JPH08178091A

JPH08178091A - ディスクバルブ

Info

Publication number: JPH08178091A
Application number: JP32476494A
Authority: JP
Inventors: Jun Mihara; 順三原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-12-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-07-12

Abstract

(57)【要約】【構成】互いに摺接する可動弁体２０と固定弁体３０の
うち、少なくとも固定弁体３０の摺接面３１に非晶質硬
質炭素膜３４を形成するとともに、他方の可動弁体２０
の摺接面２１端部に幅が０．０５〜１．０ｍｍの面取り
部２３を備えてディスクバルブを構成する。【効果】摺動時に非晶質硬質炭素膜３４に傷をつけるこ
とがなく、剥離を防止することができる。

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、各弁体に形成された流
体通路の開閉がなされる。例えば、図８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
滑な面にすると、これらの摺接面を持った一対の弁体同
士を摺り合わせた時に、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材として樹脂やオ
イル等を含浸させた摺動部材がある（特開昭６１−２０
６８７５号、特開昭６１−２４４９８０号、特開昭６２
−４９４９号、特開昭６３−３７５１７号、特公平５−
５０４７５号各公報参照）。

【０００７】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、特開平１−２
６１５７０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
開平３−２２３１９０号公報に「非晶質硬質炭素膜を形
成したセラミック製摺動部構造」に係わる発明が開示さ
れている。

【０００８】つまり、図７に示すように、セラミック製
の固定部弁体３０の表面に非晶質硬質炭素膜３４を形成
して摺接面３１とし、セラミック製の可動弁体２０の摺
接面２１と摺動させるようにした構造のディスクバルブ
が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記三次元網目構造の
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、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、湯水混合栓等のディスクバルブに適用すると、上記
の液体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。

【００１０】一方、図７に示す非晶質硬質炭素膜３４を
形成したディスクバルブでは、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。しかし、長期
使用中に非晶質硬質炭素膜３４が剥離しやすいという問
題があった。

【００１１】この理由は、図７に示すディスクバルブに
おいて、セラミックスからなる可動弁体２０の摺接面２
１は、シール性を保つために高度な平面度に加工される
ことから、その端部２１ａが鋭いエッジ状となり、この
端部２１ａが固定弁体３０側の非晶質硬質炭素膜３４に
傷をつけ、剥離を生じるためであった。

【００１２】また、他の理由として、図７に示すように
非晶質硬質炭素膜３４は固定弁体３０の摺接面３１のみ
に形成されているため、摺動時に非晶質硬質炭素膜３４
の接合界面と平行な方向に応力が加わり、端部から剥離
しやすいためでもあった。

【００１３】そして、非晶質硬質炭素膜３４が剥離する
と、急激に操作力が上昇してしまい使用不能となるた
め、ディスクバルブの寿命が短くなるという不都合があ
った。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、互いに
摺接する二つの弁体のうち、少なくとも一方の弁体の摺
接面に非晶質硬質炭素膜を形成するとともに、他方の弁
体の摺接面端部に幅が０．０５〜１．０ｍｍの面取り部
を備えてディスクバルブを構成したものである。

【００１５】即ち、非晶質硬質炭素膜を形成した弁体と
摺接する相手側の弁体において、摺接面端部に面取り部
を備えることによって、摺接時に非晶質硬質炭素膜に傷
をつけたり剥離したりすることを防止するようにした。

【００１６】また、本発明は、互いに摺接する二つの弁
体のうち、少なくとも一方の弁体に、該弁体の摺動面全
体及び側面へ０．１ｍｍ以上広がった領域まで非晶質硬
質炭素膜を形成してディスクバルブを構成したものであ
る。

【００１７】即ち、非晶質硬質炭素膜を摺接面だけでな
く、側面の一部まで形成しておくことによって、非晶質
硬質炭素膜の端部からの剥離を防止するようにした。

【００１８】さらに、本発明は、互いに摺接する二つの
弁体のうち、少なくとも一方の弁体の摺接面に形成した
凹部中に非晶質硬質炭素膜を形成することによって、端
部からの剥離を防止するようにしたものである。

【００１９】

【実施例】以下本発明の実施例を図によって説明する。

【００２０】図１は本発明のディスクバルブを構成する
可動弁体２０と固定弁体３０のみを示す断面図である。
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、この摺接
面２１の端部及び流体通路２２との境界部にＣ面形状の
面取り部２３を形成してある。

【００２１】一方固定弁体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。また、
この非晶質硬質炭素膜３４は摺接面３１全体だけでな
く、これと連続する側面３５の一部まで形成してある。

【００２２】そして、ディスクバルブとして使用する場
合は、図８に示すように上記可動弁体２０と固定弁体３
０を互いの摺接面２１、３１を当接させて、レバー４０
で互いの流体通路２２、３２の開閉を行えば良い。この
時、固定弁体３０の摺接面３１が摺動性に優れ、硬度の
高い非晶質硬質炭素膜３４から成るため、操作力が低
く、摩耗を極めて少なくすることができる。

【００２３】また、可動弁体２０の摺接面２１の端部が
面取り部２３となっているため、非晶質硬質炭素膜３４
に傷を付けたり、剥離させたりることを防止することが
できる。さらに、非晶質硬質炭素膜３４は摺接面３１だ
けでなく、側面３５、３６まで形成してあるため、摺動
時に応力が加わっても、その端部から剥離することを防
止できる。そのため、長期間使用しても非晶質硬質炭素
膜３４の剥離がなく、好適に使用できるのである。

【００２４】なお、固定弁体３０における非晶質硬質炭
素膜３４の側面３５、３６への形成幅ｔについては０．
１ｍｍ以上とすることが好ましい。これは、形成幅ｔが
０．１ｍｍ未満であると非晶質硬質炭素膜３４の端部か
ら剥離しやすくなるためである。

【００２５】また、上記可動弁体２０の面取り部２３の
幅Ｌは０．０５〜１ｍｍとし、その角度θは３０〜６０
°の範囲内とすることが好ましい。これは、幅Ｌが０．
０５ｍｍ未満又は角度θが６０°よりも大きいと、面取
り部２３が小さすぎるために、相手側の非晶質硬質炭素
膜３４を傷付け、剥離させやすくなるためである。ま
た、幅Ｌが１ｍｍより大きいか又は角度θが３０°未満
であると、面取り部２３が大きすぎるために、摺接面２
１の面積が小さくなってシール性が悪くなったり、外部
からの異物等の噛み込みを生じやすくなるためである。

【００２６】さらに、図１の実施例では面取り部２３を
Ｃ面形状としたが、図２に示すように面取り部２３をＲ
面形状とすることもできる。この場合、面取り部２３の
幅ＬはＲ面の曲率半径と一致するが、上記と同様の理由
により、幅Ｌは０．０５〜１ｍｍの範囲内とすることが
好ましい。

【００２７】また、図１の例では固定弁体３０側のみに
非晶質硬質炭素膜３４を形成したが、逆に可動弁体２０
側のみに非晶質硬質炭素膜を形成し、固定弁体３０側に
面取り部を形成することもできる。

【００２８】次に本発明の外の実施例を説明する。

【００２９】図３に示す例では、可動弁体２０と固定弁
体３０の両方に面取り部２３、３３を備え、かつ両方に
非晶質硬質炭素膜２４、３４を形成したものである。即
ち、セラミックス製の可動弁体２０と固定弁体３０にお
いて、摺接面２１、３１の端部及び流体通路２２、３２
との境界部に、それぞれ面取り部２３、３３を形成して
ある。そして、この摺接面２１、３１全体及び側面２
５、３５の一部までそれぞれ非晶質硬質炭素膜２４、３
４を形成してある。

【００３０】この実施例は、両方の弁体に非晶質硬質炭
素膜２４、３４を形成したため、相手に傷をつけにくく
するために、お互いに面取り部２３、３３を備えたもの
である。この場合、非晶質硬質炭素膜２４、３４を形成
する範囲は、摺接面２１、３１と面取り部２３、３３、
及び側面２５、３５の一部までとなり、側面２５、３５
への形成幅ｔは、上記実施例と同様に０．１ｍｍ以上と
することが好ましい。

【００３１】図３に示す実施例は、両方の弁体に非晶質
硬質炭素膜２４、３４を形成してあるため、より摺動性
を向上させることができる。

【００３２】さらに、他の実施例を図４に説明するよう
に、固定弁体３０の表面に凹部３７を形成し、この凹部
３７中に非晶質硬質炭素膜３４を備えたものでも良い。
この場合は、非晶質硬質炭素膜３４が凹部３７中に保持
されるため、剥離を防止できる。なお、この場合、摺接
面３１の周縁部には非晶質硬質炭素膜３４が存在しない
ことになるが、この部分が摺動面とならないような条件
下では有効に使用することができる。

【００３３】また、図示していないが、上記凹部３７を
滑らかな凹曲面状として摺接面３１の全面に形成し、こ
の凹部３７中に非晶質硬質炭素膜３４を備えることもで
きる。

【００３４】以上の実施例において、可動弁体２０や固
定弁体３０を成すセラミックスとしては、ヤング率が２
１０００〜４５０００ｋｇ／ｍｍ²でビッカース硬度１
０００ｋｇ／ｃｍ²以上の、高硬度で変形しにくいアル
ミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニ
ウム等のセラミックスを用いる。そして、これらのセラ
ミックスで弁体を製造するには、原料粉末をプレス成形
法等の公知の方法によって所定形状に成形し、焼成した
後、得られた焼結体の摺接面を研磨して、平坦度３μｍ
以下、好ましくは１μｍ以下とし、非晶質硬質炭素膜２
４、３４を形成すれば良い。

【００３５】ここで、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、Ｄ
ＬＣ、Ｉ−カーボン）とは、ＰＶＤやＣＶＤ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ととも
に、ビッカース硬度が３０００〜５０００ｋｇ／ｍｍ²
であるなど、非常に高い硬度もあわせ持っている。

【００３６】また、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。そし
て、この非晶質硬質炭素膜は、レーザーラマン分光分析
法によるラマンスペクトルのピークが、１２００〜１４
００ｃｍ^-1または１５００〜１６００ｃｍ^-1の少なくと
も一方にあり、かつブロードなピーク形状を有している
点でダイヤモンドやグラファイトとは区別することがで
きる。

【００３７】なお、非晶質硬質炭素膜２４、３４の膜厚
は０．１〜２．０μｍが望ましい。これは、膜厚が０．
１μｍ未満であると長期的な摺動によって膜が摩滅てし
まう恐れがあり、一方膜厚が２．０μｍより大きいと膨
大な成膜時間を要し、実用的でなくなるからである。

【００３８】また、図１に示すように、固定弁体３０の
摺接面３１だけでなく側面３５の一部まで非晶質硬質炭
素膜３４を形成するためには、例えば図５に示すように
治具５０に固定弁体３０が一部突出するように配置して
おき、この状態で膜を形成すれば、治具５０からの露出
面に非晶質硬質炭素膜３４を形成することができる。あ
るいは、この固定弁体３０を炭素イオン源に対して斜め
に設置し、回転しながら膜付けを行えばより効果的に側
面３５まで非晶質硬質炭素膜３４を形成することができ
る。

【００３９】実験例１本発明実施例として、図１に示す可動弁体２０と固定弁
体３０を試作した。

【００４０】可動弁体２０は外径３０ｍｍ、厚み１５ｍ
ｍの円盤状で流体通路２２と面取り部２３を有する形状
とし、固定弁体３０は外径４０ｍｍ、厚み５ｍｍの円盤
状で流体通路３２を有する形状とし、それぞれアルミナ
セラミックスによりプレス成形で成形した後、焼成する
ことによって得た。また、可動弁体２０の摺接面２１を
研磨して表面粗さ（Ｒａ）０．０８〜０．４μｍとし、
平面度は１μｍ以下とし、最終的な面取り部２３の幅Ｌ
は０．１ｍｍでその角度θは４５°とした。さらに、固
定弁体３０側の摺接面３１も研磨により表面粗さ（Ｒ
ａ）０．０８〜０．４μｍとし、平面度１μｍ以下とし
た後、膜厚が０．４〜２．０μｍの非晶質硬質炭素膜３
４を側面２５への形成幅ｔが０．１ｍｍ以上となるよう
に形成して、図１に示す可動弁体２０と固定弁体３０を
得た。

【００４１】一方、比較例として、図７に示すように、
面取り部２３のない可動弁体２０と、非晶質硬質炭素膜
３４を側面まで形成していない固定弁体３０をそれぞれ
用意した。

【００４２】このようにして、それぞれ２種類の可動弁
体２０と固定弁体３０を用意し、各々の組み合わせによ
って合計４種類の組み合わせを作り、それぞれ図８に示
すフォーセットバルブ１０に組み込んで作動テストを行
った。

【００４３】固定弁体３０に可動弁体２０を軸力３０ｋ
ｇｆ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、レバー４０で
可動弁体２０を摺動させた。１００００回の摺動テスト
後、各弁体を取り出し、固定弁体３０の摺接面３１を観
察して非晶質硬質炭素膜３４の剥離の有無を調べた。

【００４４】結果は表１に示す通りである。この結果よ
り明らかに、面取り部２３のない可動弁体２０と、非晶
質硬質炭素膜３４を側面３５まで形成しない固定弁体３
０との組み合わせ（Ｎｏ．４）では、非質硬質炭素膜３
４が大部分剥離していた。

【００４５】これに対し、面取り部２３を備えた可動弁
体２０及び／又は非晶質硬質炭素膜３４を側面３５まで
形成した固定弁体３０を組み合わせたもの（Ｎｏ．１〜
３）では、非質硬質炭素膜３４の剥離が極めて少なかっ
た。特に、面取り部２３を備えた可動弁体２０と非晶質
硬質炭素膜３４を側面３５まで形成した固定弁体３０と
の組み合わせ（Ｎｏ．１）は、非質硬質炭素膜３４の剥
離が全くなく最も優れた結果であった。

【００４６】

【表１】

【００４７】次に、上記Ｎｏ．１〜４の組み合わせによ
る摺動テストを繰り返し、長期使用状態におけるレバー
４０の操作力の経時変化を調べた。測定方法は、上記と
同様にフォーセットバルブ１０に各弁体を組み込んで、
レバー４０により可動弁体２０を摺動させる時に必要な
操作力をプッシュ−プルゲージで測定した。この測定を
１万回の摺動毎に行い、１０万回までの変化を見た。

【００４８】結果は図６に示す通りである。この結果よ
り明らかに、面取り部２３のない可動弁体２０と、非晶
質硬質炭素膜３４を側面３５まで形成しない固定弁体３
０との組み合わせ（Ｎｏ．４）では、非晶質硬質炭素膜
３４の剥離が激しいことから急激に操作力が上昇し、２
万回程度でテスト不能となった。

【００４９】これに対し、本発明実施例である、面取り
部２３を備えた可動弁体２０及び／又は非晶質硬質炭素
膜３４を側面３５まで形成した固定弁体３０を組み合わ
せたもの（Ｎｏ．１〜３）では、非晶質硬質炭素膜３４
の剥離が極めて少ないため、低い操作力を長期間維持で
きることがわかった。特に、面取り部２３を備えた可動
弁体２０と非晶質硬質炭素膜３４を側面３５まで形成し
た固定弁体３０との組み合わせ（Ｎｏ．１）は、非質硬
質炭素膜３４の剥離が全くないため、１０万回の摺動後
も０．６ｋｇｆ程度の極めて低い操作力を維持してい
た。

【００５０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、互いに摺
接する二つの弁体のうち、少なくとも一方の弁体の摺接
面に非晶質硬質炭素膜を形成するとともに、他方の弁体
の摺接面端部に幅が０．０５〜１．０ｍｍの面取り部を
備えてディスクバルブを構成したことによって、摺動時
に非晶質硬質炭素膜に傷をつけることがなく、剥離を防
止することができる。

【００５１】また、本発明によれば、互いに摺接する二
つの弁体のうち、少なくとも一方の弁体に、摺動面全体
及び側面へ０．１ｍｍ以上広がった領域まで非晶質硬質
炭素膜を形成したり、あるいは摺接面に形成した凹部中
に非晶質硬質炭素膜を形成してディスクバルブを構成し
たことによって、摺動時に非晶質硬質炭素膜が端部から
剥離することを防止できる。

【００５２】したがって、本発明によれば、使用中の非
晶質硬質炭素膜の剥離を防止し、良好な摺動性と耐磨耗
性を維持できることから、長期の使用にわたって高い性
能を維持するディスクバルブを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のディスクバルブを構成する可動弁体と
固定弁体を示す断面図である。

【図２】図１の可動弁体の他の実施例を示す断面図であ
る。

【図３】本発明の他の実施例に係るディスクバルブを構
成する可動弁体と固定弁体を示す断面図である。

【図４】本発明の他の実施例に係るディスクバルブを構
成する固定弁体の断面図である。

【図５】本発明のディスクバルブを構成する固定弁体の
製造工程を説明するための断面図である。

【図６】本発明及び比較例のディスクバルブにおける操
作回数と操作力の関係を示すグラフである。

【図７】従来のディスクバルブにおける可動弁体と固定
弁体を示す断面図である。

【図８】一般的なディスクバルブを示す斜視図である。

【符号の説明】

１０：ディスクバルブ２０：可動弁体３０：固定弁体２１、３１：摺接面２２、３２：流体通路２３、３３：面取り部２４、３４：非晶質硬質炭素膜２５、３５：側面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに摺接する二つの弁体のうち、少なく
とも一方の弁体の摺接面に非晶質硬質炭素膜を形成する
とともに、他方の弁体の摺接面端部に幅が０．０５〜
１．０ｍｍの面取り部を備えてなるディスクバルブ。
【請求項２】互いに摺接する二つの弁体のうち、少なく
とも一方の弁体に、弁体の摺接面全体及び側面へ０．１
ｍｍ以上広がった領域まで非晶質硬質炭素膜を形成して
なるディスクバルブ。
【請求項３】互いに摺接する二つの弁体のうち、少なく
とも一方の弁体の摺接面に形成した凹部中に非晶質硬質
炭素膜を形成してなるディスクバルブ。