JP5666220B2 - 三次元ボールミル - Google Patents

Description

本発明は、三次元回転する三次元ボールミルに関する。

これまで、三次元回転する三次元ボールミルは存在しなかった。単一のミルポットを持ったボールミルとして、たとえば、特許文献１に開示されたボールミル（以下、「従来のボールミル」という）がある。従来のボールミルが有するミルポットは円筒形であって、１対のローラー上に平行かつ水平に設置されている。両ローラーの回転は、円筒形のミルポットをその円周方向に二次元回転するように構成されている。一方、ミルポットの両端面の内面は、ミルポット内方へ膨出した形状となっている。ミルポットの回転時に内部のボールの動きを複雑にして粉砕を効率よく行わせようとするためである（特許文献１参照）。

他方、特許文献２には、三次元回転機構を備えたクリノスタッドが開示されている。そもそもクリノスタットは擬似的な無重力状態を作るために１０ｒｐｍ以下の低速でランダムに回転するものであり、さらにミルポットなどを備えていないなどボールミルとは、その目的、構成さらに作用効果を全く異にする。このため先行技術として挙げるまでもないが、３次元回転機構が本発明のそれと若干の類似性があるので念のために記載しておく。

特開２００７−１９６１１７号公報（段落００１４、００２５、図１参照） 特開２００８−２７３２７６号公報（段落００１１、００１２、図１、２参照）

しかしながら、ミルポットの回転は円周方向のみであるから、その回転により遠心力を受けたボールはミルポット上位の円筒内壁に向かって移動する。このため、上記膨出部と衝突する機会は必ずしも多くない。このため、その作用を受けたボールが粉砕に寄与する機会は少ない。したがって、二次元回転する円筒状のミルポットでは、充分な粉砕効果を得ることができない。本発明が解決しようとする課題は、この点を改良し充分な粉砕効果を得ることのできる三次元ボールミルを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、次項以下に示す構成を備えている。なお、いずれかの請求項記載の発明を説明するに当たって行う用語の定義等は、その記載順に関わらず可能な範囲において他の請求項記載の発明にも適用があるものとする。

（請求項１記載の発明の特徴）
請求項１記載の発明に係る三次元ボールミル（以下、適宜「請求項１のミル」という）は、第１の軸芯を中心とする第１軸と、前記第１の軸芯の回りを回転するように前記第１軸に取り付けられた第１回転体と、前記第１回転体に取り付けられ前記第１軸芯の方向とは異なる方向に延びる第２の軸芯を中心とする第２軸と、前記第１の軸芯の回りを回転するように前記第２軸に取り付けられた第２回転体と、前記第２回転体と一体回転する、内壁面が囲む空間がほぼ球形のミルポットと、前記第１回転体および前記第２回転体を回転させる駆動装置と、を含めて構成してある。ここで前記駆動装置は、前記第１回転体を回転させる駆動源と、前記第１回転体の回転力を伝達することによって前記第２回転体を前記第２軸芯の回りで回転させる駆動力伝達装置と、を備えている。さらに、前記第１軸は水平軸であって、前記駆動源は、前記ミルポット内で遠心力を受けた被粉砕物が重力に逆らいながら前記内壁面に沿って上昇する速度で前記ミルポットを前記第１の軸心回りを回転するように構成してある。なお、第１回転軸と第２回転軸とは直交させるのが一般的であるが、これにこだわるものではない。

請求項１のミルによれば、第１軸の中心である第1軸芯の回りを第１回転体が回転する。第１回転体に取り付けられた第２軸の中心である第２軸芯の回りを第２回転体が回転する。これらの回転の駆動源は駆動装置である。駆動源は第１回転体を回転させ、この第１回転体の回転は駆動力伝達装置を介して第２回転体を回転させる。すなわち、上記構成によれば1個の駆動源でミル全体を駆動することができる。駆動源が1個であれば、複雑な制御も必要ない。ここで第２回転体と一体回転するミルポットに着目すると、ミルポットも第２軸芯の回りを回転しながら第１軸芯の回りを回転する。すなわち、三次元回転する。三次元回転により、ミルポット収容物が二次元回転に比べ複雑な運動を繰り返すのでより効率のよい撹拌粉砕（破砕）が実現する。その上、水平軸である第１の軸心回りを回転するミルポット内の被粉砕物は、内壁面が囲む空間がほぼ球面であることから、遠心力を受けた被粉砕物は重力に逆らいながら内壁面に沿って上昇するが、その上昇を円滑にすることによって内壁面を満遍なく有効活用することができる。その結果、粉砕効率を高めることができる。

（請求項２記載の発明の特徴）
請求項２記載の発明に係るボールミル（以下、適宜「請求項２のミル」という）は、請求項１のミルの構成を前提に、次のように構成してある。つまり、前記ミルポットの内壁面の一部は、前記内壁面の曲率よりも小さな曲率の曲面もしくは平面に形成してある。

請求項２のミルによれば、請求項１のミルの作用効果に加え、内壁面の一部に係る曲面もしくは平面によって被粉砕物が同曲面もしくは平面から離れる方向に蹴り放たれ、その結果、被粉砕物の運動方向に変化を生じさせる。運動方向の変化により、変化のない場合に比べ被粉砕物の粉砕効果をよりよくすることができる。

（請求項３記載の発明の特徴）
請求項３記載の発明に係るボールミル（以下、適宜「請求項３のミル」という）は、請求項１または２のミルの構成を前提に、次のように構成してある。つまり、前記ミルポットは、被粉砕物を収容するインナーポットと、前記インナーポットを保護包囲するアウターポットを含めて構成してある。インナーポットとアウターポットは、互いに違う素材で構成してもよいし、同じ素材で構成してもよい。

請求項３のミルによれば、請求項１または２のミルの作用効果に加え、アウターポットの保護包囲によりインナーポット、ひいては、ミルポット全体の安全性をより高めることができる。そもそもミルポット自体が破損することは考えられない事態ではあるが、念には念を入れた安全対策である。さらに、インナーポット自体を外力から保護する意味もある。

（請求項４記載の発明の特徴）
請求項４記載の発明に係るボールミル（以下、適宜「請求項４のミル」という）は、請求項３のミルの構成を前提に、前記インナーポットはジルコニアにより構成してある。

請求項４のミルによれば、請求項３のミルの作用効果に加え、インナーポットはジルコニアを用いることにより、コンタミネーションを防ぐことができる。

（請求項５記載の発明の特徴）
請求項５記載の発明に係るボールミル（以下、適宜「請求項５のミル」という）は、請求項１ないし４いずれかのミルの構成を前提に、前記駆動力伝達装置は、前記第１軸に回転不能に同軸固定された主動円板と、前記第２軸に回転不能に同軸固定された従動円板と、を具備し、前記第２軸は、その軸芯が前記第１軸の軸芯と直交するように配され、前記主動円板周縁が前記従動円板の板面に圧接する（押し付ける）よう構成されてなる。

請求項５のミルによれば、請求項１ないし４いずれかのミルの作用効果に加え、駆動力伝達装置の作用効果が次のようになる。すなわち、主動円板が第１軸と一体回転する。一体回転による主動円板の回転はその円板周縁が圧接された従動円板の板面に伝達され、これによって従動円板が回転する。従動円板の回転は第２軸を回転させ、第２軸の回転により第２回転体（ミルポット）を回転させる。第２回転軸用の駆動原を第１回転軸用の駆動装置とは別に設けることを妨げる趣旨ではないが、上述した主動従動の関係を形成することにより、単一の駆動装置によって三次元回転を実現することができるので、構造的にたいへんシンプルなものとすることができる。

（請求項６記載の発明の特徴）
請求項６記載の発明に係るボールミル（以下、適宜「請求項６のミル」という）は、請求項５の構成を前提に、次のように構成してある。つまり、前記主動円板と前記従動円板との圧接は、前記主動円板周縁もしくは前記従動円板板面のいずれか、または、前記主動円板周縁と前記従動円板板面の両者に設けられた弾性体（エラストマー材）を介して行うように構成してある。

請求項６のミルによれば、請求項５のミルの作用効果に加え、次の作用効果を生じる。つまり、主動円板周縁の従動円板板面に対する圧接が弾性体を介して行われる場合は行われない場合に比べ、弾性体の弾性変形によって圧接力と摩擦力が増加し、これにより駆動力伝達のロスが少なくなる。つまり、効率よく伝達されるようになる。弾性体は、主動円板周縁だけ、もしくは従動円板板面だけのいずれに設けてもよいし、両者に設けてもよいが、その形状や材質等は駆動力伝達に都合よいものを選択すべきことは言うまでもない。

本発明によれば、二次元回転する円筒状のミルポットに比べ、粉砕効果をよりよくすることができる。

本発明の第１実施形態になるボールミルの概略正面図である。 図１に示すボールミルの右側面図である。 図１に示すボールミルの右側面図である。 図１に示すボールミルにおいて、第１回転体、第２回転体およびミルポットを取り出して示す正面図である。 主動円板および従動円板の関係を示す図である。 図１に示すボールミルに駆動装置の変形例を用いた正面図である。 ミルポットの変形例を示す図である。

図１および３を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下、適宜「本実施形態」という）について説明する。

（ボールミルの概略構造）
図１ないし３を参照しながら説明する。本実施形態に係るボールミル１は、床面上に設置される直方体形状のベース部５１と、ベース部５１上で起立する２本の支持柱５３，５５と、支持柱５３，５５の頂部を連結する渡し板５７によって外観が形成されている。さらにボールミル１は、第１軸３と、第２軸９と、第１回転体５と、第１回転体５の内側に設けられた第２回転体１１と、駆動装置７（例えば、電動モータ）を主要部品として具備する。ここで、図２ではベース５１および支持柱５５を実線で表し、図３では内部構造を示すためにこれらを二点鎖線で示す。

（軸の構造）
参照図面は、図１ないし３である。本実施形態の第１軸３は、第１の軸芯３Ｌを中心とし水平方向に延びている。第１軸３は、支持柱５３に固定された固定軸３ａと支持柱５５に回転可能に固定された回転軸３ｂとにより構成してある。本明細書では、軸全体を示す場合は第１軸３と表し、軸を個別に示す場合は固定軸３ａもしくは回転軸３ｂと記すことにする（第２軸９でも同じ）。一方、本実施形態の第２軸９は、第２の軸芯９Ｌを中心とし垂直方向に延びている。第２軸９は、一対の回転軸９ａ、回転軸９ｂにより構成してある。回転軸９ａ，９ｂは、後述するようにいずれも回転自在となるように第１回転体５に固定してある。なお、本実施形態の第１軸３と第２軸９は、互いに直交させてあるが、これを異なる角度に交差させることを妨げない。

（回転体の構造）
図１ないし４に示すように第１回転体５は、矩形の枠体であって、第１軸３（固定軸３ａ、回転軸３ｂ）に取り付けられ、第１軸３の軸芯３Ｌの回りを回転するように構成してある。第１軸３の取付位置は、第１回転体５の縦方向ほぼ中央である。矩形を選択したのは、後述する駆動力伝達装置２１との関係から都合よいのでそうしたに過ぎない。たとえば、円形その他の形状を選択することなんら問題はない。第１回転体５は、その一方が軸受５ａを介して固定軸３ａに対して回転可能に支持されている。第１回転体５の他方は一体回転するように回転軸３ｂの一端側に固定してある。回転軸３ｂは軸受５ｂを介して支持柱５５に対して回転可能に支持されており、その他端は支持柱５５の外側に突き出している。以上により、第１回転体５を第１軸３の軸芯３Ｌの回りで回転させることができる。ここで、図４は図１記載のベース５１、支持柱５３および５５、渡し板５７等を省略し、第１回転体、第２回転体およびミルポットを取り出して示す。

第１回転体５の横方向ほぼ中央には軸受１１ａおよび軸受１１ｂを設けてある。軸受１１ａおよび軸受１１ｂを介して回転自在となるように回転軸９ａ、回転軸９ｂが第１回転体５に支持されている。回転軸９ａ、回転軸９ｂは、第１回転体５の内側に向かって突き出ており、その突き出たそれぞれの突出端を第２回転体１１に回転不能に固定してある。以上により、第２回転体１１を第２軸９の軸芯９Ｌの回りで第１回転体に対して回転させることができる。

支持柱５５から突き出した回転軸３ｂの他端は、モータ（駆動装置）７の軸との間にベルト８がかけられ、モータ７の回転力によって回転軸３ｂおよび第１回転体５が軸芯３Ｌの回りで回転するようになっている。

第２回転体１１は、第１回転体５によって仕切られた空間の中で回転できる大きさの矩形の枠体１１ｃを基本構造とする。第２回転体１１は、さらに、枠体１１ｃの両面を挟み取り外しし易いようにネジ固定された２枚の支持板１１ｄ，１１ｄと、を備えている。各支持板１１ｄ、１１ｄには、その中心に円形の支持孔１１ｈ，１１ｈを貫通形成してある。支持孔１１ｈは、支持されるミルポット３１の直径よりも小さく形成され、その周縁にはゴム製のリングパッキン１１ｐ，１１ｐをはめ込んである。第２回転体１１は、前述したように、回転軸９ａと回転軸９ｂによって回転自在となるように第１回転体５に支持されている。第２回転体１１の駆動源については後述する。

（ミルポットの形状）
図１ないし４が示すようにミルポット３１は外観ほぼ球形に形成してある。具体的にはステンレス製のフランジ３１ｂ、３１ｂ付きの半球体３１ａ，３１ａのフランジ３１ｂ，３１ｂを重ね合わせてミルポット３１の形を作る（図３および４参照）。粉砕用ボールと被粉砕物は、この重ね合わせの前にミルポット３１の中に入れておく。ミルポット３１は、その外観と同じくその内壁面も、内壁面が囲む空間もほぼ球形となる。球形以外の形状を妨げる趣旨ではないが、球形にすることにより他の形状に比べ回転に伴う被粉砕物の壁面に沿った駆け上がりの効率がよい。効率よく駆け上がるから、被粉砕物の粉砕を効率よく行うことができる。この駆け上がり効果に加え蹴り揚げ効果を生じさせるために本実施形態のミルポット３１は、内壁面の一部を内壁面曲率よりも小さな曲率の平面（平面部３ｆ）に形成してある。すなわち、一部を平らにしてある。平面の部分の回転により被粉砕物が蹴りあげられ、さらに粉砕効率を高めることができる。

（ミルポットの取り付け）
図１、３および４が示すように球形のミルポット３１は、支持板１１ｄ，１１ｄに挟まれ固定されるようになっている。すなわち、一方の支持板１１ｄを枠体１１ｃに取り付けた状態で、その支持板１１ｄの支持孔１１ｈにミルポット３１を入れる。このとき、フランジ３１ｂ，３１ｂは、支持板１１ｄ，１１ｄの間に入るように入れる。そのようにして入れると、リングパッキン１１ｐがミルポット３１に当接して片支持される。その状態を保持しながら他方の支持板１１ｄを枠体１１ｃに取り付けようとすると他方の支持孔１１ｈからミルポット３１の一部がはみ出して他方のリングパッキン１１ｐに当接支持される。ここで、他方の支持板１１ｄを枠体１１ｃにネジ固定すれば、ミルポット３１を回転体１１に取り付けることができる。

（駆動力伝達装置の構造）
第２回転体１１の駆動源となる駆動力伝達装置２１は、例えば下記のような構造を備えている。まず第１例として挙げられる駆動力伝達装置２１は、第１軸３（水平軸）と一体回転するように回転不能に同軸固定された主動円板２３をまず具備する。さらに、第２軸９（垂直軸）に回転不能かつ第２の軸芯に対して垂直に取り付けられた従動円板２５を具備している。第２軸９は、その軸芯（第２軸芯）が第１軸３の第１軸芯と直交するように配され、主動円板２３周縁２４が従動円板２５の板面２６に圧接するよう構成されている。これにより、駆動装置７によって第１軸３の回り（第１軸３の軸芯の回り）を回転する第１回転体５の回転力が第２回転体１１に伝達され第２軸９（垂直軸）の回り（第２軸９の軸芯の回り）を回転するようになる。

なお、本実施形態では、主動円板２３の周縁２４には弾性体２７を設けてある。この弾性体２７は、その弾性変形によって従動円板２５の板面２６に対する圧接力と摩擦力を増加させ、これにより駆動力伝達のロスを少なくするためのものである。周縁２４とともに板面２６にも弾性体（図示を省略）を設けてもよいし、周縁２４には設けず板面２６にだけ弾性体（図示を省略）を設けてもよい。もっとも、弾性体２７は必須ではなく必要ないと判断するのであれば、これを省略して周縁２４を板面２６に直接圧接するように構成した。

（補助円板）
図１において、二点鎖線で補助円板２９を示す。補助円板２９は、第１回転体５に固定した固定軸３０に対して回転自在に取り付けた小円板である。補助円板は、主動円板２３とほぼ平行に、かつ、第２軸９を間に挟んで主動円板２３と反対側の位置に配してある。第２回転体１１における片側端においてのみ主動円板２３が当接していると（補助円板２９がないとすると）、第２回転体１１（従動円板２５）のバランスが崩れ円滑な回転ができなくなる恐れも有る。これを未然防止し主動円板２３から第２回転体１１に対して加わる力とのバランスを取って円滑回転を確保するために、第２回転体１１に圧接し、転がり接触する補助円板２９を設けた。しかし、これを不要と考えるのであれば、補助円板２９を省略することができる。

（本実施形態の作用効果）
図１ないし５を参照しながら、本実施形態の作用効果を説明する。モータ７の回転は、ベルト８を介して回転軸３ｂを回転させる。回転軸３ｂの回転は、それと一体の第１回転体５を回転させる。このとき第１回転体５は、固定軸３ａに対しても回転している。これで、第１回転体５が第１軸芯３Ｌの回りを回転する。固定軸３ａに同軸固定された主動円板２３は、第１回転体５が回転しても回転しない（図５（１）〜（４））。従動円板２５は第２軸９と同軸一体回転し、第２軸９は第１回転体５に対して回転するようになっている。これに加え従動円板２５は第１回転体５と一緒に第１軸芯３Ｌの回りを回転する。

ここで、図５に示すように従動円板２５が第１軸芯３Ｌの回りを回転（この回転を「公転」という）すると、その板面２６はそれが圧接している主動円板２３の周縁２４（弾性体２７）と転がり接触して第２軸芯９Ｌの回りを回転（この回転を「自転」という）する。つまり、主動円板２３と従動円板２５のそれぞれに目印のために付けた黒点の位置を見れば分かるように、主動円板２３の黒点の位置は変化しないが自転しながら公転する従動円板２５の黒点の位置が変化する。したがって従動円板２５と一体の第２回転体１１（ミルポット３１）も、自転しながら公転する。

（ミルポットの変形例）
図７を参照しながら、ミルポットの変形例について説明する。ミルポット６０は、被粉砕物を収容するインナーポット６１と、インナーポット６１を保護包囲するアウターポット７１を含めて構成してある。インナーポット６１は筒状で上部開口の筒状のポット本体６３と上部開口を塞ぐ蓋体６５とから構成され、前者のフランジ部６３ｆと後者のフランジ部６５ｆとを重ね合わせた後ネジ固定して密封するようになっている。インナーポット６１の材質は物理的・化学的に使用可能なものであれば何でもよいが、本実施形態ではジルコニアである。ジルコニアを採用した理由はコンタミネーションを防ぐために好都合だからである。

アウターポット７１は筒状で上部開口の筒状のポット本体７３と上部開口を塞ぐ蓋体７５とから構成され、前者のフランジ部７３ｆと後者のフランジ部７５ｆとを重ね合わせた後ネジ固定して密封するようになっている。アウターポット７１の材質は物理的・化学的に使用可能なものであれば何でもよいが、本実施形態ではステンレスである。ステンレスを採用した理由はインナーポット６１を保護するために好適だからである。

ミルポット６０を二重構造にした理由は、アウターポット７１の保護包囲によりインナーポット６１、ひいては、ミルポット全体の安全性をより高めるためである。そもそもミルポット自体が破損することは考えられない事態ではあるが、念には念を入れた安全対策である。さらに、インナーポット自体を外力から保護する意味もある。

１ ボールミル
３ 第１軸
３ａ 固定軸
３ｂ 回転軸
３ｆ 平面部
３Ｌ 軸心
５ 第１回転体
５ａ，５ｂ 軸受
７ 駆動装置
８ ベルト
９ 第２軸
９Ｌ 軸心
９ａ，９ｂ 回転軸
９Ｌ 軸心
１１ 第２回転体
１１ａ，１１ｂ 軸受
１１ｃ 枠体
１１ｄ 支持板
１１ｈ 支持孔
１１ｐ パッキン
２１ 駆動力伝達装置
２３ 主動円板
２４ 周縁
２５ 従動円板
２６ 板面
２７ 弾性体
２９ 補助円板
３１ ミルポット
３１ａ 半球体
３１ｂ フランジ
５１ ベース部
５３，５５ 支持柱
５６ 渡し板
６０ ミルポット
６１ インナーポット
７１ アウターポット

Claims (6)

1. 第１軸芯を中心とする第１軸と、
   前記第１の軸芯の回りを回転するように前記第１軸に取り付けられた第１回転体と、
   前記第１回転体に取り付けられ前記第１軸芯の方向とは異なる方向に延びる第２の軸芯を中心とする第２軸と、
   前記第１の軸芯の回りを回転するように前記第２軸に取り付けられた第２回転体と、
   前記第２回転体と一体回転する、内壁面が囲む空間がほぼ球形のミルポットと、
   前記第１回転体および前記第２回転体を回転させる駆動装置と、を含めて構成してあり、
   前記駆動装置は、前記第１回転体を回転させる駆動源と、前記第１回転体の回転力を伝達することによって前記第２回転体を前記第２軸芯の回りで回転させる駆動力伝達装置と、を備え、
   前記第１軸は水平軸であって、前記駆動源は、前記ミルポット内で遠心力を受けた被粉砕物が重力に逆らいながら前記内壁面に沿って上昇する速度で前記ミルポットを前記第１の軸心回りを回転するように構成してある
   ことを特徴とする三次元ボールミル。
2. 前記ミルポットの内壁面の一部は、前記内壁面の曲率よりも小さな曲率の曲面もしくは平面に形成してある
   ことを特徴とする請求項１記載の三次元ボールミル。
3. 前記ミルポットは、被粉砕物を収容するインナーポットと、前記インナーポットを保護包囲するアウターポットを含めて構成してある
   ことを特徴とする１または２記載の三次元ボールミル。
4. 前記インナーポットはジルコニアにより構成してある
   ことを特徴とする請求項３記載の三次元ボールミル。
5. 前記駆動力伝達装置は、
   前記第１軸に回転不能に同軸固定された主動円板と、
   前記第２軸に回転不能に同軸固定された従動円板と、を具備し、
   前記第２軸は、その軸芯が前記第１軸の軸芯と直交するように配され、
   前記主動円板周縁が前記従動円板の板面に圧接するよう構成されてなる
   ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載の三次元ボールミル。
6. 前記主動円板と前記従動円板との圧接は、前記主動円板周縁もしくは前記従動円板板面のいずれか、または、前記主動円板周縁と前記従動円板板面の両者に設けられた弾性体を介して行うように構成してある
   ことを特徴とする請求項５の三次元ボールミル。

Images