JP6699235B2 - ボールペンチップ - Google Patents

Description

本発明は、筆記部材としてのボールと、このボールを回転自在に抱持するボールホルダーとから少なくともなり、ボールホルダーの材料として快削成分を含有する鋼材を用いたボールペンチップに関する。

従来、切削加工性を有するステンレス鋼材を使用したボールホルダーの快削成分として、イオウ（Ｓ）、マンガン（Ｍｎ）、セレン、リン、鉛、テルルなどを含有したもの（特許文献１）、また、ビスマス（Ｂｉ）を含有するフェライト系ステンレス鋼材を使用したもの（特許文献２）が知られている。

特開平７−２１４９７０号公報 特開２００５−２９７５５１号公報

しかしながら、上記文献に記載されたボールホルダー材質に使用される切削加工性を有するステンレス鋼材は、基材となるステンレス合金中に、上述の快削成分の粒子が点在するように分散された状態となっており、表面に露出する基材と快削成分とには硬度差があるため摩耗進度に差があり、ボールホルダー内をボールが回転する際に、ボールホルダーのボールと接触する表面に露出した快削性物質が、ボールの表面の凹凸によって削られ、ボールホルダーのボールと接触する表面には凹みが形成され、その凹みにボールの表面の凹凸が引っかかることにより、ボールの回転に対する抵抗が大きくなり筆記感が損なわれるという問題があった。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、筆記部材としてのボールと、このボールを回転自在に抱持するボールホルダーとから少なくともなるボールペンチップにおいて、前記ボールホルダーは快削成分を含有しており、前記ボールの算術平均粗さ（Ｒａ）が１．５ｎｍ≦Ｒａ≦１５ｎｍであり、当該ボールと当接する前記ボールホルダーのボール受け座面における粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．３０μｍ≦ＲＳｍ≦１．０μｍであるボールペンチップを要旨とする。

本発明は、ボールがボールホルダー内で回転し、ボールホルダーのボール受け座の表面（ボール受け座面）と接触する際、ボールの表面は算術平均粗さ（Ｒａ）が１．５ｎｍ≦Ｒａ≦１５ｎｍの範囲であり、表面の凹凸が小さくなるため、ボールの回転が良好となる。

そして、ボール受け座面の軟質で削られやすい快削成分は、ボール受け座面に凹部となって現れ、これより硬い基材は凸部となりボール受け座面の一定範囲内において、ランダムに粗さ曲線を抜き出した際に、座面に露出する快削成分の凹部の大きさが小さくなるということは、輪郭曲線要素の山とそれと隣り合う谷の内、快削成分の凹部に該当する谷のＸ軸の線分の長さが小さくなるため、ボール受け座面における粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が小さくなる。

ＲＳｍが０．３０μｍ≦ＲＳｍ≦１．０μｍの場合、ボール受け座面に露出する快削成分の凹部の小さく、かつ、ボールの表面のＲａが１．５ｎｍ≦Ｒａ≦１５ｎｍであり、ボールの表面の凹凸が小さいため、ボール受け座面の表面に露出する快削成分と基材との境界に接触する可能性が減り、ボールがボール受け座面に引っかかりにくくなり、ボールの回転を阻害しにくくなる。その結果、良好な筆記感が得られる。つまり、ボールのＲａに対してボール受け座面のＲｓｍを調整する事で筆記感の制御が可能となるものである。

尚、粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、粗さ曲線の基準長さにおける山とそれに隣り合う谷からなる曲線部分のＸ軸の線分の長さの平均となっており、表面の凹凸の長さが関係しており、正確には、粗さ曲線の基準長さにおける、輪郭曲線要素の長さの平均を表している（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３ 参照）。粗さ曲線とは、カットオフ値λｃの高域フィルタによって、断面曲線から長波長成分を遮断して得た輪郭曲線である（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３ 参照）。輪郭曲線要素とは、山とそれに隣り合う谷からなる曲線部分である（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３ 参照）。輪郭曲線要素の長さとは、輪郭曲線要素によって切り取られたＸ軸の線分の長さである（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３ 参照）。

本発明のボールペンチップの縦断面図 図１のＩ部拡大縦断面図 図２のＩＩ−ＩＩ’線断面矢視図

本実施例を図面を用いて説明する。

図１に本発明のボールペンチップの断面図を示す。

ボールペンチップは筆記部材としてのボール１と、これを回転自在に抱持するボールホルダー２とからなるものであり、ボールホルダー２に形成された貫通孔３がインキの通り道となり被筆記面にインキを付与するものである。

ボール１の材質としては、炭化タングステン、チタン、コバルト、クロム、ニッケル等を主成分とした超硬ボールや、炭化珪素、窒化珪素、窒化チタン、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスボール、ステンレスボール等の金属ボール、ルビーボール等を用いることが出来る。書き味やボール座の摩耗、経時安定性の観点からセラミックス製のボールを用いることが好ましい。

ボールホルダー２は、快削成分であるビスマス（Ｂｉ）を含有するステンレス鋼材である。

なお、本実施例においては、ステンレス鋼材を使用しているが、これに限らず、洋白や真鍮でもよい。また、前記ボールホルダー２に含有されている快削成分もビスマス（Ｂｉ）に限らず、鉛やテルル、イオウ（Ｓ）、マンガン（Ｍｎ）、セレン、リン等でも良い。

快削成分とは、ボールホルダーを微細精密加工するため、被削性を向上する目的で含有するせん断強度が小さい軟質金属である。

更にボールペンチップの詳細を図１のＩ部拡大断面図である図２、及び、図２のＩＩ−ＩＩ’線断面矢視図（ボール１は図示せず）である図３にて説明する。

貫通孔３の先端にはボール１が配置されているボール抱持室４が形成され、ボール抱持室４の先端開口部はボール１の直径よりも小径に形成されてボールの抜け止めとしている。また、ボール１の後方には後方移動規制をなす複数の内方突出部５が形成され、隣り合った内方突出部５の間には放射状溝６が形成され、中心部分には中心孔７が形成されている。

そして、各内方突出部５にはボール１の曲率や表面状態を転写したボール受け座８が形成されている。このボール受け座８はボール１を内方突出部５に設置した後にボール１に衝撃力を与えて形成したり、ボール状のほか部材や同様の曲率を有するピンを押し当てる方法もある。

そして、前記ボール受け座８の表面（ボール受け座面）の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）を規定するものであるが、このＲＳｍの値は、前述の粗さ曲線の基準長さにおける山とそれに隣り合う谷からなる曲線部分のＸ軸の線分の長さの平均となっており、表面の凹凸の長さが関係しており、正確には、粗さ曲線の基準長さにおける、輪郭曲線要素の長さの平均を表している（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３ 参照）。その値が小さい程凹み部分として露出している快削成分の露出幅が小さく均一に分散している事になる。

ボール受け座面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、ステンレス鋼材の製造方法によってその大きさを調整可能である。即ち、快削成分を含有するステンレス鋼材は、高周波誘導炉にて成分比率に配合した鋼塊を溶解、鍛造してインゴッドを作成し、得られたインゴッドを１０００〜１２００℃に加熱し、熱間鍛造により丸棒に加工し、さらに７００〜１０００℃℃で１〜５時間加熱した後、空冷する焼き鈍し処理を行い、得られる。必要な径もしくは硬度になるように丸棒を引抜き加工を行ってもよい。そして、このステンレス鋼材中に含まれる快削成分の粒子径の大きさは、ステンレス鋼材を製造する工程や、含有する快削成分の種類によって、小さくすることが出来る。

例えば、ステンレス鋼材を冷却して快削成分を析出させる工程の冷却速度を速くすることで、粒子が凝集しにくく、小さいまま結晶化するので快削成分の粒子を小さくできる。冷却速度を速くする方法としては、ステンレス鋼材を製造するスケールを小さくする方法や、冷却方法を空冷から衝風、水冷、油冷など変更する方法が挙げられる。

また、ステンレス鋼材に対して濡れ性が良く、ステンレス鋼材中への分散が良いため粒子径が小さくなりやすい快削成分を用いる等が挙げられる。

本発明のボールペンチップ及びボールペンについて、ボールの算術平均粗さ（Ｒａ）、ボール受け座面における粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）を変化させた実施例、及び本発明とは異なる比較例を作成し、効果の差について説明する。

筆記感の評価は、筆記試験機による６００ｍのらせん筆記した後の筆記抵抗値を確認した。なお、この筆記試験は、筆記試験サンプルを５本作製し、各筆記試験サンプルについて、上述の６００ｍのらせん筆記した後の筆記抵抗値を測定し、その平均値を算出した。そして、筆記抵抗値の測定方法は、筆記試験サンプルにて、静・動摩擦測定機（Ｔｒｉｂｏ−ｍａｓｔｅｒＴｙｐｅ ＴＬ２０１Ｓａ、（株）トリニティーラボ製）を用い、筆記荷重を１００ｇ、筆記角度7０°、筆記速度７ｃｍ／ｓｅｃで１５ｃｍ直線筆記させたときの筆記方向にかかる抵抗値を測定した。筆記最中の抵抗値（動摩擦）を比較評価する為には、動き出すときと停止直前のデータは安定したデータが得られにくいので除去した。その処理として、２秒間の測定の開始０．５秒から２．０秒までの間で得られた筆記抵抗値のデータから、平均筆記抵抗値を算出した。

筆記試験サンプルのボールの算術平均粗さ（Ｒａ）、ボール受け座面における粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）の条件と、そのサンプルの各評価結果を表１に示す。ボールの表面の算術平均粗さ（Ｒａ）の単位は（ｎｍ）である。ボールホルダーのボール受け座面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）の単位は（μｍ）である。筆記抵抗値の単位は（ｇｆ）である。

なお、ボールホルダーのボール受け座面の粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）は、（株）キーエンス社製共焦点レーザー顕微鏡ＶＫ−Ｘ２００の１５０倍レンズを用いて測定を行った。その際、評価長さボール径の５％、カットオフ値０．００２ｍｍで粗さ曲線を得ている。本実施例のＲＳｍは、ボール受け座面上の粗さ曲線をランダムに５０本測定し、その粗さ曲線から得られるＲＳｍの平均を使用している。

ボールの表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＩ−４００；（株）セイコーインスツルーメント製）を用いて、任意の２０μｍ×２０μｍの範囲を測定して算術平均粗さ（Ｒａ）を得た。

なお、算術平均粗さ（Ｒａ）とは、測定した粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値のことである（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３ 参照）。

作製したボールペンチップのボールの材質は、炭化タングステンを主成分とした超硬ボールを用いた。

また、ボールホルダーの材質は、ビスマス（Ｂｉ）を含有するステンレス鋼材を用いた。

筆記試験で使用したインキは以下の通りである。
（試験インキ）
ウォーターブラック２５６Ｌ（黒色染料、オリエント化学工業（株）製）４８．７重量部
ダイワＩＪイエロー３０６ｈ（黄色染料、ダイワ化成（株）製） １．８重量部
ＡＫＰ２０（酸化アルミニウム、住友化学工業（株）製） ０．０１重量部
グリセリン（試薬、関東化学（株）製） １１．５重量部
エチレングリコール（試薬、関東化学（株）製） ５．０重量部
ジエチレングリコール（試薬、関東化学（株）製） １０．０重量部
イオン交換水 １８．２重量部
ベンゾトリアゾール（防腐剤、オリエント化学（株）製） １．０重量部
ＣＷＫ（エチレンジアミン４酢酸のナトリウム塩混合物、金属イオン封鎖剤、オリエント
化学（株）製） ０．３重量部
プロクセルＧＸＬ（Ｓ）（防腐剤、アビシア（株）製） ０．２重量部
ケルザンＡＲ（キサンタンガム、三晶（株）製） ０．８重量部
サルコシネートＯＨ（オレオイルサルコシン、Ｎ−アシルアミノ酸、日光ケミカルズ（株）
製） １．５重量部
トリエタノールアミン（試薬、関東化学（株）製） １．０重量部
上記成分中、ケルザンＡＲと水とをラボミキサーにて３０分間攪拌して均一に溶解しケルザン水溶液を調整した。これに残りの各成分を加えて、更に２時間混合攪拌して黒色インキ組成物を得られる。

筆記感の評価としては、前述の測定方法により、初期筆記の筆記抵抗値、および、６００ｍのらせん筆記した後の筆記抵抗値（筆記後の筆記抵抗値）を測定し、その筆記後の筆記測定値が１７ｇｆ以下のものは筆記感が良好で「○」、１７ｇｆより大きいものは筆記感が悪く「×」としている。

また、前記初期筆記の筆記抵抗値から、前記筆記後の筆記抵抗値への変化量（筆記後の筆記抵抗値から初期筆記の筆記抵抗値を引いた値）が、２ｇｆ以下のものが筆記による筆記抵抗値の変化量が小さいと判断し「○」、２ｇｆより大きいものが筆記のよる筆記抵抗値の変化量が大きいと判断し「×」としている。

さらに、筆跡の評価として、前述の５本の筆記試験サンプルにより筆記された６００ｍのらせん筆記後の筆記線５本の内、カスレ、中抜け、ボテ、濃淡の変化等の筆跡異常が１本も発生していない場合は、良好な筆跡として「○」、カスレ、中抜け、ボテ、濃淡の変化等の筆跡異常が１本以上発生した場合は、筆跡異常のあるものとして「×」としている。

上記表１の結果から分かるように、本発明範囲の実施例１〜１０のボール及びボールホルダーの組合せは、比較例１〜３のボール及びボールホルダーの組合せに比べて、良好な筆記感と、筆記抵抗値の変化量が小さいものが得られることが判明した。

なお、ボールの表面の算術平均粗さＲａが１．５ｎｍ未満の場合、ボールの表面の凹凸はより小さくなるため、ボールの回転は良好となる。しかし、ボールの表面のＲａを１．５ｎｍ未満だと、ボールの凹凸が小さすぎることによりボール表面のインキに対する濡れ性が悪くなるため、筆跡のカスレや中抜けが発生したり、筆跡の濃淡が変化する。そのため、Ｒａは、１．５ｎｍ≦Ｒａ≦１５ｎｍがより好ましい。

ボールの表面の算術平均粗さＲａが１５ｎｍより大きい場合は、ボールの表面の凹凸が大きくなる。そのため、ボールの回転時にボールホルダーの座面を傷つけやすくなり、その結果、ボールの回転が悪くなってしまい、筆記感が悪くなってしまう。

また、ボールホルダーのボール受け座面の粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが０．３０μｍ未満の場合、ボールホルダーのボール受け座部の表面に露出する快削成分の露出幅が小さいので、ボールホルダーの快削成分は、ボールによって削り取られにくい。しかし、ボールホルダーの座面に露出する快削成分上のＲＳｍが０．３０μｍ未満だと、快削成分の粒子径が小さすぎることにより、切削加工のときに出てくる切粉が破断しにくくなり切粉が繋がって排出され、ドリルへの巻きつき等により切削加工性が悪くなる。そのため、ＲＳｍは、０．３０μｍ≦ＲＳｍ≦１．００μｍがより好ましい。ボールホルダーのボール受け座面の粗さ曲線要素の平均長さＲＳｍが１．００μｍより大きい場合は、ボールホルダーのボール受け座面に露出する快削成分の露出幅が大きくなるので、ボールホルダーの快削成分は、ボールによって削り取られやすくなってしまう。そのため、削られた快削成分の部分が凹となり、そこに、ボールの凹凸が引っかかりやすくなってしまう。その結果、ボールの回転が悪くなってしまい、筆記感が悪くなってしまう。

本発明は、ボールペンに使用できるものである。インキの種類や用途によってはインキ収容部内を加圧したり、直接または間接的に押圧することによって吐出支援をなすものであってもよい。インキが乾燥性の高い種類のものであれば乾燥防止のためにキャップを設けたり、ボールホルダーの開口部を弾性部材で覆うこともできる。

１ ボール
２ ボールホルダー
３ 貫通孔
４ ボール抱持室
５ 内方突出部
６ 放射状溝
７ 中心孔
８ ボール受け座

Claims (1)

1. 筆記部材としてのボールと、このボールを回転自在に抱持するボールホルダーとから少なくともなるボールペンチップにおいて、前記ボールホルダーは快削成分を含有しており、前記ボールの算術平均粗さ（Ｒａ）が１．５ｎｍ≦Ｒａ≦１５ｎｍであり、当該ボールと当接する前記ボールホルダーのボール受け座面における粗さ曲線要素の平均長さ（ＲＳｍ）が０．３０μｍ≦ＲＳｍ≦１．０μｍであるボールペンチップ
   

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