JP3764742B2

JP3764742B2 - 摺動装置及びフォーセットバルブ

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Publication number: JP3764742B2
Application number: JP2004140456A
Authority: JP
Inventors: 浩一長崎; 順三原; 充彦越田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-05-10
Filing date: 2004-05-10
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: JP2004324890A

Description

本発明はバルブ、メカニカルシール、スライダーなどに用いられる摺動装置、特に、水栓や湯水混合栓として使用されているフォーセットバルブに関するものである。

水栓や湯水混合栓等に用いられるディスクバルブは、２枚の円盤状の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、各弁体に形成された流体通路の開閉がなされる。例えば、水栓や湯水混合栓として使用されているフォーセットバルブは図２に示されるように、固定弁体３０と可動弁体２０を互いの摺接面２１、３１で接した状態にしておき、レバー４０の操作で、可動弁体２０を動かす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、供給流体の流量調整をするようになっていた。

そして、上記可動弁体２０及び固定弁体３０は、摺動性やシール性を保つために高い寸法精度が要求される上、互いに絶えず摺り合わされるために、摩耗が激しく、また、常に流体にさらされるために腐食も激しいことから、近年、高精度に加工されることが可能であり、耐摩耗性や耐触性に優れたセラミックスにより形成されるようになってきた。

ところで、摺動性とシール性は相反するものであり、シール性を高めるために、摺接面を極めて平滑な面とし、これらの摺接面を持った一対の弁体同士を摺り合わせると、引っかかりや異音が発生し、さらには互いの弁体が張り付いて動かなくなるというリンキング（凝着）が生じることがあった。また、リンキングまでに至らなくても、操作回数を重ねるにつれ、次第にレバー操作力が上昇して行くことも知られていた。

そこで、このリンキングを防ぐために、様々な解決策が提案されている。例えば、弁体を三次元網目構造の多孔質セラミックスとし、この開気孔中に潤滑材として樹脂やオイル等を含浸させたものがある（特許文献１〜６参照）。

また、この様な液体潤滑材を用いたもの以外にも、固体潤滑材を使ったものとして、特許文献７に「摺動面にダイヤモンド状カーボン薄膜を形成したメカニカルシール」に係わる発明が、特許文献８に「アモルファスダイヤモンド薄膜を形成したセラミック製摺動部構造」に係る発明がそれぞれ開示されている。
特開昭６１−２０６８７５号公報特開昭６１−２４４９８０号公報特開昭６２−４９４９号公報特開昭６２−３７５１７号公報特開昭６２−３７５１７号公報特公平５−５０４７５号公報特開平１−２６１５７０号公報特開平３−２２３１９０号公報

特許文献１〜６に記載した三次元網目構造の多孔質セラミックスに液体潤滑材を含浸させた摺動部材では、その液体潤滑材としてエンジン油、スピンドル油、ダイナモ油、タービン油、フッ素系オイル、シリコーン系オイル等が採用されている。しかし、この摺動部材を水栓、湯水混合栓等に適用すると、上記の潤滑材が人体に取り込まれる可能性が高く、人体に対して害となる恐れがあるという問題点があった。また、このような摺動部材は製造が困難で、摺動面の硬度が低いという不都合もあった。

一方、特許文献８等にて開示されているアモルファスダイヤモンドや合成疑似ダイヤモンドなど、いわゆる非晶質硬質炭素膜をコーティングした摺動部材では、確かに操作力の改善が図られ、軽快な操作力を得ることができる場合もあるが、その操作力にはバラツキがあり、長期使用中にしだいに操作力が上昇していくなど安定性に欠けるものであった。

これは、上記非晶質硬質炭素膜が主として非晶質な構造から構成されていることは明らかでも、それ以上の詳細な内部構造についての管理がされていなかったためである。すなわち、摺動性に最も影響を及ぼす非晶質硬質炭素膜の内部構造の評価が未確立であったために、様々な構造の非晶質硬質炭素膜を持つ摺動部材が混在したまま製品として使われ、この結果が当然ながら摺動性のバラツキとなって表れていたのである。

以上のような問題に鑑みて、本発明は互いに摺動する２つの摺動部材の少なくとも一方の摺接面に非晶質硬質炭素膜を備えてなる摺動装置において、上記非晶質硬質炭素膜は、レーザーラマン分光法によるラマンスペクトルのピークが１２００〜１４００ｃｍ^−１と１５００〜１６００ｃｍ^−１の少なくとも一方の範囲にあり、上記ピークは平坦部分に対する強度比が２倍以上であり、かつ上記ピークにおける最大強度の９０％以上の頂部の幅が１０ｃｍ^−１以上であることを特徴とする摺動装置を提供する。

この場合、上記摺動部材を弁体で形成するとともに、該弁体の表面の平坦度を３μｍ以下とするか、上記弁体表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下とするか、上記非晶質硬質炭素膜の膜厚が０．１〜２．０μｍとする摺動装置が好ましい。特に、上記弁体はアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスが用いられる摺動装置が好ましい。

また、互いに摺動する２枚の円板状の弁体の少なくとも一方の摺接面に非晶質硬質炭素膜を備えてなるフォーセットバルブにおいて、上記非晶質硬質炭素膜は、レーザーラマン分光法によるラマンスペクトルのピークが１２００〜１４００ｃｍ^−１と１５００〜１６００ｃｍ^−１の少なくとも一方の範囲にあり、上記ピークは平坦部分に対する強度比が２倍以上であり、かつ上記ピークにおける最大強度の９０％以上の頂部の幅が１０ｃｍ^−１以上であることを特徴とするフォーセットバルブを提供する。

以上のように、本発明によれば、長期間にわたって優れた摺動性と耐摩耗性を維持することの可能な摺動装置を得ることができる。

また、本発明によれば、レーザーラマン分光法によって非晶質硬質炭素膜の結晶構造を管理することで、長期に使用しても優れた摺動特性を維持することができるので操作力のバラツキがなく安定した摺動装置を得ることができる。

以下本発明の実施例を図によって説明する。

図１は、本発明の摺動部材の一例であるフォーセットバルブを構成する弁体のみを示している。可動弁体２０はセラミックスからなる円盤状体で流体通路２２を有し、一方の面を摺接面２１としてある。また、固定弁体３０はセラミックスからなる円盤状体で、流体通路３２を有し、一方の面に非晶質硬質炭素膜３４を形成して摺接面３１としてある。

そして、これら固定弁体３０と可動弁体２０が互いの摺接面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、互いの弁体に備えた流体通路２２、３２の開閉を行い、供給流体の開閉、調整などの制御をするようになっている。

この時、固定弁体３０の摺接面３１が非晶質硬質炭素膜３４から成るため、摺動性、耐摩耗性が高く、レバーによる可動弁体２０の操作力を低くすることができる。

また、上記固定弁体３０や可動弁体２０を形成する材質としては、ヤング率が２１０００〜４５０００ｋｇ／ｍｍ^２、ビッカース硬度（Ｈｖ）が１０００ｋｇ／ｍｍ^２以上であるような極めて硬く変形しにくいセラミックスを用い、具体的にはアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスが最適である。

これらの原料に対しアルミナであればＳｉＯ_２、ＭｇＯ等、窒化珪素に対しては周期律表２ａ、３ａ族元素の酸化物又は窒化物、炭化珪素に対してはＣ、Ｂ、Ａｌ_２Ｏ_３等、ジルコニアに対してはＹ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＣｅＯ_２等を添加して焼成すればよく、実質的に３％以上の収縮を伴うことによって強固で堅牢かつ靱性および耐摩耗性に優れたセラミックスを得ることができる。そして、固定弁体３０側は、得られたセラミックスに対して摺接面を研磨したのち、非晶質硬質炭素膜３４をコーティングすれば良い。

ここで、上記非晶質硬質炭素膜（別名：合成疑似ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ、Ｉ−カーボン）とは、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などの薄膜形成手段によって得られる炭素膜のことをいい、その極めて低い摩擦係数により良好な摺動性が得られるものである。また、この非晶質硬質炭素膜はビッカース硬度（Ｈｖ）が３０００〜５０００ｋｇ／ｍｍ^２であるなど、非常に高い硬度もあわせ持っている。

ところで、この非晶質硬質炭素膜は元素で言えばダイヤモンド等と共に炭素（Ｃ）として包括され、比重で言えば黒鉛や無定形炭素に近く、硬度など物性的にはダイヤモンドに近似しているという特徴を持つ。ゆえに、元素分析や比重、硬度、絶縁性、屈折率などの測定による分類は困難とされている。

そして、ＣＶＤ法やＰＶＤ法などの気相合成法によれば、上記非晶質硬質炭素膜はもちろんのこと、無定形炭素やグラファイトなどの各種結晶質カーボン、さらにはダイヤモンドさえまでもが形成可能なために、得られた膜の特定が困難で、品質管理をしにくいといった欠点があった。

したがって、このような炭素膜の識別を行うためには、炭素膜の内部構造に敏感に反応するような分析方法が必要であり、本発明ではレーザー分光分析法を用いることにした。つまり、レーザーラマン分光分析法とはラマンスペクトルを測定することによって、材料の構造や結晶性等を詳細に分析できる手法であり、そのため好ましい特性を持った非晶質硬質炭素膜を特定することができるのである。

なお、上記ラマンスペクトルとは次に示すようなラマン散乱光を観測したものである。即ち、試料にレーザー光を照射すると、光の電場のために原子や電子の電子分布がひずみ、原子や分子の分極が生じる。この分極が試料中に存在する格子振動等によって変調されると、電子分極はレーザー光と同じ振動数の光（レーリー光）の他に、異なる振動数をもつ非弾性散乱光を持つようになり、これをラマン散乱光というのである。

そして、本発明者等が種々実験を行った結果、上記非晶質硬質炭素膜をレーザーラマン分光法により分析した時のラマンスペクトルのピークが、以下に示す条件を満たすようにすれば良いことを見出したのである。

即ち、本発明の非晶質硬質炭素膜のラマンスペクトルの好適な例のチャート図を図３に示すように、ピークは１２００〜１４００ｃｍ^−１と１５００〜１６００ｃｍ^−１の少なくとも一方の範囲に存在し、最も高い強度のピークにおいて、ピーク強度ＩA はピーク以外の平坦部の強度ＩB に対する強度比ＩA ／ＩB が２倍以上となっており、かつ上記ピークにおける最大強度ＩA の９０％以上の範囲を頂部とした時、この頂部の幅ｄが１０ｃｍ^−１となるようなブロードなピークとなっていれば良いのである。そして、このようなブロードなピーク形状を有する非晶質硬質炭素膜は、摺動時に膜が剥離することなく、しかも極めて滑らかな摺動性を得られるのである。

ちなみに、各種炭素材料にレーザーラマン分光分析を行った時のラマンスペクトルを図４に示す。図４（ａ）に示すようにダイヤモンドでは１３３１ｃｍ^−１に極めてシャープなピークが観測され、また完全なグラファイト構造（無限の平面リング構造）をしているＨＯＰＧ（ＨｉｇｈｌｙＯｒｉｅｎｔｅｄＰｙｒｏｌｙｔｉｃＧｒａｐｈｉｔｅ）では図４（ｂ）のように１５８１ｃｍ^−１付近に単一のシャープなピークを示し、グラファイト構造が乱れて結晶子の大きさが２００Å程度となった熱分解炭素（ＰＧ：ＰｙｒｏｌｙｔｉｃＧｒａｐｈｉｔｅ）では図４（ｃ）のように１３５５ｃｍ^−１にもピークがあらわれる。

これらの図４に示すピークは、いずれも最大強度の９０％以上である頂部の幅が１０ｃｍ^−１よりも小さいような極めてシャープなピークである点で、上記本発明の条件を満たしていない。そのため、これらのＨＯＰＧやＰＧなどのグラファイト、あるいはダイヤモンドのラマンスペクトルを示す炭素膜をセラミックス製の固定弁体３０に形成し、セラミックス製の可動弁体２０と組み合わせて摺動させると、膜が剥離したり、短期間で操作力がアップしたりしやすく、必要な摺動性を得ることが困難となる。

なお、本発明の摺動部材において、非晶質硬質炭素膜を形成する母材表面の平坦度は３μｍ以下、好ましくは１μｍ以下とし、また表面粗さ（中心栓平均粗さ：Ｒａ）は０．５μｍ以下が望ましい。これは、平坦度が３μｍを超えるか又は表面粗さ（Ｒａ）が０．５μｍを超えるとリークの恐れが生じるためである。また、非晶質硬質炭素膜の膜厚Ｔは０．１〜２．０μｍの範囲が望ましい。これは、膜厚Ｔが０．１μｍより小さいと長期的な摺動によって膜が摩滅してなくなってしまう恐れがあり、一方膜厚Ｔが２．０μｍより大きいと膨大な成膜時間を要し、実用的でなくなるためである。

実際に、非晶質硬質炭素膜の膜厚Ｔを種々に変化させた時の、製作性と１０万回摺動試験を行った後の耐久性について評価したところ、表１に示すように膜厚Ｔが０．１〜２．０μｍの範囲内であれば、製作性、耐久性の両方を満足できることがわかる。

以上の実施例では、ディスクバルブを構成する固定弁体３０に非晶質硬質炭素膜３４を形成した摺動部材を説明してきたが、可動弁体２０側に非晶質硬質炭素膜を形成して、固定弁体３０側はセラミックス単体で形成しても良い。あるいは可動弁体２０と固定弁体３０の両方に非晶質硬質炭素膜を形成すればさらに好適である。

また、非晶質硬質炭素膜３４と摺動する相手材としては、上記実施例ではセラミックスと摺動する例を示したが、金属材や樹脂材等を相手材としても好適な摺動性を示すことができる。

さらに、上記実施例では平面同士を摺動させるディスクバルブの例を示したが、この他に摺動面が円筒状や球面状等となったものでも本発明の摺動装置を適用することもできる。

したがって、本発明の摺動装置は、ディスクバルブに限らず、ボールバルブやその他の各種弁部材、あるいはメカニカルシール、軸受、スライダーなど様々な用途に用いることができる。

次に、本発明に係る摺動装置を図１のフォーセットバルブに例をとり、実験した結果を説明する。

フォーセットバルブを構成する固定弁体３０は、純度９６％のアルミナ粉末を出発原料とし、これに０．５重量％のＳｉＯ_２と０．２重量％のＭｇＯとＣａＯを添加し、さらにバインダーを加え、２４時間攪拌後、スプレードライし、まず平均粒子径３．７μｍのアルミナ造粒体を得た。この造粒体を金型プレスによって円盤形状に成形した後、酸化雰囲気中で約１６００℃の焼成温度にて焼成し、研削加工と研磨加工を施して、表面に非晶質硬質炭素膜３４のコーティングを施すことにより、直径５ｍｍの流体通路３２を有し、外径３２ｍｍ、厚み５ｍｍ、平坦度１μｍ以下の固定弁体３０を得た。

なお、固定弁体３０側の非晶質硬質炭素膜３４の形成については次のような方法で行った。すなわち、まず１０Ｐａ程に減圧した真空チャンバー内のタングステンヒータを備えた基板に固定弁体３０を取り付け、メタン（ＣＨ_４）ガスと水素（Ｈ_２）ガスを導入しながら、チャンバー内に組まれた電極間にマイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）を印加する。すると、メタンガスはプラズマ分解し、固定弁体３０がセットされている基板上に堆積し、炭素（Ｃ）からなる膜が得られるのである。

このようなマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、固定弁体３０の表面には炭素成分の膜を得ることができるが、ここでタングステンヒータによって加熱する基板の温度を常温〜８００℃の間で変化させたり、ガスの流量Ｑを１〜３０ｃｃ／分の間で変化させたり、あるいは真空度Ｐを０．０１〜６０００Ｐａの間で変化させる等、成膜条件を広範囲に変化させることによって、様々な炭素構造をとる膜を形成した。

そして、このようにして得られた炭素膜に対してレーザーラマン分光分析を行ったところ、図５〜８に示すように、それぞれ固有のラマンスペクトルを持つＮｏ．１〜１１の１１種類の膜が得られた。

なお、このときのレーザーラマン分光分析装置の測定条件は、レーザー波長４８８ｎｍ、中心波数１４００ｃｍ^−１、露光時間０．５秒、積算時間１００回としたが、この条件以外でも１２００〜１６００ｃｍ^−１付近のラマンスペクトルが精度良く測定できればかまわない。

一方、これらの炭素膜をその他の方法で分析したところ、Ｘ線マイクロアナライザーを使った元素分析ではいずれも炭素（Ｃ）しか検出されず、全ての膜が炭素成分で成り立っているという以上何もつかめなかった。また、同様に比重、電気抵抗、硬度の測定装置、さらにはＸ線回折や透過型電子顕微鏡を用いても、上記のようにラマンスペクトルで分類された１１種類の炭素膜を明確に識別することは不可能であった。したがって、レーザーラマン分光法を用いることにより、各種炭素膜をより厳密に分析できることがわかった。

なお、図５〜８に示すレーザーラマン分光分析で得られた１１種類のラマンスペクトルにおいて、Ｎｏ．１の１３３１ｃｍ^−１にシャープなピークが観測されるものはダイヤモンドであり、Ｎｏ．２の１５８１ｃｍ^−１付近に単一のシャープなピークを示すものは完全なグラファイト構造（無限の平面リング構造）をしているＨＯＰＧ（ＨｉｇｈｌｙＯｒｉｅｎｔｅｄＰｙｒｏｌｙｔｉｃＧｒａｐｈｉｔｅ）であり、Ｎｏ．３の１５８１と１３５５ｃｍ^−１にシャープなピークを示すものは熱分解炭素（ＰＧ：ＰｙｒｏｌｙｔｉｃＧｒａｐｈｉｔｅ）であることは知られているが、その他の膜構造解析については現在まで明解な見解は得られていない。

しかし、材質名は特定できないにしても、レーザーラマン分光分析法を用いれば炭素膜を非破壊、非接触で、その場で直ちに測定可能なうえ、高分解能といった特長を持っている。そのため、レーザーラマン分光分析による製品評価は、摺動性など製品特性と相関が得られれば、理想的な品質管理体制を確立でき、品質維持には欠かせない評価方法となり得ることがわかる。

一方、可動弁体２０としては、固定弁体３０と同じアルミナセラミックス単体で構成し、直径５ｍｍの流体通路２２を有し、外径２５ｍｍ、厚み７ｍｍ、摺接面２１の平坦度１μｍ以下とした。

そして、図２に示すように、上記可動弁体２０およびＮｏ．１〜１１の各種炭素膜を備えた固定弁体３０を互いの摺接面２１、３１が摺動するようにケーシングによって軸力３０ｋｇｆで押さえつけながら給水栓にセットし、８０℃の温水を１ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で注入し、レバー４０を操作することにより出湯量を制御可能なフォーセットバルブを製作した。

このようなフォーセットバルブに対し、可動弁体２０をレバー４０によって摺動させる試験を２０万回行い、その後、可動弁体２０を摺動させるときに必要なレバー４０の押し付け力をプッシュプルゲージで測定し、操作力とした。

結果は表２に示す通りである。この結果より、ダイヤモンド、ＨＯＰＧ、ＰＧからなるＮｏ．１〜３の炭素膜を備えたものでは、ピークの最大強度の９０％以上の範囲である頂部の幅が１０ｃｍ^−１未満とシャープなピークであるため、滑らかな操作力の基準である０．６ｋｇ以下の摺動性を２０万回以上の長期にわたって満たすことができなかった。

またＮｏ．４、５の炭素膜はピークの位置が本発明の範囲内になく、しかもシャープなピークであり、さらにＮｏ．６〜８の炭素膜は平坦部に対するピークの最大強度の比が２倍未満であることから、いずれも０．６ｋｇ以下の摺動性を２０万回以上の長期にわたって満たすことができなかった。

これらに対し、本発明実施例であるＮｏ．９〜１１の炭素膜は、ラマンスペクトルのピークが１２００〜１４００ｃｍ^−１と１５００〜１６００ｃｍ^−１の少なくとも一方の範囲にあり、ピークの平坦部分に対する強度比が２倍以上であり、かつピークの最大強度の９０％以上の範囲である頂部の幅が１０ｃｍ^−１以上のブロードなピーク形状を有していることから、０．６ｋｇ以下の摺動性を２０万回以上の長期にわたって満たすことができた。

本発明の摺動部材を用いたフォーセットバルブの弁体のみを示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）中のＸ−Ｘ線断面図である。一般的なフォーセットバルブを示す概略斜視図である。本発明の摺動部材における非晶質硬質炭素膜のラマンスペクトルを示すチャート図である。比較例である炭素膜のラマンスペクトルを示すチャート図である。各種炭素膜のラマンスペクトルを示すチャート図である。各種炭素膜のラマンスペクトルを示すチャート図である。各種炭素膜のラマンスペクトルを示すチャート図である。各種炭素膜のラマンスペクトルを示すチャート図である。

符号の説明

２０：可動弁体
３０：固定弁体
２１、３１：摺接面
２２、３２：流体通路
３４：非晶質硬質炭素膜

Claims

互いに摺動する２つの摺動部材の少なくとも一方の摺接面に非晶質硬質炭素膜を備えてなる摺動装置において、上記非晶質硬質炭素膜は、レーザーラマン分光法によるラマンスペクトルのピークが１２００〜１４００ｃｍ^−１と１５００〜１６００ｃｍ^−１の少なくとも一方の範囲にあり、上記ピークは平坦部分に対する強度比が２倍以上であり、かつ上記ピークにおける最大強度の９０％以上の頂部の幅が１０ｃｍ^−１以上であることを特徴とする摺動装置。
上記摺動部材を弁体で形成するとともに、該弁体の表面の平坦度を３μｍ以下としたことを特徴とする請求項１に記載の摺動装置。
上記弁体の表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の摺動装置。
上記非晶質硬質炭素膜の膜厚が０．１〜２．０μｍであることを特徴とする請求項２又は３に記載の摺動装置。
上記弁体はアルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスが用いられることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の摺動装置。
互いに摺動する２枚の円板状の弁体の少なくとも一方の摺接面に非晶質硬質炭素膜を備えてなるフォーセットバルブにおいて、上記非晶質硬質炭素膜は、レーザーラマン分光法によるラマンスペクトルのピークが１２００〜１４００ｃｍ^−１と１５００〜１６００ｃｍ^−１の少なくとも一方の範囲にあり、上記ピークは平坦部分に対する強度比が２倍以上であり、かつ上記ピークにおける最大強度の９０％以上の頂部の幅が１０ｃｍ^−１以上であることを特徴とするフォーセットバルブ。