JPH0996367A

JPH0996367A - ディスクバルブ

Info

Publication number: JPH0996367A
Application number: JP25405295A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Koshida; 充彦越田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1997-04-08

Abstract

(57)【要約】【課題】寿命バラツキが大きく、一定品質のディスクバ
ルブが得られていない。【解決手段】互いに摺動する２枚の弁体をセラミック
ス、金属、樹脂のうち１種により形成するとともに、少
なくともいずれか一方の弁体の摺動面にダイヤモンド状
硬質炭素膜を被着してなるディスクバルブにおいて、上
記ダイヤモンド状硬質炭素膜に含まれる水素含有量を３
５atomic％以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シングルレバー混
合栓、サーモスタット混合栓を始めとする水栓、湯水混
合栓、医療用サンプリングバルブ、薬液用バルブ等の構
成に用い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】従来、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を構成するディスク
バルブは、２枚の円盤状をした弁体を互いに摺接させた
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。

【０００３】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７（Ａ）に示されるよ
うに、固体弁体３０の摺動面３１と可動弁体２０の摺動
面２１との間にグリース等の潤滑剤（不図示）を介在さ
せた状態で互いを摺接させておき、図２（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行うようにな
っていた。

【０００４】また、この種のバルブには、日本水道協会
で指定されている規格耐圧１７．５Ｋｇ／ｃｍ²以下で
も水漏れがなく、滑らかなレバー操作力を有するととも
に、そのレバー操作力が長期使用においても変化し難い
ことが要求されており、これらの特性を満足させるため
に、各弁体２０，３０をセラミックスにより形成したも
のがあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、確かにセラ
ミックスは高精度の加工が可能であり、耐摩耗性や耐食
性の点においても優れているものの、グリース等の潤滑
剤がなくなり無潤滑状態となると摺動面２１，３１間で
引っかかりや異音が発生したり、徐々にレバー操作力が
上昇し、遂には互いの弁体２０，３０同士が張り付いて
動かなくなるリンキング（凝着）を生じるといった課題
があった。しかも、グリース等の潤滑剤が流出すると人
体に害を与えるといった恐れもあった。

【０００６】そこで、近年、互いに摺動する弁体２０，
３０のうち、少なくともいずれか一方の摺動面２１，３
１に自己潤滑性を有するとともに、耐摩耗性に優れたダ
イヤモンド状硬質炭素膜を被着したものが提案されてい
る（特開平３−２２３１９０号公報参照）。

【０００７】しかしながら、上記ダイヤモンド状硬質炭
素膜を被着したフォーセットバルブにおいては、確かに
操作力の改善が図られ、無潤滑状態においても自己の潤
滑作用により軽快な操作力を得ることができるものの、
ダイヤモンド状硬質炭素膜によって摩耗速度が大きく異
なり、その結果、上記ダイヤモンド状硬質炭素膜を被着
する各フォーセットバルブにおいて寿命バラツキがあ
り、一定品質のフォーセットバルブを提供することがで
きないといった課題があった。

【０００８】即ち、上記ダイヤモンド状硬質炭素膜は主
として非晶質な構造を有していることは明らかになって
いるものの、それ以上の詳細な内部構造等については充
分明らかにされていなかった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本件発明者は上
記ダイヤモンド状硬質炭素膜について様々な角度から観
察・測定を行ったこと、成膜工程において含有する水素
含有量が膜寿命に大きく影響を及ぼしていることを見い
出したものである。

【００１０】即ち、本発明は互いに摺動する２枚の弁体
をセラミックス、金属、樹脂のうち１種により形成する
とともに、少なくともいずれか一方の弁体の摺動面にダ
イヤモンド状硬質炭素膜を被着してなるディスクバルブ
において、上記ダイヤモンド状硬質炭素膜に含まれる水
素含有量を３５atomic％以下としたことを特徴とするも
のである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明実施例を水栓や湯水
混合栓などのフォーセットバルブを例にとって説明す
る。

【００１２】図１は、本発明に係るディスクバルブを構
成する弁体のみを示す図であり、可動弁体２０は上下面
を貫通する流体通路２２を備えた円盤状体２３で、一方
の面を摺動面２１としてあり、固定弁体３０は可動弁体
２０と同様に上下面を貫通する流体通路３２を備えると
ともに、外径が上記可動弁体２０より若干大きい円盤状
体３３で、可動弁体２０の摺動面２１と対向する面を摺
動面３１とし、その摺接面３１にはダイヤモンド状硬質
炭素膜３４を被着してある。

【００１３】そして、これら固定弁体３０と可動弁体２
０とを無潤滑状態で互いの摺動面２１、３１同士を摺接
させ、可動弁体２０を矢印の方向に動かすことにより、
互いの弁体２０，３０に備える流体通路２２、３２の開
閉を行い、供給流体の流量調整を行うようにしてある。

【００１４】この時、固定弁体３０の摺動面３１には自
己潤滑性を有するとともに、優れた耐摩耗性を有するダ
イヤモンド状硬質炭素膜３４を被着してあることから、
水漏れを生じることなく可動弁体２０の操作力を大幅に
低減し、滑らかに摺動させることができる。

【００１５】また、上記固定弁体３０や可動弁体２０を
形成する材質としては、樹脂、金属、セラミックスのう
ち１種により形成してあり、例えば、樹脂により形成す
る場合は、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド
（ＰＩ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポ
リエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド
（ＰＡ）、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリア
セタール（ＰＯＭ）、ポリフェニレンオキサイト（ＰＰ
Ｏ）などのロックウェル硬度１００以上を有する樹脂が
良く、金属により形成する場合は、真鍮、ステンレス、
超硬合金などが良い。

【００１６】また、優れた耐摩耗性を有するセラミック
スにより形成する場合は、アルミナ、ジルコニア、窒化
珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムを主成分とするセラ
ミックスが良く、これらのセラミックスを用いればヤン
グ率が２０６〜４４１ＧＰａで、かつビッカース硬度
（Ｈｖ）１０ＧＰａ以上を有しているため、長期使用可
能なフォーセットバルブを得ることができる。

【００１７】特に上述のようなセラミックスを製作する
場合、アルミナセラミックスにおいては主原料のＡｌ₂
Ｏ₃に対しＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯ等のうち１種以上
の焼結助剤を添加し、ジルコニアセラミックスにおいて
は主原料のＺｒＯ₂に対しＹ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、
ＣｅＯ₂等のうち１種以上の安定化剤を添加し、窒化珪
素質セラミックスにおいては主原料のＳｉ₃Ｎ₄に対し
周期律表２ａ、３ａ族元素の酸化物または窒化物のうち
１種以上の安定化剤を添加し、炭化珪素質セラミックス
においては主原料のＳｉＣに対しＣ、Ｂ、Ａｌ₂Ｏ₃、
Ｙ₂Ｏ₃等の安定化剤を添加し、さらに窒化アルミニウ
ム質セラミックスにおいては主原料のＡｌＮに対しＹｂ
₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃等の希土類酸化物のうち１種以上の焼
結助剤を添加して焼成すれば、強固でかつ靱性及び耐摩
耗性に優れたセラミックスを得ることができる。

【００１８】また、これらの材質により形成した固定弁
体２０の摺動面２１は、固定弁体３０の摺動面３１を大
きく摩耗させないようにするとともに、接触面積を低減
して摺動特性を高める一方、水漏れを生じないようにす
るために、その表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で
０．２μｍ以下とし、かつその平坦度を１μｍ以下とす
る。

【００１９】一方、固定弁体３０の摺動面３１は中心線
平均粗さ（Ｒａ）で０．１５〜０．５μｍとし、かつそ
の平坦度を３μｍ以下、好ましくは１μｍ以下としてあ
り、この摺動面３１に成膜ガスとして炭化水素ガス（Ｃ
Ｈ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈などのパラフィン系炭化水素
やＣ₆Ｈ₆などの芳香族炭化水素など）を用い、ＣＶＤ
法、ＰＶＤ法、スパッタリング法などの薄膜形成手段に
よって均一なダイヤモンド状硬質炭素膜３４を被着して
ある。

【００２０】ここで、固定弁体３０の摺動面３１を上記
表面状態としたのは中心線平均粗さ（Ｒａ）が０．５μ
ｍより大きかったり、あるいは平坦度が３μｍより大き
いと可動弁体２０の摺動面２１を大きく摩耗させるとと
もに、水漏れを生じてしまうからである。ただし、表面
粗さの下限を０．１５μｍとしたのは、成膜において充
分なアンカー効果が得られないために密着性が悪くダイ
ヤモンド状硬質炭素膜３４が剥離する恐れがあるからで
ある。

【００２１】ところで、上記ダイヤモンド状硬質炭素膜
３４とは別名、合成疑似ダイヤモンド薄膜、ＤＬＣ膜、
ダイヤモンドライクカーボン膜、ｉーカーボン膜と呼ば
れるもので、その構造は結晶質を若干量含んでいても良
いが基本的に非晶質構造をしたものであり、ラマン分光
分析で見た場合に１３５０ｃｍ^-1の位置と１５５０ｃｍ
^-1の位置の近傍にそれぞれピークをもったものである。
なお、ピーク位置は１３５０ｃｍ^-1か１５５０ｃｍ^-1の
いずれか一方に偏っていても良いが、好ましくはダイヤ
モンドピーク位置に近い１３５０ｃｍ^-1の位置に偏った
ものが良い。

【００２２】また、上記ダイヤモンド状硬質炭素膜３４
中には水素が含まれているのであるが、本発明ではその
水素含有量を３５atomic％以下としたものである。

【００２３】これは、成膜ガスとして使用する炭化水素
ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈などのパラフィン系
炭化水素やＣ₆Ｈ₆などの芳香族炭化水素など）中の水
素がダイヤモンド状硬質炭素膜３４中に混入したもので
あり、該水素含有量により膜硬度が大きく変化するため
である。そして、この水素含有量は炭化水素ガスの流量
を調整することにより調整することができるのである
が、水素含有量が３５atomic％より多くなると、柔らか
い有機質の膜となり、このような膜では短期間で摩滅し
てしまうからである。

【００２４】即ち、水素含有量を３５atomic％以下とし
たダイヤモンド状硬質炭素膜３４はヌープ硬度（Ｈk ）
で１０ＧＰａ以上を有するため、可動弁体２０との摺動
においても短期間で摩滅してしまうことがなく、長期間
にわたり膜３４のもつ自己潤滑作用による優れた摺動特
性を維持することができる。

【００２５】なお、本発明で言う膜中の水素含有量が３
５atomic％以下とは、膜３４の表層部から膜厚Ｔ全体に
わたって一律３５atomic％以下であることを言う。従っ
て、膜３４の表層部から深さ方向において３５atomic％
以下の範囲であればどのような傾向を示したものであっ
ても構わない。例えば、膜３４の表層部から膜深さに比
例して徐々に水素含有量が増加するような傾向を示した
ものや、段差形状の傾向を示したものであっても良く、
このように表層部から徐々に水素含有量が増える傾向を
示したものにあっては、表層部において高硬度を有する
とともに、成膜時間を短くできるために経済的である。

【００２６】なお、好ましくは膜３４の表層部における
水素含有量は１５atomic％以下としたものが良く、この
ような膜３４の表層部におけるヌープ硬度（Ｈk ）は２
０ＧＰａ以上を有していることから、より耐摩耗性に優
れたダイヤモンド状硬質炭素膜３４とすることができ
る。

【００２７】また、上記水素含有量の測定は、ＨＦＳ
（ＨｙｄｒｏｇｅｎＦｏｒｗａｒｄｓｃａｔｔｅｒｉ
ｎｇａｎａｌｙｓｉｓ）装置により測定することがで
きる。このＨＦＳ装置による測定条件は図３に示すよう
に、ビーム照射量を５０μＣ（マイクロクーロン）とし
た２．２７５ＭｅＶのＨｅ⁺⁺イオンビーム６２を試料で
ある固定弁体３０のダイヤモンド状硬質炭素膜３４に対
して１５゜の角度で照射し、反射するＨｅ⁺⁺イオンビー
ム６３に対し３０゜の角度に配設したＨＦＳ検出器６６
でもって反射後散乱するＨ⁺イオン６４を検出すること
により水素含有量を測定する。なお、ＨＦＳ検出器６６
の手前に配置するフォイル６７は、Ｈ⁺イオン６４とと
もに散乱されるＨｅ⁺⁺イオンを取り除くためのものであ
る。

【００２８】さらに、固定弁体３０の摺動面３１に被着
するダイヤモンド状硬質炭素膜３４の膜厚Ｔは０．１〜
２．０μｍの範囲とする。これは、膜厚Ｔが０．１μｍ
より小さいと摺動に伴う膜３４の摩滅が速く長期間にわ
たり良好な摺動特性が得られないからであり、逆に、膜
厚Ｔが２．０μｍより大きいと膨大な成膜時間を要し、
実用的で無くなるとともに、ダイヤモンド状硬質炭素膜
３４中の圧縮応力が大きくなるために剥離し易くなるか
らである。

【００２９】なお、図２に示すように、固定弁体３０と
ダイヤモンド状硬質炭素膜３４との密着性を高めるため
に両者の間に中間膜３５として軟質の炭素膜や炭化珪素
膜などを介在させても良い。即ち、軟質の炭素膜はダイ
ヤモンド状硬質炭素膜３４に比べ圧縮応力が殆ど残留し
ていないことから固定弁体３０との密着性を高めること
ができ、炭化珪素膜はダイヤモンド状硬質炭素膜３４と
の熱膨張係数が近似していることからダイヤモンド状硬
質炭素膜３４との密着性を高めることができる。ただ
し、このような積層構造とする場合、ダイヤモンド状硬
質炭素膜３４の膜厚Ｔは０．４〜１．０μｍとし、かつ
中間膜３５の膜厚ｔは０．２〜１．６μｍの範囲で設け
ることが好ましい。また、中間膜３５は１層だけに限ら
ず０．２〜１．６μｍの範囲であれば、２層以上設けた
ものであっても構わない。

【００３０】以上のように、上記実施例では固定弁体３
０の摺動面３１にダイヤモンド状硬質炭素膜３４を被着
した例を示したが、逆に可動弁体２０の摺動面２１にダ
イヤモンド状硬質炭素膜３４を被着し、固定弁体３０を
セラミックス、金属、樹脂のいずれか一種により構成し
たものでも良く、さらには可動弁体２０と固定弁体３０
の両方の摺動面２１，３１に若干の硬度差を持たせたダ
イヤモンド状硬質炭素膜３４を被着したものであっても
構わない。

【００３１】また、上記実施例では水栓および湯水混合
栓用のフォーセットバルブの例を示したが、この他に医
療用サンプリングバルブ、薬液用バルブに使用できるこ
とは勿論のこと、さらにはボールバルブやその他の各種
弁部材、あるいはメカニカルシール、軸受、スライダー
など様々な用途にも応用できるものである。

【００３２】

【実施例】膜中の水素含有量を変化させたダイヤモンド
状硬質炭素膜３４を被着した図１に示す弁体を試作し、
これを図７に示すフォーセットバルブに組み込んで、耐
久性について測定を行った。

【００３３】フォーセットバルブを構成する各弁体２
０，３０は、純度９６％のアルミナ粉末を９９重量％に
対し、焼結助剤としてＳｉＯ₂を０．５重量％と、Ｍｇ
ＯおよびＣａＯをそれぞれ０．２重量％ずつ添加し、さ
らにバインダーと溶媒を加えて湿式粉砕後、スプレード
ライヤーにより平均粒子径が３．７μｍ程度の造粒体を
作製した。この造粒体を金型プレス機によって円盤状体
２３，３３に成形し、しかるのち、酸化雰囲気中で約１
６００℃の焼成温度にて焼成したあと、研削加工を施し
て直径５ｍｍの流体通路２２，３２を穿設するととも
に、研磨加工を施して可動弁体２０の表面を中心線平均
粗さ（Ｒａ）０．０８μｍ、平坦度１μｍに仕上げて摺
動面２１を形成し、固定弁体３０の表面を中心線平均粗
さ（Ｒａ）０．２５μｍ、平坦度３μｍに仕上げて摺動
面３１を形成した。

【００３４】そして、固定弁体３０の摺動面３１にはＥ
ＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓ
ｏｎａｎｃｅ）プラズマＣＶＤ法を用いて膜中の水素含
有量の異なる３種類のダイヤモンド状硬質炭素膜３４を
被着した。

【００３５】なお、上記ＥＣＲプラズマＣＶＤ装置を用
いてダイヤモンド状硬質炭素膜３４を被着するには、図
４に示すように台座５２に固定弁体３０を保持させ、真
空ポンプ（図示しない）を取り付けた排気口６１よりプ
ラズマ室５４及び試料室５５の内部ガス圧を０．７ｍＰ
ａ以下の真空状態にしたあと、ガス導入口６０よりベン
ゼンガス（Ｃ₆Ｈ₆）を導入する。

【００３６】次に、プラズマ室５４内の磁束密度が８７
５Ｇｓ（ガウス）になるように電磁コイル５６に通電し
た状態で導波管５９より周波数２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波をプラズマ室５４内に導入してプラズマを発生させ
る。なお、プラズマ形成によるプラズマ室５４内の壁面
の温度上昇を防止するために、予め冷却ジャケット５７
には冷却水を循環させておく。

【００３７】そして、プラズマが十分発生したのちにシ
ャッター５８を開き、固定弁体３０に支持部材５３を介
して周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加する
と、固定弁体３０には周期的に正、負の電位がかかり、
これにより固定弁体３０に負の自己バイアスが発生する
ため、プラズマ中の正イオンが固定弁体３０の表面に堆
積し、ベンゼンガス（Ｃ₆Ｈ₆）の流量を調整すること
により、膜中の水素含有量が異なる３種類のダイヤモン
ド状硬質炭素膜３４を被着した。なお、膜厚Ｔはそれぞ
れ０．８μｍとしてある。

【００３８】このようにして得た各ダイヤモンド状硬質
炭素膜３４をＨＦＳ（ＨｙｄｒｏｇｅｎＦｏｒｗａｒ
ｄｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓ）装置を用
いて膜中の水素含有量を測定したところ、図５（ａ）〜
（ｃ）に示すようなそれぞれ固有のプロファイルを持っ
たものであった。ただし、チャート図の横軸は膜表面か
らの深さを表し、縦軸はその深さにおける水素元素の含
有量を表している。

【００３９】また、上記図５（ａ）〜（ｃ）のダイヤモ
ンド状硬質炭素膜３４の表面硬度を測定したところ表１
に示す通りであった。ただし、膜３４の表面硬度の測定
条件は、軽荷重微小硬度計を用い、試験荷重を２５ｇ
ｆ、荷重負荷速度を３０μｍ／秒、荷重保持時間を５秒
とし、圧子としてはヌープ圧子を用いた。

【００４０】

【表１】

【００４１】そして、上述のようにして得た各弁体２
０，３０の摺動面２１，３１同士を軸力３０Ｋｇｆで押
さえ付けながらフォーセットバルブに組み込み、８０℃
の温水を１Ｋｇ／ｃｍ²の圧力で注入した状態で摺動さ
せ、２０万回の摺動後において、膜３４が摩滅すること
なく０．８Ｋｇ以下のレバー４０の操作力を維持できた
ものを耐久性良好と判断した。ただし、操作力はレバー
４０に取り付けたプッシュプルゲージの値とした。それ
ぞれの摺動結果は図６に示す通りである。

【００４２】この結果、図５（ａ）のダイヤモンド状硬
質炭素膜３４では、摺動面３１から深さ０．１μｍまで
においては水素含有量が３５atomic％以下であるもの
の、それ以降の深さでは水素含有量が３５atomic％を越
えてしまい、硬度もヌープ硬度（Ｈｋ）で４ＧＰａと低
いものであった。その結果、１０万回の摺動において膜
３４が摩滅してしまった。

【００４３】これに対し、図５（ｂ）および（ｃ）のダ
イヤモンド状硬質炭素膜３４は、水素含有量が共に表層
部から膜厚Ｔ全体において一律３５atomic％以下である
ことから、２０万回の摺動まで摩滅することがなかっ
た。特に、図５（ｃ）のダイヤモンド状硬質炭素膜３４
は摺動面から０．０１μｍまでの水素含有量が１５atom
ic％以下であることからヌープ硬度（Ｈｋ）で２０ＧＰ
ａと非常に高く、その結果、３０万回の摺動においても
膜３４が摩滅することはなく、また、レバー４０の操作
力が０．８Ｋｇを越えることはなく、優れた耐久性を有
していた。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、互いに
摺動する２枚の弁体をセラミックス、金属、樹脂のうち
１種により形成するとともに、少なくともいずれか一方
の弁体の摺動面にダイヤモンド状硬質炭素膜を被着して
なるディスクバルブにおいて、上記ダイヤモンド状硬質
炭素膜の水素含有量を３５atomic％以下としたことによ
り、優れた摺動特性を長期間にわたって維持させること
ができるとともに、優れた耐摩耗性を有することから、
長寿命の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】本発明に係るディスクバルブの弁体のみを示す
斜視図である。

【図２】本発明に係るディスクバルブのうち、固定弁体
３０の他の例を示す斜視図である。

【図３】ダイヤモンド状硬質炭素膜に含まれる水素含有
量を測定するためのＨＦＳ装置の概略を示す構成図であ
る。

【図４】本発明に係るダイヤモンド状硬質炭素膜を被着
するための一手段であるＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の概
略を示す断面図である。

【図５】各種のダイヤモンド状硬質炭素膜の水素含有量
を示すチャート図であり、（ａ）は本発明範囲外のもの
であり、（ｂ）および（ｃ）は本発明のものである。

【図６】摺動回数とレバーの操作力との関係を示すグラ
フである。

【図７】一般的なフォーセットバルブの作動状態を示す
図で、（Ａ）は流体通路を開通させた斜視図であり、
（Ｂ）は流体通路を遮断した斜視図である。

【符号の説明】

２０：可動弁体２１：摺動面２２：流体通路２３：円板状体３０：固定弁体３１：摺動面３２：流体通路３３：円板状体３４：ダイヤモンド状硬質炭素膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに摺動する２枚の弁体をセラミック
ス、金属、樹脂のうち１種により形成するとともに、少
なくともいずれか一方の弁体の摺動面にダイヤモンド状
硬質炭素膜を被着してなるディスクバルブにおいて、上
記ダイヤモンド状硬質炭素膜の水素含有量を３５atomic
％以下としたことを特徴とするディスクバルブ。