JP2022063167A - 容器、回転装置および微粒子作製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】3次元回転させることのできる回転装置を用いる粉砕において、更なる粉砕効果が得られる技術を提供する。【解決手段】容器を3次元回転(2軸回転)させることのできる回転装置(ボールミル)を用いて粉砕する。回転装置は、主動円板6と従動円板9と伝達機構10を有する。伝達機構10を介してX軸周りの駆動回転がZ軸周りの容器回転に変換される。楕円球容器23に被粉砕物と硬質ボールを入れる。粉砕後の微粒子サイズが細かい(たとえば硬質ボールサイズの1/100以下)場合に、特に効果を発揮する。【選択図】図9
Description
本発明は、3次元回転させることのできる回転装置を用いる微粒子作製方法、微粒子を作製するための容器、およびその容器を用いた回転装置に関するものである。
微粒子を作製する粉砕装置の1種としてボールミルが知られている。ボールミルでは、セラミックや金属などの硬質のボールと、被粉砕物を円筒形の容器にいれて回転(1軸回転,2次元回転)させることによって、被粉砕物をすりつぶして微細な粉末(微粒子)を作る。
2次元回転(1軸回転)は円周方向のみであり、その回転による遠心力(公転)と回転(自転)によって、ボールは反対側へ飛び、試料を粉砕する。ボールの移動は限定的であり、充分な粉砕効果も限定的である。
これに対し、3次元回転(2軸回転)させることのできる回転装置(ボールミル)によれば、ボールは球形容器内壁面に沿って、および容器内で複雑な軌道を描き、球形容器全体を利用できるため、充分な粉砕効果が期待できる。
3次元回転(2軸回転)に係る回転装置として、外部モータにより内部モータとともに第1軸回転させ、内部モータにより第2軸周りに容器等を回転させる装置が一般的である(例えば特許文献1)。
外部モータにより内部モータ自体を回転させる結果、高速回転させると、内部モータに大きな遠心力が作用し、故障の原因になる。さらに、モータがついているため回転体の重心と回転中心を該一致させることが難しく、高速回転も難しい。また、内部モータ自体を回転させるには重量が重くなり、外部モータを大型化する必要がある。これにともない、多くのエネルギーを必要とし、熱損失も発生する。
これに対し、内部モータに換えて伝達機構を有する回転装置が提案されている(例えば、特許文献2)。
特許文献2に係る回転装置は、装置本体と筺体と駆動モータと支持盤とから構成される。駆動モータの回転駆動力はプーリを介して本体装置に伝達される。
本体装置は、外枠と内枠(容器保持構造)と第1円板(縦置)と第2円板(横置)と第1回転軸と第2回転軸とから構成されている。
駆動モータの回転駆動力はプーリを介して、第1回転軸に伝達される。第1回転軸まわりに、外枠、第2回転軸が回転する。
第1円板周面にはゴムが配設され、第2円板下面に当接されて、伝達機構を構成する。第1円板の回転力は第2円板に伝達される。第2回転軸まわりに、第2円板および内枠が回転する。
これにより、容器はX軸周りおよびZ軸周り、すなわち2軸周りに回転する。これを3次元回転と呼ぶ。
このように、球形容器内においてボールは複雑な軌道を描き、充分な粉砕効果が期待できる。容器形状により容器とボールの衝突に伴う発熱抑制を図ることができる。さらに、伝達機構により内部モータは不要となり、小型化、軽量化、高速回転化(たとえば400rpm)を図ることができる。また、伝達機構においても装置駆動に伴う発熱抑制を図ることができる。
特許文献2の容器は球形である。球形容器を定速で3次元回転させると、ボールは球形容器内にて一定の軌道を描くようになる。本願発明者が、特許文献2の回転装置(本願基本形)を開発した当時は、定常状態の方が好ましいと考えていた。
本願発明者は様々な粉砕試験を繰り返すうちに、この定常軌道が3次元回転ボールミルの性能を制限していると考えるようになった。
本発明は上記課題を解決するものであり、3次元回転させることのできる回転装置を用いる粉砕において、更なる粉砕効果が得られる技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明は、回転装置により水平軸(X軸)および直交軸(Z軸)周りに3次元回転される容器である。前記容器は、水平軸に直交する第1断面の形状と、前記直交軸に直交する第2断面の形状とが異なる。すなわち、真球形以外の容器である。
上記発明において、好ましくは、楕円球形、卵状球形、紡錘状球形、長円球形、半楕円球形と半球形との組み合わせ、半卵状球形と半球形との組み合わせ、半紡錘状球形半球形との組み合わせ、のいずれかである。
上記発明において、好ましくは、前記第1断面、第2断面のうち、いずれか一方は、略真円状であり、他方は短軸に対し非対称な略楕円状である。他方が長軸に対し非対称な略楕円状であってもよい。
球形容器以外とすることにより、ボール軌道の急激で複雑な変化を生み出し、更なる粉砕効果が期待できる。
上記課題を解決する本発明は、上記容器の重心位置と3次元回転中心との位置関係を調整するよう前記回転装置に設けられる治具である。なお、3次元回転中心とは、水平軸と直交軸との交点である。
上記治具は、軸非対称な容器を用いるときの位置合わせに有用である。
上記課題を解決する本発明は、上記容器を3次元回転させる回転装置である。前記回転装置は、第1回転駆動装置と、前記第1回転駆動装置により回転される第1水平軸と、前記第1水平軸に結合される外側回転枠と、前記第1回転駆動装置と反対側に設けられる第2回転駆動装置と、前記第1水平軸と反対側に設けられ、前記外側回転枠の一側面を貫通し、前記第2回転駆動装置により回転される第2水平軸と、前記第2水平軸に結合され、前記第2水平軸に垂直な方向に板面を有する主動円板と、前記第1水平軸および前記第2水平軸の軸芯方向とは直交方向に軸芯方向を有し、前記外側回転枠に設けられる直交軸と、前記直交軸に結合され、前記容器を保持する内側回転枠と、前記直交軸に結合され、前記直交軸に垂直な方向に板面を有する従動円板と、前記主動円板の回転力を前記従動円板に伝達する伝達機構と、前記第1回転駆動装置および第2回転駆動装置の出力を個別に制御する制御装置と、を備える。
上記回転装置により、3次元高速回転を実現できる。2軸回転を個別に制御できる。
上記課題を解決する本発明は、上記容器を3次元回転させる回転装置である。前記回転装置は、回転駆動装置と、前記回転駆動装置により回転される水平軸と、前記水平軸に結合される外側回転枠と、前記外側回転枠の一側面を貫通して前記水平軸に結合され、前記水平軸に垂直な方向に板面を有する主動円板と、前記水平軸の軸芯方向とは直交方向に軸芯方向を有し、前記外側回転枠に設けられる直交軸と、前記直交軸に結合され、前記容器を保持する内側回転枠と、前記直交軸に結合され、前記直交軸に垂直な方向に板面を有する従動円板と、前記主動円板まわりの回転力を前記従動円板に伝達する伝達機構と、前記回転駆動装置の出力を制御する制御装置と、を備える。
上記回転装置により、3次元高速回転を実現できる。1つの駆動装置により、2軸回転を実現できる。
上記課題を解決する本発明は、微粒子作製方法である。上記容器に硬質ボールと被粉砕物を入れ、前記容器を3次元回転させ、前記被粉砕物を粉砕して微粒子とする。
球形容器以外とすることにより、ボール軌道の急激で複雑な変化を生み出し、更なる粉砕効果が期待できる。
上記本発明において、好ましくは、前記被粉砕物はケイ素粒である。
ケイ素微粒子は、様々な用途において有用である。
上記本発明において、好ましくは、前記微粒子の平均径を前記硬質ボールの平均径の1/100以下とする。さらに好ましくは、1/500以下、1/1000以下とする。より好ましくは、1/2500以下とする。
粉砕後の微粒子サイズが細かい場合に、特に粉砕効果が顕著となる。
上記本発明において、好ましくは、前記容器を正回転させたのち、逆回転させる。
反転によるボール軌道変化により、ボール軌道の大きな変化を生み出し、更なる粉砕効果が期待できる。
本発明では、3次元回転させることのできる回転装置を用いる粉砕において、更なる粉砕効果が得られる。
<回転装置基本構成>
図1および図2は、回転装置の一例の概略図である。図1は断面図であり、図2は斜視図である。回転装置は、装置本体と筺体と回転駆動装置である電動モータ1,4と支持盤とから構成される。
図1および図2は、回転装置の一例の概略図である。図1は断面図であり、図2は斜視図である。回転装置は、装置本体と筺体と回転駆動装置である電動モータ1,4と支持盤とから構成される。
装置本体は、第1水平軸2と、外側回転枠3と、第2水平軸5と、主動円板6と、直交軸7と、内側回転枠8と、従動円板9と、伝達機構10と、制御装置30とを備える。
電動モータ1(第1回転駆動装置)の出力軸はプーリを介して第1水平軸2に結合されている。また、第1水平軸2は、外側回転枠3に結合されている。すなわち、電動モータ1の駆動により、外側回転枠3は第1水平軸2回り(軸心X-Xラインの回り)で回転する。
電動モータ4(第2回転駆動装置)の出力軸はプーリを介して第2水平軸5に結合されている。第2水平軸5は、第1水平軸2と反対側に設けられ、外側回転枠3の一側面を貫通する。第2水平軸5と外側回転枠3との間には、ボールベアリングが設けられている。また、第2水平軸5は、主動円板6に結合されている。主動円板6は第2水平軸5に垂直な方向に板面を有する。
すなわち、電動モータ4の駆動により、主動円板6は第2水平軸5回り(X-Xラインの回り)で回転する。一方で、第2水平軸5は外側回転枠3と縁が切れているため、電動モータ4の駆動力は外側回転枠3に直接伝達されない。
直交軸7,7は外側回転枠3に設けられる。直交軸7,7と外側回転枠3との間には、ボールベアリングが設けられている。直交軸7,7は、第1水平軸2および第2水平軸5の軸芯方向とは直交方向に軸芯方向を有する。また、直交軸7,7は、内側回転枠8に結合されている。
すなわち、内側回転枠8は外側回転枠3の内側に配置され、外側回転枠3内において直交軸7回り(Z-Zライン)に回転自在となっている。
さらに、直交軸7は、従動円板9に結合されている。すなわち、従動円板9の直交軸7回りの回転に伴い、内側回転枠8も直交軸7回り(Z-Zライン)で回転する。なお、内側回転枠8および従動円板9が直交軸7回りで回転しても、この回転力は外側回転枠3に直接伝達されない。
伝達機構10は、主動円板6の周端面が従動円板9の板面外周部に対向した状態で、主動円板6の回転力を従動円板9に伝達する。
内側回転枠8内には楕円球容器23が保持されている(図1,図3参照)。
<回転装置基本動作>
制御装置30は、電動モータ1および電動モータ4の出力を個別に制御可能である。
制御装置30は、電動モータ1および電動モータ4の出力を個別に制御可能である。
電動モータ1を駆動させると、第1水平軸2を介して、外側回転枠3はX-Xラインの回りで回転する。
外側回転枠3の回転に伴い、外側回転枠3に設けられた直交軸7,7もX-Xラインの回りで回転する。さらに直交軸7,7を介して内側回転枠8および従動円板9も、同様に、X-Xラインの回りで回転する。
電動モータ4を駆動させると、第2水平軸5を介して、主動円板6はX-Xラインの回りで回転する。
主動円板6と従動円板9は個別にX-Xラインの回りで回転し、回転速度差が発生する。X-Xラインの回りの回転速度差は伝達機構10を介して従動円板9に伝達され、従動円板9が直交軸7の回り(Z-Zラインの回り)で回転し、内側回転枠8もZ-Zラインの回りで回転する。
すなわち、内側回転枠8および楕円球容器23は、X-Xラインの回りで回転するとともに、Z-Zラインの回りでも回転する。言い換えると、2軸回転(3次元回転)する。
<伝達機構例>
電動モータ1および電動モータ4の出力を個別に制御することにより、X-Xラインの回りでの回転数(回転速度)とZ-Zラインの回りでの回転数(回転速度)を個別に制御することができる。これにより、更に複雑な挙動を実現できる。
電動モータ1および電動モータ4の出力を個別に制御することにより、X-Xラインの回りでの回転数(回転速度)とZ-Zラインの回りでの回転数(回転速度)を個別に制御することができる。これにより、更に複雑な挙動を実現できる。
一方で、電動モータ1および電動モータ4の個別制御は複雑な制御になりやすい。回転速度を増していくと、接触伝達機構では当接のスリップが発生し、速度制御の精度にかかる課題が発生するおそれがある。特に、主動円板6も従動円板9もX-Xラインの回りで回転すると、接触(当接)伝達機構では当接のスリップが発生しやすい。
さらに、回転速度を周期的に増減させる様な複雑な制御を想定する場合、伝達が追従できず、当接スリップが発生するおそれがある。
図1および図2の伝達機構は非接触式であり、複数の第1磁石11と複数の第2磁石12とから構成される。第1磁石11と第2磁石12との間にスペース13が形成されている。つまり、第1磁石11と第2磁石12とは非接触である。
第1磁石11は、主動円板6の周端面に、N極とS極とが交互になる様に複数配設される。第2磁石12は、従動円板9の板面外周部に、N極とS極とが交互になる様に複数配設される。
主動円板6が回転すると、第1磁石11も回転する。第1磁石11のN極は、第2磁石12のN極と反発しあい、第2磁石12のS極と引き合おうとする。第1磁石11のS極は、第2磁石12のS極と反発しあい、第2磁石12のN極と引き合おうとする。これを繰り返すことにより、主動円板6のX-Xラインの回りの回転力が従動円板9に伝達され、従動円板9はZ-Zラインの回りで回転する。
非接触伝達機構においては、当接スリップは発生しない。その結果、精度のよい速度制御が可能である。また、回転力伝達に伴い発熱しない。回転速度を周期的に増減させるような複雑な制御も可能となる。
<回転装置変形例>
容器を3次元回転させることのできる回転装置であれば、上記に限定されない。
容器を3次元回転させることのできる回転装置であれば、上記に限定されない。
図3は、回転装置の変形例である。電動モータ4がなく、第2水平軸5が固定されることにより、主動円板6も固定されている。なお、図1および図2記載の回転装置と同様の構成に対しては、対応する符号を参照し、図面簡略化のため符号図示を省略する。
電動モータ1を駆動させると、第1水平軸2を介して、外側回転枠3はX-Xラインの回りで回転する。
外側回転枠3の回転に伴い、外側回転枠3に設けられた直交軸7,7もX-Xラインの回りで回転する。さらに直交軸7,7を介して内側回転枠8および従動円板9も、同様に、X-Xラインの回りで回転する。
このとき、従動円板9は主動円板6外周に沿って回転する。X-Xラインの回りの回転力は伝達機構10を介して従動円板9に伝達され、従動円板9が直交軸7の回り(Z-Zラインの回り)で回転し、内側回転枠8もZ-Zラインの回りで回転する。
内側回転枠8および楕円球容器23は、X-Xラインの回りで回転するとともに、Z-Zラインの回りでも回転する。言い換えると、2軸回転(3次元回転)する。
このとき、Z-Zラインの回りでの回転数(回転速度)はX-Xラインの回りでの回転数(回転速度)に比例する。回転装置作動中は、個別制御ができない。一方で、2つのモータの個別制御に比べ、制御を単純化できる。
図4は、回転装置の別の変形例である。具体的には伝達機構10の変形例である。図1および図2の伝達機構は非接触式であるのに対し、図4の伝達機構は接触式(当接式)である。
主動円板6の周面に、摩擦係数が大きな弾性体(例えば、ゴムバンド)が取り付けられている。さらにゴムバンドには溝が設けられている。これにより、主動円板6の周面はゴムで形成された伝達機構10を介して従動円板9に圧接し、両者間に摩擦抵抗力が発生する。
従動円板9の板面外周に環状かつ面状のゴムが貼付されていてもよい。すなわち、どちらかの当接面または両方に弾性体が設けられていればよい。
伝達機構10の変形例として歯の噛み合わせ機構(図示省略)としてもよい。
<本願着眼点>
3次元回転における粉砕において、ボールとボールとが回転しながら擦れるように衝突し、被粉砕物はボールとボールの間に、ボールと容器の間に存在し、粉砕されていると推測される。
3次元回転における粉砕において、ボールとボールとが回転しながら擦れるように衝突し、被粉砕物はボールとボールの間に、ボールと容器の間に存在し、粉砕されていると推測される。
しかしながら、被粉砕物が粉砕され粒子が小さくなると、相対的に粒子サイズに対するボールサイズの比が大きくなる。その結果、例えばボールとボールが衝突し、その間に微粒子が挟まる場合を考えると、粒子サイズが小さくなるほど、ボールとボールの衝突点での粒子の接触機会が減る。これにより粉砕効果が抑制される。
また、容器とボールの隙間にある微粒子化した粒子は、粉砕される割合が減り、ボールよって容器壁側へ圧力を受けて押され、押し固められていくと推測される。これが繰り返されると微粒子が堆積していく。これにより、ある程度のサイズ(例えばボールサイズの1/100以下)になると、粉砕効果が抑制される。
例えば、本願では、ケイ素微粒子に着目した。ケイ素微粒子は、リチウムイオン二次電池用の負極活物質、シリサイドターゲット原料として、ケイ素微粒子に発光性の有機分子を吸着させて増強発光させたものは発光体材料として用いられる。
直径φ0.1mm~30mm程度のボールを用いて、0.01mm~10mm程度のケイ素粒を0.03μm~90μmの微粒子に粉砕することを企図する。その際、更なる粉砕効果を向上させることを検討した。
<粉砕概要>
楕円球容器23に硬質ボールと被粉砕物を入れ、50rpm~800rpm程度で3次元回転させて粉砕する。100rpm~400rpm程度が好ましい。
楕円球容器23に硬質ボールと被粉砕物を入れ、50rpm~800rpm程度で3次元回転させて粉砕する。100rpm~400rpm程度が好ましい。
楕円球容器23の容器サイズは限定されないが、粉砕試験では容器最大径80mm~250mmを用いている。後述のような球形以外容器の場合は、球形直径に準じて容器サイズを設定する。
楕円球容器23も硬質ボールと同等の材質(例えば、ジルコニアやアルミナ)であることが好ましい。ステンレスを用いてもよい。
被粉砕対象例として0.01mm~10mm程度のケイ素粒(比重2.3g/cm3)とし、0.03μm~90μmの微粒子に粉砕する。上記容器サイズに対応して、数g~数百gの被粉砕物を入れる。なお、被粉砕対象はケイ素粒に限定されない。
一般に用いられる硬質ボールはセラミック製や金属製である。セラミックの例としてジルコニア(比重5.7g/cm3)やアルミナ(比重4.0g/cm3)がある。上記容器サイズに対応して、被粉砕物の材質や量に応じて直径φ0.1mm~30mm程度のボールを数十g~数Kg入れる。
本願では、粉砕後の微粒子サイズが細かい(たとえば硬質ボールサイズの1/100以下)場合に、特に効果を発揮する。
<球形以外の容器による粉砕>
本願発明者は、球形容器内におけるボールの一定軌道が粉砕効果限界の一因と考え、球形容器の形状を変更することを着想した。
本願発明者は、球形容器内におけるボールの一定軌道が粉砕効果限界の一因と考え、球形容器の形状を変更することを着想した。
球形以外の容器の例として、楕円球形、卵状球形、紡錘状球形、長円球形、半楕円球形と半球形との組み合わせ、半卵状球形と半球形との組み合わせ、半紡錘状球形半球形との組み合わせ等が考えられる。説明の便宜のため、楕円球形を例に説明する。
図5は球形容器22と楕円球容器23との効果の違いを推測するイメージ図である。
球形容器22を3次元回転させると、遠心力により、硬質ボールは球形容器22の内壁面に沿って移動する。所定時間経過すると、定常軌道になる。
一方で、被粉砕物は粉砕され、サイズが小さくなっていくにしたがって、遠心力とボールよって容器壁側へ圧力を受けて押され、押し固められると推測される。その結果、硬質ボールは被粉砕物に接触することが少なく、充分な粉砕効果が得られない。
楕円球容器23を3次元回転させると、遠心力により、硬質ボールは楕円球容器23の内壁面に沿って移動する。楕円球容器23の内壁面に沿って移動する硬質ボールの一部は、曲率の変化により軌道を変えて内壁面から離れる。この際、サイズが小さくなった被粉砕物(微粒子)の一部は、ボールよって容器壁側へ圧力を受け続けることはなく、適宜解放され、内壁面から離れる。
内壁面から離れた被粉砕物は、硬質ボールと再び接触する機会が増える。その結果、更なる粉砕効果が期待できる。つまり、より細かい微粒子を作製できる。
また、球形容器22ではボールは定常軌道になり、容器壁面との衝突が少なくなるのに対し、楕円球容器23ではボール軌道が変化することで容器壁面との衝突が増える。ボールと容器壁面の間に存在する被粉砕物は粉砕される。一方、ボール軌道が変化することで、ボール同士の衝突機会も増える。さらに、加速度変化も生じ、より複雑な衝突となり、衝突エネルギーも増える。
このように、球容器以外の容器内でのボールの動きは、球容器内の動きより複雑になっていると考えられる。以上は、1個のボールの動きを説明したが、容器内には多数のボールが入っており、一つのボールの動きが複雑になると他のボールや容器内壁との衝突回数も増加すると考えられる。球容器に比べて、長円球(図7参照)や卵型容器(図9,10参照)を同じ回転数運転する際の電流値(エネルギー)は、1.5倍から2倍となっている。
一方、30分後の容器温度は、室温と比較して球容器では1.6℃とほとんど温度上昇はみられなかったが、卵型容器では12.5℃上昇し、長円球では18℃上昇した。このように、球容器以外の容器では、ボールの動きが複雑になりボール同士およびボールと容器の内壁との衝突回数も大幅に増えたためと考えられる。
この点でも、球形容器22を楕円球容器23とすることで更なる粉砕効果が期待できる。
図6は球形容器22と楕円球容器23との効果の違いを別の観点から説明する図である。
ボールミルによる粉砕効果を確実にするため、一般に、硬質ボールの比重は比較的重い(例:ジルコニア比重5.7g/cm3程度、アルミナ比重4.0g/cm3程度)。
その結果、硬質ボール自重の影響が大きく、低速回転(例えば50rpm程度)の3次元回転では、硬質ボールが球形容器22の内壁を駆け上がることができないおそれがある。高速回転(例えば200rpm程度)の3次元回転としても、硬質ボールが球形容器22の内壁を駆け上がり、球形容器全面に軌跡を描くようになるまで、所定時間を要する。
これに対し、3次元回転において、楕円球容器23の長軸が水平となる際、硬質ボールが楕円球容器23の内壁を駆け上がりやすくなる。低速回転(例えば50rpm程度)の3次元回転でも、楕円球容器23の内壁を駆け上がることができる。高速回転(例えば200rpm以上)の3次元回転とすると、硬質ボールが楕円球容器23の内壁を駆け上がり、短時間で、楕円球容器全面に軌跡を描くようになる。その結果、粉砕時間が短くなる。なお、本願回転装置は400rpmの高速回転が可能である。
この点でも、球形容器22を楕円球容器23とすることで更なる粉砕効果が期待できる。
<その他の容器>
球形以外の容器の例として、楕円球形、紡錘状球形、卵状球形、長円球形、半楕円球形と半球形との組み合わせ、半紡錘状球形と半球形との組み合わせ、半卵状球形と半球形との組み合わせ等が考えられる。楕円球形以外の容器について説明する。
球形以外の容器の例として、楕円球形、紡錘状球形、卵状球形、長円球形、半楕円球形と半球形との組み合わせ、半紡錘状球形と半球形との組み合わせ、半卵状球形と半球形との組み合わせ等が考えられる。楕円球形以外の容器について説明する。
図7は、長円球形容器の例である。長円球は長円を長軸回りに回転させた軌跡である。長円は長軸方向に一部直線を有する円形である。
図8は、紡錘状球形容器の例である。紡錘状球は紡錘状円を長軸回りに回転させた軌跡である。紡錘状円は楕円の長軸端部が極めて細くなっている。
図9は、半卵状球形容器と半球形容器との組み合わせの例である。卵状球形容器と類似形状であるため、実質的に卵状球形容器とみなす。
図10は、卵状容器の例である。卵状は楕円状に類似しているが、短軸に対し非対称な曲率を有する略楕円である。すなわち、長軸一端部の曲率は大きく、長軸他端部の曲率は小さく、両端間において連続的に曲率が変化する。
卵状楕円は、下記の軌跡のように表現できる。
x=((r+sinθ)2 - a2)1/2
y=cosθ
ここで、θは媒介変数であり、r ,aは任意の定数である。一般的な鶏の卵の場合a=2.5, r=3.0程度である。本願容器に適用する場合、a=1.0-6.0,r=2.5-8.0程度が好ましい。r ,aを適宜設定することにより、洋梨形状、涙形状等を表現できる。
x=((r+sinθ)2 - a2)1/2
y=cosθ
ここで、θは媒介変数であり、r ,aは任意の定数である。一般的な鶏の卵の場合a=2.5, r=3.0程度である。本願容器に適用する場合、a=1.0-6.0,r=2.5-8.0程度が好ましい。r ,aを適宜設定することにより、洋梨形状、涙形状等を表現できる。
卵状における緩やかな曲率の変化が、ボール軌道の急激で複雑な変化を生み出し、更なる粉砕効果が期待できる。
本願発明者が、様々な容器において、粉砕効果を確認したところ、卵状球形容器が適している。
なお、短軸に対し非対称な曲率を有する略楕円である卵状に代えて、長軸に対し非対称な曲率を有する略楕円である饅頭状としても、ボール軌道の急激で複雑な変化を期待できる。
図11は、半楕円球形と半球形との組み合わせの例である。図12は、半紡錘状球形と半球形との組み合わせの例である。これらの容器においても、軸に対し非対称な曲率を有することの効果が得られると思われる。
<球形以外容器による粉砕効果確認>
実施例1は、半卵状球形容器と半球形容器との組み合わせ(図9参照)による粉砕結果である。実施例2は、長円球形容器(図8参照)による粉砕結果である。比較例1は球形容器(図3参照)による粉砕結果である。
実施例1は、半卵状球形容器と半球形容器との組み合わせ(図9参照)による粉砕結果である。実施例2は、長円球形容器(図8参照)による粉砕結果である。比較例1は球形容器(図3参照)による粉砕結果である。
なお、粉砕後のシリコン微粒子は凝集しているため、以下のように処理する。粒度分布を測定する際に、事前に、乳鉢と乳棒を用いて解砕する。解砕したシリコン微粒子を界面活性剤水溶液に投入し、超音波処理によりシリコン微粒子を3分間分散させてシリコン微粒子分散液を調製する。次いで、得られたシリコン微粒子分散液中のシリコン微粒子の粒度分布を、レーザ回折・散乱式粒子径分布測定装置(MT3300EX II、マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて測定する。
図13は、実施例1、実施例2、実施例2-2、比較例1の粒度分布である。
粒度分布から、最大径、最大径の量、最小径、最小径の量、体積基準の平均粒子径MVと、d10、d50、d90をそれぞれ算出する。
最大径は測定された試料の中で最も大きい粒子サイズである。最小径は測定された試料の中で最も小さい粒子サイズである。MV(体積平均径)は、体積基準の平均粒子径である。各値が小さい程、粉砕効果が大きいことを示す。
d10、d50、d90は累積個数が10%、50%、90%時の粒子サイズである。各値が小さい程、粉砕効果が大きいことを示す。
比表面積は、試料のシリコン微粒子を測定用セルに入れ、脱気時間60分、脱気温度200℃の条件でセル内を脱気した後、全自動ガス吸着量測定装置(AUTOSORB-iQ2、QUANTACHROME社製)を用いて、BET法により測定される。測定ガスは、窒素ガスを用いる。各値が大きい程、粉砕効果が大きいことを示す。
実施例1および実施例2と比較例1とを比較すると、最大径、最小径、体積平均径MV、d10、d50、d90の全ての指標において、実施例1および実施例2の値の方が、明確に小さく(1桁程度)、粉砕効果が大きいことを示す。また、比表面積の指標において、実施例1および実施例2の値の方が、明確に大きく、粉砕効果が大きいことを示す。
<位置合わせ>
従来技術における球形容器は、水平軸に直交する断面形状も直交軸に直交する断面形状も真円である。球形容器における形状均一性を活用するためにも、球形容器の重心位置と3次元回転中心位置は、当然、一致する方が好ましいと、本願発明者は考えていた。
従来技術における球形容器は、水平軸に直交する断面形状も直交軸に直交する断面形状も真円である。球形容器における形状均一性を活用するためにも、球形容器の重心位置と3次元回転中心位置は、当然、一致する方が好ましいと、本願発明者は考えていた。
一方、上記結果より、球形容器によるボール軌道の定常状態よりも、球形以外の容器によるボール軌道変化のほうが、粉砕効果が期待できることが示唆されている。そこで、容器の重心位置と3次元回転中心位置をズラし、偏心させた方が、より多くの変化がおき、更なる粉砕効果が期待できるとも思われる。そこで、以下の通り、偏心の有無と粉砕効果について検証する。
実施例2-2は、半長円球形容器と半球形容器との組み合わせ(図示省略)である。実質的には、短軸に対し非対称である偏心した長円球形容器である。
偏心のない長円球形容器である実施例2と偏心のある長円球形容器である実施例2-2とを比較すると、最大径、最小径、体積平均径MV、d10、d50、d90の全ての指標において、実施例2の値の方が小さく、粉砕効果が大きいことを示す。また、比表面積の指標において、実施例2の値の方が大きく、粉砕効果が大きいことを示す。これにより、容器の重心位置と3次元回転中心位置が一致する(偏心なし)方がより好ましいことが示唆される。すなわち、偏心による非常に大きな軌道変化よりも、容器形状による大きな軌道変化の方がより好ましいことが示唆される。
ところで、上記の容器形状例において、球形容器、楕円球形、紡錘状球形、長円球形等は、短軸に対し対象であるため、容器の重心位置を設定しやすい。一方で、卵状球形、半楕円球形と半球形との組み合わせ、半紡錘状球形と半球形との組み合わせ、半卵状球形と半球形との組み合わせ等は、短軸に対し非対象であるため、容器の重心位置を設定しにくい。
そこで、容器の重心位置と3次元回転中心との位置関係を調整する治具25(図9参照)を介して回転装置に設けられることが好ましい。治具25は、容器フランジと内側回転枠8とを長さ調整可能に連結する。図9では、治具25の長さは36mmとしている。これにより、短軸に対し非対象である容器であっても、容器の重心位置と3次元回転中心との位置関係が一致する。
<反転>
本願発明者は、球形容器内におけるボールの定常軌道が粉砕効果限界の一因と考え、反転によるボール軌道変化を着想した。
本願発明者は、球形容器内におけるボールの定常軌道が粉砕効果限界の一因と考え、反転によるボール軌道変化を着想した。
特に球形容器において、被粉砕物は粉砕され、サイズが小さくなっていくにしたがって、ボールよって容器壁側へ圧力を受けて押され、押し固められると推測され、粉砕効果が抑制される。
制御装置30は、電動モータ1および電動モータ4の出力を個別に制御可能である。たとえば、逆回転可能である。制御装置30の逆回転指令は反転機構を構成する。正回転させたのち、逆回転させる。これを繰り返してもよい。
これにより、水平軸周りの反転、直交軸周りの反転、および、水平軸周りかつ直交軸周りの反転が可能である。
参考例は、反転による粉砕結果である。比較例2は反転なしによる粉砕結果である。比較例2-1では粉砕時間をほぼ同じにする。比較例2-2では粉砕時間をほぼ2倍にする。なお、効果の検証を容易とするため、球形容器22を用いる。
反転による参考例と反転のない比較例2-1とを比較すると、最大径、最小径、体積平均径MV、d10、d50、d90の全ての指標において、参考例の値の方が小さく、粉砕効果が大きいことを示す。また、比表面積の指標において、参考例の値の方が大きく、粉砕効果が大きいことを示す。これにより、反転によるボール軌道変化がある方が好ましいことが示唆される。
反転による参考例と反転のない比較例2-2(粉砕時間2倍)とを比較すると、最大径、最小径、体積平均径MV、d10、d50、d90の全ての指標において、参考例の値の方がやや小さくまた、比表面積の指標において、参考例の値の方がやや大きい。
これにより、粉砕時間を徒に長くするより、反転によるボール軌道変化の方が、更なる粉砕効果が得られることが示唆される。
特に球形容器においては、内壁面に付着する被粉砕物は、反転により、剥離するものと思われる。これにより、更なる粉砕効果が得られる。
一方、球形以外の容器においては、その形状によっては、容器内において局所的に被粉砕物が付着したり溜まったりする恐れがある。局所的に付着したり溜まったりした被粉砕物は、反転により、剥離、剥落するものと思われる。これにより、更なる粉砕効果が得られる。
<補足>
本願では、粉砕後の微粒子サイズが細かい(たとえば硬質ボールサイズの1/100以下)場合に、特に効果を発揮する。上記実施例では、硬質ボールサイズの1/2500程度の微粒子を作製している。
本願では、粉砕後の微粒子サイズが細かい(たとえば硬質ボールサイズの1/100以下)場合に、特に効果を発揮する。上記実施例では、硬質ボールサイズの1/2500程度の微粒子を作製している。
一方、例えば、サイズの異なる大中小のボールを用いることで、粉砕により漸次サイズが小さくなっていく場合に対応できる(比較例3)。しかし、比較例3では、相対的に対応するボール量が少なく、充分な粉砕時間を要する。
これに対し本願では、同じサイズのボールを用いても、短時間で比較例3と同等の効果が得られる。ただし、比較例3と同様、サイズの異なる大中小のボールを用いてもよい。
1 電動モータ
2 第1水平軸
3 外側回転枠
4 電動モータ
5 第2水平軸
6 主動円板
7 直交軸
8 内側回転枠
9 従動円板
10 伝達機構
11 第1磁石
12 第2磁石
13 スペース
22 球形容器
23 楕円球容器
25 治具
2 第1水平軸
3 外側回転枠
4 電動モータ
5 第2水平軸
6 主動円板
7 直交軸
8 内側回転枠
9 従動円板
10 伝達機構
11 第1磁石
12 第2磁石
13 スペース
22 球形容器
23 楕円球容器
25 治具
Claims (10)
- 回転装置により水平軸および直交軸周りに3次元回転される容器であって、
前記水平軸に直交する第1断面の形状と、前記直交軸に直交する第2断面の形状とが異なる
ことを特徴とする容器。 - 楕円球形、卵状球形、紡錘状球形、長円球形、半楕円球形と半球形との組み合わせ、半卵状球形と半球形との組み合わせ、半紡錘状球形と半球形との組み合わせ、のいずれかである
ことを特徴とする請求項1記載の容器。 - 前記第1断面、第2断面のうち、いずれか一方は、略真円状であり、他方は短軸または長軸に対し非対称な略楕円状である
ことを特徴とする請求項1記載の容器。 - 請求項1~3いずれか記載の容器の重心位置と3次元回転中心との位置関係を調整するよう前記回転装置に設けられる
ことを特徴とする治具。 - 請求項1~3いずれか記載の容器を3次元回転させる回転装置であって、
第1回転駆動装置と、
前記第1回転駆動装置により回転される第1水平軸と、
前記第1水平軸に結合される外側回転枠と、
前記第1回転駆動装置と反対側に設けられる第2回転駆動装置と、
前記第1水平軸と反対側に設けられ、前記外側回転枠の一側面を貫通し、前記第2回転駆動装置により回転される第2水平軸と、
前記第2水平軸に結合され、前記第2水平軸に垂直な方向に板面を有する主動円板と、
前記第1水平軸および前記第2水平軸の軸芯方向とは直交方向に軸芯方向を有し、前記外側回転枠に設けられる直交軸と、
前記直交軸に結合され、前記容器を保持する内側回転枠と、
前記直交軸に結合され、前記直交軸に垂直な方向に板面を有する従動円板と、
前記主動円板の回転力を前記従動円板に伝達する伝達機構と、
前記第1回転駆動装置および第2回転駆動装置の出力を個別に制御する制御装置と、
を備える
ことを特徴とする回転装置。 - 請求項1~3いずれか記載の容器を3次元回転させる回転装置であって、
回転駆動装置と、
前記回転駆動装置により回転される水平軸と、
前記水平軸に結合される外側回転枠と、
前記外側回転枠の一側面を貫通して前記水平軸に結合され、前記水平軸に垂直な方向に板面を有する主動円板と、
前記水平軸の軸芯方向とは直交方向に軸芯方向を有し、前記外側回転枠に設けられる直交軸と、
前記直交軸に結合され、前記容器を保持する内側回転枠と、
前記直交軸に結合され、前記直交軸に垂直な方向に板面を有する従動円板と、
前記主動円板まわりの回転力を前記従動円板に伝達する伝達機構と、
前記回転駆動装置の出力を制御する制御装置と、
を備える
ことを特徴とする回転装置。 - 請求項1~3いずれか記載の容器に硬質ボールと被粉砕物を入れ、
前記容器を3次元回転させ、
前記被粉砕物を粉砕して微粒子とする
ことを特徴とする微粒子作製方法。 - 前記被粉砕物はケイ素粒である
ことを特徴とする請求項7記載の微粒子作製方法。 - 前記微粒子の平均径を前記硬質ボールの平均径の1/100以下とする
ことを特徴とする請求項7または8記載の微粒子作製方法。 - 前記容器を正回転させたのち、逆回転させる
ことを特徴とする請求項7~9いずれか記載の微粒子作製方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020171576A JP2022063167A (ja) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | 容器、回転装置および微粒子作製方法 |
PCT/JP2021/037443 WO2022075465A1 (ja) | 2020-10-09 | 2021-10-08 | 容器、回転装置および微粒子作製方法 |
PCT/JP2021/037466 WO2022075473A1 (ja) | 2020-10-09 | 2021-10-08 | 回転装置および微粒子作製方法 |
TW110137530A TW202228847A (zh) | 2020-10-09 | 2021-10-08 | 旋轉裝置以及微粒子製作方法 |
TW110137531A TW202227189A (zh) | 2020-10-09 | 2021-10-08 | 容器、旋轉裝置以及微粒子製作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2020171576A JP2022063167A (ja) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | 容器、回転装置および微粒子作製方法 |
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---|---|
JP2022063167A true JP2022063167A (ja) | 2022-04-21 |
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---|---|---|---|
JP2020171576A Pending JP2022063167A (ja) | 2020-10-09 | 2020-10-09 | 容器、回転装置および微粒子作製方法 |
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- 2020-10-09 JP JP2020171576A patent/JP2022063167A/ja active Pending
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