WO2010150600A1 - 三次元回転機構及びそれを備えたボールミル - Google Patents

Abstract

　三次元回転機構において、第１枠体（３）と、第１枠体（３）を第１回転軸の回りで回転させる第１枠体用駆動機構（７）と、第１枠体の枠内に配した第２枠体（９）と、第２枠体（９）を第１枠体（３）の回転に従動して第１回転軸と直交する第２回転軸の回りで回転させる第１従動機構（１３；１９，２０，２１，２３）と、第２枠体（９）の枠内に配した被回転体（１５）と、被回転体（１５）を第２枠体（９）の回転に従動して第３回転軸の回りで回転させる第２従動機構（１７；２９，３１，３３，３５）と、を含めて構成したものである。　当該構成により、被回転体（１５）に３軸回転による遠心力が作用するため、被回転体（１５）とその収容物が一体回転する、いわゆる供回りを抑制できる。

Description

三次元回転機構及びそれを備えたボールミル

　本発明は、三次元回転機構及びそれを備えたボールミルに関する。

　三次元回転機構を備えた装置として、特許文献１に記載されたクリノスタット装置がある。このクリノスタット装置が備える三次元回転機構（以下、「従来の回転機構」という）は、第１枠体と、当該第１枠体を第１回転軸の回りで回転させる第１枠体用駆動機構と、当該第１枠体の枠内に配した第２枠体と、当該第２枠体を、当該第１枠体の回転に従動して、当該第１回転軸と直交する第２回転軸の回りで回転させる第１従動機構と、によって構成されている。すなわち、従来の回転機構は、第１の回転軸と第２の回転軸の２軸回転するように構成されている。上記以外のクリノスタット装置も、同じく２軸回転するように構成されている（特許文献２，３参照）。

特開２００８－２７３２７６号公報 特開２００３－７０４５８号公報 特開平１１－２６４７１６号公報

　しかしながら、２軸回転の三次元回転機構では、特に、高速回転を必要とする場合に問題が生じる。発明者は、三次元回転機構を、ボールミルに応用して、次の実験を行った。すなわち、前掲の背景技術の欄で述べた第２枠体とミルポットを一体化させ、第１枠体の回転とともに第２枠体の回転によってミルポットが三次元回転するように構成した上で、ミルポットの中の様子を観察した。実験に使用したミルポットは、透明ポリエチレン製の球体容器で半径１２０ｍｍのものを用いた。球体ミルポットの中には、直径が２、３、５、８ｍｍの合成樹脂製ビーズ（ビーズ群）を混入した。ミルポットに対するビーズの占有比率は４０％前後とした。ビーズは多色とした。多色とすることによりミルポット内部のビーズの様子を見やすくするためである。

　上記ミルポットの回転数が徐々に上がるにつれて、底部に滞留していたビーズ群が回転の中で内壁に沿って徐々に上昇し、やがて落下することが繰り返されるようになった。回転数が１００ｒｐｍを超えたあたりから、ビーズ群の落下が鈍くなり（上昇した状態で留まる）、１５０ｒｐｍを過ぎると全く落下しなくなった。すなわち、ミルポット内壁にへばり付いて、ミルポットとともに回転してしまう状態が形成された。この状態は、ミルポット内壁とビーズ群とが供回り状態にあり、両者間の移動がないことを示す。これは、ミルポットの回転によってビーズ群に加わる遠心力が、重力と同じ若しくはそれを上回ったためである。供回り状態では、ビーズ群の落下や衝突が起きないので、効率よい粉砕は不可能である。遠心力は、回転軸からの距離に比例するから、容量を増やすためにミルポットの直径をより大きくすれば、被粉砕物（ビーズ群）が回転軸から遠のき、遠のいた分だけ遠心力が大きくなる。重力の大きさは変わらないから、直径を大きくしたなら、その分、回転数を落とさなければ供回り減少が生じてしまう。上記実験は、あくまでもボールミルを想定して行ったものではあるが、供回り現象の抑制は、三次元回転機構を応用する他の装置、たとえば、混練装置、脱泡装置、撹拌装置、等にとっても重要な課題である。この課題を解決すれば、三次元回転機構の応用範囲の大幅な拡大を図ることができる。すなわち、供回り問題を解消することにより、三次元回転機構の応用範囲を拡大することが、本発明が解決しようとする課題である。

　上記課題を解決するために発明者は、実験を行った結果、既存の２軸回転を前提とし、これに、もう１軸加えて３軸回転とすることにより、供回り現象を抑制することに成功した。その詳しい内容については、項を改めて説明する。なお、いずれかの請求項に係る発明を説明するに当って行う用語の定義等は、記載順は発明のカテゴリーの違い等に関わりなく、その性質上可能な範囲において他の請求項記載に発明にも適用されるものとする。

（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回転機構（以下、適宜「請求項１の回転機構」という）は、第１枠体（第１フレーム）と、当該第１フレームを第１回転軸の回りで回転させる第１フレーム用駆動機構と、当該第１フレームの枠内に配した第２枠体（第２フレーム）と、当該第２フレームを、当該第１フレームの回転に従動して、当該第１回転軸と直交する第２回転軸の回りで回転させる第１従動機構と、当該第２フレームの枠内に配した被回転体と、当該被回転体を、当該第２フレームの回転に従動して、第３回転軸の回りで回転させる第２従動機構と、を含めて構成してある。ここで、「回転軸」とは、回転の中心軸となる直線のことをいう（以下、同じ）。

　請求項１の回転機構によれば、第１フレーム用駆動機構の働きによって、第１回転軸の回りを第１フレームが回転する。回転方向は問わず、時計回り方向でもよいし反時計回り方向でもよい。第１フレームの回転は、第１従動機構を介して第２フレームを回転させる。第２フレームの回転は第２回転軸の回りで行われる。第２フレームの回転方向は問わない。第２フレームの回転は、被回転体を回転させる。被回転体の回転は、第３回転軸の回りで行われる。被回転体の回転方向は問わない。第１回転体と第２回転体の回転という２軸回転までは、従来の三次元回転機構のそれと変わりないが、それに、第３回転軸を加えた３軸回転となっているので、被回転体に加わる遠心力の総和が重力と釣り合いにくくなる。この結果、請求項１の回転機構の応用範囲を拡大することができる。

　請求項２記載の発明に係る三次元回転機構（以下、適宜「請求項２の回転機構」という）は、請求項１の回転機構の構成を前提とし、その好ましい態様として、次のように構成した。すなわち、前記第１従動機構が、前記第１フレームの枠内かつ前記第２フレームの枠外（すなわち、第１フレームと第２フレームの間）で前記第１フレームと同軸一体回転する第１固定軸と、当該第１固定軸の先端に当該第１固定軸に対して回転不能に同軸固定した第１固定原車と、前記第２フレームと同軸一体回転するように前記第２フレーム枠外に固定した第１回転従車と、を含めて構成してある。ここで、当該第１回転従車が、前記第２フレームの回転半径よりも大径に構成してあり、当該第１固定原車と当該第１回転従車とが、噛み合った歯車同士又は摩擦接触し合った摩擦車同士によって構成してあり、前記第１フレームの回転による当該第１固定原車の回転が、歯車伝達又は摩擦伝達によって当該第１回転従車を従動回転させるように構成してある。

　請求項２の回転機構によれば、請求項１の回転機構の作用効果に加え、次の作用効果を奏する。すなわち、まず、第１フレームの回転が、第１固定軸を介して第１固定原車を従動回転させる。第１固定原車は、歯車同士の噛み合わせ若しくは摩擦車同士の摩擦接触によって第１回転従車を従動回転させる。第１回転従車は第２フレームと同軸一体回転するように構成してあるので、この第１回転従車の回転によって第２フレームが回転する。このように第２フレームは、第１フレームに従動し、第１フレームは、第１フレーム用駆動機構によって駆動される。換言すれば、第２フレームを駆動するための駆動機構を設けなくても、第２フレームを回転させることができる。第２フレーム用駆動機構を設けたとしたら、それ自体を第２フレームとともに回転させ、かつ、同機構に電源を供給することも必要になるが、請求項２の回転機構によれば、そのような必要はない。つまり、第２フレームひいては装置全体のシンプル化かつ小型化をはかることができる。

（請求項３記載の発明の特徴）
　請求項３記載の発明に係るミルポット（以下、適宜「請求項３のミルポット」という）は、請求項１および２記載の三次元回転機構を備え、前記三次元回転機構の被回
転体が、内部にボールを有するミルポットを含めて構成してある。

　請求項３のミルポットによれば、請求項１および２の三次元回転機構を備えているため、被回転体であるミルポットに３軸回転による遠心力が働く。このため、高速回転させたときにミルポット内部に収納した被粉砕物がミルポット内壁と供回りすることが有効抑制され、これによって、効率的な粉砕が可能になる。

　本発明によれば、被回転体が回転するときにその収容物の供回り問題を解消することができる。これにより、低速はもとより高速回転が可能となるので、三次元回転機構の応用範囲を拡大することができる。

本実施形態に係る三次元回転機構の正面図である。 図１に示す三次元回転機構の平面図である。

　１　三次元回転機構
　２　ベース部
　３　第１フレーム
　５　第１回転軸
　７　第１フレーム用駆動機構（モータ）
　９　第２フレーム
１１　第２回転軸
１３　第１従動機構
１５　被回転体
１７　第２従動機構
１９　第１固定軸
２０　第１固定軸受け
２１　第１固定原車
２３　第１回転従車
２５　第２フレーム主軸受け機構
２７　第２フレーム副軸受け機構
２９　第２固定軸
３１　中空軸内軸受け
３３　第２固定原車
３５　第２回転従車
３７　中空軸
３９　第２フレーム従車軸受け
６１　モータ

（三次元回転機構の概略構造）
　図１及び２を参照しながら、本実施形態に係る三次元回転機構の概略構造について説明する。三次元回転機構１は、矩形の第１フレーム３と、第１フレーム３を第１回転軸（回転の中心軸となる直線）５の回りで回転させる第１フレーム用駆動機構７（モータ７）と、第１フレーム３の枠内に配した（すなわち、第１フレーム３よりも小型の）矩形の第２フレーム９と、第２フレーム９を、第１フレーム３の回転に従動して、当該第１回転軸５と直交する第２回転軸１１の回りで回転させる第１従動機構１３と、第２フレーム９の枠内に配した被回転体１５と、被回転体１５を、第２フレーム９の回転に従動して、第３回転軸（本実施形態では第１回転軸と一致）の回りで回転させる第２従動機構１７と、を含めて構成してある。第１フレーム３及び第２フレーム９の姿勢は、本実施形態では両者とも起立させてある（第１回転軸が水平）が、これに限る必要はなく、これを横にしたり斜めにしたりすることもできる。両者をモータ７の回転方向は時計方向、反時計方向のいずれでもよい。モータ７の回転方向を定めることにより、第１フレーム３の回転方向が定まり、さらに、これに従動する第２フレーム９の回転方向が定まる。本実施形態では、図１の右側から見て反時計回りに回転するように構成した。したがって、第１フレーム３も、時計回りに回転する。なお、符号２は、装置全体の基礎となるベース部を示す。

（第１従動機構の構造）
　引き続き図１及び２を参照しながら、説明を続ける。第１従動機構１３は、第１フレーム３の枠内で第１フレーム３と同軸一体回転する第１固定軸１９と、第１固定軸１９の先端に第１固定軸１９に対して回転不能に同軸固定した第１固定原車２１と、第２フレーム９と同軸一体回転するように第２フレーム９の枠外に固定した第１回転従車２３と、を含めて構成してある。ここで、図１に示す第１固定軸１９は、モータ６１により回転可能ではあるが、ここでは、モータ６１を回転させないことを前提としている。つまり、第１固定軸１９には、ブレーキ（図示を省略）を掛けてある。モータ６１を省略して第１固定軸１９を第１フレーム３に対して固定するように構成してもよい。第１回転従車２３は、第２フレーム９の回転半径よりも大径に構成してある。これにより、平面視したときに第２フレームよりも第１回転従車２３が放射方向に径が大きい分だけはみ出ることになる。第１固定原車２１と第１回転従車２３は、両者ともに摩擦車であり、第１固定原車２１の周端面と第１回転従車２３（の第２フレームからはみ出した部分）の上面周縁とが互いに垂直に接触するようになっている。ここで、第１フレーム３が回転するとこれと一体に第１固定原車２１が回転する。第１固定原車２１の回転は、これと摩擦接触する第１回転従車２３を従動回転させる。第１回転従車２３の回転は、それと一体の第２フレーム９を回転させる。この回転を自転とすれば、第２フレーム９は、自転しながら第１フレーム３とともに公転することになる。第１固定原車２１と第１回転従車２３は、上述したように互いに摩擦接触する摩擦車同士であるが、その代わりに互いに噛み合う歯車同士によって構成することもできる。以上の構成によれば、モータ７が第１フレーム３を回転させ、第１フレーム３の回転に伴う第１固定原車２１の回転が、摩擦伝達によって第１回転従車２３及びそれと一体の第２フレーム９を従動回転させる。

（第２従動機構の構造）
　図１及び２に示すように第２従動機構１７は、第２フレーム主軸受け機構２５と、第２フレーム副軸受け機構２７と、第２固定軸２９と、第２固定原車３３と、第２回転従車３５と、を含めて構成してある。第２フレーム主軸受け機構２５及び第２フレーム副軸受け機構２７は、協働によって、第２フレーム９を第１フレーム３に対して第２回転軸１１の回りで回転自在とするように構成してある。第２固定軸２９は、第２回転軸１１と同軸であって、第２固定軸２９の一端は第２フレーム９の枠内に突き出し、他端は第１フレーム３に回転不能に固定してある。第２フレーム主軸受け機構２５は、第１フレーム３と第２フレーム９のうちいずれか一方に対して回転不能に固定し他方に対して回転自在に固定（本実施形態では第２フレーム９に対して固定、第１フレーム３に対して回転自在、逆でもよい）した中空軸３７と、中空軸３７内を通過させた第２固定軸２９に対して回転自在とする中空軸内軸受け３１と、を含めて構成してある。第２フレーム９の枠内にある第２固定軸２９の一端には、第２固定原車３３を回転不能に同軸固定してある。第２固定軸２９は、第２固定原車３３の半径と垂直をなす。第２固定軸２９は第１フレーム３に対して回転しないので、第２固定原車３３も第１フレーム３に対して回転しない。

　第２回転従車３５は、第１回転軸５と同軸であって、第２フレーム９に対して第２フレーム従車軸受け３９を介して回転自在に固定かつ被回転体１５に対して回転不能に固定してある。すなわち、被回転体１５は、第２回転従車３５と一体回転するようになっている。第２固定原車３３と第２回転従車３５は、両者とも互いに垂直に摩擦接触する摩擦車によって構成してある。両者を、互いに噛み合う歯車同士によって構成してもよいことは、第１従動機構１３の場合と異ならない。上記構成において第２フレーム９の回転によって第２回転従車３５の周端面が第２固定原車３３の下面周縁を接触しながら周回し、その際に受ける摩擦伝達によって第２回転従車３５が従動回転するようになっている。第２回転従車３５が回転すれば、これと一体の被回転体１５も回転する。被回転体１５には、３軸回転による遠心力が作用するので、２軸回転に比べてこれらの遠心力が重力と同じかそれ以上になり難い。

　ここで、モータ６１に説明を戻す。モータ６１は、回転方向と回転速度を変えることのできる可逆可変モータである。先の説明ではモータ６１は回転しないことを前提としたが、その前提を解除してこれを回転させるようにすると次のようになる。モータ６１の回転方向を、第１固定原車２１が第２フレーム９と同方向に回転するように定めれば、第１従動機構１３とモータ６１の協働により第２フレーム９を回転させることになる。すなわち、図１の右から見たモータ７を反時計方向に回転させると、第１フレーム３とともに第１固定原車２１が右方向から見て同じく反時計方向に回転する。第１固定原車２１の反時計方向の回転は、第１回転従車２３を平面視時計方向に回転させる。ここで、モータ６１を、上記と同方向、すなわち、右から見た反時計方向に回転させれば、モータ７の回転方向に対して順方向の回転であるから、両者が協働関係を形成する。他方、モータ６１の回転方向を、第１固定原車２１が第２フレーム９と逆方向（右から見て時計方向）に回転するように定めると、上記逆方向（平面視反時計方向）に第２フレーム９を回転させることができる。第２フレーム９の（モータ７の回転方向に対する）逆方向回転が許容されるのは、第２フレーム主軸受け機構２５および第２フレーム副軸受け機構２７の働きにより第２フレーム９が第１フレーム３に対して回転可能（第２フレーム９の回転が第１フレーム３に影響を与えない）であり、かつ、第２回転従車３５が第２フレーム９に対して回転可能に構成してあるからである。なお、この場合の第１フレーム３は、モータ７により、原則どおり、図１の右から見て反時計方向に回転する。

（三次元回転機構の応用例）
　三次元回転機構１は、様々な用途に応用することができる。たとえば、３軸のクリノスタットがその典型例である。さらに、たとえば、これをボールミルに応用して上述した被回転体１５をボールを入れたミルポットにすれば、供回り現状が有効に抑えられるので高速回転が可能となり、それにより効率のよい粉砕を期待することができる。コンクリートミキサー車が搭載する混練装置、攪拌装置等にも好適に応用することができる。

Claims (3)

1. 　第１枠体と、
   　当該第１枠体を第１回転軸の回りで回転させる第１枠体用駆動機構と、
   　当該第１枠体の枠内に配した第２枠体と、
   　当該第２枠体を、当該第１枠体の回転に従動して、当該第１回転軸と直交する第２回転軸の回りで回転させる第１従動機構と、
   　当該第２枠体の枠内に配した被回転体と、
   　当該被回転体を、当該第２枠体の回転に従動して、第３回転軸の回りで回転させる第２従動機構と、
   　を含めて構成してある
   　ことを特徴とする三次元回転機構。
2. 　前記第１従動機構が、前記第１枠体の枠内かつ前記第２枠体の枠外で前記第１枠体と同軸一体回転する第１固定軸と、当該第１固定軸の先端に当該第１固定軸に対して回転不能に同軸固定した第１固定原車と、前記第２枠体と同軸一体回転するように前記第２枠体枠外に固定した第１回転従車と、を含めて構成してあり、
   　当該第１回転従車が、前記第２枠体の回転半径よりも大径に構成してあり、
   　当該第１固定原車と当該第１回転従車とが、噛み合った歯車同士又は摩擦接触し合った摩擦車同士によって構成してあり、
   　前記第１枠体の回転による当該第１固定原車の回転が、歯車伝達又は摩擦伝達によって当該第１回転従車を従動回転させるように構成してある
   　ことを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の三次元回転機構。
3. 　請求項１および２記載の三次元回転機構を備え、
   　前記三次元回転機構の被回転体が、内部にボールを有するミルポットを含めて構成してある
   　ことを特徴とするボールミル。

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