JP5504647B2 - ボールミル装置 - Google Patents

Description

本発明は、遊星ボールミル装置の改良に関する。

遊星ボールミル装置は、原料物質をボールとともに封入した複数個のポットを主軸の同心円上に配置し、主軸をモータによって回転駆動させることで各ポットを主軸のまわりに公転運動させるとともに、各ポットをその中心軸のまわりに自転運動させることによって、各ポット内に大きな圧縮力および剪断力を生じさせて原料物質を粉砕し、あるいは合成する装置である（例えば、特許文献１、２参照）。

遊星ボールミル装置においては、ポットの公転および自転運動を同時に生じさせるために、主軸と各ポットの自転軸とが遊星歯車機構によって互いに連結されている。
しかしながら、ポットを公転および自転運動させるための駆動機構は、遊星ボールミル装置の小型化を制限するとともに、装置の構造を複雑にしている。

特開平５−１４６６９８号公報 特開２００２−１４３７０６号公報

したがって、本発明の課題は、小型で簡単な構造のボールミル装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、基台と、前記基台の上面に配置された回転テーブルと、前記回転テーブルの回転軸に接続されたモータと、前記モータに電力を供給する電源と、前記電源から前記モータへの供給電力を制御する制御部と、非金属材料から形成され、前記回転テーブルに起立状態に固定される単一のポットと、磁性を有し、前記ポットに封入される複数個のボールと、を備え、前記ポットの内側空洞部の径が前記ボールの直径の２．５〜４倍の大きさを有し、前記ポットは、その中心軸が前記回転テーブルの回転軸に一致するように配置されており、さらに、前記基台に取り付けられ、前記ポットの外周面に対向し、かつ前記ポットの一半径方向に局在して配置された磁石を備え、前記ポットの外側から前記磁石の磁力によって前記ボールを前記ポットの半径方向外向きに一方向に引き付けながら、前記ポットおよび前記ボールを前記ポットの中心軸のまわりに相対回転運動させるものであることを特徴とするボールミル装置を構成したものである。

上記構成において、前記ボールミル装置は、前記基台に設けられた磁石支持手段をさらに有し、前記磁石支持手段は、前記ポットの一半径方向に前記ポットおよび前記磁石間の距離を変更可能になっていることが好ましい。

また、前記磁石が電磁石からなり、前記電磁石は前記電源から電力供給を受け、前記制御部は前記電源から前記電磁石への供給電力を制御するようになっていてもよい。

また、前記ボールが、内部に磁性体を備えた合成樹脂製の球体からなり、前記ポットが合成樹脂から形成されていることが好ましい。

本発明によれば、ポットを公転運動させるための回転駆動系が不要となるので、ボールミル装置の構造が簡単となり、ボールミル装置を容易に小型化することができる。

本発明の１実施例によるボールミル装置の斜視図である。 図１のボールミル装置の構造を概略的に示す側断面図である。 ボールミル装置のポットの１実施例を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は縦断面図である。 ポット内にボールが収容された状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図である。 ポットが回転運動する間のボールの運動状態を説明する平面図である。 図１のボールミル装置を用いててん茶を粉砕して得られた粉末の粒度分布を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例によるボールミル装置の斜視図であり、図２は、図１のボールミル装置の構造を概略的に示す側断面図である。図３は、ポットの１実施例を示した図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は縦断面図である。また、図４は、ポット内にボールが収容された状態を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図である。

図１〜図４を参照して、本発明によれば、非金属材料から形成され、内部に複数個のボール２が封入される単一のポット１と、ポット１を起立状態に支持する基台３が備えられる。
個々のボール２は、少なくともその一部分が磁性を有しておればよいが、例えば、食品や生薬等の人体が摂取する物を粉砕する場合には、人体への影響を考慮して、内部に磁性体を備えた合成樹脂製の球体からなっていることが好ましい。この場合、合成樹脂製のボールの内部に鉄球等の金属球を単体で組み込んでもよいし、フェライトビーズ等の流動体を組み込んでもよい。
また、ポット１は、任意の非金属材料から形成され得るが、例えば、食品や生薬等の人体が摂取する物を粉砕する場合には、人体への影響を考慮して、合成樹脂から形成されていることが好ましい。

この場合、合成樹脂は、人体に対する毒性がなく、耐摩耗性に優れたものであればいずれも使用可能であり、例えば、ポリアセタール、テフロン（登録商標）、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、ポリメチルペンテン、ポリエーテルスルホンおよびポリエチレンテレフタレートからなるグループより選ばれたポリマーであることが好ましく、あるいは、これらのポリマーを配合したものよりなる混合物であってもよいし、あるいは、これらのポリマーの構成モノマーからなるコポリマーであってもよい。
より好ましくは、合成樹脂は、人体に対する毒性がなく、高耐摩耗性、高自己潤滑性および高耐衝撃性を有する合成樹脂であり、特に、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリアミドイミド（例えば、トーロン（登録商標））およびポリベンゾイミダゾールのいずれか１つまたはそれらの混合物であり、あるいは、ポリエーテルエーテルケトンまたはポリアミドイミド（例えば、トーロン（登録商標））またはポリベンゾイミダゾールの構成モノマーからなるコポリマーである。

ポット１およびボール２が合成樹脂から形成される場合、同一種類の合成樹脂から形成されたポット１およびボール２を常に組み合わせて使用する必要はなく、異なる種類の合成樹脂から形成されたポット１およびボール２を組み合わせて使用してもよい。

基台３の上面には一対の垂直な支持板４ａ、４ｂが互いに間隔をあけて固定され、一対の支持板４ａ、４ｂの間に挟まれた基台３の上面領域には、ポット１を起立状態に支持する回転テーブル５が配置される。回転テーブル５の下面中央には回転軸５ａが突設され、この回転軸５ａは、下向きに基台３の内部にのび、基台３に設けられた軸受６によって回転可能に支持される。また、回転テーブル５の上面中心には、ポット１を位置決めする突起７が設けられる。突起７には、（後述する）ポット１の底壁外面の中心に設けられた凹部２１が嵌め込まれる。

基台３の内部にはモータ８が配置されるとともに、モータ８の駆動軸８ａは回転テーブル５の回転軸５ａに結合される。モータは、家庭用ＡＣ１００Ｖの電源から電源ユニット９（変圧器、整流器、安定化回路等から構成される）を通じて電力供給を受け、回転テーブル５はモータ８によって回転駆動されるようになっている。

基台３の内部には、また、電源ユニット９からモータ８への供給電力を制御する制御部１０が配置される。制御部１０は、図示はしないが、基台３の上面または側面に設けられた操作パネル部を有し、操作パネル部を通じて、少なくとも、モータの回転数と回転継続時間とを設定可能になっており、制御部１０は、これらの設定値に基づいて、モータ８への供給電力を制御する。

基台３の一対の支持板４ａ、４ｂの上部は、板状の連結部材１１によって互いに連結され、連結部材１１には、回転テーブル５に対応する位置に、ポット１を回転テーブル５に固定して回転テーブル５と一体的に回転させるためのポット固定機構１２が設けられる。
ポット固定機構１２は、連結部材１１に固定されたブラケット１３と、回転テーブル５の中心軸に沿ってのびるとともに、ブラケット１３に対し上下にスライド可能に取り付けられたロッド１４と、Ｌ字形状をなし、一方の腕の端がピン１５によってブラケット１３に取り付けられ、ピン１５のまわりに回動可能なアングルレバー１６と、アングルレバー１６の中間部とロッド１４の上端部を連結するリンク１７と、ブラケット１３から下方に突出するロッド１４の下端に軸受１８を介してロッド１４の軸と同心に取り付けられ、ロッド１４に対して回転自在とされた押圧カップ１９とを有している。押圧カップ１９の下端面中心には、ポット１を位置決めする突起２０が設けられる。この突起２０は、（後述する）ポット１の蓋１ｂの上面中心に設けられた凹部２２に嵌め込まれる。

そして、アングルレバー１６は、他方の腕が垂直に起立する第１の位置（図２の仮想線で示した位置）と、当該他方の腕が水平に倒れる第２の位置（図２の実線で示した位置）をとるようになっていて、アングルレバ１６ーが第１の位置をとるとき、押圧カップ９の下端面および回転テーブル５の上面間の距離がポット１の高さよりも大きくなって、ポット１を回転テーブル５にセット可能な状態となり、第２の位置をとるときは、押圧カップ９によって、回転テーブル５上に置かれたポット１が回転テーブル５に押しつけられ、ポット１が回転テーブル５と押圧カップ１９の間に固定されて、回転テーブル５、ポット１および押圧カップ１９が一体となって回転し得る状態となる。

さらに、回転テーブル５の外側であって一対の支持部材４ａ、４ｂの間には、板状の永久磁石２３が取り付けられ、回転テーブル５上に置かれたポット１の外周面に対向しかつポット１の一半径方向に局在して配置される。
こうして、回転テーブル５と、モータ８と、電源ユニット９と、制御部１０と、磁石２３とから、ポットの外側から磁力によって、ボールをポットの半径方向外向きに一方向に引き付けながら、ポット１およびボール２をポット１の中心軸のまわりに相対回転運動させる駆動機構が構成される。

図３を参照して、ポット１は、一端が閉じられた円筒形状のポット本体１ａと、ポット本体１ａの他端開口をリング状のパッキン１ｃを介して密閉し得る蓋体１ｂからなっている。また、ポット本体１ａの内側空洞部１ｄの周壁面１ｅから底壁面１ｆへの移行部分１ｇは、所定の曲率半径ｒをもって湾曲している。

良好な粉砕を実現するために、ポット１およびボール２の寸法、並びにボール２の比重を適宜変化させてもよい。ボール２の比重を変化させる方法としては、互いに比重の異なる２種類の合成樹脂を用意し、ボール２を、第１の合成樹脂から形成された球形の核と、核の外側を取り巻く、第２の合成樹脂から形成された外皮層からなる２層構造として比重を変化させる方法、あるいは、ボール２の内部に組み込む磁性体の寸法または種類を変える方法がある。

図４を参照して、ポット１の内側空洞部１ｄの周壁面１ｅから底壁面１ｆへの移行部分１ｇの曲率半径ｒは、ボール２の半径と等しいかまたはそれよりも大きくなっている。
さらに、ポット１の内側空洞部１ｄの径ｓは、ボール２の直径Ｒの２．５〜４倍の大きさを有し、かつ、ポット１本当たりに５〜８個の同一のボール２が収容される。

こうして、まず、ボールミル装置のアングルレバー１６が第１の位置にセットされ、被粉砕物およびボール２が封入されたポット１が回転テーブル５上に置かれる。このとき、回転テーブル５の突起７にポット１の底の凹部２１が嵌め込まれることにより、ポット１の中心軸が回転テーブル５の回転軸に一致するように位置決めされる。次に、ポット固定機構１２のアングルレバー１６が第２の位置まで回動せしめられ、ポット１が押圧カップ１９および回転テーブル５の間に固定される。このとき、押圧カップ１９の突起２０がポット１の蓋１ｂの凹部２２に嵌め込まれる。

その後、制御部１０の操作パネル部を通じて、ポット１の回転数および回転継続時間の値が入力された後、ポット１の回転運動が開始される。そして、モータ８の駆動によって回転テーブル５、ポット１および押圧カップ１９が一体となって回転する。設定された回転継続時間が経過するとポット１の回転が停止し、その後、アングルレバー１６が第２の位置から第１の位置まで回動せしめられてポット１がボールミル装置から取り外される。

図５は、ポット１が回転運動する間のボール２の運動を説明する平面図である。図５を参照して、ポット１が回転運動すると、各ボール２は、ポット１との摩擦や被粉砕物の存在によって、ポット１の回転による遠心力を受けてポット１の内壁に押しつけられながらポット１の内壁に沿って運動する。その結果、複数個のボール２は、全体としてポット１の内壁に沿って回転運動する。

さらに、このボール２の集団が、磁石２３による磁力の影響を受ける範囲内に到達するたびに、磁石による引力により、ボール２の集団内においてボール２の入れ替え運動が生じる。
そして、このポット１の回転運動によるボール２の集団の回転運動と、磁石２３の磁力によるボール２の集団内での入れ替え運動の複雑な組み合わせによって、ポット１内の被粉砕物が、各ボール２の衝突を受け、ボール２間またはポット１の内壁およびボール２間において圧縮、剪断等の作用を受け、効果的に粉砕される。この粉砕作用は、遊星ボールミル装置によって公転および自転運動せしめられるポット内に生じる粉砕作用に類似している。

以上、本発明の好ましい１実施例について説明したが、本発明の構成はこの実施例に限定されない。例えば、この実施例では、永久磁石２３およびポット１間の距離は固定されているが、永久磁石２３をポット１の半径方向に移動可能に支持する構成とすれば、ポット１おびポット１間の距離を変更することで、ポット１内のボール２に及ぼされる磁力を調節することができる。永久磁石の代わりに電磁石を用いることもできる。電磁石を用いた場合には、電磁石への供給電力を調整することで、容易に磁力を調節することができる。この場合には、電磁石を電源ユニット９に接続し、電源ユニット９から電磁石に電力供給を行うようにし、その供給電力を制御部１０によって制御するような構成とすればよい。この構成において、さらに、モータ８の回転数を検出するセンサーを設け、制御部１０において、センサーの検出信号に基づいて電磁石への供給電力を制御するようにしてもよい。

また、この実施例では、回転テーブル５、よってポット１の回転軸が鉛直方向を向くようにしているが、この回転軸を傾斜させるとともに、この傾斜した回転軸のまわりに回転するポットの外周面に対向するように磁石を配置する構成とすることもできる。この構成によれば、粉砕過程に重力の一部を寄与させることができる。

次に、本発明のボールミル装置によって従来の遊星ボールミルと同様の粉砕物が得られるか実証実験を行って調べた。実証実験の内容は次のとおりである。
遊星ボールミル装置のポットとして、図３に示したのと同じ構造の、下記の仕様のものを作成した。
（i）ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）製ポット：容積４５ｃｃ、内径ｓ＝４６ｍｍ、深さｄ＝２８ｍｍ、周壁面から底壁面への移行部分の曲率半径ｒ＝８ｍｍ
また、このポットと組み合わせるボールとして、下記の仕様のものを作成した。
（ii）鉄球入りポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）製ボール：直径Ｒ＝１５ｍｍ、ＰＥＥＫの外皮の厚さ２．５ｍｍ

そして、被粉砕物として抹茶の原料であるてん茶を使用し、ポットに、茶葉を５個のボールとともに封入した後、ポットを、図１のボールミル装置の回転テーブルに固定し、ボールミル装置を８００ｒｐｍの回転数で４時間運転し、てん茶を粉砕した。そして、得られた粉末の粒度分布を、粒度分布測定装置を用いて測定した。

測定結果を図６のグラフに示す。なお、図６のグラフ中、ＭＶ（μｍ）、ＭＮ（μｍ）、ＭＡ（μｍ）、ＣＳおよびＳＤ（μｍ）の定義は、それぞれ、次のとおりである。
ＭＶ：体積で重み付けされた平均径
ＭＡ：面積で重み付けされた平均径
ＭＮ：仮想の個数分布から求められた平均径
ＳＤ：粒度分布幅の目安となる標準偏差
ＣＳ：粒子を球状と仮定した場合の比表面積
図６のグラフから、本発明のボールミル装置によっても、従来の遊星ボールミル装置と同様にてん茶の粉末が得られることがわかる。

１ ポット
１ａ ポット本体
１ｂ 蓋体
１ｃ パッキン
１ｄ 内側空洞部
１ｅ 周壁面
１ｆ 底壁面
１ｇ 移行部分
２ ボール
３ 基台
４ａ、４ｂ 支持板
５ 回転テーブル
５ａ 回転軸
６ 軸受
７ 突起
８ モータ
８ａ 駆動軸
９ 電源ユニット
１０ 制御部
１１ 連結部材
１２ ポット固定機構
１３ ブラケット
１４ ロッド
１５ ピン
１６ アングルレバー
１７ リンク
１８ 軸受
１９ 押圧カップ
２０ 突起
２１、２２ 凹部
２３ 永久磁石

Claims (5)

1. 基台と、
   前記基台の上面に配置された回転テーブルと、
   前記回転テーブルの回転軸に接続されたモータと、
   前記モータに電力を供給する電源と、
   前記電源から前記モータへの供給電力を制御する制御部と、
   非金属材料から形成され、前記回転テーブルに起立状態に固定される単一のポットと、
   磁性を有し、前記ポットに封入される複数個のボールと、を備え、前記ポットの内側空洞部の径が前記ボールの直径の２．５〜４倍の大きさを有し、前記ポットは、その中心軸が前記回転テーブルの回転軸に一致するように配置されており、さらに、
   前記基台に取り付けられ、前記ポットの外周面に対向し、かつ前記ポットの一半径方向に局在して配置された磁石を備え、
   前記ポットの外側から前記磁石の磁力によって前記ボールを前記ポットの半径方向外向きに一方向に引き付けながら、前記ポットおよび前記ボールを前記ポットの中心軸のまわりに相対回転運動させるものであることを特徴とするボールミル装置。
2. 前記基台に設けられた磁石支持手段をさらに有し、前記磁石支持手段は、前記磁石を前記ポットの前記一半径方向に動かすことによって、前記ポットおよび前記磁石間の距離を変更可能になっていることを特徴とする請求項１に記載のボールミル装置。
3. 前記磁石は電磁石からなり、前記電磁石は前記電源から電力供給を受け、前記制御部は前記電源から前記電磁石への供給電力を制御するようになっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボールミル装置。
4. 前記ボールは、内部に磁性体を備えた合成樹脂製の球体からなっていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のボールミル装置。
5. 前記ポットは合成樹脂から形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のボールミル装置。

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