JP2001124220A

JP2001124220A - セラミックバルブ及びそれを用いたバルブユニット

Info

Publication number: JP2001124220A
Application number: JP30611599A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Yogo; 哲爾余語; Yasuaki Nishisato; 泰昭西里
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2001-05-11
Also published as: EP1096189A1

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた摺動特性を長期間安定して得ることが
できて水漏れ等も生じににくく、しかもメンテナンス性
に極めて優れたセラミックバルブを提供する。【解決手段】セラミックバルブ１０、各々セラミック
製の固定弁体１１と可動弁体１２とを備え、それら弁体
１１，１２の一方の摺動面１２ａを主に非晶質炭素から
なる硬質炭素被膜にて覆うとともに、固定弁体と可動弁
体との両摺動面の算術平均粗さＲａを０．０８μｍ以下
とする。また、硬質炭素被膜のヌープ硬さＨKの数値を
Ｖ1、その硬質炭素被膜の形成されない相手側の弁体１
１の摺動面１１ａを形成するセラミック基材のビッカー
ス硬さＨVの数値をＶ2として、Ｖ1＞Ｖ2とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックバルブ
及びそれを用いたバルブユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水や湯の供給に使用されるバルブ
として、摺動面において互いに接する固定弁体と可動弁
体とを備えたセラミックバルブが多く使用されている。
このようなセラミックバルブは、例えば円板状に形成さ
れた弁体を互いに接した状態にて摺動させることによ
り、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。このようなバルブには、水（あるいは湯）を単
独に給・止水できるタイプのものの他、湯水を混合して
使用できるタイプのものもある（いわゆる湯水混合
栓）。また、弁体の材質としては、耐食性や耐摩耗性に
優れてしかも安価であることから、アルミナ質セラミッ
クを採用したものが普及している。また、最近では、そ
の摺動特性を向上させるために、弁体の摺動面にダイヤ
モンド状薄膜等の非晶質炭素膜を形成したものが多数提
案されている（例えば、特開平３−２２３１９０号、特
開平６−１０１７７２号あるいは特開平８−２３３１２
１号等の各公報）。非晶質炭素膜は自己潤滑性を有する
ため、緻密なセラミック製の摺動部材を摺動させても水
漏れ等の心配がなく、また、滑らかな摺動特性を得るこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なセラミックバルブにおいては、弁体の摺動面は、水漏
れ防止のために高精度に仕上げられるのが通常である。
しかしながら、摺動性と水漏れ防止のためのシール性と
は元来相反する因子であり、摺動性を高めるために摺動
面の面粗さを大きくすると水漏れが発生するし、シール
性を向上させるために摺動面の面粗さを小さくすると、
弁体同士が貼り付いて動かなくなる、いわゆるリンキン
グ現象が発生しやすくなるジレンマがある。

【０００４】そこで、特開平８−２３３１２１号公報に
は、非晶質炭素膜を形成する摺動面の面粗さを０．０８
〜０．４μｍと若干粗い領域に設定し、リンキング防止
とシール性との両立を図る提案がなされている。しか
し、該面粗さのレベルは、非晶質炭素膜単独で水漏れを
完全に防止するには粗すぎるため、グリースの塗布が必
須となる。この場合、長期間バルブを使用するうちにグ
リースが流出すると、面粗さが大きく設定されているた
めに非晶質炭素膜の摩耗が進行し、微細な凸部が削れて
なくなったり、あるいは凹部が摩耗粉で埋まったりし
て、結局はリンキングが発生しやすくなるのである。

【０００５】一方、特開平３−２２３１９０号公報や特
開平６−１０１７７２号公報には、摺動面を構成する２
面のうちのいずれか一方のみに非晶質炭素膜（ダイヤモ
ンド状炭素膜）を形成する手法にて、グリース塗布の廃
止が実現可能となる旨が謳われている。これら公報の技
術においては、２つの弁体のいずれか片側のみに非晶質
炭素膜を形成する点にて共通しており（前者において
は、表１の実施例１〜４を参照、後者においては第５図
を参照）、かつ面粗度も特開平８−２３３１２１号公報
に開示されたものよりも低い値に設定されている。しか
しながら、実際にはグリースを塗布しない状態でバルブ
の摺動を長期間繰り返せば非晶質炭素膜の摩耗がやはり
進行し、摺動特性が損なわれてしまう。従って、現在市
販されている各社のセラミックバルブには、例外なくグ
リース塗布した形で市販に供されているのが現状であ
る。その結果、グリース切れが生じた場合はグリースの
再塗布を行う必要が生じるなどメンテナンスが極めて面
倒となる問題を生ずる。また、現実の多くの製品供給形
態では、グリース切れにより摺動性が低下した場合はバ
ルブそのものを新品交換するという方式が取られている
が、リサイクルや省資源が叫ばれる今日の風潮には次第
にそぐわなくなってきている。

【０００６】本発明の課題は、上記のような従来技術に
鑑みて、優れた摺動特性を長期間安定して得ることがで
きて水漏れ等も生じににくく、しかもメンテナンス性に
極めて優れたセラミックバルブ及びそれを用いたバルブ
ユニットを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために本発明のセラミックバルブの第一
は、各々セラミック製の固定弁体と可動弁体とを備え、
それら弁体の一方の摺動面を主に非晶質炭素からなる硬
質炭素被膜にて覆うとともに、固定弁体と可動弁体との
両摺動面の算術平均粗さＲａを０．０８μｍ以下とし、
かつ、硬質炭素被膜のヌープ硬さＨKの数値をＶ1、その
硬質炭素被膜の形成されない相手側の弁体の摺動面部を
形成するセラミック基材のビッカース硬さＨVの数値を
Ｖ2として、Ｖ1＞Ｖ2としたことを特徴とする。

【０００８】本発明者らは、弁体間のシール性を考慮し
つつ、滑らかな摺動性を確保するためには、定弁体と可
動弁体との両摺動面の片側にのみ硬質炭素被膜を形成す
ることがより効果的であり、かつ両摺動面の平均粗さＲ
ａを０．０８μｍ以下と、例えば特開平８−２３３１２
１号公報の粗さレベルよりも小さく設定することが、や
はり有効であるとの結論に達した。そして、特開平３−
２２３１９０号公報や特開平６−１０１７７２号公報に
開示された技術において、長期間にわたるシール性確保
が必ずしも十分とならない理由についてさらに検討を重
ねた結果、片側の摺動面に形成される硬質炭素被膜の相
手材との摺動に伴う摩耗を抑制することが最も重要であ
り、その解決手段として、硬質炭素被膜の硬さを相手側
の摺動面を形成するセラミック基材（以下、相手材とも
いう）の硬さよりも大きく設定することが有効であるこ
とを見い出して、本発明を完成するに至ったのである。

【０００９】以下、さらに詳細に説明する。まず、本明
細書において「主に非晶質炭素からなる硬質炭素被膜」
とは、膜の主体をなす炭素の骨格構造が非晶質であり、
かつ下地となるセラミック基材よりも硬質の被膜をい
う。このような被膜は、物理蒸着法あるいは化学蒸着法
の原理を応用した気相成膜法により成膜でき、具体的に
は、原料ガスとしての炭化水素（例えばメタンガス）あ
るいは炭化水素と水素との混合ガスを減圧した雰囲気中
に導入し、高周波プラズマや抵抗発熱フィラメントを用
いてこれを熱分解させ、セラミック基材表面に析出させ
ることにより被膜を得ることができる。

【００１０】該被膜のうち、炭素の骨格構造を作る結合
にダイヤモンド結合（ｓｐ^３混成軌道による共有結合）
を比較的多く含んでいるものは、ダイヤモンド状炭素被
膜（ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）被膜）とも
称され、硬度と潤滑性とを兼ね備えた被膜となる。これ
は、炭素の骨格構造に生ずるダングリングボンドが原料
ガスに由来する水素原子によって塞がれ、原料付着の要
因になる水素結合が発生しにくい表面構造が実現される
ことによるものと推測される。なお、炭素原子のダング
リングボンドに水素原子が入ることは、炭素の連鎖を閉
じることで非晶質構造を安定化させ、かつ膜強度や下地
との密着性低下を引き起こす有害なグラファイト構造の
生成を抑制し、高強度で密着性の高いＤＬＣ被膜の実現
にも寄与していると考えられている。

【００１１】なお、本発明で使用する硬質炭素被膜に
は、膜硬度向上等の目的で、リン、珪素、タングステ
ン、クロム等の添加元素が５０重量％未満の範囲で配合
されていてもよい。これらの添加元素を含む被膜の製法
は、例えば特開昭６３−１６２８７０号、特開昭６３−
１６２８７１号あるいは特開昭６３−１６２８７２号等
の各公報に開示された方法を採用することができる。ま
た、図１２（ａ）に示すように、硬質炭素被膜をセラミ
ック基材上に直接形成してもよいし、同図（ｂ）に示す
ように、下地となるセラミック基材との間に、被膜の密
着強度向上等の目的で１層（又は２層以上）の中間層を
形成することができる。このような中間層として、例え
ばシリコンを主体とする中間層（非晶質であっても結晶
質であってもよい）を使用することができる。さらに、
硬質炭素被膜を構成する炭素成分は、その５０重量％未
満が結晶質となっていてもよい。

【００１２】次に、セラミック基材の硬さは、バルク材
の硬さとして、一般的なビッカース硬さＨVにより比較
的容易にかつ正確に測定することが可能である。しかし
ながら、硬質炭素被膜は気相成膜法等にて形成される薄
膜であり、正確な硬さ評価のためには、測定方法として
どのようなものを採用するかが極めて重要である。そし
て、上記本発明の第一の構成では、その硬質炭素被膜の
硬さをヌープ硬さＨKにより規定し、相手側のセラミッ
ク基材はビッカース硬さＨVにて硬さを規定する点に特
徴がある。より詳しくは、硬質炭素被膜のヌープ硬さＨ
Kの数値をＶ1、相手材のビッカース硬さＨVの数値をＶ2
として、Ｖ1＞Ｖ2とすることにより、摺動面の算術平均
粗さＲａが０．０８μｍ以下と小さな値に設定されてい
るにも拘わらず、摺動を継続したときの硬質炭素被膜の
相手材との摩擦による摩耗が効果的に抑制されてリンキ
ングが防止される。その結果、摺動面の面粗さＲａを低
く設することによるシール性の向上に加え、長期の使用
を継続しても硬質炭素被膜の磨滅が進行しにくいので摺
動特性の持続性が確保できるようになる。また、摺動面
への積極的なグリース塗布が実質的な意味において初め
て廃止できるようになる（ただし、本発明はのセラミッ
クバルブは、グリース塗布を廃止した態様に限られるも
のではない）。

【００１３】摺動面の算術平均粗さＲａが０．０８μｍ
を超えると、摺動面のシール性が不足することにつなが
る。他方、摺動面の算術平均粗さＲａが０．０２μｍ未
満では、研磨仕上に工数がかかり、コスト高の問題を生
じやすくなる場合がある。なお、摺動面の算術平均粗さ
Ｒａは望ましくは０．０３〜０．０６μｍとするのがよ
い。なお、本発明でいう算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ−
Ｂ０６０１（１９９４）に規定された方法により測定さ
れた算術平均粗さをいう。この規定によれば、算術平均
粗さＲａが０．０２μｍを超え、０．０８μｍ以下の範
囲にあるとき、カットオフ値は０．２５ｍｍ、評価長さ
は１．２５ｍｍが標準値となる。

【００１４】なお、ヌープ硬さＨKとビッカース硬さＨV
とは、いずれも角錐状のダイヤモンド圧子を定められた
試験荷重（単位：ｋｇｆ）により測定対象物表面に圧入
し、それによって生ずる圧痕の内表面積にて試験荷重
（単位：ｇ）を除した値により、硬さ値を表す。従っ
て、測定原理は定性的には同じであり、得られる硬さ値
の次元においても共通する（圧力の次元を有する）。両
者の本質的な違いは圧子形状にあり、図１１（ｂ）に示
すように、ビッカース硬さ試験用の圧子９１は対面角が
１３６°の正四角錐形状を有している対し、同図（ａ）
に示すように、ヌープ硬さ試験用の圧子９０は、対稜角
が１７２°３０’と１３０°である横断面が菱形の四角
錐形状のものが使用される。

【００１５】そして、体積が同じであればヌープ硬さ圧
子の方がビッカース硬さ圧子よりも側面積が大きくなる
ことから、荷重が同じであればヌープ硬さの方が測定対
象物への圧子の圧入深さが小さくなる。その結果、下地
のセラミック基材の影響を受けにくくなり、セラミック
基材上に形成された硬質炭素被膜の硬さを正確に測定す
ることができる。これに対し、ビッカース硬さＨVは、
圧子の圧入深さが大きいため、圧子が硬質炭素被膜を貫
いて先端が下地のセラミック基材にまで食い込んでしま
うことが多く、硬質炭素被膜の正確な硬さ測定には不向
きである。しかしながら、圧子の横断面が偏平で組織の
局所的な不均一の影響を拾いやすいヌープ硬さＨKより
は、ビッカース硬さＨVの方が多結晶セラミック体のバ
ルクとしての平均的な硬さを的確に反映した指標となり
うるので、本発明では、相手材であるセラミック基材の
硬さはビッカース硬さＨVにて規定しているのである。

【００１６】なお、上記のような目的に鑑みて本発明に
おいては、硬質炭素皮膜のヌープ硬さＨKは、ＪＩＳ−
Ｚ２２５１に規定された方法により、試験荷重０．１９
６Ｎにて測定された値を採用するものとする。ここで、
硬質炭素皮膜のヌープ硬さＨKは、図１１（ｃ）に示す
ように、下地のセラミック基材の影響を小さくするため
に、硬さ測定用圧子の先端部が下地のセラミック基材に
到達しない条件にて測定されたものであることが望まし
く、さらに望ましくは、圧子の食込み付加さをｄi と
し、硬質炭素被膜の平均厚さをｔとしたときに、ｄi／
ｔが１／２以下となっているのがよい。このような条件
を満たしうるかどうかは、硬質炭素被膜の硬さレベルと
平均厚さとによって決まるが、概ね０．９μｍ以上の膜
厚レベルが確保されていれば、ヌープ硬さによる硬さ測
定を問題なく行うことができる。

【００１７】一方、相手材であるセラミック基材のビッ
カース硬さＨVは、ＪＩＳ−Ｒ１６１０に規定された方
法により、試験荷重１９６Ｎにて測定された値を採用す
るものとする。

【００１８】なお、従来の公報に目を向ければ、特表昭
６３−５０１２３７号公報では、セラミックバルブの弁
体の摺動面を覆う硬質炭素被膜の膜厚を０．５〜５μ
ｍ、好ましくは１μｍとし、その硬質炭素被膜のビッカ
ース硬さＨVを３５００以上とすることが望ましい旨が
開示されている。また、特開平８−４７１５０号公報に
は、硬質炭素被膜（ＤＬＣ膜）のビッカース硬さＨVの
範囲として、７００〜１８００が例示されている。しか
し、これら公報に開示された硬質炭素被膜の硬さはいず
れもビッカース硬さＨV による測定値であり（しかも試
験荷重レベルも全く開示されていない）、下地のセラミ
ック基材の影響等により、被膜の正確な硬さ測定値を表
していない可能性が高いことを付言しておく。

【００１９】なお、硬質炭素被膜の形成された摺動面の
表面粗さＲａを０．０８μｍ以下（望ましくは０．０５
μｍ以下）とするためには、該硬質炭素被膜を形成する
側の弁体は、その硬質炭素被膜の下地部分を形成するセ
ラミック基材の被膜形成面の算術平均粗さＲａが０．１
０μｍ以下（望ましくは０．０５μｍ以下）となってい
るのがよい。また、硬質炭素被膜の形成により摺動面の
表面粗さＲａが若干大きくなる場合は、セラミック基材
の被膜形成面の表面粗さＲａは、被膜形成後の狙い表面
粗さよりも多少小さく設定しておくことが望ましい。な
お、硬質炭素被膜の形成された弁体の、その被膜形成面
の算術平均粗さＲａは、弁体を乾燥空気中にて１１００
℃に加熱することにより硬質炭素被膜を焼き飛ばして被
膜形成面を露出させ、その露出した面にて測定した算術
平均粗さＲａの値により推定するものとする。

【００２０】次に、本発明のセラミックバルブの第二の
構成は、各々セラミック製の固定弁体と可動弁体とを備
え、それら弁体の少なくとも一方の摺動面を主に非晶質
炭素からなる硬質炭素被膜にて覆うとともに、硬さ測定
用圧子の先端部が下地のセラミック基材に到達しない条
件にて測定した、その硬質炭素被膜のヌープ硬さＨKが
１２００〜１８００であることを特徴とする。本発明者
らは、硬質炭素被膜の硬さ値の正しい評価には、先にも
述べた通りヌープ硬さＨKを用いるのが妥当であるとの
観点に立ち、さらに鋭意検討を重ねた結果、硬質炭素被
膜の潤滑性能の持続性とシール性とを両立するための該
硬質炭素被膜のヌープ硬さＨKの最適の範囲を見い出し
て、上記本発明の第二の構成を完成させるに至ったので
ある。なお、該構成では、硬質炭素被膜は弁体摺動面の
一方にのみ形成される態様に限定されず、例えば両面に
形成される態様をも包含する。

【００２１】硬質炭素被膜のヌープ硬さＨKが１２００
未満では、被膜の耐摩耗性が不足し、例えば初期段階で
は摺動特性が確保されていても、摩耗が早期に進行しや
すくなるため、リンキング等による摺動特性の劣化が早
まる問題がある。他方、硬質炭素被膜のヌープ硬さＨK
が１８００を超えた場合は、シール性や潤滑性能が却っ
て損なわれる場合がある。硬質炭素被膜においては、例
えば被膜のごく表層の部分が摺動摩擦により少しずつ摩
耗することにより発生した炭素質微粉末が、摩擦低減さ
らには微視的な凹凸の一時的な充填によるシール性向上
等に、重要な役割を果たすことも考えられる。従って、
硬質炭素被膜の硬さは、小さすぎる場合はもちろん被膜
の耐摩耗性の喪失につながるが、上記のような機構を推
定すれば、硬さがむやみに大きすぎても潤滑性能やシー
ル性が損なわれることにつながると考えられる。また、
なお、硬質炭素被膜のヌープ硬さＨKは、より望ましく
は１２００〜１６００とするのがよい。

【００２２】なお、シール性のさらなる向上を図るため
に、上記の第二の構成を前記した第一の構成と組み合わ
せることも可能である。この場合、硬質炭素被膜はセラ
ミック基材からなる相手材摺動面と接することとなる
が、硬質炭素被膜のヌープ硬さＨKを１８００以下とす
ることで、セラミック基材からなる相手材摺動面の摩耗
進行が抑制され、摺動性能の持続性を高めることができ
る。

【００２３】なお、硬質炭素被膜による平均厚さは、潤
滑性能の持続性確保の観点から、０．９μｍ以上確保さ
れていることが望ましい。他方、１．５μｍを超える厚
さは過剰スペックであり、また被膜形成時間も長くなる
ので不要なコスト高を招く。硬質炭素被膜の平均厚さ
は、より望ましくは０．９〜１．２μｍとするのがよ
い。

【００２４】次に、固定弁体と可動弁体との各セラミッ
ク基材は特に限定されないが、例えばアルミナ質緻密焼
結体が、熱衝撃や熱応力に対する耐久性と耐薬品性に優
れていることから本発明に好適に使用することができ
る。

【００２５】本発明の採用により摺動面へのグリース塗
布を実質に廃止したセラミックバルブは、固定弁体と前
記可動弁体とは、硬質炭素被膜の形成される側の摺動面
と、形成されない側の摺動面とが、潤滑油を積極介在さ
せることなく直接接して配置されたものとして表現する
ことができる。ただし、例えばバルブ操作レバー等の摺
動を向上させるために、弁体以外の部分に塗布されたグ
リース等の潤滑油が、弁体間の摺動面に侵入することが
ある。このような態様は、潤滑油を摺動面間に積極介在
させた態様とはみなさないものとする。

【００２６】上記本発明のセラミックバルブは、固定弁
体と可動弁体との一方が１ないしそれ以上の液供給部を
備える供給側部材であり、同じく他方が、その供給側部
材に対し、摺接面において互いに接触した状態で相対的
に摺動可能に設けられ、その摺動により液供給部から供
給される液体の流量を調整する流量調整部材であり、そ
れら供給側部材又は流量調整部材のいずれかに、流量調
整部材により流量調整された前記液体を排出する液排出
部が設けらた構成とすることができる。具体的には、供
給側部材に液供給部として高温側供給部と低温側供給部
を形成し、また、流量調整部材の前記供給側部材に対す
る摺動に伴い、それら高温側供給部と低温側供給部との
供給比率を変化させる混合室が設けられている態様とす
ることができる。なお、混合室は、流量調整部材に形成
することができるが、流量調整部材とは別の部材を用い
て混合室を形成するようにしてもよい。

【００２７】また、本発明のバルブユニットは、上記構
成のセラミックバルブを用いたバルブユニットであっ
て、可動弁体が取り付けられると共に、その可動弁体の
固定弁体に対する摺動操作を行うための操作部が設けら
れた可動弁体取付部と、固定弁体が取り付けられる固定
弁体取付部とを備え、それら可動弁体取付部と固定弁体
取付部のうち、流量調整部材として機能する弁体に対応
するものに液供給部に連通する液供給口が形成される一
方、液排出部の形成される弁体に対応するものに、その
液排出部に連通する液排出口が形成されることを特徴と
する。

【００２８】例えば温水の供給栓ないし冷水と温水との
混合栓等に適用した場合など、冷熱サイクルが付加され
やすい環境下で使用されるセラミックバルブないしそれ
を用いたバルブユニットでは、本発明の適用により、そ
のような使用環境下においても、バルブの摺動特性やシ
ール性ならびにそれらの持続性を向上させることができ
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は、本発明のセラミックバルブ
の一例を示すものである。セラミックバルブ１０は、例
えば温水と冷水の混合など、温度の異なる液体を混合さ
せる混合栓のバルブ部として使用されるものであって、
円板等の板状に構成された固定弁体としての供給側部材
１１と、同じく可動弁体としての流量調整部材１２とを
備え、それぞれ一方の板面に形成された摺接面１１ａ及
び１２ａにおいて、互いに重ね合わされるようになって
いる。これら両部材は１１及び１２は、アルミナ質緻密
焼結体により形成されている。

【００３０】供給側部材１１は、板厚方向に貫通する２
つの液供給部としての液流入口１４及び１５を備え、一
方が高温側供給部としての高温液流入口１４、他方が低
温側供給部としての低温液流入口１５とされ、各々摺接
面１２ａとは反対側の板面側からそれぞれ高温及び低温
の液体（例えば温水と冷水）が図示しない供給管路から
流入し、流量調整部材１２側へ流出するようになってい
る。また、供給側部材１１には、同じく板厚方向に貫通
する液排出部１６が形成されており、摺接面１２ａ側に
おいて流量調整部材１２側からの液体が流入し、その反
対側において流出管路等へ該液体を流出するようになっ
ている。

【００３１】次に、流量調整部材１２は、その摺接面１
１ａ側に開口する混合室１７が形成されている。混合室
１７は、高温液流入口１４、低温液流入口１５及び液排
出部１６とそれぞれ重なり部を有してそれらと連通して
おり、高温及び低温液流入口１４及び１５からの高温及
び低温の液体を流入させて混合した後、液排出部１６へ
排出するようになっている。ここで流量調整部材１２
は、その摺接面１１ａにおいて供給側部材１１に対して
相対的に回転可能とされており、その相対回転に応じて
混合室１７と高温及び低温液流入口１４及び１５との重
なり部の面積比率、すなわち高温及び低温液流入口１４
及び１５から混合室１７への液の供給比率が変化するよ
うになっている。また、流量調整部材１２は供給側部材
１１に対して混合室１７が流入口１４及び１５に重なる
位置と、重なりを生じなくなる位置との間で往復動可能
とされ、液排出部１６からの液排出を許容ないし停止で
きるようになっている。

【００３２】図２は、セラミックバルブ１０を組み込ん
だバルブユニット１の一例を示す分解斜視図である。可
動弁体たる流量調整部材１２は、可動弁体取付部として
のカバー２１の底面側の開口部２１ａに嵌着・収容され
る。そして、そのケース２１の上面側に一体的に設けら
れたレバー取付部２１ｂに、カバー２２を介して操作部
としての操作レバー１８が取り付けられる。一方、固定
弁体たる供給側部材１１は、固定弁体取付部たる円板状
のベース部２０上に固定される。このベース部２０に
は、供給側部材１１の液流入口１４及び１５（液供給
部）に連通する液供給口１４ａ，１５ａと、液排出部１
６に連通する液排出口１６ａとが形成され、各供給口１
４ａ，１５ａと液排出口１６ａとの各周縁部にて、ベー
ス部２０と供給側部材１１との間には、ゴム等によりリ
ング状に形成されたシール部材１９が配置されている。
そして、液排出口１６ａには蛇口部３３が、また、液供
給口１４ａ，１５ａには温水供給管３２及び冷水供給管
３１がそれぞれ接続されている。

【００３３】次に、図１のセラミックバルブ１０におい
ては、流量調整部材１２と供給側部材１１との一方のも
の、具体的には、流量調整部材１２側の摺動面１２ａ
が、他方のもの、具体的には、供給側部材１１の摺動面
１１ａよりも小面積に形成されている。そして、図２に
示すように、上記の摺動面１２ａは、前記したアルミナ
質緻密焼結体からなるセラミック基材４１を覆う、主に
非晶質炭素からなる硬質炭素被膜４０にて形成される一
方、相手材となる供給側部材１１の摺動面１１ａは、ア
ルミナ質緻密焼結体からなるセラミック基材の露出面と
して形成されている。また、図３に示すように、摺動面
１２ａの外縁部及び混合室１７の開口周縁部には、０．
０５〜０．２ｍｍ程度の糸面取部８０，８１が形成され
ている。

【００３４】そして、摺動面１１ａ及び摺動面１２ａ
は、いずれもその算術平均粗さＲａが０．０８μｍ以下
に調整される。このうち、硬質炭素被膜４０にて形成さ
れる摺動面１２ａについては、下地であるセラミック基
材４１の算術平均粗さＲａが０．０８μｍ以下に調整さ
れ、その上に硬質炭素被膜４０が形成されている。該硬
質炭素被膜４０のヌープ硬さＨKは、１２００〜１８０
０（望ましくは１２００〜１６００）の範囲に調整され
る。一方、摺動面１１ａを形成するセラミック基材のビ
ッカース硬さＨVは１１００〜１６００（望ましくは１
１５０〜１５００）の範囲に調整される。そして、上記
硬質炭素被膜４０の硬さは、前述のヌープ硬さＨKとし
て測定した硬さ値Ｖ1が、摺動面１１ａを形成するセラ
ミック基材のビッカース硬さＨVの硬さ値Ｖ2よりも大き
くなるように調整される。

【００３５】供給側部材１１及び流量調整部材１２は、
以下のようにして製造することができる。すなわち、ア
ルミナ粉末にＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＭｇＯ等の焼結助剤粉
末を配合して原料粉末となし、これをプレス成型するこ
とにより各部材形状を有する成形体を作る。そして、こ
れを１５５０〜１６００℃にて焼結することにより、セ
ラミック基材たる焼結体を得る。供給側部材１１につい
ては、摺動面１１ａとなるべき面を、ダイヤモンド砥粒
（平均粒径２μｍ程度）等を用いた公知のラップ研磨に
より算術平均粗さＲａが０．０８μｍ以下となるように
仕上げられる。例えば、得られるセラミック基材のビッ
カース硬さＨVを１１００〜１６００とするには、焼結
体の組成としてアルミナ含有量を９４〜９９．５重量％
とし、かつその相対密度を９８％以上、平均粒径を２〜
１０μｍとすることが望ましい。

【００３６】一方、流量調整部材１２については、硬質
炭素被膜４０の形成の予定された面を、同様のラップ研
磨等により算術平均粗さＲａが０．０８μｍ以下となる
ように仕上げる。次いで、その研磨面を脱脂・洗浄した
後、これをプラズマ重合成膜装置の真空チャンバ内にお
いて、そのカソード側にセットする。そして、真空チャ
ンバ内を真空排気し、ガス導入口から原料ガスとしての
炭化水素ガス（例えば、メタン、エチレン、ベンゼン
等；水素を混合してもよい。本実施例では、メタンを使
用する）を導入する。そして、真空チャンバ内のカソー
ドとアノードとの間に高周波電圧を印加し、プラズマを
発生させる。これにより、炭化水素が分解して水素を取
り込みながら非晶質炭素の形で堆積し、硬質炭素被膜４
０が形成される（いわゆるプラズマＣＶＤ法）。なお、
硬質炭素被膜４０の硬さは、原料ガスの導入圧力を変化
させることで調整できる（例えば、メタンを使用する場
合の導入圧力の範囲は０．３〜０．７ｔｏｒｒ程度）。
一般に、原料ガスの導入圧力が小さいほど硬質の被膜が
得られる。

【００３７】以下、図２のバルブユニット１の使用方法
について説明する。すなわち、レバー１８により、流量
調整部材１２をケース２１及びカバー２２とともに、供
給側部材１１に対して高温液流入口１４側へ回転させる
と、その高温液流入口１４と混合室１７との重なり面積
が増加し、混合室１７に流れ込む高温の液体の比率が増
加して、液排出部１６から排出される混合液の温度が上
昇する。逆に、流量調整部材１２を低温液流入口１５側
へ回転させると、低温の液体の比率が増大するので排出
される混合液の温度は低下する。このように、流量調整
部材１２の回転角を調整することにより、排出される混
合液の温度を自由に変化させることができる。また、レ
バー１８を上下動させると、流量調整部材１２が供給側
部材１１に対して往復動し、混合室１７が流入口１４及
び１５に重なると液排出が許容され、逆に重なりを生じ
なくなると排出が停止される。

【００３８】そして、上記の構成では、硬質炭素被膜４
０のヌープ硬さＨKの数値をＶ1、相手材のビッカース硬
さＨVの数値をＶ2として、Ｖ1＞Ｖ2とすることにより、
摺動面１１ａ，１２ａの面粗さＲａが０．０８μｍ以下
と小さな値に設定されているにも拘わらず、摺動を継続
したときの硬質炭素被膜４０の摩耗が効果的に抑制され
てリンキングが防止される。その結果、摺動面１１ａ，
１２ａの面粗さＲａを低く設することによるシール性の
向上に加え、長期の使用を継続しても硬質炭素被膜の磨
滅が進行しにくいので摺動特性の持続性が確保できるよ
うになり、摺動面１１ａ．１２ａへの積極的なグリース
塗布も実質的に廃止できるようになる。また、硬質炭素
被膜４０のヌープ硬さＨKが１２００〜１８００（望ま
しくは１２００〜１６００）に調整されていることも、
硬質炭素被膜４０の潤滑性能の持続性とシール性との両
立に大きく寄与する。

【００３９】なお、液排出部１６は流量調整部材１２側
に形成してもよい。また、図１（ｂ）に示すように、流
量調整部材１２に、混合室１７を形成する代わりに貫通
部２７を設け、さらにその流量調整部材１２を上方から
覆うように中空の覆い部２８を設けるとともに、その覆
い部２８の内側空間を混合室１７として、ここに高温及
び低温液流入口１４及び１５からの液体を貫通部２７を
経て導入するようにしてもよい。

【００４０】また、図３においては、流量調整部材１２
の硬質炭素被膜４０は、摺動面１２ａに対応するセラミ
ック基材端面だけでなく、その周縁部を回り込んで部材
外側面あるいは混合室内側面の、部材厚さ方向中間位置
に至る位置まで覆う形となっている。これにより、図１
３の糸面取部８０，８１の形成とも相俟って、摺動面１
２ａのエッジ部が相手材の摺動面１１ａを齧る不具合が
さらに生じにくくなっている。ただし、図４（ａ）に示
すように、硬質炭素被膜４０は、摺動面１２ａに対応す
るセラミック基材端面のみを覆うようにしてもよいし、
逆に、同図（ｂ）に示すように、混合室１７の内面や部
材外表面を含めて全面を覆うようにしてもよい。さら
に、同図（ｃ）に示すように、流量調整部材１２ではな
く供給側部材１１側の摺動面１１ａを、硬質炭素被膜４
０にて形成するようにしてもよい。

【００４１】図５、図６はセラミックバルブの変形例で
あり、図５はその流量調整部材１２を、図６は供給側部
材１１を示すものである（いずれも、図中の寸法を示す
ために、２０ｍｍを表すスケールを入れている。また、
硬質炭素被膜は図示を省略している）。図５に示すよう
に、流量調整部材１２の摺動面１２ａと反対側の端面に
は、可動弁体取付部としてのカバー２１（図２）側に嵌
合させるための凹部５１及び切欠き５２，５２が形成さ
れている。また、混合室１７の開口部は、図６の供給側
部材１２側の流入口１４，１５と重なりを生ずる側にて
大面積となる異形形状に形成されている。一方、図６に
示すように、供給側部材１１の摺動面１１ａと反対側の
端面には、流入口１４，１５及び液排出部１６に対応す
る位置に各々絞り部６４，６５，６６が形成され、その
外周縁にはシール部材１９（図２）を嵌め入れるための
座ぐり部５４，５５，５６が形成されている。

【００４２】また、図７、図８はセラミックバルブのさ
らに別の変形例であり、図７はその流量調整部材１２
を、図８は供給側部材１１を示すものである（いずれ
も、図中の寸法を示すために、２０ｍｍを表すスケール
を入れている。また、硬質炭素被膜は図示を省略してい
る）。流量調整部材１１の摺動面１２ａと反対側の端面
には混合室１７が開放し、可動弁体取付部としてのカバ
ー２１を嵌合させるための凹部６１が形成されている。
この構成ではカバー２１が混合室１７を塞ぐ形となる。
また、混合室１７の開口部１７ａは、図７の供給側部材
１２側の流入口１４，１５と重なりを生ずる側にて大面
積となる、鍵穴状の異形形状に形成されている。

【００４３】

【実験例】本発明の効果を確認するために、以下の実験
を行った。図５及び図６に示す流量調整部材１２及び供
給側部材１１を、以下の方法により作製した。原料粉末
として、純度９９．８％のアルミナ粉末と、焼結助剤粉
末として純度９９．８％のＳｉＯ_２、ＭｇＯとを用意
し、所定の比率にて配合した後、その粉末総量を１００
重量部として、バインダとしてのボバールワックス及び
ステアリン酸を５重量部と、水１０３重量部とを加えて
湿式混合することにより、成形用素地スラリーを作製し
た。そして、そのスラリーをスプレードライ法により乾
燥し、ふるいにより粒径８０〜１５０μｍに整粒して原
料素地粉末とした。該原料素地粉末は、金型プレスによ
り５８．８ＭＰａの圧力で部材形状に成型し、所定温度
で焼結することにより流量調整部材１２及び供給側部材
１１に対応する形状の焼結体を得た。なお、硬さレベル
の異なる焼結体を得るために、製造条件を表１のＡ及び
Ｂの２水準に定めている。得られた焼結体の密度はアル
キメデス法により測定した。また、試験終了後に部材を
切断して断面を研磨し、その研磨面のＳＥＭ写真を画像
解析することにより、焼結体の平均粒径を測定した。以
上の結果も表１に合わせて示している。

【００４４】

【表１】

【００４５】上記の焼結体は、流量調整部材１２及び供
給側部材１１の各摺動面となるべき端面を、ダイヤモン
ド砥粒（条件Ｃ：砥粒平均粒径２μｍ、条件Ｄ：砥粒平
均粒径３μｍ）を用いてラップ研磨した。そして、各条
件による研磨面毎に、ＪＩＳ−Ｂ０６０１及びＪＩＳ−
Ｂ０６１０に基づき、表面粗さ計（Taylor Hobson社
製：タリサーフ）を使用して表面粗さ及び表面うねりの
測定を行った。測定は、各試料とも１０ケ所の測定の平
均をとる形で行っており、測定したパラメータは、表面
粗さについては、算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ、十
点平均粗さＲｚ、最大粗さＲｔ、局部山頂の平均間隔Ｓ
及び凹凸の平均間隔Ｓｍである（カットオフ値：０．２
５ｍｍ、評価長さ：１．２５ｍｍ）。また、表面うねり
については、ろ波中心線うねりＷCAとろ波最大うねりＷ
CMとの測定を行っている（高域カットオフ値：０．８ｍ
ｍ、評価長さ：４ｍｍ）。表面粗さの測定結果を表２に
示す（「被膜形成前」）。

【００４６】

【表２】

【００４７】次いで、上記条件Ａ及びＢによる２種類の
供給側部材１１及び流量調整部材１２の一方又は双方の
各研磨面に、高周波プラズマＣＶＤ法により硬質炭素被
膜を形成した。ただし、原料ガスはメタンを使用し、高
周波の周波数を１３．５６ＭＨｚ、高周波出力を２ｋＷ
に設定するとともに、メタンの導入圧力を表３の３つの
条件のいずれかに設定した。

【００４８】

【表３】

【００４９】硬質炭素被膜の形成後、前記と同じ条件に
て表面粗さと表面うねりとを測定した。表２にその結果
を示す。なお、図９（ａ）及び（ｂ）は、表１の条件５
にて作製した焼結体を、条件Ｃにて研磨したときの研磨
面の表面粗さ曲線及び表面うねり曲線の測定例を示して
いる。また、図９（ｃ）及び（ｄ）は、さらに表３の条
件２にて硬質炭素被膜を形成した後の、摺動面の表面粗
さ曲線及び表面うねり曲線の測定例を示している。他
方、この硬質炭素被膜はＸ線ディフラクトメータ法によ
り回折プロファイルを測定したところ、非晶質構造であ
ることを示すハローパターンが認められた。また、図１
０は、その硬質炭素膜の表面に対し、ラマン分光分析器
（フランスＩＳＡ社製、Ｌａｂｒａｍ、Ａｒレーザー
（波長：５１４．５ｎｍ、スポット径：１０μｍ））を
用いて測定したラマンスペクトルプロファイルである。
このピークは、主に１．５８４ｍ^−１のグラファイトの
ラマンバンドに対応しているが、１．３３２ｍ^−１付近
のダイヤモンドのラマンバンドも包含しているとみられ
る。いずれにしろ、全体は単一のややブロードなピーク
形状となっている。

【００５０】次に、供給側部材１１については摺動面１
１ａをなすセラミック基材のビッカース硬さＨVをＪＩ
Ｓ−Ｒ１６０１に規定された方法により、試験荷重１９
６Ｎにて測定した。ただし、１試料につき５点測定し
て、最大及び最小をカットした平均によりその試料の測
定値とし、これを条件Ａ及び条件Ｂの各試料（各々試料
数５個）にてさらに平均をとる形としている。なお、表
１には、そのようにして求めたビッカース硬さＨVの平
均値と範囲（括弧内）とを示している。他方、流量調整
部材１２については、摺動面１２ａをなす硬質炭素被膜
４０からなるヌープ硬さＨKをＪＩＳ−Ｚ２２５１に規
定された方法により、試験荷重０．１９６Ｎにて測定し
た（表３に結果を示す）。ただし、１試料につき５点測
定して、最大及び最小をカットした平均によりその試料
の測定値とし、これを条件Ｃ及び条件Ｄの各試料（各々
試料数５個）にてさらに平均をとる形としている。表３
には、測定したヌープ硬さＨKの平均値と範囲（括弧
内）とを示している。また、硬質炭素被膜４０の平均厚
さを、試験品断面のＳＥＭ観察像より測定した（表３に
結果を示す）。その結果、ヌープ硬さ測定の圧子の食込
み深さｄiは、いずれも平均膜厚ｔの５０％以内に収ま
っていることがわかった。さらに、条件Ａ及びＢによる
セラミック基材の硬さの相違の影響は本質的に生じてい
なかった。

【００５１】次に、上記のようにして作製した供給側部
材１１及び流量調整部材１２とを用いて、表４に示す各
種組み合わせにて、図２に示す態様のセラミックバルブ
ユニットを作製した。ただし、供給側部材１１及び流量
調整部材１２との摺動面間にはグリースを塗布せず、か
つ、ケーシングにて２０ｋｇｆの軸力にて押さえ付け
た。そして、図２において、ＪＩＳ−Ｂ２０６１による
耐圧性能試験（閉栓状態にて液供給口１４ａより冷水と
して室温の水を１．７５ＭＰａにて注入する）を行い、
水漏れの有無を確認した。続いて、バルブ全開状態とし
て、液供給口１４ａより室温の水を０．１７ＭＰａにて
注入する一方、液供給口１５ａより８０℃の温水を０．
１ＭＰａにて注入し、操作レバー１８により流量調整部
材１２を供給側部材１１に対して回転摺動させ、摺動に
必要な荷重を測定した。そして、全温水−混合−全冷水
−止水を１サイクルとして、２０万サイクルまで摺動を
繰返し、その時点で摺動荷重が１ｋｇ以下のものを良好
（○）、１ｋｇを超えるものを不良（×）として評価し
た。また、試験終了時に硬質炭素被膜の摩耗の有無を拡
大鏡による目視観察により確認するとともに、変化が見
られなかったものを「無し」、基材露出はないが摩耗が
認められたもの（干渉縞を生ずるので確認できる）を
「微妙」、下地のセラミック基材が露出したものを「有
り」として判定した。以上の結果を表４に示す。

【００５２】

【表４】

【００５３】この結果からも明らかな通り、供給側部材
１１及び流量調整部材１２の一方の摺動面に硬質炭素被
膜を形成したバルブは、どちらか一方の摺動面の算術平
均粗さＲａが０．０８μｍを超えると硬質炭素被膜の摩
耗が発生し、また、初期水漏れが発生していることがわ
かる。また、Ｒａが０．０８μｍ以下の場合でも、硬質
炭素被膜のヌープ硬さＨKの値が、相手側の基材のビッ
カース硬さＨVの値よりも小さい場合に摩耗が発生して
いることがわかる。他方、両摺動面の算術平均粗さＲａ
を０．０８μｍ以下とし、さらに、硬質炭素被膜のヌー
プ硬さＨKの値を相手側の基材のビッカース硬さＨVの値
よりも大きくすることで、初期水漏れもなく、かつ良好
な摺動特性とその持続性とが実現されていることがわか
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックバルブの一例を示す分解斜
視図、及びその変形例を示す断面図。

【図２】図１のセラミックバルブを用いたバルブユニッ
トの一例を示す分解斜視図。

【図３】図１のセラミックバルブの細部の構造を示す模
式図。

【図４】同じく、そのいくつかの変形例を示す模式図。

【図５】セラミックバルブの変形例として、その流量調
整部材を示す平面図、底面図、Ｅ−Ｅ断面図及びＦ−Ｆ
断面図。

【図６】同じく供給側部材を示す平面図、底面図、Ａ−
Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図及びＤ−Ｄ断面
図。

【図７】セラミックバルブの別の変形例として、その流
量調整部材を示す平面図、底面図及びＩ−Ｉ断面図。

【図８】同じく供給側部材を示す平面図、底面図、Ｈ−
Ｈ断面図及びＧ−Ｇ断面図。

【図９】硬質炭素被膜形成前及び形成後の研磨面の表面
粗さ曲線及び表面うねり曲線の測定例を示すプロファイ
ル。

【図１０】硬質炭素被膜のラマンスペクトルの測定例を
示すプロファイル。

【図１１】硬さ測定の説明図。

【図１２】硬質炭素被膜の形成形態を変形例とともに示
す模式図。

【符号の説明】

１バルブユニット１０セラミックバルブ１１液供給側部材（可動弁体）１２流量調整部材（固定弁体）１１ａ、１２ａ摺接面１４液流入口（高温側供給部）１５液排出口（低温側供給部）１６液排出部１７混合室１８操作レバー（操作部）２０ベース部（固定弁体取付部）２１ケース（可動弁体取付部）４０硬質炭素被膜４１セラミック基材

フロントページの続きＦターム(参考） 3H053 AA02 AA35 BA04 BA16 BB03 BB04 BB17 CA01 DA02 DA03 3H067 AA13 CC02 CC23 CC39 CC44 CC45 DD03 DD12 DD23 DD24 EA16 EA23 EB08 EB09 EB12 EB23 FF02 GG13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各々セラミック製の固定弁体と可動弁体
とを備え、それら弁体の一方の摺動面を主に非晶質炭素
からなる硬質炭素被膜にて覆うとともに、前記固定弁体
と前記可動弁体との両摺動面の算術平均粗さＲａを０．
０８μｍ以下とし、かつ、前記硬質炭素被膜のヌープ硬さＨKの数値をＶ1、
その硬質炭素被膜の形成されない相手側の弁体の摺動面
部を形成するセラミック基材のビッカース硬さＨVの数
値をＶ2として、Ｖ1＞Ｖ2としたことを特徴とするセラ
ミックバルブ。
【請求項２】前記硬質炭素被膜を形成する側の弁体
は、その硬質炭素被膜の下地部分を形成するセラミック
基材の被膜形成面の算術平均粗さＲａが０．０８μｍ以
下である請求項１記載のセラミックバルブ。
【請求項３】硬さ測定用圧子の先端部が下地のセラミ
ック基材に到達しない条件にて測定した、前記硬質炭素
被膜のヌープ硬さＨKが１２００〜１８００である請求
項１又は２に記載のセラミックバルブ。
【請求項４】各々セラミック製の固定弁体と可動弁体
とを備え、それら弁体の少なくとも一方の摺動面を主に
非晶質炭素からなる硬質炭素被膜にて覆うとともに、硬
さ測定用圧子の先端部が下地のセラミック基材に到達し
ない条件にて測定した、その硬質炭素被膜のヌープ硬さ
ＨKが１２００〜１８００であることを特徴とするセラ
ミックバルブ。
【請求項５】前記硬質炭素被膜の平均厚さが０．９μ
ｍ以上である請求項１ないし４のいずれかに記載のセラ
ミックバルブ。
【請求項６】前記固定弁体と前記可動弁体とは、前記
硬質炭素被膜の形成される側の摺動面と、形成されない
側の摺動面とが、潤滑油を積極介在させることなく直接
接して配置されている請求項１ないし５のいずれかに記
載のセラミックバルブ。
【請求項７】前記固定弁体と前記可動弁体との各セラ
ミック基材は、アルミナ質緻密焼結体にて構成されてい
る請求項１ないし６のいずれかに記載のセラミックバル
ブ。
【請求項８】前記固定弁体と前記可動弁体との一方が
１ないしそれ以上の液供給部を備える供給側部材であ
り、同じく他方が、その供給側部材に対し、前記摺接面
において互いに接触した状態で相対的に摺動可能に設け
られ、その摺動により前記液供給部から供給される液体
の流量を調整する流量調整部材であり、それら供給側部
材又は流量調整部材のいずれかに、前記流量調整部材に
より流量調整された前記液体を排出する液排出部が設け
られている請求項１ないし７のいずれかに記載のセラミ
ックバルブ。
【請求項９】前記供給側部材に前記液供給部として高
温側供給部と低温側供給部を形成し、また、前記流量調整部材の前記供給側部材に対する摺動
に伴い、それら高温側供給部と低温側供給部との供給比
率を変化させる混合室が設けられている請求項８記載の
セラミックバルブ。
【請求項１０】請求項８又は９に記載のセラミックバ
ルブを用いたバルブユニットであって、前記可動弁体が取り付けられると共に、その可動弁体の
前記固定弁体に対する摺動操作を行うための操作部が設
けられた可動弁体取付部と、前記固定弁体が取り付けられる固定弁体取付部とを備
え、それら可動弁体取付部と固定弁体取付部のうち、前記流
量調整部材として機能する弁体に対応するものに前記液
供給部に連通する液供給口が形成される一方、前記液排
出部の形成される弁体に対応するものに、その液排出部
に連通する液排出口が形成されることを特徴とするバル
ブユニット。