JPH06265030A

JPH06265030A - セラミック製ディスクバルブ

Info

Publication number: JPH06265030A
Application number: JP5050839A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nagasaki; 浩一長崎; Katsuji Kamata; 勝治鎌田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1994-09-20

Abstract

(57)【要約】【構成】一方の弁体をセラミックスで形成し、その摺動
面を表面粗さ（Ｒａ）０．３μｍ以下、平坦度１μｍ以
下とするとともに、他方の弁体の摺動面を自己潤滑性物
質により形成する。【効果】リンキングを防止するとともに、摺動面の摩耗
をなくし、長期にわたって低トルクでシール性を保った
まま良好に使用することが可能なセラミック製ディスク
バルブを提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば湯水混合栓に用
いられる可動弁体と固定弁体からなるセラミック製ディ
スクバルブに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】湯水混合栓に用いられるフォーセットバ
ルブは、２枚の円盤状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、各弁体に形成した流体通路の
開閉を行うようになっている。例えば、図７（Ａ）に示
されるように、フォーセットバルブ１０は、固定弁体３
０と可動弁体２０を互いの摺接面２１、３１で接した状
態として構成され、図７（Ｂ）に示すようにレバー４０
の操作で可動弁体２０を動かすことによって、互いの弁
体に形成した流体通路２２、３２の開閉を行い、供給流
体の開閉、調整などの制御を行うようになっている。

【０００３】上記可動弁体２０、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う
え、互いに絶えず摺り合わされるため摩耗が激しく、常
に流体にさらされるため腐食も激しかった。そこで、高
精度に加工することが可能であり、耐摩耗性や耐食性に
も優れたセラミックスがこれらの弁体として使われるよ
うになっている。

【０００４】ところで、摺動性とシール性は相反するも
のであり、シール性を高めようとすれば摺動面を極めて
平滑にしなければならないが、そうするとスムーズな摺
動性が得られなくなることが知られている。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
めて平滑な面を持った一対の弁体同士を摺り合わせた時
に発生する引っ掛かりや異音の発生、さらには互いの弁
体が張りついて動かなくなるような現象のことであり、
分子レベルの分子間力や静電気力あるいは真空吸着など
が複雑に絡みあって生じるものである。また、リンキン
グまで至らなくてもなくても、摺動回数を重ねるにつれ
次第に摺動トルクが上昇していくことも知られている。

【０００５】このようなリンキング現象は互いの摺動面
が平滑でなければ発生しないことから、さまざまな解決
案が考えられている。例えば、セラミック製弁体の摺動
面に微小な凹凸を形成したり、あるいは適度な大きさの
表面粗さとすることが考えられていた（特開平１−１１
６３８６号公報等参照）。

【０００６】また、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剤として樹脂やオイ
ルなどを含浸させたものもあった（特開昭６１−２０６
８７５号、６１−２４４９８０号、６２−４９４９号、
６２−３７５１７号公報等参照）。

【０００７】さらに、セラミック製弁体の互いの摺動面
に、オイルなどの潤滑膜を形成することも行われてき
た。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、摺動面に微
小な凹凸を形成したものでは、シール性が低下する恐れ
があり、しかも長期使用時の摺動摩擦によって摺動面が
滑らかになってしまうと結局リンキングが発生してしま
うという問題点があった。しかも、凹凸を備えた摺動面
同士を組み合わせて使用すると、スムーズな摺動性が得
られないため初期トルクが大きく、弁体操作が困難であ
るという問題もあった。

【０００９】また、三次元網目状セラミックスの開気孔
中に樹脂等を含浸させたものでは、硬度の低い樹脂部分
の摩耗が激しいため摺動面が凹凸となってしまい、凹凸
面同士の摺動となることから、弁体操作に大きな力が必
要であった。また、このような摺動部材は製造が容易で
はなく、高価となってしまうという問題点もあった。

【００１０】さらに、摺動面に潤滑膜を形成したもので
は、一時的には有効であるものの、長期的に使用すると
潤滑膜が失われたり、摩耗してしまい、リンキングの発
生は避けられないという欠点があった。例えば、油膜を
利用する場合、油膜が切れるとたちまちリンキングが発
生してしまうだけでなく、流体中に油などの不純物が混
入してしまうという不都合もあった。

【００１１】このように、リンキングの防止が可能で、
摺動トルクを低減でき、経時的なトルク上昇を防止でき
るような摺動部材は、いまだ得られていなかった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記に鑑みて、本発明
は、一方の摺動体をセラミックスで形成し、その摺動面
を表面粗さ（Ｒａ）０．３μｍ以下、平坦度１μｍ以下
の極めて平滑な面にするとともに、他方の摺動体の少な
くとも摺動面を自己潤滑性物質で形成して、摺動部材を
構成したものである。

【００１３】なお、上記自己潤滑性物質とは、無給油で
スムーズな摺動が行えるような物質のことであり、具体
的には、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール
樹脂などの樹脂、あるいはカーボンやＳｉＣなどを用い
る。そして、これらの自己潤滑性物質で他方の摺動体全
体を形成するか、または摺動面に被着すれば良い。

【００１４】また、特に自己潤滑性物質としてカーボン
を用い、摺動面にカーボンの被覆層を形成したり、セラ
ミックスにカーボンを拡散させて摺動面を形成すれば良
い。

【００１５】

【作用】本発明のセラミック摺動部材は、一方の摺動面
が自己潤滑性物質からなるため、摺動性に優れてリンキ
ングを防止できる。また、他方の摺動面が極めて平滑な
面であるため、シール性に優れるとともに、上記自己潤
滑性物質からなる摺動面の摩耗や剥離を防止でき、長期
使用してもトルクが上昇することはない。

【００１６】特に、自己潤滑性物質として、カーボンを
拡散させたものを用いれば、剥離する恐れがなく、長期
間良好に利用することができる。

【００１７】

【実施例】以下本発明の実施例を図によって説明する。

【００１８】図１は、本発明のセラミック製ディスクバ
ルブの一例であるフォーセットバルブ１０を構成する弁
体のみを示している。そして、これら固定弁体３０と、
可動弁体２０が互いの摺動面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。

【００１９】図２に示すように、上記可動弁体２０は、
摩耗や変形を防止するために高硬度のセラミックスから
成り、特にアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素
などのビッカース硬度１０００ｋｇ／ｍｍ²以上のセラ
ミックスを用いる。

【００２０】また、その摺動面２１は、中心線平均粗さ
（Ｒａ）０．５μｍ以下の滑らかな面となっている。こ
れは、摺動時に固定弁体３０側の摺動面３１を摩耗させ
ないようにするためであり、好ましくは表面粗さ（Ｒ
ａ）０．１μｍ以下、さらには表面粗さ（Ｒａ）０．０
２μｍ以下の極めて滑らかな鏡面とすることが好まし
い。また、シール性を高めるために、上記摺動面２１は
平坦度１μｍ以下の平坦性に優れた面としてある。さら
に、摺動面２１に存在するボイドはできるだけ少ない方
が好ましく、ボイド占有率１０％以下としてある。

【００２１】一方、固定弁体３０側は、少なくとも摺動
面３１が自己潤滑性物質から形成されている。ここで、
自己潤滑性物質とは、無給油でスムーズな摺動が行える
ような物質のことであり、具体的には各種樹脂やカーボ
ン、ＳｉＣ等が該当する。

【００２２】例えば、図３に示すように、固定弁体３０
を上記可動弁体２０と同様なセラミックスで形成すると
ともに、その表面にカーボン被覆層３３を形成して摺動
面３１を形成すれば良い。この場合は、セラミックス製
固定弁体３０の表面を表面粗さ（Ｒａ）０．４μｍ以上
の適度に粗い面としておいて、膜厚１〜１０μｍのカー
ボン被覆層３３をイオンプレーティング法、スパッタリ
ング法などのＰＶＤ法やあるいはＣＶＤ法、焼き付け法
などで形成することにより、密着強度を高くすることが
できるとともに、可動弁体２０との摺動性を高めること
ができる。

【００２３】さらに、他の実施例として、図４に示すよ
うにセラミックス製固定弁体３０の摺動面３１にカーボ
ンを拡散させた浸炭層３４を形成したものでも良い。こ
の浸炭層３４は、セラミックス粒子の粒界部分にカーボ
ンが存在したものであり、例えばセラミックス製固定弁
体３０を炭素雰囲気中で焼成することで反応焼成させる
方法や、予めカーボンを浸み込ませた後焼成する方法な
どにより得ることができる。そして、摺動面３１にはセ
ラミックス粒子と粒界のカーボンが存在することになる
ため、耐摩耗性に優れるとともに、摺動性も高くなり、
かつカーボンが剥離することを防止できる。また、この
浸炭層３４の深さは０．２μｍ以上、好ましくは１μｍ
以上とすることで、摺動面３１が摩耗しても同様の状態
を保つため、長期間良好に使用することができる。さら
に、浸炭層３４を形成することで摺動性を高められるた
め、摺動面３１は平滑な面としてもリンキングを生じる
ことはないが、好ましくは表面粗さ（Ｒａ）０．４μｍ
以上としたものが良い。

【００２４】なお、上記実施例では自己潤滑性物質とし
てカーボンの被覆層または含浸層を形成したものを示し
たが、この他に例えばＳｉＣを被覆したり、拡散させて
も良い。さらに、固定弁体３０自体をカーボンと炭化珪
素および／または窒化珪素の複合セラミックスで形成し
てもよい。

【００２５】また、他の実施例として、図５に示すよう
に固定弁体３０自体を、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、
ポリアセタール樹脂等で形成し、その表面を摺動面３１
としても良く、この場合も摺動面３１は表面粗さ（Ｒ
ａ）０．４μｍ以上のやや粗い面とすることが好まし
い。さらに、図示していないが、固定弁体３０をセラミ
ックスで形成し、その表面にこれらの樹脂を貼着して摺
動面３１を形成することもできる。

【００２６】いま、上記可動弁体２０と固定弁体３０の
摺動面２１、３１同士を押しつけて摺動させると、固定
弁体３０の摺動面３１が自己潤滑性物質からなるため、
リンキングを防止することができる。しかも、可動弁体
２０の摺動面２１が極めて滑らかで平滑な面であること
から、固定弁体３０側の摺動面３１を摩耗させたり、傷
をつけることがなく、優れた摺動性とシール性を維持し
たまま、長期間にわたって良好に使用することができ
る。

【００２７】なお、図５に示すような樹脂を用いた実施
例において、一般に樹脂はセラミックスに比べて外部応
力や温度変化、経年変化等によって変形が生じやすいも
のであるが、可動弁体２０側をセラミックスとし、その
摺動面２１を極めて平滑な面としてあるため、樹脂製の
固定弁体３０の変形を防止することができ、水漏れ等の
恐れなく良好な摺動性を保つことができる。

【００２８】なお、上記実施例では可動弁体２０側の摺
動面２１を平滑面としておいて、固定弁体３０側の摺動
面３１を自己潤滑性物質で形成したものを示したが、逆
に可動弁体２０側の摺動面２１を自己潤滑性物質で形成
し、固定弁体３０側の摺動面３１を平滑な面とすること
もできる。

【００２９】また、本発明は上記実施例に示したフォー
セットバルブのみに限るものではなく、これ以外の各種
セラミック製ディスクバルブにに用いることができる。

【００３０】実験例ここで、実際に弁体を試作して実験を行った。

【００３１】可動弁体２０は図２に示すような外形３０
ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状体に直径５ｍｍの流体通路
２２を形成したものであり、一方固定弁体３０は外形４
０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円盤状に流体通路３２を備えて
形成した。表１、２に示すように、それぞれの弁体の材
質や摺動面の表面粗さ（Ｒａ）を種々に変化させたもの
を１００個試作し、それぞれの弁体の組み合わせについ
て、リンキングの発生の有無や摺動性などを調べる実験
を行った。

【００３２】実験は図６に示すように、固定弁体３０と
可動弁体２０を金属ケーシング５０によって３０ｋｇｆ
の軸力で押さえつけながら、流路に８０℃の温水を１ｋ
ｇ／ｃｍ²の圧力で注入し、可動弁体２０を操作レバー
４０で動かすときに必要な操作レバー４０の操作荷重を
測定した。また、リンキングの発生の有無および摺動面
の摩耗量も併せて測定した。

【００３３】これらの測定値から、操作レバーの荷重が
０．６ｋｇｆ以下であったものは摺動性が極めて良好で
あったと判断し、０．６〜０．８ｋｇｆで摺動性良好、
１ｋｇｆを超えると摺動性が悪いと判断し、さらに１０
ｋｇｆを超えた時点でリンキング発生とした。また、摩
耗については、摺動面の表面粗さ（Ｒａ）が０．５μｍ
から０．１μｍ以下となった場合、あるいは初期厚みよ
り０．５ｍｍ薄くなった段階で摩耗したと判断した。こ
れらの結果は表１、２に示す通りである。

【００３４】なお、表１、２中の弁体の材質として、ア
ルミナはアルミナセラミックス、カーボンはアルミナセ
ラミックス上にカーボン膜を形成したもの、フッ素樹脂
は全体をフッ素樹脂で形成したものをそれぞれ意味す
る。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】これらの結果より、双方の摺動面をカーボ
ン膜やフッ素樹脂の自己潤滑性物質で形成したもの（Ｎ
ｏ．１５〜１８、２１〜２４、２７〜３０、３３〜３
６）は、摺動性が悪く、摩耗や水漏れが生じやすかっ
た。また、双方の摺動面をアルミナとしたもの（Ｎｏ．
１、２、７、８）はリンキングや水漏れが生じやすかっ
た。さらに、一方の摺動面をアルミナとし、他方をカー
ボン膜やフッ素樹脂の自己潤滑性物質としたものでも、
アルミナ側の表面粗さ（Ｒａ）が０．５μｍのもの（Ｎ
ｏ．９〜１２、１４、２０、２６、３２）では、カーボ
ン膜やフッ素樹脂を摩耗させやすく、長期使用できなか
った。

【００３８】これらに対し、本発明実施例である、一方
の摺動面を表面粗さ（Ｒａ）０．１μｍのアルミナと
し、他方をカーボン膜やフッ素樹脂の自己潤滑性物質と
したもの（Ｎｏ．３〜６、１３、１９、２５、３１）
は、いずれも摺動性が良好で、５０万回摺動後でも、摺
動荷重は初期の低い値を保ったままであった。その中で
も、自己潤滑性物質側の表面粗さを０．５μｍとやや粗
くしたもの（Ｎｏ．４、６、１９、３１）は特に摺動性
が優れていた。

【００３９】なお、このフォーセットバルブでは、固定
弁体３０の方が摺動面の面積が大きいため、固定弁体３
０側の摺動面を自己潤滑性物質で形成し、可動弁体２０
側の摺動面２１を平滑な面としたもの（Ｎｏ．３〜６）
が摺動性が高かったが、逆の組合せでも優れた摺動性を
示すことがわかる。

【００４０】また、上記実験例で自己潤滑性物質として
用いたカーボン膜の代わりにＳｉＣ膜を用いたものや、
カーボンを含浸させたものでも同様の結果であった。さ
らに、フッ素樹脂の代わりにポリアミド樹脂やポリアセ
タール樹脂を用いたものでも同様の結果であった。

【００４１】

【発明の効果】このように、本発明によれば、ディスク
バルブを構成する一方の弁体をセラミックスで形成し、
その摺動面を表面粗さ（Ｒａ）０．３μｍ以下、平坦度
１μｍ以下とするとともに、他方の弁体の摺動面を自己
潤滑性物質により形成したことによって、リンキングを
防止するとともに、摺動面の摩耗をなくし、長期にわた
って低トルクでシール性を保ったまま良好に使用するこ
とが可能なセラミック製ディスクバルブを提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック製ディスクバルブの一例で
あるフォーセットバルブを示す斜視図である。

【図２】図１中の可動弁体を示す斜視図である。

【図３】図１中の固定弁体を示す斜視図である。

【図４】図１中の固定弁体の他の実施例を示す斜視図で
ある。

【図５】図１中の固定弁体の他の実施例を示す斜視図で
ある。

【図６】本発明のセラミック製ディスクバルブの摺動性
を調べるための実験方法を示す斜視図である。

【図７】（Ａ）（Ｂ）は、セラミック製ディスクバルブ
の一例であるフォーセットバルブを示す斜視図である。

【符号の説明】

２０：可動弁体２１：摺動面３０：固定弁体３１：摺動面４０：操作レバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面粗さ（Ｒａ）０．３μｍ以下、平坦度
１μｍ以下の極めて平滑な摺動面を持ったセラミックス
からなる弁体と、樹脂、カーボン、炭化珪素等の自己潤
滑性物質からなる摺動面を持った弁体とを組み合わせて
成るセラミック製ディスクバルブ。
【請求項２】上記自己潤滑性物質からなる摺動面が、カ
ーボンの被覆層またはセラミックスにカーボンを拡散さ
せた浸炭層からなることを特徴とする請求項１記載のセ
ラミック製ディスクバルブ。