摺動部材および弁装置
【課題】水を扱う弁装置等でシール材に対して摺動部材が摺動する際に、シール材との摺動抵抗を低減することにより、シール材の摩耗を防止して耐久性を向上する。
【解決手段】弁装置で接続された弁体を作動させるためのシャフト４０の表面には、親水膜４４が形成されている。親水膜４４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）のセラミックスである。また、シャフト４０は、シール材としてのＯリング７０に対して摺動するようになっている。シャフト４０には、その外周面に形成された親水膜４４により、当該外周面に水が拡がって濡れた状態となっており、この水が潤滑剤として作用してシール材との摺動抵抗を低減し、これによりＯリングの摩耗を抑制することができる。これによって、弁装置の耐久性を向上することができる。
【解決手段】弁装置で接続された弁体を作動させるためのシャフト４０の表面には、親水膜４４が形成されている。親水膜４４は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）のセラミックスである。また、シャフト４０は、シール材としてのＯリング７０に対して摺動するようになっている。シャフト４０には、その外周面に形成された親水膜４４により、当該外周面に水が拡がって濡れた状態となっており、この水が潤滑剤として作用してシール材との摺動抵抗を低減し、これによりＯリングの摩耗を抑制することができる。これによって、弁装置の耐久性を向上することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁装置やポンプ等で用いられる摺動部材や当該摺動部材を用いた弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水流を制御する弁装置においては、たとえば、弁体に連結するシャフトをその軸方向に移動することにより、当該弁体を弁座に対して接離して、開閉することにより、水を流したり止めたりする止水弁が知られている。さらに、弁座に対する弁体の開度を調整することで水流量を制御する水流制御弁も知られている。
ここで、シャフトの弁体の反対となる駆動側に水が浸入しないように、たとえば、シャフトの周囲にＯリング等のシール材を固定的に配置し、シール材にシャフトを摺動自在に接触させてシール（止水）し、シャフトの弁体の反対側となる駆動側に水が浸入しないようにしている（たとえば、特許文献１参照）。
ここで、Ｏリングは、特にシャフトが軸線方向に摺動する状態で、その接触界面を確実にシールする必要があるため、大きな摺動抵抗が生じる。そこで、Ｏリングの表面にグリース等の潤滑剤を塗布して、摺動抵抗を低減していた。
また、摺動抵抗を低減する方法としては、Ｏリングであるゴムの表面に低摩擦層を形成して摺動抵抗を低減する技術も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４２７４号公報
【特許文献２】特開２００７−２４１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、摺動抵抗を低減する潤滑剤等として、各種グリースが使用されているが、上水（水道水等）に使用する場合に人への安全性の観点から、食品衛生法の基準を満たした高価なフッ素系グリース、シリコーン系グリースが使用されており、コスト増加の要因となっていた。
また、グリースの場合、温水の流量を制御する場合のように高温で長時間使用すると特性の変化が起こる。たとえば、粘性変化として、グリースが高粘度側に変化する場合があり、また、固化するような場合もある。この場合に、グリースを使用しても摺動抵抗が高くなってしまい、Ｏリングの摩耗を誘発してしまう。
【０００５】
また、上述の特許文献２では、低摩擦層が摩耗しても摩擦抵抗を軽減できる構成が提案されているが、必ずしも十分なものではなかった。すなわち、Ｏリングの表面に低摩擦層を形成しても、比較的短い期間で摩耗したり削り取られた状態となって、長期的に摺動抵抗を低くすることができなかった。基本的にＯリングは、たとえば、各種ゴム等の柔軟な部材で形成されており、摺動部材に摺動される際に弾性変形するので、その表面に形成される摩擦層として、硬質な部材を用いることができず、Ｏリングと同様に柔軟な部材を摩擦層として使用する必要があるので、摩擦層の摩耗の防止は困難であり、摩擦層が早期に摩耗し、その後Ｏリングも摩耗することになる。
【０００６】
いずれにしろ、Ｏリングが摩耗することによりシール性能が低下することが水漏れを起こす原因になっていた。
そして、上述のような弁装置では、Ｏリングの摩耗による水漏れが起きた際が製品寿命となってしまうので、前述以外の方法で製品寿命の長期化を図れる方法が求められていた。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、Ｏリングに対して摺動した際にＯリングの摩耗を低減することが可能な摺動部材および当該摺動部材を用いた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】
【０００８】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の摺動部材は、少なくとも一部が水に接触する環境下で、シール材に対して摺動する摺動部材であって、
前記摺動部材のシール材に対して摺動する面に、親水性の皮膜が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の本発明においては、摺動部材の表面に親水性の皮膜が形成されているとともに、摺動部材の少なくとも一部に水が接触する状態となっているので、摺動部材の一部に接触した水は、摺動部材の表面に形成された親水性の皮膜により、摺動部材の表面に広がり、シール材に達する。また、シール材の部分、特に、シール材の表面と摺動部材の表面とが近接した部分に水が浸入して保持された状態となりやすい。
したがって、摺動部材の表面およびシール材が使用時は常時濡れた状態となり、この摺動部材およびシール材の表面に、濡れた状態となるように付着した水が潤滑剤として機能し、摺動抵抗を低減してシール材の摩耗を抑制することができる。これにより、主にシール材の耐久性の向上と長寿命化を図ることができる。また、摺動部材の表面に形成された親水性の皮膜は、シール材と摺動しても摩耗しにくい硬質なものを使用することが可能である。すなわち、摺動部材は、Ｏリングのように柔軟性を有し、弾性変形し易い材質のものを親水性皮膜とする必要はなく、摩耗しにくい材質の親水性皮膜を用いることができる。また、親水性皮膜の摩耗も水の潤滑作用により低減される。
【００１０】
したがって、親水性皮膜が比較的短期間で摩耗するようなことはなく、長期的に水の潤滑作用が維持され、シール材の摩耗を大幅に遅らせることが可能となる。また、使用時に摺動部材が接触する水が潤滑剤として機能するので、特に外部から潤滑剤を供給しなくても、使用していれば常に潤滑剤としての水が供給されることになる。以上のことから、本発明によれば、長期にわたって摺動抵抗の変化が小さく、特性が安定する。たとえば、グリースを用いた場合にグリースの劣化、グリース成分の固着等により摺動抵抗が大きく増加してしまう場合があるが、本発明では比較的長期に渡って摺動抵抗の値が安定して低い状態となる。
さらに水が潤滑剤として機能するので、高価なグリースを用いる必要がない。また、表面に低摩擦層を形成した高価なシール材を用いる必要がない。したがって、コストの低減を図ることができる。
【００１１】
以上のように、本発明によれば、使用環境に存在する水を利用することで、摺動抵抗を低減することができるため、グリース切れやグリースの物性変化による機能低下が理論上発生せず摺動部材の耐久性の向上を図ることができる。特にシール材の摩耗を防止して耐久性を向上するのに、シール材の表面に加工を施したり、シール材に潤滑剤を塗布したりするのではなく、シール材に対して摺動する摺動部材の表面に加工を施すとともに、当該加工が低摩擦の層を形成するのではなく、親水性の層を形成することが極めて特異なものである。
なお、本発明の摺動部材は、たとえば、水の流れを制御する弁や、水の排水や吐出のためのポンプ等で使用されるものであるが、たとえば、摺動部材が常時濡れた状態となる可能性、すなわち、水に接触した状態となる可能性がある蒸気や高湿度の気体等を取り扱う弁やポンプであってもよい。
【００１２】
請求項２に記載の摺動部材は、請求項１に記載の発明において、
前記皮膜が親水性の酸化物系セラミックスであることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明においては、皮膜が親水性の酸化物系セラミックスからなり、水滴接触角を小さなものとして濡れ性を向上させ、安定的に親水性を維持することができる。また、シール材との摺動に対して摩耗や剥離等に対する十分な耐久性を持たせることができる。
なお、酸化物系セラミックスの成分としては、半導体や金属の酸化物などであり、たとえば、ケイ素、アルミニウム、チタニウムなどの酸化物であるが、親水性には、成分だけではなく酸化物系セラミックスのミクロ的な表面構造も影響し、周知の親水性を示す酸化物系セラミックスを用いることができる。
【００１４】
請求項３に記載の摺動部材は、請求項２に記載の発明において、前記酸化物系セラミックスの成分が二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明においては、高い親水性を示すことが知られている二酸化ケイ素を成分とする酸化物系セラミックスを用いることで、摺動部材表面の水滴接触角を小さなものとして濡れ性を向上し、摺動抵抗の低下によるシール材の摩耗の低減を確実に図ることができる。
【００１６】
請求項４に記載の摺動部材は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記皮膜の厚さが１０〜５００ｎｍであることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明においては、皮膜の厚さを１０ｎｍ以上とすることで、親水性を発揮し、摺動抵抗の低減を図り、シール材の摩耗を低減することができる。但し、親水性の皮膜の耐久性を考慮した場合には、当該親水性の皮膜の膜厚を１０ｎｍよりもさらに厚くすることが好ましい。
また、親水性の皮膜の膜厚を５００ｎｍ以上としても、製造コストが高くなるだけで、さらなる耐久性の向上を見込むことが困難である。
【００１８】
請求項５に記載の弁装置は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の少なくとも一部が水に接触する環境下で、シール材に対して摺動する摺動部材が弁体を作動させることにより水流を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明においては、上述のように摺動部材のシール材に対する摺動抵抗を低減して、シール材の摩耗を抑制し、シール材の摩耗による液漏れを防止することができる。これによって、弁装置の耐久性を向上し、弁装置の製品寿命を長期化することができる。
また、シール材との間の摺動抵抗の低減によるシール材の摩耗防止のためにグリース等の潤滑剤を使用したり、表面に低摩擦層を形成したシール材を使用したりする必要がなく、コストの低減を図ることができる。また、上水用の弁装置とした場合に安全性を考慮した高価なグリースを用いる必要がなく、さらなるコストの低減を図ることができるとともに、グリースを用いないことで、上水に僅かでもグリースが混入することがなく、上水をより清浄な状態に保つことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、弁やポンプ、特に水を扱う弁やポンプで用いられる摺動部材において、シール材に対する摺動抵抗を低減し、シール材の摩耗を防止して、耐久性の向上を図ることができる。また、シール材に対する摺動抵抗の低減において、グリース等の潤滑剤や、低摩擦層を有するシール材を必要とせず、コストの低減を図ることができる。また、これら潤滑剤を用いた場合や、低摩擦層を有するシール材よりも、耐久性の向上による製品寿命の延長を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る弁装置の断面図、図２は当該弁装置の本発明に係る摺動部材となるシャフトと、シャフトが摺動するシール材であるOリングとを示す斜視図、図３は摺動部材としてのシャフトの親水性の皮膜（親水膜）とシール材であるOリングとの関係を説明する図、図４は親水膜の形成工程を示すフロー図であり、図５は親水膜によるシャフトとOリングとの間の摺動抵抗の低減を説明するための図である。
図１に示す弁装置は、水流の制御として、止水とその解除を行うとともに水流量の制御を行う水流制御弁となっている。
【００２２】
そして、弁装置は、図１ないし３に示すように、ハウジング１０、ハウジング１０内に収容されて回動自在に支持されたロータ２０、ロータ２０の周りにおいて軸線方向Ｘに積層された２つのステータ３０、ロータ２０に連結されると共に直線的に移動自在に支持されたシャフト４０、シャフト４０の先端側に設けられた弁体５０、シャフト４０を摺動自在に支持するシャフトホルダ６０、シャフトホルダ６０に装着されたＯリング７０，８０、ロータ２０を回動自在に支持する軸受９０及び支持プレート１００、ロータ２０を軸線方向Ｘの一方に向けて付勢するとともに回転自在に受けるスラスト軸受１１０等を備えている。
すなわち、この弁装置では、ロータ２０及びステータ３０等によりステップ的に回転し得るステッピングモータが形成され、このステッピングモータにより弁体５０が開閉駆動されるようになっている。
【００２３】
ハウジング１０は、図１に示すように、樹脂材料により形成されて、ロータ２０及びステータ３０を収容するモータハウジング１１、流体の通路及び弁座を形成する弁ハウジング１２等により形成されている。
【００２４】
モータハウジング１１は、支持プレート１００及びスラスト軸受１１０を保持すると共に、ステータ３０を内部に保持しかつステータ３０の内側においてロータ２０を回動自在に収容し、電気接続用のコネクタ１１ａ、弁ハウジング１２と接続される円筒状の嵌合部１１ｂ等を備えている。
弁ハウジング１２は、流体が流入する流入通路１２ａ、流体が流出する流出通路１２ｂ、弁体５０が着座して閉弁し得る弁座１２ｃ、モータハウジング１１の嵌合部１１ｂと嵌合される円筒状の嵌合部１２ｄ等を備えている。
すなわち、ハウジング１０は、ステッピングモータを収容するモータハウジング１１と弁体５０を収容すると共に弁座１２ｃを画定する弁ハウジング１２とにより形成される。
【００２５】
ロータ２０は、モータハウジング１１の内部において、スラスト軸受１１０によりスラスト方向の移動が規制されつつ、軸受９０及び支持プレート１００により軸線Ｘを中心に回動自在に支持されている。
ロータ２０は、樹脂材料により形成された円筒部２１、円筒部２１の外周に固着されたマグネット２２、円筒部２１の両端から突出して軸受９０及び支持プレート１００に摺動自在に嵌合される軸部２３、円筒部２１の内周面に形成された雌ネジ２４等により形成されている。マグネット２２は、円筒部２１の外周に一体的に成型されており、回転方向においてＮ極とＳ極とが交互に配列されて複数着磁されている。
【００２６】
２つのステータ３０は、図１に示すように、それぞれ、励磁用のコイル３１、コイル３１を巻回するボビン３２、及びボビン３２を挟持して接合されると共にロータ２０の外周面（マグネット２２）と対向する複数の爪状磁極片をもつ一対のヨーク３３により形成されている。
【００２７】
この例の摺動部材としてのシャフト４０は、断面が略円形をなすように金属材料により形成されると共に、図１および図２に示すように、その一端側（先端側）に弁体５０の結合部４１、その他端側の外周面に所定領域に亘って雌ネジ２４と螺合する雄ネジ４２が形成されている。
結合部４１は、図１および図２に示すように、一体的に成型される弁体５０（の後述する弁ホルダ５１）を確実に結合させるために形成された回り止め用のローレット４１ａ、弁ホルダ５１の端面から突出すると共に先端が拡径するように形成された嵌合突起４１ｂ等により形成されている。
【００２８】
弁体５０は、図１および図２に示すように、シャフト４０のローレット４１ａを包囲するように樹脂材料によりインサート成型された弁ホルダ５１、弁ホルダ５１に結合されて弁座１２ｃに着座し得る弁部５２により形成されている。
弁ホルダ５１は、凹部５１ａ、後述するシャフトホルダ６０の規制片６２ｃに係合して軸線方向Ｘにガイドされるべく軸線Ｘ周りに放射状に配列された複数の被規制片５１ｂ等により形成されている。また、弁ホルダ５１は、その端面（凹部５１ａの底面）からシャフト４０の嵌合突起４１ｂが突出するように成型されている。ここで、弁ホルダ５１は、表面に凹凸をもつローレット４１ａを包囲するように成型される。
【００２９】
弁部５２は、弁座１２ｃと密着し得るように弾性変形可能なゴム材料等により形成され、弁ホルダ５１の凹部５１ａに嵌合されると共にシャフト４０の嵌合突起４１ｂに嵌合されて結合されている。
【００３０】
シャフトホルダ６０は、図１および図２に示すように、軸線方向Ｘにおいてお互いに嵌合して結合されるべく軸線Ｘ上に中心をもつ雄型ホルダ６１及び雌型ホルダ６２を備えている。
雄型ホルダ６１は、シャフト４０を摺動自在に支持する貫通孔６１ａ、弁ハウジング１２に嵌合される拡径円筒部６１ｂ、貫通孔６１ａよりも大きい内径をなす縮径円筒部６１ｃ、軸受９０を嵌合させて保持する円筒状の軸受保持部６１ｄ等により形成されている。
雌型ホルダ６２は、シャフト４０を摺動自在に支持する貫通孔６２ａ、雄型ホルダ６１の縮径円筒部６１ｃを嵌入させる環状溝６２ｂ、弁ホルダ５１の被規制片５１ｂと係合してシャフト４０の回転を規制しつつ軸線方向Ｘにガイドするガイド部としての軸線Ｘ周りに放射状に配列された複数の規制片６２ｃ、弁ホルダ５１の端部が当接することにより弁体５０（及びシャフト４０）の軸線方向Ｘの移動端位置を規定するストッパ部としての端面６２ｄ等により形成されている。
【００３１】
すなわち、シャフトホルダ６０は、ハウジング１０の内側に嵌合して固定されると共にシャフト４０を摺動自在に支持し、その複数の規制片６２ｃ（ガイド部）が回転を規制しつつ軸線方向Ｘに移動自在に弁ホルダ５１すなわちシャフト４０をガイドし、又、その端面６２ｄ（ストッパ部）が弁ホルダ５１の端部を当接させて受け止めることにより弁体５０の軸線方向Ｘの移動端位置を規定する。
【００３２】
また、シャフトホルダ６０においては、雄型ホルダ６１及び雌型ホルダ６２がお互いに嵌合された状態で、雄型ホルダ６１の縮径円筒部６１ｃの内側にはＯリング７０が装着されて、シャフト４０を摺動自在に接触させてシールするようになっている。また、雄型ホルダ６１の縮径円筒部６１ｃの外側にはＯリング８０が装着されて、弁ハウジング１２の内壁とシャフトホルダ６０との間をシールするようになっている。
Ｏリング７０，８０は、ゴム材料により形成されている。
【００３３】
軸受９０は、図１に示すように、ロータ２０の一方の軸部２３を回動自在にラジアル方向において支持するものであり、シャフトホルダ６０を構成する雄型ホルダ６１の軸受保持部６１ｄに嵌合して保持されている。このように、ロータ２０とシャフト４０が、同一の部材であるシャフトホルダ６０（雄型ホルダ６１）により支持されるため、軸心のずれ等を防止でき、ロータ２０の円滑な回転運動及びシャフト４０の円滑な直線運動を得ることができる。
【００３４】
支持プレート１００は、図１に示すように、ロータ２０の他方の軸部２３を回動自在にラジアル方向において支持するものであり、耐摩耗性に優れた金属材料等により、モータハウジング１１と一緒にインサート成型されている。
スラスト軸受１１０は、図１に示すように、モータハウジング１１に収容されるコイルスプリング１１１、コイルスプリング１１１の付勢力により軸線方向Ｘに付勢される球体１１２により形成され、ロータ２０に対して軸線方向Ｘの一方向に（弁体５０側に向けて）付勢力を及ぼすものである。
【００３５】
次に、上記弁装置の動作について説明すると、コイル３１が一方向に通電されてロータ２０が一方向に回転すると、ロータ２０の雌ネジ２４とシャフト４０の雄ネジ４２との螺合関係を介して、図１に示すように、弁体５０（及びシャフト４０）が軸線方向Ｘの一方向（図中の下向き）に直線的に移動する。そして、弁部５２が弁ハウジング１２の弁座１２ｃに当接して着座すると同時に通路１２ａ，１２ｂ間を閉鎖して停止する。
この状態において、弁部５２は通路１２ａ，１２ｂ間を完全に遮断しており、水道水あるいは温水等の流体の流れを完全に止める止水作用が得られる。
【００３６】
一方、コイル３１が他方向に通電されてロータ２０が他方向に回転すると、ロータ２０の雌ネジ２４とシャフト４０の雄ネジ４２との螺合関係を介して、図２に示すように、シャフト４０の一部がさらにロータ２０の内側に入り込むように、弁体５０（及びシャフト４０）が軸線方向Ｘの他方向（図中の上向き）に直線的に移動する。
そして、弁ホルダ５１の端部（被規制片５１ｂの端部）がシャフトホルダ６０の端面６２ｄに当接すると、弁部５２が弁ハウジング１２の弁座１２ｃから最も離れた往復動方向Ｘの移動端位置に位置付けられると同時に通路１２ａ，１２ｂ間を全開して停止する。
【００３７】
また、コイル３１への通電を適宜調整して、ステッピングモータ（ロータ２０）の回転量を適宜制御することにより、弁体５０を全開〜全閉の中間の開度に調整できるため、流体の流量を制御することができる。さらに、ステッピングモータの回転により弁体５０（シャフト４０）が直線移動させられるため、弁体５０（シャフト４０）の移動ピッチすなわち弁体５０の開度を高精度に調整することができ、それ故に、流量を高精度に制御することができる。
【００３８】
ここで、シャフト４０は、Oリング７０の穴内を貫通した状態で配置され、上述の弁装置の開閉の際にシャフト４０が軸線方向Ｘに沿って移動した場合に、摺動部材としてのシャフト４０がシール材としてのＯリング７０に対して摺動することになる。
そして、この例においては、図３に示すようにシャフト４０の外周面に親水性の皮膜である親水膜４４が形成されている。
親水膜４４は、この例において、酸化物系セラミックスとして形成されており、その主成分は二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）となっている。
【００３９】
なお、親水膜４４は、二酸化ケイ素からなるセラミックスが好ましいが、他の半導体酸化物や、金属酸化物の酸化物系セラミックスを用いてもよい。また、非酸化物系セラミックスの親水膜を用いるものとしてもよい。さらに、有機系の親水膜を用いるものとしてもよい。さらに、複数種の成分が混合されたセラミックスを用いたり、異なる成分からなる複数の層を積層して形成してもよい。但し、親水膜４４は、Ｏリング等のシール材（止水材）に対して繰り返し摺動することになり、容易に摩耗したり剥離したりしない十分な耐久性を有することが好ましい。さらに、弁装置を上水に使用する場合には、親水膜が摩耗等により上水に混入しても問題がない物質を用いることが好ましい。
【００４０】
また、親水膜４４の厚みは、たとえば、１０ｎｍ〜５００ｎｍとすることが好ましいが、弁装置の耐久性を向上して製品寿命の長期化を図る上では、たとえば、１００ｎｍ以上で、さらに１５０ｎｍ以上となっていることが好ましい。
なお、必要以上に膜厚を大きくしても、さらなる耐久性を望めるとは限らず、コストが増大することから、膜厚は５００ｎｍ以下となっていることが好ましい。
【００４１】
次に、前記親水膜４４の形成方法を図５のフローを参照して説明する。
まず、弁装置に組み込まれる前のシャフト４０をたとえば洗浄液としてアセトンを用い、超音波洗浄し、主に油分を除去する脱脂洗浄処理Ｓ１を行う。次に、シャフト４０のアセトンを常温で乾燥する常温乾燥処理Ｓ２を行う。次に二酸化ケイ素の皮膜を形成するためのコート剤をシャフト４０の表面に塗布する。なお、コート剤は、たとえば、二酸化ケイ素の微粒子とバインダーとなる物質とを溶剤中に分散・溶解させたものであり、高温で焼成すると二酸化ケイ素を主成分とするセラミックスコートが形成される。
【００４２】
ここでは、シャフト４０の表面にコート剤を塗布するのに、浸漬法を用い、シャフト５０をコート剤中に浸漬するコート剤浸漬処理Ｓ３を行う。
次いで、シャフト４０をコート剤から取り出して乾燥する常温乾燥処理Ｓ４を行う。
なお、形成される親水膜４４の厚みを厚くする場合には、コート剤浸漬処理Ｓ３と常温乾燥処理Ｓ４を複数回繰り返し行う。
【００４３】
次に、焼成用の炉内にシャフト４０を入れてコート剤を焼成してセラミックスとしてシャフト４０表面をコートする焼付処理Ｓ５を行う。
焼成後、炉冷し処理を行い、シャフト４０を冷却して親水膜形成処理完了Ｓ６となる。
なお、親水膜４４の形成方法は、上述の方法に限られるものではなく、親水膜４４の組成等に対応して従来周知の方法で形成することができる。また、この例の方法においても、コート剤の塗布において、シャフト４０をコート剤に浸漬するのではなく、その他の方法でコート剤を塗布するものとしてもよい。
【００４４】
そして、親水膜４４を設けたシャフト４０においては、シャフト４０全体が常時水に漬かった状態でなくても、一部に水が接触した状態となっていれば、シャフト４０表面の水滴接触角が小さく、濡れ性に優れたものとなっていることにより水がシャフト４０の外周面（表面）に拡がり、シャフト４０の表面に薄く膜状に水が付着した状態となる。
【００４５】
次に、図５を参照して親水膜４４の作用について説明する。
図５に示すように、Ｏリング７０に対してシャフト４０が摺動した際に、Ｏリング７０によりシャフト４０の表面に付着した水が止水されることになるので、Ｏリングよりステッピングモータ側、すなわち、弁内部側では、水が切られた状態（必ずしも乾燥した状態ではなく、ミクロ的には濡れている状態）となるが、流入通路１２ａから流出通路１２ｂまでの水の流路側、すなわち、弁外部側では、上述のようにシャフト外周面に広がった水と接触した状態となる。
【００４６】
図５の向かって左側においては、Ｏリング７０に対してシャフト４０が弁外側から弁内側に向かって移動することになる。この場合に、弁装置においては、閉側から開側に移動する。この際には、シャフト４０の表面の上述の水の膜は、Ｏリング７０側に向かうことになり、Ｏリング７０とシャフト４０との接触面の弁外側に水が過剰に供給された状態となり、十分に水の潤滑作用によってシャフト４０とＯリング７０との間の摺動抵抗を低減し、Ｏリング７０の摩耗を防止することができる。
【００４７】
また、図５の向かって右側においては、Ｏリング７０に対してシャフト４０が弁内側から弁外側に向かって移動することになる。この場合に、弁装置においては、開側から閉側に移動する。この際には、シャフト４０がＯリング７０側から水の膜が離れる方向に移動してしまうことになるが、シャフト４０の表面の上述の水の膜は、親水膜４４により拡がる方向に移動することになり、離れるＯリング７０に向かって移動することになる。また、Ｏリング７０とシャフト４０の接触面の弁外側となり、かつ、Ｏリング７０とシャフト４０が近接した部分で、Ｏリング７０とシャフト４０との間には水が保持された状態となり、たとえ、水の供給が途絶えたような状態となっても、上述のように保持された部分の水が無くなってしまうまで時間がかかることになる。
【００４８】
したがって、シャフト４０が閉側から開側に移動した場合に比較すると、Ｏリング７０とシャフト４０との接触面の弁外側に供給される水の量が少なくなるが、前記接触面で水がなくなってしまうことがなく、十分に水の潤滑作用によってシャフト４０とＯリング７０との間の摺動抵抗を低減し、Ｏリング７０の摩耗を防止することができる。
【００４９】
以上のように、この例によれば、グリース等の潤滑剤や低摩擦層を有するＯリングを用いなくても、シャフト４０の表面に親水膜４４を形成することにより、Ｏリング７０との間の摺動抵抗を低減し、Ｏリング７０の摩耗を防止することができる。これにより、潤滑剤や低摩擦層を有するＯリングを用いないことでコストの低減を図ることができる。また、潤滑剤や低摩擦層を有するＯリングを用いた場合よりも、シャフト４０を用いた弁装置の耐久性の向上を図ることができ、弁装置のＯリング７０の摩耗に基づく製品寿命の延長を図ることができる。
【実施例】
【００５０】
前記シャフト４０に以下の方法で親水膜４４を形成し、当該シャフト４０を前記弁装置に組み込んで耐久試験を行った。
親水膜４４を形成するコート剤として、（有）エクスシア製の商品名：シリカコート、品番：ＥＰＬ−Ｓ０３０を用いた。このシリカコートの最終成分（焼成後の成分）は二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）である。
【００５１】
そして、材質がＳＵＳ３０３のシャフト４０をアセトンを用いて超音波洗浄機で脱脂洗浄を行った（Ｓ１）。その後、シャフト４０を常温乾燥してアセトンを取り除いた（Ｓ２）。
次に、シャフト４０のＯリング７０のとの摺動面となる外周面に前記コート剤を塗布するために、コート剤（原液）にシャフト４０を浸漬した（Ｓ３）。
【００５２】
次に、コート剤からシャフト４０を取出て常温乾燥した（Ｓ４）。
次に、シャフト４０を焼成用の炉に入れて、４℃／ｍｉｎで昇温し、２５０℃に達した後に１時間２５０℃で保持した（Ｓ５）。
次に、焼成後の炉冷やし処理を行い、シャフト４０が冷却されたところでコーティングのための処理が終了したことになる（Ｓ６）。
なお、今回は、浸漬処理および常温乾燥を１回行ったものと、２回行ったものとを作成した。
【００５３】
なお、浸漬処理を繰り返すことにより、形成される親水膜４４の膜厚が厚くなる。
そこで、浸漬処理の回数と、親水膜４４の膜厚との関係を求めるために、厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４板に、上述のシャフト４０に対するコーティングの処理と同様の処理を行うとともに、この際に浸漬処理を１回行ったものと、２回行ったものと、３回行ったものとを上述のように焼成した。なお、膜厚の測定を容易とするために、円柱状のシャフト４０ではなくＳＵＳ板を用いた。また、各浸漬処理の回数毎に３枚ずつの親水膜４４を有するＳＵＳ板を作成して、膜厚を接触式膜厚計で測定し、結果をグラフとして図６に示した。
【００５４】
図６に示すように、焼成後の親水膜４４の浸漬処理の回数毎の膜厚は、浸漬処理回数が１回の場合におおよそ９０ｎｍ程度、浸漬処理回数が２回の場合におおよそ１８０ｎｍ程度、３回の場合におおよそ２７０ｎｍ程度となる。なお、図６のグラフに示すように浸漬処理回数と膜厚とはほぼ正比例の関係となっている。
【００５５】
次に、上述のように親水膜４４を形成したシャフト４０を、前記弁装置に組み込んで、実機耐久試験を行った。実機耐久試験は、ステッピングモータにパルス信号を入力して、前記シャフトの軸線方向に沿った移動（摺動）を繰り返すもので、３ｍｍの摺動を９回と、１５ｍｍの摺動を１回行うことを１サイクルとした。なお、弁体の位置は、サイクル終了時にサイクル開始の際の位置に戻るようになっている。また、この際に弁装置の水の流路における水流の流量を１０ｌ／ｍｉｎとした。また、水としては、８０℃の温水を用いた。
【００５６】
また、実機耐久試験は、前記浸漬処理を１回だけ行い親水皮膜４４を有するシャフト４０を組み込んだ弁装置を用いた試験（実施例１）と、前記浸漬処理を２回行い親水皮膜４４を有するシャフト４０を組み込んだ弁装置を用いた試験（実施例２）と、親水膜４４を形成していない従来のシャフト４０を有する弁装置において、潤滑剤としてグリースを用いた試験（比較例１）と、親水膜４４を形成していない従来のシャフト４０を有する弁装置において、シール材として低摩擦層を有するＯリングを用いた試験（比較例２）を行った。なお、各試験はそれぞれ複数回行った。
【００５７】
また、実機耐久試験では、水漏れが発生するまで弁装置の開閉を連続して行い、水漏れが発生するまでの開閉のサイクル数を求めた。
そして、比較例１の従来のグリースを用いた弁装置では、１０万〜１２万サイクルでＯリングの摩耗（劣化）による漏れが発生した。比較例２の従来の低摩擦層を有するＯリングを用いた弁装置では、５万サイクルでＯリングの摩耗による水漏れが発生した。
【００５８】
それに対して、実施例１の浸漬処理を１回行って形成された親水膜４４（膜厚おおよそ９０ｎｍ）を有するシャフト４０を用いた弁装置では、８万サイクル〜１２万サイクルでＯリング摩耗による水漏れが発生し、グリースを用いなくてもグリースを用いた場合と同等の耐久性を得ることができ、グリースを用いずに低摩擦層を形成したＯリングより高い耐久性を得ることができた。
【００５９】
また、実施例２の浸漬処理を２回行って形成された親水膜４４（膜厚おおよそ１８０ｎｍ）を有するシャフト４０を用いた弁装置では、２５万サイクル経過後も水漏れが発生せず、従来に比較して高い耐久性を示し、明らかに製品寿命が延長されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態の弁装置を示す断面図である。
【図２】前記弁装置のシャフトおよびＯリングを備える主要部を示す斜視図である。
【図３】前記弁装置の親水膜を有するシャフトおよびＯリングとの関係を説明するための図面である。
【図４】前記親水膜の形成工程を示すフロー図である。
【図５】親水膜によるシャフトとOリングとの間の摺動抵抗の低減機能を説明するための図である。
【図６】コート剤への浸漬処理回数と形成される親水膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
４０ シャフト（摺動部材）
４４ 親水膜（親水性の皮膜）
７０ Ｏリング（シール材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁装置やポンプ等で用いられる摺動部材や当該摺動部材を用いた弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水流を制御する弁装置においては、たとえば、弁体に連結するシャフトをその軸方向に移動することにより、当該弁体を弁座に対して接離して、開閉することにより、水を流したり止めたりする止水弁が知られている。さらに、弁座に対する弁体の開度を調整することで水流量を制御する水流制御弁も知られている。
ここで、シャフトの弁体の反対となる駆動側に水が浸入しないように、たとえば、シャフトの周囲にＯリング等のシール材を固定的に配置し、シール材にシャフトを摺動自在に接触させてシール（止水）し、シャフトの弁体の反対側となる駆動側に水が浸入しないようにしている（たとえば、特許文献１参照）。
ここで、Ｏリングは、特にシャフトが軸線方向に摺動する状態で、その接触界面を確実にシールする必要があるため、大きな摺動抵抗が生じる。そこで、Ｏリングの表面にグリース等の潤滑剤を塗布して、摺動抵抗を低減していた。
また、摺動抵抗を低減する方法としては、Ｏリングであるゴムの表面に低摩擦層を形成して摺動抵抗を低減する技術も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４２７４号公報
【特許文献２】特開２００７−２４１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、摺動抵抗を低減する潤滑剤等として、各種グリースが使用されているが、上水（水道水等）に使用する場合に人への安全性の観点から、食品衛生法の基準を満たした高価なフッ素系グリース、シリコーン系グリースが使用されており、コスト増加の要因となっていた。
また、グリースの場合、温水の流量を制御する場合のように高温で長時間使用すると特性の変化が起こる。たとえば、粘性変化として、グリースが高粘度側に変化する場合があり、また、固化するような場合もある。この場合に、グリースを使用しても摺動抵抗が高くなってしまい、Ｏリングの摩耗を誘発してしまう。
【０００５】
また、上述の特許文献２では、低摩擦層が摩耗しても摩擦抵抗を軽減できる構成が提案されているが、必ずしも十分なものではなかった。すなわち、Ｏリングの表面に低摩擦層を形成しても、比較的短い期間で摩耗したり削り取られた状態となって、長期的に摺動抵抗を低くすることができなかった。基本的にＯリングは、たとえば、各種ゴム等の柔軟な部材で形成されており、摺動部材に摺動される際に弾性変形するので、その表面に形成される摩擦層として、硬質な部材を用いることができず、Ｏリングと同様に柔軟な部材を摩擦層として使用する必要があるので、摩擦層の摩耗の防止は困難であり、摩擦層が早期に摩耗し、その後Ｏリングも摩耗することになる。
【０００６】
いずれにしろ、Ｏリングが摩耗することによりシール性能が低下することが水漏れを起こす原因になっていた。
そして、上述のような弁装置では、Ｏリングの摩耗による水漏れが起きた際が製品寿命となってしまうので、前述以外の方法で製品寿命の長期化を図れる方法が求められていた。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みて為されたもので、Ｏリングに対して摺動した際にＯリングの摩耗を低減することが可能な摺動部材および当該摺動部材を用いた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】
【０００８】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の摺動部材は、少なくとも一部が水に接触する環境下で、シール材に対して摺動する摺動部材であって、
前記摺動部材のシール材に対して摺動する面に、親水性の皮膜が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の本発明においては、摺動部材の表面に親水性の皮膜が形成されているとともに、摺動部材の少なくとも一部に水が接触する状態となっているので、摺動部材の一部に接触した水は、摺動部材の表面に形成された親水性の皮膜により、摺動部材の表面に広がり、シール材に達する。また、シール材の部分、特に、シール材の表面と摺動部材の表面とが近接した部分に水が浸入して保持された状態となりやすい。
したがって、摺動部材の表面およびシール材が使用時は常時濡れた状態となり、この摺動部材およびシール材の表面に、濡れた状態となるように付着した水が潤滑剤として機能し、摺動抵抗を低減してシール材の摩耗を抑制することができる。これにより、主にシール材の耐久性の向上と長寿命化を図ることができる。また、摺動部材の表面に形成された親水性の皮膜は、シール材と摺動しても摩耗しにくい硬質なものを使用することが可能である。すなわち、摺動部材は、Ｏリングのように柔軟性を有し、弾性変形し易い材質のものを親水性皮膜とする必要はなく、摩耗しにくい材質の親水性皮膜を用いることができる。また、親水性皮膜の摩耗も水の潤滑作用により低減される。
【００１０】
したがって、親水性皮膜が比較的短期間で摩耗するようなことはなく、長期的に水の潤滑作用が維持され、シール材の摩耗を大幅に遅らせることが可能となる。また、使用時に摺動部材が接触する水が潤滑剤として機能するので、特に外部から潤滑剤を供給しなくても、使用していれば常に潤滑剤としての水が供給されることになる。以上のことから、本発明によれば、長期にわたって摺動抵抗の変化が小さく、特性が安定する。たとえば、グリースを用いた場合にグリースの劣化、グリース成分の固着等により摺動抵抗が大きく増加してしまう場合があるが、本発明では比較的長期に渡って摺動抵抗の値が安定して低い状態となる。
さらに水が潤滑剤として機能するので、高価なグリースを用いる必要がない。また、表面に低摩擦層を形成した高価なシール材を用いる必要がない。したがって、コストの低減を図ることができる。
【００１１】
以上のように、本発明によれば、使用環境に存在する水を利用することで、摺動抵抗を低減することができるため、グリース切れやグリースの物性変化による機能低下が理論上発生せず摺動部材の耐久性の向上を図ることができる。特にシール材の摩耗を防止して耐久性を向上するのに、シール材の表面に加工を施したり、シール材に潤滑剤を塗布したりするのではなく、シール材に対して摺動する摺動部材の表面に加工を施すとともに、当該加工が低摩擦の層を形成するのではなく、親水性の層を形成することが極めて特異なものである。
なお、本発明の摺動部材は、たとえば、水の流れを制御する弁や、水の排水や吐出のためのポンプ等で使用されるものであるが、たとえば、摺動部材が常時濡れた状態となる可能性、すなわち、水に接触した状態となる可能性がある蒸気や高湿度の気体等を取り扱う弁やポンプであってもよい。
【００１２】
請求項２に記載の摺動部材は、請求項１に記載の発明において、
前記皮膜が親水性の酸化物系セラミックスであることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明においては、皮膜が親水性の酸化物系セラミックスからなり、水滴接触角を小さなものとして濡れ性を向上させ、安定的に親水性を維持することができる。また、シール材との摺動に対して摩耗や剥離等に対する十分な耐久性を持たせることができる。
なお、酸化物系セラミックスの成分としては、半導体や金属の酸化物などであり、たとえば、ケイ素、アルミニウム、チタニウムなどの酸化物であるが、親水性には、成分だけではなく酸化物系セラミックスのミクロ的な表面構造も影響し、周知の親水性を示す酸化物系セラミックスを用いることができる。
【００１４】
請求項３に記載の摺動部材は、請求項２に記載の発明において、前記酸化物系セラミックスの成分が二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明においては、高い親水性を示すことが知られている二酸化ケイ素を成分とする酸化物系セラミックスを用いることで、摺動部材表面の水滴接触角を小さなものとして濡れ性を向上し、摺動抵抗の低下によるシール材の摩耗の低減を確実に図ることができる。
【００１６】
請求項４に記載の摺動部材は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記皮膜の厚さが１０〜５００ｎｍであることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明においては、皮膜の厚さを１０ｎｍ以上とすることで、親水性を発揮し、摺動抵抗の低減を図り、シール材の摩耗を低減することができる。但し、親水性の皮膜の耐久性を考慮した場合には、当該親水性の皮膜の膜厚を１０ｎｍよりもさらに厚くすることが好ましい。
また、親水性の皮膜の膜厚を５００ｎｍ以上としても、製造コストが高くなるだけで、さらなる耐久性の向上を見込むことが困難である。
【００１８】
請求項５に記載の弁装置は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の少なくとも一部が水に接触する環境下で、シール材に対して摺動する摺動部材が弁体を作動させることにより水流を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明においては、上述のように摺動部材のシール材に対する摺動抵抗を低減して、シール材の摩耗を抑制し、シール材の摩耗による液漏れを防止することができる。これによって、弁装置の耐久性を向上し、弁装置の製品寿命を長期化することができる。
また、シール材との間の摺動抵抗の低減によるシール材の摩耗防止のためにグリース等の潤滑剤を使用したり、表面に低摩擦層を形成したシール材を使用したりする必要がなく、コストの低減を図ることができる。また、上水用の弁装置とした場合に安全性を考慮した高価なグリースを用いる必要がなく、さらなるコストの低減を図ることができるとともに、グリースを用いないことで、上水に僅かでもグリースが混入することがなく、上水をより清浄な状態に保つことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、弁やポンプ、特に水を扱う弁やポンプで用いられる摺動部材において、シール材に対する摺動抵抗を低減し、シール材の摩耗を防止して、耐久性の向上を図ることができる。また、シール材に対する摺動抵抗の低減において、グリース等の潤滑剤や、低摩擦層を有するシール材を必要とせず、コストの低減を図ることができる。また、これら潤滑剤を用いた場合や、低摩擦層を有するシール材よりも、耐久性の向上による製品寿命の延長を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の実施の形態に係る弁装置の断面図、図２は当該弁装置の本発明に係る摺動部材となるシャフトと、シャフトが摺動するシール材であるOリングとを示す斜視図、図３は摺動部材としてのシャフトの親水性の皮膜（親水膜）とシール材であるOリングとの関係を説明する図、図４は親水膜の形成工程を示すフロー図であり、図５は親水膜によるシャフトとOリングとの間の摺動抵抗の低減を説明するための図である。
図１に示す弁装置は、水流の制御として、止水とその解除を行うとともに水流量の制御を行う水流制御弁となっている。
【００２２】
そして、弁装置は、図１ないし３に示すように、ハウジング１０、ハウジング１０内に収容されて回動自在に支持されたロータ２０、ロータ２０の周りにおいて軸線方向Ｘに積層された２つのステータ３０、ロータ２０に連結されると共に直線的に移動自在に支持されたシャフト４０、シャフト４０の先端側に設けられた弁体５０、シャフト４０を摺動自在に支持するシャフトホルダ６０、シャフトホルダ６０に装着されたＯリング７０，８０、ロータ２０を回動自在に支持する軸受９０及び支持プレート１００、ロータ２０を軸線方向Ｘの一方に向けて付勢するとともに回転自在に受けるスラスト軸受１１０等を備えている。
すなわち、この弁装置では、ロータ２０及びステータ３０等によりステップ的に回転し得るステッピングモータが形成され、このステッピングモータにより弁体５０が開閉駆動されるようになっている。
【００２３】
ハウジング１０は、図１に示すように、樹脂材料により形成されて、ロータ２０及びステータ３０を収容するモータハウジング１１、流体の通路及び弁座を形成する弁ハウジング１２等により形成されている。
【００２４】
モータハウジング１１は、支持プレート１００及びスラスト軸受１１０を保持すると共に、ステータ３０を内部に保持しかつステータ３０の内側においてロータ２０を回動自在に収容し、電気接続用のコネクタ１１ａ、弁ハウジング１２と接続される円筒状の嵌合部１１ｂ等を備えている。
弁ハウジング１２は、流体が流入する流入通路１２ａ、流体が流出する流出通路１２ｂ、弁体５０が着座して閉弁し得る弁座１２ｃ、モータハウジング１１の嵌合部１１ｂと嵌合される円筒状の嵌合部１２ｄ等を備えている。
すなわち、ハウジング１０は、ステッピングモータを収容するモータハウジング１１と弁体５０を収容すると共に弁座１２ｃを画定する弁ハウジング１２とにより形成される。
【００２５】
ロータ２０は、モータハウジング１１の内部において、スラスト軸受１１０によりスラスト方向の移動が規制されつつ、軸受９０及び支持プレート１００により軸線Ｘを中心に回動自在に支持されている。
ロータ２０は、樹脂材料により形成された円筒部２１、円筒部２１の外周に固着されたマグネット２２、円筒部２１の両端から突出して軸受９０及び支持プレート１００に摺動自在に嵌合される軸部２３、円筒部２１の内周面に形成された雌ネジ２４等により形成されている。マグネット２２は、円筒部２１の外周に一体的に成型されており、回転方向においてＮ極とＳ極とが交互に配列されて複数着磁されている。
【００２６】
２つのステータ３０は、図１に示すように、それぞれ、励磁用のコイル３１、コイル３１を巻回するボビン３２、及びボビン３２を挟持して接合されると共にロータ２０の外周面（マグネット２２）と対向する複数の爪状磁極片をもつ一対のヨーク３３により形成されている。
【００２７】
この例の摺動部材としてのシャフト４０は、断面が略円形をなすように金属材料により形成されると共に、図１および図２に示すように、その一端側（先端側）に弁体５０の結合部４１、その他端側の外周面に所定領域に亘って雌ネジ２４と螺合する雄ネジ４２が形成されている。
結合部４１は、図１および図２に示すように、一体的に成型される弁体５０（の後述する弁ホルダ５１）を確実に結合させるために形成された回り止め用のローレット４１ａ、弁ホルダ５１の端面から突出すると共に先端が拡径するように形成された嵌合突起４１ｂ等により形成されている。
【００２８】
弁体５０は、図１および図２に示すように、シャフト４０のローレット４１ａを包囲するように樹脂材料によりインサート成型された弁ホルダ５１、弁ホルダ５１に結合されて弁座１２ｃに着座し得る弁部５２により形成されている。
弁ホルダ５１は、凹部５１ａ、後述するシャフトホルダ６０の規制片６２ｃに係合して軸線方向Ｘにガイドされるべく軸線Ｘ周りに放射状に配列された複数の被規制片５１ｂ等により形成されている。また、弁ホルダ５１は、その端面（凹部５１ａの底面）からシャフト４０の嵌合突起４１ｂが突出するように成型されている。ここで、弁ホルダ５１は、表面に凹凸をもつローレット４１ａを包囲するように成型される。
【００２９】
弁部５２は、弁座１２ｃと密着し得るように弾性変形可能なゴム材料等により形成され、弁ホルダ５１の凹部５１ａに嵌合されると共にシャフト４０の嵌合突起４１ｂに嵌合されて結合されている。
【００３０】
シャフトホルダ６０は、図１および図２に示すように、軸線方向Ｘにおいてお互いに嵌合して結合されるべく軸線Ｘ上に中心をもつ雄型ホルダ６１及び雌型ホルダ６２を備えている。
雄型ホルダ６１は、シャフト４０を摺動自在に支持する貫通孔６１ａ、弁ハウジング１２に嵌合される拡径円筒部６１ｂ、貫通孔６１ａよりも大きい内径をなす縮径円筒部６１ｃ、軸受９０を嵌合させて保持する円筒状の軸受保持部６１ｄ等により形成されている。
雌型ホルダ６２は、シャフト４０を摺動自在に支持する貫通孔６２ａ、雄型ホルダ６１の縮径円筒部６１ｃを嵌入させる環状溝６２ｂ、弁ホルダ５１の被規制片５１ｂと係合してシャフト４０の回転を規制しつつ軸線方向Ｘにガイドするガイド部としての軸線Ｘ周りに放射状に配列された複数の規制片６２ｃ、弁ホルダ５１の端部が当接することにより弁体５０（及びシャフト４０）の軸線方向Ｘの移動端位置を規定するストッパ部としての端面６２ｄ等により形成されている。
【００３１】
すなわち、シャフトホルダ６０は、ハウジング１０の内側に嵌合して固定されると共にシャフト４０を摺動自在に支持し、その複数の規制片６２ｃ（ガイド部）が回転を規制しつつ軸線方向Ｘに移動自在に弁ホルダ５１すなわちシャフト４０をガイドし、又、その端面６２ｄ（ストッパ部）が弁ホルダ５１の端部を当接させて受け止めることにより弁体５０の軸線方向Ｘの移動端位置を規定する。
【００３２】
また、シャフトホルダ６０においては、雄型ホルダ６１及び雌型ホルダ６２がお互いに嵌合された状態で、雄型ホルダ６１の縮径円筒部６１ｃの内側にはＯリング７０が装着されて、シャフト４０を摺動自在に接触させてシールするようになっている。また、雄型ホルダ６１の縮径円筒部６１ｃの外側にはＯリング８０が装着されて、弁ハウジング１２の内壁とシャフトホルダ６０との間をシールするようになっている。
Ｏリング７０，８０は、ゴム材料により形成されている。
【００３３】
軸受９０は、図１に示すように、ロータ２０の一方の軸部２３を回動自在にラジアル方向において支持するものであり、シャフトホルダ６０を構成する雄型ホルダ６１の軸受保持部６１ｄに嵌合して保持されている。このように、ロータ２０とシャフト４０が、同一の部材であるシャフトホルダ６０（雄型ホルダ６１）により支持されるため、軸心のずれ等を防止でき、ロータ２０の円滑な回転運動及びシャフト４０の円滑な直線運動を得ることができる。
【００３４】
支持プレート１００は、図１に示すように、ロータ２０の他方の軸部２３を回動自在にラジアル方向において支持するものであり、耐摩耗性に優れた金属材料等により、モータハウジング１１と一緒にインサート成型されている。
スラスト軸受１１０は、図１に示すように、モータハウジング１１に収容されるコイルスプリング１１１、コイルスプリング１１１の付勢力により軸線方向Ｘに付勢される球体１１２により形成され、ロータ２０に対して軸線方向Ｘの一方向に（弁体５０側に向けて）付勢力を及ぼすものである。
【００３５】
次に、上記弁装置の動作について説明すると、コイル３１が一方向に通電されてロータ２０が一方向に回転すると、ロータ２０の雌ネジ２４とシャフト４０の雄ネジ４２との螺合関係を介して、図１に示すように、弁体５０（及びシャフト４０）が軸線方向Ｘの一方向（図中の下向き）に直線的に移動する。そして、弁部５２が弁ハウジング１２の弁座１２ｃに当接して着座すると同時に通路１２ａ，１２ｂ間を閉鎖して停止する。
この状態において、弁部５２は通路１２ａ，１２ｂ間を完全に遮断しており、水道水あるいは温水等の流体の流れを完全に止める止水作用が得られる。
【００３６】
一方、コイル３１が他方向に通電されてロータ２０が他方向に回転すると、ロータ２０の雌ネジ２４とシャフト４０の雄ネジ４２との螺合関係を介して、図２に示すように、シャフト４０の一部がさらにロータ２０の内側に入り込むように、弁体５０（及びシャフト４０）が軸線方向Ｘの他方向（図中の上向き）に直線的に移動する。
そして、弁ホルダ５１の端部（被規制片５１ｂの端部）がシャフトホルダ６０の端面６２ｄに当接すると、弁部５２が弁ハウジング１２の弁座１２ｃから最も離れた往復動方向Ｘの移動端位置に位置付けられると同時に通路１２ａ，１２ｂ間を全開して停止する。
【００３７】
また、コイル３１への通電を適宜調整して、ステッピングモータ（ロータ２０）の回転量を適宜制御することにより、弁体５０を全開〜全閉の中間の開度に調整できるため、流体の流量を制御することができる。さらに、ステッピングモータの回転により弁体５０（シャフト４０）が直線移動させられるため、弁体５０（シャフト４０）の移動ピッチすなわち弁体５０の開度を高精度に調整することができ、それ故に、流量を高精度に制御することができる。
【００３８】
ここで、シャフト４０は、Oリング７０の穴内を貫通した状態で配置され、上述の弁装置の開閉の際にシャフト４０が軸線方向Ｘに沿って移動した場合に、摺動部材としてのシャフト４０がシール材としてのＯリング７０に対して摺動することになる。
そして、この例においては、図３に示すようにシャフト４０の外周面に親水性の皮膜である親水膜４４が形成されている。
親水膜４４は、この例において、酸化物系セラミックスとして形成されており、その主成分は二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）となっている。
【００３９】
なお、親水膜４４は、二酸化ケイ素からなるセラミックスが好ましいが、他の半導体酸化物や、金属酸化物の酸化物系セラミックスを用いてもよい。また、非酸化物系セラミックスの親水膜を用いるものとしてもよい。さらに、有機系の親水膜を用いるものとしてもよい。さらに、複数種の成分が混合されたセラミックスを用いたり、異なる成分からなる複数の層を積層して形成してもよい。但し、親水膜４４は、Ｏリング等のシール材（止水材）に対して繰り返し摺動することになり、容易に摩耗したり剥離したりしない十分な耐久性を有することが好ましい。さらに、弁装置を上水に使用する場合には、親水膜が摩耗等により上水に混入しても問題がない物質を用いることが好ましい。
【００４０】
また、親水膜４４の厚みは、たとえば、１０ｎｍ〜５００ｎｍとすることが好ましいが、弁装置の耐久性を向上して製品寿命の長期化を図る上では、たとえば、１００ｎｍ以上で、さらに１５０ｎｍ以上となっていることが好ましい。
なお、必要以上に膜厚を大きくしても、さらなる耐久性を望めるとは限らず、コストが増大することから、膜厚は５００ｎｍ以下となっていることが好ましい。
【００４１】
次に、前記親水膜４４の形成方法を図５のフローを参照して説明する。
まず、弁装置に組み込まれる前のシャフト４０をたとえば洗浄液としてアセトンを用い、超音波洗浄し、主に油分を除去する脱脂洗浄処理Ｓ１を行う。次に、シャフト４０のアセトンを常温で乾燥する常温乾燥処理Ｓ２を行う。次に二酸化ケイ素の皮膜を形成するためのコート剤をシャフト４０の表面に塗布する。なお、コート剤は、たとえば、二酸化ケイ素の微粒子とバインダーとなる物質とを溶剤中に分散・溶解させたものであり、高温で焼成すると二酸化ケイ素を主成分とするセラミックスコートが形成される。
【００４２】
ここでは、シャフト４０の表面にコート剤を塗布するのに、浸漬法を用い、シャフト５０をコート剤中に浸漬するコート剤浸漬処理Ｓ３を行う。
次いで、シャフト４０をコート剤から取り出して乾燥する常温乾燥処理Ｓ４を行う。
なお、形成される親水膜４４の厚みを厚くする場合には、コート剤浸漬処理Ｓ３と常温乾燥処理Ｓ４を複数回繰り返し行う。
【００４３】
次に、焼成用の炉内にシャフト４０を入れてコート剤を焼成してセラミックスとしてシャフト４０表面をコートする焼付処理Ｓ５を行う。
焼成後、炉冷し処理を行い、シャフト４０を冷却して親水膜形成処理完了Ｓ６となる。
なお、親水膜４４の形成方法は、上述の方法に限られるものではなく、親水膜４４の組成等に対応して従来周知の方法で形成することができる。また、この例の方法においても、コート剤の塗布において、シャフト４０をコート剤に浸漬するのではなく、その他の方法でコート剤を塗布するものとしてもよい。
【００４４】
そして、親水膜４４を設けたシャフト４０においては、シャフト４０全体が常時水に漬かった状態でなくても、一部に水が接触した状態となっていれば、シャフト４０表面の水滴接触角が小さく、濡れ性に優れたものとなっていることにより水がシャフト４０の外周面（表面）に拡がり、シャフト４０の表面に薄く膜状に水が付着した状態となる。
【００４５】
次に、図５を参照して親水膜４４の作用について説明する。
図５に示すように、Ｏリング７０に対してシャフト４０が摺動した際に、Ｏリング７０によりシャフト４０の表面に付着した水が止水されることになるので、Ｏリングよりステッピングモータ側、すなわち、弁内部側では、水が切られた状態（必ずしも乾燥した状態ではなく、ミクロ的には濡れている状態）となるが、流入通路１２ａから流出通路１２ｂまでの水の流路側、すなわち、弁外部側では、上述のようにシャフト外周面に広がった水と接触した状態となる。
【００４６】
図５の向かって左側においては、Ｏリング７０に対してシャフト４０が弁外側から弁内側に向かって移動することになる。この場合に、弁装置においては、閉側から開側に移動する。この際には、シャフト４０の表面の上述の水の膜は、Ｏリング７０側に向かうことになり、Ｏリング７０とシャフト４０との接触面の弁外側に水が過剰に供給された状態となり、十分に水の潤滑作用によってシャフト４０とＯリング７０との間の摺動抵抗を低減し、Ｏリング７０の摩耗を防止することができる。
【００４７】
また、図５の向かって右側においては、Ｏリング７０に対してシャフト４０が弁内側から弁外側に向かって移動することになる。この場合に、弁装置においては、開側から閉側に移動する。この際には、シャフト４０がＯリング７０側から水の膜が離れる方向に移動してしまうことになるが、シャフト４０の表面の上述の水の膜は、親水膜４４により拡がる方向に移動することになり、離れるＯリング７０に向かって移動することになる。また、Ｏリング７０とシャフト４０の接触面の弁外側となり、かつ、Ｏリング７０とシャフト４０が近接した部分で、Ｏリング７０とシャフト４０との間には水が保持された状態となり、たとえ、水の供給が途絶えたような状態となっても、上述のように保持された部分の水が無くなってしまうまで時間がかかることになる。
【００４８】
したがって、シャフト４０が閉側から開側に移動した場合に比較すると、Ｏリング７０とシャフト４０との接触面の弁外側に供給される水の量が少なくなるが、前記接触面で水がなくなってしまうことがなく、十分に水の潤滑作用によってシャフト４０とＯリング７０との間の摺動抵抗を低減し、Ｏリング７０の摩耗を防止することができる。
【００４９】
以上のように、この例によれば、グリース等の潤滑剤や低摩擦層を有するＯリングを用いなくても、シャフト４０の表面に親水膜４４を形成することにより、Ｏリング７０との間の摺動抵抗を低減し、Ｏリング７０の摩耗を防止することができる。これにより、潤滑剤や低摩擦層を有するＯリングを用いないことでコストの低減を図ることができる。また、潤滑剤や低摩擦層を有するＯリングを用いた場合よりも、シャフト４０を用いた弁装置の耐久性の向上を図ることができ、弁装置のＯリング７０の摩耗に基づく製品寿命の延長を図ることができる。
【実施例】
【００５０】
前記シャフト４０に以下の方法で親水膜４４を形成し、当該シャフト４０を前記弁装置に組み込んで耐久試験を行った。
親水膜４４を形成するコート剤として、（有）エクスシア製の商品名：シリカコート、品番：ＥＰＬ−Ｓ０３０を用いた。このシリカコートの最終成分（焼成後の成分）は二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）である。
【００５１】
そして、材質がＳＵＳ３０３のシャフト４０をアセトンを用いて超音波洗浄機で脱脂洗浄を行った（Ｓ１）。その後、シャフト４０を常温乾燥してアセトンを取り除いた（Ｓ２）。
次に、シャフト４０のＯリング７０のとの摺動面となる外周面に前記コート剤を塗布するために、コート剤（原液）にシャフト４０を浸漬した（Ｓ３）。
【００５２】
次に、コート剤からシャフト４０を取出て常温乾燥した（Ｓ４）。
次に、シャフト４０を焼成用の炉に入れて、４℃／ｍｉｎで昇温し、２５０℃に達した後に１時間２５０℃で保持した（Ｓ５）。
次に、焼成後の炉冷やし処理を行い、シャフト４０が冷却されたところでコーティングのための処理が終了したことになる（Ｓ６）。
なお、今回は、浸漬処理および常温乾燥を１回行ったものと、２回行ったものとを作成した。
【００５３】
なお、浸漬処理を繰り返すことにより、形成される親水膜４４の膜厚が厚くなる。
そこで、浸漬処理の回数と、親水膜４４の膜厚との関係を求めるために、厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４板に、上述のシャフト４０に対するコーティングの処理と同様の処理を行うとともに、この際に浸漬処理を１回行ったものと、２回行ったものと、３回行ったものとを上述のように焼成した。なお、膜厚の測定を容易とするために、円柱状のシャフト４０ではなくＳＵＳ板を用いた。また、各浸漬処理の回数毎に３枚ずつの親水膜４４を有するＳＵＳ板を作成して、膜厚を接触式膜厚計で測定し、結果をグラフとして図６に示した。
【００５４】
図６に示すように、焼成後の親水膜４４の浸漬処理の回数毎の膜厚は、浸漬処理回数が１回の場合におおよそ９０ｎｍ程度、浸漬処理回数が２回の場合におおよそ１８０ｎｍ程度、３回の場合におおよそ２７０ｎｍ程度となる。なお、図６のグラフに示すように浸漬処理回数と膜厚とはほぼ正比例の関係となっている。
【００５５】
次に、上述のように親水膜４４を形成したシャフト４０を、前記弁装置に組み込んで、実機耐久試験を行った。実機耐久試験は、ステッピングモータにパルス信号を入力して、前記シャフトの軸線方向に沿った移動（摺動）を繰り返すもので、３ｍｍの摺動を９回と、１５ｍｍの摺動を１回行うことを１サイクルとした。なお、弁体の位置は、サイクル終了時にサイクル開始の際の位置に戻るようになっている。また、この際に弁装置の水の流路における水流の流量を１０ｌ／ｍｉｎとした。また、水としては、８０℃の温水を用いた。
【００５６】
また、実機耐久試験は、前記浸漬処理を１回だけ行い親水皮膜４４を有するシャフト４０を組み込んだ弁装置を用いた試験（実施例１）と、前記浸漬処理を２回行い親水皮膜４４を有するシャフト４０を組み込んだ弁装置を用いた試験（実施例２）と、親水膜４４を形成していない従来のシャフト４０を有する弁装置において、潤滑剤としてグリースを用いた試験（比較例１）と、親水膜４４を形成していない従来のシャフト４０を有する弁装置において、シール材として低摩擦層を有するＯリングを用いた試験（比較例２）を行った。なお、各試験はそれぞれ複数回行った。
【００５７】
また、実機耐久試験では、水漏れが発生するまで弁装置の開閉を連続して行い、水漏れが発生するまでの開閉のサイクル数を求めた。
そして、比較例１の従来のグリースを用いた弁装置では、１０万〜１２万サイクルでＯリングの摩耗（劣化）による漏れが発生した。比較例２の従来の低摩擦層を有するＯリングを用いた弁装置では、５万サイクルでＯリングの摩耗による水漏れが発生した。
【００５８】
それに対して、実施例１の浸漬処理を１回行って形成された親水膜４４（膜厚おおよそ９０ｎｍ）を有するシャフト４０を用いた弁装置では、８万サイクル〜１２万サイクルでＯリング摩耗による水漏れが発生し、グリースを用いなくてもグリースを用いた場合と同等の耐久性を得ることができ、グリースを用いずに低摩擦層を形成したＯリングより高い耐久性を得ることができた。
【００５９】
また、実施例２の浸漬処理を２回行って形成された親水膜４４（膜厚おおよそ１８０ｎｍ）を有するシャフト４０を用いた弁装置では、２５万サイクル経過後も水漏れが発生せず、従来に比較して高い耐久性を示し、明らかに製品寿命が延長されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態の弁装置を示す断面図である。
【図２】前記弁装置のシャフトおよびＯリングを備える主要部を示す斜視図である。
【図３】前記弁装置の親水膜を有するシャフトおよびＯリングとの関係を説明するための図面である。
【図４】前記親水膜の形成工程を示すフロー図である。
【図５】親水膜によるシャフトとOリングとの間の摺動抵抗の低減機能を説明するための図である。
【図６】コート剤への浸漬処理回数と形成される親水膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
４０ シャフト（摺動部材）
４４ 親水膜（親水性の皮膜）
７０ Ｏリング（シール材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が水に接触する環境下で、シール材に対して摺動する摺動部材であって、
前記摺動部材のシール材に対して摺動する面に、親水性の皮膜が形成されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記皮膜が親水性の酸化物系セラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記酸化物系セラミックスの成分が二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）であることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記皮膜の厚さが１０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の少なくとも一部が水に接触する環境下で、シール材に対して摺動する摺動部材が弁体を作動させることにより水流を制御することを特徴とする弁装置。
【請求項１】
少なくとも一部が水に接触する環境下で、シール材に対して摺動する摺動部材であって、
前記摺動部材のシール材に対して摺動する面に、親水性の皮膜が形成されていることを特徴とする摺動部材。
【請求項２】
前記皮膜が親水性の酸化物系セラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
【請求項３】
前記酸化物系セラミックスの成分が二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）であることを特徴とする請求項２に記載の摺動部材。
【請求項４】
前記皮膜の厚さが１０〜５００ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の摺動部材。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の少なくとも一部が水に接触する環境下で、シール材に対して摺動する摺動部材が弁体を作動させることにより水流を制御することを特徴とする弁装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１９３２０（Ｐ２０１０−１９３２０Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７９５１３（Ｐ２００８−１７９５１３）
【出願日】平成２０年７月９日（２００８．７．９）
【出願人】（０００１７７６１２）株式会社ミクニ (332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月９日（２００８．７．９）
【出願人】（０００１７７６１２）株式会社ミクニ (332)
【Ｆターム（参考）】
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