜操作腔14连通的内开口17b。
在L形套筒15的内开口部分上形成阀座19。隔膜构成的阀体20能与阀座19接触以关闭出流通道17的内开口17b并且还能自通道17的内开口17b移开。
阀体20有一个使通道17与操作腔14连通的引导孔10a和一个使操作腔14与入流通道12连通的溢流孔10b。
在相邻于操作腔14的壳体10的部分上，固定一个压电致动器A。
如图1所示，压电致动器A包括一个圆筒形致动器壳体C，该壳体有前壁a和后壁b，在致动器壳体C内同轴地可轴向往复运动地设置有芯棒d和三个压电元件e，f，g。这些压电元件围绕芯棒d的外圆周同轴设置。
在上述结构中，芯棒d有可伸缩地与阀体20的后端面接触的顶端。三个压电元件e，f，g构成压电组件B。这些压电元件以这样的方式制成当提供脉冲电压时它们收缩。
因此，当提供脉冲电压时，一对夹紧压电元件e，f收缩夹紧芯棒d，而当不提供电压时，对芯棒的夹紧被释放。
当不提供电压时，冲程压电元件g沿芯棒处于伸展状态，而提供电压时，压电元件g收缩并缩短整个轴向长度。
通过控制对各个压电元件e，f，g提供电压的顺序，就可使芯棒d在轴线方向往复运动，这一点下面将要详细说明。
如图1和图2所示，通过同轴组装或在芯棒d周围用粘结剂粘结多个同轴薄套形压电片制成夹紧压电元件e、f。在夹紧压电元件e、f中，每个压电片在其内侧和外侧有电极。
根据这一结构，当给每一个压电片提供脉冲电压时，该压电片径向收缩并且由这些压电片组成的压电元件e、f最后也都径向地收缩以便夹紧芯棒d。
如图1和3所示，通过同轴组装或在芯棒周围用粘结剂粘结多个同轴的薄的环形压电片制成冲程压电元件g。在该元件g内，每一个压电片在其内、外圆周上有电极。
根据这一结构，当对压电片提供脉冲电压时，压电片沿芯棒轴向收缩并且由这些压电片组成的压电元件g也轴向收缩。
压电片最好是压电陶瓷。该压电陶瓷由ABO3钙钛矿型晶体结构的铁电材料(强电介质)，如PZT〔Pb(Zr，Ti)O3〕，PLZT〔Pb，La(Zr，Ti)O3〕和其它基本组成PZT的三种成份系组成。
在图1中，标号h表示弹性元件，如圆锥盘形弹簧，它用于偏压地把压电元件e，f，g压向前壁a以便使压电元件e，f，g形成一个整体组件。
虽然该压电元件e，f，g具有圆环形，但它们也能以矩形构成或由如图4和5所示的多个扇形组成。
在图1中，标号21，22表示具有U形截面或Y形截面的密封件。该密封件用来改善压电致动器对水的密封性。
因为芯棒d常由压电元件e，f，g夹紧并受到很大磨损，所以芯棒最好由这样的杆构成该杆具有低线性膨胀系数、高硬度、高弹性模量、高的抗变形性能、高耐磨性和良好的加工性能。陶瓷制成的杆可用作为芯棒d。
在图6中表示了用来控制致动器A操作的控制装置C。控制装置C包括一个微处理器r、输入接口s、输出接口t和存储器u。存储器中存储有用于驱动夹紧压电元件e，f和冲程压电元件g的程序。致动器操作按钮开关v经驱动电路DC连接到输入接口s而压电致动器A连接到输出接口t。
通过驱动电路DC将驱动压电致动器A的压电元件e、f、g的电压从动力源PS供给到压电元件e、f、g。
下面结合附图7至10说明调节水流的自动操作阀的操作情况。
当操作者按动装在控制板W上的致动器控制按钮开关V(图6)时，输出信号传到控制装置C。随着这一输出信号，控制装置D从存储器u调出用于驱动夹紧压电元件e，f和冲程压电元件g的程序并按上述程序通过驱动电路DC给压电元件e，f，g提供脉冲电压。
如图7所示，在第一阶段，脉冲电压还未提供给夹紧压电元件f，这样芯棒d保持被夹紧状态。而脉冲电压提供给夹紧压电元件e以致使该元件e收缩并使芯棒由夹紧状态变为放松。
顺序地，如图8所示，脉冲电压提供给冲程压电元件g以致使该元件g收缩一段相应于给予元件g的脉冲电压大小的距离。而由夹紧压电元件f夹紧的芯棒d也如元件g一样朝相同的方向移动一段距离。
然后，如图9所示，脉冲电压提供给夹紧压电元件f使压电元件f收缩解除对芯棒d的夹紧力。提供给冲程压电元件g的脉冲电压停止以便使元件g沿箭头方向伸长。
图10表示给各个压电元件e、f、g提供电压的方式。
上述操作过程可自动重复以使芯棒d如蠕虫一样以μm/冲程的数量级朝前或朝后方向移动。因此，阀体20的开度或开启角度能细微调整以使水流能被精确地调节。
在上述操作过程中，由于阀体20的运动是通过给由多个压电片组成的夹紧和冲程压电元件e、f、g提供脉冲电压来实现的并且每一脉冲芯棒的移动量是如此小，所以阀体20的移动、阀的开度或开启角度能够细微调整，这样流量亦能细微调节。
如上所述，具有单个阀体结构的这一实施例的调节水流的自动操作阀有下列优点。
①因为通过压电致动器A移动阀体20，所以阀体20能相应于脉冲电压大小以μm/冲程的数量级向前或向后移动，这样阀能够细微地调节水流。
②因为通过压电致动器A细微地移动阀体20，所以由操纵电机操作的普通阀所必不可少的减速器就没有必要了，这样该阀变得紧凑。
③由于阀体20由隔膜制成，所以移动芯棒d推动阀体20所必需的驱动力能减至最小，这样十分省电。
④由于阀体20是通过压电致动器A直线移动的，所以由操纵电机控制的普通阀所不可缺少的旋转运动-直线运动的转换机构就没有必要了，这使该阀变得更紧凑。
图11和12表示具有双阀体结构的调节水流的自动操作阀。
标号60表示圆筒形壳体。壳体60在其一侧壁上有一对两端开口的套筒61，62。套筒61，62分别形成入流通道63，64。
入流通道63，64分别作为用于获得所需水温的水的混合阀中的冷水通道和热水通道。入流通道63，64有与冷水供应管55和热水供应管66分别连通的开口63a、64a。入流通道63，64有内开口63b、64b。这两开口分别与在壳体的端上形成的操作腔67，68相连通。
在壳体另一侧壁上有两端开口的T形套筒69。套筒69在其内形成出流通道70。出流通道70用作为混合阀内的混合水的通道。
出流通道70有与混合水管71连通的开口70a和与操作腔67、68相连通的开口70b、70c。
在T形套筒69的内分叉的开口部分上形成一对阀座72、73。由隔膜制成的一对阀体74、75能与阀座72、73接触以便关闭开口70b、70c。该对阀体还能收缩脱离阀座72、73以打开出流通道70的开口70b、70c。
阀体74、75有一对使出流通道70和操作腔67、68连通的引导孔74a，75a并且还有一对使操作腔67、68和入流通道63、64连通的溢流孔74b，75b。
在壳体60的两端分别固定一对压电致动器A-1，A-1。
如图11所示，压电致动器A-1的结构与图1所示的压电致动器A基本相同。
图13表示用于控制压电致动器A-1、A-1的控制装置C-1。除下列结构外，控制装置C-1的结构与图1所示用于控制单个阀体的阀的压电致动器A的控制装置C的结构基本相同。
除致动器控制按钮开关V外，温度检测器80连接到输入接口S，而用作为分别调节冷热水流的致动器A-1，A-1连接到输出接口t。
下面结合图13所示的流程图说明操作上述调节水流的自动控制阀以获得所需水温的混合水的方法。
在操作的第一阶段，通过操作控制板W上的温度调定钮预定所需温度值Ts(1001)。
温度检测器80检测在自动操作阀出流侧所产生的混合水的温度值Tm并把所检测的温度值Tm传递给控制装置C-1(1002)。
控制装置根据温度Ts和Tm间的差值Δt进行比例积分微分(PID)控制(1003)并且把控制信号传送给分别用于调节冷热水流的压电致动器A-1、A-1的驱动装置。
因此，阀体74、75可被分别地打开或关闭，并以所需的混合比例混合冷热水流。
在上述操作过程中，由于通过压电致动器A-1，A-1控制阀体74，75，脉冲电压按图7至8所说明的操作方式顺序提供给压电元件e，f，g。这样，冷热水的混合比例可被精确地调整以便得到所需水温的混合水。
在上述实施例中，虽然调节水流的自动操作阀是作为混合冷热水的混合阀进行说明的，但是，该调节水流的自动操作阀也可用于其它技术领域，如用作水流方向控制阀。该水流方向控制阀用于经壳体一端的单个入流通道和壳体另一端的多个出流通道把水流从一个方向改变到另一个方向。
如上所述，具有双阀体结构的调节水流的自动操作阀有下列优点①由于利用压电致动器A-1、A-1移动阀体74、75，所以阀体74、75能相应于提供给压电元件g的脉冲电压的大小以μm/冲程的数量级向前或向后移动。
②由于利用压电致动器A-1，A-1使阀体74、75微动，这样由操纵电机控制的普通阀所必需的减速装置就不是必要的了，由此使该阀紧凑。
③由于阀体74、75由隔膜构成，移动芯棒以推动阀体74、75所必需的驱动力能被减至最小，由此显著地节省电力。
④由于阀体74、75由压电致动器A直线地移动，所以就不需要提供常规阀所必备的由电机操纵的旋转运动-直线运动的转换机构，从而使该阀结构紧凑。
下面根据附图15至21说明上述调节水流的自动操作阀的几种优选的改型。
改型1如图15所示，在改型1中的用于调节水流的自动操作阀的结构基本上与图10所示的阀的实施例相同，只是压电致动器的结构稍有不同。
即，在图15中，标号K表示一个弹簧存放腔，该腔设置在致动器壳体C的后壁b的外表面处，在腔K中设有一对弹簧支承板1，m，一根压缩弹簧P装在两弹簧支承板1、m之间。
弹簧支承板1与芯棒d整体连接，而弹簧支承板m与螺纹轴O相连，该螺纹轴拧入到附连在后壁b上的辅助壁n中。
由于这种结构，当芯棒d处于放松状态时，芯棒d被移到一个等待位置，如处于最前端位置，以便利用压缩弹簧P的偏压力将阀完全关闭。
压缩弹簧P的偏压力可以通过改变弹簧支承板1.m间的距离而容易地进行调整，而上述距离的改变是通过旋转螺纹轴O来实现的。
示于图13的用于控制阀的操作的控制装置C-1同样可以用于本改型的阀中。
不过，本改型的压电元件e、f是以和图11所示实施例中的压电元件e、f完全相反的方式致动的。
即，当无脉冲电压供给时，夹紧压电元件e、f收缩，因此不能向芯棒提供夹紧力;而当供给脉冲电压时，夹紧压电元件e、f扩张，从而夹紧芯棒d。
因此，当没有脉冲电压提供给任一个夹紧压电元件e、f时，施加给芯棒d的夹紧力就完全解除，因此借助于压缩弹簧P的偏压力将芯棒d推到最前端位置，从而将阀完全关闭。
下面结合附图15对采用本改型的阀来获得所需温度的混合水的操作情况进行说明。
如图13所示的阀那样，温度值Tm输入到控制装置C-1中，控制装置C-1根据温度Ts和Tm的温差△t进行PID控制并将操作信号分别传送到用于调节冷、热水流的压电致动器A-2、A-2的驱动器。
因此，阀体74、75相互独立地打开或关闭，使冷、热水流以所需的混合比进行混合。
在上霾僮髦校捎诜 4、75由压电致动器A-2、A-2操纵，并且根据结合图7-图9所阐述的操作步骤按顺序向压电元件e、f提供脉冲电压，因此就可以细微和精确地调节冷、热水的混合比，从而获得所需温度的混合水。
另外，即使当电力意外中断时，芯棒d也可被释放并在压缩弹簧P的偏压力作用下运动到最前端位置以便将阀完全封闭，从而防止了由于水不断流出而引起的浪费。
图16示出了本改型实施例的自动操作阀的一种改进形式，其中压电致动器A-3、A-3在结构上进行了改进。
在图16中，构成压电致动器A-3、A-3的主要部分的压电元件e、f、g安装在致动器壳体C中，冲程压电元件g具有一个中心部分，该部分由一个支承架H和一对支承臂H-1、H-1连接到壳体C的内壁上。
支承臂H-1、H-1的邻近端与冲程压电元件g的两端相连，而夹紧压电元件e、f具有连接到支承臂H-1、H-1的末端上的邻近端。
在图16中，标号q表示设置在支承臂H-1、H-1末端和芯棒d的外表面之间的制动瓦，这种制动瓦q具有充足的摩擦和抗磨力，以便在向压电元件e、f提供脉冲电压时夹紧芯棒d。
由于这种结构，使得这种改进形式与图15所示的阀相比具有下述的附加优点①由于压电元件e、f、g由支承架H和支承臂H-1、H-1安装在致动器壳体C中，所以防止了压电元件和壳体C之间的直接接触。因此，压电元件e、f、g能充分地变形，从而大大增加了夹紧压电元件e、f产生的夹紧力和冲程压电元件g的运动距离。另外，由于直接施加到致动器壳体C上的夹紧力和冲程力被消除了。所以壳体C可用轻而薄的材料制造，从而使压电致动器A-3、A-3的结构紧凑、重量轻。
②在这种改进形式中，冲程压电元件g和夹紧压电元件e、f都是通过用粘结剂将多个同心圆环形的压电片围绕芯棒d进行粘结而制成的，其中每个压电片的内、外周缘上都带有电极。因此，能够容易地进行粘结操作，从而导致压电致动器A-3、A-3的制造成本下降。此外，还防止了压电片的脱落。
图2所示的夹紧压电元件e、f在压电片之间产生环向应力，这使得粘结剂的粘结强度下降并发生压电片脱落现象。
改型2如图17所示，本改型2的用于调节水流的自动操作阀的结构与图11所示的实施例的阀基本上是相同的，只是压电致动器A-4、A-4的结构稍有不同。
即，在此改型中，芯棒d被制成一个空心圆筒形件，并且设置了一个由弹簧P-1偏压的芯棒头82。
更具体地说，圆筒形芯棒是同轴地设置在其两端分别带有前壁a和后壁b的圆筒形致动器壳体C中的，并能在壳体C中轴向地往复运动。
芯棒d的前端有一圆环形端壁81，其上有一中心开口83，芯棒头82从该开口中穿过。
芯棒头82由一小直径部分82a和一大直径部分82b组成，其中小直径部分82a穿过开口83伸向阀体74、75，而大直径部分82b可滑动地设置在芯棒d中。大直径部分82b能够和芯棒d的圆环形端壁81相接触。
在芯棒d中设置有弹簧P-1，弹簧P-1的两端分别由芯棒头82的大直径部分82b和致动器壳体C的后壁b支承。
由于这种结构，芯棒头82始终由弹簧P-1向着前方偏压，并迫使其上的大直径部分82b与芯棒d的圆环形端壁81相接触。
下面阐述具有上述结构的芯棒d的操作方式。当芯棒d向前方移动时，由弹簧P-1偏压到芯棒d的圆环形端壁81上的芯棒头82也向前移动相同的距离。
另一方面，当芯棒d后退时，芯棒d的圆环形端壁81与芯棒头82的大直径部分82b接触，从而使芯棒头82和芯棒d一起后退。
另外，当向压电元件e、f、g提供的脉冲电压意外中断时(例如断电)，夹紧力消失，由于弹簧P-1、P-1的偏压力的作用而使得芯棒d和芯棒头82一起向耙贫 因此，阀体74、75与阀座72、73接触，则阀完全切断了冷、热水流，从而防止了由于水不断流出而造成的浪费。
此外，在芯棒头82、82随着由压电元件驱使的芯棒d一同向前运动到与阀体74、75接触后，即使芯棒d再向前运动，阀体74、75也仅承受弹簧P-1、P-1的偏压力，这个力远小于由冲程压电元件g所产生的致动力。因此，就可以有效地防止这种冲击力对阀体74、75的损害。
改型3如图18所示，本改型的特征在于控制一对压电致动器A-5A-5操作的控制装置C-2，装有一条用于检测供给连接到压电致动器A-5、A-5的驱动电路DS的电力的断电情况的电路POD，使得即使是在断电的情况下也能使压电致动器A-5、A-5可靠地致动或操作。
控制装置C-2的结构与用于控制图10所示的双体阀的压电致动器A-1，A-1的控制装置C-1基本上是相同的，只是在下述结构上有些差异。
即，在控制装置C-2中，用于检测断电或断路的电路POD是插入在供电电路90和微处理器r的输入接口S之间的。另外，控制装置C-2具有备用电池BB(也可采用备用电容器)，它用于向控制装置C-2和驱动电路DS供电。当来自电源PS的电力切断时，电路POD和电池BB开始启用，使微处理器r和驱动电路DS按照程序继续运转，直至阀被完全关闭。
下面更详细地说明图18A的操作程序框图。当电力切断时(1010)，电路POD和电池BB启用(1011)，使压电驱动电路DC运转以便释放掉已供到压电元件e、f、g的电压(1012)。因此，压电元件e、f、g的夹紧力释放(1013)，芯棒d例如在弹簧的作用下向关闭阀的方向运动从而将阀关闭(1014)并阻止水外流(1015)。
在此改型中，夹紧压电元件e、f被设计成当向它们提供脉冲电压时它们就夹紧芯棒d。上述电路POD也可适用于压电致动器A-5、A-5，这两个压电致动器都分别带有夹紧压电元件e、f，夹紧压电元件e、f被设计成当不向它们提供脉冲电压时它们就夹紧芯棒d。
在图19中，公开了一种带有压电致动器A-5，A-5的属于改型3的调节水流的自动操作阀。这种阀的结构与图11所示的实施例的阀基本上是相同的，只是压电致动器A-5、A-5的结构稍有不同。
即，如图19所示，每个压电致动器A-5带有一个手动的芯棒前进机构X，图中示出的是一种安装在后壁b的中心部分上的有弹性的手动的芯棒前进按钮。
当用手指按压手动的芯棒前进机构X时，芯棒前进机构X向前凸出并与芯棒d的后端面接触，进而克服由夹紧压电元件e、f施加在芯棒d上的夹紧力将芯棒d向前推动。
因此，当由于发生意外(如突然断电)而使处于开通状态的阀停止操作时，就可以通过按压手动的芯棒前进机构X将阀完全关闭。
下面结合图20所示的操作流程框图说明阀的操作方式。当电力切断时(1020)，电路POD启用(1021)，使压电驱动电路DC工作以便释放掉已供给到压电元件e、f、g的电压(1022)。因此，压电元件e、f、g被关断而夹紧压电元件e、f夹紧芯棒d(1023)。接着，通过按压手动的芯棒前进机构X将阀完全关闭(1024)(1025)。在上述操作中，电路POD和驱动电路DC也都是由备用电池BB供电的。
当向夹紧压电元件e、f提供脉冲电压时，就可以将芯棒安装在压电致动器A-5、A-5中。
改型4如图19所示，这个改型的特征在于、芯棒的顶端有一个小直径部分q-1，由此使芯棒d上承受水压的顶端表面积尽可能小。
由于这种结构，在压电致动器A-5、A-5的整个致动期间，由所调节的水作用在芯棒d上的冲击力能被减至最小。即，对芯棒d的运动有不利影响的冲击力(水压力)能被减至最小，使得压电致动器的运动能准确地传递给芯棒d，从而可以对阀体74、75的运动进行精确的控制。
改型5本改偷奶卣髟谟冢涸诟男 所描述的阀的操作工况中加入了一个阻水工况。
即，如图21所示，应用于本改型5的阀的控制装置C-3具有一条阻水工况检测电路SMD和一个放水按钮开关91。一个探测人手的手检测器92和一个阻水按钮开关93与控制装置3的输入接口S相连。
由于这种结构，当按压放水按钮开关91时，控制装置C-3让电源或驱动电路向压电致动器A-6，A-6传送脉冲电压，以便将阀打开。只要一直保持开关91处于按压状态，就不断地向压电致动器A-6、A-6提供脉冲电压;而当开关91复位断开时，就停止向压电致动器供给脉冲电压。
因此，通过设定放水按钮开关91处于接通位置的时间，就可以调节放水量。
同时，当手检测器探测到手时，就会放出预定量的水。
另一方面，在按下放水开关91使之接通后，当手检测器92对手的探测结束或预定时间走完时，控制装置C-3中的阻水工况检测电路SMD就检测到阻水工况并让控制装置C-3发出信号，以便释放掉分别提供给压电元件e、f、g的电压。因此，施加到芯棒d上的夹紧力被解除，芯棒d便在弹簧P-1的偏压力的作用下自动地向前移动从而将阀关闭。
如上所述，在此改型中，由于关闭阀的操作是由弹簧P-1进行的，所以确定将水完全切断的位置是与控制装置C-3的操作状态无关的，因此如果阀的操作顺序是以上述的阻水位置作为起始状态进行编排的话，那么芯棒d对应于控制装置C-3计数的驱动脉冲数的操作位置就能在每个完全阻水操作位置进行校准。
因此，在阻水操作以后，芯棒d的运动就又能够由控制装置C-3准确地控制了。
也就是说，在校准或阻水操作以后，当将所需序数的脉冲电压(它与阀的关度有关)供给到压电元件e、f、g时，阀体20就能容易和精确地被移动到一个预定的开阀位置，从而对混合水的温度进行控制。
根据这个改型，阀体20始终是被向着阻水位置偏压的，当夹紧力解除时，阀体20便向前移动直至完全关闭阀座19。
因此本改型具有下述优点①压电致动器是这样设计和控制的当驱动装置不向致动器提供驱动电压时，芯棒d上的夹紧力或阀体20被释放。因此，可以与阀体和隔膜的位置无关地通过停止向压电致动器提供电压而将阀关闭。
②由于施加到阀体74、75的阀座72、73上的力不会超过弹簧P-1的弹性或偏压力，从而有效地避免了在阀体74、75和阀座72、73或隔膜上施加过大的力或应力，进而可防止这些部件损坏。
③由于完全阻水位置是由弹簧P-1的偏压力机械地确定的，因此就不需要设置一种检测阀体到达完全阻水位置的检测器，同时阀的控制程序也被简化了。
④由于完全阻止水流的阻水位置是由弹簧P-1的偏压力机械地确定的，所以完全阻水位置可被设定成初始位置，而由控制装置C-3计算的阀体的位置可在每个阻水位置校准。因此，在压电元件e、f、g的致动期间所积累的位置误差可被校准或消除，这样就可以准确地控制阀体的位置。
第二实施例本实施例涉及的是一种装有在第一实施例中所述的那种用于调节水流的自动操作阀的水龙头F。
在图22中，示出了一个装有水龙头F的脸盆(洗漱池)W。
如图所示，水龙头F安装在脸盆110的后部顶面110a上，脸盆是由洗漱台111支承的。
图23和24示出了水龙头F的内部结构，其中标号120表示水龙头体，龙头体120包括一个垂直的基座部分120a和一个倾斜的圆筒形放水部分120b。放水部分120b的下端与垂直的基座部分120a整体相连，其上端相对于垂直的基座部分120a向前倾斜。
在龙头体120的基座部分120a中，装有一个冷、热水混合阀M。
混合阀M的结构(以下还要详细说明)是这样的一根冷水供给管121和一条热水供给管122连到混合阀M的入流侧，在混合阀M的出流侧连接着出流通道124的开口端124b，同时出流通道124的顶端与放水口123相连。
从图23可以容易地理解，龙头体120的倾斜的放水部分120b由隔板140分开，以构成一条出流通道124和一个水密(不透水)空腔N，控制装置C-4就装在空腔N的中部。
即，在水密空腔N中，控制装置C-4和用于向控制装置C-4传送控制信号的控制板E、G固定就位。
以这种方式，根据本实施例，由于混合阀M和控制装置C-4都整体紧凑地装在龙头体120中，所以用于安装水龙头F的所需空间可被减至最小，而且房间(如卫生间)的空间能被有效地利用，同时用于操纵水龙头F的所需的电线也容易铺设。
另外，由于混合阀M是装在龙头体120的下端的，故提高了水龙头F的稳定性。
此外，由于冷、热水的混合是在龙头体120的下端进行的，因此在混合阀M和放水口123之间就可以限定一条足够长的出流通道124，这样冷、热水在出流通道124中能充分混合，从而放出所需温度的水。
尽管混合阀M、控制装置C-4和控制板E、G可以根据水龙头F的安装场所和其它条件而具有任何适宜的结构，但是在此实施例中，它们具有下述的优选结构。
首先说明混合阀M的结构。在图24中，标号130、131表示一对入流通道，它们形成在龙头体120的垂直基座部分120a的下端的两侧。
入流通道130、131分别用于冷水供给通道和热水供给通道，并且它们的下端开口分别与冷水供给通道121和热水供给通道122相连。
另一方面，入流通道130、131的上端开口分别与一对腔室132、133连通，这对腔室分别成形在龙头体120的垂直基座部分120a的两侧壁处。
在龙头体120的垂直基座部分120a的中部，形成了一个T形通道134。
T形通道用于混合阀M的混合通道，它具有一个与出流通道124连通的外侧开口134a和一对与上述一对腔室132、133连通的分叉开口。
另外，在T形通道134的分叉开口处，对应地设有一对阀座135、136。一对由隔膜制成的阀体137、138装在龙头体120的垂直基座部分120a中，并可沿垂直于基座部分120a的纵轴的水平方向运动，而且阀体137、138能与阀座135、136接触，以便关闭或打开混合阀M。
在龙头体120的垂直基座部分120a的两侧壁上，安装有一对压电致动器A-7、A-7，如图24所示。这些压电致动器A-7、A-7的结构与那些图18中所示的压电致动器A-5、A-5基本上是相同的。
即，每个压电致动器A-7带有一个手动的芯棒前进机构X，在图中，该机构X被表示为一个安装在后壁b的中部的手动的芯棒前进按钮。
因此，当由于发生意外(例如突然断电)而使处于开通状态的用于调节水流的自动操作阀停止操作时，通过按压手动的芯棒前进机构X就能将阀完全关闭(这一点与先前对第一实施例的改型4的说明是一致的)。
另外，在图26中，压电致动器A-7、A-7被表示为压电致动器A-8、A-8。压电致动器A-8、A-8的致动情况是这样的当不向压电元件e、f、g供给脉冲电压时，芯棒d不受夹紧力作用，设置在芯棒d的后端和致动器壳体的C的后壁b之间的压缩弹簧Y始终将芯棒d向着关闭阀的方向偏压。
由于这种结构，当发生意外事件(如断电)时，作用在芯棒d上的夹紧力消除且芯棒d被向前推，从而将阀完全关闭。
下面对设置在龙头体120的放水部分120b中的控制压电致动器A-7、A-7的控制装置C-4和向控制装置C-4传送控制信号的控制板E、G进行说明。
如图23所示，一块具有柔性的印刷电路板150设置在容装控制装置的空腔N中，控制装置C-4安装在印刷电路板150上。
下面说明控制板E的结构，控制板E基本上包括多个安装在倾斜的放水部分120b的顶端表面上的触摸开关。
即，如图25所示，在设置在放水部分120b的顶端并位于开关安装区151上方的倾斜壁152上，安装有多个触摸开关，其中包括一个动力开关153，一个混合温度调定开关154和一个混合流量调定开关155。
通过操纵触摸开关153、154和155，利用控制装置C-4控制混合阀M操作，就可从放水口123放出所需温度和所需流量的混合水。
在装有触摸开关153、154和155的倾斜壁152上，还粘结有由弹性薄片制成的操作指示板156(如图23所示)，以便使水龙头F的使用者通过阅读板156上的操作指示而能够准确地操纵触摸开关153、154和155。
控制板G设置在倾斜的放水部分120b的下部外周壁上并靠近放水口123。控制板G包括一个整体成形在放水部分120b上的检测器安装套筒160和一个装在检测器安装套筒160上的手检测器161。由于这种结构，当使用者将手伸到放水口123的下方时，手检测器161探测到手后发出检测信号并将此信号传送给控制装置C-4，控制装置C-4根据此检测信号向压电致动器A-7、A-7发出一个控制信号，以便在进行温度和流量控制的情况开始放水操作。
一种复式聚光检测器(dual-typelightfocusingsensor)可用作手检测器161。
在图23中，标号170表示一个温度检测器，检测器170的检测元件伸向出流通道124的端部。标号171表示一个防水罩。
根据上述结构，温度检测器170检测混合水的温度Tm，而控制装置C-4根据温度Tm和由温度调定开关154所预定的温度Ts之间的温差进行PID控制，并将控制信号传送给压电致动器A-7、A-7的驱动电路。
如图23所示，一条导线保护套管180伸到控制装置的容装空腔N中，多根分别与控制装置C-4和触摸开关153、154、155相连的导线在套管180中受到屏蔽和保护。
图27示出了控制装置C-4的结构。动力开关153、温度调定开关154、流量调定开关155、手检测器161和温度检测器170都与输入接口S相连。一对分别用于调节冷、热水的压电致动器A-7、A-7与输出接口t相连。
下面结合附图23、24和27对具有上述结构的水龙头F的操作方式进行说明。
如图27所示，混合水的温度和流量是通过操纵温度调定开关154和流量调定开关155来预订的。
因此，当使用者将手伸向放水口123时，手检测器161对手进行检测并发出检测信号作为输出。
根据这个检测信号，控制装置C-4从存储器u中调出压电元件e、f、g的操作顺序程序，并且根据这个程序以及检测器检测到的混合水的实际温度和流量与预定的温度和流量的偏差进行PID控制，并调节由混合阀M混合的经放水口123流出的混合水的温度和流量。
在上述操作中，由于压电致动器的构造，使得芯棒d对应于每一个脉冲或者向前或者向后运动一个几微米的冲程(就象一条蠕虫一样)，从而精确和细微地调节阀体137、138的开度，由此导致对混合水的温度和流量的精确和细微调节，最终从放水口123获得所需温度和流量的混合水。
通过操纵温度调定开关154或流量调定开关155就可以方便地改变混合水的温度或流量。
在此实施例中，通过在出流通道124中装设一个流量检测器，就可以测得实际流量，控制装置C-4根据这个流量检测值就能更有效地调节混合水的流量。
第三实施例本实施例涉及一种自动供水系统。
图28示出了这种自动供水系统，它基本上包括一个冷、热水混合阀M1和一个有选择地改变混合水的流动方向(例如从喷头到浴盆或与之相反)的流动方向控制阀M2。
下面首先说明混合阀M1的峁埂 在图28中，标号210表示一个圆筒一箱形壳体，壳体210的两端对应地装有一对入流通道211，212。
入流通道211、212分别用作为冷水通道和热水通道，它们的外开口分别与冷水管213和热水管214连通，而它们的内开口分别与一对腔室215，216连通。
在壳体210的中部设有一条出流通道217。
出流通道217用作为混合水通道，它的外开口与混合水管218连通，它的内分叉开口通过隔膜219、220分别与腔室215、216连通。
在分叉开口的两端形成主阀座217a、217a。
在两主阀座217a、217a之间设置了带有一个压电致动器A-9的用于调节水流的自动操作阀，该阀具有如下的结构。
该阀的结构是压电致动器A-9是根据与压电致动器A-1相同的原理操作的，只不过芯棒d的两端分别被用来向作为阀体工作的隔膜219、220施加作用。
这种隔膜219、220能伸缩地与主阀座217a、217a接触，并且安装成使它的外周缘水密地附连到一对腔室215、216的内壁215a、216a中。
由于这种结构，当压电致动器A-9致动时，芯棒209或者向左方或者向右方运动。例如，当芯棒209向左方运动时，与芯棒209左端相连的致动杆209a的顶端与隔膜219的前导开口219b相接触，而与芯棒209右端相连的致动杆209a的顶端与隔膜220的前导开口220b相接触或远离。
因此，利用压电致动器A-9的致动，从冷水供给管213送来的冷水和从热水供给管214送来的热水被混合，混合后的混合水从出流通道217放出。
在图28中，标号221、221a表示引导孔，这种引导孔的直径小于前导开口219b、219b的直径。标号222、222a表示一对压力腔。
用于有选择地改变混合水流动方向的流动方向控制阀M2设置在上述混合阀M1的下游，并具有下述结构。
流动方向控制阀M2的结构就从下述几点来看与混合阀M1是基本相同的。它具有壳体、流动通道和用于调节水流的自动操作阀，该自动操作阀设置在两主阀座242、242之间并具有一个压电致动器A-10，压电致动器A-10的结构与压电致动器A-9是相同的。但是，在下述几点上，流动方向控制阀M2与混合阀M1在结构上是有区别的。阀M2的流动通道与阀M1的流动通道是对称的，并且它的芯棒在结构上与阀M1的芯棒209有显著的区别。
即，与混合阀M1的混合水管218连通的流动通道240分叉形成一对入流通道240a、240a，一对出流通道241、241a分别与入流通道240a、240a连通。
关于芯棒，芯棒包括一个圆筒形芯棒套251，一对可滑动地设置在芯棒套251两端的致动杆251a、251a从芯棒套251两端向外伸出，一个弹簧200S设置在芯棒套251两端之间，用于向致动杆251a、251a提供偏压力。由于这种结构，当芯棒在压电致动器A-10的作用下向左右任一个方向运动时，致动杆251a、251a就会相应地作用在隔膜242、242上。
在图中，标号250、250表示前导开口，标号247、247表示溢流孔，标号248、248表示压力腔。
图29示出了用于控制压电致动器A-9和A-10的控制装置C-5。
如图29所示，控制装置C-5的结构与控制装置C-1是相同的。其中，温度调定开关260、温度检测器261、分叉通道选择开关262和263、分叉通道关闭开关264和流量检测器265都与输入接口S相连，而用于调节混合阀M1和流动方向控制阀M2的压电致动器A-9、A-10则与输出接口t相连。
在从存储器u中调出顺序操作程序后，起动压电致动器A-9，以控制混合水的温度，而起动压电致动器A-10，则控制混合水的流量以及选择混合水的流动方向，例如，从喷头流向浴盆或与之相反。
下面结合图28和29对压电致动器A-9、A-10的操作情况作进一步的说明。
如图28所示，由混合阀M1混合而成并沿混合水管218流动的混合水的温度由温度检测器261检测，并将检测到的温度Tm传送给控制装置C-5。
控制装置C-5根据混合水的检测温度Tm与预定温度Ts之间的差值△T实施PID控制，并起动压电致动器A-9以便打开或关闭构成阀体的隔膜219、219使之达到预定的开度，同时对流到混合水管218的冷、热水的流量进行调节，最终在混合水管218中得到具有所需温度的混合水。
接着，当混合水的检测温度Tm与预定温度Ts间的差值△T超过许可的程度，或者当操纵任一个分叉通道开关262、263时，控制装置C-5从存储器u调出顺序操作程序，并向驱动电路发出控制信号，使该电路给压电致动器A-10的压电元件e、f、g提供脉冲电压，从而使芯棒套251朝左方或右方运动。
由于芯棒套251的运动，使得隔膜242、243受到作用，从而完全关闭或终止与混合水供给管218连通的混合水管240和两条出流通道241、241之间的连通，或者关闭或终止混合水管240和任意一条出流通道241、241之间的连通，由此完全中断混合水的供给，或者仅将混合水供到任意一条出流通道241、241中以改变流动方向。
另外，在此实施例中，由于混合阀M1和流动方向控制阀M2使用隔膜219、220、242、243作为阀体，而且这些隔膜219、220、242、243是由压电致动器A-9、A-10的芯棒操作的，所以可以利用最小的电力将阀M1、M2打开或关闭，从而节省了能源，同时还能确保对水的温度和流动方向进行精确和敏捷的控制。
权利要求
1.一种用于调节水流的自动操作阀包括a.一个壳体，其一端具有入流通道系统而另一端具有出流通道系统，所述入流通道系统和出流通道系统由位于所述壳体内构成阀座的地方的连通部分彼此连通，b.可操作地设置在所述壳体中的阀体，它能朝着或远离所述阀座运动，并能和所述阀座进入接触以便调节流过所述连通部分的水流，c.用于操作所述阀体的压电致动器。
2.根据权利要求1的阀，其中所述入流通道系统由多条入流通道构成，而所述出流通道系统仅由一条出流通道构成。
3.根据权利要求1的阀，其中所述入流通道系统仅由一条入流通道构成，而所述出流通道系统由多条出流通道构成。
4.根据权利要求2的阀，其中所述阀是一种用于混合热水和冷水的混合阀，所述多条入流通道是由一条热水供给通道和一条冷水供给通道构成的，而所述出流通道是由一条混合水通道构成的。
5.根据权利要求1至4中的一个的阀，其中压电致动器包括a.一个圆筒形的致动器壳体，b.一根设置在上述壳体中并位于该壳体的轴线上的芯棒，所述芯棒能沿轴向运动，c.围绕所述芯棒设置的一对夹紧压电元件，所述一对夹紧压电元件沿轴向彼此间隔设置，d.一个冲程压电元件，它在所述一对夹紧压电元件之间围绕所述芯棒设置，e.一个控制装置，它可以根据存储在所述控制装置的存储器中的顺序操作程序，向或从所述夹紧压电元件和冲程压电元件提供和/或释放脉冲电压。
6.根据权利要求5的阀，其中在所述控制装置上连接着一条用于检测从电源输向所述压电致动器的驱动电路的电力的断路情况的电路。
7.根据权利要求6的阀，其中所述的控制装置具有一个备用电池或电容器，它们用于当发生电力断路时向所述控制装置和所述驱动电路供给电力。
8.根据权利要求5的阀，其中所述的压电致动器还包括弹簧机构，当夹紧压电元件所产生的夹紧力消除时，该弹簧机构能将所述的芯棒推回到其初始位置。
9.根据权利要求5的阀，其中所述芯棒包括a.一个空心的圆筒形芯棒体，其一端壁上有一开口，b.一个芯棒头，它具有一个可滑动地设置在所述圆筒形芯棒体中的大直径部分和一个朝着所述阀体从所述开口中伸出的小直径部分，c.设置在所述圆筒形芯棒体中的弹簧机构，该弹簧机构的一端与所述芯棒头相接触，另一端与所述致动器壳体的后壁相接触。
10.根据权利要求5的阀，其中所述致动器壳体还带有能够手动地沿轴向推动所述芯棒的手动的芯棒前进机构。
11.根据权利要求10的阀，其中手动的芯棒前进机构是由弹性体制成的，其前端可伸缩地和所述芯棒的后端相接触。
12.根据权利要求5的阀，其中所述的芯棒的顶端带有一个小直径部分。
13.根据权利要求5的阀，其中所述的压电致动器还包括始终沿关闭所述阀体的方向施加偏压力的弹性机构，所述控制装置包括一条用于解除所述夹紧压电元件产生的夹紧力的阻水工况检测电路。
14.根据权利要求1至13之一的阀，其中所述阀体是由隔膜构成的。
15.一种水龙头，包括a.一个龙头体，其顶端带有放水口。b.一个装在所述龙头体尾端的如权利要求1所限定的自动操作阀。
16.根据权利要求15的水龙头，其中所述龙头体内设有一条出流通道，沿着所述出流通道装设有用于控制所述阀操作的控制装置。
17.根据权利要求15或16的水龙头，其中所述阀体是由隔膜构成的。
18.一种自动操作的供水系统，包括一个用于混合冷、热水的混合阀和一个流动方向控制阀，所述混合阀和所述流动方向控制阀都分别具有由压电致动器致动的阀体。
19.根据权利要求18的供水系统，其中所述阀体由隔膜构成。
全文摘要
所公开的是用于调节水流的自动操作阀，尤其是用于自动混合冷、热水以获得所需温度的混合水的混合阀。此阀的特征是利用压电致动器操纵阀体。由于这种结构，使得阀不仅能充分地关闭或打开，而且能通过调节阀体的开度或开启角度来进行细微的流量控制。特别是用作混合阀时，能够精确地调节冷、热水的混合比，从而能始终获得所需温度的混合水。
文档编号G05D11/16GK1032847SQ8810699
公开日1989年5月10日 申请日期1988年9月29日 优先权日1987年9月30日
发明者筒中修, 原贺久人, 有田钦也, 牧田厚雄, 竹内博文, 塚田良一 申请人:东陶机器株式会社