(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量調整可能な水栓と、
当該水栓の下流流路の途中に設けられ且つその回転数に応じて流量が変化する水車と、
当該水車の回転軸に輪列を介して連結され誘起電力を発生すると共に調速機能を有する発電調速手段と、
当該発電調速手段の発電電力によって駆動され且つ前記発電調速手段の回転周期を所望速度に制御する回転制御手段と、を備えることを特徴とする自己発電式自動水量調整機能付水栓。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流量を調整するようにした水量調整装置を備えた水栓に関し、特に自己発電により水量調整を行うようにした自己発電式自動水量調整機能付水栓に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、流量を調整するようにしたものとしては、例えば、特開平９−０４７０８９号公報に記載されているように、回転数の変化により流量が変化する水車ランナを流路に設け、この水車ランナと直結する発電機の回転数を、現在の流量と目標とする流量とが一致するように可変速発電装置によって制御することによって水量調整を行うもの等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のように可変速発電装置によって発電機の回転数を調整するようにした方法では、可変速発電装置を駆動するための電源が必要であり、この電源を定期的に交換したり、また、メンテナンスを行う必要がある。
【０００４】
そこで、この発明は上記従来の問題に着目してなされたものであり、電源を必要とすることなく、流量調整を行うことの可能な、自己発電式自動水量調整機能付水栓を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る自己発電式自動水量調整機能付水栓は、流量調整可能な水栓と、当該水栓の下流流路の途中に設けられ且つその回転数に応じて流量が変化する水車と、当該水車の回転軸に輪列を介して連結され誘起電力を発生すると共に調速機能を有する発電調速手段と、当該発電調速手段の発電電力によって駆動され且つ前記発電調速手段の回転周期を所望速度に制御する回転制御手段と、を備えることを特徴としている。
【０００６】
この発明は、水栓の下流の流路に水車が設けられ、この水車はその回転数に応じて流量が変化するようになっている。そして、この水車の回転軸に輪列を介して発電調速手段が連結され、これにより、水車の回転が輪列を介して発電調速手段に伝達され、この回転力によって発電調速手段に誘起電力が発生する。そして、この発生された誘起電力によって回転制御手段が駆動され、発電調速手段の回転周期、つまり、水車の回転周期が任意の所望速度となるように制御される。このとき水車の回転数に応じて流量が変化するようになっているから、つまり、所定の流量に調整されることになる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は本発明の自己発電式水量調整機能付水栓の一例を示す概念図であって、この自己発電式水量調整機能付水栓は、水栓１と、この水栓１の下流に設けられた自己発電式水量調整装置１０とで構成されている。前記水栓１は、公知の水量を調整可能な水栓であればよく、この実施の形態では、図１に示すように、流入路２の途中に設けた嵌合部材２ａと、栓本体１ａとが嵌合することにより、水栓内部３への水の流入を遮断するようになっている。そして、この栓本体１ａは、殻体４と螺合する軸１ｂを介してつまみ１ｃと連結され、つまみ１ｃをひねることにより栓本体１ａが上方向に移動し、栓本体１ａと嵌合部材２ａとの間に隙間が形成されることによって、流入路２と水栓内部３とが連通するようになっている。そして、栓本体１ａと嵌合部材２ａとの間の隙間を調整することによって、水栓内部３に流入される水量が調整されるようになっている。前記流入路２から流入された水流は水栓内部に設けられた後述の水車８を介して、流出口５から吐出されるようになっている。
【０００９】
前記水車８は、フランシス型の水車であって、水車８のシャフト１１の両端がシール部材付きの軸受１２により回転可能に支持されて、水流の水圧によって回転可能な位置に設けられ、水車８の回転数の変化に応じて流出口５から吐出される流量が変化するようになっている。
【００１０】
そして、前記シャフト１１の回転は、増速歯車機構を構成する第１歯車機構１４及び第２歯車機構１５を介して発電調速機３０を構成するロータ３１に伝達されるようになっている。
【００１１】
なお、図中９は、発電調速機３０を制御するための後述の各種制御回路を格納するための制御用回路格納部である。
【００１２】
前記発電調速機３０は、図２に示すように、例えば２極以上の複数極に形成されたロータ磁石を有するロータ３１とステータ３２とで構成され、前記ステータ３２は、ＰＣパーマロイ等の高透磁率の磁性体で構成されたステータ本体３２ａにステータコイル３２ｂを巻装して構成されている。
【００１３】
そして、発電調速機３０には、図３に示すように、ステータコイル３２ｂと直列に制動抵抗３３Ａ及びスイッチング素子としてのエンハンスメント形ＮチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ３３Ｂが直列に接続されて構成されたブレーキ回路３３が接続されている。
【００１４】
この発電調速機３０及びブレーキ回路３３によって電圧制御発振器（ＶＣＯ）３５が構成されている。なお、ブレーキ回路３３には、制動抵抗３３Ａのほかにダイオードを適宜挿入してもよく、発電調速機３０のステータコイル３２ｂの抵抗値が大きい場合には制動抵抗３３Ａを省略してもよい。
【００１５】
この電圧制御発振器３５には、回転制御装置５０が接続されている。この回転制御装置５０は、図３に示すように、ステータコイル３２ｂと電界効果トランジスタ３３Ｂのドレインとの接続点に接続された例えばダイオードで半波整流を行う整流回路５１と、この整流回路５１の整流出力が供給される充電用コンデンサ５２とで構成される電源回路５３を有し、充電用コンデンサ５２の両端電圧がブレーキ回路３３を制御する回転制御回路６０に供給されている。
【００１６】
ここで、充電用コンデンサ５２、ステータコイル３２ｂ及び電界効果トランジスタ３３Ｂで昇圧チョッパ回路が構成され、ステータコイル３２ｂの誘起電圧より高い電圧を充電用コンデンサ５２及び回転制御回路６０に供給する。
【００１７】
回転制御回路６０は、所定周波数の発振信号を出力する水晶振動子６１と、この水晶振動子６１の発振出力を所望の分周比で分周し、目標速度パルス信号Ｐv として出力するプログラマブル分周器６２と、非反転入力側に発電調速機３０のステータコイル３２ｂ及び電界効果トランジスタ３３Ｂ間の誘起電圧が供給され、反転入力側に参照電圧Ｖref が供給され誘起電圧が参照電圧Ｖref 以上であるときに高レベルとなり発電機の誘起電圧と同じ周期となる回転検出パルス信号Ｐr を出力するコンパレータ６３と、プログラマブル分周器６２の目標速度パルス信号Ｐv がダウン端子ｔD に、コンパレータ６３の回転検出パルス信号Ｐr がアップ端子ｔU に夫々入力されカウント値ＮをＢＣＤで出力するアップ／ダウンカウンタ６４と、アップ／ダウンカウンタ６４のカウント出力Ｎが供給されてこれに基づいてブレーキ回路３３の電界効果トランジスタ３３Ｂをオン・オフ制御するブレーキ制御回路６５とで構成されている。
【００１８】
ここで、プログラマブル分周器６２は、例えばプログラマブルＮ進カウンタで構成されていて、４ビットのデータ入力端子を有し、これらデータ入力端子に設定データを入力することにより、選択されたデータ入力端子の組み合わせによって分周比ｎが設定され周波数比（１／ｎ）が決定される。この設定された分周比で水晶振動子６１の発振信号を分周した目標速度パルス信号を出力する。
【００１９】
また、コンパレータ６３は、電圧制御発振器３５からの出力波形を発電調速機３０に影響しないようにハイインピーダンスで受けるように構成されている。
【００２０】
さらに、ブレーキ制御回路６５は、図４に示すように、アップ／ダウンカウンタ６４から出力されるカウント値Ｎとコンパレータ６３から出力される回転検出パルス信号Ｐｒとを入力し、回転検出パルス信号Ｐｒの周波数が所定値α以上となったときに、アップ／ダウンカウンタ６４にリセット信号Ｒｓを出力してそのカウント値をリセットすると共に、回転検出パルス信号Ｐｒの周波数が所定値α以上である間、カウント値ＮをＤ／Ａ変換器６６に出力する、作動制御回路６９と、作動制御回路６９からのカウント値Ｎをアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器６６と、このＤ／Ａ変換器６６から出力される電圧をパルス幅に変換するパルス幅変調（ＰＷＭ）回路６７と、このパルス幅変調回路６７のパルス出力を反転するインバータ６８とを備えており、インバータ６８の出力パルスをブレーキ制御信号ＢＳとしてブレーキ回路３３の電界効果トランジスタ３３Ｂに供給する。なお、前記作動制御回路６９における所定値αは、プログラマブル分周器６２において、一番小さい分周比に設定された目標速度パルス信号の周波数より高くなるように設定されている。
【００２１】
次に、上記実施の形態の動作を説明する。
【００２２】
水栓内部３への水の流入が遮断されている状態から、つまみ１ｃを操作するとこれに応じて栓本体１ａと嵌合部材２ａとの間に隙間が形成されて、流入路２と水栓内部３とが連通状態となる。水栓内部３に流入された水流は水車８を介して流出口５から流出される。このとき、水栓内部３の水流の水圧によって水車８が回転され、この回転は、第１及び第２歯車機構１４及び１５によって増速されてロータ３１に伝達される。
【００２３】
これにより、ステータコイル３２ｂに誘起電圧が発生し、これが整流回路５１で整流されて充電用コンデンサ５２を急速充電し、この充電用コンデンサ５２の両端電圧が直流電源として回転制御回路６０に作動電源として供給される。
【００２４】
このため、回転制御回路６０の各部が作動状態となり、水晶発振器６１で発振される発振信号がプログラマブル分周器６２に供給され、このプログラマブル分周器６２で所望の分周比に分周された目標速度パルス信号Ｐv がアップ／ダウンカウンタ６４のダウン端子ｔD に供給されると共に、発電調速機３０のステータコイル３２ｂの誘起電圧がコンパレータ６３に供給され、このコンパレータ６３から誘起電圧が参照電圧Ｖref 以上となったときにハイレベルとなり発電機の誘起電圧と同じ周期となる回転検出パルス信号Ｐr がアップ／ダウンカウンタ６４のアップ端子ｔU に供給される。
【００２５】
このとき、例えばつまみ１ｃの操作量が大きく、水車８に作用する水圧が高い、つまり、流量が多い場合には、水車８が高速回転しロータ３１が高速回転する。これにより、ステータコイル３２ｂで高電圧で高周波数の誘起電圧が発生され、電源回路５３で充分な作動電源を回転制御回路６０に供給する。
【００２６】
このように、ステータコイル３２ｂで発生される誘起電圧が高周波数であるので、コンパレータ６３から出力される回転検出パルス信号Ｐr の周波数もプログラマブル分周器６２から出力される目標速度パルス信号Ｐv より遥かに高い状態となる。
【００２７】
このため、アップ／ダウンカウンタ６４のカウント値Ｎは正の大きな値となることにより、ブレーキ制御回路６５のＤ／Ａ変換器６６の出力電圧ＶNも図５（ａ）で一点鎖線図示のように高い値となることから、図５（ｂ）に示すようにパルス幅変調回路６７から出力されるパルス信号Ｐw のデューティ比は例えば１２．５％となり、これがインバータ６８で反転されるので、図５（ｃ）に示すようにブレーキ制御信号ＢＳのデューティ比は８７．５％となり、これがブレーキ回路３３の電界効果トランジスタ３３Ｂに供給されるので、この電界効果トランジスタ３３Ｂがブレーキ制御信号ＢＳが高レベルである区間でオン状態となることにより、大きな制動力を発生することになる。
【００２８】
このブレーキ回路３３で発生される制動力によってロータ３１の回転が減速され、これに応じてコンパレータ６３から出力される回転検出パルス信号Ｐr の周波数も低下する。
【００２９】
このため、アップ／ダウンカウンタ６４のカウント値Ｎも減少し、Ｄ／Ａ変換器６６の出力電圧も減少することからパルス幅変調回路６７の出力パルスＰw のデューティ比が増加し、インバータ６８から出力されるブレーキ制御信号ＢＳのデューティ比が減少することにより、ブレーキ回路３３の電界効果トランジスタ３３Ｂのオン状態となる区間が減少し、これによって制動力が減少して、アップ／ダウンカウンタ６４に一定の溜まりパルス量を保ちながら目標速度パルス信号Ｐv に応じた速度で定速駆動される。
【００３０】
したがって、ロータ３１が定速駆動されるから、第２歯車機構１５，第１歯車機構１４，シャフト１１が定速駆動されて水車８が定速回転し、これにより流出口５から吐出される流量が所定量となる。つまり、流出量が所定量に制御されることになる。
【００３１】
この状態からつまみ１ｃが操作されて、水栓内部３に流入される流量が少なくなり、水車８に作用する水圧が低くなると、水車８の回転数が少なくなるから、ロータ３１の回転数が減少し、これに応じてステータコイル３２ｂの誘起電圧の周波数が減少してコンパレータ６３から出力される回転検出パルス信号Ｐr の周波数が減少する。
【００３２】
そして、回転検出パルス信号Ｐｒの周波数が所定値αを下回ると、作動制御回路６９では、アップ／ダウンカウンタ６４からのカウンタ値Ｎを、Ｄ／Ａ変換器６６に出力することを停止し、これにより、ブレーキ回路３３が開放状態、つまり非制動状態となる。
【００３３】
そして、この状態から再度つまみ１ａが操作されて、水車８に作用する水圧が高くなると、作動制御回路６９では、アップ／ダウンカウンタ６４にリセット信号Ｒｓを出力して、アップ／ダウンカウンタ６４を一旦リセットした後、アップ／ダウンカウンタ６４からのカウンタ値ＮをＤ／Ａ変換器６６に出力し、これによって、ブレーキ制御回路６５からカウンタ値Ｎに応じたデューティ比のブレーキ制御信号ＢＳが出力され、ブレーキ回路３３に制動力が発生して、目標速度パルス信号Ｐv に応じた速度で定速駆動される。これによって、流出口５からの流量が所定量に制御される。
【００３４】
このとき、流出口５から流出される流量を変更する場合には、プログラマブル分周器６２の設定値を変更すればよく、これにより、水車８の回転速度が所望の速度に変更されるから、つまり、所定量の水量に変更されることになる。
【００３５】
よって、つまみ１ｃの操作量に係わらず、所定量の水量に制御することができ、節水対策等に効果的である。
【００３６】
また、水車８のシャフト１１の回転力を電気エネルギに変換しこれを利用して水量制御を行うようにしているから、電源を設けることなく実現することができる。よって、定期的な交換，電源のメンテナンスを行うことなく、容易に実現することができる。
【００３７】
なお、上記実施の形態においては、回転制御回路６０としてアップ／ダウンカウンタ６４を使用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図６に示すように、プログラマブル分周器６２から出力される目標速度パルス信号Ｐv とコンパレータ６３から出力される回転検出パルス信号Ｐr とを位相比較回路７１に供給して位相比較し、その位相差に応じたパルス信号をローパスフィルタ７２に供給して積分すると共に位相補償を行って直流電圧とするＰＬＬ（Phase Locked Loop)回路を構成し、このＰＬＬ回路から出力される位相差電圧信号をＤ／Ａ変換器６６を省略したブレーキ制御回路７３のパルス幅変調回路に供給することにより、ブレーキ制御信号ＢＳを得るようにし、ブレーキ制御回路７３では、コンパレータ６３から出力される回転検出パルス信号Ｐr の周波数が所定値α以上であるときにこのブレーキ制御信号ＢＳを電界効果トランジスタ３３Ｂに出力するようにした場合でも、上記実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３８】
また、上記実施の形態においては、流量の設定をプログラマブル分周器６２を使用して設定する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図７に示すように、プログラマブル分周器６２に代えて、水晶振動子６１に分周比の異なる複数Ｎ個の分周器７５ａ，７５ｂ，……，７５Ｎを並列に接続し、これらの出力パルス信号をアナログスイッチ等で構成されるセレクタ７６に供給して、このセレクタ７６で入力される選択信号に応じて分周器７５ａ，７５ｂ，……，７５Ｎの出力パルス信号のうちの１つを選択するようにしてもよい。
【００３９】
また、プログラマブル分周器６２に代えて、図８に示すように、水晶振動子６１の発振周波数に比較して遙かに低い周波数の基準クロックパルスを発振する基準クロック信号発生回路７８と、この基準クロック信号発生回路７８の出力パルスを、速度設定スイッチ７９ａの設定値によって選択される任意の逓倍比に逓倍するプログラマブル逓倍器７９とを設けて、プログラマブル逓倍器７９から目標速度パルス信号Ｐv を出力するようにしてもよい。
【００４０】
また、プログラマブル分周器６２に代えて、図９に示すように、充電用コンデンサ５２の出力側に介挿された定電圧回路８０から出力される定電圧を可変抵抗器８１に供給し、この可変抵抗器８１の摺動子８１ａから出力される電圧をＶ／Ｆ変換器８２でパルス信号に変換して目標速度パルス信号Ｐv を発生させるようにしてもよい。
【００４１】
また、プログラマブル分周器６２に代えて、図１０に示すように、基準クロック発生回路８３から出力される例えば１Ｈｚの基準クロック信号が一方の入力端に入力される位相比較器８４の他方の入力端に分周器８５から出力される１Ｈｚの分周パルス信号を入力し、位相比較器８４から出力される位相差信号をローパスフィルタ８６で積分して直流化し、この直流信号をＤＣアンプ８７で増幅して電圧制御発振器８８に供給して例えば６４Ｈｚのパルス信号を得、このパルス信号を分周期８５に供給して、順次半分の周波数に分周し、電圧制御発振器８８から出力される６４Ｈｚ，分周器８５で分周される３２Ｈｚ，１６Ｈｚ，８Ｈｚ，４Ｈｚ，２Ｈｚ及び１Ｈｚのパルス信号をセレクタ８９で選択することにより、目標速度パルス信号Ｐv を形成するようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施の形態においては、プログラマブル分周器６２，コンパレータ６３，アップ／ダウンカウンタ６４及びブレーキ制御回路６５で回転制御手段を構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１１に示すように、コンパレータ６３から出力される回転検出パルス信号Ｐr をワンショット回路９１に供給して回転検出パルス信号Ｐr の立ち上がり時点で所定幅のパルス信号を発生させ、これを、周波数を電圧に変換する周波数／電圧（Ｆ／Ｖ）変換器９２に供給し、この周波数／電圧変換器９２から出力される回転検出電圧Ｖr と充電用コンデンサ５２の出力側に介挿された定電圧回路８０の定電圧が供給される可変抵抗器９３の摺動子９３ａから出力される速度指令電圧Ｖv とを差動増幅器９４に供給して、この差動増幅器９４から出力される両者の偏差電圧をブレーキ制御回路６５に供給するようにしてもよい。
【００４３】
また、図１２に示すように、充電用コンデンサ５２の出力側に介挿された定電圧回路８０から出力される定電圧が供給される可変抵抗器９５を設け、その摺動子９５ａから出力される電圧を目標速度指令値として、三角波発生回路９６からの三角波が一方の入力側に入力された比較器９７の他方の入力側に入力することにより、直接デューティ制御されたブレーキ制御信号ＢＳを形成するようにしてもよい。
【００４４】
また、上記実施の形態では、ブレーキ制御回路６５によってブレーキ回路３３の電界効果トランジスタ３３Ｂをデューティ制御する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電界効果トランジスタ３３Ｂのゲートに印加する電圧を制御して制動力を制御するようにしてもよい。
【００４５】
なお、上記実施の形態においては、水栓１の下流に自己発電式水量調整装置１０を設けた場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば、配管途中等、流路に設ける場合でも適用することができる。
【００４６】
また、上記実施の形態においては、水栓１の下流に組み込んだ場合について説明したが、例えば、自己発電式水量調整装置を単体で形成し、これを必要に応じて蛇口に取り付けるようにしてもよい。
【００４７】
ここで、発電調速機３０が発電調速手段に対応し、回転制御回路６０が回転制御手段に対応している。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、水栓の下流流路に設けられた水車の回転力を、輪列を介して発電調速手段に伝達して誘起電力を発生させ、発生させた誘起電力によって回転制御手段を駆動して、発電調速手段の回転周期、つまり水車の回転周期を任意の所望速度に制御するようにしたから、電源を必要とすることなく、水車を所望速度で回転させることができ、すなわち、所望の流量に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による自己発電式自動水量調整機能付水栓の概略構成の一例を示す断面図である。
【図２】自己発電式自動水量調整装置の回転伝達系の一例を示す概略構成図である。
【図３】自己発電式自動水量調整装置の制御系の一例を示すブロック図である。
【図４】図３におけるブレーキ制御回路の一例を示すブロック図である。
【図５】ブレーキ制御回路の動作の説明に供するタイムチャートである。
【図６】回転制御回路の他の第１実施例を示すブロック図である。
【図７】回転制御回路の他の第２実施例を示すブロック図である。
【図８】回転制御回路の他の第３実施例を示すブロック図である。
【図９】回転制御回路の他の第４実施例を示すブロック図である。
【図１０】回転制御回路の他の第５実施例を示すブロック図である。
【図１１】回転制御回路の他の第６実施例を示すブロック図である。
【図１２】回転制御回路の他の第７実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  水栓
１０  自己発電式自動水量調整装置
１１  シャフト
１４  第１歯車機構
１５  第２歯車機構
３０  発電調速機（発電調速手段）
３１  ロータ
３２  ステータ
３２ｂ  ステータコイル
３３  ブレーキ回路
３３Ｂ  電界効果トランジスタ
５０  回転制御装置
５１  整流回路
５２  充電用コンデンサ
５３  電源回路
６０  回転制御回路（回転制御手段）
６１  水晶振動子
６２  プログラマブル分周器
６３  コンパレータ
６４  アップ／ダウンカウンタ
６５  ブレーキ制御回路
６９  作動制御回路
７１  位相比較回路
７２  ローパスフィルタ
７３  ブレーキ制御回路
７５ａ〜７５Ｎ  分周器
７６  セレクタ
７８  基準クロック信号発生回路
７９  プログラマブル逓倍器
８０  定電圧回路
８１  可変抵抗器
８２  Ｖ／Ｆ変換器
８３  基準クロック発生回路
８４  位相比較器
８５  分周器
８６  ローパスフィルタ
８７  ＤＣアンプ
８８  ＶＣＯ
８９  セレクタ
９１  ワンショット回路
９２  Ｆ／Ｖ変換器
９３  可変抵抗器
９４  差動増幅器
９５  可変抵抗器
９６  三角波発生回路
９７  比較器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003659027.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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