JP2000283302A

JP2000283302A - ディスクバルブ

Info

Publication number: JP2000283302A
Application number: JP11088910A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ikeda; 泰志池田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2000-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】シール性と摺動性を極めて長期間にわたって維
持することができ、異音の発生の少ないディスクバルブ
を提供する。【解決手段】互いに摺動する弁体の一方の摺接面を、中
心線平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、平坦度１μｍ
以下で、且つカッティング深さが０．５μｍの時の負荷
長さ率（ｔｐ) を９０％以上とし、他方の摺接面を、中
心線平均粗さ（Ｒａ) が０．１５〜０．４μｍ、平坦度
１μｍ以下で、且つカッティング深さが０．５μｍの時
の負荷長さ率（ｔｐ) を６０〜８５％としてディスクバ
ルブを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弁体の摺接面同士
を摺動させるようにしたディスクバルブに関するもので
あり、特に水栓あるいは湯水混合栓に用いられる可動弁
体と固定弁体とからなるフォーセットバルブに好適なも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、水栓あるいは湯水混合栓に用いら
れるフォーセットバルブは、２枚の円板状をした弁体同
士を互いに摺接させた状態で相対移動させることによっ
て、各弁体に設けられた流体通路の開閉を行うようにな
っている。

【０００３】例えば、図４（Ａ）に示すように、固体弁
体１５と可動弁体１２を互いの摺接面１３，１６で当接
させ、図４（Ｂ）に示すように、レバー１０の操作で可
動弁体１２を摺動させることによって、互いの弁体１
２，１５に形成された流体通路１４，１７の開閉を行
い、流体の流量を制御するようになっていた。

【０００４】この種のディスクバルブ１１は、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１２及び固定弁体１５を形
成する材質としてステンレス等の金属やセラミックスが
使用されていた。

【０００５】また、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、逆に摺動性が悪くなる
といった問題があり、この典型的な例がリンキング（凝
着）と呼ばれるもので、これは極めて平滑な摺接面を持
った一対の弁体同士を摺り合わせたときに発生する引っ
かかりや張り付いて動かなくなる現象のことを言う。

【０００６】そして、弁体をステンレスやセラミックス
により形成したものでは、優れたシール性が得られる反
面、摺動性に劣るため、摺動性とシール性を両立させる
ため、例えば可動弁体１２の摺接面１３を中心線平均粗
さ（Ｒａ）で０．２μｍとし、固定弁体５の摺接面６を
中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．３〜０．６μｍと両者の
面粗さを若干異ならせるとともに、潤滑性の改善を図
り、軽快な操作性を得るために、摺接面１３，１６間に
シリコン系のグリスを塗布した状態で使うことが一般に
採用されている。

【０００７】また、グリス量を少なくして潤滑性を高め
るため、弁体に自己潤滑性を有する合成疑似ダイヤモン
ド膜を被覆してその膜表面を摺接面としたディスクバル
ブも提案されている（特開平１−２６１５７０号公報、
特開平３−２２３１９０号公報参照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、互いの摺接
面１３，１６における面状態を中心線平均粗さ（Ｒａ）
等の面粗さで管理しただけでは、数千回程度の弁体操作
で摺接面１３，１６間からグリスが流出して操作力が上
昇し、やがては弁体１２，１５同士が凝着したり、流体
の漏れが発生するといった課題があった。

【０００９】即ち、弁体１２，１５の摺接面１３，１６
を面粗さだけで管理したものでは、摺接面１３，１６を
断面視したときに、粗さ曲線の山頂が凸形状をしている
場合、中心線平均粗さ（Ｒａ) では、その測定データが
平均化されるため、摺接面１３，１６に存在する凸形状
を認識することが難しく、この凸形状が摺接面１３，１
６に存在すると、キーキーという異音を発生させたり、
摺接面１３，１６を傷付け、流体の漏れ、操作力の上昇
等を引き起こすことがあった。

【００１０】特に、この問題は、弁体１２，１５に合成
疑似ダイヤモンド膜を被覆したものに多く、弁体１２，
１５の表面における粗さ曲線を見たとき、山頂が平らで
あってもスパッタリング、プラズマＣＶＤ、イオンプレ
ーティング等の薄膜形成手段により合成疑似ダイヤモン
ド膜を被覆すると、膜表面に突起が形成されることがあ
り、この突起が原因で操作力の上昇、シール性の低下、
さらには合成疑似ダイヤモンド膜の剥離等を発生させる
ことがあった。

【００１１】また、摺接面１３，１６を断面視したとき
に、粗さ曲線の山頂が平らで、深いボイド等の凹部があ
る場合、中心線平均粗さ（Ｒａ) では、凹部の幅が小さ
くても面粗さは粗くなり、実用上使用可能であっても、
規格から外れたものとして判断してしまうことがあり、
歩留まりを低下させるといった問題点もあった。

【００１２】一方、本件出願人は、グリスの流出をでき
るだけ防ぐため、少なくとも一方の弁体１２，１５の摺
接面１３，１６に独立した開気孔を設けてグリス溜めと
し、かつその実体摺動面積率（ＢＥＡＲＩＮＧＳＵＲ
ＦＡＣＥＡＲＥＡ：以下、ＢＳと言う）を４０〜９０
％とすることを先に提案している（特願平８−１２７１
２１号公報参照）。

【００１３】しかしながら、ＢＳは摺接面１３，１６に
存在する凹部を除いた部分が占める割合を規定したもの
であって、突起や凸部の有無を判断することかできない
ため、前述した課題を解消することができなかった。

【００１４】このように、未だ異音やリンキングを生じ
ることなく滑らかな操作性が得られるディスクバルブ１
１を歩留り良く生産することができなかった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、
平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．５μ
ｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ) が９０％以上である
摺接面を備えた弁体と、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．
１５〜０．４μｍ、平面度１μｍ以下で、且つカッティ
ング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ)
が６０〜８５％である摺接面を備えた弁体とを組み合わ
せてディスクバルブを構成したものである。

【００１６】また、本発明は、上記ディスクバルブを構
成する少なくとも一方の弁体の摺接面を合成疑似ダイヤ
モンド膜により形成したことを特徴とするものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
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のみを示す斜視図であ
り、円板状をした固定弁体５と可動弁体２を互いの摺接
面３，６で当接させ、可動弁体２を摺動させることによ
って互いの弁体２，５に備えた流体通路４，７の開閉を
行い、流体の流量調整を行うようにしてある。

【００１９】これらの弁体２，５を形成する材質として
は、耐摩耗性に優れ変形し難い材質が要求されることか
ら、ステンレス等の硬質金属、あるいはアルミナ、ジル
コニア、炭化珪素、窒化珪素等を主成分とするセラミッ
クスを用いることができる。アルミナセラミックスにつ
いては、アルミナ粉末を主成分とし、焼結助剤としてＳ
ｉＯ₂，ＭｇＯ，ＣａＯの少なくとも１種を添加した原
料粉末を所定形状に成形したあと、大気雰囲気下や酸素
雰囲気下にて１６００〜１８００℃の温度で焼成すれば
良く、ジルコニアセラミックスについては、ジルコニア
粉末を主成分とし、安定化剤としてＹ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，
ＣａＯ，ＣｅＯ₂，Ｄｙ₂Ｏ₃の少なくとも１種を添加
した原料粉末を所定形状に成形したあと、大気雰囲気下
や酸素雰囲気下にて１２００〜１４００℃の温度で焼成
すれば良く、炭化珪素質セラミックスについては、炭化
珪素粉末を主成分とし、焼結助剤としてＢとＣを添加し
た原料粉末を所定形状に成形したあと、真空雰囲気下や
不活性ガス雰囲気下にて１８００〜２０００℃の温度で
焼成すれば良く、窒化珪素質セラミックスについては、
窒化珪素粉末を主成分とし、焼結助剤としてＢとＣある
いはＡｌ₂Ｏ₃とＹ₂Ｏ₃を添加した原料粉末を所定形
状に成形したあと、真空雰囲気下や不活性ガス雰囲気下
にて１８００〜２０００℃の温度で焼成すれば良く、さ
らに窒化アルミニウム質セラミックスについては、窒化
アルミニウム粉末を主成分とし、焼結助剤としてＹ₂Ｏ
₃やＥｒなどの希土類酸化物を添加した原料粉末を所定
形状に成形したあと、真空雰囲気下や不活性ガス雰囲気
下にて１７００〜２０００℃の温度で焼成すれば良い。

【００２０】また、本発明によれば、可動弁体２の摺接
面３を中心線平均粗さ（Ｒａ) で０．２μｍ以下、平面
度を１μｍ以下とするとともに、固定弁体５の摺接面６
を中心線平均粗さ（Ｒａ) で０．１５〜０．４μｍ、平
面度を１μｍ以下とし、かつ摺接面６よりも摺接面３の
面粗さの方が小さいことを特徴とする。

【００２１】摺接面３の面粗さを中心線平均粗さ（Ｒ
ａ) で０．２μｍ以下としたのは、０．２μｍを越える
と、摺動時に固定弁体５の摺接面６を摩耗させてしまう
からであり、好ましくは中心線平均粗さ（Ｒａ) で０．
１μｍ以下の滑らかな面とすることが良く、摺接面６の
面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１５〜０．４μ
ｍとしたのは、０．１５μｍより小さいと、摺接面３，
６間にグリスを介在させることが殆どできず、逆に０．
４μｍを越えると、シール性が損なわれ、リークを招く
恐れがあるからである。

【００２２】また、各摺接面３，６における平面度をそ
れぞれ１μｍ以下としたのは、いずれか一方の摺接面
３，６における平面度が１μｍを越えるとシール性が損
なわれるからである。

【００２３】さらに、本発明によれば、両弁体２，５の
摺接面３，６における面粗さと平面度を前述した範囲と
する以外に、摺接面３，６を断面視したときに見られる
凹凸を、ある特定の深さにおける負荷長さ率（ｔｐ）で
管理するようにしたことを大きな特徴とし、可動弁体２
の摺接面３において、カッティング深さを０．５μｍと
した時の負荷長さ率（ｔｐ) を９０％以上とし、ボイド
等の凹部の少ない摺接面３とするとともに、固定弁体５
の摺接面６において、カッティング深さを０．５μｍと
した時の負荷長さ率（ｔｐ) を６０〜８５％と可動弁体
２側より若干小さくしてある。

【００２４】ここで、負荷長さ率（ｔｐ）とは、図２に
示すように、基準長さＬ内で粗さ曲線を山頂線に平行な
切断レベルで切断したときの切断長さの和と基準長さと
の比を百分率で表したもので、数１により算出される値
で、摺接面３，６を断面視したの深さ方向と水平方向の
両方の情報を管理することができる。なお、カッティン
グ深さとは、山頂線と平行な切断線から山頂線までの距
離のことを言う。

【００２５】

【数１】

【００２６】そして、摺接面３のカッティング深さを
０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ）が９０％よ
り小さいと、粗さ曲線の山頂が凸形状であるか、摺接面
３にボイドなどの凹部が多く、固定弁体５の摺接面６を
傷付けたり、摺接面３の摩耗を促進させることになり、
摺接面６のカッティング深さを０．５μｍとした場合の
負荷長さ率（ｔｐ) が６０％未満では、摺接面６にボイ
ドなどの凹部が多数存在し、リークの恐れがあり、摺接
面６のカッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷
長さ率（ｔｐ）が８５％を越えると、可動弁体２との接
触面積が多くなり、摺動抵抗が増大して操作トルクが高
くなり過ぎるからである。

【００２７】このように、互いに摺動する摺接面３，６
の面粗さ、平面度、負荷長さ率を前述した範囲で設ける
ことにより、シール性を損なうことなく、接触面積を低
減して摺動抵抗を下げることができ、また、極端に大き
な凹部を排し、細かな凹部を適度に備えた摺接面３，６
とできるため、潤滑剤保持効果を高めることができ、も
って、長期間にわたって安定した摺動性とシール性を実
現することができる。なお、カッティング深さは任意に
とることができるが、本件出願人が摺接面３，６の摩耗
等を考慮して実験を繰り返したところ、カッティング深
さを０．５μｍとすれば判断し易いことを見出したもの
である。

【００２８】ところで、図１では、可動弁体２の摺接面
３を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下、平坦度
１μｍ以下、カッティング深さを０．５μｍとした場合
の負荷長さ率（ｔｐ）を９０％以上とし、かつ固定弁体
５の摺接面６を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１５〜
０．４μｍ、平坦度１μｍ以下、カッティング深さを
０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ）を６０〜８
５％とした例を示したが、可動弁体２と固定弁体５の摺
接面３，６における面状態を置き換えても良いことは言
うまでもない。

【００２９】また、他の実施形態として、図３に示すよ
うにディスクバルブを構成する少なくとも一方の弁体に
合成疑似ダイヤモンド膜８を被覆することもでき、この
図３では固定弁体５に合成疑似ダイヤモンド膜８を被覆
し、その膜表面を摺接面９としてある。そして、このデ
ィスクバルブの場合、摺接面３又は摺接面９を、中心線
平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、平面度１μｍ以
下、カッティング深さを０．５μｍとした時の負荷長さ
率（ｔｐ) が９０％以上とし、摺接面９又は摺接面３
を、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．１５〜０．４μｍ、
平面度１μｍ以下、カッティング深さを０．５μｍとし
た時の負荷長さ率（ｔｐ) が６０〜８５％とすること
で、少ないグリス量でも長期間にわたって安定した摺動
性とシール性を実現することができる。

【００３０】

【実施例】（実施例１）弁体２，５がアルミナセラミッ
クスからなる図１のフォーセットバルブ１１を試作し、
固定弁体５の摺接面６における表面状態を変化させて摺
動実験を行った。

【００３１】この実験に使用した弁体２，５は、外径３
０ｍｍ、厚み１５ｍｍの円板状体に、直径５ｍｍの流体
通路４を設けた可動弁体２と、外径４０ｍｍ、厚み５ｍ
ｍの円板状体に、直径５ｍｍの流体通路７を設けた固定
弁体５とを組み合わせて構成した。

【００３２】また、可動弁体２の摺接面３は、中心線平
均粗さ（Ｒａ) ０．１μｍ、平面度１μｍとし、カッテ
ィング深さが０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) が９
５％となるように仕上げるとともに、固定弁体５の摺接
面６を、中心線平均粗さ( Ｒａ) ０．２５μｍ、平坦度
１μｍとした状態でカッティング深さが０．５μｍの時
の負荷長さ率（ｔｐ) を表１のように変化させたものを
用意した。

【００３３】そして、これらの固定弁体５に可動弁体２
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４、７に８０℃の温水を１ｋｇ／ｃｍ²
の圧力で注入し、可動弁体２を操作レバー１０により摺
動させて行った。なお、固定弁体５の摺接面６には予め
シリコーングリスを塗布しておいた。

【００３４】評価は操作レバー１０を操作して可動弁体
２を１０万回摺動させた後の摺動荷重が０．８ｋｇｆを
超えていないものを操作性良好として判断した。

【００３５】それぞれの結果は表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】この結果、表１より判るように、固定弁体
５の摺接面６における負荷長さ率（ｔｐ) が５５％以下
では、摺接面３，６間からリークが見られ、負荷長さ率
（ｔｐ) が９５％を超えると、操作性が悪化し実用的で
はなかった。

【００３８】これに対し、本発明に係る試料Ｎｏ．５〜
１１のように、固定弁体５の摺接面６におけるカッティ
ング深さ０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を６０〜
８５％とすれば、１０万回の摺動においてもリークがな
く操作性も良好な結果が得られた。

【００３９】そこで、さらに固定弁体５に合成疑似ダイ
ヤモンド膜８を被覆した摺接面９を表１に示す試料Ｎ
ｏ．９の面状態に仕上げて摺動実験を行ったところ、５
０万回を超えても軽快な操作力を維持することができ
た。しかも、摺動時にキーキーという不快な異音を発生
させることもなかった。

【００４０】（実施例２）次に、固定弁体５の摺接面２
は、中心線平均粗さ（Ｒａ) ０．２５μｍ、平面度１μ
ｍとし、カッティング深さが０．５μｍの時の負荷長さ
率（ｔｐ) が７０％となるように仕上げるとともに、可
動弁体２の摺接面３を、中心線平均粗さ(Ｒａ) ０．１
μｍ、平坦度１μｍとした状態でカッティング深さが
０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を表２のように変
化させたディスクバルブ１１を用意し、実施例１と同様
の条件にて５０万回摺動させる実験を行った。

【００４１】結果は表２に示す通りである。

【００４２】

【表２】

【００４３】この結果、表２より判るように、可動弁体
２の摺接面３における負荷長さ率（ｔｐ）が８５％以下
では、摺接面３，６間からリークが見られた。

【００４４】これに対し、本発明に係る試料Ｎｏ．１８
〜２０のように、可動弁体２の摺接面３におけるカッテ
ィング深さ０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を９０
％とすれば、５０万回もの摺動においてもリークがなく
操作性も良好な結果が得られた。

【００４５】そこで、さらに固定弁体５に合成疑似ダイ
ヤモンド膜８を被覆した摺接面９を表１に示す試料Ｎ
ｏ．９の面状態に仕上げて摺動実験を行ったところ、５
０万回を超えても軽快な操作力を維持することができ
た。しかも、摺動時にキーキーという不快な異音を発生
させることもなかった。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、中心線
平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、平面度１μｍ以下
で、且つカッティング深さを０．５μｍとした時の負荷
長さ率（ｔｐ) が９０％以上である摺接面を備えた弁体
と、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．１５〜０．４μｍ、
平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．５μ
ｍとした時の負荷長さ率（ｔｐ) が６０〜８５％である
摺接面を備えた弁体とを組み合わせてディスクバルブを
構成したことにより、シール性と摺動性を極めて長期間
にわたって維持することができ、リンキングを生じるこ
となく滑らかな弁体操作を得ることができる。

【００４７】また、本発明は、ディスクバルブを構成す
る少なくとも一方の弁体の摺接面を合成疑似ダイヤモン
ド膜により形成するとともに、その面状態を上記範囲と
することにより、合成疑似ダイヤモンド膜の持つ自己潤
滑性との効果により少ないグリス量で、シール性と摺動
性の両特性を極めて長期間にわたって維持することがで
き、リンキングを生じることなく滑らかな弁体操作を実
現することができる。

【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】負荷長さ率についての説明図である。

【図３】図１におけるディスクバルブの固定弁体に合成
疑似ダイヤモンド膜を被覆した他の例を示す斜視図であ
る。

【図４】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）は流体通路を遮断した時の図、（Ｂ）
は流体通路を連通させた時の図である。

【符号の説明】

１１：フォーセットバルブ２，１２：可動弁体３，
１３：可動弁体の摺接面４，１４：可動弁体の流体通路５，１５：固定弁体６，１６：固定弁体の摺接面７，１７：固定弁体の流
体通路８：合成疑似ダイヤモンド膜１０：操作レバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以
下、平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．
５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ) が９０％以上で
ある摺接面を備えた弁体と、中心線平均粗さ（Ｒａ) が
０．１５〜０．４μｍ、平面度１μｍ以下で、且つカッ
ティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔ
ｐ) が６０〜８５％である摺接面を備えた弁体とを組み
合わせたことを特徴とするディスクバルブ。
【請求項２】少なくとも一方の弁体の摺接面が合成疑似
ダイヤモンド膜であることを特徴とする請求項１に記載
のディスクバルブ。