JPH08128541A - ディスクバルブ及びその評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ディスクバルブを構成する二つの弁体間の少な
くとも一方の摺動面に合成疑似ダイヤモンド薄膜３３を
被着するとともに、弁体間の乾式下における動摩擦係数
を０．４以下とする。 【効果】弁体間に潤滑剤を用いなくても、優れた摺動性
が得られ、しかもその性能を長期に渡って維持すること
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、水栓、湯水混合栓等に
用いられる可動弁体と固定弁体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】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、各弁体に形成した流体
通路の開閉が成される。例えば、図２に示すように、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１０は、固定弁体３０と可動弁体２０を互いの摺動面
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２
０、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。

【０００３】そして、上記可動弁体２０及び固定弁体３
０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。

【０００４】ところで、摺動性とシール性は相反するも
のであり、シール性を高めるために、摺接面を極めて平
滑な面とし、平滑な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。

【０００５】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。

【０００６】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剤として樹脂やオ
イル等を含浸させたものがある。（例えば、特開昭６１
−２０６８７５号、特開昭６１−２４４９８０号、特開
昭６２−４９４９号、特開昭６２−３７５１７号、特公
平５−５０４７５号公報参照） また、この様な液体潤滑剤を用いたもの以外にも、固体
潤滑剤を使ったものとして、特開平１ー２６１５７０号
公報に「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、特公平３ー２２
３１９０号公報に「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」に係わる発明がそれぞ
れ開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記多孔質
セラミックス中に液体潤滑剤を含浸させたものでは、そ
の液体潤滑剤として、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
イル等の人体に有害な成分を含むものが採用されてお
り、水栓、湯水混合栓等においては、これらの潤滑剤が
人体に取り込まれる可能性が高いため、好ましくないと
いう問題点があった。また、長期使用中には液体潤滑剤
が流出しやすく、摺動性が悪くなったり、シール性が劣
化しやすいという問題もあった。

【０００８】一方、特公平３−２２３１９０号公報等に
て開示されているアモルファスダイアモンドなどの、い
わゆる合成疑似ダイアモンドをコーティングしたもので
は、確かに摺動力の改善が図られ、軽快な操作力を得る
ことができた。しかし、これは圧送流体である水が潤滑
剤の役割を成すためであり、使用中に突発的に摺動面の
一部で潤滑剤としての水が無くなった場合に、摺動摩擦
力が突然上昇して操作力が大きくなるという現象が見ら
れ、そのために長期間良好な摺動性を維持できないとい
う問題があった。

【０００９】そのため、実際の使用に際しては、この様
な問題を防ぐために、合成疑似ダイアモンドをコーティ
ングした摺動面に、さらに潤滑剤を塗布する必要があっ
た。

【００１０】なお、ディスクバルブの摺動性の評価とし
ては動摩擦係数が用いられ、水やその他の潤滑剤が存在
する条件下での動摩擦係数の小さいものが求められてい
たが、この動摩擦係数が小さいものでも長期間良好な摺
動性を維持できない場合があり、正確な評価をすること
ができなかった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題に鑑
み、２枚の弁体からなるディスクバルブの内、少なくと
も一方の弁体に合成疑似ダイヤモンド薄膜を被着し、こ
の弁体に対する他方の弁体材料の乾式条件下での動摩擦
係数を０．４以下としたものである。

【００１２】また、本発明は、互いに摺接する弁体から
成るディスクバルブにおいて、一方の弁体に対する他方
の弁体材料の乾式条件下における動摩擦係数によって、
その摺動性を評価するようにしたことを特徴とする。

【００１３】つまり、従来の評価基準である潤滑剤や水
の存在下での動摩擦係数は、潤滑剤の特性に大きく左右
され、摺動部材自体の摺動性を正確に評価するものでは
なかった。これに対し、乾式下での動摩擦係数を用いれ
ば、摺動部材自体の特性を正確に評価できることを見出
したのである。

【００１４】そして、種々実験の結果、乾式下での動摩
擦係数が０．４以下であるような弁体同士の組合せを用
いれば、突発的に水が切れた場合でも、大きな動摩擦係
数が生じないことからレバー操作力が急激に大きくなる
ことはなく、優れた摺動性を長期間良好に維持できるの
である。

【００１５】

【実施例】以下に本発明の実施例を示す。

【００１６】図１に示すように、本発明のディスクバル
ブは可動弁体２０と固定弁体３０からなり、固定弁体３
０は基体３４の表面に合成疑似ダイヤモンド薄膜３３を
被着して摺動面３１を形成してある。そして、可動弁体
２０の摺動面２１と固定弁体３０の摺動面３１とを摺接
した状態としておいて、可動弁体２０側を移動させるこ
とによって、互いの流体通路２２、３２の開閉を行うよ
うになっている。

【００１７】また、可動弁体２０は、アルミナ、ジルコ
ニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等の緻密
質セラミックスで形成されている。一方、固定弁体３０
の基体３４は、上記と同様のセラミックスが好ましい
が、金属や樹脂等の材質で形成しても良い。さらに、合
成疑似ダイヤモンド薄膜３３（非晶質硬質炭素膜・ダイ
ヤモンドライクカーボン・ＤＬＣ・Ｉ−カーボン等とも
称される）は、上記基体３４上にＰＶＤやＣＶＤ法等の
蒸着手段により形成すれば良い。

【００１８】さらに、図１では固定弁体３０側のみに合
成疑似ダイヤモンド薄膜３３を被着した例を示したが、
可動体２０側のみ、あるいは両方の摺動面に合成疑似ダ
イヤモンド薄膜を被着することもできる。

【００１９】そして、本発明では、合成疑似ダイヤモン
ド薄膜３３を被着した固定弁体３０に対する可動弁体２
０の乾式下での動摩擦係数を０．４以下、好適には０．
２以下としたことを特徴とする。

【００２０】ここで、両者間の動摩擦係数は、合成疑似
ダイヤモンド薄膜３３の表面粗さや成膜条件等によって
変化することになるが、いずれの場合においても、動摩
擦係数が０．４以下であれば良い。また、動摩擦係数
は、水等の潤滑剤の有無によって大きく変化するが、本
発明では特にこれらの潤滑剤が存在しない乾式下での摩
擦係数を０．４以下とした点が重要である。

【００２１】つまり、実際の使用時には水等が存在する
が、突発的に水が存在しなくなった時に乾式下での摺動
が生じることになる。このような場合でも乾式下での動
摩擦係数が０．４以下であるような弁体同士の組合せを
用いておけば、優れた摺動性を維持できるのである。

【００２２】また、本発明における乾式下での動摩擦係
数とは、ＢＯＤ（ｂａｌｌ ｏｎｄｉｓｋ）摺動性評価
試験によって測定する。これは、図３に示すように、デ
ィスク５０の表面５１にボール６０を点接触させて一定
の荷重で押し付け、この状態でディスク５０を回転させ
ることによって、ディスク５０とボール６０間の動摩擦
係数を測定するものである。また、測定は、必ず水等が
存在しない乾式下で大気雰囲気中で行う。

【００２３】例えば図１のディスクバルブにおける動摩
擦係数を測定する場合は、ディスク５０として固定弁体
３０を用い、ボール６０として可動弁体２０と同じ材
質、同じ表面粗さのボールを用いれば良い。なお、ボー
ル６０は球体である必要はなく、点接触するように先端
面を曲面状としたピン等であっても良い。

【００２４】なお、上記実施例は合成疑似ダイヤモンド
薄膜を備えたディスクバルブについて述べたが、乾式下
での動摩擦係数を用いる本発明の評価方法は、合成疑似
ダイヤモンド薄膜を備えないディスクバルブに対しても
適用することができる。

【００２５】実験例１ ここで、図１に示すディスクバルブとして、可動弁体２
０及び基体３４をアルミナセラミックスで形成し、基体
３４の表面粗さを変化させることによって、合成疑似ダ
イヤモンド薄膜３３の表面粗さを変化させ、それぞれＢ
ＯＤ（ｂａｌｌｏｎ ｄｉｓｋ) 摺動性評価試験を行っ
た。

【００２６】まず、アルミナセラミックス製の基体３４
表面の中心線平均粗さ（Ｒａ）を０．０８〜１．０μｍ
の間で任意に変化させ、その表面に合成疑似ダイヤモン
ド薄膜３３を０．６〜０．８μｍの厚さでコーティング
することによって、合成疑似ダイヤモンド薄膜３３の表
面粗さ（Ｒａ）を０．０８〜１．０μｍの間で種々に変
化させた。このコーティングはベンゼン（Ｃ₆ Ｈ₆ ）ガ
スを原料ガスとして、イオン化した炭素イオンをイオン
加速器によってアルミナセラミックス製の基体３４の表
面に蒸着させた。

【００２７】次に動摩擦係数の測定を行った。乾式状態
の大気中雰囲気で、図３に示すＢＯＤ試験機を用いた。
ディスク５０として、上記の表面粗さの異なる合成疑似
ダイヤモンド薄膜３３を有する固定弁体３０を用い、ボ
ール６０として可動弁体２０と同一のアルミナセラミッ
クスで作った直径６．３５ｍｍのセラミックスボールを
用いた。ボール６０への負荷荷重は５００ｇｆ、ディス
ク５０の周速を１００ｍｍ／ｓｅｃに設定した。この時
の温度は２０℃、湿度は４５〜５０％であった。

【００２８】この動摩擦係数の評価によって、合成疑似
ダイヤモンド薄膜３３の表面粗さに応じて、０．０９〜
０．６０の範囲内で種々の動摩擦係数を有するディスク
バルブが得られた。つまり、合成疑似ダイヤモンド薄膜
３３の表面粗さを変化させることによって、弁体間の乾
式下での動摩擦係数は大きく変化することが判った。

【００２９】一方、同じ試料に対し、水を供給しなが
ら、上記と同じ条件で動摩擦係数を測定したところ、い
ずれの試料についても動摩擦係数は０．１以下のほぼ同
じ値を示し、大きな差は認められなかった。

【００３０】つまり、水の存在下の動摩擦係数では、合
成疑似ダイヤモンド薄膜を有するディスクバルブの摺動
性について明瞭な差が無かったの対し、本発明のように
乾式下の動摩擦係数を測定することによって、大きな差
を確認できることがわかった。

【００３１】なお、合成疑似ダイヤモンド薄膜３３の表
面粗さと乾式下の動摩擦係数との関係については、一般
に表面が滑らかすぎると動摩擦係数が大きくなる傾向が
あるが、粗すぎても動摩擦係数は大きくなる。

【００３２】また、弁体間の動摩擦係数を変える方法
は、上記の様に表面粗さによる調整だけでなく、合成疑
似ダイヤモンド薄膜３３の成膜条件、例えばイオン加速
器電圧、原料ガス流量、成膜温度等によっても調整は可
能である。つまり、成膜条件を変えることにより、得ら
れた合成疑似ダイヤモンド薄膜３３の微細な表面形状が
変化したり、膜自体の物性が変化することにより、動摩
擦係数を変えることができるのである。

【００３３】実験例２ 次に、実際のフォーセットバルブを試作して実体実験を
行った。この実験に使用したフォーセットバルブは外径
３０ｍｍで、厚み１５ｍｍの円盤状アルミナセラミック
スに直径５ｍｍの流体通路２２を穿設した可動弁体２０
と、外径４０ｍｍで厚み５ｍｍの円盤状アルミナセラミ
ックスに直径５ｍｍの流体通路３２を穿設すると共に、
摺動面３１側に、合成疑似ダイヤモンド薄膜３３を被覆
した固定弁体３０とを組み合わせて構成した。

【００３４】ここで、固定弁体３０に被覆した合成疑似
ダイヤモンド薄膜３３は、実験例１の動摩擦係数測定試
験における動摩擦係数０．０９〜０．６０の範囲内とな
るような成膜条件と同一とした。更に、可動弁体２０の
摺動面２１の表面粗さは実験例１のＢＯＤ評価に用いた
ボール６０の表面粗さに合わせてある。

【００３５】上記の固定弁体３０に可動弁体２０をケー
シングによって軸力３０ｋｇｆで押さえつけながら、流
体通路２２、３２に８０℃の温水を１ｋｇ／ｃｍ² の圧
力で注入し、可動弁体２０を操作レバー４０によって摺
動させた。摺動させるとき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、レバー操作力とした。

【００３６】それぞれ、初期の弁体間の乾式下での動摩
擦係数と、一万回操作後の操作力との関係を表１及び図
４に示す。

【００３７】これらの結果から、１万回の摺動という比
較的早い段階において、初期の乾式下での弁体間の動摩
擦係数が小さいほど操作力が低いことがわかる。特に動
摩擦係数が０．４の点を境界とし、これを超えると急激
に操作力が大きくなることが判った。

【００３８】したがって、初期の乾式下での弁体間の動
摩擦係数を０．４以下としておけば優れた摺動性を維持
でき、動摩擦係数を０．２以下とすればさらに好適であ
ることがわかる。

【００３９】

【表１】

【００４０】次に、操作力の経時変化を測定した。測定
方法は上記の操作力の測定方法と同じであるが、１万回
の摺動毎にプッシュプルゲージで操作力を測定し、１０
万回までの経時変化をみた。その結果を図５に示す。

【００４１】この結果より、初期の乾式下での動摩擦係
数が０．６の比較例では次第に操作力が大きくなったた
め、６万回で実験を打ち切った。これに対し、初期の乾
式下での動摩擦係数が０．４以下である本発明実施例で
は、１０万回操作後も１．０ｋｇｆ以下の操作力を維持
しており、長期間にわたって優れた摺動性を示す事が判
った。

【００４２】したがって、乾式下での動摩擦係数が０．
４以下であるようなディスクバルブを用いれば、長期間
にわたって優れた摺動性を維持できることがわかる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ディス
クバルブを構成する二つの弁体の少なくとも一方の摺動
面に合成疑似ダイヤモンド薄膜を被着し、両弁体間の乾
式下における動摩擦係数を０．４以下とすることによっ
て、使用中に潤滑剤を成す水が突発的に切れたような場
合でも大きな摩擦力が生じることはないため、弁体間に
潤滑剤を用いなくても優れた摺動性が得られ、しかもそ
の性能を長期に渡って維持することができる。

【００４４】また、本発明によれば、互いに摺接する弁
体から成るディスクバルブにおいて、一方の弁体に対す
る他方の弁体材料の乾式条件下における動摩擦係数によ
って、その摺動性を評価するようにしたことによって、
摺動部材自体の摺動特性を正確に評価することができる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るディスクバルブの一例であるフォ
ーセットバルブの弁体のみを示す斜視図である。

【図２】一般的なフォーセットバルブの作動状態を示す
斜視図で、流体通路を遮断した場合を示す。

【図３】ＢＯＤ試験機の模式図である。

【図４】フォーセットバルブにおける、乾式下での弁体
間の動摩擦係数とレバー操作力との関係を示すグラフで
ある。

【図５】フォーセットバルブにおける、操作回数とレバ
ー操作力との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０：フォーセットバルブ ２０：可動弁体 ２１：摺動面 ３０：固定弁体 ３１：摺動面 ４０：操作レバー ５０：ディスク ６０：ボール

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに摺接する弁体の少なくとも一方の摺
   動面に合成疑似ダイヤモンド薄膜を被着したディスクバ
   ルブにおいて、該合成疑似ダイヤモンド薄膜を被着した
   弁体に対する他方の弁体材料の乾式条件下における動摩
   擦係数が０．４以下であることを特徴とするディスクバ
   ルブ。
2. 【請求項２】互いに摺接する弁体から成るディスクバル
   ブにおいて、一方の弁体に対する他方の弁体材料の乾式
   条件下における動摩擦係数によって、その摺動性を評価
   するようにしたことを特徴とするディスクバルブの評価
   方法。