特開 2022-63167 容器、回転装置および微粒子作製方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022063167

(43)【公開日】2022-04-21

(54)【発明の名称】容器、回転装置および微粒子作製方法

(51)【国際特許分類】

   B02C 17/14 20060101AFI20220414BHJP

   B02C 17/24 20060101ALI20220414BHJP

【ＦＩ】

B02C17/14 Z

B02C17/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020171576

(22)【出願日】2020-10-09

(71)【出願人】

【識別番号】596096320

【氏名又は名称】株式会社ナガオシステム

(71)【出願人】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100154405

【弁理士】

【氏名又は名称】前島 大吾

(74)【代理人】

【識別番号】100079005

【弁理士】

【氏名又は名称】宇高 克己

(74)【代理人】

【識別番号】100201341

【弁理士】

【氏名又は名称】畠山 順一

(72)【発明者】

【氏名】中田 嘉信

(72)【発明者】

【氏名】力田 直樹

(72)【発明者】

【氏名】長尾 文喜

(72)【発明者】

【氏名】長尾 知春

【テーマコード（参考）】

4D063

【Ｆターム（参考）】

4D063FF06

4D063FF21

4D063FF35

4D063GA07

4D063GA10

4D063GB02

4D063GB05

4D063GC21

4D063GD02

4D063GD19

(57)【要約】

【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

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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4】

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5】

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6】

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7】

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。

【請求項8】

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。

【請求項9】

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。

【請求項10】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。

【0005】

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）。

【0006】

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。

【0007】

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）。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開２００２－３１６８９９号公報

【特許文献2】特開２０１２－１７６３３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【課題を解決するための手段】

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

ケイ素微粒子は、様々な用途において有用である。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【発明の効果】

【0036】

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。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】回転装置の一例（断面図）

【図2】回転装置の一例（斜視図）

【図3】回転装置の別例（斜視図）

【図4】回転装置の別例（斜視図）

【図5】楕円球形容器による効果

【図6】楕円球形容器による効果

【図7】長円球形容器

【図8】紡錘状球形容器

【図9】半卵状球形と半球形との組み合わせ

【図10】卵状容器

【図11】半楕円球形と半球形との組み合わせ

【図12】半紡錘状球形と半球形との組み合わせ

【図13】微粒子の粒度分布

【発明を実施するための形態】

【0038】

＜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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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）。

【0048】

＜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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

＜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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

＜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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

＜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。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

＜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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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。

【0081】

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／ｃｍ^３）やアルミナ（比重４．０ｇ／ｃｍ^３）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。

【0082】

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。

【0083】

＜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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

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／ｃｍ^３程度、アルミナ比重４．０ｇ／ｃｍ^３程度）。

【0096】

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。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

＜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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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。

【0107】

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。

【0108】

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。

【0109】

＜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。

【0110】

【表1】

表１は、実施例１、実施例２、実施例２－２、比較例１の試験条件である。回転数、粉砕時間、ボールサイズは共通とする。容器形状が異なるため、容器内容量が異なる。そのため、被粉砕物重量／容器内容量および被粉砕物重量／ボール重量が共通するように、被粉砕物重量およびボール個数（重量）を設定する。

【0111】

【表2】

表２は、実施例１、実施例２、実施例２－２、比較例１の試験結果である。粉砕効果を粒度分布と比表面積より評価する。

【0112】

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。

【0113】

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。

【0114】

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。

【0115】

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。

【0116】

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。

【0117】

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。

【0118】

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。

【0119】

＜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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【0123】

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。

【0124】

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。

【0125】

＜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。

【0126】

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。

【0127】

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。

【0128】

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。

【0129】

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。

【0130】

【表3】

表３は、参考例、比較例２－１、比較例２－２の試験条件である。回転数、ボールサイズは共通とする。被粉砕物重量／ボール重量が共通するように、被粉砕物重量およびボール個数（重量）を設定する。

【0131】

【表4】

表４は、参考例、比較例２－１、比較例２－２の試験結果である。粉砕効果を粒度分布と比表面積より評価する。

【0132】

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。

【0133】

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。

【0134】

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。

【0135】

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。

【0136】

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。

【0137】

＜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。

【0138】

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。

【0139】

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。

【符号の説明】

【0140】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】