JP6196136B2

JP6196136B2 - 摺動装置

Info

Publication number: JP6196136B2
Application number: JP2013246139A
Authority: JP
Inventors: 浩浜島; 渡り　純一; 純一渡り
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2017-09-13
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: JP2015102240A

Description

本発明は摺動装置に関する。

従来から、シングルレバー混合栓、サーモスタッド混合栓をはじめとする水栓（湯水混合栓など）には、複数の板状の弁体（可動弁体及び固定弁体）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フォーセットバルブが使用されている。このようなフォーセットバルブは互いに摺り合わされた状態で使用されることから高い耐摩耗性が求められており、高い耐摩耗性を有するセラミックスを主成分とする弁体が広く用いられている。フォーセットバルブにおいては、２つの弁体からの流体の漏れを防止するために、２つの弁体それぞれの摺動面の表面粗さはなるべく小さい方が良いと考えられており、フォーセットバルブに用いるセラミックスとしては例えば気孔率が０．２％未満である緻密質セラミックスが広く用いられている。

また、フォーセットバルブでは、弁体同士を相対移動するための操作力を比較的低くすることも求められており、弁体の摺動部分にグリース等の潤滑剤を介在させて弁体同士の滑り性を向上させたフォーセットバルブも広く用いられている。

しかし、潤滑剤を使用したフォーセットバルブでは弁体同士の摺動により比較的短い期間で摺動部分の潤滑剤が流出する為に、摺動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に必要な力が上昇するといった課題があった。

そこで近年では、例えば特許文献１に記載されているような、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フォーセットバルブが提案されて実際に用いられている。

特開平０９−２９２０３９号公報

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は、それ自体はセラミックスとの密着性がそれほど高くない。このため従来のフォーセットバルブでは、緻密質セラミックスからなる基体の表面に直接ダイヤモンド状硬質炭素膜を形成するのではなく、特許文献１にも記載されているように、密着性を向上するためのチタン（Ｔｉ）やシリコン（Ｓｉ）等の中間層を緻密質セラミックスからなる基体の表面に形成した後、この中間層の上にダイヤモンド状硬質炭素膜を形成する必要があった。このため、ダイヤモンド状硬質炭素膜が成膜された従来のフォーセットバルブでは、このダイヤモンド状硬質炭素膜の成膜にかかるコスト、ひいでは弁体の製造コストが大きくなり、フォーセットバルブが高価になっていた。また、流体の漏れを十分に抑制するために、弁体同士を押し合わせる力を大きくした場合など、ダイヤモンド硬質炭素膜であっても摺動抵抗が大きくなり操作に必要な力が大きくなることもあった。本発明はこのような課題を解決するためになされたものである。

上記課題を解決するために、本願発明は、互いに摺動する一対の摺動部材を備えた摺動装置であって、前記一対の摺動部材のうちの一方の摺動部材は、多孔質セラミックスを主成分とし表面に複数の開気孔を有する基体と、他方の摺動部材との当接領域に対応する前記基体の表面部分を覆って前記他方の摺動部材と当接する摺動面を構成するダイヤモンド状硬質炭素膜とを有し、前記表面部分にある前記開気孔の中に、ダイヤモンド状硬質炭素を主成分とする粒状体が配置されていることを特徴とする摺動装置を提供する。

本発明の摺動装置は、摺動抵抗が小さく、かつ製造コストが低く比較的安価にすることができる。

本発明の摺動装置の一実施形態であるフォーセットバルブを示す斜視図である。図１に示すフォーセットバルブの一部を拡大した部分断面図である。図１に示すフォーセットバルブの使用状態の一実施形態の斜視図であり、（Ａ）はフォーセットバルブが閉じた状態を示し、（Ｂ）はフォーセットバルブが開いた状態を示している。フォーセットバルブとして水栓に組み込まれる前の状態の固定弁体の概略断面図である。

以下、本発明の摺動装置の一実施形態であるフォーセットバルブ１１について、図面を参照して説明する。図１はフォーセットバルブ１１を示す斜視図である。また、図２はフォーセットバルブ１１の一部を拡大した部分断面図である。さらに、図３はフォーセットバルブ１１の使用状態の一実施形態の斜視図であり、（Ａ）はフォーセットバルブ１１が閉じた状態を示し、（Ｂ）はフォーセットバルブ１１が開いた状態を示している。

本実施形態のフォーセットバルブ１１は、互いに摺動する一対の摺動部材（固定弁体３０および可動弁体２０）を備えた摺動装置であって、一対の摺動部材（固定弁体３０および可動弁体２０）のうちの一方の摺動部材（本実施形態では固定弁体３０）は、多孔質セラミックスを主成分とし表面に複数の開気孔６２を有する基体６０と、他方の摺動部材（本実施形態では可動弁体２０）との当接領域に対応する基体６０の表面部分６１を覆って他方の摺動部材（可動弁体２０）と当接する固定弁体摺動面３１を構成するダイヤモンド状硬質炭素３４とを有し、表面部分６１にある開気孔６２の中に、ダイヤモンド状硬質炭素を主成分とする粒状体６６が配置されている。可動弁体２０は第１流体通路２２を備え、固定弁体３０は第２流体通路３２を備えている。

フォーセットバルブ１１では、一方の摺動部材（固定弁体３０）の基体６０は炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とし、他方の摺動部材（可動弁体２０）はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分としている。本明細書において主成分とは、５０質量％以上であることをいう。基体６０は炭化珪素（ＳｉＣ）を７５質量％以上含有し、可動弁体２０はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を７５質量％以上含有することが好ましい。

一方の摺動部材（固定弁体３０）の基体６０は、気孔率が０．５％以上かつ４．０％未満であり、平均気孔径が１０μｍ以上かつ４５μｍ以下となっている。気孔率はＪＩＳＲ２１４１に準拠したアルキメデス法による水中重量と乾燥重量の差による体積比換算といった測定方法で得られた値であり、気孔径は、まず、研磨砥粒を用いて研磨して得られる摺動面を工業顕微鏡を用いて観察する。研磨砥粒としては、例えば平均粒径１〜３μｍのダイヤモンド砥粒を用いればよい。続いて工業顕微鏡を用いて、倍率を５０倍とし、１箇所当たりの測定面積を２４７１μｍ×１８５３μｍに設定した範囲を４箇所撮影して得られた画像を、画像解析ソフトを用いて解析する。この画像解析ソフトとしては、例えば、「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用い、円形粒子解析という手法を適用するといった測定方法で得られた値である。

また、ダイヤモンド状硬質炭素３４の、固定弁体摺動面３１を構成する部分の膜厚は０．８〜３．０μｍとなっている。この膜厚は断面を電子顕微鏡写真で観察した画像から測定することができる。また粒状体６６は、最大直径の平均値が２μｍ〜８μｍとなっている。

ダイヤモンド状硬質炭素膜は、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。この非晶質ダイヤモンド状硬質炭素膜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、本実施形態のフォーセットバルブ１１に用いるダイヤモンド状硬質炭素膜は、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。このようなダイヤモンド状硬質炭素膜は、ユニバーサル硬度が２０〜５０ＧＰａと非常に硬い硬度を有しており耐摩耗性が高く、かつ表面の滑り性が高い。耐摩耗性と表面の滑り性の双方を高くする点で、ダイヤモンド状硬質炭素３４の、固定弁体摺動面３１を構成する部分の膜厚は０．８〜３．０μｍであることが好ましい。

図３は、フォーセットバルブ１１の使用状態について説明する図であり、フォーセットバルブ１１が組み込まれた水栓１９の内部の概略斜視図である。フォーセットバルブ１１は、水栓１９の図示しないケーシング部材の中に配置されており、可動弁体２０がレバー４０と組み合わされており、レバー４０を操作することで可動弁体２０が図３に記載の矢印の方向に摺動するように構成されている。レバー４０には、流体が通る管路を備えた流体流入管４２が設けられており、この流体流入管４２と可動弁体２０の第１流体通路２２とが接続されている。このレバー４０を操作することで、第１流体通路２２と第２流体通路３２とを連通させると、流体流入管４２を通る流体が第１流体通路２２と第２流体通路３２とを通過して、固定弁体２０の下側へ伝わっていく。一方、レバー４０を操作することで可動弁体２０を摺動させて、固定弁体３０の固定弁体摺動面３１によって第１流体通路２２の下側の開口を閉じた場合、流体流入管４２を通る流体はこの固定弁体摺動面３１によって止められる。固定弁体３０と可動弁体２０とは、固定弁体摺動面３１と可動弁体２０の下側の主面２１とが垂直な方向に沿って、例えば２０Ｎ／ｍという大きな力で押し合わされており、固定弁体３０と可動弁体２０との当接部分に隙間が生じて流体が漏れることが抑制されている。このようにフォーセットバルブ１１は、流体流入管４２を通って流入する流体の流れを制御することができる。

本実施形態のフォーセットバルブ１１は、固定弁体３０が、固定弁体摺動面３１を構成するダイヤモンド状硬質炭素３４を有しているので、固定弁体３０と可動弁体２０との摺動抵抗が低く、可動弁体２０を動かす操作に必要な力が小さくなっている。さらに固定弁体３０の基体６０が多孔質セラミックス（より詳しくは多孔質の炭化珪素（ＳｉＣ））を主成分とし表面に複数の開気孔６２を有している。このためフォーセットバルブ１１では、例えば基体が緻密質セラミックスからなる場合に比べて、固定弁体摺動面３１と主面２１との当接面積が小さくなっており、固定弁体３０と可動弁体２０との摺動抵抗がさらに小さくされている。

また、フォーセットバルブ１１は、複数の開気孔６２を有する基体６０の表面に例えばは物理蒸着（ＰＶＤ：ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってダイヤモンド状硬質炭素膜３４が直接成膜されている。ダイヤモンド状硬質炭素膜３４は、基体６０の表面部分６１に成膜されるとともに、表面部分６１から開気孔６２の内部の一部にまで連続して成膜されている。開気孔６２を有する多孔質のセラミックスからなる基体６０の表面に、このようにして成膜されたダイヤモンド状硬質炭素膜３４は、アンカー効果によって基体６０と比較的強く結合している。このように、フォーセットバルブ１１の固定弁体３０では、ダイヤモンド状硬質炭素膜６４が基体６０から剥がれ難い。

ダイヤモンド状硬質炭素はセラミックスとの結合性が比較的弱いので、従来は、セラミックスの表面にＰＶＤ等でダイヤモンド状硬質炭素膜を形成する場合は、予めチタン（Ｔｉ）やシリコン（Ｓｉ）等のセラミックスともダイヤモンド状硬質炭素とも結合性が強い中間層をセラミックスの表面に設けて、その上にダイヤモンド状硬質炭素膜を形成していた。本実施形態のフォーセットバルブ１１の固定弁体３０では、このような中間層を形成せずに、多孔質炭化珪素セラミックスからなる基体６０の表面に直接ダイヤモンド状硬質炭素膜３４を形成しているが、上述のアンカー効果によってダイヤモンド状硬質炭素膜３４が固定部材３０と強固に結合している。本実施形態のフォーセットバルブ１１は、固定弁体３０の製造に必要な手間とコストとが少なく、ひいてはフォーセットバルブ１１を安価に製造することができる。

また、フォーセットバルブ１１では、固定弁体３０が炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分としており、仮に固定弁体３０の表面からダイヤモンド状硬質炭素膜が部分的に剥がれたとしても、露出するのは炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とするセラミックスである。炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とするセラミックスは、ダイヤモンド状硬質炭素膜には及ばないまでも、セラミックスと摺動させた場合の摺動抵抗が低くかつ耐摩耗性が高い。フォーセットバルブ１１は、比較的長期間にわたって水漏れ等が発生し難く耐久性が高く、固定弁体３０と可動弁体２０との摺動抵抗が長期間にわたって比較的小さく抑制されている。

図４は、フォーセットバルブ１１として水栓１９に組み込まれる前の状態の固定弁体（前駆体７０とする）について説明する概略断面図である。前駆体７０は、複数の開気孔６２を有する基体６０の表面に例えば物理蒸着（ＰＶＤ：ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってダイヤモンド状硬質炭素膜３４が成膜されて固定弁体摺動面３１が形成されている。さらに開気孔６２の開口の周縁部には、ＰＶＤ成膜プロセスにおけるいわゆるエッジ効果によってその他の部分に比べてダイヤモンド状硬質炭素膜が厚く成膜されることで形成された、ダイヤモンド状硬質炭素からなる突起部７２を有している。フォーセットバルブ１１は、このような前駆体７０の固定弁体摺動面３１を、アルミナセラミックスを主成分とする可動弁体２０の図中下側の主面２１に、固定弁体摺動面３１と垂直な方向に沿って、例えば２０Ｎ／ｍという大きな力で押し付けている。フォーセットバルブ１１を形成する際、この押し付ける力によって突起部７２が割れて粒状の破片が開気孔６２の中に入り込むことで、図２に示すように開気孔６２に配置された粒状体６６が形成される。

このようにフォーセットバルブ１１では、基体６０の表面部分６１にある開気孔６２の中に、ダイヤモンド状硬質炭素を主成分とする粒状体６６が配置されている。複数の開気孔６２の中に配置されている粒状体６６の少なくとも一部は、開気孔６２の底面部分に当接するとともに、一部が開気孔６２から突出して、可動部材２０の主面２１と当接している。本実施形態では固定弁体３０の基体６０の平均気孔径が１０μｍ以上かつ４５μｍ以下であり、粒状体６６の最大直径の平均値が２μｍ〜８μｍとなっている。フォーセットバルブ１１では、複数の開気孔６２それぞれに配置された粒状体６６のうち、約１０％以上の個数の粒状体６６において、一部が開気孔６２から突出して、可動部材２０の主面２
１と当接している。

この粒状体６６と可動弁体２０の主面２１とが当接している部分では、粒状体６６が主面２１を図中の上側に押し上げるような力がはたらく。可動弁体２０と固定弁体３０とは比較的大きな力で押し合わされているが、このように粒状体６６が主面２１を押し上げるような力が働いてる部分の近傍では、固定弁体摺動面３１を主面２１に押し付ける力の大きさが緩和されて摺動抵抗が小さくなっている。開気孔６２、すなわちこのように摺動抵抗が小さい部分は、表面部分６１全体にわたって分散しており、固定弁体３０と可動弁体２０との摺動抵抗は小さくなっている。

また、開気孔６２の中に配置された粒状体６６は、可動弁体２０の移動にともなって開気孔６２内で回転することもできる。粒状体６６と可動弁体２０との摺動抵抗よりも、開気孔６２内での粒状体６６の回転抵抗が小さい場合、粒状体６６が回転することで摺動抵抗がさらに低減される。フォーセットバルブ１１では、粒状体６６と可動弁体２０との摺動抵抗よりも、開気孔６２内での粒状体６６の回転抵抗が小さい部分が複数存在し、この回転抵抗が小さい部分では、可動弁体２０の移動にともなって粒状体６６が開気孔６２内で回転することもできるので、固定弁体３０と可動弁体２０との摺動抵抗はさらに低減されている。

摺動抵抗をより低くする点で、基体６０の気孔率は０．５％以上かつ４．０％未満であり、平均気孔径が１０μｍ以上かつ４５μｍ以下であることが好ましい。また、突起部７２が割れて粒状の破片が開気孔６２の中に入り込んで摺動抵抗をより低くする点で、基体６０の平均気孔径が１０μｍ以上かつ４５μｍ以下であることが好ましい。

フォーセットバルブ１１の固定弁体３０は、例えば以下のようにして製造することができる。例えば、出発原料として微量のシリカを含んだ炭化珪素粉末にアルミナ粉末及びイットリア粉末と水とを混合してスラリー化し、このスラリーに成形助剤としてグリセリン、アクリル樹脂及びソルビタン脂肪酸エステルを添加、混合後、噴霧乾燥することで造粒粉を作製し、この造粒粉と造孔剤として懸濁重合された非架橋性のポリスチレン又はスチレン−アクリル共重合体から成る樹脂ビーズとを混合して原料粉末を作製する。この原料粉末を所定形状に成形し、真空脱脂炉に入炉後、窒素雰囲気下で所定温度で所定時間だけ加熱した後、自然冷却する。この脱脂された粉末成形体を更に真空炉内アルゴン雰囲気にて所定温度で焼成し、得られた焼結体を所定形状に加工することで基体６０を得る。

より具体的な例を示しておくと、例えば０．５質量％のシリカを含んだ炭化珪素粉末１００質量部に対し、焼結助剤として３．７質量部のアルミナ粉末、０．６質量部のイットリア粉末と、１２２質量部の水、分散剤として０．３質量部のアンモニア水及び８４質量部のウレタンボールとをボールミルに投入後、４８時間混合してスラリー化する。このスラリーに成形助剤として、２．０質量部のグリセリンと４．０質量部のアクリル樹脂と１．８質量部のソルビタン脂肪酸エステルを添加、混合後、噴霧乾燥することにより造粒粉を作製する。次に、この造粒粉１００質量部に対して、造孔剤として例えば平均粒径３５μｍ〜４５μｍの懸濁重合された非架橋性スチレン−アクリル共重合体からなる樹脂ビーズを５質量部〜１５質量部添加、混合し、混合原料を作成する。その後、この混合原料を１ｔｏｎ／ｃｍ^２の圧力で所定形状に成形する。その後、得られた粉末成形体を真空脱脂炉内窒素雰囲気下にて４５０〜６５０℃までを１０〜４０時間で昇温後、４５０〜６５０℃で２〜１０時間保持し、その後、自然冷却とする条件で脱脂し、脱脂された粉末成形体を真空炉内アルゴン雰囲気にて１８００〜１９００℃の温度で焼成し、基体６０を得る。このようにして得られた基体６０は、気孔率が０．５％以上かつ４．０％未満であり、平均気孔径が１０μｍ以上かつ４５μｍ以下となっている。次に、研削盤等を用いて焼成体に厚み研削加工を施し、ダイヤモンドパウダー等を用いてラップ加工を行うことで、所定
の表面粗さ、及びボイドを持ったアルミナセラミックスから成る摺動部材を得る。

このようにして得られた基体６０の表面に、例えば物理蒸着（ＰＶＤ：ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってダイヤモンド状硬質炭素膜３４を成膜する。基体６０にダイヤモンド状硬質炭素膜を成膜する手段としては、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、基体６０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の表面に堆積させることで、ダイヤモンド状硬質炭素膜を形成することができる。

また、フォーセットバルブ１１の可動弁体２０は、例えば以下のようにして製造することができる。まず出発原料として、例えば純度９６％以上で、平均粒子径が１〜２μｍのアルミナ粒子を作製し、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ等の焼結助剤及び有機物添加剤を添加して、湿式状態にて混合、粉砕したあと、スプレードライヤによって乾燥、造粒を行い２次原料を作製する。得られた２次原料は金型に充填して２０００ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力にて所定形状に成形する。次に、得られた成形体を焼成するのであるが、ムライトを析出させるためには温度コントロールが重要であり、トンネル炉に成形体を投入して、最高温度が１５００〜１７００℃の範囲となるように設定し、２４時間程度かけて焼成する。次に、研削盤等を用いて焼成体に厚み研削加工を施し、ダイヤモンドパウダー等を用いてラップ加工を行うことで、所定の表面粗さ、及びボイドを持ったアルミナセラミックスからなる摺動部材を得る。

以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものでない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行なってもよいのはもちろんである。

１フォーセットバルブ
１９水栓
２０可動弁体
２２第１流体通路
３０固定弁体
３２第２流体通路
３１固定弁体摺動面
３４ダイヤモンド状硬質炭素
４０レバー
６０基体
６１表面部分
６２開気孔
６６粒状体

Claims

互いに摺動する一対の摺動部材を備えた摺動装置であって、
前記一対の摺動部材のうちの一方の摺動部材は、多孔質セラミックスを主成分とし表面に複数の開気孔を有する基体と、他方の摺動部材との当接領域に対応する前記基体の表面部分を覆って前記他方の摺動部材と当接する摺動面を構成するダイヤモンド状硬質炭素膜とを有し、
前記表面部分にある前記開気孔の中に、ダイヤモンド状硬質炭素を主成分とする粒状体が配置されていることを特徴とする摺動装置。
前記一方の摺動部材の前記基体は炭化珪素（ＳｉＣ）を主成分とすることを特徴とする請求項１記載の摺動装置。
前記他方の摺動部材はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とすることを特徴とする請求項１または２記載の摺動装置。
前記一方の摺動部材の前記基体は、気孔率が０．５以上かつ４．０％未満であり、平均気孔径が１０μｍ以上かつ４５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の摺動装置。
前記ダイヤモンド状硬質炭素膜の膜厚が０．８〜３．０μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の摺動装置。