(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の弁体間で摺動させることで流体通路を開閉するようになしたフォーセットバルブであって、上記弁体を、ＴｉＯ2 、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＦｅＡｌ2 Ｏ4 から選ばれた少なくとも１種類以上からなる平均径０．２μｍ以下の結晶粒子をアルミナ結晶粒内に１体積％以上の比率で分散し、ボイドが３％以下であるアルミナ焼結体より構成したことを特徴とするフォーセットバルブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水栓、シングルレバー混合栓、サーモスタット混合栓、湯水混合栓、医療用サンプリングバルブ、薬液用バルブ等を構成する可動弁体および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】
従来の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で、各弁体に形成した流体通路の開閉をおこなっている。
【０００３】
上記フォーセットバルブには下記（１）〜（３）の特性が求められていた。
（１）各弁体間のシール性が保持され、具体的には日本水道協会規格において耐圧１７．５Ｋｇ／ｃｍ2 でも水漏れがないこと。
（２）レバー操作力が小さいこと。
（３）上記レバー操作力が長期間使用しても、変化、劣化しないこと。
【０００４】
これらの要求を満たすために、近年、セラミック製の摺動部材の表面にダイヤモンド膜やｉーカーボン膜を被覆したものが提案されている（特開平３−２２３１９０号参照）。
【０００５】
しかしながら、このように被覆したものでは成膜工程があることで製造コストが上昇し、または長期間使用することで膜が剥がれたり、磨耗するという問題点があった。
【０００６】
そこで、近年、高精度に加工でき、さらに耐摩耗性および耐食性に優れたセラミックスでもって弁体を構成することが提案されている（特開平１−１１６３８６号、特開平２−２５６９７３号、特開平４−３５１３７９号、特開平６−９３２７７号参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、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、摺接面をきわめて平滑な面とし、これらの摺動面をもつ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）が生じることがあった。リンキングまでに至らなくても、操作回数を重ねると、次第にレバー操作力が上昇していた。
【０００８】
そこで、このリンキングを防ぐために、さまざまな解決策が提案されている。たとえば、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剤として樹脂やオイル等を含浸させたものがある（特開昭６１−２０６８７５号、特開昭６１−２４４９８０号、特開昭６２ー４９４９号、特開昭６２−３７５１７号、特公平５−５０４７５号参照）。
【０００９】
上記三次元網目構造の多孔質セラミックスに液体潤滑剤を含浸させた摺動部材では、その液体潤滑剤としてエンジン油、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。
【００１０】
しかしながら、この摺動部材を水栓、湯水混合栓等に適用すると、これら潤滑剤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強度の低い多孔質セラミックスを使用することで、ハンドリングの難しさが発生し、さらに長期間使用すると液体潤滑剤が流出し、摺動特性が劣化するという不都合もあった。
【００１１】
したがって本発明の目的は長期間使用しても高い摺動特性を維持し、さらに人体に対して無害であり、しかも、容易に製造できたフォーセットバルブを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のフォーセットバルブは、流体通路の端が双方の摺接面に至るようになした一対の弁体を摺接させ、双方の弁体間で摺動させることで流体通路を開閉するようになした構造であって、上記双方の摺動面の少なくとも一方を、具体的には少なくとも一方の弁体を、アルミナ結晶粒内にＴｉＯ2 、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＦｅＡｌ2 Ｏ4 から選ばれた少なくとも１種類以上からなる平均径０．２μｍ以下の結晶粒子を１体積％以上の比率で分散し、ボイドが３％以下であるアルミナ焼結体で構成したことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図１および図２に示すような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１でもって説明する。
【００１４】
図１はフォーセットバルブ１を開いた状態であって、図２ではフォーセットバルブ１を閉じた状態を示す。
【００１５】
２は固定された固定弁体、３は可動弁体であり、それぞれの摺接面４、５でもって接している。固定弁体２内に流体通路６が形成され、流体通路６の端が摺接面４に至り、可動弁体３内の流体通路７の端も摺接面５に至り、双方の流体通路６、７が導通している。また、可動弁体３にはレバー８が固定され、このレバー８でもって可動弁体３を動かす。
【００１６】
そして、図１に示すように矢印方向から水等の供給流体が可動弁体３内の流体通路７に入り、固定弁体２内の流体通路６に流れることで、フォーセットバルブ１を開いた状態となし、他方、図２に示すようにレバー８で可動弁体３を動かすことで双方の流体通路６、７間が閉ざされる。さらに流体通路６、７の間隙を調整することで、供給流体の流量調整ができる。
【００１７】
本発明のフォーセットバルブ１においては、摺接面４および／または摺接面５を、具体的には固定弁体２および／または可動弁体３を上述のようなアルミナ焼結体で構成する。
【００１８】
すなわち、アルミナを主結晶相とする焼結体の表面部結晶粒内に、高温安定性に優れる微細な金属酸化物結晶を分散させたアルミナ質摺動部材とすることで、摺動性とシール性の両者を向上させることができた。
【００１９】
上記金属酸化物結晶はＴｉＯ2 、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＦｅＡｌ2 Ｏ4 から選ばれた少なくとも１種類以上からなり、熱的、化学的安定性に優れるため、摺動部材にとって好適な強化相となっている。
【００２０】
その結晶粒子の平均径は０．２μｍ以下に、好適には０．１μｍ以下にするとアルミナ母相との結晶的整合性がさらに向上し、より高い摺動性とシール性が得られるという点でよい。
【００２１】
さらに結晶粒子を１体積％以上、好適には３体積％以上の比率で分散すると金属酸化物結晶は焼結体の表面部結晶粒内に多く存在することになり、同様により高い摺動性とシール性が得られるという点でよい。
【００２２】
また、表面から観察されるボイドを３％以下に、好適には２％以下にすると摺動中の摩耗速度が顕著に低下するという点でよい。
【００２３】
このような特性の摺接面４および／または摺接面５については、その特性を少なくとも表面から５μｍ以上、好適には１０μｍ以上の深さ範囲まで存在させると、摺動性が長期間にわたって維持されるという点でよい。
【００２４】
本発明のフォーセットバルブのアルミナ質摺動部材である固定弁体２や可動弁体３を作製するには、まず１３００℃以上の温度範囲で加熱する過程でＴｉ、Ｍｇ、Ｆｅから選ばれた１種類以上の元素をアルミナ中に溶解させ、低いボイド率が達成され、そして、上記溶解度が低い条件下で１１００℃〜１５００℃の温度範囲で熱処理してアルミナの結晶粒内に金属酸化物を析出分散させる。処理温度が低いと析出相の量が少なくなり、充分な強化効果が達成できない。処理温度が高いと析出粒子が大きく成長し、母相との整合性が失い、強化効果を低下される。
【００２５】
通常の混合粉末を成形し、その後に焼成する方法においては、得られた分散相が粒界に大きなサイズで分散する傾向にあり、そのために良好な摺動特性が得られなかった。これに対し、本発明のように添加物を一旦アルミナ中に均一に溶解し、ついでその溶解度が低い条件で析出させる方法により、分散相がアルミナの結晶粒内に微細に析出させている。
【００２６】
具体的には、まず平均粒径が０．１〜１．０μｍのアルミナ粉末にＴｉ含有化合物、Ｍｇ含有化合物あるいはＦｅ含有化合物を添加し、混合する。化合物としては、酸化物粉末、金属粉末、有機塩類、無機塩類およびその溶液のいずれでもよい。添加量は、強化効果および当該化合物のアルミナ中の溶解度から、ＴｉＯ2 、ＭｇＯ、Ｆｅ2 Ｏ3 換算による総量で０．３〜４．０モル％が好適である。
【００２７】
ついで上記混合物を、所望の成形手段、たとえば金型プレス、冷間静水圧プレス、鋳込成形、射出成形、押出し成形等により任意の形状に成形する。
【００２８】
しかる後にこの成形体を公知の加熱法、たとえばホットプレス法、常圧焼成法、ガス加圧焼成法、マイクロ波加熱焼成法、さらにこれらの焼成後に熱間静水圧処理（ＨＩＰ）、およびガラスシール後ＨＩＰ処理する等、種々の焼結手法によって焼結する。
【００２９】
その後に金属酸化物の析出処理をおこなう。以下、ＴｉＯ2 、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＦｅＡｌ2 Ｏ4 の個々の析出過程について詳述する。
【００３０】
まずＴｉＯ2 の析出について述べると、Ｔｉは還元性雰囲気で加熱すると、Ｔｉのイオン価数が３＋となりアルミナ結晶に対する溶解度が高くなり、固溶体を形成する。そして、この固溶体を酸化性雰囲気で処理することによりＴｉのイオン価数が４＋に戻り、アルミナ結晶への溶解度が低下する結果、ＴｉはＴｉＯ2 として析出される。
【００３１】
ＭｇＡｌ2 Ｏ4 の析出過程については、ＴｉとＭｇを同時にアルミナに配合すると、酸化性雰囲気において同モル比でアルミナ結晶中に共に固溶できる。そして、この固溶体を還元性雰囲気で処理することによりＴｉのイオン価数が３＋となり、単独で優先にアルミナ中に溶解する。Ｍｇは単独でアルミナに溶解できないため、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 の形で析出される。
【００３２】
さらに、ＦｅＡｌ2 Ｏ4 の析出過程については、Ｆｅ含有化合物をアルミナに添加する場合には、酸化性雰囲気中で処理すると、Ｆｅはイオン価数が３＋となり、アルミナ結晶中に固溶できる。そして、この固溶体を還元性雰囲気で処理することによりＦｅのイオン価数が２＋となり、アルミナ結晶中での溶解度が低下し、ＦｅＡｌ2 Ｏ4 の形で析出される。
【００３３】
かくして本発明のフォーセットバルブ１によれば、摺接面４および／または摺接面５を、上述のとおりアルミナ結晶粒内にＴｉＯ2 、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＦｅＡｌ2 Ｏ4 から選ばれた少なくとも１種類以上からなる平均径０．２μｍ以下の結晶粒子を１体積％以上の比率で分散したアルミナ焼結体で構成して、３％以下のボイドにしたことで、長期間使用しても高い摺動特性を維持し、さらに人体に対して無害となった。
【００３４】
【実施例】
つぎに本発明の実施例を詳述する。本例においては上記フォーセットバルブ１を下記のとおり作製する。
【００３５】
固定弁体２は、平均粒径が０．１〜１．０μｍのアルミナ粉末を出発原料とし、これにＴｉ含有化合物、Ｍｇ含有化合物およびＦｅ含有化合物を添加し、さらにバインダーを加え、２４時間撹拌後、スプレードライし、アルミナ造粒体を得た。上記化合物の添加量は、ＴｉＯ2 、ＭｇＯ、Ｆｅ2 Ｏ3 換算で表１に示すとおりにして、試料Ｎｏ．１〜１８とした。
【００３６】
【表１】
0003677392.tif 000002
【００３７】
これら各造粒体を金型プレスによって円盤形状に成形した後、大気（Ａｉｒ）または水素（Ｈ2 ）雰囲気中で約１５００℃の焼成温度にて焼成し、表１に示す条件により析出処理を実施した。析出処理後、摺接面４となる面を研削加工と研磨加工を施して表面粗さＲａを０．３μｍ以下となし、直径５ｍｍの流体通路６を有し、外径３２ｍｍ、厚み５ｍｍ、平坦度１μｍ以下の固定弁体２を得た。
【００３８】
かくして得られた各試料の固定弁体２に対し、析出相の種類と体積分率と平均粒径、ならびにボイド率を測定したところ、表１に示すとおりの結果が得られた。なお、析出相の種類はＸ線回折測定により、その体積、平均粒径およびボイド率は走査型電子顕微鏡写真に対する画像解析より算出した。
【００３９】
一方の可動弁体３は炭化珪素質セラミックスで構成し、直径５ｍｍの流体通路７を有し、外径２５ｍｍ、厚み７ｍｍ、摺接面５の平坦度１μｍ以下とした。
【００４０】
そして、図１に示すように可動弁体３および各固定弁体２を互いの摺接面４、５が摺動するようにケーシングによって軸力３０Ｋｇｆで押さえつけながら混合栓にセットし、８０℃の温水を１Ｋｇ／ｃｍ2 の圧力で注入し、レバー８を操作することにより出湯量の制御できるフォーセットバルブを製作した。
【００４１】
そして、各試料のフォーセットバルブに対し、操作力を測定したところ、表１に示す結果が得られた。この操作力の測定位置９はレバーの支点１０より直線距離で８３ｍｍ離れた位置として、測定位置９にプッシュブルゲージを押し当てることにより測定した。そして、この試験による評価基準は、可動弁体３を３０万回摺動させた時の操作レバーの操作力が０．８Ｋｇ・ｃｍ以下のものを摺動性が良好であると判断した。
【００４２】
かくして本発明のフォーセットバルブである試料Ｎｏ．８〜１８においては、３０万回まで良好な操作力を示し、著しい摩耗も観察されなかった。
【００４３】
しかるに試料Ｎｏ．１では分散用の金属酸化物結晶を添加しないで、試料Ｎｏ．２では析出処理をおこなわないで、試料Ｎｏ．３では焼成温度が低いことで、試料Ｎｏ．４では析出温度が低いことで、試料Ｎｏ．５では析出温度が高いことで、さらに試料Ｎｏ．６ではいずれの析出相も生じないということで、試料Ｎｏ．７ではジルコニアを添加したことで、いずれのフォーセットバルブも操作力が劣っていた。
【００４４】
以上のとおり、この実施例においては、ディスクバルブを構成する固定弁体２を本発明のアルミナ焼結体で構成したが、他方の可動弁体３側を本発明のアルミナ焼結体で構成してもよく、さらには可動弁体３と固定弁体２の双方を本発明のアルミナ焼結体で構成することでさらに好適となる。
【００４５】
また、上記実施例では摺動相手材としては、炭化珪素質セラミックスを使用したが、その他のセラミックス、金属材、樹脂材または非晶質硬質炭素膜をコーティングした部材等を用いてもよい。
【００４６】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更や改良等は何ら差し支えない。たとえば、本実施形態では摺接面４、５が平面状であるが、これに代えて摺動面が円筒状や球面状でもよい。さらに本発明のフォーセットバルブはボールバルブなどの他の弁部材、メカニカルシール、軸受、スライダーなどさまざまな用途に用いることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のフォーセットバルブによれば、一対の弁体間で摺動させることで流体通路を開閉するようになした構造であって、この弁体を、ＴｉＯ2 、ＭｇＡｌ2 Ｏ4 、ＦｅＡｌ2 Ｏ4 から選ばれた少なくとも１種類以上からなる平均径０．２μｍ以下の結晶粒子を１体積％以上の比率でアルミナ結晶粒内に分散し、ボイドが３％以下のアルミナ焼結体で構成したことで、長期間使用しても安定した高い摺動特性を維持した高信頼性のフォーセットバルブが提供できた。
【００４８】
また、本発明のフォーセットバルブにおいては、従来のような潤滑剤を使用しないことで、人体に対し無害となり、しかも、生産コストが低減できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォーセットバルブの流体通路を開いた状態を示す斜視図である。
【図２】フォーセットバルブの流体通路を閉じた状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１      フォーセットバルブ
２      固定弁体
３      可動弁体
４、５  摺接面
６、７  流体通路
８      レバー
【図１】
0003677392.tif 000003
【図２】
0003677392.tif 000004