JPH08233121A

JPH08233121A - フォーセットバルブ

Info

Publication number: JPH08233121A
Application number: JP4102595A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Koshida; 充彦越田; Jun Mihara; 順三原; Koichi Nagasaki; 浩一長崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 1996-09-10

Abstract

(57)【要約】【構成】フォーセットバルブを構成する可動弁体２０と
固定弁体３０の少なくとも一方の摺接面を非晶質硬質炭
素膜で形成し、かつ両方の摺接面２１、３１の表面粗さ
（Ｒａ）を０．０８〜０．４μｍとする。【効果】低い操作力と高いシール性を長期間維持するこ
とのできる高性能のフォーセットバルブを提供できる。

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、医
療用サンプリングバルブ、薬液用バルブ等に用いる可動
弁体と固定弁体からなるフォーセットバルブに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】水栓や湯水混合栓あるいは医療用サンプ
リングバルブや薬液用バルブ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、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は、図４
（Ａ）に示されるように、可動弁体２０と固体弁体３０
を互いの摺接面２１、３１で接した状態としておいて、
図４（Ｂ）に示すようにレバー４０の操作で可動弁体２
０を動かすことによって、互いの弁体２０、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
求されるうえ、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、高精度に加工することが可能であ
り、耐摩耗性や耐食性に優れたセラミックスにより形成
されている。

【０００４】ところで、摺動性とシール性は相反するも
のであり、シール性を高めるために摺接面を極めて平滑
な面とし、これらの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）が生じていた。また、リンキングまで至らなく
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た。

【０００５】そこで、リンキングを防ぐため、さまざま
な解決策が提案されている。

【０００６】例えば、摺接面に微小な凹凸を形成した
り、あるいは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など
を含浸させたものがある（特開昭６１−２０６８７５
号、６１−２４４９８０号、６２−４９４９号、６２−
３７５１７号、特公平５−５０４７５号各公報等参
照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、摺接面に微
小な凹凸を形成したフォーセットバルブでは、摺動性を
保つために潤滑剤が不可欠であるが、長期使用中に潤滑
剤が流出すると凹凸を有する摺動面同士の摺動となって
摺動トルクが大きくなってしまうといった問題やシール
性が損なわれる恐れがあった。

【０００８】また、潤滑剤の種類によっては、長期使用
中に劣化したり、ゴミ等の付着が発生して摺動特性の悪
化を避けることが難しかった。しかも、摺動摩耗によっ
て摺動面が滑らかになってしまい、結局リンキングの発
生が避けられなかった。

【０００９】一方、多孔質体中の開気孔中に樹脂を充填
したものでは、硬度の低い樹脂部分が先に削られてしま
い潤滑作用をなす樹脂が常に相手剤と接しないため、操
作力にばらつきがあった。しかも、緻密な相手材に比べ
多孔質体であるために硬度が低く、その結果、短期間で
摩耗してしまうという問題があった。

【００１０】これらに対し、近年、耐摩耗性に優れ、摩
擦係数の小さい非晶質硬質炭素（ダイヤモンド状炭素、
ＤｉａｍｏｎｄＬｉｋｅＣａｒｂｏｎ（ＤＬＣ）、
アモルファスダイヤモンド、アモルファス水素化炭素、
ｉ−カーボン等とも呼ばれる）が注目されており、この
非晶質硬質炭素から成る膜をセラミックス部材に形成し
た摺動部材が提案されている（特開平３−２２３１９０
号公報参照）。

【００１１】しかし、上記特開平３−２２３１９０号公
報に示された摺動部材は、非晶質硬質炭素膜を形成する
母材の表面粗さは示されているものの、非晶質硬質炭素
膜を形成した後の摺接面の表面粗さは全く示されておら
ず、摺接面の好ましい表面状態について何ら示唆されて
いないものであった。

【００１２】一方、フォーセットバルブの摺動回数は、
従来１０万回の摺動全般に渡って摺動トルクが安定して
いることが要求されていたが、最近では２０万回まで摺
動トルクが低く安定していることが要求され始めてい
る。これに対し、単に非晶質硬質炭素膜を用いただけで
は、２０万回の摺動にわたって良好に使用可能なフォー
セットバルブは得られていないのが現状であった。

【００１３】本発明の目的は、シール性が良好で、摺動
回数を重ねても摺動トルクが上昇せず、しかも母材の露
出を防止することが可能であり、且つ長期間にわたりリ
ンキングを生じることなく滑らかな摺動性を有するフォ
ーセットバルブを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、フォー
セットバルブを構成する固定弁体と可動弁体の少なくと
も一方の摺接面を非晶質硬質炭素膜で形成し、かつ両弁
体の摺接面の表面粗さ（Ｒａ）を０．０８〜０．４μｍ
としたことを特徴とするものである。

【００１５】即ち、摺動性を良好にするためには、非晶
質硬質炭素膜を被着した後の摺接面の表面粗さが重要で
あることを見出したのである。そして、摺接面の表面粗
さ（Ｒａ）が０．０８μｍ未満であると前述したように
各弁体が吸着して摺動トルクが大きくなってしまい、一
方０．４μｍを超えるとシール性が悪くなってしまうこ
とから、上記範囲内に限定した。なお、非晶質硬質炭素
膜を一方の弁体のみにしか形成しない場合は、非晶質硬
質炭素膜を形成しない側の弁体の摺接面も表面粗さ（Ｒ
ａ）を０．０８〜０．４μｍとすることが必要である。

【００１６】また、本発明は、フォーセットバルブを構
成する固定弁体と可動弁体の両方の摺接面を非晶質硬質
炭素膜で形成し、可動弁体側の非晶質硬質炭素膜の膜厚
Ｔ₁と固定弁体側の非晶質硬質炭素膜の膜厚Ｔ₂をＴ₁≧Ｔ₂ とし、かつ可動弁体側の摺接面の表面粗さ（中心線平均
粗さ）Ｒ₁と固定弁体側の摺接面の表面粗さＲ₂をＲ₁≧Ｒ₂ としたことを特徴とするものである。

【００１７】即ち、２０万回以上の摺動回数に渡って優
れた摺動性を維持するためには、固定弁体と可動弁体の
両方の摺接面に非晶質硬質炭素膜を被着しなければなら
ず、この際に可動弁体側の非晶質硬質炭素膜の膜厚Ｔ₁
を厚くし、表面粗さＲ₁を大きくすれば良いことを見出
したのである。

【００１８】これは、固定弁体側の摺動面は部分的に摺
動するのに対し、可動弁体側は常に全面が摺動するため
摺動条件が厳しいことによるものである。つまり、可動
弁体側の非晶質硬質炭素膜を厚くすることによって摺動
摩耗により膜が完全に磨滅することを防止し、また可動
弁体側の非晶質硬質炭素膜の表面粗さを大きくすること
によって摺動摩耗により滑らかな面となることを防止で
きるのである。

【００１９】

【実施例】以下、本発明実施例を説明する。なお、従来
部分と同一部分については同一符号で示す。

【００２０】図１は、本発明に係るフォーセットバルブ
の弁体のみを示す図であり、図２は可動弁体２０のみ
を、図３は固定弁体３０のみをそれぞれ示す図である。

【００２１】図１に示すように、円盤状をした固定弁体
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２０、３０に備えた流体通路２２、３２
の開閉を行い、流体の流量調整を行うようにしてある。

【００２２】又、これらの可動弁体２０、固定弁体３０
に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、それぞれの基体２４、３４は真鍮やステンレス、あ
るいは超硬合金などの硬質金属、又はセラミックスによ
り形成し、その表面に非晶質硬質炭素膜２３、３３を被
着して摺接面２１、３１を形成してある。

【００２３】ここで、上記基体２４、３４を成すセラミ
ックスは、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素
等を主体とする焼結体であって、所定の焼結助剤等を所
定量配合することで得られる。例えば、アルミナに対し
てはＣａＯ，ＳｉＯ₂，ＭｇＯのうち少なくとも一種
を、炭化珪素に対してはＣ，Ｂ，Ｂ₄Ｃ，Ａｌ₂Ｏ₃，
Ｙ₂Ｏ₃等を、さらに窒化珪素に対しては周期律表２
ａ、３ａ族元素の酸化物や窒化物をそれぞれ焼結助剤と
して添加し、ジルコニアに対してはＹ₂Ｏ₃，ＣａＯ，
ＭｇＯなどの安定化剤を添加する。

【００２４】また、各弁体の摺接面２１、３１を成す非
晶質硬質炭素膜２３、３３上の表面粗さ（中心線平均粗
さ：Ｒａ）はそれぞれ０．０８〜０．４μｍの範囲内と
してある。これは、表面粗さ（Ｒａ）が０．０８μｍ未
満であると、摺接面２１、３１が滑らかすぎて吸着しや
すくなるためであり、逆に０．４μｍを超えるとシール
性が悪くなるためである。

【００２５】また、上記非晶質硬質炭素膜２３、３３の
厚みはそれぞれ０．３〜１．５μｍの範囲内としてあ
る。これは厚みが０．３μｍ未満であると摩耗により磨
滅しやすく、逆に１．５μｍを超えると製膜時の歪み等
により剥離しやすいためである。

【００２６】なお、この実施例では両弁体の摺接面２
１、３１を非晶質硬質炭素膜２３、３３で形成したが、
一方のみを非晶質硬質炭素膜で形成したものでも良い。
この場合は、他方の摺接面はセラミックスで形成し、そ
の表面粗さ（Ｒａ）を０．０８〜０．４μｍとする。た
だし、好適な摺動性をより長期間維持するためには、両
方の弁体の摺接面２１、３１を非晶質硬質炭素膜２３、
３３で形成することが好ましい。

【００２７】さらに、本発明では、図１〜３の実施例の
ように両弁体に非晶質硬質炭素膜２３、３３を備えた場
合において、それぞれの非晶質硬質炭素膜２３、３３の
膜厚みの関係、及びそれぞれの摺接面２１、３１の表面
粗さの関係が重要であることを見出した。

【００２８】即ち、可動弁体２０側の非晶質硬質炭素膜
２３の厚みＴ₁と、固定弁体３０側の非晶質硬質炭素膜
３３の厚みＴ₂を比較したときに、Ｔ₁≧Ｔ₂ を満たし、かつ可動弁体２０側の摺接面２１の表面粗さ
Ｒ₁と、固定弁体３０側の摺接面３１の表面粗さＲ₂を
比較したときに、Ｒ₁≧Ｒ₂ を満たしている点が重要である。

【００２９】つまり、可動弁体２０側の摺接面２１は常
に全面摺動であり、固定弁体３０側に比べて摩耗しやす
いため、摺動を繰り返すと可動弁体２０の摺接面２１側
の摩耗量が大きくなるが、予め非晶質硬質炭素膜２３の
厚みＴ₁を大きくし、可動弁体２０側の表面粗さＲ₁を
大きくしておけば、長期間にわたって良好な厚みと表面
粗さの範囲を維持できるのである。

【００３０】また、上記摺接面２１、３１の表面粗さＲ
₁、Ｒ₂については、Ｒ₁＞Ｒ₂ を満たすことが好ましい。

【００３１】なお、非晶質硬質炭素膜２３、３３の被着
にはＣＶＤ法、ＰＶＤ法等のさまざまな方法を用いる
が、製膜時のガス圧、温度、時間等の条件を変化させる
ことによって自由に厚みＴ₁、Ｔ₂を調整することがで
きる。また、非晶質硬質炭素膜２３、３３上の表面粗さ
Ｒ₁、Ｒ₂については、基体２４、３４の表面粗さや製
膜条件等を変化させることによって、自由に調整するこ
とができる。

【００３２】また、以上の実施例ではディスク状の弁体
を用いた例を示したが、本発明はこの形状に限定される
ものではなく、例えばボールバルブなどさまざまな形状
のフォーセットバルブに適用できることは言うまでもな
い。

【００３３】実験例１まず、フォーセットバルブを成す可動弁体２０と固定弁
体３０の基体２４、３４をアルミナセラミックスで形成
し、可動弁体２０は外径３０ｍｍ、厚み１０ｍｍの円盤
状体で直径５ｍｍの流体通路２２を有し、固定弁体３０
は外径４０ｍｍ、厚み８ｍｍの円盤状体に直径５ｍｍの
流体通路３２を有する形状とした。

【００３４】そして、一方の弁体の表面に非晶質硬質炭
素膜を被着した。非晶質硬質炭素膜の形成方法として
は、ベンゼン（Ｃ₆Ｈ₆）ガスをフィラメントでイオン
化した炭素イオンをイオン加速器により基体の表面に蒸
着させるイオンプレーティング法を採用し、厚みは０．
８μｍとした。

【００３５】また、可動弁体２０と固定弁体３０の摺接
面２１、３１の表面粗さが異なるものを数種類試作し、
摺動実験を行った。

【００３６】実験は、上記可動弁体２０と固定弁体３０
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２２、３２に８０℃の温水を１ｋｇ／ｃ
ｍ²の圧力で注入し、可動弁体２０を操作レバー４０に
より摺動させるのに必要な操作力を測定した。

【００３７】この試験による評価基準は、１０万回摺動
させた時の操作レバー４０の最大操作力が０．８ｋｇ以
下のものを摺動性が良好であると判断した。結果は表
１、及び図５に示通りである。

【００３８】表１より明らかに、両方の弁体に非晶質硬
質炭素膜を形成していないもの（Ｎｏ．１）では摺動中
の操作レバー４０の操作力の上昇が速く、１０万回後の
操作力は３．０ｋｇｆと大きかった。

【００３９】また、Ｎｏ．２のように固定弁体３０側に
非晶質硬質炭素膜３３を形成しても、その表面粗さ（Ｒ
ａ）が０．０８μｍ未満のものでは摺動の初期段階で吸
着が発生し、一時的に操作力が高くなっていた。

【００４０】これらに対し、Ｎｏ．３〜５に示すよう
に、可動弁体２０と固定弁体３０のいずれか一方に非晶
質硬質炭素膜を形成し、しかもその摺接面の表面粗さ
（Ｒａ）を０．０８〜０．４μｍの範囲内としたもの
は、最大操作力が０．８ｋｇｆ以下となり良好な摺動性
を示した。

【００４１】

【表１】

【００４２】実験例２次に上記と同様にして、摺接面の表面粗さの異なるもの
を数種類試作し、フォーセットバルブのリーク試験を行
った。

【００４３】まず、可動弁体２０と固定弁体３０を一部
切り欠きを有するケーシングによって３０ｋｇｆの軸力
で流体通路２２、３２が完全に遮断されるように押さえ
つけたフォーセットバルブを水中に浸漬させた。その
後、流体通路２２側より圧力４ｋｇ／ｃｍ²で空気を流
し込み、ケーシングの切り欠きより泡が発生するかどう
かでシール性の良否を判断した。

【００４４】結果は表２に示す通りである。この結果よ
り明らかに、可動弁体２０と固定弁体３０の両方の摺接
面を表面粗さ（Ｒａ）０．４μｍ以下とすれば泡が発生
せず、シール性が良好であることがわかる。

【００４５】したがって、摺接面の少なくとも一方に非
晶質硬質炭素膜を形成し、かつ両方の摺接面の表面粗さ
（Ｒａ）を０．０８〜０．４μｍの範囲内とすれば、低
い操作力と高いシール性を長期間維持できることがわか
る。

【００４６】

【表２】

【００４７】実験例３次に、図１に示すフォーセットバルブを成す可動弁体２
０と固定弁体３０の基体２４、３４をアルミナセラミッ
クスで形成し、可動弁体２０は外径３０ｍｍ、厚み１０
ｍｍの円盤状体で直径５ｍｍの流体通路２２を有し、固
定弁体３０は外径４０ｍｍ、厚み８ｍｍの円盤状体に直
径５ｍｍの流体通路３２を有する形状とした。

【００４８】そして、両方の弁体の表面に非晶質硬質炭
素膜２３、３３を被着して摺接面２１、３１を形成し
た。非晶質硬質炭素膜の形成方法としては、ベンゼン
（Ｃ₆Ｈ₆）ガスをフィラメントでイオン化した炭素イ
オンをイオン加速器により基体の表面に蒸着させるイオ
ンプレーティング法を採用した。

【００４９】また、上記摺接面２１、３１の表面粗さＲ
₁，Ｒ₂、及び非晶質硬質炭素膜２３、３３の厚み
Ｔ₁，Ｔ₂が異なるものを数種類試作し、摺動実験を行
った。

【００５０】実験は、上記可動弁体２０と固定弁体３０
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２２、３２に８０℃の温水を１ｋｇ／ｃ
ｍ²の圧力で注入し、可動弁体２０を操作レバー４０に
より摺動させるのに必要な操作力を測定した。なお、操
作レバー４０の支点から作用点までの長さは６５ｍｍと
した。この試験による評価基準は、２０万回摺動させた
時の操作レバー４０の最大操作力が０．８ｋｇ以下のも
のを摺動性が良好であると判断した。

【００５１】また、２０万回摺動後の可動弁体２０側の
摺接面２１を観察し、非晶質硬質炭素膜２３が磨滅して
基体２４が露出しているかどうかを調べた。結果は表３
及び図６〜８に示通りである。

【００５２】これらの結果より明らかに、可動弁体２０
側の非晶質硬質炭素膜２３の厚みＴ₁が固定弁体３０側
より小さいもの（Ｎｏ．１，２，３）、又は可動弁体２
０側の摺接面２１の表面粗さＲ₁が固定弁体３０側より
小さいもの（Ｎｏ．１，４，７）では、可動弁体２０側
の非晶質硬質炭素膜２３が磨滅して基体２４が露出した
り、操作力が０．８ｋｇｆを超えてしまった。

【００５３】これらに対し、可動弁体２０側の非晶質硬
質炭素膜２３の厚みＴ₁が固定弁体３０側の厚みＴ₂以
上で、可動弁体２０側の摺接面２１の表面粗さＲ₁が固
定弁体３０側の表面粗さＲ₂以上であるもの（Ｎｏ．
５，６，８，９）は、基体の露出がなく、操作力も０．
７ｋｇｆ以下と優れた結果であった。

【００５４】

【表３】

【００５５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、フォーセ
ットバルブを構成する固定弁体と可動弁体の少なくとも
一方の摺接面を非晶質硬質炭素膜で形成し、かつ両方の
摺接面の表面粗さ（Ｒａ）を０．０８〜０．４μｍとし
たことによって、低い操作力と高いシール性を長期間維
持することのできる高性能のフォーセットバルブを提供
できる。

【００５６】また、本発明によれば、フォーセットバル
ブを構成する固定弁体と可動弁体の両方の摺接面を非晶
質硬質炭素膜で形成し、可動弁体側の非晶質硬質炭素膜
の膜厚Ｔ₁と固定弁体側の非晶質硬質炭素膜の膜厚Ｔ₂
をＴ₁≧Ｔ₂ とし、かつ可動弁体側の摺接面の表面粗さ（中心線平均
粗さ）Ｒ₁と固定弁体側の摺接面の表面粗さＲ₂をＲ₁≧Ｒ₂ としたことによって、２０万回の摺動を行っても０．８
ｋｇｆ以下の低い操作力を維持し、しかも基体の露出も
ないことから、長期間にわたって良好な摺動性を維持で
きる極めて高性能のフォーセットバルブを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の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】図１の可動弁体を示す斜視図である。

【図３】図１の固定弁体を示す斜視図である。

【図４】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（Ａ）は流体通路を開通させた図であり、
（Ｂ）は流体通路を遮断した図である。

【図５】本発明及び比較例のフォーセットバルブにおけ
る摺動回数と操作力の関係を示すグラフである。

【図６】本発明及び比較例のフォーセットバルブにおけ
る摺動回数と操作力の関係を示すグラフである。

【図７】本発明及び比較例のフォーセットバルブにおけ
る摺動回数と操作力の関係を示すグラフである。

【図８】本発明及び比較例のフォーセットバルブにおけ
る摺動回数と操作力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：摺接面２２：流体通路２３：非晶質硬質炭素膜２４：基体３０：固定弁体３１：摺接面３２：流体通路３３：非晶質硬質炭素膜３４：基体４０：操作レバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バルブを構成する固定弁体と可動弁体の少
なくとも一方の摺接面を非晶質硬質炭素膜で形成し、か
つ両弁体の摺接面の表面粗さ（Ｒａ）を０．０８〜０．
４μｍとしたことを特徴とするフォーセットバルブ。
【請求項２】バルブを構成する固定弁体と可動弁体の両
方の摺接面を非晶質硬質炭素膜で形成し、可動弁体側の
非晶質硬質炭素膜の膜厚Ｔ₁と固定弁体側の非晶質硬質
炭素膜の膜厚Ｔ₂をＴ₁≧Ｔ₂ とし、かつ可動弁体側の摺接面の表面粗さ（中心線平均
粗さ）Ｒ₁と固定弁体側の摺接面の表面粗さＲ₂をＲ₁≧Ｒ₂ としたことを特徴とするフォーセットバルブ。