JP2006009991A - Sliding member, disc valve and mixing plug using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、摺動部材、特にシングルレバー混合栓、サーモスタッド混合栓をはじめとする水栓(湯水混合栓など)を構成する可動弁体と固定弁体からなるディスクバルブ及びそれを用いた混合栓に関する。 The present invention relates to a disk valve comprising a movable valve body and a fixed valve body constituting a sliding member, in particular a water tap (hot water mixing tap, etc.) including a single lever mixing plug and a thermostud mixing plug, and a mixing plug using the same About.
従来、湯水混合栓などの水栓に使用されるディスクバルブは、2枚の円盤状をした弁体(可動弁体及び固定弁体)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。そして、この種のディスクバルブは互いに絶えず摺り合わされた状態で使用されることから、ディスクバルブを構成する弁体は耐摩耗性及び耐食性に優れるセラミックスにより形成したものがあった。 Conventionally, a disc valve used for a faucet such as a hot and cold water mixing faucet is relatively slid in a state where two disc-shaped valve bodies (movable valve body and fixed valve body) are in sliding contact with each other, The fluid passage formed in each valve body is opened and closed. Since this type of disc valve is used in a state where the disc valves are constantly rubbed against each other, the valve body constituting the disc valve is made of ceramics having excellent wear resistance and corrosion resistance.
また、上記ディスクバルブは弁体同士の操作力を低減する為に摺接面にグリース等の潤滑剤を介在させて使用されていた。 The disk valve has been used with a lubricant such as grease interposed on the sliding contact surface in order to reduce the operating force between the valve bodies.
ところが、潤滑剤を使用したディスクバルブでは弁体同士の摺動により比較的短い期間で摺接面の潤滑剤が流出して無潤滑状態となる為に、摺接面間で引っかかりや異音を生じるとともに徐々にレバーの操作力が上昇して、ついには互いの弁体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、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を悪化させる恐れがあるとともに、吐水時に潤滑剤が流出すると人体に有害となる場合もあった。 However, in a disc valve using a lubricant, the lubricant on the slidable contact surface flows out in a relatively short period of time due to sliding between the valve bodies, resulting in a non-lubricated state. As it occurred, the lever operating force gradually increased, and finally there was a problem that linking (adhesion) occurred in which the valve bodies stuck together and stopped moving. In addition, depending on the type of lubricant, it may deteriorate during long-term use or adhesion of dust etc. may occur and deteriorate the sliding characteristics, and if the lubricant flows out during water discharge, it may be harmful to the human body. there were.
そこで、近年、互いに摺動する弁体のうち、少なくともいずれか一方の弁体の摺接面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ディスクバルブが提案されている(特許文献1〜4参照)。 Therefore, in recent years, there is a disk valve in which a diamond-like hard carbon film having a self-lubricating property and an excellent wear resistance is attached to a sliding contact surface of at least one of the sliding valve bodies. It has been proposed (see Patent Documents 1 to 4).
ダイヤモンド状硬質炭素膜の持つ優れた自己潤滑作用により、無潤滑状態でもリンキングを生じることなく安定した摺動特性を長期間にわたって維持することができるようになる。 Due to the excellent self-lubricating action of the diamond-like hard carbon film, stable sliding characteristics can be maintained over a long period of time without causing linking even in a non-lubricated state.
ところで、近年、水栓や湯水混合栓等の内部の水圧が上昇して摺接面間に若干の隙間ができて水漏れを生じる恐れがあるために、弁体の摺接面を平滑面とし、かつ弁体同士の押圧力を高める必要があるのであるが、摺接面を構成するダイヤモンド状硬質炭素膜が剥離するといった恐れがあった。特に、近年、水栓には高いシール性が要求されるようになってきており、双方の弁体を、例えば算術平均粗さ(Ra)0.2μm以下の鏡面同士にしたものが増えている。特に、基体が鏡面状態のものにダイヤモンド状硬質炭素膜を被着しなければならない状況が増えてきている。 By the way, in recent years, since the internal water pressure of water faucets, hot water and water mixing faucets, etc. rises and there is a possibility that a slight gap may be formed between the sliding contact surfaces, causing water leakage, the sliding contact surface of the valve body is made smooth. In addition, although it is necessary to increase the pressing force between the valve bodies, there is a fear that the diamond-like hard carbon film constituting the sliding contact surface may be peeled off. In particular, in recent years, faucets have been required to have a high sealing performance, and the number of both valve bodies, for example, mirror surfaces having an arithmetic average roughness (Ra) of 0.2 μm or less is increasing. . In particular, there is an increasing number of situations in which a diamond-like hard carbon film has to be deposited on a mirror substrate.
そこで、特許文献2のようにダイヤモンド状硬質炭素膜と化学的に結合力の高い中間層を被着して密着強度を高めたり、特許文献3のように中間層を被着した結果、基体表面を荒らすことができて密着力を高めることができる方法などが示されていた。さらに、特許文献4ではWC混合物からなる中間層を介してダイヤモンド状硬質炭素膜を被着する摺動セラミック材が提案されている。
Therefore, as a result of applying an intermediate layer having a high chemical bonding force to the diamond-like hard carbon film as in
また、特許文献5及び6では、基体の表面をイオン注入することで、炭素原子と注入原子との混合層が形成される摺動部品が紹介されており、ダイヤモンド状硬質炭素膜が上記混合層を形成することで、内部応力を緩和させて密着力を向上させることが示されている。
しかしながら、特許文献2では基体表面にTiやSiの中間層をPVDにて成膜する場合、200〜300℃程度に高温となる為、液相がエッチングされて、基体表面近傍で、液相成分が減少するといったことが起き、その結果、極微量ではあるが、基体表面の面状態が若干粗くなるといった課題があった。
However, in
基体がアルミナ質焼結体の場合、液相となるSiO2やCaO、Na2Oなどが選択的に浸食されて基体表面の面粗さを粗くしていた。 In the case where the substrate is an alumina sintered body, SiO 2 , CaO, Na 2 O, or the like that becomes a liquid phase is selectively eroded to roughen the surface roughness of the substrate surface.
これらのエッチングされた面は、ダイヤモンド状硬質炭素膜成膜後の表面状態に影響を与え、表面が凹凸となっていた。具体的には複数の10〜1000nmの平均曲率半径を有する0.1〜0.3μm程度の大きさの球状の突起が形成されていた。 These etched surfaces affected the surface state after the diamond-like hard carbon film was formed, and the surface was uneven. Specifically, a plurality of spherical protrusions having a mean curvature radius of 10 to 1000 nm and a size of about 0.1 to 0.3 μm were formed.
これらの複数の略球状突起は、初期の摺動摩擦において、接触面積を小さくすることで、初期の低摩擦係数を低減させることに貢献するが、長期の使用を考えた場合、上記略球状突起は消滅してしまい、接触面積が大きくなり、レバーの操作トルクが上昇するといった課題があった。特に品質を重視する日本国内市場では、操作トルクが変化したことをクレームとして訴えてくることがあり、操作トルクの変化を小さくすることが課題であった。 These plurality of substantially spherical protrusions contribute to reducing the initial low friction coefficient by reducing the contact area in the initial sliding friction, but when considering long-term use, the above substantially spherical protrusions are It has disappeared, there is a problem that the contact area increases and the operating torque of the lever increases. Particularly in the Japanese domestic market where importance is placed on quality, there is a case where a complaint is made that the operating torque has changed, and it has been a challenge to reduce the operating torque change.
また、水栓において、吐水される水にCaやFeなどの金属イオンなどを多く含むような一般水道水を挿通させていると、エッチングによって大きくなったボイドや、略球状突起に金属成分や炭酸カルシウムなどが付着し、互いの弁体を摺動させる際に、その付着物により、本来ダイヤモンド状硬質炭素膜が持つ低摩擦性を損なった摺接面となるといった課題があった。そして、付着物上での摺動も加わることで摩擦抵抗が増加し、これにより弁体同士の微振動が起こり、異音の発生が生じるといった課題があった。 In addition, when tap water is inserted into the tap water that contains a large amount of metal ions such as Ca and Fe, the voids that have become larger due to etching and the metal components and When calcium or the like adheres and slides the valve bodies, there is a problem that the adhered matter forms a sliding contact surface that deteriorates the low friction property inherent in the diamond-like hard carbon film. In addition, the frictional resistance is increased due to the sliding on the deposit, which causes a problem in that the valve bodies slightly vibrate and abnormal noise is generated.
特に、可動弁体よりも固定弁体側の面積が大きく、可動弁体の表面にダイヤモンド状硬質炭素膜を被着している場合、固定弁体の表面にこれらの現象は起きやすく、可動弁体のエッジ部分が車のワイパーのように固定弁体上を動くことになり、可動弁体の可動範囲の端部分に金属成分や炭酸カルシウムなどが付着・堆積しやすいものであった。 In particular, when the fixed valve element has a larger area than the movable valve element and a diamond-like hard carbon film is deposited on the surface of the movable valve element, these phenomena are likely to occur on the surface of the fixed valve element. The edge portion of the movable body moves on the fixed valve body like a car wiper, and metal components, calcium carbonate, and the like easily adhere to and accumulate on the end portion of the movable range of the movable valve body.
すなわち、エネルギー分散型の走査型電子顕微鏡(SEM)のX線マイクロアナリシス(EPMA)により、本発明者らがCaとC(炭素)の面分析を行ったマッピング結果によれば、それぞれの元素による付着物であることが判り、これから炭酸カルシウムが析出したものと推定される。 That is, according to the mapping results of the surface analysis of Ca and C (carbon) by the present inventors using X-ray microanalysis (EPMA) of an energy dispersive scanning electron microscope (SEM), It turns out that it is a deposit | attachment, and it is estimated that calcium carbonate precipitated from this.
ところで、特許文献3ではプラズマCVD、イオンプレーティング、プラズマ励起スパッタ法等で基体表面に中間層を被着する際に表面の面粗さを荒らす為、あえてエッチングする効果を狙っており、その結果、得られるダイヤモンド状硬質炭素膜の面は、特許文献2と同様に粗くなるといった課題があった。
By the way, in
また、特許文献4では、基体がアルミナ質焼結体であるものの、高周波スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、又はイオンプレーティングなどのPVD法によって、WCを主成分とする中間層を成膜することで、導通を持たせており、アルミナ質焼結体等の絶縁基体に成膜するにはPVDなどでの中間層の形成が必要であるが、中間層の成膜の際に、基体表面の液相がエッチングされてしまい、特許文献2と同様にダイヤモンド状硬質炭素膜の表面が粗くなるといった課題があった。
Further, in Patent Document 4, although the substrate is an alumina sintered body, an intermediate layer mainly composed of WC is formed by a PVD method such as a high frequency sputtering method, a magnetron sputtering method, or an ion plating method. In order to form a film on an insulating substrate such as an alumina sintered body, it is necessary to form an intermediate layer with PVD or the like. The phase is etched, and there is a problem that the surface of the diamond-like hard carbon film becomes rough as in
そこで、基体の表面がエッチングされることなくダイヤモンド状硬質炭素膜を被着する方法として、低温処理によるイオン注入方法によって基体表面に混合層を設けることが提案されるが、アルミナ質焼結体等の絶縁の基体にイオン注入を行うのは技術的に難しいものであった。 Therefore, as a method of depositing the diamond-like hard carbon film without etching the surface of the substrate, it is proposed to provide a mixed layer on the substrate surface by an ion implantation method by low-temperature treatment. It was technically difficult to perform ion implantation on the insulating substrate.
例えば、イオン注入の方法を行っている特許文献4では、基体としてSiウェハを使用しており、また、特許文献5では基体表面上に予め金属、半導体、およびこれらの炭化物のうち少なくとも1種からなる中間膜を形成している為、セラミック焼結体のような絶縁基体にイオン注入を行うものではなかった。 For example, in Patent Document 4 in which an ion implantation method is performed, a Si wafer is used as a base. In Patent Document 5, at least one of a metal, a semiconductor, and a carbide thereof is previously formed on the surface of the base. Since the intermediate film is formed, ion implantation is not performed on an insulating substrate such as a ceramic sintered body.
従って、本発明は、セラミック焼結体からなる弁体を形成する基体へのダイヤモンド状硬質炭素膜の密着力を高めたディスクバルブを提供することである。特に、アルミナ質焼結体などの絶縁基体の鏡面品に対して密着性の高い成膜を行った摺動部材、特にディスクバルブ及びそれを用いた混合栓を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a disk valve in which the adhesion of a diamond-like hard carbon film to a substrate forming a valve body made of a ceramic sintered body is enhanced. In particular, it is to provide a sliding member, particularly a disc valve, and a mixing plug using the same, which have been formed into a film having high adhesion to a mirror surface product of an insulating substrate such as an alumina sintered body.
また、長期使用によっても操作トルクの変化の小さい摺動部材を提供することである。 It is another object of the present invention to provide a sliding member having a small change in operating torque even after long-term use.
さらに、摺接面に金属成分や炭酸カルシウムなどが付着するのを低減して、異音の発生をなくし、且つ長期間使用してもスムーズな摺動を維持することができる摺動部材を提供することである。 Furthermore, a sliding member is provided that reduces the occurrence of abnormal noise by reducing the adhesion of metal components, calcium carbonate, etc. to the sliding contact surface, and can maintain smooth sliding even after long-term use. It is to be.
上記課題を解決するための本発明の摺動部材は、互いに摺動する一対の弁体の少なくとも一方の弁体の表面にダイヤモンド状硬質炭素膜を被着して摺接面を形成した摺動部材において、一方の弁体の基体が液相を備えたセラミックス焼結体であり、且つ上記基体上面に、上記基体を構成する原子と注入原子との混合層を形成し、上記混合層が、上記基体の結晶粒子及び液相の双方に形成されていることを特徴とする。 The sliding member of the present invention for solving the above problems is a sliding member in which a diamond-like hard carbon film is applied to the surface of at least one valve body of a pair of sliding valve bodies to form a sliding contact surface. In the member, the base body of one valve body is a ceramic sintered body provided with a liquid phase, and a mixed layer of atoms and implanted atoms constituting the base body is formed on the top surface of the base body, and the mixed layer comprises: It is formed in both the crystal grains and the liquid phase of the substrate.
また、上記基体がアルミナ質焼結体であることを特徴とする。 Further, the substrate is an alumina sintered body.
また、上記アルミナ質焼結体が96%以上の純度のアルミナ質焼結体であることを特徴とする。 The alumina sintered body is an alumina sintered body having a purity of 96% or more.
また、上記混合層の厚みが50〜200nmの範囲であることを特徴とする。 The mixed layer has a thickness in the range of 50 to 200 nm.
また、上記注入原子が、炭素、Si、Ti、Zr、Hfのいずれか1種以上の元素を含むことを特徴とする。 Further, the implanted atom contains one or more elements of carbon, Si, Ti, Zr, and Hf.
また、上記摺動部材の摺動面の算術平均粗さが0.2μm以下であることを特徴とする。 The arithmetic average roughness of the sliding surface of the sliding member is 0.2 μm or less.
また、上記基体において、CaまたはSi成分が、上記基体表面から500nmの深さの範囲で確認した際に、上記基体内部の組成と比較して±10%以内の範囲であることを特徴とする。 In the substrate, when the Ca or Si component is confirmed within a range of a depth of 500 nm from the surface of the substrate, it is within a range of ± 10% compared to the composition inside the substrate. .
また、上記摺動部材を用いたディスクバルブであることを特徴とする。 Further, the present invention is a disc valve using the sliding member.
また、上記ディスクバルブを用いた混合栓であることを特徴とする。 Further, the present invention is a mixing plug using the disk valve.
以上、記述した通り本発明の摺動部材によれば、互いに摺動する一対の弁体の少なくとも一方の弁体の表面にダイヤモンド状硬質炭素膜を被着して摺接面を形成した摺動部材において、一方の弁体の基体が液相を備えたセラミックス焼結体であり、且つ上記基体上面に、上記基体を構成する原子と注入原子との混合層を形成し、上記混合層が、上記基体の結晶粒子及び液相の双方に形成されていることを特徴とするので、弁体を形成する基体へのダイヤモンド状硬質炭素膜の密着力が高い摺動部材を得ることが可能となる。 As described above, according to the sliding member of the present invention, the sliding member in which the diamond-like hard carbon film is applied to the surface of at least one valve body of the pair of valve bodies that slide with each other to form the sliding contact surface. In the member, the base body of one valve body is a ceramic sintered body provided with a liquid phase, and a mixed layer of atoms and implanted atoms constituting the base body is formed on the top surface of the base body, and the mixed layer comprises: Since it is formed in both the crystal grains and the liquid phase of the base body, it is possible to obtain a sliding member having high adhesion of the diamond-like hard carbon film to the base body forming the valve body. .
また、上記基体がアルミナ質焼結体であることを特徴とするので、硬度が高く、剛性の高い摺接面を得ることができ、さらに安価な摺動部材を得ることが可能となる。 In addition, since the base is an alumina sintered body, a sliding surface having high hardness and high rigidity can be obtained, and an inexpensive sliding member can be obtained.
また、上記アルミナ質焼結体が96%以上の純度のアルミナ質焼結体であることを特徴とするので、耐食性が損なわれず、さらにダイヤモンド状硬質炭素膜の成膜時に基体表面がエッチングされることがない。 Further, since the alumina sintered body is an alumina sintered body having a purity of 96% or more, the corrosion resistance is not impaired, and the substrate surface is etched when the diamond-like hard carbon film is formed. There is nothing.
また、上記混合層の厚みが50〜200nmの範囲であることや、上記注入原子が、炭素、Si、Ti、Zr、Hfのいずれか1種以上の元素を含むことを特徴とするので、ダイヤモンド状硬質炭素膜の密着強度が損なわれず、イオン注入によって成膜された結果、表面の略球状突起を低減させることができ、操作トルクの変化の少ない摺動部材を提供することができ、異物の付着の低減ができる。 Further, since the mixed layer has a thickness in the range of 50 to 200 nm, and the implanted atoms contain one or more elements of carbon, Si, Ti, Zr, and Hf, diamond As a result of forming the film by ion implantation without reducing the adhesion strength of the cylindrical hard carbon film, it is possible to reduce the surface spherical protrusions, provide a sliding member with little change in operating torque, Adhesion can be reduced.
さらに、上記摺動部材の摺動面の算術平均粗さが0.2μm以下であるので、平滑な面を有する摺動部材を提供することができる。 Furthermore, since the arithmetic mean roughness of the sliding surface of the sliding member is 0.2 μm or less, a sliding member having a smooth surface can be provided.
またさらに、上記基体において、CaまたはSi成分が、上記基体表面から500nmの深さの範囲で確認した際に、上記基体内部の組成と比較して±10%以下の範囲で一定であることを特徴としているので、基体表面がエッチングされていない摺動部材を提供することができ、本来の基体のボイドのままとすることができ、略球状突起を低減することができる結果、操作トルクの変化の小さい摺動部材を提供することができる。 Furthermore, in the substrate, when the Ca or Si component is confirmed in a range of a depth of 500 nm from the surface of the substrate, the Ca or Si component is constant within a range of ± 10% or less as compared with the composition inside the substrate. As a feature, it is possible to provide a sliding member in which the surface of the base is not etched, so that the voids of the original base can be kept, and substantially spherical protrusions can be reduced, resulting in a change in operating torque. A small sliding member can be provided.
以下、本発明の摺動部材を実施する為の最良の形態としてディスクバルブを用いて説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the sliding member of the present invention will be described using a disk valve.
図1は本発明のディスクバルブの一実施形態を示すもので、(a)はディスクバルブ全体、(b)は可動弁体、(c)は固定弁体の斜視図をそれぞれ示すものである。 1A and 1B show an embodiment of a disc valve of the present invention, wherein FIG. 1A shows the entire disc valve, FIG. 1B shows a movable valve body, and FIG. 1C shows a perspective view of a fixed valve body.
本発明のディスクバルブ1は、互いに摺動する一対の弁体20、30の少なくとも一方の弁体である固定弁体20の表面にダイヤモンド状硬質炭素膜24を被着して摺接面21を形成したものであり、固定弁体20は上下面を貫通する流体通路22及び2つの流体吐出口(例えば湯吐出口と水吐出口)を備えた円盤状をしたもので、図2に示すように、固定弁体20の基体25は液相25bを備えており、且つ基体25上面に、基体25を構成する原子と注入原子との混合層26を形成し、混合層26が、基体25の結晶粒子25a及び液相25bの双方に形成されている。そして、ダイヤモンド状硬質炭素膜24を被着して摺接面21を形成している。
In the disk valve 1 of the present invention, a diamond-like
また、他方の弁体である可動弁体30は上下面を貫通する流体通路32を備え、一方の固定弁体20より小さい円盤状で形成してあり、固定弁体20との摺接面31を形成している。
The
そして、図3のようにこれらの各弁体20、30とを無潤滑状態で互いの摺接面21、31同士を密着させ、レバー(不図示)を動かして、可動弁体30を摺動させることにより、互いの弁体20、30の流体通路22、32の開閉を行い、供給流体の流量調整を行うと共に、流体吐出口の開度調整を行うようになっている。
Then, as shown in FIG. 3, each of the
この時、固定弁体20の摺接面21には自己潤滑性に優れ且つ高硬度を有するダイヤモンド状硬質炭素膜24を被着してあることから、無潤滑状態にも関わらず他方の可動弁体30を大きく摩耗させることなくレバー操作力を低減して滑らかに摺動させることができる。
At this time, the
イオン注入によって低温で混合層26を処理できることから、基体25の表面の液相25bがエッチングされずに、基体25内の粒界と結晶粒子25aの双方に均等に混合層26が形成することができる。その結果、基体25表面近傍で、液相25b成分が減少することもなく、基体25表面の面状態が損なわれることがない。その為、摺接面21の面状態は基体25表面自体の面状態と変わらない面状態を得ることが可能となる。
Since the
特に、基体25がアルミナ質焼結体の場合、液相25bとなるSiO2やCaO、Na2Oなどが選択的に浸食されやすいが、本発明によれば、これらの成分がエッチングされていないことが判る。これらの成分がエッチングされているのかどうかを確認するには、SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)により分析を行えば確認できる。例えば、アルバック・ファイ社製のADEPT1010を用いて、一次イオン種をO2 +として取り込み元素を陽イオンに絞り、加速電圧3.0kV、電流150nAで分析すればよい。
In particular, when the
SIMSで確認すれば、基体25表面でSiO2やCaO、Na2Oがエッチングされていれば、SiやCa、Naの検出成分が内部に行く程上昇し最終的に一定状態で推移することが判る。そして、SIMSでは予めAESやXPSで組成が判っているリファレンスを参考にすれば良い。
As confirmed by SIMS, if SiO 2 , CaO, and Na 2 O are etched on the surface of the
そして、基体25がエッチングされていないので、ダイヤモンド状硬質炭素膜24の成膜後の表面状態は液相部25bがエッチングされた為に生じる凹部の少ない、平滑な面になるので、初期の摺動摩擦と後期の摺動摩擦の接触面積が変わることなく、レバーの操作トルクが一定となる。特にエッチングされた基体25の表面にダイヤモンド状硬質炭素膜24を成膜したものでは、表面状態に影響を与え、表面が凹凸となっていた。具体的には複数の10〜1000nmの平均曲率半径を有する0.1〜0.3μm程度の大きさの球状の突起が形成され、これらの複数の略球状突起によって、初期の摺動摩擦において、接触面積を小さくすることができ、初期の低摩擦係数を低減させることができるが、長期使用時に、上記略球状突起は消滅してしまい、接触面積が大きくなり、レバーの操作トルクが上昇していたが、本発明では略球状突起を小さく抑えることが可能となり、その初期状態でレバーの操作トルクを調節するので、長期間使用しても初期と後期でのレバーの操作トルクが変化し難い。
Since the
また、水栓において、吐水される水にCaやFeなどの金属イオンなどを多く含むような一般水道水を挿通させても、凹面の少ない平滑な面であるので、金属成分や炭酸カルシウムなどが付着し難く、互いの可動弁体20、30を摺動させても摩擦抵抗は変わらない状態となり、異音の発生が生じることもない。
In addition, even if the tap water is inserted into the tap water that contains a large amount of metal ions such as Ca and Fe, it is a smooth surface with few concave surfaces. It is difficult to adhere, and even if the
また、本発明の弁体20,30を形成する基体25、35はアルミナ質焼結体であることを特徴とするものである。さらに、上記アルミナ質焼結体は96%以上の純度のアルミナ質焼結体であることを特徴とするものである。さらに好ましくは99%以上の純度のアルミナ質焼結体であることが良い。
Further, the
固定弁体20を樹脂で形成したものではダイヤモンド状硬質炭素膜24を被着することができず、また、金属で形成したものではセラミック焼結体に比べ硬度が小さいことから、固定弁体20との押圧力により変形し、その表面に被着するダイヤモンド状硬質炭素膜24を破損させてしまう恐れがあるからである。
If the fixed
これに対し、アルミナ質焼結体は高硬度を有することから可動弁体30との押圧力により変形することがないため、その表面に被着するダイヤモンド状硬質炭素膜24を破損させることがなく、また高い加工精度が得られることから、固定弁体20の表面を滑らかな面に仕上げ、その表面に被着するダイヤモンド状硬質炭素膜24の表面を固定弁体20の表面に倣った平滑かつ平坦な面とすることができる。さらに、価格的にも安価なディスクバルブ1を得ることが可能となる。
On the other hand, since the alumina sintered body has high hardness and is not deformed by the pressing force with the
そして、96%以上の純度のアルミナ質焼結体とすることで、耐食性が損なわれず、さらにダイヤモンド状硬質炭素膜24の成膜時に液相25bがエッチングされ難い基体25を提供することが可能となる。
Further, by using an alumina sintered body having a purity of 96% or more, it is possible to provide a
また、本発明のディスクバルブ1は、好ましくは、混合層26の厚みが50〜200nmの範囲であることを特徴とするものである。
The disc valve 1 of the present invention is preferably characterized in that the thickness of the
ところで、混合層26の厚みを50〜200nmの範囲としているのは、50nmよりも小さい厚みであれば、充分にイオン注入がされずに、ダイヤモンド状硬質炭素膜24の密着性が得られず、また、応力緩和層としての機能が得られない。逆に200nmを超えると混合層26による応力緩和が損なわれ、ダイヤモンド状硬質炭素膜24の成膜が充分に行うことができないといった不具合が生じてしまう。従って、混合層26の厚みが50〜200nmの範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは50〜150nmの範囲であることが良い。
By the way, the thickness of the
ところで、混合層26の境界を判断する方法としては、SIMSを用いて判断すればよく、結晶粒子25aと液相25b成分及び注入原子が全て検出できる範囲を混合層26としている。
By the way, as a method for determining the boundary of the
図4は本発明に係るディスクバルブ1の一実施例に対して、SIMSにて分析した結果であり、また、図5は従来のディスクバルブの一実施例に対して、SIMSにて分析した結果である。 FIG. 4 shows the result of analysis by SIMS for one embodiment of the disk valve 1 according to the present invention, and FIG. 5 shows the result of analysis by SIMS for one embodiment of a conventional disk valve. It is.
尚、SIMSにて分析する際のエッチング元素(一次イオン種)はO2 +としている。 Note that the etching element (primary ion species) at the time of analysis by SIMS is O 2 + .
図4の結果によれば、基体25中のAl、Ca、Mg、Siの各成分が、基体25表層と内部では変化していないことが判るがこれは、基体25の液相25b成分がエッチングされない為に検出ピークの減少が見られないからである。
According to the result of FIG. 4, it can be seen that the components of Al, Ca, Mg, and Si in the
それに対し、図5の結果によれば、Al、Mgの各成分は、基体25表面と内部では変化していないが、CaとSi成分に関しては基体25内部に比べ表層では減少していることが判る。これはTiとSiの中間層23を被着するのにPVD法を用いて実施した為、基体25の液相であるCaとSi成分が選択的にエッチングされたことを示している。但し、Siに関しては、Tiの検出ピークに見られるように中間層23の成分でもあるので、Caに比べて顕著に減少が確認できていないことが判る。
On the other hand, according to the results of FIG. 5, the Al and Mg components are not changed on the surface and inside of the
ところで、本発明のダイヤモンド状硬質炭素膜24と混合層26との境界部は、検出元素のピークに着目すれば良く、表層から内部にかけて検出ピークを見た場合に、炭素以外の組成の検出ピークが急激に上昇した部分がそれに相当し、また、基体25と混合層26との境界部は、注入原子の検出ピークが確認されなくなった部分がそれに相当する。
By the way, the boundary portion between the diamond-like
例えば図4では、イオン注入元素として用いているCとSiの成分と、ダイヤモンド状硬質炭素膜24の成分となるCに着目すればよく判る。
For example, in FIG. 4, it can be understood by paying attention to the components of C and Si used as the ion implantation element and C which is a component of the diamond-like
また、同様に、従来のダイヤモンド状硬質炭素膜24と中間層23との境界部も、検出元素のピークに着目すれば良く、表層から内部にかけて検出ピークを見た場合に、炭素以外の検出ピークが急激に上がった部分がそれに相当する。
Similarly, the boundary portion between the conventional diamond-like
また、基体25と中間層23との境界部は、中間層の元素の検出ピークが下がった部分がそれに相当する。 Further, the boundary portion between the base 25 and the intermediate layer 23 corresponds to the portion where the detection peak of the element in the intermediate layer is lowered.
図5では、中間層23となるTiとSiの成分とダイヤモンド状硬質炭素膜24の成分となるCに着目すればよく判る。
In FIG. 5, it can be understood by paying attention to the components of Ti and Si to be the intermediate layer 23 and C to be a component of the diamond-like
そして、エッチングされているのかどうかを判断する方法として、基体25の表面から500nmの深さの範囲までを確認すれば充分に判断でき、基体25の内部の組成と比較して±10%以内の範囲であればエッチングされていないと考えられる。
Then, as a method for judging whether or not the etching is performed, it can be sufficiently judged by confirming a range from the surface of the
また、本発明のディスクバルブ1は、注入原子26bが、炭素、Si、Ti、Zr、Hfのいずれか1種以上の元素を含むことを特徴とするものであることが好ましい。 Further, the disk valve 1 of the present invention is preferably characterized in that the implanted atoms 26b include one or more elements of carbon, Si, Ti, Zr, and Hf.
これらの元素を含むことにより、ダイヤモンド状硬質炭素膜24の密着強度が損なわれず、イオン注入によって成膜された結果、表面の略球状突起を低減させることができ、操作トルクの変化の少ないディスクバルブ1を提供することができ、その結果、異物の付着の低減ができ、操作時の異音を低減する効果が得られる。
By including these elements, the adhesion strength of the diamond-like
さらに、本発明のディスクバルブ1の摺接面21、31の算術平均粗さが0.2μm以下であることが好ましい。 Further, the arithmetic average roughness of the sliding contact surfaces 21 and 31 of the disk valve 1 of the present invention is preferably 0.2 μm or less.
各弁体20,30の摺接面21、31は、水漏れ防止するためにその平面度を1μm以下とするとともに、表面粗さを算術平均粗さ(Ra)で0.2μm以下としてある。算術平均粗さ(Ra)で0.2μm以下とすれば、シール性を高めることが出来るとともに、ダイヤモンド状硬質炭素膜24によって、摩擦係数を低減させることができるため、スティックスリップ現象や異音の発生を効果的に防止し、長期間にわたって滑らかに摺動させることができる。ここで算術平均粗さ(Ra)は、(株)小坂研究所製のSurfcorder SE−2300等の表面粗さ測定装置を用いて、JIS B0601に準拠して測定すればよい。
The sliding contact surfaces 21 and 31 of the
特に好ましくは、双方の弁体20、30の摺接面21、31を算術平均粗さ(Ra)で0.12μm以下、さらに好ましくは0.1μm以下とし、かつその平面度を1μm以下とすることが良い。双方の弁体20、30の摺接面21、31における表面状態が上述した範囲を超えて粗くなると、特に浄水器を組み付けたものにあっては、弁体20、30間に大きな水圧が加わり、水漏れを生じ恐れがあるからである。ここで平面度は、ニコン社製のオプティカルフラット検査測定装置などを用いて、JIS B0621に準拠して測定すればよい。特に、ダイヤモンド状硬質炭素膜24を成膜する可動弁体20の基体25でその表面が上記値の範囲であることが重要で、成膜後もその面粗さを維持することが必要である。
Particularly preferably, the sliding contact surfaces 21 and 31 of both
またさらに、本発明のディスクバルブ1は、基体25において、CaまたはSi成分が、基体25表面から500nmの深さの範囲で確認した際に、基体25内部と比較して±10%以内の範囲であることを特徴としているものである。
Furthermore, in the disk valve 1 of the present invention, when the Ca or Si component in the
CaまたはSi成分が減少している場合、基体25中の液相25b成分がエッチングされたことを示す為、液相25b成分が減少していないことを判断する為にも、CaまたはSi成分が減少していないことを確認することが必要で、SIMSによって確認することが可能である。
When the Ca or Si component is decreased, it indicates that the
ところで、ダイヤモンド状硬質炭素膜24は、実質的に炭素からなり、若干の結晶質を含んでいても良いが基本的に非晶質構造をしたもので、規則的な結晶構造を持つダイヤモンド、立方晶窒化硼素(cBN)、六方晶窒化硼素(hBN)とは異なる組成のものである。
By the way, the diamond-like
このダイヤモンド状硬質炭素膜24をグラファイトやダイヤモンドの同定によく用いられるラマン分光分析装置を使って調べると、ダイヤモンドのピーク位置である1333cm−1と、グラファイトのピーク位置である1550cm−1の近傍にそれぞれピークを有するものである。なお、本発明のディスクバルブに用いるダイヤモンド状硬質炭素膜24は、ピークがダイヤモンドあるいはグラファイトのいずれか一方に偏っていても良く、好ましくはダイヤモンドのピーク位置に偏っている方が良い。
The diamond-like
このようなダイヤモンド状硬質炭素膜24は、ビッカース硬度(Hv1.0)が20〜50GPaと非常に硬い硬度を有しているため、可動弁体30との摺動においても殆ど摩耗することがない。
Since such a diamond-like
さらに、ダイヤモンド状硬質炭素膜24中に、ジルコニウム、タングステン、チタンのうち少なくとも一種以上の金属と珪素を含有させても構わない。このようにジルコニウム、タングステン、チタンのうち少なくとも一種以上の金属と珪素を含有させることにより、膜内部における残留応力を低減して結合力を高めることができる。その為、可動弁体30との密着力をより強固なものとすることができるとともに、ビッカース硬度(Hv1.0)で55GPa以上の高硬度を持った膜とすることができる。なお、ジルコニウム、タングステン、チタンのうち少なくとも一種以上の金属と珪素を含有させたダイヤモンド状硬質炭素膜24は、これらの成分を含まないダイヤモンド状硬質炭素膜24とは異なり、ラマン分光分析装置における測定では1480cm−1の近傍に一つのピークを有するものである。
Furthermore, the diamond-like
なお、固定弁体20にダイヤモンド状硬質炭素膜24を被着する手段としては、ダイヤモンド状硬質炭素膜24の成膜後にイオン注入法によりイオンを注入して混合層26を形成する方法ではなく、基体25表面に炭素原子と注入原子を注入して混合層26を形成した後、CVD法やPVD法等の従来のダイヤモンド状硬質炭素膜24の成膜方法によってダイヤモンド状硬質炭素膜24を形成するか、あるいは、混合層26形成の為のイオン注入と、ダイヤモンド状硬質炭素膜24を同時に形成する方法であれば良い。
The means for depositing the diamond-like
そして、RF・高電圧パルス重畳方式プラズマイオン注入成膜(Plasma Based Ion Implantation and Deposition,PBIID)法にて用いて常温から200℃までの低温で混合層26を成膜すればよい。
Then, the
はじめにアルゴンガスでスパッタクリーニングを行い、次にCH4やC2H6、トルエン等のCとHから構成される混合ガスによるソースガスを用いてイオン注入すればよい。 First, sputtering cleaning may be performed with argon gas, and then ion implantation may be performed using a source gas of a mixed gas composed of C and H such as CH 4 , C 2 H 6, and toluene.
絶縁の基体25表面にイオン注入を行う方法としては、可動弁体20を、アルミニウム、銅、黄銅、ステンレス等の導通のある金属材料からなる可動弁体20を埋設可能な治具に保持・固定し、上記治具と基体25とを同時に、共通のフィールドとして、パルスプラズマ発生するRFパルスとイオン注入を行う負の高電圧パルスを印加することで、絶縁の基体25にイオン注入が可能となる。
As a method of performing ion implantation on the surface of the insulating
ダイヤモンド状硬質炭素膜24の形成方法としてはイオンプレーティング法または真空蒸着法により行えば、高真空中でイオン注入も同時に行うことが可能となる。
If the diamond-like
また、ダイヤモンド状硬質炭素膜24を形成する為のソースガスはCH4やC2H6、トルエン等のCとHから構成される混合ガスであればよい。
The source gas for forming the diamond-like
各弁体20、30を形成するセラミック焼結体としては、アルミナ質焼結体を主成分とするセラミック焼結体により構成するのが好ましい。アルミナ質焼結体は、ヤング率が250〜400GPaで、かつビッカース硬度(Hv1.0)が12GPaより大きな値を有するため、固定弁体30との押圧力を大きくしても摺接面21を変形させることがなく、また、耐薬品性にも優れることから長期間に渡って使用可能なディスクバルブ1を提供することができる。好ましくは純度96%以上のアルミナ質焼結体を用いれば液相25bが少なく、エッチングもされ難くなる。さらに好ましくは99%以上のアルミナ質焼結体を用いるのが良い。
The ceramic sintered body forming each
これらのアルミナ質焼結体は特別なものではなく、通常一般的な構造部材として用いられるアルミナ質焼結体であれば良いが、さらに好ましくはボイドが小さいものであれば良い。 These alumina-based sintered bodies are not special and may be any alumina-based sintered body that is generally used as a general structural member.
以上の本発明の実施形態では、固定弁体20にはダイヤモンド状硬質炭素膜24を被着したディスクバルブ1について説明したが、固定弁体20と可動弁体30の材質を逆にして用いたものであっても同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
In the above embodiment of the present invention, the disk valve 1 in which the diamond-like
以上のように本発明のディスクバルブによれば、弁体20を形成する基体25へのダイヤモンド状硬質炭素膜24の密着力を高めたディスクバルブ1を提供することが可能となる。特に、アルミナ質焼結体などの絶縁の基体25の鏡面品に対して密着性の高い成膜を行ったディスクバルブ1を提供することが可能となる。
As described above, according to the disk valve of the present invention, it is possible to provide the disk valve 1 in which the adhesion of the diamond-like
また、長期使用によっても操作トルクの変化の小さいディスクバルブ1を提供することが可能となる。 In addition, it is possible to provide the disc valve 1 with a small change in operating torque even after long-term use.
さらに、摺接面21に金属成分や炭酸カルシウムなどが付着するのを低減して、異音の発生をなくし、且つ長期間使用してもスムーズな摺動を維持することができるディスクバルブ1を提供することが可能となる。
Furthermore, the disc valve 1 that reduces the adhesion of metal components, calcium carbonate, etc. to the sliding
次に、本発明の混合栓の一実施形態に関して、図を用いて説明する。 Next, an embodiment of the mixing plug of the present invention will be described with reference to the drawings.
図3は本発明に係る混合栓を示す概略断面図である。 FIG. 3 is a schematic sectional view showing a mixing plug according to the present invention.
混合100栓は、スパウト40aを旋回自在に備えた本体と、この本体の上端に配置される操作用の操作ハンドル2と、この操作ハンドル2により操作される弁ユニット3とから構成されたものである。
The mixing 100 stopper is composed of a main body provided with a spout 40a so as to be rotatable, an
弁ユニット3は、ケース4と、その下端に連結される弁座5と、ケース4の上端側から順に組み込まれた固定押さえ板6、可動弁体30、第2固定弁体20を主な部材として備えたものである。ケース4は中空の円筒体状であり、弁座5は湯流入孔、水流入孔及び混合水流出孔を形成したものである。これらの湯流入孔及び水流入孔には本体40内に配管した給湯管及び給水管(いずれも図示せず)に接続され、混合水流出孔はスパウト40aまでの流路(図示せず)に接続されている。押さえ板6、可動弁体30、固定弁体20はいずれも上述したディスクバルブ1であり、押さえ板6は環状体である。可動弁体30は上面側には後述するアダプタを装着するための凹部を形成するとともに下面側には弁座5の湯流入孔、水流入孔、混合水流出孔の流体通路にそれぞれ連通する凹部流路を形成したものである。固定弁体20は弁座5の湯流入孔、水流入孔及び混合水流出孔の流体通路にそれぞれ連通する流路通路23を開けたものである。なお、押さえ板6及び固定弁体20をケース4に水密状に保持するためのパッキン、ケース4から水が出るのを防止するパッキン、固定弁体20の下面をシールするパッキン、弁座5の下端をシールするパッキンがある。
The
ケース4の上端には、操作ハンドル2に連接されるレバー10が組み込まれる。このレバー10はケース4の上端に固定される台座11を上下方向に貫通して配置されるとともにピン11aによって中間位置を保持されている。
A
一方、可動弁体30の凹部にはアダプタ12が固定され、その上面に搭載したピン12aを介してレバー20の下端を可動弁体30に連接している。
On the other hand, the
以上のように本発明の混合栓100の一実施形態について、図3を用いて説明したが、図3の形状に限定されるものではない。そして、上述のディスクバルブ1を使用した混合栓100であればどのような形態の混合栓100でも、長期使用しても操作トルクの変化の小さい混合栓100を得ることができる。また、摺接面に金属成分や炭酸カルシウムなどが付着するのを低減して、異音の発生をなくし、且つ長期間使用してもスムーズな摺動を維持することができる混合栓100を提供することができる。 As described above, one embodiment of the mixing plug 100 of the present invention has been described with reference to FIG. 3, but is not limited to the shape of FIG. 3. Any type of mixing plug 100 that uses the above-described disk valve 1 can be used to obtain a mixing plug 100 having a small change in operating torque even when used for a long time. Also provided is a mixing plug 100 that reduces the adhesion of metal components, calcium carbonate, etc. to the sliding contact surface, eliminates the generation of abnormal noise, and can maintain smooth sliding even after long-term use. can do.
以下、本発明の実施例を示す。 Examples of the present invention will be described below.
本発明のディスクバルブ1と比較するため、比較例として固定弁体20にAl2O3純度が96%のアルミナ質焼結体を用い、その表面にPVD法によってTi膜とSi膜をこの順序で積層した中間層23を介してCVD法によって、ダイヤモンド状硬質炭素膜24を被着したものを準備した。
In order to compare with the disc valve 1 of the present invention, an alumina sintered body having an Al 2 O 3 purity of 96% is used for the fixed
そして、これらのディスクバルブ1の摺動特性を調べた。 Then, the sliding characteristics of these disc valves 1 were examined.
固定弁体20は外径32mm、厚み5mmの略円板状体とした。また、可動弁体30は外径25mm、厚み5mmの略円板状体とした。
The fixed
そして、双方の弁体20、30の摺接面21、31に研磨加工を施して平坦度を1μm以下、表面粗さを算術平均粗さ(Ra)で0.2μm以下とした。
Then, the sliding contact surfaces 21 and 31 of both
このようにして形成した双方の弁体20、30を、互いの摺接面21、31が接するようにケーシングによって軸力294Nの力で押さえつけながら給水栓にセットし、80℃の温水を0.74MPaの圧力で注入した状態のもとで、操作レバーを操作するのに必要なレバー押し付け力(トルク)をプッシュプルゲージで測定し、トルク上昇した摺動回数を測定した。ここで、トルク上昇とは、水栓のレバーを上下する際の荷重が10Nを超えたときをいう。
Both
また、10万回摺動させた際の異音の発生有無を調べた。ここで、異音とは、稼働中の水栓から30cm離れた位置で、正常な聴力を有する者が聞いて、キーキーと鳴くような不快音を確認した音とした。
In addition, the presence or absence of abnormal noise when slid by 100,000 times was examined. Here, the abnormal noise was defined as a sound in which an unpleasant sound that was heard by a person having normal hearing at a
この結果、本発明のディスクバルブ1を用いたものでは、25万回以上摺動させても異音やトルク上昇がなく、長期間にわたって滑らかな摺動特性を得ることができたが、比較例では12万回目で異音が発生した。 As a result, in the case of using the disk valve 1 of the present invention, even if it was slid more than 250,000 times, there was no noise or torque increase, and smooth sliding characteristics could be obtained over a long period of time. Then, an abnormal noise occurred at the 120,000th time.
1 … ディスクバルブ
2 … 操作ハンドル
3 … 弁ユニット
4 … ケース
5 … 弁座
6 … 押さえ板
10 … レバー
11 … 台座
11a … ピン
12 … アダプタ
12a … ピン
20 … 固定弁体
30 … 可動弁体
21、31 … 摺接面
22、32 … 流体通路
23 … 中間層
24 … ダイヤモンド状硬質炭素膜
25 … 基体
26 … 混合層
40 … 本体
40a … スパウト
100 … 混合栓
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
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