JP2851782B2 - ディスクバルブ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に水栓、或いは湯水
混合栓に使用される可動弁体と固定弁体とからなるディ
スクバルブに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水栓、或いは湯水混合栓に用いられるフ
ォーセットバルブは、２枚の円盤状弁体を互いに摺接し
た状態で相対摺動させることによって、各弁体に形成し
た流体通路の開閉を行うようになっている。

【０００３】例えば図６（Ａ）に示すように、固体弁体
３０と可動弁体２０を互いの摺接面２１、３１で接した
状態として配置し、図６（Ｂ）に示すように、レバー４
０の操作で可動弁体２０を摺動させることによって、互
いの弁体２０、３０に形成した流体通路２２、３２の開
閉を行い、流体の流量調整を制御するようになってい
た。

【０００４】又、この種のディスクバルブ１０には、摺
動性及びシール性が要求されるとともに、互いが絶えず
摺り合わされることから耐摩耗性に優れた材質が求めら
れており、上記可動弁体２０及び固定弁体３０として硬
質金属やセラミックスが使用されていた。

【０００５】ところで、摺動性とシール性は相反するも
のであり、例えばシール性を高めようとすると摺接面を
極めて平滑にしなければならないが、逆に摺動性が損な
われることが知られており、この典型的な例がリンキン
グ（凝着）であった。これは極めて平滑な面を持った１
対の部材同志を摺り合わせたときに発生する引っかかり
や異音の発生、そしてついには張り付いて動かなくなる
ような現象のことであり、このようなリンキングを防止
するために、さまざまな解決案が考えられている。その
一例として１対の弁体のうち、一方の摺接面を中心線平
均粗さ（Ｒａ）０．２μｍ以下の面とし、他方の摺接面
を中心線平均粗さ（Ｒａ）０．３〜０．６μｍの面とし
たディスクバルブを本出願人は先に提案している（特開
平１−１１６３８６号公報参照）。

【０００６】又、特開昭６１−２０６８７５号、６１−
２４４９８０号、６２−４９４９号、６２−３７５１７
号公報には、一方の弁体を三次元網目構造の多孔質体と
し、この開気孔中に樹脂やオイルなどの潤滑剤を充填し
たものもあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、摺接面に微
少な凹凸を形成したディスクバルブでは、摺動性を保つ
ために潤滑剤が不可欠であり、しかも、一方の摺接面が
若干粗い面となっていることから、長期使用中に潤滑剤
が流出して凹凸を有する摺接面同士の摺動となるため
に、摺動トルクが大きくなるといった問題やシール性が
損なわれる恐れがあった。

【０００８】また、潤滑剤の種類によっては、長期使用
中に劣化したり、ゴミ等が付着することによる摺動特性
の悪化を避けることができなかった。

【０００９】しかも、摺動摩耗によって摺接面が滑らか
になってしまい結局リンキングが発生していた。

【００１０】一方、多孔質体の開気孔中に樹脂を充填し
たものにあっては、硬度の低い樹脂部分が先に削られて
は全面が削られるというように潤滑作用をなす樹脂が常
に相手材と接しないため、摺動トルクにばらつきがあっ
た。しかも、緻密な相手材に比べ多孔質体であるために
硬度が低く、その結果、短期間で磨耗してしまうという
問題があった。

【００１１】ところで、今日では耐摩耗性に優れ、摩擦
係数の小さい非晶質ダイヤモンドが注目されており、こ
の非晶質ダイヤモンドから成る膜をセラミック部材に形
成した摺動部材が提案されている（特開平３−２２３１
９０号公報参照）。

【００１２】しかし、非晶質ダイヤモンドは密着性が悪
く、フォーセットバルブ等のディスクバルブに用いるに
は膜の剥離やシール性等の問題があり、まだ実用に供す
るものではなかった。

【００１３】本発明の目的は、非晶質ダイヤモンドなど
の非晶質硬質炭素膜を備えたディスクバルブを完成さ
せ、リンキングを生じることなくスムーズな摺動が可能
で、その性能を長期間にわたって維持することができる
ディスクバルブを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では上記
課題に鑑み、２枚の弁体からなるディスクバルブのう
ち、一方の弁体の摺接面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で
０．２μｍ以下、平坦度で１μｍ以下とし、他方の弁体
は中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．１５〜０．４μｍの基
体上に、膜厚が０．４〜１．０μｍでかつラマン分光分
析におけるラマンスペクトルの２つのピークがそれぞれ
ダイヤモンドの１３３３ｃｍ^-1とグラファイトの１５５
０ｃｍ^-1の近傍に存在する非晶質硬質炭素膜を被覆して
摺接面を構成し、互いの摺接面同士を摺接させるように
したものである。

【００１５】

【作用】本発明によれば、一方の弁体に非晶質硬質炭素
膜を形成してあるため、摺動性に優れリンキングを防止
できる。

【００１６】又、非晶質硬質炭素膜を備える弁体の摺接
面は、膜の密着性を考慮した最適な面粗さとしてあるた
めに膜の剥離がない。しかも、他方の弁体の摺接面も滑
らかな面としてあることから、膜を傷つけることなくシ
ール性を損なうことがない。その為、極めて長期間にわ
たり摺動特性を維持することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明実施例を説明する。

【００１８】図１は本発明に係るディスクバルブの一例
であるフォーセットバルブの弁体同士を摺接させた状態
を示す斜視図であり、図２は可動弁体２０のみを、図３
は固定弁体３０のみをそれぞれ示す斜視図である。

【００１９】図１に示すように、円盤状をした固定弁体
３０と可動弁体２０を互いの摺接面２１，３１で接した
状態としておいて、可動弁体２０を動かすことによっ
て、互いの弁体２０、３０に備えた流体通路２２、３２
の開閉を行い、流体の流量調整を行うようにしてある。

【００２０】又、これらの弁体２０、３０には、耐磨耗
性に優れ変形し難い材質が要求されることから、真鍮や
ステンレス、或いは超硬合金などの硬質金属、又は、セ
ラミックスにより各弁体２０、３０を形成する。

【００２１】ここで、上記セラミックスは、アルミナ、
ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等を主体とする焼結体
であって、助剤を所定量配合することで得られる。例え
ば、アルミナに対してはCaO 、SiO₂、MgO のうち少なく
とも一種を、炭化珪素に対してはＣ、Ｂ、B₄C 、Al
₂O₃ 、Y₂O₃等を、さらに窒化珪素に対しては周期律表2
a、3a族元素の酸化物や窒化物をそれぞれ焼結助剤とし
て添加し、ジルコニアに対してはY₂O₃、CaO 、MgO など
の安定化剤を添加する。

【００２２】ところで、図２に示す可動弁体２０の摺接
面２１は、表面粗さ（Ｒａ）０．２μｍ以下の面に形成
する。これは、表面粗さが０．２μｍより大きいと、摺
動時に固定弁体３０の摺接面３１を磨耗させてしまうか
らであり、好ましくは表面粗さ（Ｒａ）０．１μｍ以下
の滑らかな面とすることが望ましい。又、シール性を保
つために摺接面２１の平坦度は１μｍ以下とすることが
重要である。

【００２３】一方、図３に示す固定弁体３０は、基体３
４の表面に、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等
の薄膜形成手段により均一な非晶質硬質炭素膜３３を被
覆して摺接面３１を構成する。

【００２４】非晶質硬質炭素は、表１に示すように高硬
度であるため耐磨耗性に優れ、動摩擦係数も非常に小さ
い材質であることから、潤滑剤を介さなくとも可動弁体
２０との摺動トルクを大幅に軽減することができるとと
もに、その性能を長期間にわたって保つことができる。

【００２５】

【表１】

【００２６】ただし、非晶質硬質炭素は他部材との密着
性が悪く、可動弁体２０との摺動に伴い基体３４の表面
から剥離してしまう恐れがある。その為、基体３４の表
面は中心線平均粗さ（Ｒａ）０．１５〜０．４μｍの面
粗さに形成する。この理由としては、基体３４の面粗さ
が中心線平均粗さ（Ｒａ）０．１５μｍより小さいと充
分なアンカー効果が得られず、可動弁体２０との摺動時
に膜３３が剥がれてしまう恐れがあるからである。ただ
し、アンカー効果を持たせるために基体３４の表面を中
心線平均粗さ（Ｒａ）０．４μｍより大きくすると、摺
接面３１の凹凸が大きくなり過ぎ、逆にシール性が損な
われる。

【００２７】又、非晶質硬質炭素は動摩擦係数が非常に
小さいことから摺動トルクを大幅に軽減することができ
るものの、摺接面３１が滑らか過ぎるとリンキングを生
じる恐れがあるため、固定弁体３０の摺接面３１は基体
３４の表面と同等の面粗さとすることが重要であり、そ
の為、非晶質硬質炭素膜３３の厚み幅ｈは０．４〜１．
０μｍの範囲とする。

【００２８】即ち、膜３３の厚み幅ｈが０．４μｍより
小さいと、薄すぎるために短期間で膜３３が摩耗してし
まうからであり、逆に厚み幅ｈが１．０μｍより大きい
と、厚み幅ｈのばらつきが大きくなり、均一な膜３３を
形成することができないために摺接面３１の面粗さが大
きくなってしまうからである。

【００２９】しかも、非晶質硬質炭素はダイヤモンド
（ビッカース硬度：１００００ｋｇ／ｍｍ² ）ほど高い
硬度を有してはいないものの、ビッカース硬度で２００
０〜５０００ｋｇ／ｍｍ² と非常に高い硬度を持った材
質であるために研摩加工を施すことは非常に大変であり
多大な労力を要する。その為、厚み幅ｈは１．０μｍ以
下としておけば短期間で膜３３が摩耗してしまうことは
なく、又、均一な厚み幅ｈを持った膜３３を形成するこ
とができるため、研摩加工の必要がない。

【００３０】ところで、非晶質硬質炭素は、非常に緻密
で結晶粒界が見られず、ガラスを割ったような形態をし
た非晶質構造をしたもので、規則的な結晶構造を持つダ
イヤモンドや立方晶窒化ほう素（ｃＢＮ）、六方晶窒化
ほう素（ｈＢＮ）とは異なる組成のものである。ただ
し、若干の結晶質を含んだ非晶質構造であってもよい。
又、この非晶質硬質炭素をグラファイトやダイヤモンド
の同定によく用いられるラマン分光分析装置を使って調
べると図４に示すようなダイヤモンドのピーク位置であ
る１３３３ｃｍ^-1とグラファイトのピーク位置である１
５５０ｃｍ^-1の近傍にそれぞれピークを持ったものとな
る。

【００３１】ただし、本発明に用いる非晶質硬質炭素
は、ピークがダイヤモンド或いはグラファイトの何方か
一方に偏っていてもよく、好ましくはダイヤモンドのピ
ーク位置に偏っている方がよい。

【００３２】なお、実施例では、非晶質硬質炭素膜を有
する弁体を固定弁体３０に用いた例を示したが、上記非
晶質硬質炭素膜を有する弁体を可動弁体２０として用い
ても同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００３３】実施例１ 次に、本発明に係るディスクバルブを図１のフォーセッ
トバルブを例にとり具体的に説明する。

【００３４】フォーセットバルブを構成する可動弁体２
０及び固定弁体３０を共にアルミナセラミックスで形成
し、上記固定弁体３０をなす基体３４の表面に非晶質硬
質炭素膜３３を被覆する。

【００３５】各弁体は、純度９０％以上で、且つ平均粒
子径３μｍ程度のアルミナ粉末に、焼結助剤としてＳｉ
Ｏ₂ を０．５重量％以上で、且つＭｇＯ及びＣａＯをそ
れぞれ０．２重量％以上添加し、さらにバインダーを所
定量添加してボールミルにて混合粉砕したあと、スラリ
ー状の原料をスプレードライヤーで造粒する。次に得ら
れた造粒体を乾式形成したあと、酸化雰囲気中で約１６
００℃の焼成温度にて焼成することでアルミナセラミッ
クスから成る弁体が得られる。

【００３６】ただし、アルミナ粉末の純度は９０％以上
のものを使用することが必要で、純度９０％未満のアル
ミナ粉末を使用すると、耐摩耗性が大きく劣ってしまう
ため、短期間で摩耗しシール性を保つことができない。
又、焼結助剤として添加するＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、及びＣ
ａＯのうち、一つでも上記範囲を満足していないと摺動
時に脱粒を生じ、摺接面の面粗さを維持することができ
なくなるために水漏れを生じる。

【００３７】又、このフォーセットバルブを湯水混合栓
に使用する時には、弁体をなすアルミナセラミックスが
急に熱せられるために耐熱衝撃性を高めておいた方がよ
い場合がある。このような時には焼結助剤以外にＴｉＯ
₂ を合計に対して２〜１０重量％の範囲で添加する。上
記範囲でＴｉＯ₂ を添加すれば、アルミナセラミックス
の耐熱衝撃性を向上させることができ、万一１００℃を
越える高温の温水が急に流入したとしても弁体を変形さ
せたり、破損することがない。

【００３８】このようにして得られた弁体を２つ用意
し、そのうちの一方を可動弁体２０とし、その摺接面２
１を中心線平均粗さで０．２μｍ以下、且つ平坦度１μ
ｍ以下となるように研摩する。

【００３９】又、他方を固定弁体３０とし、基体３４の
表面を中心線平均粗さで０．１５〜０．４μｍ、且つ平
坦度１μｍ以下となるようにそれぞれ研摩加工を施し、
さらに、ベンゼン（Ｃ₆ Ｈ₆ ）ガスをフィラメントでイ
オン化した炭素イオンをイオン加速器により基体３４の
表面に蒸着させ、０．４〜１．０μｍの厚み幅ｈを有す
る非晶質硬質炭素膜３３を形成する。そして、上記可動
弁体２０及び固定弁体３０の互いの摺接面２１，３１を
摺接させれば本発明に係るフォーセットバルブを得るこ
とができる。

【００４０】実験例１ ここで、弁体がアルミナセラミックスから成る図１のフ
ォーセットバルブを試作し、固定弁体３０をなす基体３
４の表面の面粗さをいろいろ変化させて摺動実験を行っ
た。

【００４１】この実験に使用したフォーセットバルブ
は、外径３０ｍｍで、厚み１５ｍｍの円盤状体に直径５
ｍｍの流体通路２２を穿設した可動弁体２０と、外径４
０ｍｍで、厚み５ｍｍの円盤状体に直径５ｍｍの流体通
路３２を穿設するとともに、表面に非晶質硬質炭素膜３
３を被覆した固定弁体３０とを組み合わせて構成してあ
る。又、可動弁体２０の摺接面２１は平坦度１μｍで、
且つ中心線平均粗さ０．２μｍに仕上げてあり、固定弁
体３０をなす基体３４の表面には、厚み幅ｈが０．５μ
ｍの非晶質硬質炭素膜３３を被覆し、基体３４の面粗さ
を表２に示すようにそれぞれ変化させたものを用意し
た。

【００４２】なお、固定弁体３０はアルミナ純度９４％
で、且つＭｇＯが０．５重量％、ＣａＯが０．５重量
％、及びＳｉＯ₂ が５．０重量％含有するアルミナセラ
ミックスにより形成してあり、可動弁体２０は、固定弁
体３０に比べ厚みが大きいことから耐熱衝撃性を高める
ため、アルミナ純度９１％で、且つＭｇＯが０．５重量
％、ＣａＯが０．５重量％、ＳｉＯ₂ が５．０重量％、
及びＴｉＯ₂ を３．０重量％含有するアルミナセラミッ
クスにより形成してある。

【００４３】これらの固体弁体３０に可動弁体２０をケ
ーシングによって３０Ｋｇｆの軸力で押さえつけなが
ら、流体通路２２，３２に８０℃の温水を１Ｋｇ／ｃｍ
2 の圧力で注入し、可動弁体２０を操作レバー４０によ
り摺動させて行った。

【００４４】それぞれの結果は表２に示す通りである。

【００４５】

【表２】

【００４６】表２より判るように、基体３４の面粗さが
中心線平均粗さで０．１５μｍ未満であると膜３３の剥
離が発生し、バルブとして使用できないことが判る。
又、基体３４の面粗さが中心線平均粗さで０．４μｍよ
り大きいと膜３３の剥離はないものの摺接面３１の凹凸
が大き過ぎるため、摺接面２１，３１間より水漏れが発
生した。

【００４７】これに対し、本願発明の範囲である中心線
平均粗さ０．１５〜０．４μｍの面粗さに形成した固定
弁体３０を有するフォーセットバルブでは膜３３の剥離
がなく、又、水漏れを生じることもなくスムーズに可動
弁体２０を摺動させることができた。

【００４８】なお、基体３４がステンレスや超硬合金、
或いは炭化珪素や窒化珪素から成る固定弁体３０につい
ても同様の実験を行ったが、弁体３０の表面を中心線平
均粗さで０．１５〜０．４μｍの範囲に形成してあれ
ば、非晶質硬質炭素膜３３が剥がれることはなく、スム
ーズに可動弁体２０を摺動させることができた。

【００４９】実験例２ 次に、図１に示すフォーセットバルブを用いて、可動弁
体２０の摺接面２１の面粗さと固定弁体３０に被覆した
非晶質硬質炭素膜３３の厚み幅ｈをそれぞれ変化させた
時の摺動荷重について実験を行った。

【００５０】可動弁体２０及び固定弁体３０は共に、実
験例１で使用した形状のものを用意した。ただし、非晶
質硬質炭素膜３３を被覆する基体３４の表面は中心線平
均粗さで０．１５〜０．４μｍの範囲で設けてある。

【００５１】又、この実験に使用する可動弁体２０の摺
接面２１の面粗さと基体３４に被覆した非晶質硬質炭素
膜３３の厚み幅ｈはそれぞれ表２に示す通りである。な
お、比較・参考例として非晶質硬質炭素膜３３を設けて
いないフォーセットバルブも用意して同様の実験を行っ
た。

【００５２】

【表３】

【００５３】なお、この試験における測定条件は実験例
１と同様の方法で行い、操作レバーを操作して可動弁体
２０を１０万回摺動させた時の摺動荷重が０．８Ｋｇｆ
を超えていないものを摺動性良好として判断した。

【００５４】それぞれの結果は図５に示す。

【００５５】図５より判るように、非晶質硬質炭素膜３
３を備えていない試料Ｎｏ．６のバルブでは短期間で摺
接面２１，３１が摩耗してリンキングが発生し、摺動荷
重が増大してしまい、実用的ではなかった。

【００５６】又、試料Ｎｏ．５のバルブは、非晶質硬質
炭素膜３３の厚み幅ｈが０．４μｍより薄いために５万
回程度の摺動で膜３３の摩耗が始まり、９万回程度で摺
動荷重が０．８ｋｇｆを超えてしまい、１０万回をクリ
アすることができなかった。又、試料Ｎｏ．４のバルブ
では、可動弁体２０の摺接面２１が中心線平均粗さで
０．２μｍ以上であるために、２万回程度の摺動で膜３
３の摩耗が始まり、５万回程度で摺動荷重が０．８ｋｇ
ｆを超えてしまった。

【００５７】さらに、試料Ｎｏ．３のバルブは、試料Ｎ
ｏ．４の可動弁体２０より摺接面２１の面粗さ滑らかで
あるものの、中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍより
大きいために、４万回程度の摺動で非晶質硬質炭素膜３
３の摩耗が始まり、７万回程度で摺動荷重が０．８ｋｇ
ｆを越えてしまった。

【００５８】これに対し、本発明に係る試料Ｎｏ．１及
びＮｏ．２のバルブは、共に可動弁体２０の摺接面２１
が中心線平均粗さで０．２μｍ以下であり、且つ膜３３
の厚み幅ｈが０．４〜１．０μｍの範囲にあるために摺
動性に優れ、１０万回の摺動に対しても膜３３が残って
おり摺動荷重が０．８ｋｇｆを超えることはなかった。

【００５９】なお、可動弁体２０を真鍮やステンレス、
或いは炭化珪素や窒化珪素で形成し、同様の実験をそれ
ぞれ行ったが、摺接面２１を表面粗さ（Ｒａ）０．２μ
ｍ以下で、且つ平坦度１μｍ以下の面としてあれば１０
万回の摺動でも摺動荷重が０．８ｋｇｆを超えるこはな
かった。

【００６０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、２枚の弁
体からなるディスクバルブのうち、一方の弁体の摺接面
を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下、平坦度で
１μｍ以下とし、他方の弁体は中心線平均粗さ（Ｒａ）
が０．１５〜０．４μｍの基体上に、膜厚が０．４〜
１．０μｍでかつラマン分光分析におけるラマンスペク
トルの２つのピークがそれぞれダイヤモンドの１３３３
ｃｍ^-1とグラファイトの１５５０ｃｍ^-1の近傍に存在す
る非晶質硬質炭素膜を被覆して摺接面を構成し、互いの
摺接面同士を摺接させるようにしたことから、シール性
に優れるとともに、潤滑剤を用いなくとも優れた摺動性
が得られるためにリンキングを生じることがなく、その
性能を極めて長期間にわたって維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るディスクバルブの一例であるフォ
ーセットバルブの弁体のみを示す斜視図である。

【図２】図１の可動弁体を示す斜視図である。

【図３】図１の固定弁体を示す斜視図である。

【図４】図１の固定弁体に被覆する非晶質硬質炭素膜の
ラマンスペクトルを示すグラフである。

【図５】本発明及び比較例のフォーセットバルブにおけ
るサイクル数と摺動荷重の関係を示すグラフである。

【図６】一般的なフォーセットバルブの作動状態を示す
斜視図で（Ａ）は流体通路を開通させた図であり、
（Ｂ）は流体通路を遮断した図である。

【符号の説明】

１０：フォーセットバルブ ２０：可動弁体 ２１：摺接面 ３０：固定弁体 ３１：摺接面 ３３：非晶質硬質炭素膜 ３４：基体 ４０：操作レバー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−116386（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−296248（ＪＰ，Ａ) 特表 昭63−501237（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F16K 3/02 C04B 41/87 F16K 11/06 F16K 25/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．２μｍ以
   下、平坦度が１μｍ以下の摺接面を有する弁体と、中心
   線平均粗さ（Ｒａ）が０．１５〜０．４μｍである基体
   の表面に、膜厚が０．４〜１．０μｍでかつラマン分光
   分析におけるラマンスペクトルの２つのピークがそれぞ
   れダイヤモンドの１３３３ｃｍ ^-1 とグラファイトの１５
   ５０ｃｍ ^-1 の近傍に存在する非晶質硬質炭素膜を被覆し
   て摺接面が構成された弁体との組み合わせからなるディ
   スクバルブ。