(57)【要約】【課題】固定弁体と可動弁体との摺動特性が良好であり、長期間使用しても摩耗等が少なく耐久性が充分であり、かつ安価な弁装置を提供する。【解決手段】弁孔を有する一対の弁体である可動弁体４と固定弁体５の摺接面を摺動させて弁孔を開閉する弁装置において、少なくとも上記摺接面の一方にセラミックス被膜１０を有し、セラミックス被膜１０は、窒化ケイ素または炭化ケイ素の微粒子をエアロゾル原料として使用したエアロゾルデポジション法により形成される被膜である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁孔を有する一対の弁体の摺接面を摺動させて前記弁孔を開閉する弁装置において、少なくとも前記摺接面の一方にセラミックス被膜を有し、
前記セラミックス被膜は、エアロゾルデポジション法により形成される被膜であることを特徴とする弁装置。
【請求項２】
前記セラミックス被膜は、窒化ケイ素の微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする請求項１記載の弁装置。
【請求項３】
前記セラミックス被膜は、炭化ケイ素の微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする請求項１記載の弁装置。
【請求項４】
前記セラミックス被膜は、エアロゾル噴射ノズルを固定し、前記弁体を、対象物回転用モータを用いて円周方向に回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向と垂直方向に移動させて形成することを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湯水混合水栓やシャワーとカランを切り換える切換弁等に用いられる弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一対のディスク状の弁体を相対的に摺動させることにより、弁体および摺接面に設けられた流水路を変位あるいは遮断させ、流体の流量調整を行なう弁装置がある。そのような弁装置には、例えば、水道用水栓、湯と水とを任意の比率で混合して使用に適した温度調整が行なえるシングルレバー式湯水混合水栓、洗面所や風呂場でシャワーとカランとを切り換えるサーモスタット付水栓の切換弁、便器用の温水洗浄器の流路切換弁等が知られている。
このような弁装置の一つであるシングルレバー式湯水混合水栓を以下に説明する。シングルレバー式湯水混合水栓は、本体内に収納した固定弁体と可動弁体とを、可動弁体に連結された操作レバーの操作によって相互に摺接した状態で相対移動させることにより流路の開閉を行ない、本体内の湯水混合室内で湯と水とを任意の比率で混合するように構成されている。
このような湯水混合水栓は、固定弁体と可動弁体とが常に摺接した状態であっても、操作レバーによる操作を軽く行なうことができ、この軽さを長期間保つことができ、二つの弁体間の密着性が変化せず、長期の使用によっても湯水の漏れがないものが要求されている。
【０００３】
従来、上記の要求に対応すべく開発された弁装置として、弁体摺接面の少なくとも一方が、ＡおよびＢを金属元素として、一般式ＡＢ2Ｏ4で表されるスピネル型構造の複合酸化物粒子を含むセラミックス体で形成されてなるもの（特許文献１参照）、および、弁体摺接面の少なくとも一方が、酸化亜鉛と酸化アルミニウムとの複合酸化物である、化学式 ＺｎＯ・ｎＡｌ2Ｏ3で表される亜鉛化合物を含むセラミックス体で形成されてなるもの（特許文献２参照）等が開示されている。
しかしながら、上記各特許文献の場合には、アルミナ製等の弁体を高温下（1500℃）で焼成し、焼成後の表面をラッピング仕上げする等の工程が必要であり、高コストかつ煩雑な製造工程であった。近年における製品の高級感の追求等から、弁装置には、さらなる耐久性および摺動特性の向上、低コスト化が求められている。
【特許文献１】特開２０００−１６１５０７号公報
【特許文献２】特開２０００−１６１５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような問題に対処するためになされたもので、固定弁体と可動弁体との摺動特性が良好であり、長期間使用しても摩耗等が少なく耐久性が充分であり、かつ安価な弁装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の弁装置は、弁孔を有する一対の弁体の摺接面を摺動させて上記弁孔を開閉する弁装置において、少なくとも上記摺接面の一方にセラミックス被膜を有し、上記セラミックス被膜は、エアロゾルデポジション法（以下、ＡＤ法と記す）により形成される被膜であることを特徴とする。
【０００６】
上記セラミックス被膜は、窒化ケイ素または炭化ケイ素の微粒子をエアロゾル原料として使用した被膜であることを特徴とする。
【０００７】
上記セラミックス被膜は、エアロゾル噴射ノズルを固定し、上記弁体を、対象物回転用モータを用いて円周方向に回転させつつ、位置決め用ＸＹテーブルを用いて軸方向と垂直方向に移動させて形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の弁装置は、少なくとも弁体摺接面の一方にＡＤ法によりセラミックス被膜を形成するので、該摺接面に緻密で強固なセラミックス被膜が得られ、長期間使用しても摩耗等が少なく耐久性に優れる。
また、特に窒化ケイ素または炭化ケイ素の微粒子を原料としてＡＤ法によりセラミックス被膜を形成するので、摺接面において生成される酸化ケイ素が、塑性変形により応力集中を緩和して摩耗を減少させるとともに、水と反応することで、より柔らか水酸化物もしくは水和物になりこれが潤滑材として作用して摩擦が低減される。
【０００９】
真空チャンバー内等で、位置決め用ＸＹテーブル上に弁体を円周方向に回転させる対象物回転用モータを設置し、エアロゾル噴射ノズルを固定し、弁体を回転させながらかつ軸方向と垂直方向に移動させるので、セラミックス被膜を円盤状の弁体摺接面に均一に形成できる。回転させてエアロゾルによる被膜を塗り重ねることで、数μm〜数十μmの緻密なセラミックス被膜を密着性良好に形成できる。また、ラッピング仕上げ等は不要であり、従来の製造方法と比較して弁装置の製造コストが大幅に安くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の弁装置の一実施例として、シングルレバー式湯水混合水栓の一例を図１に示す。図１は、一対の弁体（可動弁体および固定弁体）を含め主に７部品構成からなる３穴式シングルレバー式湯水混合水栓のカートリッジ構造を側面からみた断面図を示す。なお、セラミックス被膜は非常に薄い、数μm〜数十μmの被膜であるが、図１においては説明便宜上、実際よりも厚く図示している。
レバーハンドル８がレバー２に直結されており、レバーハンドル８の動きを略円筒形状のハウジング３内に設けられた可動弁体４に伝える。水および湯は固定弁体５の各孔を通るようになっている。すなわち、流入孔６から入り可動弁体４の混合室において水および湯が混合され矢印Ａの経路を経て吐出孔７より蛇口（図示省略）を経て吐出する。なお、９は可動弁体押さえ材であり、可動弁体４とレバーホルダー１との間に介在してレバー２の動きを可動弁体４に伝える。
【００１１】
ハウジング３内には、レバーハンドル８の直線運動（吐出水量調整）および回転運動（吐出水温調整）を支えるレバーホルダー１が設けられている。このレバーホルダー１はレバーハンドル８の直線運動時には可動弁体４の前進後退運動を、レバーハンドル８の回転運動時にはレバー２と共回りして可動弁体４の回転運動に対応する。可動弁体４および固定弁体５はハウジング３の形状に合わせ、円盤形状であり、上記の可動弁体４の前進後退運動または回転運動時に、可動弁体４と固定弁体５とが摺接する。なお、各弁体の材質は、セラミックス製、樹脂製等の任意の材質を採用できる。
本発明の弁装置では、可動弁体４と固定弁体５との摺接面、すなわち、可動弁体４の下面か、固定弁体５の上面の摺接部の少なくとも一方にＡＤ法によりセラミックス被膜１０を形成すればよい。図１に示す場合では、可動弁体４と固定弁体５のそれぞれの摺接面にセラミックス被膜１０が形成されている。
【００１２】
本発明においてＡＤ法は、原料セラミックスの微粒子をガス中に分散させたエアロゾルを弁体に向けてエアロゾル噴射ノズルより噴射し、エアロゾルをこの弁体表面に高速で衝突させ、微粒子の構成材料からなる被膜を弁体上に形成させる方法である。セラミックス微粒子は、衝突により粉砕し、清浄な新生表面を形成し、低温接合を生じさせるので、室温で微粒子同士の接合を実現できる。
エアロゾル中ではセラミックスの微粒子は分散状態を維持している。ＡＤ法により得られる被膜は、上記のようにエアロゾルに分散した微粒子から被膜を形成するので、得られる被膜は極めて緻密なセラミックス層となる。このため、弁体の摺接面にＡＤ法によるセラミックス被膜が形成された弁装置は、該摺接面における摩耗等が少なく耐久性に優れる。
【００１３】
本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜を形成するための、エアロゾル原料となるセラミックス微粒子としては、耐摩耗性、耐食性等に優れ、ＡＤ法で使用可能なものであれば、任意のセラミックス微粒子を使用できる。例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア等の酸化物、窒化ケイ素、炭化ケイ素等の微粒子が挙げられる。特に、本発明の弁装置におけるセラミックス被膜は、水と接触する摺動部位に形成されるため、上記の中でも、水中での摩擦摩耗特性に優れる窒化ケイ素または炭化ケイ素の微粒子を用いることが好ましい。
窒化ケイ素や炭化ケイ素は、水中での摩擦摩耗機構について、摩擦面でのトライボケミカル反応により酸化ケイ素が生成することが知られている。この酸化ケイ素は、弁体の母材と比べて柔らかく、接触面において母材同士の固体接触を防ぎ、その塑性変形により応力集中が緩和され破壊的な摩耗を減少させることができる。さらに、水と反応することで、より柔らかい水酸化物もしくは水和物になり、これが潤滑材として作用して摩擦低減効果を付与できる。
【００１４】
本発明に用いることができるセラミックス微粒子の平均粒子径は、0.01μm〜2μm である。0.01μm 未満では凝集しやすくエアロゾル化は困難であり、2μm をこえるとＡＤ法での膜形成はできない（膜成長しない）。また、被膜形成を良好に行なうため、弁体への衝突時に、これらの微粒子が容易に粉砕するように、ボールミル、ジェットミル等の粉砕機を用いてクラックを予め形成しておくことが好ましい。
【００１５】
本発明においてＡＤ法によるセラミックス被膜の形成方法としては、弁体を固定してエアロゾル噴射ノズルを移動させて被膜を形成する方法、または、エアロゾル噴射ノズルを固定して弁体を移動させて被膜を形成する方法のいずれも採用できる。
これらの方法の中で、エアロゾルを安定な状態で吹きつけることができ、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用し、円盤状の弁体を円周方向に回転させつつ軸方向と垂直方向（水平方向）に移動させることで、セラミックス被膜を容易に塗り重ねて形成できることから、後者の方法を用いることが好ましい。
【００１６】
本発明におけるＡＤ法を図２に基づいて説明する。図２はＡＤ法により固定弁体の摺接面にセラミックス被膜を形成する場合の、セラミックス被膜形成装置を示す図である。
図２に示すように、ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置１１は真空チャンバー１２を有する。真空チャンバー１２内には、セラミックス被膜形成対象である固定弁体５と、エアロゾル噴射ノズル１９とが配設されている。エアロゾル噴射ノズル１９にはエアロゾル発生装置１８からエアロゾルが供給される。真空チャンバー１２の内部は真空ポンプ１３によって減圧される。セラミックス微粒子の混入を防止するため、真空ポンプ１３の直前に微粒子フィルター２０が設けられている。固定弁体５は、真空チャンバー１２内において、対象物回転用モータ１６により円周方向に回転させられ（図中Ａ）、位置決め用ＸＹテーブル１５により軸方向と垂直方向（水平方向）に平行移動させられる（図中Ｂ）。
【００１７】
エアロゾル噴射ノズル１９は、セラミックス微粒子を、長方形等の開口部を有するノズル先端から、固定弁体５の摺接面に噴射するものである。なお、エアロゾル噴射ノズル１９は、１本であっても複数本であってもよい。また、エアロゾル噴射ノズル１９は、真空チャンバー１２内で変位可能に構成してもよい。
エアロゾルの搬送ガスとしては、不活性ガスを使用し、ガス供給設備１７からエアロゾル発生装置１８に供給されている。使用可能な不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、ヘリウム等が挙げられる。
固定したエアロゾル噴射ノズル１９から、対象物回転用モータ１６により所定回転数で回転している固定弁体５に、セラミックス微粒子を原料とするエアロゾルが噴射され、摺接面である弁体表面にセラミックス被膜が塗り重ねられて形成される。同時に、位置決め用ＸＹテーブル１５により固定弁体５を平行移動させることで、摺接面に均一に被膜が形成される。
以上の形成方法は、可動弁体４の摺接面にセラミックス被膜する場合も同様である。
【００１８】
被膜形成は、被膜の厚さが 5μm 程度となるまで行なうことが好ましい。5μm 未満であると十分な摺動特性および耐久性の向上が図れない。なお、可動弁体４、固定弁体５には、吐出用、流入用等の孔となる部分があり、該部分は摺接面とはならないが、上記被膜形成時に同時に被膜が形成されても弁装置の機能に影響を与えない。
【実施例】
【００１９】
実施例１〜実施例３
図１に示す、シングルレバー式湯水混合水栓のカートリッジを組み立てた。ここで、アルミナ製の可動弁体４および固定弁体５の摺接面に、表１に示すセラミックス微粒子をエアロゾル原料としてＡＤ法によりセラミックス被膜を形成した。ＡＤ法は、位置決め用ＸＹテーブルおよび対象物回転用モータを併用した駆動装置を用いて回転・移動する各弁体の摺接面に、100 Pa以下の減圧下で、開口サイズ 5 mm× 0.3 mm のノズルを通してアルミナ微粒子のエアロゾルを噴射して被膜形成を行なった。被膜形成は、被膜厚さが 5μm となるまで行なった。なお、搬送ガスにはヘリウムを用い、粒子速度は搬送ガス流量で制御した。
【００２０】
得られたカートリッジを用いてシングルレバー式湯水混合水栓（弁装置）を組み立て、該弁装置の評価を耐久試験前後の止水性および操作性を測定することにより行なった。
（１）止水性
止水性の測定は、レバーを中央下部（止水状態）にし、ポンプによって水圧を17.5kgf/cm2かけて 60 秒間保持し、6O秒後の水圧を測定し、その水圧差を漏水による圧力降下量（単位：kgf/cm2）とした。圧力降下量が 1kgf/cm2以下であれば、実使用に問題はなく、0.5kgf/cm2以下であれば非常に優れる。
（２）操作性
操作性の測定は、ハンドルトルクにより行なった。すなわち、レバーの上下（吐水、止水、流量調節）、左右（湯温の調節）のトルクを、トルク測定器（シンボ工業社製：ＤＦＧ−２Ｋ）を用いて測定した。このときのトルク測定値（操作力）が 400〜12OOgfであれば良好であるといえる。トルクが 40Ogfより小さい場合は使用中にハンドルが自重で下がる不具合のおそれがあり、トルクが 1200gf を越えると円滑な操作性が得られないからである。なお、より好ましい範囲は 40O〜 1000gf である。
【００２１】
上記止水性および操作性の測定を、以下の耐久試験前後に行なった。図３は耐久試験方法を示す図である。
耐久試験機にレバー８を連結して、図３に示すようにレバー８を右端下部Ｒｄ（止水）から右端上部Ｒｕ（冷水）→左端上部Ｌｕ（熱湯90℃）→左端下部Ｌｄ（止水）→左端上部Ｌｕ（熱湯90℃）→中央上部Ｃｕ（温水45℃）→中央下部Ｃｄ（止水）→中央上部Ｃｕ（温水45℃）→右端上部Ｒｕ（冷水）→右端下部Ｒｄ（止水）を 1サイクル（所要時間約25秒）として行ない、20万サイクル後の操作性を測定した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１に示すように、弁体の摺接面にＡＤ被膜を形成した各実施例はすべて止水性と操作性に優れることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の弁装置は、弁体の摺接面にセラミックス被膜をＡＤ法により形成したので、固定弁体と可動弁体との摺動特性が良好であり長期間使用しても摩耗等が少なく耐久性が充分であり、かつ安価である。このため、シングルレバー式湯水混合水栓、洗面所や風呂場でシャワーとカランとを切り換えるサーモスタット付水栓の切換弁、便器用の温水洗浄器の流路切換弁等として好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の弁装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】ＡＤ法によるセラミックス被膜形成装置を示す図である。
【図３】耐久試験方法を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    レバーホルダー
２    レバー
３    ハウジング
４    可動弁体
５    固定弁体
６    流入孔
７    吐出孔
８    レバーハンドル
９    可動弁体押さえ材
１０  セラミックス被膜
１１  セラミックス被膜形成装置
１２  真空チャンバー
１３  真空ポンプ
１５  位置決め用ＸＹテーブル
１６  対象物回転用モータ
１７  ガス供給設備
１８  エアロゾル発生装置
１９  エアロゾル噴射ノズル
２０  微粒子フィルター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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