| 【発明の名称】 |
ディスクバルブ |
| 【発明者】 |
【氏名】池田 泰志
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| 【要約】 |
【課題】シール性と摺動性を極めて長期間にわたって維持することができ、異音の発生の少ないディスクバルブを提供する。
【解決手段】互いに摺動する弁体の一方の摺接面を、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、平坦度１μｍ以下で、且つカッティング深さが０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を９０％以上とし、他方の摺接面を、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．１５〜０．４μｍ、平坦度１μｍ以下で、且つカッティング深さが０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を６０〜８５％としてディスクバルブを構成する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ) が９０％以上である摺接面を備えた弁体と、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．１５〜０．４μｍ、平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ) が６０〜８５％である摺接面を備えた弁体とを組み合わせたことを特徴とするディスクバルブ。
【請求項２】少なくとも一方の弁体の摺接面が合成疑似ダイヤモンド膜であることを特徴とする請求項１に記載のディスクバルブ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、弁体の摺接面同士を摺動させるようにしたディスクバルブに関するものであり、特に水栓あるいは湯水混合栓に用いられる可動弁体と固定弁体とからなるフォーセットバルブに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、水栓あるいは湯水混合栓に用いられるフォーセットバルブは、２枚の円板状をした弁体同士を互いに摺接させた状態で相対移動させることによって、各弁体に設けられた流体通路の開閉を行うようになっている。
【０００３】例えば、図４（Ａ）に示すように、固体弁体１５と可動弁体１２を互いの摺接面１３，１６で当接させ、図４（Ｂ）に示すように、レバー１０の操作で可動弁体１２を摺動させることによって、互いの弁体１２，１５に形成された流体通路１４，１７の開閉を行い、流体の流量を制御するようになっていた。
【０００４】この種のディスクバルブ１１は、互いが絶えず摺り合わされることから耐摩耗性に優れた材質が求められており、上記可動弁体１２及び固定弁体１５を形成する材質としてステンレス等の金属やセラミックスが使用されていた。
【０００５】また、摺動性とシール性は相反するものであり、例えばシール性を高めようとすると摺接面を極めて平滑にしなければならないが、逆に摺動性が悪くなるといった問題があり、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摺接面を持った一対の弁体同士を摺り合わせたときに発生する引っかかりや張り付いて動かなくなる現象のことを言う。
【０００６】そして、弁体をステンレスやセラミックスにより形成したものでは、優れたシール性が得られる反面、摺動性に劣るため、摺動性とシール性を両立させるため、例えば可動弁体１２の摺接面１３を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍとし、固定弁体５の摺接面６を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．３〜０．６μｍと両者の面粗さを若干異ならせるとともに、潤滑性の改善を図り、軽快な操作性を得るために、摺接面１３，１６間にシリコン系のグリスを塗布した状態で使うことが一般に採用されている。
【０００７】また、グリス量を少なくして潤滑性を高めるため、弁体に自己潤滑性を有する合成疑似ダイヤモンド膜を被覆してその膜表面を摺接面としたディスクバルブも提案されている（特開平１−２６１５７０号公報、特開平３−２２３１９０号公報参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところが、互いの摺接面１３，１６における面状態を中心線平均粗さ（Ｒａ）等の面粗さで管理しただけでは、数千回程度の弁体操作で摺接面１３，１６間からグリスが流出して操作力が上昇し、やがては弁体１２，１５同士が凝着したり、流体の漏れが発生するといった課題があった。
【０００９】即ち、弁体１２，１５の摺接面１３，１６を面粗さだけで管理したものでは、摺接面１３，１６を断面視したときに、粗さ曲線の山頂が凸形状をしている場合、中心線平均粗さ（Ｒａ) では、その測定データが平均化されるため、摺接面１３，１６に存在する凸形状を認識することが難しく、この凸形状が摺接面１３，１６に存在すると、キーキーという異音を発生させたり、摺接面１３，１６を傷付け、流体の漏れ、操作力の上昇等を引き起こすことがあった。
【００１０】特に、この問題は、弁体１２，１５に合成疑似ダイヤモンド膜を被覆したものに多く、弁体１２，１５の表面における粗さ曲線を見たとき、山頂が平らであってもスパッタリング、プラズマＣＶＤ、イオンプレーティング等の薄膜形成手段により合成疑似ダイヤモンド膜を被覆すると、膜表面に突起が形成されることがあり、この突起が原因で操作力の上昇、シール性の低下、さらには合成疑似ダイヤモンド膜の剥離等を発生させることがあった。
【００１１】また、摺接面１３，１６を断面視したときに、粗さ曲線の山頂が平らで、深いボイド等の凹部がある場合、中心線平均粗さ（Ｒａ) では、凹部の幅が小さくても面粗さは粗くなり、実用上使用可能であっても、規格から外れたものとして判断してしまうことがあり、歩留まりを低下させるといった問題点もあった。
【００１２】一方、本件出願人は、グリスの流出をできるだけ防ぐため、少なくとも一方の弁体１２，１５の摺接面１３，１６に独立した開気孔を設けてグリス溜めとし、かつその実体摺動面積率（ＢＥＡＲＩＮＧ ＳＵＲＦＡＣＥ ＡＲＥＡ：以下、ＢＳと言う）を４０〜９０％とすることを先に提案している（特願平８−１２７１２１号公報参照）。
【００１３】しかしながら、ＢＳは摺接面１３，１６に存在する凹部を除いた部分が占める割合を規定したものであって、突起や凸部の有無を判断することかできないため、前述した課題を解消することができなかった。
【００１４】このように、未だ異音やリンキングを生じることなく滑らかな操作性が得られるディスクバルブ１１を歩留り良く生産することができなかった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課題に鑑み、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ) が９０％以上である摺接面を備えた弁体と、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．１５〜０．４μｍ、平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ) が６０〜８５％である摺接面を備えた弁体とを組み合わせてディスクバルブを構成したものである。
【００１６】また、本発明は、上記ディスクバルブを構成する少なくとも一方の弁体の摺接面を合成疑似ダイヤモンド膜により形成したことを特徴とするものである。
【００１７】
【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。
【００１８】図１は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り、円板状をした固定弁体５と可動弁体２を互いの摺接面３，６で当接させ、可動弁体２を摺動させることによって互いの弁体２，５に備えた流体通路４，７の開閉を行い、流体の流量調整を行うようにしてある。
【００１９】これらの弁体２，５を形成する材質としては、耐摩耗性に優れ変形し難い材質が要求されることから、ステンレス等の硬質金属、あるいはアルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等を主成分とするセラミックスを用いることができる。アルミナセラミックスについては、アルミナ粉末を主成分とし、焼結助剤としてＳｉＯ2 ，ＭｇＯ，ＣａＯの少なくとも１種を添加した原料粉末を所定形状に成形したあと、大気雰囲気下や酸素雰囲気下にて１６００〜１８００℃の温度で焼成すれば良く、ジルコニアセラミックスについては、ジルコニア粉末を主成分とし、安定化剤としてＹ2 Ｏ3 ，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＣｅＯ2 ，Ｄｙ2 Ｏ3 の少なくとも１種を添加した原料粉末を所定形状に成形したあと、大気雰囲気下や酸素雰囲気下にて１２００〜１４００℃の温度で焼成すれば良く、炭化珪素質セラミックスについては、炭化珪素粉末を主成分とし、焼結助剤としてＢとＣを添加した原料粉末を所定形状に成形したあと、真空雰囲気下や不活性ガス雰囲気下にて１８００〜２０００℃の温度で焼成すれば良く、窒化珪素質セラミックスについては、窒化珪素粉末を主成分とし、焼結助剤としてＢとＣあるいはＡｌ2 Ｏ3 とＹ2 Ｏ3 を添加した原料粉末を所定形状に成形したあと、真空雰囲気下や不活性ガス雰囲気下にて１８００〜２０００℃の温度で焼成すれば良く、さらに窒化アルミニウム質セラミックスについては、窒化アルミニウム粉末を主成分とし、焼結助剤としてＹ2 Ｏ3 やＥｒなどの希土類酸化物を添加した原料粉末を所定形状に成形したあと、真空雰囲気下や不活性ガス雰囲気下にて１７００〜２０００℃の温度で焼成すれば良い。
【００２０】また、本発明によれば、可動弁体２の摺接面３を中心線平均粗さ（Ｒａ) で０．２μｍ以下、平面度を１μｍ以下とするとともに、固定弁体５の摺接面６を中心線平均粗さ（Ｒａ) で０．１５〜０．４μｍ、平面度を１μｍ以下とし、かつ摺接面６よりも摺接面３の面粗さの方が小さいことを特徴とする。
【００２１】摺接面３の面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ) で０．２μｍ以下としたのは、０．２μｍを越えると、摺動時に固定弁体５の摺接面６を摩耗させてしまうからであり、好ましくは中心線平均粗さ（Ｒａ) で０．１μｍ以下の滑らかな面とすることが良く、摺接面６の面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１５〜０．４μｍとしたのは、０．１５μｍより小さいと、摺接面３，６間にグリスを介在させることが殆どできず、逆に０．４μｍを越えると、シール性が損なわれ、リークを招く恐れがあるからである。
【００２２】また、各摺接面３，６における平面度をそれぞれ１μｍ以下としたのは、いずれか一方の摺接面３，６における平面度が１μｍを越えるとシール性が損なわれるからである。
【００２３】さらに、本発明によれば、両弁体２，５の摺接面３，６における面粗さと平面度を前述した範囲とする以外に、摺接面３，６を断面視したときに見られる凹凸を、ある特定の深さにおける負荷長さ率（ｔｐ）で管理するようにしたことを大きな特徴とし、可動弁体２の摺接面３において、カッティング深さを０．５μｍとした時の負荷長さ率（ｔｐ) を９０％以上とし、ボイド等の凹部の少ない摺接面３とするとともに、固定弁体５の摺接面６において、カッティング深さを０．５μｍとした時の負荷長さ率（ｔｐ) を６０〜８５％と可動弁体２側より若干小さくしてある。
【００２４】ここで、負荷長さ率（ｔｐ）とは、図２に示すように、基準長さＬ内で粗さ曲線を山頂線に平行な切断レベルで切断したときの切断長さの和と基準長さとの比を百分率で表したもので、数１により算出される値で、摺接面３，６を断面視したの深さ方向と水平方向の両方の情報を管理することができる。なお、カッティング深さとは、山頂線と平行な切断線から山頂線までの距離のことを言う。
【００２５】
【数１】
【００２６】そして、摺接面３のカッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ）が９０％より小さいと、粗さ曲線の山頂が凸形状であるか、摺接面３にボイドなどの凹部が多く、固定弁体５の摺接面６を傷付けたり、摺接面３の摩耗を促進させることになり、摺接面６のカッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ) が６０％未満では、摺接面６にボイドなどの凹部が多数存在し、リークの恐れがあり、摺接面６のカッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ）が８５％を越えると、可動弁体２との接触面積が多くなり、摺動抵抗が増大して操作トルクが高くなり過ぎるからである。
【００２７】このように、互いに摺動する摺接面３，６の面粗さ、平面度、負荷長さ率を前述した範囲で設けることにより、シール性を損なうことなく、接触面積を低減して摺動抵抗を下げることができ、また、極端に大きな凹部を排し、細かな凹部を適度に備えた摺接面３，６とできるため、潤滑剤保持効果を高めることができ、もって、長期間にわたって安定した摺動性とシール性を実現することができる。なお、カッティング深さは任意にとることができるが、本件出願人が摺接面３，６の摩耗等を考慮して実験を繰り返したところ、カッティング深さを０．５μｍとすれば判断し易いことを見出したものである。
【００２８】ところで、図１では、可動弁体２の摺接面３を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍ以下、平坦度１μｍ以下、カッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ）を９０％以上とし、かつ固定弁体５の摺接面６を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１５〜０．４μｍ、平坦度１μｍ以下、カッティング深さを０．５μｍとした場合の負荷長さ率（ｔｐ）を６０〜８５％とした例を示したが、可動弁体２と固定弁体５の摺接面３，６における面状態を置き換えても良いことは言うまでもない。
【００２９】また、他の実施形態として、図３に示すようにディスクバルブを構成する少なくとも一方の弁体に合成疑似ダイヤモンド膜８を被覆することもでき、この図３では固定弁体５に合成疑似ダイヤモンド膜８を被覆し、その膜表面を摺接面９としてある。そして、このディスクバルブの場合、摺接面３又は摺接面９を、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、平面度１μｍ以下、カッティング深さを０．５μｍとした時の負荷長さ率（ｔｐ) が９０％以上とし、摺接面９又は摺接面３を、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．１５〜０．４μｍ、平面度１μｍ以下、カッティング深さを０．５μｍとした時の負荷長さ率（ｔｐ) が６０〜８５％とすることで、少ないグリス量でも長期間にわたって安定した摺動性とシール性を実現することができる。
【００３０】
【実施例】（実施例１）弁体２，５がアルミナセラミックスからなる図１のフォーセットバルブ１１を試作し、固定弁体５の摺接面６における表面状態を変化させて摺動実験を行った。
【００３１】この実験に使用した弁体２，５は、外径３０ｍｍ、厚み１５ｍｍの円板状体に、直径５ｍｍの流体通路４を設けた可動弁体２と、外径４０ｍｍ、厚み５ｍｍの円板状体に、直径５ｍｍの流体通路７を設けた固定弁体５とを組み合わせて構成した。
【００３２】また、可動弁体２の摺接面３は、中心線平均粗さ（Ｒａ) ０．１μｍ、平面度１μｍとし、カッティング深さが０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) が９５％となるように仕上げるとともに、固定弁体５の摺接面６を、中心線平均粗さ( Ｒａ) ０．２５μｍ、平坦度１μｍとした状態でカッティング深さが０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を表１のように変化させたものを用意した。
【００３３】そして、これらの固定弁体５に可動弁体２をケーシングによって３０ｋｇｆの軸力で押さえつけながら、流体通路４、７に８０℃の温水を１ｋｇ／ｃｍ2 の圧力で注入し、可動弁体２を操作レバー１０により摺動させて行った。なお、固定弁体５の摺接面６には予めシリコーングリスを塗布しておいた。
【００３４】評価は操作レバー１０を操作して可動弁体２を１０万回摺動させた後の摺動荷重が０．８ｋｇｆを超えていないものを操作性良好として判断した。
【００３５】それぞれの結果は表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】この結果、表１より判るように、固定弁体５の摺接面６における負荷長さ率（ｔｐ) が５５％以下では、摺接面３，６間からリークが見られ、負荷長さ率（ｔｐ) が９５％を超えると、操作性が悪化し実用的ではなかった。
【００３８】これに対し、本発明に係る試料Ｎｏ．５〜１１のように、固定弁体５の摺接面６におけるカッティング深さ０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を６０〜８５％とすれば、１０万回の摺動においてもリークがなく操作性も良好な結果が得られた。
【００３９】そこで、さらに固定弁体５に合成疑似ダイヤモンド膜８を被覆した摺接面９を表１に示す試料Ｎｏ．９の面状態に仕上げて摺動実験を行ったところ、５０万回を超えても軽快な操作力を維持することができた。しかも、摺動時にキーキーという不快な異音を発生させることもなかった。
【００４０】（実施例２）次に、固定弁体５の摺接面２は、中心線平均粗さ（Ｒａ) ０．２５μｍ、平面度１μｍとし、カッティング深さが０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) が７０％となるように仕上げるとともに、可動弁体２の摺接面３を、中心線平均粗さ(Ｒａ) ０．１μｍ、平坦度１μｍとした状態でカッティング深さが０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を表２のように変化させたディスクバルブ１１を用意し、実施例１と同様の条件にて５０万回摺動させる実験を行った。
【００４１】結果は表２に示す通りである。
【００４２】
【表２】
【００４３】この結果、表２より判るように、可動弁体２の摺接面３における負荷長さ率（ｔｐ）が８５％以下では、摺接面３，６間からリークが見られた。
【００４４】これに対し、本発明に係る試料Ｎｏ．１８〜２０のように、可動弁体２の摺接面３におけるカッティング深さ０．５μｍの時の負荷長さ率（ｔｐ) を９０％とすれば、５０万回もの摺動においてもリークがなく操作性も良好な結果が得られた。
【００４５】そこで、さらに固定弁体５に合成疑似ダイヤモンド膜８を被覆した摺接面９を表１に示す試料Ｎｏ．９の面状態に仕上げて摺動実験を行ったところ、５０万回を超えても軽快な操作力を維持することができた。しかも、摺動時にキーキーという不快な異音を発生させることもなかった。
【００４６】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．２μｍ以下、平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．５μｍとした時の負荷長さ率（ｔｐ) が９０％以上である摺接面を備えた弁体と、中心線平均粗さ（Ｒａ) が０．１５〜０．４μｍ、平面度１μｍ以下で、且つカッティング深さを０．５μｍとした時の負荷長さ率（ｔｐ) が６０〜８５％である摺接面を備えた弁体とを組み合わせてディスクバルブを構成したことにより、シール性と摺動性を極めて長期間にわたって維持することができ、リンキングを生じることなく滑らかな弁体操作を得ることができる。
【００４７】また、本発明は、ディスクバルブを構成する少なくとも一方の弁体の摺接面を合成疑似ダイヤモンド膜により形成するとともに、その面状態を上記範囲とすることにより、合成疑似ダイヤモンド膜の持つ自己潤滑性との効果により少ないグリス量で、シール性と摺動性の両特性を極めて長期間にわたって維持することができ、リンキングを生じることなく滑らかな弁体操作を実現することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６６３３
【氏名又は名称】京セラ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年３月３０日（１９９９．３．３０） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２８３３０２（Ｐ２０００−２８３３０２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月１３日（２０００．１０．１３） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−８８９１０ |
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