JP2013176858A - ボールペンチップ及びそれを用いたボールペン - Google Patents

Abstract

【課題】ボール及びチップ本体の摩耗が抑制され、また、筆感及び筆跡が良好なボールペンチップ及びそれを用いたボールペンを簡単な構造で提供する。
【解決手段】ボールペンチップにおいて、ボール抱持室の底壁には、前記ボールの曲率とは異なる曲率の曲面状の当接面が設けられており、前記ボールは当該当接面の一部である当接部に対して当接するようになっており、前記ボールと前記当接面との間に、インキ流通孔側から前記当接部までインキ流通孔側から除々に小さくなる第１の隙間が形成されていると共に、インキ流通溝の先端側から前記当接部までインキ流通溝の先端側から除々に小さくなる第２の隙間が形成されているとともに、前記ボールの表面及び／又は前記当接面の表面に炭素質膜を形成し、該炭素質膜が、炭素原子及び該炭素原子と結合した酸素原子を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、チップ本体に、ボール抱持室と、該ボール抱持室の底壁の中央に形成したインキ流通孔と、該インキ流通孔から放射状に延びる複数本のインキ流通溝とを有し、チップ先端部を内側にかしめることにより、ボールの一部をチップ先端縁より突出させて回転自在に抱持してなるボールペンチップ及びそれを用いたボールペンに関する。

従来から、チップ本体に、ボール抱持室と、該ボール抱持室の底壁の中央に形成したインキ流通孔と、該インキ流通孔から放射状に延びる複数本のインキ流通溝とを有し、チップ先端部を内側にかしめることにより、ボールの一部をチップ先端縁より突出させて回転自在に抱持してなるボールペンチップについてよく知られている。

こうした、従来のボールペンチップにおいて、特開２０００−７１６７２号公報「ボールペンチップ」のように、ボール抱持室の底壁に、ボールと同形のボール座を設け、該ボール座にボールを載置することで、耐摩耗性等、高荷重での性能を向上してなるボールペンチップも、数多く提案されている。

また、ボールペンチップにおいて、特開２００１−３９０７７号公報「ボールペンチップ」に、ボール座を形成するためのボールをチップ先端側から押圧するハンマーリング加工によって、チップ金属素材の持つスプリングバック性によりボール座の内側部が持ち上がり、ボール座の外側部がボールと非接触となるため、座ぐり孔部を形成することが開示されている。

さらにまた、ボール座の摩耗を低減するため、セラミックス製のボールを用いたり、特開２００４−３３８１３４号公報「ボールペンチップ及びボールペン」のように、金属製ボールの表面をダイヤモンド状炭素膜などの硬質の材料によりコーティングしたりすることが試みられている。また、ボールによるチップ本体の摩耗を低減するために、ボールだけでなくチップ本体を硬質の材料によりコーティングすることが試みられている。

特開２０００−７１６７２号公報 特開２００１−３９０７７号公報 特開２００４−３３８１３４号公報

しかし、特許文献１によるボールペンチップの製法では、単にボール座を形成しただけであるため、ボール座の摩耗が抑制されない。一方、特許文献２によるボールペンチップの製法では、座ぐり孔部を形成する新たな加工が必要となり、製造コストが高騰するとともに、ボール座までのインキ流通を良好にするものであって、ボール座のインキの流れを調整するものではなく、ボール座の摩耗を抑制することは難しい。

本件発明者による回転するボールとボール座との関係についての分析によれば、ボールとボール座との間にボールペン用インキが入り込むことで形成される流体潤滑、ボールとボール座の当接面とが直接に接触する境界潤滑、流体潤滑と境界潤滑とが混じり合った混合潤滑、のそれぞれの状態がある。

ここで、ボールペンに用いられるインキは、水性ボールペン用インキ、剪断減粘性が付与された水性又は油性のボールペン用インキ、油性ボールペン用インキ、に大別できる。近年、剪断減粘性が付与された水性又は油性のボールペン用インキ、及び、油性ボールペン用インキは、筆感向上等を目的として、粘度を低くすることが望まれている。

そのため、特許文献３のように、ボール及びチップ本体の硬度を高くしただけでは、ボール及びチップ本体の摩耗を完全に防止するには至っていないのが現実である。これは、ボールとチップ本体との接触部位をミクロ的に見た場合には、ボールとチップ本体との界面にボールペン用インキが介在することなく直接接触する境界潤滑の状態となる場合があり、特にボールペン用インキが低粘度の場合に生じやすい。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、ボール及びチップ本体の摩耗が抑制され、また、筆感及び筆跡が良好なボールペンチップ及びそれを用いたボールペンを簡単な構造で提供することにある。

本発明は、前記問題を解決するために、第１に、チップ本体に、ボール抱持室と、該ボール抱持室の底壁の中央に形成したインキ流通孔と、該インキ流通孔から放射状に延びる複数本のインキ流通溝とを有し、チップ先端部を内側にかしめることにより、ボールの一部をチップ先端縁より突出させて回転自在に抱持してなるボールペンチップにおいて、前記ボール抱持室の底壁には、前記ボールの曲率とは異なる曲率の曲面状の当接面が設けられており、前記ボールは当該当接面の一部である当接部に対して当接するようになっており、前記ボールと前記当接面との間に、インキ流通孔側から前記当接部までインキ流通孔側から除々に小さくなる第１の隙間が形成されていると共に、インキ流通溝の先端側から前記当接部までインキ流通溝の先端側から除々に小さくなる第２の隙間が形成されているとともに、前記ボールの表面及び／又は前記当接面の表面に炭素質膜を形成し、該炭素質膜が、炭素原子及び該炭素原子と結合した酸素原子を有することを特徴とする。

第２に、前記当接部は、前記当接面の軸心方向の中央位置よりもチップ先端部側に位置していることを特徴とする。

第３に、前記当接面は、軸心に対して軸対称であり、前記当接部は、前記当接面の周方向に周回するように位置していることを特徴とする。

第４に、前記当接部は、前記当接面の周方向に略均等に位置しているとを特徴とする。

さらにまた、第１項ないし第４項のいずれか１項に記載のボールペンチップを、インキタンクの先端に具備し、前記インキタンク内に、ボールペン用インキを収容してなるボールペンであって、前記ボールペン用インキは、少なくとも微粒子を含有しており、 前記微粒子の大きさは、軸心方向における前記インキ流通孔側の第１の隙間の長さよりも小さいことを特徴とするボールペン。

本願発明の第１の構成によれば、前記ボール抱持室の底壁には、前記ボールの曲率とは異なる曲率の曲面状の当接面が設けられており、前記ボールは当該当接面の一部である当接部に対して当接するようになっており、前記ボールと前記当接面との間に、インキ流通孔側から前記当接部までインキ流通孔側から除々に小さくなる第１の隙間が形成されていると共に、インキ流通溝の先端側から前記当接部までインキ流通溝の先端側から除々に小さくなる第２の隙間が形成されているとともに、前記ボールの表面及び／又は前記当接面の表面に、該ボールの表面及び／又は前記当接面の表面を覆う炭素質膜を設け、該炭素質膜が、炭素原子及び該炭素原子と結合した酸素原子を有することにより、ボールと当接面（当接部）との間を流体潤滑又は混合潤滑の状態に維持しやすい。これにより、当接面（当接部）の摩耗が抑制される。さらに本発明は、インキ流出量の安定、インキリターンの円滑、筆感の向上といった点でも効果があることが確認された。

本件発明者は、第１の隙間と第２の隙間とを形成することの効果について、以下のように分析している。すなわち、ボールが回転すると、それにつられて、ボールペン用インキがインキ流通孔から第１の隙間へと引きずり込まれ、ボールと当接面との間にボールペン用インキの層が形成される。このインキの層によって圧力が発生し、ボールを浮かせる力が発生する（くさび効果）。このことにより、底壁の摩耗が抑制される。ボールの曲率と当接面の曲率とが完全に一致していて第１の隙間が存在しない場合には、ボールと当接面との間にインキが引きずり込まれないため、摩耗抑制の効果が得られない。

また、筆記時には、紙面に吐出できなかったボールペン用インキが、ボール抱持室から当接面に戻される。このとき、第２の隙間が形成されているために、当該第２の隙間においてもインキの層が形成されるため、第１の隙間におけるインキの層による効果と相乗効果的に、筆感及び耐摩耗性を向上させることができる。

また、ボールと当接面との間に前記したような第１の隙間及び第２の隙間を形成するために、当接面の形状は、ボールの曲率と異なる曲率を有する曲面状とすることが重要である。

また、第１の隙間は、インキ流通孔側の開口（ボールとボール座の隙間）が小さい程、前述したくさび効果が高いので、インキ流通孔側の開口（ボールとボール座の隙間）を小さくしておくことが好ましい。具体的には、インキ流通孔側の開口（ボールとボール座の隙間）が軸心方向の長さで１０μｍを超えると、くさび効果が得られ難い。従って、インキ流通孔側の開口（ボールとボール座の隙間）は、軸心方向の長さにおいて１０μｍ以下が好ましく、０．００１μｍ〜５μｍが更に好ましく、０．００１μｍ〜１μｍが最も好ましい。

また、第１の隙間がインキ流通孔側から更に除々に小さくなるように形成されているため、ボールの当接部の近傍で、高いくさび効果（ボールを浮かせる力）を得ることができる。このことにより、当接面（特に当接部）の摩耗を効果的に抑制することができる。

さらにまた、また、本発明による筆記具に用いられるインキは、炭素質膜との親和性が高いことが望ましい。例えばボールペンに用いられるインキには、水や、アルコールやグリコールエーテル等の親水性官能基を有する成分が含まれていることが多い。このような成分を含むインキは、従来使用されていたボール、例えば表面処理がなされていない炭化ケイ素からなるボールとは親和性が低い。このため、ボールとボール抱持室との接触部分が境界潤滑となり易い傾向がある。しかしながら、本発明においてはボールまたは当接面のいずれかに炭素質膜が形成されており、それと親和性の高いインキを用いることでボールと当接面との間が流体潤滑となりやすい。また、ボールとインキとの親和性が向上することにより、インキの供給を安定化することができるので、より均一な筆跡及び良好な筆感を実現することが可能となる。このような炭素質膜に対するインキの親和性は、接触角により評価することができる。

尚、炭素質膜を形成する方法は、特に制限されない。例えば、炭化水素ガスを原料として用いるプラズマ化学気相堆積法（プラズマＣＶＤ法）又は触媒化学気相堆積法（ＣＡＴ−ＣＶＤ法）等により形成することができる。また、固体グラファイトを原料とするスパッタリング法、アークイオンプレーティング法等により形成することもできる。さらに、他の方法により形成してもよく、複数の方法を組み合わせて形成してもよい。

本発明において用いられる炭素質膜は、ダイヤモンド様膜（ＤＬＣ膜）に代表されるｓｐ^２炭素−炭素結合（グラファイト結合）及びｓｐ^３炭素−炭素結合（ダイヤモンド結合）を含む膜である。ＤＬＣ膜のようなアモルファス状態の膜であっても、ダイヤモンド膜のような結晶状態の膜であってもよい。しかしながら、本発明において炭素質膜は、ｓｐ^３炭素−炭素結合のｓｐ^２炭素−炭素結合に対する比率が高いほうが、炭素質膜の硬度が高くなるので好ましい。具体的には、ｓｐ^３炭素−炭素結合のｓｐ^２炭素−炭素結合に対する比率が０．３以上であることが好ましい。

また、通常、炭素質膜はｓｐ^２炭素−水素結合及びｓｐ^３炭素−水素結合を含んでいるが、本発明における炭素質膜には炭素−水素結合は必須の構成要素ではない。また、炭素質膜には本発明の効果を損なわない範囲でシリコン（Ｓｉ）又はフッ素（Ｆ）等が添加されていてもよい。

また、炭素質膜へ炭素−酸素結合を導入する方法は、例えば酸素プラズマ又は酸素を含むガスのプラズマ等の照射により行えばよい。酸素を含むガスとしては水蒸気、空気等を用いることができる。また、酸素原子を含む有機物化合物等のガスを用いることもできる。さらに、酸素を含む雰囲気において炭素質膜に紫外線を照射したり、炭素質膜を酸化性の溶液に浸漬することによって、酸素を導入することもできる。また、炭素質膜を成膜する際に雰囲気中の酸素濃度を高くすることにより、炭素質膜を成膜する際に炭素−酸素結合を導入することも可能である。炭素質膜の成膜直後にはその表面に未結合手が存在している。このため、成膜直後の炭素質膜を酸素を含む雰囲気に放置することにより未結合手と酸素とを反応させて炭素−酸素結合を導入することも可能である。

炭素質膜の膜厚は、特に限定されないが、０．００１μｍ〜３μｍの範囲が好ましく、０．００５μｍ〜１μｍの範囲であることがより好ましい。また、炭素質膜はボールまたは当接面の表面に直接形成することができるが、ボールまたは当接面と炭素質膜とをより強固に密着させるために、中間層を設けることが好ましい。中間層の材質としては、ボールまたは当接面の種類に応じて種々のものを用いることができるが、例えばケイ素（Ｓｉ）と炭素（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）と炭素（Ｃ）又はクロム（Ｃｒ）と炭素（Ｃ）からなるアモルファス膜等の公知のものを用いることができる。その厚みは特に限定されるものではないが、０．００１μｍ〜０．３μｍの範囲が好ましく、０．００５μｍ〜０．１μｍの範囲であることがより好ましい。中間層は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、溶射法、イオンプレーティング法又はアークイオンプレーティング法等を用いて形成することができる。

また、前記炭素質膜が、炭素原子及び該炭素原子と結合した酸素原子を有し、前記炭素質膜の表面における酸素原子と結合した炭素原子の全炭素原子に対する比率は、０．１以上とすることで、炭素質膜とインキとの親和性が高くなり、長期及び長距離にわたり安定した筆記性能を維持することができる。

これは、ボールの表面とインキとの親和性が低い場合には、ボールの表面においてインキがはじかれてしまい、ボールとチップ本体との界面にインキを保持し難くなるため、特に長距離筆記時に摩耗を防止し難くなるため、炭素質膜の表面における酸素原子と結合した炭素原子を有し、ボール表面の親水性を高めることが好ましいためである。尚、炭素質膜における酸素原子と結合した炭素原子の中で、Ｃ−Ｏは水酸基及びエーテル等を主に構成し、Ｃ＝Ｏはカルボニル基及びケトン等を主に構成し、Ｏ＝Ｃ−Ｏは主にカルボキシル基及びエステル等を主に構成していると考えられる。このため、ＣＯ_totalの値が大きくなるほど、炭素質膜の表面における親水性が増大し、炭素質膜とインキとの親和性が高くなると考えられるためである。ＣＯ_totalの値は０．１以上とすることでボールの表面とインキとの親和性が高まり、長期及び長距離にわたり安定した筆記性能を維持しやすい。ただし、ＣＯ_totalの値が大きくなりすぎると、炭素同士の結合が減少し硬度が低下するため、０．５以下とすることが好ましい。

本発明に用いるボールの材質は特に限定されないが、一般に金属またはセラミックスからなるものが用いられる。本発明による筆記具には耐久性が求められるために、高度の高い材料が選択されることが好ましい。例えば、炭化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素などのセラミックスやステンレス鋼などの金属が用いられる。チップ本体もステンレス鋼や銅合金、アルミニウム等、特に限定されるものではない。

さらに、本願発明の第２の構成によれば、前記当接部は、前記当接面の軸心方向の中央位置よりもチップ先端部側に位置していることで、この場合、第１の隙間の長さを、第２の隙間の長さよりも長く確保することができ、高い耐摩耗性を保証することができる。インキ流通孔から当接面に供給されるボールペンインキの量に比べ、ボール抱持室から当接面に戻ってくるボールペンインキの量は少ないため、第２の隙間よりも第１の隙間の方を長く設けることが、くさび効果発生の点で、効果的であるからである。

また、本願発明の第３の構成によれば、前記当接面は、軸心に対して軸対称であり、前記当接部は、前記当接面の周方向に周回するように位置していることで、前記当接面は、軸心に対して軸対称であり、前記当接部は、前記当接面の周方向に周回するように位置している。この場合、第１の隙間及び第２の隙間がバランスよく形成されるため、流体潤滑又は混合潤滑の状態をより一層維持しやすい。

また、本願発明の第４の構成によれば、前記当接部は、前記当接面の周方向に略均等に位置していることで、第１の隙間及び第２の隙間がバランスよく形成されるため、流体潤滑又は混合潤滑の状態をより一層維持しやすい。更にこの場合、当接部は、インク流通溝から離れた位置、特に好ましくは周方向にインク流通溝の略中間位置、に位置していることが好ましい。この場合、もし当接部が摩耗しても、インキ流通溝の機能への影響が少ないため、引き続き安定したインキの流れを維持することができる。

本願発明の第５の構成によれば、第１項ないし第４項のいずれか１項に記載のボールペンチップを、インキタンクの先端に直接、またはペン先保持部材を介して装着するとともに、前記インキタンク内に、ボールペン用インキを収容してなるボールペンであって、前記ボールペン用インキは、少なくとも微粒子を含有しており、 前記微粒子の大きさは、軸心方向における前記インキ流通孔側の第１の隙間の長さよりも小さくすることで、良好な筆跡及び筆感を得ることができる。これは、第１の隙間に微粒子が入り込むことで、潤滑性が高まって、ボールと当接面との隙間が維持され易いためであると考えられる。また、微粒子がクッションの様な反発機能を発揮することでも、ボールと当接面との間のインキの層が保たれやすくなると考えられる。

前記した微粒子は特に限定されるものではなく、無機顔料、有機顔料、加工顔料などの顔料や、有機微粒子、無機微粒子などが例示でき、顔料については、具体的にはカーボンブラック、パール顔料、蛍光顔料、蓄光顔料、補色顔料、マイクロカプセル顔料等が挙げられ、微粒子については、具体的には、アクリル系、シリコーン系、ポリエチレン系等の樹脂微粒子やアルミナ微粒子、シリカ微粒子などが例示できる。尚、本発明における微粒子の大きさは、あくまでも平均の大きさをいうものであり、略球状の場合には平均粒径を示すものであり、遠心沈降式やレーザー回折式の測定によって求めるこができる。微粒子の大きさは、第１の隙問のインキ流通孔側の開口の軸心方向の長さよりも小さく、且つ、０．００１μｍ〜１０μｍ未満、好ましくは０．００１μｍ〜５μｍである。微粒子の形状は、真球形或いは略球形であることが最も好ましい。また、微粒子の含有量は、インキ組成物全量に対し、０．１〜１５質量％が好ましい。

本発明は、ボール及びチップ本体の摩耗が抑制され、また、筆感及び筆跡が良好なボールペンチップ及びそれを用いたボールペンを簡単な構造で提供することができた。

実施形態１のボールペンチップを示す縦断面図である。 図１における角度など示す図である。 図１における、Ａ−Ａ矢視断面図である。 ボール表面を示す一部省略した要部拡大断面図である。 実施形態２のボールペンチップを示す一部省略した要部拡大縦断面図である。 図４における当接面を示す図である。 図５における、Ｂ−Ｂ矢視断面図である。 図５における、当接面の状態を示す説明図である。 実施形態１のボールペンチップを用いたボールペンを示す図である。

図１から図４に示す第１の実施形態のボールペンチップ１は、ボール９を抱持するためのボール抱持室３と、当該ボール抱持室３の底壁４の中央に形成されたインキ流通孔７と、当該インキ流通孔７から放射状に延びる複数本（本例では４本）のインキ流通溝６と、を有するチップ本体２のチップ先端部２ａを内側にかしめることにより、ボール抱持室３内に抱持されるボール９の一部をチップ先端縁より突出させると共に当該ボール９を回転自在に抱持するボールペンチップ１である。チップ本体２は、ステンレス鋼線材からなる。また、インキ流通孔７はチップ後部孔８に連続している。

ボール抱持室３の底壁４には、ボール９の曲率とは異なる曲率の曲面状の当接面５が設けられており、ボール９は当接面５の一部である当接部に対して当接するようになっている。

さらに、ボール９と当接面５との間に、インキ流通孔７側から前記当接部まで、インキ流通孔７側から除々に小さくなる第１の隙間Ｓ１が形成されていると共に、インキ流通溝６の先端側から前記当接部までインキ流通溝６の先端側から除々に小さくなる第２の隙間Ｓ２が形成されている。

そして、直径０．５ｍｍの炭化タングステン（ＩＳＯ Ｋ−１０相当）のボールを用いている。ボールの大きさは、その筆記具の用途や筆記時に要求される描線の幅などによって決められるが、一般に０．２５〜２．０ｍｍの範囲から選択される。チップ本体には、フェライト系ステンレス鋼線材（下村特殊精工株式会社製：ＳＦ−２０Ｔ）を用いている。

本発明においては、前記ボール表面、または前記当接面の少なくとも一方に炭素質膜が形成されている。このため、ボールは耐久性が高いだけでなく、ボールとインキとの親和性が高い。その結果、ボールとチップ本体との隙間にインキが保持され、ボールとチップ本体の内壁面との直接の接触が生じにくくなる。従って、ボールとチップ本体とが直接に接触することによるボール及びチップ本体の摩耗を低減でき、耐久性に優れ且つ使用に伴う書き味の劣化が生じにくいボールペンを実現することができる。また、ボールとインキとの親和性が向上することにより、インキの供給を安定化することができるので、より均一な筆跡及び描線を実現することが可能となる。

このようなボールペンチップ１は、以下のように製造される。例えばφ２．３ｍｍで硬度が２３０Ｈｖ〜２８０Ｈｖのステンレス鋼線材が所望の長さに切断され、ボール抱持室３、インキ流通孔７、及び、当該インキ流通孔７から放射状に伸びるインキ流通溝６、が作製される。その後、ボール抱持室３の底壁４にボール９を載置した状態でチップ先端部２ａ側からハンマーリングが行われ、スプリングバック性によってボール９より曲率半径の大きい曲面が形成された後、チップ先端部２ａが内側へかしめられる。これにより、ボール９と異なる曲率の曲面状の当接面５が形成され、ボール９は当接面５の軸心方向の中央位置よりもチップ先端部２ａ側で軸心回りの周回線上の当接部５ａにおいて当接する。これにより、ボール９と当接面５との間に、第１の隙間Ｓ１及び第２の隙間Ｓ２が形成される。

この第１の隙間Ｓ１と第２の隙間Ｓ２とが形成されていることにより、ボール９と当接面５（当接部５ａ）との間を流体潤滑又は混合潤滑の状態に維持しやすい。このため、当接面（当接部）の摩耗が抑制される。

なお、本実施形態においては、ボール９がチップ先端縁より臨出するボール出は、ボール径の３０％であり、かしめ角度αは９０度であり、ボール９の縦方向のクリアランス（可動距離）は１５μｍであり、底壁４の傾斜角度βは１３５度である（図２参照）。さらに、第１の隙間Ｓ１のインキ流通孔７側の軸心方向における開口の長さＨは、０．９μｍである（図４参照）。

また、チップ先端部２ａの内壁には、曲面状のシール面２ｂが形成されている。そして、図２に示すように、図２の縦断面における当接面５の先端縁と、当該当接面５と軸心Ｊ（図１参照）を挟んで対峙するシール面２ｂの先端縁と、を結ぶ線分Ｋ１、Ｋ２の交点Ｋが、ボールの略中心Ｃを通るようになっている。このことにより、ボール９の偏りが抑制され、ボール９が当接面５から外れにくいようになっている。これにより、ボール９の回転がスムーズであり、ボール９とシール面２ｂとの隙間も一定に維持されやすく、従って安定したインキ流出量を実現することができ、且つ、インキリターンしやすいという効果を奏することができる。また、ボール９の偏りが抑制されることで、ボール９の回転による当接部５ａ及びシール面２ｂの偏摩耗を抑制することもできる。

次に、炭素質膜の形成方法について説明する。ここでは、例として図５に示すように、ボール９表面に炭素質膜９Ａを形成させる方法を説明する。ボール抱持室３の当接面５表面に炭素質膜を形成させる場合にも同様の方法を応用することができる。

まず、ボール９の表面にＳｉとＣとを含むアモルファス膜からなる中間層９Ｂを形成させる。成膜には例えばイオン化蒸着法を用いることができる。この方法では、真空ポンプを用いてイオン化蒸着用のチャンバー内を所定の圧力に調整すると共に、チャンバー内にテトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）を導入し、ボールにバイアス電圧（例えば１ｋＶ）を印加して、放電（例えば３０分間）を行う。成膜の際にチャンバー内においてボールを回転させることにより、ボールの表面全面に中間層を形成することができる。

中間層９Ｂの形成後、チャンバー内に供給するガスをベンゼンに変更し、炭素質膜を形成する。チャンバー内を真空ポンプを用いて所定の圧力に調整した後、ボールにバイアス電圧（例えば１ｋＶ）を印加して、放電（例えば９０分間）を行う。成膜の際にチャンバー内においてボールを回転させることによりボール９の表面全面に炭素質膜９Ａを形成することができる。

この後、酸素を含む雰囲気においてプラズマ照射を行い、炭素質膜への炭素−酸素結合の導入を行う。チャンバー内を例えば１００Ｐａの圧力に調整し、出力を例えば１０Ｗとしてプラズマ照射を行い、目的のボールを得ることができる。

得られた炭素質膜に含まれる炭素−酸素結合の割合は、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）測定により評価することができる。測定条件は、形成させる炭素質膜の種類、厚さなどによって調整されるが、例えば、試料に対する検出角度を９０°とし、Ｘ線源にはＡｌを用い、Ｘ線照射エネルギーを１００Ｗとすることができる。１回の測定の時間は０．１ｍｓ程度とされるのが一般的である。また、測定精度を高めるために、１つの試料について複数回、例えば６４回測定を行ってその平均値を測定結果とすることがある。

炭素質膜中のＣ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ及びＯ＝Ｃ−Ｏの割合を求めるために、ＸＰＳ測定により得られた炭素１ｓ（Ｃ１ｓ）ピークを、炭素同士が結合したｓｐ^３Ｃ−Ｃ及びｓｐ^２Ｃ−Ｃ、炭素と水素とが結合したｓｐ^３Ｃ−Ｈ及びｓｐ^２Ｃ−Ｈ、炭素と酸素とが結合したＣ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ及びＯ＝Ｃ−Ｏの７つの成分にカーブフィッティングにより分解する。カーブフィッティングにあたり、ｓｐ^３Ｃ−Ｃの結合エネルギーは２８３．８ｅＶ、ｓｐ^２Ｃ−Ｃの結合エネルギーは２８４．３ｅＶ、ｓｐ^３Ｃ−Ｈの結合エネルギーは２８４．８ｅＶ、ｓｐ^２Ｃ−Ｈの結合エネルギーは２８５．３ｅＶ、Ｃ−Ｏの結合エネルギーは２８５．９ｅＶ、Ｃ＝Ｏの結合エネルギーは２８７．３ｅＶ、Ｏ＝Ｃ−Ｏの結合エネルギーは２８８．８ｅＶとするのが適当である。カーブフィッティングにより得られた各ピークの面積をＣ１ｓピーク全体の面積により割った値を、各成分の組成比とした。Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏ及びＯ＝Ｃ−Ｏの組成比の和を炭素−酸素結合した炭素原子の全炭素原子に対する割合（ＣＯ_{ｔｏｔａｌ}）とする。

炭素質膜が形成されたボールをオージェ電子分光分析装置（アルバックファイ株式会社製 ＰＨＩ−６６０型）により分析することで、中間層および炭素質膜の厚さを測定することができる。具体的には、炭素質膜が形成されたボールの表面を段階的にエッチングし、各段階でオージェ電子分光分析法により表面分析を行う。測定条件は、例えば、電子銃の加速電圧を１０ｋＶ、試料電流を５００ｎｍ、アルゴンイオン銃の加速電圧を２ｋＶとする。この測定条件により、ボール表面の４０μｍ角の領域について、各深さにおける分析を行うことで、中間層や炭素質膜の厚さを測定することができる。

前記した方法により製造した炭素質膜９Ａ付きのボール９について分析した場合には以下の結果が得られた。炭素質膜が形成されたボール９の表面から８０ｎｍ程度の深さまではほぼ炭素原子（Ｃ）だけが存在しており、炭素質膜９Ａが形成されていた。８０ｎｍ〜１２０ｎｍの深さにおいては、Ｓｉ原子が存在しており、ＳｉＣからなる中間層９Ｂが形成されていた。１００ｎｍ以上の深さの部分では炭化タングステン（ＷＣ）だけが検出され、ボール９である炭化タングステンの表面に、中間層９Ｂおよび炭素質膜９Ａが形成されていることが確認された。

第１の実施形態を組み込んだボールペン
次に、図９に示すのは、第１の実施形態のボールペンチップ１をボールペン２１に組み込んだ例である。具体的には、インキ収容筒２２の先端部に、第１の実施形態のボールペンチップ１が装着されている。インキ収容筒２２内には、油性ボールペン用インキ２４と、グリース状のインキ追従体２５と、が収容されている。

ボール９の後方には、コイルスプリング２３が配設されており、この押圧力によって、ボール９がチップ先端部２ａのシール面２ｂ側に押圧されている。尚、ボール９を押圧するコイルスプリング２３の押圧力は、１０ｇｆとしてあり、ボール保持力は、４５０ｇｆであった。

このボールペン２１を用いて紙面に筆記すると、インキ収容筒２２にあるボールペンインキ２４が、ボールペンチップ１の後部孔８からインキ流通孔７及びインキ流通溝６を通じてボール９に供給される。ボール９に供給されたボールペンインキ２４は、筆圧によって前記クリアランス分だけボール９が当接面５側に移動する際に、チップ先端部２ａの内壁とボール９との間に生じる隙間を介して、吐出されることになる。これによって、筆記がなされることになる。

また、筆記によってボール９が回転すると、それにつられて、ボールペン用インキ２４がインキ流通孔７から第１の隙間Ｓ１へと引きずり込まれ、ボール９と当接面５との間にボールペン用インキ２４の層が形成される。このインキの層によって圧力が発生し、ボール９を浮かせる力が発生する（くさび効果）。このことにより、当接面５の摩耗が抑制される。

また、筆記時には、紙面に突出できなかったボールペン用インキ２４が、ボール抱持室３から当接面５に戻される。このとき、第２の隙間Ｓ２が形成されているために、当該第２の隙間Ｓ２においてもインキの層が形成されるため、第１の隙間Ｓ１におけるインキの層による効果と相乗効果的に、筆感及び耐摩耗性を向上させることができる。

実施例
前記した方法により、ボール９表面に炭素質膜９Ａを形成させたボール（ＤＬＣ−１）と、プラズマ照射条件を変えることにより、炭素−酸素結合の割合が異なる炭素質膜を得たボール（ＤＬＣ−２）を作成した。具体的には、ＤＬＣ−１は、高周波電源の出力を１０Ｗとし、６０秒秒間酸素プラズマを照射した。ＤＬＣ−２は、高周波電源の出力を５０Ｗとし、６０秒間酸素プラズマを照射した。これらのボールに形成された炭素質膜に含まれる各結合の割合を前記した方法で測定した。得られた結果は表１に示す通りであった。

酸素原子と結合した炭素原子の全炭素原子に対する比率（ＣＯ_{ｔｏｔａｌ}）は、ＤＬＣ−１では０．１６であり、ＤＬＣ−２では０．４３であった。酸素プラズマを照射する際の電源出力が高いＤＬＣ−２の方がＤＬＣ−１よりもＣＯ_{ｔｏｔａｌ}の値が大きくなった。ＣＯ_{ｔｏｔａｌ}をさらに詳しくみると、Ｃ−Ｏの全炭素に対する比率は、ＤＬＣ−１とＤＬＣ−２とでほぼ同じとなったが、Ｃ＝Ｏの比率は、ＤＬＣ−２においてＤＬＣ−１の約６倍となり、Ｏ＝Ｃ−Ｏの比率は、ＤＬＣ−２においてＤＬＣ−１の約９倍となった。また、これらの炭素質膜におけるｓｐ^３炭素−炭素結合のｓｐ^２炭素−炭素結合に対する比率は０．３以上であった。

次に、炭素質膜を形成していない炭化タングステンボール（ＷＣ）、前記したＤＬＣ−１、または前記したＤＬＣ−２と、ボールペン用インキとの接触角に関し、測定を行った。得られた結果は表２に示す通りであった。

水性インキ、水性ゲルインキ及び油性インキのいずれについても、ＷＣよりもＤＬＣ−１の接触角が小さく、さらにＤＬＣ−２の接触角が小さくなった。水性インキの場合には、未処理のＷＣボールでは６０°程度あった接触角がＤＬＣ−１では５５°程度まで低下し、ＤＬＣ−２では３°程度まで低下しており非常に親和性が高くなっていることがわかる。水性ゲルインキについても、未処理のＷＣボールでは４４°程度あった接触角がＤＬＣ−１では３９°になり、ＤＬＣ−２では２２°程度まで低下した。油性インキについても、同様に３２°程度あった接触角が、２５°及び２０°程度まで低下しており、いずれのインキにおいても、炭素−酸素結合を有する炭素質膜を形成することにより、インキとの親和性が向上することが明らかである。

尚、使用したインキは、水、有機溶剤、着色剤（水溶性染料）を含む水性インキ（株式会社パイロットコーポレーション製、２０℃の環境下におけるインキ粘度は、２ｍＰａ・ｓ）を用いて測定を行っている。水性ゲルインキは、市販のゲルインキボールペン（株式会社パイロットコーポレーション製：Ｇ−２）に使用しているインキであり、有機溶剤、水溶性の染料系着色剤、剪断減粘性付与剤、保湿湿潤剤及び水等を含む。２０℃の環境下で、剪断速度３８４．０秒^−１における粘度は５０ｍＰａ・ｓである。油性インキは、市販の油性ボールペン（株式会社パイロットコーポレーション製）に使用しているインキを低粘度にしたものである。油性インキの場合、粘度が低い方が摩耗が大きくなるため、低粘度のインキを用いた。有機溶剤であるフェニルグリコール及びベンジルアルコール、油溶性の染料系着色剤、樹脂、潤滑剤及び粘度調整剤等を含む。２０℃の環境下における粘度は１５００ｍＰａ・ｓである。なお、粘度の測定にはデジタル粘度計（ブルックフィールド社製ＤＶ−ＩＩ：ＣＰＥ−４２ローター）を用いた。

接触角の測定には、自動接触角測定機（協和界面科学社製ＤＭ−５００）を用いた。炭素質膜の表面上にインキを１μｌ滴下して接触角を測定した。なお、測定タイミングは水性インキの場合には滴下直後とし、粘度の高い水性ゲルインキ及び油性インキの場合には滴下の３秒後とした。測定値は３点の平均値とした。

ボールペン用のインキは主に着色剤としての染料又は顔料と溶剤とからなり、水性ゲルインキの場合には増粘剤をさらに含んでいる。溶剤は水性インキ及び水性ゲルインキの場合には主に水である。このため、炭素質膜の表面がある程度親水性である方が炭素質膜とインキとの親和性が高くなる。また、油性インキの有機溶剤にも、アルコール系又はグリコエーテル系等の親水性の官能基を有する成分が含まれているため、炭素質膜の表面がある程度親水性である方が炭素質膜とインキとの親和性が高くなると考えられる。

次に、前記の各ボールを用いたボールペンチップを具備したボールペンを準備して、走行試験を行った。この試験は、２０℃にてボールペンを紙面に対して７０度傾斜させた状態で保持し、直径３２ｍｍの円を描くように回転させ、筆記用紙（ＪＩＳ：Ｐ３２０１）を４ｍ／分の速さで移動させる試験機を用いた。ボールペンが１つの円を描くことにより約１０ｃｍの距離を筆記する。筆記距離の１００ｍごとにチップ先端縁からのボール先端位置までの距離を測定した。ボール及び当接面の摩耗により、チップ先端縁からのボール先端位置までの距離が小さくなるため、ボール先端位置の変化量（沈み量）を摩耗量とした。尚、油性インキは４００ｇｆ（約３．９２Ｎ）、水性インキ及び水性ゲルインキ１００ｇｆ（約０．９８Ｎ）で走行試験を行っている。

先に述べた摩耗量を測定した結果、炭素質膜を形成していない未処理のボール（ＷＣ）＞表面に炭素−酸素結合の官能基導入を行っていない炭素質膜（ＤＬＣ−０）＞ＤＬＣ−１＞ＤＬＣ−２という結果となった。これは、水性インキでは、ボールと当接面（当接部）との間で境界潤滑あるいは混合潤滑になると考えられるが、炭素−酸素結合を有する炭素質膜を形成した場合には、ボールと水性インキとの親和性が向上し、ボールとボールと当接面（当接部）との直接の接触が生じにくいため、ボール及び当接面が摩耗しにくくなったためである考えられる。

次に、図６から図８に示す第２の実施形態のボールペンチップ１１も、ボール９を抱持するためのボール抱持室１３と、当該ボール抱持室１３の底壁１４の中央に形成されたインキ流通孔１７と、当該インキ流通孔１７から放射状に延びる複数本（本例では４本）のインキ流通溝１６と、を有するチップ本体１２のチップ先端部１２ａを内側にかしめることにより、ボール抱持室１３内に抱持されるボール９の一部をチップ先端縁より突出させると共に当該ボール９を回転自在に抱持するボールペンチップ１１である。チップ本体１２も、ステンレス鋼線材からなる。また、インキ流通孔１７もチップ後部孔１８に連続している。

本実施形態においても、ボール抱持室１３の底壁１４には、ボール９の曲率とは異なる曲率の曲面状の当接面１５が設けられており、ボール９は当接面１５の一部である当接部に対して当接するようになっている。また、ボール９は、第１の実施形態と同じボール９表面に、中間層９Ｂ及び炭素質膜９Ａを形成したものを用いている。

ここで、本実施形態の特徴として、インキ流通溝１６間の領域における当接面１５の周方向における略中心の４カ所を高く形成することで、当接面１５の周方向の当該４カ所において均等に、ボール９が略点状に当接している。すなわち、それら４カ所が当接部１５ａとなっている。

具体的には、周方向Ｒについて、ある当接面１５とインキ流通溝１６との接合部Ｔ１での交点Ｄから、当該当接面１５と他のインキ流通溝１６との接合部Ｔ２での交点Ｅまで、当接面１５の高さにおいてＤ、Ｅ間の略中心位置が最も高くなっていて、この略頂部である当接部１５ａにおいてボール９が当接している。

さらに、本実施形態においても、ボール９と当接面１５との間に、インキ流通孔１７側から前記当接部までインキ流通孔１７側から除々に小さくなる第１の隙間Ｓ１が形成されていると共に、インキ流通溝１６の先端側から前記当接部までインキ流通溝１６の先端側から除々に小さくなる第２の隙間Ｓ２が形成されている。

さらに、本実施形態においても、ボール９と当接面１５との間に、インキ流通孔１７側から前記当接部までインキ流通孔１７側から除々に小さくなる第１の隙間Ｓ１が形成されていると共に、インキ流通溝１６の先端側から前記当接部までインキ流通溝１６の先端側から除々に小さくなる第２の隙間Ｓ２が形成されている。

そして、本実施形態の特徴として、当接面１５とインキ流通溝１６との接合部Ｔ１、Ｔ２の近傍において、ボール９と当接面１５との間の第３の隙間Ｓ３が露出している。

このようなボールペンチップ１１は、以下のように製造される。すなわち、例えばφ２．３ｍｍで硬度が２３０Ｈｖ〜２８０Ｈｖのステンレス鋼線材が所望の長さに切断され、ボール抱持室１３、インキ流通孔１７、及び、当該インキ流通孔１７から放射状に伸びるインキ流通溝１６、が作製される。その後、ボール抱持室３の底壁４にボール９とは異なる成型用のハンマ−リング用ボールを載置した状態で、チップ先端部２ａ側からハンマーリングが行われ、スプリングバック性によって曲率半径の大きい全体曲面内において当接部１５ａとなる４カ所が盛り上がった曲面が形成される。

本実施形態によれば、第１の隙間Ｓ１、第２の隙間Ｓ２及び第３の隙間Ｓ３が形成されていることにより、ボール９と当接面１５（当接部１５ａ）との間にインキを保持しやすく、当接面（当接部）の摩耗が抑制される。

また、本実施形態によれば、当接部１５ａがインキ流通溝１６から離れて位置しているため、もし当接部１５ａが摩耗しても、インキ流通溝１６の機能に与える影響が少ない。このため、引き続き安定したインキの流れを維持することができる。

本実施例においても、走行試験後の摩耗量を測定した結果、炭素質膜を形成していない未処理のボール（ＷＣ）＞酸素プラズマ処理を行っていない炭素質膜（ＤＬＣ−０）＞ＤＬＣ−１＞ＤＬＣ−２という結果となった。

なお、第１実施形態では、ハンマーリングによるスプリングバック性を利用した後、かしめ加工時に底壁を傾斜させ、第２実施形態では、ハンマ−リング用ボールによってボールより曲率半径の大きい（曲率の小さい）曲面状の当接面を形成しているが、第１の隙間Ｓ１及び第２の隙間Ｓ２を有する曲面状の当接面が得られるのであれば、当接面の形成方法は特に限定されるものではない。

また、ボールペンチップのかしめ角度α、ボール径、ボール出等も特に限定されるものではない。もっとも、底壁の角度βが９０度より小さいと、当接面に第２の隙間Ｓ２を形成し難く、底壁の角度βが１５０度を超えると、第１の隙間Ｓ１を形成し難い。このため、底壁の角度βは、９０度以上、１５０度以下が好ましく、１００度から１４０度が最も好ましい。

本発明によるボールペンチップにおいては、前記ボール表面、または前記ボール抱持室の当接面の少なくとも一方に炭素質膜が形成されている。前記ボール表面と前記当接面の両方に炭素質膜が形成されていてもよい。なお、当接面に炭素質膜が形成される場合には、当接面だけに炭素質膜が形成されていればよいが、製造の容易さや、使用による変形などの観点から、ボール抱持室内全体など、広い範囲に炭素質膜が形成されていてもよい。さらには、チップ本体の外面に炭素質膜が形成されていてもよい。

また、当接面の表面に形成する炭素質膜は、ボールの表面に形成する炭素質膜と官能基の導入量又はＣＯ_totalの値等が同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、ボールペンチップの表面に炭素質膜を形成する場合も、炭素質膜と当接面との間に中間層を形成してもよい。

尚、実施形態では便宜上、ステンレス鋼線材をドリルによる切削加工によってチップ本体２を形成する切削タイプを例示しているが、金属製のパイプ（例えばステンレス鋼製パイプ）の先端近傍側壁を径方向内方に押圧変形することにより形成した複数（例えば、３個または４個）の内方突出部とによってボール抱持室を形成し、内方突出部によって設けた底壁に当接面を設けたボールペンチップであってもよい。

本発明のボールペンチップは、ボールペンとして広く利用可能であり、当接面の摩耗を抑制できるので、特に０．５ｍｍ以下の小径のボールを用いたボールペンとして好適に用いることができる。

また、本発明のボールペンチップボールの回転による摩耗を抑制するので、ボールペンチップとインキタンクとの間にチップ保持部材を具備し、このチップ保持部材の後方にインキタンクを着脱自在に取り付けることで、ボールペンチップの交換を不要とし、長期及び長距離にわたり安定した筆記性能を維持するボールペンを提供することができる。

１、１１ ボールペンチップ
２、１２ チップ本体
２ａ 先端部
２ｂ、１２ｂ シール面
３ ボール抱持室
４、１４ 底壁
５、１５ 当接面
５ａ、１５ａ 当接部
６、１６ インキ流通溝
７、１７ インキ流通孔
８ 後部孔
９ ボール
９Ａ 炭素質膜
９Ｂ 中間層
２１ ボールペン
２２ インキタンク
２３ コイルスプリング
２４ ボールペン用インキ
２５ インキ追従体
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 隙間
Ｔ１、Ｔ２ 接合部
α かしめ角度
β 底壁の角度
Ｈ 隙間の長さ

Claims (5)

1. チップ本体に、ボール抱持室と、該ボール抱持室の底壁の中央に形成したインキ流通孔と、該インキ流通孔から放射状に延びる複数本のインキ流通溝とを有し、チップ先端部を内側にかしめることにより、ボールの一部をチップ先端縁より突出させて回転自在に抱持してなるボールペンチップにおいて、前記ボール抱持室の底壁には、前記ボールの曲率とは異なる曲率の曲面状の当接面が設けられており、前記ボールは当該当接面の一部である当接部に対して当接するようになっており、前記ボールと前記当接面との間に、インキ流通孔側から前記当接部までインキ流通孔側から除々に小さくなる第１の隙間が形成されていると共に、インキ流通溝の先端側から前記当接部までインキ流通溝の先端側から除々に小さくなる第２の隙間が形成されているとともに、前記ボールの表面及び／又は前記当接面の表面に炭素質膜を形成し、該炭素質膜が、炭素原子及び該炭素原子と結合した酸素原子を有することを特徴とするボールペンチップ。
2. 前記当接部は、前記当接面の軸心方向の中央位置よりもチップ先端部側に位置していることを特徴とする請求項１に記載のボールペンチップ。
3. 前記当接面は、軸心に対して軸対称であり、前記当接部は、前記当接面の周方向に周回するように位置していることを特徴とする請求項１または２に記載のボールペンチップ。
4. 前記当接部は、前記当接面の周方向に略均等に位置しているとを特徴とする請求項１または２に記載のボールペンチップ。
5. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のボールペンチップを、インキタンクの先端に具備し、前記インキタンク内に、ボールペン用インキを収容してなるボールペンであって、前記ボールペン用インキは、少なくとも微粒子を含有しており、前記微粒子の大きさは、軸心方向における前記インキ流通孔側の第１の隙間の長さよりも小さいことを特徴とするボールペン。

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