JP4091761B2

JP4091761B2 - ディスクバルブ

Info

Publication number: JP4091761B2
Application number: JP2001364771A
Authority: JP
Inventors: 泰志池田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP2003166656A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シングルレバー混合栓、サーモスタット混合栓をはじめとする水栓や湯水混合栓、医療用サンプリングバルブ、薬液用バルブ等を構成す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】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来、水栓や湯水混合栓、あるいは医療用サンプリングバルブや薬液用バルブを構成するディスクバルブは、２枚の円盤状をした弁体を互いに摺接させ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。そして、この種のディスクバルブは互いが絶えず摺り合わされた状態で使用されることから、ディスクバルブを構成する可動弁体や固定弁体は耐摩耗性及び耐食性に優れるアルミナ質焼結体により形成したものが用いられていた。
【０００３】
また、上記ディスクバルブは、弁体同士の操作力を低減するために弁体間にグリース等の潤滑剤を介在させて使用されていた。
【０００４】
ところが、潤滑剤を使用したディスクバルブでは、弁体同士の摺動により比較的短い期間で潤滑剤が流出して無潤滑状態となるため、摺接面間で引っかかりや異音を生じるとともに、徐々にレバーの操作力が上昇して、ついには互いの弁体同士が貼り付いて動かなくなるリンキング（凝着）を生じるといった課題があった。しかも、潤滑剤の種類によっては長期使用中に劣化し、ゴミ等の付着が発生して摺動特性を悪化させる恐れがあるとともに、吐水時に潤滑剤が流出すると人体に害を与える恐れもあった。
【０００５】
そこで、近年、無潤滑状態でも摺動させることが可能なディスクバルブとして、互いに摺動する弁体のうち、少なくともいずれか一方の弁体の摺動面に自己潤滑性を有するとともに、耐摩耗性に優れたダイヤモンド状硬質炭素膜を被着したディスクバルブが提案されている（特開平３−２２３１９０号公報）。
【０００６】
しかしながら、ダイヤモンド状硬質炭素膜は、弁体を形成するセラミック焼結体との密着性がそれほど良くないために、弁体の表面を若干粗くすることによりアンカー効果でもって弁体との密着力を向上させるようになっていた。
【０００７】
ところが、水栓や湯水混合栓等のように浄水器を組み付けたものにあっては、水栓や湯水混合栓内部の水圧が上昇して摺接面間に若干の隙間ができ、水漏れを生じる恐れがあるために、弁体の摺接面をより平滑に仕上げるとともに、弁体同士の押圧力を高める必要があるが、ダイヤモンド状硬質炭素膜の表面を平滑に仕上げるためには弁体の表面も平滑に仕上げなければならず、その結果、ダイヤモンド状硬質炭素膜の密着力が得られず、剥離するといった問題があった。
【０００８】
そこで、平滑に仕上げた弁体表面にダイヤモンド状硬質炭素膜を形成するために、特開平５−７９０６９号公報、特開平６−２２７８８２号公報、特開平９−２９２０３９号公報、特開平１０−８９５０６号公報では、弁体とダイヤモンド状硬質炭素膜との間に中間層を介在させて接合することにより密着性を高めるようにしたディスクバルブが提案されている。
【０００９】
しかしながら、互いに摺動する弁体の摺動面における表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ未満の平滑面としてダイヤモンド状硬質炭素膜とアルミナ質焼結体を摺動させると、スティックスリップ現象と呼ばれる動作時の微妙な引っかかりや、操作時にキュッ、キュッといった異音が発生するといった課題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、上記課題に鑑み、本発明のディスクバルブは、互いに摺動する２枚の弁体のうち、一方の弁体の摺接面にダイヤモンド状硬質炭素膜を被着するとともに、他方の弁体を、ビッカース硬度（Ｈｖ 1.0 ）が５〜７ＧＰａで、かつ主成分がステアタイトまたはコージライトのセラミック焼結体により形成したことを特徴とする。
【００１２】
【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。
【００１３】
図１は本発明のディスクバルブを備えたフォーセットバルブを示す図で、（Ａ）はバルブが閉じた状態を示す斜視図であり、（Ｂ）はバルブを開いた状態を示す斜視図である。また、図２は本発明のディスクバルブのみを示す斜視図である。
【００１４】
可動弁体２０は上下面を貫通する流体通路２２を備えた円盤状をしたもので、アルミナ質焼結体により形成するとともに、その表面には中間層２３を介してダイヤモンド状硬質炭素膜２４を被着して摺接面２１を形成してある。
【００１５】
また、固定弁体３０は上下面を貫通する流体通路３２を備え、可動弁体２０より大きな円盤状をしたもので、ビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が５〜７ＧＰａのセラミック焼結体により形成してあり、一方の主面を摺接面３１としてある。なお、ビッカース硬度（Ｈｖ1.0）はＪＩＳＲ１６１０に準拠し、荷重１０００ｇにて測定した値である。
【００１６】
また、各弁体２０，３０の摺接面２１、３１は、水漏れ防止するためにその平面度を１μｍ以下とするとともに、表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下としてある。
【００１７】
そして、これらの可動弁体２０と固定弁体３０とを無潤滑状態で互いの摺接面２１、３１同士を摺接させ、レバー４０を動かすことによって、可動弁体２０を矢印の方向に摺動させることにより、互いの弁体２０、３０に備える流体通路２２、３２の開閉を行い、供給流体の流量調整を行うようになっている。
【００１８】
この時、可動弁体２０の摺接面２１には自己潤滑性に優れるとともに、高硬度を有するダイヤモンド状硬質炭素膜２４を被着してあることから、無潤滑状態にも関わらず固定弁体３０を大きく摩耗させることなくレバー操作力を低減して滑らかに摺動させることができる。
【００１９】
また、双方の摺接面２１、３１は、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下の平滑面としてあるものの、ダイヤモンド状硬質炭素膜２４と摺動する固定弁体３０をビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が５〜７ＧＰａと比較的小さな硬度を有するセラミック焼結体により形成してあることから、ダイヤモンド状硬質炭素膜２４との摺動によって固定弁体３０の摺接面３１を徐々に摩耗させることができるため、摺動界面の剪断が容易で、かつ摩擦係数を低減させることができるため、スティックスリップ現象や異音の発生を効果的に防止し、長期間にわたって滑らかに摺動させることができる。
【００２０】
即ち、双方の弁体２０、３０の摺接面２１、３１を算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下とし、かつその平面度を１μｍ以下としたのは、双方の弁体２０，３０の摺接面２１，３１における表面状態が上述した範囲を超えて粗くなると、特に浄水器を組み付けたものにあっては、弁体２０、３０間に大きな水圧が加わり、水漏れを生じ恐れがあるからである。
【００２２】
ところで、このようなビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が５〜７ＧＰａの範囲にあるセラミック焼結体としては、その主成分が、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のうち二つ以上の成分からなる複合酸化物よりなるものを用いることが良く、その中でもステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）を挙げることができる。
【００２３】
このように、主成分が、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃のうち二つ以上の成分からなる複合酸化物よりなるものは、アルミナを主成分とするものと比較して摺接面に存在する硬質のＡｌ₂Ｏ₃粒子の量が少ないため、硬質のダイヤモンド状硬質炭素膜２４との摺動によって摩耗したとしても均一に摩耗させることができるとともに、相手材との引っかかりを少なくすることができるため、異音の発生やスティックスリップ現象を効果的に防止することができる。
【００２４】
特に、複合酸化物としてステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）を用いたものにおいては、その構成成分が、ＭｇＯとＳｉＯ₂からなり、比較的硬い結晶であるＡｌ₂Ｏ₃粒子が介在しないので、より均一に摩耗させることができるため、異音の発生やスティックスリップ現象を効果的に防止することができるとともに、お湯等に曝されても特性劣化等を生じることがなく、ダイヤモンド状硬質炭素膜２４と摺動する相手材として好適である。
【００２５】
なお、固定弁体３０を形成するビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が５〜７ＧＰａのセラミック焼結体として、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）を用いる場合、滑石や凍石（タルク）を主原料とし、これにカオリン、ロウ石などを５〜１５％程度加えた粉末を用いるか、ＭｇＳｉＯ_３やＭｇ_２ＳｉＯ_４、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２で表される複合酸化物からなるステアタイト粉末を用いて所定形状に成形した後、１２００〜１４５０℃の温度範囲の大気雰囲気中にて焼成したものを用いれば良い。
【００２６】
また、コージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）を用いる場合、２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂で表される複合酸化物からなるコージライト粉末や、粘土、長石などを添加して、所定形状に成形した後、１２００〜１４５０℃の温度範囲の大気雰囲気中で焼成したもの、あるいは、平均粒径が１０μｍ以下のコージライト粉末を１０〜５０重量％、希土類元素酸化物粉末を０．５〜１０重量％、残部をα型含有率が８０％以上の窒化珪素粉末となるように秤量混合したものを所定形状に成形した後、真空もしくはＡｒ、Ｎ₂などの不活性ガス雰囲気で１３００〜１７００℃、好ましくは１４００〜１６００℃の温度範囲で焼成したものを用いればよい。
【００２９】
一方、可動弁体２０に形成するダイヤモンド状硬質炭素膜２４は、実質的に炭素からなり、若干の結晶質を含んでいても良いが基本的に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、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）、六方晶窒化硼素（ｈＢＮ）とは異なる組成のものである。
【００３０】
このダイヤモンド状硬質炭素膜２４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、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１５５０ｃｍ^-1の近傍にそれぞれピークを有するものである。なお、本発明のディスクバルブに用いるダイヤモンド状硬質炭素膜２４は、ピークがダイヤモンドあるいはグラファイトのいずれか一方に偏っていても良く、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良い。
【００３１】
このようなダイヤモンド状硬質炭素膜２４は、ビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が２０〜５０ＧＰａと非常に硬い硬度を有しているため、固定弁体３０との摺動においても殆ど摩耗することがない。
【００３２】
さらに、ダイヤモンド状硬質炭素膜２４中に、ジルコニウム、タングステン、チタンのうち少なくとも一種以上の金属と珪素を含有させても構わない。このようにジルコニウム、タングステン、チタンのうち少なくとも一種以上の金属と珪素を含有させることにより、膜内部における残留応力を低減して結合力を高めることができる。その為、可動弁体２０との密着力をより強固なものとすることができるとともに、ビッカース硬度（Ｈｖ1.0）で５５ＧＰａ以上の高硬度を持った膜とすることができる。なお、ジルコニウム、タングステン、チタンのうち少なくとも一種以上の金属と珪素を含有させたダイヤモンド状硬質炭素膜２４は、これらの成分を含まないダイヤモンド状硬質炭素膜２４とは異なり、ラマン分光分析装置における測定では１４８０ｃｍ^-1の近傍に一つにピークを有するものである。
【００３３】
また、可動弁体２０とダイヤモンド状硬質炭素膜２４との密着性を高めるために使用する中間層２３としては、両者の密着性を高めることができるものではあれば特に限定するものではなく、例えば、可動弁体２０側からＴｉ膜とＳｉ膜をこの順序で積層した中間層２３を用いれば良い。
【００３４】
なお、可動弁体２０にダイヤモンド状硬質炭素膜２４と中間層２３を被着する手段としては、スパッタリング法、イオンプレーティング法、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等の薄膜形成手段を用いることができ、例えば低温で成膜が可能なプラズマＣＶＤ法により被着するには、まず、チャンバー室内に各被膜を被着するためのソースガスとキャリアガスを供給し、可動弁体２０を配置したカソード（陽極）電極とアノード（陰極）電極との間に電圧を印加することでカソード（陽極）電極から引き出された電子をソースガス及びキャリアガスと衝突させてプラズマを発生させ、プラズマ中のソースガス成分を可動弁体２０の表面に堆積させれば良い。そして、チャンバー室に供給するソースガスとキャリアガスを置き換えて可動弁体２０の表面側からＴｉ膜、Ｓｉ膜、ダイヤモンド状硬質炭素膜２４といった順序で被着することにより成膜することができる。
【００３５】
また、ダイヤモンド状硬質炭素膜２４及び中間層２３を被着する可動弁体２０はセラミック焼結体により形成することが好ましい。即ち、可動弁体２０を樹脂で形成したものではダイヤモンド状硬質炭素膜２４を被着することができず、また、金属で形成したものではセラミック焼結体に比べ硬度が小さいことから、固定弁体３０との押圧力により変形し、その表面に被着するダイヤモンド状硬質炭素膜２４を破損させてしまう恐れがあるからである。
【００３６】
これに対し、セラミック焼結体は高硬度を有することから固定弁体３０との押圧力により変形することがないため、その表面に被着するダイヤモンド状硬質炭素膜２４を破損させることがなく、また、高い加工精度が得られることから、可動弁体２０の表面を滑らかな面に仕上げ、その表面に被着するダイヤモンド状硬質炭素膜２４の表面を可動弁体２０の表面に倣った平滑かつ平坦な面とすることができる。
【００３７】
なお、可動弁体２０を形成するセラミック焼結体としては、アルミナを主成分とするセラミック焼結体により構成するのが好ましい。アルミナ質焼結体は、ヤング率が２５０〜４００ＧＰａで、かつビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が１２ＧＰａより大きな値を有するため、固定弁体３０との押圧力を大きくしても摺接面２１を変形させることがなく、また、耐薬品性にも優れることから長期間に渡って使用可能なフォーセットバルブ１１を提供することができる。
【００３８】
可動弁体２０を構成するセラミック焼結体として、アルミナ質焼結体を用いる場合、主原料のＡｌ₂Ｏ₃に対し、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯのうち１種以上の焼結助剤を添加して１５００〜１７００℃の温度で焼成すれば良い。
【００３９】
以上の本発明の実施形態では、固定弁体３０を、ビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が５〜７ＧＰａの範囲にあるセラミック焼結体により形成し、可動弁体２０にはダイヤモンド状硬質炭素膜２４を被着した２枚の弁体２０、３０として説明したが、固定弁体３０と可動弁体２０の材質を逆にして用いたものであっても同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また、本発明の実施形態では、フォーセットバルブ１１を例にとって説明したが、医療用サンプリングバルブ、薬液用バルブに使用できることは勿論のこと、さらには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、軸受けなど様々な摺動部材にも適用できることは言うまでもない。
【００４１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。
【００４２】
図１に示すフォーセットバルブ１１を試作し、固定弁体３０の材質を変化させたときの摺動特性について調べる実験を行った。
【００４３】
本発明のフォーセットバルブ１１を構成する可動弁体２０にはＡｌ₂Ｏ₃純度が９６％のアルミナ質焼結体を用い、その表面にプラズマＣＶＤ法によってＴｉ膜とＳｉ膜をこの順序で積層した中間層２３を介してダイヤモンド状硬質炭素膜２４を被着したものを使用した。なお、可動弁体２０は、外径２５ｍｍ、厚み５ｍｍの円板状体とした。
【００４４】
また、固定弁体３０には、ステアタイト質焼結体、コージライト質焼結体、ムライト質焼結体、フォルステライト質焼結体、Ａｌ₂Ｏ₃純度が９６％のアルミナ質焼結体、及びアルミナ質焼結体上にダイヤモンド状硬質炭素膜２４（ＤＬＣ）を被着したもの、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の８種類を用意し、それぞれ外径３２ｍｍ、厚み５ｍｍの円盤状体とした。
【００４５】
そして、双方の弁体２０，３０の摺接面２１，３１に研磨加工を施して平坦度を１μｍ以下、表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下とした。
【００４６】
このようにして形成した双方の弁体２０、３０を、互いの摺接面２１、３１が接するようにケーシングによって軸力３０ｋｇｆの力で押さえつけながらフォーセット１１（給水栓）にセットし、８０℃の温水を１ｋｇ／ｃｍ²の圧力で注入した状態のもとで、操作レバー４０を操作するのに必要なレバー押し付け力をプッシュプルゲージで測定し、その値を操作レバー４０の操作力とした。
【００４７】
ただし、本実験の評価基準は、２０万回の摺動において最大操作力が７Ｎ以下のものを優れたものとした。また、スティックスリップ現象や、キュッ、キュッという異音発生の有無、リーク発生の有無についても発生した時点での摺動回数で記録し、評価した。
【００４８】
双方の弁体２０、３０の組み合わせは表１に、それぞれの評価結果は表２に示す通りである。なお、表中の試料番号３〜８は参考例である。
【００４９】
【表１】

【００５０】
【表２】

【００５１】
この結果、固定弁体３０に、ビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が５〜１２ＧＰａの範囲にあるステアタイト、コージライト、ムライトを主成分とするセラミック焼結体を用いたものは、２０万回摺動させたとしてもスティックスリップ現象や異音及び水漏れの発生がなく、長期間にわたって滑らかな摺動特性を得ることができた。
【００５２】
この中でも特に、固定弁体３０に、ビッカース硬度（Ｈｖ1.0）が５〜７ＧＰａの範囲にあるステアタイト又はコージライトを主成分とするセラミック焼結体を用いたものは、操作力を小さくすることができるため、特に優れていた。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、互いに摺動する２枚の弁体のうち、一方の弁体の摺接面にダイヤモンド状硬質炭素膜を被着するとともに、他方の弁体を、ビッカース硬度（Ｈｖ 1.0 ）が５〜７ＧＰａで、かつ主成分がステアタイトまたはコージライトのセラミック焼結体により形成したことから、無潤滑状態での摺動にもかかわらず、操作力の上昇やスティックスリップ現象あるいは異音の発生がなく、長期間にわたって滑らかな摺動特性を長期間にわたって得ることができ、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）またはコージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）を主成分とするセラミック焼結体を用いることにより小さな操作力で摺動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディスクバルブを備えたフォーセットバルブを示す図で、（Ａ）はバルブが閉じた状態を示す斜視図であり、（Ｂ）はバルブを開いた状態を示す斜視図である。
【図２】本発明のディスクバルブのみを示す斜視図である。
【符号の説明】
１１・・・フォーセットバルブ
２０・・・可動弁体
２１，３１・・・摺接面
２２，３２・・・流体通路
２３・・・中間層
２４・・・ダイヤモンド状硬質炭素膜
３０・・・固定弁体
４０・・・操作レバー

Claims

互いに摺動する２枚の弁体のうち、一方の弁体の摺接面にダイヤモンド状硬質炭素膜を被着するとともに、他方の弁体を、ビッカース硬度（Ｈｖ 1.0 ）が５〜７ＧＰａで、かつ主成分がステアタイトまたはコージライトのセラミック焼結体により形成したことを特徴とするディスクバルブ。